KR20010076353A - 2단계 화학 기계적 연마공정의 광학적 모니터링 방법 - Google Patents

2단계 화학 기계적 연마공정의 광학적 모니터링 방법 Download PDF

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KR20010076353A
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보구스로우 스웨덱
라지브 바자
사비타 난장굿
앤드류스노르베르트 비스베서
스탠디. 짜이
데이비드에이. 챤
프레드씨. 레데커
마누쳐 비랑
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조셉 제이. 스위니
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Abstract

복수의 반경영역 각각에 대한 반사율 추적값을 생성하는 2단계 연마공정을 위한 광학적 모니터링 시스템에 관한 것이다. CMP 장치는 어떤 반사율 추적값이 금속 층의 초기 클리어런스를 나타낼 때 고-선택도 슬러리로부터 저-선택도 슬러리로 전환될 수 있으며, 모든 반사율 추적값이 산화물 층의 완전 노출을 나타낼 때 연마 공정은 중지된다.

Description

2단계 화학 기계적 연마공정의 광학적 모니터링 방법{OPTICAL MONITORING IN A TWO-STEP CHEMICAL MECHANICAL POLISHING PROCESS}
본 발명은 일반적으로 기판의 화학기계적 연마에 관한 것이고, 보다 상세하게는 화학기계적 연마 공정중에 금속층의 엔드-포인트를 검출하는 방법 및 장치에관한 것이다.
집적회로는 전도성, 반전도성 또는 절연성층을 실리콘 웨이퍼상에 연속하여 증착시킴으로써 기판상에 형성되는 것이 통상적이다. 각 층의 증착이 이루어진 다음, 층을 에칭하여 회로 배선을 형성한다. 일련의 층들이 연속하여 증착되고 에칭됨에 따라, 기판의 외면 또는 최상단면, 즉 기판의 노출된 면은 점점 비-평면화된다. 이러한 비-평면화된 면은 집적회로의 제작 프로세스중 사진석판 단계에서 문제를 발생시킨다. 따라서, 기판 표면을 주기적으로 평면화할 필요가 있다.
화학기계적 연마(CMP)는 평면화를 위한 한가지의 인정된 방법이다.
이러한 평면화 방법은 통상적으로 기판이 캐리어 또는 연마 헤드상에 장착될 것을 필요로 한다. 기판의 노출된 면은 회전하는 연마패드에 맞대어 배치된다. 연마 패드는 "표준" 패드나 고정된 마모성 패드 중 어느 하나일 수 있다. 표준 패드는 내구성있는 거친 표면을 갖는 반면, 고정된 마모성 패드는 봉쇄 매체내에 담겨진 마모성 입자를 갖는다. 캐리어 헤드는 제어가능한 부하, 즉, 압력을 기판상에 제공하여 기판이 연마패드에 대해 압박되도록 한다. 적어도 하나의 화학적으로 반응성있는 약품을 포함하는 연마 슬러리, 및 표준 패드가 사용되는 경우 마모성 입자가 연마 패드의 표면에 공급된다.
연마 프로세스가 완료되었는가 즉, 기판층이 소망하는 평편성 또는 두께로 평면화되었는가를 판단하는 것이 CMP의 한가지 문제점이다. 기판층의 최초 두께, 슬러리의 조성, 연마패드의 상태, 연마 패드와 기판간의 상대 속도, 및 기판상의부하 등에 있어서의 변화는 재료 제거율(material removal rate)의 변경을 초래할 수 있다. 이러한 변화들은 연마 엔드 포인트에 도달하는데 필요한 시간에 변화를 가져온다. 따라서, 연마 엔드 포인트는 단지 연마 시간의 함수로서만 결정될 수는 없다.
연마 엔드포인트를 결정하는 한가지 방법은 연마 표면으로부터 기판을 제거하여 이를 검사하는 것이다. 예를 들면, 예컨대 조도계(profilometer) 또는 저항 측정에 의해 기판층의 두께가 측정되는 지점인 계측부로 기판이 전달될 수 있다. 소망하는 사양이 충족되지 않는 경우, 기판은 추가의 프로세싱을 위해 CMP 장치로 재차 적재된다. 이것은 CMP 장치의 생산성을 감소시키는 시간허비성 공정이다. 대안적으로, 검사를 통해, 과잉의 재료가 제거됨으로써 기판을 쓸모없게 만든다는 것을 밝힐 수 있다.
연마 엔드포인트 검출을 위한 몇가지 방법이 개발되었다. 이들 방법 대부분은 기판 표면과 연계된 변수를 관측하는 단계와, 상기 변수가 갑자기 변화할 때 엔드포인트를 지시하는 단계를 포함한다. 예를 들면, 절연성 또는 유전체 층이 연마되어 하부 금속층이 노출되는 경우, 금속층의 노출시 기판의 마찰 계수 및 반사성이 급격히 변화할 것이다.
관측된 변수가 연마 엔드포인트에서 급격히 변화하면, 이러한 엔드포인트 검출 방법은 수용가능하다. 그러나, 기판이 연마될 때, 연마 패드 상태 및 패드-기판 접속부에서의 슬러리 조성이 변할 수 있다. 이러한 변화는 하부층의 노출을 차폐하거나, 또는 엔드포인트 상태와 유사할 수 있다. 또한, 이와같은 엔드포인트검출 방법은, 평면화만이 수행되거나, 하부층이 과연마되거나, 또는 하부층 및 상부층이 유사한 물리적 특성을 갖는 경우에는 제대로 작용하지 않을 것이다.
도 1은 화학적 기계적인 연마 장치의 분해 사시도.
도 2는 광학적 반사계를 포함하는 화학적 기계적인 연마 장치의 측면도.
도 3은 프로세싱되는 기판의 단순화된 단면도로서, 기판에 부딪히고 기판으로부터 반사되는 레이저 광선을 개략적으로 도시하는 도면.
도 4는 임의의 강도 단위로 측정된 반사율 궤적을 나타내는 도표.
도 5a-5e는 선반이 회전될 때 연마 패드에서의 창의 위치를 도시하는 단순화된 평면도.
도 6은 CMP동안 금속층 연마 종점을 결정하는 방법의 흐름도.
도 7a는 캐리어 헤드 아래에서의 레이저 경로를 도시하는 개략도.
도 7b는 캐리어 헤드 아래에서의 창의 1회전에 의해 생성된 반사율 궤적의 가상적 부분을 나타내는 도표.
도 8은 레이저 경로에서 표본 추출 영역의 방사상 위치를 도시하는 개략도.
도 9a는 표본 추출 영역의 방사상 위치를 결정하는 방법의 흐름도.
도 9b는 레이저 광선이 압반 회전수의 함수로써 기판의 선단 에지와 후단 엣지 아래를 통과하는 시간을 나타내는 도표.
도 10은 표본 추출 영역의 방사상 위치 계산을 도시하는 개략도.
도 11은 강도치를 저장하기 위한 데이터 구조의 개략적 도표.
도 12는 상이한 시간에 측정된 수 개의 반사율 궤적들을 나타내는 도표.
도 13a-13h는 연마 주기에 대한 기판 중심으로부터의 거리의 함수로써 금속층의 반사된 강도를 나타내는 그래프.
도 14는 경계층을 가진 기판의 단순화된 단면도.
도 15a와 도 15b는 도 14에 도시된 기판을 연마하는 동안의 반사율 궤적을 나타내는 도표.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 기판 24 : 압반
28 : 패드 조절기 30 : 연마 패드
32 : 지지층 34 : 외피 층
60 : 카루우젤 70 : 캐리어 헤드 시스템
74 : 구동 샤프트 80 : 캐리어 헤드
88 : 반사면
일 태양에서, 본 발명은 기판의 연마 방법에 관한 것이다. 기판의 제 1 층은 제 1 연마 유체로 화학 기계적으로 연마된다. 기판은 상기 제 1 층 하부에 배열된 제 2 층을 가지며, 제 1 및 제 2 층은 상이한 반사성을 갖는다. 기판은 연마도중 제 1 연마 슬러리에 의해 관측되어 다수의 강도 트레이스(intensity trace)를 생성한다. 각각의 강도 트레이스는 기판의 상이한 반경방향 범위로부터의 강도 측정을 포함한다. 만약 강도 트레이스중 어느 것이 제 1 층의 최초 클리어런스(initial clearance)를 지시하면, 제 1 연마 유체와는 상이한 연마 특성을 갖는 제 2 연마 유체로써 기판이 화학 기계적으로 연마된다. 기판의 광학적 관측은 제 2 연마 슬러리로 연마되는 동안 계속되며, 강도 트레이스가 제 2 층이 완전히 노출되었음을 지시한 후에 연마가 정지된다.
본 발명의 구현은 하나 또는 그 이상의 하기의 특징을 포함할 수 있다. 광학적 관측은 연마 표면내의 창을 통해 광선을 방사하고 상기 광선이 기판을 가로지르는 경로로 이동하도록 하는 단계, 기판으로부터 반사되는 광선에 의해 생성되는 반사율 신호를 관측하는 단계, 및 상기 반사율 신호로부터 다수의 강도 측정을 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
다수의 강도 트레이스를 발생시키는 단계는 강도 측정 도중 광선의 위치에 따른 반경 방향 범위 중 하나로 각각의 강도 측정을 소팅(sorting)하는 단계와 상기 반경방향 범위와 연계된 강도 측정으로부터 강도 트레이스를 결정하는 단계를 포함한다. 제 1 슬러리는 고선택도(high selectivity) 슬러리이고, 제 2 슬러리는 저선택도 슬러리일 수 있다. 제 1 층은 제 2 층에 비해 높은 반사성을 가질 수 있다. 제 1 층은 구리와 같은 금속층일 수 있다. 제 2 층은 실리콘 이산화물과 같은 산화물층이거나, 탄탈 또는 탄탈 질화물과 같은 방벽층일 수 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 기판 표면이 창을 갖는 연마 표면과 접촉하게 되는, 기판 연마 방법에 관한 것이다. 기판은 제 2 층 위로 배열된 제 1 층을 가지며, 제 1 및 제 2 층은 상이한 반사율을 갖는다. 제 1 연마 단계를 위해 기판에 제 1 슬러리가 공급되고, 기판과 연마 표면사이에 상대 운동이 야기된다. 상기 창을 통해 광선이 방사되고, 기판에 대한 연마 표면의 운동은 광선으로 하여금 기판을 가로지르는 경로로 움직이게 만든다. 기판으로부터 반사되는 광선에 의해 생성되는 반사율 신호가 관측되고, 상기 신호로부터 다수의 강도 측정이 추출되며, 다수의 강도 트레이스가 발생되며 각각의 강도 트레이스는 기판상의 상이한 반경방향 범위로부터의 강도 측정을 포함한다. 상기 강도 트레이스 중 어느 것이 제 1 층의 최초 클리어런스를 지시할 때, 제 2 연마 단계의 연마를 위해 제 2 슬러리가 기판에 공급된다. 제 2 슬러리는 제 1 슬러리와는 상이한 연마 특성을 갖는다. 모든 강도 트레이스가 제 2 층이 완전히 노출되었음을 지시한 다음에 연마가 정지된다.
본 발명의 구현은 다음의 특징 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 제 1 슬러리는 고선택도 슬러리이고 제 2 슬러리는 저선택도 슬러리일 수 있다. 제 2 층은 기판내의 제 3 층 위로 배열될 수 있다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 산화물층 위로 배열된 금속층을 갖는 기판을 연마하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법에서, 기판의 표면은 창을 갖는 연마 표면과 접촉하게 된다. 고선택도 슬러리가 연마 표면에 공급된다. 기판과 연마 표면 사이에 상대 운동이 야기된다. 상기 창을 통해 광선이 방사되고, 기판에 대한 연마 표면의 운동은 광선으로 하여금 기판을 가로지르는 경로로 움직이게 만든다. 기판으로부터 반사되는 광선에 의해 생성되는 반사율 신호가 관측되고, 상기 신호로부터 다수의 강도 측정이 추출된다. 각각의 강도 측정에 대한 반경방향 위치가 결정되고, 다수의 강도 측정은 상기 반경 방향 위치에 따라 다수의 반경 방향 범위로 분할된다. 다수의 강도 트레이스가 발생되고, 각각의 강도 트레이스는 다수의 반경방향 범위중 하나로부터의 강도 측정을 포함한다. 강도 트레이스중 어느것이 금속층의 최초 클리어런스를 지시할 때 저선택도 슬러리가 연마 표면에 공급되고, 모든 강도 트레이스가 산화물층이 완전히 노출되었음을 지시할 때 연마가 정지된다.
본 발명의 구현은 하기의 특징 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 반사율 트레이스의 급감은 상기 반사율 트레이스와 연관된 반경방향 범위에서 금속층의 최초 클리어런스를 나타내는 것일 수 있다. 반사율 트레이스의 평탄화는 상기 반사율 트레이스와 연관된 반경방향 범위내의 산화물층의 노출을 나타내는 것일 수 있다. 기판은 예컨대 구리와 같은 금속층과 예컨대 실리콘 산화물과 같은 산화물층사이에 배치된 예컨대 탄탈 또는 탄탈 질화물과 같은 방벽층을 포함할 수 있다.
본 발명은 아래에 기술되는 것의 하나 또는 그 이상의 장점을 포함한다. 구리 도금된(copper-coated) 기판은 우묵해짐(dishing)과 부식(erosion)을 줄이며 연마될 수 있다. 연마 종점(polishing endpoint)과 연마 장치가 고선택도 슬러리(high selectivity slurry)로부터 저선택도 슬러리(low selectivity slurry)로 전환해야 하는 지점(point)은 정확하게 정해질 수 있다. 웨이퍼의 상이한 위치에서 이뤄지는 금속 연마 작업(metal polishing operation)의 진행 중에 상세한 데이터를 이용할 수 있다.
도면과 청구항을 포함하는 다음의 설명으로부터 본 발명의 다른 특징과 장점들이 명백해질 것이다.
도 1과 도 2에서, 한 개 또는 그 이상의 기판(10)이 CMP 장치(20)에 의해 연마될 수 있다. 유사한 연마 장치(20)는 미국 특허 제 5,738,574호의 명세서에 설명되어 있고 그 전체 내용은 본 발명의 참고자료로 제시되어 있다. 연마 장치(20)는 일련의 연마부(polishing station; 22)와 전달부(transfer station; 23)를 포함한다. 전달부(23)는 적재 장치(loading apparatus 도시 안됨)로부터 각각의 기판(10)을 수용하고, 기판들을 세정하고, 기판들을 캐리어 헤드(carrier heads)에 적재하고, 캐리어 헤드로부터 기판들을 수용하고, 기판들을 다시 세정하고, 그리고 마지막으로 기판들을 다시 적재 장치로 이송하는 것을 포함하는 다양한 기능을 제공한다.
각각의 연마부는 연마 패드(30)가 배치되는 회전가능한 압반(platen; 24)을 포함한다. 제 1과 제 2 부(station)는 경질의 내구성있는 외면을 지닌 복층(two-lyer) 연마 패드를 포함할 수 있는 반면, 최종 연마부는 상대적으로 연질인 패드를포함할 수 있다. 만약 기판(10)이 직경 "8 inch"(200㎜) 또는 "12 inch"(300㎜)인 디스크라면, 압반(platens)들과 연마 패드들은 각각 직경 약 20 inch 또는 30 inch의 치수를 가질 것이다. 각각의 압반(24)은 압반 구동 모터(도시 안됨)에 연결될 수 있다. 비록 더욱 낮거나 더욱 높은 회전속도도 사용될 수 있으나, 대부분의 연마 프로세스에서 압반 구동 모터는 약 30 에서 200 rpm의 속도로 압반(24)을 회전시킨다. 또한 각각의 연마부는 기판을 효과적으로 연마하도록 연마 패드의 상태를 유지하는 패드 조절기(pad conditioner apparatus; 28)를 포함할 수 있다.
일반적으로, 연마 패드(30)는 압반(24) 표면 및 기판(10)을 연마하는데 사용하는 외피층(covering layer; 34)과 인접한 지지층(backing layer; 32)을 가진다. 외피층(34)은 일반적으로 지지층(32)보다 단단하다. 한편 지지층없이 외피층만 있는 패드들도 있다. 외피층(34)은 발포성 폴리우레탄 또는 홈이 파인 면을 지닌 한 장의 폴리우레탄으로 구성될 수 있다. 지지층(32)은 우레탄으로 여과된(leached) 압축 펠트 섬유로 구성될 수 있다. IC-1000으로 구성된 외피층과 SUBA-4로 구성된 지지층을 가진 복층 연마 패드는 델라웨어 뉴어크에 소재한 로델 사로부터 입수할 수 있다.(IC-1000 와 SUBA-4는 로델 사의 상품명이다.)
회전식 다중 헤드 카루우젤(60)은 중앙 포스트(62)에 의해 지지되고 카루우젤 모터 조립체(도시 않음)에 의해 카루우젤 축(64)을 중심으로 회전된다. 카루우젤(60)은 네 개의 캐리어 헤드 시스템(70)을 포함한다. 중앙 포스트(62)는 카루우젤 모터가 카루우젤 지지판(66)을 회전시키도록 하고 캐리어 헤드 시스템과 카루우젤 축(64) 주위에 부착된 기판을 궤도를 그리게 한다. 세 개의 캐리어 헤드 시스템은 기판을 수용하고 유지하여, 연마 패드에 대향해 기판을 가압함으로써 기판을 연마한다. 반면에, 캐리어 헤드 시스템 중의 한 시스템은 기판을 수용하여 기판을 전달 스테이션(23)으로 전달한다.
각각의 캐리어 헤드 시스템은 캐리어 또는 캐리어 헤드(80)를 포함한다. 캐리어 구동 샤프트(74)는 캐리어 헤드 회전 모터[76, 덮개(68)의 1/4을 제거하여 도시함]를 각각의 캐리어 헤드(80)에 연결시켜서 각각의 캐리어 헤드는 그 축을 중심으로 독립적으로 회전할 수 있다. 각각의 헤드에 대해 하나의 구동 샤프트와 모터가 있다. 게다가, 각각의 캐리어 헤드(80)는 카루우젤 지지판(66)에 형성된 반경 슬롯(72)에서 독립적으로 측면으로 진동한다. 슬라이더(도시 않음)는 관련된 반경 슬롯에서 각각의 구동 샤프트를 지지한다. 반경 구동 모터(도시 않음)는 캐리어 헤드를 측면으로 진동시키도록 슬라이더를 이동시킬 수도 있다.
캐리어 헤드(80)는 다양한 기계적 기능을 수행한다. 일반적으로, 캐리어 헤드는 연마 패드에 대향해서 기판을 유지하고, 기판의 배면 전체에 걸쳐 하방향의 압력을 균일하게 분배하고, 구동 샤프트로부터 기판에 토크를 전달하여, 연마 작업 중에 캐리어 헤드 아래에서 미끄러지지 않게 하는 것을 보장한다.
캐리어 헤드(80)는 기판(10)을 위한 장착면을 제공하는 가요성 막(82), 및 기판을 장착면 아래에 유지하는 유지 링(84)을 포함할 수도 있다. 가요성 막(82)에 의해 형성된 챔버(86)의 압력이 연마 패드에 대향해서 기판에 힘을 가한다. 유지 링(82)은 높은 반사 재료로 형성되거나, 유지 링에 하부 반사면(88)을 제공하기 위해 반사층으로 코팅될 수도 있다. 유사한 캐리어 헤드(80)의 설명이 본 발명의양수인에게 양도된 스티븐 엠. 주니가 등에 의해 1996년, 11월, 8일에 출원된 "화학 기계적 연마 시스템을 위한 가요성 막을 갖는 캐리어 헤드"라는 명칭을 갖는 미국 특허 출원 제 08/745,679호에 개시되며, 본원에 참조되었다.
반응성 화학물(예를 들어, 산화 연마용 탈이온수)과 화학적 반응 촉매(예를 들어, 산화 연마용 수산화칼륨)를 포함하는 슬러리(38)가 슬러리 공급 포트 또는 조합된 슬러리/린스 아암(39)에 의해 연마 패드(30)의 표면에 공급될 수도 있다. 연마 패드(30)가 표준 패드라면, 슬러리(38)는 연마재 입자(예를 들어, 산화 연마용 이산화규소)를 포함할 수도 있다.
작업 중에, 플레이트는 중앙 축(25)을 중심으로 회전되고, 캐리어 헤드는 중앙 축(81)을 중심으로 회전되며 연마 패드면을 가로질러 측면으로 옮겨진다.
구멍(26)은 플레이튼(24) 내에 형성되고 투명 창(36)이 구멍 상부에 놓인 연마 패드(30)의 일부분에 형성된다. 투명 창(36)이 본 발명의 양수인에게 양도된 마누쳐 미랑, 등에 의해 1996년, 8월 26일에 출원된 "화학 기계적 연마 장치를 위한 연마 패드에서 투명 창을 형성하는 방법"이라는 명칭을 갖는 미국 특허 출원 제 08/689,930호에 개시되며, 본원에 참조되었다. 구멍(26)과 투명 창(36)은 정위치되어 캐리어 헤드의 병진 운동 위치에 불구하고, 플레이튼의 일부분의 회전 중에 기판(10)을 본다.
반사기(40)는 일반적으로 구멍(26) 아래에 있는 플레이튼(24)에 고정되고 플레이튼을 회전시킨다. 반사기는 광원(44)과 검출기(46)를 포함한다. 광원은 투명 창(36)과 기판(10)의 노출면 상에서 충돌하는 슬러리(38, 도 3 참조)를 통해 전달하는 광 비임(42)을 생성한다. 예를 들어, 광원(44)은 레이저일 수도 있으며 광 비임(42)은 평행 레이저 비임일 수도 있다. 광 레이저 비임(42)은 기판(10)의 표면에 수직축으로부터의 각도에서, 즉, 축(25 및 81)으로부터의 각도에서 레이저(44)로부터 투입된다. 게다가, 구멍(26)과 창(36)이 신장되면, 비임 확장기(설명 않됨)는 창의 신장된 축을 따라 광 비임을 확장시키는 광 비임의 경로에서 위치될 수 있다. 레이저(44)는 계속적으로 작동할 수도 있다. 선택적으로, 레이저는 구멍(26)이 일반적으로 기판(10)에 인접하는 시간 동안 레이저 비임(42)을 생성하도록 활성화될 수도 있다.
도 2 및 도 5a 내지 도 5e를 참조하면, CMP 장치(20)는 창(36)이 기판 근처에 있을 때를 감지하는 광학 단속기와 같은 위치 센서(160)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 광학 단속기는 캐리어 헤드(80) 반대의 고정된 지점에서 장착될 수도 있다. 플래그(162)는 플레이튼의 주변에 부착된다. 부착 지점과 플래그(162)의 길이가 선택되어 창(36)이 짧은 시간에 캐리어 헤드(80) 아래를 세정하기 전의 짧은 시간으로부터 센서(60)의 광학적 신호를 방해한다. 검출기(46)로부터 나온 출력 신호는 센서(160)의 광학적 신호가 방해받는 동안 측정되고 저장될 수도 있다.
작업 중에, CMP(20) 장치는 반사계(40)를 이용하여 기판의 표면으로부터 제거된 재료의 량을 결정하거나, 기판이 평탄화될 때를 결정한다. 일반적인 목적의 프로그램 가능 디지탈 컴퓨터(48)는 레이저(44), 검출기(46) 및 센서(160)에 연결될 수도 있다. 컴퓨터(48)는 기판이 일반적으로 창위에 놓일 때 레이저를 활성화하고, 검출기로부터의 강도 측정을 저장하고, 출력 장치(49) 상에 강도 측정을 현시하고, 강도 측정을 저장하고, 강도 측정을 반경 범위로 분류하고, 연마의 종점을 검출하도록 프로그램화될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 기판(10)은 규소 웨이퍼(12)와 산화물 또는 질화물 층(14) 상에 배열된 상부 금속층(16)을 포함한다. 금속은 특히, 구리, 텅스텐, 알루미늄일 수도 있다. 상이한 반사도를 갖는 기판의 상이한 부분이 연마될 때, 검출기(46)로부터의 신호 출력은 시간에 따라 변한다. 특히, 금속층(16)이 산화물 또는 질화물 층(14)을 노출시키도록 연마될 때, 기판의 반사도는 떨어진다. 시간에 따라 변하는 검출기(46)의 출력은 정위치 반사율 측정 트레이스(또는 더 간단히, 반사율 트레이스)로 언급된다. 후술되는 바와 같이, 이러한 반사율 트레이스는 금속층의 연마 작업의 종점을 결정하도록 사용될 수도 있다.
도 4 및 도 5a 내지 도 5e를 참조하면, 금속이 코팅된 웨이퍼를 연마함으로써 생성된 일시적인 강도 파형(90)을 갖는 측정된 반사율 트레이스가 도시된다. 강도 파형(90)은 상대적으로 긴 시간 범위(초단위로 측정됨)에 걸쳐 생성된다. 파형의 특징은 상부 평탄역(97), 좌측 및 우측 중간의 평탄역(98)에 의해 둘러싸인 각각의 파형을 포함한다. 한 사이클의 파형(90)은 좌측 및 우측 중간 수준의 평탄역(98), 하나의 상부 수준의 평탄역(97), 및 배면 수준(94)을 포함한다.
중간의 평탄역(98)은 유지 링(84)으로부터의 반사를 나타내며, 상부 수준의 평탄부(97)는 기판(10)으로부터 반사를 나타낸다. 배면 수준은 창과 슬러리로부터 분산된 반사를 나타낸다. 유지 링(84)으로부터의 반사는 배면 수준보다 높다. 기판(10)이 연마되고 금속층(16)이 하부층(14)을 노출시키도록 제거될 때, 종점파형(90)은 중간 수준의 평탄역(98)을 향해 또는 아래로 떨어진다.
도 4 및 5a 내지 5b를 참조하면, 큰 스케일의 반사율 기록(90)은 플라텐(24)의 각위치를 참조하여 설명될 수 있다. 초기에, 윈도우(36)는 캐리어 헤드의 뷰(view)를 가지지 못한다(도 5a 참조). 따라서, 레이져 빔(42)은 반사되지 않으며, 감지기(46)에 의해 측정되는 세기는 슬러리(38) 및 투명한 윈도우(36)로부터의 반사를 포함하는 기저 세기(background intensity)의 결과이다. 이러한 낮은 세기는 기저 높이(94)과 일치한다. 테이블(24)이 회전함에 따라, 먼저 윈도우(36)는 캐리어 헤드(80)의 리테이닝 링(84) 아래를 지나간다(도 5b 참조). 리테이닝 링(84)의 하부 표면(88)은 레이져 빔(42)의 일부를 감지기(46)로 반사시키며, 중간의 플래토(98)와 일치하는 중간 세기의 측정을 나타낸다. 윈도우(36)가 기판(10) 아래를 지나감에 따라(도 5c 참조), 레이져 빔(42)의 일부는 기판에 의해 반사된다. 일반적으로, 기판(10)의 금속층은 높은 반사력을 가지며, 이는 반사 기록(90) 상에 높은 높이의 플래토(97)를 야기시킨다. 테이블이 계속 회전함에 따라, 윈도우(36)는 다시 리테이닝 링(84) 아래를 지나간다(도 5d 참조). 마지막으로, 윈도우(36)이 캐리어 헤드(80)의 아래쪽으로부터 지나가며(도 5e 참조), 감지기는 기저 상태(94)와 일치하는 낮은 세기를 측정한다.
CMP 장치(20)의 컴퓨터(48)는 금속 층 연마 작동의 종료-지점을 결정하기 위하여 반사계(40)에 의해 생성되는 반사 기록을 사용할 수 있다. 각각의 측정은 다수의 방사형 위치에서 수행될 수 있다. 또한, 컴퓨터(48)는 기판의 평편도, CMP 기구의 연마 불균일성, 및 이하에서 설명되는 프로세스 조건을 결정하기 위하여 세기 측정을 이용할 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 종료-지점 결정의 프로세스가 도시되어 있다. 먼저, 종료-지점 결정 동안 사용되는 몇몇 연마 변수는 컴퓨터(48)의 메모리에 저장되어있다(단계 101). 관심이 있는 연마 변수는 테이블의 회전율 및 캐리어 헤드의 스윕 프로파일(carrier head sweep profile)을 포함한다.
기판(12)의 표면 상의 금속층은 기판의 표면을 연마 패드(30)와 접촉시킴으로서 연마된다(도 2;단계102). 연마 패드(30)는 회전하며, 기판과 연마 패드 사이의 상대 운동을 야기시킨다.
천이 세기 데이터는 모티터되며, 다수의 표본 영역에서 수집될 수 있다(단계 104). 이는 반사계에 의해 생성된 라이트 빔이 윈도우를 통과하도록 향하게 함으로서 달성된다. 기판(12)에 대한 연마 패드(30)의 운동은 라이트 빔이 기판 표면을 가로 지르는 경로 내에서 이동하도록 한다. 기판(10) 및 리테이닝 링(84)으로부터의 라이트 빔의 반사는 센서에 의해 감지되며, 라이트 빔과 연관된 반사 데이터는 생성된다.
천이 세기 데이터는 작업자가 연마 작동의 진행을 모니터할 수 있도록 모니터 상에 현시된다(단계 106). 패턴 인식기(pattern recognizer)는 세기 데이터가 예정된 임계값 이하로 감소하는지를 검사하는 임계 감지기일 수 있다. 대안적으로, 다른 실시예에서, 일련의 신호 변화를 감지하기 위하여 윈도우 로직이 데이타에 적용될 수 있다. 윈도우 로직의 3가지 형태는 국부적인 최대값 및 최소값을 감지하기 위하여 사용된다; 반사 데이터에서 하향하는 경향을 감지하기 위해 하향 커스프(downwardly cusp)를 구비한 윈도우 로직; 반사 데이터에서 상향하는 경향을 감지하기 위해 상향 커스프를 구비한 윈도우 로직; 상대적으로 정적인 반사 데이터를 감지하기 위해 거의 평편한 라인을 구비한 윈도우 로직. 신호의 변화는 평균적일 수 있다. 종료 지점을 감지하기 위한 패턴 인식 알고리즘의 자세한 논의는 상기 언급된 미국 특허 출원 번호 제 08/689,930호에서 찾을 수 있다.
패턴 인식기의 출력은 부가적인 피드백 데이터와 함께 연마기 제어기에 의해 제공되는 정지 신호이다(단계 110). 연마기 제어기는 표면층의 부식 및 디슁을 최소화시키기 위해 다양한 변수 및 파라미터를 조절하는 피드백 데이터를 사용한다. 예컨대, 연마 압력, 연마 속도, 화학적 성질, 및 슬러리 조성은 전체 연마 성능 및/또는 연마 품질을 최적화하기 위하여 조절될 수 있다. 정지 신호는 연마기 제어기가 현재의 금속층 연마 작동을 정지하도록 한다(단계 112).
단계(106-112)와 동시에, 도 6의 프로세스는 연속한 프로세싱에 대한 천이 세기 데이터를 데이터 저장 장치, 예컨대 컴퓨터 디스크에 저장한다(단계 114). 간단히 말해서, 각각의 샘플링 영역에 대한 세기는 정해지며(단계 116), 각각의 샘플링 영역의 방사형 위치는 계산되며(단계 118), 그리고 세기 측정은 방사형 범위로 분류된다(단계 150). 분류된 세기 측정은 연마 불균일성 및 기판의 다른 방사 범위에서 제거율을 측정하는데 사용된다. 이러한 각각의 단계는 이하에서 더 자세히 기술된다.
일반적으로, 반사된 세기는 연마 중에 기판 상의 다른 방사 위치에 대하여 변화한다. 금속층은 기판의 다른 위치에 대하여 다른 비유로 제거될 수 있다. 예컨대, 기판의 중앙 근처의 금속층은 마지막으로 제거될 수 있으며, 반면 기판의 주위 또는 엣지 근처의 금속층은 먼저 제거될 수 있으며, 또한 그 역도 가능하다. 전체 웨이퍼로부터의 반사 데이터는 밀리세컨드의 크기 정도에서 상대적으로 미세한 시간 스케일에서 포착되며, 증착 프로세스를 개선하기 위한 실험에 이용할 수 있다. 기록된 데이터의 해석에 의해, 프로세스는 더 빠르게, 더 신속하게, 또는 더 부드럽게 변화할 수 있다. 공지된 바와 같이, 저장된 데이터는 프로세스 성능을 최적화하기 위한 프로세스 연구 개발에 유용하다.
도 7a 및 7b를 참조하면, 테이블 및 캐리어 헤드의 선형 이동(linear sweep)의 결합된 회전은 윈도우(36)(및 레이져 빔(42))가 이동 경로(120)에서 캐리어 헤드(80) 및 기판(10)의 바닥 표면을 가로 질러 이동하도록 한다. 레이져 빔이 기판을 가로 질러 지나감에 따라, 반사계(40)는 일련의 개개의 세기 측정 Ia, Ib,...Ij를 생성하기 위하여 샘플링 주기, Tsample 동안 측정된 세기를 통합한다. 반사계(40)의 샘플율 F(세기 측정이 생성되는 비율)는 F=1/Tsample로 주어진다. 반사계(40)는 약 2.5에서 100 밀리세컨드 사이의 샘플링 주기와 일치하는 약 10에서 400 헤르쯔(Hz) 사이의 샘플율을 가질 수 있다. 특히, 반사계(40)는 약 40Hz의 샐플링율과 약 25 밀리세컨드의 샘플링 주기를 가질 수 있다.
따라서, 레이져(44)가 활성화되는 각각의 시간 동안, 반사계(40)는 다수의 샘플링 영역(122a-122j)으로부터 세기를 측정한다. 각각의 샘플링 영역은 상응하는 샘플링 주기 동안에 레이져 빔이 지나가는 기판 상의 영역과 일치한다. 요약하자면, 단계(106)에서, 반사계(40)는 샘플링 영역(122a, 122b, ..., 122j)와 일치하는 일련의 세기 측정값(Ia, Ib, ..., Ij)을 생성한다.
비록 도 7a이 10개의 샘플링 영역을 도시하더라도, 테이블의 회전율 및 샘플링율에 의존하는 더 많은 혹은 더 적은 샘플링이 있을 수 있다. 특히, 낮은 샘플링율은 더 적은, 더 넓은 샘플링 영역을 야기하며, 반면 높은 샘플링율은 ㄷ수의 좁은 샘플링 영역을 야기한다. 또한, 다중의 감지기는 더 많은 샘플링 영역을 제공하기 위하여 사용될 수 있다.
도 7b에서 도시된 바와 같이, 윈도우(36)는 캐리어 헤드의 뷰를 가지지 못하므로, 샘플링 영역(122a, 122j)에 대한 각각의 세기 측정값(Ia, Ij)은 낮다. 샘플링 영역(122a, 122j)은 리테이닝 링(84) 아래에 위치하며, 따라서 세기 측정값(Ia, Ij)는 중간의 세기 측정값이다. 샘플링 영역(122c,122d,...122h)는 기판 아래에 위치하며, 따라서 기판의 다양한 방사형 위치에서 상대적으로 큰 세기 측정값(Ic, Id, ...Ih)를 생성한다.
도 12는 여러 과도 신호 그래프(300-320)의 오버레이이다. 각각의 과도 신호 그래프(300-320)는 캐리어 헤드 아래의 윈도우의 소제와 관련된 간격에 대한 강도 데이타(intensity data)를 나타낸다. 예컨대, 그래프(300)는 약 1.7초 내지 약 2.7초에서 종말점(end-point) 데이타를 나타내며, 그래프(320)는 약 350.8초 내지 약 351.8초에서종단점을 나타낸다. 물론, 후에 참고하기 위해 과도 신호 그래프는 컴퓨터(48)에 저장된다.
도 12는 폴리싱 공정 동안 강도 신호가 반영된 종말점이 어떻게 변하는지를 도시한다. 초기에, 주기(300)에서, 기판 표면 상의 금속층은 깔쭉깔쭉(jag)하게되어 있다. 기본 패턴층(14)의 형태로 인해 금속층(16)은 다소의 초기 형태를 지니고 있다. 이러한 형태로 인해, 광선 비임(light beam)이 금속층에 충돌하는 경우 비산된다. 폴리싱 공정이 진행됨에 따라 금속층은 보다 평탄해 져서 주기(302-308)에서 폴리싱 된 금속층의 반사율이 증가한다. 이러한 가운데, 신호 강도는 안정 레벨까지 서서히 증가한다. 주기(310-320)로부터, 산화물층(14)을 노출시키도록 금속층(16)이 점차적으로 제거되면서, 폴리싱 공정이 완료될 때까지 총신호 강도가 하락한다. 따라서, 주기(320)에서 다소의 금속 형적이 기판(10)의 중심에 남게 된다.
기판의 전체 표면이 구리와 같은 금속층으로 덮여 있는 경우, 기판(10)으로부터의 반사는 정방 형상을 가진다. 금속층이 기판의 에지로부터 제거됨에 따라, 기판으로부터의 반사의 형상은 사다리꼴 형상을 취하게 된다. 결국, 금속층이 폴리싱 공정 동안 거의 제거되는 경우, 기판(10)으로부터의 반사의 형상은 사각 형상을 취하게 된다.
과도 신호 그래프(300-320)는 폴리싱 공정 전 또는 후 어느 한 경우에 작동자가 디스플레이 상에서 볼 수 있다. 작동자는 여러 현상에 대한 디스플레이된 과도 신호 그래프를 이용하여 제어 결정(금속 폴리싱에서의 반사율 측정 및 산화물 측정에서의 간섭 측정 두가지 모두에 적용할 수도 있는 결정)을 처리할 수 있다. 폴리싱 균등성을 최적화하기 위해 프로세스 파라미터를 선택하는데 이러한 과도 신호 그래프를 이용할 수 있다. 예컨대, 판 회전율, 캐리어 헤드 압력, 케리어 헤드 회전율, 케리어 헤드 소제 형상 및 슬러리 복합물(slurry composition)과 같은 프로세스 파라미터를 초기에 선택하는 경우, 테스트 웨이퍼를 폴리싱할 수 있다. 고 반사율 영역은 금속이 기판 상에 남아 있는 영역을 나타내며, 저 반사율 영역은 기판으로부터 금속이 제거되는 영역을 나타낸다. 요란한 과도 신호 그래프는 금속이 기판으로부터 고르게 제거되지 않았음을 의미하는 한편, 비교적 평탄한 과도 신호 그래프는 균일한 폴리싱을 의미한다. 그 결과, 선택된 프로세스 파라미터의 효과성에 관해서는, 계측 기구를 가지고 기판 층두께를 측정하는 데에 의존하지 않고 작동자가 신속한 결과를 작도할 수 있다. 이 후, 작동자는 폴리싱 파라미터를 조절하고, 다른 테스트 웨이퍼를 폴리싱하여 새로운 폴리싱 파라미터가 폴리싱 균일성을 향상시켰는가를 결정할 수 있다.
또한, 기판이 평탄화되도록 폴리싱 되었는지, 폴리싱이 중지되야만 하는지를 결정하도록 작동자가 과도 신호 그래프를 검토할 수도 있다. 또한, 실제 장치의 폴리싱 동안 기판의 일부분이 너무 저속으로, 또는 너무 빠르게 폴리싱되는 것을 작동자가 인지한다면, 폴리싱율 형상을 조절하도록 폴리싱이 진행 중에 있는 동안 프로세스 파라미터가 변화할 수 있다.
과도 신호 그래프는 또한 프로세스 반복성을 측정하는 데에 이용될 수 있다. 예컨대, 과도 신호 그래프가 예측된 형상으로부터 상당히 벗어난다면, 이것은 폴리싱 기계 또는 폴리싱 프로세스에 다소의 문제가 있다는 것을 의미한다.
또한, 과도 신호 그래프는 프로세스를 "완화(qualify)"시키는데 이용될 수 있다. 특히, 폴리싱 기계가 새로운 일련의 소모품을 수용하는 경우, 예컨대, 폴리싱 패드 또는 슬러리를 교체한다면, 작동자는 폴리싱 균일성에 영향이 없음을 증명하기를 원할 수도 있다. 폴리싱 균일성이 영향을 받았는지를 결정하기 위해 소모품을 교체하기 전 또는 후에 폴리싱 된 기판에 대한 과도 신호 그래프를 작동자가 비교할 수 있다.
이제 도 8을 다시 참조하면, 단계(108)에서 대응하는 표본 지대(122a,122b, ...122j)의 방사형 위치(Ra, Rb, ...Rj)가 결정된다. 표본 지대의 방사형 위치를 결정하는 한 가지 방법은 측정 시간(Tmeasure)의 측정에 근거한 기판 아래로 레이져의 위치와, 플래튼 회전율 및 캐리어 헤드 소제 형상를 계산하는 것이다. 불운하게도, 실제 플래튼 회전율 및 캐리어 헤드 소제 형상은 폴리싱 파라미터와 정밀하게 일치하지 않을 수도 있다. 따라서, 표본 지대의 방사형 위치를 결정하는 바람직한 방법(130)이 도 9A에 도시되어 있다. 우선, 기판의 중앙선(124)(도 5c) 아래로 레이져 비임(42)이 통과하는 시간(Tsym)을 결정한다(단계 132). 이 후, 측정 시간(Tmeasure)과 균형 시간(Tsym) 사이의 시간차로부터 표본 지대의 방사형 위치를 결정한다(단계 134).
균형 시간(Tsym)을 결정하는 하나의 방법은 강도 측정이 기판 에지와 대응해야만 하므로, 각각의 소제로부터 최초 및 최후의 커다란 강도 측정의 시간의 평균을 구하는 것이다. 그러나, 이로 인해 기판의 아래 표본 지대의 위치를 인지하지 못 하기 때문에 시간(Tsym)에 다소의 불확실성이 있게 된다.
도 9b를 참조하면, 단계(132)에서의 균형 시간(Tsym)을 계산하기 위해, 컴퓨터(48)가 소제 경로(120), 즉 강도 측정(Ic 및 Ih)과 대응하는 측정 시간(Tlead 및 Ttrail)으로부터의 최초 및 최후 커다란 강도 측정을 결정한다. 일련의 리드시간(Tlead1, Tlead2, ...TleadN) 및 일련의 트레일 시간(Ttrail1,Ttrail2, ...TtrailN)을 발생시키도록, 이들 리드 및 트레일 시간(Tlead,Ttrail)이 각각의 소제 상에 축적된다. 컴퓨터(48)는 리드 시간(Tlead1, Tlead2, ...TleadN) 및 각각의 리드 스파이크(lead spike)(96)에 대한 플래튼 회전(1,2, ...N)의 연관 수를 저장한다. 유사하게, 컴퓨터(48)는 트레일 시간(Ttrail1,Ttrail2, ...TtrailN) 및 각각의 트레일 스파이크(trail spike)(98)에 대한 플래튼 회전(1,2, ...N)의 연관 수를 저장한다. 플래트(24)은 거의 일정 비율에서 회전한다고 가정하면, 시간(Tlead1, Tlead2, ...TleadN)은 거의 선형 증가 함수를 형성한다(선 136로 도시). 유사하게, 시간(Ttrail1,Ttrail2, ...TtrailN)은 또한 거의 선형 증가 함수를 형성한다(선 137로 도시). 2개의 선형 함수(Tlead(n) 및 Ttrail(n))를 생성하도록 컴퓨터(48)가 정방 결합(square fits)을 실행한다. 이러한 2개의 선형 함수는 다음과 같다.
Tlead(n) = a1 + (a2 * n)
Ttrail(n) = a3 + (a4 * n)
여기서, n은 플래튼 회전의 수이며, a1,a2,a3 및 a4는 최소 정방 결합을 하는 동안 계산된 결합 계수이다. 결합 계수가 일단 계산되면, 레이져 비임(42)이 중앙선(가상선 138로 도시)을 가로지르는 균형 시간(Tsym)을 다음과 같이 계산할 수도 있다.
균형 시간(Tsym)을 계산하기 위해 다수의 플래튼 회전에 대한 최소 정방 결합을 이용하므로써, 보유 링(retaining ring) 아래로 표본 지대의 상대 위치에서의 차이에 기인한 불확실성이 거의 감소되며, 이로써 균형 시간(Tsym)에서의 불확실성을 상당히 감소시킨다.
컴퓨터(48)가 레이저 비임(42)이 중간선(124)을 횡단하는 시간(Tsym)을 계산 할 때, 기판의 중앙(126)으로부터 각각의 샘플링 존(122a, 122b,...122j)의 방사상 거리(Ra, Rb,...Rj)가 단계(132)에서 계산된다. 도 10을 참조하면, 방사상 위치는 다음 식에 의하여 계산될 수 있다.
여기서, d는 폴리싱 패드의 중앙과 윈도우(36)의 중앙 사이의 거리이며, L은 폴리싱 패드의 중앙으로부터 기판(10)의 중앙 까지의 거리이며, θ는 윈도우의 각 위치이다. 윈도우의 각 위치는 다음 식에 의하여 계산될 수 있다.
여기서 fplaten은 플래튼의 (rpm으로)회전 속도이다. 캐리어 헤드가 사인곡선의 형태로 이동하는 것을 가정하면, 캐리어 헤드의 선형 위치(L)는 다음 식에 의하여 계산될 수 있다.
여기서 ω는 스위프 주파수이며, A는 스위프의 진폭이며, L0는 캐리어 스위프의 중앙 위치이다.
또 다른 실시예에서, 위치 센서(160)는 윈도우가 중간선(124)을 횡단할 때 시간(Tsym)을 계산하기 위하여 이용될 수 있다. 센서(160)가 대응하는 캐리어 헤드(80)에 위치되는 것으로 가정하면, 플랙(162)은 투명한 윈도우(36)로부터 대칭적으로 횡단하도록 위치될 수 있다. 컴퓨터(48)는 플랙이 센서의 광학 비임을 간섭할 때의 트리거 시간(Tstart)과, 플랙이 광학 비임을 클리어할 때의 트리거 시간(Tend) 둘다 저장한다. 시간(Tsym)은 Tstart와 Tend의 평균으로서 계산될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 플래튼과 캐리어 헤드 위치는 플래튼 구동 모터에 연결된 광학 엔코더 및 방사형 구동 모터 각각으로부터 각각의 샘플 시간(Ta, TB,...Th)에서 결정될 수 있다.
샘플링 존의 방사상 위치(Ra, Rb,...Rm)가 계산될 때, 임의의 강도 측정값이 무시될 수 있다. 샘플링 존의 방사상 위치(R)가 기판의 반경보다 더 큰 경우, 그때 상기 샘플링 존을 위한 강도 측정값은 윈도우 또는 슬러리로부터의 배경 반사 또는 유지 링에 대하여 반사된 대부분의 방사를 포함한다. 그러므로, 유지 링 아래가 대부분인 임의의 샘플링 존을 위한 강도 측정값이 무시된다. 이것은 의사 강도 측정값(spurious intensity mearsurement)이 강도가 반영된 박막층의 계산에 이용되지 않도록 한다.
기판 아래에서 레이저 비임(42)의 수 개의 스위프 후, 컴퓨터(48)는 측정 시간(T1, T2,...TN)과 각각 관련된, 일련의 강도 측정값(I1, I2,...IN), 및 방사상 위치(R1, R2,...RN)를 축적한다. 도 11을 참조하면, 강도, 시간 및 방사상 위치측정값은 단계(106 및 108)에 축적될 때, 시간 및 강도 측정값이 단계(110)의 데이터 구성표(140)에서 빈(bins)으로 소트된다. 각각의 빈은 샘플링 존의 방사상의 범위와 관련된다. 예를 들면, 기판의 중앙으로부터 최고 20 mm에 위치된 샘플링 존에 대한 강도 측정값은 후술되는 제 1 빈(142)(도 13a 참조)에 배치될 수 있으며, 기판의 중앙으로부터 20과 30 mm 사이에 배치된 샘플링 존에 대한 강도 측정값은 제 2 빈(144)(도 13b)에 배치될 수 있으며, 기판의 중앙으로부터 30과 40 mm 사이에 배치된 샘플링 존에 대한 강도 측정값은 제 3 빈(146)(도 13c 참조)에 배치될 수 있다. 빈의 정확한 개수 및 빈의 방사상 범위는 이용자가 추출하고자 하는 정보에 좌우된다. 일반적으로, 각각의 빈의 방사상 범위는 강도 측정값의 충분한 개수가 가시적으로 의미있는 정보를 제공하기 위하여 빈에 축적될 수 있다.
상술된 계산은 각각의 빈에 대해 수행함으로써, 기판의 표면을 횡단하는 다수의 방사상 위치에서 반영된 강도 측정값이 제공된다. 반경의 함수로서 초기 및 마지막 박막층의 반영 강도의 그래프는 위에서 및 도 13a 내지 도 13h에서 설명되는 바와 같이 도 12에 도시된다.
도 13a 내지 도 13h를 참조하면, 반영된 강도가 폴리싱동안 기판(10)의 상이한 방사상 위치에 대하여 변화하는 방법을 보여주는 트레이스(trace)의 수를 볼 수 있다. 도 13a 내지 도 13h의 챠트는 금속층이 상기 기판의 상이한 부분에 대하여 상이한 속도로 제거된다. 일반적으로, 도 13a 내지 도 13h에는 기판의 중앙 근처의 금속층이 마지막으로 제거되는 것을 보여주며, 기판의 주변 또는 엣지 근처의 금속층은 우선적으로 클리닝된다. 예를 들면, 도 13a는 0 내지 20 mm의 반경 범위내의 금속층이 약 330초에서 제거되는 것을 보여준다. 도 13b는 20 내지 30 mm의 반경 범위내의 금속층이 약 325초에서 제거되는 것을 보여준다. 도 13c는 30 내지 40 mm의 반경 범위내의 금속층이 약 318초에서 제거되는 것을 보여준다. 도 13d는 40 내지 50 mm의 반경 범위내의 금속층이 약 310초에서 제거되는 것을 보여준다. 도 13e는 50 내지 60 mm의 반경 범위내의 금속층이 약 295초에서 제거되는 것을 보여준다. 도 13f는 60 내지 70 mm의 반경 범위내의 금속층이 약 290초에서 제거되는 것을 보여준다. 고 13g는 70 내지 80 mm의 반경 범위내의 금속층이 약 290초에서 제거되는 것을 보여주며, 도 13h는 80 내지 90 mm의 반경 범위내의 금속층이 약 260초에서 제거되는 것을 보여준다.
여기서 도시한 바와 같이, 몇 몇의 방사 영역에 대한 반사율 트레이스는 두개의 강도 레벨(선 160과 162)로 도시함)을 나타낸다. 두 강도 레벨 사이의 거리는 기판 반경과 함께 증가한다. 어느 특정한 이론에 제한되지 않고, 두 강도 레벨은 슬러리의 비대칭 분포 또는 기판상의 금속층과 슬러리의 반응 생성물에 의해서 일어날 수 있다. 특히, 기판을 통과하는 레이저 빔의 각 스위프(sweep)상에, 두 데이터 점은 대개 저장소로 들어가며, 기판의 선단 에지에 보다 가까운 한 데이터 점과 기판의 말단 에지에 보다 가까운 한 데이터 점이다. 그러나, 슬러리의 비대칭 분포와 기판 아래의 반응 생성물에 의해서, 레이저 빔은 기판의 다른 영역에 인접한 슬러리 층을 통과할 때 보다 더 감쇠될 수 있다. 그러므로, 반사율 트레이서는 또한 기판 아래의 슬러리 분포의 균일성의 측정치로서 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 작동자는 단일 저장소만을 사용하는 것을 결정할 수 있다.이경우에, 특정 방사 영역에 대한 모든 강도 측정치는 단일 강도 트레이스를 겨정하는데 사용될 수 있으며, 이는 종래 형태의 폴리싱 엔드포인트의 결정에 사용된다. 작동자는 일시적인 신호 그래프의 결정을 근거로 방사 영역을 특정화할 수 있다. 예를 들어, 일시적인 신호 그래프가 기판의 중심부가 폴리싱될 마지막 부분임을 알려준다면, 작동자는 모든 금속이 폴리싱되어질 때까지 엔드포인트가 작동되지 않게 보장하도록 기판 중심 둘레로 방사 영역을 선택할 수 있다.
그러므로, 폴리싱 동안의 반사율 강도 변화는 기판상의 여러 방사 위치에서 포착된다. 고해상도 데이터 취득은 다단계 작업에서의 각 프로세스 단계의 정확한 시간 제어를 허용한다. 전체 웨이퍼의 균일성과 웨이퍼의 다른 방사 위치에 대한 제거율과 같은 풍부한 매개변수가 포착된다. 얻어진 고해상도 데이터는 온라인 또는 오프라인으로 처리되어 표면층의 부식과 디싱(dishing)을 최소화하도록 다양한 변수 및 매개변수를 조정할 수 있다. 데이터가 실시간으로 처리되면, 실시간 피드백 데이터는 프로세스 매개변수를 가진 보다 조밀하게 폐쇄된 루프 제어를 허용한다. 또한, 반사율 데이터는 프로세싱 매개변수에 경험이 있는 프로세스 엔진니어에 이용될 수 있으므로 폴리싱 프로세스를 개선한다.
광학 모니터링 시스템에 의해 발생된 반사계 트레이스는 특히 구리 폴리싱과 같은, 다단계 폴리싱 프로세스에 유용하다. 도 14를 참조하면, 기판(10')은 실리콘 웨이퍼(12'), 패턴화된 산화층(14')과 산화층(14')위에 배치된 탄탈(Ta) 또는 질화탄탈(TaN) 배리어층(18) 및 배리어층(18)위에 배치된 구리층(16')을 포함한다. 도 15a 및 도 15b를 참조하면, 기판(10')이 폴리싱되면, 반사율 트레이스(200)는 각방사 죤에 발생된다. 각 반사율 트레이스는 금속층(평탄 영역(202))의 덩어리 제거, 금속층의 초기 클리닝 및 배리어층으로의 전이(포인트(204) 드롭 오프)와, 배리어층의 초기 클리닝 및 산화층으로의 전이(먼저 슬로프 포인트(206) 감소)와, 배리어층의 완전한 클리링과 산화층의 노출(다음으로 포인트(208)에서의 슬로프의 감소 및 트레이스로부터 평탄화)을 설명한다.
초기에, 기판은 고 선택도 슬러리, 예 Cabot 5001로 폴리싱된다. 금속층(16')의 덩어리 풀리싱은 배리어층(18)까지 나가기 전까지 진행한다. 이 포인트에서, 금속은 여전히 배리어층(18)의 중첩부이지만, 배리어층은 하나 이상의 영역에서 노출될 것이다. 광학 모니터링 시스템은 이러한 배리어층의 초기 노출을 검출할 수 잇다. 특히, 하강을 시작하는 제 1반사율 트레이스는 배리어층(18)이 관련된 방사 죤에 노출되었다는 표시로서 사용될 수 있다. 광학 모니터링 시스템이 배리어층의 초기 노출을 검출할 때, 고선택도 슬러리로의 폴리싱은 중지되고 예 Arch Cu 0K, 저선택도 슬러리로의 폴리싱은 시작된다. 저선택도 슬러리로의 폴리싱은 모든 금속층(16')과 배리어층(18)이 제거될 때까지 계속한다. 모든 금속층(16')과 배리어층(18')의 완전한 제거는 모든 반사율 트레이스가 오프 레벨될 때를 가르킬 수 있다. 이 포인트에서, 폴리싱 작업은 완성한다. 배리어층의 초기 클리어런스에서 고선택도 슬러리와 저선택도 슬러리로의 신뢰성 있는 전환에 의해서, 디싱과 부식은 크게 감소될 수 있다. 추가로, 모든 반사율 트레이스가 표시될 때만 폴리싱을 중지함으로써, 배리어층의 완전한 제거는 보장될 수 있다.
본 발명은 양호한 실시예로 설명되어 있다. 그러나, 본 발명은 여기에 도시되고 기술된 실시예에 제한되지 않는다. 다소 본 발명의 범주는 첨부 청구범위에 의해서 정의된다.
평면화만이 수행되거나, 하부층이 과연마되거나, 또는 하부층 및 상부층이 유사한 물리적 특성을 갖는 경우에도 화학 기계적 연마의 엔드-포인트를 정확히 검출해 낼 수 있는 방법 및 장치가 제공된다.

Claims (20)

  1. 기판 연마 방법으로서,
    각각 상이한 반사율을 갖는, 제 1 층 및 상기 제 1 층의 하부에 배열되는 제 2 층을 갖춘 기판의 상기 제 1 층을 제 1 연마 유체로 화학 기계적으로 연마하는 단계와,
    상기 기판의 상이한 반경범위에서의 세기 측정값을 각각 포함하는 복수의 세기 추적값을 생성하도록 상기 제 1 연마 유체에 의한 연마 중에 상기 기판을 광학적으로 모니터링하는 단계와,
    어떤 상기 세기 추적값이 상기 제 1 층의 초기 클리어런스를 나타내는 경우에, 상기 제 1 연마 유체와 상이한 연마 특성을 갖는 제 2 연마 유체로 상기 기판을 화학 기계적으로 연마하는 단계와,
    상기 제 2 연마 유체에 의한 연마 중에 상기 기판을 계속해서 광학적으로 모니터링하는 단계, 및
    상기 제 2 층이 완전히 노출되었음을 모든 상기 세기 추적값이 나타낸 후에 연마를 중지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광학적으로 모니터링하는 단계는,
    연마면 내의 창을 통과하도록 광 비임을 지향시키는 단계와,
    상기 광 비임이 상기 기판을 가로지르는 통로 내부로 이동되게 하는 단계와,
    상기 기판에서 반사되는 상기 광 비임에 의해 생성된 반사 신호를 모니터링하는 단계, 및 상기 반사 신호로부터 복수의 세기 측정값을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 세기 추적값을 생성하는 것은 상기 세기 측정 중에 광 비임의 위치에 따른 반경범위 중에 하나로 상기 각각의 세기 측정값을 분류하고, 상기 반경범위와 관련된 상기 세기 측정값으로부터 상기 세기 추적값을 결정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 연마 유체는 고-선택도 슬러리이고 상기 제 2 연마 유체는 저-선택도 슬러리인 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 층은 금속 층인 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 금속 층은 동을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 층은 산화물 층인 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 산화물은 실리콘 산화물인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 층은 배리어 층인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 배리어 층은 탄탈 또는 탄탈 질화물인 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 층은 제 2 층 보다 큰 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 기판 연마 방법으로서,
    각각 상이한 반사율을 갖는, 제 1 층 및 상기 제 1 층의 하부에 배열되는 제 2 층을 갖춘 기판의 표면을 창을 갖는 연마면과 접촉시키는 단계와,
    제 1 연마 단계를 위한 기판에 제 1 슬러리를 공급하는 단계와,
    상기 기판과 연마면 사이에 상대 이동을 초래하는 단계와,
    상기 창을 통해 광 비임을 지향시키는 단계와,
    상기 기판에서 반사하는 상기 광 비임에 의해 발생된 반사 신호를 모니터링 하는 단계와,
    상기 반사 신호로부터 복수의 세기 측정값을 추출하는 단계와,
    상기 기판 상의 상이한 반경범위로부터 측정된 세기 측정값을 각각 포함하는 복수의 세기 추적값을 생성하는 단계와,
    어떤 상기 세기 추적값이 상기 제 1 층의 초기 클리어런스를 나타낼 때, 상기 제 1 연마 유체와 상이한 연마 특성을 갖는 제 2 연마 유체를 제 2 연마 단계를 위한 기판에 공급하는 단계, 및
    상기 제 2 층이 완전히 노출되었음을 모든 상기 세기 추적값이 나타낸 후에 연마를 중지하는 단계를 포함하며,
    상기 기판에 대한 연마면의 상대 이동은 상기 광 비임이 기판을 가로지르는 통로 내에서 이동되게 하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 연마유체는 고-선택도 슬러리이고 상기 제 2 연마 유체는 저-선택도 슬러리인 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
  14. 기판 연마 방법으로서,
    기판의 표면을 창을 갖는 연마면과 접촉시키는 단계와,
    제 1 연마 단계를 위한 기판에 제 1 슬러리를 공급하는 단계와,
    상기 기판과 연마면 사이에 상대 이동을 초래하는 단계와,
    상기 창을 통해 광 비임을 지향시키는 단계와,
    상기 기판에서 반사하는 상기 광 비임에 의해 발생된 반사 신호를 모니터링하는 단계와,
    상기 반사 신호로부터 복수의 세기 측정값을 추출하는 단계와,
    각각의 세기 측정값에 대한 반경 위치를 결정하는 단계와,
    상기 복수의 세기 측정값을 상기 반경위치에 따른 복수의 반경범위로 세분하는 단계와,
    상기 복수의 반경범위 중에 하나로부터 측정된 세기 측정값을 각각 포함하는 복수의 세기 추적값을 생성하는 단계와,
    어떤 상기 세기 추적값이 상기 금속 층의 초기 클리어런스를 나타낼 때, 상기 저-선택도 슬러리를 상기 연마면에 공급하는 단계, 및
    상기 제 2 층이 완전히 노출되었음을 모든 상기 세기 추적값이 나타낸 후에 연마를 중지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 반사율 추적값의 급격한 하강은 상기 반사율 추적값과 관련된 반경범위에서의 상기 금속 층의 초기 클리어런스를 나타내는 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 반사율 추적값의 수평화는 상기 반사율 추적값과 관련된 반경범위에서 산화물 층의 노출을 나타내는 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 기판은 상기 금속 층과 산화물 층 사이에 배리어층을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 금속 층은 동을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 제 2 층은 이산화물 층인 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 배리어 층은 탄탈 또는 탄탈 질화물인 것을 특징으로 하는 기판 연마 방법.
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