判定光谱中铜浓度的方法

专利名称：判定光谱中铜浓度的方法
技术领域：
本发明涉及一种化学机械抛光。
背景技术：
一般是通过在硅晶片上依次沉积导体层、半导体层或绝缘层而在衬底 上形成集成电路。 一个制造步骤包括沉积填充层至非平坦面上并将填充层 平坦化。就某些应用而言，将填充层平坦化直到露出图案化层的顶面为 止。举例来说，可将导体填充层沉积在图案化的绝缘层上，以填充绝缘层 中的沟槽或孔。平坦化之后，留在绝缘层的凸起图案之间的导体层部分构 成过孔、插塞(plug)和线路，以做为衬底上薄膜电路之间的传导路径。就 诸如氧化物抛光等其它应用而言，将填充层平坦化直到非平坦面上的填充 层留下预定厚度为止。此外，光刻通常需要平坦化衬底表面。
化学机械抛光(chemical mechanical polishing; CMP)是一中可接受的平 坦化方法。此平坦化法通常需将衬底安装在载具或抛光头上。通常将衬底 的曝露面抵靠着旋转抛光垫或带状抛光垫。抛光垫可是标准垫或固定磨料 垫。标准垫具有耐用的粗糙表面，而固定磨料垫具有被固持在媒介物中的 多数抛光颗粒。载头提供可控制的负载给衬底，并将其推靠在抛光垫上。 一般提供抛光浆液(slurry)至抛光垫表面。抛光浆液包括至少一化学反应
剂；若使用标准垫标则还包括抛光颗粒。
CMP的一个难题在于判断抛光处理是否完成，即是否己将衬底层平坦 化成期望的平坦度或厚度、或者何时移除期望数量的材料。过度抛光 (overpolish)(移除太多)导体层或薄膜会增加电路阻抗。另一方面，抛光不 足(underpolish)(移除太少)导体层会导致短路。衬底层的起始厚度、抛光浆液成分、抛光垫状况、抛光垫与衬底之间的相对速度、和衬底上的负载中 的变化将造成材料移除速率的变化。这些变化将使得达到抛光终点所需时 间的不同。因此，不能只根据抛光时间的函数来判断抛光终点。

发明内容
在此提出判定铜对反射光测量光谱的贡献程度的方法。此方法可使用
归一化的交互相关曲线(cross-correlation curve)来判断铜的贡献。藉此可直 接测量铜反射所产生的信号比例。然后减去测量光谱中铜光谱所占的比 例，以得到非铜材料产生的光谱。
在此所述的方法和系统包括一或多个以下优点。铜CMP —般为多重 步骤的处理，其中最后步骤包括将电介质材料减薄到期望的厚度。虽然已 有选择此最后步骤的终点的方法，但经改良的终点法更可严加控制抛光精 准度和衬底规格。如此可得到更平坦、更精确的抛光衬底，且再现性更 佳、生产率更高。
由于可从每一光谱获得一定数量的信息，己发现宽波光谱(例如，白光 光谱)有用于终点判断。再者，白光光谱终点判断技术可用来侦测阻挡材料 转换成氧化物的过渡期及为从衬底上移除预定数量的氧化物提供可靠的方 法。使用白光光谱的困难点在于，当只想取得电介质材料的反射时，衬底 露出铜的区域仍会影响光谱。铜的反射很强且不会被电介质的反射遮蔽。 另一问题则在于，衬底上的铜结构并不规则且非同质，因此给定测量光谱 中的铜信号大小不一。强烈的铜反射加上任何测量光谱中的铜信号大小不 一，导致难以监测阻挡材料区域和氧化物区域。自测量光谱中移去铜的信 号可更可靠地执行终点法。
本说明书所指的"衬底"包括诸如产品衬底(如含有多个内存或处理器 管芯)、测试衬底、裸衬底(bare substrate)和栅极衬底(gate substrate)。衬 底可处于集成电路制造的任一阶段，例如其包括一个或多个沉积层及/或图 案化层。"衬底"一词可包括圆盘和方板。
本发明的一个或多个实施例将参照所附图式详述于下。本发明的其它 特征、目的、和优点在参阅说明书、附图与权利要求书后将变得更清楚易
6懂。


图1为沉积铜之后的部分衬底的截面图。
图2为抛光处理之后，部分衬底的截面图。
图3示出压板上的衬底。
图4示出从部分衬底表面反射的光。
图5、 6及7分别例示铜、电介质材料及阻挡材料的光谱图。 图8示出与100%铜之光谱相关的关系曲线。 图9示出不同抛光处理阶段的电介质材料光谱。
图10示出整个抛光过程中测量光谱与参考光谱的差别，用以判断抛 光终点。
图ll为光谱匹配法的曲线图。
图12示出在减去铜之前，整个抛光过程中测量光谱与参考光谱的差别。
图13及14示出在减去铜之后，整个抛光过程中测量光谱与参考光谱 的差别。
各图中同样的组件符号代表类似的组件。
具体实施例方式
具有原位(in-situ)监测模块的抛光系统可用来监测衬底抛光情形，以于 作业中(on the fly)或实时(real time)获得抛光资料及判断抛光终点。美国专 利申请公开2007-0224915描述此类抛光系统和原位监测模块，其通过引用 而结合于此。抛光时，监测模块得到自衬底表面反射的光谱。接着比较该 光谱与数据库，藉以判断何时达到终点。
参照图1，其为沉积铜之后部分衬底的截面图，示出硅衬底IO上具有 下面结构层15、电介质层20、阻挡层25、和铜层30。电介质层20中的 凹陷部位35填满铜而构成线路、接垫、和其它传导性特征。如第2图所 示，衬底可经一个或多个步骤抛光处理。第一抛光步骤(步骤A)为平坦化铜层30。第二抛光步骤(步骤B)为清除铜线35外部之上阻挡层25上方的 铜层30。第三抛光步骤(步骤C)为移除铜线35外部的阻挡层25及移除部 分电介质层20。可额外进行抛光步骤。另外，例如可在不同的抛光系统压 板上分别进行抛光步骤，或者可在单一压板上合并进行二个或多个步骤。
进行步骤C时，光谱式终点法可用来判断终点。选择期望的电介质层 厚度，且在抛光期间，比较实时获得的光谱与抛光光谱数据库内的光谱来 判断抛光终点。其潜在的困难点之一在于收集衬底表面的光谱。
当衬底旋转并移动越过抛光表面时，收集光谱。参照图3， 一些抛光 系统转动压板上的抛光垫55，而终点侦测系统固接至压板，如此传感器会 移动越过衬底50。接着在预定时距及/或间隔内取得衬底50的位置60的 光谱，例如约7毫秒(ms)和5-10毫米(mm)。每一光谱为光从测量点(可横 跨数毫米)反射的结果。
要精准控制从衬底50的某一位置取得光谱并不容易。如图2所示， 除了其它特征外，衬底50尚具有铜线35和电介质层20。铜线35反射的 光强度比电介质层20反射的光强度强，且二者光谱分布不同。依据美国 专利申请公开2007-0224915所述的终点判断法，可利用电介质区域的光谱 来判断终点。然而，铜反射会造成光谱严重失真。任何从铜的反射将扭曲 光谱，以致终点判断的原始状态不稳定。
参照图4，除了会扭曲光谱外，因无法控制取得与铜线和电介质区域 相关的光谱的位置，故铜反射量迥然不同且每次测量结果不一样。此尤其 是起因于缺乏精密机动编码器和衬底在承载头上滑动、或是光束扫过衬底 的路径未通过每个晶粒的同一位置。 一部分光束可照射仅具电介质的区域 70，另一部分光束则可从兼具电介质与铜的衬底区域75、 80反射(虽然图 中只显示从一个铜线反射，但测量点可包括许多线路或其它铜质特征)。包 括电介质与铜的区域75、 80可含有不同比例的电介质。衬底上各区域的 特征密度可彼此不同。尽管某些如内存的集成电路类型包括大范围的规则 金属特征，然其它如处理器的集成电路类型呈现不均一的特征分布。因 此，即使各区域70、 75、 80的电介质层厚度相同，呈现的光谱仍将不 同。然而，这些光谱可用来判断抛光终点。光谱可从其取得的原始格式转 换成仅显示从无铜区域获得光谱的修改版本。可判定取得原始光谱的区域 所含的铜比例，然后减去铜对光谱的贡献影响。
如图5、 6及7所示，光谱中铜的反射比预料将增加电介质或氧化物 的反射比、或增加阻挡层的反射比(假设己知铜的贡献比例)。参照图5， 其显示纯铜层的光谱、纯阻挡层的光谱、以及铜与阻挡层的组合物的光 谱。铜反射比在整个波长范围高于阻挡层反射比。在图6中，氧化物亦呈 类似现象。铜与氧化物的混合物产生的光谱具有介于二光谱间的反射比 值。参照图7，当铜的比例从100%降至50%、 10%及0%时，大于5410埃 之波长的反射比随之下降。
若光谱分别与纯铜或100%铜的光谱相关联，且将结果归一化 (normalize);在零迟滞量(zero-lag)下，10%铜的光谱归一化成0.1， 50%铜 的光谱归一化成0.5。其它比例的铜亦具相似结果。参照图8，其显示在渐 增迟滞量(下列方程式的t)下，与100%铜的光谱相关联的0%、 10%、 50%、禾n 100%铜的光谱。光谱的起始点92、 94、 96、 98代表各光谱在零 迟滞量下的相关性，即比较曲线时，不需沿着x轴位移任一曲线。随着曲 线往图右方移动，迟滞量将增加，而相关性将降低。
为判定光谱中的铜浓度(即，铜对光谱的贡献比例，此受控于监测表面 所含的铜比例)，利用以下曲线比较方程式可得到零迟滞量下与纯铜光谱相 关的光谱
Cwr(g, /0= " f g(义+
g(入)为诸如纯铜光谱等曲线之一，h(人)为测量光谱，dX表示在所有波 长(入)范围进行积分。
接着，归一化零迟滞量下测量光谱的相关性，以得到介于0至100%
间的浓度。此可利用下列方程式达成
9其中Corr(measured spectrum)为先前计算的Corr(g,h)， Corr(non Cu)代 表图8的起始点98的值，Corr(pure Cu)代表起始点92的值。常数 Corr(non Cu)和Corr(pure Cu)可轻易凭经验判定且适合不同衬底图案。这些 常数不需很精准，采用近似值即可使铜减去法大幅改善终点迹线的信杂 比。
判定了铜浓度后，减去测量光谱中铜的贡献。假设铜光谱与非铜光谱 为线性迭加，且依据面积比例或浓度加权各光谱。减去法可采用以下方程 式
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中M(X)为测量光谱，fcu(从0.0至l.O)为铜的比例，O(X)为非铜光 谱，而C(入)为铜光谱。解答非铜光谱后可得下列方程式
<formula>formula see original document page 10</formula>
示例
利用抛光期间自衬底反射之白光光谱来判定抛光终点的方法有两种。 第一种方法称为判断终点的差异法。第二种方法在此是指判断终点的光谱 指数匹配法。两种方法均进一步说明于美国专利申请公开2007-0224915。
采行任一方法皆可凭经验或根据理论取得抛光光谱的数据库。参照图 9，数据库可包括一个抛光程序的光谱，其始于得自具厚氧化层(厚度在此 为8200埃)的衬底的光谱110，且包括贯穿整个抛光程序直到过度抛光衬 底(厚度在此为1300埃)的光谱120、 130、 140、 150、 160。图中仅显示抛 光程序的特定光谱，具体而言为压板转速(Rev.)为1、 12、 24、 36、 48、 60 的光谱。
其它层的光谱也可取得并存到数据库，例如阻挡层的光谱。阻挡层光 谱可用来判断何时己清除阻挡层。
就差异法而言，光谱乃选择对应抛光处理的衬底具有期望终点氧化物 厚度。例如，若预定氧化物厚度为2200埃且转速为48，则选择光谱150当作参考光谱。当然也可依需求选择其它终点和参考光谱。
抛光衬底时将自各层移除不同的材料，例如铜、阻挡材料和氧化物。 抛光期间取得的光谱通常反映任一时间的一或多个材料状况。故此方法除 了判定氧化物厚度外，还可判断何时已经移除衬底上诸如阻挡层等特定材 料。
比较抛光处理的衬底的光谱与参考光谱150。相比后，二光谱间的差 别可以下式表示
D = Z(，-兄(义))2
其中Rm为测量光谱，Rr为参考光谱。简述之，经平方及加总后可判 定出二光谱于各波长的差别。
参照图10，其绘制平方差的总和与压板转速而产生渐近零的正弦曲 线。当差最接近零时，此处称为终点。
另一判定终点的方法为光谱匹配法，包括指定参考光谱的光谱编号。 获得抛光时的光谱后，比对光谱与数据库，以判定最匹配测量光谱的光谱 编号。匹配数目按时间或压板转速绘制；线与参考光谱编号相交处称为终 点。参照图11，其为光谱匹配法的实施例，显示一个符合光谱匹配结果的 线。匹配数目按时间绘制。当线与参考光谱编号相交时，即判定于时间点 180达到终点。
再次参考判断终点的差异法，图10的差值通常无法从原始光谱获 得。此乃因为铜的高度反射会随意增添至光谱中。参照图12，使用一般包 括氧化物反射与铜反射的原始光谱将产生难以判断终点的图形。图12显 示抛光期间的两种不同衬底的差别。需注意图IO与图12的差异。图10的 正弦曲线很容易辨认，但图12的正弦曲线很难判别。抛光移除阻挡层 后，光谱中阻挡层反射的贡献一般为微不足道而可忽略。
参照图13及14，其示出三种晶片在移除铜的贡献后的差别，其平滑 曲线并显示如何判断终点。减去噪声很多的铜曲线210、 220、 230及利用 平顺曲线技术可产生随着时间或压板转速趋近于零的曲线212、 222、
ii232。
尽管上述方法是以铜为例，然其亦可应用于其它非电介质材料，例如 覆盖诸如阻挡层(例如氮化物)、硅或金属氮化物等下电介质层的金属(例如 钨)。
虽然铜减去法和终点技术是以判断终点的差异法为例，但此方法同样 可应用到所述的光谱匹配法。
抛光处理衬底的抛光工具可包括或可电性连接能进行上述方法来判定 抛光终点的处理器。判定抛光终点后，控制器可利用该终点发出信号通知 抛光工具停止抛光。
本发明的实施例和说明书所述的所有功能运作的实施例可采用数字电 子电路、或计算机软件、韧体或硬件，包括本说明书提及的结构装置和其 结构均等物、或其组合物。本发明的实施例可实施到一个或多个计算机程 序产品，即一个或多个实体收录于信息载体(如机器可读取的储存装置或传 播信号)的计算机程序，用以执行或控制数据处理设备的运作，例如可程序 化处理器、计算机、或多元处理器或计算机。计算机程序(亦已知为程序、 软件、软件应用、或编码)可以任一包括编译或解译语言的程序语言编写， 其并可配置成任一型式，包括独立程序或模块、组件、子程序、或其它适 合计算环境的单元。计算机程序不一定要对应于档案。程序可储存在含有 其它程序或资料的档案、提问程序专用的档案、或多重坐标档案(例如储存 一或多个模块、子程序或部分编码的档案)。计算机程序可配置供单一计算 机或多个位于网点或遍及多个网点且由通信网络相连的计算机执行。
一个或多个执行一个或多个计算机程序的可程序化处理器可藉由运算 输入资料及产生输出而进行说明书所述的处理和逻辑流程。诸如现场可程
序化门阵列(field programmable gate array; FPGA)或特定功能集成电路 (application specific integrated circuit; ASIC)等具特殊用途的逻辑电路也可 用来进行处理和逻辑流程。
上述抛光设备和方法可应用到各种抛光系统。抛光垫或承载头、或二 者可于抛光表面与衬底之间相对移动。例如，压板可绕行而非旋转。抛光 垫可为固接压板的圆形垫(或具其它形状)。终点侦测系统的某些态样可应用于线性抛光系统，例如抛光垫为连续式或线性移动的盘式带状抛光垫。 抛光层可为标准抛光材料(例如含或不含填料之聚胺甲酸酯)、软性材料、 或固定抛光材料。在此描述相对位置关系；应理解抛光表面与衬底可呈垂
直或其它方位。虽然在此为叙述减去光谱中铜的贡献，但也可以类似方式 移去衬底上诸如阻挡材料等其它元素的反射。故其它实施例亦不脱离后附 权利要求书所界定之保护范围。
权利要求
1. 一种判定衬底上包括非电介质材料的区域的量的方法，该方法至少包含取得来自所述衬底的表面的反射光的测量光谱；使所述测量光谱与来自非电介质材料的反射光的参考光谱彼此关联，以得到相关性；以及将所述相关性归一化，以获得所述区域的所述非电介质材料的浓度。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述非电介质材料为金属。
3. 如权利要求2所述的方法，其中所述非电介质材料为铜。
4. 如权利要求1所述的方法，其中所述表面包括所述非电介质材料的 区域和电介质材料的区域。
5. 如权利要求4所述的方法，其中所述电介质材料为阻挡层。
6. 如权利要求1所述的方法，其中使所述测量光谱与来自是所述非电 介质材料的反射光的所述参考光谱彼此关联的步骤包括将所述测量光谱来 自100%所述非电介质材料的反射光的光谱彼此关联。
7. 如权利要求1所述的方法，其中取得所述测量光谱是在抛光该衬底 时进行。
8. 如权利要求7所述的方法，其中取得所述测量光谱包括引导光束至 所述衬底的所述表面、以及接收所述光束的反射。
9. 如权利要求8所述的方法，其中取得所述测量光谱是在所述衬底相 对所述光束移动时进行。
10. —种将从含有电介质材料与非电介质材料的衬底的区域的光谱转 换成只具该电介质材料的光谱的方法，该方法至少包含取得来自所述衬底的表面的反射光的测量光谱；使所述测量光谱与来自非电介质材料的反射光的参考光谱彼此关联， 以得到相关性；将所述相关性归一化，以获得所述区域的所述非电介质材料的浓度；以及减去该测量光谱中的非电介质贡献。
11. 如权利要求io所述的方法，其中减去所述非电介质贡献包括将所 述参考光谱乘以所述非电介质材料的所述浓度而获得縮减参考光谱，以及 从所述测量光谱中减去所述縮减参考光谱而获得电介质元素光谱。
12. 如权利要求11所述的方法，其还包将所述电介质元素光谱除以所 述非电介质材料的所述浓度，藉以判定电介质材料光谱。
13. —种判定抛光终点的方法，该方法至少包含 在抛光程序期间，得到测量光谱；取得来自衬底的表面的反射光的测量光谱；使该测量光谱与来自非电介质材料的反射光的参考光谱彼此关联，以 得到相关性；将所述相关性归一化，以获得区域的所述非电介质材料的浓度； 判定电介质材料光谱，包括减去所述测量光谱中的非电介质贡献；以及比较所述电介质材料光谱和参考光谱，以判断抛光终点。
14. 如权利要求13所述的方法，其中取得所述测量光谱是在所述衬底 相对于用来接收该测量光谱的传感器移动时进行。
15. 如权利要求13所述的方法，其中所述衬底为半导体衬底，所述非 电介质材料为铜，且所述电介质材料为氧化物。
16. 如权利要求13所述的方法，还包含在所述抛光终点时停止抛光程序。
17. —种实体储存于机器可读取介质的计算机程序产品，所述计算机程序产品包含多个运作指令，使处理器执行接收来自衬底的表面上一个区域的反射光的测量光谱； 使所述测量光谱与来自非电介质材料的反射光的参考光谱彼此关联，以得到一相关性；以及将所述相关性归一化，以获得所述区域的所述非电介质材料的浓度。
18. 如权利要求17所述的计算机程序产品，还包含多个指令，用以减 去所述测量光谱中的非电介质贡献。
19. 如权利要求18所述的计算机程序产品，其中用以减去所述非电介质贡献的指令包括若干个指令，用以将所述参考光谱乘以所述非电介质材 料的浓度而获得縮减参考光谱，以及从所述测量光谱中减去所述縮减参考 光谱而获得电介质元素光谱。
20. 如权利要求19所述的计算机程序产品，还包含指令，用以将所述电介质元素光谱除以所述非电介质材料的浓度，藉以判定电介质材料光 ;並
全文摘要
本发明公开一种在化学机械抛光期间减去非电介质(例如，铜)对衬底光谱的贡献的方法。尤其公开一种在抛光衬底时通过使用表面的宽带反射光谱而光学判定衬底上包括非电介质材料的区域的量以及判定覆盖在衬底的表面上金属(诸如铜)溶度的方法。该方法涉及当邻近区域由金属覆盖时通过来自电介质区域的反射所得到的光谱干涉图案而可靠地判定终点，其中，金属强烈反射涉及的全波长范围并且倾向于将反射光谱从邻近电介质区域遮蔽。
文档编号G01N21/55GK101432616SQ200780014741
公开日2009年5月13日 申请日期2007年12月5日 优先权日2006年12月5日
发明者博古斯劳·A·司维德克, 及明·章, 哈利·Q·李, 多米尼克·J·本文格努, 杰弗里·朱恩·大卫 申请人:应用材料公司