涡流侦测装置以及金属层厚度的测量方法与流程

1.本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种涡流侦测装置以及金属层厚度的测量方法。


背景技术：

2.化学机械研磨(cmp)是一种最为常见的平坦化的方法，常见的研磨介质有二氧化硅，氮化硅，金属导体层。通常金属导体层的制备过程为，讲金属层沉积到绝缘层表面，用来填满绝缘层的凹陷或者坑洞，然后磨光金属填料层，知道绝缘层图案全部暴露或者凸起，平坦化之后，存留在绝缘层的图案可用来穿孔配线等后续工艺。
3.金属化学机械研磨需要将大部分金属层磨光，在研磨中需要精准的判定研磨过程是否已经完成，研磨不足会导致金属层残留，过度研磨又会破坏底层金属图案。判定研磨终点的方法之一为利用电感应器来检测金属层研磨的状况。这项监测技术是在金属层上导入已涡旋电流，并伴随一磁场，当金属层被移除时，会察觉磁通量的改变。简单来说，由涡旋电流产生的磁通量和激发通量线方向相反，该磁通量与涡旋电流成正比，涡旋电流和金属层电阻成正比，电阻又和金属层的厚度成正比。因此金属层厚度改变会导致由涡旋电流产生的磁通量改变。磁通量改变会导致原始线圈电流的改变，亦可测量阻抗的改变。线圈阻抗改变即可反映金属层厚度的改变。
4.一般将涡旋电流探头固定在研磨盘底部，随着研磨头和研磨盘的旋转，带有金属层的晶圆滑过探头顶部，通过侦测不同位置的阻抗值从而得到整个晶圆不同半径下的金属层厚度分布。通常因为边缘取样时间短，边缘磁通溢出导致的感应电场弱，使得在晶圆边缘处得到的涡流信号弱，厚度侦测的误差较大。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是边缘涡流信号弱、监测困难制约了涡流监测精度，提供一种涡流侦测装置以及金属层厚度的测量方法。
6.为了解决上述问题本发明提供了一种涡流侦测装置，应用于化学机械研磨机台，所述化学机械研磨机台包括研磨盘，其特征在于，所述涡流侦测装置包括多个涡流探头，所述涡流探头包括中央探头和边缘探头，所述中央探头和边缘探头设置在与研磨盘中心不同距离的位置。
7.本发明还提供了一种金属层厚度的测量方法，包括：通过涡流侦测装置收集金属层厚度数据，所述涡流侦测装置，应用于化学机械研磨机台，所述化学机械研磨机台包括研磨盘，所述涡流侦测装置包括多个涡流探头，所述涡流探头包括中央探头和边缘探头，所述中央探头和边缘探头设置在与研磨盘中心不同距离的位置；将研磨头不同控压单元的范围以及涡流探头收集的金属层厚度数据进行加权计算确定金属层厚度。
8.本发明通过在研磨盘不同半径处增加涡流探头，收集晶圆边缘金属层厚度用以补偿原有探头边缘监测能力的不足，提高了涡流侦测能力。
附图说明
9.附图1所示为本发明一种具体实施方式所述涡流侦测装置示意图。
10.附图2所示为本发明一种具体实施方式所述金属层厚度的测量方法步骤示意图。
11.附图3所示为本发明一种具体实施方式所述金属层厚度的测量方法对照表。
12.附图4所示为本发明一种具体实施方式所述金属层厚度的测量方法示意图。
具体实施方式
13.下面结合附图对本发明提供的一种涡流侦测装置以及金属层厚度的测量方法的具体实施方式做详细说明。
14.附图1所示为本发明一种具体实施方式所述涡流侦测装置示意图。所述涡流侦测装置应用于化学机械研磨机台，所述化学机械研磨机台包括研磨盘10，所述涡流侦测装置包括多个涡流探头，所述涡流探头包括中央探头11和边缘探头12，所述中央探头11和边缘探头12设置在与研磨盘中心o不同距离的位置。研磨头13在研磨时设置在研磨盘10表面。
15.本发明一种具体实施方式所述涡流侦测装置，在研磨盘10上设置2个涡流探头以检测金属层的厚度，包括1个中央探头11和1个边缘探头12。所述涡流探头固定在所述研磨盘10的下方并穿过所述研磨盘10，所述涡流探头的顶端位于研磨盘10上方或与研磨盘10上表面齐平。使所述涡流探头尽量贴近待研磨晶圆，以便探测到更强的涡流信号。
16.所述边缘探头12、中央探头11、以及研磨盘中心o位于一条直线上。所述边缘探头12和中央探头11分别设置在研磨盘中心o的两侧，以减少涡流探头之间的相互干扰，更准确的收集涡流信号。所述中央探头11设置在距离研磨盘中心o 180mm
‑
200mm处，即图1中的r1所示距离；所述边缘探头12设置在距离研磨盘中心o 270mm
‑
330mm处，即图1中的r2所示距离。在本发明的其他具体实施方式中，可以设置多个与磨盘中心o不同距离的边缘探头12，进行涡流侦测。
17.在本具体实施方式中，通过设置两个涡流探头用于金属厚度监测，中央探头11设置在距离研磨盘中心o 180mm
‑
200mm处，优选为190mm。此处为常见的涡流探头设置位置，用于收集距离研磨盘中心0
‑
150mm范围内的涡流信号。在中央探头11对称方向增加一个边缘探头12用以专门侦测晶圆边缘处金属层厚度，以补偿中央探头11在边缘监测能力上的不足。在本具体实施方式中，所述边缘探头12采用高压高频探头，以达到降低干扰，更准确的收集涡流信号的效果。通过设计边缘探头12放置到研磨盘中心距离为r2，r2的范围在270mm
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330mm之间，用于收集距离研磨盘中心100mm
‑
150mm范围内的涡流信号，r2过低不利于边缘数据收集，r2过高则边缘信号采集时间短，同样不利于边缘数据收集。
18.在相同半径下增加探头个数可以有效增加整个晶圆所有位置的采样频率，边缘的信号得以同步增强，但中间采集的信号多为无用信号，增加了数据处理量，故本具体实施方式优选为设置1个中央探头11和1个边缘探头12。
19.附图2所示是本发明一种具体实施方式所述金属层厚度的测量方法步骤示意图，包括：步骤s21，通过涡流侦测装置收集金属层厚度数据；步骤s22，将研磨头不同控压单元的范围以及涡流探头收集的金属层厚度数据进行加权计算确定金属层厚度。
20.步骤s21，参考附图1所示，通过涡流侦测装置收集金属层厚度数据。采用上述技术方案所述的涡流侦测装置，所述涡流探头固定在所述研磨盘10的下方并穿过所述研磨盘，
所述涡流探头的顶端位于研磨盘10上方或与研磨盘10上表面齐平；所述边缘探头、中央探头、以及研磨盘中心位于一条直线上。在本具体实施方式中，在所述研磨盘10上设置2个涡流探头以检测金属层的厚度，包括1个中央探头11和1个边缘探头12，所述中央探头11和边缘探头12设置在与研磨盘中心o不同距离的位置。所述中央探头11设置在距离研磨盘中心o 180mm
‑
200mm处，优选为190mm，用于收集距离研磨盘中心0
‑
150mm范围内的涡流信号。所述边缘探头12设置在距离研磨盘中心270mm
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330mm处，用于收集距离研磨盘中心o 100mm
‑
150mm范围内的涡流信号。在本具体实施方式中，所述边缘探头12采用高压高频探头，以达到降低干扰，更准确的收集涡流信号的效果。
21.步骤s22，参考附图3所示，将研磨头不同控压单元的范围以及涡流探头收集的金属层厚度数据进行加权计算确定金属层厚度。附图3所示为本发明一种具体实施方式所述金属层厚度的测量方法对照表。将研磨头13不同控压单元的控制范围以及涡流探头收集的厚度数据s1、s2进行加权计算确定金属层厚度，所述不同控压单元的控制范围是以研磨头13的中心为圆心的同心圆，用半径表示所述控制范围的大小。金属层厚度的计算方法为(1
‑
a
n
)*t
n
a
n
*k
n
，其中a
n
为针对不同控制范围取的权，t
n
为中央探头11收集的厚度数据s1，k
n
为边缘探头12收集的厚度数据s2。
22.附图4所示为本发明一种具体实施方式所述金属层厚度的测量方法示意图。不同控压单元区域内金属层的厚度值为两个探头厚度的加权值，越接近研磨盘中心o的区域所述中央探头11收集的厚度数据越准确，故a1、a2、以及a3取0；越接近边缘区域边缘探头12收集的厚度值所占的比重越高。这样即可有效增强晶圆边缘金属厚度侦测的精准度。附图4所示的s1曲线为中央探头11收集的厚度数据的曲线，即距离研磨盘中心o 0
‑
150mm范围内的涡流信号；s2曲线为边缘探头12收集的厚度数据的曲线，即距离研磨盘中心o100mm
‑
150mm范围内的涡流信号；虚线e1为边缘区域经过加权计算后确定的曲线。
23.在本发明一种具体实施方式中，通过边缘探头12与中央探头11测量区域的起始重叠区域金属层厚度数据，确定所述边缘探头与所述中央探头测量区域的末尾重叠区域的金属层厚度的加权计算的参数。具体地说，将边缘探头12与中央探头11测量区域起始重叠区域(如图4所示z3区域中段至全部z4区域)作为校准段，采用边缘探头12与中央探头11在该区域获得的金属层厚度数据作为校准数据，确定所述边缘探头12与所述中央探头11测量区域的末尾重叠区域的金属层厚度的加权计算的参数。
24.优选地，为了进一步提高校准准确度，在本具体实施方式中，仅将起始重叠区域的后段(如图4所示的z4区域)作为校准段，即距离研磨盘中心o110mm
‑
140mm范围，通过z4区域内的s1曲线与s2曲线的对照，确定a5、a6以及a7的加权，并通过上述公式和对照表对末尾重叠区域的金属层厚度进行加权计算，即对距离研磨盘中心o 140mm
‑
145mm范围的z5区域、距离研磨盘中心o 145mm
‑
147mm范围的z6区域、以及距离研磨盘中心o147mm
‑
150mm范围的z7区域进行加权计算，得到曲线e1；其中z5、z6、以及z7区域即为末尾重叠区域。
25.上述技术方案通过在研磨盘不同半径处增加涡流探头，收集晶圆边缘金属层厚度用以补偿原有探头边缘监测能力的不足，提高了涡流侦测能力，同时降低了探头之间的相互干扰。通过将研磨头不同控压单元的范围以及涡流探头收集的金属层厚度数据进行加权计算确定金属层厚度，解决了边缘区域厚度测量精度不高的问题。
26.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。