(57)【要約】      （修正有）【課題】導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視して該導電性膜の研磨終点を高い精度で確実に検出し、ノイズの発生がなく、低消費電力で、さらにはコスト低減を図り得る共振現象を応用した終点検出方法、終点検出装置及びそれを搭載した化学機械研磨装置を提供する。【解決手段】平面インダクタと集中定数キャパシタを備えたコルピッツ型等の発振回路で構成されたセンサ３７を使用し、平面インダクタと対峙する導電性膜の膜厚の変化に伴うセンサ３７の発振周波数の変化から、導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視する共振現象を応用した終点検出方法である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性膜を研磨して適正な厚さが除去されたときの研磨終点を検出する終点検出方法であって、
平面インダクタと集中定数キャパシタを備えたコルピッツ型等の発振回路で構成されたセンサを使用し、前記平面インダクタと対峙する前記導電性膜の膜厚の変化に伴う前記センサの発振周波数の変化から、前記導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視することを特徴とする共振現象を応用した終点検出方法。
【請求項２】
上記センサは、その発振周波数の伝送方法がカウンタを用いたデジタル出力であることを特徴とする請求項１記載の共振現象を応用した終点検出方法。
【請求項３】
上記センサの発振周波数帯は、３０ＭＨｚであることを特徴とする請求項１又は２記載の共振現象を応用した終点検出方法。
【請求項４】
上記センサにおける集中定数キャパシタは、キャパシタンスが可変であり、該センサは発振周波数帯を選択できるようになっていることを特徴とする請求項１，２又は３記載の共振現象を応用した終点検出方法。
【請求項５】
上記導電性膜は、Ｃｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ及びそれらを含む膜種のパターンで形成されていることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の共振現象を応用した終点検出方法。
【請求項６】
上記導電性膜は、化学機械研磨によって除去されることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記載の共振現象を応用した終点検出方法。
【請求項７】
上記センサが、化学機械研磨装置を構成するプラテンの上面部に一つ以上埋め込まれていることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の共振現象を応用した終点検出方法。
【請求項８】
上記センサが、化学機械研磨装置を構成する研磨ヘッドの内部に一つ以上埋め込まれていることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の共振現象を応用した終点検出方法。
【請求項９】
上記導電性膜の膜厚の変化に伴う上記センサの発振周波数の変化が、単調な増減ではなく、ピークを有し、該ピークを基準にして研磨終点を検出することを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７又は８記載の共振現象を応用した終点検出方法。
【請求項１０】
上記導電性膜の膜厚の変化に伴う上記センサの発振周波数の変化が、単調な増減ではなく、ピークを有し、上記導電性膜の膜種に応じて、前記ピークを検知した時点もしくは前記ピークを検知してから所要量研磨を行った時点のいずれかを研磨終点として上記研磨を停止させることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８、９又は１０記載の共振現象を応用した終点検出方法。
【請求項１１】
上記導電性膜の膜厚に達した時に生じる発振周波数ピーク値が一定であることを利用し、膜種に応じて、その発振周波数ピーク値を基準に閾値を設定し、ピークを迎える前、またはピークを迎えた後に発振周波数が閾値に到達した段階を研磨終点として上記研磨を停止させることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８、９又は１０記載の共振現象を応用した終点検出方法。
【請求項１２】
上記導電性膜はウェハの表面に成膜されており、上記平面インダクタが、ウェハ表面部の前記導電性膜もしくは前記ウェハの裏面のいずれかに近接していることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０又は１１記載の共振現象を応用した終点検出方法。
【請求項１３】
平面インダクタと集中定数キャパシタを備えたコルピッツ型等の発振回路で構成されたセンサを有し、請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１又は１２記載の共振現象を応用した終点検出方法を実行することを特徴とする共振現象を応用した終点検出装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の共振現象を応用した終点検出装置を搭載したことを特徴とする化学機械研磨装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の化学機械研磨装置で作成した半導体デバイス。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振現象を応用した終点検出方法、終点検出装置及びそれを搭載した化学機械研磨装置及び化学機械研磨装置で作成した半導体デバイスに関するものであり、特に、化学機械的研磨加工（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）において導電性膜の研磨終点を高い精度で確実に検出することが可能な共振現象を応用した終点検出方法、終点検出装置及びそれを搭載した化学機械研磨装置及び化学機械研磨装置で作成した半導体デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
共振現象を応用した終点検出方法、終点検出装置及びそれを搭載した化学機械研磨装置に関連する従来技術として、例えば次のようなフィルム厚の変化のその場での監視方法が知られている。この従来技術は、下地本体（半導体ウェハ）上から化学機械研磨によって導電性フィルムを除去する方法において該導電性フィルムの厚さ変化をその場で監視するための方法であって、フェライト・トロイドに巻回されたコイルからなるインダクタとコンデンサとの直列又は並列共振回路を含むセンサを前記導電性フィルムに近接して配置し、高周波励振信号源からの掃引出力を動作点設定用インピーダンス手段を介して前記センサへ印加することにより交番電磁界を発生して前記導電性フィルム中に渦電流を誘起し、前記導電性フィルムの厚さ変化に起因するセンサ共振ピークに関連した周波数シフトを監視することにより、該導電性フィルムの厚さ変化を検出するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、共振現象を応用した終点検出方法、終点検出装置及びそれを搭載した化学機械研磨装置に関連する他の従来技術として、例えば次のような渦電流センサが知られている。この従来技術は、導電性膜又は導電性膜が形成される基体の近傍に配置されるセンサコイル（渦電流センサ）と、該センサコイルに一定周波数の交流信号を供給して前記導電性膜に渦電流を形成する交流信号源と、前記導電性膜を含めたリアクタンス成分及び抵抗成分を計測する検出回路とを備え、前記センサコイルは、前記信号源に接続する発振コイルと、該コイルの前記導電性膜側に配置する検出コイルと、前記発振コイルの前記導電性膜側の反対側に配置するバランスコイルとを具備し、前記検出コイルとバランスコイルとは互いに逆相となるように接続されている。そして、前記検出回路で検出した抵抗成分及びリアクタンス成分から合成インピーダンスを出力し、該インピーダンスの変化から前記導電性膜の膜厚の変化を広いレンジでほぼ直線的な関係として検出するようにしている。（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、共振現象を応用した終点検出方法、終点検出装置及びそれを搭載した化学機械研磨装置に関連する他の従来技術として、例えば次のような距離測定用ＩＣが知られている。この従来技術は、パッケージに内蔵している発振器と、前記パッケージに配設されるとともに前記発振器に接続されて該発振器の発振周波数を特定する平面状インダクタとを備えている。ＩＣのパッケージ表面に導電性物質が接近すると、前記平面状インダクタによって前記発振器の発振周波数が変化する。該発振周波数を検出して導電性物質の接近距離を検出することができる。測定時間を短くするため、高い周波数の電流を前記平面状インダクタに流し、その表面に発生する静電気的な誘導を有効に利用している。用途として、ロボット・アームの位置計測による該アームの制御や、位置検出器の内部に格納することによる圧力検出等がある（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特許第２８７８１７８号公報（第２頁、図１、図２）。
【特許文献２】特許第３５８７８２２号公報（第３頁、図１〜１１）。
【特許文献３】特許第３３５２６１９号公報（第２〜４頁、図１８）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体ウェハ上に形成した酸化膜にリソグラィ及びエッチングを施して配線パターンに対応した溝パターンを形成し、この上に前記溝パターンを充填するためのＣｕ等からなる導電性膜を成膜し、該導電性膜のうち不要部分を化学機械研磨により除去して配線パターンを形成するプロセスが知られている。この配線パターンの形成では、導電性膜が適正な厚さ除去されたときの研磨終点を確実に検出してプロセスを停止することが極めて重要である。導電性膜の研磨が過剰であると配線の抵抗が増加し、研磨が過少であると配線の絶縁障害につながる。
【０００６】
これに対し、渦電流を利用して導電性膜の膜厚を監視する特許文献１等に記載の従来技術では、渦電流を引き起こすのに強い磁束を作る必要があり、インダクタの形状は三次元となっている。このため、渦電流センサを研磨装置等に組み込む上で、一般的に次のような問題がある。コイルに流す電流が大きくなって消費電力が多くなり、電源装置も大型になる。磁束が周辺に漏れてノイズが発生し易い。導線をコイル状に巻く工程等が必要になってコスト高になる。
【０００７】
また、特許文献３に記載の距離測定用ＩＣからなる従来技術においては、発振器と、該発振器に接続されて該発振器の発振周波数を特定する平面状インダクタとを備えて構成されているが、用途として、ロボット・アームの位置計測による該アームの制御や、位置検出器の内部に格納して圧力検出等に使用されている。
【０００８】
また、従来の渦電流センサの場合、膜厚の変化に対する発振周波数の変化は単調であり、終点を判断する上で非常に有用性の高い極値（ピーク）がないため、終点判断の信頼性が薄い。（特開２００３−０２１５０１参照）
そこで、導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視して該導電性膜の研磨終点を高い精度で確実に検出し、ノイズの発生がなく、低消費電力で、さらにはコスト低減を図るために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、導電性膜を研磨して適正な厚さが除去されたときの研磨終点を検出する終点検出方法であって、平面インダクタと集中定数キャパシタを備えたコルピッツ型等の発振回路で構成されたセンサを使用し、前記平面インダクタと対峙する前記導電性膜の膜厚の変化に伴う前記センサの発振周波数の変化から、前記導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視する共振現象を応用した終点検出方法を提供する。
【００１０】
この構成によれば、平面インダクタを導電性膜に対峙させると、次のような、各現象が生起すると考えられる。即ち、第１に、平面インダクタの持つ位相分布により導電性膜側に静電誘導を引き起こし、分布キャパシタンスを介して前記平面インダクタと導電性膜とが静電結合する。前記導電性膜の膜厚抵抗が無視し得ない領域では、前記平面インダクタのインダクタンスとキャパシタの集中定数キャパシタンスに、該分布キャパシタンスと前記導電性膜の膜厚抵抗とが加わった等価回路は、並列共振回路とみなすことができる。この並列共振回路の共振周波数の表記式において、前記膜厚抵抗値は、分布キャパシタンスとの積である時定数の形で関わる。したがって、平面インダクタと集中定数キャパシタを備えた発振回路で構成されたセンサは、前記静電結合を介して導電性膜の膜厚抵抗値の変化に対応した共振周波数で発振し、該膜厚抵抗値の増大に伴って発振周波数の増大を引き
起こす。
【００１１】
第２に、平面インダクタは、変化する一次磁界を生み出す。該平面インダクタは、その平面インダクタ上の位相差により、導電性膜側に静電誘導を引き起こし、分布キャパシタンスを介して該平面インダクタと導電性膜とが静電結合する。この静電誘導の際に前記導電性膜の表面部に生じる誘導電流は、前記一次磁界を打ち消す方向に二次磁界を発生させる。該二次磁界は、インダクタンスを減少させる方向に働く。ここで、導電性膜の膜厚が、表皮効果を無視できないような薄い領域においては、導電性膜に生じる前記誘導電流の発生量は膜厚が薄いほど減少すると考えられ、同時に前記二次磁界も弱まる。したがって、導電性膜の膜厚の減少はインダクタンスの減少分の低下につながり、結果としてセンサ回路系のインダクタンスが等価的に増加し、発振周波数を減少させる。
【００１２】
第３に、平面インダクタは、時間的に変化する一次磁界を生み出す。この時間的に変化する一次磁界は、導電性膜中に誘導電流を発生させる。該導電性膜中の誘導電流は平面インダクタが作る前記一次磁界を打ち消すような二次磁界を生み出し、平面インダクタと導電性膜との間で電磁結合が引き起こされる。前記誘導電流で生み出される二次磁界は、インダクタンスを減少させる方向に働く。ここで、導電性膜の膜厚が、表皮効果を無視できないような薄い領域においては、導電性膜中に生じる前記誘導電流の発生量は膜厚が薄いほど減少すると考えられ、同時に前記二次磁界も弱まる。したがって、導電性膜の膜厚の減少はインダクタンスの減少分の低下につながり、結果としてセンサ回路系のインダクタンスが等価的に増加し、発振周波数を減少させる。
【００１３】
そして、平面インダクタと集中定数キャパシタを備えた発振回路で構成されたセンサは、前記第１の静電結合を介しての前記導電性膜の膜厚抵抗値の変化、前記第２の静電結合の結果発生する二次磁界によるセンサ回路系のインダクタンスの変化、及び前記第３の電磁結合の結果発生する二次磁界によるセンサ回路系のインダクタンスの変化の各変化が相乗した変化に対応した共振周波数で発振し、この発振周波数の変化から、導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視して、該導電性膜が適正な厚さ研磨除去されたときの研磨終点を検出する。
【００１４】
請求項２記載の発明は、上記センサの発振周波数の伝送方法がカウンタを用いたデジタル出力である共振現象を応用した終点検出方法を提供する。
【００１５】
この構成によれば、センサの発振周波数出力をデジタルで伝送することで、ノイズの影響及び出力の減衰が防止される。また、膜厚データの管理容易性が得られる。
【００１６】
請求項３記載の発明は、上記センサの発振周波数帯は、３０ＭＨｚ以上である共振現象を応用した終点検出方法を提供する。
【００１７】
この構成によれば、センサの発振周波数帯を３０ＭＨｚ以上の高周波を用いることで、前記分布キャパシタンスを介しての平面インダクタと導電性膜との静電結合、及び前記平面インダクタと導電性膜との間の電磁結合等が適切に生じる。この結果、前記静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化、前記静電結合の結果発生する二次磁界によるセンサ回路系のインダクタンスの変化が適切に生じ得る。そして、これらの各変化が相乗した変化に対応した共振周波数での発振信号が得られる。また、センサの発振周波数帯を前記高周波帯とすることで、高速測定が可能となって、導電性膜の膜厚の変化がリアルタイムで確実に監視される。
【００１８】
請求項４記載の発明は、上記センサにおける集中定数キャパシタは、キャパシタンスが可変であり、該センサは発振周波数帯を選択できるようになっている共振現象を応用した
終点検出方法を提供する。
【００１９】
この構成によれば、導電性膜の膜種が異なると、その導電率の違いから、発振周波数がピークに達するときの導電性膜の膜厚の大きさは異なる。集中定数キャパシタをキャパシタンス可変とすれば、発振周波数帯を選択できることとなり、ピークに達する際の膜厚の大きさを制御することが可能になる。これにより、導電率の異なるそれぞれの膜種に対応して、発振周波数のピークを検出してから次の層が露出する前に、確実に研磨を停止できる。
【００２０】
請求項５記載の発明は、上記導電性膜は、Ｃｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ及びそれらを含む膜種のパターンで形成されている共振現象を応用した終点検出方法を提供する。
【００２１】
この構成によれば、導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視する終点検出方法は、半導体ウェハ上の多層相互構造等に通常使用される各金属膜に対し、これらの各金属膜を研磨除去する際に適用される。
【００２２】
請求項６記載の発明は、上記導電性膜は、化学機械研磨によって除去される共振現象を応用した終点検出方法を提供する。
【００２３】
この構成によれば、導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視する終点検出方法は、導電性膜を、その膜種に応じた化学的反応性を持つスラリーの存在下で、該導電性膜を制御された圧力の下で研磨パッドに押し当て適宜に回転させて研磨除去する化学機械研磨が行われる際に適用される。
【００２４】
請求項７記載の発明は、上記センサが、化学機械研磨装置を構成するプラテンの上面部に一つ以上埋め込まれている共振現象を応用した終点検出方法を提供する。
【００２５】
この構成によれば、センサをプラテンの上面部に埋め込むことで、化学機械研磨装置の稼働中において導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視することが可能となる。また、この構成によれば、センサは導電性膜の直径方向をスキャンすることになり、導電性膜の直径方向の面内膜厚分布の情報が取得可能となる。また埋め込むセンサ数を一つ以上とすることで、より詳細な膜面内における膜厚変化の分布情報が得られる。
【００２６】
請求項８記載の発明は、上記センサが、化学機械研磨装置を構成する研磨ヘッドの内部に一つ以上埋め込まれている共振現象を応用した終点検出方法を提供する。
【００２７】
この構成によれば、センサを研磨ヘッドの内部に埋め込むことで、化学機械研磨装置の稼働中において導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視することが可能となる。また埋め込むセンサ数を一つ以上とすることで、前記と同様に、膜面内における膜厚変化の分布情報が得られる。
【００２８】
請求項９記載の発明は、上記導電性膜の膜厚の変化に伴う上記センサの発振周波数の変化が、単調な増減ではなく、ピークを有し、該ピークを基準にして研磨終点を検出する共振現象を応用した終点検出方法を提供する。
【００２９】
この構成によれば、平面インダクタを有する発振回路で構成されたセンサを用いて導電性膜の研磨状況を監視した際に得られる発振周波数の値は、前記第１の静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化、前記第２の静電結合の結果発生する二次磁界によるインダクタンスの変化、及び前記第３の電磁結合の結果発生する二次磁界によるインダクタン
スの変化の各変化が相乗した変化に対応した共振周波数で発振する。そして、前記静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化に対しては該膜厚抵抗値の増大に伴って発振周波数の増大が引き起こされる。また前記静電結合の結果発生する二次磁界によるセンサ回路系のインダクタンスの変化及び電磁結合の結果発生する二次磁界によるセンサ回路系のインダクタンスの変化の両変化に対しては、いずれも導電性膜の膜厚の減少に伴って発振周波数は減少する。このような各変化が相乗した変化に対応した発振周波数の値は、研磨の進行に伴って上がり、研磨終点の付近でピークを迎え、その後落ち込む。この発振周波数のピークを基準にして研磨終点の検出が行われる。
【００３０】
請求項１０記載の発明は、上記導電性膜の膜厚の変化に伴う上記センサの発振周波数の変化が、単調な増減ではなく、ピークを有し、上記導電性膜の膜種に応じて、前記ピークを検知した時点もしくは前記ピークを検知してから所要量研磨を行った時点のいずれかを研磨終点として上記研磨を停止させる共振現象を応用した終点検出方法を提供する。
【００３１】
この構成によれば、発振周波数のピークは、導電性膜の膜種の違いによって、急峻な形で現れるか、又は緩やかな形で現れる。そこで、ピークが急峻な形で現れる膜種に対しては、ピークが検知された時点を即研磨終点とし、またピークが緩やかな形で現れる膜種に対しては、ピークが検知された時点から所要量研磨を進めた時点を研磨終点とすることで、異なった膜種の各導電性膜に対しそれぞれ適正な研磨終点が得られる。
【００３２】
請求項１１記載の発明は、上記導電性膜の膜厚の変化に伴う上記センサの発振周波数の変化が、単調な増減ではなく、ピークを有し、そのピークは上記導電性膜がある膜厚に達した時に生じ、その膜厚の大きさは一定である。その発振周波数ピーク値を基準に閾値を設定し、ピークを迎える前、またはピークを迎えた後に発振周波数が閾値に到達した段階を研磨終点として上記研磨を停止させる共振現象を応用した終点検出方法を提供する。
【００３３】
この構成によれば、インダクタと上記導電性膜の距離、および選択した発振周波数帯に対し、上記導電性膜がある膜厚に達した時に生じる発振周波数ピーク値は常に一定である。この安定したピーク値を基準に閾値を設定し、ピークを迎える前、またはピークを迎えた後に発振周波数が閾値に到達した段階を研磨終点とすることで、過研磨や研磨量不足を防ぐことができる。  
【００３４】
請求項１２記載の発明は、上記導電性膜はウェハの表面に成膜されており、上記平面インダクタが、ウェハ表面部の前記導電性膜もしくは前記ウェハの裏面のいずれかに近接している共振現象を応用した終点検出方法を提供する。
【００３５】
この構成によれば、センサが、化学機械研磨装置を構成するプラテンの上面部に埋め込まれたとき、平面インダクタはウェハを介さずに導電性膜と対峙する態様となる。また、センサが研磨ヘッドの内部に埋め込まれたとき、平面インダクタはウェハを介して導電性膜と対峙する態様となる。センサは、平面インダクタと導電性膜とが、これらのいずれの対峙態様となっても、導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視して、該導電性膜が適正な厚さ研磨除去されたときの研磨終点を検出する。
【００３６】
請求項１３記載の発明は、平面インダクタと集中定数キャパシタを備えたコルピッツ型等の発振回路で構成されたセンサを有し、請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１又は１２記載の共振現象を応用した終点検出方法を実行する共振現象を応用した終点検出装置を提供する。
【００３７】
この構成によれば、平面インダクタと集中定数キャパシタを備えたコルピッツ型等の発振回路で構成されたセンサを有する終点検出装置は、前記静電結合を介しての導電性膜の
膜厚抵抗値の変化、前記静電結合の結果発生する二次磁界によるセンサ回路系のインダクタンスの変化、及び前記電磁結合の結果発生する二次磁界によるセンサ回路系のインダクタンスの変化の各変化が相乗した変化に対応した共振周波数で発振させることが可能となり、この発振周波数の変化から、導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視して、該導電性膜が適正な厚さ研磨除去されたときの研磨終点を検出する。
【００３８】
請求項１４記載の発明は、請求項１３記載の共振現象を応用した終点検出装置を搭載した化学機械研磨装置を提供する。
【００３９】
この構成によれば、平面インダクタと集中定数キャパシタを備えたコルピッツ型等の発振回路で構成されたセンサを有する終点検出装置は、化学機械研磨装置におけるプラテンの上面部もしくは研磨ヘッドの内部のいずれかに埋め込んで搭載されて、導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視し、該導電性膜が適正な厚さ研磨除去されたときの研磨終点を検出する。
【００４０】
請求項１５記載の発明は、請求項１４記載の化学機械研磨装置で作成した半導体デバイスを提供する。
【００４１】
この構成によれば、平面インダクタと集中定数キャパシタを備えたコルピッツ型等の発振回路で構成されたセンサを有する終点検出装置は、化学機械研磨装置におけるプラテンの上面部もしくは研磨ヘッドの内部のいずれかに埋め込んで搭載されて、導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視し、該導電性膜が適正な厚さ研磨除去されたときの研磨終点を検出することで、高性能な半導体デバイスを作成することが可能となる。
【発明の効果】
【００４２】
請求項１記載の発明は、平面インダクタと集中定数キャパシタを備えたコルピッツ型等の発振回路で構成されたセンサを使用し、前記平面インダクタと対峙する導電性膜の膜厚の変化に伴う前記センサの発振周波数の変化から、前記導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視するようにしたので、センサが、平面インダクタと導電性膜との静電結合を介しての該導電性膜の膜厚抵抗値の変化、静電結合の結果発生する二次磁界によるセンサ回路系のインダクタンスの変化、及び電磁結合の結果発生する二次磁界によるセンサ回路系のインダクタンスの変化の各変化が相乗した変化に対応した共振周波数で発振することで、この発振周波数の変化を基に導電性膜が適正な厚さ研磨除去されたときの研磨終点を高い精度で確実に検出することができるという利点がある。
【００４３】
請求項２記載の発明は、上記センサの発振周波数の伝送方法をカウンタを用いたデジタル出力としたので、ノイズの影響及び発振周波数出力の減衰が防止されて、導電性膜が適正な厚さ研磨除去されたときの研磨終点を確実に検出することができるという利点がある。
【００４４】
請求項３記載の発明は、上記センサの発振周波数帯は、３０ＭＨｚ以上の高周波数帯としたので、分布キャパシタンスを介しての平面インダクタと導電性膜との静電結合、及び平面インダクタと導電性膜との間の電磁結合等を適切に生じさせることができる。また、高速測定が可能となって、導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで確実に監視することができるという利点がある。
【００４５】
請求項４記載の発明は、上記センサにおける集中定数キャパシタは、キャパシタンスが可変であり、該センサは発振周波数帯を選択できるようになっているので、導電性膜の膜種が異なると、その導電率の違いから、研磨終点を検出し得るような変化が生じる膜厚の大きさに対応する発振周波数帯は一般的に異なることから、異なる膜種の導電性膜に対し
、該導電性膜が適正な厚さ研磨除去されたときの研磨終点を確実に検出することができるという利点がある。
【００４６】
請求項５記載の発明は、上記導電性膜は、Ｃｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ及びそれらを含む膜種のパターンで形成されているので、平面インダクタと集中定数キャパシタを備えたコルピッツ型等の発振回路で構成されたセンサは、発振周波数の変化を基に、半導体ウェハ上の多層相互構造等に通常使用される各金属膜の研磨除去に際して、これらの金属膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視して、適正な厚さが研磨除去されたときの研磨終点を確実に検出することができるという利点がある。
【００４７】
請求項６記載の発明は、上記導電性膜は、化学機械研磨によって除去されるようにしたので、導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視する終点検出方法は、導電性膜を、その膜種に応じた化学的反応性を持つスラリーの存在下で、該導電性膜を制御された圧力の下で研磨パッドに押し当て適宜に回転させて研磨除去する化学機械研磨が行われる際に適用されて、該導電性膜が適正な厚さ研磨除去されたときの研磨終点を確実に検出することができるという利点がある。
【００４８】
請求項７記載の発明は、上記センサが、化学機械研磨装置を構成するプラテンの上面部に一つ以上埋め込まれているので、センサをプラテンの上面部に埋め込むことで、化学機械研磨装置の稼働中において研磨除去される導電性膜の膜厚変化をリアルタイムで監視することができる。また、この構成によれば、センサは導電性膜の直径方向をスキャンすることになり、導電性膜の直径方向の面内膜厚分布情報を同時に得られるという利点がある。
さらに、埋め込むセンサ数を一つ以上とすることで、より詳細な膜面内における膜厚変化の分布情報が得られるという利点がある。
【００４９】
請求項８記載の発明は、上記センサが、化学機械研磨装置を構成する研磨ヘッドの内部に一つ以上埋め込まれているので、センサを研磨ヘッドの内部に埋め込むことで、化学機械研磨装置の稼働中において研磨除去される導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視することができる。また埋め込むセンサ数を一つ以上とすることで、前記と同様に、膜面内における膜厚変化の分布情報を同時に得ることができるという利点がある。
【００５０】
請求項９記載の発明は、上記導電性膜の膜厚の変化に伴う上記センサの発振周波数の変化が、単調な増減ではなく、ピークを有し、該ピークを基準にして研磨終点を検出するようにしたので、平面インダクタを有する発振回路で構成されたセンサを用いて導電性膜の研磨状況を監視した際に得られる発振周波数の値は、平面インダクタと導電性膜との静電結合を介しての該導電性膜の膜厚抵抗値の変化、静電結合の結果発生する二次磁界によるセンサ回路系のインダクタンスの変化、及び電磁結合の結果発生する二次磁界によるセンサ回路系のインダクタンスの変化の各変化が相乗した変化に対応した共振周波数で発振する。そして、前記静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化に対しては該膜厚抵抗値の増大に伴って発振周波数の増大が引き起こされる。また前記静電結合の結果発生する二次磁界によるセンサ回路系のインダクタンスの変化及び電磁結合の結果発生する二次磁界によるセンサ回路系のインダクタンスの変化の両変化に対しては、いずれも導電性膜の膜厚の減少に伴って発振周波数は減少する。このような各変化が相乗した変化に対応した発振周波数の値は、研磨の進行に伴って上がり、研磨終点の付近でピークを迎えることから、この発振周波数のピークを基準にして研磨により適正な厚さ除去されたときの研磨終点を、変化が単調である場合に比べ、非常に高い精度で確実に検出することができるという利点がある。
【００５１】
請求項１０記載の発明は、上記導電性膜の膜厚の変化に伴う上記センサの発振周波数の
変化が、単調な増減ではなく、ピークを有し、上記導電性膜の膜種に応じて、前記ピークを検知した時点もしくは前記ピークを検知してから所要量研磨を行った時点のいずれかを研磨終点として上記研磨を停止させるようにしたので、センサからの発振周波数のピークは、導電性膜の膜種の違いによって、急峻な形で現れるか、又は緩やかな形で現れることから、異なった膜種の各導電性膜に対しそれぞれ適正な研磨終点を適切に得ることができるという利点がある。
【００５２】
請求項１１記載の発明は、上記導電性膜の膜厚の変化に伴う上記センサの発振周波数の変化が、単調な増減ではなく、ピークを有し、そのピークが現れる際の膜厚の大きさが一定であることから、ピークを基準に閾値を設定し、ピークを迎える前、またはピークを迎えた後に発振周波数が閾値に到達した段階を研磨終点とすることで、過研磨や研磨量不足を防ぐことができるという利点がある。  
【００５３】
請求項１２記載の発明は、上記導電性膜はウェハの表面に成膜されており、上記平面インダクタが、ウェハ表面部の前記導電性膜もしくは前記ウェハの裏面のいずれかに近接しているので、平面インダクタは、ウェハを介さずに導電性膜と対峙させても、またウェハを介して導電性膜と対峙させても、導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視して、該導電性膜が適正な厚さ研磨除去されたときの研磨終点を検出することができる。したがって、センサは、化学機械研磨装置を構成するプラテンの上面部、もしくは研磨ヘッドの内部のいずれにも、埋め込むことができるという利点がある。
【００５４】
請求項１３記載の発明は、平面インダクタと集中定数キャパシタを備えたコルピッツ型等の発振回路で構成されたセンサを有し、請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１又は１２記載の共振現象を応用した終点検出方法を実行する終点検出装置としたので、終点検出装置は、センサからの発振周波数の変化を基に導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視して、該導電性膜が適正な厚さ研磨除去されたときの研磨終点を高い精度で確実に検出することができる。また、主構成要素である平面インダクタは、ノイズの発生及び電力消費は殆どなく、さらには比較的安価で済むことからコスト低減を図ることができるという利点がある。
【００５５】
請求項１４記載の発明は、請求項１３記載の共振現象を応用した終点検出装置を搭載した化学機械研磨装置としたので、平面インダクタと集中定数キャパシタを備えたコルピッツ型等の発振回路で構成されたセンサを有する終点検出装置を、化学機械研磨装置におけるプラテンの上面部もしくは研磨ヘッドの内部のいずれかに埋め込んで搭載することで、研磨除去される導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで確実に監視することができて、該導電性膜が適正な厚さ研磨除去されたときの研磨終点を高い精度で検出することができるという利点がある。
【００５６】
請求項１５記載の発明は、請求項１４記載の化学機械研磨装置で作成した半導体デバイスとしたので、平面インダクタと集中定数キャパシタを備えたコルピッツ型等の発振回路で構成されたセンサを有する終点検出装置を、化学機械研磨装置におけるプラテンの上面部もしくは研磨ヘッドの内部のいずれかに埋め込んで搭載されて、導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視し、該導電性膜が適正な厚さ研磨除去されたときの研磨終点を高い精度で検出できるため、高性能な半導体デバイスを作成できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視して該導電性膜の研磨終点を高い精度で確実に検出し、ノイズの発生がなく、低消費電力で、さらにはコスト低減を図るという目的を達成するために、導電性膜を研磨して適正な厚さが除去されたときの研磨終点を検出する終点検出方法であって、平面インダクタと集中定数キャパシタを備えたコルピッツ型等
の発振回路で構成されたセンサを使用し、前記平面インダクタと対峙する前記導電性膜の膜厚の変化に伴う前記センサの発振周波数の変化から、該導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視し、前記センサの発振周波数の変化に生じるピークを基準にして研磨終点を検出することにより実現した。
【実施例１】
【００５８】
以下、本発明の好適な一実施例を図面に従って詳述する。図１は共振現象を応用した終点検出装置が組み込まれた化学機械研磨装置の斜視図、図２は研磨ヘッドの拡大縦断面図、図３は終点検出装置におけるセンサがプラテンに組み込まれた状態を説明するための図であり、（ａ）は一部破断して示す概略側面図、（ｂ）は概略平面図、図４は終点検出装置におけるセンサが研磨ヘッドに組み込まれた状態を説明するための一部破断して示す概略側面図である。
【００５９】
まず、本実施例に係る共振現象を応用した終点検出方法、終点検出装置及びそれを搭載した化学機械研磨装置の構成を、化学機械研磨装置の構成から説明する。図１において化学機械研磨装置１は、主としてプラテン２と、研磨ヘッド３とから構成されている。前記プラテン２は、円盤状に形成され、その下面中央には回転軸４が連結されており、モータ５の駆動によって矢印Ａ方向へ回転する。前記プラテン２の上面には研磨パッド６が貼着されており、該研磨パッド６上に図示しないノズルから研磨剤と化学薬品との混合物であるスラリーが供給される。
【００６０】
前記研磨ヘッド３は、図２に示すように、主としてヘッド本体７、キャリア８、リテーナリング９、リテーナリング押圧手段１０、弾性シート１１、キャリア押圧手段１６及びエアー等の制御手段で構成されている。
【００６１】
前記ヘッド本体７は円盤状に形成され、その上面中央に回転軸１２（図１参照）が連結されている。該ヘッド本体７は前記回転軸１２に軸着されて図示しないモータで駆動され図１の矢印Ｂ方向に回転する。
【００６２】
前記キャリア８は円盤状に形成され、前記ヘッド本体７の中央に配設されている。該キャリア８の上面中央部とヘッド本体７の中央下部との間にはドライプレート１３が設けられており、ピン１４，１４を介してヘッド本体７から回転が伝達される。
【００６３】
前記ドライプレート１３の中央下部と前記キャリア８の中央上部との間には作動トランス本体１５ａが固定されており、さらに前記キャリア８の中央上部には作動トランス１５のコア１５ｂが固定され、図示しない制御部に連結されてウェハＷ上（図２の下方側）に形成されたＣｕ等からなる導電性膜の研磨状態信号を該制御部に出力している。
【００６４】
前記キャリア８の上面周縁部にはキャリア押圧部材１６ａが設けられており、該キャリア８は該キャリア押圧部材１６ａを介してキャリア押圧手段１６から押圧力が伝達される。
【００６５】
前記キャリア８の下面にはエアーフロートライン１７から弾性シート１１にエアーを噴射するためのエアー吹出し口１９が設けられている。該エアーフロートライン１７にはエアーフィルタ２０及び自動開閉バルブＶ１を介してエアー供給源である給気ポンプ２１に接続されている。前記エアー吹出し口１９からのエアーの吹出しは前記自動開閉バルブＶ１の切替えによって実行される。
【００６６】
前記キャリア８の下面にはバキューム及び必要によりＤＩＷ（純水）又はエアーを吹き出すための孔２２が形成されている。該エアーの吸引は真空ポンプ２３の駆動によって実
行され、そして、自動開閉バルブＶ２をバキュームライン２４に設け、該自動開閉バルブＶ２の切替えによって該バキュームライン２４を介し、バキューム及びＤＩＷの送給が実行される。
【００６７】
前記エアーフロートライン１７からのエアー送給及びバキュームライン２４からのバキューム作用及びＤＩＷの送給等は制御部からの指令信号によって実行される。
【００６８】
なお、前記キャリア押圧手段１６は、ヘッド本体７下面の中央部周縁に配置され、キャリア押圧部材１６ａに押圧力を与えることにより、これに結合されたキャリア８に押圧力を伝達する。このキャリア押圧手段１６は、好ましくはエアーの吸排気により膨脹収縮するゴムシート製のエアバック２５で構成される。該エアバック２５にはエアーを供給するための図示しない空気供給機構が連結されている。
【００６９】
前記リテーナリング９はリング状に形成され、キャリア８の外周に配置されている。このリテーナリング９は研磨ヘッド３に設けられたリテーナリングホルダ２７に取り付けられ、その内周部に前記弾性シート１１が張設されている。
【００７０】
前記弾性シート１１は円形状に形成され、複数の孔２２が開穿されている。該弾性シート１１は、周縁部がリテーナリング９とリテーナリングホルダ２７との間で挟持されることにより、リテーナリング９の内側に張設される。
【００７１】
前記弾性シート１１が張設されたキャリア８の下部には、キャリア８と弾性シート１１との間にエアー室２９が形成されている。導電性膜が形成されたウェハＷは該エアー室２９を介してキャリア８に押圧される。前記リテーナリングホルダ２７はリング状に形成された取付部材３０にスナップリング３１を介して取り付けられている。該取付部材３０にはリテーナリング押圧部材１０ａが連結されている。リテーナリング９は、このリテーナリング押圧部材１０ａを介してリテーナリング押圧手段１０からの押圧力が伝達される。
【００７２】
リテーナリング押圧手段１０はヘッド本体７の下面の外周部に配置され、リテーナリング押圧部材１０ａに押圧力を与えることにより、これに結合しているリテーナリング９を研磨用パッド６に押し付ける。このリテーナリング押圧手段１０も好ましくは、キャリア押圧手段１６と同様に、ゴムシート製のエアバック１６ｂで構成される。該エアバック１６ｂにはエアーを供給するための図示しない空気供給機構が連結されている。
【００７３】
そして、図３（ａ）、（ｂ）及び図４に示すように、化学機械研磨装置１におけるプラテン２の上部の部分又は研磨ヘッド３のキャリア８の部分に、導電性膜の研磨終点を検出するための後述するセンサ３７がそれぞれ一つずつ組み込まれている。センサ３７がプラテン２側に組み込まれたとき、該センサ３７からの研磨終点の検出信号等は、スリップリング３２を介して外部に出力される。
【００７４】
前記化学機械研磨装置１におけるプラテン２の上部にセンサを搭載した場合、センサ３７はウェハＷ面内の直径方向をスキャンすることになり、導電性膜の直径方向の面内膜厚分布の情報が取得可能となる。なお、センサ３７は、前記プラテン２の上部の部分又は前記研磨ヘッド３のキャリア８の部分に、それぞれ二つ以上を組み込んでもよい。センサ３７を二つ以上を組み込んで、回転方向前方側のセンサ３７から、時系列的に膜厚情報を採取することで、ウェハＷ面内の膜厚変化の分布情報等が得られる。
【００７５】
図５はセンサの基本的な構成例を示し、（ａ）は構成図、（ｂ）はその等価回路を示している。この基本的なセンサ３３は、平面インダクタ３４と集中定数キャパシタ３５から
なる発振回路３６を主体として構成されている。前記平面インダクタ３４の形状は、図５（ａ）に示すメアンダ形の他に、丸形および角形のスパイラル等であってもよい。
【００７６】
前記発振回路３６は、その発振周波数帯ｆが、次式（１）に示すように、平面インダクタ３４のインダクタンスＬと集中定数キャパシタ３５のキャパシタンスＣ０で決まるコルピッツ型等の発振回路となっている。
2008166449.tif 000003
ここで、前記平面インダクタ３４を導電性膜２８に１０ｍｍ程度以下の間隔で平行に近接させると、次の（イ）静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化、（ロ）静電結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化、及び（ハ）電磁結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化の三つの現象が起こり得る。この三つの現象（イ）、（ロ）、（ハ）を、それぞれ図を用いて順に説明する。
【００７７】
（イ）静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化。この現象を図６を用いて説明する。平面インダクタ３４を導電性膜２８に平行に近接させると、該平面インダクタ３４の持つ位相分布により導電性膜２８側に静電誘導を引き起こし、分布キャパシタンスＣｍ′を介して平面インダクタ３４と導電性膜２８とが静電結合する。
【００７８】
ここで、導電性膜２８の膜厚が十分に厚い場合には、該導電性膜２８を抵抗が殆どない導体として考えることができるが、膜厚が極端に薄い領域では、その膜厚抵抗Ｒを無視することはできない。このとき、図６（ａ）の等価回路は、図６（ｂ）のように描くことができ、平面インダクタ３４のインダクタンスＬと集中定数キャパシタ３５のキャパシタンスＣ０に、前記分布キャパシタンスＣｍ′と導電性膜２８の膜厚抵抗Ｒとが加わった並列共振回路とみなせる。
【００７９】
図６（ｂ）の等価回路についてアドミッタンスＹを求めると式（２）のように書ける。
2008166449.tif 000004
したがって、そのサセプタンスＢは式（３）のようになる。
2008166449.tif 000005
この並列共振回路の共振周波数は、その等価回路のアドミッタンスＹにおけるサセプタンス分Ｂ＝０のときのω（＝２πｆ）の値である。式（３）より、膜厚抵抗Ｒは、分布キャパシタンスＣｍ′との積である時定数（Ｃｍ′・Ｒ）の形で共振条件に関わっている。したがって、該３３の発振周波数は、分布キャパシタンスＣｍ′を介して膜厚抵抗Ｒの影響を受ける。また、図６（ｂ）の等価回路についてシミュレータにかけ、膜厚抵抗Ｒを０→∞（膜厚：厚い→薄い）に変化させたときの膜厚と共振周波数との関係を求めた結果を図６（ｃ）に示す。図６（ｂ）より、導電性膜２８の膜厚の減少、即ち膜厚抵抗Ｒの増大は発振周波数の増大を引き起こしうることが分かる。また、前記シュミレーションの結果は、膜厚抵抗Ｒが非常に大きい領域で共振周波数のピークを作り得ることを示している。
【００８０】
（ロ）静電結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化。この現象を図７を用いて説明する。平面インダクタ３４は、変化する一次磁界Ｍ１を生み出す。該平面インダクタ３４は、その平面インダクタ３４上の位相差により、導電性膜２８側に静電誘導を引き起こし、分布キャパシタンスＣｍ′を介して該平面インダクタ３４と導電性膜２８とが静電結合する。
【００８１】
この静電誘導の際に前記導電性膜２８の表面部に生じる誘導電流Ｉ１は、前記一次磁界Ｍ１を打ち消す方向に二次磁界Ｍ２を発生させる。該二次磁界Ｍ２は、インダクタンスを
減少させる方向に働く。このため、インダクタンスの減少分をＬｍとすれば、発振周波数は、式（４）のように表すことができる。
2008166449.tif 000006
ここで、導電性膜２８の膜厚が、表皮効果を無視できないような薄い領域においては、導電性膜２８に生じる前記誘導電流Ｉ１の発生量は膜厚が薄いほど減少すると考えられ、同時に前記二次磁界Ｍ２も弱まる。したがって、導電性膜２８の膜厚の減少はインダクタンスの減少分Ｌｍの低下につながり、結果としてセンサ回路系のインダクタンスが等価的に増加し、センサ３３の発振周波数を減少させる。
【００８２】
（ハ）電磁結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化。この現象を図８を用いて説明する。平面インダクタ３４は、時間的に変化する一次磁界Ｍ１を生み出す。この時間的に変化する一次磁界Ｍ１は、導電性膜２８中に誘導電流Ｉｉを発生させる。該導電性膜２８中の誘導電流Ｉｉは平面インダクタ３４が作る前記一次磁界Ｍ１を打ち消すような二次磁界Ｍ３を生み出し、平面インダクタ３４と導電性膜２８との間で電磁結合が引き起こされる。
【００８３】
前記誘導電流Ｉｉで生み出される二次磁界Ｍ３は、インダクタンスを減少させる方向に働く。このため、インダクタンスの減少分をＬｍとすれば、発振周波数は、前記式（４）と同様に表すことができる。
【００８４】
そして、導電性膜２８の膜厚が、表皮効果を無視できないような薄い領域においては、導電性膜２８中に生じる前記誘導電流Ｉｉの発生量は膜厚が薄いほど減少すると考えられ、同時に前記二次磁界Ｍ３も弱まる。したがって、導電性膜２８の膜厚の減少はインダクタンスの減少分Ｌｍの低下につながり、結果としてセンサ回路系のインダクタンスが等価的に増加し、平面インダクタ搭載静電結合型センサ３３の発振周波数を減少させる。
【００８５】
上記（イ）、（ロ）及び（ハ）の三つの現象を考慮すると、導電性膜２８の膜厚に対する平面インダクタ搭載静電結合型センサ３３の発振周波数の値は、一様な変化ではなくなる。本実施例は、これら三つの現象を積極的に取り入れることにより、終点検出において都合のよい信号を取り出すことにある。
【００８６】
図１１（ａ），（ｂ）は実際にＣｕおよびＷウェハを研磨した際の膜厚と共振周波数との関係を示している。図１１（ａ），（ｂ）より、研磨開始から膜のなくなる際にかけて共振周波数が増大しており、この上昇領域が（イ）の現象に当てはまる。その後共振周波数はピークを迎え、共振周波数は減少し、膜がなくなったところで一定の値に落ち着いている。この下降領域については、（イ）、（ロ）、（ハ）の現象に当てはまる。
【００８７】
このとき、前記（イ）静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化、（ロ）静電結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化、及び（ハ）電磁結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化の三つの変化のうち、これら（イ）、（ロ）、（ハ）の三つの変化が相乗した場合に限らず、（イ）の変化と、（ロ）、（ハ）の両変化のうちの少なくともいずれかの変化とが相乗すれば、前記のような共振周波数の変化特性が得られる。また、図６（ｃ）のシミュレーション結果より、（イ）のみの現象を利用しても前記のような共振周波数の変化特性が得られる。ここで、平面インダクタと導電性膜の間にフェライトなどの透磁率が高く高抵抗の物質や、誘電率の高い物質を挟むことで、選択的に現象を組み合わせることが可能となり、共振周波数の変化特性をコントロールすることも可能である。
【００８８】
図９はセンサの具体的な構成例を示している。この構成例のセンサ３７における平面イ
ンダクタ３８は、絶縁物からなる基板３８ａ上に、Ｃｕ等の導電物質を用いてメアンダ型に構成されている。発振回路３９は、その発振周波数帯ｆが該平面インダクタ３８のインダクタンスと集中定数キャパシタ４０のキャパシタンスで決まるコルピッツ型等の発振回路となっており、前記発振周波数帯ｆは、３０〜１０００ＭＨｚ以上の高周波数帯に設定されている。
【００８９】
発振回路３９を構成する前記集中定数キャパシタ４０は、キャパシタンスが可変となっており、該センサ３７は前記発振周波数帯ｆの範囲内で、研磨除去される導電性膜の膜種に応じて周波数帯を選択できるようになっている。導電性膜の膜種が異なると、その導電率の違いから、研磨終点を検出し得るような変化を生じる膜厚の大きさに対応する発振周波数帯は一般的に異なる。このため、このように集中定数キャパシタ４０をキャパシタンス可変とすることで、異なる膜種の導電性膜に対し、該導電性膜が適正な厚さ研磨除去されたときの研磨終点を確実に検出し得るようになっている。
【００９０】
また、センサ３７の発振周波数帯ｆを高周波数帯とすることで、前記分布キャパシタンスを介しての平面インダクタ３８と導電性膜との静電結合、及び平面インダクタ３８と導電性膜との間の電磁結合等が適切に生じる。
【００９１】
この結果、前記した（イ）静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化、（ロ）静電結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化、及び（ハ）電磁結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化の各変化が適切に生じ得る。そして、センサ３７は、これらの各変化が相乗した変化に対応した共振周波数で発振し、導電性膜の膜厚の変化に対し図１１（ａ）等に示すような共振周波数の変化特性が得られる。
【００９２】
さらに、センサ３７の発振周波数帯ｆを前記高周波数帯とすることで、高速測定が可能となって、導電性膜の膜厚の変化をリアルタイムで確実に監視することが可能となる。
【００９３】
図９のセンサ３７は、前記平面インダクタ３８と前記キャパシタ４０の他に、オペアンプ等で構成された増幅器４１、抵抗等で構成されたフィードバック・ネットワーク４２及び周波数カウンタ４３が備えられている。該周波数カウンタ４３から研磨終点の検出信号等となる共振周波数信号がデジタルで出力される。センサ３７の検出信号出力をデジタルで伝送することで、ノイズの影響及び出力の減衰が防止される。また、膜厚データの管理容易性が得られる。
【００９４】
次に、上述のように構成されたセンサを用いた終点検出装置が組み込まれた化学機械研磨装置の研磨作用及び終点検出方法を説明する。本終点検出方法では、図３（ａ）に示したように、センサ３７をプラテン２の上部の部分に組み込んだ場合について説明を進める。
【００９５】
まず、研磨ヘッド３を図示しない移動機構により所定箇所に待機中の導電性膜２８が非研磨のウェハＷ上に載置する。そして、該研磨ヘッド３のバキュームライン２４を作動させ、バキューム口１９ａ及び孔２２（バキューム孔）を介して弾性シート１１下面のエアー室２９を真空にし、これにより前記導電性膜２８が非研磨のウェハＷを吸着保持し、そして、前記移動機構により、該導電性膜２８が非研磨のウェハＷを吸着保持した研磨ヘッド３をプラテン２上に運び、該ウェハＷを、導電性膜２８が研磨パッド６に対接するようにプラテン２上に載置する。
【００９６】
前記バキュームライン２４はウェハＷ上部の導電性膜２８の研磨作業が終了したとき、再び、該バキュームライン２４の作動により前記ウェハＷを該研磨ヘッド３によって吸着保持し、図示しない洗浄装置へ搬送するときにも用いられる。
【００９７】
次いで、前記バキュームライン２４の作動を解除し、図示しないポンプからエアバック２５にエアーを供給して該エアバック２５を膨らませる。これと同時にキャリア８に設けたエアー吹出し口１９からエアー室２９にエアーを供給する。これにより、エアー室２９の内圧が高くなる。
【００９８】
前記エアバック２５の膨らみによって、前記ウェハＷ上部の導電性膜２８とリテーナリング９が所定の圧力で研磨パッド６に押し付けられる。この状態でプラテン２を図１の矢印Ａ方向に回転させるとともに研磨ヘッド３を図１の矢印Ｂ方向に回転させ、回転する研磨パッド６上に図示しないノズルからスラリーを供給してウェハＷ上部の導電性膜２８を研磨する。
【００９９】
そして、センサ３７により、該研磨中のウェハＷ上部の導電性膜２８に対し、研磨の進行に伴う膜厚の変化が監視されて研磨終点が検出される。この導電性膜２８の膜厚変化の監視を、図１０（ａ）に示すＣｕ膜付きウェハＷａ及び同図（ｂ）に示すタングステン（Ｗ）膜付きウェハＷｂについて行われた場合を、それぞれ図１１（ａ）及び同図（ｂ）の導電性膜の膜厚に対する共振周波数の変化特性を参照して説明する。
【０１００】
前記Ｃｕ膜付きウェハＷａは、Ｓｉ半導体ウェハ基体上にＴｈ−ＳｉＯ２（熱酸化膜）、ＴａＮ膜及びＴａ膜が順次積層され、このＴａ膜上に研磨除去対象のＣｕ膜からなる導電性膜２８ａが成膜されている。また、タングステン（Ｗ）膜付きウェハＷｂは、Ｓｉ半導体ウェハ基体上にＴｉＮ膜を介して研磨除去対象のタングステン（Ｗ）膜からなる導電性膜２８ｂが成膜されている。
【０１０１】
プラテン２に組み込まれているセンサ３７は、研磨の進行に伴う導電性膜２８の膜厚の変化に対し、前記した（イ）静電結合を介しての導電性膜２８の膜厚抵抗値の変化、（ロ）静電結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化、及び（ハ）電磁結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化の三つの変化が相乗した変化に対応した共振周波数で発振する。
【０１０２】
そして、研磨除去対象の導電性膜２８がＣｕ膜の場合は、図１１（ａ）に示すように、膜厚が薄くなるにつれて導電性膜２８の膜厚抵抗値は徐々に増加し、これに伴って共振周波数は徐々に上昇し得る。導電性膜２８がなくなる際まで研磨が進行すると、該導電性膜２８の膜厚抵抗値が増大して共振周波数は急上昇し、ある膜厚に到達した段階でピークＰを迎え、一気に落ち込む。この共振周波数の明確な変化であるピークＰをとらえることで、研磨により適正な厚さが除去されたときの研磨終点が検出される。
【０１０３】
また、研磨除去対象の導電性膜２８がタングステン（Ｗ）膜の場合は、図１１（ｂ）に示すように、膜厚が薄くなるにつれて導電性膜２８の膜厚抵抗値は徐々に増加し、これに伴って共振周波数は緩やかに上昇し得る。導電性膜２８がなくなる際まで研磨が進行すると該導電性膜２８の膜厚抵抗値が増大して共振周波数はピークＰを迎え、その後緩やかに下降する。このように、ピークＰが緩やかな形で現れるタングステン（Ｗ）膜に対しては、ピークＰが検知された時点から所要量研磨を進めた時点が研磨により適正な厚さが除去されたときの研磨終点とされる。
【０１０４】
なお、上述の終点検出方法では、研磨除去対象の導電性膜２８がＣｕ膜とタングステン（Ｗ）膜との場合について述べたが、本実施例の終点検出方法は、該Ｃｕ膜及びタングステン（Ｗ）膜以外の半導体ウェハ上の多層相互構造等に通常使用されるＴａ膜、Ｃｒ膜、Ａｌ膜、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜等のその他の各金属膜を研磨除去対象とする場合にも適用することができる。
【０１０５】
前記センサ３７を用いて得られる導電性膜２８の研磨形状から、次回研磨における研磨圧又はゾーン圧等の研磨パラメータに対してフィードバックを行う面内膜厚分布フィードバックシステムを構築することができる。
【０１０６】
前記電結合型センサ３７を用いて導電性膜２８の研磨状況をリアルタイムでモニタリングし、その際に得られる膜厚のウェハ面内分布から、研磨圧又はゾーン圧等の研磨パラメータをリアルタイムで制御するリアルタイム面内膜厚分布制御システムを構築することができる。
【０１０７】
前記センサ３７を用いて導電性膜２８の研磨状況をリアルタイムでモニタリングし、研磨レート又は研磨形状を検出することで、ドレス、ヘッド洗浄をリアルタイムで制御する自動インターバルシステムを構築することができる。
【０１０８】
また、上記面内膜厚分布フィードバックシステム、リアルタイム面内膜厚分布制御システム又は自動インターバルシステムの少なくともいずれかのシステムを搭載した終点検出装置により、極めて性能の優れた半導体デバイスを製造することができる。
【０１０９】
上述したように、本実施例に係る終点検出方法、終点検出装置及びそれを搭載した化学機械研磨装置においては、センサ３７は、（イ）静電結合を介しての導電性膜２８の膜厚抵抗値の変化、（ロ）静電結合の結果発生する二次磁界によるインダクタンスの変化、及び（ハ）電磁結合の結果発生する二次磁界によるインダクタンスの変化の各変化が相乗した変化に対応した共振周波数で発振し、この発振周波数の値は、研磨の進行に伴って上がり、研磨終点の付近でピークを迎えることから、この発振周波数のピークを基準にして研磨により適正な厚さ除去されたときの研磨終点を高い精度で確実に検出することができる。
【０１１０】
センサ３７からの発振周波数のピークは、導電性膜２８の膜種の違いによって、急峻な形で現れるか、又は緩やかな形で現れることから、該導電性膜２８の膜種に応じて、ピークを検知した時点もしくはピークを検知してから所要量研磨を行った時点のいずれかを研磨終点としたことで、異なった膜種の各導電性膜２８に対しそれぞれ適正な研磨終点を適切に得ることができ、所用の膜厚を残した状態、または膜を取りきった状態で研磨を終了することができる。
【０１１１】
また、センサ３７からの発振周波数のピークを基準に閾値を設定し、ピークを迎える前、またはピークを迎えた後に発振周波数が閾値に到達した段階を研磨終点とすることで、過研磨や研磨量不足を防ぐことができ、所用の膜厚を残した状態で研磨を終了することができる。
【０１１２】
さらに、センサ３７からの発振周波数が一定値から上昇を開始するポイントを基準に終点を定める方法や、下降から一定値に到達するポイントを基準に終点を定めることもできる。
【０１１３】
また、センサ３７から取得できる面内膜厚分布より、最も研磨レートが高い領域を選択し、その領域のみで終点を判断することにより、部分的に下層まで研磨してしまうというような状況を回避することも可能である。
【０１１４】
センサ３７の発振周波数の伝送方法を周波数カウンタ４３を用いたデジタル出力としたことで、ノイズの影響及び発振周波数出力の減衰が防止されて、研磨終点を確実に検出することができる。
【０１１５】
センサ３７の発振周波数帯を、３０ＭＨｚ以上としたことで、分布キャパシタンスを介しての平面インダクタ３８と導電性膜２８との静電結合、及び平面インダクタ３８と導電性膜２８との間の電磁結合等を適切に生じさせることができる。また、高速測定が可能となって、導電性膜２８の膜厚の変化をリアルタイムで確実に監視することができる。
【０１１６】
センサ３７を構成している集中定数キャパシタ３５をキャパシタンス可変としたことで、異なる膜種の導電性膜２８に対し、研磨終点を確実に検出することができる。
【０１１７】
半導体ウェハ上の多層相互構造等に通常使用されるＣｕ、タングステン（Ｗ）、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ等の各金属膜の研磨除去に際して、これらの金属膜の膜厚の変化をリアルタイムで監視して、研磨終点を確実に検出することができる。
【０１１８】
センサ３７の主構成要素である平面インダクタ３８は、ノイズの発生及び電力消費は殆どなく、さらには比較的安価で済むことからコスト低減を図ることができる。
【０１１９】
なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
図は本発明の実施例に係る共振現象を応用した終点検出方法、終点検出装置及びそれを搭載した化学機械研磨装置を示すものである。
【図１】共振現象を応用した終点検出装置が組み込まれた化学機械研磨装置の斜視図。
【図２】図１の化学機械研磨装置における研磨ヘッドの拡大縦断面図。
【図３】終点検出装置におけるセンサがプラテンに組み込まれた状態を説明するための図であり、（ａ）は一部破断して示す概略側面図、（ｂ）は概略平面図。
【図４】終点検出装置におけるセンサが研磨ヘッドに組み込まれた状態を説明するための一部破断して示す概略側面図。
【図５】センサの基本的な構成例を示す図であり、（ａ）は構成図、（ｂ）はその等価回路。
【図６】（ａ）は図５のセンサにおける静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化作用を説明するための構成図、（ｂ）はその等価回路、（ｃ）はそのシミュレーション結果。
【図７】（ａ）、（ｂ）は図５のセンサにおける静電結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化作用を説明するための構成図。
【図８】（ａ）、（ｂ）は図５のセンサにおける電磁結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化作用を説明するための構成図。
【図９】センサの具体的な構成例を示すブロック図。
【図１０】導電性膜付きのウェハ断面を模式的に示す図であり、（ａ）はＣｕ膜付きウェハ、（ｂ）はタングステン膜付きウェハ。
【図１１】センサによる導電性膜の膜厚に対する共振周波数の変化例を示す特性図であり、（ａ）は導電性膜がＣｕの場合、（ｂ）は導電性膜がタングステンの場合。
【符号の説明】
【０１２１】
１    化学機械研磨装置
２    プラテン
３    研磨ヘッド
４    回転軸
５    モータ
６    研磨パッド
７    ヘッド本体
８    キャリア
９    リテーナリング
１０    リテーナリング押圧手段
１１    弾性シート
１２    回転軸
１３    ドライプレート
１４    ピン
１５    作動トランス
１６    キャリア押圧手段
を介して膜厚抵抗Ｒ
１７    エアーフロートライン
おり、ピン１４，１４を介してヘッド本体７から回転が伝達される。
【０１２２】
１９    エアー吹出し口
２０    エアーフィルタ
２１    給気ポンプ
２２    孔
２３    真空ポンプ
２４    バキュームライン
２５    エアバック
２７    リテーナリングホルダ
２８    導電性膜
２９    エアー室
３０    取付部材
３１    スナップリング
３２    スリップリング
３３    基本的なセンサ
３４    平面インダクタ
３５    集中定数キャパシタ
３６    発振回路
３７    センサ
３８    平面インダクタ
３９    発振回路
４０    集中定数キャパシタ
４１    増幅器
４２    フィードバック・ネットワーク
４３    周波数カウンタ
Ｗ    ウェハ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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