JP2002160154A - Ｃｍｐ処理のモニタ／制御に対する音響分光分析の使用 - Google Patents

Ｃｍｐ処理のモニタ／制御に対する音響分光分析の使用

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JP2002160154A
JP2002160154A JP2001282610A JP2001282610A JP2002160154A JP 2002160154 A JP2002160154 A JP 2002160154A JP 2001282610 A JP2001282610 A JP 2001282610A JP 2001282610 A JP2001282610 A JP 2001282610A JP 2002160154 A JP2002160154 A JP 2002160154A
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polishing
fourier transform
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chemical mechanical
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Ronald Kevin Sampson
ケビン サンプソン ロナルド
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ST MICROELECTRONICS Inc
STMicroelectronics lnc USA
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ST MICROELECTRONICS Inc
STMicroelectronics lnc USA
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 化学的機械的研磨期間中にウエハのスクラッ
チ即ち傷を現場で検知する技術を提供する。 【解決手段】 化学的機械的研磨処理に対する音響放出
サンプルを採取し且つフーリエ変換を使用して分析して
スクラッチ即ち傷を表わすウエハの振動を検知する。モ
ニタ中の周波数又は周波数帯域内においての過剰なノイ
ズレベルが検知されると、研磨処理を停止し且つオペレ
ータに対して警報を発生する。このような現場での検知
は研磨中のウエハに対する損傷を最小とさせ且つ損傷を
一連のウエハではなく単一のウエハに制限する。研磨終
了点検知をスクラッチ検知メカニズムと統合させること
が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は化学的機械的研磨処
理技術に関するものであって、更に詳細には、化学的機
械的研磨期間中に基板のスクラッチ即ち傷を検知する技
術に関するものである。更に詳細には、本発明は、研磨
中の基板のスクラッチ即ち傷を表わす異常な振動を検知
するために化学的機械的研磨期間中に音響分光分析を使
用する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】化学的機械的研磨（ＣＭＰ）処理は、半
導体装置の製造期間中に基板から物質を除去するために
ウエットエッチング又はドライエッチングの代わりに通
常使用される。このような化学的機械的研磨は、典型的
に、研磨用プラテン上に装着されているポリエステルの
研磨用パッドを化学的エッチャント研磨用スラーリーで
飽和させ、次いで研磨されるべきウエハ表面が研磨用パ
ッドの飽和された表面と接触するまでウエハを保持して
いるチャックを下降させることを包含している。次い
で、研磨用プラテン及びパッドを回転させるが、通常チ
ャックとウエハとは独立的に回転させ、一方所望量の物
質が除去されるまでウエハ表面と研磨用パッドとは接触
状態に維持される。
【０００３】時折、例えば研磨中の基板から発生される
金属断片等のスクラッチ即ち傷を発生させる粒子が化学
的機械的研磨期間中に研磨用パッド上又はその中にトラ
ップされる場合がある。デバイスの特徴が破壊されたり
適切な特徴部の間隔がスクラッチによって失われたりす
る場合があるので、このようなスクラッチを発生させる
粒子は、通常、ウエハを破壊させ、又はウエハ上の集積
回路ダイの少なくとも顕著な部分を破壊させる。
【０００４】化学的機械的研磨処理の現在の外部的即ち
別の位置での制御は、スクラッチ即ち傷を検知するため
に、研磨したウエハの視覚的検査及び／又は光学的テス
トを使用する。バッチ処理及び化学的機械的研磨とスク
ラッチに関する研磨したウエハの分析との間に遅延を導
入するその他の要因のために、このようなスクラッチ即
ち傷が検知される前に、研磨用パッド内に埋め込まれて
いる粒子によって多数のウエハにスクラッチ即ち傷が発
生される場合がある。典型的に、問題を検知し且つ研磨
用のパッドを置換する前に、最小でも２５個のウエハ、
及びしばしば、４００個又はそれ以上のウエハが損傷さ
れるか又は破壊される場合がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の点に
鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠
点を解消し、改良した化学的機械的研磨技術を提供する
ことを目的とする。本発明の別の目的とするところは、
化学的機械的研磨期間中にウエハのスクラッチを検知す
るためのインシチュー即ち原位置（現場）での検知を行
う技術を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、化学的
機械的研磨処理用のアクースティックエミション即ち音
響放射のサンプルを採取し、且つフーリエ変換を使用し
て分析を行ってスクラッチ即ち傷の特性を表わすウエハ
振動を検知する。モニタ中の周波数又は周波数帯域内に
おいての過剰なノイズレベルが検知された場合には、研
磨処理を停止し且つオペレータに対して警報を発生す
る。このようなインシチュー即ち原位置での検知は研磨
中のウエハに対する損傷を最小とさせ、且つ一連のウエ
ハではなく単一のウエハに損傷を制限する。研磨終了点
検知はスクラッチ検知装置内に一体化させることが可能
である。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、本発明の好適
実施例に基づいてスクラッチ即ち傷を発生する粒子をイ
ンシチュー即ち現場で検知する化学的機械的ウエハ研磨
プロセスの概略図が示されている。ウエハ研磨機１０２
は研磨用プラテン１０４を有しており、それに研磨用パ
ッド１０６が固定されている。研磨用プラテン１０４
は、プラテン１０４及びパッド１０６を少なくとも一方
の回転方向１１０へ回転させることを可能とする駆動機
構（不図示）への接続部１０８を有している。導管１１
２が、典型的に塩基性又は酸性のいずれかの溶液中に懸
濁されているシリカ又はアルミナ研磨粒子からなる研磨
用スラーリーを研磨用パッド１０６上へ供給する。
【０００８】ウエハチャック１１４が通常真空手段によ
って研磨すべきウエハ１１６を保持する。ウエハチャッ
ク１１４は、１個又はそれ以上の駆動機構（不図示）へ
の接続部１１８を有しており、該駆動機構は、ウエハ１
１６が所望の量の力で研磨用パッド１０６と接触するま
でウエハチャック１１４を選択的に下降させ、少なくと
も一方の回転方向１２２へ回転させ、且つ研磨用プラテ
ン１０４に関して半径方向である横方向１２４へ移動さ
せることを可能とする。
【０００９】１個又はそれ以上の音響変換器１２６がウ
エハ１１６と研磨用パッド１０６との間の接触領域に近
接して位置されている。図示例においては、変換器１２
６がウエハチャック１１４上に装着されているが、１個
又はそれ以上の変換器（ウエハチャック１１４上に装着
することが可能なその他の変換器に加えて）を研磨用プ
ラテン１０４上に装着させることも可能である。各変換
器１２６は分析器及び制御器１２８へ接続しており、そ
れは測定した音響波形を分析し且つウエハチャック１１
４及び研磨用プラテン１０４へ結合している駆動機構を
制御し且つ研磨処理の機械的な側面の駆動を制御する。
【００１０】変換器１２６によって検知される音響波形
は周期的な期間にわたってサンプリングされる。サンプ
リング期間及び各期間内のサンプリング分解能は、以下
に更に詳細に説明するように、スクラッチ即ち傷を誘起
させる粒子の存在を表わす高調波周波数の検知を最適化
するように選択される。フーリエ変換、好適には高速フ
ーリエ変換（ＦＦＴ）を各サンプル内の時間依存性信号
に関して実施して研磨用処理によって発生される音響ノ
イズの分光画像を発生させる。次いで、検知した音響信
号の分光即ちスペクトルの内容を分析する。研磨用処理
は少なくとも部分的に機械的なものであるので、ウエハ
１１６と研磨用パッド１０６／プラテン１０４との間に
スクラッチ即ち傷を発生させる粒子が存在すること等の
異常な条件はスクラッチ即ち傷を発生させる過程から発
生する異常な振動（音響）によって検知することが可能
である。
【００１１】粒子又はその他の不純物が研磨用パッド内
に埋設することの結果としてウエハ表面上に表われる物
理的なスクラッチ（傷）欠陥の検査は、周期的な一連の
凹凸の形態での局所化された損傷を見つけ出す。この損
傷の周期的な特性は、該不純物がウエハ表面と接触する
場合の振動を表わしている。この振動を検知することに
よって、ウエハに対して深刻な損傷が発生する前に研磨
処理を停止させることが可能である。
【００１２】研磨処理の音響放出に対するレベル、周波
数又は反射時間を通常測定する音響センサを使用する多
数の研磨終了点検知メカニズムが提案されているか又は
使用されている。このような終了点検知、即ち研磨物質
が酸化膜から窒化膜エッチストップ層ヘ変化するか又は
金属から酸化膜へ変化する場合の周波数ピークにおける
シフトの検知は、本発明の分析及びモニタシステムと一
体化させることが可能である。然しながら、スクラッチ
即ち傷を発生させる欠陥の存在は多数の高調波を発生さ
せ、そのことはスクラッチ即ち傷を検知する目的のため
に単一の周波数（例えば、終了点制御目的のため）をモ
ニタすることを信頼性のないものとさせる。
【００１３】通常、研磨用パッド１０６の表面内に埋設
されているか又は研磨用パッド１０６とウエハ１１６と
の間に物理的に位置している粒子又はその他の不純物が
存在することは振動又は研磨処理から発生する分光放射
を変化させる。このような分光放射に関する高速フーリ
エ変換の実行は、特定の周波数又は周波数帯域が変化す
ることをモニタすることを可能とする。特定の周波数又
は周波数帯域においてのスレッシュホールドを超えるフ
ーリエ変換の出力はウエハのスクラッチ即ち傷の発生を
表わす。
【００１４】スクラッチを発生させる粒子がない場合と
意図的に導入したスクラッチを発生させる粒子が存在す
る場合との研磨処理の分光放出を比較することによって
確立された基準スペクトルが、適宜のサンプリング期間
及び異常の早期検知を容易とさせるためにモニタする周
波数又は周波数帯域を決定することを可能とする。欠陥
からの特性分光応答は、各研磨処理の開始におけるベー
スライン分析に対する必要性をなくすために充分にノイ
ズがあるものとすべきである。
【００１５】図２を参照すると、本発明の好適実施例に
基づいて研磨期間中にウエハの損傷を検知する処理のハ
イレベルのフローチャートが示されている。この処理は
ステップ２０２において開始し、それは例えば、カセッ
トからのウエハをウエハチャック上へローディングさせ
且つウエハと研磨用パッドのうちの一方又は両方を回転
させながら該ウエハを下降させて研磨用パッドと接触さ
せることによって、ウエハの化学的機械的研磨が開始さ
れることを示している。
【００１６】本処理は、最初に、ステップ２０４へ移行
し、それは選択した時間間隔にわたって研磨処理からの
音響放出をサンプリングすることを示している。最適な
時間間隔は、スクラッチ（傷）を発生させる粒子が意図
的に導入された研磨処理の分光放出を分析した後に選択
すべきであるが、通常は、数秒を超えるべきではない。
本処理は、次に、ステップ２０６へ移行し、それはサン
プリングした音響放出に関してフーリエ変換、好適には
高速フーリエ変換を実施し、１個又はそれ以上の予め選
択した周波数において又は１個又はそれ以上の予め選択
した周波数帯域内においてのノイズレベルを決定する。
この場合にも、モニタすべき周波数又は周波数帯域はス
クラッチ即ち傷が発生する期間中の研磨処理の解析から
決定することが可能である。選択した周波数においての
又は選択した周波数帯域内においてのノイズレベルを研
磨処理期間中にスクラッチ即ち傷が発生したことを表わ
すか否かについて検査する。
【００１７】本処理は次にステップ２０８へ移行し、そ
れはサンプリングした音響放出の分析からウエハのスク
ラッチ即ち傷の発生が示されているか否かを決定する。
そうである場合には、本処理はステップ２１０へ移行
し、それは研磨処理を停止し且つオペレータに対して警
報を発生し、従って、オペレータは傷の発生したウエハ
を化学的機械的研磨機から取り外し且つ必要に応じて研
磨用パッドをクリーニングするか又は置換することが可
能である。研磨中のウエハのスクラッチ即ち傷の発生が
サンプリングした音響放射によって示されることがない
場合には、本処理はステップ２１２へ移行し、それは研
磨終了点に到達したか否かを決定する。多数の従来の研
磨終了点検知技術を使用することが可能であるが、周波
数シフトに基づいた検知は本発明のＦＦＴ分析とより容
易に一体化させることが可能である。
【００１８】研磨終了点に未だに到達していない場合に
は、本処理はステップ２０４へ復帰し、研磨処理からの
音響放出の別のサンプリングを採取する。当業者によっ
て理解されるように、ステップ２０４はステップ２０
６，２０８，２１２と同時的に実行される可能性があ
る。即ち、研磨処理の音響放出のサンプリングは１個又
はそれ以上の前のサンプルがスクラッチ（傷）及び／又
は終了点検知のために処理され且つ分析されるのと同時
に採取される。研磨終了点が検知されると、本処理はス
テップ２１２からステップ２１４へ移行し、それは別の
ウエハの研磨が開始されるまで（例えば、カセットから
次のウエハが検索され且つ研磨のために装着される）、
アイドル状態となることを示している。
【００１９】本発明は化学的機械的研磨期間中にスクラ
ッチ即ち傷の発生をインシチュー即ち現場で検知するた
めにウエハの振動に関連する低い次数の高調波を検知し
ている。研磨処理に近接している音響変換器によって採
取されるノイズはフーリエ変換を使用して分析され、適
宜の高調波内の警告を発生するようなノイズレベルを識
別する。本処理は、研磨中のウエハに対して深刻な損傷
が発生する前に停止させることが可能である。いずれの
場合においても、例えバッチ処理であっても損傷は単一
のウエハへ制限される。振動は局所化され且つ幾分距離
によって減衰される場合があるので、大型のウエハ（例
えば、１０インチ以上）の場合には、複数個の音響変換
器を使用することが可能である。
【００２０】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好適実施例に基づくスクラッチを発
生させる粒子の現場での検知を行う化学的機械的ウエハ
研磨処理を行う装置を示した概略図。
【図２】 本発明の好適実施例に基づいて研磨期間中に
ウエハの損傷を検知するプロセスを示したフローチャー
ト。
【符号の説明】
１０２ ウエハ研磨機 １０４ 研磨用プラテン １０６ 研磨用パッド １０８ 接続部 １１２ 導管 １１４ ウエハチャック １２６ 音響変換器 １２８ 分析器及び制御器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロナルド ケビン サンプソン アメリカ合衆国， アリゾナ 85268， ファウンテン ヒルズ， グリーンブリア ー 16742 Ｆターム(参考） 2G047 AA08 AB04 AC10 BA05 BC07 EA11 EA19 GA03 GG12 GH05 3C058 AA07 AC02 BA01 BA09 BB09 BC01 BC02 CA01 CB02 DA12 DA17

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 化学的機械的研磨機において、 研磨用パッドが選択的に装着される研磨用プラテン、 研磨されるべきウエハが装着され、ウエハが前記研磨用
    パッドと接触するまで選択的に下降させることが可能な
    ウエハチャック、 前記ウエハと前記研磨用パッドとの間の接触領域に近接
    して位置決めされている音響変換器、 前記音響変換器によって採取されたサンプルに関してフ
    ーリエ変換を行い且つ前記ウエハのスクラッチを表わす
    ノイズに対して前記フーリエ変換の出力を検査する分析
    器、 前記ウエハのスクラッチを表わすノイズを検知した場合
    に前記ウエハの研磨を停止させる制御器、を有している
    ことを特徴とする化学的機械的研磨機。
  2. 【請求項２】 請求項１において、前記分析器が前記音
    響変換器によって採取されたサンプルに関して高速フー
    リエ変換を実施することを特徴とする化学的機械的研磨
    機。
  3. 【請求項３】 請求項１において、前記音響変換器が前
    記ウエハチャックの上に装着されていることを特徴とす
    る化学的機械的研磨機。
  4. 【請求項４】 請求項１において、更に、前記ウエハチ
    ャック上に装着されている複数個の音響変換器を有して
    いることを特徴とする化学的機械的研磨機。
  5. 【請求項５】 請求項１において、前記制御器が前記ウ
    エハの研磨を停止した後に前記制御器がオペレータに対
    して警報を発生することを特徴とする化学的機械的研磨
    機。
  6. 【請求項６】 請求項１において、前記分析器が予め選
    択した周波数において又は予め選択した周波数帯域内に
    おいて前記フーリエ変換の出力を検査することを特徴と
    する化学的機械的研磨機。
  7. 【請求項７】 請求項６において、予め選択した周波数
    におけるか又は予め選択した周波数帯域内のスレッシュ
    ホールドを超えるフーリエ変換の出力が前記ウエハのス
    クラッチを表わすことを特徴とする化学的機械的研磨
    機。
  8. 【請求項８】 請求項１において、前記分析器が研磨終
    了点を表わす基本周波数のシフトに対して前記フーリエ
    変換の出力を検査することを特徴とする化学的機械的研
    磨機。
  9. 【請求項９】 研磨期間中にウエハの損傷を検知する方
    法において、 化学的機械的研磨処理を使用してウエハを研磨し、 前記ウエハのスクラッチを表わすノイズに対して前記研
    磨用処理の音響放射内の少なくとも１つの予め選択した
    周波数又は予め選択した周波数帯域をモニタし、 前記少なくとも１つの予め選択した周波数又は予め選択
    した周波数帯域内において、前記ウエハのスクラッチを
    表わすノイズを検知した場合に前記検知処理を自動的に
    停止する、ことを特徴とする方法。
  10. 【請求項１０】 請求項９において、前記ウエハのスク
    ラッチを表わすノイズに対して前記研磨処理の音響放射
    内において少なくとも１個の予め選択した周波数又は予
    め選択した周波数帯域をモニタする場合に、 選択した時間期間に対して前記研磨処理の音響放射をサ
    ンプリングし、 前記サンプリングした音響放射に関してフーリエ変換を
    実施し、 前記少なくとも１個の予め選択した周波数又は周波数帯
    域に対して前記フーリエ変換の出力を検査する、ことを
    特徴とする方法。
  11. 【請求項１１】 請求項１０において、前記サンプリン
    グした音響放射に関してフーリエ変換を実施する場合
    に、前記サンプリングした音響放射に関して高速フーリ
    エ変換を実施することを特徴とする方法。
  12. 【請求項１２】 請求項１０において、前記少なくとも
    １個の予め選択した周波数又は周波数帯域に対して前記
    フーリエ変換の出力を検査する場合に、研磨終了点を識
    別する周波数シフトに対して前記フーリエ変換の出力を
    検査することを特徴とする方法。
  13. 【請求項１３】 請求項９において、更に、前記ウエハ
    のスクラッチを表わすノイズを検知した場合に前記研磨
    処理を停止した後に、オペレータに対して警報を発生す
    ることを特徴とする方法。
  14. 【請求項１４】 請求項９において、更に、研磨終了点
    に対して前記研磨処理をモニタすることを特徴とする方
    法。
  15. 【請求項１５】 研磨期間中にウエハの損傷を検知する
    装置において、 化学的機械的研磨処理を使用してウエハを研磨する手
    段、 前記ウエハのスクラッチを表わすノイズに対して前記研
    磨用処理の音響放射内の少なくとも１個の予め選択した
    周波数又は予め選択した周波数帯域をモニタする手段、 前記少なくとも１個の予め選択した周波数又は予め選択
    した周波数帯域内において、前記ウエハのスクラッチを
    表わすノイズを検知した場合に前記研磨処理を自動的に
    停止させる手段、を有していることを特徴とする装置。
  16. 【請求項１６】 請求項１５において、前記ウエハのス
    クラッチを表わすノイズに対して前記研磨処理の音響放
    射内において少なくとも１個の予め選択した周波数又は
    予め選択した周波数帯域をモニタする手段が、 選択した時間期間に対して前記研磨処理の音響放射をサ
    ンプリングする手段、 前記サンプリングした音響放射に関してフーリエ変換を
    実施する手段、 前記少なくとも１個の予め選択した周波数又は周波数帯
    域に対して前記フーリエ変換の出力を検査する手段、を
    有していることを特徴とする装置。
  17. 【請求項１７】 請求項１６において、前記サンプリン
    グした音響放射に関してフーリエ変換を実施する手段
    が、前記サンプリングした音響放射に関して高速フーリ
    エ変換を実施する手段を有していることを特徴とする装
    置。
  18. 【請求項１８】 請求項１６において、前記少なくとも
    １個の予め選択した周波数又は周波数帯域に対してフー
    リエ変換の出力を検査する手段が、研磨終了点を表わす
    周波数シフトに対して前記フーリエ変換の出力を検査す
    る手段を有していることを特徴とする装置。
  19. 【請求項１９】 請求項１５において、更に、前記ウエ
    ハのスクラッチを表わすノイズを検知した場合に前記研
    磨処理を停止した後に、オペレータに対して警報を発生
    する手段を有していることを特徴とする装置。
  20. 【請求項２０】 請求項１５において、更に、研磨終了
    点に対して前記研磨処理をモニタする手段を有している
    ことを特徴とする装置。
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