專利名稱：電化學(xué)機(jī)械研磨系統(tǒng)和用于檢測(cè)研磨終點(diǎn)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及與研磨、平坦化、電鍍及其相關(guān)制程的組合有關(guān)，更明確 言之，是關(guān)于研磨制程的終點(diǎn)偵測(cè)及其電化學(xué)機(jī)械與電子研磨的監(jiān)控。
背景技術(shù)：
深次微米多重金屬化制程是為下一個(gè)極大規(guī)模集成電路(ULSI)的主 要技術(shù)之一，其中位居此技術(shù)核心的多重內(nèi)聯(lián)機(jī)需將其具有高深寬比的孔 隙，包括接觸窗、介層窗、渠溝等其它特征加以平坦化?？煽康闹圃爝@些 內(nèi)聯(lián)機(jī)的特性，對(duì)于極大規(guī)模集成電路的成功以及持續(xù)致力于增加個(gè)別基 材和晶粒的積集度與品質(zhì)乃是非常重要的。
制造集成電路及其它電子產(chǎn)品時(shí)，多層導(dǎo)體、半導(dǎo)體及介電材料乃沉 積于一基材表面或?qū)⒅?。?dǎo)體、半導(dǎo)體及介電材料的薄層可藉由數(shù)次 的沉積技術(shù)而成，近來(lái)一般的沉積技術(shù)的制程包含有物理氣相沉積 (PVD)，例如已知的濺鍍法，化學(xué)氣相沉積(CVD)，電漿增強(qiáng)式化學(xué) 氣相沉積(PECVD)以及電化學(xué)電鍍(ECP)。
當(dāng)材料一層層接續(xù)地沉積與除去后，基材最上方的表面上將變成不平 坦而需要進(jìn)行平坦化。利用電化學(xué)電鍍制程所沉積的銅膜就是一個(gè)不平坦 表面制程的例子，該銅膜的表面形狀完全地依照已存在的表面不平坦的晶 圓表面，特別是線寬大于10微米的晶圓。平坦化一個(gè)表面或者研磨一個(gè) 表面乃為一個(gè)將材料從基材表面除去以形成一個(gè)十分平順且平坦的表面 的制程。在除去不要的表面形狀與表面缺陷時(shí)，特別是粗糙的平面、結(jié)塊 的材料、晶格缺陷、刮痕、遭污染的薄膜或材料，平坦化是有用的。為了
后續(xù)多層的金屬化及處理，藉由去除用以填補(bǔ)及提供平坦表面的多余沉積 材料以形成基材上的特征電路，平坦化制程亦是十分有幫助的。
化學(xué)機(jī)械平坦或是化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)是一個(gè)用于平坦基材的常見(jiàn) 技術(shù)?；瘜W(xué)機(jī)械研磨利用一化學(xué)化合物，特別是一種漿料或它種流體介質(zhì)， 以選擇性地從基材上去除物質(zhì)。在傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械研磨的技術(shù)中， 一個(gè)化學(xué) 機(jī)械研磨的裝置里， 一個(gè)基材載具或研磨頭乃安裝在一個(gè)載具組件中，并 且朝向與研磨墊接觸的位置。該載具組件乃提供基材一個(gè)可控制的壓力， 以壓擠基材頂住該研磨墊。該研磨墊利用一個(gè)外部的驅(qū)動(dòng)力與該基材相對(duì) 移動(dòng)?；瘜W(xué)機(jī)械研磨裝置使得基材表面與研磨墊間相互研磨或摩擦，并且 于此同時(shí)散布一研磨化合物以影響其化學(xué)變化及/或機(jī)械變化，并不斷的從 基材表面除去物質(zhì)。
另一種平坦化技術(shù)是電化學(xué)機(jī)械研磨(ECMP)，此技術(shù)藉由電化學(xué) 溶解將導(dǎo)電物質(zhì)從基材表面移除，并同時(shí)利用較傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械研磨制程為 小的機(jī)械摩擦研磨該基材。電化學(xué)溶解是利用施加于陰極與基材間的一偏 壓，將基材表面的導(dǎo)電物質(zhì)移除至周圍的導(dǎo)電液中。明確言之，該偏壓是 利用與基材支撐裝置上基材表面相接觸的一導(dǎo)體環(huán)而施加，該基材支撐裝 置例如是一個(gè)基材加載頭。機(jī)械磨蝕是利用基材與傳統(tǒng)的研磨墊相接觸， 并使其兩者間產(chǎn)生一相對(duì)運(yùn)動(dòng)而生。
研磨的目的之一是移除一可預(yù)定數(shù)量的物質(zhì)。因此，任何研磨技術(shù)皆 需要一個(gè)終點(diǎn)偵測(cè)，以決定何吋適當(dāng)數(shù)量的物質(zhì)已經(jīng)移除。然而，由于研 磨制程系于基材與研磨墊間的接觸運(yùn)作，因此并不容易目視判斷。
此外，不同的研磨情況會(huì)阻礙研磨終點(diǎn)的正確判斷。不同的研磨液化 合物、研磨墊的狀況、研磨墊與基材間的相對(duì)速度以及研磨墊上基材的負(fù) 載...等皆可造成去除物質(zhì)速率的變化，此速率將改變研磨至研磨終點(diǎn)所需 的時(shí)間。因此，研磨終點(diǎn)不可能僅僅以研磨時(shí)間的方程式來(lái)評(píng)估。
另一個(gè)求得研磨終點(diǎn)的預(yù)測(cè)方法乃是從研磨表面去除基材，并量取基 材上剩余薄膜的厚度。于研磨過(guò)程中重復(fù)此步驟，而可以決定從基材所去 除的物質(zhì)的量。如此一來(lái)， 一個(gè)去除物質(zhì)的線性逼近可以用來(lái)決定研磨終 點(diǎn)。然而，這個(gè)方法相當(dāng)費(fèi)時(shí)，而且對(duì)于量測(cè)間隔間所產(chǎn)生的移除速率的 突然變化并未考量在內(nèi)。
目前已有數(shù)種非侵入性的終點(diǎn)偵測(cè)方法為人所知，其中一種具代表性 終點(diǎn)偵測(cè)的態(tài)樣至少需要接近被研磨基材表面的一部份，例如，藉由沿著 研磨墊的邊緣或透過(guò)研磨墊上的窗口滑下一部份的基材，并同時(shí)分析該暴 露的基材部分。舉例來(lái)說(shuō)，在那些藉由研磨而暴露內(nèi)嵌在介電層內(nèi)的金屬 線的區(qū)域，隨著該金屬線的暴露，該被研磨表面全部或混合的反射率亦隨 之改變。藉由監(jiān)測(cè)研磨表面的反射率或來(lái)自表面的反射光的波長(zhǎng)，暴露于 介電層的該些金屬線及其研磨終點(diǎn)將可因而被偵測(cè)出來(lái)。然而，此方法無(wú) 法提供研磨終點(diǎn)的決定方法，除非于研磨過(guò)程中一個(gè)埋藏層可被暴露出 來(lái)。此外，這個(gè)方法在預(yù)測(cè)研磨終點(diǎn)上有些不穩(wěn)定，除非所有的底層線區(qū) 同時(shí)暴露出來(lái)。更甚者，此偵測(cè)狀態(tài)乃脆弱且易因研磨液或電解液的量測(cè) 或偵測(cè)狀態(tài)的暴露而失敗。
第二種偵測(cè)研磨終點(diǎn)的方法乃監(jiān)控不同的制程參數(shù)，并且當(dāng)一個(gè)或多 個(gè)參數(shù)突然變化的時(shí)候預(yù)測(cè)一個(gè)終點(diǎn)。舉例來(lái)說(shuō)，研磨墊及基材表面的摩 擦系數(shù)乃是一個(gè)基材表面狀況的方程式，當(dāng)薄膜底下的物質(zhì)因研磨而暴露 出來(lái)且產(chǎn)生變化時(shí)，其摩擦系數(shù)易產(chǎn)生變化，這將影響提供給研磨墊預(yù)定 速度而所必須的轉(zhuǎn)矩。藉由監(jiān)控這變化，終點(diǎn)便可被偵測(cè)出來(lái)。
在一個(gè)理想的系統(tǒng)中，除了基材表面外沒(méi)有任何參數(shù)改變，則終點(diǎn)偵 測(cè)的制程參數(shù)可被接受。然而，當(dāng)研磨基材時(shí)，研磨墊的狀況及研磨墊與 基材表面間的研磨液或電解液的組成亦會(huì)改變。如此的變化會(huì)模糊底部金 屬層的暴露，或虛擬成為一個(gè)終點(diǎn)的狀態(tài)，而產(chǎn)生一個(gè)過(guò)早停止研磨的狀 況。
最后，相對(duì)傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)，電化學(xué)機(jī)械研磨(ECMP) 呈現(xiàn)了一個(gè)化學(xué)的、電子的以及物理的獨(dú)特環(huán)境。因此，當(dāng)包含上述的終
點(diǎn)偵測(cè)技術(shù)存在于CMP制程中時(shí)，這些技術(shù)未必可以立即地延伸適用于 ECMP制程。甚至那些可以延伸至ECMP制程的技術(shù)，亦需要昂貴的設(shè)備 作翻新改進(jìn)。 一個(gè)較佳的方法將可減輕或避免翻新既有系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。
因此，對(duì)于研磨終點(diǎn)偵測(cè)而言，尤其是對(duì)于ECMP制程而言，需要一 種準(zhǔn)確而且可靠的決定方法以停止研磨。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一實(shí)施例提供一個(gè)方法，以偵測(cè)電解液環(huán)境下的一研磨終 點(diǎn)。該方法包括放置基材與研磨墊相接觸；通過(guò)電解液在研磨墊的電極 和基材上的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電物質(zhì)之間傳送電子訊號(hào)，該電子訊號(hào)驅(qū)動(dòng)基材 上的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電物質(zhì)的電解研磨制程；以及偵測(cè)電解研磨的研磨終 點(diǎn)，其中上述偵測(cè)電解研磨的研磨終點(diǎn)的歩驟包含確定在電解研磨該基 材的過(guò)程中，自基材移除的總電量；以及將移除的總電量與從基材去除的 物質(zhì)厚度相關(guān)聯(lián)。
本發(fā)明另一實(shí)施例提供一種電化學(xué)機(jī)械研磨系統(tǒng)，該系統(tǒng)至少包含 導(dǎo)電研磨墊；電源供應(yīng)器，其可通過(guò)經(jīng)由電解液從置于導(dǎo)電研磨墊中的電 極到置于研磨墊上的基材限定的電路通路而提供電子訊號(hào)；和終點(diǎn)偵測(cè)系 統(tǒng)，其可監(jiān)控電子訊號(hào)的訊號(hào)特征，用以偵測(cè)出研磨終點(diǎn)，其中該終點(diǎn)偵 測(cè)系統(tǒng)配置用于通過(guò)執(zhí)行以下操作而偵測(cè)研磨終點(diǎn)，包含確定自基材移 除的總電量；將移除的總電量與自基材去除的物質(zhì)厚度相關(guān)聯(lián)；以及確定 基材預(yù)先量測(cè)的起始厚度減去去除的物質(zhì)厚度是否等于或者小于基材的 選定目標(biāo)厚度。


以上所述本發(fā)明的特征、優(yōu)點(diǎn)以及目的根據(jù)可從以下細(xì)述及圖面中獲 得，而且可以清楚了解本發(fā)明更特殊的描述。然而，需注意的是，以下附 加的圖標(biāo)僅僅說(shuō)明本發(fā)明的數(shù)個(gè)典型實(shí)施例，可以了解的是其并非用以限 制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明可以與其它相同有效的實(shí)施例相配合而實(shí)施。
圖1為電解研磨系統(tǒng)的橫切面剖視圖。
圖2為一個(gè)例示的研磨墊之一上視圖。
圖3為配置一個(gè)控制器以及終點(diǎn)偵測(cè)器配置的電解研磨系統(tǒng)的橫切面 剖視圖。
圖4A-C為一系列一基材與一研磨頭的橫切面剖視圖，以描述一研磨 循環(huán)。
圖5為一個(gè)電流曲線的圖標(biāo)呈現(xiàn)，其說(shuō)明相對(duì)于時(shí)間而言一電流的變
化，其電壓保持在一個(gè)實(shí)質(zhì)固定的常數(shù)。
圖6為一個(gè)電流曲線的圖標(biāo)呈現(xiàn)，其說(shuō)明相對(duì)于時(shí)間而言一電流的變 化，于第一時(shí)間其電壓保持在一個(gè)實(shí)質(zhì)固定的第一常數(shù)，以及于第二時(shí)間 中的實(shí)質(zhì)固定的第二常數(shù)。
圖7為一個(gè)電壓曲線的圖標(biāo)呈現(xiàn)，其說(shuō)明相對(duì)于時(shí)間而言一電壓的變 化，其電流保持在一個(gè)實(shí)質(zhì)固定的常數(shù)。
圖8顯示一個(gè)實(shí)驗(yàn)決定的曲線的例子，該曲線與總電量與移除的物質(zhì) 有關(guān)。
圖9描述一個(gè)電流/移除速率的關(guān)系式，其中y軸系為銅的移除速率， 以及該x軸為總電量(根據(jù)漏電流補(bǔ)償)。
圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明
100研磨工作站102槽體
104電極105研磨工具
106支撐碟107基材
108上蓋110底部
111旋轉(zhuǎn)器112機(jī)軸
113基材114排出孔
116孔隙118密封處
120導(dǎo)電液122溝渠
124馬達(dá)130研磨頭
132空間133貯存槽
134孔洞136下表面
140過(guò)濾器142泵
144供應(yīng)管152中心部份
154檔板158凹槽
170噴嘴172流體傳輸系
202導(dǎo)電組件300研磨工作站
302電源供應(yīng)器310A參考電極
312控制系統(tǒng)314控制器
316終點(diǎn)偵測(cè)器318儀表
402基本材料404特征電路
楊金屬層408保護(hù)層
500曲線510窗口
600電流曲線700電壓曲線
900描繪線
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一個(gè)偵測(cè)研磨步驟終點(diǎn)的系統(tǒng)與方法。 一般來(lái)說(shuō)， 一個(gè)電
解研磨(dectropolishing)系統(tǒng)利用一電源供應(yīng)器，其配置是用于經(jīng)由一 電解液以傳導(dǎo)一電壓。再一實(shí)施例中，監(jiān)控藉由此電源供應(yīng)器提供的信號(hào) 的信號(hào)特征，以決定一研磨終點(diǎn)。需說(shuō)明的是，此被監(jiān)控的信號(hào)特征包含 電流與電壓。在另一個(gè)實(shí)施例中，經(jīng)過(guò)全部時(shí)間的總電流乃與全部移除的 物質(zhì)相關(guān)。在其它的例子中， 一個(gè)藉由終點(diǎn)偵測(cè)的非侵入式的制程控制方 法亦被提供出來(lái)。
這里所使用的詞匯與詞組乃是熟知此項(xiàng)技藝者所用之一般慣用的意 義，除非有進(jìn)一步的定義?；瘜W(xué)機(jī)械研磨應(yīng)廣義地解釋與包含在內(nèi)，但其 意義并不僅限于藉由化學(xué)反應(yīng)、機(jī)械活動(dòng)或上述二者合并的方法而研磨一 基材表面。電解研磨應(yīng)被廣義地解釋與包含在內(nèi)，但其意義并不僅限于藉 由電子的及/或電化學(xué)的反應(yīng)的應(yīng)用以平坦化一基材。電化學(xué)機(jī)械研磨 (ECMP)應(yīng)被廣義地解釋及包含在內(nèi)，但其意義并不僅限于藉由電化學(xué) 反應(yīng)、機(jī)械活動(dòng)或上述二者合并的應(yīng)用以平坦化一基材，而自基材表面將 物質(zhì)移除。電化學(xué)機(jī)械平坦制程(ECMPP)應(yīng)被廣義地解釋及包含在內(nèi)， 但其意義并不僅限于藉由電化學(xué)沉積物質(zhì)于一基材上以及同時(shí)藉由電化 學(xué)反應(yīng)、機(jī)械活動(dòng)或上述二者合并的應(yīng)用以平坦該沉積物質(zhì)。
陽(yáng)極溶解應(yīng)被廣義地解釋及包含在內(nèi)，但其意義并不僅限于應(yīng)用一陽(yáng) 極偏壓直接或間接于一基材上，而造成自基材表面移除導(dǎo)電物質(zhì)于周遭的 電解液中。貫穿(Perforation)應(yīng)被廣義地解釋及包含在內(nèi)，但其意義并 不僅限于部份或全部經(jīng)由一物質(zhì)以形成一孔隙(Aperture)、洞(Hole)、 開(kāi)口 (Opening)、溝渠(Channel)或出入口 (Passage)。
本發(fā)明的實(shí)施例中廣泛地為一研磨系統(tǒng)提供終點(diǎn)偵測(cè)的方法。 一般而
言，任何上述定義的研磨技術(shù)皆可獨(dú)立或綜合使用的。尤其是，其研磨及 平坦可同時(shí)或交替地發(fā)生。前述的眾實(shí)施例可廣泛地視為電解研磨的特 征。
圖1描述一電化學(xué)機(jī)械研磨(ECMP)站100，其可為一更大的平臺(tái)
或工具的一部份。 一種叫做MIRRA的研磨工具可以調(diào)整以利本發(fā)明，其 為一化學(xué)機(jī)械研磨器，產(chǎn)自Santa Clara California的Applied Materials公司。
一般而言，此電化學(xué)機(jī)械研磨(ECMP)站IOO包含一研磨頭130適 用于穩(wěn)固一基材U3。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，研磨頭130是為藉由一支柱137而安 裝于一旋轉(zhuǎn)器111的一懸臂梁。此旋轉(zhuǎn)器111使研磨頭130旋轉(zhuǎn)，經(jīng)由包 含此ECMP工作站100的數(shù)個(gè)工作站至一定位。實(shí)施例數(shù)個(gè)范例中的研磨 頭130可以與描述于2000年2月25日獲證的美國(guó)第6，024,630號(hào)專利的 研磨設(shè)備100 —起使用。 一個(gè)特別可適用的研磨頭是一個(gè)TITAN HEAD 晶圓運(yùn)送器，其由位于Santa Clara California的Applied Materials公司制 造。
ECMP工作站100更包含一槽體102， 一電極104，研磨工具105， 一 研磨頭支撐碟106以及一上蓋108。于一實(shí)施例中，此槽體102是與此研 磨裝置100的基材107連接，此槽體102，上蓋108以及支撐碟106可以 相對(duì)于基材107而移動(dòng)。因此，槽體102，上蓋108以及支撐碟106可以 軸向往基材107移動(dòng)以利研磨頭130的清潔，當(dāng)旋轉(zhuǎn)器111將基材113編 入ECMP工作站100與其它研磨站(未顯示)之間。
槽體102—般定義為一容器或一含有電解液的空間132，其內(nèi)含有一 導(dǎo)電流體，例如一導(dǎo)電液120(顯示于一貯存槽133)，且其中的電極104， 研磨工具105以及支撐碟106通常為其覆蓋。使用于處理基材113的電解 液120可以電化學(xué)方式移除物質(zhì)，例如銅、鋁、鴿、金、銀或其它導(dǎo)電物 質(zhì)。因此，槽體102可以是一碗狀構(gòu)件，由一塑料物質(zhì)所制成，例如是氟 聚合物(fouropolymers)、鐵氟龍(TEFLON ) 、 PFA、聚乙烯(PE)、 PES或其它可與電解平坦以及電解研磨兼容的化學(xué)物質(zhì)。
槽體102具有一底部110，其包含一孔隙116以及一排出孔114。此 孔隙116通常位于底部110的中央，并允許一機(jī)軸112貫穿其中。 一密封
處118系位于該孔隙116與該機(jī)軸112之間并允許該機(jī)軸旋轉(zhuǎn)以防止位于
槽體102的流體流經(jīng)孔隙116。馬達(dá)帶動(dòng)機(jī)軸112旋轉(zhuǎn)，該馬達(dá)與該機(jī)軸 112的底端相連接。該馬達(dá)可以是一能帶動(dòng)機(jī)軸以一預(yù)定速度或數(shù)個(gè)預(yù)定 速度旋轉(zhuǎn)的致動(dòng)器。
于機(jī)軸上端，機(jī)軸攜帶支撐碟或支撐墊106。此支撐碟106提供研磨 工具105—嵌入表面，其可以藉由一夾鉗機(jī)構(gòu)或一黏著劑(例如 一壓力 感測(cè)黏著劑)牢固于支撐碟106。雖然如顯示的連接于機(jī)軸112，在另一 實(shí)施例中，此支撐碟106可利用扣件(例如螺絲釘或其它扣件裝置)與 槽體102相穩(wěn)固，因此降低對(duì)于機(jī)軸112的需要程度。支撐碟106可與電 極104具有一空間的距離，以提供一較佳的電解液循環(huán)。
于一實(shí)施例中，支撐碟106可由與電解液120兼容的物質(zhì)構(gòu)成，其對(duì) 于研磨并不會(huì)造成不利的影響。需說(shuō)明的是，支撐碟106是由一聚合物所 制成，舉例而言，包含氟聚合物、聚乙烯、鐵氟龍、PFA、 PES、 HDPE、 UHMW或其它相類物等。于一實(shí)施例中，支撐碟106包含許多穿孔或溝 渠形成于其中。此穿孔與研磨工具105相連接，其合稱為溝渠122，且自 支撐碟106的底部表面延伸至研磨工具105的上表面。溝渠122的提供使 得支撐碟106與研磨工具105通?？捎呻娊庖?20穿過(guò)。其選擇的孔徑與 密度系提供由支撐碟106至基材113的電解液120的均勻分布。
研磨工具105可以是與流體環(huán)境及制程規(guī)格兼容的物質(zhì)的一襯墊、一 網(wǎng)狀物或一帶狀物。研磨工具105位于槽體102的上端，并且由支撐碟106 支撐其下表面。于一實(shí)施例中，研磨工具105至少包含一導(dǎo)電物質(zhì)的部份 導(dǎo)電表面以利于制程中與基材表面相接觸。因此，研磨工具105可以是一 導(dǎo)電研磨物質(zhì)或是一導(dǎo)電研磨物質(zhì)的混合物，而沉積于一傳統(tǒng)的研磨物質(zhì) 上。導(dǎo)電物質(zhì)可以插入于支撐碟106與研磨工具105之間，而部分導(dǎo)電端 于研磨過(guò)程與基材相接觸。此導(dǎo)電研磨物質(zhì)與傳統(tǒng)研磨物質(zhì)一般具有機(jī)械 性質(zhì)，其并不因?yàn)橛诔掷m(xù)的電場(chǎng)中而變差降級(jí)，且于酸性或堿性電解液中 可以抵抗變差降級(jí)。
導(dǎo)電研磨物質(zhì)可包含導(dǎo)電聚合物、聚合物的合成含有導(dǎo)電物質(zhì)、導(dǎo)電 金屬、導(dǎo)電填充料、導(dǎo)電摻雜物質(zhì)或及其組合。導(dǎo)電聚合物包含聚合物質(zhì)， 其本身系具有導(dǎo)電性，例如聚乙炔、PEDT(polyethylenedioxythiopherie)，
其可于市面上以Baytron 、 polyaniline、 polypyrrole及其組合為商標(biāo)的商 品獲得。
該具有導(dǎo)電物質(zhì)的聚合物質(zhì)可以包含聚合的貴重金屬混合物質(zhì)，聚合 的貴重金屬混合物質(zhì)可以使用作為本文描述之導(dǎo)電研磨物質(zhì)，其通常與周 圍的電解液作化性的嵌入，例如那些與貴重金屬嵌入的可以抵抗氧化作 用。 一個(gè)聚合貴重金屬混合物質(zhì)的例子是一白金聚合混合物質(zhì)。本發(fā)明擬 使用可與周圍的電解液作化性反應(yīng)的該聚合貴重金屬混合物質(zhì)，當(dāng)聚合貴 重金屬混合物質(zhì)以其它物質(zhì)與一周圍電解液相隔離時(shí)。
被當(dāng)作研么物質(zhì)使用的導(dǎo)電金屬系與周圍電解液相對(duì)的嵌入化學(xué)反 應(yīng)中，白金即其中導(dǎo)電金屬之一例，其被當(dāng)以研磨物質(zhì)使用。導(dǎo)電金屬可 以形成研磨物質(zhì)的一部份或全部的研磨表面。當(dāng)形成一部份的研磨表面 時(shí)，導(dǎo)電金屬通常被配置于一傳統(tǒng)研磨物質(zhì)內(nèi)。
導(dǎo)電研磨物質(zhì)可以更包含導(dǎo)電填充料或者導(dǎo)電摻雜物質(zhì)，配置于一束 縛物質(zhì)內(nèi)，例如是上述的導(dǎo)電聚合物或者傳統(tǒng)的研磨物質(zhì)。導(dǎo)電填充料的 例子包含碳粉粒、納米碳管(nanotubes)、納米泡沫材料(nanofoam)、 航空用碳膠(areogd)及其組合。碳的奈米級(jí)微管系為含碳的導(dǎo)電中空細(xì) 管，具有納米級(jí)的直徑。導(dǎo)電填充料或者導(dǎo)電摻雜物質(zhì)系以足夠提供一研 磨工具所需的導(dǎo)電性的容量，配置于該束縛物質(zhì)內(nèi)。此數(shù)服務(wù)直系為典型 的傳統(tǒng)研磨物質(zhì)。
傳統(tǒng)研磨物質(zhì)可包含聚合的物質(zhì)，例如聚氨酯(polyurethane)、聚碳 酸酯(polycarbonate)、聚苯硫化物(polyphenylene sulfide; PPS)或及其
組合，以及使用于研磨基材表面的其它研磨物質(zhì)。其傳統(tǒng)的例子包含那些 發(fā)現(xiàn)于集成電路的研磨媒介，例如聚氨酯以及混合填充料的聚氨酯，其 可以從市面上位于Phoenix Arizona的Rodel公司獲得。本發(fā)明更一部擬使 用其它傳統(tǒng)的研磨物質(zhì)，例如是一層壓縮物質(zhì)，其包含傳統(tǒng)軟性物質(zhì)，例 如壓縮含氨基鉀酸酯的毛氈纖維。
一般而言，該導(dǎo)電研磨物質(zhì)或?qū)щ娧心ノ镔|(zhì)的合成物以及傳統(tǒng)研磨物 質(zhì)皆提供以制造一導(dǎo)電研磨工具，其具有大約10 Q cm或10 Q cm以下的容 積電阻，或大約每平方IOQ或更少的表面電阻。在某一方面，導(dǎo)電研磨工 具具有大約1Qcm或更少的電阻。 一個(gè)導(dǎo)電研磨物質(zhì)的例子是一白金薄
層，其于0。C時(shí)具有9.81Qcm，而配置于一聚氨酯薄層之上。
導(dǎo)電研磨物質(zhì)合成物與傳統(tǒng)研磨物質(zhì)可包含大約5wt.。/。以及大約 60w"/o的導(dǎo)電研磨物質(zhì)于研磨工具105中， 一個(gè)導(dǎo)電研磨物質(zhì)合成物與傳
統(tǒng)研磨物質(zhì)的例子包含碳纖維或碳的納米極微管，配置于聚氨酯或聚碳酸 酯的傳統(tǒng)研磨物質(zhì)內(nèi)，以提供研磨工具所須足夠的總量，以使其具有大約
10Qcm或更少的容積電阻以及大約每平方IOQ或更少的表面電阻。
進(jìn)一步說(shuō)，本發(fā)明擬使用嵌入于傳統(tǒng)研磨物質(zhì)的研磨材料。于此實(shí)施 例中，該固定的研磨微粒通常包含導(dǎo)電研磨物質(zhì)。
或者，該研磨工具105包含一金屬網(wǎng)配置于傳統(tǒng)的研磨物質(zhì)中，該金 屬網(wǎng)可包含一化性嵌入導(dǎo)電物質(zhì)，例如白金。若該金屬網(wǎng)與電解液化性 隔離時(shí)，例如藉由一傳統(tǒng)材料的保角薄膜，該金屬網(wǎng)亦可包含可與周圍電 解液產(chǎn)生變化的物質(zhì)，例如銅。
請(qǐng)參閱圖2，其特別顯示一個(gè)研磨工具105的實(shí)施例的上視圖。通常， 研磨工具105為有孔的碟型襯墊，其具有一導(dǎo)電組件202配置于一研磨上 表面。須說(shuō)明的是，該導(dǎo)電組件202為一環(huán)狀構(gòu)件大約配置于研磨工具105 的中心軸。更普遍而言，此導(dǎo)電組件202可以是任何形狀的。尤其是于上 述的金屬網(wǎng)的實(shí)施例中，該導(dǎo)電組件202并不需要是一個(gè)單一構(gòu)件，而可 以是數(shù)個(gè)組合導(dǎo)電組件。導(dǎo)電組件202的位置及其大小可選擇以確保與一 基材(例如基材113)相接觸，而無(wú)論位于研磨工具105上的基材的位置 如何。
因?yàn)檠心スぞ?05至少部份可導(dǎo)電，于電化學(xué)制程中，研磨工具105 可與基材合并作為一電極。參閱圖1，對(duì)于接觸一基材表面的研磨工具105 而言，電極104為一相反電極。電極104可以是一陽(yáng)極或陰極，取決于施 加于電極104與研磨工具105間的正偏壓(陽(yáng)極)或負(fù)偏壓(陰極)。
舉例而言，從基材表面上電解液所沉積的物質(zhì)，電極104作為一陽(yáng)極， 該基材表面及/或研磨工具105則作為一陰極。當(dāng)從基材表面移除物質(zhì)時(shí)， 例如藉由施加一偏壓而分解，電極104的功能為一陰極，基材表面及/或研 磨工具105則作為一陽(yáng)極，于該分解程序中。
電極104通常定位于支撐碟106與槽體102的底部110，該位置可使 電極104沉浸于電解液120之中。電極104能為一似碟狀的構(gòu)件， 一具有
數(shù)個(gè)貫穿孔的平板，或者數(shù)個(gè)電極片配置于多孔狀構(gòu)件或容器內(nèi)。 一個(gè)可 穿透性構(gòu)件(未顯示)可以配置介于支撐碟106與電極104之間，以防止
微?；虺恋砦飶碾姌O104上釋出進(jìn)入電解液中。該可穿透性構(gòu)件亦可當(dāng)作
為一個(gè)過(guò)濾器，在制程過(guò)程中防止氣體自相反電極處外泄而接觸到基材。 可穿透性構(gòu)件的孔徑與密度，是以制程最佳化的方式定義的。
對(duì)于電化學(xué)移除制程而言，例如陽(yáng)極分解，除了例如銅溶解中的沉 積材料，白金，電極104可包含一非消耗性材料的電極。然而，假如較好
的話，對(duì)于銅溶解而言，電極104亦可由銅制成。
于運(yùn)作時(shí)，電解液120從一貯存器133中經(jīng)由噴嘴170流入空間132。 電解液120藉由配置于文件板154上的數(shù)個(gè)孔洞134而防止溢滿空間132。 孔洞134通常提供電解液120—經(jīng)由上蓋108的信道而流出空間132，并 流入槽體102的較低部位。至少孔洞134的一部分位于凹槽158的下表面 136與中心部份152之間。當(dāng)孔洞134高于凹槽158的下表面136時(shí)，電 解液120充滿空間132，而因此與基材113與研磨工具105相接觸。因此， 于上蓋108與支撐碟106間的相當(dāng)空間的全部距離內(nèi)，基材113保持與電 解液120接觸。
收集于槽體102的電解液120通常流經(jīng)位于底部110的排出孔114， 而流入流體傳輸系統(tǒng)172。典型的流體傳輸系統(tǒng)172包含貯存器133以及 一個(gè)泵142。流入流體傳輸系統(tǒng)172的電解液120系收集于貯存器133中， 泵142從貯存器133中經(jīng)由一供應(yīng)管144傳輸電解液120于噴嘴170中， 其電解液120于ECMP工作站102中循環(huán)利用。 一個(gè)過(guò)濾器140通常配置 于貯存器133與噴嘴170之間以移除呈現(xiàn)在電解液120中的微粒與結(jié)成核 團(tuán)的物質(zhì)。
電解容液包含一般市面上可獲得的電解液。例如于含銅物質(zhì)的移除 中，電解液包含硫酸、硫酸鹽基電解液或者硼酸、硼酸鹽基電解液，例如 硼酸鉀(K3P04) 、 (NH4)H2P04、 (NH4)2HP04或其組合。電解液亦包含硫 酸鹽基電解液的衍生物，例如硫酸銅，以及硼酸鹽基電解液的衍生物，
例如硼酸銅。具有多氯酸-醋酸溶液與其衍生物及其組合亦可使用。此外， 本發(fā)明擬使用傳統(tǒng)用于電解平坦或電解研磨制程的電解液組合物，包含亮
劑、螯合劑以及整平器等。電解溶液的莫耳濃度介于大約0.2與大約1.2 之間，較佳的是，選擇電解液是選擇與金屬反應(yīng)，但并不與底層的物質(zhì)反 應(yīng)，例如是介電質(zhì)。
在操作過(guò)程，施加一電壓差于電極104與105之間，直接與電極105 接觸的基材113將與電極105具相同電壓。當(dāng)基材的原子物質(zhì)轉(zhuǎn)變成電解 液的離子時(shí)，研磨工作站的電路回路就完成了?；?13的同歩機(jī)械研磨 亦藉由基材與研磨工具105間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而達(dá)成。尤其是，監(jiān)控研磨循環(huán) 以決定一個(gè)研磨終點(diǎn)。 一個(gè)具有電源供應(yīng)器以及終點(diǎn)偵測(cè)系統(tǒng)的研磨工作 站將于圖3中描述。
圖3顯示研磨工作站300的一個(gè)實(shí)施例，其可以代表上述的研磨工作 站100。因此，描述于圖1與圖2中相似的圖標(biāo)對(duì)照數(shù)字亦作相似的組件 的指示。 一般來(lái)說(shuō)，此相似組件包含曹體102、研磨頭130、基材113、電 極104、機(jī)軸112、孔狀襯墊支撐碟106、研磨工具105以及導(dǎo)電組件202 (其形成第二電極)。
研磨工作站300由一個(gè)或多個(gè)電源供應(yīng)器提供能量，例如電源供應(yīng)器 302。于一實(shí)施例中，電源供應(yīng)器302為一直流(DC)電源供應(yīng)器。然而， 電源供應(yīng)器302亦可以是一交流(AC)電源供應(yīng)器。以某一方面而言，一 個(gè)直流電源供應(yīng)器最好可以避免間隔地移除與沉積物質(zhì)于基材上。 一般而 言，電源供應(yīng)器302能提供大約0瓦至IOO瓦，電壓大約0伏特至10伏 特的電源。雖然如此，電源供應(yīng)器302的特別運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)格可以根據(jù)應(yīng)用的狀 況而改變。
電源供應(yīng)器302特別調(diào)整以透過(guò)電解液120而提供一電壓或一電流。 為此目的，電源供應(yīng)器302以一正壓端連接一第一電極，并藉由一負(fù)壓端 連接一第二電極。于一實(shí)施例中，第一電極是研磨工具105的一導(dǎo)電部分， 例如是導(dǎo)電組件202。結(jié)果，至少于部分的一個(gè)研磨循環(huán)中，第一電極直 接與位于研磨工具105之上的一基材相接觸。第二電極為相反電極104， 例如，其位于槽體102底層上。與第一電極相反的是，第二電極可以不直 接與基材做物理接觸。
在一實(shí)施例中，研磨工作站300包含一參考電極。例如， 一參考電極 310A可以配直于支撐碟106與相反電極104之間。更一般來(lái)說(shuō)， 一參考 電即可以位于槽體內(nèi)的任何位置，只要參考電極沉浸于電解液120內(nèi)。舉
例而言， 一參考電極310B顯示懸浮于槽體102的一側(cè)璧與研磨工具105
之間。此參考電極保持一固定電化學(xué)電壓于基材上。因此，參考電擊的提 供使得移除率與電流回路內(nèi)導(dǎo)電性的變化無(wú)關(guān)，其電流回路的導(dǎo)電性變化
例如可能由相反電極10 4上松散的銅沉積所導(dǎo)致。
研磨系統(tǒng)300的運(yùn)作系由一控制系統(tǒng)312所控制。于一實(shí)施例中，控 制系統(tǒng)312包含一控制器314以及一終點(diǎn)偵測(cè)器316?？刂破?14可連接 研磨系統(tǒng)300的每一個(gè)組件，包含電源供應(yīng)器302、流體傳輸系統(tǒng)172、 馬達(dá)124以及攜帶頭130。此終點(diǎn)偵測(cè)器316用以監(jiān)控由電源供應(yīng)器302 所提供信號(hào)的信號(hào)特征。為此目的，終點(diǎn)偵測(cè)器316可與位于電源供應(yīng)器 302電力線上的儀表318作電性連接。雖然顯示的儀表318是與電源供應(yīng) 器302分離，但其可以是電源供應(yīng)器302整合的一部分。于一實(shí)施例中， 儀表318是一電壓表以量測(cè)電壓。在另一實(shí)施例中，該儀表是用以量測(cè)電 壓與電流。從儀表318上讀取可被終點(diǎn)偵測(cè)器316所使用，以決定是否達(dá) 到一標(biāo)準(zhǔn)。其中一標(biāo)準(zhǔn)是該基材是否已研磨足夠(亦即，已經(jīng)達(dá)到一個(gè)研 磨終點(diǎn))。假如一個(gè)研磨終點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到的話，終點(diǎn)偵測(cè)器306會(huì)通知控制 器314，屆時(shí)其可發(fā)出一個(gè)或多個(gè)控制信號(hào)以激活其余的步驟及/或暫?；?材的研磨。
至少于一實(shí)施例中，終點(diǎn)是指一研磨循環(huán)中的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，此時(shí)足夠 的金屬量已經(jīng)從一基材上移除。根據(jù)終點(diǎn)的偵測(cè)，其可能繼續(xù)研磨一段時(shí) 間以移除殘留的金屬。
接著參考圖4A-C，以描述一個(gè)終點(diǎn)偵測(cè)的操作。參閱圖4A，其顯示 基材113的側(cè)視圖以及研磨工具105。研磨工具105沉浸于電解液120內(nèi)， 該電解液由電源供應(yīng)器302所施加的一電壓或一電流而形成一離子導(dǎo)體。 基材113位于電解液120之上，并可往下移往研磨工具105。 一般而言， 基材113包含一基本材料402 (典型由硅制成)而具有本文的特征。此基 本材料402可由數(shù)層介電材料、半導(dǎo)體材料以及導(dǎo)電材料所覆蓋。最外邊 的金屬層406于特征電路404內(nèi)已先沉積，并位于介電材料、半導(dǎo)體薄層 以及導(dǎo)電層之上。更具體說(shuō)，該金屬層406為銅。 一保護(hù)層408覆蓋于金 屬層406之上，此保護(hù)層408用以確保研磨發(fā)生時(shí)其可主要與研磨工具105 接觸。導(dǎo)電液一部分的保護(hù)劑可保護(hù)即將被研磨的金屬層上的凹陷區(qū)域，
更具體而言，保護(hù)劑包含BTA、 TTA等等。根據(jù)圖4B的顯示，保護(hù)層408 并未出現(xiàn)于研磨工具105與金屬層406的界面間。圖4B的研磨系機(jī)械研 磨(其為基材113與研磨工具105間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果)與陽(yáng)極分解(其為 基材113與電解液120間化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果)之一種綜合。
研磨步驟將繼續(xù)直到多余的金屬塊已經(jīng)移除，屆時(shí)，終點(diǎn)偵測(cè)器306 將指示控制器314 —個(gè)研磨終點(diǎn)已經(jīng)達(dá)成。圖4C描述一個(gè)研磨終點(diǎn)時(shí)基 材之一個(gè)表面狀況。銅金屬線(亦即，特征電路404內(nèi)的銅)由于被保護(hù) 計(jì)保護(hù)以及其未與研磨工具105接觸的事實(shí)，而未被研磨。于一實(shí)施例中， 允許于某段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)研磨，以確保移除足夠的金屬殘留物。此種研磨稱 為"過(guò)度研磨"，因?yàn)檠心ソK點(diǎn)已經(jīng)被偵測(cè)出，過(guò)度研磨可被小心的計(jì)時(shí) 與控制以減少銅產(chǎn)生碟形現(xiàn)象(dishing)，并使晶圓產(chǎn)量達(dá)最佳化。
參考圖5，曲線500顯示電解研磨電流(由電源供應(yīng)器302提供)相 對(duì)于時(shí)間的變化。電流值系顯示于垂直軸上，時(shí)間則顯示于橫軸上。經(jīng)由 曲線500所例示的研磨循環(huán)，電傭供應(yīng)器302維持一相當(dāng)?shù)墓潭妷?。?此模式的操作是當(dāng)作"電壓模式"操作，因?yàn)橐粋€(gè)固定的電壓施加于研磨 室。需注意的是，電流曲線直接由儀表318所產(chǎn)生并未像圖5所示般的平 滑，但其信號(hào)可藉由一電子過(guò)濾器或軟件平均化處理而被平滑
于tO至tl的第一時(shí)間區(qū)間中，于電流產(chǎn)生很小的變化或者沒(méi)有變化 的情形下進(jìn)行研磨。于此時(shí)間區(qū)間中的基材狀態(tài)由圖4B顯示。此時(shí)，根 據(jù)由金屬層406供應(yīng)而可獲得的金屬離子(例如一個(gè)銅薄層的銅離子)， 保持一個(gè)相對(duì)高的電流。在時(shí)間tl時(shí)，信號(hào)上的下降是對(duì)應(yīng)于一連續(xù)薄膜 與一不連續(xù)薄膜之間的轉(zhuǎn)變。tl的信號(hào)下降可由終點(diǎn)偵測(cè)器316所偵測(cè)， 于時(shí)間tl時(shí)，終點(diǎn)偵測(cè)器316可發(fā)出信號(hào)給控制器以維持相同的電壓(如 圖5所示)或者改變制程至一較低的電壓(如以下所示以及圖6)。
于tl至t2的第二個(gè)時(shí)間區(qū)間時(shí)，其顯示電流減少，其可由終點(diǎn)偵測(cè) 器316所偵測(cè)。此時(shí)間區(qū)間可由圖4B以及圖4C所示的研磨狀態(tài)間的時(shí)間 區(qū)間所代表。電流的減少是因?yàn)槿芙庥陔娊庖褐薪饘匐x子減少的緣故，介 于tl與t2間的時(shí)間區(qū)間典型地對(duì)應(yīng)于一個(gè)特薄連續(xù)金屬層與一個(gè)不連續(xù) 金屬層之間的轉(zhuǎn)變。 一個(gè)不連續(xù)金屬層的研磨會(huì)導(dǎo)致較少的銅離子釋放于 電解液中，而造成一個(gè)較低的電流。于時(shí)間t2，電流開(kāi)始穩(wěn)定下來(lái)，亦即，
曲線500的斜率趨近于0。這是因?yàn)榻饘匐x子(亦即，金屬層406)的來(lái)
源已經(jīng)實(shí)質(zhì)地減少耗盡。 一個(gè)相當(dāng)程度的電流穩(wěn)定即代表達(dá)到一個(gè)研磨終
點(diǎn)，研磨終點(diǎn)的基材狀態(tài)顯示于圖4C，而且該終點(diǎn)由終點(diǎn)偵測(cè)器316所 偵測(cè)。在t2至t3的第三個(gè)時(shí)間區(qū)間中，基材可以選擇更多的研磨(亦即， 過(guò)度研磨)以進(jìn)一步移除金屬殘留物。當(dāng)研磨暫停時(shí)以及基材從研磨工具 上移走之后，t2至t3的時(shí)間區(qū)間可以根據(jù)一個(gè)特殊的圖案設(shè)計(jì)以及密度而 改變。于時(shí)間t3時(shí)，電源供應(yīng)器被關(guān)閉，并且基材被移至另一個(gè)研磨系統(tǒng) 的工作站以進(jìn)行其余的處理(例如清洗或研磨隔層)。
在圖5所示的例子，電源供應(yīng)器302維持一單一電壓。雖然如此，在 另一個(gè)實(shí)施例中，其施加的電壓可以于兩個(gè)或更多的數(shù)值間變化。例如， 圖6的電流曲線600描述電壓從第一數(shù)值變化至第二數(shù)值時(shí)對(duì)于電流的影 響。更明確而言，第一電壓數(shù)值于時(shí)間t0至t2的區(qū)間中維持固定，在此 時(shí)間區(qū)間中的t0至tl部分時(shí)間中，電流一開(kāi)始維持一實(shí)質(zhì)的固定量Io。 在時(shí)間tl至t2之間，可以看出一個(gè)明顯的電流減少。在時(shí)間t2時(shí)，電壓 切換至第二數(shù)值。
從較高的電壓值切換至較低的電壓值是為了增加晶圓的產(chǎn)量，更明確 地說(shuō)，較高的電壓值相對(duì)應(yīng)于一個(gè)較高的電流，而且因此對(duì)應(yīng)一個(gè)較高的 移除速率。然而， 一個(gè)較高的移除速率相對(duì)于產(chǎn)量是屬較佳的，但是就以 銅的碟型現(xiàn)象、殘留銅金屬、表面加工等等現(xiàn)象而言，較高的電壓值卻無(wú) 法提供最好的結(jié)果。因此， 一但剩余的銅薄層變的非常薄但仍呈連續(xù)狀時(shí)， 電壓屆時(shí)將切換至較低的數(shù)值。更明確地說(shuō)，此切換是根據(jù)最佳化的產(chǎn)量 而選擇的預(yù)先決定的時(shí)間數(shù)值而計(jì)時(shí)。以此方法，可以使產(chǎn)量與結(jié)果(例 如薄膜品質(zhì))達(dá)到制程最佳化的目的。
于電壓切換至第二電壓值后，電流是再度維持于一個(gè)十值得固定數(shù)值 Ip明確地說(shuō)，在時(shí)間t2至t3間，該實(shí)質(zhì)固定的電流值維持一定。于時(shí)間 t3時(shí)，可觀察到第二次電流的減少，此電流的減少是由終點(diǎn)偵測(cè)器306所 監(jiān)控著，直到于時(shí)間t4時(shí)偵測(cè)出一個(gè)研磨終點(diǎn)。在時(shí)間t4至t5間，可以 保持一個(gè)整體研磨步驟，之后，該研磨循環(huán)則完成，而且該基材可以從研 磨工作站移走以進(jìn)行后續(xù)制程。
如上所述，曲線500以及600，是以"電流模式"操作，其間，電流
于一固定電壓下被監(jiān)控著。于另一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于"電流模式"操作， 電壓的變化可被監(jiān)控，而電流保持在一個(gè)實(shí)質(zhì)的固定值。圖7顯示于電流
模式操作下一個(gè)電壓曲線700，其以一監(jiān)控的信號(hào)特征表示。電壓曲線700
根據(jù)一垂直軸所顯示的電壓值，以及一相對(duì)于橫軸所示的時(shí)間的變化而定 義。經(jīng)由研磨循環(huán)，維持電流于一個(gè)實(shí)質(zhì)的固定值。于一個(gè)研磨的起始時(shí)
段中(to至ti)，電壓維持在一個(gè)實(shí)質(zhì)的固定常數(shù)VQ，在時(shí)間tl時(shí)，可 觀察出電壓由Vo增加至V,。于時(shí)間t2時(shí)，經(jīng)由終點(diǎn)偵測(cè)器316偵測(cè)到一 個(gè)終點(diǎn)，其可觀察出一定程度的穩(wěn)定電壓。于時(shí)間t2至t3間，進(jìn)行一個(gè) 結(jié)束研磨的步驟之后，研磨將被暫停。
因此，無(wú)論操作模式為何(亦即，電流模式或是電壓模式)，根據(jù)電 源供應(yīng)器302所提供的一個(gè)信號(hào)的信號(hào)特征將可偵測(cè)出一個(gè)研磨終點(diǎn)。在 每個(gè)例子中，相同或相似的運(yùn)算法則將被使用于偵測(cè)終點(diǎn)。于一實(shí)施例中， 一個(gè)有名的運(yùn)算法則是使用來(lái)偵測(cè)該信號(hào)特征之一個(gè)預(yù)定改變速率。舉例 而言，使用于蝕刻系統(tǒng)的蝕刻終點(diǎn)偵測(cè)運(yùn)算法則可修正而與本發(fā)明使用 的。在每一個(gè)蝕刻系統(tǒng)，反射光線的波長(zhǎng)是被特別地監(jiān)控著。波長(zhǎng)的改變 代表著一個(gè)物質(zhì)已經(jīng)被充分地蝕刻。因此，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，有利 的利用這些及其類似的運(yùn)算法則以獲取其優(yōu)點(diǎn)。更普遍而言，熟知該項(xiàng)技 藝者將認(rèn)知到其它可使用以獲得優(yōu)點(diǎn)的運(yùn)算法則以及技術(shù)。
一個(gè)特殊的終點(diǎn)運(yùn)算法則將參照?qǐng)D5而敘述的，此例示的運(yùn)算法則使 用定義為"窗口 (Windows) " 510A-F的軟件。這些窗口的目的是用來(lái)監(jiān) 控一調(diào)終點(diǎn)曲線。如此一來(lái)，描述一條曲線預(yù)期的狀態(tài)將作為用來(lái)選擇窗 口的大小及數(shù)目，窗口的大小及數(shù)目可以藉由ECMP研磨工作站的操作者 定義的，并于窗口間變化。尤其是，這些窗口并非固定于圖5上的一特殊 時(shí)間間隔，而是根據(jù)曲線500的改變而反應(yīng)的。
制程的一開(kāi)始(當(dāng)電源供應(yīng)器開(kāi)啟的同時(shí))，電流數(shù)值系為Ip第一 對(duì)窗口 510A-B的高度設(shè)定使Ii必須落于一電流預(yù)定的范圍內(nèi)。假如I,并 未落于窗口高度內(nèi)，研磨工作站歐姆電阻則并未落于規(guī)格之內(nèi)，而且并未 適當(dāng)?shù)剡\(yùn)作。于本發(fā)明，制程將藉由終點(diǎn)偵測(cè)器316而自動(dòng)停止。
在適當(dāng)?shù)倪\(yùn)作時(shí)，電流在時(shí)間t0與tl間是穩(wěn)定的。換言之，終點(diǎn)曲 線500從窗口 510A-B的一端進(jìn)入，再?gòu)拇翱?510A-B的另一端出去。在
時(shí)間tl時(shí)，等待研磨的金屬層變的不連續(xù)，電流突降并且曲線500從窗口
510C的底端離開(kāi)。曲線500從窗口 510C的底端離開(kāi)代表著一個(gè)電流對(duì)于 終點(diǎn)偵測(cè)器316的突降。此信號(hào)離開(kāi)數(shù)個(gè)窗口 510D-E的底端，直到剩余 的銅已經(jīng)被移除(亦即，直到時(shí)間t2)。在時(shí)間t2時(shí)，再?zèng)]有任何銅可研 磨，而且電流系再度為穩(wěn)定的12。因此，曲線500離開(kāi)窗口 510F的一端， 而且終點(diǎn)偵測(cè)器316在時(shí)間t2時(shí)偵測(cè)出制程的終點(diǎn)。電流12是對(duì)應(yīng)于沒(méi)有 金屬離子(或者一個(gè)可以忽視的金屬離子數(shù)量)被釋放于電解液的狀態(tài)， 如此一來(lái)，相對(duì)于I,而言(例如幾安培)，典型的12是非常小的(例如 幾毫安)。 一個(gè)過(guò)度研磨的歩驟可以執(zhí)行直到時(shí)間t3時(shí)，以移除任何的殘 留物質(zhì)。
另一個(gè)實(shí)施例中，終點(diǎn)偵測(cè)器316計(jì)算所有從晶圓移除的總電量 (charge)，以決定移除物質(zhì)的數(shù)量。此計(jì)算系相對(duì)于時(shí)間而積分，此全 部的電流信號(hào)提供給研磨的小單位(cell) /晶圓(此處是指全部電流信號(hào) 或小單位電流信號(hào))。藉由確認(rèn)位于小單位電流信號(hào)下的面積(由該小單 位電流信號(hào)的積分所提供)所提供已移除的物質(zhì)以及任何漏電流，將可決 定一個(gè)研磨終點(diǎn)，藉由對(duì)應(yīng)已移除的總電量(為任何漏電流而校正的小單 位電流信號(hào)的積分)與已移除的物質(zhì)總量。以下將作更詳細(xì)的描述，此總 電量/移除關(guān)系可以理論或?qū)嶒?yàn)決定的。一個(gè)晶圓的研磨循環(huán)的終點(diǎn)偵測(cè)因 而僅需要知道尚未研磨前起始晶圓的厚度，此晶圓將研磨至起始晶圓的厚 度與移除后度之間的差等于所需的厚度即可。
目標(biāo)厚度-起始厚度一移除物質(zhì)的厚度(方程式一)
其中移除物質(zhì)的厚度為一個(gè)電量的方程式，其系由電流的積分而得 (其可為任何漏電流而校正的，詳見(jiàn)以下所述)。其中的電流信號(hào)僅系周 期性的取樣(亦即，終點(diǎn)偵測(cè)器306使用接收自電源供應(yīng)器302中儀表318 的電流數(shù)值樣本)，此積分大約是一個(gè)如下所示的總合
Quantity of Current(t)二integral(O,t)[ I(t) dt] (sum(O，t)[ I(t)*(sampling period)](方程式二)
經(jīng)由已計(jì)算整體時(shí)間內(nèi)的電流總合(亦即已移除的總電量)，此"移 除物質(zhì)的厚度"將可參考預(yù)定的總電量/移除關(guān)系而決定的。于一個(gè)實(shí)施例 中，此總電量/移除關(guān)系是儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，例如査詢手冊(cè)中。因此，査
詢手冊(cè)對(duì)應(yīng)由終點(diǎn)偵測(cè)器316所計(jì)算的數(shù)值(亦即，由總合而定的已移除 的總電量，參考上述的方程式二)與從基材移除的物質(zhì)總量。為每一個(gè)不 同制程狀況以及基材型態(tài)的變化提供一個(gè)個(gè)別的查詢手冊(cè)。舉例而言，不 同的査詢手冊(cè)將提供給已圖案化與未圖案化的不同基材。這些査詢手冊(cè)將 可進(jìn)一步以電解液組成、待移除物質(zhì)的型態(tài)等等而有不同的特性。如此一 來(lái)，終點(diǎn)偵測(cè)器316將可為適應(yīng)不同制程狀況與基材類型的變化，而作終 點(diǎn)偵測(cè)的調(diào)整。
因此，在一實(shí)施例中，終點(diǎn)偵測(cè)器316計(jì)算電流信號(hào)的積分值，而且
讀取適當(dāng)?shù)牟樵兪謨?cè)以決定相對(duì)應(yīng)的移除物質(zhì)總量。
本發(fā)明所述的査詢手冊(cè)，可以了解的是其僅代表一個(gè)實(shí)施例。更一般 而言，任何技術(shù)藉由對(duì)應(yīng)一個(gè)計(jì)算的總電量與移除物質(zhì)總量將可使用以受 益的。
一般而言，査詢手冊(cè)是可使用理論推導(dǎo)信息或?qū)嶒?yàn)推倒信息。在其它 的案例，在電化學(xué)機(jī)械研磨中，于小單位所量測(cè)的電流(亦即，總電流/
小單位電流)是與移除的金屬(例如銅)有關(guān)。該小單位(總)電流是 由下述所組成(i)漏電流，以及(ii)晶圓上的移除物質(zhì)(亦即，實(shí)際上移除 制程可以是，例如，0!+/01++/01復(fù)合移除)。漏電流通?？梢砸苑怯行?br> 電流與其來(lái)源做為其特性，此來(lái)源包含研磨工具105的導(dǎo)電組件的化學(xué)變 化(例如圖2的導(dǎo)電組件202)以及可能發(fā)生的不同的氧化作用。當(dāng)使 用一種區(qū)段開(kāi)關(guān)(zone switch)時(shí)，第一種漏電流可獲實(shí)質(zhì)地減少。 一個(gè) 區(qū)段開(kāi)關(guān)系任何研磨工具105中導(dǎo)電組件的結(jié)構(gòu)，當(dāng)研磨進(jìn)行時(shí)，其閑歇 地使其與基材相接觸。例如研磨工具105可與數(shù)個(gè)徑向?qū)щ娊M件裝配， 于研磨進(jìn)行中，其僅當(dāng)導(dǎo)電組件與基材接觸時(shí)方與電源供應(yīng)器302電性連 結(jié)。 一旦導(dǎo)電組件從基材下方旋轉(zhuǎn)出去時(shí)，導(dǎo)電源件與電源供應(yīng)器302間 的電性接觸即告終止。
第二種類型漏電流的重要度系取決于特別的研磨反應(yīng)。在銅研磨的例 子中，銅氧化作用的可能性大于排放氧氣反應(yīng)，因此，當(dāng)這兩種氧化反應(yīng) 產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，大部分的電流流往銅氧化反應(yīng)。所以說(shuō)，當(dāng)研磨銅金屬時(shí)， 由晶圓上氧氣排放的漏電流可以被忽略。在任何的例子中，漏電流可輕易 地使用一硅晶圓而得以校正，此將提供漏電流與施加于小單位的電壓之間
的關(guān)系。
既已決定(或忽略)了漏電流，則總電流便可藉由決定從晶圓上移除 的貢獻(xiàn)量而能得知。屆時(shí)，全程的總電量以及移除速率則可用某個(gè)時(shí)間點(diǎn) 上的已移除的總電量與已移除的物質(zhì)總量來(lái)表示。如同以下所述的，此可 由理論或?qū)嶒?yàn)而完成的。僅為了說(shuō)明起見(jiàn)，其研磨的物質(zhì)假設(shè)是銅金屬。 顯而易見(jiàn)的是本發(fā)明將可利用于其它任何的導(dǎo)電金屬。
在一實(shí)施例中，電流/移除速率以及電量/移除關(guān)系系由實(shí)驗(yàn)而決定的。
舉例而言，當(dāng)以電流模式操作電源供應(yīng)器302時(shí)，從一晶圓上所移除的物
質(zhì)的數(shù)量可周期性的量取(藉由量取片電阻的方式)。
或者，可為一系列不同狀況下的晶圓制程量取電流(例如微量不同 的研磨次數(shù)、電壓偏壓等)。此方式的下，可獲得一個(gè)校正曲線。于一個(gè)
特別的例子中，于不同的狀況下研磨20片晶圓，并且紀(jì)錄平均的電流。
研磨循環(huán)的前后分別量取晶圓的厚度，以決定平均的移除速率。校正曲線
(以y二1.1185x十1.2512表示之)顯示平均電流與平均移除速率之間的一 個(gè)線性關(guān)系，并允許一個(gè)預(yù)測(cè)一個(gè)已知電流的移除速率。
既己建立一個(gè)電流與移除速率的關(guān)系式后，現(xiàn)在尚待建立已移除的總 電量(由如同上述的方程式二所量取的電流數(shù)值總合獲得)與已移除的物 質(zhì)厚度之間的關(guān)系式。圖8顯示一個(gè)由實(shí)驗(yàn)決定曲線的例子，其與總電量 (參考x軸上的電流量(A*sec))與已移除物質(zhì)(參考y軸上的移除量) 有關(guān)。圖8是用來(lái)建立一個(gè)査檢表。
于操作過(guò)程中， 一個(gè)總電量的值系使用周期量取的電流數(shù)值而計(jì)算 的，適當(dāng)?shù)臇藱z表將可獲得以決定移除物質(zhì)的厚度。終點(diǎn)偵測(cè)運(yùn)算法則屆 時(shí)可決定是否已經(jīng)達(dá)到一個(gè)目標(biāo)厚度。如果是的話，研磨制程將暫停，而 且基材將從腔室中移走。
再另一個(gè)實(shí)施例中，電流/移除速率以及電量/移除關(guān)系系由實(shí)驗(yàn)決定 的。此電流/移除速率關(guān)系可由下列方式描述電流->單位時(shí)間的電量->單 位時(shí)間的移除原子->晶圓上的移除速率。
此電流/移除速率關(guān)系可取決于是否該晶圓是一個(gè)空白晶圓或是一個(gè) 已經(jīng)圖案化后的晶圓及其化學(xué)作用。在任何的實(shí)例中，此電流/移除速率關(guān) 系可由理論獲得，假如反應(yīng)方程式已知的話。舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)已知于一已 的制程中僅有01++ (并非Cu+)將被移除，進(jìn)一步假設(shè)已量測(cè)出一個(gè)200 mm的晶圓(表面面積為314cm2)上有一個(gè)IOOOA/min的均勻移除速率。 已知對(duì)一個(gè)銅晶體來(lái)說(shuō)，a = b = c = 361.49pm = 3.6149。因此， 一個(gè)單位細(xì) 胞的體積為47.23 A3。因?yàn)橛诿總€(gè)單位細(xì)胞內(nèi)有四個(gè)原子以及兩個(gè)電子， 則移除每單位細(xì)胞所需的總電量系為4原子*2電子H.6e—"C。更進(jìn)一步 說(shuō)，因?yàn)镮OOOA的體積為314e19A3，因此每IOOOA單位細(xì)胞的數(shù)量 314*e19/47.23 = 6.64e19。因而已移除的總電量則為6.64 e19*(4原子*2電子 *1.6e—19C) = 85C/min。所以， 一個(gè)IOOOA /min的移除速率系相對(duì)于1.42 八11^3的01++電流。 一個(gè)200mm的晶圓，因此，其電流/移除速率關(guān)系式 為每k埃/分有1.4安培。如此一來(lái)， 一個(gè)欲求范圍的電流與移除速率可決 定此電流/移除速率關(guān)系式。
圖9以--個(gè)線性的描繪線900描述一個(gè)電流/移除速率關(guān)系式，其中y 軸系為銅金屬的移除速率，x軸系為總電量(根據(jù)漏電流補(bǔ)償)。需注意 的是此關(guān)系乃為實(shí)質(zhì)地線性關(guān)系。因此，描繪線900可由y二mx+b描述， 其中m為線的斜率。此線的斜率取決于發(fā)生的氧化作用過(guò)程。舉例而言， 當(dāng)發(fā)生移除01+以及01++時(shí)，斜率取決于01+/01++的移除速率。藉由上 述的說(shuō)明，回想計(jì)算單純01++時(shí)的移除電流關(guān)系式為每1^埃/分有1.42安 培，相類似的方式計(jì)算單純的Cu+電流關(guān)系式為每k埃/分有0.71安培。 因此，假如包含01+以及01++兩者的移除時(shí)，電流/移除速率關(guān)系式將介 于0.71與1.42安培每k埃/分。最后，有效電流將取決于其所參與的特殊 化學(xué)作用。
既已建立的單位細(xì)胞電流與移除速率間的關(guān)系式，尚待建立的僅為建 立一個(gè)此關(guān)系式有意義的應(yīng)用，用以決定一個(gè)研磨循環(huán)終點(diǎn)。如上所述， 終點(diǎn)的決定系藉由從已量測(cè)的電流計(jì)算已移除的總電量。因此，其所需的 乃式求取在一個(gè)己知時(shí)間下，已移除的總電量與已移除的物質(zhì)總量之間的 關(guān)系。因?yàn)楦鶕?jù)以上所述的方法，已建立一個(gè)介于單位細(xì)胞電流與移除速 率間的理論關(guān)系，此推導(dǎo)的關(guān)系式可以以己移除的總電量與已移除的物質(zhì) 總量來(lái)表示。此已移除的總電量與已移除的物質(zhì)總量之間的關(guān)系將可用來(lái) 建立查詢手冊(cè)，其可由終點(diǎn)偵測(cè)器316來(lái)使用，以決定再一個(gè)已知的時(shí)間 點(diǎn)所需移除的物質(zhì)的數(shù)量，以及， 一個(gè)研磨循環(huán)的終點(diǎn)。更明確的說(shuō)，可
藉由量測(cè)時(shí)間過(guò)程的電流量并解以下的方程式(其為方程式一的特殊例 子)以求得該厚度
Thickness(t) = Initial—Thickness — S腿(O,t)[(Current(t) — Leakage(V(t)))*Current—To—Removal—Cofficient](方程式三)
其中Current—To—Removal—Cofficient系為電流/移除速率曲線(例如圖 9的描繪線900)的斜率(m)，以及漏電流系為一常數(shù)("b")。因此， 不同制程/晶圓的可以儲(chǔ)存于査詢手冊(cè)中，對(duì)于一個(gè)已知的制程其可用來(lái)讀 取適當(dāng)?shù)?m"與"b"數(shù)值。
假如一個(gè)晶圓己經(jīng)圖案化，則需考慮密度系數(shù)，其假如選擇度為 100%,僅于升起的區(qū)域發(fā)生移除。密度系數(shù)根據(jù)數(shù)的理由而為銅厚度的方 程式，其包含所有突出物之間起始高度的差距，以及其所需平坦的特征電 路的不同速度。更進(jìn)一步而言，因?yàn)楫?dāng)其輪廓已平坦時(shí)高起的區(qū)域隨著研 磨密度接近1而減少。因此，系數(shù)1/密度(厚度(時(shí)間))(coefficient 1/Density(Thickness(t)))可以用來(lái)校正一個(gè)圖案化晶圓的厚度評(píng)估。
Thickness(t)=Initial—Thickness—Sum(O,t)[(Current(t) — Leakage(V(t)))*Current—To_Removal—Cofficient/Density(Thickness(t))] (方程式四)
因此，由方程式四中可以看出其比方程式三更屬一個(gè)普遍一般的方程 式，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)空白未圖案化的晶圓來(lái)說(shuō)此系數(shù)1/密度(厚度(時(shí)間))為 1，此時(shí)方程式三與方程式四相同。再說(shuō)明一次，為求解厚度所需的此些 使用方程式四的系數(shù)與漏電流可儲(chǔ)存于査詢手冊(cè)中。
一般而言，在此所描述的終點(diǎn)偵測(cè)運(yùn)算法則可以以硬件、軟件或兩者 合并的方式執(zhí)行的。因此本發(fā)明之一實(shí)施例系以計(jì)算機(jī)使用的一程序產(chǎn)品 執(zhí)行的，例如，分別顯示于圖1與圖3的系統(tǒng)100以及300。此程序產(chǎn)品 中的程序系定義較佳實(shí)施例的數(shù)功能，以及可由不同的信號(hào)承載媒體(或 計(jì)算機(jī)可讀取的媒體)所儲(chǔ)存，其可包含(i)永久儲(chǔ)存于非可寫(xiě)入的儲(chǔ)存 媒體中的信息(例如計(jì)算機(jī)中僅可讀取記憶裝置，如CD-ROM光盤(pán)片 由CD-ROM光驅(qū)讀取)(ii)儲(chǔ)存于可擦寫(xiě)儲(chǔ)存媒體中的可修改信息(例 如計(jì)算機(jī)中的軟盤(pán)機(jī)或硬盤(pán))(iii)藉由一通訊系統(tǒng)而傳送至一計(jì)算機(jī) 的信息，例如，經(jīng)由一計(jì)算機(jī)或包含無(wú)線傳輸?shù)碾娫捑W(wǎng)絡(luò)，但并不僅限于
以上所述。之后的實(shí)施例更包含從網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)或其它網(wǎng)絡(luò)下載的信息，當(dāng)這 種信號(hào)承載媒體攜帶計(jì)算機(jī)可讀取的裝置，而指揮本發(fā)明功能時(shí)，其乃代 表本發(fā)明的數(shù)個(gè)實(shí)施例。
熟知該項(xiàng)技藝者當(dāng)可認(rèn)知以上所述的實(shí)施例僅為說(shuō)明起見(jiàn)，本發(fā)明可 適用于眾多其它的實(shí)施例中。舉例而言，前述的數(shù)個(gè)實(shí)施例描述一個(gè)面朝
下(facedown)的研磨電解技術(shù)，亦即，處理中的基材相對(duì)于研磨墊而言
乃位于一個(gè)面朝下的方位。然而，在其它的實(shí)施例中，其乃運(yùn)用一個(gè)面朝 上的電解研磨技術(shù)。這些與其它的實(shí)施例將視為落于本發(fā)明的范圍中。
以上所述乃根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明的其它實(shí)施例以及本發(fā)明的 更進(jìn)一歩的實(shí)施例乃視為未脫離本發(fā)明的基本范圍以及權(quán)利要求范圍之 外。
權(quán)利要求
1.一種偵測(cè)研磨終點(diǎn)的方法，包括放置基材與研磨墊相接觸；通過(guò)電解液在研磨墊的電極和基材上的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電物質(zhì)之間傳送電子訊號(hào)，該電子訊號(hào)驅(qū)動(dòng)基材上的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電物質(zhì)的電解研磨制程；以及偵測(cè)電解研磨的研磨終點(diǎn)，其中上述偵測(cè)電解研磨的研磨終點(diǎn)的步驟包含確定在電解研磨該基材的過(guò)程中，自基材移除的總電量；以及將移除的總電量與從基材去除的物質(zhì)厚度相關(guān)聯(lián)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中上述偵測(cè)該電解研磨的研磨終點(diǎn)步 驟包含確定基材預(yù)先量測(cè)的起始厚度減去去除的物質(zhì)厚度的差值是否等于 或者小于基材的選定目標(biāo)厚度。
3. —種電化學(xué)機(jī)械研磨系統(tǒng)，該系統(tǒng)至少包含 導(dǎo)電研磨墊；電源供應(yīng)器，其可通過(guò)經(jīng)由電解液從置于導(dǎo)電研磨墊中的電極到置于 研磨墊上的基材限定的電路通路而提供電子訊號(hào)；和終點(diǎn)偵測(cè)系統(tǒng)，其可監(jiān)控電子訊號(hào)的訊號(hào)特征，用以偵測(cè)出研磨終點(diǎn)， 其中該終點(diǎn)偵測(cè)系統(tǒng)配置用于通過(guò)執(zhí)行以下操作而偵測(cè)研磨終點(diǎn)，包含確定自基材移除的總電量；將移除的總電量與自基材去除的物質(zhì)厚度相關(guān)聯(lián)；以及 確定基材預(yù)先量測(cè)的起始厚度減去去除的物質(zhì)厚度是否等于或者小 于基材的選定目標(biāo)厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種偵測(cè)研磨終點(diǎn)的方法和系統(tǒng)，其中放置基材與研磨墊相接觸；通過(guò)電解液在研磨墊的電極和基材上的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電物質(zhì)之間傳送電子訊號(hào)，該電子訊號(hào)驅(qū)動(dòng)基材上的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電物質(zhì)的電解研磨制程；以及偵測(cè)電解研磨的研磨終點(diǎn)，其中上述偵測(cè)電解研磨的研磨終點(diǎn)的步驟包含確定在電解研磨該基材的過(guò)程中，自基材移除的總電量；以及將移除的總電量與從基材去除的物質(zhì)厚度相關(guān)聯(lián)。
文檔編號(hào)B24B37/00GK101176988SQ200710181529
公開(kāi)日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2003年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月22日
發(fā)明者安東尼·P·馬奈斯, 秀 梁, 彥 王, 艾倫·杜布斯特, 陳良毓 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料股份有限公司