(57)【要約】      （修正有）【課題】化学機械研磨（ＣＭＰ）処理中に終点を検出すること。【解決手段】  反射スペクトルデータサンプルは、ウェハ表面の照射部分から反射される光の複数のスペクトルに対応して受信される。反射スペクトルデータサンプルは、ＣＭＰ処理段階より前に取得される第１の反射スペクトルデータサンプルを含む正規化参照を用いて正規化される。さらに、正規化参照は、ＣＭＰ処理の前の段階において取得される第２の反射スペクトルデータサンプルを用いて、処理中に更新される。第２の反射スペクトルデータサンプルは、第１の反射スペクトルデータサンプルより後に取得される。終点は、反射スペクトルデータに起こる光学干渉に基づき確定される。【選択図】  図４
2005101114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学機械研磨（ＣＭＰ）処理中に終点を検出する方法であって、
ウェハ表面の照射部分から反射された光の複数スペクトルに対応する現反射スペクトルデータサンプルを受信する工程と、
前記ＣＭＰ処理の前の段階において取得された第１の反射スペクトルデータサンプルを含む正規化参照を用いて前記現反射スペクトルデータサンプルを正規化する工程と、
前記ＣＭＰ処理の前の段階において、前記第１の反射スペクトルデータサンプルより後に取得される第２の反射スペクトルデータサンプルを用いて前記正規化参照を更新する工程と
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法は、さらに、前記反射スペクトルデータ中に生じる光学干渉に基づいて終点を判断する工程を備える方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記第１の反射スペクトルデータサンプルは、所定の追従参照遅れで前記現スペクトルデータサンプルに追従する方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記追従参照遅れは、前記現反射スペクトルデータサンプルと前記第１の反射スペクトルデータサンプルとの間の参照データサンプル量を表す数である方法。
【請求項５】
請求項３に記載の方法は、さらに、前記ウェハ表面の前記照射部分から反射された光の複数スペクトルに対応する新しい現反射スペクトルデータサンプルを後の時点において受信する工程を備える方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法であって、前記第２の反射スペクトルデータサンプルは、前記追従参照遅れで前記新しい現反射スペクトルデータサンプルに追従する方法。
【請求項７】
請求項２に記載の方法であって、前記光学干渉は異なるウェハ層から反射された光の位相差に起因して生じる方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、前記光学干渉は、最上層の金属層が金属薄膜状態まで低減されると生じる方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法はさらに、前記反射スペクトルデータに基づく波数のプロットに振動が発生する時点を特定する工程を備える方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、前記終点は、前記波数のプロット中の前記振動が発生するときに現れる方法。
【請求項１１】
化学機械研磨（ＣＭＰ）処理中に終点を検出する方法であって、
ウェハ表面の照射部分から反射された光の複数スペクトルに対応する現反射スペクトルデータサンプルを受信する工程と、
前記ＣＭＰ処理の前の段階において取得された第１の複数の反射スペクトルデータサンプルから第１の反射スペクトルデータサンプル中央値を選択する工程と、
前記反射スペクトルデータサンプル中央値を含む正規化参照を用いて、前記現反射スペクトルデータサンプルを正規化する工程と、
前記ＣＭＰ処理段階より前に取得された第２の複数の反射スペクトルデータサンプルから選択された第２の反射スペクトルデータサンプル中央値を用いて、前記正規化参照を更新する工程と
を備える方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法はさらに、前記反射スペクトルデータに生じる光学干渉に基づいて終点を判断する工程を備える方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の方法であって、前記第１の複数の反射スペクトルデータサンプルは、前記ＣＭＰ処理の前の段階において取得された３つの連続する反射スペクトルデータサンプルを含む方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、前記第１の複数の反射スペクトルデータサンプルの一つは、所定の追従参照遅れで前記現スペクトルデータサンプルに追従する方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、前記追従参照遅れは、前記現反射スペクトルデータサンプルと前記第１の複数の反射スペクトルデータサンプルの一つとの間における参照データサンプル量を表す数字である方法。
【請求項１６】
化学機械研磨処理中に終点を検出する方法であって、
広帯域の光を用いてウェハの表面部分を照射する工程と、
前記ウェハの前記表面の前記照射部分から反射される光の複数スペクトルに対応する現反射スペクトルデータサンプルを受信する工程と、
前記ＣＭＰ処理の前の段階において取得された第１の反射スペクトルデータサンプルを含む正規化参照を用いて、前記現反射スペクトルデータサンプルを正規化する工程と、
前記反射スペクトルデータに生じる光学干渉に基づいて終点を判断する工程と、
前記ＣＭＰ処理の前の段階において、前記第１の反射スペクトルデータサンプルより後に取得される第２の反射スペクトルデータサンプルを用いて前記正規化参照を更新する工程と
を備える方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、前記第１の反射スペクトルデータサンプルは、所定の追従参照遅れで前記現スペクトルデータサンプルに追従する方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、前記追従参照遅れは、前記現反射スペクトルデータサンプルと前記第１の反射スペクトルデータサンプルとの間における参照データサンプル量を表す数字である方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法はさらに、前記ウェハ表面の前記照射部分から反射される光の複数スペクトルに対応する新しい現反射スペクトルデータサンプルを後の時点において受信する工程を備える方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって、前記第２の反射スペクトルデータサンプルは、前記追従参照遅れで前記新しい現反射スペクトルデータサンプルに追従する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、化学機械研磨処理における終点検出に関し、より具体的には、広域反射スペクトルの光学干渉、および、継続的に更新される参照を用いる終点検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造において、集積回路素子の形状は一般に、多層構造である。基板層には、拡散領域を有するトランジスタ素子が形成される。続く層には、金属配線がパターニングされ、所望の機能装置を定義するためにトランジスタ素子に電気的に接続される。周知のように、パターニングされた導電層は、二酸化ケイ素のような誘電材料によって、他の導電層から絶縁されている。金属層とそれらに付随する絶縁層の形成層数が多くなるほど、絶縁材料を平滑化する必要性が増す。平滑化しない場合、表面のトポグラフィのばらつきが一層多くなるため、金属層の積層は、実質的により困難となる。その他の実装例では、まず、絶縁物質に金属配線がパターニングされ、続いて余分な金属部分を除去するために、金属化学機械研磨（ＣＭＰ）工程が行われる。
【０００３】
従来技術において、ＣＭＰシステムは通例、ベルト方式、オービタル方式、またはブラシ方式のステーションを実装しており、ステーション内では、ベルト、パッド、またはブラシによって、ウェハの片面もしくは両面が、スクラブ、バフ研磨、または研磨される。ＣＭＰ工程を円滑に実行し、効果を高めるためにスラリが用いられる。スラリは一般に、ベルト、パッド、ブラシなどの動的処理面に最も多く導入され、バフ研磨、研磨、あるいはその他のＣＭＰ処理による前処理を施される半導体ウェハの表面と同様、前処理面全域にも散布される。一般に、スラリの散布は、処理面の動きと、半導体ウェハの動きと、半導体ウェハおよび処理面の間に生じる摩擦との組み合わせにより実現される。
【０００４】
図１Ａは、ダマシン、デュアルダマシンの金属配線工程において一般的な加工処理を受けた絶縁層１０２の断面図を示す。絶縁層１０２は、絶縁層１０２のエッチングパターン面上の全域に堆積する拡散障壁層１０４を有する。拡散障壁層は、周知のように、窒化チタン（ＴｉＮ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、あるいは窒化タンタル（ＴａＮ）とタンタル（Ｔａ）とを組み合わせたものが一般的である。拡散障壁層１０４がいったん所望の厚さまで堆積すると、銅層１０６は、絶縁層１０２にエッチングされた溝を埋めるように、拡散障壁層上全域に形成される。余分な拡散障壁層や金属部分も必然的に、この領域上に堆積される。化学機械平坦化（ＣＭＰ）工程は、これらの余分な堆積物を除去し、所望の金属配線や対応ビア（図示されず）を規定するために行われる。
【０００５】
上述のとおり、ＣＭＰ工程は、絶縁層１０２からその上を覆う金属物質を取り除くための工程である。例えば図１Ｂに示されるように、銅層１０６および拡散防壁層１０４の余分な堆積部分が除去されている。ＣＭＰ工程分野では一般的であるように、ＣＭＰ工程は、絶縁層１０２に堆積した余分な金属と拡散防壁層１０４のすべてが除かれるまで継続されなければならない。しかしながら、絶縁層１０２上から拡散防壁層１０４のすべてが除去されたことを確実に知るためには、ＣＭＰ処理の間、処理状況とウェハの表面状態とをモニタリングする方法が必要となる。これを一般に、「終点検出」という。銅の終点検出を実施する理由は、銅は、時間制限方式を用いてうまく研磨することができないからである。ＣＭＰ処理における除去速度は、銅層の時間制限式研磨について十分に安定していないため、時間制限式研磨は銅に対してうまく機能しない。ＣＭＰ処理における銅の除去速度の変化は大きい。したがって、終点に達したと判断するためには、モニタリングが必要となる。マルチステップのＣＭＰ工程では、（１）確実に銅（Ｃｕ）を拡散障壁層上から取り除くため、（２）確実に拡散障壁層を絶縁層から取り除くため、複数の終点を確定する必要がある。このように、終点検出技術は、所望の余分な堆積物のすべてを確実に除去するために用いられる技術である。
【０００６】
金属のＣＭＰ処理における終点検出のために、多くの方法が提案されてきた。従来技術の方法は、一般に、研磨の物理的状態を直接的および間接的に検出する方法として分類され得る。直接的な方法は、研磨中のウェハの状態を調べるために、明示的な外部信号源、あるいは化学薬品を用いる方法である。他方、間接的な方法は、研磨処理中に自然に発生する物理的、もしくは化学的変化に起因してツール内にて内部的に生成される信号をモニタリングする方法である。
【０００７】
間接的な終点検出方法は、研磨パッド／ウェハ面の温度、研磨工具の振動、パッドおよび研磨ヘッド間の摩擦力、スラリの電気化学ポテンシャル、およびアコースティック・エミッションをモニタリングすることを含む。温度法とは、研磨スラリが研磨されている金属膜と選択的に反応する際の熱処理反応を利用する方法である。米国特許５，６４３，０５０は、このような方法の一例である。米国特許５，６４３，０５０および米国特許５，３０８，４３８は、異なる金属層が研磨される際におけるモータ電流変化がモニタリングされる摩擦を基礎とする方法を開示する。
【０００８】
欧州出願公開、ＥＰ０７３９６８７において開示された別の終点検出方法は、研磨処理情報をもたらす研削処理により発生するアコースティック・エミッションを検波する方法である。アコースティック・エミッションのモニタリングは、通常、金属の終点検出に用いられる。その方法は、研磨中に行われる研削動作をモニタリングする方法である。物質除去の深さが界面からある程度確定できる距離に到達することにより、出力検出信号を発生させる際に生成される音波を検知するために、マイクロフォンは、ウェハから所定の距離を隔てて配置される。これらの方法はすべて、研磨状態の全域測度を提供する方法で、処理パラメータの設定、および消耗品の選択に強く依存する。しかしながら、摩擦検知以外の方法はいずれも、業界において商業的成功を収めていない。
【０００９】
直接的な終点検出方法とは、音波の速度、光の反射および干渉、インピーダンス／コンダクタンス、および、特定の化学薬品の導入による電気化学ポテンシャル変化を利用してウェハの表面をモニタリングする方法である。米国特許５，３９９，２３４および米国特許５，２７１，２７４は、音波を利用して金属の終点を検出する方法を開示する。これらの特許は、金属の終点を検出するためにウェハ／スラリを介して伝搬される音波速度をモニタリングする方法を説明する。ある金属層から別の層への変わり目が存在すると音波の速度が変化するため、この特性を終点検出に用いてきた。さらに、米国特許６，１８６，８６５は、研磨パッドの下に配置される流体軸受けからの流体圧力をモニタリングするセンサを用いた終点検出方法を開示する。センサを用いて、ある金属層から次の層への研磨の遷移時における剪断力の変化に対応した研磨中の液体圧力変化を検出する。残念ながら、この方法は処理の変化に弱い。さらに、検出される終点は全域的な終点であるため、ウェハ表面の特定のポイントにおける局所的な終点検出は不可能である。さらに、米国特許６，１８６，８６５の方法は、空気軸受けを必要とする線形研磨器に限定されている。
【００１０】
ウェハ表面からの光反射を用いて終点を検出するために、多くの提案がなされてきた。それらの提案は、以下２つのカテゴリーに分類され得る。すなわち、レーザー源を用いて単一波長における反射光信号をモニタリングすること、あるいは、電磁スペクトルの全可視範囲にわたる広帯域光源を使用すること、である。米国特許５，４３３，６５１に開示される方法は単一波長を用いる終点検出方法であって、レーザー源からの光信号がウェハの表面にあてられ、反射信号が終点検出のためにモニタリングされる。ある金属から他の層へと研磨が遷移する際の反射率の変化を用いながらその変わり目を検出する。
【００１１】
広帯域方法は、電磁スペクトルの複数の波長における情報の使用に依存する方法である。米国特許６，１０６，６６２は、分光計を用いて、光学スペクトルの可視範囲の反射光の強度スペクトルを取得することを開示している。ある金属から別の層へと研磨が遷移する際の反射率の変化に対する優れた感度を提供するスペクトルにおいて、波長から２つの帯域が選択される。続いて、選択された２つの帯域の平均強度比率を算出することにより検出信号が定義される。検出信号の大きな変化は、ある金属から別の層への遷移を表す。
【００１２】
最近の終点検出技術に共通の問題は、金属線同士の不意の短絡を防ぐ目的ですべての導電物質（例えば金属物質、あるいは拡散防壁層１０４）を確実に絶縁層１０２上から除去するため、一定の過剰エッチング処理が要求されることである。不適切な終点検出、あるいは過剰エッチングが及ぼす悪影響の一つは、絶縁層１０２内に残すことが望ましい金属層上にディッシング１０８が発生することである。基本的にディッシング作用とは、所望以上の金属物質を除去し、皿状の窪みを金属線上に残すことである。ディッシングは、金属配線に悪影響を及ぼすものと考えられ、ディッシングの数が多すぎると、集積回路は意図された目的を果たさなくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
以上の点より、終点検出の精度を向上させる終点検出システムおよび方法が必要となる。さらに、そのシステムおよび方法により、正確な膜厚および層厚の判断が可能になるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は概して、ＣＭＰ処理中に、光学干渉を用いて金属層が金属薄膜状態に達したときなど終点に達した時点を判断する光学終点検出システムを提供することにより、これらの要求を満たす。周辺光のノイズに対処するために、本発明の実施例は、継続的に更新される動的正規化参照を利用する。一実施形態では、化学機械研磨（ＣＭＰ）処理中に終点を検出する方法が開示されている。反射スペクトルデータサンプルは、ウェハ表面の照射部分から反射された光の複数スペクトルに対応して受信される。反射スペクトルデータサンプルは、ＣＭＰ処理段階より前に取得された反射スペクトルデータサンプルを含む正規化参照を用いて正規化される。さらに、正規化参照は、ＣＭＰ処理の前の段階において取得される第２の反射スペクトルデータサンプルを用いて処理中に更新される。第２の反射スペクトルデータサンプルは、第１の反射スペクトルデータサンプルより後に取得される。このように、終点は、反射スペクトルデータに生じる光学干渉に基づいて判断される。
【００１５】
一実施形態において、化学機械研磨（ＣＭＰ）処理中に終点を検出するために、メディアンベクトルフィルタ基礎方法が開示されている。上述のように、反射スペクトルデータサンプルは、ウェハ表面の照射部分から反射された光の複数スペクトルに対応して受信される。第１の反射スペクトルデータサンプル中央値は、ＣＭＰ処理段階より前に取得された第１の複数の反射スペクトルデータサンプルより選択される。現反射スペクトルデータサンプルは、反射スペクトルデータサンプル中央値を含む正規化参照を用いて正規化される。さらに、ＣＭＰ処理段階より前に取得された第２の複数の反射スペクトルデータサンプルから選択された第２の反射スペクトルデータサンプル中央値を用いて、前記正規化参照は更新される。上述のように、終点は、反射スペクトルデータに生じる光学干渉に基づいて判断される。
【００１６】
本発明における別の実施形態では、化学機械研磨処理中に終点を検出する別の方法が開示されている。ウェハ表面の一部分は、広帯域の光により照射され、現反射スペクトルデータサンプルは、ウェハ表面の照射部分から反射された光の複数のスペクトルに対応して受信される。現反射スペクトルデータサンプルは、ＣＭＰ処理の前の段階において取得された第１の反射スペクトルデータサンプルを含む正規化参照を用いて正規化され、終点は、反射スペクトルデータに生じる光学干渉に基づいて判断される。さらに、ＣＭＰ処理の前の段階において、第１の反射スペクトルデータサンプルより後に取得される第２の反射スペクトルデータサンプルを用いて正規化参照は更新される。一態様において、第１の反射スペクトルデータは、現反射スペクトルデータサンプルと第１の反射スペクトルデータサンプルとの間における反射データサンプル量を表す数となり得る所定の追従参照遅れの間隔で、現反射スペクトルデータサンプルと対応している。さらに新しい現反射スペクトルデータサンプルが、ウェハの表面の照射部分から反射された光の複数のスペクトルに対応して、その後の時点において取得され得る。この場合、第２反射スペクトルデータサンプルは、追従参照遅れで新しい現反射スペクトルデータサンプルに対応し得る。
【００１７】
本発明の実施例の動的正規化参照は、光路中の外部周辺光の変動する特性に対処することにより、終点検出の失敗を効果的に減少させる。さらに、本発明の実施形態は、従来の終点検出のような単なる表面反射の変化ではなく光学干渉を用いる。したがって、本発明の実施形態は、終点検出の感度と信頼性を有効に向上させる。終点検出に加えて、本発明の実施例は、金属の余分な堆積部分の除去後、ウェハの絶縁層の層厚を判断するために有効に用いられ得る。従来においては、ウェハの層厚を測定するために分離型の測定ツールが必要とされていた。本発明の実施例は、ウェハを移動させて別の機械により測定することなく、ウェハの層厚測定が可能である。本発明のその他の態様および利点は、本発明の原理を例示した添付図面と関連付ながら行う以下の詳細な説明から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、光学的な終点検出を目的として開示される。本発明は、ＣＭＰ処理の間、光学干渉の測定を支援する動的に更新される参照（基準）を利用して金属層が金属薄膜状態に達した時点を特定する光学終点検出システムを提供する。特に、動的な更新参照は、周辺光による検出処理への影響を削減するために使用される。その結果、上層の金属層が金属薄膜状態まで低減されると、ウェハの異なる層から反射された光の位相差に起因して発生する反射スペクトルデータ中に生じる光学干渉に基いて、終点は決定される。本発明の完全な理解を促すために、以下の記述において詳細を説明する。しかしながら、当業者には明らかなように、本発明は、これらの項目の一部または全てを特定しなくても実施され得る。そのほか、本発明が不必要に不明瞭となるのを避けるため、周知の工程動作の説明は省略した。
【００１９】
図２Ａは、本発明の一実施例において、パッド２５０がローラ２５１の周りを回転するよう構成されているＣＭＰシステムである。プラテン２５４は、キャリア２５２を使用してウェハが当てられる面を供給するパッド２５０の下に配置される。図２Ｂに示すように、終点検出は光学検出器２６０を用いて行われ、光はプラテン２５４とパッド２５０とを通り研磨されているウェハ２００の表面上に当てられる。光学終点検出を実現するため、パッドスロット２５０ａは、パッド２５０に組み込まれる。いくつかの実施例において、パッド２５０は、パッド２５０の異なる場所に意図的に配置された多くのパッドスロット２５０ａを備え得る。一般的に、パッドスロット２５０ａは、研磨工程に対する衝撃を最小限にするのに十分なほど小規模である。パッドスロット２５０ａに加え、プラテンスロット２５４ａがプラテン２５４に定義されている。プラテンスロット２５４ａは、研磨中に広帯域光ビームがプラテン２５４とパッド２５０とを通り、ウェハ２００の所望の表層上に送られ得るよう構成されている。
【００２０】
光学検出器２６０の使用により、特定の膜について、ウェハの表面からどの程度除去されているかを確定することができる。この検出技術は、光学検出器２６０によって受信される干渉縞を検査することにより膜厚を測定する技術である。さらに、ウェハ２００から正確に層を除去できるように、プラテン２５４は、意図的に一定の背圧をパッド２５０に適用する。
【００２１】
図３は、本発明の一実施例において、ＣＭＰ処理中に広帯域光源により照射されるウェハ３００の一部を示す図である。ウェハ３００は、シリコン基板３０２、基板３０２上に堆積する酸化物層３０４、および酸化物層３０４の上に形成される銅層３０６を含む。銅層３０６は、ダマシンＣＭＰ処理中に形成される過剰に堆積した銅を表す。通常、銅層３０６は、銅の配線のための溝を形成するために初期段階においてエッチングされる酸化物層３０４の上に堆積する。過剰に堆積した銅は、続いて、酸化物層３０４の露光のために研磨除去されるため、溝の内部には銅線のみが残る。デゥアル・ダマシンも同様の方法で実施され、金属プラグおよび配線の同時形成を可能にする。
【００２２】
本発明の実施例は、研磨中、光学干渉を利用して銅３０６が除去された時点を判断する。初期においては、図の３０１ａに示すとおり、銅層３０６の層厚はおよそ１０，０００Åと比較的厚いため不透明である。この時点において、ウェハ３００の表面を照射する光３０８は、ほとんど、あるいは完全に干渉なく反射される。次に、銅が研磨されるにつれて、銅層３０６は、層厚がおよそ３００から４００Åという薄い金属になる。これは、金属薄膜状態として知られている。図の３０１ｂに示すように、この時点において銅層３０６は透過性を備えるようになり、光は銅層３０６を通り抜けて下層を照射し得る。
【００２３】
光３１２がウェハの様々な層の中を通過し始めると、光学干渉が生じる。ウェハの各層は、光がある層から別の層へと通る際に、その層が光３１２の速度に与える影響を定義する特性である反射指数を有す。したがって光３１２の速度は、光３１２がある材料から別の材料へと通過する際に変化する。
【００２４】
各層の界面において、光３１２は反射され光学検出器に跳ね返ってくる。速度が材料の内部で変化したため、位相変化が起こる。したがって、銅層３０６の表面から反射された光３１４と、酸化物層３０４の表面から反射された光３１６との間に、位相差が存在する。同様に、酸化物層３０４の表面から反射された光３１６と、基板３０２の表面から反射された光３１８との間にも位相差が存在する。様々な反射光線３１４、３１６、および３１８が相互に作用を及ぼすときに、光学干渉は生じる。
【００２５】
このように、銅層３０６の層厚が厚い場合には、光３０８は銅層３０６を通り抜けることができず、干渉が生じないため、位相変化は発生しない。しかしながら、銅層３０６の層厚が極めて薄くなって透過性を備えると、ウェハ３００の種々の層から反射される光の間に位相変化が起こるため、干渉が生じる。このポイントにて、研磨処理は停止されなければならない。
【００２６】
図４は、本発明の一実施形態において、化学機械研磨処理中に終点を検出する方法４００を示すフローチャートである。工程４０２では、広帯域反射データが取得され、正規化参照（正規化基準）は動的に更新される。広帯域反射データは、広帯域光源を用いてウェハ表面の一部を照射することにより取得される。反射スペクトルデータは次に、ウェハ表面の照射部分から反射された光のスペクトルに応じて受信される。
【００２７】
図５は、本発明の一実施例において、ＣＭＰ処理の様々なポイントにおけるウェハからの広帯域反射スペクトルを示すスペクトルグラフ５００である。グラフ５００は、強度と１／λの関係を表し、λは自由空間における光の波長である。λの関数としての強度プロットは、光学干渉が生じると非周期的信号を供給する。１／λの関数としてプロットされる強度は、光学干渉が生じると周期的信号を提供するため、本発明の実施例は、１／λの関数として強度プロットする。カーブ５０２は、ウェハの銅層が厚く、不透明な場合の反射スペクトルを示す。上述のとおり、銅層が厚い場合は、光は銅層を通り抜けることができず、位相変化が起こらないため、干渉は生じない。すなわち、カーブ５０２が示すように、振動はみられない。銅層の層厚が薄くなるにつれて振動が反射スペクトルに現れはじめ、銅が透過性を備える期間の様々なポイントにおける反射スペクトルを表すカーブ５０４ａおよびカーブ５０４ｂに示すとおりとなる。
【００２８】
さらに具体的には、グラフ５００は、銅層の層厚が侵入深さに近づくと周期的なフリンジ、つまり振動が、１／λ、つまり１／ｎｍ（ｎｍは１０-9メートルである）軸方向の反射スペクトルに現れる様子を示す。図５の各カーブは、λの範囲が３００から７００ｍｍの場合の反射スペクトルＲ（１／λ）の例である。反射波の電磁場のマグニチュードと基板上の単一の絶縁層への入射波とのおおよその比例関係は、以下の数式（１）により得られる。
（１）Ｒ（１／λ）＝ｒ01＋ｒ12ｅ-i2Πβ
ここで、ｒ01およびｒ12は、フレネルの係数である。βは、以下の数式（２）より求められる位相角である。
（２）β＝２ｎ1ｄ／λ
ここで、ｄは、絶縁層の厚みであり、ｎ1は絶縁層の反射指数である。
【００２９】
工程中、外部要因により、反射データに小さな変動が起こる。その変動が終点検出処理に及ぼす影響を減少させるため、反射データは、動的に更新される参照を用いて正規化される。より具体的には、反射データ信号には、ウェハ、光学部品、および、研磨処理中に対して用いられるスラリのような光路中のその他任意の触媒からの反射が含まれる。しかしながら、本発明の実施例は、金属薄膜状態に近づくと生成される光学干渉に起因する反射データの変化を解析することにより、終点検出を行う。したがって、本発明の実施例は、光学部品、および、光路中のその他任意の触媒から反射される周辺光による影響を低減するため、反射データを正規化する。現反射データサンプルとそれ以前の反射データサンプルとの比率を作成することにより、本発明の実施例は、周辺光による影響を低減する。特に、このような比率により、光学部品、および、光路中のその他任意の触媒から反射される周辺光のほとんどが効果的に抑えられる。但し、光学部品、および、光路におけるその他任意の触媒から反射される周辺光が及ぼす影響は、時間の経過とともに変化する。
【００３０】
図６は、層厚が厚い銅層の反射強度の変化をＣＭＰ処理の初期段階における値について示すグラフ６００であり、この変化は、時間の経過とともに変化する光路の特性に起因して生じる。具体的には、グラフ６００は、例えば波長６０２ａ、６０２ｂおよび６０２ｃなど、様々な波長の反射データ強度の割合を示す。図示のとおり、変化の割合は時間の経過とともに変化する。さらに、変化の割合は、波長ごとに異なる波長依存がある。例えば、波長６０２ａ、６０２ｂおよび６０２ｃの変化は互いに異なる。したがって、研磨処理中に、例えば光学繊維束とウェハとの間に注入される薄い液状触媒およびスラリに起因して、光路の透過性、および反射特性は変化する。
【００３１】
このような分泌液およびスラリの構成の動的な変化によって、研磨処理の初期段階に収集される参照スペクトルは、研磨処理後の時点における正規化に適さない可能性がある。この課題に対処するため、本発明の実施例は、どの時点においても反射光の周囲条件の状態を正確に反映する動的な基準を取得する。
【００３２】
図７は、本発明の一実施形態において、広帯域反射データを取得して正規化参照を更新する方法４０２を示すフローチャートである。初期工程７００では、前処理工程が行われる。前処理工程には、例えば、第１の反射データサンプルなど初期正規化参照を取得する工程、および当業者には明らかであろうその他の前処理工程が含まれる。以下に詳述するように、初期正規化参照は通常、研磨処理において、処理遅延に達するまで使用される。
【００３３】
工程７０２では、次の広帯域反射データが取得される。上述のとおり、ウェハの表面の一部は、ウェハの表面の照射部分から反射された光のスペクトルに対応する反射スペクトルデータを取得するために、広帯域光源を用いて照射される。続いて以下でさらに詳述するように、この反射データは、終点検出のために、光学干渉に基づいて後から解析される。
【００３４】
続いて、工程７０４では、終点検出処理における現ショットが前処理遅れ未満であるか否かが判断される。本発明の実施例は、例えば、反射データサンプルは毎秒取得され得るなど、継続的に反射データを収集する。各反射データサンプルは、「ショット」と呼ばれることが多い。追従参照遅れは、正規化参照が現在の「ショット」と対応するまでの「ショット」数を表す所定の数である。前処理遅れは、第１の反射データサンプルを正規化参照として用いるまでの「ショット」の数で、追従参照遅れと同等である。
【００３５】
図８Ａは、本発明の一実施形態における反射データサンプルを格納する二次元配列８００を示す図である。二次元配列８００は、複数の配列エントリー８０２ａから８０２ｄを含み、各配列エントリー８０２ａから８０２ｄは、所定時におけるウェハのショットを表す反射データの配列を構成している。図８Ａの例において、配列エントリー８０２ａは第１のショットを表し、配列エントリー８０２ｂは、前処理遅れと同等のショットである。さらに、配列エントリー８０２ｄは現ショットであり、配列エントリー８０２ｃは、追従参照遅れで現ショット８０２ｄに追従するショットである。上述のとおり、追従参照遅れは、現ショットと正規化のために用いられるショットとの間におけるショット数で、前処理遅れは、第１の反射データサンプルを正規化参照として用いるショット数である。
【００３６】
図７に戻って説明すると、終点検出処理における現ショットが前処理遅れ未満の場合には、方法７００は工程７０６へと続く。それ以外の場合には、方法７００は、工程７０８へと続く。工程７０６では、正規化参照は、第１の反射データサンプルであるショット０における反射データサンプルとなる。図８Ａを参照すると、第１の反射データサンプルは、配列エントリー８０２ａにより表される。このように、現ショットが前処理遅れ以上となるポイントに研磨処理が達するまで、配列エントリー８０２ａを正規化参照として用いられる。
【００３７】
図７に戻って説明すると、工程７０８では、終点検出処理における現ショットが前処理遅れ以上になると、正規化参照が更新される。具体的には、現ショット数における配列エントリー−前処理遅れ＋１が正規化参照として用いられる。図８Ａに示すように、正規化のために用いられるショットは、追従参照遅れ量の間隔で、現ショットと対応している。前述のとおり、追従参照遅れに達する前は、最初の配列エントリー８０２ａが正規化参照のために利用される。現ショット数が前処理遅れ以上になると、正規化参照は更新される。一実施例において、正規化参照は、追従参照遅れと同量分の間隔で現ショット数に対応する次の配列エントリーに更新される。以下でさらに詳述するように、求められた正規化参照は、次に、反射データを工程４０４における軌跡参照スペクトルに正規化するために利用される。
【００３８】
例えば、図８Ａにおいて、追従参照遅れは１０と定義され得る。この場合、最初の配列エントリー８０２ａは、ショット１０まで正規化参照として使用される。現ショット数が前処理遅れ以上、例えばショット１０のとき、正規化参照は、ショット１に対応するその次の配列エントリーを用いて、正規化参照として更新される。ショット１１の間に、この場合はショット２に対応する次の配列エントリーに正規化参照は再更新される。このように、正規化参照数は、光路の透過特性の変化をより忠実に反映するために動的に更新される。
【００３９】
本発明の実施例は、ベクトルメディアンフィルタを利用して、例えば調整不良のベルトによってショット中に発生する範囲からはずれた不良ショットの影響を減少させることができる。図８Ｂは、本発明の一実施形態における反射データサンプルを格納する二次元配列８００を示し、ベクトルメディアンフィルタ８０４は正規化参照を作成するために使用されている。上記のとおり、二次元配列８００は、複数の配列エントリー８０２ａから８０２ｄを含み、各配列エントリー８０２ａから８０２ｄは、特定時におけるウェハのショットを表す反射データの配列を構成する。配列エントリー８０２ａから８０２ｃは、ウェハ表面の連続したショットを表し、配列エントリー８０２ｄは、ウェハ表面の現ショットを表す。
【００４０】
上記のように、追従参照遅れで現配列エントリー８０２ｄに追従する配列エントリー８０２ｂは、正規化参照を確定するために利用される。但し図８Ｂに示される実施例では、他に二つの配列エントリーもまた、正規化参照を確定するために用いられる。具体的には、３つの連続した配列エントリー８０２ａから８０２ｃがベクトルメディアンフィルタ８０４に供給される。一実施例において、追従参照遅れで現配列エントリー８０２ｄに追従する配列エントリー８０２ｂの前の配列エントリー８０２ａ、および次の配列エントリー８０２ｃは、ベクトルメディアンフィルタ８０４に供給される。
【００４１】
ベクトルメディアンフィルタ８０４は、１平方ピクセルあたりの値を合計することにより、各配列エントリー８０２ａから８０２ｃのマグニチュード、つまり、段階的な距離指標を決定する。続いて３つの配列エントリー８０２ａから８０２ｃの段階的な距離は昇順にソートされ、中央の配列エントリーが正規化参照として選択される。以下でさらに詳述するように、求められる正規化参照は、次に、反射データを工程４０４における追従参照スペクトルに正規化するために利用される。このようにして、ベクトルメディアンフィルタ８０４は、３つの配列エントリーの中央値を確定して正規化参照に使用し、それによって、範囲から外れた値が正規化処理に影響を及ぼすことを抑制する。
【００４２】
図４に戻って説明すると、反射データは、工程４０４において正規化される。反射データの正規化は、サンプルをデータ中におけるサンプルのばらつきに変える。上述のとおり、研磨ベルトの終点ウィンドウが終点検出センサ上を移動するとき、ウェハの表面は広帯域光により照射され、ウェハ表面から反射された光は反射データとして記録される。外部要因が原因となってデータに小さな変動が起こり得るため、その変動が終点検出処理に及ぼす影響を減少させるために反射データは正規化される。
【００４３】
上述のとおり、反射データ信号は、ウェハ、光学部品、および、研磨処理中に用いられるスラリのような光路中のその他の任意の触媒からの反射を含む。すなわち、Ｍ＝Ｃ＋Ｎである。ここで、Ｍは合計測定信号であり、Ｃはウェハから反射される光からの信号に対応し、Ｎは正規化信号である。以下の数式（３）に示すとおり、正規化では、各波長における測定信号を、基準スペクトルを通じて得られる正規化信号で割り、一定の偏向を除くため、そこから１を引く。
（３）Ｒ＝（Ｍ／Ｎ）−１＝（（Ｃ＋Ｎ）／Ｎ）−１＝Ｃ／Ｎ
【００４４】
工程４０６において、正規化参照データが多項式を用いて反トレンド化される。銅層がまだ不透明なときに、下層のウェハ層からの光学干渉以外の要因により発生し得る振動を減少させるため、反トレンドは反射カーブを拡大する。このため多項式は、反射データに一致するよう調整され、その後、減算される。この手法では、反射データカーブは、実質的に平らになり始めるため、異なるウェハ層の光学干渉によって発生する振動を、より簡単に検出することが可能となる。
【００４５】
工程４０８において、移動メディアンフィルタが１／λ軸に適用される。通常、反射データカーブには高周波ノイズ量が含まれる。高周波ノイズは、終点検出処理に悪影響を及ぼし得る。したがって、高周波ノイズを減らすために、カーブにフィルタが適用される。
【００４６】
次に工程４１０において、微分変換が反射データに適用される。通常、一定の偏向、つまりＤＣが、ウェハ表面から収集される反射データに含まれている。反射されるスペクトルの一定の偏向は大きくなり得るため、フーリエ変換は起点において大きなピークに支配され得る。すなわち、第一の関心であるスペクトルの高周波領域におけるピークを支配し、不明確にし得る。反射データに微分変換を適用することにより、一定の偏向は減じられ、あるいは除かれ得る。グラフ上では、反射データカーブは、一定の偏向を除くことにより、ゼロ中心となり得る。
【００４７】
次に工程４１２において、スペクトル窓関数が反射データに適用される。スペクトル窓関数は、カーブの端での切断不連続面（truncation discontinuities）をスムーズにする。スペクトル窓関数は、通常、反射スペクトルが非整数の周波数、すなわち振動を含む場合に生じる反射スペクトルの端部における不連続が原因で発生するフーリエ・スペクトルのスペクトルの漏れを減少させるのに役立つ。
【００４８】
次に工程４１４において、ゼロパッドが反射データに適用される。反射スペクトルデータのゼロパッドは、フーリエ変換をより高解像度のグリッドへと拡張するのに役立つ。この手続きは本質的に、さらに細かいグリッドにフーリエ変換を補間する。すなわちこの手続きによって、方法４００において後から実施されるように、ピーク検出の精度を向上させることができる。一実施例において、ゼロパッドは、反射スペクトルの離散ピクセルの数をより大きなグリッドへと拡張することにより実施される。実際に取得されたデータによりカバーされない拡張されたグリッド中のピクセルは、いずれもゼロ値で埋められ得る。
【００４９】
工程４１６では、反射データにフーリエ変換が適用される。フーリエ変換は、信号をマルチ・コンポーネントに分離する。つまりフーリエ変換は、反射スペクトル中の振動パターンの発生検出を向上するために用いられることができる。
【００５０】
図９は、本発明の一実施例において、下層の絶縁層の層厚が６０００から１００００Åの範囲にある場合の反射データのフーリエ変換を示すグラフ９００である。フーリエ変換グラフ９００は、ウェハ表面上の銅層の層厚が侵入深さに比べて極めて厚い不透明な銅反射カーブ９０２と、銅層の層厚が侵入深さと比べると極めて薄い薄化金属カーブ９０４とを含む。上記の計算式（１）、（２）において、厚みｄおよび波数１／λは、位相式を介して相関がある。つまり、Ｒ（１／λ）のフーリエ変換は、ｄの空間に写像される。
（４）ＲF（ｄ）＝Ｆ｛Ｒ（１／λ）｝←→Ｒ（１／λ）
【００５１】
図９のフーリエ変換グラフ９００は、ＣＭＰ処理中の様々な時点におけるＲF（ｄ）を示す。銅層の層厚が侵入深さに比べて極めて厚い時点におけるフーリエ変換グラフ９００から分かるとおり、カーブ９０２、つまり、厚みが６０００から１００００Åである誘電体の範囲内におけるフーリエ変換グラフ９００のマグニチュードは極めて小さい。研磨が侵入深さに達すると、薄金属カーブ９０４に示されるように、誘電体の厚みの範囲内に大きなピークが現れはじめる。フーリエ変換グラフ９００からわかるように、薄金属カーブ９０４のピークは、本例では銅層の下の絶縁層の厚みである８０００Å付近に現れる。
【００５２】
ウェハ構造がより複雑なその他の実施例では、フーリエ変換の一次ピークは、階層化構造の幾何学配置を描く。例えば、厚みｄ1とｄ2とを有する二層構造では、一次ピークは、ｄ1およびｄ1＋ｄ2に現れる。本発明の実施例は、ＣＭＰ処理の間、この特性を用いて、金属層が金属薄膜状態に達する最初のインスタンスを検出して知らせる。侵入深さは、銅の場合はおよそ５００Åで、タングステンの場合はおよそ８００Åである。
【００５３】
図４に戻って参照すると、ピークの特定数は、所定の厚み限界の範囲内のフーリエ変換スペクトル中にみられる。下層の絶縁層厚が認識されているときは、ウィンドウは誘電体の厚みの範囲内に対応するグラフ領域に絞られ得る。図１０は、様々な時点の特定の厚み限界における反射データのフーリエ変換を示すフーリエウィンドウ１０００である。図１０の例では、銅層の下の絶縁層厚は６０００から１００００Åの範囲である。したがって、フーリエウィンドウ１０００は、最低厚さ限界（ＬＴＢ）６０００Åから最高厚さ限界（ＨＴＢ）１００００Åに設定された厚み範囲内の反射データカーブのフーリエ変換を示す。したがって、図４に戻って参照すると、工程４１８の間、ＬＴＢからＨＴＢの間に定義される厚さ限界範囲において、所定のピーク数が検出される。
【００５４】
次に工程４２０において、工程４１８で検出されるピークのマグニチュードが合計される。工程４１８で検出されるピークのマグニチュードの合計は、終点検出（ＥＰＤ）信号と呼ばれる。図１１は、ショット数として示される工程４１８中に検出されるＥＰＤ信号を、時間関数として示すグラフ１１００である。ショット数は、終点検出処理を連続的に繰り返す間に取得される一連の反射データである。グラフ１１００からわかるように、ＥＰＤ信号１１０２は、ＣＭＰ処理の初期段階、つまり本例のショット１からショット８４までの間は低いままである。その後、銅がショット９０付近の金属薄膜状態に近づくにつれて銅層が薄く透過性を帯びると光学干渉を受けて反射スペクトルデータ中に振動が生じるため、ピークマグニチュードカーブ１１０２は鋭く上昇する。
【００５５】
図４に戻って参照すると、工程４２２において、ＥＤＰ信号が所定の閾値を越えるか否かに関して判断される。閾値は通常、金属薄膜状態に達した時点を測定できるように選択される。図１１に示すように、金属層が侵入深さに比べて厚いとき、閾値１１０４は相対的にＥＰＤ信号に対して高めになるように選択される。さらに、閾値１１０４は、好ましくは追従参照遅れを考慮して選択されるとよい。
【００５６】
図１２は、工程４１８中に検出されるＥＰＤ信号を時間関数として示すグラフ１２００である。上述のように、ＥＰＤ信号１２０２は、ＣＭＰ処理の初期段階、すなわち本例においては、ショット１からショット８４までの間は低いままである。その後、銅が金属薄膜状態に近づくにつれて、ＥＰＤ信号１２０２は閾値１１０４をとび越えて鋭く上昇する。適切な正規化を実現するために、本発明の実施例は通常、ＥＰＤ信号１２０２が閾値１１０４を越える前で、ＥＰＤ信号１２０２の直前のカーブを越えるのに必要とされる時間よりも大きい軌跡参照遅れを利用する。こうすることにより動的に更新される手続きは、金属薄膜状態に達する前に取得される反射データのみを確実に含む。
【００５７】
図４に戻ると、工程４１８にて検出されるＥＰＤ信号が所定の閾値より低い場合には、工程４０２における次の広帯域反射データを取得するために方法４００は継続する。それ以外の場合には、方法４００は、工程４２４で完了される。
【００５８】
ＣＭＰ処理は、工程４２４の時点で終点に達するため、ここで完了となる。本発明の実施例の動的な正規化参照は、図１３に示されるように、光路中の外部周辺光の変動する特性に対処することにより、有効に終点検出失敗を減少させる。図１３は、静的な正規化参照と動的な正規化参照とを用いて、工程４１８中に検出されるＥＰＤ信号を示すグラフ１３００である。具体的には、ＥＰＤ信号１３０２は、最初の反射データショットを含む静的正規化参照を使用した結果生じる信号である。図７、８Ａおよび８Ｂに関連して説明したように、ＥＰＤ信号１３０４は、継続的に更新される追従参照を含む動的正規化参照を使用した結果生じる信号である。光路中の外部周辺光の変動する特性により、終点検出処理の後の段階においては、静的正規化参照の適正度が減少する。その結果、研磨処理が実際の終点１３０８に到達する前のポイント１３０６において、ＥＰＤ信号１３０２は閾値１１０４を越えてしまい、グラフの上、高めにドリフトすることがある。その結果、静的正規化参照を用いると、誤った終点が検出され得る。一方、本発明の実施例の動的正規化参照は、正規化参照の継続的な更新を通じて光路中の外部周辺光の変動する特性に対処することにより、終点検出の失敗を減少させる。
【００５９】
本発明のその他の実施例において、ＥＰＤ信号に適用される統計的仮説検証は、金属薄膜状態に達した時点を判断するために用いられ得る。本発明の実施例は、従来の終点検出のような単なる表面反射の変化に代わって光学干渉を用いるため、終点検出の感度および信頼性を有効に向上させる。終点検出に加えて、本発明の実施例はさらに、ウェハの層厚判断にも有効に使用され得る。従来において、ウェハの層厚を測定するために分離した測定ツールが必要とされていた。本発明の実施例は、ウェハを移動させて別の機械により測定することなく、ウェハの層厚測定を可能とする。
【００６０】
理解を深めるために従来技術をある程度詳しく説明したが、添付の特許請求の範囲内で特定の変更と修正を行ってもよいことは明らかである。したがって、本実施形態は、例示的なものであって、制限的なものではないとみなされ、本発明は、本明細書に示した詳細に限定されず、添付の特許請求の範囲および等価物の範囲内で修正可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１Ａ】ダマシン、およびデュアルダマシンの金属配線工程において一般的な加工処理を受けた絶縁層の断面図を示す。
【図１Ｂ】ＣＭＰ処理により除去された銅層および拡散障壁層の余分な部分を示す図である。
【図２Ａ】本発明の一実施例において、パッドがローラの周りを回転するよう構成されているＣＭＰシステムを示す図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施例における終点検出システムを示す図である。
【図３】本発明の一実施例において、ＣＭＰ処理中に広帯域の光により照射されるウェハ３００の一部分を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態において、化学機械研磨処理中に終点を検出する方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の一実施例において、ＣＭＰ処理の様々なポイントにおけるウェハからの広帯域反射スペクトルを示すスペクトルグラフ５００である。
【図６】光路の変動する特性に起因する銅層の反射データが時間の経過とともに変化する様子を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態において、広帯域反射データを取得して正規化基準を更新する方法を示すフローチャートである。
【図８Ａ】本発明の一実施形態における反射データサンプルを格納する二次元配列を示す図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施形態における反射データサンプル格納のための二次元配列を示し、正規化参照を作成するためにベクトルメディアンフィルタを使用している図である。
【図９】本発明の一実施例において、下層の誘電層が６０００から１００００Åの範囲の厚みを有する場合における反射データのフーリエ変換を示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施例において、様々な時点の特定の層厚範囲内における反射データカーブのフーリエ変換を示すフーリエウィンドウである。
【図１１】工程中に検出されるＥＰＤ信号を時間関数として示すグラフである。
【図１２】工程中に検出されるＥＰＤ信号を追従参照遅れの観点から時間関数として示すグラフである。
【図１３】静的正規化参照を用いて検出されるＥＰＤ信号と、動的正規化参照を用いて検出されるＥＰＤ信号とを比較するグラフである。
【図１Ａ】
2005101114.tif 000003
【図１Ｂ】
2005101114.tif 000004
【図２Ａ】
2005101114.tif 000005
【図２Ｂ】
2005101114.tif 000006
【図３】
2005101114.tif 000007
【図４】
2005101114.tif 000008
【図５】
2005101114.tif 000009
【図６】
2005101114.tif 000010
【図７】
2005101114.tif 000011
【図８Ａ】
2005101114.tif 000012
【図８Ｂ】
2005101114.tif 000013
【図９】
2005101114.tif 000014
【図１０】
2005101114.tif 000015
【図１１】
2005101114.tif 000016
【図１２】
2005101114.tif 000017
【図１３】
2005101114.tif 000018
【外国語明細書】
1. TITLE OF THE INVENTION
IN-SITU DETECTION OF THIN-METAL INTERFACE USING OPTICAL INTERFERENCE VIA A DYNAMICALLY UPDATED REFERENCE
2. BACKGROUND OF THE INVENTION
Field of the Invention
This invention relates generally to endpoint detection in a chemical mechanical polishing process, and more particularly to endpoint detection using optical interference of a broad reflectance spectrum and a continuously updated reference.
Description of the Related Art
In the fabrication of semiconductor devices, typically, the integrated circuit devices are in the form of multi-level structures.  At the substrate level, transistor devices having diffusion regions are formed.  In subsequent levels, interconnect metallization lines are patterned and electrically connected to the transistor devices to define the desired functional device.  As is well known, patterned conductive layers are insulated from other conductive layers by dielectric materials, such as silicon dioxide.  As more metallization levels and associated dielectric layers are formed, the need to planarize the dielectric material increases.  Without planarization, fabrication of additional metallization layers becomes substantially more difficult due to the higher variations in the surface topography.  In other applications, metallization line patterns are formed in the dielectric material, and then metal chemical mechanical polishing (CMP) operations are performed to remove excess metallization.
In the prior art, CMP systems typically implement belt, orbital, or brush stations in which belts, pads, or brushes are used to scrub, buff, and polish one or both sides of a wafer.  Slurry is used to facilitate and enhance the CMP operation.  Slurry is most usually introduced onto a moving preparation surface, e.g., belt, pad, brush, and the like, and distributed over the preparation surface as well as the surface of the semiconductor wafer being buffed, polished, or otherwise prepared by the CMP process.  The distribution is generally accomplished by a combination of the movement of the preparation surface, the movement of the semiconductor wafer and the friction created between the semiconductor wafer and the preparation surface.
Figure 1A shows a cross sectional view of a dielectric layer 102 undergoing a fabrication process that is common in constructing damascene and dual damascene interconnect metallization lines.  The dielectric layer 102 has a diffusion barrier layer 104 deposited over the etch-patterned surface of the dielectric layer 102.  The diffusion barrier layer, as is well known, is typically titanium nitride (TiN), tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN) or a combination of tantalum nitride (TaN) and tantalum (Ta).  Once the diffusion barrier layer 104 has been deposited to the desired thickness, a copper layer 106 is formed over the diffusion barrier layer in a way that fills the etched features in the dielectric layer 102.  Some excessive diffusion barrier and metallization material is also inevitably deposited over the field areas. In order to remove these overburden materials and to define the desired interconnect metallization lines and associated vias (not shown), a chemical mechanical planarization (CMP) operation is performed.  
As mentioned above, the CMP operation is designed to remove the top metallization material from over the dielectric layer 102.  For instance, as shown in Figure 1B, the overburden portion of the copper layer 106 and the diffusion barrier layer 104 have been removed.  As is common in CMP operations, the CMP operation must continue until all of the overburden metallization and diffusion barrier material 104 is removed from over the dielectric layer 102.  However, in order to ensure that all the diffusion barrier layer 104 is removed from over the dielectric layer 102, there needs to be a way of monitoring the process state and the state of the wafer surface during its CMP processing.   This is commonly referred to as endpoint detection. Endpoint detection for copper is performed because copper cannot be successfully polished using a timed method.  A timed polish does not work with copper because the removal rate from a CMP process is not stable enough for a timed polish of a copper layer.  The removal rate for copper from a CMP process varies greatly.  Hence, monitoring is needed to determine when the endpoint has been reached.  In multi-step CMP operations there is a need to ascertain multiple endpoints: (1) to ensure that Cu is removed from over the diffusion barrier layer; (2) to ensure that the diffusion barrier layer is removed from over the dielectric layer.  Thus, endpoint detection techniques are used to ensure that all of the desired overburden material is removed.  
Many approaches have been proposed for the endpoint detection in CMP of metal. The prior art methods generally can be classified as direct and indirect detection of the physical state of polish.  Direct methods use an explicit external signal source or chemical agent to probe the wafer state during the polish.  The indirect methods on the other hand monitor the signal internally generated within the tool due to physical or chemical changes that occur naturally during the polishing process. 
Indirect endpoint detection methods include monitoring: the temperature of the polishing pad/wafer surface, vibration of polishing tool, frictional forces between the pad and the polishing head, electrochemical potential of the slurry, and acoustic emission.   Temperature methods exploit the exothermic process reaction as the polishing slurry reacts selectively with the metal film being polished. U.S. Patent No. 5,643,050 is an example of this approach.  U.S. Patent No. 5,643,050 and U.S. Patent No. 5,308,438 disclose friction-based methods in which motor current changes are monitored as different metal layers are polished.
Another endpoint detection method disclosed in European application EP 0 739 687 A2 demodulates the acoustic emission resulting from the grinding process to yield information on the polishing process. Acoustic emission monitoring is generally used to detect the metal endpoint. The method monitors the grinding action that takes place during polishing.  A microphone is positioned at a predetermined distance from the wafer to sense acoustical waves generated when the depth of material removal reaches a certain determinable distance from the interface to thereby generate output detection signals. All these methods provide a global measure of the polish state and have a strong dependence on process parameter settings and the selection of consumables. However, none of the methods except for the friction sensing have achieved some commercial success in the industry.
Direct endpoint detection methods monitor the wafer surface using acoustic wave velocity, optical reflectance and interference, impedance/conductance, electrochemical potential change due to the introduction of specific chemical agents.  U.S. Patent No. 5,399,234 and U.S. Patent No. 5,271,274 disclose methods of endpoint detection for metal using acoustic waves.  These patents describe an approach to monitor the acoustic wave velocity propagated through the wafer/slurry to detect the metal endpoint. When there is a transition from one metal layer into another, the acoustic wave velocity changes and this has been used for the detection of endpoint.  Further, U.S. Patent No. 6,186,865 discloses a method of endpoint detection using a sensor to monitor fluid pressure from a fluid bearing located under the polishing pad.   The sensor is used to detect a change in the fluid pressure during polishing, which corresponds to a change in the shear force when polishing transitions from one material layer to the next.  Unfortunately, this method is not robust to process changes.  Further, the endpoint detected is global, and thus the method cannot detect a local endpoint at a specific point on the wafer surface.  Moreover, the method of the 6,186,865 patent is restricted to a linear polisher, which requires an air bearing.
There have been many proposals to detect the endpoint using the optical reflectance from the wafer surface. They can be grouped into two categories: monitoring the reflected optical signal at a single wavelength using a laser source or using a broad band light source covering the full visible range of the electromagnetic spectrum.  U.S. Patent No. 5,433,651 discloses an endpoint detection method using a single wavelength in which an optical signal from a laser source is impinged on the wafer surface and the reflected signal is monitored for endpoint detection. The change in the reflectivity as the polish transfers from one metal to another is used to detect the transition. 
Broad band methods rely on using information in multiple wavelengths of the electromagnetic spectrum. U.S. Patent No. 6,106,662 discloses using a spectrometer to acquire an intensity spectrum of reflected light in the visible range of the optical spectrum. Two bands of wavelengths are selected in the spectra that provide good sensitivity to reflectivity change as polish transfers from one metal to another.  A detection signal is then defined by computing the ratio of the average intensity in the two bands selected. Significant shifts in the detection signal indicate the transition from one metal to another. 
A common problem with current endpoint detection techniques is that some degree of over-etching is required to ensure that all of the conductive material (e.g., metallization material or diffusion barrier layer 104) is removed from over the dielectric layer 102 to prevent inadvertent electrical interconnection between metallization lines.  A side effect of improper endpoint detection or over-polishing is that dishing 108 occurs over the metallization layer that is desired to remain within the dielectric layer 102.  The dishing effect essentially removes more metallization material than desired and leaves a dish-like feature over the metallization lines.  Dishing is known to impact the performance of the interconnect metallization lines in a negative way, and too much dishing can cause a desired integrated circuit to fail for its intended purpose.
In view of the foregoing, there is a need for endpoint detection systems and methods that improve accuracy in endpoint detection.  In addition, the systems and methods should be able to accurately determine film and layer thickness.
SUMMARY OF THE INVENTION
Broadly speaking, the present invention fills these needs by providing an optical endpoint detection system that utilizes optical interference to determine when an endpoint has been reached, such as when metal layer has reached a thin metal zone during a CMP process.   To address ambient light noise, embodiments of the present invention utilize a continuously updated dynamic normalization reference.  In one embodiment, a method for detecting an endpoint during a chemical mechanical polishing (CMP) process is disclosed.  A reflected spectrum data sample is received that corresponds to a plurality of spectrums of light reflected from an illuminated portion of the surface of a wafer.  The reflected spectrum data sample is normalized using a normalization reference comprising a reflected spectrum data sample obtained earlier during the CMP process.  In addition, the normalization reference is updated during the process using a second reflected spectrum data sample obtained earlier during the CMP process. The second reflected spectrum data sample is obtained after the first reflected spectrum data sample.  In this manner, an endpoint is determined based on optical interference occurring in the reflected spectrum data.
In another embodiment, a median vector filter based method is disclosed for detecting an endpoint during a chemical mechanical polishing (CMP) process.  As above, a reflected spectrum data sample is received corresponding to a plurality of spectrums of light reflected from an illuminated portion of the surface of a wafer.  A first median reflected spectrum data sample is selected from a first plurality of reflected spectrum data samples obtained earlier during the CMP process.  The current reflected spectrum data sample is normalized using a normalization reference comprising the median reflected spectrum data sample.  In addition, the normalization reference is updated using a second median reflected spectrum data sample selected from a second plurality of reflected spectrum data samples obtained earlier during the CMP process.  As above, an endpoint is determined based on optical interference occurring in the reflected spectrum data.
Another method for detecting an endpoint during a chemical mechanical polishing process is disclosed in a further embodiment of the present invention. A portion of a surface of a wafer is illuminated with broad band light, and a current reflected spectrum data sample is received corresponding to a plurality of spectrums of light reflected from the illuminated portion of the surface of the wafer.  The current reflected spectrum data sample is normalized using a normalization reference comprising a first reflected spectrum data sample obtained earlier during the CMP process, and an endpoint is determined based on optical interference occurring in the reflected spectrum data.  In addition, the normalization reference is updated using a second reflected spectrum data sample obtained earlier during the CMP process, wherein the second reflected spectrum data sample is obtained after the first reflected spectrum data sample.  In one aspect, the first reflected spectrum data sample trails the current reflected spectrum data sample by a predetermined trailing reference delay, which can be a number representing an amount of reflectance data samples between the current reflected spectrum data sample and the first reflected spectrum data sample.  In addition, a new current reflected spectrum data sample can be obtained corresponding to a plurality of spectrums of light reflected from the illuminated portion of the surface of the wafer at a later time.  In this case, the second reflected spectrum data sample can trail the new current reflected spectrum data sample by the trailing reference delay.
Advantageously, the dynamic normalization reference of the embodiments of the present invention reduces endpoint detection error by addressing the changing characteristics of the extraneous ambient light in the optical path.  Further, the embodiments of the present invention use optical interference instead of mere changes in the surface reflectivity as in conventional endpoint detection.  Thus, the embodiments of the present invention advantageously provide increased sensitivity and robustness in endpoint detection.  In addition to endpoint detection, the embodiments of the present invention advantageously can be used to determine the thickness of the dielectric layers in the wafer after the metal overburden is removed.  Conventionally, an off line metrology tool was needed to measure the thickness of the layers of the wafer.  The embodiments of the present invention can measure the thickness of the layers of the wafer without needing to remove the wafer and measure from a separate machine.  Other aspects and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, illustrating by way of example the principles of the invention.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
An invention is disclosed for optical endpoint detection.  The present invention provides an optical endpoint detection system that utilizes a dynamically updated reference to aid in measurement of optical interference to determine when a metal layer has reached a thin metal zone during a CMP process.  In particular, the dynamically updated reference is used to reduce the effect of ambient light on the detection process.  As a result, an endpoint is determined based on optical interference occurring in the reflected spectrum data, which is a result of phase differences in light reflected from different layers of the wafer, and occurs when the top metal layer is reduced to the thin metal zone. In the following description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present invention.  It will be apparent, however, to one skilled in the art that the present invention may be practiced without some or all of these specific details.  In other instances, well known process steps have not been described in detail in order not to unnecessarily obscure the present invention.
Figure 2A shows a CMP system in which a pad 250 is designed to rotate around rollers 251, in accordance with an embodiment of the present invention.  A platen 254 is positioned under the pad 250 to provide a surface onto which a wafer will be applied using a carrier 252.  Endpoint detection is performed using an optical detector 260 in which light is applied through the platen 254, through the pad 250 and onto the surface of the wafer 200 being polished, as shown Figure 2B.  In order to accomplish optical endpoint detection, a pad slot 250a is formed into the pad 250.  In some embodiments, the pad 250 may include a number of pad slots 250a strategically placed in different locations of the pad 250.  Typically, the pad slots 250a are designed small enough to minimize the impact on the polishing operation.  In addition to the pad slot 250a, a platen slot 254a is defined in the platen 254.  The platen slot 254a is designed to allow the broad band optical beam to be passed through the platen 254, through the pad 250, and onto the desired surface of the wafer 200 during polishing.  
By using the optical detector 260, it is possible to ascertain a level of removal of certain films from the wafer surface.  This detection technique is designed to measure the thickness of the film by inspecting the interference patterns received by the optical detector 260.  Additionally, the platen 254 is designed to strategically apply certain degrees of back pressure to the pad 250 to enable precision removal of the layers from the wafer 200.  
Figure 3 is a diagram showing a portion of a wafer 300 illuminated by a broad band light source during a CMP process, in accordance with an embodiment of the present invention.  The wafer 300 includes a silicon substrate 302, an oxide layer 304 disposed over the substrate 302, and a copper layer 306 formed over the oxide layer 304.  The copper layer 306 represents overburdened copper formed during a Damascene CMP process.  Generally, the copper layer 306 is deposited over the oxide layer 304, which is etched in an earlier step to form trenches for copper interconnects.  The overburden copper is then removed by polishing to expose the oxide layer 304, thus leaving only the conductive lines within the trenches.  Dual Damascene occurs in a similar manner and allows the formation of metal plugs and interconnects at the same time.
During the polishing process, embodiments of the present invention utilize optical interference to determine when the copper 306 has been removed.  Initially, shown in view 301a, the copper layer 306 is relatively thick, about 10,000 Å, and thus opaque.  At this point, the light 308 that illuminates the surface of the wafer 300 is reflected back with little or no interference.  Then, as the copper is polished down, the copper layer 306 becomes a thin metal, at about 300-400 Å.  This is known as the thin metal zone.  At this point, shown in view 301b, the copper layer 306 becomes transparent and light can pass through the copper layer 306 to illuminate the layers beneath.
When the light 312 begins penetrating the various layers of the wafer optical interference occurs.  Each layer of the wafer has a reflective index, which is a property that defines the layer’s affect on the velocity of the light 312 as it passes from one layer to another.  Hence, the velocity of the light 312 changes as the light 312 passes from one material to another.  
At each layer interface the light 312 gets reflected and comes back to the optical detector.  Since the velocity has changed inside the material, a phase change occurs.  Thus, there is a phase difference between the light 314 reflected from the surface of the copper layer 306 and the light 316 reflected from the surface of the oxide layer 304.  Similarly, there is a phase difference between the light 316 reflected from the surface of the oxide layer 304 and the light 318 reflected from the surface of the substrate 302.  When the various reflected light rays 314, 316, and 318 interact an optical interference occurs.
Thus, when the copper layer 306 is thick, a phase change does not occur because the light 308 cannot penetrate the copper layer 306, and thus no interference occurs.  However, when the copper layer 306 becomes very thin and transparent, interference occurs because phase changes occur between the light reflected from the various layers of the wafer 300.  At this point, the polishing process should be halted.
Figure 4 is a flowchart showing a method 400 for detecting an endpoint during a chemical mechanical polishing process, in accordance with an embodiment of the present invention.  In operation 402, broad band reflectance data is obtained and the normalization reference is dynamically updated.  The broad band reflectance data is obtained by illuminating a portion of the surface of the wafer with a broad band light source.  Reflected spectrum data is then received corresponding to the spectrums of light reflected from the illuminated portion of the surface of the wafer. 
Figure 5 is spectrum graph 500 showing a broad band reflected spectrum from a wafer at various points in the CMP process, in accordance with an embodiment of the present invention.  The graph 500 plots the intensity verses 1/λ, where λ is the wavelength of light in free space.  Plotting intensity as a function of λ provides a non-periodic signal when optical interference occurs.  Hence, the embodiments of the present invention plot intensity as a function of 1/λ, since intensity plotted as a function of 1/λ provides a periodic signal when optical interference occurs.  Curve 502 shows the reflected spectrum when the copper layer of the wafer is thick, and thus opaque.  As previously mentioned, when the copper layer is thick, no interference occurs because the light cannot penetrate the copper layer and thus a phase change does not occur.  This is shown by curve 502, which does not show any oscillations.  As the copper layer becomes thinner oscillations begin to appear in the reflected spectrum, such as shown in curves 504a and 504b, each representing the reflected spectrum at various points in time when the copper is transparent. 
More specifically, graph 500 shows that periodic fringes or oscillations begin appearing in the reflected spectrum in the 1/λ or 1/nm axis, where nm is 10-9 Meters, when the copper layer thickness approaches the penetration depth.  Each curve in Figure 5 is an instance of the reflectance spectrum R(1/λ) where λ is from 300 to 700nm.  The approximate relation for the ratio of the magnitude of electric field of the reflected wave to the incident wave for a single layer of dielectric on a substrate is given by equation (1) below:
2005101114.tif 000019
where, r01 and r12 are the Fresnel’s coefficients. b is the phase angle given by equation (2) below:
2005101114.tif 000020
where d is the thickness of the dielectric layer and n1 is the reflective index of the dielectric.  
During operation, small variances in the reflectance data can occur because of outside factors.  To reduce the effect the variances have on the endpoint detection process, the reflectance data is normalized using a dynamically updated reference.  More particularly, the reflectance data signal includes reflections from the wafer, the optical assembly, and any other medium in the optical path-way, such as slurry used during the polishing process.  However, embodiments of the present invention perform endpoint detection by analyzing the change in the reflectance data resulting from the optical interference generated as the thin metal zone is approached.  Hence, embodiments of the present invention normalize the reflectance data to reduce the influence of ambient light reflected from the optical assembly, and any other medium in the optical pathway.  By creating a ratio of the current reflectance data sample with an earlier reflectance data sample, embodiments of the present invention reduce the effect of the ambient light.  In particular, such a ratio effectively suppresses much of the ambient light reflected from the optical assembly, and any other medium in the optical path-way.  However, the effect of the ambient light reflected from the optical assembly, and any other medium in the optical path-way, changes over time.
Figure 6 is a graph 600 showing the change in the reflected intensity of a thick copper layer with respect to the values at the beginning of the CMP process, the variations resulting from the change in the character of the optical path over time.  In particular, the graph 600 shows the percentage of change of the reflected data intensity of various wavelengths, for example, wavelengths 602a, 602b, and 602c.  As can be seen, the percentage of change varies over time.  In addition, the percentage of change is wavelength dependent, varying from one wavelength to another.  For example, the changes in wavelength 602a, 602b, and 602 vary from each other.  Hence, during the polishing process, the transmission and reflection characteristics of the optical pathway change, for example, due to a thin fluid medium of water and slurry injected between the optical fiber bundle and the wafer.  
This dynamically changing composition of water and slurry can make the reference spectrum collected at the beginning of the polishing process unsuitable for normalization at later times during the polishing process.  To address this issue, embodiments of the present invention obtain a dynamic reference, which correctly reflects the state of the ambient conditions of reflected light at any instance of time.
Figure 7 is a flowchart showing a method 402 for obtaining broad band reflectance data and updating the normalization reference, in accordance with an embodiment of the present invention.  In an initial operation 700, preprocess operations are performed.  Preprocess operations include obtaining an initial normalization reference, for example, the first reflectance data sample, and other preprocess operations that will be apparent to those skilled in the art.  Generally, the initial normalization reference will be used until a preprocess delay is reached in the polishing process, as discussed in greater detail below.
In operation 702, the next broad band reflectance data is obtained.  As mentioned above, a portion of the surface of the wafer is illuminated with a broad band light source to obtain the reflected spectrum data corresponding to the spectrums of light reflected from the illuminated portion of the surface of the wafer.  This reflectance data is later analyzed for endpoint detection based on optical interference, as described in greater detail subsequently.
A decision is then made as to whether the current shot in the endpoint detection process is less than the preprocess delay, in operation 704.  Embodiments of the present invention continuously collect reflectance data, for example, reflectance data samples can be obtained once every second.  Each reflectance data sample is often referred to as a "shot."  The trailing reference delay is a predefined number representing the number of "shots" that the normalization reference will trail the current "shot."  The preprocess delay is the number of "shots" that will use the first reflectance data sample as the normalization reference, and is equal to the trailing reference delay.
Figure 8A is a diagram showing a two-dimensional array 800 for storing reflectance data samples, in accordance with an embodiment of the present invention.  The two-dimensional array 800 includes a plurality of array entries 802a-802d, each array entry 802a-802d comprising an array of reflectance data representing a shot of the wafer at a particular time.  In the example of Figure 8A, array entry 802a represents the first shot and array entry 802b is the shot equal to the preprocess delay.  Further, array entry 802d is the current shot and array entry 802c is the shot trailing the current shot 802d by the trailing reference delay.  As mentioned above, the trailing reference delay is the number of shots between the current shot and the shot that will be used for normalization, and the preprocess delay is the number of shots that will use the first reflectance data sample as the normalization reference.
Referring back to Figure 7, if the current shot in the endpoint detection process is less than the preprocess delay, the method 700 continues to operation 706.  Otherwise, the method 700 continues to operation 708.  In operation 706, the normalization reference is the reflectance data sample at shot 0, which is the first reflectance data sample.  Turning to Figure 8A, the first reflectance data sample is represented by array entry 802a.  Thus, until the polishing process has reached a point at which the current shot equal to or greater than the preprocess delay, array entry 802a is used as the normalization reference.
Referring back to Figure 7, the normalization reference is updated, in operation 708, when the current shot in the endpoint detection process is equal to or greater than the preprocess delay.  In particular, the array entry at the current shot number minus the preprocess delay plus one is used as the normalization reference.  As shown in Figure 8A, the shot used for normalization trails the current shot by an amount defined by the trailing reference delay.  As mentioned above, before the trailing reference delay is reached, the initial array entry 802a is utilized for the normalization reference.  When the current shot number is equal to or greater than the preprocess delay, the normalization reference is updated.  In one embodiment, the normalization reference is updated to the subsequent array entry, which trails the current shot number by an amount equal to the trailing reference delay.  The resulting normalization reference is then utilized to normalize the reflectance data to the trailing reference spectrum in operation 404, discussed in greater detail below.
For example, in Figure 8A, the trailing reference delay can be defined as ten.  In this case, the initial array entry 802a is used as the normalization reference until shot ten.  When the current shot number is equal to or greater than the preprocess delay, for example on shot ten, the normalization reference is updated using the subsequent array entry, the array entry corresponding to shot 1, as the normalization reference.  During shot eleven, the normalization reference is again updated to the subsequent array entry, in this case the array entry corresponding to shot 2.  In this manner, the normalization reference number is dynamically updated to better reflect the changing transmission characteristics of the optical pathway.
To reduce the effects of outlying bad shots caused, for example, by a misaligned belt during a shot, embodiments of the present invention can utilize a vector median filter.  Figure 8B is a diagram showing a two-dimensional array 800 for storing reflectance data samples, wherein a vector median filter 804 is used for generating the normalization reference, in accordance with an embodiment of the present invention.  As above, the two-dimensional array 800 includes a plurality of array entries 802a-802d, each array entry 802a-802d comprising an array of reflectance data representing a shot of the wafer at a particular time.  Array entries 802a-802c represent consecutive shots of the wafer surface, while array entry 802d represents the current shot of the wafer surface.
As above, the array entry 802b trailing the current array entry 802d by the trailing reference delay is utilized to determine the normalization reference.  However, in the embodiment shown in Figure 8B, two other array entries are also used to determine the normalization reference.  In particular, three consecutive array entries 802a-802c are provided to the vector median filter 804.  In one embodiment, the array entry 802a prior to, and the array entry 802c subsequent to the array entry 802b trailing the current array entry 802d by the trailing reference delay are provided to the vector median filter 804.
The vector median filter 804 determines the magnitude or scalar distance measure of each array entry 802a-802c by summing the square of each pixel value.  The scalar measures of the three array entries 802a-802c are then sorted in ascending order, and the array entry in the middle is selected as the normalization reference. The resulting normalization reference is then utilized to normalize the reflectance data to the trailing reference spectrum in operation 404, discussed in greater detail subsequently.  In this manner, the vector median filter 804 determines the median value of three array entries to use for the normalization reference, thus preventing outlying values from affecting the normalization process. 
Referring back to Figure 4, the reflectance data is normalized in operation 404. Normalizing the reflectance data reduces the sample to sample variations in the data.  As mentioned previously, when the endpoint window in the polishing belt moves over the endpoint detection sensor, the surface of the wafer is illuminated by broad band light and the light reflected from the wafer surface is recorded as reflectance data.  Since small variances in the data can occur because of outside factors, the reflectance data is normalized to reduce the effect the variances have on the endpoint detection process.
As mentioned above, the reflectance data signal includes reflections from the wafer, the optical assembly, and any other medium in the optical path-way, such as slurry used during the polishing process.  That is, M = C + N, where M is the total measured signal, C corresponds to signal from light reflected from the wafer, and N is the normalization signal. During normalization, the measured signal at each wavelength is divided by the normalization signal acquired through a reference spectrum, and unity is subtracted from this quotient to remove constant bias, as illustrated in equation (3) below:
2005101114.tif 000021
In operation 406, the normalized reflectance data is de-trended using a polynomial fit.  De-trending stretches out the reflectance curve to reduce oscillations present when the copper layer is still opaque, which can be caused by factors other than optical interference from the underlying wafer layers.  To this end, a polynomial is fitted to the reflectance data and then later subtracted out.  In this manner, the reflectance data curve begins essentially flat, thus allowing for easier detection of oscillations caused by the optical interference of the various layers of the wafer.
In operation 408, a moving average filter is applied along the 1/λ axis.  Typically, an amount of high frequency noise is present in the reflectance data curve.  The high frequency noise can adversely affect the endpoint detection process.  Thus, a filter is applied to the curve to reduce the high frequency noise.  
A derivative transform is then applied to the reflectance data in operation 410.  Generally, a constant bias, or DC, is present in the reflectance data collected from the wafer surface.   Since the constant bias in the reflected spectrum can be large, the Fourier transform can be dominated by a large peak at the origin.  This can dominate and obscure the peaks at the higher regions of the spectrum, which are of primary interest.  By applying the derivative transformation to the reflectance data, the constant bias can be reduced or eliminated.  In graphical terms, the reflectance data curves can be zero centered by removing the constant bias.  
A spectral window is then applied to the reflectance data in operation 412.  The spectral window smoothes truncation discontinuities at the edges of the curves.   The spectral window helps to reduce spectral leakage in the Fourier Spectrum caused by discontinuities at the edges of the reflected spectrum, which generally occur when the reflected spectrum contains a non-integer number of cycles or oscillations.
Zero padding is then applied to the reflectance data in operation 414.  Zero padding of the reflected spectrum data helps to zoom the Fourier Transform onto a higher resolution grid.  This procedure essentially does an interpolation of the Fourier Transform on to a finer grid.  This, in turn, enables increased accuracy in peak detection, as performed later in the method 400.  In one embodiment, Zero padding is performed by extending the number of discrete pixels of the reflected spectrum to a much larger grid.  Any pixels in the extended grid not covered by the actual acquired data are can be filled with a value of zero. 
In operation 416, a Fourier Transform is applied to the reflectance data. The Fourier Transform breaks down the signal into multiple components.  Hence, the Fourier Transform can be used to better detect the occurrence of an oscillating pattern in the reflected spectrum.  
Figure 9 is graph 900 showing a Fourier Transform of the reflectance data where the underlying dielectric layer has a thickness in the range of 6000-10000 Å, in accordance with an embodiment of the present invention.  The Fourier Transform graph 900 includes an opaque copper reflectance curve 902, wherein the thickness of copper layer on the wafer surface is very large compared to the penetration depth, and thin metal curves 904, wherein the copper layer is very thin compared to the penetration depth.  In equations (1) and (2) above, the thickness d and the wave-number 1/λ are related through the phase expression.  Thus, the Fourier Transform of R(1/λ) maps to the space of d:
2005101114.tif 000022
The Fourier Transform graph 900 of Figure 9 shows RF(d) for various instances of time during a CMP process.  As can be seen from the Fourier Transform graph 900, at the time instances where the copper thickness is very large compared to the penetration depth, curve 902, the magnitude of the Fourier Transform Graph 900 within the thickness range of the dielectric, 6000-10000 Å, is very small.  When the polish reaches the penetration depth, a significant peak begins to appear within the dielectric thickness range, as shown by the thin metal curves 904.  As shown by the Fourier Transform Graph 900, the peak values for the thin metal curves 904 appear at about 8000 Å, which in this example is the thickness of the dielectric layer below the copper layer.  
In other embodiments, where the wafer structures are more complicated, the primary peaks of the Fourier Transform represent the geometrical layout of the layered structure.  For example, in a two layer structure with thickness d1 and d2, the primary peaks will appear at d1 and d1 + d2.  Embodiments of the present invention use this property to detect and flag the first instance during the CMP process when a metal layer reaches the thin metal zone.  For copper the penetration depth is about 500 Å and for Tungsten it is about 800 Å.
Referring back to Figure 4, a specific number of peaks are found in the Fourier Transform spectrum within predetermined thickness bounds.  When the thickness of the underlying dielectric layer is known, a window can be focused on an area of the graph that covers the dielectric thickness.  Figure 10 is a Fourier Window 1000 showing Fourier Transforms of reflectance data curves in a specific thickness bounds for various instances of time.  In the example of Figure 10, the thickness of the dielectric layer below the copper layer is in the range of 6000-10000 Å.  Thus, the Fourier window 1000 is configured to show the Fourier Transform of the reflectance data curves within a thickness established by a low thickness bound (LTB) of 6000 Å and a high thickness bound (HTB) of 10,000 Å.  Thus, referring back to Figure 4, during operation 418 a predetermined number of peaks are found between the thickness bounds defined by LTB and HTB.
Next, in operation 420, the magnitudes of the peaks found in operation 418 are summed.  The sum of the magnitudes of the peaks found in operation 418 is referred to as the endpoint detection (EPD) signal.  Figure 11 is a graph 1100 showing the EPD signal found during operation 418 as a function of time, which is shown as the shot number.  The shot number represents the sequence of the reflectance data obtained during consecutive iterations of the endpoint detection process.  As shown from graph 1100, the EPD signal 1102 remains low during the earlier stages of the CMP process, in this example, during shots 1 to about 84.  Then, as the copper approaches the thin metal zone at about shot 90, the peak magnitude curve 1102 rises sharply because of the oscillations occurring in the reflected spectrum data as a result of optical interference when the copper layer becomes thin and transparent.
Referring back to Figure 4, a decision is made as to whether the EPD signal is greater than a predefined threshold, in operation 422.  The threshold is generally selected so as to estimate when the thin metal zone has been reached. As shown in Figure 11, the threshold 1104 is selected such that the threshold 1104 is high relative to the EPD signal when the thickness of metal layer is large compared to the penetration depth.  Further, the threshold 1104 selection preferably takes into consideration the trailing reference delay.
Figure 12 is a graph 1200 showing the EPD signal found during operation 418 as a function of time.  As above, the EPD signal 1202 remains low during the earlier stages of the CMP process, in this example, during shots 1 to about 84.  Then, as the copper approaches the thin metal zone, the EPD signal 1202 rises sharply, causing the EPD signal 1202 to breach the threshold 1104.  To ensure proper normalization, embodiments of the present invention generally utilize a trailing reference delay that is greater than the time required to traverse the last bend in the EPD signal 1202 before the EPD signal 1202 breaches the threshold 1104.  This ensures the dynamic update procedure to include only reflectance data obtained prior to reaching the thin metal zone.
Turning back to Figure 4, the method 400 continues to obtain the next broad band reflectance data in operation 402 if the EPD signal found in operation 418 is less than the predefined threshold.  Otherwise, the method 400 is completed in operation 424.
The CMP process is terminated in operation 424, since at this point the endpoint has been reached.  Advantageously, the dynamic normalization reference of the embodiments of the present invention reduces endpoint detection error by addressing the changing characteristics of the extraneous ambient light in the optical path, as illustrated in Figure 13.  Figure 13 is a graph 1300 showing the EPD signal found during operation 418 using a static normalization reference and using a dynamic normalization reference.  In particular, EPD signal 1302 results from using a static normalization reference, which comprises the initial reflectance data shot.  EPD signal 1304 results from using a dynamic normalization reference, which comprises a continuously updated trailing reference as described above with reference to Figures 7, 8A, and 8B.  The changing characteristics of the extraneous ambient light in the optical path reduce the applicability of the static normalization reference at later times in the endpoint detection process.  As a result, EPD signal 1302 can drift higher on the graph, eventually crossing the threshold 1104 at a point 1306 before the actual endpoint 1308 has been reached in the polishing process.  As a result, a false endpoint can be detected when using a static normalization reference.  However, the dynamic normalization reference of the embodiments of the present invention reduces endpoint detection error by addressing the changing characteristics of the extraneous ambient light in the optical path through continuous updating of the normalization reference.
In other embodiments of the present invention, statistical hypothesis tests applied to the EPD signal can be used to determine when the thin metal zone has been reached.  Since the embodiments of the present invention use optical interference instead of mere changes in the surface reflectivity as in conventional endpoint detection, the embodiments of the present invention advantageously provide increased sensitivity and robustness in endpoint detection.  In addition to endpoint detection, the embodiments of the present invention advantageously can be used to determine the thickness of the layers in the wafer.  Conventionally, an off line metrology tool was needed to measure the thickness of the layers of the wafer.  The embodiments of the present invention can measure the thickness of the layers of the wafer without needing to remove the wafer and measure from a separate machine.
Although the foregoing invention has been described in some detail for purposes of clarity of understanding, it will be apparent that certain changes and modifications may be practiced within the scope of the appended claims.  Accordingly, the present embodiments are to be considered as illustrative and not restrictive, and the invention is not to be limited to the details given herein, but may be modified within the scope and equivalents of the appended claims.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
The invention, together with further advantages thereof, may best be understood by reference to the following description taken in conjunction with the accompanying drawings in which:
Figure 1A shows a cross sectional view of a dielectric layer undergoing a fabrication process that is common in constructing damascene and dual damascene interconnect metallization lines;
Figure 1B is an illustration showing the overburden portion of the copper layer and the diffusion barrier layer having been removed by a CMP process;
Figure 2A shows a CMP system in which a pad is designed to rotate around rollers, in accordance with an embodiment of the present invention;
Figure 2B is an illustration showing an endpoint detection system, in accordance with an embodiment of the present invention;
Figure 3 is a diagram showing a portion of a wafer illuminated by a multi-spectral light during a CMP process, in accordance with an embodiment of the present invention;
Figure 4 is a flowchart showing a method for detecting an endpoint during a chemical mechanical polishing process, in accordance with an embodiment of the present invention;
Figure 5 is spectrum graph showing a broad band reflected spectrum from a wafer at various points in the CMP process, in accordance with an embodiment of the present invention;
Figure 6 is a graph showing the change in the reflected data of a copper layer resulting from the change in the character of the optical path over time;
Figure 7 is a flowchart showing a method for obtaining broad band reflectance data and updating the normalization reference, in accordance with an embodiment of the present invention;
Figure 8A is a diagram showing a two-dimensional array for storing reflectance data samples, in accordance with an embodiment of the present invention;
Figure 8B is a diagram showing a two-dimensional array for storing reflectance data samples, wherein a vector median filter is used for generating the normalization reference, in accordance with an embodiment of the present invention;
Figure 9 is graph showing a Fourier Transform of the reflectance data where the underlying dielectric layer has a thickness in the range of 6000-10000 Å, in accordance with an embodiment of the present invention;
Figure 10 is a Fourier Window showing Fourier Transforms of reflectance data curves in a specific thickness bounds for various instances of time, in accordance with an embodiment of the present invention;
Figure 11 is a graph showing the EPD signal found during operation as a function of time;
Figure 12 is a graph showing the EPD signal found during operation as a function of time in view of the trailing reference delay; and
Figure 13 is a graph comparing the EPD signal found using a static normalization reference to the EPD signal found using a dynamic normalization reference.
1.  A method for detecting an endpoint during a chemical mechanical polishing (CMP) process, comprising the operations of:
receiving a current reflected spectrum data sample corresponding to a plurality of spectrums of light reflected from an illuminated portion of a surface of a wafer;
normalizing the current reflected spectrum data sample using a normalization reference comprising a first reflected spectrum data sample obtained earlier during the CMP process; and
updating the normalization reference using a second reflected spectrum data sample obtained earlier during the CMP process, wherein the second reflected spectrum data sample is obtained after the first reflected spectrum data sample.
2.  A method as recited in claim 1, further comprising the operation of determining an endpoint based on optical interference occurring in the reflected spectrum data.
3.  A method as recited in claim 1, wherein the first reflected spectrum data sample trails the current reflected spectrum data sample by a predetermined trailing reference delay.
4.  A method as recited in claim 3, wherein the trailing reference delay is a number representing an amount of reflectance data samples between the current reflected spectrum data sample and the first reflected spectrum data sample.
5.  A method as recited in claim 3, further comprising the operation of receiving a new current reflected spectrum data sample corresponding to a plurality of spectrums of light reflected from the illuminated portion of the surface of the wafer at a later time.
6.  A method as recited in claim 5, wherein the second reflected spectrum data sample trails the new current reflected spectrum data sample by the trailing reference delay.
7.  A method as recited in claim 2, wherein the optical interference is a result of phase differences in light reflected from different layers of the wafer.
8.  A method as recited in claim 7, wherein the optical interference occurs when a top metal layer is reduced to a thin metal zone.
9.  A method as recited in claim 8, further comprising the operation of determining when oscillations occur in a plot of wave-numbers based on the reflected spectrum data.
10.  A method as recited in claim 9, wherein the endpoint occurs when the oscillations in the plot of wave-numbers occurs.
11.  A method for detecting an endpoint during a chemical mechanical polishing (CMP) process, comprising the operations of:
receiving a current reflected spectrum data sample corresponding to a plurality of spectrums of light reflected from an illuminated portion of a surface of a wafer;
selecting a first median reflected spectrum data sample from a first plurality of reflected spectrum data samples obtained earlier during the CMP process;
normalizing the current reflected spectrum data sample using a normalization reference comprising the median reflected spectrum data sample; and
updating the normalization reference using a second median reflected spectrum data sample selected from a second plurality of reflected spectrum data samples obtained earlier during the CMP process.
12.  A method as recited in claim 11, further comprising the operation of determining an endpoint based on optical interference occurring in the reflected spectrum data.
13.  A method as recited in claim 11, wherein the first plurality of reflected spectrum data samples comprise three consecutive reflected spectrum data samples obtained earlier during the CMP process.
14.  A method as recited in claim 13, wherein one of the first plurality of reflected spectrum data samples trails the current reflected spectrum data sample by a predetermined trailing reference delay.
15.  A method as recited in claim 14, wherein the trailing reference delay is a number representing an amount of reflectance data samples between the current reflected spectrum data sample and one of the first plurality of reflected spectrum data samples.
16.  A method for detecting an endpoint during a chemical mechanical polishing process, comprising the operations of:
illuminating a portion of a surface of a wafer with broad band light;
receiving a current reflected spectrum data sample corresponding to a plurality of spectrums of light reflected from the illuminated portion of the surface of the wafer; 
normalizing the current reflected spectrum data sample using a normalization reference comprising a first reflected spectrum data sample obtained earlier during the CMP process;
determining an endpoint based on optical interference occurring in the reflected spectrum data; and
updating the normalization reference using a second reflected spectrum data sample obtained earlier during the CMP process, wherein the second reflected spectrum data sample is obtained after the first reflected spectrum data sample.
17.  A method as recited in claim 16, wherein the first reflected spectrum data sample trails the current reflected spectrum data sample by a predetermined trailing reference delay.
18.  A method as recited in claim 17, wherein the trailing reference delay is a number representing an amount of reflectance data samples between the current reflected spectrum data sample and the first reflected spectrum data sample.
19.  A method as recited in claim 18, further comprising the operation of receiving a new current reflected spectrum data sample corresponding to a plurality of spectrums of light reflected from the illuminated portion of the surface of the wafer at a later time.
20.  A method as recited in claim 19, wherein the second reflected spectrum data sample trails the new current reflected spectrum data sample by the trailing reference delay.
1. ABSTRACT
An invention for detecting an endpoint during a chemical mechanical polishing (CMP) process is provided.  A reflected spectrum data sample is received that corresponds to a plurality of spectrums of light reflected from an illuminated portion of the surface of a wafer.  The reflected spectrum data sample is normalized using a normalization reference comprising a first reflected spectrum data sample obtained earlier during the CMP process.  In addition, the normalization reference is updated during the process using a second reflected spectrum data sample obtained earlier during the CMP process. The second reflected spectrum data sample is obtained after the first reflected spectrum data sample.  In this manner, an endpoint is determined based on optical interference occurring in the reflected spectrum data.
2. REPRESENTATIVE DRAWING
Fig. 4
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