通常通过在硅晶片上依次淀积导电层、半导体层或绝缘层在衬底 上形成集成电路。淀积每层之后，蚀刻蚀刻每层以便形成电路。随着 依次淀积并蚀刻一系列层，外围部分或衬底的最上表面(即，衬底的 露出表面)变得不均匀。当衬底具有不平整表面时，在集成电路制造 工艺的光刻步骤期间会产生一些问题。因此，应该周期性地平面化衬 底的表面。
现已采用化学机械抛光(CMP)用于平面化衬底。在CMP工艺 中，衬底必须安装在托架顶部(carrier head)或抛光顶部(polishing head)上。设置衬底的露出表面以便衬底对应于旋转的抛光垫。抛光 垫可以是标准的垫或固定的磨料垫。虽然标准垫具有耐用的粗糙表 面，但固定的磨料垫包括固定在容纳介质(containment media)中的 磨料颗粒。托架顶部将可控的负荷，即压力施加到衬底以便将衬底压 向抛光垫。当采用标准垫时，包括至少一种化学反应剂和磨料颗粒的 抛光浆料被提供到抛光垫的表面。
通过衬底的抛光速率、衬底的抛光面的最终结果(即，不存在小 尺寸的粗糙度)、以及衬底抛光面的平坦度(即，不存在大尺寸粗糙 度)可以测量CMP工艺的有效性。根据抛光垫和浆料的组合、托架 顶部、衬底和抛光垫之间的相对速度以及压向衬底的力可以确定抛光 速率、最终结果、以及衬底的平坦度。
为了检查抛光工具和抛光工艺的有效性，在工具/工艺鉴定步骤 中抛光具有一个或多个没有图形的晶片(所谓的“白板”晶片)。抛 光这种晶片之后，在衬底抛光表面的几个点处测量剩余层的厚度。层 的厚度变化提供了晶片表面均匀性的度量以及衬底的不同区域中相对 的抛光速率。
确定衬底层厚度和抛光均匀性的一种措施是从抛光装置移走衬底 之后检查抛光的衬底。例如，将衬底转移到测量台，用偏振光椭圆率 测量仪测量衬底层的厚度。不利的是，这种方法需要很多时间、高成 本和昂贵的测量设备。
CMP工艺的一个重点是确定抛光的工艺是否确实完成了，即， 衬底上的层是否被平面化以具有了需要的平坦度或厚度。根据衬底上 的层的初始厚度、浆料的组分、抛光垫的材料和条件、抛光垫和衬底 之间的相对速度、以及将衬底按压向抛光垫的力可以改变衬底上的层 的抛光速率。抛光速率的变化造成了达到抛光终点的时间变化。因此， 抛光终点不能简单地确定为抛光时间的函数。
检测抛光终点的一个措施是从抛光垫移走衬底，然后检查衬底。 当衬底不能满足需要的规格时，衬底被重新装入CMP装置内用于进 一步处理。此外，对衬底的检查显示出过量的层被除去，使衬底不能 再使用。也就是，需要一种用于检测是否已原位获得了需要的平坦度 或厚度的方法。
现已开发了几种方法用于原位检测抛光终点。这些方法的大多数 包括监控与衬底的表面条件相关的参数，然后检测参数突然改变时的 抛光终点。例如，当抛光绝缘层或介质层以露出形成在绝缘层或介质 层下的金属层时，当露出金属层时，衬底的摩擦系数和反射率突然改 变。
在抛光终点监控参数突然改变的理想系统中，这种抛光终点检测 方法是可以接受的。然而，随着衬底进行抛光，在抛光垫和衬底之间 的界面的抛光垫的条件和浆料的组分发生变化。这种变化模拟了达到 抛光终点的条件，或者错误地表示下面金属层没有露出。此外，当仅 进行平面化步骤时，或者当下层和覆盖层具有类似的物理性质时，这 种终点检测方法不是很有效。
U.S.专利No.6,190,234(属于Boguslaw Swedek等人)公开了用 不同波长光束的终点检测方法。
在以上提到的U.S.专利中，提供将不同波长的光束投射到半导体 晶片的一对终点检测装置以便测量更精确和更可靠的完成抛光工艺的 时间。
根据以上提到的U.S.专利，抛光层的初始厚度可以计算为光束的 一个峰值和另一个峰值之间厚度、光束之间的相差、以及通过具有单 波长光束抛光层的反射率追踪的光束的一个峰值和另一个峰值周期的 函数。然而，这种方法不是很精确，由此通过扣除从具有不同波长的 光束的反射率追踪一个峰值和另一个峰值周期的紧密度可以精确地提 供初始厚度。
然而，由于以上提到的U.S.专利中公开的方法利用了两个终点检 测装置用于计算精确的厚度，方法很难应用到常规的CMP装置。
此外，根据U.S.专利，需要复杂的工艺程序用于控制两个终点检 测装置，用于追踪反射率、以及进行计算，因此增加了抛光工艺的成 本。
为了解决以上提到的问题，需要提供包括单个终点检测装置的化 学机械抛光装置，能够更精确地测量厚度，并且通过改变软件可以容 易地用在常规的装置中，并提供一种控制方法。
也需要提供一种控制以上化学机械抛光装置的方法。
根据本发明的一个方面，提供一种控制化学机械抛光(CMP)装 置的方法，用于抛光形成在半导体晶片下层上的要抛光的层。首先， 根据待抛光层的抛光工艺制程，制备由终点检测装置检测的初始光量 的“终点检测光量表”和待抛光层的对应的初始厚度。接下来，待抛 光层的抛光工艺制程存储到存储装置内。然后，光投射到包括待抛光 层的半导体晶片上，通过终点检测装置可以检测由待抛光层发射的初 始光量。然后，在开始抛光工艺之前，抛光时间计算为将层从计算的 初始厚度抛光到需要的最终厚度的时间。然后，通过CMP装置抛光 层。在层被抛光的同时，剩余的抛光时间倒计时或缩短。当剩余抛光 时间为零并且抛光工艺停止时，检测终点。
根据本发明的另一个方面，提供一种化学机械抛光装置，用于抛 光形成在半导体晶片上的下层上的待抛光的层。装置包括存储装置， 用于根据待抛光层的抛光工艺制程存储由终点检测装置检测的初始光 量的终点检测光量表以及待抛光层的对应初始厚度。装置还包括将待 抛光层的抛光工艺制程输入到存储装置内的输入装置，以及通过将光 投射到半导体晶片检测从待抛光的层反射回的光量的终点检测装置。 装置还包括控制装置，用于由参考终点检测光量表得到的检测光量数 据计算待抛光层的初始厚度，用于计算将要抛光的层从计算的初始厚 度抛光到需要的最终厚度的抛光时间，用于在抛光待抛光层的同时通 过倒计时计算的抛光时间检测终点，以及用于在检测终点的同时停止 抛光层。
有利的是，根据本发明的一个或多个方面的CMP装置包括一个 终点检测器，并且通过使用一个端点检测器检测的光量数据计算待抛 光层的初始厚度。此外，通过使用待抛光层的计算出的初始厚度计算 抛光时间，CMP装置控制抛光工艺并自动地确定抛光终点。因此，通 过仅将程序添加到常规的CMP装置的控制器，可以精确地控制抛光 终点，并且可以提高操作条件和效率。
附图说明
通过参考附图详细地介绍示例性实施例，本发明的以上和其它优 点将变得很显然，其中：
图1示出了化学机械抛光装置的示意性剖面图；
图2示出了设置在图1中旋转工作台板上的抛光垫的俯视图；
图3示出了CMP装置的抛光台的部分剖面图，具有用于衬底的 干涉仪测量的终点检测系统；
图4示出了图3中的终点检测系统的干涉仪测量原理的示意性剖 面图；
图5示出了待抛光膜的厚度和以预定的抛光速度来抛光膜的抛光 时间之间的关系曲线图；
图6示出了相位差和待抛光膜的抛光时间之间的关系曲线；
图7示出了用终点检测系统对测试样品测量产生的反射率迹线 (trace)曲线；
图8示出了终点检测系统测量形成实际图形的晶片产生的反射率 迹线曲线；
图9和10示出了比较通过相同的淀积工艺的厚度不同的两个待 抛光膜的每一个反射率迹线的反射率迹线曲线；
图11示出了终点检测处理时间和初始厚度之间的关系曲线；
图12示出了图1的CMP装置的控制程序的流程图；以及
图13示出了以数值显示初始厚度和抛光时间的屏幕的正面图。

图1示出了化学机械抛光装置的示意性剖面图。
参考图1，CMP装置100包括其上设置抛光垫120的旋转工作台 板110。当衬底10为具有8英寸(200mm)或12英寸直径的圆盘形 时，旋转工作台板100和抛光垫120的直径分别为约20英寸或30英 寸。旋转工作台板110连接到驱动电动机(未示出)，然后旋转。在 大多数的抛光工艺中，通过驱动电动机以每分钟约30到300转的速 度旋转旋转工作台板110，驱动电动机可以更低或更高的旋转速度旋 转旋转工作台板110。
抛光垫120通常包括接触工作台板110表面的基底层和抛光层。 此外，抛光层通常比基底层硬。然而，一种抛光垫120仅有抛光层而 没有基底层。抛光层可以由聚安酯发泡的开放式单元(open cell)或 具有凹槽表面的聚安酯薄板组成。基底层可以由浸滤了氨基甲酸乙酯 的压缩毛毡纤维。Rodel，Inc.，(Newark，Del.)提供了两层结构的抛光 垫，抛光层由IC-1000和SUBA-4组成的基底层组成(IC-1000和SUBA-4 为Rodel，Inc.，的产品名称)。
通过浆料支架口或组合的浆料/清洗臂130，含有反应剂(例如， 用于氧化物抛光的去离子水)和化学反应催化剂的浆料132可以提供 到抛光垫120。当抛光垫120为标准垫时，浆料132可以包括用于氧 化物抛光的例如氧化硅的磨料颗粒。
托架顶部140连接到旋转电动机，然后托架顶部140以它的中心 轴142为中心独立地旋转。此外，径向驱动电动机(未示出)移动滑 座使托架顶部140在左和右方向中横向地振荡。旋转工作台板110以 它的中心轴112为中心旋转，同时托架顶部140以它的中心轴142为 中心旋转，并在抛光垫120的表面上横向地移动。
托架顶部140具有几种机械功能。通常，托架顶部140将衬底10 顶向抛光垫120，分散了衬底10背面上的压降(reduction pressure)。 此外，托架顶部140将扭矩从驱动轴转送到衬底10，并固定衬底10 以防止抛光工艺期间衬底相对于托架顶部140向下滑动。
图2示出了设置在图1的旋转工作台板上的抛光垫120的俯视 图。
参考图1和2，穿过旋转工作台板110形成孔114，透明窗口122 形成在位于孔114上的抛光垫120中。定位孔114和透明窗口122的 位置使得在旋转工作台板110旋转期间，通过定位孔114和透明窗口 122可以观察到衬底10，而与托架顶部140的移动位置无关。
用于衬底10的厚度和衬底10的抛光速度的干涉仪测量的终点 检测部件150设置在形成有透明窗口122的旋转工作台板110下面。 终点检测部件150可以固定到旋转工作台板110以便终点检测部件150 与旋转工作台板110一起旋转，由此保持了相对于透明窗口122的固 定位置。
终点检测部件150为“偏轴”系统，其中光以非法线入射角入射 到衬底10。终点检测部件150包括光源152和传感器或如光检测器的 检测器154。
光源152产生光束151，传播穿过透明窗口122和施加到衬底10 暴露表面的抛光垫122上的浆料132。光束151由相对于垂直于衬底 10表面的轴的角度(α1)从光源152投射到衬底10。根据一个实施 例，光源152为激光产生装置，产生波长约600-700nm，例如670nm 的激光束。
旋转工作台板110旋转期间通过透明窗口122可以观察到衬底 10。
CMP装置100包括终点检测部件150，以便确定从衬底表面除去 的材料量，或者确定何时衬底10表面变得均匀。光源152和传感器 或者检测器154可以连接到控制器160，控制器160由通用的可编程 数字计算机或处理器组成。控制器160执行控制程序，用于控制显示 数据的显示部分170、用于输入数据的输入部件190、用于存储数据 的存储部件180、以及驱动旋转工作台板110和托架顶部140的驱动 部件200。
控制器160可以编程以存储终点检测部件150的测量亮度值并在 显示部分170上显示测量的亮度值。控制器也可以编程以计算待抛光 层的初始厚度、抛光速度、通过抛光从层上除去的量、以及从测量的 亮度值得到的层的剩余厚度，并检测抛光终点。
图3示出了CMP装置的抛光台的部分剖面图，具有用于衬底的 干涉仪测量的终点检测系统。
参考图3，由晶片例如硅晶片组成的衬底10包括形成在衬底10 表面14上的覆层薄膜结构13。薄膜结构13包括透明或部分透明的外 部层，例如介质层(例如氧化层)，还可以包括至少一层透明、半透 明或反射性下垫层。
在终点检测部件150中，射到衬底10的部分光束151在薄膜结 构13的表面12上部分反射形成第一反射光束153。然而，光束151 的剩余部分投射穿过薄膜结构13。至少部分投射光束151在衬底10 的表面14反射形成第二反射的光束155。第一反射光束153和第二反 射光束155根据它们的相位关系相互建设性地或毁坏性地干涉。
干涉束156的一个相位关系表示为薄膜结构13中的折射率和层 厚度、光束151的波长、以及输入角(α1)的函数。
干涉束156穿过浆料132和透明窗口1122先返回到传感器154。 当第一反射光束153和第二反射光束155具有相同的相位时，第一和 第二反射光束153和155相互建设性地干涉，然后在传感器154上检 测出最大值(1max1)。另一方面，当第一反射光束153和第二反射光 束155异相时，第一和第二反射光束153和155相互毁坏性地干涉， 然后在传感器154上检测出最小值(1min1)。其它相位关系可以表示 为传感器154上显示的最大值(1max1)和最小值(1min1)之间的干 涉信号。这种结果为传感器154的信号输出，随层的厚度、或薄膜结 构13的层种类变化而变化。
由于在抛光衬底10的同时薄膜结构13的层厚度或层种类根据时 间改变，因此传感器154的信号输出也随着时间的消逝而变化。传感 器154的随时间改变输出称做反射比(反射率)测量迹线。
当抛光具有一层或多层没有图形的薄膜结构13的衬底10时，由 于来自薄膜结构13表面的部分反射光束和来自薄膜结构13或衬底10 的层或下垫层的部分反射光束之间的干涉，传感器154输出的数字信 号为周期性的。
图4示出了图3中的终点检测系统的干涉仪测量原理的示意性剖 面图。
参考图4，入射光束(linc)以入射角(α1)投射到第一表面， 部分入射光束(linc)在点(A)反射形成第一反射光束(11)。入射 光束(linc)的其它部分(剩余部分)传送到折射率为n2的透明层内， 并在点(B)处反射。在点(B)处反射的光束穿过点(C)形成第二 反射光束(12)。根据光路径的差异，第一反射光束(11)和第二反射 光束(12)具有相差Φ。
当透射层的初始厚度为d0时，抛光率为rr，抛光时间为t，可以 由下面的方程(1)计算抛光工艺d(t)之后的剩余厚度。
d(t)＝d0-rrt...........................方程(1)
因此，当折射率为n2并且光波长为λ0时，相差Φ(t)可以由下 面的方程(2)计算。 $\Phi \left(t\right)=\frac{-}{{\lambda }_0}{2n}_{2}d\left(t\right)$ ..................方程(2)
所以，干涉光束表示为由下面方程(3)计算的反射率迹线的函 数。 $I\left(t\right)=I1+I2=2\left(\sqrt{(I1+I2)}\right)\cos \left(\Phi \left(t\right)\right)$ ..................方程(3)
因此，随着穿透层厚度减小，相差改变，导致干涉波变化。
例如，当初始厚度约13,500时，折射率约1.46，光波长约670nm， 除去速度约500/sec，然后随抛光时间厚度的变化显示在图5中，相 位的变化显示在图6中。此外，根据抛光时间的反射率迹线显示在图 7中。
图8示出了终点检测系统测量形成有实际图形的晶片产生的反射 率迹线曲线。
参考图8，由实际的CMP装置的终点检测部件得到的反射率迹 线模拟地显示在显示器的屏幕上。换句话说，即使图7所示的迹线幅 值是规则的，实际上，迹线幅值是不规则的，如图8所示。图7的迹 线由具有平坦表面的测试样品得到，而图8的迹线由其上形成有图形 的晶片反射回的光束得到。
因此，通过标准化实际得到的反射率迹线(例如图8)产生的数 据可以得到有关厚度的信息。
在图9和10中，通过在晶片上淀积使用高密度等离子体形成的 SiO2组成的厚度约5,500第一薄膜，并通过在第一薄膜上使用 PETEOS形成的SiO2组成的厚度约2,000第二薄膜，然后退火第一 和第二薄膜形成氧化膜。因此，在CMP工艺之前，提供平均厚度(Tox) 约5,562(对9个晶片测量的平均厚度)的氧化膜作为图9中的氧化 膜，同时在CMP工艺之前，提供平均厚度约5,723(对9个晶片测 量的平均厚度)的氧化膜作为图10中的氧化膜。也就是，当CMP工 艺之前的厚度差约161时，与图9相比，图10中的反射率迹线在圆 周部分延迟约8秒，一个额外的峰值形成在图10中。
图11示出了当进行作为128M SDRAM的STI CMP时，在CMP 工艺之前，终点检测时间和对应的初始厚度之间的关系。
如图11所示，CMP工艺增加之前，根据二阶函数，终点检测时 间随初始厚度成比例地增加。
图12示出了CMP装置的控制程序的流程图。
由此，如图12所示，编程控制器160，以便控制器160由终点 检测部件150检测的光量数据计算出待抛光层的初始厚度，根据计算 的初始厚度计算抛光时间，然后数字地控制终点。下面介绍这种操作。
首先，提供用于待抛光层的初始厚度的“抛光时间数据库”以及 对应的抛光时间。此外，制备由终点检测装置检测的初始光量的“终 点检测光量表”和待抛光层的对应初始厚度。然后，数据库和表存储 在CMP装置的存储部件180中(步骤S202)。此时，根据待抛光层的 制程历史基于由测量一层或多个以前抛光工艺的结果得到的数据制备 表。
例如，对于256M DRAM的整个工艺，由于用于氧化层或多晶硅 层的CMP工艺被预先设置，并且待抛光层的淀积工艺的数据也被设 置，可以根据设置的数据制备用于对应的终点检测的初始厚度和光量 的检测数据表。
当要抛光的晶片放置在CMP装置100中时，通过输入部件190 输入用于待抛光层的抛光工艺制程(步骤S204)。
将光投射到半导体晶片上之后通过使用终点检测部件150检测待 抛光层反射的光量(步骤S206)。
抛光工艺之前，控制器160计算待抛光层的厚度，即，参考存储 在存储部件180中的终点检测光量表，根据检测的光量由检测信号得 到初始厚度(步骤S208)。然后，控制器160计算从计算的初始厚度 到需要的厚度(抛光终点)的抛光时间。
图13示出了以数值显示初始厚度和抛光时间的屏幕的正面图。
如图13所示，计算的初始厚度、需要厚度的数字值以及剩余抛 光时间显示在显示部分170上。
控制器160控制驱动部件200以倒计时或减小时间的方式检测终 点，并计算用于待抛光层的抛光工艺期间剩余的抛光时间(步骤 S212)。剩余抛光时间显示在显示部分170上。由于剩余的抛光时间 显示为数字值，因此操作者可以容易地看到剩余时间，由此可以提高 操作的方便性和效率。
控制器160检测剩余抛光时间变为‘0’时的终点，并控制驱动 部件200以停止抛光工艺(步骤S214)。
抛光工艺之后，控制器160使用待抛光层的初始厚度更新存储的 表值、计算的抛光时间、最终的结果值等，并且控制器160在具有相 同制程的相同抛光工艺中反映出更新的值。
如上所述，抛光工艺的结果被反馈，以便反映出计算初始厚度的 结果。因此，可以相应地调节随后抛光工艺的抛光时间、抛光工艺环 境的微小变化例如CMP装置、抛光垫、浆料等，由此改善了终点检 测。
因此，CMP包括一个终点检测器并通过使用一个端点检测器检 测的光量数据可以精确地计算待抛光层的初始厚度。此外，通过使用 计算的初始厚度计算抛光时间，CMP装置控制抛光工艺并自动地确定 抛光终点。因此，通过仅将程序添加到常规的CMP装置的控制器， 可以精确地控制抛光终点，并且可以提高操作条件和效率。
现已参考示例性实施例介绍了本发明，然而，对于本领域中的技 术人员来说，显然鉴于以上说明可以做出许多修改和变形。因此，本 发明包含了在附带权利要求书精神和范围内的所有的这种修改和变 化。
相关申请的交叉参考
该申请根据35U.S.C.§119要求2002年3月21日申请的韩国专 利申请No.2002-15392的优先权，其内容作为参考引入。