KR100808829B1 - 화학기계적 연마 시스템, 웨이퍼 표면의 프로세스 상태 모니터링 방법, 및 엔드포인트 검출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 화학기계적 연마시스템 및 방법이 개시된다. 시스템은, 제 1 지점으로부터 제 2 지점으로 이동하도록 구성된 연마 패드를 포함한다. 또한, 캐리어가 포함되고, 연마 패드에 걸쳐서 연마되는 기판을 유지하도록 구성된다. 캐리어는 제 1 지점과 제 2 지점 사이인 연마 위치 내에서 연마 패드에 기판을 적용하도록 설계된다. 제 1 센서는 제 1 지점에 위치되고, 연마 패드의 IN온도를 감지하도록 향하고, 제 2 센서는 제 2 지점에 위치되고, 연마 패드의 OUT온도를 감지하도록 향한다. IN 및 OUT온도의 감지는, 화학기계적 평탄화에 의해 웨이퍼를 프로세싱하는 동안 프로세스 단계의 전환을 목적으로 프로세스 상태와 웨이퍼 표면의 상태를 모니터링하는 것을 가능하게 하는 온도 차이를 생성하도록 구성된다.

Description

화학기계적 연마 시스템, 웨이퍼 표면의 프로세스 상태 모니터링 방법, 및 엔드포인트 검출 방법{CHEMICAL MECHANICAL POLISHING SYSTEM, METHODS FOR MONITORING A PROCESS STATE OF A WAFER SURFACE, AND END-POINT DETECTION METHOD}

본 발명은 일반적으로 반도체 웨이퍼의 화학기계적 연마(CMP)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연마 엔드포인트 검출(polishing end-point detection)기술에 관한 것이다.

반도체 장치의 제조에 있어서는, 연마와 버핑(buffing) 및 웨이퍼 세정을 포함하는 CMP동작을 수행할 필요가 있다. 통상적으로, 집적회로 장치는 다중레벨 구조 형태이다. 기판 레벨에는 확산영역을 갖는 트랜지스터 장치가 형성된다. 이어지는 레벨 내에는, 상호접속 금속화 배선이 패턴되고, 요구되는 기능의 장치를 정의하기 위해서 트랜지스터 장치에 전기적으로 연결된다. 공지된 바와 같이, 패턴의 도전성 층은 다른 도전성 층으로부터 실리콘 다이옥사이드와 같은 유전성 재료에 의해 절연된다. 각 금속화 레벨에서는, 금속이나 연관된 유전성 재료를 평탄화할 필요가 있다. 평탄화 없는 추가적인 금속화 층의 제조는, 표면 지형(surface topography)의 더 큰 변화에 기인해서 어렵게 된다. 그 밖의 적용에 있어서, 금속화 배선 패턴은 유전성 재료 내에 형성되고, 그 다음, 예컨대 구리와 같은 과도한 금속화를 제거하기 위해서 금속 CMP동작이 수행된다.

종래 기술에 있어서, CMP시스템은, 통상적으로 벨트, 궤도, 또는 브러시를 갖는 스테이션을 실행시키는데, 이 시스템에서는 벨트나 패드 또는 브러시가 웨이퍼의 스크러빙(scrubbing)과 버핑 및 연마를 위해 사용된다. 슬러리(Slurry)가 CMP동작을 수월하게 하고 향상시키는데 사용된다. 통상, 슬러리는 이동하는 준비 표면(preparation surface), 예컨대 벨트나 패드 또는 브러시 등에 대부분 도입되고, 준비 표면 뿐 아니라 CMP프로세스에 의해 버핑이나 연마 또는 그밖에 준비된 반도체 웨이퍼의 표면에 걸쳐서 분포된다. 일반적으로, 분포는 준비 표면의 이동과 반도체 웨이퍼의 이동 및 반도체 웨이퍼와 준비 표면 사이에서 야기된 마찰의 조합에 의해 이루어진다.

도 1a는 다마신(damascene) 및 2중 다마신 상호접속 금속화 배선을 구성하는데 공통의 제조 프로세스가 진행되는 유전성 층(102)의 단면도이다. 유전성 층(102)은 유전성 층(102)의 에칭 패턴된 표면에 걸쳐서 증착된 확산 장벽층(104)을 갖는다. 공지된 바와 같은 확산 장벽층은, 통상적으로 티타늄 니트라이드(TiN), 탄탈늄(Ta), 탄탈늄 니트라이드(TaN)나, 탄탈늄 니트라이드(TaN)와 탄탈늄(Ta)의 조합이다. 확산 장벽층(104)은 요구되는 두께로 증착되고, 유전성 층(102) 내의 에칭된 피쳐(feature)를 채우는 방법으로 구리층(104)이 확산 장벽층에 걸쳐서 형성된다. 몇몇 과잉 확산층 및 금속화 재료가 필드영역에 걸쳐서 부득이 하게 증착된다. 이들 과도하게 부가된 재료를 제거하기 위해서, 그리고 요구되는 상호접속 금속화 배선 및 연관된 비아(vias:도시생략)를 정의하기 위해서, 화학기계적인 평탄화(CMP)동작이 수행된다.

전술한 바와 같이, CMP동작은 유전성 층(102)에 걸쳐서 이로부터 상부 금속화 재료를 제거하도록 계획된다. 예컨대, 도 1b에 나타낸 바와 같이, 구리층(106) 및 확산 장벽층(104)의 과도하게 부가된 부분은 제거된다. 일반적으로, CMP동작은 과도하게 부가된 금속화 및 확산 장벽층(104) 모두가 유전성 층(102)에 걸쳐서 제거될 때까지, 계속되어야 한다. 그런데, 모든 확산 장벽층(104)이 유전성 층(102)으로부터 제거되는 것을 보장하기 위해서는, CMP프로세싱 동안 프로세스 상태 및 웨이퍼 표면의 상태를 모니터링할 방법이 필요하게 된다. 이를 통상 엔드포인트 검출이라 한다. 다단계 CMP동작에 있어서는, 다수의 엔드포인트를 확인할 필요가 있다 (예컨대, 확산 장벽층에 걸쳐서 Cu가 제거되는 것을 보장하고, 유전성 층에 걸쳐서 확산 장벽층이 제거되는 것을 보장하는 것과 같은). 따라서, 엔드포인트 검출 기술은 요구된 과도하게 부가된 재료 모두가 제거되는 것을 보장하기 위해 사용된다. 현재의 엔드포인트 검출 기술의 일반적인 문제점은, 금속화 배선 사이의 의도하지 않은 전기적 상호접속을 방지하기 위해서, 모든 도전성 재료(예컨대, 금속화 재료 또는 확산 장벽층(104))가 유전성 층(102)에 걸쳐서 제거되는 것을 보장하기 위한 어느 정도 과도한 에칭이 요구되는 것이다. 부적당한 엔드포인트 검출 또는 과도한 연마의 부작용은 유전성 층(102) 내에 남아 있는 것이 바람직한 금속화 층에 걸쳐서 디싱(108:dishing)이 일어나는 것이다. 기본적으로, 디싱 효과는 요구되는 이상의 금속화 재료를 제거하고, 금속화 배선에 걸쳐서 디시형(dish-like)의 피쳐를 남긴다. 디싱은, 부정적으로 상호접속 금속화 배선의 성능에 영향을 주는 것으로 알려져 있는데, 과도한 디싱은 요구되는 집적회로가 의도된 목적으로 사용되지 못하게 한다.

도 1c는 종래 기술의 벨트 CMP시스템을 나타내는데, 여기서 패드(150)는 롤러(151) 주위에서 회전되도록 설계된다. 일반적으로, 벨트 CMP시스템에서는, 플래튼(154:platen)이 패드(150) 아래에 위치되어, 도 1d에 나타낸 바와 같이 캐리어(152)를 사용해서 웨이퍼가 적용되는(apply) 표면을 제공한다. 엔드포인트 검출을 수행하기 위한 하나의 방법은 광이 플래튼(154)을 통해서, 그리고 패드(150)를 통해서 연마되는 웨이퍼(100)의 표면상에 인가되는 광검출기(160)를 사용하는 것이다. 광학적 엔드포인트 검출을 달성하기 위해서, 패드 슬롯(150a)이 패드(150) 내에 형성된다. 몇몇 실시형태에 있어서, 패드(150)는 패드(150)의 다양한 위치 내에 전략적으로 위치된 다수의 패드 슬롯(150a)을 포함할 수도 있다. 통상적으로, 패드 슬롯(150a)은 연마 동작에 영향을 최소로 주도록 충분히 작게 설계되어야 한다. 패드 슬롯(150a)에 더해서, 플래튼 슬롯(154a)이 플래튼(154) 내에 정의된다. 플래튼 슬롯(154a)은, 광학 빔이 플래튼(154), 패드(150)를 통과해서 연마 동안 웨이퍼(100)의 원하는 표면상에 전달되도록 설계된다.

광검출기(160)를 사용함으로써, 웨이퍼 표면으로부터 소정 필름의 제거 레벨을 확인 하는 것이 가능하다. 이 검출 기술은, 광검출기(160)에 의해 수신된 간섭 패턴을 조사함으로써 필름의 두께를 측정하도록 설계된다. 광학적 엔드포인트 검출이 몇몇 적용에 대해 적합할 수 있음에도 불구하고, 광학적 엔드포인트 검출은 엔드포인트 검출이 반도체 웨이퍼(100)의 상이한 영역이나 존(zone)에 대해서 요구되는 경우에는 적당하지 않을 수도 있다. 웨이퍼(100)의 상이한 존을 검사하기 위해서, 몇몇 패드 슬롯(150a) 뿐 아니라 몇몇 플래튼 슬롯(154a)을 정의할 필요가 있다. 더 많은 슬롯이 패드(150) 및 플래튼(154) 내에 정의됨에 따라서, 웨이퍼(100) 상에서 수행되는 연마에 더욱 불리한 영향을 미칠 수도 있다. 즉, 패드(150)의 표면은 패드(150) 내에 형성된 다수의 슬롯에 기인해서 변경될 뿐 아니라 플래튼(154)의 설계를 복잡하게 한다.

또한, 통상의 플래튼(154)은, 웨이퍼(100)로부터의 층들의 정확한 제거를 가능하게 하기 위해서, 패드(150)에 소정의 배압을 전략적으로 인가하도록 설계된다. 더 많은 슬롯(154a)이 플래튼(154) 내에 정의됨에 따라서, 플래튼(154)에 인가되는 압력을 계획하고 실행하기가 어렵게 된다. 따라서, 광학적 엔드포인트 검출은 일반적으로 벨트 CMP시스템에 통합하기 복잡하고, 웨이퍼의 층들의 정밀 연마에 대한 CMP시스템의 능력에 영향을 주지 않고서 웨이퍼의 상이한 존이나 영역을 통한 엔드포인트의 완전한 검출에 있어서 문제점을 나타낸다.

도 2a는 상부층이 구리 CMP프로세스를 겪은 이후의 예시적인 반도체 칩의 부분적인 단면을 나타낸 도면이다. 기준 불순물 주입, 포토리소그래피 및 에칭 기술을 사용해서, P타입 트랜지스터 및 N타입 트랜지스터가 P타입 실리콘 기판(200)에 제조된다. 도시된 바와 같이, 트랜지스터 각각은 적당한 웰(well)에서 형성된 게이트와 소스 및 드레인을 갖는다. 번갈아있는 P타입 트랜지스터 및 N타입 트랜지스터는 상보성 금속의 유전성 반도체(CMOS) 장치를 생성한다.

제 1 유전성 층(202)은 트랜지스터 및 기판(200)에 걸쳐서 제조된다. 통상적인 포토리소그래피, 에칭 및, 증착 기술이 텅스텐 플러그(210)와 구리 라인(212)을 생성하는데 사용된다. 텅스텐 플러그(210)는 구리 라인(212)과 트랜지스터 상의 액티브 피쳐 사이의 전기적 연결을 제공한다. 제 2 유전성 층(204)이 제 1 유전성 층(202)과 구리 라인(212)에 걸쳐서 제조될 수도 있다. 통상적인 포토리소그래피, 에칭 및 증착 기술이, 제 2 유전성 층(204)에서 구리 비아(220)와 구리 라인(214)을 생성하는데 사용된다. 구리 비아(220)는 제 2 층의 구리 라인(214)과 제 1 층의 구리 라인(212) 또는 텅스텐 플러그(210) 사이의 전기적 연결을 제공한다.

그 다음, 웨이퍼는, 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 설명된 바와 같이 웨이퍼의 표면을 평탄화하여 근사적으로 평면(여기서는 나타내지 않지만, 도 1b를 참조하여 설명한 디싱을 가능하게는 갖는)이 되게 하기 위해서, 통상적으로 구리 CMP프로세스를 겪게 된다. 구리 CMP프로세스 후, 웨이퍼는 웨이퍼 세정시스템에서 세정된다.

도 2b는 도 1c와 도 1d를 참조하여 설명한 바와 같이, 웨이퍼가 광학적 엔드포인트 검출을 겪은 이후의 부분적인 단면을 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 상부층 상의 구리 라인(214)은, 검출 프로세스 동안 포토-부식된다. 포토-부식은 광검출기에 의해 방출된 광자가 솔라-셀 역할을 할 수 있는 P/N접합부에 도달함으로써 부분적으로 생성되는 것으로 여겨진다. 그러나, 일반적으로 광검출기에 정상적인 이러한 광량은 현저한 부식 효과를 야기할 수 있다.

이 단면의 예에 있어서, 구리 라인, 구리 비아 또는 텅스텐 플러그는 P/N접합부의 다양한 부분에 전기적으로 연결된다. 슬러리 화합물 및/또는 웨이퍼 표면에 인가된 화학적인 용액은 전해질을 포함할 수 있는데, 이 전해질은 전자(e^-) 및 정공(p⁺)이 P/N접합부를 가로질러 이동할때 전기회로를 폐쇄시키는 효과를 갖는다. 접합부 내에서 포토적으로 생성된 전자/정공 쌍은 전기장에 의해서 분리된다. 도입된 캐리어는 접합부의 양측면 사이에 포텐셜 차이를 유도한다. 이 포텐셜 차이는 광 강도에 따라 증가한다. 따라서, 접합부의 P-측에 연결된 전극에서, 구리는 부식된다: Cu→Cu²⁺+2e^-. 생성된 가용성 이온 종은 다른 전극으로 확산될 수 있는데, 여기서 환원이 일어날 수 있다 Cu²⁺+2e^-→Cu. 임의의 금속에 대한 일반적인 부식 공식은 M→Mⁿ⁺+ne^-이고, 금속에 대한 일반적인 환원공식은 Mⁿ⁺+ne^-→M이다. 포토-부식 효과에 대한 더 많은 정보를 위해서, 하와이, 호놀룰루의 196번째 ECS 미팅(1999년 10월)에서 발표된 A.Beverina 등의 "Photo-Corrosion Effects During Cu Interconnection Cleanings"을 참조할 수 있다.

그러나, 이 타입의 포토-부식은 도 2b에 나타낸 바와 같이 구리 라인을 치환하고, 구리 피쳐의 의도된 물리적인 지형을 소멸시킨다. P타입 트랜지스터에 걸친 웨이퍼 표면 상의 몇몇 위치에서, 포토-부식 효과는 부식된 구리 라인(224) 또는 완전히 용해된 구리 라인(226)을 야기할 수 있다. 다시 말해서, 포토-부식은 라인이 더 이상 존재하지 않도록 구리 라인을 완전히 부식시킬 수 있다. 한편, N타입 트랜지스터에 걸쳐서, 포토-부식 효과는 구리 증착(222)이 형성되게 할 수 있다. 구리 라인의 부식을 포함하는 이 왜곡된 지형은, 장치에 결함을 야기시켜서 전체 칩이 동작될 수 없게 한다. 하나의 결함 있는 장치는, 전체 칩이 버려져야 하고, 따라서 수율을 감소시키고, 제조 프로세스의 비용을 현저히 증가시킨다는 것을 의미한다. 그러나, 이 효과는 일반적으로 전체 웨이퍼에 걸쳐서 일어나므로, 웨이퍼 상의 다수의 칩을 망치게 한다. 이는, 물론 제조 비용을 증가시킨다.

이상에서와 같이, 광검출기를 실행시키지 않고, 디싱을 방지하고 과도한 연마의 요구를 회피시키는 정밀한 엔드포인트 검출을 가능하게 하는 CMP엔드포인트 검출시스템의 필요가 있다.

넓게 말하면, 본 발명은 기판 표면 층의 화학기계적 연마에 사용되는 엔드포인트 검출시스템 및 방법을 제공함으로써, 이들 요구를 충족시킨다. 본 발명은, 프로세스, 기구, 시스템, 장치 또는 방법을 포함하는 다수의 방법으로 구현될 수 있다. 예컨대, 본 발명은 선형 벨트 패드시스템, 회전식 패드시스템 뿐 아니라 궤도식 패드시스템으로 사용될 수 있다. 이하 다수의 본 발명의 실시형태를 설명한다.

일 실시형태에서, 화학기계적 연마시스템이 개시된다. 시스템은 제 1 지점으로부터 제 2 지점으로 선형으로 이동하도록 구성된 연마 패드를 포함한다. 또한, 캐리어가 포함되고 연마 패드 위에서 연마되는 기판을 유지하도록 구성된다. 캐리어는 제 1 지점과 제 2 지점 사이인 연마 위치 내에서 연마 패드에 기판을 적용하도록 설계된다. 제 1 센서는 제 1 지점에 위치되고, 연마 패드의 IN온도를 감지하도록 방향지워지고(orient), 제 2 센서는 제 2 지점에 위치되고, 연마 패드의 OUT온도를 감지하도록 방향지워진다. 변할때 기판으로부터의 요구되는 층의 제거를 지시하는 온도 차이를 생성하도록 IN 및 OUT온도의 감지는 구성된다.

다른 실시형태에서, 화학기계적 연마를 위한 엔드포인트를 모니터링하기 위한 방법이 개시된다. 이 방법은, 선형으로 이동하도록 구성된 연마 패드를 제공하는 단계와, 웨이퍼로부터 재료의 제 1 층을 제거하기 위해서 연마 위치에서 연마 패드에 웨이퍼를 적용하는 단계를 포함한다. 또한, 이 방법은, 선형으로 연마 위치 전에 있는 IN위치에서 연마 패드 벨트의 제 1 온도를 감지하는 단계와, 선형으로 연마 위치 후에 있는 OUT위치에서 연마 패드 벨트의 제 2 온도를 감지하는 단계를 포함한다. 그 다음, 제 2 온도와 제 1 온도 사이의 온도 차이를 계산한다. 그 다음, 온도 차이의 변화가 모니터링되고, 온도 차이 변화는 웨이퍼로부터 제 1 층의 제거를 가리킨다. 여기서, 제 1 층은, 유전성 층, 구리층, 확산 장벽층 등의 웨이퍼에 걸쳐서 제조되는 임의의 층이 될 수 있다.

또 다른 실시형태에서, 웨이퍼 표면으로부터 제거되는 재료의 엔드포인트를 검출하기 위한 방법이 개시된다. 이 방법은, (a) 선형으로 이동하도록 구성된 연마 패드를 제공하는 단계, (b) 웨이퍼로부터 재료의 층을 제거하기 위해서 연마 위치에서 연마 패드에 웨이퍼를 적용하는 단계, (c) 연마 위치 전에 있는 제 1 위치에서 연마 패드의 제 1 온도를 감지하는 단계, (d) 연마 위치 후에 있는 제 2 위치에서 연마 패드의 제 2 온도를 감지하는 단계, (e) 제 2 온도와 제 1 온도 사이의 온도 차이를 계산하는 단계를 포함한다.

다른 실시형태에서, 엔드포인트 검출방법이 개시된다. 이 방법은, (a) 연마 패드를 제공하는 단계, (b) 웨이퍼로부터 재료의 제 1 층을 제거하기 위해서 연마 위치에서 연마 패드에 웨이퍼를 적용하는 단계, (c) 연마 위치 전에 있는 IN위치에서 연마 패드의 제 1 온도를 감지하는 단계, (d) 연마 위치 후에 있는 OUT위치에서 연마 패드의 제 2 온도를 감지하는 단계, (e) 제 2 온도와 제 1 온도 사이의 온도 차이를 계산하는 단계, (f) 웨이퍼로부터 제 1 층의 제거를 지시하는 온도 차이의 변화를 모니터링하는 단계를 포함한다. 여기서, 패드는 벨트 패드, 테이블 패드, 회전식 패드 및, 궤도식 패드 중 하나이다.
본 발명의 원리를 예를 통해 나타내는 이하의 상세한 설명과 첨부된 도면을 통해 본 발명의 다른 양태와 이점은 명백해진다.

동일 참조부호가 동일 구성 요소를 나타내는 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명에 의해 본 발명을 용이하게 이해할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 다마신 및 2중 다마신 상호접속 금속화 배선 및 구조를 일반적으로 구성하는 제조프로세스를 겪는 유전성 층의 단면도,

도 1c 및 도 1d는 패드가 롤러 주위로 회전되도록 설계되고 광학적 엔드포인트 검출이 사용된 종래 기술의 벨트 CMP시스템을 나타낸 도면,

도 2a는 상부층이 구리 CMP프로세스를 겪은 후, 통상적인 반도체 칩의 단면도,

도 2b는, 예컨대 광학적 엔드포인트 검출에 기인해서 웨이퍼가 포토에 의한 부식을 겪은 후, 도 2a의 통상적인 반도체 칩의 단면도,

도 3a는 본 발명의 실시형태에 따른 엔드포인트 검출시스템을 포함하는 CMP시스템을 나타낸 도면,

도 3b는 선형으로 이동하는 패드의 부분의 평면도,
도 3c는 웨이퍼를 패드에 적용하는 캐리어의 측면도,

도 3d는 도 3c를 보다 상세히 나타낸 도면,

도 4a는 본 발명의 일 실시형태에 따라서 엔드포인트 검출을 포함하는 CMP동작 동안 구리층과 확산 장벽층 각각이 제거되도록 구성되는, 유전성 층, 확산 장벽층 및 구리층의 단면도,

도 4b 및 도 4c는 본 발명의 일 실시형태에 따른 온도 차이 대 시간을 나타낸 도표,

도 5a는 복수의 센서(1 내지 10)와 기준 센서(R)의 쌍이 캐리어 주위에 근접하게 배치된(소정 쌍의 센서가 적용에 따라 사용될 수 있다) 본 발명의 다른 실시형태의 평면도,

도 5b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨이퍼의 각 존에 대한 목표 온도차이를 갖는 테이블,

도 6은 도 5a에 나타낸 센서(1 내지 10)의 개략적인 도면이다.

화학기계적 연마(CMP) 엔드포인트 검출시스템 및 이러한 시스템을 실행하기 위한 방법에 대한 발명이 개시된다. 이하의 기재에 있어서, 다수의 상세한 사항이 본 발명의 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 특정 사항의 전부 또는 일부가 없어도 실시될 수도 있음을 이해한다. 다른 경우에 있어서는, 본 발명을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 공지된 프로세스 동작은 상세히 설명하지 않는다.

도 3a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 엔드포인트 검출시스템을 포함하는 CMP시스템(300)을 나타낸다. 엔드포인트 검출시스템은 캐리어(308)에 근접한 위치 근방에 위치된 센서(310a,310b)를 포함하도록 설계된다. 공지된 바와 같이, 캐리어(308)는 웨이퍼(301)를 유지하고, 웨이퍼(301)를 패드(304)의 표면에 적용하도록 설계된다. 패드(304)는 롤러(302a,302b) 주위에서 패드 운동방향(305)으로 이동하도록 설계된다. 일반적으로, 패드(304)에는 웨이퍼(301)의 화학기계적 연마를 돕는 슬러리(306)가 제공된다. 이 실시형태에 있어서, CMP시스템(300)은 또한 트랙(320)에 연결된 콘디셔닝 헤드(316:conditioning head)를 포함한다. 콘디셔닝 헤드는 패드(304)의 표면을 인-시츄(in-situ) 또는 엑스-시츄(ex-situ) 방식으로 스크러빙하도록 설계된다. 공지된 바와 같이, 패드(304)의 콘디셔닝은, 연마 동작의 성능을 개선하기 위해서 패드(304)의 표면을 재조정하도록 설계된다.

캐리어(308)가 패드(304)의 표면 상부에서 웨이퍼(301)를 회전시키는 한편, 센서(310a,310b)가 패드(304)의 위치 상부에 고정되게 설계된다. 따라서, 센서(310a,310b)는 캐리어(308)와 함께 회전하지 않지만, 플래튼(322) 상부의 동일한 근접위치에 머무르게 된다. 센서(310a,310b)는 바람직하게는 온도센서로, CMP동작 동안 패드(304)의 온도를 감지한다. 그 다음, 감지된 온도는 감지 신호(309a,309b)로 제공되어, 엔드포인트 신호 프로세서(312)로 전송된다. 도시된 바와 같이, 캐리어(308)는 또한 패드(304)에 걸쳐서 캐리어(308) 및 연관된 웨이퍼(301)를 방향(314)으로 낮추고 상승시키도록 설계된 캐리어 포지셔너(308a)를 갖는다.

도 3b는 운동 방향(305)으로 이동하는 패드(304)의 부분을 나타낸 평면도이다. 도시된 바와 같이, 캐리어(308)는 캐리어 포지셔너(308a)에 의해 패드(304) 상으로 낮추어진다. 도 3c 및 도 3d에 나타낸 바와 같이, 센서(310a,310b)도 패드(304)를 향해 낮추어진다. 전술한 바와 같이, 센서(310a,310b)는 캐리어(308)와 함께 회전되지 않지만, 패드(304)에 걸쳐서 동일한 상대 위치에 남게 된다. 따라서, 센서(310a,310b)는 고정되게 설계되지만, 패드(304)를 향해 수직방향으로 이동하고, 캐리어(308)와 동기적으로 패드(304)로부터 이격될 수 있다. 따라서, 캐리어(308)가 패드(304)를 향해 낮추어질 때, 센서(310a,310b)도 패드(304)의 표면을 향해 낮추어지게 된다. 다른 실시형태에 있어서, 캐리어(308)는 센서(310a,310b)로부터 독립적으로 이동할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 센서(310a,310b)는 패드(304)로부터 발산되는 온도를 감지하도록 설계된다. 연마 동안, 웨이퍼는 패드(304)와 일정한 마찰을 하기 때문에, 패드(304)는, 패드(304)가 센서(310a,310b)의 고정된 위치로부터 움직이는 시간부터 온도가 변화하게 된다. 통상적으로, 열은 웨이퍼, 패드 재료, 외부로의 슬러리 및 프로세스 부산물에 의해 흡수된다. 그러므로, 이것은 감지될 수 있는 온도 차이를 생성시킨다. 따라서, 센서(310a)에 대해 감지된 온도는 "들어오는(IN)" 온도(Tin)이고, 센서(310b)에서 감지되는 온도는 "나가는(OUT)" 온도(Tout)이다. 그러면, 온도 차이(△T)는 Tout으로부터 Tin을 감산함으로써 측정되어진다. 온도 차이는 도 3b에서 박스(311) 내의 공식으로 나타낸다.

도 3c는 웨이퍼(301)를 패드(304)에 적용하는 캐리어(308)의 측면도이다. 도시된 바와 같이, 캐리어(308)는 유지링(308b)에 의해 유지되는 웨이퍼(301)를 플래튼(322)에 걸쳐서 패드(304)에 적용한다. 패드(304)가 운동방향(305)으로 움직임에 따라서, 센서(310a)는 감지 신호(309a)로서 엔드포인트 신호 프로세서(312)로 전송되는 온도(Tin)를 검출하게된다. 또한, 센서(310b)는 온도(Tout)를 수신하여, 그 감지된 온도를 감지 신호(309b)를 통해 엔드포인트 신호 프로세서(312)로 제공하도록 구성된다. 일 실시형태에 있어서, 센서(310)는, 바람직하게는 패드(304)에 근접하게 위치되어, 온도가 충분히 정확하게 감지될 수 있고 엔드포인트 신호 프로세서(312)로 제공될 수 있게 한다. 예컨대, 센서는, 바람직하게는, 캐리어(308)가 웨이퍼(301)를 패드(304)의 표면에 적용할 때, 패드(304)의 표면으로부터 대략 1mm와 대략 250mm 사이에 있도록 조정된다. 바람직한 실시형태에 있어서, 도 3d에 나타낸 센서(310a)는 패드(304)의 표면으로부터 대략 5mm에 있도록 위치 결정된다.

이 바람직한 실시형태에서, 센서(310)는 패드 운동방향(305)으로 패드가 선형으로 이동함에 따라 패드(304)의 온도를 감지하도록 구성된 적외선 센서인 것이 바람직하다. 하나의 예시적인 적외선 온도 센서는, Vernon Hills, IL의 Cole Parmer Instruments, Co.에 의해 판매되는 모델 번호 39670-10이다. 다른 실시형태에 있어서, 센서(310)는 캐리어(308)에 바로 인접하게 될 필요는 없다. 예컨대, 센서는, 대략 1/8inch와 대략 5inch 사이의 소정 거리로 캐리어(308)로부터 이격될 수 있고, 가장 바람직하게는 캐리어(308)의 측면으로부터 대략 1/4inch에 위치된다. 센서(310)가 패드에 상대적으로 고정되므로 이격공간(spacing)은, 센서(310)가 캐리어(308)의 회전을 방해하지 않도록 구성되고, 캐리어(308)는 패드 표면(304)에 대해 위쪽에서 웨이퍼(301)를 회전시키도록 구성된다.

도 4a는 유전성 층(102)과 확산 장벽층(104) 및 구리층(106)의 단면도이다. 확산 장벽층(104) 및 구리층(106)의 두께는 웨이퍼에 따라 그리고 연마되는 특정 웨이퍼 표면의 존에 따라 변화될 수 있다. 그런데, 연마 동작 동안, 웨이퍼(301)에 걸쳐서 웨이퍼로부터 원하는 양의 재료를 제거하는데는 대략적 양의 시간이 걸리게 된다. 예컨대, 연마 동작이 시작하는 때인 시간(T₀)에 대해서 구리(106)를 확산 장벽층(104)까지 제거하는데 시간(T₁)까지, 확산 장벽층(104)을 제거하는데 대략 시간(T₂)까지 걸린다.

설명의 목적으로, 도 4b는 온도 차이 대 시간의 도표(400)를 제공한다. 온도 차이 대 시간 도표(400)는 센서(310a,310b) 사이의 패드(304) 표면에 걸친 온도 차이 변화를 도시한다. 예컨대, 온도(T₀)에서 온도 차이 상태(402a)는 연마 동작이 아직 시작되지 않으므로, 제로로 된다. 연마 동작이 구리 재료 상에서 시작될 때, 온도 차이(402b)는 온도 차이(△T_A)까지 이동하게 된다. 이 온도 차이는, 패드(304)로의 웨이퍼(301)의 적용에 의해 마찰 응력(frictional stress)을 받음에 따라 패드(304)의 온도가 증가하므로, OFF위치에 비해 증가한다.

또한, 온도 차이(△T_A)는 연마되는 재료의 타입에 기초해서 소정 레벨로 증가한다. 구리층(106)이 도 4a의 구조에 걸쳐서 제거되면, CMP동작이 확산 장벽층(104)에 걸쳐서 계속된다. 확산 장벽층 재료가 연마되기 시작함에 따라서, 온도 차이는 402b로부터 402c로 이동하게 된다. 온도 차이(402c)는 △T_B로 나타내진다. 이는, 확산 장벽층(104)이 구리층(106) 보다 단단한 재료라는 사실에 기인하는 온도 차이의 증가이다. 확산 장벽층(104)이 유전성 층(102)에 걸쳐서 유전성 층으로부터 제거됨에 따라서, 보다 많은 유전성 재료가 연마되기 시작하고, 따라서 시간(T₂)에서의 온도 차이의 다른 시프트가 야기된다.

이 지점에서, 온도 차이(402d)는 △T_C에서 생성된다. 따라서, △T_B와 △T_C 사이의 시프트는 목표 엔드포인트 온도 차이 변화(404)를 정의한다. 목표 엔드포인트 온도 차이 변화(404)는 대략 시간(T₂)에서 일어나게 된다. 확산 장벽층(104)이 유전성 층(102)에 걸쳐서 유전성 층으로부터 충분히 제거하는 것을 보장하기 위해서, 연마 동작을 정지시키기 위한 적합한 시간을 확인하기 위해서, 402c와 402d 사이의 변화에 대한 조사가 바람직하게 이루어진다.

도 4c에 나타낸 바와 같이, 목표 엔드포인트 온도 차이 변화(404)가 확대되어 나타내 지는데, 테스트가 다수의 지점(P₁,P₂,P₃,P₄,P₅,P₆,P₇)에서 이루어진다. 이들 지점은 온도 차이 △T_B와 △T_C 사이에 걸친다. 도시된 바와 같이, 시간(T₂)은 시간 T₂(P₁)과 시간 T₂(P₇) 사이에 실제적으로 걸친다. 최선의 그리고 가장 정확한 엔드포인트를 보장하기 위해서, 시간(T₂) 내에서 어느 시간에 정지할 것인지 확인할 필요가 있다. 바람직하게는, 상이한 지점(P₁) 내지 지점(P₇)은 동일한 재료 및 층 두께를 갖는 몇몇 테스트 웨이퍼를 연마함으로써 분석된다. 상이한 시간 주기 뿐 아니라 연관된 층 두께에 대해서 연마된 상이한 층을 조사함으로써, 연마 동작을 정지하는 정확한 시간을 확인하는 것이 가능하다. 예컨대, 연마 동작은, 과도한 연마 시간을 정의하는 지점 P_OP(407) 대신 지점 P₅(405)에서 정지할 수 있다. 통상적으로, 과도한 연마 기술은, 종래기술에서는 연마된 확산 장벽층이나 임의의 다른 층이 베이스층에 걸쳐서 베이스층(예컨대, 유전성 층)으로부터 실제로 언제 제거되는지 불확실할 때 사용된다.

그러나, 시간 차이(402c)와 시간 차이(402d) 사이의 변화를 검사함으로써, 민감한 상호접속 금속화 배선이나 피쳐에 일어날 수 있는 디싱 및 그 밖의 과도한 연마 손상의 전술한 문제점을 회피하는 윈도우내에서 연마 동작을 정지시키기 위한 적합한 시간을 확인하는 (따라서, 정확하거나 거의 정확한 엔드포인트를 검출하는) 것이 가능하다.

도 5a는 본 발명의 다른 실시형태의 평면도로, 복수의 센서(1 내지 10)와 한 쌍의 기준 센서(R)가 캐리어(308) 주위에 근접해서 배열된다. 그러나 임의의 개수의 센서 쌍이 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 이 실시형태에 있어서, 센서는 연마되는 웨이퍼에 걸쳐서 5 개의 존으로 나누어진다. 패드가 방향(305)으로 회전됨에 따라서, 온도 차이가 센서 9와 10, 5와 6, 1과 2, 3과 4, 그리고 7과 8 사이에서 결정된다. 이들 온도 차이(△T₁ 내지 △T₅) 각각은 존(1 내지 5)을 정의한다. 이들 존 각각에 대해서, 엔드포인트를 확인하기 위한 결정된 목표 온도 차이가 있게 된다.

캘리브레이트된 테스트에 의해서, 존 각각에 대한 목표 온도 차이가 도 5b에 나타낸 바와 같이 변화될 수 있는 것으로 결정될 수 있다. 예컨대, 존(1,5)은 15의 목표 온도 차이를 갖고, 존(2,4)은 대략 20의 목표 온도 차이를 가지며, 존(3)은 대략 35의 온도 차이를 가질 수 있다. 존 각각에서 온도 차이를 조사함으로써, 도 5a에서 적당한 엔드포인트가 연마되는 웨이퍼의 상이한 존에 대해 도달하였는지를 확인하는 것이 가능하다. 따라서, 도 3 내지 도 4의 실시형태는 도 5a와 도 5b의 실시형태에 동일하게 적용할 수 있다. 그러나, 웨이퍼 표면의 상이한 존을 분석함으로써, 주어진 웨이퍼의 다양한 영역에 걸쳐서 보다 정확한 엔드포인트를 확인하는 것이 가능하게 된다. 물론, 얼마간의 센서가, 모니터링 되도록 요구되는 존의 개수에 의존해서 구현될 수 있다.

도 6은 도 5a에 나타낸 센서(1 내지 10)의 개략적인 도면이다. (예컨대, 도 3의 센서(310a,310b)와 같은) 센서(1 내지 10)가 패드에 근접한 위치지만, 캐리어(308)가 회전함에 따라 회전하지 않는 정지 위치에 배열된다. 연마 동작이 진행함에 따라서, 패드(304)에 걸친 상이한 위치에서 온도를 결정함으로써, 온도 차이(△T₁ 내지 △T₅)가 패드(304)의 상이한 상대 위치에서 확인될 수 있다. 그 다음, 감지된 신호(309)는 엔드포인트 신호 프로세서(312)로 전송된다.

엔드포인트 신호 프로세서(12)는 다중채널 디지털화 카드(462:또는 디지털화 회로)를 포함하도록 구성된다. 다중채널 디지털화 카드(462)는 신호 각각을 샘플링하고, 적합한 출력(463)을 CMP제어컴퓨터(464)에 제공한다. 그 다음, CMP제어컴퓨터(464)는 다중채널 디지털화 카드(462)로부터 수신된 신호를 프로세싱하고, 이들을 신호(465)를 통해 그래픽 디스플레이(466)로 제공할 수 있다. 그래픽 디스플레이(466)는, 연마되는 웨이퍼의 상이한 존을 그림으로 나타내고 적합한 엔드포인트가 각각의 특정 존에 대해 도달할 때 알리는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 포함할 수도 있다. 엔드포인트가 다른 존 전에 한 존에 대해 도달하면, CMP동작의 균일성을 개선하여 균일 방식으로(즉, 대략 동일시간에서) 웨이퍼 전체에서 엔드포인트의 도달을 가능하게하도록, 웨이퍼에 적당한 배압을 인가하거나 또는 연마가 느린 소정의 이들 위치에서 연마패드 배압을 변화시키는 것이 가능할 수도 있다.

상기된 바와 같이, 본 발명의 엔드포인트 모니터링은 웨이퍼에 걸쳐서 보다 정확한 CMP동작을 허용하고, 깨끗하고 이상없는 상태로 하부 표면을 남기면서 요구되는 재료가 제거되었는지를 확인하기 위해서, 연마되는 웨이퍼의 선택된 존에 대해 영점화하는(zero) 이점을 갖는다. 또한, 본 발명의 모니터링하는 실시형태는, 전술한 포토-부식에 민감할 수도 있는 웨이퍼에 비파괴적으로 구성된다. 또한, 본 발명의 실시형태는 CMP패드가 패드 슬롯에 의해 변경되는 것을, 또는 패드 아래에 위치된 플래튼이나 회전식 테이블 내로 슬롯을 뚫을 필요를 요구하지 않는다. 따라서, 모니터링은 웨이퍼의 정확한 연마를 방해하지 않는 패시브 모니터링 이상이며, 또한 정확하게 연마를 중단시키기 위한 엔드포인트의 매우 정확한 지시를 제공한다.

본 발명이 다수의 바람직한 실시형태에 의해 기재됨에도 불구하고, 당업자는 다양한 변경, 부가, 치환 및 균등물을 상기 명세서와 도면의 검토를 통해 실현할 수 있다. 예컨대, 엔드포인트 검출 기술은 임의의 연마 플랫폼(예컨대, 벨트, 테이블 회전식 기계, 궤도식 기계 등)에 그리고, 200mm, 300mm와 같은 임의의 사이즈의 웨이퍼나 기판에 뿐 아니라 보다 큰 다른 사이즈 및 형태를 갖는 것에 대해서 행해질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 정신 및 범위 내의 이러한 변형, 부가, 치환 및, 균등물 모두를 포함한다.

Claims (25)

1. 제 1 지점으로부터 제 2 지점으로 선형으로 이동하도록 구성된 연마 패드;

   상기 연마 패드 상부에서 연마되는 기판을 유지하도록 구성되고, 상기 제 1 지점과 상기 제 2 지점 사이의 연마 위치에서 상기 연마 패드에 기판을 적용하도록 설계되는 캐리어;

   상기 제 1 지점에 위치되고, 상기 연마 패드의 IN온도를 감지하도록 방향지워진 제 1 센서; 및

   상기 제 2 지점에 위치되고, 상기 연마 패드의 OUT온도를 감지하도록 방향지워진 제 2 센서를 구비하는, 화학기계적 연마시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판의 연마 동안 상기 OUT온도와 상기 IN온도의 온도 차이를 모니터링하는 엔드포인트 신호 프로세서를 더 구비하는, 화학기계적 연마시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   온도 차이의 변화는 상기 기판으로부터 연마되는 재료의 변화를 나타내는 (indicate), 화학기계적 연마시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 센서 각각으로부터의 감지 신호를 수신하도록 구성되는 엔드포인트 신호 프로세서를 더 구비하는, 화학기계적 연마시스템.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 엔드포인트 신호 프로세서는 상기 기판의 연마 동안 상기 OUT온도와 상기 IN온도 사이의 온도 차이를 모니터링하도록 상기 수신 신호를 프로세싱하는, 화학기계적 연마시스템.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 온도 차이의 변화는 상기 기판으로부터 연마되는 재료의 변화를 나타내는 (signal), 화학기계적 연마시스템.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 센서는 각각 적외선 센서인, 화학기계적 연마시스템.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 센서는 상기 연마 패드로부터 1mm 내지 250mm 의 분리 거리에 배열되는, 화학기계적 연마시스템.
9. 제 4 항에 있어서,

   상기 엔드포인트 신호 프로세서는 상기 제 1 및 제 2 센서로부터의 감지 신호를 프로세싱하도록 구성되는 다중채널 디지털화 회로를 더 구비하는, 화학기계적 연마시스템.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 엔드포인트 프로세서에 연결되고,

    엔드포인트 모니터링 상태를 나타내도록 구성되는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 디스플레이를 더 구비하는, 화학기계적 연마시스템.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서를 포함하는 센서 쌍 어레이를 더 구비하고, 상기 센서 쌍 어레이의 각 쌍은 상기 기판의 2개 이상의 존(zone)과 연관된 온도 차이를 감지하도록 배열되는, 화학기계적 연마시스템.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 기판은 반도체 웨이퍼와 데이터 저장 디스크 중 하나인, 화학기계적 연마시스템.
13. 화학기계적 연마동안 웨이퍼 표면의 프로세스 상태를 모니터링하는 방법으로서,

    선형으로 이동하도록 구성된 연마 패드 벨트를 제공하는 단계;

    상기 웨이퍼로부터 재료의 제 1 층을 제거하기 위해서 연마위치에서 상기 연마 패드 벨트에 상기 웨이퍼를 적용하는 단계;

    선형으로 상기 연마 위치 전에 있는 IN위치에서 상기 연마 패드 벨트의 제 1 온도를 감지하는 단계;

    선형으로 상기 연마 위치 후에 있는 OUT위치에서 상기 연마 패드 벨트의 제 2 온도를 감지하는 단계;

    상기 제 2 온도와 상기 제 1 온도 사이의 온도 차이를 계산하는 단계; 및

    상기 웨이퍼로부터의 상기 제 1 층의 제거를 지시하는 온도 차이의 변화를 모니터링하는 단계를 포함하는, 웨이퍼 표면의 프로세스 상태 모니터링 방법.
14. 제 13 항에 있어서,

    온도 차이 테이블을 생성하는 단계를 더 포함하고,

    상기 온도 차이 테이블은 복수의 온도 차이를 포함하며, 상기 온도 차이 각각은 상기 웨이퍼로부터 연마되는 재료 타입과 연관되는, 웨이퍼 표면의 프로세스 상태 모니터링 방법.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 온도 차이의 변화는 제 2 타입 재료의 다른 층으로의, 제 1 타입 재료의 제 1 층의 제거의 변화를 지시하는, 웨이퍼 표면의 프로세스 상태 모니터링 방법.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 제 1 타입의 재료는 금속 물질이고, 상기 제 2 타입의 재료는 장벽 물질인, 웨이퍼 표면의 프로세스 상태 모니터링 방법.
17. 제 15 항에 있어서,

    상기 제 1 타입의 재료는 확산 장벽 물질이고, 상기 제 2 타입의 재료는 유전성 물질인, 웨이퍼 표면의 프로세스 상태 모니터링 방법.
18. 제 13 항에 있어서,

    상기 감지하는 단계는 적외선 온도 감지를 포함하는, 웨이퍼 표면의 프로세스 상태 모니터링 방법.
19. 제 13 항에 있어서,

    복수의 추가적인 쌍으로 된 위치에서 온도를 감지하는 단계를 더 포함하고,

    상기 쌍으로 된 위치 각각은 상기 연마 위치 전에 있는 제 1 지점과 상기 연마 위치 후에 있는 제 2 지점을 포함하는, 웨이퍼 표면의 프로세스 상태 모니터링 방법.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 쌍으로 된 위치 각각은 상기 웨이퍼의 연관된 복수의 존에 걸쳐서 엔드포인트 검출을 제공하도록 구성되는, 웨이퍼 표면의 프로세스 상태 모니터링 방법.
21. 다른 웨이퍼 준비 단계로 전환하거나 화학기계적 평탄화 프로세스를 종료할 목적으로 웨이퍼 표면의 프로세스 상태를 모니터링하기 위한 방법으로서,

    선형으로 이동하도록 구성된 연마 패드를 제공하는 단계;

    상기 웨이퍼로부터 재료의 층을 제거하기 위해서 연마 위치에서 상기 연마 패드에 웨이퍼를 적용하는 단계;

    상기 연마 위치 전에 있는 제 1 위치에서 상기 연마 패드의 제 1 온도를 감지하는 단계;

    상기 연마 위치 후에 있는 제 2 위치에서 상기 연마 패드의 제 2 온도를 감지하는 단계; 및

    상기 제 2 온도와 상기 제 1 온도 사이의 온도 차이를 계산하는 단계를 포함하는, 웨이퍼 표면의 프로세스 상태 모니터링 방법.
22. 제 21 항에 있어서,

    상기 웨이퍼로부터 층의 제거를 지시하는 온도 차이의 변화를 모니터링하는 단계를 더 포함하는, 웨이퍼 표면의 프로세스 상태 모니터링 방법.
23. 제 22 항에 있어서,

    상기 온도 차이의 변화는 제 2 타입의 재료인 다른 층으로의, 제 1 타입의 재료인 층의 제거의 변화를 더 지시하는, 웨이퍼 표면의 프로세스 상태 모니터링 방법.
24. 연마 패드를 제공하는 단계;

    웨이퍼로부터 재료의 제 1 층을 제거하기 위해서 연마 위치에서 상기 연마 패드에 상기 웨이퍼를 적용하는 단계;

    상기 연마 위치 전에 있는 IN위치에서 상기 연마 패드의 제 1 온도를 감지하는 단계;

    상기 연마 위치 후에 있는 OUT위치에서 상기 연마 패드의 제 2 온도를 감지하는 단계;

    상기 제 2 온도와 상기 제 1 온도 사이의 온도 차이를 계산하는 단계; 및

    상기 웨이퍼로부터 상기 제 1 층의 제거를 지시하는 온도 차이의 변화를 모니터링하는 단계를 포함하는, 엔드포인트 검출 방법.
25. 제 24 항에 있어서,

    상기 연마 패드는 벨트 패드, 테이블 패드, 회전식 패드 및, 궤도식 패드 중 하나인, 엔드포인트 검출 방법.

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