CN101168241A - 电压模式电流控制 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电压模式电流控制的方法和装置。一种计算机辅助的方法包括：(a)在衬底的导电薄膜上开始ECMP抛光步骤；(b)设置电压源的当前输出电压，所述当前输出电压根据ECMP抛光步骤的菜单进行设置；(c)测量通过所述导电薄膜的电流；(d)基于所述测量的电流计算电流抛光速率；(e)基于目标抛光速率，确定是否需要调整当前输出电压；以及(f)当确定需要调整时，计算并实现对所述当前输出电压的所述调整。

Description

电压模式电流控制
本申请为2006年10月27日提交的申请号为2006101498749的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及对于衬底的电化学机械抛光处理。
背景技术
通常通过在硅片上依次沉积导电层、半导电层或绝缘层在衬底上形成集成电路。一个制作步骤包括在非平面表面沉积填料层并抛光该填料层。对于某些应用，平坦化所述填料层直到露出图案层的上表面。例如，可在图案化绝缘层上沉积导电填料层以填充绝缘层中的沟道或孔。平坦化以后，保留在绝缘层凸起的图案之间的导电层部分形成提供衬底上薄膜电路之间的导电通路的通孔、接点和导线。对于其它应用，诸如氧化抛光，对填料层进行平坦化处理直到在非平面表面留下预定的厚度。另外，光刻一般需要衬底表面抛光。
化学机械抛光(CMP)为一种适合用于平坦化的方法。该平坦化方法通常需要将衬底安装在载体或者抛光头上。衬底的暴露表面通常与旋转抛光盘垫或者带状垫相对。该抛光垫可以是标准垫或者固定研磨剂的垫。标准垫具有耐用的粗糙表面，而具有固定研磨剂的垫具有保存在容纳媒体中的研磨剂颗粒。该载体头在衬底上提供可控制的负载从而使其紧靠研磨垫。在研磨垫的表面提供抛光液。在和标准抛光垫、研磨剂可以一起使用的情况，该抛光液包括至少一种化学反应剂。
电化学机械抛光(ECMP)为另一种适合用于平坦化的方法。与CMP相比，ECMP通常在采用减小的机械研磨对衬底进行抛光的同时通过电化学分解从衬底表面除去导电材料。通过在阴极和作为阳极的衬底表面之间施加偏压实现电化学分解，以从衬底表面除去导电材料使其进入周围电解液中。利用设置在或者通过有进行处理的衬底的上部的抛光材料的导电接触在衬底表面施加偏压。通过在衬底和抛光材料之间提供相对运动实现抛光工艺的机械成分，这改善了从衬底除去导电材料。
例如铜为一种导电材料其可利用电化学机械抛光进行抛光。一般地，利用两步工艺对铜抛光。在第一步骤中，除去块铜，一般地留下在衬底表面上突起的一些铜残留。然后在第二或过抛光步骤中除去所述铜残留。
发明内容
一方面，本发明提供一种电化学机械抛光的方法，包括：使衬底的导电薄膜与存在电解液的抛光表面接触；在所述电解液和所述衬底之间施加初始电压；测量通过所述导电薄膜的电流；基于所测量的电流计算抛光速率；比较所述抛光速率与目标抛光速率；确定调整电压以使所述抛光速率更接近所述目标抛光速率；以及在所述电解液和所述衬底之间施加调整电压。
另一方面，本发明提供一种计算机程序产品，其有形地存储在机器可读的媒质中，该产品包括用于使衬底处理台实施以下步骤的指令：使衬底的导电薄膜与存在电解液的抛光表面接触；在所述电解液和所述衬底之间施加初始电压；测量通过所述导电薄膜的电流；基于所测量的电流计算抛光速率；比较所述抛光速率与目标抛光速率；确定调整电压以使所述抛光速率更接近所述目标抛光速率；以及在所述电解液和所述衬底之间施加调整电压。
本发明可实现包括以下的一个或多个优点。根据本发明的方法和系统提供的电压模式和电流模式的处理控制的优势并提高了处理的一致性。
以下将结合附图详细描述本发明的一个或多个实施方式。本发明的其它目的、特征、方面和优点在以下描述并结合附图和权利要求书中将变得更加明显可见。
附图简要说明
图1示出了ECMP的处理台；
图2示出了压盘工具和处理垫组件的部分截面图；
图3示出了用在ECMP中施加偏压的电路回路的电路图；
图4示出了一种用于RTPC电压模式电流控制的方法流程图；
图5示出了电流-电压图的示例；
在不同的附图中用相似的参数和标记表示类似的元件。
具体实施方式
图1示出了根据本发明设置为实施ECMP的处理台100的截面图。该处理台100包括在ECMP台132中用于将衬底120固定在压盘组件142上的研磨头组件118。在其两者之间提供相对运动以处理(例如，抛光或沉积材料于)衬底120。所述相对运动可为转动的、横向的或及其一些组合，并可由研磨头组件118和压盘组件142的其中之一或两者提供该相对运动。处理的衬底露出的外表面包括导电薄膜。
在一种应用中，研磨头组件118通过与基座130耦合的臂164支撑并在ECMP台132上延伸。该ECMP台可与基座130耦合或与基座130相邻设置。
研磨头组件118可包括耦合研磨头122的驱动系统102。包括诸如电动机的驱动系统102一般至少向研磨头122提供旋转运动。另外，可驱动研磨头122，或者在研磨头122中的衬底固定元件向位于压盘组件142的处理垫组件106运动从而使得位于研磨头122中的衬底120可在处理期间紧靠处理表面104。
一种适用的研磨头的示例包括可从位于California，Santa Clara的AppliedMaterials公司购买的TITAN HEADTM或TITAN PROFILETM。一般地，研磨头122包括壳体124和护环126其限定放置衬底120的中心凹座。保持环126包围设置在研磨头122内的衬底120以防止在处理时衬底从研磨头122的下方滑落。普遍认为也可采用其它研磨头。
ECMP台132一般包括转动地设置在基座158上压盘组件142。轴承154设置在压盘组件142和基座158之间以有助于压盘组件相对于基座158的转动。
压盘组件142具有上模板114和下模板148。上模板114可由硬质材料诸如金属或刚性塑料制造。在一种应用中，上模板114由诸如过氯乙烯(CPVC)的介电材料制造或涂覆。上模板114可为圆形/矩形或其它平面形。上模板114的上表面116支持处理垫组件106。处理垫组件106可利用磁吸引、静电吸引、真空、粘合剂等与压盘组件142的上模板114固定。
下模板148一般由诸如铝的刚性材料制造并可利用任意常用的方式诸如多个扣件(未示出)耦合上模板114。一般地，多个定位钉146(一个在图1中示出)设置在上模板和下模板114、148之间以确保两者之间对齐。上模板114和下模板148可任选地由单个或整体元件制造。
充气增压138限定在压盘组件142中并可部分地在上或下模板114、148的至少其中之一中形成。在图1中描述的实施方式中，充气增压138限定在部分形成在上模板114的下表面中的凹座144中。至少一个孔108形成在上模板114中以允许电解液流过压盘组件142并在处理期间进入与衬底120接触，该电解液从电解液源170提供给充气增压138。充气增压138部分地由与包围凹座144的上模板114耦合的盖子150限定。替代地，该电解液可从管(未示出)分配至处理垫组件106的上表面。
至少一个接触组件134设置在沿着处理垫组件106的压盘组件142上。每个接触组件134至少延伸至或高于处理垫组件106的上表面并用于电连接衬底和电源166。处理垫组件106耦接不同的电源166终端从而可在衬底120和处理垫组件106之间产生电势。
图2示出了描述处理垫组件106的一种应用和在图1中所示的接触组件134的部分截面图。处理垫组件106被分层并包括至少导电下层或电极210和非导电上层212。在图2中描述的应用中，可选的子垫211设置在上层210和下层212之间。可选的子垫211可用在分层的本文所述的处理垫组件的任意实施方式中。子垫211和分层的处理垫组件106的层210、212利用粘合剂、接合、压模法等组合为整体组件
子垫211通常由比制造上层212的材料更柔性或更韧性的材料制造。可以选择上层212和子垫212之间的硬度或硬度计差异从而获得所需的抛光/电镀效果。子垫211也可为耐压的。适用的子垫211材料的示例包括，但不限于与处理的化合物相容的泡沫聚合物、合成橡胶、毡、浸渍的毡和塑料。在平坦化组件142上模板114的顶表面116上设置导电下层210并将该下层210通过平坦化组件142与电源166连接。下层210通常由诸如不锈钢、铜、铝、金、银和钨等的导电材料构成。该下层210可以是固态、不可渗透电解液、可渗透电解液、多孔或者其组合。在图2所示的实施方式中，配置该下层210以允许有电解液流过。
设置一个或者多个诸如可渗透通道218的可渗透通道使其至少经过上层212并至少延伸到下层210。可选地，该通道218完全延伸穿过上层212以及下层210(如阴影所示)。该通道218允许电解液在衬底120和下层210之间建立导电路径。该通路218可以包括上层212的可渗透部分。该通道218可以形成在上层212中的孔。
上层212可以由与工艺化学匹配的聚合材料制成，其实施例包括聚亚安酯、聚碳酸酯、含氟聚合物、PTFE(聚四氟乙烯)、PTFA、硫化聚亚苯基(PPS)或者其组合，以及用于衬底处理表面的其他处理材料。在一实施方式中，分区处理垫组件106的上层212的处理表面为非导电体，例如聚亚安酯或者其他聚合物。
在层210、212和分区处理垫组件106的可选子垫211中形成至少一个孔隙220。设计该孔隙220的大小和位置从而容纳经过其的接触组件134。在一个实施方式中，在处理垫组件106的中心形成单独孔隙220以容纳单独的接触组件134。
将接触组件134的接触元件238连接到电源166上，其中该接触元件238设置在平坦化组件142的上模板114上。尽管在图2中仅示出一个接触组件134与平坦化组件142的上模板114连接，但是可以采用任意数量的接触组件134并且可以在平坦化组件142的上模板114上以任意数量结构分配该接触组件。
接触组件134包括球形组件204，该球形组件通常和平坦化组件142的上模板114连接并至少局部延伸经过形成在分区处理垫组件106中的孔隙220。该球形组件204包括保持多个球224的拖架222。
该拖架222以可移除的方式与平坦化组件142的上模板114连接以便于在多次处理循环后替换该球形组件204。拖架222包括与下部拖架230连接的上部拖架228，所述球224保持在二者之间。上部拖架228由与工艺化学匹配的介电材料制成。在一实施方式中，上部拖架228由聚醚醚酮(PEEK)构成。下部拖架230由与工艺化学匹配的导电材料制成。例如，该下部拖架230可以由不锈钢做成。下部拖架230与电源166连接。拖架228、230可以通过任意方法连接，该方法包括但不限于螺纹连接、螺栓连接、铆接、焊接、压凹接合和卡接等。在图2所示的实施方式中，拖架228、230通过多个螺丝连接在一起。
球224以可移动的方式设置在多个通过拖架228、230构成的孔隙234中，并可以设置在部分球体延伸到处理表面214上部的第一位置以及球224与处理表面214平齐的第二位置(如图2所示)。每个孔隙234的上部包括从上部拖架228延伸进入孔隙234的支座236。设置该支座236目的在于防止该球体从孔隙234的顶端脱离。
在每个孔隙234中设置接触元件238用于实现球体224与底部拖架230的电连接。每个接触元件238均通过各自的卡接套管240与下部拖架230连接。在一实施方式中，卡接套管240的柱242螺纹连接到经过拖架222形成的孔隙234的螺纹部分244上。该球体224由导电材料构成并且为了在工艺期间对衬底120施加偏压该球体224经过接触元件238和下部拖架230与电源166连接。
电解液源248通过孔隙234提供电解液并且在处理期间该电解液与衬底120接触。在处理期间，位于拖架222内部的球体224通过弹簧弹力、浮力或者流动力至少其中之一作用于处理表面214上。球体224将衬底120通过接触元件238和下部拖架230电连接到电源166上。从拖架222流过的电解液向下层210和偏压衬底120之间提供导电路径从而驱动电化学抛光(或者平坦)工艺。
通常通过计算机系统(未示出)控制上述平台的操作。例如，该计算机系统可以控制衬底120靠在垫组件106上的力的大小、驱动系统旋转该衬底120的速度和电源166的输出电压和/或输出电流。
如上所述，处理台100可以向衬底施加偏压。除了如上所述处理垫组件上模板不导电且下层导电的实施方式以外，也可以提供其他不同实施方式对该衬底施加偏压作用。例如，所述不导电上模板可以包括一个或者多个嵌入式电极，诸如导电的导线。该电极与电源连接并形成部分偏压环。至少部分电极凸出于上模板的抛光表面上部和/或暴露在上模板的抛光表面上从而在抛光期间接触并对衬底施加偏压。在另一替代实施方式中，上模板为可以导电的。在另一实施方式中，该抛光层本身可以导电并施加偏压。例如，该处理垫组件可以包括具有抛光表面的导电抛光层、不导电衬背层以及与背平坦化的表面邻接的对电极层。通过由研磨垫散布诸如光纤或者颗粒(导电涂敷的介电光纤和颗粒)的导电填料可以形成导电抛光层。该导电填料可以是碳基材料、导电聚合物或者导电金属等，例如金、铂、锡或者钳。通过电源在导电抛光层和对电极之间施加电压差。
图3所示为表示用于对衬底120施加偏压的环路的电路图。该环路包括电源166。该环路包括表示电源166输出和要处理的衬底表面之间电阻的电阻器R1、表示要抛光的衬底表面和电极之间接触电阻(即，上述位于垫组件106中的接触)的电阻器Rc、以及表示电极与电源之间的接触电阻的电阻器R2。Vanode是要处理的衬底表面的电压(即，阳极)。Vcathode为接触处的电压(即，阴极)。
ECMP系统可以采用实时提供反馈控制的技术。该技术在本说明书中被称为实时工艺控制或者RTPC。可以通过电压模式或者电流模式实施该ECMP的RTPC。
采用电压模式，实时控制要处理的衬底表面和阴极之间的电势差。参照图3，Vanode(至少部分决定去除率并且对该工艺至关重要)等于电源(通过计算系统控制进行控制的)输出电压减去I*Rc减去Vcathode。其中I等于15amps，接触Rc(例如20mΩ)的微小变化可以导致阴极和阳极之间的0.3V电势变化，这将直接转化为Vanode的变量。0.3V的Vanode变量产生明显的电流/去除率变化。在晶圆去除率迁移过程中、以及晶圆到晶圆、垫到垫和工具到工具变化时都可以观察到这种类型的去除率变化。
通过电流模式，实时控制要处理的衬底表面和阴极之间流过的电流。由于去除率与电流成比例，电流模式保证了晶圆到晶圆、垫到垫以及工具到工具的去除率的一致性。但是，随着在抛光中接触电阻的变化，通常会出现电压尖峰信号，该尖峰信号在晶圆上导致金属脱离缺陷，这种情况不利于导线的正确互连。
上述每个模式均存在其优点和缺点。传统电压模式应用方便但是通常来说去除率容易漂移。传统的电流模式可以提供恒定的去除率但是容易出现电压尖峰。在RTPC电压模式下进行电流控制结合了电压控制和电流控制的优点同时避免了二者所存在的缺点。即，在电压模式运行避免了严重的电压尖峰，并且采用电流反馈进行工艺控制提供了恒定的去除率。
可以通过许多不同的模式执行电压模式电流控制。在一实施方式中，该计算系统可以访问用于不同工艺和化学的各种电流-电压曲线。在工艺菜单中，人们除了设定压盘转速和向下压力以外，还设定目标去除率，同时不在ECMP菜单中设定所需电压。在执行该菜单时，计算设备浏览数据库并且通过初始电源输出电压V1启动抛光。在随后的2-5秒期间收集电流反馈并将其提供给计算系统，将反馈数据与使用的其中之一电流-电压曲线进行比较以决定是否为所需的抛光速率。如果抛光速率小于所需速率，根据所述量级，设定第二高电源数据电压V2以在随后2-5秒期间运行。再次采集反馈并与电流-电压曲线比较并在整个抛光过程中连续对电压进行纠正直到累积预定的所需负荷。或者仅对部分抛光期间施加所述控制。例如，在电流变化作为残留物清洗工艺一部分的情况，可以对抛光的第一部分采用所述电压模式电流控制工艺直到发生突变为止，即在一组电压中检测到明显电流降低的点。
图4所示为用于电压-模式电流控制的方法。ECMP抛光步骤开始处理衬底表面(步骤402)。所述平台100作用于抛光过程。
该计算系统设定电源的初始输出电压(步骤404)。根据将电压指定为时间或者压盘旋转的函数的菜单设定电压。
测量流过衬底表面的电流(步骤406)。该测量值在一段时间内起作用，例如2到5秒钟。
基于测量的电流，该计算系统计算抛光速率(步骤408)。如上所述，去除率和流经衬底的电流成比例，因此，可以通过电流计算该去除率。在一实施方式中，假设流经衬底的电流和去除率之间为线性或者大致线性关系，并且采用一系数(可以通过经验导出)通过该电流计算去除率。
计算系统确定需要进行调整的抛光速率(步骤410)。如果计算的抛光速率不满足标准就需要进行调整，例如，其中之一调整方法为指定目标抛光速率。例如，通过对在步骤408中计算的抛光速率与在抛光步骤的菜单中指定的目标抛光速率进行比较来影响决定。在执行一个或者多个去除速率的ECMP抛光步骤中，将当前抛光速率与适用的目标去除率进行比较，例如，通过菜单对于时间或者压盘旋转指定的去除率。
如果确定需要进行调整，则计算系统基于测量电流和电流电压曲线计算电源的新输出电压(步骤412)。如果判断到当前去除率过低，例如低于目标去除率，则采用较高的输出电压。如果另一方面，判断到当前去除率过高，则采用较低输出电压。在一实施方式中，通过计算来自目标去除率的电流计算新输出电压，然后采用该计算的电流和使用的电流-电压曲线(例如，对于具体化学处理，具体处理平台所用到的曲线)以决定输出电压。在另一实施方式中，该输出电压以预定量级累加，根据需要或者升高或者降低。随后的电流测量值将关于累加变化是否充分提供反馈。
如果确定不需要调整，则计算系统根据需要重复步骤406、408和410直到完成抛光步骤或者直到设定电压模式电流控制终止。
图5所示为电流-电压曲线实施例。电流-电压曲线专用于处理平台和用到的处理化学溶液。所示的曲线502为一条直线，通过给定电流可以驱动电压。
可以在数字电子电路或者计算机软件、固件、硬件中实施在本说明书中买哦数的本发明的实施方式和所有功能性操作，包括在说明书中公开的结构装置和其等效结构，或者其结合。本发明的实施方式可以实施为一个或者多个计算机程序产品，即，在信息载体上能具体实现的一个或者多个计算机程序，例如，在计算机可读存储设备中或者位于传输的信号中，用于执行或者控制操作的数据处理装置，例如，可编程处理器、计算机或者多处理器或者计算机。可以通过任意形成的程序语言编写计算机程序(通常所说的程序、软件、软件应用程序或者代码)，并且可以通过任意形式对其进行配置，包括作为独立程序或者作为模块、部件、子程序，或者适用于计算机环境中的其他单元。计算机程序不必对应于文件。可以在含有其他程序或者数据的文件的一部分中、在正被讨论的专用于该程序的单独文件中、或者在多个并列文件(例如，存储一个或者多个模块、子程序或者部分代码)中存储程序。可以在位于一个位置一个计算机或者分布在多个位置并通过通信网络连接的或者多个计算机配置要执行的计算机程序。
可以通过一个或者多个执行一个或者多个计算机程序的可编程处理器执行在本说明书中所述的工艺和逻辑流程从而通过操作输入的数据执行功能并产生输出。还可以通过诸如FPGA(现场可编程逻辑阵列)或者ASIC(专用集成电路)的专用逻辑电路执行所述工艺和逻辑流程，并且所述装置也可以实施为该专用逻辑电路。
在各种抛光系统中均可以采用上述抛光装置和方法。不管时抛光垫还是承载头或者两者均可在抛光表面和衬底之间提供相对运动。例如，该压盘可以盘旋而非旋转。该抛光垫可以时固定在压盘上的环形(或者其他形状)垫。某些终点检测系统可应用于线性抛光系统，例如，在抛光垫为连续的或者为线性移动的轨对轨带。该抛光层可以是标准(例如，具有或者没有填料的聚亚安酯)抛光材料、软材料或者固定研磨剂材料。这里采用了相对定位的术语；应该理解可以在垂直方向上或者其他方向上固定抛光表面和衬底。
文中已经描述了本发明的具体实施方式。其他实施方式也包括在以下权利要求范围内。例如，以不同顺序执行权利要求中记载的操作并仍可实现所需结果。所述的电压模式电流控制可以作用于所有或者仅部分抛光步骤。除铜以外，所述工艺还可以用来去除的多种导电材料。

Claims (18)

1.一种电化学机械抛光的方法，包括：
引入衬底的导电薄膜与存在电解液的抛光表面接触；
在所述电解液和所述衬底之间施加初始电压；
测量通过所述导电薄膜的电流；
基于所测量的电流计算抛光速率；
比较所述抛光速率与目标抛光速率；
确定调整电压以使所述抛光速率更接近所述目标抛光速率；以及在所述电解液和所述衬底之间施加调整电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含在确定调整电压之前确定是否需要调整电压。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包含在确定不需要调整电压之后等待一段时间间隔，并接着重复确定是否需要调整电压的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每两到五秒执行测量通过所述导电薄膜的电流。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量电流、计算所述抛光速率、比较所述抛光速率、确定调整电压和施加所述调整电压的步骤仅在电化学机械抛光处理步骤的开始部分期间周期性重复，并且在电化学机械抛光处理步骤的后期部分期间不执行。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量电流、计算所述抛光速率、比较所述抛光速率、确定调整电压和施加所述调整电压的步骤仅在电化学机械抛光处理步骤的开始部分期间周期性重复，在整个所述电化学机械抛光步骤期间周期性地重复。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定调整电压的步骤包括所述电压依照预定量增加或减少电压。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含确定所述初始电压的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，确定所述初始电压的步骤包括由所述目标电压计算初始电流，以及由所述初始电流和电流-电压曲线计算所述初始电压。
10.一种计算机程序产品，其有形地存储在机器可读的媒质中，该产品包括使衬底处理台实施以下的指令：
使衬底的导电薄膜与存在电解液的抛光表面接触；
在所述电解液和所述衬底之间施加初始电压；
测量通过所述导电薄膜的电流；
基于所测量的电流计算抛光速率；
比较所述抛光速率与目标抛光速率；
确定调整电压以使所述抛光速率更接近所述目标抛光速率；以及在所述电解液和所述衬底之间施加调整电压。
11.根据权利要求10所述的产品，其特征在于，进一步包含指令用于在确定调整电压之前确定是否需要调整电压。
12.根据权利要求10所述的产品，其特征在于，进一步包含指令用于在确定不需要调整所述电压之后等待一段时间间隔，并且之后重复确定是否需要调整电压的步骤。
13.根据权利要求10所述的产品，其特征在于，每两到五秒执行测量通过所述导电薄膜的电流。
14.根据权利要求10所述的产品，其特征在于，进一步包含指令用于仅在电化学机械抛光处理步骤的开始部分期间周期性重复测量电流、计算所述抛光速率、比较所述抛光速率、确定调整电压和施加所述调整电压的步骤，并且在电化学机械抛光处理步骤的后期部分期间不执行上述步骤。
15.根据权利要求10所述的产品，其特征在于，进一步包含指令用于在整个所述电化学机械抛光步骤期间周期性地重复测量电流、计算所述抛光速率、比较所述抛光速率、确定调整电压和施加所述调整电压的步骤。
16.根据权利要求10所述的产品，其特征在于，确定调整电压的指令包括所述电压依照预定量增加或减少电压的指令。
17.根据权利要求10所述的产品，其特征在于，进一步包含确定所述初始电压的指令。
18.根据权利要求17所述的产品，其特征在于，确定所述初始电压的指令包括由所述目标电压计算初始电流，以及由所述初始电流和电流-电压曲线计算所述初始电压。
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