对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法 【技术领域】
本发明涉及一种集成电路制造工艺，特别是涉及一种控制晶圆内的厚度以及由化学机械研磨(CMP)工艺导致的晶圆至晶圆厚度的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法。
背景技术
化学机械研磨(CMP)工艺广泛用于制造集成电路。当集成电路在半导体晶圆的表面上分层形成时，CMP工艺是用来平坦化最上层以为后续的制造步骤提供平整表面。CMP工艺是将晶圆置入载具中，该载具将欲研磨的晶圆表面压抵于平台上所铺设的研磨垫上。当含有研磨颗粒与化学试剂的研浆布满研磨垫时，平台及晶圆载具会同时旋转。藉由多孔研磨垫的旋转将研浆送到晶圆表面。研磨垫与晶圆表面的相对移动加上研浆中的化学试剂可使CMP工艺藉由物理和化学作用将晶圆表面平坦化。
CMP工艺可用来制造集成电路。例如，CMP工艺可用来将分开于集成电路中的电路层的内层介电层和内层金属介电层加以平坦化。CMP工艺还常用于连接集成电路元件的铜线的形成。
为了提高CMP工艺的产能，晶圆内(within-wafer，WiW)均匀性和晶圆至晶圆(wafer-to-wafer，WtW)均匀性皆需要控制。WiW均匀性是整个晶圆厚度的均匀性，而WtW均匀性是不同晶圆的厚度的均匀性。传统上，特别是在32纳米技术之前，WtW均匀性的控制是藉由基于批货(lot-based)的先进工艺控制(advanced process control，APC)来达到，APC使用在每一晶圆上多点(例如，9点)的平均值来控制CMP工艺。因此如果WtW均匀性达到时，WiW均匀性也将达到目标。然而，这不再适用于小型集成电路的形成(尤其是对32纳米以下的集成电路的形成而言)。即使基于批货的APC产生了自晶圆至晶圆的厚度的实质均匀平均值，或是自批货到批货(每一批货包括例如是25个晶圆)，每一晶圆内的厚度可能变化很大。因此，WiW均匀可能不符合设计要求。
由此可见，上述现有的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法在方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般方法又没有适切的方法能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。
【发明内容】
本发明的主要目的在于，克服现有的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法存在的缺陷，而提供一种新的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，所要解决的技术问题是使其通过新的CMP方法和新的APC模型达到了WiW均匀性及WtW均匀性，非常适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，该方法包括以下步骤：提供一晶圆；判定在该晶圆一表面的一特征的一厚度分布；以及在判定该厚度分布的步骤后，利用一研磨配方对该特征进行一高速CMP工艺以实质达到该特征的一晶圆内(within-wafer)厚度均匀性，其中该研磨配方是根据该厚度分布来决定。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述地对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，其中所述的进行一高速CMP工艺的步骤包含进行一分区CMP工艺，对该晶圆的不同区施以不同压力。
前述的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，更包含，在该进行一高速CMP工艺的步骤后，进行一低速CMP工艺，其中该低速CMP工艺未分区。
前述的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，其中所述的低速CMP工艺是利用一端点侦测来进行，且其中该低速CMP工艺在该特征的一预定目标厚度达到时停止。
前述的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，更包含，在该进行一高速CMP工艺的步骤后，进行一抛光CMP工艺一预定时间长度。
前述的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，更包含：在该进行一抛光CMP工艺的步骤后，测量该特征的一厚度；以及比较该厚度与该特征的一最终目标厚度以判定一厚度差异。
前述的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，更包含回馈该厚度差异以调整该研磨配方。
前述的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，更包含回馈该厚度差异以调整该预定时间长度。
前述的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，更包含对该晶圆进行一额外抛光CMP工艺(另一抛光CMP工艺)，根据该厚度差异决定一额外研磨时间长度。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，该方法包括以下步骤：提供一晶圆；判定在该晶圆一表面的一特征的一厚度分布；以及利用一研磨配方对该特征进行一第一CMP工艺以达到该特征的一实质的晶圆内厚度均匀性，其中该研磨配方是根据该厚度分布来决定；以及对该特征进行包含一第二CMP工艺的一闭回路控制以调整该特征的一厚度至一最终目标厚度。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，其中所述的第一CMP工艺是利用一研磨头进行的一分区CMP工艺，其中该研磨头能对该晶圆的不同区施以不同压力。
前述的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，其中所述的第二CMP工艺是在未采用分区研磨下进行。
前述的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，其中所述的第二CMP工艺是利用一软研磨垫进行的一抛光CMP工艺。
前述的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，其中所述的进行包含一第二CMP工艺之一闭回路控制的步骤更包含：在进行该第二CMP工艺的步骤后，测量该特征的该厚度；比较该厚度与该特征的该最终目标厚度以判定一厚度差异；以及回馈该厚度差异以调整用以进行该第二CMP工艺的一预定研磨时间，其中调整后的该预定研磨时间是用于一后续晶圆的一CMP工艺。
前述的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，更包含：进行一化学清洗；以及在该进行一化学清洗的步骤后，对该晶圆进行一额外抛光CMP工艺，根据该厚度差异所决定一额外研磨时间。
本发明的目的及解决其技术问题另外再采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，该方法包括以下步骤：提供包含一内层介电层(inter-layer dielectric，I LD)的一晶圆；进行一第一测量以判定该ILD的一厚度分布；根据该厚度分布决定一研磨配方；利用该研磨配方对该ILD进行一第一CMP工艺，其中，在进行该第一CMP工艺的步骤后，该ILD具有一实质的晶圆内厚度均匀性；决定该I LD的一目标厚度以用于一低速CMP工艺；对该ILD进行该低速CMP工艺并同时监测该ILD的一厚度；当该ILD的该厚度达到该目标厚度时，停止该低速CMP工艺；进行一抛光CMP工艺一预定研磨时间；在该进行一抛光CMP工艺的步骤后，进行一第二测量以判定该ILD的该厚度；比较自该第二测量取得的该ILD的该厚度与一最终目标ILD厚度以判定一厚度差异；以及回馈该厚度差异以调整该预定研磨时间。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，其中所述的研磨配方包含对该晶圆的不同区施以不同压力。
前述的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，其中所述的低速CMP工艺及该抛光CMP工艺是未分区。
前述的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，其中所述的监测该ILD的一厚度的步骤包含：在该低速CMP工艺期间投射一白光到该ILD上；以及比较自该ILD反射的一光线的一频谱与预先储存的光谱以判定该ILD的厚度。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明的主要技术内容如下：
为达到上述目的，本发明提供了一种对一晶圆进行化学机械研磨(CMP)工艺的方法，包括以下步骤：提供晶圆；判定在晶圆表面的特征的厚度分布；以及在判定厚度分布的步骤后，利用研磨配方对特征进行高速CMP工艺以实质达到特征的晶圆内(within-wafer)厚度均匀性。研磨配方是根据厚度分布来决定。
另外，为达到上述目的，本发明还提供了一种对一晶圆进行CMP工艺的方法，包括提供晶圆；判定在晶圆上表面的特征的厚度分布；以及利用研磨配方对该特征进行第一CMP工艺以达到该特征的实质的晶圆内厚度均匀性，其中该研磨配方是根据厚度分布来决定；以及对该特征进行包含第二CMP工艺的闭回路控制以调整该特征的厚度至最终目标厚度。
再者，为达到上述目的，本发明再提供了一种对一晶圆的内层介电层(inter-layer dielectric，ILD)进行CMP工艺的方法，包括提供晶圆；进行第一测量以判定ILD的厚度分布；根据厚度分布决定研磨配方；利用研磨配方对ILD进行第一CMP工艺，其中，在第一CMP工艺后，ILD具有实质的晶圆内厚度均匀性；决定ILD的目标厚度以用于低速CMP工艺；对ILD进行低速CMP工艺并同时监测ILD的厚度；当ILD的厚度达到目标厚度时，停止低速CMP工艺；进行抛光CMP工艺一预定研磨时间；在进行抛光CMP工艺的步骤后，进行第二测量以判定ILD的厚度；比较自第二测量取得的ILD的厚度与最终目标ILD厚度以判定厚度差异；以及回馈该厚度差异以调整预定研磨时间。
借由上述技术方案，本发明对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法至少具有下列优点及有益效果：本发明在CMP工艺之后有所改善晶圆内均匀性及晶圆至晶圆均匀性，并且适应时间独立的工艺状况的工艺控制。
综上所述，本发明是有关于一种对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法，该方法包括以下步骤：提供晶圆；判定在晶圆表面的特征的厚度分布；以及在判定厚度分布的步骤后，利用研磨配方对特征进行高速CMP工艺以实质达到特征的晶圆内(within-wafer)厚度均匀性。研磨配方是根据厚度分布来决定。本发明在技术上有显著的进步，具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
【附图说明】
图1是用以进行本发明的较佳实施方式的化学机械研磨(CMP)平台的示意图。
图2是本发明一较佳实施方式的流程图。
图3是晶圆上内层介电层的一范例厚度分布的示意图。
图4是分区研磨头的剖面图。
图5是用以进行白光端点侦测的装置的示意图。
10：CMP平台 70：光源
12：负载 72：窗口
14：干式量测装置 74：研磨垫
16：清洗机台 78：摄谱仪
18：高速平台 100：研磨头
20：低速平台 102：晶圆
22：抛光平台 104：研磨垫
30-50：步骤 106：薄膜
【具体实施方式】
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的对晶圆进行化学机械研磨工艺的方法其具体实施方式、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参阅图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效获得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
本发明的实施方式提供了一种新的化学机械研磨(CMP)方法以及用于CMP 工艺的先进工艺控制(APC)模型。先讨论进行本发明的实施方式的中间阶段。然后讨论实施方式的变化。本发明的各种视图及范例实施例中所使用的相同标号都代表了相同的元件。在以下讨论中，讨论用以研磨内层介电层(ILD)的CMP工艺，其中ILD是用来覆盖集成电路装置(如晶体管)及形成其接触插塞。然而，在后续段落中所提供的教示对于在集成电路中的其他特征和材料是可行的。在整个叙述中，「最终目标厚度」是指在CMP工艺进行后该特征的理想厚度。
图1是用以进行本发明的较佳实施方式的化学机械研磨(CMP)平台的示意图。CMP平台(platform)10包括负载(loadlock)12、干式量测装置14、清洗机台16、高速平台(platen)18、低速平台20、及抛光平台22。负载12是用以将晶圆载入到CMP平台10以及卸载晶圆。干式量测装置14是用以量测将研磨特征的厚度，如ILD。清洗机台16是用以在CMP工艺后清洗晶圆。高速平台18是以相对高的研磨速率来研磨晶圆。低速平台20是以相对低的研磨速率来研磨晶圆，以及用于侦测是否已经达到目标厚度。抛光平台22是用来轻轻地研磨晶圆以修复缺损和刮痕，并进一步研磨晶圆以达到最终目标厚度。
本发明实施例可使用如图2所示的流程图来解释，图2是本发明一较佳实施方式的流程图。同时请参阅图1所示的研磨平台。本发明的先进工艺控制(APC)模型也可参照图1和图2来解释。在以下讨论中所提到的参考标号可在图1或图2中，并可能没有明确指出。请参阅图2所示，首先，在步骤30，通过负载12将晶圆载入CMP平台10(图1)。接着，在步骤32，干式量测装置14进行晶圆的量测(请参阅图1)。整个晶圆ILD的厚度分布便由此获得。图3是晶圆上内层介电层的一范例厚度分布的示意图。其绘示了晶圆上ILD的范例三维分布，其中尖峰是ILD较厚的部分，凹部是ILD较薄的部分。应认知到，不同晶圆的厚度分布可有不同的变化，例如，对称分布或不对称分布。厚度分布可由量测ILD在晶圆上多个点的厚度取得。
在步骤38，将晶圆转送到高速平台18(请参阅图1)进行高速研磨。在一实施例中，如图4所示，图4是分区研磨头的剖面图。研磨头100是(例如)利用数个同心状区域以环状形式将晶圆102压抵至各自的研磨垫104。同心状区域是例如使用不同的薄膜106(如果从晶圆底部看呈环状)所达成。每一薄膜106可对晶圆(以晶圆102表示)施以相同压力，且不同的薄膜106可施以不同的压力。藉由控制施于晶圆102上不同区的压力，(其中晶圆的不同区对应不同的薄膜)，晶圆102的不同区域可具有不同的研磨速度，较大的压力会导致较高的研磨速度，而较小的压力会导致较低的研磨速度。
回到图2，根据ILD的厚度分布，决定用于高速平台18的研磨配方(区块36)(图2区块34)，其中研磨配方可由CMP自动化平台(也称为APC系统或CMP平台)10里的内建控制器(未显示)所决定(参阅图1)。研磨配方包括施于晶圆不同区的理想压力及高速CMP工艺的理想研磨时间。然后使用研磨配方以高速平台18研磨ILD(图2中的区块38)。研磨配方是设计为，在高速研磨后，不仅ILD的厚度大约达到理想值，且ILD的上表面也是极为平坦。因此，达到了晶圆内(Wi W)厚度的均匀性，晶圆的不同区域的ILD厚度在彼此间是极为相等的。高速研磨后的ILD厚度最好是大于最终目标厚度。
请再次参阅图2所示，在高速研磨后，晶圆便转移到低速平台20(步骤40，请同时参阅图1)以白光端点系统进行低速研磨。白光端点系统是可选性的，且可以时间模式研磨或其他端点量测。由于高速研磨已使得ILD具有WiW均匀性，低速平台20不需要弥补所载入的晶圆的分布。由低速平台20所进行的研磨具有低于高速平台18的研磨速度。在一实施方式中，低速平台20具有即时判定ILD厚度的端点侦测能力。因此，在低速研磨开始前，需要预先决定低速研磨要达到的ILD目标厚度。要认知到在后续步骤里(例如，由抛光平台22所进行的抛光研磨及清洗机台16所进行的化学清洗)，额外的ILD上面部分将被移除。要达到最终目标厚度，对低速研磨而言，ILD的目标厚度可为最终目标厚度加上估计的由抛光平台22及清洗机台16所减少的厚度。
在一实施方式中，ILD的厚度可在低速研磨进行时被监测。图5是用以进行白光端点侦测的装置的示意图。该装置包括光源70，可通过在研磨垫74中的窗口72投射光线(具有宽带频率的白光)。当晶圆102在低速研磨期间经过窗口72时，光线会被晶圆102所反射并且由也设置于窗口72中并面向晶圆102的感测器(未绘示)所接收。感测到的信号会由摄谱仪78处理。由于反射光的频谱会被ILD的厚度所影响，且每一厚度值对应于一特定频谱，摄谱仪78可比较反射光的频谱与预存的频谱。当反射光的频谱符合目标厚度的预存频谱时，则ILD的目标厚度已经达成，而停止低速研磨(图2的区块42)。
低速研磨之后，将晶圆转送至抛光平台22(请参阅图1)，并进行抛光研磨(图2的区块44)。抛光研磨有两个功能。第一，它是利用软研磨垫进行，因此可除去高速和低速研磨所造成的缺陷及刮痕。第二，它除去一层ILD，使由此产生的ILD厚度更接近最终目标厚度。进行抛光研磨一预定研磨时间，该研磨时间是由抛光APC模型所指定，将在后续段落中详细讨论。接着，晶圆会转移到清洗机台16(图1)进行化学清洗。因此，由于化学清洗物的使用，额外一层ILD会被移除。由于化学清洗会移除的量是已知的，且在决定抛光研磨时已被考虑，化学清洗后的ILD厚度是被预期为(虽然不一定是)最终目标厚度；然而，偏差可能不时发生。
接下来，如图2步骤46所示，晶圆会再次转移到干式量测装置14(图1)以测量ILD厚度。若所测得厚度大于或小于最终目标厚度的厚度差异超出可接受的限度，则需要修改APC模型。修改方法可包括如区块34和48所指示的两种方法的一者或两者。第一，如区块34所示，厚度差异会回馈到APC模型以调整用于高速研磨的研磨配方(图2中步骤34)。研磨时间及/或高速研磨的区域压力可被调整以弥补厚度差异，因此，对后续研磨的晶圆而言，在步骤46所测量的厚度可符合最终目标厚度。第二，厚度差异会回馈到APC模型以调整抛光研磨的预定研磨时间(图2步骤48)，因此，对后续研磨的晶圆而言，在步骤46所测量的厚度可符合最终目标厚度。注意到在步骤46所测得的与最终目标厚度的差离(厚度差异)可由高速研磨、低速研磨、抛光研磨、及化学清洗之一或更多者所造成。然而，无论偏差的来源为何，后续晶圆的厚度差异可由调整晶圆内APC和抛光APC模型来修正。因此，APC模型是随时间修改的动态模型。
如果步骤46所测得的厚度在实质上等于或小于最终目标厚度，晶圆会通过平台12自研磨平台10卸下(图1)。相反地，如果步骤46所测得的厚度大于最终目标厚度，晶圆可被送回抛光平台22进行额外的抛光研磨，接着进行额外的清洗。额外的抛光研磨和额外的化学清洗是用来减少ILD厚度至最终目标厚度。然后晶圆会被卸下。或者，晶圆可以干式量测装置14进一步测量，而所取得的厚度可用来指示晶圆内APC模型的进一步修改，及/或在有必要时指示另一轮的抛光研磨和化学清洗。
从抛光研磨的步骤到测量ILD厚度的步骤，以及接下来的利用ILD厚度回馈到抛光研磨的步骤，称为整合量测闭回路控制(int egra t edmetrology close-loop control，IMCLC)。IMCLC与可选式低速研磨的结合可达成晶圆至晶圆均匀性及批货至批货均匀性。晶圆至晶圆均匀性是指从晶圆至晶圆ILD具有实质均匀性厚度。批货至批货均匀性是指从批货至批货(每一批货包括多个晶圆)ILD具有实质均匀性厚度。因此，IMCLC和低速研磨皆具有提高晶圆至晶圆及批货至批货的均匀性的功能，其以图2区块50表示。
在上述讨论的实施方式中，晶圆的ILD是作为解释本发明概念的例子。应认知到，本发明的实施方式可用于其他特征及材料的化学机械研磨，例如铜的化学机械研磨以形成铜线。研磨其他特征/材料的工艺步骤和概念基本上与前面段落中所讨论的相同。然而，用以测量个别特征的厚度的设备可能需要改变。
本发明的实施方式有几个优点。首先，藉由在高速研磨之前判定厚度分布以及采用客制化的专门针对研磨配方的厚度资料，高速研磨可达到WiW均匀性。另一方面，IMCLC和低速研磨可用来达到WtW均匀性和Lt L均匀性。此外，由于将量测整合入研磨平台并在研磨之前和之后使用，抛光APC模型可随每一晶圆的研磨而动态调整，使得WiW均匀性、WtW均匀性、及LtL均匀性可持续最佳化。实验结果指出，就32纳米技术而言，晶圆可达到少于100的WiW均匀性的9分，这是在很好的理想目标范围里，而WtW均匀性从使用传统APC模型的大约100的平均值提高到使用本发明APC模型的大约50的平均值。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。