CN1910011B - 使用原位修整制程的化学机械平面化制程控制 - Google Patents

Abstract

一种用于提供CMP系统中的制程控制的系统和方法，其使用用于修整晶片研磨垫的真空辅助设备，从而来自修整制程的流出物(即晶片碎屑、研磨浆、化学或其它副产物)从废流中转移开，而引入分析模块，进行进一步的处理。所述分析模块用于确定所述流出物内的至少一个参数，且基于分析来产生制程控制信号。所述制程控制信号然后反馈到平面化制程，以允许多种参数例如研磨浆的成分、温度、流速等的控制。所述控制信号还可用于控制制程和/或确定所述平面化制程自身的终点。

Description

使用原位修整制程的化学机械平面化制程控制

相关申请的相互参照

本申请要求于2004年1月26日提交的美国临时申请号60/539,163的利益。

技术领域

本发明涉及化学机械平面化(CMP)，尤其涉及自CMP修整制程(conditioning process)的流出物的分析，其用于控制平面化制程和提供终点检测。

背景技术

电子业继续依赖半导体制造技术的进步来实现较高功能的器件，同时改善其可靠性和成本。对于许多应用，这样的器件的制造是复杂的，且保持成本效率制造过程同时保持或改善生产质量是难于实现的。由于对器件性能和成本的要求变得更苛求，因此实现成功的制造过程变得更困难。

实际上，随着电路集成水平的提高，需要在起始硅晶片上形成更多的层。多层的使用导致与表面非平面化有关的问题，这影响了生产和芯片性能。实际上，现在最重要的处理步骤之一涉及恢复每层形成间晶片的平面，以及在最后的晶片结构切成分离式部件之前“平面化/研磨”其。在此平面化制程期间，必须给予高度的注意，这是因为到执行最后的平面化制程时，已经投资了大量的时间和资金来将晶片从均匀的硅板变成复杂的电路。

在过去的大约几十年里，称作化学机械平面化(CMP)的制程发展成用于平面化晶片表面的优选技术。CMP涉及使用附加到研磨桌的研磨垫，具有的分离支持器(holder)用于使硅晶片相对旋转的研磨垫“面向下”。包含研磨颗粒和化学添加剂的研磨浆分配在研磨垫的表面上，且用于小心地从晶片表面去除不平整的事物。研磨颗粒提供平面化制程的“机械”方面，而特定的化学添加剂用于从晶片表面选择性地氧化或蚀刻非平面材料。当晶片的表面层例如是电介体时，氢氧化钾或另外的盐基氧化剂可用作化学添加剂。当晶片的表面层包括铜(如下面进一步所述，金属CMP变得更加普遍)时，化学添加剂可包括过氧化氢。在任一情况下，研磨浆中研磨颗粒和一化学添加剂(若干化学添加剂)的组合当其相对于研磨垫运动时，导致使晶片表面平面化。

CMP制程所涉及的一方面为随时间的推移，研磨垫所发生的变化。即，如果没有定期清洁，那么该垫的表面开始积聚研磨制程的废研磨浆研磨颗粒、去除的晶片材料和化学或其它副产物。此沉积的碎屑与研磨热效应组合引起研磨垫无光泽和不均匀磨损(在本领域中通常称作为“抛光效应(glazing effect)”)。因此，有必要使研磨垫表面恢复到适合继续研磨的状态。

“垫修整”或“垫整修(pad dressing)”是本领域已知的制程，其用于通过从该垫移去颗粒和废研磨浆来恢复研磨垫的表面和去除抛光。垫调整还通过选择性地去除垫材料来使该垫平面化，且使研磨垫的表面变得粗糙。垫修整可“离位(ex-situ)”(即，通过在晶片研磨周期之间修整研磨垫)执行，或“原位(in-situ)”(即，通过当前在晶片研磨周期或在晶片研磨周期期间修整研磨垫)执行。在典型的现有技术“原位”垫修整制程中，功能为去除少量垫材料和碎屑的固定磨料应用于垫表面，因此产生新的粗糙，用于使得研磨浆自由流动。去除的垫材料和碎屑此后与自研磨制程的研磨浆流结合，且被带离垫，且晶片通过正常的研磨浆传送结构研磨。最后，在研磨周期结束，这些材料用冲洗水冲洗，且收集在磨光器的中央排水管。

在传统CMP制程期间，表面材料的去除速率会改变，其为多种因素的函数，该多种因素包括但并不局限于所施加的压力、旋转速度、研磨浆的流速、研磨浆的温度、研磨浆中颗粒的尺寸和/或浓度和研磨浆的化学性质、以及要平面化的晶片表面上剩余的材料的数量。有时，难于控制平面化制程，从而不会出现“超研磨”(称作“凹陷”)或“研磨不足”(未清洁整个膜)。现有技术的一设备使用在CMP装置内的多个研磨台，以试图控制平面化制程。具体地讲，第一台可用于执行“粗”平面化，以去除大量不需要的材料，这可取决于确定何时停止粗平面化制程的特定周期。接着，第二台可用于执行“较精细”的平面化步骤，其可包括“终点检测”的某些手段，以确定何时已去除适当数量的不需要材料。最后，第三台可用作“缓冲“台，以将最后的研磨应用于晶片。因而，这些台的每一个可被分别控制，以提供对整个制程的最大程度的关注。当执行金属CMP时，不同的研磨台可用于从晶片表面选择性地去除不同类型的材料。例如，第一台可用于去除过重的铜，第二台用于去除阻障金属(barriermetal)(例如钽)，以及第三台用于实现最后的平面化且保护铜免受腐蚀。

由于与研磨浆、研磨垫和晶片有关的多种其它参数会影响这些台的每一个，因此仍难于在任何类型的多步骤CMP制程中准确且有效地控制平面化制程。

发明内容

现有技术的多种要求由本发明解决，本发明涉及用于CMP晶片研磨的修整制程，其使用在修整期间去除的碎屑或流出物的一部分来控制平面化操作中的多个步骤(包括但并不局限于终点检测)。

根据本发明，CMP系统包括具有缝隙/开口结构的磨蚀修整盘(abrasive conditioning disk)，其用于从研磨垫表面移去碎屑，且通过经修整盘施加真空力来经由有缝隙的表面抽出所移去的碎屑。由于碎屑在研磨制程期间产生，该碎屑因此通过修整盘拉出，且抽出到分析系统。多种冲洗试剂(超纯水(UPW)或具有特殊化学性质的液体)可通过修整装置引到研磨垫表面以帮助碎屑去除制程。所抽出的碎屑(还在以下称为“流出物”)然后引导到分析仪，该分析仪可根据每一成分的浓度来确定出现在所述流出物中的多种材料(或这些材料的特定性质)。此信息然后反馈给研磨浆传输装置、磨光器机械控制器和/或修整系统，其中其用于控制所述平面化制程。

在一情况下，反馈到所述平面化制程的所述信息可用于改变材料的去除速率，其为所述流出物中所分析的多种材料的测量浓度的函数。例如，如果修整制程流出物的特定浓度低于所期望的，那么反馈到所述研磨浆传输装置的控制信号可用于调整所述研磨浆的流速、所述研磨浆的温度、所述磨料颗粒的浓度/大小等。实际上，根据本发明，存在相当数量的平面化制程和/或修整制程参数变化，可使用其以提供CMP制程控制。

在另一情况下，反馈到所述平面化制程的所述信息可用于确定所述平面化制程本身的终点。例如，当使用铜CMP时，在所述“终点”开始时，修整流出物中的铜离子的浓度会快速下降。因此，通过监视所述铜的浓度(或所述流出物的电导率)，当获得预定的“终点浓度”或其它合适的参数时，可停止平面化制程。

可使用多种设备来对所抽出的修整流出物执行分析。例如，可测量所述流出物的电导率，且其用作反馈信号。可测量所述修整流出物的pH值，且其使用于备选设备。在更复杂的系统中，拉曼光谱法可用于分析所述流出物内的多种成分的浓度。可选地，当在金属CMP制程期间正去除金属时，电化学电解池可用于确定该金属的离子浓度。只要对流出物的多种成分的某些特性的理解可以被得出，且被CMP系统使用以控制所述平面化制程，那么流出物分析的特定方法并不重要。

实际上，在下面的讨论中且通过参照附图，本发明的其它和另外的方面将变得明显。

附图说明

现在参照附图，其中在几个视图中，相同的标号表示相同的部件：

图1示出根据本发明的示例性CMP系统，其包括修整装置反馈设备，用于控制平面化制程；

图2是图1的设备的俯视图；和

图3包括示例性平面化制程的曲线图。

详细描述

图1示出根据本发明的示例性CMP系统10，其可用于执行原位修整和平面化制程控制。示出CMP系统10包括研磨垫12，其固定到机台(platen)13。尽管在此示出机台13为圆形，然而应该理解，其它的系统可使用线性机台、轨道式机台或适合于对半导体晶片表面执行平面化制程的任何其它几何形状。晶片载具(wafer carrier)(未示出)用于将要研磨的晶片11“面向下“固定到研磨垫上。磨光器机械控制器20用于将受控向下的力施加于晶片11，以必要地调整晶片11的表面11A对研磨垫12的表面12A施加的压力。自分配设备(dispensing arrangement)14的研磨浆分配到研磨垫12的表面12A上。

根据本发明，使用修整装置15，以从研磨垫表面12A抽出碎屑、研磨浆和修整试剂(以下称为“修整制程流出物”)，且对修整制程流出物的至少一部分执行分析以产生反馈信号，该反馈信号发送到分配设备14、磨光器机械控制器20和/或修整装置15的至少一个，该反馈信号用于控制平面化制程。如在2003年5月29日提交的、且转让给当前的受让人的、序列号为10/447,373的我们共同未决的申请所述，修整装置15内的修整盘由磨料形成，且包括通过该盘的多个缝隙/开口。当碎屑收集在研磨垫表面12A上时，该磨料用于移去该碎屑。修整“试剂”例如超纯水(UPW)或其它冲洗液、气体或其它类型的固体调节剂(包括特别选择的化学物质)可从分配设备14且通过修整装置15分配到研磨垫表面12A上，以帮助碎屑去除制程。

参照图2的俯视图，示出示例性CMP系统为使用机动应变器臂(motorized effector arm)16在研磨垫12的表面12A扫过修整装置15，以移去所收集的碎屑，同时还将预定的向下的力和旋转运动传递给修整盘。在此具体实施例中，电动机17用于使端应变器臂16绕固定轴18沿弧AB(或通过任何其它合适的平移运动)转动，同时对修整盘提供旋转运动并施加向下的力。可选地，装置15内的垫调节装置可形成用于覆盖整个垫的半径范围，且不需要使用电动机或端应变器臂的绕轴旋转来提供跨垫(across-pad)的修整。如下面所描述的，来自本发明的分析单元的“机械系统(mechanical system)”反馈信号可施加到修整装置15、磨光器机械控制器20、机台13或CMP系统10的其它元件的多个部件，以控制所施加的向下的力、旋转运动、平移运动和研磨与修整制程的多种其它力学性质。

在图1和图2示出第一软管21，其连接到修整装置15上的真空排出口22，从而可通过第一软管21施加真空力，且该真空力用于从研磨垫表面12A拉出修整制程的流出物。第二软管23连接到修整装置15的入口19，该第二软管23连结到分配设备14，且可用于将冲洗液、UPW或其它的修整试剂分配到研磨垫表面12A。然后，通过第一软管行进的所收集的流出物引导到分析单元30，根据本发明，其用于评估流出物的预定的特征(例如，确定修整制程流出物内的一个或更多元素的浓度)。自分析单元30的输出为电反馈信号的形式，其然后作为输入施加给控制单元32，其中，控制单元32产生至少一个控制信号，其用于调整CMP系统10的一个或更多部件的操作。例如，第一控制信号可发送给分配设备14，其用于控制多种研磨浆和/或修整试剂的选择、控制所分配的材料的流速、控制所分配的材料的温度等。第二控制信号可发送给修整装置15，且可作为输入施加给修整装置15的电动机17，以控制修整制程的力学性质，例如所施加的向下的力、磨盘的旋转速度、应变器臂16的平移速度等。如上所述，其它的控制信号可施加给机台13和/或磨光器机械控制器20。

通常，控制单元32因此使用来自修整流出物分析的一反馈信号(若干反馈信号)，以通过改变与到研磨垫表面的研磨浆和/或修整试剂的传输有关的一个或更多化学参数、和/或改变一个或更多力学参数例如旋转速度、由调整装置或晶片施加的压力、通过修整盘的真空拉力等，来调整实际的平面化制程。例如，响应于控制信号，可改变研磨浆(或二次成分例如氧化剂)的流速。可选地(另外)，可调整研磨浆的温度，可改变磨料颗粒的浓度(和/或实际颗粒物质的大小)，可改变施加到修整装置15的真空压力和/或由晶片11对研磨垫12施加的向下的力。响应于由控制单元32所接收的信号，可改变所施加的修整液的温度，以保持表面12A上的稳定温度。可选地，与所分析的流出物的化学性质有关的控制信号可由控制单元32和分配设备14使用，以控制中和剂的应用，来克服与在前施加的研磨浆的有关的反应。

如上所述，本发明的重要方面在于，可使用修整制程流出物的浓度测量来执行平面化制程的终点检测，和实际“停止”平面化制造。图3包括示例性平面化制程的曲线图，其中在铜CMP制程期间测量流出物的电导率，以执行终点检测。如所示，在晶片研磨的约60秒后，电导率具有第一峰值C(约350μS的电导率)。流出物的电导率然后稍微下降，然后在晶片研磨的约130秒后达到第二峰值D(约508μS的电导率)。在此第二峰值后，观察到电导率快速下降，这表示，已去除了过重的铜，且已达到铜平面化制程的“终点”。

如上所述，来自控制单元32的输出信号可施加到修整装置15的电动机17，以改变由修整盘对研磨垫表面12A所施加的向下的力。实际上，如果所测量的示例性流出物的成分的电导率或浓度太高，则此特定的控制信号可请求从修整制程去除磨盘(即，“零向下的力”)。可选地，可控制磨盘的旋转速度和/或应变器臂16的平移运动以增加或降低(按期望)所回收的流出物内的特定成分的浓度。施加到机台13的另一控制信号可用于控制机台13相对于正研磨的晶片的旋转速度。通过施加到磨光器机械控制器20的信号，还可控制研磨制程本身的力学方面(例如，晶片对研磨垫的向下的力、晶片的旋转速度等)。

应该理解，这些对平面化制程和修整制程的潜在的制程控制的多种示例仅仅是示例性的。根据本发明的教导，依靠研究通过修整制程收集的流出物，可进行任意数量的制程改变。

另外，存在多种设备可用于实施分析单元30。在一种情况下，可使用用于测量流出物的pH值的设备。例如，当执行介电层的平面化时，氢氧化钾可用作研磨浆中的化学添加剂，其中该氢氧化物可产生作为平面化制程的氧化阶段的副产物的水。由于过多的水的出现会影响流出物的pH值，因此在晶片上的介电层的平面化期间，pH值的测量可用于确定所消耗的氢氧化物的适当数量，以允许受控、均匀的氧化还原。可选地，可测量修整制程流出物的氧化电势，且其用于产生反馈信号。在另外的示例中，可测量流出物内的颗粒大小，且其用于产生反馈信号，以调整由修整装置15所施加的真空力或压力。

当(例如)在金属CMP系统使用本发明的CMP控制制程时，电化学式分析仪器可用作分析单元30。电化学式分析仪器用于根据预定的还原氧化电势来从流出物中剩余的元素区分所关心的金属离子，然后根据预定的校准曲线确定氧化还原电势和金属离子浓度的量。具体地讲，在平面化制程开始时，流出物中的金属离子的量快速增加，然后到达平稳值。在随后的“软着陆(soft landing)”研磨步骤(指在用于去除不需要的金属的最后残余)期间，流出物中金属离子的浓度降低至少一数量级。在不需要的金属已完全从晶片表面去除的情况下，浓度再次快速降低。因此，通过能够测量何时出现这些浓度的变化，本发明的设备可准确地确定平面化制程的“终点”。然后，来自分析单元30的适当的反馈信号可施加到控制单元32，且用于产生“停止”信号来停止平面化制程，且减轻超研磨和向晶片表面的凹陷的机会。例如，此“停止”信号可施加到分配设备14、磨光器机械控制器20或两者。

在半导体晶片的表面层包括多于一种材料(例如，互连金属(例如铜)和阻障金属(例如钽))的情况下，可使用本发明的具体实施例一提供这些材料的每一个的平面化的控制和监视。具体地讲，拉曼光谱仪可用作分析单元30，来确定流出物中的每一材料的浓度。在平面化制程期间，两金属的相对浓度作为时间的函数会改变。例如，在制程开始时，大量的铜开始从晶片表面去除，实际上没有钽出现在晶片碎屑中。因此，在所抽出的流出物中铜的浓度是相对高的，基本上没有钽被检测出。随着制程继续，钽开始露出，且因此所收集的流出物中的铜和钽的相对浓度改变。然后可由控制单元32使用自拉曼光谱仪的反馈输出，以产生控制信号，该控制信号用于执行系统调整，例如调整由晶片对研磨垫所施加的向下的压力，或可选地，当已去除铜时改变浆的化学性质，改变研磨浆的流速、温度、磨料颗粒形态等，其在上面已描述。可选地，可测量所收集的流出物的电导率，且其可用作反馈信号。在任何情况下，由于实时进行的流出物的收集(且在其进入公共废流之前)，流出物中的多种材料的浓度保持相对高(以比若允许与废流中的剩余物组合时高20-80倍的量级)。此较高的浓度允许对碎屑更精细的分析，其具有超过现有技术的其它废物分析系统的很大程度改善的信噪比。

尽管已根据优选实施例描述了基于所收集的修整制程流出物的控制通道实施的上述说明，然而应该理解，存在落在本发明的范围内的、可由本领域的技术人员进行的多种修改。例如，可使用多种其中技术来分析修整制程流出物和控制平面化制程。控制信号也可用作对修整制程本身的反馈，修改参数例如修整试剂、真空力、磨蚀修整盘向下的力等。可认为所有这些更改落在本领域的技术人员的领域内，且本发明的主题仅由所附到本文的权利要求的范围限制。

Claims (9)

1.一种用于提供化学机械平面化系统中的制程控制的设备，所述设备包括

修整装置，其包括磨蚀修整盘和真空出口通道，所述磨蚀修整盘用于从化学机械平面化研磨垫的表面移去全体地称为流出物的用过的研磨浆、晶片碎屑和/或修整试剂，所述真空出口通道用于从所述研磨垫附近抽出所述流出物；

分析单元，其连结到所述修整装置，以收集在修整操作期间从所述研磨垫表面所抽出的所述流出物的至少一部分，所述分析单元用于估计所述流出物中的至少一成分来产生平面化制程控制信号；和

研磨浆传输装置，其与所述修整装置分开，所述研磨浆传输装置用于在化学机械平面化制程期间，将至少一研磨浆分配到所述研磨垫的所述表面，所述研磨浆传输装置响应所述平面化制程控制信号来适应所述平面化制程，以响应于所述流出物中所估计的成分。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述分析单元为化学分析单元，其用于分析一个或更多流出物成分的化学性质，以及产生平面化制程控制信号。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述修整试剂包括超纯水，其用于从所述化学机械平面化研磨垫的所述表面冲洗用过的研磨浆和晶片碎屑。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述修整试剂包括化学添加剂，其用于中和所述平面化制程的化学副产物。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述修整试剂包括化学添加剂，所述化学添加剂用作为与所述流出物反应的络合剂。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述分析单元包括拉曼光谱仪，其用于测量所述流出物内的多种元素的相对浓度，且基于所述测量的相对浓度提供平面化制程控制信号。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述分析单元产生化学制程控制信号，其用于改变与所述平面化制程的化学性质有关的一个或更多参数。

8.如权利要求7所述的设备，其中自所述分析单元的所述化学制程控制信号用于改变从下列一组中所选择的至少一个参数，所述组包括：研磨浆的流速、研磨浆的温度、研磨浆的浓度、颗粒大小、颗粒浓度和研磨浆化学性质。

9.如权利要求1所述的设备，其中所述化学机械平面化系统使用来自所述分析单元的所述平面化制程控制信号来确定所述平面化制程的终点。

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