專利名稱：紅外線終點檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及基板的化學(xué)機械平面化(CMP)，特別涉及CMP中的終點檢測技術(shù)。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體器件加工中，需要執(zhí)行CMP操作，包括平面化、磨光、以及基板清潔。集成電路裝置典型為多層結(jié)構(gòu)形式。具有擴(kuò)散區(qū)域的晶體管器件形成于基板層。在其后的各層，構(gòu)圖互連式金屬線并將其與晶體管器件電連接，以定義出所需的功能性器件。眾所周知，構(gòu)圖后的導(dǎo)電層通過電介質(zhì)材料(如氧化硅)而與其它導(dǎo)電層保持絕緣。在每個金屬層均須將金屬或相關(guān)電介質(zhì)材料平面化。若未經(jīng)平面化，附加金屬層的制造實質(zhì)上將變得較為困難，因為表面地勢具有較大的差異。在其它應(yīng)用中，金屬線圖形被形成于電介質(zhì)材料中，然后進(jìn)行金屬CMP操作以去除多余的金屬，例如銅。
在現(xiàn)有技術(shù)中，CMP系統(tǒng)典型上裝配有帶、軌道、或刷站，其中把帶、墊、刷用于洗滌、磨光、拋光及其它操作以制備基板。在某些應(yīng)用中，一種稱為漿料的懸浮研磨物質(zhì)被用于幫助及增強CMP操作。漿料通常被引入到一個移動的制備表面，例如帶、墊、刷等等，并分布在整個制備表面以及通過CMP工藝進(jìn)行磨光、拋光、或其它制備的基板表面上。該分布通常通過制備表面的移動、半導(dǎo)體晶片的移動、及半導(dǎo)體晶片與制備表面間所產(chǎn)生的磨擦力而得以完成。
圖1A為經(jīng)過一個加工工藝的電介質(zhì)層102的橫剖面圖，此加工工藝在構(gòu)造鑲嵌和雙鑲嵌互連金屬線時是通常工藝。該電介質(zhì)層102設(shè)有一擴(kuò)散阻擋層104，其淀積在該電介質(zhì)層102的蝕刻構(gòu)圖表面上。眾所周知，該擴(kuò)散阻擋層104典型上為氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)或氮化鉭(TaN)與鉭(Ta)的組合。一旦該擴(kuò)散阻擋層104已淀積至所需厚度，一金屬層104(如銅)將以填充在電介質(zhì)層102中的蝕刻特征的方式形成于擴(kuò)散阻擋層上。某些剩余的擴(kuò)散阻擋材料和金屬化材料也將無可避免地淀積于場區(qū)域上。為去除這些多余材料以及定義所需互連金屬線及其相關(guān)通孔(未示出)，進(jìn)行金屬化學(xué)機械平面化(CMP)操作。
如上所述，金屬CMP操作被設(shè)計為從電介質(zhì)層102之上去除頂部金屬材料。例如，如圖1B中所示，銅金屬層106和擴(kuò)散阻擋層104的多余部分已被去除。通常在CMP操作中，CMP操作必須持續(xù)進(jìn)行至所有多余金屬和擴(kuò)散阻擋材料104均已從電介質(zhì)層102上去除為止。然而，為確保全部擴(kuò)散阻擋層104已從電介質(zhì)層102上去除，必須設(shè)法在CMP處理期間監(jiān)控處理狀態(tài)和晶片表面狀態(tài)。這一般即稱為終點檢測。在多步驟CMP操作中有必要確定多重終點(例如，確保銅已從擴(kuò)散阻擋層上去除；以及確保擴(kuò)散阻擋層已從電介質(zhì)層上去除)。因此，終點檢測技術(shù)用于確保所有多余材料均已去除。目前終點檢測技術(shù)的共同問題在于需要某種程度的過度處理(亦稱為過度拋光)，來確保所有導(dǎo)電材料(如金屬化材料或擴(kuò)散阻擋層104)均已從電介質(zhì)層102去除，以防止金屬線間發(fā)生無意的電互連現(xiàn)象。
不當(dāng)終點檢測技術(shù)或過度拋光的一個副作用為留存于電介質(zhì)層102內(nèi)的金屬特征上方將會發(fā)生凹盤108。凹盤效應(yīng)實質(zhì)上會去除比所希望的更多的金屬化材料，且會在金屬線上留下一盤狀的頂部表面。已知凹盤現(xiàn)象將對互連金屬線的性能造成負(fù)面影響，嚴(yán)重的凹盤現(xiàn)象可導(dǎo)致所需之集成電路無法發(fā)揮其預(yù)期效用。
凹盤現(xiàn)象將進(jìn)一步造成半導(dǎo)體晶片層中產(chǎn)生非均一厚度的情況。已經(jīng)知道，某些電路加工應(yīng)用需要維持材料的特定厚度以便制造一個工件。例如，電介質(zhì)層102需要被維持特定厚度，以便容納在其中限定的金屬線和相關(guān)導(dǎo)電通孔。
一種進(jìn)行終點檢測的技術(shù)是使用光學(xué)檢測器。使用光學(xué)檢測技術(shù)有可能確定已從晶片表面去除一定高度的某些膜。光學(xué)檢測技術(shù)被設(shè)計為通過檢驗光學(xué)檢測器所接收的干涉圖以檢測晶片表面組成的變化。光學(xué)終點檢測雖適合某些應(yīng)用，但其并不適用于希望對半導(dǎo)體晶片中不同區(qū)域進(jìn)行終點檢測的情況。
圖2A為頂部銅層經(jīng)CMP處理后的示例半導(dǎo)體芯片201的部分橫剖面圖。利用標(biāo)準(zhǔn)雜質(zhì)注入、光刻、與蝕刻技術(shù)，可將P型及N型晶體管加工成P型硅基板200。如圖所示，每一晶體管具有一柵極、源極、和漏極，它們被形成在適當(dāng)?shù)内逯?。P型晶體管和N型晶體管的交替圖形產(chǎn)生互補金屬介電半導(dǎo)體(CMOS)器件。
第一電介質(zhì)層202在晶體管及基板200上形成。常規(guī)光刻、蝕刻以及淀積技術(shù)用于制成鎢插塞210及銅線212。鎢插塞210提供銅線212與晶體管上的有源特征之間的電連接。第二電介質(zhì)層204可在第一電介質(zhì)層202及銅線212上加工制成。常規(guī)光刻、蝕刻以及淀積技術(shù)用于制成第二電介質(zhì)層204中的銅通孔220及銅線214。銅線220提供第二層中的銅線214與第一層中的銅線212或鎢插塞210之間的電連接。
而后，晶片典型地經(jīng)銅CMP處理以去除多余金屬化材料，且將金屬僅留在溝槽中，整個晶片表面盡可能達(dá)如圖1A-1B所述般平整。在銅CMP處理之后，晶片便置于晶片清潔系統(tǒng)中進(jìn)行清潔。
圖2B為晶片經(jīng)光學(xué)終點檢測后的部分橫剖面圖。如圖所示，頂層上的銅線214在進(jìn)行檢測期間已受到光蝕。一般認(rèn)為此光蝕部分地是因為光檢測器所發(fā)射出的光子到達(dá)P/N結(jié)處所引起，其可作為太陽能電池。不幸地，一般光檢測的正常光量將導(dǎo)致災(zāi)難性的腐蝕效應(yīng)。
在此橫剖面例子中，銅線、銅通孔、或鎢插塞電連接至P/N結(jié)的不同部分。涂布于晶片表面的漿料化學(xué)物質(zhì)及/或化學(xué)溶液可包含電解質(zhì)，其具有在電子e-和空穴h+穿過P/N結(jié)時使電路閉合的效果。在結(jié)中由光產(chǎn)生的電子/空穴對被電場分離。引入的載流子誘發(fā)了結(jié)兩側(cè)之間的電位差。該電位差隨著光強度增加而增加。因此，在連接到結(jié)的P側(cè)的電極處，銅被腐蝕。產(chǎn)生的可溶離子物質(zhì)可以擴(kuò)散到另一電極，在此發(fā)生還原。注意到，用于任何金屬的一般腐蝕公式是，并且用于任何金屬的一般還原公式是。如需了解有關(guān)光蝕效應(yīng)的更多信息，可參考A.Beverina等人在第196次ECS會議，Honolulu，夏威夷(1999年10月)發(fā)表的“Cu互連清潔期間的光蝕效應(yīng)”。
光蝕可使銅線移位，并破壞銅表面的希望物理形態(tài)，如圖2B所示。在P型晶體管上的晶片表面的某些位置，光蝕效應(yīng)可能造成腐蝕的銅線224或全溶銅線226。換言之，光蝕可能完全腐蝕銅線以致該線消失。另一方面，在N型晶體管上，光蝕效應(yīng)可能形成銅淀積222。此種扭曲形態(tài)包括銅線的腐蝕，將造成使整個芯片無法操作的器件缺陷。一個有缺陷的器件即代表必須舍棄整個芯片，如此生產(chǎn)率將下降、加工成本將提高。然而此種效應(yīng)卻通常發(fā)生于整個晶片上，因此破壞了晶片上的許多芯片。這當(dāng)然會增加制造成本。
鑒于前述理由，所需的CMP終點檢測系統(tǒng)不設(shè)置光學(xué)檢測器、且能夠進(jìn)行精確終點檢測，以防止凹盤現(xiàn)象并避免進(jìn)行額外的過度拋光。

發(fā)明內(nèi)容
廣義而言，本發(fā)明通過提供以下系統(tǒng)和方法來滿足這些需要，該系統(tǒng)和方法用于在基板的CMP處理期間，使用紅外線發(fā)射來確定處理狀態(tài)，并產(chǎn)生基板的紅外線表面測繪圖。本發(fā)明可以以多種方式實現(xiàn)，包括作為一種工藝、一種裝置、一種系統(tǒng)、一種設(shè)備、一種方法或一種計算機可讀介質(zhì)。本發(fā)明的幾個實施例如下所述。
在一個實施例中，揭示了一種化學(xué)機械平面化系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個基板夾盤，該夾盤保持和旋轉(zhuǎn)一個基板，該基板具有至少一個要進(jìn)行CMP處理的加工層。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個制備載體，該制備載體具有一個被施加到基板的制備表面的制備頭，使得制備頭與基板的制備表面的至少一部分重疊，該部分小于基板制備表面的整個部分。最后，該系統(tǒng)包括一個紅外線傳感器，該紅外線傳感器感測來自基板的制備表面的紅外線發(fā)射。
在又一個實施例中，揭示了一種用于在化學(xué)機械平面化期間監(jiān)視晶片表面的處理狀態(tài)的方法。該方法包括接合制備表面和晶片表面以從晶片表面去除第一層材料。該方法進(jìn)一步感測在去除第一層材料期間來自晶片表面的紅外線發(fā)射以確定和監(jiān)視晶片的處理狀態(tài)。
在另一個實施例中，揭示了一種終點檢測方法。該方法包括提供一個具有要從晶片制備表面去除的第一層材料的晶片，并提供一個拋光墊。然后該方法在晶片的制備表面和拋光墊之間產(chǎn)生摩擦接觸以去除第一層材料。最后，該方法感測在去除第一層材料期間來自晶片的制備表面的紅外線發(fā)射；并評價該紅外線發(fā)射以確定處理的終點。
本發(fā)明有很多優(yōu)點。本發(fā)明的一個顯著好處和優(yōu)點是，采用紅外線發(fā)射提供了處理終點的精確確定，并避免了現(xiàn)有技術(shù)的光蝕問題。另一個好處是，紅外線去除檢測與可變部分墊-晶片重疊CMP處理的結(jié)合可以產(chǎn)生精確和可控的CMP處理。一個附加好處是，能夠利用紅外線感測在CMP處理期間產(chǎn)生基板的整個表面的紅外線測繪(infraredmapping)。
通過結(jié)合以舉例方式顯示本發(fā)明原理的附圖，從在下面的詳細(xì)說明中可以了解本發(fā)明的其它優(yōu)點。


通過以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說明，可以更容易理解本發(fā)明，在附圖中相同參考數(shù)字表示相同結(jié)構(gòu)元件。
圖1A為經(jīng)過構(gòu)建鑲嵌和雙鑲嵌互連金屬線時的通常加工處理的電介質(zhì)層的橫剖面1B顯示1A的橫剖面圖，其中銅金屬層與擴(kuò)散阻擋層的多余部分已經(jīng)去除。
圖2A為頂部銅層經(jīng)過CMP處理后的示例半導(dǎo)體芯片的部分橫剖面圖。
圖2B為圖2A中在晶片經(jīng)光學(xué)終點檢測后的部分橫剖面圖。
圖3A為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的包括單點、紅外線余隙檢測設(shè)備(single point，infrared clearance detection apparatus)的VaPO CMP系統(tǒng)。
圖3B示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的橫越基板表面的單點紅外線傳感器的定位。
圖4A顯示根據(jù)本發(fā)明一實施例的包含一紅外線掃描傳感器余隙檢測設(shè)備的VaPO CMP系統(tǒng)。
圖4B顯示圖4A中所示掃描傳感器余隙檢測系統(tǒng)的紅外線掃描路徑。
圖5A顯示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的紅外線傳感器陣列余隙檢測系統(tǒng)。
圖5B說明圖5A中所述該紅外線傳感器陣列余隙檢測系統(tǒng)的代表性傳感器陣列點。
圖6A顯示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的具有紅外線終點檢測的帶CMP系統(tǒng)。
圖6B顯示圖6A中具有紅外線終點檢測的帶CMP系統(tǒng)中的紅外線能量發(fā)送及接收的側(cè)視詳圖。
圖7為根據(jù)本發(fā)明一實施例的紅外線終點檢測系統(tǒng)示意圖。
圖8A為根據(jù)本發(fā)明一實施例的典型銅CMP處理的代表性吸收系數(shù)圖。
圖8B為入1與入2間的反射紅外線能量圖，其對應(yīng)于圖8A中所施加的紅外線能量和吸收系數(shù)。
圖9A為根據(jù)本發(fā)明一實施例的介于入1與入2間的銅吸收系數(shù)曲線及一氧化物吸收系數(shù)曲線。
圖9B是取自圖9A數(shù)據(jù)所繪的所得反射紅外線能量曲線圖。
具體實施例方式
本發(fā)明揭示了用于CMP操作的紅外線終點檢測。在優(yōu)選實施例中，紅外線余隙檢測系統(tǒng)包括紅外線傳感器，紅外線傳感器被配置為一個可變部分墊-晶片重疊CMP系統(tǒng)，并用于評價CMP處理狀態(tài)和提供紅外線發(fā)射的基板表面測繪。還揭示了使用紅外線發(fā)射來評價處理狀態(tài)和產(chǎn)生基板表面測繪的方法。在以下說明中，給出了各種特定細(xì)節(jié)以便提供對本發(fā)明的全面理解。但是，應(yīng)該理解，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，可以無需這些特定細(xì)節(jié)中的一部分或者全部來實現(xiàn)本發(fā)明。在其它例子下，為了不使本發(fā)明難以理解，對公知處理操作沒有進(jìn)行描述。
圖3A顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的結(jié)合單點紅外線(IR)余隙檢測裝置(單點余隙檢測系統(tǒng))300的可變部分墊-晶片重疊(VaPO)CMP系統(tǒng)。VaPO CMP系統(tǒng)包括一個亞孔徑拋光結(jié)構(gòu)(subaperture polishingconfiguration)，其中拋光墊與晶片的接觸表面在某些時間點可以小于晶片的表面。本發(fā)明使用術(shù)語VaPO，該術(shù)語應(yīng)該被理解為描述一個“亞孔徑”系統(tǒng)。
單點余隙檢測系統(tǒng)300包括一個安裝在制備載體304上的制備頭306，制備載體304連接到制備載體軸302。制備載體軸302向制備載體304和制備頭306施加旋轉(zhuǎn)力，制備頭306可以是拋光墊、磨光墊、刷、固定研磨墊等中的任何一種。在一個實施例中，制備載體軸302被配置為除了旋轉(zhuǎn)以外還把振動施加到制備載體304和制備頭306。
在制備頭306下方并且與其相對，把基板312安裝到基板夾盤310上，基板夾盤310連接到夾盤軸308。通過把旋轉(zhuǎn)力施加到用于旋轉(zhuǎn)基板夾盤310的夾盤軸308來旋轉(zhuǎn)安裝在基板夾盤310上的基板312。
在所示實施例中，修整頭318鄰近基板306并與其位于同一平面。修整頭318安裝在修整載體316上，修整載體316連接到修整載體軸314。以與基板312類似的方式，通過把旋轉(zhuǎn)力施加到修整載體軸314來旋轉(zhuǎn)修整頭318。修整頭318可以是墊、刷、或其它研磨件，被配置為在CMP操作期間為制備頭306提供連續(xù)修整。
圖中顯示一個紅外線信號導(dǎo)管和傳感器安裝架322與制備載體軸302相鄰。IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架322被配置為與一個IR信號處理器(見圖7)之間進(jìn)行IR信號的收發(fā)，以及提供單點紅外線傳感器320的安裝位置。在一個實施例中，單點IR傳感器320是一個無源傳感器，并且所接收信號被傳導(dǎo)到IR信號處理器。在另一個實施例中，單點IR傳感器320是一個有源傳感器，并且IR信號被從IR信號處理器發(fā)送到單點IR傳感器320以及從單點IR傳感器320發(fā)送到IR信號處理器。
IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架322被配置以設(shè)置單點IR傳感器320的位置，使得能夠在CMP操作期間進(jìn)行基板312的IR檢查和評價。在所示實施例中，一個優(yōu)選位置是由VaPO CMP系統(tǒng)處理的基板312的正上方。IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架322被配置為在處理期間把單點IR傳感器320設(shè)置在橫跨基板312表面的多個位置，并且IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架322被配置為獨立于制備載體304移動。例如，如果制備載體304被配置為在第一方向從基板312的中心到基板312的邊沿移動地對基板312進(jìn)行CMP，IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架322將被配置為在與第一方向相反的第二方向，在基板312的表面上把單點IR傳感器320從基板312的中心向基板312的邊沿移動。因此，當(dāng)制備頭306沿著基板312從中心向邊沿移動時，單點IR傳感器在基板312上以與制備頭306相反的方向移動。因為圓形基板312在CMP處理期間旋轉(zhuǎn)，單點IR傳感器320實際上是檢查正在由制備頭306進(jìn)行CMP處理的同一基板312表面。
在另一個實施例中，IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架322連接到CMP系統(tǒng)的某個其它部分，并且在CMP處理期間傳感器被插入基板312上方的一個位置，然后在CMP操作完成后取出。
如上所述，在所示實施例中單點IR傳感器320與制備頭306相鄰，并集中在基板312的表面上。單點IR傳感器320與基板312的表面之間的距離取決于CMP處理的類型(例如，是否使用漿料，所使用漿料的類型，等等)，以及單點IR系統(tǒng)是有源還是無源系統(tǒng)?；?12的表面與單點IR傳感器320的透鏡或“眼睛”之間的距離大約在1/2英寸和20英寸之間的范圍，優(yōu)選距離是2-3英寸之間。在一個實施例中，IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架322被配置為把單點IR傳感器320設(shè)置在基板312表面上的多個傳感器點，并且把單點IR傳感器320設(shè)置在與基板312的表面間隔希望的距離。
圖3B顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施例在基板312的表面上設(shè)置單點IR傳感器320的位置。在圖3B中，一個俯視透視圖顯示了基板312和修整頭318相互鄰近并且在基板處理方向326旋轉(zhuǎn)。如圖所示，在基板3 12和修整頭318正上方，制備頭306在制備方向328旋轉(zhuǎn)，在本實施例中，制備方向328與基板處理方向326相同。在另一個實施例中，基板處理方向326和制備方向328相反。除了在制備頭方向328旋轉(zhuǎn)以外，制備頭306還具有振動330。
如圖所示，傳感器點324從基板312的大約中心處的I1前進(jìn)到基板312的邊沿處的In。在單點余隙檢測系統(tǒng)300的一個實施例中，有源或無源單點IR傳感器320檢查來自基板的IR發(fā)射以確定CMP處理的狀態(tài)。在一個實施例中，單點IR傳感器320在基板312上的一個最高去除率點(通常是基板312的中心)開始對IR發(fā)射的檢查。IR信號處理器(見圖7)對IR信號的處理可以確定在特定傳感器點324的CMP處理終點，并且把制備頭306從基板312的中心向基板312的邊沿移動。當(dāng)實現(xiàn)了希望的去除并且確定了終點時，單點IR傳感器320與制備頭306同時并且互補地遞增移動。以此方式，當(dāng)制備頭306從基板312的中心向基板312邊沿的下一個位置移動時，單點IR傳感器320也以遠(yuǎn)離基板312中心并指向基板312邊沿的方向移動到下一個傳感器點。制備頭306和單點IR傳感器320的處理和遞增移動持續(xù)進(jìn)行，直到基板312的整個表面已經(jīng)進(jìn)行了CMP處理并且確定已經(jīng)獲得了希望的去除。
圖4A顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的結(jié)合一個紅外線(IR)掃描傳感器余隙檢測裝置(掃描傳感器余隙檢測系統(tǒng))的VaPO CMP系統(tǒng)。圖4A中顯示的代表性VaPO CMP系統(tǒng)與圖3A中顯示和描述的系統(tǒng)相同。這里不重復(fù)對所示VaPO CMP系統(tǒng)部件的說明，但是使用與圖3A相同的附圖標(biāo)記來標(biāo)識該VaPO CMP系統(tǒng)的部件。掃描傳感器余隙檢測系統(tǒng)335是本發(fā)明的一個實施例，并將進(jìn)一步說明。
圖4A顯示支持一個掃描IR傳感器334的IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架322。在所示實施例中，IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架322連接到一個圍繞制備載體軸302的外殼或者靠近該外殼。在另一個實施例中，IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架322連接到VaPO CMP系統(tǒng)的某個其它部分，然后在CMP處理期間設(shè)置在基板312上方。因此，IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架322可以在CMP處理完成時把掃描IR傳感器334從CMP處理環(huán)境中取出。
在CMP處理期間，掃描IR傳感器334設(shè)置在被處理的基板321上方。如參考圖3A所述，在基板312與掃描IR傳感器334的透鏡之間的距離可以在1/2英寸和20英寸之間的范圍內(nèi)，優(yōu)選距離是2-3英寸之間，這取決于工藝要求。在一個實施例中，掃描IR傳感器334設(shè)置在基板312的暴露表面(例如，不被制備頭306遮擋的基板部分)的大約中心處的固定位置。在這個實施例中，掃描IR傳感器在CMP處理期間在該固定位置保持靜止，通過從該固定位置在基板312的表面上來回掃描，獲得基板表面的完全覆蓋。在另一個實施例中，IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架322在CMP處理的開始時，將掃描IR傳感器334設(shè)置在靠近基板312中心的與制備頭306緊鄰的第一位置，然后當(dāng)制備頭306從基板312的中心向基板312的邊沿遞增移動時，把掃描IR傳感器334從基板312的中心向基板312的邊沿遞增移動。在該實施例中，掃描IR傳感器334的掃描動作可以提供基板表面的IR測繪，并且可以確定基板312表面的較大區(qū)域上的表面狀態(tài)，以及終點的預(yù)測以用于更精確的處理。
圖4B顯示圖4A中表示的掃描傳感器余隙檢測系統(tǒng)335的IR掃描路徑336。在所示實施例中，基板312鄰近修整頭318。制備頭306位于基板312和修整頭318正上方。從圖4B可以看出，基板312的相當(dāng)一部分區(qū)域在處理期間沒有被VaPO CMP系統(tǒng)遮擋。掃描傳感器余隙檢測系統(tǒng)335的掃描路徑336覆蓋基板312的整個表面，在重疊的掃描路徑中從基板312獲得IR數(shù)據(jù)，并且可以提供基板表面的詳細(xì)IR測繪圖。在一個實施例中，表面測繪圖是從一個無源IR傳感器獲得的。在另一個實施例中，表面測繪圖是從一個有源IR傳感器獲得的。無論使用哪個實施例，掃描IR傳感器334都使用連續(xù)或間斷掃描模式檢查基板312的IR發(fā)射，把隨時間獲得的基板312的IR傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行CMP處理，因此提供CMP處理中的終點的精確確定，以及處理終點的精確預(yù)測。
圖5A顯示根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的傳感器陣列余隙檢測系統(tǒng)340。傳感器陣列余隙檢測系統(tǒng)340被配置為一個參考圖3A所述的VaPO CMP系統(tǒng)。在此不重復(fù)VaPO CMP系統(tǒng)部件的說明，但是使用與圖3A相同的附圖標(biāo)記來標(biāo)識該VaPO CMP系統(tǒng)的部件。傳感器陣列余隙檢測系統(tǒng)340是本發(fā)明的一個實施例，將進(jìn)一步說明。
如圖所示，IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架344把一個IR傳感器陣列342設(shè)置在正在進(jìn)行CMP處理的基板312上方。在所示實施例中，IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架344并不是連接到圍繞制備載體軸302的外殼上。在該實施例中，IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架可以在CMP處理期間把IR傳感器陣列342設(shè)置在基板312上方，然后在處理完成時把IR傳感器陣列342從處理環(huán)境中取出。在本發(fā)明另一個實施例中，與圖3A和4A中所述實施例中一樣，把IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架344連接到圍繞制備載體軸302的外殼上。
IR傳感器陣列342由在單個傳感器外殼內(nèi)相互鄰近設(shè)置的多個IR傳感器組成。在一個實施例中，IR傳感器陣列342可以類似于在單個傳感器外殼內(nèi)以一行或一個陣列配置的多個單點IR傳感器320(見圖3A)。在另一個實施例中，IR傳感器陣列342可以類似于在單個常規(guī)外殼內(nèi)以一行或一個陣列配置的多個掃描IR傳感器334(見圖4A)。然后，把IR傳感器陣列342設(shè)置在待處理的基板312上方，并且配置為能夠在CMP處理期間檢查基板312的盡可能大的表面區(qū)域。典型地，IR傳感器陣列342的覆蓋區(qū)域包括基板312的整個表面，并且可以適應(yīng)更大基板(例如300mm晶片)的全表面測繪。
圖5B顯示圖5A中顯示的傳感器陣列余隙檢測系統(tǒng)340的代表性傳感器陣列點346。傳感器陣列余隙檢測系統(tǒng)340可以是一個無源系統(tǒng)或一個有源系統(tǒng)。在一個實施例中，IR傳感器陣列342同時檢查基板312表面上的多個傳感器陣列點346。在另一個實施例中，IR傳感器陣列342順序地檢查基板312表面上的多個傳感器陣列點346。在又一個實施例中，IR傳感器陣列342利用順序圖形(sequential patterns)和同時IR數(shù)據(jù)收集二者、以一種定相和預(yù)定的順序檢查基板表面上的多個傳感器陣列點346。
但是，可以收集IR數(shù)據(jù)，傳感器陣列余隙檢測系統(tǒng)340同化來自基板312表面上的多個傳感器陣列點346的IR數(shù)據(jù)，以確定或預(yù)測處理終點，以及測繪該處理中的任何時間點的基板表面。傳感器陣列余隙檢測系統(tǒng)340被配置為提供基板312形態(tài)的精確確定，和處理狀態(tài)。利用在基板312的表面上的多個傳感器，傳感器陣列余隙檢測系統(tǒng)被配置為過濾或補償由于基板312表面上的漿料、基板312表面組分中的層間轉(zhuǎn)移、和其它這種阻擋物所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不均勻性，以進(jìn)行精確IR測繪和數(shù)據(jù)收集。
圖6A顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有IR終點檢測的帶CMP系統(tǒng)360。所示具有IR終點檢測的帶CMP系統(tǒng)360包括由兩個輥377驅(qū)動的CMP帶376?；?66連接到由夾盤軸362驅(qū)動的夾盤364。帶376的連續(xù)修整由一個修整頭372提供，利用定位軌370把修整頭372設(shè)置在帶376上并橫跨帶376。臺板378被配置在帶376之下，基板366和夾盤364下方發(fā)生基板366的CMP的區(qū)域中。臺板378提供一個堅硬和結(jié)實的表面，在該表面上以一定力把基板366壓靠帶376以便對基板366進(jìn)行CMP。臺板378還可以包括一個空氣軸承(未示出)。
在臺板378下方，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例配置IR傳感器380。IR傳感器380連接到IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架382。IR傳感器380通過臺板378、通過帶376向上聚焦到基板366的表面。IR帶窗口374a-374d被配置在帶376中以允許IR傳感器380通過帶376接收和/或發(fā)送IR能量，這將在后面詳細(xì)說明。
圖6B顯示在圖6A所述具有IR終點檢測的帶CMP系統(tǒng)360中的IR能量發(fā)送和接收的側(cè)視詳圖。在本發(fā)明的一個實施例中，IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架382把IR傳感器380直接設(shè)置在臺板378下方并且向上指向基板366。當(dāng)對基板366進(jìn)行CMP處理時，利用一個通過夾盤軸362和夾盤364傳遞的力F把基板366壓靠到帶376和臺板378。IR終點檢測可以通過一個有源系統(tǒng)或一個無源系統(tǒng)完成。從基板366表面發(fā)出和反射的IR能量由IR傳感器380接收，并通過IR信號導(dǎo)管和傳感器安裝架382發(fā)送到一個IR信號處理器(見圖7)進(jìn)行分析。IR能量通過配置的IR帶窗口374穿過帶376。在一個實施例中，配置IR信號處理器(見圖7)以同化通過IR帶窗口374的間斷IR信號，得到CMP處理狀態(tài)和終點檢測的一個復(fù)合確定。IR臺板窗口384直接位于IR傳感器380上方，并提供用于IR傳感器380和基板366之間IR能量傳輸?shù)墓潭窂健?br> 圖7是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的IR終點檢測系統(tǒng)390的圖。IR終點檢測系統(tǒng)圖包括IR傳感器391，IR信號導(dǎo)管392，和IR信號處理器394。
IR傳感器391被配置為用于發(fā)送和接收IR信號，并用于感測在CMP處理期間來自基板表面的IR發(fā)射。IR傳感器391具有一個透鏡391a，該透鏡391a根據(jù)公知的IR技術(shù)引導(dǎo)一個發(fā)送信號、并聚焦一個發(fā)送信號和一個接收信號。IR傳感器的一個例子是具有K型熱電偶的緊湊紅外線傳感器，由Vemon Hills，Illinois的Cole-Partner InstmmentCo.銷售。
在上述各種實施例中，IR傳感器391可以是一個單點IR傳感器391，一個掃描IR傳感器391，一個IR傳感器陣列391，或其它配置，以感測在CMP處理期間來自基板表面的IR發(fā)射。根據(jù)希望的IR終點檢測、表面測繪、和有關(guān)應(yīng)用，透鏡391a被配置為在單點聚焦，掃描，在脈動或坐標(biāo)陣列聚焦，或其它這種配置。
IR信號通過IR信號導(dǎo)管392在IR傳感器391和IR信號處理器394之間傳送。IR信號的傳送是公知的，并且IR信號導(dǎo)管392采用普通IR傳導(dǎo)方法。
IR信號處理器394根據(jù)希望的終點檢測的特定實施例，包括多個部件。對于有源終點檢測，發(fā)送器395和接收器396都可以包含在其中。在另一個實施例中，所有IR信號處理器394包含一個發(fā)送器395和一個接收器396，但是發(fā)送器395僅用于有源IR處理。接收器396用于無源IR終點檢測和有源終點檢測。在另一個實施例中，發(fā)送器395(如果需要)和接收器396都包含在IR傳感器391(而不是IR信號處理器394)中，并且IR信號處理器394僅執(zhí)行下述那些信號處理功能。
眾所周知，無源IR檢測和分析涉及對來自一個源的IR發(fā)射的接收和分析。例如，具有熱量的任何源(例如進(jìn)行CMP處理的基板)將發(fā)射各種能級的IR能量，并且該IR能量可以被接收和分析以確定關(guān)于該源的幾個特性。有關(guān)該源的信息和細(xì)節(jié)知道得越多，來自其IR發(fā)射分析的信息就越有效。
類似地，有源IR分析涉及對來自一個源的IR發(fā)射的接收和分析。但是，在有源IR分析中，IR能量由一個IR發(fā)送器395施加到該源，并且所接收和分析的IR能量除了源IR還包括反射的IR包括反射的IR以及源IR。本發(fā)明包括具有有源和無源IR終點檢測二者的實施例。
IR信號處理器394包括一個用于IR分析的IR光譜儀。眾所周知，一個IR光譜儀397通常把IR能量分散到光譜中，并被校準(zhǔn)以測量在各種波長的IR強度。在本發(fā)明中，IR光譜儀397把IR能量分散到所計算的各個波長上，然后IR光譜分析器398測量波長λ1和λ2之間的IR強度。在一個實施例中，根據(jù)被處理的特定基板，為了處理終點檢測對IR信號處理器394進(jìn)行校準(zhǔn)。在另一個實施例中，為了基板測繪對IR信號處理器394進(jìn)行校準(zhǔn)，以產(chǎn)生有關(guān)一個特定基板的形態(tài)細(xì)節(jié)。在這種實施例中，基板測繪圖或形態(tài)細(xì)節(jié)可以在圖形顯示器(未示出)上被顯示給系統(tǒng)用戶。系統(tǒng)用戶可以評價所顯示的基板測繪圖或形態(tài)細(xì)節(jié)，以在基板處理期間進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)。圖8A到9B提供了IR信號處理器394校準(zhǔn)方面的例子。
圖8A是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的典型銅CMP處理的代表性吸收系數(shù)408的圖。吸收系數(shù)408是為有源IR終點檢測計算的。圖8A中的吸收系數(shù)408是一個系統(tǒng)系數(shù)，并且包括銅層的吸收、下面的電介質(zhì)層和器件的吸收、硅的吸收、漿料的吸收、和其它吸收或保持IR能量的系統(tǒng)因素。在波長λ1402和λ2404之間繪制吸收系數(shù)408曲線。線406代表有源IR應(yīng)用中施加的IR能量，在λ1402和λ2404之間是一個常數(shù)。在所示實施例中，系統(tǒng)吸收408在λ1402最低，并且跟隨圖8A所示的曲線。所示的吸收系數(shù)曲線408被確定為在CMP處理期間直接與銅去除對應(yīng)。
圖8B顯示圖8A中的圖的有用反射。在圖8B中，對應(yīng)于圖8A中繪制的施加IR能量406和吸收系數(shù)408在λ1402和λ2404之間繪制反射的IR能量410。如圖8B所示，最佳去除區(qū)412(處理的終點)位于代表反射IR能量410的曲線的最低點。在本例中，IR信號處理器394(見圖7)被校準(zhǔn)以感測或預(yù)測最佳去除區(qū)412中的終點。還可以利用計算機監(jiān)視器把希望的去除點在曲線圖上顯示給系統(tǒng)用戶。使用該計算機監(jiān)視器，用戶還可以手動設(shè)置或調(diào)節(jié)CMP條件以便改進(jìn)性能。
圖9A顯示根據(jù)本發(fā)明的IR光譜分析的另一個實施例。在圖9A中，與前面一樣，在λ1402和λ2404之間繪制所施加的IR能量406。與圖8A中繪制的系統(tǒng)吸收系數(shù)不同，圖9A中繪制的是兩個特定吸收系數(shù)曲線，一個是銅吸收系數(shù)414，一個是氧化物吸收系數(shù)416。圖9B中所得的反射IR能量曲線418更精確地標(biāo)識出銅去除和氧化物暴露的點。標(biāo)識的最佳去除區(qū)420表示處理的終點，并且可以基于基板組分和處理要求來指定確切的處理終點。此外，可以在一個實施例中使用特別標(biāo)識的基板組分吸收曲線(例如銅和氧化物)以便基于IR光譜分析來產(chǎn)生基板表面的測繪圖。
盡管為了便于清楚理解的目的已經(jīng)以一些細(xì)節(jié)描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解，在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)可以進(jìn)行一些變化和修改。因此，目前的實施例僅是示意性和非限制性的，本發(fā)明不應(yīng)限制到此處給出的細(xì)節(jié)，而是可以在所附權(quán)利要求的范圍和等同物內(nèi)進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
1.一種化學(xué)機械平面化系統(tǒng)，包括基板夾盤，被配置為保持和旋轉(zhuǎn)一個基板，該基板具有要進(jìn)行制備的一個或多個已形成的層；具有一個制備頭的制備載體，該制備頭被配置為施加到基板的制備表面上，使得制備頭與基板的制備表面的至少一部分重疊，該部分小于基板的制備表面的整個部分；和紅外線傳感器，被設(shè)置為感測來自基板的制備表面的紅外線發(fā)射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)機械平面化系統(tǒng)，進(jìn)一步包括紅外線信號處理器，紅外線信號處理器被配置為處理來自紅外線傳感器的紅外線數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)機械平面化系統(tǒng)，其中紅外線傳感器是單點紅外線傳感器，被配置為從基板的制備表面的多個單獨點感測來自基板的制備表面的紅外線發(fā)射。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)機械平面化系統(tǒng)，其中紅外線傳感器是紅外線掃描傳感器，被配置為通過掃描基板的制備表面來感測來自基板的制備表面的紅外線發(fā)射。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)機械平面化系統(tǒng)，其中紅外線傳感器是紅外線傳感器陣列，被配置為利用在一個陣列中配置的多個紅外線傳感器來感測來自基板的制備表面的紅外線發(fā)射，在陣列中配置的每個紅外線傳感器檢查基板的制備表面上的多個單獨點。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)機械平面化系統(tǒng)，其中紅外線傳感器是紅外線傳感器陣列，被配置為利用一個陣列中配置的多個紅外線傳感器來感測來自基板的制備表面的紅外線發(fā)射，在陣列中配置的每個紅外線傳感器掃描基板的制備表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的化學(xué)機械平面化系統(tǒng)，其中紅外線信號處理器包括用于把紅外線能量發(fā)送到基板的制備表面的紅外線發(fā)送器。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的化學(xué)機械平面化系統(tǒng)，其中紅外線信號處理器評價從紅外線傳感器接收的紅外線數(shù)據(jù)以確定晶片表面狀態(tài)和基板的化學(xué)機械平面化的終點。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的化學(xué)機械平面化系統(tǒng)，其中紅外線信號處理器檢查從紅外線傳感器接收的紅外線數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生表征基板表面狀態(tài)的基板制備表面的紅外線發(fā)射測繪圖。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的化學(xué)機械平面化系統(tǒng)，其中在紅外線發(fā)射的波長曲線圖上可以觀察到基板的化學(xué)機械平面化的終點。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的化學(xué)機械平面化系統(tǒng)，進(jìn)一步包括監(jiān)視器，監(jiān)視器被配置為顯示來自紅外線信號處理器的紅外線數(shù)據(jù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的化學(xué)機械平面化系統(tǒng)，其中顯示的紅外線數(shù)據(jù)包括紅外線發(fā)射的波長曲線圖。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的化學(xué)機械平面化系統(tǒng)，其中顯示的紅外線數(shù)據(jù)包括基板的制備表面的紅外線測繪圖。
14.一種在利用制備表面進(jìn)行化學(xué)機械平面化期間監(jiān)視晶片表面的處理狀態(tài)的方法，包括接合制備表面和晶片表面以從晶片表面去除第一層材料；以及在去除第一層材料期間感測來自晶片表面的紅外線發(fā)射。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的在利用制備表面進(jìn)行化學(xué)機械平面化期間監(jiān)視晶片表面的處理狀態(tài)的方法，進(jìn)一步包括在去除第一層材料期間評價來自晶片表面的紅外線發(fā)射，該紅外線發(fā)射表示從晶片表面去除第一層材料的完成情況。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的在利用制備表面進(jìn)行化學(xué)機械平面化期間監(jiān)視晶片表面的處理狀態(tài)的方法，其中第一層材料是金屬層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的在利用制備表面進(jìn)行化學(xué)機械平面化期間監(jiān)視晶片表面的處理狀態(tài)的方法，其中金屬層在一個氧化層之上。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的在利用制備表面進(jìn)行化學(xué)機械平面化期間監(jiān)視晶片表面的處理狀態(tài)的方法，進(jìn)一步包括計算金屬層的紅外線吸收系數(shù)；計算氧化層的紅外線吸收系數(shù)；以及在化學(xué)機械平面化期間產(chǎn)生來自晶片表面的紅外線發(fā)射的曲線圖。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的在利用制備表面進(jìn)行化學(xué)機械平面化期間監(jiān)視晶片表面的處理狀態(tài)的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)由來自晶片表面的紅外線發(fā)射所產(chǎn)生的曲線圖提供的結(jié)果，調(diào)節(jié)化學(xué)機械平面化的參數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求20所述的在利用制備表面進(jìn)行化學(xué)機械平面化期間監(jiān)視晶片表面的處理狀態(tài)的方法，其中調(diào)節(jié)化學(xué)機械平面化的參數(shù)包括把制備表面重新定位并停止化學(xué)機械平面化。
21.一種終點檢測方法，包括提供一個具有要從晶片制備表面去除的第一層材料的晶片；提供一個拋光墊；在晶片制備表面和拋光墊之間產(chǎn)生摩擦接觸以去除第一層材料；感測在去除第一層材料期間來自晶片制備表面的紅外線發(fā)射；以及評價在去除第一層材料期間來自晶片制備表面的紅外線發(fā)射，以確定從晶片制備表面去除第一層材料的完成。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的終點檢測方法，其中第一層材料是金屬層。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的終點檢測方法，其中金屬層在一氧化層上形成。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的終點檢測方法，進(jìn)一步包括計算金屬層的紅外線吸收系數(shù)；計算氧化層的紅外線吸收系數(shù)；以及產(chǎn)生來自晶片表面的紅外線發(fā)射的曲線圖。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的終點檢測方法，進(jìn)一步包括顯示該曲線圖以用于操作者分析。
全文摘要
提供了用于實現(xiàn)處理狀態(tài)和基板表面組分的紅外線檢測的化學(xué)機械平面化系統(tǒng)和方法。在一個例子中，化學(xué)機械平面化系統(tǒng)包括用于保持和旋轉(zhuǎn)一個基板的基板夾盤，安裝在制備載體上的制備頭，和安裝在修整載體上的修整頭。制備頭被配置為壓靠該基板，與基板整個表面區(qū)域上的至少一部分重疊，該部分小于基板的整個表面區(qū)域。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括紅外線傳感器，設(shè)置在基板上方以感測來自基板表面的紅外線發(fā)射。紅外線傳感器的幾個例子包括單點、掃描、和陣列紅外線傳感器。在另一個例子中，提供了使用紅外線感測來確定基板的處理狀態(tài)和表面組分的方法。在化學(xué)機械平面化期間，紅外線傳感器被設(shè)置為感測來自基板表面的紅外線發(fā)射，并分析該紅外線發(fā)射以確定處理狀態(tài)并產(chǎn)生基板的形態(tài)細(xì)節(jié)。
文檔編號H01L21/304GK1498415SQ01817300
公開日2004年5月19日 申請日期2001年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月13日
發(fā)明者耶海爾·哥特科斯, 羅德尼·凱斯特勒, 凱斯特勒, 耶海爾 哥特科斯 申請人:拉姆研究公司