TWI496658B - 使用個別控制的溫度區之ｃｍｐ系統及方法 - Google Patents

Description

使用個別控制的溫度區之CMP系統及方法

一般而言，揭露於此之發明標的係關於製造積體電路之領域，詳言之，係關於用以形成包含易碎介電材料之先進微結構裝置(advanced microstructure device)(例如金屬化結構)之化學機械研磨(chemical mechanical polishing；CMP)製程。

現今製造積體電路一般需要許多個別的製程步驟，其中，典型的製程次序(sequence)包含將導電層、半導電層或絕緣層沈積於適當基板上。在沈積該對應層之後，可使用如光微影(photolithography)與蝕刻(etching)之眾所周知的手段圖案化(pattern)該對應層，而產生裝置特徵。因此，藉由圖案化一沈積層，將產生對後續層(subsequent layer)的沈積及圖案化也有影響的某種地形(topography)。因為精密的積體電路需要形成複數個後續層，故周期性地平坦化(planarize)該基板之表面已成為標準實務(practice)以提供為了沈積與圖案化後續材料層之界定良好的條件。在其他情形中，可能必須移除任何不需要(unwanted)的材料，其中，可能比較不適合常用的蝕刻技術。這對於所謂的金屬化層來說更是如此，在金屬化層中，金屬互連(interconnect)係經形成以電性連接個別的裝置特徵，如電晶體、電容、電阻等，以建立電路設計所需之功能。

在這個情況下，CMP已成為廣為使用的技術，用以移除不需要的材料及減少因為先前製程造成的該基板地形之“瑕疵(imperfection)”以建立用於後續製程(如光微影等)之增強條件。取決於該製程的條件，研磨製程自身會對被研磨的表面產生機械損害，惟係於極低的範圍內，亦即屬於原子層級的機械損害。CMP製程亦有複數個必須處理的副作用，以便能夠應用至形成精密的半導體裝置時所需的製程。

例如，最近所謂的金屬鑲嵌(damascene)或鑲嵌(inlaid)技術已成為較佳的金屬化層形成方法，其中，沈積並圖案化介電層以容置隨後以適當金屬(例如鋁、銅、銅合金、銀、鎢及類似物)填充的溝槽(trench)或通孔(via)。因為提供該金屬之製程可能以例如電化學(electrochemical)沈積技術進行「全體的(blanket)」沈積製程，該介電材料之各自圖案可能需要進行明顯的過度沈積，以便在常見的製程裡確實地填充狹窄的開口及寬廣的區域或溝槽。過剩的金屬隨後被移除，並且藉由執行包括一個或多個機械研磨製程的製程次序以進行所生成之表面的平坦化，而該等機械研磨製程也包含化學成分與/或電化學成分。對移除過量金屬與平坦化所生成之表面以留下如對應的電路佈局所需之彼此電性絕緣的金屬溝槽與通孔的應用而言，化學機械研磨(CMP)已證實是一種可靠的技術。化學機械研磨或電化學機械研磨一般需使該基板附著於一載體(所謂的研磨頭(polishing head))，使該基板待平坦化之表面暴露並且可抵住(be placed against)研磨墊。該研磨頭及研磨墊通常係藉由個別移動該研磨頭及該研磨墊以彼此相對移動。一般而言，當控制該相對運動以局部達成所需的材料移除時，該頭及該墊係彼此緊靠而轉動。於該研磨操作期間，通常會供應研漿(slurry)至該研磨墊之表面，該研漿可包含化學反應劑(chemically reactive agent)，或許也有磨粒(abrasive particle)。

通常可藉由製程參數決定移除率，例如該待研磨表面及該研磨墊之該相對速度、壓按該基板抵住(be pressed against)該研磨墊所用的下壓力(down force)、使用之研漿種類及該研磨墊結合任何磨粒的機械特性。一般而言，化學機械研磨是一種高度複雜的製程，其中，除了控制上述特定的製程參數以外，也要考慮該研磨墊狀態的持續變化，以獲得所需的製程輸出。再者，隨著各自基板直徑的增大(在先進半導體廠可達300mm)，該研磨製程後，所產生之輪廓(profile)可能因為某些製程變動(fluctuation)而發生變化，例如空間性地改變該研磨墊的狀態、該研漿供應的變動或類似者。所以，已有人建立精密的製程控制機制以處理上述問題，其中，例如，該相對速度及該下壓力可作為用於控制該研磨製程的有效參數。例如，典型的研磨體系(regime)中，該移除率及該下壓力與基板相對於研磨墊之線性速度之間之實質線性相依性(linear dependence)可能會發生。因此，基於此製程體系，可控制其整體研磨率，其中，藉由局部地改變以上指出的該等參數之一者，可得到遍及該基板的所需研磨輪廓。所以，可以藉由在CMP製程期間適當地調適(adapt)局部移除率以補償製程固有的不均勻性(inherent non-uniformity)，並且可藉由調適局部移除率，而考慮到先前製程具有的各種製程不均勻性，例如特定材料的沈積。為了局部調整移除率，例如，可以適當調整該下壓力例如，在該研磨頭中提供各個壓力區(pressure zone)，可局部造成不同的有效下壓力，然而，由此，位於該考慮中之材料層下的任何材料必須有某種程度的機械穩定性(mechanical stability)。

隨著半導體科技的進步，所謂低K(low-k)介電材料逐漸與高傳導金屬(如銅)一併使用以增強各個半導體裝置的整體性能。在此方面，具有相對介電常數(relative permittivity)3.0或以下的低K介質材料係作為絕緣材料之用，而最近出現所謂超低K(ultra low-k)介電材料，具有2.5或更小的介電常數(dielectric constant)。然而，下降的相對介電常數通常與該相應材料的下降的機械穩定性有關，因此產生高度易碎的介電材料層堆疊，而且必須自該等堆疊，例如，藉由CMP或者電化學CMP移除過多的材料，如銅。然而，因為精密的介電材料的機械穩定性下降，該研磨製程期間該下壓力可能必須逐漸減少至適合該低K介電材料的機械特性之量。然而，根據以上特定的該移除率與該下壓力及該線性速度的線性相依性，這可能需要該研磨墊及該基板之間的相對運動的各自速度的增加。然而，於使用極低的下壓力的此研磨體系中，該相對運動的各自增加未必轉變成較高的移除率，因此，除了損失製程可控性之外，製程效率也可能降低。再者，除平台(platen)速度或研磨頭速度之外，亦可控制其他參數，如研漿流等，然而其中，這些參數之高度複雜的互相交互作用可能需要發展高度複雜的製程配方(recipe)，而在前授(feed forward)或回授(feedback)體系中，可能難以控制該製程配方，因此促使整體可控性下降以及產生額外良率損失(yield loss)增加的可能性。

有鑑於此，已有人提出藉由使用具有增強的化學反應率(chemical reaction rate)的研漿材料增加全面(global)移除率，藉以減少該研磨製程的純機械態樣的貢獻，而仍含有所需的高移除率。然而，結合顯著下降的向下壓力的該製程控制仍可能非常複雜而較不具效率，這是因為當控制那些複雜而實質上為“機械方面的貢獻”(以研漿的供應及該平台與該基板的相對速度為代表)時，經提昇之對整體移除率之化學方面的貢獻可能無法對製程條件發生的變動有效地“回應”。

揭露於此之內容係針對各種方法及系統，可避免或至少減少上述指出之問題之一者或多者之影響。

以下介紹本發明精簡的概要以提供對本發明一些態樣的基本認識。此概要並非本發明詳盡的綜覽。並非意圖以此概要確認本發明的關鍵或重要元件或者描述本發明之範疇。其唯一目的係以簡化形式呈現一些概念，作為稍後更多詳細描述的前言(prelude)。

一般而言，本揭露內容係關於以研磨製程為基礎的方法及系統，用以自微結構基板(例如半導體裝置)移除材料，該研磨製程能以適當溫度控制為基礎，調整跨越基板的移除率輪廓，該溫度控制可結合化學致動移除機制(chemically activated removal mechanism)(例如藉由一般表現出顯著溫度相依性的化學高度反應性(chemically highly reactive)研漿材料提供)時，能有極高之效率。於其他情形中，在電化學研磨製程中，氧化還原電位(redox potential)也可顯示顯著的溫度相依性，從而能夠對跨越個別基板的移除率個別進行輪廓控制。因此以該溫度相依之移除機制為基礎，可建立有效的控制策略，藉以改進可控性且能使用根據習知控制體系可能難以達成的回授與/或前授控制策略。

揭露於此的二個例示方法係有關基板的研磨，其中，該方法包括建立待研磨的材料層中的溫度輪廓(temperature profile)，其中，該溫度輪廓沿著該材料層的至少一側向(lateral)方向變化。該方法復包括藉由使用溫度相依之化學移除機制而研磨該材料層。

一個揭露於此之進一步的例示方法包括產生側向跨越(laterally across)研磨工具(polishing tool)之研磨墊的溫度輪廓。該方法進一步包括建立該研磨墊及基板彼此的相對運動，其中，該基板包括與該研磨墊接觸的材料層。再者，該方法包括以該溫度輪廓及該相對運動為基礎，藉由建立該材料層之側向變化移除率而研磨該材料層之至少一部分。

揭露於此之一個例示研磨工具包括研磨平台，其係組構成接收研磨墊，以及包括研磨頭，其係組構成接收具有待研磨之表面之基板。該研磨工具復包括驅動組件(drive assembly)，其係組構成建立該基板及該研磨墊之間的相對運動。最後，該研磨工具包括溫度控制系統，其係組構成於研磨該基板時，產生跨越該表面而側向變化之溫度輪廓。

本發明之各種例示實施例係描述如下。為求明確，並非實際實作的所有特徵均描述於本說明書中。當然應理解，開發任何如此之實際實施例中，必須做出數種依實作特定的(implementation-specific)決定以達到開發者之特定目標，例如遵守與系統有關或者與商業有關的限制，該等限制隨著每個實作而有所變化。此外，應理解開發所需的努力可能是複雜而耗時的，但對於在藉本揭露內容之幫助的本領域具有一般知識者而言，這些努力仍然是例行作業。

本發明標的現在將參考隨附圖式而描述。概略繪製於圖式之各種結構、系統與裝置僅作為解釋之用，以便不會以本領域技術人員公知的細節而模糊本揭露內容。然而，該等隨附圖式係包含以描述並解釋本揭露內容之例示範例。應理解並解釋於此使用之文字及用語(phrase)為與相關領域之技術人士對於該等文字及用語的認知一致的意義。不具有特殊定義的用語(term or phrase)(亦即，與平常或慣用意義不同而為本領域具有通常知識者所知悉的定義)係意指藉由在此前後一致使用的用語或用詞而暗示。關於意指具有特殊定義的用語或用詞，亦即，並非本領域具有一般知識者所瞭解的意義，如此之特殊定義將於本說明書中以定義形式明確提出，係直接而不含糊地提供該用語或用詞的特殊定義。

此處揭露之發明標的一般處理精密研磨製程的可控性降低的議題，該製程可能是在材料的機械穩定性降低的基礎上進行，因此已廣為接受的傳統化學機械研磨(CMP)控制策略可能造成響應性(responsiveness)下降而製程變異性增加。為提升製程效率與/或可控性，可使用該研磨製程中的化學驅動成分(chemically driven component)的溫度相依性，以調整個別基板在研磨製程期間的側向變化移除率。例如，因為可能必須在包含精密介電材料(如低K介電材料)的研磨製程期間施加之逐漸減少的下壓力之故，可能必須以使該等研漿材料可表現出顯著的化學反應成分(chemically reactive component)的形式提供各研漿材料，藉以造成適度強勁的溫度相依性。例如，可藉由指數性(exponential)溫度相依性來決定、或者至少藉由顯著的溫度相依性來主導相關研漿材料的反應速率，其中，某程度之機械相依性(mechanical dependency)也可能做出某程度的貢獻。因此，藉由產生跨越待研磨基板的特定溫度輪廓，可達到相應的變化移除率，從而提供有效的策略用於個別調整移除率並因此最後獲得待研磨之該材料層的輪廓。在揭露於此的一些例示實施例中，可藉由建立跨越該研磨平台(也因此跨越該研磨墊)的各自之溫度輪廓而可得到該側向變化之移除率，在適當定位待研磨之該基板時，其可於待處理之基板造成各自的溫度輪廓，因此可造成所需的移除行為。於其他例示實施例中，可藉由直接控制經由該研磨頭到該基板的熱傳以建立額外或替代的跨越該基板的溫度輪廓。

所以，能以溫度相依的移除率輪廓為基礎，建立有效的控制策略，能夠增加對控制活動之響應的效應而該控制活動可建立於測量資料的基礎上，例如以回授測量資料與/或前授資料的形式提供。因此，可以先前處理過的基板或者後續待處理的基板所獲得之資料為基礎，調整該側向變化移除率以完成控制策略。以此方法，可有效補償先前製程(如沈積製程)的製程不均勻性，即便是涉及半導體裝置之先進金屬化結構的精密CMP應用亦然。另一方面，因為該溫度相依之移除率可顯著影響該跨越基板之輪廓的改變，藉由檢查先前處理過的基板，亦可一併考慮CMP固有的局部製程不均勻性，藉以對局部製程變動提供可立即回應的有效手段。

第1a圖概略說明可用於移除如銅、導電障壁材料等常用於製造精密金屬化結構的材料的化學反應研漿材料的溫度相依性之圖式。如圖所示，係繪製關於包含銅之各個材料的半導體晶圓之各種半徑位置的移除材料量。再者，在20-35℃範圍內的不同溫度的基礎上處理實質上相同的基板。曲線A至D代表不同溫度的各自結果，其中，明顯可得該移除率的顯著溫度相依性。此外，應注意該移除率隨著半徑位置發生的輕微變動，例如特別是在高溫處，如曲線C及D所示，在中心的移除率較高。例如，能以傳統CMP策略為基礎而可取得該測量資料，亦即藉由控制參數(如下壓力及該相對速度)之值，然而，該等參數並非代表由於如前所述之於精密CMP製程中必須使用之相對較低的下壓力而選用的適當控制參數。然而，應注意溫度變化所致的移除率變動相較於實質上固定溫度之移除率的各自變動更為顯著。因此，即便在20-35℃的溫度範圍內，溫度局部變動不僅可允許該固有移除率變動的補償，例如曲線C及D所示之“中心快速(center fast)”行為，也可允許該等製程固有變動的“過度補償(over-compensation)”，從而允許該遍及基板之移除率之各自的圖案化或調節(modulation)。

應理解如第1a圖所示之、該研漿之行為可代表化學移除機制，也就是說，可以顯著的化學反應為基礎來移除材料，而同時仍可呈現某些機械成分。於其他情形中，可藉由進行電化學研磨製程而可獲得化學移除機制，除了各自之研漿材料以外，可在待移除材料與該研漿材料或研磨平台之間施加電壓，其中，待研磨材料之對應氧化還原電位亦可為溫度相依者，藉以局部控制該溫度輪廓以局部變化該氧化還原電位，而該溫度輪廓也可能造成對應的局部變化的移除率。在這個情形中，曲線A-D即可代表電化學CMP製程的移除率。

第1b圖概略說明典型的基板150的剖視圖，其上形成有材料層151，該材料層151可包括不同材料的堆疊，如複雜的半導體裝置之典型情形。於一例示實施例中，該材料層151可代表包含低K介電材料及高度導電金屬(如銅、銅合金、鎢等)(其可用電化學沈積技術及其類似技術為基礎而形成者)的金屬化層。因此，在形成該材料層151期間，可能必須使用複雜的沈積體系，以例如確實地填充側向尺寸小於等於100nm的溝槽及通孔，而這些溝槽及通孔係與具有顯著較大側向尺寸的金屬區結合，其中，可能需要可靠的底部至頂部(bottom-to-top)的填充行為。因此，尤其是在使用電化學沈積時，可能必須沈積過多的材料而最後可產生特定的沈積輪廓。例如第1b圖所示，用於形成該材料151之最後的沈積製程可能導致中心厚度較小的碗狀輪廓(bowl-shaped profile)。當例如移除該材料層151的一部分後可能需要有實質均勻的表面地形時，則待執行之CMP製程應具有對應之移除率輪廓以補償該材料層151的厚度變化。

第1c圖概略說明一可能基於各自之測量資料(如第1a圖所示者)建立的各自之溫度輪廓，該資料產生自給定的研漿材料、以及經總體地設定使移除率從該基板150中心往該基板150邊緣漸增的製程參數。第1c圖概略說明各自的溫度輪廓，其中，應理解可選擇對應輪廓以補償該層151之厚度不均勻性，其中，任何研磨固有的不均勻性(例如可能如第1a圖之曲線A-D所示者)如有需要，亦可納入考慮。也就是，於一些例示實施例中，可於該基板150邊緣處建立更為增加的溫度以對應研磨固有的特徵之大致減少的移除率，如第1a圖之曲線C-D所示者。

第1d圖概略說明可使用適當溫度輪廓(例如第1c圖所示者)的CMP製程後的該基板150，藉以造成具有跨越該基板150之厚度均勻性增加的經削減的材料層151R。一各自組構的製程工具與用於操作之策略將於稍後詳加描述。

第1e圖概略說明根據其他例示實施例之基板150，其中，該等先前製程次序可導致該層151之不均勻厚度，因此該基板150之中心厚度較厚。

第1f圖概略說明可在研磨製程期間建立跨越該基板150的各自之溫度輪廓以在製程後得到實質均勻的層厚度。於此情形中，應理解由於該基板150邊緣處之整體下降的移除率，可例如以小於該基板150之該初始厚度輪廓所指示者之方式減低溫度，藉此對於該溫度輪廓亦考慮研磨固有的不均勻性。

第1g圖概略說明該基板150具有實質均勻的層厚之經削減的材料層151R。

應理解可取決於製程需求而建立任何其他溫度輪廓。例如，若該經削減的材料層151R需要非均勻的厚度輪廓，則可以該層151的初始厚度輪廓與該經削減的材料層151R最後所需的“圖案化”厚度輪廓為基礎以選擇該溫度輪廓。於其他情形中，該層151可具有更複雜的不均勻輪廓，可作為用於產生對應溫度輪廓的“樣板(template)”以處理該基板150。應理解製程固有的不均勻性(如第1a圖最佳所示之曲線C-D)可能藉由從具有經削減的材料層151R的基板150而取得之輪廓資料而“自動”被納入考量，其中，可藉由比較該層151R之輪廓與目標輪廓建立目標溫度輪廓。

第2a圖概略說明製造環境220的一部分，例如，其係組構成處理精密半導體裝置與其類似物，其中，可提供CMP工具200。應理解該CMP工具200也可包含電化學研磨工具，如前所述。該工具200可包括適當的製程室(chamber)，包含研磨平台與研磨頭(詳述於後)，其中，該等構件之至少一者係可操作地連接至溫度調整單元201。該溫度調整單元201可具有適當構件，用以於該基板處理期間建立所需的側向變化溫度輪廓或變化移除率，其中，可以任何適當的組構(configuration)提供各自之熱交換媒介、電驅動加熱、冷卻元件等以允許局部調整待處理之基板溫度。該溫度調整單元201的例示組構將於稍後詳述。再者，溫度調整單元201可連接至控制器202，該控制器202可組構成以目標溫度輪廓或目標移除率(如第1e、1f圖所示之例示輪廓)為基礎，而控制該單元201。該控制器202可組構成以外部供應資訊為基礎(例如測量資料)而決定目標溫度輪廓、與/或該控制器202可具有儲存於其中之複數個預定目標溫度輪廓或移除率輪廓，並可根據製程需要選擇其中一者。可藉由該控制器202基於目標溫度或移除輪廓適當設定該溫度調整單元201的一個或多個的操作變數以獲得在實際製程期間所需之輪廓。

該工具200的操作期間，待研磨之包括材料層251的基板250可於環境220內來自任何先前製造製程，並且能以整體地選擇的研磨配方及在該控制器202中所儲存與/或決定之該目標溫度或移除輪廓為基礎進行研磨。因此，於該工具200中處理該基板250之後，該削減層(reduced layer)251R可具有與該控制器202所用之目標溫度輪廓或移除率輪廓有關的厚度輪廓。

第2b圖概略說明另一例示實施例之包含該工具200之該製造環境220。如圖所示，該控制器202可進一步組構成自將於該工具200中進行處理之一個或多個基板接收研磨前測量資料(pre-polishing measurement data)253，例如包括該材料層251之該基板250。該研磨前測量資料253可例如代表指示該層251之初始厚度輪廓的厚度測量資料，如參考第1c及1e圖之解釋。於其他情形中，任何其他適當測量資料或其他包含製程資訊的資料可由該控制器接收以便建立適當之目標溫度輪廓，以用於取得所需製程輸出。如先前所述，當需要實質均勻的削減的層厚，而該測量資料253指示該材料層215具有顯著不均勻性時，該控制器202可藉由決定所需移除率的局部差異來決定適當的目標溫度輪廓以於估計的總研磨時間內得到所需製程輸出。使用適當資訊描述該溫度相依之移除行為之特性以可獲得該局部移除率的期望差異，如第1a圖所示者。於此方法，可補償到來的基板(incoming substrate)250的該初始產生的不均勻性。於其他例示實施例中，該控制器除了接收研磨前測量資料253外，亦可額外地或替換地接收研磨後測量資料254，該研磨後資料254因此可包含先前處理過的基板的製程輸出的資訊。例如，該削減層251R的各自之厚度輪廓資料可包含於研磨後(post-polishing)測量資料254中。應理解該資料254已將關於該等到來的基板250之初始厚度輪廓的資訊及製程固有特性的資訊“編碼(encode)”於其中，這是因為任何的變動或偏移均會疊加(superimpose)於用以研磨該基板之該溫度輪廓所產生的移除特性之故。該等變動及偏移可例如由特定工具的改變(如特定耗材的磨耗等)而造成。因此，於某些特定實施例中，當在獲取該研磨後測量資料254時之各自之延遲時為可接受者，該測量資料254可用於控制該工具200以獲得所需製程結果。於其他情形中，該研磨前資料253及該研磨後資料254皆可由該控制器202使用以提供更新的目標溫度輪廓，該目標溫度輪廓可導致控制效率提升。例如，比較該初始測量資料253與目前使用的目標溫度輪廓，可更有效率地辨識研磨製程固有的不均勻性，並且將與該削減層251R所需目標溫度輪廓的偏差保持於低水平，這是因為於選擇適當目標溫度輪廓時使用該研磨前資料253可至少對於該層251之初始目前厚度變化提供某種程度的補償之故，即便係於某段延遲後提供該研磨後資料254亦然。因此，藉由使用基板局部溫度作為控制變數可達成有效的前授與/或回授控制策略。

第2c圖概略說明該CMP工具200的一部份的剖視圖。如圖所示，該CMP工具200可包括研磨平台209，該研磨平台209係可轉動地附接於驅動組件204，該驅動組件204係組構成移動該研磨平台209，其中，於該所示實施例中，該驅動組件204可組構成產生該平台209之旋轉運動，因此該平台209係設置成類似盤狀的形狀(disk-like shape)。再者，可提供並組構研磨頭203以接收基板，如該基板250，並且將該基板250定位於該研磨平台209上。再者，該研磨頭203可連接驅動組件205以便相對於該研磨平台209移動該基板250。例如，該驅動組件205可組構成以可控之轉速轉動該研磨頭203。再者，如前所述，與該研磨頭203結合之該驅動組件205可於該工具200操作期間調整下壓力。此外，該驅動組件205或任何其他額外驅動單元可組構成提供該研磨頭203之移動206，使得該基板250可以定位於該研磨平台209之上的任意適當位置。例如，於所示實施例中，該移動206可包含一構件，以徑向定位該研磨頭203或跨越該研磨平台209“拂掠(sweep)”該研磨頭203。如前所述，該工具200可進一步包括研漿供應207，其係組構成供應合適研漿材料(例如化學高度反應研漿材料)於研磨墊202上任意適當位置。再者，該研磨平台209其中可合併該溫度調整單元201，該溫度調整單元201包括複數個熱交換單元201A、201B、201C以定義該研磨平台209內(因此也在該研磨墊202內)的對應溫度區。可以任何尺寸與組構提供該等溫度交換單元201A、201B、201C以便將該研磨平台209或至少其顯著的一部份劃分成各自的溫度區，為方便起見，該等溫度區亦指稱為溫度區201A、201B、201C。例如，於一實施例中，可以實質上同心的環形單元提供該等單元或區201A、201B、201C，其中，該中心單元201A可具有類似盤狀的組構。於其他例示實施例中，可提供複數個個別單元，其中，該等單元各自的子集可於實質上相同的溫度操作以就需求而定義該各自之溫度區。於另些例示實施例中，能以研磨台(polishing table)的形式提供該研磨平台209，其中，該研磨墊202可為靜止或可線性移動以致對應的該等單元201A、201B、201C可調適其尺寸與形狀以適當定義各自所需溫度區。該等熱交換單元201A、201B、201C可包括任何適當熱交換媒介，例如液體或於特定溫度的所需的一般任何類型的流體，用以建立所需之跨越該研磨平台209及該研磨墊202的溫度輪廓。取決於該研磨工具300的機械組構，例如針對對應之熱交換媒介，於閒置期(idle phase)期間連接該等單元201A、201B、201C至各自之外部供應源，藉此可將各自的熱傳媒介(如流體或其類似物)於適當的操作狀態期間供應給該等單元201A、201B、201C，而於其他例示實施例中，可提供各自之供應線路以於該研磨平台209操作期間供應各自的熱交換媒介。

於另一些其他例示實施例中，該等熱交換單元201A、201B、201C可包括電性可操作的加熱與/或冷卻元件(稍後詳述)。於其他實施例中，可提供電性可操作加熱元件與冷卻元件的結合與適當熱傳媒介於該研磨平台209，其中，該電性可操作加熱/冷卻元件可定位於遠離該等實際溫度區的任意適當位置，同時能以該各自熱傳媒介為基礎達成有效率的熱分佈，藉以建立溫度區或單元201A、201B、201C。因為電能可有效地供應給該研磨平台209，即便在該工具200操作期間，亦可於該研磨工具200操作期間建立具高度均勻性之該所需溫度輪廓。

第2d圖以簡化的方式概略說明該工具200的俯視圖，其中，係說明在操作期間的該研磨墊202，而該基板250係以該研磨頭203及該各自驅動組件205為基礎適當定位於其上。方便起見，該等構件並未顯示於第2d圖。再者，啟動該溫度調整單元201時，預先定義之數量的溫度區(如該等區201A、201B、201C)係以適當尺寸與形狀產生。例如，取決於用於建立該等溫度區201A、201B、201C的各自參數，可基於待建立的跨越該研磨墊202的所需目標溫度輪廓以及任何可預測該實際取得的側向變化溫度輪廓的實驗與/或理論資料，事先定義該等溫度區201A、201B、201C的組構。在具有預定尺寸及形狀的溫度區201A、201B、201C的情形中，於一些例示實施例中，其溫度可對特定製程條件進行動態調適，而在其他實施例中，若有需要，取決於定義該等區201A、201B、201C的各自加熱及冷卻元件的熱交換能力，各區的溫度可個別保持實質為常數之水平。亦即，雖然至少位於該研磨平台209內之該等各區201A、201B、201C可例如以適當低導熱性材料分隔該等各單元以彼此熱絕緣，但仍會透過該研磨墊202發生某程度的熱交換，因此，在一些例示實施例中，該等單元201A、201B、201C的能力(例如熱容量(heat capacity)或類似形式)係經過適當設計以便質實補償經過該研磨墊202的熱流。因此，可使跨越該等溫度區201A、201B、201C之顯著部位保持大致固定的溫度，然而各自之溫度梯度(gradient)可能存在於相鄰兩溫度區之間的邊界區域。

因此，初始定義該等溫度區201A、201B、201C之尺寸及組構後，可控制該研磨墊202之整體側向變化溫度輪廓，其中，取決於該等區及該研磨墊的各自熱響應行為(thermal response behavior)，藉由適當的調整或再調整個別該區201A、201B、201C的溫度，可實現某種程度的動態溫度控制功能。若該工具200操作期間不能動態地供應各自之熱傳媒介，可例如於該工具200的閒置期實現各自的溫度再調整，然而，於其他情形中，如前所述並且會於稍後詳述，調整或再調整可以高度動態的方式進行，即便在該工具200操作期間亦然。於其他例示實施例中，如稍後提及者，該等溫度區201A、201B、201C之尺寸與形狀亦可動態地調適。

該研磨工具200之操作期間，該基板250可附著於該研磨頭203並且可置於該研磨墊202上，也同時調整介於該基板250及該研磨墊202之間所需的相對速度。例如，該研磨平台209可以適當轉速旋轉而也可操作該研磨頭203以便轉動該基板250，同時也控制該下壓力，如前所述，其中，於一些例示實施例中，對於待研磨的機械敏感(mechanically sensitive)材料層(如包括含有低K介電材料的層堆疊)可使用非常低的下壓力。取決於該等溫度區的尺寸、其各自溫度及該基板相對於各種溫度區的定位，包含該等不同溫度區201A、201B、201C的該研磨墊202在接觸該基板250後，該待研磨之表面的溫度也可發展某種側向變化溫度輪廓。因此，於所示實施例中，該基板250徑向位置可代表用以控制最後建立的跨該基板250之溫度輪廓的有效製程參數。因此，如前所述，該研漿材料具有高度溫度相依的反應速率，可與待研磨基板交互化學作用，其中，該移除率亦因而可取決於建立之溫度輪廓而變動。例如，於所示之實施例中，該基板250可經定位俾使其中心250C定位於該溫度區201B，同時該基板250週邊區域因為該基板250的轉動而可週期性接觸該等溫度區201A、201C。例如，若溫度輪廓需要在該中心250C的溫度高於該基板250的該等週邊區域，該區201B的溫度可調整成適當選擇的高溫值，而該等區201A、201C之溫度則保持於較低水平。

第3a圖概略說明該研磨墊202的側向變化溫度輪廓310，在其溫度區201B可具有約40℃之溫度而該中心區201A及該週邊區201C可具有約20℃之溫度的情形下。因此，藉由定位該中心250C於該區201B內，可於該基板250中心得到可實質對應於該中心區201B溫度的增加之溫度及增加之移除率。

第3b圖概略說明跨越該基板250(即該材料251)的各自之溫度輪廓320的側向或徑向變動。如圖所示，可在該中心250C得到對應區201B之溫度的實質上40℃之溫度，該溫度會逐漸降低至約25℃的值，其可能高於該等區201A、201C的溫度，這是因為在該基板250轉動期間，該等週邊部位亦可接觸該“高溫”區201B之故。自第3a、3b圖可明顯發現，對於給定之該等區201A、201B、201C的尺寸及形狀的初始定義而言，藉由操縱該基板250之該中心250C相對於該等溫度區之相對位置、及視需要藉由調整該等區201A、201B、201C的溫度，可控制該基板250的實際建立的溫度輪廓320。

第3c圖概略說明根據另一範例之跨越該研磨墊202的該溫度輪廓310，其中，可增加該區201B的徑向尺寸，而減少該週邊區201C之徑向尺寸。此外，該區201B之溫度約為20℃而該中心及周邊區201A、201C則保持於實質上為40℃。

第3d圖概略說明當中心250C係定位於該區201B時，跨越該基板250的各自之溫度輪廓320。因此，該中心250C可實質上承擔(take on)該區201B之溫度，也就是約20℃，而隨著徑向距離的增加，也會因為該基板250之週邊區域與該等區201A、201C的接觸而可使溫度上升。因此，實際研磨該基板250時，因為研漿材料之溫度相依的反應率與/或因為可於電化學研磨製程中建立的溫度相依的電化學電位，可於該基板250之週邊提昇移除率。

應理解該等上述例示範例僅作為解說之用，而可藉由適當控制該基板250之該尺寸、該形狀、該溫度及該側向位置以建立任何其它適當的該溫度輪廓320，其中，一個或多個的這些參數可保持為常數，而該等參數之一個或多個可用以調整該所需輪廓320。例如，以研磨前測量資料或任何其他製程相關資訊為基礎，可事先得知在該基板週邊處可能需要增加移除率，俾能例如藉由適當調適該溫度調整單元201等的該尺寸及組構，事先建立該等溫度區201A、201B、201C的適當輪廓，而提供各自已事先準備好的研磨平台209。此外，可事先選擇該等區的每一個的適當溫度，其中，於實際研磨製程期間，可藉由適當調整該基板550的徑向位置以實現該基板250上該輪廓320的適當“微調(fine tuning)”。取決於該等溫度區201A、201B、201C的整體熱響應行為，於其他情形中，該溫度可例如在個別基板之間或者在單一基板的研磨製程中以動態方式變化，並可能結合該基板250徑向位置的變化，以得到所需的溫度輪廓320。

再者，應理解，取決於該工具200之組構與該製程需要，亦能以具有不同溫度的兩溫度區為基礎或者以四個或更多個溫度區為基礎而實現有效調整跨越該基板250的溫度梯度。

參考第4a至4f圖，現在將描述進一步的實施例，其中討論用於溫度調整單元的不同組構以建立跨越該研磨墊的適當溫度輪廓。然而，應理解一些或全部於此處探討有關提供溫度區於該研磨工具之研磨平台的概念亦可應用於在該研磨頭產生各自之溫度區，藉以直接產生跨越該待處理之基板的溫度輪廓。

第4a圖概略說明包含研磨墊402之研磨平台409的剖視圖。再者，該平台409可包括溫度調整單元401，該溫度調整單元401包含複數個具有適當尺寸及形狀的熱庫(heat reservoir)401A、401B、401C以定義該等所需溫度區，如前所述。該等熱庫401A、401B、401C可藉由具有低導熱性的適當分隔壁401D以減少鄰近熱庫401A、401B、401C間的熱交換以彼此熱絕緣。此外，該單元401可包括各自之終端(terminal)401E，用於供用以提供熱傳媒介的任何適當熱供應源(例如液體、氣體之類)與之連接。因此，可以適當溫度T1、T2、T3供應各自之熱傳媒介至該等熱庫401A、401B、401C。於一些例示實施例中，各自之熱傳媒介與/或該等熱庫401A、401B、401C之熱量為適度高，使得儘管有經由該研磨墊402消耗的熱“損失”，經過一段時間後仍能實質上維持固定溫度，藉以避免於該研磨平台409操作期間持續供應熱傳媒介。例如，可事先決定溫度變化的某一允許範圍，而可適當設計該研磨工具(包含該研磨平台409)的操作模式，以例如藉由定期地連接該等終端401E至外部源而使得該熱庫401A、401B、401C的每一溫度可保持於該允許範圍內。

再者，於一些例示實施例中，可將該分隔壁401D組構成可定義複數個小熱庫，其中，在移除個別壁401D後、或藉由提供介於鄰近熱庫的可控連接，可實現調適該等熱庫401A、401B、401C的最後所需尺寸之便利調適。因此，藉由重新安排各自的分隔壁401D，可事先組構關於該等熱庫401A、401B、401C的尺寸與組構織該研磨平台409。於其他例示實施例中，該研磨平台409可包括歧管(manifold)以結合各自之閥元件，俾藉由將適當的小熱庫401A、401B、401C予以適當地互連，從而可建立各自溫度區所需的整體組構。因此，藉將該等各自個別熱庫適當地互連，可以高度動態的方式得到適當的組構，其中，在供應對應的熱交換媒介質後，可完成跨越該研磨平台409的所需溫度輪廓。

第4b圖概略說明根據進一步的例示實施例的該研磨平台409的俯視圖。如圖所示，可藉由電性驅動加熱元件401F定義該溫度調整單元401之該等溫度區401A、401B、401C，並可與第4a圖所示之熱庫結合，以建立所需溫度輪廓。應理解，該電性驅動加熱元件401F可不需要位於該等實際溫度區401A、401B、401C，而其他例示實施例中，亦可設置於該研磨平台409中任何適當位置，以保持用於特定熱交換媒介所需溫度。對應的熱交換媒介可因而供應至有關熱庫，如第4a圖所示，以保持其溫度於所需水平，同時亦對於跨越該墊402之該溫度輪廓的調整提供高度動態的行為。該電性驅動加熱元件401F可連接電源供應430，該電源供應430可併入該研磨平台409俾使該研磨平台409處於靜止狀態時接收能量且/或在任何操作期期間接收能量，如稍後所述。

第4c圖概略說明根據進一步的例示實施例的該研磨平台409的剖視圖，其中，該溫度調整單元401可額外地或替換地包括該等熱庫401A、401B、401C與/或該電性驅動元件401F、複數個熱電(thermo-electric)元件401G(如熱電偶(thermocouple))，其可連接電源及控制單元431。於一例示實施例中，該熱電元件401G可連接該控制單元431俾能控制電流的方向及數值，而允許冷卻或加熱該研磨墊402。如廣為人知者，熱電元件可允許建立電流時產生熱流，其中，取決於電流方向，該熱電元件一側可加溫而該元件另一側可降溫。因此，取決於由該控制單元431所建立的電流方向與強度，可建立跨越該等元件401G之每一個的某溫度梯度，藉以控制具有與該等個別元件401G尺寸對應的空間解析度之整體溫度輪廓。為建立跨越每一個該等熱電元件401G的有效溫度梯度，可提供適當熱庫401H，例如使用與環境(例如，藉由氣冷(air cooling)及類似方式)熱耦合的適當散熱片(heat sink)，可更進一步於操作(亦即，該研磨平台409的轉動)期間提昇該溫度梯度的效率。因此，該散熱片401H可於該熱電元件的一端建立實質固定的溫度，藉以提供實質穩定的參考溫度給該等熱電元件401G。因此，基於此參考溫度，可加熱或冷卻每一個該等熱電元件401G的上側以建立所需整體溫度輪廓。

第4d圖概略說明第4c圖所示之該研磨平台409之俯視圖。如圖所示，複數個該等熱電元件401G可安排成連接該控制單元431的陣列。因此，適當電性連接各自的熱電元件401G後，可獲得該等所需溫度區401A、401B。因此，經由該控制單元431適度驅動該元件401G，可以高度動態的方式調適該等溫度區的尺寸及形狀，其中，該控制單元431可包括適當設計的開關，如電晶體或類似物。進一步應理解，藉由針對給定之溫度區對應地控制電流，則其溫度也可以高度動態的方式被調適。

第4e圖概略說明根據進一步的例示實施例之包含該溫度調整單元401的該平台409的剖視圖，該單元401可包括電性驅動元件，如熱電元件、泵或者其他用以循環熱交換媒介的元件、閥元件等。如圖所示，該電源供應及控制單元431可連接適當設計的電終端432，其係例如被設置成導電軌(conductive rail)或任何其他遇合的接觸元件，使得即便於該研磨平台409操作期間也能供應電能。因此，可自外部電源供應433供應能量以操作該單元401內的該等電性驅動元件及構件。於一些例示實施例中，也可供應外部資訊至該單元431，例如用於控制該溫度調整單元401，以便回應該外部供應資訊或控制訊號而允許高度動態的行為運轉。於其他情形中，可於該單元431實現或者自內部產生適當的控制策略以得到所須的控制行為。

第4f圖概略說明根據進一步的例示實施例之該平台409，可基於耦合站432及外部電源供應433(其係設計成將感應性地將能量耦合至該耦合站432中)供應能量至該控制單元431。因此，可不考慮該平台409的操作狀態而供應各自之能量，而不需要機械接觸元件。

因此，揭露於此的發明內容提供研磨工具及用以操作該研磨工具的各自之方法，即便是在必須使用適度低的下壓力的操作體系中，也可達成可控性的提昇。例如，對於在易碎材料層(如包含低K介電質的半導體裝置之金屬化層)中的材料移除而言，移除率與相對速度及下壓力之線性相依不再有效，或者係在難以達成用於調整該徑向變化之移除輪廓之有效控制的範圍。因此，藉由使用溫度相依性的移除機制，例如以具化學高度反應的研漿材料的形式與/或於電化學研磨製程期間的該電化學電位的形式，可達成用於調整跨越該基板的局部移除率的適當製程參數。於一些例示實施例中，基於定義研磨墊上的各自之溫度區，其中可控制如關於該等溫度區之基板的尺寸、形狀、溫度及相對定位等參數，而可產生跨越該待處理之基板的適當溫度輪廓。於其他情形中，可於該研磨頭中建立各自之溫度區，並可結合或替換地在該研磨墊中建立不同溫度區，藉以建立溫度相依的移除率。因此，可以研磨前及研磨後測量資料、或者以其他製程相關資訊為基礎而控制該研磨製程，而該化學高度反應研漿材料與/或該電化學效應仍可提供所需的整體移除率並且減少製程時間。

以上揭露的特殊實施例僅為例示說明，而對於具有在此教示之利益的本領域計有通常知識者而言，本發明可以不同但等效方式修改且實施係明顯的。例如，先前提出的製程步驟可以不同次序實行。再者，除了以下描述之申請專利範圍，顯示於此的結構或設計的細節並非意圖作為限制本發明。因此，顯而易見的，上揭該等特殊實施例可進行改變或修改，而所有如此之變動均視為落入本發明的範疇與精神內。因此，本發明的保護範圍係提出在以下的申請專利範圍中。

150．．．基板

151．．．材料層

151R．．．材料層

200．．．CMP工具

201、401．．．溫度調整單元

201A、201B、201C．．．熱交換單元

202、402．．．研磨墊

203．．．研磨頭

204、205．．．驅動組件

206．．．移動

207．．．研漿供應

209、409．．．研磨平台

220．．．製造環境

250．．．基板

250C．．．中心

251．．．材料層

251R．．．削減層

253．．．研磨前測量資料

254．．．研磨後測量資料

310．．．側向變化溫度輪廓

320．．．溫度輪廓

401A、401B、401C、401H．．．熱庫

401D．．．分隔壁

401E．．．終端

401F．．．電性驅動加熱元件

401G．．．熱電元件

430．．．電源供應

431．．．控制單元

432．．．電終端；耦合站

433．．．外部電源

A、B、C、D．．．曲線

T1、T2、T3．．．溫度

藉由參考以下敘述連同隨附圖式可瞭解本揭露內容，其中，以類似的元件符號代表類似元件，而其中：

第1a圖係概略說明化學驅動機制(例如以化學反應研漿之反應率的形式)之該溫度相依性之圖式；

第1b圖係概略說明具有待研磨之材料層形成於其上之基板；

第1c圖係概略說明根據例示實施例之適當的溫度輪廓以在該基板邊緣(edge)得到增加的移除率；

第1d圖係概略說明根據例示實施例之溫度控制研磨製程進行後之該基板；

第1e至1g圖係概略說明根據進一步的例示實施例之基板、各自的溫度輪廓、以及在溫度控制研磨製程進行後之該基板；

第2a至2b圖係概略說明根據進一步的例示實施例之包含適當溫度控制單元之研磨工具，用於研磨製程期間調整側向變化之移除率；

第2c圖係概略說明根據一些例示實施例之研磨工具之剖視圖；

第2d圖係概略說明根據一實施例之包含與待研磨基板結合之複數個溫度區之研磨平台之俯視圖；

第3a至3b圖係概略說明根據例示實施例之研磨平台上之側向變化的溫度輪廓以及該基板上對應產生的溫度輪廓；

第3c至3d圖係概略說明根據其他例示實施例之研磨平台上以及該基板之各自側向變化的溫度輪廓；以及

第4a至4f圖係概略說明根據其他例示實施例之用以於研磨平台中建立所需溫度輪廓之溫度調整單元的剖面圖與俯視圖。

揭露於此之發明標的容許各種變體及替代形式，其特定實施例經由該等圖式中之範例顯示並且詳述於此。然而，應理解此處特定實施例之描述並非用以限定本發明於所揭露之特定形式，反之，其用意在於涵蓋所有落入由附加之申請專利範圍所定義之本發明之精神及範疇內的變體、同效物及替代物。

200．．．CMP工具

201．．．溫度調整單元

201A、201B、201C．．．熱交換單元

202．．．研磨墊

203．．．研磨頭

204、205．．．驅動組件

206．．．運動

207．．．研漿供應

209．．．研磨平台

250．．．基板

Claims (22)

1. 一種用於研磨基板之方法，該方法包括：藉由根據自至少一個先前研磨之基板以及一個或多個待研磨之基板所取得之測量資料決定目標溫度輪廓，而於待研磨之材料層中建立溫度輪廓；根據該目標溫度輪廓調整該材料層中之該溫度輪廓，該溫度輪廓沿著該材料層之至少一側向方向變化；以及藉由使用溫度相依之化學移除機制而研磨該材料層。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該溫度相依之化學移除機制包括供應具有溫度相依之化學反應率之研漿。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該溫度相依之化學移除機制包括供應研漿及施加電壓於待研磨之該材料層。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，建立該溫度輪廓係包括於研磨墊之研磨表面及該基板之至少一者中產生二個或更多個溫度區，該二個或更多個溫度區代表至少兩個不同的溫度。
5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中，該二個或更多個溫度區係產生於該研磨墊之該研磨表面中，而建立該溫度輪廓係包括控制該基板相對於該二個或更多個溫度區的位置、該二個或更多個溫度區的側向尺寸、 以及該二個或更多個溫度區各者的溫度之至少一者。
6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中，該研磨表面具有圓形形狀而該二個或更多個溫度區實質上係為同心區域。
7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中，係設置至少三個溫度區，且該基板係至少於某段研磨期間經定位成延伸進入該至少三個溫度區之三者。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該材料層係形成於半導體裝置之金屬化層之低K介電材料之上。
9. 一種用於製造積體電路之方法，包括：產生側向跨越研磨工具之研磨墊之溫度輪廓；以材料層研磨前測量資料及研磨後測量資料之其中至少一者為基礎而決定基板之該材料層之目標移除率；當該材料層接觸該研磨墊時，建立該研磨墊與該基板彼此之相對運動；根據該溫度輪廓及該相對運動，於該材料層中建立側向變化之移除率，從而移除該材料層之至少一部分；以及根據該目標移除率而控制該側向變化之移除率。
10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中，產生該溫度輪廓係包括定義出代表至少兩個不同的溫度的二個或更多個溫度區。
11. 如申請專利範圍第9項之方法，其中，移除該材料層 之至少一部分係包括供應溫度敏感研漿至該研磨墊。
12. 如申請專利範圍第9項之方法，其中，移除該材料層之至少一部分係包括施加電壓於該材料層及該研磨墊之間。
13. 如申請專利範圍第10項之方法，其中，建立該側向變化之移除率係包括調整該等溫度區各者的溫度、該二個或更多個溫度區之側向尺寸、以及該基板相對於該二個或更多個溫度區的相對位置的至少一者。
14. 如申請專利範圍第10項之方法，復包括藉由調整該二個或更多個溫度區之尺寸及溫度之至少一者而動態地調適該溫度輪廓。
15. 一種研磨工具，包括：研磨平台，組構成接收研磨墊；研磨頭，組構成接收具有待研磨之表面的基板；驅動組件，組構成建立該基板及該研磨墊之間的相對運動；以及溫度控制系統，組構成於研磨該基板時，產生跨越該基板而側向變化的溫度輪廓。
16. 如申請專利範圍第15項之研磨工具，其中，該溫度控制系統包括連接該研磨平台之溫度調整單元且組構成於該研磨平台中建立複數個溫度區。
17. 如申請專利範圍第16項之研磨工具，其中，該溫度調整單元包括至少一熱庫，其係熱耦接於該等複數個溫度區之至少一者。
18. 如申請專利範圍第17項之研磨工具，其中，該至少一熱庫係可連接至一流體源，該流體源用於與外部來源交換熱傳媒介。
19. 如申請專利範圍第16項之研磨工具，其中，該溫度調整單元包括複數個可電性操作之熱傳單元。
20. 如申請專利範圍第16項之研磨工具，其中，該溫度調整單元包括位於該研磨平台中之供應電壓單元。
21. 如申請專利範圍第20項之研磨工具，其中，該供應電壓單元係組構成於該相對運動期間接收來自於該研磨平台外部之電源之能量。
22. 如申請專利範圍第16項之研磨工具，其中，該二個或更多個溫度區實質上為環形區。