TWI266675B - CMP apparatus for polishing dielectric layer and method of controlling dielectric layer thickness - Google Patents

Description

1266675 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種應用於研磨介電層之化學機械研磨 =台與控制介電層厚度之方法，尤指—種以同位方式監測 ;1電層經歷化學機械研磨製程後之厚度，並即時利用化學 屋式蝕刻方式進一步修正介電層厚度的化學機械研磨機台 與其方法。 【先前技術】 化學機械研磨（chemical mechanical polishing，CMP)技術 為目前提供超大型積體電路(VLSI)之全面性平坦化最重要 的技術之一，因此被廣泛地應用於在半導體製程例如金屬 内連線製程中。 化學機械研磨技術可用來均勻地去除一晶圓上具有不 規則表面（topographical)的目標薄膜層（target thin film)，使 晶圓在經過化學機械研磨製程處理後能夠具有一平坦且規 則（regular andplanar)的表面，以確保在後續的黃光製程中 之聚焦深度(depth of focus，DOF)。而為了控制所移除之目 標薄膜層的厚度，化學機械研磨製程終點必須被精確的偵 測並且被迅速地決定，以即時停止化學機械研磨製程。 一般而言，為了避免過度研磨，化學機械研磨製程之目 1266675 標薄膜層厚度控制主要係仰賴一設置於目標薄膜層下方之 研磨停止層（Stop layer)判斷是否應停止化學機械研磨製 程。研磨停止層的研磨速率（rem〇val rate)通常需小於其上 之目4示薄膜層，換句話說，目標研磨層被研磨的速率需大 於目標研磨層下方之研磨停止層。然而在實際應用上部分 進行化學機械研磨製程之目標薄膜層並未具有研磨停止 層，因此無法藉由研磨停止層決定化學機械研磨製程終 點，在此狀況下若產生過度研磨的狀況，則必須進行一再 沉積(re-deposition)製程，以於化學機械研磨後之目標薄膜 層上再沉積相同之薄膜層，藉使目標薄膜層之厚度達到預 定要求。 請參考第1圖，第1圖為習知控制化學機械研磨製程之 目標薄膜層厚度之方法流程圖。如第1圖所示，習知控制 化學機械研磨製程之目標薄膜層厚度之方法包含有下列步 驟： 步驟10 :開始； 步驟12 :將晶圓載入化學機械研磨機台； 步驟14 :對晶圓上之目標薄膜層進行—化學機械研磨製程； 步驟16 :將晶圓載出化學機械研磨機台； 步驟18 :侧目標薄膜層之厚度是衫於財厚度，若 是則進行步驟22,若4度大於預定厚度則進行 1266675 步驟12,若厚度小於預定厚度則進行步驟2〇; 步驟20 :進行一沉積製程，並進行步驟18 ;以及 步驟22 :結束。 請參考第2圖，帛2圖為習知控制目標薄膜層之方法的 後饋控制（feedback control)機制的示意圖。如第2圖所示， 欲進行化學機械研磨製程之晶圓I，2,3(標號u，s代表晶圓 •載入之順序)依序被載入化學機械研磨機台30,並進行一化 學機械研磨製程’當晶圓i完成化學機械研磨製程後即被 載出，並傳輸至一厚度量測儀器32量測晶圓i上之目標薄 膜層的厚度與預定厚度之差異。隨後，再將此一資訊傳回 化學機械研磨機台30並調整製程參數以修正晶圓2,3上之 目標薄膜層的厚度，*晶圓丨上之目標薄膜層的厚度若未 達預定厚度，則會再重新載人化學機械研 3()進 ·-次化學機械研磨製程，若目標_層之厚/已小於預定 $度，則晶圓！會被傳送至-沉積機台（圖未示），並進行 —再沉積製程以修正目標薄膜層之厚度。因此，習知控制 目標薄膜層之方法係利用後饋控制機制來控制目標薄膜層 之厚度。 “ /由上述可知，習知技藝係待晶圓載出化學機械研磨機台 後，再利用後饋控制調整後續晶圓之製程參數、或重覆進 行化學機械研磨製程，亦或是利用再沉積製程來控制目標 1266675 薄膜層之厚度，而上述作法將大幅增加了化學機械研磨製 程之製程時間（cycle time)與成本。 【發明内容】 本發明之目的之一在於提供一種應用於研磨介電層之 化學機械研磨機台與控制介電層厚度之方法，以節省化學 機械研磨製程之製程時間與成本。 根據本發明之申請專利範圍，係提供一種應用於研磨介 電層之化學機械研磨機台。上述化學機械研磨機台包含有 一化學機械研磨單元，用以研磨一介電層；一厚度監測單 元，用以監測該介電層於研磨後之一厚度指標；以及一厚 度修正單元，用以依據該厚度指標以蝕刻方式進一步縮減 該介電層之厚度；其中該化學機械研磨單元、該厚度監測 單元與該厚度修正單元係以同位方式（in-situ)設置。 根據本發明之申請專利範圍，另提供一種應用於化學機 械研磨製程之控制介電層厚度之方法。上述方法包含有首 先利用一化學機械研磨單元研磨一介電層，接著利用一厚 度監測單元監測已研磨完畢之該介電層，並測得一厚度指 標，隨後再利用一厚度修正單元依據該厚度指標以蝕刻方 式縮減該介電層之厚度，其中上述步驟係採同位方式進行。 1266675 為了使貴審查委員能更近一步了解本發明之特徵及技 術内容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖。然而 所附圖式僅供參考與輔助說明用，並非用來對本發明加以 限制者。 【實施方式】 請參考第3圖，第3圖為本發明一較佳實施例應用於化 _ 學機械研磨製程之控制介電層厚度之方法流程圖。由第3 圖可知，本發明應用於化學機械研磨製程之控制介電層厚 度之方法包含有下列步驟： 步驟40 :開始； 步驟42 :將晶圓載入化學機械研磨機台.； 步驟44:利用一化學機械研磨單元進行一化學機械研磨 製程，研磨晶圓上之介電層； ® 步驟46:利用一厚度監測單元監測已研磨完畢之介電層 的厚度已量測一厚度指標，並藉由厚度指標判 斷介電層之厚度是否已達預定厚度，若是則進 行步驟50，若否則進行步驟48 ; 步驟48:利用一厚度修正單元依據厚度監測單元所量測 出之厚度指標進一步縮減介電層之厚度至預 定厚度；以及 步驟50 :結束。 1266675 由上述流程步射知，本發明㈣讀層厚度之方法俜 ，化學機械研磨製程完畢後，同位量測介電層之厚度判斷 疋否達到駭厚度，接著再同位進行-厚度紅步驟將介 電層之厚度賴至敢厚度。舉例纽，介電層之初始厚 、為20千埃而預<厚度為1()千埃，則依據本發明之方 法係先進仃-化學機械研磨製料磨介電層之厚度，接著 利用-厚度監測單元以同位方式量測介電層之厚度，若介 電層之厚度經量測為1G.6千埃，則利用—厚度修正單元進 一步縮減介電層之厚度至1〇千埃。 值得說明的是本發明之厚度修正單元係利用化學座式 麵刻方式縮減介電層之厚度，而此一作法之優點在於化學 5钱刻速率雖較化學機械研磨速率緩慢，但化學澄式蝕 d製㈣Λ穩疋且易控制’因此相較於化學機械研磨，化學 =式钱刻可精確將介電層之厚度㈣在10千埃。以上述實 若化學料_速㈣每6G秒1千埃，則化學 至^刻需要36秒時間將介電層之厚度由1()6千埃縮減 埃。另外，為了更料地控制介電層之厚度，厚声 =元與厚度修正單元更可形成-封閉迴圈控制，亦： 單元可定期監測介電層之厚度並調整化學澄式餘 避免因製程變異導致介電層之厚度有所偏 舉例來說，當化學溼式飾列推y· 止化學、、m , 丁了 15秒後，可暫時停 式姓刻並再度量測介電層之厚度，若介電層之厚 1266675 度減為10.35千埃，則表示化學溼式蝕刻速率並無變化而 可繼續進行化學溼式蝕刻21秒直至介電層之厚度減為10 千埃，而若介電層之厚度結量測後有所偏差，則可計算出 化學溼式蝕刻之實際速率並調整後續製程時間，或調整化 學溼式蝕刻之製程參數以確保介電層之厚度可有效掌控。 另外，由於化學機械研磨速率較不穩定，因此為避免介電 層化學機械研磨製程中即過度研磨而使厚度小於目標厚 • 度，除上述直接將介電層之預定厚度設為目標厚度之作 法，亦可將化學機械研磨製程所欲研磨之介電層的厚度設 定為略大於預定厚度，例如將化學機械研磨製程所欲研磨 之介電層的厚度先設定為11千埃，而預定厚度則為1〇千 埃，如此一來即時化學機械研磨速率較預期為高亦不致產 生過度研磨的問題。 I 請參考第4圖，第4圖為本發明一較佳實施例應用於研 磨介電層之化學機械研磨機台之功能方塊示意圖。如第4 圖所示，本發明之化學機械研磨機台60包含有一晶圓傳輸 單元62、一化學機械研磨單元64、一厚度監測單元66， 以及一厚度修正單元68。本發明之化學機械研磨機台60 主要係應用於研磨介層層，例如氧化矽層、氮化矽層、氮 氧化矽層或多晶矽層等。晶圓傳輸單元62係用以載入、載 出晶圓，以及於化學機械研磨機台60内之各單元間傳輸晶 圓。化學機械研磨單元64為進行化學機械研磨製程之用， 11 1266675 其類型不限而可為單片式、多片式等各式化學機械研磨設 備。厚度監測單元66亦可為各式用以測量膜厚之測量設 備，例如光學式厚度測量裝置或接觸式厚度測量裝置等， 並以同位方式設置於化學機械研磨機台60之内。隨著採用 之測量技術不同，厚度監測單元66可獲得一厚度指標，例 如介電層之反射率或電阻等，並經由計算得出介電層之厚 度，藉以作為厚度修正單元68進一步縮減介電層之厚度的 • 依據。厚度修正單元68可為一化學溼式蝕刻設備，同樣以 同位方式直接設置於化學機械研磨機台60内，並依據厚度 監測單元66所提供之厚度資訊，利用化學溼式蝕刻修正介 電之厚度以達到預定厚度。另外，厚度修正單元68所使用 之蝕刻液則係視欲蝕刻之介電層材質不同，而為氫氟酸、 磷酸、硝酸或其它適合之蝕刻液。 φ 此外，本發明之化學機械研磨機台60另可包含有一清 洗單元70，用以進行一後化學機械研磨清洗(post CMP clean)製程，以去晶圓於化學機械研磨製程後所產生之微粒 污染，而值得說明的是本發明之厚度修正單元68與清洗單 元70可分別獨立設置於化學機械研磨機台60，或亦可視 需要將厚度修正單元68整合於清洗單元70之内。 由上述可知本發明控制介電層厚度之方法係將厚度監 測單元66與厚度修正單元68同位設置於化學機械研磨機 12 1266675 台60内，當厚度監測單元66量測出介電層之一-預定厚度之偏差值後，即將此資訊傳遞至^度:際，度與 68，藉以達到即時控制介電層厚度之優點正單元 控制介電層厚度之方法係採用前饋控制機制。言主’切明 圖，第5圖為本發明控制介電層厚度之方法的rf考第5 (feed forward)機制的示意圖。如第5圖所* =只控制

載入化學機械研磨機台6。後’首先即利用化學::圓2 元64進行-化學機械研磨製程。接著將晶圓72 ^研磨早 度監測單it 66量測出厚度·，以計算出介電層之=厚 度與預定厚度之差異的資訊。隨後此—資訊會先被傳送^ 厚度修正單元68, _晶圓72亦會被傳送至厚度修& 元68並依據上述資訊進行化學溼式蝕刻以修正晶\面72^

之介電層的厚度。因此，本發明控制介電層厚度之方法係 採用前饋控制，同時對每一晶圓72均分別進行^度監測糸 並針對晶圓7 2之研磨狀況不同直接以同位方式利用:學 溼式蝕刻進行不同程度之厚度修正，故可大幅節省製程"'時 間與成本。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申，專 利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範"圍。 【圖式簡單說明】 第1圖為習知控制化學機械研磨製程之目標薄膜層厚度之方法流程圖。 13 1266675 第2圖為習知控制目標薄膜層之方法的後饋控制機制的示意圖。 第3圖為本發明一較佳實施例應用於化學機械研磨製程之 控制介電層厚度之方法流程圖。 第4圖為本發明一較佳實施例應用於研磨介電層之化學機 械研磨機台之功能方塊示意圖。 第5圖為本發明控制介電層厚度之方法的前饋控制機制的示意圖。 【主要元件符號說明】 10 步驟 12 步驟 14 步驟 16 步驟 18 步驟 20 步驟 22 步驟 1，2,3 晶圓 30 化學機械研磨機台 32 厚度量測儀器 40 步驟 42 步驟 44 步驟 46 步驟 48 步驟 50 步驟 60 化學機械研磨機台 62 晶圓傳輸單元 64 化學機械研磨單元 66 厚度監測單元 68 厚度修正單元 70 清洗單元 72 晶圓 14

Claims (1)

1266675 十、申請專利範圍： 1. 一種應用於研磨介電層之化學機械研磨機台，包含有： 一化學機械研磨單元，用以研磨一介電層； 一厚度監測單元，用以監測該介電層於研磨後之一厚度 指標；以及 一厚度修正單元，用以依據該厚度指標利用蝕刻方式進 一步縮減該介電層之厚度； 其中該化學機械研磨單元、該厚度監測單元與該厚度修 正單元係以同位方式（in-situ)設置。 2. 如請求項1所述之化學機械研磨機台，其中該介電層包 含有一氧化石夕層、一氮化石夕層、一氮氧化石夕層或一多晶 矽層。 3. 如請求項1所述之化學機械研磨機台，其中該厚度監測 單元係為一光學式厚度量測裝置。 4. 如請求項1所述之化學機械研磨機台，其中該厚度監測 單元係為一接觸式厚度量測裝置。 5. 如請求項1所述之化學機械研磨機台，其中該厚度修正 單元係利用一化學溼式蝕刻製程縮減該介電層之厚度。 15 1266675 6. 如請求項5所述之化學機械研磨機台，其中該化學溼式 蝕刻製程所使用之蝕刻液包含有氫氟酸、磷酸或硝酸。 7. 如請求項1所述之化學機械研磨機台，另包含有一清洗 單元。 8. —種應用於化學機械研磨製程之控制介電層厚度之方 法，包含有： (a) 利用一化學機械研磨單元研磨一介電層； (b) 利用一厚度監測單元監測已研磨完畢之該介電層， 並測得一厚度指標；以及 (c) 利用一厚度修正單元依據該厚度指標以蝕刻方式縮 減該介電層之厚度； 其中步驟(a)、（b)與(c)係採同位方式進行。 9. 如請求項8所述之方法，其中該介電層包含有一氧化石夕 層、一氮化石夕層、一氮氧化石夕層或一多晶石夕層。 10. 如請求項8所述之方法，其中該厚度指標係利用光學方 式測得。 11. 如請求項8所述之方法，其中該厚度指標係利用接觸方 式測得。 16 1266675 12. 如請求項8所述之方法，其中步驟（c)包含有進行一化學 溼式蝕刻製程。 13. 如請求項12所述之方法，其中該化學溼式蝕刻製程所 使用之姓刻液包含有氫氟酸、磷酸或麟酸。 14. 如請求項8所述之方法，另包含有於步驟(c)後進行一清 洗製程。 十一、圖式：

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