JP2005251924A

JP2005251924A - ウエハの保持部材からの飛び出し検出方法、ウエハ部分割れ検出方法、及びｃｍｐ装置におけるウエハの飛び出し検出方法、ｃｍｐ装置におけるウエハの部分割れ検出方法、及びウエハの保持部材からの一部飛び出し検出方法

Info

Publication number: JP2005251924A
Application number: JP2004059165A
Authority: JP
Inventors: Susumu Hoshino; 進星野
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】特別のセンサを設けないで、ウエハの飛び出しや部分割れを検出する方法を提供する。
【解決手段】研磨終点検出器の光源７から照射された光は、ビームスプリッタ８を透過してウエハ２の表面で反射される。その反射光はビームスプリッタ８で反射され、分光器９により分光されて、ウエハ２の分光反射率が測定され、それに基づいて研磨終了点が検出される。ウエハ２の飛び出しが起こると、ウエハホルダ１の表面の分光反射率が検出されることとなる。この分光反射率は、通常のウエハ２が有する分光反射率とは非常に異なっており、演算装置６においては異常値として検出される。よって、この異常値が検出されたとき、ウエハ２の飛び出しが発生したものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＭＰ研磨装置において、ウエハが保持部材から飛び出したり、その一部が飛び出したり、ウエハに部分割れが発生したことを検出する方法に関するものである。

半導体集積回路の高集積化、微細化に伴って半導体製造プロセスの工程が増加し、複雑となってきている。これに伴い、半導体デバイスの表面状態が必ずしも平坦ではなくなってきている。表面における段差の存在は配線の段切れ、局所的な抵抗値の増大などを招き、断線や電流容量の低下等をもたらす。又、絶縁膜では耐圧劣化やリークの発生にもつながる。

一方、半導体集積回路の高集積化、微細化に伴って光リソグラフィの光源波長は短くなり、開口数いわゆるＮＡが大きくなってきていることに伴い、半導体露光装置の焦点深度が実質的に浅くなってきている。焦点深度が浅くなることに対応するためには、今まで以上にデバイス表面の平坦化が要求される。

このような半導体デバイスの表面を平坦化する方法としては、化学的機械的研磨（Chemical Mechanical PolishingまたはChemical Mechanical Planarization、以下ではＣＭＰと称す）技術が広く行われている。現在、ＣＭＰ技術はシリコンウェハの全面を平坦化できる唯一の方法である。

ＣＭＰはシリコンウェハの鏡面研磨法を基に発展しており、図４に示すようなＣＭＰ装置を用いて行われている。２１は研磨対象物であるウエハ２２を保持しながら回転を与えるウエハホルダであり回転駆動機構２３を有している。このウエハホルダ２１に対面して研磨パッド２４が貼り付けられた回転プラテン２５及びその回転駆動機構２６があり、これら研磨パッド２４、回転プラテン２５、回転駆動機構２６は、回転式揺動アーム２７により揺動を与えられると共に、上下方向に駆動される。

このようなＣＭＰ研磨装置を使用して研磨を行う際には、ウエハ２２及び研磨パッド２４を高速回転させ、回転式揺動アーム２７を図示されていない上下駆動機構により下降させて、研磨パッド２４によりウエハ２２を加圧する。そして、研磨パッド２４とウエハ２２間に研磨剤であるスラリーを供給する。さらに、回転式揺動アーム２７を、図示されていない揺動駆動機構により破線矢印で示す如く揺動する。すると、研磨パッド２４とウエハ２２の相対回転及び揺動により、ウエハ２２の研磨が行われ、表面が平坦化される。すなわち、研磨パッド２４とウエハ２２の相対運動による機械的研磨と、スラリーによる化学的研磨の相乗作用により、良好な研磨が行われる。

このようなＣＭＰ研磨工程においては、ウエハ２２はウエハホルダ２１に真空吸着により吸着されて保持されている。しかし、研磨中には、ウエハ２２と研磨パッド２４との間に摩擦力が作用するので、この摩擦力がウエハ２２を吸着する力に打ち勝った場合、ウエハ２がＣＭＰ研磨装置から飛び出してしまうことが起こる。又、研磨中にウエハ２２の一部分に割れが入ったり、ウエハ２２が欠けたりすることが発生する。

ウエハ２２の飛び出しが発生すると、飛び出したウエハ２２がＣＭＰ研磨装置の構成部品に衝突し、これらを損傷させる恐れがある。そのため、従来から、ＣＭＰ研磨装置に光学式センサ等からなるウエハの飛び出し検出器を設け、ウエハの飛び出しが検知された場合には、直ちに装置を停止することが行われていた。その一例が特開２００３−５９８７６号公報に記載されている。

特開２００３−５９８７６号公報特開平１１−３３９０１号公報

しかしながら、従来の技術においては、研磨対象物であるウエハの飛び出しを検知するために、特別のセンサを設けなければならないという問題点があった。又、研磨対象物であるウエハの部分割れを検出する方法は開発されていなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされもので、特別のセンサを設けないで、ウエハの飛び出しや部分割れを検出する方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、ウエハの研磨中に当該ウエハ研磨面の光反射状態又はインピーダンスを検出して研磨量又は研磨終了点を判定する研磨終点検出器を備えたＣＭＰ研磨装置における研磨中のウエハの保持部材からの飛び出しを検出する方法であって、前記研磨終点検出器の光反射状態又はインピーダンスの出力を検出し、その出力が所定時間続けて異常となったときに前記ウエハが保持部材から飛び出したと判定することを特徴とするウエハの保持部材からの飛び出し検出方法（請求項１）である。

ＣＭＰ研磨装置には、研磨の終了点を判断するために研磨終点検出器が設けられている。このような研磨終点検出器は、ウエハの分光特性等の光反射状態を検出したり、ウエハの表面を含む部分のインピーダンスを渦電流検出装置により測定し、それらの測定量から研磨の終了点を検出している。

ウエハがＣＭＰ研磨装置のウエハ保持部材から飛び出した場合、研磨終了点検出器でウエハホルダの表面が測定されることとなり、通常のウエハを測定する場合とは極めて異なった異常な出力が検出される。よって、このような異常出力が所定時間（通常はウエハが１回転する時間）以上継続した場合、ウエハがウエハ保持部材から飛び出したと判定する。これにより、特別のウエハ飛び出し検出器を設けなくても、ウエハのＣＭＰ研磨装置からの飛び出しを検出することができる。

前記課題を解決するための第２の手段は、ウエハの研磨中に当該ウエハ研磨面の光反射状態又はインピーダンスを検出して研磨量又は研磨終了点を判定する研磨終点検出器を備えたＣＭＰ研磨装置における研磨中のウエハの部分割れ発生を検出する方法であって、前記研磨終点検出器の光反射状態又はインピーダンスの出力を検出し、その出力が所定時間周期で繰り返し異常となったときに前記ウエハに部分割れが発生したと判定することを特徴とするウエハ部分割れ検出方法（請求項２）である。

前記第１の手段の説明で述べたように、ウエハが無くなると、研磨終点検出器でウエハホルダの表面が測定されることとなり、研磨終点検出器の出力が異常となる。よって、ウエハの部分割れが発生した場合には、ウエハの回転に伴い、部分割れ部分が研磨終点検出器に対面する毎に研磨終点検出器の出力が異常となる。よって、研磨終点検出器の出力を検出し、その出力が所定時間周期で繰り返し異常となることを検出することにより、ウエハの部分割れを検出することができ、しかも、特別のセンサを設ける必要がない。

前記課題を解決するための第３の手段は、ウエハの研磨中に当該ウエハ研磨面の光反射状態又はインピーダンスを検出して研磨量又は研磨終了点を判定する研磨終点検出器を備えたＣＭＰ研磨装置において研磨中のウエハの保持部材からの一部飛び出しを検出する方法であって、前記研磨終点検出器の光反射状態又はインピーダンスの出力を検出し、その出力が所定時間周期で繰り返し異常となったときに前記ウエハが保持部材から一部飛び出したと判定することを特徴とするウエハの保持部材からの一部飛び出し検出方法（請求項３）である。

前記第１の手段の説明で述べたように、ウエハが無くなると、研磨終点検出器でウエハホルダの表面が測定されることとなり、研磨終点検出器の出力が異常となる。よって、ウエハの一部がウエハの保持部材から飛び出したときも、ウエハの回転に伴い、ウエハの無い部分が研磨終点検出器に対面する毎に研磨終点検出器の出力が異常となる。よって、研磨終点検出器の出力を検出し、その出力が所定時間周期で繰り返し異常となることを検出することにより、ウエハの一部がウエハの保持部材から飛び出したことを検出することができ、しかも、特別のセンサを設ける必要がない。

以上説明したように、本発明によれば、特別のセンサを設けないで、ウエハの飛び出しや部分割れを検出する方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態の例であるＣＭＰ装置におけるウエハの飛び出し（一部飛び出しを含む）検出方法、ＣＭＰ装置におけるウエハの部分割れ検出方法を適用するためのＣＭＰ研磨装置の概要を示す図である。

ウエハホルダ１には、ウエハ２が吸着により保持され、ウエハホルダ１の回転と共に回転している。研磨パッド３は回転プラテン４に貼り付けられ、回転プラテン４と共に回転し、ウエハ２に押し付けられている。ウエハ２と研磨パッド３の間には、図示しない研磨液供給装置から研磨液が供給され、回転プラテン４は、図示しない揺動アームにより矢印のように揺動させられる。

前述のように、研磨の終了点を判別するために、検出部５と演算装置６とからなる研磨終点検出器が設けられている。検出部５には、多成分の波長の光を照射する光源７、ビームスプリッタ８、分光器９が設けられており、矢印のようにウエハ２の半径方向に往復運動が可能となっている。光源７から照射された光は、ビームスプリッタ８を透過してウエハ２の表面で反射される。その反射光はビームスプリッタ８で反射され、分光器９により分光されて、ウエハ２の分光反射率が測定される。

演算装置６には、研磨が終了した時点でのウエハ２の分光反射率の基準値として、予め実測された値、又はシミュレーションより求められた分光反射率分布が記憶されている。そして、この研磨終点検出器で研磨中のウエハ２の表面の分光反射率をモニタし、その分布が基準となる分光反射率分布に一致したとき、又はそれとの差が小さくなったときに、研磨終了点に達したと判断する。その方法の詳細については、前記特許文献２中に詳細に説明されており、公知のものであるので説明を省略する。

このようなＣＭＰ研磨装置において、ウエハ２の飛び出しが起こると、ウエハホルダ１の表面の分光反射率が検出されることとなる。特定波長の反射率に着目すると、反射率は通常のウエハ２の反射率とは非常に異なっており、演算装置６においては異常値として検出される。よって、この異常値が検出されたとき、ウエハ２が、研磨終点検出器の検出範囲に無いものと判断する。

図２に示すパターンが形成されたウエハの研磨を例に説明する。図２において、シリコンウエハ上のSiＯ_２膜及びバリア層Ta上にメタル層Cuパターンが形成されている。メタル層Cuの550nmにおける反射率を100％とした場合、バリア層Taの反射率は約50％であるので、通常の研磨によりメタル層Cuからバリア層Ta及びCuパターンが露出するに至り、反射率特性は、図３（ａ）に示すような変化を示す。

これに対して、研磨ホルダーからウエハが飛び出してしまった場合は、研磨ホルダー(セラミック(例えば、酸化アルミナ)の反射率は約１％であり、従って、反射率特性の変化は図３（ｂ）に示すような急激な変化及び反射率値を示すので、この変化及び反射率値を検出したときは、ウエハが飛び出したものと判断する。

また、ウエハの一部が割れて欠けが発生した場合、あるいは研磨ホルダーからウエハの飛び出しが生じつつ(ウエハは、偏心状態でウエハホルダーに保持されている)、研磨パッドによる揺動行為によりかろうじてウエハが保持されている場合は、反射率特性の変化は図３（ｃ）に示すようにウエハ２が１同転するだけの時間(例えば、約0.1〜１sec)の周期で異常値が繰り返し発生するので、このような反射率特性を検出したときは、ウエハの欠けが発生した、あるいはいわゆるウエハが偏心状態になっている(ウエハが保持部材から一部飛び出している)ものと判断する。

通常は、ウエハ２に欠けが発生すると、その外周部付近の部分が無くなり、又、ウエハ２が飛び出した場合でも、ウエハ２が正常に保持されている場合の外周付近の部分にウエハ２が存在しなくなる。よって、研磨終点検出器の検出範囲は、ウエハ２の外周部付近に固定しておいてもよいが、研磨終点検出に使用するのに最適な視野場所が、ウエハ２の内側部分にある場合もある。このようなことを考慮し、又、検出部分を広くするために、図１に示すように、検出部５をウエハ２の半径方向に往復運動し、広い部分に亘って検出を行うことが好ましい。

なお、図１に示すものは、光学式の研磨終点検出器であるが、特にダマシンのための研磨を行う場合には、渦電流方式の研磨終点検出器が使用される場合がある。これは、ウエハ２にコイルを対面させ、このコイルに高周波の電流を流し、そのインピーダンスを検出するものである。ウエハ表面に銅やアルミ等の金属層があると、コイルによる高周波磁界によりこれらの金属層に渦電流が流れ、それにより発生する磁界によりコイルに誘導電流が発生するため、コイルのインピーダンスが変化する。この原理を応用して、表面金属の研磨が終了したかどうかを判断する
このような渦電流方式の研磨終点検出器においても、ウエハホルダ１の上にウエハ２が存在しなくなると、異常なインピーダンス変化が検出される。よって、これにより、光学式の終点検出器の場合と同様に、ウエハ２の飛び出しや部分割れの発生が検出できる。

異常値が検出された場合は、直ちにウエハホルダ１及び回転プラテン４の回転を停止する。また、ウエハホルダ１の昇降機構によりウエハホルダ１を上昇させてもよい。

本発明の実施の形態の例であるＣＭＰ装置におけるウエハの飛び出し（一部飛び出しを含む）検出方法、ＣＭＰ装置におけるウエハの部分割れ検出方法を適用するためのＣＭＰ研磨装置の概要を示す図である。シリコンウエハに形成されたパターンを示す図である。研磨時間に対する反射率特性の変化を示す図である。ＣＭＰ装置の概要を示す図である。

符号の説明

１…ウエハホルダ、２…ウエハ、３…研磨パッド、４…回転プラテン、５…検出部、６…演算装置、７…光源、８…ビームスプリッタ、９…分光器

Claims

ウエハの研磨中に当該ウエハ研磨面の光反射状態又はインピーダンスを検出して研磨量又は研磨終了点を判定する研磨終点検出器を備えたＣＭＰ研磨装置における研磨中のウエハの保持部材からの飛び出しを検出する方法であって、前記研磨終点検出器の光反射状態又はインピーダンスの出力を検出し、その出力が所定時間続けて異常となったときに前記ウエハが保持部材から飛び出したと判定することを特徴とするウエハの保持部材からの飛び出し検出方法。
ウエハの研磨中に当該ウエハ研磨面の光反射状態又はインピーダンスを検出して研磨量又は研磨終了点を判定する研磨終点検出器を備えたＣＭＰ研磨装置における研磨中のウエハの部分割れ発生を検出する方法であって、前記研磨終点検出器の光反射状態又はインピーダンスの出力を検出し、その出力が所定時間周期で繰り返し異常となったときに前記ウエハに部分割れが発生したと判定することを特徴とするウエハ部分割れ検出方法。
ウエハの研磨中に当該ウエハ研磨面の光反射状態又はインピーダンスを検出して研磨量又は研磨終了点を判定する研磨終点検出器を備えたＣＭＰ研磨装置において研磨中のウエハの保持部材からの一部飛び出しを検出する方法であって、前記研磨終点検出器の光反射状態又はインピーダンスの出力を検出し、その出力が所定時間周期で繰り返し異常となったときに前記ウエハが保持部材から一部飛び出したと判定することを特徴とするウエハの保持部材からの一部飛び出し検出方法。