JP5219395B2 - ウェハ研磨モニタ方法とその装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウェハ研磨モニタ方法とその装置に関するものであり、特に、化学機械研磨加工（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等においてウェハ上の導電性膜の研磨終点を高い精度で確実に検出することが可能なウェハ研磨モニタ方法とその装置に関するものである。

半導体ウェハの表面に例えば酸化膜を形成し、該酸化膜にリソグラィ及びエッチングを施して配線パターンに対応した溝パターンを形成し、この上に前記溝パターンを充填するためのＣｕ等からなる導電性膜を成膜し、該導電性膜のうち不要部分をＣＭＰにより研磨除去して配線パターンを形成するプロセスが知られている。この配線パターン等の形成では、不要な導電性膜が適正な厚さ除去されたときの研磨終点を確実に検出して研磨を停止することが極めて重要である。

これに関連する従来技術として、例えば次のようなウェハ研磨方法及びその装置が知られている。この従来技術は、研磨パッドを張り付けたプラテンを回転し、研磨パッド上にスラリーを供給しつつ、ウェハ支持板に保持したウェハを該ウェハ支持板により回転させながら押し付け研磨する研磨装置において、プラテンの上面には、中心付近から周縁近くまで延びた溝が設けられ、該溝の長手方向ほぼ中央に下方が円錐状に拡大した貫通孔が形成されている。該貫通孔の溝側には、スラリーの漏れを防止するための透明窓材が嵌め込まれている。

プラテンの下面側には、該透明窓材の回転路に面してウェハの研磨面に光を照射しその反射光を受光するプローブが配置されている。該プローブは光ケーブルに接続され、その他端は二股に別れ分光反射率測定装置と測定用光源に接続されている。そして、測定用光源からウェハの研磨面に光を照射してその反射光を分光反射率測定装置に入れ、膜が目標の厚さになったときの分光反射率を予め計算で求めておいて、測定した分光反射率の特徴が計算と一致した時点で残存する層の膜厚が所望の厚さになったことを検知している（例えば、特許文献１参照）。

また、他の従来技術として、例えば、次の（イ）〜（ハ）に示すような方法が知られている。（イ）所定の発振周波数の超音波を所定の周期でパルス状に発射してウェハによる表面反射波と裏面反射波との干渉波で膜厚変化を測定して研磨終点を検出するようにしている（例えば、特許文献２参照）。

（ロ）研磨剤スラリー廃液に電磁波を与え、その電磁波により励起された共振周波数と共振電圧を測定して化学機械研磨の研磨終点を検出するようにしている（例えば、特許文献３参照）。

（ハ）基板の領域毎に与える押圧力を、膜厚測定装置による当該基板上の膜厚の測定情報に基づいて調整するようにしたものであり、その膜厚測定装置は、渦電流、光学、温度、トルク電流、マイクロ波等を利用したセンサとしている。しかし、最後のマイクロ波等のセンサについては、マイクロ波等の反射信号などの単独又は適切なる組み合わせから、その半導体ウェハ等の基板の上にある導電性膜としてのＣｕ膜やバリヤ膜、又は絶縁性膜としての酸化膜等の膜厚を測定する膜厚測定装置としている（例えば、特許文献４参照）。
特開平７−５２０３２号公報。 特開平８−２１０８３３号公報。 特開２００２−３１７８２６号公報。 特開２００５−１１９７７号公報。

特許文献１に記載の従来技術においては、研磨パッドに押し付けられているウェハ研磨面からの反射光を分光反射率測定装置に入れ、分光反射率を基に研磨終点を検出するようにしている。しかしながら、この方法は、スラリーによる反射光散乱の問題があり、このためＳＮ比が悪く研磨終点を精度良く検出することが難しい。

特許文献２に記載の従来技術においては、高周波発振器が備えらているが、これは、高周波信号を超音波振動子に与えるためのもので、導電性膜を備えたウェハに対する高周波電磁波の透過・反射等の特性を利用して該導電性膜が除去される前後の状態を検知するという本発明に関する技術に対し、何等近接するものでも、示唆するものでもない。

特許文献３に記載の従来技術においては、電磁波の放射が記載されているが、この記載は、前記と同様に、本発明に関する技術に対し、何等近接するものでも、示唆するものでもない。

特許文献４に記載の従来技術においては、マイクロ波等を利用して基板上の導電性膜や絶縁性膜の膜厚を測定するようにしている。しかし本発明は、該特許文献４に記載の従来技術とは以下の点で明らかに異なる。特許文献４に記載の従来技術は、導電性膜に対して膜厚を測定をする、ないしは測定できるものではない。導電性膜が存在する場合とそれを除去した場合の明らかに異なる波形変化を利用しているのである。よって、導電性膜が除去された場合を終点とした場合、その終点部分を検出するものである。また、この特許文献４に記載のマイクロ波は、マイクロ波と記載されているだけで、具体的な周波数を開示していない。マイクロ波の特性が利用されているかどうかは定かではなく、一般的な光を含む電磁波と比べてどのような特徴を利用して、どのような構成で測定するのかといった具体的な開示は何もない。さらに、マイクロ波の反射というものが、何をもって反射と定義しているのかも定かではない。例えばマイクロ波を通す高周波伝送線路の形成やその高周波伝送線路の形成において、ウェハ上の導電性膜の有り無しにより、特性インピーダンスが変化することによって、透過反射の状況が変わることなどを示唆する開示は何もない。その方法の一つとして、本発明が示すようなウェハに沿った高周波伝送線路としてマイクロストリップラインを設け、そのマイクロストリップラインを通って抜ける電磁波を透過とし、その高周波伝送線路に入ることなく、インピーダンス整合の点で、整合が取れず反射されてくる電磁波を反射と定義した方法やその他、送信と受信のアンテナを準備してその間の信号強度で評価する方法など、そういった開示は何も見当たらない。よって、これは、マイクロ波とは記載されているものの、一般的な光を含む電磁波と理解しても差し支えない。また、本発明では、表皮深さを超えて膜厚測定をするものではなく、導電性膜と非導電性膜とでは、電磁波の透過・反射等の特性が大きく変化することを利用して、ウェハ上の導電性膜が除去される前後の状態を精度よく検知するようにしたものであり、構成・作用・効果の上で該従来技術とは、全く異なる。

そこで、スラリー等の影響を受けることなく導電性膜が表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化をモニタして該導電性膜の研磨終点を高い精度で確実に検出するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、ウェハ表面の導電性膜を研磨除去しながら平坦化加工工程を行う加工装置におけるウェハ研磨モニタ方法であって、前記ウェハ表面に対向する部位に高周波伝送路を形成し、該高周波伝送路を通して抜けていく透過電磁波と前記高周波伝送路を通らずに反射する反射電磁波との少なくともいずれかから前記導電性膜の研磨除去状態を評価し、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出するウェーハ研磨モニタ方法を提供する。

この構成によれば、高周波伝送路の対向位置に導電性膜が形成されたウェハが存在しないとき、前記高周波伝送路に該高周波伝送路の特性インピーダンスに整合する周波数帯域の電磁波が供給されると、大半の電磁波は透過電磁波として該高周波伝送路を透過し、高周波伝送路を通らずに反射する反射電磁波は殆ど存在しない。

これに対し、高周波伝送路の対向位置にウェハ表面に形成された導電性膜が近接して置かれると、電磁波が伝送する伝送路のインピーダンスは、前記高周波伝送路及び導電性膜を総合した特性インピーダンスとなって、整合可能な周波数帯域が変化する。このため、前記高周波伝送路の特性インピーダンスのみに整合する周波数帯域の電磁波の大半は、高周波伝送路を通らずに反射し、一部の電磁波は該電磁波の周波数に対応した表皮深さの領域を、表層電流として導電性膜の極表層部分を透過する。

そして、平坦化加工工程により導電性膜の研磨が進行して、前記表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴って電磁波の透過特性及び反射特性が大きく変化することから、透過電磁波もしくは反射電磁波の少なくともいずれかの変化を基に研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点が検出される。

請求項２記載の発明は、ウェハ表面の導電性膜を研磨除去しながら平坦化加工工程を行う加工装置におけるウェハ研磨モニタ方法であって、前記ウェハ表面に対向する部位に高周波伝送路を形成するとともに該高周波伝送路における入力端側に第１の電極を配設し出力端側には第２の電極を配設し、Ｓパラメータにおける第１の電極点での反射係数であるＳ_１１及び第１の電極側から第２の電極側を見た透過係数であるＳ_２１を測定し、該Ｓ_１１とＳ_２１の少なくともいずれかから前記導電性膜の研磨除去状態を評価し、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出するウェハ研磨モニタ方法を提供する。

この構成によれば、導電性膜の研磨が進行して、表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴ってＳパラメータにおける反射係数であるＳ_１１及び透過係数であるＳ_２１が大きく変化する。そこで、該Ｓ_１１及びＳ_２１を測定し、このＳ_１１とＳ_２１の少なくともいずれかの変化を基に研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点が検出される。

請求項３記載の発明は、ウェハ表面の導電性膜を研磨除去しながら平坦化加工工程を行う加工装置におけるウェハ研磨モニタ方法であって、前記ウェハ表面に対向する部位に高周波伝送路を形成し、該高周波伝送路に関する透過係数、反射係数、誘電率及び損失係数の各指標を測定し、該透過係数、反射係数、誘電率及び損失係数の少なくともいずれかから前記導電性膜の研磨除去状態を評価し、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出するウェハ研磨モニタ方法を提供する。

この構成によれば、ウェハ上に多層相互接続構造等が作り込まれる場合、ウェハ表面には研磨除去される導電性膜の下層に、さらに他の材質の導電性膜、絶縁性膜等が多層に積層されるのが一般的である。このような多層膜構造において、導電性膜の研磨が進行して表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴って、多層膜を総合した
誘電率が変化し、さらに誘電体損を含む損失係数が変化する。そこで、透過係数、反射係数に加えて誘電率及び損失係数を測定し、これらの透過係数、反射係数、誘電率及び損失係数の少なくともいずれかの変化を基に研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点が検出される。

請求項４記載の発明は、上記高周波伝送路に供給される電磁波の周波数帯は、マイクロ帯であるウェハ研磨モニタ方法を提供する。

この構成によれば、導電性膜に表層電流が流れる表皮深さは、マイクロ帯の周波数帯において極薄くなる。この極薄い表皮深さで定義される膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴う透過係数等の指標の変化を基に研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点が検出される。

請求項５記載の発明は、上記高周波伝送路に供給する電磁波を所要周波数範囲で連続的に変化させ、上記透過電磁波に対応した透過係数及び上記反射電磁波に対応した反射係数は、該所要周波数範囲で測定したものであるウェハ研磨モニタ方法を提供する。

この構成によれば、導電性膜の研磨が進行して、表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴い高周波伝送路及び導電性膜を総合した特性インピーダンスに変化が生じる。この特性インピーダンスの変化に対するインピーダンス不整合等に起因して、所要周波数範囲における適宜の周波数領域において、前記膜厚の変化に伴う透過係数及び反射係数の変化が大きくなる。そこで、研磨除去の終了点の検出には、前記適宜の周波数領域において測定した透過係数及び反射係数の変化が用いられる。

請求項６記載の発明は、上記高周波伝送路は、マイクロストリップラインで形成されているウェハ研磨モニタ方法を提供する。

この構成によれば、高周波伝送路を、特性インピーダンスが特定されたマイクロストリップラインで形成することで、電磁波の透過特性及び反射特性等の指標の変化が安定して測定される。

請求項７記載の発明は、上記加工装置は、化学機械研磨装置であり、上記マイクロストリップラインは前記化学機械研磨装置におけるプラテンの上面部に埋設されているウェハ研磨モニタ方法を提供する。

この構成によれば、マイクロストリップラインを、研磨除去が行われるウェハ表面部に対向する部位としてプラテンの上面部に埋設することで、導電性膜の研磨除去作業に支障を来すことなく、電磁波の透過特性等の指標を適切に得ることが可能となる。

請求項８記載の発明は、上記高周波伝送路に対し入・出力端の短絡・開放・整合の各状態を測定系で設定して予め較正し、該較正後に高周波伝送路において上記透過係数及び上記反射係数を測定するウェハ研磨モニタ方法を提供する。

この構成によれば、高周波伝送路で測定された透過係数等の測定値に対し、測定系において較正時の補正係数が加味されて透過係数等の指標の変化が正確に測定される。

請求項９記載の発明は、上記高周波伝送路は、発信器に接続された発信用アンテナと受信器に接続された受信用アンテナと間に形成されるウェハ研磨モニタ方法を提供する。

この構成によれば、発信用アンテナと受信用アンテナとの間に形成された高周波伝送路
は、導電性膜の研磨が進行して、表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴ってその特性インピーダンスが変化する。この変化を利用することで、導電性膜の研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点が検出される。

請求項１０記載の発明は、上記透過係数及び反射係数の上記所要周波数範囲におけるプロファイルをモニタし、該透過係数及び反射係数の少なくともいずれかが予め定めた閾値を超えた段階で、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出するウェハ研磨モニタ方法を提供する。

この構成によれば、所要周波数範囲における適宜の周波数領域において測定した透過係数及び反射係数の変化から研磨除去の終了点を検出するに際し、具体的には前記適宜の周波数領域において測定した透過係数等の変化プロファイルをモニタし、該透過係数等の測定値が予め定めた閾値を超えた時を、研磨除去の終了点として検出する。

請求項１１記載の発明は、上記透過係数及び反射係数を所定の二つの周波数においてそれぞれ測定し、測定した該透過係数及び該反射係数の少なくともいずれかが予め定めた基準の状態を超えた段階で、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出するウェハ研磨モニタ方法を提供する。

この構成によれば、所要周波数範囲の周波数領域において測定した透過係数及び反射係数の変化を用いて研磨除去の終了点を検出するに際し、具体的には前記所要周波数範囲における所定の二つの周波数において、研磨除去の終了点を検出するのに十分な透過係数等の変化量を得ることが可能である。

請求項１２記載の発明は、所定の二つの周波数において、予め定めた基準の状態に対する上記透過係数及び反射係数の変化割合をそれぞれ測定し、測定した該透過係数の変化割合及び該反射係数の変化割合の少なくともいずれかが予め定めた基準の変化割合を超えた段階で、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出するウェハ研磨モニタ方法を提供する。

この構成によれば、所要周波数範囲の周波数領域における二つの周波数において測定した透過係数及び反射係数から研磨除去の終了点を検出するに際し、予め定めた基準の状態に対する透過係数等の変化割合が、予め定めた基準の変化割合を超えた段階で研磨除去の終了点を検出することも可能である。

請求項１３記載の発明は、ウェハ表面の導電性膜を研磨除去しながら平坦化加工工程を行う加工装置におけるウェハ研磨モニタ装置であって、前記ウェハ表面に対向する部位に高周波伝送路を形成し、該高周波伝送路を通して抜けていく透過電磁波と前記高周波伝送路を通らずに反射する反射電磁波との少なくともいずれかから前記導電性膜の研磨除去状態を評価し、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出するように構成してなるウェハ研磨モニタ装置を提供する。

この構成によれば、平坦化加工工程により導電性膜の研磨が進行して、表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴って電磁波の透過特性及び反射特性が大きく変化することから、透過電磁波もしくは反射電磁波の少なくともいずれかの変化を基に研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点が検出される。

請求項１４記載の発明は、上記高周波伝送路に供給される電磁波の周波数帯は、マイクロ帯であるウェハ研磨モニタ装置を提供する。

この構成によれば、導電性膜に表層電流が流れる表皮深さは、マイクロ帯の周波数帯において極薄くなる。この極薄い表皮深さで定義される膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴う透過係数等の指標の変化を基に研磨除去の終了点が検出される。

請求項１５記載の発明は、上記高周波伝送路は、マイクロストリップラインで形成されているウェハ研磨モニタ装置を提供する。

この構成によれば、高周波伝送路を、特性インピーダンスが特定されたマイクロストリップラインで形成することで、電磁波の透過特性及び反射特性等の指標の変化が安定して測定される。

請求項１６記載の発明は、上記加工装置は、化学機械研磨装置であり、上記マイクロストリップラインは前記化学機械研磨装置におけるプラテンの上面部に埋設されているウェハ研磨モニタ装置を提供する。

この構成によれば、マイクロストリップラインを、研磨除去が行われるウェハ表面部に対向する部位としてプラテンの上面部に埋設することで、導電性膜の研磨除去作業に支障を来すことなく、電磁波の透過特性等の指標を適切に得ることが可能となる。

請求項１７記載の発明は、上記マイクロストリップラインは、グラウンドプレーン上に誘電体を介して該グラウンドプレーンに対し平行に支持されたストリップ導体で構成されているウェハ研磨モニタ装置を提供する。

この構成によれば、マイクロストリップラインを、簡易且つ、小形に構成することができて、プラテンの上面部に対する容易埋設性が得られる。

請求項１８記載の発明は、上記マイクロストリップラインにおける誘電体の材料は、ポリテトラフルオロエチレン、エポキシもしくはベークライトのいずれかであるウェハ研磨モニタ装置を提供する。

この構成によれば、マイクロストリップラインの特性インピーダンスを容易に特定化し得るとともに高周波損失を少なく抑えることが可能となる。

請求項１９記載の発明は、上記高周波伝送路として、空洞共振器で形成されているウェハ研磨モニタ装置を提供する。

この構成によれば、空洞共振器で形成された高周波伝送路は、その空洞部の容積等を適宜に調整して共振周波数を変化させることで、該空洞共振器及び導電性膜の膜状態の全体を含む特性インピーダンスを顕著に変化させることが可能となる。したがって導電性膜の研磨が進行して、表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴う電磁波の透過係数、反射係数もしくは損失係数を大きく変化させることが可能となり、これらの係数の変化を基に導電性膜の研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点が検出される。

請求項２０記載の発明は、上記空洞共振器は、空洞部の容積もしくは形状の少なくともいずれかを変化させることによって、共振周波数を変化させることが可能であるウェハ研磨モニタ装置を提供する。

この構成によれば、上記空洞共振器は、空洞部の容積もしくは形状の少なくともいずれかを調整することで、容易に共振周波数が変化する。

請求項２１記載の発明は、上記空洞共振器の上面は、不導体の部材で蓋をされた構造であるウェハ研磨モニタ装置を提供する。

この構成によれば、空洞共振器の上面を不導体の部材で蓋をすることで、電磁波に対し該空洞共振器の上面は開放状態となり、導電性膜が形成されたウェハが存在しないとき、該空洞共振器に入射した電磁波は透過して発散する。そして導電性膜が形成されたウェハが存在する場合のみ、該導電性膜の膜状態のモニタが行われる。

請求項２２記載の発明は、上記高周波伝送路は、発信器に接続された発信用アンテナと受信器に接続された受信用アンテナと間に形成してなるウェハ研磨モニタ装置を提供する。

この構成によれば、発信用アンテナと受信用アンテナとの間に形成された高周波伝送路は、導電性膜の研磨が進行して、表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴ってその特性インピーダンスが変化する。この変化を利用することで、導電性膜の研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点が検出される。

請求項１記載の発明は、ウェハ表面に対向する部位に高周波伝送路を形成し、該高周波伝送路を通して抜けていく透過電磁波と前記高周波伝送路を通らずに反射する反射電磁波との少なくともいずれかから導電性膜の研磨除去状態を評価し、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出するウェハ研磨モニタ方法としたので、導電性膜の研磨が進行して、表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴って電磁波の透過特性及び反射特性が大きく変化することから、該透過電磁波もしくは反射電磁波の少なくともいずれかの変化を基に導電性膜の研磨除去の終了点を高い精度で確実に検出することができるという利点がある。

請求項２記載の発明は、ウェハ表面に対向する部位に高周波伝送路を形成するとともに該高周波伝送路における入力端側に第１の電極を配設し出力端側には第２の電極を配設し、Ｓパラメータにおける第１の電極点での反射係数であるＳ_１１及び第１の電極側から第２の電極側を見た透過係数であるＳ_２１を測定し、該Ｓ_１１とＳ_２１の少なくともいずれかから導電性膜の研磨除去状態を評価し、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出するウェハ研磨モニタ方法としたので、導電性膜の研磨が進行して、表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴ってＳパラメータにおけるＳ_１１及びＳ_２１が大きく変化することから、該Ｓ_１１もしくはＳ_２１の少なくともいずれかの変化を基に導電性膜の研磨除去の終了点を高い精度で確実に検出することができるという利点がある。

請求項３記載の発明は、ウェハ表面に対向する部位に高周波伝送路を形成し、該高周波伝送路に関する透過係数、反射係数、誘電率及び損失係数の各指標を測定し、該透過係数、反射係数、誘電率及び損失係数の少なくともいずれかから導電性膜の研磨除去状態を評価し、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出するウェハ研磨モニタ方法としたので、導電性膜の研磨が進行して表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴って誘電率及び誘電体損を含む損失係数も変化することから、透過係数、反射係数に誘電率及び損失係数を加えた複数の指標のうちの少なくともいずれかの変化を基に研磨除去の終了点を高い精度で確実に検出することができるという利点がある。

請求項４記載の発明は、上記高周波伝送路に供給される電磁波の周波数帯は、マイクロ
帯であるウェハ研磨モニタ方法としたので、表皮深さは、マイクロ帯の周波数帯において極薄くなることから、この極薄い表皮深さで定義される膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴う透過係数等の指標の変化を基に研磨除去の終了点を高い精度で確実に検出することができるという利点がある。

請求項５記載の発明は、上記高周波伝送路に供給する電磁波を所要周波数範囲で連続的に変化させ、上記透過電磁波に対応した透過係数及び上記反射電磁波に対応した反射係数は、該所要周波数範囲で測定したものであるウェハ研磨モニタ方法としたので、所要周波数範囲における適宜の周波数領域において、表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴う透過係数等の指標の変化が大きくなることから、該適宜の周波数領域において測定した透過係数等の指標の変化を基に研磨除去の終了点を高い精度で検出することができるという利点がある。

請求項６記載の発明は、上記高周波伝送路は、マイクロストリップラインで形成されているウェハ研磨モニタ方法としたので、電磁波の透過特性等の指標の変化を安定して測定することができるという利点がある。

請求項７記載の発明は、上記加工装置は、化学機械研磨装置であり、上記マイクロストリップラインは前記化学機械研磨装置におけるプラテンの上面部に埋設されているウェハ研磨モニタ方法としたので、導電性膜の研磨除去作業に支障を来すことなく、電磁波の透過特性等の指標の変化を適切に得ることができるという利点がある。

請求項８記載の発明は、上記高周波伝送路に対し入・出力端の短絡・開放・整合の各状態を測定系で設定して予め較正し、該較正後に高周波伝送路において上記透過係数及び上記反射係数を測定するウェハ研磨モニタ方法としたので、透過係数及び反射係数の変化を正確に測定することができるという利点がある。

請求項９記載の発明は、上記高周波伝送路は、発信器に接続された発信用アンテナと受信器に接続された受信用アンテナと間に形成されるウェハ研磨モニタ方法としたので、導電性膜の研磨が進行して、表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴う高周波伝送路の特性インピーダンスの変化に起因して電磁波の透過係数、反射係数等が変化することから、これらの係数の変化を基に導電性膜の研磨除去の終了点を確実に検出することができるという利点がある。

請求項１０記載の発明は、上記透過係数及び反射係数の上記所要周波数範囲におけるプロファイルをモニタし、該透過係数及び反射係数の少なくともいずれかが予め定めた閾値を超えた段階で、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出するウェハ研磨モニタ方法としたので、測定した透過係数等の変化プロファイルをモニタし、該透過係数等の測定値が予め定めた閾値を超えた時を研磨除去の終了点とすることで、導電性膜の研磨除去の終了点を確実に検出することができるという利点がある。

請求項１１記載の発明は、上記透過係数及び反射係数を所定の二つの周波数においてそれぞれ測定し、測定した該透過係数及び該反射係数の少なくともいずれかが予め定めた基準の状態を超えた段階で、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出するウェハ研磨モニタ方法としたので、所定の二つの周波数においてそれぞれ測定した透過係数等の指標を用いることで、導電性膜の研磨除去の終了点を簡便に且つ、精度よく検出することができるという利点がある。

請求項１２記載の発明は、所定の二つの周波数において、予め定めた基準の状態に対する上記透過係数及び反射係数の変化割合をそれぞれ測定し、測定した該透過係数の変化割
合及び該反射係数の変化割合の少なくともいずれかが予め定めた基準の変化割合を超えた段階で、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出するウェハ研磨モニタ方法としたので、所定の二つの周波数においてそれぞれ測定した透過係数等の指標から研磨除去の終了点を検出するに際し、予め定めた基準の状態に対する透過係数等の変化割合が、予め定めた基準の変化割合を超えた段階を用いても、導電性膜の研磨除去の終了点を精度よく検出することができるという利点がある。

請求項１３記載の発明は、ウェハ表面の導電性膜を研磨除去しながら平坦化加工工程を行う加工装置におけるウェハ研磨モニタ装置であって、前記ウェハ表面に対向する部位に高周波伝送路を形成し、該高周波伝送路を通して抜けていく透過電磁波と前記高周波伝送路を通らずに反射する反射電磁波との少なくともいずれかから前記導電性膜の研磨除去状態を評価し、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出するように構成してなるウェハ研磨モニタ装置としたので、導電性膜の研磨が進行して、表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴って電磁波の透過特性及び反射特性が大きく変化することから、透過電磁波もしくは反射電磁波の少なくともいずれかの変化を基に研磨除去の終了点を高い精度で確実に検出することができるという利点がある。

請求項１４記載の発明は、上記高周波伝送路に供給される電磁波の周波数帯は、マイクロ帯であるウェハ研磨モニタ装置としたので、表皮深さは、マイクロ帯の周波数帯において極薄くなることから、この極薄い表皮深さで定義される膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴う透過係数等の指標の変化を基に研磨除去の終了点を高い精度で確実に検出することができるという利点がある。

請求項１５記載の発明は、上記高周波伝送路は、マイクロストリップラインで形成されているウェハ研磨モニタ装置としたので、電磁波の透過特性等の指標の変化を安定して測定することができるという利点がある。

請求項１６記載の発明は、上記加工装置は、化学機械研磨装置であり、上記マイクロストリップラインは前記化学機械研磨装置におけるプラテンの上面部に埋設されているウェハ研磨モニタ装置としたので、導電性膜の研磨除去作業に支障を来すことなく、電磁波の透過特性等の指標の変化を適切に得ることができるという利点がある。

請求項１７記載の発明は、上記マイクロストリップラインは、グラウンドプレーン上に誘電体を介して該グラウンドプレーンに対し平行に支持されたストリップ導体で構成されているウェハ研磨モニタ装置としたので、マイクロストリップラインを、簡易且つ、小形に構成することができて、プラテンの上面部に容易に埋設することができるという利点がある。

請求項１８記載の発明は、上記マイクロストリップラインにおける誘電体の材料は、ポリテトラフルオロエチレン、エポキシもしくはベークライトのいずれかであるウェハ研磨モニタ装置としたので、マイクロストリップラインの特性インピーダンスを容易に特定化し得るとともに高周波損失を少なく抑えることができるという利点がある。

請求項１９記載の発明は、上記高周波伝送路として、空洞共振器で形成されているウェハ研磨モニタ装置としたので、導電性膜の研磨が進行して、表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴う電磁波の透過係数、反射係数もしくは損失係数を大きく変化させることができて、これらの係数の変化を基に導電性膜の研磨除去の終了点を高い精度で確実に検出することができるという利点がある。

請求項２０記載の発明は、上記空洞共振器は、空洞部の容積もしくは形状の少なくとも
いずれかを変化させることによって、共振周波数を変化させることが可能であるウェハ研磨モニタ装置としたので、空洞共振器の共振周波数を適宜に調整することで、導電性膜の研磨が進行して、表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴う電磁波の透過係数、反射係数もしくは損失係数を大きく変化させることができるという利点がある。

請求項２１記載の発明は、上記空洞共振器の上面は、不導体の部材で蓋をされた構造であるウェハ研磨モニタ装置としたので、導電性膜が形成されたウェハが存在する場合のみ該導電性膜の膜状態のモニタが適正に行われて、電磁波の透過係数、反射係数等の所要の係数の変化を取得することができるという利点がある。

請求項２２記載の発明は、上記高周波伝送路は、発信器に接続された発信用アンテナと受信器に接続された受信用アンテナと間に形成してなるウェハ研磨モニタ装置としたので、導電性膜の研磨が進行して、表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴う高周波伝送路の特性インピーダンスの変化に起因して電磁波の透過係数、反射係数等が変化することから、これらの係数の変化を基に導電性膜の研磨除去の終了点を確実に検出することができるという利点がある。

スラリー等の影響を受けることなく導電性膜が表皮深さで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化をモニタして該導電性膜の研磨終点を高い精度で確実に検出するという目的を達成するために、ウェハ表面の導電性膜を研磨除去しながら平坦化加工工程を行う加工装置におけるウェハ研磨モニタ方法であって、前記ウェハ表面に対向する部位にマイクロストリップラインからなる高周波伝送路を形成し、該高周波伝送路を通して抜けていく透過電磁波もしくは前記高周波伝送路を通らずに反射する反射電磁波の少なくともいずれかから前記導電性膜の研磨除去状態を評価し、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出することにより実現した。

以下、本発明の好適な一実施例を図面に従って詳述する。図１はマイクロストリップラインが搭載された化学機械研磨装置の斜視図、図２はプラテンの上面部に搭載されたマイクロストリップラインとネットワークアナライザとの接続関係を示す構成図である。

まず、本実施例に係るウェハ研磨モニタ方法とその装置の構成を、加工装置としての化学機械研磨装置から説明する。図１において化学機械研磨装置１は、主としてプラテン２と、研磨ヘッド３とから構成されている。

前記プラテン２は、円盤状に形成され、その下面中央には回転軸４が連結されており、モータ５の駆動によって矢印Ａ方向へ回転する。前記プラテン２の上面には研磨パッド６が貼着されており、該研磨パッド６上に図示しないノズルから研磨剤と化学薬品との混合物であるスラリーが供給される。

前記研磨ヘッド３は、本体部が円盤状に形成され、その上面中央に回転軸７が連結されており、図示しないモータで駆動され矢印Ｂ方向に回転する。

該化学機械研磨装置は、導電性膜が形成されたウェハを、研磨ヘッド３で吸着保持して図示しない移動機構によりプラテン２上に運び、該ウェハを導電性膜が研磨パッド６に対接するようにプラテン２上に載置する。次いで、研磨ヘッド３内の図示しないエアバックにエアーを供給して該エアバックを膨らませる。前記エアバックの膨らみによって、ウェハ表面部の導電性膜が所定の圧力で研磨パッド６に押し付けられる。

この状態でプラテン２を図１の矢印Ａ方向に回転させるとともに研磨ヘッド３を図１の矢印Ｂ方向に回転させ、回転する研磨パッド６上に図示しないノズルからスラリーを供給してウェハ表面部の導電性膜を研磨する。

そして、図２に示すように、化学機械研磨装置１におけるプラテン２の上面部の部分で且つ、研磨ヘッド３に保持されたウェハＷ表面部の導電性膜８に対向しうる部位に、高周波伝送路となるマイクロストリップライン９が埋設されている。該マイクロストリップライン９は、ウェハＷのほぼ直径に対応した所定の長さに形成されている。高周波伝送路をマイクロストリップライン９で形成し、該マイクロストリップライン９をプラテン２の上面部に埋設することで、導電性膜８の研磨除去作業に支障を来すことなく、電磁波の透過特性等の指標を適切に得ることが可能となる。

該マイクロストリップライン９は、ウェハＷ表面部の導電性膜８に対向しうる部位として、研磨パッド６の裏側におけるプラテン２本体の表面部に埋め込んでもよいが、図示のように、研磨パッド６にマイクロストリップライン９の外形に対応した大きさの切欠開口を設け、この切欠開口の部分に埋め込んだ方が、前記導電性膜８に近接させることができて前記指標の測定感度が良好になる。

該マイクロストリップライン９は、図示しないグラウンドプレーン上にポリテトラフルオロエチレン、エポキシもしくはベークライト等の誘電体を介して該グラウンドプレーンに対して平行に支持されたストリップ導体で構成されている。マイクロストリップライン９は、このような構成により、簡易且つ、小形で、プラテン２の上面部に対する容易埋設性が得られるとともに高周波伝送路の特性インピーダンスが特定されて、電磁波の透過特性及び反射特性等の指標の変化を安定して測定することができる。

前記マイクロストリップライン９における入力端９ａに対応した部位には、該入力端９ａに接続された第１の電極１０ａがプラテン２の上部に差し込まれるように配設され、出力端９ｂに対応した部位には、該出力端９ｂに接続された第２の電極１０ｂがプラテン２の上部に差し込まれるように配設されている。

前記第１の電極１０ａは、同軸ケーブル１１ａ及び図示しないスリップリング等の回転接続手段を介して測定系であるネットワークアナライザ１２のポートＰ_１に接続され、前記第２の電極１０ｂは、同軸ケーブル１１ｂ及び前記と同様の図示しない回転接続手段を介してネットワークアナライザ１２のポートＰ_２に接続されている。

該ネットワークアナライザ１２には、アンリツ（株）Vector Network Analyzer型番３７２４Ｇ等を使用することができる。該ネットワークアナライザ１２は、専用の中央処理装置としての機能を有しており、電磁波の透過特性、反射特性、測定試料の誘電率及び損失係数等の測定が可能である。

ネットワークアナライザ１２のポートＰ_１から発信された電磁波のうち、マイクロストリップライン９を通らずに反射する反射電磁波は、前記第１の電極１０ａの部分で反射して前記ポートＰ_１に入力される。一方、マイクロストリップライン９を通して抜けていく透過電磁波は、前記第２の電極１０ｂの部分から前記ポートＰ_２に入力される。

次に、上述のように構成されたウェハ研磨モニタ装置の作用及びウェハ研磨モニタ方法を［表皮深さ］、［Ｓパラメータの取得による指標の測定］及び［指標の変化プロファイルのモニタによる研磨終了点検出］の順に説明する。
［表皮深さ］
本実施例の作用原理は、高周波が導体に対して発生する表皮効果（Ｓｋｉｎ Ｅｆｆｅｃｔ）を利用する。一般的に、高周波、例えばマイクロ波が導体に入射すると反射されるが、一部の電流が該導体の極表層付近を流れる。この効果が「表皮効果」である。そして、表層を流れる電流量が１／ｅ（ｅは２．７１８）に減衰するまでの深さが「表皮深さ」と呼ばれ、該表皮深さδは、式（１）で表される。

ここで、ω：２πｆ、μ：透磁率、σ：導電率である。

式（１）から、表皮深さδは、高周波の周波数ｆが高くなるほど、小さくなる。この周波数ｆと表皮深さδとの関係例を、導体が銅（Ｃｕ）とアルミニウム（Ａｌ）の場合についてそれぞれ表１に示す。

評価する周波数、導電性膜の導電率、透磁率によって、一意に決定される表皮深さδにおいて、評価する膜厚が表皮深さδ以上である場合、その電磁波は表皮深さδ以上導体内を原理的に浸透しないため、殆どの電磁波が反射されることになる。逆に、低周波であれば、表皮深さδは非常に大きくなるため、殆どの電磁波が透過するようになる。ここでは、Ｃｕ膜のＣＭＰのように、導電性膜の除去プロセスにおいては、その終点付近で信号波形を大きく変化させて精度よく測定するのがよく、設定する表皮深さδは非常に薄くした方がよい。そのため、通常１００ＭＨｚ以上であればよく、さらには１ＧＨｚ以上であれば、表皮深さδがミクロンオーダになるので終点検出が精度よく行われる。

本実施例に係るウェハ研磨モニタ方法は、前記表皮深さδで定義される導電性膜の膜厚近傍か、それ以下で、電磁波の透過及び反射の状態を評価することである。
［Ｓパラメータの取得による指標の測定］
図３はネットワークアナライザに関する図であり、（ａ）はブロック図、（ｂ）はＳパラメータの測定モデルを示す図である。図３（ｂ）の測定モデル１３における入力端子ａ_１は前記図２における第１の電極１０ａに相当し、同入力端子ｂ_１はネットワークアナライザ１２のポートＰ_１に相当し、測定モデル１３における出力端子ｂ_２は前記図２における第２の電極１０ｂに相当し、同出力端子ａ_２はネットワークアナライザ１２のポートＰ_２に相当する。

前記反射電磁波に対応した反射係数をＳパラメータにおける入力端反射係数Ｓ_１１により測定し、また透過電磁波に対応した透過係数をＳパラメータにおける正方向伝達係数Ｓ
_２１により測定するため、前記マイクロストリップライン９に対し、ネットワークアナライザ１２において次の（イ）、（ロ）、（ハ）の各手順で較正を行う。

（イ）ネットワークアナライザ１２のポートＰ_１とグラウンドレベルとの間に、マイクロストリップライン９の特性インピーダンスである５０Ωの抵抗を入れ、ポートＰ_２とグラウンドレベルとの間に、同５０Ωの抵抗を入れて整合の条件をとる。そして該整合の条件で、マイクロストリップライン９のＳパラメータを測定し、ネットワークアナライザ１２で補正係数を求める。

（ロ）ポートＰ_１及びポートＰ_２に入れた各５０Ωの抵抗を外して互いのポートの導通させ、短絡の条件をとる。そして該短絡の条件で、マイクロストリップライン９のＳパラメータを測定し、ネットワークアナライザ１２で補正係数を求める。

（ハ）ポートＰ_１及びポートＰ_２の各５０Ωの抵抗を外すとともに互いのポートの導通も無くして開放の条件をとる。そして該開放の条件で、マイクロストリップライン９のＳパラメータを測定し、ネットワークアナライザ１２で補正係数を求める。

該（イ）、（ロ）、（ハ）の各手順で得た補正係数をネットワークアナライザ１２に格納して、マイクロストリップライン９に対するネットワークアナライザ１２の較正を終了する。

該較正後にネットワークアナライザ１２で測定されたＳパラメータに対し、該ネットワークアナライザ１２において較正時の補正係数が加味されて反射係数であるＳ_１１及び透過係数であるＳ_２１等の指標の変化が正確に測定される。
［指標の変化プロファイルのモニタによる研磨終了点検出］
図４はＣｕ膜／Ｔａ膜／ＳｉＯ_２膜／Ｓｉ基板からなる標準パターンウェハについて０．１〜３ＧＨｚのマイクロ帯における周波数を連続的に変化させたときの透過係数Ｓ_２１及び反射係数Ｓ_１１の各変化特性例を示す特性図であり、（ａ）は最上層のＣｕ膜についての変化特性例を示す特性図、（ｂ）はＣｕ膜除去後のＴａ膜等についての変化特性例を示す特性図、（ｃ）はマイクロストリップラインの対向位置にウェハが存在するときと存在しないときの変化特性例を示す特性図である。

マイクロストリップライン９の対向位置にウェハＷ表面部のＣｕ膜等が存在しないとき、マイクロストリップライン９に該マイクロストリップライン９の特性インピーダンスに整合する周波数の電磁波が供給されると、図４（ｃ）中、「ウェハ無し透過」の特性で示すように、０．１〜３ＧＨｚの所要周波数範囲にわたって、ネットワークアナライザ１２で測定される透過係数はほぼ０ｄＢとなって、大半の電磁波は透過電磁波として該マイクロストリップライン９を透過する。したがって、「ウェハ無し反射」の特性で示すように、反射係数は−６５ｄＢ程度の値となって、マイクロストリップライン９を通らずに反射する反射電磁波は殆ど存在しない。

これに対し、マイクロストリップライン９の対向位置にウェハＷ表面部のＣｕ膜等が近接して置かれると、伝送路のインピーダンスは、前記マイクロストリップライン９及びＣｕ膜等の導電性膜を総合した特性インピーダンスとなって、整合可能な周波数帯域が変化する。このため、前記マイクロストリップライン９の特性インピーダンスのみに整合する周波数帯域の電磁波の大半は、図４（ａ）中、「Ｃｕ膜有り反射」の特性で示すように、反射係数は−７ｄＢ程度の値となって、マイクロストリップライン９を通らずにほぼ反射する。そして、一部の電磁波が該電磁波の周波数に対応した前記表皮深さδの領域を、表層電流としてＣｕ膜の極表層部分を透過する。図４（ａ）中、「Ｃｕ膜有り透過」の特性は、この表層電流による透過係数の変化を示している。

図４（ａ）中の「Ｃｕ膜除去反射」の特性及び「Ｃｕ膜除去透過」の特性は、Ｃｕ膜の研磨が進行して、前記表皮深さδで定義される極薄い膜厚に達した以後、さらに研磨の進行により、該極薄い膜厚のＣｕ膜が除去された後の反射係数及び透過係数の各変化を示している。

図４（ａ）中の前記「Ｃｕ膜除去反射」の特性で示されるＣｕ膜除去後の反射係数の変化は、図４（ｂ）中の「Ｔａ膜有り反射」の特性で示されるＣｕ膜下層のＴａ膜の反射係数の変化にほぼ遷移する。

また、図４（ａ）中の前記「Ｃｕ膜除去透過」の特性で示されるＣｕ膜除去後の透過係数の変化は、図４（ｂ）中の「Ｔａ膜有り透過」の特性で示されるＣｕ膜下層のＴａ膜の透過係数の変化にほぼ遷移する。

そして、図４の（ａ）、（ｂ）に示すように、「Ｃｕ膜有り反射」の特性と「Ｃｕ膜除去反射」の特性、即ち「Ｔａ膜有り反射」の特性とは、前記０．１〜３ＧＨｚの所要周波数範囲のうち、特に２〜２．８ＧＨｚ辺りの所定周波数領域において変化が大きい。これと同様に、「Ｃｕ膜有り透過」の特性と「Ｃｕ膜除去透過」の特性、即ち「Ｔａ膜有り透過」の特性とは、前記２〜２．８ＧＨｚ辺りの所定周波数領域において変化が大きい。

そこで、前記所要周波数範囲において測定した反射係数もしくは透過係数の変化プロファイルをモニタし、特に変化の大きい前記所定周波数領域において測定した反射係数もしくは透過係数の少なくともいずれかが、予め定めた閾値を超えた時を、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点として検出する。図４（ａ）の変化特性例では、「Ｃｕ膜有り透過」の特性をモニタし、周波数が２．１ＧＨｚ付近で、透過係数が例えば−４ｄＢ迄低下した時点を研磨除去の終了点として検出する。

なお、Ｃｕ膜を研磨除去する代表的な研磨条件としては、次の表２に示すような条件が好適に使用できる。

また、図４（ａ）において、前記２〜２．８ＧＨｚの所定周波数領域の範囲内における例えば２．２ＧＨｚと２．６ＧＨｚの二つの周波数おいてそれぞれ測定した透過係数及び反射係数の各変化をみると、２．２ＧＨｚでは、「Ｃｕ膜有り反射」の特性で示される反射係数は約−３ｄＢであるのに対し「Ｃｕ膜除去反射」の特性で示される反射係数は約−９ｄＢに低下している。また、「Ｃｕ膜有り透過」の特性で示される透過係数は約−７．
２ｄＢであるのに対し「Ｃｕ膜除去透過」の特性で示される透過係数は約−４ｄＢ迄高くなっている。

一方、２．６ＧＨｚでは、「Ｃｕ膜有り反射」の特性で示される反射係数は約−５ｄＢであるのに対し「Ｃｕ膜除去反射」の特性で示される反射係数は約−１５ｄＢに低下している。また、「Ｃｕ膜有り透過」の特性で示される透過係数は約−８ｄＢであるのに対し「Ｃｕ膜除去透過」の特性で示される透過係数は約−５．６ｄＢ迄高くなっている。

このように、所要周波数範囲における所定の二つの周波数において、研磨除去の終了点を検出するのに十分な反射係数及び透過係数の各変化量を得ることが可能である。したがって、透過係数及び反射係数を所定の二つの周波数においてそれぞれ測定し、測定した該透過係数及び該反射係数の少なくともいずれかが予め定めた基準の変化量を超えた段階で、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出することもできる。

また、所定の二つの周波数において、予め定めた基準の状態に対する透過係数及び反射係数の変化割合をそれぞれ測定し、測定した該透過係数の変化割合及び該反射係数の変化割合の少なくともいずれかが予め定めた基準の変化割合を超えた段階で、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出することもできる。

上述のウェハ研磨モニタ方法では、研磨除去の終了点を検出する指標として、マイクロストリップライン９を備えた伝送路に関する透過係数及び反射係数を使用した。ところで、前記Ｃｕ膜／Ｔａ膜／ＳｉＯ_２膜／Ｓｉ基板のようにＳｉ基板上に導電性膜及び絶縁性膜が多層に積層されたウェハＷにおいては、Ｃｕ膜等の導電性膜の研磨が進行して表皮深さδで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴って、前記透過係数及び反射係数の各変化に加えて該多層膜を総合した誘電率が変化し、さらには誘電体損を含む損失係数も変化する。

そこで、透過係数、反射係数に加えて誘電率及び損失係数を前記ネットワークアナライザ１２で測定し、これらの透過係数、反射係数、誘電率及び損失係数の少なくともいずれかの変化を指標としても研磨除去の終了点を検出することができる。

電磁波の透過・反射を利用して研磨除去の終了点を検出する本実施例の方式は、通常の酸化膜形成のウェハＷにおいても、該酸化膜の膜厚によって微妙に特性インピーダンスが変化することにより、研磨除去の終了点を検出することは可能である。図５（ａ）には透過係数の変化で見る方法を示し、同図（ｂ）は反射係数の変化で見る方法を示すが、いずれの場合も、Ｃｕ膜除去の時点やＴａ膜除去の時点を、事前のウェハＷ上の膜状態と透過係数・反射係数の指標の対比から閾値を設定することが可能となる。研磨中においても、その閾値を横切ったところでＣｕ膜除去の終了点を割り出すことができる。また、これと同様に、透過係数と反射係数から損失係数を求め、この損失係数に対し同様に閾値を設定して終了点を判断することができる。

なお、終了点判別方法も完全にＣｕ膜やＴａ膜を取りきったところで設定する場合でもよいが、終了点付近前に、透過係数・反射係数等の波形の変化で特徴的な部分がある場合は、事前のその波形の特徴的な部分で検出し、その後の研磨の残り時間を経験的に算出し、終了点前の信号とその後の追加研磨により、終了点まで研磨する形でもよい。

さらには、他の終了点判別方法として、波形変化の終了時点を検出して、その点を終了点とする方法、もしくはその検出時点から所定経過時間で終了点を設定する方法。波形変化の傾き（微分係数）をモニタして、所定の微分係数になった時点を終了点とする方法。又は所定の微分係数を検出してその検出位置からの所定経過時間で終了点を設定する方法
等、様々な方法がある。

これらのいずれの場合も、研磨の終了点を完全に見極めるのではないが、終了点前の特定の研磨状態を検出して、それを基に終了点を予測する意味では、広義に本発明の終了点検出に包含される。

また、先にＣｕ膜の事例を示したが、前記と同様の構成で酸化膜厚に対応した透過・反射特性が得られることが分かっている。図６に、酸化膜厚に対応した反射特性を示す。これを利用して、Ｃｕ膜と同様に酸化膜の膜厚に対応した終了点検出を行うことが可能となる。即ち、ある周波数に着目して、その周波数において、事前に膜厚と反射係数を対応させた対応グラフを作成し、所望の膜厚で閾値を設定してその閾値に到達したときに、終了点と判断し、研磨を終了する。こうした方法は、先に示したＣｕ膜の場合と同様であるので、詳細は割愛する。

なお、ウェハＷ上の酸化膜を研磨する標準的な条件としては、表３に示す条件が好適に使用できる。

上述したように、本実施例に係るウェハ研磨モニタ方法とその装置においては、導電性膜８の研磨が進行して、表皮深さδで定義される極薄い膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴ってマイクロストリップライン９を備えた伝送路に関する透過係数及び反射係数が大きく変化し、さらには誘電率及び誘電体損を含む損失係数も変化することから、透過係数、反射係数に誘電率及び損失係数を加えた複数の指標のうちの少なくともいずれかの変化を基に、研磨の際のスラリー等の影響を受けることなく導電性膜８の研磨除去の終了点を高い精度で確実に検出することができる。

表皮深さδは、マイクロ帯の周波数帯において極薄くなることから、この極薄い表皮深さδで定義される膜厚に達した以後の膜厚の変化に伴う前記透過係数等の指標の変化を基に導電性膜８の研磨除去の終了点を一層高い精度で確実に検出することができる。

高周波伝送路をマイクロストリップライン９で形成したことで、電磁波の透過特性等の指標の変化を安定して測定することができる。

マイクロストリップライン９を化学機械研磨装置１におけるプラテン２の上面部に埋設したことで、導電性膜８の研磨除去作業に支障を来すことなく、電磁波の透過特性等の指標の変化を適切に得ることができる。

マイクロ帯における所定の二つの周波数においてそれぞれ測定した透過係数等の指標を用いて導電性膜８の研磨除去の終了点を検出するようにしたことで、該研磨除去終了点を
簡便に且つ、精度よく検出することができる。

次いで、高周波伝送路の他の構成例を述べる。図７は、高周波伝送路を空洞共振器１４で構成し、該空洞共振器１４をプラテン２内に組み込んだ図を示している。空洞共振器１４におけるは空洞部１４ａは円筒形に形成されており、該空洞部１４ａの下側の面はピストン１５の上面部で形成されている。

該ピストン１５を上下に移動調整することにより空洞部１４ａの容積が変化して空洞共振器１４の共振周波数を変化させることが可能となる。該空洞共振器１４の共振周波数を変化させることで、該空洞共振器１４及びウェハＷの膜状態の全体を含む特性インピーダンスが変化する。このときの特性インピーダンスとしては、電磁波の透過係数・反射係数又は損失係数が研磨の終点及び終点付近において顕著に変化する状態になるように調整するのが望ましい。

前記空洞部１４ａの上側の面は、石英やポリテトラフルオロエチレン等の不導体１６で蓋をするように構成されている。空洞部１４ａの上側の面を不導体１６とすることで、ウェハＷが存在しない場合は、該上側の面を通って電磁波は開放される。また、ウェハＷの表面に導電性膜が存在しない場合も、空洞共振器１４の上面は開放構造になり、電磁波はウェハＷを抜けて発散されるようになる。これに対しウェハＷの裏側に特定の電磁波の反射体を設けておいて、該ウェハＷを抜けて発散する電磁波がある場合、その発散状態が顕著に分かるようにしてもよい。

空洞共振器１４の下方部と上方部には、空洞部１４ａ内に外部からの電磁波を入射させるための第１の結合部１７ａと該空洞部１４ａから外部へ電磁波を出射させるための第２の結合部１７ｂがそれぞれ設けられている。

前記第１の結合部１７ａは、同軸ケーブル１１ａ及び図示しないスリップリング等の回転接続手段を介してネットワークアナライザ１２のポートＰ_１に接続され、前記第２の結合部１７ｂは、同軸ケーブル１１ｂ及び前記と同様の図示しない回転接続手段を介してネットワークアナライザ１２のポートＰ_２に接続されている。

そして、ネットワークアナライザ１２から同軸ケーブル１１ａ及び第１の結合部１７ａを介して空洞共振器１４内に電磁波を入射させる。入射した電磁波は空洞共振器１４内に一旦蓄えられて増幅され、その後ウェハＷ上の導電性膜８に作用する。このとき研磨パッド６に適宜の孔を開けておくか石英等の不導体１６をウェハＷに近接させた構成としておくと感度がよくなる。

空洞共振器１４内に入射した電磁波は、ウェハＷ表面の導電性膜８の状態と空洞共振器１４とで形成される特性インピーダンスに基づくインピーダンス整合の状態によって、一部は透過電磁波として第２の結合部１７ｂからネットワークアナライザ１２のポートＰ_２に入力してモニタされる。また、透過しない電磁波が反射電磁波として第１の結合部１７ａからネットワークアナライザ１２のポートＰ_１に入力してモニタされる。

ネットワークアナライザ１４を使用する場合、前述したようにＳ_１１を反射電磁波、Ｓ_２１を透過電磁波としてモニタしてもよく、ネットワークアナライザ１４を使用せずとも、電磁波の周波数を固定して、透過・反射電磁波の出力をモニタしてもよい。

図８は、高周波伝送路を発信器１８に接続された発信用アンテナ１９と受信器２０に接続された受信用アンテナ２１との間に形成するとともに、該発信器１８に接続された発信用アンテナ１９及び受信器２０に接続された受信用アンテナ２１をそれぞれプラテン２内
に組み込んだ図を示している。また、発信用アンテナ１９と受信用アンテナ２１との間に断面Ｔ字形の金属遮蔽板２２を配設することで、該金属遮蔽板２２とウェハＷとの間に、該ウェハＷの表面に沿って効率よく高周波伝送路が形成される。

そして、ウェハＷ表面の導電性膜８の状態に応じて高周波伝送路の特性インピーダンスが変化し、受信器２０側の信号強度が大きく変化する。この変化を利用して導電性膜８の研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点が検出される。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。

図は本発明の実施例に係るウェハ研磨モニタ方法とその装置を示すものである。
マイクロストリップラインが搭載された化学機械研磨装置の斜視図。 プラテンの上面部に搭載されたマイクロストリップラインとネットワークアナライザとの接続関係を示す構成図。 ネットワークアナライザに関する図であり、（ａ）はブロック図、（ｂ）はＳパラメータの測定モデルを示す図。 導電性膜が形成されたウェハについてマイクロ帯における周波数の変化に対する透過係数及び反射係数の各変化特性例を示す特性図であり、（ａ）はＣｕ膜についての変化特性例を示す特性図、（ｂ）はＴａ膜等についての変化特性例を示す特性図、（ｃ）はウェハの有り、無しに対する変化特性を示す特性図。 導電性膜の研磨除去の終了点検出方法例を示す図であり、（ａ）は透過係数の変化で見る方法例、（ｂ）は反射係数の変化で見る方法例。 酸化膜での周波数に依存した反射係数の変化例を示す特性図。 高周波伝送路の他の構成例である空洞共振器をプラテン内に組み込んだ状態を示す一部断面側面図。 高周波伝送路の他の構成例である発信器と発信用アンテナ並びに受信器と受信用アンテナをプラテン内に組み込んだ状態を示す一部断面側面図。

符号の説明

１ 化学機械研磨装置
２ プラテン
３ 研磨ヘッド
４ 回転軸
５ モータ
６ 研磨パッド
７ 回転軸
８ 導電性膜
９ マイクロストリップライン（高周波伝送路）
１０ａ 第１の電極
１０ｂ 第２の電極
１１ａ 同軸ケーブル
１１ｂ 同軸ケーブル
１２ ネットワークアナライザ
１３ Ｓパラメータの測定モデル
１４ 空洞共振器
１５ ピストン
１６ 不導体
１７ａ 第１の結合部
１７ｂ 第２の結合部
１８ 発信器
１９ 発信用アンテナ
２０ 受信器
２１ 受信用アンテナ
２２ 金属遮蔽板
Ｗ ウェハ

Claims (22)

1. ウェハ表面の導電性膜を研磨除去しながら平坦化加工工程を行う加工装置におけるウェハ研磨モニタ方法であって、
   前記ウェハ表面に対向する部位に高周波伝送路を形成し、該高周波伝送路を通して抜けていく透過電磁波と前記高周波伝送路を通らずに反射する反射電磁波との少なくともいずれかから前記導電性膜の研磨除去状態を評価し、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出することを特徴とするウェハ研磨モニタ方法。
2. ウェハ表面の導電性膜を研磨除去しながら平坦化加工工程を行う加工装置におけるウェハ研磨モニタ方法であって、
   前記ウェハ表面に対向する部位に高周波伝送路を形成するとともに該高周波伝送路における入力端側に第１の電極を配設し出力端側には第２の電極を配設し、Ｓパラメータにおける第１の電極点での反射係数であるＳ_１１及び第１の電極側から第２の電極側を見た透過係数であるＳ_２１を測定し、該Ｓ_１１とＳ_２１の少なくともいずれかから前記導電性膜の研磨除去状態を評価し、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出することを特徴とするウェハ研磨モニタ方法。
3. ウェハ表面の導電性膜を研磨除去しながら平坦化加工工程を行う加工装置におけるウェハ研磨モニタ方法であって、
   前記ウェハ表面に対向する部位に高周波伝送路を形成し、該高周波伝送路に関する透過係数、反射係数、誘電率及び損失係数の各指標を測定し、該透過係数、反射係数、誘電率及び損失係数の少なくともいずれかから前記導電性膜の研磨除去状態を評価し、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出することを特徴とするウェハ研磨モニタ方法。
4. 上記高周波伝送路に供給される電磁波の周波数帯は、マイクロ帯であることを特徴とする請求項１，２又は３記載のウェハ研磨モニタ方法。
5. 上記高周波伝送路に供給する電磁波を所要周波数範囲で連続的に変化させ、上記透過電磁波に対応した透過係数及び上記反射電磁波に対応した反射係数は、該所要周波数範囲で測定したものであることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載のウェハ研磨モニタ方法。
6. 上記高周波伝送路は、マイクロストリップラインで形成されていることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記載のウェハ研磨モニタ方法。
7. 上記加工装置は、化学機械研磨装置であり、上記マイクロストリップラインは前記化学機械研磨装置におけるプラテンの上面部に埋設されていることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載のウェハ研磨モニタ方法。
8. 上記高周波伝送路に対し入・出力端の短絡・開放・整合の各状態を測定系で設定して予め較正し、該較正後に高周波伝送路において上記透過係数及び上記反射係数を測定することを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６又は７記載のウェハ研磨モニタ方法。
9. 上記高周波伝送路は、発信器に接続された発信用アンテナと受信器に接続された受信用アンテナと間に形成されることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記載のウェハ研磨モニタ方法。
10. 上記透過係数及び反射係数の上記所要周波数範囲におけるプロファイルをモニタし、該
    透過係数及び反射係数の少なくともいずれかが予め定めた閾値を超えた段階で、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出することを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８又は９記載のウェハ研磨モニタ方法。
11. 上記透過係数及び反射係数を所定の二つの周波数においてそれぞれ測定し、測定した該透過係数及び該反射係数の少なくともいずれかが予め定めた基準の状態を超えた段階で、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出することを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９又は１０記載のウェハ研磨モニタ方法。
12. 所定の二つの周波数において、予め定めた基準の状態に対する上記透過係数及び反射係数の変化割合をそれぞれ測定し、測定した該透過係数の変化割合及び該反射係数の変化割合の少なくともいずれかが予め定めた基準の変化割合を超えた段階で、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出することを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９又は１０記載のウェハ研磨モニタ方法。
13. ウェハ表面の導電性膜を研磨除去しながら平坦化加工工程を行う加工装置におけるウェハ研磨モニタ装置であって、
    前記ウェハ表面に対向する部位に高周波伝送路を形成し、該高周波伝送路を通して抜けていく透過電磁波と前記高周波伝送路を通らずに反射する反射電磁波との少なくともいずれかから前記導電性膜の研磨除去状態を評価し、研磨除去の終了点及び研磨除去の終了時点に対応した時点を検出するように構成してなることを特徴とするウェハ研磨モニタ装置。
14. 上記高周波伝送路に供給される電磁波の周波数帯は、マイクロ帯であることを特徴とする請求項１３記載のウェハ研磨モニタ装置。
15. 上記高周波伝送路は、マイクロストリップラインで形成されていることを特徴とする請求項１３又は１４記載のウェハ研磨モニタ装置。
16. 上記加工装置は、化学機械研磨装置であり、上記マイクロストリップラインは前記化学機械研磨装置におけるプラテンの上面部に埋設されていることを特徴とする請求項１３，１４又は１５記載のウェハ研磨モニタ装置。
17. 上記マイクロストリップラインは、グラウンドプレーン上に誘電体を介して該グラウンドプレーンに対し平行に支持されたストリップ導体で構成されていることを特徴とする請求項１３，１４，１５又は１６記載のウェハ研磨モニタ装置。
18. 上記マイクロストリップラインにおける誘電体の材料は、ポリテトラフルオロエチレン、エポキシもしくはベークライトのいずれかであることを特徴とする請求項１３，１４，１５，１６又は１７記載のウェハ研磨モニタ装置。
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
19. 上記高周波伝送路として、空洞共振器で形成されていることを特徴とする請求項１３又は１４記載のウェハ研磨モニタ装置。
20. 上記空洞共振器は、空洞部の容積もしくは形状の少なくともいずれかを変化させることによって、共振周波数を変化させることが可能であることを特徴とする請求項１９記載のウェハ研磨モニタ装置。
21. 上記空洞共振器の上面は、不導体の部材で蓋をされた構造であることを特徴とする請求項１９又は２０記載のウェハ研磨モニタ装置。
22. 上記高周波伝送路は、発信器に接続された発信用アンテナと受信器に接続された受信用アンテナと間に形成してなることを特徴とする請求項１３又は１４記載のウェハ研磨モニタ装置。

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