CN1125705C - 用来探测薄膜清除工艺的终点的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
描述了一种用来探测薄膜清除工艺的终点的方法和装置，其中用具有连接到轴的抛光表面的抛光装置来清除薄膜。探测了由抛光表面上的摩擦力引起的扭矩导致的轴的变形。用安装在轴上的传感器，或借助于监测从轴上二个点反射的光信号之间的相位差，来执行此探测。根据轴的变形而产生信号。信号的变化表明扭矩的变化，从而表明薄膜清除工艺的终点。此装置允许实时原位监测和控制薄膜清除工艺。
Description
本发明涉及到半导体工艺，更确切地说是涉及到对另一薄膜上的一个薄膜的清除终点进行探测。
在半导体工业中，选择性地制作和清除下方衬底上的薄膜，是集成电路生产中的关键步骤。典型的工艺步骤涉及到(1)淀积薄膜；(2)用光刻和腐蚀方法对薄膜区域进行图形化；(3)淀积用来填充被腐蚀区域的薄膜；以及(4)用腐蚀或化学机械抛光(CMP)方法整平此结构。
在薄膜清除工艺中，极为重要的是，当正确的薄膜厚度已经被清除时(亦即当到达终点时)，就要停止此工艺。在典型的CMP工艺中，借助于在存在悬浮液的情况下，以受到控制的压力相对于抛光垫旋转晶片(或相对于晶片移动抛光垫，或二者兼有)，薄膜被选择性地从半导体晶片清除。薄膜的过度抛光(清除得太多)使晶片在后续工艺中无法使用，从而导致成品率损失。薄膜的抛光不足(清除得太少)则需要重复CMP工艺，这是烦人且费钱的。有时可能没注意到抛光不足，这也导致成品率损失。
在许多CMP工艺中，必需测量待要清除的层的厚度和各个晶片的抛光速率，以便确定所需的抛光时间。CMP工艺简单地在这一时间内进行，然后就停止。由于许多不同的因素影响着抛光速率，且抛光速率本身也能够在工艺过程中变化，故这一方法远远不能令人满意。
为了在CMP工艺中获得可靠的终点探测，已经建议过大量的其它方法。通常，这些方法各有固有的缺点，例如灵敏度不高、不能提供实时监测、仅仅能够用于某些类型的薄膜、或需要将晶片从工艺装置中移出以测试终点。
Li等人的美国专利5559428描述了一种用感应方法对导电膜进行原位终点探测的方案。对于适用于不导电的膜的原位实时终点探测方案仍然有需求。这种方案还应该具有高的探测灵敏度和快速的响应时间。此外，期望探测装置坚固、价廉且需要的维修少。
一种重要的CMP工艺涉及到清除图形化的二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)膜上的多晶硅膜；在清除多晶硅覆盖层之后，具有部分多晶硅和部分SiO2或Si3N4的表面将被暴露。图1示出了典型的CMP装置10，其中工件100(例如硅晶片)被晶片载体11面朝下固定，并用位于抛光盘13上的抛光垫12进行抛光；工件与悬浮液14接触。用马达16驱动的轴15旋转晶片载体11。图2A是详细图，示出了覆盖有多晶硅层104的图形化的氧化层102。通常，必需将多晶硅目标膜清除到高度105，以便完全暴露氧化物图形，而使氧化层本身基本上原封不动(见图2B)。因此，成功的终点探测方案必需以非常高的灵敏度探测到氧化层的暴露，并在氧化物被暴露之后的几秒钟内自动停止CMP工艺(亦即，当达到终点时，应该不需要操作人员的干预)。而且，终点探测方案应该有效，而不管晶片的图形因子如何(亦即，即使暴露的下方氧化层区域是晶片总面积的一小部分)。
监测和控制CMP工艺的一种广泛使用的方法是监测与(a)抛光垫12的顶表面和(b)悬浮液14和被抛光的表面(例如晶片100的表面)之间的摩擦力的变化相关的马达电流的变化。倘若在下方的层被暴露时，摩擦力有明显的变化，则此方法是令人满意的。但对于许多应用，包括上述的多晶硅抛光工艺，与各层之间的界面相关的摩擦力的变化都太小，以致于无法使马达电流的变化足以成为CMP工艺终点的可靠标志。由于与用来以恒定转速驱动晶片载体的典型的反馈伺服电流相关的马达电流中的大的噪声成分，这一问题更为严重。此外，当到达终点时，小的图形因子(亦即，比之目标层的面积，下方的图形化层的面积相当小)仅仅引起摩擦力的小的变化，限制了有用的信号。
当采用马达电流方法时，借助于改变工艺参数(例如抛光垫上的向下压力以及抛光盘与晶片载体的相对转速)，有时可以获得恰当的信噪比。因此，终点探测的工艺参数的优化危及到CMP工艺的其它方面，从而危及产品晶片的质量。
本发明借助于提供灵敏的实时终点探测方法而论述了对薄膜清除工艺的终点探测和控制的上述需求。确切地说，本发明克服了马达电流监测方法中固有的上述问题。
下面参照半导体晶片的化学机械抛光来描述本发明，这仅仅是作为一个具体的例子，而不意味着将本发明的可应用性限制为半导体工艺技术。本技术领域的熟练人员可以理解，利用具有在清除目标薄膜时经历扭矩变化的轴的装置，本发明可广泛地应用于希望探测覆盖停止膜的目标薄膜的清除终点的任何工艺。根据本发明，借助于探测轴上扭矩引起的轴的变形，并根据轴的变形而产生信号，做到了这一点。
根据本发明的第一情况，轴的变形由直接安装在轴上或埋置在轴中的传感器进行探测。提供了信号探测器；信号从轴发射并在探测器处被接收。信号的变化表明扭矩的变化。此信号能够与工艺终点相关，从而提供实时监测能力和工艺控制。
根据本发明的第二情况，在轴上二个轴向分开的位置，提供了反射部分和不反射部分，激光束被引导到二个位置。当轴旋转时，各个位置处的反射部分瞬时地将激光束引导进入探测器，致使一系列反射的脉冲进入各个探测器。轴的变形引起二个系列脉冲之间的相位变化，这又表明扭矩的变化。然后探测这一变化并理解为工艺终点信号。
本发明的终点探测方法可以包括当终点已经达到时，停止薄膜清除工艺的步骤，从而提供薄膜清除工艺的自动控制。
根据本发明的另一情况，提供了一种用来探测薄膜清除工艺的终点的装置。用具有轴的装置来执行薄膜清除工艺，其中薄膜清除工艺中的摩擦力在轴上引起扭矩。此装置包括：排列在轴上的用来探测轴上的扭矩引起的轴变形的传感器，此传感器根据轴的变形而产生信号；用来接收此信号的探测器；以及向探测器发射信号的发射器。此装置还可以包括当终点已经到达时，用来停止薄膜清除工艺的控制器。
根据本发明的又一情况，为了供具有轴的薄膜清除装置使用，提供了一种用来探测薄膜清除工艺的终点的装置，其中来自薄膜清除工艺的摩擦力在轴上引起扭矩。此终点探测装置包括位于轴上的彼此轴向隔开的第一和第二反射部分；这些部分反射入射光，从而分别产生第一反射信号和第二反射信号。第一探测器和第二探测器分别探测第一和第二反射信号。另一个探测器探测第一反射信号与第二反射信号之间的相位差，并根据相位差产生输出信号。相位差的变化表明轴上扭矩的变化引起的轴变形的变化，从而表明薄膜清除工艺的终点。此装置还可以包括用来处理输出信号以便获得薄膜清除工艺的控制信号的信号处理器以及用来根据控制信号而控制薄膜清除工艺的控制器。
图1是可以有利地应用本发明的典型化学机械抛光(CMP)装置的一般视图。
图2A示出了多晶硅和二氧化硅薄膜的安排，其中待要用CMP执行薄膜清除。
图2B示出了图2A的薄膜安排的CMP工艺的所希望的结果。
图3是扭矩引入的轴变形的示意图。
图4示出了根据本发明第一实施例的使用应变计监测CMP工艺终点的装置。
图5是处理和利用根据本发明第一实施例的终点信号的信号处理装置的示意图。
图6示出了根据本发明第二实施例的使用轴变形光学测量来监测CMP工艺终点的装置。
图7是处理和利用根据本发明第二实施例的终点信号的信号处理装置的示意图。
图8A示出了在CMP工艺过程中采集的表明工艺终点的信号的例子。
图8B示出了图8A的信号的时间导数。
下面参照图形化二氧化硅膜上的多晶硅膜的清除，来描述本发明的细节。
根据本发明，在存在悬浮液14的情况下，用直接监测载轴15的变形来监测晶片100的表面与抛光垫12之间的摩擦力的变化。在抛光工艺中，驱动晶片载体11的轴15，可以经历扭矩、弯曲、拉力和张力的变化。如图3示意地所示，轴上的扭矩(例如由于沿方向31的马达16的旋转与沿方向32的摩擦力相反而造成的)将引起轴变形。变形的程度取决于轴的直径，直径越小的轴更容易变形。可以以合理的价格用极高的灵敏度测量到这一变形。
第一实施例：应变计测量
图4示出了根据本发明第一实施例的用来监测CMP工艺终点的装置。CMP工艺对目标薄膜(例如图2A所示的多晶硅薄膜104)进行清除。当与下方的薄膜或图形的界面被暴露时(例如，如图2B所示，当多晶硅膜104被减少到高度105，从而暴露图形化的氧化层102时)，就到达了工艺的终点。于是发生被抛光的表面与悬浮液和抛光垫之间的摩擦力的明显变化。在多晶硅抛光工艺的情况下，当抛光组合的多晶硅/氧化层时，与单独抛光多晶硅层时相比，有不同大小的摩擦力。摩擦力的这一变化导致轴15经受的扭矩发生变化。扭矩的变化引起键合在(或埋置在)轴中的应变计201测得的轴变形的变化。应变计201被连接到将信号203播送到探测器210的发射器202。应变计201可以从Measurement Group，Inc.得到，而相关的遥测系统可以从BinsfeldCo.，ATI Corp.和WDC Corp.得到。已经发现这一装置提供了可接受的信噪比，而常规的滑动环型发射器提供不了。
信号203表明轴15的变形所引起的应变，它又被直接联系到轴经受的扭矩。因此，这一装置产生的信号表明了抛光垫12与悬浮液14和晶片100之间的摩擦力的变化。而且，此信号是原位实时产生的。
可以得到各种各样的合适的应变计。已经发现金属箔应变计适合于大多数应用。若希望灵敏度更高，则可以采用半导体应变计；这些应变计通常具有100倍于金属箔应变计的计量灵敏度。
图5示意地示出了用来对应变计遥测信号203进行译码并获得有用的工艺终点信号的装置。探测器210将被编码的信号输入到信号译码器211；被译码的信号然后被馈入信号调节器212。信号调节器212具有电压或电流形式的输出220，此输出然后被馈入数据采集系统213执行数字信号处理。数字输出221则被输入到用来控制CMP工艺的控制单元250。控制单元250包括执行以信号221为输入的算法的计算机；根据此算法，计算机分析信号形状与时间的函数关系，从而确定工艺终点。终点信号251可以被有利地反馈到抛光装置10，以便自动地停止工艺。
上述的装置能够探测到0.2微应变水平的扭矩变化。这对于探测抛光工艺中的界面变化是足够灵敏的了。
第二实施例：光学测量
图6示出了本发明的第二实施例，其中借助于监测二个光学信号之间的相位差而探测轴15上的扭矩变化。
二个图形化的环41和42被安装在轴15上；各个环具有交替的反射部分411和不反射部分412。作为变通，轴15可以制造成使反射部分和不反射部分成为其一个整体部分。用常规光学装置45，把来自激光器44的光分裂成二束410和420。光束410和420分别入射到环41和42。反射束430和440被附加的光学元件53和54重新平行校准，并被二个分立的光探测器61和62探测。当轴15旋转时，二个环上被不反射部分412隔断的接连的反射部分411，将光反射回到光探测器。因此，一系列光脉冲进入各个探测器。轴15的变形引起二个环沿旋转方向彼此相对位移。这又引起探测到的光信号彼此相对相移。因此，被探测器61探测到的脉冲系列与被探测器62探测到的脉冲系列之间的相位关系的变化，表明了轴15形变的变化，这又表明了轴经受的扭矩的变化。
如图7示意地所示，用双信道锁定放大器来实现反射光束430和440的与相位敏感的探测。来自二个探测器61和62的输出71和72，被馈入锁定放大器701。锁定放大器701的输出711对应于探测器信号71和72之间的相位差；输出711被馈入信号调节器702。与第一实施例的装置相似，信号调节器702具有电压或电流形式的输出712，它然后被馈入数据采集系统703，执行数字信号处理。数字输出713然后被输入到用来控制CMP工艺的控制单元704。控制单元704包括执行以信号713为输入的算法的计算机；根据此算法，计算机分析信号形状与时间的函数关系，从而确定工艺终点。如在第一实施例中那样，终点信号714可以被有利地反馈到抛光装置10，以便自动地停止工艺。
应该指出的是，在本实施例中，没有传感器固定在轴上；所有的机械敏感元件都远离抛光装置的运动部分。由于这一终点探测方案的基础是光学的而不是机械的，故信号耦合被极大地简化，从而大大降低了相关的耦合噪声，使信噪比好于第一实施例。
例子
图8A示出了探测到的多晶硅抛光工艺中获取的扭矩信号的例子。信号的尖锐变化表明已经到达层之间的界面。
应该指出的是，与预定扭矩数值相反，这一装置根据扭矩的变化而探测终点。轴上的扭矩的实际数值在不同的抛光工艺中可以变化，致使无法固定表明终点扭矩的具体数值。因此，如图8B所示，计算扭矩信号的时间导数，并用此导数的峰值来表明工艺终点是方便的。
可以理解的是，可以借助于根据与薄膜的清除相关的摩擦力的变化而监测晶片载轴经受的扭矩的变化，来探测覆盖另一薄膜的任何薄膜的清除终点。在上述的具体实施例中，抛光垫12和抛光盘13已经被示为旋转。但可以理解，倘若轴经受薄膜清除工艺中固有的摩擦力引起的扭矩，就不一定非要如此。
根据本发明，已经公开了利用(1)键合在轴上的应变计或(2)用来产生一系列光脉冲的轴上的反射部分和不反射部分，来高灵敏地探测轴经受的摩擦力引入的扭矩变化的方法和装置。用这些方法和装置，可以在马达电流没有可觉察的变化的情况下，观察到与薄膜界面的暴露相关的清晰的信号变化。因此，本发明的方法和装置能够大幅度改善工艺监测和控制，特别是当薄膜界面处仅仅有微小的摩擦力变化时更是如此。因此提供了CMP薄膜清除工艺的灵敏的实时终点探测和控制。
虽然根据具体实施例描述了本发明，但对于本技术领域熟练人员来说，考虑到上述的描述，显然可以做出各种各样的改变、修正和变化。因此，本发明被认为包罗了所有这些在本发明的范围与构思以及下列权利要求中的改变、修正和变化。
Claims (32)
1.一种用来探测薄膜清除工艺的终点的方法，其中的薄膜清除工艺采用具有轴的薄膜清除装置，且此薄膜清除工艺在轴上引起扭矩，此方法包含下列步骤：
探测扭矩引起的轴的变形；以及
根据轴的变形而产生信号，
其中信号的变化表明扭矩的变化，从而表明薄膜清除工艺的终点。
2.根据权利要求1的方法，还包含下列步骤：
对信号进行处理，以获得薄膜清除工艺的控制信号；以及
根据控制信号而控制薄膜清除工艺。
3.根据权利要求1的方法，其中利用薄膜清除工艺中的摩擦力在轴上引起扭矩，此方法还包含下列步骤：
在轴上提供传感器，以探测轴的变形并根据轴的变形而从传感器产生信号；
提供用来接收此信号的探测器；
将信号发射到探测器；以及
在探测器处接收信号。
4.根据权利要求3的方法，还包含下列步骤：
对信号进行处理，以获得薄膜清除工艺的控制信号；以及
根据控制信号而控制薄膜清除工艺。
5.根据权利要求4的方法，其中所述处理步骤还包含分析信号形状与时间的函数关系。
6.根据权利要求4的方法，还包含当已经到达终点时，停止薄膜清除工艺的步骤。
7.根据权利要求3的方法，其中的薄膜清除工艺包含化学机械抛光。
8.根据权利要求7的方法，其中的轴旋转，且待抛光薄膜与轴连接。
9.根据权利要求3的方法，其中的发射用遥测器件执行。
10.一种用来探测薄膜清除工艺的终点的装置，其中的薄膜清除工艺采用具有轴的薄膜清除装置，且此薄膜清除工艺在轴上引起扭矩，此装置包含：
用来探测扭矩引起的轴的变形的探测器；以及
用来根据轴的变形而产生信号的信号发生器，
其中信号的变化表明扭矩的变化，从而表明薄膜清除工艺的终点。
11.根据权利要求10的装置，还包含：
用来对信号进行处理，以获得薄膜清除工艺的控制信号的信号处理器；以及
用来根据控制信号而控制薄膜清除工艺的控制器。
12.根据权利要求10的装置，其中利用薄膜清除工艺中的摩擦力在轴上引起扭矩，此装置还包含：
位于轴上的传感器，用以探测轴上的扭矩引起的轴变形，此传感器根据轴的变形而产生信号，并提供给所述探测器；以及
将信号发射到探测器的发射器。
13.根据权利要求12的装置，还包含：
用来对信号进行处理，以获得薄膜清除工艺的控制信号的信号处理器；以及
用来根据控制信号而控制薄膜清除工艺的控制器。
14.根据权利要求13的装置，其中的信号处理器包含用来分析信号与时间的函数关系的分析器。
15.根据权利要求13的装置，其中当已经到达终点时，控制器停止薄膜清除工艺。
16.根据权利要求12的装置，其中的薄膜清除工艺包含化学机械抛光。
17.根据权利要求16的装置，其中的轴旋转，且待抛光薄膜与轴连接。
18.根据权利要求12的装置，其中的发射器包含遥测器件。
19.一种用来探测薄膜清除工艺的终点的方法，所述工艺采用具有轴的薄膜清除装置，其中薄膜清除工艺中的摩擦力在轴上引起扭矩，此方法包含下列步骤：
在轴上提供第一反射部分和第二反射部分，第二反射部分与第一反射部分轴向隔开；
使光从所述第一反射部分和第二反射部分反射，从而分别产生第一反射信号和第二反射信号；
探测所述第一反射信号和所述第二反射信号之间的相位差；以及
根据相位差产生输出信号，
其中输出信号的变化表明扭矩变化引起的轴形变的变化，从而表明薄膜清除工艺的终点。
20.根据权利要求19的方法，还包含下列步骤：
对输出信号进行处理，以获得薄膜清除工艺的控制信号；以及
根据控制信号而控制薄膜清除工艺。
21.根据权利要求20的方法，其中所述处理步骤还包含分析信号形状与时间的函数关系。
22.根据权利要求20的方法，还包含当已经到达终点时，停止薄膜清除工艺的步骤。
23.根据权利要求19的方法，其中的薄膜清除工艺包含化学机械抛光。
24.根据权利要求23的方法，其中的轴旋转，且待抛光薄膜与轴连接。
25.根据权利要求19的方法，其中所述探测相位差的步骤，用双信道锁定放大器执行。
26.一种用来探测薄膜清除工艺的终点的装置，所述工艺采用具有轴的薄膜清除装置，其中薄膜清除工艺中的摩擦力在轴上引起扭矩，此装置包含：
位于轴上的第一反射部分和第二反射部分，第二反射部分与第一反射部分轴向隔开，以便对入射在第一反射部分和第二反射部分上的光进行反射，从而分别产生第一反射信号和第二反射信号；
用来探测第一反射信号的第一探测器；
用来探测第二反射信号的第二探测器；以及
用来探测第一反射信号与第二反射信号之间的相位差以及用来根据相位差而产生输出信号的探测器，其中相位差的变化表明轴上的扭矩变化引起的轴形变的变化，从而表明薄膜清除工艺的终点。
27.根据权利要求26的装置，还包含：
对输出信号进行处理，以获得薄膜清除工艺的控制信号的信号处理器；以及
用来根据控制信号而控制薄膜清除工艺的控制器。
28.根据权利要求27的装置，其中的信号处理器包括用来分析信号与时间的函数关系的分析器。
29.根据权利要求27的装置，其中当已经到达终点时，控制器停止薄膜清除工艺。
30.根据权利要求26的装置，其中的薄膜清除工艺包含化学机械抛光。
31.根据权利要求30的装置，其中的轴旋转，且待抛光薄膜与轴连接。
32.根据权利要求26的装置，其中用来探测相位差的探测器包含双信道锁定放大器。
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