TW201822953A - 基於溝槽深度的電磁感應監控進行的過拋光 - Google Patents
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Abstract
在基板的拋光期間，從第一原位監控系統接收第一訊號，且從第二原位監控系統接收第二訊號。基於第一訊號判定導電層被清除且基板的下層介電層的頂面被暴露的清除時間。判定經判定的清除時間處的第二訊號的初始值。將偏移與初始值相加以產生臨界值，且在第二訊號交叉臨界值時觸發拋光終點。
Description
本揭示案關於在化學機械拋光期間使用電磁感應進行的監控（例如渦電流監控）。
積體電路一般藉由在矽晶圓上依序沉積導電的、半導電的或絕緣的層及藉由依序處理該等層來形成於基板（例如半導體晶圓）上。
一個製造步驟涉及將填料層沉積在非平坦面上方，且平坦化該填料層直到非平坦面被暴露為止。例如，導電填料層可沉積於圖案化的絕緣層上以填充絕緣層中的溝槽或孔洞。接著拋光填料層直到絕緣層的凸起的圖樣被暴露為止。在平坦化之後，導電層留在絕緣層的凸起圖案之間的部分形成了在基板上的薄膜電路之間提供導電路徑的層間連接點（via）、插頭及線路。此外，平坦化可用來平坦化用於微影術的介電層。
化學機械拋光（CMP）是一個被接受的平坦化方法。此平坦化方法一般需要將基板安裝在載體頭上。基板的受暴面抵著旋轉的拋光墊而放置。載體頭提供了基板上的可控制的負載以將基板抵著拋光墊而推動。拋光液（例如具有磨料微粒的漿體）被供應至拋光墊的表面。
在半導體處理期間，判定基板或基板上的層的一或更多個特性可能是重要的。例如，在CMP製程期間知道導電層的厚度，使得該製程可終止在正確的時間可能是重要的。可使用許多方法來判定基板特性。例如，光感測器可用於化學機械拋光期間的基板的原位監控。替代性地（或附加性地），渦電流感測系統可用來誘發基板上的導電區域中的渦電流以判定例如為導電區域的局部厚度的參數。
在一個態樣中，一種拋光系統包括：平台，用來固持拋光墊；載體頭，用來在拋光期間固持基板抵著拋光墊；第一原位監控系統；第二原位監控系統；及控制器。第一原位監控系統具有第一感測器，第一感測器用來在拋光期間監控基板且被配置為產生第一訊號，第一訊號取決於導電層的清除及基板的下層介電層的一頂面的暴露。第二原位監控系統具有單獨的第二感測器，第二感測器用來在拋光期間監控基板且被配置為產生第二訊號，第二訊號取決於介電層中的溝槽中的導電材料的厚度。第二原位監控系統是電磁感應監控系統。控制器被配置為：接收來自第一原位監控系統的第一訊號，及基於第一訊號來判定導電層被清除的清除時間；接收第二訊號，及判定經判定清除時間處的第二訊號的初始值；將偏移與初始值相加以產生臨界值；及在第二訊號交叉臨界值時觸發拋光終點。
在另一態樣中，一種電腦程式產品是非暫時性電腦可讀取媒體，非暫時性電腦可讀取媒體具有指令，指令用來使一處理器：在基板的拋光期間接收來自第一原位監控系統的第一訊號，及基於第一訊號判定清除時間，在清除時間處，導電層被清除且基板的下層的介電層的頂面被暴露；在基板的拋光期間接收來自第二原位監控系統的第二訊號，及判定經判定的清除時間處的第二訊號的初始值；將偏移與初始值相加以產生臨界值；及在第二訊號交叉臨界值時觸發拋光終點。
任何態樣的實施方式可包括以下特徵中的一或更多者。
第二原位監控系統可被配置為在安置在介電層中的導電迴路中誘發電流。
第一原位監控系統可為一光學監控系統、一渦電流監控系統、一摩擦力監控系統或一馬達轉矩或馬達電流監控系統。
第一感測器及第二感測器可定位在平台中的單獨凹口中。第一感測器及第二感測器可被配置為同時量測基板上的一相同位置。
控制器可被配置為接收一所需的過拋光量作為來自一使用者的輸入。控制器可被配置為將臨界值VT計算為VT = V0 – kD，其中V0是初始值，D是所需的過拋光量，而k是一常數。
某些實施方式可包括以下優點中的一或更多者。可減少金屬殘餘物，增加產量。可更可靠地在從溝槽（例如碟狀凹彎）移除了目標材料量時停止拋光，且可減少晶圓到晶圓的不均勻性（WTWNU）。
一或更多個實施方式的細節被闡述在隨附的繪圖及以下的說明中。將藉由說明書及繪圖及藉由請求項理解其他的態樣、特徵及優點。
對於導電層的化學機械拋光（例如金屬拋光）而言，過拋光（overpolishing）對於防止金屬殘餘物且因此保證良好的電氣成品來說是重要的。然而，過量的過拋光可能造成將劣化電氣效能的碟狀凹彎及侵蝕。
傳統上，過拋光是由時間控制的。例如，可藉由使用原位監控系統偵測到下層的層的清除（clearance）而觸發終點（endpoint），且過拋光接著在偵測到拋光終點之後進行一預定量的時間，此時停止拋光。過拋光時間可被預先選擇為足夠大的以確保沒有金屬殘餘物。然而，此舉承擔了過量過拋光（例如如上所述的碟狀凹彎及侵蝕）的風險。
用來控制過拋光的另一技術是藉由「百分比」。在此情況下，過拋光的時間被計算為從開始拋光到觸發終點的總時間的百分比。然而，輸入的厚度上的變化可能誤導過拋光時間的計算，而造成不一致的效能。
CMP系統可使用兩個原位監控系統。第一原位監控系統（例如光學或渦電流監控系統）被配置為偵測導電層的清除及下層的層的暴露。第二原位監控系統被配置為產生取決於溝槽深度的訊號，且可用來在溝槽達到目標深度時停止拋光。
圖1及2繪示了化學機械拋光裝置的拋光站20的實例。拋光站20包括了可旋轉的碟狀平台24，拋光墊30位在該平台上。平台24可用以圍繞軸25而旋轉。例如，馬達22可轉動驅動軸桿28以旋轉平台24。拋光墊30可為具有外層34及較軟的背層32的兩層式拋光墊。
拋光站22可包括供應端口或組合的供應淋洗臂39以將拋光液38（例如漿體）分配到拋光墊30上。拋光站22可包括具有條理碟的墊調節裝置以維持拋光墊的條件。
載體頭70可用以固持基板10抵著拋光墊30。載體頭70從支撐結構72（例如迴轉料架或軌道）懸掛，且由驅動軸74連接至載體頭旋轉馬達76使得載體頭可圍繞軸71而旋轉。可選地，載體頭70可側向振盪，例如在迴轉料架或軌道72上的滑塊上側向振盪；或藉由迴轉料架本身的旋轉振盪進行側向振盪。
運作時，平台圍繞其中心軸25而旋轉，且載體頭圍繞該載體頭的中心軸71而旋轉且跨拋光墊30的頂面側向平移。若存在多個載體頭，則各載體頭70可獨立控制其拋光參數，例如各載體頭可獨立控制向各個各別的基板所施加的壓力。
載體頭70可包括具有用以接觸基板10之背側之基板安裝面的可撓膜片80及用以向基板10上的不同區（例如不同的徑向區）施加不同壓力的複數個可加壓腔室82。載體頭亦可包括固定環84以固定基板。
一或更多個凹口26形成於平台24中，且可選地一或更多個薄區段36可形成於重疊一或更多個凹口26的拋光墊30中。各凹口26及薄墊區段36可被定位為使得無論載體頭的平移位置，該凹口及薄墊區段在平台旋轉的一部分期間通過基板10下方。假設拋光墊30是兩層式墊，則可藉由移除背層32的一部分來建構薄墊區段36。薄區段中的一或更多者可以可選地在光學上是透射性的（例如若是原位光學監控系統被整合到平台24中的話）。
參照圖4，拋光系統20可用來拋光基板10，該基板包括重疊圖案化的介電層的導電層。例如，基板10可包括重疊及填充介電層14（們如氧化矽或高k介電質）中的溝槽16的導電層12（例如金屬、銅、鋁、鈷或鈦）。可選地，障壁層18（例如鉭或氮化鉭）可沿溝槽排成行且將導電層12與介電層14分離。溝槽16可提供完成的積體電路中的層間連接點、極板（pad）及/或互連件。
回到圖1，拋光系統20包括第一原位監控系統100及第二原位監控系統120，兩個系統可耦接到或被視為包括控制器90。
各個原位監控系統可包括定位在平台24中的凹口26中的一者中的感測器。各感測器可隨著每次平台旋轉在基板下方掃測。雖然圖1將原位監控系統100、120的感測器繪示為定位在不同的凹口中，該等系統可被放置在相同的凹口26中。原位監控系統100、120亦可被配置為在凹口26經過基板10下方時同時監控基板10上的相同位置。旋轉耦接器29可用來將可旋轉平台24中的元件（例如原位監控系統的感測器）電連接到平台外面的元件（例如驅動及感測電路系統或控制器90）。
第一原位監控系統100被配置為偵測導電層12的清除及下層的層的暴露。例如，第一原位監控系統100可被配置為偵測介電層14的暴露。
第一原位監控系統100可為光學監控系統，例如被配置為偵測暴露下層的層之後的反射光的頻譜上的改變的攝譜系統。或者，第一原位監控系統100可為強度監控系統，例如被配置為偵測暴露下層的層之後的反射光的強度上的突然改變的單色光監控系統。例如，介電層一般而言遠較金屬層不具反射性，且因此反射光強度上的突然下降可指示下層的層的暴露。
作為另一實例，第一原位監控系統可為渦電流監控系統100，該系統被調諧為在導電層仍然是介電層上方大致完好的片體的同時監控導電層的拋光，例如如第2012-0276661號的美國專利公開案中所述的。作為另一實例，第一原位監控系統可為摩擦力監控系統（例如如第2005-0136800號的美國專利公開案中所述的）或馬達轉矩或馬達電流監控系統（例如第2013-0288572號的美國專利公開案中所述的）。在這些情況下，下層的層的暴露可造成基板及拋光墊之間的摩擦係數的改變，此舉可造成摩擦力、馬達轉矩或馬達電流上可被偵測的改變。
第二原位監控系統120被配置為產生取決於溝槽16中的導電材料12（例如金屬）的深度的訊號。具體而言，原位監控系統120可為電磁感應監控系統。電磁感應監控系統可藉由在溝槽中的導電材料中產生渦電流或在形成於基板上的介電層中的溝槽中的導電迴路中產生電流來運作。運作時，拋光系統20使用第二原位監控系統120來判定溝槽深度何時已達到目標深度，且接著停止拋光。
第二監控系統120可包括安裝在平台24中的凹口26中的感測器122。感測器122可包括至少部分地定位在凹口26中的磁芯124及纏繞在芯124周圍的至少一個線圈126。驅動及感測電路系統128電連接到線圈126。驅動及感測電路系統128產生可發送到控制器90的訊號。雖然繪示為在平台24外面，驅動及感測電路系統128中的某些或所有部分可安裝在平台24中。
隨著平台24旋轉，感測器122在基板10下方掃測。藉由以特定頻率取樣來自電路系統128的訊號，電路系統128在跨基板10的取樣區序列處產生量測結果。每次掃測時，可選出或結合取樣區94中的一或更多者處的量測結果。因此，在多次掃測後，所選出或結合的量測結果提供了隨時間變化的值序列。
拋光站20亦可包括位置感測器96（參照圖2）（例如光學斷路器）來感測感測器122何時在基板10下方及感測感測器122何時離開基板。例如，位置感測器96可安裝在與載體頭70相對的固定位置處。旗標98（參照圖2）可附接到平台24周邊。旗標98的附接點及長度可被選擇為使得該旗標可以訊號通知位置感測器96感測器122何時在基板10下方掃測。位置感測器96亦可用來判定第一原位監控系統100的感測器何時在基板下方。
或者，拋光站20可包括編碼器來判定平台24的角度位置。
控制器90（例如一般用途可編程數位電腦）接收來自第二電磁感應監控系統120的訊號。因為各個感測器122隨著平台24每次旋轉在基板10下方掃測，關於溝槽的深度的資訊被原位地累計（每次旋轉平台累計一次）。控制器90可被編程為在基板10大致重疊感測器122時取樣來自第二原位監控系統120的量測結果。
此外，控制器90可被編程為將來自每次基板下方的掃測的來自第一原位監控系統100及電磁感應電流監控系統120兩者的量測結果分成複數個取樣區，以計算各取樣區的徑向位置及將量測結果分類到徑向範圍中。
圖3繪示驅動及感測電路系統128的實例。電路系統128向線圈128施加AC電流，該線圈在芯124的兩個極152a及152b之間產生磁場150。芯124可包括兩個（參照圖1）或三個（參照圖3）從背部152平行延伸的尖頭150。僅具有一個尖頭（且無背部）的實施方式亦是可能的。運作時，在基板10間歇地重疊感測器120時，磁場150的一部分延伸到基板10中。
電路系統128可包括與線圈126並聯連接的電容器160。線圈126及電容器160可一起形成LC共振槽路。運作時，電流產生器162（例如基於邊際振盪器電路的電流產生器）以由線圈126（具有電感L）及電容器160（具有電容C）所形成的LC槽路的共振頻率來驅動系統。電流產生器162可被設計為將正弦振盪的峰到峰振幅維持在恆定值下。具有幅度V0
的取決於時間的電壓使用整流器164來整流且提供到反饋電路166。反饋電路166判定電流產生器162的驅動電流以將電壓V0
的幅度保持恆定。邊際振盪器電路及反饋電路被進一步描述在第4,000,458號及第7,112,960號的美國專利中。
作為渦電流監控系統，電磁感應監控系統120可用來藉由在溝槽中的導電材料中誘發渦電流來監控導電溝槽的厚度。或者，電磁感應監控系統可藉由為了監控的目的而在形成於基板10的介電層14中的導電迴路中產生電流來運作，例如如第2015-0371907號的美國專利公開案中所述的，該公開案的整體內容以引用方式併入。
若需要監控基板上的導電層的厚度，則在磁場150到達導電層時，磁場150可通過且產生電流（若目標是迴路的話）或產生渦電流（若目標是片體的話）。此舉產生了有效阻抗，因此增加了供電流產生器162將電壓V0
的幅度保持恆定的所需的驅動電流。有效阻抗的數值取決於導電層的厚度。因此，由電流產生器162所產生的驅動電流提供了被拋光的導電層的厚度的量測結果。
對於驅動及感測電路系統128來說其他的配置是可能的。例如，可將單獨的驅動及感應線圈纏繞在芯周圍，可以恆定的頻率驅動驅動線圈，且來自感應線圈的電流的幅度或相位（相對於驅動振盪器）可用於訊號。
參照圖4，在拋光之前，導電層12的大部分一開始是相對厚且連續的。若第一原位監控系統100是渦電流監控系統，則因為層12具有低的電阻係數，可在導電層中產生相對強的渦電流。其結果是，來自第一原位監控系統100的訊號110可開始於由訊號110的部分112所示的初始值處。
隨著基板10被拋光，導電層12的大部分被薄化了。在導電層12變得足夠薄時或在下層的介電層暴露時，訊號110在區域114中改變（例如下降）。例如，對於渦電流監控系統而言，隨著導電層12薄化，該導電層的片體電阻係數增加，且導電層12及感測器電路系統之間的耦合減少。
最後，導電層12的大部分被移除，而暴露了介電層14的頂面且留下圖案化介電層14之間的溝槽中的導電互連件16。此時，訊號110（無論是基於光學、渦電流或摩擦力）將傾向穩定，如訊號110的部分116中所示。此舉造成了輸出訊號110的幅度上的改變率上的顯著減少。可藉由第一原位監控系統100（例如藉由控制器90）來偵測訊號110的斜率上的突然改變或訊號110的斜率下降到一臨界值以下的事件以偵測導電層的清除。此時期可稱為金屬清除終點。
金屬清除終點的偵測依賴第二原位監控系統120來觸發。具體而言，控制器可在第一原位監控系統100偵測到金屬清除終點時捕捉來自第二原位監控系統的訊號130的值V0
。基於所需的過拋光量，可計算臨界值VT
。例如，臨界值可被計算為VT
= V0
– kD，其中D是所需的過拋光量（例如厚度量，例如以埃計）而k是經驗判定的常數。可例如通過圖形使用者介面從拋光系統20的操作員在拋光基板10之前接收D的值作為使用者輸入。
第二原位監控系統120繼續監控基板，且在訊號130交叉臨界值VT
時停止拋光。其結果是，過拋光時間是藉由第二原位監控系統基於所需的溝槽金屬移除量來控制的，且可從晶圓到晶圓是一致的。
雙原位監控系統100、120可用在各種拋光系統中。拋光墊或載體頭或兩者可移動以提供拋光面及基板之間的相對移動。拋光墊可為固定至平台的圓形的（或某些其他形狀）墊、延伸於供應輥及收緊輥之間的窄帶、或連續的帶。拋光墊可固定在平台上、在拋光操作之間逐漸在平台上前進或在拋光期間在平台上被連續驅動。墊可在拋光期間固定至平台，或可在拋光期間在平台及拋光墊之間存在流體軸承。拋光墊可為標準（例如具有或不具有填料的聚氨酯）的粗糙墊、軟墊或固定式磨料的墊。
已描述了許多實施例。儘管如此，將瞭解的是，可在不脫離本揭示案的精神及範圍的情況下作出各種更改。據此，其他的實施例是在以下請求項的範圍內的。
10‧‧‧基板
12‧‧‧導電層
14‧‧‧介電層
16‧‧‧溝槽
18‧‧‧障壁層
20‧‧‧拋光系統
22‧‧‧馬達
24‧‧‧平台
25‧‧‧軸
26‧‧‧凹口
28‧‧‧驅動軸桿
29‧‧‧旋轉耦接器
30‧‧‧拋光墊
32‧‧‧背層
34‧‧‧外層
36‧‧‧薄墊區段
38‧‧‧拋光液
39‧‧‧供應淋洗臂
70‧‧‧載體頭
71‧‧‧軸
72‧‧‧支撐結構
74‧‧‧驅動軸
76‧‧‧載體頭旋轉馬達
80‧‧‧可撓膜片
82‧‧‧可加壓腔室
84‧‧‧固定環
90‧‧‧控制器
94‧‧‧取樣區
96‧‧‧位置感測器
98‧‧‧旗標
100‧‧‧原位監控系統
110‧‧‧訊號
112‧‧‧訊號部分
114‧‧‧訊號部分
116‧‧‧訊號部分
120‧‧‧原位監控系統
122‧‧‧感測器
124‧‧‧芯
126‧‧‧線圈
128‧‧‧驅動及感測電路系統
130‧‧‧訊號
150‧‧‧磁場
152‧‧‧背部
152a‧‧‧極
152b‧‧‧極
160‧‧‧電容器
162‧‧‧電流產生器
164‧‧‧整流器
166‧‧‧反饋電路
D‧‧‧所需的過拋光量
VT‧‧‧臨界值
圖1為包括電磁感應監控系統的化學機械拋光站的部分橫截示意側視圖。
圖2為圖1的化學機械拋光站的示意頂視圖。
圖3為用於電磁感應監控系統的驅動系統的示意電路圖。
圖4示出一示例性圖表，繪示來自兩個原位監控系統的訊號及不同拋光階段下的基板的示意橫截面圖。
各種繪圖中的類似參考符號指示類似的構件。
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Claims (20)
- 一拋光系統，包括： 一平台，用來固持一拋光墊； 一載體頭，用來在拋光期間固持一基板抵著該拋光墊； 一第一原位監控系統，具有一第一感測器，該第一感測器用來在拋光期間監控該基板且被配置為產生一第一訊號，該第一訊號取決於一導電層的清除及該基板的下層介電層的一頂面的暴露； 一第二原位監控系統，具有一單獨的第二感測器，該第二感測器用來在拋光期間監控該基板且被配置為產生一第二訊號，該第二訊號取決於該介電層中的溝槽中的導電材料的一厚度，該第二原位監控系統是一電磁感應監控系統；及 一控制器，被配置為： 接收來自該第一原位監控系統的該第一訊號，及基於該第一訊號來判定該導電層被清除的一清除時間； 接收該第二訊號，及判定該經判定清除時間處的該第二訊號的一初始值； 將一偏移與該初始值相加以產生一臨界值；及在該第二訊號交叉該臨界值時觸發一拋光終點。
- 如請求項1所述之拋光系統，其中該第二原位監控系統被配置為在安置在該介電層中的導電迴路中誘發電流。
- 如請求項1所述之拋光系統，其中該第一原位監控系統包括一光學監控系統、一渦電流監控系統、一摩擦力監控系統或一馬達轉矩或馬達電流監控系統。
- 如請求項3所述的拋光系統，其中該第一原位監控系統包括一渦電流監控系統，該渦電流監控系統被調諧為在該導電層是該介電層上的完好的片體的同時監控該導電層。
- 如請求項1所述之拋光系統，其中該第一感測器及該第二感測器定位在該平台中的單獨的凹口中。
- 如請求項1所述之拋光系統，其中該第一感測器及該第二感測器定位在該平台中的相同凹口中。
- 如請求項1所述之拋光系統，其中該第一感測器及該第二感測器被配置為同時量測該基板上的一相同位置。
- 如請求項1所述之拋光系統，其中該第一感測器及該第二感測器被隔開以同時量測該基板上的不同位置。
- 如請求項1所述之拋光系統，其中該控制器被配置為接收一所需的過拋光量作為來自一使用者的輸入。
- 如請求項9所述之拋光系統，其中該控制器被配置為將該臨界值VT計算為VT = V0 – kD，其中V0是該初始值，D是該所需的過拋光量，而k是一常數。
- 一種電腦程式產品，包括一非暫時性電腦可讀取媒體，該非暫時性電腦可讀取媒體具有指令，該等指令用來使一處理器： 在一基板的拋光期間接收來自一第一原位監控系統的一第一訊號，及基於該第一訊號判定一清除時間，在該清除時間處，一導電層被清除且該基板的一下層的介電層的一頂面被暴露； 在該基板的拋光期間接收來自一第二原位監控系統的一第二訊號，及判定該經判定的清除時間處的該第二訊號的一初始值； 將一偏移與該初始值相加以產生一臨界值；及 在該第二訊號交叉該臨界值時觸發一拋光終點。
- 如請求項11所述之電腦程式產品，包括用來接收一所需的過拋光量作為來自一使用者的輸入的指令。
- 如請求項12所述之電腦程式產品，包括用來將該臨界值VT計算為VT = V0 – kD的指令，其中V0是該初始值，D是該所需的過拋光量，而k是一常數。
- 一種控制一拋光操作的方法，包括以下步驟： 以一第一原位監控系統在一基板的拋光期間監控該基板，及基於來自該第一原位監控系統的一第一訊號判定一清除時間，在該清除時間處，一導電層被清除且該基板的一下層的介電層的一頂面被暴露； 以一第二原位監控系統在該基板的拋光期間監控該基板，及判定該經判定的清除時間處的來自該第二原位監控系統的一第二訊號的一初始值； 將一偏移與該初始值相加以產生一臨界值；及 在該第二訊號交叉該臨界值時觸發一拋光終點。
- 如請求項14所述之方法，其中以該第二原位監控系統監控該基板的步驟包括在安置在該介電層中的導電迴路中誘發電流。
- 如請求項14所述之方法，其中該第一原位監控系統包括一光學監控系統、一渦電流監控系統、一摩擦力監控系統或一馬達轉矩或馬達電流監控系統。
- 如請求項16所述之方法，其中該第一原位監控系統包括一渦電流監控系統，該渦電流監控系統被調諧為在該導電層是該介電層上的完好的片體的同時監控該導電層。
- 如請求項14所述之方法，包括以下步驟：接收一所需的過拋光量作為來自一使用者的輸入。
- 如請求項18所述之方法，包括以下步驟：將該臨界值VT計算為VT = V0 – kD，其中V0是該初始值，D是該所需的過拋光量，而k是一常數。
- 如請求項14所述之方法，其中判定該清除時間的步驟包括偵測該第一訊號的斜率上的一改變或偵測該第一訊號的該斜率已下降到一臨界值以下。
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