KR20240021291A - 화학적 기계적 평탄화 (cmp) 공정의 현장 모니터링을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

화학적 기계적 평탄화(CMP) 공정의 현장 모니터링 방법 및 장치가 개시된다. 일 측면에서, CMP 시스템은 기판을 유지하도록 구성된 캐리어, 연마 패드를 지지하는 플래튼, 기판 반대편의 연마 패드 측에 위치하고 제1 신호를 생성하도록 구성된 광학 검출기, 제2 신호를 생성하도록 구성된 하나 이상의 위치 인코더, 그리고 제어기를 포함한다. 상기 제어기는 제1 신호 및 제2 신호를 수신하고, 제2 신호에 기초하여 기판 상의 하나 이상의 측정 사이트를 식별하고, 제1 신호에 기초하여 반복 측정을 위해 측정 사이트들 중 하나 이상을 선택하며, 그리고 제1 신호 및 제2 신호에 기초하여 측정 사이트들 중 선택된 하나 이상에서 기판의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 판별하도록 구성된다.

Description

화학적 기계적 평탄화 (CMP) 공정의 현장 모니터링을 위한 방법 및 장치

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원과 함께 제출된 PCT 요청에서 외국 또는 국내 우선권 주장이 확인된 모든 출원은 본원에 참조로서 포함된다. 본 출원은 2021년 6월 15일에 출원된 미국 임시특허 출원 번호 63/202,533의 우선권의 이익을 주장한다. 　

개시된 기술은 화학적 기계적 평탄화(chemical mechanical planarization, CMP) 공정을 모니터링하기 위한 방법 및 디바이스에 관한 것이다.

화학적 기계적 평탄화 또는 연마(CMP) 동안, 연마제 및 산성 또는 알칼리성 슬러리가 회전하는 연마 패드/플래튼(platen)에 계량 펌프 또는 질량 흐름 제어 조절기 시스템을 통해 인가된다. 기판이나 웨이퍼는 지정된 시간 동안 연마 플래튼 위의 연마 패드에 대해 회전 및 가압되는 웨이퍼 캐리어에 의해 유지된다. 슬러리는 일반적으로 단일 패스(pass) 분배 시스템을 통해 연마 플래튼으로 이동된다. 웨이퍼는 CMP 공정 동안 기계적 수단(예: 마모)과 화학적 수단(예: 부식)에 의해 연마(즉, 평탄화)된다.

CMP 공정 동안, 웨이퍼의 표면은 웨이퍼의 평탄화 또는 연마를 제공하기 위해 제거된다. 공정 효율성의 정밀한 측정을 제공하기 위해서, 제거된 재료의 양(예: 표면층의 제거 속도 및/또는 두께)을 측정하는 것이 바람직할 수 있다.

개시된 기술의 한 측면은 다음을 포함하는 방법이다: CMP 처리 동안에 현장에서 웨이퍼상의 하나 이상의 측정 특정 사이트(site)(들)를 식별하는 단계, 그리고 측정 데이터를 특정 사이트 위치(들)와 연관시키는 단계.

다른 측면은 신호 측정 품질, 일관성, 정확성 등 중 적어도 하나를 최적화하기 위해서 해당 사이트 위치(들) 내의 신호 품질을 분석하고 특성화하는 방법이다.

또 다른 측면은 미리 결정된 웨이퍼 특성, 무작위 샘플링, 미리 결정된 관심 위치 등을 포함하는 적어도 하나의 측정 기준에 기초하여 측정 사이트들의 하나 이상의 위치(들)를 결정하며, 그리고 상기 결정된 기준 및/또는 이전 샘플 측정 및 위치에 대한 분석을 기반으로 후속 측정을 수행하는 방법이다.

특정 실시예에서, 단일 및/또는 다중 파장 광학 광원을 사용하여 특정 사이트 위치(들)로부터 측정 데이터를 얻을 수 있다.

특정 실시예에서, 와(eddy) 전류, 전기 임피던스 등과 같은 비광학 기반 측정 방식을 사용하여 특정 사이트 위치(들)로부터 측정 데이터를 얻을 수 있다.

특정 실시예에서, 플래튼 내부 및/또는 (플래튼 외부인) 고정 광원을 사용하여 특정 사이트 위치(들)로부터 측정 데이터를 얻을 수 있다.

또 다른 측면은 상기 방법 중 하나 이상을 구현하도록 구성된 제어기를 포함하는 CMP 시스템이다.

또 다른 측면은 캐리어, 플래튼, 광학 검출기, 위치 인코더 및 제어기를 포함하는 화학적 기계적 평탄화(CMP) 시스템이다. 상기 캐리어는 기판을 유지하도록 구성될 수 있다. 상기 플래튼은 연마 패드를 지지하도록 구성될 수 있으며, 여기에서 상기 연마 패드는 이를 통해 연장되는 개구부를 포함한다. 상기 광학 검출기는 상기 기판 반대편의 연마 패드 측에 위치할 수 있으며, 그리고 상기 개구부를 통해 상기 기판의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 나타내는 제1 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 상기 하나 이상의 위치 인코더들은 상기 캐리어와 상기 플래튼의 공간적 위치와 각도 위치를 나타내는 제2 신호들을 생성하도록 구성될 수 있다. 상기 제어기는: 상기 광학 검출기로부터의 상기 제1 신호 및 상기 하나 이상의 위치 인코더들로부터의 상기 제2 신호들을 수신하며; 상기 제2 신호들에 기초하여 상기 기판 상의 하나 이상의 측정 사이트들을 식별하며; 상기 제1 신호에 기초하여 반복 측정을 위해 상기 측정 사이트들 중 하나 이상을 선택하며; 그리고 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호들에 기초하여 상기 측정 사이트들 중 상기 선택된 하나 이상의 사이트에서 상기 기판의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 판별하도록, 구성될 수 있다.

특정 실시예에서, 상기 제어기는 제2 신호들에 기초하여 다음 변수 중 하나 이상을 결정하도록 추가로 구성된다: 상기 기판 상의 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 및 상기 플래튼 사이의 제1 각도, 상기 기판 상의 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 및 상기 캐리어 사이의 제2 각도, 상기 기판 상의 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트 및 상기 플래튼 사이의 제1 방사상 거리, 그리고 상기 기판 상의 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 및 상기 캐리어 사이의 제2 방사상 거리.

특정 실시양태에서, 상기 제어기는 광학 검출기의 위치에 대해 기판 상의 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 각각의 위치를 판별하도록 추가로 구성된다.

특정 실시예에서, 제어기는 선택된 하나 이상의 위치 인코더 각각에 대해 제1 신호의 샘플을 획득하는 타이밍을 결정하도록 추가로 구성된다.

특정 실시예에서, 상기 제어기는 상기 선택된 하나 이상의 위치 인코더 각각에 대한 상기 제1 신호 내 측정들의 스트림으로부터 측정을 선택하는 타이밍을 결정하도록 추가로 구성된다.

특정 실시예에서, 상기 제어기는 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호들에 기초하여 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 각각에 대한 복수의 측정치들을 획득하도록 추가로 구성되며, 여기에서 상기 기판의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 판별하는 것은 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 각각에 대한 복수의 측정치들에 추가로 기초한다.

특정 실시예에서, 상기 제어기는 반복 측정을 위해 상기 식별된 하나 이상의 측정 사이트들 각각을 사용하는 적합성을 결정하도록 추가로 구성되며, 여기에서 반복 측정을 위해 하나 이상의 측정 사이트들을 선택하는 것은 상기 결정된 적합성에 추가로 기초한다.

특정 실시예에서, 상기 제어기는 미리 결정된 측정 사이트들의 세트를 획득하며, 상기 미리 결정된 측정 사이트들에 대응하는 상기 제1 신호들의 신호 품질을 비교하도록 추가로 구성되며, 여기에서 상기 측정 사이트 중 하나 이상을 선택하는 것은 추가로 상기 신호 품질에 기초한다.

특정 실시예에서, 상기 제어기는 진폭 일관성 및/또는 광 스펙트럼 적합도에 기초하여 상기 제1 신호들의 신호 품질을 결정하도록 추가로 구성된다.

특정 실시예에서, 상기 연마 패드는 윈도우를 추가로 포함하며, 상기 윈도우는 상기 개구부 내에 배치되고 광이 상기 광학 검출기와 상기 기판 사이를 통과하도록 구성된다.

특정 실시양태에서, 광학 검출기는 ISRM(In-Situate Rate Monitor) 광학 검출기를 포함한다.

특정 실시예에서, 광학 검출기는 플래튼 내에 매립된다.

특정 실시예에서, 상기 플래튼은 내부에 개구부가 형성된 상부 표면을 갖고, 상기 플래튼 내 개구부는 상기 연마 패드 내 개구부와 중첩되며, 상기 광학 검출기는 상기 플래튼 및 상기 연마 패드 내 개구부들을 통해 상기 기판을 보도록 구성된다.

또 다른 측면은 기판 상의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 판별하는 방법을 포함하며, 상기 방법은, 상기 기판 반대편의 연마 패드 측에 위치한 광학 검출기로부터 제1 신호를 수신하는 단계 - 상기 연마 패드는 관통 연장되는 개구부를 포함함 -; 하나 이상의 위치 인코더들로부터 제2 신호들을 수신하는 단계 - 상기 제2 신호들은 캐리어와 플래튼의 공간 위치 및 각도 위치를 나타내며, 상기 캐리어는 상기 연마 패드를 지지하는 상기 플래튼 및 상기 기판을 유지하도록 구성됨 -; 상기 제2 신호들에 기초하여 상기 기판 상의 하나 이상의 측정 사이트들을 식별하는 단계; 상기 제1 신호에 기초하여 반복 측정을 위해 상기 측정 사이트들 중 하나 이상을 선택하는 단계; 그리고 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호들에 기초하여 상기 측정 사이트들 중 상기 선택된 하나 이상의 사이트에서 상기 기판의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 판별하는 단계를 포함한다.

특정 실시양태에서, 상기 방법은 상기 광학 검출기의 위치에 대해 상기 기판 상의 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 각각의 위치를 판별하는 단계를 더 포함한다.

특정 실시예에서, 상기 방법은 상기 선택된 하나 이상의 위치 인코더들 각각에 대해 상기 제1 신호의 샘플을 획득하는 타이밍을 결정하는 단계를 더 포함한다.

특정 실시예에서, 상기 방법은 상기 선택된 하나 이상의 위치 인코더들 각각에 대해 상기 제1 신호 내 측정들의 스트림으로부터 측정을 선택하는 타이밍을 결정하는 단계를 더 포함한다.

특정 실시예에서, 상기 방법은 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호들에 기초하여 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 각각에 대한 복수의 측정치들을 획득하는 단계를 더 포함하며, 여기에서 상기 기판의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 판별하는 것은 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 각각에 대한 복수의 측정값들에 추가로 기초한다.

또 다른 측면에서, 시스템은 캐리어, 플래튼, 광학 검출기, 하나 이상의 위치 인코더 및 제어기를 포함한다. 상기 캐리어는 기판을 유지하도록 구성될 수 있다. 상기 플래튼은 윈도우를 포함하는 연마 패드를 지지할 수 있다. 상기 광학 검출기는 상기 윈도우를 통해 상기 기판의 필름을 보고 상기 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 나타내는 제1 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 상기 하나 이상의 위치 인코더들은 상기 캐리어와 상기 플래튼의 공간적 위치와 각도 위치를 나타내는 제2 신호들을 생성하도록 구성될 수 있다. 상기 제어기는, 광학 검출기로부터 제1 신호 및 하나 이상의 위치 인코더로부터 제2 신호들을 수신하며; 반복 측정을 위해 하나 이상의 측정 사이트들을 식별하며; 그리고 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호들에 기초하여 상기 측정 사이트들 중 상기 하나 이상의 사이트에서 상기 기판의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 판별하도록 구성될 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 제어기는 미리 결정된 측정 사이트들의 세트를 획득하며; 그리고 상기 미리 결정된 측정 사이트들에 대응하는 제1 신호들의 신호 품질을 비교하도록 추가로 구성되며, 여기에서 상기 측정 사이트 중 하나 이상을 선택하는 것은 상기 신호 품질에 추가로 기초한다.

개시된 기술의 추가적인 목적, 특징 및 이점뿐만 아니라 상기 내용은 첨부된 도면을 참조하여 개시된 기술의 특정 실시예에 대한 다음의 예시적이고 비제한적인 상세한 설명을 통해 더 잘 이해될 것이다. 도면에서, 달리 언급하지 않는 한 유사한 요소에는 유사한 참조 번호가 사용된다.
도 1은 처리 위치에 웨이퍼를 고정하는 웨이퍼 캐리어를 도시하는, 공정 개선 시스템을 갖춘 화학적 기계적 평탄화 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 화학적 기계적 평탄화 시스템을 도시한 도면으로, 웨이퍼를 로딩 위치에 유지하는 웨이퍼 캐리어를 보여준다.
도 3은 이동 가능한 지지 구조물에 부착된 공정 개선 시스템을 갖춘 화학적 기계적 평탄화 시스템의 개략도이다.
도 4는 웨이퍼 표면에 또는 웨이퍼 표면 상에 개선 시스템 공정을 현장 적용할 수 있도록 연마 패드에 내장된 공정 개선 시스템을 갖춘 화학적 기계적 평탄화 시스템의 개략도이다.
도 5a 및 5b는 상기 시스템의 다른 컴포넌트 내에 내장된 ISRM 광학 검출기를 갖는 화학적 기계적 평탄화 시스템의 개략도이다.
도 6은 연마 패드의 표면, 슬러리 공급 장치, 고압 린스 디바이스 및 광학 검출기로부터의 광이 연마 패드를 통과할 수 있게 하는 윈도우의 예시이다.
도 7은 본 개시의 양태에 따른 플래튼에 대한 웨이퍼 상의 측정 지점의 개략도이다.
도 8은 웨이퍼 전체에 걸쳐 두께가 매우 가변적인 증착 필름을 갖는 웨이퍼의 표면을 보여주며, 이는 서로 다른 필름 두께를 나타내는 서로 다른 색상 줄무늬로 입증된다.
도 9는 기판 상의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 판별하는 방법을 예시하는 흐름도이다.

개시된 기술의 상세한 실시예가 이제 도면을 참조하여 설명될 것이다.

CMP 시스템 소개

많은 다른 유사한 응용 분야들 중에서 특히, 반도체 집적 회로(IC), MEMS 디바이스 및 LED의 제조에서 박막 평탄화를 위한 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP)의 채택 및 사용은 이러한 유형의 디바이스들을 위한 "칩"을 제조하는 회사에서 일반적이다. 이러한 채택에는 휴대폰, 태블릿 및 기타 휴대용 장치는 물론 데스크톱 및 노트북 컴퓨터용 칩 제조도 포함된다. 나노기술과 마이크로 가공의 성장은 의료 분야, 자동차 분야, 사물 인터넷("IoT")에서 디지털 디바이스들의 광범위한 사용과 적용에 대한 큰 가능성을 제시한다. 박막 평탄화를 위한 화학적 기계적 연마는 1980년대 초 IBM Corporation의 과학자와 엔지니어에 의해 발명 및 개발되었다. 오늘날, 이 공정은 전 세계적으로 널리 퍼져 있으며 거의 모든 디지털 디바이스 제조에 사용되는 진정한 기술 중 하나이다.

집적 회로는 전도성 물질(구리, 텅스텐, 알루미늄 등), 절연층(이산화규소, 질화규소 등) 및 반도체 물질(폴리실리콘)의 다층 및 교번층으로 제조된다. 이러한 층들의 연속적인 조합은 웨이퍼 표면에 순차적으로 적용되지만, 표면에 주입된 디바이스로 인해 이산화규소 절연체 층의 경우에서처럼, 지형학적 기복이 디바이스 구조 위에 구축된다. 이러한 원치 않는 지형적 기복은 다음 층이 적층되기 전에 평평해지거나 "평탄화"되어야 한다. 구리 층의 경우, 구리는 접촉 비아를 채우고 디바이스로부터 디바이스로, 층에서 층으로 전자를 전달하기 위한 효과적인 수직 경로를 만들기 위해 표면에 증착된다. 이 절차는 적용되는 각 레이어에서 계속된다 (보통 증착 공정에 의해 적용됨). 여러 층의 전도성 물질(다중 금속 층)의 경우, 성공적인 회로를 달성하기 위해 수많은 연마 절차(도체, 절연체 및 반도체 재료의 각 층에 대해 하나씩)의 결과를 가져올 수 있을 것이다.

CMP 공정은 이 모든 것을 가능하게 하는 다층 회로 제조에서 가능한 기술이다. 다음은 CMP 방법 및 장치의 비제한적인 예에서 다양한 컴포넌트들 및 및 단계들에 대한 추가 세부사항을 설명한다.

CMP 공정의 비용 기여자에는 연마 슬러리 및 연마 패드와 같은 소모품 세트와 연관된 총체적인 비용이 포함된다. CMP 공정에 사용되는 전형적인 연마 슬러리는 예를 들어 수계 매질 내에 현탁되거나 함유된 연마 입자(예를 들어 콜로이드 실리카, 콜로이드 알루미나, 콜로이드 세리아 등)의 콜로이드 현탁액을 포함한다.

상기 연마 패드는 일반적으로 폴리우레탄 기반이다. 또한, 일반적인 CMP 연마 패드의 직경은 일반적으로 18인치 내지 24인치이다; 이 치수는 전 세계적으로 널리 사용되는 연마 기계의 연마 플래튼(platen) (즉, 테이블)의 크기에 따라 결정된다. 그러나, 일부 응용 분야(예: 정밀 광학 응용 분야)에서는 직경이 훨씬 더 클 수 니다(예: 최대 48인치 이상). 보통은 이러한 연마 패드는 압력 감지 접착제에 의해 매우 평평한 연마 플래튼(예: 연마 테이블)에 부착된다.

CMP 공정 동안, 슬러리는 계량 펌프 또는 질량 흐름 제어 조절기 또는 기타 시스템을 통해, 회전하는 연마 패드 위에 적용된다. 또한, 기판이나 웨이퍼는 특정 시간 동안 연마 플래튼에 대해 회전 및 가압되는 웨이퍼 캐리어에 의해 유지된다. "기판" 및 "웨이퍼"라는 용어는 본 명세서에서 상호교환적으로 사용되며, 예를 들어, 본 명세서에 개시된 장치 및 공정의 하나 이상의 실시예가 구현될 수 있는 반도체 또는 실리콘 웨이퍼, 평면 패널 디스플레이, 유리 플레이트 또는 디스크, 플라스틱 작업물, 및 다양한 형상(예를 들어, 원형, 정사각형, 직사각형 등) 및 크기의 기타의 실질적으로 단단하고 평평하며 얇은 작업물을 포함한다. 추가적으로, 슬러리는 예를 들어 단일 패스 분배 시스템에서 연마 플래튼에게로 보내질 수 있다. 일반적인 기대는 슬러리 입자들 매체 내 슬러리 입자들이 회전하는 웨이퍼와 회전하는 플래튼 및/또는 연마 패드 사이에 고르게 분포될 것이라는 것이다. 그러나, 연마 슬러리의 대부분은 원심력에 의해 그리고/또는 연마 패드/플래튼에 대한 웨이퍼의 "스퀴지" 작용에 의해 연마 패드/플래튼의 가장자리로 쓸려가기 때문에, 연마 슬러리의 대부분에 대해서는 효과적이지 않거나 생산적이지 않다는 것이 매우 일반적이다. 따라서, 연마 슬러리의 이 부분은 웨이퍼 표면에 결코 도달하지 않을 수 있으며, 이는 슬러리의 해당 부분을 연마 활동에 참가하지 못하게 한다. 어떤 경우에는, 연마 패드 표면의 소수성 특성으로 인해 연마 슬러리가 쉽게 옆으로 쓸려 나가고 궁극적으로 폐기물 배수구로 쓸려가게 된다.

웨이퍼와 연마 패드 사이에 압력을 제공하기 위해 (예를 들어 기판 캐리어 헤드에 의해, 예를 들어 캐리어 헤드 내의 멤브레인에 가해지는 압력을 통해) 힘이 웨이퍼에 가해지며, 그래서 처리를 위해 웨이퍼를 패드로 가압한다. 게다가, 웨이퍼와 패드 모두 상대 속도를 생성하기 위한 움직임을 가진다. 움직임과 힘은, 패드가 웨이퍼 표면을 가로질러 이동하는 동안 연마 입자 또는 기타 연마재를 웨이퍼(즉, 기판)에 밀어서 마모를 생성하는 패드 부분들로 이어진다. 슬러리 내 부식성 화학 물질은 웨이퍼 표면에서 연마되는 재료를 변경한다. 화학적 변화와 결합된 마모의 기계적 효과는 화학적 기계적 평탄화 또는 연마(CMP)라고 불린다. 따라서, 기판에서 재료의 제거 속도는 화학적 및 기계적 효과 중 하나(화학적 또는 기계적)만 단독으로 사용하는 것과 비교하여 동시에 화학적 및 기계적 효과로 인해 훨씬 더 높을 수 있다. 마찬가지로, 화학적 효과와 기계적 효과를 함께 사용하여 연마 후 표면의 매끄러움을 최적화할 수도 있다.

수율은 많은 제품(예: 집적 회로, MEMS, LED 등)의 제조 수준에서 성공을 결정하는 원동력이다. 따라서, 고체 디바이스를 제조하는 데 드는 누적 비용을 "소유 비용(Cost-of-Ownership, CoO)"이라고 하며 이 용어는 필요한 각 제조 단계에도 적용된다. 궁극적으로, CMP 공정의 CoO는 반도체 "칩" 및 관련 디지털 디바이스를 만드는 데 필요한 개별 제조 단계에서 가장 높은 CoO 모습들 중 하나이다.

CMP 공정의 두 가지 과제는 연마되는 층당 필요한 연마 슬러리의 양을 줄이는 것과 연마 패드 및 연마 슬러리의 수명을 늘리는 것이다. 또 다른 과제는 CMP 공정 동안의 재료 제거 속도, 기판 균일성, 층 두께 및 끝점 검출을 정확하게 모니터링하고 제어하여 수율을 높이고 낭비를 줄이는 것이다.

수년 동안 다양한 개인과 혁신적 기업이 연마 슬러리용 재활용 시스템을 제조하려고 시도해 왔다. 이러한 시스템은 대부분 사실상 오프라인(즉, 연마실에서 멀리 떨어져 있음)이거나 사실상 인라인(즉, 각 연마기 근처에 위치한 사용 지점(Point-of-Use, POU)의 슬러리 분배 시스템 내)이었다. 효과적인 CMP 연마 슬러리를 모니터링하고 제어하는 4가지 중요한 요소는 슬러리의 pH, 연마 성분의 입자 크기, 슬러리의 비중 및 슬러리의 청결도이다.

슬러리가 연마 패드 상에 분포됨에 따라, 증발과 같은 환경 요인은 슬러리 내의 유체 매질 함량을 변화시키는 경향이 있다. 이러한 함량 변화는 슬러리의 pH에 영향을 미치는 경향이 있으며, 이는 결국 슬러리의 비중에 부정적인 영향을 미치는 경향이 있다. 연마 공정 동안에, 미세한 입자를 생성하는 물질(예: 구리, 폴리실리콘 등)이 웨이퍼 표면에서 제거된다. 이러한 미세한 입자는 슬러리 내 현탁액에 남아 있거나 연마 패드에 묻혀 있거나 두 경우가 혼합되어 있다. 이러한 미세한 입자는 연마되는 필름 표면에 긁힘을 유발하여 회로에 치명적인 오류를 발생시킨다.

연마 슬러리 조성의 이러한 물리적 변화는 아마도 기계 작업장 및 정밀 광학 제조 응용 분야에서 특정 래핑 슬러리 또는 미세 분쇄 슬러리에 재앙이 아닐 수 있지만, 반도체 실리콘 웨이퍼의 표면을 비극적이고, 괴멸적으로, 그리고/또는 영구적으로 손상되게 만들 수 있다. 이러한 긁힘과 고장은 손상된 칩을 쓸모없게 만들어 수율에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 이유와 다른 이유로 인해 슬러리 재활용/재순환 시스템은 금속 래핑 응용 분야와 표면 품질 공차가 미크론 단위인 일부 정밀 광학 응용 분야에서 일반적이지만, (예: 반도체 팹 내에서의) CMP 공정 산업에서 또는 예를 들어, 표면 품질 공차가 나노미터, 심지어 옹스트롬 단위로 측정되는 주조 공장에서는 특별히 성공하지 못했다.

개시된 기술의 목적은 예를 들어 증가된 CMP를 제공하기 위해 CMP 공정에서 현장 모니터링 시스템의 활용을 통해 기판 폐기물, 수율 및 CoO와 관련하여 위에서 설명한 많은 문제를 해결하여, CMP 공정의 수율 및 전반적인 개선을 제공하는 것이다.

도 1은 CMP 공정을 개선하기 위한 공정 개선 시스템(130)을 포함하는 화학적 기계적 평탄화(CMP) 시스템(100)의 개략도이다. 시스템(100)은 웨이퍼를 유지하고 처리하도록 구성된 웨이퍼 캐리어(150)를 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 웨이퍼 캐리어(150)는 처리(즉, 하강) 위치에 있고, 연마 패드(110)에 대해 웨이퍼 또는 기판(155)(도 1에 도시되지 않음)을 유지한다. 연마 패드(110)는 플래튼(120)의 표면과 같은 지지 표면 상에 위치할 수 있다. 일부 실시예에서, 플래튼(120)은 웨이퍼 캐리어, 패드 컨디셔닝 암, 공정 개선 시스템 및 슬러리 전달 시스템과 같은 시스템(100)의 컴포넌트에 맞추기 위해 위쪽으로 상승하도록 구성될 수 있다.

도 2는 도 1의 화학적 기계적 평탄화 시스템을 도시하여, 로딩(예를 들어, 상승 또는 상부) 위치에서 웨이퍼 캐리어(150)에 의해 유지되는 웨이퍼(155)를 도시한다. 일부 실시예에서, 웨이퍼(155)는 예를 들어 진공의 힘에 의해 유지될 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼 캐리어(150)는, 연마될 웨이퍼(155)의 표면이 웨이퍼 캐리어(150)에 부착될 때 연마 패드(110)를 향하도록 진공 시스템으로 웨이퍼(155)를 유지하거나 부착할 수 있다. 두 도면을 모두 참조하면, 시스템(100)은, 처리 슬러리를 웨이퍼(155)에 전달하고 그것이 연마 패드(110)에 대해 화학적으로/기계적으로 평탄화되도록 구성되는 슬러리 전달 시스템(140)을 포함할 수 있다. 시스템(100)은, 한쪽 끝에 패드 컨디셔너를 포함하고 처리 사이클들 동안에 또는 처리 사이클들 사이에 표면 거칠기 (또는 패드의 다른 처리 특성)를 처리하거나 "리프레시(refresh)"하도록 구성될 수 있는 패드 컨디셔닝 암(160)을 포함할 수 있다. 시스템(100)은 본원에서 설명된 방법의 기능과 추가 기능을 제공하도록 구성될 수 있는 제어기(165)를 더 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 제어기(165)는 아래에서의 "재료 제거 및/또는 필름 두께의 현장 측정을 위한 시스템 및 방법" 섹션에 설명되는 바와 같이 제거 속도 및/또는 웨이퍼(155)의 두께를 현장에서 모니터링하도록 구성될 수 있다. 실시예에 따라, 제어기(165)는 프로세서 및 상기 프로세서가 본 명세서에 설명된 방법을 실행하게 하도록 구성된 명령어들을 저장하는 메모리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어기(165)는 공정 개선 시스템 및/또는 기계적 또는 전기-기계적 장치, 및/또는 본원에서 설명된 다른 CMP 장비 컴포넌트, 또는 다른 시스템 또는 컴포넌트와 (예를 들어 전자적으로) 통신하여, 그에 대한 기능을 제공하도록 구성될 수 있다.

도 1 내지 도 2의 시스템(100)을 참조하면, 연마 패드(110)는 축을 중심으로 회전하는 플래튼(120)의 상부 표면 상에 있다. 당업자가 쉽게 인식할 수 있는 다른 배향 및 이동 방향 (예를 들어, 수직 축을 기준으로 반시계 방향, 시계 방향 등)이 구현될 수 있다. 플래튼(120)은 시계 방향으로, 반시계 방향으로, 래칫 동작 등으로 앞뒤로 회전하도록 구성될 수 있다.

공정 개선 시스템(130)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 연마 패드(110)의 표면에 대해 그리고 그 표면 위에 고정적으로 장착될 수 있으며, 또는 본 명세서에 추가로 설명되는 바와 같이, 이동식 지지 구조물상에 장착될 수 있다. 일부 실시예에서, 공정 개선 시스템(130)은 더 하강하도록 구성될 수 있어서, 공정 개선 시스템(130)이 연마 패드(110)에 더 근접하도록 한다. 일부 실시예에서, 공정 개선 시스템(130)은 (예를 들어, 이동하거나 고정되도록) 구성될 수 있어서, 그 공정 개선 시스템(130)이 캐리어(150)에 더 근접하도록 한다. 공정 개선 시스템(130)은 본 명세서의 다른 곳에 설명된 CMP 프로세스를 개선하는 데 적합한 임의의 방식으로 지향되거나 구성될 수 있다. 상기 공정 개선 시스템은 웨이퍼 연마 공정 동안에 공정 개선을 제공할 수 있다.

일 실시예에서, 슬러리 전달 시스템(140)은 연마 패드(110)의 표면으로 슬러리(예를 들어, 연마 슬러리)를 전달할 수 있다. 연마 슬러리는 서브미크론 연마제 및 부식성 입자를 포함하거나 함유할 수 있다. 비제한적인 예에서, 연마 슬러리는 전형적으로 연마 입자(예를 들어, 콜로이드 실리카, 콜로이드 알루미나, 콜로이드 세리아 등)의 콜로이드 현탁액을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 연마 입자는 수계 매질 또는 임의의 다른 적합한 매질에 현탁된다. 다양한 실시예에서, 슬러리 전달 시스템(140)은 계량 펌프, 질량 흐름 제어 조절기 시스템, 또는 당업자가 이해할 수 있는 임의의 다른 적합한 유체 전달 컴포넌트를 포함한다.

따라서, 슬러리 전달 시스템(140)에 의해 연마 패드(110) 상에 퇴적된 슬러리 내의 연마 입자 및 부식성 화학물질은 각각 마모 및 부식을 통해 웨이퍼를 기계적 및 화학적으로 연마한다. 도시된 바와 같이, 슬러리 전달 시스템(140)은, 시스템을 통해 하향 유동하고 궁극적으로 연마 패드(110) 상으로 흐르는 슬러리를 전달한다. 일부 실시예에서, 웨이퍼 캐리어(150)와 연마 패드(110)는 연마를 제공하기 위해 임의의 수의 다양한 방식으로 서로에 대해 이동할 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼 캐리어(150)는 웨이퍼(155)가 연마 패드(110)에 대해 가압되도록 플래튼(120)에 하향 힘을 가할 수 있으며, 연마 패드(110)와 웨이퍼 캐리어(150)가 서로에 대해 이동하는 동안 웨이퍼(155)와 연마 패드(110) 사이의 슬러리의 연마 입자 및 부식성 화학 물질은 화학적 및 기계적 연마를 제공한다. 연마 패드와 웨이퍼 캐리어 사이의 상대적 움직임은 당업자가 이해하는 바와 같이 다양한 방식으로 구성될 수 있으며, 둘 중 하나 또는 둘 모두는 진동하고, 선형으로 이동하며 그리고/또는 서로에 대해 반시계 방향으로 그리고/또는 시계 방향으로 회전하도록 구성될 수 있다. 상기 움직임은 모터, 선형 액츄에이터, 로봇, 인코더, 기어 박스, 변속기 등, 및 이들의 조합과 같은 다양한 기계 또는 전기 기계 장치를 통해 제공될 수 있다.

패드 컨디셔닝 암(160)은 연마 패드와 웨이퍼 캐리어(155)에 대해 위에서 설명된 상대적인 움직임과 같은 서로의 사이에서의 상대적인 움직임을 갖는 힘으로 연마 패드(110)를 눌러 연마 패드(110)의 표면을 컨디셔닝한다. 도시된 실시예의 패드 컨디셔닝 아암(160)은 한쪽 끝에 패드 컨디셔너를 가지고 진동할 수 있다. 일부 실시예에서, 패드 컨디셔너는 예를 들어 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 패드 컨디셔너는 연마 패드(110)와 접촉하고 패드 컨디셔너가 회전함에 따라 접촉할 수 있다.

도 3은 지지 구조물에 부착된 공정 개선 시스템(133)을 갖는 화학적 기계적 평탄화 시스템의 개략도이다. 예를 들어, 상기 지지 구조물은 연마 전, 연마 후 및/또는 연마 중에 가변 위치 지정을 제공할 수 있도록 이동 가능할 수 있다. 공정 개선 시스템(133)은 기존 컨디셔닝 암에 장착될 수 있거나 대안으로 패드 컨디셔너 및 패드 컨디셔너 스위핑 제어 메커니즘과 관계없이 위치 설정 전용의 별도 암에 장착될 수 있다. 예를 들어, 공정 개선 시스템(133)은 이러한 이동 기능을 제공하기 위해 이동하거나, 예를 들어, 또는 진동하는 패드 컨디셔닝 암(160)과 같은 암 또는 다른 지지 구조에 부착될 수 있다. 도 3의 시스템(300) 도 1 및 도 2와 관련하여 전술한 바와 같이 연마 패드(110), 플래튼(120), 슬러리 전달 시스템(140), 웨이퍼 캐리어(150), 웨이퍼(155) 및 패드 컨디셔닝 암(160)을 포함한다. 그러나 도 3의 시스템은, 공정 개선(133)이 패드 컨디셔닝 암(160) 상에 장착되어 공정 개선 시스템 및 그것의 인터페이스, 예를 들어 연마 전 및/또는 연마 중에 연마 패드(110)와의 인터페이스의 가변 위치 지정을 가능하게 한다는 점에서, 도 1 및 도 2의 시스템과 다르다. 다양한 실시예에서, 공정 개선 시스템(133)은 패드 컨디셔닝 아암(160)에 의해 제공되는 움직임에 대해 공정 개선 시스템(133)의 독립적인 위치 설정을 허용하기 위해 별도의 암(미도시)과 같은 다른 지지 구조물에 장착될 수 있다. 예를 들어, 공정 개선 시스템은 CMP 시스템의 하나 이상의 위치 및/또는 컴포넌트와 인터페이스할 수 있도록 배치 및 구성될 수 있다. 예를 들어, 공정 개선 시스템은 웨이퍼 표면과 인터페이스하도록 구성될 수 있다. 공정 개선 시스템은 웨이퍼 표면 및/또는 연마 패드 표면과 같은 CMP 시스템의 두 개 이상의 컴포넌트와 인터페이스하도록 구성될 수 있다. 다른 예에서, 2개 이상의 공정 개선 시스템이 본 명세서에 설명된 CMP 시스템 내에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 시스템이 CMP 처리를 위해 다중 플래튼을 가질 수 있는 시스템에서 각 플래튼에 대해 두 개의 공정 개선 시스템이 포함될 수 있다.

도 4는 시스템(400)의 다른 컴포넌트 내에 내장된 하나 이상의 검출기(136)(예를 들어 ISRM(In-Situ Rate Monitor) 광학 장치)을 갖춘 화학적 기계적 평탄화 시스템(400)의 개략도이다. 예를 들어, 하나 이상의 검출기(136)는 플래튼(120), 웨이퍼 캐리어(150) 내에 또는 연마 패드(110) 내에 매립될 수 있다. 비제한적인 예에서, 검출기(136)는 웨이퍼(155) 상으로 광을 방출하고 웨이퍼(155)로부터 반사된 광을 검출하기 위해 연마 패드(110)에 대해 위치 설정되고 조립되는 반사계로서 구현될 수 있다. 웨이퍼(155)로부터 반사된 후 반사계에 의해 검출된 광은 웨이퍼(155) 상의 하나 이상의 층(들)의 제거 속도 및/또는 두께를 검출하는데 사용될 수 있다. 이러한 실시예는 재료가 제거됨에 따라 웨이퍼(155)의 현장 모니터링을 가능하게 할 수 있다. 도 4의 시스템은 도 1 - 도 3과 관련하여 전술한 바와 같이 연마 패드(110), 플래튼(120), 슬러리 전달 시스템(140), 웨이퍼 캐리어(150), 웨이퍼(155) 및 패드 조절 암(160)을 포함한다.

도 1 내지 도 4는 CMP 장치(예를 들어, 웨이퍼 캐리어(150), 웨이퍼(155))의 측면을 도시하고 있지만, 당업자는 CMP 기계가 예를 들어 특정 컴포넌트를 포함하지 않고 임의의 수의 다양한 방식으로 조립될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 도 1 내지 도 4는 완전한 CMP 장치(웨이퍼 캐리어 헤드 멤브레인, CMP 장치의 본체, 웨이퍼 기판을 특정 CMP 장치로 전달하기 위한 시스템 등에 대한 참조를 포함할 수 있음)를 반드시 설명하는 것은 아니지만, 본 개시의 주제인 개시된 기술을 강조하기 위한 예시적인 예라는 것을 단지 의미한다. 당업자는 CMP 시스템의 추가 컴포넌트(예를 들어, 멤브레인 등)가 본 명세서에 설명된 시스템에 포함될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 웨이퍼 캐리어 헤드(150)는 진공 압력 또는 흡입을 사용하여 멤브레인에 대해 웨이퍼를 고정하도록 구성된 진공 시스템을 더 포함할 수 있다. 탄력성 멤브레인은 하나 이상의 별도 구역을 포함할 수 있으며, 압축 가스는 멤브레인의 상단 표면이나 뒷면에 적용된다. 상기 압력은 CMP 동안 물질 제거를 수행하기 위해 멤브레인을 통해 웨이퍼의 상부 표면 또는 후면으로 전달될 수 있다. 웨이퍼 캐리어 헤드는 하나 이상의 견고한 지지 컴포넌트를 포함할 수 있으며, 이 지지 컴포넌트는, 멤브레인을 그 멤브레인과 짝을 이루는 컴포넌트에 고정하고, 멤브레인을 원하는 모양과 치수로 유지하며, 그리고/또는 멤브레인을 클램핑하여 제어된 가스 압력을 밀봉 및 포함하기 위한 밀봉된 볼륨을 제공하기 위한 수단을 제공한다. 추가로, 여기에 설명된 장치 및 시스템 중 임의의 것은 여기에 설명된 방법의 기능 및 추가 기능을 제공하도록 구성될 수 있는 제어기(예를 들어, 제어기(165), 도 2)를 포함할 수 있다. 더욱이, 참조 번호 170은 회전하는 플래튼에 고정된 연마 패드에 대해 웨이퍼를 연마할 때 웨이퍼 캐리어 헤드(150)에 부착된 웨이퍼(150)에 하향 힘을 가하는 완전한 CMP 장치(도시되지 않음)의 상대적인 위치를 예시한다. 예를 들어, CMP 장치는 웨이퍼 캐리어가 도 1에 도시된 바와 같이 하강된 위치에 구성될 때 웨이퍼(155)를 연마하기 위해 연마 패드(110)에 대해 웨이퍼 캐리어에 하향 힘을 가할 것이다. 추가로, 웨이퍼 캐리어 헤드(150)는, 웨이퍼 캐리어 헤드(150)의 나머지 본체에 부착된 멤브레인을 포함할 수 있다. 상기 멤브레인(미도시)은 웨이퍼(155)와 연마 패드(110) 사이에 압력을 제공하도록 구성될 수 있다.

또한, 웨이퍼 캐리어, 연마 플래튼, 및/또는 슬러리 분배 시스템을 포함하는 CMP 시스템은 제어 시스템(예를 들어, 도 2의 제어기(165))에 의해 제어되도록 구성될 수 있다. 상기 제어 시스템은 CMP 시스템으로부터 피드백을 수신하고 CMP 시스템에 제어 신호를 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제어 시스템은 시스템으로부터 수신된 피드백 신호에 기초하여 다양한 컴포넌트에 대한 가변 분배 또는 가변 속도 기능을 제공하도록 구성될 수 있다.

재료 제거 및/또는 필름 두께의 현장 측정을 위한 시스템 및 방법

CMP 공정은 재료 제거 및/또는 필름/층 두께를 현장에서 모니터링하기 위한 다양한 방법을 사용할 수 있다. 전형적으로, 이들 공정들은 많은 측정의 평균을 사용하거나 전체 웨이퍼(155) 표면의 상태를 나타내는 단일 측정에 의존한다. 평균 또는 단일 측정의 사용으로 인해, 이러한 기술은 예를 들어 웨이퍼(155) 표면에서의 변동(예를 들어, 피크 및 밸리)의 존재로 인해 웨이퍼(155) 표면의 현재 상태를 정확하게 나타내지 못할 수 있다.

본 개시의 양태는 특정 공작물 유형 또는 특성을 다루고 개선된 측정 정확도 및 더 높은 신호 대 잡음비를 제공하기 위해서, 지정된 또는 알고리즘적으로 결정된 위치에서 단일 또는 지정된 수의 측정 값을 사용할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 제어기(165)는 다중 측정치들을 취하고 그 측정치들을 통합하여 검출기(136)(예를 들어, ISRM 광학 장치)에 의해 보이는 웨이퍼(155) 표면적의 스캔당 평균값을 결정할 수 있다. 웨이퍼(155)에 걸쳐 넓은 범위의 필름 두께를 갖는 필름을 갖는 웨이퍼(155)와 같은 특정 애플리케이션에서, 검출기(136)에 의해 생성된 신호에는 필름의 실시간 두께를 충분한 정확도로 효과적으로 측정하기에는 너무 노이즈가 많을 수 있다.

다른 유형의 공정 모니터링은 하나 이상의 모터의 측정된 전류를 사용하여, 연마 패드(110)와 웨이퍼(155) 표면 사이의 마찰에서의 변화를 연마 동안 웨이퍼(155) 표면에서의 변화들의 표시로서 검출한다. 연마 패드(110)와 웨이퍼(155) 사이의 마찰량은 변할 수 있고, 예를 들어 텅스텐 필름이 밑에 있는 산화 필름을 노출시키기에 충분히 제거된 후에 검출될 수 있다. 이 방법은 단일 측정 지점을 사용하지만, 각 측정 지점은 알려진 개별 위치가 아닌 전체 웨이퍼 표면에 대한 조건들의 평균 또는 총합을 반영한다.

도 5a 및 도 5b는 시스템(500)의 다른 컴포넌트 상에 배치 및/또는 내장된 ISRM 광학 검출기(536)와 같은 검출기를 갖는 화학적 기계적 평탄화 시스템(500)의 개략도이다. 예를 들어, 웨이퍼가 도 1 내지 도 4에 대해 설명된 바와 같이 플래튼 위에 배치되어 처리될 때에, 광학 검출기(536)는 플래튼(520) 내에 내장되어 플래튼(520)의 상부 표면(515)에 있는 개구부 및 연마 패드(도 6 참조)를 통해 웨이퍼 형태의 모니터링 및 검출을 허용할 수 있다. 도 2의 제어기(165)와 같은 제어기는 광학 검출기(536)로부터 수신된 신호를 사용하여 현장에서 제거 속도 및/또는 필름 두께를 측정할 수 있다.

도 6은 도 5a 및 도 5b의 시스템(500)을 예시하며, 플래튼(520)의 표면(515) 상부에 연마 패드(510)가 도시된다. 시스템(500)은 공정에 슬러리를 제공하기 위한 슬러리 공급 장치(540) 및 슬러리를 헹구기 위한 고압 세척 장치(590)를 또한 포함할 수 있다. 연마 패드(510)는 개구부 및/또는 패드(510)의 나머지 부분보다 더 큰 투명도를 갖는 부분을 포함하여, 검출기(536)로의 그리고 검출기로부터의 신호(예를 들어, 광학 신호)의 전송을 허용할 수 있다. 예를 들어, 윈도우(595)는 광학 검출기(536)로부터의 광이 연마 패드(510)를 통과하도록 허용할 수 있다. 연마 패드는 다공성 중합체 재료, 내구성 있는 거친 층(예: Rodel IC-1000) 및/또는 봉쇄 매체 내에 유지된 연마 입자가 있는 고정 연마 패드와 같은 다양한 재료들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 윈도우(595)는, 그 윈도우를 통한 광 투과를 허용하기 위해 폴리싱 패드의 투명도에 비해 더 큰 투명도를 갖고 무시할 수 있는 확산 능력을 갖는, 예를 들어, 폴리(펜타데카플루오로옥틸아크릴레이트), 폴리(테트라플루오로에틸렌), 폴리(운데카플루오로렉실아크릴레이트), 폴리(노나플루로펜틸아크릴레이트), 폴리(헵타-플루오로부틸아크릴레이트) 또는 폴리(트리플루오로비닐아세테이트)처럼, 실리콘 또는 플루오로폴리머와 같은 물질과 같은 상기 폴리싱 패드와는 상이한 물질을 포함할 수 있다. 연마 패드(510) 및 윈도우(595)에 사용되는 구성 및 재료에 관한 추가 세부 사항은 2004년 4월 6일에 발행된 미국 특허 제6,716,085호에 제공되어 있으며, 이는 그 전체 내용이 참조로서 본 명세서에 포함된다. 　

도 7은 본 개시의 양상에 따라 플래튼(520)에 대한 처리 동안 캐리어 내에 유지되는 웨이퍼(555) 상의 측정 지점(580)의 개략도이다. CMP 프로세스가 수행됨에 따라 측정 지점(580)을 추적함으로써, 제어기(165)는 동일한 측정 지점(580)에서 연속적인 측정을 수행할 수 있으며, 이에 따라 제거 속도 및/또는 필름 두께 측정의 품질과 정확도를 향상시킨다. 즉, 웨이퍼(555) 상의 특정 사이트(들)(580)를 측정한 다음 측정값(들)을 분석하여 해당 데이터로부터 판별함으로써 CMP 처리 동안에 재료 제거 및/또는 남은 두께를 모니터링하는 데 사용되는 계산의 품질과 정확성이 개선될 수 있다.

도 7을 참조하면, 연마 플래튼(520), 웨이퍼(555) 및 측정 지점(580)이 도시되어 있다. 웨이퍼(555)는 본 명세서의 다른 곳에서 논의되고 도시된 바와 같이 웨이퍼 캐리어에 의한 처리 동안 유지되는 위치에 있는 것으로 도시되어 있다. 도 7의 예시에서, 측정 지점(580)은 도 5a, 5b 및 도 6의 광학 검출기(536)와 같은 광학 검출기 바로 위에 위치할 수 있다. 또한 다음 값도 표시된다: θp는 웨이퍼(555) 상의 측정 사이트(580)와 플래튼(520) 사이의 세타 각도, θw는 캐리어와 웨이퍼 상의 측정 사이트 사이의 세타 각도, Rp는 플래튼과 웨이퍼 상의 측정 사이트 사이의 방사상 거리, 그리고 Rw는 캐리어와 웨이퍼(555) 상의 측정 사이트 사이의 방사상 거리.

특정 구현예에서, CMP 시스템은, 위에 나열된 변수의 정확한 위치가 제어기(165) 소프트웨어에 실시간으로 이용 가능한 고급 제어 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본원에서의 CMP 시스템 실시예에서는 고속 결정론적 산업 통신 네트워크를 통해 연결된 고해상도 절대 위치 인코더를 사용하여 100 마이크로초만큼 짧은 간격으로 모든 서보 축의 위치를 모니터링하고 위에 나열된 변수 또는 기타 변수를 생성할 수 있다. 예를 들어, 위치 인코더는 플래튼(520) 및 연마 패드에 대한 캐리어 (따라서 캐리어에 의해 유지되는 웨이퍼(555))의 상대적 공간 위치뿐만 아니라 웨이퍼 및 연마 패드의 현재 각도 위치를 판별하는 데 사용될 수 있다. 위치 인코더에 의해 제공되는 공간 위치와 각도 위치를 사용하여 시스템은 도 7에 도시된 값, 그리고 광학 검출기에 대한 웨이퍼 상의 측정 지점(580)의 위치를 판별할 수 있다. 이는 소프트웨어가 측정 샘플을 채취할 정확한 시기에 관한 타이밍을 계산하고, 측정 샘플을 채취할 때 웨이퍼(555) 상의 상기 샘플의 정확한 위치를 알 수 있게 한다. 다른 구현에서, 제어기(165)는 광학 검출기(536)로부터 측정값을 수신하고 측정 지점(580)이 광학 검출기(536) 위에 위치했을 때 얻었던 데이터 스트림으로부터 해당 측정값을 선택하여 측정 지점(580)의 제거 속도 및/또는 필름 두께를 측정할 수 있다.

따라서, CMP 시스템이 웨이퍼(555) 상의 특정 측정 지점(들)(580)에서 정확하고 일관되게 반복 측정을 수행하는 것이 가능하며, 이는 변동성 또는 시간에 따라 어느 정도 무작위 측정을 수행하며, 그리고 분석을 위한 단일 데이터 포인트를 계산하기 위해 해당 데이터 포인트를 통합하거나 평균화하는 것과 연관된 "잡음"을 감소시킨다. 이러한 측정 및 분석에 의해 결정된 정보는 CMP 프로세스의 특정 측면을 제어하는 데 사용될 수 있다.　 예를 들어, 밑에 있는 투명 유전층 위의 반사 금속층을 제거할 때, 필요한 금속 제거가 일단 완료되면 상기 공정이 종료될 수 있다.　 또 다른 예로, 균질한 투명 재료의 소정 두께를 제거하는 경우, 두께 측정에 기초하여, 예를 들어 소정 두께에 도달하면 공정을 종료할 수 있다.

본 개시 내용의 또 다른 측면은 웨이퍼(555)의 여러 위치에 대한 테스트 측정치들을 취하고 각 사이트(580)로부터의 데이터를 분석하여 반복 측정을 위해 개별 사이트(580)를 사용하는 적합성을 결정하기 위해 제어기(165)에 의한 소프트웨어 알고리즘을 사용하는 것이다. 예를 들어, 특정 사이트(580)는 측정 및 해당 신호 분석을 위해 미리 결정될 수 있으며, 이들을 비교하여 후속 측정에 사용하기 위한 최상의 품질 사이트(580)를 결정한다. 상기 시스템은 다음과 같은 신호 샘플의 다양한 측면을 기반으로 신호 품질을 결정할 수 있다: 진폭 일관성, 광 스펙트럼 적합도(분광 광원 구현의 경우) 및 기타. 그런 다음, 제어기(165)는 CMP 공정의 나머지 부분에 대해 가장 양호하고 가장 유용한 신호를 제공하는 것으로 제어기가 결정한 사이트(580)를 선택적으로 측정하도록 진행할 수 있다.

본 개시의 또 다른 측면은 CMP 공정에 부정적인 영향을 주지 않으면서 동일한 위치(들)(580)에서 측정을 수행하기 위해 현장에서 웨이퍼(555)의 움직임을 조작하는 제어기(165)의 능력이다. CMP 동안의 일반적인 상대적인 움직임은 여러 변수에 의해 결정된다: 플래튼 회전 속도, 웨이퍼 회전 속도, 웨이퍼 진동 범위 및 웨이퍼 진동 주파수. 이들 변수의 조합은 측정 센서의 상대 위치가 웨이퍼(555) 상의 각각의 모든 지점에 대해 실질적으로 무작위일 수 있음을 나타낼 수 있다. 그러나 특정 측면에서 제어기(165)는 하드웨어 및 소프트웨어 제어를 활용하여 위에 나열된 변수 중 하나 이상을 즉석에서 변경함으로써, CMP 공정에 끼어들거나, 방해하거나, 부정적인 영향을 주지 않으면서 웨이퍼(555) 상의 임의의 사이트에 대한 광학 검출기(536)의 상대 위치에 대한 예측적이고 일관된 제어를 제공할 수 있다.

도 8은 웨이퍼 전체에 걸쳐 두께가 매우 가변적인 증착 필름을 갖는 웨이퍼의 표면을 보여주며, 이는 서로 다른 필름 두께를 나타내는 서로 다른 색상 줄무늬로 입증된다. 기존 시스템에서 사용되는 측정 방법에는 웨이퍼 상의 본질적인 랜덤한 위치에서 여러 샘플을 수집하고 이를 평균하여 데이터 포인트를 계산하는 작업이 수반될 수 있다. 웨이퍼의 두께가 다양하기 때문에, 이 방법은 의도한 목적에 최소한의 효과를 제공한다. 본 개시의 측면은 CMP 공정 동안 웨이퍼 상의 동일한 위치에서 필름 두께의 정밀하고 일관된 측정을 가능하게 함으로써 실질적인 개선을 제시한다.

도 9는 기판 상의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 판별하기 위한 방법(1200)을 예시하는 흐름도이다. 상기 방법(1200)은 예를 들어 도 5a 내지 도 6과 관련하여 본 명세서의 다른 곳에서 도시되고 설명된 장치를 이용하여 구현될 수 있다.

상기 방법(1200)은 블록(1201)에서 시작한다. 블록(1202)에서, 상기 방법(1200)은 광학 검출기로부터 제1 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 검출기는 기판 반대편의 연마 패드 측면에 위치할 수 있다. 연마 패드는 관통 연장되는 개구부를 포함할 수 있다.

블록(1204)에서, 방법(1200)은 하나 이상의 위치 인코더로부터 제2 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 제2 신호는 캐리어와 플래튼의 공간적 위치와 각도적 위치를 나타낼 수 있다. 캐리어는 기판과 연마 패드를 지지하는 플래튼을 유지하도록 구성될 수 있다.

블록(1206)에서, 방법(1200)은 제2 신호에 기초하여 기판 상의 하나 이상의 측정 사이트들을 식별하는 것을 수반한다.

블록(1208)에서, 방법(1200)은 제1 신호에 기초하여 반복 측정을 위해 측정 사이트 중 하나 이상을 선택하는 단계를 수반한다.

블록(1210)에서, 방법(1200)은 제1 신호 및 제2 신호에 기초하여 선택된 하나 이상의 측정 사이트에서 기판의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 판별하는 단계를 포함한다.

방법(1200)을 실행함으로써, 센서(300)는 폴리셔 제어 시스템에게 보다 신뢰할 수 있는 신호를 제공할 수 있으며, 이는, 센서로부터 수신된 신호에 기초하여, 웨이퍼, 폴리싱 패드, 캐리어 등에 대한 손상을 방지하거나 최소화하기 위해 블록(1210)에서 모든 움직임을 즉시 중지시킬 수 있다. 보다 신뢰할 수 있는 신호를 제공함으로써, 여기에 설명된 방법 및 시스템은 정상 상태가 달성되기 전에 발생할 수 있는 연마 조건의 변화로 인한 미끄러짐의 잘못된 감지를 방지할 수 있으며, 이는 다른 전통적인 기술에 대한 제한 사항일 수 있다.

또한, 여기에 설명된 현장 모니터링 실시예는 단일 캐리어, 단일 플래튼 시스템으로 제한되지 않으며 다중 헤드 CMP 시스템, 궤도 CMP 시스템 또는 기타 CMP 시스템을 포함하는 다른 CMP 장비에서 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

전술한 실시예에 대해 많은 변형 및 수정이 이루어질 수 있으며, 그 요소는 다른 허용 가능한 예에 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 모든 수정 및 변형은 본 개시의 범위 내에 포함되도록 의도되었다. 전술한 설명은 특정 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 전술한 내용이 문서로 아무리 상세하게 나타나더라도, 상기 시스템과 방법은 다양한 방식으로 실행될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한 위에 언급된 바와 같이, 상기 시스템 및 방법의 특정 특징 또는 측면을 설명할 때 특정 용어를 사용한다고 해서 해당 용어가, 그 해당 용어와 관련된 시스템 및 방법의 기능 또는 측면의 임의의 특정 특성을 포함하는 것으로 제한되도록 본 명세서에서 재정의된다는 의미로 받아들여져서는 안 된다는 점에 유의해야 한다.

달리 구체적으로 언급되지 않거나 사용된 문맥 내에서 다르게 이해되지 않는 한, 무엇보다도 "할 수 있다", "할 수 있었다", "할 수 있었을 것이다" 또는 "할 수 있을 것이다"와 같은 조건부 언어는 일반적으로 특정 실시예는 특정 특징, 요소 및/또는 단계를 포함하지만 다른 실시예는 포함하지 않는다는 것을 전달하려는 의도가 있다. 따라서, 이러한 조건부 언어는 일반적으로 특징, 요소 및/또는 단계가, 이러한 특징, 요소 및/또는 단계는 임의의 특정 실시예에 포함되거나 수행되는가에 무관하게, 하나 이상의 실시예에 어떤 방식으로든 필요하다는 것을 의미하거나 하나 이상의 실시예가 사용자 입력 또는 프롬프트 유무에 관계없이 결정하기 위한 논리를 반드시 포함한다는 것을 의미하지 않는다.

달리 구체적으로 언급하지 않는 한, "X, Y 및 Z 중 적어도 하나" 또는 "X, Y 또는 Z 중 적어도 하나"와 같은 접속어는 사용된 문맥에 따라 이해되어야 하며, 그래서 일반적으로 항목, 용어 등이 X, Y, Z 또는 이들의 조합 중 어느 하나일 수 있음을 전달한다. 예를 들어, "또는"이라는 용어는 (배타적인 의미가 아닌) 포괄적인 의미로 사용되므로, 예를 들어 요소 목록을 연결하는 데 사용되는 경우 "또는"이라는 용어는 목록 내 요소들 중 하나, 일부 또는 전부를 의미하도록 한다. 따라서, 그러한 접속어는 일반적으로 특정 실시예가 X 중 적어도 하나, Y 중 적어도 하나, 그리고 Z 중 적어도 하나가 각각 존재할 것을 필요로 한다는 것을 암시하도록 의도되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어 "하나"는 배타적인 해석이 아닌 포괄적인 해석으로 주어져야 한다.　예를 들어, 특별히 언급하지 않는 한, "하나"라는 용어는 "정확히 하나" 또는 "하나이고 유일한"을 의미하는 것으로 이해되어서는 안 되며; 대신, "하나"라는 용어는 청구범위 또는 명세서의 다른 곳에서 사용되는가 여부 그리고 "적어도 하나", "하나 이상", 또는 "복수"와 같은 수량어의 사용과 무관하게 "하나 이상" 또는 "적어도 하나"를 의미한다.

본 명세서에 사용된 용어 "포함하는"은 배타적인 해석이 아닌 포괄적인 해석으로 주어져야 한다. 예를 들어, 하나 이상의 프로세서를 포함하는 범용 컴퓨터는 다른 컴퓨터 컴포넌트를 배제하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 무엇보다도 메모리, 입력/출력 장치 및/또는 네트워크 인터페이스와 같은 컴포넌트를 포함할 수 있다.

위의 상세한 설명은 다양한 실시예에 적용되는 신규한 특징을 도시하고 설명하고 지적했지만, 본 개시의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 상기 예시된 디바이스 또는 공정의 형태 및 세부사항에 있어서 다양한 생략, 대체 및 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 인식될 수 있는 바와 같이, 여기에 설명된 개시된 기술의 특정 실시예는 일부 기능이 다른 기능과 별도로 사용되거나 실행될 수 있으므로 여기에 설명된 모든 특징 및 이점을 제공하지 않는 형태 내에서 구현될 수 있다. 본 명세서에 개시된 기술의 특정 측면의 범위는 전술한 설명보다는 첨부된 청구범위에 의해 표시된다. 청구항의 의미와 동일성 범위 내에 있는 모든 변경 사항은 해당 범위 내에 포함된다.

Claims (20)

1. 화학적 기계적 평탄화(chemical mechanical planarization, CMP) 시스템으로서, 상기 시스템은:
   기판을 유지하도록 구성된 캐리어;
   연마 패드를 지지하는 플래튼(platen) - 상기 연마 패드는 관통 연장되는 개구부를 포함함 -;
   상기 기판 반대편의 연마 패드 측에 위치하고, 상기 개구부를 통해 상기 기판의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 나타내는 제1 신호를 생성하도록 구성된 광학 검출기;
   상기 캐리어와 상기 플래튼의 공간적 위치와 각도 위치를 나타내는 제2 신호들을 생성하도록 구성된 하나 이상의 위치 인코더들; 그리고
   제어기를 포함하며, 상기 제어기는:
   상기 광학 검출기로부터의 상기 제1 신호 및 상기 하나 이상의 위치 인코더들로부터의 상기 제2 신호들을 수신하며,
   상기 제2 신호들에 기초하여 상기 기판 상의 하나 이상의 측정 사이트들을 식별하며,
   상기 제1 신호에 기초하여 반복 측정을 위해 상기 측정 사이트들 중 하나 이상의 사이트를 선택하며, 그리고
   상기 제1 신호 및 상기 제2 신호들에 기초하여 상기 측정 사이트들 중 상기 선택된 하나 이상의 사이트에서 상기 기판의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 판별하도록 구성된, 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제2 신호들에 기초하여 다음 변수들: 상기 기판 상의 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 및 상기 플래튼 사이의 제1 각도, 상기 기판 상의 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 및 상기 캐리어 사이의 제2 각도, 상기 기판 상의 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트 및 상기 플래튼 사이의 제1 방사상 거리, 그리고 상기 기판 상의 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 및 상기 캐리어 사이의 제2 방사상 거리, 중 하나 이상을 결정하도록 추가로 구성되는, 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 제어기는:
   상기 광학 검출기의 위치에 대해 상기 기판 상의 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 각각의 위치를 판별하도록 추가로 구성된, 시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 제어기는:
   상기 선택된 하나 이상의 위치 인코더들 각각에 대해 상기 제1 신호의 샘플을 획득하는 타이밍을 결정하도록 추가로 구성된, 시스템.
5. 제3항에 있어서, 상기 제어기는:
   상기 선택된 하나 이상의 위치 인코더들 각각에 대해 상기 제1 신호 내 측정들의 스트림으로부터 측정을 선택하는 타이밍을 결정하도록 추가로 구성된, 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 제어기는:
   상기 제1 신호 및 상기 제2 신호들에 기초하여 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 각각에 대한 복수의 측정치들을 획득하도록 추가로 구성되며,
   상기 기판의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 판별하는 것은 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 각각에 대한 복수의 측정치들에 추가로 기초하는, 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 제어기는:
   반복 측정을 위해 상기 식별된 하나 이상의 측정 사이트들 각각을 사용하는 적합성을 결정하도록 추가로 구성되며,
   여기에서 반복 측정을 위해 하나 이상의 측정 사이트들을 선택하는 것은 상기 결정된 적합성에 추가로 기초하는, 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 제어기는:
   미리 결정된 측정 사이트들의 세트를 획득하며,
   상기 미리 결정된 측정 사이트들에 대응하는 상기 제1 신호들의 신호 품질을 비교하도록 추가로 구성되며, 상기 측정 사이트 중 하나 이상을 선택하는 것은 추가로 상기 신호 품질에 기초하는, 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 제어기는 진폭 일관성 및/또는 광 스펙트럼 적합도에 기초하여 상기 제1 신호들의 신호 품질을 결정하도록 추가로 구성되는, 시스템.
10. 제1항에 있어서, 상기 연마 패드는 윈도우를 추가로 포함하며, 상기 윈도우는 상기 개구부 내에 배치되고 광이 상기 광학 검출기와 상기 기판 사이를 통과하도록 구성된, 시스템.
11. 제1항에 있어서, 상기 광학 검출기는 ISRM (In-situ rate monitor) 광학 검출기를 포함하는, 시스템.
12. 제1항에 있어서, 상기 광학 검출기는 상기 플래튼 내에 매립되는, 시스템.
13. 제12항에 있어서, 상기 플래튼은 내부에 개구부가 형성된 상부 표면을 갖고, 상기 플래튼 내 개구부는 상기 연마 패드 내 개구부와 중첩되며, 상기 광학 검출기는 상기 플래튼 및 상기 연마 패드 내 개구부들을 통해 상기 기판을 보도록 구성된, 시스템.
14. 기판 상의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 판별하는 방법으로서, 상기 방법은:
    상기 기판 반대편의 연마 패드 측에 위치한 광학 검출기로부터 제1 신호를 수신하는 단계 - 상기 연마 패드는 관통 연장되는 개구부를 포함함 -;
    하나 이상의 위치 인코더들로부터 제2 신호들을 수신하는 단계 - 상기 제2 신호들은 캐리어와 플래튼의 공간 위치 및 각도 위치를 나타내며, 상기 캐리어는 상기 연마 패드를 지지하는 상기 플래튼 및 상기 기판을 유지하도록 구성됨 -;
    상기 제2 신호들에 기초하여 상기 기판 상의 하나 이상의 측정 사이트들을 식별하는 단계;
    상기 제1 신호에 기초하여 반복 측정을 위해 상기 측정 사이트들 중 하나 이상을 선택하는 단계; 그리고
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호들에 기초하여 상기 측정 사이트들 중 상기 선택된 하나 이상의 사이트에서 상기 기판의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 판별하는 단계를 포함하는, 방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 광학 검출기의 위치에 대해 상기 기판 상의 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 각각의 위치를 판별하는 단계를 더 포함하는, 방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 선택된 하나 이상의 위치 인코더들 각각에 대해 상기 제1 신호의 샘플을 획득하는 타이밍을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
17. 제15항에 있어서,
    상기 선택된 하나 이상의 위치 인코더들 각각에 대해 상기 제1 신호 내 측정들의 스트림으로부터 측정을 선택하는 타이밍을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
18. 제14항에 있어서,
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호들에 기초하여 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 각각에 대한 복수의 측정치들을 획득하는 단계를 더 포함하며,
    상기 기판의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 판별하는 것은 상기 선택된 하나 이상의 측정 사이트들 각각에 대한 복수의 측정값들에 추가로 기초하는, 방법.
19. 시스템으로, 상기 시스템은:
    기판을 유지하도록 구성된 캐리어;
    윈도우를 포함하는 연마 패드를 지지하는 플래튼;
    상기 윈도우를 통해 상기 기판의 필름을 보고 상기 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 나타내는 제1 신호를 생성하도록 구성된 광학 검출기;
    상기 캐리어와 상기 플래튼의 공간적 위치와 각도 위치를 나타내는 제2 신호들을 생성하도록 구성된 하나 이상의 위치 인코더들; 그리고
    제어기를 포함하며, 상기 제어기는:
    상기 광학 검출기로부터의 상기 제1 신호 및 상기 하나 이상의 위치 인코더들로부터의 상기 제2 신호들을 수신하며,
    반복 측정을 위해 하나 이상의 측정 사이트들을 식별하며, 그리고
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호들에 기초하여 상기 측정 사이트들 중 상기 하나 이상의 사이트에서 상기 기판의 필름의 제거 속도 및/또는 두께를 판별하도록 구성된, 시스템.
20. 제19항에 있어서, 상기 제어기는:
    미리 결정된 측정 사이트들의 세트를 획득하며,
    상기 미리 결정된 측정 사이트들에 대응하는 제1 신호들의 신호 품질을 비교하도록 추가로 구성되며, 상기 측정 사이트 중 하나 이상을 선택하는 것은 상기 신호 품질에 추가로 기초하는, 시스템.