JP2001044157A - 化学機械研磨終点を検出する方法と装置 - Google Patents

化学機械研磨終点を検出する方法と装置

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JP2001044157A
JP2001044157A JP11203910A JP20391099A JP2001044157A JP 2001044157 A JP2001044157 A JP 2001044157A JP 11203910 A JP11203910 A JP 11203910A JP 20391099 A JP20391099 A JP 20391099A JP 2001044157 A JP2001044157 A JP 2001044157A
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polishing
wafer
carrier
torsion
chemical mechanical
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Kotetsu Go
孝哲 呉
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Siemens AG
Mosel Vitelic Inc
Promos Technologies Inc
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Siemens AG
Mosel Vitelic Inc
Promos Technologies Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 摩擦力の変化を直接測定して終点判断を行う
化学機械研磨終点を検出する方法と装置を提供する。 【解決手段】 ウェハー11を把持するウェハーキャリ
ア13と化学機械研磨装置の研磨定盤12との間の相対
運動によりポリシングパッド14でウェハー研磨を行っ
てウェハー11の研磨したい部分を除去するとともに、
ウェハーキャリア13とキャリア回転軸15とが連接さ
れてウェハーキャリア13の回転方向ならびに回転速度
が制御されるものにおいて、研磨が異なる材質に及んだ
時、摩擦力の変化がキャリア回転軸15のトーション変
化を発生させ、キャリア回転軸15上のトーション計を
介してトーションの変化を直接測定することにより、セ
ンサー18でトーションの明確な変化量を受信した時
に、研磨が終点に達したことを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、終点検出(end
point detection)を行う方法と装置に関し、特に、化
学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing = CMP)
終点を検出する方法と装置に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、半導体の製造は、電子機器の動作
速度に対応するために、既にディープサブミクロン(de
ep sub-micron)の製造プロセスへ突入しており、この
ような製造プロセスにおいては、最小線幅が縮小し、リ
ソグラフィー機器の焦点深度がますます小さなものとな
り、金属内部配線膜の層数が増加しているので、製造過
程において如何に良好なウェハーの平坦度を維持してい
くかが重要な課題となっている。
【0003】化学機械研磨工程において、ウェハーをた
だ平坦化するだけでなく、ウェハーを研磨した後の厚さ
を如何に精密に制御するかが、化学機械研磨工程にとっ
て細心の注意を払わなければならない課題となってい
る。現在、化学機械研磨工程でウェハー厚さを制御する
ために、最も常用されている方法が2種類あり、1つ
は、時間制御モード(time-controlling mode or time
mode)で、もう1つは、終点検出制御モードである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】いわゆる時間制御モー
ドとは、研磨定盤のウェハーに対する研磨速度を利用し
てウェハー研磨に必要な時間を算出し、この研磨時間を
ウェハー研磨の制御基準とするものであり、いったん研
磨が開始されると、ウェハーはこの算出された一定の研
磨時間を経過して初めて、また経過しなければ研磨を停
止することができなかった。しかし、ウェハーが基準に
達しているかどうかは、ウェハー研磨後に測定された厚
さから判断するしかなく、研磨が終点に達しているか否
かを工程の途中で判断することはできなかった。
【0005】一般的に、時間制御モードでは研磨時間を
固定したものとするから、製造プロセスから言うと、弾
力性に欠けたものとなり、ウェハーが研磨工程以前のあ
る1つ、または幾つかの工程に不都合があり、研磨除去
したい厚さが増加あるいは減少していても、時間制御モ
ードを利用すると、研磨除去した厚さが不十分で、再研
磨しなければならなかったり、もしくは研磨除去した厚
さが多すぎて過剰研磨(over polish)となってウェハ
ーを廃棄する結果となったりしていた。
【0006】そこで、現在の化学機械研磨工程では、通
常、時間制御モードをウェハー研磨厚さを制御する主要
研磨ステップ(main polish step)には採用せず、ウェ
ハー研磨厚さを比較的制御しやすい終点検出制御モード
を多く採用している。いわゆる終点検出制御モードと
は、研磨過程において、例えば薄膜が発生させる光学信
号、電気信号強度、温度変化のような、ある種のパター
ン(pattern)およびある種の薄膜ウェハーにつき、研
磨時間に伴って出現する信号を収集するものであって、
同じパターンならびに同じ薄膜を備えるウェハーについ
て言えば、同じ工程条件においては類似した工程時間と
信号強度との関係曲線が得られる。この工程時間と信号
強度とが描き出す曲線グラフを利用して、研磨を停止す
る時間を設定制御することができ、その他の同様にこの
種のパターンおよび薄膜を有するウェハー研磨を制御す
る根拠とすることができる。この終点検出制御モード
は、信号を研磨を継続するか停止するかを決定する根拠
とするので、固定的な研磨時間に制限されることがな
く、工程弾力性が比較的大きいと同時に、信号により研
磨状況を反映させるため、化学機械研磨工程の再現性能
力を向上させることができ、現在、一般的なエッチング
技術では、多くが終点検出制御モードを採用して工程の
再現性を制御している。
【0007】多くの終点検出制御モードは、主要には摩
擦力の変化に基づくものであり、異なる材料は異なる摩
擦係数を備えているので、異なる材料を研磨する時には
異なる摩擦係数が発生する。また、温度変化を終点検出
制御モードとするものについて言えば、摩擦力が変化す
る時、温度もそれについて変化するが、温度変化はリア
ルタイムで測定できるものではなく、摩擦力が変化して
温度変化を測定できるまでに、しばしば一定時間の遅延
が存在するから、過剰研磨現象が発生することになって
いた。さらに、電流モニタリングを終点検出制御モード
とするものについて言えば、摩擦力の違いにより研磨定
盤とウェハーキャリアモーターとの電流量が変化するこ
とを利用するものであって、通常は、摩擦力が増大した
時にモーター電流も増大するが、モーターが稼動してい
る時にはそれ自体が相当に大きな電流量であり、摩擦力
の変化で電流量が変化しても、モーター自体の電流量と
比較して相当に小さなものであるから、この方法では、
低い信号対雑音比(S/N比)となり、終点検出にエラ
ーを発生させやすいものとなっていた。
【0008】従って、この発明の主要な目的は、低い信
号対雑音比のために微細な電流量変化を検出できず、終
点検出を誤ってしまうことを防止するために、摩擦力の
変化を直接測定して終点判断を行う化学機械研磨終点を
検出する方法と装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決し、所望
の目的を達成するために、化学機械研磨終点を検出する
方法と装置は、摩擦力の変化により発生するトーション
(torsion)の変化を直接測定するものであって、研磨
定盤と、研磨定盤上に配置されるポリシングパッドと、
ウェハーを把持してポリシングパッドに接触させるウェ
ハーキャリア(wafer carrier)と、ウェハーキャリア
に連接されて、ウェハーキャリアの回転方法ならびに速
度を制御するキャリア回転軸(carrier transfer shif
t)と、キャリア回転軸上に配設されたトーション計(t
orsion meter)と、トーション計が測定したデータを受
信かつ判定するセンサーとから構成されるものである。
【0010】
【作用】上記手段によって、この発明にかかる化学機械
研磨終点を検出する方法と装置は、ウェハーキャリアと
化学機械研磨定盤との間での相対運動によりポリシング
パッドのウェハーに対する研磨作用を発生させ、ウェハ
ー上の研磨除去したい部分は、キャリア回転軸によりウ
ェハーキャリアの回転方向および回転速度が制御されて
いるので、異なる材質を研磨する時に、摩擦力が変化す
るとウェハーキャリアのトーションも変化するから、キ
ャリア回転軸上のトーション計を介してトーションの変
化を監視し、センサーがトーション変化を明確に示すデ
ータを受信した時に、研磨終点であることを判定するも
のである。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる好適な実
施形態を図面に基づいて説明する。図1において、この
発明の実施形態にかかる化学機械研磨装置は、矢印方向
へ回転する研磨定盤12と、この研磨定盤12上に配置
されるポリシングパッド(polishing pad)14とを備
え、ウェハーキャリア(wafer carrier)13を利用し
てウェハー11を搭載し、ウェハー11の研磨したい表
面を下向きにして、ウェハー11の研磨したい表面をポ
リシングパッド14と直接接触させるとともに、供給管
19によりスラリー17を上方からポリシングパッド1
4に供給する。次に、ウェハー11と研磨定盤12とを
同時に回転させて化学機械研磨を行うが、スラリー17
が遠心力の作用でウェハー11とポリシングパッド14
との間に均一に分布されるので、ウェハー11表面の突
出した堆積層を研磨除去することができる。
【0012】ウェハーキャリア13は、キャリア回転軸
15によって制御され、研磨を行う時にウェハーキャリ
ア13がキャリア回転軸15により回転させられ、研磨
定盤12との間で相対運動を行う。このキャリア回転軸
15上にトーション計16を配設して研磨時におけるキ
ャリア回転軸15のトーションを測定するが、このトー
ション計16がさらにセンサー18に電気接続され、こ
のセンサー18によりトーション計16の測定結果を受
信して判定する。
【0013】公知の化学機械研磨は、スラリー17中に
含まれる砥粒を利用してのウェハー11の研磨したい表
面との相対運動、ならびにスラリー17中に含まれる化
学成分とウェハー11の研磨したい表面との化学反応に
より、その表面を研磨除去するものである。従って、研
磨が異なる材質に及んだ時に、ウェハー11の研磨した
い表面の異なる材質が異なる摩擦係数を有するためと、
加えて化学反応が異なるために異なる反応生成物が生成
されて、その摩擦係数がさらに変化することとにより、
異なる摩擦力が発生してキャリア回転軸15のトーショ
ンが明確に変化する。これにより、センサー18がトー
ションの明確な変化を検出するので、研磨している材質
が異なったこと、つまり研磨が終点に達したことを判定
するものとなる。
【0014】上述したように、研磨時の摩擦力の変化を
測定することは、ウェハーキャリアモーター(図示せ
ず)の電流量を監視することでも可能であるけれども、
モーター自体の電流量が相当に大きく、研磨時の摩擦力
の変化によって引き起こされる電流の変化量が非常に小
さいので、通常は電流の変化が研磨が終点に達したもの
であることを判別することができないか、あるいは、そ
の変化が雑音の干渉によるものでも区別できないのでエ
ラーを発生させてしまうことになる。反対に、この発明
が使用するトーション計16は、キャリア回転軸15上
に直接配設されるので、ウェハー11の研磨工程におい
て受ける抵抗力(摩擦力)を直接反映させることがで
き、被研磨材料が変化すると、その他のメカニズム変
換、例えば機械変化量の電気変化量への転換などを介す
ることなく、直ぐにトーション計16で明確な変化量と
して測定することができるので、雑音が発生する確率が
小さい、すなわち、その信号対雑音比が他の従来技術よ
りも大きいものとなり、正確に研磨終点を反映すること
ができるものとなる。
【0015】以上のごとく、この発明を好適な実施形態
により開示したが、当業者であれば容易に理解できるよ
うに、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変
更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その
特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均
等な領域を基準として定めなければならない。
【0016】
【発明の効果】この発明は、摩擦力の変化によるトーシ
ョン変化を直接測定するものであるから、トーション変
化の信号対雑音比が電流を利用した終点検出の信号対雑
音比よりも遥かに大きいものとなって、容易かつ確実に
終点を検出できるとともに、従来発生していた終点検出
エラーによる過剰研磨を有効に防止することができる。
従って、産業上の利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、この発明の実施形態にかかる装置の
要部正面図である。
【符号の説明】
11 ウェハー 12 研磨定盤 13 ウェハーキャリア 14 ポリシングパッド 15 キャリア回転軸 16 トーション計 17 スラリー 18 センサー 19 供給管
【手続補正書】
【提出日】平成12年4月17日(2000.4.1
7)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項6
【補正方法】変更
【補正内容】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 598113542 シーメンス アクチエンゲゼルシャフト Siemens AG ドイツ連邦共和国 ミュンヘン,ウィッテ ルスッバッチャープラッズ2,D−80333 (72)発明者 呉 孝哲 台湾中▲れき▼市西園路6−8號14樓

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 化学機械研磨工程が完了したか否かを判
    断するためのものであって、 ウェハーをウェハーキャリアで把持固定して化学機械研
    磨するステップと、 前記ウェハーキャリアが回転するトーションを測定し、
    前記トーションが明確な変化量を発生した時に化学機械
    研磨が終点に達したものとするステップとを具備する化
    学機械研磨終点を検出する方法。
  2. 【請求項2】 上記トーションが、トーション計により
    測定されるものである請求項1記載の化学機械研磨終点
    を検出する方法。
  3. 【請求項3】 化学機械研磨装置上に配設されるもので
    あって、前記化学機械研磨装置が、研磨定盤と、前記研
    磨定盤上に置かれるポリシングパッドと、前記ポリシン
    グパッド上に位置するウェハーキャリアと、前記ウェハ
    ーキャリアに連接されるキャリア回転軸と、前記キャリ
    ア回転軸に対して配置されるトーション計とを備えると
    ともに、前記キャリア回転軸が回転する時に、前記トー
    ション計が前記キャリア回転軸の回転するトーションを
    測定して、前記トーションに明確な変化量が発生した時
    に研磨が終点に達したものとする化学機械研磨終点を検
    出する装置。
  4. 【請求項4】 上記した化学機械研磨終点を検出する装
    置が、化学機械研磨を行う時、上記ウェハーキャリアで
    ウェハーを把持し、上記キャリア回転軸で前記ウェハー
    キャリアで回転させるとともに、上記研磨定盤との間で
    相対運動を行うものである請求項3記載の化学機械研磨
    終点を検出する装置。
  5. 【請求項5】 ウェハーキャリアでウェハーを把持かつ
    固定し、前記ウェハーをポリシングパッドに接触させる
    ステップと、 前記ポリシングパッドおよび前記ウェハーキャリアを回
    転させるとともに、前記ポリシングパッドおよび前記ウ
    ェハーキャリア間の相対運動により研磨を行うステップ
    と、 トーション計により前記ウェハーキャリアの回転するト
    ーションを測定し、前記トーション計が明確な変化量を
    表示した時に、前記ウェハーに対する研磨を停止するス
    テップとを具備する化学機械研磨終点を検出する方法。
  6. 【請求項6】 上記トーション計が、さらに、上記トー
    ションの変化を検出するセンサーに接続されたものであ
    る請求項3または5記載の化学機械研磨終点を検出する
    方法と装置。
  7. 【請求項7】 少なくとも、 研磨定盤と、 前記研磨定盤上に配置されるポリシングパッドと、 ウェハーを前記ポリシングパッド上に載置するウェハー
    キャリアと、 前記ウェハーキャリアに連接され、研磨時に前記ウェハ
    ーキャリアを回転させるキャリア回転軸と、 研磨を行うために、スラリーを前記ポリシングパッドの
    上方から供給する供給管と、 前記キャリア回転軸に対して配設され、前記キャリア回
    転軸のトーションを測定するトーション計と、 前記トーション計が測定した測定値を受信かつ照合し
    て、研磨終点を判定するセンサーとを具備する化学機械
    研磨装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013162950A1 (en) * 2012-04-28 2013-10-31 Applied Materials, Inc. Methods and apparatus for pre-chemical mechanical planarization of buffing module
CN107877356A (zh) * 2016-09-30 2018-04-06 株式会社荏原制作所 研磨系统以及研磨方法

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US8968055B2 (en) 2012-04-28 2015-03-03 Applied Materials, Inc. Methods and apparatus for pre-chemical mechanical planarization buffing module
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Effective date: 20010508