TWI467645B - 化學機械研磨方法與系統 - Google Patents

Description

化學機械研磨方法與系統

本發明係關於一種化學機械研磨方法與系統，特別是關於化學機械研磨製程的先進製程控制。

由於半導體元件的尺寸不斷縮小，因而於半導體製程中元件的表面全區平坦化(Global Planarization)的重要性也日益提升。目前最普遍採用的晶圓表面全區平坦化方法是化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)製程，其係將晶圓表面壓在佈滿研磨液的研磨墊上旋轉，以將整個晶圓的表面平坦化。

採用CMP製程來研磨一半導體元件時，研磨時間過久會造成過度研磨(Over Polish)，此時元件上各金屬線的阻值將過高而減慢元件速度，且其上的介電層也會嚴重受損；而當研磨的時間不夠久，造成介電層上的金屬未完全除去時，即稱研磨不足(Under Polish)現象，亦會影響元件性能。因此，於CMP製程中控制元件被研磨的厚度，可避免產生上述過度研磨或研磨不足的現象，以提高產品的良率。

請參照第一圖，其為習知技術於CMP製程中控制研磨厚度的方法，此方法係使用回饋控制來調整晶圓的研磨時間。首先，取2~3片晶圓進行厚度測量與研磨測試(步驟10)，並以此測試結果估計第一批次(Lot)晶圓的最佳研磨時間(步驟11)，以該經估計的最佳研磨時間來研磨該第一批次晶圓(步驟12)，當該第一批次晶圓完成CMP研磨製程後，再抽樣量測該第一批次晶圓的研磨後之厚度(步驟13)，並將此量測結果回饋給下一批次晶圓，以估計下一批次晶圓之最佳研磨時間(步驟14)。

如上所述，在習知的CMP控制方法中，僅以抽樣方式估計第一批次晶圓的研磨參數，因此造成高良率損失(yield loss)；此外，採用回饋控制系統來估計後續批次晶圓的研磨參數，不但成本較高，且僅對一批次晶圓提供一估計的研磨時間亦無法精準控制每一片晶圓的研磨厚度，因而無法顯著降低研磨失敗率。

為解決上述習知技術的問題，本發明提出一種化學機械研磨方法與系統，以提高半導體元件製程之效率、精確性及穩定性。

本發明提出一種化學機械研磨方法與系統，無需採用習知技術的回饋控制流程，可精確地控制CMP製程中的元件研磨厚度，進而顯著降低良率損失並提高產品品質。

本發明之一方面提供一種化學機械研磨方法，包含下列步驟：提供複數半導體元件；取得該複數半導體元件中的每一半導體元件之一尺寸；以及依據該每一半導體元件之該尺寸來研磨該每一半導體元件。

本發明之另一方面提供一種用於一化學機械研磨製程之方法，該方法包含下列步驟：提供複數物件，其中每一物件具有一物理參數；取得所有該複數物件之該等物理參數；以及依據該每一物件之該物理參數以決定該每一物件所專有之研磨參數。

本發明之再一方面提供一種化學機械研磨系統，該系統用以研磨複數物件，並包含一量測裝置、一決定裝置與一研磨裝置；該量測裝置係用以取得該複數物件中的每一物件所具有的一物理參數；該決定裝置係與該量測裝置相連接，用以依據該每一物件之該物理參數來決定該每一物件所專有之研磨參數；該研磨裝置係與該決定裝置相連接，用以依據該每一物件所專有之研磨參數來研磨該每一物件。

本發明得藉由下列之圖式及具體實施例的詳細說明，俾得一更深入之了解：

本發明之技術手段將詳細說明如下，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之了解，然而下列實施例與圖示僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制。

請參考第二圖(A)，其為本發明之化學機械研磨方法的一實施例。該化學機械研磨方法包括下列步驟：提供複數半導體元件(步驟20)；利用量測機台或其他CMP製程中的元件量測手段，來取得該複數半導體元件中的每一半導體元件之一尺寸(步驟21)；以及，依據得自步驟21的該每一半導體元件之該尺寸來研磨該每一半導體元件(步驟22)。

根據上述構想，該複數半導體元件例如為複數晶圓，亦可為適用於CMP製程的其他待研磨物件。

舉例來說，步驟21的量測方式為：逐一量測該每一半導體元件之該尺寸以取得每一半導體元件的一尺寸數據，該尺寸數據可包含該半導體元件的一厚度，或是該半導體元件中各材料層的厚度，該厚度例如以埃()為單位。

請參考第二圖(B)，其為第二圖(A)中步驟22的一實施例。步驟22可包括下列步驟：定義複數尺寸區間，每一尺寸區間各自對應一特定研磨配方(步驟221)；根據該每一半導體元件之該尺寸所屬的尺寸區間以及該每一尺寸區間所對應的該特定研磨配方，來為該每一半導體元件提供一分別的研磨配方(步驟222)；以及依據該分別的研磨配方來研磨該每一半導體元件(步驟223)。

根據上述構想，該尺寸區間的設定與特定研磨配方的對應表例如表一所示，並且可依各種不同的待研磨物件種類或研磨機台參數來設計或調整對應表的內容。

表一中的X代表當所測量到的一元件厚度未落在預設的區間時，系統就不會為該元件產生研磨配方。

根據上述構想，該分別的研磨配方包含對每一半導體元件的一研磨時間，另外還可包括溫度、壓力或研磨材料等其他研磨參數；所述尺寸區間可包含至少20個區間；且所述尺寸區間的一區間差例如為約100埃()。需注意的是，所述尺寸區間所包含的區間數量以及每一區間之間的該區間差皆可依研磨製程的實際需要來設計。

請參考第三圖，其為本發明之化學機械研磨方法的另一實施例。該化學機械研磨方法包括下列步驟：提供複數待研磨的物件(步驟31)，其中該複數物件中的每一物件具有一物理參數；取得所有該複數物件之該等物理參數(步驟32)；以及依據該每一物件之該物理參數以決定該每一物件所專有之研磨參數(步驟33)；其中步驟32例如為：逐一量測該每一物件之一尺寸以取得所有該複數物件之該等物理參數；其中該物理參數至少包含該物件的一厚度，以及該研磨參數至少包含一研磨時間。

根據上述構想，該物件係為一半導體元件，例如為一晶圓。

請參考第四圖，其為本發明之化學機械研磨系統的一實施例。該化學機械研磨系統4包含：一量測裝置41，用以取得複數待研磨的物件中的每一物件所具有的一物理參數；一決定裝置42，與該量測裝置41相連接，用以依據該每一物件之該物理參數來決定該每一物件所專有之研磨參數；以及一研磨裝置43，與該決定裝置42相連接，用以依據該每一物件所專有之研磨參數來研磨該每一物件。於第四圖中，箭頭方向代表物件在化學機械研磨系統4中的輸送方向。

根據上述構想，該決定裝置42例如為一研磨配方產生器，其可內建或由操作人員輸入例如表一的一對應表40，當該決定裝置42自該量測裝置41接收到該每一物件之該物理參數後，即可根據該每一物件之該物理參數以及該對應表40為該每一物件產生特定研磨配方，該特定研磨配方即包含該每一物件所專有之研磨參數。

根據上述構想，該物件係為一半導體元件，例如為一晶圓；該每一元件的該物理參數至少包含該每一物件的一厚度，且該研磨參數至少包含一研磨時間。

請參考第五圖(A)與第五圖(B)，其中第五圖(A)所示為25批次的晶圓之每一批次晶圓於研磨前的平均厚度，第五圖(B)則為使用本發明之化學機械研磨方法及系統研磨所述25批次的晶圓之後，每一批次晶圓的平均厚度，可看出使用本發明之研磨方法及系統能使研磨完成的半導體元件之厚度相當平均。

綜上所述，相較於習知技術的閉迴路(closed-loop)控制系統根據回授訊號來研磨每批物件，本發明採用開迴路(open-loop)的自動化系統來對CMP製程中每一待研磨物件產生一研磨配方，具有降低系統機構複雜度同時精確控制元件研磨厚度的優勢。是以，本發明顯較目前存在之各種習知技術為優，殊為一極具產業價值之創作。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，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者為準。

10．．．取2~3片晶圓量測厚度與研磨測試的步驟

11．．．估計第一批次晶圓的最佳研磨時間的步驟

12．．．研磨第一批次晶圓的步驟

13．．．抽樣量測第一批次晶圓之厚度的步驟

14．．．估計下一批次晶圓的最佳研磨時間的步驟

20．．．提供複數半導體元件的步驟

21．．．取得每一半導體之尺寸的步驟

22．．．依據每一半導體元件之該尺寸來研磨該每一半導體元件的步驟

221．．．定義複數尺寸區間的步驟

222．．．依據每一半導體元件之尺寸所屬的尺寸區間提供分別的研磨配方的步驟

223．．．依據該分別的研磨配方來研磨每一半導體元件的步驟

31．．．提供複數物件的步驟

32．．．取得所有物件之物理參數的步驟

33．．．依據每一物件之物理參數以決定每一物件所專有之研磨參數的步驟

4．．．化學機械研磨系統

40．．．對應表

41．．．量測裝置

42．．．決定裝置

43．．．研磨裝置

第一圖：習知技術的化學機械研磨製程；

第二圖(A)：本案化學機械研磨方法的一實施例；

第二圖(B)：第二圖(A)中的步驟22的一實施例；

第三圖：本案化學機械研磨方法的另一實施例；

第四圖：本案化學機械研磨系統的一示意圖；

第五圖(A)：複數批次晶圓於研磨前的平均厚度的示意圖；及

第五圖(B)：使用本發明之化學機械研磨方法及系統研磨後的複數批次晶圓的平均厚度的示意圖。

20．．．提供複數半導體元件的步驟

21．．．取得每一半導體之尺寸的步驟

22．．．依據每一半導體元件之該尺寸來研磨該每一半導體元件的步驟

Claims (20)

1. 一種化學機械研磨方法，包含：提供複數半導體元件；取得該複數半導體元件中的每一半導體元件之一尺寸；以及依據該每一半導體元件之該尺寸來研磨該每一半導體元件。
2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該複數半導體元件係為複數晶圓。
3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述取得該每一半導體元件之該尺寸的步驟包含逐一量測該每一半導體元件之該尺寸。
4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該尺寸包含該每一半導體元件的一厚度。
5. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中研磨該每一半導體元件的步驟包含：依據該每一半導體元件之該尺寸為該每一半導體元件提供一分別的研磨配方；以及依據該分別的研磨配方來研磨該每一半導體元件。
6. 如申請專利範圍第5項所述的方法，其中該分別的研磨配方包含一研磨時間。
7. 如申請專利範圍第5項所述的方法，其中所述提供該分別的研磨配方之步驟包含下列步驟：定義複數尺寸區間，每一尺寸區間各自對應一特定研磨配方；以及根據該每一半導體元件之該尺寸所屬的尺寸區間以及該每一尺寸區間所對應的該特定研磨配方，來為該每一半導體元件提供該分別的研磨配方。
8. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中所述尺寸區間包含至少20個區間。
9. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中所述尺寸區間的一區間差為100埃()。
10. 一種用於一化學機械研磨製程之方法，該方法包含：提供複數物件，其中該複數物件中的每一物件具有一物理參數；取得所有該複數物件之該等物理參數；以及依據該每一物件之該物理參數以決定該每一物件所專有之研磨參數。
11. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中該物件係為一半導體元件。
12. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中該物件係為一晶圓。
13. 如申請專利範圍第10項所述的方法，更包含下列步驟：逐一量測該每一物件之一尺寸以取得所有該複數物件之該等物理參數。
14. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中該物理參數包含該物件的一厚度。
15. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中該研磨參數包含一研磨時間。
16. 一種化學機械研磨系統，包含：一量測裝置，用以取得複數物件中的每一物件所具有的一物理參數；一決定裝置，與該量測裝置相連接，用以依據該每一物件之該物理參數來決定該每一物件所專有之研磨參數；以及一研磨裝置，與該決定裝置相連接，用以依據該每一物件所專有之研磨參數來研磨該每一物件。
17. 如申請專利範圍第16項所述的系統，其中該物件係為一半導體元件。
18. 如申請專利範圍第16項所述的系統，其中該物件係為一晶圓。
19. 如申請專利範圍第16項所述的系統，其中該物理參數包含該物件的一厚度。
20. 如申請專利範圍第16項所述的系統，其中該研磨參數包含一研磨時間。