JP2008071973A - 研磨終端検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】演算量が少なくリアルタイム性に優れ、且つ誤検知することなく確実に研磨終端を検出しうる研磨終端検出方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は上記目的を達成するために、回転駆動源からの検出トルクに移動平均処理を施してトルク入力とし、測定開始から適宜のサンプリング回数ｎ回についてのトルク入力の平均値Ａｖを取り、平均値取得後のトルク入力は平均値Ａｖに対する相対値である相対入力とし、所定時間間隔毎の相対入力の変化量を各トルク入力面積Δｓ_１，Δｓ_２，Δｓ_３として当該各トルク入力面積Δｓ_１，Δｓ_２，Δｓ_３を加算し、該加算した加算トルク入力面積Ｓｍを予め与えられた閾値と比較することにより前記研磨終端を検出する研磨終端検出方法を提供するものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、研磨終端検出方法に関するものであり、特に、化学機械的研磨加工（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）においてウェーハ上に積層された膜種の異なる導電性膜の研磨終端をリアルタイムで確実に検知することが可能な研磨終端検出方法に関するものである。

研磨終端検出方法に関連する従来技術として、例えば次のような終点検出方法が知られている。この従来技術は、研磨時間−トルク変化の関係を示す入力波形に対し、トルク変化量を縦辺ｈ、研磨時間幅を横辺ｗとした適宜大きさのボックスを想定している。そして、該ボックスの一方の縦辺ｈにおけるｈ／２の点で前記波形を当該ボックス内に入力させ、該入力波形がボックスのどの辺と交差してボックス外に出るかでトルク変動を解析している。即ち、入力波形が上辺と交差して出たときをアップ、下辺と交差して出たときをダウン、他方の縦辺と交差して出たときをサイドの３種に分類してトルク変化の傾向を監視している。このボックス法は、ボックスのサイズを調整することで、入力波形の軌跡を解析することには優れている。したがって、ピークと谷を繰り返すような入力波形で、ｎ回目のピーク又は谷を検知した時点を終点とするような場合には適した方法である（例えば、特許文献１参照）。

また、研磨終端検出方法に関連する他の従来技術として、例えば次のような研磨終点検出装置が知られている。この従来技術は、下地材料上に付着した該下地材料とは異なる付着材料を研磨除去する研磨装置において、プラテンを駆動する第１の回転軸及び被研磨物を回転させる第２の回転軸の少なくとも一方のトルクを計測する計測機構と、該計測機構によって計測されたトルク及び該トルクの時間微分値の少なくとも一方が予め与えられた設定値以上に変化したことを判定する判定手段とを備え、該判定手段の判定結果から、研磨終点を検出するようにしている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、研磨終端検出方法に関連する他の従来技術として、例えば次のようなエッチングの終点判定方法が知られている。この従来技術は、発光分光法を用いたドライエッチングの終点判定方法であって、終点判定の精度を上げるため、発光強度のサンプリング周期をデジタル演算処理装置の能力の許す範囲で、極力短くし、サンプリング数を多くするとともに、これらを、サンプリング時間毎に移動させながら平均した値、即ち、移動平均値を新たなサンプリング値とすることにより、実測値の雑音成分を取除き、これらの移動平均サンプリング値から求めた一次微分値をさらに移動平均し、これらの差分を求め、その差分値のさらに移動平均値をもって、発光強度の二次微分値を求めることにより、エッチングの終点を精度良く検出できるようにしている（例えば、特許文献３参照）。
米国特許第５１９０６１４号明細書。 特開平６−３１５８５０号公報（第２頁、図１）。 特開昭６１−５３７２８号公報（第２頁、図８）。

特許文献１に記載の従来技術においては、研磨時間−トルク変化の関係を示す入力波形がピークと谷を繰り返すような波形で、ｎ回目のピーク又は谷を検知した時点を終点とするような場合には適している。しかしながら、ウェーハ上の導電性膜研磨時のトルク変動は、研磨終点時に突発的に増加又は減少する。このためボックスを適用すると、ｎ回連続のアップ又はダウンを検出するという条件を満たさないと研磨終点が検知できないという
問題点があり、個体差があるウェーハ上の導電性膜の研磨トルクを監視する場合、研磨終点を誤検知するおそれがある。

特許文献２に記載の従来技術においては、サンプリングしたトルク値そのもの、もしくは該トルク値の時間微分値を、予め与えられた設定値と比較して研磨終点を検出している。しかしながら、ウェーハ上の導電性膜は個体差があるため、サンプリングしたトルク値そのものを予め与えられた設定値と比較したのでは、上記と同様に、研磨終点を誤検知するおそれがある。

また、特許文献３に記載の従来技術においては、半導体ウェーハ上のシリコン酸化膜等に対するドライエッチングの際の終点判定方法である。そして、サンプリング数を多くするとともに、これら実測値の移動平均値をサンプリング値とすることで、実測値の雑音成分が取除かれて、エッチング終点を精度良く検出できるとしている。

そこで、演算量が少なくリアルタイム性に優れ、且つ誤検知することなく確実に研磨終端を検出するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、ウェーハ上に被研磨導電性膜及び該被研磨導電性膜とは材質の異なる膜が積層され、スラリーを供給しながら研磨パッドと前記ウェーハとを相対的に回転駆動させて前記被研磨導電性膜を化学機械的に研磨し、該研磨の進行に伴い前記被研磨導電性膜が所要厚さ研磨除去されて膜種が変わる際の前記回転駆動させる回転駆動源からの検出トルクの変化を基に前記被研磨導電性膜の研磨終端を検出する研磨終端検出方法であって、前記検出トルクに移動平均処理を施してトルク入力とし、測定開始から適宜のサンプリング回数ｎ回についての前記トルク入力の平均値を取り、該平均値取得後の前記トルク入力は前記平均値に対する相対値である相対入力とし、所定時間間隔毎の前記相対入力の変化量を各トルク入力面積として当該各トルク入力面積を加算し、該加算した加算トルク入力面積を予め与えられた閾値と比較することにより前記研磨終端を検出する研磨終端検出方法を提供する。

この構成によれば、検出トルクに移動平均処理を施してトルク入力とすることで、モータ等の回転駆動源からの実測値である検出トルク中の振動成分が除去される。このトルク入力のサンプリング回数ｎ回についての平均値取得後は、各トルク入力を該平均値に対する相対値である相対入力とすることにより、ウェーハ上の被研磨導電性膜の個体差により前記トルク入力に差が生じても、研磨終端検出への影響が除かれる。そして、所定時間間隔毎の該相対入力の変化量を、それぞれ面積に換算した該所定時間間隔毎のトルク入力面積とし、この各トルク入力面積を加算した加算トルク入力面積を予め与えられた閾値と比較することで、トルク入力が突発的に変化した場合や大、小緩やかに変化した場合等における研磨終端の誤検出を防止しつつ被研磨導電性膜の研磨終端が検出される。

請求項２記載の発明は、上記加算トルク入力面積が、上記被研磨導電性膜の下層の膜の材質に応じて上記閾値より大もしくは小のいずれかの場合に、当該被研磨導電性膜の研磨終端を検出する研磨終端検出方法を提供する。

この構成によれば、上記加算トルク入力面積と閾値との比較において、膜種が例えばＣｕ膜からＴａ膜に変わったときは、加算トルク入力面積＞閾値の関係となることで、当該Ｃｕ膜の研磨終端が検出される。また、膜種が例えばＴａ膜から酸化膜に変わったときは、加算トルク入力面積＜閾値の関係となることで、当該Ｔａ膜の研磨終端が検出される。

請求項１記載の発明は、検出トルクに移動平均処理を施してトルク入力とし、測定開始から適宜のサンプリング回数ｎ回についての前記トルク入力の平均値を取り、該平均値取得後の前記トルク入力は前記平均値に対する相対値である相対入力とし、所定時間間隔毎の前記相対入力の変化量を各トルク入力面積として当該各トルク入力面積を加算し、該加算した加算トルク入力面積を予め与えられた閾値と比較するようにしたので、各トルク入力を平均値に対する相対入力とすることで、ウェーハ上の被研磨導電性膜の個体差によりトルク入力に差が生じても、研磨終端検出への影響が除かれて誤検出を防止することができる。そして、所定時間間隔毎の相対入力の変化量を、それぞれトルク入力面積とし、この各トルク入力面積を加算した加算トルク入力面積を閾値と比較することで、演算量が少なくリアルタイムで確実に研磨終端を検出することができるという利点がある。

請求項２記載の発明は、上記加算トルク入力面積が、上記被研磨導電性膜の下層の膜の材質に応じて上記閾値より大もしくは小のいずれかの場合に、当該被研磨導電性膜の研磨終端を検出するようにしたので、積層された膜種に応じて、加算トルク入力面積が閾値に対し大、小いずれかに変化する場合を捉えることで、研磨終端を確実に検出することができるという利点がある。

演算量が少なくリアルタイム性に優れ、且つ誤検知することなく確実に研磨終端を検出するという目的を達成するために、ウェーハ上に被研磨導電性膜及び該被研磨導電性膜とは材質の異なる膜が積層され、スラリーを供給しながら研磨パッドと前記ウェーハとを相対的に回転駆動させて前記被研磨導電性膜を化学機械的に研磨し、該研磨の進行に伴い前記被研磨導電性膜が所要厚さ研磨除去されて膜種が変わる際の前記回転駆動させる回転駆動源からの検出トルクの変化を基に前記被研磨導電性膜の研磨終端を検出する研磨終端検出方法であって、前記検出トルクに移動平均処理を施してトルク入力とし、測定開始から適宜のサンプリング回数ｎ回についての前記トルク入力の平均値を取り、該平均値取得後の前記トルク入力は前記平均値に対する相対値である相対入力とし、所定時間間隔毎の前記相対入力の変化量を各トルク入力面積として当該各トルク入力面積を加算し、該加算した加算トルク入力面積を予め与えられた閾値と比較することで前記研磨終端を検出することにより実現した。

以下、本発明の好適な一実施例を図面に従って詳述する。図１は研磨の進行に伴う検出トルクの変化例を示す波形図、図２は検出トルクに移動平均処理を施したトルク入力を示す波形図、図３はトルク入力面積及び加算トルク入力面積の算出法を説明するための図、図４は図３の比較例を説明するための図であり、（ａ）は加算面積の算出法を示す図、（ｂ）はトルク入力の変化例を示す図である。

本実施例に係る研磨終端検出方法を説明する。本実施例に適用されるウェーハは、半導体からなる該ウェーハ上に、酸化膜を介してバリヤ層となるＴａ膜と、このＴａ膜の上にＣｕからなる被研磨導電性膜が積層されている。即ち、ウェーハ試料は、該ウェーハ上に被研磨導電性膜及び該被研磨導電性膜とは材質の異なる膜が積層されている。

また、前記被研磨導電性膜を研磨除去する化学機械研磨装置は、主としてプラテンと、研磨ヘッドとから構成されている。前記プラテンは円盤状に形成され、その上面には研磨パッドが貼着されており、下面中央には回転軸を介して回転駆動源となるプラテン側モータが連結されている。前記研磨ヘッドは、プラテン側よりも小形の円盤状に形成され、上面中央に回転軸を介して回転駆動源となるヘッド側モータが連結されている。

そして、化学機械研磨装置は、研磨ヘッドによって前記ウェーハを保持し、ノズルから前記研磨パッド上にスラリーを供給しながら、ウェーハを該研磨パッドに圧接し、この状態でプラテンと研磨ヘッドとを、前記プラテン側モータ及びヘッド側モータでそれぞれ回転させて、ウェーハ上の被研磨導電性膜を化学機械的に研磨する。

図１は、前記プラテン側モータもしくはヘッド側モータのいずれかから直接検出した検出トルク１を示している。検出トルク１は、図示のように激しく振動している。この検出トルク１に公知の移動平均処理を施して、図２に示すトルク入力２とする。該移動平均の次数は、研磨終端時のトルク変動を害さない程度であれば、適宜に調整することが可能であり、１０次程度の移動平均をかけることで、図示のように振動成分を抑えることができる。

図２中のＡ点が研磨の進行に伴う膜種の変化によりトルク入力２の変化が始まった点である。このように、膜種が変化する際のトルク入力２は、突発的に変化する。

ここで、研磨終端検出のための解析は、トルク入力２の絶対値を用いて行うのではなく、後述する図３中に示すように、測定開始から適宜のサンプリング回数ｎ回についての前記トルク入力２の平均値Ａｖを取り、この平均値Ａｖをゼロと設定し、該平均値取得後の前記トルク入力２は平均値Ａｖに対する相対値である相対入力Ｒとし、この相対入力Ｒを用いて解析する。解析に相対入力Ｒを用いることで、ウェーハ上の被研磨導電性膜の個体差によりトルク入力２に差が生じても解析結果に与える影響が除かれる。

研磨パッド又はウェーハを回転させるトルクは、被研磨導電性膜の膜厚に依存するのではなく、該被研磨導電性膜を取りきる前と後でそれぞれほぼ一定である。このため、膜種が変化する前の相対入力Ｒはゼロ付近の小さな値となる。

そして、所定時間間隔（便宜上、これをサンプリング時間Ｔ_Ｓという）毎の前記相対入力Ｒの変化量を、それぞれ面積に換算した該サンプリング時間Ｔ_Ｓ毎のトルク入力面積Δｓとし、この各トルク入力面積Δｓを加算した加算トルク入力面積Ｓｍを予め与えられた閾値Ｓｔｈと比較することで、被研磨導電性膜の研磨終端を検出する。

このトルク入力面積Δｓ及び加算トルク入力面積Ｓｍの算出法を、図３を用いて説明する。測定開始後、サンプリング時間Ｔ_Ｓ１当たりの相対入力Ｒの変化量をトルク入力面積Δｓ_１として算出する。Ｔ_Ｓ１時間経過後、図中Ｂで示すように、サンプリング開始時の図の縦軸の高さに補助線Ｌ_２を追加し、Ｔ_Ｓ２時間経過後、この補助線Ｌ_２と相対入力Ｒの波形の間でトルク入力面積Δｓ_２を求める。Ｔ_Ｓ２時間経過後、補助線Ｌ_３を追加し、Ｔ_Ｓ３時間経過後、この補助線Ｌ_３と相対入力Ｒの波形の間でトルク入力面積Δｓ_３を求める。

次いで、式（１）のように、上記の各トルク入力面積Δｓ_１、Δｓ_２、Δｓ_３、…を加算して加算トルク入力面積Ｓｍを求める。

この加算トルク入力面積Ｓｍを予め与えられた閾値Ｓｔｈと比較することにより、被研磨導電性膜の研磨終端を検出する。前述したように、膜種が変化する前の相対入力Ｒは、ほぼ一定でゼロ付近の小さな値である。このため、膜種が変わる直前までは加算トルク入
力面積Ｓｍの変化量は小さく膜種が変化し始めると急激に大きくなる。したがって、相対入力Ｒ並びに各トルク入力面積Δｓ_１、Δｓ_２、Δｓ_３、…及び加算トルク入力面積Ｓｍを用いた本実施例の方法は、研磨終端の誤検知が発生しにくいと言える。

前記加算トルク入力面積Ｓｍと閾値Ｓｔｈとの比較において、膜種が被研磨導電性膜であるＣｕ膜からＴａ膜に変わったときは、加算トルク入力面積Ｓｍ＞閾値Ｓｔｈの関係となることで、当該Ｃｕ膜の研磨終端が検出される。また、膜種が例えばＴａ膜から酸化膜に変わったときは、加算トルク入力面積Ｓｍ＜閾値Ｓｔｈの関係となることで、当該Ｔａ膜の研磨終端が検出される。

上記のように、測定開始後、相対入力Ｒの傾きがどれだけ大きく、又は小さくなったかを面積に換算して求めることにより、相対入力Ｒの傾きが大きい場合はトルク入力面積Δｓも大きくなり、傾きが小さい場合はトルク入力面積Δｓも小さくなるため、誤検出を防止しつつ被研磨導電性膜の研磨終端が検出される。

そして、被研磨導電性膜が完全に除去された瞬間を研磨終端として検出することは難しい。このため、本アルゴリズムで検出した終端から、別パラメータでオーバーポリッシュ時間を与えておき、一定時間研磨を継続した後に研磨処理を終了させることで被研磨導電性膜の取りきりを保証することができる。

前記図３を用いて説明したトルク入力面積Δｓ及び加算トルク入力面積Ｓｍの算出法に対する比較例を、図４の（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。

この比較例は、図４（ａ）において、測定開始から微小時間Δｔの間の相対入力の変化を面積Δｓとし、これの総和を式（２）に示すように、加算面積Ｓｍとして蓄積しておき、この加算面積Ｓｍが与えられた閾値Ｓｔｈを超えたか否かで研磨終端を判定している。

Ｓｍ＝ΣΔｓ …（２）
即ち、加算面積Ｓｍを測定開始時点から、Δｔの間の相対入力の波形とｘ軸との総面積として求めている。しかし、この比較例の方法であると、図４（ｂ）に示すような場合に研磨終端を誤検出する可能性が高くなる。

図４（ｂ）では、ｎ回のトルク入力の平均値Ａｖを算出した後、測定を開始してから図中のＣ点で相対入力の波形が一旦上昇し、それから暫く横ばいを続けている。この場合、領域Ｄの面積はゼロ付近の小さな値ではないため、加算面積Ｓｍが増大していき、研磨終端の誤検出につながる。図４（ｂ）は極端な例であるが、「緩やかに長い時間傾きが変化」する相対入力の波形に対しても同じことが言える。

上述したように、本実施例に係る研磨終端検出方法においては、平均値取得後の各トルク入力２を該平均値Ａｖに対する相対入力Ｒとすることで、ウェーハ上の被研磨導電性膜の個体差によりトルク入力２に差が生じても、研磨終端検出への影響が除かれて誤検出を防止することができる。

所定時間間隔毎の相対入力Ｒの変化量を、それぞれトルク入力面積Δｓ_１、Δｓ_２、Δｓ_３、…とし、この各トルク入力面積Δｓ_１、Δｓ_２、Δｓ_３、…を加算した加算トルク入力面積Ｓｍを閾値Ｓｔｈと比較することで、演算量が少なくリアルタイムで確実に研磨終端を検出することができる。

被研磨導電性膜の下層の膜種に応じて、加算トルク入力面積Ｓｍが閾値Ｓｔｈに対し大、小いずれかに変化する場合を捉えることで、研磨終端を確実に検出することができる。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。

本発明の実施例に係る研磨終端検出方法において研磨の進行に伴う検出トルクの変化例を示す波形図。 上記検出トルクに移動平均処理を施したトルク入力を示す波形図。 上記実施例においてトルク入力面積及び加算トルク入力面積の算出法を説明するための図。 上記図３の比較例を説明するための図であり、（ａ）は加算面積の算出法を示す図、（ｂ）はトルク入力の変化例を示す図。

符号の説明

１ 検出トルク
２ トルク入力
Ａｖ 平均値
Ｌ_２，Ｌ_３ 補助線
Ｓｍ 加算トルク入力面積
Δｓ_１，Δｓ_２，Δｓ_３ トルク入力面積

Claims (2)

1. ウェーハ上に被研磨導電性膜及び該被研磨導電性膜とは材質の異なる膜が積層され、スラリーを供給しながら研磨パッドと前記ウェーハとを相対的に回転駆動させて前記被研磨導電性膜を化学機械的に研磨し、該研磨の進行に伴い前記被研磨導電性膜が所要厚さ研磨除去されて膜種が変わる際の前記回転駆動させる回転駆動源からの検出トルクの変化を基に前記被研磨導電性膜の研磨終端を検出する研磨終端検出方法であって、
   前記検出トルクに移動平均処理を施してトルク入力とし、測定開始から適宜のサンプリング回数ｎ回についての前記トルク入力の平均値を取り、該平均値取得後の前記トルク入力は前記平均値に対する相対値である相対入力とし、所定時間間隔毎の前記相対入力の変化量を各トルク入力面積として当該各トルク入力面積を加算し、該加算した加算トルク入力面積を予め与えられた閾値と比較することにより前記研磨終端を検出することを特徴とする研磨終端検出方法。
2. 上記加算トルク入力面積が、上記被研磨導電性膜の下層の膜の材質に応じて上記閾値より大もしくは小のいずれかの場合に、当該被研磨導電性膜の研磨終端を検出することを特徴とする請求項１記載の研磨終端検出方法。
   

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