化学/机械平面化端点检测的原位监测法和设备制造技术

本发明专利技术提供一种在制造半导体或光器件过程中用于化学／机械平面化端点检测的原位监测技术和设备。本发明专利技术的检测是以容性测量导电衬底上电介质层厚度来实现的。本测量涉及电介质层、平的电极结构物和将制品与电极结构物界接的液体。电极结构物包括一测量电极、一包围测该电极的绝缘体、一保护电极和包围它的另一绝缘体。测量时给测量电极和包围保护电极的自举配置中施加驱动电压，从而在无分流漏电阻的干扰作用下测量电介质电容。该方法和设备用于平面化抛光期间和其它过程中现场测量导电衬底上电介质的厚度。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及制造半导体器件或光学器件的方法和设备。本专利技术包括衬底圆片在化学/机械研磨过程中平面化端点的测定。制造半导体集成电路或集成的光学电路总是需要光滑平坦的表面。需要平面化的表面涉及到半导体材料的表面之上或之中的、或先前插入层的表面之上的介电材料的区域或层次。绝缘层应该具有光滑表面的几何图形，因为粗糙的表面会给加工带来很多问题。要使附在粗糙表面上的层成象和刻制图形是很困难的，并且这种困难随着层数增加而增加，因为附加的每一刻制图形层都会使粗糙增加。这种介电区或层的几何图形也许是极不平坦而需要将表面抛光以便为下一处理步骤(例如在该表面上形成一导体层或图形)提供一个光滑平坦的表面。不平整表面的几何图形可能是由于介电材料区比该表面的剩余部分高或由于下伏材料或正被加工的半导体器件的其它元件的不平整几何图形引起的。例如，在VLSI(超大规模集成电路)的制造技术中，金属连接线就形成在含器件电路组的半导体衬底上，并且用来使分立的器件在电气上互相连接。这些金属连接线通常用薄层绝缘材料与下一互连层相绝缘。为使不同互连高度层次的金属线互连，要在绝缘层中形成一些孔以在层问提供电通路。 在本
中最新的进展是使用研磨机和其它的平面化方法来为下一金属层次提供平滑的绝缘体的几何形状。在这些方法中，重要的是测定抛光过程(例如不磨掉下伏材料而磨掉足够数量的材料以提供一个光滑平坦的表面)的端点，因此需要一种准确的检测端点的方法。目前已有各种类型的研磨机用以磨薄半导体圆片的厚度。一般地说，这些研磨机都包含有顶板和底板(例如，一个磨光台和一个圆片的托架或夹具)，在这两平板之间使圆片与一平板之间注入抛光浆以抛光和冲洗掉圆片颗粒。这种研磨机的一个实例已在美国专利3,063,206中公开。从传统上来说，业已使用激光器和其它光学检测装置来测定刻蚀的端点。然而，这样的光学系统很难用于研磨机中，因为在研磨机中圆片是面朝下对着正在运动中(如旋转中)的磨光台而被磨平，更具体地说，圆片藏在顶板的下面而使端点的光学检测很困难。用于测定研磨机中端点的一种典型的方法是测量第一个圆片平面化所需的时间量，然后用相同的时间对其余的圆片进行操作。在实践中，由于操作人员必须检查抛光后的每个圆片，所以这种方法很费时间。其原因是由于在单个圆片抛光期间抛光率可能变化，还因为在连续抛光许多圆片的过程中抛光率可能下降，因此要准确地控制不同圆片的电介质膜的抛光率极为困难。为此，在半导体器件制造
中一直需要一种方法和设备来准确和有效地检测平面化研磨过程中的端点。本专利技术提供一种方法和设备用以在制造半导体器件或光学器件过程中无损、准确和有效地检测抛光/研磨平面化过程的端点。该方法包括放置一个待加工的衬底，以使一个电极结构物的表面朝着该衬底横向面上的介电材料；在该衬底与该电极结构物之间放入一个电阻率约小于100,000欧姆厘米的导电液膜；以及测量该衬底和该电极结构物之间的电容。该设备包括至少一个电极结构物，该电极结构物具有一个平坦表面，该表面面向待抛光的、其上具有电介质层的加工工件的一个横向面，该电极结构物包括一个测量电极、围绕该测量电极的一个绝缘体、围绕该绝缘体的一个保护电极以及围绕该保护电极的另一绝缘体；供应导电液态媒质的装置，由该液态媒质使该工件的侧面与该电极结构物的平坦表面相接合；以及测量该导电部分与该电极结构物之间的电容的装置。本专利技术适用于制造半导体器件和光学器件，因这些器件在某些加工阶段上要求电介质表面平面化。不管涉及平面化与否，本专利技术还可在任何制造阶段上用以测量电介质膜的厚度。附图说明图1是正在制造的、在半导体圆片上具有厚电介质层的一个半导体器件示意图；图2是具有平面化电介质层的图1半导体器件的示意图；图3是正在制造的、在半导体圆片上具有复合厚度电介质层的一个半导体器件的示意图；图4是正在制造的、在半导体圆片的表面上具有不平的氧化物区的一个半导体器件的示意图；图5是具有平面化的氧化物和圆片表面的图4半导体器件的示意图；图6是用于抛光/研磨1、3、4所示类型的圆片上的电介质层的和体现本专利技术电极结构物的设备的示意图；图7是装配在抛光台的一个截面内的图6所示电极结构物的示意性顶视图；图8是图6配置中呈现的分布电容和分布电阻的示意图；图9是包含有用以驱动测量电极和保护电极的电子系统的图6配置的示意图；图10是图9所示电子系统的详图；图11是具有双D形电极结构物的抛光台的一个截面的示意图，这是图6和图7所示的电极结构物的另一种形式，不管该半导体圆片相对的侧面上的电介质厚度如何，该电极结构物能够监测电介质层的厚度；图12是图11配置中分布电容的示意图，说明具有电容C1的正被抛光的电介质层的厚度可以被测出，而与具有电容C4的圆片相对侧面上的电介质的厚度无关；图13是带有设在抛光台内双D形电极结构物的抛光配置的示意性的顶视图，图中包括在抛光台每转一圈期间所需时间及与位置有关的电介质厚度的测量的示意图；图14是半导体圆片平面化电介质层端点检测的另一实施例的示意图；图15是时间(以分为单位)与输出电压(以伏特为单位)的曲线图，该图示出材料的磨薄与时间的线性关系，并表明测量方法的性能。图1至图5是半导体器件或光学器件制造过程中导电圆片的一般示意图。圆片的材料至少可从硅、锗、III-V族和II-VI族化合物半导体中选取。通常，导电圆片的材料具有约低于1兆欧厘米的电阻率。图1示出半导体器件1，该半导体器件1包括半导体圆片2、金属导体3和诸如二氧化硅之类的厚电介质层4，该电介质层覆盖在导体3和该半导体圆片剩余部分的表面5上。电介质层可由诸如四乙基原硅酸盐(TEOS)之类的母体采用适当的方法形成，例如采用氧化物化学汽相淀积(CVD)法或采用氧化物等离子加强化学汽相淀积(PECVD)法。半导体圆片2可以预先处理过，并且已经含有被插入电路组的附加层。为了简便起见，这些其它的特点在图中未予表示。图2示出带有已平面化到需要的预选厚度的电介质层4的圆片2。图3示出其内含有距离相近而密度较大的多个导体3的器件1的示意图。由于电介质4的形成性质，而造成这种结构可能出现电介质层的凹坑(如图1中下陷坑6那样)，或甚至在导体之间产生空隙。为了防止空隙的产生，在两导体间的容积首先填满诸如旋涂玻璃(SOG)之类的更适用的材料层7。层7填充导体之间的空隙并覆盖这些导体，呈现出比用厚CVD或PECVD淀积的同样厚度的电介质层如等离子加强型的TEOS(DETEOS)有更光滑的表面。然后在层7上电介质层(PETEOS)一附加厚度并在研磨机中平面化，使之成为与图2相似的预选厚度。在这种配置中，半导体圆片2通常含有插入电路组的预处理层。图4示出另一种类型，其中由薄的电介质区9隔开的热生长的场氧化物岛8是在圆片2的表面之内和表面之上的。这些岛显示一种不平的几何形状，这对刻图的导电层和绝缘层的继续顺序形成是不适宜的。在这种情况下，不是在薄的电介区9的上面淀积一层额处的电介质层，而是使场氧化物本身平面化直到这些岛的不平部分被除掉时为止。作为一个端点，人们可以选择一个与圆片表面一样高的平面化的氧化物表面，或在一薄的氧化物表面上选择一个几毫微米高的平面化氧化物表面。图5示出具有平面化氧化物表面的圆片2。在平面化或抛光过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造器件的方法，其特征在于它包括：在衬底上制造一种器件的结构，以便产生一个非平面表面，所说衬底具有小于约１兆欧姆－厘米的电阻率，在整个该非平面表面上形成电介质材料层，逐渐减薄所说电介质的厚度，监测剩余厚度，以便确定该减薄 的所需端点，以及继续制造所说器件，其中所说的所需端点是通过测量该衬底和面向该衬底的一个电极结构物之间的电容而确定的，而该衬底的面和面向该衬底的该电极结构物的表面由液态的电阻率小于约１００，０００欧姆－厘米的连续导电膜界面面接，所说电 极结构包括一个测量电级，一个围绕该测量电极的绝缘体，一个围绕所说绝缘体的保护电极，以及另一个围绕该保护电极的绝缘体，其中所说电容性测量包括：通过将一具有高达５０００Ｈｚ的工作频率的测量电压加到该测量电极和以一自举方式加到该保护电极，还通 过维持由所说电压的施加引起的恒定位移电流，来测量电容量，同时除去泄漏电阻对测量结果的影响，该驱动电压的幅度正比于该电介质层的厚度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 1993-8-1 5171061.一种制造器件的方法，其特征在于它包括在衬底上制造一种器件的结构，以便产生一个非平面表面，所说衬底具有小于约1兆欧姆－厘米的电阻率，在整个该非平面表面上形成电介质材料层，逐渐减薄所说电介质的厚度，监测剩余厚度，以便确定该减薄的所需端点，以及继续制造所说器件，其中所说的所需端点是通过测量该衬底和面向该衬底的一个电极结构物之间的电容而确定的，而该衬底的面和面向该衬底的该电极结构物的表面由液态的电阻率小于约100,000欧姆一厘米的连续导电膜界面面接，所说电极结构包括一个测量电级，一个围绕该测量电极的绝缘体，一个围绕所说绝缘体的保护电极，以及另一个围绕该保护电极的绝缘体，其中所说电容性测量包括通过将一具有高达5000Hz的工作频率的测量电压加到该测量电极和以一自举方式加到该保护电极，还通过维持由所说电压的施加引起的恒定位移电流，来测量电容量，同时除去泄漏电阻对测量结果的影响，该驱动电压的幅度正比于该电介质层的厚度。2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所说导电材料包括由硅、锗、III-V族化合物半导体和II-VI族化合物半导体组成的组中选出的一种材料。3.根据权利要求2的方法，其特征在于，所说导电材料是硅。4.根据权利要求1的方法，其特征在于，所说电介质材料包括由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、一种化学汽相沉积的氧化物、等离子体增强化学汽相沉积的氧化物以及旋涂玻璃组成的组中选出一种材料。5.根据权利要求4的方法，其特征在于，所说电介质材料包括一种化学汽相沉积的氧化物。6.根据权利要求1的方法，其特征在于，所说工作频率约为500Hz。7.一种制造器件的方法，其特征在于它包括在衬底上制造一种器件的结构，以便产生一个非平面表面，所说衬底具有小于约1兆欧姆－厘米的电阻率，在整个该非平面表面上形成一电介质材料层，逐渐减薄所说电介质层的厚度，监测剩余厚度，以便确定该减薄的所需端点，以及继续制造所说器件，其中所说的所需端点是通过测量该衬底和面向该衬底的一个电极结构物之间的电容而确定的，而该衬底的面和面向该衬底的该电极结构物的表面由液态的电阻率小于约100,000欧姆-厘米的连续导电膜界面面接，所说电极结构包括一个测量电级，一个围绕该测量电极的绝缘体，一个围绕所说绝缘体的保护电极，以及另一个围绕该保护电极的绝缘体，其中所说电容性测量包括通过将一具有高达5000Hz的工作频率的测量电压加到该测量电极和以一自举方式加到该保护电极，还通过维持由所说电压的施加引起的恒定位移电流，来测量电容量，同时除去泄漏电阻对测量结果的影响，该驱动电压的幅度正比于该电介质层的厚度，以及将两个相等的电极结构物侧挨侧地安置，且向两个电极结构物施加的测量电压在相位上有180°的相位差。8.根据权利要求7的方法，其特征在于，所说导电材料包括由硅、锗、III-V族化合物半导体...

【专利技术属性】
技术研发人员：加布里埃尔L米勒，艾力克R瓦格纳，
申请(专利权)人：美国电话及电报公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]