JP2006191101A - 金属残留物の検査装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】化学機械的な研磨工程を実施した後、金属残留物の残留有無及び残留する厚さを迅速かつ効果的に検出することのできる金属残留物の検査装置及びこれを用いた検査方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る金属残留物の検査装置は、化学機械的な平坦化工程が進行したウェーハの上部層に一定の波長の光を放出する光放出器と、前記ウェーハの上部層からの反射光を受光する光検出器と、前記光検出器によって受光された反射光が伝達され、前記反射光から派生した情報をイメージで出力するイメージ出力器とを含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体素子の製造のための半導体製造装置及び方法に関し、より詳細には、化学機械的な平坦化工程後にタングステン及び銅などの金属残留物を検査するための検査装置及び検査方法に関する。

化学機械研磨法（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）は、化学的な反応と機械的な力を用いてウェーハの表面を平坦に研磨する工程を意味する。このようなＣＭＰ工程は、大別すると酸化ＣＭＰ工程と金属ＣＭＰ工程とに分類される。

酸化ＣＭＰ工程は、半導体素子の層間平坦化または層絶縁のために主に用いられる。これは露光工程において微細なパターンを形成するために、より短波長のビームを要する半導体素子のデザインルールによるものである。即ち、露光マージンが減少することにより小型化する半導体素子の完璧な平坦化が必要である。

一方、金属ＣＭＰ工程は、配線膜を形成するためのダマシン工程、及びプラグとプラグ上の配線膜を同時に形成するためのデュアルダマシン工程に適用される。このようなＣＭＰ工程を行う装置であるＣＭＰ装置は、研磨しようとする膜質を有するウェーハを支持するウェーハキャリアと、供給されるスラリーによってウェーハが研磨されるようにするポリシングパッドとを備える。

ところが、金属ＣＭＰ工程後にはエンドポイント検出の不正確さ、または研磨除去率の低下などの理由によって金属残留物が発生するが、これらはＣＭＰ工程後のクリーニング工程によっても完全に除去されない。このような金属残留物の問題は、金属ＣＭＰ工程では前記金属層を過剰研磨することで解決できる。通常、金属ＣＭＰ工程では研磨粒子が相対的に大きいため、金属層の研磨率が前記金属層の下部にある絶縁層の研磨率より大きい。
したがって、前記絶縁膜は金属ＣＭＰ工程においてストッパーとしての機能を果たす。

しかしながら、金属層を過剰研磨することは次のような他の問題を引き起こす。
即ち、前記金属層の下部に位置した絶縁膜のストッピング効果は、媒質の密な領域よりは媒質の疎の領域でさらに優れるため、金属ＣＭＰ工程が完了した後、絶縁膜の厚さが素子内で変動し、結果的に半導体素子の信頼性を落とす。
したがって、過剰研磨をしなくとも金属層を正確、かつ完全に除去しなければならないという必要性が求められ、このために金属残留物の正確な検出方法に関する研究が進められている。

通常、化学機械的な平坦化工程後には、前記残留物を検出するための検査工程が行われるが、従来は顕微鏡を用いた肉眼検査方法を主に用いてウェーハを一枚ずつ検査している。しかしながら、かかる従来の検査方法は、非常に薄厚の残留物または金属膜を検出するのに限界がある。

前記の残留物を検出するための他の従来の検出方法としては、別の欠陥検査装置を用いる方法がある。この方法では別の欠陥検査装置を用いてウェーハ内の標準チップとサンプルチップのイメージを比較する。ところが、この装置を用いて全てのウェーハを検査する場合には、チップの個数が増加するほど検査に必要な時間が長くなり、生産性が低下するという問題があるので、この装置を化学機械的な平坦化工程後の検査装置として用いるのには限界がある。また、前記の欠陥検査装置は、標準チップとイメージが異なって検出される場合、全て不良処理されるので、正常なのか否かを判断するために追加で精密検査をしなければならないという問題点があった。

本発明は上記の問題点を解決するために案出されたもので、その目的は、化学機械的な研磨工程を実施した後、金属残留物の残留有無及び残留する厚さを迅速かつ効果的に検出することのできる金属残留物の検査装置及びこれを用いた検査方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る金属残留物の検査装置は、化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）工程が進行されたウェーハの上部層に一定の波長の光を放出する光放出器と、前記ウェーハの上部層からの反射光を受光する光検出器と、前記光検出器によって受光された反射光が伝達され、前記反射光から派生した情報をイメージで出力するイメージ出力器とを含むことを特徴とする。

前記光検出器は偏光フィルターを含んでおり、前記ウェーハの上部層からの反射光を前記偏光フィルターを介して受光することが好ましい。

前記金属残留物の検査装置は光源をさらに含み、前記光放出器は前記光源から一定の波長の光が伝達され前記ウェーハの上部層に放出することが好ましい。

前記金属残留物の検査装置は光伝送手段をさらに含み、前記光放出器は前記光伝送手段を介して前記光源から一定の波長の光が伝達され、前記光検出器は前記光伝送手段を介して前記反射光を前記イメージ出力器に伝送することが好ましい。

前記光伝送手段は、光の損失を最小化するために単一の光繊維またはスプリット光繊維の束であることが好ましい。

前記イメージ出力器は前記反射光の波長をイメージで出力するスペクトロメータを含むことが好ましいが、これは、前記スペクトロメータから出力される反射光の波長を用いて金属残留物の厚さを測定できるからである。

前記光放出器と光検出器は一体型で構成され、本発明の金属残留物の検査装置は、前記光放出器と、前記光検出器がウェーハ上を一定の速度でスキャンするように制御するマイクロコントローラーとを含むことが好ましい。

前記光放出器は、４００〜８９０ｎｍの波長を有する光を放出することが好ましい。

前記光放出器と前記光検出器は一体型で構成され、前記ウェーハ上を一定の速度でスキャンすることが好ましい。

一方、上記目的を達成するための本発明の他の側面としての金属残留物の検査方法は、金属膜の化学機械的な研磨工程が進行したウェーハの上部層に一定の波長の光を放出する段階と、前記放出された光が前記ウェーハの上部層から反射された反射光を検出する段階と、前記検出された反射光の波長をイメージで出力することで、金属残留物の厚さを表示する段階とを備えることを特徴とする。

前記一定の波長の光を放出する段階は、光源から一定の波長の光を単一の光繊維またはスプリット光繊維の束を介して光放出器に伝送する段階、及び前記光放出器を介して前記伝送された光を前記ウェーハの上部層に放出する段階を備えることが好ましい。

一般的に、半導体素子を形成する物質としては、Ｓｉ、ＰＥＴＥＯＳ、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＦＳＧ、ＳＲＯなどの酸化膜質と、電気配線及びプラグなどを形成する金属物質、例えばＡｌ、Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮなどがある。ところが、この種の金属物質は各物質ごとに光に対する固有の反射率を有しているため、一定の波長の光が入射される場合、金属物質から反射される光は各金属物質によって独特な一定の範囲の波長を有する。また、同一の金属物質であってもその厚さによって反射光の波長は可変的である。

本発明の金属残留物の検査装置及び検査方法はこのような原理を用いたもので、金属残留物から反射される光の波長を測定することで金属残留物の厚さを把握することができる。

本発明の実施例による金属残留物の検査装置及び方法によれば、パターン領域及びＷＥＥ（Wafer Edge Exclusion）領域を含むウェーハの全体面積に対して金属残留物の残留有無及び残留する厚さなどを迅速かつ効果的に検出することができ、自動化による生産性の向上が図れるという効果がある。

以下、本発明の好適な実施例について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の好適な実施例は残留金属がタングステン（Ｗ）である場合に特定しているが、タングステン残留物の検査だけに限定されず、本発明の実施例は様々な他の形態に変形可能であり、本発明の範囲が後術する実施例に限定されるわけではない。

図１Ａ乃至図１Ｃは、タングステン膜の厚さによる反射光の波長を示す図面である。図１Ａ乃至図１Ｃを参照すると、ウェーハ上のタングステン層に対する化学機械的な平坦化工程が進行した後、タングステン残留物が膜の形態で残留する場合、前記ウェーハの上部層に光を放出し、その反射光を検出してその波長を観察すると、前記ウェーハの上部層に残留しているタングステンの膜質の厚さによって、図１Ａ乃至図１Ｃに示したように、互いに異なる波長を現す。前記図１Ａ乃至図１Ｃは、それぞれ６０００Å、３０００Å、７００Åの厚さを有するタングステン膜から反射される波長を示す。

このように、金属残留物の厚さによって互いに異なる波長が検出される原理を用いると、平坦化後の金属残留物の残留有無及び残留する厚さを迅速かつ効果的に測定することができる。

図２は本発明の実施例による金属残留物の検査装置の概略的な構成図を示すものである。
図２に示したように、本発明の実施例による金属残留物の検査装置は、ウェーハ１０上に一定の波長の光を放出する光放出器１２、前記ウェーハ１０の上部層からの反射光を偏光フィルター１４′を介して受光する光検出器１４、前記光検出器１４によって受光された反射光が伝達され、前記反射光の波長をイメージで出力するスペクトロメータを有するイメージ出力器１６、及び前記イメージ出力器１６を前記光放出器１２及び光検出器１４とそれぞれ連結することで、これらの間に伝送される光の通路の役割をする光伝送手段１５を含む。

前記光伝送手段１５は、伝達される光の損失を最小化するために光繊維が用いられることが好ましいが、この際、前記光繊維は単一の光繊維またはスプリット光繊維の束である。

また、前記イメージ出力器１６は光源（図示せず）を含んでおり、前記光放出器１２は前記光伝送手段１５を介して前記光源から一定の波長の光が伝達され、前記ウェーハ１０上に放出する。前記光源からの光は４００〜８９０ｎｍの波長を有する。

一方、本発明の好ましい実施例によれば、前記光放出器１２と前記光検出器１４とは一体型に構成され、前記イメージ出力器１６内にまたは別途に備えられるマイクロコントローラー（図示せず）によって前記ウェーハ１０上を矢印方向に一定の速度でスキャンするように制御される。

以上の本発明に係る金属残留物の検査装置の順次作動を説明すると次の通りである。

金属配線の形成のためのダマシン工程などに適用される金属ＣＭＰ工程が行われた後、前記マイクロコントローラーは、前記光放出器１２がウェーハ１０上をスキャンし、前記光源から伝達された一定の波長の光を放出するように制御する。
前記光源から前記光放出器１２への光の伝達は光伝送手段１５を介して行われる。

次に、前記光放出器１２から放出された光はウェーハ１０の表面から反射し、光検出器１４へ入射する。前記光検出器１４は、前記光放出器１２と一体型に構成されているため、前記光放出器１２と共に矢印方向に動作し、前記光放出器１２が光を放出することとほぼ同時に前記ウェーハの上部層から反射光を受光する。前記光検出器１４はこのように受光した反射光を前記光伝送手段１５を介してイメージ出力器１６に伝送する。

一方、前記光検出器１４は偏光フィルター１４′を備える。前記偏光フィルター１４′は光を波長によって選択的に通過させる一種の光フィルターである。

前記光伝送手段１５を介して反射光を伝達された前記イメージ出力器１６は、スペクトロメータによってその波長を計算し、ＬＣＤのようなディスプレイ装置（図示せず）を介して反射光の波長をイメージで出力することで金属残留物の残留有無及び残留する厚さが分かる。

例えば、非定型の金属残留物が残留するウェーハの場合には光検出器に金属残留物の波長が検出され、金属残留物が残留しないウェーハの場合には前記タングステン残留物による波長が検出されない。
したがって、このデータを用いてタングステン残留物の残留有無をイメージ化することができ、また、残留の厚さもイメージで出力することができる。

以上、本発明を好適な実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は上記の実施例に限定されず、本発明の技術的な思想内で当分野で通常の知識を有する者によって多様な変形が可能である。

タングステン膜の厚さによる反射光の波長を示す図面である。 タングステン膜の厚さによる反射光の波長を示す図面である。 タングステン膜の厚さによる反射光の波長を示す図面である。 本発明の実施例による金属残留物の検査装置の概略的な構成図である。

Claims (14)

1. 化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）工程が進行されたウェーハの上部層に一定の波長の光を放出する光放出器と、
   前記ウェーハの上部層からの反射光を受光する光検出器と、
   前記光検出器によって受光された反射光が伝達され、前記反射光から派生した情報をイメージで出力するイメージ出力器とを含むことを特徴とする金属残留物の検査装置。
2. 前記光検出器は偏光フィルターを含んでおり、前記ウェーハの上部層からの反射光を前記偏光フィルターを介して受光することを特徴とする請求項１に記載の金属残留物の検査装置。
3. 前記金属残留物の検査装置は光源をさらに含み、前記光放出器は前記光源から一定の波長の光が伝達され前記ウェーハの上部層に放出することを特徴とする請求項１に記載の金属残留物の検査装置。
4. 前記金属残留物の検査装置は光伝送手段をさらに含み、前記光放出器は前記光伝送手段を介して前記光源から一定の波長の光が伝達されることを特徴とする請求項３に記載の金属残留物の検査装置。
5. 前記金属残留物の検査装置は光伝送手段をさらに含み、前記光検出器は前記光伝送手段を介して前記反射光を前記イメージ出力器に伝送することを特徴とする請求項１に記載の金属残留物の検査装置。
6. 前記光伝送手段は単一の光繊維またはスプリット光繊維の束であることを特徴とする請求項５に記載の金属残留物の検査装置。
7. 前記イメージ出力器は前記反射光の波長をイメージで出力するスペクトロメータを含むことを特徴とする請求項１に記載の金属残留物の検査装置。
8. 前記光放出器と光検出器は一体型で構成されることを特徴とする請求項１に記載の金属残留物の検査装置。
9. 前記金属残留物の検査装置は、前記光放出器と、前記光検出器がウェーハ上を一定の速度でスキャンするように制御するマイクロコントローラーとを含むことを特徴とする請求項１に記載の金属残留物の検査装置。
10. 前記一定の波長の光は４００〜８９０ｎｍの波長を有することを特徴とする請求項１に記載の金属残留物の検査装置。
11. 金属膜の化学機械的な研磨工程が進行したウェーハの上部層に一定の波長の光を放出する段階と、
    前記放出された光が前記ウェーハの上部層から反射した反射光を検出する段階と、
    前記検出された反射光の波長をイメージで出力することで、金属残留物の厚さを表示する段階とを備えることを特徴とする金属残留物の検査方法。
12. 前記一定の波長の光は４００〜８９０ｎｍの波長を有することを特徴とする請求項１１に記載の金属残留物の検査方法。
13. 前記一定の波長の光を放出する段階は、
    光源から一定の波長の光を光放出器に伝送する段階、及び前記光放出器を介して前記伝送された光を前記ウェーハの上部層に放出する段階を備えることを特徴とする請求項１１に記載の金属残留物の検査方法。
14. 前記一定の波長の光を伝送する段階は、単一の光繊維又はスプリット光繊維の束を介して行われることを特徴とする請求項１３に記載の金属残留物の検査方法。

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