JP3864540B2 - 薄層の厚さと薄層の厚さの変化を測定する方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＭＰ（化学的−機械的研磨）中におけるセミコンダクタウエハ又はその他の基板上に形成された薄層の厚さ及びその厚さの変化を測定することに関するものである。更に詳細には、本発明は、このような薄層の厚さの光学的測定に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
化学的−機械的研磨（ＣＭＰ）は、セミコンダクタの加工において使用される周知の方法である。ＣＭＰは、例えば、シリコンウエハ上に形成されたシリコンダイオキサイド（以下「オキサイド」という）薄層表面等の表面を、平滑にするために使用されている代表的な方法である。ＣＭＰプロセスは、例えば、平滑領域上のオキサイドを有意差があるようには薄くすることなしに小さな隆起外面を除去する。ＣＭＰ法にとって、セミコンダクタウエハ上の平面化終点を決定することはよく知られた課題である（ラスチングのアメリカ特許第５４３３６５１号参照）。ＣＭＰにおいては、スラリーは、通常、望ましくない薄層物質を除去し、洗い流すために、重ね合わせた（研磨）プレ−トの間に供給される。
【０００３】
市販されているＣＭＰ機器は、単一の回転研磨プレ−トと、ウエハが取り付けられている直径がより小さい回転ウエハキャリアとを有する。このウエハキャリアは、静止した固定位置に保持されるか、又は、所定の通路を前後に揺動するかのいずれかによって、研磨プレ−トの上部に保持されている。更に、セミコンダクタを加工するためのオキサイドを平滑な表面にするために十分な量の物質を、下層の物質を過剰に除去しないようにしつつ、研磨プレ−トによって除去する。つまり、これがＣＭＰ終点を正確に検出しなければならないという、よく知られた課題である。
【０００４】
ＣＭＰ終点測定は多層金属／絶縁体薄層構造の加工においても適用される。この加工においては、金属もしくは絶縁体の最後の望ましくない層を除去する際に、ＣＭＰプロセスを停止させることが重要である。
【０００５】
現に加工される位置（加工実施位置＝原位置）の以外の場所 ( 原位置の外部、 "ex situ")での測定手法を用いてＣＭＰ加工の終点を測定することは周知である。もちろん、これには、まず、ウエハをＣＭＰ機器から取り外して、その厚さを測定した後に、再度、ＣＭＰ機器に配置しなければならないという欠点がある。これは生産性を実質的に低下させ、従って原価を高くする。
【０００６】
また、現に加工される位置 ( 原位置、 "in situ")での測定を行うための方法は、数多く知られている。つまり、原位置での測定は、ウエハをＣＭＰ機器に取り付けたまま測定する。この方法は、例えば、（１）オーディオ検出、（２）研磨困難性の測定、（３）電流測定法などを利用している。
【０００７】
ラスチングのアメリカ特許には、このような現に加工されている位置での測定手法が記載されており、この手法は、研磨用テ−ブル（研磨用プレ−ト）内に埋設したウインドウを使用し、このウインドウが研磨中に観察用通路を横切るようにして測定するようになっている。この方法は、ウインドウが観察用通路に沿って検出領域を横切るので、研磨中に研磨用テ−ブルの下側からワ−クピ−ス（ウエハ）の表面を現に加工されている位置で観察することを可能にする。反射率測定機器は、研磨用テ−ブルの下側のウインドウを通過した光の反射率を測定する。反射率測定機器は、測定される薄層を現に加工されている位置での反射率を表す反射率信号を提供する。現に加工されている位置での反射率信号の変化は、研磨プロセスの条件の変化に対応している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の発明者は、ラスチングのアプローチの欠点は観察用ウインドウの位置のまわりには研磨用物質がおそらく存在しないので、研磨用パッド内のウインドウがＣＭＰプロセスの効率に影響を及ぼすことがあるとの結論に達した。また、裏面からの照明を用いた、つまり、研磨用パッドを通すことなくウエハの反対側の表面からの照明を用いた、現に加工されている位置用のセンサが公知である（リトヴァック等のアメリカ特許第５４９９７３３号）。しかしながら、この方法は、測定に対して単一のデータポイントを提供するだけであって、ある薄層厚では検出精度が悪いものと考えられる。したがって、ＣＭＰ中において薄層の厚さを現に加工している位置で感知するための精度を改善して、広い範囲に亘って薄層厚の検出精度を増進させる必要性がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、例えば、シリコンウエハなどのウエハの表面上に形成した薄層の厚さ、もしくは、薄層の厚さの変化は、ウエハを表面を下にして研磨用パッド上に配置して測定される。１つの実施態様においては、照明はウエハの裏面から、つまり、研磨用パッドと対向する面から離れた表面から行われる。別の方法では、照明はウエハの前面から行われる。裏面照明では、照明光はウエハを通り、薄層を通って、ウエハ表面から離れた位置にあり、かつ、研磨用パッドの上にある、薄層の表面で反射され、薄層を通り、ウエハを通って光学検出器に戻る。次いで、検出された光学信号は電気信号に変換される。
【００１０】
本発明では、入射照明光の入射角は変化する。典型的には、照明光は、例えば、波長が１．１ミクロン又はそれ以上の赤外領域にある。入射角度は測定プロセスの間に変化するので、光の反射強度は変化を受ける。反射した強度が最低である角度は、原理的にもしくは実験的に前もって決定される。薄層の厚さは変化するので、最小強度の位置変化も又、原理的にもしくは実験的に決定することができる。したがって、これにより、試験によって、広い範囲の薄層厚に亘って、薄層の厚さ（またはその厚さの変化）を監視することができる。これは、ＣＭＰプロセス中において、絶対厚よりもむしろ厚さ変化を測定するために行うことができる。したがって、それぞれの、そして、あらゆる薄層厚の測定をするために取り出される数多くのデ−タポイントがあるので、得られるポイントは、例えば、薄層反射曲線のサイクルの半分を表す。本発明の発明者は、反射曲線の異なる部分は、ある薄層厚において検出精度が劣るという問題を克服するために、本発明を使用することができることを認識した。
【００１１】
【発明の実施の形態】
ＣＭＰ中における薄層の厚さまたはその厚さの変化を検出するための本発明に係る方法ならびに装置は、入射光の入射角度の変化によって生じる薄層反射率の変化を利用している。薄層がシリコンウエハ上に形成されている一実施態様においては、ウエハは裏面、つまり、薄層が形成されおらず、かつ、研磨用パッド表面から離れた側から、１．１ミクロンもしくはそれ以上の波長での赤外線源を用いて照明される。もちろん、本明細書に記載したこの特定の波長ならびにその他の具体的な波長や、パラメ−タならびに寸法は、いずれも限定的なものではなく、単に本発明の一つ実施態様を例示するだけである。つまり、本発明は、透明な基板上に形成された薄層の厚さを測定するために一般的に適用することができ、実施態様として記載したセミコンダクタのＣＭＰへの適用に限定されるものではない。
【００１２】
入射光すなわち照明光の角度が変化したときには、光の反射率、すなわち、ウエハと薄層を通過し、薄層の上側及び裏側表面で反射した後、薄層とウエハを通って戻る光の反射率は、更に、以下に記載するような変化を受ける。反射強度が最小又は最大になる角度は、下記の薄層干渉光式によって定められる。薄層の厚さが変化するにつれて、角度空間中における最小又は最大の反射強度の位置もまた変化し、それによって実際の薄層の厚さを決定することができる。
【００１３】
本発明に従って断面図で表された図１及び図４を参照すると、研磨用パッド２０は、ＣＭＰ機器のプラテン４４によって支持されている。図示したワ−クピ−スは、ウエハ２８の表面に薄いシリコンダイオキサイド薄層を形成したシリコンウエハ２８である。なお、本図は尺度を表すものではない。図示したシリコンダイオキサイド（「オキサイド」）薄層２４の下部の粗面は研磨用パッド２０上に静置され、研磨用パッド２０によって研磨されている。例えば、スラリ−などの従来のＣＭＰプロセスの要素は図示されていないことは、当業者には容易に理解できるであろう。ウエハ２８の裏側表面（図中ではウエハ２８の上部表面）は、ウエハキャリア４０に保持されている。ウエハキャリア４０は入射光と反射光との通路を画成する。この通路は、例えば、空隙、透明なウインドウもしくは光ファイバ等である。
【００１４】
ここに例示した実施態様においては、ウエハ２８は、１．１ミクロン又はそれ以上の波長を有する照明用赤外線源によって、その裏側から照明される。（これとは別に、ウエハをその表側から照明する場合には、例えば、可視光スペクトル内の異なる波長を用いる）。入射光は垂直から角度θで入射される。図示のように、この入射光はウエハ２８を通過し、その一部はウエハ−オキサイドインタフェ−スで反射され、また、残りはオキサイド２４を通過し、オキサイド２４の粗面から反射されて、ウエハ２８を通って戻ってくる。
【００１５】
ウエハ２８を透過した後、ウエハ−オキサイドインタフェ−スとオキサイド２４の粗面とで反射された光の合計の強度をI_rと表示する。この場合、オキサイド層の厚さをｄとし、オキサイドの反射係数をｎ_fとし、ウエハ２８の反射係数をｎ_sとし、反射光信号のＤＣ部分をＩ_dcとし、ビジビリティーをＶとすると、反射光の合計強度は次の式で表される。
【００１６】

この式中において、Ｉ_dcとＶとは次の式で表される。
【００１７】

また、αは、ウエハ内部の屈折角度を表す。これはウエハ−オキサイドインタフェ−スでの入射角度と同じである。照明がウエハの表側表面からなされる場合には、反射光の合計強度は次の式で表される。
【００１８】

この式において、n_airは空気の反射係数を、また、θ_airは空気中の光の反射角度をそれぞれ表す。
【００１９】
光学レンズからよく分かるように、入射角度α（又はθ_air）が変化すると、反射強度Ｉ_r又はＩ’_rもまた変動する。このことはオキサイド薄層２４の厚さの測定に利用される。入射照明光の角度α（横軸）に対して反射強度Ir（縦軸）をプロットした結果を図２Ａと図２Ｂに示す。図２Ａにおけるオキサイドの厚さｄは０．８ミクロンであり、図２Ｂにおけるオキサイドの厚さｄは０．７ミクロンである。これは薄層厚さの僅かな差であっても反射強度Ｉ_r対入射角度α（度数）には明白に異なる変化があることを示している。ここで使用されるキ−となる測定は、反射強度がゼロ、つまり、反射強度が最小になるところのデ−タポイントｂ、ｂ’で行われた。別の方法として、もし観察されるのであれば、反射強度が最大になるデ−タポイントａ、ａ’も使用することができる。最大点ならびに最小点はもちろん、前述した薄層干渉式によって決められる。したがって、オキサイド層の厚さが僅かでも変化すれば、反射強度の最小点ｂ、ｂ’の入射角度αに関する位置が鋭く変化する。このことは薄層の厚さの変化を十分に規定した測定を可能にしている。前面から照明する実施態様においても同様の結果が得られる。
【００２０】
裏面から照射する実施態様のための本発明に係る装置が、図３に例示されており、同図中、図１の要素と類似する要素には同一の符号を付している。実際のＣＭＰ機器は研磨用パッド以外は図示しておらず、機器の残りの部分は、下記するような入射光及び反射光のためのウエハキャリヤ内の適切な通路以外は通常のものである。本発明の１つの実施態様は、従来の機器に追加された特性であり、その他の点では従来の機器と変わるものではないことを理解するべきである。したがって、本発明はかかる「現に加工される位置 ( 原位置、 "in situ") 」での適用に限定されるものではない。
【００２１】
この機器においては、照明光源は例えばレーザダイオード（図示せず）であり、その照明光は、空間をおいた離れた場所に位置した数個の照明用光ファイバ３２ａ、３２ｂ内を通過する。ある範囲の角度に亘って反射光強度を検出するために、数多くの照明用光ファイバ３２ａ、３２ｂならびに検出用ファイバ３８が角度を持って空間をおいた離れた場所に配置されているが、ここでは１セットしか図示していない。ファイバ３２ａならびに３２ｂからの入射照明光は適切なレンズ３６を通過した後、ウエハ２８を通過して、薄層２４の両側表面から反射され、そして、レンズ３６を通って反射されて、空間をおいた離れた種々の場所に位置した光ファイバ（または他の検出器）から構成されていてもよい検出用光ファイバ３８に戻ってくるようになっている。次いで、この検出された光は例えばフォトセルもしくは光電子倍増管によって電気信号に変換された後、図２Ａならびに図２Ｂに示すように、局部最小点ｂ、ｂ’（もしくは最大点ａ、ａ’）を見出すために加工される。
【００２２】
断面で示した図４は、本発明に係るセンサ装置のより詳細な実施態様を示しており、図４において図３と同じ要素は図３と同じ符号を付している。図４は、研磨のために（矢印方向に）回転し、かつ、研磨用パッド２０が取り付けられているプラテン４４と、ウエハキャリヤ４０内に取り付けられた（矢印方向に）回転するウエハキャリヤインサート４８とを含む、ＣＭＰ機器の付加部分を示している。下方向の力が研磨中に矢印４６の方向に及ぼされる。ファイバ３２aと３８はウエハキャリヤ４０とウエハキャリヤインサート４８内の適切な通路内に延伸して設けられていて、レンズ３６（「センサヘッド」）はまたウエハキャリヤインサート４８内に取り付けられている。（他の照明用ファイバ、例えば３２ｂなどは図を簡略にするために図示していない）。
【００２３】
図示した装置を前面からの照明のために適応させるための変更は当業者にとっては明らかである。
【００２４】
実際のデータ取得システムは、図３にも図４にも図示されていないが、１つの実施態様においては、そのシステムは以下の式に従って操作される。１つの実施態様においては、このデータ取得は適切にプログラムされたコンピュータによって実行される。以下の記載に照らしてかかるコンピュータにプログラムをコード化することは当業者にとっては熟知されている。このデータ取得システム（１つの実施態様においてはコンピュータ）によって実行されるデータ処理は次の通りである。
【００２５】
薄層２４の初期厚がd1である場合には、下記式が成立する。
【００２６】

式中、ｎ_fとｎ_sとは、それぞれ、λ（光波長）での薄層２４の反射係数と、ウエハ２８の反射係数とを意味し、ｍ₁は干渉縞順位を意味し、α₀は、図２におけるような強度最大点ａ’が観察された入射角度を意味する。（図２Ａおよび図２Ｂの局部最大点と最小点とは干渉作用によって生起されているものと理解されるべきである）。もし、α₁が隣接する強度最小点ｂ’が生じた入射角度であるならば、ｄ₁はまた次のように表される。
【００２７】

ｍ₁の値は、式（１）ならびに（２）から誘導した下記二次方程式から得ることができる。
【００２８】

ｍ₁が一旦分かると、薄層２４の初期厚ｄ₁（研磨前）は、式（１）もしくは式（２）のいずれかから決定することができる。
【００２９】
ここで研磨後の薄層２４の厚さをｄ₂とする。反射最小が入射角α₂で起こるならば、その薄層２４の新しい厚さは下記の通りとなる。
【００３０】

式中、ｍ₂は薄層２４の厚さd2に対応する干渉縞順位を意味し、上述した同じ手順で決定される。
【００３１】
式（２）ならびに式（４）から、厚さｄ₂は次のように決定される。
【００３２】

薄層２４が単層である場合には、ｄ₂は研磨後の薄層２４の厚さを示している。薄層２４が多層である場合には、(ｄ₁−ｄ₂)が薄層層の積み重なった（スタック）厚さの変化を示していて、したがって研磨されている薄層の厚さの変化を示している。
【００３３】
縞の順位に変化がない場合の厚さ変化を取り扱う場合には、式（５）は次のように書き換えることができる。
【００３４】

したがって、本発明に係る薄層厚さセンサならびに方法を用いて、薄層厚の変化を、（一方では研磨しながら）リアルタイムで測定することができるので、全体的なＣＭＰプロセスの能率を増進し、それによって加工原価を下げることができる。
【００３５】
この明細書中の記述は例示的なものであって、限定的なものではなく、更に改良も当業者にとっては明白であり、かかる改良も請求の範囲に含まれるものと理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ウエハの裏面から、ウエハ上に形成した薄層の厚さならびに厚さの変化を測定するための本発明に係る方法を示す。
【図２】 図２において、図２Ａおよび図２Ｂはそれぞれ２つの異なる薄層の厚さの入射角に対する薄層の反射率の変化を示す。
【図３】 本発明に係るセンサ装置を示す。
【図４】 センサ装置の第２の実施態様を示す。
【符号の説明】
２０ 研磨用パッド
２４ シリコンダイオキサイド薄層
２８ ウエハ
３２ａ、３２ｂ 照明用光ファイバ
３６ レンズ
４０ ウエハキャリア
４４ ＣＭＰ機器のプラテン
４８ ウエハキャリアインサート
ａ、ａ’ 反射強度が最大になる点
ｂ、ｂ’ 反射強度が最小になる点
ｄ オキサイドの厚さ
α 照明光の入射角度

Claims (12)

1. 透明な基板の主表面上に形成された薄層の研磨中の厚さを測定するための装置において、前記装置は、
   前記基板を支持するための研磨用パッドと、
   前記研磨用パッド上に載置される前記基板と前記薄層とを同時に複数の入射角度で照明するために配置された照明光源と、
   前記薄層と前記基板とで反射された照明光の強度を、同時に複数の反射角度で検出するための検出器と、
   前記検出器からの出力信号を取得して、照明光の入射角度に対する反射された照明光の強度の関係から薄層の厚さを測定するデータ処理を行うデータ取得システムと、
   を有する、透明な基板の主表面上に形成された薄層の研磨中の厚さを測定するための装置。
2. 請求項１に記載した、薄層の研磨中の厚さを測定するための装置において、
   前記データ取得システムは前記反射された照明光の強度が最大または最小になる照明光の入射角度から薄層の厚さを測定するデータ処理を行う、透明な基板の主表面上に形成された薄層の研磨中の厚さを測定するための装置。
3. 透明な基板の主表面上に形成された薄層の研磨中の厚さの変化を測定するための装置において、前記装置は、
   前記基板を支持するための研磨用パッドと、
   前記研磨用パッド上に載置される前記基板と前記薄層とを同時に複数の入射角度で照明するために配置された照明光源と、
   前記薄層と前記基板とで反射された照明光の強度を、同時に複数の反射角度で検出するための検出器と、
   前記検出器からの出力信号を取得して、照明光の入射角度に対する反射された照明光の強度の関係の変化から膜厚の変化を測定するデータ処理を行うデータ取得システムと、
   を有する、透明な基板の主表面上に形成された薄層の研磨中の厚さの変化を測定するための装置。
4. 請求項３に記載した、薄層の研磨中の厚さの変化を測定するための装置において、
   前記データ取得システムは前記反射された照明光の強度が最大又は最小になる照明光の入射角度の変化から膜厚の変化を測定するデータ処理を行う、透明な基板の主表面上に形成された薄層の研磨中の厚さの変化を測定するための装置。
5. 基板の主表面上に形成された薄層の研磨中の厚さを測定するための装置において、前記装置は、
   前記基板を支持するための研磨用パッドと、
   前記研磨用パッド上に載置された前記基板の表側から前記基板と前記薄層とを同時に複数の入射角度で照明するために配置された照明光源と、
   前記薄層と前記基板とで反射された照明光の強度を、同時に複数の反射角度で検出するための検出器と、
   前記検出器からの出力信号を取得して、照明光の入射角度に対する反射された照明光の強度の関係から膜厚を測定するデータ処理を行うデータ取得システムと、
   を有する、基板の主表面上に形成された薄層の研磨中の厚さを測定するための装置。
6. 請求項５に記載した、薄層の研磨中の厚さを測定するための装置において、前記データ取得システムは前記反射された照明光の強度が最大または最小になる照明光の入射角度から膜厚を測定するデータ処理を行う、基板の主表面上に形成された薄層の研磨中の厚さを測定するための装置。
7. 基板の主表面上に形成された薄層の研磨中の厚さの変化を測定するための装置において、前記装置は、
   前記基板を支持するための研磨用パッドと、
   前記用パッド上に載置される前記基板の表側から前記基板と前記薄層とを同時に複数の入射角度で照明するために配置された照明光源と、
   前記薄層と前記基板とで反射された照明光の強度を、同時に複数の反射角度で検出するための検出器と、
   前記検出器からの出力信号を取得して、照明光の入射角度に対する反射された照明光の強度の関係の変化から膜厚の変化を測定するデータ処理を行うデータ取得システムと、
   を有する、基板の主表面上に形成された薄層の研磨中の厚さの変化を測定するための装置。
8. 請求項７に記載した、薄層の研磨中の厚さの変化を測定するための装置において、
   前記データ取得システムは前記反射された照明光の強度が最大または最小になる照明光の入射角度の変化から膜厚の変化を測定するデータ処理を行うことを特徴とする基板の主表面上に形成された薄層の研磨中の厚さの変化を測定するための装置。
9. 請求項５から請求項８のいずれか一項に記載の装置において、前記照明光源からの照明光は可視光である、前記装置。
10. 主表面上に薄膜が形成されているウエハの化学的機械的研磨を行うＣＭＰ機器において、
    前記ウエハの表側から研磨中の前記ウエハへ照明光を同時に複数の入射角度で照明するために配置された照明光源と、前記ウエハから反射された照明光の強度を同時に複数の反射角度で検出するための検出器と、前記検出器からの出力信号を取得して照明光の入射角度に対する反射された照明光の強度の関係の変化をデータ処理システムにより求めるデータ取得システムと、を有する、ウエハの主表面上に形成されている薄層の膜厚の研磨による変化に伴う照明光の入射角度に対する反射強度の関係の変化を研磨しながらリアルタイムで測定する装置と、
    前記ウエハを保持するウエハキャリアと、
    前記ウエハを研磨する研磨用パッドと、
    を有するＣＭＰ機器。
11. 請求項１０に記載した、ＣＭＰ機器において、
    前記データ取得システムは前記反射された照明光の強度が最大または最小になる照明光の入射角度を求めるデータ処理を行う、ＣＭＰ機器。
12. 請求項１０または請求項１１に記載した、ＣＭＰ機器において、
    前記照明光源からの照明光は可視光である、ＣＭＰ機器。

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