JP4575677B2 - 研磨パッド窓のための散乱防止層 - Google Patents

Description

本発明は、ケミカルメカニカルプラナリゼーション（ＣＭＰ）に使用される研磨パッドに関し、特に、光学的終点検出を実施するための、その中に形成された窓を有する当該パッドに関する。

集積回路及び他の電子素子の製造においては、導体、半導体及び絶縁体の多数の層を半導体ウェーハの表面に付着させたり、同表面から除去したりする。導体、半導体及び絶縁体の薄い層は、多様な蒸着技法によって付着させることができる。最新の加工における一般的な蒸着技法は、スパッタリングとも知られる物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、プラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）及び電気化学的めっき法（ＥＣＰ）を含む。

材料層が逐次に付着され、除去されるにつれ、基材の一番上の表面にわたって非平面的になり、プラナリゼーションを要することがある。表面を平坦化する、あるいは表面を「研磨」することとは、ウェーハ表面から材料を除去して、ほぼ平坦な平面を形成する加工である。プラナリゼーションは、望ましくない表面凹凸及び表面欠陥、たとえば粗面、凝集した材料、結晶格子の損傷、スクラッチ及び汚染された層もしくは材料を除去するのに有用である。プラナリゼーションはまた、フィーチャを埋め、後の段階のメタライゼーション及び加工のための平坦な表面を設けるために使用された過剰な付着材料を除去することによって、基材上にフィーチャを形成する際にも有用である。

ケミカルメカニカルプラナリゼーション、あるいはケミカルメカニカル研磨（ＣＭＰ）は、半導体ウェーハのような基材を平坦化するために使用される一般的な技法である。従来のＣＭＰでは、ウェーハキャリヤ又は研磨ヘッドがキャリヤアセンブリに取り付けられ、ＣＭＰ装置中で研磨パッドと接する位置に配される。キャリヤアセンブリは、制御可能な圧力を基材に供給して、ウェーハを研磨パッドに当てて付勢する。場合によっては外部駆動力によってパッドを基材に対して動かす（たとえば回転させる）。それと同時に、化学組成物（「スラリー」）又は他の流動媒体を基材上かつウェーハと研磨パッドとの間に流す。こうして、ウェーハ表面は、パッド表面及びスラリーの化学的かつ機械的作用により、基材表面から材料を選択的に除去するやり方で研磨される。

ウェーハを平坦化する際に遭遇する問題は、どの時点で加工を止めるかを知ることである。この目的のために、多様なプラナリゼーション終点検出方式が開発されてきた。そのような方式の一つは、ウェーハ表面の光学的インシチュ計測を含むものであり、引用例として本明細書に取り込む米国特許第５，９６４，６４３号に記載されている。この光学的技法は、選択された波長の光を透過させる窓を研磨パッドに設けることを含む。光線がこの窓を通してウェーハ表面に当てられると、そこで反射し、窓を逆に通過して検出器、たとえば干渉計に達する。戻り信号に基づき、ウェーハ表面の性質、たとえばその上の膜（たとえば酸化物層）の厚さを測定することができる。

研磨パッド窓には多くのタイプの材料を使用することができるが、実際には、窓は通常、研磨パッドと同じ材料、たとえばポリウレタンでできている。たとえば、米国特許第６，２８０，２９０号は、ポリウレタンのプラグの形態の窓を有する研磨パッドを開示している。パッドは開口を有し、窓はこの開口の中に接着剤で保持される。

このような窓に伴う問題は、窓が表面粗さを有する場合に生じる。たとえば、ポリウレタンの窓は通常、ポリウレタンブロックから切片をスライスすることによって形成される。残念ながら、スライス加工は窓の各々の側面に微小溝を形成する。微小溝の深さは約１０〜約１００μmの範囲である。下面の微小溝が、ウェーハ表面のトポグラフィーを計測するために使用される光を散乱させ、それにより、インシチュでの光学計測システムの信号強度を低下させる。上面の微小溝は、液体スラリーの存在及びウェーハに対して上面が近接しているため、下面の微小溝ほど光を散乱させる傾向はない。

窓の下面による散乱のための信号強度の損失のせいで、計測解像度が損われ、計測のばらつきが問題になる。また、研磨工程の間に他の信号損失原因が発生するため、どこかの時点でパッド又はパッド窓を交換しなければならなくなる。

本発明は、研磨パッド中に透明な窓を使用するＣＭＰシステムで使用される終点検出システムにおける光散乱の問題に取り込む。

本発明の一つの態様は、その中に形成された開口を有する研磨パッド本体を含む装置である。開口中に窓が固定され、この窓は、それに入射する光の１０％以上を散乱させることができる表面粗さの下面を有するものである。粗い下面による光の散乱を減らすため、窓の下面の上には散乱防止層が形成されている。

本発明のもう一つの態様は、ＣＭＰシステム中でウェーハのインシチュでの光学計測を実施する方法である。この方法は、散乱防止層が上に形成されている粗い下面をもつ窓を有する研磨パッドをＣＭＰシステムに設ける工程と、第一の光線を散乱防止層及び窓を通してウェーハに当てる工程とを含む。方法はさらに、第一の光線をウェーハから反射させて、窓及び散乱防止層を逆に通過する第二の光線を形成する工程を含む。方法はまた、第二の光線を検出する工程と、検出した第二の光線を電気信号に変換する工程と、電気信号を処理してウェーハの一以上の性質を導き出す工程とを含む。

図は、散乱防止層が下面に形成された窓を有する研磨パッド、研磨パッドの上面に隣接して位置するウェーハ及びインシチュ光学的検出システムの基本要素を示す、ＣＭＰシステムの拡大断面図である。

以下、本発明の実施態様の詳細な説明では、本明細書の一部を構成する、本発明を実施することができる具体的な実施態様が一例として示されている添付図面を参照する。これらの実施態様は、当業者が本発明を実施することを可能にするのに十分な詳細さで記載されているが、他の実施態様を使用することもでき、本発明の範囲を逸することなく変更を加えることもできるということが理解されよう。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味に解釈されるべきではなく、本発明の範囲は請求の範囲のみによって定義される。

図面を参照すると、研磨パッド１０の拡大断面図が示されている。研磨パッド１０は、上面１２及び下面１４を含む本体領域１１を有する。研磨パッド１０は、公知の研磨パッドのいずれであってもよく、たとえばウレタン含浸フェルト、Rodel社（米デラウェア州ニューアーク）によって商品名POLITEXの下で販売されているタイプの微孔質ウレタンパッド、又は充填材入り及び／若しくは発泡複合ウレタン、たとえば同じくRodel社製のＩＣシリーズ及びＭＨシリーズパッドであってもよい。

研磨パッド１０はまた、窓３０がその中に固定されている開口１８を、本体１１中に含む。一つの実施態様では、窓３０は開口中に永久的に固定されるが、別の実施態様では、窓は開口内に脱着自在に固定される。窓３０は、上面３２及び下面３４を含む本体領域３１を有する。窓３０は、プラナリゼーションの間にウェーハＷの光学的インシチュ計測を実施するために使用される光の波長に対して透過性である。波長の例は、１９０〜３５００nmの範囲である。

窓３０は、その表面の一以上で粗さ４０を有するいずれかの材料（たとえばポリマー、たとえばポリウレタン、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ナイロン、ポリエステルなど）でできている。本発明のある実施態様では、粗さ４０は、インシチュ終点計測を実施する際に、それに入射する光の有意量（たとえば１０％以上）を散乱させることができる。

ある実施態様では、粗さ４０は、窓材料の大きめのブロックから切り出すことによって窓を形成するために使用される装置（図示せず）から生じる。しかし、粗さ４０は、いかなる他の原因からも生じることができ、たとえば材料固有の粗さ、窓材料を研磨しないことによる粗さ、窓材料を不適切に研磨することによる粗さなどから生じることができる。

引き続き図面を参照すると、窓３０は、下面３４の上に形成された散乱防止層５０を含む。層５０は、下面３４との界面にその上面５２を有し、上面とは反対側にその下面を有する。散乱防止層５０は、プラナリゼーションの間にウェーハのインシチュでの光学計測を実施するために使用される光の波長の一以上に対して透過性である、いずれかの材料から形成されている。さらに、ある実施態様では、層５０は、窓３０の屈折率に可能な限り近い屈折率を有する。ある実施態様では、窓３０は、ダイオードレーザ波長である６７０nmの波長で１．５５の屈折率を有するポリウレタンでできている。さらに、この実施態様では、層５０は、６７０nmで、本質的に同じ１．５５の屈折率を有するポリウレタンである。別の実施態様では、層５０は、窓３０と同じ材料から形成される。

実施態様では、層５０は、アクリル樹脂、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）又は他の透明な可溶性ポリマーから製造されるような、透明な溶媒に溶かしたラッカを含む。別の実施態様では、層５０は、放射線硬化コーティング、たとえば紫外線（ＵＶ）硬化アクリル樹脂又はポリウレタンを含む。別の実施態様では、２種以上のコーティング成分、たとえばエポキシ樹脂、ポリウレタン及び／又はアクリル樹脂が組み合わされる。他の実施態様では、１成分空気硬化透明コーティング、たとえば、雰囲気に暴露すると硬化する湿分硬化ポリウレタン、酸素重合エナメルなどのコーティングが層５０の形成に使用される。同様に、別の実施態様では、ホットメルトコーティング、たとえばホットメルトフィルム及びパウダーコーティングを使用することができる。要約すると、下面３４の表面粗さを実質的に減らすように作用するあらゆる透明コーティングが層５０としての使用に適している。

層５０は、使用される材料に適した公知の技法のいずれか、たとえばスプレーコーティング、浸漬、ブラッシング、融解などによって下面３４の上に形成される。層５０は、散乱を最小限にするため下面３４の粗さに適合し、それでいて実質的に平坦な下面５４を有するのに十分な厚さであることが好ましい。ある実施態様では、下面５４は、研磨によって平坦化される。別の実施態様では、下面５４は、層を形成するために使用される技法のおかげで、適度に平坦な表面を自然に形成する。たとえば、ポリウレタンの切片を窓の上に融解させ、融解した材料を流れさせて、粗さ４０を埋めると同時に反対側の面まで到達させて平坦な下面５４を形成する。

下面は完全に平坦でなくてもよいと記しておくことが重要である。たとえば、下面５４は、光を散乱させるのではなく、わずか斜めに反射させるだけである、ゆるやかに変化する表面湾曲を有することができる。理由は、散乱防止層５０は、光学的インシチュ計測システムにおける信号低下の主な原因である、光の散乱を除去するように設計されているからである。

作動方法
次に、引き続き図面を参照して、計測される表面６２を有するウェーハＷのインシチュでの光学的計測を実施するための本発明の作動を説明する。作動に際して、光源７１によって第一の光線７０を発生させ、ウェーハ表面６２に向ける。第一の光線７０は、窓３０及び散乱防止層５０の両方を透過する波長を有する。

第一の光線７０は、散乱防止層５０、窓の下面３４、窓本体部３１、窓の上面３２及び窓の上面とウェーハ表面との隙間６６を通過することによってウェーハ表面６２に達する。隙間Ｇは、実際に屈折率整合性流体として作用して、窓の上面３４の粗さ４０からの光の散乱を減らすスラリー６８（図示せず）によって占められている。第一の光線７０、より具体的にはその一部がウェーハ表面６２から反射する。ウェーハ表面６２は略して図示されている。現実には、ウェーハ表面６２は、表面のトポグラフィー、又は種々の膜（たとえば酸化物コーティング）のためにウェーハ上に存在する一以上の界面を表す。

ウェーハ表面からの第一の光線７０の反射が、第一の光線７０の入射方向に沿って送り返される第二の光線７２を形成する。ウェーハ表面６２が、その上に存在する一以上の膜のために多数の界面を含む実施態様では、反射光線７２は、多数の反射による干渉情報を含む。

ウェーハ表面６２から反射すると、第二の光線７２は、隙間Ｇ（その中に存在するスラリーを含む）を横断し、窓の上面３４、窓本体３１、窓の下面３１及び最後には散乱防止層５０を通過する。ウェーハ表面６２からの逆反射のせいで、ウェーハ上の反射を含む各界面からの反射が二倍になるということが注目に価する。換言するならば、光は、実物のウェーハ表面そのものを除き、各界面を二回通過する。結果として、元の光線に比べてエネルギーが有意に損失し、それが信号強度の減退に転じる。

光線７２は、散乱防止層５０を出ると、検出器８０によって検出される。ある実施態様では、ビームスプリッタ（図示せず）を使用して、第一の光線７０と第二の光線７２とを分割する。そして、検出器８０は、検出した光を電気信号８１に変換し、この電気信号がコンピュータ８２によって処理されてウェーハ６０の性質、たとえば膜厚さ、平面度、平坦度などに関する情報が抽出される。

窓３０が散乱防止層５０を含むため、窓の下面３４の粗さ４０からの散乱による光損失が大幅に減少する。結果として、他のやり方で可能であるよりも大きな信号強度が得られる。本発明者らは、上記したタイプの粗面を有する研磨パッド窓に対して実験を実施した。本発明者らは、散乱防止層５０を用いた場合と用いない場合とで、第二の光線７２における信号強度を計測し、本発明の散乱防止層５０を用いた場合に信号強度における３倍までの改善を見いだした。

信号強度におけるこのような改善は、ウェーハ表面パラメータのインシチュでの光学的計測における有意な改善につながる。特に、信頼性及び計測精度が改善される。さらには、より強い信号は他の信号損失原因を意義をより少なくするため、パッドの寿命を延ばすことができる。別の言い方をするならば、粗い窓下面３４からの散乱の減少は、パッド又は窓を交換する必要なく、他の散乱原因、たとえば研磨中の窓の上面の粗さの増大及びプラナリゼーション工程からの屑の増量がより大きくなることを許容する。

本発明の種々の実施態様を記載し、例示した。しかし、記載及び例示は一例に過ぎない。他の実施態様及び具現形態が本発明の範囲内で可能であり、当業者には自明である。したがって、本発明は、本明細書の特定の詳細な、代表的な実施態様及び実施例に限定されない。したがって、本発明は、請求の範囲及びその均等物によって必要と考慮される場合を除き、限定されてはならない。

図１は、本発明のＣＭＰシステムの実施態様の拡大断面図である。

Claims (5)

1. その中に形成された開口を有する研磨パッド本体と、
   開口中に固定された窓であって、窓は上面と上面に対向しそれから一定の間隔をおいて配置された下面を含み、下面は、入射する光を散乱させることができる表面粗さを持つ窓と、
   下面の上に形成された散乱防止層であって、
   下面に隣接し表面粗さに適合する適合表面を有し、
   適合表面に対向する実質的に平坦な面を有するに十分な厚さであり、
   適合表面に対向する平坦な面を含み、
   表面粗さによる光の波長が１９０ナノメータから３５００ナノメータである光の散乱を減少させる散乱防止層と、
   を含む、ケミカルメカニカル研磨に使用可能な研磨パッド。
2. 表面粗さは、その上に入射する１０％以上の光を散乱する、請求項１に記載の研磨パッド。
3. 散乱防止層は透明な溶媒に溶かしたラッカを含む、請求項１に記載の研磨パッド。
4. 散乱防止層は放射線硬化物質を含む、請求項１に記載の研磨パッド。
5. 窓は第一の物質で作られ、散乱防止層も第一の物質で作られる、請求項１に記載の研磨パッド。

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