JP6650859B2

JP6650859B2 - 半導体基板の表面皮膜の厚さ測定方法

Info

Publication number: JP6650859B2
Application number: JP2016202457A
Authority: JP
Inventors: 喬玄鬼木; 利明中; 正昭松尾; 康典田代; 恵友鈴木; パナートカチョーンルンルアン
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC; Mishima Kosan Co Ltd
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC; Mishima Kosan Co Ltd
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2036-10-14
Also published as: JP2018064053A

Description

本発明は、ＣＭＰ（Chemical Mechanism Polishing、化学的機械的研磨) を用いて半導体基板（ウエハーに同じ）を研磨しながら、半導体基板の表面皮膜の厚さを測定する方法に関する。

半導体基板製造の最終工程では、図４に示すようなシステムを用いて、ＣＭＰと呼ばれる仕上げ研磨が行われる。ＣＭＰとは名前の通り、アルカリ性の研磨溶液による化学的エッチング作用を伴う機械的研磨である。この最終工程の目的は、基板（ウエハー）の平坦化と最表面層除去である。
ここで、「平坦化」を行うのは、ＬＳＩ能力向上のため回路の多層化が進み、各層の平坦化はＬＳＩ性能に直接影響するので、高精度の平坦性が求められるためである。「最表面層除去」は、前工程の疵残りや加工変質層のごく表面層を、この最終仕上げのＣＭＰで除去をするものである。

なお、図４において、５０は表面に研磨布５１が設けられたターンテーブルを、５２は回転駆動されるトップリング（支持部材）５３に取付けられたウエハーを、５５は研磨液であるスラリー水をターンテーブル５０上に流す流し口を示す。

現在、このＣＭＰの研磨作業は非常に長時間を要し、作業時間短縮のため、研磨効率の向上が強く求められている。また、「最表面層除去」では、その終点を定量的に判定する技術が確立しておらず、表面層の除去量に過不足が出るので、作業品質の向上が強く求められている。
特に、過研磨、即ち削り過ぎは、「ディッシング」と言われ、半導体の品質不良の大きな要因となるので、これらを避けることが品質維持のため強く求められている。

そこで、例えば、非特許文献１に記載するようなＣＭＰ装置が提案されている。このＣＭＰ装置は図４、図５に示すように、トップリング５３で保持したウエハー５２をターンテーブル（研磨テーブル）５０上に貼られた研磨布５１に押し付けて研磨し、ウェハー５２の表面の凸凹膜を削り平坦化する装置である。このＣＭＰ装置には研磨中のウエハー５２の膜厚変化をモニターできる終点検出モニターが搭載されている。研磨中のウエハー５２の研磨面に光を照射するため、光学センサー５４がターンテーブル５０上のウエハー５２中心が通過する位置に埋め込まれ、ターンテーブル５０の１回転ごとにウエハー５２の下を通過する間にウエハー５２の最表面層の厚みの測定が行われる。測定に必要な光学機器、給排水用の部品はターンテーブル５０の裏面に取り付けられ、外部のコンピュータ（制御装置）５８や給水配管とはロータリーコネクタ５７及びロータリージョイント５６を介して接続されている。

図５に光学センサー（センサーヘッド）５４の詳細を示すが、光学センサー５４はターンテーブル５０及び研磨布５１を貫通して設けられ、内部にはウエハー５２に接する水通路６０を有する。水通路６０は給水部６１と排水部６２とを有し、給水部６１に２本の光ファイバー６３、６４が設けられ、一方が入射光路、他方が反射光路となっている。
使用にあっては、光源に多波長の光を採用し、任意の複数の波長データを選択して信号処理し、ウエハー５２に形成される最表面層（表面皮膜）の厚みを測定している。

太田真朗、外２名、"酸化膜ＣＭＰ用光学式終点検出モニタ"、［online] 、エバラ時報Ｎｏ．２０７（２００５−４）、[ 平成28年10月7 日検索] 、インターネット< URL:https://www.ebara.co.jp/company/rd/jihou/pdf/207/207＿P25.pdf >

しかしながら、非特許文献１に記載されたＣＭＰ装置においては、光ファイバー６３、６４の配線と、給排水の配管の構造が複雑化し、更に、給排水の量の調整が面倒であるという問題があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、上記の状況と課題に対して、ウエハーの最表面層（表面皮膜）の厚みを高精度に、オンラインで測定できるウエハーの表面皮膜の厚さ測定方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係るウエハーの表面皮膜の厚さ測定方法は、表面に研磨布が設けられたターンテーブルに接して、回転駆動される支持部材にウエハーを保持し、前記研磨布及び前記ターンテーブルを貫通して、前記ウエハーに対して光を照射する出光部と、前記ウエハーからの反射光を受光する入光部とを有する光センサーを設け、更に、前記光センサーと前記ウエハーの表面皮膜との間に、研磨液と屈折率が０．９〜１．１倍の範囲で同一な透明物質を配置し、前記研磨液を前記ターンテーブル上に流しながら前記表面皮膜の厚さを測定する方法において、
前記出光部と前記入光部は異なる光ファイバーの先部に設けられ、前記出光部と前記入光部は、前記透明物質で筒体の所定位置に保持され、前記入光部と前記筒体の出口との距離ａは、前記研磨液の層の厚みｂの８〜１００倍の範囲にある。
光センサーによって受光された光を、光ファイバーで取り出し、電気信号に変換すれば、反射スペクトルによって表面皮膜の厚みが検出できる。なお、光としては可視光が好ましいが、必須ではない。

本発明に係るウエハーの表面皮膜の厚さ測定方法において、前記研磨液はスラリー水であって、前記透明物質は水の屈折率の０．９〜１．１倍の範囲に調整されているのが好ましい。
また、本発明に係るウエハーの表面皮膜の厚さ測定方法において、前記光センサーが使用する光に白色光を使用するのが好ましい。

本発明に係るウエハーの表面皮膜の厚さ測定方法においては、ウエハーに対して光を照射する出光部と、ウエハーからの反射光を受光する入光部を有する光センサーとウエハーの表面皮膜との間に、研磨液と屈折率が０．９〜１．１倍の範囲で同一な透明物質を配置したので、研磨液からの光反射が起こらないか弱くなって、より正確に表面皮膜（透明）の厚みを測定できる。
ここで、透明物質の厚みが表面皮膜より十分に厚い場合、表面皮膜の測定信号の雑音が減少する。

本発明の一実施の形態に係るウエハーの表面皮膜の厚さ測定方法の説明図である。同測定方法の詳細説明図である。同測定方法及び従来方法を用いて測定した反射光の強度を示すグラフである。従来例に係るウエハーの表面皮膜の厚さ測定方法を示す説明図である。図４の部分拡大図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２に示すように、本発明の一実施の形態に係るウエハーの表面皮膜の厚さ測定方法は、図４の従来例に示すようなＣＭＰ（Chemical Mechanism Polishing、化学的機械的研磨) 装置１０を用いる。そこで、従来例と共通の要素については同一の符号を使用する。

ウエハー１１の底面には二酸化珪素等からなる表面皮膜１２が形成され、この実施の形態では、この表面皮膜１２の厚みを測定することを目的とする。
ターンテーブル５０と研磨布（研磨用パッド）５１を貫通して所定位置に光センサー１３を設置する。この光センサー１３は、図２に示すように、筒体１４内にその先部がある２本の光ファイバー１５、１６を有している。２本の光ファイバー１５、１６は筒体１４内に透明樹脂２０で固定され、光ファイバー１５、１６の信号はロータリーコネクター１７によって外部の制御装置１８に送受している。
光ファイバー１５は、先部にウエハー１１に対して光を照射する出光部１５ａを有し、光ファイバー１６は、先部にウエハー１１からの反射光を受光する入光部１６ａを有し、光ファイバー１５、１６は対となって筒体１４に設けられている。
なお、研磨用パッドとしては、特開２０１５−１３３２５号公報に記載のように、微細突起が１〜５０μｍの間隔で並んで配置されているものであってもよい。

透明樹脂２０は光ファイバー１５、１６（具体的には、出光部１５ａと入光部１６ａ）を筒体１４に保持する他、光ファイバー１５、１６の先端部から筒体１４の先端出口１４ａまでを充填し、かつ透明樹脂２０の先端は平面となっている。このようにして、透明樹脂２０は光センサー１３とウエハー１１の表面皮膜１２の間に配置されている。
ここで、ターンテーブル５０に流す研磨液としてスラリー水を用いる場合は、水の屈折率が１．３３３４であるので、その０．９〜１．１倍の１．２〜１．４６の範囲に屈折率がある透明物質（例えば、テトラフルオロエチレン−ヘキサン（１．３３８）、ポリ４フッ化エチレン（１．３５〜１．３８）、ポリトリフロロエチレン（１．４２〜１．４３）等の合成樹脂）を使用することになる。
筒体は必須の要件ではないが、遮光性を有する材料を使用することによって、外乱を防止できる。

図２に示すように、ウエハー１１の底部に形成された表面皮膜１２は厚みが例えば１〜２μｍで透光性がある。また、研磨液として水（研磨水１９、以下、スラリー水ともいう）を使うと、屈折率は１．３程度であり、研磨水１９の厚みも１〜２μｍ程度となる。
光ファイバー１５、１６の先部にある透明樹脂２０に屈折率が１．３のものを使用すると、透明物質２０と研磨水１９との屈折率の差がなくなり、研磨水１９と透明物質２０との界面からの反射が無くなり、研磨水１９と透明物質２０が一体化する。

これによって、光ファイバー１５からの光は、透明物質２０、研磨水１９、（更に場合によっては研磨材）表面皮膜１２に当たる。この光ファイバー１５からの光は、透明物質２０と研磨水１９の界面では反射しないが、表面皮膜１２の前面及び背面で反射される。このとき、表面皮膜１２の厚みｃが、光の波長λ／２の整数倍であれば干渉を起こす。可視光の波長は、３８０〜７５０ｎｍであるから、光ファイバー１５から発する光を全ての可視光を含む白色光とすれば、表面皮膜１２からの反射光を測定することによって、表面皮膜１２の厚みを測定できる。

この場合、光ファイバー１６の入光部１６ａから研磨水１９（即ち、筒体１４の先端出口１４ａ）までの距離ａは研磨水１９の層の厚みｂの８〜１００倍の範囲で、大きくなっているので、（ａ＋ｂ）に対応する干渉波を生じることにはなるが、フィルターによって容易に除去できる。
なお、透明物質２０の屈折率が研磨水１９の屈折率と異なる場合は、研磨水１９の表裏からの反射もあり得ることになり、研磨水１９の厚みが表面皮膜１２の厚みと大差ない場合は、表面皮膜１２の厚み測定に大きな支障を生じることになる。
なお、光センサー１３の信号は制御装置１８に伝達される。これらの作業は、ウエハー１１の研磨中にオンラインで行える。

図３は、透明物質２０の屈折率ｎを変えた場合の実験例を示すが、太線（Ａ）で示す屈折率が１．５３の場合（従来方法）は、雑音が多く、反射強度の差も小さいことが判る。
一方、細線（Ｂ）は透明物質２０の屈折率を１．３６としたもので、水の屈折率１．３３に近いので、雑音がない信号が得られる。この図では、（λ／２）は約１２０ｎｍとなり、表面皮膜１２の厚みは約２４０ｎｍとなる。

前記実施の形態において、研磨液としてスラリー入り水を使用したが、その他の溶剤であてもよい。
前記実施の形態においては、ウエハーの一点について表面皮膜の厚み測定を行ったが、複数箇所に光センサーを設けて、表面皮膜の厚み測定をしてもよい。

１０：ＣＭＰ装置、１１：ウエハー、１２：表面皮膜、１３：光センサー、１４：筒体、１４ａ：先端出口、１５、１６：光ファイバー、１５ａ：出光部、１６ａ：入光部、１７：ロータリーコネクター、１８：制御装置（ＰＣ）、１９：研磨水、２０：透明物質、５０：ターンテーブル、５１：研磨布、５２：ウエハー、５３：トップリング、５４：光学センサー（センサーヘッド）、５５：流し口、５６：ロータリージョイント、５７：ロータリーコネクタ、５８：コンピュータ、６０：水通路、６１：給水部、６２：排水部、６３、６４：光ファイバー

Claims

表面に研磨布が設けられたターンテーブルに接して、回転駆動される支持部材にウエハーを保持し、前記研磨布及び前記ターンテーブルを貫通して、前記ウエハーに対して光を照射する出光部と、前記ウエハーからの反射光を受光する入光部とを有する光センサーを設け、更に、前記光センサーと前記ウエハーの表面皮膜との間に、研磨液と屈折率が０．９〜１．１倍の範囲で同一な透明物質を配置し、前記研磨液を前記ターンテーブル上に流しながら前記表面皮膜の厚さを測定する方法において、
前記出光部と前記入光部は異なる光ファイバーの先部に設けられ、前記出光部と前記入光部は、前記透明物質で筒体の所定位置に保持され、前記入光部と前記筒体の出口との距離ａは、前記研磨液の層の厚みｂの８〜１００倍の範囲にあることを特徴とするウエハーの表面皮膜の厚さ測定方法。
請求項１記載のウエハーの表面皮膜の厚さ測定方法において、前記研磨液はスラリー水であって、前記透明物質は水の屈折率の０．９〜１．１倍の範囲に調整されていることを特徴とするウエハーの表面皮膜の厚さ測定方法。
請求項１又は２記載のウエハーの表面皮膜の厚さ測定方法において、前記光センサーが使用する光に白色光を使用することを特徴とするウエハーの表面皮膜の厚さ測定方法。