JP5025848B2

JP5025848B2 - 光学監視を用いた研磨終点検出方法および装置

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Publication number: JP5025848B2
Application number: JP2000379019A
Authority: JP
Inventors: ビラングマヌーチャ; スウィデックボグスロー; ヨハンソンニルス
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1999-12-13
Filing date: 2000-12-13
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2020-12-13
Also published as: KR20010062378A; US20020016066A1; JP2001284300A; US6399501B2; EP1118431A2; EP1118431A3; TW562718B

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は基板の化学機械研磨に関し、特に、化学機械研磨作業中に終点を検出する方法および装置に関する。
【０００２】
集積回路は、典型的には、シリコンウェハ上に導電性、半導性又は絶縁性の層を順次形成することにより、基板上に形成される。ある製造ステップでは、パターン付けされたストップ層上に充填層を形成して、ストップ層が露出するまで充填層を平坦化することが必要となる。例えば、導電性充填層をパターン付けされた絶縁性ストップ層上に形成して、ストップ層内のトレンチ又は孔を充填する。平坦化の後、高くなった絶縁層のパターンの間に残っている導電層の部分が、バイア、プラグ及び基板上の薄膜回路の間の導電性経路になるラインを形成する。
【０００３】
化学機械研磨（ＣＭＰ）は、一般に容認された平坦化方法の一つである。この平坦化方法は、典型的には、基板をキャリア又は研磨ヘッドに取り付けることを必要とする。基板の露出表面を、回転研磨ディスクパッド又はベルトパッドに載置する。研磨パッドは、「標準」パッド又は固定研磨パッドのいずれかとすることができる。標準パッドは、耐久性のある粗い表面を有し、一方、固定研磨パッドは、格納媒体に保持された研磨粒子を有している。キャリアヘッドは、制御可能な負荷、即ち、圧力を基板に与えて、研磨パッドに対して基板を押し付ける。標準パッドを用いる場合には、少なくとも一つの化学反応剤と研磨粒子とを含む研磨スラリを研磨パッドの表面に供給する。
【０００４】
ＣＭＰにおける問題の一つは、研磨工程が完結しているかどうかを判断すること、即ち、基板の層が所望の平坦さ又は厚さまで平坦化されたかどうかを判断することである。基板層の初めの厚さ、スラリの組成、研磨パッドの状態、研磨パッドと基板との間の相対速度及び基板に加えられる負荷における変動が、材料除去率の変動の原因となる。これらの変動が、研磨終点に達するのに必要な時間変動の原因となる。従って、単に研磨時間の関数として研磨終点を判定することはできない。
【０００５】
研磨終点を判定する方法の一つは、研磨表面から基板を除去してそれを調べることである。例えば、基板を計測ステーションに送り、例えば、プロファイロメーター又は抵抗率測定値で基板の層の厚さを測定する。所望の仕様を満たさない場合には、基板をＣＭＰ装置に再ロードしてさらに処理する。これは、時間のかかる手順で、ＣＭＰ装置のスループットを低下させる。また、検査により、材料が過剰に除去されたことがわかると、基板は使用できなくなることがある。
【０００６】
より最近になって、研磨終点を検出するために、例えば、干渉計又は反射率計を用いて、基板のインサイチュー（in-situ）光学監視が行われるようになってきた。例えば、金属層を研磨して、下層にある絶縁層又は誘電体層を露出する場合に、金属層が除去されると基板の反射率が突然下がる。この低下を検出して、研磨終点を知らせることができる。残念ながら、反射率に急激な変化がある場合でも、適切な終点を判定することは困難である。
【０００７】
【発明の概要】
一態様において本発明は、化学機械研磨用の終点検出方法に向けられている。この方法においては、基板表面を研磨パッドと接触させて、基板と研磨パッドとの間に相対運動を生成する。光線を向けて基板表面に当て、光線を基板表面を横切る経路で移動させる。基板から反射した光線により生成された発光強度信号を監視して、光線が基板を横切って移動する時の複数の発光強度測定値を発光強度信号から抽出する。第一の極限発光強度測定値を、複数の発光強度測定値から導出する。基板を横切る複数の掃引光線を繰り返して、第一の複数の極限発光強度測定値を生成して、第一の複数の極限発光強度測定値に基づいて研磨終点を検出する。
【０００８】
本発明の実施形態は、次の特徴を含む。第一の極限発光強度測定値は、複数の発光強度測定値からの最大及び最小発光強度測定値である。第二の極限発光強度測定値を、複数の発光強度測定値から選択することもできる。各繰り返しの最小発光強度測定値を、その繰り返しからの最大発光強度測定値から減じて、複数の差分発光強度測定値を生成する。研磨終点を検出することには、第一又は第二の複数の極限発光強度測定値のいずれかに伴う基準を満たすかどうかを判定することが含まれる。また、研磨終点を検出することには、第一及び第二の複数の極限発光強度測定値の両方に伴う基準を満たすかどうかを判定することが含まれる。基板は、誘電体層等のストップ層の上に形成される、金属層等の充填層を含み、充填層が研磨パッドと接している。研磨終点が示すことは、ストップ層が少なくとも部分的に露出しているか、もしくは、ストップ層が実質的に露出しているかについてである。各繰り返しの複数の発光強度測定値から平均発光強度を計算するので、研磨終点は平均発光強度測定値に基づいている。研磨パッドは窓部を含み、この窓部を介して光線を向けて、基板に対する研磨パッドの運動が、光線を基板表面を横切って移動させる。各発光強度測定値の放射状の位置を判定する。発光強度測定値を、半径方向位置に基づく複数の半径方向範囲に分割する。極限発光強度測定値を、複数の半径方向範囲の各々における発光強度測定値から選択する。研磨を研磨終点で停止するか、もしくは、例えば、スラリ等の研磨消耗品等の研磨パラメータを研磨終点で変更する。
【０００９】
本発明の利点には、一以上の次の点が含まれる。より広い範囲の終点検出アルゴリズムが利用でき、より広い範囲の研磨手順で光学監視システムを有効にする。終点検出手順は、より頑強で、しかも失敗する可能性がより少ない。金属研磨中の終点検出を向上させる。下層の酸化層を最初に露出する場合には、研磨手順、研磨速度、化学的性質及びスラリ組成を変更することもできるし、酸化層及び障壁層全体を除去した時に、研磨をより正確に停止することもできる。
【００１０】
本発明の他の特徴及び利点について、図面及び特許請求の範囲を含む以下の図面により明らかになるであろう。
【００１１】
【発明の詳細な記載】
図１及び図２を参照すると、ＣＭＰ装置２０により一枚以上の基板１０を研磨してもよい。同様の研磨装置２０については、米国特許第５，７３８，５７４号に記載されており、装置全体の開示については、ここに引用して組み入れる。研磨装置２０は、一連の研磨ステーション２２と移載ステーション２３とを含む。移載ステーション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。
【００１２】
各研磨ステーションは、研磨パッド３０を載置している回転プラテン２４を含む。第一及び第二のステーションは、硬い、耐久性のある外側表面を有する二層研磨パッド又は研磨粒子を包埋した固定研磨パッドを含む。最終研磨ステーションは、比較的柔軟なパッドを含んでもよい。また、各研磨ステーションはパッド修正装置２８を含んでもよく、基板を効果的に研磨するように研磨パッドの状態を維持する。
【００１３】
二層研磨パッド３０は、典型的には、プラテン２４の表面と接するバッキング層３２と、基板１０を研磨するために用いられる被覆層３４とを含む。被覆層３４は、典型的には、バッキング層３２よりも硬い。しかしながら、パッドのいくつかは被覆層のみを有し、バッキング層は全く持たない。被覆層３４は、ポリウレタン製の開放セル発泡体又は溝が施された表面を有するポリウレタン製のシートから成る。バッキング層３２は、ウレタンに浸出した圧縮フェルト繊維から成る。ＩＣ-１０００から成る被覆層とＳＵＢＡ-４から成るバッキング層を有する二層研磨パッドは、デラウェア州ニューアーク市ローデル・インコーポレーテッド社から市販されている（ＩＣ-１０００及びＳＵＢＡ-４は、ローデル・インコーポレーテッド社の製品名である）。
【００１４】
回転マルチヘッドカルーセル６０は、中央ポスト６２により支持され、カルーセルモータ組立体（図示せず）により、組立体上でカルーセル軸線６４の周囲を回転する。中央ポスト６２は、カルーセル支持プレート６６とカバー６８とを支持する。カルーセル６０は、四つのキャリアヘッドシステム７０を含む。中央ポスト６２は、カルーセルモータに回転カルーセル支持プレート６６を回転させて、キャリアヘッドシステムとそれに取り付けられている基板とをカルーセル軸線６４の周囲で軌道を描いて回転させる。キャリアヘッドシステムのうちの三つは、基板を受け取って保持し、研磨パッドに基板を押し付けることにより、基板を研磨する。その間、キャリアヘッドシステムのうちの一つは、ステーション２３から基板を受け取り、そして、基板を送ってステーション２３に移送する。
【００１５】
各キャリアヘッドシステムは、キャリア又はキャリアヘッド８０を一つ含む。キャリア駆動軸７４は、キャリアヘッド回転モータ７６（カバー６８の四分の一を取り除くことにより図示されている）を各キャリアヘッド８０に接続するので、各キャリアヘッドは、キャリアヘッド自体の軸線周囲を独立して回転することができる。また、各キャリアヘッド８０は、カルーセル支持プレート６６内に形成されている放射状スロット７２内を独立して横方向に往復する。
【００１６】
キャリアヘッド８０は、機械的機能をいくつか実行する。概して、キャリアヘッドは、研磨パッドに対して基板を保持し、基板の裏側表面全体に下向きの圧力をかけて、駆動軸から基板へトルクを伝送し、研磨作業中に基板がキャリアヘッドの下から滑って外れないようにする。
【００１７】
キャリアヘッド８０は、基板１０の取り付け表面になる可撓膜８２と、取り付け表面下の基板を保持する保持リング８４とを含む。可撓膜８２により形成される処理室８６の加圧が、研磨パッドに基板を強制的に押し付ける。保持リング８４を、非常に反射性のある材料で形成することもできるし、もしくは、反射層で被覆して反射下部表面８８とすることもできる。類似のキャリアヘッド８０については、１９９７年５月２１日出願の米国特許出願第０８／８６１，２６０号に記載されており、その開示はすべてここに引用して組み入れる。
【００１８】
スラリ供給口又は複合スラリ／リンスアーム３９により、研磨パッド３０の表面に、反応剤（例えば、酸化研磨用脱イオン水）と化学反応触媒（例えば、酸化研磨用水酸化カリウム）とを含むスラリ３８を供給することもできる。研磨パッド３０が標準パッドの場合には、スラリ３８に研磨粒子（例えば、酸化研磨用二酸化ケイ素）を含めることもできる。
【００１９】
操作においては、プラテンをその中心軸線２５周囲で回転させて、キャリアヘッドをヘッドの中心軸線８１周囲で回転させて、研磨パッド表面の端から端まで横方向に水平移動させる。
【００２０】
孔２６をプラテン２４内に形成して、孔の上を覆う研磨パッド３０の一部分に透明窓部３６を形成する。透明窓部３６は、１９９６年８月２６日出願の米国特許出願第０８／６８９，９３０号に記載されているように構成することもでき、開示の全体についてはここに引用して組み入れる。孔２６及び透明窓部３６は、キャリアヘッドの並進位置にかかわらず、プラテンの部分が回転する間、基板１０が見えるように配置されている。
【００２１】
反射率計又は干渉計として機能することができる光学監視システム４０は、概して、孔２６の下に配置されているプラテン２４にしっかり取り付けられて、プラテンとともに回転する。光学監視システムは、光源４４と検出器４６とを含む。光源は光線４２を生成し、光線は、透明窓部３６とスラリ３８とを通過して伝搬し（図３を参照のこと）、基板１０の露出している表面に衝突する。例えば、光源４４は、レーザであってもよく、光線４２は、コリメートレーザビームであってもよい。光レーザビーム４２を、基板１０の表面に垂直な軸線からαの角度でレーザ４４から投影することができる。即ち、軸線２５及び８１からαの角度である。また、孔２６及び窓部３６とが延長している場合には、ビーム拡大器（図示せず）を光線の経路内に配置して、窓部の延長軸線に沿って光線を拡大することもできる。レーザ４４は、連続して動作することもできる。また、レーザを作動して、孔２６が概ね基板１０に隣接している間、レーザビーム４２を生成することもできる。
【００２２】
ＣＭＰ装置２０は、窓部３６が基板の近傍にある場合に感知する、光学断続器等の位置センサ１６０を含んでもよい。例えば、光学断続器を、キャリアヘッド８０の反対の固定点に取り付けることもできる。フラグ１６２を、プラテンの外周に取り付ける。窓部３６が基板１０の下を掃引する間、フラグがセンサ１６０の光学信号に割り込む様に、取り付け点及びフラグ１６２の長さを選択する。
【００２３】
操作において、ＣＭＰ装置２０は、光学監視システム４０を用いて、基板表面から除去された材料の量を判定したり、もしくは、いつ表面が平坦になったかを判定したりする。汎用のプログラム可能なデジタルコンピュータ４８を、レーザ４４、検出器４６及びセンサ１６０に接続することもできる。コンピュータ４８をプログラムして、基板が概ね窓部の上に重なる時にレーザを作動させて、検出器からの発光強度測定値を保存して、発光強度測定値を出力装置４９に表示して、発光強度測定値を保存し、発光強度測定値を半径方向範囲に分類して、終点検出論理を測定した信号に当てはめて研磨終点を検出してもよい。
【００２４】
図３を参照すると、基板１０は、シリコンウェハ１２と、酸化又は窒化層１４の上に形成された、上に重なる金属層１６とを含む。金属は、銅、タングステン、アルミニウム、その他の金属とすることができる。異なる反射率を有する基板の異なる部分を研磨する際に、検出器４６からの信号出力は時間で変化する。特に、金属層１６が研磨されて酸化又は窒化層１４を露出する時に、基板の反射率が下る。検出器４６の時間可変出力について、インサイチュー反射率測定値トレース（あるいはもっと簡単に、反射率トレース）と呼ぶことにする。以下で説明されるように、この反射率トレースを用いて、金属層研磨作業の終点を判定してもよい。
【００２５】
基板上の異なる半径方向位置を研磨する間に、概して、反射した発光強度はさまざまな変化を受ける。これは、基板のさまざまな位置で、異なる速度で金属層が除去されるからである。例えば、基板中央付近の金属層が最後に除去されて、一方、基板の周辺又は端縁が初めに除去されたり、もしくはこの逆の場合がある。しかしながら、光学監視システムでは、ウェハ全体からの反射データを、ミリセカンドといった比較的細かい時間スケールで捕らえるので、研磨終点の判定に有用である。
【００２６】
図４を参照すると、プラテンの複合回転とキャリアヘッドの直線的な掃引とにより、窓部３６（及びレーザビーム４２）に掃引経路１２０内のキャリアヘッド８０の底部表面と基板１０とを横切って掃引させる。図５を参照すると、レーザビームが基板を横切って掃引する際に、光学監視システム４０は、一連の発光強度測定値Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃、．．．、Ｉ_N（数字Ｎは、掃引ごとに異なることが可能である）を生成する。光学監視システム４０のサンプル速度Ｆ（発光強度測定値を生成する速度）は、約５００乃至２０００ヘルツ（Ｈｚ）か、さらに大きく、約０．５乃至２ミリ秒の間のサンプリング時間に対応する。各時間ごとに窓部は基板の下を掃引し、コンピュータ４８が一連の発光強度測定値Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃、．．．、Ｉ_Nから値を抽出する。例えば、一連の発光強度測定値を平均して、平均発光強度Ｉ_MEANを生成することができる。また、コンピュータが、一連の測定値から最小発光強度Ｉ_MIN又は最大発光強度Ｉ_MAXを抽出することができる。また、コンピュータが、最大及び最小発光強度の間の差、即ち、Ｉ_MAX-Ｉ_MINに等しい発光強度差分Ｉ_DIFを生成することができる。
【００２７】
コンピュータ４８により抽出された、一連の掃引に対する一連の値を、メモリ又は不揮発性記憶装置に保存することができる。図６Ａ乃至図６Ｄを参照すると、この一連の抽出された値（掃引一つ当たり一つの抽出値）を集めて測定時間関数として表示し、基板の反射率の時間可変トレースを提供する。この時間可変トレースはまた、フィルタをかけてノイズを除去されてもよい。図６Ａは、各掃引の平均発光強度Ｉ_MEANから生成された反射率トレースを示し、図６Ｂは、各掃引の最大発光強度Ｉ_MAXから生成された反射率トレースを示している。図６Ｃは、各掃引の最小発光強度Ｉ_MINから生成された反射率トレースを示し、図６Ｄは、各掃引の発光強度差分Ｉ_DIFから生成された反射率トレースを示している。
【００２８】
最小、最大及び平均発光強度トレースの全体的な形について、以下に説明する。まず、下層のパターン層１４の位相により、金属層１６は、初めから位相をいくつか有している。この位相のため、光線が金属層に当たる際に光線が分散する。研磨作業が進行するにつれて、金属層はより平坦になり、研磨された金属層の反射率は増加する。金属層の大半が除去されると、発光強度は比較的安定する。一旦、酸化層が露出し始めると、研磨作業が完了するまで、全体的な信号発光強度は低下する。最小、最大及び平均発光強度トレースの全体的な形は類似しているが、異なるトレースが異なる形を有しているのは、異なる手順を用いて基礎となる発光強度測定値からトレースのデータ点を抽出していたからである。
【００２９】
最大発光強度トレース、最小発光強度トレース及び差分発光強度トレースは、金属研磨中の終点分析に、特に有用である。特に、最小発光強度トレースは、酸化層が露出し始めるやいなや、低下し始める傾向がある。対照的に、最大発光強度トレースは、金属層がほとんど完全に除去されて、酸化層が完全に露出されると、即ち、最小発光強度トレースが低下し始めると、すぐに低下し始める傾向がある。従って、最小発光強度トレースを、酸化層上のスポットが最初に除去されたかどうか検出することに用いることができ、最大発光強度トレースを、金属層が完全に除去されたかどうか検出することに用いることができる。平均発光強度トレースは、最小及び最大発光強度トレースの間のいずれかになる。差分発光強度トレースは、金属層が除去されて下層の酸化層が完全ではないがある程度露出された時に最大になるので、差分発光強度トレースは基板の不均一性のある尺度になる。
【００３０】
四つの発光強度トレースがあれば、いろいろな種類の終点検出アルゴリズムを実行することができる。別々の終点基準（例えば、局所的最小値又は最大値、スロープあるいは閾値に基づいて）を、各形式のトレース用に生成することができる。次に、各種トレース用の終点検出条件を、ブール論理と結合させることができる。例えば、最大発光強度トレース用の終点条件あるいは、差分発光強度トレース用の終点条件のいずれかを満足させる場合に研磨を停止することもできる。もう一つの例では、最小発光強度トレース用の終点条件及び平均発光強度トレース用の終点条件の両方を満足させる場合のみに研磨を停止させることもできる。重要なことは、二つ以上のトレースの終点基準の組み合わせは、いずれの組み合わせも可能である。
【００３１】
また、異なる終点トレースを用いて、異なる研磨イベントをトリガすることもできる。最小発光強度トレースを用いて、研磨パラメータの変更をトリガさせることもできる。例えば、下層の酸化層を最初に露出する際に、研磨圧力、研磨速度、化学的性質及びスラリ組成を変更することもできる。特に、ディッシングを避けるために、高い選択性から低い選択性へとシステムを変更することもできる。最大発光強度信号は、金属層が完全に除去された時にただ一度だけ発生するので、最大発光強度信号での終点検出に基づいて、研磨を停止することもできる。
【００３２】
また、平均、最小、最大及び差分発光強度トレースを、基板上の複数の半径方向範囲用に生成することもできる。複数の半径方向範囲の発光強度トレースの生成については、１９９８年１１月２日出願の米国特許出願第０９，１８４，７６７号に開示されており、全体を引用して組み入れる。前に述べているが、プラテンの複合回転及びキャリアヘッドの直線的な掃引が、窓部３６（及びレーザビーム４２）に掃引経路１２０内のキャリアヘッド８０の底部表面及び基板１０の端から端まで掃引させる。図７に移ると、対応する発光強度測定値Ｉ₁、Ｉ₂、．．．、Ｉ_Nの半径方向位置Ｒ₁、Ｒ₂、．．．、Ｒ_Nを判定することができる。ある発光強度測定値の半径方向位置を判定する方法の一つは、測定時間、プラテン回転速度及びキャリアヘッド掃引プロファイルに基づいて、基板下のレーザの位置を算出することである。残念なことに、実際のプラテン回転速度及びキャリアヘッド掃引プロファイルは、研磨パラメータと正確に一致しないことがある。従って、発光強度測定値の半径方向位置を判定する好適な方法１３０について、図８Ａに図示する。まず、基板の中線１２４（図５Ｃを参照のこと）の下を通過するレーザビーム４２の時間Ｔ_symを判定する（ステップ１３２）。次に、測定時間Ｔ_measure及び対称時間Ｔ_symの間の時間差から、発光強度測定値の半径方向位置を判定する（ステップ１３４）。
【００３３】
対称時間Ｔ_symを判定する方法の一つは、これらの発光強度測定値が基板端縁に対応する場合に、各掃引から最初及び最後の大きい発光強度測定値の時間を平均することである。しかしながら、これが、Ｔ_symにある不確定性をもたらすことになるというのは、基板上の発光強度測定値の位置がわかっていないからである。
【００３４】
図８Ｂを参照すると、ステップ１３２で対称時間Ｔ_symを演算するために、コンピュータ４８が、掃引経路１２０から最初及び最後の大きい発光強度測定値を判定し、対応する測定時間Ｔ_lead及びＴ_trailを保存する。これらのリード時間Ｔ_lead及びトレイル時間Ｔ_trailを各掃引ごとに蓄積して、一連のリード時間Ｔ_lead1、Ｔ_lead2、．．．、Ｔ_leadN及びトレイル時間Ｔ_trail1、Ｔ_trail2、．．．、Ｔ_trailNを生成する。コンピュータ４８は、リード時間Ｔ_lead1、Ｔ_lead2、．．．、Ｔ_leadN及び各リーディング発光強度測定値９６の対応するプラテン回転数１、２、．．．、Ｎを保存する。同様に、コンピュータ４８は、トレイル時間Ｔ_trail1、Ｔ_trail2、．．．、Ｔ_trailN及び各トレイリング測定値の対応する回転数１、２、．．．、Ｎを保存する。プラテン２４が実質的に一定の速度で回転すると仮定すると、リード時間Ｔ_lead1、Ｔ_lead2、．．．、Ｔ_leadNは、実質的に直線的に増加する関数（実線１３６として図示）を形成する。同様に、トレイル時間Ｔ_trail1、Ｔ_trail2、．．．、Ｔ_trailNはまた、実質的に直線的に増加する関数（実線１３７として図示）を形成する。コンピュータ４８は、二つの最小平方フィットを実行して、二つの直線関数Ｔ_lead（ｎ）とＴ_trail（ｎ）とを次のように生成する。
【００３５】
Ｔ_lead（ｎ）＝ａ１＋（ａ２＊ｎ）
Ｔ_trail（ｎ）＝ａ３＋（ａ４＊ｎ）
ここでｎは、プラテンの回転数で、ａ１、ａ２、ａ３及びａ４は、最小平方フィットの間に計算されたフィッティング関数である。一旦、フィッティング関数が計算されると、レーザビーム４２が中線１２４（点線１３８として図示）を横切る対称時間Ｔ_symを次のように計算する。
【００３６】
【式１】

いくつかのプラテンの回転に対する最小平方フィットを用いて対称時間Ｔ_symを計算することにより、回転リングの下のサンプリング域の相対位置における差により生じる不確定性を実質的に低減して、これにより、対称時間Ｔ_symの不確定性を著しく低減する。
【００３７】
一旦、レーザビームが中線１２４を横切る対称時間Ｔ_sym４８を計算したならば、基板の中央１２６からの各発光強度測定値の半径方向位置Ｒ₁、Ｒ₂、．．．、Ｒをステップ１３２で計算する。図１０を参照すると、半径方向位置を次のように計算する。
【００３８】
【式２】

ここでｄは、研磨パッドの中心と窓部３６の中心との間の距離で、Ｌは、研磨パッドの中心から基板１０の中心までの距離で、θは、窓部の角度位置である。窓部の角度位置θを、次のように計算する。
【００３９】
【式３】

ここでｆ_platenは、プラテンの回転速度（毎分回転数）である。キャリアヘッドが正弦波パターンで移動すると仮定すると、キャリアヘッドの直線位置Ｌを、次のように計算する。
【００４０】
【式４】

ここでωは、掃引周波数で、Ａは掃引の大きさ、Ｌ₀はキャリアヘッド掃引の中心位置である。
【００４１】
もう一つの実施形態においては、位置センサ１６０を用いて、窓部が中線１２４を横切るときの時間Ｔ_symを計算することもできる。センサ１６０がキャリアヘッド８０の反対に位置すると仮定すると、フラグ１６２は、透明窓部３６を越えて対称的に位置することになる。コンピュータ４８は、フラグがセンサの光学ビームを遮るトリガ時間Ｔ_startと、フラグが光学ビームをクリアするトリガ時間Ｔ_endとを共に保存する。時間Ｔ_symを、Ｔ_start及びＴ_endの平均として計算する。さらに別の実施形態においては、プラテン駆動モータと放射駆動モータ各々に接続された光学エンコーダから、各測定時間でプラテン及びキャリアヘッドの位置を判定することもできる。
【００４２】
一旦、発光強度測定値の半径方向位置Ｒ₁、Ｒ₂、．．．、Ｒ_Nを計算したならば、発光強度測定値のいくつかは無視することもできる。ある発光強度測定値の半径方向位置Ｒが、基板の半径よりも大きい場合には、その発光強度測定値は、保持リングにより反射された放射、もしくは、窓部又はスラリからのバックグラウンド反射を含む。保持リングの下の発光強度測定値を、無視することができる。これにより、発光強度を反射した薄膜の計算に、スプリアス発光強度測定値を用いずにすむ。
【００４３】
基板の下のレーザビーム掃引をいくつか行った後に、コンピュータ４８は、各々が測定時間Ｔ₁、Ｔ₂、．．．、Ｔ_N及び半径方向位置Ｒ₁、Ｒ₂、．．．、Ｒ_Nに対応する一組の発光強度測定値Ｉ₁、Ｉ₂、．．．、Ｉ_Nを蓄積する。図１０を参照すると、発光強度、時間及び半径方向位置測定値を蓄積する際に、時間及び発光強度測定値を、データ構造１４０内のビンに保存する。各ビンは、基板上の半径方向範囲に対応している。例えば、基板の中心から２０ｍｍまでの発光強度測定値を最初のビン１４２に配置して、基板の中心から２０ｍｍ及び３０ｍｍの間の発光強度測定値を第二のビン１４４に配置して、基板の中心から３０ｍｍ及び４０ｍｍの間の発光強度測定値を第三のビン１４６に配置して、以下同様に配置する。ビンの正確な数とビンの半径方向範囲は、ユーザが抽出したい情報に基づく。概して、十分な数の発光強度測定値をビン内に蓄積して、視覚的に意味のある情報を提供するように、各ビンの半径方向範囲を選択することもできる。
【００４４】
一旦、発光強度測定値が半径方向範囲内に保存されたならば、発光強度の平均、最小、最大又は差分を判定する上述の計算を各ビンに対して実行し、これにより、基板表面を横切る各半径方向範囲の四つの形式の発光強度トレースを提供する。別々の終点基準（例えば、局所的最小値、最大値、スロープ又は閾値に基づく）を、各半径方向範囲内の各形式の発光強度トレース用に生成することができる。各種のトレース及び半径方向範囲の終点条件を、ブール論理と組み合わせることができる。例えば、いずれかの半径方向範囲の条件が満たされる場合にある終点をトリガすることもできるし、もしくは、複数の半径方向範囲の条件が満たされる場合のみに終点がトリガすることもできる。従って、さまざまな種類の終点検出アルゴリズムを実行することができる。
【００４５】
以上、本発明について、好適な実施形態に基づき説明してきた。しかしながら、本発明は図示され説明された実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は前記特許請求の範囲により画定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】化学機械研磨装置を示す分解組み立て図である。
【図２】光学反射率計を含む化学機械研磨装置を示す側面図である。
【図３】基板に衝突・反射するレーザビームを概略で示している基板処理の簡単な断面図である。
【図４】キャリアヘッド下のレーザ経路を示す概略図である。
【図５】任意の発光強度単位における光学監視システムからの発光強度測定値を示す線図である。
【図６Ａ】平均、最小、最大及び差分発光強度測定値を用いた距離関数としての金属層の反射発光強度トレースを示す線図である。
【図６Ｂ】平均、最小、最大及び差分発光強度測定値を用いた距離関数としての金属層の反射発光強度トレースを示す線図である。
【図６Ｃ】平均、最小、最大及び差分発光強度測定値を用いた距離関数としての金属層の反射発光強度トレースを示す線図である。
【図６Ｄ】平均、最小、最大及び差分発光強度測定値を用いた距離関数としての金属層の反射発光強度トレースを示す線図である。
【図７】基板上の発光強度測定値の半径方向位置を示す概略図である。
【図８Ａ】サンプリング領域の半径方向位置を判定する方法を示すフローチャートである。
【図８Ｂ】プラテンの回転数関数として、立上がり及び立下がりの下部を通過するレーザビームの時間を示す線図である。
【図９】発光強度測定値の半径方向位置の計算を示す概略図である。
【図１０】発光強度測定値を保存するデータ構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１０…基板、２０…研磨装置、２２…研磨ステーション、２３…移載ステーション、２４…プラテン、３０…研磨パッド、３２…パッキング層、３４…被覆層、６０…マルチヘッドカルーセル、８０…キャリアヘッド。

Claims

基板と相対運動する研磨パッドで基板表面を研磨する、化学機械研磨の終点検出方法であって、
光線の基板横断（以下、掃引という。）毎に、前記基板表面の各測定箇所における光反射率を表す光強度測定値を各測定時刻で取得し、
掃引毎に取得した光強度測定値のそれぞれについて、前記基板の中心からの距離を決定し、決定した距離に基づいて光強度測定値とその測定時刻を、基板上の複数の領域のうちの一つに割り当て、
基板上の各領域について、その領域に割り当てた複数の光強度測定値のなかから掃引毎の第一の極限光強度測定値を選択することにより、基板の各領域に対して、第一の極限光強度測定値の時系列データ（以下、トレースという。）を生成し、ここに、各トレースはその領域に対する掃引毎の第一の極限光強度測定値を含むこと、
各領域に割り当てられた第一の極限光強度測定値のトレースに基づいて、研磨終点を検出する、
化学機械研磨の終点検出方法。
領域割り当てのために、
前記光強度測定値の測定時刻に基づいて、前記基板の中心からの距離を決定し、
決定した距離に基づいて、前記光強度測定値を割り当てるべき領域を決定する、
請求項１に記載の方法。
第一の極限光強度測定値が、各掃引において取得して領域に割り当てた複数の光強度測定値からの最大光強度測定値である請求項１または２に記載の方法。
第一の極限光強度測定値が、各掃引において取得して領域に割り当てた複数の光強度測定値からの最小光強度測定値である請求項１または２に記載の方法。
更に、各掃引において取得して領域に割り当てた複数の光強度測定値から第二の極限光強度測定値を選択するステップを含む請求項１または２に記載の方法。
第一の極限光強度測定値が最大光強度測定値で、第二の極限光強度測定値が最小光強度測定値である請求項５に記載の方法。
研磨終点の検出が、掃引毎、領域毎の最小光強度測定値をその掃引、その領域の最大光強度測定値から減じることにより、基板の各領域に対して差分のトレースを割り当てるステップを含む請求項６に記載の方法。
研磨終点の検出が、第一又は第二の複数の極限光強度測定値のいずれかに係る基準を満足させるかどうかを判定するステップを含む請求項５に記載の方法。
研磨終点の検出が、第一及び第二の複数の極限光強度測定値の双方に係る基準を満足させるかどうかを判定するステップを含む請求項５に記載の方法。
基板が、ストップ層の上に形成された充填層を含み、研磨終点がストップ層の少なくとも部分的な露出を示す、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の方法。
研磨パッドが窓部を含み、光線が窓部を介して方向付けされ、基板と研磨パッド間の相対運動により、光線が基板表面を横切って移動する請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の方法。
更に、研磨終点で研磨を停止するステップを含む請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の方法。
更に、研磨終点で研磨パラメータを変更するステップを含む請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の方法。
研磨パラメータが、スラリである請求項１３に記載の方法。
スラリが、高選択性スラリから低選択性スラリへ変更される請求項１４に記載の方法。