(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨装置において、下層金属配線上に絶縁膜を介して形成された金属膜を研磨する方法であって、
前記金属膜を研磨する研磨工程と、
前記下層金属配線の直上の前記絶縁膜にマルチ波長光を照射して、反射光の反射率の波長依存性を測定することにより前記金属膜の研磨残りを検出する検出工程と、
前記研磨残りが検出された場合に、前記研磨残りを追加研磨する追加研磨工程と、
を含み、
前記検出工程は、測定した反射率の波長依存性から前記下層金属配線の直上の前記絶縁膜の膜厚近傍の波長における反射率ピークの広がりを求め、該求めた反射率ピークの広がりに基づいて前記金属膜の研磨残りの量を検出することを特徴とする研磨方法。
【請求項２】
請求項１に記載の研磨方法において、
前記検出工程は、前記求めた反射率ピークの広がりをシミュレーション結果と比較することにより、前記研磨残りの量を検出することを特徴とする研磨方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の研磨方法において、
前記検出工程は、前記下層金属配線の直上の前記絶縁膜の膜厚とほぼ等しい波長±５０ｎｍにおける反射率ピークの広がりを求めることを特徴とする研磨方法。
【請求項４】
下層金属配線上に絶縁膜を介して形成された金属膜を研磨する際の研磨残りの検出方法であって、
前記下層金属配線の直上の前記絶縁膜にマルチ波長光を照射して、反射光の反射率の波長依存性を測定し、
該測定した反射率の波長依存性から前記下層金属配線の直上の前記絶縁膜の膜厚近傍の波長における反射率ピークの広がりを求め、
該求めた反射率ピークの広がりに基づいて、前記研磨残りの量を検出することを特徴とする研磨残りの検出方法。
【請求項５】
請求項４に記載の研磨残りの検出方法において、
前記求めた反射率ピークの広がりをシミュレーション結果と比較することにより、前記研磨残りの量を検出することを特徴とする研磨残りの検出方法。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の研磨残りの検出方法において、
前記下層金属配線直上の前記絶縁膜の膜厚とほぼ等しい波長±５０ｎｍにおける反射率ピークの広がりを求めることを特徴とする研磨残りの検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特にＣｕダマシン配線形成時の金属膜の研磨残りの検出および追加研磨に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程において、素子の高速化を図るために、Ｃｕダマシン配線についての検討がされている。これは、従来の配線では、配線抵抗が大きい為、配線のＲＣ遅延を招いていたこと、またこの配線抵抗がトランジスタの動作速度に大きな影響を与えることによる。
【０００３】
以下、従来の半導体装置の製造方法、詳細には従来のＣｕダマシン配線の形成方法について説明する。
図６は、従来の半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
先ず、図６（ａ）に示すように、基板３１上に第１絶縁膜３２を形成し、この第１絶縁膜３２内に配線溝を形成する。次に、基板３１全面にＣｕの拡散を防止するための例えばＴａからなるバリアメタル膜（以下、「Ｔａバリアメタル膜」という。）３３を形成し、このＴａバリアメタル膜３３上にＣｕ膜３４を形成する。
【０００４】
次に、図６（ｂ）に示すように、研磨装置において化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）法を用いて、不要なＣｕ膜３４及び不要なＴａバリアメタル膜３３を除去する。ここで、Ｃｕ膜３４は第１絶縁膜３２よりもやわらかいため、配線幅が広いＣｕダマシン配線３５の表面が過剰に研磨され、ディッシング３５ａと呼ばれる凹部が形成される場合がある（図６（ｂ）参照）。
【０００５】
そして、図６（ｃ）に示すように、基板全面に、第２絶縁膜３６を形成する。ここで、第２絶縁膜３６の表面には、下層のＣｕダマシン配線３５表面に形成されたディッシング３５ａに対応する凹部３６ａが形成される。
【０００６】
次に、図６（ｄ）に示すように、第２絶縁膜３６内に配線溝３７を形成する。そして、図６（ｅ）に示すように、基板全面に、Ｔａバリアメタル膜３８を形成し、このＴａバリアメタル膜３８上にＣｕ膜３９を形成する。
次に、図６（ｆ）に示すように、研磨装置においてＣＭＰ法を用いて、不要なＣｕ膜３９及びＴａバリアメタル膜３８を除去する。
【０００７】
その後、上記図６（ｃ）から図６（ｆ）に示す工程を繰り返し行い、Ｖｉａホール（図示省略）とダマシン配線層を形成する。これにより、基板上に多層配線構造を有する半導体装置が製造される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の製造工程において、Ｃｕ膜３９およびＴａバリアメタル膜３８を研磨する際に、Ｔａバリアメタル膜３８の研磨残りが生じやすいという問題があった。特に、Ｃｕダマシン配線３５の表面にディッシング３５ａが発生した場合（図６（ｂ）参照）、その上層の絶縁膜３６にも凹部３６ａが形成されてしまい（図６（ｃ）参照）、絶縁膜３６を研磨しなければ、凹部３６ａにＴａバリアメタル膜３８の研磨残り（以下、「研磨残り」という。）４０が発生してしまう。かかる研磨残り４０は、ディッシング３５ａがないところであっても、例えばスクラッチ（引っかき傷）があるところ等に発生する可能性がある。また、この研磨残り４０を放置すると、配線間のショートの原因となってしまうので、追加研磨により除去する必要がある。
【０００９】
この対策として、研磨装置における研磨処理を終了した後、研磨残り４０の有無を検査している。そして、研磨残り４０がある場合には、研磨装置において追加研磨を行う。
しかしながら、上記検査は、研磨装置とは別の検査装置で行われるため、基板をキャリアに収納して装置間を搬送しなければならず、この搬送中に基板表面にパーティクルが付着してしまう可能性があった。
【００１０】
また、キャリア搬送中に、研磨残り４０が酸化してしまい、追加研磨をしても除去し難くなるという問題があった。
【００１１】
また、検査装置は光学顕微鏡を用いており、研磨残り４０の有無を目視検査により判断しているだけであった。このため、研磨残り４０の多少を判定することができず、過剰な追加研磨が行われやすかった。従って、追加研磨を精度良く行うことができないという問題があった。さらに、研磨残り４０が少量の場合にも、一定時間の追加研磨を行うことにより、スループットが悪くなってしまうという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、本発明は、測定した研磨残り量に基づいて追加研磨を精度良く行い、研磨残りの酸化を防止して、追加研磨を容易に行うことを目的とする。
【００１３】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る研磨方法は、研磨装置において、下層金属配線上に絶縁膜を介して形成された金属膜を研磨する方法であって、
前記金属膜を研磨する研磨工程と、
前記下層金属配線の直上の前記絶縁膜にマルチ波長光を照射して、反射光の反射率の波長依存性を測定することにより前記金属膜の研磨残りを検出する検出工程と、
前記研磨残りが検出された場合に、前記研磨残りを追加研磨する追加研磨工程とを含み、
前記検出工程は、測定した反射率の波長依存性から前記下層金属配線の直上の前記絶縁膜の膜厚近傍の波長における反射率ピークの広がりを求め、該求めた反射率ピークの広がりに基づいて前記金属膜の研磨残りの量を検出することを特徴とするものである。
【００１８】
本発明に係る研磨方法において、
前記検出工程は、前記求めた反射率ピークの広がりをシミュレーション結果と比較することにより、前記研磨残りの量を検出することが好適である。
【００１９】
本発明に係る研磨方法において、
前記検出工程は、前記下層金属配線の直上の前記絶縁膜の膜厚とほぼ等しい波長±５０ｎｍにおける反射率ピークの広がりを求めることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明に係る研磨残りの検出方法は、下層金属配線上に絶縁膜を介して形成された金属膜を研磨する際の研磨残りの検出方法であって、
前記下層金属配線の直上の前記絶縁膜にマルチ波長光を照射して、反射光の反射率の波長依存性を測定し、
該測定した反射率の波長依存性から前記下層金属配線の直上の前記絶縁膜の膜厚近傍の波長における反射率ピークの広がりを求め、
該求めた反射率ピークの広がりに基づいて、前記研磨残りの量を検出することを特徴とするものである。
本発明に係る研磨残りの検出方法において、
前記求めた反射率ピークの広がりをシミュレーション結果と比較することにより、前記研磨残りの量を検出することが好適である。
【００２２】
本発明に係る研磨残りの検出方法において、
前記下層金属配線直上の前記絶縁膜の膜厚とほぼ等しい波長±５０ｎｍにおける反射率ピークの広がりを求めることが好適である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
【００２４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による研磨装置を説明するための図である。
図１において、参照符号１はウェハのロード／アンロードを行うローダー、２は研磨された金属膜の研磨残りの有無および研磨残り量を検出する検出機構である例えば分光干渉反射率測定ユニット（後述）、３は研磨装置におけるウェハの搬送を行う搬送アーム、４はウェハを保持する保持機構としてのヘッド、５は表面上に研磨パッドが形成された研磨機構としてのプラテン、６は研磨後のウェハを洗浄するための洗浄槽、７は洗浄後のウェハをリンス（水洗）・乾燥（例えば、２０００ｒｐｍ程度の回転数のスピン乾燥）するための乾燥部を示している。なお、保持機構４および研磨機構５の詳細については、説明を省略する。
ここで、上記金属膜は、Ｔａ膜、Ｔｉ膜、ＴａＮ膜、ＴｉＮ膜の少なくとも何れか１つを含んでいる。また、検出機構２は、絶縁膜の下層に形成された下層金属配線としてのＣｕダマシン配線を探すための光学顕微鏡を備えている。また、研磨機構５は、検出機構２により金属膜の研磨残りがあると検出された場合に、その研磨残りの追加研磨を行う。なお、研磨機構５は、検出機構２により検出された研磨残り量に応じた時間だけ、追加研磨を行う。
【００２５】
図２は、上記検出機構としての分光干渉反射率測定ユニットを説明するための概念図である。
図２において、参照符号１１は光源、１２はビームスプリッター、１３は集光光学系、１４はサンプル（試料）としてのウェハ、１５は所定の波長の光を分光するための分光器、１６はディテクターを示している。
分光干渉反射率測定ユニットは、光源１１から発せられたマルチ波長光をウェハ１４に入射させ、その反射光を集光光学系１３で集光し、分光器１５及びディテクター１６を用いて反射率のスペクトルを測定する装置である。すなわち、この分光干渉反射率測定ユニットは、反射率の波長依存性を求め、これにより膜厚を求めるものである。また、分光干渉反射率測定ユニットは、従来より絶縁膜の膜厚測定に用いられている。
【００２６】
また、研磨残りの検出に、上記分光干渉反射率測定ユニットのほかに、下記エリプソメータを用いることも考えられる。
図３は、エリプソメータを説明するための概念図である。
図３において、２１は光源、２２は偏光子、２３は補償板、２４はサンプル（試料）としてのウェハ、２５は検証光子、２６はディテクターを示している。
エリプソメータは、光源２１から発せられた光を偏光子２２で偏光し、この偏光したＰ偏光とＳ偏光を補償版２３を通してウェハ２４に入射させ、検証光子２５及びディテクター２６を用いてその反射光の反射率（後述するＲｐ，Ｒｓ）を測定して、ΨとΔ（デルタ）の波長依存性を求め、これにより絶縁膜の膜厚を求めるものである。
詳細には、Ｐ偏光とＳ偏光の反射率をそれぞれＲｐ，Ｒｓとすると、下記式（１）の関係が得られる。
Ｒｐ／Ｒｓ＝ｔａｎ（Ψ）ｅｘｐ（ｉΔ）    …（１）
そして、この式（１）によりΨとΔの波長依存性を求め、さらに膜厚を求める。
【００２７】
次に、上記研磨装置における研磨方法について説明する。
先ず、ウェハを収納したキャリアをローダー１に載置する。
次に、搬送アーム３によりウェハをヘッド４まで搬送する。そして、ヘッド４によりウェハを保持する。
【００２８】
次に、プラテン５上でウェハを研磨する。例えば、図６（ｅ）に示すように、ウェハ上に形成された金属膜３８，３９を研磨する。その後、図６（ｆ）に示すように、絶縁膜３７の表面に、下層の金属配線（Ｃｕダマシン配線）３５の表面に形成されたディッシング３５ａに起因する研磨残り４０が発生する。
次に、研磨後のウェハを洗浄槽６において洗浄した後、乾燥部７においてウェハをリンス・乾燥する。
【００２９】
次に、検出機構２によりウェハ上に金属膜の研磨残り４０があるか否か、および研磨残り４０の量がいくらかを、以下の方法によって検出する。
ここで、絶縁膜の下層に金属配線層があるTa膜/SiO2膜:700nm/Cu膜:1000nm/Si基板からなる構造と、金属配線層がないTa膜/SiO2膜:1700nm/Si基板からなる構造とを用意した。そして、かかる構造においてＴａ膜の膜厚を変化させて、比較的安価に入手できるXenonランプ等で得られる波長２００ｎｍ〜８００ｎｍのマルチ波長光の反射率、ΨおよびΔの波長依存性をシミュレーションし、そのシミュレーション結果をそれぞれ図４および図５に示す。
【００３０】
図４は、Ta膜/SiO2膜:700nm/Cu膜:1000nm/Si基板からなる構造におけるＴａ膜の研磨残り量の変化に対して、反射率、ΨおよびΔの波長依存性の変化を示す図である。詳細には、図４（ａ）は分光干渉反射率測定ユニット（図２参照）により測定された反射率の波長依存性の変化を示す図であり、図４（ｂ），（ｃ）はそれぞれエリプソメータ（図３参照）により測定されたΨ、Δの波長依存性の変化を示す図である。
【００３１】
また、図５は、Ta膜/SiO2膜:1700nm/Si基板からなる構造におけるＴａ膜の研磨残り量の変化に対して、反射率、ΨおよびΔの波長依存性の変化を示す図である。詳細には、図５（ａ）は分光干渉反射率測定ユニットにより測定された反射率の波長依存性の変化を示す図であり、図５（ｂ），（ｃ）はそれぞれエリプソメータにより測定されたΨ、Δの波長依存性の変化を示す図である。
【００３２】
研磨後に残ったバリアメタル膜が十分薄く、その膜厚が１０ｎｍ以下であるとすると、金属膜でも光を透過する領域になるので、上記２つの装置によって絶縁膜上の薄い研磨残りを検出することが可能である。
図４と図５とを比べると、図４（ａ）に示す結果が、最もＴａ膜の膜厚変化に対してスペクトル変化が大きいことが分かる。従って、金属膜の研磨残りの量を精度良く検出するには、下層に金属配線層がある場所で、反射率の波長依存性を測定することが最もよいことが分かる。また、絶縁膜の膜厚７００ｎｍの近傍±５０ｎｍの周波数において、スペクトル変化が測定できることが分かる。
【００３３】
詳細には、図４（ａ）に示すように、波長６５０ｎｍ〜８００ｎｍにおいて、Ｔａ膜の膜厚が０ｎｍの場合すなわち研磨残りがない場合には、反射率が非常にフラットになっている。しかし、Ｔａ膜の膜厚が１０ｎｍの場合には、７００ｎｍあたりに反射率のピークがあり、Ｔａ膜の膜厚が薄くなるすなわち研磨残り量が少なくなるにつれて、このピークが広がっていく。なお、７００ｎｍは、絶縁膜の膜厚値である。
従って、Ｔａバリアメタル膜の研磨残りを感度良く検知するには、下層金属配線とバリアメタル残りとの間に形成された絶縁膜の膜厚とほぼ等しい波長±５０ｎｍでの反射率の波長依存性を測定し、そこでの反射率ピークの広がりを調べればよいことが分かる。
例えば、本実施の形態１では、波長６５０ｎｍ〜７５０ｎｍの波長１００ｎｍ分だけフラットなピークすなわち０．９以上の反射率になっていれば、研磨残りがないと判断する。今後の多層配線では、形成される絶縁膜の膜厚は２００ｎｍ〜８００ｎｍ程度であると考えられるので、絶縁膜の下方に下層金属配線がある場合に、１５０ｎｍ〜８５０ｎｍの波長での反射率スペクトルをシミュレーションし、実際のスペクトルと比較することが、金属膜の研磨残りを検出するのに有効である。この方法により、研磨残りの膜厚が０ｎｍ、２ｎｍ、１０ｎｍの何れかであるかを精度良く判別することができる。
【００３４】
上述したように、検出機構２は、下層金属配線上の絶縁膜に対して反射率測定を行うため、下層金属配線を探すための光学顕微鏡を備えている。よって、検出機構２としての分光干渉反射率測定ユニットは、光学顕微鏡を用いて絶縁膜の下方に下層金属配線を有する特定パターンを探し、その特定パターンの絶縁膜に対して、上記方法により反射率スペクトルを測定する。
【００３５】
以上のようにして、検出機構２により金属膜の研磨残りが検出されなかった場合には、ローダー１によりウェハをキャリア内に格納する。
一方、研磨残りが検出された場合には、ウェハを研磨機構５により追加研磨する。ここで、検出機構２により研磨残り量が検出されているので、ウェハは、その検出された研磨残り量に応じた時間だけ、研磨機構５により追加研磨される。その後、ウェハは洗浄部６および乾燥部７による処理を経て、キャリア内に格納される。
【００３６】
以上説明したように、本実施の形態１では、研磨装置に、金属膜の研磨残りを検出するための顕微鏡機能付き分光干渉反射率測定ユニット２を設けた。
これにより、金属膜の研磨残りを探すために、ウェハをアンロードして、研磨装置とは別の検査装置に搬送する必要がない。従って、ウェハキャリアへのウェハの出し入れ回数を減らすことができるため、パーティクルが付着する機会を低減することができる。また、研磨装置と検査装置との間の搬送の際に、金属膜の研磨残り４０の酸化を防止することができる。このため、研磨残り４０を追加研磨により簡単に除去することができる。
また、図４（ａ）に示すシミュレーション結果を用いて研磨残り４０の量を予測し、追加研磨を行う時間を設定することができる。すなわち、研磨残り量を、研磨残りの追加研磨にフィードバックすることができる。従って、研磨残りの追加研磨を精度良く行うことができる。このため、過剰な追加研磨を避けることができ、スループットが向上する。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、測定した研磨残り量に基づいて、追加研磨を精度良く行い、研磨残りの酸化を防止して、追加研磨を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１による研磨装置を説明するための概念図である。
【図２】  本発明の実施の形態１による研磨装置において、分光干渉反射率測定ユニットを説明するための概念図である。
【図３】  本発明の実施の形態１による研磨装置において、エリプソメータを説明するための概念図である。
【図４】  Ta膜/SiO2膜/Cu膜/Si基板からなる構造におけるＴａ膜の研磨残り量の変化に対して、反射率、ΨおよびΔの波長依存性の変化を示す図である。
【図５】  Ta膜/SiO2膜/Si基板からなる構造におけるＴａ膜の研磨残り量の変化に対して、反射率、ΨおよびΔの波長依存性の変化を示す図である。
【図６】  従来の半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１  ウェハローダー
２  検出機構（分光干渉反射率測定ユニット）
３  搬送アーム
４  保持機構（ヘッド）
５  研磨機構（プラテン）
６  洗浄槽
７  乾燥部
１１  光源
１２  ビームスプリッター
１３  集光光学系
１４  サンプル
１５  分光器
１６  ディテクター
２１  光源
２２  偏光子
２３  補償板
２４  サンプル
２５  検証光子
２６  ディテクター
【図１】
0003645226.tif 000002
【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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