(57)【要約】【解決手段】  ウエハの層の厚さを検出するための方法が提供されている。その方法は、処理されるウエハを保持するよう構成されたウエハキャリアの特定の半径の規定を備える。その方法は、さらに、１組の相補的なセンサを形成するよう構成された複数のセンサの準備を備える。さらに、その方法は、複数のセンサの内の各センサと、隣接するセンサとの位相が、同じ角度だけずれるように、ウエハキャリア内の特定の半径に沿う複数のセンサの配置を備える。その方法は、さらに、複数のセンサによって生成された信号の測定を備える。さらに、合成信号を生成するために、複数のセンサによって生成された信号の平均化が備えられている。平均化は、合成信号が、層の厚さを特定するよう相関を有することができるように、合成信号からノイズを除去するよう構成されている。
2006511801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエハの層の厚さを検出するための方法であって、
処理される前記ウエハを保持するよう構成されたウエハキャリアの特定の半径を規定し、
１組の相補的なセンサを形成するよう構成された複数のセンサを準備し、
各センサと、隣接するセンサとの位相が、同じ角度だけずれるように、前記ウエハキャリア内の前記特定の半径に沿って前記複数のセンサを配置し、
前記複数のセンサによって生成された信号を測定し、
合成信号を生成するために、前記複数のセンサによって生成された前記信号を平均化することを備え、前記平均化は、前記合成信号における振動の阻害（oscillating disturbance）を抑圧するよう構成されており、前記合成信号は、前記層の前記厚さを特定するように相関することができる、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記ウエハ層の前記厚さは、その場で決定されることが可能である、方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、その場とは、前記層が処理されている時に、前記層の前記厚さを決定することとして定義される、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記合成信号は、前記層の終点を決定するために用いられる、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、前記複数のセンサは渦電流センサである、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、前記複数のセンサによって生成された前記信号は、位相がずれている、方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、前記複数のセンサによって生成された前記信号の平均化は、信号抑圧をほぼ排除する、方法。
【請求項８】
ウエハのウエハ層の厚さを検出するための方法であって、
処理される前記ウエハを保持するよう構成されたウエハキャリアの特定の半径を規定し、
一対のセンサを準備し、
前記一対のセンサの内の第１のセンサと前記一対の内の第２のセンサとの位相が、所定の角度だけずれるように、前記ウエハキャリア内の前記特定の半径に沿って前記一対のセンサを配置し、
前記一対のセンサの内の前記第１のセンサおよび前記第２のセンサによって生成された信号を測定し、
合成信号を生成するために、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサによって生成された前記信号を平均化することを備え、前記平均化は、前記合成信号におけるノイズを除去するよう構成されており、前記合成信号は、前記層の前記厚さを特定するように相関することができる、方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、前記第１のセンサと前記第２のセンサとの位相は、１８０度ずれている、方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法であって、前記一対のセンサは渦電流センサである、方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の方法であって、前記一対のセンサの内の前記第１のセンサと前記一対のセンサの内の前記第２のセンサの位相をずらした配置は、信号抑圧をほぼ排除するよう構成されている、方法。
【請求項１２】
請求項８に記載の方法であって、前記一対のセンサの内の前記第１のセンサおよび前記第２のセンサによって生成された信号の強度は、前記ウエハ層の前記厚さと相関する、方法。
【請求項１３】
請求項８に記載の方法であって、前記ウエハ層の前記厚さは、その場で決定されることが可能である、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、その場とは、前記層が処理されている時に、前記層の前記厚さを決定することとして定義される、方法。
【請求項１５】
ウエハキャリアによって保持されるよう構成されたウエハの導電層の厚さを検出するための装置であって、
磁場強化ソースによって引き起こされた磁場によって生成された信号を検出するよう構成された複数のセンサを備え、前記複数のセンサは、前記複数のセンサの各センサと、隣接するセンサとの位相が、所定の角度だけずれるように、前記ウエハキャリア内に規定された円に沿って配置されており、
前記複数のセンサによって生成された信号の平均が、合成信号を形成するよう構成されている、装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の装置であって、前記合成信号の振幅は、ウエハ層の前記厚さにほぼ比例するよう構成されている、装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載の装置であって、前記複数のセンサに含まれる各センサは渦電流センサである、装置。
【請求項１８】
請求項１５に記載の装置であって、前記合成信号は、前記ウエハ層の前記厚さを決定するために用いられる、装置。
【請求項１９】
請求項１５に記載の装置であって、前記ウエハ層の前記厚さは、その場で決定されることが可能である、装置。
【請求項２０】
請求項１６に記載の装置であって、その場とは、前記層が処理されている時に、前記層の前記厚さを決定することとして定義される、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハの前処理に関し、特に、ウエハ処理中の処理パラメータ制御のためのその場測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、半導体の加工は、いくつかの段階を備えており、それらの段階において、下層の基板に対して様々な層の形成や除去が施される。ウエハの処理能力を増大させるための不断の追求と、より小さい形状サイズおよびより厳密な表面の平坦性に対する絶え間ない要求から、目標となる厚さに達した時に対象となる層の処理を中断できる処理状態監視および終点検出の方法を実施することが求められている。
【０００３】
最近、渦電流センサ（ＥＣＳ）が、膜の特性の変化を測定するために利用され始めている。渦電流センサを用いるためのこれらの新しい方法に関する情報については、米国特許出願Ｎｏ．１０／１８６，４７２、「ＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＥＤＤＹ  ＣＵＲＲＥＮＴ  ＳＥＮＳＯＲ  ＢＡＳＥＤ  ＭＥＴＲＯＬＯＧＹ  ＷＩＴＨ  ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ  ＴＯＯＬＳ」，２００２年６月２８日出願、を参照することができる。この特許出願の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。ＥＣＳセンサは、検査対象に近接する試験コイルの電磁場を変動させることによってサンプル内に円電流を誘導することを利用する。変動する電磁場は、コイルに交流を流すことにより生成される。変動する電磁場は渦電流を誘導し、渦電流が、印加された電磁場を乱してコイルのインダクタンスを変化させる。
【０００４】
図１は、渦電流センサの動作原理を示す簡略な説明図である。交流が、導電対象物１０２に近接して設けられたコイル１０８を流れる。コイル１０８の電磁場が、導電対象物１０２内に渦電流１０４を誘導する。渦電流１０４の大きさと位相は、コイル１０８への負荷に作用するため、コイル１０８のインピーダンスが、渦電流１０４の影響を受ける。この影響は、導電対象物１０２の近接性、および／または、対象物１０２の厚さが電磁場の侵入深さよりも十分に小さい場合の対象物１０２の厚さ、に関して測定およびキャリブレーションされる。図に示すように、距離１０６は、コイル１０８に対する渦電流１０４の作用に影響を与える。したがって、対象物１０２が移動すると、コイル１０８に対する渦電流１０４の影響を監視するセンサからの信号も変化する。
【０００５】
化学機械平坦化（ＣＭＰ）動作では、ウエハキャリアが、ＣＭＰ動作中に処理される薄膜層の厚さを測定するための非接触式の組み込み渦電流センサを備える。ウエハキャリアは、ウエハを支持するよう設計されたキャリア膜を備える。平坦化動作の際には、回転するキャリア、組み込み渦電流センサ、およびウエハが、研磨パッドに向かって押しつけられることで、ウエハの表面が平坦化される。
【０００６】
残念ながら、対象となる層の終点の検出、または、対象となる層の厚さの測定に、渦電流センサを用いる技術には、いくつかの短所がある。例えば、図２に示すプロット２００は、ウエハの中央部および縁部で生成される渦電流センサ信号を示す。グラフ１１４は、平坦化動作中の渦電流の電圧変化を時間に対して示したものである。グラフ１１４では、渦電流の電圧変化が、ウエハの中央部に配置された非接触式渦電流センサによって検知されており、グラフ１１６では、ウエハの縁部に配置された別の非接触式渦電流センサによって検知された平坦化動作中の渦電流の電圧変化が示されている。通常、渦電流センサの信号は正弦的にうねり、各信号のうねりは、キャリアの回転の周波数に従う。しかしながら、図２に示すように、両方の信号が正弦的にうねるにもかかわらず、縁部のグラフ１１６における信号振幅は、中央部のグラフ１１４における振幅よりもかなり大きい。
【０００７】
さらに、検査される薄膜層には、電磁場が侵入して、検知側に位置する導電対象物に到達することが可能である。一般に、外部の対象物の構成は、回転するセンサの軌道に関して非対称である。しかしながら、回転によって近接性が変動することから、非一様な外部媒体におけるウエハキャリアひいては渦電流センサの回転に起因して信号振幅における正弦的な変動が起きる。
【０００８】
正弦波信号の振幅の変動は、幅広いパラメータに対する渦電流センサの感度によって生じる。例えば、渦電流センサは、パラメータの中でも特に、キャリア膜の厚さ、離間距離、温度、および圧力の変動に対して敏感であることが認められている。さらに、検査される薄膜層で生成される渦電流の大きさおよび位相は、薄膜層とセンサとの近接性はもちろん、薄膜層の特性（例えば、厚さ、抵抗率、形状など）にも敏感である。
【０００９】
例えば、「離間距離」パラメータ、すなわち、研磨される層と渦電流センサの表面との間の距離は、多くの理由から異なりうる。キャリア膜の厚さが変化した（例えば、＋／−数ミル）場合には、離間距離においてかなりの変動が生じる。離間距離は、さらに、様々な程度の圧力で研磨パッドに押しつけられたキャリア膜の圧縮によって生じるキャリア膜の厚さの変化の結果として変動する。キャリア膜の厚さ、ひいては、離間距離は、さらに、回転しているウエハの前縁部が、動いている研磨パッドに対して接点で突っ込んだ際に変化する。この時点で、接点に加わる圧力は、キャリア膜の圧縮を引き起こし、離間距離、ひいては、渦電流信号振幅の振幅を変動させる。明らかに、離間距離に作用するパラメータすべてに対してキャリブレーションを行うことは極めて困難であり、最終的に、センサによる厚さの測定値に悪影響を及ぼすことになる。
【００１０】
渦電流信号の振幅に作用する別の可変パラメータは、ウエハ表面にわたる非一様な温度勾配に関連する。例えば、ウエハ前縁部の温度は、ウエハ前縁部が、動いている研磨パッドに接触すると上昇する。次いで、ウエハ後縁部の温度は、ウエハ後縁部が、研磨パッドに接触してウエハ後縁部の温度を上昇させると上昇する。温度の変動に対する渦電流センサの感度は、渦電流の正弦波信号の振幅に直接的に影響する。この場合にも、温度変化に対するキャリブレーションが極めて困難なことから、渦電流センサによる厚さの測定値に影響がある。
【００１１】
さらに、正弦波信号の振幅は、センサが、ウエハキャリアの範囲内でウエハの中央部に近接しているかウエハの縁部に近接しているかによって変化する。信号の振幅は、センサがウエハの中央部から離れた位置にあるほど増大する。
【００１２】
明らかに、これらのパラメータの複合的な影響は、渦電流センサの信号を用いる厚さの測定や終点検出に対して、許容できないほどの大きさの誤差と予測不能性をもたらし、処理されたウエハ層の研磨の過不足を引き起こし、ウエハを損傷させ、ひいては、ウエハの処理能力および歩留まりを低下させる。
【００１３】
以上の観点から、処理パラメータを制御することにより対象層の厚さを決定できる柔軟な方法およびシステムが求められている。
【発明の開示】
【００１４】
概して、本発明は、処理されるウエハを保持するよう構成されたウエハキャリアの半径に沿ってほぼ一様に配置された複数の相補的なセンサによって生成された逆位相の正弦波信号を平均化して、リアルタイムのウエハ層の厚さまたはウエハ層の終点を決定することによって、上述の要求を満たす。本発明は、処理、装置、システム、デバイス、または方法を含む種々の形態で実施できることを理解されたい。以下では、本発明の実施形態をいくつか説明する。
【００１５】
一実施形態では、ウエハの層の厚さを検出するための方法が提供されている。その方法は、処理されるウエハを保持するよう構成されたウエハキャリアの特定の半径を規定することを備える。その方法は、さらに、１組の相補的なセンサを形成するよう構成された複数のセンサを準備することを備える。さらに、その方法は、複数のセンサの内の各センサと、隣接するセンサとの位相が、同じ角度だけずれるように、ウエハキャリア内の特定の半径に沿って複数のセンサを配置することを備える。その方法は、さらに、複数のセンサによって生成された信号を測定することを備える。さらに、合成信号を生成するために、複数のセンサによって生成された信号を平均化することが備えられている。平均化は、合成信号が、層の厚さを特定するように相関することができるよう、合成信号からノイズを除去するよう構成されている。
【００１６】
別の実施形態では、ウエハのウエハ層の厚さを検出するための方法が提供されている。その方法は、処理されるウエハを保持するよう設計されたウエハキャリアの特定の半径を規定することを備える。その方法は、さらに、一対のセンサを準備し、一対のセンサの内の第１のセンサと一対のセンサの内の第２のセンサとの位相が、所定の角度だけずれるように、ウエハキャリア内の特定の半径に沿って一対のセンサを配置することを備える。その方法は、さらに、一対のセンサの内の第１のセンサおよび第２のセンサによって生成された信号を測定することを備える。さらに、合成信号を生成するために、第１のセンサおよび第２のセンサによって生成された信号を平均化することが備えられている。平均化は、層の厚さを特定するように相関することができる合成信号からノイズを除去するよう構成されている。
【００１７】
さらに別の実施形態では、ウエハキャリアによって保持されるよう構成されたウエハの導電層の厚さを検出するための装置が提供されている。その装置は、磁場強化ソースによって引き起こされた磁場によって生成された信号を検出するよう構成された複数のセンサを備える。複数のセンサは、複数のセンサに含まれる各センサと、隣接するセンサとの位相が、所定の角度だけずれるように、ウエハキャリア内に規定された円に沿って配置される。複数のセンサによって生成された信号の平均は、合成信号を形成するよう構成されている。
【００１８】
本発明には、数多くの利点がある。最も顕著なものとして、本発明の実施形態は、同じ円に沿って一様に分布するよう配置された任意の組み合わせのセンサを用いて、対応する円運動によって引き起こされる信号のうねりを排除することができる。このように、正弦のクリアな信号が、除去されている金属薄膜の厚さと正確に相関することで、ＣＭＰ処理などの半導体加工処理で用いられる信頼性の高い処理状態監視や終点検出方法が提供される。別の利点は、アルゴリズム的な平均化の手順を用いることから、回転によって障害を受けない合成信号が、リアルタイムで記録されることである。アルゴリズム的な平均化の手順は、有利なリアルタイム監視方法である。さらに別の利点は、特定の半径に沿って一様に分布するよう配置されたセンサを用いることにより、周期的な運動に関連する（例えば、うねりのある）信号成分は、さらなる調整を必要とすることなく、かつ、複雑さ（すなわち、信号が、単純な正弦波を有するか、より複雑な例において、その他の形状を有するか）に関わらず、自動的かつ完全に抑圧されることである。さらに別の利点は、本発明の実施形態は、任意の種類のＣＭＰシステム（例えば、直線ＣＭＰシステム、回転テーブル式ＣＭＰシステム、オービタル式ＣＭＰシステムなど）で利用可能なことである。またさらに別の利点は、本発明の実施形態は、信号のうねりを引き起こす検知空間における条件を調節するために、周期的なシステムの運動を利用する任意のデバイスで利用できることである。
【００１９】
本発明のその他の態様および利点については、本発明の原理を例示した添付図面との関連で行う以下の詳細な説明から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
ウエハの層の終点または厚さを正確に決定するための発明が提供されている。一実施形態では、複数の相補的なセンサによって生成される複数の正弦波信号が平均化されて、処理されているウエハの層の厚さとほぼ相関するよう構成された正弦抑圧信号が生成される。一実施形態では、ウエハキャリアの円に沿って配置された１組の相補的なセンサによって生成される複数の信号が平均化されて、処理または除去されているウエハの層の厚さとほぼ相関する正弦抑圧信号が生成される。本明細書で用いられているように、「相補的なセンサ」という用語は、生成される正弦信号の平均における正弦波成分が、処理されているウエハの層の厚さと正確に相関するよう十分に抑圧されるように、ウエハキャリアの円に沿ってほぼ一様に分布された１組の２以上のセンサを意味する。
【００２１】
好ましい実施形態では、ノイズの正弦波成分は、複数の相補的なセンサによって生成される位相の異なる信号を平均化することにより除去される。「ノイズ」という用語は、本明細書で用いられているように、生成された信号に作用する任意の要素（例えば、うねりによる障害など）を意味する。このように、信号対ノイズ比を大幅に改善しつつセンサ信号を決定するために、抑圧正弦信号を用いることが可能である。一例では、複数のセンサは、渦電流センサ（ＥＣＳ）センサである。
【００２２】
以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、数多くの具体的な詳細事項が示されている。しかしながら、当業者にとって明らかなように、本発明は、これらの具体的な詳細事項の一部もしくはすべてがなくとも実施可能である。また、本発明が不必要に不明瞭となることを避けるため、周知の処理動作の説明は省略した。
【００２３】
図３Ａは、本発明の一実施形態に従って、ウエハ１２２の層の厚さを測定する一対の相補的なセンサ１２８ａおよび１２８ｂを備える代表的なウエハキャリア１１８を示す簡略な説明図である。一実施形態では、相補的なセンサ１２８ａおよび１２８ｂはＥＣＳセンサである。図３Ａの実施形態に示すように、ウエハキャリア１１８は、ジンバル１３４を用いるキャリアスピンドル１３３に取り付けられている。ウエハキャリア１１８の上方に配置されたジンバル１３４は、研磨動作中にウエハキャリア１１８およびウエハ１２２を、動いている研磨パッド１３０に対して位置決めするために用いられる。図からわかるように、キャリアスピンドル１３３に取り付けられたジンバル１３５は、ウエハ回転方向１３４に回転するよう設計されている。キャリアスピンドル１３３は、ウエハキャリア１１８ひいてはウエハ１２２を、動いている研磨パッド１３０に押しつけるよう構成されている。
【００２４】
一例では、ウエハキャリア１１８ひいてはウエハ１２２は、回転方向１３４に回転すると共に、力Ｆで研磨パッド１３２に押しつけられる。一部の実施形態では、ウエハキャリア１１８およびウエハ１２２を研磨パッド１３０に対して位置決めするためのジンバル１３５を備える代わりに、ウエハ１２２は、最初にウエハ１２２の前縁部１２２ａが研磨パッド１３０に突っ込むように、研磨パッド１３０に対して当てられる。その後、ウエハの中央部１２２ｃおよび後縁部１２２ｂが、研磨パッド１３０に接触する。
【００２５】
別の実施形態では、前縁部１２２ａが研磨パッド１３０に突っ込むことで、ウエハの前縁部１２２ａに近接するキャリア膜１２０の厚さが減少する。結果として、ＥＣＳセンサ１２８ａによって検出される離間距離ひいてはＥＣＳ信号が変化する。また、ウエハ前縁部１２２ａが研磨ウエハに突っ込むと、ウエハ前縁部１２２ａにおける温度が上昇し、ウエハ前縁部１２２ａに近接する正弦的なうねりに影響する。以下で詳細に説明するように、一実施形態では、ＥＣＳセンサ１２８ａおよび１２８ｂによってウエハの前縁部１２２ａおよび後縁部１２２ｂにおいてそれぞれ検出されるＥＣＳ信号は、ＥＣＳ信号のうねりを抑圧するために用いられる。
【００２６】
図３Ｂは、本発明の一実施形態に従って、研磨パッド１３０に押しつけられている図３Ａのウエハキャリアを示す簡略な上面図である。図からわかるように、ＥＣＳセンサ１２８ａは、ウエハ１２２の範囲内に規定される仮想の円１２３ａの半径Ｒ上に存在し、相補的なＥＣＳセンサ１２８ｂは、仮想の円１２３ａの半径−Ｒ上に存在する。このように、以下で説明するように、正弦の関数の１つを効果的に用いて、信号のうねりの振幅における変動を排除（すなわち、ノイズの正弦波成分すべてを排除）することができる。明らかに、結果として生じる抑圧正弦信号は、対象となる層の実際の厚さとほぼ相関する。
【００２７】
図３Ｃは、本発明の一実施形態に従って、２つのＥＣＳセンサ１２８ａおよび１２８ｂが互いに１８０度だけ位相が異なるように配置されている様子を示す図３Ａのウエハキャリア１１８の簡略な上面図である。すなわち、一方のセンサ１２８ａからの信号は、他方のセンサ１２８ｂからの信号によって相殺される。図からわかるように、ＥＣＳセンサ１２８ａは、角度０度１３１に対して角度αをなし、ＥＣＳセンサ１２８ｂは、角度０度１３１に対して角度１８０＋αをなす。さらに、図に示すように、ＥＣＳセンサ１２８ａは、半径−Ｒの位置に配置されているＥＣＳセンサ１２８ｂと対称的に、半径Ｒの位置に配置されている。
【００２８】
一実施形態によると、以下の表１に示すように、図３Ｃの実施形態において正弦波の振幅の変動を抑圧する様子をさらに理解することができる。一実施形態では、キャリアの回転によって正弦的に変化する実際の信号の大きさをＳ０とする。その結果、実際の信号の大きさＳは、以下のように振動するよう構成される。
Ｓ＝Ｓ０（１＋ｓｉｎα）
さらに、与えられた円に配置された（すなわち、直径の反対側にそれぞれ配置された）センサ１およびセンサ２にそれぞれ対応する信号トレースＳ１およびＳ２も、表１に提供された振動の式に従う。信号トレースＳ１およびＳ２の正弦成分を同時に平均化することにより、リアルタイムで振動のない実際の信号振幅を得ることができる。
【表１】
2006511801.tif 000003
【００２９】
表からわかるように、一対の相補的なＥＣＳセンサを用いる場合には、それぞれのセンサによって生成される正弦波信号は、同調して記録される。次いで、正弦波信号の正弦成分は、用いているセンサの数（この例では２つ）に従って平均化される。このように、ＥＣＳ正弦波信号の振幅における変動が抑圧されるため、回転の正弦波ノイズによる実質的な影響を受けず、処理される層の実際の厚さと正確に相関する信号が生成される。
【００３０】
図３Ｄは、本発明の一実施形態に従って、３組の相補的なＥＣＳセンサを組み込んだウエハキャリア１１８を示す簡略な上面図である。図からわかるように、第１の組の相補的なＥＣＳセンサ１２８ａおよび１２８ａ’は、それぞれ、半径Ｒ１および−Ｒ１の位置に配置されている。同様に、第２の組の相補的なＥＣＳセンサ１２８ｂおよび１２８ｂ’は、半径Ｒ２および−Ｒ２の位置に配置され、第３の組の相補的なＥＣＳセンサ１２８ｃおよび１２８ｃ’は、半径Ｒ３および−Ｒ３の位置に配置されている。一実施形態によると、各対の相補的なＥＣＳセンサの正弦波信号の正弦成分は、同調して記録および平均化され、ウエハの層の厚さと十分に相関する合成正弦抑圧正弦波信号が生成される。すなわち、各対のＥＣＳセンサの間で正弦波信号を相殺することにより、各対のセンサによって生成される電磁場が互いに抑制しあう。明らかに、各々の相補的な対のＥＣＳセンサ１２８ａおよび１２８ａ’、１２８ｂおよび１２８ｂ’、１２８ｃおよび１２８ｃ’の平均は、ほぼ０に等しい。図に示すように、半径Ｒ３は半径Ｒ２よりも大きく、半径Ｒ２は半径Ｒ１よりも大きい。以下で詳細に説明するように、半径が大きくなるほど、勾配が大きくなる。しかしながら、本発明の実施形態は、相補的なＥＣＳセンサを用いることで同調して記録された正弦波信号の正弦成分を平均化することにより、勾配における変動を排除する。
【００３１】
ＥＣＳセンサの正弦波信号の振幅における変動を抑圧する様子は、本発明の一実施形態に従って、図４に示された相補的なＥＣＳセンサによって生成される信号のグラフにも示されている。グラフ１３４ａは、ＥＣＳセンサ１２８ａ’によって生成された渦電流センサ出力を、時間（すなわち、ｘ軸１１０）に対してボルト（すなわち、ｙ軸１１２）でプロットしたものである。同様に、グラフ１３４ａ’は、ＥＣＳセンサ１２８ａによって生成された渦電流センサ出力を、時間に対してボルトでプロットしたものである。グラフ１３４’’は、ＥＳＣセンサ１２８ａおよび１２８ｂの正弦波信号の正弦成分の平均を表す。明らかに、半径Ｒを有する円上の角度αの位置に配置されたＥＣＳセンサの正弦波ＥＣＳ信号と、半径−Ｒ上の角度１８０＋αの位置に配置されたＥＣＳセンサのＥＣＳ信号との正弦成分を平均化することにより、正弦波信号に影響するノイズの正弦成分は、ほぼ排除される。このように、処理されている金属層の厚さは、正弦抑圧された合成信号の振幅とほぼ相関する。一実施形態では、信号の強度は、各センサ１２８ａおよび１２８ａ’と、処理されているウエハの層との距離と、線形的に相関する。ウエハの層がセンサ１２８ａに向かって移動することによって引き起こされる各信号の強度変化は、ウエハの層がセンサ１２８ａ’から遠ざかることで生じるほぼ正反対の強度変化によって相殺される。このように、ノイズの正弦成分によって引き起こされる正弦波信号の振幅における変化がほぼ排除されるという利点がある。
【００３２】
例えば、信号が最小の時点では、ＥＣＳセンサは、除去される連続的な金属から実質的に最小の距離を有する。その後、金属膜の厚さが小さくなるほど、グラフ１３４ａおよび１３４ａ’に示すように、信号の強度が増大する。信号強度の増大は、正弦波のグラフ１３４ａおよび１３４ａ’が比較的滑らかな軌道を示す時点で、金属膜（例えば、銅膜）がウエハ表面からほぼ完全に除去されるまで継続する。
【００３３】
図からわかるように、各センサによって生成された信号は、グラフ１３４ａおよび１３４ａ’に示すように正弦波成分を含む。それらの成分は、図からわかるように、ほぼ等しいが、位相がずれている。したがって、等しいが位相のずれた振幅を有する２つの正弦波ＥＣＳ信号の平均、すなわち、複合グラフ１３４ａ’’は、ノイズの正弦成分が排除されたグラフとなる。このように、複合正弦抑圧信号は、正弦波ＥＣＳ信号が金属膜の厚さに相関することから、対象となる層（すなわち、金属膜）の実際の厚さの尺度として利用可能である。一実施形態では、用いられるＥＣＳセンサは、ＳＵＮＸ  ｌｉｍｉｔｅｄから入手可能なＧＰ−Ａシリーズアナログ変位センサなど、一般に利用可能なＥＣＳセンサである。
【００３４】
図５Ａは、本発明の一実施形態に従って、一対の相補的なＥＣＳセンサのグラフ１３６ａおよび１３６ａ’を示す簡略な拡大図である。図に示すように、グラフ１３６ａは、半径Ｒの位置に配置されたセンサからのＥＣＳ信号を示しており、グラフ１３６ａ’は、半径−Ｒの位置に配置され第１のセンサに対して１８０度だけ位相のずれたセンサからのＥＣＳ信号を示している。当業者であれば、それらのグラフ１３６ａおよび１３６ａ’について信号振幅の変動を認識することができる。本発明の一実施形態によると、１８０度だけ位相のずれた対になるセンサを用いることにより、２つの信号のグラフ１３６ａおよび１３６ａ’の正弦成分を単純平均して正弦抑圧されたグラフ１３６ａ’’を生成することで、信号振幅の変動を排除することができる。
【００３５】
図５Ｃは、本発明の一実施形態に従って、グラフ１３６ａ、１３６ａ’、および１３６ａ’’を示す簡略な拡大図である。図に示すように、グラフ１３６ａおよび１３６ａ’は両方とも、変化する振幅を有する正弦曲線であり、それら２つのグラフ１３６ａおよび１３６ａ’は、ほぼ１８０度だけ位相角のずれたＥＣＳ信号によって生成される。２つのグラフ１３６ａおよび１３６ａ’グラフが、明らかな振幅の変動と、ノイズによって引き起こされるうねりとを有するにもかかわらず、図に示すように、複合グラフ１３６ａ’’は、ノイズによって引き起こされるうねりが排除された正弦抑圧信号のグラフとなっている。そのため、除去されている金属膜の実際の厚さを決定するために、複合グラフの信号１３６ａ’’を用いることができる。
【００３６】
複数の相補的なＥＣＳセンサを含む１組の相補的なＥＣＳセンサを用いて、正弦抑圧された合成グラフを生成する様子が、本発明のいくつかの実施形態に従って、図６Ａないし６Ｈに示されている。図６Ａは、互いに１２０度だけ位相のずれた１組の３つの相補的なセンサ１２８ａ、１２８ｂ、および１２８ｃを備えるキャリアヘッド１１８を示している。このように、空間的に金属膜（すなわち、対象となる層）を覆う範囲が増大するため、金属膜の厚さをより正確に測定することができる利点がある。以下に示す表２は、センサ信号の同期測定と、センサ信号の正弦成分の平均化とが可能な一例の３つのセンサを含む相補的なセンサによって生成されたセンサ信号の抑圧について、さらなる説明を加えるものである。
【表２】
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【００３７】
同様に、図６Ｂは、半径Ｒを有する円に沿って配置され互いに９０度だけ位相のずれた４つのセンサ１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃ、および１２８ｄからなる１組の相補的なセンサを備えるキャリアヘッド１１８を示している。一実施形態では、この構成は、互いに直径の両側に配置された二対のセンサとして構成されてもよい。
【００３８】
図６Ｃは、さらに別の実施形態に従って、円に沿って配置され互いに７２度だけ位相のずれた５つの相補的なセンサ１２８ａ−１２８ｅを備えるウエハキャリア１１８を示している。図６Ｄは、別の実施形態に従って、互いに６０度だけ位相のずれた６つの相補的なセンサ１２８ａ−１２８ｆを示している。図６Ｅおよび６Ｆは、互いに５２度だけ位相のずれた７つの相補的なセンサ１２８ａ−１２８ｇを備えるウエハキャリアと、互いに４５度だけ位相のずれた８つの相補的なセンサ１２８ａ−１２８ｈを備えるウエハキャリア１１８とをそれぞれ示している。すでに詳細に説明したように、ノイズの正弦成分が排除された正弦抑圧合成信号を生成して、金属膜の厚さとほぼ相関するセンサ信号を提供するために、複数組の相補的なセンサを用いることができる。
【００３９】
複数の組み合わせの相補的なセンサを用いる様子は、本発明に従った図６Ｇおよび６Ｈの実施形態に示されている。図６Ｇに示すように、一実施形態によると、相補的なセンサ１２８ａ−１２８ｉは、４０度ずつ位相をずらしてウエハキャリア１１８内の半径Ｒに沿って配置されており、センサ１３８ａおよび１３８ａ’は、１８０度だけ位相をずらして半径Ｒ’に沿って配置されている。このように、互いに１８０度だけ位相のずれたセンサ１３８ａおよび１３８ａ’によって生成された信号の正弦成分の平均は、半径Ｒ’とその周辺における膜の厚さにほぼ相関する正弦抑圧信号を提供する。同様に、互いに４０度だけ位相のずれたセンサ１２８ａ−１２８ｉからの信号の平均は、半径Ｒとその周辺における膜の厚さにほぼ相関する正弦抑圧信号を提供する。
【００４０】
一実施形態では、センサの配置される円の半径が大きくなるほど、温度、圧力、または離間距離の勾配が大きくなる。したがって、図６Ｇの実施形態では、半径Ｒ’よりも大きい半径Ｒにおいては、温度、圧力、または離間距離の勾配が大きくなる。その結果、生成された正弦波センサ信号は、半径Ｒ’に沿って生成された正弦波センサ信号よりも大きい振幅を有する。
【００４１】
図６Ｈは、本発明の一実施形態に従って、別の組み合わせの相補的なセンサを備えるキャリアヘッド１１８を示す。図に示すように、相補的なセンサ１２８ａ−１２８ｊは、半径Ｒに沿って互いに３６度だけ位相をずらして配置されている。さらに、２つの相補的なセンサ１３８ａおよび１３８ａ’の組み合わせが、半径Ｒ’に沿って互いに１８０度だけ位相をずらして配置されている。
【００４２】
本発明の実施形態は、図によると、２ないし１０の相補的なセンサを備えているが、当業者にとって明らかなように、本発明の実施形態は、キャリアヘッドの同一の円に沿って一様に等しく分布するよう配置された任意の適切な組み合わせのセンサを用いて、ウエハの層の厚さとほぼ相関する正弦波信号を生成してよい。さらに、それぞれの円に沿って等しく分布された多数の組み合わせのセンサを用いて、センサのそれぞれの位置におけるウエハの層の厚さと相関させてもよいことを理解されたい。
【００４３】
さらに、本発明の一部の実施形態は、ＥＣＳセンサに関連して説明されているが、本発明の実施形態は、任意の適切な型のセンサ（例えば、赤外線、静電容量、音波など）によって生成された信号を抑圧するために用いることもできる。
【００４４】
例えば、赤外線センサは、研磨ベルトの温度を経時的に測定するために用いられてよい。当業者にとって明らかなように、シリコン基板は赤外線信号を通すため、赤外線信号は、研磨パッドの表面によって処理されているウエハの薄膜（すなわち、対象となる層）の温度を検出することができる。一実施形態では、ウエハの温度は、ＣＭＰ処理中の温度変化を観察するために監視される。一実施例では、ウエハの温度と研磨パッドの温度は、終点において下がり始める。
【００４５】
図７は、本発明の一実施形態に従って、複数の相補的なセンサを用いて金属膜の厚さを決定するために実行される動作を示すフローチャート７００である。その方法は、複数の相補的なセンサが準備される動作７０２から始まる。一実施形態では、複数のセンサはＥＣＳセンサである。複数の相補的なセンサは、処理されるウエハを保持するよう構成されたウエハキャリアの範囲内に配置される。一実施形態では、処理されるウエハは金属膜を備える。次に、複数のセンサによって生成された信号を用いて、合成信号が生成される。次いで、その合成信号を用いて、ウエハ表面に設けられた金属膜の厚さが決定される。すでに詳述したように、正弦抑圧合成信号は、実質的にはノイズの正弦成分の影響を受けないため、除去されている膜層の厚さと十分に相関する。
【００４６】
図８は、本発明の別の実施形態に従って、複数の相補的なセンサを用いてエッチングの終点を検出する際に実行される方法の動作を示すフローチャートである。その方法は、複数のセンサが準備される動作８０２から始まる。次に、動作８０４において、ウエハキャリア上で半径によって規定される特定の円が規定される。その後、動作８０６において、複数のセンサは、ウエハキャリア内の特定の半径に沿って配置され、１組の逆位相の相補的なセンサを形成する。一例では、センサは、ウエハキャリアの特定の半径に沿って一様に分布される限りは相補的となり、十分に抑圧された正弦信号を生成する。例えば、１組の相補的なセンサは、互いに１８０度だけ位相のずれた２つのセンサ、互いに１２０度だけ位相のずれた３つのセンサ、互いに９０度だけ位相のずれた４つのセンサなどを備えてよい。
【００４７】
その方法は、次いで、１組の相補的なセンサの各センサによって生成された信号が測定される動作８０８に進み、生成された信号の正弦成分が平均化されて合成信号が生成される動作８１０に進む。次いで、動作８１２において、その合成信号を用いて、ウエハ表面に設けられた金属膜のエッチングの終点が決定される。
【００４８】
一実施形態では、ウエハキャリアは、ジンバルによって研磨パッドと位置決めされているが、本発明の実施形態は、ジンバルを用いるＣＭＰシステムに限定されない。さらに、本発明の実施形態は、直線的な研磨パッドを備えるＣＭＰシステムで用いられているが、別の実施形態において、任意の適切な研磨テーブルが用いられてもよい（例えば、回転式など）。さらに、本発明の実施形態は、ＣＭＰ処理に関して説明されたが、相補的なセンサは、ＣＭＰ処理に限定されない。例えば、センサは、エッチングおよび蒸着処理など、基板に対して層または膜の除去または蒸着を行う任意の半導体処理において利用可能である。本発明は、本明細書において、いくつかの代表的な実施形態を用いて説明されている。当業者にとっては、本明細書の考慮と本発明の実践から、本発明の別の実施形態が明らかとなる。上述の実施形態および好ましい特徴は例示的なものであり、本発明は添付の特許請求の範囲によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】渦電流センサの動作原理を示す簡略な説明図。
【図２】ウエハの中央部および縁部に配置された２つの非接触式渦電流センサの信号を示すグラフ。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に従って、化学機械平坦化処理（ＣＭＰ）中にウエハ層の厚さを測定するための一対の相補的なセンサを備える代表的なウエハキャリアを示す説明図。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に従って、図３Ａに示したウエハキャリアおよび一対の相補的な渦電流センサを示す簡略な上面図。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態に従って、別の対の代表的な渦電流センサを示す簡略な上面図。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態に従って、３組の相補的なＥＣＳセンサを組み込んだ代表的なウエハキャリアを示す簡略な上面図。
【図４】本発明のさらに別の実施形態に従って、代表的な一対の相補的な渦電流センサによって生成された正弦波信号を示すグラフ。
【図５Ａ】本発明の一実施形態に従って、代表的な一対の相補的な渦電流センサによって生成された正弦波信号を示すグラフ。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態に従って、代表的な一対の相補的な渦電流センサによって生成された正弦波信号を示すグラフ。
【図５Ｃ】本発明の一実施形態に従って、代表的な一対の相補的な渦電流センサによって生成された正弦波信号を示すグラフ。
【図６Ａ】本発明のさらに別の実施形態に従って、対象となる層の厚さを測定するための３つの相補的な渦電流センサを示す簡略な上面図。
【図６Ｂ】本発明のさらに別の実施形態に従って、対象となる層の厚さを測定するための４つの相補的な渦電流センサを示す簡略な上面図。
【図６Ｃ】本発明のさらに別の実施形態に従って、対象となる層の厚さを測定するための５つの相補的な渦電流センサを示す簡略な上面図。
【図６Ｄ】本発明のさらに別の実施形態に従って、対象となる層の厚さを測定するための６つの相補的な渦電流センサを示す簡略な上面図。
【図６Ｅ】本発明のさらに別の実施形態に従って、対象となる層の厚さを測定するための７つの相補的な渦電流センサを示す簡略な上面図。
【図６Ｆ】本発明のさらに別の実施形態に従って、対象となる層の厚さを測定するための８つの相補的な渦電流センサを示す簡略な上面図。
【図６Ｇ】本発明のさらに別の実施形態に従って、対象となる層の厚さを測定するために複数組の相補的なセンサを利用する様子を示す簡略な上面図。
【図６Ｈ】本発明のさらに別の実施形態に従って、対象となる層の厚さを測定するために複数組の相補的なセンサを利用する様子を示す簡略な上面図。
【図７】本発明のさらに別の実施形態に従って、複数の相補的なセンサを用いて金属薄膜の厚さを決定するために実行される動作を示すフローチャート。
【図８】本発明のまたさらに別の実施形態に従って、複数の相補的なセンサを用いてエッチングの終点を検出する際に実行される方法の動作を示すフローチャート。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図６Ｈ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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