专利名称：红外线终点检测系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及基板的化学机械平面化(CMP)，特别涉及CMP中的终点检测技术。
背景技术：
在半导体器件加工中，需要执行CMP操作，包括平面化、磨光、以及基板清洁。集成电路装置典型为多层结构形式。具有扩散区域的晶体管器件形成于基板层。在其后的各层，构图互连式金属线并将其与晶体管器件电连接，以定义出所需的功能性器件。众所周知，构图后的导电层通过电介质材料(如氧化硅)而与其它导电层保持绝缘。在每个金属层均须将金属或相关电介质材料平面化。若未经平面化，附加金属层的制造实质上将变得较为困难，因为表面地势具有较大的差异。在其它应用中，金属线图形被形成于电介质材料中，然后进行金属CMP操作以去除多余的金属，例如铜。
在现有技术中，CMP系统典型上装配有带、轨道、或刷站，其中把带、垫、刷用于洗涤、磨光、抛光及其它操作以制备基板。在某些应用中，一种称为浆料的悬浮研磨物质被用于帮助及增强CMP操作。浆料通常被引入到一个移动的制备表面，例如带、垫、刷等等，并分布在整个制备表面以及通过CMP工艺进行磨光、抛光、或其它制备的基板表面上。该分布通常通过制备表面的移动、半导体晶片的移动、及半导体晶片与制备表面间所产生的磨擦力而得以完成。
图1A为经过一个加工工艺的电介质层102的横剖面图，此加工工艺在构造镶嵌和双镶嵌互连金属线时是通常工艺。该电介质层102设有一扩散阻挡层104，其淀积在该电介质层102的蚀刻构图表面上。众所周知，该扩散阻挡层104典型上为氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)或氮化钽(TaN)与钽(Ta)的组合。一旦该扩散阻挡层104已淀积至所需厚度，一金属层104(如铜)将以填充在电介质层102中的蚀刻特征的方式形成于扩散阻挡层上。某些剩余的扩散阻挡材料和金属化材料也将无可避免地淀积于场区域上。为去除这些多余材料以及定义所需互连金属线及其相关通孔(未示出)，进行金属化学机械平面化(CMP)操作。
如上所述，金属CMP操作被设计为从电介质层102之上去除顶部金属材料。例如，如图1B中所示，铜金属层106和扩散阻挡层104的多余部分已被去除。通常在CMP操作中，CMP操作必须持续进行至所有多余金属和扩散阻挡材料104均已从电介质层102上去除为止。然而，为确保全部扩散阻挡层104已从电介质层102上去除，必须设法在CMP处理期间监控处理状态和晶片表面状态。这一般即称为终点检测。在多步骤CMP操作中有必要确定多重终点(例如，确保铜已从扩散阻挡层上去除；以及确保扩散阻挡层已从电介质层上去除)。因此，终点检测技术用于确保所有多余材料均已去除。目前终点检测技术的共同问题在于需要某种程度的过度处理(亦称为过度抛光)，来确保所有导电材料(如金属化材料或扩散阻挡层104)均已从电介质层102去除，以防止金属线间发生无意的电互连现象。
不当终点检测技术或过度抛光的一个副作用为留存于电介质层102内的金属特征上方将会发生凹盘108。凹盘效应实质上会去除比所希望的更多的金属化材料，且会在金属线上留下一盘状的顶部表面。已知凹盘现象将对互连金属线的性能造成负面影响，严重的凹盘现象可导致所需之集成电路无法发挥其预期效用。
凹盘现象将进一步造成半导体晶片层中产生非均一厚度的情况。已经知道，某些电路加工应用需要维持材料的特定厚度以便制造一个工件。例如，电介质层102需要被维持特定厚度，以便容纳在其中限定的金属线和相关导电通孔。
一种进行终点检测的技术是使用光学检测器。使用光学检测技术有可能确定已从晶片表面去除一定高度的某些膜。光学检测技术被设计为通过检验光学检测器所接收的干涉图以检测晶片表面组成的变化。光学终点检测虽适合某些应用，但其并不适用于希望对半导体晶片中不同区域进行终点检测的情况。
图2A为顶部铜层经CMP处理后的示例半导体芯片201的部分横剖面图。利用标准杂质注入、光刻、与蚀刻技术，可将P型及N型晶体管加工成P型硅基板200。如图所示，每一晶体管具有一栅极、源极、和漏极，它们被形成在适当的阱中。P型晶体管和N型晶体管的交替图形产生互补金属介电半导体(CMOS)器件。
第一电介质层202在晶体管及基板200上形成。常规光刻、蚀刻以及淀积技术用于制成钨插塞210及铜线212。钨插塞210提供铜线212与晶体管上的有源特征之间的电连接。第二电介质层204可在第一电介质层202及铜线212上加工制成。常规光刻、蚀刻以及淀积技术用于制成第二电介质层204中的铜通孔220及铜线214。铜线220提供第二层中的铜线214与第一层中的铜线212或钨插塞210之间的电连接。
而后，晶片典型地经铜CMP处理以去除多余金属化材料，且将金属仅留在沟槽中，整个晶片表面尽可能达如图1A-1B所述般平整。在铜CMP处理之后，晶片便置于晶片清洁系统中进行清洁。
图2B为晶片经光学终点检测后的部分横剖面图。如图所示，顶层上的铜线214在进行检测期间已受到光蚀。一般认为此光蚀部分地是因为光检测器所发射出的光子到达P/N结处所引起，其可作为太阳能电池。不幸地，一般光检测的正常光量将导致灾难性的腐蚀效应。
在此横剖面例子中，铜线、铜通孔、或钨插塞电连接至P/N结的不同部分。涂布于晶片表面的浆料化学物质及/或化学溶液可包含电解质，其具有在电子e-和空穴h+穿过P/N结时使电路闭合的效果。在结中由光产生的电子/空穴对被电场分离。引入的载流子诱发了结两侧之间的电位差。该电位差随着光强度增加而增加。因此，在连接到结的P侧的电极处，铜被腐蚀。产生的可溶离子物质可以扩散到另一电极，在此发生还原。注意到，用于任何金属的一般腐蚀公式是，并且用于任何金属的一般还原公式是。如需了解有关光蚀效应的更多信息，可参考A.Beverina等人在第196次ECS会议，Honolulu，夏威夷(1999年10月)发表的“Cu互连清洁期间的光蚀效应”。
光蚀可使铜线移位，并破坏铜表面的希望物理形态，如图2B所示。在P型晶体管上的晶片表面的某些位置，光蚀效应可能造成腐蚀的铜线224或全溶铜线226。换言之，光蚀可能完全腐蚀铜线以致该线消失。另一方面，在N型晶体管上，光蚀效应可能形成铜淀积222。此种扭曲形态包括铜线的腐蚀，将造成使整个芯片无法操作的器件缺陷。一个有缺陷的器件即代表必须舍弃整个芯片，如此生产率将下降、加工成本将提高。然而此种效应却通常发生于整个晶片上，因此破坏了晶片上的许多芯片。这当然会增加制造成本。
鉴于前述理由，所需的CMP终点检测系统不设置光学检测器、且能够进行精确终点检测，以防止凹盘现象并避免进行额外的过度抛光。
发明内容
广义而言，本发明通过提供以下系统和方法来满足这些需要，该系统和方法用于在基板的CMP处理期间，使用红外线发射来确定处理状态，并产生基板的红外线表面测绘图。本发明可以以多种方式实现，包括作为一种工艺、一种装置、一种系统、一种设备、一种方法或一种计算机可读介质。本发明的几个实施例如下所述。
在一个实施例中，揭示了一种化学机械平面化系统。该系统包括一个基板夹盘，该夹盘保持和旋转一个基板，该基板具有至少一个要进行CMP处理的加工层。该系统进一步包括一个制备载体，该制备载体具有一个被施加到基板的制备表面的制备头，使得制备头与基板的制备表面的至少一部分重叠，该部分小于基板制备表面的整个部分。最后，该系统包括一个红外线传感器，该红外线传感器感测来自基板的制备表面的红外线发射。
在又一个实施例中，揭示了一种用于在化学机械平面化期间监视晶片表面的处理状态的方法。该方法包括接合制备表面和晶片表面以从晶片表面去除第一层材料。该方法进一步感测在去除第一层材料期间来自晶片表面的红外线发射以确定和监视晶片的处理状态。
在另一个实施例中，揭示了一种终点检测方法。该方法包括提供一个具有要从晶片制备表面去除的第一层材料的晶片，并提供一个抛光垫。然后该方法在晶片的制备表面和抛光垫之间产生摩擦接触以去除第一层材料。最后，该方法感测在去除第一层材料期间来自晶片的制备表面的红外线发射；并评价该红外线发射以确定处理的终点。
本发明有很多优点。本发明的一个显著好处和优点是，采用红外线发射提供了处理终点的精确确定，并避免了现有技术的光蚀问题。另一个好处是，红外线去除检测与可变部分垫-晶片重叠CMP处理的结合可以产生精确和可控的CMP处理。一个附加好处是，能够利用红外线感测在CMP处理期间产生基板的整个表面的红外线测绘(infraredmapping)。
通过结合以举例方式显示本发明原理的附图，从在下面的详细说明中可以了解本发明的其它优点。
通过以下结合附图的详细说明，可以更容易理解本发明，在附图中相同参考数字表示相同结构元件。
图1A为经过构建镶嵌和双镶嵌互连金属线时的通常加工处理的电介质层的横剖面1B显示1A的横剖面图，其中铜金属层与扩散阻挡层的多余部分已经去除。
图2A为顶部铜层经过CMP处理后的示例半导体芯片的部分横剖面图。
图2B为图2A中在晶片经光学终点检测后的部分横剖面图。
图3A为根据本发明一个实施例的包括单点、红外线余隙检测设备(single point，infrared clearance detection apparatus)的VaPO CMP系统。
图3B示出根据本发明一实施例的横越基板表面的单点红外线传感器的定位。
图4A显示根据本发明一实施例的包含一红外线扫描传感器余隙检测设备的VaPO CMP系统。
图4B显示图4A中所示扫描传感器余隙检测系统的红外线扫描路径。
图5A显示根据本发明另一实施例的红外线传感器阵列余隙检测系统。
图5B说明图5A中所述该红外线传感器阵列余隙检测系统的代表性传感器阵列点。
图6A显示根据本发明另一实施例的具有红外线终点检测的带CMP系统。
图6B显示图6A中具有红外线终点检测的带CMP系统中的红外线能量发送及接收的侧视详图。
图7为根据本发明一实施例的红外线终点检测系统示意图。
图8A为根据本发明一实施例的典型铜CMP处理的代表性吸收系数图。
图8B为入1与入2间的反射红外线能量图，其对应于图8A中所施加的红外线能量和吸收系数。
图9A为根据本发明一实施例的介于入1与入2间的铜吸收系数曲线及一氧化物吸收系数曲线。
图9B是取自图9A数据所绘的所得反射红外线能量曲线图。
具体实施例方式
本发明揭示了用于CMP操作的红外线终点检测。在优选实施例中，红外线余隙检测系统包括红外线传感器，红外线传感器被配置为一个可变部分垫-晶片重叠CMP系统，并用于评价CMP处理状态和提供红外线发射的基板表面测绘。还揭示了使用红外线发射来评价处理状态和产生基板表面测绘的方法。在以下说明中，给出了各种特定细节以便提供对本发明的全面理解。但是，应该理解，对于本领域技术人员来说，可以无需这些特定细节中的一部分或者全部来实现本发明。在其它例子下，为了不使本发明难以理解，对公知处理操作没有进行描述。
图3A显示根据本发明一个实施例的结合单点红外线(IR)余隙检测装置(单点余隙检测系统)300的可变部分垫-晶片重叠(VaPO)CMP系统。VaPO CMP系统包括一个亚孔径抛光结构(subaperture polishingconfiguration)，其中抛光垫与晶片的接触表面在某些时间点可以小于晶片的表面。本发明使用术语VaPO，该术语应该被理解为描述一个“亚孔径”系统。
单点余隙检测系统300包括一个安装在制备载体304上的制备头306，制备载体304连接到制备载体轴302。制备载体轴302向制备载体304和制备头306施加旋转力，制备头306可以是抛光垫、磨光垫、刷、固定研磨垫等中的任何一种。在一个实施例中，制备载体轴302被配置为除了旋转以外还把振动施加到制备载体304和制备头306。
在制备头306下方并且与其相对，把基板312安装到基板夹盘310上，基板夹盘310连接到夹盘轴308。通过把旋转力施加到用于旋转基板夹盘310的夹盘轴308来旋转安装在基板夹盘310上的基板312。
在所示实施例中，修整头318邻近基板306并与其位于同一平面。修整头318安装在修整载体316上，修整载体316连接到修整载体轴314。以与基板312类似的方式，通过把旋转力施加到修整载体轴314来旋转修整头318。修整头318可以是垫、刷、或其它研磨件，被配置为在CMP操作期间为制备头306提供连续修整。
图中显示一个红外线信号导管和传感器安装架322与制备载体轴302相邻。IR信号导管和传感器安装架322被配置为与一个IR信号处理器(见图7)之间进行IR信号的收发，以及提供单点红外线传感器320的安装位置。在一个实施例中，单点IR传感器320是一个无源传感器，并且所接收信号被传导到IR信号处理器。在另一个实施例中，单点IR传感器320是一个有源传感器，并且IR信号被从IR信号处理器发送到单点IR传感器320以及从单点IR传感器320发送到IR信号处理器。
IR信号导管和传感器安装架322被配置以设置单点IR传感器320的位置，使得能够在CMP操作期间进行基板312的IR检查和评价。在所示实施例中，一个优选位置是由VaPO CMP系统处理的基板312的正上方。IR信号导管和传感器安装架322被配置为在处理期间把单点IR传感器320设置在横跨基板312表面的多个位置，并且IR信号导管和传感器安装架322被配置为独立于制备载体304移动。例如，如果制备载体304被配置为在第一方向从基板312的中心到基板312的边沿移动地对基板312进行CMP，IR信号导管和传感器安装架322将被配置为在与第一方向相反的第二方向，在基板312的表面上把单点IR传感器320从基板312的中心向基板312的边沿移动。因此，当制备头306沿着基板312从中心向边沿移动时，单点IR传感器在基板312上以与制备头306相反的方向移动。因为圆形基板312在CMP处理期间旋转，单点IR传感器320实际上是检查正在由制备头306进行CMP处理的同一基板312表面。
在另一个实施例中，IR信号导管和传感器安装架322连接到CMP系统的某个其它部分，并且在CMP处理期间传感器被插入基板312上方的一个位置，然后在CMP操作完成后取出。
如上所述，在所示实施例中单点IR传感器320与制备头306相邻，并集中在基板312的表面上。单点IR传感器320与基板312的表面之间的距离取决于CMP处理的类型(例如，是否使用浆料，所使用浆料的类型，等等)，以及单点IR系统是有源还是无源系统。基板312的表面与单点IR传感器320的透镜或“眼睛”之间的距离大约在1/2英寸和20英寸之间的范围，优选距离是2-3英寸之间。在一个实施例中，IR信号导管和传感器安装架322被配置为把单点IR传感器320设置在基板312表面上的多个传感器点，并且把单点IR传感器320设置在与基板312的表面间隔希望的距离。
图3B显示根据本发明一个实施例在基板312的表面上设置单点IR传感器320的位置。在图3B中，一个俯视透视图显示了基板312和修整头318相互邻近并且在基板处理方向326旋转。如图所示，在基板3 12和修整头318正上方，制备头306在制备方向328旋转，在本实施例中，制备方向328与基板处理方向326相同。在另一个实施例中，基板处理方向326和制备方向328相反。除了在制备头方向328旋转以外，制备头306还具有振动330。
如图所示，传感器点324从基板312的大约中心处的I1前进到基板312的边沿处的In。在单点余隙检测系统300的一个实施例中，有源或无源单点IR传感器320检查来自基板的IR发射以确定CMP处理的状态。在一个实施例中，单点IR传感器320在基板312上的一个最高去除率点(通常是基板312的中心)开始对IR发射的检查。IR信号处理器(见图7)对IR信号的处理可以确定在特定传感器点324的CMP处理终点，并且把制备头306从基板312的中心向基板312的边沿移动。当实现了希望的去除并且确定了终点时，单点IR传感器320与制备头306同时并且互补地递增移动。以此方式，当制备头306从基板312的中心向基板312边沿的下一个位置移动时，单点IR传感器320也以远离基板312中心并指向基板312边沿的方向移动到下一个传感器点。制备头306和单点IR传感器320的处理和递增移动持续进行，直到基板312的整个表面已经进行了CMP处理并且确定已经获得了希望的去除。
图4A显示根据本发明一个实施例的结合一个红外线(IR)扫描传感器余隙检测装置(扫描传感器余隙检测系统)的VaPO CMP系统。图4A中显示的代表性VaPO CMP系统与图3A中显示和描述的系统相同。这里不重复对所示VaPO CMP系统部件的说明，但是使用与图3A相同的附图标记来标识该VaPO CMP系统的部件。扫描传感器余隙检测系统335是本发明的一个实施例，并将进一步说明。
图4A显示支持一个扫描IR传感器334的IR信号导管和传感器安装架322。在所示实施例中，IR信号导管和传感器安装架322连接到一个围绕制备载体轴302的外壳或者靠近该外壳。在另一个实施例中，IR信号导管和传感器安装架322连接到VaPO CMP系统的某个其它部分，然后在CMP处理期间设置在基板312上方。因此，IR信号导管和传感器安装架322可以在CMP处理完成时把扫描IR传感器334从CMP处理环境中取出。
在CMP处理期间，扫描IR传感器334设置在被处理的基板321上方。如参考图3A所述，在基板312与扫描IR传感器334的透镜之间的距离可以在1/2英寸和20英寸之间的范围内，优选距离是2-3英寸之间，这取决于工艺要求。在一个实施例中，扫描IR传感器334设置在基板312的暴露表面(例如，不被制备头306遮挡的基板部分)的大约中心处的固定位置。在这个实施例中，扫描IR传感器在CMP处理期间在该固定位置保持静止，通过从该固定位置在基板312的表面上来回扫描，获得基板表面的完全覆盖。在另一个实施例中，IR信号导管和传感器安装架322在CMP处理的开始时，将扫描IR传感器334设置在靠近基板312中心的与制备头306紧邻的第一位置，然后当制备头306从基板312的中心向基板312的边沿递增移动时，把扫描IR传感器334从基板312的中心向基板312的边沿递增移动。在该实施例中，扫描IR传感器334的扫描动作可以提供基板表面的IR测绘，并且可以确定基板312表面的较大区域上的表面状态，以及终点的预测以用于更精确的处理。
图4B显示图4A中表示的扫描传感器余隙检测系统335的IR扫描路径336。在所示实施例中，基板312邻近修整头318。制备头306位于基板312和修整头318正上方。从图4B可以看出，基板312的相当一部分区域在处理期间没有被VaPO CMP系统遮挡。扫描传感器余隙检测系统335的扫描路径336覆盖基板312的整个表面，在重叠的扫描路径中从基板312获得IR数据，并且可以提供基板表面的详细IR测绘图。在一个实施例中，表面测绘图是从一个无源IR传感器获得的。在另一个实施例中，表面测绘图是从一个有源IR传感器获得的。无论使用哪个实施例，扫描IR传感器334都使用连续或间断扫描模式检查基板312的IR发射，把随时间获得的基板312的IR传感器数据进行CMP处理，因此提供CMP处理中的终点的精确确定，以及处理终点的精确预测。
图5A显示根据本发明另一个实施例的传感器阵列余隙检测系统340。传感器阵列余隙检测系统340被配置为一个参考图3A所述的VaPO CMP系统。在此不重复VaPO CMP系统部件的说明，但是使用与图3A相同的附图标记来标识该VaPO CMP系统的部件。传感器阵列余隙检测系统340是本发明的一个实施例，将进一步说明。
如图所示，IR信号导管和传感器安装架344把一个IR传感器阵列342设置在正在进行CMP处理的基板312上方。在所示实施例中，IR信号导管和传感器安装架344并不是连接到围绕制备载体轴302的外壳上。在该实施例中，IR信号导管和传感器安装架可以在CMP处理期间把IR传感器阵列342设置在基板312上方，然后在处理完成时把IR传感器阵列342从处理环境中取出。在本发明另一个实施例中，与图3A和4A中所述实施例中一样，把IR信号导管和传感器安装架344连接到围绕制备载体轴302的外壳上。
IR传感器阵列342由在单个传感器外壳内相互邻近设置的多个IR传感器组成。在一个实施例中，IR传感器阵列342可以类似于在单个传感器外壳内以一行或一个阵列配置的多个单点IR传感器320(见图3A)。在另一个实施例中，IR传感器阵列342可以类似于在单个常规外壳内以一行或一个阵列配置的多个扫描IR传感器334(见图4A)。然后，把IR传感器阵列342设置在待处理的基板312上方，并且配置为能够在CMP处理期间检查基板312的尽可能大的表面区域。典型地，IR传感器阵列342的覆盖区域包括基板312的整个表面，并且可以适应更大基板(例如300mm晶片)的全表面测绘。
图5B显示图5A中显示的传感器阵列余隙检测系统340的代表性传感器阵列点346。传感器阵列余隙检测系统340可以是一个无源系统或一个有源系统。在一个实施例中，IR传感器阵列342同时检查基板312表面上的多个传感器阵列点346。在另一个实施例中，IR传感器阵列342顺序地检查基板312表面上的多个传感器阵列点346。在又一个实施例中，IR传感器阵列342利用顺序图形(sequential patterns)和同时IR数据收集二者、以一种定相和预定的顺序检查基板表面上的多个传感器阵列点346。
但是，可以收集IR数据，传感器阵列余隙检测系统340同化来自基板312表面上的多个传感器阵列点346的IR数据，以确定或预测处理终点，以及测绘该处理中的任何时间点的基板表面。传感器阵列余隙检测系统340被配置为提供基板312形态的精确确定，和处理状态。利用在基板312的表面上的多个传感器，传感器阵列余隙检测系统被配置为过滤或补偿由于基板312表面上的浆料、基板312表面组分中的层间转移、和其它这种阻挡物所导致的数据不均匀性，以进行精确IR测绘和数据收集。
图6A显示根据本发明一个实施例的具有IR终点检测的带CMP系统360。所示具有IR终点检测的带CMP系统360包括由两个辊377驱动的CMP带376。基板366连接到由夹盘轴362驱动的夹盘364。带376的连续修整由一个修整头372提供，利用定位轨370把修整头372设置在带376上并横跨带376。台板378被配置在带376之下，基板366和夹盘364下方发生基板366的CMP的区域中。台板378提供一个坚硬和结实的表面，在该表面上以一定力把基板366压靠带376以便对基板366进行CMP。台板378还可以包括一个空气轴承(未示出)。
在台板378下方，根据本发明的一个实施例配置IR传感器380。IR传感器380连接到IR信号导管和传感器安装架382。IR传感器380通过台板378、通过带376向上聚焦到基板366的表面。IR带窗口374a-374d被配置在带376中以允许IR传感器380通过带376接收和/或发送IR能量，这将在后面详细说明。
图6B显示在图6A所述具有IR终点检测的带CMP系统360中的IR能量发送和接收的侧视详图。在本发明的一个实施例中，IR信号导管和传感器安装架382把IR传感器380直接设置在台板378下方并且向上指向基板366。当对基板366进行CMP处理时，利用一个通过夹盘轴362和夹盘364传递的力F把基板366压靠到带376和台板378。IR终点检测可以通过一个有源系统或一个无源系统完成。从基板366表面发出和反射的IR能量由IR传感器380接收，并通过IR信号导管和传感器安装架382发送到一个IR信号处理器(见图7)进行分析。IR能量通过配置的IR带窗口374穿过带376。在一个实施例中，配置IR信号处理器(见图7)以同化通过IR带窗口374的间断IR信号，得到CMP处理状态和终点检测的一个复合确定。IR台板窗口384直接位于IR传感器380上方，并提供用于IR传感器380和基板366之间IR能量传输的固定路径。
图7是根据本发明一个实施例的IR终点检测系统390的图。IR终点检测系统图包括IR传感器391，IR信号导管392，和IR信号处理器394。
IR传感器391被配置为用于发送和接收IR信号，并用于感测在CMP处理期间来自基板表面的IR发射。IR传感器391具有一个透镜391a，该透镜391a根据公知的IR技术引导一个发送信号、并聚焦一个发送信号和一个接收信号。IR传感器的一个例子是具有K型热电偶的紧凑红外线传感器，由Vemon Hills，Illinois的Cole-Partner InstmmentCo.销售。
在上述各种实施例中，IR传感器391可以是一个单点IR传感器391，一个扫描IR传感器391，一个IR传感器阵列391，或其它配置，以感测在CMP处理期间来自基板表面的IR发射。根据希望的IR终点检测、表面测绘、和有关应用，透镜391a被配置为在单点聚焦，扫描，在脉动或坐标阵列聚焦，或其它这种配置。
IR信号通过IR信号导管392在IR传感器391和IR信号处理器394之间传送。IR信号的传送是公知的，并且IR信号导管392采用普通IR传导方法。
IR信号处理器394根据希望的终点检测的特定实施例，包括多个部件。对于有源终点检测，发送器395和接收器396都可以包含在其中。在另一个实施例中，所有IR信号处理器394包含一个发送器395和一个接收器396，但是发送器395仅用于有源IR处理。接收器396用于无源IR终点检测和有源终点检测。在另一个实施例中，发送器395(如果需要)和接收器396都包含在IR传感器391(而不是IR信号处理器394)中，并且IR信号处理器394仅执行下述那些信号处理功能。
众所周知，无源IR检测和分析涉及对来自一个源的IR发射的接收和分析。例如，具有热量的任何源(例如进行CMP处理的基板)将发射各种能级的IR能量，并且该IR能量可以被接收和分析以确定关于该源的几个特性。有关该源的信息和细节知道得越多，来自其IR发射分析的信息就越有效。
类似地，有源IR分析涉及对来自一个源的IR发射的接收和分析。但是，在有源IR分析中，IR能量由一个IR发送器395施加到该源，并且所接收和分析的IR能量除了源IR还包括反射的IR包括反射的IR以及源IR。本发明包括具有有源和无源IR终点检测二者的实施例。
IR信号处理器394包括一个用于IR分析的IR光谱仪。众所周知，一个IR光谱仪397通常把IR能量分散到光谱中，并被校准以测量在各种波长的IR强度。在本发明中，IR光谱仪397把IR能量分散到所计算的各个波长上，然后IR光谱分析器398测量波长λ1和λ2之间的IR强度。在一个实施例中，根据被处理的特定基板，为了处理终点检测对IR信号处理器394进行校准。在另一个实施例中，为了基板测绘对IR信号处理器394进行校准，以产生有关一个特定基板的形态细节。在这种实施例中，基板测绘图或形态细节可以在图形显示器(未示出)上被显示给系统用户。系统用户可以评价所显示的基板测绘图或形态细节，以在基板处理期间进行系统调节。图8A到9B提供了IR信号处理器394校准方面的例子。
图8A是根据本发明一个实施例的典型铜CMP处理的代表性吸收系数408的图。吸收系数408是为有源IR终点检测计算的。图8A中的吸收系数408是一个系统系数，并且包括铜层的吸收、下面的电介质层和器件的吸收、硅的吸收、浆料的吸收、和其它吸收或保持IR能量的系统因素。在波长λ1402和λ2404之间绘制吸收系数408曲线。线406代表有源IR应用中施加的IR能量，在λ1402和λ2404之间是一个常数。在所示实施例中，系统吸收408在λ1402最低，并且跟随图8A所示的曲线。所示的吸收系数曲线408被确定为在CMP处理期间直接与铜去除对应。
图8B显示图8A中的图的有用反射。在图8B中，对应于图8A中绘制的施加IR能量406和吸收系数408在λ1402和λ2404之间绘制反射的IR能量410。如图8B所示，最佳去除区412(处理的终点)位于代表反射IR能量410的曲线的最低点。在本例中，IR信号处理器394(见图7)被校准以感测或预测最佳去除区412中的终点。还可以利用计算机监视器把希望的去除点在曲线图上显示给系统用户。使用该计算机监视器，用户还可以手动设置或调节CMP条件以便改进性能。
图9A显示根据本发明的IR光谱分析的另一个实施例。在图9A中，与前面一样，在λ1402和λ2404之间绘制所施加的IR能量406。与图8A中绘制的系统吸收系数不同，图9A中绘制的是两个特定吸收系数曲线，一个是铜吸收系数414，一个是氧化物吸收系数416。图9B中所得的反射IR能量曲线418更精确地标识出铜去除和氧化物暴露的点。标识的最佳去除区420表示处理的终点，并且可以基于基板组分和处理要求来指定确切的处理终点。此外，可以在一个实施例中使用特别标识的基板组分吸收曲线(例如铜和氧化物)以便基于IR光谱分析来产生基板表面的测绘图。
尽管为了便于清楚理解的目的已经以一些细节描述了本发明，但是应该理解，在所附权利要求范围内可以进行一些变化和修改。因此，目前的实施例仅是示意性和非限制性的，本发明不应限制到此处给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围和等同物内进行修改。
权利要求
1.一种化学机械平面化系统，包括基板夹盘，被配置为保持和旋转一个基板，该基板具有要进行制备的一个或多个已形成的层；具有一个制备头的制备载体，该制备头被配置为施加到基板的制备表面上，使得制备头与基板的制备表面的至少一部分重叠，该部分小于基板的制备表面的整个部分；和红外线传感器，被设置为感测来自基板的制备表面的红外线发射。
2.根据权利要求1所述的化学机械平面化系统，进一步包括红外线信号处理器，红外线信号处理器被配置为处理来自红外线传感器的红外线数据。
3.根据权利要求1所述的化学机械平面化系统，其中红外线传感器是单点红外线传感器，被配置为从基板的制备表面的多个单独点感测来自基板的制备表面的红外线发射。
4.根据权利要求1所述的化学机械平面化系统，其中红外线传感器是红外线扫描传感器，被配置为通过扫描基板的制备表面来感测来自基板的制备表面的红外线发射。
5.根据权利要求1所述的化学机械平面化系统，其中红外线传感器是红外线传感器阵列，被配置为利用在一个阵列中配置的多个红外线传感器来感测来自基板的制备表面的红外线发射，在阵列中配置的每个红外线传感器检查基板的制备表面上的多个单独点。
6.根据权利要求1所述的化学机械平面化系统，其中红外线传感器是红外线传感器阵列，被配置为利用一个阵列中配置的多个红外线传感器来感测来自基板的制备表面的红外线发射，在阵列中配置的每个红外线传感器扫描基板的制备表面。
7.根据权利要求2所述的化学机械平面化系统，其中红外线信号处理器包括用于把红外线能量发送到基板的制备表面的红外线发送器。
8.根据权利要求2所述的化学机械平面化系统，其中红外线信号处理器评价从红外线传感器接收的红外线数据以确定晶片表面状态和基板的化学机械平面化的终点。
9.根据权利要求2所述的化学机械平面化系统，其中红外线信号处理器检查从红外线传感器接收的红外线数据，以产生表征基板表面状态的基板制备表面的红外线发射测绘图。
10.根据权利要求8所述的化学机械平面化系统，其中在红外线发射的波长曲线图上可以观察到基板的化学机械平面化的终点。
11.根据权利要求10所述的化学机械平面化系统，进一步包括监视器，监视器被配置为显示来自红外线信号处理器的红外线数据。
12.根据权利要求11所述的化学机械平面化系统，其中显示的红外线数据包括红外线发射的波长曲线图。
13.根据权利要求11所述的化学机械平面化系统，其中显示的红外线数据包括基板的制备表面的红外线测绘图。
14.一种在利用制备表面进行化学机械平面化期间监视晶片表面的处理状态的方法，包括接合制备表面和晶片表面以从晶片表面去除第一层材料；以及在去除第一层材料期间感测来自晶片表面的红外线发射。
15.根据权利要求14所述的在利用制备表面进行化学机械平面化期间监视晶片表面的处理状态的方法，进一步包括在去除第一层材料期间评价来自晶片表面的红外线发射，该红外线发射表示从晶片表面去除第一层材料的完成情况。
16.根据权利要求15所述的在利用制备表面进行化学机械平面化期间监视晶片表面的处理状态的方法，其中第一层材料是金属层。
17.根据权利要求16所述的在利用制备表面进行化学机械平面化期间监视晶片表面的处理状态的方法，其中金属层在一个氧化层之上。
18.根据权利要求17所述的在利用制备表面进行化学机械平面化期间监视晶片表面的处理状态的方法，进一步包括计算金属层的红外线吸收系数；计算氧化层的红外线吸收系数；以及在化学机械平面化期间产生来自晶片表面的红外线发射的曲线图。
19.根据权利要求18所述的在利用制备表面进行化学机械平面化期间监视晶片表面的处理状态的方法，进一步包括根据由来自晶片表面的红外线发射所产生的曲线图提供的结果，调节化学机械平面化的参数。
20.根据权利要求20所述的在利用制备表面进行化学机械平面化期间监视晶片表面的处理状态的方法，其中调节化学机械平面化的参数包括把制备表面重新定位并停止化学机械平面化。
21.一种终点检测方法，包括提供一个具有要从晶片制备表面去除的第一层材料的晶片；提供一个抛光垫；在晶片制备表面和抛光垫之间产生摩擦接触以去除第一层材料；感测在去除第一层材料期间来自晶片制备表面的红外线发射；以及评价在去除第一层材料期间来自晶片制备表面的红外线发射，以确定从晶片制备表面去除第一层材料的完成。
22.根据权利要求21所述的终点检测方法，其中第一层材料是金属层。
23.根据权利要求22所述的终点检测方法，其中金属层在一氧化层上形成。
24.根据权利要求23所述的终点检测方法，进一步包括计算金属层的红外线吸收系数；计算氧化层的红外线吸收系数；以及产生来自晶片表面的红外线发射的曲线图。
25.根据权利要求24所述的终点检测方法，进一步包括显示该曲线图以用于操作者分析。
全文摘要
提供了用于实现处理状态和基板表面组分的红外线检测的化学机械平面化系统和方法。在一个例子中，化学机械平面化系统包括用于保持和旋转一个基板的基板夹盘，安装在制备载体上的制备头，和安装在修整载体上的修整头。制备头被配置为压靠该基板，与基板整个表面区域上的至少一部分重叠，该部分小于基板的整个表面区域。该系统进一步包括红外线传感器，设置在基板上方以感测来自基板表面的红外线发射。红外线传感器的几个例子包括单点、扫描、和阵列红外线传感器。在另一个例子中，提供了使用红外线感测来确定基板的处理状态和表面组分的方法。在化学机械平面化期间，红外线传感器被设置为感测来自基板表面的红外线发射，并分析该红外线发射以确定处理状态并产生基板的形态细节。
文档编号H01L21/304GK1498415SQ01817300
公开日2004年5月19日 申请日期2001年10月11日 优先权日2000年10月13日
发明者耶海尔·哥特科斯, 罗德尼·凯斯特勒, 凯斯特勒, 耶海尔 哥特科斯 申请人:拉姆研究公司