(57)【要約】      （修正有）【課題】電解研磨における研磨ステップの終了点を検出するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】電解研磨システムは、電解液を通る電流を送出するように構成された電源を有する。電源が供給する電気信号の信号特性を監視して研磨終了点を決定する。例えば、監視信号特性は電流および電圧を含む。別の実施形態では、電流は研磨で除去した材料量に関連付けられ、全時間にわたる電流を監視することによって研磨で除去した材料の全量を決定することが出来る。【選択図】図３
2010147489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨終了点を検出するための方法であって：
少なくとも電解質を含む電解質含有ボリュームを画成するセルボディを提供するステップと；
基板を、前記電解質へ少なくとも部分的に浸漬した研磨パッドに接触させて位置決めするステップと；
前記基板上の一種類以上の導電材料を電解研磨するステップと；
前記電解研磨の前記研磨終了点を検出するステップと；
を含む方法。
【請求項２】
前記電解研磨するステップ中に、前記基板と前記パッドとの間の相対運動を引き起こすステップを更に含み、前記電解研磨するステップは、前記一種類以上の導電材料の少なくとも一部を電気化学的活性により除去する工程を含む、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
電解研磨の研磨終了点を検出するステップが：
前記基板を電解研磨する過程で前記基板から除去された全電荷を決定するステップと；
前記除去された全電荷を、前記基板から除去された材料の厚さに関連付けるステップと；
を含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
電解研磨の研磨終了点を検出するステップが：
研磨サイクル中に前記基板から除去された全電荷を決定するステップと；
前記除去された全電荷を、前記基板から除去された材料の厚さに関連付けるステップと；
前記基板の予め測定された最初の厚さから前記除去された材料の厚さを差し引いた厚さが、前記基板の、選定された目標厚さであるか、あるいはそれ未満であるかを判定するステップと；
を含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記電解研磨するステップが、前記電解質を通る電気信号を送出する工程を含み；
研磨終了点を検出するステップが、前記電気信号の電圧増加と電流減少のうちの少なくとも一方を検出する工程を含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
研磨終了点を検出するステップが、前記電気信号の信号特性を監視する工程を含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
電気信号の信号特性を監視する工程が、前記電気信号の電圧と電流のうちの少なくとも一方を監視することを含む、請求項６の方法。
【請求項８】
研磨終了点を検出するための方法であって：
少なくとも電解質を含む電解質含有ボリュームを画成するセルボディを提供するステップと；
基板を、前記電解質へ少なくとも部分的に浸漬した研磨パッドに接触させて位置決めするステップと；
前記電解質を通る電流を発生させるために、前記電解質中に配置された第１の電極と第２の電極との間に電位差を発生させるステップであって、少なくとも前記第１の電極は前記研磨パッドの研磨面上には配置されないステップと；
前記基板上の一種類以上の導電材料を電解研磨するステップと：
前記電位差と前記電流のうちの少なくとも一方に基づいて、電解研磨ステップの研磨終了点を検出するステップと；
を含む方法。
【請求項９】
研磨終了点を検出するステップが、前記電位差の増加および前記電流の減少のうちの少なくとも一方を検出する工程を含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
電気化学的機械研磨システムであって：
電解質含有ボリュームを画成するセルボディと；
前記電解質含有ボリューム内に配置された研磨パッドと；
前記電解質含有ボリュームに含まれた電解質に電気信号を供給するように構成された電源と；
前記電気信号の信号特性を監視して研磨終了点を検出するように構成された終了点検出システムと；
を備える、前記システム。
【請求項１１】
前記研磨パッドが導電性である、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記終了点検出システムと前記電源とへ動作可能に接続され、前記終了点検出システムが前記電気信号の傾きの変化を検出すると前記電気信号の電圧値を変更するように構成された、コントローラを更に備える、請求項１０記載のシステム。
【請求項１３】
前記終了点検出システムと前記電源とに動作可能に接続され、前記電気信号に対する複数の電圧値を含むプロセスレシピを実行するように構成されたコントローラを更に備え、前記コントローラは研磨遷移点に従って前記電圧値を選択するように構成された、請求項１０記載のシステム。
【請求項１４】
前記終了点検出システムと前記電源に動作可能に接続され、前記終了点検出システムが前記研磨終了点を検出すると前記電気信号の電圧値を変更するように構成されたコントローラを更に備える、請求項１０記載のシステム。
【請求項１５】
前記信号特性が、電流と電圧のうちの少なくとも一方である、請求項１０記載のシステム。
【請求項１６】
前記パッドが前記パッドの研磨面に配置された導電性媒体を備え、前記電源の第１端子が前記導電性媒体に電気接続される、請求項１０記載のシステム。
【請求項１７】
前記研磨面が非導電性である、請求項１６記載のシステム。
【請求項１８】
前記終了点検出システムが、前記信号特性の変化に従って前記研磨終了点を検出するように構成される、請求項１０記載のシステム。
【請求項１９】
前記信号特性が、電流と電圧のうちの少なくとも一方である、請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
前記終了点検出システムは、
前記基板から除去された全電荷を決定するステップと；
前記除去された全電荷を前記基板から除去された材料の厚さに関連付けるステップと；
前記基板の予め測定された最初の厚さから、前記除去された材料の厚さを差し引いた厚さが、前記基板の、選定された目標厚さに等しいか、あるいはそれ未満であるかどうかを判定するステップと；を含む操作を実行することによって前記研磨終了点を検出するように構成される、請求項１８記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
発明の分野
[0001]本発明は、一般に、研磨、平坦化、メッキ、およびそれらの組合せに関し、より詳細には、本発明は、研磨プロセスの終了点検出、ならびに電気化学的機械研磨および電解研磨の監視および制御に関する。
【０００２】
関連技術の説明
[0002]サブククォーター（０．２５）ミクロン以下の多層メタライゼーションは、次世代超大規模集積回路（ＵＬＳＩ）にとって重要な技術の一つである。この技術の核になる多層配線は、高アスペクト比アパーチャに形成される接点、バイア、溝およびその他フィーチャを含む相互接続フィーチャの平坦化が必要である。相互接続フィーチャの信頼に足る形成は、ＵＬＳＩの成功、ならびに個々の基板およびダイの回路密度および品質を向上させる不断の取り組みにとって非常に重要である。
【０００３】
[0003]集積回路等の電子デバイスの製造では、導電体、半導体および誘電体材料の複数層が基板面に堆積されるか、または表面から除去される。導電体、半導体および誘電体材料の薄層は多くの堆積手法によって堆積できる。最新の処理において一般的な堆積手法には、スパッタリングとして知られる物理的気相堆積（ＰＶＤ）、化学的気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ増強型化学的気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、および電気化学メッキ（ＥＣＰ）が含まれる。
【０００４】
[0004]材料層は順次に堆積および除去されていくので、基板の最上面は、その面にわたって非平坦になることもあり、平坦化が必要となる。非平坦プロセスの例はＥＣＰプロセスによる銅薄膜堆積であり、特に１０ミクロン幅を超える配線では、銅のトポグラフィがウエーハ表面の非平坦な既存トポグラフィに追随するにすぎない。表面の平坦化、つまり表面の「研磨」は、基板面から材料を除去してほぼ一様な平坦面を形成するプロセスである。平坦化は、粗面、凝集材料、結晶格子欠陥、スクラッチおよび汚染された層または材料等の、好ましくない表面トポグラフィおよび表面欠陥を除去するのに役立つ。平坦化はフィーチャを埋めるのに用いた過剰堆積材料を除去することによって、基板上へのフィーチャ形成に役立つとともに、後に続くメタライゼーションおよび処理の各レベルに対して平坦面を提供するのに役立つ。
【０００５】
[0005]化学的−機械的平坦化、すなわち化学的機械研磨（ＣＭＰ）は、基板の平坦化に用いられる一般的な手法である。ＣＭＰは基板から材料を選択的に除去するために、化合物、典型的にはスラリあるいは他の流体媒体を利用する。従来のＣＭＰ技術では、基板キャリアまたは研磨ヘッドはキャリアアセンブリに取り付けられ、ＣＭＰシステムの研磨パッドと接するよう配置される。キャリアアセンブリは、基板に制御可能な圧力を加え、それにより基板は研磨パッドに押しつけられる。パッドは、外部の駆動力により基板と相対運動する。ＣＭＰシステムは、研磨化合物を分散させて化学的活性および／または機械的活性に影響を与えながら、基板面と研磨パッドとの間の研磨または擦過運動に作用し、結果的に基板面から材料を除去する。
【０００６】
[0006]別の平坦化手法は、電気化学的機械研磨（ＥＣＭＰ）である。ＥＣＭＰ手法は、電気化学的な溶解により導電材料を基板面から除去しつつ、同時に、従来のＣＭＰプロセスに比べて摩耗量が少ない、基板の機械的研磨を行う。電気化学的溶解は、陰極と基板面との間にバイアスを印加し、導電材料を基板面から周囲の電解質中へ除去して行われる。バイアスは、導電性接点のリングを介して基板キャリアヘッド等の基板支持デバイス内の基板面へ印加されるのが普通である。機械的摩耗は、基板を従来の研磨パッドに接触させて配置し、両者間に相対運動を与えて行われる。
【０００７】
[0007]研磨の目的は、予測し得る量の材料を除去することにある。従って、どの研磨手法であっても、適当量の材料が除去された時点を判定する終了点検出が必要である。しかし、基板とパッドとが接触しているので、研磨動作の進行を容易には観察できない。
【０００８】
[0008]更に、研磨条件の変動が研磨終了点の精確な判定を妨げる。スラリ化合物、パッド状態、パッドと基板の相対速度、およびパッドにかかる基板の負荷等の各変動は材料除去レートの変動原因となり、研磨終了点までの到達時間を変化させる。従って、単に研磨時間の関数として研磨終了点を予測することはできない。
【０００９】
[0009]研磨終了点を予測する一方法は、研磨面から基板を外して、基板上に残っている薄膜の厚さを測定することである。研磨中に定期的に実施することにより、基板から除去しつつある材料の量を決定することができる。この方法はそれなりに材料除去レートの線形近似を用いて研磨終了点を決定できる。しかし、この方法は時間を浪費するばかりか、測定間に生ずるであろう除去レートの急激な変化に対応できない。
【００１０】
[0010]中断せずに終了点検出を行う方法がいくつか知られている。ある種の終了点検出の１つのタイプは、典型的には、基板の一部分を研磨パッドの縁を越えて滑らせたり、パッドにある窓を通過して滑らせるなどして、研磨中の基板面の少なくとも一部にアクセスすると同時に、基板のかかる露出部分を解析する。例えば、誘電層に埋め込んだ金属配線を研磨で露出させる場合には、配線が露出するにつれて被研磨面の全体または複合の反射率が変化する。被研磨面の反射率またはそこから反射する光の波長を監視することにより、誘電層を通る配線の露出つまり研磨終了点を検出できる。しかし、この方法では、研磨時に中の配線が露出しない限り、研磨終了点を決定できない。また、この方法は、中の配線すべてが同時に露出しない限り、研磨終了点の予測が不安定である。その上、検出システムは繊細であり、測定システムや検出システムをスラリや電解質へ曝すことによって故障が多くなる。
【００１１】
[0011]第２のタイプの研磨終了点を決定する方法は、様々なプロセスパラメータを監視し、一つ以上のパラメータが急変した時に終了点を指示する。例えば、研磨パッドと基板との界面の摩擦係数は基板面の状態の関数である。研磨される薄膜とは別の下地材料が露出すると、摩擦係数も変化する。これは研磨パッドの所望速度を得るのに必要なトルクに影響を及ぼす。このトルク変化を監視することによって終了点を検出できる。
【００１２】
[0012]理想的なシステムでは、基板面以外のパラメータが変化しない場合、プロセスパラメータ終了点検出を採用することが可能である。しかし、基板が研磨されるにつれて、パッドの状態およびパッドと基板との界面でのスラリ／電解質化合物もまた変化する。かかる変化は、中の金属層の露出を覆い隠してしまう。すなわち終了点状態を見間違えて早すぎる研磨停止を招くのである。
【００１３】
[0013]最終的には、ＥＣＭＰは従来のＣＭＰに比べて、化学的にも、電気的にも、そして物理的にも独自の環境を呈する。従って、ＣＭＰに対する終了点検出手法（上記手法も含め）があっても、それらを直ちにＥＣＭＰまで拡張することはできない。たとえ、かかる手法がＥＣＭＰに拡張できても、既存の処理システムに高価な設備を後付けする必要があろう。好ましい方法は、既存システムへの後付けに伴う困難を軽減するか回避するものとなろう。
【００１４】
[0014]従って、特にはＥＣＭＰに対して、研磨終了時点を精確かつ確実に判定する研磨終了点検出法が求められている。
【発明の概要】
【００１５】
[0015]一実施形態は、電解研磨環境における研磨終了点を検出するための方法を提供する。この方法は、電解質含有ボリュームを画成するセルボディを提供することを含み、電解質含有ボリュームには少なくとも電解質を含む。基板は、電解質中に少なくとも一部が浸漬した研磨パッドに接触して位置決めされ、基板上の一種類以上の導電材料が電解研磨される。次いで、電解研磨の研磨終了点が検出される。
【００１６】
[0016]別の実施形態では、上記方法は、更に、電解質を通る電流を発生させるために、電解質中に配置した第１電極と第２電極との間に電位差を発生させることを含み、そこでは、少なくとも第１の電極は研磨パッドの研磨面に配置されない。次に、電解研磨の研磨終了点は、少なくとも一つの電位差および電流に基づいて検出される。
【００１７】
[0017]別の実施形態は、終了点検出システムで構成された電気化学的機械研磨システムを提供する。そのシステムは、電解質含有ボリュームを画成するセルボディと、電解質含有ボリュームに配置される研磨パッドとを備える。電源は、電解質含有ボリュームに含まれる電解質へ電気信号を供給するよう構成される。終了点検出システムは、電気信号の信号特性を監視して研磨終了点を検出するように構成される。
【００１８】
[0018]別の実施形態は、基板から除去された材料の量を決定するための方法を提供する。この方法は、基板上の一種類以上の導電材料を電解研磨することと；基板を研磨する過程の間に、基板から除去された全電荷を決定することと；除去された全電荷を、基板から除去された材料の厚さに関連付けること；とを含む。
【００１９】
[0019]上に列挙した本発明の特徴、利点および目的を実現する方法を詳細に理解できるように、付帯の図面で図解した実施形態を参照して、先に要約した本発明を詳細に説明する。
【００２０】
[0020]しかし、これら添付図面は、単に本発明の典型的な実施形態を説明するものであり、従って本発明の範囲を限定するものと考えてはならない。というのは、本発明は効果が同じ他の実施形態を許容し得るからである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】[0021]図１は電解研磨システムの側面断面図である。
【図２】[0022]図２は例示の研磨パッドの平面図である。
【図３】[0023]図３は、コントローラと終了点検出器とで構成された電解研磨システムの側面断面図である。
【図４】[0024]図４Ａ−Ｃは、研磨サイクルを図解した、基板と研磨パッドとの一連の側面断面図である。
【図５】[0025]図５は電流曲線のグラフであり、電圧が実質的に一定値で保持される場合の電流の時間変化を表す。
【図６】[0026]図６は電流曲線のグラフであり、第１の時間経過の間、電圧が実質的に第１の一定値で保持され、第２の時間経過の間、電圧が実質的に第２の一定値で保持される場合の電流の時間変化を表す。
【図７】[0027]図７は電圧曲線のグラフであり、電流が実質的に一定値で保持される場合の電圧の時間変化を表す。
【図８】[0028]図８は、全電荷と材料除去量とを関係付ける、実験に基づいて決定された曲線の一例を示す。
【図９】[0029]図９は、電流／除去レートの関係を示すグラフであり、グラフのｙ軸は銅の除去レート、ｘ軸は全電流（漏洩電流に起因するオフセット）である。
【好適な実施形態の詳細な説明】
【００２２】
[0027]本発明は研磨ステップの終了点を検出するためのシステムおよび方法を提供する。一般に、電解研磨システムには、電解液へ電圧を供給するように構成された電源が設けられる。一実施形態では、電源が提供する信号の信号特性を監視して研磨の終了点を決定する。例えば、監視対象信号特性は電流および電圧を含む。別の実施形態では、全時間にわたる全電流が除去材料の全量に関係付けられる。いずれの場合も、プロセス制御が終了点検出により中断されない方法を提供する。
【００２３】
[0028]本明細書で用いる用語は、特に定義しない限り、当業者が当該技術で通常にかつ習慣的に用いている意味を有する。化学的機械研磨は広義に解釈されるべきであり、化学的活性、機械的活性、または化学的活性および機械的活性の両方の組合せにより基板面を摩滅させることを含むが、それに限定されない。電解研磨は広義に解釈されるべきであり、電気的活性および／または電気化学的活性の応用により基板を平坦化することを含むが、それに限定されない。電気化学的機械研磨（ＥＣＰＭ）は広義に解釈されるべきであり、電気化学的活性、機械的活性、または電気化学的活性および機械的活性の両方の組合せを応用して基板面から材料を除去することにより、基板を平坦化することを含むが、それに限定されない。電気化学的機械メッキプロセス（ＥＣＭＰＰ）は広義に解釈されるべきであり、基板上へ材料を電気化学的に堆積させると同時に、電気化学的活性、機械的活性、または電気化学的活性および機械的活性の両方の組合せにより堆積材料を平坦化することを含むが、それに限定されない。
【００２４】
[0029]陽極溶解は広義に解釈されるべきであり、結果として基板面から周囲の電解液への導電材料の移動を生じる、基板への直接または間接的な陽極バイアスの印加を含むが、それに限定されない。開孔は広義に解釈されるべきであり、対象を部分的または完全に通って形成されたアパーチャ、ホール、開口、チャネルまたは通路を含むが、それに限定されない。
【００２５】
[0030]本発明の実施形態は、研磨システムに終了点検出を幅広く提供する。一般に、上で定義された研磨手法のいずれも、個別に、または組み合わせて用いられる。更に、研磨およびメッキは、同時または交互に行うことができるようになされている。上記の実施形態は、広義には電解研磨と見なされる。
【００２６】
[0031]図１は、更に大型のプラットフォームまたはツールの構成要素である電気化学的機械研磨（ＥＣＭＰ）ステーション１００を示す。本発明の恩恵を受けるのに適した一つの研磨ツールは、カリフォルニア州サンタクララ所在のアプライドマテリアルズから入手可能なＭＩＲＲＡＲ化学的機械研磨機である。
【００２７】
[0032]一般に、電気化学的機械研磨（ＥＣＭＰ）ステーション１００は、基板の保持に適合した研磨ヘッド１３０を備える。実例として、研磨ヘッド１３０は、ブレース１３７を介してカルーゼル１１１に取り付けられた片持レバーである。カルーゼル１１１は、ＥＣＭＰステーション１００を含む多数のステーション上の位置まで研磨ヘッド１３０を回動させるよう動作する。ここで説明する研磨装置１００に用いる研磨ヘッド１３０の実施形態の実施例は、２０００年２月２５日発行のＳｈｅｎｄｏｎ他米国特許第６，０２４，６３０号に記載されている。使用に適する一つの特定研磨ヘッドは、カリフォルニア州サンタクララ所在のアプライドマテリアルズが製造するＴＩＴＡＮ  ＨＥＡＤＴＭウエーハキャリアである。
【００２８】
[0033]ＥＣＭＰステーション１００は、更に、受盤１０２、電極１０４、研磨媒体１０５、パッド支持ディスク１０６およびカバー１０８を含む。一実施形態では、受盤１０２は、研磨装置１００のベース１０７に結合される。受盤１０２、カバー１０８およびディスク１０６は、ベース１０７に対して相対移動するように配置される。従って、受盤１０２、カバー１０８およびディスク１０６は、ベース１０７に向かって軸方向に移動できるので、カルーゼル１１１がＥＣＭＰ１００と他の研磨ステーション（図示せず）との間で基板１１３をインデックス（間欠）送りする際に、研磨ヘッド１３０のクリアランスを容易に取ることが可能である。
【００２９】
[0034]受盤１０２は、全体的に、容器すなわち電解質の流体を収納する容積１３２を画成し、その内部には（リザーバ内に示した）電解質１２０等の導電性流体が収容され、電極１０４、研磨媒体１０５およびディスク１０６の全体が格納される。基板１１３の処理に用いる電解質１２０は、銅、アルミニウム、タングステン、金、銀その他の導電材料の金属を電気化学的に除去できる。従って、受盤１０２は、電気メッキおよび電解研磨化学物質に適合するフルオロポリマー、ＴＥＦＬＯＮＴＭ、ＰＦＡ、ＰＥ、ＰＥＳその他プラスチック材料で製作されたボウル状部材とすることができる。
【００３０】
[0035]受盤１０２は、アパーチャ１１６およびドレイン１１４を含む底部１１０を有する。アパーチャ１１６は底部１１０の略中心に配置され、シャフト１１２が貫通している。シール１１８は、アパーチャ１１６とシャフト１１２間に配設され、受盤１０２内の処分流体が孔１１６を通るのを防ぎつつ、シャフト１１２を回転可能とする。シャフト１１２の下端に結合されたモータにより回転がシャフト１１２へ伝えられる。モータは、所定回転数で、あるいは各種回転数でシャフトを回転できるアクチュエータであってもよい。
【００３１】
[0036]シャフトはその上端部でディスクつまりパッド支持体１０６を支える。パッド支持ディスク１０６は、研磨媒体１０５を載せる面を提供し、固定機構または接着剤（例えば感圧接着剤）により研磨媒体をディスク１０６に固定してもよい。ディスク１０６はシャフト１１２に結合させて図示したが、別の実施形態では、ねじまたは他の固定手段等の固定具を用いて受盤１０２に固定してもよく、その場合はシャフト１１２が不要となる。ディスク１０６は電極１０４から離間させて、電解質の再循環を良好にすることができる。
【００３２】
[0037]一実施形態では、ディスク１０６が電解質１２０に適合可能で研磨に悪影響を及ぼさない材料で製作される。実例として、ディスク１０６は、例えばフルオロポリマー、ＰＥ、ＴＥＦＬＯＮＴＭ、ＰＦＡ、ＰＥＳ、ＨＤＰＡ、ＵＨＭＷ等のポリマーで製作してもよい。一実施形態では、ディスク１０６は、形成された複数の開孔やチャネルを含む。開孔は、研磨媒体１０５の開孔と結合し、ディスク１０６の下面から研磨媒体１０５の上面まで延びるチャネル１２２を協働して画成する。チャネル１２２の提供により、電解質１２０はディスク１０６と研磨媒体１０５に対してほぼ透過性を持つことになる。開孔のサイズおよび密度は、ディスク１０６を通って基板１１３に至る電解質１２０の分配が一様となるように選択される。
【００３３】
[0038]研磨媒体１０５は、流体環境および処理仕様に適合する材料でできたパッド、ウェブまたはベルトのいずれであってもよい。研磨媒体１０５は受盤１０２の上端部に配置され、ディスク１０６によりその下面を支持される。一実施形態で、研磨媒体１０５は、処理中の基板面と接触する、導電材でできた少なくとも部分的に導電性の表面を含む。従って、研磨媒体１０５は、単独の導電性研磨材であっても、従来の研磨材に導電性研磨材を配した複合材であってもよい。研磨中の基板に接触する何らかの導電性端部を有する導電材をディスク１０６と研磨材１０５との間に挿入してもよい。導電性研磨材および従来の研磨材は、一般に、持続する電界の下で劣化しない機械的特性を持ち、酸性または塩基性電解質中での劣化耐性がある。
【００３４】
[0039]導電性研磨材は、導電性ポリマー、導電性材料を含むポリマー複合材料、導電性材料、導電性金属、導電性フィラーまたは導電性ドープ材料、またはそれらの組合せを含んでもよい。導電性ポリマーは、ポリアセチレン、商標名ＢａｙｔｒｏｎＴＭとして市販されているポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＴ）、ポリアニリン、ポリピロール、およびそれらの組み合わせ等、本質的に導電性のポリマー材料を含む。
【００３５】
[0040]導電性材料を含むポリマー複合材料はポリマー−貴金属複合材料を含んでもよい。ここで記載する導電性研磨材として用いられる、例えば、耐酸性貴金属を伴うポリマー−貴金属複合材料は、周囲の電解質に対して一般に化学的不活性である。ポリマー−貴金属複合材料の例は、白金−ポリマー複合材料である。本発明は、ポリマー−貴金属複合材料が別の材料によって周囲の電解質から絶縁されているときに周りの電解質との間で化学的活性なポリマー−貴金属複合材料の使用を意図するものである。
【００３６】
[0041]研磨材として使用できる導電性材料は、周り電解質との化学反応に対して比較的不活性な金属である。白金は、研磨材として使用できる導電性材料の一例である。導電性材料は、研磨材の研磨面の一部または全体を形成するものであってよい。研磨面の一部を形成する場合、導電性金属を従来の研磨材中に配するのが普通である。
【００３７】
[0042]導電性研磨材は、上記導電性ポリマーまたは従来の研磨材等の結合材中に混合される導電性フィラーまたは導電性ドープ材料を更に含んでもよい。導電性フィラーの例は、カーボン粉末、カーボン繊維、カーボンナノチューブ、カーボンナノフォーム、カーボンエアロゲルおよびそれらの組合せを含む。カーボンナノチューブは、ナノメーターサイズ範囲の直径を持つカーボン材料による導電性中空フィラメントである。導電性フィラーまたは導電性ドープ材料は、研磨媒体に所望の導電性を提供するのに十分な量を結合材に混合する。結合材は従来の研磨材とするのが普通である。
【００３８】
[0043]従来の研磨材は、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）またはそれらの組合せ等のポリマー材料、および研磨基板面に用いられる他の研磨材を含み得る。例示としての従来材料は、ＩＣシリーズの研磨媒体にみられる材料、例えば、アリゾナ州フェニックスのＲｏｄｅｌ  Ｉｎｃ．から入手できるポリウレタン、およびフィラー混合ポリウレタンを含む。本発明は、圧縮性材料層等、他の従来の研磨材の使用を意図している。圧縮性材料は、ウレタンでリーチングした圧縮フェルト繊維等の柔軟な従来材料を含む。
【００３９】
[0044]一般に、導電性研磨材または、従来の研磨材と導電性研磨材との複合材を用いて、堆積抵抗が約１０Ωｃｍ以下または表面抵抗が約１０Ω／単位面積以下の導電性研磨媒体が製造される。一態様で、研磨媒体の抵抗値は約１Ωｃｍ以下である。導電性研磨材の一例は白金層であり、０℃での抵抗値は９．８１μΩｃｍであって、ポリウレタン層上に配設される。
【００４０】
[0045]導電性研磨材と従来の研磨材との複合材は、研磨媒体１０５中に、約５重量％と約６０重量％との間の導電性研磨材を含む。導電性研磨材と従来の研磨材との複合材の一例は、ポリカーボネートまたはポリウレタンの従来の研磨材に配された十分な量のカーボン繊維またはカーボンナノチューブを含み、体積抵抗が約１０Ωｃｍ以下および表面抵抗が約１０Ω／単位面積以下の研磨媒体を提供する。
【００４１】
[0046]更に、本発明は、従来の研磨材に埋め込んだ砥材の使用を意図する。かかる実施形態では、固定砥粒は一般に導電性砥材を含む。
【００４２】
[0047]代替として、研磨媒体１０５は、従来の研磨材に配設した金属メッシュを含んでもよい。金属メッシュは、白金等の化学的不活性な導電性材料を含んでもよい。金属メッシュは、それが従来材料でできた共形層等によって電解質から化学的に絶縁されるのであれば、周りの電解質と反応してしまうことが観察される銅等の材料を含んでもよい。
【００４３】
[0048]図２に少し触れると、研磨媒体１０５の特定の実施形態の例示が平面図で示されている。研磨媒体１０５は全体として、上側研磨面に配設した導電素子２０２を有する穿孔されたディスク形パッドである。実例では、導電素子２０２は、研磨媒体１０５の中心軸周り配設された環状部材である。しかし、より一般的には、導電素子２０２は任意の形状であってよい。更に、導電素子２０２は単一部材である必要はなく、上記金属メッシュの場合のように、複数の集積された導電性部材であってもよい。導電素子２０２の配置と大きさを選択して、研磨媒体１０５上の基板の位置にかかわらず、導電素子２０２と基板（例えば基板１１３）との間の接触を確保にする。
【００４４】
[0049]研磨媒体１０５は少なくとも部分的に導電性であるので、研磨媒体１０５は、電気化学的プロセス中の基板との組合せ電極として動作する。図１を参照すると、電極１０４は基板面と接触する研磨媒体１０５の対極を成す。電極１０４は、電極１０４と研磨媒体１０５との間に印加するのが正バイアス（陽極）か、負バイアス（陰極）かによって陽極であっても陰極であってもよい。
【００４５】
[0050]例えば、電解質からの材料を基板面上へ堆積するとき、電極１０４は陽極として作用し、基板面および／または研磨媒体１０５は陰極として作用する。印加したバイアスでの溶解等により、基板面から材料を除去する場合、溶解プロセスの間、電極１０４は陰極として機能し、基板面および／または研磨媒体１０５は陽極として作用する。
【００４６】
[0051]電極１０４を、ほぼディスク１０６と受盤１０２の底部１１０との間に位置決めし、そこで電解質１２０に浸漬してもよい。電極１０４は、プレート状部材、すなわち貫通する複数の孔を有するプレートもしくは透過性薄膜に配置された複数の電極片であっても、または容器であってもよい。透過性薄膜（不図示）は、ディスク１０６と電極１０４との間に配置されて、粒子またはスラッジが電極１０４から電解質中に解放されるのを防ぐようにしてもよい。透過性薄膜はフィルタとしても働き、発生ガスがプロセス中に対極から基板に到達するのを防ぐ。透過性薄膜の孔のサイズと密度は、プロセス性能を最適化するように定める。
【００４７】
[0052]陽極溶解等の電気化学的除去プロセスにおいて、電極１０４は、銅溶解のための白金等、堆積材料以外の材料でできた非消耗電極を含んでもよい。しかし、電極１０４は、好ましければ銅研磨のための銅で作成してもよい。
【００４８】
[0053]動作において、電解質１２０は、リザーバ１３３からノズル１７０を経て容積１３２に流入する。電解質１２０は容積部１３２からの溢出を、スカート部１５４に配設された複数のホール１３４により阻止される。ホール１３４は、全体的に、電解質１２０が容積部１３２を出て受盤１０２の下部に流入させるようにカバー１０８を貫通する通路を提供する。ホール１３４の少なくとも一部は、凹部１５８の下面１３６と中心部１５２との間にほぼ位置決めされる。ホール１３４は、普通は凹部１５８の下面１３６より高いので、電解質１２０は容積部１３２を満たすことにより、基板１１３および研磨媒体１１３と接触する。かくして、基板１１３は、カバー１０８とディスク１０６との間の相対空隙の全範囲を通じて、電解質１２０との接触を維持される。
【００４９】
[0054]受盤１０２に集められた電解質１２０は、一般的には、底部１１０に配設されたドレイン１１４を通じて流体送出システム１７２に流入する。流体送出システム１７２は典型的にはリザーバ１３３およびポンプ１４２を含む。流体送出システム１７２に流入する電解質１２０はリザーバ１３３に回収される。ポンプ１４２は、リザーバ１３３から供給ライン１４４を介してノズル１７０に電解質１２０を送り、ここで電解質１２０はＥＣＭＰステーション１０２を通ってリサイクルされる。フィルタ１４０は、一般的には、リザーバ１３３とノズル１７０との間に配設されて、電解質１２０中にある粒子および凝集材料を除去する。
【００５０】
[0055]電解液は市販の電解質を含んでもよい。例えば、銅含有材料の除去において、電解質は、硫酸、硫酸塩ベースの電解質、または、リン酸、リン酸カリウム（Ｋ３ＰＯ４）、（ＮＨ４）Ｈ２ＰＯ４、（ＮＨ４）２ＨＰＯ４もしくはそれらの組み合わせ等のリン酸塩ベースの電解質を含んでもよい。電解質は、硫酸銅等の硫酸誘導体ベースの電解質、およびリン酸銅等のリン酸誘導体ベースの電解質を含んでもよい。過塩素酸−酢酸溶液およびその誘導体を有する電解質を使用してもよい。更に、本発明は、電気メッキまたは電解研磨プロセスで従来から用いられる電解質化合物の使用を意図し、これら化合物には、これまで用いられている漂白剤、キレート剤、およびとりわけレベラー等の電気メッキまたは電解研磨用添加物が含まれる。電解液の一態様では、電解質濃度を溶液の約０．２モルと約１．２モルの間とすることができる。電解質は金属と反応するものの、誘電体のような下地材料とは反応しないように選択するのが好ましい。
【００５１】
[0056]動作中、電極１０４と１０５間に電位差が印加される。電極１０５と直に接触している基板１１３は電極１０５と同じ電位になろう。次いで、電流ループは、原子レベルでの基板材料を電解質のイオンに変換することによって、研磨ステーションで完結する。同時に行われる基板１１３の機械研磨は、基板と研磨媒体１０５間の相対運動により達成される。更に研磨サイクルを監視して終了点を決定する。電源および終了点検出システムとともに構成される例示の研磨ステーションを、図３を参照して説明する。
【００５２】
[0057]図３は、研磨ステーション３００の一実施形態を示すが、これは上で説明した研磨ステーション１００の典型である。従って、図１および図２を参照に、同一符号を用いて上記と同じ構成部品を示す。一般に、受盤１０２を含むこのような同一構成部品は、受盤１０２、研磨ヘッド１３０、基板１１３、一つの電極１０４、ステム１１２、穿孔されたパッド支持ディスク１０６、研磨媒体１０５および導電素子２０２（これは第２電極を形成する）を含む。
【００５３】
[0058]研磨ステーション３００は、電源３０２等の一つ以上の電源によりエネルギを付与される。一実施形態において、電源３０２は、直流（ＤＣ）電源であるが、電源３０２は交流（ＡＣ）電源であってもよい。一態様では、ＤＣ電源は、基板上の材料を交互に除去し堆積するのを避けるのに好適である。一般に、電源３０２は、およそ０ワットから１００ワットの電力、およそ０Ｖから１０Ｖの電圧、そして０Ａからおよそ１０Ａの電流を提供することができる。しかし、電源３０２の特定の動作仕様は用途に応じて変更してもよい。
【００５４】
[0059]電源３０２は、電解質１２０を通る電圧または電流を提供するのに特に適している。そのために、電源３０２は、正（＋）端子を第１電極に接続され、負（−）端子を第２電極に接続される。一実施形態において、第１電極は、導電素子２０２等の、研磨媒体１０５の導電部である。結果的に、第１電極は、少なくとも研磨サイクルの一部では、研磨媒体１０５上に配置された基板へ直に接触する。第２電極は、例えば、受盤１０２の床面に配置された対向電極１０４である。第１電極とは対照的に、第２電極は基板と直接的で物理的な接触をしていなくてもよい。
【００５５】
[0060]一実施形態では、研磨ステーション３００は基準電極を含む。例えば、基準電極３１０Ａを、ディスク１０６と対向電極１０４との間に配置してもよい。より一般的には、基準電極は、電解質１２０内に浸漬されている限り、受盤の任意の場所にあってよい。例えば、基準電極３１０Ｂは、受盤１０２の側壁と研磨媒体１０５との間に懸架して図示されている。基準電極は基板上に一定の電気化学ポテンシャルを維持するよう作用する。従って、基準電極の提供は、例えば、対向電極１０４上に遊離性の銅が堆積することによって起きる電流ループの導電率の変化に、除去レートが依存しないようにする。基準電極は白金線等の非常に細い金属線で製作してもよく、電源３０２に接続する。
【００５６】
[0061]研磨システム３００の動作は制御システム３１２により制御される。一実施形態では、制御システム３１２は、コントローラ３１４および終了点検出器３１６を含む。コントローラ３１４は、電源３０２、流体送出システム１７２、モータ１２４、およびキャリアヘッド１３０を含む研磨システム３００の各システムと動作可能に接続されている。終了点検出器３１６は、電源３０２により供給される信号の信号特性を監視するよう構成される。そのために、終了点検出器３１６は、電源３０２の電源ラインに配設されたメーター３１８に電気接続してもよい。電源３０２とは別に示しているが、メーター３１８は電源３０２の一体部分であってもよい。一実施形態では、メーター３１８は電流を測定するよう構成された電流計である。別の実施形態では、メーター３１８は電圧を測定するよう構成された電圧計である。更に別の実施形態では、電圧と電流を測定するよう構成されている。そして、終了点検出器３１６はメーター３１８の読みを用いて、基準が満たされたかどうかを判定できる。一つの判定基準は、基板が十分に研磨されたかどうかである（すなわち、研磨終了点に達したかどうか）。研磨終了点に達した場合、終了点検出器３１６は、コントローラ３１４に報知し、そしてコントローラは一つ以上の制御信号を発行して追加のステップを開始させるか、および／または基板の研磨を停止する。
【００５７】
[0062]少なくとも一つの実施形態では、「終了点」とは、十分な量の金属が基板から除去された研磨サイクル中の時間点を指す。終了点検出に続いて、残りの金属を除去するための時間の間、研磨を継続する必要があろう。
【００５８】
[0063]図４Ａ〜図４Ｃを参照して終了点検出動作について説明する。基板１１３および研磨媒体１０５の側面図４Ａを参照する。研磨媒体１０５は、電源３０２からの電圧または電流の印加によりイオン導体化された電解質１２０に浸漬して示されている。基板１１３は、電解質１２０の上に位置して、研磨媒体１０５に向かって下方に移動することが示されている。一般に、基板１１３は、形成されたフィーチャを有するベース材４０２（普通はシリコン製）を含む。ベース材料４０２は、多層の誘電材料、半導体材料および導電材料で覆われている。最外層である金属層４０６はフィーチャ４０４に既に堆積されており、それ以前の誘電体、半導体および導電層の上を覆っている。例えば、金属層４０６は銅である。保護層４０８は金属層４０６上に形成されている。保護層４０８は、主として研磨媒体１０５と接触する場所での研磨を確保するように選択される。導電性電解質の一部である保護剤は、研磨されることになる次の金属層の窪んだ領域を不動態化する。例示の保護剤はＢＴＡ、ＴＴＡ他を含む。従って、図４Ｂに示すように、保護層４０８は、研磨媒体１０５および金属層４０６の界面に現れない。図４Ｂで行われる研磨は、機械的研磨（基板１１３と研磨媒体１０５との間の相対運動の結果）と陽極溶解（基板１１３と電解質１２０との間の化学的相互作用の結果）との組合せである。
【００５９】
[0064]研磨は、過剰な嵩の金属が除去されるまで、すなわち終了点検出器３１６が研磨終了点に達したことをコントローラ３１４に指示する時間まで継続する。図４Ｃは、研磨終了点での基板の表面状態を図解する。銅配線（すなわち、フィーチャ４０４内の銅）は、保護剤により保護され、研磨媒体１０５と接触していないので研磨されてはいない。一実施形態では、研磨は、残った金属の十分な除去を確実にするためにある時間の間継続することができる。研磨のこの段階を「超過研磨（over polishing）」と称する。研磨終了点はすでに検出済みなので、超過研磨は注意深くタイミングを取って、制御し、銅が凹むのを最小限にすることにより、ウエーハのスループットを最適化できる。
【００６０】
[0065]図５を参照すると、曲線５００は電解研磨電流（電源３０２により供給される）の時間変化をグラフで示す。電流値を縦軸に、時間を横軸に示す。曲線５００が例示する研磨サイクル全体にわたって、電源３０２は、実質的に一定の電圧を維持する。一定電圧が研磨セルに印加されるからでので、この動作方式をここでは「電圧モード」動作と称する。注意すべきは、メーター３１８から直接生成される電流曲線は図５に示す程滑らかではないが、信号を電子フィルタまたはソフトウエアで平均化して滑らかにできるということである。
【００６１】
[0066]ｔ０からｔ１までの第１期間の間、研磨は電流の変化をほとんど、または全く生じない。この期間中の基板の状態を図４Ｂに例示する。この時間中は、金属層４０６から供給される金属イオンを利用するので比較的高い電流が維持される（例えば、銅層の場合であれば銅イオン）。時間ｔ１での信号の低下は、連続薄膜と不連続薄膜との間の遷移に一致する。ｔ１での信号の低下は、終了点検出器３１６により検出される。次に時間ｔ１で、終了点検出器３１６はコントローラに報知して、同一電圧を維持するか（図５に示す）、プロセスを低電圧に切り換える（図６に関連して以下説明する）。
【００６２】
[0067]ｔ１とｔ２との間の第２時間期間で電流の減少が生じ、終了点検出器３１６により検出される。この時間期間は、図４Ｂと図４Ｃに示される研磨状態の間の時間期間で例示される。電流の減少は、電解質に溶出する金属イオンの減少に起因する。ｔ１とｔ２間の時間期間は、非常に薄い連続金属層と不連続金属層との間の遷移に一致するのが普通である。不連続金属層の研磨は、電解質に解放する銅イオンを減少させることになり、その結果として電流が減少する。
【００６３】
[0068]ｔ２近傍で電流は安定化し始める。すなわち、曲線５００の傾きはゼロに漸近する。これは金属イオン源（すなわち金属層４０６）が大幅に消耗してしまうからである。特定の電流安定化度合いで研磨終了点に到達する。研磨終了点での基板の状態は図４Ｃで例示され、終了点は終了点検出器３１６により検出される。ｔ２とｔ３間の第３の時間期間で、基板は、残りの金属を除去するために追加の研磨を受ける（すなわち超過研磨）。ｔ２からｔ３までの時間経過は、特定のパターン設計とパターン密度に従って変化し、その後、研磨が停止され、基板が研磨媒体から取り外される。時間ｔ３で電源はＯＦＦにされ、そして基板は、追加の処理のために研磨システムの別の場所に搬送される（例えば、洗浄またはバリア層研磨）。
【００６４】
[0069]図５を参照して説明する実施例では、電源３０２は、単一電圧を維持するよう構成される。しかし、別の実施形態では、印加された電圧は２つ以上の値の間で変化する。例えば、図６の電流曲線６００は、電圧が第１の値から第２の値へ変化する場合の電流への影響を図示している。特に、ｔ０からｔ２までの時間期間では、第１電圧値が維持される。この時間期間の部分で、電流は最初に実質的に一定の値１０を維持する。ｔ１からｔ２までは、著しく減少する電流が観察される。ｔ２では電圧は第２の値へ切り換えられる。
【００６５】
[0070]一態様では、高い電圧値から低い電圧値へ切り替える目的は、ウエーハのスループットを増加させることにある。特に、高い電圧値は高い電流に対応し、従って除去レートが高い。しかし、高い除去レートがスループットに対しては好ましいが、銅凹み、銅の残り、表面仕上げ等に関しては、高い電圧値が最良の結果を提供しないこともある。従って、残りの銅層がまだ連続した状態ではあるが、非常に薄くなると、電圧は低い値に切り換えられる。例として、スイッチは、選択された幾つかの所定時間値に基づいて時間が決められて、スループットを最適化する。この方法でプロセスは、結果はもとより（例えば、薄膜の品質）、スループットを最適化できる。
【００６６】
[0071]電圧が第２の電圧値に切り換えられた後、電流は再び実質的な一定値ｌ１で維持される。例として、実質的に一定の電流値は、ｔ２とｔ３の間で維持される。時間ｔ３で、電流の第２の減少が観測される。電流の減少は、研磨終了点が時間ｔ４で検出されるまで、終了点検出器３１６により監視される。超過研磨ステップは、次いで、ｔ４からｔ５までの時間、維持されてもよく、その後、研磨サイクルは完了し、後続の処理のために、基板は研磨ステーションから取り外される。
【００６７】
[0072]上記のように、曲線５００と６００は、「電流モード」動作を示し、一定電圧の間の電流変化が監視される。「電流モード」動作と称される別の実施形態では、電流が実質的な一定値で維持される間の電圧変化が監視される。図７は、電流モード動作の間に監視される信号特性を示す電圧曲線７００を示す。電圧曲線７００は、横軸に示す時間に対して変化する縦軸に示される電圧値によって定義される。研磨サイクル全体にわたって、電流は実質的な一定値に維持される。研磨の最初の期間中（ｔ０からｔ１まで）は、電圧は実質的な一定値Ｖ０のままである。時間ｔ１で電圧の増加がＶ０からＶ１まで観察される。終了点は、終了点検出器３１６によりｔ２で検出され、そこではある程度の電圧安定化が観測される。次いで、超過研磨ステップは、時間ｔ２からｔ３の間持続され、その後、研磨が停止されてもよい。
【００６８】
[0073]従って、動作モード（つまり、電流モードまたは電圧モード）にかかわらず、研磨終了点は、電源３０２が供給する信号の信号特性に基づいて検出される。いずれの場合でも、同一または類似のアルゴリズムを用いて終了点を検出してもよい。一実施形態では、周知のアルゴリズムが信号特性の所定の変化率を検出するために用いられてもよい。例えば、エッチングシステムで用いられるエッチング終了点検出アルゴリズムを、本発明で用いるよう適合させることが意図されている。かかるエッチングシステムでは、反射光の波長が通常監視される。光の波長の変化は、材料が十分にエッチングされた場合を示す。従って、本発明の一実施形態は、これらのそして類似のアルゴリズムを有利に利用して役立てる。しかし、より一般的に言えば、当該技術に精通する者は、役立てるよう用いてもよい他のアルゴリズムおよび手法を認識しているであろう。
【００６９】
[0074]一つの特定の終了点アルゴリズムを、図５を参照して説明する。図示のアルゴリズムは、「ウインドウ」５１０Ａ〜Ｆと称されるソフトウエア定義を利用している。これらのウインドウの目的は、終了点曲線を監視することにある。つまり、ウインドウの大きさと数を選択して曲線の期待される振る舞いを概ね記述している。ウインドウの大きさと数は、ＥＣＭＰ研磨ステーションのオペレータにより定義され、ウインドウ間で変化させてもよい。更に、ウインドウは、図５のグラフ上の特定時間間隔に固定されなくてもよいが、その代わりに、曲線５００の変化に応答する。
【００７０】
[0075]プロセスの開始時（電源３０２をＯＮにした直後）、電流は値ｌ１である。ウインドウ５１０Ａ〜Ｂの第一の対の高さは、ｌ１が電流の所定範囲内に必ず入るように設定される。もしｌ１がウインドウ高さ内に入らない場合、研磨ステーション抵抗値は、仕様内にはなく、適切な振る舞いをしない。この場合、プロセスは終了点検出器３１６により自動的に停止される。
【００７１】
[0076]適切に動作している間は、電流はｔ０とｔ１の間で安定している。すなわち、終了点曲線５００は、ウインドウ５１０Ａ〜Ｂに側面から入り、ウインドウ５１０Ａ〜Ｂを側面から出る。時間ｔ１で、研磨される金属層は、不連続となり、電流は低下し、電流曲線５００は底部からウインドウ５１０Ｃを出る。ウインドウ５１０Ｃの底部を出る曲線５００は、終了点検出器３１６に電流低下を示す。信号は、すべての残留銅パッチが研磨されるまで（つまり、時間ｔ２まで）、多くのウインドウ５１０Ｄ〜Ｅの底部を出る。時間ｔ２で、研磨する銅がなくなり、電流は再びｌ２で安定する。従って、曲線５００は、ウインドウ５１０Ｆの側面から出て、終了点検出器３１６は、ｔ２でプロセスの終了点を検出する。電流ｌ２は、何の金属イオンも（または無視できる量の金属イオンも）電解質に放出されない状態と対応する。従って、ｌ２は普通、ｌ１（例えば、数アンペア）と比較すると非常に小さい（例えば、数ｍＡ）。超過研磨ステップは、時間ｔ３まで実行してすべての残りを除去できる。
【００７２】
[0077]別の実施形態では、終了点検出器３１６は、除去される材料の量を決定するために、ウエーハから除去される全電荷を計算する。これは、研磨するためにセル／ウエーハに提供される全電流信号（本明細書では全電流信号またはセル電流信号と称する）の時間についての積分によりなされる。セル電流信号の下の面積（セル電流信号の積分により与えられる）が、除去された材料、およびすべての漏洩電流を表すと認識すれば、研磨終了点は、除去された全電荷（すべての漏洩について補正したセル電流信号の積分）を除去された全材料と関連付けることにより決定できる。以下、詳細に説明するように、この電荷／除去の関係は、理論的または実験的に決定できる。ウエーハ研磨サイクルのための終了点検出には、研磨前のウエーハ初期厚さだけを知ることが必要である。ウエーハは、ウエーハ初期厚さと除去された厚さの差が所望の厚さと等しくなるまで研磨される。
目標の厚さ＝初期厚さ−除去された材料の厚さ  （式１）
ここで、「除去された材料の厚さ」は、電流量の関数であり、電流の積分により与えられる（以下に説明するように漏洩電流を補正してもよい）。電流信号が周期的にしかサンプリングされない場合（すなわち、終了点検出器３１６が、電源３０２のメーター３１８から受け取る電流値サンプルを用いる場合）、積分は合計として近似される：
電流量(t)＝積分(0,t)[l(t)dt]{合計(0,t)[l(t)*(サンプリング周期)]      （式２）
【００７３】
[0078]電流値の全時間にわたる合計を計算すると（すなわち、除去された全電荷）、「除去された材料の厚さ」は、あらかじめ決定された電荷／除去の関係を参照して決定できる。一実施形態では、電荷／除去の関係は、ルックアップテーブル等のデータ構造に格納されている。このように、ルックアップテーブルは、終了点検出器３１６が計算した値（すなわち、上記説明のように、式２を参照した合計により決定される全除去電荷）を、基板からの全除去材料と関連付けている。多様なプロセス条件と基板種類のそれぞれについて、別々のルックアップテーブルを備えていてもよい。例えば、パターン付き、またはパターンなしの基板について、別々のルックアップテーブルを備えてもよい。ルックアップテーブルは、更に電解質成分、除去される材料の種類等により特性付けられてもよい。このように、終了点検出器３１６は、多様なプロセス条件と基板種類に対して研磨サイクルの終了点を検出するよう適合可能である。
【００７４】
[0079]このように、一実施形態では、終了点検出器３１６は、電流信号の積分を計算し、次いで、適切なルックアップテーブルにアクセスして、対応する除去材料の量を決定する。
【００７５】
[0080]本発明の態様をルックアップテーブルについて説明するが、理解すべきは、かかるテーブルは、一実施形態を単に代表しているに過ぎない。より一般的には、計算した全電荷の値を全除去材料と関連付けるどんな手法を用いても、役立てることができる。
【００７６】
[0081]一般に、ルックアップテーブルは、理論的に導かれた情報、または実験的に導かれた情報を用いて作成する。いずれの場合も、電気化学的機械研磨において、測定されたセルの電流（すなわち、全／セルの電流）は、除去金属（例えば、銅）に関連付けられる。セル（全）電流は、以下により構成される：（ｉ）漏洩電流；および（ｉｉ）ウエーハ上の除去金属（例えば、Ｃｕ＋／Ｃｕ＋＋／Ｃｕ複合体除去等の実際の除去プロセス）。漏洩電流は、一般に、無効電流と見なされ、その電流源は、研磨部材１０５の導電素子（例えば、図２の導電素子２０２）の化学反応、および生成されることもある種々の酸化を含む。第１の種類の漏洩電流はゾーンスイッチを用いるとほとんど除去できる。ゾーンスイッチは、研磨部材１０５の導電素子の任意の構成であり、その導電素子が研磨対象基板との断続的な接触させられる。例えば、研磨部材１０５は、導電素子が研磨中の基板と接触している間だけ電源３０２と電気的に接続される複数の半径方向の導電素子により構成される。導電素子が基板の下から外へ回転すると、導電素子と電源３０２との間の電気接点が切れる。
【００７７】
[0082]第２の種類の漏洩電流の重要性は、特定の研磨反応に依存している。銅研磨の場合、銅の酸化に対するポテンシャルは、酸素発生反応のポテンシャルより大きい。従って、これら２つの酸化反応の間に競合が起きた場合、大部分の電流は銅の酸化へ向かう。従って、ウエーハ上の酸素発生による漏洩電流は、銅が研磨されている場合は無視できる。どの場合でも、漏洩電流はシリコンウエーハを用いて簡単に校正できる。これは、漏洩電流とセルに印加した電圧との間の関係を与える。
【００７８】
[0083]漏洩電流を決定（または無視）すると、全電流は、ウエーハ上の金属除去への寄与を決定することにより知ることができる。次いで、全時間にわたる全電流、および全時間にわたる除去レートを、ある時間における全除去電荷、および全除去材料として表すことができる。これから説明するように、これは理論的または実験的に行うことができる。例示のためだけに、研磨される材料は銅であると仮定する。本発明を用いて任意の他の導電材料に役立てることができるということである。
【００７９】
[0084]一実施形態では、電流／除去レート、および電荷／除去の関係は、実験的に決定される。例えば、ウエーハから除去される材料の量は、電流モードにある電源３０２を動作させながら、周期的に測定できる（例えば、シート抵抗測定）。
【００８０】
[0085]代替として、電流は、異なる条件で処理される一連のウエーハについて測定してもよい（例えば、僅かに異なる研磨時間、バイアス電圧等）。このようにして校正曲線が得られる。特別な場合、２０枚のウエーハを異なる条件下で研磨し、平均電流を記録した。ウエーハの厚さは、研磨サイクルの前後で測定され、平均除去レートを決定した。校正曲線（ｙ＝１．１１８５ｘ＋１．２５１２と表される）は、平均電流と平均除去レートとの間の線形関係を示し、所与の電流に対して除去レートの予測（外挿による）が可能である。
【００８１】
[0086]電流と除去レートとの間の関係は確立されたが、除去した全電荷（式２を参照して説明したように、測定された電流値の合計によって与えられる）と除去材料の厚さの関係の確立がまだ残っている。図８は、全電荷（ｘ軸上の電流量（Ａ×秒）と称する）と除去材料を関連付ける実験的に決定した曲線の一実施例を示す。図８の情報を用いて、ルックアップテーブルを作成する。
【００８２】
[0087]操作において、全電荷の値は、周期的に測定した電流値を用いて計算する。次いで、適切なルックアップテーブルにアクセスして除去材料の厚さを決定する。次いで、終了点検出アルゴリズムが目標の厚さ（または、目標の全電荷）に達したかどうかを決定する。もし達していれば、研磨プロセスは停止され、基板はセルから取り外される。
【００８３】
[0088]別の実施形態では、電流／除去レート、および電荷／除去の関係は、実験的に決定される。電流／除去レートの関係は、以下のように説明できる：電流−＞単位時間当たりの電荷−＞単位時間当たりの除去原子−＞ウエーハ上の除去レート。
【００８４】
[0089]電流／除去レートの関係は、ウエーハがブランケットウエーハか、またはパターン化されたウエーハかによって、そして化学的性質によって異なっていてもよい。どの場合でも、反応スキームが分かっていれば、電流／除去レートの関係を理論的に得ることができる。例えば、Ｃｕ＋＋だけが所与のプロセスに対して除去されることが既知である（Ｃｕ＋は既知でない）と仮定する。更に、２００ｍｍウエーハ（表面積＝３１４ｃｍ２）上で１０００Å／ｍｉｎの一様な除去レートをもつウエーハについて測定したと仮定する。銅結晶では、ａ＝ｂ＝ｃ＝３６１．４９ｐｍ＝３．６１４９Åであることが既知である。従って、単位セルの体積は４７．２３Å３である。単位セルに４個の原子があり、単位セル当たり２電荷があるので、単位セル当たりの除去される全電荷は：４原子×２電荷×１．６ｅ−１９Ｃである。更に、１０００Åの体積は３１４ｅ１９Å３であるから、１０００Å当たりの単位セルの数は、３１４×ｅ１９／４７．２３＝６．６４ｅ１９である。従って、除去される全電荷は、６．６４ｅ１９×（４原子×２電荷×１．６ｅ−１９Ｃ）＝８５Ｃ／ｍｉｎである。従って、１０００Å／ｍｉｎの除去レートは、Ｃｕ＋＋電流の１．４２Ａに相当する。次いで、２００ｍｍウエーハでは、電流／除去の関係は、ｋÅ／ｍｉｎ当たり１．４Ａである。こうして、電流／除去レートの関係が、電流値と除去レートの所望の範囲に対して決定できる。
【００８５】
[0090]例示の電流／除去レートの関係は、図９の直線プロットライン９００により表され、ここで、ｙ軸は銅の除去レートであり、ｘ軸は全電流である（漏洩電流によるオフセット）。関係は実質的な線形であることに注意されたい。このように、プロットライン９００は、ｙ＝ｍｘ＋ｂで記述され、ここで、ｍはラインの傾きである。ラインの傾きは、生じる酸化プロセスに依存する。例えば、Ｃｕ＋とＣｕ＋＋除去が生じる場合、傾きはＣｕ＋／Ｃｕ＋＋除去レートに依存する。説明のため、上記計算を思い出すと、除去が純粋にＣｕ＋＋である場合、電流はｋÅ／ｍｉｎ当たり１．４２Ａである。同様に、除去が純粋にＣｕ＋である場合、電流はｋÅ／ｍｉｎ当たり０．７１Ａである。従って、除去がＣｕ＋とＣｕ＋＋の両方を含む場合、電流／除去レートの関係は、ｋÅ／ｍｉｎ当たり０．７１と１．４２Ａの間となる。最後に、実効電流は、使用する特定の化学物質に依存する。
【００８６】
[0091]セル電流と除去レートとの関係を確立したが、研磨サイクルの終了点を決定するためのこの関係の意味のある適用を確立することだけが残っている。上記の説明のように、終了点は、測定された電流値から全除去電荷を計算することにより決定される。従って、必要なことは、全除去電荷と全除去材料とを与えられた時間で関連付けることである。セル電流と除去レートの理論的関係は上記に説明した方法により確立したので、導かれた関係は、全除去電荷、および全除去材料として直ちに表すことができる。次いで、全除去電荷と全除去材料との関係を用いて、ルックアップテーブルを作成し、終了点検出器３１６はこのルックアップテーブルを用いて、与えられた時間、従って研磨サイクルの終了点における除去材料の量を決定する。より詳細には、厚さは全時間の電流値を測定することにより、そして次の式（式１の特別な例である）を解くことにより、知ることができる：
厚さ(t)=最初の厚さ-合計(0,t)[(電流(t)-漏洩(V(t)))*電流除去係数]（式３）
ここで、電流除去係数は電流／除去レートの曲線（例えば、図９のプロット９００）の傾き（“ｍ”）であり、漏洩は定数（“ｂ”）である。こうして、異なるプロセス／ウエーハに対する“ｍ”および“ｂ”の値はルックアップテーブルに格納でき、次いで、所与のプロセスに対して、このルックアップテーブルにアクセスして、“ｍ”および“ｂ”に対する適切な値を検索する。
【００８７】
[0092]ウエーハがパターン化されている場合、選択度が１００％であれば、除去は高くなっている領域にだけ起きることを考慮するよう、密度係数が必要である。密度係数は、すべての突起部の最初の高さの差、およびフィーチャを平坦化する様々な速度を含む多くの理由により、銅の厚さの関数となる。更に、高くなっている領域は、研磨により低くなるので、密度はプロフィルが平坦化されるとやがて１に近づく。従って、係数１／密度（厚さ（ｔ））を用いて、パターン化されたウエーハの厚さ評価を補正できる：
厚さ(t)=初期厚さ-合計(0,t)[電流(t)-漏洩(V(t)))*電流除去係数/密度（厚さ(t)）]    （式４）
【００８８】
[0093]従って、係数１／密度（厚さ（ｔ））はブランケットウエーハに対しては１になり、その場合、式３と式４は等しくなるので、式４は式３より更に一般化した式であることが分かる。この場合も、式４を用いて厚さについて解くために必要な係数および漏洩電流は、ルックアップテーブルに格納できる。
【００８９】
[0094]一般に、本明細書で説明した終了点検出アルゴリズムは、ハードウエア、ソフトウエア、または両者の組合せにより実装ができる。従って、本発明の一実施形態は、例えば、図１および図３のそれぞれに示すシステム１００および３００等のコンピュータシステムで用いるためのプログラム製品として実装される。プログラム製品のプログラムは、好適な実施形態の機能を定義し、多様な信号担持媒体（またはコンピュータ可読媒体）に含まれてもよく、限定はされないが、（ｉ）書込み不可記憶媒体に恒久的に格納された情報（例えば、ＣＤ−ＲＯＭドライブにより可読なＣＤ−ＲＯＭディスク等のコンピュータ内の読み取り専用記憶デバイス）；（ｉｉ）書込可能記憶媒体に格納された変更可能情報（例えば、ディスケットドライブ内のフロッピーディスクまたはハードディスクドライブ）；または（ｉｉｉ）コンピュータ、または電話線ネットワークを介する等の無線通信を含む通信媒体によりコンピュータに搬送される情報；を含む。後者の実施形態は、特にインターネットおよび他のネットワークからダウンロードされた情報を含む。このような信号担持媒体は、本発明の機能に向けたコンピュータ可読命令を搬送する場合、本発明の実施形態を代表している。
【００９０】
[0095]技術に精通している者には理解できるように、上記実施形態は、単に例示であるに過ぎない。本発明は他の多くの実施形態を意図するとともに、その余地がある。例えば、多くの上記実施形態は、下向き面の電解研磨手法について説明した。すなわち、処理される基板は、研磨パッドに対して面を下に向けている。しかし、他の実施形態では、面を上にした電解研磨手法が用いられる。これらの、そして他の実施形態は、本発明の範囲内にあると考えられる。
【００９１】
[0096]上記説明は本発明の実施形態に向けられているが、本発明の他の、そして更なる実施形態が、本発明の基本的な範囲を逸脱することなく考案でき、その適用範囲は以下の請求の範囲により決定される。
【符号の説明】
【００９２】
１００…電気化学的機械研磨（ＥＣＭＰ）ステーション、１０２…受盤、１０４…対向電極、１０５…研磨媒体、１０６…パッド支持ディスク、１０７…ベース、１０８…カバー、１１０…底部、１１１…カルーゼル、１１２…シャフト、１１３…基板、１１４…ドレイン、１１６…アパーチャ、１１８…シール、１２０…電解質、１２２…チャネル、１２４…モータ、１３０…研磨ヘッド、１３２…容積部、１３３…リザーバ、１３４…ホール、１３６…下面、１３７…ブレース、１４０…フィルタ、１４２…ポンプ、１４４…供給ライン、１５２…中心部、１５４…スカート部、１５８…凹部、１７０…ノズル、１７２…流体送出システム、２０２…導電素子、３００…研磨ステーション、３０２…電源、３１０Ａ…基準電極、３１０Ｂ…基準電極、３１２…制御システム、３１４…コントローラ、３１６…終了点検出器、３１８…メーター、４０２…ベース材、４０４…フィーチャ、４０６…金属層、４０８…保護層、５００…終了点曲線、５１０Ａ-Ｆ…ウインドウ、６００…電流曲線、７００…電圧曲線、９００…プロットライン、ｔ１…時間、ｔ２…時間ｔ３…時間、ｔ４…時間、Ｖ０…一定値
【図１】
2010147489.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年1月28日(2010.1.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨終了点を検出するための方法であって、
基板を、電解質へ少なくとも部分的に浸漬した研磨パッドの導電性表面に接触させて位置決めするステップと、
前記基板上の一種類以上の導電材料を電解研磨するステップと、
前記研磨パッドに配置された電極から前記電解質を通って前記基板及び前記前記導電性表面へと、電気信号を送出するステップと、
前記電解研磨の前記研磨終了点を決定するために、前記電気信号の電圧増加と電流減少のうちの少なくとも一方を検出するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記電解研磨するステップ中に、前記基板と前記パッドとの間の相対運動を引き起こすステップを更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記検出するステップが、前記一種類以上の導電材料の少なくとも一部を電気化学的活性により除去すること
を含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記電解研磨するステップが、第１電極と第２電極との間における前記電解質を通る電気信号を送出することを含み、
前記第１電極のみが、前記基板と直接物理的に接触するように配置されている、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記研磨終了点を検出するステップが、前記電気信号の信号特性を監視することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記電気信号の信号特性を監視することが、前記電気信号の電圧と電流のうちの少なくとも一方を監視することを含む、請求項５の方法。
【請求項７】
研磨終了点を検出するための方法であって、
基板を、電解質へ少なくとも部分的に浸漬した研磨パッドの導電性表面に接触させて位置決めするステップと、
前記電解質を通って前記基板及び前記導電性表面に至る電流を発生させるために、前記電解質中に配置された第１電極と第２電極との間に電位差を発生させるステップであって、少なくとも前記第１電極は前記研磨パッドの研磨面上には配置されず、少なくとも前記第２電極は前記研磨パッドに配置されるステップと、
前記基板上の一種類以上の導電材料を電解研磨するステップと、
前記電解研磨の前記研磨終了点を決定するために、電気信号の電圧増加と電流減少のうちの少なくとも一方を検出するステップと、
を含む方法。
【請求項８】
前記第１電極が、前記研磨パッドの下方に配置されている、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記研磨パッドが導電性である、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記研磨終了点を検出した後の一定期間、前記基板の研磨を継続するステップを更に含む、請求項７記載の方法。
【請求項１１】
前記電解研磨するステップ中に、前記基板と前記研磨パッドとの間の相対運動を引き起こす、請求酷７記載の方法。
【請求項１２】
前記電解研磨するステップが、前記一種類以上の導電材料の少なくとも一部を電気化学的活性により除去することを含む、請求項７記載の方法。
【請求項１３】
前記研磨終了点の検出に基づいて、引き続いて研磨するステップを開始するステップを更に含む、請求項７記載の方法。
【外国語明細書】
2010147489000001.pdf