JP2014513435A - 金属残留物または金属ピラーの渦電流モニタリング - Google Patents

Abstract

基板を化学機械研磨する方法は、研磨ステーションにおいて基板上の金属層を研磨することと、金属層の厚さを、研磨の間、研磨ステーションにおいて渦電流モニタシステムによりモニタすることと、金属層の残留物が下層から除去され、下層の上面が露出されていることを渦電流モニタシステムが示すとき、研磨を停止することとを含む。

Description

本開示は、基板の化学機械研磨中の過電流モニタリングに関する。

集積回路は、一般に、シリコンウエハ上に導電層、半導体層、または絶縁層を連続的に堆積させることによって、および層を引き続いて処理することによって基板（例えば、半導体ウエハ）上に形成される。

１つの製造ステップは、非平面表面の上に充填層を堆積させ、非平面表面が露出されるまで充填層を平坦化することを含む。例えば、導電性充填層をパターン化絶縁層上に堆積させて、絶縁層中のトレンチまたは孔を充填することができる。次に、充填層は、絶縁層の隆起パターンが露出されるまで研磨される。平坦化の後、絶縁層の隆起パターン間に残る導電層の部分は、基板上の薄膜回路間に導電性経路を設けるビア、プラグ、およびラインを形成する。加えて、平坦化を使用して、フォトリソグラフィのために基板表面を平坦化することができる。

化学機械研磨（ＣＭＰ）は１つの受け入れられている平坦化の方法である。この平坦化方法では、一般に、基板をキャリアヘッドに装着することが必要とされる。基板の露出した表面は、回転する研磨パッドに押し当てられる。キャリアヘッドは基板に制御可能な負荷を与えて、基板を研磨パッドに押しつける。砥粒粒子をもつスラリなどの研磨液体が研磨パッドの表面に供給される。

半導体処理中に、基板または基板上の層の１つまたは複数の特性を決定することが重要であることがある。例えば、プロセスが適正な時間に終了されうるように、ＣＭＰプロセス中に導電層の厚さを知ることが重要であることがある。いくつかの方法を使用して、基板特性を決定することができる。例えば、化学機械研磨中に基板をインシトゥモニタリングするために光センサを使用することができる。代替として（または加えて）、渦電流感知システムを使用して、基板上の導電性領域に渦電流を誘起し、それにより、導電性領域の局所的な厚さなどのパラメータを決定することができる。

１つの態様では、基板を化学機械研磨する方法は、研磨ステーションにおいて基板上の金属層を研磨することと、金属層の厚さを、研磨の間、研磨ステーションにおいて渦電流モニタシステムによりモニタすることと、金属層の残留物が下層から除去され、下層の上面が露出されていることを渦電流モニタシステムが示すとき、研磨を停止することとを含む。

実施態様は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。下層はバリア層とすることができる。下層は誘電体層とすることができる。渦電流モニタシステムは、１２ＭＨｚを超える共振周波数、例えば、約１４ＭＨｚと１６ＭＨｚとの間の共振周波数を有することができる。金属層の金属は、７００オーム−オングストローム未満の抵抗を有することができる。金属は、銅、アルミニウム、またはタングステンとすることができる。金属層の研磨は光学モニタシステムなしでモニタすることができる。金属層の残留物は、渦電流モニタシステムからの信号の大きさの変化の速度における変化を検出することによって除去されていることを決定することができる。

別の態様では、基板を化学機械研磨する方法は、基板の大体の平面表面（ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｐｌａｎａｒ ｓｕｒｆａｃｅ）から上方に突き出す複数の金属ピラーを研磨することと、ピラーの厚さを、研磨の間、研磨ステーションにおいて渦電流モニタシステムによりモニタすることと、ピラーが平面表面と実質的に同一平面上にあることを渦電流モニタシステムが示すとき、研磨を停止することとを含むことができる。

実施態様は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。大体の平面表面は誘電体層とすることができる。渦電流モニタシステムは、１２ＭＨｚを超える共振周波数を有することができる。ピラーの金属は、７００オーム−オングストローム未満の抵抗を有することができる。ピラーは銅とすることができる。金属ピラーは、渦電流モニタシステムからの信号の大きさの変化の速度における変化を検出することによって平面表面と同一平面上にあることを決定することができる。

いくつかの実施態様は以下の利点のうちの１つまたは複数を含むことができる。より低い導電率の金属、例えば、チタン、コバルトの厚さをバルク研磨の間感知することができ、それにより、キャリアヘッド圧力の閉ループ制御が可能になり、したがって、改善されたウエハ内不均一性（ＷＩＷＮＵ）およびウエハ間不均一性（ＷＴＷＮＵ）が可能になる。金属残留物の除去は、例えば、銅残留物に対して感知することができ、これにより、より正確な終点制御が可能になり、慎重なオーバー研磨の必要性が低減される。金属ライン、例えば銅ラインの厚さ（または導電率）を感知することができ、それにより、キャリアヘッド圧力の閉ループ制御は金属ラインの厚さおよび導電率が均一になるようにすることができ、それは歩留の改善をもたらすことができる。金属ピラー、例えば銅ピラーの研磨の間、ピラーの平坦化を検出し、それにより、平坦化プロセスの終点制御を行うことができる。

１つまたは複数の実施態様の詳細が、添付図面および以下の説明に記載される。他の態様、特徴、および利点が、説明および図面から、ならびに特許請求の範囲から明らかになる。

化学機械研磨装置の概略分解斜視図である。 渦電流モニタシステムと光学モニタシステムとを含む化学機械研磨ステーションの部分的断面の概略側面図である。 キャリアヘッドの概略断面図である。 図４Ａ〜Ｂは、渦電流モニタシステムの概略図である。 図５Ａ〜Ｂは、３つの突起部をもつ渦電流モニタシステムの側面図及び斜視図である。 図６Ａ〜Ｂは、細長い磁心を使用する化学機械研磨装置の上面図及び側面図である。 プラテンの表面上に基板をもつプラテンの上面図である。 図８Ａ〜Ｄは、渦電流センサを使用して研磨終点を検出する方法を概略的に示す図である。 金属層を研磨する方法を示す流れ図である。 金属層を研磨する方法のグラフおよび概略図である。 金属層を研磨する代替の方法のグラフおよび概略図である。 金属層を研磨する代替の方法を示す流れ図である。

様々な図面の同様の参照記号は同様の要素を示す。

ＣＭＰシステムは、基板上の最上部金属層の厚さを検出するために渦電流モニタシステムを使用することができる。最上部金属層の研磨中に、渦電流モニタシステムは、基板上の金属層の様々な領域の厚さを決定することができる。厚さ測定値を使用して、研磨プロセスの処理パラメータを実時間で調整することができる。例えば、基板キャリアヘッドは基板の裏側への圧力を調整して、金属層の領域の研磨速度を増加または減少させることができる。金属層の領域が研磨の後で実質的に同じ厚さになるように、研磨速度を調整することができる。ＣＭＰシステムは、金属層の領域の研磨がほぼ同時に完了するように研磨速度を調整することができる。そのようなプロファイル制御は実時間プロファイル制御（ＲＴＰＣ）と呼ぶことができる。

渦電流モニタリングに関する１つの問題は正確な厚さ決定のための信号が不十分であり、それにより、終点決定およびプロファイル制御の精度が不足することがあることである。いかなる特定の理論にも限定されることなく、不十分な信号をもたらす要因には、より低い導電率の金属、例えば、コバルト、チタン、窒化チタンの研磨が含まれうる。

信号強度はセンサの適切な構成によって改善することができる。

共振周波数を上げることによって、信号強度を増加させて、７００オームオングストロームを超える、例えば、１５００オームオングストロームを超える抵抗をもつ金属に対して信頼性のあるプロファイル制御を行うことができる。そのような金属にはコバルト、チタン、および窒化チタンが含まれうる。

さらに、渦電流モニタシステムを使用して、金属残留物、例えば、より高い導電率の金属、例えば、銅、アルミニウム、またはタングステンの残留物の基板の表面からの除去、および基板の下層における下にある誘電体層フィーチャの露出を検出することもできる。さらに、渦電流モニタシステムを使用して、基板上の金属フィーチャの厚さを検出することもできる。そのようなフィーチャには、トレンチ内の、および可能性としてピラーの銅、アルミニウム、またはタングステンが含まれうる。加えて、渦電流モニタシステムを使用して、金属ピラー、例えば、より高い導電率の金属、例えば、銅のピラーの平坦化を検出することもできる。共振周波数は、センサ磁心の材料、中心突起部のまわりのコイルの巻数、およびコイルと並列に回路上に載置されるキャパシタのキャパシタンスを含むパラメータを調整することによって上げることができる。

図１は、１つまたは複数の基板１０を研磨するためのＣＭＰ装置２０を示す。同様の研磨装置の説明は、米国特許第５，７３８，５７４号に見いだすことができる。研磨装置２０は、一連の研磨ステーション２２ａ、２２ｂ、および２２ｃと、移送ステーション２３とを含む。移送ステーション２３は、キャリアヘッドとローディング装置との間で基板を移送する。

各研磨ステーションは、研磨パッド３０が載置される上面２５を有する回転可能なプラテン２４を含む。第１のステーション２２ａおよび第２のステーション２２ｂは、硬く耐久性のある外面をもつ２層研磨パッド、または埋込み砥粒粒子をもつ固定砥粒研磨パッドを含むことができる。最終研磨ステーション２２ｃは比較的柔らかいパッドまたは２層パッドを含むことができる。各研磨ステーションは、基板を効率的に研磨するように研磨パッドの状態を維持するためにパッドコンディショナー装置２８を含むこともできる。

図２を参照すると、２層研磨パッド３０は、一般に、プラテン２４の表面に当接するバッキング層３２と、基板１０を研磨するために使用されるカバー層３４とを有する。カバー層３４は、一般に、バッキング層３２よりも硬い。しかし、いくつかのパッドはカバー層のみを有し、バッキング層を有していない。カバー層３４は、充填物、例えば中空微小球、および／または溝付き表面をできる限りもつ発泡ポリウレタンまたは注型ポリウレタンから構成することができる。バッキング層３２は、ウレタンで浸出された圧縮フェルト繊維から構成することができる。ＩＣ−１０００から構成されたカバー層と、ＳＵＢＡ−４から構成されたバッキング層とをもつ２層研磨パッドが、デラウェア州、ニューアークのＲｏｄｅｌ， Ｉｎｃ．から入手可能である（ＩＣ−１０００およびＳＵＢＡ−４はＲｏｄｅｌ， Ｉｎｃ．の製品名である）。

研磨ステップの間、スラリ３８は、スラリ供給ポートまたは組合せスラリ／リンスアーム３９によって研磨パッド３０の表面に供給されうる。研磨パッド３０が標準パッドである場合、スラリ３８は砥粒粒子（例えば、酸化物研磨のための二酸化ケイ素）をさらに含むことができる。

図１に戻って、回転可能なマルチヘッドカルーセル６０が４つのキャリアヘッド７０を支持する。カルーセルは、カルーセルモータアセンブリ（図示せず）を使ってカルーセル軸６４のまわりに中心支柱６２により回転され、キャリアヘッドシステムとそれに取り付けられた基板とは研磨ステーション２２と移送ステーション２３との間で周回する。キャリアヘッドシステムのうちの３つは基板を受け取って保持し、基板を研磨パッドに押しつけることによって基板を研磨する。その間に、キャリアヘッドシステムのうちの１つは移送ステーション２３から基板を受け取り、かつ移送ステーション２３に基板を送出する。

各キャリアヘッド７０は、キャリア駆動軸７４によって、キャリアヘッド回転モータ７６（カバー６８の４分の１を除去することにより示されている）に接続され、その結果、各キャリアヘッドはそれ自体の軸のまわりで独立に回転することができる。加えて、各キャリアヘッド７０は、独立して横方向に、カルーセル支持板６６に形成された半径方向スロット７２中で往復する。好適なキャリアヘッド７０の説明は米国特許第７，６５４，８８８号に見いだすことができ、その全開示は参照により組み込まれる。動作時に、プラテンはその中心軸２５のまわりで回転され、キャリアヘッドはその中心軸７１のまわりで回転され、研磨パッドの表面の端から端まで横方向に平行移動される。

図３は、キャリアヘッド７０のうちの１つを示す。キャリアヘッド７０の各々は、ハウジング１０２と、基部アセンブリ１０４と、ジンバル機構１０６（基部アセンブリ１０４の一部と見なすことができる）と、ローディングチャンバ１０８と、保持リング２００と、基板バッキングアセンブリ１１０とを含み、基板バッキングアセンブリ１１０は、内側チャンバ２３０、中央チャンバ２３２、２３４、２３６、および外側チャンバ２３８などの多数の独立に加圧できるチャンバを画定する可撓性膜１１６を含む。これらのチャンバは、可撓性膜の同心領域の圧力を制御し、それにより、基板の同心部分に対して独立した圧力制御を行う。いくつかの実施態様では、キャリアヘッド７０の各々は、５つのチャンバと、チャンバの各々のための圧力調整器とを含む。

図２に戻ると、渦電流モニタシステム４０は、基板上の金属層に渦電流を誘起する駆動システムと、駆動システムによって金属層に誘起された渦電流を検出する感知システムとを含む。モニタシステム４０は、プラテンとともに回転するように凹部２６に位置づけられた磁心４２と、磁心４２の１つの部位のまわりに巻かれた駆動コイル４９と、磁心４２の第２の部位のまわりに巻かれた感知コイル４６とを含む。駆動システムでは、モニタシステム４０は、駆動コイル４９に接続された発振器５０を含む。感知システムでは、モニタシステム４０は、感知コイル４６と並列に接続されたキャパシタ５２と、感知コイル４６に接続されたＲＦ増幅器５４と、ダイオード５６とを含む。発振器５０、キャパシタ５２、ＲＦ増幅器５４、およびダイオード５６は、プラテン２４から離して配置することができ、回転電気継手２９を通してプラテン中の構成要素に結合することができる。

いくつかの実施態様では、バッキング層３２は、凹部２６の上に開孔を含む。開孔は、凹部２６と同じ幅および深さを有することができる。代替として、開孔は凹部２６よりも小さくすることができる。カバー層３４の一部分３６はバッキング層の開孔の上にあることができる。カバー層３４の一部分３６は、スラリ３８が凹部２６に入らないようにすることができる。磁心４２の一部は開孔内に配置することができる。例えば、磁心４２は、開孔に延びる突起部を含むことができる。いくつかの実施態様では、磁心４２の最上部は、カバー層３４の底面を越えて延びない。

動作時に、発振器５０は駆動コイル４９を駆動して振動磁界を発生させ、振動磁界は磁心４２の本体を通って磁心の突起部間の間隙へと延びる。磁界の少なくとも一部分は、研磨パッド３０の薄い部分３６を通って基板１０へと延びる。金属層が基板１０上に存在する場合、振動磁界は金属層に渦電流を発生させる。渦電流により、金属層は、感知コイル４６とキャパシタ５２とに並列なインピーダンス源として働くようになる。金属層の厚さが変化するとき、インピーダンスが変化し、その結果、感知機構のＱ係数の変化がもたらされる。感知機構のＱ係数の変化を検出することによって、渦電流センサは、渦電流の強度の変化、したがって、金属層の厚さの変化を感知することができる。

反射率計または干渉計として機能することができる光学モニタシステム１４０は、凹部２６中で、例えば、渦電流モニタシステム４０に隣接してプラテン２４に固定することができる。したがって、光学モニタシステム１４０は、渦電流モニタシステム４０によってモニタされるのと実質的に同じ基板上の場所の反射率を測定することができる。具体的には、光学モニタシステム１４０は、プラテン２４の回転軸からの半径方向距離が渦電流モニタシステム４０と同じ半径方向距離の基板の部分を測定するように位置づけることができる。このように、光学モニタシステム１４０は、渦電流モニタシステム４０と同じ経路で基板の端から端まで掃引することができる。

光学モニタシステム１４０は、光源１４４と光検出器１４６とを含む。光源は光線１４２を発生し、光線１４２は透明窓区間３６およびスラリを通って伝搬して基板１０の露出表面上に突き当たる。例えば、光源１４４はレーザとすることができ、光線１４２はコリメートされたレーザビームとすることができる。光レーザビーム１４２は、基板１０の表面に対して垂直な軸から角度αでレーザ１４４から投射することができる。加えて、凹部２６および窓３６が細長い場合、窓の細長い軸に沿って光線を拡大するためにビームエキスパンダ（図示せず）を光線の経路に位置づけることができる。一般に、光学モニタシステムは、開示全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，１５９，０７３号および第６，２８０，２８９号で説明されているように機能する。いくつかの実施態様では、渦電流モニタシステム４０は十分な感度があるので、光学モニタシステム１４０が含まれないことがある。

ＣＭＰ装置２０は、磁心４２および光源４４が基板１０の真下にあるときを感知するための光学遮蔽器などの位置センサ８０をさらに含むことができる。例えば、光学遮蔽器は、キャリアヘッド７０の反対側の固定点に装着することができる。フラグ８２はプラテンの周辺に取り付けられる。フラグ８２の取り付け点および長さは、透明区間３６が基板１０の真下を掃引する間、フラグ８２がセンサ８０の光信号を遮蔽するように選択される。代替として、ＣＭＰ装置は、プラテンの角度位置を決定するためのエンコーダを含むことができる。

汎用プログラマブルデジタルコンピュータ９０は、渦電流感知システムからの強度信号および光学モニタシステムからの強度信号を受け取る。モニタシステムはプラテンの回転ごとに基板の真下を掃引するので、金属層厚さおよび下層の露出に関する情報が、インシトゥでかつ連続的実時間ベースで蓄積される（プラテンの回転当たり１回）。コンピュータ９０は、基板が概ね透明区間３６の上に重なる（位置センサによって決定されるように）とき、モニタシステムからの測定値をサンプリングするようにプログラムすることができる。研磨が進行するにつれて、金属層の反射率または厚さが変化し、サンプリングされた信号は時間とともに変化する。時間とともに変化するサンプリングされた信号はトレースと呼ばれることがある。モニタシステムからの測定値は研磨の間出力デバイス９２に表示することができ、デバイスのオペレータは研磨動作の進行を視覚的にモニタすることができる。

動作時に、ＣＭＰ装置２０は、渦電流モニタシステム４０と光学モニタシステム１４０とを使用して、充填層の大部分が除去されたとき、および下にあるストップ層が実質的に露出されたときを決定する。コンピュータ９０は、プロセス制御および終点検出論理をサンプリングした信号に適用して、プロセスパラメータを変更すべきとき、および研磨終点を検出すべきときを決定する。検出器論理のための可能なプロセス制御および終点判断基準は、極小もしくは極大、傾斜の変化、振幅もしくは傾斜の閾値、またはそれらの組合せを含む。

加えて、コンピュータ９０は、全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，３９９，５０１号に説明されているように、基板の真下の各掃引による渦電流モニタシステム４０と光学モニタシステム１４０との両方からの測定値を複数のサンプリングゾーンに分割し、各サンプリングゾーンの半径方向位置を計算し、振幅測定値を半径方向範囲に分類し、サンプリングゾーンごとに最小測定値、最大測定値、および平均測定値を決定し、多数の半径方向範囲を使用して研磨終点を決定するようにプログラムすることができる。

コンピュータ９０は、さらに、キャリアヘッド７０によって印加される圧力を制御する圧力機構、キャリアヘッド回転速度を制御するためのキャリアヘッド回転モータ７６、プラテン回転速度を制御するためのプラテン回転モータ（図示せず）、または研磨パッドに供給されるスラリ組成物を制御するためのスラリ分配システム３９に接続することができる。具体的には、測定値を半径方向範囲に分類した後、以下でさらに説明するように、金属膜厚に関する情報を実時間で閉ループコントローラに送り込んで、キャリアヘッドによって印加される研磨圧力プロファイルを周期的にまたは連続的に修正することができる。

図４Ａは、プロファイル情報を測定するための渦電流モニタシステム４００の一例を示す。渦電流モニタシステム４００は渦電流モニタシステム４０として使用することができる。渦電流感知により、振動磁界は、ウエハ上の導電性領域に渦電流を誘起する。渦電流は、渦電流感知システムによって発生された磁束線に結合する領域に誘起される。渦電流モニタシステム４００は、Ｅ形状本体をもつ磁心４０８を含む。磁心４０８は、後部部分４１０と、後部部分４１０から延びる３つの突起部４１２ａ〜ｃとを含むことができる。

磁心４０８の後部部分４１０は、概ね板形状または長方形箱形状本体とすることができ、研磨動作の間、プラテンの上面に平行な頂面、例えば、基板および研磨パッドに平行な頂面を有することができる。いくつかの実施態様では、後部部分４１０の長軸は、プラテンの回転軸から延びるプラテンの半径に対して垂直である。後部部分４１０の長軸は、後部部分４１０の前面に対して垂直とすることができる。後部部分４１０は、プラテンの上面に対して垂直に測定される高さを有することができる。

突起部４１２ａ〜ｃは、後部部分４１０の上面に対して垂直な方向に後部部分４１０から延び、実質的に絶縁体であり、互いに平行に延びる。突起部４１２ａ〜ｃの各々は、プラテンの上面に対して平行な、例えば、研磨動作中の基板および研磨パッドの面に対して平行な方向に沿った長軸を有することができ、実質的に直線的であり、互いに平行に延びる。突起部４１２ａ〜ｃの長軸は、突起部４１２ａ〜ｃの前面に対して垂直とすることができる。後部部分４１０の長軸は、突起部４１２ａ〜ｃの長軸と同じ方向に延びることができる。いくつかの実施態様では、突起部４１２ａ〜ｃの長軸は、研磨パッドの回転軸から延びる研磨パッドの半径に対して垂直である。２つの外側突起部４１２ａ、４１２ｃは、中心突起部４１２ｂの反対側にある。外側突起部（例えば、４１２ａおよび４１２ｃ）の各々と中心突起部（例えば、４１２ｂ）との間の空間は同じとすることができ、すなわち、外側突起部４１２ａ、４１２ｃは中心突起部４１２ｂから等距離とすることができる。

渦電流感知システム４００は、コイル４２２とキャパシタ４２４とを並列に含む。コイル４２２は、磁心４０８に結合することができる（例えば、コイル４２２は中心突起部４１２ｂのまわりに巻き付けることができる）。一緒にして、コイル４２２とキャパシタ４２４とはＬＣ共振タンクを形成することができる。動作時に、電流ジェネレータ４２６（例えば、マージナル発振器回路に基づく電流ジェネレータ）は、コイル４２２（インダクタンスＬをもつ）とキャパシタ４２４（キャパシタンスＣをもつ）とによって形成されたＬＣタンク回路の共振周波数でシステムを駆動する。電流ジェネレータ４２６は、正弦波発振のピークツーピーク振幅を一定値に維持するように設計することができる。振幅Ｖ_０をもつ時間依存電圧は、整流器４２８を使用して整流され、フィードバック回路４３０に供給される。フィードバック回路４３０は、電流ジェネレータ４２６が電圧Ｖ_０の振幅を一定に保つように駆動電流を決定する。そのようなシステムでは、駆動電流の大きさは導電性膜の厚さに比例することができる。マージナル発振器回路およびフィードバック回路は、参照により組み込まれる米国特許第４，０００，４５８号および第７，１１２，９６０号にさらに説明されている。

電流ジェネレータ４２６は、周波数が同じままであるようにＬＣ共振タンクに電流を送り込むことができる。コイル４２２は振動磁界４３２を発生させることができ、振動磁界４３２は基板（例えば、基板１０）の導電性領域４０６に結合することができる。導電性領域４０６が存在する場合、基板中の渦電流として消費されるエネルギーにより、発振の振幅が低下されうる。電流ジェネレータ４２６は、振幅を一定に保つためにＬＣ共振タンクにより多くの電流を送り込むことができる。電流ジェネレータ４２６によって送り込まれた追加の電流の量は感知することができ、導電性領域４０６の厚さの測定値に変換することができる。

図４Ｂは、渦電流モニタシステム４００の別の実施態様を示す。渦電流モニタシステム４００は振動磁界４０４を発生させるための駆動コイル４０２を含むことができ、振動磁界４０４は、対象の導電性領域４０６（例えば、半導体ウエハ上の金属層の部分）に結合することができる。駆動コイル４０２は後部部分４１０のまわりに巻くことができる。振動磁界４０４は、導電性領域４０６に渦電流を局所的に発生させる。渦電流により、導電性領域４０６は、感知コイル４１４とキャパシタ４１６とに並列なインピーダンス源として働くようになる。感知コイル４１４は中心突起部４１２ｂのまわりに巻き付けることができる。感知コイル４１４を中心突起部４１２ｂの外側部分のまわりに巻き付けて、渦電流モニタシステム４００の感度を増加させることができる。導電性領域４０６の厚さが変化するとき、インピーダンスが変化し、その結果、システムのＱ係数の変化がもたらされる。Ｑ係数の変化を検出することによって、渦電流モニタシステム４００は、渦電流の強度の変化、したがって、導電領域性の厚さの変化を感知することができる。それ故に、渦電流モニタシステム４００は、導電性領域の厚さなどの導電性領域のパラメータを決定するために使用することができ、または研磨終点などの関連パラメータを決定するために使用することができる。特定の導電性領域の厚さを上述したが、いくつかの異なる導電性領域の厚さ情報が得られるように磁心４０８と導電層との相対位置を変更することができることに留意されたい。

いくつかの実施態様では、Ｑ係数の変化は、固定の駆動周波数および駆動振幅に対して、感知コイルの電流の振幅を時間の関数として測定することによって決定することができる。渦電流信号は整流器４１８を使用して整流され、振幅が出力部４２０を介してモニタされうる。代替として、Ｑ係数の変化は、駆動信号と感知信号との間の位相差を時間の関数として測定することによって決定することができる。

渦電流モニタシステム４００を使用して、基板上の導電層の厚さを測定することができる。いくつかの実施態様では、より高い信号強度、より高い信号対雑音比、および／または改善された空間分解能および線形性をもつ渦電流モニタシステムが望まれることがある。例えば、ＲＴＰＣ用途では、所望のウエハ間均一性（ｃｒｏｓｓ−ｗａｆｅｒ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）を得るのに、渦電流感知システムの改善を必要とすることがある。

渦電流モニタシステム４００は、信号強度の向上、信号対雑音比の向上、線形性の向上、および安定性の向上を実現することができる。改善された信号強度をもつ渦電流感知システムを実現することによって追加の利益を得ることができる。改善された信号強度はＲＴＰＣにとって特に有益となりうる。高分解能ウエハプロファイル情報を得ることにより、処理パラメータのより正確な調整が可能になり、それにより、より小さい限界寸法（ＣＤ）をもつデバイスの製造を可能にすることができる。

一般に、インシトゥ渦電流モニタシステム４００は、約５０ｋＨｚから２０ＭＨｚ、例えば、約１０ＭＨｚと２０ＭＨｚとの間、例えば、約１４ＭＨｚと１６ＭＨｚとの間の共振周波数で構成される。例えば、図４Ａに示した渦電流モニタシステム４００では、コイル４２２は、約０．３マイクロＨから３０マイクロＨ、例えば、０．７５μＨのインダクタンスを有することができ、キャパシタ４２４は、約７０ｐＦから約０．０２２μＦ、例えば、１５０ｐＦのキャパシタンスを有することができる。

図５Ａは、磁心５００の別の例を示す。磁心５００は、比較的高い透磁率（例えば、約２５００以上のμ）をもつ非導電性材料から形成されたＥ形状本体を有することができる。具体的には、磁心５００はニッケル−亜鉛フェライトとすることができる。磁心５００は被覆されうる。例えば、磁心５００は、水が磁心５００の細孔に入らないようにし、かつコイルを短絡させないようにするためにパリレンなどの材料で被覆されうる。磁心５００は、渦電流モニタシステム４００に含まれる磁心４０８と同じとすることができる。磁心５００は、後部部分５０２と、後部部分５０２から延びる３つの突起部５０４ａ〜ｃとを含むことができる。

第１の突起部５０４ｂは幅Ｗ１を有し、第２の突起部５０４ａは幅Ｗ２を有し、第３の突起部５０４ｃは幅Ｗ３を有する。幅Ｗ２およびＷ３は同じとすることができる。例えば、突起部５０４ａおよび５０４ｃは０．７５ｍｍの幅を有することができる。突起部５０４ｂ、すなわち、Ｗ１の幅は、突起部５０４ａまたは５０４ｃのいずれかの幅の２倍、すなわち、１．５ｍｍとすることができる。第１の突起部５０４ｂと第２の突起部５０４ａとは距離Ｓ１だけ分離され、第１の突起部５０４ｂと第３の突起部５０４ｃとは距離Ｓ２離れている。いくつかの実施態様では、距離Ｓ１およびＳ２は同じであり、第２の突起部５０４ａおよび第３の突起部５０４ｃは中心突起部５０４ｂから同じ距離にある。例えば、距離Ｓ１およびＳ２は共に約２ｍｍである。

突起部５０４ａ〜ｃの各々は高さＨｐを有し、高さＨｐは、突起部５０４ａ〜ｃが磁心５００の後部部分５０２から延びる距離である。高さＨｐは、幅Ｗ１、Ｗ２、およびＷ３を超えることができる。いくつかの実施態様では、高さＨｐは、突起部５０４ａ〜ｃを分離する距離Ｓ１およびＳ２と同じである。特に、高さＨｐは２ｍｍとすることができる。後部部分５０２は高さＨｂを有する。高さＨｂは、距離Ｓ１または距離Ｓ２または高さＨｐと同じとすることができ、例えば、２ｍｍである。

コイル５０６は中心突起部５０４ｂのまわりに巻くことができる。コイルは、キャパシタ４１６などのキャパシタに結合することができる。システム４００などの渦電流モニタシステムの実施態様では、別個の感知コイルおよび駆動コイルを使用することができる。いくつかの実施態様では、コイル５０６などのコイルはリッツ線（均一なねじれパターンおよび撚りの長さで一緒に束ねられるか、または編まれた個々のフィルム絶縁線から構成された織り線）とすることができ、リッツ線は、渦電流感知で一般に使用される周波数で単線よりも損失が少なくなりうる。

いくつかの実施態様では、コイル５０６は、突起部５０４ｂ全体ではなく中心突起部５０４ｂの一部分のまわりに巻き付けることができる。例えば、コイル５０６は、中心突起部５０４ｂの外側部分のまわりに巻き付けることができる。コイル５０６は、中心突起部５０４ｂの内側部分に接触しなくてもよい。内側部分は、外側部分よりも後部部分５０２の近くにありうる。

図５Ｂは、磁心５００の斜視図を示す。磁心５００は、突起部５０４ａ〜ｃの幅Ｗ１、Ｗ２、およびＷ３と、突起部５０４ａ〜ｃを分離する距離Ｓ１およびＳ２との和である幅Ｗｔを有することができる。磁心５００は、突起部５０４ａ〜ｃの高さＨｐと後部部分５０２の高さＨｂとの和である高さＨｔを有する。いくつかの実施態様では、幅Ｗｔは高さＨｔを超える。磁心５００は、中心突起部５０４ｂの幅Ｗ１を超え、好ましくは、磁心の幅Ｗｔを超える長さＬｔを有する。長さＬｔは約１０ｍｍと３０ｍｍとの間とすることができる。長さＬｔは、磁心５００の幅Ｗｔを超えることができる。

図６Ａおよび６Ｂは、磁心６０２に対する基板６００の相対位置の上面図および側面図を示す（磁心６０２は図４の磁心４０８または図５の磁心５００と同様とすることができる）。半径Ｒを有するウエハ６００の中心を通るスライスＡ−Ａ’を通る走査のために、磁心６０２は、長軸がウエハ６００の半径に対して垂直となるように向きを定められる。磁心６０２は、図示のようにウエハの直径に対して平行移動される。磁心６０２のまわりに巻かれたコイルによって生成された磁界により、長さが幅を超え、その上、形状が細長い導電性領域に渦電流が誘起されることに留意されたい。しかし、その長さおよび幅は、一般に、磁心６０２の長さおよび幅と同じではなく、その上、導電性領域のアスペクト比および断面は、一般に、磁心６０２のそれらと異なる。

図６Ａおよび６Ｂの構成は、ウエハ６００のスライスＡ−Ａ’の大部分については分解能の改善を実現することができるが、磁心６０２が、半径の最初および最後のセグメント６０４に沿って平行移動するとき、磁心６０２の一部分は基板に隣接しない。それ故に、セグメント６０４の測定値はそれほど正確でなく、磁心６０２の長さＬｔなどの最大の望ましい長さＬに制限を課すことがある。加えて、磁心６０２がウエハ６００の中心に近づくにつれ、磁心６０２はより大きい半径方向範囲をサンプリングしている。それ故に、特定の半径方向距離ｒ≒Ｒでの空間分解能は、ｒ≒０の空間分解能よりも著しく良好である。

上記で説明したように、磁心６０２の長さＬは幅Ｗを超える。すなわち、アスペクト比Ｌ／Ｗは１よりも大きい。Ｌ、Ｗ、およびＬ／Ｗの異なる値を異なる実施態様で使用することができる。例えば、Ｗは数分の１ミリメートルから１センチメートルを超える範囲にわたることができ、一方、Ｌは約１ミリメートル（Ｗのより小さい値の場合）から１０センチメートル以上までの範囲にわたることができる。

特定の実施態様では、Ｗは約１ミリメートルと約１０ミリメートルとの間にあり、一方、Ｌは約１センチメートルから約５センチメートルの間にある。より詳細には、磁心６０２は約７ミリメートル幅とし、各突出部は幅が約１ミリメートルとし、隣接する突出部間の各空間は約２ミリメートルとすることができる。長さは約２０ミリメートルとすることができる。高さは、約４ミリメートルとすることができ、所望であればより多くのコイル巻き数を可能にするために増加させることができる。当然、ここで与えられた値は例示であり、多くの他の構成が可能である。

いくつかの実施態様では、磁心の長軸は、基板の半径に対して正確には垂直でないことがある。しかし、磁心は、依然として、利用可能な磁心形状寸法に対して、特にウエハエッジの近くで分解能の改善を実現することができる。図７は、細長い磁心７０２がプラテン７０４の真下に位置づけられるＣＭＰシステム７００を示す。基板７０６のすぐ下を掃引する前に、磁心７０２は位置７０８にある。位置７０８において、磁心７０２は、基板７０６の半径Ｒに対してほぼ垂直に位置づけられる。それ故に、ｒ≒Ｒでは、磁心７０２のまわりに巻かれたコイルによって生成された磁界に結合する導電層の部分は、ウエハの中心から概ね同じ半径方向距離にある。プラテン７０４および基板７０６の両方は、磁心７０２が基板７０６の真下を掃引するとき回転していることに留意されたい。基板７０６は、図示のように、プラテン７０４に対して掃引することもできる。加えて、フラグ７１０とフラグセンサ７１２とを使用してプラテン７０４の回転位置を感知することができる。

最初に、図４および８Ａを参照すると、研磨を実行する前に、発振器５０はいかなる基板もない状態でＬＣ回路の共振周波数に調整される。この共振周波数は、ＲＦ増幅器５４からの出力信号の最大振幅をもたらす。

図８Ｂに示すように、研磨動作の間、基板１０は研磨パッド３０に接触して載置される。基板１０は、シリコンウエハ１２と、１つまたは複数のパターン化下層１４の上に配列された導電層１６、例えば、銅、アルミニウム、コバルト、チタン、または窒化チタンなどの金属を含むことができ、１つまたは複数のパターン化下層１４は半導体、導体、または絶縁膜とすることができる。タンタルまたは窒化タンタルなどのバリア層１８は下にある誘電体から金属層を分離することができる。パターン化下層１４は金属フィーチャ、例えば、銅、アルミニウム、またはタングステンのトレンチ、ビア、パッド、相互接続を含むことができる。研磨の前に、導電層１６の大部分は当初は比較的厚く連続的であるので、導電層１６は低い抵抗を有し、比較的強い渦電流が導電層に発生されうる。渦電流により、金属層は、感知コイル４６とキャパシタ５２とに並列なインピーダンス源として機能するようになる。その結果、導電膜１６が存在すると、センサ回路のＱ係数が減少し、それによって、ＲＦ増幅器５６からの信号の振幅が著しく減少する。

図８Ｃを参照すると、基板１０が研磨されるにつれて、導電層１６のバルク部分が薄化される。導電層１６が薄くなるにつれて、そのシート抵抗が増加し、金属層の渦電流は弱くなる。その結果、導電層１６とセンサ回路との間の結合は減少する（すなわち、仮想インピーダンス源の抵抗を増加させる）。結合が低下するにつれて、センサ回路のＱ係数は元の値の方に増加し、それにより、ＲＦ増幅器５６からの信号の振幅は上昇する。

図８Ｄを参照すると、最終的に、導電層１６のバルク部分は除去され、パターン化絶縁層１４の間のトレンチに導電性相互接続部１６’が残される。この時点で、概ね小さくかつ概ね不連続である基板中の導電性部分とセンサ回路との間の結合は最小に達する。その結果、センサ回路のＱ係数は目標値に達する（基板が全くないときのＱ係数から識別可能）。これにより、センサ回路からの出力信号の振幅の変化の速度に顕著な低下が引き起こされる。

図９は、基板上の金属層を研磨するためのプロセス９００の例示の流れ図を示す。金属層は、７００オームオングストローム以上、例えば、１５００オームオングストローム以上、例えば、２５００オームオングストローム以上の抵抗を有することができる。金属層は、１００００オームオングストローム未満の抵抗を有することができる。例えば、金属層は、コバルト、チタン、または窒化チタンとすることができる。研磨の前に、金属層は１０００オングストロームから２０００オングストロームの間の厚さを有することができる。金属層は研磨ステーションにおいて研磨される（９０２）。渦電流モニタシステムは、研磨の間金属層の厚さを測定する（９０４）。測定値は、基板へのキャリアヘッド７０の異なるチャンバの圧力を制御して金属層を均等に研磨するために閉ループフィードバックシステムに送り込むことができる（９０６）。渦電流モニタシステムは、１２ＭＨｚを超え、例えば、約１４ＭＨｚから１６ＭＨｚの、例えば、１５ＭＨｚの共振周波数を有することができる。これにより、いくつかの金属層、例えば、コバルトの研磨では、２０００オングストローム未満の、例えば約２００オングストロームまでの層の厚さの正確な測定を可能にすることができる。このように、金属層が２００オングストロームから３００オングストロームの厚さを有するまで、圧力のフィードバック制御を完全に行うことができ、この時点で研磨を停止することができる（９０８）。

渦電流センサの感度の改善により、より低い抵抗をもつ金属、例えば、銅、アルミニウム、タングステンのより薄い金属層の厚さにおいて、印加する圧力の閉ループ制御は、キャリアヘッドの異なるチャンバによってより高い信頼性で行うことができる。そのような金属では、所定の厚さのレベルは、例えば、金属層の排除検出または実質的な除去のために、２００オングストローム未満、例えば５０オングストローム未満とすることができる。

加えて、渦電流センサは、基板に残っている金属残留物があるかどうか、および下層、例えば、下にあるバリア層または下にある誘電体層が完全に露出されたかどうかを検出するために使用することができる。残留物は、下層が実質的に露出されたときに下層の上に依然として残っている金属層の金属、例えば、下層上の（しかしトレンチ内でない）金属の小さい非接続のスポットである。これにより、より正確な終点制御が可能になり、慎重なオーバー研磨の必要性が低減される。金属残留物は、７００オームオングストローム未満の抵抗をもつ金属、例えば、銅、アルミニウム、またはタングステンの残留物であることがある。いくつかの実施態様では、金属は銅であり、下層はバリア層、例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、またはＴａＮである。いくつかの実施態様では、金属はバリア層金属、例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、またはＴａＮであり、下層は誘電体層である。そのような場合、金属残留物は、７００オームを超える抵抗をもつバリア層金属の残留物であることがある。

図１０を参照すると、グラフ１００２は、時間とともに渦電流センサから受け取る信号１００４を示す。ＲＴＰＣ％軸は、渦電流センサから受け取った信号を表示する。空気に対する閾値を超える信号は、測定するのに十分な導電性の材料が存在することを示す。このように、研磨プロセスの開始において、研磨される材料の層１００８が厚いので信号は高い。層１００８が研磨されて薄くなるにつれて、グラフ１００２に示されるように、信号は降下する。ステップ１００６ｂで示されるように、層１００８が排除されると、信号の変化の速度（すなわち、傾斜）は、グラフ１００２中の「排除ｅｐ」とマークされた時点で示されるように変化する。傾斜の変化を検出して使用し、層１００８が排除されたことを決定することができる。

基板は研磨され続けるので、受け取る信号は下層１０１２の金属フィーチャ１０１０の厚さを示す。渦電流モニタシステムを使用して、金属フィーチャ１０１０の所定の厚さが残るまで層１０１２および金属フィーチャ１０１０を研磨し続けることができる。

図１１を参照すると、同様のプロセスを、ピラー平坦化の検出に使用することができる。渦電流センサにとって適切な共振周波数（１５ＭＨｚより高いことが必要であることがある）を選択することによって、金属ピラーの厚さに依存する信号を得ることを可能にすることができる。グラフ１１０２は、時間とともに渦電流センサから受け取る信号を示す。ピラー平坦化に対するグラフの傾斜の変化は、ステップ１１０６ｂに示されるように、ピラーの平坦化を示す。この時点で、層１１１２を越えて突き出していたピラー１１１０は、ピラー１１１０を囲む層１１１２の材料と相対的に同様のレベルまで研磨されている。いくつかの実施態様では、基板は、ピラー１１１０が平坦化されるまで第１の速度で研磨し、層１１１２と、所定の厚さまで平坦化された後のピラー１１１０とを研磨するために第２の速度で研磨することができる。例えば、第１の速度は第２の速度よりも速くすることができるが、それは、平坦化の前の信号の変化の速度が平坦化の前にはより大きいからである。それ故に、信号の変化はより迅速に検出することができる。平坦化の時点が達せられた後、第２の速度を相対的により遅くして、より正確な終点制御を行うことができる。

図１２は、基板上の層を研磨するための代替のプロセス１２００の例示の流れ図を示す。渦電流センサの改善された感度により、および適切な共振周波数（１５ＭＨｚより高いことが必要であることがある）の選択により、例えば、少なくとも、バックエンドオブラインプロセスでの基板、例えば、ｍｅｔａｌ６またはｍｅｔａｌ７をもつ基板などのいくつかのタイプの基板上の金属フィーチャの厚さを測定することを可能とすることができる。これにより、基板は、金属フィーチャの所定の厚さまで研磨されうる。金属フィーチャは、別々の分離された金属フィーチャ、例えば、基板のトレンチの内部の金属または下層の平面表面の上に延びる金属ピラーである。金属フィーチャは、７００オームオングストローム未満の抵抗をもつ金属、例えば、銅、アルミニウム、またはタングステンとすることができる。基板は研磨ステーションにおいて研磨され（１２０２）、渦電流モニタシステムを使用して、層中の金属フィーチャの厚さをモニタする（１２０４）。適宜、金属フィーチャの厚さを使用して、キャリアヘッドによって基板に印加される圧力を制御することができる（１２０６）。金属フィーチャの所定の厚さが残っていることを渦電流モニタシステムが示すとき、研磨を停止することができる（１２０８）。

いくつかの実施態様では、金属フィーチャをもつ層の上の上層は、図１０を参照して説明したように、金属フィーチャをもつ層を研磨する前に最初に排除することができる。例えば、金属層はパターン化下層の上に堆積され、下層の上の金属は上層であり、パターンのトレンチ内の金属は金属フィーチャを形成することができる。いくつかの実施態様では、渦電流センサからの信号の大きさの減少の速度の変化は、上層の排除を示すことができる。

いくつかの実施態様では、プロセス１２００は、図１１を参照して上述したように、ピラー平坦化のために使用することができる。例えば、層は、ビア、例えばシリコン貫通ビアのための銅ピラーを含むことができる。渦電流センサによってモニタされる金属フィーチャは銅ピラーとすることができる。さらに、ピラーが平坦化されると、渦電流センサからの信号の大きさの減少の速度は変化しうる。次に、層と平坦化されたピラーとは、さらに、渦電流モニタシステムによって示される所定の厚さまで研磨することができる。

渦電流モニタシステムおよび光学モニタシステムは様々な研磨システムで使用することができる。研磨パッドもしくはキャリアヘッドのいずれか、または両方を移動させて、研磨表面と基板との間の相対運動を行わせることができる。研磨パッドは、プラテンに固定された円形（またはいくつかの他の形状）パッド、供給ローラと巻取りローラとの間に延びるテープ、または連続的なベルトとすることができる。研磨パッドは、プラテン上に貼りつけるか、研磨動作間にプラテンの上で漸増的に進めるか、または研磨の間プラテンの上で連続的に動かすことができる。パッドは研磨の間プラテンに固定することができ、または研磨の間プラテンと研磨パッドとの間に流体ベアリングが存在することができる。研磨パッドは、標準の（例えば、充填物をもつポリウレタン、または充填物をもたないポリウレタンの）粗いパッド、軟化パッド、または固定砥粒研磨パッドとすることができる。発振器の駆動周波数は、基板がないときに調整するのではなく、研磨済みまたは未研磨の基板が存在する状態での（キャリアヘッドの有無に関わらず）共振周波数に、または何らかの他の基準に調整することができる。

光学モニタシステム１４０は、同じ孔に位置づけるように示されているが、プラテンにおいて渦電流モニタシステム４０と異なる場所に位置づけることができる。例えば、光学モニタシステム１４０および渦電流モニタシステム４０はプラテンの反対側に位置づけることができ、その結果、それらは交互に基板表面を走査する。

本発明のいくつかの実施形態を説明した。それにもかかわらず、本発明の実施形態の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことできることが理解されよう。したがって、他の実施形態は以下の特許請求の範囲の範囲内にある。

Claims (15)

1. 基板を化学機械研磨する方法であって、
   研磨ステーションにおいて前記基板上の金属層を研磨することと、
   前記金属層の厚さを、研磨の間、前記研磨ステーションにおいて渦電流モニタシステムによりモニタすることと、
   前記金属層の残留物が下層から除去され、前記下層の上面が露出されていることを前記渦電流モニタシステムが示すとき、研磨を停止することと
   を含む、方法。
2. 前記下層がバリア層である、請求項１に記載の方法。
3. 前記下層が誘電体層である、請求項１に記載の方法。
4. 前記渦電流モニタシステムが１２ＭＨｚを超える共振周波数を有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記渦電流モニタシステムが約１４ＭＨｚと１６ＭＨｚとの間の共振周波数を有する、請求項３に記載の方法。
6. 前記金属層の金属が７００オーム−オングストローム未満の抵抗を有する、請求項１に記載の方法。
7. 前記金属が、銅、アルミニウム、またはタングステンである、請求項５に記載の方法。
8. 前記金属層の残留物が、前記渦電流モニタシステムからの信号の大きさの変化の速度における変化を検出することによって除去されていることを決定することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
9. 基板を化学機械研磨する方法であって、
   前記基板上の複数の金属ピラーを研磨することであり、前記ピラーが大体の平面表面から上方に突き出す、研磨することと、
   前記ピラーの厚さを、研磨の間、前記研磨ステーションにおいて渦電流モニタシステムによりモニタすることと、
   前記ピラーが前記平面表面と実質的に同一平面上にあることを前記渦電流モニタシステムが示すとき、研磨を停止することと
   を含む、方法。
10. 前記大体の平面表面が誘電体層である、請求項９に記載の方法。
11. 前記渦電流モニタシステムが１２ＭＨｚを超える共振周波数を有する、請求項９に記載の方法。
12. 前記渦電流モニタシステムが約１４ＭＨｚと１６ＭＨｚとの間の共振周波数を有する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記金属層の金属が７００オーム−オングストローム未満の抵抗を有する、請求項９に記載の方法。
14. 前記ピラーが銅である、請求項１３に記載の方法。
15. 前記金属ピラーが、前記渦電流モニタシステムからの信号の大きさの変化の速度における変化を検出することによって前記平面表面と同一平面上にあることを決定することをさらに含む、請求項９に記載の方法。

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