专利名称：化学机械研磨终点的检测方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种化学机械研磨终点的检测方法。
背景技术：
随着电子设备的广泛应用，半导体的制造工艺得到了飞速的发展，线宽越来越小， 为了减小后段互连结构的电阻电容延迟，采用低节点常数的介质材料作为介质层，并采用 铜金属作为互连线的材料。由于铜金属难以刻蚀，目前通常使用镶嵌工艺或双镶嵌工艺制造铜互连线。铜互 连线的制造方法为首先形成低介电常数的介质层；接着，在介质层中形成沟槽；然后，在 所述沟槽中和介质层上沉积金属铜，在通过化学机械研磨(CMP)进行平坦化，移除介质层 上的铜，从而在沟槽中形成铜互连线。另外，由于铜有较高的倾向迁移至介质层中，因此例如坦(Ta)、氮化坦(TaN)、钛 (Ti)、或氮化钛(TiN)等阻挡层通常在沉积金属铜之前先沉积在金属铜和介质层之间。由 于阻挡层厚度很薄，因此在介质层表面的铜被移除后，介质层表面的阻挡层也同时被移除。现有技术中研磨金属铜层主要通过三个研磨台来实现，每个研磨台分别执行一个 研磨工序。图1至图4示出了铜化学机械研磨方法的各步骤相应的结构的剖面示意图。如图1所示的剖面示意图，铜金属层110为待研磨层，该铜金属层110覆盖于具有 沟槽102的基底介质层100之上，并填满沟槽102。在基底介质层100和铜金属层110之间 具有阻挡层104。图2为现有技术中化学机械研磨方法的第一工序的剖面示意图。在第一研磨台 (Platen 1)上执行第一工序，如图2所示，进行第一步研磨，采用较大的研磨速率(Remove Rate)对铜金属层110进行研磨，去除沟槽102以外的绝大部分的铜金属层110，也称为主 研磨。第一工序的执行时间由RTPC (Real Time Process Control) function 来控制，以 对具有30千埃厚度的金属铜的研磨为例，第一工序结束之后要求沟槽102以外的铜金属层 110的厚度残留值在1000 2500A左右。根据不同的金属厚度，第一工序的执行时间也不 相同，当对金属铜进行研磨时，该工序中若需要去除厚度为观 四千埃的金属铜，则第一 工序的执行时间一般被设置为大约为200秒。图3为现有技术中化学机械研磨方法的第二工序的剖面示意图。在第二研磨台上 (Platen幻执行第二工序，如图3所示，本工序采用较小的研磨速率(Remove Rate)去除沟 槽102以外的铜金属层110，保留于沟槽102中的铜金属层为110a。当探测到完全去除沟 槽102以外的铜金属层110、即研磨终点后，结束第二工序。第二工序中去除金属铜的厚度 为1 2. 5千埃。图4为现有技术中化学机械研磨方法的第三工序的剖面示意图。在第三研磨台 上(Platen 3)执行第三工序，如图4所示，预先设置研磨时间，去除沟槽102以外的阻挡层 104和少量的氧化层，以确保沟槽102以外剩余的铜金属层110全部被去除而达到隔离的目的。目前多采用光学反射法探测研磨终点，实时探测研磨终点的方法为在研磨机台 的抛光垫下方安装有激光发生器和传感器，激光发生器实时发出激光束，并将激光束投向 晶圆(机台对晶圆上的金属铜同时进行研磨)，同时，传感器实时接收来自晶圆的反射强度 数据。由于金属铜具有较强的反射性，而基底介质层则反射性较差，因此通过接收的反射强 度数据可以计算出研磨表面金属铜所占的面积百分比，当金属铜的面积百分比不再发生变 化时，则在研磨表面只剩下沟槽中的金属铜，则确定达到研磨终点。图5为采用光学反射法探测研磨终点的示意图。如图5所示，抛光垫下方的激光 光源501以一定宽度的激光束照射至晶圆502表面，由于位于研磨台上的晶圆502随研磨 台一起转动，因此激光束在晶圆502表面的照射面积为一经过晶圆圆心的带状弧面503。由 于带状弧面503经过晶圆圆心，其长度约等于该晶圆的直径，因此以该带状弧面503表面的 研磨情况来反映整个晶圆表面的研磨情况。传感器实时接收该带状弧面内来自晶圆的反射 光强数据，将该带状弧面内反射光强的平均值作为反射光强数据。反射光强度与入射光强 度的比值则为晶圆表面金属铜所占的面积百分比。以下，以如图6所示的通过上述方法采集数据得出的曲线为例，说明采用光学反 射法探测研磨终点的方法。该曲线的横轴为时间轴，表示CMP的研磨时间，纵轴为晶圆表面 金属铜的含量，以百分比表示。该曲线分为三个阶段，第一阶段601晶圆表面金属铜的含量在一定时间内未发生 变化，且含量较高。该阶段对应于如图2所示的主研磨阶段，此阶段沟槽以外的铜金属层仍 具有一定厚度，晶圆表面金属铜所占面积百分比无明显变化。当曲线出现第一次拐点601a时，进入第二阶段602，在第二阶段602期间，晶圆表 面金属铜的含量在持续下降。该阶段对应于如图3所示的第二阶段，此阶段沟槽以外的铜 金属层开始被研磨掉，逐渐有部分区域开始露出铜金属层下方的阻碍层或者介质层。由于 阻碍层或介质层对光的反射性较差，因此只有在有铜残余的位置才可反射入射光，因此晶 圆表面金属铜所占面积百分比开始持续下降。因此，当传感器采集的反射光强在单位时间内的变化值(下降值)大于等于一预 定数值时，则对应的该曲线出现拐点601a。该单位时间和该预定数值可根据实际研磨情况 和光强情况进行设置。当曲线出现第二次拐点602b时，进入第三阶段603。在第三阶段603期间，晶圆表 面金属铜的含量不再发生变化，且含量较低。该阶段对应于如图4所示的研磨终点。在该 阶段，沟槽以外剩余的铜金属层被全部去除，晶圆表面仅剩余沟槽内的铜金属，因此，金属 铜的含量不再发生变化。因此，在出现拐点601a后，当传感器采集的反射光强在单位时间内的变化值(下 降值)小于一预定数值时，则对应的该曲线出现拐点602b。则判断此时达到研磨终点。但是在根据以上方法判断达到研磨终点后，对晶圆表面进行激光(OM)检测发现， 仍会出现部分区域有残余的金属铜的情况，也就是说，实际上CMP可能仍未达到研磨终点。在介质层表面除沟槽以外的位置仍存在残余的金属铜，可能会导致短路等现象。 虽然这一情况可以通过随后的激光检测等工序发现，但重复的返工会造成报废风险的提高 和成本的增加。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种化学机械研磨终点的检测方法，能够准确检测化学机 械研磨的研磨终点。为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的一种化学机械研磨终点的检测方法，用于晶圆表面金属的研磨终点检测，该方法 包括步骤A，以单色光源照射晶圆表面的第一检测区域，接收来自该第一检测区域的反 射光，以该第一检测区域内的反射光强的平均值与入射光强的比值作为表面金属的面积百 分比；步骤B，当第一单位时间内、表面金属的面积百分比的变化值的绝对值开始大于等 于第一预定数值时，则表面金属开始被部分去除；步骤C，当第一单位时间内、表面金属的面积百分比的变化值的绝对值开始小于第 一预定数值时，则初步判断达到研磨终点；在初步判断达到研磨终点后，该方法还包括步骤D，步骤D、以所述第一检测区域内的第二检测区域的反射光强的最大值与入射光强 的比值作为表面金属的最大值；当第一单位时间内、表面金属的最大值的变化值的绝对值开始小于第二预定数值 时，则达到研磨终点。所述检测区域为经过所述晶圆圆心的、长度为300mm的带状弧面。所述第一单位时间为3s至IOs之间。所述第一预定数值为0%至0.5%之间。所述第二检测区域为所述第一检测区域内的、长度为50mm的带状弧面。所述第二预定数值为5%至10%之间。可见，本发明所提供的化学机械研磨终点的检测方法，通过在以单位时间内、表面 金属的面积百分比的变化值作为判断依据判断达到研磨终点后，进一步以单位时间内、表 面金属的最大值的变化值作为判断依据，既从宏观上检测了整个检测面积内的金属含量， 又从微观上检测了局部面积的金属含量，能够真实地反映整个检测面积内的研磨情况，因 此，根据本发明判断达到研磨终点时，实际上CMP也达到了研磨终点。从而节省了随后的激 光检测、研磨等工序的时间，不仅节约了成本，而且降低了报废危险，提高了产品质量。
图1至图4为铜化学机械研磨方法的各步骤相应的结构的剖面示意图。图5为采用光学反射法探测研磨终点的示意图。图6为采用光学反射法探测研磨终点所采集的数据曲线。图7为本发明的化学机械研磨终点的检测方法的流程图。图8为以金属铜的研磨为例，采用本发明的化学机械研磨终点的检测方法所采集 的数据曲线。图9为判定曲线变化值的判定窗口的示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对 本发明进一步详细说明。本发明的核心思想为在现有的通过计算检测区域内反射光强的平均值判断达到 研磨终点的步骤以后，通过计算检测区域内单位面积的反射光强的最大值，并与现有的平 均值进行比较，检测区域内判断是否达到研磨终点。图7为本发明的化学机械研磨终点的检测方法的流程图。图8为以金属铜的研磨 为例，采用本发明的化学机械研磨终点的检测方法所采集的数据曲线。如图7和图8所示，本发明的化学机械研磨终点的检测方法，用于晶圆表面金属的 研磨终点检测，该方法包括步骤701，以单色光源照射晶圆表面的第一检测区域，接收来自该第一检测区域的 反射光，以该第一检测区域内的反射光强的平均值与入射光强的比值作为表面金属的面积 百分比。其中，第一检测区域为如图5所示的通过晶圆圆心的具有一定宽度的带状弧面 501，由于该检测区域经过晶圆的圆心，因此该检测区域的长度为300mm，即为晶圆的直径。表面金属的面积百分比并不以某一点或某一区域内的反射光强计算，而是以第一 检测区域501内反射光强的平均值与入射光强的比值作为表面金属的面积比。步骤702，当第一单位时间内、表面金属的面积百分比的变化值的绝对值开始大于 等于第一预定数值时，则表面金属开始被部分去除。如图8所示的通过上述方法采集数据得出的曲线为例，曲线A分为三个阶段，第一 阶段801，晶圆表面金属铜的含量在一定时间内未发生变化，且含量较高。该阶段对应于如 图2所示的主研磨阶段，此阶段沟槽以外的铜金属层仍具有一定厚度，晶圆表面金属铜所 占面积百分比无明显变化。当曲线出现第一次拐点801a时，进入第二阶段802，在第二阶段802期间，晶圆表 面金属铜的含量在持续下降。该阶段对应于如图3所示的第二阶段，此阶段沟槽以外的铜 金属层开始被研磨掉，逐渐有部分区域开始露出铜金属层下方的阻碍层或者介质层。由于 阻碍层或介质层对光的反射性较差，因此只有在有铜残余的位置才可反射入射光，因此晶 圆表面金属铜所占面积百分比开始持续下降。因此，当第一单位时间内、表面金属的面积百分比的变化值的绝对值开始大于等 于第一预定数值时，则对应的该曲线出现拐点801a。其中，该第一单位时间可以为3s至IOs之间的任一时间。该预定数值可为0%至 0.5%之间。该判定标准可以如图9所示的窗口 901所示，第一单位时间内、表面金属的面 积百分比的变化值可以表示为在如图8所示的曲线中的任一位置取判定窗口 901，该窗口 901的宽度为第一单位时间，其取值范围在3s至IOs之间，该窗口 901的高度为该第一预定 数值，其取值范围在0%至0.5%之间。当在该判定窗口 901的取值范围内，图9所示的曲 线C与该窗口 901的宽有交点时，则表示该第一单位时间内、表面金属的面积百分比的变化 值的绝对值大于等于该第一预定数值；若在该判定窗口 901的取值范围内，图9所示的曲线 D与该窗口 901的宽没有交点时，则表示该第一单位时间内、表面金属的面积百分比的变化
6值的绝对值小于该第一预定数值。步骤703，当第一单位时间内、表面金属的面积百分比的变化值的绝对值开始小于 第一预定数值时，则初步判断达到研磨终点。当曲线出现第二次拐点802b时，进入第三阶段803。在第三阶段803期间，晶圆表 面金属铜的含量不再发生变化，且含量较低。该阶段对应于如图4所示的研磨终点。在该 阶段，沟槽以外剩余的铜金属层被全部去除，晶圆表面仅剩余沟槽内的铜金属，因此，金属 铜的含量不再发生变化。因此，在出现拐点801a后，当传感器采集的反射光强在第一单位时间内的变化值 (下降值)的绝对值小于一预定数值时，则对应的该曲线出现拐点802b。则初步判断此时 达到研磨终点。以第一单位时间内、表面金属的面积百分比的变化值的绝对值开始小于第一预定 数值的时刻作为初步判断达到研磨终点的依据是因为，表面金属的面积百分比是根据检测 区域内的反射光强的平均值来计算的。但是该第一检测区域的长度为300mm，且具有一定宽 度，因此当接近而未达到研磨终点时，介质层表面可能仅限于个别点的表面仍有金属铜的 残余，而绝大多数面积已研磨完毕，此时，对该第一检测区域内的反射光强求平均值，其个 别点的面积对平均值的影响较小。在这种情况下，如果仅凭表面金属的面积百分比的变化 值来判断研磨终点是不正确的。因此，本发明的化学机械研磨终点的检测方法在初步判断达到研磨终点后，还包 括步骤704。步骤704、以所述第一检测区域内的第二检测区域的反射光强的最大值与入射光 强的比值作为表面金属的最大值；当第一单位时间内、表面金属的最大值的变化值的绝对值开始小于第二预定数值 时，则达到研磨终点。由于对整个第一检测区域内的反射光强求平均值并不能够全面的反映检测区域 内的全面情况，因此在根据表面金属的面积百分比的变化值判断研磨终点后，本发明还包 括根据单位时间内、以表面金属的最大值的变化值来判断研磨终点。其中，表面金属的最大值为所述第一检测区域内的较小的第二检测区域的反射光 强的最大值与入射光强的比值。优选地，该单位面积为所述第一检测区域内的、长度为50mm的带状弧面。第二检 测区域与第一检测区域相比检测面积较小，即，第二检测区域为第一检测区域内的局部检 测区域。以该局部检测区域内的最大值作为检测研磨终点的判断依据，正是为了消除由于 在较大的第一检测区域内对光强取平均值而忽略局部最大值的情况。优选地，第二预定数值为5%至10%之间。对第二检测区域内的最大值的判断对应于图8中的曲线B，其判断方法与曲线A相 似。当表面金属的最大值的变化值的绝对值大于等于第二预定数值时，则晶圆表面仍存在 局部区域残留铜的现象，则此时未达到研磨终点，晶圆仍需要进行继续研磨、重新加工等步 骤处理。当表面金属的最大值的变化值的绝对值开始小于第二预定数值时，则整个检测区 域内沟槽以外剩余的铜金属层被全部去除，晶圆表面仅剩余沟槽内的铜金属，则此时达到研磨终点。以上以铜金属的化学机械研磨为例描述了本发明的化学机械研磨终点的检测方 法，但本发明并不仅限于此。由于本发明采用光学反射法来探测研磨终点，因此，只要是具 有一定反射性的金属材料都适用于本检测方法。本发明的化学机械研磨终点的检测方法，通过在以单位时间内、表面金属的面积 百分比的变化值作为判断依据判断达到研磨终点后，进一步以单位时间内、表面金属的最 大值的变化值作为判断依据，既从宏观上检测了整个检测面积内的金属含量，又从微观上 检测了局部面积的金属含量，能够真实地反映整个检测面积内的研磨情况，因此，根据本发 明判断达到研磨终点时，实际上CMP也达到了研磨终点。从而节省了随后的激光检测、研磨 等工序的时间，不仅节约了成本，而且降低了报废危险，提高了产品质量。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
1.一种化学机械研磨终点的检测方法，用于晶圆表面金属的研磨终点检测，该方法包括步骤A，以单色光源照射晶圆表面的第一检测区域，接收来自该第一检测区域的反射 光，以该第一检测区域内的反射光强的平均值与入射光强的比值作为表面金属的面积百分 比；步骤B，当第一单位时间内、表面金属的面积百分比的变化值的绝对值开始大于等于第 一预定数值时，则表面金属开始被部分去除；步骤C，当第一单位时间内、表面金属的面积百分比的变化值的绝对值开始小于第一预 定数值时，则初步判断达到研磨终点；其特征在于，在初步判断达到研磨终点后，该方法还包括步骤D， 步骤D、以所述第一检测区域内的第二检测区域的反射光强的最大值与入射光强的比 值作为表面金属的最大值；当第一单位时间内、表面金属的最大值的变化值的绝对值开始小于第二预定数值时， 则达到研磨终点。
2.如权利要求1所述的化学机械研磨终点的检测方法，其特征在于，所述第一检测区 域为经过所述晶圆圆心的、长度为300mm的带状弧面。
3.如权利要求2所述的化学机械研磨终点的检测方法，其特征在于，所述第一单位时 间为3s至IOs之间。
4.如权利要求2所述的化学机械研磨终点的检测方法，其特征在于，所述第一预定数 值为0%至0.5%之间。
5.如权利要求3或4所述的化学机械研磨终点的检测方法，其特征在于，所述第二检测 区域为所述第一检测区域内的、长度为50mm的带状弧面。
6.如权利要求5所述的化学机械研磨终点的检测方法，其特征在于，所述第二预定数 值为5%至10%之间。
全文摘要
本发明公开了一种化学机械研磨终点的检测方法，用于晶圆表面金属的研磨终点检测，该方法包括步骤A，以单色光源照射晶圆表面的检测区域，接收来自检测区域的反射光，以检测区域内的反射光强的平均值与入射光强的比值作为表面金属的面积百分比；步骤B，当单位时间内、表面金属的面积百分比的变化值的绝对值大于等于预定数值时，则表面金属开始被部分去除；步骤C，当单位时间内、表面金属的面积百分比的变化值的绝对值小于第一预定数值时，则初步判断达到研磨终点；步骤D、以检测区域内局部区域的反射光强的最大值与入射光强的比值作为表面金属的最大值；当单位时间内、表面金属的最大值的变化值的绝对值小于预定数值时，则达到研磨终点。
文档编号H01L21/768GK102136441SQ201010103998
公开日2011年7月27日 申请日期2010年1月26日 优先权日2010年1月26日
发明者葛军 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司