TW458849B - Temperature control device for chemical mechanical polishing - Google Patents

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458849 A7 _ B7 五、發明說明（） 發明領域： (詩先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明係與一種半導體製程設備有關，特別是有關於 一種化學機械研磨之溫度控制裝置，以應用於晶圓或半導 體基材表面平坦化的材質去除製程之中。 發明背景： 自從第一個積體電路元件的誕生以來，半導體工業已 發展了近四十年，而半導體製造的技術亦持續的進展，以 將晶片上元件的尺寸減至最小；藉由如沈積、微影、蝕刻、 平坦以及熱處理等製程技術的進步，積體晶片上元件與電 路的積集度亦日益提昇，亦提供良好的製程良率及產品特 性。以目前的製程技術而言，單一晶片已能容納數千萬個、 甚至是數億個元件’製程技術的進展亦使積體電路上的元 件大小可縮減至次微米（s u b - m i c r ο η )、甚至是深次微米 (deep sub-micron)的尺寸範圍内，以達到更高積集度 的目標。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在半導體基材上形成各個膜層、並定義各層的結構及 圖案、以藉由不同材質及組合及連接關係形成所需的元件 結構的製程之中，平坦化製程扮演著極為重要的角色。藉 由平坦化製程的應用’可使原來因形成不同圖案與結構的 高低起伏表面，經由平坦化的步驟而使其表面平坦化，提 供平坦的基材表面，以提高後續膜層形成時的均勻性，並 本紙張义度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 >= 297公釐） 4 5 88 4 9 A7 B7 五、發明說明（） 藉由良好的平坦度提供如微影製程或晶圓對準程序時的準 確性及定位精確性。 此外，在形成基材上各個連線層間之導體插塞的過程 之中，平坦化製程亦具有極為重要的應用，以於導體材料 填入介電層的接觸洞或連接洞後，藉由平坦化的表面材質 去除方式'將介電層表面的多餘導體材料去除，以留下各 別獨立的導體插塞於介電層内。 以目前的半導體製程而言，應用最為頻繁的平坦化製 程之一 ’即是化學機械研磨（chemical-mechanical polishing; CMP)的製程，藉由加入與基材表面材質或 膜層具有反應作用的溶液、以及具研磨作用的研磨顆粒所 組成的研磨液（s 1 u r r y ;或稱研漿），並提供相對於晶圓表 面的運動，以同時對基材表面材質產生化學性及物理性的 去除作用。而在現階段的應用之中，化學機械研磨也由於 其所提供的良好均勻性、控制性、及表面平坦度，而廣為 應用於次微米及深次微米的半導體製程之令，而成為超大 型積體電路（ultra large scale.integrated circuit; U L S I)階段中，製程應用上最為重要的平坦化製程。 ' 由於化學機械研磨的製程處理，會同時牵涉到表面材 質的化學性及物理性去除作用，因此製程對溫度條件的變 化較為敏感，在傳統應用上，化學機械研磨時的製程溫度 即成為控制材質去除速率、研磨均勻性、以及研磨過程中 化學機制及物理機制間平衡的重要因素。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂----- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 5 88 4 9 A7 ------ -B7五、發明說明（） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 I知的化學機械研磨設備之中，為控制製程的溫度， 大多會有溫度控制的裝置，如第一 a圖所示’即為—化學 機械研磨設備的上視示意圖，圖中所標示的區域10即為研 磨平台所在的區域，研磨頭14則用以夾持晶圓於研磨的區 域上運動。第一b圖則為化學機械研磨設備的侧視示意圖， 研磨平台10上設有研磨墊12，以提供作為晶圓研磨時的 承載面。一般而言，在習知的化學機械研磨設備之中，溫 度控制的元件皆是設置於研磨平台10内、研磨墊12的下 方處，也就是大略位於圖中箭頭所指的位置，並利用液體 流動的方式，或者是設置加熱線圈或加熱器的方式，來達 到所需的升溫或降溫的目的’而藉此控制製程的溫度條件。 並可藉由設置於研磨平台10之内的溫度感應裝置，來進行 溫度的監控。 然而I上述的化學機械研磨設備之溫度控制裝置，會 產生許多的缺點。由於研磨墊i 2 一般係使用高分子類的物 質，以提供良好的壓力及均勻性，但由於其材質的特性， 其傳熱的效率較差，因此研磨平台丨〇處的溫度條件，往往 會與實際研磨時接觸晶圓的研磨墊1 2有相當的差矩 外’以目前化學機械研磨較高的製程效率而言，通常 進行的時間並不長，一般約在數十秒至數百秒的範固内 而在如此短暫的製程時間中’研磨平台10 4的溫度條件並 無法及時傳導至接觸晶圓的研磨墊12上，研磨平台ι 内的溫度感應裝置亦無法即時反應製程的溫度變化， ( 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公楚） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) --裝 ----訂----- 4 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 5 8S4 9 A7 -----iZ_______ 五、發明說明（） 製程溫度條件上的偏差、亦造成溫度控制上的困難。 發明目的―及想述： 本發明的目的為提供一種化學機槭訢磨之吳度控制裝 置。 本發明的另一目的為提供一種化學機械研磨之溫度控 制裝置’以提供化學機械研磨時準確而快速的溫度控制。 本發明的另一目的為提供一種化學機械研磨之溫度控 制裝置1可達到即時升溫及測溫的效果。 本發明的另一目的為提供一種化學機械研磨之溫度控 制裝置以確實控制及反應實際研磨時接觸晶圓之研磨塾 的溫度條件及變化，增加製程溫度的控制性a 本發明中化學機械研磨之溫度控制裝置，主要可包含： 研磨平台、研磨頭、幅射加熱裝置、以及溫度檢測裝置； 研磨平ο上方並包含一研磨墊；研磨頭則用以旋轉晶圓以 進行對晶圓之研磨；幅射加熱裝置係設置於研磨墊上方， 以藉由熱幅射方式加熱研磨墊；溫度檢測裝置則用以蟑測 研磨墊之溫度β 以較佳實施例而言，上述之晶圓係於研磨墊上之部分 區域進行旋轉之研磨，並由上述之研磨平台係提供研磨墊 於研磨過程中之旋轉運動。幅射加熱裝置係加熱研磨墊上 之部分區域，以於此一區域旋轉進入與晶圓接觸之研磨區 域前、加熱至所需之處理溫度。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公f ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) - I--I I I I < f ( I ί 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 5 S84 g A7 _B7_ 五、發明說明（） 除此之外，化學機械研磨溫度控制裝置亦可選擇性的 加入冷卻裝置、設置於研磨墊的下方，以提供某些製程中 冷卻研磨墊的效果。在較佳實施例之中，化學機械研磨溫 度控制裝置並可包含研磨液供給裝置於研磨墊上方，以提 供研磨液至研磨塾表面上；亦可加入研磨塾調節裝置、設 置於研磨墊上方之部分非研磨區域，用以調節研磨墊之表 面狀態。 圖式簡箪說明= 第一a圖 顯示習知之化學機械研磨設備的上視示意 圖。 第一 b圖 顯示習知之化學機械研磨設備的側視示意圖 第二a圖顯示本發明中化學機械研磨之溫度控制裝置 的上視示意圖。 第二b圖 顯示則為本發明中化學機械研磨之溫度控制 裝置的侧視示意圖。 發明詳細說明： 本發明中提出一種化學機械研磨之溫度控制裝置，藉 由溫度控制方式的改變*可直接產生對實際研磨時接觸晶 圓之研磨墊的加熱，以提供化學機械研磨時準確而快速的 溫度控制，達到即時升溫及測溫的效果’並確實控制及反 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------.h. I -----1 J I 訂·! ---I 1 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明說明（ A7 B7 經濟部智铥財產局員工消費合作社印製 映製轾溫度變化，增加製程溫度的控制性α 參見第二a圖所示，即為本發明中化學機械研磨之溫 度控制裝置的上視示意圖，第二b圖所示則為本發明中化 學機械研磨之溫度控制裝置的側視示意圖；如第二b圖令 所示，化學機械研磨之溫度控制裝置主要可包含：研磨平 台20、研磨頭22(顯示於第二a囷中）、幅射加熱裝置24、 以溫度檢測裝置2 6。 研磨平台20上方即設置研磨墊28,研磨墊可視不同 研磨製程的須要來使用不同的彈性墊層材質，例如使用高 分子類的化合物，以提供研磨時對晶圓表面的麼力及施壓 時的均勻性；研磨頭2 2則為一夾持晶圓之旋轉頭，以旋轉 載附於其下端之晶圓、以進行對晶圓之研磨；在化學機械 研磨進行的過程之中，研磨頭22下方的晶圓即於研磨墊28 上之部分區域進行旋轉之研磨，如圖中箭號30所指之區 域，即為其運動及研磨時所在範圍之一例；在研磨的過程 之中，研磨平台20並提供帶動研磨墊28整體之旋轉運動> 以產生與晶圓表面的相對運動，提供較佳的研磨效果。 幅射加熱裝置24則設置於研磨墊28的上方，以藉由 熱幅射的方式加熱研磨墊28 *不僅可達成直接加熱研磨墊 28的效果，並可避免與運動中的研磨塾之直接接觸’減少 研磨液污染及研磨墊28運動自由度上的問題’以較佳實施 例而言，幅射加熱裝置24可使用具良好加熱特性的幅射加 熱燈、或是紅外線加熱燈等。在較佳例之中’幅射加熱裝 本紙張&度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） (諝先时诿背面之注意事.項再填寫本頁) 裝 訂--------- 4 6 884 9 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 置24係加熱研磨墊28上之部分區域，如第二a圖中所標 示之®域24a’以於此區域依逆時針方向、旋轉進入與晶 園接觸之研磨區域前、將研磨塾28表面實際接觸晶圓的= 域加熱至所需的製程處理溫度’而能達到即時的加熱效果。 溫度檢測裝置2 6則用以檢測研磨塾2 g、或說是其表 面及於研磨時所附著之研磨液的溫度，在較佳實施例之中， 溫度檢刹裝置26之設置考量，係用以檢測在加熱區24a 受熱後的區域、於進入研磨區域30前之溫度；第二&圖中 所標示之測溫點2 6 a，即為一測溫區域的較佳例。在較佳 例之中’溫度檢測裝置2 6可應用非接觸式的溫度檢測裝 置’例如採用江外線測溫裝置等’避免與運動中的研磨塾 及研磨液直接接觸，減少研磨液污染及研磨墊28運動便利 性上的問題，並可藉由非接觸的測溫方式提供測量表面溫 度的準確性。 以較佳實施例而言’上述的幅射加熱裝置2 4以及溫度 檢測裝置2 6，可設置於整體研磨機台内部的侧壁或上方， 亦可附加於研磨頭22的非旋轉部分（即研磨頭22之基座 部分）的側緣，皆能達成上述較佳例中設置之目的及位置上 的效果。 除了上述中的各個元件之外，若是須因應不同製程的 控溫需要，上述的化學機械研磨溫度控制裝置亦可包含冷 卻裝置30、如第二b圖所示’設置於研磨墊28下方的研 磨平台20處，並可利用液體流動的方式來冷卻研磨墊28» 本紙張尺度適用中固國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） — — — — — III 1.)^ ----- I--訂·--I 1 I I I I (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 δ 88 4 g 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 如第二a圖所示，在一般系統的應用上，上述之化學 機械研磨溫度控制裝置並可包含研磨液供給裝置32、設置 於研磨墊28的上方’以提供製程進行時所需的研磨液至研 磨墊28表面上’並可藉由研磨液的交換及流動達成另一形 式的溫度控制；亦可包含研磨墊調節裝置（pad c〇nditi〇ner)34、設於研磨墊28上方之部分非研磨區 域，用以調節研磨墊28之表面狀態。 因此’藉由本發明中的化學機械研磨之溫度控制裝置， 可由幅射加熱裝置2 4及溫度檢測裝置2 6提供即時且直接 的加熱與溫度監控，達到即時升溫及測溫的效果，提昇研 磨製程溫度的控制性。例如以形成鎢插塞所需的化學機械 研磨製程為例，藉由本發明中的化學機械研磨之溫度控制. 裝置’可在製程一啟始時，即將研磨區域的溫度由原來的 低溫（2 0 °C )、於數秒之内即加熱至所需的較佳製程溫度 此例中約為5 0 °C至7 0 °C，並能於製程進行時隨時保持所 需的溫度條件，使研磨速率能於製程一開始時即快速提昇 至所需的設定值’增_加製程的控制性及研磨的均勻性’且 大幅縮短製程進行的時間，增加晶圓量產的效率β ' 本發明以較佳之實施例說明如上，僅用於藉以幫助了 解本發明之實施，非用以限定本發明之精神，而熟悉此領 域技藝者於領悟本發明之精神後，在不脫離本發明之精神 範圍内，當可作些許更動潤飾及等同之變化替換，其專利 保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定》 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------7—-裝 ------訂- ---- 1--^! (請先故球背面之泫意事項再填寫本頁)

Claims (1)

1. ii4 § A8 B8 C8 D8 ^、申請專利範園 (請先閱讀背面之注項再填寫本頁) 1. 一種化學機械研磨之溫度控制裝置，至少包含： —研磨平台，該研磨平台上方並包含一研磨墊； —研磨頭，用以旋轉一晶圓以進行對該晶圓之研磨； 一幅射加熱裝置設置於該研磨塾上方，以藉由熱幅射 方式加熱該研磨墊；以及 一溫度檢測裝置用以檢測該研磨墊之溫度。 2 .如申請專利範園第1項之化學機械研磨溫度控制裝 置，其中上述之晶圓係於該研磨藝上之部分區域進行旋轉 之研磨。 3. 如申請專利範圍第1項之化學機械研磨溫度控制裂 置，其中上述之研磨平台係提供該研磨塾於研磨過程中之 旋轉運動。 4. 如申請專利範圍第1項之化學機械研磨溫度控制敦 置，其中上述之幅射加熱裝置係加熱該研磨整上之部分區 域，以於該區域旋轉進入與晶圓接觸之研磨區域前、加熱 至所需之處理溫度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 5. 如申請專利範圍第4項之化學機械研磨溫度控制裝 置’其中上述之溫度檢測裝置係用以檢測受熱區域進人节 研磨區域前之溫度。 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS ) A4規格（210X2S»7公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範園 6. 如申請專利範圍第1項之化學機械研磨溫度控制裝 置，其中上述之溫度檢測裝置係為一非接觸式溫度檢測裝 置。 7. 如申請專利範圍第6項之化學機械研磨溫度控制裝 置，其中上述之溫度檢測裝置至少包含一紅外線測溫裝置。 8 .如申請專利範圍第1項之化學機械研磨溫度控制裝 置，其中上述之幅射加熱裝置至少包含一加熱燈。 9 .如申請專利範圍第1項之化學機械研磨溫度控制裝 置，更包含一冷卻裝置設置於該研磨墊下方，以冷卻該研 磨墊。 1 0 .如申請專利範圍第1項之化學機械研磨溫度控制裝 置，更包含一研磨液供給裝置於該研磨墊上方，以提供研 磨液至該研磨墊表面上。 1 1 .如申請專利範圍第1項之化學機械研磨溫度控制裝 置，更包含一研磨墊調節裝置設於該研磨墊上方之部分非 研磨區域，用以調節該研磨墊之表面狀態。 12. —種化學機械研磨之溫度控制裝置，至少包含： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210 X 297公釐） --------裝------訂------:,r '™ » (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

   中請專利範圍 —研磨平台，該研磨平台上方並包含一研磨墊； —研磨頭，用以旋轉一晶圓以進行對該晶圓之研磨； ―幅射加熱裝置設置於該研磨墊上方’以藉由熱幅射 方式加熱該研磨墊； 一溫度檢測裝置用以檢測該研磨墊之溫度； 一研磨液供給裝置於該研磨墊上方’以提供研磨液至 該研磨墊表面上；以及 一研磨墊調節裝置設於該研磨墊上方之部分非研磨區 域，用以調節該研磨墊之表面狀態。。 13.如申請專利範圍第12項之化學機械研磨溫度控制 裝置，其中上述之晶圓係於該研磨墊上之部分區域進行旋 轉之研磨。 1 4 .如申請專利範圍第1 2項之化學機械研磨溫度控制 裝置，其中上述之研磨平台係提供該研磨墊於研磨過程中 之旋轉運動。 15·如申請專利範圍第12項之化學機械研磨溫度控制 裝置，其中上述之幅射加熱裝置係加熱該研磨墊上之部分 區域，以於該區域旋轉進入與晶圓接觸之研磨區域前、加 熱至所需之處理溫度。 16·如申請專利範圍第15項之化學機械研磨溫度控制 12 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4^格（210><2们公釐） I n I I I .. ϋ I I > -- :· (請先閲讀背面之注意^項再填寫本頁吣 訂 線' 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6 4 94 β 0 ABCD 六 、申請專利範圍 ~~~_ 裝 该 置，其中上述之溫度檢測裝置係用 研磨區域前之溫度。 U檢：測受熱區域進 入 17.如申請專利範圍第12項之 装 置，其中上述之溫度檢測裝置係為 化學機械研磨溫度控制 裝釁 #接觸式溫度檢 測 I8.如申請專利範圍第17項之化舉 散置，其中上述之溫度檢测裝置至少機械研磨溫度控制 裝 包含—紅外線測溫裝 置0 1 9 .如申請專利範圍第1 2項之化 裝置，其中上述之幅射加熱裝置至少包人機械研磨溫度控制 3 ~加熱燈。 20.如申請專利範圍第12項之 1 研磨墊 裝置，更包含一冷卻裝置設置於該研磨塾 化學機械研磨溫度控制 下方，以冷卻該 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2 1 . —種化學機械研磨之溫度控制杜@ 教置，至少包含： —研磨平台’該研磨平台上方並包含一研磨墊，研磨 平台係提供該研磨墊於研磨過程中之旋轉運動； 一研磨頭，用以旋轉一晶圓以進行對該晶圓之研磨， 該晶圓係於該研磨墊上之部分區域進行旋轉之研磨；以及 一幅射加熱裝置設置於該研磨墊上方’以藉由熱幅射 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4规格（210X297公釐） -------裝------訂------，、線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 5 884 9 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 方式加熱該研磨墊。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 22. 如申請專利範圍第21項之化學機械研磨溫度控制 裝置，更包含一溫度檢測裝置、用以檢測該研磨墊之溫度。 23. 如申請專利範圍第22項之化學機械研磨溫度控制 » 裝置，其中上述之幅射加熱裝置係加熱該研磨墊上之部分 區域，以於該區域旋轉進入與晶圓接觸之研磨區域前、加 熱至所需之處理溫度。 2 4 .如申請專利範圍第2 3項之化學機械研磨溫度控制 裝置，其令上述之溫度檢測裝置係用以檢測受熱區域進入 該研磨區域前之溫度。 2 5 .如申請專利範圍第2 2項之化學機械研磨溫度控制 裝置，其中上述之溫度檢測裝置係為一非接觸式溫度檢測 裝置。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2 6 ,如申請專利範圍第2 5項之化學機械研磨溫度控制 裝置，其中上述之溫度檢測裝置至少包含一紅外線測溫裝 置。 27.如申請專利範圍第21項之化學機械研磨溫度控制 裝置，其中上述之幅射加熱裝置至少包含一加熱燈。 本紙張尺度逋用中國國家榇準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 4 5 88 4 9 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 28.如申請專利範圍第21項之化學機械研磨溫度控制 裝置，更包含一冷卻裝置設置於該研磨墊下方，以冷卻該 研磨墊。 2 9 .如申請專利範圍第2 1項之化學機械研磨溫度控制 裝置，更包含一研磨液供給裝置於該研磨墊上方，以提供 研磨液至該研磨墊表面上。 30.如申請專利範圍第21項之化學機械研磨溫度控制 裝置，更包含一研磨墊調節裝置設於該研磨墊上方之部分 非研磨區域，用以調節該研磨墊之表面狀態。 11. , * 訂 n 备 終'* 7 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度逋用中國國家梯準（CNS ) A4规格（210X297公釐）