CN104647194B - 用于具有荧光检测的化学机械平坦化的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于具有荧光检测的化学机械平坦化的系统和方法。提供了用于对物品实施化学机械平坦化的系统和方法。一种用于对物品实施化学机械平坦化的示例性系统包括：配置为对物品实施化学机械平坦化(CMP)的抛光头；配置为支撑该物品的抛光垫；配置为发出入射光的光源；包括能够响应入射光而生成荧光的多个发射体粒子的抛光液；配置为检测荧光的荧光检测器；以及配置为基于检测到的荧光来控制抛光头的至少一个处理器。
Description
技术领域
本发明描述的技术总体涉及材料处理，并且更具体地，涉及平坦化。
背景技术
通常通过多种工艺(例如，化学机械平坦化(CMP)、蚀刻等)来制造半导体器件。CMP工艺通常将化学力和机械力结合使用来使晶圆的表面平坦化。单纯进行机械研磨会造成许多表面损伤，而单纯进行湿蚀刻不能实现良好的平坦化。CMP工艺同时包括机械研磨和湿蚀刻以在晶圆上生成平滑的表面，并且为后续工艺(例如，光刻)制备晶圆。例如，CMP工艺用于避免光刻过程中的焦深问题。
发明内容
根据本发明描述的技术，提供了对物品实施化学机械平坦化的系统和方法。一种对物品实施化学机械平坦化的示例性系统包括抛光头、荧光源、抛光液、抛光垫、荧光检测器以及一个或多个处理器。抛光头被配置为对物品实施化学机械平坦化(CMP)。抛光垫被配置为支撑物品。荧光源被配置为发出入射光。抛光液被配置为实施CMP，该抛光液包括多个能够响应入射光而生成荧光的发射体粒子。荧光检测器被配置为检测荧光。一个或多个处理器被配置为基于检测到的荧光来控制抛光头。
在一个实施例中，提供了一种用于对物品实施化学机械平坦化的方法。提供了入射光。使用抛光液来对物品实施化学机械平坦化(CMP)，该抛光液包括多个能够响应入射光而生成荧光的发射体粒子。检测荧光。响应于荧光，化学机械平坦化停止。
根据本发明的一方面提供了一种用于对物品实施化学机械平坦化的系统，包括：抛光头，配置为对所述物品实施所述化学机械平坦化(CMP)；抛光垫，配置为支撑所述物品；光源，配置为发出入射光；抛光液，包括能够响应所述入射光而发出荧光的多个发射体粒子；荧光检测器，配置为检测所述荧光；以及至少一个处理器，配置为基于检测到的荧光来控制所述抛光头。
在该系统中，所述抛光液还包括多个附着于所述发射体粒子的表面活性剂粒子，其中，所述表面活性剂粒子能够从所述发射体粒子处分离。
在该系统中，所述物品包括CMP停止材料，当所述CMP停止材料暴露于所述抛光液时，所述表面活性剂粒子从所述发射体粒子处分离以附着于所述物品的所述CMP停止材料。
在该系统中，当所述表面活性剂粒子附着于所述发射体粒子时，所述荧光被检测到具有第一强度，而当所述表面活性剂粒子从所述发射体粒子处分离时，所述荧光被检测到具有第二强度。
在该系统中，所述至少一个处理器配置为基于检测到的所述荧光的强度来控制所述抛光头。
在该系统中，所述至少一个处理器配置为在所述荧光被检测到具有所述第二强度时控制所述抛光头以停止所述CMP。
在该系统中，所述CMP停止材料包括氮化钛和氮化硅中的至少一种。
在该系统中，所述CMP停止材料形成所述物品中的CMP停止层。
在该系统中，所述表面活性剂粒子包括含有羟基和羧基中的至少一种的有机物分子。
在该系统中，所述发射体粒子包括CdS、CdSe、ZnS、ZnSe、ZnTe、InAs、InN、InP、GaN、GaP、GaAs、蓝铜矿以及蓝宝石中的至少一种。
在该系统中，所述抛光液还包括一种或多种研磨材料。
根据本发明的另一方面提供了一种用于实施化学机械平坦化的方法，所述方法包括：提供入射光；使用抛光液来对物品实施所述化学机械抛光(CMP)，所述抛光液包括多个能够响应所述入射光而发出荧光的发射体粒子；检测所述荧光；响应于检测到的所述荧光来调节所述CMP的实施。
在该方法中，所述抛光液还包括多个附着于所述发射体粒子的表面活性剂粒子，其中，所述表面活性剂粒子能够从所述发射体粒子处分离。
在该方法中，所述物品包括CMP停止材料，当所述CMP停止材料暴露于所述抛光液时，所述表面活性剂粒子从所述发射体粒子处分离以附着于所述物品的所述CMP停止材料。
在该方法中，当所述表面活性剂粒子附着于所述发射体粒子时，所述荧光被检测到具有第一强度，而当所述表面活性剂粒子从所述发射体粒子处分离时，所述荧光被检测到具有第二强度。
在该方法中，基于检测到的所述荧光的强度来调节所述CMP的实施。
在该方法中，当所述荧光被检测到具有所述第二强度时，停止所述CMP的实施。
在该方法中，所述CMP停止材料包括氮化钛和氮化硅中的至少一种。
在该方法中，所述CMP停止材料形成所述物品中的CMP停止层。
在该方法中，所述物品用于制造至少一个半导体器件。
附图说明
图1(a)至图1(c)示出了正在经历CMP工艺和蚀刻工艺的晶圆的示例性示意图。
图2示出了在CMP工艺和蚀刻工艺之后的晶圆的侧视图的示例性示意图。
图3(a)至图3(b)示出了具有荧光检测的CMP系统的示例性示意图。
图4和图5示出了在如图3(a)和图3(b)所示的CMP系统中使用的包括发射体粒子和表面活性剂粒子的抛光液的示例性示意图。
图6示出了荧光强度随着抛光液中表面活性剂粒子的浓度而改变的示例性示意图。
图7(a)至图7(c)示出了正在经历CMP系统中的CMP工艺和蚀刻工艺的晶圆的示例性示意图。
图8示出了在CMP工艺和蚀刻工艺之后的晶圆的侧视图的示例性示意图。
图9示出了用于对物品实施化学机械平坦化的示例性流程图。
具体实施方式
常规的CMP技术具有一些劣势。例如，难以精确控制何时停止CMP工艺。在半导体器件制造中，通常将薄材料层(例如，氮化钛和氮化硅)用作CMP工艺的CMP停止层和CMP工艺之后的蚀刻工艺的蚀刻硬掩模。当去除了CMP停止层上形成的一个或多个材料层并露出CMP停止层(例如，氮化钛和氮化硅)时，应该停止CMP工艺。如果CMP工艺没有及时停止，那么可能将薄CMP停止层去除并且使其不能用作蚀刻硬掩模。CMP停止层下方的材料层在后续的蚀刻工艺中将不能受到保护。
图1(a)至图1(c)示出了正在经历CMP工艺和蚀刻工艺的晶圆的示例性示意图。如图1(a)所示，晶圆100包括在覆盖介电层106(例如，栅极氧化物)的CMP停止层104(例如，氮化物层)上形成的一个或多个材料层102。将CMP工艺应用于晶圆100以进行平坦化。如图1(b)所示，如果CMP工艺在CMP停止层104露出时没有停止，则去除了位于介电层106顶部上的CMP停止层104并且也去除了介电层106的一部分。然后，如图1(c)所示，当晶圆100经历蚀刻工艺时，在没有CMP停止层104保护的情况下，蚀刻掉了介电层106的至少一部分。
图2示出了在CMP工艺和蚀刻工艺之后的晶圆100的侧视图的示例性示意图。如图2所示，因为CMP工艺在CMP停止层104(例如，氮化物层)露出时没有停止，所以蚀刻掉了介电层106的一部分。例如，因此严重减小了介电层106的最终高度。
本发明描述了用于利用荧光检测来实施CMP工艺的系统和方法，以便CMP工艺在CMP停止层(例如，氮化物)露出时停止，从而在CMP工艺期间减小对CMP停止层的去除。
图3(a)和图3(b)示出了利用荧光检测的CMP系统的示例性示意图。如图3(a)和图3(b)所示，CMP系统包括抛光头302、抛光垫304、压板306以及荧光检测器308。抛光垫304中的一个或多个小窗口310允许入射光312穿过并落在包括CMP停止层(例如，氮化物层)的晶圆314上，并允许荧光316穿透到达荧光检测器308。在CMP工艺期间，当CMP停止层露出时，荧光316的强度受到影响。荧光检测器308配置成检测荧光316的强度变化，以便在去除了CMP停止层上形成的一个或多个材料层之后，CMP工艺在露出CMP停止层时停止。例如，使用对入射光312和荧光316近似透明的一种或多种材料来制造窗口310。在一些实施例中，第一窗口用于允许入射光312穿透，而第二窗口用于允许荧光316穿透。这两个窗口由分别对入射光312和荧光316近似透明的不同材料进行制造。
在一些实施例中，CMP系统300还包括生成入射光312的光源318、抛光头旋转控制器320以及包括一个或多个处理器(未示出)的计算机322。例如，抛光头旋转控制器320配置成控制抛光头302的旋转和振荡以使晶圆314与抛光垫304接触，抛光垫304(例如，连同压板306)在将要进行平坦化的晶圆表面的平面内移动。计算机322配置成控制光源318和/或荧光检测器308。例如，计算机322将荧光316的检测强度与预定的阈值进行比较，如果荧光316的检测强度小于预定的阈值，则会致使抛光头旋转控制器320停止抛光头302。在某些实施例中，抛光垫304由软性材料和硬性材料(例如，多孔聚合物材料)堆叠制成。
图4和图5示出了在CMP系统300中使用的包括发射体粒子和表面活性剂粒子的抛光液的示例性示意图。抛光液402包括具有磨蚀作用和腐蚀性的化学浆体(例如，胶质)。例如，如图4所示，抛光液402包括：一种或多种研磨材料404；能够响应入射光312生成荧光316的多个发射体粒子406；以及能够影响荧光316的强度的多个表面活性剂粒子408。晶圆314包括位于衬底410上的多层。一个或多个材料层412在CMP停止层414(例如，氮化物层)上形成，CMP停止层414在介电层416(例如，栅极氧化物)上形成。例如，CMP停止层414包括氮化物层(例如，氮化硅、氮化钛)并且不会响应入射光312而生成荧光。
具体地，在CMP工艺开始时，表面活性剂粒子408附着至一个或多个发射体粒子406并且荧光316具有高强度。随着CMP工艺的继续，去除了在CMP停止层414上形成的材料层412，并且露出了CMP停止层414的至少一部分。表面活性剂粒子408开始附着至CMP停止层414。例如，之前附着至发射体粒子406的表面活性剂粒子408从发射体粒子406分离并移动至CMP停止层414的表面。因此，荧光316的强度开始减弱。如图5所示，当大部分表面活性剂粒子408附着至CMP停止层414时，荧光316具有非常低的强度。荧光检测器308检测到荧光316强度上的这种变化，因此当荧光316的强度降低至低于阈值时，CMP工艺停止。例如，研磨材料404包括二氧化硅。
图6示出了荧光316的强度随着抛光液402中的表面活性剂粒子408的浓度而变化的示例性示意图。当表面活性剂粒子408开始附着至CMP停止层414时，抛光液402中的表面活性剂粒子408的浓度开始降低。如图6所示，当抛光液402中的表面活性剂粒子408的浓度朝着量级602降低时，荧光强度急剧减弱。例如，荧光强度阈值被设置为2×104(a.u.)，并且当荧光316的强度变为低于所设阈值时，CMP工艺停止。
图7(a)至图7(c)示出了正在经历CMP系统300中的CMP工艺和蚀刻工艺的晶圆314的示例性示意图。如图7(a)所示，晶圆314包括在覆盖介电层416(例如，栅极氧化物)的CMP停止层414(例如，氮化物层)上形成的材料层412。在如图3至图5所示的具有荧光检测的CMP系统300中，将CMP工艺应用于晶圆314。因为使用了荧光检测来检测CMP停止层414的露出，所以提高了确定CMP工艺的结束点的准确性。如图7(b)所示，CMP工艺在CMP停止层414露出时停止，并保护了位于CMP停止层414下方的介电层416。如图7(c)所示，随后通过蚀刻工艺和/或某些其他工艺去除了CMP停止层414。
图8示出了在CMP工艺和蚀刻工艺之后的晶圆314的侧视图的示例性示意图。如图8所示，因为CMP工艺在CMP停止层414(例如，氮化物层)露出时停止，所以展现出了深蚀刻深度，并且没有严重降低介电层416最终高度。
图9示出了对物品实施化学机械平坦化的示例性流程图。在步骤902中，使用抛光液来开始对物品的化学机械平坦化以露出包含在该物品内的停止层。抛光液包括多个发射体粒子和多个表面活性剂粒子。发射体粒子能够响应入射光而生成荧光。表面活性剂粒子能够附着至停止层来影响荧光强度。在步骤904中，响应于荧光强度变得比阈值更小，停止化学机械平坦化。
例如，发射体粒子包括某些Ⅱ族至Ⅵ族的半导体材料，例如，CdS、CdSe、ZnS、ZnSe、ZnTe或其他适合的Ⅱ族至Ⅵ族材料。在另一实例中，发射体粒子包括某些Ⅲ族至Ⅴ族的半导体材料，例如，InAs、InN、InP、GaN、GaP、GaAs或其他适合的Ⅲ族至Ⅴ族半导体材料。在一些实施例中，发射体粒子包括某些染色材料，例如，蓝铜矿、蓝宝石或其他适合的染色材料。在某些实施例中，发射体粒子包括某些传导荧光的聚合物材料。在一些实施例中，表面活性剂粒子包括某些功能基团，例如，羟基、羧基或其他适合的功能基。
本书面描述采用实例来揭示本公开的实施例(包括最优方式)，并且还使本领域的技术人员能够制造和使用本发明的各个实施例。本发明可授予专利的范围可包括本领域的技术人员可以想到的其他实例。相关领域的技术人员将意识到，在不需一个或多个具体细节或者利用其他替换和/或额外的方法、材料或部件的情况下，可实行各个实施例。此外，本领域的技术人员将想到对附图所示各种部件的各种等效组合和替代。
为了避免使本发明的各个实施例的各方面模糊，可以不必详细示出或描述公知的结构、材料或操作。附图中示出的各个实施例是说明性的示例性表征，因此不需要按照比例绘制。在一个或多个实施例中，可以任何适合的方式来组合特定的部件、结构、材料或特性。本发明可在各个实例中重复参考数字和/或字母，但是这种重复是出于简化和清楚的目的，因此其自身并不表明所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。在其他实施例中，可包括各个附加层和/或结构，和/或略去所述的部件。例如，本发明所述的特定层可包括多个不必物理连接或电连接的部件。可将各种操作以最有助于理解本发明的方式按序描述为多个独立的操作。然而，描述的顺序不应被解读为暗指这些操作必须是顺序相关的。具体地，不必按照描述的顺序来实施这些操作。可按照不同于所述实施例的顺序，串行或并行地实施本发明所述的操作。可实施和/或描述各种附加的操作。在附加实施例中，可略去一些操作。
本书面描述和以下的权利要求可包括各种术语(诸如，顶部、在…上、在…上方以及在…下方等)，这些术语仅用于描述的目的，但不应解读为限制。可在多个位置和方向上来制造、使用或装运本发明所述器件或物品的实施例。例如，标明相对垂直位置的术语可指衬底或集成电路的器件侧面(或有效表面)是衬底的“顶”面的位置；实际上衬底可处于任何方位使得在标准地面参照系中，衬底的“顶”侧可低于“底”侧，但是仍然可以包括在术语“顶部”的含义内。除非明确表述，此处(包括权利要求)所用的术语“在…上”可不必表明在第二层/结构上的第一层/结构直接位于第二层/结构上或上方并且与其直接接触；在第一层/结构和第二层/结构之间可有一个或多个第三层/结构。除非明确表述，此处(包括权利要求)所用的术语“在…下”可以不用表明在第二层/结构下的第一层/结构直接位于第二层/结构上方并且与其直接接触；在第一层/结构和第二层/结构之间可有一个或多个第三层/结构。此处(包括权利要求)所用的术语“衬底”可指代包含一种或多种半导体材料的任何结构，包括但不限于块状半导体材料，诸如，半导体晶圆(单独地或者与位于其上的其他材料组装)和半导体材料层(单独地或者与位于其上的其他材料组装)。
Claims (18)
1.一种用于对物品实施化学机械平坦化的系统，包括：
抛光头，配置为对所述物品实施所述化学机械平坦化(CMP)；
抛光垫，配置为支撑所述物品；
光源，配置为发出入射光；
抛光液，包括能够响应所述入射光而发出荧光的多个发射体粒子；
荧光检测器，配置为检测所述荧光；以及
至少一个处理器，配置为基于检测到的荧光来控制所述抛光头；
其中，所述抛光液还包括多个附着于所述发射体粒子的表面活性剂粒子，其中，所述表面活性剂粒子能够从所述发射体粒子处分离。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述物品包括化学机械平坦化停止材料，当所述化学机械平坦化停止材料暴露于所述抛光液时，所述表面活性剂粒子从所述发射体粒子处分离以附着于所述物品的所述化学机械平坦化停止材料。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，当所述表面活性剂粒子附着于所述发射体粒子时，所述荧光被检测到具有第一强度，而当所述表面活性剂粒子从所述发射体粒子处分离时，所述荧光被检测到具有第二强度。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述至少一个处理器配置为基于检测到的所述荧光的强度来控制所述抛光头。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述至少一个处理器配置为在所述荧光被检测到具有所述第二强度时控制所述抛光头以停止所述化学机械平坦化。
6.根据权利要求2所述的系统，其中，所述化学机械平坦化停止材料包括氮化钛和氮化硅中的至少一种。
7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述化学机械平坦化停止材料形成所述物品中的化学机械平坦化停止层。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述表面活性剂粒子包括含有羟基和羧基中的至少一种的有机物分子。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发射体粒子包括CdS、CdSe、ZnS、ZnSe、ZnTe、InAs、InN、InP、GaN、GaP、GaAs、蓝铜矿以及蓝宝石中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述抛光液还包括一种或多种研磨材料。
11.一种用于实施化学机械平坦化的方法，所述方法包括：
提供入射光；
使用抛光液来对物品实施所述化学机械平坦化(CMP)，所述抛光液包括多个能够响应所述入射光而发出荧光的发射体粒子；
检测所述荧光；
响应于检测到的所述荧光来调节所述化学机械平坦化的实施；
其中，所述抛光液还包括多个附着于所述发射体粒子的表面活性剂粒子，其中，所述表面活性剂粒子能够从所述发射体粒子处分离。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述物品包括化学机械平坦化停止材料，当所述化学机械平坦化停止材料暴露于所述抛光液时，所述表面活性剂粒子从所述发射体粒子处分离以附着于所述物品的所述化学机械平坦化停止材料。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，当所述表面活性剂粒子附着于所述发射体粒子时，所述荧光被检测到具有第一强度，而当所述表面活性剂粒子从所述发射体粒子处分离时，所述荧光被检测到具有第二强度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，基于检测到的所述荧光的强度来调节所述化学机械平坦化的实施。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，当所述荧光被检测到具有所述第二强度时，停止所述化学机械平坦化的实施。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述化学机械平坦化停止材料包括氮化钛和氮化硅中的至少一种。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述化学机械平坦化停止材料形成所述物品中的化学机械平坦化停止层。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述物品用于制造至少一个半导体器件。
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