相关申请的交叉引用
于2016年10月18日在韩国知识产权局提交的题为“化学机械抛光方法、制造半导体器件的方法和半导体制造装置”的韩国专利申请10-2016-0135263的公开内容通过引用全部并入本文中。
实施例涉及化学机械抛光方法、制造半导体器件的方法和半导体制造装置。
背景技术：
化学机械抛光(cmp)工艺是在半导体制造工艺期间通过使用化学反应和机械力来均匀地抛光晶片表面的工艺。近年来，cmp工艺已被广泛用于制造具有多层布线结构的半导体器件。在cmp工艺期间，通过抛光垫和晶片之间的摩擦使晶片抛光平坦，并且在这种情况下，为了保持抛光垫的恒定状态，执行垫修整以便精细切割抛光垫表面。
技术实现要素：
根据实施例的一个方面，提供了一种化学机械抛光(cmp)方法，包括：准备抛光垫；确定在抛光垫的修整期间要施加到修整盘的第一负荷以及当将第一负荷施加到修整盘时修整盘的尖端插入到抛光垫中的第一压入深度；准备修整盘；以及将修整盘置于抛光垫上，并且在将第一负荷施加到修整盘的同时通过使用修整盘来修整抛光垫的表面。
根据实施例的另一方面，提供了一种制造半导体器件的方法，包括：在半导体衬底上形成具有凹入部分的第一材料层；在凹入部分中以及在第一材料层的整个表面上形成与第一材料层不同的第二材料层；以及对第二材料层执行化学机械抛光(cmp)工艺以将第二材料层限制在凹入部分中，其中，执行cmp工艺包括：通过使修整盘和抛光垫一起摩擦来修整抛光垫，以及通过在抛光垫和半导体衬底之间提供用于化学机械抛光的浆料的同时使抛光垫和半导体衬底一起摩擦来抛光第二材料层，其中修整抛光垫包括：准备抛光垫，根据抛光垫的硬度和修整负荷确定压入深度的允许范围，将修整盘置于抛光垫上，然后通过将修整负荷施加到修整盘来测量修整盘的尖端插入到抛光垫中的第一深度，以及确定第一深度是否在压入深度的允许范围内。
根据实施例的再一方面，提供了一种半导体制造装置，包括用于通过将修整负荷施加到修整盘来测量修整盘的尖端插入到抛光垫中的压入深度的压入深度测量装置，其中所述压入深度测量装置包括：其上放置抛光垫和位于抛光垫上的修整盘的支撑板，配置为将修整负荷施加到修整盘以将修整盘的尖端插入到抛光垫中的加压设备，以及配置为测量压入深度的高度传感器。
根据实施例的又一方面，提供了一种半导体制造装置，包括：化学机械抛光(cmp)装置，包括其上安置具有第一硬度的抛光垫的台板以及垫修整器，垫修整器安装有具有多个尖端的修整盘，并且被配置为通过将第一负荷施加到修整盘以将所述多个尖端插入到抛光垫中并用所述多个尖端切割抛光垫的表面来修整抛光垫；以及控制器，被配置为根据第一硬度和第一负荷，确定在对抛光垫进行修整的同时所述多个尖端插入到抛光垫中的第一压入深度。
根据实施例的又一方面，提供了一种cmp方法，包括：准备抛光垫；根据抛光垫的硬度和第一负荷，确定第一压入深度的允许范围；准备修整盘；通过在将第一负荷施加到修整盘使得修整盘的尖端以第一插入深度的允许范围而插入到抛光垫中的同时使抛光垫与修整盘摩擦，对抛光垫进行修整；以及通过在抛光垫和预定材料层之间提供浆料的同时使预定材料层与经修整的抛光垫摩擦，对预定材料层进行抛光。
附图说明
通过参照附图详细描述示例性实施例，本领域普通技术人员将清楚各种特征，在附图中：
图1a和1b示出了根据一些实施例的半导体制造装置的框图；
图2a和2b示出了根据一些实施例的压入深度测量装置的侧视图；
图3示出了根据一些实施例的图2b的部分a的放大图；
图4a和4b示出了根据一些实施例的修整盘的底表面的平面图；
图5示出了根据一些实施例的修整盘的一部分的截面图；
图6示出了根据一些实施例的cmp装置的透视图；
图7示出了根据一些实施例的cmp方法的流程图；
图8a和8b示出了表示根据一些实施例的在测试cmp工艺期间根据压入深度的振动或噪声发生的曲线图；
图8c示出了根据一些实施例的确定压入深度的方法的流程图。
图9a至9d示出了表示根据一些实施例的通过分别分析抛光垫的磨损率、抛光垫的表面粗糙度、晶片的去除率和晶片的划痕发生程度根据压入深度的变化而获得的结果的曲线图；
图9e示出了根据一些实施例的确定压入深度的方法的流程图；以及
图10a至10d示出了根据一些实施例的制造半导体器件的方法中一些阶段的截面侧视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述实施例。
图1a和1b是根据一些实施例的半导体制造装置10和10a的框图。
参考图1a，半导体制造装置10可以包括压入深度测量装置100、化学机械抛光(cmp)装置200和控制器300。
压入深度测量装置100可以测量压入深度，压入深度是在预定负荷施加到修整盘时修整盘的尖端插入到抛光垫中的深度。压入深度测量装置100可以通过将修整负荷施加到修整盘来确定cmp装置200中cmp工艺期间的压入深度。修整负荷是指在cmp装置200中使用修整盘对抛光垫进行修整时施加到修整盘的负荷。例如，压入深度测量装置100可以通过将修整盘置于抛光垫上且然后将与修整负荷相同的负荷施加到修整盘并测量施加修整负荷之前和之后修整盘的表面高度水平的变化来测量压入深度。
cmp装置200可以执行cmp工艺，以通过使用化学反应和机械力来均匀地抛光晶片的表面。在cmp工艺期间，晶片抵靠抛光垫摩擦，因此被抛光。因此，为了防止具有微孔的抛光垫的表面被浆料或其它异物堵塞，cmp装置200执行垫修整工艺，以连续地精细切割抛光垫的表面以保持抛光垫的状态处于初始状态。
本说明书中使用的术语“晶片”是指半导体制造工艺中的晶片或其上已经完成半导体制造工艺的晶片。也就是说，晶片可以包括可以形成在衬底上的一个或多个各种材料层(例如，绝缘层、导电层、抗蚀剂层等)。
除了执行用于生产半导体器件的cmp工艺之外，cmp装置200还可以执行用于评估cmp工艺的效率的测试cmp工艺。例如，cmp装置200可以通过测量测试cmp工艺期间振动或噪声的发生来评估cmp工艺的特性。当cmp装置200执行测试cmp工艺时，cmp装置200可以使用包括不同结构的尖端的多种测试修整盘，并且可以观察cmp工艺的特性根据压入深度的变化。
控制器300可以与压入深度测量装置100和cmp装置200通信。控制器300可以将修整负荷的值发送到压入深度测量装置100，并且可以接收由压入深度测量装置100测量的压入深度的值。此外，控制器300可以将修整负荷的值发送到cmp装置200，并且可以从cmp装置200接收信息以评估cmp工艺的特性。控制器300可以被配置为基于从压入深度测量装置100和cmp装置200发送的信息来确定用于执行具有改进抛光特性的cmp工艺的压入深度。
参考图1b，半导体制造装置10a可以具有与图1a的半导体制造装置10基本相同的配置，除了其还包括晶片观察装置400之外。在图1b中，与图1a中相同的附图标记表示相同的构件，并且省略或简化冗余描述。
晶片观察装置400可以观察通过在cmp装置200中执行的cmp工艺而抛光的晶片的表面，并且可以包括适合于观察晶片表面的各类光学装置。晶片观察装置400可以向控制器300发送用于评估cmp工艺的特性的信息。例如，通过晶片观察装置400，可以观察到晶片表面上的划痕数量和去除率。控制器300可以被配置为基于从压入深度测量装置100和晶片观察装置400发送的信息来确定用于执行具有改进抛光特性的cmp工艺的压入深度。
图2a和2b是根据一些实施例的压入深度测量装置100的侧视图。图2a和2b分别是将负荷施加到修整盘120之前和之后压入深度测量装置100的视图。
参考图2a和2b，压入深度测量装置100可以包括：支撑板140，其上安装抛光垫110和修整盘120；高度传感器150，用于测量压入深度；以及温度控制器130，用于调整抛光垫110的表面温度。加压设备160将预定负荷施加到修整盘120，如图2b所示。
具体地，支撑板140可以具有恒定的平坦度，例如，支撑板140可以具有面向抛光垫110的基本平坦的顶表面。抛光垫110可以设置在支撑板140的表面上，并且修整盘120可以置于抛光垫110上，使得修整盘120的尖端(例如，图3的尖端123)接触例如抛光垫110的顶表面，例如，抛光垫110可以位于修整盘120与支撑板140之间。
加压设备160可以向修整盘120施加预定的负荷。加压设备160可以包括负荷控制单元161和负荷传递单元162。
负荷控制单元161可以调整施加到修整盘120的负荷。负荷控制单元161可以通过使用砝码将负荷施加到修整盘120，并且可以通过调整砝码数量或砝码来调整施加到修整盘120的负荷。然而，负荷控制单元161的配置不限于此，例如，负荷控制单元161可以包括能够通过使用气压或液压对修整盘120施加负荷的气压缸或液压缸。
负荷传递单元162设置在负荷控制单元161和修整盘120之间。由负荷控制单元161产生的负荷可以通过负荷传递单元162传送到修整盘120。负荷传递单元162可以以与cmp装置执行的垫修整工艺相同的方式将负荷施加到修整盘120。例如，负荷传递单元162可以具有与cmp装置中设置的垫修整器的压力缸相同的形状和尺寸。例如，负荷传递单元162可以具有圆柱形状。
温度控制器130可以设置成连接到抛光垫110，例如，温度控制器130可以位于支撑板140与抛光垫110之间。温度控制器130可以调整抛光垫110的温度。例如，温度控制器130可以加热或冷却抛光垫110以调整抛光垫110的表面温度，使得抛光垫110的表面温度等于当在cmp装置中执行cmp工艺时抛光垫110的表面温度。
高度传感器150可以测量在将负荷施加到修整盘120时修整盘120的尖端插入抛光垫110中的深度。例如，高度传感器150可以是非接触式传感器例如涡流传感器、光学传感器或超声波传感器，或者可以是接触式传感器例如数显(digimatic)高度尺。高度传感器150可以测量在负荷施加到修整盘120之前和之后修整盘120的例如顶表面的高度水平差，以获得修整盘120的尖端插入抛光垫110中的深度。
具体地，如图2a所示，抛光垫110被放置在支撑板140上，并且修整盘120设置在抛光垫110上，使得修整盘120的尖端接触例如直接接触抛光垫110的顶表面。然后，使用高度传感器150测量修整盘120的顶表面例如面向高度传感器150的表面的高度水平以获得第一高度。
接着，如图2b所示，通过使用加压设备160向修整盘120施加预定负荷。也即，将加压设备160置于修整盘120的顶表面上，使得修整盘120的尖端可以插入抛光垫110中。然后，使用高度传感器150测量修整盘120的顶表面的高度水平以获得第二高度。可以计算第一高度和第二高度之差作为压入深度。
图3是图2b的部分a的放大图。
参考图3，修整盘120可以是化学气相沉积(cvd)型修整盘，其包括基底121和从基底121的表面突出的多个尖端123。
基底121可以包括具有高强度和硬度的材料，例如陶瓷材料、硅材料或不锈钢。基底121可以具有盘形。
尖端123可以包括形成在基底121上的突出图案125和形成为覆盖突出图案125之间露出的基底121的表面和突出图案125的表面的涂层127。突出图案125可以与基底121一体地形成，例如由相同材料制成，从而限定单个无缝单元。例如，基底121和突出图案125可以通过准备具有预定厚度的衬底并执行图案化工艺或激光钻孔以去除所准备的衬底的一部分来一体地形成。
可以通过执行cvd工艺以在突出图案125的表面上和在突出图案125之间露出的基底121的表面上沉积薄膜，例如共形地形成涂层127。涂层127可以包括例如金刚石颗粒。具有通过cvd工艺形成的涂层127的修整盘120可以具有相对均匀的高度，例如尖端123的高度h的分布可以在5μm以内。在对抛光垫110执行垫修整工艺时，涂层127在抵靠抛光垫110摩擦的同时，精细地切割抛光垫110的表面。
在一些实施例中，在确定适于执行具有改进抛光特性的cmp工艺的压入深度(id)之后，可以确定尖端123的结构，使得尖端123在cmp工艺期间可以以所确定的压入深度(id)来插入。确定尖端123的结构可以意味着确定尖端123的数量、形状、尺寸和布置。此外，确定尖端123的尺寸可以意味着确定尖端123的横向宽度、纵向宽度和高度。此外，确定尖端123的布置可以包括确定尖端123之间的间隔以及设置尖端123的位置。
例如，每一个尖端123可以具有长方体、圆柱体、三角锥体、四角锥体、圆锥体等形状。每一个尖端123的边缘和抛光垫110的表面可以彼此面接触、线接触或点接触。
例如，尖端123的高度h可以是恒定的。例如，可以将尖端123的高度h确定为200μm或更小。
例如，修整盘120中设置的尖端123的总面积可以确定为约0.9mm2至约75mm2。尖端123的总面积可以表示尖端123的下表面124的总面积。
例如，尖端123之间的间隔d可被确定为约0.1mm至约2mm。尖端123用于将在垫修整工艺中产生的副产物扫除到抛光垫110的周边，并且尖端123之间的空间用作可以将在垫修整工艺(例如，抛光垫110的切割)中产生的副产物排出的通道。因此，尖端123之间的间隔d需要被调整在适当的范围中。尖端123之间的间隔d可以表示相邻尖端123的边缘之间的距离。也就是说，当尖端123之间的间隔d小于0.1mm时，垫修整工艺的副产物可能不会被适当地排出，并且由于副产物可能在抛光晶片的表面上产生划痕。当尖端123之间的间隔d大于2mm时，可能难以有效地将抛光垫110的表面上残留的副产物扫除到抛光垫110的周边。
例如，尖端123可以等距离地布置。具有等距离布置的尖端123的修整盘120可以用于将均匀例如一致的压力施加到被修整的抛光垫110的表面。
例如，尖端123可以按不同的间隔布置。在一些实施例中，设置在修整盘120的底表面的中心区域中的尖端之间的间隔可以大于设置在修整盘120的底表面的边缘区域中的尖端之间的间隔。通过相对增加设置在中心区域中的尖端之间的间隔，可以利于将副产物排出到中心区域的尖端之间的空间中而不停留在中心区域中。
图4a和4b是根据一些实施例的修整盘120a和120b的底表面的平面图。
参考图4a，修整盘120a的尖端123a可以设置在修整盘120a的整个底表面(修整盘120a中的阴影区域)。例如，尖端123a可以以栅格形状均匀地布置在修整盘120a的底表面上，如图4a中的放大部分所示。如图4a所示，尖端123a可以具有长方体形状，但不限于此。
参考图4b，修整盘120b的尖端123b可以仅设置在修整盘120b的底表面的一部分中。在一些实施例中，尖端123b可以局部地设置在修整盘120b的底表面的多个区域中。在这种情况下，这多个区域可以设置在修整盘120b的底表面的边缘附近，并且这多个区域可以相等地间隔开，如图4b中的阴影部分所示。
如图4b所示，尖端123b可以具有三角锥体形状，并且可以被布置成彼此连接而没有间隙，如图4b中的放大部分所示。然而，尖端123b的形状不限于此，并且尖端123b可以被布置成彼此间隔开。
在一些情况下，与修整盘120b的底表面的中心区域相比，在更靠近修整盘120b的底表面的边缘的区域中，抛光垫的修整可能更活跃地执行，因此，在更靠近边缘的区域中的尖端123b的磨损程度可能不同于在中心区域中的尖端123b的磨损程度。在这种情况下，如图4b所示，尖端123b可以局部地设置在除了中心区域之外更靠近边缘的区域中，从而可以防止抛光垫的不均匀修整。
图5是根据一些实施例的修整盘120c的一部分的截面图。
参考图5，修整盘120c可以包括基底121和多级结构的尖端。例如，尖端可以包括具有第一高度h1的第一尖端123_1和具有小于第一高度h1的第二高度h2的第二尖端123_2。可以交替地布置第一尖端123_1和第二尖端123_2。
当第一尖端123_1的高度大于第二尖端123_2的高度时，在垫修整工艺的初始阶段期间，只有第一尖端123_1可以参与抛光垫的切割，并且当经过一定时间后，随着第一尖端123_1被磨损掉，第一尖端123_1和第二尖端123_2可以参与抛光垫的切割。也就是说，当从垫修整工艺开始经过一定时间段时，可以增加抛光垫的切割所涉及的尖端数量。
当垫修整工艺持续一定时间时，抛光垫的表面温度可能升高，并且抛光垫的硬度可能降低。结果，与垫修整工艺的初始阶段相比，垫修整工艺可能在尖端过度地插入抛光垫中的状态下进行。
然而，当尖端的高度彼此不同时，即使抛光垫的硬度随时间的推移而降低，但是抛光垫的切割所涉及的尖端数量随着时间的推移相对增加。因此，每个尖端的压力变得相对较低。换言之，相同的压力在更多数目的尖端上分配降低了施加至每一尖端的压力，从而降低了每一尖端的插入深度。因此，可以防止在经过一定时间之后尖端过度插入抛光垫中。
尽管图5例示了尖端形成为具有两种不同的高度，但是尖端的配置不限于此。例如，多级结构的尖端可以被配置为具有三种或更多种不同的高度。
图6是根据一些实施例的cmp装置200的透视图。
参考图6，cmp装置200可以包括其上放置抛光垫210的台板230、其上安装晶片w的载体头240、用于切割抛光垫210以保持抛光垫210的表面处于一致的抛光状态的垫修整器220、浆料供应单元260和用于测量振动或噪声的传感器270。
台板230在其上侧安装有抛光垫210，并且可以具有例如盘形。台板230可以操作来相对于轴线235旋转。例如，电机231可以旋转驱动轴234以旋转台板230。抛光垫210可以是包括例如聚氨酯的垫。
载体头240在面向抛光垫210的方向上安装有晶片w，例如，载体头240可以通过吸取而以真空吸附方式保持晶片w。载体头240还可以包括用于保持晶片w以防止晶片w脱离的保持环242。
载体头240可以在执行cmp工艺时以预定压力使晶片w和抛光垫210在一起摩擦。载体头240可以控制与每一个个体晶片w相关联的抛光参数，例如压力。载体头240可以通过驱动轴244连接到载体头旋转电机246，并且可以相对于轴线248旋转地驱动。尽管图6中仅示出了一个载体头240，但是可以提供两个或更多个载体头240以保持两个或更多个晶片w，以便同时抛光两个或更多个晶片w。
cmp装置200可以包括浆料供应单元260，用于朝向抛光垫210分配浆料262，例如包括磨料颗粒的溶液。浆料供给单元260可以安装在抛光垫210上，例如其上方。浆料供应单元260可以包括用于在cmp工艺期间将浆料262供应到抛光垫210的上表面的浆料供应喷嘴。浆料262可以含有氧化剂、羟基化剂、磨料颗粒、表面活性剂、分散剂和其它催化剂。浆料262可以化学地改变晶片w的表面。浆料262中包含的磨料颗粒可以机械地抛光晶片w。例如，磨料颗粒可以包括二氧化硅、氧化铝、氧化锆或二氧化铈颗粒，但是磨料颗粒的组成不限于此。
垫修整器220可以包括修整盘120和盘保持器223。垫修整器220设置在抛光垫210上，并且可以安装在载体头240周围。
盘保持器223可以保持修整盘120。尽管在图中6中未示出，但是可以在盘保持器223的一侧安装用于通过使用气压或液压来竖直加压盘保持器223和修整盘120的压力缸。盘保持器223可以通过驱动轴225连接到盘保持器旋转电机227，并且盘保持器223和修整盘120可以通过盘保持器旋转电机227相对于轴线228旋转地驱动。此外，盘保持器223可以被配置为通过臂229相对于抛光垫210的表面横向平移。
修整盘120可以在其底表面上具有尖端(例如，图3中的尖端123)，尖端在垫修整工艺期间插入抛光垫210中预定的深度，如图3所示。在垫修整工艺期间，将修整负荷施加到修整盘120，使得尖端的下部插入抛光垫210中，并且在修整盘120被旋转和平移的同时尖端精细地切割抛光垫210。
传感器270可以包括振动传感器或噪声传感器，并且可以测量cmp装置200中在测试cmp工艺期间发生的振动水平或噪声水平。例如，在测试cmp工艺期间，随着修整盘120的尖端插入抛光垫210中的深度增加，尖端和抛光垫210之间的接触面积增加。在这种情况下，当压入深度等于或大于某一值时，尖端和抛光垫210之间的摩擦力增加，因此修整盘120和/或支撑修整盘120的结构可能振动并且测试cmp工艺可能不稳定。
关于由传感器270测量的振动或噪声的信息可以用于评估测试cmp工艺的效率。例如，当由传感器270测量的振动超过参考值和/或当由传感器270测量的噪声超过参考值时，可以估计测试cmp工艺不稳定。可以使用从测试cmp工艺获得的振动发生信息或噪声发生信息来确定要应用于实际cmp工艺的压入深度，这将在后面参考图8a和8b详细描述。
图7是顺序示出根据一些实施例的cmp方法的流程图。
参考图7，在该cmp方法中，首先准备抛光垫(操作s110)。在这种情况下，准备抛光垫包括准备硬度适于执行特定cmp工艺的抛光垫，例如可以根据需要进行化学机械抛光的材料，基于其硬度来确定抛光垫。
接下来，确定要应用于实际cmp工艺的修整负荷和压入深度(操作s120)。在下文中，为了便于说明，将要应用于实际cmp工艺的压入深度称为第一压入深度。第一压入深度可以根据修整负荷、抛光垫的硬度和设置在修整盘中的尖端的结构来确定。第一压入深度可以与修整盘的尖端和抛光垫之间的摩擦力的量值有关。当第一压入深度等于或小于一定水平时，抛光垫的磨损率太小而不能充分地修整抛光垫。相反，当第一压入深度大于一定水平时，进行不稳定的cmp工艺。因此，需要考虑到诸如修整负荷的大小和抛光垫的硬度之类的修整条件，将第一压入深度控制在一定范围内。
为了确定第一压入深度，可以使用通过测量在测试cmp工艺期间发生的振动或噪声而获得的信息，或者可以使用通过对经受测试cmp工艺的晶片进行分析而获得的信息。这稍后将参考图8c和图9e进行详细描述。
接着，准备修整盘(操作s130)。为了准备合适的修整盘，可以考虑先前确定的抛光垫的类型、修整负荷和第一压入深度。更具体地，可以选择所具有的尖端的结构适于在将修整负荷应用于实际cmp工艺时插入到抛光垫中第一压入深度的修整盘。
在一些实施例中，准备修整盘可以包括确定修整盘的尖端的结构以满足修整负荷和第一压入深度，并且制造修整盘，从而实现所确定的修整盘的尖端的结构。这里，确定修整盘的尖端的结构可以意味着确定尖端的数量、形状、尺寸和布置中的至少一方面。
在一些实施例中，当抛光垫的肖氏硬度(shorehardness)为约41d至约50d且修整负荷为约4.5lbf时，第一压入深度可被确定为约1.3μm至约2.3μm。在这种情况下，尖端的总面积可以为约8mm2至约17.5mm2，并且尖端的总面积可以通过尖端的数量和尖端的尺寸的组合来确定。当尖端的总面积小于8mm2时，随着每尖端所施加的压力增加，第一压入深度超过2.3μm，导致抛光晶片上的划痕数量急剧增加。此外，当尖端的总面积大于17.5mm2时，随着每尖端所施加的压力减小，第一压入深度变得小于1.3μm，结果，抛光晶片上的划痕数量可能急剧增加。
此外，制造修整盘的操作可以包括通过处理衬底来形成基底和突出图案，以及通过使用cvd工艺在突出图案上沉积涂层，如上面参考图3所述。
接下来，测量所准备的修整盘的压入深度，并且确定所测量的压入深度是否在允许范围内(操作s140)。参考图2a和2b描述的压入深度测量装置可以用于测量所准备的修整盘的压入深度。
在操作s140中，如果确定所测量的压入深度在允许范围内，则在通过使用所准备的修整盘执行垫修整工艺的同时执行用于抛光晶片的cmp工艺(操作s150)。具体地说，为了执行cmp工艺，将抛光垫附着在台板上，并且将其上安装有修整盘的盘保持器放置在抛光垫上。然后，通过经由盘保持器对修整盘施加修整负荷，修整盘和抛光垫抵靠彼此摩擦。在这种情况下，修整盘的尖端可以插入抛光垫中预定的深度，并且当修整盘和抛光垫旋转时，处于插入状态的修整盘的尖端精细地切割抛光垫的表面。尽管图6中示出了抛光垫和修整盘沿相同方向(逆时针方向)旋转的示例，但是抛光垫和修整盘可以沿相反方向旋转。
备选地，在操作s140中，如果确定所测量的压入深度在允许范围之外，则可以确定所准备的修整盘不适于在确定的修整条件下执行实际cmp工艺。
根据实施例的该cmp方法可以计算适于执行具有改进抛光特性的cmp工艺的压入深度。另外，由于可以使用计算出的压入深度来预测cmp工艺的行为，所以可以通过仅测量所准备的修整盘的尖端插入抛光垫中的深度来确定所准备的修整盘是否适于执行高效的cmp工艺。因此，可以降低执行cmp工艺用以确定是否使用所准备的修整盘的成本。
图8a和8b是示出在测试cmp工艺期间根据压入深度的振动或噪声发生的曲线图。
图8a示出了在对肖氏硬度为约41d至约50d的抛光垫执行的测试cmp工艺期间的振动或噪声发生随修整负荷和压入深度的变化情况，图8b示出了在对肖氏硬度为约21d至约40d的抛光垫执行的测试cmp工艺期间的振动或噪声发生随修整负荷和压入深度的变化情况。图8c是顺序示出根据一些实施例的确定压入深度的方法的流程图。
在下文中，将参考图8c以及图8a和8b描述确定压入深度的方法。
首先，准备多个测试修整盘(操作s121a)。这多个测试修整盘可具有在其数量、形状、尺寸和布置中的至少一个方面不同的尖端。在图8a和8b中，示例性地准备了六个测试修整盘。
接下来，对于这多个测试修整盘中的每一个，测量根据负荷(即，修整向下力(cdf))的压入深度(操作s122a)。由于这多个测试修整盘具有不同结构的尖端，当相同的负荷施加到这多个测试修整盘时，这多个测试修整盘可以插入到抛光垫中不同的压入深度。可以在改变负荷的同时测量每个测试修整盘的压入深度。为了测量压入深度，可以使用参照图2a和2b描述的压入深度测量装置。
接下来，使用这多个测试修整盘执行测试cmp工艺，并且测量在测试cmp工艺期间发生的振动和/或噪声(操作s123a)。在这种情况下，当所测量的振动的水平超过参考值时，确定已经发生振动，或者当所测量的噪声的水平超过参考值时，确定已经发生噪声。
基于从测试cmp工艺获得的振动发生信息和/或噪声发生信息以及测试修整盘的根据负荷的压入深度信息来确定要应用于实际cmp工艺的压入深度(操作s124a)。
具体地，如图8a和8b所示，即使当相同的负荷施加到测试修整盘时，压入深度也根据测试修整盘而被不同地测量。当测量的压入深度超过特定值时，发生振动或噪声。也就是说，当修整盘的尖端插入抛光垫中一定深度或更多时，抛光垫与修整盘的尖端之间的摩擦过度地发生，从而导致振动或噪声的发生。通过关于振动或噪声发生的信息，可以预测cmp工艺将不稳定。因此，要应用于实际cmp工艺的压入深度的上限可以通过获得在测量的振动或噪声不超出参考值时的最大压入深度来确定。
结果，如图8a所示，当抛光垫的肖氏硬度为约41d至约50d时，用于执行高效cmp工艺的压入深度被确定为：当施加2.5lbf的负荷时为约1.5μm或更小，当施加4.5lbf的负荷时为约4μm或更小，当施加6lbf的负荷时为约6μm或更小，当施加9lbf的负荷时为约8μm或更小，以及当施加11lbf的负荷时为约10μm或更小。
如图8b所示，当抛光垫的肖氏硬度为约21d至约40d时，用于执行高效cmp工艺的压入深度被确定为：当施加2.5lbf的负荷时为约1.5μm或更小，当施加4.5lbf的负荷时为约5.5μm或更小，当施加6lbf的负荷时为约7.5μm或更小，当施加9lbf的负荷时为约12.5μm或更小，以及当施加11lbf的负荷时为约15μm或更小。
图9a至9d是示出通过分别分析抛光垫的磨损率、抛光垫的表面粗糙度、晶片的去除率和晶片的划痕发生程度根据压入深度的变化而获得的结果的曲线图。
图9a至9d分别示出了当在垫修整工艺期间施加到修整盘的负荷为4.5lbf并且抛光垫的硬度为约41d至约50d时，抛光垫的磨损率、抛光垫的表面粗糙度、晶片的去除率和晶片的划痕发生程度根据压入深度的变化情况。
参考图9a和9b，可以理解，随着压入深度的改变，抛光垫的工艺特性改变。具体地说，抛光垫的磨损率大致与压入深度成正比，抛光垫的表面粗糙度随着压入深度的增加而增加且随后收敛到特定值。这表示压入深度直接影响抛光垫的表面特性。
参考图9c和9d，随着压入深度的改变，经历cmp工艺的晶片的特性变化。具体地说，晶片的去除率通常是恒定的，但是晶片的划痕发生程度不表现为单调变化。具体地，晶片的划痕发生率减小，直到压入深度增加到特定的压入深度，然后在该特定压入深度之后再次增加。也就是说，通过确定该特定压入深度，可以执行具有低划痕特性的化学机械抛光。
图9e是顺序示出根据一些实施例的确定压入深度的方法的流程图。
以下，将参照图9e和图9d描述确定压入深度的方法。
首先，准备多个测试修整盘(操作s121b)。这多个测试修整盘的尖端可以具有不同的结构。例如，尖端可以在尖端的数量、形状、尺寸和布置中的至少一个方面不同。
接下来，在向这多个测试修整盘施加相同的负荷之后，测量每个测试修整盘插入到抛光垫中的深度(操作s122b)。在这种情况下，由于这多个测试修整盘具有结构不同的尖端，所以测量的压入深度可以彼此不同。
接下来，使用这多个测试修整盘执行测试cmp工艺(操作s123b)。
随后，观察通过测试cmp工艺抛光的测试晶片的表面(操作s124b)。例如，通过观察测试晶片的表面，可以测量在测试晶片的表面处观察到的划痕数量。
使用测试修整盘的压入深度信息和关于测试晶片的表面划痕数量的信息来确定要应用于实际cmp工艺的压入深度(操作s125b)。
具体地，如图9d所示，可以产生根据压入深度的划痕发生信息。因此，要应用于实际cmp工艺的压入深度可以通过获得在观察到最小数量的划痕时的压入深度来确定。如图9d所示，划痕发生率在特定的压入深度以上急剧增加，且在特定的压入深度以下急剧增加，因此需要设定要应用于实际的cmp工艺的压入深度的允许范围。例如，可以将在测试晶片的表面上观察到的划痕数量小于参考值时压入深度的最大值和最小值之间的间隔确定为压入深度的允许范围。
在一些实施例中，当划痕的发生程度等于或小于某一值时的压入深度可以被确定为允许范围，或者允许范围可以通过将预定公差添加到当存在最少数量的划痕时相对应的压入深度来确定。
结果，如图9d所示，当抛光垫的肖氏硬度为约41d至50d且修整负荷为4.5lbf时，当压入深度为约1.8μm时，晶片表面的划痕发生程度最低。在一些实施例中，当抛光垫的肖氏硬度为约41d至50d且修整负荷为4.5lbf时，要应用于实际cmp工艺的压入深度的允许范围可以为1.3μm至2.3μm。
图10a至10d是顺序示出根据一些实施例的制造半导体器件的方法的截面侧视图。
参考图10a，可以在包括多个有源区ac的衬底510上形成图案化的层间绝缘层520，以至少部分地暴露该多个有源区ac。层间绝缘层520可以包括暴露有源区ac的凹入部分re。凹入部分re可以是接触孔，或者可以是沟槽的形式。尽管这里描述了凹入部分re是接触孔的情况，但是本领域技术人员将理解，相同的技术构思可以应用于沟槽的形式。
衬底510可以包括半导体例如si或ge，或化合物半导体例如sige、sic、gaas、inas或inp。在一些实施例中，衬底510可以包括iii-v族材料和iv族材料中的至少一种。iii-v族材料可以是包括至少一个iii族原子和至少一个v族原子的二元、三元或四元化合物。iii-v族材料可以是包括作为iii族原子的的in、ga和al中至少一个原子以及作为v族原子的as、p和sb中至少一个原子的化合物。例如，iii-v族材料可以选自inp、inzga1-zas(0≤z≤1)和alzga1-zas(0≤z≤1)。二元化合物可以是例如选自inp、gaas、inas、insb和gasb中的任一种。三元化合物可以是选自ingap、ingaas、alinas、ingasb、gaassb和gaasp中的任一种。iv族材料可以是si或ge。然而，根据实施例的可用于集成电路器件中的iii-v族材料和iv族材料不限于上述材料。在其它示例中，衬底510可以具有例如绝缘体上硅(soi)结构。衬底510可以包括导电区，例如掺杂有杂质的阱或掺杂有杂质的结构。
该多个有源区ac可以由形成在衬底510中的多个器件隔离区512限定。器件隔离区512可以包括例如氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层或其组合。层间绝缘层520可以包括氧化硅层。
参考图10b，可以在层间绝缘层520的整个上表面和凹入部分re的内部上形成阻挡金属材料层522m。阻挡金属材料层522m可以通过例如原子层沉积(ald)、化学气相沉积(cvd)或物理气相沉积(pvd)形成。阻挡金属材料层522m可以包括例如ti和/或tin。
可以在阻挡金属材料层522m的整个上表面上形成导电材料层524m。导电材料层524m可以包括例如钨(w)，并且可以通过例如cvd形成。
参考图10c，可以对导电材料层524m执行cmp工艺，以将导电材料层524m限制在凹入部分re中。在这种情况下，阻挡金属材料层522可以用作抛光停止膜。
参考图10d，可以对暴露的阻挡金属材料层522m执行cmp工艺，以将阻挡金属材料层522限制在每个接触孔中并实现接触孔之间的完全节点隔离。
在图10c和10d中，作为示例，执行两步cmp工艺，其中分别使用阻挡金属材料层522m和层间绝缘层520作为抛光停止层。然而，在一些实施例中，可以通过仅使用层间绝缘层520作为抛光停止层，在单个步骤中执行cmp工艺。多个导电区524可以连接到衬底510上形成的开关元件(未示出)如场效应晶体管的一个端子。该多个导电区524可以包括多晶硅、金属、导电金属氮化物、金属硅化物或其组合，但不限于此。
图10c和10d中执行的cmp工艺可以通过参照图7至9e描述的cmp方法来执行。因此，可以使抛光后的材料层(例如，导电材料层524m)的表面上的缺陷如划痕最小化。
作为概要和回顾，实施例提供了一种具有改进抛光特性的化学机械抛光(cmp)方法。实施例还提供了一种使用该cmp方法制造半导体器件的方法。实施例还提供了一种能够执行具有改性抛光特性的cmp工艺的半导体制造装置。
在此公开了示例实施例，尽管采用了特定术语，这些术语仅以一般性和描述性的含义来使用且应当以此种含义来予以解释，而不是为了限制的目的。在一些实例中，在递交本申请之前本领域普通技术人员应清楚，结合具体实施例描述的特征、特性和/或要素可以单独使用，或者可以与结合其他实施例描述的特征、特性和/或要素组合使用，除非另外明确指明。