CN103978421A - 化学机械抛光终点侦测装置及方法 - Google Patents

化学机械抛光终点侦测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种化学机械抛光终点侦测装置及方法，该终点侦测装置至少包括：用于探测晶圆研磨表面温度变化的红外探测器，其中，所述晶圆至少包括基底层和位于基底层上的待抛光层，所述待抛光层与基底层具有不同的导热系数；与所述红外探测器电连接的数据处理分析系统，处理分析红外探测器输出温度的变化，获得一温度梯度随时间变化的曲线，根据该曲线判断晶圆抛光终点。本发明提供的化学机械抛光终点侦测装置通过数据处理分析系统处理红外探测器输出的温度信息后，获得晶圆抛光表面的温度梯度随时间的变化曲线，这样可方便的从获得的曲线中判断出化学机械抛光的终点。

Description

化学机械抛光终点侦测装置及方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种化学机械抛光终点侦测装置及方法。
背景技术
随着半导体器件特征尺寸的减小，如果晶片表面出现过大的起伏，那么后续的一系列的工艺对线宽的控制将会变得越来越困难。因此，在半导体工艺流程中，化学机械抛光（ChemicalMechanical Polishing，CMP）是非常重要的一道工序，有时也称之为化学机械平坦化（ChemicalMechanical Planarization，CMP）。所谓化学机械抛光，它是采用化学与机械综合作用从半导体硅片上去除多余材料，并使其获得平坦表面的工艺过程。
具体来说，这种抛光方法通常是将待抛光的晶圆1A由抛光头2A夹持，并将其以一定压力压于一高速旋转的抛光垫3A上，并在包含有化学抛光剂和研磨颗粒的抛光液4A的作用下通过抛光垫3A与晶片1A的相互摩擦达到平坦化的目的，如图1所示为传统的抛光机台示意图。一般来说，化学机械抛光过程中通常会用到抛光垫修整器5A来修理抛光垫3A，避免抛光垫3A上的研磨液4A硬化刮伤晶圆，另外还会有一个终点侦测装置，用于侦测晶圆表面抛光的终点，即判断抛光处理是否完成，如图1所示箭头指示处为抛光平板中安装终点侦测装置的位置。
对于化学机械抛光研磨终点的侦测，现有技术中有的是利用抛光平台6B中涡流传感器7B来检测研磨终点，如图2所示，这种方法是通过磁场在晶圆1B表面的金属层11B中感应出涡流，并探测金属层11B被去除时磁通量产生的变化，而磁通量的变化又可导致主线圈中电流的变化，并且根据所测的数据可以适时调整施加在晶圆1B上的压力。使晶圆1B达到更好的抛光表面。由此可见，线圈中电流的变化反映了金属层1B厚度的变化，根据线圈中电流的变化可判断出金属层11B的厚度，进而确定研磨终点。但是在抛光金属层11B的过程中，金属层11B的厚度将会变得很薄甚至没有，而磁场也会因受到干扰等原因无法满足较好的终点监测条件。
另外，还有利用光束入射不同厚度的薄膜后其反射强度不同来判断研磨终点，如图3所示，在抛光垫3C内设有一透明窗口31C，当进行化学机械抛光制程时，固定于抛光平台6C中的激光光源8C可发射出一激光光束，该激光光束通过反射片的引导经透明窗口31C入射到晶圆1C需要抛光的金属层11C，随后光束从晶圆表面反射被光学检测器9C所接收，系统通过光学检测器9C所接收到的光束的强度来判断抛光的终点。这种方法的入射或反射的激光光束在途中可能会遭到一些其他物质如研磨颗粒或污染物的影响而发生散射，导致强度会发生变化，这样的话终点侦测的结果将会受到干扰而造成误判。
因此，如何更准确的判断化学机械抛光的终点是本领域技术人员需要解决的课题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种化学机械抛光终点侦测装置及方法，用于解决现有技术中抛光终点侦测装置判断不够准确的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种终点侦测装置，其至少包括：
用于探测晶圆抛光过程中表面温度变化的红外探测器，其中，所述晶圆至少包括基底层和位于基底层上的待抛光层，所述待抛光层与基底层具有不同的导热系数；
与所述红外探测器电连接的数据处理分析系统，处理分析红外探测器输出温度的变化，获得一温度梯度随时间变化的曲线，根据该曲线判断晶圆抛光终点。
优选地，所述红外探测器在垂直方向上正对着所述待抛光层。
本发明的另一目的是提供一种化学机械抛光系统，该系统至少包括：
抛光平台；
用于抛光晶圆的抛光垫，其覆盖于所述抛光平台上，其中，所述晶圆至少包括基底层和位于基底层上的待抛光层，所述待抛光层与基底层具有不同的导热系数；
用于固定晶圆的抛光头，设于所述抛光垫上；
用于探测晶圆抛光过程中表面温度变化的红外探测器，其设于所述抛光平台中，所述红外探测器通过探测晶圆表面的红外辐射获得晶圆表面温度的变化；
与所述红外探测器电连接的数据处理分析系统，处理分析红外探测器输出温度的变化，获得一温度梯度随时间变化的曲线，根据该曲线判断晶圆抛光终点。
优选地，所述抛光平台设有一用于容置所述红外探测器的空腔。
优选地，所述抛光垫中设置有与所述空腔相对应的透明窗口。
优选地，所述待抛光层与抛光垫接触，当抛光待抛光层后露出基底层。
优选地，所述衬底层为二氧化硅，所述待研磨层为金属层，所述金属层为铝或铜等。
优选地，所述化学机械抛光系统还包括一与所述数据处理分析系统和抛光头连接的控制系统，根据所述温度梯度随时间变化的曲线调整抛光头施加在晶圆上的压力分布，以便晶圆表面抛光更加均匀。
本发明的又一目的是提供一种终点侦测方法，该终点侦测方法至少包括步骤：
1）先利用红外探测器探测晶圆抛光过程中表面温度变化；
2）获取晶圆抛光过程中表面温度梯度随时间变化的曲线；
3）最后根据所述的温度梯度随时间变化的曲线判断抛光的终点。
优选地，所述温度梯度随时间变化的曲线从上升再到平稳，该上升到平稳的拐点处即为抛光的终点。
本发明还提供一种化学机械抛光系统的抛光方法，该抛光方法至少包括以下步骤：
1）将抛光头置于抛光垫上，使晶圆和抛光垫相接触，其中，所述晶圆至少包括基底层和位于基底层上的待抛光层，所述待抛光层与基底层具有不同的导热系数；
2）对所述晶圆进行化学机械抛光制程；
3）利用红外探测器对晶圆表面红外辐射进行探测，获得晶圆表面的温度变化信息，进而从数据处理分析系统获取晶圆抛光表面温度梯度随时间变化的曲线；
4）根据所述的温度梯度随时间变化的曲线判断抛光终点，结束化学机械抛光制程。
优选地，晶圆与抛光垫中的透明窗口相接触。
优选地，所述步骤4）之前还包括步骤：控制系统响应于温度梯度随时间变化的曲线来调整所述抛光头施加在晶圆上的压力分布，以便晶圆表面抛光更加均匀。
优选地，所述温度梯度随时间变化的曲线从上升再到平稳，该上升到平稳的拐点处即为抛光的终点。
如上所述，本发明的化学机械抛光终点侦测装置及方法，具有以下有益效果：通过在抛光平台中安装一红外探测器，用来探测抛光时晶圆表面的温度变化，该红外探测器与一数据处理分析系统相连，由数据处理分析系统获得表示抛光晶圆表面温度变化的温度梯度随时间变化的曲线，从该曲线中即可判断抛光终点。本发明的侦测方法简单易操作，可方便的从温度梯度曲线中判断出抛光的终点，适用于工业化生产。
附图说明
图1显示为传统的抛光机台示意图。
图2显示为传统的通过涡流传感器侦测抛光终点的装置示意图。
图3显示为传统的通过入射光侦测抛光终点的装置示意图。
图4显示为本发明的化学机械抛光终点侦测装置示意图。
图5~7显示为利用本发明的终点侦测装置侦测晶圆抛光终点的原理示意图。
图8显示为晶圆抛光过程中表面的温度变化曲线图。
图9显示为获得的温度梯度曲线随时间变化曲线图。
元件标号说明
1,1A,1B,1C                  晶圆
11B,11C                     金属层
11’                        待抛光层
12’                        基底层
2,2A                        抛光头
3,3A,3C                     抛光垫
31,31C                      透明窗口
4A                          抛光液
5A                          抛光垫修整器
6,6A,6B,6C                  抛光平台
61                          空腔
7B                          涡流传感器
8C                          激光光源
9C                          光学检测器
10                          红外探测器
11                          数据处理分析系统
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种终点侦测装置，该侦测装置至少包括：红外探测器和数据处理分析系统。
所述红外探测器用于探测晶圆抛光时表面的温度变化，在抛光过程中，晶圆的表面由于高速旋转产生摩擦，其表面温度会持续升高，根绝工艺参数的不同，温度甚至可达到50℃以上。其中，需要进行抛光的晶圆至少包括基底层和位于基底层上的待抛光层，所述待抛光层与基底层具有不同的导热系数。优选地，所述红外探测器在垂直方向上正对着所述待抛光层，以便红外探测器更准确地探测到晶圆抛光时温度变化。
所述数据处理分析系统与所述红外探测器电性连接，用于处理分析所述红外探测器输出的温度的变化，获得一温度梯度随时间变化的曲线，根据该曲线判断晶圆抛光的终点。所述温度梯度是指每单位长度上温度的变化。某个方向上温度梯度越大，说明温度变化越剧烈；反之温度变化越缓慢；温度梯度为零，则说明温度处处相等，无梯度。由于所述晶圆的待抛光层与基底层具有不同的导热系数，因此，在抛光过程中晶圆表面的温度梯度是变化的，通过这种变化，进而判断抛光的终点。
本发明还提供一种化学机械抛光系统，如图4所示，该化学机械抛光系统中具有上述提供的终点侦测装置，所述化学机械抛光系统至少包括：抛光平台6、抛光垫3、抛光头2、红外探测器10和数据处理分析系统11。
所述抛光平台6是可旋转的抛光工作台，其旋转方向与晶圆1的旋转方向相反，使覆盖在抛光平台上的抛光垫3与晶圆1表面产生摩擦。
所述抛光垫3覆盖在抛光平台6上，用于抛光晶圆1。所述抛光垫3可以是双层结构抛光垫，上层为硬质抛光垫，与抛光液一起抛光置于其上的晶圆1；下层为软质抛光垫，可作为抛光平台6和抛光垫3的界面。其中，需要进行抛光工艺的晶圆1至少包括基底层和位于基底层上的待抛光层，所述待抛光层与基底层具有不同的导热系数。进一步地，所述待抛光层与抛光垫3直接接触，当抛光待抛光层后露出基底层。更进一步地，所述基底层为二氧化硅，所述待研磨层为金属层，所述金属层为铝或铜。
所述抛光头2设于所述抛光垫3上，用于固定晶圆1。所述抛光垫3通过驱动轴连接到旋转马达上，这样抛光垫便可带动晶圆沿着某一方向旋转。
另外，所述红外探测器10设于所述抛光平台6中，用于探测晶圆1抛光过程中表面温度的变化。晶圆1表面与抛光垫3的高速相对运动，表面温度升高，而任何绝对零度以上的物体都会辐射红外线，因此，所述红外探测10器通过探测晶圆1表面的红外辐射获得晶圆1表面温度的变化信息。作为本发明的一种优化的结构，所述抛光平台6中先设置有一空腔61，用于容纳所述红外探测器10。进一步地，为了使红外探测器10更好的接收到晶圆1辐射的红外线，所述抛光垫3中设置有与所述空腔相对应的透明窗口31。
该化学机械抛光系统还包括一数据处理分析系统11，其与红外探测器10电性连接，通过处理分析红外探测器10输出温度的变化，获得一晶圆1表面温度梯度随时间变化的曲线，根据该曲线判断晶圆的抛光终点。
此外，为了使晶圆1表面抛光更加均匀，该系统包括一控制系统（未予以图示），该控制系统分别与所述数据处理分析系统11和抛光头2连接，根据数据处理分析系统获得的晶圆1表面温度梯度随时间变化的曲线可以调整抛光头2施加在晶圆1上的压力分布。
本发明再提供一种终点侦测方法，该方法至少包括以下步骤：
（1）先利用红外探测器10探测晶圆1抛光过程中的表面温度变化；
（2）获取晶圆1表面温度梯度随时间变化的曲线；
（3）最后根据所述的温度梯度随时间变化的曲线判断抛光的终点。
先利用红外探测器10对晶圆1表面辐射的红外线的侦测来获得晶圆1抛光过程中的表面温度变化，在用数据处理分析系统11对红外探测器10输出信息的分析来获得晶圆1表面温度梯度随时间变化的曲线，所述温度梯度随时间变化的曲线从上升再到平稳，该上升到平稳的拐点处即为抛光的终点。
本发明另外再提供一种化学机械抛光方法，该方法至少包括以下步骤：
（1）将抛光头2置于抛光垫3上，使晶圆1和抛光垫3相接触，其中，所述晶圆1至少包括基底层和位于基底层上的待抛光层，所述待抛光层与基底层具有不同的导热系数。
所述待抛光层与抛光垫3直接接触，当抛光待抛光层后露出基底层。优选地，所述晶圆1与抛光垫3中的透明窗口31相接触。集成电路制造过程中，抛光介质层上的金属层是常见的工艺步骤，因此，所述基底层为二氧化硅，所述待研磨层为金属层，所述金属层为铝或铜。本实施例中，基底层为二氧化硅，金属层为铜。其中，铜的导热系数为401W/m·k，二氧化硅的导热系数为27W/m·k。
（2）对所述晶圆1进行化学机械抛光制程。
此步骤包括在抛光垫3与所述晶圆1的待抛光层接触的同时旋转抛光垫3。所述抛光垫3上可以同时进行多片晶圆1的抛光工艺，其中，每一个抛光头2带动一片晶圆1。
（3）利用红外探测器10对晶圆1表面红外辐射进行探测，获得晶圆1表面的温度变化信息，进而从数据处理分析系统11获取晶圆1抛光表面温度梯度随时间变化的曲线。
如图8所示为晶圆表面温度变化的曲线。晶圆1刚开始研磨时，由于表面的全为待抛光层11’金属铜，如图5，其导热性较好，随着抛光的进行，晶圆1表面温度随时间稳定上升，但是温度是处处相等的；到抛光中期时，部分金属被去除，露出部分基底层12’二氧化硅，如图6，此时导热性能开始下降，温度上升缓慢，温度的均匀性也变差，存在温度差。在抛光结束前，金属被全部去除，如图7，导热性能由二氧化硅决定，导致温度均匀性较差，但是温度差比较稳定。抛光结束后会有清洗冷却的步骤，晶圆1的温度会降低。
（4）根据所述的温度梯度随时间变化的曲线判断抛光终点，结束化学机械抛光制程。
如图9所示为晶圆表面温度梯度随时间的变化曲线，所述温度梯度随时间变化的曲线从上升再到平稳，该上升到平稳的拐点处即为抛光的终点。
当晶圆1表面全为金属时，温度处处相等，无梯度，曲线中刚开始呈温度梯度等于零的情况，随着金属的去除，由于二氧化硅导热性差，所以温度梯度会越来越大，曲线上升，当金属全部去除只剩二氧化硅时，温度梯度达到最大，再之后温度梯度将保持不变，因此，曲线从温度梯度上升至最大到之后平稳不变的拐点处即为抛光的终点，换句话说，此拐点处金属刚好被全部抛除。
优选地，所述步骤4）之前还包括步骤：控制系统响应于温度梯度随时间变化的曲线来调整所述抛光头施加在晶圆上的压力分布，以便晶圆表面抛光更加均匀。
综上所述，本发明提供一种化学机械抛光终点侦测装置及方法，通过在抛光平台中安装一红外探测器，用来探测抛光时晶圆表面的温度变化，该红外探测器与一数据处理分析系统相连，由数据处理分析系统获得表示抛光晶圆表面温度变化的温度梯度随时间变化的曲线，从该曲线中即可判断抛光终点。本发明的侦测方法简单易操作，可方便的从温度梯度曲线中判断出抛光的终点，适用于工业化生产。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种终点侦测装置，其特征在于，所述终点侦测装置至少包括：
用于探测晶圆抛光过程中表面温度变化的红外探测器，其中，所述晶圆至少包括基底层和位于基底层上的待抛光层，所述待抛光层与基底层具有不同的导热系数；
与所述红外探测器电连接的数据处理分析系统，处理分析红外探测器输出温度的变化，获得一温度梯度随时间变化的曲线，根据该曲线判断晶圆抛光终点。
2.根据权利要求1所述的终点侦测装置，其特征在于：所述红外探测器在垂直方向上正对着所述待抛光层。
3.一种化学机械抛光系统，其特征在于，所述抛光系统至少包括：
抛光平台；
用于抛光晶圆的抛光垫，其覆盖于所述抛光平台上，其中，所述晶圆至少包括基底层和位于基底层上的待抛光层，所述待抛光层与基底层具有不同的导热系数；
用于固定晶圆的抛光头，设于所述抛光垫上；
用于探测晶圆抛光过程中表面温度变化的红外探测器，其设于所述抛光平台中，所述红外探测器通过探测晶圆表面的红外辐射获得晶圆表面温度的变化；
与所述红外探测器电连接的数据处理分析系统，处理分析红外探测器输出温度的变化，获得一温度梯度随时间变化的曲线，根据该曲线判断晶圆抛光终点。
4.根据权利要求3所述的化学机械抛光系统，其特征在于：所述抛光平台设有一用于容置所述红外探测器的空腔。
5.根据权利要求4所述的化学机械抛光系统，其特征在于：所述抛光垫中设置有与所述空腔相对应的透明窗口。
6.根据权利要求3所述的化学机械抛光系统，其特征在于：所述待抛光层与抛光垫接触，当抛光待抛光层后露出基底层。
7.根据权利要求6所述的化学机械抛光系统，其特征在于：所述基底层为二氧化硅，所述待研磨层为金属层，所述金属层为铝或铜。
8.根据权利要求3所述的化学机械抛光系统，其特征在于：所述化学机械抛光系统还包括一与所述数据处理分析系统和抛光头连接的控制系统，根据所述温度梯度随时间变化的曲线调整抛光头施加在晶圆上的压力分布，以便晶圆表面抛光更加均匀。
9.一种终点侦测方法，其特征在于，所述侦测方法至少包括步骤：
1）先利用红外探测器探测晶圆抛光过程中的表面温度变化；
2）获取晶圆表面温度梯度随时间变化的曲线；
3）最后根据所述的温度梯度随时间变化的曲线判断抛光的终点。
10.根据权利要求9所述的化学机械抛光系统的抛光方法，其特征在于：所述温度梯度随时间变化的曲线从上升再到平稳，该上升到平稳的拐点处即为抛光的终点。
11.一种化学机械抛光系统的抛光方法，其特征在于，所述抛光方法至少包括：
1）将抛光头置于抛光垫上，使晶圆和抛光垫相接触，其中，所述晶圆至少包括基底层和位于基底层上的待抛光层，所述待抛光层与基底层具有不同的导热系数；
2）对所述晶圆进行化学机械抛光制程；
3）利用红外探测器对晶圆表面红外辐射进行探测，获得晶圆表面的温度变化信息，进而从数据处理分析系统获取晶圆抛光表面温度梯度随时间变化的曲线；
4）根据所述的温度梯度随时间变化的曲线判断抛光终点，结束化学机械抛光制程。
12.根据权利要求11所述的化学机械抛光系统的抛光方法，其特征在于：晶圆与抛光垫中的透明窗口相接触。
13.根据权利要求11所述的化学机械抛光系统的抛光方法，其特征在于：所述步骤4）之前还包括步骤：控制系统响应于温度梯度随时间变化的曲线来调整所述抛光头施加在晶圆上的压力分布，以便晶圆表面抛光更加均匀。
14.根据权利要求11所述的化学机械抛光系统的抛光方法，其特征在于：所述温度梯度随时间变化的曲线从上升再到平稳，该上升到平稳的拐点处即为抛光的终点。
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