CN1943990A - 现场衬底成像 - Google Patents

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CN1943990A CNA2006101407241A CN200610140724A CN1943990A CN 1943990 A CN1943990 A CN 1943990A CN A2006101407241 A CNA2006101407241 A CN A2006101407241A CN 200610140724 A CN200610140724 A CN 200610140724A CN 1943990 A CN1943990 A CN 1943990A
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Abstract

本发明公开一种用于确定终点的包括计算机程序产品的方法和产品。现场捕获一衬底的部分衬底图像，该图像包括依赖衬底层厚度的光学信息。检查该图像以查找该衬底上的一个位置，并且使用与该位置对应的一部分光学信息确定工艺终点。

Description

现场衬底成像
技术领域
本发明涉及衬底的化学机械抛光。
背景技术
通常通过在硅衬底上顺序沉积导电层、半导电层或绝缘层而在衬底上形成集成电路。一个制造步骤涉及在非平坦表面上沉积填料层，并且平坦化该填料层直到暴露该非平坦表面。例如，能将金属填料层沉积在图案化的氧化层上以填充在氧化层中的沟槽或孔。然后抛光该填料层直到暴露氧化层的凸起图案。平坦化之后，保留在沟槽中的金属层部分提供衬底上的电路。此外，要进行光刻的衬底表面也需要进行平坦化处理。
化学机械抛光(CMP)是一种公认的平坦化方法。这种平坦化方法通常需要将衬底安装在载体头或者抛光头上。设置衬底的暴露面靠在诸如旋转抛光盘垫或者带状垫的抛光表面上。抛光表面可以是“标准”垫或者是固定研磨垫。标准垫具有耐用的粗糙表面，而固定研磨剂垫具有保持在容纳媒介中的研磨颗粒。承载头对衬底施加可控负载以使其紧靠抛光垫。如果使用标准垫，则将包括至少一种化学反应剂和研磨颗粒的抛光浆提供至抛光表面。
CMP的一个问题是确定抛光工艺是否完成，即，当已去除期望数量的材料时或者在已暴露底层时，是否将衬底层平坦化到期望的平坦度和厚度。衬底层的初始厚度、浆的成分、抛光垫状况、抛光垫与衬底之间的相对速度以及衬底上负载的变化会导致材料去除速度的变化。这些变化导致到达抛光终点所需时间发生变化。因此，不能仅将抛光终点作为抛光时间的函数。
确定抛光终点的一种方法是从抛光表面去除衬底并且对其进行检查。例如，将衬底传送至(例如，利用表面光度仪或者电阻率测量法)测量衬底层厚度的计量台。如果未达到期望规格，则将衬底再次装入CMP装置中以进行进一步处理。这是一种减少CMP装置的产量的费时工序。或者，检查可能发现已去除过量的材料，由此使得衬底无法使用。
近来，为了检测抛光终点已经进行衬底的现场(in-situ)监测(例如，利用电容传感器)。其他已提出的终点检测技术涉及测量摩擦力、发动机电流、浆化学性质、声音、导电性以及感应涡流。
发明内容
在一个方案中，本发明的公开了一种现场捕获一衬底的部分衬底图像的方法和计算机程序产品，该图像包括依赖衬底层厚度的光学信息。检查该图像以查找该衬底上的一个位置，并且使用与该位置对应的一部分光学信息确定工艺终点。
具体实施包括一个或者多个下列特征。查找该位置可包括对该图像应用图案识别算法、使该图像锐化以及使该图像定向中的至少其中之一。使该图像定向可包括计算该图像中平均强度值的标准偏差。使用一部分光学信息确定工艺终点可包括分析该图像的光谱、使用干扰测量法以及平均该图像中多个位置的多个厚度中的至少其中之一。使用与该位置对应的一部分光学信息现场获得该位置上的衬底层的厚度，并且使用所获得的厚度以确定该工艺终点。重复捕获图像、查找位置以及获得厚度的步骤以监视厚度随时间的变化。
该衬底可以包括多个管芯，查找位置包括查找与所述多个管芯中第一管芯有关的位置；并且从所述多个管芯中的不同管芯的相同位置获得连续厚度。在该图像中所捕获的部分衬底的面积可大于4mm2。捕获该部分衬底的附加图像，该附加图像可包括依赖于该衬底层的厚度的附加光学信息，并且确定工艺终点可包括使用该附加光学信息确定该工艺终点。依赖于该衬底层的厚度的该光学信息可包括集中在第一波长的光学信息，依赖该衬底层的厚度的该附加光学信息可包括集中在第二波长的光学信息，该第一波长与该第二波长不同。
可清洗成像窗口，通过该成像窗口捕获该图像。可使用该光学信息调整抛光参数，该抛光参数影响抛光该衬底的速度。该衬底可以包括多个管芯，并且在该图像中所包含的部分衬底可基本包括所述多个管芯中的完整管芯。可现场捕获该衬底上的连续图像，所述连续图像的至少一些图像可包括所述多个管芯中不同管芯的图像。在不同管芯的图像中查找不同管芯的相同位置，其中，使用一部分该光学信息确定该工艺终点包括使用与所述不同管芯中的相同位置对应的光学信息。
本发明的实施可实现下列一个或者多个优点。能够现场捕获衬底的图像以在抛光期间确定终点。图像增强处理和图案识别能够精确地确定衬底上所关心的特定特征图形的位置。基于该特征图形上的衬底层的厚度，现场精确地确定抛光终点。可以使用图像中的多个波长来定位和确定多种类型的特征图形上的厚度。
在附图和如下说明中阐述本发明一个或者多个实施方式的细节。从说明书、附图和权利要求书中本发明的其他特征、目的和优点将显而易见。
附图说明
图1是化学机械抛光装置的示意性分解透视图；
图2是抛光台的横截面图；
图3是用于确定抛光终点的工艺的流程图；
图4是衬底的图像；
图5是从图3中处理后的图像版本；
图6是衬底的图像；
图7是图像强度的一组曲线图；
各附图中的相同附图标记表示相同元件。
具体实施方式
图1示出能够抛光一个或者多个衬底10的化学机械抛光装置20。抛光装置20包括一系列抛光台22和传送台23。传送台23在承载头70与加载装置之间传送衬底。
每个抛光台包括可旋转台板24，在该可旋转台板上设置抛光垫30。第一和第二台可包括具有较硬耐用外表面的两层抛光垫或者嵌入有研磨颗粒的固定研磨垫。最后一个抛光台可包括相对较软的垫。每个抛光台还可包括垫调节装置28，用于保持抛光垫的条件从而有效地抛光衬底。
可旋转多头圆盘传动装置(carousel)60支持四个承载头70。借助圆盘传动装置电动机组件(未示出)，圆盘传动装置通过中心柱62绕圆盘传动轴64旋转，从而使承载头系统和其上所附的衬底在抛光台22与传送台23之间运转。三个承载头系统接收并保持衬底，并且通过将衬底压靠在抛光垫上抛光衬底。同时，其中一个承载头系统接收衬底并且将衬底传递至传送台23。
每个承载头70通过承载头驱动轴74与承载头旋转电动机76连接(通过去除四分之一外壳68示出)，从而每个承载头能够绕各自的轴独立旋转。此外，每个承载头70在圆盘传动装置支持板66中形成的径向槽72中独立地横向振荡。有关适当承载头70的说明可在发明名称为“Carrier head withcontrollable pressure and loading area for chemical mechanical polishing(用于化学机械抛光的具有可控压力和加载区域的承载头)”、专利号为6,422,927的美国专利中发现，通过参考的方式援引其全部内容。
通过浆提供口或者组合浆/清洗臂39将包含反应剂(例如，用于氧化抛光的去离子水)的浆38和化学反应催化剂(例如，用于氧化抛光的氢氧化钾)提供至抛光垫30的表面。如果抛光垫30是标准垫，则浆38还可包含研磨颗粒(例如，用于氧化抛光的二氧化硅)。在抛光垫30中设有透明窗口36，从而在一部分板旋转期间，无论承载头的移动位置在哪里，都能传递衬底10的底部信息。
图2示出抛光台22的横截面图。在工作中，板24绕中心轴25旋转，并且承载头绕其中心轴71旋转，并且在抛光垫30的表面上横向移动。CMP装置20还可包括诸如光学断路器的定位传感器80，用于检测板24中的凹部26何时位于衬底10之下。例如，可将光学断路器安装在与承载头70相对的固定点。可在板24的周边设置挡光板(flag)82。选择挡光板82的设置点和长度，从而在凹部26扫描衬底10的下方时，挡光板82中断传感器80的光信号。或者，CMP装置可以包括用于确定板的角位的编码器。
成像装置44(例如，电荷耦合装置(CCD)阵列)可设置在凹部26中，并且可与电源和接口电路50连接。成像装置44位于抛光垫30的透明窗口36的下方，并且随着板24的每次旋转而扫描衬底10的下方。在某些实施中，在凹部26中设置多个成像装置，并且也可以在凹部26中设置光束分离器(未示出)以将衬底的图像提供至多个成像装置。电路50可以设置在板24的外侧，并且可通过旋转的电联接头29与板中的元件连接。
计算机90可以从电路50和/或直接从成像装置44接收信息，并且能够被编程以执行下面的方法。在抛光期间，可以在输出装置92上显示计算机90的输出结果，从而使用户直观地监视抛光操作的进展。
如图3所示，工艺300使用正被抛光的衬底的图像确定抛光工艺的终点。可以在抛光各种类型的材料时使用工艺300，例如，在抛光对于各种波长的光具有高反射率的材料(例如，金属)时，或者在抛光对于各种波长的光是透明或者半透明的材料(例如，氧化物或者电介质)时。可以现场(例如，在衬底与抛光垫相接触时)执行工艺300中的所有步骤。为了测量衬底或者衬底上的层的厚度，使用成像装置以捕获衬底的图像(步骤310)。成像装置可以位于CMP机器的板中的凹部中，并且能够通过抛光垫中的透明窗口捕获图像。还可以在凹部中设置白色、彩色或者紫外线光源以照射衬底。在抛光期间，板和保持衬底的承载头通常彼此相对旋转。这种旋转使得每旋转一次，抛光垫中的窗口就扫描衬底下方一次。在每次扫描期间，成像装置能够捕获衬底的一个或者多个图像。如果捕获多个图像，则将多个图像组合形成一个降噪图像。为了能够定位管芯中的特征图形，图像至少包含衬底上所包括的一个完整管芯(die)将很有用，所以图像通常包括大约4mm2或者更大面积的衬底。
图4示出衬底的图像400。图像400以黑色和白色示出，工艺300的步骤310中所获得的图像通常包括光的多个波长的信息(例如，对应于诸如红光、绿光和蓝光的可见光的波长)。(例如，通过在CCD成像装置中添加滤光器)可以选择获得图像信息的波长，从而有助于下面将讨论的图案识别和/或厚的测量。可使用其波长强度基本不随衬底层厚度的改变而改变的波长进行图案识别。可使用其强度随衬底层厚度的改变而发生明显改变的波长进行厚度测量。
返回至图3，虽然是可选的，但是对衬底的图像施加图像处理(例如，锐化、降噪或者边缘查找)是很有用的(步骤S320)。在衬底与窗口之间的抛光浆或者去离子水(例如，图4中的水410)可使衬底的图像变得不太清楚。对图像进行锐化可使得在工艺300的后续步骤中衬底上的特征图像更加清楚。可使用边缘查找来查找图像中的划片线和管芯边缘。在图5中，对图4中的图像400进行降噪和边缘查找算法以产生图像500。
返回图3，如果图像中衬底的取向是未知的，则可以使图像定向(步骤330)。使图像定向的一种方法如下：
1、平均沿图像上一组平行线的图像的强度值，从而使得每条线具有相关的平均强度值。
2、计算平均强度值的标准偏差。
3、稍微旋转图像，并且再次执行步骤1和2。
继续执行图3中的旋转，直到图像旋转180°，并且使用产生最大标准偏差的旋转角度来使图像定向。可以分别合计图像中多个波长的强度，所以可以得出与每条线相关联的多个平均强度值。
图6所示为具有一组重叠线610的图像600。这组线610并不是图像的一部分，而是添加进来用于在定向图像600时显示一组可能的旋转角度。如上所述，在定向过程中，通常将图像旋转180°，因此该组线610示出用于定向图像600的所有旋转角度的子集。由于在管芯(例如图6中的管芯620、630和640)和间隙(例如划片线)之间存在对比度，因此产生最大标准偏差的旋转角度沿通过平行线限定的轴定向图像中的管芯。
返回图3，在图像中查找衬底上一个或者多个特征图形的位置。通过使用来自图像中所包括的光的一个或者多个波长的信息对图像进的图案识别算法定位特征图像。图7示出图像强度与通过三种不同波长的图像的线的位置的曲线图710、720和730。使用曲线图710-730中的一个或者多个曲线进行图案识别。在步骤340中用于定位衬底上的特征图形的图像可以是原始图像(即，步骤310的图像)，而不是处理后的图像。通常由用户选择或者可以基于特征图形的有用性质选择要进行定位的特征图形。例如，选择图像的强度信息高度依赖衬底层厚度的特征图形是很有用的。这样一种通常能够使用的特征图形是无结构的间隙(open area)(例如，接触垫区域)。可以在衬底上所包括的管芯的内侧或者外侧定位这些特征图形。
通过检查图像中的数据能够获得每个位置的衬底层的厚度(步骤350)。图像中光的各种波长的强度对应于衬底层的具体厚度，所以通过检查各个位置的强度能够获得这些位置的厚度。通过其强度高度依赖厚度的单个波长可以获得指定位置的衬底层的厚度。或者，可以监视几个波长的强度，并且使用这些强度获得厚度。在一个实施方式中，使用干扰测量法获得厚度。工艺300可选地基于厚度调整抛光的工艺参数(步骤360)。例如，如果允许独立控制多个区域中的压力的承载头保持衬底，则可以基于厚度调整压力。工艺300还使用厚度确定抛光终点(步骤370)。可在某一位置的衬底层的厚度达到阈值或者在暴露特征图形时终止抛光。可平均衬底上多个位置的厚度或者以其他方式确定抛光终点。在一个实施方式中，专用于终点确定目的，在管芯之间(例如，在划片线上)构造特征图形。
通过在衬底下方窗口的单次扫描，在不同管芯或者间隙中的相同位置能够监视衬底层的厚度。也就是说，可以从衬底上不同管芯或者间隙中相同位置处(例如，对应于特定特征图形的位置)的测量结果产生在衬底上传感器单次扫描的连续测量结果。例如，在图6中，可以分别在管芯620、630和640中的位置650、660和670处监视衬底层的厚度。
类似地，可以通过在衬底下方窗口的多次扫描，在不同管芯或者间隙中的相同位置监视衬底层的厚度。也就是说，在衬底下方窗口的连续扫描期间衬底的相同部分可能是不可见的，所以在基本一致的不同管芯或者间隙中的相同位置(例如，对应于特定特征图形的位置)获得厚度。从衬底上处于相同径向位置上的不同管芯或者间隙所获得的连续厚度可用于获得多次扫描的一致结果。
在一个实施方式中，使用光束分离器将衬底的图像提供给多个成像装置。成像装置产生的图像可组合成用于处理的单个图像或者对产生的图像进行单独处理。使每个成像装置优化以生成特定波长的光的图像。
通过抛光垫中的透明窗口捕获图像，该窗口可由石英制成和/或包括聚合物顶层。可以设置喷嘴以在窗口扫描衬底下方之前冲掉窗口上的抛光浆，从而获得更清楚的衬底图像。
已经说明本发明的几个实施方式。然而应理解的是，在不脱离本发明的精神和范围内可以进行各种修改。因此，其它实施方式也在权利要求书的范围内。

Claims (16)

1、一种计算机执行的方法，包括：
现场捕获一衬底的部分衬底图像，所述图像包括基于衬底层厚度的光学信息；
在所述图像中查找所述衬底上的一个位置；以及
使用与该位置相对应的部分光学信息来确定工艺终点。
2、如权利要求1所述的计算机执行的方法，其特征在于：
查找所述位置包括对该图像应用图案识别算法、锐化所述图像以及定向所述图像中的至少其中之一。
3、如权利要求2所述的计算机执行的方法，其特征在于：
定向所述图像包括计算该图像中平均强度值的标准偏差。
4、如权利要求1所述的计算机执行的方法，其特征在于：
使用部分光学信息确定工艺终点包括分析该图像的光谱、使用干扰测量法以及平均该图像中多个位置的多个厚度中的至少其中之一。
5、如权利要求1所述的计算机执行的方法，其特征在于，还包括：
使用与所述位置对应的部分光学信息现场获得所述位置上的衬底层的厚度，其中，所获得的厚度用于确定所述工艺终点。
6、如权利要求5所述的计算机执行的方法，其特征在于，还包括：
重复捕获图像、查找位置以及获得厚度的步骤以监视厚度随时间的变化。
7、如权利要求6所述的计算机执行的方法，其特征在于：
查找所述位置包括查找与所述衬底上的多个管芯中第一管芯有关的位置；以及
逐一从所述多个管芯中的不同管芯的相同位置获得厚度。
8、如权利要求1所述的计算机执行的方法，其特征在于：
在所述图像中所获得的部分衬底的面积大于4mm2。
9、如权利要求1所述的计算机执行的方法，其特征在于，还包括：
捕获所述部分衬底的附加图像，所述附加图像包括基于所述衬底层的厚度的附加光学信息，其中，确定所述工艺终点包括使用所述附加光学信息确定所述工艺终点。
10、如权利要求9所述的计算机执行的方法，其特征在于：
基于所述衬底层的厚度的该光学信息包括集中在第一波长的光学信息；以及
基于所述衬底层的厚度的所述附加光学信息包括集中在第二波长的光学信息，所述第一波长与第二波长不同。
11、如权利要求1所述的计算机执行的方法，其特征在于，还包括：
清洗用来捕获所述图像的成像窗口。
12、如权利要求1所述的计算机执行的方法，其特征在于，还包括：
使用所述光学信息调整抛光参数，所述抛光参数影响抛光该衬底的速度。
13、如权利要求1所述的计算机执行的方法，其特征在于：
在该图像中所包含的部分衬底基本包括所述衬底上多个管芯中的完整管芯。
14、如权利要求1所述的计算机执行的方法，其特征在于：所述衬底包括多个管芯，所述方法还包括：
现场捕获所述衬底的连续图像，所述连续图像的至少一些图像包括所述多个管芯中不同管芯的图像；以及
在所述不同管芯的图像中查找所述不同管芯的相同位置，其中，使用一部分所述光学信息确定所述工艺终点包括使用与所述不同管芯中的相同位置对应的光学信息。
15、一种计算机程序产品，具体包含在信息载体中，所述计算机产品包括用于使数据处理装置执行权利要求1至14所述的任一方法的指令。
16、一种抛光系统，包括：
可移动板，用于支撑抛光表面；
固定在所述板上的光学监视系统，用于在抛光工艺期间观察衬底；以及控制器，用于从该光学监视系统接收图像数据并且执行权利要求1至14所述的任一方法。
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