TWI638399B

TWI638399B - 半導體製造裝置及其研磨模組

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Publication number: TWI638399B
Application number: TW105128878A
Authority: TW
Inventors: 簡宏仲; 陳淑芳; 陳俊華; 謝弘璋; 林育賢
Original assignee: 台灣積體電路製造股份有限公司
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2018-10-11
Also published as: TW201812886A

Abstract

一種半導體製造裝置，用以檢測並研磨一晶圓之一背表面，該裝置包括一研磨模組以及一檢測系統。前述研磨模組用以研磨晶圓的背表面，檢測系統用以檢測晶圓的背表面。其中，前述檢測系統固定於研磨模組上並傳遞一訊號至研磨模組，研磨模組接收前述訊號並根據訊號研磨背表面。

Description

半導體製造裝置及其研磨模組

本發明實施例係有關於一種半導體製造裝置，特別係有關於一種檢測與研磨晶圓之背表面的半導體製造裝置。

隨著技術的日益進步下，半導體積體電路(semiconductor integrated circuit)產業經歷了指數級的成長，使得積體電路產業有更小與更複雜的電路。在其演進的過程中，隨著幾何尺寸(製造過程中可被生產的最小元件尺寸)有所減少，功能密度(每一個晶圓之單位面積上的互連元件的數量)已相大幅地增加。藉由尺寸下降，普遍提高了生產效率並降低相關成本，但也增加了積體電路處理和製造的複雜性。為了要實現相關技術的進步，在積體電路處理和製造上的發展是被需要的。例如，應用於半導體晶圓之研磨製程。然而，目前研磨系統和相關方法並非具效率，且可能產生額外的問題，例如汙染或損害晶圓。

本揭露之一實施例提供一種半導體製造裝置，用以檢測並研磨一晶圓之一背表面，該裝置包括一研磨模組以及一檢測系統。前述研磨模組用以研磨晶圓的背表面，檢測系統用以檢測晶圓的背表面。其中，前述檢測系統固定於研磨模組上並傳遞一訊號至研磨模組，且研磨模組接收訊號並根據訊號研磨背表面。

本揭露之一實施例提供一種研磨模組，用以研磨一晶圓之一背表面。前述研磨模組包括一外殼、一研磨本體、一環狀之凹槽、一流體通道以及一排出通道。前述研磨本體設置於外殼內並具有一研磨表面，用以研磨晶圓的背表面。凹槽形成於外殼與研磨本體之間，並環繞研磨本體。流體通道形成於研磨本體內。排出通道形成於外殼與研磨本體之間，並連接凹槽。當研磨本體研磨背表面時，一清洗液經由流體通道輸送至背表面或研磨表面，且清洗液依序經由凹槽與排出通道排出研磨模組。

本揭露之一實施例提供一種半導體製造裝置，用以檢測並研磨一晶圓之一背表面，前述半導體製造裝置包括一研磨模組以及一檢測系統。前述研磨模組用以研磨晶圓的背表面，檢測系統則用以檢測晶圓的背表面。其中，前述檢測系統固定於研磨模組上並傳遞一訊號至研磨模組，且研磨模組接收訊號並根據訊號研磨背表面。前述研磨模組包含一外殼、一研磨本體、一環狀之凹槽、一流體通道以及一排出通道。前述研磨本體設置於外殼內並具有一研磨表面，用以研磨晶圓的背表面。凹槽形成於外殼與研磨本體之間，並環繞研磨本體。流體通道形成於研磨本體內。排出通道形成於外殼與研磨本體之間，並連接凹槽。當研磨本體研磨背表面時，一清洗液經由流體通道輸送至背表面或研磨表面，且清洗液依序經由凹槽與排出通道排出研磨模組。

100‧‧‧半導體製造裝置

102、202‧‧‧基座

104、204‧‧‧晶圓

104A、204A‧‧‧前表面

104B、204B‧‧‧背表面

105、205‧‧‧中心軸

106、107、108‧‧‧第一、第二、第三區域

109、209‧‧‧邊緣

110‧‧‧檢測系統

111‧‧‧光源

112‧‧‧接收單元

112A‧‧‧光接收器

112B‧‧‧訊號處理器

120、220‧‧‧研磨模組

120H、220H‧‧‧外殼

121、221‧‧‧研磨本體

121C、221C‧‧‧中心軸

222‧‧‧研磨表面

222S‧‧‧外緣

224‧‧‧流體供應單元

226‧‧‧凹槽

226P‧‧‧頂部

226S‧‧‧內緣

228‧‧‧抽氣單元

A-A‧‧‧線段

BS‧‧‧光束分離器

CL‧‧‧聚光透鏡

CS‧‧‧準直系統

C1‧‧‧流體通道

C2‧‧‧排出通道

GM‧‧‧導引鏡

I、I’、I”‧‧‧光線

PL‧‧‧投影透鏡

T‧‧‧管體

根據以下的詳細說明並配合所附圖式做完整揭露。應注意的是，根據本產業的一般作業，圖式並未必按照比例繪製。事實上，可能任意地放大或縮小元件的尺寸，以做清楚的說明。

第1圖係表示根據一實施例之一半導體製造裝置用以檢測與研磨一基座上之一晶圓的示意圖；第2圖係表示第1圖中之檢測系統檢測晶圓的示意圖；第3圖係表示根據另一實施例之檢測系統檢測一晶圓的示意圖；第4圖係表示根據另一實施例之檢測系統檢測一晶圓的示意圖；第5圖係表示晶圓沿其徑向分成多個區域的示意圖；第6圖係表示根據另一實施例之一研磨模組用以研磨一基座上之一晶圓的示意圖；第7A圖係表示第6圖中之研磨模組的示意圖；第7B圖係表示沿著第7A圖中沿線段A-A的剖視圖；以及第7C圖係表示另一實施例之研磨模組的局部示意圖。

以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例以實施本案的不同特徵。以下的揭露內容敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以簡化說明。當然，這些特定的範例並非用以限定。例如，若是本揭露書敘述了一第一特徵形成於一第二特徵之上或上方，即表示其可能包含上述第一特徵與上述第二特徵是直接接觸的實施例，亦可能包含了有附加特徵形成於上述第一特徵與上述第二特徵之間，而使上述第一特徵與第二特徵可能未直接接觸的實施例。另外，以下揭露書不同範例可能重複使用相同的參考符號及/或標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定所討論的不同實施例及/或結構之間有特定的關係。

此外，其與空間相關用詞。例如「在…下方」、「下方」、「較低的」、「上方」、「較高的」及類似的用詞，係為了便於描述圖示中一個元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係。除了在圖式中繪示的方位外，這些空間相關用詞意欲包含使用中或操作中的裝置之不同方位。例如，若圖式中的裝置為倒過來，元件將以在其他元件下方或元件於其他元件的下方，或是特徵在其他元件或特徵的上方方位來做描述。因此用詞「下方」可包含上方和下方兩個方位。裝置可能被轉向不同方位(旋轉90度或其他方位)，則在此使用的空間相關詞也可依此相同解釋。

第1圖係表示一實施例之半導體製造裝置100用以檢測與研磨一晶圓104之示意圖，其中一基座102係可用於固定晶圓104，並可使晶圓104繞其中心軸105旋轉，且上述中心軸105係垂直於晶圓104並經過晶圓104的中心。於本實施例中，基座102係包含一夾持結構(clamping structure)，藉以固定住晶圓104的邊緣109，此外，基座102更可連接一旋轉機構與一馬達，其中馬達可透過旋轉機構帶動夾持機構與晶圓104一起旋轉。

在一些實施例中，晶圓104係為一矽晶圓(silicon wafer)。在一些實施例中，晶圓104可包含一元素半導體，例如鍺。在一些實施例中，晶圓104可包含一化合物半導體，例如矽鍺、碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦、和/或銻化銦；或者以上之組合。在其他實施例中，半導體材料薄膜可於矽晶圓上磊晶成長(epitaxially grown)。在一些實施例中，晶圓104可為其他材料的一基底。

由第1圖可看出，晶圓104具有一前表面104A和一與其相反的背表面104B。一或多個積體電路被形成或部分地形成於晶圓104的前表面104A上。因此，晶圓104的前表面104A包含一已圖案化材料層或一將被圖案化的材料層。舉例而言，前表面104A可包含多種隔離結構(例如淺溝槽隔離結構)、各種摻雜結構(例如摻雜阱、或摻雜源和摻雜汲結構)、各種裝置(例如晶體管)、各種導電特徵(例如接觸層、金屬線和/或互連結構的通孔)、封裝材料層(例如連接墊和/或鈍化層)，或它們的組合。

如第1圖所示，本實施例中之半導體製造裝置100主要包括一光學之檢測系統(Optical Inspection System)110與一研磨模組120，其中檢測系統110係用以檢測晶圓104，並可針對晶圓104之背表面104B的表面平整度進行檢測，研磨模組120則可根據檢測系統110所得到之背表面104B的平整度資訊而相對應地研磨晶圓104之背表面104B。特別地是，檢測系統110係與研磨模組120整合一起，如第1圖所示，研磨模組120包括研磨本體121與外殼120H，其中研磨本體121係設置於外殼 120H內，檢測系統110則設置於外殼120H上。前述研磨模組120可接收由檢測系統110所發出的一訊號，並根據此訊號來研磨背表面104B，其中，研磨模組120的研磨本體121可用來研磨背表面104B，且研磨本體121可藉由一馬達而被驅動，並相對於外殼120H及檢測系統110而繞其中心軸121C旋轉。

第2圖係表示前述檢測系統110檢測晶圓104之背表面104B的示意圖。前述檢測系統110主要包含一光源111與一檢測單元112，其中檢測單元112包含一光接受器112A以及一訊號處理器112B。於一實施例中，訊號處理器112B可具有影像處理和訊號輸出之功能，以利於將光學的檢測結果轉換為電訊號並輸出至檢測單元112。

在利用檢測系統110進行檢測時，光源111會發出一光線I至晶圓104的背表面104B，隨後背表面104B反射光線I至檢測單元112的光接收器112A；接著，訊號處理器112B會對光接收器112A所接收到的影像或資料進行處理，例如，事先將一平坦表面之晶圓的預設影像資料儲存於訊號處理器112B中，使得訊號處理器112B可根據目前檢測到之晶圓104背表面104B的平整度資料與前述預設資料比較，並進行演算與分析，以產生一訊號至研磨模組120，最後研磨模組120再根據此訊號來研磨背表面104B之一特定區域。

在另一實施例中，如第3圖所示，前述檢測系統110更可包含一導引鏡(guiding mirror)GM、一投影透鏡(projection lens)PL與一聚光透鏡(collection lens)CL。透過控制前述導引鏡GM與投影透鏡PL之角度或位置，可使光線I 有效地照射至晶圓104之背表面104B上的不同位置；而前述聚光透鏡CL係設置於晶圓104與接收單元112之間，由於聚光透鏡CL具有聚光的特性，故能夠有效聚集因光線I照射至凹凸不平的背表面104B而導致發散的光線I，並讓光線I可在穿過聚光透鏡CL之後順利地進入至檢測單元112，以獲取更正確的影像資料。

於另一實施例中，如第4圖所示，前述檢測系統110更可包含一光束分離器(beam splitter)BS與一準直系統(collimation system)CS。前述光束分離器BS可先將光線I分成兩個不同路徑之光線I’與I”，其中光線I’的路徑係經過前述準直系統CS後直接進入接收單元112之光接收器112A；而光線I”則會射向待檢測之背表面104B，其路徑與前述第3圖中之光線I路徑相同，亦即依序經過導引鏡GM、穿過投影透鏡PL而照射至背表面104B，接著被背表面104B反射並穿過聚光透鏡CL至接收單元112的光接收器112A。接收到兩個不同光線I’、I”的接收單元112可即時進行兩者的比對處理，針對由光線I”的資料來判斷背表面104B中被檢測之區域是否有研磨之需求，接著再適當地並驅使研磨模組110來進行研磨製程。

如第5圖所示，晶圓104之背表面104B可由中心軸105沿其徑向方向至邊緣109依序區分為多個不同區域：圓形之第一區域106、環形之第二區域107與環形之第三區域108。來自檢測系統110之光線，可準確地分別針對背表面104B之前述第一、二、三區域106、107、108進行照射，其中隨著前述基座102與晶圓104繞中心軸105旋轉，可分別對晶圓104背表面 104B的各個不同區域進行檢測，接著可再搭配前述研磨模組120對前述各區域中不平坦的部分進行研磨。換言之，本實施例中之半導體製造裝置100可針對晶圓104的背表面104B之特定區域進行局部檢測。於一實施例中，亦可將背表面104B沿其徑向分成二、四、五或以上之多個不同區域，並分別地進行檢測。

值得注意的是，前述各實施例中之檢測系統110與研磨模組120係相互固定並整合在一起，並使得檢測系統110與研磨模組120可一起移動。如此一來，相較於傳統對晶圓104的背表面104B所有區域皆進行研磨的方式而言，前述各實施例可達到針對晶圓104背表面104B的局部區域實施偵測並即時研磨之優點，此外由於檢測系統110和研磨模組120係一起移動，故可提高定位之精度並有效改善研磨模組120在研磨時的整體效率。

第6圖係表示本揭露另一實施例之研磨模組220研磨一晶圓204的示意圖，其中一基座202係用以固定晶圓204，且可使晶圓204繞其中心軸205旋轉，前述晶圓204具有互為相反側的前表面204A與背表面204B。由第6圖可看出，研磨模組220係以研磨本體221來研磨晶圓204的背表面204B，此外，研磨模組220可從晶圓204的中心軸205移動到晶圓的邊緣209，或可從邊緣209移動到中心軸205。以下將詳細說明研磨模組220的結構組成。

第7A圖係表示第6圖中之研磨模組220的示意圖，第7B圖則表示沿第7A圖中沿線段A-A之剖面圖。如圖所示，前述研磨模組220包含一研磨本體221，研磨本體221則具有一研磨表面222，其中研磨表面222例如可包含一研磨帶(abrasive tape)或其他適當的研磨表面。此外，研磨表面222更可進一步包括其他結構，例如一研磨卷(abrasive roll)，其可用於在晶圓204上滾動以研磨或清潔晶圓204。

請繼續參閱第7A-7B圖，前述研磨模組220的中央設有一流體通道C1，其形成於研磨本體221內，並可透過流體通道C1連接至一流體供應單元224(第7B圖)，上述流體供應單元224可提供一清洗液、研磨液或化學品來清洗或用以研磨晶圓204的背表面204B。在本實施例中，流體通道C1的頂部係與研磨表面222等高。流體供應單元224和研磨本體221可被操作地於研磨製程中一起協同運行。於本實施例中，流體通道C1形成於研磨本體221內，當使用研磨模組220時，可藉由一馬達帶動研磨本體221繞其中心軸221C旋轉。

如第7A-7B圖所示，前述研磨模組220更包含一外殼220H與一環狀之凹槽226，其中凹槽226係形成於研磨本體221與外殼220H之間，且環繞研磨本體221並連接至一排出通道C2(第7B圖)。前述排出通道C2形成於外殼220H和研磨本體221之間，一抽氣單元228可透過排出通道C2連接凹槽226。當研磨模組220之研磨本體221在研磨晶圓204的背表面204B時，流體供應單元224可經由流體通道C1輸送一清洗液至背表面204B，使研磨本體221在研磨時，得以同時清潔背表面204B，此外亦可先將前述清洗液輸送至研磨表面222，然後再由研磨本體221研磨背表面204B；接著，清洗液可依序經由凹槽226 和排出通道C2排出研磨模組220。於本實施例中，在研磨模組220研磨背表面204B時，研磨本體221係相對外殼220H而繞其中心軸221C旋轉。

由第7A圖可看出，前述外殼220H具有一頂部226P，其與研磨表面222在中心軸221C方向上相隔一距離，舉例而言，該距離可為1mm~100mm，使得研磨表面222高於外殼220H。於一些實施例中，研磨本體221的外緣222S與外殼220H的內緣226S在研磨本體221的徑向方向上相隔一距離，舉例而言，該距離可為1mm~100mm。

於另一實施例中，如第7C圖所示，前述研磨模組220內部更設有一管體T，前述管體T係位於流體通道C1內，使得前述流體供應單元224可經由管體T提供清洗液至晶圓204的背表面204B或研磨本體221的研磨表面222。此外，從7C圖可看出，管體T之一端部係低於研磨本體221的研磨表面222，兩者在中心軸221C方向上的距離例如可為1mm~20mm。於本實施例中，當研磨模組220在研磨背表面204B時，研磨本體221係相對外殼220H與管體T而繞其中心軸221C旋轉。於一實施例中，管體T的末端亦可與研磨表面222對齊。

值得注意的是，考慮到晶圓204前表面204A具有電路圖案且晶圓204於研磨製程中會旋轉，因此任何可能造成前表面204A上的電路圖案的損傷是要避免(消除)的。藉由設置具有前述凹槽226的研磨模組220，不僅可即時地將使用過後的清洗液透過凹槽226與排出通道C2快速地排出，特別是在研磨晶圓204背表面204B的邊緣209時，藉由設置前述凹槽226，並使用抽氣單元228將清洗液由排出通道C2排出，更可防止清洗液轉移或噴濺至晶圓204的前表面204A而造成損害。

本揭露之前述各實施例可相互搭配組合，例如，將第1圖中之研磨模組120替換成第6圖中之研磨模組220，使得前述檢測系統110與研磨模組220整合在一起，以大幅提升整體之效能。

本揭露的實施例相較於現行之技術提供複數個優點，需要了解的是，其他實施例可提供不同的優點，並非所有優點皆需於此作描述，且並非所有實施例皆需具有一特定的優點。藉由使用本揭露之實施例之半導體製造裝置，可分別對晶圓背表面中的各個局部區域進行檢測，並根據檢測到結果來即時地驅動研磨模組以研磨晶圓背表面之特定區域，這樣的設計可使得製造成本降低、製成效率增加，同時亦可改善晶圓的背表面的平坦度，並特別有助於微影(lithography)製程。

當半導體基底包含一立體電路結構時，例如鰭式場效電晶體(fin field effect transistors，FinFETs)，晶圓的前、背側表面兩者之外形(profile)皆會影響微影圖案製程並降低成像分辨率，藉由本揭露各實施例之半導體製造裝置可提高晶圓背表面的平坦度，並可有效防止晶圓前表面受到損害，以提升微影圖案製程的品質。此外，透過設置一流體通道於研磨模組的研磨本體內，與設置一凹槽環繞研磨本體，不但可提升研磨與清潔晶圓背表面的效率，更可防止清潔液濺射至晶圓的前表面，以提升整體的製程品質。

以上概略說明了本發明數個實施例的特徵，使所屬技術領域中具有通常知識者對於本發明可更為容易理解。任何所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解到本說明書可輕易作為其它結構或製程的變更或設計基礎，以進行相同於本發明實施例的目的及/或獲得相同的優點。任何所屬技術領域中具有通常知識者也可理解與上述等同的結構或製程並未脫離本發明之精神和保護範圍內，且可在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動、替代與潤飾。

Claims

一種半導體製造裝置，用以檢測並研磨一晶圓之一背表面，包括：一研磨模組，用以研磨該晶圓的該背表面；以及一檢測系統，用以檢測該晶圓的該背表面，固定於該研磨模組上並傳遞一訊號至該研磨模組，其中該研磨模組接收該訊號，並根據該訊號研磨該背表面；其中該研磨模組包含：一外殼；一研磨本體，設置於該外殼內，且一流體通道形成於該研磨本體內；以及一環狀之凹槽，形成於該外殼與該研磨本體之間，並環繞該研磨本體，當該研磨本體研磨該背表面時，一清洗液體從該流體通道輸出，並經由該凹槽排出該研磨模組。
如申請專利範圍第1項所述之半導體製造裝置，其中該晶圓的該背表面沿其徑向區分為一第一區域與一第二區域，該檢測系統與該研磨模組一起移動並分別檢測該第一區域和該第二區域。
如申請專利範圍第1項所述之半導體製造裝置，其中該檢測系統具有一光源與一接收單元，當該檢測系統檢測該背表面時，該光源發出一光線照射該背表面，且該背表面反射該光線至該接收單元。
如申請專利範圍第3項所述之半導體製造裝置，其中該檢測系統更具有一導引鏡與一投影透鏡，該光線藉由該導引鏡反射後穿過該投影透鏡，並照射至該背表面。
如申請專利範圍第3項所述之半導體製造裝置，其中該接收單元具有相互連接之一光接收器與一訊號處理器，該光接收器接收由該背表面所反射之該光線，且該訊號處理器根據該光接收器所接收到之該光線，產生並傳遞該訊號至該研磨模組。
一種研磨模組，用以研磨一晶圓之一背表面，包括：一外殼；一研磨本體，設置於該外殼內並具有一研磨表面，用以研磨該晶圓之該背表面；一環狀之凹槽，形成於該外殼與該研磨本體之間，並環繞該研磨本體；一流體通道，形成於該研磨本體內；以及一排出通道，形成於該外殼與該研磨本體之間，並連接該凹槽；其中，當該研磨本體研磨該背表面時，一清洗液經由該流體通道輸送至該背表面或該研磨表面，且該清洗液依序經由該凹槽與該排出通道排出該研磨模組。
如申請專利範圍第6項所述之研磨模組，其中該研磨表面與該外殼的一頂部於該研磨本體之一中心軸方向上相隔一距離，該距離為1mm~100mm。
如申請專利範圍第6項所述之研磨模組，其中該研磨模組更包括一管體，設置於該流體通道內，當該研磨本體研磨該背表面時，該研磨本體相對該外殼與該管體旋轉。
如申請專利範圍第8項所述之研磨模組，其中該管體之一末端與該研磨表面對齊。
一種半導體製造裝置，用以檢測並研磨一晶圓之一背表面，包括：一研磨模組，用以研磨該晶圓的該背表面；以及一檢測系統，用以檢測該晶圓的該背表面，固定於該研磨模組上並傳遞一訊號至該研磨模組，其中該研磨模組接收該訊號，並根據該訊號研磨該背表面；其中，該研磨模組包含：一外殼；一研磨本體，設置於該外殼內並具有一研磨表面，用以研磨該晶圓之該背表面；一環狀之凹槽，形成於該外殼與該研磨本體之間，並環繞該研磨本體；一流體通道，形成於該研磨本體內；一排出通道，形成於該外殼與該研磨本體之間，並連接該凹槽；以及一管體，設置於該流體通道內；其中，當該研磨本體研磨該背表面時，一清洗液經由該流體通道輸送至該背表面或該研磨表面，且該清洗液依序經由該凹槽與該排出通道排出該研磨模組，且該研磨本體相對該外殼與該管體旋轉。