[发明专利]抛光状态监测装置和抛光装置以及方法

说明书

本申请是申请日为2003年10月15日、申请号为200380101631.2、发明名称为“抛光状态监测装置和抛光装置以及方法”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于监测工件的抛光状态的装置，以及更具体地，涉及用于测量例如半导体晶片的工件(待抛光的对象)之被抛光表面的特征值，以确定抛光结束点(抛光停止或者抛光条件的改变)之定时的抛光状态监测装置。本发明也涉及结合这种抛光状态监测装置的抛光装置，以及抛光方法。

背景技术

随着半导体器件在最近几年已经变得更加高度集成化，电路互连已经变得更细，并且待集成的器件已经成为多层结构。因此，必须抛平半导体晶片的表面。通过化学机械抛光(CMP)处理从半导体晶片的表面祛除表面不平度，由此抛平半导体晶片的表面已经成为了通常做法。

根据化学机械抛光处理，在半导体晶片已经被抛光一特定周期之后，需要在半导体晶片上期望的位置结束该抛光。例如，可以优选地在Cu(铜)或Al(铝)的金属互连结构上保留例如SiO₂的绝缘层(这种绝缘层被称为层间膜，因为在随后的处理中将在该绝缘层上形成金属层、)。如果半导体晶片被抛光的比需要的多，那么就会在表面露出下面的金属膜。因此，为了使层间膜保持预定厚度，需要结束抛光处理。

根据另一种处理，在半导体晶片表面形成互连凹槽的预定构图。在利用Cu(铜)或Cu合金填充在互连凹槽之后，通过化学机械抛光(CMP)处理将不必要的部分从半导体晶片的表面祛除。当通过CMP处理抛光Cu层时，必须有选择地从半导体晶片上祛除Cu层，同时只保留互连凹槽中形成的Cu层。具体地说，需要在除互连凹槽之外的区域中将Cu层祛除，以露出SiO₂等的绝缘膜。

在这种情况下，如果过度地将互连凹槽中的Cu层与绝缘层一起抛光，则电路电阻将会增大，并且将不得不废弃整个半导体晶片，从而导致很大的损失。反之，如果Cu层没有被充分抛光而保留在绝缘层上，则将不能很好地分割电路，这样会引起短路。结果，Cu层需要再次被抛光，导致制造成本增加。

这样，存在已知的抛光状态监测装置，用于利用光学传感器来测量反射光的强度以及基于反射光的测量强度来检测CMP处理的结束点。具体地说，抛光状态监测装置具有光学传感器，其包括发光元件和光检测元件，并且光从光学传感器施加到半导体晶片之被抛光的表面，检测半导体晶片之被抛光的表面中光的反射率的变化，以检测CMP处理的结束点。

以下用于测量CMP处理中的光学特性的处理在本技术领域中是众所周知的：

(1)来自例如半导体激光器、发光二极管(LED)等单色光源的光被施加到半导体晶片之被抛光的表面，以及对反射光之强度变化进行检测。

(2)白光被施加到半导体晶片之被抛光的表面，以及将其光谱反射率与在抛光结束点的预记录的光谱反射率进行比较。

在本说明书中，光谱反射率被定义为包括“光谱反射率”和“光谱特定反射率(spectral specific reflectance)”的术语。光谱反射率被定义为“反射光的能量与入射光的能量的比率”。光谱特定反射率被定义为“来自待监测对象的反射光之能量与来自参考对象(例如，裸硅晶片)的反射光的能量的比率”。

最近，已经开发出了一种用于估算晶片的初始膜厚度的抛光状态监测装置，该装置将激光束施加在晶片上，并使用正弦波模型函数来估算来自晶片的反射光之强度的测量值随时间的变化，以计算膜厚度。

但是，在传统的抛光状态监测装置中，没有控制导体晶片之被抛光的表面上的采样点的位置，并且根据抛光台的初始角的位置、旋转加速度、和稳态旋转速度、以及启动采样处理的时间，来改变所述采样点。因此，不能测量例如在晶片表面上期望位置的特征值，例如晶片上的中心线或者晶片上的圆周部分的膜厚度。尤其，如果采样周期很长，则很难估计剩余的膜轮廓。

在上述利用模型函数测量膜厚度的抛光状态监测装置中，根据期望的初始膜厚度以及反射强度之测量值的时间变化来计算膜厚度。因而，如果抛光速率在抛光处理期间改变，或者如果很难估计初始膜厚度，或者如果初始膜厚度很小，则不能确定精确的模型函数，这样很难测量膜厚度。

如果采样周期很长并且一个采样点(采样区域)是在晶片之表面上很宽的范围内，则对取决于不同构图和去除数量的各种膜厚度同时进行测量。因而，不能确定精确的模型函数，并且因此很难测量膜厚度。