KR20210012043A - 인-시튜 전자기 유도 모니터링을 위한 기판 도핑에 대한 보상 - Google Patents
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Abstract
화학적 기계적 연마 방법은, 반도체 웨이퍼 위에 배치된 전도성 층을 갖는 기판을 연마 패드와 접촉시키는 단계, 기판과 연마 패드 사이에 상대적인 움직임을 생성하는 단계, 전도성 층의 두께에 의존하는 일련의 신호 값들을 생성하기 위해, 전도성 층이 연마됨에 따라 인-시튜 전자기 유도 모니터링 시스템으로 기판을 모니터링하는 단계, 일련의 신호 값들에 기반하여 전도성 층에 대한 일련의 두께 값들을 결정하는 단계, 및 신호 값들에 대한 반도체 웨이퍼의 전도도의 기여를 적어도 부분적으로 보상하는 단계를 포함한다.
Description
본 개시내용은 화학적 기계적 연마에 관한 것으로, 더 구체적으로, 화학적 기계적 연마 동안의 전도성 층의 모니터링에 관한 것이다.
집적 회로는 전형적으로, 규소 웨이퍼 상에서의 전도성 층, 반도체 층 또는 절연성 층의 순차적 증착에 의해 기판 상에 형성된다. 다양한 제조 프로세스들은 기판 상의 층의 평탄화를 요구한다. 예컨대, 하나의 제조 단계는, 비-평탄 표면 위에 충전재 층을 증착하고, 그 충전재 층을 평탄화하는 것을 수반한다. 특정 응용들의 경우, 충전재 층은, 패터닝된 층의 최상부 표면이 노출될 때까지 평탄화된다. 예컨대, 패터닝된 절연성 층 상에 금속 층이 증착되어, 절연성 층의 트렌치들 및 홀들을 충전할 수 있다. 평탄화 후에, 패터닝된 층의 트렌치들 및 홀들의 남아 있는 금속 부분들은, 기판 상의 박막 회로들 사이에 전도성 경로들을 제공하기 위한 비아들, 플러그들, 및 라인들을 형성한다.
화학적 기계적 연마(CMP)는 평탄화의 하나의 용인된 방법이다. 이러한 평탄화 방법은 전형적으로, 캐리어 헤드 상에 기판이 장착될 것을 요구한다. 기판의 노출된 표면은 전형적으로, 회전 연마 패드에 맞닿게 배치된다. 캐리어 헤드는 연마 패드에 맞닿게 기판을 밀기 위해 기판 상에 제어가능한 부하를 제공한다. 연마 입자들을 갖는 연마 슬러리가 전형적으로 연마 패드의 표면에 공급된다.
CMP에 있어서의 하나의 문제는, 연마 프로세스가 완료되었는지 여부, 즉, 기판 층이 원하는 평탄도 또는 두께로 평탄화되었는지 여부, 또는 원하는 양의 물질이 제거된 때를 결정하는 것이다. 슬러리 조성, 연마 패드 조건, 연마 패드와 기판 사이의 상대 속도, 기판 층의 초기 두께, 및 기판에 대한 부하에서의 변동들은 물질 제거율에서의 변동들을 야기할 수 있다. 이러한 변동들은 연마 종료점에 도달하는 데 필요한 시간에서 변동들을 야기한다. 따라서, 단지 연마 시간의 함수로서 연마 종료점을 결정하는 것은 웨이퍼 내 또는 웨이퍼 간 불균일성을 유발할 수 있다.
일부 시스템들에서, 기판은, 예컨대 연마 패드를 통해, 연마 동안 인-시튜로 모니터링된다. 하나의 모니터링 기법은, 전도성 층에 와전류를 유도하고, 전도성 층이 제거됨에 따른 와전류에서의 변화를 검출하는 것이다.
일 양상에서, 화학적 기계적 연마 방법은, 반도체 웨이퍼 위에 배치된 전도성 층을 갖는 기판을 연마 패드와 접촉시키는 단계, 기판과 연마 패드 사이에 상대적인 움직임을 생성하는 단계, 전도성 층의 두께에 의존하는 일련의 신호 값들을 생성하기 위해, 전도성 층이 연마됨에 따라 인-시튜 전자기 유도 모니터링 시스템으로 기판을 모니터링하는 단계, 일련의 신호 값들에 기반하여 전도성 층에 대한 일련의 두께 값들을 결정하는 단계, 및 신호 값들에 대한 반도체 웨이퍼의 전도도의 기여를 적어도 부분적으로 보상하는 단계를 포함한다.
다른 양상에서, 화학적 기계적 연마 방법은, 반도체 웨이퍼 위에 배치된 전도성 층을 갖는 기판을 연마 패드와 접촉시키는 단계, 기판과 연마 패드 사이에 상대적인 움직임을 생성하는 단계, 반도체 웨이퍼에 대한 기본 신호 값을 수신하는 단계, 전도성 층의 두께에 의존하는 일련의 신호 값들을 생성하기 위해, 전도성 층이 연마됨에 따라 인-시튜 전자기 유도 모니터링 시스템으로 기판을 모니터링하는 단계, 및 일련의 신호 값들 및 기본 신호 값에 기반하여 전도성 층에 대한 일련의 두께 값들을 결정하는 단계를 포함한다.
이러한 양상들 각각은, 방법으로서, 컴퓨터 시스템으로 하여금 동작들을 수행하게 하기 위한 명령어들을 포함하는 컴퓨터 판독가능 매체 상에 유형으로(tangibly) 인코딩되는 컴퓨터 프로그램 제품으로서, 또는 동작들을 수행하도록 구성되는 제어기를 포함하는 연마 시스템으로서 적용될 수 있다.
방법들, 컴퓨터 프로그램 제품들, 및/또는 시스템들의 구현들은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일련의 두께 값들에 기반하여 연마 파라미터에 대한 변경이 결정될 수 있거나 연마 종료점이 검출될 수 있다. 연마 종료점에서 연마가 중단될 수 있거나 변경에 의해 연마 파라미터가 조정될 수 있다.
반도체 웨이퍼에 대한 기본 신호가 수신될 수 있다. 기본 신호 값을 생성하기 위해, 블랭크(blank) 도핑된 반도체 웨이퍼가 인-시튜 전자기 유도 모니터링 시스템으로 측정될 수 있다. 신호 값을 두께에 상관시키는 함수의 하나 이상의 초기 계수가 저장될 수 있다. 초기 계수들 및 기본 신호 값에 기반하여, 조정된 계수들이 계산될 수 있다. 일련의 두께 값들을 결정하는 것은, 조정된 계수들을 갖는 함수를 사용하여 신호 값으로부터 두께 값을 계산하는 것을 포함할 수 있다. 함수는, 이차 또는 더 높은 차수의 다항 함수일 수 있다. 함수는 
으로 표현될 수 있으며, 여기서, S는 신호 값이고, D는 두께이고, W'1, W'2, 및 W'3은 조정된 계수들이다. 조정된 계수들을 계산하는 것은, 
, 
및 
을 계산하는 것을 포함할 수 있으며, 여기서, s는 신호 값들에 대한 반도체 웨이퍼의 기여를 표현하는 등가 전도성 층 두께 값이고, W1, W2, 및 W3은 초기 계수들이다.
등가 전도성 층 두께 값은, 초기 계수들을 갖는 함수 및 기본 신호 값으로부터 결정될 수 있다. 신호 값들에 대한 반도체 웨이퍼의 기여를 표현하는 등가 전도성 층 두께 값은, 기본 신호 값, 및 초기 신호 값들을 이용한 함수에 기반하여 결정될 수 있다.
구현들은 다음의 장점들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 아래에 놓인 기판, 예컨대 반도체 기판의 도핑에 의해 야기되는, 측정된 와전류 신호와 전도성 층 두께 사이의 상관관계의 가능한 부정확성이 완화될 수 있다. 보상 프로세스들을 사용하여, 조정된 와전류 신호 또는 조정된 전도성 층 두께가 더 정확할 수 있다. 조정된 와전류 신호 및/또는 조정된 전도성 층은, 연마 프로세스 동안 제어 파라미터들을 결정하고/거나 연마 프로세스에 대한 종료점을 결정하는 데 사용될 수 있다. 제어 파라미터 결정 및 종료점 검출의 신뢰성이 개선될 수 있고, 웨이퍼 과소연마를 피할 수 있고, 웨이퍼 내 불균일성이 감소될 수 있다.
하나 이상의 구현의 세부사항들은 첨부한 도면들 및 아래의 설명에서 기재된다. 다른 양상들, 특징들 및 장점들은, 설명 및 도면들로부터, 그리고 청구항들로부터 명백해질 것이다.
도 1은, 전자기 유도 모니터링 시스템을 포함하는 연마 스테이션의 예의 개략적인 단면도를 예시한다.
도 2는, 기판에 걸친 센서 스캔 경로를 도시하는, 예시적인 화학적 기계적 연마 스테이션의 개략적인 평면도이다.
도 3a 내지 도 3c는, 연마 프로세스를 예시하는, 기판의 개략적인 단면도들이다.
도 4는, 전자기 유도 센서에 의해 생성되는 예시적인 자기장을 예시하는 개략적인 단면도이다.
도 5는, 예시적인 와전류 위상 신호의 그래프를 전도성 층 두께의 함수로서 예시한다.
도 2는, 기판에 걸친 센서 스캔 경로를 도시하는, 예시적인 화학적 기계적 연마 스테이션의 개략적인 평면도이다.
도 3a 내지 도 3c는, 연마 프로세스를 예시하는, 기판의 개략적인 단면도들이다.
도 4는, 전자기 유도 센서에 의해 생성되는 예시적인 자기장을 예시하는 개략적인 단면도이다.
도 5는, 예시적인 와전류 위상 신호의 그래프를 전도성 층 두께의 함수로서 예시한다.
연마 동작을 위한 하나의 모니터링 기법은, 예컨대, 교류(AC) 구동 신호를 사용하여 기판 상의 전도성 층에 와전류들을 유도하는 것이다. 유도된 와전류들은, 연마 동안 인-시튜로 와전류 센서에 의해 측정되어 신호를 생성할 수 있다. 연마를 겪는 최외측 층이 전도성 층이라고 가정하면, 센서로부터의 신호는 전도성 층의 두께에 의존할 것이다. 모니터링에 기반하여, 연마 동작에 대한 제어 파라미터들, 이를테면 연마율이 인-시튜로 조정될 수 있다. 게다가, 연마 동작은, 모니터링되는 두께가 원하는 종료점 두께에 도달했다는 표시에 기반하여 종결될 수 있다.
실제로, 와전류 센서에 의해 생성되는 자기장은 전도성 층 내에서 중단되는 것이 아니라, 아래에 놓인 기판까지 확장될 수 있다. 임의의 특정 이론에 제한됨이 없이, 와전류 센서에서 이용되는 전자기 주파수에 대한 이러한 자기 투과성 물질들의 표피 깊이는 전도성 층 및 아래에 놓인 반도체 웨이퍼의 두께보다 클 수 있다. 결과적으로, 와전류 센서에 의해 생성되는 신호는 반도체 웨이퍼의 전도도에 의존할 수 있다. 반도체 웨이퍼가, 예컨대, 시스템 교정 및 기본 기판 웨이퍼들에 사용되는 "블랭크" 웨이퍼들에서 전형적으로 사용되는 바와 같이, 도핑되지 않은 경우, 웨이퍼의 전기 저항은, 웨이퍼의 존재가 와전류 신호에 대한 검출가능한 영향을 갖지 않도록 충분히 높을 수 있다. 그러나, 실제 디바이스 제조의 경우, 웨이퍼들은 전형적으로 다양한 목적들을 위해 도핑, 예컨대, 고도로 도핑될 것이다. 이러한 상황에서, 와전류 센서에 의해 생성되는 신호는, 반도체 웨이퍼의 전도도에 따라, 기판으로부터의 상당한 기여를 가질 수 있다. 그러므로, 와전류 센서에 의해 포착되는 신호들에 기반한 두께 측정은 부정확할 수 있다. 그러나, 예컨대, 반도체 기판으로부터의 신호에 대한 기여를 고려함으로써, 이러한 부정확성을 보상하기 위한 기법들이 사용될 수 있다.
그에 따라서, 와전류 신호들 및 와전류 신호들에 기반한 측정된 두께들을 포함하는 전자기 유도 측정들은, 연마되고 있는 전도성 층 아래에 놓인 반도체 웨이퍼의 전도도에 기반하여 조정된다.
도 1 및 도 2는 화학적 기계적 연마 시스템의 연마 스테이션(20)의 예를 예시한다. 연마 스테이션(20)은, 상부에 연마 패드(30)가 위치하는 회전가능한 디스크-형상 플래튼(24)을 포함한다. 플래튼(24)은 축(25)을 중심으로 회전하도록 동작가능하다. 예컨대, 모터(22)는, 구동 샤프트(28)를 회전시켜 플래튼(24)을 회전시킬 수 있다. 연마 패드(30)는, 외측 연마 층(34) 및 더 연질의 후면 층(32)을 갖는 2층 연마 패드일 수 있다.
연마 스테이션(20)은, 연마 슬러리와 같은 연마 액체(38)를 연마 패드(30) 상에 분배하기 위한 공급 포트 또는 결합된 공급-세정 암(39)을 포함할 수 있다. 연마 스테이션(20)은, 연마 패드의 표면 거칠기를 유지하기 위해, 컨디셔닝 디스크를 갖는 패드 컨디셔너 장치를 포함할 수 있다.
캐리어 헤드(70)는, 연마 패드(30)에 맞닿게 기판(10)을 유지하도록 동작가능하다. 캐리어 헤드(70)는 지지 구조(72), 예컨대, 캐러셀 또는 트랙으로부터 매달리며, 구동 샤프트(74)에 의해 캐리어 헤드 회전 모터(76)에 연결됨으로써 캐리어 헤드가 축(71)을 중심으로 회전할 수 있다. 임의적으로, 캐리어 헤드(70)는, 예컨대, 트랙을 따른 움직임에 의해 캐러셀 상의 슬라이더들 상에서 측방향으로 진동하거나 또는 캐러셀 그 자체의 회전 진동에 의해 측방향으로 진동할 수 있다.
캐리어 헤드(70)는 기판을 유지하기 위한 유지 링(84)을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 유지 링(84)은 고도로 전도성인 부분을 포함할 수 있는데, 예컨대, 캐리어 링은, 연마 패드와 접촉하는 얇은 하부 플라스틱 부분(86), 및 두꺼운 상부 전도성 부분(88)을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 고도로 전도성인 부분은 금속, 예컨대, 연마되는 층과 동일한 금속, 예컨대 구리이다.
동작 시, 플래튼은 자신의 중심 축(25)을 중심으로 회전되고, 캐리어 헤드는, 자신의 중심 축(71)을 중심으로 회전되고 연마 패드(30)의 최상부 표면에 걸쳐 측방향으로 병진이동된다. 다수의 캐리어 헤드들이 존재하는 경우, 각각의 캐리어 헤드(70)는 자신의 연마 파라미터들을 독립적으로 제어할 수 있는데, 예컨대, 각각의 캐리어 헤드는 각각의 개개의 기판에 인가되는 압력을 독립적으로 제어할 수 있다.
캐리어 헤드(70)는, 기판(10)의 후면과 접촉하기 위한 기판 장착 표면을 갖는 가요성 멤브레인(80), 및 기판(10) 상의 상이한 구역들, 예컨대 상이한 반경방향 구역들에 상이한 압력들을 가하기 위한 복수의 가압가능 챔버들(82)을 포함할 수 있다. 캐리어 헤드는 또한 기판을 유지하기 위한 유지 링(84)을 포함할 수 있다.
일부 구현들에서, 연마 스테이션(20)은, 연마 스테이션에서의 온도 또는 연마 스테이션의/연마 스테이션 내의 구성요소에서의 온도를 모니터링하기 위한 온도 센서(64)를 포함한다. 온도 센서(64)는, 도 1에서 연마 패드(30) 및/또는 패드(30) 상의 슬러리(38)의 온도를 모니터링하도록 위치된 것으로 예시되지만, 기판(10)의 온도를 측정하도록 캐리어 헤드(70) 내부에 위치될 수 있다. 온도 센서(64)는, 연마 패드, 또는 전도성 층일 수 있는 기판(10)의 최외측 층과 직접 접촉되어(즉, 접촉식 센서임), 연마 패드 또는 기판의 최외측 층의 온도를 정확하게 모니터링할 수 있다. 온도 센서는 또한 비-접촉식 센서(예컨대, 적외선 센서)일 수 있다. 일부 구현들에서, 예컨대, 연마 스테이션의/연마 스테이션 내의 상이한 구성요소들의 온도들을 측정하기 위해, 다수의 온도 센서들이 연마 스테이션(22)에 포함된다. 온도(들)는, 실시간으로, 예컨대, 주기적으로 및/또는 와전류 시스템에 의해 행해지는 실시간 측정들과 연관되어 측정될 수 있다. 모니터링된 온도(들)는 와전류 측정들을 인-시튜로 조정하는 데 사용될 수 있다.
도 3a를 참조하면, 연마 시스템은, 패터닝된 유전체 층 위에 놓이고/거나 그에 매입된(inlaid) 전도성 물질을 포함하는 기판(10)을 연마하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 기판(10)은, 유전체 층(14), 예컨대, 산화규소 또는 고-k 유전체의 트렌치들 위에 놓이고 그를 채우는 전도성 물질(16), 예컨대 금속, 예컨대, 구리, 알루미늄, 코발트 또는 티타늄의 층을 포함할 수 있다. 임의적으로, 배리어 층(18), 예컨대, 탄탈럼 또는 질화탄탈럼이 트렌치들을 라이닝할 수 있고, 전도성 물질(16)을 유전체 층(14)으로부터 분리할 수 있다. 트렌치들의 전도성 물질(16)은 완성된 집적 회로의 비아들, 패드들 및/또는 상호연결부들을 제공할 수 있다. 유전체 층(14)이 반도체 웨이퍼(12) 상에 직접 증착된 것으로 예시되지만, 하나 이상의 다른 층이 유전체 층(14) 과 웨이퍼(12) 사이에 개재될 수 있다.
반도체 웨이퍼(12)는 규소 웨이퍼, 예컨대 단결정질 규소일 수 있지만, 다른 반도체 물질들, 예컨대, 비화갈륨 또는 질화갈륨이 가능하다. 게다가, 반도체 웨이퍼(12)는, 예컨대, p-형 또는 n-형 도핑으로 도핑될 수 있다. 도핑은 웨이퍼에 걸쳐 측방향으로 균일할 수 있거나, 또는 예컨대, 반도체 웨이퍼를 사용한 집적 회로들에서의 트랜지스터들의 제조에 적절한 바와 같이, 웨이퍼가 선택적으로 도핑될 수 있다.
처음에, 전도성 물질(16)이 전체 유전체 층(14) 위에 놓인다. 연마가 진행됨에 따라, 전도성 물질(16)의 벌크가 제거되어, 배리어 층(18)을 노출시킨다(도 3b 참조). 이어서, 계속된 연마는 유전체 층(14)의 패터닝된 최상부 표면을 노출시킨다(도 3c 참조). 이어서, 전도성 물질(16)을 함유하는 트렌치들의 깊이를 제어하기 위해 부가적인 연마가 사용될 수 있다.
일부 구현들에서, 연마 시스템은 부가적인 연마 스테이션들을 포함한다. 예컨대, 연마 시스템은 2개 또는 3개의 연마 스테이션을 포함할 수 있다. 예컨대, 연마 시스템은 제1 전자기 유도 모니터링 시스템을 갖는 제1 연마 스테이션 및 제2 전자기 유도 전류 모니터링 시스템을 갖는 제2 연마 스테이션을 포함할 수 있다.
예컨대, 동작 시, 기판 상의 전도성 층의 벌크 연마는 제1 연마 스테이션에서 수행될 수 있고, 전도성 층의 목표 두께가 기판 상에 남아 있을 때 연마가 중단될 수 있다. 이어서, 기판은 제2 연마 스테이션으로 이송되고, 기판은 아래에 놓인 층, 예컨대, 패터닝된 유전체 층까지 연마될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 연마 시스템은, 제어기(90)에 결합되거나 그를 포함하는 것으로 간주될 수 있는 인-시튜 전자기 유도 모니터링 시스템(100)을 포함한다. 회전식 커플러(29)는, 회전가능한 플래튼(24)의 구성요소들, 예컨대 인-시튜 모니터링 시스템들의 센서들을 플래튼 외부의 구성요소들, 예컨대, 구동 및 감지 회로 또는 제어기(90)에 전기적으로 연결하는 데 사용될 수 있다.
인-시튜 전자기 유도 모니터링 시스템(100)은 전도성 물질(16), 예컨대 금속의 깊이에 의존하는 신호를 생성하도록 구성된다. 전자기 유도 모니터링 시스템은, 유전체 층 위에 놓인 전도성 물질의 시트 또는 유전체 층이 노출된 후에 트렌치들에 남아 있는 전도성 물질일 수 있는 전도성 물질에서의 와전류들의 생성, 또는 기판 상의 유전체 층의 트렌치에 형성된 전도성 루프에서의 전류의 생성에 의해 동작할 수 있다.
동작 시, 연마 시스템은, 인-시튜 모니터링 시스템(100)을 사용하여, 전도성 층이 목표 두께, 예컨대, 트렌치에서의 금속에 대한 목표 깊이, 또는 유전체 층 위에 놓인 금속 층에 대한 목표 두께에 도달한 때를 결정할 수 있고, 그런 다음, 연마를 중단한다. 대안적으로 또는 그에 부가하여, 연마 시스템은, 인-시튜 모니터링 시스템(100)을 사용하여 기판(10)에 걸친 전도성 물질(16)의 두께에서의 차이들을 결정할 수 있고, 이러한 정보를 사용하여, 연마 불균일성을 감소시키기 위해, 연마 동안 캐리어 헤드(80)에서의 하나 이상의 챔버(82) 내의 압력을 조정할 수 있다.
함몰부(26)가 플래튼(24)에 형성될 수 있으며, 임의적으로, 얇은 절편(section)(36)이, 함몰부(26) 위에 놓이는 연마 패드(30)에 형성될 수 있다. 함몰부(26) 및 얇은 절편(36)은, 이들이 캐리어 헤드의 병진 위치에 관계없이 플래튼 회전의 일부분 동안 기판(10) 아래를 지나가도록 위치될 수 있다. 연마 패드(30)가 2층 패드인 것으로 가정하면, 얇은 절편(36)은, 후면 층(32)의 일부분을 제거함으로써 그리고 임의적으로는 연마 층(34)의 최하부에 함몰부를 형성함으로써 구성될 수 있다. 얇은 절편은 임의적으로, 예컨대, 인-시튜 광학 모니터링 시스템이 플래튼(24)에 통합되는 경우, 광학적으로 투과성일 수 있다.
인-시튜 모니터링 시스템(100)은, 함몰부(26)에 설치된 센서(102)를 포함할 수 있다. 센서(102)는, 함몰부(26) 내에 적어도 부분적으로 위치되는 자기 코어(104), 및 코어(104)의 일부분 주위에 감긴 적어도 하나의 코일(106)을 포함할 수 있다. 구동 및 감지 회로(108)가 코일(106)에 전기적으로 연결된다. 구동 및 감지 회로(108)는, 제어기(90)에 전송될 수 있는 신호를 생성한다. 플래튼(24) 외부에 있는 것으로 예시되지만, 구동 및 감지 회로(108) 중 일부 또는 그 전부가 플래튼(24)에 설치될 수 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 구동 및 감지 회로(108)는 코일(106)에 AC 전류를 인가하고, 코일(106)은 코어(104)의 2개의 극(152a 및 152b) 사이에 자기장(150)을 생성한다. 동작 시, 기판(10)이 간헐적으로 센서(102) 위에 놓일 때, 자기장(150)의 일부분이 기판(10) 내로 연장된다.
회로(108)는, 코일(106)과 병렬로 연결되는 커패시터를 포함할 수 있다. 코일(106)과 커패시터는 함께 LC 공진 탱크를 형성할 수 있다.
기판 상의 전도성 층의 두께의 모니터링이 요구되면, 자기장(150)이 전도성 층에 도달할 때, 자기장(150)이 통과하여 (목표가 루프인 경우) 전류를 생성하거나 (목표가 시트인 경우) 와전류를 생성할 수 있다. 이는, LC 회로의 유효 임피던스를 수정한다.
그러나, 자기장(150)은 또한 반도체 기판(12) 내로 침투할 수 있다. 그러므로, LC 회로의 유효 임피던스, 및 그에 따른 구동 및 감지 회로(108)로부터의 신호는 또한, 반도체 기판(12)의 도핑 및 결과적인 전도도에 의존할 수 있다.
예컨대, 미국 특허 제7,112,960호에 설명된 바와 같이, 구동 및 감지 회로(108)는 결합된 구동/감지 코일(106)에 결합되는 한계 발진기를 포함할 수 있고, 출력 신호는 사인파 진동의 피크 대 피크 진폭을 일정한 값으로 유지하기 위해 요구되는 전류일 수 있다. 구동 및 감지 회로(108)에 대한 다른 구성들이 가능하다. 예컨대, 별개의 구동 및 감지 코일들이 코어 주위에 감길 수 있다. 예컨대, 미국 특허 제6,975,107호에 설명된 바와 같이, 구동 및 감지 회로(108)는 고정 주파수로 전류를 인가할 수 있고, 구동 및 감지 회로(108)로부터의 신호는, 구동 코일에 대한 감지 코일에서의 전류의 위상 편이, 또는 감지된 전류의 진폭일 수 있다.
도 2를 참조하면, 플래튼(24)이 회전함에 따라, 센서(102)는 기판(10) 아래로 스위핑한다. 특정 주파수에서 회로(108)로부터의 신호를 샘플링함으로써, 회로(108)는 기판(10)에 걸친 일련의 샘플링 구역들(94)에서 측정들을 생성한다. 각각의 스윕 동안, 샘플링 구역들(94) 중 하나 이상에서의 측정들이 선택되거나 조합될 수 있다. 따라서, 다수의 스윕들을 통해, 선택되거나 조합된 측정들은 시변적인 일련의 값들을 제공한다.
연마 스테이션(20)은 또한, 센서(102)가 기판(10) 아래에 있는 때 및 센서(102)가 기판에서 벗어나 있는 때를 감지하기 위해, 광학 인터럽터와 같은 위치 센서(96)를 포함할 수 있다. 예컨대, 위치 센서(96)는, 캐리어 헤드(70)에 대향하는 고정된 위치에 장착될 수 있다. 플래그(98)가 플래튼(24)의 주변부에 부착될 수 있다. 플래그(98)의 부착 지점 및 길이는, 센서(102)가 기판(10) 아래에서 스위핑할 때 플래그(98)가 위치 센서(96)에 시그널링할 수 있도록 선택된다.
대안적으로 또는 그에 부가하여, 연마 스테이션(20)은, 플래튼(24)의 각도 위치를 결정하기 위한 인코더를 포함할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 제어기(90), 예컨대, 범용 프로그래밍가능 디지털 컴퓨터는 인-시튜 모니터링 시스템(100)의 센서(102)로부터 신호들을 수신한다. 센서(102)가 플래튼(24)의 각각의 회전에 따라 기판(10) 아래에서 스위핑하므로, 트렌치들에서의 전도성 층, 예컨대, 벌크 층 또는 전도성 물질의 깊이에 대한 정보가 인-시튜로(플래튼 회전마다 한 번) 축적된다. 제어기(90)는, 기판(10)이 일반적으로 센서(102) 위에 놓일 때 인-시튜 모니터링 시스템(100)으로부터의 측정들을 샘플링하도록 프로그래밍될 수 있다.
게다가, 제어기(90)는, 각각의 측정의 반경방향 위치를 계산하고 측정들을 반경방향 범위들로 분류하도록 프로그래밍될 수 있다. 측정들을 반경방향 범위들로 배열함으로써, 각각의 반경방향 범위의 전도성 막 두께에 대한 데이터가 제어기(예컨대, 제어기(90))에 공급되어, 캐리어 헤드에 의해 가해지는 연마 압력 프로파일이 조정될 수 있다. 제어기(90)는 또한, 인-시튜 모니터링 시스템(100) 신호들에 의해 생성되는 일련의 측정들에 종료점 검출 로직을 적용하고 연마 종료점을 검출하도록 프로그래밍될 수 있다.
센서(102)가 플래튼(24)의 각각의 회전마다 기판(10) 아래에서 스위핑하므로, 전도성 층 두께에 대한 정보는 인-시튜로 그리고 연속적인 실시간 기반으로 축적되고 있다. 연마 동안, 센서(102)로부터의 측정들은, 연마 스테이션의 작업자가 연마 동작의 진행을 시각적으로 모니터링하는 것을 허용하기 위해 출력 디바이스 상에 표시될 수 있다.
와전류 모니터링 시스템으로서, 전자기 유도 모니터링 시스템(100)은, 전도성 시트에 와전류들을 유도함으로써 전도성 층의 두께를 모니터링하거나, 전도성 물질에 와전류들을 유도함으로써 트렌치에서의 전도성 물질의 깊이를 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 유도 모니터링 시스템으로서, 전자기 유도 모니터링 시스템은, 예컨대, 미국 특허 공보 제2015-0371907호에 설명된 바와 같이, 모니터링의 목적을 위해, 기판(10)의 유전체 층(14)에 형성된 전도성 루프에 전류를 유도적으로 생성함으로써 동작할 수 있다.
도 5는, 주어진 비저항에 대한, 전도성 층의 두께와 전자기 유도 모니터링 시스템(100)으로부터의 신호 사이의 관계 곡선(410)을 예시하는 그래프(400)를 도시한다. 그래프(400)에서, DSTART는 전도성 층의 초기 두께를 표현하고, SSTART는 초기 두께(DSTART)에 대응하는 원하는 신호 값이고; DFINAL은 전도성 층의 최종 두께를 표현하고, SFINAL은 최종 두께에 대응하는 원하는 신호 값이고; K는 영(zero)의 전도성 층 두께에 대한 신호의 값을 표현하는 상수이다.
관계 곡선(410)은 제어기(90)에서 함수, 예컨대 다항 함수, 예컨대, 2차 함수, 3차 함수, 또는 더 높은 차수 함수에 의해 표현될 수 있다. 도핑된 반도체 웨이퍼의 부재 시, 신호(S)와 두께(D) 사이의 상관관계는 다음의 수학식에 의해 표현될 수 있다:
여기서, W1, W2, 및 W3은 실수 계수들이다. 그에 따라, 제어기는 함수의 계수들의 값들, 예컨대, W1, W2, 및 W3뿐만 아니라, 관계 곡선(410)이 적용되는 비저항(ρ0)을 저장할 수 있다. 게다가, 관계는 선형 함수, 베지어(Bezier) 곡선, 또는 비-다항 함수, 예컨대, 지수 함수 또는 로그 함수로 표현될 수 있다.
그러나, 위에 언급된 바와 같이, 와전류 센서에 의해 생성되는 신호는 또한 도핑된 반도체 웨이퍼로부터의 기여를 포함한다. 도핑된 반도체 웨이퍼 및 전도성 층에서 여기된 와전류들이 독립적이고 절연 층들에 의해 분리되기 때문에, 도핑된 규소 기판 및 절연된 전도성 막 층 내로의 전력 소산들은 부가적이고, 선형 시스템들의 중첩 원리를 따른다. 이는, 고도로 도핑된 규소 웨이퍼들 상의 Cu 막들을 사용한 실험에 의해 검증되었다.
그러므로, 신호(S)는 
로 표현될 수 있으며, 여기서, 
는 관계 곡선을 표현하는 데 사용되는 함수인데, 예컨대, 2차 또는 더 높은 차수의 다항 함수이고, D는 전도성 층의 두께이고, s는 반도체 웨이퍼로부터의 등가 전도성 층 두께 기여이다.
예컨대, 신호(S)와 두께(D) 사이의 상관관계는 다음의 수학식에 의해 표현될 수 있다:
반도체 웨이퍼로부터의 등가 전도성 층 두께 기여는, 도핑되지 않았다면 블랭크인 도핑된 반도체 설정 웨이퍼를 연마 스테이션 내에 배치하고 신호(S)를 측정함으로써 결정될 수 있다. 이러한 도핑된 반도체 설정 웨이퍼는 디바이스 제조에 사용될 반도체 웨이퍼들과 동일한 도핑을 갖는다. 예컨대, 로트당 하나의 블랭크 도핑된 반도체 설정 웨이퍼가 제조될 수 있고, 설정 웨이퍼로부터의 신호(S)가 측정될 수 있다. 대안적으로, 로트당 하나의 디바이스 기판이 희생 기판으로서 선택되어 반도체 웨이퍼(12)가 노출될 때까지 연마 스테이션에서 연마될 수 있으며, 반도체 웨이퍼가 노출될 때 신호(S)가 측정될 수 있다. 어느 경우에서든, 이러한 상황에서는 D = 0이므로, 등가 전도성 층 두께 기여(s)는 위의 수학식 2로부터 계산될 수 있다.
대안적으로, 등가 전도성 층 두께 기여(s)는, 작업자, 예컨대 팹(fab) 시스템 작업자에 의해, 다른 계측 시스템, 예컨대 인-라인 또는 독립형 시스템을 사용하여 반도체 웨이퍼 전도도를 측정하고, 이어서, 모델을 사용하여 웨이퍼 전도도를 등가 전도성 층 두께 기여(s)로 변환함으로써 결정될 수 있다. 웨이퍼 전도도를 측정하기 위한 계측 시스템의 예는 4점 탐침이다. 또 다른 옵션으로서, 도핑된 기판 웨이퍼의 등가 전도성 층 두께 값이 인-라인 또는 독립형 와전류 모니터링 시스템, 이를테면, 어플라이드 머티어리얼스(Applied Materials)의 아이맵(iMap) 반경방향 스캐너를 사용하여 직접 측정될 수 있다.
이러한 경우들 각각에서, 도핑이 로트 내의 웨이퍼 간에 실질적으로 동일할 것이므로, 로트당 한 번 보상을 수행하는 것이 충분할 것이다.
일부 구현들, 예컨대, 고품질의 균일하게 도핑된 규소 기판들에서, 기판 상의 모든 위치들에 대한 보상에 평균 등가 전도성 막 두께 값이 사용될 수 있는데, 예컨대, s는 기판에 걸쳐 균일하다. 그러나, 일부 구현들에서, 등가 전도성 층 두께 기여(s)는 기판 상의 반경방향 위치에 의존할 수 있다. 이는, 반경방향으로 불균일하게 도핑된 기판들의 영향에 대한 보상을 허용한다.
일단 등가 전도성 층 두께 기여(s)가 알려지면, 수정된 상관관계 함수가 결정될 수 있다. 예컨대, 신호(S)와 두께(D) 사이의 수정된 상관관계는 다음의 수학식에 의해 표현될 수 있다:
제어기는, W1, W2, W3, 및 s로부터 W'1, W'2, 및 W'3을 결정할 수 있다. 예컨대, 다음과 같다.
신호에 대한 일련의 값들(S(t))은 인-시튜 모니터링 시스템으로부터 시간 경과에 따라 수신된다. 값(S(t))은 수정된 상관관계 함수(예컨대, 위의 수학식 3)를 사용하여 두께 값(D(t))을 계산하는 데 사용될 수 있고, 그에 따라, 일련의 두께 값들(D(t))을 제공한다.
일부 구현들에서, 값들(S(t))은 정규화된다. 예컨대, 교정된 신호(S')가 다음에 따라 생성될 수 있다.
여기서, G는 이득이고 ΔK는 오프셋이다. G 및 ΔK 둘 모두는, 알려진 두께의 전도성 층 및 전도도를 갖는 블랭크 웨이퍼를 사용하여 인-시튜 모니터링 시스템에 대해 실험적으로 결정될 수 있다.
게다가, 각각의 두께 값은 보정된 두께 값을 제공하기 위해 층의 비저항에 기반하여 조정될 수 있고, 그에 따라, 일련의 보정된 두께 값들(D'(t))을 제공한다. 보정된 두께 값들은 다음과 같이 계산될 수 있다:
여기서, ρX는 전도성 층의 비저항이고, ρ0은 관계 곡선(410)(및 값들 W1, W2, W3)이 적용되는 비저항이다.
보정된 두께 값들(D'(t))은 연마 파라미터들의 제어에, 예컨대, 불균일성을 감소시키기 위한 연마 압력들의 계산에 사용될 수 있다.
두께 값(D(t)) 또는 보정된 두께 값(D'(t))이 목표 두께 값(DTARGET)에 도달할 때 종료점이 호출될 수 있다.
비저항의 기판 간 변동들에 부가하여, 층의 온도에서의 변화들이 전도성 층의 저항의 변화를 초래할 수 있다. 예컨대, 전도성 층은 연마가 진행됨에 따라 더 고온이 될 수 있고, 그에 따라, 더 전도성(더 낮은 비저항)이 될 수 있다. 특히, 프로세스를 수행하는 제어기는 또한, 실시간 온도(T(t))에서 전도성 층의 비저항(ρT)을 계산할 수 있다. 실시간 온도(T(t))는 온도 센서(64)로부터 결정될 수 있다.
일부 구현들에서, 조정된 비저항(ρT)은 다음의 수학식에 기반하여 계산된다:
여기서, Tini는 연마 프로세스가 시작될 때의 전도성 층의 초기 온도이다. 이어서, 조정된 비저항(ρT)은, 예컨대, 위의 수학식 5의 비저항(ρX) 대신에(또는 수학식 4의 이득 및 오프셋의 계산에서) 사용된다.
연마 프로세스가 실온 하에서 수행되는 상황들에서, Tini는 20 ℃의 근사값을 취할 수 있다. ρX는, 실온일 수 있는 Tini에서의 전도성 층의 비저항이다. 전형적으로, 
는 문헌에서 발견될 수 있거나 실험으로부터 획득될 수 있는 알려진 값이다.
일부 구현들에서, 측정된 와전류 신호를 조정하는 데 사용되는 온도들(T 및 Tini)은, 예컨대, 캐리어 헤드의 온도 센서에 의해 측정되는 바와 같은, 전도성 층의 온도이다. 일부 구현들에서, 온도들(T 및 Tini)은 전도성 층의 온도들 대신에 연마 패드의 온도들 또는 슬러리의 온도들일 수 있다.
위에 설명된 연마 장치 및 방법들은 다양한 연마 시스템들에서 적용될 수 있다. 연마 패드 또는 캐리어 헤드들 중 어느 하나 또는 둘 모두는, 연마 표면과 기판 간의 상대적인 움직임을 제공하기 위해 이동할 수 있다. 예컨대, 플래튼은 회전하기 보다는 선회할 수 있다. 연마 패드는 플래튼에 고정된 원형(또는 일부 다른 형상)의 패드일 수 있다. 종료점 검출 시스템의 일부 양상들은, 예컨대, 연마 패드가 선형으로 이동하는 연속적인 또는 릴-루-릴 벨트인 선형 연마 시스템에 적용가능할 수 있다. 연마 층은 표준(예컨대, 충전재들이 있거나 없는 폴리우레탄) 연마 물질, 연질 물질, 또는 고정식-연마 물질일 수 있다. 상대적인 위치결정 용어들은 시스템 또는 기판 내에서의 상대적인 위치결정을 지칭하는 데 사용되며, 연마 표면 및 기판은 연마 동작 동안 수직 배향으로 또는 일부 다른 배향으로 유지될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
제어기(90)의 기능적 동작들은, 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 제품, 즉, 데이터 처리 장치, 예컨대, 프로그래밍가능 프로세서, 컴퓨터, 또는 다수의 프로세서들 또는 컴퓨터들에 의한 실행을 위한, 또는 그 동작을 제어하기 위한, 비-일시적인 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 유형으로 구현된 하나 이상의 컴퓨터 프로그램을 사용하여 구현될 수 있다.
본 발명의 다수의 실시예들이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어남이 없이 다양한 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 다른 실시예들이 다음의 청구항들의 범위 내에 있다.
Claims (15)
- 화학적 기계적 연마 방법으로서,
반도체 웨이퍼 위에 배치된 전도성 층을 갖는 기판을 연마 패드와 접촉시키는 단계;
상기 기판과 상기 연마 패드 사이에 상대적인 움직임을 생성하는 단계;
상기 전도성 층의 두께에 의존하는 일련의 신호 값들을 생성하기 위해, 상기 전도성 층이 연마됨에 따라 인-시튜 전자기 유도 모니터링 시스템으로 상기 기판을 모니터링하는 단계; 및
상기 일련의 신호 값들에 기반하여 상기 전도성 층에 대한 일련의 두께 값들을 결정하는 단계를 포함하며, 상기 일련의 두께 값들을 결정하는 단계는, 상기 신호 값들에 대한 상기 반도체 웨이퍼의 전도도의 기여를 적어도 부분적으로 보상하는 단계를 포함하는, 화학적 기계적 연마 방법. - 제1항에 있어서,
상기 일련의 두께 값들에 기반하여 연마 파라미터에 대한 변경을 결정하는 단계 또는 연마 종료점을 검출하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 화학적 기계적 연마 방법. - 제2항에 있어서,
상기 연마 종료점에서 연마를 중단하는 단계 또는 상기 변경에 의해 상기 연마 파라미터를 조정하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 화학적 기계적 연마 방법. - 제1항에 있어서,
상기 반도체 웨이퍼에 대한 기본 신호 값을 수신하는 단계를 포함하는, 화학적 기계적 연마 방법. - 제4항에 있어서,
상기 기본 신호 값을 생성하기 위해 상기 인-시튜 전자기 유도 모니터링 시스템으로 블랭크(blank) 도핑된 반도체 웨이퍼를 측정하는 단계를 포함하는, 화학적 기계적 연마 방법. - 제4항에 있어서,
신호 값을 두께에 상관시키는 함수의 하나 이상의 초기 계수를 저장하는 단계를 포함하는, 화학적 기계적 연마 방법. - 제6항에 있어서,
상기 초기 계수들 및 상기 기본 신호 값에 기반하여, 조정된 계수들을 계산하는 단계를 포함하는, 화학적 기계적 연마 방법. - 명령어들을 포함하는 비-일시적인 컴퓨터 판독가능 매체 상에 유형으로(tangibly) 인코딩되는 컴퓨터 프로그램 제품으로서,
상기 명령어들은, 컴퓨터 시스템으로 하여금,
기판의 전도성 층이 연마됨에 따라 인-시튜 전자기 유도 모니터링 시스템으로부터 상기 전도성 층의 두께에 의존하는 일련의 신호 값들을 수신하게 하고,
상기 기판의 상기 전도성 층 아래에 놓인 반도체 웨이퍼의 전도도를 표현하는 기본 신호 값을 수신하게 하고,
상기 일련의 신호 값들 및 상기 기본 신호 값에 기반하여 상기 전도성 층에 대한 일련의 두께 값들을 결정하게 하는, 컴퓨터 프로그램 제품. - 제8항에 있어서,
신호 값을 두께에 상관시키는 함수의 하나 이상의 초기 계수를 저장하기 위한 명령어들을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품. - 제9항에 있어서,
상기 초기 계수들 및 상기 기본 신호 값에 기반하여, 조정된 계수들을 계산하기 위한 명령어들을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품. - 제10항에 있어서,
상기 일련의 두께 값들을 결정하기 위한 명령어들은, 상기 조정된 계수들을 갖는 상기 함수를 사용하여 신호 값으로부터 두께 값을 계산하기 위한 명령어들을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품. - 제10항에 있어서,
상기 함수는 2차 또는 더 높은 차수의 다항 함수를 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품. - 제12항에 있어서,
상기 함수는을 포함하며,
S는 상기 신호 값이고, D는 상기 두께이고, W'1, W'2, 및 W'3은 상기 조정된 계수들인, 컴퓨터 프로그램 제품. - 제13항에 있어서,
상기 조정된 계수들은,
에 따라 계산되며, s는 상기 신호 값들에 대한 상기 반도체 웨이퍼의 기여를 표현하는 등가 전도성 층 두께 값이고, W1, W2, 및 W3은 상기 초기 계수들인, 컴퓨터 프로그램 제품. - 연마 시스템으로서,
연마 패드를 지지하기 위한 회전가능한 플래튼;
상기 연마 패드에 맞닿게 기판을 유지하기 위한 캐리어 헤드;
상기 기판 상의 전도성 층의 두께에 의존하는 일련의 신호 값들을 생성하기 위한 센서를 포함하는 인-시튜 전자기 유도 모니터링 시스템; 및
제어기를 포함하며,
상기 제어기는,
상기 전도성 층이 연마됨에 따라 상기 인-시튜 전자기 유도 모니터링 시스템으로부터 상기 전도성 층의 두께에 의존하는 상기 일련의 신호 값들을 수신하고,
상기 기판의 상기 전도성 층 아래에 놓인 반도체 웨이퍼의 전도도를 표현하는 기본 신호 값을 수신하고,
상기 일련의 신호 값들 및 상기 기본 신호 값에 기반하여 상기 전도성 층에 대한 일련의 두께 값들을 결정하도록 구성되는, 연마 시스템.
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