JP6252052B2

JP6252052B2 - 研磨方法、半導体装置の製造方法、及び研磨終点検出プログラム

Info

Publication number: JP6252052B2
Application number: JP2013186332A
Authority: JP
Inventors: 直毅井谷
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2033-09-09
Also published as: JP2015053438A

Description

本発明は、研磨方法、半導体装置の製造方法、及び研磨終点検出プログラムに関する。

半導体デバイスの高密度化にともない、多層配線の積層の数も増大している。上層になるほど、ウェーハ面の平坦性が損なわれる。膜の平坦化のために、一般に化学機械研磨（ＣＭＰ）が用いられている。ＣＭＰの場合、研磨不足や過剰研磨がないように、どの時点で研磨を終了するかが重要である。

銅（Ｃｕ）などの金属膜を研磨する際に、レーザ光を照射して金属膜の研磨終点を検出している（たとえば、特許文献１および特許文献２参照）。

図１は、レーザ光を用いた一般的な研磨終点検出法を示す。回転する研磨テーブル１０３上に研磨スラリを供給し、半導体ウェーハ１０１のデバイス面を研磨テーブル１０３に接触させてウェーハ上の膜を研磨する。研磨中に、研磨テーブル１０３に形成されたレーザ窓１０４からレーザ光を照射し、反射光をモニタして研磨の終点を検出する。

図１（Ｂ）に示すように、ウェーハ上に金属膜が存在すると、レーザ光の反射強度は強い。金属膜の厚さがある一定の膜厚以下になると、透過光成分が増え始め、反射強度が低下する。さらに研磨を続けると、ある時点で反射強度の低下がほとんどみられなくなる。この時点が金属膜の研磨終点として検出される。

特開平７−２３５５２０号公報特表２００４−５１４２７３号公報

マルチチップなどのように、チップ内で金属配線の占有率（配線密度）に大きな差がある場合、研磨の箇所によって金属膜のなくなるスピードが大きく異なる場合がある。この場合、ウェーハ上の場所によってレーザ光の反射強度が異なり、金属膜の研磨の終点を正しく検出することができない。

そこで、異なる線幅、異なる配線密度でパターンが形成される場合でも、金属膜の研磨の終点を正しく検出することのできる手法を提供することを課題とする。

ひとつの態様では、研磨方法は、
研磨テーブルの上の研磨対象物の膜厚をモニタして前記膜厚に応じた前記研磨テーブルの回転する周期ごとに得られる複数の電気信号を取得し、
第１の一定時間ごとに前記複数の電気信号の最大値を抽出し、
前記第１の一定時間よりも長い第２の一定時間ごとに前記最大値を平滑化し、
前記最大値を平滑化した後の波形で前記電気信号の変化の割合が一定値以下になる時点を研磨終点として検出する
ことを特徴とする。

異なる線幅、異なる配線密度のパターンが混在する場合でも、金属膜の研磨終点を正しく検出することができる。

一般的な研磨終点の検出方法を示す図である。発明者が見出した課題を説明するための図である。第１実施形態の研磨終点検出のフローチャートである。第１実施例の研磨制御を説明する図である。第１実施形態の研磨方法で得られる波形を示す図である。異なる線幅、異なる配線密度の配線パターンの模式図である。研磨中に第１実施形態の方法で得られる波形を示す図である。研磨中に第１実施形態の方法で得られる波形を示す図である。研磨中に第１実施形態の方法で得られる波形を示す図である。第２実施形態の研磨終点検出のフローチャートである。第２実施形態の研磨制御を説明する図である。第２実施形態で検出される渦電流の波形を示す図である。第２実施形態の方法で演算処理した波形である。

図２は、発明者が見出した課題、すなわち既存の方法で生じる研磨終点の誤検出の問題を説明する図である。

図２（Ａ）に示すように、比較的大きなサイズのチップで、チップ内に異なる配線幅や異なる配線密度（金属膜の占有率）のパターンが混在する場合、金属膜の成長後のメッキ膜厚に大きな差が生じる。狭い線幅の配線や低密度の配線領域では、基板表面へのメッキ成長が促進され、線幅の広い配線が高密度に配置される領域と比較して、メッキ膜厚が大きくなる。

図２（Ｂ）は、メッキ膜厚のばらつきが大きい状態でのレーザ光の反射強度の波形を示す。Ａ点で、研磨によりウェーハ上の高密度領域（あるいは太い線幅の領域）で、めっき膜厚がゼロに近づき、反射強度が低下し始める。Ｂ点で、高密度領域に残存するメッキ膜はほぼなくなるが、低密度領域にまだ一定膜厚で金属膜が残っているため、反射強度の低下がいったん落ち着き、平坦に近いプロファイルとなる。検出装置は、このＢ点を研磨終点と誤検出する。その後、さらに研磨が進み、低密度領域での金属膜の膜厚もさらに小さくなり、最終的にはＣ点で、反射強度の低下が終了する。

本来は、Ｃ点が研磨終了点として検出されるべきであるが、レーザ反射強度の変化が最初に落ち着くＢ点が、研磨終了点として誤検出される。

レーザ反射強度にしきい値を設けて研磨終了を検出することも考えられるが、反射強度のしきい値は下層の状態によって大きく影響されるため、しきい値のみの制御では、誤検出の防止手段としては不適切である。

そこで、実施形態では、一定時間ごとに膜厚検出信号の最大値を抽出して演算処理することによって、研磨終点を正しく検出する。
＜第１実施形態＞
図３は、第１実施形態の研磨終点検出のフローチャート、図４は、第１実施形態の研磨制御を説明する図である。第１実施形態では、研磨終点検出をレーザ光による膜厚検出に適用する。

まず、研磨対象物にレーザ光を照射して、研磨対象物からの反射光をモニタする（Ｓ１０１）。図４に示すように、研磨テーブル１３上に図示しない研磨スラリを供給し、研磨対象物である半導体ウェーハ１１のデバイス面を下に向けて研磨テーブル１３に接触させる。ウェーハ１１は図示しない保持シャフトによって自転するとともに、研磨テーブル１３に対して相対的に回転し、ウェーハ１１上の膜が研磨される。

研磨テーブル１３は研磨制御部２０Ａに接続されている。研磨テーブル１３のレーザ窓１４からレーザ光が照射され、ウェーハ１１からの反射光をモニタ２１でモニタする。ウェーハ１１の金属膜の膜厚が大きいほど反射光の強度は大きく、膜厚が小さくなると反射光の強度が低下する。

次に、検出した反射強度を電圧値に変換する（Ｓ１０２）。これによって、モニタ対象の膜厚を反映した電気信号が得られる。光電気変換や電流電圧変換の機構はモニタ２１と一体的に構成されてもよいし、モニタ２１と別途、配置してもよい。

次に、研磨制御部２０Ａの演算処理部２２で、一定時間での電圧信号の最大値を抽出し（Ｓ１０３）、一定時間内で、電圧信号の最大値を平滑化（平均化）する（Ｓ１０４）。最後に、平均化後の波形で、変化の割合が一定値以下になった点を研磨終点として検出する（Ｓ１０５）。

図５は、検出波形と処理後の波形を示す。図５（Ａ）は、図３のステップＳ１０２に対応し、レーザ光の反射光を電圧変換したときの検出波形である。図中の点線のサークルで示すように、異なる線幅、異なる配線密度のパターンが混在することにより、研磨の途中段階で波形が大きくばらつく領域が生じる。

図５（Ｂ）は、図３のステップＳ１０３に対応し、一定時間ごとに最大値を抽出したときの波形である。一定時間ごとに最大値を抽出することで、ウェーハ１１上で最も膜厚の大きい箇所を研磨終点の判断基準とする。

最大値抽出の一定時間は、たとえば１〜３秒である。一般的な研磨条件において、研磨テーブル１３の回転数は３０〜１２０ｒｐｍ程度に設定される。レーザ窓１４がウェーハ１１面を通過し、反射データを取得できるのは、１秒当たり0.5〜２回である。したがって用いる研磨テーブル１３の回転速度にもよるが、１〜３秒ごとに電圧値の最大値を抽出するのが望ましい。

図５（Ｃ）は、図３のステップＳ１０４に対応し、一定時間ごとに最大値を平均化したときの波形である。平均化することで波形が平滑化される。平均化のための一定時間は、たとえば３〜１０秒である。

研磨テーブル１３の回転数を６０ｒｐｍとした場合、レーザの反射データは１秒に１回となり、かつ、コンマ数秒の一瞬のデータとなるため、データを平均化しない場合、ノイズの多い波形となる。６０ｒｐｍの場合、３回分、すなわち３秒の平均化時間を設けると波形を平滑にすることができる。ただし、平均化の時間を長くすると、その分、エンドポイントがわかる時間が長くなるため、処理時間が長くなる。したがって、平均化の時間は長くても１０秒にするのが望ましい。

図６は、異なる線幅、異なる配線密度の配置例を示す。図６（Ａ）は、図６（Ｂ）のＡ−Ａ'断面であり、ウェーハに形成された配線溝３２ａ、３２ｂ内に銅（Ｃｕ）をメッキ成長させたときの概略図である。

太い線幅の配線溝３２ａが高密度に配置されている領域では、溝３２ａ内へのＣｕメッキ膜３４の成長が優位である。狭い線幅の配線溝３２ｂが低密度に配置されている領域では、ウェーハ表面でのＣｕメッキの成長が促進され、高密度領域に比べて、メッキ膜３４の膜厚が大きくなる。このように膜厚のばらつきが大きい状態で研磨を行うと、誤検出のおそれが高いが、実施形態の方法を用いることで、正しい研磨終点を検出することができる。

図７〜図９は、研磨中にリアルタイムで研磨終点を検出する場合のメッキ膜厚と平滑化後の波形を示す図である。

図７（Ａ）に示すように、研磨初期では、ウェーハ全体の金属膜の膜厚が十分に厚く、レーザ光のほとんどを反射する。

図７（Ｂ）に示すように、研磨中期では、メッキ膜厚の厚い領域での膜厚の低減が優勢であるが、ウェーハ全体でメッキ膜厚が小さくなる。しかし、レーザ光を透過させる程度には薄くなっていないので、反射強度の電圧値は、ほぼ一定である。

図８（Ａ）に示すように、研磨後半の１で、太い線幅の高密度領域で、研磨目標値（残存するＣｕメッキ膜厚がゼロになる地点）に近づきつつあり、反射強度が低下を始める直前である。

図８（Ｂ）に示すように、研磨後半の２では、太い線幅の高密度領域で、メッキ膜厚が目標値に達し、この領域でのレーザ光の反射はなくなる。しかし、低密度領域でメッキ膜が残存するため、反射強度の低下が継続する。従来の方法では、この段階で、回転するウェーハからの反射光の強度が一定時間にわたってばらつき、あたかも反射強度の変化がなくなったかのように検出される。これに対し、実施例１の方法では、第１の所定時間ごとに最大値を検出し、第２の所定時間にわたって最大値を平均化するので、処理後の電圧波形は、なだらかな低下が継続する波形となる。

最後に、図９に示すように、低密度領域でもメッキ膜厚が目標値に到達し、最大値検出及び平均化後の電圧値の低減が終了する。この時点が研磨終点として検出される。

ウェーハからのレーザ反射光のモニタと演算処理をリアルタイムで行なうことにより、研磨中に研磨終点を正しく検出することができる。
＜第２実施形態＞
図１０は、第２実施形態の研磨終点検出のフローチャート、図１１は、第２実施形態の研磨制御を説明する図である。第２実施形態では、研磨終点検出法を渦電流による膜厚検出に適用する。

まず、ウェーハ１１に磁力線を照射してメッキ膜に生じる渦電流をモニタする（Ｓ２０１）。渦電流は、磁界内で金属膜を動かしたときに、電磁誘導により金属膜に生じる電流である。図１１に示すように、研磨プロセスでウェーハ１１上のメッキ膜が自転するとともに、研磨テーブル２３に対して相対的に回転する。一定強度の磁界を印加することにより、メッキ膜に渦電流が発生する。渦電流は、研磨テーブル２３に設けられた渦電流モニタ２４によって検出される。

次に、一定時間ごとに渦電流の最大値を抽出し（Ｓ２０２）、一定区間にわたって最大値を平滑化する（Ｓ２０３）。平滑化は、平均化、リニア補間、一次スプライン補間など任意の手法を用いる。平滑化後の波形で変化率が一定値以下になったところを研磨終点として検出する（Ｓ２０４）。

図１１に示すように、渦電流モニタ２４の出力は、研磨制御部２０Ｂの演算処理部２２に接続されている。渦電流モニタ２４の出力をリアルタイムで演算処理することにより、研磨終点を正しく検出することができる。

最大値を抽出する一定時間は、第１実施形態と同様に、研磨テーブル２３の回転数にもよるが、１または複数個の渦電流値を取得することのできる時間として、１〜３秒が望ましい。平滑化のための時間は、演算処理時間が長くなりすぎず、かつ渦電流の変化の割合が所定値以下になる点を正確に検出するために、３〜１０秒が望ましい。

図１２は、太い線幅の高密度領域と、細い線幅の領域あるいは低密度領域が混在するチップを研磨したときの渦電流の検出波形を示す。配線パターンの偏在、混在により、メッキ膜厚がチップ上の箇所によってばらつく。そのため、検出される渦電流がリニアに変化せず、渦電流の検出波形に平坦部分やうねりが生じる。渦電流による膜厚検出の場合も、レーザ反射光による検出と同様に、研磨が終了していないにもかかわらず研磨終点が誤検出されるという問題が発生する。

図１３は、第２実施形態の方法に基づいて演算処理したときの波形を示す。一定区間で最大値を抽出し、平均化またはリニア補間（一次スプライン補間など）を行うことにより変化が平滑化される。平滑化後の信号波形において、変化の割合が一定値以下になる時点を、研磨終点として検出することができる。

第１実施形態、第２実施形態の研磨制御部２０Ａ、２０Ｂの演算処理部２２による処理は、研磨装置に研磨終点検出プログラムをインストールすることによって実現できる。この場合、研磨終点検出プログラムは、研磨装置のモニタ部から研磨対象物（メッキ膜）の膜厚を表わす電気信号を取得し、第１の一定時間ごとに前記電気信号の最大値を抽出し、第２の一定時間ごとに最大値を平滑化処理し、平滑化後の信号の変化の割合が一定値以下になる時点を研磨終点として検出する。

このようなプログラムをインストールすることで、研磨終点を正しく検出することができる。

以下の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
研磨対象物の膜厚をモニタして前記膜厚に応じた電気信号を取得し、
第１の一定時間ごとに前記電気信号の最大値を抽出し、
第２の一定時間ごとに前記最大値を平滑化し、
前記平滑化後の波形で前記電気信号の変化の割合が一定値以下になる時点を研磨終点として検出する、
ことを特徴とする研磨方法。
（付記２）
前記研磨対象物に光を照射して前記研磨対象物からの反射光をモニタし、
前記反射光を電圧信号に変換して前記電気信号を取得する、
ことを特徴とする付記１に記載の研磨方法。
（付記３）
前記研磨対象物に磁力線を照射し、
前記研磨対象物に発生する渦電流を検出して前記電気信号を取得する、
ことを特徴とする付記１に記載の研磨方法。
（付記４）
前記第１の一定時間は１〜３秒であることを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の研磨方法。
（付記５）
前記第２の一定時間は３〜１０秒であることを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の研磨方法。
（付記６）
半導体ウェーハ上の金属膜を研磨し、
前記金属膜の膜厚をモニタして前記膜厚に応じた電気信号を取得し、
第１の一定時間ごとに前記電気信号の最大値を抽出し、
第２の一定時間ごとに前記最大値を平滑化し、
前記平滑化後の前記電気信号の変化の割合が一定値以下になる時点で、前記研磨を終了する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記７）
前記金属膜に光を照射して前記金属膜からの反射光をモニタし、
前記反射光を電圧信号に変換して前記電気信号を取得する、
ことを特徴とする付記６に記載の半導体装置の製造方法。
（付記８）
前記金属膜に磁力線を照射し、
前記金属膜に発生する渦電流を検出して前記電気信号を取得する、
ことを特徴とする付記６に記載の半導体装置の製造方法。
（付記９）
研磨装置のモニタ部から研磨対象物の膜厚を表わす電気信号を取得し、
第１の一定時間ごとに前記電気信号の最大値を抽出し、
第２の一定時間ごとに前記最大値を平滑化処理し、
前記平滑化後の前記電気信号の変化の割合が一定値以下になる時点を研磨終点として検出する、
ことを特徴とする研磨終点検出プログラム。

１１半導体ウェーハ
１３、２３研磨テーブル
１４レーザ窓
２０Ａ、２０Ｂ研磨制御部
２１モニタ（電圧信号生成部）
２２演算処理部
２４渦電流モニタ

Claims

研磨テーブルの上の研磨対象物の膜厚をモニタして前記膜厚に応じた前記研磨テーブルの回転する周期ごとに得られる複数の電気信号を取得し、
第１の一定時間ごとに前記複数の電気信号の最大値を抽出し、
前記第１の一定時間よりも長い第２の一定時間ごとに前記最大値を平滑化し、
前記最大値を平滑化した後の波形で前記電気信号の変化の割合が一定値以下になる時点を研磨終点として検出する
ことを特徴とする研磨方法。
前記研磨対象物に光を照射して前記研磨対象物からの反射光をモニタし、
前記反射光を電圧信号に変換して前記複数の電気信号の１つを取得する、
ことを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
前記研磨対象物に磁力線を照射し、
前記研磨対象物に発生する渦電流を検出して前記複数の電気信号の１つを取得する、
ことを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
研磨テーブルの上の半導体ウェーハ上の金属膜を研磨し、
前記金属膜の膜厚をモニタして前記膜厚に応じた前記研磨テーブルの回転する周期ごとに得られる複数の電気信号を取得し、
第１の一定時間ごとに前記複数の電気信号の最大値を抽出し、
前記第1の一定時間よりも長い第２の一定時間ごとに前記最大値を平滑化し、
前記最大値を平滑化した後の波形で前記電気信号の変化の割合が一定値以下になる時点で、前記研磨を終了する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
研磨装置のモニタ部から研磨テーブルの上の研磨対象物の膜厚を表わす前記研磨テーブルの回転する周期ごとに得られる複数の電気信号を取得し、
第１の一定時間ごとに前記複数の電気信号の最大値を抽出し、
前記第1の一定時間よりも長い第２の一定時間ごとに前記最大値を平滑化し、
前記最大値を平滑化した後の前記電気信号の変化の割合が一定値以下になる時点を研磨終点として検出する、
ことを特徴とする研磨終点検出プログラム。