專利名稱：通過耦合渦流傳感器測量薄膜厚度的方法和設備的制作方法
通it^渦流傳感器測量薄膜厚度的方法和設備
本申請是提交于2004年12月6日，申請號為"200480042104.3"，題為"通過 耦合渦流傳感器測量薄膜厚度的方法和設備"的申請的分案申請。
背景技術：
本發明一般地涉及半導體制造，更具體地說，涉及用于晶片處 理過程中過程控制的在線計量學.
在半導體制造過程中有多個步驟，其中底部村底經歷各種各樣 的層的形成和去除。小的特征尺寸、嚴格的表面平面性要求，與不 斷地尋求增大產量相結合，使得人們極其希望當已經達到正確的厚 度時，亦即，當達到工藝步驟的終點時，停止所述過程。
渦流傳感器用于位移、接近度和薄膜厚度的測量。所述傳感器 依靠由7貼近正被測量的物體的探測線圏的波動電磁場在樣品上引 起的電流感應。波動電磁場是由于交變電流通過所述線圈而建立的。 波動電磁場感生渦流，渦流擾亂主磁場，其結果是改變所述線圈的 電感。
圖1是渦流傳感器工作原理的簡化原理圖。交變電流流過貼近 導電物體102的線圏100。所迷線圈的電磁場在導電物體102內感生 渦流104。渦流的振幅和相位又影響所述線團上的負載.因而，所述 線圖的阻抗便受到位于附近的導電物體中感生的渦流的影響，測量 這種影響，以便檢測導電物體102的接近度以及所述物體的厚度。 距離106影響渦流104對線圏100的作用，因此，若物體10(2移動， 則來自監測渦流對線圖影響的傳感器的信號也將變化。
試圖使用渦流傳感器來測量薄膜的厚度的成效有限.因為來自 渦流傳感器的信號對薄膜的厚度和襯底至傳感器的距離兩者都敏 感，必須求解兩個未知數。圖2是具有渦流傳感器的晶片栽體的原 理圖，渦流傳感器用來在化學機械平面化工藝(CMP)過程中測量晶片 的厚度。晶片栽體108包括渦流傳感器110。在CMP,過程中，由栽體108的載體薄膜112支持的晶片114被壓在襯墊116上，以便將 晶片的表面平面化，襯墊116由不銹鋼底板118支持，
圖2配置的一個缺點來自栽體薄膜的可變性，可能改變+ /-3密 耳。因而，載體薄膜導致晶片和傳感器之間距離的相當大的可變性。 另外，施加在栽體薄膜上的不同的向下壓力隨著栽體薄膜的壓縮引 起進一步的變化，因此，對影響距離而后者又影響傳感器的厚度測 量值的所有這些變量都進行標定，變得極其困難，這種配置的另一 個缺點是由與正在被測量的導電材料隔開的另一個導電材料的存在 引起的，這一般稱作第三物體效應，若導電層的厚度小于所謂趨膚 深度，則來自線圈的電磁場將不會被完全吸收，而將部分地穿到圖2 襯墊116的不銹鋼底板118。這將在不銹鋼帶內感生附加的渦流，從 而影響來自渦流傳感器的總信號。另外，應當指出，村墊隨著時間 的磨損或受腐蝕導致不銹鋼底板和渦流傳感器之間距離的變化，這 影響對渦流傳感器總信號的貢獻。因而，當連續地處理晶片時必須 考慮磨損因素。因而，由于被引入厚度測量的可變性的緣故，誤差 的數量高得無法接受而且不可預測。
鑒于上迷各點，有必要消除或補償在工作狀態下固有的可變性， 以便可以確定準確的終點，更精確地達到所需的厚度，
發明概要
廣義而言，本發明通過確定在理想的狀態下亦即在不工作的狀 態下晶片的厚度，并提供所迷厚度以便可以考慮或抵消由在加工操 作過程中引入的未知數造成的可變性，滿足這些需求。
按照本發明 一個實施例，提供一種用于把薄膜厚度測量過程中 的噪聲減到最小的方法。所迷方法從把第一渦流傳感器設置成朝向 與導電薄膜關聯的第一表面開始.所述方法包括把第二渦流傳感器 設置成位于導電薄膜的相反一側并朝向與導電薄膜關聯的第二表 面。第一和第二渦流傳感器可以共享公用的軸線或彼此偏離.所述 方法還包括交替地向第一渦流傳感器和第二渦流傳感器供電，使得第一渦流傳感器和第二渦流傳感器一次只有一個被供電.在本發明 的一個方面，在第一渦流傳感器和第二渦流傳感器之間切換電源的 操作之間包含延遲時間.所述方法還包括根據來自第一渦流傳感器 和第二渦流傳感器的信號的組合計算薄膜厚度的測量值.
在另一個實施例中，提供用于映射晶片厚度的傳感器陣列。傳 感器陣列包括多個頂部傳感器和在頂部傳感器相反一面的多個底部 傳感器。多個底部傳感器中的每一個與多個頂部傳感器中相應的一 個同軸。還把多個底部傳感器配置成當多個頂部傳感器中相應的一 個起作用時不起作用。包括既與多個頂部傳感器保持聯系又與多個 底部傳感器保持聯系的電源。還包括配置成從所述電源交替地向多 個底部傳感器和多個頂部傳感器供電的控制器。
按照本發明的又 一 個實施例，提供 一 種用于處理晶片的系統。
所述系統包括化學機械平面化(CMP)工具。CMP工具包括限定在外殼 內的晶片載體，晶片栽體具有底面，底面具有定義在其上的窗口。 栽體薄膜附在晶片栽體的底面。栽體薄膜配置成在CMP操作過程中
支持晶片。傳感器被嵌入晶片中。傳感器設置在所述窗口的頂面上。 所述傳感器配置成在晶片內感生渦流，以便確定晶片的接近度和厚 度.所述傳感器陣列設置在在所述CMP工具以外。傳感器陣列與嵌 入晶片栽體的傳感器通信.傳感器陣列包括第一傳感器和相應的第 二傳感器。第一傳感器和相應的第二傳感器配置成在起作用的狀態 和不起作用的狀態之間交替.第一傳感器還配置成當第二傳感器處 于不起作用的狀態時處于起作用的狀態。傳感器陣列配置成檢測與 第一傳感器和相應的第二傳感器至晶片的距離無關的晶片厚度信 號。
要明白，如所聲明的，以上的一般描述和以下的詳細說明是示 范性的而且僅僅是示范性的而不是對于本發明的限制。 附閨的簡短說明
包括在本說明書并構成其一部分的附解說明本發明的示范性實施例并與所述描述一起用來解釋本發明的原理。 圖l是渦流傳感器的工作原理的簡化原理圖.
圖2是晶片栽休的示意圖，晶片栽體具有渦流傳感器，用于在 化學機械平面化工藝(CMP)過程中測量晶片的厚度。
圖3是耦合傳感器的筒化原理圖，用于按照本發明的一個實施 例測量進入的晶片的厚度。
圖4是按照本發明一個實施例的如在圖3中配置的耦合渦流傳 感器的信號的曲線圖。
圖5是按照本發明一個實施例的用于測量進入的晶片或薄膜的 厚度的耦合傳感器的可供選擇的配置的簡化原理圖。
圖是按照本發明一個實施例的用于測量進入的晶片的厚度的 耦合傳感器的另一種可供選擇的配置的簡化原理圖。
圖6B是曲線圖，圖解說明按照本發明的一個實施例當利用在所 迷曲線圖一倒配置的用于檢測薄膜厚度的渦流傳感器陣列時，平均 信號的穩定性。
圖7A是按照本發明一個實施例的耦合到CMP過程下游的進入厚
度傳感器的簡化原理圖.
圖7B是耦合到下游CMP過程厚度傳感器的進入厚度傳感器的可
供選擇的實施例的簡化原理圖.
圖8A和犯是曲線圖，圖解說明按照本發明一個實施例的來自
用于薄膜厚度的渦流傳感器的信號和來自標準電阻率薄膜厚度測量 裝置的信號之間的相關性，
圖9是曲線圖，圖解說明按照本發明一個實施例的用于測量銅 薄膜厚度的渦流傳感器的標定曲線。
圖IO是曲線圖，圖解說明按照本發明一個實施例的在襯底上銅 薄膜的CMP操作過程中兩個渦流傳感器的輸出信號a
圖11A是按照本發明一個實施例的測量拋光帶的溫度隨時間而 變化的紅外線(工R)傳感器信號的曲線圖。
7圖11B是按照本發明一個實施例的晶片溫度隨著時間而變化的 紅外線信號的曲線圖。
圖12是CMP過程的30秒時間序列Tl-T9的示意圖，圖解說明 按照本發明 一個實施例的由晶片栽體內的渦流傳感器測量的銅薄膜 的去除。
圖13是簡化原理圖，圖解說明按照本發明一個實施例的應用于 或者偏移或者同軸的兩個傳感器上的切換方案的占空比。
圖14A和14B是示范性曲線，圖解說明按照本發明一個實施例 的非切換供電方案(powerizing sch曰ne)和切換供電方案之間的噪聲 差。
圖15A和15B是示范性曲線，圖解說明在非切換供電方案中遭 受的噪聲。
圖16A和16B是示范性曲線，表示當切換供電方案應用于按照 本發明一個實施例的傳感器時類似于圖15A和15B的讀數，
圖17是簡化原理圖，圖解說明在按照本發明一個實施例的同軸 配置中的邊緣排斥改善。
圖18是流程圖，圖解說明按照本發明一個實施例的用于把薄膜 厚度測量過程中的噪聲減到最小的方法操作，
優選實施例的詳細說明
現將參照附圖詳細描述本發明的幾個示范性實施例。圖1和2 在上面已在"發明背景"部分討論過了 。
渦流傳感器(ECS)用于測量移動晶片的金屬薄膜厚度，已經確 定，ECS能夠為以典型裝栽機器AiUL移動的晶片提供足夠快速的響 應。因此，有可能"在運行過程中"完成厚度測量值，而又不影響加 工產量。另外，晶片的運動可以被利用來從群配置中有限數目的傳 感器產生厚度分布曲線。例如，晶片對準器提供旋轉方向和線性半 徑方向的運動。因此，傳感器群可以在晶片經歷公共自動化晶片處 理方案的同時，捕獲晶片的厚度分布曲線。在一個實施例中，可以產生每一個晶片的厚度分布曲線，使得下游過程的方法法可以針對 厚度分布曲線進行優化.
下面開頭的各附圖提供進入的傳感器或傳感器群的配置，它確 定非加工的狀態下，亦即無干擾狀態下晶片的厚度。然后，可以存
儲這厚度和/或將其通知處理金屬薄膜的下游制造過程，就是說，可 以把進入的厚度提供給下游制造過程的類似的厚度測量裝置，然后， 與下游制造過程相聯系的傳感器可以用所述進入的厚度進行標定， 以便使由加工條件造成的未知數或變量成為不相干的。應當指出，
傳感器群是指兩個或3個傳感器的組合，用于定義新的計量學特性， 在一個實施例中，傳感器被組合在群中以便消除對距離的敏感性. 在這里還提供利用所述傳感器配置采集的數據的采樣結果。這里使 用的傳感器的陣列包括組合成覆蓋(亦即映射)晶片的較大的面積的 兩個或兩個以上傳感器群。另外，定位在晶片同一側的3個傳感器 可以認為是一個陣列。
當把群集傳感器與先存在的工位結合在一起時，便可以為下游 的加工操作映射和存儲晶片的厚度。另外，當從處理室取出晶片時， 還可以掃描所處理的晶片厚度，以便提供關于加工搡作的結果的反 饋，相應地，可以根據所述反饋對操作的方法進行調整.當然，也 可以為進一步的加工操作提供后處理結果。
圖3是按照本發明一個實施例的用于測量進入的晶片的厚度的 耦合傳感器的簡化原理圖。頂部傳感器130和底部傳感器132配置成 提供表示晶片138的厚度的信號，在一個實施例中，傳感器1"和l32 是渦流傳感器。晶片138包括^H"底142和金屬層140。頂部傳感器的 軸線134偏離底部傳感器132的軸線136。本專業技術人員將會認識 到，通過偏移頂部傳感器130和底部傳感器132(其中兩個傳感器都 是渦流傳感器〉，由傳感器130和132產生的電磁場便不會彼此干擾， 亦即不會彼此抑制。在其中頻率是相同的而且軸線134與軸線136對 準的地方，在某些情況下可能出現對這些信號的抑制，但是，如下面將要說明的，可以進行調整，以便避免對這些信號的抑制。控制
器144與傳感器132和134通信。在一個實施例中，控制器144配置 成從傳感器132和134接收信號并確定晶片138的厚度。應當指出， 控制器:U4求來自傳感器130和132的信號的平均值，以便得到表示 晶片厚度的信號。另外，通過"i殳置頂部傳感器130和底部傳感器132， 頂部傳感器和晶片138頂面之間距離146的變化或底部傳感器和晶片 138的底面之間的距離148的變化被抵消了。就是說，當兩個傳感器 都靜止時，通過平均這些讀數^t氐消了任何一個距離的變化，使得現 在所迷信號是厚度而不是厚度和接近度的函數.在另一個實施例中， 控制器144把算出的厚度通知下游的工具，諸如CMP工具，使得下游 過程可以根據進入的晶片厚度優化過程的設置，諸如所施加的下壓 力和帶速度。
圖4是按照本發明一個實施例的來自像在圖3中配置的渦流傳 感器的信號的曲線圖。曲線圖150畫出渦流傳感器的輸出(伏)與時間 的關系。曲線152代表來自定位在晶片下面的傳感器，諸如圖3的底 部傳感器132的信號。曲線154代表來自定位在晶片上面的傳感器， 諸如圖3的頂部傳感器130的信號，粗曲線156代表曲線152和154 的平均值。對于本專業技術人員來說，曲線156顯然提供一種基本 上恒定的信號。就是說，通過組合來自頂部傳感器的信號和來自底 部傳感器的信號，便排除了傳感器的信號對距離的依賴性，例如， 隨著圖3的晶片138移近頂部傳感器130，所述信號增大，區域158 例證了晶片接近頂部傳感器的運動。因而，來自頂部傳感器的信號 強度相應地增大，如區域158中的曲線152圖解說明的，同時，晶片 移離底部傳感器，因此，來自底部傳感器的信號強度減小，類似于 來自頂部傳感器的信號強度的增大，如區域158中曲線154圖解說明 的。因而，頂部和底部信號強度的平均值保持恒定。因為信號強度 與傳感器至物體的距離是線性相關的，所以物體向靜止的第一傳感 器的運動所引起的信號強度變化，被物體移離靜止的第二傳感器的運動所引起的強度的相反變化所抵銷。這又消除了信號強度對距離 的敏感性。
因而，通過群集傳感器或具有在工作狀態下起作用的傳感器的 傳感器群(諸如嵌入CMP工具的晶片栽體中的傳感器)，可以標定在工 作狀態下起作用的傳感器，以^t更準確地提供關于去除速率和過程 終點的信息。就是說，提供進入的薄膜厚度的準確測量值或晶片的 厚度，使得在加工條件下引起的誤差可以通過標定裝置補償。另外， 所述傳感器群可以用作連續運行過程控制，其中晶片具有厚度分布 曲線(由第一傳感器或傳感器群映射的厚度分布曲線)并且所述分布 曲線被下栽給過程工具的控制器，以便定制所述過程，諸如CMP過 程，以便去除薄膜厚度的正確數量。
圖5是按照本發明一個實施例的用于測量進入的晶片或薄膜的 厚度的耦合傳感器的可供選擇的配置的簡化原理圖。這里頂部傳感 器130和底部傳感器132共享同一垂直軸160。為了消除頂部和底部 傳感器之間信號的任何干擾或抑制，可以為各自傳感器中的每一個 施加不同的頻率，另外，可以施加相移，使得兩個傳感器相位不同。 就是說， 一個傳感器把信號波形翻轉180度，以便消除對信號的抑 制。如上面所描述的，因為排除了距離作為變量，所以信號強度是 厚度的函數。表迷為數學方程式S = k(IHK),其中S是信號強度， k是靈敏度系數，THK是厚度。在一個實施例中，在信號強度和靈敏 度系數對于上迷方程式是已知的地方，可以通過標定曲線來確定所 述厚度。可以把這個確定的厚度提供給半導體制造過程中處理金屬 薄膜的下游過程工具，諸如CMP工具，正如參照圖8和9所討論的， 另外，可以應用參照圖13-16B更詳細地討論的切換供電方案，因此， 可以用單一電源145來為兩個傳感器B0和132供電。當然，可以把 單一電源用于切換供電方案，其中如圖3所示偏移這些傳感器。
圖6A是按照本發明一個實施例的用于測量進入的晶片的厚度的 耦合傳感器的另一個可供選擇的配置的簡化原理圖，在所迷實施例中，傳感器群配置成確定晶片138沿著頂部傳感器130的軸線162的 厚度。這樣定位底部傳感器132a和132b，使得從每一個傳感器至軸 線162的距離相等，因而，通過求來自傳感器132a和132b的信號的 平均值，便確定所迷信號，因而，確定沿著軸線162的厚度。這里， 不涉及頂部和底部傳感器之間信號的干擾或抑制，因為底部傳感器 132a和132b都偏離頂部傳感器130的軸線。區域164、 166、 168、 170 和l"72表示當晶片穿過頂部傳感器130和底部傳感器132a和132>之 間定義的空間時晶片138的運動。參照圖6B更詳細地描述這些區域 的意義。
圖6B是曲線圖，圖解說明按照本發明一個實施例的當利用配置 成在所述曲線圖的一側的用于檢測薄膜厚度的渦流傳感器群時平均 信號的穩定性。在所述配置中，渦流傳感器群包括頂部傳感器130 和兩個底部傳感器132a和132b。晶片138在頂部傳感器130和底部 傳感器132a和132b之間穿行。曲線圖171畫出ECS讀數(伏)與時間 (毫秒)的關系。曲線169代束傳感器13&的讀數，而曲線173代表 傳感器132b的讀數。曲線175代表頂部傳感器130的讀數。在一個 實施例中，求來自傳感器132a和132b的信號的平均值。然后求所述 結杲與來自傳感器130的信號的平均值。最后的平均信號由曲線l 7 代表。曲線圖171圖解說明晶片138穿過傳感器群時不同的位置.例 如，晶片138進入傳感器群并在曲線圖上由區域164^4。應當指出， 11伏的ECS讀數代表與0厚度對應的起點，因為晶片在這里還測量 不到。隨著晶片邊緣穿過傳感器群，所述信號穩定下來。然后，晶 片繼續沿著這個中央行走路徑前行，如區城1S6表達的，如可以看 到的，平均讀數用曲線1T7代表，保持相對穩定。
接著，晶片上移0.020英寸。盡管來自頂部傳感器130的信號 強度(亦即，實測的信號和厚度0處的基準信號之間的差值)變得較 強，但是來自底部傳感器132a和132b的信號強度變得較弱。但是， 用曲線177表達的平均值仍舊相對恒定。然后，晶片從所述中央路
12徑下移0.020英寸。相應地，來自頂部傳感器130的信號強度變得較 弱，而同時來自底部傳感器132a和132b的信號強度變得較強。如上 所述，頂部傳感器信號和底部傳感器信號的平均值仍舊相對恒定。 因而，如上所迷，傳感器群提供穩定的信號，其中晶片離開傳感器 的距離已無關系，因為頂部和底部信號的平均抵消了晶片移動造成 的可變性，或者甚至晶片翹曲造成的信號變動。然后，晶片138移 出傳感器群如區域172所描繪的，在此處信號發生變化，因為當退 出時傳感器看到晶片的邊緣。應當指出，圖6A區域165-172 ^C4如 參照圖6B所描述的類似運動;f莫式.圖6A的運動曲線圖產生基本上恒 定的如圖6B所示的平均信號，本專業技術人員將會認識到，傳感器 可以用以下方式配置 一個底部傳感器和一個頂部傳感器、 一個底 部傳感器和兩個底部傳感器、或任何其它適當的配置，來抵消晶片 的運動以便維持穩定的讀數。
圖7A是按照本發明一個實施例的耦合到下游CMP過程厚度傳感 器的進入厚度傳感器的簡化原理圖。這里，進入厚度傳感器13te確 定晶片的厚度和/或晶片138的村底142上面的薄膜140的厚度。把 表示所迷確定的厚度的信號輸送到控制器l鋇，控制器l44又把所述 信號輸送到用于嵌入CMP過程的晶片栽體l74的傳感器l30b。在一 個實施例中，傳感器130a和130b是渦流傳感器.在另一個實施例中， 傳感器130a和130b是紅外線傳感器。應當指出，通過向傳感器i:3Cb 提供進入的晶片138的厚度，就可以完成標定，以便基本上消除對 傳感器和晶片之間距離的敏感性。傳感器130b和晶片138之間距離 的可變性可以是由各種工作狀態期間栽體薄膜l76壓縮所引起的或 者僅僅由栽體薄膜厚度固有的變動引起的，它可以高達+/_3毫米. 另外，拋光襯墊1/78頂部和不銹鋼底板之間的距離影響來自傳感 器130b的信號，此外，表示進入的晶片138的厚度的信號可以用來 標定傳感器130b，以便基本上消除拋光襯墊允差和襯墊腐蝕所引起 的可變性，它影響拋光襯墊178頂部和不銹鋼底板180之間距離。圖7B是耦合到下游CMP過程的厚度傳感器的進入厚度傳感器的 可供選擇的實施例的簡化原理圖'在圖7B中，由頂部傳感器13C&以 及底部傳感器132a和132b構成的傳感器群與控制器144通信。這里， 設置適當的傳感器群，諸如圖6A和6B的傳感器群，以便確定晶片138 的或所迷晶片的薄膜140的進入厚度。本專業技術人員將會認識到， 參照圖3和5的傳感器群也是可以用來確定晶片138厚度的適當的傳 感器群。在一個實施例中，控制器144求來自底部傳感器132a和132b 的信號的平均值，以便確定關于晶片138的沿著頂部傳感器13C&的 軸線通過晶片的厚度的厚度信號。然后，求底部傳感器平均信號與 來自頂部傳感器130a的信號的平均值，以便確定晶片138或薄膜140 的厚度。然后把這厚度輸送到嵌入傳感器13*。如上面參照圖7A所 指出的，可以對傳感器130b進行自動標定，其中對這些傳感器和晶 片138之間距離的敏感性和對拋光襯墊178的頂部和不銹鋼底板180 之間距離的敏感性基本上已排除。就是說，可以實時進行自動標定， 以便調整襯墊磨損或CMP載體至板的機械位移的其它機械漂移問題 造成的傳感器接近度的變化所引起的ECS讀數，
圖？B的傳感器130b設置在墊片"5上面，墊片1"與晶片栽 體174的底面對準，墊片175由任何適當的非導電材料組成。在一個 實施例中，墊片175是聚合物.在另一個實施例中，墊片1"75的厚度 處于約1毫米(鵬)和約1.5毫米之間，應當指出，墊片175為傳感器 130b提供窗口 ，用于發送和接收表示晶片或晶片上薄膜的厚度和接 近度的信號。
盡管圖7A和7B的實施例圖解說明用于CMP處理之前的傳感器 或傳感器群，但是也可以把傳感器或傳感器群定位在CMP處理之后， 以便提供配置成改善連續運行過程控制的信息。盡管進入厚度為把 特定的方法下栽至過程工具工位以使補償任何進入的薄膜厚度作好 準備，但是CMP之后的厚度為校正在CMP之后的厚度均勻性測量中確 定的任何檢測出來工藝變動。就是說，提供CMP之后的厚度均勻性測量結果作為向傳感器130b的反饋，以便傳感器130b進一步精細調 諧標定設置，以獲得準確的終點.在一個實施例中，控制器144從 后CMP傳感器群向傳感器130b提供反饋。在另一個實施例中，渦流 傳感器是一般可以獲得的渦流傳感器，諸如可以從SLNX Limited(公 司)獲得的GP-A系列模擬位移傳感器。在另一個實施例中，可以在圖 "7A和7B的晶片栽體中設置多個傳感器。所述多個傳感器可以鏈接在 一起，以便檢測晶片的接近度和金屬薄膜厚度，例如，可以把電容 傳感器包括在晶片栽體中，以"f更確定晶片和ECS傳感器之間的距離。 當把電容傳感器鏈接到ECS傳感器時，可以向ECS傳感器提供所迷距 離。
圖8A和8B是曲線圖，圖解說明按照本發明一個實施例的，來 自測量薄膜厚度的渦流電流傳感器的信號和來自標準電阻率薄膜厚 度測量裝置的信號之間的相關性.圖肌的曲線190代表來自典型的 電阻傳感器方法信號，曲線192代表在存在第三金屬物體，諸如CMP 工具的拋光襯墊或帶的不銹鋼底板、晶片栽體、空氣軸承臺板等的 情況下，在離開晶片中心不同的點上來自渦流電流傳感器的信號。 曲線194a代表來自不存在第三金屬物體的渦流傳感器的信號。因而， 渦流傳感器與來自電阻測量的標準四點方法的信號緊密相關。另外， 百分偏差在+/-5%內，如三角形1%圖解說明的，其中每一個三角形 對應于所述每一個三角形上方各曲線上的相應的各點之間的差值，
圖犯類似地圖解說明與來自典型電阻傳感器方法的信號相關的 渦流傳感器測量值。這里，曲線190b ^C表來自典型的電阻傳感器方 法的信號，而同時194b代表來自不存在第三金屬物體的渦流傳感器 的信號。應當指出，在圖8A中測量的晶片不同于在圖8B中測f^l晶 片。ECS信號194b也與RS75信號緊密相關，就是說，這些信號之間 的百分偏差一般在+/-5%之內，如三角形196圖解說明的。本專業技
術人員將會認識到，這些曲線兩端的點對應于薄膜的邊緣(亦即晶片 的邊緣)，因而不認為這些曲線兩端的點是相關的。圖9是曲線圖，圖解說明按照本發明一個實施例的用于測量銅
薄膜厚度的渦流傳感器的標定曲線，曲線198代表不存在第三金屬 物體時銅的薄膜厚度和所迷厚度的相關聯的ECS電壓讀數.曲線200
代表在存在第三金屬物體的情況下，銅的薄膜厚度和所迷厚度的相 關聯的ECS電壓讀數。本專業技術人員將會認識到，所迷標定曲線 可以應用于上面參照圖3、 5、 6\、 6B、 7A和7B所描述的傳感器。另
外，標定曲線可以針對任何導電薄膜層產生，這里描述銅只是為了 便于圖解說明，而并不意味著限制，
圖IO是曲線圖，圖解說明按照本發明一個實施例的在村底上銅 薄膜的CMP操作過程中兩個渦流傳感器的輸出信號，曲線210代表經 歷CMP操作的晶片的前沿ECS信號隨時間變化的信號。曲線212代表 經歷CMP操作的晶片的后沿隨時間變化的ECS信號。應當指出，定義 在曲線214和216之間的區域除去了晶片的表面特征(topogra0iy), 而同時曲線216之后的區城從晶片除去了銅覆蓋層。點210-1代表終 點，亦即，清除所述晶片前沿的銅覆蓋層(overburden)。點212~1代 表晶片后沿的終點。本專業技術人員將會認識到，從嵌入晶片栽體 的ECS采集的信息將產生連續的數據，用于確定去除的速率，另外， 可以觀察前沿和后沿之間去除速率的變動。在傳感器嵌入晶片栽體 中的地方，傳感器提供關于正在被測量的晶片的厚度或晶片上的薄 膜的厚度的連續的實時數椐。就是說，不存在拋光帶或村墊每循環 一次傳感器攝取一個快照提供離散的測量值的窗口。這里描述的實 施例提供連續的測量值和厚復拔測.
圖11A是按照本發明一個實施例的測量拋光帶的溫度隨時間變 化的紅外線(IR)傳感器信號的曲線圖。本專業技術人員將會認識到， 硅襯底對紅外線信號是透明的，因此，紅外線信號可以檢測正在被 拋光表面的表面平面化的晶片的薄膜的溫度。圖11A曲線圖的這些 曲線代表在所述帶的不同位置上(諸如所迷帶相對于操作者的中心前 后的位置)的對紅外線信號的監測。圖11B是按照本發明一個實施例的晶片溫度的紅外線信號隨時 間變化的曲線圖，這里，監測晶片溫度以便監視在CMP工藝流程過 程中溫度的變化。對于圖IIA和IIB的每一個實施例，在關聯的過程 的終點處，線218和220分別與所述曲線圖的響應曲線相交。就是說， 帶的溫度和晶片的溫度在終點處開始下降，所述終點在所述曲線的 拐點上。在一個實施例中，在所述處理過程中，晶片溫度變化約20 'C，而帶的溫度變化約IO'C,
圖12是CMP過程的30秒時間序列T1-T9的示意圖，圖解說明 按照本發明一個實施例的利用晶片栽體內的渦流傳感器測量的銅薄 膜的去除過程。時間序列T1-T9中的每一個都示出y軸線上的ECS信 號(伏)和x軸上的時間間隔(秒)。時間序列Tl說明所迷過程的開始， 而同時時間序列T2說明銅薄膜的去除過程起點，就是說，在時間序 列T2去除479A材料。時間序列T3-T8 i兌明大約30秒周期和在所迷 時間序列過程中相關的材料的除去量.時間序列T9說明終點狀態的 出現。
圖13是簡化的示意圖，圖解說明按照本發明一個實施例的應用 于或者偏移或者同軸的兩個傳感器的切換方案的占空比。這里，與 第一傳感器相聯系的占空比250相對子與第二傳感器相聯系的占空 比252錯開。就是說，當占空比252處于"通"狀態時，占空比250處 于"斷"狀態，反之亦然，這樣，利用這種交替供電方案消除了這些 傳感器通過正在被測量的襯底的交叉耦合.應當指出，交替供電方 案可以稱作切換方案。如下面在圖l軌至lffi中將要表明的，與兩個 傳感器都同時供電的方案對比，圖13切換方案造成的噪聲顯著減少， 應當指出，第一和第二傳感器可以彼此偏離，亦即，第一傳感器的 軸線偏離所述第二傳感器的軸線，如在圖3、 6A和7B圖解iX明的。 作為另一方案，如在圖5圖解說明的，在所述配置下第一傳感器和 所迷笫二傳感器可以是同軸的。
圖14A和l犯是示范性曲線，圖解說明按照本發明一個實施例的，非切換供電方案和切換供電方案之間的噪聲差。圖14A圖解說 明非切換供電方案的電壓讀數.圖l犯圖解說明切換供電方案的電 壓讀數。如可以看到的，與圖14A相聯系的噪聲電平顯著地大于與 圖14B相聯系的噪聲電平，如上所述，噪聲電乎的降低是消除當它 們同時通電時第一和第二傳感器通過晶片的耦合造成的。這樣，通 過交替地為傳感器中的每一個供電，可以獲得更準確的讀數，較少 干擾。應當指出，這里描述的實施例允許用單一電源來為這些傳感 器供電，從而消除由不同電源的不同噪聲特性引起的誤差。
圖15A和15B是示范性曲線圖，圖解說明在非切換供電方案中 招致的噪聲。圖15B中分解圖15A的區域2 54。這里，曲線256代表 來自上傳感器的信號，而同時曲線258代表來自下傳感器電壓信號。 區域254中擴展的曲線256，如在圖15B中所表明的，電壓讀數一般 說來在7.7和7.9伏之間振蕩。圖16A和16B是示范性曲線圖，代表
按照本發明一個實施例的，當切換供電方案應用于傳感器時類似于 圖15A和15B的讀數。曲線26CH仏下傳感器電壓讀數，而同時曲線 262代表上傳感器電壓讀數，如在圖16A中可以看到的，電壓讀數和 在圖15A中相應的信號對比相對平坦.在圖16B中擴展區域264進一 步圖解說明曲線2叨相對平坦。這里，下傳感器的電壓讀數仍舊是 相當穩定的，都在7.75和7.8伏的區域內，與圖15B的7.7和7.9
伏之間形成鮮明對比。
圖1"7是簡化的示意圖，圖解說明按照本發明一個實施例的同軸 配置中邊緣排斥改善。晶片280包括用虛線282和284圖解說明的兩 個同心圓。在偏移配置中，渦流傳感器可以限于測量定義在曲線284 內的區域內的厚度，但是，在同軸配置中，所迷區域可以是擴大至 定義在曲線282內的區域，這樣，這里測量晶片280的較大的范圍. 例如，在渦流傳感器探針的直徑為大致18毫米的情況下，可以測量 的面積可以再擴大約9毫米。類似地，在所述探針的直徑為12毫米 的情況下，測量面積可以再擴大約至少6毫米，
18圖18是流程圖，圖解說明按照本發明一個實施例的薄膜厚度測 量過程中用于把檢查光點尺寸和噪聲減到最小的方法搡作。所述方 法從操作"0開始，在操作270中，將第一渦流傳感器設置成朝向與 導電薄膜關聯的第一表面。所述方法進到操作272,在操作272中， 將第二渦流傳感器設置成朝向與導電薄膜關聯的第二表面。這里， 如上面參照圖3和5描迷的，第二渦流傳感器和第一渴流傳感器可 以對準半導體襯底的相反兩側。應當指出，第一渦流傳感器和第二 渦流傳感器可以是同軸的或彼此偏離，如在這里圖解說明的。當渦
流傳感器是同軸時，與偏移配置對比，減小了檢查光點尺寸。例如， 在偏移配置中，如參照圖3圖解說明的，檢查光點尺寸和這些渦流
傳感器的兩個探針直徑一樣大，但是，在同軸配置中，如參照圖5 圖解說明的，檢查光點尺寸縮小為渦流傳感器探針的單一直徑。另 外，渦流傳感器可以位于諸如化學機械平面化過程工具的處理工具
內或作為與對準工位相聯系的映射功能的一部分。
然后圖18的方法進到操作274,在操作274中，將電源交替地 連接到第一渦流傳感器和第二渦流傳感器.就是說，第一渦流傳感
器的電源是"通"的時，第二渦流傳感器的電源是"斷"的.因此， 一次 僅僅向這些渦流傳感器中一個供電，從而消除這些渦流傳感器通過 襯底的交叉耦合。在一個實施例中，可以把延遲時間包括在替供電 方案中。就是說，反復不斷地"接通"和"斷開"第一;咼流傳感器的電源， 在'，接通"第二渦流傳感器的電源之前經過一個延遲時間。在本發明 的一個實施例中，所迷延遲時間可以是一毫秒，但是，可以施加任 何適當的延遲時間。所述方法移到操作276，在操作276中，根椐來 自第一渦流傳感器和第二渦流傳感器的信號的組合算出薄膜厚度測 量值。因為交替供電方案使噪聲減到最小，所以算出的薄膜厚度將 具有較高的準確性和精確度。
在本發明的一個實施例中，其中第一和第二渦流傳感器是同軸 的，所述相對的渦流傳感器可以配置成以相應的渦流傳感器的最小電感負栽的形式出現。本專業技術人員將會認識到，這可以通過把 渦流傳感器包括在開環系統中來實現。另外，這里描述的實施例允 許用單一電源向第一渦流傳感器和第二渦流傳感器兩者供電，因為 供電是交替的。因而，排除了多個電源向渦流傳感器供電時引入的 誤差，例如，不同的電源的噪聲特性。另外，可以通過在同軸配置 中應用交替供電方案來排除在偏移配置中發生的邊緣排斥。就是說，
當傳感器頭部接近晶片的邊緣時，探針的一部分將露在晶片圓周之 外，而且一部分露在晶片的圃周上，這種詠露的結果是邊緣排斥，
其中測量不到晶片的邊緣區域。所述邊緣區域可能和渦流傳感器的 直徑一樣大，因而，在同軸配置中，和偏移渦流傳感器對比邊緣排 斥將減到最小。就是說，可以把邊緣排斥區域縮小為傳感器的半徑。 總括地說，本發明提供通過群集的傳感器配置確定半導體制造
過程諸如CMP過程終點的方法。所述群集傳感器為通過最初在不加 工的狀態下確定晶片上的薄膜的厚度，確定終點和相關的去除或淀 積的速率作好準備。在一個實施例中，正被測量的薄膜厚度約在0 微米和2微米之間。把所述確定的厚度提供給與加工操作相聯系的 第二傳感器，以使標定所述傳感器，使得來自加工條件的在厚度測 量值中造成誤差的變量基本上被排除。應當指出，盡管已經就CMP 過程描述這些實施例，但是這些群集的傳感器陣列不限于CMP過程。 例如，所述傳感器可以使用在襯底上去除或淀積一個層或薄膜，諸 如蝕刻和淀積過程的任何半導體過程內。另外，定義了用于將噪聲 最小化的切換供電方案，切換供電方案消除對置的傳感器同時供電 時發生的這些傳感器通過襯底的耦合。當以同軸配置的形式設置傳 感器時，所述切換供電方案，以及通過把傳感器包括在開環系統中 而使傳感器以電感負栽的形式出現的相對的傳感器的最小化過程， 減小了邊緣排斥的程度。
這里已經就幾個示范性實施例描述了本發明。考慮本發明的說 明書和實踐，本發明的其它實施例對本專業的技術人員將變得顯而易見。應該把上述實施例和優選的特征看作是示范性的，本發明由 后附的權利要求書定義，
權利要求
1.一種用于處理晶片的系統，包括化學機械平面化(CMP)工具，該CMP工具包括，晶片載體，限定在外殼內，所述晶片載體的底面具有限定在該底面上的窗口；載體薄膜，附在所述晶片載體的所述底面上，所述載體薄膜配置成在CMP操作過程中支持晶片；以及傳感器，嵌入在所述晶片中，所述傳感器設置在所述窗口的頂面上面，所述傳感器配置成在所述晶片感生渦流，以便確定所述晶片的接近度和厚度；傳感器陣列，位于所述CMP工具外，所述傳感器陣列與嵌入所述晶片載體的傳感器通信，所述傳感器陣列包括第一傳感器和相應的第二傳感器，所述第一傳感器和相應的第二傳感器配置成交替地處于俄起作用的狀態和不起作用的狀態，所述第一傳感器還配置成當第二傳感器處于不起作用的狀態時處于起作用的狀態，所述傳感器陣列配置成檢測晶片與第一傳感器和相應的第二傳感器至所述晶片的距離無關的晶片厚度信號。
2. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述傳感器陣列的第一傳 感器和相應的第二傳感器具有公共軸線。
3. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述傳感器陣列的第一傳 感器的軸線偏離相應的第二傳感器的軸線。
4. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，求取來自第一傳感器的信 號與來自相應的第二傳感器的信號的平均值，以確定初始厚度。
5. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，還包括電源，與第一傳感器和相應的第二傳感器兩者都保持聯系；以及控制器，配置成交替地向第一傳感器和相應的第二傳感器供電。
6. 如權利要求5所述的系統，其特征在于，所述控制器與嵌入的傳感 器以及傳感器陣列通信，所述控制器配置成根據由嵌入的傳感器或傳感器 陣列提供的信號確定所述晶片的厚度，控制器能夠向CMP控制器提供經 CMP之前的晶片和經CMP之后的晶片兩者的厚度分布曲線。
7. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述傳感器陣列包括 數個頂部傳感器；數個底部傳感器，與所述頂部傳感器相對，其中數個底部傳感器中的 每一個與數個頂部傳感器中相應的一個同軸，所述數個底部傳感器配置成 當數個頂部傳感器中相應的一個起作用時不起作用；電源，與數個頂部傳感器和數個底部傳感器兩者保持聯系；以及 控制器，配置成交替地從所述電源向數個底部傳感器和頂部傳感器供電。
8. 如權利要求7所述的系統，其特征在于，數個頂部傳感器和數個底 部傳感器都是渦流傳感器。
9. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述控制器還配置成當把 傳感器從不起作用的狀態切換到起作用的狀態時包含一段延遲時間。
10. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，傳感器陣列被包括在半 導體處理工具的對準工位。
11. 如權利要求9所述的系統，其特征在于，所述延遲時間是1毫秒。
全文摘要
提供一種用于在薄膜厚度測量過程中把測量光點尺寸和噪聲減到最小的方法。所述方法從把第一渦流傳感器設置成對準與導電播膜相聯系的第一表面開始。所述方法把第二渦流傳感器設置成對準與導電薄膜相聯系的第二表面。第一和第二渦流傳感器可以共享公用的軸線或彼此偏離。所述方法還包括交替地向第一渦流傳感器和第二渦流傳感器供電。在本發明的一個方面，在第一渦流傳感器和第二渦流傳感器之間切換電源的操作之間包含延遲時間。所述方法還包括根據來自第一渦流傳感器和第二渦流傳感器的信號的組合計算薄膜厚度測量值。還提供一種設備和一種系統。
文檔編號C23F1/00GK101524829SQ20081017505
公開日2009年9月9日 申請日期2004年12月6日 優先權日2003年12月30日
發明者A·歐薩斯, C·弗羅因德, R·基斯特勒, Y·戈特基斯 申請人:應用材料股份有限公司