TW496813B - Infrared end-point detection system - Google Patents
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Description
^6813
【背景說明】 •發明領域 本發明一般而言係關於基板之化學機械平坦化（CMp );特別是關於CMP中之終點偵測技術有關。 2 ·相關技術說明 於半導體裝置加工中， 化、磨光、以及基板清潔。 結構形式，具擴散區域之電 之各層，則鑄造出互連式金 接’以定義出所需之功能性 案化的導電層係以介電材料 絕緣，在每個金屬層均須將 若未經平坦化，其餘金屬層 難’因表面地勢具高度差異 線圖案化將形成於介電材料 過剩之金屬，例如銅。 需要施行CMP操作，包括平坦 積體電路裝置典型上為多層級 晶體裝置形成於基板層；其後 屬化線並將其與電晶體裝置電 裝置。如吾人所熟知者，經圖 如氧化矽而與其他導電層保持 金屬及相關介電材料平垣化。 之加工實質上將變得較為困 之故。在其他應用上，金屬化 上，繼之以金屬CMP操作移除
烏用技術中
電刷站，:⑽2上衮配有皮帶、執道、 光及制借i /皮帶 '塾片、電刷乃作為洗條、磨光、 研用。在某些應用[-種稱為研裝的·
面’如皮帶、塾片、電刷之二及塗佈於I =面。該塗佈通常藉由結合製備表面移動序所 動、及半導體晶圓與製備表面間所產生之磨擦力而=
496813 五、發明說明（2) 成0 圖1A為經加工程序處理中之介電層1 〇 2之橫剖面圖， 此加工程序常見於建構鑲嵌與雙鑲嵌互連式金屬化線時。 該介電層1 0 2設有一擴散阻障層1 0 4，其乃沉積遍於該介電 層1 0 2之蝕刻圖案化表面。如吾人所熟知者，該擴散阻障 層104典型上為氮化鈥（TiN)、组（Ta)、氮化组（TaN )或氮化鈕（TaN )與钽（Ta )之化合物。一旦該擴散阻 障層1 0 4已沉積至所需厚度，一金屬層丨〇4，如銅，將以在 介電層1 0 2中填補蝕刻特徵的方式形成於擴散阻障層上。 某些過剩之擴散隔離與金屬化材料亦將無可避免地沉積於 場區域中。為移除此超負荷材料與定義所需互連式金屬化 線及其相關通道（未圖示），須實行金屬化學機械平坦化 (CMP )操作。 如上所述，金屬CMP操作係設計作為自介 移除頂部金屬材料之用。如圖1B中所*，銅金屬層1〇6之盘上 擴障層104的超負荷#份即已移⑨。CMp操#須持續進 :移；Π負；：金料均已自介電層 _上移除，_法於= 晶圓表面狀態’此一般即稱為終 $ =理狀悲與 作中有必要確定多重終點（如確定=\在多步驟CMP操 除；與確定擴散阻障層已自介雷/ 擴散阻障層上移 技術即用以確定所有之超負荷;移除），故終點偵測 測技術的共同問題在於需要 =:已移除。目前終點偵 ，^度之過度處理（亦稱為 五、發明說明（3) 過度抛光），來確定所有導雷鉍r 阻障層1⑷均已自介電扪：，(：==料：擴散 生電力互連現象。 味 以防止金屬化線間發 不S終點偵測技術或過产 實質上會移除較所欲者為多、θ:生凹盤108。凹盤效應 線上留下-盤狀的頂部表面。已且會在金屬化 間之互連造成負面影響 金屬化線 體電路無法發揮其預期效用。’凹皿現象可導致所需之積 :盤現象更將導製致半導體晶 光學偵測技術或有可能可確：工】y 除一定高；#少壯― ％疋匕目日日圓表面移 測琴所接=屮θ ，光學偵測技術係藉由檢驗光學感 型態以谓測晶圓表面虹.成的變化。光學 不同部份或？： 用，但其並不適用於半導體晶圓中 丨伤或&域之終點偵測的案例。 2〇1之圖二為/部銅層經CMp程序處理後之範例半導體晶片 二圖。_準雜質植入、光刻、與餘刻 图斛_ "三P~型及N_型電晶體加工成15-型矽基板20 0。如 :二母一電晶體具有一閘極、源極頭、和汲極，均將 :Ϊ ί Ϊ當的井區，P—型及N_型電晶體的交替型態即產生 互補i屬介電半導體（CMOS )裝置。 第一介電層20 2係於電晶體及基板2〇〇上加工而成，習 用的光刻、餘刻以及沉積技術係用以製成鎢插頭21 〇及銅 線212 ’鎢插頭210則提供銅線212與電晶體上之活性特徵 4^6813 五、發明說明（4) ^之電力連接。第二介電層2〇4可於第一介電層2〇2及銅線 贺出#加工製成，習用的光刻、蝕刻以及沉積技術係用以 Ϊίί二介電層20 4上之銅通道2 2 0及銅線214，銅線22 0則 二弟一層之銅線2 1 4與第一層之銅線2 1 2或鎢插頭2丨〇間 之電力連接。 θ 而後’晶圓典型地經銅CMP程序處理以移除超負荷全 材料，且將金屬僅留置於渠中，整個晶圓表面即儘可 月匕如圖1 A — 1 B所述般平整。於銅CMP程序之後，晶圓# 於晶圓清潔系統中以清潔之。 一圖2B為晶圓經光學終點偵測後之部份橫剖面圖。如圖 所示，頂層銅線2 1 4於進行偵測程序期間已受到光蝕，一 般相信此光蝕有部份是因為光感測器所發射出的子1 P/N接合處所引起，其可作為太陽能電池。不幸地，一 光偵測所釋出之正常光量，將導致極激烈的腐蝕效應。·又 於此橫剖面例中，銅線、銅通道、或鶴插頭均^電力 連接至P/N接合處的不同部位，塗佈於晶圓表 學物質及/或化學溶液可包含電解質’其具有以電=關 閉電子電路之效應，則電洞h+可移轉越過p/N接合處。於 接合處由光產生之電子/電洞對被電場分開，導口入的載體 誘發了接合處兩端間之電位能差，電 強而增力σ。因&，與接合處P—面相連之電極雖
Cu—Cu2++2e ，所產生的可溶性離子物種可擴散另一電 極處，而於該處發生還原反應 一種金屬的腐蝕通式為，而豆還丹 。須庄思任 阳，、還原逋式為。若欲獲得更多
496813 五、發明說明（5) 有關光效應的資料，可參考A· Beverina等人於夏威夷 檀香山所舉行之第196屆ECS會議中所發表之一篇文章一 Photo-Corrosion Effects during Cu Interconnection Cleanings ( 1999 年十月）。 光蝕可取代銅線並破壞銅表面之所欲物理地形，如圖 2B所示。在P型電晶體上之晶圓表面的某些位置，光蝕效 應可能造成腐餘銅線2 2 4或全溶銅線2 2 6 ;換言之，光姓可 能完全腐蝕銅線以致該線消失。另一方面，在N型電晶體 上’光蝕效應可能形成銅沉積2 2 2，此種經扭曲之地形，
包括銅線的腐蝕，將造成整個晶片無法運作的裝置缺陷。 一個有缺陷的裝置即代表必須捨棄整個晶片，如此產率將 下降、加工成本將提高。然而此種效應卻通常發生於整個 晶圓表面上，因此破壞了晶圓上的許多晶片，理所當然增 加加工成本。 田 、 鑑於前述理由，CMP終點偵測系統須為非設置光學感 剩器、且可達成精確終點偵測，以防止凹盤現象與避免進 行額外的過度拋光。 【發明的綜合說明】
曰 廣義而言，在基板之CMP程序處理期間，本發明藉由 提供可決定處理狀態與產生一基板的紅外線表面x地圖s的一 系、、先及方法’以滿足這些需求。本發明可以數種方式施行 之，包含以一程序、一器具、一系統、一裝置、一方法、 或電腦可讀媒體的方式。有關本發明的數個實施例將說
496813 五、發明說明（6) 明於下。
在一實施例中，將說明 統包含一基板夾頭，其可藉 的加工層把持並旋轉基板； 備载體，準備頭係加裝於基 與基板準備表面至少部份重 準備表面；最後，系統須包 射之紅外線的紅外線感測器 在另一實施例中，將說 視一晶圓表面處理狀態的方 及晶圓表面，以自晶圓表面 供了在移除第一層材料期間 的方法，以決定及監視晶圓 另外在進一步的實施例 該方法包含提供一具有須自 圓，以及提供一拋光墊；該 光塾之間產生磨擦接觸，以 法提供在移除第一層材料期 線的方法，並估計紅外線發 本發明具有無數優勢。 及優點：紅外線發射的開發 可避免習用技術中的光蝕問 外線清除偵測與可變墊片晶 pad-wafer Overlap ； VaPO N 一化學機械平坦化系統。該系 由至少一個須經CMP程序處理 該系統更包含一具準備頭的準 板的準備表面，如此準備頭可 豐，此重®部份小於整個基板 含一可感測基板準備表面所發 〇 明於化學機械平坦化過程中監 法。該方法包含結合準備表面 移除第一層材料；該方法更提 感測發射自晶圓表面之紅外線 的處理狀態。 中’將說明終點偵測的方法。 晶圓表面移除第一層材料的晶 方法其次使晶圓準備表面與拋 移除第一層材料。最後，該方 間感測發射自晶圓表面之紅外 射量以決定程序處理之終點。 本發明中有一值得注意的利益 不僅可精確決定程序終點，並 題。另一項利益在於：結合紅 圓重 ® (Variable Partial CMP程序，將產生一精準且可
第11頁 496813 五、發明說明（7) 控制之CMP程序。除處理狀離之外名 面地形與組成，以達更精準心的’、工外線映像可顯示表 本發明之其他優勢將詳述：二體 發明的原理與例證解說之。 日守配合附圖，以本 【較佳貫施例的詳細說明】 A本發明揭示CMP操作中的紅外線故 細例中，一紅外線清除偵測系統，勺、、人偵測。在較佳實 份墊片晶圓重疊CMP系統之紅外線^ 一裝配於一可變部 處理狀態並提供紅外線發射〜态，其用於估計CMP 射估計處理狀態及產生基板表二映射^像。以紅外線發 此。在下列說明中，將敘述盔數 妹法亦將揭示於 5明：广:了解。然而，吾人將會了解寺殊f;::於2能對本 實行。於其餘例子中，已孰知之=殊:卽說明下依然可 明，以免模糊本發明重點。 私作並未加以詳細說
.,) clV/-J ^ ^ B 偵測裝置（單點、主队\ τ、0 口 了 —早點與紅外線清除 含-次孔該Vap〇CMp系統包 接觸表面可較該：圓声：^ :點處’拋光墊與晶圓的 述-「次孔徑」二 應用使用Vap0-辭以描 備載上除債Λ系統3 00包含一準備頭306，其係架於準 而準備載體3 0 4係附於準備載體軸3 〇 2上。 i 第12頁 496813 五、發明說明（8) 準備載體軸3 0 2令準備載體3 04及準備頭30 6旋轉，其可以 為一抛光墊、磨光墊、電刷、固定研磨墊等等的任何一 種。在一實施例中，準備載體軸302經裝配成用以令準備 載體304及準備頭306除震盪外尚能旋轉。 在準備頭306下方相對處，有一基板312架於基板夾頭 31〇上，基板夾頭3 10則附於夾頭軸3 08上。基板312藉夾頭 軸308旋轉而旋轉，因夾頭軸3〇8可令其上架有基板312之 基板夾頭3 1 0旋轉。
在圖解之實施例中，一調節頭3丨8與基板3 1 2相鄰且位 於相同平面上，調節頭3 0 8則架於附在一調節載體軸3丨4之 調節載體3 1 6上。與基板3 1 2同調，該調節頭3 1 8藉調節載 體軸314旋轉而旋轉，調節頭318可為一墊片、一電刷、或 其他此類於CMP操作期間可用以提供準備頭3〇6連續調節功 能者。
一紅外線訊號線管及感測器固定托架3 2 2顯示於準備 載體軸3 0 2鄰近處。該I R訊號線管及感測器固定托架3 2 2係 裝配以往返傳遞I R訊號至一 I R訊號處理器（見圖7 )，並 為一單點紅外線感測器3 2 0提供一附著處。在一實施例 中’該單點I R感測為3 2 0為一被動式感測器，所接收之訊 號係傳遞至一 I R訊號處理器·，在另一實施例中，單點丨R感 測器3 2 0則為一主動式感測器，I R訊號自一丨R訊號處理器 傳遞至該單點IR感測器3 2 0，亦自單點丨R感測器3 2 〇傳遞至 一 I R訊號處理器。 該IR訊號線管及感測裔固定托架3 2 2係裝配以適當定
第13頁 496813 五、發明說明（9)
位單點I R感測3 2 0 ’俾使在CMp程序處理期間可進行基板 3 1 2之I R檢驗與估計。在圖解之實施例中，其較佳座落點 為正以一VaPO CMP系統處理中之基板312的正上方。該IR 汛唬線官及感測器固定托架3 2 2，係裝配俾使能在程序處 理期間，適當定位單點iR感測器320於穿越基板312表面複 數個點；且該IR訊號線管及感測器固定托架322係裝配用 以獨立移動準備載體3〇4。例如，若該準備載體3〇4係裝配 以自基板312中央移動至基板312邊緣的第一方向對基板 3 1 2進行CMP程序；則該I R訊號線管及感測器固定托架3 2 2 將裝配以自基板3 1 2中央移動至基板3 1 2邊緣的第二方向 (與第一方向相反），適當定位該單點ir感測器32〇於基 板312上方。因此，當準備頭3〇6沿著基板312自中央移動 至邊緣％ ’ 4單點I r感測器亦正以與準備頭3 〇 6相反的方 向在基板312上方移動。因在CMP程序進行期間，圓形基板 3 1 2正在旋轉；而單點丨R感測器正在檢驗經準備頭3 〇 6 c — 程序處理中之相同基板3 1 2的表面。
y 在另一實施例中，I R訊號線管及感測器固定托架3 2 2 係附於一CMP系統的某其他部份；且感測器在CMP程序進行 期間插入基板31 2上方的位置，於CMP操作完成後即撤回。 如上所述，單點IR感測器3 2 0在圖解之實施例中乃定 ，於，準備頭3〇6相鄰處，且集中於基板312表面。單點IR f /則器320和基板3 12表面間的距離與CMP程序的類型（如 =否使用研漿、所使用之研漿種類等等）以及單點I R感測 &系、統為被動式或主動式有關。基板3 1 2和單點I R感測器
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3 2 0之鏡片或「眼睛」間的距離範圍約介於丨/ 2英吋與2 〇英 忖之間’較佳的距離為2 - 3英忖。在一實施例中，I r訊號 線官及感測器固定托架3 2 2係裝配以適當定位單點j r感測 器3 2 0於穿越基板3 1 2表面複數個感測點，及適當定位單點 IR感測裔3 2 0於距基板3 1 2表面之一所欲距離。
依照本發明之一實施例，圖3B說明穿越基板3丨2表面 之單點I R感測器3 2 0的位置情況。在圖3β中，一上方透視 圖顯不··基板3 1 2與調節頭3 1 8彼此相鄰，且以一基板程序 方向326旋轉。在基板3 12與調節頭318的正上方處，可見 準備頭3 0 6以一準備方向3 2 8旋轉；在圖解之該實施例中， 其方向與基板程序方向3 26相同。在另一實施例中，基板 私序方向326則與準備方向328相反，除以準備頭方向328 旋轉外’準備頭30 6亦產生震盪3 30。
感測器點32 4自位於基板31 2中央的L至基板31 2邊緣 的Ιη逐步顯不之。在一單點清除偵測系統3 〇 〇之一實施例 中，主動式或被動式單點…感測器32〇檢驗來自基板的11? 發射，以決定CMP程序的狀態。在一實施例中，單點^感 ’則為3 2 0於基板3 1 2上具最高移除速率的一點開始檢驗丨R發 ，，典型上疋在基板3 1 2的中央。以IR訊號處理器進行j R 訊號處理（見圖7 )，係於特定的感測器點324決定CMp程 序處理之終點，而將準備頭3〇6自基板312中央朝其邊緣方 :移走。當達所需移動程度且終點已決定時，$賴感測 裔320同時以增量並漸次補足的方式，移動至準備頭3〇6。 依此種方式’當準備頭3Q6由基板312中央朝基板312邊緣
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移動至下一位置時，單點IR感測器32〇亦以遠離基板31 2並 朝向基板312邊緣的方向，增量移動至下一感測器點。該 程^及準備頭30 6與單點IR感測器32 0兩者之增量移動持續 進订’直至基板31 2整個表面均已經CMP程序處理且決定已 達所需移除量為止。 、 、、，照本發明之一實施例，圖“為具有一紅外線掃描式 感測裔清除偵測設備（紅外線掃描式感測器清除偵測系統 )3 35之一Vap〇 CMP系統。圖4A所示之代表性VaPO CMP系
、、充與圖3 A所顯示描述者完全相同，然而圖解之v a p 〇 [ μ p系 統組成並未重複說明，Vap〇 CMP系統之組成零件係與圖3Α 所示之外喚名稱相同。該掃描式感測器清除偵測系統335 為本發明之一實施例，將再作更進一步的說明。
圖4Α亦顯示了用於支撑掃描式感測器之一 訊 波線管及感測器固定托架3 2 2。在圖解之實施例中，所顯 示之IR訊號線管及感測器固定托架3 22，係附在或靠近圍 繞於準備載體軸3 0 2之一外殼上。在另一實施例中，I r訊 號線管及感測器固定托架32 2係附於該VaPO系統之其他某 部份上，接著在CMP程序進行期間則定位於基板312上方； 而在CMP程序完成時，IR訊號線管及感測器固定托架3 2 2便 將掃描式IR感測器3 3 4自CMP程序處理環境中撤回。 在CMP程序進行期間，掃描式IR感測器334乃定位於基 板312上方以進行處理。參照圖3A所描述者，基板3 12和單 點IR感測器3 2 0之鏡片或「眼睛」間的距離範圍約介於1 / 2 英吋與20英吋之間，較佳的距離為2-3英吋，視程序需求
第16頁 五、發明說明（12) 3^°Λ一/施例中，掃描式^感測器334係定位於基板 一程序二保Li:::位 該固定位置橫越基板312表面來回掃^ 表面之㈣。在另一實施例中，當 基板 二=:器固定托架3 2 2將掃描式1R感測器3 3 4定位 置ίίΪϋ 與準備頭3〇6直接相鄰處之第一位 ，，接者*準備頭306自約基板312中央處 IR m E ^ ^ ,tJ , ^ ^322 ^ 土 =)器，自基板312中央朝基板312邊緣移 貝把例中，掃描㈣感測器334的掃 = 面之IR映像’並可決定在基板312表；表 表面狀態，以及為炎争拌湓和广士 旱乂大&域上方的 圖_示圖4上：：；;4:而,進行終點預期。 m之㈣描路徑3 36。青除偵測系，统 節頭3 1 8相鄰，緊接在美a q彳 貝也1 基板3 1 2與調 緊接在基板312與調節頭318之上者 頭306。如圖4B可察知者，在一 者為準備 間，基咖上有一實質區域並未受阻進” 路徑由基_獲丄資料Η; (、基板表面之砰細IR映像 +故了 ^ :自被動式^測器；而在另一；施二，像係獲 取自主動式IR感測器。 侗杏浐如表面映像則獲 不刪那一個貫施例，該掃描式1尺感 496813 五、發明說明（13) --- 測器33 4均利用一連續或間歇性掃描模式，在基板312進行 CMP程序時來獲取I R感測器的資料，以檢驗基板3丨2的丨R發 射’如此便可於CMP程序進行中提供精確的終點決定，以 及作為精確的程序終點預測器。 再依照本發明之一實施例，圖5A為一感測器陣列清除 偵測系統340。所示之感測器陣列清除偵測系統34〇係裝配 於如上述圖3A中之一 VaPO CMP系統，然而於此並未重複說 明圖解之VaPO CMP系統組成’ VaPO CMP系統之組成零件係 與圖3A所示之外喚名稱相同。該感測器陣列清除偵&系統 340為本發明之一實施例，將更進一步說明之。 一 IR訊號線管與感測器固定托架344，經顯示其將一 IR感測器陣列定位於經CMP程序處理之基板312上方。在圖 解之實施例中，該IR訊號線管與感測器固定托架344乃以 表面配置結構呈現，而非以附於一圍繞於準備載體軸3〇2 之外殼。在此一實施例中，於CMP程序進行期間，該丨R訊 號線管與感測器固定托架可將I R感測器陣列3 4 2定位於基 板3 1 2上方；待程序完成時，其則自處理環境撤回丨R感測 器陣列342。在本發明之另一實施例中，該IR訊號線管與 感測器固定托架344係附於一圍繞於準備載體軸302之外 殼，如其上圖3 A與圖4 A中之實施例所述。 IR感測器陣列3 4 2包含複數個個別的IR感測器，位於 一獨立的感測器外殼内彼此相鄰。在一實施例中，一 I R感 測器陣列342可能類似在一單個感測器外殼内裝配成一直 線或一陣列之複數個單點丨R感測器3 2 0 (見圖3 A );在另
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五、發明說明（14) 一實施例中，一 IR感測器陣列34 2可能類似在一單個感測 器外殼内裝配成一直線或一陣列之複數個掃描式IR感%則器 334 (見圖4A )。該IR感測器陣列34 2於是定位於將進行^ 理之基板312的上方，並裝配成以堪在CMP程序進行期間2 驗儘可能大的基板312表面積。典型上，IR感測哭陣列342 所涵蓋的面積包含基板3 12全部表面，其亦可提供較大基 板（如30 0mm晶圓）之全表面映像。 圖5B說明圖5A中所述之感測器陣列清除偵測系統34〇 中之代表性感測器陣列點346，該感測器陣列清除偵測系 統3 40可為一被動式或主動式系統。在一實施例中，ir感 測器陣列342橫越基板31 2表面，同時檢驗複數個感測器陣 列點34 6 ;在另一實施例中’ IR感測器陣列⑷則橫越基板 312表面，依序檢驗複數個感測器陣列點346 ;尚有另一實 細例中，IR感測益陣列3 4 2橫越基板表面，以一預先決定 相位的次序，利用依序與同時IR資料收集兩種型態，以檢 驗複數個感測器陣列點3 4 6。 淪如何收集IR資料，一感測器陣列清除偵測系統 3j〇 k越基板312表面，自複數個感測器陣列點346同化ir f料，以使其不僅能決定或預測程序終點，亦可在程序進 二t的任—時@、任-點映射出基板表面。感測器陣列清 測系統340係裝配用以精確決定基板312之地形與處理 :恶：因具有橫越基板312表面之複數個感測器，感測器 歹1，月除偵測系統340係裝配用以過濾或補償在基板3丨2上 之研水、基板31 2各層間表面組成之轉換、與其他此類障 496813 五、發明說明（15) 礙所可能引起的資料不規則性，俾使能獲得精確之丨R映像 及資料收集。 依照本發明之一實施例，圖6 A為一具I R終點偵測3 6 0 之皮帶CMP系統。圖示之IR終點偵測360皮帶CMP系統包含 一藉兩滾筒驅動之CMP皮帶376 ; —基板366附於藉一夾頭 轴3 62驅動之一夾頭364上；皮帶376之連續調節係由一調 節頭37 2所提供，該調節頭3 72藉一定位執道370而定位於 皮帶376上方且能橫越之；一平台378裝配於皮帶376下 方’且係位於基板3 6 6與夾頭3 6 4之下的區域内，此為基板 36 6進行CMP之處。該平台378提供一堅硬結實的表面，基 板366以一為進行其CMP程序的力量與皮帶376相抗衡於平 cr上，该平台378亦可包含一空氣軸承（未圖示）。 依照本發明之一實施例，在平台378下方裝配有一 j R 感測器3 8 0 ;該I R感測器3 8 0附於一 I R訊號線管與感測器固 疋托架382上。IR感測器380穿越平台378、皮帶376，向上 聚焦於基板3 6 6表面處；IR皮帶視窗374a-374d裝配於皮帶 376上，俾使IR感測器38〇能穿越皮帶376而接收及/或發射 IR能量，此部份將更詳述如下。 圖6B顯示如圖6A中所述之具IR終點偵測36〇的皮帶CMp 系^ ^其IR能量接收及/或發射之侧視詳圖。在本發明之 一貫施例中，該IR訊號線管與感測器固定托架3 82將ir感 :器38 0定位於平台378正下方、並直接上朝基板—。當 基板366，進行CMP程序日寺，其以一穿越夾頭轴3 62及爽頭 3 6 4的傳送力里ρ與皮帶3 7 6及平台3 7 8相抗衡。I r終點偵測
第20頁 496813 五、發明說明（16) 可藉主動式或被動式系統而達成。自基板3 6 6表面所發出 或反射的I R能量由I R感測器接收，穿越丨R訊號線管與感測 器固定托架3 8 2後傳送至一 I R訊號處理器（見圖7 )作分 析，IR能量經由裝配之IR皮帶視窗374而穿透皮帶376。在 一實施例中，該I R訊號處理器（見圖7 )將可穿越I R皮帶 視窗3 7 4的間歇性I R訊號，同化成一 CMP處理狀態與終點偵 測的複合測定；IR平台視窗384位於IR感測器38 0正上方， 且可為IR感測器3 8 0與基板3 6 6間的I R能量傳送提供一固定 路徑。 依知本發明之一貫施例’圖7為一 I R終點偵測系統圖 39 0。該IR終點偵測系統圖3 90包含一 IR感測器391、一 IR 訊號線管392、及一 IR訊號處理器39 4。 該I R感測器3 9 1係裝配用以傳送或接收一 I r訊號，並 在CMP程序進行期間感測來自基板表面的I R發射。依照已 知的I R科技’ I R感測器3 9 1有一鏡片3 9 1 a，可指揮所傳送 之訊號並集中所傳送與所接收的訊號。有一丨R感測器的例 子是伊利諾州Vernon Hi 11s的Cole-Parmer儀器公司所發 行的Compact Infrared Sensor With K-Type Thermocouple Adapter 〇 在上述各種實施例中，I R感測器3 9 1可為一單點I R感 測器3 9 1、一掃描式i R感測器3 9 !、一丨R感測器陣列3 9 1、 或其他可在CMP程序進行期間感測來自基板表面的I r發射 的裝置。依照所需之丨r終點偵測、表面映像、以及相關應 用，鏡片3 9 1 a係裝配用以集中於單點、掃描、集中於脈衝
第21頁 496813 五、發明說明（17) 或一坐標陣列、或其他此類裝置。 IR訊號穿越一 IR訊號線管3 9 2，在丨R感測器3 9 1與丨R訊 號處理器3 9 4之間穿梭。I r訊號傳送為已知的技術，丨R訊 號線管3 9 2則利用了常見的I r線管方法。 依照所需終點偵測之特殊實施例，丨R訊號處理器3 94 包含複數個組成零件。對主動式終點偵測而言，發送器 395與接收器3 96二者可包含於其中。在另一實施例中，所 有IR訊號處理器3 9 4包括一發送器3 9 5與一接收器3 9 6，但 该發送器3 9 5僅用於主動式j R程序中，·而該接收器3 9 6則可 f於被動式與主動式”終點偵測。在另一實施例中，發送 為3 9 5 (若有需要）與接收器3 9 6二者均包含於I R感測器 391 (而非IR訊號處理器394) ; ftIR訊號處理器394僅執 行以下描述之訊號處理功能。 如所知者，被動式I R偵測及分析包括來自一源極頭的 IR發射之接收與分析，藉由範例，任一熱源極（如一正進 ^C^iP程序之基板）將會發出不同程度的丨R能量，且此『R 能篁經接收及分析後可決定許多與該源極頭有關之特徵。 若與源極頭有關的資訊所知愈多愈詳細，便可由其I R發射 的分析得到愈多訊息。 同理’主動式I R分析包含來自一源極頭的I R發射之接 收^分析。然而，在主動式IR分析中，IR能量係自一IR發 送3 9 5 ’且所接收及分析之I r能量除源極頭I r外，尚包 含反射1R。本發明包含具主動式與被動式IR終點感測器二 者之貫施例。
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IR訊號處理器394包含一11?分析用的分光計3n。如已 0者，一IR分光計397通常將IR能量分散成一光譜，且經 杈正後可測量不同波長下的IR強度。在本發明中，π分光 =97穿越計算的波長分散IR能量1著㈣譜分析3n測 長又,與又2間的IR強度。在一實施例中，^訊號處理 益=4依照已處理之特殊基板來校正程序的終點偵測；在 另—實施例中，IR訊號處理器39 4經校正基板映像以產生 有關一特殊基板之詳細地形。在此一實施例中，基板映像 或詳細地形可於圖像顯示器（未顯示）上呈現給系統使用 者圖8A至9A提供了 訊號處理器394在校正上所需要考 ΐ處的範例。
依照本發明之一實施例，圖8Α為典型的銅cΜΡ程序之 代表性吸收係數4 〇 8之圖解；該吸收係數4 〇 8係計算於一主 動式I R終點偵測中。圖8 A中之吸收係數4 〇 8為一系統係 數，其包含銅層吸收、下方介電層及裝置吸收、矽原子吸 收、研漿吸收、及其他此類可吸收或保有丨R能量的系統因 子。介於波長λ! 402和；12 4 04間的吸收係數40 8已劃於圖 中’直線4 0 6代表在主動式I R應用中所施加的丨R能量，在 λ! 4 0 2和λ 2 4 0 4間為一常數。 在圖解之實施例中，系統吸收4 〇 8在；I i 4 0 2最低，並 遵循著圖8A所示的曲線而行。所決定之該圖示吸收曲線 408直接與在CMP程序期間銅之移除一致。 圖8B說明圖8A中有用的圖映像。在圖8B中，介於 λ i 4 0 2和人2 4 0 4間的反射IR能量41 0已劃出，其與所施加之
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Π^^06及圖8A中所劃之吸收係數4 不，最適移除區域412與程序玖點骷_ & /±應如固8A所 410之曲線的最低點+初f〜』顯不於代表反射IR能量
Hi 預測在最適移除區域412内的終點，所 t站伯示點亦可以圖解方式展出，經由一電腦榮幕呈現給 先使用者。利用電腦螢幕，使用者亦可手動設定或調整 CMP條件，以便提升其效能。 圖9A係依照本發明而圖示IR光譜分析之另一實施例。 在圖9A中’於；^402和；^404間所施加之ir能量406已如前 般緣成圖。不使用圖8A中所繪之系統吸收係數，圖9A改繪 出兩特殊吸收係數曲線、一銅吸收係數4丨4、及一氧化物 吸收係數41 6。圖9 B中最後的反射IR能量曲線41 8可更確實 地確認出銅移除與氧化物暴露點，經確認之最適移除區 420表示程序之終點；確實的程序終點可依基板組成與程 序需求而定。再者，經特殊確認之基板組成吸收曲線（如 銅及氧化物）可用於一實施例中，以根據I R光譜分析而產 生基板表面地形映像圖。
雖為使能清楚了解故已對先前的發明作某種程度的詳 述，但明顯地在隨附的申請專利範圍内仍可進行特定變化 與修正。因此，目前的實施例應視為例證而非限制，且本 發明並不限於此處所給定之細節，而是可在隨附之申請專 利範圍或同等物内作修正者。
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圖1 A為經加工程序處理中之介電層橫剖面圖，此加工 程序常見於建構鑲嵌與雙鑲嵌互連式金屬化線時。 圖1 B為圖1 A之橫剖面圖，其中銅金屬層與擴散阻障芦 的超負荷部份已經移除。 曰 圖2 A為頂部銅層經c Μ P程序處理後之範例半導體晶片 之部份橫剖面圖。 圖2Β為圖2Α中在晶圓經光學終點偵測後之部份橫 η ° 一
圖3Α為一 VaPO CMP系統，其係依照本發明之一實施例 而包含一單點、紅外線清除偵測設備。 圖3 B說明依照本發明一實施例之橫越基板表面單點紅 外線感測器之定位。 '' 圖4 A顯示依照本發明一實施例而包含一紅外線掃描式 感測器清除偵測設備之一 VaPO CMP系統。 圖4B顯示圖4 A中所述之掃描式感測器清除债測系統之 紅外線掃描路徑。 圖5A顯示依照本發明另一實施例之一紅外線感測器陣 列清除偵測系統。
圖5B說明圖5A中所述該紅外線感測器陣列清除偵測系 統之代表性感測器陣列點。 圖6A顯示依照本發明又另一實施例之具紅外線終點偵 測之一皮帶CMP系統。 圖6B顯示圖6a中具紅外線終點偵測之該皮帶CMP系統 之紅外線能量發送及接收側視詳圖。
第25頁 496813 圖式簡單說明 圖7為依照本發明一實施例之一紅外線終點偵測系統 示意圖。 圖8A為依照本發明一實施例之典型銅CMP程序中代表 性吸收係數圖。 圖8B為；I i與；12間所反射之紅外線能量圖，其乃對應 於圖8 A中所施加的紅外線能量與吸收係數。 圖9 A為依照本發明一實施例所繪之介於λ i與λ 2間之 一銅吸收係數曲線及一氧化物吸收係數曲線。 圖9Β為取自圖9Α資料所繪之最終反射紅外線能量曲線 圖。 【符號說明】 102 介 電 層 104 擴 散 阻 障 層 106 銅 金 屬 層 108 凹 盤 200 基 板 201 半 導 體 晶 片 202 第 一 介 電 層 204 第 二 介 電 層 210 嫣 插 頭 212 銅 線 214 銅 線 220 銅 線
496813 圖式簡單說明 222 銅 沉 積 224 腐 名虫 銅 線 226 全 溶 銅 線 300 單 點 清 除 偵 測 系 統 302 準 備 載 體 軸 304 準 備 載 體 306 準 備 頭 308 夾 頭 軸 310 基 板 爽 頭 312 基 板 314 調 即 載 體 軸 316 調 即 載 體 318 調 即 頭 320 感 測 器 322 訊 號 線 管 及 感 測 器 固 定 托 架 324 感 測 器 點 326 基 板 程 序 方 向 328 方 向 330 震 盪 334 掃 描 式 IR 感 測 器 335 掃 描 式 感 測 器 清 除 偵 測 系 統 336 IR 掃 描 路 徑 340 感 測 器 陣 列 清 除 偵 測 系 統 342 IR 感 測 器 陣 列
496813 圖式簡單說明 344 I R訊號線管與 346 感測器陣列點 360 I R終點偵測 362 夾頭軸 364 夾頭 366 基板 370 定位軌道 372 調節頭 374 I R皮帶視窗 374a- 374d IR皮帶 376 皮帶 378 平台 380 I R感測器 382 I R訊號線管與 384 I R平台視窗 391 I R感測器 391a 鏡片 392 I R訊號線管 394 I R訊號處理器 395 發送器 396 接收器 397 分光計 398 I R光譜分析 406 IR能量
第28頁 496813 圖式簡單說明 408 吸收係數 410 反射I R能量 412 最適移除區域 414 銅吸收係數 416 氧化物吸收係數 418 反射I R能量曲線 420 最適移除區
第29頁
Claims (1)
- 496813 六、申請專利範圍 1 · 一種化學機械平坦化系統，包含： 一基板夾頭，係裝配以支撐並旋轉一具有經製造 或多個形成層的基板； 一準備載體，具有一裝配以應用於一基板準備表 準備頭，使得準備頭至少與基板準備表面的一部份^聶，、 此部份應小於整個基板準備表面；以及 且 一紅外線感測器，其係定位以感測來自基板 的紅外線發射。 干W表面 2.如申請專利範圍第〗項之化學機械平坦化系 ^ 一紅外線訊號處理器，其係裝配以 、外f 測器之紅外線資料。 个曰、、、工外線感 3-如申請專利範圍第1項之化學機械平扫 中該紅外線感測哭盔一抑机/ f 、成Μ卞丈一化系統，其 、目『十ώ 之、口口二、單…、占、、、工外線感測器，JL传步两？ v片 測來自杈越基板準備表 八係哀配以感 紅外線發射。 表面的稷數個早點之基板準備表面的 4.如申請專利範圍第1項之化學嬙 中該紅外線感測器為一紅外 械千坦化系統，其 藉橫越基板表面的掃描，=:田感測器，其係裝配以 線發射。 感測來自基板準備表面的紅外 用裝置於卜線感測器陣列，其係裝配以利 板準備表面的紅外缘：固$外線感測器，而感測來自基 紅外線感測器均的以：-陣列上之該複數個 有表面以檢驗複數個單點。 第30頁 496813 六、申請專利範圍 6·如申請專利範圍第1項之化學機械平垣 中該紅外線感測器為一紅外線感測器陣列，龙 μ、、、-用裝置於-陣列上之複數個紅外線感測器，以:己：： 板準備表面的紅外線發射；各裝置於一陣列上4利來自基 紅外線感測器均橫越基板的準備表面以進行掃=該複數個 7. 如申請專利範圍第2項之化學機械平垣^ 中該紅外線訊號處理器包含一紅外線發送器，I= ^认其 外線能量至基板的準備表面。 〃係傳輸紅 8. 如申請專利範圍第2項之化學機械平垣 中該紅外線訊號處理器估計由該紅外線接=的〃 =資料，以決定晶圓表面狀態與基板化學機:=二 9. 如申請專利範圍第2項之化學機械平坦化 線訊號處理器估計由該紅外線感測器所接收^ 、本貝；，以產生基板準備表面的紅外線發射映像，將Α 板表面狀態特徵化。 1豕將基 10·如中請專利範圍第8項之化學機械平坦化系统， 其中:基板的化學機械平坦化終點將於一 圖觀察到。 对渡長 1丄如申請專利範圍第10項之化學機械平坦化系統， ^ 2 = —螢幕，其係裝配以顯示來自該紅外線處理器之紅 外線^料。 如申請專利範圍第11項之化學機械平坦化系統， "員不之紅外線資料包含該紅外線發射的波長圖。第31頁 丄：) 六、申請專利範圍 1 3. 如中 其中所顯示之 映像。 14· 一 種 視·一晶圓表面 結合準備 料；及 在 發射。 請專利範園 紅外線資料 在化學機械 處理狀態的 表面與晶圓 第一層材料移除期 第11項之化學機械平坦化系 包含該基板準備表面 Μ 统， 一紅外線 平坦化期間透過一準備表面、 方法，包含： 、^ 監 表面以移除晶圓表面第一 層材 15 透過一 含在第 射；該 16 透過一 該第一 17 透過一 該金屬 18 透過一 含 計 計 ，如申 準備表 一層材 紅外線 . 如申 準備表 層材料 . 如申 準備表 層位於 .如申 準備表 算該金 算該氧 間，感 第14項 晶圓表 估計來 晶圓表 第15項 晶圓表 6月專利範圍 面以監視一 料移除期間 發射會指示 請專利範圍 面以監視一 為一金屬層。 請專利範圍第1 6項 晶圓表 上方。 請專利範圍第1 7項 面以監視一晶圓表 面以監視一 一氧化物層 屬層之一紅 化物層之一 外線吸 紅外線 測來自晶圓表面之紅外線 之在化學機械平坦化 面處理狀態的方法， 間 自晶圓表面的紅外線$包 面第一層材料移昤$二 之在化學機械平間 面處理狀態的方法， 其中 之在化學機械平坦化 面處理狀態的方法， 其中 之在化學機械平坦化 面處理狀態的方法，/ ] ’更包 收係數； 吸收係數；以及第32頁 外線 六、申請專利範圍 圖。產生在化學機械平垣化期間晶圓表面之 19.如申請專利範圍第〗8項之在化學 j過-準備表面以監視一晶圓表面處理 3依所產生之晶圓表面紅外線發射圖以調整化 化之參數。 干风蛾千 20 ·如申請專利範圍第丨9項之在化學機械平坦化期 透過一準備表面以監視一晶圓表面處理狀態的方法，其 化學機械平坦化之調整參數包含重新定位準備表面鱼ς 化學機械平坦化。 、τ 21· 一種終點偵測方法，包含： 提供一具有自一晶圓準備表面移除第一層材料 圓； 十的曰曰 設置一拋光墊； 產生晶圓準備表面與拋光墊之間的摩擦接觸， 第一層材料； 乂移 摘測在移除第一層材料期間來自準備表面的纟工 射；以及 、V深 估計t移除第一層材料期間來自準備表面的紅外線 射’以決定由晶圓準備表面移除第一層材料已完成。、 22 ·如申請專利範圍第2 1項之終點偵測方法， 一層材料為一金屬層。 一、 2 3·如申請專利範圍第2 2項之終點偵測方法，复 金屬層係於一氧化物層上加工而成。 /、 射 間 包 土旦 間 中 止 除 發 發 第 該 496813 六、申請專利範圍 . 24. 如申請專利範圍第23項之終點偵測方法，更包 含： 計算該金屬層之一紅外線吸收係數； 計算該氧化物層之一紅外線吸收係數；以及 產生晶圓表面之一紅外線發射圖。 25. 如申請專利範圍第24項之終點偵測方法，更包 含：顯示該圖以利操作者分析。第34頁
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