基于沟槽深度的电磁感应监测进行的过抛光的制作方法

本公开文本涉及在化学机械抛光期间使用电磁感应进行的监测(例如涡电流监测)。

背景技术：

通常通过在硅晶圆上依序沉积导电的、半导电的或绝缘的层以及通过依序处理这些层来将集成电路形成在基板(例如半导体晶圆)上。

一个制造步骤涉及将填料层沉积在非平面表面上，并平坦化所述填料层直到非平面表面被暴露为止。例如，可将导电填料层沉积在图案化的绝缘层上以填充绝缘层中的沟槽或孔。接着抛光填料层直到绝缘层的凸起的图案被暴露为止。在平坦化之后，导电层留在绝缘层的凸起图案之间的部分形成在基板上的薄膜电路之间提供了导电路径的通孔(via)、插头和线路。此外，平坦化可用于平坦化介电层以用于光刻。

化学机械抛光(cmp)是一个被接受的平坦化方法。此平坦化方法通常需要将基板安装在承载头上。将基板的被暴露表面放置为抵靠旋转的抛光垫。承载头提供了基板上的可控制的负载以推动基板抵靠抛光垫。抛光液(诸如具有研磨颗粒的浆料)被供应至抛光垫的表面。

在半导体处理期间，确定基板或基板上的层的一个或多个特性可能是重要的。例如，在cmp工艺期间知道导电层的厚度以使得所述工艺可在正确的时刻终止可能是重要的。可使用许多方法来确定基板特性。例如，光传感器可用于化学机械抛光期间的基板的原位监测。替代性地(或附加地)，涡电流感测系统可用于感应基板上的导电区域中的涡电流以确定诸如导电区域的局部厚度之类的参数。

技术实现要素：

在一个方面中，一种抛光系统包括：工作台，所述工作台用于保持抛光垫；承载头，用于在抛光期间保持基板抵靠抛光垫；第一原位监测系统；第二原位监测系统；和控制器。第一原位监测系统具有第一传感器，所述第一传感器用于在抛光期间监测基板且被配置为生成第一信号，所述第一信号取决于导电层的清除和基板的下层介电层的顶表面的暴露。第二原位监测系统具有单独的第二传感器，所述第二传感器用于在抛光期间监测基板且被配置为生成第二信号，所述第二信号取决于介电层中的沟槽中的导电材料的厚度。第二原位监测系统是电磁感应监测系统。控制器被配置为：接收来自第一原位监测系统的第一信号并基于第一信号来确定导电层被清除的清除时刻；接收第二信号并确定经确定的清除时刻的第二信号的初始值；将偏移与初始值相加以生成阈值；以及在第二信号与阈值相交时触发抛光终点。

在另一个方面中，一种计算机程序产品是非瞬态计算机可读介质，非瞬态计算机可读介质具有指令，所述指令用于使处理器：在基板的抛光期间接收来自第一原位监测系统的第一信号并基于第一信号来确定清除时刻(在所述清除时刻，导电层被清除且基板的下层的介电层的顶表面被暴露)；在基板的抛光期间接收来自第二原位监测系统的第二信号并确定经确定的清除时刻的第二信号的初始值；将偏移与初始值相加以生成阈值；以及在第二信号与阈值相交时触发抛光终点。

任何方面的实现方式可包括以下特征中的一个或多个特征。

第二原位监测系统可被配置为在设置于介电层中的导电回路中诱导电流。

第一原位监测系统可以是光学监测系统、涡电流监测系统、摩擦监测系统或电机转矩或电机电流监测系统。

第一传感器和第二传感器可定位在工作台中的单独的凹槽中。第一传感器和第二传感器可被配置为同时地测量基板上的相同位置。

控制器可被配置为从用户处接收所期望的过抛光量作为输入。控制器可被配置为将阈值vt计算为vt＝v0-kd，其中v0是初始值，d是所期望的过抛光量，且k是常数。

某些实现方式可包括以下优点中的一个或多个优点。可减少金属残余物，增加产量。可更可靠地在从沟槽(例如碟形凹陷)移除了目标量的材料时停止抛光，并且可减少晶片间不均匀性(wafer-to-wafernon-uniformity，wtwnu)。

一个或多个实现方式的细节被阐述在以下的附图和描述中。将通过说明书和绘图以及通过权利要求来理解其他的方面、特征和优点。

附图简单说明

图1是包括电磁感应监测系统的化学机械抛光站的部分截面示意侧视图。

图2是图1的化学机械抛光站的示意顶视图。

图3是用于电磁感应监测系统的驱动系统的示意电路图。

图4示出展示了来自两个原位监测系统的信号以及不同抛光阶段下的基板的示意截面图的示例性图表。

各附图中的类似参考符号指示类似的元件。

具体实施方式

对于导电层的化学机械抛光(例如金属抛光)而言，过抛光(overpolishing)对于防止金属残余物且因此保证良好的电产量来说是重要的。然而，过量的过抛光可能造成将要劣化电性能的碟形凹陷和侵蚀。

通常，过抛光是由时间控制的。例如，可通过使用原位监测系统检测到下层的层的清除(clearance)而触发终点(endpoint)，且在检测到抛光终点(在该抛光终点处停止抛光)之后在预定量的时间内进行过抛光。过抛光时间可被预先选择为足够大的以确保没有金属残余物。然而，这带有过量的过抛光(例如如上所述的碟状凹陷和侵蚀)的风险。

用于控制过抛光的另一种技术是通过“百分比(percentage)”。在此情况下，过抛光时间被计算为从开始抛光到触发终点的总时间的一个百分比。然而，来料厚度(incomingthickness)的变化可能误导过抛光时间的计算，而造成不一致的性能。

cmp系统可使用两个原位监测系统。第一原位监测系统(例如光学监测系统或涡电流监测系统)被配置为检测导电层的清除和下层的层的暴露。第二原位监测系统被配置为生成取决于沟槽深度的信号，且可用于在沟槽达到目标深度时停止抛光。

图1和图2展示了化学机械抛光装置的抛光站20的示例。抛光站20包括可旋转的碟形工作台24，抛光垫30位于所述工作台24上。工作台24可操作用以围绕轴25旋转。例如，电机22可转动驱动轴杆28以旋转工作台24。抛光垫30可为具有外层34和较软的背层32的两层式抛光垫。

抛光站22可包括供应口或组合的供应冲洗臂39以将抛光液38(例如浆料)分配到抛光垫30上。抛光站22可包括具有调节盘的垫调节器装置以维持抛光垫的条件。

承载头70可操作用以保持基板10抵靠抛光垫30。承载头70从支撑结构72(例如转盘或轨道)悬挂，并通过驱动轴74连接至承载头旋转电机76使得承载头可围绕轴71旋转。可任选地，承载头70可横向振荡，例如在转盘或轨道72上的滑块上横向振荡；或通过转盘本身的旋转振荡进行横向振荡。

在操作中，工作台围绕所述工作台的中心轴25旋转，且承载头围绕所述承载头的中心轴71旋转并跨抛光垫30的顶表面横向平移。在存在多个承载头的情况下，每个承载头70可独立控制其抛光参数，例如每个承载头可独立控制被施加到每个对应基板的压力。

承载头70可包括：柔性膜80，所述柔性膜80具有用以接触基板10的背侧的基板安装表面；和多个可加压腔室82，所述多个可加压腔室82用以向基板10上的不同区(例如不同的径向区)施加不同压力。承载头还可包括保持环84以保持基板。

一个或多个凹槽26形成于工作台24中，且可任选地，一个或多个薄区段36可形成于覆盖了一个或多个凹槽26的抛光垫30中。每个凹槽26和薄垫区段36可被定位为使得无论承载头的平移位置如何，所述凹槽26和薄垫区段36在工作台旋转的一部分期间通过基板10下方。假设抛光垫30是两层式的垫，则可通过移除背层32的一部分来构建薄垫区段36。薄区段中的一个或多个可以可任选地是光学透射的(例如，如果原位光学监测系统被整合到工作台24中的话)。

参照图4，抛光系统20可用于抛光基板10，所述基板包括覆盖图案化的介电层的导电层。例如，基板10可包括覆盖并填充介电层14(例如氧化硅或高k介电质)中的沟槽16的导电层12(例如金属、铜、铝、钴或钛)。可选地，阻挡层18(例如钽或氮化钽)可将沟槽排成行并将导电层12与介电层14分开。沟槽16可提供所完成的集成电路中的通孔、焊盘(pad)和/或互连。

回到图1，抛光系统20包括第一原位监测系统100和第二原位监测系统120，这两个系统可耦合到控制器90或被视为包括控制器90。

每个原位监测系统可包括定位在工作台24中的凹槽26中的一个凹槽中的传感器。每个传感器可随着工作台的每次工作台旋转在基板下方扫描。虽然图1将原位监测系统100、120的传感器展示为被定位在不同的凹槽中，但所述原位监测系统100、120可被放置在相同的凹槽26中。原位监测系统100、120还可被配置为在凹槽26通过基板10下方时同时监测基板10上的相同位置。旋转耦合器29可用于将可旋转工作台24中的元件(例如原位监测系统的传感器)电连接到工作台外部的部件(例如驱动和感测电路系统或控制器90)。

第一原位监测系统100被配置为检测导电层12的清除和下层的层的暴露。例如，第一原位监测系统100可被配置为检测介电层14的暴露。

第一原位监测系统100可以是光学监测系统，例如被配置为检测在暴露下层的层之后的反射光的光谱的变化的摄谱系统。替代性地，第一原位监测系统100可以是强度监测系统，例如被配置为检测在暴露下层的层之后的反射光的强度的突然变化的单色光监测系统。例如，介电层的反射性通常比金属层的反射性低得多，并因此反射光强度的突然下降可指示下层的层的暴露。

作为另一个示例，第一原位监测系统可以是涡电流监测系统100，所述涡电流监测系统100被调节为在导电层仍然是介电层之上的基本完好的片体时监测导电层的抛光，例如，如美国专利公开第2012-0276661号中所述的那样。作为另一个示例，第一原位监测系统可以是摩擦监测系统(例如，如美国专利公开第2005-0136800号中所述的那样)或电机转矩或电机电流监测系统(例如，如美国专利公开第2013-0288572号中所述的那样)。在这些情况下，下层的层的暴露可导致基板与抛光垫之间的摩擦系数的变化，这可导致摩擦、电机转矩或电机电流的可被检测到的变化。

第二原位监测系统120被配置为生成取决于沟槽16中的导电材料12(例如金属)的深度的信号。具体而言，原位监测系统120可以是电磁感应监测系统。电磁感应监测系统可通过在沟槽中的导电材料中产生涡电流或在形成于基板上的介电层中的沟槽中的导电回路中产生电流来进行操作。在操作中，抛光系统20使用第二原位监测系统120来确定沟槽深度何时已达到目标深度，并接着停止抛光。

第二监测系统120可包括安装在工作台24中的凹槽26中的传感器122。传感器122可包括至少部分地定位在凹槽26中的磁芯124以及绕芯124缠绕的至少一个线圈126。驱动和感测电路系统128电连接到线圈126。驱动和感测电路系统128生成可被发送到控制器90的信号。虽然被展示为在工作台24外部，但是驱动和感测电路系统128中的某些部分或所有部分都可被安装在工作台24中。

随着工作台24旋转，传感器122在基板10下方扫描。通过以特定频率对来自电路系统128的信号进行采样，电路系统128以跨基板10的采样区的序列来产生测量结果。针对每次扫描，可选出或组合采样区94中的一个或多个采样区处的测量结果。因此，在多次扫测后，所选出或结合的测量结果提供了随时间变化的值序列。

抛光站20还可包括位置传感器96(参见图2)(例如光学断续器)来感测传感器122何时在基板10下方并且感测传感器122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。标记(flag)98(参见图2)可附接到工作台24周边。标记98的附接点和长度可被选择为使得所述标记98可以信令通知位置传感器96传感器122何时在基板10下方扫描。位置传感器96还可用于确定第一原位监测系统100的传感器何时在基板下方。

或者，抛光站20可包括编码器以用于确定工作台24的角度位置。

控制器90(例如通用可编程数字计算机)接收来自第二电磁感应监测系统120的信号。因为每个传感器122随着工作台24的每次旋转在基板10下方扫描，所以关于沟槽深度的信息被原位地累计(每次工作台旋转则累计一次)。控制器90可被编程为在基板10基本上覆盖传感器122时对来自第二原位监测系统120的测量结果进行采样。

此外，控制器90可被编程为将来自每次基板下方的扫描的来自第一原位监测系统100和电磁感应电流监测系统120两者的测量结果分成多个采样区，以计算每个采样区的径向位置和将测量结果分类到径向范围中。

图3展示了驱动和感测电路系统128的示例。电路系统128向线圈128施加ac电流，所述线圈128在芯124的两个极152a和152b之间产生磁场150。芯124可包括从背部152平行延伸的两个(参见图1)或三个(参见图3)叉状物150。仅具有一个叉状物(且无背部)的实现方式也是可能的。在操作中，在基板10间歇地覆盖传感器120时，磁场150的一部分延伸到基板10中。

电路系统128可包括与线圈126并联连接的电容器160。线圈126和电容器160可一起形成lc谐振槽路(tank)。在操作中，电流发生器162(例如基于边缘振荡器电路的电流发生器)以由线圈126(具有电感l)和电容器160(具有电容c)所形成的lc槽路的谐振频率来驱动系统。电流发生器162可被设计为将正弦振荡的峰到峰振幅维持为恒定值。使用整流器164来整流具有振幅v0的时间依赖电压且将所述时间依赖电压提供到反馈电路166。反馈电路166确定电流发生器162的驱动电流以将电压v0的振幅保持恒定。在第4,000,458号和第7,112,960号的美国专利中进一步描述边缘振荡器电路和反馈电路。

作为涡电流监测系统，电磁感应监测系统120可用于通过在沟槽中的导电材料中感应涡电流来监测导电沟槽的厚度。替代性地，电磁感应监测系统为了监测的目的可通过在形成于基板10的介电层14中的导电回路中产生电流来进行操作，例如，如美国专利公开第2015-0371907号中所述的那样，所述公开的整体内容以引用方式并入。

若期望监测基板上的导电层的厚度，则在磁场150到达导电层时，磁场150可通过并产生电流(若目标是回路的话)或产生涡电流(若目标是片材的话)。这产生了有效阻抗，因此增加了电流发生器162将电压v0的振幅保持恒定所需的驱动电流。有效阻抗的大小取决于导电层的厚度。因此，由电流发生器162产生的驱动电流提供了被抛光的导电层的厚度的测量结果。

对于驱动和感测电路系统128来说，其他的配置是可能的。例如，可将分开的驱动和感应线圈绕芯缠绕，可以以恒定的频率来驱动驱动线圈，并且来自感应线圈的电流的振幅或相位(相对于驱动振荡器)可用于信号。

参照图4，在抛光之前，导电层12的主体最初是相对厚且连续的。若第一原位监测系统100是涡电流监测系统，则因为层12具有低的电阻率，可在导电层中产生相对强的涡电流。其结果是，来自第一原位监测系统100的信号110可开始于由信号110的部分112所示的初始值处。

随着基板10被抛光，导电层12的主体部分被减薄。在导电层12变得足够薄时或在下层的介电层被暴露时，信号110在区域114中变化(例如下降)。例如，对于涡电流监测系统而言，随着导电层12变薄，所述导电层的片体电阻率增加，且导电层12和传感器电路系统之间的耦合减少。

最后，导电层12的主体部分被移除，这暴露了介电层14的顶表面并留下图案化介电层14之间的沟槽中的导电互连16。此时，信号110(基于光学、涡电流或摩擦的信号)将趋于稳定，如信号110的部分116中所示。这造成了输出信号110的振幅的变化率的显著减少。可通过第一原位监测系统100(例如通过控制器90)来检测信号110的斜率的突然变化或信号110的斜率下降到阈值以下的事件，以检测导电层的清除。此时刻可被称为金属清除终点。

金属清除终点的检测触发了对第二原位监测系统120的依赖。具体而言，控制器可在第一原位监测系统100检测到金属清除终点时捕捉来自第二原位监测系统的信号130的值v0。可以基于所期望的过抛光量来计算阈值vt。例如，阈值可被计算为vt＝v0-kd，其中d是所期望的过抛光量(例如，例如以埃计的厚度量，)且k是经验确定的常数。可例如在抛光基板10之前通过图形用户界面从抛光系统20的操作员接收d的值作为用户输入。

第二原位监测系统120继续监测基板，并在信号130与阈值vt相交时停止抛光。其结果是，过抛光时间是由第二原位监测系统基于所期望的沟槽金属移除量来控制的，并且可在晶片间是一致的。

双原位监测系统100、120可用在各种抛光系统中。抛光垫或承载头或这两者可移动以提供抛光面与基板之间的相对移动。抛光垫可以是固定至工作台的圆形(或某些其他形状)的垫、延伸在供应辊与收紧(take-up)辊之间的带、或连续的传送带。抛光垫可粘接在工作台上、在抛光操作之间在工作台之上逐渐被推进或在抛光期间在工作台之上被连续驱动。在抛光期间垫可固定至工作台，或在抛光期间在工作台和抛光垫之间可存在流体轴承。抛光垫可以是标准(例如具有或不具有填料的聚氨酯)的粗糙垫、软垫或固定式研磨垫。

已描述了许多实施例。尽管如此，将理解的是，可在不脱离本公开文本的精神和范围的情况下作出各种修改。相应地，其他的实施例是在以下权利要求的范围内的。