KR102147784B1

KR102147784B1 - 가늘고 긴 영역을 모니터링하는 인-시튜 모니터링 시스템

Info

Publication number: KR102147784B1
Application number: KR1020130134924A
Authority: KR
Inventors: 쿤 슈; 시흐-하우르 셴; 츠-유 리우; 잉에마르 칼슨; 하산 지. 이라바니; 보그슬로우 에이. 스웨덱; 웬-치앙 투; 도일 이. 베넷
Original assignee: 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2020-08-25
Also published as: TW201422369A; KR20140059741A; US20140127971A1; TWI589394B; JP6297301B2; US9205527B2; JP2014096585A

Abstract

기판을 화학적 기계적 연마하는 방법은 연마 스테이션에서 기판 상의 층을 연마하는 단계; 연마 스테이션에서의 연마 동안 인-시튜 모니터링 시스템으로 층을 모니터링하는 단계 - 인-시튜 모니터링 시스템은 가늘고 긴 영역을 모니터링하고, 측정된 신호를 생성함 - ; 가늘고 긴 영역의 주축과 기판의 에지의 접선 간의 각도를 계산하는 단계; 각도에 기초하여 측정된 신호를 수정하여 수정된 신호를 생성하는 단계; 및 수정된 신호에 기초하여, 연마 종료점의 검출 또는 연마 파라미터의 수정 중 적어도 하나를 수행하는 단계를 포함한다.

Description

가늘고 긴 영역을 모니터링하는 인-시튜 모니터링 시스템{IN-SITU MONITORING SYSTEM WITH MONITORING OF ELONGATED REGION}

<관련 출원의 상호 참조>

본 출원은 2012년 11월 8일에 출원된 미국 특허 가출원 제61/724,218호의 우선권을 주장하며, 그 특허출원의 명세서 전체는 참조로 포함된다.

<기술 분야>

본 명세서는 기판의 화학적 기계적 연마 동안의 가늘고 긴 영역(elongated region)의 인-시튜 모니터링(in-situ monitoring)에 관한 것이다.

집적 회로는 통상적으로 실리콘 웨이퍼 상에 전도체, 반도체 또는 절연체 층들을 순차적으로 퇴적(deposition)하고, 그 층들을 후속하여 처리함으로써 기판(예를 들어, 반도체 웨이퍼) 상에 형성된다.

한 제조 단계는 비-평면 표면(non-planar surface) 위에 필러층(filler layer)을 퇴적하고, 비-평면 표면이 노출될 때까지 그 필러층을 평탄화하는 것을 포함한다. 예를 들어, 전도성 필러층이 패터닝된 절연체 층 상에 퇴적되어, 절연체 층 내의 트렌치 또는 홀을 채울 수 있다. 다음으로, 필러층은 절연체 층의 융기된 패턴(raised pattern)이 노출될 때까지 연마된다. 평탄화 후에, 절연체 층의 융기된 패턴 사이에 남아있는 전도체 층의 부분들은, 기판 상의 박막 회로들 사이의 전도성 경로를 제공하는 비아, 플러그 및 라인을 형성한다. 그에 더하여, 평탄화는 리소그래피를 위해 기판 표면을 평탄화하기 위해 이용될 수 있다.

화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing; CMP)는 일반적으로 인정되는 평탄화 방법 중 하나이다. 이 평탄화 방법은 통상적으로 기판이 캐리어 헤드 상에 탑재될 것을 요구한다. 기판의 노출된 표면은 회전 연마 패드에 맞닿아 놓인다(placed against a rotating polishing pad). 캐리어 헤드는 기판 상에 제어가능한 로드를 제공하여, 기판을 연마 패드 쪽으로 민다(push the substrate against the polishing pad). 연마 입자들(abrasive particles)을 갖는 슬러리와 같은 연마 액체(polishing liquid)가 연마 패드의 표면에 공급된다.

반도체 처리 동안, 기판, 또는 기판 상의 층들의 하나 이상의 특성을 결정하는 것이 중요할 수 있다. 예를 들어, CMP 프로세스가 올바른 시간에 종료될 수 있도록, 프로세스 동안 전도체 층의 두께를 아는 것이 중요할 수 있다. 기판 특성을 결정하기 위해 다수의 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어, 화학적 기계적 연마 동안의 기판의 인-시튜 모니터링을 위해 광학 센서들이 이용될 수 있다. 대안적으로(또는 그에 더하여), 기판 상의 전도성 영역에 와전류를 유도하여 전도성 영역의 국소 두께(local thickness)와 같은 파라미터들을 결정하기 위해 와전류 감지 시스템(eddy current sensing system)이 이용될 수 있다.

가늘고 긴 영역을 모니터링하는 인-시튜 모니터링 시스템은 기판 에지에서 개선된 신호 강도를 제공할 수 있다. 그러나, 예를 들어 캐리어 헤드의 스윕(sweep)으로 인해, 영역과 기판 에지 사이의 상대적 각도(relative angle)가 시간에 따라 변화하는 경우, 모니터링 시스템에 의해 생성되는 신호 중 기판 에지에 대응하는 부분에 상당한 잡음이 도입될 수 있다. 각도를 계산하고, 제어기에 데이터를 공급(feeding)함으로써, 이러한 잡음이 현저히 감소될 수 있다.

일 양태에서, 기판의 화학적 기계적 연마 방법은 연마 스테이션에서 기판 상의 층을 연마하는 단계; 연마 스테이션에서의 연마 동안 인-시튜 모니터링 시스템으로 층을 모니터링하는 단계 - 인-시튜 모니터링 시스템은 가늘고 긴 영역을 모니터링하고, 측정된 신호를 생성함 - ; 가늘고 긴 영역의 주축과 기판의 에지에의 접선 간의 각도를 계산하는 단계; 그 각도에 기초하여 측정된 신호를 수정하여 수정된 신호를 생성하는 단계; 및 수정된 신호에 기초하여, 연마 종료점의 검출 또는 연마 파라미터의 수정 중 적어도 하나를 수행하는 단계를 포함한다.

다른 양태에서, 기판의 화학적 기계적 연마 방법은 연마 스테이션에서 기판 상의 층을 연마하는 단계; 연마 스테이션에서의 연마 동안 인-시튜 모니터링 시스템으로 층을 모니터링하는 단계 - 인-시튜 모니터링 시스템은 이방성 센서(anisotropic sensor)를 포함하고, 측정된 신호를 생성함 - ; 이방성 센서의 주축과 기판의 에지에의 접선 간의 각도를 계산하는 단계; 그 각도에 기초하여 측정된 신호를 수정하여 수정된 신호를 생성하는 단계; 및 수정된 신호에 기초하여, 연마 종료점의 검출 또는 연마 파라미터의 수정 중 적어도 하나를 수행하는 단계를 포함한다.

다른 양태에서, 연마 시스템은 기판을 유지하는 캐리어; 연마 표면을 위한 지지부; 센서를 갖는 인-시튜 모니터링 시스템 - 인-시튜 모니터링 시스템은 가늘고 긴 영역을 모니터링하고, 측정된 신호를 생성하도록 구성됨 - ; 센서와 기판 사이의 상대적 움직임을 생성하기 위한 모터; 및 인-시튜 모니터링 시스템으로부터 측정된 신호를 수신하고, 가늘고 긴 영역의 주축과 기판의 에지에의 접선 간의 각도를 계산하고, 그 각도에 기초하여 측정된 신호를 수정하여 수정된 신호를 생성하고, 수정된 신호에 기초하여, 연마 종료점의 검출 또는 연마 파라미터의 수정 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 제어기를 포함한다.

다른 양태에서, 연마 시스템은 기판을 유지하는 캐리어; 연마 표면을 위한 지지부; 측정된 신호를 생성하도록 구성된 이방성 센서를 갖는 인-시튜 모니터링 시스템; 센서와 기판 사이의 상대적 움직임을 생성하기 위한 모터; 및 인-시튜 모니터링 시스템으로부터 측정된 신호를 수신하고, 이방성 센서의 주축과 기판의 에지에의 접선 간의 각도를 계산하고, 그 각도에 기초하여 측정된 신호를 수정하여 수정된 신호를 생성하고, 수정된 신호에 기초하여, 연마 종료점의 검출 또는 연마 파라미터의 수정 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 제어기를 포함한다.

상기 양태들 중 임의의 것의 구현들은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 각도는 가늘고 긴 영역 또는 센서가 기판의 에지에 인접한 시간에서의 각도일 수 있다. 신호의 에지 부분들이 검출될 수 있다. 측정된 신호를 수정하는 것은 에지 부분들을 압축(compressing) 또는 압축해제(decompressing)하는 것을 포함할 수 있다. 압축 또는 압축해제의 압축률은 각도의 함수일 수 있다. 각도의 함수는 각도가 증가함에 따라 압축이 증가하게 하는 것일 수 있다. 측정된 신호를 수정하는 것은 신호에 이득 계수(gain factor)를 곱하는 것을 포함할 수 있다. 이득 계수는 각도의 함수일 수 있다. 각도의 함수는 각도가 증가함에 따라 이득 계수가 감소하게 하는 것일 수 있다. 인-시튜 모니터링 시스템은 가늘고 긴 코어(elongated core)를 갖는 와전류 모니터링 시스템일 수 있다.

소정 구현들은 이하의 이점들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 인-시튜 모니터링 시스템, 예를 들어 와전류 모니터링 시스템은 센서가 기판을 가로질러 스캔할 때에 신호를 생성할 수 있다. 신호 중 기판 에지에 대응하는 부분에서의 잡음이 감소될 수 있다. 신호는 연마 파라미터, 예컨대 캐리어 헤드 압력의 폐쇄 루프 제어 및/또는 종료점 제어를 위해 이용될 수 있고, 그에 의해 개선된 웨이퍼 내 비균일성(WIWNU: within-wafer non-uniformity) 및 웨이퍼 간 비균일성(WTWNU: wafer-to-wafer non-uniformity)을 제공할 수 있다.

하나 이상의 구현의 상세가 이하의 첨부 도면 및 설명에 제시된다. 다른 양태, 특징 및 이점은 설명 및 도면으로부터, 그리고 청구항들로부터 명백할 것이다.

도 1은 와전류 모니터링 시스템을 포함하는 화학적 기계적 연마 스테이션의 개략적인 측면도이며, 부분적으로는 단면을 보여준다.
도 2a 및 도 2b는 3개의 프롱(prong)을 갖는 와전류 모니터링 시스템의 측면도 및 사시도를 보여준다.
도 3은 화학적 기계적 연마 스테이션의 상면도이다.
도 4a 및 도 4b는 기판의 에지 아래를 지나가는 와전류 모니터링 시스템의 코어의 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 와전류 모니터링 시스템으로부터의 신호의 개략적인 그래프이다.
도 6은 와전류 모니터링 시스템으로부터의 신호의 수정을 도시한다.
도 7은 모니터링 시스템으로부터의 신호로부터 생성된 특성화 값들(characterizing values)의 시변 시퀀스(time-varying sequence)를 도시한다.
도 8은 특성화 값들의 시변 시퀀스에 함수를 피팅(fitting)하는 것을 도시한다.
다양한 도면들 내의 유사한 참조 기호는 유사한 구성요소를 나타낸다.

CMP 시스템은 기판 상의 최상부 금속 층의 두께를 검출하기 위해 와전류 모니터링 시스템을 이용할 수 있다. 최상부 금속 층의 연마 동안, 와전류 모니터링 시스템은 기판 상의 금속 층의 상이한 영역들의 두께를 결정할 수 있다. 두께 측정은 실시간으로 연마 프로세스의 처리 파라미터들을 조절하고/거나 연마 종료점을 트리거하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 기판 캐리어 헤드는 금속 층의 영역들의 연마율을 증가시키거나 감소시키기 위해 기판의 후면측에의 압력을 조절할 수 있다. 연마 후에 금속 층의 영역들이 실질적으로 동일한 두께이도록 연마율이 조절될 수 있다. CMP 시스템은 금속 층의 영역들의 연마가 거의 동시에 완료되도록 연마율을 조절할 수 있다. 그러한 프로파일 제어(profile control)는 실시간 프로파일 제어(RTPC: real time profile control)라고 지칭될 수 있다.

일부 와전류 모니터링 시스템은 그 모니터링 시스템이 기판 상의 가늘고 긴 영역을 모니터링하도록 가늘고 긴 코어를 갖는다. 그러한 모니터링 시스템은 기판 에지에서 높은 해상도를 유지하면서도 기판 에지에서 개선된 신호 강도를 제공할 수 있다. 그에 더하여, 가늘고 긴 영역은 기판 에지에서의 두께의 각도 편차(angular variations in thickness)에 대한 민감도를 감소시킬 수 있다. 그러나, 예를 들어 캐리어 헤드의 스윕으로 인해, 영역과 기판 에지 사이의 상대적 각도가 시간에 따라 변화하는 경우, 모니터링 시스템에 의해 생성되는 신호 중 기판 에지에 대응하는 부분에 상당한 잡음이 도입될 수 있다. 각도를 계산하고, 제어기에 데이터를 공급함으로써, 이러한 잡음이 현저히 감소될 수 있다.

도 1은 연마 장치(100)의 예를 도시한다. 연마 장치(100)는 연마 패드(110)가 놓이는 회전식 디스크 형상의 플래튼(platen; 120)을 포함한다. 플래튼은 축(125)에 대하여 회전하도록 동작가능하다. 예를 들어, 모터(121)는 플래튼(120)을 회전시키기 위해 구동 축(124)을 돌릴 수 있다. 연마 패드(110)는 외측 연마 층(112) 및 더 연성인 후면 층(backing layer)(114)을 갖는 2층 연마 패드일 수 있다.

연마 장치(100)는 슬러리와 같은 연마 액체(132)를 연마 패드(110)를 향해 패드 상에 제공(dispense)하기 위한 포트(130)를 포함할 수 있다. 연마 장치는 또한 연마 패드(110)를 일관된 연마 상태로 유지하기 위해 연마 패드(110)를 연삭하기 위한 연마 패드 컨디셔너를 포함할 수 있다.

연마 장치(100)는 적어도 하나의 캐리어 헤드(140)를 포함한다. 캐리어 헤드(140)는 기판(10)을 연마 패드(110)에 대고 유지(hold against)하도록 동작할 수 있다. 캐리어 헤드(140)는 각각의 개별 기판에 연관된 연마 파라미터들, 예를 들어 압력을 독립적으로 제어할 수 있다.

특히, 캐리어 헤드(140)는 가요성 멤브레인(144) 아래에 기판(10)을 유지하기 위해 리테이닝 링(retaining ring)(142)을 포함할 수 있다. 캐리어 헤드(140)는 또한 멤브레인에 의해 정의되는 복수의 독립적으로 제어가능한 가압 챔버(pressurizable chambers), 예를 들어 3개의 챔버(146a-146c)를 포함하는데, 이들은 가요성 멤브레인(144) 상의, 그리고 그에 따른 기판(10) 상의 관련 구역들에 독립적으로 제어가능한 압력들을 가할 수 있다. 도시의 편의를 위해, 도 1에는 3개의 챔버만이 도시되어 있지만, 1개 또는 2개의 챔버, 또는 4개 이상의 챔버, 예를 들어 5개의 챔버가 있을 수 있다.

캐리어 헤드(140)는 지지 구조물(150), 예를 들어 캐러셀(carousel) 또는 트랙에 매달려서, 구동 축(152)에 의해 캐리어 헤드 회전 모터(154)에 접속되므로, 캐리어 헤드는 축(155)에 대하여 회전할 수 있다. 선택적으로, 캐리어 헤드(140)는 측방향으로, 예를 들어 캐러셀(150) 또는 트랙 상의 슬라이더 상에서, 또는 캐러셀 자체의 회전 진동에 의해 진동할 수 있다. 동작 시에, 플래튼은 그의 중심 축(125)에 대하여 회전되며, 캐리어 헤드는 그의 중심 축(155)에 대하여 회전되고, 연마 패드의 최상부면을 가로질러 측방향으로 병진된다.

하나의 캐리어 헤드(140)만이 도시되어 있지만, 연마 패드(110)의 표면적이 효율적으로 사용될 수 있도록 추가의 기판들을 유지하기 위해, 더 많은 캐리어 헤드가 제공될 수 있다.

연마 장치는 또한 인-시튜 모니터링 시스템(160)을 포함한다. 인-시튜 모니터링 시스템은 기판 상의 층의 두께에 의존하는 값들의 시변 시퀀스를 생성한다.

인-시튜 모니터링 시스템(160)은 와전류 모니터링 시스템일 수 있다. 와전류 모니터링 시스템(160)은 기판 상의 금속 층 내에 와전류를 유도하기 위한 구동 시스템, 및 구동 시스템에 의해 금속 층 내에 유도된 와전류를 검출하기 위한 감지 시스템을 포함한다. 모니터링 시스템(160)은 플래튼과 함께 회전하도록 리세스(126) 내에 배치된 코어(162), 코어(162)의 일부에 감겨진 적어도 하나의 코일(164), 및 배선(wiring)(168)에 의해 코일(164)에 접속된 구동 및 감지 회로망(166)을 포함한다. 일부 구현들에서, 코어(164)는 플래튼(120)의 최상부면 위로 돌출되어, 예를 들어 연마 패드(110)의 바닥의 리세스(118)에 들어간다.

구동 및 감지 회로망(166)은 발진 전기 신호(oscillating electric signal)를 코일(164)에 인가하고, 결과적인 와전류를 측정하도록 구성된다. 예컨대, 미국 특허 제6,924,641호, 제7,112,960호 및 제8,284,560호, 및 미국 특허 공개 제2011-0189925호 및 제2012-0276661호에 기술되어 있는 바와 같이, 구동 및 감지 회로망에 대하여, 그리고 코일(들)의 구성 및 위치에 대하여 다양한 구성이 가능하며, 상술한 문헌들 각각은 참조로 포함된다. 구동 및 감지 회로망(166)은 동일한 리세스(126) 또는 플래튼(120)의 다른 부분 내에 위치할 수 있고, 다르게는 플래튼(120) 외부에 위치하여 로터리 전기 유니언(rotary electrical union)(129)을 통해 플래튼 내의 컴포넌트들에 연결될 수 있다.

동작 시에, 구동 및 감지 회로망(166)은 코일(164)을 구동하여 발진 자기장을 생성한다. 자기장의 적어도 일부는 연마 패드(110)를 통해 기판(10) 내로 확장된다. 기판(10) 상에 금속 층이 존재하는 경우, 발진 자기장은 금속 층 내에 와전류를 생성한다. 와전류는 금속 층이 구동 및 감지 회로망(166)에 연결된 임피던스 소스의 역할을 하게 한다. 금속 층의 두께가 변화함에 따라, 임피던스가 변화하고, 이는 구동 및 감지 회로망(166)에 의해 검출될 수 있다.

선택적으로, 반사계 또는 간섭계로서 기능할 수 있는 광학 모니터링 시스템이 리세스(128) 내에서 플래튼(120)에 고정되어, 와전류 모니터링 시스템(160)에 의해 모니터링되고 있는 기판의 동일 부분을 모니터링할 수 있다.

CMP 장치(100)는 또한 코어(162)가 기판(10) 아래에 있을 때를 감지하기 위한 광학 인터럽터(optical interrupter)와 같은 위치 센서(180)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 인터럽터는 캐리어 헤드(140)의 맞은편에 고정된 지점에 탑재될 수 있다. 플래그(182)가 플래튼의 주변부에 부착된다. 코어(164)가 기판(10) 아래에서 스윕하는 동안 플래그(182)가 센서(180)의 광학 신호를 방해하도록, 플래그의 부착 지점 및 길이가 선택된다. 대안적으로, 또는 그에 더하여, CMP 장치는 플래튼의 각 위치(angular position)를 결정하기 위한 인코더를 포함할 수 있다.

범용 프로그램 가능 디지털 컴퓨터와 같은 제어기(190)가 와전류 감지 시스템(160)으로부터 강도 신호를 수신한다. 제어기(190)는 프로세서, 메모리 및 I/O 디바이스와, 출력 장치(192), 예컨대 모니터, 및 입력 장치(194), 예컨대 키보드를 포함할 수 있다.

신호는 와전류 모니터링 시스템(160)으로부터 로터리 커플러(rotary coupler)(129)를 지나 제어기(190)로 갈 수 있다. 대안적으로, 회로망(166)은 무선 신호로 제어기(190)와 통신할 수 있다.

코어(164)는 플래튼의 각각의 회전과 함께 기판 아래에서 스윕하므로, 금속 층의 두께에 관한 정보가 인-시튜로, 그리고 연속적인 실시간 방식으로(플래튼 회전마다 1회) 축적된다. 제어기(190)는, (위치 센서에 의해 결정된 것에 따라) 기판이 대략적으로 코어(164)의 위에 놓일 때, 모니터링 시스템으로부터의 측정들을 샘플링하도록 프로그램될 수 있다. 연마가 진행함에 따라, 금속 층의 두께가 변화하고, 샘플링되는 신호들은 시간에 따라 달라진다. 시간에 따라 변하는 샘플링된 신호들은 트레이스(trace)들이라고 지칭될 수 있다. 장치의 운전자가 연마 동작의 진행을 시각적으로 모니터링하는 것을 허용하기 위해, 연마 동안 모니터링 시스템들로부터의 측정들이 출력 장치(192)에 디스플레이될 수 있다.

동작 시에, CMP 장치(100)는 필터 층의 대부분이 제거된 때를 결정하고/거나 아래에 놓인 정지 층이 실질적으로 노출된 때를 결정하기 위해, 와전류 모니터링 시스템(160)을 이용할 수 있다. 검출기 로직을 위한 가능한 프로세스 제어 및 종료점 기준은 국소 최소 또는 최대, 경사 변화, 진폭 또는 경사의 임계값, 또는 그들의 조합을 포함한다.

제어기(190)는 또한 캐리어 헤드(140)에 의해 가해지는 압력을 제어하는 압력 메커니즘, 캐리어 헤드 회전율을 제어하기 위한 캐리어 헤드 회전 모터(146), 플래튼 회전율을 제어하기 위한 플래튼 회전 모터(121), 또는 연마 패드에 공급되는 슬러리 조성을 제어하기 위한 슬러리 분배 시스템(130)에 접속될 수 있다. 그에 더하여, 전체 내용이 참조로 포함되는 미국 특허 제6,399,501호에 논의되어 있는 바와 같이, 제어기(190)는 기판 아래에서의 각각의 스윕마다의 와전류 모니터링 시스템(160)으로부터의 측정들을 복수의 샘플링 구역으로 나누고, 각각의 샘플링 구역의 방사상 위치(radial position)를 계산하고, 진폭 측정들을 방사상 범위들(radial ranges)로 분류(sort)하도록 프로그램될 수 있다. 측정들을 방사상 범위들로 분류한 후, 필름 두께에 관한 정보가 실시간으로 폐쇄 루프 제어기에 공급되어, 개선된 연마 균일성을 제공하기 위해, 캐리어 헤드에 의해 적용되는 연마 압력 프로파일을 주기적으로 또는 연속적으로 수정할 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 와전류 모니터링 시스템(160)으로부터의 코어(164)의 예를 보여준다. 코어(164)는 비교적 높은 투자율(magnetic permeability)(예를 들어, 약 2500 이상의 μ)을 갖는 비전도성 재료로 형성된다. 코어(164)는 방수성 재료(water repellant material)로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 코어(164)는 코어(164) 내의 기공들(pores)에 물이 들어가는 것을 방지하고 코일 단락(coil shorting)을 방지하기 위해, 파릴렌(parylene)과 같은 재료로 코팅될 수 있다.

코어(164)는 가늘고 긴 형상이며, 코어(164)의 주축(primary axis)을 따른 길이 Lt가 그 주축에 수직인 제2 축(secondary axis)을 따른 폭 Wt보다 크다. 코어가 플래튼 내에 설치될 때, 주축 및 제2 축 둘 다가 플래튼(120)의 표면에 평행하며, 예를 들면 연마 동작 동안 연마 패드 및 기판의 면들에 평행하다. 코어의 가늘고 긴 구조는 기판 상의 측정되는 영역이 마찬가지로 가늘고 길게 한다. 코어(164)는 하나 이상의 프롱(172)을 포함할 수 있으며; 플래튼 내에 설치될 때, 프롱들(172)은 플래튼의 평면에 대해 직각으로, 예를 들어 수직으로 돌출된다.

일부 구현들에서, 코어(164)는 주축에 직각인 평면 내에서 E-형상의 단면을 갖는다. 코어(164)는 후면부(back portion)(170), 및 후면부(170)로부터 연장되는 3개의 프롱(172a-172c)을 포함할 수 있다. 프롱들은 주축 및 제2 축 둘 다에 직각인 제3 축을 따라 후면부(170)로부터 뻗어 있다. 그에 더하여, 프롱(172a-172c)은 실질적으로 선형이며, 서로에 대해 평행하게, 그리고 주축을 따라 연장된다. 프롱들은 제2 축에서 서로로부터 이격된다. 각각의 프롱은 제2 축을 따른 그의 폭 W1보다 큰 주축을 따른 길이 Lt를 가질 수 있다. 2개의 외측 프롱(172a, 172c)은 중간 프롱(172b)의 양측에 있다. 외측 프롱(172a, 172c)은 중간 프롱(172b)으로부터 등거리에 있을 수 있다.

도 3은 와전류 모니터링 시스템의 일부로서 가늘고 긴 코어(164)를 갖는 CMP 시스템(100)을 보여준다. 일부 구현들에서, 가늘고 긴 코어(164)는 주축(174)이 플래튼의 회전축(125)을 지나가도록 배향될 수 있다. 플래튼(120)이 회전함에 따라(화살표(300)로 표시됨), 코어(164)는 원형 경로(310)를 횡단할 것인데, 그 원형 경로의 일부는 기판(10) 아래를 지난다. 코어(164)가 기판(10) 아래를 지날 때, 와전류 모니터링 시스템은 경로(310)를 따른 위치들(312)의 시퀀스에서 측정을 할 수 있다. 각각의 위치(312)에서, 모니터링 시스템은 기판 상의 가늘고 긴 영역을 모니터링한다. 도 3에는 5개의 위치(312)만이 도시되어 있지만, 샘플링 레이트는 훨씬 더 클 수 있으며, 예를 들면 수백 개의 위치에서 측정이 행해질 수 있다. 그에 더하여, 도 3은 영역들이 겹치지 않는 것으로 도시하고 있지 않지만, 위치들이 충분히 서로 가까이 있다면, 측정되는 영역들은 부분적으로 겹칠 수 있다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 적어도 일부의 측방향 위치들(lateral positions)에 대해, 코어(164)가 기판(10)의 에지(12) 바로 아래에 배치될 때, 예컨대 코어(164)의 중심이 기판 에지와 일치할 때, 코어(164)의 주축(174)이 기판 에지(12)에의 접선인 라인(14)과 임계각보다 작은, 예를 들어 15°보다 작은, 예를 들어 5°보다 작은, 예를 들어 1°보다 작은 각도 α를 형성하도록, 가늘고 긴 코어(164)가 플래튼(120) 내에 배향될 수 있다. 즉, 코어(164)가 위치(314)에 있을 때, 코어(164)의 주축은 코어(164)의 중심을 지나가는 기판(10)의 반경 r에 거의 직각이다. 그러므로, 기판 에지 부근의 측정들에 있어서, 코일에 의해 생성되는 자기장과 결합하는 기판(10) 상의 전도체 층의 부분은 대체적으로 기판의 중심으로부터 동일한 방사상 거리에 있다. 결과적으로, 모니터링 시스템은 기판 에지에서 해상도를 현저하게 상실하지 않으면서 기판 에지에서 개선된 신호 강도를 제공할 수 있다.

캐리어 헤드(140)가 연마 동안 측방향으로 고정된다면, 각도 α는 연마 동작 동안 일정하게 유지될 것이다. 그러나, 일부 연마 동작들에 있어서, 캐리어 헤드는 플래튼(120)의 회전축(125)(도 3 참조)으로부터의 그의 상대적 거리 D를 변화시키면서 측방향으로 스윕한다. 도 4a와 도 4b를 비교해보면, 이것은 영역과 기판 에지(12) 간의 상대적 각도 α가 시간에 따라 변화하게 하고, 그에 의해 각도 α는 기판(10) 아래에서의 코어(164)의 상이한 스윕들마다 다를 것이다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 이러한 각도 α의 변화는 와전류 모니터링 시스템(160)으로부터의 신호에 변화를 야기할 수 있다. 도 5a는 기판(10) 아래에서의 코어(164)의 단일 패스 동안의 와전류 모니터링 시스템(160)으로부터의 신호(320)를 도시한다. 신호는 측정 영역이 기판(10)의 선두 에지(leading edge)를 가로질러 통과하는 기간에 대응하는 제1 기간(322), 측정 영역이 기판(10)을 가로질러 스캔하는 기간에 대응하는 제2 기간(324), 및 측정 영역이 기판(10)의 후미 에지(trailing edge)를 가로질러 통과하는 기간에 대응하는 제3 기간(326)을 포함한다. 제1 기간(322) 및 제3 기간(326)은 에지 기간이라고 지칭된다.

제1 기간(322)에서, 신호 강도는 초기 강도(통상적으로, 기판과 캐리어 헤드가 존재하지 않을 때 얻어지는 신호)로부터 강도 I로 상승한다. 이것은 모니터링 영역이 초기에 기판과 약간만 겹치는 것(초기의 낮은 값을 생성함)으로부터, 모니터링 영역이 기판과 거의 완전하게 겹치는 것(더 높은 값을 생성함)으로 전이하는 것에 의해 유발된다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 이러한 전이는 Ta로부터 Tb까지의 기간에 걸쳐 발생할 수 있으며, 지속기간은 ΔT이다. 마찬가지로, 제3 기간(326) 동안에는 신호 강도가 하강한다.

제2 기간(324)이 평평하게 도시되어 있지만, 이것은 간단하게 하기 위한 것이고, 제2 기간(324)에서의 실제 신호는 잡음 및 금속층 두께의 편차 둘 다로 인한 변동을 포함할 것이다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 각도 α가 증가하면(도 4a와 도 4b를 비교), 플래튼의 회전율이 동일하다고 가정할 때, 모니터링 영역은, 모니터링 영역이 기판과 약간만 겹치는 것으로부터 기판과 거의 완전하게 겹치는 것으로 전이하는 데에 더 긴 시간 ΔT'을 소비할 것이다. 결과적으로, 제1 기간(322') 및 마지막 기간(326') 동안의 신호의 경사가 더 낮을 것이다. 반대로, 각도 α가 감소하면, 시간 ΔT'은 더 작고, 제1 기간(322') 동안의 신호의 경사는 더 크다.

그에 더하여, 각도 α에서의 변화는 감도 또는 이득에서 변화를 유발할 수 있다. 층 두께가 동일하더라도, 각도 α가 변화하면, 에지 기간의 중점 T0에서의 신호가 변화할 수 있다(T0는 코어의 중심이 기판 에지(12)와 정렬되는 시간이어야 한다). 특히, 와전류 모니터링 시스템이 도 2a, 2b 및 3에 도시된 프롱 구성 및 배향을 갖는 경우에서는, 각도 α가 증가함에 따라, 기판 에지(12) 부근의 코어(164)의 위치들에 대해 모니터링 시스템의 이득이 증가한다. 따라서, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 각도 α'이 증가하는 경우, 중점 T0에서의 신호는 I0로부터 I0'으로 증가할 수 있다. 코어(164)가 기판(10) 아래로 더 이동함에 따라 이득은 안정되고(level off), 그에 의해 코어(164)가 완전히 기판(10) 아래에 있을 때쯤에는, 각도 α에 무관하게 동일한 신호 강도 I가 얻어져야 한다. 임의의 특정한 이론에 한정되지 않고, 이득에서의 변화는 코어(164)에 의해 생성되는 이방성 자기장 라인들에 의해 유발될 수 있다.

신호(320)의 형상에 있어서의 이러한 편차는 기판 에지 부근에서의 기판에 대한 특성화 값, 예컨대 두께의 계산에 오차를 유발할 수 있다. 이를 보상하기 위해, 각도 α가 에지 재구성 알고리즘에 공급될 수 있다. 에지 재구성 알고리즘은 각도 α에서의 스윕 간 변화들(sweep-to-sweep variances)에 의해 유발되는 변화들을 보상할 수 있다.

각도 α는 플래튼(120)의 회전축(125)과 기판(10)의 중심 간의 거리 D(캐리어 헤드(140)의 스윕을 측정한 선형 인코더에 의해 측정될 수 있음), 기판(10)의 반경 r(사용자에 의해 입력될 수 있음), 플래튼(120)의 회전축(125)과 코어(164)의 중심 간의 거리 B(사용자에 의해 입력될 수 있음), 및 주축(174)과 회전축(125) 및 코어(164)를 지나가는 라인 간의 각도가 있다면 그러한 각도 β로부터 계산될 수 있다.

예를 들어, 코어의 중심이 기판 에지와 일치하는 시간에서의 각도 α는 아래와 같이 계산될 수 있다:

에지 재구성 알고리즘에 공급되는 각각의 강도 측정은 계산된 각도 α를 동반할 수 있다.

에지 재구성 알고리즘은 신호의 제1 시간 부분(322)의 시작 및 종료 시간, 즉 Ta 및 Tb, 및 제3 시간 부분(326)의 시작 및 종료 시간을 찾을 수 있다. 예를 들어, 제어기(190)는 강도 신호(320)의 도함수를 계산할 수 있고, 임계값을 초과하는 경사를 갖는 영역들을 식별할 수 있다. 에지 재구성 알고리즘은 또한 위치 검출기(180)로부터의 입력에 기초하여 신호(320)의 평가를 제한할 수 있다. 예를 들어, 위치 센서(180)가 코어(164)가 기판 에지(12) 아래를 지나가고 있음을 나타내는 시간의 임계 시간 내의 신호(320)의 부분들로 평가가 제한될 수 있다.

제1 시간 부분(322) 및 제3 시간 부분(326)에 대한 각도 α가 결정될 수 있다. 예를 들어, 각각의 시간 부분에 대한 각도 α는 그 시간 부분 내에서 수신된 강도 측정들에 연관된 각도들 α의 평균으로서 계산될 수 있다. 대안적으로, 위치 센서(180)가 플래튼이 특정 각도 배향에 있음을 나타내는 시간에서의 각도 α가 이용될 수 있다.

각도 α가 시간 부분에 대해 설정되고 나면, 재구성된 에지 신호가 계산될 수 있다. 재구성된 에지 신호는 플래튼(120)의 회전 간의 각도 α에서의 편차를 적어도 부분적으로 보상한다.

일부 구현들에서, 에지 시간 부분들은 압축되거나 압축해제된다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, 초기 신호(320)는 시간 Ta로부터 시간 Tb까지 연장되는 제1 기간(322)을 가질 수 있다. 각도 α가 임계 각도보다 큰 경우, 에지 기간들(322, 326) 내의 신호의 부분이 시간압축되어(time-compressed), 수정된 신호(330)를 생성할 수 있다. 도시된 바와 같이, 수정된 신호(330) 내에서는, 압축으로 인해, 에지 기간들(322, 326)의 지속시간이 감소되었고 에지 기간들(322, 326)에서의 신호의 경사가 증가된다. 압축의 양, 예컨대 비 ΔT/ΔTm은 각도 α의 함수일 수 있으며, 예를 들면 각도 α에 비례할 수 있다.

압축 또는 압축해제와 결합될 수 있는 일부 구현들에서, 에지 시간 부분들의 강도(그리고 또한 선택적으로 중앙 시간 부분(324)의 강도)가 조절된다. 예를 들어, 에지 기간들(322, 326) 동안의 초기 신호(320) 내의 강도 값들이 이득 계수로 나누어져서(또는 이득 계수와 곱해져서), 수정된 신호(320)가 생성될 수 있다. 일반적으로, 이득 계수는 각도 α에 의존하는 모니터링 시스템의 민감도의 변화를 보상하도록 계산된다.

위에서 언급된 바와 같이, 일반적으로, 더 높은 각도 α에서, 와전류 모니터링 시스템(160)이 더 민감할 수 있다. 이득 계수는 각도 α의 함수일 수 있다. 초기 신호에 이득 계수를 곱한다고 가정하면, 이득 계수는 각도 α가 증가함에 따라 감소할 수 있다. 그에 더하여, 이득 계수는 에지 기간 내에서 시간의 함수일 수 있다. 다시, 초기 신호에 이득 계수를 곱한다고 가정하면, 이득 계수는 중앙 기간(334)으로부터의 시간 거리가 증가함에 따라 감소할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 수정된 신호(330) 내에서는, 이득 계수를 곱하는 것에 의해, 에지 기간(322)의 중점 T0에서의 강도가 I0로부터 I0m으로 감소되었다. 이득 계수는 각도 α 및 시간의 대수 함수(algebraic function)를 이용하여, 또는 룩업 테이블을 이용하여 계산될 수 있다.

이러한 보상으로 인해, 가늘고 긴 모니터링 영역과 기판 에지 간의 각도 α의 편차의 효과가 현저하게 감소될 수 있어서, 특성화 값의 계산이 더 정확해지게 되고, 그에 의해 종료점 제어 및/또는 연마 파라미터들의 폐쇄 루프 제어를 개선하여, 더 양호한 웨이퍼 내 비균일성(WIWNU) 및 웨이퍼 간 비균일성(WTWNU)을 제공할 수 있다.

기판의 단일 구역에 대한 결과만을 도시하는 도 6을 참조하면, 특성화 값들(212)의 시변 시퀀스가 도시되어 있다. 특성화 값들(212)은 모니터링 시스템(160)으로부터의 신호(320)로부터 생성된다. 이러한 값들의 시퀀스는 트레이스(210)라고 지칭될 수 있다. 일반적으로, 회전 플래튼을 갖는 연마 시스템에 대하여, 트레이스(210)는 기판 아래에서의 광학 모니터링 시스템의 센서의 스윕 당 하나, 예컨대 정확하게 하나의 값을 포함할 수 있다. 기판 상의 복수의 구역이 모니터링되고 있는 경우, 구역마다 스윕 당 하나의 값이 있을 수 있다. 기판 에지(12)에서의 구역에 대하여, 특성화 값들(212)은 신호(320)의 수정된 에지 부분(332, 336)에 기초하여 결정될 수 있다. 구역 내의 복수의 측정은 종료점 및/또는 압력의 제어를 위해 이용되는 단일 값을 생성하도록 결합될 수 있다.

연마 동작의 개시 전에, 사용자 또는 장비 제조자는 값들(212)의 시변 시퀀스에 피팅될 함수(214)를 정의할 수 있다. 예를 들어, 함수는 다항식 함수, 예를 들어 선형 함수일 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 함수(214)는 값들(212)의 시퀀스에 피팅된다. 일반화된 함수들을 데이터에 피팅하기 위한 복수의 기법이 존재한다. 다항식들과 같은 선형 함수들에 대하여, 일반적인 선형 최소 자승법이 이용될 수 있다.

선택적으로, 함수(214)는 시간 TC 후에 수집되는 값들에 피팅될 수 있다. 시간 TC 전에 수집되는 값들은 함수를 값들의 시퀀스에 피팅할 때에 무시될 수 있다. 예를 들어, 이것은 연마 프로세스에서 조기에 발생할 수 있는 측정된 스펙트럼들 내의 잡음의 제거에 도움이 될 수 있거나, 다른 층의 연마 동안 측정된 스펙트럼들을 제거할 수 있다. 연마는 함수(214)가 목표값 TT와 동일해지는 종료점 시간 TE에서 중지될 수 있다.

이 모니터링 시스템은 다양한 연마 시스템에서 이용될 수 있다. 연마 패드 또는 캐리어 헤드, 또는 둘 다가 연마 표면과 기판 사이의 상대적인 움직임을 제공하기 위해 이동할 수 있다. 연마 패드는 플래튼에 고정된 원형(또는 소정의 다른 형상)의 패드, 서플라이 롤러와 테이크업(take-up) 롤러 사이에 연장되는 테이프, 또는 연속 벨트일 수 있다. 연마 패드는 플래튼에 고정될 수 있거나, 연마 동작들 간에 플래튼 위에서 점증적으로 전진될 수 있거나, 연마 동안 플래튼 위에서 연속적으로 구동될 수 있다. 패드는 연마 동안 플래튼에 고정될 수 있고, 다르게는 연마 동안 플래튼과 연마 패드 사이에 유체 베어링(fluid bearing)이 존재할 수 있다. 연마 패드는 표준(예를 들어, 필러를 갖거나 갖지 않는 폴리우레탄) 러프(rough) 패드, 소프트 패드, 또는 고정식 연마 패드(fixed-abrasive pad)일 수 있다.

상기 논의는 와전류 모니터링 시스템에 초점을 맞추고 있지만, 정정 기법들은 기판 상의 가늘고 긴 영역을 모니터링하는 다른 종류의 모니터링 시스템, 예컨대 광학 모니터링 시스템에 적용될 수 있다. 그에 더하여, 상기 논의는 가늘고 긴 모니터링 영역을 갖는 모니터링 시스템에 초점을 맞추고 있지만, 정정 기법들은 모니터링 영역이 가늘고 긴 형상이 아니라, 이방성 센서가 기판 에지에 대한 센서의 상대적 배향에 의존하는 신호를 생성하는 경우에도 적용될 수 있다.

본 발명의 다수의 실시예가 설명되었다. 그러나, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고서, 다양한 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 다른 실시예들은 이하의 청구항들의 범위 내에 있다.

10 : 기판
100 : 연마 장치
110 : 연마 패드
120 : 플래튼
121 : 모터
125 : 회전축
140 : 캐리어 헤드
154 : 캐리어 헤드 회전 모터
164 : 코어
174 : 주축

Claims

기판을 화학적 기계적 연마하는 방법으로서,
연마 스테이션에서 상기 기판 상의 층을 연마하는 단계;
상기 연마 스테이션에서의 연마 동안 인-시튜 모니터링 시스템(in-situ monitoring system)으로 상기 층을 모니터링하는 단계 - 상기 인-시튜 모니터링 시스템은 가늘고 긴 영역(elongated region)을 모니터링하고, 측정된 신호를 생성함 - ;
상기 가늘고 긴 영역의 주축(primary axis)과 상기 기판의 에지에의 접선(tangent) 간의 각도를 계산하는 단계;
수정된 신호를 생성하기 위해, 상기 각도에 기초하여 상기 측정된 신호를 수정하는 단계; 및
상기 수정된 신호에 기초하여, 연마 종료점의 검출 또는 연마 파라미터의 수정 중 적어도 하나를 수행하는 단계
를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 각도는 상기 가늘고 긴 영역이 상기 기판의 에지에 인접한 시간에서의 각도를 포함하는 방법.
기판을 화학적 기계적 연마하는 방법으로서,
연마 스테이션에서 상기 기판 상의 층을 연마하는 단계;
상기 연마 스테이션에서의 연마 동안 인-시튜 모니터링 시스템으로 상기 층을 모니터링하는 단계 - 상기 인-시튜 모니터링 시스템은 이방성 센서(anisotropic sensor)를 포함하고, 측정된 신호를 생성함 - ;
상기 이방성 센서의 주축과 상기 기판의 에지에의 접선 간의 각도를 계산하는 단계;
수정된 신호를 생성하기 위해, 상기 각도에 기초하여 상기 측정된 신호를 수정하는 단계; 및
상기 수정된 신호에 기초하여, 연마 종료점의 검출 또는 연마 파라미터의 수정 중 적어도 하나를 수행하는 단계
를 포함하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 각도는 상기 이방성 센서가 상기 기판의 에지에 인접한 시간에서의 각도를 포함하는 방법.
제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 측정된 신호의 에지 부분들을 검출하는 단계를 포함하는 방법.
제5항에 있어서, 상기 측정된 신호를 수정하는 단계는 상기 에지 부분들을 압축(compressing) 또는 압축해제(decompressing)하는 단계를 포함하는 방법.
제6항에 있어서, 상기 압축 또는 압축해제하는 단계로부터의 압축률은 상기 각도의 함수인 방법.
제7항에 있어서, 상기 각도의 함수는 상기 각도가 증가함에 따라 상기 압축률이 증가하게 하는 것인 방법.
제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 측정된 신호를 수정하는 단계는 상기 측정된 신호에 이득 계수(gain factor)를 곱하는 단계를 포함하는 방법.
제9항에 있어서, 상기 이득 계수는 상기 각도가 증가함에 따라 상기 이득 계수가 감소하게 하는 상기 각도의 함수인 방법.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 인-시튜 모니터링 시스템은 가늘고 긴 코어(elongated core)를 갖는 와전류 모니터링 시스템을 포함하는 방법.
연마 시스템으로서,
기판을 유지하는 캐리어;
연마 표면을 위한 지지부;
센서를 갖는 인-시튜 모니터링 시스템 - 상기 인-시튜 모니터링 시스템은 가늘고 긴 영역을 모니터링하고, 측정된 신호를 생성하도록 구성됨 - ;
상기 센서와 상기 기판 사이의 상대적 움직임을 생성하기 위한 모터; 및
상기 인-시튜 모니터링 시스템으로부터 상기 측정된 신호를 수신하고, 상기 가늘고 긴 영역의 주축과 상기 기판의 에지에의 접선 간의 각도를 계산하고, 수정된 신호를 생성하기 위해, 상기 각도에 기초하여 상기 측정된 신호를 수정하고, 상기 수정된 신호에 기초하여, 연마 종료점의 검출 또는 연마 파라미터의 수정 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 제어기
를 포함하는 연마 시스템.
연마 시스템으로서,
기판을 유지하는 캐리어;
연마 표면을 위한 지지부;
측정된 신호를 생성하도록 구성된 이방성 센서를 갖는 인-시튜 모니터링 시스템;
상기 센서와 상기 기판 사이의 상대적 움직임을 생성하기 위한 모터; 및
상기 인-시튜 모니터링 시스템으로부터 상기 측정된 신호를 수신하고, 상기 이방성 센서의 주축과 상기 기판의 에지에의 접선 간의 각도를 계산하고, 수정된 신호를 생성하기 위해, 상기 각도에 기초하여 상기 측정된 신호를 수정하고, 상기 수정된 신호에 기초하여, 연마 종료점의 검출 또는 연마 파라미터의 수정 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 제어기
를 포함하는 연마 시스템.