JP2008130776A - 処理の終点検出方法及び処理の終点検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理の終点検出を容易に行える処理の終点検出方法及び処理の終点検出装置を提供する。
【解決手段】処理対象物の処理に伴って時間とともに変化する少なくとも１つのパラメータを測定し、その処理が終了して処理対象物の状態が安定した定常状態で得られるパラメータと時間とのデータセットから基準空間を作成し、この基準空間を用いて、処理の開始後に測定されるパラメータの時間変化データのマハラノビス距離を計算し、このマハラノビス距離に基づいて処理が終了した終点を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、処理の終点検出方法及び処理の終点検出装置に関する。

従来、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）による研磨加工中に研磨終点（被研磨層とストッパ層との界面）を検出する方法としては、研磨用のターンテーブル駆動用モータの加工トルク変化を検出する方法が知られているが、研磨中の摩擦力の変化を検出するため、処理中にリアルタイムで終点を検出することはできず、駆動電流の時間変化データに基づいて時間を遡及して終点を判別している。

また、ターンテーブル駆動電流信号をコンピュータで処理して自動判定させるにあたって、駆動電流の時間変化の特徴を判定する指標として、駆動電流値の上昇点、下降点、信号の時間微分値の上昇点、下降点などがあり、それらの特徴を組み合わせることにより終点判定のアルゴリズムを作成する。また、測定される駆動電流信号にはノイズ成分が含まれるため、平滑化処理（平均処理、移動平均処理など）が必要であるが、この処理によりノイズに埋もれた終点検出信号を見落とす可能性がある。従来、終点の判定条件設定は、処理対象物にあわせて多くのデータを集積して試行錯誤で行われており、標準的な判定基準は存在しない。

なお、特許文献１には、半導体製造装置の正常動作状態下で少なくとも１つのパラメータについて複数のデータをサンプリングし、サンプリングされたデータ群に基づいてマハラノビス空間（基準空間）を作成し、このマハラノビス空間に基づいて半導体製造装置の動作状態で得られるパラメータについての測定値群からマハラノビス距離を算出し、このマハラノビス距離が所定の値を超えたとき、半導体製造装置が異常動作を生じたと判定することが開示されている。

特許文献１では、半導体製造装置の正常動作が行われている状態で基準空間を定義しているため、その基準空間を用いて計算されたマハラノビス距離に基づいて判定できるのは、マハラノビス距離が基準空間に対して近いか遠いか、すなわち正常動作か異常動作かであって、正常動作中に、ある特定の処理が終了したことは検出困難である。
特開平９−１５０３６７号公報

本発明は、処理の終点検出を容易に行える処理の終点検出方法及び処理の終点検出装置を提供する。

本発明の一態様によれば、処理対象物の処理に伴って時間とともに変化する少なくとも１つのパラメータを測定し、前記処理が終了して前記処理対象物の状態が安定した定常状態で得られる前記パラメータと時間とのデータセットから基準空間を作成し、前記基準空間を用いて、前記処理の開始後に測定される前記パラメータの時間変化データのマハラノビス距離を計算し、前記マハラノビス距離に基づいて前記処理が終了した終点を検出することを特徴とする処理の終点検出方法が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、処理対象物の処理に伴って時間とともに変化する少なくとも１つのパラメータを測定する測定装置と、前記処理が終了して前記処理対象物の状態が安定した定常状態で得られる前記パラメータと時間とのデータセットから基準空間を作成し、前記基準空間を用いて、前記処理の開始後に測定される前記パラメータの時間変化データのマハラノビス距離を計算し、前記マハラノビス距離に基づいて前記処理が終了した終点を検出するデータ処理装置と、を備えたことを特徴とする処理の終点検出装置が提供される。

本発明によれば、処理の終点検出を容易に行える処理の終点検出方法及び処理の終点検出装置が提供される。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。本実施形態では、例えば、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法による半導体ウェーハの研磨工程における研磨終点の検出に本発明を適用した具体例を説明する。

図１は、研磨装置１及び終点検出装置９の概略構成を表す模式図である。

研磨装置１は、表面に研磨パッド６が設けられたターンテーブル５と、処理対象物である半導体ウェーハＷを例えば真空吸着して保持可能なスピンドル７とを備える。ターンテーブル５はモータ１２によって回転駆動される。スピンドル７も、図示しないモータによって回転駆動される。

半導体ウェーハＷは、スピンドル７に保持された状態でスピンドル７と共に回転され、その状態で被研磨膜２が研磨パッド６に接触し、ストッパ膜３に到達する研磨終点まで研磨される。研磨時、スピンドル７とターンテーブル５とは、通常同一方向に回転される。あるいは、スピンドル７とターンテーブル５とを逆方向に回転させてもよい。研磨時、研磨パッド６上には、例えばシリカ粒や化学反応性物質などを含んだ液状のスラリーが供給される。

終点検出装置９は、測定装置１１とデータ処理装置１０とを備える。測定装置１１は、半導体ウェーハＷの研磨処理に伴って時間とともに変化する少なくとも１つのパラメータを測定する。本実施形態では、測定装置１１は例えば電流計であり、ターンテーブル５を回転駆動させるモータ１２の駆動電流を測定する。測定装置１１によって測定された駆動電流データはデータ処理装置１０に出力され、データ処理装置１０は後述するようなデータ処理を行って研磨終点を検出する。

次に、研磨終点の検出方法について説明する。本実施形態では、例えば、シリコン窒化膜をストッパ膜３として用いて、被研磨膜２としてＢＰＳＧ（borophosphosilicate glass）膜を研磨する処理を例に挙げて説明する。この具体例の場合、ストッパ膜３が研磨パッド６に接するまで被研磨膜２が研磨されると、被研磨膜２の研磨を終了すべき研磨終点となる。

図２に、研磨開始後、測定装置１１によって測定された駆動電流Ｉ１の時間変化を表す。この具体例の場合、研磨開始後、駆動電流Ｉ１の値が２回目に極小点になったときが研磨終点を表すが、ノイズが大きいために、従来の方法では終点を検出するための信号処理やアルゴリズムの作成は容易ではない。

そこで、本実施形態では、マハラノビス距離を用いて終点を検出する。一般に、マハラノビス距離は、表１に示すように計算することができる。なお、本明細書において、「マハラノビス距離」には、マハラノビス距離の２乗も含む。

本実施形態では、まず、被研磨膜２の研磨処理が終了して半導体ウェーハＷの状態が安定した定常状態で得られる２変数（駆動電流Ｉ１と時間）のデータセットから基準空間を作成する。具体的には、研磨開始から２００秒経過後の駆動電流Ｉ１とその２００秒以降の時間とのデータセットから基準空間を作成する。

終点検出対象の半導体ウェーハＷと同じ構造の半導体ウェーハに対して予め研磨処理を行い、そのときに得られる研磨開始から２００秒経過後の駆動電流Ｉ１とその２００秒以降の時間とのデータセットから、予め基準空間を作成しておく。

次に、前述のように作成された基準空間を用いて、終点検出対象の半導体ウェーハＷを実際に研磨処理しているときに、その研磨開始後に測定される駆動電流Ｉ１の時間変化データのマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）を計算する。このマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）を図２に示す。

そして、そのマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）に基づいて研磨終点を検出する。マハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）が、１もしくはその前後であれば、基準空間、すなわち研磨開始から２００秒経過の駆動電流Ｉ１の時間変化データに非常に近いということになる。すなわち、マハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）が、１もしくはその前後であれば、終点に至ったと判定できる。

例えば、基準空間（研磨開始から２００秒経過後）におけるマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）のばらつき（標準偏差）σを計算し、終点検出対象の半導体ウェーハＷを実際に研磨処理しているときに、その研磨開始後に測定される駆動電流Ｉ１の時間変化データのマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）が、１＋σに達した時点を終点として判定できる。あるいは、終点判定のしきい値を、１＋２σまたは１＋３σに設定してもよい。または、終点に達するとマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）は、ほぼ一定もしくは変化率が小さくなるので、マハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）の変化率から終点に達したと判定してもよい。

以上説明した、基準空間及びマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）の計算、さらには終点の判定処理は、データ処理装置１０が行う。

本実施形態によれば、ノイズに埋もれて明瞭に判定できなかった駆動電流値Ｉ１の変曲点（研磨終点）を、マハラノビス距離を計算することで容易かつ精度よく判定できる。

処理対象物である半導体ウェーハＷを破壊することなく終点判定を行える。また、時間的に遡及することなく、研磨装置を作動させているときにリアルタイムで終点判定を行える。したがって、データ処理装置１０が終点を判定したら、直ちにモータ１２に停止信号を送って、研磨装置を停止させるフィードバック制御を行うことができ、処理対象物に対する不要な処理を抑制することができる。

また、終点判定のための各種データ処理（例えば、研磨処理時に測定される信号の最大値、最小値、信号の時間微分値についての最大値、最小値、信号のノイズ除去、平滑化のための平均値計算、移動平均値計算など）およびそれらのデータを組み合わせて終点判定を行うアルゴリズムの試行錯誤的な作成が不要であり、研磨処理時に得られるあらゆる測定データの特徴量を判定に用いることができる。半導体ウェーハＷの研磨処理に伴って時間とともに変化するパラメータとしては、ターンテーブル５の駆動電流に限らず、スピンドル７の駆動電流、ターンテーブル５やスピンドル７の回転に伴って生じる振動などを用いてもよい。基準空間及びマハラノビス距離の計算に用いるパラメータが多いほど、正確な終点検出を行える。

実際の生産工程において、同じ構造の半導体ウェーハ複数枚について研磨処理が次々と行われていくが、それら半導体ウェーハの終点検出に際して、１つの基準空間を共通して使うことができる。あるいは、前の半導体ウェーハを研磨処理した際に得られた駆動電流の時間変化データから基準空間を作成し、それを次の半導体ウェーハの研磨処理終点のためのマハラノビス距離の計算に使うというように、個々の半導体ウェーハごとに基準空間を更新すれば、基準空間データの信頼性が増す。

前述したパラメータとして、マハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）を使ってもよい。
すなわち、まず、マハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）を得たときの基準空間と同じ時間領域（研磨開始から２００秒経過後）におけるマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）と時間とのデータセットから新たな基準空間を再作成し、この再作成された基準空間を用いて、図２に示すマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）の時間変化データのマハラノビス距離ＭＤ^２（２回目）を再計算する。このマハラノビス距離ＭＤ^２（２回目）を図３に示す。

図２と図３との比較から明らかなように、マハラノビス距離ＭＤ^２（２回目）の方が、マハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）よりも、研磨開始から約２００秒経過後における時間領域でばらつきが小さい。したがって、マハラノビス距離の計算を前述したように２回行って得られるマハラノビス距離ＭＤ^２（２回目）を終点判定の指標として使うことで、ノイズとの区別が困難な信号でも終点を顕在化させることができ、終点判定を容易且つ精度良く行うことができる。

特に、半導体ウェーハに形成したトレンチにエピタキシャルシリコンを埋め込んだ構造におけるそのエピタキシャルシリコンのポリッシュバックは、従来、終点検出が非常に困難であったが、前述したマハラノビス距離ＭＤ^２（２回目）を終点判定の指標として使うことで、研磨パッドがエピタキシャルシリコン層とストッパ膜との界面に達したときのわずかな信号の変動からでも終点の検出が可能になる。

図４に、図２の駆動電流Ｉ１を測定した半導体ウェーハと同じ構造であるが、その半導体ウェーハとは別の半導体ウェーハに対しての研磨開始後、測定装置１１によって測定された駆動電流Ｉ２の時間変化と、前述と同様にして計算されたマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）と、マハラノビス距離ＭＤ^２（２回目）とを示す。

図５に、図２の駆動電流Ｉ１を測定した半導体ウェーハと同じ構造であるが、その半導体ウェーハ及び図４の駆動電流Ｉ２が得られた半導体ウェーハとは別の半導体ウェーハに対しての研磨開始後、測定装置１１によって測定された駆動電流Ｉ３の時間変化と、前述と同様にして計算されたマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）と、マハラノビス距離ＭＤ^２（２回目）とを示す。

図４、５におけるマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）、マハラノビス距離ＭＤ^２（２回目）を計算するにあたって用いた基準空間は、図２において研磨開始から２００秒経過後の駆動電流Ｉ１とその２００秒以降の時間とのデータセットから作成した基準空間と同じものを用いた。その基準空間作成サンプル（半導体ウェーハ）と同じ構造のものでも、サンプル（半導体ウェーハ）ごとに、研磨終点は多少異なる。例えば、図４の駆動電流Ｉ２が得られた半導体ウェーハに関しての研磨終点は２００秒よりわずかに大きく、図５の駆動電流Ｉ３が得られた半導体ウェーハに関しての研磨終点は２００秒よりわずかに小さい。

図４、図５のいずれの具体例についても、マハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）またはマハラノビス距離ＭＤ^２（２回目）から、研磨終点を容易且つ精度よく判定することができる。すなわち、同じ構造の処理対象物（半導体ウェーハ）について基準空間を共通して用いても、終点判定に有効である。

基準空間を作成するにあたっては、研磨処理終了後の定常状態におけるデータをすべて使わなくてもよい。すなわち、前述した図２の場合では、研磨開始から２００秒経過後の駆動電流Ｉ１とその２００秒以降の時間とのデータセットをすべて使わなくてもよい。

図６に、図４の駆動電流Ｉ２が得られた半導体ウェーハの研磨処理時に、研磨開始から２５０秒経過後の駆動電流Ｉ２とその２５０秒以降の時間とのデータセットから作成した基準空間を用いて計算したマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）とマハラノビス距離ＭＤ^２（２回目）とを示す。

図６の結果が示すように、基準空間を、終点に達した後すべての領域（研磨開始から２００秒経過後）のデータから定義せず、一部の領域（例えば研磨開始から２５０秒経過後）のデータから定義しても、研磨終点の判定を正確に行うことができる。本具体例は、基準空間作成用データにおいて、処理中から、処理終了後の定常状態に遷移した境界がかわりづらい場合に有効である。

本発明は、ＣＭＰ研磨の終点検出に限定されるものではない。処理終了後に処理対象物の状態が処理中と異なる安定した定常状態になるような処理であって、処理開始後からの処理対象物の状態変化（パラメータ）を電気信号の変化として検出できる処理すべてに対して、本発明は適用できる。本発明は、例えば、反応性イオンエッチングにおける終点判定、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いた成膜処理における終点判定などに適用可能である。これら反応性イオンエッチングやＣＶＤにおける終点判定に使うパラメータとしては、例えばプロセスガスの流量、処理室内圧力、温度などが挙げられる。

本発明の実施形態において、処理対象物の処理装置及び処理対象物の処理終点検出装置の概略構成を表す模式図である。 図１の測定装置によって測定された駆動電流Ｉ１の時間変化、この駆動電流Ｉ１の時間変化データのマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）を表すグラフ図である。 図２のマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）を得たときの基準空間と同じ時間領域におけるマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）と時間とのデータセットから新たな基準空間を再作成し、この再作成された基準空間を用いて再計算したマハラノビス距離ＭＤ^２（２回目）を表すグラフ図である。 図２の駆動電流Ｉ１を測定した処理対象物と同じ構造であるが、その処理対象物とは別の処理対象物に対しての処理開始後測定された駆動電流Ｉ２の時間変化、マハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）、およびマハラノビス距離ＭＤ^２（２回目）を表すグラフ図である。 図２の駆動電流Ｉ１を測定した処理対象物と同じ構造であるが、その処理対象物及び図４の駆動電流Ｉ２が得られた処理対象物とは別の処理対象物に対しての処理開始後測定された駆動電流Ｉ３の時間変化、マハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）、およびマハラノビス距離ＭＤ^２（２回目）を表すグラフ図である。 図４の駆動電流Ｉ２が得られた処理対象物の処理時に、処理開始から２５０秒経過後の駆動電流Ｉ２とその２５０秒以降の時間とのデータセットから作成した基準空間を用いて計算したマハラノビス距離ＭＤ^２（１回目）とマハラノビス距離ＭＤ^２（２回目）とを表すグラフ図である。

符号の説明

２…被研磨膜、３…ストッパ膜、５…ターンテーブル、６…研磨パッド、７…スピンドル、９…終点検出装置、１０…データ処理装置、１１…測定装置、１２…モータ

Claims (5)

1. 処理対象物の処理に伴って時間とともに変化する少なくとも１つのパラメータを測定し、前記処理が終了して前記処理対象物の状態が安定した定常状態で得られる前記パラメータと時間とのデータセットから基準空間を作成し、前記基準空間を用いて、前記処理の開始後に測定される前記パラメータの時間変化データのマハラノビス距離を計算し、前記マハラノビス距離に基づいて前記処理が終了した終点を検出することを特徴とする処理の終点検出方法。
2. 前記基準空間と同じ時間領域における前記マハラノビス距離と時間とのデータセットから基準空間を再作成し、この再作成された基準空間を用いて、前記マハラノビス距離の時間変化データのマハラノビス距離を再計算し、この再計算されたマハラノビス距離に基づいて前記処理が終了した終点を検出することを特徴とする請求項１記載の処理の終点判定方法。
3. 同じ構造の前記処理対象物について、前記基準空間を共通して用いることを特徴とする請求項１記載の処理の終点検出方法。
4. 前記処理対象物ごとに前記基準空間を更新することを特徴とする請求項１記載の処理の終点検出方法。
5. 処理対象物の処理に伴って時間とともに変化する少なくとも１つのパラメータを測定する測定装置と、
   前記処理が終了して前記処理対象物の状態が安定した定常状態で得られる前記パラメータと時間とのデータセットから基準空間を作成し、前記基準空間を用いて、前記処理の開始後に測定される前記パラメータの時間変化データのマハラノビス距離を計算し、前記マハラノビス距離に基づいて前記処理が終了した終点を検出するデータ処理装置と、
   を備えたことを特徴とする処理の終点検出装置。