TWI382484B

TWI382484B - 決定光譜中銅濃度之方法

Info

Publication number: TWI382484B
Application number: TW096144632A
Authority: TW
Inventors: Dominic J Benvegnu; Jeffrey Drue David; Boguslaw A Swedek; Jimin Zhang; Harry Q Lee
Original assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2013-01-11
Also published as: WO2008070736A1; US20080130000A1; WO2008070736A8; CN101432616B; TW200832585A; CN101432616A; US7768659B2

Description

決定光譜中銅濃度之方法

本發明係關於化學機械研磨。

一般是藉由依序沉積導體層、半導體層或絕緣層於矽晶圓上而在基材上形成積體電路。一製造步驟包括沉積填充層至非平坦面上並將填充層平坦化。就某些應用而言，將填充層平坦化直到露出圖案化層的頂面為止。舉例來說，可將導體填充層沉積在圖案化的絕緣層上，以填充絕緣層中的溝槽或孔洞。平坦化之後，留在絕緣層的凸起圖案之間的導體層部分構成通孔、插栓(plug)和連線，以做為基材上薄膜電路之間的傳導路徑。就諸如氧化物研磨等其他應用而言，將填充層平坦化直到非平坦面上的填充層留下預定厚度為止。此外，光微影製程通常需要平坦化基材表面。

化學機械研磨(chemical mechanical polishing；CMP)為一可接受之平坦化方法。此平坦化法通常需將基材安裝在載具或研磨頭上。通常將基材之曝露面抵靠著旋轉研磨墊或帶狀研磨墊。研磨墊可為標準墊或固定磨料墊。標準墊具有耐用的粗糙表面，而固定磨料墊具有被固持在一媒介物中的多數研磨顆粒。載頭提供可控制之負載給基材，並將之推抵靠在研磨墊上。一般提供研磨液(slurry)至研磨墊表面。研磨液包括至少一化學反應劑；若使用標準墊標則還包括研磨顆粒。

CMP之一難題在於判斷研磨製程是否完成，即是否已將基材層平坦化成所欲之平坦度或厚度、或者何時移除所欲數量的材料。過度研磨(overpolish)(移除太多)導體層或薄膜會增加電路阻抗。另一方面，研磨不足(underpolish)(移除太少)導體層會導致短路。基材層的起始厚度、研磨液成分、研磨墊狀況、研磨墊與基材之間的相對速度、和基材上之負載中的變化將造成材料移除速率的變化。這些變化將使得達到研磨終點所需時間的不同。因此，不能只根據研磨時間之函數來判斷研磨終點。

在此提出決定銅對反射光測量光譜之貢獻程度的方法。此方法可使用常態化之交互相關曲線(cross－correlation curve)來判斷銅的貢獻。藉此可直接測量銅反射所產生的訊號比例。然後減去測量光譜中銅光譜所佔的比例，以得到非銅材料產生的光譜。

在此所述之方法和系統包括一或多個以下優點。銅CMP一般為多重步驟之製程，其中最後步驟包括薄化介電材料達所欲之厚度。雖然已有選擇此最後步驟之終點的方法，但經改良之終點法更可嚴加控制研磨精準度和基材規格。如此可得到更平坦、更精確的研磨基材，且再現性更佳、生產率更高。

由於可從每一光譜獲得一定數量的資訊，已發現寬波光譜(例如，白光光譜)有用於終點判斷。再者，白光光譜終點判斷技術可用來偵測阻障材料轉換成氧化物的過渡期及確實地自基材上移除預定數量的氧化物。使用白光光譜的困難點在於，當只想取得介電材料的反射時，基材露出的銅區域仍會影響光譜。銅的反射很強且不會被介電質的反射遮蔽。另一問題則在於，基材上的銅結構並不規則且非同質，因此預定測量光譜中的銅訊號大小不一。強烈的銅反射加上任何測量光譜中的銅訊號大小不一，導致難以監測阻障材料區域和氧化物區域。自測量光譜中移去銅的訊號可更可靠地執行終點法。

本說明書所指之「基材」包括諸如產品基材(如含有多個記憶體或處理器晶粒)、測試基材、裸基材(bare substrate)和閘基材(gate substrate)。基材可處於積體電路製造的任一階段，例如其包括一或多個沉積層及/或圖案化層。「基材」一詞可包括圓盤和方板。

本發明之一或多個實施例將參照所附圖式詳述於下。本發明之其他特徵、目的、和優點在參閱說明書、圖式與申請專利範圍後將變得更清楚易懂。

具有原位(in－situ)監測模組的研磨系統可用來監測基材研磨情形，以於作業中(on the fly)或即時(real time)獲得研磨資料及判斷研磨終點。公開號2007－0224915之美國專利申請案描述此類研磨系統和原位監測模組，其一併附上供作參考。研磨時，監測模組得到自基材表面反射的光譜。接著比較該光譜與資料庫，藉以判斷何時達到終點。

參照第1圖，其為沉積銅之後部分基材的截面圖，繪示矽基材10上具有下結構層15、介電層20、阻障層25、和銅層30。介電層20中的凹陷部位35填滿銅而構成線路、接墊、和其他傳導性特徵。如第2圖所示，基材可經一或多個步驟研磨處理。第一研磨步驟(步驟A)為平坦化銅層30。第二研磨步驟(步驟B)為清除銅線35外部之上阻障層25上方的銅層30。第三研磨步驟(步驟C)為移除銅線35外部的阻障層25及移除部分介電層20。可額外進行研磨步驟。另外，例如可於不同的研磨系統平台上個別進行研磨步驟，或者可於單一平台上合併進行二或多個步驟。

進行步驟C時，光譜式終點法可用來判斷終點。選擇所欲之介電層厚度，且於研磨期間，比對即時獲得之光譜與研磨光譜資料庫內之光譜來判斷研磨終點。其潛在的困難點之一在於收集基材表面的光譜。

當基材旋轉並移動越過研磨表面時，收集光譜。參照第3圖，一些研磨系統轉動平台上的研磨墊55，而終點偵測系統固接至平台，如此感測器會移動越過基材50。接著在預定時距及/或間隔內取得基材50之位置60的光譜，例如約7毫秒(ms)和5－10毫米(mm)。每一光譜為光從測量點(可橫跨數毫米)反射的結果。

要精準控制從基材50的某一位置取得光譜並不容易。如第2圖所示，除了其他特徵外，基材50尚具有銅線35和介電層20。銅線35反射的光強度比介電層20反射的光強度強，且二者光譜分布不同。依據公開號2007－0224915之美國專利申請案所述的終點判斷法，可利用介電區域的光譜來判斷終點。然而，銅反射會造成光譜嚴重失真。任何從銅的反射將扭曲光譜，以致終點判斷的原始狀態不穩定。

參照第4圖，除了會扭曲光譜外，因無法控制取得與銅線和介電區域相關之光譜的位置，故銅反射量迥然不同且每次測量結果不一。此尤其起因於缺乏精密機動編碼器和基材於承載頭上滑動、或是光束掃過基材的路徑未通過每個晶粒的同一位置。一部分光束可照射僅具介電質的區域70，另一部分光束則可從兼具介電質與銅的基材區域75、80反射(雖然圖式只顯示從一個銅線反射，但測量點可包括許多線路或其他銅質特徵)。包括介電質與銅的區域75、80可含有不同比例的介電質。基材上各區域的特徵密度可彼此不同。儘管某些如記憶體之積體電路類型包括大範圍的規則金屬特徵，然其他如處理器之積體電路類型乃呈不均一的特徵分布。因此，即使各區域70、75、80的介電層厚度相同，呈現的光譜仍將不同。

然而，這些光譜可用來判斷研磨終點。光譜可從其取得的原始格式轉換成僅顯示從無銅區域獲得光譜的修改版本。可判定取得原始光譜之區域所含的銅比例，然後減去銅對光譜的貢獻影響。

如第5、6及7圖所示，光譜中銅的反射比預料將增加介電質或氧化物的反射比、或增加阻障層的反射比(假設已知銅的貢獻比例)。參照第5圖，其顯示純銅層的光譜、純阻障層的光譜、和銅與阻障層之組合物的光譜。銅反射比在整個波長範圍高於阻障層反射比。在第6圖中，氧化物亦呈類似現象。銅與氧化物之混合物產生的光譜具有介於二光譜間的反射比值。參照第7圖，當銅的比例從100%降至50%、10%及0%時，大於5410埃之波長的反射比隨之下降。

若光譜分別與純銅或100%銅之光譜相關聯，且將結果常態化(normalize)；在零遲滯量(zero－lag)下，10%銅之光譜常態化成0.1，50%銅之光譜常態化成0.5。其他比例的銅亦具相似結果。參照第8圖，其顯示在漸增遲滯量(下列方程式的τ)下，與100%銅之光譜相關聯的0%、10%、50%、和100%銅之光譜。光譜的起始點92、94、96、98代表各光譜在零遲滯量下的相關性，即比較曲線時，不需沿著x軸位移任一曲線。隨著曲線往圖右方移動，遲滯量將增加，而相關性將降低。

為判定光譜中的銅濃度(即，銅對光譜的貢獻比例，此受控於監測表面所含的銅比例)，利用以下曲線比較方程式可得到零遲滯量下與純銅光譜相關的光譜： g (λ )為諸如純銅光譜等曲線之一，h (λ )為測量光譜，dλ 表示在所有波長(λ )範圍進行積分。

接著，常態化零遲滯量下測量光譜的相關性，以得到介於0至100%間之濃度。此可利用下列方程式達成：其中Corr (measured spectrum )為先前計算的Corr (g,h )，Corr (non Cu )代表第8圖之起始點98的值，Corr (pure Cu )代表起始點92的值。常數Corr (non Cu )和Corr (pure Cu )可輕易憑經驗決定且適合不同基材圖案。這些常數不需很精準，採用近似值即可使銅減去法大幅改善終點圖形的訊雜比。

決定了銅濃度後，減去測量光譜中銅的貢獻。假設銅光譜與非銅光譜為線性疊加，且依據面積比例或濃度加權各光譜。減去法可採用以下方程式：M (λ )＝(1－f _Cu )．O (λ )＋f _Cu ．C (λ )其中M (λ )為測量光譜，f _Cu (從0.0至1.0)為銅的比例，O (λ )為非銅光譜，而C (λ )為銅光譜。解答非銅光譜後可得下列方程式：

實施例

利用研磨期間自基材反射之白光光譜來決定研磨終點的方法有兩種。第一種方法稱為判斷終點的差異法。第二種方法在此是指判斷終點的光譜指數匹配法。兩種方法均進一步說明於公開號2007－0224915之美國專利申請案。

採行任一方法皆可憑經驗或根據理論取得研磨光譜的資料庫。參照第9圖，資料庫可包括一研磨程序的光譜，其始於得自具厚氧化層(厚度在此為8200埃)之基材的光譜110，且包括貫穿整個研磨程序直到過度研磨基材(厚度在此為1300埃)的光譜120、130、140、150、160。圖僅顯示研磨程序的特定光譜，具體而言為平台旋轉圈數(Rev.)為1、12、24、36、48、60的光譜。

其他層的光譜也可取得並存到資料庫，例如阻障層的光譜。阻障層光譜可用來判斷何時已清除阻障層。

就差異法而言，光譜乃選擇對應研磨處理之基材具有所預之終點氧化物厚度。例如，若預定氧化物厚度為2200埃且旋轉圈數為48，則選擇光譜150當作參考光譜。當然也可依需求選擇其他終點和參考光譜。

研磨基材時將自各層移除不同的材料，例如銅、阻障材料和氧化物。研磨期間取得之光譜通常反映任一時間的一或多個材料狀況。故此方法除了判定氧化物厚度外，還可判斷何時已經移除基材上諸如阻障層等特定材料。

比較研磨處理之基材的光譜與參考光譜150。相比後，二光譜間的差別可以下式表示：其中R _m 為測量光譜，R _r 為參考光譜。簡述之，經平方及加總後可決定出二光譜於各波長的差別。

參照第10圖，其繪製平方差的總和與平台旋轉圈數而產生漸近零的正弦曲線。當差最接近零時，此處稱為終點。

另一決定終點的方法為光譜匹配法，包括指定參考光譜的光譜編號。獲得研磨時的光譜後，比對光譜與資料庫，以決定最匹配測量光譜的光譜編號。匹配數目按時間或平台旋轉圈數繪製；連線與參考光譜編號相交處稱為終點。參照第11圖，其為光譜匹配法的實施例，顯示一符合光譜匹配結果的連線。匹配數目按時間繪製。當連線與參考光譜編號相交時，即判定於時間點180達到終點。

再次參考判斷終點之差異法，第10圖的差值通常無法從原始光譜獲得。此乃因銅的高度反射會隨意增添至光譜中。參照第12圖，使用一般包括氧化物反射與銅反射之原始光譜將產生難以判斷終點的圖形。第12圖顯示研磨期間二不同基材的差別。需注意第10圖與第12圖的差異。第10圖的正弦曲線很容易辨認，但第12圖的正弦曲線很難判別。研磨移除阻障層後，光譜中阻障層反射的貢獻一般為微不足道而可忽略。

參照第13及14圖，其繪示三晶圓在移除銅之貢獻後的差別，其平滑曲線並顯示如何判斷終點。減去雜訊很多的銅曲線210、220、230及利用平順曲線技術可產生隨著時間或平台旋轉圈數趨近於零的曲線212、222、232。

儘管上述方法是以銅為例，然其亦可應用於其他非介電材料，例如覆蓋諸如阻障層(例如氮化物)、矽或金屬氮化物等下介電層的金屬(例如鎢)。

雖然銅減去法和終點技術是以判斷終點之差異法為例，但此方法同樣可應用到所述之光譜匹配法。

研磨處理基材的研磨工具可包括或可電性連接能進行上述方法來決定研磨終點的處理器。判定研磨終點後，控制器可利用該終點發出信號通知研磨工具停止研磨。

本發明之實施例和說明書所述之所有功能運作的實行可採用數位電子電路、或電腦軟體、韌體或硬體，包括本說明書提及的結構裝置和其結構均等物、或其組合物。本發明之實施例可實施到一或多個電腦程式產品，即一或多個實體收錄於資訊載體(如機器可讀取之儲存裝置或傳播訊號)的電腦程式，用以執行或控制資料處理設備的運作，例如可程式化處理器、電腦、或多元處理器或電腦。電腦程式(亦已知為程式、軟體、軟體應用、或編碼)可以任一包括編譯或解譯語言之程式語言編寫，其並可配置成任一型式，包括獨立程式或模組、元件、子程式、或其他適合計算環境的單元。電腦程式不一定要對應一檔案。程式可儲存在含有其他程式或資料的檔案、提問程式專用的檔案、或多重座標檔案(例如儲存一或多個模組、子程式或部分編碼的檔案)。電腦程式可配置供單一電腦或多個位於一網點或遍及多個網點且由通信網絡相連的電腦執行。

一或多個執行一或多個電腦程式的可程式化處理器可藉由運算輸入資料及產生輸出而進行說明書所述之製程和邏輯流程。諸如現場可規劃閘陣列(field programmable gate array；FPGA)或特定功能積體電路(application specific integrated circuit；ASIC)等具特殊用途的邏輯電路也可用來進行製程和邏輯流程。

上述研磨設備和方法可應用到各種研磨系統。研磨墊或承載頭、或二者可於研磨表面與基材之間相對移動。例如，平台可繞行而非旋轉。研磨墊可為固接平台的圓形墊(或具其他形狀)。終點偵測系統的某些態樣可應用於線性研磨系統，例如研磨墊為連續式或線性移動的盤式帶狀研磨墊。研磨層可為標準研磨材料(例如含或不含填料之聚胺甲酸酯)、軟性材料、或固定研磨材料。在此描述相對位置關係；應理解研磨表面與基材可呈垂直或其他方位。雖然在此為敘述減去光譜中銅的貢獻，但也可以類似方式移去基材上諸如阻障材料等其他元素的反射。故其他實施例亦不脫離後附申請專利範圍所界定之保護範圍。

10、50．．．基材

15．．．結構層

20．．．介電層

25．．．阻障層

30．．．銅層

35．．．凹陷部位/銅線

55．．．研磨墊

60．．．位置

70、75、80．．．區域

92、94、96、98．．．起始點

110、120、130、140、150、160．．．光譜

180．．．時間點

210、212、220、222、230、232．．．曲線

第1圖為沉積銅之後，部分基材的截面圖。

第2圖為研磨處理之後，部分基材的截面圖。

第3圖繪示平台上的基材。

第4圖繪示光自部分基材表面反射。

第5、6及7圖分別例示銅、介電材料及阻障材料的光譜圖。

第8圖為與100%銅之光譜相關的關係曲線。

第9圖例示不同研磨製程階段的介電材料光譜。

第10圖繪示整個研磨過程中測量光譜與參考光譜的差別，用以判斷研磨終點。

第11圖為光譜匹配法的曲線圖。

第12圖繪示在減去銅貢獻之前，整個研磨過程中測量光譜與參考光譜的差別。

第13及14圖繪示在減去銅貢獻之後，整個研磨過程中測量光譜與參考光譜的差別。

各圖中同樣的元件符號代表類似的元件。

70、75、80．．．區域

Claims

一種決定一基材上之一區域之一貢獻量的方法，該基材包括一非介電材料，該方法至少包含：取得自該基材之一表面而來的反射光之一測量光譜；使該測量光譜與自一非介電材料而來的反射光之一參考光譜彼此關聯，以得到一相關性；以及將該相關性常態化，以獲得該區域中該非介電材料的一濃度。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該非介電材料為一金屬。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該非介電材料為銅。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該表面包括該非介電材料之數個區域和一介電材料之數個區域。
如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該介電材料為一阻障層。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中使該測量光譜與自該非介電材料而來的反射光之該參考光譜彼此關聯的步驟包括將該測量光譜與自一具有100%該非介電材料的區域而來的反射光之一光譜彼此關聯。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中取得該測量光譜的步驟是在研磨該基材時進行。
如申請專利範圍第7項所述之方法，其中取得該測量光譜的步驟包括引導一光束至該基材之該表面，以及接收該光束之反射。
如申請專利範圍第8項所述之方法，其中取得該測量光譜的步驟是在該基材相對該光束移動時進行。
一種將得自一基材之一區域的一光譜轉換成只具該介電材料之一光譜的方法，該基材含有一介電材料與一非介電材料，該方法至少包含：取得自該基材之一表面而來的反射光之一測量光譜；使該測量光譜與自一非介電材料而來的反射光之一參考光譜彼此關聯，以得到一相關性；將該相關性常態化，以獲得該區域中該非介電材料的一濃度；以及減去該測量光譜中的一非介電質貢獻。
如申請專利範圍第10項所述之方法，其中減去該非介電質貢獻的步驟包括將該參考光譜乘以該非介電材料的該濃度而得一縮減參考光譜，以及從該測量光譜中減去該縮減參考光譜而得一介電元素光譜。
如申請專利範圍第11項所述之方法，更包將該介電元素光譜除以該非介電材料的該濃度，藉以判定一介電材料光譜。
一種決定一研磨終點的方法，該方法至少包含：在一研磨程序期間，得到自一基材之一表面上之一區域而來的反射光之一測量光譜；使該測量光譜與自一非介電材料而來的反射光之一參考光譜彼此關聯，以得到一相關性；將該相關性常態化，以獲得該區域中該非介電材料的一濃度；判定一介電材料光譜，判定該介電材料光譜的步驟包括減去該測量光譜中的一非介電質貢獻；以及比較該介電材料光譜與一參考光譜，以判斷一研磨終點。
如申請專利範圍第13項所述之方法，其中取得該測量光譜的步驟是在該基材相對一用來接收該測量光譜之感測器移動時進行。
如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該基材為一半導體基材，該非介電材料為銅，且該介電材料為氧化物。
如申請專利範圍第13項所述之方法，更包含於該研磨終點時停止該研磨程序。
一種實體儲存於一機器可讀取之媒體的電腦程式產品，該電腦程式產品包含多個運作指令，使一處理器執行：接收自一基材的一表面上之一區域而來的反射光之一測量光譜；使該測量光譜與自一非介電材料而來的反射光之一參考光譜彼此關聯，以得到一相關性；以及將該相關性常態化，以獲得該區域中該非介電材料的一濃度，自該測量光譜、第一參考光譜與濃度判定一介電材料光譜；以及根據該介電材料光譜與一第二參考光譜之一比較，修改一研磨處理。
如申請專利範圍第17項所述之電腦程式產品，更包含多個指令，用以減去該測量光譜中的一非介電質貢獻。
如申請專利範圍第18項所述之電腦程式產品，其中用以減去該非介電質貢獻的該些指令包括複數個指令，用以將該參考光譜乘以該非介電材料的該濃度而得一縮減參考光譜，以及從該測量光譜中減去該縮減參考光譜而得一介電元素光譜。
如申請專利範圍第19項所述之電腦程式產品，更包含複數個指令，用以將該介電元素光譜除以該非介電材料的該濃度，藉以判定一介電材料光譜。
如申請專利範圍第18項所述之電腦程式產品，其中減去該測量光譜中的該非介電質貢獻判定一介電材料光譜，該產品更包含複數個指令，用以比較該介電材料光譜與一參考光譜，以判斷一研磨終點。
如申請專利範圍第13項所述之方法，其中使該測量光譜與自該非介電材料而來的反射光之該參考光譜彼此關聯的步驟包含將該測量光譜與自一具有100%該非介電材料的區域而來的反射光之一光譜彼此關聯。
如申請專利範圍第22項所述之方法，更包含於該研磨終點時停止該研磨程序。