KR20180133530A - 고감도 와전류 모니터링 시스템 - Google Patents

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KR20180133530A
KR20180133530A KR1020187034768A KR20187034768A KR20180133530A KR 20180133530 A KR20180133530 A KR 20180133530A KR 1020187034768 A KR1020187034768 A KR 1020187034768A KR 20187034768 A KR20187034768 A KR 20187034768A KR 20180133530 A KR20180133530 A KR 20180133530A
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보구슬로 에이. 스웨덱
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웬-치앙 투
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Abstract

기판을 화학적 기계적 연마하는 방법은 연마 스테이션에서 기판 상의 금속층을 연마하는 단계; 연마 스테이션에서의 연마 동안 와전류 모니터링 시스템으로 금속층의 두께를 모니터링하는 단계; 및 금속층의 예상 두께 프로파일과 목표 프로파일 간의 차이를 감소시키기 위해, 와전류 모니터링 시스템으로부터의 금속층의 두께 측정치들에 기초하여, 연마 스테이션에서의 금속층의 연마 동안 캐리어 헤드에 의해 기판에 인가되는 압력을 제어하는 단계를 포함하며, 금속층은 700옴-옹스트롬보다 큰 비저항을 갖는다.

Description

고감도 와전류 모니터링 시스템{HIGH SENSITIVITY EDDY CURRENT MONITORING SYSTEM}
본 명세서는 기판의 화학적 기계적 연마 동안의 와전류 모니터링에 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 충진층(filler layer)을 퇴적하고, 비-평면 표면이 노출될 때까지 그 충진층을 평탄화하는 것을 포함한다. 예를 들어, 전도성 충진층이 패터닝된 절연체 층 상에 퇴적되어, 절연체 층 내의 트렌치 또는 홀을 채울 수 있다. 다음으로, 충진층은 절연체 층의 융기된 패턴(raised pattern)이 노출될 때까지 연마된다. 평탄화 후에, 절연체 층의 융기된 패턴 사이에 남아있는 전도성 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(CMP: chemical mechanical polishing)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 전도성 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 국지적 두께(local thickness)와 같은 파라미터들을 결정하기 위해 와전류 감지 시스템(eddy current sensing system)이 이용될 수 있다.
일 양태에서, 기판을 화학적 기계적 연마하는 방법은, 연마 스테이션에서 기판 상의 금속층을 연마하는 단계; 연마 스테이션에서의 연마 동안 와전류 모니터링 시스템(eddy current monitoring system)으로 금속층의 두께를 모니터링하는 단계; 및 금속층의 예상 두께 프로파일과 목표 프로파일 간의 차이를 감소시키기 위해, 와전류 모니터링 시스템으로부터의 금속층의 두께 측정치들에 기초하여, 연마 스테이션에서의 금속층의 연마 동안 캐리어 헤드에 의해 기판에 인가되는 압력을 제어하는 단계 - 상기 금속층은 700옴-옹스트롬보다 큰 비저항을 가짐 - 를 포함한다.
구현들은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 목표 프로파일은 평면 프로파일일 수 있고, 차이를 감소시키면 금속층의 두께 균일성을 향상시킬 수 있다. 금속층은 10000옴-옹스트롬보다 작은 비저항을 가질 수 있다. 와전류 모니터링 시스템이 미리 결정된 두께의 금속 층이 기판에 남아있음을 나타낼 때 연마가 중지될 수 있다. 와전류 모니터링 시스템은 12 ㎒보다 큰 공진 주파수, 예를 들어 약 14 내지 16 ㎒의 공진 주파수를 가질 수 있다. 금속은 코발트, 티타늄 또는 금속성 티타늄 질화물일 수 있다. 금속층의 연마는 광학 모니터링 시스템 없이 모니터링될 수 있다.
다른 양태에서, 화학적 기계적 연마를 위한 장치는, 연마 패드를 지지하기 위한 표면을 갖는 플래튼, 및 와전류 신호를 생성하기 위한 와전류 모니터링 시스템을 포함할 수 있다. 와전류 모니터링 시스템은 플래튼 내에 적어도 부분적으로 위치된 코어, 및 코어의 일부에 감긴 코일을 포함한다. 코어는, 후면부(back portion), 플래튼의 표면에 수직한 제1 방향으로 후면부로부터 연장되고 플래튼의 표면에 평행한 제2 방향으로 폭을 갖는 제1 프롱(prong), 제1 돌출부와 평행하게 후면부로부터 연장되는 제2 및 제3 프롱을 포함하고, 제2 및 제3 프롱은 제1 프롱의 양측에 위치되며 제1 프롱으로부터 등거리에 있다. 코일 및 코어는 적어도 12MHz의 공진 주파수를 제공하도록 구성된다.
구현들은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 텔루륨(Te) 코일 및 코어는 약 14 내지 16㎒의 공진 주파수를 제공하도록 구성될 수 있다. 제2 및 제3 프롱 각각의 두께는 제1 프롱의 폭의 절반과 거의 동일하다. 제2 및 제3 프롱 각각과 제1 프롱 사이의 제2 방향에서의 간격은 3개의 프롱이 결합된 폭의 3분의 2와 거의 동일할 수 있다. 제1, 제2 및 제3 프롱은 제1 프롱과 제2 프롱 사이의 간격과 동일한 높이를 가질 수 있다. 제1, 제2 및 제3 프롱의 높이는 후면부의 두께와 동일할 수 있다. 코일은 제1 프롱만을 감을 수 있다. 코일은 제1 프롱을 약 3회 감을 수 있다. 커패시터는 코일과 평행할 수 있다. 커패시터는 약 150㎊의 정전용량을 가질 수 있다. 코어는 니켈 아연계 페라이트(nickel zinc ferrite)일 수 있다.
소정 구현들은 이하의 이점들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 저 전도도 금속, 예컨대 티타늄 또는 코발트의 두께가 벌크 연마(bulk polishing) 동안 감지될 수 있고, 그에 의해 캐리어 헤드 압력의 폐쇄 루프 제어를 허용하며, 개선된 웨이퍼 내 비균일성(WIWNU: within-wafer non-uniformity) 및 웨이퍼 간 비균일성(WTWNU: wafer-to-wafer non-uniformity)을 허용한다. 금속 잔류물의 제거가 감지될 수 있으며(예를 들어 구리 잔류물에 대하여), 이는 더 정확한 종료점 제어를 허용하고, 고의적인 과다 연마의 필요성을 감소시킨다. 금속 라인들, 예를 들어 구리 라인들의 두께(또는 전도율)가 감지될 수 있고, 그에 의해 캐리어 헤드 압력의 폐쇄 루프 제어가 균일한 금속 라인 두께 및 전도율을 만들어가는 것을 허용하며, 이는 개선된 수율을 제공할 수 있다. 금속 필러들, 예를 들어 구리 필러들의 연마 동안, 필러들의 평탄화가 검출될 수 있고, 그에 의해 평탄화 프로세스의 종료점 제어를 제공한다.
하나 이상의 구현의 상세가 이하의 첨부 도면 및 설명에 제시된다. 다른 양태, 특징 및 이점은 설명 및 도면으로부터, 그리고 청구항들로부터 명백할 것이다.
도 1은 화학적 기계적 연마 장치의 개략적인 분해 사시도이다.
도 2는 와전류 모니터링 시스템 및 광학 모니터링 시스템을 포함하는 화학적 기계적 연마 스테이션의 개략적인 측면도이며, 부분적으로는 단면을 보여준다.
도 3은 캐리어 헤드의 개략적인 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 와전류 모니터링 시스템의 개략도를 보여준다.
도 5a 및 도 5b는 3개의 프롱을 갖는 와전류 모니터링 시스템의 측면도 및 사시도를 보여준다.
도 6a 및 도 6b는 가늘고 긴 코어를 갖는 화학적 기계적 연마 장치의 상부도 및 측면도를 보여준다.
도 7은 플래튼의 상부도를 보여주며, 플래튼의 표면 상에 기판이 있다.
도 8a 내지 도 8d는 와전류 센서를 이용하여 연마 종료점을 검출하는 방법을 개략적으로 도시한다.
도 9는 금속층을 연마하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 10은 금속층을 연마하는 방법의 그래프 및 개략적 도시이다.
도 11은 금속층을 연마하는 대안적인 방법의 그래프 및 개략적 도시이다.
도 12는 금속층을 연마하는 대안적인 방법을 도시하는 흐름도이다.
다양한 도면들 내의 유사한 참조 기호는 유사한 구성요소를 나타낸다.
CMP 시스템은 기판 상의 최상부 금속층의 두께를 검출하기 위해 와전류 모니터링 시스템을 이용할 수 있다. 최상부 금속층의 연마 동안, 와전류 모니터링 시스템은 기판 상의 금속층의 상이한 영역들의 두께를 결정할 수 있다. 두께 측정치는 연마 프로세스의 처리 파라미터들을 실시간으로 조절하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 기판 캐리어 헤드는 금속층의 영역들의 연마율을 증가시키거나 감소시키기 위해 기판의 후면측에의 압력을 조절할 수 있다. 연마 후에 금속층의 영역들이 실질적으로 동일한 두께이도록 연마율이 조절될 수 있다. CMP 시스템은 금속층의 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.
와전류 모니터링에서의 문제점 중 하나는 정확한 두께 결정에 불충분한 신호이며, 이는 종료점 결정 및 프로파일 제어에서의 정확성 부족을 유발할 수 있다. 임의의 특정한 이론에 한정되지 않고서, 불충분한 신호에 기여하는 인자는 저 전도율 금속, 예를 들어 코발트, 티타늄 또는 티타늄 질화물의 연마를 포함할 수 있다.
신호 강도는 센서의 적절한 구성에 의해 개선될 수 있다.
공진 주파수를 상승시키는 것에 의해, 신호 강도는 700 옴-옹스트롬보다 큰, 예컨대 1500 옴-옹스트롬보다 큰 비저항을 갖는 금속들에 대해 신뢰가능한 프로파일 제어를 수행하도록 증가될 수 있다. 그러한 금속들은 코발트, 티타늄 및 티타늄 질화물을 포함한다.
또한, 와전류 모니터링 시스템은 기판 표면으로부터의 금속 잔류물, 예를 들어 고 전도율 금속, 예컨대 구리, 알루미늄 또는 텅스텐의 잔류물의 제거, 및 기저 유전체 층 또는 기판의 기저층 내의 피쳐들의 노출을 검출하는 데에도 이용될 수 있다. 또한, 와전류 모니터링 시스템은 기판의 금속 피쳐들의 두께를 검출하는 데에도 이용될 수 있다. 그러한 피쳐들은 트렌치들 내의, 그리고 잠재적으로는 필러들 내의 구리, 알루미늄 또는 텅스텐을 포함할 수 있다. 또한, 와전류 모니터링 시스템은 금속 필러들, 예를 들어 고 전도율 금속, 예를 들어 구리의 필러들의 평탄화를 검출하는 데에도 이용될 수 있다. 센서 코어의 재료, 중심 프롱에 감긴 코일의 권수, 및 코일과 병렬로 회로 상에 놓인 커패시터의 정전용량을 포함하는 파라미터들을 조절함으로써, 공진 주파수가 상승될 수 있다.
도 1은 하나 이상의 기판(10)을 연마하기 위한 CMP 장치(20)를 보여준다. 유사한 연마 장치의 설명은 미국 특허 제5,738,574호에서 찾아볼 수 있다. 연마 장치(20)는 일련의 연마 스테이션(22a, 22b 및 22c), 및 이송 스테이션(23)을 포함한다. 이송 스테이션(23)은 캐리어 헤드들과 로딩 장치 간에서 기판들을 이송한다.
각각의 연마 스테이션은 연마 패드(30)가 놓이는 최상부면(25)을 갖는 회전식 플래튼(24)을 포함한다. 제1 및 제2 스테이션(22a 및 22b)은 연마 입자(abrasive particles)가 매립된 고정식 연마 패드(fixed-abrasive pad) 또는 내구성 있는 단단한 외측 표면(hard durable outer surface)을 갖는 2층 연마 패드를 포함할 수 있다. 최종 연마 스테이션(22c)은 비교적 연성인 패드 또는 2층 패드를 포함할 수 있다. 각각의 연마 스테이션은 또한 연마 패드가 기판들을 효과적으로 연마하도록 연마 패드의 상태를 유지하기 위한 패드 컨디셔너 장치(28)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 2층 연마 패드(30)는 통상적으로 플래튼(24)의 표면에 인접하는 후면층(backing layer)(32), 및 기판(10)을 연마하기 위해 이용되는 커버 층(34)을 갖는다. 커버층(34)은 통상적으로 후면층(32)보다 더 단단하다. 그러나, 일부 패드들은 커버층만을 갖고, 후면층은 갖지 않는다. 커버층(34)은 아마도 충진재, 예컨대 속이 빈 미소 구체(hollow microspheres) 및/또는 홈이 있는 표면(grooved surface)을 갖는 발포(foamed) 또는 캐스트(cast) 폴리우레탄으로 구성될 수 있다. 후면층(32)은 우레탄으로 걸러진 압축 펠트 섬유(compressed felt fibers leached with urethane)로 구성될 수 있다. IC-1000으로 구성된 커버층 및 SUBA-4로 구성된 후면층을 갖는 2층 연마 패드는 델라웨어주 뉴어크의 Rodel, Inc.로부터 입수가능하다(IC-1000 및 SUBA-4는 Rodel, Inc.의 상품명임).
연마 단계 동안, 슬러리(38)는 슬러리 공급 포트 또는 결합된 슬러리/세정 암(slurry/rinse arm)(39)에 의해 연마 패드(30)의 표면에 공급될 수 있다. 연마 패드(30)가 표준 패드인 경우, 슬러리(38)는 또한 연마 입자들(예를 들어 산화물 연마를 위한 이산화 규소)를 포함할 수 있다.
도 1로 되돌아가면, 회전식 멀티헤드 캐러셀(rotatable multi-head carousel)(60)이 4개의 캐리어 헤드(70)를 지지한다. 캐리어 헤드 시스템들과 그에 부착된 기판들이 연마 스테이션(22)과 이송 스테이션(23) 사이에서 궤도를 그리며 돌 수 있게 하기 위해, 캐러셀은 캐러셀 모터 어셈블리(도시되지 않음)에 의해 캐러셀 축(64)에 대하여 중심 포스트(central post)(62)에 의해 회전된다. 캐리어 헤드 시스템들 중 3개는 기판을 받아 유지하며, 기판을 연마 패드를 향해 미는 것에 의해 기판을 연마한다. 한편, 캐리어 헤드 시스템들 중 하나는 이송 스테이션(23)으로부터 기판을 받거나 이송 스테이션에 기판을 전달한다.
각각의 캐리어 헤드(70)는 캐리어 구동 축(74)에 의해 캐리어 헤드 회전 모터(76)(커버(68)의 4분의 1을 제거하여 보여짐)에 접속되므로, 각각의 캐리어 헤드는 자신의 축에 대하여 독립적으로 회전할 수 있다. 추가로, 각각의 캐리어 헤드(70)는 캐러셀 지지 플레이트(66) 내에 형성된 방사상 슬롯(radial slot)(72) 내에서 독립적으로 측방향 진동할 수 있다. 적절한 캐리어 헤드(70)의 설명은 미국 특허 제7,654,888호에서 찾아볼 수 있으며, 그것의 전체 내용이 참조되어 포함된다. 동작 시에, 플래튼은 자신의 중심 축(25)에 대하여 회전되며, 캐리어 헤드는 자신의 중심 축(71)에 대하여 회전되고, 연마 패드의 표면을 가로질러 측방향으로 병진된다.
도 3은 캐리어 헤드들(70) 중 하나를 보여준다. 캐리어 헤드들(70) 각각은 하우징(102), 베이스 어셈블리(104), 짐벌 메커니즘(gimbal mechanism)(106)(베이스 어셈블리(104)의 일부로 생각될 수 있음), 로딩 챔버(108), 리테이닝 링(retaining ring)(200), 및 내측 챔버(230), 중간 챔버들(232, 234, 236) 및 외측 챔버(238)와 같은 복수의 독립적인 가압 챔버(independently pressurizable chamber)를 정의하는 가요성 멤브레인(flexible membrane)(116)을 포함하는 기판 지지 어셈블리(substrate backing assembly)(110)를 포함한다. 이러한 챔버들은 가요성 멤브레인의 동심 영역들(concentric regions)에의 압력을 제어하고, 그에 의해 기판의 동심 부분들에 대한 독립적인 압력 제어를 제공한다. 일부 구현들에서, 캐리어 헤드들(70) 각각은 5개의 챔버, 및 챔버들 각각을 위한 압력 조절기를 포함한다.
도 2로 되돌아가면, 와전류 모니터링 시스템(40)은 기판 상의 금속층 내에 와전류를 유도하기 위한 구동 시스템, 및 구동 시스템에 의해 금속층 내에 유도된 와전류를 검출하기 위한 감지 시스템을 포함한다. 모니터링 시스템(40)은 플래튼과 함께 회전하도록 리세스(26) 내에 위치된 코어(42), 코어(42)의 한 부분에 감긴 구동 코일(49), 및 코어(42)의 제2 부분에 감긴 감지 코일(46)을 포함한다. 구동 시스템에 대하여, 모니터링 시스템(40)은 구동 코일(49)에 접속된 발진기(50)를 포함한다. 감지 시스템에 대하여, 모니터링 시스템(40)은 감지 코일(46)과 병렬 접속된 커패시터(52), 감지 코일(46)에 접속된 RF 증폭기(54), 및 다이오드(56)를 포함한다. 발진기(50), 커패시터(52), RF 증폭기(54) 및 다이오드(56)는 플래튼(24)과 떨어져서 위치될 수 있고, 회전식 전기 결합(rotary electrical union)(29)을 통해 플래튼 내의 컴포넌트들에 연결될 수 있다.
일부 구현들에서, 후면층(32)은 리세스(26) 위의 애퍼쳐를 포함한다. 애퍼쳐는 리세스(26)와 동일한 폭 및 깊이를 가질 수 있다. 대안적으로, 애퍼쳐는 리세스(26)보다 작을 수 있다. 커버층(34)의 부분(36)은 후면층 내의 애퍼쳐 위에 있을 수 있다. 커버층(34)의 부분(36)은 슬러리(38)가 리세스(26)에 들어가는 것을 방지할 수 있다. 코어(42)의 일부는 애퍼쳐 내에 위치될 수 있다. 예를 들어, 코어(42)는 애퍼쳐 내로 연장하는 프롱들(prongs)을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 코어(42)의 최상부는 커버층(34)의 최하부면을 지나 연장되지 않는다.
동작 시에, 발진기(50)는 구동 코일(49)을 구동하여, 코어(42)의 바디를 통해 코어의 프롱들 사이의 갭 내로 확장되는 발진 자기장을 생성한다. 자기장의 적어도 일부는 연마 패드(30)의 얇은 부분(36)을 통해 기판(10) 내로 확장된다. 기판(10) 상에 금속층이 존재하는 경우, 발진 자기장은 금속층 내에 와전류를 생성한다. 와전류는 금속층이 감지 코일(46) 및 커패시터(52)에 병렬인 임피던스 소스의 역할을 하게 한다. 금속층의 두께가 변화함에 따라, 임피던스가 변화하고, 이는 감지 메커니즘의 Q 팩터(Q-factor)의 변화를 야기한다. 와전류 센서는 감지 메커니즘의 Q 팩터의 변화를 검출함으로써, 와전류의 강도 변화를 감지할 수 있고, 그에 따라 금속층의 두께 변화를 감지할 수 있다.
반사계 또는 간섭계로서 기능할 수 있는 광학 모니터링 시스템(140)은 예를 들어 와전류 모니터링 시스템(40)에 인접한 리세스(26) 내에서 플래튼(24)에 고정될 수 있다. 따라서, 광학 모니터링 시스템(140)은 와전류 모니터링 시스템(40)에 의해 모니터링되고 있는 것과 실질적으로 동일한 기판 상의 위치의 반사율을 측정할 수 있다. 구체적으로, 광학 모니터링 시스템(140)은 플래튼(24)의 회전 축으로부터 와전류 모니터링 시스템(40)과 동일한 방사상 거리에서 기판의 일부분을 측정하도록 위치될 수 있다. 따라서, 광학 모니터링 시스템(140)은 와전류 모니터링 시스템(40)과 동일한 경로로 기판을 가로질러 스윕할 수 있다.
광학 모니터링 시스템(140)은 광원(144) 및 검출기(146)를 포함한다. 광원은 투명 윈도우 섹션(36) 및 슬러리를 통해 전파하여 기판(10)의 노출된 표면에 충돌하는 광 빔(142)을 생성한다. 예를 들어, 광원(144)은 레이저일 수 있고, 광 빔(142)은 시준된 레이저 빔일 수 있다. 광 레이저 빔(142)은 기판(10)의 표면에 수직인 축으로부터의 각도 α에서 레이저(144)로부터 출사될 수 있다. 그에 더하여, 리세스(26) 및 윈도우(36)가 가늘고 긴(elongated) 경우, 윈도우의 가늘고 긴 축을 따라 광 빔을 확장시키기 위해, 광 빔의 경로 내에 빔 확장기(도시되지 않음)가 위치될 수 있다. 일반적으로, 광학 모니터링 시스템은 미국 특허 제6,159,073호 및 제6,280,289호에 설명된 것과 같이 기능하며, 이들 명세서 전체는 참조되어 포함된다. 일부 구현들에서, 와전류 모니터링 시스템(40)은 광학 모니터링 시스템(140)이 포함되지 않을 수 있을 정도로 충분히 민감하다.
CMP 장치(20)는 또한 코어(42) 및 광원(44)이 기판(10) 아래에 있을 때를 감지하기 위한 광학 인터럽터(optical interrupter)와 같은 위치 센서(80)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 인터럽터는 캐리어 헤드(70)에 반대되는 고정된 지점에서 탑재될 수 있다. 플래그(82)는 플래튼의 주변부에 부착된다. 투명 섹션(36)이 기판(10) 아래에서 스윕하는 동안 플래그(82)가 센서(80)의 광학 신호를 차단하도록, 플래그의 부착 지점 및 길이가 선택된다. 대안적으로, CMP 장치는 플래튼의 각도 위치(angular position)를 결정하기 위한 인코더를 포함할 수 있다.
범용 프로그램가능 디지털 컴퓨터(90)는 와전류 감지 시스템으로부터의 강도 신호, 및 광학 모니터링 시스템으로부터의 강도 신호를 수신한다. 모니터링 시스템들은 플래튼의 각각의 회전마다 기판 아래에서 스윕하므로, 금속층의 두께 및 기저층의 노출에 관한 정보는 인-시튜로, 또한 연속적인 실시간 방식으로(플래튼 회전 당 1회) 누적된다. 컴퓨터(90)는, (위치 센서에 의해 결정된 것에 따라) 기판이 대략적으로 투명 섹션(36) 위에 놓일 때, 모니터링 시스템으로부터의 측정들을 샘플링하도록 프로그램될 수 있다. 연마가 진행함에 따라, 금속층의 반사율 또는 두께가 변화하고, 샘플링되는 신호들은 시간에 따라 달라진다. 시간에 따라 달라지는 샘플링된 신호들은 트레이스(trace)라고 지칭될 수 있다. 장치의 운영자가 연마 동작의 진행을 시각적으로 모니터링하는 것을 허용하기 위해, 연마 동안 모니터링 시스템들로부터의 측정들이 출력 장치(92)에 디스플레이될 수 있다.
동작 시에, CMP 장치(20)는 충진층의 대부분이 제거된 때를 결정하고 기저 정지층이 실질적으로 노출된 때를 결정하기 위해, 와전류 모니터링 시스템(40) 및 광학 모니터링 시스템(140)을 이용할 수 있다. 컴퓨터(90)는 프로세스 파라미터들을 언제 변경할지를 결정하고 연마 종료점을 검출하기 위해, 샘플링된 신호들에 프로세스 제어 및 종료점 검출 로직을 적용한다. 검출기 로직을 위한 가능한 프로세스 제어 및 종료점 기준은 국지적 최소 또는 최대, 기울기 변화, 진폭 또는 기울기의 임계값, 또는 그들의 조합을 포함한다.
그에 더하여, 전체 내용이 참조되어 포함되는 미국 특허 제6,399,501호에 논의되어 있는 바와 같이, 컴퓨터(90)는 기판 아래에서의 각각의 스윕으로부터 나온 와전류 모니터링 시스템(40) 및 광학 모니터링 시스템(140)으로부터의 측정치들을 복수의 샘플링 구역으로 나누고, 각각의 샘플링 구역의 방사상 위치(radial position)를 계산하고, 진폭 측정치들을 방사상 범위들(radial ranges)로 분류(sort)하고, 각각의 샘플링 구역에 대한 최소, 최대 및 평균 측정치를 결정하고, 복수의 방사상 범위를 이용하여 연마 종료점을 결정하도록 프로그램될 수 있다.
컴퓨터(90)는 또한 캐리어 헤드(70)에 의해 인가되는 압력을 제어하는 압력 메커니즘, 캐리어 헤드 회전률을 제어하기 위한 캐리어 헤드 회전 모터(76), 플래튼 회전률을 제어하기 위한 플래튼 회전 모터(도시되지 않음), 또는 연마 패드에 공급되는 슬러리 조성을 제어하기 위한 슬러리 분배 시스템(39)에 접속될 수 있다. 구체적으로, 아래에 더 논의되는 바와 같이, 측정치들을 방사상 범위들로 분류한 후, 금속 필름 두께에 관한 정보를 실시간으로 폐쇄 루프 제어기에 공급하여, 캐리어 헤드에 의해 적용되는 연마 압력 프로파일을 주기적으로 또는 연속적으로 수정할 수 있다.
도 4a는 프로파일 정보를 측정하기 위한 와전류 모니터링 시스템(400)의 예를 보여준다. 와전류 모니터링 시스템(400)은 와전류 모니터링 시스템(40)으로서 이용될 수 있다. 와전류 감지와 함께, 발진 자기장은 웨이퍼 상의 전도성 영역 내에 와전류를 유도한다. 와전류들은 와전류 감지 시스템에 의해 생성되는 자속 라인들(magnetic flux lines)과 결합된 영역 내에 유도된다. 와전류 모니터링 시스템(400)은 E-형상 바디를 갖는 코어(408)를 포함한다. 코어(408)는 후면부(back portion)(410), 및 후면부(410)로부터 연장되는 3개의 프롱(412a-c)을 포함할 수 있다.
코어(408)의 후면부(410)는 대체로 평판 형상(plate-shape)이거나 직사각형 박스(rectangular box-shape) 형상인 바디일 수 있으며, 연마 동작 동안 플래튼의 최상부면에 평행한, 예를 들어 기판 및 연마 패드에 평행한 최상부면을 가질 수 있다. 일부 구현들에서, 후면부(410)의 장축은 플래튼의 회전축으로부터 연장되는 플래튼의 반경에 수직이다. 후면부(410)의 장축은 후면부(410)의 정면(front face)에 수직일 수 있다. 후면부(410)는 플래튼의 최상부면에 수직으로 측정되는 높이를 가질 수 있다.
프롱들(412a-c)은 후면부(410)의 최상부면에 수직인 방향으로 후면부(410)로부터 연장되고, 실질적으로 선형이며 서로에 평행하게 연장된다. 프롱들(412a-c) 각각은 연마 동작 동안 플래튼의 최상부면에 평행한, 예를 들어 기판 및 연마 패드의 면들에 평행한 방향을 따르는 장축을 가질 수 있고, 실질적으로 선형이며 서로에 평행하게 연장된다. 프롱들(412a-c)의 장축은 프롱들(412a-c)의 정면에 수직일 수 있다. 후면부(410)의 장축은 프롱들(412a-c)의 장축과 동일한 방향으로 연장될 수 있다. 일부 구현들에서, 프롱들(412a-c)의 장축은 연마 패드의 회전 축으로부터 연장되는 연마 패드의 반경에 수직이다. 2개의 외측 프롱(412a, 412c)은 중간 프롱(412a)의 양측에 있다. 외측 프롱들(예를 들어, 412a 및 412c) 각각과 중심 프롱(예를 들어 412b) 사이의 간격은 동일할 수 있는데, 즉 외측 프롱들(412a, 412c)은 중간 프롱(412a)으로부터 등거리에 있을 수 있다.
와전류 감지 시스템(400)은 코일(422) 및 커패시터(424)를 병렬로 포함한다. 코일(422)은 코어(408)와 결합될 수 있다(예를 들어, 코일(422)이 중심 코일(412b)에 감길 수 있음). 코일(422) 및 커패시터(424)는 함께 LC 공진 탱크를 형성할 수 있다. 동작 시에, 전류 생성기(426)(예를 들어, 한계 발진기 회로(marginal oscillator circuit)에 기초하는 전류 생성기)는 코일(422)(인덕턴스 L을 가짐) 및 커패시터(424)(정전용량 C를 가짐)에 의해 형성되는 LC 탱크 회로의 공진 주파수에서 시스템을 구동한다. 전류 생성기(426)는 사인파 진동(sinusoidal oscillation)의 피크-대-피크 진폭을 일정한 값으로 유지하도록 설계될 수 있다. 진폭 V0를 갖는 시간 의존 전압이 정류기(428)를 이용하여 정류되어 피드백 회로(430)에 제공된다. 피드백 회로(430)는 전압 V0의 진폭을 일정하게 유지하기 위해, 전류 생성기(426)를 위한 구동 전류를 결정한다. 그러한 시스템에 대하여, 구동 전류의 크기는 전도성 필름 두께에 비례할 수 있다. 한계 발진기 회로 및 피드백 회로는 미국 특허 제4,000,458호 및 제7,112,960호에 더 설명되어 있으며, 이들은 참조되어 포함된다.
전류 생성기(426)는 주파수가 동일하게 남아있도록 하기 위해 LC 공진 탱크에 전류를 공급할 수 있다. 코일(422)은 기판(예를 들어, 기판(10))의 전도성 영역(406)과 결합될 수 있는 발진 자기장(432)을 생성할 수 있다. 전도성 영역(406)이 존재할 때, 기판 내에서 와전류로서 소산되는 에너지는 발진 진폭을 하강시킬 수 있다. 전류 생성기(426)는 진폭을 일정하게 유지하기 위해 LC 공진 탱크에 더 많은 전류를 공급할 수 있다. 전류 생성기(426)에 의해 공급되는 추가 전류의 양이 감지될 수 있고, 전도성 영역(406)의 두께 측정치로 변환될 수 있다.
도 4b는 와전류 모니터링 시스템(400)의 다른 구현을 보여준다. 와전류 모니터링 시스템(400)은 관심있는 전도성 영역(406)(예를 들어, 반도체 웨이퍼 상의 금속층의 일부분)과 결합할 수 있는 발진 자기장(404)을 생성하기 위한 구동 코일(402)을 포함할 수 있다. 구동 코일(402)은 후면부(410)에 감길 수 있다. 발진 자기장(404)은 전도성 영역(406) 내에 국지적으로 와전류를 생성한다. 와전류는 전도성 영역(406)이 감지 코일(414) 및 커패시터(416)와 병렬인 임피던스 소스의 역할을 하게 한다. 감지 코일(414)은 중심 프롱(412b)에 감길 수 있다. 감지 코일(414)은 와전류 모니터링 시스템(400)의 감도를 증가시키기 위해, 중심 프롱(412b)의 외측 부분에 감길 수 있다. 전도성 영역(406)의 두께가 변화함에 따라, 임피던스가 변화하고, 이는 시스템의 Q 팩터의 변화를 야기한다. 와전류 모니터링 시스템(400)은 Q 팩터의 변화를 검출함으로써, 와전류의 강도 변화를 감지할 수 있고, 그에 따라 전도성 영역의 두께 변화를 감지할 수 있다. 그러므로, 와전류 모니터링 시스템(400)은 전도성 영역의 두께와 같은 전도성 영역의 파라미터를 결정하기 위해 이용될 수 있거나, 연마 종료점과 같은 관련 파라미터들을 결정하기 위해 이용될 수 있다. 위에서는 특정 전도성 영역의 두께가 논의되었지만, 다수의 상이한 전도성 영역에 대한 두께 정보가 획득되도록, 코어(408) 및 전도성 층의 상대적인 위치가 변화할 수 있음에 주목해야 한다.
일부 구현들에서, Q 팩터의 변화는 고정된 구동 주파수 및 구동 진폭에 대해, 감지 코일 내의 전류의 진폭을 시간의 함수로서 측정하는 것에 의해 결정될 수 있다. 와전류 신호는 정류기(418)를 이용하여 정류될 수 있고, 진폭은 출력(420)을 통해 모니터링될 수 있다. 대안적으로, Q 팩터의 변화는 구동 신호와 감지 신호 간의 위상차를 시간의 함수로서 측정하는 것에 의해 결정될 수 있다.
와전류 모니터링 시스템(400)은 기판 상의 전도성 층의 두께를 측정하기 위해 이용될 수 있다. 일부 구현들에서, 더 높은 신호 강도, 더 높은 신호-대-잡음비 및/또는 개선된 공간 해상도 및 선형성을 갖는 와전류 모니터링 시스템이 요구될 수 있다. 예를 들어, RTPC 응용에서, 원하는 웨이퍼-간 균일성을 획득하기 위해서는 와전류 감지 시스템의 개선이 요구될 수 있다.
와전류 모니터링 시스템(400)은 증강된 신호 강도, 신호-대-잡음비, 증강된 선형성 및 증강된 안정성을 제공할 수 있다. 개선된 신호 강도를 갖는 와전류 감지 시스템을 제공함으로써 추가의 혜택을 얻을 수 있다. 개선된 신호 강도는 특히 RTPC에 이로울 수 있다. 고해상도의 웨이퍼 프로파일 정보를 획득하면 처리 파라미터를 더 정확하게 조절할 수 있고, 그에 따라 더 작은 임계 치수(CD: critical dimension)를 갖는 디바이스들의 제조를 가능하게 할 수 있다.
일반적으로, 인-시튜 와전류 모니터링 시스템(400)은 약 50 ㎑ 내지 20 ㎒, 예를 들어 약 10 내지 20 ㎒, 예를 들어 약 14 내지 16 ㎒의 공진 주파수로 구성된다. 예를 들어, 도 4a에 보여진 와전류 모니터링 시스템(400)에 대하여, 코일(422)은 약 0.3 내지 30 microH, 예를 들어 0.75 uH의 인덕턴스를 가질 수 있고, 커패시터(424)는 약 70 pF 내지 약 0.022 uF, 예를 들어 150 pF의 정전용량을 가질 수 있다.
도 5a는 코어(500)의 다른 예를 보여준다. 코어(500)는 비교적 높은 투자율(magnetic permeability)(예를 들어, 약 2500 이상의 μ)을 갖는 비전도성 재료로 형성된 E-형상 바디를 가질 수 있다. 구체적으로, 코어(500)는 니켈-아연 페라이트일 수 있다. 코어(500)는 코팅될 수 있다. 예를 들어, 코어(500)는 코어(500) 내의 기공들(pores)에 물이 들어가는 것을 방지하고 코일 단락(coil shorting)을 방지하기 위해, 파릴렌(parylene)과 같은 재료로 코팅될 수 있다. 코어(500)는 와전류 모니터링 시스템(400) 내에 포함된 코어(408)와 동일할 수 있다. 코어(500)는 후면부(502), 및 후면부(502)로부터 연장되는 3개의 프롱(504a-c)을 포함할 수 있다.
제1 프롱(504b)은 폭 W1을 갖고, 제2 프롱(504a)은 폭 W2를 갖고, 제3 프롱(504c)은 폭 W3를 갖는다. 폭 W2 및 W3는 동일할 수 있다. 예를 들어, 프롱들(504a 및 504c)은 0.75mm의 폭을 가질 수 있다. 프롱(504b)의 폭 즉 W1은 프롱(504a) 또는 프롱(504c) 중 어느 하나의 폭의 2배, 즉 1.5mm일 수 있다. 제1 프롱(504b) 및 제2 프롱(504a)은 거리 S1에 의해 분리되고, 제1 프롱(504b) 및 제3 프롱(504c)은 거리 S2만큼 떨어져 있다. 일부 구현들에서, 거리 S1 및 S2는 동일하고, 제2 프롱(504a) 및 제3 프롱(504c)은 중심 프롱(504b)으로부터 동일 거리에 있다. 예를 들어, 거리 S1 및 S2는 약 2mm일 수 있다.
프롱들(504a-c) 각각은 높이 Hp를 갖는데, 이것은 프롱들(504a-c)이 코어(500)의 후면부(502)로부터 연장되는 거리이다. 높이 Hp는 폭 W1, W2 및 W3보다 클 수 있다. 일부 구현들에서, 높이 Hp는 프롱들(504a-c)을 분리하는 거리들 S1 및 S2와 동일하다. 구체적으로, 높이 Hp는 2mm일 수 있다. 후면부(502)는 높이 Hb를 갖는다. 높이 Hb는 거리 S1 또는 거리 S2 또는 높이 Hp와 동일할 수 있으며, 예를 들면 2mm이다.
코일(506)은 중심 프롱(504b)에 감길 수 있다. 코일은 커패시터(416)와 같은 커패시터와 결합될 수 있다. 시스템(400)과 같은 와전류 모니터링 시스템의 구현에서, 별개의 감지 및 구동 코일이 이용될 수 있다. 일부 구현들에서, 코일(506)와 같은 코일은 리쯔 와이어(litz wire)(균일한 꼬임 패턴(pattern of twists) 및 꼬임 길이(length of lay)로 함께 묶여지거나(bunched) 꼬아진(braided) 개별 필름 절연된 와이어들(individual film insulated wires)로 구성된 엮어진 와이어(woven wire))일 수 있으며, 이것은 와전류 감지에서 흔하게 이용되는 주파수들에 대해 솔리드 와이어보다 손실이 적을 수 있다.
일부 구현들에서, 코일(506)은 중심 프롱(504b)의 전체가 아니라 중심 프롱(504b)의 일부에 감길 수 있다. 예를 들어, 코일(506)은 중심 프롱(504b)의 외측 부분에 감길 수 있다. 코일(506)은 중심 프롱(504b)의 내측 부분에 접촉하지 않을 수 있다. 내측 부분은 외측 부분보다 후면부(502)에 더 가까울 수 있다.
도 5b는 코어(500)의 사시도를 보여준다. 코어(500)는 프롱들(504a-c)의 폭 W1, W2 및 W3와 프롱들(504a-c)을 분리하는 거리 S1 및 S2의 합인 폭 Wt를 가질 수 있다. 코어(500)는 프롱들(504a-c)의 높이 Hp와 베이스 부분(502)의 높이 Hb의 합인 높이 Ht를 갖는다. 일부 구현들에서, 폭 Wt는 높이 Ht보다 크다. 코어(500)는 중심 프롱(504b)의 폭 W1보다 크고 바람직하게는 코어의 폭 Wt보다 큰 길이 Lt를 갖는다. 길이 Lt는 약 10 내지 30mm일 수 있다. 길이 Lt는 코어(500)의 폭 Wt보다 더 클 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 코어(602)(도 4의 코어(408) 또는 도 5의 코어(500)와 유사할 수 있음)에 대한 기판(600)의 상대적 위치의 상부도 및 측면도를 보여준다. 반경 R을 갖는 웨이퍼(600)의 중심을 통과하는 슬라이스 A-A'를 통한 스캔을 위해, 코어(602)는 그것의 장축이 웨이퍼(600)의 반경에 수직이도록 배향된다. 코어(602)는 보여진 바와 같이 웨이퍼의 직경에 대해 병진된다. 코어(602)에 감긴 코일에 의해 생성되는 자기장은 길이가 폭보다 큰 가늘고 긴 형상의 전도성 영역에서도 와전류를 유도함에 주목해야 한다. 그러나, 길이 및 폭은 일반적으로는 코어(602)의 길이 및 폭과 동일하지 않으며, 전도성 영역의 종횡비 및 단면도 코어(602)의 종횡비 및 단면과 대체로 다르다.
도 6a 및 도 6b의 구성은 웨이퍼(600)의 슬라이드 A-A'의 대부분에 대해 개선된 해상도를 제공할 수 있지만, 코어(602)가 반경의 최초 및 최종 세그먼트(604)를 따라 병진할 때, 코어(602)의 일부는 기판에 근접하지 않는다. 그러므로, 세그먼트(604)에 대한 측정은 덜 정확하고, 코어(602)의 길이 Lt와 같은 최대의 바람직한 길이 L에 제한을 가할 수 있다. 추가로, 코어(602)가 웨이퍼(600)의 중심에 근접함에 따라, 코어(602)는 더 큰 반경 범위를 샘플링하고 있다. 그러므로, 특정 반경 거리 r
Figure pat00001
R을 위한 공간 해상도는 r
Figure pat00002
0의 공간 해상도보다 현저히 더 크다.
위에서 설명된 바와 같이, 코어(602)의 길이 L은 그것의 폭 W보다 크다. 즉, 종횡비 L/W는 1보다 크다. L, W 및 L/W에 대한 상이한 값들이 상이한 구현들에 대해 이용될 수 있다. 예를 들어, W는 1 밀리미터의 몇 분의 일(a fraction of a millimeter)로부터 1 센티미터를 초과하는 범위일 수 있는 한편, L은 약 1 밀리미터(작은 값의 W에 대한 것임)로부터 10 센티미터 이상의 범위일 수 있다.
특정 구현에서, W는 약 1 밀리미터와 약 10 밀리미터 사이인 한편, L은 약 1 센티미터와 약 5 센티미터 사이이다. 더 구체적으로, 코어(602)는 약 7 밀리미터 폭일 수 있고, 각각의 돌출부는 폭이 약 1 밀리미터이며, 인접 돌출부들 간의 각각의 간격은 약 2 밀리미터이다. 길이는 약 20 밀리미터일 수 있다. 높이는 약 4 밀리미터일 수 있고, 원한다면, 더 많은 코일 권수를 허용하도록 증가될 수 있다. 물론, 여기에 주어진 값들은 예시적인 것이고, 다수의 다른 구성이 가능하다.
일부 구현들에서, 코어의 장축이 기판의 반경에 정확하게 수직은 아닐 수 있다. 그러나, 코어는 특히 웨이퍼 에지 부근에서, 이용가능한 코어 지오메트리들(core geometries)에 걸쳐 개선된 해상도를 여전히 제공할 수 있다. 도 7은 가늘고 긴 코어(702)가 플래튼(704) 아래에 위치되는 CMP 시스템(700)을 보여준다. 기판(706) 아래를 스윕하기 전에, 코어(702)는 위치(708)에 있다. 위치(708)에서, 코어(702)는 기판(706)의 반경 R에 거의 수직으로 위치된다. 그러므로, r
Figure pat00003
R에 대하여, 코어(702)에 감긴 코일에 의해 생성되는 자기장과 결합하는 전도성 층의 부분은 대체로 웨이퍼의 중심으로부터 동일한 방사상 거리에 있다. 코어(702)가 기판(706) 아래를 스윕할 때, 플래튼(704) 및 기판(706) 둘 다가 회전하고 있음에 주목해야 한다. 또한, 기판(706)은 나타나 있는 바와 같이 플래튼(704)에 대하여 스윕할 수 있다. 추가로, 플래그(710) 및 플래그 센서(712)는 플래튼(704)의 회전 위치를 감지하기 위해 이용될 수 있다.
처음에, 도 4 및 도 8a를 참조하면, 연마를 수행하기 전에, 발진기(50)는 어떠한 기판도 존재하지 않는 상태에서 LC 회로의 공진 주파수로 튜닝된다. 이러한 공진 주파수는 RF 증폭기(54)로부터의 출력 신호의 최대 진폭을 야기한다.
도 8b에 보여진 바와 같이, 연마 동작 동안, 기판(10)은 연마 패드(30)와 접촉하여 배치된다. 기판(10)은 실리콘 웨이퍼(12), 및 반도체, 전도체 또는 절연체 층일 수 있는 하나 이상의 패터닝된 기저층(14) 위에 배치된 전도성 층(16), 예를 들어 구리, 알루미늄, 코발트, 티타늄 또는 티타늄 질화물과 같은 금속을 포함할 수 있다. 탄탈륨 또는 탄탈륨 질화물과 같은 배리어 층(18)은 금속층을 기저 유전체로부터 분리할 수 있다. 패터닝된 기저층들(14)은 금속 피쳐들, 예를 들어 구리, 알루미늄 또는 텅스텐의 트렌치, 비아, 패드 및 상호접속부를 포함할 수 있다. 연마 이전에, 전도성 층(16)의 대부분이 초기에는 비교적 두껍고 연속적이므로, 그것은 낮은 비저항을 갖고, 전도성 층 내에 비교적 강한 와전류가 생성될 수 있다. 와전류는 금속층이 감지 코일(46) 및 커패시터(52)에 병렬인 임피던스 소스로서 기능하게 한다. 결과적으로, 전도성 필름(16)의 존재는 센서 회로의 Q 팩터를 감소시키고, 그에 의해 RF 증폭기(56)로부터의 신호의 진폭을 현저히 감소시킨다.
도 8c를 참조하면, 기판(10)이 연마됨에 따라, 전도성 층(16)의 대부분이 얇아진다. 전도성 층(16)이 얇아짐에 따라, 그것의 면적 비저항이 증가하고, 금속층 내의 와전류가 약해진다. 결과적으로, 전도성 층(16)과 센서 회로 사이의 결합(coupling)이 감소된다(즉, 가상 임피던스 소스의 비저항을 증가시킴). 결합이 저하함에 따라, 센서 회로의 Q 팩터는 그것의 본래의 값을 향해 증가하고, 그에 의해 RF 증폭기(56)로부터의 신호의 진폭이 상승하게 된다.
도 8d를 참조하면, 결국에는 전도성 층(16)의 대부분이 제거되어, 패터닝된 절연체 층(14) 사이의 트렌치들 내에 전도성 상호접속부들(16')을 남긴다. 이 시점에서, 대체로 작으며 대체로 불연속적인 기판 내의 전도성 부분들과 센서 회로 간의 결합은 최소에 도달한다. 결과적으로, 센서 회로의 Q 팩터는 목표값(기판이 전혀 존재하지 않을 때의 Q 팩터와는 구별가능함)에 도달한다. 이것은 센서 회로로부터의 출력 신호의 진폭 변화율에서 현저한 감소를 야기한다.
도 9는 기판 상의 금속층을 연마하기 위한 프로세스(900)의 예시적인 흐름도를 보여준다. 금속층은 700 옴-옹스트롬 이상, 예를 들어 1500 옴-옹스트롬 이상, 예를 들어 2500 옴-옹스트롬 이상의 비저항을 가질 수 있다. 금속층은 10000 옴-옹스트롬보다 작은 비저항을 가질 수 있다. 예를 들어, 금속층은 코발트, 티타늄 또는 백금, 또는 금속성 티타늄 질화물과 같은 배리어 금속(barrier metal)일 수 있다. 연마 전에, 금속층은 1000 내지 2000 옹스트롬의 두께를 가질 수 있다. 금속층은 연마 스테이션에서 연마된다(블록(902)). 와전류 모니터링 시스템은 연마 동안 금속층의 두께를 측정한다(블록(904)). 측정치들은 기판 상의 캐리어 헤드(70)의 상이한 챔버들의 압력을 제어하여 금속층을 균일하게 연마하기 위해, 폐쇄 루프 피드백 시스템에 공급될 수 있다(블록(906)). 와전류 모니터링 시스템은 12 ㎒보다 큰, 예를 들어 약 14 ㎒ 내지 16 ㎒의, 예를 들어 15 ㎒의 공진 주파수를 가질 수 있다. 일부 금속층들, 예를 들어 코발트의 연마에 대해, 이것은 2000 옹스트롬 미만, 예를 들어 약 200 옹스트롬에 이르기까지 층 두께의 정확한 측정을 허용할 수 있다. 따라서, 압력의 피드백 제어는 금속층이 200 내지 300 옹스트롬의 두께를 가질 때까지 수행될 수 있으며, 그 시점에서 연마가 중지될 수 있다(블록(908)).
와전류 센서의 감도가 개선되면, 비저항이 낮은 금속들, 예를 들어 구리, 알루미늄 및 텅스텐에 대해, 인가되는 압력의 폐쇄 루프 제어는 캐리어 헤드의 상이한 챔버들에 의해 더 얇은 금속층 두께에서 더 큰 신뢰도로 수행될 수 있다. 그러한 금속들에 대하여, 미리 결정된 두께 레벨은 200 옹스트롬 미만, 예를 들어 50 옹스트롬 미만, 예를 들어 금속층의 소거 검출 또는 실질적인 제거에까지 이를 수 있다.
그에 더하여, 와전류 센서는 기판 상에 금속 잔류물이 남아있는지, 및 기저층, 예를 들어 기저 배리어층 또는 기저 유전체 층이 완전히 노출되었는지를 검출하기 위해 이용될 수 있다. 잔류물은 기저층이 실질적으로 노출된 때에 기저층 위에 여전히 남아있는 금속층의 금속, 예를 들어 기저층 위의(트렌치 내부는 아님) 연결되지 않은 작은 금속 스폿들이다. 이것은 더 정확한 종료점 제어를 허용하고, 고의적인 과다 연마의 필요성을 감소시킨다. 금속 잔류물은 700 옴-옹스트롬보다 작은 비저항을 갖는 금속, 예를 들어 구리, 알루미늄 또는 텅스텐의 잔류물일 수 있다. 일부 구현들에서, 금속은 구리이고, 기저층은 배리어 층, 예를 들어 Ti, TiN 또는 TaN이다. 일부 구현들에서, 금속은 배리어 층 금속, 예를 들어 Ti, TiN 또는 TaN이고, 기저층은 유전체 층이다. 그러한 경우에서, 금속 잔류물은 700 옴-옹스트롬보다 큰 비저항을 갖는 배리어 층 금속의 잔류물일 수 있다.
도 10을 참조하면, 그래프(1002)는 시간의 경과에 따라 와전류 센서로부터 수신된 신호(1004)를 보여준다. RTPC% 축은 와전류 센서로부터 수신된 신호를 표현한다. 공기에 대한 임계값보다 큰 신호는 측정되기에 충분할 정도의 전도성을 갖는 재료의 존재를 나타낸다. 따라서, 연마 프로세스의 시작에서는, 연마되고 있는 재료의 층(1008)이 두꺼우므로, 신호가 높다. 층(1008)이 연마되고 얇아짐에 따라, 신호는 그래프(1002)에 나타난 바와 같이 하강한다. 단계(1006b)에 보여진 바와 같이 층(1008)이 소거될 때, 그래프(1002)의 "소거 종료점"으로 표시된 지점에 의해 나타난 바와 같이, 신호의 변화율(즉, 기울기)이 변화한다. 기울기의 변화가 검출되어, 층(1008)이 소거되었음을 결정하는 데 이용될 수 있다.
기판이 계속하여 연마됨에 따라, 수신 신호는 기저층(1012) 내의 금속 피쳐(1010)의 두께를 나타낸다. 와전류 모니터링 시스템은 미리 결정된 두께의 금속 피쳐(1010)가 남을 때까지 층(1012) 및 금속 피쳐(1010)의 연마를 계속하기 위해 이용될 수 있다.
도 11을 참조하면, 필러 평탄화(pillar planarization)의 검출을 위해 유사한 프로세스가 이용될 수 있다. 와전류 센서에 대해 적절한 공진 주파수(15 ㎒보다 높을 필요가 있을 수 있음)를 선택함으로써, 금속 필러들의 두께에 의존하는 신호를 획득하는 것이 가능할 수 있다. 그래프(1102)는 시간의 경과에 따라 와전류 센서로부터 수신된 신호를 보여준다. 필러 평탄화를 위한 그래프의 기울기 변화는 단계(1106b)에 보여진 바와 같이 필러의 평탄화를 나타낸다. 이 시점에서, 층(1112)을 넘어 돌출해 있던 필러(1110)는 필러(1110)를 둘러싸고 있는 층(1112)의 재료와 비교적 유사한 수준까지 연마되어 있다. 일부 구현들에서, 기판은 필러(1110)가 평탄화될 때까지는 제1 레이트로 연마될 수 있고, 평탄화 이후에 층(1112) 및 필러(1110)를 미리 결정된 두께까지 연마하기 위해 제2 레이트로 연마될 수 있다. 예를 들어, 신호의 변화율은 평탄화 이전에 더 크므로, 제1 레이트는 제2 레이트보다 빠를 수 있다. 그러므로, 신호의 변화가 더 신속하게 검출될 수 있다. 평탄화 지점이 검출되자마자, 더 정확한 종료점 제어를 제공하기 위해 제2 레이트가 비교적 느려질 수 있다.
도 12는 기판 상의 층을 연마하기 위한 대안적인 프로세스(1200)의 예시적인 흐름도를 보여준다. 와전류 센서의 감도를 개선하고 적절한 공진 주파수(15 ㎒보다 높을 필요가 있을 수 있음)를 선택하면, 예를 들어 적어도, BEOL 프로세스(back-end-of-line process)에서의 기판, 예컨대 metal6 또는 metal7를 갖는 기판과 같은 소정 유형의 기판 상에 있는 금속 피쳐들의 두께를 측정하는 것이 가능할 수 있다. 이것은 기판이 금속 피쳐들의 미리 결정된 두께까지 연마되는 것을 허용한다. 금속 피쳐들은 별개의 분리된 금속 피쳐들(discrete separated metal features), 예를 들어 기판 상의 트렌치들 내의 금속 또는 기저층의 평면 표면 위로 연장되는 금속 필러들이다. 금속 피쳐들은 700 옴-옹스트롬보다 작은 비저항을 갖는 금속, 예를 들어 구리, 알루미늄 또는 텅스텐일 수 있다. 기판은 연마 스테이션에서 연마되고(블록(1202)), 와전류 모니터링 시스템은 층 내의 금속 피쳐들의 두께를 모니터링하기 위해 이용된다(블록(1204)). 선택적으로, 금속 피쳐들의 두께는 캐리어 헤드에 의해 기판에 인가되는 압력들을 제어하기 위해 이용될 수 있다(블록(1206)). 와전류 모니터링 시스템이 미리 결정된 두께의 금속 피쳐들이 남아있음을 나타낼 때 연마가 중지될 수 있다(블록(1208)).
일부 구현들에서, 금속 피쳐들을 갖는 층의 최상부에 있는 위에 놓인 층(overlying layer)은 도 10을 참조하여 설명된 바와 같이, 금속 피쳐들을 갖는 층을 연마하기 전에 먼저 소거될 수 있다. 예를 들어, 금속층은 패터닝된 기저층 위에 퇴적될 수 있으며, 기저층의 최상부에 있는 금속이 위에 놓인 층이며, 패턴의 트렌치들 내의 금속은 금속 피쳐들을 제공한다. 일부 구현들에서, 와전류 센서로부터의 신호 크기의 감소율의 변화는 위에 놓인 층의 소거를 나타낼 수 있다.
일부 구현들에서, 프로세스(1200)는 도 11을 참조하여 전술된 바와 같이 필러 평탄화를 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 층은 비아, 예를 들어 쓰루-실리콘 비아(through-silicon via)를 위한 구리 필러들을 포함할 수 있다. 와전류 센서에 의해 모니터링되는 금속 피쳐는 구리 필러일 수 있다. 또한, 필러가 평탄화될 때, 와전류 센서로부터의 신호 크기의 감소율이 변화할 수 있다. 다음으로, 층 및 평탄화된 필러는 와전류 모니터링 시스템에 의해 나타내어진 미리 결정된 두께까지 더 연마될 수 있다.
와전류 및 광학 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 롤러(supply roller)와 테이크업 롤러(take-up roller) 사이에 연장되는 테이프, 또는 연속 벨트일 수 있다. 연마 패드는 플래튼에 고정될 수 있거나, 연마 동작들 간에서 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, 충진재를 갖거나 갖지 않는 폴리우레탄) 러프(rough) 패드, 소프트 패드, 또는 고정식 연마 패드(fixed-abrasive pad)일 수 있다. 발진기의 구동 주파수는, 기판 부재 시에 튜닝되기보다는, 연마되거나 연마되지 않은 기판이 존재하는 상태(캐리어 헤드가 존재하거나 존재하지 않는 상태)에서 공진 주파수로, 또는 소정의 다른 기준으로 튜닝될 수 있다.
광학 모니터링 시스템(140)은, 동일한 홀 내에 위치된 것으로서 도시되어 있지만, 플래튼 상에서 와전류 모니터링 시스템(40)과는 다른 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 광학 모니터링 시스템(140) 및 와전류 모니터링 시스템(40)은 기판 표면을 교대로 스캔하도록 플래튼의 양측에 배치될 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.

Claims (10)

  1. 기판을 화학적 기계적 연마하는 방법으로서,
    연마 스테이션에서 상기 기판 상의 금속 층을 연마하는 단계;
    상기 연마 스테이션에서의 연마 동안 와전류 모니터링 시스템(eddy current monitoring system)으로 상기 금속 층의 두께를 모니터링하는 단계; 및
    상기 금속 층의 예상 두께 프로파일과 목표 프로파일 간의 차이를 감소시키기 위해, 상기 와전류 모니터링 시스템으로부터의 상기 금속 층의 두께 측정치들에 기초하여, 상기 연마 스테이션에서의 상기 금속 층의 연마 동안 캐리어 헤드에 의해 상기 기판에 인가되는 압력을 제어하는 단계 - 상기 금속 층은 700옴-옹스트롬보다 큰 비저항을 가짐 -
    를 포함하는, 방법
  2. 제1항에 있어서, 상기 목표 프로파일은 평면 프로파일이고, 차이를 감소시키는 것은 상기 금속 층의 두께 균일성을 향상시키는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 층은 10000옴-옹스트롬보다 작은 비저항을 가지는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 와전류 모니터링 시스템이 미리 결정된 두께의 상기 금속 층이 상기 기판에 남아있음을 나타낼 때 연마가 중지되는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 와전류 모니터링 시스템은 12 ㎒보다 큰 공진 주파수를 갖는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 와전류 모니터링 시스템은 14 내지 16 ㎒의 공진 주파수를 갖는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 금속 층은 코발트인, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 금속 층은 티타늄인, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 금속 층은 티타늄 질화물인, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 금속 층의 연마를 광학 모니터링 시스템 없이 모니터링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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