(57)【要約】【課題】  化学機械研磨における処理の状態把握および制御のためにウエハ表面構造の遷移を検知する装置および方法を提供する。【解決手段】  化学機械研磨装置において、ウエハ搬送プレートに、研磨対象のウエハに非常に近接して位置するセンサを受け入れるための空洞を設ける。研磨パッドとウエハ露出表面との間の接触により生じるエネルギは、非常に短い距離のみで、センサに伝播され、センサによって感知され、ウエハの露出表面の構造と、その構造の遷移との性質に関するデータを提供する。相関方法は、感知されたエネルギを表面構造と遷移とに関連付けるグラフを提供する。相関グラフは、制御のための処理状態データを提供する。
2005522024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエハの表面構造を検知するシステムであって、
ウエハ取り付け面、および該ウエハ取り付け面から内部へと広がる少なくとも１つの空洞部を有するウエハ搬送ヘッドと、
前記空洞部内に挿入され、前記ウエハ取り付け面を通じて該空洞部内へと伝播されるエネルギに応答するセンサと
を備えるシステム。
【請求項２】
更に、前記ウエハ取り付け面に取り付けられ、該ウエハ取り付け面および前記空洞部内へ前記エネルギを伝播するキャリア膜を備える請求項１記載のシステム。
【請求項３】
請求項２記載のシステムであって、
前記キャリア膜は、物理的に連続しており、
前記センサは、渦電流場または振動エネルギの態様で伝播される前記エネルギに応答する
システム。
【請求項４】
請求項２記載のシステムであって、
前記キャリア膜は、前記空洞部に対応して位置する開口部を有し、
前記センサは、熱エネルギの態様で伝播される前記エネルギに応答する
システム。
【請求項５】
請求項２記載のシステムであって、
前記ウエハ表面は、該ウエハの前記表面構造を変化させる処理を受け、
前記センサは、前記キャリア膜表面に取り付けられた前記ウエハ表面に対して、前記キャリア膜を介して探査信号を発信し、音響信号，赤外線信号，渦電流信号の１つである前記探査信号が、前記処理される前記ウエハ表面に応じて変化し、前記キャリア膜を介して前記センサに伝播されると、前記センサが、前記キャリア膜を介して伝播された前記探査信号に応答することによって、前記表面構造の第１の変化を表す第１の出力信号および、前記表面構造の第２の変化を表す第２の出力信号を生成するよう構成される
システム。
【請求項６】
請求項５記載のシステムであって、
前記ウエハ取り付け面を介して伝播される前記エネルギは、第１および第２の振幅・周波数特性を有する振動エネルギであり、
前記第１の振幅・周波数特性は、前記第１のウエハ表面構造に対して固有の態様で変化し、
前記第２の振幅・周波数特性は、前記第２のウエハ表面構造に対して固有の態様で変化し、
前記センサは、前記第１の振幅・周波数特性を有する前記振動エネルギに応答することによって、前記第１のウエハ表面構造を表す前記第１の出力信号を生成し、前記第２の振幅・周波数特性を有する前記振動エネルギに応答することによって、前記第２のウエハ表面構造を表す前記第２の出力信号を生成する
システム。
【請求項７】
請求項１記載のシステムであって、
前記空洞部は、前記ウエハ搬送ヘッドの内部に広がる複数の空洞部であり、
前記複数の空洞部の各々は、前記ウエハの前記表面構造の変化を検出可能な前記ウエハ上における複数の部位の各々に対応して位置され、
更に、前記複数の空洞部の各々に挿入され、前記複数の部位の各々における前記ウエハの前記表面構造に起因するエネルギに対して個別に応答する複数の前記センサを備える
システム。
【請求項８】
請求項２記載のシステムであって、
前記ウエハの前記表面構造は、製造処理中に厚さが変化する金属部であり、
前記センサは、前記空洞部内に挿入される渦電流センサであり、前記製造処理中に前記キャリア膜だけを挟んで前記金属部との電磁誘導を引き起こし、該金属部の前記厚さに比例する出力信号を生成する
システム。
【請求項９】
請求項２記載のシステムであって、
前記ウエハの前記表面構造は、金属製被覆部の下層にある金属製パターン部を含み、
前記ウエハ取り付け面を通じて前記空洞部内へと伝播される前記エネルギは、前記金属製パターン部および前記金属製被覆部の製造処理における振動エネルギであり、
前記センサは、前記金属製被覆部の構造を表す第１の値、および前記金属製パターン部の構造を表す第２の値の合計値を有する前記振動エネルギに応答すると共に、前記第２の値を有し前記製造処理中に前記金属製被覆部が前記金属製パターン部から除去された際の構造を表す信号を出力する
システム。
【請求項１０】
半導体ウエハの表面上で実施される化学機械研磨工程に起因する該表面の表面構造を表す相関データを取得する方法であって、
第１の相関ウエハの前記表面上において前記化学機械研磨工程を受ける初期の表面構造を取り囲む領域を特定する工程と、
前記領域における前記初期の表面構造上で、該初期の表面構造に起因する第１のエネルギ出力を放出させる第１の前記化学機械研磨工程を実施する実施工程と、
前記第１の化学機械研磨工程中の前記初期の表面構造に固有であり前記第１の化学機械研磨工程中に放出される前記第１のエネルギ出力についての第１のエネルギ特性を検出する検出工程と、
前記領域における前記初期の表面構造の下層にある下層の表面構造を有する第２の相関ウエハに対して前記実施工程および前記検出工程を反復する反復工程によって、前記下層の表面構造に起因する後続のエネルギ出力の少なくとも１つを放出させ、前記下層の表面構造に固有である後続のエネルギ特性の少なくとも１つを検出する検出工程と
を備える方法
【請求項１１】
請求項１０記載の方法であって、
更に、前記第１のエネルギ特性および前記後続のエネルギ特性を２つの変数に編成する工程を備え、
前記変数の一方は、前記表面構造を表す変数であり、
前記変数の他方は、前記化学機械研磨工程中に取得されたデータを表す変数である
方法。
【請求項１２】
請求項１０記載の方法であって、
前記第１および後続のエネルギ出力は、各相関ウエハの表面下の層厚に比例し、
前記第１および後続のエネルギ特性を検出する工程は、各相関ウエハの表面下の層厚を検出する工程である
方法。
【請求項１３】
請求項１０記載の方法であって、
前記第１および後続のエネルギ出力は、前記領域内における前記表面の均一性に比例し、
前記第１および後続のエネルギ特性を検出する工程は、前記領域内における前記表面の均一性の度合を検出する工程である
方法。
【請求項１４】
請求項１０記載の方法であって、
前記領域内における前記初期の表面構造の下層にある前記下層の表面構造の少なくとも１つは、パターン層であり、
前記初期の表面構造は、前記化学機械研磨工程中に除去される被覆層であり、
前記後続のエネルギ出力は、前記パターン層に固有である振幅・周波数特性を有し、
前記反復される検出工程の１つは、前記後続のエネルギ特徴を前記パターン層に固有である振幅・周波数データの態様で検出する工程である
方法。
【請求項１５】
請求項１０記載の方法であって、
前記化学機械研磨工程を受ける前記第１の相関ウエハの前記初期の表面構造は、平坦ではない第１の形状を有し、前記化学機械研磨工程によって平坦な第２の形状となり、
前記反復工程は、更に、
前記第１の形状を有する前記初期の表面に対して前記第１の化学機械研磨工程を実施する実施工程、および前記第１のエネルギ特性を検出する検出工程の後、前記第１の相関ウエハの前記領域に対して第２の化学機械研磨工程を実施することによって、前記領域の前記表面構造を前記第２の形状に変え、前記第２の形状に起因する前記後続のエネルギ出力を放出させる工程と、
前記第２の形状の前記表面構造に固有である前記後続のエネルギ特性を検出する工程と
を含む方法。
【請求項１６】
前記検出工程の各々は、前記ウエハが前記化学機械研磨工程を受けている際に、該ウエハの前記特定された領域に対して直接的に対向する裏面の部分から約２ｍｍ以下で離間する位置で、前記第１および後続のエネルギ出力を感知する工程を含む請求項１０記載の方法。
【請求項１７】
生産ウエハ上で実施される化学機械研磨工程を制御する方法であって
ウエハ−パッド境界面において前記ウエハの前表面を研磨パッドにさらす搬送ヘッドに前記生産ウエハを取り付ける工程であって、
前記ウエハの前記前表面および前記境界面は、複数の表面構造が下層に配置される少なくとも１つの領域を有し、
前記複数の表面構造は、互いに積層されると共に、前記化学機械研磨工程のためにさらされる前記ウエハの前記前表面に当初は最も近い上層表面構造を少なくとも１つ含み、更に、前記ウエハの前記前表面から裏面方向へと当初は最も遠く離間する最終表面構造を含む
工程と、
前記研磨パッドにより前記ウエハ−パッド境界面の前記領域からエネルギが放出されるように、前記ウエハの前記領域に対して化学機械研磨工程を実施する工程と、
前記生産ウエハと同様な相関ウエハの対応領域における前記表面構造の各々の１つに対して実施された以前の化学機械研磨工において放出されたエネルギに対応し前記相関ウエハの前記最終表面構造に対応する部分を含む第１のデータを含むデータセットを用意する工程と、
前記生産ウエハの前記表面構造の各々の１つに対して実施された前記化学機械研磨工程中に前記生産ウエハの前記ウエハ−パッド境界面から放出されたエネルギを観察する工程と、
実施中の前記化学機械研磨工程において前記生産ウエハの前記ウエハ−パッド境界面の前記領域から放出される前記エネルギを、前記相関ウエハの前記最終表面構造に対応する前記第１のデータの前記部分と比較する工程と、
前記実施中の化学機械研磨工程において前記領域から放出される前記エネルギが、前記相関ウエハの前記最終表面構造に対応する前記第１のデータの前記部分と実質的に同一であると前記比較工程によって判断される際に、前記実施中の化学機械研磨工程を中断する工程と
を備える方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の方法であって、
前記表面構造の少なくとも１つは、不均一なパターン構造を含み、
前記表面構造の別の少なくとも１つは、均一な表面形状構造を含み、
前記データセットを用意する工程は、
前記パターン構造に対応する１つのデータセットを用意する工程と、
前記均一な表面形状構造に対応する１つのデータセットを用意する工程と
を含み、
前記パターン構造に対応する前記１つのデータセットは、前記均一な表面形状構造に対応する振動振幅・周波数特性とは実質的に異なる振動振幅・周波数特性を含む
方法。
【請求項１９】
請求項１７記載の方法であって、
前記表面構造の少なくとも１つは、前記ウエハの前記表面から第２の表面形状までの厚さとは異なる前記ウエハの前記表面からの厚さを有する第１の表面形状を含み、
前記データセットを用意する工程は、
前記第１の表面形状に対応する第１のデータセットを用意する工程と、
前記第２の表面形状に対応する第２のデータセットを用意する工程と
を含み、
前記第１のデータセットは、前記第１の表面形状の前記厚さを定量的に表すデータを含み、
前記第２のデータセットは、前記第２の表面形状の前記厚さを定量的に表すデータを含む
方法。
【請求項２０】
請求項１７記載の方法であって、
前記表面構造の少なくとも１つは、不均一な表面形状を含み、
前記表面構造の別の少なくとも１つは、実質的に平坦な表面形状を含み、
前記データセットを用意する工程は、
前記不均一な表面形状に対応する第１のデータセットを用意する工程と、
前記実質的に平坦な表面形状に対応する第２のデータセットを用意する工程と
を含み、
前記第１のデータセットは、前記不均一な表面形状を有する前記領域の下にある前記ウエハの前記厚さを定量的に表すデータを含み、
前記第２のデータセットは、前記実質的に平坦な表面形状を有する前記領域の下にある前記ウエハの前記厚さを定量的に表すデータを含む
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造に関し、特に、化学機械研磨における処理の状態把握および制御のためにウエハ表面構造の遷移を検知する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造中、集積回路は、種々のパターン層を積層して形成することによって半導体ウエハ上に形成される。これら積層されるパターン層は、ウエハの表面形状（表面トポグラフィ）に影響を与える。表面形状は、製造中に、不規則、すなわち不均一（つまり不均質）になる。これらの不規則な形状は、後続の処理工程において問題となり、例えば、写真平版により微細な形状を有するパターンを印刷する工程において特に問題となる。表面形状が滑らかでなければ、表面形状の不規則な形状の累積的な影響は、機器の故障や歩留まりの低下を引き起こすことがある。
【０００３】
不規則な形状を滑らかにするために平坦化処理が行われる。平坦化処理の一形態としては、化学機械研磨（ＣＭＰ）が知られている。一般に、ＣＭＰ処理には、ウエハを保持し回転させる工程と、回転中のウエハを研磨パッドに押し当てる工程とが含まれる。研磨を補助するために、パッドには研磨溶液（スラリ）が塗布される。ＣＭＰ工程中に遭遇する問題は、ＣＭＰ処理中の「状態」の検知である。この状態としては、表面形状が所望の平坦度に達する状態や、材料が所望の膜厚でウエハ表面に形成される状態が挙げられる。状態の他の例としては、処理される材料の組成に関する状態があり、例えば、所望のパターン内の所定の材料がウエハの露出面の一部として形成されるように、所定の材料がウエハから除去される状態が挙げられる。追加として、状態としては、例えば、被覆材料の除去のように処理における別の点が達成される状態が挙げられる。更に、状態としては、処理される材料の電気抵抗が変化する状態が挙げられる。
【０００４】
各状態は、半導体ウエハの構造およびウエハ上の膜の構造に関係する。その構造としては、例えば、表面形状，膜厚，材料組成，反射率，抵抗率，膜質などが挙げられる。
【０００５】
こうした状態の検知を行う従来の方法には、独立型の検査計測を容易に行うに、半導体ウエハを処理機器から取り出す工程が含まれる。また、後述するように、現場測定（ｉｎ−ｓｉｔｕ）方法も利用される。現場測定方法は、レーザ干渉法や広帯域分光反射解析法を用いて、機器からウエハを取り出すことなくウエハ表面の構造を観察する。また、後述するように、振動センサを、ウエハ搬送プレートを支えるヘッド上におけるウエハから離れた位置に取り付けることも行われる。
【０００６】
レーザ干渉法や分光反射解析法による現場測定方法では、通常、研磨パッドに特別に形成された窓を通じてウエハ表面を観察する必要がある。図１は、ウエハ１０２における層の厚さ構造を測定するための従来の現場測定装置を概略的に示す説明図である。ウエハ１０２は、回転するキャリア１０４に支持される。ＣＭＰ工程中には、ウエハ１０２は、ウエハ１０２の表面１０７を平坦化するために、スラリが塗布された状態でパッド１０６に押し付けられる。パッド１０６は、プラテン１０８によって支持される。プラテン１０８およびパッド１０６の窓１１０を通じて、レーザ部１１２からの光線によりウエハ１０２の表面１０７を観察することが可能である。パッド１０６およびプラテン１０８は、図中の矢印１１４で示す軸周りで回転することが可能であり、キャリア１０４は、パッド１０６およびプラテン１０８が回転する際に、図中の矢印１１６で示す軸周りでウエハ１０２を回転させる。欧州特許第ＥＰ０，７３８，５６１Ａ１号および第ＥＰ０，８２４，９９５Ａ１号には、レーザ干渉計についての詳細が開示されている。
【０００７】
ＣＭＰ工程における現場測定で遭遇する問題は、ウエハ１０２の表面１０７と、窓１１０との間の隙間１１８の環境が、スペクトル信号の変動に影響を与えることである。スペクトル信号の変動は、通常、ＣＭＰ処理における動的環境および研磨状況や、副産物の堆積に起因して変化する光学特性を有する。乱流による気泡と同様に、ウエハ１０２およびパッド１０６からのスラリや残留物も、隙間１１８の環境によって生じる光学的変動に影響を与える。例えば、ＣＭＰ処理の開始時には、隙間１１８は、所定の光学的性質を有するスラリで満たされ、この初期の光学的性質に基づいて較正が実施される。しかしながら、ウエハ１０２が平坦化されるにつれて、スラリに含まれるウエハ１０２およびパッド１０６からの残留物の割合は増加する。そのような残留物は、隙間１１８内のスラリの光学的性質を変化させるため、厚さ特性の測定に誤りを発生させる。誤りが発生するのは、レーザ部１１２と協働する終点検出器が、隙間１１８内のスラリ若しくは流体のみの初期の光学的性質に基づいて較正される場合や、厚さ構造以外の要因で光学的性質が変化する場合である。窓１１０をパッド１０６内の異なる高さに配置することも可能であるが、隙間１１８は、窓１１０がウエハ１０２と接触しないように常に存在することになる。米国特許第６，１４６，２４２号には、研磨パッド内の窓の下に配置された光学終点窓について開示されている。
【０００８】
現場測定は、更に、その他の制限を受ける。通常、プラテン１０８内の窓１１０の位置は、ウエハ１０２とプラテン１０８とがそれぞれの軸で回転する際に、周期的にのみウエハ１０２と重なる。その結果、プラテン１０８内の窓１１０は、レーザ部１１２がウエハ１０２を絶えず照射しないようにシャッタとして機能する。更に、シャッタ動作は、ウエハ１０２から反射されたレーザ光を受光する光学機器による周期的な応答だけを許可する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＣＭＰ工程における現場測定の制限を考慮して、ＣＭＰ工程中の振動を感知する試みがなされてきた。しかしながら、図１Ｂを参照すると、通常の振動センサ１３０は、ウエハ１３４とパッド１３８との間の境界面１３４から離れた状態でヘッド１３２に取り付けられるため、ウエハ−パッド境界面１３４とセンサ１３０との間には、有意な機械的構造が存在する。その構造としては、ウエハ搬送プレート１４０と、搬送プレート１４０を回転駆動部１４４に連結するコネクタ１４２とが挙げられる。ウエハ搬送プレート１４０およびコネクタ１４２は、境界面１３４からの振動の伝播（矢印１４６参照）を妨げる。その結果、離れた位置でＣＭＰ処理が行われるウエハ−パッド境界面１３４におけるウエハ特性に基づく振動１４６と比較して、構造の物理特性に起因する振動（矢印１４８参照）は、センサ１３０によってより強く受け取られる。したがって、処理振動１４６は、離れて位置するセンサ１３０へ移動するにつれて減衰する傾向にある。更に、その振動１４６は、構造の物理特性から生じる振動１４８と比較して弱く、ＣＭＰ処理振動１４６の分解能が低下してしまう傾向があり、処理振動１４６の信号体雑音比が低下してしまうこともある。その結果、遠隔センサ１３０は、ウエハ−パッド境界面１３４におけるウエハ特性を正確に示さない信号を出力する傾向にあるため、ＣＭＰ処理の状態が正確に示されない場合がある。したがって、不正確な出力信号を用いたＣＭＰ処理の制御も、不正確となる傾向となる。
【００１０】
従来の現場測定および振動感知の制限は、例えば、状態遷移の検出において問題を発生させてきた。状態遷移は、ウエハ表面または膜の表面構造における重要かつ特徴的な変化であり、この変化は、ウエハのＣＭＰ処理中に、パッドおよびウエハが相互に作用する境界面や、ウエハ表面に生じる。
【００１１】
その結果、ウエハおよび膜の構造における遷移を検出する方法および装置が必要である。研磨パッドを通じてウエハを観察する光学システムの制約を回避しつつ遷移を検知する必要がある。したがって、研磨中に発生する任意の遷移を検知するために、研磨表面の構造や、パッド／ウエハ境界面に関連する要因の少なくとも一方を絶えず観察するシステムおよび検査方法が必要である。更に、ＣＭＰ処理の状態把握および制御のために、従来の遠隔振動センサのように離れた位置ではなく、ウエハに最接近して、最も好ましくはウエハ搬送プレート内で、ウエハ表面の構造を検知する方法および装置が必要である。これに関連して、ウエハおよびパッドが相互に作用する境界面と、ウエハ表面との少なくとも一方において生じる構造の変化を反映する要因の変動を感知する改良技術が必要である。改良技術では、処理に基づく振動が感知される前に減衰してしまうのを回避し、構造の物理特性に基づく振動と比較して、処理に基づく振動を強く受け取るようにし、分解能を向上させ、処理振動の信号対雑音比を改善する。加えて、ウエハ表面の異なる領域における異なる構造の変化を感知するために、例えば、従来の現場測定センサの大多数によって感知される相対的に小さなウエハ表面積と比較して、感知されるウエハ面積の量を増加させる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
要するに、本発明は、ＣＭＰ処理の状態把握および制御のために、化学機械研磨におけるウエハ表面またはウエハ／パッド相互作用境界面でのウエハ構造の電気的，表面形状的，組成的な遷移といった遷移を検知する装置および方法を提供することで、こうした必要性を満たす。こうした装置および方法は、例えば、研磨パッド内の限られたサイズの窓を通じてウエハを調べる従来の光学システムの制限を回避する。こうした方法および装置は、更に、こうした研磨において発生する任意の遷移を検知するために、研磨表面およびパッド／ウエハ境界面の少なくとも一方に結びつくパラメータの特性を絶えず観察するシステムおよび方法の必要性を満たす。こうした方法および装置は、更に、従来の遠隔振動センサのように離れた位置ではなく、ウエハに最接近した位置、最も好ましくは、ウエハ搬送プレート内の位置で、ウエハ表面の構造を感知するＣＭＰ処理の状態把握および制御を実現する方法および装置の必要性を満たす。
【００１３】
こうした必要性を満たす装置は、ウエハの表面構造を検知するシステムを含んでも良い。システムは、ウエハ取り付け面と、ウエハ取り付け面から内部へと広がる少なくとも１つの空洞部を有するウエハ搬送ヘッドを備えても良い。センサは、空洞部に挿入され、ウエハ取り付け面を通じて空洞部へと伝播されるエネルギに応答する。空洞部の入口は、機械的な開口（例えば、物理的な穴）や、機能的な開口（例えば、閉鎖されているが感知対象の適切な信号に対して透過性を有する窓口）であっても良い。更に、ウエハ取り付け面にキャリア膜が取り付けられても良く、感知対象のエネルギの種類に応じて、機械的な開口や機能的な開口を同様に有することとしても良い。
【００１４】
本発明は、更に、異なる構造を有するウエハ表面が摩擦に基づくＣＭＰ材料除去工程を受ける際に発生する振動を感知する改良された方法を提供する必要性を満たす。こうした改良された方法は、処理に基づく振動が感知される前に、こうした振動が減衰するのを回避し、構造の物理特性に基づく振動と比較して、処理振動の確実に感知し、分解能を向上させ、処理振動の信号対雑音比を向上させる。こうした改善された方法は、更に、（例えば、最も効率的な周波数範囲を使用することによって）感知範囲の最適化を可能にする。加えて、本発明は、例えば従来の現場検査センサによって感知される相対的に小さなウエハ表面積と比較して、感知されるウエハ面積の量を増加させる必要性を満たす。
【００１５】
本発明は、装置，システム，デバイス，方法を含め多数の形態で実施可能である。本発明のいくつかの発明実施形態について以下説明する。
【００１６】
一実施形態においては、特定の領域の構造が変化するウエハ前表面の化学機械処理中に、ウエハ前表面の特定の領域の構造の変化を検知するためのシステムが提供される。研磨ヘッド、すなわちウエハ搬送部は、ウエハ取り付け面と、ウエハ取り付け面の同一平面上にある開口部を有する空洞部とを備えて構成され、空洞部は、ウエハ取り付け面から内部へと広がり、特定の領域に対応して構成される。ウエハを硬いウエハ取り付け面から分離する薄いキャリア膜または裏面膜は、ウエハ取り付け面に取り付けられ、ウエハの裏面を固定するために開口部を横切って広がる。この裏面膜は、表面の化学機械処理中にウエハ前表面の特定の領域から放出されるエネルギの空洞部内への伝播を可能にするように構成される。センサは、裏面膜を通じて伝播されたエネルギに応答するために、空洞部内に挿入される。センサは、前表面の化学機械処理中に前表面の特定の領域の一構造に応答して、センサが特定の領域の一構造を表す第１の信号を生成するように構成される。センサは、更に、こうした化学機械処理中に前表面の特定の領域の別の構造に応答して、センサが特定の領域の他の構造を表す第１の信号を生成するように構成される。
【００１７】
別の実施形態では、ウエハ前表面の２つ以上の分離領域の構造における変化を検知するためのシステムが提供される。検知は、分離領域の各々の領域が変化することになる前表面の化学機械処理中に行われる。第１の分離領域は、化学機械処理中に厚さが変化する金属被覆を備えて構成される。第１の分離領域は、金属被覆の下の金属パターンを備えて構成される。構造変化の一つは、化学機械処理中の（ウエハ前表面上の）パターン化金属部からの金属被覆の除去時に、金属被覆の厚さがゼロになる遷移である。ウエハ搬送部は、ウエハ取り付け面と、２つ以上の分離領域の各々に対応する空洞部とを備えて構成される。各空洞部は、ウエハ取り付け面から搬送部の内部へと広がり、分離領域の各々の１つに対応して構成される。薄い裏面膜は、ウエハ取り付け面に取り付けられ、ウエハの裏面を固定するために空洞部の開口部に渡って広がる。膜は、表面の化学機械処理中にウエハ前表面の各分離領域から放出されるエネルギを伝播するように構成され、膜は、エネルギを各空洞部に伝播する。この実施形態では、渦電流プローブが、第１の領域に対応する空洞部に挿入され、ウエハ前表面の金属部との電磁誘導結合に応答する。渦電流センサは、厚さを表す第１の信号を生成するために、前表面の化学機械処理中に前表面の金属部の厚さに応答するように構成される。この実施形態では、振動センサが、第１の領域に対応する空洞に挿入され、ウエハ前表面／研磨パッド境界面における化学機械相互作用の結果として発生しウエハ前面金属部または誘電体層からシリコンウエハを通じ最終的に裏面膜を通じて振動センサに伝播される振動エネルギに応答する。振動センサは、前表面の化学機械処理中において振動エネルギに応答し、層の厚さ，組成，表面形状の遷移といった前表面のウエハ構造の変化を表す第１の信号を生成するように構成される。
【００１８】
更なる実施形態では、ウエハ膜構造−センサ応答相関データを取得する方法が提供される。このデータは、１つ以上の既知の相関半導体ウエハの表面層の構造を表す。その方法は、相関ウエハの１つの表面上の領域を特定する工程を含む。その領域は、厚さのような既知の初期表面構造を包含する。別の方法の工程では、領域内の初期表面構造に対して第１の化学機械研磨工程を実施する。第１の化学機械研磨工程により、初期表面構造は、第１のエネルギ出力を放出する。更なる方法の工程では、第１の化学機械研磨工程中に放出された第１のエネルギ出力の第１のエネルギ特性を検出する。第１のエネルギ特性は、第１の化学機械処理工程中の初期表面構造に固有のものであり、例えば、放出する初期表面構造に最も隣接するセンサによって出力される信号にしても良い。したがって、こうした第１のエネルギ特性、または信号は、初期表面構造のＣＭＰ処理中の初期表面構造を表し、ウエハ膜構造−センサ応答相関データの一事項を提供する。別の方法の工程では、特定済み領域内の少なくとも１つの最終的な厚さのような既知の下層表面構造を備えた露出表面を有する別の相関ウエハに関して、実施および検出工程が反復される。こうした実施および検出工程により、既知の下層表面構造は、少なくとも１つの後続のエネルギ出力を放出し、既知の下層表面の厚さである少なくとも１つの既知の下層表面構造に固有の少なくとも１つの後続のエネルギ特性を検出する。後続のエネルギ特性は、後続の化学機械処理工程中の既知の下層表面構造に固有であり、例えば、放出する下層表面構造に最も隣接するセンサによって出力される後続の信号にしても良い。したがって、こうした後続のエネルギ特性または信号は、下層表面構造の後続のＣＭＰ処理中の後続の表面構造を表し、ウエハ膜構造−センサ応答相関データの別の事項を提供する。
【００１９】
更に別の実施形態では、ウエハ膜構造−センサ応答相関データを取得するために使用された相関ウエハと同じ特性を有する生産ウエハ上で実施される化学機械研磨工程を制御するための方法が提供される。その方法の工程は、ウエハ−パッド境界面において生産ウエハの前表面を研磨パッドにさらすウエハ搬送部に生産ウエハを取り付ける工程を含む。生産ウエハの前表面および境界面は、複数の表面構造が下層に配置される少なくとも１つの領域を有する。表面構造は、互いに積層されると共に、化学機械研磨工程のためにさられさる生産ウエハの前表面に当初は最も近い上層表面構造を少なくとも１つ含む。表面構造は、更に、生産ウエハの前表面から裏面方向へと当初は最も遠く離間する最終表面構造を含む。こうした各構成は、例えば、対応する相関ウエハの上記の構造の１つを有しても良い。別の工程では、研磨パッドにより、境界面における表面構造の特性に従って、ウエハ−パッド境界面の領域からエネルギが放出されるように、生産ウエハの領域に対して化学機械研磨工程が実施される。上記の方法に従って取得されたウエハ膜構造−センサ応答相関データの形態のデータセットを用意しても良い。こうした相関データは、例えば、
生産ウエハと同様な相関ウエハの対応領域における表面構造の各々の１つに対して実施された以前の化学機械研磨工において放出されたエネルギに対応する第１のデータを含んでも良い。第１のデータは、相関ウエハの最終表面構造の最終特性に対応するデータ部分を含む。工程では、生産ウエハの表面構成の各々の１つに対して実施された化学機械研磨工程中に生産ウエハのウエハ−パッド境界面から放出されたエネルギを観察する。放出されたエネルギは、境界面における表面構造の特性に関連する。次の工程では、実施中の化学機械研磨工程において生産ウエハのウエハ−パッド境界面の領域から放出されたエネルギを、相関ウエハの最終表面構造の特性に対応する第１のデータのデータ部分と比較する。相関ウエハの例において、データは、最終表面構成である既知の下層表面の最終的な厚さを表す。最後の工程では、実施中の化学機械研磨工程において領域から放出されるエネルギが相関ウエハの最終表面構成の特性に対応する第１のデータの部分と実質的に同じになった際に、実施中の化学機械研磨工程を中断する。
【００２０】
本発明のその他の態様および利点は、本発明の原理を例示する添付図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかになる。
【００２１】
本発明は、同様の参照符号が同様の構造要素を示す添付図面と併せて、以下の詳細な説明を参照することで容易に理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明として、ＣＭＰ処理の状態把握および制御のために化学機械研磨におけるウエハ表面およびウエハ／パッド相互作用境界面での表面構造および遷移を検知する方法および装置について説明する。発生する任意の遷移を検知するために、研磨表面およびパッド／ウエハ境界面の少なくとも一方に結びつくパラメータの特性を絶えず観察するシステムおよび方法についての詳細を説明する。更に、従来の遠隔振動センサのように離れてではなく、ウエハにごく近接した位置、好ましくはウエハ搬送プレート内の位置で、ウエハ表面の特性を感知するＣＭＰ処理状態および制御方法について説明する。しかしながら、こうした具体的な詳細の一部または全部を伴わずに本発明を実施し得ることは、当業者には明らかである。また、周知の処理工程については、本発明を曖昧にしないため詳細に説明しない。
【００２３】
ウエハの不均一な表面については、図２Ａないし２Ｅを参照することで理解され得る。図２Ａには、半導体ウエハ２００が平面図で図示されている。半導体ウエハ２００は、例えば、２００ｍｍまたは３００ｍｍの直径を有する円盤などである。本発明の説明の目的のため、領域２０２がウエハ２００上に特定される。領域２０２は、ウエハ２００の垂直に連続する例示的な層２０４（図２Ｂないし２Ｅ）に渡る範囲を定める。図２Ｂないし２Ｅの断面は、領域２０２の内部および下層に存在する。図２Ｂは、ウエハ２００がＣＭＰ処理を受ける前の層２０４の種々の構造を例示する。領域２０２の内部および下層では、層２０４は、ウエハ２００の裏面２０６と、ＣＭＰ処理のために露出されＣＭＰ研磨パッド２０９と接する前表面すなわち露出表面２０８との間に介在する。明確に例示するため、パッド２０９および露出表面２０８は、間隔を空けて図示されている。
【００２４】
領域２０２の内部および下層には、裏面層すなわち支持層２０４−Ｂが、前表面２０８から間隔を置いた下層金属層２０４−ＬＭを支持する。下層金属層２０４−ＬＭと露出層２０８との間、および領域２０２の内部には、拡散層２０４−Ｄを形成しても良い。拡散層２０４−Ｄの上層には、誘電体層２０４−ＤＩを形成しても良い。誘電体層２０４−ＤＩの一部は、例えば、トレンチすなわちプラグ２０４−Ｔを形成するために、エッチングによって除去される。誘電体層２０４−ＤＩの上層およびトレンチ２０４−Ｔの内部には、２つの部分から成る被覆層２０４−Ｏ（図２Ｂおよび２Ｃ）を形成しても良い。被覆層２０４−Ｏは、薄い拡散障壁２０４−ＤＢ（例えば、Ｔａ，ＴａＮ，ＴｉＮ，ＷＮ）と、上層金属層２０４−ＵＭ（例えば、Ｃｕ）をから形成しても良い。例えば、金属層２０４−ＬＭ，２０４−ＵＭは、Ｃｕ，Ｗ，Ａｌであっても良い。例えば、誘電体層２０４−ＤＩは、シリカ（ＰＥＴＥＯＳ），フッ化シリカの他、登録商標ＣＯＲＡＬ，ＢＬＡＣＫ  ＤＩＡＭＯＮＤで販売される商品などの低誘電率誘電体材料であっても良い。
【００２５】
図２Ｂに示すウエハ２００は、上述した層２０４をＣＭＰ処理前の状態で備える。領域２０２内において、露出表面２０８は、被覆層２０４−Ｏの一部である上層金属層２０４−ＵＭによって構成されている。上層金属層２０４−ＵＭは、露出表面２０８の種々の表面構造のうち、一態様の表面構造２１０を有する状態で図示されている。上述のように、構造は、例えば、表面形状（平坦性等），厚さ，材料組成，反射率，抵抗率，膜の品質などを含むこととしても良い。図２Ｂに示す構造は、領域２０２内の露出表面２０８における不均一で波状すなわち不平坦とも例示される形状的な構造である。形状的な表面構造（図２Ｂの２１０−ＮＵを参照）は、本発明の検知・制御対象である表面構造２１０の１つである。図２Ａを参照すると、複数の他の領域２０２−Ｏをウエハ２００の露出表面２０８上に特定し、他の領域２０２−Ｏの各々が別の垂直に連続する例示的な層２０４に渡る範囲を定めることとしても良い。他の垂直に連続する例示的な層２０４は、例えば、領域２０２によって定められる層２０４とは異なる層２０４であっても良い。
【００２６】
ＣＭＰ処理の代表的な目的は、露出表面２０８を平滑化すなわち平坦化することである。領域２０２に関するＣＭＰ処理を説明すると、例えば、露出表面２０８（不均一な形状の表面構造２１０−ＮＵを有するもの）は、図２Ｃに図示するように均一な表面構造２１０−Ｕにするために、領域２０２内において平滑化すなわち平坦化が実施される。ＣＭＰ処理中には、領域２０２におけるパッド２０９と露出表面２０８との間のウエハ−パッド相互作用境界面２１２で摩擦接触が起こる（図２Ｂ，２Ｃにおいて、接触を上部の破線により図示する）。本発明の原理によれば、ウエハ−パッド境界面２１２における露出表面２０８と研磨パッド２０９との間の摩擦接触は、表面構造２１０の特徴に応じて変化する。その変化は、領域２０２におけるウエハ−パッド境界面２１２全体の一部に応じて発生する。例えば、摩擦接触は、ウエハ２００の露出面２０８またはウエハ−パッド相互作用境界面２１２で発生する遷移の態様（例えば、電気的，形状的，組成的なもの）に応じて変化する。
摩擦接触によって、エネルギＥ（各図において矢印Ｅで示す）が、ウエハ２００の露出表面２０８で発生する。エネルギＥは、例えば、露出表面２０８またはウエハ−パッド相互作用境界面２１２から伝導，放出，伝播されるものとして現すことができる。伝導，放出，伝播という用語は、総合的に、露出表面２０８に関する情報やデータ、すなわちエネルギＥの発生源として露出表面２０８（およびウエハ−パッド境界面２１２）を捉えるものである。露出表面２０８およびウエハ−パッド境界面２１２からのエネルギＥの量（例えば、強度）や態様は、領域２０２における摩擦接触の変化に伴い変わる。
【００２７】
ＣＭＰ処理によって、領域２０２における露出表面２０８の表面構造２１０は、例えば、不均一な（例えば、波状の）態様の構造２１０−ＮＵから、図２Ｃ図示する均一な（例えば、平坦な）表面構造２１０−Ｕへと変化する。摩擦接触の特性は、表面構造２１０が変化するのに従って変化し、露出表面２０８およびウエハ−パッド境界面２１２からのエネルギＥの量や態様は、処理中の表面構造２１０の態様に応じて変化する。不均一から均一への変化は、本発明によって検知・制御可能な領域２０２における表面構造２１０の変化の１つである。
【００２８】
図２Ｃおよび２Ｄは、露出表面２０８の表面構造２１０についての別の態様の形状的な遷移すなわち変化を図示する。その変化は、裏面２０６からの露出表面２０８の位置である。その位置は、ウエハ２００の厚さＴの変化に伴い変化し、表面構造２１０−Ｔに対応する（図３Ｄおよび３Ｅに例示する構造２１０−Ｔ１および２１０−Ｔ２を参照）。厚さＴの値は、例えば、図２Ｄよりも図２Ｃにおいて大きい。その厚さＴは、本発明によって測定可能な定量的な特徴である。また、領域２０２における厚さＴの変化は、本発明によって検知・制御可能な表面構造２１０−Ｔの変化の１つである。
【００２９】
また、図２Ｃおよび２Ｄは、ＣＭＰ処理により厚さＴが変化する際に、被覆層２０４−Ｏの上層金属層２０４−ＵＭの部分が「除去」され、拡散障壁２０４−ＤＢとトレンチ２０４−Ｔ内のＣｕとが露出表面２０８（図２Ｄ）になることを図示する。表面構造２１０−ＣＵＭ（図２Ｄ）は、上層金属層２０４−ＵＭが除去され、拡散障壁２０４−ＤＢとトレンチ２０４−Ｔ内のＣｕとが露出表面２０８を構成する状態で残された際に形成される。表面構造２１０−ＣＵＭは、上層金属部の除去を判別するために用いられる。露出表面２０８の組成を変化させる上層金属層２０４−ＵＭの除去は、本発明によって感知可能な遷移の例である。
【００３０】
遷移を感知すること、この例においては組成的な遷移を感知することは、重要である。例えば、ＣＭＰ処理には、上層金属層２０４−ＵＭに対する処理と、拡散障壁２０４−ＤＢに対する処理とでは、異なる消耗物および処理条件が必要とされる。したがって、ＣＭＰ処理中には、上層金属層２０４−ＵＭから、拡散障壁２０４−ＤＢとトレンチ２０４−Ｔ内のＣｕとへの組成的な遷移を検出できることが重要となる。その検出によって、拡散障壁２０４−ＤＢとトレンチ２０４−Ｔ内のＣｕとを適切に処理するために、ＣＭＰプロセスに適切かつ即時的な変更を加えることが可能となる。同様にして、その他の遷移を感知することによって、他の適切かつ即時的な変更をＣＭＰプロセスに加えることが可能となる。
【００３１】
拡散障壁２０４−ＤＢとトレンチ２０４−Ｔ内のＣｕとへの組成的な遷移によって不均一となる露出表面２０８を、表面構造２１０−ＮＵから判別しても良い。表面構造２１０−ＮＵの不均一性は、材料自体の異なる組成（図２Ｃでは、表面構造２１０−Ｃとして示す）に起因する。また、不均一性は、例えば、誘電体層２０４−ＤＩ，拡散障壁２０４−ＤＢ，金属化層２０４−ＵＭをウエハ２００上に積層させた形態（図２Ｅでは、表面構造２１０−Ｐとして示す）にも起因する。したがって、領域２０２におけるウエハ−パッド境界面２１２から放出されるエネルギＥの量や態様は、異なる例示的材料（例えば、トレンチ２０４−Ｔ内のＣｕ，誘電体層２０４−ＤＩのシリカ）自体と、障壁２０４−ＤＢや層２０４をウエハ２００上に積層させた形態との各々に起因する摩擦接触の変化に伴い変化する。
【００３２】
また、図２Ｃないし２Ｅは、ＣＭＰ処理によって厚さＴが変化する際に、被覆層２０４−Ｏの上層金属層２０４−ＵＭの部分が除去されるに従って、電気的な遷移が存在することを図示する。上層金属層２０４−ＵＭをＣｕで形成することができ、一般に当初は相対的に厚いため、上層金属層２０４−ＵＭは、電磁誘導結合能力を有する。しかしながら、上層金属層２０４−ＵＭおよび拡散障壁２０４−ＤＢが除去されると、残りの誘電体層２０４−ＤＩは非伝導性であり、トレンチ２０４−Ｔ内の金属部（例えば、Ｃｕ）は体積が小さいため、この除去によって、露出表面２０８における金属部との電磁誘導結合能力に遷移が生じる。したがって、電磁誘導結合のためにトレンチ２０４−Ｔ内のＣｕおよび下層金属層２０４−ＬＭのみが残るように上層金属層２０４−ＵＭ全体が除去される際には、結合能力における大幅な低下が生じる。
【００３３】
また、図３Ａないし３Ｃを参照すると、本発明の実施形態は、ウエハ２００の露出表面２０８の構造を感知し、ＣＭＰ処理の状態把握および制御のために、化学機械研磨においてウエハ２００の表面２０８および近辺、またはウエハ／パッド相互作用境界面２１２における遷移を検知するシステム２２０を提供する。例えば、システム２２０は、図２Ａないし２Ｅに図示したウエハ２００の露出表面２０８のような処理表面２０８の構造２１０を検知する。ウエハ２００は、例えば、前述の半導体ウエハのいずれかであっても良いし、平坦化等の目的でＣＭＰ処理のような処理が実施される同様の基材であっても良い。
【００３４】
図３Ａにおける平面図は、ウエハ取り付け面２２４（図３Ｂおよび３Ｃ）を有するウエハプレート２２２のようなウエハ搬送部すなわちヘッドを備えたシステム２２０を図示する。プレート２２２は、プレート２２２にウエハ２００を固定するために、ウエハ取り付け面２２４に低圧ガス（真空）を供給する構造（図示しない）を有することとしても良い。これについては、参照により組み込まれる２００１年１２月２１日提出の発明者Ｊ．Ｍ．Ｂｏｙｄ，Ｍ．Ａ．Ｓａｌｄａｎａ，Ｄ．Ｖ．Ｗｉｌｌｉａｍｓによる米国特許出願第１０／０２９５１５号「多穴性真空チャックおよび有孔キャリア膜を備えた化学機械研磨装置および方法」、および２００１年１２月２１日提出の発明者Ｙ．Ｇｏｔｋｉｓ，Ｄ．Ｗｅｉ，Ａ．Ｏｗｚａｒｚ，Ｄ．Ｖ．Ｗｉｌｌｉａｍｓによる米国特許出願第１０／０３２０８１号「化学機械平坦化中にウエハの局所的平坦化を提供するウエハキャリアおよび方法」において完全に開示される。また、プレート２２２には、ウエハ取り付け面２２４からプレート２２２内部へと広がる少なくとも１つの開口すなわち空洞部２２６が形成されている。
【００３５】
図３Ａは、空洞部２２６の例示的な位置を図示しており、空洞部はプレート２２２の中心Ｃから間隔を空けて配置される。図３Ｂにおいて、空洞部２２６は、センサ２３２の受け入れに適した寸法（例えば、直径２２８、または対応する断面の長さや幅寸法、および深さ２２９）で形成された状態で図示されている。一般に、各空洞部２２６の寸法は、例えば、約３０ｍｍの直径を上回らない。中心Ｃに関する各空洞部２２６の例示的な配置および空洞２２６の寸法は、システム２２０が利用されるウエハ２００の領域２０２の例示的な各々の１つに空洞部２２６を位置合わせできるように選択される。
【００３６】
センサ２３２は、空洞部２２６の開口部２３４を通じて挿入することができる。開口部２３４は、ウエハ取り付け面２２４と同一面にある。開口部２３４は、機械的な開口であっても良いし（例えば、物理的な穴）、機能的な開口であっても良い（例えば、感知対象の適切な信号に対して透過性を有する窓口）。また、薄いキャリア膜すなわち裏面膜２３６が、ウエハ取り付け面２２４に取り付けられていても良く、感知対象のエネルギの態様に応じて、同様に機械的または機能的な開口を形成しても良い。裏面膜２３６は、先に参照した２００１年１２月２１日提出の特許出願において説明されるような代表的な特性を有しても良い。裏面膜２３６は、ウエハ２００の裏面２０６を固定するために、ウエハ取り付け面２２４に渡って広がる。
【００３７】
キャリア膜２３６に機械的または機能的な開口部を形成することで、必要なあらゆる態様のエネルギＥが、ウエハ−パッド境界面２１２からセンサ２３２に伝播される。伝播されるエネルギＥの態様には、例えば、熱，電磁誘導結合，振動を含めても良い。図３Ｂおよび３Ｃに図示した本発明の実施形態において、裏面膜２３６は、物理的に連続しており（すなわち開口部無し）、空洞部２２６を閉じ、空洞部２２６に挿入されるセンサ２３２を覆う。
【００３８】
センサ２３２は、前述のように例示的な１つの領域２０２に関連付けられており、ウエハ−パッド境界面２１２の部分、およびウエハ２００の対応する露出表面２０８から放出されるエネルギＥの量や態様に応答する。図３Ｂおよび３Ｃに図示するキャリア膜２３６の実施形態において、エネルギＥ（例えば、例示的な領域２０２に関連するウエハ−パッド境界面２１２の部分から放出されたもの）は、対応するウエハ−パッド境界面２１２の部分から、ウエハ２００を通り、キャリア膜２３６を通じて空洞部２２６に入り、センサ２３２に伝播される。ウエハ２００の厚さは、通常、約０．７５ｍｍであり、キャリア膜２３６の厚さは約０．５ｍｍであり、センサ２３２の感知端部２４０は、ウエハ取り付け面２２４と同一面であるか、例えば、ウエハマウント面２２４と同一面である薄い密封スペーサ２３０によってウエハ裏面２０６から奥まって隔離されている点において、エネルギＥの伝播経路は短い。また、プレート２２２，センサ２３２，膜２３６，ウエハ２００は、一体となって共に移動し、空洞部２２６内のセンサ２３２は、常にウエハ２００の領域２０２と共に移動する。したがって、センサ２３２は、領域２０２に対応するウエハ−パッド境界面２１２（および露出表面２０８）の部分から伝播されるエネルギＥに応答するために、常にウエハ−パッド境界面２１２に非常に近い位置にある。
【００３９】
センサ２３２は、空洞部２２６内に伝播されたエネルギＥに応答し、後述する適切な受信器に無線で伝送可能な出力信号２３８（図３Ｂ）を生成する。一般的な意味において、出力信号２３８は、空洞部２２６ひいては空洞２２６内のセンサ２３２と位置合わせされる領域２０２の例示的な１つにおけるウエハ表面構造２１０に関するものである。例えば、ウエハ２００のみを参照すると、図３Ｄは、ウエハ２００の第１の厚さＴ１に基づく第１のウエハ表面構造２１０−Ｔ１を図示する。図３Ｅは、ウエハ２００の第１の厚さＴ２に基づく第１のウエハ表面構造２１０−Ｔ２を図示する。露出表面２０８から（すなわち、領域２０２におけるウエハ−パッド境界面２１２の部分から）放出されるエネルギＥは、第１のウエハ表面構造２１０−Ｔ１に固有の第１の値と、第１のウエハ表面構造２１０−Ｔ２に固有の第１の値とを取り得る。センサ２３２は、第１の特性２１０−Ｔ１を示す第１の出力信号２３８（図３Ｂにおいて２３８−Ｔ１として図示）を生成するために、第１の値を有するエネルギＥに応答し、第１の特性２１０−Ｔ２を示す第１の出力信号２３８（図３Ｂにおいて２３８−Ｔ２として図示）を生成するために、第１の値を有するエネルギＥに応答する。
【００４０】
図３Ｃは、センサコイル２４２を有する渦電流センサの形態を執る能動的センサとしてのセンサ２３２を備えるシステム２２０の一実施形態を図示する。コイル２４２は、センサ端部２４０に位置しており、ウエハマウント面２２４に位置するか、或いは、ウエハマウント面２２４に非常に接近して（例えば、２ｍｍの間隔を空けて）位置する。したがって、コイル２４２は、基本的に、キャリア膜２３６の僅かな厚さのみで、ウエハ２００の裏面２０６から間隔を空けている。コイル２４２は、上層金属層２０４−ＵＭおよびトレンチ２０４−Ｔ内のＣｕ（図３Ｄ）と電磁誘導結合する位置にある。電磁誘導結合の度合、および結果として生じるコイル２４２内の誘導渦電流は、上層金属層２０４−ＵＭの厚さと、トレンチ２０４−Ｔ内のＣｕとに応じて決まる。センサ２３２は、厚さＴ１，Ｔ２（図３Ｄおよび３Ｅ）のような種々の厚さＴを（後述の相関を経て）示す値を有する電圧信号として、出力信号２３８（図３Ｂ）を出力する。また、センサ２３２は、ＣＭＰ処理中の別の遷移を検知することとしても良い。例えば、誘電体層２０４−ＤＩから被覆層２０４−Ｏの一部または全部を完全に除去する際の露出表面２０８の組成における変化のようなＣＭＰ処理中の既知の組成構造を厚さＴに関連付けることで、組成または除去の遷移を判別し得る。したがって、センサ２３２が特定の電圧値を有する出力信号２３８を出力する際に、相関を考慮して除去の遷移を判別することができる。電気的な遷移を感知するために、センサ２３２は、スイスの企業であるＢａｌｌｕｆや、米国のＫａｒｍａｎ，ドイツのＭｉｃｒｏ−Ｅｐｓｉｌｏｎによって製造された製品であっても良い。
【００４１】
センサ２３２の出力信号２３８の値は、部分的には、搬送プレート２２２の構造、およびキャリア膜２３６，研磨テーブル（図示しない）やパッド２０９の構成のような非常に近接する他の構造に影響を受ける。しかしながら、前述したように、センサ２３２がプレート２２２に取り付けられ、ウエハ２００の裏面２０６に非常に接近した状態では、例えば、上層金属層２０４−ＵＭおよび拡散障壁２０４−ＤＢは、通常、ＣＭＰ処理用に許容される五パーセント以内で厚さＴの検出のためのコイル２４２との電磁誘導結合が可能な十分な厚さ（例えば、図３Ｄ）を有する。その厚さは、例えば、Ｃｕ製の層２０４−ＵＭで約２０００ｎｍないし約０ｎｍであり、ＴａＮ製の拡散障壁２０４−ＤＢで約１００ｎｍないし約０ｎｍである。
【００４２】
また、前述（図２Ｅ）の除去後における露出表面２０８の表面構造２１０−Ｃについての感知に関して、図２Ｅに図示する露出表面２０８を備える形態の特徴としては、例えば、５０パーセントに至るＣｕが存在することがある。しかしながら、そのパーセントのＣｕが存在しても、渦電流センサ２３２は、誘電体層２０４−ＤＩと、トレンチ２０４−Ｔ内のＣｕとから被覆層２０４−Ｏが除去される事象を感知することが明らかとされている。渦電流センサ２３２は、能動的な電磁誘導結合を用いるため、本実施形態のセンサ２３２は、能動センサと呼ばれる。
【００４３】
図４Ａは、結合流体２５０を有する振動センサの形態を執るセンサ２３２を備えるシステム２２０の別の実施形態を図示する。結合流体２５０は、開口部２３４とセンサ２３２の本体２５２との間の空洞部２２６に注入される脱イオン水（ＤＩＷ）にしても良い。したがって、流体２５０は、センサ端部２４０に位置しており、ウエハマウント面２２４に位置するか、或いはウエハマウント面２２４にごく近接する。流体２５２は、振動をセンサ２３２のセンサ端部２４０に結合し、キャリア膜２３６の僅かな厚さで、ウエハ２００の背面２０６から間隔を空ける。流体２５０およびセンサ２３２は、ＣＭＰ処理中にパッド２０９とウエハ２００の露出表面２０８との間の接触によって生成されるウエハ２００の振動と振動的に結合する位置にある。生成された振動は、振幅の特徴および周波数の特徴を含む。これらの態様は、特定の振動が生成された瞬間にパッド２０９が接触している表面構造２１０に関連する。例えば、図４Ｂに図示するグラフは、振動の振幅・周波数を表す。グラフ２５８において、振幅は、露出表面２０８の速度の度合である。しかしながら、表面２０８の変位の振幅を表しても良いし、表面２０８の加速度を表しても良い。
【００４４】
グラフ２５８の速度振幅について考えると、曲線２６０（実線）は、約３０００Ｈｚないし約２００００Ｈｚの振動周波数範囲において、低い速度振幅の振動を表している。この範囲でのこうした低振幅の振動は、例えば、表面構造２１０−Ｕ（図２Ｃ）を有する上層金属層２０４−ＵＭのＣＭＰ処理中に振動センサ２３２によって感知される。重要なことに、拡散障壁２０４−ＤＢが上層金属層２０４−ＵＭの下層に存在したとしても、上層金属層２０４−ＵＭのＣＭＰ処理中に生成される振動は、上層金属層２０４−ＵＭに基づくものとなり、下層の拡散障壁２０４−ＤＢには基づかない。また、拡散障壁２０４−ＤＢを露出表面２０８とする除去の遷移に関して、図４Ｂは、約３０００Ｈｚないし約１２０００Ｈｚの振動周波数範囲での相対的に低い振幅の振動と、約１３０００Ｈｚないし約１７０００Ｈｚの振動範囲におけるピーク２６４での唯一の高振幅とを表す曲線２６２（一点鎖線を参照）も図示する。ピーク２６４の値は、１３０００ないし１７０００Ｈｚの範囲で、曲線２６０のものより大幅に高くなっている。グラフ２６２に図示するピーク振動周波数は、上層金属層２０４−ＵＭの除去直後に、すなわち、パッド２０９と、拡散障壁２０４−ＤＢの組成に基づく表面構造２１０を有する拡散障壁２０４−ＤＢとの接触の瞬間に、ＣＭＰ処理中、振動センサ２３２によって感知される。露出ウエハ表面２０８の重要かつ特徴的な変化は、均一な構造２１０−Ｕとして図２Ｃに図示する組成構造２１０−Ｃからの変化である。変化は、上層金属層２０４−ＵＭの除去後に、図２Ｄに図示する組成的に不均一な構造２１０−ＮＵへ向かうものとなる。こうした除去は、図２Ｅにおいて、構造２１０−ＣＵＭによって示される。したがって、本実施例においては、組成および除去の両方の遷移が、パッド２０９と拡散障壁２０４−ＤＢとの間の接触の際に発生する。
【００４５】
再び図４Ａを参照すると、振動センサ２３２は、前述のように、（例えば、表面２０８の）ウエハ−パッド境界面２１２で生成された振動の振幅および周波数に基づく値を有する電圧信号として、出力信号２３８を生成する。したがって、センサ２３２によって感知された振動は、上層金属層２０４−ＵＭから拡散障壁２０４−ＤＢとトレンチ２０４−Ｔ内のＣｕとへの組成的な遷移を示し得るまたは検出し得るものであるため、拡散障壁２０４−ＤＢとトレンチ２０４−Ｔ内のＣｕとを適切に処理するためにＣＭＰプロセスに適切かつ即時的な変更を加えることが可能となる。例えば、後述する相関では、センサ２３２によって感知された振幅および周波数をＣＭＰ処理中の既知の状態に関連付けることとしても良い。こうした状態は、前述した周波数範囲におけるピーク２６４によって識別され得る組成的な遷移であっても良い。したがって、ピーク２６４の周波数に対応するピーク電圧値を有する出力信号２３８をセンサ２３２が出力する際に、こうした相関を用いて、組成的な遷移を判定することができる。
【００４６】
振動を感知するために、センサ２３２は、音響信号をウエハ−パッド境界面２１２に出力する能動センサ２３２としても良い。出力音響信号は、露出表面２０８と研磨パッド２０９との間の摩擦接触の性質に基づいてウエハ−パッド境界面２１２で生成される音波に応じて変更することができる。前述のように、摩擦接触は、表面構造２１０の特徴に応じて変化する。このように変更されたセンサ２３２からの出力音響信号は、センサ２３２に戻り、出力信号２３８が生成される。センサ２３２の信号２３８は、部分的には、搬送プレート２２２の構造、およびキャリア膜２３６やウエハ２００，ＣＭＰ処理中に存在する種々な層２０４などの非常に近接する他の構造に影響を受ける。しかしながら、前述したように、センサ２３２がプレート２２２に取り付けられ、キャリア膜２３６に結合される状態では、こうしたマウントにより、（離れた状態でコネクタ１４２に位置する従来のセンサ１３０と比較して）結合流体２５０を備えたセンサ２３２がウエハ２００の露出表面２０８に非常に接近するため（例えば、数ミリメータ以内）、非常に近接する他の構造によって発生する振動は最小化され、出力音響信号の処理誘導性の変化がセンサ２３２に感知される前のＣＭＰ処理誘導性の振動または戻り音響信号における減衰は、相対的に小さくなる。したがって、出力信号２３８の信号対雑音比は、従来の遠隔センサ１３０（図１Ｂ）からのものよりも相対的に向上する。
【００４７】
図５Ａは、ポート２７１を通じて供給される熱エネルギ結合流体２６６を有する温度センサの形態を執るセンサ２３２を備えるシステム２２０の別の実施形態を図示する。結合流体２６６は、空洞部２２６と、空洞部２２６に向かい合ってキャリア膜２３６に設けられた開口部２６７との両方に注入された脱イオン水（ＤＩＷ）とすることができる。開口部２６７は、上記の機械的な開口部として形成される。したがって、流体２６６は、ウエハ２００の裏面２０６と接触し、熱を伝導する関係となる。開口部２６７内および空洞部２２６内の流体２６６は、ウエハ２００の裏面２０６から、開口部２６７を通じ、空洞部２２６内で、センサ２３２の本体２６８へと循環する。したがって、流体２７０は、境界面２１２におけるＣＭＰ処理から与えられたエネルギＥをセンサ２３２に伝導する。最終的に到達する温度の９５％にまで流体２６６が達する時間遅延は、約０．６ないし約０．８秒の範囲であり、ＣＭＰ処理の制御にとって許容範囲内である。
【００４８】
赤外線（ＩＲ）振幅は、図５Ｂのグラフ２６９に図示されており、流体２６６の温度がウエハ２００上の領域２０２における種々の表面構造２１０とどのように関係するかを示している。振幅群２７０，２７１，２７２の各々は、種々の温度測定値に基づくものである。ＣＭＰ処理を受けるウエハ２００の素シリコンの熱エネルギは、約０．０４５秒の相対値を有する振幅群２７０によって表される。表面構造２１０−Ｃ（図２Ｃ）を有する除去済みウエハ２００に関する独自の異なる相対値は、約０．０３５秒の相対値を有する振幅群２７１によって表される。表面構造２１０−ＮＵを有する未除去ウエハ２００に関する更なる独自の異なる相対値は、約０．０２５秒の相対値を有する振幅群２７２によって表される。したがって、例示される各表面構造２１０について、ＣＭＰ処理の制御および状態の判定に利用可能な独自の熱的な特徴が存在する。流体の温度に基づいて、センサ２３２は、出力信号２３８を生成する。センサ２３２が感知した温度は、温度が感知された瞬間にパッド２０９が接触している表面構造２１０に、遅延期間を追加して、直接的に関係する。例えば、図５Ｃに図示するグラフ２７６は、曲線２７７を例示する。高温は、例示的時間範囲２７８において値Ａを有する出力信号２３８によって表される。曲線２７７は、時間範囲２８０中に継続する値Ｂを有する出力信号２３８によって表される温度の遷移すなわち急激な低下に相当する階段動作２７９を有する。曲線２７６は、階段動作２８１まで継続する時間範囲２８０を例示する。階段動作２８１は、時間範囲２８２中に継続する更に高い値Ｃを有する出力信号２３８によって表される温度の急激な上昇に相当する。階段動作２７９，２８１を有する出力信号２３８は、例えば、連続する層２０４−ＵＭおよび２０４−ＤＢ（図３Ｅ）の各ＣＭＰ処理中に、温度センサ２３２によって出力される。したがって、出力信号２３８は、感知された温度に比例して変化する。範囲２７８と範囲２８０との間の階段動作２７９によって、信号２３８は、例えば、均一な表面構造２１０−Ｕへの遷移（図２Ｂおよび２Ｃ参照）を示すことができる。範囲２８０と範囲２８２との間の階段動作２８１によって、信号２３８は、例えば、結果として表面特構造２１０−ＣＵＭ，２１０−ＮＵを発生させる上層金属層２０４−Ｕの除去への遷移（図２Ｃおよび２Ｄ参照）を示すことができる。したがって、センサ２３２によって感知された温度は、組成の遷移と、除去の遷移とを示すことができる。したがって、センサ２３２が値Ｃへの急激な増加を有する出力信号２３８を出力する際に、基準となる相関は、ＣＭＰ処理の条件を拡散障壁２０４−ＤＢの処理に適したものに変更すべきであることを示すことができる。
【００４９】
温度を感知するために、センサ２３２は、ＲＡＹＴＥＫモデルＭＩＤ，非接触固定マウント型温度センサ、またはサーミスタ，熱電対にしても良い。例えば、ＲＡＹＴＥＫ  ＭＩＤセンサ２３２は、直径０．５５インチおよび長さ約１．１インチのセンサヘッドを有し、搬送プレート２２２の空洞部２２６内への取り付けに適している。前述したように、センサ２３２がプレート２２２内に取り付けられる状態では、こうした取り付けにより、（離れた状態でコネクタ１４５に位置する従来のセンサ１３０と比較して）熱結合流体２６６を備えたセンサ２３２がウエハ２００に非常に接近するため、境界面２１２とセンサ２３２との間での熱エネルギの損失は最小化される。したがって、出力信号２３８の信号対雑音比は、従来の遠隔センサ１３０からの信号のものよりも相対的に向上する。
【００５０】
本発明のその他の実施形態を、ウエハ２００の露出表面２０８の表面構造２１０および遷移の組み合わせを感知するために提供しても良い。前述のように、領域２０２と複数の他の領域２０２−Ｏとを、ウエハ２００の露出表面２０８上に特定しても良い。領域２０２と他の領域２０２−Ｏとの各々は、別個の垂直に連続する例示的な層２０４の範囲を定めることとしても良い。領域２０２−Ｏによって定められる他の垂直に連続する例示的な層２０４は、例えば、領域２０２によって定められる層２０４とは異なる層２０４を有しても良い。ウエハ２００の露出表面２０８の表面構造２１０の組み合わせは、図３Ａに図示するようなシステム２００の適切な設計によって、同じウエハ２００上で実行される同じＣＭＰ研磨工程中に同時に感知することができる。ここで、空洞部２２６の１つと、各空洞部２２６に挿入されるセンサ２３２の適切な１つとは、２つの例示的領域２０２および２０２−Ｏのそれぞれに位置合わせされる。したがって、例えば、空洞部２２６の１つ（空洞部２２６−１参照）と、センサ２３２の適切な１つ（センサ２３２−１参照）とは、領域２０２に位置合わせした空洞部２２６−１に収容することができる。空洞２２６の別個の１つ（空洞２２６−２参照）と、センサ２３２の適切な別個の１つ（センサ２３２−２参照）とは、領域２０２−Ｏに位置合わせした空洞部２２６−２に挿入することができる。センサ２３２−１は、例えば、渦電流センサや振動センサ，温度センサといったセンサ２３２の任意の適切な１つにすることができる。同様に、センサ２３２−２は、例えば、渦電流センサ，振動センサ，温度センサといったセンサ２３２の他の任意の１つにしてよい。位置合わせした領域２０２およびセンサ２３２の位置と、位置合わせした領域２０２−Ｏおよびそれぞれのセンサ２３２の位置とは、ウエハ２００の露出表面２０８上に存在する表面構造２１０と、露出表面２０８上で形成されるべき表面構造２１０との性質および範囲に応じて配置されるセンサ２３２の配列を定めることができる。こうした配列の１つは、例示的な３つのセンサ２３２−１，２３２−２，２３２−３を含むものとして、図３Ａに図示されている。センサ２３２−１，２３２−２，２３２−３の各々は、例えば、遷移データ２９２、または厚さＴを表す厚さデータのような量的データ２９４を提供する信号プロセッサ２９０−１，２９０−２，２９０−３の各々に対して、出力信号２３８−１，２３８−２，２３８−３の各々を無線で伝送する状態で図示されている。データ２９２または２９４は、ＣＭＰ処理制御部２９６への入力とすることができる。制御部２９６は、パッド２０９に対するプレート２２２の圧力、またはウエハ２００の回転速度を制御することとしても良く、また、例えば、適切な処理点に達した際にＣＭＰ処理を停止させることとしても良い。
【００５１】
本発明の他の実施形態は、「相関データ」と呼ばれるウエハ膜構造−センサ相関データを取得するために提供される。こうした相関データは、「相関ウエハ」２００Ｃと呼ばれる１枚以上の既知の半導体ウエハ２００の露出表面２０８の表面構造２１０を表す。前述のように、表面構造２１０は、露出表面２０８で実施される化学機械研磨処理によって生じるものでも良く、表面構造２１０はＣＭＰ処理中に変化する。相関データが必要になる各構造２１０の相関データの取得を容易にするために、特定の領域２０２，２０２−Ｏにおいて特定の表面構造２１０を有することが分かっている１枚以上の相関ウエハ２００Ｃを使用することができる。
【００５２】
図７は、表面構造２１０を表す相関データを取得するための方法のフローチャート３００を示す。その方法は、相関ウエハ２００Ｃの露出表面２０８上の領域２０２または２０２−Ｏを特定するステップ３０２へ進む。前述したように、領域２０２または２０２−Ｏは、既知である初期の表面構造２１０の１つを包含する。その方法は、例えば、較正ウエハ２００Ｃの特定された領域２０２内の既知の初期表面構造に対して、第１の化学機械研磨工程が実施されるステップ３０４へ進む。第１の化学機械研磨工程は、センサ２３２の選択された１つを有するシステム２２０を使用して実施される。第１の化学機械研磨工程は、較正ウエハ２００Ｃと生産ウエハ２００とに同じＣＭＰ処理を施せるように、事前に設定された仕様に従って実行される。ＣＭＰ処理により、既知の初期表面構造は、例えば、前述の電磁誘導結合，振動，熱エネルギのいずれかになり得る第１のエネルギＥを放出する。その方法は、第１の化学機械研磨工程中に放出された第１のエネルギＥの第１のエネルギ特性を決定するステップ３０６へ進む。第１のエネルギ特性は、選択されたセンサ２３２からの出力信号２３８の第１のものにしてよく、第１の化学機械処理工程中の特定領域２０２における既知の初期表面構造２１０に固有のものである。この相関ウエハ２００Ｃの処理は停止される。第１の出力信号２３８は、選択された領域２０２における露出表面２０８の既知の初期表面構造２１０に関連する。例えば、渦電流センサ２３２からの電圧を読み取り、その電圧に対応するウエハの厚さＴを決定しても良いし、既知の初期表面構造２１０に対応する信号２３８の速度振幅および周波数を決定しても良いし、温度を測定し、出力信号２３８の電圧と、その温度に対応する表面構造２１０とに関連させても良い。第１の信号２３８は、ウエハ膜構造−センサ相関データの一項目を表す。
【００５３】
その方法は、例えば、領域２０２における初期表面構造２１０の下層にある下層表面構造２１０を有する第１の相関ウエハ２００Ｃに関して、実施ステップ３０４および決定ステップ３０６が反復されるステップ３０８へ進む。反復ステップ３０４は、エネルギＥの後続の出力を提供し、反復された決定ステップ３０６では、下層表面構造２１０に固有の後続の（または第１の）エネルギ特性が取得される。このステップ３０８は、中断される。第１のステップ３０６中に取得されたセンサ２３２からの信号２３８（「第１の」信号２３８）は、下層表面構造２１０に対応するウエハ膜構造−センサ相関データの後続の項目として記録される。
【００５４】
その方法は、ウエハ膜構造−センサ相関データを取得するという例示的な目的において、十分なデータが取得されたかに関して判定が行われるステップ３１０へ進む。ＮＯである場合、ループがステップ３０８へ戻される。ステップ３０８では、例えば、領域２０２内で初期および下層表面構造２１０の下層にある更なる下層表面構造２１０を有する第三の相関ウエハ２００Ｃに関して、実施ステップ３０４と決定ステップ３０６とが反復される。反復ステップ３０４は、エネルギＥの第三の出力を提供し、反復された決定ステップ３０６では、更なる下層表面構造２１０に固有の第三のエネルギ特性が取得される。ステップ３０８は、中断される。第三のステップ３０６中に取得されたセンサ２３２からの信号２３８は、更なる下層表面構造２１０に対応するウエハ膜構造−センサ相関データの第三の項目として記録される。ステップ３１０がＹＥＳと応答された場合、その方法は、例えば、グラフ２５８，２７６，３１４（図４Ｂ，５Ｃ，６の各々）の任意の適切なものに対する前述のプロットを行うことで、フローチャート３００のステップで取得された相関データを整理するステップ３１２へ進む。グラフ２５８，２７６，３１４の各々は、例えば、相関ウエハ２００Ｃと同じ特性２１０を有することになる生産ウエハ２００Ｐに関して、図８およびフローチャート３４０を参照して説明する方法により次に実行し得る各センサ２３２を含めたシステム２２０のステップにおいて使用される相関データを表す。
【００５５】
以下は、ステップ３０８へ続くステップ３０４および３０６を実行することで取得し得る相関データの更に詳細な例である。相関データは、例えば、上記の遷移の１つを示すことができる。遷移は、上層金属層２０４−ＵＭの表面構造２１０−Ｕ（図２Ｃ）から、拡散障壁２０４−ＤＢの表面構造２１０−ＮＵ（図２Ｄ）へ向かうものとなる。図２Ｄの表面構造２１０−ＣＵＭは、金属化層２１０−ＵＭの除去を表す。第１のステップ３０６の決定により取得される第１のエネルギ特性は、上層金属層２０４−ＵＭの均一な表面構造２１０−Ｕに相関する前述の第１の信号２３８となる。第１の決定ステップ３０６の決定によって取得される第１のエネルギ特性は、拡散障壁２０４−ＤＢに関連する不均一な表面構造２１０−ＮＵに相関する前述の第１の信号２３８となる。ステップ３１２に関して、作成されるべき相関グラフは、図５Ｃに図示するグラフになる。第１の信号２３８は、階段動作２８１の低電圧端部における電圧Ｂになる。第１の信号２３８は、階段動作２８１の高電圧端部における電圧Ｃになる。上記のように、第１および第１の信号２３８は、上層金属層２０４−ＵＭの除去への遷移（図２Ｃおよび図２Ｄ参照）と、結果として生じる拡散障壁２０４−ＤＢの表面構造とを示す。
【００５６】
フローチャート３００のステップは、相関ウエハ２００Ｃの露出または前表面２０８上の領域２０２，２０２−Ｏの各々に関して使用することができる。これにより、空洞部２２６の様々なものに提供され得る様々なセンサ２３２について、様々な領域２０２，２０２−Ｏの各々に包含される表面構造２１０の各々に関するＣＭＰ工程ステップの相関が存在することになる。結果として、種々のセンサ２３２の各々の出力信号２３８は、それぞれの表面構造２１０について、ＣＭＰ工程の状態の定量的な観察のために使用することができる。同様に、結果として生じる例示的な相関グラフ２５８，２７６，３１４は、表面構造２１０のいずれかについて、ＣＭＰ工程の種々の形態の状態を決定するために、出力信号２３８を提供するセンサ２３２と併せて使用してよい。
【００５７】
代替として、フローチャート３００のステップは、生産ウエハ２００に対して実行しても良い。この場合、ＣＭＰ処理は、生産ウエハ２００の反復検査と、特定の領域２０２に所望される表面構造２１０が存在するかについての判定とを可能にするために、より頻繁に中断される。ＣＭＰ処理によって所望の表面構造２１０が得られ、こうした所望の表面構造２１０に相関データを相関させた後、生産ウエハ２００の次に所望される下層表面構造２１０を得るためにステップ３０８が実行される。その後、相関データは、次に所望される下層表面構造に相関される。
【００５８】
本発明のその他の実施形態は、半導体ウエハ２００の露出表面２０８の表面構造２１０に関連する相関データを使用するために提供される。前述のように、相関データは、１つ以上のグラフ２５８，２７６，３１４の形態で整理することができ、生産ウエハ２００の露出表面２０８に対して実施されるＣＭＰ工程中に使用することができる。図８を参照すると、生産ウエハ２００上で実行される化学機械研磨工程を制御するフローチャート３４０に関する方法が説明される。その方法は、プレート２２２のような搬送ヘッドに生産ウエハ２００を取り付けるステップ３４２を含む。図２Ｂを参照すると、プレート２２２は、ウエハ−パッド境界面２１２において、ウエハ２００の前表面２０８を研磨パッド２０９に露出させる。ウエハ２００の前表面２０８と境界面２１２とは、通常は複数の表面構造２１０が下層に位置する少なくとも１つの領域２０２または２０２−Ｏ（図２Ａまたは３Ａ）を有する。それぞれの領域２０２または２０２−Ｏに関して、表面構造２１０は、互いの上に重なり、一般的には、少なくとも、ＣＭＰ工程のために露出されるウエハ２００の前表面２０８に当初は最も近い上層（または外部）表面構造（図２Ｂの構造２１０−ＮＵ参照）を含む。表面構造２１０は、更に、当初は前表面２０８からウエハ２００の背面２０６方向へ最も遠い間隔を置いた最終表面構造２１０−Ｆ（図２Ｅ）を含む。被覆２０４−Ｏ全体の除去により、最終表面構造２１０−Ｆが露出する。
【００５９】
その方法は、露出表面２０８における表面構造２１０上を含め、生産ウエハ２００の露出表面２０８の領域２０２におけるＣＭＰ工程を実施するステップ３４４へと進む。ＣＭＰ工程中、研磨パッド２０９と露出表面２０８とは、相互作用し、各領域２０２の表面構造２１０に従ってウエハ−パッド境界面２１２の領域２０２から放出されるエネルギＥを発生させる。特定の表面構造２１０からのエネルギＥは、前述の様々な特性、すなわち振動特性，熱特性，誘導渦電流に基づく電磁特性のいずれかを有する。
【００６０】
その方法は、例えば、図４Ｂ，５Ｃ，６にそれぞれ図示された例示的相関グラフ２５８，２７６，３１４のうち１つ以上のものになるデータセットの形態で、相関データが用意されるステップ３４６へ進む。グラフ２５８（図４）について考えると、データセットは、例えば、生産ウエハ２００に類似する相関ウエハ２００Ｃの対応領域２０２または２０２−Ｏにおける表面構造２１０の各々の１つに対して実施された以前のＣＭＰ工程中に放出されたエネルギＥに対応する第１のデータ３４８を含む。第１のデータ３４８は、例えば、相関ウエハ２００Ｃの領域２０２または２０２−Ｏにおける最終表面構造２１０−Ｆに対応する部分３５０（図４Ｂ）を含んでも良い。
【００６１】
その方法は、生産ウエハ２００の表面構造２１０の各々の１つに対して実行されたＣＭＰ工程中に、生産ウエハ２００の様々な各領域２０２または２０２−Ｏのウエハ−パッド境界面２１２から放出されたエネルギＥを観察するステップ３５２へ進む。エネルギＥは、例えば、こうした領域２０２または２０２−Ｏのそれぞれについてセンサ２３２の１つを備えるシステム２２０を使用することで観察することができる。その方法は、観察されたエネルギＥを第１のデータ３４８と比較するステップ３５４へ進む。詳しくは、現在実行中のＣＭＰ工程中に生産ウエハ２００のウエハ−パッド境界面２１２のそれぞれの領域２０２または２０２−Ｏから放出されたエネルギＥが、相関ウエハ２００Ｃの最終表面構造２１０−Ｆに対応する第１のデータ３４８の部分３５０と比較される。比較は、それぞれの領域２０２または２０２−Ｏのためのそれぞれのセンサ２３２からの出力信号２３８と、例えば、例示的較正グラフ２５８，２７６，３１４の対応するデータとに関するものにしても良い。例えば、グラフ２５８（図４Ｂ）を参照すると、比較は、例えば、ＣＭＰ処理の遷移が存在する周波数３５６に、出力信号２３２が対応することを示すことができる。遷移は、例えば、上記の除去の遷移であっても良い。また、グラフ３１４（図６）を参照すると、比較は、例えば、領域２０２の一つでの厚さＴの対応する値（例えば、８，０００オングストローム）が存在する点３５８に、出力信号２３２が対応することを示すことができる。こうした例示的な厚さＴの存在は、例えば、処理状態を示すために使用しても良いし、処理制御のために使用しても良い。
【００６２】
その方法は、処理制御ステップ３６０へ進む。例えば、現在実行中の化学機械研磨ステップは、ＣＭＰ処理が完了した場合に中断することができる。例えば、較正グラフ２５８（図４Ｂ）との関係において、中断は、現在実行中の化学機械研磨工程において領域２０２または２０２−Ｏから放出されたエネルギＥが較正ウエハ２００Ｃの最終表面構造２１０−Ｆに対応する第１のデータ３４８の部分３５０と実質的に同じであると比較ステップ３５４で判断された際に行うことができる。周波数３５６は、所望の表面構造２１０が得られたことを示す。
【００６３】
更に詳しくは、例えば、少なくとも１つの表面構造２１０が不均一なパターン構造２１０−ＮＵＰを有し、別の少なくとも１つの表面構造２１０が均一な形状的構造２１０−Ｕを有する際に、フローチャート３４０は使用されても良い。この例示的な状況において、データセットを提供するステップ３４６は、（金属層２０４−ＵＭの）パターン構造２１０−Ｐに対応するデータの一部またはセット３５０を有し、更に、均一な形状的構造２１０−Ｕに対応するデータ３６４の一部（またはセット）を提供するグラフ２５８（図４Ｂ）を用意する工程を含むこととしても良い。図４Ｂを参照すると、パターン構造に対応するデータの一部（またはセット）３５０は、均一な形状的構造２１０−Ｕに対応するデータセット３６４の振動振幅・周波数エネルギ特性とは実質的に異なる振動振幅・周波数エネルギ特性を含むこととしても良い。すなわち、ピーク２６４は、実質的な相違を形成する。前述のように、データの部分（またはセット）３５０は、所望の構造２１０が得られたことを判定するために使用しても良い。
【００６４】
別の例において、図３Ｄ，３Ｅ，６を参照すると、少なくとも１つの表面構造２１０が第１の表面形状２１０−Ｔ２に対応する厚さＴ２とは異なる厚さＴ１を有する第１の表面形状２１０−Ｔ１を有する際に、フローチャート３４０は使用されることとしても良い。この状況において、相関データを用意するステップ３４６は、第１の表面形状２１０−Ｔ１に対応する第１の厚さ値３６８および第１の表面形状２１０−Ｔ２に対応する更に小さな厚さ値３５８としてデータを用意しても良い。第１の厚さ値３６８は、第１の表面形状２１０−Ｔ１の厚さＴ１を定量的に表し、更に小さな厚さ値３５８は、第１の表面形状２１０−Ｔ２の厚さＴ２を定量的に表すことができる。
【００６５】
別の例においては、図２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，５Ｃを参照すると、少なくとも１つの表面構造２１０が均一な表面形状２１０−Ｕ（図２Ｃ）を有する第１の表面形状とは異なる第１の不均一な表面形状２１０−ＮＵ（図２Ｂ）を有する際に、フローチャート３４０は使用されることとしても良い。この状況において、ステップ３４６は、第１の不均一な表面形状２１０−ＮＵに対応し得る範囲２７８の第１の値Ａおよび第１の表面形状２１０−Ｕに対応し得る範囲２８０の値Ｂとして、相関データを用意することができる。
【００６６】
まとめると、本発明の方法および装置は、ＣＭＰ処理状態および制御のために化学機械研磨においてウエハ２００の露出表面２０８の表面構造２１０と表面構造２１０の遷移とを検知する。こうした方法および装置は、研磨パッドを通じてウエハを観察する光学システムの制限を回避する。ウエハ２００をプレート２２２に取り付けた状態で、センサ２３２をプレート２２２内に配置することで、センサ２３２がウエハ２００のそれぞれの領域を常に「観察する」ようになり、現在の必要性は、ウエハ２００の露出表面２０８の表面構造２１０と表面構造２１０の遷移とを絶えず検知することにより満たされる。また、ウエハ取り付け面２２４と同一平面に、または面２２４の約２ｍｍ以内に、センサ２３２を配置することにより、本発明は、ＣＭＰ処理状態および制御の方法および装置のための必要性を満たし、これにおいて、ウエハ表面２０８の表面構造２１０と表面構造２１０の遷移とは、従来の遠隔振動センサのように離れた状態ではなく、ウエハ取り付け面２２４の近接エッジの位置、またはウエハ搬送プレート２２２内部で感知される。また、プレート２２２内で挿入される種々のセンサ２３２によって、本発明は、更に、ＣＭＰ処理状態および制御のために、化学機械研磨において、表面構造２１０の遷移を感知することを含め、こうしたウエハ表面構造２１０の感知のための必要性を満たす。ウエハ−パッド境界面２１２に近接するプレート２２２内部に振動センサ２３２を設けることで、本発明は、ＣＭＰ処理に基づく振動を感知する改良された方法を提供することに関連する必要性を満たす。こうした改良された方法は、処理に基づく振動が感知される前に、こうした振動が減衰するのを回避し、結果として、構造の物理特性に基づく振動と比較して、処理振動を確実に感知し、分解能の向上に貢献し、処理振動に関して出力信号２３８の信号対雑音比を向上させる。更に、複数のセンサをウエハ２００の露出表面２０８全体に配置することで、例えば、現場測定センサによって感知される相対的に小さなウエハ表面積と比較して、ＣＭＰ処理状態および制御のために、化学機械研磨において、相対的に大きな、または面積の広い、ウエハ表面２０８を感知するための必要性が満たされる。
【００６７】
上記の発明を、明確な理解の目的から、ある程度詳細に説明してきたが、付記した特許請求の範囲内で特定の変形および修正を実施し得ることは明らかであろう。したがって本実施形態は、限定的ではなく例示的なものとして解釈されるべきであり、本発明は、本明細書に記載された詳細によって限定されず、付記した特許請求の範囲および等価物の範囲内で変形し得る。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１Ａ】ウエハ下のプラテンおよび研磨パッドに開口部を設けることでウエハの層厚を測定する従来技術の現場計測装置の概略を示す説明図である。
【図１Ｂ】ウエハ搬送ヘッドに固定された搬送プレートに支えられるウエハの位置から離れた状態で、ウエハ搬送ヘッドをＣＭＰ装置に取り付けるカプラにおいて振動を検出する従来技術の装置での概略を示す説明図である。
【図２Ａ】本発明により感知される固有の表面構造を有する露出面の領域を例示するウエハの平面図である。
【図２Ｂ】化学機械研磨の４つの代表的な一連の段階におけるウエハの露出面の種々の表面構造の断面図であって、露出ウエハ表面の不均一領域の表面形状の構造を例示する説明図である。
【図２Ｃ】化学機械研磨の４つの代表的な一連の段階におけるウエハの露出面の種々の表面構造の断面図であって、露出ウエハ表面の平坦な均一領域の別の表面形状の構造および層厚構造を例示する説明図である。
【図２Ｄ】化学機械研磨の４つの代表的な一連の段階におけるウエハの露出面の種々の表面構造の断面図であって、異なる材料で形成される露出ウエハ表面の不均一領域の組成構造を例示する説明図である。
【図２Ｅ】化学機械研磨の４つの代表的な一連の段階におけるウエハの露出面の種々の表面構造の断面図であって、誘電体層から拡散障壁までの除去による組成構造の遷移を例示する説明図である。
【図３Ａ】本発明によりウエハの露出表面の構造における変化を感知するために、ウエハ取り付け面の近傍で各センサを取り付ける空洞部を有する搬送プレートの平面図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態における空洞部内の能動センサと、ウエハ裏面を取り付ける連続的なキャリア膜（すなわち裏面膜）に対して直接的に開口する空洞部とを例示する図３Ａの線３Ｂ−３Ｂに沿って取り出した断面図である。
【図３Ｃ】金属部との電磁誘導結合に応答するためにウエハの前表面の金属部の近傍に配置されたコイルを例示する図３Ｂに図示されたセンサの拡大図である。
【図３Ｄ】ウエハの裏面と露出面との間のウエハ材料の種々の層厚を例示する図３Ｂの一部を更に拡大した拡大図である。
【図３Ｅ】ウエハの裏面と露出面との間のウエハ材料の種々の層厚を例示する図３Ｂの一部を更に拡大した拡大図である。
【図４Ａ】本発明の他の実施形態における空洞部内の振動応答性受動センサと、ウエハ裏面を取り付ける連続的な裏面膜に対して直接的に開口する空洞部とを例示する図３Ｃと同様の断面図である。
【図４Ｂ】図２Ｄおよび２Ｅに図示する露出表面上で実施されたＣＭＰ処理中に図４のセンサによって感知された振動の周波数を表す速度振幅を例示し、特定の周波数範囲でのピーク振幅を例示し、前表面層におけるＣＭＰ処理の結果としてウエハ前表面の組成構造の遷移を示すウエハ膜構造−センサ応答相関グラフを示す説明図である。
【図５Ａ】本発明の他の実施形態における空洞部内の温度応答性受動センサと、ウエハ裏面を取り付ける裏面膜の開口部に対して直接的に開口する空洞部とを例示する図３Ｂと同様の断面図である。
【図５Ｂ】ＣＭＰ処理を受けた種々の露出ウエハ表面から放出された赤外線エネルギのグラフを示す説明図である。
【図５Ｃ】図２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅに図示する露出表面上で実施されたＣＭＰ処理中の時間に対して、ウエハ裏面と熱的接触状態にある流体の温度を表す赤外線温度センサの出力を例示する相関グラフを示す説明図である。
【図６】図３Ｂおよび３Ｃに図示する渦電流センサによって出力された電圧に対して表されたウエハの層厚を例示する相関グラフを示す説明図である。
【図７】相関グラフを作成するための図３Ｂ，４Ａ，５Ａに図示するセンサの相関付けにおいて用いられる工程を説明するフローチャートである。
【図８】ＣＭＰ処理中の前表面層の構造を判定するために図７に図示する相関グラフを用いる工程を説明するフローチャートである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
2005522024.tif 000013
【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
2005522024.tif 000017
【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年12月7日(2004.12.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２Ｂ】
2005522024.tif 000023
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２Ｄ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２Ｄ】
2005522024.tif 000024
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２Ｅ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２Ｅ】
2005522024.tif 000025
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３Ｄ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３Ｄ】
2005522024.tif 000026
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４Ｂ】
2005522024.tif 000027
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５Ｃ】
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【国際調査報告】
2005522024.tif 000029
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