CN1735480A - 在化学机械抛光中为了处理状态和控制检测晶片表面特性转变的装置和方法 - Google Patents

在化学机械抛光中为了处理状态和控制检测晶片表面特性转变的装置和方法 Download PDF

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Abstract

在化学机械抛光装置中，提供一个具有空腔的晶片承载板，该空腔用于容纳非常接近待抛光的晶片的传感器。由抛光垫和晶片的暴露表面之间的接触得到的能量仅传送非常短的距离给传感器，并由传感器感测，同时提供关于晶片的暴露表面特性和这些特性的转变的数据。相关方法提供将感测能量与表面特性以及转变关联的图表。该相关图表可提供用于处理控制的处理状态数据。

Description

在化学机械抛光中为了处理状态和控制 检测晶片表面特性转变的装置和方法
                       发明背景
1.发明领域
本发明通常涉及半导体制造，更加具体地涉及在化学机械抛光中为了处理状态和控制而检测晶片表面特性转变的装置和方法。
2.相关技术的描述
在半导体制造过程中，通过彼此层叠形成各种图案化的层将集成电路限制在半导体晶片上。这些彼此层叠布置的图案化层限定了晶片表面的形貌。在制造过程中该形貌变得不规则，例如不均匀(或者非均质的)。在随后的处理操作过程中，这些不规则会产生很多问题。尤其是例如在用于印刷具有小几何形状的光刻图案的操作中。如果表面形貌没有平坦化，这种形貌不规则的累积效应可能导致器件失灵和低的产量。
平面化可用于使这些不规则平坦。已知的一种平面化类型是化学机械抛光(CMP)。一般地，CMP处理包括保持和旋转晶片，然后使旋转晶片靠在抛光垫上。在CMP操作中遇到的一个问题是在CMP处理过程中“状态”的确定。该状态可以是已经达到的期望的形貌平面度，或者是保持在晶片表面上的材料具有期望的厚度。这种状态的其它实例例如涉及处理材料的组成，例如某些材料已经从晶片上去除使得在期望图案中的某些材料仍然作为晶片暴露表面的一部分。另外，该状态可以是已经达到的另一处理点，例如上部沉积材料的清除。此外，该状态可以是在被处理材料的电阻的变化。
每个这种状态涉及半导体晶片和晶片上的薄膜特性。这些特性包括例如形貌、厚度、材料的组成、反射率、电阻率和薄膜质量。
现有的进行这种状态的确定的方法包括从处理设备去除半导体晶片以利于独立检查计量学。此外，如下所述，提供现场方法，该方法并使用激光干涉测量法或宽波段光谱反射测量法来监测晶片表面特性，而不从设备中去除晶片。还如下所述的，将振动传感器安装在承载晶片承载板的头部，使得在头部的传感器远离晶片布置。
典型地，现场方法例如激光干涉测量法或光谱反射测量需要透过抛光垫、通常是透过一个特别插入的窗口观察晶片表面的能力。图1示意性地示出了一种用于测量晶片层102的厚度特性的先有现场装置。该晶片102由旋转的承载板104支撑。在CMP操作过程中将晶片102向存在浆料的抛光垫106按压，以平面化晶片12的表面107。该抛光垫106由台板108支撑。台板108中的窗口110和抛光垫106允许来自激光器112的光束观察晶片102的表面107。抛光垫106和台板108可以围绕如箭头14所示的轴线旋转，当抛光垫106和台板108旋转时，承载板104使晶片102围绕如箭头16所示的轴线旋转。欧洲专利Nos.EP0,738,561A1和EP0,824,995A1详细论述了一种激光干涉测量法。
在CMP操作的现场监测中遇到的问题是晶片102的表面107和窗口110之间的间隙118中的环境易于导致光谱信号振动，由于动态环境和CMP处理的磨损性质以及由于处理副产物的沉积，典型地这些光谱信号振动会改变光学特性。来自晶片102和抛光垫106的浆料和废料以及由扰动引起的气泡也有助于由间隙118的环境导致的光学振动。例如，在CMP处理的开始，间隙108填充具有一定光学特性的浆料，并根据这种初始光学特性进行校准。然而，当将晶片102平面化时，浆料包含来自晶片102和抛光垫106的增加的百分比的废料。这种废料可改变间隙118中的浆料的光学特性，反过来这导致厚度特性的测量产生误差。当仅根据这些初始浆料或者在间隙118中的流体的光学特性校准与激光器112关联的端点检测器，以及当光学特性由于不同于厚度特性的其它原因改变时会产生误差。而可以将窗口110布置在抛光垫106中的不同高度，因此间隙118将总是存在，从而窗口110不会和晶片102接触。美国专利No.6,146,242描述了一种布置在抛光垫中的窗口下方的光学端点窗口。
这种现场监测还具有其它局限。典型地，当晶片102和台板108相对各自的轴线旋转时，台板108中的窗口110的位置仅仅周期性地重叠晶片102。结果，台板108中的窗口110具有光闸的作用，使得激光器112不能一直照明晶片102。此外，该光闸动作仅仅允许对光学器件周期性的响应，该光学器件可接收从晶片102反射的激光。
考虑到这些CMP操作的现场监测的局限，已经进行了多种尝试，以便在CMP操作过程中感测振动。然而，参考图1B，由于已经将典型的振动传感器130远离晶片136和抛光垫138之间的分界面134安装在头部132，因此在晶片-抛光垫的分界面134和传感器130之间形成一个明显的机械结构。这种结构可包括晶片承载板140和将该承载板140与旋转驱动器144连接的连接器142。晶片承载板140和连接器142会干涉来自分界面134的振动(见箭头146)传输。因此，当与根据晶片特性在晶片-抛光垫的分界面134(在该分界面处可进行远程布置的CMP处理)上的振动146比较时，由这种结构的物理特征引起的振动(见箭头148)更容易由传感器130接收。因此，当处理振动146传递到远程布置的传感器130时容易被衰减。此外，这种振动146比由结构的物理特征引起的振动148微弱，因此相对处理振动146具有低的信噪比系数。结果，远程传感器130容易输出不能准确表示在晶片一抛光垫的分界面134处的晶片特性的信号，因此不能准确表明CMP处理的状态。因此，使用这种不准确输出信号的CMP处理的控制也容易是不准确的。
这些现有的现场监测的局限以及现有的振动感测的局限例如已经在状态转变的检测或者转变方面产生了多种问题，这些是重要的，并且在晶片的CMP处理过程中，在抛光垫/晶片相互作用的分界面和晶片表面处会产生晶片表面的表面特性中的特征变化或薄膜的特征变化。
那么我们需要的是一种方法和装置，用于检测晶片和薄膜特性中的转变。这种需要是为了检测这种转变并避免透过抛光垫观察晶片的光学系统的局限。因此，需要的是在这种用于系统和检查方法的抛光中可以一直观察抛光表面的特性和/或抛光垫/晶片分界面相关的参数特性，从而可以检测任何产生的转变。此外，需要的是在CMP处理状态和控制方法及装置中，在最接近晶片的地方感测晶片表面的特性，更加优选地是在晶片承载板而不是像现有的远程振动传感器那样远程地感测。相关的需要是提供一种改进的感测参数变化的方式，该参数变化可反映在晶片/抛光垫分界面和/或在晶片表面处发生的特性变化。这种改进的方式应该避免在感测这种振动之前使基于处理的振动衰减，和基于结构的物理特征的振动相比应该导致处理振动的强烈吸收，应该在分辨率方面有所增加，还应该提高相对于处理振动的信噪比系数。此外，需要的是为了增加被感测的晶片区域的数量，以便感测在晶片表面的不同区域中不同特性的变化，例如与使用大多数常规现场传感器感测的相对小的晶片表面区域相比。
发明内容
广义地说，本发明可满足这些需要，通过提供多种装置和方法，用于在化学机械抛光中对CMP处理状态和控制检测在晶片表面或晶片/抛光垫相互作用的分界面中的晶片特性的转变，例如电子的、形貌的和组成的转变。这些装置和方法避免了常规光学系统的局限，例如该常规光学系统可透过在抛光垫中受限制尺寸的窗口观察晶片。这些方法和装置还满足一种需要，在这种用于系统和方法的抛光中为了检测任何产生的转变，可一直观察抛光表面的特性和/或与抛光垫/晶片分界面相关的参数特性。这些方法和装置还满足一种用于CMP处理状态和控制方法和装置的需要，其中在最接近晶片的位置处，最好是在晶片承载板而不是像先有的远程振动传感器那样远程地感测晶片表面的特性。
满足这些需要的装置包括一个用于检测晶片表面特性的系统。该系统包括一晶片承载头，其具有一晶片固定表面和至少一个在其中远离晶片固定表面延伸的小孔。在小孔中容纳一传感器，用于响应传输经过晶片固定表面并传输到小孔中的能量。该小孔入口可以是机械地开口的(如在一物理小孔中)或者是功能上开口的(如在一封闭且可透过待感测的适当信号的窗口中)。此外，可以将承载薄膜安装在晶片固定表面上，并根据待感测能量的类型将其机械地开口或功能上开口。
本发明还满足这种需要，以提供一种改进的感测振动方式，这些感测振动是随着对具有不同特性的晶片表面进行基于摩擦的CMP材料去除作用而产生的。这种改进方式避免了在感测这些材料之前使基于处理的振动衰减，和基于结构的物理特征的振动相比导致强烈吸收处理振动，提供分辨率的增加，以及相对处理振动提高了信噪比系数。这种改进方式还允许将感测范围(例如通过使用最有效的频率范围)最优化。此外，本发明满足一种需要，用于增加被感测的晶片区域的大小，例如和利用常规的现场传感器感测的相对小的晶片表面区域相比。
应该理解本发明可以多种方式实施，包括作为一个装置、作为一个系统、作为一个器件或作为一种方法实施。下面描述几个本发明的发明实施例。
在一个实施例中，提供一种系统，用于检测在前表面的化学机械处理过程中晶片的前表面上的特定区域的特性变化，其中将改变特定区域的特性。一磨头或者晶片承载板配置成具有一个晶片固定表面和一个空腔，该空腔具有与该晶片固定表面共平面的开口，该空腔配置成远离晶片固定表面延伸到头部中，并与特定区域对准。将一个与刚性晶片固定表面分开的、薄的承载板或背部、薄膜安装在晶片固定表面上，并在开口上延伸以接合晶片的背部。该背部薄膜配置成在表面的化学机械处理过程中允许透过空腔的能量从晶片前表面上的特定区域发出。在空腔中容纳一传感器，以响应传输通过背部薄膜的能量。如此配置该传感器使得在前表面的化学机械处理过程中响应于前表面上的特定区域的一个特性，传感器产生一个表示特定区域的特性的第一信号。还可以如此配置该传感器使得在化学机械处理过程中响应于前表面上的特定区域的另一个特性，传感器产生一个表示特定区域的其它特性的第二信号。
在另一个实施例中，提供一种系统，用于检测在晶片的前表面上的两个或多个分开区域的特性变化。该检测是在前表面的化学机械处理过程中进行的，由此将改变每一分开区域的特性。第一分开区域配置成具有一金属化覆盖层，在化学机械处理过程中可改变其厚度。第二分开区域配置成具有在金属化覆盖层下面的金属化图案层。特性的一种变化是一种转变，在该转变中当在化学机械处理过程中将金属化覆盖层从图案化金属层(在晶片的前表面)清除时，金属化覆盖层的厚度变为零。一晶片承载板配置成具有一晶片固定表面和用于两个或多个分开区域中的每一区域的空腔。每个空腔配置成具有与晶片固定表面共平面的开口。每个空腔配置成远离晶片固定表面延伸，并与各个分开区域对准。将一薄的背部薄膜安装在晶片固定表面上，并在空腔的开口上延伸以接合晶片的背部。在表面的化学机械处理过程中，该薄膜配置成传输从晶片前表面上的每一分开区域发出的能量，同时该薄膜将能量传输到每个空腔中。在该实施例中，在与第一区域对准的空腔中容纳一涡流传感器，以响应与晶片前表面金属化层的电磁感应耦合。在前表面的化学机械处理过程中该涡流传感器配置成响应前表面上金属化层的厚度，以产生表示厚度的第一信号。在该实施例中，在与第二区域对准的空腔中容纳一振动传感器，以响应产生的振动能量，该振动能量是由在晶片前表面/抛光垫分界面中的化学机械相互作用而产生，以及从晶片前表面金属化层或介电层通过硅晶片并最终通过背部薄膜到达振动传感器而发出的。在前表面的化学机械处理过程中，该振动传感器配置成响应振动能量，并产生表示在前表面处的晶片特性的变化(例如层厚度、组成或形貌的转变)的第二信号。
在另一个实施例中，提供一种获得晶片表面特性传感器响应相关数据的方法。该数据表示一个或多个已知的相关半导体晶片的表面层的特性。该表面特性可由在表面层上进行的化学机械抛光处理得到。该方法包括在相关晶片之一的表面上确定一个区域的操作。该区域包括初始已知的表面特性，例如厚度。另一个方法操作在该区域内进行有关初始表面特性的第一化学机械抛光操作。该第一化学机械抛光操作导致初始表面特性发出一个第一能量输出。另一个方法操作确定在该第一化学机械抛光操作过程中发出的第一能量输出的第一能量特征。在第一化学机械抛光操作过程中该第一能量特征对初始表面特性是唯一的，并且例如可以是利用非常接近发出初始表面特性的传感器输出的信号。因此这种第一能量特征或信号可表示在初始表面特性的CMP处理过程中的初始表面特性，并提供晶片表面特性传感器响应相关数据的一项。在另一个方法操作中，对于另一个具有暴露表面的相关晶片反复进行和确定操作，其中的暴露表面在确定区域中具有至少一种已知的更小的表面特性，例如最终厚度。这些反复的进行和确定操作导致已知的更小的表面特性发出至少一个另一个能量输出，并确定至少一个另一个能量特征，该能量特征对于至少一个已知的更小的表面特性(它是已知的更小的表面厚度)是唯一的。在另一个化学机械处理操作过程中，另一个能量特征对于更小的表面特性是唯一的，并且例如可以是由利用非常接近发出较低的表面特性的传感器输出的信号。因此这种另一个能量特征或信号可表示在较低的表面特性的另一个CMP处理过程中的另一个表面特性，并提供晶片表面特性传感器响应相关数据的另一项。
在又一个实施例中，提供一种方法用于控制在产品晶片上进行的化学机械抛光操作，该产品晶片具有与用于获得晶片表面特性传感器响应相关数据的相关晶片相同的特性。该方法的操作包括将产品晶片安装在晶片承载板上以使产品晶片的前表面暴露在晶片-抛光垫分界面的抛光垫的操作。产品晶片的前表面和分界面具有至少一个区域，在该区域之下布置了多个表面构造。该表面构造彼此层叠，并包括至少一个初始最接近产品晶片的前表面的上部表面构造，对于化学机械抛光操作暴露该前表面。该表面构造还包括一个最终表面构造，其开始与前表面间隔最远并朝向产品晶片的背部。每个这种配置可以具有上述特性中的一个，例如对应的相关晶片的特性。在另一个操作中，在产品晶片的区域上进行化学机械抛光操作，从而根据在分界面处表面构造的特性抛光垫使能量从晶片-抛光垫分界面的区域发出。提供一组数据，并且可以是以根据上述方法获得的晶片表面特性传感器响应相关数据。该相关数据可以包括例如第一数据。该第一数据对应于在前面的化学机械抛光操作过程中发出的能量，该化学机械抛光操作是在与产品晶片相似的相关晶片的对于区域内的各个表面构造上进行的。第一数据包括对应于相关晶片的最终表面构造的最终特性的数据部分。一操作监控在产品晶片的各个表面构造上进行的化学机械抛光操作过程中从产品晶片的晶片-抛光垫分界面发出的能量。发出的能量与在分界面处表面构造的特性相关。另一个操作将在目前进行的化学机械抛光操作过程中从产品晶片的晶片-抛光垫分界面的区域发出的能量和对应于相关晶片的最终表面构造的特性的第一数据比较。在相关晶片的实例中，数据部分表示已知的更小的表面的最终厚度，它是一个最终表面构造。最后一个操作中断目前进行的化学机械抛光操作，只要比较操作确定了在目前进行的化学机械抛光操作过程中从该区域发出的能量大体上与第一数据部分相同，该第一数据部分对应于相关晶片的最终表面构造的特性。
结合附图并仅仅作为实例说明本发明的原理，通过下面详细的描述本发明的其它方面和优点将更加明显。
附图说明
结合附图，通过以下的详细描述，将更容易理解本发明，其中相同的参考数字表示相同的结构元件。
图1A是现有技术现场装置的示意图，其通过在台板和晶片下面的抛光垫中提供小孔来测量晶片层的厚度；
图1B是现有技术装置的示意图，其用于检测将晶片承载头安装到CMP装置上的在耦合器上的振动，其中该装置远离晶片的位置，该晶片承载于固定在晶片承载头上的承载板；
图2A是显示了在暴露表面上的区域的平面视图，其中根据本发明该区域可以具有待感测的唯一的表面特性；
图2B至2E是在四个典型的化学机械抛光连续阶段的过程中晶片暴露表面的各表面特性的截面图，其中；
图2B显示了暴露的晶片表面的非均匀区域的形貌特性；
图2C显示了暴露的晶片表面的平坦均匀区域的另一个形貌特性和厚度特性；
图2D显示了在暴露表面由不同材料表示的暴露的晶片表面的非均匀区域的组合特性；
图2E显示了当从介电层清除扩散势垒层时组合特性的转变；
图3A是具有多个空腔的承载板的平面图，该空腔用于容纳和安装直接相邻于晶片固定表面的各个传感器，根据本发明该传感器用于感测在晶片的暴露表面的特性变化；
图3B是沿图3A中线3B-3B的截面图，其显示了根据本发明在空腔中和直接在连续的承载(或背部)薄膜中的空腔开口中的主动传感器，在该承载薄膜上安装晶片的背部；
图3C是如图3B所示的传感器的放大视图，其显示了接近晶片前表面上的金属化层布置的线圈，以响应于和金属化层的电磁感应耦合；
图3D和3E是图3B的一部分的另一个放大视图，其显示了在晶片的背部和暴露表面之间的晶片材料的不同厚度；
图4A是类似于图3C的截面图，其显示了根据本发明在空腔中和直接在连续的背部薄膜中的空腔开口中响应振动的被动传感器，在该背部薄膜上安装晶片的背部；
图4B是晶片表面特性传感器响应相关图表，其显示了在如图2D和2E所示的暴露表面上进行的CMP处理过程中，随着由图4A的传感器感测的振动频率而变化的图示速度振幅，显示了在特定频率范围处的峰值振幅，还显示了作为前表面层CMP处理的结果在晶片前表面层的组合特性的转变；
图5A是类似于图3B的截面图，其显示了根据本发明在空腔中和直接在背部薄膜中开有小孔的空腔中响应温度的被动传感器，在该背部薄膜上安装晶片的背部；
图5B是由经过CMP处理的各种暴露的晶片表面发出的红外能量的图表；
图5C是显示了红外温度传感器的输出的相关图表，其表示在如图2B、2C、2D和2E所示的暴露表面上进行的CMP处理过程中与图示的晶片背部热接触的流体随时间变化的温度；
图6是通过使用如图3B和3C所示的涡流传感器制得的相关图表；
图7是描述了在使如图3B、4A和5A所示的传感器相互关联中使用的操作流程图，以用于制定相关图表；
图8是描述操作的流程图，其中在CMP处理过程中可以使用如图7所示的相关图表确定前表面层的特性。
优选实施例的详细描述
本发明描述了一种方法和装置，用于在化学机械抛光中为了CMP处理状态和控制而检测在晶片表面或晶片/抛光垫相互作用的分界面中的表面特性和转变。现在对系统和方法详细描述，这些系统和方法可一直观察抛光表面的特性和/或与抛光垫/晶片分界面相关的参数特性，以检测任何产生的转变。还描述了CMP处理状态和控制方法和装置，通过这些方法和装置在最接近晶片的位置感测晶片表面特性，最好是在晶片承载板中而不是像先有的远程振动传感器那样远程地感测晶片表面特性。然而，显然对于本领域技术人员来说，没有一些或者所有的这些具体细节也可以实施本发明。在其它情况下，为了不混淆本发明没有详细描述熟知的处理操作。
参考图2A至2E可以理解晶片的非均匀表面。在图2A中以平面视图示出的半导体晶片200是一圆盘，例如具有如200毫米或300毫米直径的圆盘。为了描述本发明在晶片200上标出区域202。区域202限定了垂直系列的示例性层204在晶片200上的范围(图2B至图2E)。图2B至图2E的截面在区域202中和其下方。图2B显示了例如在对晶片200进行CMP处理之前层204中不同的层。在区域202中和其下方，对于CMP处理来说层204处于晶片的背部206与将暴露于抛光垫209和与抛光垫209接触的前表面或暴露表面208之间，该表面。为了便于说明，分开示出抛光垫209和暴露表面208。
在区域202中和其下方，一背部或支撑层204-B支撑一与前表面208间隔的下部金属化层204-LM。在下部金属化层204-LM和暴露表面208之间以及在区域202中可以提供一扩散层204-D。可以在扩散层204-D的上面沉积一介电层204-DI。利用蚀刻去除介电层204-DI的一部分例如限定一沟槽或柱销204-T。可以在介电层204-DI上和沟槽204-T中提供两部分的覆盖层204-O(图2B和2C)。该覆盖层204-O可以包括一薄的(例如钽、氮化钽、氮化钛或氮化钨的)扩散势垒层204-DB和一上部(例如铜的)金属化层204-UM。该金属化层204-LM和204-UM可以是例如铜、钨或铝。介电层204-DI例如可以是二氧化硅(PETEOS)、氟化二氧化硅、或低-K的介电材料，例如那些出售的商业名称为CORAL或BLACKDIAMOND的材料。
在现有的CMP处理的条件下在图2B中示出了晶片200和已描述过的层204。在区域202中利用上部金属化层204-UM形成暴露表面208，该金属化层是覆盖层204-O的一部分。描述的金属化层204-UM具有暴露表面208的多种类型的表面特性中的一种类型的表面特性210。如上所述，这些特性包括例如形貌的(例如平坦度)、厚度、材料的组成、反射率、电阻率和薄膜质量。如图2B所示的类型可以描述为形貌的，由区域202中暴露表面208的非均匀、波状的或不平坦的布置作为示例。这种形貌的表面特性(见图2B中的210-NU)是表面特性210中的一种，该特性可由本发明检测并控制。参考图2A，可以理解可以在晶片200的暴露表面208上标出多个其它区域202-O，且其它区域202-O中的每个可以限定另一个垂直系列的示例性层204的范围。这种其它垂直系列的示例性层204例如可以具有与由区域202限定的层204不同的层204。
CMP处理的典型目标是使暴露表面208光滑或平坦。现在相对区域202描述CMO处理，在区域202中例如可以使暴露表面208(具有非均匀形貌的表面特性210-NU)光滑或平坦，如图2C所示，以便提供均匀的表面特性210-U。在CMP处理过程中，在抛光垫209和位于区域202中晶片-抛光垫相互作用的分界面211处的暴露表面208之间进行摩擦接触(该接触由图2B和2C中的上部虚线表示)。根据本发明的原理，在暴露表面208和在晶片-抛光垫分界面212处的抛光垫209之间的摩擦接触根据表面特性210的特征而变化。这种变化是对区域202中的整个晶片-抛光垫分界面212发生。例如，摩擦接触可以根据转变的类型(例如电子的、形貌的或组成的)而变化，该转变在晶片200的暴露表面208或在晶片/抛光垫相互作用的分界面212中产生。这种摩擦接触会导致能量E(见各个附图中的箭头E)在晶片200的暴露表面208产生。该能量E例如可以描述为例如从暴露表面208或晶片-抛光垫相互作用的分界面212传输、发射或透射。这些术语传输、发射或透射可共同地指暴露表面208(和晶片-抛光垫分界面212)作为与暴露表面208相关的信息源或数据源或能量源。来自暴露表面208和晶片-抛光垫分界面212的能量E的类型和数量(即强度)随着区域202中的摩擦接触的变化而改变。
利用CMP处理，可以改变区域202中暴露表面208的表面特性210，例如从非均匀(例如波状)类型的特性210-NU变化为如图2C所示的均匀(平坦)的表面特性210-U。摩擦接触的性质随着表面特性210改变而改变，使得来自暴露表面208和晶片-抛光垫分界面212的能量E的数量和类型根据要进行处理的表面特性210的类型而变化。这种从非均匀到均匀的变化是在区域202中可以由本发明检测并控制的表面特性210的变化之一。
图2C和2D示出了另一种类型的形貌转变或变化，以及另一种类型的暴露表面208的表面特性210。这种变化是暴露表面208离背部206的位置。这种位置像在晶片200的厚度T中的变化一样改变，并相应于表面特性210-T(也可参见分别在图3D和3E中的示例性特性210-T1和210-T2)。例如图2C中厚度T的值比图2D中的大。这种厚度T是可以由本发明测量的一个数量特征。此外，在区域202中厚度T的变化是可以由本发明检测并控制的表面特性210-T的变化之一。
图2C和2D还示出了当CMP处理进行时，随着厚度T改变，可以去除或“清除”覆盖层204-O中上部金属化层204-UM部分，然后扩散势垒层204-DB和沟槽204-T中的铜层可以变成暴露表面208(图2D)。当去除上部金属化层204-UM并保留扩散势垒层204-DB和沟槽204-T中的铜层而形成暴露表面208时，可以使用表面特性210-CUM(图2D)确定这种上部金属化清除。这种去除上部金属化层204-UM来改变暴露表面208的组成是可以由本发明感测的转变的一个实例。
感测转变即感测在该实例中组成的转变是重要的。例如，在CMP处理中与那些用于处理扩散势垒层204-DB的相比，必须使用不同的消耗品和处理参数来处理上部金属化层204-UM。因此，在CMP处理过程中，重要的是能够检测从上部金属化层204-UM向扩散势垒层204-DB和沟槽204-T中的铜层的组成转变。这种检测允许对CMP处理进行合适的和立即的改变，以适当地处理扩散势垒层204-DB和沟槽204-T中的铜层。通过相似的方式，其它转变的感测允许对CMP处理进行其它合适的和立即的改变。
由于向扩散势垒层204-DB和沟槽204-T中的铜层的组成的转变，暴露表面208也是非均匀的，并且可以通过参考表面特性210-NU确定。表面特性210-NU的非均匀性是由不同的材料自身的组成(表示为图2C中的表面特性210-C)产生的。该非均匀性还可由图案产生，其中可在晶片200(表示为表面特性210-P)上沉积例如介电层204-DI、扩散势垒层204-DB和金属化层204-UM。因此在区域212中从晶片-抛光垫分界面212发出的能量E的数量和类型可以随着摩擦接触的变化而改变，该摩擦接触是由不同的示例性材料(例如沟槽204-T中的铜层和介电层204-DI中的二氧化硅)自身产生的，以及由图案化产生，在图案化中在晶片200上沉积那些势垒层204-DB和层204。
图2C至2E还示出了当CMP处理进行时，随着厚度T改变，当去除覆盖层204-O中上部金属化层204-UM部分时存在电转变。由于上部金属化层204-UM可以由铜层制成，并且通常开始时较厚，所以能够电磁感应地与上部金属化层204-UM耦合。然而，当去除上部金属化层204-UM和扩散势垒层204-DB时，由于保留的介电层204-DI是非传导性的，沟槽204-T中的金属化层(例如铜层)具有较小的量，这种去除得到一种能够电磁感应地与在暴露表面208处的金属化耦合能力方面的转变。因此，对于电磁感应耦合来说，当去除了整个上部金属化层204-UM，而仅保留沟槽204-T中的铜层和下部金属化层204-LM时，这种耦合能力会显著下降。
此外参考图3A至3C，本发明的实施例提供一系统220，其用于感测晶片200的暴露表面208的特性，以及用于在化学机械抛光中为了CMP处理状态和控制检测在晶片00的表面208附近或晶片/抛光垫相互作用的分界面212中的转变。例如，该系统220检测已处理的表面208的特性210，例如如图2A至2E示出的晶片200的暴露表面208的特性。晶片200例如可以是上述半导体晶片中的任何一种，或者为了例如平面化的目的，在其中使用了处理(例如CMP处理)的类似衬底。
图3A的平面图部分示出了系统220，其包括晶片承载板或承载头，例如具有晶片固定表面224的晶片板222(图3B和3C)。该板222可以具有用于将低压气体(真空)提供给晶片固定表面224的结构(未示出)，用于将晶片200固定在板222上，这在美国专利申请号为10/029515(该申请是2001年12月21日提交的，名称为Chemical Mechanical Polishing Apparatus and Methods WithPorous Vacuum Chuck and Perforated Carrier Film，发明人为J.M.Boyd、M.ASaldana和D.V.Williams)和美国专利申请号为10/032081(该申请是2001年12月21日提交的，名称为Wafer Carrier And Method For Providing LocalizedPlanarization Of A Wafer During Chemical Mechanical Planarization，发明人为Y.Gotkis、D.Wei、A.Owzarz和D.V.Williams)的申请中更加充分地描述了，将这两篇文献引入作为参考。此外，板222具有至少一个小孔或空腔226，其远离晶片固定表面224延伸到板222中。
图3A示出了空腔226的示意性位置，其中空腔与板222的中心C隔开布置。在图3B，示出的空腔226配置成具有适于容纳传感器232的尺寸(例如直径228或相应的截面长度和宽度尺寸以及深度229)。一般地，每个空腔226的尺寸不超过例如大约30毫米的直径。如此选择相对中心C的每个空腔226的位置和空腔226的尺寸，使得将空腔226与示例性的各晶片200的区域202中的一个对准，这样就可以使用系统220。
传感器232可以通过空腔226的开口234插入。该开口234与晶片固定表面224共同外延。开口234可以是机械地开口的(如在一物理小孔中)或者是功能上开口的(如在可透过待感测的适当信号的窗口中)。此外，可以将薄的承载或背部薄膜236布置在晶片固定表面224上，并根据待感测能量的类型将其机械地开口或功能上开口。背部薄膜236还可以具有典型的如在上面参考的2001年12月21日提交的专利申请中描述的特性。背部薄膜236在晶片固定表面224上延伸以接合晶片200的背部206。
这种承载薄膜236的机械的或功能的开口的布置可将所有必需类型的能量E传输到传感器232。被传输的能量E的类型例如包括热的、电磁感应耦合和振动类型。在如图3B和3C示出的本发明的实施例中，背部薄膜236物理上是连续的(例如没有小孔)，并靠近空腔226和覆盖容纳在空腔226中的传感器232。
如上所述，传感器232配置成响应从晶片-抛光垫212部分和从相应的晶片200的暴露表面208(这两部分与一个示例性的区域202相联)发出的能量E的数量和类型。在如图3B和3C所示的承载薄膜236的实施例中，将这种能量E(例如从与示例性的区域202相关的晶片-抛光垫分界面212)从相应的晶片-抛光垫分界面212通过晶片200，然后通过承载薄膜236进入空腔226到达传感器232。能量E的传输路径很短，因为晶片200的厚度典型地是大约0.75毫米，承载薄膜236的厚度是大约0.5毫米，传感器232的感测端240或者与晶片固定表面224共同外延，或者凹入并由薄的密封垫片230与晶片背部206隔开，该密封垫片230例如与晶片固定表面224共同延伸。此外，板222、传感器232、薄膜236和晶片200作为一个单元一起移动，使得空腔226中的传感器232总是随晶片200的区域202移动。因此传感器232总是处于非常接近晶片-抛光垫分界面212的位置，以响应从相应于区域202的晶片-抛光垫分界面212部分(和暴露表面208)发出的能量E。
传感器232响应这种传输到空腔226中的能量E，并产生一输出信号238，该输出信号可以被无线地传输到下面描述的适当的接收器中(图3B)。在通常的意义上，可以理解输出信号238与示例性的区域202中的一个的晶片表面特性210相关，因此空腔226中的传感器232与空腔226对准。例如，仅仅参考晶片200，图3D示出了基于晶片200的第一厚度T1的第一晶片表面特性210-T1。图3E示出了基于晶片200的第二厚度T1的第二晶片表面特性210-T2。从暴露的晶片表面208(即从区域202中的晶片-抛光垫分界面212)发出的能量E可以具有第一值和第二值，该第一值对第一晶片表面特性210-T1是唯一的，该第二值对第二晶片表面特性210-T2是唯一的。传感器232配置成响应具有第一值的能量E，以产生第一输出信号238，例如图3B所示的238-T1，其表示第一特性210-T1，以及响应具有第二值的能量E，以产生第二输出信号238，例如238-T2，其表示第二特性210-T2。
参考图3C，示出了系统220的一个实施例，其包括作为主动传感器的传感器232，其以涡流传感器的形式配置成具有传感器线圈242。该线圈242例如处于传感器端部240，因此其处于晶片固定表面224或非常紧密地与晶片固定表面224相邻，例如间隔为2毫米。因此线圈242基本上与晶片200的背部206相隔仅仅为较小的承载薄膜236的厚度。该线圈242处于适当的位置，以与上部金属化层204-UM和沟槽204-T中的铜电磁感应地耦合(图3D)。电磁感应的数值和在线圈242中得到的感应涡流取决于该上部金属化层204-UM和沟槽204-T中的铜层的厚度。传感器232输出输出信号238(图3B)作为具有表示(通过下面描述的相互关系)各个厚度T的数值的电压信号，例如厚度T1和T2(图3D和3E)。传感器232还可以表示在CMP处理过程中的其它转变。例如，在CMP处理过程中通过使厚度T与已知的组成特性相关，例如当从介电层204-DI完全去除或清除一些或全部的覆盖层204-0时暴露表面20中组成的变化，或组成的变化或清除的变化，可以确定转变。因此，当传感器232输出具有特定电压数值的输出信号238时，通过这种相互关系可以表示出该清除转变。为了电转变感测的目的，传感器232可以是由Balluf(瑞士公司)或Karman(U.S.A.)或Micro-Epsilon(德国)生产的产品。
这种传感器232的输出信号238的数值部分地取决于承载板222的结构和其它紧密相邻的结构例如承载薄膜236和抛光台(未示出)和抛光垫209的布置。然而，正如所描述的，由于传感器232被布置在板222中，并非常接近晶片200的背部206，因此上部金属化层204-UM和扩散势垒层204-DB例如具有各自的厚度(例如在图3D中)，其厚度足以使电磁感应耦合到线圈242，以便检测在5％范围内的厚度T，这对于在CMP处理过程中的使用是可以接受的。例如对于铜层204-UM，这种厚度是从大约2000纳米到大约0纳米，对于氮化钽扩散势垒层204-DB，这种厚度是从大约100纳米到大约0纳米。
此外，关于感测上面描述的已清除的暴露表面208的表面特性210-C(图2E)，例如在图案特征中可以达到50％的铜层，该图案特征包括如图2E所示的暴露表面208。然而，已经发现甚至具有这种百分比的铜层时，涡流传感器232将感测从介电层204-DI和感测204-T中的铜层中去除覆盖层204-O的作用。由于涡流传感器232使用了主动电磁感应耦合，因此该实施例的传感器232表示为一个主动传感器。
参考图4A，示出了系统220的另一个实施例，其包括配置成具有耦合流体250的振动传感器形式的传感器232。该耦合流体250可以是容纳在空腔226中的去离子水(DIW)，该空腔在开口234和传感器232的本体252之间。因此，该流体250在传感器端部240，其处于或非常紧密地与晶片固定表面224相邻。流体252耦合振动到传感器232的传感器端部240，并与晶片200的背部206间隔较小的承载薄膜236的厚度。流体250和传感器232处于适当的位置，以与在CMP处理过程中有抛光垫209和晶片200的暴露表面208之间的接触产生的晶片200的振动耦合。这些产生的振动包括振幅方面和频率方面。这些方面与表面特性210相关，在产生特定的振动时表面特性可与抛光垫209接触。例如，如图4B所示的图表258示出了与这种振动的振幅与频率的关系。在图表258中，振幅是暴露表面208的速度量。然而，也可以绘制表面208的位移振幅，以及该表面208的加速度。
考虑到图表258的速度振幅，曲线260(实线)显示了在大约3000Hz至20000Hz的振动频率范围中的低速振幅振动。在例如具有表面特性210-U的上部金属化层204-UM的CMP处理过程中，这种在该范围的低振幅振动可由振动传感器232感测(图2C)。明显地，即使扩散势垒层204-DB在上部金属化层204-UM的下方，在上部金属化层204-UM的CMP处理过程中产生的振动是基于上部金属化层204-UM而不是下面的扩散势垒层204-DB。此外，关于向作为暴露表面208的扩散势垒层204-DB的清除转变，图4B还示出了曲线262(见点划线)，其显示了在大约3000Hz至12000Hz的振动频率范围中相对低的速度振幅振动，以及在大约13000Hz至17000Hz的振动范围中在顶点264为最高振幅。在13000Hz至17000HzHz的范围顶点264的数值明显比曲线260的高。在CMP处理过程中，根据扩散势垒层204-DB的组成清除上部金属化层204-UM，即在抛光垫209和具有表面特性210的扩散势垒层204-DB接触之后，这种由图表262所示的顶点振动频率可以由传感器232感测。在暴露表面208的特性210中重要的和特征的变化是从组成特性210-C变化为均匀特性210-U，如图2C所示。该变化是在清除上部金属化层204-UM之后如图2D所示的组成的、非均匀特性210-NU。在图2E中这种变化由特性210-CUM表示。因此在该实例中当抛光垫209和扩散势垒层204-DB接触时产生组成转变和清除转变。
再次参考图4A，如上所述，振动传感器232产生输出信号238作为电压信号，该电压信号具有根据在晶片-抛光垫分界面212(例如薄膜208)处产生的振动振幅和振动频率的数值。因此由传感器232感测的振动可以表示或检测从上部金属化层204-UM向扩散势垒层204-DB和感测204-T中的铜层的组成转变，从而能够对CMP处理进行适当的和立即的改变，以适当地处理扩散势垒层204-DB和沟槽204-T中的铜层。例如，在CMP处理过程中，下面描述的相互关系可以使由传感器232感测的振幅和频率与已知的状态相关。这种状态可以是组成转变，可以在上述的频率范围中的顶点264确定该组成转变。因此，当传感器232输出具有相应于顶点264的频率的峰值电压值的输出信号238时，通过使用这种相互关系可以表示组成转变。
为了振动感测的目的，传感器232可以是主动传感器232，因为音频信号可以由振动传感器232输出到晶片-抛光垫分界面212。根据在晶片-抛光垫分界面212产生的声波并基于暴露表面208和抛光垫209之间的摩擦接触的性质可以改变该输出音频信号。如上所述，这种摩擦接触随着表面特性210的特征而改变。来自已经被如此改变的传感器232的输出音频信号返回到传感器232，然后产生输出信号238。该传感器232的信号238部分地取决于承载板222的结构和其它紧密相邻的结构，例如承载薄膜236、晶片200，以及取决于在CMP处理过程中存在的各个层204。然而，对于所描述的安装在板222并与承载薄膜236耦合的传感器232，因为该安装将具有耦合流体250的传感器232放置得非常接近(例如在几个毫米的范围内)晶片200的暴露表面208(与现有的远程布置在连接器142处的传感器130相比)，因此使由其它紧密相邻的结构导致的振动最小化，并且在传感器232感测输出音频信号之前，相对较少地衰减CMP处理引起的振动，或者衰减返回的音频信号。因此输出信号238的信噪比系数比来自现有的远程传感器130的信噪比系数高。
参考图5A，示出了系统220的另一个实施例，其包括以温度传感器的形式配置成具有通过孔口271供给的热能耦合流体266的传感器232。该耦合流体266可以是容纳在空腔226中和相对空腔226布置在承载薄膜236中的小孔267中的去离子水(DIW)。该小孔267提供上述的机械开口。因此流体266与晶片200的背部206接触，并与晶片200的背部206互相传热。在小孔267和空腔226中的流体266通过小孔267和空腔226从晶片200的背部206循环到传感器232的本体268。因此流体270将在分界面212处从CMP操作中接受的能量E传递给传感器232。时间延迟在大约0.6至大约0.8秒的范围中，这对于CMP处理的控制是可以接受的，在该时间延迟中流体266可达到最后将要达到的温度的95％。
在图5B的图表269中示出了红外(IR)振幅，以表示流体266的温度如何与晶片200上的区域202中的各表面特性210相关。每个振幅组270、271和272是基于采取多次温度读数。经过CMP处理的晶片200的裸硅的热能由具有相对值为大约0.045秒的振幅组270表示。对于具有表面特性210-C(图2C)的被清除晶片200来说，唯一的、不同的相对值由具有相对值为大约0.035秒的振幅组271表示。对于具有表面特性210-NU的未被清除的晶片200来说，唯一的、不同的相对值由具有相对值为大约0.025秒的振幅组272表示。因此，对于每个显示的表面特性210，有一个唯一的热特征，该热特征可以在CMP处理中控制和状态的确定中使用。基于流体温度，传感器232产生输出信号238。由传感器232感测的温度直接与表面特性210关联，该表面特性在感测温度时以及延迟时间周期中可接触抛光垫209。例如，如图5C所示的图表276显示了曲线277。较高的温度由在示例性的时间范围278中具有数值A的输出信号238表示。曲线277具有对应于转变或温度的突然下降的阶梯函数279，并由在时间范围280中连续的数值B的输出信号238表示。曲线276显示了在阶梯函数281之前连续的时间范围280。该阶梯函数281对应于温度的突然增加，并由在时间范围282中具有连续的更高的数值C的输出信号238表示。在层204-UM和204-DB的连续层的CMP处理过程中，具有阶梯函数279和281的输出信号238例如由传感器232输出。因此该输出信号238与感测的温度成比例变化，利用时间范围278和时间范围280之间的阶梯函数279，信号238例如可以表示向均匀的表面特性210-U的转变(见图2B和2C)。利用时间范围280和时间范围282之间的阶梯函数281，信号238例如可以表示向上部金属化层240-U的清除转变(见图2C和2D)，从而得到表面特性210-CUM和210-NU。因此由传感器232感测的温度可以表示组成转变和清除转变。因此，当传感器232输出具有突然增加到数值C的输出信号238时，引用的相互关系可以表示CMP处理的参数应该改变为适合于处理扩散势垒层204-DB。
为了温度感测的目的，传感器232可以是RAYTEK Model MID，非接触固定安装式温度传感器或半导体温度计或热电偶。该RAYTEK MID传感器232例如具有一个直径为0.55英寸、长度为大约1.1英寸的传感器头，其适合于安装在承载板222的空腔226中。对于所描述的安装在板222中的传感器232，因为该安装将具有热耦合流体260的传感器232放置得非常接近晶片200(与现有的远程布置在连接器145处的传感器130相比)，因此使分界面212和传感器232之间的热能损失最小化。因此输出信号238的信噪比系数比来自现有的远程传感器130的信噪比系数高。
可以提供本发明的其它实施例用于感测晶片200的暴露表面208的表面特性210的组合以及转变。如上所述，可以在晶片200的暴露表面208上确定区域202和多个其它区域202-O。每个区域202和其它区域202-O可以限定分开的垂直系列的示例性层204的范围。该其它垂直系列的示例性层204例如由区域202限定。在同一CMP抛光操作过程中可以在同一时间感测晶片200的暴露表面208的表面特性210的组合，通过如图3A所示的适当设计的系统220在同一晶片200上进行该CMP抛光操作。这里，空腔226中的一个空腔和容纳在每个空腔226中的传感器232中合适的一个与示例性的区域202和202-O对准。因此，例如，空腔226中的一个(见空腔226-1)，和可以容纳于与区域202对准的空腔226-1中的传感器232中合适的一个(见传感器232-1)。分开的空腔226中的一个(见空腔226-2)，和可以容纳于与区域202-O对准的空腔226-2中的传感器232中合适的一个(见传感器232-2)。该传感器232-1例如可以是任何适当的传感器中的一个，例如涡流传感器或振动传感器或温度传感器。类似地，传感器232-2例如可以是任何其它的传感器232中的一个，例如涡流传感器或振动传感器或温度传感器。对准区域202的位置和传感器232以及对准区域202-O的位置和相应的传感器232可以确定传感器232阵列，该传感器阵列可根据在晶片200的暴露表面208上的表面特性210以及要在晶片200的暴露表面208上形成的表面特性210的性质和范围定位。图3A示出了这样一种阵列，其包括示例性的三个传感器232-1、232-2和232-3。所示的每个传感器232-1、232-2和232-3例如可将各个输出信号238-1、238-2和238-3传输给各个信号处理器290-1、290-2和290-3，各个信号处理器可提供转变数据292或数量数据284例如表示厚度T的厚度数据。可以将数据292或294输入到CMP处理控制296。该控制296例如可以控制板222相对抛光垫209的压力，或者晶片200的旋转速度，或者当到达了一个合适的处理点时停止CMP处理。
提供本发明的其它实施例用于获得晶片薄膜特性传感器相关数据，表示为“相关数据”。该相关数据表示一个或多个已知的半导体晶片200的暴露表面208的表面特性210，其表示为“相关晶片”200C。如上所述，表面特性210可以由在暴露表面208上进行的化学机械抛光处理产生，使得表面特性210可以在CMP处理过程中改变。为了便于获得对于每个特性210的相关数据，对于该特性需要的相关数据，可以使用一个或多个晶片200C，这些晶片是已知的在特定区域202或202-O具有特定表面特性210的晶片。
参考图7，按照流程图300描述了一种方法，用于获得表示这种表面特性210的相关数据。该方法前进到操作302，即确定在相关晶片200C的暴露表面208上区域202或202-O中的一个。如上所述，区域202或202-O包括初始已知的表面特性210中的一个。该方法前进到操作304，在该操作中例如在标准晶片200C的确定区域202中的初始已知的表面特性210上进行第一化学机械抛光操作。使用具有选定的传感器232中的一个的系统220进行该第一化学机械抛光操作。根据预定的技术要求进行该第一化学机械抛光操作，使得标准晶片200C和产品晶片200经过相同的CMP处理。该CMP处理例如使初始已知的表面特性210发出第一能量E，该能量可以是上面描述的电磁感应耦合、振动或热能中的任何一种。该方法前进到操作306，即确定在第一化学机械抛光操作过程中发出的第一能量E的第一能量特征。该第一能量特征可以是来自选定传感器232的第一输出信号238，并且其对在第一化学机械抛光操作过程中在限定区域202中的初始已知的表面特性210是唯一的。停止处理该相关晶片200C。第一输出信号238与选定区域202中的暴露表面208的初始已知的表面特性相关。例如，可以读出涡流传感器232的电压输出，并确定对应于该电压的晶片厚度T；或者可以确定对应于初始已知的表面特性210的信号238的速度振幅和频率，或者可以测量温度并使其与输出信号238的电压和对应于该温度的表面特性相关。第一信号238表示晶片薄膜特性传感器相关数据中的一项。
该方法前进到操作308，在操作308中，关于在区域202中和在初始表面特性210下面具有更低的表面特性210的第二相关晶片200C，例如反复进行操作304和确定操作306。反复的操作304提供能量E的另一个输出，反复的确定操作306获得另一个(第二)能量特征，该能量特征对更低的表面特性210是唯一的。中断该操作308。在第二操作306(“第二”信号238)的过程中获得的来自传感器232的信号238作为晶片薄膜特性传感器相关数据的下一项记录，其对应于更低的表面特性210。
该方法前进到操作310，在操作310中为了获得晶片薄膜特性传感器相关数据的示例性目的，对于是否已经获得足够的数据进行确定。如果不是，那么由回路返回到操作308。在操作308中，关于在区域202中和在初始的以及更低的表面特性210下面具有进一步低的表面特性210的第三相关晶片200C，例如反复进行操作304和确定操作306。反复的操作304提供能量E的第三输出，反复的确定操作306获得第三能量特征，该能量特征对进一步低的表面特性210是唯一的。中断该操作308。在第三操作306的过程中获得的来自传感器232的信号238作为晶片薄膜特性传感器相关数据的第三项记录，其对应于进一步低的表面特性210。如果操作310的回答为是，该方法前进到操作312，在操作312中例如利用上述的作图将在流程图300的操作中获得的相关数据测绘成图表258、276和314(分别为图4B、5C和6)中合适的一个。每个图表258、276和314例如表示在系统220的操作中、包括各个传感器的操作中使用的相关数据，接着参考图8和流程图340利用该描述的方法相对产品晶片200P执行相关数据，该产品晶片将具有与相关晶片200C相同的特性210。
下面进一步详细描述相关数据的实例，通过执行操作304和306然后执行操作308可以获得该相关数据。例如，相关数据可以表示上述转变中的一种。该转变可以是从上部金属化层204-UM(图2C)的表面特性210-U到扩散势垒层204-DB(图2D)。图2D中的表面特性204-CUM表示金属化层204-UM的清除。由第一操作306的确定获得的第一能量特性可以是与上部金属化层204-UM的均匀表面特性210-U相关的上述第一信号238。由第二确定操作306的确定获得的第二能量特性可以是与非均匀表面特性210-NU(其与扩散势垒层204-DB相关)相关的上述第二信号238。关于操作312，要绘制的相关图表可以是如图5C所示的图表276。第一信号238可以在阶梯函数281的低压端的电压B处。第二信号238可以在阶梯函数281的高压端的电压C处。如上所述，第一和第二电压信号238表示向上部金属化层204-UM的清除转变(见图2C和图2D)，从而得到扩散势垒层204-DB的表面特性。
对于在标准晶片200C的暴露的或前表面208上的每个区域202和202-O可以使用流程图300的操作。通过这种方式，对于在各个空腔226中提供的不同传感器232来说，对于被每个区域202和202-O包含的每个表面特性210存在CMP操作的相互关系。结果，来自各个传感器232的输出信号238可以用于对每一表面特性210定量观察CMP操作的状态。类似地得到的示例性相关图表258、276和314可以与那些提供输出信号238的传感器232结合使用，以对于任一表面特性210确定各种类型的CMP操作的状态。
或者，可以在产品晶片200上进行流程图300的操作。在这种情况下，更加频繁地中断CMP操作，以允许反复检查产品晶片200和确定是否在特定区域202出现了期望的表面特性210。只要通过CMP处理获得了期望的表面特性210，和只要将相关数据与该期望的表面特性210相关联，就执行操作308来获得另一个产品晶片200的更低的期望表面特性210。然后将相关数据与该另一个低的期望表面特性210相关联。
提供本发明的其它实施例，用于使用与半导体晶片200的暴露表面208的表面特性相关的相关数据。如上所述，可以以图表258、276和314中的一个或多个的形式组织相关数据，并在CMP操作过程中使用，该CMP操作是在产品晶片200的暴露表面208上进行的。参考图8，按照用于控制在产品晶片200上进行的化学机械抛光操作的流程图340描述了一种方法。该方法包括操作342，即将产品晶片200安装在承载头例如板222上。参考图2B，板222使在晶片-抛光垫分界面212处的抛光垫209暴露于晶片200的前表面208。晶片200的前表面208和分界面212具有区域202或202-O(图2A或3A)中的至少一个，典型地在这些区域下方布置多个表面特性210。关于每一区域202或202-O，表面特性210彼此层叠，并且一般地对于CMP操作来说，其包括开始最接近被暴露的晶片200的前表面208的上部(或外部)表面特性(见图2B中的特性210-NU)。表面特性210还包括最终表面特性210-F(图2E)，该表面特性开始与前表面208间隔最远并朝向晶片200的背部206。清除整个覆盖层204-O可暴露最终表面特性210-F。
该方法前进到操作344，即在产品晶片200的暴露表面208的区域202上、包括在暴露表面208处的表面特性210上进行CMP操作。在CMP操作的过程中，抛光垫209和和暴露表面208相互作用并根据在每一区域202的表面特性210使能量E从区域202的晶片-抛光垫分界面212发出。来自特定表面特性210的能量E可以具有上述各种特性即振动、热的和基于感应涡流的电磁中的任何一种。
该方法前进到操作346，在该操作中以一组数据的形式提供相互数据，该组数据可以是例如分别如图4B、5C和6所示的示例性的相关图表258、276和314中的一个或多个。考虑到图表258(图4B)，该组数据可以包括例如对应于在CMP操作的过程中发出的能量E的第一数据348，该CMP操作是在对应的标准晶片200C(其类似于产品晶片200)的区域202或202-O中的表面特性210的一个上进行的。第一数据348可以包括例如对应于在相关晶片200C的区域202或202-O中的最终表面特性210-F的部分350(图4B)。
该方法前进到操作352，即在产品晶片200的各表面特性210上进行的CMP操作过程中监控从产品晶片200的每个区域202或202-O的晶片-抛光垫分界面212发出的能量E。例如通过使用系统220、包括传感器232中的一个对于每一区域202或202-O可以监控能量E。该方法前进到操作354，即将监控的能量E和第一数据348比较。更详细地，将在目前进行的CMP的过程中从产品晶片200的晶片-抛光垫分界面212的各区域202或202-O发出的能量E和第一数据348的一部分350比较，该第一数据对应于相关晶片200C的最终表面特性210-F。例如可以对各区域202或202-O按照从各传感器232发出的输出信号和示例性的标准图表258、276和314的对应数据进行比较。例如参考图表258(图4B)，该比较例如可以表示输出信号232对应于频率356，在该频率存在CMP处理的转变。该转变例如可以是上述的清除转变。或者，参考图表314(图6)，该比较例如可以表示输出信号232对应于点358，在该点在一个区域202存在厚度(例如在8000埃)T的对应值。该示例性的厚度T的存在例如可以用于表示处理状态或用于处理控制。
该方法前进到处理控制操作360。例如，如果已经完成CMP处理，可以中断目前进行的化学机械抛光操作。在标准图表258(图4B)的范围中，例如只要比较操作354确定了在目前进行的化学机械抛光操作过程中从区域202或202-O发出的能量E大体上与对应于标准晶片200C的最终表面特性210-P的第一数据348的一部分350相同，就可以执行该中断。频率356表示已经获得期望的表面特性210。
更加详细地，例如当至少一个表面特性210包括一个非均匀的图案化结构210-NUP，以及至少另一个表面特性210包括一个均匀的形貌布置210-U时，可以使用流程图340。在该示例性的情况下，提供一组数据的操作346可以包括提供具有一部分或一组350数据的图表258(图4B)，其中的数据对应于(上部金属化层204-UM的)图案化特性210-P，和提供一部分(或一组)数据360，该数据对应于均匀的形貌特性210-U。
在另一个实施例中，参考图3D、3E和6，可以理解当至少一个表面特性210包括具有厚度T1的第一形貌特性210-T1时，可以使用流程图340，其中厚度T1与对应于第二形貌特性210-T2的厚度T2不同。在这种情况下，提供相关数据的操作346可以提供数据作为对应于第一形貌特性210-T1的第一厚度值368和作为对应于第二形貌特性210-T2的更小的厚度值358。可以理解第一厚度值368在数量上表示第一形貌特性210-T1的厚度T1，更小的厚度值358在数量上表示第二形貌特性210-T2的厚度T2。
在另一个实施例中，参考图2B、2C、2D和5C，可以理解当至少一个表面特性210包括第一非均匀形貌210-NU(图2B)时，可以使用流程图340，其中该第一非均匀形貌与具有均匀形貌210-U(图2C)的第二形貌不同。在这种情况下，操作346可以提供相关数据作为范围278的第一值A和作为范围280的第二B，其中该第一值A对应于第一非均匀形貌210-NU，第二值B对应于第二形貌210-U。
回顾一下，本发明的方法和装置在用于CMP处理状态和控制的化学机械抛光中检测表面特性210，和表面特性210的转变以及晶片200的暴露表面208的表面特性。该方法和装置避免了透过抛光垫观察晶片的光学系统的局限。通过将板222中的传感器232与安装在板222上的晶片200放置，使得传感器232总是“看见”晶片200的各个区域202，通过不停地检测表面特性210和晶片200的暴露表面208的表面特性210的转变来满足这种需要。此外，通过将传感器232与晶片固定表面224共同外延地放置，或者放置在大约2毫米的表面224中，本发明满足了对CMP处理状态和控制方法以及装置的需要，其中在晶片固定表面224的最近边缘或者在晶片承载板222内而不是像在先有的远程振动传感器那样远程地感测表面特性210，和表面特性210的转变以及晶片表面208的表面特性。此外，利用各种容纳在板222中的传感器232，本发明还可以满足一种需要，即在化学机械抛光中对CMP处理状态和控制感测晶片表面特性210，包括感测表面特性210的转变。通过在接近晶片-抛光垫分界面212的板222中提供振动传感器232，本发明满足了有关需要，以提供一种改进的基于CMP处理的感测振动的方式。这种改进的方式避免了在感测这种振动之前使基于处理的振动衰减，从而导致强烈吸收处理振动，并提供分辨率的增加，以及相对处理振动提高了输出信号238的信噪比系数。此外，通过允许将多个传感器232放置在晶片200的暴露表面208上，满足一种需要，即在化学机械抛光中对CMP处理状态和控制感测相对大的、或宽区域的晶片表面208，例如和利用现场传感器感测的相对小的晶片表面区域相比。
虽然为了便于理解已经详细描述了本发明，显然在随附的权利要求书的范围内可以进行某些变化和修改。因此，这些实施例应该认为是说明性的而不是限制性的，本发明表示要限制到这里所给出的具体细节，但是可以在随附的权利要求书的范围和其等同物中进行修改。

Claims (20)

1.一种用于检测晶片表面特性的系统，该系统包括：
一晶片承载头，其具有一晶片固定表面和至少一个在其内部远离晶片固定表面延伸的小孔；
容纳于该小孔中的传感器，用于响应传输经过晶片固定表面并传输到小孔中的能量。
2.如权利要求1所述的系统，其还包括：
一安装在晶片固定表面上的承载薄膜，该薄膜配置成将能量传输到晶片固定表面并传给小孔。
3.如权利要求2所述的系统，其中：
该承载薄膜在物理上是连续的，以及
该传感器配置成响应以涡流场和振动能量中的一种形式传输的能量。
4.如权利要求2所述的系统，其中：
该承载薄膜配置成具有与小孔对准的开口，以及
该传感器配置成响应以热能形式传输的能量。
5.如权利要求2所述的系统，其中晶片的表面经过改变晶片表面特性的处理，其中该传感器配置成将询问信号通过承载薄膜传输到安装在承载薄膜上的晶片表面，该询问信号是音频信号或红外信号或涡流信号中的一种，该询问信号通过晶片的经处理的表面被改变并将其通过承载薄膜传输到传感器，以及其中该传感器配置成响应通过承载薄膜传输的询问信号，以产生表示表面特性的一种变化的第一输出信号，和产生表示表面特性的第二变化的第二输出信号。
6.如权利要求5所述的系统，其中传输经过晶片固定表面的能量是振动能量，其中该振动能量具有与频率特征相对的第一和第二振幅，与频率特征相对的第一振幅对于第一晶片表面特性以一种唯一的方式变化，与频率特征相对的第二振幅对于第二晶片表面特性以一种唯一的方式变化；以及
其中该传感器响应具有相对频率特征的第一振幅的振动能量，以产生表示第一晶片表面特性的第一输出信号，其中该传感器响应具有相对频率特征的第二振幅的振动能量，以产生表示第二晶片表面特性的第二输出信号。
7.如权利要求1所述的系统，其中至少一个小孔是多个延伸到晶片承载头中的小孔，其中的一个小孔与在晶片上多个位置中的一个对准，在该位置将检测多种晶片表面特性中的一种的变化，该系统还包括：
多个小孔中的每一个相应的小孔内容纳一个传感器，每个传感器分别响应由单独的晶片特性在各个位置发出的能量。
8.如权利要求2所述的系统，其中在晶片表面上多种特性中的一种是具有一厚度的金属化层，该厚度在制造处理过程中可变化，其中该传感器配置成为容纳在小孔中的涡流传感器并且在制造处理过程中仅仅在承载薄膜上电磁耦合到金属化层，以及其中该传感器产生与金属化层的厚度成比例的输出信号。
9.如权利要求2所述的系统，其中晶片表面上的特性包括在表面金属化覆盖层下面的金属化图案层，其中在金属化图案层和表面金属化覆盖层的制造处理过程中，振动能量传输经过晶片固定表面并进入小孔中的能量，其中该传感器配置成响应具有总值的振动能量，该总值由表示表面金属化覆盖层的特性的第一值和表示金属化图案层的特性的第二值组成，以及其中该传感器配置成在制造处理过程中输出具有第二值并表示一个状态的信号，在制造处理过程中将表面金属化覆盖层从金属化图案层清除。
10.一种获得表示半导体晶片的表面特性的相关数据的方法，其中该表面特性由在表面上进行的化学机械抛光操作得到，该方法包括以下操作：
确定第一相关晶片的表面上的区域，该区域包括要进行化学机械抛光操作的初始表面特性；
在该区域中的初始表面特性上进行第一化学机械抛光操作，该第一化学机械抛光操作使初始表面特性发出第一能量输出；
确定在化学机械抛光操作过程中发出的第一能量输出的第一能量特征，在化学机械抛光操作过程中该第一能量特征对初始表面特性是唯一的；以及
在初始表面特性下面的区域中对具有更小的表面特性的第二相关晶片反复进行和确定操作，以使该更小的表面特性发出至少一个另一个能量特性，该能量特性对更小的表面特性是唯一的。
11.如权利要求10所述的方法，其还包括以下操作：
按照两个变量组织第一能量特征和另一个能量特征，一个变量表示表面特性，另一个变量表示在化学机械抛光操作过程中获得的数据。
12.如权利要求10所述的方法，其中：
第一和另一个能量输出和表面下面的相关晶片的厚度特性成比例；以及
该确定操作可得到表示表面下面的相关晶片的厚度特性的第一和另一个能量特征。
13.如权利要求10所述的方法，其中：
第一和另一个能量输出和区域中的表面的均匀性成比例；以及
该确定操作可得到表示区域中的表面的均匀性程度的第一和另一个能量特征。
14.如权利要求10所述的方法，其中在初始表面特性下面的区域中的至少一个更小的表面特性包括一图案化层，且该初始表面特性是一覆盖层，其中该覆盖层在化学机械抛光操作过程中将被清除；以及其中：
另一个能量输出具有相对频率特性的振幅，该频率特性对该图案化层是唯一的；已经
反复的确定操作中的一个可得到一相对频率数据呈振幅形式的另一个能量特征，该频率数据对该图案化层是唯一的。
15.如权利要求10所述的方法，其中要进行化学机械抛光操作的第一相关晶片的初始表面特性具有第一形状，该第一形状不是平坦的，通过化学机械抛光操作将变成平坦的第二形状，该方法还包括以下操作：
在具有第一形状的初始表面上进行第一化学机械抛光操作之后，以及在确定第一能量特征的操作之后，通过在第一相关晶片的区域上进行第二化学机械抛光操作反复进行操作，以将区域的表面特性改变为第二形状，该第二化学机械抛光操作使第二形状产生另一个能量输出；以及
通过确定对第二形状的表面特性是唯一的另一个能量特征，反复该确定操作。
16.如权利要求10所述的方法，其中每一确定操作包括当对晶片进行各个化学机械抛光操作时，在离晶片的背部部分间隔不超过2毫米的位置感测各个第一和另一个能量输出，该背部部分与进行各个化学机械抛光操作的晶片的确定区域直接相对。
17.一种控制在产品晶片上进行的化学机械抛光操作的方法，该方法包括以下操作：
将产品晶片安装在承载头上，该承载头将晶片的前表面暴露于晶片-抛光垫分界面处的抛光垫，晶片的前表面和分界面具有至少一个在其下面布置了多个表面构造的区域，该表面构造彼此层叠并包括至少一个初始最接近晶片的前表面的上部表面构造，暴露该晶片的前表面用于化学机械抛光操作，该表面构造还包括一最终表面构造，该表面构造初始离前表面最远间隔并朝向晶片的背部；
在晶片区域上进行化学机械抛光操作，从而抛光垫使能量从晶片-抛光垫分界面的区域发出；
提供一组数据，该组数据包括对应于在前面的化学机械抛光操作过程中发出的能量的第一数据，该化学机械抛光操作是在与产品晶片相似的相关晶片的对于区域内的各个表面构造上进行的，第一数据包括对应于相关晶片的最终表面构造的部分；
监控在产品晶片的各个表面构造上进行的化学机械抛光操作过程中从产品晶片的晶片-抛光垫分界面发出的能量；
将在目前进行的化学机械抛光操作过程中从产品晶片的晶片-抛光垫分界面的区域发出的能量和对应于相关晶片的最终表面构造的第一数据部分比较；
中断目前进行的化学机械抛光操作，只要比较操作确定了在目前进行的化学机械抛光操作过程中从该区域发出的能量大体上与第一数据部分相同，该第一数据部分对应于相关晶片的最终表面构造。
18.如权利要求17所述的方法，其中至少一个表面构造包括非均匀的图案化结构，至少另一个表面构造包括均匀的形貌配置，以及其中：
提供数据的操作包括提供一组对应于图案化结构的数据以及提供一组对应于均匀的形貌配置的数据；以及
一组对应于图案化结构的数据包括相对频率特征的振动振幅，该相对频率特征的振动振幅基本上与对应于均匀的形貌配置的频率特征的振动振幅不同。
19.如权利要求17所述的方法，其中至少一个表面构造包括第一形貌，该第一形貌距离晶片表面的厚度与晶片表面到第二形貌的厚度不同；以及其中：
提供该组数据的操作包括提供对应于第一形貌的第一组数据，和提供对应于第二形貌的第二组数据；以及
该第一组数据包括定量表示第一形貌的厚度的数据，该第二组数据包括定量表示第二形貌的厚度的数据。
20.如权利要求17所述的方法，其中至少一个表面构造包括非均匀的形貌，至少另一个表面构造包括大体上平滑的形貌，以及其中：
提供该组数据的操作包括提供对应于非均匀的形貌的第一组数据，和提供对应于基本上平坦形貌的第二组数据；以及
该第一组数据包括定量表示在具有非均匀的形貌的区域下面的晶片厚度的数据，该第二组数据包括定量表示在具有基本上平坦的形貌的区域下面的晶片厚度的数据。
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