TWI522204B - 化學機械研磨系統及方法 - Google Patents

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TWI522204B TW101122931A TW101122931A TWI522204B TW I522204 B TWI522204 B TW I522204B TW 101122931 A TW101122931 A TW 101122931A TW 101122931 A TW101122931 A TW 101122931A TW I522204 B TWI522204 B TW I522204B
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Description

化學機械研磨系統及方法
本發明係有關於一種化學機械研磨系統及方法，特別係有關於一種可以監控溝槽深度和修整圓盤的化學機械研磨系統及方法。
過去四十年來，積體電路的密度係以習知的摩爾定律(Moore’s law)增加。簡單來說，摩爾定律說明積體電路(ICs)上的電晶體的數量約每隔18個月便會增加一倍。因此，只要半導體產業可繼續維持此簡單的”定律”，積體電路的速度和功率約每隔18個月便會增加一倍。大部分來說，這種積體電路的速度和功率的卓越增加迎來了資訊時代的曙光。
不像適用於人類活動的自然定律，摩爾定律只適用於改革者克服技術挑戰。近數十年來，改革者創造的優點之一為使用化學機械研磨(CMP)法平坦化用以建造積體電路的層，因而有助於在積體電路上提供具精確結構的元件。
為了限制平坦化製程的缺點，需要一種改良的平坦化製程。
有鑑於此，本發明揭露之一實施例係提供一種化學機械研磨(CMP)系統。上述CMP系統包括一研磨墊，具有一研磨表面，以及一晶圓載座，於研磨期間使一晶圓維持接近上述研磨表面。一馬達配件，於研磨期間沿著一研磨墊軸旋轉上述研磨墊，且同時沿著一晶圓軸旋轉上述晶圓。 一修整圓盤，具有一修整表面，其中於研磨期間，上述修整表面對上述研磨表面保證有磨擦力。一力矩量測元件，於研磨期間量測上述馬達配件施加的一力矩。一表面條件分析器，基於量測的上述力矩決定上述修整表面或上述研磨表面的一表面條件。
本發明揭露之另一實施例係提供用以研磨一晶圓的一種化學機械研磨(CMP)系統。上述CMP系統包括一平臺，係配置沿一平臺軸旋轉，以及一研磨墊，配置於上述平臺上方，且沿上述平臺軸旋轉，上述研磨墊具有一研磨表面，上述研磨表面中具有複數個溝槽。一深度量測元件，於研磨上述晶圓期間分別量測上述些溝槽的溝槽深度。一回饋路徑，基於分別量測的上述些溝槽深度即時調整一化學機械研磨參數。
本發明揭露之又另一實施例係提供一種化學機械研磨(CMP)方法。在上述方法中，設定用於平坦化一或多個晶圓的一組化學機械研磨製程參數。上述方法係於一化學機械研磨站的一研磨表面上提供一研磨液。上述方法係置放對上述研磨表面有磨擦力保證的一修整表面，以修整上述研磨表面。置放上述晶圓的一待研磨表面接近於修整後的上述研磨表面。然後，應用上述組化學機械研磨製程參數來研磨上述待研磨晶圓表面。於研磨上述晶圓期間，上述方法量測上述研磨表面或上述修整表面的一表面條件。
以下以各實施例詳細說明並伴隨著圖式說明之範例，做為本發明之參考依據。在圖式或說明書描述中，相似或 相同之部分皆使用相同之圖號。且在圖式中，實施例之形狀或是厚度可擴大，並以簡化或是方便標示。再者，圖式中各元件之部分將以分別描述說明之，值得注意的是，圖中未繪示或描述之元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式。
習知的化學機械研磨(CMP)技術缺乏即時(real-time)回饋，以適當地計算研磨墊及/或修整圓盤的表面條件的改變。舉例來說，相較於新的修整圓盤，一過度研磨的修整圓盤會使待平坦化的晶圓更慢地進行及/或使待平坦化的晶圓的較不均勻。因此，必須能夠監測研磨墊及/或修整圓盤的表面條件，使上述表面條件能在一最理想的時間改變，於最大化研磨墊/修整圓盤使用壽命、最大化晶圓產率及晶圓表面均勻度等條件之間達到良好的平衡。
第1圖為本發明實施例之一化學機械研磨(chemical mechanical polishing，以下簡稱CMP)系統100的方塊圖。CMP系統100可包括平臺102、研磨墊104、研磨液手臂106、晶圓載座108和修整圓盤110。在本發明一些實施例中，此CMP系統可加工直徑為450 nm的晶圓，然而，此CMP系統也可應用於其他晶圓尺寸。
在晶圓平坦化之前，研磨液手臂106於研磨墊104的研磨表面112上分配研磨液111，上述研磨液111包含有研磨作用的顆粒。然後，如第一角速度箭頭122所示，由化學機械研磨控制器116控制的馬達配件114沿一研磨墊軸120旋轉平臺102和研磨墊104(例如藉由平臺軸118)。當研磨墊104旋轉時，可利用掃瞄手臂124為中心且沿著 一晶圓軸142旋轉的修整圓盤110於研磨墊104上方來回移動，使修整圓盤110的修整表面126對研磨墊104的研磨表面112有磨擦力保證。在此配置之下，在研磨期間，修整圓盤110持續地刻劃或”弄亂(rough up)”研磨表面112，以助於保證一致且均勻的平坦化。如第二角速度箭頭132所示，馬達配件114也同時沿一晶圓軸128旋轉晶圓載座108內的晶圓(例如藉由晶圓載座軸130)。當雙重旋轉(如第一角速度箭頭122和第二角速度箭頭132所示的旋轉)發生時，晶圓會”壓”入研磨液111中，且利用晶圓載座108對研磨表面112施加一向下力。上述有研磨作用的研磨液111、雙重旋轉(如第一角速度箭頭122和第二角速度箭頭132所示的旋轉)和向下力係平坦化晶圓的較低表面，直到達到CMP操作的終點為止。
為了補救習知CMP系統的缺點，CMP系統100包括一表面條件分析器136，在研磨期間即時決定研磨墊104及/或修整圓盤110的表面條件。在本發明一些實施例中，一回饋路徑138，基於量測的表面條件於研磨期間提供CMP製程參數140的即時調整。依此方式，上述揭露的CMP技術係有助於一致和均勻的平坦化晶圓。並且，因為即時量測會限制CMP系統100的停工期(downtime)，所以可以連續加工晶圓，且可精確於研磨墊104和修整圓盤110用盡時替換研磨墊104和修整圓盤110，這些技術可明顯改善製程產率，且同時最大化研磨墊104和修整圓盤110的使用壽命。
為了量測研磨墊104的表面條件，研磨墊104包括位 於研磨表面112中的複數個溝槽(例如溝槽134a、134b)。當研磨墊104的磨損變得更多時，係削弱研磨表面112，因而降低溝槽的深度。依此方式，溝槽深度係對應於研磨墊104的(表面)條件。為了利用上述優點，例如一聲能變換器(acoustic transducer)的一深度量測元件142，於研磨晶圓期間即時量測各別溝槽的溝槽深度。深度量測元件142可配置在一掃瞄手臂(圖未顯示)上，於研磨表面112上方徑向掃瞄，以於研磨期間量測這些溝槽深度。表面條件分析器136可比較這些各別量測的溝槽深度和一預定溝槽深度起始值，且當研磨墊104到達其使用壽命的終點時，CMP控制器116可基於量測的溝槽深度通知一CMP操作者。
為了量測修整圓盤110的表面條件，CMP系統100包括一力矩量測元件144，於研磨期間量測馬達配件114施加的一力矩。然後，表面條件分析器136基於量測的力矩來決定修整表面126的表面條件。表面條件分析器136係利用量測的力矩正比於修整表面126和研磨表面112之間的磨擦力之事實來決定修整表面126的表面條件。因為利用修整表面的能力確定量測磨擦力的大小，以”弄亂(rough up)”研磨表面112，所以上述量測的力矩通常會對應至修整表面126的全部條件。舉例來說，假設研磨液成分、溫度、角速度等等都相同時。較高的量測力矩通常對應至較高的位於修整表面126和研磨表面112之間的磨擦力，其通常會對應至較少磨損(意即較新的)的修整表面126。相反地，較低的力矩通常對應較平滑(意即較舊的)的修整表面126。
在本發明一些實施例中，基於修整表面126的量測的 表面條件，CMP控制器116可於研磨期間做CMP製程參數的即時調整。舉例來說，當修整表面126的磨損變得更多時(意指較少的磨擦力和較少的量測力矩)，CMP控制器116可對修整圓盤110施加更多的向下力(及/或更多從平臺102的向上力)，使修整表面126和研磨表面112之間有更大的磨擦力保證。CMP控制器116也可利用晶圓載座108對晶圓施加更多的向下力、可增加平臺的角速度(第一角速度箭頭122)、可增加晶圓的角速度(第二角速度箭頭132)、可改變研磨液111的成分及/或增加研磨液111的溫度，以增加研磨速率來補償修整表面126的變化。也可對CMP製程參數140做其他改變。
另外，在本發明一些實施例中，表面條件分析器136可比較量測力矩和CMP製程參數140的一特定組的某個預定力矩起始值，上述預定力矩起始值係對應修整圓盤110認定”用盡”時的力矩。舉例來說，對於一特定的研磨液成分、溫度、角速度等；如果力矩下降少於某個預定力矩起始值(意指修整表面126過度磨損)，會認為修整圓盤110用盡。因此，CMP控制器116可通知一CMP操作者上述情形為更換修整圓盤110的時刻。
第2-3圖顯示如何量測研磨墊200的溝槽深度之更詳細圖式。第2圖的研磨墊200包括多個溝槽202a、202b，上述溝槽202a、202b具有凹陷於研磨表面206的較低表面204a、204b。雖然圖式僅顯示兩個溝槽，然而了解研磨墊200上會有從一個、數百個至數千個之任意數量的溝槽，依據研磨墊的相對尺寸和各別溝槽的寬度而定。例如一聲 能變換器的一深度量測元件208，於研磨晶圓期間即時量測各別溝槽的溝槽深度。深度量測元件208可配置在一掃瞄手臂(圖未顯示)上，於研磨晶圓期間在研磨墊200上方徑向掃瞄-如箭頭210所示。
在本發明實施例中的深度量測元件208可為一聲能變換器，上述聲能變換器係傳遞一聲音脈衝或聲波214，且之後量測基於上述聲音脈衝或聲波214的一反射聲音脈衝或聲波216。通常，當例如去離子水或研磨液的一液體212位於研磨墊200上時進行此量測，以助於限制傳遞聲音脈衝或聲波的衰減。為了量測溝槽深度，上述聲能變換器可分析傳遞聲音脈衝或聲波214和接收反射聲音脈衝或聲波216之間的時間；或可量測傳遞聲音脈衝或聲波214和接收反射聲音脈衝或聲波216之間的相位差。因此，為了量測第一研磨墊厚度t1，上述聲能變換器會基於傳遞和反射聲音脈衝或聲波之間的時間或相位差來量測第一距離d1。當聲能變換器持續掃瞄時，在其開始通過溝槽上方時會看到時間或相位差的改變。特別地，當聲能變換器持續掃瞄時，也會看到傳遞和反射聲音脈衝或聲波之間的較長時間延遲或相應的相位差改變，其意指一第二距離d2。藉由得到第一距離d1和第二距離d2之間的差值，聲能變換器可決定相應的溝槽深度。如果量測的溝槽深度少於某一預定溝槽深度起始值，可表示研磨墊用盡了。因此，在此實施例中，一CMP控制器可通知一CMP操作者將研磨墊200更換為一新的研磨墊。並且，在本發明一些實施例中，當研磨墊磨損時，研磨墊200的研磨能力會改變。因為這個 原因，當研磨墊200磨損時，即時監控溝槽深度允許CMP系統計算研磨墊200的研磨特性的改變量。舉例來說，當研磨墊磨損變得更多時(意指藉由減少溝槽深度)，CMP控制器116可利用晶圓載座108對晶圓施加更多的向下力、可增加平臺的角速度(第一角速度箭頭122)、可增加晶圓的角速度(第二角速度箭頭132)、可改變研磨液111的成分及/或增加研磨液111的溫度，以增加研磨速率，或可改變CMP製程參數140以補償研磨表面的改變。
第4圖為本發明另一實施例之一化學機械研磨(CMP)站400的剖面側視圖。CMP站400包括一平臺402、由支撐的研磨墊404，晶圓載座406用以抓住晶圓408，使其於研磨期間接近研磨墊404，以及具有修整表面424的修整圓盤422。晶圓載座406包括一環狀的定位環410，其中一貯藏器(pocket)412係儲藏晶圓408。晶圓載座406上包括複數個同中心的可變壓力元件(pressure elements，PE)414a-414c。接近於貯藏器412對上述可變壓力元件414對晶圓背側408a上的相應同中心區域上施加多個各自獨立的吸力或壓力。晶圓前側408b的相應同中心表面可稱為”待研磨(to-be-polished)”晶圓表面。
在一些CMP製程中，藉由可變壓力元件414對晶圓背側施加向上的吸力而將晶圓408留在貯藏器412內，舉起晶圓408並使晶圓408維持高於定位環410的下表面。然後，沿平臺軸418旋轉平臺402，上述平臺402係旋轉相應的研磨墊404。之後，於研磨墊404上施加有研磨作用的一研磨液420，而修整圓盤422會下降至研磨墊404上。 接著，一平臺馬達(圖未顯示)開始沿平臺軸418旋轉晶圓載座406。同時，晶圓載座406下降，定位環410對研磨墊404上加壓，且使晶圓408凹陷正好夠久使晶圓載座406到達研磨速度。當晶圓載座406到達晶圓研磨速度時，位於貯藏器412內的晶圓408面朝下地下降，以接觸研磨墊404的表面及/或有研磨作用的研磨液420，使晶圓408大體上對齊定位環410且被外部的定位環410限制。定位環410和晶圓408持續對研磨墊404旋轉，且上述研磨墊404沿平臺402旋轉。此種雙重旋轉，會逐漸平坦化晶圓408。在此平坦化製程期間，可以即時監控修整圓盤422及/或研磨墊404的表面條件，且可基於上述量測的表面條件調整CMP參數。
CMP之後，舉起晶圓載座406和晶圓408，且通常對研磨墊404施加一高壓離子水噴霧，以移除殘留的研磨液和其他來自研磨墊404的顆粒。其他的顆粒可包括晶圓殘留物、CMP研磨液、氧化物、有機污染物、可移動離子或金屬雜質。接著，對晶圓408進行一後CMP清潔製程(post-CMP clean process)。
第5圖為本發明實施例之一平坦化方法的流程圖。當本方法和本發明揭露的其他方法可顯示及/或說明一系列的技術或事件，可了解這些技術或事件的說明次序並非用以限制本發明。舉例來說，一些技術可以不同次序發生及/或與除了在說明書顯示及/或說明之上述技術或事件之外的其他技術或事件同時發生。另外，並非所有顯示的技術都需要應用於在說明書中的實施例。並且，可以一或多個 分離的技術及/或階段來進行說明書中描述的一或多個技術。
如第5圖所示，方法500開始於步驟502，設定一CMP系統的CMP製程參數。CMP製程參數可包括但非限制於：待研磨晶圓的一研磨時間、一研磨墊對一待研磨晶圓施加的一向下力、對一修整表面施加的一向下力、研磨墊或晶圓的一角速度、研磨液的成分或溫度。一晶圓通常包括多個電性連接和電性隔絕區，上述多個電性連接和電性隔絕區係使用交錯的導電層和絕緣層構成。
在步驟504中，上述方法對CMP系統的一研磨表面上提供一研磨液。
在步驟506中，上述方法置放對研磨表面有磨擦力保證的一修整表面，以修整上述研磨表面。上述修整表面通常具有大於研磨表面的硬度。舉例來說，在多個實施例中，上述修整表面可為一鑽石硬化表面(diamond encrusted surface)。
在步驟508中，上述方法置放該晶圓的一待研磨表面接近於修整後的上述研磨表面。
在步驟510中，上述方法應用上述CMP製程參數來研磨上述待研磨晶圓表面。
在步驟512中，於研磨上述晶圓期間，上述方法量測上述研磨表面及/或上述修整表面的一表面條件。
在步驟514中，上述方法於研磨上述晶圓期間，基於量測的上述表面條件調整一個或多個CMP製程參數。
因此，本發明一些實施例係有關於一種CMP系統。上 述CMP系統包括一研磨墊，具有一研磨表面，以及一晶圓載座，於研磨期間使一晶圓維持接近上述研磨表面。一馬達配件，於研磨期間沿著一研磨墊軸旋轉上述研磨墊，且同時沿著一晶圓軸旋轉上述晶圓。一修整圓盤，具有一修整表面，其中於研磨期間，上述修整表面對上述研磨表面保證有磨擦力。一力矩量測元件，於研磨期間量測上述馬達配件施加的一力矩。一表面條件分析器，基於量測的上述力矩決定上述修整表面或上述研磨表面的一表面條件。
本發明其他實施例係有關於用以研磨一晶圓的一種CMP系統。上述CMP系統包括一平臺，係配置沿一平臺軸旋轉，以及一研磨墊，配置於上述平臺上方，且沿上述平臺軸旋轉，上述研磨墊具有一研磨表面，上述研磨表面中具有複數個溝槽。一深度量測元件，於研磨上述晶圓期間分別量測上述些溝槽的溝槽深度。一回饋路徑，基於分別量測的上述些溝槽深度即時調整一化學機械研磨參數。
本發明另一實施例係有關於一種化學機械研磨(CMP)方法。在上述方法中，設定用於平坦化一或多個晶圓的一組化學機械研磨製程參數。上述方法係於一化學機械研磨站的一研磨表面上提供一研磨液。上述方法係置放對上述研磨表面有磨擦力保證的一修整表面，以修整上述研磨表面。置放上述晶圓的一待研磨表面接近於修整後的上述研磨表面。然後，應用上述組化學機械研磨製程參數來研磨上述待研磨晶圓表面。於研磨上述晶圓期間，上述方法量測上述研磨表面或上述修整表面的一表面條件。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定 本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。
100‧‧‧化學機械研磨系統
102、402‧‧‧平臺
104、200、404‧‧‧研磨墊
106‧‧‧研磨液手臂
108、406‧‧‧晶圓載座
110、422‧‧‧修整圓盤
111、420‧‧‧研磨液
112、206‧‧‧研磨表面
114‧‧‧馬達配件
116‧‧‧化學機械研磨控制器
118、418‧‧‧平臺軸
120‧‧‧研磨墊軸
122‧‧‧第一角速度箭頭
124‧‧‧掃瞄手臂
126、424‧‧‧修整表面
128‧‧‧晶圓軸
130‧‧‧晶圓載座軸
132‧‧‧第二角速度箭頭
134a、134b、202a、202b‧‧‧溝槽
136‧‧‧表面條件分析器
138‧‧‧回饋路徑
140‧‧‧化學機械研磨製程參數
142、208‧‧‧深度量測元件
144‧‧‧力矩量測元件
204a、204b‧‧‧較低表面
210‧‧‧箭頭
214‧‧‧聲音脈衝或聲波
216‧‧‧反射聲音脈衝或聲波
t1‧‧‧第一研磨墊厚度
d1‧‧‧第一距離
d2‧‧‧第二距離
400‧‧‧化學機械研磨站
408‧‧‧晶圓
408a‧‧‧晶圓背側
408b‧‧‧晶圓前側
410‧‧‧定位環
414a~414c‧‧‧可變壓力元件
500‧‧‧方法
502、504、506、508、510、512、514‧‧‧步驟
第1圖為本發明實施例之一化學機械研磨系統的方塊圖。
第2圖為本發明實施例之一化學機械研磨系統的上視圖，上述化學機械研磨系統具有一研磨墊，其包括一系列同中心圓溝槽，且一溝槽深度量測元件係於上述研磨墊上方來回移動。
第3圖為第2圖的化學機械研磨系統的剖面側視圖。
第4圖為本發明另一實施例之一化學機械研磨系統的方塊圖。
第5圖為本發明實施例之一平坦化方法的流程圖。
500‧‧‧方法
502、504、506、508、510、512、514‧‧‧步驟

Claims (7)

  1. 一種化學機械研磨系統，包括：一研磨墊，具有一研磨表面，該研磨墊包括複數個溝槽，從該研磨表面向下延伸至該研磨墊的一主體中；一晶圓載座，於研磨期間使一晶圓維持接近該研磨表面；一馬達配件，於研磨該晶圓期間沿著一研磨墊軸旋轉該研磨墊，且同時沿著一晶圓軸旋轉該晶圓；一修整圓盤，具有一修整表面，其中於研磨該晶圓期間，該修整表面對該研磨表面有磨擦力保證；一力矩量測元件，於研磨該晶圓期間量測該馬達配件施加的一力矩；一深度量測元件，於研磨該晶圓期間分別量測該些溝槽的溝槽深度；以及一表面條件分析器，基於比較量測的該力矩和一預定力矩起始值，來決定該修整表面的表面條件是否到達該修整圓盤的使用壽命，且基於比較量測的該些溝槽深度和一預定溝槽深度起始值，來決定該研磨表面的表面條件是否到達該研磨墊的使用壽命。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨系統，其中該馬達配件沿著該研磨墊軸以一第一角速度旋轉該研磨墊，且沿著一晶圓軸以一第二角速度旋轉該晶圓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨系統，更包括：一回饋路徑，基於表面條件分析器決定的該表面條件 調整該第一角速度或該第二角速度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨系統，更包括：一研磨液配料器，於該研磨表面上施加有研磨作用的一研磨液；以及一回饋路徑，基於該表面條件分析器決定的該表面條件調整一研磨液成分或一研磨液溫度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨系統，其中該晶圓載座包括複數個同中心且可變的向下力元件，使該研磨墊對同中心晶圓區域施加各別的向下力，該化學機械研磨系統更包括：一回饋路徑，基於該表面條件分析器決定的該表面條件調整各別的該些向下力。
  6. 一種化學機械研磨方法，包括下列步驟：設定用於平坦化一或多個晶圓的一組化學機械研磨製程參數；於一研磨墊的一研磨表面上提供一研磨液，其中該研磨墊包括複數個溝槽，從該研磨表面向下延伸至該研磨墊的一主體中；置放對該研磨墊的該研磨表面有磨擦力保證的一修整圓盤的一修整表面，以修整該研磨表面；置放該晶圓的一待研磨表面接近於修整後的該研磨表面；當該晶圓的該待研磨表面接近於修整後的該研磨表面時，應用該組化學機械研磨製程參數來研磨該待研磨晶圓 表面；以及於研磨該晶圓期間，藉由比較當該修整表面對該研磨表面保證有磨擦力時施加至該研磨表面的一力矩和一預定力矩起始值來決定該修整圓盤是否用盡，且藉由比較該些溝槽的溝槽深度和一預定溝槽深度起始值來決定該研磨墊是否用盡。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之化學機械研磨方法，更包括：於研磨該晶圓期間，基於施加的該力矩和該些溝槽深度調整該組化學機械研磨參數。
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