CN101432616A - 判定光谱中铜浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在化学机械抛光期间减去非电介质(例如，铜)对衬底光谱的贡献的方法。尤其公开一种在抛光衬底时通过使用表面的宽带反射光谱而光学判定衬底上包括非电介质材料的区域的量以及判定覆盖在衬底的表面上金属(诸如铜)溶度的方法。该方法涉及当邻近区域由金属覆盖时通过来自电介质区域的反射所得到的光谱干涉图案而可靠地判定终点，其中，金属强烈反射涉及的全波长范围并且倾向于将反射光谱从邻近电介质区域遮蔽。

Description

判定光谱中铜浓度的方法

技术领域

本发明涉及一种化学机械抛光。

背景技术

一般是通过在硅晶片上依次沉积导体层、半导体层或绝缘层而在衬底上形成集成电路。一个制造步骤包括沉积填充层至非平坦面上并将填充层平坦化。就某些应用而言，将填充层平坦化直到露出图案化层的顶面为止。举例来说，可将导体填充层沉积在图案化的绝缘层上，以填充绝缘层中的沟槽或孔。平坦化之后，留在绝缘层的凸起图案之间的导体层部分构成过孔、插塞(plug)和线路，以做为衬底上薄膜电路之间的传导路径。就诸如氧化物抛光等其它应用而言，将填充层平坦化直到非平坦面上的填充层留下预定厚度为止。此外，光刻通常需要平坦化衬底表面。

化学机械抛光(chemical mechanical polishing；CMP)是一中可接受的平坦化方法。此平坦化法通常需将衬底安装在载具或抛光头上。通常将衬底的曝露面抵靠着旋转抛光垫或带状抛光垫。抛光垫可是标准垫或固定磨料垫。标准垫具有耐用的粗糙表面，而固定磨料垫具有被固持在媒介物中的多数抛光颗粒。载头提供可控制的负载给衬底，并将其推靠在抛光垫上。一般提供抛光浆液(slurry)至抛光垫表面。抛光浆液包括至少一化学反应剂；若使用标准垫标则还包括抛光颗粒。

CMP的一个难题在于判断抛光处理是否完成，即是否已将衬底层平坦化成期望的平坦度或厚度、或者何时移除期望数量的材料。过度抛光(overpolish)(移除太多)导体层或薄膜会增加电路阻抗。另一方面，抛光不足(underpolish)(移除太少)导体层会导致短路。衬底层的起始厚度、抛光浆液成分、抛光垫状况、抛光垫与衬底之间的相对速度、和衬底上的负载中的变化将造成材料移除速率的变化。这些变化将使得达到抛光终点所需时间的不同。因此，不能只根据抛光时间的函数来判断抛光终点。

发明内容

在此提出判定铜对反射光测量光谱的贡献程度的方法。此方法可使用归一化的交互相关曲线(cross-correlation curve)来判断铜的贡献。藉此可直接测量铜反射所产生的信号比例。然后减去测量光谱中铜光谱所占的比例，以得到非铜材料产生的光谱。

在此所述的方法和系统包括一或多个以下优点。铜CMP一般为多重步骤的处理，其中最后步骤包括将电介质材料减薄到期望的厚度。虽然已有选择此最后步骤的终点的方法，但经改良的终点法更可严加控制抛光精准度和衬底规格。如此可得到更平坦、更精确的抛光衬底，且再现性更佳、生产率更高。

由于可从每一光谱获得一定数量的信息，已发现宽波光谱(例如，白光光谱)有用于终点判断。再者，白光光谱终点判断技术可用来侦测阻挡材料转换成氧化物的过渡期及为从衬底上移除预定数量的氧化物提供可靠的方法。使用白光光谱的困难点在于，当只想取得电介质材料的反射时，衬底露出铜的区域仍会影响光谱。铜的反射很强且不会被电介质的反射遮蔽。另一问题则在于，衬底上的铜结构并不规则且非同质，因此给定测量光谱中的铜信号大小不一。强烈的铜反射加上任何测量光谱中的铜信号大小不一，导致难以监测阻挡材料区域和氧化物区域。自测量光谱中移去铜的信号可更可靠地执行终点法。

本说明书所指的“衬底”包括诸如产品衬底(如含有多个内存或处理器管芯)、测试衬底、裸衬底(bare substrate)和栅极衬底(gate substrate)。衬底可处于集成电路制造的任一阶段，例如其包括一个或多个沉积层及/或图案化层。“衬底”一词可包括圆盘和方板。

本发明的一个或多个实施例将参照所附图式详述于下。本发明的其它特征、目的、和优点在参阅说明书、附图与权利要求书后将变得更清楚易懂。

附图说明

图1为沉积铜之后的部分衬底的截面图。

图2为抛光处理之后，部分衬底的截面图。

图3示出压板上的衬底。

图4示出从部分衬底表面反射的光。

图5、6及7分别例示铜、电介质材料及阻挡材料的光谱图。

图8示出与100％铜之光谱相关的关系曲线。

图9示出不同抛光处理阶段的电介质材料光谱。

图10示出整个抛光过程中测量光谱与参考光谱的差别，用以判断抛光终点。

图11为光谱匹配法的曲线图。

图12示出在减去铜之前，整个抛光过程中测量光谱与参考光谱的差别。

图13及14示出在减去铜之后，整个抛光过程中测量光谱与参考光谱的差别。

各图中同样的组件符号代表类似的组件。

具体实施方式

具有原位(in-situ)监测模块的抛光系统可用来监测衬底抛光情形，以于作业中(on the fly)或实时(real time)获得抛光资料及判断抛光终点。美国专利申请公开2007-0224915描述此类抛光系统和原位监测模块，其通过引用而结合于此。抛光时，监测模块得到自衬底表面反射的光谱。接着比较该光谱与数据库，藉以判断何时达到终点。

参照图1，其为沉积铜之后部分衬底的截面图，示出硅衬底10上具有下面结构层15、电介质层20、阻挡层25、和铜层30。电介质层20中的凹陷部位35填满铜而构成线路、接垫、和其它传导性特征。如第2图所示，衬底可经一个或多个步骤抛光处理。第一抛光步骤(步骤A)为平坦化铜层30。第二抛光步骤(步骤B)为清除铜线35外部之上阻挡层25上方的铜层30。第三抛光步骤(步骤C)为移除铜线35外部的阻挡层25及移除部分电介质层20。可额外进行抛光步骤。另外，例如可在不同的抛光系统压板上分别进行抛光步骤，或者可在单一压板上合并进行二个或多个步骤。

进行步骤C时，光谱式终点法可用来判断终点。选择期望的电介质层厚度，且在抛光期间，比较实时获得的光谱与抛光光谱数据库内的光谱来判断抛光终点。其潜在的困难点之一在于收集衬底表面的光谱。

当衬底旋转并移动越过抛光表面时，收集光谱。参照图3，一些抛光系统转动压板上的抛光垫55，而终点侦测系统固接至压板，如此传感器会移动越过衬底50。接着在预定时距及/或间隔内取得衬底50的位置60的光谱，例如约7毫秒(ms)和5-10毫米(mm)。每一光谱为光从测量点(可横跨数毫米)反射的结果。

要精准控制从衬底50的某一位置取得光谱并不容易。如图2所示，除了其它特征外，衬底50尚具有铜线35和电介质层20。铜线35反射的光强度比电介质层20反射的光强度强，且二者光谱分布不同。依据美国专利申请公开2007-0224915所述的终点判断法，可利用电介质区域的光谱来判断终点。然而，铜反射会造成光谱严重失真。任何从铜的反射将扭曲光谱，以致终点判断的原始状态不稳定。

参照图4，除了会扭曲光谱外，因无法控制取得与铜线和电介质区域相关的光谱的位置，故铜反射量迥然不同且每次测量结果不一样。此尤其是起因于缺乏精密机动编码器和衬底在承载头上滑动、或是光束扫过衬底的路径未通过每个晶粒的同一位置。一部分光束可照射仅具电介质的区域70，另一部分光束则可从兼具电介质与铜的衬底区域75、80反射(虽然图中只显示从一个铜线反射，但测量点可包括许多线路或其它铜质特征)。包括电介质与铜的区域75、80可含有不同比例的电介质。衬底上各区域的特征密度可彼此不同。尽管某些如内存的集成电路类型包括大范围的规则金属特征，然其它如处理器的集成电路类型呈现不均一的特征分布。因此，即使各区域70、75、80的电介质层厚度相同，呈现的光谱仍将不同。

然而，这些光谱可用来判断抛光终点。光谱可从其取得的原始格式转换成仅显示从无铜区域获得光谱的修改版本。可判定取得原始光谱的区域所含的铜比例，然后减去铜对光谱的贡献影响。

如图5、6及7所示，光谱中铜的反射比预料将增加电介质或氧化物的反射比、或增加阻挡层的反射比(假设已知铜的贡献比例)。参照图5，其显示纯铜层的光谱、纯阻挡层的光谱、以及铜与阻挡层的组合物的光谱。铜反射比在整个波长范围高于阻挡层反射比。在图6中，氧化物亦呈类似现象。铜与氧化物的混合物产生的光谱具有介于二光谱间的反射比值。参照图7，当铜的比例从100％降至50％、10％及0％时，大于5410埃之波长的反射比随之下降。

若光谱分别与纯铜或100％铜的光谱相关联，且将结果归一化(normalize)；在零迟滞量(zero-lag)下，10％铜的光谱归一化成0.1，50％铜的光谱归一化成0.5。其它比例的铜亦具相似结果。参照图8，其显示在渐增迟滞量(下列方程式的τ)下，与100％铜的光谱相关联的0％、10％、50％、和100％铜的光谱。光谱的起始点92、94、96、98代表各光谱在零迟滞量下的相关性，即比较曲线时，不需沿着x轴位移任一曲线。随着曲线往图右方移动，迟滞量将增加，而相关性将降低。

为判定光谱中的铜浓度(即，铜对光谱的贡献比例，此受控于监测表面所含的铜比例)，利用以下曲线比较方程式可得到零迟滞量下与纯铜光谱相关的光谱：

$\mathrm{Corr}(g,h)=\begin{array}{c}\∞\\ -\∞\end{array}\∫g(\mathrm{\λ}+\mathrm{\τ})h\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

g(λ)为诸如纯铜光谱等曲线之一，h(λ)为测量光谱，dλ表示在所有波长(λ)范围进行积分。

接着，归一化零迟滞量下测量光谱的相关性，以得到介于0至100％间的浓度。此可利用下列方程式达成：

$f_{\mathrm{Cu}}=\frac{\mathrm{Corr}\left(\mathrm{measured\; spectrum}\right)-\mathrm{Corr}\left(\mathrm{non\; Cu}\right)}{\mathrm{Corr}\left(\mathrm{pure\; Cu}\right)-\mathrm{Corr}\left(\mathrm{non\; Cu}\right)}$

其中Corr(measured spectrum)为先前计算的Corr(g，h)，Corr(non Cu)代表图8的起始点98的值，Corr(pure Cu)代表起始点92的值。常数Corr(non Cu)和Corr(pure Cu)可轻易凭经验判定且适合不同衬底图案。这些常数不需很精准，采用近似值即可使铜减去法大幅改善终点迹线的信杂比。

判定了铜浓度后，减去测量光谱中铜的贡献。假设铜光谱与非铜光谱为线性迭加，且依据面积比例或浓度加权各光谱。减去法可采用以下方程式：

M(λ)＝(1-f_Cu)·O(λ)+f_Cu·C(λ)

其中M(λ)为测量光谱，f_Cu(从0.0至1.0)为铜的比例，O(λ)为非铜光谱，而C(λ)为铜光谱。解答非铜光谱后可得下列方程式：

$O\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{[M\left(\mathrm{\λ}\right)-f_{\mathrm{Cu}}\·C\left(\mathrm{\λ}\right)]}{(1-f_{\mathrm{Cu}})}$

示例

利用抛光期间自衬底反射之白光光谱来判定抛光终点的方法有两种。第一种方法称为判断终点的差异法。第二种方法在此是指判断终点的光谱指数匹配法。两种方法均进一步说明于美国专利申请公开2007-0224915。

采行任一方法皆可凭经验或根据理论取得抛光光谱的数据库。参照图9，数据库可包括一个抛光程序的光谱，其始于得自具厚氧化层(厚度在此为8200埃)的衬底的光谱110，且包括贯穿整个抛光程序直到过度抛光衬底(厚度在此为1300埃)的光谱120、130、140、150、160。图中仅显示抛光程序的特定光谱，具体而言为压板转速(Rev.)为1、12、24、36、48、60的光谱。

其它层的光谱也可取得并存到数据库，例如阻挡层的光谱。阻挡层光谱可用来判断何时已清除阻挡层。

就差异法而言，光谱乃选择对应抛光处理的衬底具有期望终点氧化物厚度。例如，若预定氧化物厚度为2200埃且转速为48，则选择光谱150当作参考光谱。当然也可依需求选择其它终点和参考光谱。

抛光衬底时将自各层移除不同的材料，例如铜、阻挡材料和氧化物。抛光期间取得的光谱通常反映任一时间的一或多个材料状况。故此方法除了判定氧化物厚度外，还可判断何时已经移除衬底上诸如阻挡层等特定材料。

比较抛光处理的衬底的光谱与参考光谱150。相比后，二光谱间的差别可以下式表示：

$D=\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}{(R_m\left(\mathrm{\λ}\right)-R_r\left(\mathrm{\λ}\right))}^2$

其中Rm为测量光谱，Rr为参考光谱。简述之，经平方及加总后可判定出二光谱于各波长的差别。

参照图10，其绘制平方差的总和与压板转速而产生渐近零的正弦曲线。当差最接近零时，此处称为终点。

另一判定终点的方法为光谱匹配法，包括指定参考光谱的光谱编号。获得抛光时的光谱后，比对光谱与数据库，以判定最匹配测量光谱的光谱编号。匹配数目按时间或压板转速绘制；线与参考光谱编号相交处称为终点。参照图11，其为光谱匹配法的实施例，显示一个符合光谱匹配结果的线。匹配数目按时间绘制。当线与参考光谱编号相交时，即判定于时间点180达到终点。

再次参考判断终点的差异法，图10的差值通常无法从原始光谱获得。此乃因为铜的高度反射会随意增添至光谱中。参照图12，使用一般包括氧化物反射与铜反射的原始光谱将产生难以判断终点的图形。图12显示抛光期间的两种不同衬底的差别。需注意图10与图12的差异。图10的正弦曲线很容易辨认，但图12的正弦曲线很难判别。抛光移除阻挡层后，光谱中阻挡层反射的贡献一般为微不足道而可忽略。

参照图13及14，其示出三种晶片在移除铜的贡献后的差别，其平滑曲线并显示如何判断终点。减去噪声很多的铜曲线210、220、230及利用平顺曲线技术可产生随着时间或压板转速趋近于零的曲线212、222、232。

尽管上述方法是以铜为例，然其亦可应用于其它非电介质材料，例如覆盖诸如阻挡层(例如氮化物)、硅或金属氮化物等下电介质层的金属(例如钨)。

虽然铜减去法和终点技术是以判断终点的差异法为例，但此方法同样可应用到所述的光谱匹配法。

抛光处理衬底的抛光工具可包括或可电性连接能进行上述方法来判定抛光终点的处理器。判定抛光终点后，控制器可利用该终点发出信号通知抛光工具停止抛光。

本发明的实施例和说明书所述的所有功能运作的实施例可采用数字电子电路、或计算机软件、韧体或硬件，包括本说明书提及的结构装置和其结构均等物、或其组合物。本发明的实施例可实施到一个或多个计算机程序产品，即一个或多个实体收录于信息载体(如机器可读取的储存装置或传播信号)的计算机程序，用以执行或控制数据处理设备的运作，例如可程序化处理器、计算机、或多元处理器或计算机。计算机程序(亦已知为程序、软件、软件应用、或编码)可以任一包括编译或解译语言的程序语言编写，其并可配置成任一型式，包括独立程序或模块、组件、子程序、或其它适合计算环境的单元。计算机程序不一定要对应于档案。程序可储存在含有其它程序或资料的档案、提问程序专用的档案、或多重坐标档案(例如储存一或多个模块、子程序或部分编码的档案)。计算机程序可配置供单一计算机或多个位于网点或遍及多个网点且由通信网络相连的计算机执行。

一个或多个执行一个或多个计算机程序的可程序化处理器可藉由运算输入资料及产生输出而进行说明书所述的处理和逻辑流程。诸如现场可程序化门阵列(field programmable gate array；FPGA)或特定功能集成电路(application specific integrated circuit；ASIC)等具特殊用途的逻辑电路也可用来进行处理和逻辑流程。

上述抛光设备和方法可应用到各种抛光系统。抛光垫或承载头、或二者可于抛光表面与衬底之间相对移动。例如，压板可绕行而非旋转。抛光垫可为固接压板的圆形垫(或具其它形状)。终点侦测系统的某些态样可应用于线性抛光系统，例如抛光垫为连续式或线性移动的盘式带状抛光垫。抛光层可为标准抛光材料(例如含或不含填料之聚胺甲酸酯)、软性材料、或固定抛光材料。在此描述相对位置关系；应理解抛光表面与衬底可呈垂直或其它方位。虽然在此为叙述减去光谱中铜的贡献，但也可以类似方式移去衬底上诸如阻挡材料等其它元素的反射。故其它实施例亦不脱离后附权利要求书所界定之保护范围。

Claims (20)

1.一种判定衬底上包括非电介质材料的区域的量的方法，该方法至少包含：

取得来自所述衬底的表面的反射光的测量光谱；

使所述测量光谱与来自非电介质材料的反射光的参考光谱彼此关联，以得到相关性；以及

将所述相关性归一化，以获得所述区域的所述非电介质材料的浓度。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述非电介质材料为金属。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述非电介质材料为铜。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述表面包括所述非电介质材料的区域和电介质材料的区域。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述电介质材料为阻挡层。

6.如权利要求1所述的方法，其中使所述测量光谱与来自是所述非电介质材料的反射光的所述参考光谱彼此关联的步骤包括将所述测量光谱来自100％所述非电介质材料的反射光的光谱彼此关联。

7.如权利要求1所述的方法，其中取得所述测量光谱是在抛光该衬底时进行。

8.如权利要求7所述的方法，其中取得所述测量光谱包括引导光束至所述衬底的所述表面、以及接收所述光束的反射。

9.如权利要求8所述的方法，其中取得所述测量光谱是在所述衬底相对所述光束移动时进行。

10.一种将从含有电介质材料与非电介质材料的衬底的区域的光谱转换成只具该电介质材料的光谱的方法，该方法至少包含：

取得来自所述衬底的表面的反射光的测量光谱；

使所述测量光谱与来自非电介质材料的反射光的参考光谱彼此关联，以得到相关性；

将所述相关性归一化，以获得所述区域的所述非电介质材料的浓度；以及

减去该测量光谱中的非电介质贡献。

11.如权利要求10所述的方法，其中减去所述非电介质贡献包括将所述参考光谱乘以所述非电介质材料的所述浓度而获得缩减参考光谱，以及从所述测量光谱中减去所述缩减参考光谱而获得电介质元素光谱。

12.如权利要求11所述的方法，其还包将所述电介质元素光谱除以所述非电介质材料的所述浓度，藉以判定电介质材料光谱。

13.一种判定抛光终点的方法，该方法至少包含：

在抛光程序期间，得到测量光谱；

取得来自衬底的表面的反射光的测量光谱；

使该测量光谱与来自非电介质材料的反射光的参考光谱彼此关联，以得到相关性；

将所述相关性归一化，以获得区域的所述非电介质材料的浓度；

判定电介质材料光谱，包括减去所述测量光谱中的非电介质贡献；以及

比较所述电介质材料光谱和参考光谱，以判断抛光终点。

14.如权利要求13所述的方法，其中取得所述测量光谱是在所述衬底相对于用来接收该测量光谱的传感器移动时进行。

15.如权利要求13所述的方法，其中所述衬底为半导体衬底，所述非电介质材料为铜，且所述电介质材料为氧化物。

16.如权利要求13所述的方法，还包含在所述抛光终点时停止抛光程序。

17.一种实体储存于机器可读取介质的计算机程序产品，所述计算机程序产品包含多个运作指令，使处理器执行：

接收来自衬底的表面上一个区域的反射光的测量光谱；

使所述测量光谱与来自非电介质材料的反射光的参考光谱彼此关联，以得到一相关性；以及

将所述相关性归一化，以获得所述区域的所述非电介质材料的浓度。

18.如权利要求17所述的计算机程序产品，还包含多个指令，用以减去所述测量光谱中的非电介质贡献。

19.如权利要求18所述的计算机程序产品，其中用以减去所述非电介质贡献的指令包括若干个指令，用以将所述参考光谱乘以所述非电介质材料的浓度而获得缩减参考光谱，以及从所述测量光谱中减去所述缩减参考光谱而获得电介质元素光谱。

20.如权利要求19所述的计算机程序产品，还包含指令，用以将所述电介质元素光谱除以所述非电介质材料的浓度，藉以判定电介质材料光谱。

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