化學機械研磨對不同研磨墊外形研磨晶圓之有效研磨頻率及有效研磨次數分析方法

發明專利說明書

※申請案號：

※申請日期： ※ＩＰＣ分類：

一、發明名稱：^{(中文/英文)}

化學機械研磨對不同研磨墊外形研磨晶圓之有效研磨頻率及有效研 磨次數分析方法 / METHOD FOR ANALYZING EFFECTIVE POLISHING FREQUENCY AND TIMES FOR CHEMICAL MECHANICAL pLANARIZATION POLISHING WAFER WITH DIFFERENT POLISHING PAD PROFILE 二、申請人：共 人

指定 為應受送達人

三、發明人：

◎專利代理人：

四、聲明事項

□主張專利法第二十七條第一項國際優先權：

□主張專利法第二十九條第一項國內優先權：

□ 主張專利法第二十六條微生物：

□ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存

五、中文發明摘要：

本發明揭露一種分析化學機械研磨對不同研磨墊外 形研磨晶圓的研磨頻率及次數之方法。首先，提供晶圓 與研磨墊之圖形，轉換研磨墊圖形與晶圓圖形分別成為 一像素矩陣。再將像素矩陣處理成為黑白影像，並依序 轉換黑白影像為數值矩陣及二值化數值矩陣，並可計算 所有點的有效研磨頻率矩陣。由所得之所有點的研磨頻 率及依據位移條件重新定義二值化數值矩陣之座標，可 計算經過一時間增量後所有點的新座標以及所有點對應 的研磨次數值，形成時間增量之有效研磨次數矩陣。本 發明並提出計算所設定的總研磨時間內的有效研磨次數 疊加模式。

六、英文發明摘要：

A method for analyzing polishing frequency and times for chemical planarization polishing wafer with different polishing pad profile is disclosed. First, a wafer drawing and a pad drawing are provided and then are transformed to be pixels arrays. Pixels arrays are processed to become black and white images. These black and white images are transformed into binary

matrices. The effective polishing frequency of all points in the binary matrix can be

calculated. Following calculated polishing frequency and redefining the coordinates of all binary matrices according to displacement

condition, then new coordinates of all points and responding effective polishing times of all

points after a time increment can be calculated so as to form effective polishing times matrix in time increment. Further, all effective polishing times during a total polishing time are added.

七、指定代表圖：

（一）本案指定代表圖為：

（二）本代表圖之元件代表符號簡單說明：

102~118步驟．．．化學機械研磨對不同研磨墊外形 研磨晶圓之有效研磨頻率及有效研磨次數分析方法步 驟，每個步驟的內容說明於第2圖中的各步驟之方框內說 明。

八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

九、發明說明：

[發明所屬之技術領域]

本發明是有關於一種分析研磨頻率及次數之方法，且特 別是有關於一種分析化學機械研磨方法，研磨晶圓時具 有不同研磨墊外形之有效研磨頻率及有效研磨次數之方 法。

[先前技術]

化學機械研磨是一種全面性平坦化(Global

Planarization)技術，可同時運用具有研磨性物質的機 械式研磨與酸鹼溶液的化學式研磨兩種作用，移除晶圓 表面的材質，讓晶圓表面達到全面性的平坦化，以利後 續薄膜沉積、或蝕刻等步驟之進行。由於全面性平坦化 是多層內連線金屬化最基本的一個要求，且化學機械研 磨製程為目前公認達到晶圓全面性平坦化較可行的方 法，因此已廣泛地運用在現今的半導體製程中。

習知之化學機械研磨晶圓平坦化分析技術中，壓力分佈 多採用有限元素分析方式評估晶圓研磨時壓力場的可能 狀態，相對速度場分佈可以透過相對轉速推導出晶圓與 研磨墊的任一點相對速度公式。其他則有以實驗方式探 討速度場與移除率(Removeal Rate)之關係。

一般習知化學機械研磨方法，研磨晶圓多用行星路徑、

晶圓及研磨墊有相同轉速之速度場分佈來表示，對於其 他不同相對速度，多以平均速度場分佈來表示。至於補 償式化學機械研磨晶圓採用研磨墊在上方的方式，由於 研磨墊並非完全覆蓋晶圓，如採用行星路徑、研磨墊與 晶圓為相同轉速時，晶圓面上之研磨次數分佈並不平 均，仍無法得到較佳平坦化效果。此外若考慮採用其他 路徑軌跡，及不同相對速度，都會造成晶圓面上研磨次 數分佈差距，且數值估算不易。

唯相對速度公式雖有基礎理論依據，但是仍具有以下困 難。補償式化學機械研磨速度積分困難，因晶圓採用研 磨墊在上方的方式，研磨墊對晶圓上之研磨次數估算不 易，若是研磨墊並非一圓型，而由其他外形所構成，估 算研磨次數更是不易。

全面平坦化偵測不易。一般習知化學機械研磨晶圓終點 偵測感應器(end point detector)須以間接方式選取部 份量測位置，以進行平坦化量測。而補償式化學機械研 磨晶圓研磨面朝上，有利於研磨過程直接量測，但仍以 部分選定點為估算位置，全面平坦化偵測仍不易。而晶 圓平坦化和晶圓各位置點受到的有效研磨頻率及次數有 關係，因此需要一種分析化學機械研磨晶圓有效研磨頻 率及有效研磨次數之方法，以提供目前在晶圓之化學機 械研磨分析上，一段時間後有效研磨次數分佈的參考。

[發明內容]

因此本發明的目的就是在提供一種分析晶圓面上之研磨 頻率及研磨次數之方法，用以評估一般化學機械研磨及 補償式化學機械研磨之有效研磨頻率及有效研磨次數。

而補償式化學機械研磨研磨系統如第1A圖所示，在第1A

圖中，晶圓(1)置於下面，研磨墊(2)及補償式研磨頭(3) 則位於晶圓(1)的上面。

本發明的另一目的是在提供一種分析晶圓面上之研磨頻 率及次數之方法，用以分析在不同研磨墊外形及不同相 對速度下，作用於晶圓面上的有效研磨頻率及有效研磨 次數。

本發明的又一目的是在提供一種分析晶圓面上研磨頻率 及次數之方法，用以分析化學機械研磨之研磨墊作用於 晶圓上，採用行星路徑時的有效研磨頻率及有效研磨次 數。 本發明的又一目的是在提供一種分析晶圓面上研磨頻率 及次數之方法，用以早期預測可能因研磨頻率不平均所 造成之晶圓表面不均勻區域之參考，減少終點偵測範 圍。

根據本發明之上述目的，提出一種分析晶圓面上研磨頻 率及次數之方法。在本發明一較佳實施例中，此方法包 括下列步驟：提供一研磨墊設計圖形與一晶圓設計圖 形。轉換研磨墊圖形與晶圓圖形分別成為一像素矩陣。

處理像素矩陣成為黑白影像。轉換黑白影像成為數值矩 陣。轉換數值矩陣成為0與1之二值化數值矩陣。此時座 標原點為在絕對座標原點位置，如第1B圖在左上角(0,0) 位置。

接著，重新定義二值化數值矩陣之新座標。以晶圓中心 座標為新座標原點(0,0)，平移晶圓及研磨墊，以統一二 值化數值矩陣之新座標於一新的統一矩陣座標系統。計 算依照一運動路徑經過一時間增量(△

t

並形成至少一研磨頻率矩陣，其中i與j為正整數。藉由 判斷是否為有效研磨晶圓以及計算所有點對應的有效研 磨次數值，形成△

t

本發明方法將晶圓與研磨墊圖像轉換成二值(binary)影 像，以數值矩陣方式運算，僅須計算相對運動下位置變 換，並以有效研磨次數疊加模式，容易估算設定的研磨 時間內，研磨路徑下的有效研磨次數分佈狀態。本發明 適用於一般化學機械研磨以及補償式化學機械研磨的有 效研磨頻率及有效研磨次數分析，不受限於研磨墊的外 形，而可以將研磨墊的各種外觀外形、不同的研磨路徑 模式都考量進來，藉此可作為未來設計較佳之研磨墊外 形的參考。

[實施方式]

本發明方法針對不同研磨墊外形之下，探討晶圓有效研 磨頻率及有效研磨次數分佈狀態，結合外形設計及影像 處理分析模式來將設計模型數值化。在不考慮研磨墊花 紋形貌影響下，以研磨墊之數值矩陣重新估算新設計的 研磨墊外形對整個晶圓之有效研磨頻率及有效研磨次數 分佈狀態。本發明所稱研磨頻率說明如下：假設研磨墊 與晶圓接觸之區域稱為有效研磨，且研磨粒為均勻分佈 於研磨墊上。且假設二次粒徑（即已經與晶圓接觸過之 研磨砥粒直徑）大小皆為研磨粒初始粒徑，晶圓面積上 之某一點位置在單位時間內研磨粒通過的數量，將之定 義為研磨頻率，其公式為研磨頻率值

F(i,j)

而晶圓點位置之研磨次數定義為，於一段時間內晶圓與 研磨墊接觸時，晶圓之一表面被一研磨粒通過一次為研 磨一次，研磨次數為在該段時間內晶圓點位置上所通過 的研磨粒總數量。

為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，可參照下列描述 並配合圖示以清楚說明本發明。須特別注意的是，為方 便及清楚區分出晶圓及研磨墊，所有圖式中之標號(1)代 表晶圓，標號(2)代表研磨墊，標號(3)代表補償研磨 頭。

參照第2圖，其繪示本發明一較佳實施例之有效研磨頻率 與有效研磨次數分析方法之步驟流程圖。本實施例以補 償式化學機械研磨的晶圓與研磨墊的相對運動，路徑為 行星運動路徑，在不同研磨墊外形下，說明其有效研磨 頻率及有效研磨次數的步驟流程，而補償式化學機械研 磨的系統示意圖請同時參照第1A圖。

於本實施例中，補償式化學機械研磨系統如晶圓與研磨 墊相對運動路徑為一行星運動路徑，其晶圓與研磨墊相 對速度

U＝

D

在第2圖的步驟102中，首先設計出研磨製程中所用之研 磨墊圖形，利用電腦輔助設計(computer aided

design；CAD)軟體工具，例如為AUTOCAD，依據實際外觀 尺寸設計一研磨墊與晶圓圖形，研磨墊圖形之外觀可例 如為圓形、橢圓形或三角形等設計。同時參照第3圖，其 繪示依照本發明一較佳實施例之晶圓與研磨墊之250*250 像素圖形之示意圖。第3圖中，晶圓及研磨墊設計圖300 之研磨墊為橢圓形，晶圓為圓形。

在第2圖的步驟104中，把所設計出的晶圓與研磨墊之CAD 影像轉換成P*Q的像素矩陣，其中P、Q為正整數，利用影 像處理軟體工具，以擷取CAD影像。

在第2圖的步驟106中，在維持晶圓與研磨墊圖形比例 下，將晶圓及研磨墊的CAD影像重新處理成兩張獨立之黑 白影像檔。利用影像處理軟體工具，把CAD影像處理如 Bmp影像格式，白色為具有實體的晶圓或研磨墊影像區 域，黑色代表沒有實體物質區域，如第3圖所繪示，晶圓 黑白影像310與研磨墊黑白影像320。

在第2圖的步驟108中，將經過影像處理所形成的黑白影 像轉換成為數值矩陣。利用影像分析處理軟體工具，例 如Matlab，將圖像讀入成為數值矩陣，此時白色區域每 一個像素點值為255，黑色區域每一個像素點值為0。轉 換後像素矩陣座標原點位於左上角。同時參考第4A與4B 圖，第4A與第4B圖係分別繪示依照本發明一較佳實施例 之晶圓與研磨墊經影像處理軟體轉換後（本例為

matlab）之示意圖。如第4A、4B圖所示，為晶圓與研磨 墊的黑白影像及座標。

在第2圖的步驟110中，轉換數值矩陣成為0與1之二值化 數值矩陣。將晶圓及研磨墊白色區域數值變更為1，黑色 區域仍為0，轉換晶圓及研磨墊成為二值化0與1之數值矩 陣。此時1代表實體物質，0代表沒有實體物質。另同時 參考第5A、5B圖，其分別繪示依照本發明一較佳實施例 之晶圓與研磨墊之二值化數值矩陣之示意圖。

在第2圖的步驟112中，重新定義二值化數值矩陣之新座 標。同時參考第2A圖，其繪示本發明一較佳實施例中重 新定義新座標之步驟流程圖。步驟112包含步驟112a，將 晶圓中心座標定為新座標原點(0,0)，以及步驟112b，平 移晶圓及研磨墊，用卡氏座標重新定義晶圓及研磨墊數 值矩陣座標系，以將此二個個別之二值化數值矩陣之座 標統一於一新的統一矩陣座標系統中。

本發明之方法更包含步驟114。在第2圖之步驟114中，判 斷研磨墊在至少一時間增量△

t

pad(i,j)

wafer

(i,j)

同時參考第1B圖，第1B圖係繪示依照本發明一較佳實施 例，晶圓及研磨墊各自旋轉，研磨墊之(i,j)點轉到

(i',j')

別以

Wafer(cx,xy),Pad(cx,cy)

(i,j)

(i',j')

Npad(i',j')

Nwafer(i',j')

＝[Npad(i',j')×Nwafer(i',j')×F(i,j)]

P×Q 。其中當

Npad(i',j')×Nwafer(i',j')

Npad(i',j')×Nwafer(i',j')

F(i,j)

i

j

＝1 to Q FF(i',j')＝

Npad(i',j')×Nwafer(i',j')×F (i,j)

j

i

t

t

t

並決定時間增量△

t

F(i,j)

t

同時參考第2B圖，其繪示本發明一較佳實施例中形成有 效研磨次數矩陣之步驟流程圖。步驟116包含步驟116a、

116b、116c以及116d。

對時間增量△

t

t

pad(i,j)

wafer(i,j)

Npad(i',j')

Nwafer(i',j')

Npad(i',j')

Nwafer(i',j')

步驟116b：計算對任意一點

(i,j)

(i',j')

FT(i',j')

FT(i',j')＝

Npad(i',j')×Nwafer(i',j')×F(i,j)×△t

Npad (i',j')×Nwafer(i',j')

F(i,j)

t

僅晶圓與研磨墊有接觸時方需計算研磨頻率

F(i,j)

t

i

j

FT(i',j')＝

Npad(i',j')×Nwafer(i',j')×F(i,j)×△t

j

i

t

t

t

有矩陣皆以晶圓起始轉動角度為基準位置。因△

t

本發明之方法更包含步驟118。在第2圖的步驟118中，疊 加總研磨時間t之所有時間增量△t的有效研磨次數矩 陣，以得到總研磨時間t後之一總有效研磨次數矩陣 。 本方法提出計算所設定的總研磨時間t內的有效研磨次數 疊加模式可以 表示。

考慮第一時間增量△

t

(i,j)

(i',j')

1，此時第二時間增量△

t

(i',j')

(i,j)

t

(i,j)

(i',j')

(i',j')

(i,j)

t

(i',j')

(i,j)

t

(i',j')

(i,j)

(i',j')

疊加依據各次時間增量所計算出之各次有效研磨次數矩 陣，得到經過總研磨時間後之研磨次數分佈狀態。總研 磨時間t為各次時間增量△

t

(i,j)

(i,j)

第4A與第4B圖係分別繪示依照本發明一較佳實施例之晶 圓與研磨墊經影像處理軟體轉換後（本例為matlab）之 數值矩陣之示意圖。此時晶圓與研磨墊圖形區域值為 255，其他為0。

第5A與5B第圖係分別繪示依照本發明一較佳實施例之晶 圓與研磨墊之二值化數值矩陣之示意圖。由圖示可清楚 看出晶圓與研磨墊之數值矩陣皆已被二值化0或1。

第6圖為依照本發明之一較佳實施例中所使用的參數條 件。 第7A至7C圖係分別繪示依照本發明之較佳實施例，其為 當研磨墊分別為圓形、橢圓形或三角形時，對補償式化 學機械研磨經過研磨時間180秒後，晶圓之有效研磨次數 分佈之狀態圖。第7A圖、第7B圖、第7C圖分別為圓形、

橢圓形、三角形研磨墊設計在晶圓面上之有效研磨次數 等高線分佈，圓形圖案代表晶圓面，晶圓面各點研磨次 數分佈狀態由等高線來表示，每一數值乘上10⁶次代表有 效研磨次數。

由上述本發明較佳實施例可知，應用本發明具有下列優 點。本發明所使用分析方法將晶圓與研磨墊圖像轉換成 二值(binary)影像，並提出計算所設定的總研磨時間內 的有效研磨次數疊加模式。以數值矩陣方式運算，僅須 計算相對運動下位置變換，並以有效研磨次數疊加模 式，容易估算設定的研磨時間內，研磨路徑下的晶圓有 效研磨次數分佈狀態。

本發明為化學－機械研磨(Chemical－Mechanical Polish)之平坦化製程重要的影響參數：研磨頻率及研磨

次數，提供一種新的晶圓之有效研磨頻率及有效研磨次 數分析方法。本分析方法不僅適用於一般之化學機械研 磨，更可運用於補償式化學機械研磨的有效研磨頻率及 次數分析，用以評估研磨墊及晶圓相對運動下，不同研 磨墊外形作用在晶圓表面的有效研磨頻率及有效研磨次 數分佈狀態。

本發明之原理乃結合CAD外形設計及影像處理分析模式來 將設計模型數值化，並以設計出之研磨墊數值化矩陣對 晶圓的數值化矩陣做相對速度運動，因影像取自一般CAD 工具，例如AUTOCAD，影像取得容易且比例正確。以數值 疊加方法估算新設計的研磨墊外形對整個晶圓之有效研 磨頻率及有效研磨次數分佈情形。並且每一二值化像素 皆代表一作用面積，可隨精度需要增加或減少擷取之像 素。

透過本分析方式，不受限於研磨墊的外形，研磨墊圖形 可為圓形、橢圓形或三角形，或是其他無花紋設計的研 磨墊輪廓外型，將研磨墊的各種外觀外形、不同的研磨 路徑模式都考量進來，可作為研磨墊外形設計之參考。

並評估在研磨一段時間內，晶圓面上任意區間的有效研 磨頻率及有效研磨次數分佈狀態，進而提供晶圓平坦化 及終點偵測位置參考。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限 定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保 護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

[圖式簡單說明]

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能 更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：第1A圖係繪示 補償式化學機械研磨系統示意圖。

第1B圖係繪示依照本發明一較佳實施例，晶圓及研磨墊 各自旋轉，研磨墊之(i,j)點轉到(i',j')，矩陣位置轉 換之示意圖。

第2圖係繪示本發明一較佳實施例之有效研磨頻率及有效 研磨次數分析方法之步驟流程圖。

第2A圖係繪示本發明一較佳實施例中重新定義新座標之 步驟流程圖。

第2B圖係繪示本發明一較佳實施例中形成有效研磨次數 矩陣之步驟流程圖。

第3圖係繪示依照本發明一較佳實施例之晶圓與研磨墊之 250*250像素圖形之示意圖。

第4A與第4B圖係分別繪示依照本發明一較佳實施例之晶 圓與研磨墊經影像處理軟體轉換後（本例為matlab）之 示意圖。

第5A與第5B圖係分別繪示依照本發明一較佳實施例之晶 圓與研磨墊之二值化數值矩陣之示意圖。

第6圖為依照本發明之較佳實施例中所使用的參數條件。

第7A至7C圖係分別繪示依照本發明之較佳實施例，當研 磨墊分別為圓形、橢圓形或三角形時，對補償式化學機 械研磨經過研磨時間180秒後，晶圓之有效研磨次數分佈 之狀態圖。

十、申請專利範圍：

1.一種分析研磨頻率及研磨次數之方法，適用於化 學機械研磨一晶圓之有效研磨頻率及有效研磨次數之分 析，至少包含：提供一研磨墊圖形與一晶圓圖形；轉換 該研磨墊圖形與該晶圓圖形分別成為一像素矩陣；處理

該些像素矩陣成為黑白影像；轉換該些黑白影像成為數 值矩陣；轉換該些數值矩陣成為0與1之二值化數值矩 陣；重新定義該些二值化數值矩陣之新座標；以及形成 該至少一時間增量△

t

2.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該研磨墊 圖形與該晶圓圖形係由電腦輔助設計(CAD)軟體所產生。

3.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該研磨墊 圖形為圓形、橢圓形或三角形，或是其他無花紋設計的 研磨墊輪廓外型。

4.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之轉 換該些圖形成為像素矩陣與該處理該些像素矩陣成為黑 白影像之步驟係利用一影像處理軟體。

5.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該黑白影 像之黑色代表沒有實體物質區域，白色代表具有實體物 質區域。

6.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之轉 換該些黑白影像成為數值矩陣之步驟係利用一影像分析 處理工具。

7.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該些二值 化數值矩陣之值中，1代表實體物質，0代表沒有實體物 質。

8.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之重 新定義新座標之步驟至少包含：定義該晶圓之一中心座 標為一新座標原點；以及平移該晶圓及該研磨墊，以統 一該些二值化數值矩陣之座標於一新矩陣座標系統。

9.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該運動路 徑係為一行星運動路徑。

10.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中一有效 研磨頻率定義為晶圓面積上之一點位置在單位時間內研 磨粒通過的數量。一有效研磨次數定義為於一段時間內 該晶圓與該研磨墊接觸時，該晶圓之一表面被一研磨粒 通過一次為研磨一次，該研磨次數為在該段時間內該晶 圓點位置上所通過之一研磨粒總數量。

11.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之 形成該至少一時間增量△

t

t

wafer (i,j)

pad(i,j)

Npad(i',j')

Nwafer(i',j')

(i,j)

(i',j')

FF(i',j')＝Npad(i',j')×Nwafer(i',j')×F(i,j)

(i,j)

(i',j')

FT(i',j')

FT(i',j')＝Npad(i',j')

×Nwafer(i',j')×F(i,j)×△t

i、j、i'

j'

F(i,j)

12.如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該有效 研磨頻率矩陣公式[FF(i',j')] _P×Q 定義為：[FF

(i',j')] _P×Q

＝[Npad(i',j')×Nwafer(i',j')×F(i,j)]

P×Q 而該有效研磨頻率值[FF(i',j')] _P×Q 之計算程式如 下：for

i

j

Npad(i',j')×Nwafer(i',j')×F(i,j)

j

i

F(i,j)

徑。

14.如申請專利範圍第11項所述之方法，更包含判斷 是否有效研磨該晶圓，其中當該些晶圓新二值化數值矩 陣值

Nwafer(i',j')

Npad(i',j')

Nwafer(i',j')×

Npad(i',j')

i'

j'

15.如申請專利範圍第11項所述之方法，其中上述之 形成至少一時間增量△

t

t

i

j

FT(i',j')＝Npad(i',j')×Nwafer (i',j')×F(i,j)×△t

j

i

16.如申請專利範圍第15項所述之方法，其中上述之 形成至少一時間增量△

t

t

t

。

17.如申請專利範圍第16項所述之方法，更包含疊加 一總研磨時間t內的所有該至少一時間增量△

t

十一、圖式：