JP2006507689A - 研磨制御のための方法および器具 - Google Patents

Abstract

後に研磨されるウエハの処理に影響を与えるために、インライン度量衡ステーション（３２３）によって、最初に研磨されたウエハから取得したデータを使用して、ＣＭＰステーションを閉鎖ループ制御することができる。第１ウエハは、インライン度量衡ステーション（３２３）によって研磨および測定される。度量衡スレーション（３２３）は、様々な地点において、アレイ誘電体の厚み（Ｔ１）、フィールド誘電体の厚み（Ｔ２）、バリア残留物の厚み（Ｔ３）、金属残留物の厚み（Ｔ４）を測定する。次に、このデータがアルゴリズムに入力され、研磨パラメータ出力が計算される。出力がＣＭＰステーション（３０３）へ送られ、過去の研磨パラメータの補助または代替として使用される。ＣＭＰステーション（３０３）において、後のウエハが、受信した研磨パラメータを用いて研磨される。

Description

発明の内容

（関連出願の相互参照）
本願は、２００２年１１月２２日付けで出願された米国仮出願第６０／４２８、５６９号に優先権を主張するものであり、この内容の全体を参照として本願に組み入れる。

背景

本発明は、一般にウエハの化学機械研磨（ＣＭＰ）に関し、より詳細には、インライン度量衡装置からのデータを使用するＣＭＰステーションの閉鎖ループ制御に関する。

ウエハ処理において難題であり必要な工程は、集積回路の層を形成した後のウエハの表面の平坦化である。ウエハ上に集積回路を製造するには、まず、ウエハの誘電性材料をエッチングして、表面にパターンを作成する。誘電性パターンのトレンチ内は、伝導性特徴部が形成される場所である。次に、銅のような伝導性材料がパターン加工された表面の上に重ねられる。ウエハのパターン加工した表面上に銅を重ねる上記工程によって、不均一なウエハ形状が作成される。誘電体上の金属残留物を除去して、漏電が生じないようにするために、ウエハを平坦化する必要がある。更に、集積回路層を続けて形成する場合には、ウエハの表面を十分に平坦にしなければならない。ウエハ表面を平坦化する方法の１つが、ＣＭＰを使用する方法である。

ＣＭＰステーションは、研磨ステーションにてウエハを載置し、研磨パッドを横断または周回させる形でこのウエハを移動させる。パッドと共に研磨スラリーを使用する。スラリーは、少なくとも１種類の化学反応性の薬剤を含有しており、また、研磨粒子を含有することもできる。ＣＭＰステーションは、複数の研磨ステーションを収納できる。各研磨ステーションは、独特の研磨パラメータと、研磨スラリー、パッド表面、付加圧力、研磨時間、度量衡装置のような技術とを採用することができる。いくつかのＣＭＰステーションでは、第１研磨ステーションが銅層を研磨する。その後、後に続く研磨ステーションがバリア材料と、集積回路の銅特徴部の一部分でない任意の銅とを研磨除去する。ウエハの研磨が不十分であると、ウエハの誘電体上に銅とバリア材料が残ったままになり、これが漏電を誘発する。過剰な研磨は、銅特徴部分を摩滅し過ぎてしまい、これにより集積回路の抵抗性と均一でない伝導性が増加する。

概要

本発明は、後に研磨されたウエハの処理に影響を与えるべく、インライン度量衡ステーションが最初に研磨されたウエハから取得したデータを使用することにより実施されるＣＭＰステーションの閉鎖ループ制御に関する。第１ウエハは、インライン度量衡ステーションによって研磨および測定される。度量衡ステーションは、アレイ誘電体の厚みとフィールド誘電体の厚みをその様々な地点において測定する。次に、このデータがアルゴリズムに入力され、研磨パラメータが計算される。パラメータがＣＭＰステーションへ送られ、過去の研磨パラメータの補助または代替として使用される。後のウエハは、ＣＭＰステーション上で、この改新された研磨パラメータを用いて研磨される。

一般に、ある態様において、本発明は、インライン度量衡ステーションを使用した化学機械研磨における閉鎖ループ制御のための方法を特徴とする。複数のウエハのうち第１ウエハのアレイ内の誘電体の厚みが、度量衡ステーションにて測定される。第１ウエハのアレイ内の誘電体の厚みから、少なくとも１つの研磨パラメータが決定される。複数のウエハのうち後のウエハは、この研磨パラメータを用いて研磨される。

別の態様においては、第１ウエハ全体の複数の地点において金属特徴部の厚みが測定される。複数の制約の下で最良の解決法を概算する第１ウエハの金属特徴部の厚みの測定値を用いて、少なくとも１つの研磨パラメータが計算され、これを参照することにより、複数のウエハのうちの後のウエハにおいて予想される金属特徴部の厚みの均一性が最大化される。複数のウエハのうち後のウエハは、この少なくとも１つの研磨パラメータを用いて研磨される。

更に別の態様では、複数のウエハのうちの第１ウエハが、化学機械研磨器具上で、１組の研磨パラメータを用いて研磨される。第１に研磨されたウエハのプロファイルが度量衡ステーションにおいて測定されるが、このプロファイルには、第１アレイ内の誘電体の厚みの少なくとも１つの第１測定値、第２アレイ内の誘電体の厚みの第２測定値、第１フィールド内の誘電体の厚みの第１測定値、第２フィールド内の誘電体の厚みの第２測定値が含まれる。第１アレイは第１フィールドと近接し、第２フィールドは第２アレイと近接している。第１腐食測定値と第２腐食測定値が決定されるが、この場合、第１腐食測定値は、第１フィールド内の第１誘電体の厚みと第１アレイ内の第１誘電体の厚みの間の差であり、第２腐食測定値は、第２フィールド内の第２誘電体の厚みと第２アレイ内の第２誘電体の厚みの間の差である。第１、第２アレイ内の第１、第２誘電体の厚みと、第1、第２腐食測定値とを用いて、第１ウエハのプロファイルの測定値から新規の研磨パラメータが計算される。この新規の研磨パラメータは化学機械研磨器具へ通信される。新規の研磨パラメータは、後のウエハを研磨するために使用される。

更に別の方法では、度量衡ステーションにて、第１ウエハの第１アレイ内の第１誘電体の厚みが測定される。また、度量衡ステーションにて、第１ウエハの第２アレイ内の第２誘電体の厚みが測定される。この第１、第２誘電体の厚みが度量衡ステーションからコントローラへ送られる。コントローラにおいて、第１、第２誘電体の厚みを用いて、コントローラ内の少なくとも１つの研磨パラメータが決定される。後のウエハは、この少なくとも１つの研磨パラメータを用いて研磨される。

更に別の方法では、第１ウエハ上の金属残留物とバリア材料残留物が測定される。金属残留物とバリア金属残留物は、フィールド誘電体材料、アレイ誘電体材料、金属特徴部の上に位置している。金属残留物測定値とバリア材料残留物測定値を用いて、少なくとも１つの研磨パラメータが計算され、ここで、この少なくとも１つの研磨パラメータによって、第２ウエハの金属残留物とバリア材料残留物の完全な除去が確実に行われる。第２ウエハは、この少なくとも１つの研磨パラメータを用いて研磨される。

別の方法では、度量衡ステーションにて、複数のウエハのうちの第１ウエハ全体の複数の時点において金属特徴部の厚みが測定される。この第１ウエハの金属特徴部の厚みの測定値を用いて、少なくとも１つの研磨パラメータが計算される。この研磨パラメータは複数の制約の下で最良の解決法を概算し、これを参照することで、予想される金属特徴部の厚みと対象金属特徴部の厚みの間の差が最小化する。複数のウエハのうちの後のウエハは、この少なくとも１つの研磨パラメータを用いて研磨される。

また別の方法では、度量衡ステーションにて、複数の基板のうちの第１基板のバリア層残留物の厚みが測定される。この第１基板のバリア層残留物の厚みから、少なくとも１つの研磨パラメータが決定される。複数の基板のうちの後の基板は、この研磨パラメータを用いて研磨される。

別の方法では、化学機械研磨器具上で、複数の基板のうちの第１基板が、１組の研磨パラメータを用いて研磨される。第１に研磨された基板のプロファイルが度量衡ステーションにて測定されるが、このプロファイルは、アレイ内の誘電体の厚みの測定値とバリア層残留物の厚みの測定値とから成るグループより選択された少なくとも１つの測定値を含む。第１基板のプロファイルの測定値から新規の研磨パラメータが決定される。この新規の研磨パラメータは、化学機械研磨器具へ通信される。また、この新規の研磨パラメータは、後の基板を研磨するために用いられる。

更に別の方法では、度量衡ステーションにて、複数の基板のうちの第１基板のアレイ内の金属特徴部の厚みが測定される。第１基板のアレイ内の金属特徴部の厚みから、少なくとも１つの研磨パラメータが決定される。複数の基板のうちの２番以降の基板は、この研磨パラメータを用いて研磨される。

特定の実施例は、以下に示す特徴の１つ以上を含むことができる。アレイ誘電体の厚みとフィールド誘電体の厚みをアルゴリズムに入力することで、ウエハ平坦性と伝導性の均一性とを制御する研磨パラメータが計算される。この残留物の厚みは、後のウエハ上の残留物を除去するために使用できる。アレイ誘電体の厚みは銅特徴部の厚みに比例する。銅特徴部の厚みは銅特徴部の伝導性に比例する。ウエハ上に伝導性が均一なプロファイルを形成するためには、銅特徴部の厚みを均一にする必要がある。ある実施例では、銅特徴部の厚みは直接測定されず、アレイ誘電体の厚みが、銅特徴部の厚みおよび伝導性の測定値を間接的に呈する。

本発明の１つ以上の実施形態の詳細を、添付の図面と以降の説明において述べる。本発明のこれ以外の特徴、目的、利点は、説明および図面、そして特許請求の範囲から明白となる。

複数の図面中、同様の要素は同様の参照符号で示している。

詳細な説明

図１を参照すると、集積回路７１を実装した１つ以上のダイ２１が、ウエハ１１の表面上に形成されている。ウエハ１１は、４００個前後程度の数の複合ダイ２１をその表面上に設けることができる。各ダイ２１内に配置されている集積回路７１は、誘電性材料６１によって相互に対して離間した銅特徴部３１で構成されている。銅特徴部３１は、典型的には、誘電性材料にパターンをエッチングしてトレンチを形成し、その後、誘電性材料６１のトレンチに銅を充填することで形成される。ダイ２１内の、銅特徴部３１の密度が高い領域はアレイ４１を呈する一方で、ダイ内の、銅特徴３１を有さない範囲はフィールド５１を呈する。

図２を参照すると、不完全に研磨されたウエハ２００は、フィールド５１およびアレイ４１内に誘電性材料６１を、アレイ４１内に銅特徴３１を有する。ウエハ２００は、何らかのバリア材料２２２、例えばＴｉＮ、ＴＳｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｗｎ、ＷＳｉＮ、またはこれ以外に残る適切な材料を備える。更にウエハ２００は、誘電性材料６１の上に重なる、銅特徴部３１の一部分ではない何らかの銅残留物２３２を備えることができる。最終的な研磨段階において、残りの銅残留物２３２とバリア材料残留物２２２が除去され、ウエハ製造のこの段階が完了する。

研磨後に、銅特徴部３１が、銅特徴部３１どうしの間に銅残留物２３２またはバリア材料残留物２２２を全く残すことなく、可能な範囲内での最大厚みを有することが理想的である。ウエハの研磨が不十分であった場合、アレイ４１とフィールド５１内の誘電性材料６１上に残っている任意の銅残留物２３２とバリア材料残留物２２２によって、集積回路内に漏電が誘発される。その一方で、ウエハを過剰に研磨した場合には、銅特徴部３１の一部分が除去されてしまう可能性があり、これにより、銅特徴部の厚み２３１が減少することで、ウエハ２００内の抵抗が増加し、伝導均一性が影響を受ける結果になる。例えば、不均一な研磨の例には、ウエハの中央のダイをエッジのダイよりも研磨してしまったものを挙げることができる。

図３を参照すると、ＣＭＰシステム３００は、ＣＭＰステーション３０３、カセット収納ユニット３１３、度量衡ステーション３２３、ロボット３６３、コントローラ３４３を装備している。ＣＭＰシステム３００は、これ以外の、図示のものと異なる構成に設けられているユニットを含むか、または、記述した構成要素と同じ機能を果たす別の構成要素を含むこともできる。ロボット３６３は、ウエハ３５３をカセット収納ユニット３１３、ＣＭＰステーション３０３、度量衡ステーション３２３の間で搬送する。ＣＭＰステーション３０３は、搬送器具３８３、３つの研磨ステーション３９３ａ、３９３ｂ、３９３ｃを収容している。典型的に、各研磨ステーションは、研磨パッドを装備した回転可能なプラテンを備えている。ＣＭＰステーション３０３を３つの研磨ステーション３９３ａ、３９３ｂ、３９３ｃを収容するように図示しているが、無論、研磨ステーションはこれ以外の個数であっても構わない。ＣＭＰステーション３０３は更に洗浄装置３７３を設けることができる。

ＣＭＰシステム３００内でウエハを移動するための方法は多数ある。ある使用可能な方法は、ロボット３６３がカセット収納庫３１３から未研磨ウエハ３５３を取り出し、これをＣＭＰステーション３０３の搬送器具３８３へ搬送する。搬送器具３８３は、ウエハ３５３を研磨ステーション３９３ａ、３９３ｂ、３９３ｃから次の研磨ステーション３９３ａ、３９３ｂ、３９３ｃへ移動する上で補助となる。典型的には、搬送ステーションとプラテンの間で移動可能なキャリアヘッド内にウエハを搭載することで、各研磨ステーション３９３ａ、３９３ｂ、３９３ｃが、ウエハ３５３を研磨するための異なるパラメータおよび条件を有することができる。研磨パラメータは、研磨時間、スラリー組成、スラリー吐出速度、研磨パッド構成、プラテンの回転速度、キャリアヘッドの回転速度、研磨温度、キャリアヘッド圧力を含むことができるが、これらに限定されるものではない。ウエハ３５３は研磨ステーション３９３ａ、３９３ｂ、３９３ｃの各々で研磨された後に、ウエハ３５３の洗浄を行う洗浄装置３７３へと移動される。洗浄装置３７３はＣＭＰステーション３９３とは別の器具であってもよい。ウエハ３５３を研磨および洗浄する類似したシステムの記述を、この開示全体を参照として本明細書に組み入れる米国特許第６、４１３、１４５号に見ることができる。

次に、ロボット３６３は、ウエハ３５３を度量衡ステーション３２３へ、または同ステーションから搬送できる。度量衡ステーション３２３は、ウエハの１つ以上の特性、例えばアレイ４１とフィールド５１内の誘電性材料の厚みＴ１、Ｔ２の各々を測定する必要がある。厚みＴ１、Ｔ２の各々の測定値３０８ａ、３０８ｂを記憶するか、または別のＣＭＰステーション３００に出力することができる。更に度量衡ステーション３２３は、別の材料、例えばウエハ３５３上の銅残留物２３２またはバリア材料残留物２２２の厚みＴ３を測定する能力を有する。２つの適切な度量衡ステーション３２３の例として、イスラエル・レホボット市にあるＮｏｖａ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｌｔｄ．より市販されている、２００ｍｍウエハ用のＮｏｖａＳｃａｎ２０２０、３００ｍｍウエハ用のＮｏｖａＳｃａｎ３０３０が挙げられる。厚みＴ１、Ｔ２、Ｔ３の測定３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃの実施後に、ウエハ３５３を、ロボット３６３によってカセット収納ユニット３１３へ再び搬送することができる。

度量衡ステーション３２３によって測定された測定値３０８ａ、３０８ｂ、３０８はコントローラ３４３へ送られる。コントローラ３４３は、研磨パラメータ３１８を計算するために、測定値３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃ、または、複数の研磨ステーション３９３ａ、３９３ｂ、３９３ｃのうち少なくとも１つのためのレシピを使用して、研磨パラメータ３１８を計算するプログラム可能なコンピュータである。コントローラ３４３は、研磨パラメータ３１８をＣＭＰステーション３０３と通信させることができる。その全体を参照として本明細書に組み入れる、２００２年７月１９日付けで出願された米国特許明細書第６０／３９６、７５５号に記述されているように、コントローラ３４３は、データベースのモデルを使用して、研磨パラメータ３１８の計算を実行することができる。コントローラ３４３は、あるいは、またはこれに加えて、研磨ステーション３９３ａ、３９３ｂ、３９３ｃの各々と通信できる。コントローラ３４３は、計算を実行し、更に、ＣＭＰステーション３０３との、あるいは研磨ステーション３９３ａ、３９３ｂ、３９３ｃの各々との通信を実施する１つの装置、または複数の装置であってもよい。研磨パラメータ３１８は、過去のパラメータの代替、またはその補助となり、更に、ＣＭＰシステム３００を移動する後の多数のウエハ３５４に使用することができる。多数のウエハには、類似に処理されたウエハ、同一パターンの特徴を有するウエハ、同一の誘電性材料を有するウエハ、特定の時間枠内でまとめて処理されたウエハ、または同一グループで括ることができる別シリーズのウエハが含まれる。研磨済みのウエハ３５３から測定したポスト研磨測定値３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃによって影響を受けるのは、完全に研磨されていないウエハ３５４、３５５、３５６、３５７のみである。

図４を参照すると、キャリアヘッド４００は、保持リング４０２と、可撓膜４０６上の複数の同心環状チャンバ４１０、４１２、４１４、４１６、４１８とを含む。研磨処理の最中、キャリアヘッド４００は研磨ステーション３９３に配置され、ウエハ３５３を研磨パッド４２０に対抗して適所に保持する。適切なキャリアヘッドのより詳細な記述は、その開示全体を参照として本願に組み入れる、２０００年１１月１３日付けで出願された米国特許明細書第０９／７１２、３８９号に見ることができる。

典型的には、可撓膜４０６によってウエハ３５３が加圧される。更に、ウエハ３５３に付加された圧力は、可撓膜４０６よりも上に位置する環状同心チャンバ４１０、４１２、４１４、４１６、４１８内の圧力を増減することで調整できる。これらのチャンバ４１０、４１２、４１４、４１６、４１８により、ウエハ３５３の異なる半径ゾーンに異なる圧力を付加することが可能になる。研磨中のウエハ３５３を適所に保持する上で補助となるべくキャリアヘッド４００が保持リング４２０を備えており、この保持リング４２０は、ウエハ３５３をリングの内部境界４０４内に保持しながら、可撓膜４０６とチャンバ４１０、４１２、４１４、４１６、４１８を包囲する。

図５ａを参照すると、ウエハ５００の表面５０１の各部分は、腐食５１０ａ、５１０ｂの範囲と、ウエハ３５３研磨時の不均一性とを呈している。腐食は、誘電性材料６１の厚みＴ１と、アレイ４１内の銅特徴部３１の厚みＴ４とにおける研磨による損失である。この研磨工程では、様々な理由から、ウエハ３５３を完全な平坦には研磨しない。非平坦な表面の１つの理由は、ＣＭＰステーション３０３に運ばれる以前のウエハ３５３が平坦でないためである。銅特徴部を形成する段階で、パターン形成された誘電性材料の表面上に銅を付着させることで、平坦でない表面が作成される。次に、この初期の非平坦な表面が、完全に平坦でなくてもよいパッド、不規則に分配されてもよいスラリー、不規則に付加されてもよい圧力、その他、不規則なウエハ３５３研磨を生じる他の物理変数によって研磨される。

仕上げ研磨ステーション３９３ｃにおいて、非選択的な研磨スラリーを使用してウエハを研磨することができる。スラリーを選択することはできないが、仕上げステーション３９３ｃでの研磨は、典型的に、フィールド５１よりも速い速度でアレイ４１を研磨除去する。この本質的な速度の差は、アレイ４１の構造的支持がフィールドの構造的支持よりも低いために生じる。そのため、研磨パッド４２０は、ウエハ５００のアレイ４１内の銅特徴部３１と誘電性材料６１とを、フィールド５１内の誘電性材料６１よりも速く研磨除去する。この不均一な研磨速度によって、局所的な腐食範囲５１０ａ、５１０ｂが形成される。

上述したように、ウエハ研磨における同時目標は、基板全体にかけて銅特徴部３１の均一な厚みＴ４を確実に形成し、例えば腐食を最小化することにより銅特徴部の厚みＴ４が最小厚み未満に成ることを防止し、ウエハ５００の誘電性材料６１上に露出したバリア材料残留物２２２を除去することである。しかし、露出したバリア材料残留物２２２を除去する目的と、銅特徴部５３２の厚みを維持する目的とは互いに相反するものである。バリア材料残留物２２２が研磨除去されると、銅特徴部５３２の腐食部５１０ａ、５１０ｂが開始する。一般に、ウエハの研磨度が高いほど、腐食部５１０ａ、５１０ｂが大きくなり、また、あるアレイ４１ａと別のアレイ４１ｂの間における銅特徴部５３２の厚みＴ４ａ、Ｔ４ｂの各々の差が大きくなる。銅特徴部５３２の厚みＴ４の差には、アレイ内の銅特徴部５３２の幅、密度、質量が腐食速度に影響を与えるために、銅特徴部５３２の各パターンが異なる速度で腐食するという要素が貢献する。腐食の差が大きいほど、ウエハ５００内の銅特徴部３１の厚みＴ４の均一性が低下する。あるアレイ４１ａと別のアレイ４１ｂとの間における銅特徴部５３２の厚みＴ４ａ、Ｔ４ｂの差５３０を各々低減できる場合には、制御されたいくらかの銅特徴部５３２の腐食部５１０は許容される。銅特徴部５３２の厚みＴ４の均一性は、ウエハ５００内と同様に、ウエハからウエハにおいても維持されなければならない。銅特徴部５３２の厚みＴ４の均一性を維持するためには、露出したバリア材料残留物２２２を除去するが、腐食部５１０ａ、５１０ｂが均一でなくなり、深刻な状態になる前に研磨が停止するように、ウエハ５００の研磨を制御する必要がある。

図６を参照すると、コントローラ３４３は、例えば多数あるウエハのうち後のウエハの処理に影響を与えるために、第１ウエハのインライン度量衡測定値３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃから入手したデータを使用する閉鎖ループ制御処理を実施することができる。最初に、ＣＭＰステーション３０３にて第１ウエハが研磨される（ステップ６０２）。次に、このウエハが洗浄および乾燥される（ステップ６０８）。洗浄および乾燥ウエハがインライン度量衡システム３２３へ搬送され、度量衡システム３２３がウエハ５３５のプロファイルを測定するが、このプロファイルには、例えば、ウエハ３５３のアレイ４１内の誘電性材料６１の厚みＴ１、ウエハ３５３のフィールド内の任意の誘電性材料６１の厚みＴ２、ウエハ３５３上の任意のバリア材料６１または銅残留物２３２の厚みＴ３が含まれる（ステップ６１２）。度量衡ステーション３２３は、ウエハ表面上の様々な半径点を測定することができる。ある実施例では、ウエハ３５３の表面上の各々のダイが特定の位置において測定される。無論、これ以外の測定の実施も可能である。

これらの測定値３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃを取得する理由は、研磨したウエハ３５３のプロファイルを求めるためである。目標は、銅特徴部５３２が均一な厚みＴ４を有し、腐食部が最小で、バリア材料残留物２２２または銅残留物２３２が殆ど無いまたは全く無い状態で、ウエハの表面が平坦になるようにウエハを研磨することである。平坦なウエハの利点は、銅特徴部３１の後続層をウエハ表面５０１上に製造できることである。平坦なウエハ３５３の別の利点は、銅特徴部５３２の均一な厚みＴ４の維持である。銅特徴部５３２の厚みＴ４は伝導性に比例する（しかし直線比例である必要はない）。そのため、伝導性は、集積回路７１の銅特徴部５３２の厚みＴ４を制御することで制御できる。銅特徴部５３２の厚みＴ４が厚いほど、集積回路７１の伝導性は高く、抵抗性は低くなる。銅特徴部５３２が研磨されると特徴部５３２の厚みＴ４が減少するため、抵抗性のより高い集積回路が得られる。研磨を続けることでも、ウエハ５００上の異なるアレイ４１における銅特徴部５３２の厚みＴ４間の均一性が低下し、伝導性の均一性に不利な影響を及ぼす。

インライン度量衡ステーション３２３は、アレイ誘電性材料測定値３０８ａとフィールド誘電性材料測定値３０８ｂを取得するために、フィールド誘電性材料５４０とアレイ誘電性材料５４２の厚みＴ２、Ｔ１を、その研磨後にそれぞれ測定することができる。更にインライン度量衡ステーション３２３は、任意の残留物２３２またはバリア材料残留物２２２の厚みを測定できる。銅特徴部５３２が均一に研磨されているかを決定するためのあるアプローチは、ウエハ全体における複数のアレイ４１内の腐食部５１０を測定するというものである。腐食部は、フィールド誘電性材料５４０の厚みＴ２と、アレイ誘電性材料５４２の厚みＴ１との間の差、すなわちＴ２−Ｔ１として測定できる。銅特徴部５３２の厚みＴ４を間接的に測定する上記方法は、ウエハ３５３が平坦であり、ウエハ３５３上の誘電性フィールド５１がウエハ全体にかけて均一の厚みを有する場合に、高い信頼性を持つ。

しかしながら、上述したように、ウエハ３５３は平坦ではない。そのため、あるフィールドにおけるフィールド誘電性材料５４０の厚みＴ２は、別のフィールドにおけるフィールド誘電性材料５４０の厚みＴ２とは異なっている可能性がある。その結果、腐食値を見つけるために使用する複数のフィールドの厚みが異なる場合、等しい腐食を有する２つのアレイが、等しい銅特徴部５３２の厚みＴ４を有する必要はない。要するに、腐食の均一性が、銅特徴部５３２の厚みＴ４の均一性を示す必要はない。アレイ４１内における腐食部５１０ａ、５１０ｂの計算Ｔ２−Ｔ１のみを使用する研磨制御システムでは、銅特徴部５３２の均一で一貫した厚みＴ４を達成することは不可能かもしれず、そのため、ウエハからウエハへの、またウエハ内での伝導性が均一でなくなる可能性がある。

ある解決法では、アレイ誘電性材料５４２の厚みＴ１の測定値３０８ａを用い、この測定値３０８ａをウエハの表面全体にかけて比較する。銅特徴部５３２が平坦な表面上に製造されていると仮定した場合、アレイ誘電性材料５４２の厚みＴ１は銅特徴部５３２の厚みＴ４と比例する。図５ｂに示すように、ウエハによっては、アレイ誘電性材料５４２の厚みＴ１は銅特徴部５３２の厚みＴ４と等しい。典型的に、エッチング停止層５５５を誘電性材料の直下に設けている場合には、アレイ誘電性材料５４２の厚みＴ１は銅特徴部５３２の厚みＴ４と等しくなる。別の解決法では、ウエハ全体の様々な地点における腐食の測定値３０８ｄを用いる。

アレイ誘電性材料５４２の厚みＴ１を使用する利点は、ウエハ５００全体にかけていくつかの異なる研磨を実施した場合でも、アレイ誘電性材料５４２の厚みＴ１と銅特徴部５３２の厚みＴ４の関係が信頼性の高いものに維持されることである。平坦でないウエハ研磨に関しては、この測定方法は、フィールド誘電性材料５４０の厚みＴ２に依存するものではない。アレイ誘電性材料５４２の厚みＴ１を測定および制御することにより、銅特徴部５３２の厚みＴ４を測定することができる。銅特徴部５３２の厚みＴ４は伝導性と比例するため、アレイ誘電性材料５４２の厚みＴ１を制御することで伝導性も制御することが可能である。

次に、インライン度量衡システム３２３によって作成された測定値３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃはプログラム可能なコントローラ３４３へ送られる（ステップ６１８）。フィールド誘電性材料５４０の厚みＴ２とアレイ誘電性材料５４２の厚みＴ１との間の差が、腐食部の測定値３０８ｄとなる。腐食部の測定値３０８ｄが計算に入力されない場合には、腐食部の測定値３０８ｄはコントローラ３４３へ送られるか、またはコントローラ３４３によって計算されることができる。一般に、アレイ誘電性材料５４２の厚みＴ１の対象値がコントローラ３４３に入力される。

コントローラ３４３は、使用するアルゴリズム、アレイ誘電性材料５４２の厚みＴ１の測定値３０８aと共にプログラムされ、また場合によっては、バリア材料残留物または銅残留物測定値３０８ｃと腐食部の測定値３０８ｄと共にプログラムされ、バリア材料残留物２２２の除去、銅特徴部５３２の均一な厚みＴ４の維持、腐食の最小化を同時に行うのに最適な研磨パラメータが算出される。コントローラ３４３に常駐しているプログラムのようなソフトウェアプログラムが、アルゴリズムを使用して、少なくともアレイ誘電性材料５４２の測定値３０８ａから研磨パラメータ３１８を計算する。この研磨パラメータは、他の制約に課すための、予想される誘電層の厚みの均一性が最大化される最適な解決法を概算する（ステップ６２２）。この最良な解決法は、更に、予想される腐食が最小になるよう、または予想される金属特徴部の厚みと対象の金属特徴部の厚みとの差を最小化するよう試みることができる。これ以外の計算に使用できる制約の例には、ウエハに付加できる最大または最小圧力といった研磨パラメータの制限、望ましい全ウエハ平坦性や対象誘電性材料の厚みといった予想される基板特徴からの制限が含まれる。最良の解決法を概算する上で、本システムは、これらその他の予想される基板特徴のいくつかまたは全てについて最良の解決法を概算する研磨パラメータの計算を試みることができる。

研磨パラメータのいくつかの例には、研磨時間、スラリー組成、スラリー吐出速度、研磨パッド構成、プラテンの回転速度、キャリアヘッドの回転速度、研磨温度、キャリアヘッド圧力が含まれる。研磨パラメータ３１８の計算では、公式の解式、または、経験的な結果から作成されたルックアップテーブルの使用が関与する。コントローラ３４３がデータベース・モデルを使用すると仮定した場合、アレイ誘電性材料測定値３０８ａが、銅特徴部５３２の均一な厚みＴ４を達成する研磨プロファイルを生成するべくモデルの信頼性を向上させる入力を提供し、腐食を最小化し、露出したバリア材料残留物２２２と同残留物２３２を均一に除去する。どの入力の組み合わせにも、いくつかの最適な解決法が存在する。任意の１つ以上の研磨パラメータ３１８によって、絶対最小腐食と均一なバリア材料残留物除去が必ずしも達成される必要はない。

測定値３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃ、３０８ｄがアルゴリズムに入力され、研磨パラメータ３１８が算出されると、ＣＭＰステーション３０３で過去に使用された研磨パラメータを交換するか、またはこれに補足するためにパラメータ３１８が使用される（ステップ６２８）。改新された研磨パラメータは、研磨列において新規のウエハを研磨するために使用される（ステップ６３２）。新規に計算された研磨パラメータ３１８を使用するＣＭＰステーション３０３のこの閉鎖ループ制御によって、ウエハ３５４、３５５、３５６、３５７の伝導性および伝導性プロファイルの制御が可能になる。パラメータの調整により、列内の全てのウエハについて均一な伝導性を維持し、また、後に研磨される各ウエハの全てのダイについて、ウエハ内伝導性を向上させることが可能になる。

次に、ウエハ全体にかけて均一に腐食し、過剰研磨された中央と、バリア材料残留物２２が依然残留している外部エッジとを備える、第１ウエハについてのＣＭＰステーション３０３の閉鎖ループ制御の一例について説明する。更に、図７に示すＣＭＰシステムにおけるデータの流れについても説明する。インライン度量衡ステーション３２３が、ウエハ３５３の表面上の残留物に沿った複数の地点にて、バリア材料残留物２２２、残留物２３２の厚みＴ３、フィールド誘電性材料５４０の厚みＴ２、アレイ誘電性材料５４２の厚みＴ１を測定し、測定値３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃを得る。ある実施例では、父度量衡ステーションによって腐食（Ｔ２−Ｔ１）が計算され、測定値３０８ｂ、３０８ｃが腐食測定値３０８ｄと共にコントローラへ送られる。別の実施例では、測定値３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃの各々がコントローラ３４３へ送られ、コントローラ３４３によって腐食測定値３０８ｄが計算される。

コントローラ３４３は、研磨パラメータ３１８を計算する。これらの研磨パラメータがＣＭＰステーション３０３に送られる。研磨パラメータ３１８が過去に使用された研磨パラメータと異なる場合には、ＣＭＰステーション３０３は更新された研磨パラメータ３１８を使用する。他の制御可能なパラメータの中でも、とりわけ、ウエハ３５４の中央と接触しているチャンバ４１０内の圧力を低減することができ、また、研磨時間を後のウエハ３５４に拡大することができる。この後に研磨されたウエハ３５４の形状は全体的により均一である。

別の実施例では、インライン度量衡ステーション３２３は、ダイ内、例えばアレイ、回路、結合パッド内の銅層の厚みを直接測定する度量衡システムを設けることができる。例えば、オランダ・アルメロ市にあるＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ社（前Ｐｈｉｌｉｐｓ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ社）より市販のＩｍｐｕｌｓｅ、ニュージャージー州・フランダース市にあるＲｕｄｏｌｐｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓより市販のＭＸ３０のような音響光学度量衡システムがある。更に上記度量衡ステーションは、銅特徴部、フィールド誘電性材料、アレイ誘電性材料上に残留するバリア材料残留物と銅残留物を測定することができる。

研磨後に、ウエハ上の異なる半径位置におけるダイに対して、金属層厚みの複数の測定（例えば、アレイ内のあるスポットにおける測定）が実施される。これらの金属層厚み測定値がコントローラ３４３へ入力データとして送られる。コントローラ３４３は均一な金属層厚みと、バリア材料残留物２２２および銅残留物２３２の除去に帰着する研磨パラメータ３１８を計算し、この研磨パラメータをＣＭＰステーション３０３へ送られる。

本発明の多数の実施例を説明した。しかしながら、本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、様々な変形が可能であることが理解される。例えば、いくつかのシステムは、アレイ内の誘電性材料の厚みが銅特徴部の厚みよりも厚い場合であっても、銅特徴部の底部からウエハの頂部に向かって誘電性材料の厚みを測定することで、銅特徴部の厚みを間接的に測定する。したがって、他の実施形態は特許請求項の範囲内に包含される。

集積回路ダイのロウを装備したウエハの略正面図である。 ウエハが研磨仕上げ段階に入る以前の、ウエハの一部分の略断面図である。 化学機械研磨システムの略線図である。 キャリアヘッドの略断面線図である。 腐食を示すウエハのプロファイルの略図である。 腐食を示すウエハのプロファイルの略図であり、エッチング停止層上に誘電層が形成されている。 ウエハの化学機械研磨において腐食と残留物を制御する工程を示すフローチャートである。 ＣＭＰシステムを通るデータの流れを示すブロック線図である。

符号の説明

２１…ダイ、３１…銅特徴部、４１…アレイ、５１…フィールド、６１…誘電性材料、７１…集積回路、２００…ウエハ、２２２…バリア材料、２３１…減少した銅特徴部の厚み、２３２…銅残留物、３０３…ＣＭＰステーション、３０８ａ、３０８ｂ…測定値、３１３…カセット収納ユニット、３２３…度量衡ステーション、３４３…コントローラ、３５３…ウエハ、３５４、３５５、３５６、３５７…ウエハ、３６３…ロボット、３７３…洗浄装置、３８３…搬送装置、３９３ａ、３９３ｂ、３９３ｃ…研磨ステーション、４００…キャリアヘッド、４０２…保持リング、４０４…リングの内部境界、４０６…可撓膜、４１０、４１２、４１４、４１６、４１８…同心環状チャンバ、４２０…研磨パッド、５００…ウエハ、５０１…表面、５１０ａ、５１０ｂ…腐食、５３２…銅特徴部、５４０…フィールド誘電性材料、５４２…アレイ誘電性材料、５５５…エッチング停止層、Ｔ１、Ｔ１、Ｔ３、Ｔ４…厚み。

Claims (34)

1. インライン度量衡ステーションを使用した化学機械研磨における閉鎖ループ制御のための方法であって、
   度量衡ステーションにおいて、複数のウエハの中から第１ウエハのアレイ内の誘電体の厚みを測定するステップと、
   第１ウエハのアレイ内の誘電体の厚みの少なくとも１つの研磨パラメータを決定するステップと、
   複数のウエハの中から後のウエハを、研磨パラメータを用いて研磨するステップと、
   を含む方法。
2. 第１ウエハのフィールド内の誘電体の厚みを測定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも１つの研磨パラメータを決定するステップが、第１ウエハのフィールド内の誘電体の厚みを使用する工程を含む、請求項２に記載の方法。
4. 腐食の測定値を決定するステップであって、前記腐食部の測定値が、フィールド内の誘電体の厚みとアレイ内の誘電体の厚みとの間で異なるステップを更に含み、
   前記少なくとも１つの研磨パラメータを決定するステップが、腐食部の測定値を使用する工程を含む、請求項２に記載の方法。
5. 少なくとも１つの研磨パラメータを決定するステップが、予想される金属特徴部の厚みの均一性を複数のウエハの中の後のウエハにおいて最大化する複数の制約の下で最適な解決法を概算する工程を含む、請求項１に記載の方法。
6. 第１ウエハ上の複数のアレイの複数の誘電体の厚みを測定し、複数のアレイ内の複数の誘電体の厚みの中から少なくとも１つの研磨パラメータを決定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
7. 誘電体の厚みの測定をコントローラへ送るステップを更に含む、請求項７に記載の方法。
8. 研磨パラメータを化学機械研磨器具へ送るステップを更に含む、請求項７に記載の方法。
9. バリア層残留物の厚みを測定し、誘電体の厚みとバリア層残留物の厚みから少なくとも１つの研磨パラメータを決定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
10. 研磨パラメータを決定するステップが、複数の制約の下で最良の解決法を概算するために、アレイ内の誘電体の厚みの測定値を使用し、これを参照することで、予想される銅特徴部の厚みの均一性が最大化され、予想される銅特徴部の厚みと対象銅特徴部の厚みの間の差が最小化する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
11. 研磨パラメータが少なくとも研磨時間を含む、請求項１に記載の方法。
12. インライン度量衡ステーションを使用した化学機械研磨における閉鎖ループ制御のための方法であって、
    第１ウエハ全体の複数の地点において、度量衡ステーション金属特徴部の厚みを測定するステップであって、この場合、第１ウエハが複数のウエハのうちの１つであるステップと、
    複数の制約の下で最良の解決法を概算する第１ウエハの金属特徴部の厚みの測定値を用いて、少なくとも１つの研磨パラメータを計算するステップであって、これを参照することで、複数のウエハの中の後のウエハ内で、予想された金属特徴部の厚みの均一性が最大化されるステップと、
    複数のウエハの中の後のウエハを、少なくとも１つの研磨パラメータを用いて研磨するステップと、
    を含む方法。
13. 測定するステップが、音響光学度量衡装置で測定する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
14. 測定するステップが、非接触型光学度量衡装置で測定する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
15. 測定するステップが、ウエハの中央からの異なる半径位置における複数のダイ内の金属特徴部の厚みを測定する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
16. 複数の制約が、後のウエハに予想される腐食の最小化を含む、請求項１１に記載の方法。
17. 金属特徴部の厚みを測定するステップが、銅特徴部の厚みを測定する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
18. 少なくとも１つの研磨パラメータが研磨時間を含む、請求項１１に記載の方法。
19. インライン度量衡ステーションを使用した化学機械研磨における閉鎖ループ制御のための方法であって、
    化学機械研磨器具上で、１組の研磨パラメータを使用して、複数のウエハの中の第１ウエハを研磨するステップと、
    度量衡ステーションにて研磨された第１ウエハのプロファイルを測定するステップであって、前記プロファイルが、第１アレイ内の誘電体厚みの第１測定値、第２アレイ内の誘電体厚みの第２測定値、第１フィールド内の誘電体厚みの第１測定値、第２フィールド内の誘電体厚みの第２測定値を少なくとも含み、ここで、第１アレイが第１フィールドと近接し、第２フィールドが第２アレイと近接しているステップと、
    第１腐食部測定値と第２腐食部測定値を決定するステップであって、ここで、第１腐食部測定値が、第１フィールド内の第１誘電体厚みと第２アレイ内の第１誘電体厚みとの間の差であり、第２腐食測定値が、第２フィールド内の第２誘電体厚みと第２アレイ内の第２誘電体厚みとの間の差であるステップと、
    第１、第２アレイ内の第１、第２誘電体の厚みと、第１、第２腐食測定値とを用いて、第１ウエハのプロファイルの測定値より新規の研磨パラメータを計算するステップと、
    前記新規の研磨パラメータを化学機械研磨器具へ通信するステップと、
    前記新規の研磨パラメータを、後のウエハを研磨するために使用するステップと、
    を含む方法。
20. フィールド誘電性材料またはアレイ誘電性材料の上に重なっているバリア層材料残留物を測定するステップを更に含み、
    前記複数の制約が、バリア層材料残留物を完全に除去する化学機械研磨器具を含む、請求項１９に記載の方法。
21. フィールド誘電性材料、アレイ誘電性材料、金属特徴部分上に重なっている金属残留物を測定するステップを更に含み、
    前記複数の制約が残留物の完全な除去を含む、請求項１９に記載の方法。
22. インライン度量衡ステーションを用いた化学機械研磨における閉鎖ループ制御のための方法であって、
    度量衡ステーションにおいて第１ウエハの第１アレイ内の第１誘電体の厚みを測定するステップと、
    度量衡ステーションにおいて第１ウエハの第２アレイ内の第２誘電体の厚みを測定するステップと、
    第１、第２誘電体の厚みを度量衡ステーションからコントローラへ送るステップと、
    第１、第２誘電体の厚みを使用して、コントローラにおいて、コントローラ内の研磨パラメータを少なくとも１つ決定するステップと、
    後のウエハを少なくとも１つの研磨パラメータで研磨するステップと、
    を含む方法。
23. インライン度量衡ステーションを使用した化学機械研磨における閉鎖ループ制御のための方法であって、
    第１ウエハ上の金属残留物とバリア材料残留物を測定するステップであって、この場合、前記金属残留物とバリア材料残留物が、フィールド誘電性材料、アレイ誘電性材料、金属特徴部上に位置するステップと、
    金属残留物測定値およびバリア材料残留物測定値を使用して、少なくとも１つの研磨パラメータを計算するステップであって、この場合、少なくとも１つの研磨パラメータによって、第２ウエハ内の金属残留物とバリア材料残留物の完全な除去が確実に行われるステップと、
    少なくとも１つの研磨パラメータを使用して、第２ウエハを研磨するステップと、を含む方法。
24. インライン度量衡ステーションを使用した化学機械研磨における閉鎖ループ制御のための方法であって、
    第１ウエハ全体の複数の地点において、度量衡ステーション金属特徴部の厚みを測定するステップと、この場合、第１ウエハが複数のウエハのうちの１つであるステップと、
    複数の制約の下で最適な解決法を概算する第１ウエハの金属特徴部の厚みの測定値を使用して、少なくとも１つの研磨パラメータを計算するステップであって、これを参照することで、予想される金属特徴部の厚みと対象金属特徴部の厚みの差が最小化されるステップと、
    複数のウエハのうちの後のウエハを、少なくとも１つの研磨パラメータを使用して研磨するステップと、
    を含む方法。
25. インライン度量衡ステーションを使用した化学機械研磨における閉鎖ループ制御のための方法であって、
    度量衡ステーションにおいて、複数の基板のうちの第１基板のバリア層残留物の厚みを測定するステップと、
    第１基板のバリア層残留物の厚みから、少なくとも１つの研磨パラメータを決定するステップと、
    前記研磨パラメータを使用して、複数の基板のうちの後の基板を研磨するステップと、
    を含む方法。
26. 前記研磨パラメータが、化学機械研磨器具の研磨ステーションへ通信される、請求項２６に記載の方法。
27. 第１基板上の複数のバリア層残留物の厚みを測定し、複数のバリア層残留物の厚みから少なくとも１つの研磨パラメータを決定するステップを更に含む、請求項２６に記載の方法。
28. インライン度量衡ステーションを使用した化学機械研磨における閉鎖ループ制御のための方法であって、
    化学機械研磨器具上で、１組の研磨パラメータを使用して、複数の基板のうちの第１基板を研磨するステップと、
    度量衡ステーションにおいて、研磨した第１基板のプロファイルを測定するステップであって、前記プロファイルが、アレイ内の誘電体の厚みの測定値とバリア層残留物の厚みの測定値とから成るグループより選択された少なくとも１つの測定を含むステップと、
    第１基板のプロファイルの測定値から新規の研磨パラメータを決定するステップと、
    前記新規の研磨パラメータを化学機械研磨装置へ通信するステップと、
    後の基板を研磨するために、前記新規の研磨パラメータを使用するステップと、
    を含む方法。
29. 前記新規の研磨パラメータが、誘電体の厚みの測定値から計算される、請求項２９に記載の方法。
30. 前記新規のパラメータが、研磨システムがバリア層材料残留物を完全に除去するよう選択される、請求項２９に記載の方法。
31. 前記新規の研磨パラメータが、研磨システムが均一な銅特徴の厚みを提供するよう選択される、請求項２９に記載の方法。
32. 前記新規の研磨パラメータが、複数の基板のうちの一つの基板から別の基板にかけて均一な研磨を提供するよう選択される、請求項２９に記載の方法。
33. 前記プロファイル測定値が残留物の厚みを含む、請求項２９に記載の方法。
34. インライン度量衡ステーションを使用した化学機械研磨における閉鎖ループ制御のための方法であって、
    度量衡ステーションにて、複数の基板のうちの第１基板のアレイ内における金属特徴部の厚みを測定するステップと、
    第１基板のアレイ内の金属特徴部の厚みから、少なくとも１つの研磨パラメータを決定するステップと、
    前記研磨パラメータを使用して、複数の基板のうちの後の基板を研磨するステップと、
    を含む方法。

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