專利名稱:化學(xué)/機(jī)械平面化端點(diǎn)檢測(cè)的原位監(jiān)測(cè)法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及制造半導(dǎo)體器件或光學(xué)器件的方法和設(shè)備。本發(fā)明包括襯底圓片在化學(xué)/機(jī)械研磨過(guò)程中平面化端點(diǎn)的測(cè)定。
制造半導(dǎo)體集成電路或集成的光學(xué)電路總是需要光滑平坦的表面。需要平面化的表面涉及到半導(dǎo)體材料的表面之上或之中的、或先前插入層的表面之上的介電材料的區(qū)域或?qū)哟?。絕緣層應(yīng)該具有光滑表面的幾何圖形,因?yàn)榇植诘谋砻鏁?huì)給加工帶來(lái)很多問(wèn)題。要使附在粗糙表面上的層成象和刻制圖形是很困難的,并且這種困難隨著層數(shù)增加而增加,因?yàn)楦郊拥拿恳豢讨茍D形層都會(huì)使粗糙增加。這種介電區(qū)或?qū)拥膸缀螆D形也許是極不平坦而需要將表面拋光以便為下一處理步驟(例如在該表面上形成一導(dǎo)體層或圖形)提供一個(gè)光滑平坦的表面。不平整表面的幾何圖形可能是由于介電材料區(qū)比該表面的剩余部分高或由于下伏材料或正被加工的半導(dǎo)體器件的其它元件的不平整幾何圖形引起的。
例如,在VLSI(超大規(guī)模集成電路)的制造技術(shù)中,金屬連接線就形成在含器件電路組的半導(dǎo)體襯底上,并且用來(lái)使分立的器件在電氣上互相連接。這些金屬連接線通常用薄層絕緣材料與下一互連層相絕緣。為使不同互連高度層次的金屬線互連,要在絕緣層中形成一些孔以在層問(wèn)提供電通路。
在本技術(shù)領(lǐng)域中最新的進(jìn)展是使用研磨機(jī)和其它的平面化方法來(lái)為下一金屬層次提供平滑的絕緣體的幾何形狀。在這些方法中,重要的是測(cè)定拋光過(guò)程(例如不磨掉下伏材料而磨掉足夠數(shù)量的材料以提供一個(gè)光滑平坦的表面)的端點(diǎn),因此需要一種準(zhǔn)確的檢測(cè)端點(diǎn)的方法。
目前已有各種類型的研磨機(jī)用以磨薄半導(dǎo)體圓片的厚度。一般地說(shuō),這些研磨機(jī)都包含有頂板和底板(例如,一個(gè)磨光臺(tái)和一個(gè)圓片的托架或夾具),在這兩平板之間使圓片與一平板之間注入拋光漿以拋光和沖洗掉圓片顆粒。這種研磨機(jī)的一個(gè)實(shí)例已在美國(guó)專利3,063,206中公開(kāi)。
從傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō),業(yè)已使用激光器和其它光學(xué)檢測(cè)裝置來(lái)測(cè)定刻蝕的端點(diǎn)。然而,這樣的光學(xué)系統(tǒng)很難用于研磨機(jī)中,因?yàn)樵谘心C(jī)中圓片是面朝下對(duì)著正在運(yùn)動(dòng)中(如旋轉(zhuǎn)中)的磨光臺(tái)而被磨平,更具體地說(shuō),圓片藏在頂板的下面而使端點(diǎn)的光學(xué)檢測(cè)很困難。
用于測(cè)定研磨機(jī)中端點(diǎn)的一種典型的方法是測(cè)量第一個(gè)圓片平面化所需的時(shí)間量,然后用相同的時(shí)間對(duì)其余的圓片進(jìn)行操作。在實(shí)踐中,由于操作人員必須檢查拋光后的每個(gè)圓片,所以這種方法很費(fèi)時(shí)間。其原因是由于在單個(gè)圓片拋光期間拋光率可能變化,還因?yàn)樵谶B續(xù)拋光許多圓片的過(guò)程中拋光率可能下降,因此要準(zhǔn)確地控制不同圓片的電介質(zhì)膜的拋光率極為困難。
為此,在半導(dǎo)體器件制造技術(shù)領(lǐng)域中一直需要一種方法和設(shè)備來(lái)準(zhǔn)確和有效地檢測(cè)平面化研磨過(guò)程中的端點(diǎn)。
本發(fā)明提供一種方法和設(shè)備用以在制造半導(dǎo)體器件或光學(xué)器件過(guò)程中無(wú)損、準(zhǔn)確和有效地檢測(cè)拋光/研磨平面化過(guò)程的端點(diǎn)。該方法包括放置一個(gè)待加工的襯底,以使一個(gè)電極結(jié)構(gòu)物的表面朝著該襯底橫向面上的介電材料;在該襯底與該電極結(jié)構(gòu)物之間放入一個(gè)電阻率約小于100,000歐姆厘米的導(dǎo)電液膜;以及測(cè)量該襯底和該電極結(jié)構(gòu)物之間的電容。該設(shè)備包括至少一個(gè)電極結(jié)構(gòu)物,該電極結(jié)構(gòu)物具有一個(gè)平坦表面,該表面面向待拋光的、其上具有電介質(zhì)層的加工工件的一個(gè)橫向面,該電極結(jié)構(gòu)物包括一個(gè)測(cè)量電極、圍繞該測(cè)量電極的一個(gè)絕緣體、圍繞該絕緣體的一個(gè)保護(hù)電極以及圍繞該保護(hù)電極的另一絕緣體;供應(yīng)導(dǎo)電液態(tài)媒質(zhì)的裝置,由該液態(tài)媒質(zhì)使該工件的側(cè)面與該電極結(jié)構(gòu)物的平坦表面相接合;以及測(cè)量該導(dǎo)電部分與該電極結(jié)構(gòu)物之間的電容的裝置。本發(fā)明適用于制造半導(dǎo)體器件和光學(xué)器件,因這些器件在某些加工階段上要求電介質(zhì)表面平面化。不管涉及平面化與否,本發(fā)明還可在任何制造階段上用以測(cè)量電介質(zhì)膜的厚度。
圖1是正在制造的、在半導(dǎo)體圓片上具有厚電介質(zhì)層的一個(gè)半導(dǎo)體器件示意圖;圖2是具有平面化電介質(zhì)層的圖1半導(dǎo)體器件的示意圖;圖3是正在制造的、在半導(dǎo)體圓片上具有復(fù)合厚度電介質(zhì)層的一個(gè)半導(dǎo)體器件的示意圖;圖4是正在制造的、在半導(dǎo)體圓片的表面上具有不平的氧化物區(qū)的一個(gè)半導(dǎo)體器件的示意圖;圖5是具有平面化的氧化物和圓片表面的圖4半導(dǎo)體器件的示意圖;圖6是用于拋光/研磨1、3、4所示類型的圓片上的電介質(zhì)層的和體現(xiàn)本發(fā)明電極結(jié)構(gòu)物的設(shè)備的示意圖;圖7是裝配在拋光臺(tái)的一個(gè)截面內(nèi)的圖6所示電極結(jié)構(gòu)物的示意性頂視圖;圖8是圖6配置中呈現(xiàn)的分布電容和分布電阻的示意圖;圖9是包含有用以驅(qū)動(dòng)測(cè)量電極和保護(hù)電極的電子系統(tǒng)的圖6配置的示意圖;圖10是圖9所示電子系統(tǒng)的詳圖;圖11是具有雙D形電極結(jié)構(gòu)物的拋光臺(tái)的一個(gè)截面的示意圖,這是圖6和圖7所示的電極結(jié)構(gòu)物的另一種形式,不管該半導(dǎo)體圓片相對(duì)的側(cè)面上的電介質(zhì)厚度如何,該電極結(jié)構(gòu)物能夠監(jiān)測(cè)電介質(zhì)層的厚度;圖12是圖11配置中分布電容的示意圖,說(shuō)明具有電容C1的正被拋光的電介質(zhì)層的厚度可以被測(cè)出,而與具有電容C4的圓片相對(duì)側(cè)面上的電介質(zhì)的厚度無(wú)關(guān);圖13是帶有設(shè)在拋光臺(tái)內(nèi)雙D形電極結(jié)構(gòu)物的拋光配置的示意性的頂視圖,圖中包括在拋光臺(tái)每轉(zhuǎn)一圈期間所需時(shí)間及與位置有關(guān)的電介質(zhì)厚度的測(cè)量的示意圖;圖14是半導(dǎo)體圓片平面化電介質(zhì)層端點(diǎn)檢測(cè)的另一實(shí)施例的示意圖;圖15是時(shí)間(以分為單位)與輸出電壓(以伏特為單位)的曲線圖,該圖示出材料的磨薄與時(shí)間的線性關(guān)系,并表明測(cè)量方法的性能。
圖1至圖5是半導(dǎo)體器件或光學(xué)器件制造過(guò)程中導(dǎo)電圓片的一般示意圖。圓片的材料至少可從硅、鍺、III-V族和II-VI族化合物半導(dǎo)體中選取。通常,導(dǎo)電圓片的材料具有約低于1兆歐厘米的電阻率。
圖1示出半導(dǎo)體器件1,該半導(dǎo)體器件1包括半導(dǎo)體圓片2、金屬導(dǎo)體3和諸如二氧化硅之類的厚電介質(zhì)層4,該電介質(zhì)層覆蓋在導(dǎo)體3和該半導(dǎo)體圓片剩余部分的表面5上。電介質(zhì)層可由諸如四乙基原硅酸鹽(TEOS)之類的母體采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄐ纬?,例如采用氧化物化學(xué)汽相淀積(CVD)法或采用氧化物等離子加強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PECVD)法。半導(dǎo)體圓片2可以預(yù)先處理過(guò),并且已經(jīng)含有被插入電路組的附加層。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn),這些其它的特點(diǎn)在圖中未予表示。
圖2示出帶有已平面化到需要的預(yù)選厚度的電介質(zhì)層4的圓片2。
圖3示出其內(nèi)含有距離相近而密度較大的多個(gè)導(dǎo)體3的器件1的示意圖。由于電介質(zhì)4的形成性質(zhì),而造成這種結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)電介質(zhì)層的凹坑(如圖1中下陷坑6那樣),或甚至在導(dǎo)體之間產(chǎn)生空隙。為了防止空隙的產(chǎn)生,在兩導(dǎo)體間的容積首先填滿諸如旋涂玻璃(SOG)之類的更適用的材料層7。層7填充導(dǎo)體之間的空隙并覆蓋這些導(dǎo)體,呈現(xiàn)出比用厚CVD或PECVD淀積的同樣厚度的電介質(zhì)層如等離子加強(qiáng)型的TEOS(DETEOS)有更光滑的表面。然后在層7上電介質(zhì)層(PETEOS)一附加厚度并在研磨機(jī)中平面化,使之成為與圖2相似的預(yù)選厚度。在這種配置中,半導(dǎo)體圓片2通常含有插入電路組的預(yù)處理層。
圖4示出另一種類型,其中由薄的電介質(zhì)區(qū)9隔開(kāi)的熱生長(zhǎng)的場(chǎng)氧化物島8是在圓片2的表面之內(nèi)和表面之上的。這些島顯示一種不平的幾何形狀,這對(duì)刻圖的導(dǎo)電層和絕緣層的繼續(xù)順序形成是不適宜的。在這種情況下,不是在薄的電介區(qū)9的上面淀積一層額處的電介質(zhì)層,而是使場(chǎng)氧化物本身平面化直到這些島的不平部分被除掉時(shí)為止。作為一個(gè)端點(diǎn),人們可以選擇一個(gè)與圓片表面一樣高的平面化的氧化物表面,或在一薄的氧化物表面上選擇一個(gè)幾毫微米高的平面化氧化物表面。
圖5示出具有平面化氧化物表面的圓片2。
在平面化或拋光過(guò)程的開(kāi)始,圖1中導(dǎo)電圓片2的至少一個(gè)側(cè)面覆蓋一層厚的電介質(zhì)層4。當(dāng)平面化過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行時(shí),電介質(zhì)層的厚度被減薄了。人們非常希望在拋光過(guò)程期間能夠在原位置上監(jiān)測(cè)電介質(zhì)層的剩余厚度,并在準(zhǔn)確到達(dá)所需厚度(端點(diǎn))時(shí)能夠停止拋光。這個(gè)問(wèn)題通過(guò)使用本發(fā)明的電介質(zhì)厚度測(cè)量的容性方法已經(jīng)解決。在平面化/拋光過(guò)程期間通過(guò)以下文將要描述的方式測(cè)量電介質(zhì)層的電容來(lái)監(jiān)測(cè)該半導(dǎo)體圓片上的電介質(zhì)層剩余部分的厚度。
圖6示出一個(gè)設(shè)備,總標(biāo)號(hào)為10,用以化學(xué)/機(jī)械拋光一個(gè)典型的導(dǎo)電(例如半導(dǎo)體)圓片2,圓片上覆蓋諸如二氧化硅或PETEOS之類絕緣材料的電介質(zhì)層4。圖中所示的圓片在其兩側(cè)面上都有電介質(zhì)層,在一側(cè)面上的電介質(zhì)層厚,另一側(cè)面上的薄。最好的是,該圓片只在待拋光的側(cè)面上有一層厚的電介質(zhì)層。
該設(shè)備包括一個(gè)拋光臺(tái)(或工作臺(tái))11和一個(gè)圓片載體或支持物(或夾具)12。拋光臺(tái)和圓片載體兩者都可以是由諸如金屬陶瓷或金屬如不銹鋼、鋁之類的導(dǎo)電材料制成的,或以合適的圖形將諸如鋁、鉻或鈦之類的金屬定積在絕緣材料上,或由諸如石英、陶瓷、塑料或搪瓷或塑料涂敷的金屬之類的某些非導(dǎo)電材料制成的。拋光臺(tái)和圓片載體的材料的一個(gè)重要要求是該材料不應(yīng)給正被拋光的工件(即圓片)帶來(lái)雜質(zhì)。如圖所示按照本發(fā)明待加工的半導(dǎo)體圓片2被定位在拋光臺(tái)11和圓片載體12之間。拋光臺(tái)11包括依附于該拋光臺(tái)的一個(gè)拋光襯墊13。圓片載體12包括一個(gè)插入襯墊15和一個(gè)絕緣邊緣環(huán)16,該環(huán)用以防止該圓片在拋光過(guò)程期間不致在該圓片載體下面滑出去。插入襯墊15最好用軟性材料制作,以避免由于工作的載體12的重量和施加在該圓片載體12上的力(由箭頭17表示,用以保持該圓片與拋光襯墊13的表面正向接觸)不致?lián)p壞該圓片。插入襯墊15和拋光襯墊13都是市售購(gòu)買到的具有所需直徑的襯墊。50密耳厚的襯墊通常都用海綿狀的材料,并且都備有粘接性的襯背以使其粘接在所要固定的表面上并能除去和更換磨損的襯墊。這種襯墊是從羅德?tīng)柟?Rodel,Inc.451 Belleview Road,DiamondState Industrial Park,Newark,Deleware,19713,U.S.A.)買到的。另外,不帶連續(xù)粘性塑料襯背的海綿狀襯墊可以借助適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電粘接劑固定到拋光臺(tái)上。
在這個(gè)最佳實(shí)施例中,拋光臺(tái)11繞其中心軸18旋轉(zhuǎn)。圓片載體12還繞它自己的中心軸19旋轉(zhuǎn),除了相對(duì)于拋光臺(tái)的受限制的振蕩運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)雙頭箭所示)以外,該載體相對(duì)于該拋光臺(tái)的軸18是固定的。在工作運(yùn)行中,拋光臺(tái)11圍繞其中心軸18以第一預(yù)定的轉(zhuǎn)速(RPM)旋轉(zhuǎn),以給正在平面化的電介質(zhì)層一個(gè)繼續(xù)推進(jìn)的拋光表面。當(dāng)圓片支持物12圍繞自身的中心軸19以第二預(yù)定的RPM旋轉(zhuǎn),以給正在平面化的電介質(zhì)層一個(gè)繼續(xù)推進(jìn)的拋光表面。當(dāng)圓片支持物12圍繞自身的中心軸19以第一預(yù)定的RPM旋轉(zhuǎn)時(shí),該圓片沿著該拋光臺(tái)的一個(gè)環(huán)狀拋光區(qū)而被拋光。
通過(guò)將其上帶有電介質(zhì)層4的半導(dǎo)體2放置在由插入襯墊15和邊緣環(huán)16在圓片載體12中形成的腔體內(nèi)而進(jìn)行該拋光過(guò)程。在拋光期間,在拋光臺(tái)11圍繞其中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí),通過(guò)供應(yīng)嘴21連續(xù)地向拋光襯墊13供給含水的漿液20。正如拋光臺(tái)和圓片載體的材料的選擇情況一樣,該漿液應(yīng)該是不含雜質(zhì)的并且除了拋光作用以外還應(yīng)對(duì)正被拋光的導(dǎo)電圓片是無(wú)破壞性的一種漿液。在最佳實(shí)施例中所使用的漿液是市售購(gòu)買的,納歐科化學(xué)公司(Nalco chemical Company,6216 West 66th place,Chicago,Illinois,60638,U.S.A.)提供的弱堿性(pH8.3-8.7)膠態(tài)二氧化硅漿液,型號(hào)為NALCO 2360,含有用去離子水1∶1稀釋的約為50-70毫微米的顆粒。其它的拋光漿液都是市售購(gòu)買的,其它的稀釋物也可使用。
在拋光繼續(xù)進(jìn)行的同時(shí),人們希望在原位置監(jiān)測(cè)剩余電介質(zhì)層的厚度和測(cè)定拋光過(guò)程的所需的端點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明,這可在拋光期間通過(guò)容性測(cè)量圓片2上電介質(zhì)層4的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)程序中,當(dāng)拋光溶液本身用作為電介質(zhì)外表面上的一層導(dǎo)電層時(shí),在半導(dǎo)體圓片(或薄片)上的高達(dá)幾微米厚的電介質(zhì)層包括一個(gè)平行板電容器中的絕緣層。然而,必須提及以下四種條件或問(wèn)題以有效地用上述設(shè)備進(jìn)行這種監(jiān)測(cè)1.在拋光期間,導(dǎo)電的拋光漿液要有效地完全地包圍該圓片(由此趨向于短路該電容);2.該漿液本身不應(yīng)有任何明顯的寄生電容效應(yīng);3.該測(cè)量只應(yīng)對(duì)正經(jīng)受拋光的側(cè)面的電介質(zhì)厚度敏感;4.該測(cè)量輸出值與厚度的關(guān)系應(yīng)是線性的。
與這些條件有關(guān)的問(wèn)題是按下面所述方式來(lái)解決的第一個(gè)問(wèn)題,在拋光過(guò)程期間,由一個(gè)導(dǎo)體(如含水漿液)包圍整個(gè)圓片,這個(gè)條件意味著任何電容測(cè)量在測(cè)量過(guò)程期間往往會(huì)被短路。這個(gè)困難可根據(jù)本發(fā)明使用一個(gè)電極結(jié)構(gòu)物25來(lái)加以克服,該電極結(jié)構(gòu)物25設(shè)在拋光臺(tái)11內(nèi)沿拋光路徑在拋光臺(tái)的橫向設(shè)置,如圖6和圖7所示。該電極結(jié)構(gòu)物包括一個(gè)測(cè)量電極26、一個(gè)保護(hù)電極27和一對(duì)絕緣體28、29。朝該圓片的電極結(jié)構(gòu)物25的表面是與該拋光臺(tái)剩余部分相同的平面。測(cè)量電極26和保護(hù)電極27都與以某一頻率振蕩的電壓源相連接,而拋光臺(tái)的其余部分接地30。測(cè)量電極26完全由絕緣體28、保護(hù)電極27和絕緣體29連續(xù)地包圍住,借此使它與拋光臺(tái)的包圍地平面在電氣上隔開(kāi)。如果由一層電介質(zhì)膜涂覆的一個(gè)導(dǎo)體例如一個(gè)電介質(zhì)涂覆的硅圓片放在這種結(jié)構(gòu)物(如在漿液拋光中)的頂上,那它就具有圖6所示的情況。在這里,該半導(dǎo)體(如硅)圓片通常用每平方英寸幾磅的壓力在海綿狀的拋光襯墊13上向下壓,該拋光襯墊13由液漿供應(yīng)嘴21供給的含水拋光漿20連續(xù)地浸漬。在典型的工作中,拋光襯墊13和該圓片本身兩者相互獨(dú)立地旋轉(zhuǎn),至少該圓片水平地振蕩以得出非均勻的拋光作用。在這個(gè)實(shí)施例中,該電極結(jié)構(gòu)物25裝配在拋光臺(tái)11內(nèi),其電氣連接是在點(diǎn)31和32處(圖9)由一合適的導(dǎo)電裝置例如由電滑環(huán)(圖中未畫出)分別與測(cè)量電極26和保護(hù)電極27相連接(也可能以高代價(jià)使用更復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)變壓器)。當(dāng)然,這是指在電極結(jié)構(gòu)物在圓片下掃過(guò)時(shí),只是周期性地進(jìn)行測(cè)量。為了增加拋光臺(tái)每掃一次的測(cè)量次數(shù),可在拋光臺(tái)11的拋光路徑中設(shè)置一個(gè)以上的電極結(jié)構(gòu)物25,以便在拋光臺(tái)轉(zhuǎn)一圈期間可以進(jìn)行幾次測(cè)量。其它的配置是可能有的,如下文將會(huì)討論的。
第二個(gè)問(wèn)題是水的介電常數(shù)高的問(wèn)題,水是拋光溶液20在電氣上的主要成分。在這方面必須注意到電介質(zhì)豫弛時(shí)間τD由下式定義τD=Kρ4π----(1)]]>式中K是水的介電常數(shù)(~80),ρ是拋光漿溶液的電阻率。對(duì)于比1/τD大的工作頻率而言,兩電極間的拋光漿表現(xiàn)得象一個(gè)(有損耗的)電容器。對(duì)于比1/τD低的工作頻率而言,拋光漿形成一個(gè)電阻。鑒于這個(gè)理由,除了其它的測(cè)量考慮以外,使用低工作交變電壓頻率有利。下文所述的系統(tǒng)以~500赫茲工作,并且能以高達(dá)約5000赫茲的頻率工作,在這樣的頻率時(shí)該拋光漿基本上呈電阻性。
在圖6給定的方式和低工作頻率的條件下,很清楚,漿液浸漬的拋光襯墊起的作用如同一個(gè)電阻。這個(gè)襯墊通常由幾密耳厚的塑料粘接襯背的連續(xù)層(圖中未畫出)固定到拋光臺(tái)上。因比對(duì)于直接與電極結(jié)構(gòu)物電接觸的漿液而言,必須至少在電極結(jié)構(gòu)物的區(qū)域內(nèi)將塑料粘結(jié)襯背穿孔。于是,為使拋光漿與測(cè)量電極和保護(hù)電極作到真正的電阻性接觸,在粘接襯背內(nèi)需要有孔。在本實(shí)施例中,孔14直接穿過(guò)該襯墊和塑料粘接襯背而產(chǎn)生,產(chǎn)生的方法是在~0.63厘米(~0.25英寸)中心處將襯墊直接穿過(guò)襯背,孔的直徑為~0.18厘米(~70密耳)。這些具體的尺寸并不是嚴(yán)格的,其它的尺寸也可以選取。該襯墊也不必全都穿孔。主要的條件是在含水漿液與金屬臺(tái)之間提供一條通路。為此,孔可以只穿過(guò)該粘接襯背而形成。此外,不需要使孔遍布該襯墊的整個(gè)面積。使這些孔僅在該電極結(jié)構(gòu)區(qū)內(nèi)和至少在正包圍該電極結(jié)構(gòu)物的拋光臺(tái)的區(qū)內(nèi)就足夠了。拋光襯墊12還可以用不合雜質(zhì)的導(dǎo)電粘接劑固定到該拋光臺(tái)上,以消除對(duì)孔14的需求。
對(duì)于穿孔的襯墊13和以低頻電壓工作的圖6和圖7的系統(tǒng)而言,電氣情況如圖8所示。圖中C1、C2、C3都是通過(guò)拋光臺(tái)面對(duì)著的圓片側(cè)面上厚電介質(zhì)的電容,而C4是圓片相對(duì)面(背面)上電介質(zhì)層的電容(通常更大些)。電阻R1和R2是漿液涂覆的拋光襯墊的橫向(環(huán)狀)電阻膜的數(shù)值。目的是測(cè)量單個(gè)電容C1的數(shù)值,然后提供電介質(zhì)層4的厚度測(cè)量。因?yàn)檫@時(shí)假定C4>>C1,以簡(jiǎn)化對(duì)該測(cè)量的描述,而這個(gè)限制將在后面取消。
一個(gè)重要的實(shí)際問(wèn)題,就是除此之外應(yīng)該注意到,C1值度量與測(cè)量電極的面積一樣,而不需要的并聯(lián)漏電阻R1和R2度量與測(cè)量電極的周長(zhǎng)一樣。因此,尤其在低的測(cè)量頻率下,使用與實(shí)際面積一樣大的測(cè)量電極26的面積是有利的。R1的作用還可以通過(guò)從測(cè)量電極26將其自舉來(lái)減小。自舉意味著將某一電壓加在保護(hù)電極27上,正如現(xiàn)在在測(cè)量電極26上進(jìn)行測(cè)量一樣。因此沒(méi)有電流(到第一級(jí)精確度)流過(guò)R1,亦即,其作用在測(cè)量C1時(shí)已去除(當(dāng)然,有一個(gè)電流經(jīng)過(guò)R2到地,但這個(gè)電流并不送進(jìn)測(cè)量過(guò)程,并且在任何情況下如果包圍電極結(jié)構(gòu)物25的拋光臺(tái)11的區(qū)是不導(dǎo)電的話,這個(gè)電流就可以被消除)。
第三個(gè)問(wèn)題是要獨(dú)立地接觸圓片的兩個(gè)側(cè)面是不方便。第四個(gè)問(wèn)題是傳統(tǒng)的電容測(cè)量提供一種互易關(guān)系(亦即,在電介質(zhì)電膜變薄時(shí),被測(cè)的交變電流變大),這兩個(gè)問(wèn)題可由圖9所示的系統(tǒng)來(lái)解決。
在圖9的系統(tǒng)中,測(cè)量電極26由來(lái)自振蕩器35的交變電壓驅(qū)動(dòng)。由此得出的流到測(cè)量電極的位移電流必須經(jīng)過(guò)振蕩器35本身流到地,并且在點(diǎn)36處測(cè)量其幅度,在幅度伺服機(jī)構(gòu)38處與參考值相比較。由此得出的任何差值在幅度控制39處用來(lái)控制振蕩器35的幅度,以保持位移電流自身不變。其結(jié)果是,驅(qū)動(dòng)測(cè)量電極的驅(qū)動(dòng)電壓的幅度總是準(zhǔn)確的正比于硅片上電介質(zhì)層的厚度。保護(hù)電極27由增益為1的跟隨放大器(A1)40從測(cè)量電極26被自舉。
這個(gè)方案在圖10中表示得更詳細(xì)。測(cè)量電極26由射極跟隨晶體管的交變電壓來(lái)驅(qū)動(dòng),而保護(hù)電極27由放大器(A1)40的交變電壓來(lái)驅(qū)動(dòng),以準(zhǔn)確地跟隨測(cè)量電極電壓。由于恒定電流發(fā)生器晶體管(Q2)的集電極42對(duì)晶體管(Q1)的發(fā)射極41呈現(xiàn)很高阻抗,因此流到測(cè)量電極的所有位移電流必須流入晶體管(Q1)的集電極43。于是,晶體管(Q1)的集電極電流中的交流分量只包括所需信號(hào)電流。這個(gè)信號(hào)由放大器(A2)38放大,由乘法器(M1)44和低通濾波器45同步整流。在減法器(S1)46中將上面得出的信號(hào)電流與恒定值參考電流(Io)相比較,由此得出的差值驅(qū)動(dòng)由電容器48和運(yùn)算放大器(A3)49組成的誤差積分器47。該積分器的輸出又構(gòu)成乘法器(M2)51的一個(gè)輸入。乘法器(M2)51的另一輸入由振范器52經(jīng)過(guò)π/2移相器得到的。其結(jié)果是,對(duì)測(cè)量電極26的驅(qū)動(dòng)恒定地加以控制到這樣的一個(gè)數(shù)值亦即使其位移電流是恒定值。因此,來(lái)自放大器(A3)49的該積分器的輸出準(zhǔn)確地正比于電介質(zhì)的厚度。
如果該測(cè)量用一個(gè)圓片并且其一個(gè)面(上表面)是裸露的,則上述配置是有效的。在該圓片的背面也涂覆一層電介質(zhì)層的情況下,圖8中C4的作用使情況變得復(fù)雜。這是由于當(dāng)它通過(guò)C1被驅(qū)動(dòng)時(shí)襯底2的電位是變化的緣故。如果該圓片的電位不變,則顯然無(wú)位移電流流過(guò)C4,因此C4值本身是沒(méi)有關(guān)系的。達(dá)到這一點(diǎn)的一種方便的途徑就是對(duì)稱地驅(qū)動(dòng)該襯底以使其電位不變化,這可通過(guò)使用如圖11所示的兩個(gè)相同的電極結(jié)構(gòu)物110就能實(shí)現(xiàn)。這種雙D形電極以相反相位來(lái)驅(qū)動(dòng),和圖12所示。如前所述,每個(gè)電極結(jié)構(gòu)物都包括一個(gè)測(cè)量電極111、一個(gè)保護(hù)電極112和絕緣體113、114。測(cè)量電極111由它自己的保護(hù)電極112包圍著。因此,唯一能觀察到的流到每個(gè)D電極結(jié)構(gòu)物的測(cè)量電極111的電流是流過(guò)各個(gè)以串聯(lián)聯(lián)接的C1的那些電流。這個(gè)兩個(gè)電流相加(一個(gè)已反相180°)并且用于與圖9或圖10基本相同的一個(gè)電子系統(tǒng)中。該系統(tǒng)與硅片背面上有無(wú)絕緣(電介質(zhì))層無(wú)關(guān)。與厚度有關(guān)的輸出電壓再次與電介質(zhì)層厚度成線性關(guān)系。
此外,在預(yù)選的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行電介質(zhì)層厚度的測(cè)量是有利的。為此,要將每個(gè)雙D電極結(jié)構(gòu)物的直徑制作得比半導(dǎo)體圓片的直徑小些。由于雙D電極結(jié)構(gòu)物在圍繞著拋光臺(tái)的中心軸沿其路徑運(yùn)動(dòng)和經(jīng)過(guò)該半導(dǎo)體圓片,故該測(cè)量是在雙D電極完全在該半導(dǎo)體材料下面的期間內(nèi)進(jìn)行的。如圖13所示,測(cè)量是在該拋光臺(tái)轉(zhuǎn)一整圈中的預(yù)選部分131內(nèi)進(jìn)行的。在這段時(shí)間內(nèi),用一個(gè)雙D電極結(jié)構(gòu)物110在圓片下面的路徑的不同位置上進(jìn)行測(cè)量。同時(shí),由于圓片圍繞其自己軸旋轉(zhuǎn),因此該圓片表面的不同部分就提供給該雙D電極結(jié)構(gòu)物。這些測(cè)量值或者可以僅取其平均值要不然就單個(gè)地被檢測(cè),以顯示該拋光過(guò)程的空間上的均勻性。
在如圖14所示的另一實(shí)施例中,只在圓片的一個(gè)面(面對(duì)拋光襯墊的一個(gè)面)上的電介質(zhì)層的厚度可用與圖6相似的配置來(lái)測(cè)量,但其電極結(jié)構(gòu)物25不是設(shè)在拋光臺(tái)11中而是設(shè)在圓片載體12中。
在這個(gè)實(shí)施例中電極結(jié)構(gòu)25的元件都與前面描述的相同,亦即,一個(gè)測(cè)量電極26、一個(gè)保護(hù)電極27、絕緣體28、29和由測(cè)量電極26,保護(hù)電極27引出的電連接點(diǎn)31和32,它們連接到與圖9和圖10的電子設(shè)備上。在這種情況下,如前所述,在插入襯墊15上的塑料粘接襯背必須穿孔,以確保從圓片到該電極結(jié)構(gòu)物的電通路。在這個(gè)實(shí)施例中,測(cè)量不只限于電極結(jié)構(gòu)物在圖13的圓片下面經(jīng)過(guò)的時(shí)間段內(nèi),而在整個(gè)平面化過(guò)程中可以連續(xù)地進(jìn)行。然而,這個(gè)方案相對(duì)于圖9和圖10所述的方案的缺點(diǎn)在于它不可能獨(dú)特地測(cè)量?jī)H在圓片正面上電介質(zhì)層的所需厚度。
用圖9或圖10所公開(kāi)的系統(tǒng)進(jìn)行的測(cè)量可用下例來(lái)解釋2微米PETEOS膜被淀積在5英寸(12.85厘米)直徑的硅片的寬面(正面)上。圓片的背面是裸露的。圖7的電極結(jié)構(gòu)物25使用一個(gè)直徑為5.84厘米(2.3英寸)的鋼盤作為測(cè)量電極26,該測(cè)量電極由一個(gè)0.63厘米(1/4英寸)寬的絕緣體28、一個(gè)0.63厘米(1/4英寸)寬的鋼保護(hù)電極27,一個(gè)0.63厘米(1/4)英寸絕緣體29和一個(gè)拋光平面包圍。整個(gè)電極結(jié)構(gòu)的25經(jīng)拋光,其平坦度優(yōu)于0.0025厘米(1密耳)容差并覆蓋0.05厘米(~20密耳)厚的海綿狀襯墊13,還在0.63厘米(1/4英寸)的中心處穿有0.18厘米(1/4英寸)的孔。
測(cè)量用圖10所示的電路組來(lái)進(jìn)行。在這個(gè)例子中,測(cè)量在水下(模擬一種含水漿液)進(jìn)行,用一個(gè)平的、接地的、金屬板將硅片壓到該電極結(jié)構(gòu)物中去。
測(cè)量按如下方式進(jìn)行對(duì)該硅圓片作初始測(cè)量,得出對(duì)應(yīng)于初始電介質(zhì)厚度2微米的一個(gè)輸出電壓。將該片傳送到一個(gè)市售的含水漿液的拋光機(jī)4分鐘。在這之后,移走該片并在水里中洗和重新測(cè)量(在水下),以測(cè)定新的電介質(zhì)厚度。這個(gè)拋光和重新測(cè)量的過(guò)程重復(fù)四次,其結(jié)果示于圖15中。
這些結(jié)果表明該測(cè)量是線性的(這還由獨(dú)立的電介質(zhì)厚度測(cè)量確認(rèn));拋光與時(shí)間的關(guān)系是線性的;分辨率高;以及測(cè)量準(zhǔn)確。上述基本點(diǎn)證明,在16分鐘之后該膜有效地被除掉只有厚度為幾百毫微米的一層片屑剩留下來(lái)。
很明顯,這里描述的系統(tǒng)可以按各種方式使用。當(dāng)把它裝配在一臺(tái)拋光機(jī)的較低的部件里,它可在原位置上監(jiān)測(cè)膜的厚度。如果安置得緊跟著這種機(jī)器的拋光襯墊,則測(cè)量可在短時(shí)間間斷性地進(jìn)行。每次測(cè)量只需要一秒鐘的小部分。需要時(shí)更復(fù)雜的插入電極結(jié)構(gòu)物可以便利地設(shè)置,以提供更準(zhǔn)確的空間平均值。另外,可用多節(jié)電極以在幾個(gè)位置處一齊提供同時(shí)測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種制造器件的方法,其特征在于它包括在襯底上制造一種器件的結(jié)構(gòu),以便產(chǎn)生一個(gè)非平面表面,所說(shuō)襯底具有小于約1兆歐姆-厘米的電阻率,在整個(gè)該非平面表面上形成電介質(zhì)材料層,逐漸減薄所說(shuō)電介質(zhì)的厚度,監(jiān)測(cè)剩余厚度,以便確定該減薄的所需端點(diǎn),以及繼續(xù)制造所說(shuō)器件,其中所說(shuō)的所需端點(diǎn)是通過(guò)測(cè)量該襯底和面向該襯底的一個(gè)電極結(jié)構(gòu)物之間的電容而確定的,而該襯底的面和面向該襯底的該電極結(jié)構(gòu)物的表面由液態(tài)的電阻率小于約100,000歐姆一厘米的連續(xù)導(dǎo)電膜界面面接,所說(shuō)電極結(jié)構(gòu)包括一個(gè)測(cè)量電級(jí),一個(gè)圍繞該測(cè)量電極的絕緣體,一個(gè)圍繞所說(shuō)絕緣體的保護(hù)電極,以及另一個(gè)圍繞該保護(hù)電極的絕緣體,其中所說(shuō)電容性測(cè)量包括通過(guò)將一具有高達(dá)5000Hz的工作頻率的測(cè)量電壓加到該測(cè)量電極和以一自舉方式加到該保護(hù)電極,還通過(guò)維持由所說(shuō)電壓的施加引起的恒定位移電流,來(lái)測(cè)量電容量,同時(shí)除去泄漏電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,該驅(qū)動(dòng)電壓的幅度正比于該電介質(zhì)層的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其特征在于,所說(shuō)導(dǎo)電材料包括由硅、鍺、III-V族化合物半導(dǎo)體和II-VI族化合物半導(dǎo)體組成的組中選出的一種材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法,其特征在于,所說(shuō)導(dǎo)電材料是硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其特征在于,所說(shuō)電介質(zhì)材料包括由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、一種化學(xué)汽相沉積的氧化物、等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積的氧化物以及旋涂玻璃組成的組中選出一種材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法,其特征在于,所說(shuō)電介質(zhì)材料包括一種化學(xué)汽相沉積的氧化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其特征在于,所說(shuō)工作頻率約為500Hz。
7.一種制造器件的方法,其特征在于它包括在襯底上制造一種器件的結(jié)構(gòu),以便產(chǎn)生一個(gè)非平面表面,所說(shuō)襯底具有小于約1兆歐姆-厘米的電阻率,在整個(gè)該非平面表面上形成一電介質(zhì)材料層,逐漸減薄所說(shuō)電介質(zhì)層的厚度,監(jiān)測(cè)剩余厚度,以便確定該減薄的所需端點(diǎn),以及繼續(xù)制造所說(shuō)器件,其中所說(shuō)的所需端點(diǎn)是通過(guò)測(cè)量該襯底和面向該襯底的一個(gè)電極結(jié)構(gòu)物之間的電容而確定的,而該襯底的面和面向該襯底的該電極結(jié)構(gòu)物的表面由液態(tài)的電阻率小于約100,000歐姆-厘米的連續(xù)導(dǎo)電膜界面面接,所說(shuō)電極結(jié)構(gòu)包括一個(gè)測(cè)量電級(jí),一個(gè)圍繞該測(cè)量電極的絕緣體,一個(gè)圍繞所說(shuō)絕緣體的保護(hù)電極,以及另一個(gè)圍繞該保護(hù)電極的絕緣體,其中所說(shuō)電容性測(cè)量包括通過(guò)將一具有高達(dá)5000Hz的工作頻率的測(cè)量電壓加到該測(cè)量電極和以一自舉方式加到該保護(hù)電極,還通過(guò)維持由所說(shuō)電壓的施加引起的恒定位移電流,來(lái)測(cè)量電容量,同時(shí)除去泄漏電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,該驅(qū)動(dòng)電壓的幅度正比于該電介質(zhì)層的厚度,以及將兩個(gè)相等的電極結(jié)構(gòu)物側(cè)挨側(cè)地安置,且向兩個(gè)電極結(jié)構(gòu)物施加的測(cè)量電壓在相位上有180°的相位差。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法,其特征在于,所說(shuō)導(dǎo)電材料包括由硅、鍺、III-V族化合物半導(dǎo)體和II-VI族化合物半導(dǎo)體組成的組中選出的一種材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法,其特征在于,所說(shuō)導(dǎo)電材料是硅。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的方法,其特征在于,所說(shuō)電介質(zhì)材料包括由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、一種化學(xué)汽相沉積的氧化物、等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積的氧化物以及旋涂玻璃組成的組中選出的一種材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的方法,其特征在于,所說(shuō)電介質(zhì)材料包括一種化學(xué)汽相沉積的氧化物。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的方法,其特征在于,所說(shuō)工作頻率約為500Hz 。
13.一種測(cè)量制品側(cè)面上電介質(zhì)區(qū)厚度的設(shè)備,該制品側(cè)面具有電阻率小于約1兆歐姆-厘米的導(dǎo)電部分以及在該導(dǎo)電部分的側(cè)面上的電介質(zhì)材料,其特征在于該設(shè)備包括一個(gè)具有平坦表面的電極結(jié)構(gòu)物,在所說(shuō)制品上面向所說(shuō)平坦表面的電介質(zhì)層,所說(shuō)電極結(jié)構(gòu)物包括一測(cè)量電極、一圍繞該測(cè)量電極的絕緣體、一圍繞該絕緣體的保護(hù)電極以及一圍繞該保護(hù)電極的另一絕緣體,導(dǎo)電液體裝置,用以界面面接該導(dǎo)電制品和該電極結(jié)構(gòu)物的平坦表面,并用建立在該導(dǎo)電制品和該電極結(jié)物的所說(shuō)平坦表面之間的電連接,以及電容測(cè)量裝置,用以測(cè)量該導(dǎo)電制品和該測(cè)量電極結(jié)構(gòu)物之間的電容,該電容測(cè)量裝置包括電壓施加裝置,用以將工作頻率高達(dá)5000Hz的驅(qū)動(dòng)電壓加到該測(cè)量電極并以自舉方式加到該保護(hù)電極,從而測(cè)量電介質(zhì)層的厚度而不干擾泄漏電阻。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備,其特征在于,所說(shuō)測(cè)量裝置包括一電子系統(tǒng),用以將驅(qū)動(dòng)電壓施加到所說(shuō)測(cè)量電極并以一自舉方式加到該保護(hù)電極,并用以維持恒定的位移電流,以使驅(qū)動(dòng)電壓的幅度正比于電介質(zhì)層的厚度。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備,其特征在于,所說(shuō)工作頻率約為500Hz。
16.一種測(cè)量制品側(cè)面上電介質(zhì)區(qū)厚度的設(shè)備,該制品側(cè)面具有電阻率小于約1兆歐姆-厘米的導(dǎo)電部分以及在該導(dǎo)電部分的側(cè)面上的電介質(zhì)材料,其特征在于該設(shè)備包括一個(gè)具有平坦表面的電極結(jié)構(gòu)物,在所說(shuō)制品上面向所說(shuō)平坦表面的電介質(zhì)層,所說(shuō)電極結(jié)構(gòu)物包括一測(cè)量電極、一圍繞該測(cè)量電極的絕緣體、一圍繞該絕緣體的保護(hù)電極以及一圍繞該保護(hù)電極的另一絕緣體,導(dǎo)電液體裝置,用以界面面接該導(dǎo)電制品和該電極結(jié)構(gòu)物的平坦表面,并用建立在該導(dǎo)電制品和該電極結(jié)物的所說(shuō)平坦表面之間的電連接,電容測(cè)量裝置,用以測(cè)量該導(dǎo)電制品和該測(cè)量電極結(jié)構(gòu)物之間的電容,該電容測(cè)量裝置包括電壓施加裝置,用以將工作頻率高達(dá)5000Hz的驅(qū)動(dòng)電壓加到該測(cè)量電極并以自舉方式加到該保護(hù)電極,從而測(cè)量電介質(zhì)層的厚度而不干擾泄漏電阻,以及其中兩個(gè)相等的電極結(jié)構(gòu)物側(cè)挨側(cè)地放置,且向兩電極結(jié)構(gòu)物施加的測(cè)量電壓在相位上有180°的相位差。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的設(shè)備,其特征在于,所說(shuō)測(cè)量裝置包括一電子系統(tǒng),用以將驅(qū)動(dòng)電壓施加到所說(shuō)測(cè)量電極并以一自舉方式加到該保護(hù)電極,并用以維持恒定的位移電流,以使驅(qū)動(dòng)電壓的幅度正比于電介質(zhì)層的厚度。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的設(shè)備,其特征在于,所說(shuō)工作頻率約為500Hz。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在制造半導(dǎo)體或光器件過(guò)程中用于化學(xué)/機(jī)械平面化端點(diǎn)檢測(cè)的原位監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備。本發(fā)明的檢測(cè)是以容性測(cè)量導(dǎo)電襯底上電介質(zhì)層厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本測(cè)量涉及電介質(zhì)層、平的電極結(jié)構(gòu)物和將制品與電極結(jié)構(gòu)物界接的液體。電極結(jié)構(gòu)物包括一測(cè)量電極、一包圍測(cè)該電極的絕緣體、一保護(hù)電極和包圍它的另一絕緣體。測(cè)量時(shí)給測(cè)量電極和包圍保護(hù)電極的自舉配置中施加驅(qū)動(dòng)電壓,從而在無(wú)分流漏電阻的干擾作用下測(cè)量電介質(zhì)電容。該方法和設(shè)備用于平面化拋光期間和其它過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量導(dǎo)電襯底上電介質(zhì)的厚度。
文檔編號(hào)G01B7/34GK1119339SQ9410817
公開(kāi)日1996年3月27日 申請(qǐng)日期1994年8月18日 優(yōu)先權(quán)日1990年5月1日
發(fā)明者加布里埃爾·l·米勒, 艾力克·R·瓦格納 申請(qǐng)人:美國(guó)電話及電報(bào)公司