專利名稱：襯底拋光裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種襯底拋光裝置，用于拋光襯底，例如拋光一種半導(dǎo)體晶圓，以使其平坦化。
近年來，隨著半導(dǎo)體器件日益小型化，其器件結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，而且邏輯系統(tǒng)中多層布線層數(shù)目增加，半導(dǎo)體器件趨向于包含更大的粗糙度和越來越大的臺階。這是因為半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)涉及步驟的多次重復(fù)，這些步驟包括形成薄膜、薄膜的微機械加工，以形成布線圖案并形成通孔，以及形成下一個薄膜。
半導(dǎo)體裝置表面粗糙度的增大易于在制造合格產(chǎn)品時引起故障，并且由于在薄膜形成步驟中薄膜的厚度變小，引起產(chǎn)出率降低，由于線路未接通而引起斷路，以及由于布線層之間絕緣不良而導(dǎo)致短路。另外，即使這些產(chǎn)品在初期的階段中正常運行，它們也將在長期使用中出現(xiàn)可靠性的問題。更進一步，由于在光刻步驟的曝光中，被照射的表面上的粗糙度能使曝光系統(tǒng)中的透鏡部分散焦，使得當(dāng)半導(dǎo)體器件表面的粗糙度增大時，導(dǎo)致自身微小圖案的形成更加困難。
因此，在半導(dǎo)體器件制造工藝中，用于平坦化半導(dǎo)體器件表面的平坦化技術(shù)愈加重要。在平坦化技術(shù)中，化學(xué)機械拋光(CMP)被認為是最重要的技術(shù)?；瘜W(xué)機械拋光采用一種拋光裝置來拋光襯底，例如半導(dǎo)體晶圓，使其與拋光墊或類似物的拋光表面滑動接觸，同時在該拋光表面上提供包含由硅石(SiO2)或類似物構(gòu)成的研磨顆粒的拋光液。
這種類型的拋光裝置包含有拋光臺，拋光臺的拋光面上有拋光墊；以及襯底支架，被稱為“頂圈”，“支座頂點”或類似物，用于支撐半導(dǎo)體晶圓。使用這種拋光裝置拋光半導(dǎo)體晶圓時，半導(dǎo)體晶圓由該襯底支架支撐住，同時用預(yù)定壓力將該半導(dǎo)體晶圓壓在該拋光臺上。在這種情況下，拋光臺和襯底支架彼此相對移動而使得半導(dǎo)體晶圓與拋光表面滑動接觸，由此將半導(dǎo)體晶圓的表面拋光成平整、如鏡面般的表面。
上述拋光裝置中，當(dāng)拋光速度恒定時，拋光量與拋光時間(加工時間)成比例。因而，通常采用下列方法來確定拋光時間。具體地，在拋光前先測量半導(dǎo)體襯底的厚度。然后，由拋光裝置在預(yù)先確定的恒定時間內(nèi)拋光該半導(dǎo)體襯底，并測量已拋光的襯底厚度。由厚度和所需拋光時間的關(guān)系計算出拋光速度，從而根據(jù)拋光速度和目標厚度的關(guān)系來確定適當(dāng)?shù)膾伖鈺r間。于是，隨后的半導(dǎo)體襯底在計算出的拋光時間內(nèi)進行拋光(例如參見，日本專利No.3311864，和特開平日本專利申請No.10-106984)。
然而，當(dāng)這樣計算出的拋光速度，被簡單的作為計算下一個將要被拋光的襯底的拋光速度的基礎(chǔ)時，拋光速度有所變化。如果拋光速度被限制在只有一個襯底時，隨后將要被加工的襯底的厚度將在很大程度上偏離于目標值。為解決該問題，已提出一個節(jié)省已經(jīng)過拋光的半導(dǎo)體襯底的拋光量和拋光時間的建議，從這些數(shù)據(jù)中計算出一個平均拋光速度，并根據(jù)該平均拋光速度來拋光下一個襯底(例如參見，日本專利申請No.7-100297)。這種根據(jù)先前的數(shù)據(jù)計算出平均拋光速度的方法，提供了這樣一個優(yōu)點，即，減少了從一批到另外一批來測量拋光速度的工作量，并減少了測量中的偏差。
然而，當(dāng)采用增強了削弱粗糙度能力的一種拋光方法(例如參見特開平日本專利申請No.8-22970)，以適應(yīng)半導(dǎo)體器件的進一步小型化時，先前拋光工藝中所采用的拋光速度與后面拋光工藝中采用的速度大大地不同，導(dǎo)致由上述方法計算出的通常拋光速度的意義減少了一半。具體地，當(dāng)拋光結(jié)果顯示拋光過度或拋光不充分時，應(yīng)當(dāng)考慮在拋光末期的拋光時間來修正加工時間，但使用平均拋光速度使其難以計算最佳拋光時間。
當(dāng)拋光結(jié)果顯示拋光不充分時，涉及附加拋光(即，再加工)，導(dǎo)致制造成本增加。此外，附加拋光的拋光時間根據(jù)操作員的經(jīng)驗而設(shè)定。另一方面，當(dāng)拋光結(jié)果顯示拋光過度時，布線凹槽內(nèi)的銅層連同絕緣薄膜一起將被擦去而引起電路電阻的增大，這種情況下，整個半導(dǎo)體襯底肯定報廢，導(dǎo)致低產(chǎn)出率和巨大的損失。
在一些常規(guī)的襯底拋光裝置中，進行STI(淺槽隔離)CMP，通過淺槽隔離來形成器件隔離。在所述STI CMP中，在徹底去除沉積在襯底最上層上的SiO2薄膜后，下面的SiN層在拋光結(jié)束前被拋光掉預(yù)定的厚度。此過程中，本領(lǐng)域所知的檢測覆蓋的SiO2層已被移除的方法，，包括測量用于驅(qū)動頂圈或轉(zhuǎn)臺的電動機的電流，并利用由于從SiO2到SiN的材料轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變化時的電流變化。然而，該方法包含了一個問題，即必須依賴于操作員的經(jīng)驗，在檢測暴露的SiN層之后確定拋光預(yù)定量SiN的過拋光時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的提出考慮到上述情況，且本發(fā)明的一個目的是提供一種襯底拋光裝置，即使當(dāng)使用高性能的拋光液時，該裝置通過防止由于過度拋光和拋光不充分時的附加拋光導(dǎo)致的制造產(chǎn)出率的降低，可以節(jié)省生產(chǎn)成本；即使需要附加拋光時，還可以通過在該襯底拋光裝置中的自動加工，定量地設(shè)定附加拋光時間來減少半導(dǎo)體制造工藝中的工作量，而這通常以經(jīng)驗為基礎(chǔ)來確定。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種襯底拋光裝置，如權(quán)利要求1所述，該裝置包含用于拋光待拋光襯底的機械裝置；用于測量沉積在襯底上的薄膜厚度的測量裝置；用于保存以前拋光結(jié)果的存儲區(qū)；和計算拋光時間和拋光速度的處理單元。該襯底拋光裝置的特征在于，通過建立一個附加拋光數(shù)據(jù)庫來存儲由存儲區(qū)中的附加拋光結(jié)果獲得的數(shù)據(jù)。
如權(quán)利要求2所述的襯底拋光裝置，其特征在于該處理單元可以根據(jù)存儲在該附加拋光數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，在收到配置于該拋光機械裝置中的拋光工藝監(jiān)視器的信號之后，優(yōu)化實施拋光的時間，從而適當(dāng)?shù)貙嵤┫乱徊交螂S后的拋光。
如權(quán)利要求3所述的襯底拋光裝置，其特征在于該處理單元可以根據(jù)該附加拋光數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)，為下一步或隨后的拋光計算最佳拋光時間。
如權(quán)利要求4所述的襯底拋光裝置，其特征在于除了該附加拋光數(shù)據(jù)庫以外，在該存儲區(qū)中還提供一個常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫，用于存儲從常規(guī)拋光結(jié)果中獲得的數(shù)據(jù)，其中該處理單元根據(jù)該附加拋光數(shù)據(jù)庫和該常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)，為下一步拋光計算最佳拋光時間。
如權(quán)利要求5所述的襯底拋光裝置，其特征在于該處理單元從該附加拋光數(shù)據(jù)庫或該常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫中存儲的兩點或多點處的拋光結(jié)果，近似發(fā)現(xiàn)拋光量和拋光時間之間的關(guān)系方程式，并根據(jù)該關(guān)系方程式計算最佳拋光時間。
如權(quán)利要求6所述的襯底拋光裝置，其特征在于該襯底包括其上層疊的多層薄膜，且該處理單元為所述層疊薄膜中的至少一層薄膜計算拋光速度，或相鄰兩層薄膜之間拋光速度的比率，并在該存儲區(qū)中存儲計算出的拋光速度或拋光速度的比率，以建立一個數(shù)據(jù)庫。
附圖簡述

圖1為局部剖視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置主要部件的結(jié)構(gòu)；圖2-1為方框圖，概括表示圖1中的襯底拋光裝置中各個部件之間的相互連接關(guān)系；圖2-2為方框圖，概括表示圖1中的襯底拋光裝置中各個部件之間的相互布局關(guān)系；圖3為描述根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置第一種工作模式的流程圖；圖4為描述根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置第二種工作模式的流程圖；圖5為描述根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置第三種工作模式的流程圖；圖6為描述根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置第四種工作模式的流程圖；圖7(A)和7(B)為描述根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置第五種工作模式的曲線圖；圖8為描述當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置應(yīng)用于另一種襯底時的工作模式的圖。
發(fā)明詳述下面將參照附圖，介紹根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置的一個實施例。
圖1概括性圖解組成根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置PA的主要部件的布局和結(jié)構(gòu)。該襯底拋光裝置PA包括帶有拋光面的拋光臺100；襯底支架200，用于支撐待拋光的襯底W，并將該襯底W壓到拋光臺100的拋光面上；以及一個襯底測量部分300，用于測量該襯底W上形成的膜厚以及該襯底支架200和/或拋光臺100的轉(zhuǎn)矩和振動。
圖1中，組成該襯底拋光裝置PA一部分的襯底測量部分300，包括一個嵌入(in-line)薄膜厚度測量裝置300a，用于測量被拋光之前和/或被拋光后經(jīng)過洗滌和干燥處理的襯底，例如半導(dǎo)體晶圓的厚度；和一個現(xiàn)場(in-situ)工藝監(jiān)視器300b，用來測量正在被拋光的襯底，例如半導(dǎo)體晶圓的厚度，以及該襯底支架200和/或拋光臺100的轉(zhuǎn)矩和振動。該嵌入薄膜厚度測量裝置300a從傳感線圈產(chǎn)生的渦流信號、由光學(xué)裝置產(chǎn)生的到該拋光面的入射光信號和從該拋光面反射的光信號、指示拋光面上的溫度的信號、微波反射信號、和類似的信號，這些信號中的單個信號或它們適當(dāng)?shù)慕M合，在搬運機器人(未示出)將已拋光的襯底W存儲在盒(未示出)中之前或搬運機器人已從盒中抽出未拋光的襯底W，測量襯底W的絕緣薄膜，例如導(dǎo)電銅薄膜、阻擋金屬層、氧化物薄膜，和類似薄膜的厚度。該嵌入薄膜厚度測量裝置300a從上述的傳感器信號和測量值中，還檢測在拋光后已被洗滌并干燥的襯底W的絕緣層或?qū)щ妼拥暮穸群筒季€的情況和類似信息，同時該襯底W保持固定，或襯底W被置于X-Y臺(stage)上，使得可以在預(yù)定位置檢測到該襯底W的任意位置例如布線位置。該現(xiàn)場工藝監(jiān)視器300b從上述的傳感器信號、測量值、或指示操作中的拋光臺和襯底支架的感應(yīng)運行轉(zhuǎn)矩，噪音，振動等的信號，來依次檢測除布線等必要部位以外的導(dǎo)電薄膜被去除，或在襯底拋光過程中絕緣薄膜被去除，來確定CMP工藝的終點，這樣可以重復(fù)適當(dāng)?shù)膾伖狻?br> 該襯底測量部分300產(chǎn)生的測量結(jié)果輸入控制器400，用于該拋光裝置的運行數(shù)據(jù)(指令)的修正等。拋光步驟中的每個拋光工藝的條件，例如，拋光臺和頂圈的旋轉(zhuǎn)速度、壓力，和類似值，與傳感器輸出中單獨的值或組合值相關(guān)，可用來測量將在每個拋光步驟中用來拋光的金屬膜、非金屬厚膜如氧化物膜、和薄膜的厚度，并可檢測拋光工藝中多種條件設(shè)置，例如，拋光終點的檢測中用到的相對增加/減少的變化。當(dāng)根據(jù)該襯底測量部分300對各區(qū)域測量的厚度信息來調(diào)整該襯底支架200向襯底W的各區(qū)域施加的壓力時，該襯底測量部分300可以測量限定于襯底W徑向上的各區(qū)域的厚度。
如上所述，該襯底支架200是用于支撐待拋光的襯底W，并把該襯底W壓在該拋光臺100的拋光面上來拋光襯底W的裝置。如圖1所示，具有一個附著于其頂面的拋光墊(拋光布)101的拋光臺100安裝在該襯底支架200的頂圈1的下面，而在該拋光臺100的上方布置一個拋光液供給噴嘴102，從而該拋光液供給噴嘴102向該拋光臺100上的拋光墊101上供給拋光液Q。
頂圈1通過萬向節(jié)10與頂圈傳動軸11相連接，并且該頂圈傳動軸11與固定在頂圈頭(top ring head)110上的頂圈氣缸111相連接。該頂圈傳動軸11通過頂圈氣缸111來上下移動，從而提升整個頂圈1，并把固定在該頂圈1下端的固定環(huán)2壓到拋光臺100上。該頂圈氣缸111通過調(diào)節(jié)器RE1與壓縮空氣源120相連接，從而使該調(diào)節(jié)器RE1能夠調(diào)節(jié)流體壓力，如輸送到該頂圈氣缸111的加壓氣體的氣壓。以這種方式，可以調(diào)節(jié)由該固定環(huán)2施加來擠壓該拋光墊101的壓力。
該頂圈傳動軸11與一個旋轉(zhuǎn)氣缸112相連接。該旋轉(zhuǎn)氣缸112在其外圍裝有同步滑輪(timing pulley)113。頂圈電動機114固定在頂圈頭110上，該同步滑輪113通過一個同步皮帶115與為該頂圈電動機114設(shè)置的同步滑輪116連接。因此，當(dāng)該頂圈電動機114被驅(qū)動而轉(zhuǎn)動時，該旋轉(zhuǎn)氣缸112和頂圈傳動軸11通過該同步滑輪116、同步皮帶115和同步滑輪113來整體旋轉(zhuǎn)而上下移動，最終帶動頂圈1旋轉(zhuǎn)。該頂圈頭110由頂圈頭軸(top ring head shaft)117支撐，而該頂圈頭軸117則由機架(未示出)穩(wěn)固支撐。
為了拋光襯底W，該襯底W被固定在該頂圈1的底面上，并且與該頂圈傳動軸11相連接的頂圈汽缸111被驅(qū)動來用預(yù)定壓力把固定在該頂圈1下端的固定環(huán)2壓到該拋光臺100的拋光面上。在這種情況下，預(yù)定壓力下的加壓氣體通過調(diào)節(jié)器RE2-RE8，從該壓縮空氣源120輸送到該固定環(huán)2，來將該襯底W壓在該拋光臺100的拋光墊101上。同時，從該拋光液供給噴嘴102供給拋光液Q，以保持該拋光墊101中的拋光液Q，從而用置于襯底W的拋光面和該拋光墊101之間的拋光液Q來拋光該襯底W。
在該襯底W上，在SiO2膜中形成的槽中沉積一層銅板膜，以形成特定的布線，而且沉積一個阻擋層來作為其下層材料。當(dāng)在該襯底W的頂層上沉積一層絕緣膜如SiO2膜時，由嵌入薄膜厚度測量裝置，例如一個光學(xué)傳感器、微波傳感器或類似裝置來檢測該絕緣膜的厚度，以去除該絕緣膜。這里所采用的用于光學(xué)傳感器的光源可以是鹵素?zé)?、氙氣閃光燈、LED、激光光源、和類似光源。另一方面，導(dǎo)電膜，例如銅膜、鎢膜和類似膜要被拋光時，除了上述光學(xué)傳感器之外還可以采用一個渦流傳感器。并且，從當(dāng)待拋光的材料改變時，該拋光臺和頂圈的轉(zhuǎn)矩和振動發(fā)生變化的事實來看，例如，當(dāng)導(dǎo)電薄膜被基本去除從而暴露出阻擋層時，可以通過檢測該拋光臺和頂圈的轉(zhuǎn)矩和振動來確定拋光終點。
在該襯底拋光裝置PA中，該控制器400控制襯底W表面上的拋光處理，而該襯底測量部分300測量待拋光薄膜的厚度。
圖2-1圖解了該襯底拋光裝置PA中各個部件之間的相互連接關(guān)系。圖2-2圖解了該襯底拋光裝置PA中各個部件之間的相互布局關(guān)系。這兩幅圖中，該襯底拋光裝置PA包含拋光部分501，該拋光部分501包括用于拋光待拋光襯底W的拋光臺100，還包括襯底支架200；用于修整(dressing)該拋光臺100的拋光面的修整部分502；用于清洗并干燥已拋光襯底W的清洗部分503；用于從盒中加載未拋光襯底W和向盒中卸載已拋光襯底的抽拉容器504；載體505；襯底測量部分300；和控制器400。
從抽拉容器504的盒中取出的襯底W通過載體505被輸送到該拋光部分501。在拋光過程中，該襯底測量部分300將拋光之前、拋光過程中和拋光結(jié)束之后關(guān)于該襯底W厚度的數(shù)據(jù)傳送給該控制器400，以存儲在存儲區(qū)400a中。該控制器400還包含一個用于計算拋光時間的處理單元400b。該處理單元400b由拋光結(jié)束后被拋光薄膜的量和拋光時間，例如，通過采用加權(quán)平均法來計算出拋光速度，并在存儲區(qū)400a中存儲計算出的拋光速度。因此，每次在拋光裝置PA中拋光襯底W后，例如去除的薄膜量和拋光時間等數(shù)據(jù)被保存在存儲區(qū)400a中，并且由該處理單元400b計算出拋光速度并再次保存在該存儲區(qū)400a中。此外，在操作員和控制器400之間通過界面506輸入和輸出多種數(shù)據(jù)。舉例來說，操作員可通過界面506在該控制器400的存儲區(qū)400a中存儲拋光后的目標厚度。
假設(shè)該現(xiàn)場工藝監(jiān)視器300b采用了光學(xué)薄膜厚度測量裝置，當(dāng)由所述光學(xué)薄膜厚度測量裝置利用拋光面的入射光和反射光，來測量出待拋光襯底W上的薄膜厚度時，將拋光面接收的和反射的反射光轉(zhuǎn)換為特征值，且檢測出特征值中暫時變化的最大值和最小值來了解拋光的進展。同樣的，當(dāng)該現(xiàn)場工藝監(jiān)視器300b測量頂圈1或拋光臺100的額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)矩時，或者當(dāng)使用渦流傳感器、振動傳感器、或聲傳感器時，檢測出預(yù)定最大值、最小值或閾值來了解拋光的進展。在這種情況下，如果在檢測到最大值或最小值時停止拋光，并且預(yù)先測量厚度來作為參考，則拋光的進展可能與被拋光薄膜的厚度有關(guān)。在檢測拋光停止點或結(jié)束點，例如拋光轉(zhuǎn)變點的過程中，檢測到僅在預(yù)期厚度之前的一個極值(特征點之一)，并且在檢測到該極值后，將薄膜拋光一段時間，這段時間對應(yīng)于與該極值相關(guān)的厚度和所述預(yù)期厚度之間的差。在下面的描述中，檢測到該極值后的拋光時間被稱為“過拋光”。
下一步，將結(jié)合作為示例的STI CMP，描述根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置PA的特征工作模式。
圖3為描述了根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置PA第一種工作模式過程的流程圖，其中當(dāng)需要附加拋光時，在存儲區(qū)400a中記錄附加拋光的結(jié)果，來建立一個附加拋光數(shù)據(jù)庫(下文中稱為“附加拋光DB”)。圖3中，由襯底支架200支撐的襯底W在其頂部形成有SiO2膜，下面有SiN層，并在步驟S1中用常規(guī)方法來拋光。在拋光過程中，通過該現(xiàn)場工藝監(jiān)視器300b順序測量拋光面上的厚度。當(dāng)該現(xiàn)場工藝監(jiān)視器300b在步驟S2中，在預(yù)定或期望的厚度前檢測到極值時，襯底W在拋光結(jié)束前已經(jīng)被過拋光。隨后，如果在步驟S3中，通過該嵌入薄膜厚度測量裝置300a發(fā)現(xiàn)SiO2膜中存在未完成的拋光部分，控制器400指示襯底拋光裝置PA再次工作，也就是，在步驟S4中對該SiO2膜附加拋光。在附加拋光結(jié)束時，再次指示該現(xiàn)場工藝監(jiān)視器300b在步驟S5中測量厚度。在此過程中，可以獲得諸如附加拋光的薄膜厚度、附加拋光所需的時間、附加拋光速度和類似數(shù)據(jù)，并傳送給控制器400，以存儲在該存儲區(qū)400a中。以這種方式，在存儲區(qū)400a中建立附加拋光數(shù)據(jù)庫。
圖4為描述根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置PA第二種工作模式過程的流程圖，該過程的目的是根據(jù)所述附加拋光數(shù)據(jù)庫優(yōu)化過拋光時間。圖4中，由襯底支架200支撐的襯底W在步驟S11中用常用作法拋光，且在步驟S12中，通過來自該現(xiàn)場工藝監(jiān)視器300b的信號，一旦檢測到襯底W的預(yù)定厚度之前的一個極值，在步驟S13中，控制器400使襯底拋光裝置PA按一段預(yù)定時間(過拋光時間)繼續(xù)拋光，以進行過拋光。拋光結(jié)束后，控制器400指示該嵌入薄膜厚度測量裝置300a來測量拋光臺100的拋光面上的厚度。接著，控制器400在步驟S14中確定拋光量是否適當(dāng)，并在拋光量適當(dāng)時結(jié)束拋光，這種情況下，不修正存儲在所述附加拋光數(shù)據(jù)庫中的拋光條件。
另一方面，當(dāng)步驟S14中確定的拋光量不合適時，控制器400在步驟S15中確定拋光是否過度。當(dāng)在步驟S15中確定拋光沒有過度時，應(yīng)當(dāng)延長過拋光時間，這樣控制器400使襯底拋光裝置PA在步驟S16中實施附加拋光，并在控制器400通過來自該襯底測量部分300的信號獲知附加拋光結(jié)束時，指示該現(xiàn)場工藝監(jiān)視器300b再次測量厚度。該過程中，在步驟S13-S16中獲得的諸如被拋光薄膜的厚度、拋光所需的時間、附加拋光速度和類似數(shù)據(jù)等，在步驟S17中被傳送給所述控制器400?？刂破?00根據(jù)向其傳送的數(shù)據(jù)來更新存儲區(qū)400a中的附加拋光數(shù)據(jù)庫。根據(jù)如此更新的附加拋光數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)，控制器400的處理單元400b在步驟S18中進行優(yōu)化來延長過拋光時間，并在所述附加拋光數(shù)據(jù)庫中記錄優(yōu)化過的過拋光時間。這種優(yōu)化過的過拋光時間被用于進行下一次拋光。
當(dāng)在步驟S15中確定拋光過度時，應(yīng)當(dāng)縮短步驟S13的過拋光時間，這樣控制器400在步驟S18中根據(jù)所述附加拋光數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)來進行優(yōu)化，縮短過拋光時間，并在所述附加拋光數(shù)據(jù)庫中記錄縮短的過拋光時間，來用于下一次拋光。
圖5為描述根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置PA第三種工作模式過程的流程圖，其中根據(jù)所述附加數(shù)據(jù)庫計算出最佳拋光時間來用于下一次拋光(包括附加拋光)。圖5中，在步驟S21中用常規(guī)作法拋光由襯底支架200支撐的襯底W，并且在步驟S22中一旦檢測到一段預(yù)定時間的流逝，控制器400指示該襯底測量部分300來測量襯底W的拋光面上的厚度。然后，控制器400在步驟S23中確定拋光量是否合適，并在拋光量合適時結(jié)束拋光，并且不修改所述附加拋光數(shù)據(jù)庫中存儲的拋光條件。
另一方面，當(dāng)步驟S23中確定的拋光量不合適時，所述控制器在步驟S24中確定拋光是否過度。當(dāng)步驟S23中確定拋光沒有過度時，應(yīng)當(dāng)延長過拋光時間，這樣控制器400使襯底拋光裝置PA在步驟S24中進行附加拋光，并在控制器400通過來自該現(xiàn)場工藝監(jiān)視器300b的信號獲知附加拋光結(jié)束時，指示該嵌入薄膜厚度測量裝置300a再次測量厚度。在此過程中，在步驟S22-S25中獲得的諸如被拋光薄膜的厚度、拋光所需時間、附加拋光速度和類似數(shù)據(jù)等，被傳送給控制器400。然后，控制器400的處理單元400b在步驟S26中計算接下來可能發(fā)生的附加拋光的最佳拋光時間，并在步驟27中用計算出的最佳拋光時間來更新所述附加拋光數(shù)據(jù)庫。從而，在接下來的拋光中，控制器400的處理單元400b在步驟S28中根據(jù)更新過的附加拋光數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)來進行處理，以優(yōu)化拋光時間，這樣在步驟S22中用優(yōu)化過的拋光時間來進行接下來的拋光。
當(dāng)在步驟S24中確定拋光過度時，應(yīng)當(dāng)縮短步驟S22的拋光時間，這樣控制器400的處理單元400b根據(jù)所述附加拋光數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化來縮短拋光時間，并在所述附加拋光數(shù)據(jù)庫中記錄縮短的拋光時間，以用于接下來的拋光。
圖6為描述根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置PA第四種工作模式過程的流程圖。除了結(jié)合圖3來描述的附加拋光數(shù)據(jù)庫之外，在存儲區(qū)400a中建立用于存儲與常規(guī)拋光相關(guān)數(shù)據(jù)的常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫(下文稱為“常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫”)，從而可以用這些數(shù)據(jù)庫計算出接下來拋光(包括附加拋光)的最佳拋光時間。圖6中，襯底W由襯底支架200支撐，并且在步驟31中用常規(guī)作法來拋光。在拋光過程中，通過該現(xiàn)場工藝監(jiān)視器300b，順序測量該拋光臺100的拋光面上的厚度，并當(dāng)該現(xiàn)場工藝監(jiān)視器300b在步驟S32中在期望厚度之前檢測到一個極值時，襯底拋光裝置PA在拋光結(jié)束前進行過拋光。
作為步驟S32中厚度測量的結(jié)果，如果該嵌入薄膜厚度測量裝置300a在步驟S33中發(fā)現(xiàn)SiO2薄膜中有未完成的拋光部分，則該控制器400指示襯底拋光裝置PA在步驟S34中進行附加拋光，并使該嵌入薄膜測量裝置300a在步驟S35中再次測量厚度。此過程中，在步驟S36中，可以獲得諸如附加拋光薄膜厚度、附加拋光所需時間、附加拋光速度和類似數(shù)據(jù)等，而且可以將這些數(shù)據(jù)傳送給控制器400，以存儲在存儲區(qū)400a中。以這種方式，在存儲區(qū)400a中建立了附加拋光數(shù)據(jù)庫。此外，在步驟S37中，通過在步驟S31、S32中進行的常規(guī)拋光獲得的諸如拋光薄膜厚度、拋光所需時間、拋光速度和類似數(shù)據(jù)，也被傳送給控制器400，以存儲在存儲區(qū)400a中。以這種方式，在存儲區(qū)400a中建立了常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫。根據(jù)在存儲區(qū)400a中如此建立的常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫和附加拋光數(shù)據(jù)庫，處理單元400b為接下來要拋光的襯底計算最佳常規(guī)拋光時間和最佳附加拋光時間。
根據(jù)第五實施例的襯底拋光裝置PA的第五種工作模式，利用結(jié)合圖6描述的常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫和附加拋光數(shù)據(jù)庫來計算最佳拋光時間。例如，假定在拋光量和拋光時間之間的關(guān)系由圖7(A)中的近似方程式Y(jié)＝AX+B表示的基礎(chǔ)上來進行拋光，但是當(dāng)描繪出出常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫或附加拋光數(shù)據(jù)庫中存儲的實際拋光量和拋光時間時，發(fā)現(xiàn)它們是在圖7(B)中由虛線表示的線性關(guān)系。因此，控制器400的處理單元400b修正缺省近似方程Y＝AX+B中的系數(shù)A、B，將拋光量和拋光時間之間新的關(guān)系設(shè)置為Y＝A’X+B’，并用該方程計算出最佳拋光時間。
根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置PA的第六種工作模式，當(dāng)拋光其上疊置有多個不同類型的薄層的襯底時，計算至少一層的拋光速度或每一個疊層的拋光速度，從而用計算出的速度建立一個數(shù)據(jù)庫。在本發(fā)明的第六種工作模式中，完全去除作為襯底最頂層沉積的SiO2薄膜后，將下面的SiN層拋光預(yù)定厚度，隨即結(jié)束拋光。
在這種情況下，當(dāng)拋光其上疊置有多個不同類型的薄膜的襯底的過程中，控制器400的處理單元400b計算出所述疊層中的每層拋光薄膜的厚度，至少一層薄膜的拋光速度，和上覆層的拋光速度與下層的拋光速度的比率，并在存儲區(qū)400a中存儲所述計算結(jié)果來建立一個數(shù)據(jù)庫。采用數(shù)據(jù)庫中如此形成的這些數(shù)據(jù)，例如，當(dāng)常規(guī)拋光后發(fā)現(xiàn)SiO2層中有未完成的拋光部分時，去除殘存SiO2膜的拋光終止時間能如下計算[方程1]SiO2的拋光速度＝[(IniThk_1-PostThk_1)+(IniThk_2-PostThk_2)×RR_1/RR_2]/T其中T為附加拋光時間；IniThk_1為附加拋光前SiO2膜的厚度；PostThk_1為附加拋光后SiO2膜的厚度；IniThk_2為附加拋光前SiN層的厚度；PostThk_2為附加拋光后SiN層的厚度；RR_1為SiO2膜的平均拋光速度；且RR_2為SiN膜的平均拋光速度。
在拋光多種類型薄膜的拋光過程中，根據(jù)經(jīng)驗可發(fā)現(xiàn)雖然從一層薄膜到另一層的絕對拋光速度是不同的，它取決于該頂圈的轉(zhuǎn)動速度、拋光臺100的拋光面上的磨損程度，和類似情況，但是從一個不同的薄膜到另一個的拋光速度的比率，即，上述方程中的平均拋光速度比(RR_1/RR_2)通常為常數(shù)。
當(dāng)結(jié)合作為示例的STI CMP進行了上述描述時，根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置同樣也可以應(yīng)用于銅CMP。例如，當(dāng)依據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置用于拋光一個襯底上的阻擋金屬層605和第二絕緣膜604時，該襯底上的第一絕緣膜602、low-k膜603、第二絕緣膜604和阻擋金屬層605按照該順序?qū)盈B在銅膜601上，該襯底可以按照參考圖6先前描述的類似程序進行拋光。具體地，首先在步驟S41，在進行了一段預(yù)定時間的常規(guī)拋光之后，或者通過渦流傳感器或類似裝置感應(yīng)到該阻擋金屬層605被去除之后，拋光結(jié)束前進行一段預(yù)定時間的過拋光。拋光結(jié)束時，在步驟S42中用所述嵌入薄膜厚度測量裝置300a測量拋光之后的厚度。當(dāng)結(jié)果顯示拋光量合適時，在步驟S43中用與當(dāng)前拋光相關(guān)的數(shù)據(jù)來更新所述常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫，以優(yōu)化接下來的常規(guī)拋光時間。另一方面，當(dāng)步驟S42中拋光過度時，在步驟S43中更新所述常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫。當(dāng)在步驟S42中檢測到拋光不充分時，在步驟S44中進行附加拋光，并在附加拋光結(jié)束后，在步驟S45中更新所述附加拋光數(shù)據(jù)庫，以優(yōu)化接下來的附加拋光時間。
雖然上文已描述了根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置的一個實施例和它的幾種工作模式，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不限于前述具體實施方式
，在本發(fā)明的技術(shù)概念之內(nèi)，可以用各種不同的方式來實施。同樣，所述襯底拋光裝置和它的示例性結(jié)構(gòu)也不局限于前述說明性的實施例，而且在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下當(dāng)然可以作出多種修改。
例如，雖然已經(jīng)介紹的襯底拋光裝置包含嵌入薄膜厚度測量裝置和現(xiàn)場工藝監(jiān)視器兩者，但是即使只包含該嵌入薄膜厚度測量裝置也可以實施本發(fā)明。具體地，當(dāng)根據(jù)時間來控制該拋光工藝時，且該嵌入薄膜厚度測量裝置測量拋光了固定時間后的襯底時，該嵌入薄膜厚度測量裝置感應(yīng)拋光不充分或拋光過度，并且如果感應(yīng)到拋光不充分，就進行附加拋光。或者，當(dāng)通過感應(yīng)驅(qū)動襯底支架或拋光臺的電動機電流來檢測拋光狀況時，還可通過使用該嵌入薄膜厚度測量裝置建立所述附加拋光數(shù)據(jù)庫來調(diào)整感應(yīng)的電動機電流的閾值。
根據(jù)本發(fā)明的襯底拋光裝置也能應(yīng)用于QC(質(zhì)量控制)晶圓。QC晶圓指的是用來定期檢查拋光速度和襯底面內(nèi)均勻性的晶圓，如每周一次，每天一次，或每100個晶圓，和類似情況?；旧希琎C晶圓具有待拋光的預(yù)定材料，例如在襯底表面上均勻地形成的銅膜、絕緣膜或類似物。假定QC晶圓的拋光類似于附加拋光，拋光結(jié)果可反映在所述附加拋光數(shù)據(jù)庫中。通常，當(dāng)已經(jīng)消除了形成在襯底上正處于拋光中的表面的臺階，從而使所述襯底表面變得基本均勻時，進行附加拋光。換句話說，附加拋光與QC晶圓拋光的共同之處在于拋光中的均勻表面是已經(jīng)被拋光過的，這樣QC晶圓拋光的結(jié)果可反映在附加拋光數(shù)據(jù)庫中。以這種方式，在還沒有進行附加拋光的拋光裝置中，例如初始運行的拋光裝置，可以用附加拋光來替代QC晶圓拋光的結(jié)果，以提高為實際附加拋光設(shè)置的條件的精度。
從上述描述中可以理解，本發(fā)明提供的特別的優(yōu)點包括防止由于拋光過度造成低制造產(chǎn)出率的能力；通過防止拋光不充分產(chǎn)生的附加拋光需求而降低了制造成本；通過定量設(shè)置附加拋光時間而減少了半導(dǎo)體制造工藝中的工作量。
權(quán)利要求
1.一種襯底拋光裝置，包括機械裝置，用于將待拋光襯底拋光；測量裝置，用于測量該襯底上沉積的薄膜厚度；存儲區(qū)，用于保存先前的拋光結(jié)果；以及處理單元，用于計算拋光時間和拋光速度，其中，在所述存儲區(qū)中建立一個附加拋光數(shù)據(jù)庫，用來存儲從附加拋光的結(jié)果獲得的數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的襯底拋光裝置，其中，在收到布置在所述拋光機械裝置中的拋光工藝監(jiān)視器的信號之后，所述處理單元根據(jù)存儲在所述附加拋光數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，優(yōu)化進行拋光的時間，以適當(dāng)?shù)剡M行接下來的拋光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的襯底拋光裝置，其中所述處理單元可根據(jù)所述附加拋光數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)，來為接下來的拋光計算最佳拋光時間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的襯底拋光裝置，除了所述附加拋光數(shù)據(jù)庫以外，所述存儲區(qū)中進一步包含一個常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫，用來存儲從常規(guī)拋光結(jié)果中獲得的數(shù)據(jù)，其中所述處理單元根據(jù)存儲在所述附加拋光數(shù)據(jù)庫和所述常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，來為接下來的拋光計算最佳拋光時間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的襯底拋光裝置，其中所述處理單元從所述附加拋光數(shù)據(jù)庫或所述常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫中存儲的在兩點或更多點處拋光的結(jié)果，能夠近似發(fā)現(xiàn)拋光量和拋光時間之間的關(guān)系方程式，并根據(jù)該關(guān)系方程式計算最佳拋光時間。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的襯底拋光裝置，除了所述附加拋光數(shù)據(jù)庫以外，所述存儲區(qū)中進一步包含一個常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫，用來存儲從常規(guī)拋光結(jié)果中獲得的數(shù)據(jù)，其中所述處理單元根據(jù)存儲在所述附加拋光數(shù)據(jù)庫和所述常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，來為接下來的拋光計算最佳拋光時間。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的襯底拋光裝置，除了所述附加拋光數(shù)據(jù)庫以外，所述存儲區(qū)中進一步包含一個常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫，用來存儲從常規(guī)拋光結(jié)果中獲得的數(shù)據(jù)，其中所述處理單元根據(jù)存儲在所述附加拋光數(shù)據(jù)庫和所述常規(guī)拋光數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，來為接下來的拋光計算最佳拋光時間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的襯底拋光裝置，其中所述襯底包括其上層疊的多層薄膜；并且其中所述處理單元計算所述層疊薄膜中至少一層的拋光速度，或相鄰兩個薄膜之間拋光速度的比率，并在所述存儲區(qū)中存儲計算出的拋光速度或拋光速度的比率，從而建立一個數(shù)據(jù)庫。
9.一種拋光方法，包括以常規(guī)拋光工藝拋光其表面上有一個沉積層的襯底；在所述常規(guī)拋光工藝后，測量該襯底的層厚作為第一厚度；在附加拋光工藝中拋光該襯底，來去除該層中未完成的拋光部分；在所述附加拋光工藝后，測量已被拋光的襯底的層厚作為第二厚度；從所述第一和第二厚度值以及拋光時間計算出在所述附加拋光工藝中的拋光速度；在數(shù)據(jù)庫中存儲第一數(shù)據(jù)，所述第一數(shù)據(jù)至少為所述附加拋光工藝的所述層厚、所述拋光時間和所述拋光速度當(dāng)中的一個。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的拋光方法，其中在所述常規(guī)拋光工藝中，所述拋光包括在檢測該襯底的預(yù)定層厚之后，并且在測量所述第一厚度之前，以過拋光工藝拋光該襯底。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的拋光方法，進一步包括根據(jù)所述第一數(shù)據(jù)來優(yōu)化過拋光時間，從而作為用于拋光隨后的襯底的過拋光時間。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的拋光方法，進一步包含根據(jù)所述第一數(shù)據(jù)來優(yōu)化所述常規(guī)拋光工藝中的拋光時間，作為隨后襯底的拋光時間。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的拋光方法，進一步包含在所述數(shù)據(jù)庫中存儲第二數(shù)據(jù)，所述第二數(shù)據(jù)至少為所述常規(guī)拋光工藝中的層厚、拋光時間和拋光速度當(dāng)中的一個。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的拋光方法，進一步包含根據(jù)所述第一和第二數(shù)據(jù)優(yōu)化所述常規(guī)拋光工藝中的所述拋光時間，作為隨后襯底的拋光時間。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的拋光方法，進一步包含從所述數(shù)據(jù)庫中存儲的兩點或更多點，計算拋光量和拋光時間之間的關(guān)系方程式。
16.一種拋光方法，包括以常規(guī)拋光工藝，拋光其表面上有一個沉積層的襯底；在所述常規(guī)拋光過程后，測量該襯底的層厚作為第一厚度；在附加拋光工藝中拋光該襯底，來去除該層中未完成的拋光部分；在所述附加拋光工藝后，測量已被拋光的襯底的層厚作為第二厚度；從所述第一和第二厚度以及拋光時間，計算所述附加拋光工藝中的拋光速度；在數(shù)據(jù)庫中存儲第一數(shù)據(jù)，所述第一數(shù)據(jù)至少為所述附加拋光工藝中的所述層厚、所述拋光時間和所述拋光速度當(dāng)中的一個；其中所述層包括多層薄膜；并且計算相鄰兩層薄膜之間拋光速度的比率。
全文摘要
提供一種襯底拋光裝置來防止拋光過度和拋光不充分，并能夠定量設(shè)置附加拋光時間。該襯底拋光裝置包括用來將待拋光襯底拋光的機械裝置；用來測量沉積在該襯底上的薄膜厚度的膜厚度測量裝置；用來輸入被拋光薄膜目標厚度的界面；用來保存先前拋光結(jié)果的存儲區(qū)；以及用于計算拋光時間和拋光速度的處理單元。該襯底拋光裝置建立一個附加拋光數(shù)據(jù)庫，用于將從附加拋光結(jié)果中獲得的數(shù)據(jù)存儲在該存儲區(qū)中。
文檔編號B24D7/12GK1670924SQ20041009544
公開日2005年9月21日 申請日期2004年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月19日
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