JP4854118B2 - Optical monitoring method in a two-stage chemical mechanical polishing process - Google Patents

Optical monitoring method in a two-stage chemical mechanical polishing process Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
関連出願のクロスレファレンス
本出願は、2000年1月18日出願の米国特許出願第60/176,645号の優先権を主張する。
【0002】
本発明は、一般的に、基板の化学機械的研磨に関し、より詳細には、化学機械的研磨操作中に金属層の終了点を検出するための方法および装置に関する。
【0003】
【背景技術】
集積回路は、普通には、基板上に、導電性、半導体性、または絶縁性の層のシリコンウェハ上への順次堆積によって形成される。各層が堆積された後に、層はエッチングされ、回路フィーチャを作成する。一連の層が順次堆積されエッチングされるのに従い、基板の外側つまり最上部の表面、すなわち、基板の露出された表面は、次第に平面でなくなる。この非平面の表面は、集積回路製造プロセスのフォトリソグラフィック段階において問題を提起する。それ故に、基板表面を周期的に平面化するニーズがある。
【0004】
化学機械的研磨(CMP)は、容認された平面化の方法の一つである。この平面化方法は、普通には、基板がキャリアヘッドつまり研磨ヘッド上に搭載されることを必要とする。基板の露出表面は、回転する研磨パッドに対して載置される。研磨パッドは、「標準」パッドまたは固定砥粒パッドのいずれかであり得る。標準パッドは、耐久性のある粗表面を有し、それに対し、固定砥粒パッドは、封じ込め (containment) 媒体中に保持された研磨砥粒を有する。キャリアヘッドは、基板上にそれを研磨パッドに対して押付ける制御可能な荷重、すなわち圧力を提供する。少なくとも一つの化学反応性の薬剤 (agent) と、標準パッドが使用される場合には研磨砥粒とを含む研磨スラリが、研磨パッドの表面へ供給される。
【0005】
CMPにおける一つの問題は、研磨プロセスが完了したかどうか、すなわち、基板の層が所望の平坦度または厚さに平面化されたかどうかを決定することである。基板層の当初厚さでの変動、スラリ組成、研磨パッドの状態、研磨パッドと基板との間の相対速度、および、基板上への荷重は、材料の除去レートを変動させ得る。この変動は、研磨終了点に達することに必要とされる時間を変動させる。それ故に、研磨終了点は、単に研磨時間の関数として決定され得ない。
【0006】
研磨終了点を決定する一つの方式は、基板を研磨表面から取去り、それを検査することである。例えば、基板は、基板層の厚さが、例えば、側面計 (profilometer) または固有抵抗測定により測定される測定ステーションへ転送され得る。所望の仕様が満足されない場合、基板は、更なる処理のためにCMP装置内へ再ローディングされる。これは、CMP装置のスループットを低下させる時間の掛かる手順である。その代りに、検査は、過度の量の材料が除去されたことを明らかにするかも知れず、基板を使用不可にする。
【0007】
幾つかの方法が、その場での(in-situ)研磨終了点検出のために開発された。これらの方法のほとんどは、基板表面に関連するパラメータを監視し、パラメータが急に変化する際に終了点を指示することに関与する。例えば、絶縁性つまり誘電体層が研磨されており下地の金属層を露出する場合、基板の摩擦係数および反射度は、金属層が露出される際に、急に変化するであろう。
【0008】
監視されるパラメータが研磨終了点で急に変化する場合、そのような終了点検出方法は容認できる。しかし、基板が研磨されているのに従い、パッドと基板の界面での研磨パッド状態およびスラリ組成は変化し得る。そのような変化は下地層の露出を隠蔽するかもしれず、または、変化は終了状態を模擬するかもしれない。加えて、単に平面化だけが遂行されている場合、下地層が過剰研磨されるべき場合、または、下地層と上部層とが類似の物理特性を有する場合、そのような終了点検出方法は役に立たないであろう。
【0009】
【発明の概要】
一つの態様で、本発明は、基板を研磨する方法に向けられる。基板の第1の層は第1の研磨流体で化学機械的に研磨される。基板は第1の層の下に配設される第2の層を有し、第1のおよび第2の層は異なる反射度を有する。基板は、第1の研磨スラリによる研磨中に光学的に監視され、複数の強度トレースを生成する。各強度トレースは、基板の異なる半径方向範囲からの強度測定値を含む。強度トレースのいずれかが第1の層の初期一掃を指示する後に、基板は、第1の研磨流体と異なる研磨特性を有する第2の研磨流体により化学機械的研磨される。基板の光学的監視は、第2の研磨スラリによる研磨中に継続し、第2の層が完全に露出されたことを全てのトレースが指示する後に研磨は停止される。
【0010】
本発明の実施の形態は、以下の特徴の一つ以上を含んでいてもよい。光学的監視は、研磨表面での窓を通して光ビームを向け、基板を横切る経路に光ビームを移動させること、基板から反射する光ビームで作成される反射率信号を監視すること、および、反射率信号から複数の強度測定値を抽出することを含んでもよい。複数の強度トレースを生成することは、各強度測定値を強度測定中の光ビームの位置に従い半径方向範囲のひとつにソートすること、および、半径方向範囲に関連する強度測定値から強度トレースを決定することを含んでもよい。第1のスラリは高選択度スラリであってもよく、第2のスラリは低選択度スラリであり得る。第1の層は、第2の層より反射性であってもよい。第1の層は、銅等の金属層であり得る。第2の層は、二酸化ケイ素等の酸化物層、または、タンタルまたは窒化タンタル等のバリア層であってもよい。
【0011】
別の態様で、本発明は、基板を研磨する方法に向けられ、ここで、基板の表面は窓を有する研磨表面と接触させられる。基板は、第2の層の上に配設される第1の層を有し、第1のおよび第2の層は異なる反射度を有する。第1のスラリが、第1の研磨段階のために基板へ供給され、基板と研磨表面との間に相対運動が引起こされる。光ビームが窓を通して向けられ、基板に対する研磨表面の運動が基板を横切る経路に光ビームを移動させる。基板から反射する光ビームで作成される反射率信号が監視され、複数の強度測定値が反射率信号から抽出され、および、複数の強度トレースが基板上の異なる半径方向範囲からの強度測定値を含む各強度トレースにより生成される。強度トレースのいずれかが第1の層の初期一掃を指示する際に、第2のスラリが第2の研磨段階を研磨するために基板へ供給される。第2のスラリは、第1のスラリと異なる研磨特性を有する。第2の層が完全に露出されたことを全ての強度トレースが指示する後に研磨は停止される。
【0012】
本発明の実施の形態は、以下の特徴の一つ以上を含んでいてもよい。第1のスラリは高選択度スラリであってもよく、第2のスラリは低選択度スラリであってもよい。第2の層は、基板で第3層の上に配設されてもよい。
【0013】
別の態様で、本発明は、酸化物層の上に配設される金属層を有する基板を研磨する方法に向けられる。方法では、基板の表面は、窓を有する研磨表面と接触させられる。高選択度スラリが研磨表面へ供給される。基板と研磨表面との間に相対運動が引起こされる。光ビームが窓を通して向けられ、研磨表面の基板に対する運動が基板を横切る経路に光ビームを移動させる。基板から反射する光ビームで作成される反射率信号が監視され、複数の強度測定値が反射率信号から抽出される。半径方向位置が各強度測定値に対して決定され、複数の強度測定値は半径方向位置に従い複数の半径方向範囲内へ分類される。複数の強度トレースが生成され、各強度トレースは複数の半径方向範囲の一つからの強度測定値を含む。強度トレースのいずれかが金属層の初期一掃を指示する際に、低選択度スラリが研磨表面へ供給され、酸化物層が完全に露出されたことを全ての強度トレースが指示する際に研磨は停止される。
【0014】
本発明の実施の形態は、以下の特徴の一つ以上を含んでいてもよい。反射率トレースでの突然の下落は、反射率トレースに関連する半径方向範囲での金属層の初期一掃を指示してもよい。反射率トレースの平坦化は、反射率トレースに関連する半径方向範囲での酸化物層の露出を指示してもよい。基板は、金属層、例えば、銅と、酸化物層、例えば、二酸化ケイ素との間に、バリア層、例えば、タンタルまたは窒化タンタルを含んでもよい。
【0015】
本発明の利点は、以下の一つ以上を含む。銅被覆された基板は、皿状凹み (dishing) および侵食 (erosion) を低減して研磨されてもよい。研磨終了点、および、研磨装置が高選択度スラリから低選択度スラリへ切替えるべき点の両方が精密に決定されてもよい。ウェハの異なる場所での金属研磨操作の進捗について詳細なデータが入手可能である。
【0016】
本発明の他の特徴および利点は、図面および特許請求の範囲を含む、以下の説明から明白になろう。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1および2を参照すると、一つ以上の基板10が、CMP装置20によって研磨されてもよい。類似の研磨装置20の説明は、米国特許第5,738,574号に見出すことができ、その開示全体を引用して本明細書に組込む。研磨装置20は、一連の研磨ステーション22および転送ステーション23を含む。転送ステーション23は多数の機能を果たし、個々の基板10をローディング装置(図示せず)から受取ること、基板を洗浄すること、基板をキャリアヘッドへローディングすること、基板をキャリアヘッドから受取ること、基板を再度洗浄すること、および、最後に、ローディング装置へ基板を戻し転送することを含む。
【0018】
各研磨ステーションは、その上に研磨パッド30が載置される回転可能なプラテン24を含む。第1のと第2のステーションは、硬い耐久性のある外側表面を持つ2層研磨パッドを含むことができ、それに対し、最終研磨ステーションは、比較的柔らかいパッドを含むことができる。基板10が「8インチ」(200ミリメートル)、または「12インチ」(300ミリメートル)直径のディスクである場合、プラテンおよび研磨パッドは、それぞれ直径で約20インチ、または30インチであろう。各プラテン24は、プラテン駆動モータ(図示せず)へ接続されてもよい。大抵の研磨処理のために、プラテン駆動モータはプラテン24を毎分約30から200回転で回転させるが、より低いまたはより高い回転速度が使用されてもよい。各研磨ステーションは、パッドコンディショナ装置28も含むことができ、基板を効果的に研磨するよう研磨パッドの状態を維持する。
【0019】
研磨パッド30は、普通にはプラテン24の表面に接する裏打層32と基板10を研磨することに使用される上張層34とを有する。上張層34は、普通には裏打層32より硬い。しかし、幾つかのパッドは、上張層だけで裏打層を有しない。上張層34は、気泡開放の発泡ポリウレタン、または、溝付き表面を持つポリウレタンのシートで構成されてもよい。裏打層32は、ウレタンで浸出され圧縮されたフェルト繊維で構成されてもよい。IC-1000 で構成される上張層と SUBA-4 で構成される裏打層を持つ、2層研磨パッドは、Delaware 州 Newark の Rodel, Inc., から入手可能である。(IC-1000 と SUBA-4 とは Rodel, Inc. の製品名である。)
回転可能なマルチヘッドのカラセル60が、中心支柱62で支持され、その上でカラセル軸64のまわりに、カラセルモータアセンブリ(図示せず)によって回転される。中心支柱62は、カラセル支持プレート66およびカバー68を支持する。カラセル60は4つのキャリアヘッドシステム70を含む。中心支柱62は、カラセルモータが、カラセル軸64のまわりに、カラセル支持プレート66を回転させ、キャリアヘッドシステムとそれへ付着された基板とを旋回させることを可能にする。キャリアヘッドシステムの3つは、基板を受取り保持し、それを研磨パッドに対して押付けることによって基板を研磨する。その一方で、キャリアヘッドシステムの一つが、転送ステーション23から基板を受取り、それへ基板を引渡す。
【0020】
各キャリアヘッドシステムは、キャリアつまりキャリアヘッド80を含む。キャリア駆動シャフト74が、(カバー68の4分の1の取外しで示す)キャリアヘッド回転モータ76を各キャリアヘッド80へ接続し、それにより、各キャリアヘッド80は、それ自体の軸のまわりに独立して回転することができる。各ヘッドに対して一つのキャリア駆動シャフトとモータとがある。加えて、各キャリアヘッド80は、カラセル支持プレート66に形成された半径方向スロット72内で横方向に独立して揺動する。スライダ(図示せず)が、各駆動シャフトをその関連する半径方向スロット内に支持する。半径方向駆動モータ(図示せず)は、キャリアヘッドを横方向に揺動させるようスライダを動揺できる。
【0021】
キャリアヘッド80は、幾つかの機械的機能を行う。一般的に、キャリアヘッドは、研磨操作中に、基板を研磨パッドに対して保持し、下向きの圧力を基板の背面にわたり平等に配分し、トルクを駆動シャフトから基板へ転送し、および、基板がキャリアヘッドの真下から滑り出ないことを確実にする。
【0022】
キャリアヘッド80は、基板10のための搭載表面を提供する可撓性膜82と、基板を搭載表面の真下に保有する保有リング84とを含むことができる。可撓性膜82で画成されるチャンバ86の加圧が、基板を研磨パッドに対して押しつける。保有リング84は、高い反射性の材料で形成されてもよく、または、反射性層で被覆されて、反射性の下側表面88を提供してもよい。類似のキャリアヘッド80の説明は、本発明の譲受人へ譲渡された、Steven M. Zuniga 他 による、1996年11月8日出願の米国特許出願第08/745,679号で、発明の名称「化学機械的研磨システム用の可撓性膜を持つキャリアヘッド (A CARRIER HEAD WITH A FLEXIBLE MEMBRANE FOR A CHEMICAL MECHANICAL POLISHING SYSTEM)」に見出すことができ、その開示全体を引用して本明細書に組込む。
【0023】
反応性薬剤(例えば、酸化物研磨用の脱イオン水)および化学反応性の触媒(例えば、酸化物研磨用の水酸化カリウム)を含有するスラリ38が、研磨パッド30の表面へスラリ供給ポートまたは兼用のスラリ/リンスアーム39によって供給されてもよい。研磨パッド30が標準パッドである場合、スラリ38は、研磨砥粒(例えば、酸化物研磨用の二酸化ケイ素)も含んでいてもよい。
【0024】
操作では、プラテンはその中心軸25のまわりに回転され、そして、キャリアヘッドは、その中心軸81のまわりに回転され、研磨パッドの表面を横切り横方向へ移行される。
【0025】
孔26がプラテン24に形成され、透明な窓36が孔の上にある研磨パッド30の部分に形成される。透明な窓36は、本発明の譲受人へ譲渡された、Manoocher Birang 他 による、1996年8月26日出願の米国特許出願第08/689,930号で、発明の名称「化学機械的研磨装置用の研磨パッドに透明な窓を形成する方法 (METHOD OF FORMING A TRANSPARENT WINDOW IN A POLISHING PAD FOR A CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS)」に説明されたように構築されることができ、その開示全体を引用して本明細書に組込む。孔26と透明な窓36とは、キャリアヘッドの移行位置に関らず、プラテンの回転の一部分中に基板10の眺望 (view)を有するように位置決めされる。
【0026】
反射率計40が、概して孔26の真下でプラテン24へ固着され、プラテンと共に回転する。反射率計は、光源44および検出器46を含む。光源は、光ビーム42を生成し、それは透明な窓36およびスラリ38を通し伝播し(図3参照)、基板10の露出された表面に突当る。例えば、光源44はレーザーであることができ、光ビーム42はコリメートされたレーザービームであり得る。光レーザービーム42は、基板10の表面に垂直な軸から角度を持ち、すなわち、軸25および81から角度を持ちレーザー44から投射される。加えて、孔26および窓36が細長にされる場合、ビームエキスパンダ(図示せず)が光ビームの経路に位置決めされることができ、光ビームを細長にされた窓の軸に沿い拡張する。レーザー44は連続的に動作できる。代替として、レーザーは、孔26が概して基板10に隣接する時間中にレーザービーム42を生成するよう起動されてもよい。
【0027】
図2および図5A〜図5Eを参照すると、CMP装置20は、光学的遮断器 (interrupter) 等の位置センサ160を含むことができ、窓36が基板の近くにある場合を検知する。例えば、光学的遮断器は、キャリアヘッド80に対向する固定点に搭載され得よう。フラグ162がプラテンの外周に取付けられる。フラグ162の取付の点および長さは、窓36がキャリアヘッド80の真下を掃引する少し前の時点からその少し後の時点までフラグがセンサ160の光学的信号を遮断するように選定される。センサ160の光学的信号が遮断される間に、検出器46からの出力信号が測定され、格納されてもよい。
【0028】
操作では、CMP装置20は反射率計40を使用し、基板の表面から除去された材料の量を決定する、または、表面が平面化された時機を決定する。汎用のプログラム可能なデジタルコンピュータ48が、レーザー44、検出器46、およびセンサ160へ接続されてもよい。コンピュータ48は、基板が概して窓の上にある際にレーザーを起動し、検出器からの強度測定値を格納し、強度測定値を出力装置49上に表示し、強度測定値を格納し、強度測定値を半径方向範囲内へソートし、および、研磨終了点を検出するようプログラムされてもよい。
【0029】
図3を参照すると、基板10は、シリコンウェハ12と、酸化物または窒化物の層14の上に配設された上にある金属層16とを含む。金属層は、とりわけ、銅、タングステン、アルミニウムであってもよい。異なる反射度を持つ基板の異なる部分が研磨されるのに従い、検出器46からの信号出力は、時間と共に変化する。詳細には、金属層16が研磨され尽して酸化物または窒化物の層14を露出する場合、基板の反射度は下落する。検出器46の時間変化する出力は、インシトゥーの反射率測定値トレース(または、より簡単に、反射率トレース)と称されてもよい。後に検討するように、この反射率トレースは、金属層研磨操作の終了点を決定することに使用されてもよい。
【0030】
図4および図5A〜図5Eを参照すると、金属被覆されたウェハを研磨することによって生成された過渡強度波形90を持つ測定された反射率トレースを示す。強度波形90は、(秒で測定される)比較的長い時間規模にわたり生成される。波形の特性特徴は、上位レベル平坦域97を含み、その各々は左および右の中間平坦域98で包囲される。波形90の一周期は、左および右の中間レベル平坦域98、上位レベル平坦域97の一つ、および、背景レベル94を含む。
【0031】
中間平坦域98は保有リング84からの反射を表し、その一方、上位レベル平坦域97は基板10からの反射を表す。背景レベルは窓およびスラリからの散乱された反射を表す。保有リング84からの反射は背景レベルより高い。基板10が研磨され、金属層16が除去され下地層14を露出する際に、終了点波形90は、中間平坦域98のレベルへ向かい、または、それ以下に下落する。
【0032】
図4および図5A〜図5Eを参照すると、反射率トレース90の大規模構成は、プラテン24の角度位置を参照して説明することができる。当初、窓36は、基板の眺望を持たない(図5A参照)。結果として、レーザービーム42は反射されず、検出器46で測定される強度は、スラリ38および透明な窓36からの反射を含む背景強度の結果である。この低い強度は、背景レベル94に相当する。プラテン24が回転すると、窓36はキャリアヘッド80の保有リング84の下を最初に掃引する(図5B参照)。保有リング84の下側表面88は、レーザービーム42の一部分を検出器46内へ反射し、中間平坦域98に相当する中間強度測定値を創成する。窓36が基板10の真下を掃引すると(図5C参照)、レーザービーム42の一部分が基板で反射される。一般的に、基板10の金属層は高い反射度を有し、結果として反射率トレース90上に上位レベル平坦域97を生じる。プラテンが継続して回転すると、窓36は再度保有リング84の真下を通過する(図5D参照)。最後に、窓36はキャリアヘッド80の真下から外れて掃引し(図5E参照)、検出器は背景94に相当する低い強度を測定する。
【0033】
CMP装置20のコンピュータ48は、金属層研磨操作の終了点を決定することに、反射率計40で生成された反射率トレースを使用できる。各測定は、複数の半径方向位置で行ってもよい。加えて、コンピュータ48は、後に説明するように、CMPの用具 (tool) およびプロセスの認定のために、基板の平坦度および研磨の均一性を決定することに強度測定値を使用できる。
【0034】
ここで図6を参照すると、終了点決定プロセスを示す。最初に、終了点決定中に使用される幾つかの研磨パラメータが、コンピュータ48のメモリに格納される(ステップ101)。対象の研磨パラメータは、プラテンの回転レートおよびキャリアヘッドの掃引プロファイルを含む。
【0035】
基板12の表面上の金属層が、基板の表面を研磨パッド30と接触させること(図2)によって研磨される(ステップ102)。研磨パッド30は回転され、基板と研磨パッドとの間に相対運動を引起こす。
【0036】
過渡強度データが複数の標本化区域に対して監視され収集される(ステップ104)。これは、反射率計40で生成された光ビームを窓を通して向けることによって行われる。基板12に対する研磨パッド30の運動が、基板表面を横切る経路に光ビームを移動させる。基板10および保有リング84からの光ビームの反射はセンサで検出され、それは光ビームの反射に関連する反射データを生成する。
【0037】
過渡強度データは、モニタ上に表示され(ステップ106)、操作者が研磨操作の進捗を監視する。パターン認識器 (recognizer) が過渡強度データへ適用され、信号変化を検出する(ステップ108)。パターン認識器は、簡単には、強度データが所定の閾値より下に下がったかどうかをチェックする閾値検出器であってもよい。代替として、別の実施の形態では、ウインドウロジックがデータへ適用されることができ、信号変化の筋道 (sequence) を検出する。3種類のウインドウロジックが使用され、極大および極小を検出する:反射データでの下向き傾向を検出する先下がり尖端 (cusp) を持つウインドウロジック;反射データでの上向き傾向を検出する先上がり尖端を持つウインドウロジック;および、反射データが比較的動きのないことを検出する実質的に平坦な線を持つウインドウロジックである。信号変化は平均化されてもよい。終了点検出のためのパターン認識アルゴリズムの更なる検討は、上記で言及した米国特許出願第08/689,930号に見出すことができる。
【0038】
パターン認識器の出力は停止信号であり、それは、追加のフィードバックデータと一緒に、研磨器コントローラへ供給される(ステップ110)。研磨器コントローラは、種々の変数およびパラメータを調節することにフィードバックデータを使用し、表面層の侵食および皿状凹みを最小化する。例えば、研磨圧力、研磨速度、化学薬品、および、スラリ組成が、総合的な研磨性能および/または研磨品質を最適化するよう展開されてもよい。停止信号は、研磨器コントローラに現行の金属層研磨操作を停止させる(ステップ112)。
【0039】
ステップ106−112と並行して、図6のプロセスは、その後の処理のために過渡強度データをデータ記憶装置、例えば、コンピュータディスク上に格納する(ステップ114)。手短に言えば、各標本化区域に対する強度が決定され(ステップ116)、各標本化区域の半径方向位置が計算され(ステップ118)、強度測定値が半径方向範囲内へソートされる(ステップ150)。ソートされた強度測定値は、基板の異なる半径方向範囲での研磨均一性および除去レートを測定することに使用される(ステップ152)。これらのステップの各々は、更に詳細に後で検討する。
【0040】
一般的に、反射された強度は、基板上の異なる半径方向位置に対して研磨中に変化する。金属層は、基板の異なる部分に対して異なるレートで除去されてもよい。例えば、基板の中心近くの金属層は最後に除去されてもよい一方で、基板の周辺つまり縁部近くの金属層は最初に除去されるか、または、その逆であってもよい。ウェハ全体からの反射データは、比較的細かい時間規模でミリ秒の桁で捕捉され、堆積プロセスを改善する実験のために利用可能である。記録されたデータを解析することによって、プロセスは、それをより早く、より短く、より円滑にするよう変更され得る。理解され得るように、格納されたデータは、プロセス性能を最適化するようプロセスの研究および開発のために有用である。
【0041】
図7Aおよび7Bを参照すると、プラテンの回転とキャリアヘッドの直線的掃引との組合せが、窓36(および、従ってレーザービーム42)をキャリアヘッド80および基板10の底部表面を横切り掃引経路120で掃引させる。レーザービームが基板を横切り掃引するのに従い、反射率計40は、測定された強度を標本化期間Tsampleにわたり積算し、一連の個々の強度測定値Ia、Ib、…、Ijを生成する。反射率計40の標本化レートF(強度測定値が生成されるレート)は、F=1/Tsampleで与えられる。反射率計40は、約10と400ヘルツ(Hz)との間の標本化レートを有することができ、約2.5と100ミリ秒との間の標本化期間に相当する。特に、反射率計40は、約40Hzの標本化レートおよび約25ミリ秒の標本化期間を有していてもよい。
【0042】
従って、レーザー44が起動される度毎に、反射率計40は、複数の標本化区域122a−122jから強度を測定する。各標本化区域は、レーザービームが対応する標本化期間中にその上を掃引する基板の領域に相当する。要約すると、ステップ106で、反射率計40は、標本化区域122a、122b、…、122jに対応する一連の強度測定値Ia、Ib、…、Ijを生成する。
【0043】
図7Aは10の標本化区域を図解するとは言え、プラテンの回転レートおよび標本化レートに依存して、より多くのまたはより少ない区域があり得よう。詳細には、低い標本化レートは少なく広い標本化区域に帰着し、それに対し、高い標本化レートは多数の狭い標本化区域に帰着するであろう。同様に、低い回転レートは多数の狭い標本化区域に帰着し、それに対し、高い回転レートは少数の広い標本化区域に帰着するであろう。加えて、多数の検出器がより多くの標本化区域を提供することに使用され得よう。
【0044】
図7Bに示すように、それぞれ標本化区域122aおよび122jに対する強度測定値IaおよびIjは、窓36がキャリアヘッドの眺望を有せず、結果としてレーザービーム42は反射されないので、低い。標本化区域122bおよび122iは保有リング84の真下に配置され、それ故に、強度測定値IbおよびIiは中間強度であろう。標本化区域122c、122d、…、122hは基板の真下に配置され、結果として、基板を横切る種々の異なる半径方向位置で比較的大きな強度測定値Ic、Id、…、Ihを生成する。
【0045】
図12は、幾つかの過渡信号線図300−320の重なりである。過渡信号線図300−320のそれぞれは、キャリアヘッドの真下の窓の掃引に関連する間隔にわたる強度データを表す。例えば、線図300は、約1.7と約2.7秒との間の終了点データを示し、線図320は、約350.8秒と約351.8秒との間の終了点データを示す。勿論、過渡信号線図は、後の参照のためにコンピュータ48に格納され得る。
【0046】
図12は、終了点の反射された強度信号が、研磨操作中にどのように変化するかを示す。当初、期間300で、基板10の表面上の金属層が削り取られる (jagged)。金属層16は、下地パターン化層14の形状 (topology) の故に、かなり当初の凹凸 (topography) を有する。この凹凸の故に、光ビームは金属層に突当る際に散乱する。研磨操作が進捗するのに従い、金属層はより平面になり、研磨された金属層の反射度は、期間302−308中に増大する。それで、信号強度は着実に安定したレベルへ増大する。期間310−320から、金属層16がますます取除かれ酸化物層14を露出するのに従い、全般的な信号強度は減退し、遂に研磨操作は完了する。従って、期間320では、金属の微小量だけが、基板10の中心に残存する。
【0047】
基板の表面全体が銅等の金属層で覆われる場合、基板10からの反射は方形のプロファイルを有する。金属層が基板10の縁部から除去されるのに従い、基板からの反射のプロファイルは台形をとる。最終的に金属層が研磨操作によってほとんど除去される際に、基板10からの反射のプロファイルは三角形をとる。
【0048】
過渡信号線図300−320は、操作者によってディスプレイ49上で研磨操作中またはその後に観察され得る。操作者は、表示された過渡信号線図を種々の診断およびプロセス制御の決定(それは、金属研磨での反射度測定および酸化物研磨での干渉測定の両方に適用可能であってもよい)のために使用できる。過渡信号線図は、研磨の均一性を最適化するためにプロセスパラメータを選定することに使用され得る。例えば、プレートの回転レート、キャリアヘッド圧力、キャリアヘッド回転レート、キャリアヘッド掃引プロファイル、および、スラリ組成、等のプロセスパラメータを初めて選定した場合、試験ウェハが研磨され得る。高い反射度領域は、金属が基板上に残存する部位を表し、低い反射度領域は、金属が基板上から除去された部位を表す。ノイズの多い過渡信号線図は、金属が基板から平等に除去されなかったことを示し、それに対し、比較的平坦な過渡信号線図は、均一な研磨を示する。結果として、操作者は、選定されたプロセスパラメータの有効性に関して、基板の層厚さを測定器 (metrology tool) による測定に助けを求めること (resorting) なく直接の結論を引出すことができる。操作者は、そこで、研磨パラメータを調節し、もう一枚試験ウェハを研磨し、新規の研磨パラメータが研磨の均一性を改善したかどうかを決定する。
【0049】
操作者は、基板が平面に研磨されたかどうか、および、研磨は停止されるべきかどうかを決定することにも過渡信号線図を審査できる。その上、実際のデバイスウェハの研磨中に基板の一部分が過度に遅くまたは過度に早く研磨されていることを操作者が気付いた場合、プロセスパラメータは、研磨が進行中に、研磨レートプロファイルを調節するよう変更され得る。
【0050】
過渡信号線図は、プロセス再現性の測度としても使用され得る。例えば、過渡信号線図が予期される形状から著しく逸脱する場合、これは、研磨機械またはプロセスに何らかの問題があることを指示する。
【0051】
加えて、過渡信号線図は、プロセスを「認定」することに使用され得る。詳細には、研磨機械が、新規のセットの消耗品を受入れる場合、例えば、研磨パッドまたはスラリが取換えられる場合、操作者は、研磨の均一性が影響されていないことの検証を希望するであろう。操作者は、消耗品の変更の前および後で研磨された基板に対する過渡信号線図を比較し、研磨の均一性が影響されたかどうかを決定できる。
【0052】
ここで図8に戻ると、ステップ108で、標本化区域122a、122b、…、122jに対応する半径方向位置Ra、Rb、…、Rjが決定される。標本化区域の半径方向位置を決定する一つの方式は、測定時間Tmeasureとプラテン回転レートおよびキャリアヘッド掃引プロファイルとに基づき基板の真下のレーザーの位置を計算することである。残念ながら、実際のプラテン回転レートおよびキャリアヘッド掃引プロファイルは、研磨パラメータと正確に整合しないかもしれない。それ故に、標本化区域の半径方向位置を決定する好ましい方法130を図9Aに示す。最初に、レーザービーム42が基板の中央線124(図5C参照)の真下を通過する時間Tsymが決定される(ステップ132)。次に、標本化区域の半径方向位置が、測定時間Tmeasureと対称時間Tsymとの間の時間差から決定される(ステップ134)。
【0053】
対称時間Tsymを決定する一つの方法は、各掃引から最初と最後の大強度測定値の時間を平均することである、何故なら、これらの強度測定値は基板縁部に対応する筈である。しかし、基板の真下の標本化区域の位置は不明であるので、これは、Tsymに幾らかの不確実性を結果として生じる。
【0054】
図9Bを参照すると、ステップ132で対称時間Tsymを演算するために、コンピュータ48は、掃引経路120から最初および最後の大強度測定値、すなわち、強度測定値IcおよびIhを決定し、対応する測定時間TleadおよびTtrailを格納する。これらの前縁および後縁の時間TleadおよびTtrailは各掃引につき蓄積され、一連の前縁時間Tlead1、Tlead2、…、TleadNおよび後縁時間Ttrail1、Ttrail2、…、TtrailNを生成する。コンピュータ48は、各前縁スパイク96に対して前縁時間Tlead1、Tlead2、…、TleadNおよび関連するプラテン回転の回数1、2、…、Nを格納する。同様に、コンピュータ48は、各後縁スパイク98の後縁時間Ttrail1、Ttrail2、…、TtrailNおよび関連する回転の回数1、2、…、Nを格納する。プラテン24が実質的に一定のレートで回転することを仮定すると、時間Tlead1、Tlead2、…、TleadNは、実質的に直線的増大する関数を形成する(線136で示す)。同様に、時間Ttrail1、Ttrail2、…、TtrailNも、実質的に直線的増大する関数を形成する(線137で示す)。コンピュータ48は、2つの最小2乗法適合を行い、2つの直線的関数Tlead(n)およびTtrail(n)を次のように生成する:
Tlead(n)=a1+(a2*n)
Ttrail(n)=a3+(a4*n)
ここでnはプラテン回転の回数であり、a1、a2、a3およびa4は最小2乗法適用中に計算された適合係数である。適合係数が計算された後に、レーザービーム42が中央線124(仮想線138で示す)を横切る対称時間Tsymが次のように計算され得る:
Tsym={(a1+a3)/2}+{(a2+a4)/2}n
幾つかのプラテン回転にわたり最小2乗法を使用して対称時間Tsymを計算することによって、保有リングの真下の標本化区域の相対位置での差に起因する不確実性は実質的に低減され、それによって、対称時間Tsymでの不確実性は著しく低減される。
【0055】
コンピュータ48が、レーザービーム42が中央線124を横切る時間Tsymを計算した後に、ステップ132で、基板の中心126からの各標本化区域122a、122b、…、122jの半径方向距離Ra、Rb、…、Rjが計算される。図10を参照すると、半径方向位置は次のように計算され得る:
R=(d2+L2+2dLcosθ)1/2
ここで、dは研磨パッドの中心と窓36の中心との間の距離であり、Lは研磨パッドの中心から基板10の中心への距離であり、および、θは窓の角度位置である。窓の角度位置θは次のように計算され得る:
θ=fplaten・2π(Tmeasure−Tsym
ここで、fplatenは(rpmでの)プラテンの回転レートである。キャリアヘッドが正弦的パターンで移動することを仮定すると、キャリアヘッドの直線的位置Lは次のように計算され得る:
L=L0+A・cos(ω・Tmeasure
ここで、ωは掃引周波数であり、Aは掃引の振幅であり、および、L0はキャリア掃引の中心位置である。
【0056】
別の実施の形態では、位置センサ160が、窓が中央線124を横切る時間Tsymの計算に使用され得よう。センサ160はキャリアヘッド80に対向して位置決めされることを仮定すると、フラグ162は透明な窓36から対称に横切り位置決めされるであろう。コンピュータ48は、フラグがセンサの光ビームを遮断する始動時間Tstart、および、フラグが光ビームを邪魔しない始動時間Tendの両方を格納する。時間TsymはTstartおよびTendの平均として計算されてもよい。なお別の実施の形態では、プラテンおよびキャリアヘッドの位置は、それぞれプラテン駆動モータおよび半径方向駆動モータに接続された光学的エンコーダから、各標本化時間Ta、Tb、…、Thで、決定され得よう。
【0057】
標本化区域の半径方向位置Ra、Rb、…、Rmが計算された後に、幾つかの強度測定値は軽視され得る。標本化区域の半径方向位置Rが基板の半径より大きい場合、その標本化区域に対する強度測定値は、主として、保有リングで反射された放射、または、窓またはスラリからの背景反射を含む。それ故に、主として保有リングの真下にあるいずれの標本化区域に対する強度測定値は無視される。これは、偽の強度測定値が薄膜層の反射された強度の計算に使用されないことを確実にする。
【0058】
基板の真下でのレーザービーム42の幾つかの掃引の後に、コンピュータ48は測定時間T1、T2、…、TNにそれぞれ関連する、一組の強度測定値I1、I2、…、IN、および半径方向位置R1、R2、…、RNを蓄積する。図11を参照すると、ステップ106および108で、強度、時間、および、半径方向位置の測定値が蓄積される際に、ステップ110で時間および強度の測定値がデータ構造140でのビン (bin) 内へソートされる。各ビンは標本化区域の半径方向範囲と連係される。例えば、基板の中心から20mmまでに配置される標本化区域に対する強度測定値は、第1のビン142に置かれてもよく(図13A参照)、これは後に検討する、基板の中心から20mmと30mmとの間に配置される標本化区域に対してなされる強度測定値は、第2のビン144に置かれてもよく(図13B参照)、基板の中心から30mmと40mmとの間に配置される標本化区域に対してなされる強度測定値は、第3ビン146に置かれてもよく(図13C参照)、以下も同様である。ビンの厳密な数およびビンの半径方向範囲は、ユーザが引出すことを望む情報に依存する。一般的に、各ビンの半径方向範囲は、視覚的に意味のある情報を提供することに十分な数の強度測定値が蓄積されるように選定されてもよい。
【0059】
上記で検討した計算は、各ビンに対して遂行され、それによって、基板の表面を横切る複数の半径方向位置での反射された強度測定値を提供する。半径の関数として薄膜層の当初および最終の反射された強度の線図は、上記で検討した図12だけでなく図13A−13Hにも示される。
【0060】
ここで図13A−13Hに戻ると、多数のトレースが示され、それは、反射された強度が基板10上の異なる半径方向位置に対して研磨中にどのように変化するかを表示する。図13A−13Hの図表は、金属層が基板の異なる部分に対して異なるレートで除去されることを図解する。一般的に、図13A−13Hは、基板の中心近くの金属層が最後に除去され、その一方、基板の周辺つまり縁部近くの金属層は最初に取除かれることを示す。例えば、図13Aは、0−20mmの半径範囲内の金属層が約330秒で除去されることを示す。図13Bは、20−30mmの半径範囲内の金属層が約325秒で除去されることを示す。図13Cは、30−40mmの半径範囲内の金属層が約318秒で除去されることを示す。図13Dは、40−50mmの半径範囲内の金属層が約310秒で除去されることを示す。図13Eは、50−60mmの半径範囲内の金属層が約295秒で除去されることを示す。図13Fは、60−70mmの半径範囲内の金属層が約290秒で除去されることを示す。図13Gは、70−80mmの半径範囲内の金属層が約290秒で除去されることを示し、図13Hは、80−90mmの半径範囲内の金属層が早くも約260秒で除去されることを示す。
【0061】
ここに示すように、半径方向範囲の幾つかに対する反射率トレースは、2つの強度レベル(線160および162で示す)を提示する。2つの強度レベル間の距離は、基板の半径と共に増大する。いずれか特定の理論に限定されることなく、2つの強度レベルは、基板上でスラリ、または、スラリおよび金属層の反応の生成物の非対称配分に起因し得る。詳細には、基板を横切るレーザービームの各掃引につき、2つのデータ点が通常ビンに入力される:基板の前縁に近い一つのデータ点、および、基板の後縁に近い一つのデータ点である。しかし、スラリおよび反応生成物の基板真下の非対称配分の故に、レーザービームは、基板の異なる部位に隣接するスラリ層を通過する際により減衰されてもよい。従って、反射率トレースは、基板の真下のスラリ配分の均一性の測度としても使用されるかもしれない。
【0062】
別の実施の形態では、操作者は、単一のビンだけを使用する決定をするかもしれない。この場合、特定の半径方向範囲に対する強度測定値の全てが、単一の強度トレースを決定することに使用され、それは、従来の様式での研磨終了点の決定のために使用される。操作者は、過渡信号線図の検査に基づきこの半径方向範囲を特定できる。例えば、基板の中心が研磨される最後の部分であることを過渡信号線図が示す場合、操作者は基板中心付近の半径方向範囲を選定でき、金属の全てが研磨し尽されるまで終了点が始動されないことを確実にする。
【0063】
研磨中の反射強度変化は、このように基板上の異なる半径方向位置に対して捕捉される。高分解能データの取得は、多段階操作での各プロセス段階の正確な時間制御を可能にする。ウェハ全体の均一性およびウェハの異なる半径方向部分に対する除去レート等の大量のパラメータが捕捉される。取得された高分解能データは、種々の変数およびパラメータを調節することにオンラインまたはオフラインで処理されることができ、表面層の侵食および皿状凹みを最少化する。データがリアルタイムで処理される場合、リアルタイムフィードバックデータは、プロセスパラメータによる厳格な閉ループ制御を可能にする。更に、反射データは、研磨プロセスを改善するようプロセス技術者がそのプロセスパラメータにより実験することに利用可能である。
【0064】
光学的監視システムによって生成された反射率トレースは、銅の研磨等の、多段階研磨プロセスにおいて特に有用である。図14を参照すると、基板10'は、シリコンウェハ12'、パターン化された酸化物層14'、酸化物層14'の上に配設されたタンタル(Ta)または窒化タンタル(TaN)のバリア層18、および、バリア層18の上に配設された銅層16'を含む。図15Aおよび15Bを参照すると、基板10'が研磨されるのに従い、反射率トレース200が、各半径方向区域に対して生成される。各反射率トレースは、金属層の大量除去(平坦な部位202)、金属層の初の一掃およびバリア層への遷移(下落点204)、バリア層の初の一掃および酸化物層への遷移(傾斜での第1の減少点206)、および、バリア層の完全一掃および酸化物層の露出(点208で傾斜での第2の減少およびトレースの平坦化)を図解する。
【0065】
当初、基板は高選択度スラリ、例えば、Cabot 5001により研磨される。金属層16'の大量研磨は、バリア層18への初の貫通まで進行する。この点で、金属は依然バリア層18の一部分の上にあり得るが、しかし、バリア層は少なくとも一つの部位で露出されるであろう。光学的監視システムは、このバリア層の初の露出を検出できる。詳細には、下落し始める最初の反射率トレースは、バリア層18が関連する半径方向区域において露出された指示として使用され得る。光学的監視システムがバリア層の初の露出を検出する際に、高選択度スラリによる研磨は停止され、低選択度スラリ、例えば、Arch Cu10kによる研磨が開始される。低選択度スラリによる研磨は、金属層16'およびバリア層18の全てが除去されるまで継続する。全ての金属層16'およびバリア層18の完全な除去は、反射率トレースの全てが横這い状態になった際に指示されてもよい。この点で、研磨操作は完了される。バリア層の初の一掃で高選択度スラリから低選択度スラリへの信頼できる切替えによって、皿状凹みおよび侵食は著しく低減される。加えて、全ての反射率トレースが指示した後にだけ研磨を停止することによって、バリア層の完全な除去が確実にされ得る。
【0066】
本発明が好ましい実施の形態に関して説明された。しかし、本発明は、図示され説明された実施の形態に限定されない。むしろ、本発明の範囲は、付属の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【図1】化学機械的研磨装置の分解斜視図である。
【図2】光学的反射率計を含む化学機械的研磨装置の側面図である。
【図3】処理される基板の単純化断面図であり、基板に突当り、それから反射するレーザービームを概略的に示す。
【図4】測定された反射率トレースを任意の強度単位(a.u.)で示す線図である。
【図5A】研磨パッドにある窓の位置をプラテンが回転するのに従い示す単純化平面図である。
【図5B】研磨パッドにある窓の位置をプラテンが回転するのに従い示す単純化平面図である。
【図5C】研磨パッドにある窓の位置をプラテンが回転するのに従い示す単純化平面図である。
【図5D】研磨パッドにある窓の位置をプラテンが回転するのに従い示す単純化平面図である。
【図5E】研磨パッドにある窓の位置をプラテンが回転するのに従い示す単純化平面図である。
【図6】CMP中に金属層の研磨の終了点を決定する方法のフローチャートである。
【図7A】キャリアヘッドの真下のレーザーの経路を示す概略図である。
【図7B】キャリアヘッドの真下の窓の単一掃引によって生成される反射率トレースの仮説的部分を示す線図である。
【図8】レーザーの経路から標本化区域の半径方向位置を示す概略図である。
【図9A】標本化区域の半径方向位置を決定する方法のフローチャートである。
【図9B】レーザービームが基板の前縁および後縁の真下を通過する時間をプラテンの回転回数の関数として示す線図である。
【図10】標本化区域の半径方向位置の計算を示す概略図である。
【図11】強度測定値を格納するデータ構造の概略図である。
【図12】異なる時間に取られた幾つかの反射率トレースの重なりを示す線図である。
【図13A】金属層の反射強度を基板の中心からの距離の関数として研磨期間にわたり示す線図である。
【図13B】金属層の反射強度を基板の中心からの距離の関数として研磨期間にわたり示す線図である。
【図13C】金属層の反射強度を基板の中心からの距離の関数として研磨期間にわたり示す線図である。
【図13D】金属層の反射強度を基板の中心からの距離の関数として研磨期間にわたり示す線図である。
【図13E】金属層の反射強度を基板の中心からの距離の関数として研磨期間にわたり示す線図である。
【図13F】金属層の反射強度を基板の中心からの距離の関数として研磨期間にわたり示す線図である。
【図13G】金属層の反射強度を基板の中心からの距離の関数として研磨期間にわたり示す線図である。
【図13H】 金属層の反射強度を基板の中心からの距離の関数として研磨期間にわたり示す線図である。
【図14】バリア層を持つ基板の単純化断面図である。
【図15A】図14に示す基板の研磨中の反射率トレースを示す線図である。
【図15B】図14に示す基板の研磨中の反射率トレースを示す線図である。
【符号の説明】
10…基板、12…シリコンウェハ、基板、14…下地パターン化層、下地層、酸化物層、16…金属層、銅層、18… バリア層、20…研磨装置、22…研磨ステーション、23…転送ステーション、24…プラテン、25…中心軸、軸、26…孔、28…パッドコンディショナ装置、30…研磨パッド、32…裏打層、34…上張層、36…窓、38…スラリ、39…リンスアーム、40…反射率計、42…レーザービーム、42…光ビーム、光レーザービーム、44…レーザー、光源、46…検出器、48…コンピュータ、デジタルコンピュータ、49…ディスプレイ、49…出力装置、60…カラセル、62…中心支柱、64…カラセル軸、66…カラセル支持プレート、68…カバー、70…キャリアヘッドシステム、72…半径方向スロット、74…キャリア駆動シャフト、76…キャリアヘッド回転モータ、80…キャリアヘッド、81…中心軸、82…可撓性膜、84…保有リング、86…チャンバ、88…下側表面、90…反射率トレース、90…強度波形、90…波形、終了点波形、過渡強度波形、94…背景、背景レベル、97…上位レベル平坦域、98…中間レベル平坦域、中間平坦域、各後縁スパイク、120…掃引経路、122a〜122j…標本化区域、124…中央線、126…中心、136,137,160…線、138…仮想線、140…データ構造、160…センサ、位置センサ、162…フラグ、200…反射率トレース、202…部位、204…下落点、206…減少点、300,320…線図、300…期間、過渡信号線図、302,310…期間。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
Cross-reference for related applications
This application claims priority from US Patent Application No. 60 / 176,645, filed Jan. 18, 2000.
[0002]
The present invention relates generally to chemical mechanical polishing of substrates, and more particularly to a method and apparatus for detecting the end of a metal layer during a chemical mechanical polishing operation.
[0003]
[Background]
Integrated circuits are typically formed on a substrate by sequential deposition of conductive, semiconducting, or insulating layers on a silicon wafer. After each layer is deposited, the layer is etched to create circuit features. As a series of layers are sequentially deposited and etched, the outer or top surface of the substrate, i.e., the exposed surface of the substrate, becomes increasingly non-planar. This non-planar surface presents problems during the photolithographic stage of the integrated circuit manufacturing process. Therefore, there is a need to periodically planarize the substrate surface.
[0004]
Chemical mechanical polishing (CMP) is one accepted method of planarization. This planarization method usually requires that the substrate be mounted on a carrier head or polishing head. The exposed surface of the substrate is placed against a rotating polishing pad. The polishing pad can be either a “standard” pad or a fixed abrasive pad. Standard pads have a durable rough surface, whereas fixed abrasive pads have abrasive grains held in a containment medium. The carrier head provides a controllable load, i.e. pressure, that presses the substrate against the polishing pad. A polishing slurry comprising at least one chemically reactive agent and, if a standard pad is used, abrasive grains is supplied to the surface of the polishing pad.
[0005]
One problem in CMP is determining whether the polishing process is complete, i.e., whether the layer of the substrate has been planarized to the desired flatness or thickness. Variations in the initial thickness of the substrate layer, slurry composition, polishing pad condition, relative speed between the polishing pad and the substrate, and the load on the substrate can vary the material removal rate. This variation varies the time required to reach the polishing end point. Therefore, the polishing end point cannot simply be determined as a function of the polishing time.
[0006]
One way to determine the polishing end point is to remove the substrate from the polishing surface and inspect it. For example, the substrate can be transferred to a measuring station where the thickness of the substrate layer is measured, for example, by a profilometer or resistivity measurement. If the desired specifications are not met, the substrate is reloaded into the CMP apparatus for further processing. This is a time consuming procedure that reduces the throughput of the CMP apparatus. Instead, the inspection may reveal that an excessive amount of material has been removed, rendering the substrate unusable.
[0007]
Several methods have been developed for in-situ polishing end point detection. Most of these methods involve monitoring parameters associated with the substrate surface and indicating an end point when the parameters change suddenly. For example, if the insulating or dielectric layer is polished and the underlying metal layer is exposed, the coefficient of friction and reflectivity of the substrate will change rapidly as the metal layer is exposed.
[0008]
If the monitored parameter changes abruptly at the polishing end point, such an end point detection method is acceptable. However, as the substrate is being polished, the polishing pad condition and slurry composition at the pad-substrate interface can change. Such a change may mask the underlayer exposure, or the change may simulate an end condition. In addition, such end point detection methods are useful if only planarization is being performed, if the underlying layer is to be overpolished, or if the underlying layer and the top layer have similar physical properties. There will be no.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION
In one aspect, the present invention is directed to a method for polishing a substrate. The first layer of the substrate is chemically mechanically polished with a first polishing fluid. The substrate has a second layer disposed below the first layer, and the first and second layers have different reflectivities. The substrate is optically monitored during polishing with the first polishing slurry to produce a plurality of intensity traces. Each intensity trace includes intensity measurements from different radial ranges of the substrate. After any of the intensity traces indicate an initial sweep of the first layer, the substrate is chemically mechanically polished with a second polishing fluid that has different polishing characteristics than the first polishing fluid. Optical monitoring of the substrate continues during polishing with the second polishing slurry, and polishing is stopped after all traces indicate that the second layer is fully exposed.
[0010]
Embodiments of the invention may include one or more of the following features. Optical monitoring directs the light beam through a window at the polishing surface, moves the light beam in a path across the substrate, monitors the reflectance signal created by the light beam reflected from the substrate, and reflectivity Extracting a plurality of intensity measurements from the signal may be included. Generating multiple intensity traces sorts each intensity measurement into one of the radial ranges according to the position of the light beam being measured, and determines the intensity trace from the intensity measurements associated with the radial range May include. The first slurry may be a high selectivity slurry and the second slurry may be a low selectivity slurry. The first layer may be more reflective than the second layer. The first layer can be a metal layer such as copper. The second layer may be an oxide layer such as silicon dioxide or a barrier layer such as tantalum or tantalum nitride.
[0011]
In another aspect, the present invention is directed to a method of polishing a substrate, wherein the surface of the substrate is contacted with a polishing surface having a window. The substrate has a first layer disposed over the second layer, and the first and second layers have different reflectivities. A first slurry is supplied to the substrate for the first polishing stage and a relative motion is caused between the substrate and the polishing surface. A light beam is directed through the window and movement of the polishing surface relative to the substrate moves the light beam in a path across the substrate. The reflectivity signal created by the light beam reflecting from the substrate is monitored, multiple intensity measurements are extracted from the reflectivity signal, and multiple intensity traces are obtained from different radial ranges on the substrate. Generated by each intensity trace that it contains. A second slurry is supplied to the substrate for polishing the second polishing stage when any of the intensity traces indicates an initial cleanup of the first layer. The second slurry has polishing characteristics that are different from the first slurry. Polishing is stopped after all intensity traces indicate that the second layer is fully exposed.
[0012]
Embodiments of the invention may include one or more of the following features. The first slurry may be a high selectivity slurry and the second slurry may be a low selectivity slurry. The second layer may be disposed on the third layer with the substrate.
[0013]
In another aspect, the present invention is directed to a method of polishing a substrate having a metal layer disposed on an oxide layer. In the method, the surface of the substrate is brought into contact with a polishing surface having a window. A high selectivity slurry is supplied to the polishing surface. Relative motion is caused between the substrate and the polishing surface. A light beam is directed through the window and movement of the polishing surface relative to the substrate moves the light beam in a path across the substrate. A reflectivity signal created with a light beam reflected from the substrate is monitored and a plurality of intensity measurements are extracted from the reflectivity signal. A radial position is determined for each intensity measurement, and the plurality of intensity measurements are classified into a plurality of radial ranges according to the radial position. A plurality of intensity traces are generated, each intensity trace including an intensity measurement from one of a plurality of radial ranges. When any of the intensity traces directs the initial cleanup of the metal layer, a low selectivity slurry is applied to the polishing surface, and polishing is performed when all intensity traces indicate that the oxide layer is fully exposed. Stopped.
[0014]
Embodiments of the invention may include one or more of the following features. A sudden drop in the reflectivity trace may indicate an initial sweep of the metal layer in the radial range associated with the reflectivity trace. The planarization of the reflectivity trace may indicate the exposure of the oxide layer in the radial range associated with the reflectivity trace. The substrate may include a barrier layer, such as tantalum or tantalum nitride, between a metal layer, such as copper, and an oxide layer, such as silicon dioxide.
[0015]
Advantages of the invention include one or more of the following. The copper coated substrate may be polished with reduced dishing and erosion. Both the polishing end point and the point at which the polishing apparatus should switch from a high selectivity slurry to a low selectivity slurry may be precisely determined. Detailed data is available on the progress of the metal polishing operation at different locations on the wafer.
[0016]
Other features and advantages of the invention will be apparent from the following description, including the drawings and the claims.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
With reference to FIGS. 1 and 2, one or more substrates 10 may be polished by a CMP apparatus 20. A description of a similar polishing apparatus 20 can be found in US Pat. No. 5,738,574, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. The polishing apparatus 20 includes a series of polishing stations 22 and a transfer station 23. The transfer station 23 performs a number of functions, receiving individual substrates 10 from a loading device (not shown), cleaning the substrates, loading substrates onto the carrier head, receiving substrates from the carrier head, substrates Cleaning the substrate and finally transferring the substrate back to the loading device.
[0018]
Each polishing station includes a rotatable platen 24 on which a polishing pad 30 is mounted. The first and second stations can include a two-layer polishing pad with a hard durable outer surface, whereas the final polishing station can include a relatively soft pad. If the substrate 10 is an "8 inch" (200 millimeter) or "12 inch" (300 millimeter) diameter disk, the platen and polishing pad will be about 20 inches or 30 inches in diameter, respectively. Each platen 24 may be connected to a platen drive motor (not shown). For most polishing processes, the platen drive motor rotates the platen 24 at about 30 to 200 revolutions per minute, although lower or higher rotational speeds may be used. Each polishing station can also include a pad conditioner device 28 that maintains the state of the polishing pad to effectively polish the substrate.
[0019]
The polishing pad 30 has a backing layer 32 that normally contacts the surface of the platen 24 and an overcoat layer 34 that is used to polish the substrate 10. The overcoat layer 34 is usually harder than the backing layer 32. However, some pads only have a backing layer and no backing layer. The overcoat layer 34 may be made of foamed polyurethane with open cells or polyurethane sheet having a grooved surface. The backing layer 32 may be composed of felt fibers leached with urethane and compressed. A two-layer polishing pad with an overlay layer composed of IC-1000 and a backing layer composed of SUBA-4 is available from Rodel, Inc., Newark, Delaware. (IC-1000 and SUBA-4 are product names of Rodel, Inc.)
A rotatable multi-head carousel 60 is supported on a central post 62 and rotated about a carousel shaft 64 by a carousel motor assembly (not shown). The center column 62 supports the carousel support plate 66 and the cover 68. The carousel 60 includes four carrier head systems 70. The center post 62 allows the carousel motor to rotate the carousel support plate 66 about the carousel shaft 64 to pivot the carrier head system and the substrate attached thereto. Three of the carrier head systems receive and hold the substrate and polish the substrate by pressing it against the polishing pad. On the other hand, one of the carrier head systems receives the substrate from the transfer station 23 and delivers the substrate to it.
[0020]
Each carrier head system includes a carrier or carrier head 80. A carrier drive shaft 74 connects a carrier head rotation motor 76 (shown with a quarter removal of the cover 68) to each carrier head 80 so that each carrier head 80 is independent about its own axis. And can be rotated. There is one carrier drive shaft and motor for each head. In addition, each carrier head 80 swings independently laterally within a radial slot 72 formed in the carousel support plate 66. A slider (not shown) supports each drive shaft in its associated radial slot. A radial drive motor (not shown) can swing the slider to swing the carrier head laterally.
[0021]
The carrier head 80 performs several mechanical functions. In general, the carrier head holds the substrate against the polishing pad during a polishing operation, distributes downward pressure evenly across the back of the substrate, transfers torque from the drive shaft to the substrate, and the substrate Ensure that the carrier head does not slide underneath.
[0022]
The carrier head 80 can include a flexible membrane 82 that provides a mounting surface for the substrate 10 and a retaining ring 84 that holds the substrate directly below the mounting surface. Pressurization of the chamber 86 defined by the flexible membrane 82 presses the substrate against the polishing pad. The retaining ring 84 may be formed of a highly reflective material or may be coated with a reflective layer to provide a reflective lower surface 88. A description of a similar carrier head 80 is given in US patent application Ser. No. 08 / 745,679, filed Nov. 8, 1996, by Steven M. Zuniga et al., Assigned to the assignee of the present invention. A carrier head with a flexible membrane for a chemical mechanical polishing system can be found in "A CARRIER HEAD WITH A FLEXIBLE MEMBRANE FOR A CHEMICAL MECHANICAL POLISHING SYSTEM", the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.
[0023]
A slurry 38 containing a reactive agent (eg, deionized water for oxide polishing) and a chemically reactive catalyst (eg, potassium hydroxide for oxide polishing) is supplied to the surface of the polishing pad 30 as a slurry supply port or It may be supplied by a dual-purpose slurry / rinse arm 39. If the polishing pad 30 is a standard pad, the slurry 38 may also contain abrasive grains (eg, silicon dioxide for oxide polishing).
[0024]
In operation, the platen is rotated about its central axis 25 and the carrier head is rotated about its central axis 81 and is moved laterally across the surface of the polishing pad.
[0025]
A hole 26 is formed in the platen 24 and a transparent window 36 is formed in the portion of the polishing pad 30 above the hole. A transparent window 36 is disclosed in US patent application Ser. No. 08 / 689,930 filed Aug. 26, 1996 by Manoocher Birang et al., Assigned to the assignee of the present invention, entitled “Chemical Mechanical Polishing Device”. Can be constructed as described in `` METHOD OF FORMING A TRANSPARENT WINDOW IN A POLISHING PAD FOR A CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS ''. Incorporated herein. The holes 26 and the transparent window 36 are positioned to have a view of the substrate 10 during a portion of the platen rotation, regardless of the carrier head transition position.
[0026]
A reflectometer 40 is secured to the platen 24, generally beneath the hole 26, and rotates with the platen. The reflectometer includes a light source 44 and a detector 46. The light source generates a light beam 42 that propagates through the transparent window 36 and slurry 38 (see FIG. 3) and strikes the exposed surface of the substrate 10. For example, the light source 44 can be a laser and the light beam 42 can be a collimated laser beam. The optical laser beam 42 is angled from an axis perpendicular to the surface of the substrate 10, i. In addition, if the aperture 26 and window 36 are elongated, a beam expander (not shown) can be positioned in the path of the light beam, extending the light beam along the axis of the elongated window. . The laser 44 can operate continuously. Alternatively, the laser may be activated to generate the laser beam 42 during the time that the holes 26 are generally adjacent to the substrate 10.
[0027]
2 and 5A-5E, the CMP apparatus 20 may include a position sensor 160, such as an optical interrupter, to detect when the window 36 is near the substrate. For example, the optical breaker could be mounted at a fixed point opposite the carrier head 80. A flag 162 is attached to the outer periphery of the platen. The mounting point and length of the flag 162 is selected so that the flag blocks the optical signal of the sensor 160 from a time point just before the window 36 sweeps directly under the carrier head 80 to a time point slightly later. While the optical signal of sensor 160 is interrupted, the output signal from detector 46 may be measured and stored.
[0028]
In operation, the CMP apparatus 20 uses a reflectometer 40 to determine the amount of material removed from the surface of the substrate, or to determine when the surface has been planarized. A general purpose programmable digital computer 48 may be connected to the laser 44, the detector 46, and the sensor 160. The computer 48 activates the laser when the substrate is generally over the window, stores the intensity measurement from the detector, displays the intensity measurement on the output device 49, stores the intensity measurement, It may be programmed to sort the measured values into a radial range and detect the polishing end point.
[0029]
Referring to FIG. 3, the substrate 10 includes a silicon wafer 12 and an overlying metal layer 16 disposed over an oxide or nitride layer 14. The metal layer may be copper, tungsten, aluminum, among others. As different portions of the substrate with different reflectivities are polished, the signal output from detector 46 varies with time. Specifically, when the metal layer 16 is completely polished to expose the oxide or nitride layer 14, the reflectivity of the substrate decreases. The time-varying output of detector 46 may be referred to as an in situ reflectance measurement trace (or more simply, a reflectance trace). As will be discussed later, this reflectance trace may be used to determine the end point of the metal layer polishing operation.
[0030]
4 and 5A-5E, a measured reflectance trace with a transient intensity waveform 90 generated by polishing a metallized wafer is shown. The intensity waveform 90 is generated over a relatively long time scale (measured in seconds). The characteristic features of the waveform include an upper level plateau 97, each of which is surrounded by a left and right middle plateau 98. One period of waveform 90 includes left and right middle level plateau 98, one of upper level plateau 97, and background level 94.
[0031]
The middle plateau 98 represents reflection from the retaining ring 84, while the upper level plateau 97 represents reflection from the substrate 10. The background level represents scattered reflections from windows and slurries. The reflection from the retaining ring 84 is higher than the background level. As the substrate 10 is polished, the metal layer 16 is removed, and the underlying layer 14 is exposed, the end point waveform 90 falls toward or below the level of the intermediate plateau 98.
[0032]
With reference to FIG. 4 and FIGS. 5A-5E, the large scale configuration of the reflectance trace 90 can be described with reference to the angular position of the platen 24. Initially, the window 36 does not have a view of the substrate (see FIG. 5A). As a result, the laser beam 42 is not reflected and the intensity measured at the detector 46 is a result of background intensity including reflection from the slurry 38 and the transparent window 36. This low intensity corresponds to the background level 94. As the platen 24 rotates, the window 36 first sweeps under the retaining ring 84 of the carrier head 80 (see FIG. 5B). The lower surface 88 of the retaining ring 84 reflects a portion of the laser beam 42 into the detector 46 and creates an intermediate intensity measurement corresponding to the intermediate plateau 98. As the window 36 sweeps directly under the substrate 10 (see FIG. 5C), a portion of the laser beam 42 is reflected off the substrate. In general, the metal layer of the substrate 10 has a high reflectivity, resulting in an upper level plateau 97 on the reflectivity trace 90. As the platen continues to rotate, the window 36 again passes directly under the retaining ring 84 (see FIG. 5D). Finally, the window 36 sweeps off just below the carrier head 80 (see FIG. 5E) and the detector measures a low intensity corresponding to the background 94.
[0033]
The computer 48 of the CMP apparatus 20 can use the reflectance trace generated by the reflectometer 40 to determine the end point of the metal layer polishing operation. Each measurement may be performed at a plurality of radial positions. In addition, the computer 48 can use intensity measurements to determine substrate flatness and polishing uniformity for CMP tool and process qualification, as described below.
[0034]
Referring now to FIG. 6, the end point determination process is shown. Initially, several polishing parameters used during end point determination are stored in the memory of computer 48 (step 101). The polishing parameters of interest include the platen rotation rate and the carrier head sweep profile.
[0035]
The metal layer on the surface of the substrate 12 is polished by bringing the surface of the substrate into contact with the polishing pad 30 (FIG. 2) (step 102). The polishing pad 30 is rotated and causes a relative movement between the substrate and the polishing pad.
[0036]
Transient intensity data is monitored and collected for a plurality of sampled areas (step 104). This is done by directing the light beam generated by reflectometer 40 through the window. Movement of the polishing pad 30 relative to the substrate 12 moves the light beam in a path across the substrate surface. The reflection of the light beam from the substrate 10 and the retaining ring 84 is detected by a sensor, which generates reflection data related to the reflection of the light beam.
[0037]
The transient intensity data is displayed on the monitor (step 106), and the operator monitors the progress of the polishing operation. A pattern recognizer is applied to the transient intensity data to detect signal changes (step 108). The pattern recognizer can simply be a threshold detector that checks whether the intensity data has fallen below a predetermined threshold. Alternatively, in another embodiment, window logic can be applied to the data to detect a sequence of signal changes. Three types of window logic are used to detect local maxima and minima: window logic with a downward tip (cusp) that detects a downward trend in reflection data; with a forward tip that detects an upward trend in reflection data Window logic; and window logic with substantially flat lines that detect that the reflection data is relatively stationary. The signal changes may be averaged. Further discussion of pattern recognition algorithms for endpoint detection can be found in US patent application Ser. No. 08 / 689,930 referred to above.
[0038]
The output of the pattern recognizer is a stop signal, which is supplied to the polisher controller along with additional feedback data (step 110). The polisher controller uses feedback data to adjust various variables and parameters to minimize surface layer erosion and dishing. For example, polishing pressure, polishing rate, chemicals, and slurry composition may be developed to optimize overall polishing performance and / or polishing quality. The stop signal causes the polisher controller to stop the current metal layer polishing operation (step 112).
[0039]
In parallel with steps 106-112, the process of FIG. 6 stores transient intensity data on a data storage device, such as a computer disk, for subsequent processing (step 114). Briefly, the intensity for each sampling area is determined (step 116), the radial position of each sampling area is calculated (step 118), and the intensity measurements are sorted into the radial range (step 150). ). The sorted intensity measurements are used to measure polishing uniformity and removal rates at different radial ranges of the substrate (step 152). Each of these steps will be discussed in more detail later.
[0040]
In general, the reflected intensity varies during polishing for different radial locations on the substrate. The metal layer may be removed at different rates for different parts of the substrate. For example, the metal layer near the center of the substrate may be removed last, while the metal layer near the periphery or edge of the substrate may be removed first, or vice versa. Reflection data from the entire wafer is captured on the order of milliseconds on a relatively fine time scale and is available for experiments that improve the deposition process. By analyzing the recorded data, the process can be modified to make it faster, shorter and smoother. As can be appreciated, the stored data is useful for process research and development to optimize process performance.
[0041]
Referring to FIGS. 7A and 7B, the combination of platen rotation and carrier head linear sweep sweeps window 36 (and hence laser beam 42) across carrier head 80 and the bottom surface of substrate 10 in a sweep path 120. Let As the laser beam sweeps across the substrate, the reflectometer 40 integrates the measured intensity over a sampling period Tsample to produce a series of individual intensity measurements Ia, Ib,. The sampling rate F of the reflectometer 40 (the rate at which intensity measurements are generated) is given by F = 1 / Tsample. The reflectometer 40 can have a sampling rate between about 10 and 400 hertz (Hz), corresponding to a sampling period between about 2.5 and 100 milliseconds. In particular, reflectometer 40 may have a sampling rate of about 40 Hz and a sampling period of about 25 milliseconds.
[0042]
Thus, each time the laser 44 is activated, the reflectometer 40 measures the intensity from the plurality of sampling areas 122a-122j. Each sampling area corresponds to the area of the substrate over which the laser beam sweeps during the corresponding sampling period. In summary, at step 106, reflectometer 40 generates a series of intensity measurements Ia, Ib,..., Ij corresponding to sampled areas 122a, 122b,.
[0043]
Although FIG. 7A illustrates ten sampling zones, there may be more or fewer zones depending on the platen rotation rate and sampling rate. Specifically, a low sampling rate will result in a small and wide sampling area, whereas a high sampling rate will result in a large number of narrow sampling areas. Similarly, a low rotation rate will result in a large number of narrow sampling areas, whereas a high rotation rate will result in a small number of wide sampling areas. In addition, multiple detectors could be used to provide more sampling areas.
[0044]
As shown in FIG. 7B, the intensity measurements Ia and Ij for the sampling areas 122a and 122j, respectively, are low because the window 36 does not have a carrier head view and as a result the laser beam 42 is not reflected. Sampling areas 122b and 122i are located directly below retaining ring 84, and therefore intensity measurements Ib and Ii will be of intermediate intensity. Sampling areas 122c, 122d,..., 122h are located directly below the substrate, resulting in relatively large intensity measurements Ic, Id,..., Ih at various different radial locations across the substrate.
[0045]
FIG. 12 is an overlap of several transient signal diagrams 300-320. Each of the transient signal diagrams 300-320 represents intensity data over the interval associated with the sweep of the window directly below the carrier head. For example, diagram 300 shows end point data between about 1.7 and about 2.7 seconds, and diagram 320 shows end point data between about 350.8 seconds and about 351.8 seconds. Indicates. Of course, the transient signal diagram can be stored in the computer 48 for later reference.
[0046]
FIG. 12 shows how the reflected intensity signal at the end point changes during the polishing operation. Initially, in period 300, the metal layer on the surface of substrate 10 is jagged. The metal layer 16 has a fairly initial topography due to the topology of the underlying patterned layer 14. Because of this unevenness, the light beam is scattered when it strikes the metal layer. As the polishing operation proceeds, the metal layer becomes more planar and the reflectivity of the polished metal layer increases during periods 302-308. Thus, the signal strength increases steadily to a stable level. From period 310-320, as the metal layer 16 is increasingly removed to expose the oxide layer 14, the overall signal strength decreases and the polishing operation is finally complete. Therefore, in the period 320, only a minute amount of metal remains in the center of the substrate 10.
[0047]
When the entire surface of the substrate is covered with a metal layer such as copper, the reflection from the substrate 10 has a square profile. As the metal layer is removed from the edge of the substrate 10, the profile of reflection from the substrate assumes a trapezoid. When the metal layer is finally almost removed by the polishing operation, the reflection profile from the substrate 10 takes a triangular shape.
[0048]
Transient signal diagrams 300-320 may be observed by the operator on display 49 during or after the polishing operation. The operator can use the displayed transient signal diagram for various diagnostic and process control decisions (which may be applicable to both reflectivity measurements in metal polishing and interferometry measurements in oxide polishing). Can be used for. The transient signal diagram can be used to select process parameters to optimize polishing uniformity. For example, if process parameters such as plate rotation rate, carrier head pressure, carrier head rotation rate, carrier head sweep profile, and slurry composition are selected for the first time, the test wafer can be polished. The high reflectivity region represents a portion where the metal remains on the substrate, and the low reflectivity region represents a portion where the metal has been removed from the substrate. A noisy transient signal diagram indicates that the metal was not removed equally from the substrate, while a relatively flat transient signal diagram indicates uniform polishing. As a result, the operator can draw a direct conclusion on the effectiveness of the selected process parameters without resorting to measuring the substrate layer thickness with a metrology tool. The operator then adjusts the polishing parameters, polishes another test wafer, and determines whether the new polishing parameters have improved polishing uniformity.
[0049]
The operator can also examine the transient signal diagram to determine whether the substrate has been polished to a flat surface and whether polishing should be stopped. In addition, if the operator notices that a portion of the substrate is being polished too slowly or too quickly during actual device wafer polishing, the process parameters adjust the polishing rate profile while polishing is in progress. Can be changed to
[0050]
The transient signal diagram can also be used as a measure of process repeatability. For example, if the transient signal diagram deviates significantly from the expected shape, this indicates that there is some problem with the polishing machine or process.
[0051]
In addition, transient signal diagrams can be used to “qualify” the process. In particular, if the polishing machine accepts a new set of consumables, for example, if the polishing pad or slurry is replaced, the operator may wish to verify that the polishing uniformity is not affected. I will. The operator can compare the transient signal diagrams for the polished substrate before and after the consumable change and determine if polishing uniformity has been affected.
[0052]
Returning now to FIG. 8, at step 108, the radial positions Ra, Rb,..., Rj corresponding to the sampling zones 122a, 122b,. One way to determine the radial position of the sampling area is to calculate the position of the laser directly under the substrate based on the measurement time Tmeasure, the platen rotation rate and the carrier head sweep profile. Unfortunately, the actual platen rotation rate and carrier head sweep profile may not exactly match the polishing parameters. Therefore, a preferred method 130 for determining the radial position of the sampling area is shown in FIG. 9A. Initially, a time T sym for the laser beam 42 to pass directly below the substrate centerline 124 (see FIG. 5C) is determined (step 132). Next, the radial position of the sampling area is determined from the time difference between the measurement time Tmeasure and the symmetry time Tsym (step 134).
[0053]
One way to determine the symmetry time Tsym is to average the time of the first and last high intensity measurements from each sweep, since these intensity measurements should correspond to the substrate edge. However, this results in some uncertainty in Tsym since the location of the sampling area directly under the substrate is unknown.
[0054]
Referring to FIG. 9B, to calculate the symmetry time T sym at step 132, the computer 48 determines the first and last high intensity measurements from the sweep path 120, ie, intensity measurements Ic and Ih, and the corresponding measurements. Store times Tlead and Ttrail. These leading and trailing edge times Tlead and Ttrail are accumulated for each sweep, producing a series of leading edge times Tlead1, Tlead2, ..., TleadN and trailing edge times Ttrail1, Ttrail2, ..., TtrailN. The computer 48 stores for each leading edge spike 96 the leading edge times Tlead1, Tlead2,..., TleadN and the number of platen rotations 1, 2,. Similarly, the computer 48 stores the trailing edge time Ttrail1, Ttrail2,..., TtrailN and the associated number of rotations 1, 2,. Assuming that platen 24 rotates at a substantially constant rate, times Tlead1, Tlead2,..., TleadN form a substantially linearly increasing function (shown by line 136). Similarly, times Ttrail1, Ttrail2,..., TtrailN also form a function that increases substantially linearly (indicated by line 137). Computer 48 performs two least squares fits and generates two linear functions Tlead (n) and Ttrail (n) as follows:
Tlead (n) = a1 + (a2*n)
T trail (n) = a3 + (a4*n)
Here, n is the number of platen rotations, and a1, a2, a3 and a4 are fitness coefficients calculated during the application of the least square method. After the fit factor is calculated, the symmetry time T sym that the laser beam 42 traverses the center line 124 (indicated by phantom line 138) can be calculated as follows:
Tsym = {(a1+ AThree) / 2} + {(a2+ AFour) / 2} n
By calculating the symmetric time Tsym using the least squares method over several platen rotations, the uncertainty due to the difference in the relative position of the sampling area directly below the retaining ring is substantially reduced, and This significantly reduces the uncertainty at the symmetric time Tsym.
[0055]
After the computer 48 calculates the time T sym that the laser beam 42 traverses the center line 124, in step 132 the radial distance Ra, Rb,... Of each sampling area 122a, 122b,. , Rj is calculated. Referring to FIG. 10, the radial position can be calculated as follows:
R = (d2+ L2+2 dL cos θ)1/2
Where d is the distance between the center of the polishing pad and the center of the window 36, L is the distance from the center of the polishing pad to the center of the substrate 10, and θ is the angular position of the window. The angular position θ of the window can be calculated as follows:
θ = fplaten・ 2π (Tmeasure-Tsym)
Where fplatenIs the platen rotation rate (in rpm). Assuming that the carrier head moves in a sinusoidal pattern, the linear position L of the carrier head can be calculated as follows:
L = L0+ A ・ cos (ω ・ Tmeasure)
Where ω is the sweep frequency, A is the sweep amplitude, and L0Is the center position of the carrier sweep.
[0056]
In another embodiment, the position sensor 160 could be used to calculate the time T sym that the window crosses the center line 124. Assuming that the sensor 160 is positioned opposite the carrier head 80, the flag 162 will be positioned symmetrically across the transparent window 36. The computer 48 stores both the start time Tstart when the flag blocks the light beam of the sensor and the start time Tend when the flag does not block the light beam. The time Tsym may be calculated as the average of Tstart and Tend. In yet another embodiment, the position of the platen and carrier head can be determined at each sampling time Ta, Tb,..., Th from optical encoders connected to the platen drive motor and radial drive motor, respectively. Like.
[0057]
After the radial position Ra, Rb,..., Rm of the sampling area has been calculated, some intensity measurements can be neglected. If the radial position R of the sampling area is larger than the radius of the substrate, the intensity measurements for that sampling area mainly include radiation reflected by the retaining ring, or background reflection from the window or slurry. Therefore, intensity measurements for any sampled area that is primarily beneath the retaining ring are ignored. This ensures that false intensity measurements are not used in the calculation of the reflected intensity of the thin film layer.
[0058]
After several sweeps of the laser beam 42 directly under the substrate, the computer 48 sets a set of intensity measurements I1, I2,..., IN, and radial directions associated with the measurement times T1, T2,. The positions R1, R2, ..., RN are accumulated. Referring to FIG. 11, when intensity, time, and radial position measurements are accumulated in steps 106 and 108, time and intensity measurements are binned in data structure 140 in step 110. Sorted in. Each bin is associated with a radial extent of the sampling area. For example, intensity measurements for a sampling area located up to 20 mm from the center of the substrate may be placed in the first bin 142 (see FIG. 13A), which will be discussed later as 20 mm from the center of the substrate. Intensity measurements made for sampling areas located between 30 mm may be placed in the second bin 144 (see FIG. 13B) and placed between 30 mm and 40 mm from the center of the substrate. Intensity measurements made for the sampled area to be made may be placed in the third bin 146 (see FIG. 13C), and so on. The exact number of bins and the radial range of bins depends on the information that the user wishes to retrieve. In general, the radial extent of each bin may be selected such that a sufficient number of intensity measurements are accumulated to provide visually meaningful information.
[0059]
The calculations discussed above are performed for each bin, thereby providing reflected intensity measurements at multiple radial locations across the surface of the substrate. A diagram of the initial and final reflected intensity of the thin film layer as a function of radius is shown in FIGS. 13A-13H as well as FIG. 12 discussed above.
[0060]
Returning now to FIGS. 13A-13H, a number of traces are shown, which show how the reflected intensity changes during polishing for different radial locations on the substrate 10. The diagrams in FIGS. 13A-13H illustrate that the metal layer is removed at different rates for different portions of the substrate. In general, FIGS. 13A-13H show that the metal layer near the center of the substrate is removed last, while the metal layer near the periphery or edge of the substrate is removed first. For example, FIG. 13A shows that a metal layer within a radius range of 0-20 mm is removed in about 330 seconds. FIG. 13B shows that a metal layer within a radius range of 20-30 mm is removed in about 325 seconds. FIG. 13C shows that a metal layer within a radius range of 30-40 mm is removed in about 318 seconds. FIG. 13D shows that a metal layer within a radius range of 40-50 mm is removed in about 310 seconds. FIG. 13E shows that a metal layer within a radius range of 50-60 mm is removed in about 295 seconds. FIG. 13F shows that a metal layer within a radius range of 60-70 mm is removed in about 290 seconds. FIG. 13G shows that the metal layer within the radius range of 70-80 mm is removed in about 290 seconds, and FIG. 13H shows that the metal layer within the radius range of 80-90 mm is removed as early as about 260 seconds. It shows that.
[0061]
As shown here, the reflectance trace for some of the radial ranges presents two intensity levels (shown by lines 160 and 162). The distance between the two intensity levels increases with the radius of the substrate. Without being limited to any particular theory, the two intensity levels can be attributed to the asymmetric distribution of the product of the slurry or reaction of the slurry and the metal layer on the substrate. Specifically, for each sweep of the laser beam across the substrate, two data points are usually entered into the bin: one data point near the front edge of the substrate and one data point near the back edge of the substrate. is there. However, because of the asymmetric distribution of slurry and reaction products directly under the substrate, the laser beam may be attenuated more as it passes through the slurry layer adjacent to different parts of the substrate. Thus, the reflectance trace may also be used as a measure of the uniformity of the slurry distribution just below the substrate.
[0062]
In another embodiment, the operator may decide to use only a single bin. In this case, all of the intensity measurements for a particular radial range are used to determine a single intensity trace, which is used for determining the polishing end point in a conventional manner. The operator can specify this radial range based on inspection of the transient signal diagram. For example, if the transient signal diagram indicates that the center of the substrate is the last part to be polished, the operator can select a radial range near the center of the substrate and finish until all of the metal has been polished. Ensure that is not started.
[0063]
Reflection intensity changes during polishing are thus captured for different radial positions on the substrate. Acquisition of high resolution data allows precise time control of each process stage in multi-stage operation. A large number of parameters are captured, such as overall wafer uniformity and removal rates for different radial portions of the wafer. The acquired high resolution data can be processed online or offline to adjust various variables and parameters to minimize surface layer erosion and dishing. If the data is processed in real time, the real time feedback data allows strict closed loop control with process parameters. In addition, the reflection data is available for process engineers to experiment with their process parameters to improve the polishing process.
[0064]
The reflectance trace generated by the optical monitoring system is particularly useful in multi-step polishing processes, such as copper polishing. Referring to FIG. 14, a substrate 10 'includes a silicon wafer 12', a patterned oxide layer 14 ', and a tantalum (Ta) or tantalum nitride (TaN) barrier disposed on the oxide layer 14'. A layer 18 and a copper layer 16 ′ disposed on the barrier layer 18 are included. Referring to FIGS. 15A and 15B, as the substrate 10 ′ is polished, a reflectance trace 200 is generated for each radial area. Each reflectance trace includes a bulk removal of the metal layer (flat area 202), an initial sweep of the metal layer and a transition to the barrier layer (fall point 204), an initial sweep of the barrier layer and a transition to the oxide layer ( Illustrates a first decrease point 206 at the slope, and a complete sweep of the barrier layer and exposure of the oxide layer (second decrease at the slope 208 and planarization of the trace).
[0065]
Initially, the substrate is polished with a high selectivity slurry, such as Cabot 5001. Mass polishing of the metal layer 16 ′ proceeds until the first penetration into the barrier layer 18. In this regard, the metal may still be on a portion of the barrier layer 18, but the barrier layer will be exposed at at least one site. The optical monitoring system can detect the initial exposure of this barrier layer. Specifically, the first reflectance trace that begins to fall may be used as an indication that the barrier layer 18 is exposed in the associated radial area. When the optical monitoring system detects the first exposure of the barrier layer, polishing with the high selectivity slurry is stopped and polishing with the low selectivity slurry, eg, Arch Cu10k, is started. Polishing with the low selectivity slurry continues until all of the metal layer 16 'and the barrier layer 18 are removed. Complete removal of all metal layer 16 'and barrier layer 18 may be indicated when all of the reflectance traces are leveled off. At this point, the polishing operation is complete. With a reliable switch from a high selectivity slurry to a low selectivity slurry with the first sweep of the barrier layer, dishing and erosion are significantly reduced. In addition, complete removal of the barrier layer may be ensured by stopping polishing only after all reflectance traces indicate.
[0066]
The invention has been described with reference to the preferred embodiment. However, the invention is not limited to the illustrated and described embodiments. Rather, the scope of the present invention is defined by the appended claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a chemical mechanical polishing apparatus.
FIG. 2 is a side view of a chemical mechanical polishing apparatus including an optical reflectometer.
FIG. 3 is a simplified cross-sectional view of a substrate being processed, schematically showing a laser beam impinging on and reflecting from the substrate.
FIG. 4 is a diagram showing measured reflectance traces in arbitrary intensity units (au).
FIG. 5A is a simplified plan view showing the position of a window in a polishing pad as the platen rotates.
FIG. 5B is a simplified plan view showing the position of the window in the polishing pad as the platen rotates.
FIG. 5C is a simplified plan view showing the position of the window in the polishing pad as the platen rotates.
FIG. 5D is a simplified plan view showing the position of the window in the polishing pad as the platen rotates.
FIG. 5E is a simplified plan view showing the position of the window in the polishing pad as the platen rotates.
FIG. 6 is a flowchart of a method for determining an end point of polishing of a metal layer during CMP.
FIG. 7A is a schematic diagram showing the path of a laser directly under a carrier head.
FIG. 7B is a diagram illustrating a hypothetical portion of a reflectance trace generated by a single sweep of a window directly below the carrier head.
FIG. 8 is a schematic diagram showing the radial position of the sampling area from the path of the laser.
FIG. 9A is a flowchart of a method for determining a radial position of a sampling area.
FIG. 9B is a diagram showing the time for the laser beam to pass directly under the leading and trailing edges of the substrate as a function of the number of platen rotations.
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating the calculation of the radial position of the sampling area.
FIG. 11 is a schematic diagram of a data structure for storing intensity measurements.
FIG. 12 is a diagram showing the overlap of several reflectance traces taken at different times.
FIG. 13A is a diagram illustrating the reflection intensity of a metal layer over the polishing period as a function of distance from the center of the substrate.
FIG. 13B is a diagram illustrating the reflection intensity of a metal layer over the polishing period as a function of distance from the center of the substrate.
FIG. 13C is a diagram illustrating the reflection intensity of a metal layer over the polishing period as a function of distance from the center of the substrate.
FIG. 13D is a diagram illustrating the reflection intensity of a metal layer over the polishing period as a function of distance from the center of the substrate.
FIG. 13E is a diagram illustrating the reflection intensity of a metal layer over the polishing period as a function of distance from the center of the substrate.
FIG. 13F is a diagram illustrating the reflection intensity of a metal layer over the polishing period as a function of distance from the center of the substrate.
FIG. 13G is a diagram illustrating the reflection intensity of a metal layer over the polishing period as a function of distance from the center of the substrate.
FIG. 13H is a diagram illustrating the reflection intensity of a metal layer over the polishing period as a function of distance from the center of the substrate.
FIG. 14 is a simplified cross-sectional view of a substrate having a barrier layer.
15A is a diagram showing a reflectance trace during polishing of the substrate shown in FIG.
15B is a diagram showing a reflectance trace during polishing of the substrate shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Board | substrate, 12 ... Silicon wafer, board | substrate 14 ... Underlayer patterned layer, foundation layer, oxide layer, 16 ... Metal layer, copper layer, 18 ... Barrier layer, 20 ... Polishing apparatus, 22 ... Polishing station, 23 ... Transfer station, 24 ... Platen, 25 ... Central axis, shaft, 26 ... Hole, 28 ... Pad conditioner device, 30 ... Polishing pad, 32 ... Backing layer, 34 ... Overcoat layer, 36 ... Window, 38 ... Slurry, 39 ... rinse arm, 40 ... reflectometer, 42 ... laser beam, 42 ... light beam, optical laser beam, 44 ... laser, light source, 46 ... detector, 48 ... computer, digital computer, 49 ... display, 49 ... output device , 60 ... carousel, 62 ... central support, 64 ... carousel shaft, 66 ... carousel support plate, 68 ... cover, 70 ... carrier head system, 72 ... radial slot, 74 ... carrier drive shaft, 76 ... carrier head rotary motor, 80 ... carrier head, 81 ... central axis, 82 ... flexible membrane, 84 ... retaining ring, 86 ... chamber, 88 ... lower surface, 90 ... Reflectance trace, 90 ... Intensity waveform, 90 ... Waveform, end point waveform, transient intensity waveform, 94 ... Background, background level, 97 ... Upper level flat region, 98 ... Middle level flat region, Intermediate flat region, after each Edge spike, 120 ... sweep path, 122a-122j ... sampling area, 124 ... center line, 126 ... center, 136, 137, 160 ... line, 138 ... virtual line, 140 ... data structure, 160 ... sensor, position sensor, 162: Flag, 200: Reflectance trace, 202 ... Site, 204 ... Decline, 206 ... Decrease point, 300, 320 ... Diagram, 300 ... Period, Transient signal diagram, 02,310 ... period.

Claims (13)

基板を研磨する方法であって、第1の研磨スラリにより基板の第1の層を化学機械的に研磨するステップであり、前記基板は前記第1の層の下に配設される第2の層を有し、前記第1のおよび第2の層は異なる反射度を有する、ステップと、
前記第1の研磨スラリによる研磨中に前記基板を光学的に監視して、複数の強度トレースを生成するステップであって、各強度トレースは前記基板上の異なる半径方向範囲の強度測定値を含む、ステップと、
前記強度トレースのいずれかが、前記第2の層が少なくとも1つの部位で露出されたことを示すと、前記第1の研磨スラリと異なる研磨特性を有する第2の研磨スラリにより前記基板を化学機械的に研磨するステップと、
前記第2の研磨スラリによる研磨中に前記基板を光学的に監視することを継続するステップと、
前記第2の層が完全に露出されたことを全ての前記強度トレースが示した後に研磨を停止するステップと、
を含む方法。
A method of polishing a substrate, the method comprising: chemically mechanically polishing a first layer of a substrate with a first polishing slurry , wherein the substrate is disposed under the first layer. Having a layer, wherein the first and second layers have different reflectivities;
A substrate by optically monitored during polishing by the first polishing slurry, comprising the steps of: generating a plurality of intensity traces, each intensity trace is a measure of the strength of different radial range on the said substrate Including steps, and
If any of the intensity traces indicates that the second layer has been exposed at at least one location, the substrate is removed from the chemical machine by a second polishing slurry having a polishing characteristic different from that of the first polishing slurry. Polishing step,
Continuing to optically monitor the substrate during polishing with the second polishing slurry;
Stopping polishing after all the intensity traces indicate that the second layer is fully exposed;
Including methods.
光学的に監視するステップは、光ビームを研磨表面にある窓透過するように向け、前記基板を横切る経路に前記光ビームを移動させ、前記基板から反射する前記光ビームによって生成される反射信号を監視し、前記反射信号から複数の強度測定値を抽出することを含む、請求項1に記載の方法。Step of monitoring optically directs to transmit a window portion with the light beam within the polishing surface, moving said light beam in a path across said substrate is generated by the light beam reflected from the substrate The method of claim 1, comprising monitoring a reflected signal and extracting a plurality of intensity measurements from the reflected signal. 前記複数の強度トレースを生成するステップは、各強度測定値を前期強度測定中の前記光ビームの位置に従い前記半径方向範囲のひとつにソートし、前記半径方向範囲に関連する前記強度測定値から前記強度トレースを決定することを含む、請求項1に記載の方法。  The step of generating the plurality of intensity traces sorts each intensity measurement into one of the radial ranges according to the position of the light beam during the previous intensity measurement, and from the intensity measurements associated with the radial range, the The method of claim 1, comprising determining an intensity trace. 前記第1のスラリは高選択度スラリであり、前記第2のスラリは低選択度スラリである、請求項1に記載の方法。  The method of claim 1, wherein the first slurry is a high selectivity slurry and the second slurry is a low selectivity slurry. 前記第1の層は金属層である、請求項1に記載の方法。  The method of claim 1, wherein the first layer is a metal layer. 前記金属層は銅を含む、請求項5に記載の方法。  The method of claim 5, wherein the metal layer comprises copper. 前記第2の層は酸化物層である、請求項5に記載の方法。  The method of claim 5, wherein the second layer is an oxide layer. 前記酸化物は二酸化ケイ素を含む、請求項7に記載の方法。  The method of claim 7, wherein the oxide comprises silicon dioxide. 前記第2の層はバリア層である、請求項5に記載の方法。  The method of claim 5, wherein the second layer is a barrier layer. 前記バリア層はタンタルまたは窒化タンタルを含む、請求項9に記載の方法。  The method of claim 9, wherein the barrier layer comprises tantalum or tantalum nitride. 前記第1の層は前記第2の層より反射性である、請求項1に記載の方法。  The method of claim 1, wherein the first layer is more reflective than the second layer. 基板を研磨する方法であって、
窓部を有する研磨表面と基板の表面を接触させるステップであり、前記基板は第2の層の上に配設される第1の層を有し、前記第1のおよび第2の層は異なる反射度を有する、ステップと、
第1のスラリを前記基板へ第1の研磨段階のために供給するステップと、
前記基板と前記研磨表面との間に相対運動を引起こすステップと、
前記窓部透過するように光ビームを向けるステップであり、前記基板に対する前記研磨表面の前記運動は前記基板を横切る経路に前記光ビームを移動させる、ステップと、
前記基板から反射する前記光ビームによって生成される反射率信号を監視するステップと、
前記反射率信号から複数の強度測定値を抽出するステップと、
複数の強度トレースを生成するステップであり、各強度トレースには前記基板上の異なる半径方向範囲の強度測定値を含む、ステップと、
前記強度トレースのいずれかが、前記第2の層が少なくとも1つの部位で露出されたことを示すと、第2研磨段階のために、第2のスラリを前記基板へ供給するステップであって、前記第2のスラリが前記第1のスラリと異なる研磨特性を有する、ステップと、
前記第2の層が完全に露出されたことを全ての前記強度トレースが示した後に研磨を停止するステップと、
を含む方法。
A method for polishing a substrate, comprising:
A step of contacting the polishing surface and the surface of the substrate having a window portion, said substrate having a first layer disposed on the second layer, said first and second layers Steps having different reflectivities; and
Supplying a first slurry to the substrate for a first polishing stage;
Causing a relative movement between the substrate and the polishing surface;
Directing a light beam through the window , wherein the movement of the polishing surface relative to the substrate moves the light beam in a path across the substrate;
Monitoring a reflectivity signal generated by the light beam reflected from the substrate;
Extracting a plurality of intensity measurements from the reflectance signal;
A step of generating a plurality of intensity traces, each intensity trace comprising an intensity measurements different radial range on the said substrate, the steps,
Said intensity either trace, indicating that the second layer is exposed at at least one site, for the second polishing step, the second slurry comprising the steps supplying to said substrate, The second slurry has a different polishing characteristic than the first slurry; and
Stopping polishing after all the intensity traces indicate that the second layer is fully exposed;
Including methods.
前記第1のスラリは高選択度スラリであり、前記第2のスラリは低選択度スラリである、請求項12に記載の方法。  The method of claim 12, wherein the first slurry is a high selectivity slurry and the second slurry is a low selectivity slurry.
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