在使用多個光譜的化學機械拋光中的終點檢測的製作方法

2023-06-15 10:32:01

專利名稱：在使用多個光譜的化學機械拋光中的終點檢測的製作方法
技術領域：
本發明通 常涉及在化學機械拋光期間基板的光譜監測。
背景技術：
通常是通過在矽晶片上順序沉積導體層、半導體層或絕緣層來在基板上形成集 成電路。一個製造步驟涉及在非平面的表面上沉積填料層並且使所述填料層平坦化。對 於某些應用來說，使填料層平坦化，直到圖案化層的頂表面暴露為止。例如，可在圖案 化絕緣層上沉積導電的填料層，以填充在絕緣層中的溝槽或孔。在平坦化之後，殘留在 絕緣層的升高的圖案之間的導體層的部分形成在基板上的薄膜電路之間提供導電通路的 通孔、插頭和線路。對於諸如氧化物拋光的其他應用來說，使填料層平坦化，直到在非 平面的表面上留下預定厚度為止。另外，基板表面的平坦化通常是光刻法所需要的。化學機械拋光(CMP)是一種所接受的平坦化方法。這種平坦化方法通常需要將 基板安裝在載具頭或拋光頭上。基板的暴露表面通常抵靠旋轉拋光碟狀襯墊或帶狀襯墊 放置。拋光墊可以是標準襯墊或固定研磨襯墊。標準襯墊具有耐久粗糙表面，而固定研 磨襯墊具有保持在包含介質中的研磨粒子。該載具頭在基板上提供可控的負載以將其推 至拋光墊。通常向拋光墊的表面供應拋光液體，諸如具有研磨粒子的漿液。CMP中的一個問題在於確定該拋光處理是否完成，S卩，是否已將基板層平坦化 到所要的平整度或厚度，或確定何時移除了所要量的材料。過度拋光(移除過多)導體 層或薄膜導致電路電阻增加。另一方面，拋光不足(移除太少)導體層導致電氣短路。 基板層的初始厚度的變化、漿液成分的變化、拋光墊狀態的變化、拋光墊與基板之間相 對速度的變化和基板上負載的變化可導致材料移除速率的變化。這些變化導致達到拋光 終點所需要的時間的變化。因此，不能將拋光終點僅確定為拋光時間的函數。

發明內容
在一個通用的方面，一種計算機實施的方法包括用實地光學監測系統獲得至 少一個當前光譜，比較所述當前光譜與多個不同的參考光譜，和基於該比較來確定對於 具有經受拋光的最外層的基板來說是否已到達拋光終點。該當前光譜是由基板反射的光 的光譜，該基板具有經受拋光的最外層和至少一個下面層。該多個參考光譜表示由基板 反射的光的光譜，這些基板具有厚度相同的最外層和厚度不同的下面層。實施方式可包括一或多個以下步驟。確定是否已到達拋光終點可以包括計算當 前光譜與參考光譜之間的差值。確定是否已到達拋光終點可以包括確定這些差值中的至 少一個差值是否已達到閾值。這些差值中的該至少一個差值可以為最小差值。確定是 否已到達拋光終點可以包括當這些差值中的至少一個差值已達到閾值時激活終點檢測算 法。確定是否已到達拋光終點可以包括產生差值跡線，該差值跡線包括多個點，每個點 代表為壓板的旋轉進行計算的差值中的最小差值。該終點檢測算法可以包括確定該差值 跡線是否已達到最小值。確定所述差值跡線是否已達到最小值可以包括計算該差值跡線的斜率，或確定該差值跡線是否已升至最小值以上的閾值。該參考光譜可以憑經驗來產 生或根據理論來產生。在另一方面，一種編碼在有形的載體程序上的電腦程式產品可操作以使數據 處理設備執行包含上述方法的步驟的操作。如在本說明書中所用，術語基板可包括，例如，產品基板(例如，其包括多個 存儲器或處理器模具)、測試基板、裸露基板和間基板。基板可以處在集成電路製造的各 個階段，例如，基板可以是裸露晶片，或其可以包括一或多個沉積層和/或圖案化層。 術語基板可以包括圓形的盤和長方形的板。本發明實施方式可能存在的優點可以包括一或多個以下優點。終點檢測系統對 下面層或圖案中基板之間變化可能較不敏感，從而可以改善終點系統的可靠性。通過提 供比使用單個參考光譜技術所產生的跡線通常更平滑的差值或終點跡線，多個參考光譜 (如與單個參考光譜相對)的使用改善終點確定的準確性。本發明的一或多個實 施例的細節闡述於附圖和以下描述中。本發明的其他特 徵、方面和優點將由描述、附圖和權利要求書而變得顯而易見。


圖1示出基板。圖2示出化學機械拋光設備。圖3是拋光墊的頂視圖並且示出採取實地測量的位置。圖4是確定拋光終點的程序框圖。圖5圖示來自光譜監測系統的差值跡線。圖6是確定拋光終點的另一個實施方式的程序框圖。在各個圖式中相同的元件符號和名稱指示相同的元件。
具體實施例方式參見圖1，基板10可以包括晶片12、將經受拋光的最外層14和在最外層16與 晶片12之間的一或多個下面層16，下面層16中的一些通常經圖案化。在化學機械拋光 期間光譜終點檢測的一個潛在問題在於下面層的厚度可能從基板到基板變化。因此，取 決於下面層，其中最外層具有相同厚度的基板實際上可以反射不同的光譜。因而，用於 觸發一些基板的拋光終點的靶光譜可能不對其他基板起到適當的作用，例如，如果下面 層具有不同的厚度的話。然而，通過將在拋光期間獲得的光譜與多個光譜進行比較，可 以補償該影響，其中該多個光譜代表在下面層中的變化。圖2示出可操作以拋光基板10的拋光設備20。拋光設備20包括可旋轉的盤狀 壓板24，拋光墊30位於該盤狀壓板24上。該壓板可操作以繞軸25旋轉。例如，電動 機可以轉動主動軸22以使壓板24旋轉。通過包括孔隙(即，貫穿該襯墊的孔)或實心窗口，提供了穿過拋光墊的光學通 路36。雖然在一些實施方式中該實心窗口可以被支撐在壓板24上並且投入拋光墊中的孔 隙中，但可以將實心窗口固定到拋光墊。通常將拋光墊30放置在壓板24上，以便孔隙 或窗口覆蓋位於壓板24的凹槽26中的光學頭53。因而，光學頭53具有穿過孔隙或窗口到正被拋光的基板的光學通路。該光學頭在下文進一步描述。拋光設備20包括組合漿液/清洗臂39。在拋光期間，臂39可操作以分配諸如
漿液的拋光液體38。或者，該拋光設備包括可操作以將漿液分配到拋光墊30上的漿液端□。拋光設備20包括可操 作以將基板10固持到拋光墊30上的載具頭70。載具頭 70是懸掛於例如圓盤傳送帶的支撐結構72上，並且通過載具主動軸74連接到載具頭旋 轉電動機76，以便載具頭可以繞軸71旋轉。另外，載具頭70可以在形成於支撐結構72 中的徑向槽中橫向地擺動。在操作中，使壓板繞其中心軸25旋轉，並且使載具頭繞其中 心軸71旋轉並且橫跨拋光墊的頂表面橫向地平移。拋光設備還包括光學監測系統，其可以如下文論述用於確定拋光終點。光學監 測系統包括光源51和光檢測器52。光從光源51傳出，穿過拋光墊30中的光學通路36， 撞擊基板10並且從基板10反射回穿過光學通路36，並且行進到光檢測器52。分叉光纜54可以用於將光從光源51傳輸到光學通路36，並且從光學通路36傳 回到光檢測器52。分叉光纜54可以包括「主幹」 55和兩個「分支」 56和58。如上文提及，壓板24包括凹槽26，光學頭53位於凹槽26中。光學頭53固持 分叉光纖電纜54的主幹55的一個末端，光纖電纜54經配置以向和從正被拋光的基板表 面傳送光。光學頭53可以包括覆蓋分叉光纖電纜54的末端的一或多個透鏡或窗口。或 者，光學頭53可以僅固持主幹55的相鄰於拋光墊中實心窗口的末端。光學頭53可以固 持衝水系統的上述噴嘴。光學頭53可以根據需要從凹槽26移除，例如，以實現預防性 或校正性維護。該壓板包括可移除的實地監測模塊50。實地監測模塊50可以包括以下的一或多 個光源51、光檢測器52和用於向光源51和光檢測器52發送信號和從其接收信號的電 路。例如，檢測器52的輸出可以是經過主動軸22中的旋轉耦合器(例如，集電環)到 用於光學監測系統的控制器的數字電子信號。類似地，可以響應從控制器經由旋轉耦合 器到模塊50的數字電子信號中的控制命令來開啟或關閉光源。實地監測模塊還可以固持分叉光纖54的分支部分56和58的各自末端。光源可 操作以傳輸光，該光是經由分支56傳送並且從位於光學頭53中的主幹55的末端傳出， 並且撞擊在正被拋光的基板上。從基板反射的光是在位於光學頭53中的主幹55的末端 處接收，並且經由分支58傳送到光檢測器52。在一個實施方式中，分叉光纖電纜54是一束光纖。該束包括第一組光纖和第二 組光纖。第一組中的光纖經連接以將光從光源51傳送到正被拋光的基板表面。第二組 中的光纖經連接以接收從正被拋光的基板表面反射的光並且將所接收的光傳送到光檢測 器。可以布置這些光纖以便第二組中的光纖形成以分叉光纖54的縱軸為中心的類似X的 形狀(如在分叉光纖電纜54的橫截面中所見)。或者，可以實施其他布置。例如，第二 組中的光纖可以形成彼此互成鏡像的類似V的形狀。適當的分叉光纖可購自Carrollton， Texa 的 Verity Instruments，Inc.。光源51可操作以發出白光。在一個實施方式中，發射的白光包括波長為 200-800納米的光。適當的光源是氙燈或氙汞燈。光檢測器52可以是光譜儀。光譜儀基本上是一種用於測量在一部分電磁光譜上的光的強度的光學儀器。適當的光譜儀是光柵光譜儀。光譜儀的典型輸出是光強度為波 長的函數。光源51和光檢測器52連接到可操作以控制其操作和接收其信號的計算裝置。計 算裝置可以包括位於鄰近拋光設備的微處理器，例如個人計算機。就控制而言，計算裝 置可以，例如，用壓板24的旋轉來使光源51的激活同步。如圖3所示，計算機可以使 光源51發出一系列閃光，所述閃光在基板10即將經過實地監測模塊以前開始，並且在基 板10經過實地監測模決之後立即終止。(所示的點301-311中的每一個點代表來自實地 監測模塊的光被撞擊並且反射開的位置。)或者，計算機可以使光源51連續地發出光， 所述光在基板10即將經過實地監測模塊以前開始發出，並且在基板10經過實地監測模塊 之後立即終止發出。在任何情況中，來自檢測器的信號可以在採樣周期上被集成以產生 採樣頻率上的光譜測量。雖然未示出，但是每次基板10經過監測模塊，基板與監測模塊 的對準都可以與先前的經過不同。經過該壓板的一次旋轉，從基板上的不同半徑獲得光 譜。即，一些光譜是從距基板中心較近的位置獲得，而一些光譜是從距邊緣較近的位置 獲得。另外，經過該壓板的多次旋轉，隨著時間推移可以獲得一連串光譜。在操作中，計算裝置可以接收，例如，承載描述關於光源的具體閃動或檢測器 的時間幀的由光檢測器52接收的光的光譜的信號。從而，該光譜為在拋光期間實地測量 的光譜。 不受任何具體理論限制，從基板10反射的光的光譜由於最外層的厚度的改變而 在拋光進行時演化，從而產生一連串時變光譜。此外，具體的光譜是由層疊的具體厚度 來展示。該計算裝置可以處理該信號以確定拋光步驟的終點。具體地講，計算裝置可以 執行基於測量出的光譜來確定何時達到終點的邏輯。簡單地說，計算裝置可以將測量出的光譜與多個參考光譜進行比較，並且使用 比較的結果來確定何時達到終點。如本文所用，參考光譜是在基板的拋光之前產生的預定義光譜。參考光譜可以 具有預定義(即，在拋光操作之前定義)的與基板特性的值(諸如最外層的厚度)的關 聯。參考光譜可以是憑經驗產生，例如，通過測量來自具有已知的層厚度的測試基板的 光譜，或可以根據理論來產生。參考光譜可以是靶光譜，其可以是終點處理補償靶光譜或未補償靶光譜。未補 償靶光譜涉及在最外層具有靶厚度時由該基板展示的光譜。舉例而言，靶厚度可以是一 到三微米。或者，例如，當清理所關注的薄膜以便暴露下層薄膜時，靶厚度可以是零。 然而，在系統接收代表靶厚度的光譜與拋光停止的時間之間可以存在滯後時間(這可能 是由於終點檢測算法需要來自多次壓板旋轉的光譜、用於將指令從控制器傳輸到處理系 統的時間和停止壓板旋轉所需要的時間)。因此，可以將拋光終點設置於達到靶厚度之前 的時間。終點處理補償靶光譜是這樣一種光譜，當將其用於在具體的終點算法和拋光控 制系統下觸發拋光終點時，產生大體上具有靶厚度的基板，例如，與沒有對滯後時間進 行補償的情況相比，該厚度顯著較接近於靶厚度。如上所述，存在用於最外層的所關注的具體厚度的多個參考光譜。確實如此， 是因為即使最外層具有相同厚度，用於不同基板的下面層的厚度不同仍可以產生不同光譜。另外，用於不同集成晶片產品的基板將具有不同的層圖案化，這樣即使最外層具有 相同厚度也可以產生不同光譜。從而，可以存在針對最外層的具體厚度的多個光譜，並 且該多個光譜可以包括因為下面層厚度不同或由於基板旨在提供不同產品導致圖案不同 而彼此不同的光譜參考光譜是在拋光操作之前收集，並且存儲每個參考光譜與其關聯的基板特性 的關聯。該參考光譜可以憑經驗來確定。例如，為了確定靶光譜，可以在測量站上在拋光之前測量與產品基板具有相同 圖案的「設置」基板的特性。該基板特性可以是最外層的厚度。然後，拋光該設置基 板，同時收 集光譜。可以周期性地從該拋光系統上移除該設置基板，並且在測量站測量 其特性。該基板可以被過度拋光，即，拋光超過所要厚度，以便可以獲得在達到靶厚度 時從該基板反射的光的光譜。使用所測量的厚度和所收集的光譜來從所收集的光譜中選擇經確定為當基板具 有所關注厚度時將由其展示的一或多個光譜。具體地講，可以使用所測量的拋光前薄 膜厚度和拋光後基板厚度來執行線性內插，以確定何時達到靶厚度和此時展示的相應光 譜。將被確定為在達到靶厚度時將展示的一或多個光譜指定為一或多個靶光譜。然後，可以對與產品基板具有相同圖案並具有不同的下面層厚度的一或多個額 外的設置基板重複這些步驟以產生額外的參考光譜。從而，所收集的參考光譜包括針對 相同靶厚度但因為下面層厚度不同而彼此不同的靶光譜。另外或替代地，然後可以針對與產品基板具有不同圖案的一或多個額外的設置 基板重複這些步驟以產生額外的參考光譜。從而，所收集的參考光譜包括針對相同靶厚 度但因為圖案不同而彼此不同的靶光譜。視需要，處理所收集的光譜以增強準確性和/或精確性。可以處理光譜以，例 如將其標準化為共同參考，對其進行平均，和/或過濾其中的幹擾。另外，可以根據理論來計算參考光譜中的一些或全部，例如，使用基板層的光 學模型來計算。圖4示出使用基於光譜的終點確定邏輯來確定拋光步驟的終點的方法200。使用 上述拋光設備來拋光產品基板(步驟402)。在壓板的每次旋轉時，執行以下步驟。測量從正被拋光的基板表面反射出的光的至少一個光譜(步驟404)。視需要， 可以測量多個光譜，例如，可以從壓板的單次旋轉獲得在基板上不同的半徑處測量的光 譜，例如，在點301-311 (圖3)。如果測量了多個光譜，那麼可以選擇這些光譜中的一或 多個光譜的子集來用於終點檢測算法。例如，可以選擇在鄰近基板中心的採樣位置處測 量的光譜(例如，在圖3中所示的點305、點306和點307處)。視需要處理在當前壓板 旋轉期間測量的光譜，以增強準確性和/或精確性。計算在選擇的所測光譜中的每一個與參考光譜中的每一個之間的差值(步驟 406)。參考光譜可以是靶光譜。在一個實施方式中，該差值是在波長範圍上的強度差的 總和。即，
差值二 ^>擬當前⑷參考⑷)
λ-α
其中a和b分別為光譜的波長範圍的下限和上限，並且Ι3| (λ)和分 別為針對給定波長的當前光譜的強度和靶光譜的強度。或者，可以將差值作為均方誤差 來計算，即
權利要求
1. 一種計算機實施的方法，包含用實地光學監測系統獲得至少一個當前光譜，所述當前光譜為從基板反射的光的光 譜，所述基板具有經受拋光的最外層和至少一個下面層；將所述當前光譜與多個不同的參考光譜進行比較，所述多個參考光譜代表從基板反 射的光的光譜，所述基板具有厚度相同的最外層和厚度不同的下面層；和基於所述比較來確定對於具有經受拋光的所述最外層的所述基板來說是否已到達拋 光終點。
2.根據權利要求1所述的方法，其中確定是否已到達所述拋光終點包括計算所述當前 光譜與所述參考光譜之間的差值。
3.根據權利要求2所述的方法，其中確定是否已到達所述拋光終點包括確定所述差值 中的至少一個差值是否已達到閾值。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述差值中的所述至少一個差值為所述差值中的 最小差值。
5.根據權利要求3所述的方法，其中所述差值中的所述至少一個差值為所述差值中的中等差值。
6.根據權利要求2所述的方法，其中確定是否已到達所述拋光終點包括當所述差值中 的至少一個差值已達到閾值時激活終點檢測算法。
7.根據權利要求6所述的方法，其中確定是否已到達所述拋光終點包括產生差值 跡線，所述差值跡線包括多個點，每個點代表為壓板的旋轉計算的所述差值中的最小差值。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述終點檢測算法包括確定所述差值跡線是否已 達到最小值。
9.根據權利要求8所述的方法，其中確定所述差值跡線是否已達到最小值包括計算所 述差值跡線的斜率。
10.根據權利要求7所述的方法，其中所述終點檢測算法包括確定所述差值跡線是否 已升至所述最小值以上的閾值。
11.根據權利要求1所述的方法，其中所述參考光譜是憑經驗來產生。
12.根據權利要求1所述的方法，其中所述參考光譜是根據理論來產生。
13.根據權利要求1所述的方法，進一步包含在不同時間獲得多個當前光譜。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述多個當前光譜包括來自橫跨所述基板的所 述實地光學監測系統的多個掃描的一連串當前光譜。
15.根據權利要求13所述的方法，其中所述多個當前光譜包括來自橫跨所述基板的所 述實地光學監測系統的相同掃描的多個當前光譜。
16.根據權利要求14所述的方法，進一步包含將來自所述相同掃描的所述多個當前光 譜與所述多個參考光譜進行比較以產生所述當前光譜與所述參考光譜之間的多個差值。
17.根據權利要求15所述的方法，進一步包含確定所述多個差值中的最小差值並且使 用所述多個差值中的所述最小差值來確定是否已到達拋光終點。
18.—種電腦程式產品，其編碼在有形的程序載體上，所述電腦程式產品可操作 以使數據處理設備執行包含以下的操作用實地光學監測系統獲得至少一個當前光譜，所述當前光譜為從基板反射的光的光 譜，所述基板具有經受拋光的最外層和至少一個下面層；將所述當前光譜與多個不同的參考光譜進行比較，所述多個參考光譜代表從基板反 射的光的光譜，所述基板具有厚度相同的最外層和厚度不同的下面層；和基於所述比較來確定對於具有經受拋光的所述最外層的所述基板來說是否已到達拋 光終點。
全文摘要
一種計算機實施的方法包括用實地光學監測系統獲得至少一個當前光譜，將所述當前光譜與多個不同的參考光譜進行比較，和基於所述比較來確定對於具有經受拋光的最外層的基板來說是否已到達拋光終點。所述當前光譜是從基板反射的光的光譜，所述基板具有經受拋光的最外層和至少一個下面層。所述多個參考光譜代表從基板反射的光的光譜，所述基板具有厚度相同的最外層和厚度不同的下面層。
文檔編號H01L21/304GK102017094SQ200980116558
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月29日 優先權日2008年5月2日
發明者H·Q·李, J·錢, S·瀚達帕尼, T·H·奧斯特赫爾德, Z·朱 申請人:應用材料股份有限公司