CN1093790C - 基片的抛光方法及其抛光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抛光基片的方法和装置，它采用抛光垫和浆液能够精确检测抛光终点。此抛光装置包括与表面上的抛光垫一起形成并被驱动旋转的底盘；在底盘上方转动并相对底盘表面往复式地移动，和固定待抛光基片的托架；将作为磨料的浆液供应到抛光垫表面上的浆液供应装置。通过磨料和抛光垫，借助于将托架固定的基片推向抛光垫上的方式来完成抛光基片表面；在抛光过程中，通过安装在托架上的检测弯曲的装置检测基片弯曲状态；以根据弯曲状态检测抛光终点，从而分别停止底盘、托架和磨料供应装置的抛光操作。

Description

基片的抛光方法及其抛光装置
本发明通常涉及到一种探测终点的方法。更具体地，本发明涉及到一种采用化学机械抛光工艺(CMP)抛光金属薄膜的方法及其所用抛光装置。
在制造半导体器件的过程中，要进行对半导体基片(晶片)上形成的金属薄膜抛光的工艺步骤。为了最佳地进行抛光，有必要准确地检测抛光终点以终止抛光。作为第一类探测抛光终点的现有技术，在日本待审查的专利公开说明书(特开)No.平6-120183(1994)公开了一种采用旋转底盘的技术。图5是表示第一项现有技术结构的图解示意图。在所公开的技术中，带有一开口24a的抛光垫24安装在旋转底盘23的表面上，底盘23将待抛光的晶片21固定在托架22上。晶片21借助托架22被推向抛光垫24的表面上。在这种条件下，托架22和底盘23被驱动旋转，同时来自供料25的作为磨料的浆液提供到抛光垫24的表面以完成对晶片表面的CMP抛光。在此时，于抛光垫24的开口24a中的浆液离子穿过在底盘侧面和晶片侧面上的布线层而处于导电状态。因此，由于从电源26供应电能，通过安培计27测量其上的电流。因为检测到的电流值随着剩余在晶片表面的薄膜厚度而变化，所以通过监视检测电流可以检测到抛光终点。
另一种方法，第二类探测抛光终点的现有技术已经在日本待审查的专利公开说明书No.平6-2106095(1994)公开。图6表示实施第二项现有技术的构造。在抛光晶片31时，托架32被驱动旋转的旋转速度由电机35的转速指示计36测量。托架32的旋转速度由控制单元27控制以便在整个抛光操作中保持恒定。当抛光是在前述条件下进行时，根据平整晶片表面的进展，产生于托架32上的转矩变小。此转矩由用作抛光阻尼测量装置的转矩仪38测量。将检测到的极限条件下的转矩作为抛光终点。在图6中，标号33代表由电机33a驱动旋转且携带在此表面上的抛光垫的底盘，标号34代表浆液供应源。
另外，还提出了通过光学检测待抛光晶片的薄膜厚度或其上的表面条件来检测抛光终点的技术。这第三类现有技术已经在日本待审查的专利公开说明书No.平7-283178(1995)中公开。在所公开的技术中，将一种能量射线(如红外线)从待抛光晶片的前方表面提供到表面侧的背面。通过检测穿过晶片后能量的变化来检测薄膜厚度以及由此检测抛光的终止点。在此技术中，当红外线穿过晶片时，在原子和结合的原子中产生特定波长的吸收。因此，通过监视能量吸收值，可以检测到抛光终点。
在另一种方法中，第四类现有技术已经在日本待审查的专利公开说明书No.平8-17768(1996)中公开，此技术提出在抛光过程中以一定时间间隔定时地围绕光学传感器移动待抛光的晶片，并且通过光学方法测量待抛光的晶片或薄膜以检测终点。
在第一类现有技术中，连续抛光晶片过程中的电流对于任何种类的晶片并不恒定地维持在一确定的范围。因此，它需要每次进行设定，这使抛光操作麻烦。这种问题对于检测转矩变化的第二类现有技术同样存在。其原因在于，在第一类现有技术中，不能将指定量和指定浓度的浆液供应到抛光垫的开口中，且由于晶片表面的图形差异和抛光垫的差异会引起电流值的波动。在第二类现有技术中，即使为更新抛光垫表面而进行磨光，但仍会引起转矩的变化(切换)，因为疲劳一直在抛光垫表面产生。
另一方面，在前述的第三类现有技术中，检测层厚度是基于相对于特定薄膜的组成。然而，难于高精度地探测待抛光的目标膜层的化学组成。因此，难于高精度检测层厚度。其原因在于在多层和高集成化晶片表面结构中难于检测仅仅一层的化学组成。另一方面，依据检测到的不同材料的层厚度，有必要重新设定。还有，在第四类现有技术中，测量晶片必须在中断抛光操作下完成，除了抛光周期外还需要另外的测量周期，这样降低了生产率。其原因在于支撑晶片的托架必须从抛光垫上方的位置移动到光学传感器上方的位置处。
本发明的一个目的是提供一种检测抛光基片终点的方法，该方法能够高精度检测抛光终点以实现准确抛光，以及所用的装置。
根据本发明的一个方面，完成抛光基片的抛光方法是将基片固定在托架上，通过托架将基片推向抛光垫以抛光基片表面，其中，在抛光基片过程中检测基片的弯曲状态以检测抛光终点。
在优选的结构中，检测基片的弯曲是通过测量介于基片背面部分和托架之间的距离。在这种情况下，介于基片背面部分和托架之间的距离是从光反射到基片背面的时间信息中推算的。
根据本发明的另一个方面，用于基片的抛光装置包括：
与表面上的抛光垫一起形成并被驱动旋转的底盘；
在底盘上方旋动并相对底盘表面往复式地移动和固定待抛光基片的托架；
将磨料供应到抛光垫表面上的装置，为的是通过磨料和抛光垫，借助于将托架固定的基片推向抛光垫上的方式来完成抛光基片表面；
安装在托架上用于检测基片弯曲状态的装置；以及
根据弯曲状态分别停止底盘、托架和磨料供应装置的抛光操作的装置。
在优选的结构中，检测基片弯曲状态的装置是用于测量介于基片背面和相对于基片背面的托架内表面之间的距离，以及基于测得距离的变化检测弯曲反向的装置。在这种条件下，检测基片弯曲状态的装置是用于测量从发射光到基片背面直到接收其反射光的时间长度的装置，以及基于测得的时间长度计算距离的装置。用于测量时间长度的装置可以安装在盘状基片的外周边部分上的相对处。
本发明将从下面给出的详细描述和本发明的优选实施方案的附图中得到更全面地理解。然而，这些并不意味对本发明构成限制，仅仅是为了解释和理解而已。
在下面附图中：
图1是表示本发明抛光装置的优选实施方案的总体构成的原理图。
图2A和2B是用于本发明抛光装置的优选实施方案中托架的放大截面图和底视图。
图3是解释检测终点操作过程的流程图。
图4A1、4B1、4C1、4A2、4B2和4C2是工艺步骤的图解说明，是按照次序表示晶片抛光条件和终点检测操作之间关系的。
图5是说明第一类现有技术的示意图。
图6是说明第二类现有技术的示意图。
本发明将结合本发明的优选实施方案并参考附图在下文中更具体地讨论。在下面的描述中，给出了许多具体细节以保证对本发明的全面理解。然而，对本领域技术人员而言显而易见是无需这些具体细节就可以实施本发明。另外，公知的结构并没有具体说明以避免不必要的混淆本发明。
图1是表示本发明抛光装置的优选实施方案的总体构成的图解示意图。在围绕自身轴由旋转轴1a转动的盘状底盘1的表面上，抛光垫2被整体地安装在其上。底盘1由转动底盘驱动部分3旋转地驱动，驱动部分3由电机、速度切换器等构成。另一方面，在底盘1上方的位置处，安装了用于固定待抛光的半导体基片(晶片)4的托架5。并且，在邻接托架5的位置处，配备了浆液供应管6和浆液供应控制部分7以便将作为磨料的浆液供应到抛光垫上。
托架5的放大截面图和底视图示意在图2A和2B中。如图所示，托架5呈倒置的浅盘状构型且适合于被转动轴5a转动。用于防止待抛光的半导体基片4飞离的夹持环8安装在托架5的外周边缘部分。并且，背垫9放置在底部表面部分。结果，半导体基片2被支撑在夹持环8和背垫9之间。转动轴5a由转动托架驱动部分10旋转驱动，此驱动部分由电机、减速传动装置等构成。安装托架操作控制部分11是为了控制转动托架驱动部分10和控制托架5在垂直方向的换向。
在托架5上的背垫9的邻接其圆周边缘处的许多位置处安装了光学传感器12。在所示的实施方案中，四个光学传感器以等角间隔安装在圆周边缘。尽管省略了对光学传感器12的详细描述，但是光学传感器12可以测量背垫9和晶片4表面之间的距离，方法是从内在光发射元件发射一光束透过托架5，并用内在光敏元件接收其反射光以检测接收时间，根据发射和接收之间的时间差值来测量距离。光学传感器12与光学传感器测量部分13相连接。接着，光学传感器测量部分13连接CPU14。终点检测部分15与CPU14连接，而终点检测部分15根据光学传感器测量的距离来检测抛光终点。旋转底盘驱动部分3、浆液供应控制部分7和托架操作控制部分11与终点检测部分15相连接。应该注意的是在所示的实施方案中，背垫9用一种湿型(如绒面型)泡沫体(连续泡沫体)构成。另一方面，夹持环8可以由塑料如晶态聚醛树脂或类似物构成。另外，对于光学传感器，可见光束或红外区域的激光束可以用作测量光束。
下面讨论在按照本发明抛光方法的较佳实施方案中抛光操作的整个过程。首先，将待抛光的晶片4放置在由背垫9和夹持环8夹持在其中的托架5内。同时，托架5由托架操作控制部分11向下转相以使由托架5传送的晶片4与底盘1上的抛光垫2配合。接着，旋转底盘驱动部分3驱动底盘1旋转。同时，旋转托架驱动部分10驱动托架5旋转。另外，浆液通过浆液供应控制部分7的控制将从浆液供应管6供应到抛光垫2上。由此，使用抛光垫2和浆液完成CMP抛光晶片表面操作。
检测抛光终点的操作以流程图的形式示意于图3中。在光学传感器12中，将从发射光束到接收反射在晶片4背面上的反射光的时间长度这一时间信息读数输入光学传感器测量部分13。来自光学传感器测量部分13的输出再输入到CPU14。在CPU中，时间信息转换成距离信息，再输入到终点检测部分15。在终点检测部分15中，不同的距离信息条件一次接一次检测。当检测距离减少到预先设定的距离时，检测到抛光终点，则输出抛光终点信号。抛光终点信号输出到浆液供应控制部分7、托架操作控制部分11和旋转底盘驱动部分3。首先，抛光终点信号输入到浆液供应控制部分7以停止供应浆液。随后对抛光终点信号的响应，托架条件操作控制部分11使得托架5向上转换以使抛光压力为0，进而，晶片4从与抛光垫2相接触的状态离开。并且，抛光终点信号从托架操作控制部分11传递给旋转托架驱动部分10以终止托架5的转动。最后，通过将抛光终点信号输入到旋转底盘驱动部分13，底盘1的转动被停止，则终止了整体抛光操作。
图4A1～4C2表示按照次序的抛光操作的实施例。如图4A1所示，形成这样一种结构，其中较低位置的绝缘膜41，由Ti膜42、TiN膜43、ALCu膜44和TiN45作为导线构成叠层金属布线，偏磁ECRSiO2层46作为中间绝缘层；开口于金属布线上的通孔被TiN膜47和防护W膜48掩蔽。如图4A2所示，晶片4放置在托架5内并由在背面上的背垫9支撑。在此条件下，防护W膜48于晶片表面上形成，晶片4在防护W膜的机械强度作用下向上凸出弯曲。因此，此时由光学传感器检测到的介于晶片背面外周边部分和背垫之间的距离L0相对地变大。此时，晶片应力是500Mpa，弯曲量约40μm。
使用图1所示的抛光装置，抛光操作是在如下条件进行：底盘旋转速度为50r.p.m，托架旋转速度为40r.p.m，抛光压力5.0psi，背面压力为0psi，浆液供应流动速度为100cc/min。所用浆液的颗粒种类是氧化铝颗粒，且PH约4。在图4B1中，图解示意出抛光防护W膜48的中间状态，此时，由于防护W膜48的厚度减少，晶片4的弯曲减少。因此，由光学传感器检测到的介于晶片4背面和背垫9之间的距离L1变成小于L0。
接着，随着抛光过程进行，如图4C1所示防护W膜48和TiN膜47被去除。结果，形成W(钨)芯棒。此时，如图4C2所示，因为在晶片4表面上的防护W膜48被整个去除，防护W膜48的机械力消除。结果，晶片从抛光前弯曲状态变成反向向下凸出形状。因此，晶片4背面的外周边部分至背垫的距离L2进一步变小。通过光学传感器12检测这一状态，晶片弯曲的反转能够检测到，结果通过终点检测部件可以检测到抛光终点。在检测终点的同时，按照如上的图3所示的流程图完成操作。
因此，在抛光操作中，通过检测晶片4的弯曲状态能够检测到抛光终点。故仅仅需要提供一个检测晶片表面状态的装置，并且不需要现有技术中所需的复杂测量仪器。另一方面，所示的该方法的实施并不是在抛光中根据唯一特定膜层检测终点的方法，而是不管晶片表面上的膜层种类如何，都能够高精度地检测抛光终点。因此，实现了适宜抛光。另外，随着抛光进行能够连续地检测抛光终点，抛光效率不会降低。
应该注意到在所示的实施方案中，存在这样一种情况，即晶片背面压力设置为0psi，本发明优选地是在0psi下完成抛光。其原因在于当背面压力是0psi，晶片充分弯曲以使终点检测容易和精确。当为了改善抛光速度和晶片表面的均匀性提高背面压力时，可以通过设定抛光程序。在每个预置的期间(如每一分钟)内***0psi抛光条件以检测终点。另一方面，在所示的实施方案中，尽管举例是抛光晶片上的防护W膜，但是对于抛光其它金属膜也同样适用。
如上所述，本发明通过检测待抛光基片的弯曲状态来检测基片表面上薄膜状态，以便检测基片的抛光终点。不管基片表面上的薄膜种类、浆液、抛光垫等等如何，都能够精确检测终点，成功地避免了不必要的过抛光。进而，因为由晶片表面图形导致弯曲的波动和晶片之间的应力(弯曲)波动相当小，不必修改设置范围，即使当连续抛光晶片时。还有，由于随着抛光进行抛光基片终点可以连续地精确确定，不必中断抛光。因此，由于缩短每个基片的抛光周期，抛光效率得以改进，则提高了抛光生产率。
尽管本发明结合具体实施例已经说明和叙述，但是，应该理解到本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围内可以对前述的作出各种其它变化、省略和增加。因此，本发明不应该理解成限定于前述的具体方案中，而是应该包括所有的在所附权利要求书提出特征的范围中能够实施的技术方案。

Claims (7)

1.一种将在托架上的基片进行抛光的抛光方法，在所述方法中，将所述基片推向一个抛光垫使之与所述抛光垫紧密接触，并将所述基片表面抛光，在抛光所述基片过程中检测所述基片的弯曲状态以决定抛光所述基片过程中的抛光终点，其特征在于：检测基片的弯曲状态是通过测量介于与被抛光的所述基片表面相对的所述基片的背面的一部分与所述托架之间的距离而进行的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述基片的弯曲是通过光学检测进行的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述介于所述基片的背面的一部分和所述托架之间的距离是通过检测光被导向横越所述托架到被所述基片背面反射出来所需的时间而决定的。
4.一种基片的抛光装置，其包括：
一个在其表面上形成有抛光垫并被驱动旋转的底盘；
在所述底盘上方转动并相对于所述底盘表面往复式地移动的托架，所述托架固定所述待抛光基片；
用以将磨料供应到所述抛光垫表面上、用以通过所述磨料和所述抛光垫借助将由所述托架固定的所述基片推向所述抛光垫的方式来完成抛光所述基片表面的磨料供应控制装置；
用以通过测量介于与被抛光的所述基片表面相对的所述基片的背面的一部分与所述托架面对所述基片的背面的内表面之间的距离而检测所述基片的弯曲状态并用以根据所测量的距离的变化检测弯曲的反向的检测装置；以及
根据所述弯曲状态终止抛光操作的控制装置。
5.根据权利要求4所述的基片抛光装置，其特征在于：所述检测装置包括：一个用以测量从发射光到所述基片的背面直到接收所述基片反射的光的时间长度的光学传感器；一个用以根据测量的时间长度计算距离的计算机。
6.根据权利要求5所述的基片抛光装置，其特征在于：所述光学传感器安装在盘状基片周边部分的相对处。
7.根据权利要求6所述的基片抛光装置，其特征在于：所述光学传感器包括多个安装在所述托架上的光学传感器件。
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