[发明专利]电化学机械研磨系统和用于检测研磨终点的方法

说明书

本申请为于2004年7月22日进入中国国家阶段的申请号为03802547.7的专利申请(PCT申请号为PCT/US03/01760、国际申请日为2003年01月21日)的分案申请，在此引用其全部内容作为参考。

技术领域

本发明涉及与研磨、平坦化、电镀及其相关制程的组合有关，更明确言之，是关于研磨制程的终点侦测及其电化学机械与电子研磨的监控。

背景技术

深次微米多重金属化制程是为下一个极大规模集成电路(ULSI)的主要技术之一，其中位居此技术核心的多重内联机需将其具有高深宽比的孔隙，包括接触窗、介层窗、渠沟等其它特征加以平坦化。可靠的制造这些内联机的特性，对于极大规模集成电路的成功以及持续致力于增加个别基材和晶粒的积集度与品质乃是非常重要的。

制造集成电路及其它电子产品时，多层导体、半导体及介电材料乃沉积于一基材表面或将之除去。导体、半导体及介电材料的薄层可藉由数次的沉积技术而成，近来一般的沉积技术的制程包含有物理气相沉积(PVD)，例如已知的溅镀法，化学气相沉积(CVD)，电浆增强式化学气相沉积(PECVD)以及电化学电镀(ECP)。

当材料一层层接续地沉积与除去后，基材最上方的表面上将变成不平坦而需要进行平坦化。利用电化学电镀制程所沉积的铜膜就是一个不平坦表面制程的例子，该铜膜的表面形状完全地依照已存在的表面不平坦的晶圆表面，特别是线宽大于10微米的晶圆。平坦化一个表面或者研磨一个表面乃为一个将材料从基材表面除去以形成一个十分平顺且平坦的表面的制程。在除去不要的表面形状与表面缺陷时，特别是粗糙的平面、结块的材料、晶格缺陷、刮痕、遭污染的薄膜或材料，平坦化是有用的。为了后续多层的金属化及处理，藉由去除用以填补及提供平坦表面的多余沉积材料以形成基材上的特征电路，平坦化制程亦是十分有帮助的。

化学机械平坦或是化学机械研磨(CMP)是一个用于平坦基材的常见技术。化学机械研磨利用一化学化合物，特别是一种浆料或它种流体介质，以选择性地从基材上去除物质。在传统化学机械研磨的技术中，一个化学机械研磨的装置里，一个基材载具或研磨头乃安装在一个载具组件中，并且朝向与研磨垫接触的位置。该载具组件乃提供基材一个可控制的压力，以压挤基材顶住该研磨垫。该研磨垫利用一个外部的驱动力与该基材相对移动。化学机械研磨装置使得基材表面与研磨垫间相互研磨或摩擦，并且于此同时散布一研磨化合物以影响其化学变化及/或机械变化，并不断的从基材表面除去物质。

另一种平坦化技术是电化学机械研磨(ECMP)，此技术藉由电化学溶解将导电物质从基材表面移除，并同时利用较传统化学机械研磨制程为小的机械摩擦研磨该基材。电化学溶解是利用施加于阴极与基材间的一偏压，将基材表面的导电物质移除至周围的导电液中。明确言之，该偏压是利用与基材支撑装置上基材表面相接触的一导体环而施加，该基材支撑装置例如是一个基材加载头。机械磨蚀是利用基材与传统的研磨垫相接触，并使其两者间产生一相对运动而生。

研磨的目的之一是移除一可预定数量的物质。因此，任何研磨技术皆需要一个终点侦测，以决定何时适当数量的物质已经移除。然而，由于研磨制程系于基材与研磨垫间的接触运作，因此并不容易目视判断。

此外，不同的研磨情况会阻碍研磨终点的正确判断。不同的研磨液化合物、研磨垫的状况、研磨垫与基材间的相对速度以及研磨垫上基材的负载...等皆可造成去除物质速率的变化，此速率将改变研磨至研磨终点所需的时间。因此，研磨终点不可能仅仅以研磨时间的方程式来评估。

另一个求得研磨终点的预测方法乃是从研磨表面去除基材，并量取基材上剩余薄膜的厚度。于研磨过程中重复此步骤，而可以决定从基材所去除的物质的量。如此一来，一个去除物质的线性逼近可以用来决定研磨终点。然而，这个方法相当费时，而且对于量测间隔间所产生的移除速率的突然变化并未考量在内。