(57)【要約】  本明細書に記載された実施形態は、化学機械研磨プロセス中にターゲット基板のための終点を検出する方法に関する。一実施形態では、方法は、第１膜除去レートで１つ又は複数のターゲット基板を研磨し、基準スペクトルを供給するステップと、第１膜除去レートとは異なる第２膜除去レートで１つ又は複数のターゲット基板を研磨し、１つ又は複数のターゲット基板の現在スペクトルを供給するステップと、１つ又は複数の基準基板の研磨中に収集された基準スペクトルに基づいて得られた一連の終点値を使用して、１つ又は複数のターゲット基板上に形成された異なった層間のインターフェース遷移を識別するステップとを含んでいる。
2013529860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学機械研磨プロセス中にターゲット基板のための終点を検出する方法であって、
１つ又は複数の基準基板を第１膜除去レートで研磨し、基準スペクトルを供給するステップと、
１つ又は複数のターゲット基板を、前記第１膜除去レートとは異なる第２膜除去レートで研磨し、前記１つ又は複数のターゲット基板の現在スペクトルを供給するステップと、
前記１つ又は複数のターゲット基板上に形成された異なった層間のインターフェース遷移を、前記１つ又は複数の基準基板の研磨中に収集された前記基準スペクトルに基づいて得られた一連の終点値を使用して識別するステップと、
前記１つ又は複数のターゲット基板の現在スペクトルから得られた各々の現在スペクトルを前記基準スペクトルと比較し、前記一連の終点値を得るステップとを備える、方法。
【請求項２】
前記１つ又は複数の基準基板及びターゲット基板は、異なったスラリを使用して研磨される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記１つ又は複数のターゲット基板を研磨するために使用される前記スラリは、前記１つ又は複数の基準基板を研磨するために使用される前記スラリより低い低誘電率材料除去レートを有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記１つ又は複数の基準基板の前記膜インターフェースが識別された後、前記基準基板の研磨中に測定されたスペクトルを記述する情報を搬送する信号を、前記ターゲット基板が研磨されている１つ又は複数の異なったプラテンに供給するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記１つ又は複数のターゲット基板の現在スペクトルから得られた各々の現在スペクトルを前記基準スペクトルと比較する前記ステップは、
前記１つ又は複数のターゲット基板上に形成された異なった層間のインターフェース遷移を、一連の最も一致した基準スペクトルに基づいて識別するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
１つ又は複数のターゲット基板を研磨する前記ステップは、前記１つ又は複数のターゲット基板を覆って形成されたハードマスク層及び低誘電率誘電体層を異なった膜除去レートで研磨するステップをさらに備え、前記ハードマスク層のための膜除去レートの前記低誘電率誘電体層のための膜除去レートに対する比は、少なくとも約２：１である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記１つ又は複数のターゲット基板上に形成された異なった層間の前記インターフェース遷移の識別後、前記１つ又は複数のターゲット基板を過研磨し、ターゲット研磨厚さを通り越すステップをさらに備える、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
１つ又は複数の基準基板の研磨後、前記１つ又は複数のターゲット基板の研磨に使用すべき終点アルゴリズムを、前記１つ又は複数の基準基板の研磨中に得られた前記基準スペクトル及び厚さデータに基づいて確立するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記１つ又は複数の基準基板又はターゲット基板の各々は、それらの上に形成されたデュアルダマシン構造を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
化学機械研磨プロセス中にターゲット基板のための終点を検出する方法であって、
その上に堆積された複数の膜層を含むターゲット基板を研磨するステップと、
終点に達したとき前記ターゲット基板の研磨を停止するステップとを備え、前記終点は、少なくとも１つの基準基板の研磨中に層間の少なくとも１つのインターフェースを識別するスペクトル解析から集計された情報に応じて選択される、方法。
【請求項１１】
少なくとも１つの基準基板の研磨中に基準スペクトルを収集するステップと、
収集された基準スペクトルを、前記ターゲット基板が研磨されている１つ又は複数の異なったプラテンに供給するステップとをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ターゲット基板を研磨するために使用されるスラリは、前記基準基板を研磨するために使用されるスラリより低い低誘電率材料除去レートを有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
化学機械研磨プロセス中にターゲット基板のための終点を検出する方法であって、
第１スラリを使用して基準基板を研磨及び測定し、異なったプラテン公転での基準スペクトルを供給するステップと、
前記第１スラリの膜除去レートとは異なる膜除去レートを有する第２スラリを使用してターゲット基板を研磨及び測定し、異なったプラテン公転での現在スペクトルを供給するステップと、
前記ターゲット基板の現在スペクトルを基準スペクトルと比較し、異なった研磨時間での一連の最も一致した基準スペクトルを生成するステップと、
前記一連の最も一致した基準スペクトルに基づく前記基準基板の研磨中に収集された一連の終点値を使用して、前記ターゲット基板内の異なった層間のインターフェース遷移を識別するステップとを備える、方法。
【請求項１４】
前記第２スラリは、前記第１スラリの低誘電率材料除去レートより低い低誘電率材料除去レートを有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ターゲット基板内の異なった層間の前記インターフェース遷移の識別後、前記ターゲット基板を過研磨し、ターゲット研磨厚さを通り越すステップをさらに備える、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載された実施形態は、基板から材料を除去することに関する。より具体的には、本明細書に記載された実施形態は、化学機械研磨中の終点制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路は、単一のチップ上に数百万の部品（例えば、トランジスタ、キャパシタ及び抵抗）を含むことができる複雑なデバイスに進化してきた。より高い回路密度に対する要求は、集積回路部品の寸法の縮小、例えばサブミクロン寸法を必要とし、且つ、より高速でより良好な電気的性能を達成するために、金属線に使用される、より高い伝導率の材料、絶縁材料として使用される、より低い誘電率（低誘電率、誘電定数）の材料、等のような、デバイスを製造するための種々の材料の使用を必要とする。集積回路製造に関して、銅及びアルミニウム相互配線のような低抵抗の金属相互配線は、集積回路デバイスの集積回路部品間の導電経路を提供する。一般に、金属相互配線は、誘電性バルク絶縁材料によって互いに電気的に絶縁されている。サブミクロン寸法では、隣接する金属相互配線間に容量性結合が潜在的に生じ、これは、相互干渉及び／又は抵抗キャパシタンス（ＲＣ）遅延を引き起こす可能性があり、集積回路の全体的な性能を低下させる可能性がある。
【０００３】
いくつかの集積回路部品は、多レベル相互接続構造、例えばデュアルダマシン構造を含んでいる。典型的には、デュアルダマシン構造は、互いに積み上げられた低誘電定数材料及び導電性銅層のような誘電性バルク絶縁層及び導電性金属層を有する。ビア及び／又はトレンチが誘電性バルク絶縁層中にエッチングされ、その後導電性金属層がビア及び／又はトレンチ中に充填され、化学機械平坦化プロセス（ＣＭＰ）等によって導電性金属材料がビア及び／又はトレンチ内にのみ残るように平坦化される。デュアルダマシン手法では、一連のハードマスク、低誘電率誘電体、及びエッチング停止層等を含むかなり複雑な誘電体スタックが必要とされる可能性がある。
【０００４】
ＣＭＰ中の課題は、研磨プロセスが完了したか否か、すなわち基板層が所望の平坦さ又は厚さに平坦化されたか否か、又は、所望の量の材料が除去された時を決定することである。導電性層又は膜の過研磨（除去しすぎ）は、結果として回路抵抗の増加を生じる可能性がある。他方では、導電性層の研磨不足（除去しなさすぎ）は、結果として電気的短絡を生じる可能性がある。スラリ組成物の変動と、研磨パッド状態の変動と、研磨パッド及び基板間の相対速度の変動と、基板上の負荷の変動とは、材料除去レートの変動を生じる可能性がある。これらの変動と、それに加えてやがて起こる厚さの変動は、研磨終点に達するまでに必要な時間の変動を引き起こす。したがって、研磨終点を単に研磨時間又は予め決められた厚さの関数として決定することはできない。
【０００５】
最近では、スペクトルを基礎とする終点検出技術を使用する基板のインサイチュ光学監視が、研磨終点の検出を向上させるために行われている。動作時は、例えば、光源の特定の閃光のための光検出器によって受けられた光のスペクトルを説明する情報を搬送する信号を受信するために計算デバイスが使用される。研磨は最外層の厚さの変化により進行するため、基板から反射された光のスペクトルは展開し、したがって一連の時間変化するスペクトルをもたらす。特定のスペクトルは、層スタックの特定の厚さによって表される。しかしながら、いくつかの特定の膜スタックに関して、終点決定は、ウエハ間又はロット間の変動によりマスクされる可能性がある研磨中の極小のスペクトル変化によりまったく困難になる。例えば、ハードマスク／超低誘電率誘電体／バリア層の膜スタックに関して、スペクトルは、通常、バリア層及びハードマスク層の研磨中は著しく変化するが、超低誘電率誘電体の研磨中、スペクトル変化はきわめて小さい可能性がある。したがって、研磨終点は、単にスペクトルの関数として決定することはできない。
【０００６】
したがって、化学機械研磨中の終点検出の改善された方法に対する必要性が存在する。
【発明の概要】
【０００７】
本明細書に記載された実施形態は、基板から材料を除去することに関する。より詳細には、本明細書に記載された実施形態は、化学機械研磨プロセス中にターゲット基板のための終点を検出する方法に関する。ある実施形態では、この方法は、１つ又は複数の基準基板を第１膜除去レートで研磨し、基準スペクトルを供給するステップと、１つ又は複数のターゲット基板を第１膜除去レートとは異なる第２膜除去レートで研磨し、１つ又は複数のターゲット基板の現在スペクトルを供給するステップと、１つ又は複数のターゲット基板上に形成された異なった層間のインターフェース遷移を、１つ又は複数の基準基板の研磨中に収集された基準スペクトルに基づいて得られた一連の終点値を使用して識別するステップと、１つ又は複数のターゲット基板の現在スペクトルから得られた各々の現在スペクトルを基準スペクトルと比較し、一連の終点値を得るステップとを含んでいる。ある態様では、比較工程を行った後、１つ又は複数のターゲット基板上に形成された異なった層間のインターフェース遷移を、一連の最も一致した基準スペクトルに基づいて識別する。１つ又は複数のターゲット基板上に形成された異なった層間のインターフェース遷移を識別した後、１つ又は複数のターゲット基板は、用途に応じて所望の厚さに最適に過研磨される。
【０００８】
他の実施形態では、化学機械研磨プロセス中にターゲット基板のための終点を検出する方法が提供される。ある実施形態では、化学機械研磨プロセス中にターゲット基板のための終点を検出する方法は、複数の膜層が堆積されたターゲット基板を研磨するステップと、終点に達したときターゲット基板の研磨を終了するステップとを含み、終点は、少なくとも１つの基準基板の研磨中の層間の少なくとも１つのインターフェースを識別するスペクトル解析に従う情報に応じて選択される。
【０００９】
依然として他の実施形態では、化学機械研磨プロセス中にターゲット基板を処理する方法が提供される。この方法は、第１スラリを使用して基準基板を研磨及び測定し、異なったプラテン公転での基準スペクトルを供給するステップと、第１スラリの膜除去レートとは異なる膜除去レートを有する第２スラリを使用してターゲット基板を研磨及び測定し、異なったプラテン公転での現在スペクトルを供給するステップと、ターゲット基板の現在スペクトルを基準スペクトルと比較し、異なった研磨時間での一連の最も一致した基準スペクトルを生成するステップと、一連の最も一致した基準スペクトルに基づく基準基板の研磨中に収集された一連の終点値を使用して、ターゲット基板内の異なった層間のインターフェース遷移を識別するステップとを含んでいる。
【００１０】
本発明の上に列挙された特徴が詳細に理解できるように、上で簡潔に要約された本発明のより詳しい記述が実施形態を参照することによって得られ、それのいくつかは添付図面で例示されている。しかしながら、本発明は他の同等に有効な実施形態を認めてもよいので、添付図面は、この発明の典型的な実施形態だけを例示し、したがってその範囲を制限すると考えられるべきではないことが留意されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】２つの研磨ヘッドを有する研磨装置の一例を例示する図である。
【図２】デュアルダマシン構造を含有する基板の概略断面図を例示する図である。
【図３】ターゲットスペクトルを得るための本発明による方法を例示する図である。
【図４】特定のターゲット厚さと特定のスペクトルを基礎とする終点決定論理とに関する基準スペクトルを選択する本発明による方法を例示する図である。
【図５】異なった時間での、図２の既知の誘電性膜スタックを有するターゲットウエハの研磨中に収集される一連の終点値を例示する図である。
【図６】先行技術の以前の終点技術による処理後の、異なった初期厚さを有する誘電性ベース層の金属線の結果として生じる厚さの比較を例示する図である。
【図７】異なった層間の識別された膜インターフェースを使用する終点検出のための本発明による方法を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
理解を容易にするために、図面に共通の同一の要素を指示することが可能な場合、同一の参照番号が使用されている。ある実施形態の要素及び特徴は、さらなる列挙なしに他の実施形態に有利に組み込むことができることが意図されている。
【００１３】
上で論じたように、研磨パッド状態の変動や、研磨パッド及び基板間の相対速度等は、材料除去レートの変動を生じる可能性がある。複数のウエハが、例えば同じ研磨パッド上で、同時に研磨されるべき場合、基板層の初期厚さの変動や、研磨パッド状態による研磨レートの変動や、研磨パッド及び基板間の相対速度等は、異なった時間で基板をそのターゲット厚さに到達させる可能性がある。同時に、研磨が複数の基板に対して同時に休止される場合、いくつかの基板は所望の厚さではない可能性がある。他方では、基板の研磨が異なった時間に停止される場合、いくつかの基板は欠陥を有する可能性があり、研磨装置はおそらくより低いスループットで動作することになる。
【００１４】
下で論じるように、異なった層間のインターフェースをインサイチュ測定から識別することによって、ターゲット厚さのために見積もられた終点時間、又は、ターゲット終点時間のために見積もられた厚さは、各々の基板に関して決定することができ、少なくとも１つの基板に関する研磨レートは、基板がより近い終点状態に達するように調節することができる。「より近い終点状態」によって、このような調整がないよりも、同じ時間に基板がそれらのターゲット厚さにより近くに達することを意味し、又は、基板が研磨を同時に休止する場合、このような調節がないよりも、基板が同じ厚さにより近くなることを意味する。
【００１５】
図１は、好例の研磨装置１００の部分的断面図を例示する。研磨装置１００は、その上に研磨パッド１１０が位置する回転可能なディスク状プラテン１２０を含む。研磨パッド１１０を経て形成される光アクセス１５５が、開孔（すなわち、パッドを貫通する孔）又は固体窓を含むことによって提供される。プラテン１２０は、ドライバシャフト１４２を回してプラテン１２０を回転させるモータ１２１によって軸１２５の周りを回転するように動作可能である。研磨装置１００は、組み合わされたスラリ／洗浄アーム１２２を含むことができる。研磨中、アーム１２２は、スラリのような研磨流体１１８を研磨パッド１１０上に与えるように動作可能である。
【００１６】
２つのキャリアヘッド１３０が図１に示されているが、研磨装置１００は、一般に少なくとも１つのキャリアヘッドを含んでいる。各々のキャリアヘッド１３０は、研磨パッド１１０に対して基板１１５を把持するように動作可能である。各々のキャリアヘッド１３０は、少なくとも１つの研磨パラメータ、例えば、個々の基板１１５に関係する、基板１１５を研磨パッド１１０及びプラテン１２０に対して押すのに使用される力を、独立して制御することができる。各々のキャリアヘッド１３０は、支持体構造１７１から吊り下げられ、ドライバシャフトによってキャリアヘッド回転モータ（図示せず）に接続されており、このキャリアヘッド回転モータは、そこに保持されたキャリアヘッド１３０及び基板１１５を軸１６１の周りで回転させる。任意に、各々のキャリアヘッド１３０は、横方向に、又は、全面的な運動で振動することができる。動作に際しては、プラテン１２０は、その中心軸１２５の周りを回転し、各々のキャリアヘッド１３０は、その中心軸１６１の周りを回転する。キャリアヘッド１３０は、加えて、研磨パッド１１０の上面を横方向に横切って移動することができる。ある好適なキャリアヘッドアセンブリは、カリフォルニア州サンタクララにあるアプライドマテリアルズ社から利用可能なＴＩＴＡＮ  ＨＥＡＤ（登録商標）キャリアヘッドである。
【００１７】
２つのキャリアヘッド１３０のみが図示されているが、より多くのキャリアヘッドを設け、研磨パッド１１０の表面領域を効率的に使用できるように追加の基板を把持するようにしてもよい。このように、同時研磨プロセスのために基板を把持するように適合されたキャリアヘッドアセンブリの数は、少なくとも部分的に、研磨パッド１１０の表面領域に基づくことができる。１つのスラリ／洗浄アーム１２２のみが図示されているが、各々のキャリアヘッドに１つ又は複数の専用スラリアームのような追加のノズル（図示せず）が使用されてもよく、スラリ分布のために所望の場所に設けられてもよい。本発明の実施形態は、カリフォルニア州サンタクララにあるアプライドマテリアルズ社から利用可能な好適に適用されるＲＥＦＬＥＸＩＯＮ（登録商標）、ＲＥＦＬＥＸＩＯＮ  ＧＴ、ＲＥＦＬＥＸＩＯＮ  ＬＫ、及びＭＩＲＲＡ  ＭＥＳＡ（登録商標）ＣＭＰシステムで実施することができる。加えて、本発明は、他の製造業者から利用可能な好適に適用されるＣＭＰシステムでも実施することができる。
【００１８】
研磨装置は、インサイチュモニタシステム１４０も含んでおり、インサイチュモニタシステム１４０は、下で論じるように研磨レートを調節するか否かを決定するために使用することができる。インサイチュモニタシステム１４０は、光学モニタシステム、例えば、レーザ又は分光モニタシステム、あるいは、渦電流モニタシステムを含むことができる。
【００１９】
一実施形態では、モニタシステム１４０は光学モニタシステムである。光学モニタシステムは、光源や、光検出器や、光源及び光検出器に信号を送信し、これらから信号を受信する回路網のような１つ又は複数の部品（図示せず）を含むことができる。
【００２０】
動作に際しては、光は光源から放出され、研磨パッド１１０の光アクセス１５５を経て基板１１５によって反射され、反射された光は、光アクセス１５５を経て光検出器に戻る。光源は、白色光を放射するように動作可能であってもよい。ある実施では、放射された白色光は、約２００ナノメートルと約８００ナノメートルとの間の波長を有する光を含む。ある好適な光源は、キセノンランプ又はキセノン水銀ランプである。
【００２１】
光検出器は、格子分光計のような分光計であってもよい。分光計は、電磁スペクトルの一部に渡る光の強度を測定する光学器具である。分光計は、光の強度を波長（又は周波数）の関数として指し示す出力信号を有する。光源及び光検出器は、それらの動作を制御し、それらの信号を受信するように動作可能な、計算デバイス１５０、例えばコントローラに結合することができる。計算デバイス１５０は、研磨装置の近くに置かれたマイクロプロセッサ１４５、例えばプログラム可能な論理コントローラを含むことができる。制御に関して、計算デバイス１５０は、例えば、モニタシステム１４０の光源の活動化をプラテン１２０の回転と同期させることができる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、インサイチュモニタシステム１４０のセンサ（図示せず）は、プラテン１２０に取り付け、プラテン１２０と共に回転させることができる。この実施形態では、基板１１５に対するプラテン１２０の相対運動は、センサに基板を横断して走査させる。他の実施形態では、インサイチュモニタシステム１４０のセンサは固定され、基板１１５の下に位置決めされる。この実施形態では、インサイチュモニタシステム１４０は、プラテンを経て形成された光アクセス１５５がモニタシステム１４０のセンサと位置合わせするように回転するたびに測定を得ることができ、モニタシステム１４０からの光が送られ、プラテン１２０を経て基板１１５から反射され戻されることを許可する。
【００２３】
一実施形態では、プラテン１２０が回転すると、計算デバイス１５０は、光源に、基板１１５がインサイチュモニタシステム１４０を通過する直前に開始し、通過した直後に終了する、又は、プラテン１２０内の光アクセス１５５がインサイチュモニタシステム１４０のセンサと位置合わせする直前に開始し、位置合わせした直後に終了する一連の閃光を放射させることができる。代わりに、計算デバイス１５０は、光源に、基板１１５がインサイチュモニタシステム１４０を通過する直前に開始し、通過した直後に終了する、又は、プラテン１２０内の光アクセス１５５がインサイチュモニタシステム１４０のセンサと位置合わせする直前に開始し、位置合わせした直後に終了する光を連続的に放射させることができる。いずれの場合でも、検出器からの信号をサンプリング周期に渡って積分し、サンプリング周波数でスペクトル測定値を発生させることができる。
【００２４】
動作に際しては、計算デバイス１５０は、例えば、光源の特定の閃光に関して光検出器によって受信された光のスペクトル、又は、検出器の時間フレームを記述する情報を搬送する信号を受信することができる。このように、このスペクトルは、研磨中にその場で測定されたスペクトルである。どのような特定の理論にも限定されることなしに、基板１１５から反射された光のスペクトルは、研磨が最外層の厚さの変化によって進行するにつれて展開し、このように、一連の時間変動するスペクトルをもたらす。特定のスペクトルは、層スタックの特定の厚さによって表される。しかしながら、前に論じたように、いくつかの特定の膜スタックに関して、終点決定は、ウエハ間及びロット間の変動によりマスクされる可能性がある研磨中の極小のスペクトル変化により困難になる可能性がある。例えば、図２で下に示されるようなハードマスク／バルク誘電体層／底部バリア層の膜スタックでは、スペクトルはハードマスク層２２２、２２４の研磨中著しく変化するが、バルク誘電体層２２０の研磨中、スペクトル変化はきわめて小さく（図３と関連して下に論じる）、したがって、所望の最終的な厚さでの終点決定を困難にする。
【００２５】
図２は、本発明から利益を得ることができる好例のデュアルダマシン構造を含有する基板２００を例示する。基板２００は、一般に、導電性材料２４０が配置された誘電体ベース層２３４を含んでいる。ある形式の導電性材料２４０は、銅、銅合金（例えば、少なくとも約８０重量パーセントの銅を含有する銅ベースの合金）又はドープされた銅のような材料を含む銅を備えている。少なくとも、底部バリア層２３０と、バルク誘電体層２２０と、第１ハードマスク層２２２及び第２ハードマスク層２２４を含有する上部キャップ膜スタックとを含む好例の誘電体膜スタック２１０は、基板２００の表面上の誘電体ベース層２３４の上に順次堆積されている。任意に、誘電体膜スタック２１０は、底部バリア層２３０と誘電体ベース層２３４との間に堆積されたエッチング停止層（図示せず）を含むことができる。エッチング停止層は、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、オルトケイ酸塩テトラエチル（ＴＥＯＳ）ベースの酸化物、炭化ケイ素、オキシ炭化ケイ素、等を含むことができる。一実施形態では、底部バリア層２３０は、炭化ケイ素ベースの材料、例えばとりわけオキシ炭化ケイ素（ＳｉＯＣ）のような、低誘電率誘電体材料である。底部バリア層２３０は、さらに、ドーパント、水素、酸素、窒素、ホウ素、又はリン、あるいはこれらの組み合わせを備えることができる。底部バリア層２３０としての使用に好適な低誘電率誘電体炭化ケイ素ベースの材料は、約７以下の誘電率を有することができる。底部バリア／ライナ層のある好例の材料は、カリフォルニア州サンタクララにあるアプライドマテリアルズ社から利用可能な炭化ケイ素膜であるＢｌｏｋ（登録商標）（バリア低誘電率）膜である。
【００２６】
バルク誘電体層２２０は、底部バリア層２３０の上に堆積されており、炭素ベースのドーパント（例えば、アルキル官能基）がドープされた、炭素がドープされた二酸化ケイ素誘電体材料、有機ポリマ、有機ケイ素、有機ケイ酸塩ガラス（ＯＳＧ）材料、スピンオンガラス材料、フッ素がドープされたケイ素ガラス（ＦＳＧ）材料、等のような、約５より低い（例えば、約４より低い、又は約２．５より低い）誘電率を有する低誘電率誘電体材料であってもよい。本発明の一実施形態では、バルク誘電体層２２０は、ケイ素、酸素及び炭素を備えている。ＯＳＧは、しばしばドープされた二酸化ケイ素と呼ばれ、その例は、Ｂｌａｃｋ  Ｄｉａｍｏｎｄ（登録商標）Ｉ、Ｂｌａｃｋ  Ｄｉａｍｏｎｄ  ＩＩ、及びＢｌａｃｋ  Ｄｉａｍｏｎｄ  ＩＩＩ材料であり、これらはカリフォルニア州サンタクララにあるアプライドマテリアルズ社からすべて利用可能である。
【００２７】
上部キャップ膜スタックは、製造中、下にある誘電体膜スタック２１０を保護するのに好適な、キャッピング層、ハードマスク層、デュアルハードマスク層、エッチング停止層、又は研磨停止層であってもよい。上部キャップ膜スタックがデュアルハードマスク層である実施形態では、第１ハードマスク層２２２又は第１キャップ層は、エッチング液に曝露されると、バルク誘電体層２２０及び他の誘電体層とは異なるレートでエッチングすることができる、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、オキシ窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸素がドープされた炭化ケイ素（ＳｉＯＣ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、ＳｉＯＣＮ、窒素がドープされた炭化ケイ素（ＳｉＣＮ）、オルトケイ酸塩テトラエチル（ＴＥＯＳ）ベースの酸化物、等のような誘電体ハードマスク材料であってもよい。一実施形態では、第１ハードマスク層２２２は、バルク誘電体層２２０上に堆積されており、トレンチエッチングプロセス中、エッチングマスクとして役に立つＳｉＯＣ層である。第２ハードマスク層２２４又は第２キャップ層は、第１ハードマスク層２２２の上に堆積されている。第２ハードマスク層２２４は、第１ハードマスク層２２２に関して、及び、バルク誘電体層２２０に関して、良好なエッチング選択性を有する、導電性材料、金属材料、又は金属窒化物であってもよい。第２ハードマスク層２２４は、チタニウム、窒化チタニウム、及び窒化タングステンから成るグループから選択される材料のような高融点金属窒化物、あるいは、タングステン又はチタニウムのような高融点金属を備えることができる。第２ハードマスク層２２４は、とりわけ、アモルファスシリコンのような誘電体材料から形成することもできる。
【００２８】
図２の膜スタック２１０を有する基板の研磨中、研磨されている基板表面から反射される光の１つ又は複数のスペクトルが測定され、特定のプラテン公転に関する１つ又は複数のスペクトルが得られる。反射された光のスペクトルの特性は、膜の厚さが変化するにつれて変化し、特定のスペクトルは、膜の特定の厚さによって表される。計算デバイスは、１つ又は複数のスペクトルに基づいて、終点に達したか否かを決定するために使用することができる。しかしながら、上部キャップ膜スタック（例えばハードマスク層２２２）の研磨中に著しいスペクトル変化が検出され得ることが観察されているが、バルク誘電体層の研磨中は極小のスペクトル変化しか存在せず、結果として、バルク誘電体層２２０及びハードマスク層２２２の研磨中の実時間の終点決定は困難になる。加えて、バルク誘電体層２２０及びハードマスク層２２２間のインターフェースは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）方法のような顕微鏡技術を使用したとしても、画像から検出されず、又は、画像から明らかではないことが報告されている。したがって、図３、４及び７と連携して下に論じるように、改善されたスペクトル解析を利用する種々の方法が、これらの問題を扱うために提案されている。
【００２９】
図３は、本発明の一実施形態によるターゲットスペクトルを得る方法３００を示す。ステップ３０２では、基板が提供され、製品基板と同じパターンを有する基板の特性が測定される。測定される基板は、本明細書では「セットアップ」基板と呼ばれる。セットアップ基板は、単に製品基板と同様又は同じ基板であってもよく、あるいは、セットアップ基板は、バッチからのある基板であってもよい。特性は、基板上の対象となる特定の場所での対象となる膜の予め研磨された厚さを含むことができる。典型的には、複数の場所での厚さが測定される。場所は、通常、同じ形式のダイの特徴が各々の場所に対して測定されるように選択される。測定は、計測学ステーションで行うことができる。
【００３０】
ステップ３０４では、セットアップ基板は、対象となる研磨ステップと、研磨中に収集される研磨されている基板表面から反射される白色光のスペクトルとにしたがって研磨される。研磨及びスペクトル収集は、図１に示す上述した研磨装置で行うことができる。スペクトルは、研磨中にインサイチュモニタシステムによって収集される。一実施形態では、基板は過研磨され、すなわち、ターゲット厚さが達成されたときに基板から反射された光のスペクトルが得られるように、推定される終点を過ぎて研磨される。
【００３１】
ステップ３０６では、過研磨された基板の特性が測定される。特性は、研磨前測定に使用された特定の１箇所又は複数の場所での対象となる膜の研磨後厚さを含むことができる。
【００３２】
ステップ３０８では、測定された厚さと収集されたスペクトルとが使用され、収集されたスペクトルの中から、対象となる厚さによって表されるように決定されたスペクトルが選択される。特に、測定された研磨前の膜厚及び研磨後の基板厚を使用して線形補間を行い、ターゲット膜厚が達成されたときにどのスペクトルが表されたかを決定することができる。ターゲット厚さが達成されたときに表されるものと決定されたスペクトルは、基板のバッチのためのターゲットスペクトルとなるように指定される。任意に、収集されたスペクトルは、さらに処理され、正確度及び／又は精度を向上させる。スペクトルを処理し、例えば、それらを共通の基準に正規化する、それらを平均化する、及び／又は、それらからノイズをフィルタで除去することができる。
【００３３】
本明細書で使用する場合、基準スペクトルは、ターゲット膜厚に関係付けられたスペクトルを指す。基準スペクトルは、通常、コンピュータデバイスが特定のスペクトルベースの終点論理を用いることによって終点を呼び出すとき、ターゲット厚さが達成されるように、特定の終点決定論理に関して経験的に選択される。基準スペクトルは、図４を参照して下に説明するように、反復的に選択することができる。基準スペクトルは、通常、ターゲットスペクトルではないことが留意されるべきである。むしろ、基準スペクトルは、通常、対象となる膜がターゲット厚さより厚い厚さを有するときに基板から反射される光のスペクトルである。
【００３４】
図４は、特定のターゲット厚さと、特定のスペクトルベースの終点決定論理とに対して基準スペクトルを選択する本発明による方法４００を示す。ステップ４０２では、ステップ３０２〜３０６で上述したようにセットアップ基板が測定され研磨される。特に、収集されたスペクトルと、各々の収集されたスペクトルが測定された時間とが、ライブラリとして保存される。
【００３５】
ステップ４０４では、特定のセットアップ基板のための研磨装置の研磨レートが計算される。平均研磨レートＰＲは、研磨前厚さＴ１、研磨後厚さＴ２、及び、実際の研磨時間ＰＴを使用して計算することができ、例えば、ＰＲ＝（Ｔ２−Ｔ１）／ＰＴである。
【００３６】
ステップ４０６では、終点時間が特定のセットアップ基板に対して計算され、下に論じるように、基準スペクトルをテストするための校正点が提供される。終点時間は、計算された研磨レートＰＲと、対象となる膜の研磨前の開始厚さＳＴと、対象となる膜のターゲット厚さＴＴとに基づいて計算することができる。終点時間は、研磨レートが研磨プロセスを通じて一定であると仮定して、単純な線形補間として計算することができ、例えば、ＥＴ＝（ＳＴ−ＴＴ）／ＰＲとなる。
【００３７】
ステップ４０８では、収集されたスペクトルの１つが選択され、基準スペクトルとなるように指定される。選択されるスペクトルは、対象となる膜が、ターゲット厚さとほぼ等しいかそれより厚い厚さを有するときに基板から反射される光のスペクトルである。ステップ４１０では、特定の終点決定論理は、セットアップ基板に関して収集されたスペクトルと、基準スペクトルであると指定された選択されたスペクトルとを使用して、シミュレーションで実行される。論理の実行は、論理が終点であると決定した、経験的に導かれたがシミュレートされた終点時間をもたらす。
【００３８】
ステップ４１２では、経験的に導かれたがシミュレートされた終点時間が、計算された終点時間と比較される。経験的に導かれた終点時間が計算された終点時間のしきい値範囲内である場合、現在選択されている基準スペクトルは、校正点と一致する結果を生成することが知られている。このように、終点論理が、実行時間環境で基準スペクトルを使用して実行される場合、システムは、ターゲット厚さでの終点を確実に検出することができる。したがって、基準スペクトルは、バッチの他の基板の実行時間研磨のための基準スペクトルとして扱うことができ（ステップ４１４）、ライブラリに保存することができる。そうでない場合は、ステップ４１０及び４１２が必要に応じて繰り返される。
【００３９】
ステップ４０２〜４１４を使用して得られた基準スペクトルのライブラリは、共通でプロパティを共有する基板を表現する基準スペクトルの収集であると同時に、単一のライブラリの共通で共有されるプロパティは、基準スペクトルの複数のライブラリで変動してもよい。例えば、２つの異なるライブラリは、基板を２つの異なる基礎となる厚さにより表現する基準スペクトルを含むことができる。加えて、なお、同じバッチ内の各々の基板の初期厚さは、堆積からの不十分に制御された膜厚により変動する可能性があり、これは、研磨終点に達するまでに必要な実際の時間に違いをもたらす。同様に、スラリ組成物と、研磨パッド状態と、研磨パッド及び基板間の相対速度と、基板上の負荷も、材料除去レートの変動を生じさせる可能性がある。これらの変動は、基準スペクトルが識別されているとしても、研磨終点に達するまでに必要な実際の時間に変動を生じさせる。したがって、研磨終点は、異なった膜厚に対応する基準スペクトルの関数として単に決定することはできない。ウエハ間の変動によって影響されない実時間終点監視を提供するために、本発明者等は、収集されたスペクトルと、各々の収集されたスペクトルが測定された研磨時間とをライブラリに保存することができ、ターゲット膜スタック内の１つ又は複数の膜インターフェースを識別するために使用することができることを発見している。異なった層間の膜インターフェースに関する情報を含む信号は、同じバッチからの１つ又は複数のターゲット基板の研磨中の動的終点決定のために使用することができる。
【００４０】
図５は、異なった時間での、既知の誘電体膜スタック、例えば図２に示す誘電体膜スタック２１０を有するターゲットウエハの研磨中に収集された一連の終点値を例示している。終点値は、所定の時間でのターゲットスペクトルに関するライブラリからの最も一致するスペクトルのライブラリインデックスである。各々の終点値は、研磨プロセス中に基準スペクトルのインデックス値が収集された時間を表現し、特定のスペクトルは、膜スタック２１０の特定の厚さによって表される。図７に記載された方法を行うことによって、ターゲットウエハが異なった低誘電率／ハードマスク膜選択性によって研磨されたとき、インターフェース遷移を指し示す著しい傾斜変化５０２が観察される。下に論じるように、いったん膜インターフェースが識別されると、研磨中に測定されたスペクトルを記述する情報を搬送する信号を、ターゲットウエハが研磨されている１つ又は複数の異なったプラテンに送信することができる。次に、ターゲットウエハは、用途に応じて、任意に過研磨、すなわちターゲット厚さ又は所望の厚さを越えて研磨され、研磨を終了する。研磨終点が予め決められた研磨時間又は厚さの関数として決定される従来の手法と比較すると、本発明は、基準及びターゲット基板を異なった膜選択性で研磨することによって、膜インターフェース遷移の識別（及び、したがって正確な研磨終点検出）を可能にする。本発明による研磨プロセスは、基板の初期厚さに関係なく、ターゲット基板の誘電体ベース層内の金属線の太さを一定に保つこともできる。すなわち、個々の誘電体ベース層６０４内の金属線６０２、６０３の結果として生じる太さは、図６に示すように、入来基板の初期厚さに関係なく、一定のままである。
【００４１】
図７は、異なった層間の識別された膜インターフェースを使用する終点検出のための本発明による方法７００を示す。本明細書に記載された本発明の基本的な範囲から逸脱することなしに、１つ又は複数の工程を追加、削除及び／又は再順序付けすることができるため、図７に例示された工程の数及び順序は、本明細書に記載された本発明の範囲について限定することを意図されていないことが留意されるべきである。
【００４２】
ステップ７０２では、方法４００のステップ４０２〜４１４で上に記載されているように、ライブラリ（又は基準）基板が第１スラリを使用して研磨され、測定され、基準スペクトルが供給される。この実施形態では、どのような他の半導体デバイス又は集積回路も可能であるとしても、図２で上に論じたように、ライブラリ基板はデュアルダマシン構造で供給することができる。
【００４３】
ステップ７０４では、基準スペクトルを得るプロセスから収集されたスペクトルと、各々の収集されたスペクトルが測定された時間とが、ライブラリに格納される。ライブラリは、上で論じたような研磨装置の計算デバイスのメモリ内に実装することができ、あるいは、他の研磨システムで使用するために加工業者にデジタル情報として利用可能にする又は供給することができる。複数のライブラリ基板が望まれる場合では、異なったライブラリに関するスペクトルは、複数のライブラリ基板を異なった基板特性（例えば、下層の厚さ又は層組成物）で研磨し、上で論じたようにスペクトルを収集することによって生成することができる。あるライブラリ基板からのスペクトルは第１ライブラリを供給することができ、異なった下層の厚さを有する他の基板からのスペクトル第２ライブラリを供給することができる、等である。
【００４４】
いくつかの実施では、各々の基準スペクトルはインデックス値を割り当てられる。このインデックスは、基準スペクトルが観測されたと予想される研磨プロセス中の時間を表現する値であってもよい。スペクトルは、特定のライブラリの各々のスペクトルが唯一の屈折率値を有するようにインデックスを付けることができる。インデックス付けは、インデックス値が、スペクトルが測定された順序で順番付けられるように実施することができる。インデックス値は、研磨が進むにつれて単調に変化、例えば増加又は減少するように選択することができる。特に、基準スペクトルのインデックス値は、それらがプラテン回転の時間又は数の線形関数を形成するように選択することができる。例えば、インデックス値は、プラテン回転の数に比例することができる。各々のインデックス番号は整数であってもよく、インデックス番号は、関係付けられているスペクトルが現れると予想されるプラテン回転を表現することができる。
【００４５】
ステップ７０６では、基板のバッチからの１つ又は複数のターゲット基板が研磨される。ライブラリ基板と同様に、どのような他の半導体デバイス又は集積回路も方法７００を利用して処理できるとしても、図２で上に論じたように、ターゲット基板はデュアルダマシン構造を有することができる。研磨中、上で論じた方法３００のステップ３０２〜３０６を使用して、１つ又は複数のスペクトルが測定され、異なったプラテン公転でのターゲット基板の現在スペクトルが得られる。一実施形態では、第１及び第２スラリが同様のバリア／ハードマスク研磨レートを有することができるとしても、ターゲット基板は、第１スラリより大幅に低い低誘電率除去レートを有する第２スラリを使用して研磨される。例えば、ライブラリ基板は、キャップ層又はハードマスク層２２２、２２４に対する約８００Å／ｍｉｎの除去レートと、バルク誘電体層２２０に対する約８００Å／ｍｉｎの除去レートとで研磨することができる（ハードマスク／バルク誘電体に対する膜選択性１：１）。ターゲット基板は、キャップ層又はハードマスク層２２２、２２４に対する約８００Å／ｍｉｎの除去レートと、バルク誘電体層２２０に対する約４００Å／ｍｉｎの除去レートとで研磨することができる（ハードマスク／バルク誘電体に対する膜選択性２：１）。スラリは、選択性の違いを作ることが可能な任意のスラリであってもよいことが考えられる。ある好適なスラリは、高い超低誘電率除去レート又は低い超低誘電率除去レートを有する酸性スラリ又は塩基性スラリを含むことができる。スラリは、溶液を緩衝し、基板を処理する所望のペーハーレベルを維持することもできる。同じ会社からの異なったスラリは、それらがどのように処方されるか、スラリ中の添加物、等に応じて、異なった選択性を有することもできる。
【００４６】
ステップ７０８では、ターゲット基板内の異なった層間のインターフェースが、一連の最も一致した基準スペクトルに基づくライブラリ基板の研磨中に収集された一連の終点値を使用して識別される。最も一致した基準スペクトルは、上で論じたように、ライブラリ基板に使用されたスラリとは異なる低誘電率／ハードマスク層除去レートを有するスラリによってターゲット基板を研磨することによって得ることができる。特定の例では、ライブラリ基板は、ターゲット基板を研磨する前に、研磨され、研磨後厚さを測定される。異なったスラリの使用は、層間の膜選択性の違いを作成するための手法の１つである。ターゲット基板が研磨されているとき、研磨装置の計算デバイスは、異なった研磨時間でのターゲットスペクトルと最も一致するライブラリ又は基準スペクトルを探索する。例えば、全体の研磨の最初の３０秒でのハードマスク研磨中、ターゲット基板研磨の特定時間ｔ１は、同様の厚さ、膜特性及びスペクトルによりライブラリ基板研磨の時間ｔ１と十分に一致する。しかしながら、バルク誘電体層２２０の研磨中、ターゲット基板研磨の時間ｔ２が、これらの異なった膜特性により、ライブラリ基板研磨の異なった時間、例えば、時間ｔ３で一致する。異なった研磨時間でのこれらの最も一致した基準スペクトルは、図５に示すように多数の点によって表現することができる。したがって、ライブラリ及びターゲット基板間の膜除去レートの選択性の違いを作成することによって、図５に示すように、インターフェース遷移（すなわち、膜インターフェース）を指し示す著しい傾斜変化５０２を観測することができる。膜インターフェースが得られると、ターゲット基板のために、研磨の適切な終点を識別することができる。
【００４７】
ステップ７１０では、いったん膜インターフェースが識別されると、ライブラリ基板の研磨中に得られたスペクトル及び厚さデータに基づく終点アルゴリズムを確立することができ、ターゲット基板が研磨されている１つ又は複数の異なったプラテンに送信することができる。
【００４８】
ステップ７１２では、追加で又は代わりに、比較モジュールを使用し、ターゲット基板の一連の現在スペクトルから得られた各々の現在スペクトルを、基準スペクトルライブラリに格納された複数の基準スペクトルと比較し、一連の最も一致した基準スペクトルを生成し、これによって、ターゲット基板のための研磨の適切な終点を識別することができる。このような場合では、ターゲット基板の研磨は、ライブラリ基板に研磨及びスペクトル測定が行われるまで保持することができる。次に、終点アルゴリズムが、ライブラリ基板の研磨中に得られた基準スペクトル及び厚さデータに基づいて、ターゲット基板の研磨のために確立される。
【００４９】
ステップ７１４では、ターゲットウエハは、集積方式及び用途次第で、任意に過研磨することができ、すなわち、ターゲット厚さを越えて研磨することができる。これは、製造業者が、研磨を、インターフェースの代わりにバルク誘電体層２２０の内側で停止することを望む場合、生じる可能性がある。研磨終点が予め決められた研磨時間又は厚さの関数として決定される従来の手法と比較すると、本発明は、基準及びターゲット基板を異なった膜選択性で研磨することによって膜インターフェース遷移を識別すること（及び、したがって正確な研磨終点検出）を可能にする。本発明による研磨プロセスは、基板の初期厚さに関係なく、誘電体ベース層内の金属線の太さを一定に保つこともできる。
【００５０】
前述は本発明の実施形態を対象としているが、本発明は、膜インターフェース他を検出する必要のある他のプロセス制御で使用することができる。本発明のさらなる実施形態は、その基本的な適用範囲から逸脱することなく考案することができ、その適用範囲は、後に続く請求項によって決定される。
【図１】
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【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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【国際調査報告】
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