491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ___ B7五、發明説明（1 ) 發明背景 1 . 發明之技術領域 本發明係有關於一種在化學機械拋光製程中之終點（ end-point)偵測的現場方法及裝置，特別是涉及 一種方法與裝置，其中半導體晶圓或基板表面之正在進行 化學機械拋光的局部區域被監視，以偵測從局部之晶圓表 面區域之材料移除。 2 . 相關技藝之敘述 隨著元件密度增加，半導體製造已愈趨複雜。這種高 密度電路通常需要緊密放置的金屬互連線以及多重絕緣材 料層，如形成於互連線上方與其之間的氧化層。半導體晶 圓或基板的表面平坦性會隨著膜層的沉積而惡化。一般而 言，膜層的表面具有與次層一致的樣式，而且隨著膜層的 增加，表面的不平坦性將會將會變得更嚴重。 爲了要解決此一問題，使用了化學機械拋光（C Μ P )製程。C Μ Ρ製程從晶圓表面移除材料，以提供實質平 坦的表面。近來，C Μ Ρ製程亦被使用來製造互連線。舉 例來說，當沉積銅引線或互連線時，一整層的金屬1 3被 沉積於具有溝槽（groove ) 1 2於氧化層1 1中的晶圓1 〇 之表面上，如圖1A與1 B所示。金屬層1 3可以藉由濺 鍍或任何其他適合的習知技術而被沉積。氧化層，如摻雜 或未摻雜之二氧化矽，通常藉由化學氣相沉積（CVD ) 而被形成。金屬層覆蓋整個晶圓表面，並且延伸至溝槽內 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29<7公董） -4- 491753 A 7 B7 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（2 ) 。之後’個別的引線1 6係藉由從氧化物表面移除金屬層 而被定義。CMP製程可以被使用來移除表面金屬，而留 下溝槽內的引線1 6。引線藉由中間的氧化層而被彼此隔 離。 一般而言，爲了實現CMP製程，係使用一種化學機 械拋光（C Μ P )機器。許多種C Μ P機器被使用於半導 體工業。典型地，CMP機器使用一種在其上具有拋光墊 的旋轉拋光平台，以及一個較小直徑的旋轉晶圓承載器， 其承載即將在表面被平坦化與/或拋光的晶圓。旋轉之晶 圓的表面被固定或朝著拋光墊擠壓。在晶圓拋光時，泥漿 被引至拋光墊的表面。 在C Μ Ρ製程時，必須精確控制材料從晶圓上表面已 經被移除的時間。如此不僅避免要丟棄過度拋光的晶圓， 也最小化重新拋光任何正在拋光中的晶片之必要。決定何 時停止C Μ Ρ製程之可能方法有很多。典型的方法包括： (1 )當金屬上層被移除而曝露氧化矽層時，藉由監控流 至平台與承載馬達的電流而偵測磨擦改變；以及（2 )從 拋光墊監控熱與聲學特徵。電性阻抗、導納、與電容也可 以被使用來決定金屬層的存在。 近爾，光學量測被使用於C Μ Ρ製程的技術中。舉例 而言，美國專利第5，838，448號使用干涉儀，並 且描述藉由量測因爲入射光之入射角的改變所導致之反射 率變異，來偵測薄層厚度或是薄膜厚度的改變。美國專利 第5，8 3 5，2 2 5號描述使用反射率量測來決定基板 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) A4規格（210>< 297公釐） -5 - 491753 A7 B7 五、發明説明（3 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 之特定表面的性質。美國專利第5 ，4 3 3 ，6 5 1號描 述一種當現場（)反射率量測中所指定之改變對應到 所指定之拋光製程條件時，用來在拋光與終點丨自測C Μ P 製程之觀測晶圓的方法與設備。 這些技術提供了對於C Μ Ρ製程之改進，這些方法也 提供了整個晶圓表面之平均（整體）特性，而不是晶圓之 較小而局部之區域或面積的特性。此意謂著，丨盡管晶圓之 一部份可能在另一部份之前被拋光，其整體特性通常不會 不同於晶圓之過度拋光與正在拋光區域之間者。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在另一先前技藝中，如美國專利第 5，9 7 2，7 8 7號所揭’在晶圓上提供有指示區域。 迫些ί日不W域係由具有不问線寬與圖案因數（pattern factor )之平行金屬線區塊所形成，這些不同線寬與圖案因數被 選擇以違背現行的規則，使得其可以藉由使用給定之金屬 C Μ P製程而被獲得。這些區塊接著被檢查以決定拋光之 程度。由於本技術係提供以顯示晶圓之某特定區域的拋光 ，此製程要求該C Μ Ρ步驟必須被中斷以進行檢查步驟。 此外，這些指示區域需要區塊的形成，其爲已經很複雜的 製程再多添加一步驟。 此外’銅鑲嵌（Cu damascene)製程已漸漸成爲製造高 速、高性能與低耗能之極大驾積體電路（U L S I )之關 鍵技術。在銅鑲嵌製程中，C Μ P製程被使用來移除過量 金屬與障礙材料（如Ta、Ti、TaN或TiN)，並 且用來形成層間介電層（I LD，通常爲S i 02或聚合物 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -6 - 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（4 ) )中的渠溝內的互連。銅鑲嵌製程對於C Μ P製程增加了 額外的複雜性。文獻報導，銅的材料移除速率與圖案樣式 有很大的關係。不均勻的圖案樣式經常會導致不均勻的拋 光效果，且造成具有較高含銅量之區域的部分過度拋光以 及銅線部分有下凹的現象。因爲過度拋光以及下凹所造成 之銅的損耗與表面不均勻性可能影響互連之穩定度，因此 必須加以最小化。此外，起始之銅覆蓋的不均勻性、製程 參數（如速度、壓力、泥漿傳送等）的空間變化、以及製 程隨機變化將會增加拋光之單一晶圓內（within-wafer )與 整批晶圓內（within-lot)的不均勻性。這些會導致銅 C Μ P之完成時間或終點的變化，並且影響製程良率。爲 了要降低拋光輸出（平均度、過度拋光與下凹）的變異， 必須整合一種現場（以）感應與終點偵測技術，使其具 有製程最佳化之方式，以改善製程操作。 銅C Μ Ρ製程之晶圓等級（wafer-level )終點可以被定 義成晶圓之一定數量（或比例）晶粒（die )上的過量銅與 障礙層被完全淸除的時間。由於拋光不均勻性，晶圓上的 所有晶粒不會同時到達終點，而且有些晶粒會被過度拋光 。因此，C Μ P製程之終點可以代表不符規格之晶粒（拋 光過度或不足者）到達最小數量與製程良率爲最大之最佳 拋光時間。然而，每一晶粒區域上所剩下的銅厚度很難即 時量測以決定其終點。大部分之先前技藝的現場（) 感應技術取決於非直接方法，以偵測銅/障礙層淸除量， 如摩擦力之改變、銅/障礙層材料之離子濃度、以及表面 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 491753 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（5 ) 之電阻抗。然而，這些方法在實際應用上受限於穩定度不 足與高雜訊比的溫提。此外，這些技術僅僅提供了相對大 面積（通常爲晶圓等級）的平均資訊，而且欠缺感應單一 晶圓內與晶粒等級的不均勻性之能力。因此’這些方法只 可以被用來作爲其他主要方法的輔助工具，以確保終點偵 測之正確性。 近來，已發展出一種多層堆疊薄膜之厚度量測的光聲 學（photo-acoustic )技術。兩個光激脈衝在覆蓋層的表面 上重疊，以形成干擾圖案。薄膜所造成的光吸收產生反傳 播（counter-propagating )聲波。藉由量測聲波頻率，可以 計算出薄膜厚度。然而，這種方法受限於尺寸遠大於光束 尺寸的覆蓋面積。圖案區域上之銅薄膜內的聲波產生與傳 播很難加以模式化。因此，這個方法目前受限於覆蓋層或 可以被模擬成覆蓋層之較大區域之量測。 在所有終點偵測技術中，光學感應技術可能是最成功 的。干涉儀技術被使用來根據表面與下方層所產生的光干 涉，以量測薄膜厚度。這種方法很適合於量測透明薄膜， 如介電質薄層，但不適用於不透光的金屬薄膜。理論上， 反射率量測可以被使用來偵測表面樣式以及表面上的金屬 部分。此外，因爲圖案化之表面的反射率係受圖案樣式所 影響，其也可以藉此方法獲得表面平坦度與下凹之資訊。 反射率技術具有其潛力，但仍需要有突破性的進展來提供 實用的終點偵測系統與方法。 因此，急需一種改良方法與裝置，其可連續並且現場 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、!' d
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A7 —B7五、發明説明（6 ) (“-^7〃）地監視正在進行C Μ P製程的晶圓表面之局部區 域。 發明之槪述 本發明之一目的在於提供一種在C Μ Ρ製程中現場（ 化）晶圓表面之局部區域的方法與裝置。 本發明之另一目的在於提供一種方法與裝置，其連續 地監視晶圓之不同區域的拋光進程，並且可以用來決定從 晶圓表面移除材料的終點。 .本發明之又一目的在於提供一種方法與裝置，其使用 晶圓上之不同材料之間的反射率差，以監視晶圓表面上之 選擇區域處的拋光進程及/或終點。 本發明之又一目的在於提供一種方法與裝置，其在不 同晶圓表面區域處監視反射率，並且控制該區域處之拋光 製程，以在拋光製程中達到金屬之平均移除。 本發明之又一目的在於提供一種適用於銅鑲嵌CMP 之監視表面條件與偵測製程終點之現場（)方法與裝 置。 本發明之上述與其他目的係藉由化學機械拋光方法與 裝置而達成，其中具有第一直徑的旋轉拋光平台與拋光墊 拋光由晶圓承載器所承載的晶圓。在該拋光平台與墊中形 成有一窗口，藉此該窗口週期性地掃描晶圓的下方。光偵 測器如光纖纜線，傳送光透過窗口至承載器的表面，並且 隨著晶圓表面旋轉而接收從該晶圓表面透過窗口的光反射 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） Q (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ____B7五、發明説明（7 ) ，而且提供有構件，以監視反射的光並且控制對反射之光 資訊敏感之晶圓的局部區域之拋光製程。 更詳而言之，化學機械拋光方法與裝置包括一晶圓承 載器，其包含一具有中心的隔膜與同心的壓力空腔或隔間 ，其定義對應晶圓表面之區域。一制動器被提供以控制施 加至中心與同心隔間的壓力並且藉此控制每一對應區域之 晶圓表面的材料移除速率，而且該制動器針對在每一區域 處所接收反射光而被佔用。 在本發明之另一方面，提供一種化學機械拋光方法， 包括以下步驟：提供一 C Μ P機器，其包括一拋光墊與一 晶圓承載器，其具有多重空腔，該空腔內有個別改變之壓 力並且朝向晶圓擠壓晶圓上之對應局部區域；於晶圓上之 每一局部區域量測拋光中的晶圓表面之反射率；處理反射 率資料以決定每一局部區域之拋光狀態；以及針對每一局 部區域之拋光狀態，個別地調整任一空腔內之壓力。 本發明之其他目的與優點將在下文中陳述，而且在某 種程度上從以下說明中被理解，或者藉由本發明之實現而 被明白。本發明之目的與優點可以藉由參照以下的說明與 附錄之申請專利範圍的圖式而被解釋明白。 圖式之簡要說明 被使用來構成本說明書之所附圖式描繪了本發明之具 體實施例，並且結合以下之一般說明與以下之較佳具體實 施例的詳細說明，用以解釋本發明之原理。其中： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -10- 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ___ B7_五、發明説明（8 ) 圖1 A與1 B顯示晶圓表面，其上覆蓋有具有渠溝之 氧化物，該渠溝則覆蓋有導電互連材料，如圖1 A所示， 而圖1 B則爲拋光之後者； 圖2係爲根據本發明之具有晶圓承載器與觀測窗口之 旋轉拋光平台與拋光墊的上視圖； 圖3係爲根據本發明之旋轉拋光平台、拋光墊與晶圓 承載器的部分橫截面圖； 圖4係爲根據本發明之一具體實施例之連接有一金屬 化之晶圓的晶圓承載器的隔膜壓力墊； 圖5係爲根據本發明之晶圓表面的同心圓形區域與掃 描窗口之路徑的示意圖； 圖6係爲裉據本發明之一具體實施例之光學終點偵測 系統； 圖7係爲根據本發明之一具體實施例之輸出電壓與光 纖束與晶圓表面之間的間隙之關係； 圖8顯示對於不同材料之反射率與波長之關係； 圖9顯示本發明之一具體實施例對於不同時間之反射 率與晶圓位置之關係； 圖1 0描繪相較於理想訊號，實際反射率與時間之關 係的例子； 圖1 1係爲可以使用於本發明之化學機械拋光裝置的 例子中的控制迴路之示意方塊圖； 圖1 2係爲根據本發明之一具體實施例之反射感應器 所產生之輸出訊號的處理流程圖； $纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ~ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ____B7_ _五、發明説明（g ) 圖1 3係爲根據本發明之另一具體實施例之不同晶圓 區域的壓力控制流程圖； 圖1 4顯示圖案化之銅表面上的散射光之示意圖； 圖1 5A與1 5B顯示（A)平面組合表面與（B) 波浪狀組合表面上的散射光之示意圖； 圖1 6繪示根據本發明之一範例的感應器動力學； 圖1 7顯示在ω w = ω P與r s = r c。的條件下，反射 感應器在晶圓上的模擬軌跡； 圖18顯示在〇讯=1 · 〇56^與1*3=1*(：(：的條件 下，反射感應器在晶圓上的模擬軌跡； 圖1 9顯示根據本發明之一具體實施例之具有0 . 5 面積分率= 〇 . 5)之圖案上的銅平坦化模式之 .離線量測結果； 圖2 0顯示根據本發明之另一具體實施例之具有 0 · 01面積分率（ττ/2 = 〇 · 01)之圖案上的銅平 坦化模式之離線量測結果； 圖2 1顯示根據本發明之實驗中，具有定面積分率 0 _ 5與〇 . 〇 1之圖案的步階高度與時間關係圖； 圖2 2顯示具有0 · 5面積分率之圖案上之不同製程 模式的離線量測結果； 圖2 3顯示具有0 · 0 1面積分率之圖案上之不同製 程模式的離線量測結果； 圖24顯示具有0·5面積分率與不同線寬之圖案的 銅下凹深度與時間關係圖； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公瘦1 fTI ~ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ____B7五、發明説明（1〇 ) 圖2 5顯示具有0 · 0 1面積分率與不同線寬之圖案 的銅下凹深度與時間關係圖； 圖2 6顯示在終點開始時，沿著晶圓表面的不同軌跡 之表面反射率的平均値與標準差的離線量測； 圖2 7顯示在不同拋光階段之中心晶粒與整個晶圓表 面的離線量測（平均値與標準差）比較。晶圓表面之資料 係爲根據五條軌跡上的量測所計算； 圖2 8顯示根據本發明之範例所作的現場（以）反 射率量測之初始資料； 圖2 9顯示晶圓等級表面反射率的移動平均與標準差 之現場（//7-^7〃）量測之結果； 圖3 0顯示晶圓等級表面反射率的標準差之現場（//?-hn/)量測之結果； 圖3 1 A至3 1 F顯示根據本發明之範例所作的現場 (“-^7〃）量測之表面反射率與拋光時間的關係圖； 圖3 2顯示在0%=1.〇56^與1^ = 1 . 2 5 r。。的條件下，反射感應器在晶圓上的模擬軌跡 ， 圖3 3顯示對於現場（)量測之晶圓內與晶粒內 變異的分解； 圖3 4顯示在9 9 · 5 %信心水準的估算區間內’所 取樣之移動平均與時間的關係圖； 圖3 5顯示標準差對平均反射率（晶圓等級）的現場 (ZmYz/)量測結果； (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -13- 491753 A 7 B7五、發明説明（11 ) 圖3 6顯示表面反射率與拋光時間（晶圓等級）之關 係圖；以及 圖3 7顯示對於不同現場（“-^7〃）感應與終點偵_ $ 法的實驗證明。 請 符號說明 10 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2 1 2 2 2 3 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 1 3 2 3 3 3 4 3 6 晶圓 氧化層 溝槽 金屬層 引線 旋轉平台 旋轉晶圓 拋光墊 感應器 光纖束 光源 感應器頂端附件 光偵測器 放大系統 運算放大器 電容器 電阻器 類比/數位轉換器 聞 讀 背 面 之 注 意 事 項 賣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 14- 491753 Α7 Β7 五、發明説明（12 ) 3 6 3 7 4 1 4 2 4 3 4 6 4 7 4 8 5 0 5 2 5 4 5 6 5 8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印說 窗口 掃描線 晶圓承載器 隔膜 同心隔間 空腔 中心空腔 外部空腔 製程控制器 壓力分佈控制器 晶圓資料庫 C Μ P製程機器 拋光前厚度感應器 拋光後厚度感應器 本發明之詳細描述 本發明者發明一種方法及裝置，用來提供在化學機械 拋光（C Μ Ρ )製程中之半導體晶圓或基板上之局部區域 內的材料移除之現場（化）監視。特別地，本發明之方 法及裝置係提供以偵測晶圓表面上之局部區域內的不同材 料如導電、絕緣與障礙材料之反射率差異。反射率差異被 使用來顯示每一局部區域之上層材料已被移除。在較佳具 體實施例中，這種資訊被使用來提供C Μ Ρ製程的即時控 制。 mu' nil— m_i1 nm nm nm mu Hi (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 έ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） 491753 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（13 ) 特別地，參閱圖2與圖3 ，係顯示根據本發明之一亘 體實施例之C Μ P機器的部分，其包括一旋轉平台2 ]_跑 一旋轉晶圓2 2 ，其由一晶圓承載器（未示於圖中）所承 載。平台2 1承載一拋光墊2 3，其上被施加拋光泥漿於 進行C Μ Ρ製程時。本發明之具體實施例的c μ Ρ機器被 使用來從晶圓表面移除表面材料，無論是導體或絕緣材料 。在一具體實施例中，表面材料係爲金屬，且該被從晶圓 表面移除，以留下絕緣層中之渠溝內的導體。該導體金屬 可以爲任何適合的導體’如錫或銅。該絕緣體可以爲任何 適合的絕緣體，如未摻雜的二氧化矽、摻雜有硼、磷或二 者皆有的二氧化矽、或低介電常數的材料。此外，本發明 也可以被使用來移除導體或絕緣材料，以曝露障礙材料， 如T a Ν與類似者。再者，該障礙材料也可以被移除。在 一具體實施例中’本發明有關於一種用來偵測表面金屬移 除之方法，以製造一種如圖1 B所示之結構。本發明利用 導體（通常爲金屬）與絕緣材料之間的反射率差異來監視 晶圓平坦化的進行，並且決定哪個局部區域即將把材料移 除以及拋光製程的終點。 爲了監視C Μ P製程，導體與絕緣材料之間的反射率 差異被觀測。用來在半導體元件中作爲引線之較佳的導體 材料爲鋁與銅，其對於波長大約爲1 // m的光有9 0〜 9 5 %的反射率。對於銅、鋁、矽、鉅的反射率與波長之 關係如圖8所示。大部分的絕緣材料如氧化矽，如圖8所 示，對於相同的波長僅有2 5〜3 〇 %的反射率。這種反 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -16 - 491753 Α7 Β7 五、發明説明（μ ) 射率的差異被使用來監視拋光製程。在C M p製程中，晶 圓表面之拋光則反射率大約爲9 〇 %，因爲晶圓表面完全 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 被金屬所覆蓋。在完成C M P製程之後，拋光後反射率將 會更低，例如2 5〜6 0%的範圍內，因爲曝露之表面在 渠溝中具有絕緣材料與金屬導體的混成。必須注意到，這 些數子僅針對一般用途而言。導體與絕緣或障礙材料之間 的反射率之貫際差異將主要根據材料類型、圖案以及晶圓 表面上的圖案密度。一般而言，圖案化晶圓上的金屬線密 度越低，反射率越低。在本發明之一具體實施例中，導電 金屬之間的反射率差異以及顯示c Μ Ρ製程接近完成或在 某一給定區域已經確實完成的反射率値大約爲6 5 %。再 次地，實際的反射率差異將會根據不同因素而有所改變， 例如材料類型、材料是否是整塊的或是被圖案化·、圖案密 度、光波長、以及晶圓表面的拋光度（其會減少反射率） 〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在本發明中’係使用了一種光學偵測系統，較佳者爲 一光纖反射系統。參閱圖3與圖6，本發明之一範例顯示 一光纖束2 6 ’其從一光源2 7如發光二極體傳送光至一 感應器頂端附件2 8。光纖束2 6中的其他光纖將從晶圓 表面反射的光轉移到一連接至放大系統3 1的光偵測器 2 9 ’其中該放大系統3 1包括一運算放大器3 2與包含 有電容器3 3與電阻器3 4的低通濾波器。從運算放大器 3 2產生的類比輸出被施加至一類比/數位轉換器3 6， 並且接著至一處理數位化訊號之處理系統，其方式將在此 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） -17- 491753 A7 _____B7_ 五、發明説明（15 ) 被描述。這種光纖系統係爲市面上可以買到的，如Philtec D64感應系統。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 在較佳具體實施例中，發射與接收的光纖平行且隨機 地分佈於光纖束2 6中，並且正向晶圓表面，雖然其他的 方向也可以被接受。根據本發明，發光二極體被選擇在最 大化晶圓表面上的材料之間的反射率差的波長發光。在一 範例中，一銅層被移除以曝露出置於二氧化矽層之間的銅 引線，發光二極體被選擇在8 8 0 n m波長發光，其位於 具有最佳反射率差異的範圍內。熟習此項技藝者將明白， 提供最佳之導體與絕緣材料之間的反射率差異的波長將根 據材料類型而有所不同，但該波長可以根據本發明所揭者 而被決定。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 感應器頂端附件2 8與晶圓2 2之間的間隙距離” g ”對於最小化閃射率讀値的變動是極爲重要的。因此，較 佳地，本發明之感應器固定器被設計爲允許間隙調整功能 者。在一範例中，感應器固定器包括一具有螺帽的堅硬外 殼，該螺帽接收具有螺紋的感應器頂端附件2 8，其旋轉 進入螺帽，使得感應器頂端附件2 8與晶圓之間的間隙可 以藉由旋轉而調整。其他的感應器固定器結構也可以被使 用，只要其提供允許調整相對於晶圓表面之距離的堅硬結 構。 增加間隙距離” g ”可以最小化間隙改變的影響，如 圖7所示，其顯示本具體實施例之感應器特性。特別地， 每一感應器於特定間隙距離具有一特定電壓，其可藉由實 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（16 ) 驗而被決定，或是可從感應器製造商處取得。較佳地’要 選擇曲線斜率平坦化處的間隙距離。在使用Phil tec感應器 之本具體實施例中，間隙距離” g ”較佳者係爲大約 2 0 0至2 5 0密爾（mil)的範圍內，最好是在2 0 0至 2 2 4密爾的範圍內。儘管一範例係如上所述，其他適合 的感應器也可以被使用來量測晶圓表面的反射率。然而’ 任何適用的感應器必須能夠投影光線至晶圓並且聚集反射 光，以提供可供處理的輸出訊號。 爲了提供C Μ P製程的現場（監視，本發明之 方法與裝置使用感應器頂端附件（其被插入於至少一形成 於旋轉平台的窗口 3 6中）’以觀察如圖3所示之拋光中 的晶圓。具有發光二極體偵測器與放大器的光纖束被設置 ，以與平台一起旋轉。適合的滑動耦合器（未繪示於圖中 )可以被使用來透過旋轉介面傳送類比訊號至類比/數位 轉換器3 6。至少一窗口可以被形成於旋轉平台內’每一 者具有一被插入於其中的感應器頂端附件，以在同一時間 觀察不同位置。當使用多重感應益時’習知的取樣技術可 以被使用來處理該訊號。窗口可以被形成爲具有任何形狀 與尺寸，而且僅受限於必須能夠準確地覆蓋該感應器頂端 附件，並且提供一微小的記號以最小化拋光製程的影響。 有利地，窗口 3 6可以被置放於任何方向’使其在拋 光中之晶圓的某一區域上來回移動。在較佳具體實施例中 ，晶圓與窗口之中心至中心的補償距離被選擇’使得感應 器頂端附件以一掃描弧線掃過該晶圓’該掃描弧線掃過晶 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _ B7五、發明説明（17 ) 圓的中心。圖5所示的掃描線3 7描繪了掃描弧線的例子 ，其掃過晶圓的中心。拋光可以爲軸對秤，因此與晶圓中 心相距一距離處的反射率之量測對等半徑的區域而言應該 均是相同的。當拋光爲軸對秤時，對於所有其他半徑區域 的拋光程度可以被推斷，只要感應器越過晶圓中心。 可替代地，不同的掃描弧形軌道也可以藉由改變中心 至中心的補償距離及/或改變晶圓承載器與平台的旋轉速 度而被選擇。舉例而言，高達1 0 %的旋轉速度補償（即 晶圓承載器與平台之速度差）允許更換一條橫越晶圓的軌 跡。 光學偵測系統需要避免曝露至拋光環境。這點可以藉 由在拋光墊2 3內提供窗口 3 6而完成。較佳者，窗口與 拋光墊具有類似的磨損特性，因此能夠避免對晶圓表面造 成傷害。 有利地，本發明被提供以監視特定區域內之C Μ P製 程。特別地，複數個區域被定義於晶圓表面而且對應於形 成於隔膜中所形成的區域，其與晶圓貼合。較佳者，這些 區域爲圓形；然而這些區域也可具有任何適當的形狀。參 閱圖4與圖5，其描述這些區域的範例，並且被更進一步 描述於共同待決之申請案（Attorney Docket No. Α-69 175/MSS)中，其中具有隔間之隔膜的晶圓承載器貼合晶 圓的上表面並且朝向拋光墊緊壓該晶圓。在本範例中，隔 間或空腔具有同心環的形狀並且定義圓形區域，藉此晶圓 與拋光墊之間的壓力由這些鄰近晶圓的圓形區域所控制。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（2丨0X2W公釐） -20- 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _B7_五、發明説明（18 ) 因此，藉由改變圓形區域的壓力，晶圓上的拋光速率由晶 圓上對應每一圓形區域的局部區域所控制。 更詳而言之，如上述之共同待決案中所更進一步描述 者，提供有一晶圓承載器，其包括一彈性隔膜，其貼合晶 圓並且朝向拋光墊緊壓該晶圓。圖4顯示具有隔膜4 2的 晶圓承載器4 1 ，該隔膜4 2具有同心隔間4 3形成於其 中並且定義多重空腔4 6。這些空腔4 6形成具有中心空 腔4 7之同心環，該中心空腔4 7係由一或多個外部空腔 4 8所環繞。這些空腔被定義成圓形區域。每一空腔分別 地貼合晶圓2 2的下表面，並且因而定義晶圓表面對應於 鄰近圓形區域之局部區域。施加至晶圓2 2的壓力藉由每 一空腔內之壓力（如圖4中的箭頭Pi〜P4所示）而被分 別控制。其結果爲晶圓表面上之同心區域4 8可以藉由控 制對應之空腔4 6內的壓力而依不同速率被拋光。儘管在 圖中僅繪示四個區域，任何適合的區域數目也可以被定義 。此外，區域可以爲不同形狀，而且不限於圓形者，雖然 圓形的形狀適用於外部區域。在較佳具體實施例中，隔膜 包含四個定義四個區域的空腔，該四個區域包括一個圓形 中心區域與三個同心圓形區域。 隨著感應器在拋光中來回橫越晶圓表面，其監視對應 於一或多個同心表面區域的晶圓表面之拋光進程。晶圓表 面上的非均勻材料移除通常會由於拋光中的晶圓旋轉而出 現於對秤中心軸的同心圖案中。感應器偵測出在給定之距 中心距離處的晶圓表面上之條件，而且對於所有相同的半 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -21 - 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _____ B7_五、發明説明（19 ) 徑區域而言，可以假設類似的反射率量測。如下所將詳細 描述者，關於不同區域之晶圓表面的條件之資訊被傳送到 一控制系統以產生一控制訊號，其接著選擇性地控制晶圓 後面對應空腔內之壓力，而該晶圓係需要選擇性地減少拋 光製程中的晶圓等級非均勻度。 此外，感應器對晶圓之表面材料層上的樣式變異所產 生的散射效應十分敏感，特別是當表面材料爲銅而尙未平 坦化或移除時。這些樣式變異將在拋光時與移除之前變得 較爲平坦，造成較強之反射率訊號。根據本發明之一具體 實施例，此項資訊被使用來在拋光時確定晶圓表面平坦化 ，並且接著被使用來修正製程參數以提供更有效用及/或 有效率之拋光。一開始，低壓造成較佳之平坦化，而且隨 著平坦性藉著增強之反射率訊號的指示而被達成時，製程 可以被修正成更高之壓力與速度，以獲得較高之移除速率 。因此整體的拋光時間可以減少。是以，本發明提供一種 方法與裝置，除了監視C Μ P製程外，還提供回授控制來 調整CMP製程參數。 在本發明之另一方面，C Μ Ρ製程之終點在拋光過程 中被現場（以）偵測。許多方法可以被使用來監視C Μ Ρ製程並且決定終點。在一範例中，C Μ Ρ製程之終點藉 由比較感應器訊號與預先決定之臨界値而被決定。參閱圖 1 〇，其顯示相較於理想訊號，在金屬覆蓋層（銅覆蓋晶 圓）移除過程中所獲得的實際訊號。可以發現，起初在反 射率中有個量測降値（measurable drop )，代表導體銅被移 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -22- 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7____五、發明説明（2〇 ) 除，接著又出現第二個降値，代表障礙層被移除。實驗結 果顯示理想感應器訊號與實際感應器訊號之間的合理相關 性。因此，對於每一材料類型與圖案類型可以決定一臨界 反射率値，其可以被使用來比較拋光製程時實際接收到的 訊號。當該臨界値符合一給定區域，施加至對應之隔膜空 腔的壓力被減小或移除，以避免該區域內的過度拋光。 再者，除了臨界値，從上一道晶圓製程所獲得之每一 區域內的整體壓力分佈可以被使用來控制下一晶圓。此一 控制系統被稱作「順向回授」（feed forward )或「一道對 一道」（rin-to-i*un )控制系統。這類型的系統假設即將被 拋光的晶圓在與前一晶圓相同的區域內具有類似的表面樣 式與材料移除特性。因此，類似的壓力被施加至空腔，以 實現類似的拋光製程。 圖9顯示使用本發明之方法與裝置的所進行的測試之 實驗結果。具有銅覆蓋層之晶圓被拋光。拋光持續進行到 銅覆蓋層被移除以曝露T a N所構成的障礙層。圖9繪示 對於不同拋光時間（t )所接收到的反射率與晶圓位置（ 吋爲單位）的關係圖。藉此可以作許多觀察。首先，材料 之移除實際發生於晶圓中心之軸對秤處。晶圓的中心是最 後被拋光的局部區域，而且晶圓邊緣之拋光速率快於晶圓 的其他區域。此項資訊可以被使用來產生上述之壓力分佈 ，而且被用來提供正向回授或「一道對一道」（rin-to-run )之控制。特別地，壓力被改變於在對應於晶圓上之局部 位置的每一空腔內，以獲得所欲之材料移除。舉例而言， 本紙張尺度適用中國國家標準（ CNS ) A4規格（210X 297公釐） ~ ~ ~ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（21 ) 對應於晶圓邊緣之最外空腔的壓力將於一拋光製程中之選 擇時間被減少，以說明此區域之更快的材料移除速率。這 個壓力可以被逐漸地減少，使得此區域以較低的速率持續 被拋光。可替代地，該壓力可以保持一定値，但在此區域 爲一較低値。相反地，對應至晶圓之中心位置的中心空腔 接收到增加之壓力，該壓力可以在整個拋光製程中保持定 値。或者，兩種技術之結合也可被使用，由於中心在本範 例中係爲最後拋光的區域。 圖1 1顯示可以被使用於本發明之控制系統的範例之 方塊圖。該控制系統主要包括有一製程控制器5 0、一壓 力分佈控制器5 2、一感應器2 5、與一晶圓資料庫5 4 。製程控制器5 0接收建立製程參數的資料，並且傳送命 令至C Μ P機器5 6以控制C Μ P製程。此外，耦合至該 製程控制器5 0與C Μ Ρ機器5 6者係爲壓力分佈控制器 5 2，其控制上述之晶圓承載器中的隔膜空腔內之壓力。 壓力分佈控制器5 2透過兩條路徑接收資料。首先， 壓力分佈控制器5 2直接從感應器2 5接收晶圓上的每一 區域內之反射率量測資料。壓力分佈控制器5 2包括硬體 與軟體，以接收反射率量測、決定每一區域內之所需的適 當壓力調整、接著傳送一訊號至C Μ Ρ機器5 6 ，以選擇 性地調整指定區域內之壓力。從感應器所獲得的反射率資 料也被傳送至晶圓資料庫5 4，並且被儲存於其中。 在一可以替代之具體實施例中，對於每一區域之預先 決定之壓力分佈及/或臨界値被儲存於晶圓資料庫5 4中 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（21〇Χ：297公釐） -24- 491753 A 7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（22 ) 。這些數値接著被傳送至製程控制器5 0或壓力分佈控制 器5 2。壓力分佈控制器5 2將這些數値比較至從感應器 2 5所獲得之實際的即時反射率値，並且傳送一訊號至 C Μ P機器5 6 ，以選擇性地調整每一區域內之壓力。額 外的資料，如拋光前的晶圓5 8厚度及/或拋光前的晶圓 6 0厚度可以被傳送至晶圓資料庫5 4，比輔助決定適當 的壓力調整。 在本發明之另一具體實施例中，根據偵測所建立之模 型可以被使用來監視並且控制C Μ Ρ製程。特別地，根據 偵測所建立之模型提供C. Μ Ρ製程參數的即時調整，以更 加地修改C Μ Ρ製程成爲最具效用與最具效率的製程。上 述之偵測系統主要強調選擇性控制區域內的壓力，以提供 晶圓之局部區域的平均拋光。如此最小化某些區域內過度 拋光以及其他區域內拋光不足的現象發生。 根據偵測所建立之模型與控制系統評估從感應器所接 收之反射率訊號內的散射量。如上所述，本發明者發現， 散射的程度代表晶圓表面層的樣式。訊號之散射的存在可 以根據統計技術如決定標準差、平均變異數與分佈形狀而 被估算。當高位準的散射被發現，C Μ Ρ製程可以被調整 ，以獲得更佳的平坦化。隨著平坦化的進行，表面層的樣 式變異開始平坦，而且訊號的散射會減少。因此，C Μ Ρ 製程可以再次被調整，以增加從晶圓表面的材料移除速率 。這些製程調整可以藉由改變相對速度與所施壓力的製程 參數而進行，而且這種調整可以選擇性地進行於每一區域 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -25- 491753 A7 __B7_____ 五、發明説明（23 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 內。因此，反射率訊號的散射程度可以被用來作爲材料移 除速率以及在晶圓上之特定局部區域的晶圓拋光狀態的指 標，而且此項資訊可以被用來調整C Μ P製程參數。 在本發明之另一方面，提供有一化學機械拋光之方法 。一般來說，該方法包括以下步驟：提供一 C Μ Ρ機器， 其包括一拋光墊與一晶圓承載器，其具有多重空腔，該空 腔內有個別改變之壓力並且朝向晶圓擠壓晶圓上之對應局 部區域；於晶圓上之每一局部區域量測拋光中的晶圓表面 之反射率；處理反射率資料以決定每一局部區域之拋光狀 態；以及針對每一局部區域之拋光狀態，個別地調整任一 空腔內之壓力。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 詳而言之，在一具體實施例中，本發明之方法可以如 圖1 2之流程圖所示地被實現。一 c Μ Ρ機器被提供，而 且晶圓拋光被開始於步驟1 0 0。該C Μ Ρ機器包括在局 部區域改變朝向晶圓施加之壓力的構件，例如具有在上述 晶圓上定義區域的空腔之彈性膈膜。然而，必須注意到， 本發明並不受限於此一特別架構，其他提供在晶圓之局部 區域處個別控制的構件也可以被使用。 爲了提供壓力之局部控制以及晶圓上之局部材料移除 速率，感應器位置使用習知構件而被監視於步驟1 1〇。 反射率訊號被量測且紀錄於步驟1 1 2。在步驟1 1 4， 訊號量測被分離於各個區域。每一區域的反射率訊號接著 被處理於步驟1 1 6 a至1 1 6 d。如上所述，訊號之處 理可以用不同的方式進行。舉例而言，反射率訊號可以被 -26 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 491753 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（24 ) 比較至一臨界値或是壓力分佈。根據訊號處理步驟 1 1 6 a至1 1 6 d的輸出，可以決定任一局部區域內的 壓力是否需要調整。每一區域之這個決定係進行於步驟 116a至116d (本具體實施例採用四個區域）中’ 而且當該決定爲正面的時，該壓力被減低於步驟1 2 0 a 至1 2 0 d中。 圖1 3顯示本發明，尤其是更詳細的製程步驟。該方 法開始於步驟1 3 0，而在步驟1 3 2進行晶圓拋光。在 拋光製程中，晶圓之不同區域內的反射率被量測於步驟 1 3 4中。當資料被收集於步驟1 3 6時，反射率資料量 測根據感應器的位置被分離或分組成區域。被分組之資料 接著被個別處理。在一範例中，於步驟1 3 8時，被分組 之資料被處理以計算出每一區域的平均反射率，該資料在 步驟1 4 0被儲存，而在步驟1 4 2獲得濾波之平均値。 相同的反射率資料也被處理以計算每一區域內的標準差於 步驟1 4 4，並且在步驟1 4 6獲得濾波之平均値。該標 準差被儲存於步驟1 4 8。從步驟1 4 2與1 4 6中所獲 得之移動平均値在步驟1 5 0被拿來與先前的期望値或臨 界値相比較。如果該數値在任一或所有區域內沒有不同， 拋光製程繼續進行而不需要調整。如果該數値在任一或所 有區域內有所不同，區域內之壓力在步驟1 5 2被分別調 整。當所有的區域具有代表終點（與先前的期望値或臨界 値相較）的反射率資料時，拋光製程便終止。 在本發明之另一方面，晶圓的表面條件被決定，且特 (請先閱讀背面之注意事' ,0 項再填. 裝-- :寫本頁) 訂 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21 Οχ297公釐） -27- 491753 A7 B7 五、發明説明（25 別在說明之具體實施例中，覆蓋或圖案化之銅晶圓的表面 條件被評估。 如圖1 4與圖1 5之由於週期波動表面所造成的光散 射已經由許多硏究者（Rayleigh， 1 907; Eckart， 1 933; Beckmann and Spizzichino, 19 63; Uretsky, 1 965; Desanto, 1 97 5 and 1981 )所硏究。爲了更進一步了解圖案樣式對於 由於散射之表面反射率的影響，在此回顧重要的公式與其 解。考慮由一週期表面S所散射的平面波問題，其中z二 Λ Γ X ；，如方程式（1 )所示。令與代表入射與 散射場。假設爲單位強度的入射光（電）場可以被表示 成： E1 =exp[i{kisinO!x-ki cos91 z) -ico t] (1) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其中火i爲入射光波的波數（wave number，i = 2疋 / A )，夕2爲入射角，以爲角頻率二2疋/)，而且 ί爲時間。如果只考慮固定時間之散射場，可以爲了簡化 而省略exp 。在表面上方任一觀察點Ρ的散 射場五2可以藉由Holmholtz積分而被表示成（Beckmann， 1963 ) Απ1 (dy/ dEΕττψτι ds (2) -28- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 491753 Α7 Β7 五、發明説明（26 ) 以及 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Ψ = exp{ik2r)/r (3) 其中r係爲給定之觀察點户與表面上任一點，Λ 6 x ))之間的距離，火2爲散射波的波數（允2 7二 2 π //?)。尸點被假設於Fraunhofer區，即r —，以強調 平面散射波而不是球面波。爲了要解出方程式（2 )中的 散射場互s，總場E與其在邊界表面的正向導數泥7洳必須 可被確定，其大致可以表示成（根據Kirchhoff方法）
Es={l + y)Ei (4) 以及 f dE λ ^ dh(x) ~ =( 7-/)^/(ki · n)= {l-y)Ei{kisindi—： —-kicosO ι) (5) \on Js ox 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其中r爲平坦表面之反射係數，而且n爲正交於表面 的單位向量。反射係數Γ不僅決定於局部入射角與表面材 料的電特性，也決定於入射波的偏極化。爲了簡化，對於 以下的分析，假設表面是良導體，即對於水平偏極化（電 向量垂直於入射平面）而言，Γ = 一 1。 方程式（2 )可以在特定之週期表面上被積分，該週 期表面可以如下所示： -29- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） 491753 A7 B7 五、發明説明（27 h(x) - (Ah) cos(2^r / Λ) (6) 其中Μ係爲步階高度之一半而且Ζ爲其週期。散射場 將會沿著X方向跟隨相同的週期Ζ，其藉由計算一週期內 的積分來簡化方程式（2 )內的積分項。此外，問題的週 期性暗示散射場可以被寫成代表不同模態之平面波的傅利 葉級數的疊加，其中每一模態夕之反射（散射）角具有 以下關係 sin〇2m=sinQi+mA/A (722 = 0，±1，±2... (7) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 零模態代表鏡面反射條件，其中夕2 2，而且對於 較大的/72値而言，散射平面波的方向將遠離鏡面角。在遠 場之每一模態夕2 π的主要方向之散射場的解可以藉由將方 程式（3 )至（7)代入方程式（2)並且對表面（一 1 )進行積分而獲得。反射係數；r可以寫成覆蓋層 之光學特性與局部入射角的函數，以計算該積分。其結果 可以藉由鏡平面之反射場而被正規化（normalized) ’ 其定義散射係數θ(=万而且可以被寫成（ Beckmann, 1963 ) φ{θι,θ2) = ^θλ 或告念(”)+ Q⑻（8) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） -30- 491753 A7 B7 五、發明説明（28 ) 其中 / 爲 Bessel 方程式，$ 二 (si/2 夕 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 + s 1 η 0 2 )，而且/7」爲比値L τΐ之餘數部分。方 程式（8 )只代表每一模態之主要散射角。對於角度^ 2之 所有方向而言，其結果可以表爲 φ{ΘΜ^ _i^Lsec. l + c〇s(^^^ry ω + ^J^o,sinhrJ + C2(Wi) (9) 2nsm ρπ 1 cos cos/92 [ ^ 〇 」 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其中 p = (Z/2) ^sin0i~sin02) ， s =2 ^ Δ h λ ( s i η Θ i + s ι n ^ 2 ) ’而且 /?爲比 値Z/yl之整數部分。在遠場（Fraunhofer區，即r —).， 只有一模態的散射平面波可以被觀察於給定P (依Θ 2之方 向），如方程式（1 )所示。如方程式（1 )所示之近場 或F r e s n e 1區域，在P處的總散射場，由f 2 〃所正規化者， 可藉由疊加所有從鄰近週期表面所獲得之散射模態而決定 。每一模態之大小與方向，由方程式（8 )與（9 )所給 定者，每一模態之間的相位差必須被考慮，以計算總散射 場。實用上，總散射場的計算可能十分複雜，而且對於靠 近量測表面之感應器必須數字地計算。擴散散射發生於 Ζΐ Λ / 2比値隨著Z增加時（Brekhovskikh，1 952 )。光線 將從鏡面反射的方向被散射開，亦即光被反射進入更高散 射模態（較大瓜）的方向，而且將不被感應器所接收。因 此，正比於反射場的強度平方之表面反射率隨著步階高度 /1 Λ而降低，其中步階高度d Λ相當於或大於入射光的波 長。相反地，當表面被偏極化，即d 〇，表面反射率 -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 491753 A7 B7 五、發明説明（29 ) 將會接近鏡表面。此外，根據能量守恆定律，整體散射係 數#應該永遠等於或小於1。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 必須注意到，散射場之可能的模態數= s i η夕n必須小於1的條件所限制。如果2 π/允L (或 2 Ζ )接近於1，即波長近似於圖案的波形，將只有一 個模態而且該表面將不論其表面粗糙度而鏡面反射。對於 目前之設計所使用的次微米銅圖案而言，在製程終點開始 處藉由具有相當或較大之波長的光源所進行的反射率量測 將僅有指出銅面積分率。由於過度拋光與下凹所造成的少 量表面樣式將不會嚴重地影響反射率。如方程式（2 )所 示，在製程終點開始處，正比於反射係數平方的表面反射 率i?可以被寫成 R=AfRca+{ 1 -Af)R〇xidc (10) 其中Z /係爲銅互連的面積分率，而且及。，與 π , X, 〃 e分別爲鏡面反射中的銅與T E〇S之反射率。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 感應器在旋轉之晶圓表面上的軌跡可以藉由感應器對 晶圓與感應器之初始位置的相對速度而被決定，如方程式 (3 )所示。旋轉之晶圓表面上的感應器之相對速度可以 藉由以下兩個步驟而獲得：求得感應器對固定於晶圓中心 之靜止ZF座標的相對速度，接著針對晶圓旋轉進行座 標轉換。在ZF座標內的感應器之速度分量F /，$與 Γ r , s與晶圓之速度分量F a'，s與F r，，，可以被表示成如圖 -32- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 491753 A7 B7 五、發明説明（3〇 ) 2所示： vx,s = -rsU)Psin((j〇pt+θ〇) - rcc νγ,5-Γ$ωΡ〇〇^{ωΡί+θ〇) (11a) (lib) 以及 PO=-msin0 vr, w{rscosQ-+rcc) (12a) (12b) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其中r ,爲從平台中心到感應器的補償距離，^。，爲 晶圓中心到平台之間的補償距離，似π與心P爲晶圓與平台 的角速度，以及β爲感應器對於I座標之角度。‘除了晶圓 旋轉之外，在實際上，晶圓可能以速度q移動至平台中心 ，即所謂的掃動（sweeping )，以使用整個墊表面。爲了簡 化’假設掃動係沿著座標而進行。因此在ZF座標內 的感應器對晶圓相對速度的分量！, Λ與r r , Λ可以被表 示成： vx.r- vx,s- νχ^^.Γ5ωΡ^\η{ωΡί+θ〇)- rcc^ /5〇;^sin0 =-Γ5{ωΡ^ω^)^ιη{ωΡί+θ〇)· rcc (13a) 以及
Kr5_hW5a^C〇s (⑴•仏 p-co w)〇〇^{u Ρί+θ〇)^ω wrc〇 (13b)
* L -33- 491753 A7 B7 五、發明説明（31 ) 這些速度分量也可以用旋轉座標系統（ΤΓ，7 )來表 不’其原點落在晶圓的中心而且以相同於晶圓的角速度^ &轉。旋轉座標上的速度分量Γχ,/?與Fy , λ可以由以下 座標轉換矩陣
，x,R;y,R cos〜i sin 一 sincowi cos
yX,R VY,R (14) 而被寫成 + C0S6(J“（15a) Vy r ^ Ts{ CU p - CO c 0 S { { CO p ~ CO t -f- Θ o) fc c Cl) w t~l· Vcc SlXiOJ w t (15b) 因此，晶圓上之感應器對於旋轉座標X，7的位移可 以藉由積分方程式（1 5 a )與（1 5 b )中的速度而得 到。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂
Jm 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 X = fVJC，i^ -rs(ωρ -)J-ω^ + θ0]dt + ωΜ；\rcc sinω^άχ cos ω^άί y = \vy,R^ (16a) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X：297公釐） -34- 491753 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（32 ) -^ )J p + ]dt + J rcc cos cowtdt+ irccsin〇)wtdt (16b) 爲了解方程式（1 6 a )與（1 6 b )，以獲得晶圓 表面之感應器在一給定時間的位置，必須使用一初始條件 。假設感應器一開始被置於晶圓邊緣，其對於固定之X座 標的初始角度爲^ 〃。爲了簡化，也假設在拋光時沒有掃動 ，亦即，L = 0。實際上，如果掃動速度遠小於晶圓相對 於拋光墊之線性速度，在感應器軌道橫越晶圓的掃動效應 可以被忽略。藉由這些假設，晶圓上的感應器位置可以被 表示成： x^fsCos^icOp-cOw^) t~/~0 〇^) ^fcccosco^t (17a) y=/^sin((c<j；7-6u 妒）/··/·θί?) + /*£：ί8ί·Γΐ6υΗ^ (17b) 只要z 2 + 7 2 < r # (其中r π是晶圓半徑）的條件被 滿足，感應器就會在晶圓/墊接觸介面內側。由於晶圓在 拋光時面對平台，方程式（1 6 )與（1 7 )所給定的感 應器軌跡可從晶圓背面觀察到。正表面的軌跡係針對7軸 而對秤於方程式（1 6 )與（1 7 )之結果。 當晶圓與平台之角速度相同時，即= ，方程式 (1 7 a )與（1 7 b )可以更進一步被簡化，而且感應 器之軌跡係爲一具有半徑爲r。<：且相對於旋轉Z7座標 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210>< 297公釐） -35- 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（33 ) 而以（r s c 〇 s夕0，r s s i η夕0 )爲中心的弧線。 (mcos〜)2 + (y-rssin〜)2= 4 (18) 當晶圓與平台之角速度相同時，感應器從晶圓邊緣的 點進入晶圓/墊接觸介面，而且永遠在晶圓表面產生相同 的軌跡，如圖1 7所示。實際上，晶圓的角速度必須略爲 偏移平台的角速度，使得感應器可以以不同的半徑方向掃 描過整個晶圓表面。圖18顯示在0w=l · 〇5ωΡ與 r s> r。。的條件下，反射感應器在晶圓上的模擬軌跡， 其中二十條相同的軌跡在沒有晶圓滑動發生的情形下分別 從晶圓邊緣之二十個等距的點開始並且重複。如圖所示， 取樣密度將遠局於晶圓中心，但低於邊緣，而較多的晶粒 係置於邊緣。邊緣較低取樣密度的晶粒可能導致對於整體 表面形況的偏頗推論。如何在表面區域上設計感應器軌跡 以取樣足夠資料將在下文中詳細探討。 在拋光中的晶圓之表面條件可以從即時反射率資料中 萃取。被使用來推論晶圓表面的統計包括最大與最小反射 値、範圍、平均値、變異數、反射率資料的分佈形狀等。 三個等級，包括晶圓等級、晶粒等級、元件等級或次晶粒 等級，之資訊可以從資料庫中獲得。感應器的尺寸被選擇 使其相當於或小於次晶粒面積，但仍大於互連的尺寸。因 此，個別的量測代表晶圓上之個別元件或圖案區域的反射 率，從中可以推論表面樣式與銅面積分率。然而，實際上 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -36- 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ________ B7五、發明説明（34 ) ，要映射量測結果到特定元件或圖案之確實位置十分困難 ，因爲承載器內的晶圓滑動。個別的資料只能夠被映射至 一大略定義區域內的表面。類似地，晶粒等級的資訊也可 以根據對應於軌跡上的晶粒位置之特定區塊的取樣而獲得 。然而，其僅可以大略地表示晶粒區域附近內的表面條件 。幸好，在到晶圓中心之相同軌跡上的晶粒之拋光結果通 常呈現類似的趨勢。因此，從相同軌跡之鄰近晶粒所獲得 的資料有時候可以被結合，以增加一特定半徑處之晶粒的 取樣尺寸，以說明材料移除在半徑方向上之空間相關性。 此外，晶圓等級的資訊可以從對晶圓之單一掃描或多 重掃描中獲得。在實際的終點偵測中，較佳者係於多重軌 跡中選取足夠的樣本，使得一特定區域或整個晶圓表面之 表面條件可以從結合之資料中獲得。使用的軌跡越多，樣 本的平均度越高，而且在表面上所選取之樣本的尺寸越大 。因此，較高階的推論可被獲得。唯一的考量在於表面條 件可能在多重掃描的長取樣週期中顯著改變。如此會影響 推論的可靠度並且將會延遲判斷以及回授控制。爲了要消 除此項缺點，移動平均法被使用來估算表面之平均反射率 。平台每旋轉一週，感應器就掃過整個晶圓表面一次。假 設反射率Z :· y•係取樣於沿著第i個時間週期的軌跡之第j 個點，每個時間週期等於平台旋轉一週的時間。如果沿著 每一軌跡總共選取η點，在第i週期沿著該軌跡之平均反 射率七可以表示爲： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -37- 491753 A 7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（35 ) Xi = Σ xij (19) n J=1 假設覆蓋整個晶圓表面或一部份面積之軌跡的數目爲 W，在第i週期的取樣反射率之移動平均値被定義爲： Mi:」———-(20) w 換言之，在第i個時間週期’從最新一*次掃描與之前 第（^ - i )個掃描中所觀察到的結果被使用來估算整個 晶圓或部分表面的平均反射率。因此，從反射率量測所推 論出來的表面條件可以被每次掃描後更新。舉例而言，在 ω w = Γ . 〇 5 ω P的條件下，大約1 0次掃描可使得感應 器涵蓋整個晶圓。如果平台的轉速爲7 5 r p m，大約需 要8秒來完成整個表面的掃描，其中軌跡相對於晶圓旋轉 了 18 0° ，而且需要16秒來回轉至第一軌跡。移動平 均値可以在短時間內攫取表面反射率由於表面樣式改變以 及銅面積分率改變的改變，在本例子中小於1秒。然而， 其可能仍然無法偵測靠近終點開始時由於晶圓表面之小部 份上曝露之氧化層所造成的快速改變，在本例子中需要大 約8秒。 在另一方面，在第i時間週期之表面反射率的總變異 <可以根據使用於移動平均値之相同資料集合而加以估算 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -38- 491753 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) (21) 集合（TV二^ ^ )中的取樣總 在每一取樣點相對於整個晶圓 之反射率差，其係由移動平均 之外，沿著每一軌跡的變異、 必須被追蹤，以在障礙或氧化 率的快速改變。其可以被使用 面被過度拋光的面積百分率。 來決定拋光模式。舉例而言， kewness )可以被比較至終點時 圖案與感應器動力學而估算。 於許多的統計學課本上，其可 五、發明説明（36 ) /-w+l 7=1 — N — \ 其中TV爲在移動平均次 數目。總變異之計算係根據 或部分表面之總估算平均値 値所估算。除了（總）變異 資料範圍、其最大與最小値 層曝露時輔助辨識表面反射 以在製程結束時決定晶圓表 此外，資料分佈可以被使用 拋光時的資料分佈不對秤（s 的理論値，其係根據給定之 不對f平/3的定義可以被發現 被定義爲（Sachs，1982 ) _ 3(3c - 3c) —""""5~~ 其中j爲平均値，j爲中 集合的樣本之標準差，其可 算，其可從方程式（1 9 ) 。這些統計也可以被應用於 舉例而言，一特定半徑範圍 (22) 間値，而且S爲所選擇之資料 以從單一軌跡或多重軌跡中估 、（20)與（21)中估算 晶粒等級的表面條件估算中。 (一環狀區域）內的資料可以 -39- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 491753 A7 B7 五、發明説明（37 ) 被結合，相同的統計方法可以被使用來估算整個特定區域 的表面反射率。對於終點偵測來說，這些方法中的每一種 之效用將在下文的討論中檢視。 以下的實驗被提供僅爲了說明之目的，而不被用來作 爲本發明之限制。一種包括有發光二極體（L E D )、用 來傳送且接收光的玻璃光纖束、以及一放大器的光學感應 器單元（Phil tec D64 )被使用來根據表面反射率以偵測晶圓 表面之條件。感應器的規格被列於表1。 表1 :反射感應器的規格 項目 規格 光源 高強度LED 波長（nm) 780〜990(μ=880，σ=50) 點直徑（m m) 1.6 光束散開角（°) 30 操作距離（mm) 0〜6·35 可靠度（％) <0.1% 頻率響應（kHz) <20 rll·-----•裝一I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如圖1 9所示，LED光源的頻譜介於7 7 5 nm至 9 9 0 nm的範圍，其平均値大約爲8 8 0 nm且標準差 爲6 0 n m。在感應器頂端附件處，非平行的光線從傳輸 光纖向外發散，只有接收到與光纖束相同直徑（約1 . 6 m m )之面積內的反射光。此特定之點尺寸被選擇使其足 夠小到偵測晶圓上不同圖案（次晶粒區域）之表面條件。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -40 - 491753 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（38 ) 然而，其大於個別的線或特徵，以平坦化由於材料移除白勺 局部（次元件等級）變動所造成的微小反射率變動。@ _ 光束的發散性，感應器對頂端附件與表面之間的間隙十& 敏感。圖2 0顯示針對間隙距離之鏡面上的感應器輸出（ 反射率）特性。實際上，感應器係操作於大約5 m m的距 離，使得感應器對於在拋光時的間隙距離改變或晶圓波動 表面較爲不敏感。 感應器單元被安置於平台基底，其具有透過平台而埋 於固定器裡面的頂端附件。在堆疊於平台上之多孔聚氨酉旨 (polyurethane)拋光墊上，一由塑膠（Rodel JR111)所構 成之半透明的窗口被使用來使得感應器能夠觀察晶圓表面 。窗口的材料具有相似於拋光墊的磨損特性，使得窗口的 表面保持跟其他墊表面相同的位準，而且不會影響感應器 量測或拋光平均度。感應器被連接至電源供應器，並且透 過旋轉耦合器而被連接至一資料獲得系統。輸出訊號在耦 合之前先被放大，以增強訊號對雜訊比。此外，離線設置 備使用來量測拋光之晶圓的表面反射率。具有角度讀値之 兩個旋轉階段被使用來模擬由於晶圓承載器與平台之旋轉 運動所造成的動力學。晶圓上之感應器位置根據晶圓與感 應器手臂之旋轉角度以及兩個旋轉階段之中心之間的距離 而被決定。藉由比較從此設置所獲得的量測與從現場（“-)感應所獲得的量測，泥漿與晶圓滑動對於反射率感應 的影響可以被決定。 覆蓋與圖案化之銅晶圓被使用來進行實驗，以驗證感 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -41 - 491753 A7 ____B7五、發明説明（39 ) 應器的性能並且決定偵測方法。覆蓋銅晶圓係由矽基板上 之2 0 nm的T a N障礙層以及其上方之1 //m厚的 p v D銅覆蓋層所形成。對於圖案化之晶圓，使用一測試 之鑲嵌結構，其係由一陣列具有不同線寬與長度的線結構 所構成。該圖案之詳細疊層結構係已出現於之前的說明中 。本圖案被轉移至一個1 · 5//m厚的TEOS覆蓋層上 ，其具有被蝕刻至1 /z m深度的渠溝，且被形成於一 1 0 Omm直徑的矽基板上。一 2 0 nm的T a層之後接 著有一層1 //m厚的PVD銅層被沉積於圖案化之氧化物 表面的上方。其實驗條件被列於表2中： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 表2 :實驗條件 實驗參數 實驗條件 晶圓直徑（mm) 100 正向負載（N) 391 正向壓力（kPa) 48 旋轉速度（rpm) 75 線性速度（m/s) 0.70 持續時間（min) 1〜6 滑動距離（m) 42 〜252 泥漿流動速率（ml/min) 150 硏磨劑 a-AhCh 硏磨劑尺寸（nm) 300 pH値 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -42- 491753 A7 B7 五、發明説明（4〇 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在本部分中，覆蓋與圖案化之銅晶圓的實驗結果被檢 視，以硏究反射率感應技術的特性。量測於拋光時之平面 銅區域之反射率由於表面粗糙度、泥漿微粒、拋光中的晶 圓與感應器之間的間隙變化、以及各種來源所產生的隨機 雜訊而可能與理論値有所差異。由於這些效應所產生的表 面反射率變異根據覆蓋晶圓拋光之量測而被硏究。此外， 圖案化之晶圓的表面反射受到表面樣式的影響。離線與現 場量測被進行以硏究圖案樣式與銅面積分率對於 反射率的影響。這些結果被比較於根據對於單一波長、平 面入射波與週期表面結構的假設之光散射理論所獲得的反 射率。拋光中之整個晶圓或一部份面積之反射率特性被檢 驗，以硏究不同模式之銅c Μ P量測的關係。這些將有助 於建立（)感應與終點偵測之不同方法。 覆蓋之晶圓的測試 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 拋光中之覆蓋銅晶圓上的表面反射率之典型結果係如 圖中所示者。爲了說明泥漿與刮擦（scratching )的效果， 正規化之平均反射率被定義成橫越晶圓十趟之平均反射率 除以相同條件（相同之晶圓表面與感應器之間的間隙距離 )下之未刮擦的銅晶圓之反射率。在初始階段時，反射率 大約3 0 %小於沒有泥漿者。其乃由於泥漿微粒所造成之 光散射以及泥漿層所造成之間隙距離增加。由於感應器被 操作於其對於間隙改變較不敏感的範圍內，反射率的降低 主要是因爲微粒散射。在拋光3 0秒之後，正規化之平均 43 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 _五、發明説明（41 ) 反射率逐漸下降0 , 1至0 · 6，而且標準差從起始値上 升至大約0 . 1 5。這些結果代表表面由於硏磨而變得更 加粗糙。之後，平均反射率與標準差保持一定水平大約3 分鐘。在4分鐘後，表面反射率的變異增加而平均値沒有 改變。在此一階段對於晶圓表面的觀察顯示，小部份的銅 被淸除而且較不反射的T a N被曝露於表面上。由於大部 分的表面依然被銅所覆蓋，平均値不會明顯地下降。之後 ，平均値開始下降，而且變異量持續隨著銅的移除而增加 。値到大部分的銅被淸除，大約6分鐘，標準差持續降低 而且平均値逐漸到達較低位準。較硬的T a N障礙層可以 作爲拋光終止層，而且在所有的銅都被淸除之後，保持低 位準的表面反射率變異。在過度拋光2分鐘之後，T a N 被完全移除而且平均反射率更加下降。 圖案化之晶圓的離線量測 表面樣式對於反射率的影響係如圖1 9與圖2 0所示 。這些資料係於離線時，被觀察於圖案的中心晶粒處，其 分別具有不同線寬與定面積分率〇.5與0·01。正規 化之反射率藉由正規化每一次晶粒上藉由未拋光之覆蓋銅 晶圓上的反射率所量測之反射率而被定義。對應之步階高 度與時間的關係則如圖2 1所示。爲了延伸平坦化模式， 較工業界實際使用者爲低的壓力（2 8 k P a )與相對速 度（0 . 4 6m/ s)被施加。6分鐘之後，大部分的高 特徵（feature )被移除，而且表面在銅完全被拋光之前已 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -44- 491753 A7 B7 五、發明説明（42 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經被平坦化。對於〇 _ 5面積分率的圖案而言，初始的反 射率變異係由於步階高度的變化以及不銅次晶粒表面上的 線寬。由於對於具有線見爲2、2 5、與1 〇 〇 /zm的圖 案而言，初始步階高度十分接近（除了 0 . 5 // m的結構 之外），反射率主要係由圖案線寬所影響。線寬越小，產 生於表面的光散射越多，因而減少反射率。這點可由在低 特徵較不反射的銅表面來加以解釋，其係由於沉積製程所 產生的微構造所造成。在被拋光2分鐘之後，正規化之反 射率減少大約〇 · 1 ，而不是隨著步階高度的減小而增加 。此乃因爲表面粗糙度由於微粒硏磨而上升，並且因爲表 面反射率的整體下降。然而，0 · 5 // m線寬的區域之反 射率則因爲表面在2分鐘之前幾乎已被平坦化而增加。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在初始的下降之後，對於每一圖案而言，反射率逐漸 增加，接著由於高特徵的平坦化而終於到達一穩定値。這 個趨勢已被解釋於理論部分，其中當步階高度下降時，光 線更容易被散射於鏡面反射的方向，並且由鄰近接收光纖 所接收。如圖2 2與2 4所示，不同特徵之步階高度在拋 光5分鐘之厚小於1 0 0 nm ’而且不同特徵之正規化之 表面反射率到達一類似穩定位準，大約〇 · 8 5。這點意 謂著所使用的光感應技術對於表面樣式之小變異較不敏感 。對於具有〇 . 〇 1面積分率的圖案而言，由於表面粗糙 度增加，其反射率下降至大約0 · 1，並且接著維持在 〇_ 9的位準，直到表面被平坦化。由於面積分率很小’ 表面反射率受到圖案樣式的影響並不顯著，而且量測結果 -45 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 491753 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（43) 類似於覆蓋銅晶圓者。 圖2 2與2 3顯示不同圖案之表面反射率的趨勢’其 分別具有〇.5與0·01面積分率’且在不同的製程模 式一平坦化、拋光與過度拋光。圖2 4與2 5分別繪示下 凹深度與時間的關係。所施加的壓力與速度近似於工業界 所實際使用的48kPa與0 _ 79m/s。在1分鐘的 拋光之後，大部分的圖案之表面樣式被平坦化，而且正規 化反射率到達一類似位準0 · 9。在1與3分鐘之間，平 面銅層如同覆蓋銅晶圓者被移除，而且正規化反射率停留 在〇 . 9 ，而與原本的圖案樣式無關。在3分鐘之後，反 射率明顯地降落，因爲銅層已被完全拋光而且較不反射的 下方氧化層部分出現於表面上。由於平坦化速率與圖案樣 式無關，具有較高面積分率的次晶粒區域可以較快完全拋 光。在圖22與23中，具有較高面積分率0·5的次晶 粒區域首先被完全拋光，而且其T a障礙層在大約2分鐘 之後曝露出來。同時，當T a開始曝露時，反射率開始下 降至大約0 . 8，接著當氧化物表面在第3分鐘時曝露出 來時，反射率更進一步降至〇 . 5。然而，所有的測試圖 案在2到3分鐘之間到達氧化物曝露的起點。 在氧化物曝露的起點之後，反射率保持下降直到所有 多餘的銅與障礙（T a )材料被移除（即製程終點），大 約在拋光4分鐘之後。在終點之後，反射率保持不變，不 論樣式由於軟銅線向下凹陷而略爲增加以及鄰近氧化層區 域的過度拋光。這點又與稍早的結果一致，所使用的感應 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -46- 491753 ^ 五、發明説明（44 ) (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 技術對於步階高度之小變異並不敏感。因此，在此模式中 的反射率變化主要是由於銅互連之不同面積分率。具有較 高面積分率的區域通常較能反射。然而，對於所有圖案而 言，實驗値較低於理論所預期之反射率，特別是具有高面 積分率者。理論預期（正規化之）反射率對於面積分率爲 0·5與0.01者分別爲0.62與0.24，其中 0 · 2 3的i? r u s /及c ,比値根據覆蓋薄膜的實驗量測 而被預期。實際上，透過氧化層而傳送並且從下方S i基 板反射的光可能被銅線所阻擋，其會減少從氧化物表面反 射上來的光密度，並且降低次晶粒之整體反射率。此外， 刮擦與不反射的銅氧化物（由於腐蝕）被發現於銅線表面 ，其亦可能導致表面反射率的降低，特別是對於具有銅面 積分率的圖案。 沿著感應器軌跡的離線量測 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 沿著不同感應器軌跡的離線量測係以平均値與標準差 的方式繪示於圖2 6中。所使用的晶圓係爲顯示於先前部 分者，並且在正常條件下被拋光了 4分鐘，其中大部分的 晶粒已被拋光至終點，而且有些已經略爲過度拋光。在ω w =ω ρ與r s = r。。的條件下，所使用的軌跡跟隨感應器軌 跡，其中感應器沿著半徑爲r。。的弧線來回經過晶圓。橫 跨不同半徑方向的軌跡被使用來說明不同軌跡在圖案化之 晶圓上的表面反射率之統計上的效應。吾人發現，晶圓上 之反射率平均値與變異數隨著軌跡的方向而改變。相較於 -47- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 ___五、發明説明（45 ) 中心晶粒之平均反射率0 · 2 5 ，在所選擇的軌跡中，平 均値從0 · 2 4變化至0 · 2 6。相較於中心晶粒之標準 差1 · 8，在所選擇的軌跡中，標準差則在1與1 . 2的 範圍內變化。平均値與標準差的變化主要是由於非軸對秤 圖案與晶圓內不均勻拋光所導致的不同感應器軌跡。這點 並非不尋常，晶圓內的不均勻拋光通常會呈現軸對秤，例 如「牛眼效應」（Stine，1997)。因此，由於晶圓等級之不 均勻度所造成的軌跡之間的反射率變異可能相當於圖案所 導致者。 圖2 7顯示在不同拋光階段之中心晶粒與整個晶圓表 面的離線量測（平均値與標準差）比較。藉由從若干軌跡 組合資料，不同軌跡的效應被最小化’舉例而言，本例子 中係根據五條不同軌跡。晶圓內不均勻拋光對於表面反射 率之變異的效應可以藉由比較這兩組資料的差異而被決定 。在拋光之前，整個晶圓之平均反射率高於中心晶粒，因 爲銅Ρ V D製程的非均勻覆蓋。圖案的步階高度在邊緣處 較小，因此邊緣晶粒的平均反射率將高於中心晶粒。因此 ，整體平均反射率小於中心晶粒。類似地’邊緣晶粒之標 準差通常比較小，因爲由於不均勻的銅沉積使得渠溝較淺 。在拋光一段短時間之後，整體平均値變小於中心晶粒的 平均反射率。這是因爲邊緣處的拋光速率快於中心，而且 較不反射的障礙及/或氧化層被曝露於晶圓邊緣。整個晶 圓之反射率的標準差也隨著表面不均勻度的增加而大於中 心者。更多障礙與氧化層被曝露，而且隨著時間的增加從 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） .48 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（46 ) 邊緣進展到中心。隨著晶圓等級之不均勻度增加，兩平均 値之間的差異以及標準差持續增加。直到大部分的晶粒到 達終點，整個晶圓以及中心之平均表面反射率回到相同位 準，因爲硬氧化層保持表面均勻度，即使略有過度拋光與 些許下凹的現象，也不會明顯影響反射率。拋光4分鐘的 樣本之中心晶粒的反射率變異由於保留微小的銅/障礙材 料而變大。實際上，反射率之整體平均値與變異數可以與 不同表面區域（晶粒等級區域）之平均値與變異數比較， 以決定製程終點。 圖案化之晶圓的現場量測 圖案化之銅晶圓的現場量測之範例係如圖2 8中所示 .。y軸代表正規化表面反射率的初始資料，其被定義爲所 量測的反射率除以拋光前的覆蓋銅晶圓之反射率。在賓驗 中，晶圓的角速度與平台之角速度偏移了 5% (ωw = 1 . 0 5 ω p )，使得該軌跡涵蓋晶圓表面。十次掃描的反 射率之移動平均値與標準差之現場（以）量測之結果如 圖2 9所示。與離線裝置相較，拋光中之所量測的反射率 變低了，係由於泥漿所造成的光散射。其在平坦化模式中 大約下降2 0 %至2 5 %，但在過度拋光模式中’下降比 較不明顯。在拋光之後，由於表面粗糙化而使得平均値略 有下降。接著開始上升直到大約表面已經平坦1分鐘後’ 其到達一定値位準，如稍早所述者。2分鐘之後’由於表 面上的銅曝露出來，平均値再次下降。由於銅受到初始圖 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） _ 49 _ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 491753 A7 _____B7 五、發明説明（47 ) (請先閱讀背面之注意事項存填寫本買) 案與覆蓋層厚度變化的影響而被不均勻地移除，下方的氧 化層被漸漸地曝露在表面上，而且相較於一特定晶粒上的 資料，如先前範例中的中心晶粒，平均値較不明顯地下降 。晶圓等級終點的開始大約在本實驗的4分鐘，而在終點 之後，隨著過度拋光與下凹所造成的表面粗糙化，平均値 保持上升，但其速率較低。由於泥漿的效應與缺乏終點指 示的明確記號，平均値只可以用來作爲製程終點開始的粗 略指標。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 超過十次掃描之移動取樣集合的標準差被繪示於圖 3 0中。由於反射率的變異大多是由於圖案樣式與銅面積 分率，其分佈通常不是正規的（normal )。正規化的反射率 分佈與相對頻率的關係被繪示於圖3 1 A至3 1 F中，其 中從離線量測所獲得之反射率分佈也被以虛線顯示。在標 準差中有兩個峰値。第一個峰値出現於對應在銅平坦化模 式中最小平均反射率之製程開始時，其係由於初始表面樣 式與表面粗糙化。分佈之初始形狀保持相同於離線量測的 結果，其代表晶圓之初始表面樣式。當大部分的圖案被平 坦化且平均値到達最大値時，平坦化模式之標準差到達最 小値。在此階段的的表面條件類似於覆蓋之晶圓。表面反 射率之變異受到表面粗糙度、泥漿散射、與量測之隨機誤 差所影響，因此呈現正規之分佈，如圖3 1 B與3 1 C所 示。最大反射率變異出現於銅淸除模式中間，在本例子中 大約拋光3分鐘。在圖3 1 D中，觀察到具有兩個峰値的 寬廣分佈。以較低値爲中心之表面反射率的次組代表次晶 -50- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 29<7公釐） 491753 A7 B7 五、發明説明（48 ) C请先閱讀背面之注意事項存填寫本買〕 粒區域，其上方的氧化層被曝露出來。具有接近粗糙覆蓋 之晶圓的平均値之其他次組代表高反射率之銅及/或T a 障礙層仍然部分地覆蓋表面。在最大値之後，隨著氧化物 曝光面積的增加，標準差迅速下降。在終點開始時’標準 差到達一尖銳的轉折點並且接著保持在一低位準。如先前 離線量測中所觀察到的，當高反射率的銅被淸除時’表面 反射率之變異到達一最小値。然而，由於感應器的解析度 受到點尺寸的限制，無法有效地偵測表面上小線寬的金屬 。實際上，短時間的過度拋光可以被使用，以確保銅/障 礙層被移除。在終點之後，標準差由所設計的圖案（局部 銅面積分率）所決定，其影響分佈之不對秤（skewness)。 因此，對於由於過度拋光與下凹所產生表面樣式之小變動 ，表面反射率之變異不會有顯著的改變。 軌跡設計與取樣計劃 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 取樣方式取決於感應器軌跡與取樣頻率的設計，以達 到有效的計劃並且對於下方的表面反射率分佈提供可靠的 資訊。在晶粒等級中，許多軌跡必須選取於有關的晶粒上 ’以偵測由於非均勻樣式、銅面積分率以及非對秤設計所 導致的反射率變異。根據動力學，感應器軌跡係由參數ω w 、ω p、r s、與r。。所決定。對於某些條件來說，例如 ωπ=1 · 〇5ωΡ與rs=rcc的條件下之圖5所示的範 例。感應器可以以多重軌跡涵蓋中心晶粒，但僅通過邊緣 晶粒一次或甚至零次。改善邊緣晶粒之取樣密度之一方法 -51 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210X297公釐） 491753 A7 _B7 五、發明説明（49 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 係爲藉由降低ω w與ω p之間的差異以增加晶圓上軌跡的數 目。然而，這會增加掃描晶圓表面一圈所需要的時間，因 而延遲局部區域之反射率快速改變的偵測。晶圓滑動，在 凹處的旋轉或平移，也將會加深控制速度差異於小範圍內 的困難。實際上，晶圓與平台速度的微小差異大約爲3 % 至 5 %。。 在另一方面，晶圓中心與平台之間的距離r s可以在拋 光過程中改變。這種掃動（sweeping )可以幫助涵蓋將原表 面之所欲區域。圖3 2顯示= 1 . 〇 5ωΡ與r !·= 1 . 2 5 r。。且rcc = 0的範例，其中僅有外部區域被取樣 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 。相較於圖1 8之中心處的高取樣密度，該取樣密度更高 而且在邊緣很平均。實際上，整個晶圓可以首先被掃描， 以大略地決定整體的表面條件，接著在一特定半徑的區域 可以被以較高取樣密度的方式取樣，以獲得更佳的局部區 域條件。此外，二或多個感應器可被安裝於相同平台之不 同半徑.r s與不同角度（相位）上。結合之軌跡將對於中心 與邊緣區域造成更高密度與更平均的取樣密度。對於設計 取樣計劃之另一重要的參數爲取樣頻率。爲了要偵測不同 次晶粒與不同晶粒之間的反射率變異，至少一組資料必多頁 沿著感應器軌跡從每一次晶粒中取出。較佳者，在每-目 案上具有一或多個複製品，以降低由於量測之隨機變異所 產生的錯誤。對於所使用之1 0 0 m m圖案化之晶圓來說 ，沿著一軌跡大約有4 0個次晶粒（沿著一軌跡有1 〇個 晶粒，每個晶粒有4個次晶粒）。每一次晶粒區域至少有 -52- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 491753 五、發明説明（50 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一複製品’測試中總共需要大約1 〇 〇點，其在 6 0 r p m的晶圓旋轉速率時對應至丄〇 〇 η z的取樣速 率。然而，如果資料獲得系統可以提供較高的取樣速率， 取樣尺寸可以更大，而且可以選取更多複製品，以平坦化 隨機錯誤的效果。 表面反射率的變異分量 經濟部智慧財產局員工消費合作社印^ 圖案化之晶圓的表面反射率隨著表面粗糙度、圖案樣 式、面積分率以及覆蓋物質的光學性質而改變。由於晶圓 內的不均勻材料移除，拋光中的銅之表面樣式與剩餘比率 可能隨著晶圓上的不同晶粒而改變。晶圓內的不均勻拋光 通常來自於某些系統性的來源，如非均勻速度分佈、壓力 分佈、介面溫度分佈、泥漿流動以及接觸條件（Stine, 1998 )。其對於拋光的效果通常跟隨著系統性的圖案，並且傾 向重複於同一批的晶圓之間。在另一方面，晶圓等級的不 均勻度影響了具有類似趨勢之相同晶粒上的圖案。同一晶 粒上的不同圖案之間的相對材料移除速率將對於不同位置 之其他晶粒保持類似，因爲影響晶圓等級不均句度的因素 將與晶粒或元件等級的拋光行爲具有較少的互動。舉例來 說，晶粒等級的拋光通常受到圖案樣式如線寬與面積分率 所影響。因此，同一晶粒上的反射率量測的變異傾向跟隨 相同的分佈，並且被套疊（nested)在晶粒內。根據這樣的 假設，遂使用一種二等級套疊變異結構（two-level nesting variance structure)，以分解晶圓內與晶粒等級之非均句拋 -53- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210><297公釐） 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 __^_B7__五、發明説明（51 ) 光的效應。假設在每一等級的變異爲正規分佈，在晶圓上 第i個晶粒之j位置的反射率及：/可以表示成 Ru=lJ + Wi+Dja) (23) 其中A爲從多重軌跡之一晶圓內的平均反射率，爲 晶粒對晶粒（晶圓內）對於第i晶粒的效應，以及P m 爲在第i晶粒的j位置之晶粒內效應。總變異以及表面反 射率之晶圓內與晶粒內變異分別爲σ$，σ^，σ^。此外，晶粒 內效應β ;被假設成正規而且二等級變異分量被假設彼 此互相獨立。因此，反射率的總變異可以被寫成σ\ = σ]ν + σ〇 (24) 針對現場量測之資料的估算之變異分量與5?)之分解 結果，係如圖3 3所示。對於每3 0秒之每一分量的値與 厂比値，定義成/ ，被列於表3，以檢視表面反射率 之變異之晶圓內非均勻度的重要性。此外，對於相同半徑 位置上的所有晶粒而言，拋光結果被假設成彼此類似，而 且被結合成次集合以估算晶粒等級的變異。在拋光之前的 晶圓上之高F比値意謂著在不同半徑位置上的晶粒內平均 値是不同的，而且晶粒之間之平均差的機率P r Γ F )( 其意謂著晶圓內不均勻度的存在）大約爲〇 . 6 。此乃由 於從沉積製程所產生的初始步階高度變異。在拋光開始之 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -54- 491753 A7 B7 五、發明説明（52 ) 後，晶圓內不均勻度減少，而且相對於總變異保持在一低 位準。晶粒之間存在有平均差，這個假說之信心水準小於 2 0%。如此意謂著表面已藉由拋光而平坦化（或者整個 晶圓的樣式變得比較均勻）。在到達晶圓等級的終點之後 ，晶圓內變異與F比値掉到非常低的位準，{ P r ( f ) 〜0)。這是因爲下方的氧化物表面比銅還要硬，而且可 以保持表面平坦度以及晶圓等級的拋光均勻度。在另一方 面，在整個製程，中晶粒內效應明顯地貢獻至表面反射率 之總變異。製程終點可以根據由於銅面積分率劇烈改變所 導致的晶粒內變異分量而被決定。實際上，總變異可以被 使用來近似晶粒內變異，以決定製程終點。晶圓內不均句 度的微小效應不會影響偵測的準確度。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -55- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2!0X297公釐） 491753 A7 _________B7 五、發明説明（53 ) 率之二等級套疊變異模型的變異分析 時間 (分鐘） 晶圓內變異 晶粒內變異Si) f比値 iSV/Si) Pr(F) 0 15.94χιη*4 1.64X10'3 0.965 0.59 0.5 3.89 2.62 0.149 0.07 1.0 2.62 1.5 8 0.166 0.08 1.5 3.88 1.54 0.252 0.14 2.0 7.49 2,51 0.299 0.17 2.5 9.30 8.45 0.110 0.05 3.0 9.22 18.11 0.051 0.02 3.5 7.24 13.67 0.053 0.02 4.0 1.39 3.08 0.045 0.01 4.5 0.15 1.01 0.015 〜0 5.0 0.01 1.04 0.001 〜0 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此外，必須注意到，晶圓內變異只是表面非均勻反射 率的一種指標。其並沒有直接相關於剩餘銅厚度的均勻度 。然而，其直接代表表面條件的均勻度。此項資訊可以被 使用來監視整個晶圓的表面條件與均勻度。其也可以被使 用於回授控制迴路，以調整製程參數，諸如晶圓承載器與 平台的壓力分佈與速度，以改善拋光均勻度。 端點偵測規則 在之前的章節中，我們以移動平均値、分佈、整個晶 -56- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210X297公釐〉 491753 A7 __B7_ 五、發明説明（54 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圓之反射率變異討論了終點處之表面反射率的特性以及銅 拋光之其他階段。這些特性可以被使用來設計終點偵測規 則。移動平均値可以被使用來偵測表面反射率下降至低於 一特定之臨界値的時刻，如圖2 9所示。臨界値係藉由銅 的平均面積分率以及針對所使用之波長的表面材料之光學 特性而被決定。由於泥漿散射之隨機效應、表面粗糙度、 與隨機錯誤，臨界値通常從先前討論的理論平均反射率偏 移，並且必須根據從一些初步的測試中所作的觀察來加以 決定。此外，針對「真正的」晶圓等級的終點之取樣反射 率將成爲與初始覆蓋層均勻度之變異、製程參數之變異以 及從取樣與感應所產生的隨機錯誤有關之統計分佈。因此 ，假說測試必須被進行，以確保移動平均値Μ針對可接受 .之信心水準而落入一給定之區間中。由於表面反射率之真 正的變異仍爲未知，對於取樣標準差S (Montgomery，1996 )，1 0 0 ( 1 — α )的信心區間係藉由適當的學生ί取 樣分佈而被決定。 ( S Λ ( s 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Μ - tαΙΊ,ΝΛ · ^ + ^a/2,N-l * ( 2 5 ) 圖3 4顯示表面反射率對時間之移動平均結果，其具 有信心水準爲9 9 _ 5 %的估算區間（α = 〇 · 〇 〇 5 ) 。由於樣本尺寸Ν非常大，估算之真正的平均値被侷限於 小的區間內。此外，臨界値也可以從歷史資料而具有其下 方的分佈。從重疊兩個信心區間來決定終點有時候會顯得 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（公釐） 491753 A7 B7 五、發明説明（55 ) 含糊不淸。臨界値也隨著不同的晶片設計 於每次改變或新的晶片設計發展出一套新 可能也會十分耗時。 相較於移動平均値，表面反射率變異 供一個更爲強而有力的工具來偵測終點。 始時顯示一個明顯的改變，如圖3 0所示 據變異曲線的斜率與臨界値位準而被決定 物之間的高反射率差，變異隨著時間的改 片設計的終點之前，通常會十分劇烈。在 變異也會保持在一低位準，因爲具有高選 保持其表面均勻度。類似地，變異可以從 心區間的量測中被估算。在不知道表面反 異^ 2的情況下，具有信心水準爲1 0 0 ( 區間根據Chi-square(x2)分佈而被決定。 而有所變化。對 白勺終點偵測方式 (或標 該變異 。該終 。由於 變在對 終點之 擇性的 根據~* 射率之 1 — a 準差）提 在終點開 點可以根 銅與氧化 於任何晶 後的表面 氧化物將 所欲之信 真正的變 )的變異 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) (N - \)S2 Xa!2,N-\ Χ\-αΙ2.Ν-\ (26) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其顯示估算之變異在一短過度拋光時間內不會明顯地 改變。對於一給定之圖案設計，變異的臨界値也將保持在 一定値。因此，相較於從平均値（移動平均値），根據變 異資訊，終點更容易被決定。實際上，標準差對平均反射 率的比値可以被使用來結合終點偵測之反射率的平均値與 變異之特性，如圖3 5所示。終點被表示成局部最小値而 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -58- 491753 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _B7__五、發明説明（56 ) 且可以不需要複雜地計算斜率與信心區間而被決定。 除了晶圓等級之終點外，晶粒之終點的開始也可以根 據將取樣軌跡映射到晶圓表面上而被決定。不同半徑位置 之不同區域的表面條件可以根據使用於晶圓等級終點偵測 之相同的技術而被決定。取樣軌跡可以被設計成如先前所 述者，以選擇感應區域與解析度。此外，表面反射率之平 均値、變異、與分佈也提供資訊給拋光製程中的不同階段 。當銅圖案被平坦化時，變異與變異對平均値的比値到達 一最小値，而且分佈趨向於正規。當下方的氧化層開始曝 露時，反射率的範圍急遽增加，如圖3 6所示。當晶圓上 之大部分的過量銅被淸除時，變異對平均値的比値到達一 最大値。這項資訊可以被整合爲現場感應技術的一部份， 以決定C Μ P製程的進程。對於多重步驟拋光至成而言， 此項資訊也可以被使用來決定每一步驟之終點，並且增加 製程控制的能力。一項實驗被進行.以確認各種具有相同製 程條件的終點偵測方式之效用，該製程條件被列於表2中 。當標準差、標準差對平均値的比値以及其範圍指示（晶 圓等級）終點開始時，拋光被停止，如圖3 7所示。晶圓 的相貌被評估而且與感應系統所獲得的結果一致，並且可 以觀察到晶圓上的銅被完全淸除。雖然難以從觀察中辨識 超薄的T a障礙層，其對光的透明度比厚層來得大，該 T a障礙層依然可以保留在晶圓表面上而不被光學感應器 偵測出來。實際上，在感應器偵測到終點之後，短的過度 拋光時間可以被使用來確定所有的金屬已被完全移除。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（210X297公釐） -59- ^1753 A7 B7 五、發明説明（57 術語表一下列術語被使用於以上的說明書中： Η H f h h〇 k p k w P a P r t
Y 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 △ h ά A β φ 金屬圖案的面積分率 覆蓋材料的硬度（N/m2) 組合表面的硬度（N/m 2 ) 晶圓表面上所移除材料的厚度彳m彡 初始覆蓋層的厚度（m ) Preston常數（m 2 / N ) 磨損係數 晶圓上之垂直壓力（N / IX!2) 圖案上的平均壓力（N/m2) 厚度量測的隨機錯誤 實驗時間（s ) 過度拋光時間（S ) 晶圓之相對線性速度（m/ S ) 圖案線寬（in ) 卡氏座標（m ) 氧化物過度拋光（m ) 銅之下凹深度（m ) 圖案大小（m ) 晶粒上的平均過度拋光 無因次幾何函數 Poiss.on’ s 比値 ，_ — U------^裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 .4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 60- 491753 A7 ___Β7 五、發明説明（58 ) 藉由以上之描述與範例，本發明提供一種半導體晶圓 之化學機械拋光的方法與裝置。本發明之圖式與描述以較 佳實施例說明如上，僅用於藉以幫助了解本發明之實施， 非用以限定本發明之精神，而熟悉此領域技藝者於領悟本 發明之精神後，在不脫離本發明之精神範圍內，當可作些 許更動潤飾及同等之變化替換，其專利保護範圍當視後附 之申請專利範圍及其等同領域而定。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .項再填办 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） _ 61 -