专利名称：识别工件参数变化的系统和方法
技术领域：
本发明的技术领域是材料的化学机械抛光，尤其是集成电路晶片的化学机械抛光。
背景技术：
自其出现以来，化学机械抛光或者平面化(Chemical-mechanicalpolishing or planarization(CMP))就已成为用于IC制造的能干的处理技术。在制造环境中实现CMP要求有能力监视工艺并在其腐蚀进本要去除的层下面的金属或者电介质之前为其设置结束点(end-point(EP))。
CMP工艺被用来制造高速微处理器、专用集成电路(ASIC)、微机电系统(MEMS)以及其它IC或者MEMS器件。本发明提出了一套简单而精确的算法来将来自抛光事件的原始物理信号处理成可识别、可重复的，为CMP工艺提供结束点控制的高分辨率符号。
为了实现此目标，大多数现代CMP设备装备有传感器，来在抛光过程中检测来自晶片或者托盘的热信号(例如美国专利5,196,353)、摩擦信号(例如美国专利5,069,002)、光信号(例如美国专利5,433,651)、振动信号(例如美国专利5,222,329)、电化学信号(例如美国专利5,637,185)或者电信号(例如美国专利6,072,313)。这些信号(下面称之为判别信号，因为它们用来判别正确的停止时间)的幅度的变化意味着从一个材料层到另一个材料层的交替，因此能被解释成到达了所需结束点的界面。但是，从界面发出的信号常常是微弱的、模棱两可的和无法辨识的，以致结束点被漏看了。当有关的材料层有类似的热特性、光学特性和机械特性时，这种结束点信号的检测就更加困难。
根据本发明，将传感器附加到CMP设备的部件上，以检测在抛光工艺过程中物理或者化学信号的变化。将这样的信号收集、放大并传输到控制器或者计算机，以用于进一步处理。
带有用于识别结束点的“截止”标准的处理后的信号然后被反馈给抛光机，以终止抛光工艺。被检测和收集的信号可以是来自抛光过程中温度变化的信号，如美国专利5,196,353(题为Method forControlling a Semiconductor(CMP)Process by Measuring a SurfaceTemperature and Developing a Thermal Image of the Wafer，Gurtej.S.Sandhu等，转让给Micron Technology，Inc)所述，或者，如关于托盘温度变化的检测的系列美国专利5,597,442，5,643,050和5,647,952(Chen等人，转让给台湾新竹工业技术研究院(Industrial TechnologyResearch Institute of Hsinchu)所述。这些信号也可以是电信号，如美国专利5,337,015(题为In-situ Endpoint Detection Method andApparatus for Chemical-mechanical Polishing Using Low AmplitudeInput Voltage，Naftali E.Lustig等人，转让给国际商业机器公司)所述；或者是光信号(例如晶片表面层的反射率)，如美国专利6,159,073(题为Method and Apparatus for Measuring Substrate 层Thicknessduring Chemical Mechanical Polishing，Applied Materials，Inc的Andreas N.Wiswesser)所述；或者是台板/载体扭矩变化(力学信号)，如美国专利5,036,015(题为Method ofEndpoint Detection duringChemical/mechanical Planarization of Semiconductor Wafers，MicronTechnology，Inc的Gurtej.S.Sandhu等人)所述；或者振动/声学信号，如美国专利5,222,329(题为Acoustical Method and System forDetecting and Controlling Chemical-mechanical Polishing(CMP)depths into Layers of Conductors，Semiconductors，and DielectricMaterial，Micron Technologies，Inc.的Chris C.Yu等人)所述。
尽管数学家认识到从曲线的一次导数能够识别斜率的变化，但是发明人所知的市场上可获得的所有CMP设备使用的都是信号本身，而不是其导数。
发明内容
本发明的一个特征是提供一种算法，其能够产生鲁棒的、易于辨别的信号以为CMP工艺设定结束点，以改进工艺控制和稳定性。
本发明的一个特征是将信号收集和传输到计算机或者信号处理器，在这里，根据下述等式，对它们的强度(幅度)相对于现场时间(time in-situ)进行微分dI/dt＝ε其中，I代表检测到的信号比如温度、电动机电流(与扭矩成正比)、声响(音质)、反射率、干涉(干扰)、阻抗、电流(例如涡流)或者电容的强度(大小)；t是以秒为单位的时间；ε是强度随时间的递增量。
本发明的一个特征是当达到所需的结束点信号εep时，计算机发送命令到抛光机，停止处理。
本发明的另一个特征是，当到达有关的界面εin时，计算机发送命令给抛光机，在停止抛光前继续进行一段时间的抛光处理(过抛光，overpolishing)，以满足设计的厚度规范。
本发明的另一个特征是可以对收集到的信号进行进一步处理，以揭示在抛光过程中的更多物理事件，以辅助对所需界面的检测。例如，对于设置结束点的目的，可以与dI/dt相结合，生成和监视信号对时间的二阶导数d2I/dt2。
图1的示意解了正被进行化学机械抛光的结构的剖面图。
图2提供了用于本发明中所描述的信号收集和处理方案的硬件设置的示意图。
图3是在200mm Si基半导体晶片的CMP过程中收集的温度-时间曲线。参见图1的特征，在此例中，层1是F-TEOS ILD，层2和层3没有出现。
图4是从图3生成的温度相对于时间的一次导数。
图5是在另一200mm半导体晶片的CMP过程中收集的温度-时间曲线。参见图1的特征，在此例中，层3是350埃的PECVD SiNx，层2is 700埃的PECVD基的SiwCxOyHzCMP停止层，层1是低k电介质材料。在同一类型的不同CMP设备上收集曲线，尽管在这些曲线上观察到了一些曲率的变化，但是它们看起来模棱两可，不能被清晰地识别为SiNx和SiwCxOyHz停止层之间的界面。另外，在不同设备之间有很大的变化。
图6是从图5生成的温度相对于时间的一次导数的曲线。
具体实施例方式
见图1，半导体结构具有第一电介质层1和硬掩模/CMP抛光停止层2和3。层3和层2之间的界面是要被检测或者被设为停止点的界面。取决于用途，充填材料可以是金属或者电介质。
本发明针对的是在对化学上类似的材料的层进行抛光时检测CMP结束点，所述类似材料层例如包括单镶嵌或者双镶嵌厚度的第一电介质(或者包括嵌入的蚀刻停止层的多层电介质叠层)，以及在第一电介质层上的多层旋涂(spin-on)或者等离子体增强的化学蒸汽淀积(plasma-enhanced chemically vapor deposited，PECVD)CMP停止层(或者“顶盖层”(cap layer))。第一电介质层可以由下述物质组成SiLKTM，GX-3TM，多孔SiLK(TM)，GX-3p(TM)，Black DiamondTM，NCSTM或者其它非多孔的或者多孔的低k电介质材料。CMP停止层可以由下述材料的一种或者它们的组合组成TEOS氧化物，硅烷氧化物，SiNx，BLokTM，N-BLokTM，PECVD基的SiwCxOyHz电介质材料，AP 6000TM，HOSPTM，HOSP BEStTM，EnsembleTMEtch Stop(蚀刻停止层)，EnsembleTMHard Mask(硬掩模)，氢化倍半硅氧烷(hydridosilsesquioxanes)，氢化-有机倍半硅氧烷共聚物(hydrido-organosilsesquioxanes copolymers)，硅氧烷、倍半硅氧烷或者其它旋涂或者CVD材料。
所述衬底可以包含电子器件，例如晶体管或者导体元件阵列。根据本发明，可以在衬底上形成由充填氧化物、衬层氧化物和SiNx CMP停止层构成的浅沟槽隔离结构，使用TiN/Ti衬层的钨塞结构(tungstenplug structure)，或者由低k电介质和Cu线组成的互连结构。传统的CMP结束点算法会要求在结构从层3到层2向下抛光时收集从界面发射的信号。
图2图示了根据本发明的CMP系统的示意图。方框100代表CMP设备。在这里图示了CMP设备上四种可能的传感器检测位置1)传感器被嵌入载体；2)传感器监视托盘上的固定点；3)传感器被嵌入台板或者托盘中，或者传感器利用电动机参数，比如电动机吸取的电流。信号被收集和传输到计算机或者信号处理器150进行进一步分析。
计算一阶(或者更高阶)导数。为了监视的目的，即刻给出ε-t曲线。该ε-t曲线上不同的峰标记了上述信号的强度何时发生变化，从而对应于在两层之间的界面两侧材料特性的变化。
看图3和图4或者图5和图6，根据本发明，在对原始温度曲线进行处理和相对于时间微分之后，可以获得清晰度、精确度和可靠性改善许多的信号。
图3图示了温度对时间的两个经典曲线。它们是在抛光过程中在两组不同的以psi为单位的下压力(down force(DF))和背压(backpressure(BP))下生成的。衬层(4)的抛光的开始清楚地显现出来了，但是结束点根本就不清楚。下方的曲线的膝形部位比较明显，而上面的曲线则不那么明显。
在此例中，被抛光的结构只包含一个电介质层层1，它是PECVD掺氟的TEOS(F-TEOS)氧化物。在此例中没有层3和层2。这样，要检测的界面就是衬层/F-TEOS界面。在托盘上监视的温度没有表现出明显的特征可以被识别为到达衬层抛光的用于确定结束点的目的的末端。
图4图示了温度的一阶导数，其中的衬层结束点显现得清楚得多。在此例中，dT/dt的量代表抛光过程中的瞬时温度变化速率。一旦衬层抛光开始，dT/dt曲线迅速地到达一个峰(点1)，之后下降到一个谷(点2)，其对应于衬层已被部分去除，下伏层1开始暴露的点。该曲线重新上升，到达第二峰(点3)，最后下降到点4，在这里温度变化速率dT/dt向后保持于0，对应于单层(层1)抛光的阶段。在图解的具体例子中，也就是衬层(4)和层1之间的界面的例子中，该界面位于点2(衬层抛光的结束)和点4(ILD 1抛光的开始)之间某处。为了确保完全去除衬层，在实际应用中点4是有关的结束点。由于dT/dt曲线在点4之后保持平坦，捕捉点4的结束点确定标准可以被定义为温度变化率在一段时间内保持为0，温度对时间的二阶导数保持在某个有限值(接近0)以下在Δt＝10秒内|dT/dt|≤m且|d2T/dt2|≤n等式(1)其中m是|dT/dt|的截止值(例如在此例中为0.5)，n是|d2T/dt2|的截止值(在此例中例如是0.05)，Δt是检测时间窗口。
根据本发明，基于经验数据规定结束点值，当达到该值时停止抛光。
如下面将要详细说明的，图4和图6中的dT/dt-t曲线揭示了可以被无疑义地识别为用作结束点的所需界面的特征峰。通过从特征峰检测界面，可以控制和调整层2的厚度，以满足所需的器件性能要求。
图5和图6给出了更困难的情形。在与图1所示同样的结构中，记录了一组6个曲线。在此例中，存在层3和层2，希望定位的界面是层3-层2界面。
在图5中图示了温度曲线，显示了四个曲线聚集在一起，两个外侧曲线显著偏离，这是常见的情况。
很容易看到，这种情况不适合将温度用作判别参数，因为在曲线中没有容易看到的“膝部”。
图6图示了图5中某些曲线的温度的一阶导数，其中显现了更多的结构。类似于图4，在衬层抛光过程中，dT/dt曲线首先到达第1峰，然后下降到对应于衬层的部分去除和下面的电介质(层3，在此例中为SiNx)的暴露的谷。在重新升到第二峰(点3)后，迅速下降到开始SiNx抛光的平台(点4)。最后，当SiwCxOyHzCMP停止层(层2)最终暴露出来时，曲线再次爬升。取决于器件性能要求，要检测的结束点可以被设置为衬层和SiNx之间的界面，也就是dT/dt曲线上的点4，因此检测标准可以被定义为在Δt＝10秒内|dT/dt|≤u且|d2T/dt2|≤v等式(2)其中u是|dT/dt|的截止值(例如在此例中为1.5)，v是|d2T/dt2|的截止值(在此例中例如是0.3)，Δt是检测时间窗口。
在另一个例子中，SiNx和SiwCxOyHz停止层(例如，基于图1，分别是层3和层2)之间的界面可以是希望要检测的界面(结束点)。在此例中，点5是结束点。这个点可以这样达到首先启用如上述等式(2)所示捕捉SiNx的标准，然后启用另一标准，识别出在首先检测到点4之后给定时间(30秒)之后|d2T/dt2|上升到特定值(在此例中为0.3)以上的情况。
上面就单个优选实施方式对本发明进行了描述。本领域的普通技术人员会认识到，在所附权利要求的实质范围内，可以以各种方式实现本发明。
权利要求
1.用于识别工件参数变化的系统，包括用于感测所述参数的判别信号的传感器；连接到所述传感器、能够进行实时信号处理的信号处理单元，所述实时信号处理包括计算所述判别信号相对于时间的至少一阶导数；以及所述信号处理单元内的比较模块，用于将所述至少一阶导数与标准相比较。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述信号处理单元计算所述判别信号的相对于时间的二阶导数。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述参数是淀积在所述工件的表面上的膜的厚度。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述传感器连接到化学机械抛光系统。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述化学机械抛光系统用于去除所述工件上的第一层，并在所述第一层被去除后停止材料的去除，这样所述传感器感测所述第一层和该第一层之下的第二层之间的界面。
6.如权利要求4所述的系统，其中，所述标准是所述判别信号的一阶导数的一个固定值。
7.如权利要求4所述的系统，其中，所述第一电介质层由选自下述材料的材料组成SiLKTM、GX-3TM、多孔SiLK(TM)、GX-3p(TM)、JSR LKD 5109TM、JSR LKD 5130TM、Black DiamondTM、NCSTM、多孔旋涂或者PECVD SiwCxOyHz或者其它低k的或者多孔低k电介质材料。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述PEVCD或者旋涂CMP保护层由选自下述材料的一种组成TEOS氧化物、硅烷氧化物、SiNx、BLokTM、N-BLokTM、PECVD基的SiwCxOyHz电介质材料、AP6000TM、HOSPTM、HOSP BEStTM、EnsembleTM蚀刻停止材料、EnsembleTM硬掩模、氢化倍半硅氧烷、氢化-有机倍半硅氧烷共聚物、硅氧烷、倍半硅氧烷或者其它旋涂或者CVD材料，或者上述材料的组合。
9.如权利要求4所述的系统，其中，所述标准是在一段检测时间上所述一阶导数的幅度小于第一基准值，并且在所述检测期间，相对于时间的二阶导数的幅度低于第二基准值。
10.用于识别工件参数变化的方法，包括提供用于感测所述参数的判别信号的传感器；提供连接到所述传感器、能够进行实时信号处理的信号处理单元，所述实时信号处理包括计算所述判别信号相对于时间的至少一阶导数；以及所述信号处理单元内的比较模块，用于将所述至少一阶导数与标准相比较，包括下列步骤计算所述判别信号相对于时间的一阶导数；比较所述一阶导数的当前值与所述标准；以及当满足所述标准时生成输出信号。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述信号处理单元计算所述判别信号的相对于时间的二阶导数。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述参数是淀积在所述工件的表面上的膜的厚度。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述传感器连接到化学机械抛光系统。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述化学机械抛光系统用于去除所述工件上的第一层，并在所述第一层被去除后停止材料的去除，这样所述传感器感测所述第一层和该第一层之下的第二层之间的界面。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述标准是所述判别信号的一阶导数的一个固定值。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述标准是所述判别信号的一阶导数的一个固定值。
17.如权利要求13所述的方法，其中，所述标准是对于一段检测时间所述一阶导数的幅度小于第一基准值，并且在所述检测期间相对于时间的二阶导数的幅度低于第二基准值。
18.如权利要求14所述的方法，其中，所述标准是对于一段检测时间所述一阶导数的幅度小于第一基准值，并且在所述检测期间相对于时间的二阶导数的幅度低于第二基准值。
19.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一电介质层由选自下述材料的材料组成SiLKTM、GX-3TM、多孔SiLK(TM)、GX-3p(TM)、JSR LKD 5109TM、JSR LKD 5130TM、Black DiamondTM、NCSTM、多孔旋涂或者PECVD SiwCxOyHz或者其它低k的或者多孔低k电介质材料。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述PEVCD或者旋涂CMP保护层由选自下述材料的一种组成TEOS氧化物、硅烷氧化物、SiNx、BLokTM、N-BLokTM、PECVD基的SiwCxOyHz电介质材料、AP 6000TM、HOSPTM、HOSP BEStTM、EnsembleTM蚀刻停止材料、EnsembleTM硬掩模、氢化倍半硅氧烷、氢化-有机倍半硅氧烷共聚物、硅氧烷、倍半硅氧烷或者其它旋涂或者CVD材料，或者上述材料的组合。
全文摘要
本申请设计识别工件参数变化的系统和方法。具体地，公开了一种信号处理系统，对检测到的在化学机械抛光(CMP)过程中产生的机械、化学、光学、电学或者热信号进行收集、分析并相对于现场时间进行微分，以揭示CMP期间的不同阶段，以进行工艺控制和确定结束点。这种控制和/或结束点确定方案可以用来检测具有类似的特性的两个材料层之间的界面，比如用于半导体的低k电介质叠层的界面。
文档编号H01L21/304GK1792552SQ200510124680
公开日2006年6月28日 申请日期2005年11月14日 优先权日2004年11月17日
发明者欧格内·J·奥苏利文, 绍姆·S·伯诺斯, 曾伟志 申请人:国际商业机器公司