JP2003021501A

JP2003021501A - 渦電流センサ

Info

Publication number: JP2003021501A
Application number: JP2002134656A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Tada; 光男多田; Hironobu Yamazaki; 裕延山崎; Yasunari Sudo; 康成須藤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2002-05-09
Publication date: 2003-01-24
Anticipated expiration: 2021-07-23
Also published as: JP3902064B2

Abstract

(57)【要約】【課題】安定な動作を可能とすると共に精度の高い研
磨終点の検出ができる渦電流センサを提供する。【解決手段】導電性膜に生じる渦電流損の変化から導
電性膜の膜厚を検出する渦電流センサ１０において、導
電性膜に渦電流を生じさせるセンサコイル１１と、コイ
ルに接続され渦電流損に対応して可変周波数を発振する
能動素子部１２とが一体的に構成された。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は渦電流センサに係
り、特に半導体ウエハ等の基板の表面に銅（Ｃｕ）等の
導電性膜を被着し、これを化学機械的研磨（ＣＭＰ）で
研磨する際に、上記導電性膜に生じる渦電流損を検出す
ることで、その研磨の進行状況を検出することができる
渦電流センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板上に配線回路を形成するため
に、予め所定パターンの配線用の溝を形成しておき、基
板をめっき液中に浸漬させて例えば銅（Ｃｕ）の無電解
又は電解めっきを行ない、その後表面の不要部分を化学
機械研磨（ＣＭＰ）により除去する方法が提案されてい
る。斯かるめっきによる成膜では、高アスペクト比の配
線溝を均一に高導電率の金属で充填することが可能とな
る。前記ＣＭＰプロセスは、ターンテーブル上に貼設さ
れた研磨布にトップリングによって保持された半導体ウ
エハを押圧し、同時に砥粒を含有した研磨砥液を供給し
つつ、半導体ウエハ上のＣｕ層を研磨するものである。

【０００３】前記Ｃｕ層をＣＭＰプロセスにより研磨す
る場合、配線用の溝内に形成されたＣｕ層のみを残して
半導体基板上からＣｕ層を選択的に除去することが必要
とされる。即ち、Ｃｕ層を配線用の溝部以外の箇処で
は、酸化膜（ＳｉＯ_２）が露出するまでＣｕ層を除去す
ることが求められる。この場合、過剰研磨となって、配
線用の溝内のＣｕ層を酸化膜（ＳｉＯ_２）とともに研磨
してしまうと、回路抵抗が上昇し、半導体基板全体を廃
棄しなければならず、多大な損害となる。逆に、研磨が
不充分で、Ｃｕ層が酸化膜上に残ると、配線回路の分離
がうまくいかず、短絡が起こり、その結果、再研磨が必
要となり、製造コストが増大する。この事情は、Ｃｕ層
に限らず、Ａｌ層等の他の導電性膜を形成し、この導電
性膜をＣＭＰプロセスで研磨する場合も同様である。

【０００４】そのため、ＣＭＰプロセスの終点を検出す
るために、渦電流センサを用いた研磨終点検出方法が提
案されている。図１５は、従来の渦電流センサを備えた
ポリッシング装置の主要部を示す図である。ポリッシン
グ装置は、上面に研磨面を有する研磨布４２を貼った回
転するターンテーブル４１と、回転および押圧可能に研
磨対象基板である半導体ウエハ４３を保持するトップリ
ング４５と、研磨布４２に砥液Ｑを供給する砥液供給ノ
ズル４８を備えている。また、研磨布４２の代わりに固
定砥粒と呼ばれる、砥粒を有する樹脂で形成された研磨
板をテーブルに貼る場合もある。トップリング４５はト
ップリングシャフト４９に連結されており、またトップ
リング４５はその下面にポリウレタン等の弾性マット４
７を備えており、弾性マットに接触させて半導体ウエハ
４３を保持する。さらにトップリング４５は、研磨中に
半導体ウエハ４３がトップリング４５の下面から外れな
いようにするため、円筒状のリテーナリング４６を外周
縁部に備えている。ここで、リテーナリング４６はトッ
プリング４５に対して固定されており、その下端面はト
ップリング４５の保持面から突出するように形成され、
半導体ウエハ４３が保持面内に保持され、研磨中に研磨
布４２との摩擦力によってトップリング外へ飛び出さな
いようになっている。

【０００５】またトップリング４５内には、渦電流セン
サコイル５０Ａが埋め込まれており、この渦電流センサ
コイル５０Ａは配線５１を介してトップリングシャフト
４９内を通って発振回路を構成する能動素子部５０Ｂに
接続され、更にフィルタ回路からなるインタフェースボ
ード５３、波形変換回路からなるディストリビューショ
ンボックス５４を介してプロセッサ５５に送られる。デ
ィストリビューションボックス５４では、発振信号がＴ
ＴＬレベル（０−５Ｖ）に変換され、プロセッサ５５内
の周波数カウンタにより発振周波数が計数される。計測
された発振周波数は表示装置５６にて表示される。

【０００６】半導体ウエハ４３をトップリング４５の下
面の弾性マット４７の下部に保持し、ターンテーブル４
１上の研磨布４２に半導体ウエハ４３をトップリング４
５によって押圧するとともに、ターンテーブル４１およ
びトップリング４５を回転させて研磨布４２と半導体ウ
エハ４３を相対運動させて研磨する。このとき、砥液供
給ノズル４８から研磨布４２上に砥液Ｑを供給する。砥
液は、例えばＣｕ（銅）を研磨する場合は酸化剤にアル
ミナやシリカといった微粒子からなる砥粒を懸濁したも
のを用い、Ｃｕ表面を化学反応で酸化させながら、砥粒
による機械的研磨作用との複合作用によって半導体ウエ
ハを研磨する。

【０００７】上述の研磨中に、前記渦電流センサ５０
Ａ，５０Ｂによって半導体ウエハ４３の被研磨面に形成
されたＣｕ層等の導電性膜の膜厚の変化を検出しつづけ
る。そして、渦電流センサ５０Ａ，５０Ｂの信号をモニ
ターし、配線用の溝内に形成されたＣｕ層等の導電体の
みを残して、酸化膜（ＳｉＯ_２）上の導電性膜が除去さ
れたときの周波数変化によりＣＭＰプロセスの終点を検
出する。

【０００８】渦電流センサは、上述したように研磨対象
の基板に対面するように配置されるセンサコイル５０Ａ
と、そのセンサコイルに接続されキャパシタンスおよび
能動素子とにより構成される発振回路（能動素子部）５
０Ｂとからなる。そして、能動素子部５０Ｂに直流電源
が供給されると、前記センサコイル５０Ａとキャパシタ
ンスとがタンク回路を形成し、トランジスタ等の能動素
子によりその発振周波数で発振する。ここで、センサコ
イル５０Ａが形成する磁束がそのセンサコイルの前面に
配置された基板４３上の導電性膜を貫通し、交番的に変
化することで該導電性膜中に渦電流が生じる。そして、
この渦電流が導電性膜中に流れることで渦電流損失が生
じ、等価回路的にみるとセンサコイルのインピーダンス
のリアクタンス成分を低下させることになる。

【０００９】従って、この渦電流損がゼロの時には発振
回路の発振周波数はタンク回路の発振周波数となるが、
渦電流損が存在すると半導体ウエハの等価抵抗分の影響
により発振回路の抵抗分が大きくなり、これにより発振
周波数が高くなる方向に移動する。従って、発振回路の
発振周波数の変化を観察することで、研磨の進行に伴い
導電性膜が徐々に薄くなると、これにより発振周波数が
低下し、導電性膜が研磨により完全になくなるとタンク
回路の自己発振周波数となり、それ以降は発振周波数が
略一定となる。それ故、この点を検出することにより導
電性膜の化学機械的研磨による終点を検出することがで
きる。

【００１０】係る渦電流センサを利用した化学機械的研
磨の終点検出によれば、研磨対象の基板に対して非接触
で、且つ研磨の進行中に導電性膜の研磨の進行状況を把
握することができる。

【００１１】この装置の場合には、センサコイル５０Ａ
が研磨対象の基板を保持するトップリング中に配設さ
れ、一方で発振回路の能動素子部５０Ｂはセンサコイル
から離れたトップリングシャフトを保持する固定部に配
置されていて、その間が通信線５１で接続されている。
発振回路で形成される発振信号はインターフェースボッ
クス５３およびディストリビューションボックス５４等
を経てパーソナルコンピュータに導入され、ここで発振
周波数の推移がコンピュータのモニタ画面に表示される
ようになっている。通信線５２は一対（２本）の信号線
と、一対（２本）の直流電源線の合計４本の電線により
構成されている。また、通信線５１はロータリコネクタ
を用いて固定側の能動素子部５０Ｂを回転するトップリ
ング内に収容されたセンサコイル５０Ａに接続してい
る。従って、導電性膜の研磨の進行と共に渦電流損が減
少し、これにより発振周波数が推移する様子をパーソナ
ルコンピュータ５５のモニタ５６の画面上で観察するこ
とができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、係る従
来の渦電流センサによる研磨終点の検出方法において
は、以下に述べる問題がある。即ち、センサコイル部分
５０Ａと能動素子部分５０Ｂとが別々の位置に配置さ
れ、その間が高インピーダンスの通信線５１でロータリ
コネクタを介して接続されているため、通信線５１がタ
ーンテーブルの回転等に伴うノイズを拾い、発振回路の
出力信号処理においてこの除去が難しい。このため、十
分なノイズに対する減衰量を有するフィルタ回路等を設
ける必要がある。また、通信線５２においてもノイズを
拾う。

【００１３】さらに、渦電流センサに使用する発振周波
数が７ＭＨｚ程度であり比較的低いため、研磨対象の導
電性膜が十分に厚い場合には、大きな渦電流損を検出す
ることができるが、導電性膜の研磨が進行し膜厚が極め
て薄くなると、渦電流損の大きさが小さくなり、この場
合には例えば１０００Å以下程度の膜厚の検出が困難と
なる。即ち、従来の渦電流センサは発振周波数が比較的
低いため、オングストロームオーダの膜厚検出精度が要
求されるポリッシング装置の研磨終点の検出には、その
精度が十分ではなかった。

【００１４】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、安定な動作を可能とすると共に精度の高い研磨終
点の検出ができる渦電流センサを提供することを目的と
する。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様は、
導電性膜に生じる渦電流損の変化から前記導電性膜の膜
厚を検出する渦電流センサにおいて、前記導電性膜に渦
電流を生じさせるセンサコイルと、該コイルに接続され
前記渦電流損に対応して可変周波数を発振する能動素子
部とが一体的に構成されたことを特徴とするものであ
る。ここで、前記センサコイルは、空芯渦巻状であるこ
とが好ましく、また前記能動素子部を搭載した基板は、
前記空芯渦巻状のセンサコイルに対して直交するように
配置されていることが好ましい。また、センサコイルと
能動素子部が一体的に構成された発振回路には、低イン
ピーダンスの同軸ケーブルが接続され、これにより電源
供給線と発振信号出力線とが兼用されていることが好ま
しい。

【００１６】本発明によれば、渦電流センサを構成する
センサコイルと、そのコイルに接続された能動素子部と
が一体的に構成されて発振回路を形成するので、且つ、
信号通信線は低インピーダンス（５０Ω）で信号電送が
可能になりポリッシング装置のターンテーブル等の回転
に伴うノイズを拾うことなく安定に動作させることがで
きる。また、能動素子を搭載した基板を該センサコイル
と直交する方向に配置することで、ＶＨＦ帯の高い発振
周波数を用いて渦電流損失の検出が可能となる。これに
より、高比抵抗の薄い膜厚の導電性膜における渦電流損
の検出が可能となり、バリア層を構成するタンタル（Ｔ
ａ）等のオングストロームオーダの薄膜の研磨状態を検
出することができる。それ故、格段に精度の高い研磨終
点の検出が行える。

【００１７】本発明の第２の態様は、導電性膜に生じる
渦電流損の変化から前記導電性膜の膜厚を検出する渦電
流センサにおいて、前記導電性膜に渦電流を生じさせる
センサコイルを備え、該センサコイルと前記導電性膜に
より形成されるインピーダンスのうち、抵抗成分の変化
から前記導電性膜の膜厚の変化を検出することを特徴と
するものである。これにより、発振周波数は固定したま
まで、抵抗成分の変化を見ることにより、研磨の進行に
よる膜厚の変化を検出するものであるので、比較的低い
周波数でこの極めて薄い膜厚の研磨状態を明瞭に観察す
ることが可能となる。従って、極めて薄くかつ導電率が
低いバリア層の膜厚検出が容易に可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図１乃至図１４を参照して
本発明の実施形態について説明する。

【００１９】図１は、本発明の実施形態の渦電流センサ
の構造の概略を示す。この渦電流センサ１０は、導電性
膜に渦電流を生じさせるセンサコイル１１と、そのコイ
ルに接続され渦電流損に対応して可変周波数を発振する
発振回路を構成する能動素子部１２とが一体的に構成さ
れている。そして、センサコイル１１と能動素子部を搭
載した基板１２とが箱体１３に収納されている。箱体の
寸法としては、例えば縦横の寸法がそれぞれ２０ｍｍ以
下、高さが１０ｍｍ以下程度となっている。能動素子部
１２にはインピーダンス５０Ω程度の同軸ケーブル１５
が接続され、これにより渦電流センサに直流電源が供給
されるとともに、該ケーブル１５は発振信号を出力する
出力線の役割を果たしている。

【００２０】ここで、センサコイル１１は空芯渦巻状で
あり、この実施形態においては２ターン程度のものが採
用されている。発振回路を構成する能動素子部を搭載し
た基板１２は、空芯渦巻状のセンサコイル１１に対して
直交するように配置されている。これにより、センサコ
イルが能動素子部を搭載した基板上の導電性材料に渦電
流を生じさせない。即ち、仮にセンサコイル１１を能動
素子部を搭載した基板に平行に配置すると、センサコイ
ルから生じる磁束が回路基板上の導電材料中に渦電流を
生じさせ、渦電流センサとしてはこの渦電流損を検出す
ることとなり精度が劣化する。また、能動素子部を搭載
した基板においてもその基板上の導電性材料中に渦電流
が生じることはその動作上好ましいことではない。この
ようにして、センサコイル１１と、能動素子部を搭載し
た基板１２とを直交して配置することで、後述するよう
に例えば２００ＭＨｚ程度の高い発振周波数で精度良く
渦電流損失を計測することが可能となる。

【００２１】能動素子部１２には、例えばコルピッツ型
の発振回路が採用され、センサコイル１１のインダクタ
ンスと基板１２に搭載されたコンデンサのキャパシタン
スによりタンク回路が形成され、このタンク回路の発振
周波数により発振周波数が決定されることは上述したと
おりである。ここで、渦電流損に対応してセンサコイル
の等価的なインピーダンスのリアクタンス成分が変化
し、これにより発振周波数が移動する点も上述したとお
りである。

【００２２】本発明の実施形態においては、センサコイ
ル１１のインダクタンス値と能動素子基板１２に搭載さ
れたコンデンサのキャパシタンス値とを選択することに
より、約２００ＭＨｚ程度のＶＨＦ帯の発振周波数とな
るように設定している。この発振周波数を選択すること
により、渦電流損を発生する導電性膜比抵抗に対応した
検出感度が得られる。即ち、化学機械的研磨の対象とな
る導電性膜としては、一般にタンタル（Ｔａ）膜のバリ
ア層が形成され、その上に銅（Ｃｕ）のメッキ層が形成
されている。ここで、タンタル（Ｔａ）膜の比抵抗は１
６０Ωｍ程度であり、銅（Ｃｕ）の比抵抗は１．６Ωｍ
程度であり、約１００倍の差がある。ここで、導電性膜
が銅（Ｃｕ）である場合には、発振周波数は図２（ａ）
に示すように約２０ＭＨｚ程度で良好な検出精度が得ら
れる。即ち、銅（Ｃｕ）の膜厚が十分に大きい場合に
は、発振周波数は２０．７ＭＨｚ程度が得られ、銅（Ｃ
ｕ）の膜が殆ど除去された状態では発振周波数は２０．
０ＭＨｚ程度となる。このため、膜厚が十分にある場合
とない場合との差が０．７ＭＨｚ程度の十分な検出幅が
得られる。これに対して、バリア層として用いられるタ
ンタル（Ｔａ）膜の場合には、タンタル（Ｔａ）膜の膜
厚が十分に厚い場合には１８７ＭＨｚ程度の発振周波数
が得られ、タンタル（Ｔａ）膜の膜厚がほぼ０となった
場合には発振周波数は１８４ＭＨｚ程度となる。この場
合にも上述と同様に３ＭＨｚ程度の十分な検出幅が得ら
れる。

【００２３】ここで、バリア層となるタンタル（Ｔａ）
膜の膜厚はオングストロームオーダであり、銅（Ｃｕ）
の膜厚はμｍオーダである。従って、図１に示す渦電流
センサによれば、バリア層を形成する極めて薄いタンタ
ル（Ｔａ）膜に対してその研磨の進行状況を検出するこ
とが可能となる。即ち、発振周波数を７ＭＨｚとした銅
膜の検出においては、研磨の終点が例えば１０００Å程
度の誤差が生じるが、極めて薄い膜厚のタンタル（Ｔ
ａ）層の研磨の終点を発振周波数を約１８０ＭＨｚとし
て検出することで、オングストロームオーダのバリア層
の研磨終点の検出が可能となる。これにより、研磨終点
の検出精度を格段に向上させることができる。

【００２４】図３は、渦電流センサによる渦電流損の検
出回路を示す。渦電流センサは、上述したようにセンサ
コイル１１と、このセンサコイルとタンク回路を形成す
るコンデンサ１６，１７と、トランジスタ等からなる能
動回路素子１８とにより構成されている。キャパシタン
スは、固定キャパシタ１６と可変キャパシタ１７とから
なり、この可変キャパシタ１７により後述するように自
動周波数調整回路を構成している。渦電流センサ１０に
は同軸ケーブル１５を介して分周器または減算器６１お
よび波形変換を行うディストリビューションボード５４
が接続されている。ここで同軸ケーブル１５は上述した
ように電源の供給線と信号線とを兼ねていて、渦電流セ
ンサ１０の発振信号は、結合コンデンサを介して発振信
号検出回路に接続され、インタフェースボード５３側か
ら直流電源が供給される。ここで、分周回路は検出した
発振周波数を逓降するものであるが、減算器によれば変
化分に対する固定分の多くの部分を減算して除くことに
より、分解能を高めることができる。

【００２５】プロセッサ５５内の発振信号検出部は、研
磨の進行に伴う渦電流損の変化から研磨の進行状況を検
出するものであり、以下に述べる大略２つの方式があ
る。第１の方式としては、発振信号の発振周波数の変化
を検出する方式である。図２に示すように、導電性膜の
研磨が進行すると、これに伴い渦電流損が変化し、セン
サコイルの等価的な抵抗値が変化する。従って、発振回
路の発振周波数が変化するので、この発振信号を分周回
路により分周し、または減算器により減算することによ
り、検出幅の周波数の大きさに対応した信号をモニタに
表示する。これにより、上述した図２に示すような周波
数軌跡の推移グラフが得られる。

【００２６】膜厚が十分に厚い場合には研磨の進行（時
間ｔの経過）に伴う渦電流損の変化は少なく、従って発
振周波数の変化も少ない。研磨が進行し、導電性膜の残
膜の厚さが薄くなると、渦電流損は急激に減少する。こ
のため、周波数も急激に下降する。そして、導電性膜の
残膜が完全になくなると、下地の酸化膜の研磨は進行す
るとしても、導電性膜自体が存在しなくなるので発振周
波数は略一定となる。従って、発振周波数が急激に下降
してそれから略一定に変化する点が研磨の終点となる。
渦電流センサの出力を移動平均処理した後に微分処理を
行い、この微分処理結果を観察することにより研磨の終
点を精度良く検出することが可能となる。

【００２７】そして、発振信号検出部で検出された発振
周波数を制御回路に伝達し、可変コンデンサ（バリキャ
ップ）１７のキャパシタンス値を変更することにより、
自動周波数調整（Automatic Frequency Tuning)により
発振周波数のずれの自動補正を行うことができる。これ
によりセンサの自己発振周波数の変動を抑え、センサの
個体差をなくすことにより渦電流センサからの出力信号
周波数の感度の安定化を行え、且つ渦電流センサ自体の
製作精度によるバラツキをなくすことができる。自動
振幅制御（ＡＬＣ）方式を用いて、発振回路の発振振幅
の安定化を行ない、振幅を一定にするためには、図４に
示すように、発振信号検出回路内に高周波振幅検出器２
４を設け、検出された信号の大きさを比較器２５にて基
準振幅信号と比較し、これにより減衰器２６を操作する
ことで振幅を一定に制御することができる。このような
回路を導入することで、渦電流センサの高周波信号から
ＴＴＬレベル信号変換時の動作安定とＳ／Ｎ比を安定に
することができる。

【００２８】渦電流センサの発振周波数信号を周波数の
時間勾配変化としてとらえ、即ち発振周波数の時間微分
信号を演算し、この特徴点により研磨終点の判定が行え
る。図５（ａ）は発振周波数自体の時間ｔの推移軌跡を
示し、図５（ｂ）はこの微分値の推移軌跡を示す。ここ
でＡはメタル層クリアを示し、Ｂはバリア一層目クリア
を示し、Ｃはバリア二層目のクリアを示す。この様に発
振周波数自体の変化は僅かでも、この微分値を観察する
ことで、オングストロームオーダのバリア層の研磨終点
の検出が容易に可能となる。

【００２９】第２の渦電流損の検出方式としては、セン
サコイル１１の渦電流損の等価インピーダンスの抵抗成
分をＬＣＲメータにより直接測定する。図３における信
号検出回路としてＬＣＲメータを用いることにより、図
６に示すようにモニタ画面には、横軸に抵抗Ｒ、縦軸に
リアクタンスＸが表示される。導電性膜の渦電流損が研
磨の進行に伴い変化することにより、導電性膜の渦電流
損の変化と共に抵抗値Ｒおよびリアクタンス値Ｘの軌跡
が推移する様子を観察することができる。即ち、点Ｂは
残膜量が多く、渦電流損失が大きい状態を示し、点Ａは
導電性膜が研磨の進行に伴いなくなり、渦電流損がなく
なり、インピーダンスメータ側から見た固定抵抗分のみ
となる状態である。図６に示すようにセンサのインピー
ダンス変化は、 ΔＲ≫ΔＸであり、リアクタンス成分（ΔＸ）よりは抵抗成分（Δ
Ｒ）がはるかに大きく変化することに着目している。な
お、渦電流センサを使用してポリッシング装置の動作を
させている時に、予め定めた範囲から測定結果が逸脱し
た場合には、センサ故障と判断し、エラー信号を発生さ
せる。そして、研磨を停止させることで異常時の影響を
最小限に止めることができる。

【００３０】図７は、本発明の第２の態様の渦電流セン
サを示す。センサコイル１０１は第１の実施形態の渦電
流センサと同様な空芯渦巻状のコイルであり、例えば、
２ターン程度のものが採用されている。センサコイル１
０１は研磨対象の導電性膜を備えた半導体ウエハＷの近
傍に配置される。センサコイル１０１に交流信号を供給
する信号源は、水晶発振器からなる固定周波数の発振部
１０２であり、例えば、８，１６，３２ＭＨｚの固定周
波数の信号源である。センサコイル１０１の両端で検出
される電圧は、発振部１０２の発振周波数を通過させる
バンドパスフィルタ１０３を通り、ｃｏｓ同期検波回路
１０５及びｓｉｎ同期検波回路１０６からなる同期検波
部により検出信号のｃｏｓ成分とｓｉｎ成分とが取り出
される。ここで、発振部１０２で形成される発振信号
は、位相シフト回路１０４により信号源の同相成分（０
゜）と直交成分（９０゜）の２つの信号が形成され、そ
れぞれｃｏｓ同期検波回路１０５とｓｉｎ同期検波回路
１０６とに導入され、上述の同期検波が行われる。

【００３１】同期検波された信号は、ローパスフィルタ
１０７，１０８により、信号成分以上の不要な高周波成
分が除去され、ｃｏｓ同期検波出力である抵抗成分
（Ｒ）出力と、ｓｉｎ同期検波出力であるリアクタンス
成分（Ｘ）出力とがそれぞれ取り出される。また、ベク
トル演算回路１０９により、Ｒ成分出力とＸ成分出力と
から振幅出力（√Ｒ^２＋Ｘ^２）が得られる。また、ベク
トル演算回路１１０により、同様にＲ成分出力とＸ成分
出力とから位相出力（ｔａｎ^−１Ｒ／Ｘ）が得られる。

【００３２】図８は、上記渦電流センサを用いた導電性
膜の膜厚の測定結果の一例を示す。横軸は抵抗成分
（Ｒ）であり、縦軸はリアクタンス成分（Ｘ）であり、
点Ａは膜厚が例えば１００μｍ以上と極めて大きい場合
である。この場合には、センサコイルから見たインピー
ダンスは、センサコイルに近接して配置された導電性膜
の渦電流損が極めて大きく、センサコイルから見た抵抗
成分（Ｒ）が極めて小さくなる。研磨が進行し導電性膜
が薄くなると、センサコイルから見た抵抗成分が増大
し、リアクタンス成分も増大する。センサコイルから見
た抵抗成分（Ｒ）が最大となる点をＢで示す。さらに研
磨が進行し、導電性膜がより薄くなると、センサコイル
から見た抵抗成分は、渦電流損が徐々に減少することか
ら、抵抗（Ｒ）成分は徐々に小さくなる。そして、導電
性膜が全て研磨により除去されると、そこには渦電流損
が存在せず、抵抗成分（Ｒ）はゼロとなり、センサコイ
ル自体の抵抗のみが残ることになる。この時のリアクタ
ンス成分（Ｘ）は、センサコイル自体のリアクタンス成
分である。この状態を、点Ｃで示す。

【００３３】実際に、例えばシリコン酸化膜中に設けら
れた溝に銅配線を、いわゆるダマシンプロセスで形成す
る場合には、シリコン酸化膜上に窒化タンタル（Ｔａ
Ｎ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等のバリア層が設けられ、
その上に導電率の高い銅又はタングステン等の金属配線
が設けられる。従って、これらの導電性膜の研磨にあた
っては、バリア層の研磨の終点検出が重要となる。とこ
ろが、バリア層は上述したように窒化タンタル（Ｔａ
Ｎ）又は窒化チタン（ＴｉＮ）等の導電率が比較的低
く、かつ膜厚がオングストロームオーダの極めて薄い膜
が採用されている。

【００３４】本発明の第２の実施形態の渦電流センサに
おいては、このようなバリア層の研磨終点近傍の膜厚検
出が容易に可能となる。即ち、図８に示す、点Ｄは例え
ば膜厚が１０００Å程度の位置を示し、これより膜厚が
ゼロとなる、点Ｃに向けて、膜厚の変化に対応して抵抗
成分の変化が極めて大きく、かつ略直線的に変化する。
この時に、リアクタンス成分（Ｘ）は、図示するように
抵抗成分と比較して、極めて変化量が小さい。このた
め、上述した第１の実施形態の渦電流センサは、リアク
タンス分の変化に伴って生じる発振周波数の変化に基づ
いて膜厚を検出するという基本的な考え方に基づいてい
るので、かかる原理に基づく渦電流センサでは、この膜
厚変化に対して発振周波数の変化は極めて小さい。この
ため、周波数変化の分解能を上げるためには、上述した
ように周波数を高くする必要があった。しかしながら、
この第２の実施形態の渦電流センサによれば、発振周波
数は固定したままで、抵抗成分の変化を見ることにより
膜厚の変化を検出するものであるので、比較的低い周波
数でこの極めて薄い膜厚の研磨状態を明瞭に観察するこ
とが可能となる。

【００３５】図９は、オングストロームオーダの微細な
導電性層の膜厚の検出結果を示す。それぞれ横軸は残膜
厚を示し、縦軸の実線は抵抗成分（Ｒ）を示し、点線は
リアクタンス成分（Ｘ）を示している。図９（ａ）は、
タングステン（Ｗ）膜に関するデータであり、１０００
Å以下の微細な残膜厚で抵抗成分の変化を見ることによ
り明瞭に膜厚の変化を検出できることがわかる。図９
（ｂ）は、窒化チタン（ＴｉＮ）膜に関するデータであ
り、同様に１０００Å以下の領域で膜厚の変化を明瞭に
検出できる。図９（ｃ）は、チタン（Ｔｉ）膜に関する
データであり、図示するように、膜厚が５００〜０Åに
変化する間に、その抵抗成分が約１００Ω強〜約０Ωに
変化することで、明瞭にその膜厚の変化を検出すること
ができる。

【００３６】信号源の発振周波数は、導電率が比較的低
いバリア層の検出では、発振周波数を例えば３２ＭＨｚ
程度に高くすることが望ましい。発振周波数を高くする
ことにより、バリア層の０〜２５０Åの膜厚の変化を明
瞭に観察することができる。これに対して、例えば銅膜
やタングステン膜等の導電率が比較的高い金属において
は、低い発振周波数でも明瞭に膜厚の変化の検出が可能
である。このように、研磨対象膜の種類に対応して、発
振周波数を選択することが好ましい。

【００３７】図９に示す各例において、抵抗成分（Ｒ）
の変化に対して、リアクタンス成分（Ｘ）の変化は極め
て小さい。バリア層の膜厚検出例で、タンタル膜におい
て、残膜厚が０Åと２５０Åでリアクタンス成分（Ｘ）
の変化は、０．００５％であった。これに対して抵抗成
分（Ｒ）の変化は、１．８％であった。よって、検出感
度の向上は従来のリアクタンス成分の変化を見る方式に
対して、約３６０倍検出感度が向上することになる。

【００３８】上述した膜厚の検出例は、主として抵抗成
分（Ｒ）の変化に着目したものである。しかしながら、
図７に示す渦電流センサにおいては、研磨の進行に伴う
振幅出力及び位相出力を取り出すことができる。従っ
て、これらの信号出力を用いることで、例えば位相の大
きさにより膜厚を計測するなど、より多面的な研磨の進
行状況のチェックが可能となる。

【００３９】図１０は、これらの渦電流センサを備えた
ポリッシング装置の全体構成を示す縦断面図である。図
１０に示されるように、ポリッシング装置は、ターンテ
ーブル４１と、半導体ウエハ４３を保持しつつターンテ
ーブル４１の研磨布４２に押圧するトップリング（保持
具）４５とを具備している。ターンテーブル４１はモー
タ４７に連結されており、矢印で示すようにその軸心回
わりに回転可能になっている。また、トップリング４５
は、モータ（図示せず）に連結されるとともに昇降シリ
ンダ（図示せず）に連結されている。これによって、ト
ップリング４５は、矢印で示すように昇降可能かつその
軸心回わりに回転可能になっており、半導体ウエハ４３
を研磨布４２に対して任意の圧力で押圧することができ
るようになっている。トップリング４５はトップリング
シャフト５２に連結されており、またトップリング４５
はその下面にポリウレタン等の弾性マット４７を備えて
いる。またトップリング４５の下部外周部には、半導体
ウエハ４３の外れ止めを行うガイドリング４６が設けら
れている。また、ターンテーブル４１の上方には研磨砥
液ノズル４８が設置されており、研磨砥液ノズル４８に
よってターンテーブル４１に貼設された研磨布４２上に
研磨砥液Ｑが供給されるようになっている。

【００４０】図１０に示すように、ターンテーブル４１
内には渦電流センサ１１，１０１が埋め込まれている。
渦電流センサ１１，１０１の接続ケーブル１５は、ター
ンテーブル４１およびターンテーブル支持軸４１ａ内を
通り、ターンテーブル支持軸４１ａの軸端に設けられた
ロータリコネクタ（又はスリップリング）１９を経由し
てコントローラ５５に接続されている。コントローラ５
５は表示装置（ディスプレイ）５６に接続されている。

【００４１】図１１は、図１０に示すポリッシング装置
の平面図である。図示するように、渦電流センサ１０ａ
〜１０ｆ（１１，１０１）は、トップリング４５に保持
された研磨中の半導体ウエハ４３の中心Ｃｗを通過する
位置に、この場合は６ヶ所に設置されている。符号Ｃ_Ｔ
はターンテーブル４１の回転中心である。渦電流センサ
１０ａ〜１０ｆは、半導体ウエハ４３の下方を通過して
いる間、通過軌跡上で連続的に半導体ウエハ４３のＣｕ
層およびバリア層等の導電性膜の膜厚を検出できるよう
になっている。ここで、渦電流センサの周波数を高低の
複数種類用いるようにしてもよい。これにより、高い方
でバリア層の膜厚変化を主として検出し、低い方で導電
層の膜厚変化を主として検出する等の管理を行うことが
できる。

【００４２】この場合は、渦電流センサを６ヶ所に配置
しているが、配置数は適宜変更することができる。ま
た、ターンテーブルに研磨布を配置した例について説明
したが、固定砥粒プレートを用いるようにしてもよい。
また、この場合には固定砥粒プレート内に渦電流センサ
を配置するようにしてもよい。なお、ターンテーブルは
１テーブルでなく複数テーブルタイプにも対応可能であ
る。また、ターンテーブルは研磨面を有するベルトやウ
エブ（Ｗｅｂ）に代用できる。

【００４３】上記構成のポリッシング装置において、ト
ップリング４５の下面に半導体ウエハ４３を保持させ、
半導体ウエハ４３を回転しているターンテーブル４１の
上面の研磨布４２に昇降シリンダにより押圧する。一
方、研磨砥液ノズル４８から研磨砥液Ｑを流すことよ
り、研磨布４２に研磨砥液Ｑが保持されており、半導体
ウエハ４３の被研磨面（下面）と研磨布４２の間に研磨
砥液Ｑが存在した状態でポリッシングが行われる。

【００４４】この研磨中に、渦電流センサ１０ａ〜１０
ｆは、ターンテーブル４１が一回転する毎にそれぞれ半
導体ウエハ４３の被研磨面の直下を通過する。この場
合、渦電流センサ１０ａ〜１０ｆは半導体ウエハ４３の
中心Ｃｗを通る軌道上に設置されているため、センサの
移動に伴って半導体ウエハ４３の被研磨面の円弧状の軌
道上で連続的に膜厚検出が可能である。そして、この場
合には、渦電流センサが６ヶ所に設けられているので、
断続的にではあるが短い間隔で研磨の進行状況をいずれ
かのセンサで検出できる。

【００４５】図１５に示す従来の渦電流センサを用いた
終点検出方法では、該渦電流センサをトップリング内に
設けていたため、半導体ウエハ上に形成されたＣｕ層等
の導電性膜の膜厚は渦電流センサの直下しか計測できな
いという欠点があった。この場合、トップリング側に埋
め込むセンサの数を増やせば、膜厚の計測箇処は増加す
るが、それでも、互いに離間した複数点（又は多数点）
の断続的な計測値が得られるにすぎず、連続したプロフ
ァイルとしての計測値を得ることができないという問題
点があった。またセンサ数の増加に伴って、装置コスト
が増加するとともに信号処理が複雑になるという問題点
があった。ターンテーブルに渦電流センサを配置した本
方式では、研磨中に、渦電流センサは、ターンテーブル
が一回転する間に半導体基板の被研磨面の直下を通過す
る。この場合、渦電流センサは半導体基板の中心を通る
軌道上に設置されているため、センサの移動に伴って半
導体基板の被研磨面の円弧状の軌道上で連続的に膜厚検
出が可能である。

【００４６】図１２（ａ）（ｂ）に示すように、研磨が
進行するにつれて、渦電流センサ１０ａ〜１０ｆの信号
をコントローラ１２で処理した値は漸次減少してゆく。
即ち、導電性膜の膜厚が減少するにつれて、渦電流セン
サ１０ａ〜１０ｆの信号をコントローラ１２で処理した
値である検出値が減少してゆく。したがって、予め、導
電性膜が配線部を除いて除去されたときの検出値の値を
調べておけば、検出出力の値をモニターすることによ
り、ＣＭＰプロセスの終点を検出できる。

【００４７】図１３は、膜厚と発振周波数との関係を較
正した例を示す。例えば、１０００Å（ｔ_１）または２
００Å（ｔ_２）等の基準ウエハを準備し、この基準ウエ
ハにおける発振周波数ｆ_１，ｆ_０等の周波数を測定し、
これらの点を基準点とする。そして、実際の研磨の進行
状況に伴う周波数に対する膜厚変化のデータを取得し、
これを点線で示す。この手法は、抵抗成分出力の検出に
も同様に適用が可能である。このデータを上記基準点に
対して最小二乗法等の手法によりカーブを形成する。こ
のような手法により、渦電流センサの特性を較正してお
くことで、検出出力の変化から直接膜厚の変化を読みと
ることが可能となる。このような渦電流センサを多数備
えたポリッシング装置によれば、終点検出を半導体ウエ
ハの全面について行うことができ、且つ短時間間隔で行
うことができる。そして、上述したようにバリア層であ
るＴａ、ＴａＮ、ＴｉＮ層等の研磨終点を検出できるの
で、極めて高精度の研磨終点の検出を行える。

【００４８】また、導電性膜が配線部を除いて除去され
ることを渦電流センサと光学式センサの両者からの信号
を処理し、モニターすることにより検出し、ＣＭＰプロ
セスの終点を決定するようにしてもよい。図１４は、こ
のようなポリッシング装置の構成例を示す。ベルト状研
磨パッド７１がローラ７２，７３により回転駆動され、
トップリング（保持具）７５に保持された研磨対象物
（半導体ウエハ）が回転しつつ研磨パッド７１に押圧さ
れる。研磨対象物の被研磨面は研磨パッド（研磨面）に
摺接され、これにより研磨が進行する。トップリングの
直下には、上記渦電流センサと光学式センサを備えた支
持体７６が配置され、被研磨面の表面状態をモニタす
る。ここで、穴７７（図１４（ａ）参照）及び切欠き７
８（図１４（ｂ）参照）は、光学式センサが研磨面の表
面状態を観察するためのものである。

【００４９】本実施の形態においては、導電性膜として
ＣｕおよびＴａ層について説明したが、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ
等の他の金属であってもよい。また、渦電流センサ信
号、ターンテーブルモータもしくはトップリングモー
タの電流信号、テーブル内もしくはテーブル外に設け
た光学的手段研磨面への入射および反射の光学信号、
研磨面の温度信号を単独または適切なる組合せにより使
用することにより、研磨終点の検出性能を向上させるこ
ともできる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ポ
リッシング装置における研磨終点の検出を安定に、且つ
高精度で行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の渦電流センサの概略構成を示す透視斜
視図である。

【図２】研磨の進行に伴う発振周波数の変化を示すグラ
フである。

【図３】渦電流センサの発振信号の検出回路を示す図で
ある。

【図４】図３における振幅調整回路を示す図である。

【図５】（ａ）は発振周波数の推移軌跡を示す図であ
り、（ｂ）は発振周波数の時間微分値の推移軌跡を示す
図である。

【図６】ＬＣＲメータによる等価インピーダンスの推移
軌跡を示す図である。

【図７】本発明の第２の実施形態の渦電流センサの構成
を示すブロック図である。

【図８】図７に示す渦電流センサによる膜厚の変化に伴
う抵抗成分（Ｒ）・リアクタンス成分（Ｘ）の推移軌跡
を示す図である。

【図９】膜厚の変化による抵抗成分（Ｒ）及びリアクタ
ンス成分（Ｘ）の変化例を示す図である。

【図１０】本発明のポリッシング装置の全体構成を示す
縦断面図である。

【図１１】図１０に示すポリッシング装置のターンテー
ブルの平面図である。

【図１２】図１０に示す装置における発振信号の検出例
を示す図である。

【図１３】渦電流センサの発振周波数と膜厚の較正例を
示す図である。

【図１４】本発明の他のポリッシング装置の構成例を示
す斜視図である。

【図１５】従来のポリッシング装置の主要部を示す図で
ある。

【符号の説明】

１０（１０ａ〜１０ｆ）渦電流センサ１１センサコイル１２能動素子部（基板）１３箱体１５同軸ケーブル２０直流電源２１発振信号検出回路４１ターンテーブル４２研磨布４３半導体ウエハ４５トップリング（保持具）４８砥液供給ノズル４９トップリングシャフト５０Ａ，５０Ｂ渦電流センサ５１配線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者須藤康成東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内Ｆターム(参考） 2F063 AA16 BA26 BB02 BC09 BD13 CA08 CA09 DA01 DA05 DD06 GA08 KA02 LA12 NA07 ZA01 3C034 AA13 AA19 BB92 CA02 CA13 CB03 3C058 AA07 AA13 AC02 BA07 BA13 BB02 BC02 CB01 DA13 DA17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性膜に生じる渦電流損の変化から前
記導電性膜の膜厚を検出する渦電流センサにおいて、前記導電性膜に渦電流を生じさせるセンサコイルと、該
コイルに接続され前記渦電流損に対応して可変周波数を
発振する能動素子部とが一体的に構成されたことを特徴
とする渦電流センサ。
【請求項２】前記発振回路の発振周波数は、ＶＨＦ帯
であることを特徴とする請求項１記載の渦電流センサ。
【請求項３】前記渦電流損の変化を発振周波数の変化
として検出することを特徴とする請求項１記載の渦電流
センサ。
【請求項４】基板を保持するトップリングと研磨面を
有したターンテーブルとを備え、基板上に半導体デバイ
スを形成した面を前記研磨面に摺接させて研磨するポリ
ッシング装置において、前記基板の被研磨面の下方又は上方に前記基板上の被研
磨面に形成された導電性膜の膜厚を計測できる渦電流セ
ンサを設け、該渦電流センサは、前記導電性膜に渦電流を生じさせる
センサコイルと、該コイルに接続され前記渦電流損に対
応して可変周波数を発振する発振回路とが一体的に構成
されたことを特徴とするポリッシング装置。
【請求項５】前記渦電流センサは、前記ターンテーブ
ルの研磨面の下方に複数個配置されていることを特徴と
する請求項４記載のポリッシング装置。
【請求項６】導電性膜に生じる渦電流損の変化から前
記導電性膜の膜厚を検出する渦電流センサにおいて、前記導電性膜に渦電流を生じさせるセンサコイルを備
え、該センサコイルと前記導電性膜により形成されるイ
ンピーダンスのうち、抵抗成分の変化から前記導電性膜
の膜厚の変化を検出することを特徴とする渦電流セン
サ。
【請求項７】前記抵抗成分に加え、リアクタンス分、
位相及び振幅の変化を出力することを特徴とする請求項
６記載の渦電流センサ。