TWI436853B - 對象物的研磨方法及裝置 - Google Patents

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TWI436853B TW098104144A TW98104144A TWI436853B TW I436853 B TWI436853 B TW I436853B TW 098104144 A TW098104144 A TW 098104144A TW 98104144 A TW98104144 A TW 98104144A TW I436853 B TWI436853 B TW I436853B
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Description

對象物的研磨方法及裝置
本發明係關於磨光譬如半導體晶圓之對象物之表面(待磨光表面)成為平坦鏡面之方法,而尤係關於用於磨光對象物之方法和裝置,該方法和裝置對於在半導體裝置之於金屬鑲嵌互連接形成製程中磨光和去除額外的金屬互連接材料(而非嵌入於溝槽中之金屬互連接材料)係為有用。
就半導體裝置之互連接(interconnect)的形成而言,目前係使用稱之為金屬鑲嵌的製程,該製程包含藉由電鍍而將譬如鋁、或者最近常使用的銅或銀等金屬互連接材料(導電材料)填入於先前形成在絕緣膜(層間介電膜)中之溝槽或接觸孔中,然後藉由化學機械磨光(下文中簡稱為“CMP”)去除超量之金屬互連接材料。
第1圖顯示用來形成銅互連接之範例金屬鑲嵌製程。首先,具有小寬度之細溝槽202a和具有廣寬度之寬溝槽202b係形成在沉積於譬如半導體基板之基板W表面上之例如SiO2 或低k材料之絕緣膜(層間介電膜)200中,然後例如TaN之阻障金屬層204形成在基板之整個表面上。其後,於電鍍期間使用作為供電層之晶種層(未顯示)當需要時形成在阻障金屬層204之表面。接著,執行基板表面之銅電鍍以於基板W之表面上形成銅膜206,藉此將銅膜206填入於溝槽202a、202b中。其後,藉由化學機械磨光(CMP)去除於絕緣膜200上之額外的銅膜206和阻障金屬層204而成為平坦的表面,由此於絕緣膜200中形成由銅組成的細互連接208a和寬互連接208b,如第8D圖中所示。
在藉由銅電鍍於共同存在著細溝槽202a和寬溝槽202b之基板W之表面形成銅膜206時,電鍍係傾向於被提升從而使銅膜206變成突起於細溝槽202a之上,反之銅之經提升的生長並不會發生於寬溝槽202b,由此銅膜206於寬溝槽202b之上係變成凹入。結果,如第1圖中所示,在形成基板W上之銅膜206中產生表面高度差(不平整)H1 ,該高度差H1 為在細溝槽202a上之突起部(堆高部)之高度和在寬溝槽202b上之凹入部(凹碟部)之深度之和。
雖然電鍍後於銅膜206之表面高度差(不平整)H1 會隨著藉由CMP進行之銅膜206之磨光而漸漸減少,但是高度差H2 會餘留在銅膜206表面之對應於寬溝槽202b的凹入部(凹碟部),如第2圖中所示。一般而言很難消除高度差H2 。如此一來,當去除於絕緣膜200上之額外的銅膜206和阻障金屬層204以形成細互連接208a和寬互連接208b時,凹碟部(過度磨光)將發生於寬互連接208b之表面。
此種凹碟部會受到磨光墊之彈性和於CMP期間施加的磨光壓力之影響。於CMP中通常使用其表面藉由鑽石電沉積修整器(diamond-electrodeposited dresser)而粗糙化之磨光墊,以便保持固定的磨光率。包含研磨料之磨光液(漿料)於CMP時係能夠被擠入此種經修整之磨光墊之粗糙表面之凹部內。能夠藉由將在表面上保持有磨光液之磨光墊按壓頂著形成在對象物(譬如基板)上之金屬互連接材料之薄膜,而磨掉超量沉積之譬如銅膜206之金屬互連接材料膜。然而,具有粗糙表面之磨光墊能夠容易進入具有表面高度差(不平整)之金屬互連接材料膜(譬如銅膜206)之凹入部分,由此不僅突起部分之表面會被磨光,而且凹入部分之底部亦能被磨光。如此一來,雖然可以減少表面高度差,但是卻無法將其消除掉。
為了用CMP盡可能減少於對象物薄膜(譬如,金屬互連接材料膜)上的表面高度差(不平整),可以想得到僅磨光對象物薄膜之突起部分之表面而不磨光凹入部分之底部。為此,可以考慮使用最堅硬的磨光墊,而使得磨光墊將僅與對象物薄膜之突起部分接觸,而並不與凹入部分之底部接觸。關於此方面,已知道使用堅硬單層磨光墊而不使用通常會用於CMP中的雙層磨光墊(上層:堅硬磨光墊,下層:譬如聚氨脂發泡樹脂之彈性材料)。
亦已知能夠於施行薄膜之磨光時,藉由不使用磨光墊而使用稱之為固定研磨料而減少於對象物薄膜(譬如,金屬互連接材料膜)上之表面高度差,其中,該固定研磨料包括例如固定於黏接劑(譬如酚樹脂)中之二氧化鈰(CeO2 )之研磨粒(請參閱日本專利公開公報第2000-315665號)。
當於CMP中使用堅硬單層磨光墊時,將不會平穩地進行磨光,這是因為磨光墊很難追隨著被磨光之對象物之表面之故。此外,因磨光墊之表面係藉由鑽石修整器而粗糙化,因此磨光墊之粗糙化表面可能會與對象物薄膜之凹入部之底部接觸並且予以磨光。另一方面,使用固定研磨料對於減少對象物薄膜之表面高度差係有效果,這是因為研磨粒僅與薄膜之突起部接觸之故。然而,於磨光中使用固定研磨料可能於對象物之磨光表面產生刮痕。
鑑於上述先前技術之情況而研究出本發明。因此本發明之目的係提供一種用來磨光對象物之方法及裝置,該方法及裝置能夠有效消除形成在對象物或基板上之薄膜之表面高度差或不平整至目標高度,而不會在該薄膜之表面上產生刮痕,以及能夠磨光和去除對象物之薄膜成為平坦表面並增加生產性。
為了達成該目的,本發明之一個實施例提供一種方法,藉由按壓磨光墊頂靠著對象物之表面同時相對於彼此移動該磨光墊和該對象物,而磨光對象物。本方法包括:藉由以第一壓力將磨光裝置之磨光墊按壓頂靠著對象物之表面同時以第一相對速度相對於彼此移動磨光墊和該對象物,而實施第一磨光步驟,其中使用於第一磨光步驟之磨光墊之直徑小於對象物之半徑;在當對象物之表面高度差被消除至目標程度時之時間點時,實施終止該第一磨光步驟之終止步驟;以及藉由以不同於第一壓力之第二壓力將磨光裝置之磨光墊按壓頂靠著對象物之表面同時以不同於第一相對速度之第二相對速度相對於彼此移動磨光墊和該對象物,而實施第二磨光步驟,其中使用於第二磨光步驟之磨光墊之直徑大於對象物之直徑。
藉由以第一壓力將磨光裝置之磨光墊(該磨光墊之直徑小於對象物之半徑)按壓頂靠著對象物之待磨光之表面同時以第一相對速度相對於彼此移動磨光墊和該對象物,而如此地實施用於對象物之第一磨光步驟,藉此變得能夠以下述方式使用例如包括二層之磨光墊作為磨光墊來實施磨光,其中,該方式為:使施加於對象物之磨光墊之壓力為低(低壓力),使得磨光墊幾乎不與對象物薄膜之凹入部接觸,並且精確控制對象物之小面積上之磨光墊之壓力,由此有效地消除對象物之表面高度差(不平整)至目標程度。第一磨光步驟為低磨光率,故即使磨光墊與對象物之間使用高相對速度時亦缺乏生產性。因此,於偵測到對象物中之表面高度差被消除至目標程度(例如,於所謂BPSG(硼磷矽玻璃)製程(65nm節點)中,當於對象物中表面高度差變成例如5至20nm,或者於所謂銅金屬鑲嵌製程中,當於對象物中表面高度差變成例如30至60nm)時之時間點,終止該第一磨光步驟,而接著進行第二磨光步驟。藉由以不同於而較佳為大於第一壓力之第二壓力將磨光裝置之磨光墊(該磨光墊之直徑大於對象物之直徑)按壓頂靠著對象物之待磨光表面,同時以不同於且較佳為慢於第一相對速度之第二相對速度相對於彼此移動磨光墊和該對象物,而實施第二磨光步驟。能夠以具有增加之生產性之較高之磨光率執行第二磨光步驟,同時維持被磨光之對象物薄膜之平坦性並且有效地供應磨光液(漿料)於磨光墊與被磨光表面之間。
能夠根據設置於用來執行第一磨光步驟之磨光裝置的渦電流感測器之測量值而偵測當對象物之表面高度差被消除至目標程度時之時間點。
當用渦電流感測器測量形成在對象物上的薄膜厚度時,測量之厚度會大幅地改變直到磨光墊與薄膜完全接觸為止,反之當磨光墊與薄膜完全接觸時薄膜之測量厚度依照磨光量而改變。因此能夠藉由偵測經測量之厚度之改變的偏移而偵測對象物之表面高度差被消除之時間。
於對象物之表面高度差被消除至目標程度之時間點亦可根據用以旋轉用來施行第一磨光步驟之磨光裝置之轉矩的改變而予以偵測。
於磨光具有表面高度差(不平整)之對象物時,從磨光開始直到磨光墊與對象物完全接觸前,轉矩會漸漸增加,而於磨光墊與對象物完全接觸後,轉矩不會改變。因此能夠藉由偵測轉矩之改變而偵測當對象物之表面高度差被消除和對象物的表面變成平坦之時間點。
本發明亦提供用來磨光對象物之裝置,該裝置包含:具有磨光裝置之第一磨光單元,該磨光裝置之直徑小於對象物之半徑。第一磨光單元能夠執行第一磨光步驟,其係以第一壓力將磨光裝置之磨光墊按壓頂靠著對象物之表面,同時以第一相對速度相對於彼此移動磨光墊和該對象物。該裝置復包括:用來偵測當對象物之表面高度差被消除至目標程度時之時間點之偵測儀器;和具有磨光裝置之第二磨光單元,該磨光裝置之直徑大於對象物之半徑。第二磨光單元能夠執行第二磨光步驟,其係以不同於第一壓力之第二壓力將磨光裝置之磨光墊按壓頂靠著對象物之表面,同時以不同於第一相對速度之第二相對速度相對於彼此移動磨光墊和該對象物。
偵測儀器為例如渦電流感測器或轉矩感測器。
依照本發明,能夠藉由第一磨光步驟而有效地消除於對象物中的表面高度差(不平整),並且能夠以第二磨光步驟用具有增加之生產性之較高之磨光率來磨光對象物,同時維持所磨光之對象物之平坦度。因此,藉由使用二個磨光步驟之各自優點,並且使得他們補償彼此之缺點,而變成可能形成具有良好產性而不會於磨光表面上形成刮痕或凹碟狀之具有平坦表面之互連接。
現在將參照圖式說明本發明之較佳實施例。下列之說明顯示經調適成用以執行下述製程之磨光裝置和磨光方法,其中,該製程係包括:提供如第1圖中所示之基板(對象物)W,在該基板W之表面具有銅膜(金屬互連接材料)206作為對象物薄膜;並且磨光和去除表面銅膜206和下方阻障金屬層204,由此形成銅互連接208a、208b,如第8D圖所示。
第3圖為依照本發明之實施例之磨光裝置之整體結構之平面圖。如第3圖中所示,本實施例之磨光裝置具有實質上形成矩形之外殼10。外殼10之內部空間係藉由分隔壁10a、10b、和10c被劃分成裝載/卸載部12、二個單元之二步驟磨光單元14、16、和清洗部18。該裝載/卸載部12、二步驟磨光單元14、16、和清洗部18以彼此獨立之方式經組合,而空氣由這些部或單元彼此獨立地排放掉。
裝載/卸載部12係具有兩個或更多個前裝載部20(第3圖中為三個),於該等前裝載部20上係放置有分別儲存多片基板於其中的基板匣盒。前裝載部20係配置成沿著磨光裝置的寬度方向(垂直於磨光系統之長度方向的方向)彼此鄰接。前裝載部20之各者能夠容置開放式匣盒、SMIF(Standard Manufacturing Interface;標準製造界面)容器、或FOUP(Front Opening Unified Pod;前開口通用容器)於其上。SMIF及FOUP係為密封式容器,其係容置基板卡匣於其中,並以間隔壁覆蓋該基板卡匣,以提供與外部空間隔離的內部環境。
裝載/卸載部12具有沿著前裝載部20之配置方向延伸之移動機構21。作為第一轉移機構之第一轉移機器人22安置在移動機構21上,並且可以沿著前裝載部20之配置方向移動。第一轉移機器人22可以操作成移動於移動機構21上,以便存取安裝在前裝載部20上之基板匣盒之基板。該第一轉移機器人22係具有垂直配置的二個手,該二個手係個別地使用。舉例而言,上方的手能夠使用來將經磨光之基板送回至基板匣盒,而下方的手能夠使用來轉移未磨光之基板。
裝載/卸載部12被要求為最清潔之區域。因此於裝載/卸載部12之內部之壓力係隨時保持分別高於裝置之外部空間、二個單元之二步驟磨光單元14、16、和清洗部18之壓力。再者,具有清潔空氣過濾器(譬如HEPA過濾器或ULPA過濾器)之濾清風扇單元(於圖式中未顯示)設在第一轉移機器人22之移動機構21之上方。此濾清風扇單元從空氣中去除微粒、有毒的蒸汽、和有毒的氣體以產生清潔空氣,並且隨時形成清潔空氣的向下氣流。
此實施例使用二個單元之二步驟磨光單元14、16,其能夠進行二個基板的平行處理。二步驟磨光單元14為在其中實施基板之第一磨光步驟和第二磨光步驟之單元;而用來實施第一磨光步驟之第一磨光單元24a和用來實施第二磨光步驟之第二磨光單元26a被容置在二步驟磨光單元14內。同樣地,用來實施第一磨光步驟之第一磨光單元24b和用來實施第二磨光步驟之第二磨光單元26b被容置在二步驟磨光單元16內。
二步驟磨光單元14之第一磨光單元24a包含:可旋轉基板台30a,係用來保持基板且使基板前表面朝上;可樞轉和可垂直移動之磨光頭34a,用來將磨光裝置32a按壓頂抗被保持在基板台30a上之基板以磨光該基板,其中,該磨光裝置32a之直徑小於基板之半徑;以及清洗噴嘴36a,用來供應清洗液以清洗保持在該基板台30a上之基板。磨光墊124係附著在磨光裝置32a之表面(下表面),下文中將作詳細之說明。第一磨光單元24a亦包含:修整器38a,用來修整磨光墊124;磨光墊外形測量裝置40a,用來測量磨光墊124之表面外形;和磨光墊更換台42a。
同樣地,二步驟磨光單元16之第一磨光單元24b包含基板台30b、用來按壓磨光裝置32b頂靠著保持在基板台30b上之基板以磨光該基板之磨光頭34b、清洗噴嘴36b、修整器38b、磨光墊外形測量裝置40b、和磨光墊更換台42b。
能夠使用於第二磨光單元26a中之第二磨光製程之二步驟磨光單元14之第二磨光單元26a係包含:磨光裝置(第二磨光裝置)52a,該磨光裝置52a之直徑大於基板之半徑,並且具有附著於其上的磨光墊50a,該磨光墊50a之直徑大於基板之半徑;頂環54a,用來保持基板並按壓該基板頂靠著磨光墊50a以磨光基板;磨光液供應噴嘴56a,用來供應磨光液或者修整液(例如,水)至磨光墊50a;修整器58a,用來執行磨光墊50a之修整;以及噴霧器60a,用來從一個或多個噴嘴噴灑液體(例如,純水)和氣體(例如,氮氣)之霧狀混合流體至磨光表面。
同樣地,能夠使用於第二磨光單元26b中之第二磨光製程之二步驟磨光單元16之第二磨光單元26b係包含:具有磨光墊50b附著於其上之磨光裝置52b(當維修時磨光墊可以卸下)、頂環54b、磨光液供應噴嘴56b、修整器58a、以及噴霧器60b。
作為第二(直線)轉移機構之第一直線輸送器62設於二步驟磨光單元14和清洗部18之間。此第一直線輸送器62係配置成用以轉移基板於位於沿著磨光裝置之縱方向之四個轉移位置之間(下文中,此四個轉移位置將從裝載/卸載部12依次稱之為第一轉移位置TP1、第二轉移位置TP2、第三轉移位置TP3、和第四轉移位置TP4)。用來升高自裝載/卸載部12中之第一轉移機器人22轉移而來之基板之升高器64係配置在第一直線輸送器62之第一轉移位置TP1之下方。垂直可移動推進器66配置在第二轉移位置TP2之下方,垂直可移動推進器68配置在第三轉移位置TP3之下方,而垂直可移動推進器70配置在第四轉移位置TP4之下方。用來反轉並轉移基板之反轉/轉移機器72配置於推進器66和基板台30a之間。
於二步驟磨光單元16中,作為第二(直線)轉移機構之第二直線輸送器74設成緊鄰第一直線輸送器62。此第二直線輸送器74係配置成用以轉移基板於位於沿著磨光裝置之縱方向之三個轉移位置之間(下文中,此三個轉移位置將從裝載/卸載部12依次稱之為第五轉移位置TP5、第六轉移位置TP6、和第七轉移位置TP7)。垂直可移動升高器76配置在第二直線輸送器74之第五轉移位置TP5之下方,推進器78配置在第六轉移位置TP6之下方,而推進器80配置在第七轉移位置TP7之下方。用來反轉並轉移基板之反轉/轉移機器82配置於推進器78和基板台30b之間。
清洗部18為清洗經磨光之基板之區域。清洗部18包含第二轉移機器人84、用來反轉接收自第二轉移機器人84之基板之反轉機器86、用來清洗經磨光之基板之四個清洗裝置88、90、92、和94、和作為第三轉移機構用來轉移反轉機器86和清洗裝置88、90、92、和94之間之基板之轉移單元96。第二轉移機器人84、反轉機器86、和清洗裝置88、90、92、和94係沿著清洗裝置之縱方向連續配置。具有清潔空氣過濾器之過濾器風扇單元(圖式中未顯示)設置在清洗裝置88、90、92、和94之上方。此過濾器風扇單元係組構成從空氣中去除微粒以產生清潔空氣,並且隨時皆形成清潔空氣的向下氣流。於清洗部18內部之壓力係保持高於二步驟磨光單元14、16之壓力,而使得防止於二步驟磨光單元14、16內之微粒流入清洗部18中。
主要清洗裝置88和第二清洗裝置90可以包括例如滾輪型清洗裝置(roll type cleaning device),該滾輪型清洗裝置具有上和下滾輪形海棉,該等海綿被旋轉和施壓抵靠在基板之前和後表面藉此清洗基板之前和後表面。第三清洗裝置92可以包括例如具有半球狀海棉之筆型清洗裝置,該半球狀海棉係旋轉和施壓抵靠在基板以清洗該基板。第四清洗裝置94可以包括例如筆型清洗裝置,其沖洗基板之反面並且旋轉和施壓抵靠半球狀海棉於基板之前面以清洗該基板。第四清洗裝置94具有載台用來以高旋轉速度旋轉經夾持之基板,因此具有藉由以高旋轉速度旋轉基板而乾燥清洗後之基板之功能(自旋乾燥功能)。於此清洗裝置88、90、92、和94中,除了上述之滾輪型清洗裝置或筆型清洗裝置外,尚可設置施加超音波於清洗液以清潔基板之超音波型清洗裝置(megasonic type cleaning device)。
清洗部18之轉移單元96同時分別從反轉機器86轉移基板至主要清洗裝置88、從主要清洗裝置88轉移基板至第二清洗裝置90、從第二清洗裝置90轉移基板至第三清洗裝置92、從第三清洗裝置92轉移基板至第四清洗裝置94。
遮閉器100設於第一轉移機器人22和升高器64之間。當轉移基板時,將遮閉器100打開,而將基板遞送於第一轉移機器人22與升高器64之間。遮閉器102、104、106、和108亦分別設於反轉機器86與第二轉移機器人84之間、反轉機器86與主要清洗裝置88之間、二步驟磨光單元14與第二轉移機器人84之間、以及二步驟磨光單元16與第二轉移機器人84之間。當基板轉移於反轉機器86與第二轉移機器人84之間或反轉機器86與主要清洗裝置88之間時,將這些遮閉器102、104、106、和108打開。當未轉移機板時,將遮閉器102、104、106、和108關閉。
現在將參照第4和5圖說明設於二步驟磨光單元14之第一磨光單元24a之基板台30a和磨光裝置32a。二步驟磨光單元16之第一磨光單元24b具有與下文中所述相同的結構。
第一磨光單元24a之基板台30a被設計成例如藉由吸力而以基板W之前表面朝上之方式保持住基板W。磨光裝置32a由耦接至可旋轉磨光部驅動軸120之下端之旋轉支柱122、和附接到旋轉支柱122之表面(下表面)之磨光墊124所組成。於旋轉支柱122之內部設有渦電流感測器作為偵測儀器,用來偵測當形成於基板W之表面上之銅膜206之表面高度差被消除至目標程度或者薄膜表面變成平坦時之時間點。藉由使用本發明,係有利於平坦化基板W上之薄膜至目標程度而薄膜卻仍具有厚度維持於基板上。用來供應磨光液於被保持於基板台30a上之磨光墊124與基板W之間之磨光液供應部128係設置於磨光部驅動軸120與旋轉支柱122之內部中央位置。當用修整器38a修整該磨光墊124時,修整液(例如,水)從磨光液供應部128供應至磨光墊124和修整器38a之間。
於此實施例中,於第一磨光單元24a之操作中,基板W首先係以其前表面朝上之方式被保持於基板台30a上。然後藉由旋轉基板台30a而旋轉基板W,而旋轉中之磨光台32a係經下降以用預定壓力按壓磨光裝置32a之磨光墊124頂靠著基板W,同時磨光液從磨光液供應部128供應至基板W與磨光墊124之間,藉此磨光形成在基板W之待磨光表面之作為對象物薄膜之銅膜206。於磨光期間,磨光裝置32a沿著基板W之徑向樞轉,以便磨光基板W之整個表面。保持基板面朝上於基板台30a上係有利的,這是因為如此能夠精確地平坦化基板之表面,並且以精確和準確之方式偵測去除基板之表面高度差之進展之故,尤其是當基板有大的直徑時尤然。
現將參照第6和7圖說明設於二步驟磨光單元14之第二磨光單元26a之磨光裝置52a和頂環54a。二步驟磨光單元16之第二磨光單元26b具有與下文中所述結構相同的結構。
磨光裝置52a由可旋轉之轉台130和附著於該轉台130之上表面之磨光墊50a所組成。於轉台130之內部設有渦電流感測器132作為偵測儀器,用來偵測藉由磨光形成在基板W之表面之額外的銅膜206和阻障金屬層204所進行之去除。頂環54a耦接至可旋轉和垂直可移動之頂環驅動軸134之下端。
於第二磨光單元26a之操作中,係以基板W之前表面(待磨光之表面)面朝下之方式由頂環54a保持住基板W。然後旋轉轉台130,以及降低正在旋轉之頂環以按壓基板W頂靠著磨光裝置52a之磨光墊50a,同時磨光液從磨光液供應噴嘴56a供應至磨光墊50a,藉此磨光形成在基板W之待磨光表面上之作為對象物薄膜之銅膜206和阻障金屬層204。
現將說明具有上述構成之磨光裝置之操作。
磨光裝置設計為實施二個基板之並行處理。由第一轉移機器人22取出安置在前裝載部20其中一者之基板匣盒之一個基板,而該基板由第一直線輸送器62輸送到二步驟磨光單元14之第一磨光單元24a之基板台30a,並且被保持在該基板台30a上。於第一磨光單元24a實施基板之第一磨光步驟。於第一磨光步驟後藉由反轉/轉移機器72而反轉基板,並且予以放置在推進器66上,然後藉由第一直線輸送器62輸送該基板至二步驟磨光單元14之第二磨光單元26a之頂環54a,並且由頂環54a所保持住。於第二磨光單元26a施行基板之第二磨光步驟。於第二磨光步驟後藉由第一直線輸送器62和第二轉移機器人84而輸送基板至反轉機器86,於此處反轉基板。反轉後之基板依序輸送至主要清洗裝置88、第二清洗裝置90、第三清洗裝置92、和第四清洗裝置94,以清洗基板,同時基板由輸送單元96保持住。於清洗後藉由第一轉移機器人22而將基板送回至前裝載部20之基板匣盒。
另一方面,由第一轉移機器人22取出安裝在前裝載部20其中一者之基板匣盒之另一個基板,而該基板由第一直線輸送器62和第二轉移機器人84輸送到第二直線輸送器74。然後基板由第二直線輸送器74輸送到二步驟磨光單元16之第一磨光單元24b之基板台30b,並且被保持在基板台30b上。於第一磨光單元24b實施基板之第一磨光步驟。於第一磨光步驟後藉由反轉/轉移機器82而反轉基板,並且予以放置在推進器78上,然後藉由第二直線輸送器74輸送該基板至二步驟磨光單元16之第二磨光單元26b之頂環54b,並且由頂環54b所保持住。於第二磨光單元26b施行基板之第二磨光步驟。於第二磨光步驟後藉由第二直線輸送器74和第二轉移機器人84而輸送基板至反轉機器86,於此處反轉基板。反轉後之基板依序輸送至主要清洗裝置88、第二清洗裝置90、第三清洗裝置92、和第四清洗裝置94,以清洗基板,同時基板由輸送單元96保持住。於清洗後藉由第一轉移機器人22而將基板送回至前裝載部20之基板匣盒。
現將參照第8A至8D圖說明依照本發明由二步驟磨光單元14之第一磨光單元24a和第二磨光單元26a所實施之磨光製程。第8A圖對應於第1圖;而於第8A至8D圖中與第1圖中所示之相同的構件和元件被賦予相同的元件符號,並將省略其重複說明。
基板W首先輸送到第一磨光單元24a,於此藉由小尺寸墊磨光方法(其意味著使用具有較對象物之直徑(半徑)為小之直徑(半徑)之磨光墊來磨光對象物之方法)實施基板之第一磨光步驟。尤其是,以基板W之前表面(待磨光表面)向上之方式而保持在基板台30a上的基板W係藉由旋轉基板台30a而被旋轉,並且下降正旋轉中之基板台30a以用預定壓力按壓磨光裝置32a之磨光墊124頂靠著基板W,同時磨光液從磨光液供應部128供應至基板W與磨光墊124之間,藉此磨光形成在基板W之待磨光表面之作為對象物薄膜之銅膜206。於磨光期間,磨光裝置32a沿著基板W之徑向樞轉,以便磨光並平坦基板W之整個表面。
在藉由第一磨光單元24a進行之第一磨光步驟中,如第8A圖所示,形成在基板W之表面之作為互連接材料之銅膜206係被磨光以平坦化銅膜206之表面,如第8B圖所示。於是,於藉由渦電流感測器126偵測到當隨著磨光之進展銅膜206之表面高度差(不平整)被消除至目標程度或者薄膜之表面變成平坦之時間點時,終止第一磨光步驟。
於此實施例中,當於銅膜206中之表面高度差變成例如30至60nm時,則判定已消除了於銅膜206中之表面高度差,或者膜之表面變成平坦。於所謂BPSG(硼磷矽玻璃)製程(65nm節點)中,例如,當於對象物中之表面高度差變成例如5至20nm時,則判定已消除了於銅膜206中之表面高度差,或者膜之表面變成平坦。
在藉由小尺寸墊磨光方法之第一磨光步驟中,係使磨光壓力(亦即,於基板W上之磨光墊124之壓力)為低(相較於第二磨光步驟),並使基板W和磨光墊124之間的相對速度為高(相較於第二磨光步驟)。此使得磨光墊124,能夠幾乎不與銅膜206之凹入部接觸,甚至當該磨光墊124為雙層磨光墊時亦然,由此有效地消除了於銅膜206中之表面高度差(不平整)。雖然使用降低之磨光壓力導致降低之磨光率並因此導致降低之生產率,但是使用基板W和磨光墊124之間的高相對速度能夠補償降低之磨光率。
藉由使用具有直徑小於基板W之半徑之磨光裝置32a並且藉由按壓磨光裝置32a之旋轉磨光墊124頂靠著旋轉之基板W同時樞轉磨光裝置32a於基板W之徑向方向從而實施第一磨光步驟,如此變得能夠使基板W與磨光墊124之間之接觸區域小,並且精確地控制基板W之小區域上的磨光墊124之壓力。尤其是,於基板W上之磨光墊124之壓力能夠更容易地控制於低壓力。能夠依照在基板W上之徑向位置而改變磨光裝置32a之磨光壓力或旋轉速率,從而精確地控制在基板W之整個表面上之磨光率。舉例而言,能夠僅密集地研磨銅膜206之表面升高部分,由此能夠容易地平坦化銅膜206之整個表面。再者,能夠藉由從磨光墊124之中央供應磨光液至磨光墊124和基板W之間,而有效地使用磨光液。
因此,依照藉由小尺寸墊磨光方法之第一磨光步驟,能夠隨著磨光進展而有效地消除於銅膜206中之表面高度差。
於第一磨光步驟後藉由反轉/轉移機器72而反轉基板W,然後輸送到第二磨光單元26a,於此處用習知的方法實施第二磨光步驟。具體而言,轉台130係經旋轉,且以基板W前表面(待磨光之表面)面朝下之方式保持基板W之頂環54a係被旋轉並且降低以用預定壓力按壓基板W頂靠磨光裝置52a之磨光墊50a,同時磨光液從磨光液供應噴嘴56a供應至磨光墊50a,藉此磨光形成在基板W之待磨光表面之作為對象物薄膜之銅膜206之整個表面。
於藉由習知方法之第二磨光步驟中,如第8B圖所示,表面已經被磨平之銅膜206係在其整個表面上被均勻地磨光以去除額外的銅膜206,而非去除嵌入於溝槽208a、208b中之銅,如第8C圖所示,以及亦磨除於絕緣膜200上之額外的阻障金屬層204,如第8D圖所示,由此形成細銅互連接208a和寬銅互連接208b。
於藉由習知方法之第二磨光步驟中,施加高磨光壓力(亦即,磨光墊50a於基板W上之壓力)以達成高磨光率。使基板W與磨光墊50a之間的相對速度為低以便防止供應至磨光墊50a之磨光液被強擠出磨光墊50a而不用於磨光。
於終止在第一磨光步驟中消除薄膜上的表面高度差後,藉由使用較對象物之直徑(半徑)為小之磨光墊磨光對象物之方法而實施第二磨光該銅膜206之步驟係較不利,其理由如下:
(1)相較於習知方法,當由小尺寸磨光墊磨光方法實施磨光時,其磨光率為低。此是因為在由小尺寸磨光墊磨光方法的磨光中,於某一時刻僅有部分之基板被磨光,而由習知方法之磨光中基板之整個表面總是在被磨光。
(2)相較於習知方法,很難用小尺寸磨光墊磨光方法持續磨光同時維持被磨光膜之厚度之面內均勻性。這是因為在由小尺寸磨光墊磨光方法之磨光中,於某一時刻僅有部分之基板被磨光,一旦達成消除初始表面高度差後,則於後續之磨光期間很難維持被磨光中之膜之平坦性。另一方面,藉由用以均勻地磨光膜之整個表面之習知方法係能夠在磨光期間更容易維持平坦的膜表面。
因此,於此實施例中,小尺寸磨光墊磨光方法係使用於第一磨光步驟以有效地消除於銅膜206中之表面高度差(不平整),而習知方法使用於第二磨光步驟中以於消除表面高度差後繼續磨光。舉例而言,採用於磨光之前形成於銅膜206中之表面不平整之最深凹碟部(凹入)作為參考,則係實施第一磨光步驟並且於當銅膜206之整個表面之高度達到該最深凹碟部之底部高度之時間點時終止第一磨光步驟,然後藉由習知方法執行第二磨光步驟以磨掉銅膜206同時維持表面之平坦亦且磨掉阻障金屬層204。
藉由如此於第一磨光步驟中使用小尺寸磨光墊磨光方法和於第二磨光步驟中使用習知磨光方法,變得能利用二個磨光方法之各自優點並使得他們補償彼此缺點的方式來實施磨光。尤其是,能夠藉由對於消除薄膜中之表面高度差有優越能力之小尺寸磨光墊磨光方法而有效地消除銅膜中表面高度差,並且接著能夠藉由相較於小磨光墊磨光方法具有高磨光率和具有優越之磨光薄膜同時維持膜表面平坦性之能力之習知的方法而磨掉剩餘的額外銅膜206。
於此實施例中,根據安裝於第一磨光單元24a之旋轉支柱122上之渦電流感測器126之測量值而偵測於銅膜206中表面高度差經消除和薄膜表面變成平坦之時間點。
用渦電流感測器126測量銅膜206之厚度時,在磨光墊124與銅膜206完全接觸之前,係難以偵測膜厚度之改變。當測量膜之突起部時所偵測之銅膜206厚度係大大地與當測量膜之凹入部時之測量厚度不同。例如,不論磨光之進展為何,於測量銅膜206之凹入部之膜厚度後測量突起部之膜厚度時,能夠偵測所測量之厚度的增量。於磨光墊124與銅膜206已進入完全接觸後,依照已經磨光之量,銅膜206之所測量之厚度將改變。能夠藉由偵測所測量之膜厚度之改變之偏移,而監視消除表面高度差之處理將要完成之時間。詳言之,於監視銅膜206之厚度之減量或增量之程度之同時,當測量之膜厚度停止增加或者不出現膜厚度改變之時間點能夠採用作為消除表面高度差之時間。於確定膜厚度之改變之平坦狀態後,能完成第一磨光製程。
用安裝在第二磨光單元26a之轉台130上之渦電流感測器132偵測完全去除額外的銅膜206而非去除嵌入於溝槽202a、202b中之銅,以及完全去除於絕緣膜200上之額外的阻障金屬層204。
亦可根據旋轉第一磨光單元24a之磨光裝置32a之轉矩的改變而偵測於銅膜206中之表面高度差被消除至目標程度之時間點。能夠用轉矩感測器測量轉矩之改變。
於具有表面高度差(不平整)之對象物薄膜之磨光中,於磨光開始時由於對象物薄膜中之表面高度差,磨光裝置之磨光墊僅部分與對象物薄膜接觸。當於對象物薄膜中之表面高度差減少時,磨光墊與對象物薄膜之間之接觸區域增加,而磨光墊已經與對象物薄膜完全接觸後,接觸區域不會有改變。此係反映於驅動對象物之軸心之轉矩。於是,從磨光之開始一直到磨光墊進入與對象物薄膜完全接觸前,轉矩漸漸地增加,而於磨光墊與對象物薄膜完全接觸後,轉矩不會改變。因此能夠藉由偵測轉矩之改變而偵測將對象物薄膜上之表面高度差消除至目標程度之時間點。
相較於習知的捲動磨光方法(scroll polishing method)(其係已知為一種通常於使用大直徑磨光墊磨光方法之磨光步驟後實施之磨光步驟中所使用之磨光方法(參閱例如日本專利公開公報第10-058317號)),本發明具有優越的平坦基板之表面之能力(有效的消除表面高度差)。捲動磨光方法為二步驟磨光方法,其係以相較於第二磨光製程中之習知方法為低之速度和較低之磨光壓力執行完成磨光(finishing polishing)。相較於本發明中上述小直徑磨光墊磨光方法,捲動磨光方法於消除表面高度差至目標程度之能力上非為有效之方法,並且僅應用於當在磨光墊與對象物之間之相對速度低之情況。因此依照本發明之小直徑磨光墊磨光方法係於快速和可靠的處理消除表面高度差方面優於捲動磨光方法。
雖然本發明已相關其實施例作了詳細說明,但是熟悉此項技術者將了解到,本發明不受限於上述之特定實施例,而是將涵蓋在本發明概念內之修飾。
10...外殼
10a、10b、10c...分隔壁
12...裝載/卸載部
14、16...二步驟磨光單元
18...清洗部
20...前裝載部
21...移動機構
22...第一轉移機器人
24a、24b...第一磨光單元
26a、26b...第二磨光單元
30a、30b...基板台
32a、32b...磨光裝置(磨光台)
34a、34b...磨光頭
36a、36b...清洗噴嘴
38a、38b...修整器
40a、40...磨光墊外形測量裝置
42a、42b...磨光墊更換台
50a、50b...磨光墊
52a、52b...磨光裝置
54a、54b...頂環
56a、56b...磨光液供應噴嘴
58a、58b...修整器
60a、60b...噴霧器
62...第一直線輸送器
64、76...升高器
66、68、70、78、80...推進器
72...反轉/轉移機器
74...第二直線輸送器
82...反轉/轉移機器
84...第二轉移機器人
86...反轉機器
88、90、92、94...清洗裝置
96...轉移單元(輸送單元)
100、102、104、106、108...遮閉器
120...磨光部驅動軸
122...旋轉支柱
124...磨光墊
126...渦電流感測器
128...磨光液供應部
130...轉台
132...渦電流感測器
134...頂環驅動軸
200...絕緣膜
202a...細溝槽
202b...寬溝槽
204...阻障金屬層
206...銅膜
208a...細互連接
208b...寬互連接
H1 、H2 ...高度差
TP1...第一轉移位置
TP2...第二轉移位置
TP3...第三轉移位置
TP4...第四轉移位置
TP5...第五轉移位置
TP6...第六轉移位置
TP7...第七轉移位置
W...基板
第1圖為顯示如於金屬鑲嵌製程中形成於基板表面之銅膜、金屬互連接材料之剖面圖;
第2圖為顯示第1圖之銅膜於其被CMP磨光之過程中之剖面圖;
第3圖為顯示依照本發明之實施例之磨光裝置之整體結構的平面圖;
第4圖為顯示於第3圖中所示之磨光裝置之二步驟磨光單元之第一磨光單元中所設置之磨光台和磨光裝置之示意剖面圖;
第5圖為第4圖中所示之磨光台和磨光裝置之示意平面圖;
第6圖為顯示於第3圖中所示之磨光裝置之二步驟磨光單元之第二磨光單元中所設置之磨光裝置和頂環之示意剖面圖;
第7圖為於第6圖中所示之磨光裝置和頂環之示意平面圖;以及
第8A至8D圖為顯示藉由第3圖中所示之磨光裝置來形成銅互連接之製程之圖示。
30a...基板台
32a...磨光裝置(磨光台)
120...磨光部驅動軸
122...旋轉支柱
124...磨光墊
126...渦電流感測器
128...磨光液供應部
W...基板

Claims (8)

  1. 一種對象物的磨光方法,係藉由將磨光墊按壓頂靠著對象物之表面同時相對於彼此移動該磨光墊和該對象物,從而磨光對象物,該方法包括:藉由以第一壓力將磨光裝置之磨光墊按壓頂靠著該對象物之該表面同時以第一相對速度相對於彼此移動該磨光墊和該對象物,而實施第一磨光步驟,其中,使用於該第一磨光步驟之該磨光墊之直徑係小於該對象物之半徑;在當該對象物之表面高度差被消除至目標程度時之時間點時,實施終止該第一磨光步驟之終止步驟;以及藉由以不同於該第一壓力之第二壓力將磨光裝置之磨光墊按壓頂靠著該對象物之該表面同時以不同於該第一相對速度之第二相對速度相對於彼此移動該磨光墊和該對象物,而實施第二磨光步驟,其中,使用於該第二磨光步驟之該磨光墊之直徑係大於該對象物之直徑。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法,其中,該第二壓力大於該第一壓力,而該第二相對速度慢於第一相對速度。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法,其中,根據裝設於用來執行該第一磨光步驟之磨光裝置之渦電流感測器之測量值而偵測當對象物之該表面高度差被消除至目標程度時之時間點。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法,其中,根據用以旋轉用來施行該第一磨光步驟之該磨光裝置之轉矩的改變而偵測當該對象物之該表面高度差被消除至目標程度時之時間點。
  5. 一種對象物之磨光裝置,包括:具有磨光裝置之第一磨光單元,該磨光裝置之直徑小於該對象物之半徑,該第一磨光單元能夠執行第一磨光步驟,其中,該第一磨光步驟係以第一壓力將該磨光裝置之磨光墊按壓頂靠著該對象物之表面,同時以第一相對速度相對於彼此移動該磨光墊和該對象物;偵測儀器,用來偵測當該對象物之表面高度差被消除至目標程度時之時間點:以及具有磨光裝置之第二磨光單元,該磨光裝置之直徑大於該對象物之直徑,該第二磨光單元能夠執行第二磨光步驟,其中,該第二步驟係以不同於該第一壓力之第二壓力將該磨光裝置之磨光墊按壓頂靠著該對象物之該表面,同時以不同於該第一相對速度之第二相對速度相對於彼此移動該磨光墊和該對象物。
  6. 如申請專利範圍第5項之裝置,其中,該第二壓力大於該第一壓力,而該第二相對速度慢於第一相對速度。
  7. 如申請專利範圍第5項之裝置,其中,該偵測儀器為渦電流感測器。
  8. 如申請專利範圍第5項之裝置,其中,該偵測儀器為轉矩感測器,用來測量該第一磨光單元之該磨光裝置之轉矩。
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