在原位电磁感应监测中对浆料组成的补偿的制作方法

1.本公开内容涉及化学机械抛光，并且更具体地涉及在化学机械抛光期间监测导电层。


背景技术：

2.集成电路典型地通过在硅晶片上顺序沉积导电层、半导电层或绝缘层来在基板上形成。多种制造工艺都要求将基板上的层平面化。例如，一个制造步骤涉及在非平面表面之上沉积填料层并且将填料层平面化。对于某些应用，将填料层平面化，直到暴露图案化层的顶表面为止。例如，可在图案化绝缘层上沉积金属层，以填充绝缘层中的沟槽和孔。在平面化之后，图案化层中的沟槽和孔中的金属的剩余部分形成在基板上的薄膜电路之间提供导电路径的通孔、插塞和线路。
3.化学机械抛光(cmp)是一种可接受的平面化方法。此平面化方法典型地要求将基板安装在承载头上。基板的暴露表面典型地抵靠旋转的抛光垫放置。承载头在基板上提供可控制载荷，以将基板推靠在抛光垫上。具有磨粒的抛光浆料典型地供应到抛光垫的表面。
4.cmp中的一个问题是确定是否完成抛光工艺(即，基板层是否已经平面化达到期望的平坦度或厚度)或何时已经去除期望量的材料。浆料组成、抛光垫状况、在抛光垫与基板之间的相对速度、基板层的初始厚度和基板上的载荷的变化可能引起材料去除速率的变化。这些变化引起达到抛光终点所需的时间的变化。因此，仅将抛光终点确定为抛光时间的函数可能导致晶片内或晶片间不均匀性。
5.在一些系统中，在(例如，通过抛光垫)抛光期间原位监测基板。一种监测技术是在基板的导电层中感应出涡流，并且在去除导电层时检测涡流的变化。


技术实现要素：

6.在一方面，一种化学机械抛光的方法包括：使基板的导电层与抛光垫接触；将抛光液供应到抛光垫；使基板与抛光垫之间产生相对运动；在抛光导电层时用原位电磁感应监测系统监测基板以产生取决于导电层的厚度的信号值序列；以及基于信号值序列来确定导电层的厚度值序列。确定厚度值序列包括至少部分地补偿抛光液对信号值的贡献。
7.在另一方面，一种化学机械抛光的方法包括：使具有设置在半导体晶片之上的导电层的基板与抛光垫接触；将抛光液供应到抛光垫；使基板与抛光垫之间产生相对运动；接收抛光液基础信号值；在抛光导电层时用原位电磁感应监测系统监测基板以产生取决于导电层的厚度的信号值序列；以及基于信号值序列和抛光液基础信号值来确定导电层的厚度值序列。
8.实现方式可包括以下优点中的一者或多者。可降低由抛光浆料(例如，由于在浆料中的带电粒子和离子)引起的在经测量的涡流信号与导电层厚度之间的相关性的不准确度。使用补偿过程的经调整的涡流信号或经调整的导电层厚度可以更准确。经调整的涡流信号和/或经调整的导电层可用于确定在抛光工艺期间的控制参数和/或确定抛光工艺的
终点。可提高控制参数确定和端点检测的可靠性，可避免晶片抛光不足，并且可减少晶片内不均匀性。
9.以下附图和描述中阐述了一个或多个实现方式的细节。从描述和附图中以及从权利要求中，其他方面、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
10.图1示出了包括电磁感应监测系统的抛光站的示例的示意性剖视图。
11.图2示出了示例化学机械抛光站的示意性俯视图，示出了传感器跨基板扫描的路径。
12.图3a-3c是示出抛光工艺的基板的示意性剖视图。
13.图4是示出由电磁感应传感器产生的示例磁场的示意性剖视图。
14.图5是用于监测导电层厚度的方法的流程图。
15.图6示出了作为导电层厚度的函数的示例涡流相位信号的曲线图。
具体实施方式
16.一种用于抛光操作的监测技术是例如使用交流电(ac)驱动信号在基板上的导电层中感应出涡流。感生涡流可在抛光期间由涡流传感器原位测量以产生信号。假设进行抛光的最外层是导电层，则来自传感器的信号应当取决于导电层的厚度。基于监测，可原位调整用于抛光操作的控制参数，诸如抛光速率。此外，抛光操作可基于所监测的厚度已经达到期望的终点厚度的指示来终止。
17.在实践中，由涡流传感器产生的磁场也穿过在基板与抛光垫之间的薄浆料层。不受任何特定理论限制，浆料中的带电磨粒或离子浓度可能影响来自涡流传感器的信号。如果涡流传感器的校准是在存在di水的情况下或在没有任何液体的情况下使用“空白”校准晶片执行的，则传感器将被错误地校准并可能产生不准确的厚度测量值。然而，可使用技术来补偿这种不准确性，例如，通过在存在适当浆料的情况下执行传感器的校准或通过在考虑浆料对信号的贡献的情况下调整训练数据。
18.因此，基于浆料组成来调整包括涡流信号和基于涡流信号的测量到的厚度的电磁感应测量值。
19.图1和图2示出了化学机械抛光系统的抛光站20的示例。抛光站20包括可旋转盘形台板24，抛光垫30安置在可旋转盘形台板24上。台板24可操作以围绕轴线25旋转。例如，电机22可转动驱动轴28以旋转台板24。抛光垫30可以是具有外抛光层34和较软的背层32的双层抛光垫。
20.抛光站20可包括供应端口或组合式供应-冲洗臂39以将抛光液38(诸如研磨浆料)分配到抛光垫30上。抛光站20可包括具有调节盘的垫调节器设备以维持抛光垫的表面粗糙度。
21.承载头70可操作以将基板10固持抵靠抛光垫30。承载头70悬挂在支撑结构72(例如，转盘或轨道)上，并且由驱动轴74连接到承载头旋转电机76，使得承载头可围绕轴线71旋转。可选地，承载头70可例如在转盘上的滑块上通过沿轨道的移动或通过转盘本身的旋转振荡而侧向地振荡。
22.承载头70可包括保持环84以固持基板。在一些实现方式中，保持环84可包括高导电部分，例如，载体环可包括接触抛光垫的薄的下塑料部分86和厚的上导电部分88。在一些实现方式中，高导电部分是金属，例如，与要抛光的层相同的金属，例如铜。
23.在操作中，台板围绕其中心轴线25旋转，并且承载头围绕其中心轴线71旋转并且跨抛光垫30的顶表面侧向地平移。在有多个承载头的情况下，每个承载头70可具有对其抛光参数的独立控制，例如每个承载头可独立地控制施加到每个相应基板的压力。
24.承载头70可包括具有基板安装表面以接触基板10的背面的柔性膜片80，以及将不同压力施加到基板10上的不同区(例如，不同径向区)的多个可加压腔室82。承载头还可包括保持环84以固持基板。
25.在一些实现方式中，抛光站20包括温度传感器64以监测抛光站中的温度或抛光站的/抛光站中的部件中的温度。尽管图1中示出为被定位成监测抛光垫30和/或垫30上的浆料38的温度，温度传感器64也可定位在承载头70内部以测量基板10的温度。温度传感器64可与抛光垫或基板10的最外层(其可以是导电层)直接接触(即，接触式传感器)，以准确地监测抛光垫或基板的最外层的温度。温度传感器也可以是非接触式传感器(例如，红外传感器)。在一些实现方式中，抛光站22中包括了多个温度传感器，例如，以测量抛光站的/抛光站中的不同部件的温度。可实时地，例如周期性地和/或与由涡流系统进行的实时测量相关联地测量(多个)温度。所监测的(多个)温度可用于原位调整涡流测量值。
26.参考图3a，抛光系统可用于抛光包括覆盖和/或镶嵌在图案化介电层中的导电材料的基板10。例如，基板10可包括导电材料16(例如，金属，例如铜、铝、钴或钛)的层，所述导电材料16的层覆盖并填充介电层14(例如，氧化硅或高k电介质)中的沟槽。可选地，阻挡层18(例如，钽或氮化钽)可排列沟槽，并且将导电材料16与介电层14分开。沟槽中的导电材料16可在完成的集成电路中提供通孔、垫和/或互连。尽管介电层14被示出为直接沉积在半导体晶片12上，但也可在介电层14与晶片12之间插置一个或多个其他层。
27.半导体晶片12可以是硅晶片，例如单晶硅，但其他半导体材料也是可能的。此外，半导体晶片12可例如通过p型或n型掺杂被掺杂。掺杂可在整个晶片上是侧向地均匀的，或者可选择性地掺杂晶片，例如，适于使用半导体晶片制造集成电路中的晶体管。
28.最初，导电材料16覆盖整个介电层14。随着抛光进行，大量导电材料16被去除，从而暴露阻挡层18(参见图3b)。持续抛光然后暴露介电层14的图案化顶表面(参见图3c)。然后可使用附加的抛光来控制容纳导电材料16的沟槽的深度。
29.在一些实现方式中，抛光系统包括附加的抛光站。例如，抛光系统可包括两个或三个抛光站。例如，抛光系统可包括具有第一电磁感应监测系统的第一抛光站和具有第二电磁感应电流监测系统的第二抛光站。
30.例如，在操作中，可在第一抛光站处对基板上的导电层进行整体抛光，并且当目标厚度的导电层保留在基板上时可中止抛光。然后将基板传送到第二抛光站，并且可将基板抛光直到底层(例如，图案化介电层)为止。
31.返回图1，抛光系统包括原位电磁感应监测系统100，原位电磁感应监测系统100可耦接到或被认为包括控制器90。旋转耦接件29可用于将可旋转台板24中的部件(例如，原位监测系统的传感器)电连接到在台板外部的部件(例如，驱动和感测电路系统或控制器90)。
32.原位电磁感应监测系统100被配置为产生取决于导电材料16(例如，金属)的深度
的信号。电磁感应监测系统可通过在导电材料(其可以是覆盖在介电层上的导电材料片或是在介电层被暴露之后保留在沟槽中的导电材料)中产生涡流或在形成在基板上的介电层中的沟槽中的导电回路中产生电流来操作。
33.在操作中，抛光系统可使用原位监测系统100来确定导电层何时已经达到目标厚度，例如沟槽中的金属的目标深度或覆盖介电层的金属层的目标厚度，并且然后中止抛光。替代地或附加地，抛光系统可使用原位监测系统100来确定在整个基板10上的导电材料16的厚度差异，并且使用此信息来调整在抛光期间承载头80中的一个或多个腔室82中的压力，以便降低抛光不均匀性。
34.凹槽26可形成在台板24中，并且可选地，薄区段36可形成在覆盖凹槽26的抛光垫30中。凹槽26和薄区段36可被定位成使得无论承载头的平移位置如何，它们在台板旋转的一部分期间经过基板10下方。假设抛光垫30是双层垫，则薄区段36可通过去除背层32的一部分并且可选地通过在抛光层34的底部中形成凹槽来构造。例如，如果原位光学监测系统被整合到台板24中，则薄区段可以可选地是透光的。
35.原位监测系统100可包括安装在凹槽26中的传感器102。传感器102可包括至少部分地定位在凹槽26中的磁芯104，以及缠绕芯104的一部分的至少一个线圈106。驱动和感测电路系统108电连接到线圈106。驱动和感测电路系统108产生可发送到控制器90的信号。尽管被示出为在台板24外部，但是驱动和感测电路系统108中的一些或全部可安装在台板24中。
36.参考图1和图4，驱动和感测电路系统108向线圈106施加ac电流，所述ac电流在芯104的两个极152a和152b之间产生磁场150。在操作中，当基板10间歇地覆盖在传感器102上时，磁场150的一部分延伸到基板10中。
37.电路系统108可包括与线圈106并联连接的电容器。线圈106和电容器可一起形成lc谐振回路。
38.如果期望监测基板上的导电层的厚度，则当磁场150到达导电层时，磁场150可通过并产生电流(如果目标是回路)或产生涡流当前(如果目标是片材)。这修改了lc电路的有效阻抗。
39.然而，磁场150也穿透到形成在导电层16与抛光垫层32之间的浆料层15中。因此，lc电路的有效阻抗以及因此来自驱动和感测电路系统108的信号也可取决于在抛光期间使用的浆料的类型。
40.驱动和感测电路系统108可包括耦接到组合驱动/感测线圈106的边缘振荡器，并且输出信号可以是将正弦振荡的峰-峰振幅维持在恒定值所需的电流，例如，如在美国专利第7,112,960号中所述。驱动和感测电路系统108的其他配置也是可能的。例如，可将单独的驱动线圈和感测线圈缠绕在磁芯上。驱动和感测电路系统108可以以固定频率施加电流，并且来自驱动和感测电路系统108的信号可以是感测线圈中的电流相对于驱动线圈的相移，或者所感测的电流的幅度，例如，如美国专利第6,975,107号中所述。
41.参考图2，随着台板24旋转，传感器102扫过基板10下方。通过以特定频率对来自电路系统108的信号进行采样，电路系统108在整个基板10上的一系列采样区94处生成测量值。对于每次扫掠，可选择或组合采样区94中的一个或多个采样区94处的测量值。因此，经过多次扫掠，选择或组合的测量值提供时变的值序列。
42.抛光站20还可包括位置传感器96(诸如光断续器)，以感测传感器102何时在基板10下方和传感器102何时离开基板。例如，位置传感器96可安装在与承载头70相对的固定位置处。标志98可连接到台板24的周边。选择标志98的附接点和长度，使得当传感器102扫过基板10下方时标志98可向位置传感器96发信号。
43.替代地或附加地，抛光站20可包括编码器以确定台板24的角位置。
44.参考图1，控制器90(例如通用可编程数字计算机)接收来自原位监测系统100的传感器102的信号。由于传感器102随着台板24的每次旋转而从基板10下方扫过，(每台板旋转一次)关于导电层的深度的信息(例如，沟槽中的块层或导电材料)在原位累积。控制器90可被编程为在基板10通常覆盖传感器102时从原位监测系统100采样测量值。
45.此外，控制器90可被编程以计算每次测量的径向位置，并且将测量分类到径向范围内。通过将测量安排在径向范围内，关于每个径向范围的导电膜厚度的数据可被馈送到控制器(例如，控制器90)中，以调整由承载头施加的抛光压力分布。控制器90还可被编程为将终点检测逻辑应用于由原位监测系统100信号产生的测量值序列并且检测抛光终点。
46.由于传感器102随着台板24的每次旋转而从基板10下方扫过，关于导电层厚度的信息是原位且在连续实时的基础上累积的。在抛光期间，来自传感器102的测量值可显示在输出装置上，以准许抛光站的操作员在视觉上监测抛光操作的进度。
47.作为涡流监测系统，电磁感应监测系统100可通过在导电片中感应出涡流来监测导电层的厚度，或者通过在导电片中感应出涡流来监测沟槽中的导电材料的深度。替代地，作为感应式监测系统，电磁感应监测系统可通过在形成在基板10的介电层14中的导电回路中感应地产生电流来操作，以用于监测目的，例如，如美国专利公布第2015-0371907号中所述。
48.图5是用于监测导电层厚度的方法500的流程图。为了抛光，建立在基板的导电层与抛光垫之间的接触(502)。将抛光液(例如，浆料)供应到用于抛光基板的抛光垫(504)。方法500还使用涡流传感器。涡流传感器允许对导电层进行厚度测量。然而，在抛光期间，涡流传感器对在基板下方和外部的浆料的存在敏感。不同类型的浆料可影响来自传感器的信号，并且缺少补偿会影响导电层的厚度测量值。因此，在收集导电层的厚度测量值之前校准传感器。校准是使用具有已知厚度的一组校准基板完成的。从一个或多个校准基板上的一个或多个导电层收集多个计量厚度测量值。测量值是用原位电磁感应监测系统收集的，而没有浆料的扭曲效应，例如，在存在去离子水的情况下，生成多个测试基板信号值。这些测量值用于从多个测试基板信号值计算初始系数。为了准确地估计导电层的厚度，可在控制器90中用函数(例如，多项式函数，例如二阶函数、三阶函数或更高阶函数)来表示关系。在不存在浆料的情况下，在信号s与导电层厚度d之间的相关性可用以下等式表示：
49.s＝w1d2 w2d w3ꢀꢀ
(等式1)
50.其中w1、w2和w3是实数系数。因此，控制器可存储函数系数的值，例如w1、w2和w3，以及关系曲线610适用的电阻率ρ0(图6)。此外，所述关系可用线性函数、贝塞尔曲线或非多项式函数(例如，指数或对数函数)表示。
51.然而，如上所述，由涡流传感器产生的信号还包括来自浆料的贡献。不受任何特定理论限制，由于涡流通过浆料层和导电层，因此功率耗散到这两个层中。实验表明，对于高电阻薄膜，浆料的影响更明显。例如，在电阻率为30000欧姆a的金属膜中，示例浆料将向金
属膜的计算出的厚度添加440a。为了补偿浆料的影响，可修改等式1以包括浆料的贡献。从一组样品选择有代表性校准样品，并且在抛光期间施加浆料，以便获得补偿浆料对厚度测量值的影响的偏移值。
52.因此，信号s可表示为s＝f(d-s)，其中f()是用于表示关系曲线的函数，例如二阶或更高阶的多项式函数，d是导电层的厚度，并且s是来自浆料的等同导电层厚度贡献。
53.例如，在信号s与厚度d之间的相关性可用等式2表示：
54.s＝w1(d-s)2 w2(d-s) w3ꢀꢀ
(等式2)
55.可通过将经校准的晶片放入抛光站中并且在存在浆料的情况下测量信号s来确定补偿浆料的存在的等同导电层厚度。所述浆料与器件制造中使用的浆料相同。对于在抛光期间使用的每种不同类型的浆料，等同导电层厚度值s将不同。例如，每批制造可使用一种浆料，并且可针对此类型的浆料测量信号s。
56.一旦已知等同导电层厚度贡献s(或偏移值)，就可确定经修改的(即，经浆料补偿的)相关函数。例如，在信号s与厚度d之间的经修改的相关性可用等式3表示：
57.s＝w'1d2 w'2d w'3ꢀꢀ
(等式3)
58.控制器可从初始系数w1、w2、w3和浆料的等同导电层厚度贡献s确定经调整的系数w'1、w'2和w'3。例如，
59.w'1＝w160.w'2＝w
2-2s*w161.w'3＝s2*w
1-s*w2 w362.在抛光导电层时，用使用针对特定浆料类型的浆料补偿函数的监测系统来监测基板(508)。随时间而从原位监测系统接收信号的值s(t)序列(510)。值s(t)可用于使用经修改的相关函数(例如，以上等式3)计算厚度值d(t)，从而提供厚度值d(t)序列(512)。
63.在一些实现方式中，值s(t)被归一化。例如，经校准的信号s'可根据下式来产生
64.s'＝g*s-δk
ꢀꢀ
(等式4)
65.其中g是增益，δk是偏移，但是是使用具有已知厚度和电导率的导电层的空白晶片对原位监测系统通过经实验确定的。
66.此外，可基于层的电阻率来调整每个厚度值以提供经校正的厚度值，从而提供经校正的厚度值d'(t)序列。经校正的厚度值可计算如下：
67.d'(t)＝d(t)*(ρ
x
/ρ0)
ꢀꢀ
(等式5)
68.其中ρ
x
是导电层的电阻率，并且ρ0是关系曲线610(和值w1、w2、w3)适用的电阻率。
69.经校正的厚度值d'(t)可用于控制抛光参数，例如用于计算抛光压力以降低不均匀性。
70.当厚度值d(t)或经校正的厚度值d'(t)达到目标厚度值d
目标
时，可称为终点。
71.图6示出了曲线图600，示出了对于给定电阻率，在导电层的厚度与来自电磁感应监测系统100的信号之间的关系曲线610。在曲线图600中，d
起始
表示导电层的初始厚度，s
起始
为对应于初始厚度d
起始
的期望的信号值；d
最终
表示导电层的最终厚度，并且s
最终
为对应于最终厚度的期望的信号值；并且k是表示零导电层厚度的信号值的常数。
72.除了电阻率的基板间变化之外，层的温度变化也会导致导电层的电阻变化。例如，随着抛光进行，导电层可能变得更热，并且因此更导电(电阻率更低)。特别地，执行工艺的
控制器还可计算导电层在实时温度t(t)下的电阻率ρ
t
。实时温度t(t)可从温度传感器64确定。在一些实现方式中，经调整的电阻率ρ
t
基于以下等式来计算：
73.ρ
t
＝ρ
x
[1 α(t(t)-t
ini
)]
[0074]
其中t
ini
是在抛光工艺开始时导电层的初始温度。然后使用经调整的电阻率ρ
t
来代替电阻率ρ
x
，例如在以上等式5中(或在等式4中的增益和偏移计算中)。
[0075]
在室温下进行抛光工艺的情况下，t
ini
可取20℃的近似值。ρ
x
是导电层在t
ini
下的电阻率，t
ini
可以是室温。通常，α是可在文献中找到或可从实验中获得的已知值。
[0076]
在一些实现方式中，在调整测量到的涡流信号中使用的温度t和t
ini
是(例如，如由承载头中的温度传感器测量的)导电层的温度。在一些实现方式中，温度t和t
ini
可以是抛光垫的温度或浆料的温度而不是导电层的温度。
[0077]
上述抛光设备和方法可应用于多种抛光系统。抛光垫或承载头或这两者可移动以提供抛光表面与基板之间的相对运动。例如，台板可围绕轨道运行而不是旋转。抛光垫可以是固定到台板的圆形(或一些其他形状)垫。终点检测系统的一些方面可适用于线性抛光系统，例如，其中抛光垫是线性移动的连续带或卷对卷(reel-to-reel)带。抛光层可以是标准的(例如，具有或没有填料的聚氨酯)抛光材料、软材料或固定磨料。相对定位术语用于指系统或基板内的相对定位；应当理解，抛光表面和基板可在抛光操作期间保持在竖直取向或一些其他取向上。
[0078]
控制器90的功能操作可使用一个或多个计算机程序产品(即，有形地体现在非暂时性计算机可读存储介质中的一个或多个计算机程序)来实现，以供由数据处理设备(例如，可编程处理器、计算机、或多个处理器或计算机)执行或用于控制所述数据处理设备的操作。
[0079]
已描述了本发明的多个实施例。然而，将会理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改。因此，其他实施例在所附权利要求书的范围内。