(57)【要約】【課題】【解決手段】化学的機械研磨システム及び方法が開示される。このシステムは、第一のポイントから第二のポイントへ移動するように構成された研磨パッドを含む。更にキャリヤが含まれ、該キャリヤは、研磨すべき基板を研磨パッド上で保持するように構成される。このキャリヤは、第一のポイントと第二のポイントとの間にある研磨位置で、基板を研磨パッドに当接させるように設計される。第一のセンサは、第一のポイントに位置しており、研磨パッドのイン温度を感知するように配向され、第二のセンサは、第二のポイントに位置しており、研磨パッドのアウト温度を感知するように配向される。イン温度及びアウト温度を感知することにより、化学的機械研磨による平坦化によりウェーハを処理している間に処理ステップを切り替える目的で処理状態とウェーハ表面の状態とを監視することを可能にする温度差を生成するように構成される。【選択図】図３Ａ
2004522310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のポイントから第二のポイントへ直線的に移動するように構成された研磨パッドと、
前記研磨パッド上で研磨される基板を保持するように構成され、前記第一のポイントと前記第二のポイントとの間にある研磨位置において、前記基板を前記研磨パッドに当接させるように設計されたキャリヤと、
前記第一のポイントに位置決めされ、前記研磨パッドのイン温度を検知するように配向された第一のセンサと、
前記第二のポイントに位置決めされ、前記研磨パッドのアウト温度を検知するように配向された第二のセンサと、
を備える化学的機械研磨システム。
【請求項２】
前記基板の研磨中に、前記アウト温度と前記イン温度との間の温度差が監視される、請求項１に記載の化学的機械研磨システム。
【請求項３】
温度差の変化が、前記基板から研削されている材料の変化を示す、請求項２に記載の化学的機械研磨システム。
【請求項４】
更に、
前記第一及び第二のセンサのそれぞれから検知信号を受信するように構成されたエンドポイント信号プロセッサを備える、請求項１に記載の化学的機械研磨システム。
【請求項５】
前記受信された信号が、前記基板の研磨中に前記アウト温度と前記イン温度との間の温度差を監視するために処理される、請求項４に記載の化学的機械研磨システム。
【請求項６】
前記温度差の変化が、前記基板から研削されている材料の変化を知らせる、請求項４に記載の化学的機械研磨システム。
【請求項７】
前記第一及び第二のセンサが、それぞれ赤外線センサである、請求項１に記載の化学的機械研磨システム。
【請求項８】
前記第一及び第二のセンサが、前記研磨パッドから約１ｍｍないし約２５０ｍｍ離間した位置に配設されている、請求項１に記載の化学的機械研磨システム。
【請求項９】
前記エンドポイント信号プロセッサが、更に、
前記第一及び第二のセンサからの検知信号を処理するように構成されたマルチチャネルデジタル化回路を備える、請求項４に記載の化学的機械研磨システム。
【請求項１０】
更に、
前記エンドポイントプロセッサに接続され、エンドポイント監視状態を示すように構成されたグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）ディスプレイを備える、請求項９に記載の化学的機械研磨システム。
【請求項１１】
更に、
前記第一のセンサと第二のセンサとを含むセンサ対アレイを備え、前記センサ対アレイの各センサ対が、研磨すべき前記基板の二つ以上の区域に関連する温度差を検知し得るように配設されている、請求項１に記載の化学的機械研磨システム。
【請求項１２】
前記基板が、半導体ウェハ及びデータ記憶ディスクの一方である、請求項１に記載の化学的機械研磨システム。
【請求項１３】
化学的機械研磨中にウェハ表面の処理状態を監視する方法であって、
直線的に移動するように構成された研磨パッドベルトを準備するステップと、
ウェハから材料の第一の層を除去できるように、研磨位置で前記ウェハを前記研磨パッドベルトに当接させるステップと、
前記研磨位置より直線的に前であるイン位置において、前記研磨パッドベルトの第一の温度を検知するステップと、
前記研磨位置より直線的に後であるアウト位置において、前記研磨パッドベルトの第二の温度を検知するステップと、
前記第二の温度と前記第一の温度との間の温度差を計算するステップと、
前記ウェハからの第一の層の除去を示す温度差の変化を監視するステップと、
を備える方法。
【請求項１４】
更に、
前記ウェハから研削すべき材料のタイプにそれぞれ関連する複数の温度差を含む温度差表を生成するステップを含む、請求項１３に記載の化学的機械研磨中にウェハ表面の処理状態を監視する方法。
【請求項１５】
前記温度差の変化が、更に、第一のタイプの材料から成る第一の層から第二のタイプの材料から成る別の層への除去における変化を示す、請求項１４に記載の化学的機械研磨中にウェハ表面の処理状態を監視する方法。
【請求項１６】
前記第一のタイプの材料が金属化材料であり、前記第二のタイプの材料がバリア材料である、請求項１５に記載の化学的機械研磨中にウェハ表面の処理状態を監視する方法。
【請求項１７】
前記第一のタイプの材料が拡散バリア材料であり、前記第二のタイプの材料が誘電材料である、請求項１５に記載の化学的機械研磨中にウェハ表面の処理状態を監視する方法。
【請求項１８】
前記検知するステップが、赤外線温度検知を含む、請求項１３に記載の化学的機械研磨中にウェハ表面の処理状態を監視する方法。
【請求項１９】
更に、
前記研磨位置よりも前である第一のポイントと前記研磨位置よりも後である第二のポイントとをそれぞれ含む複数の追加的な位置の対を検知するステップを含む、請求項１３に記載の化学的機械研磨中にウェハ表面の処理状態を監視する方法。
【請求項２０】
前記追加的な位置の一対のそれぞれが、関連する複数のウェハ区域上でエンドポイント検出を行えるように構成されている、請求項１９に記載の化学的機械研磨中にウェハ表面の処理状態を監視する方法。
【請求項２１】
他のウェハ準備段階へ切り替えるために、或いは化学的機械研磨による平坦化処理を終了させるために、ウェハ表面の処理状態を監視する方法であって、
直線的に移動するように構成された研磨パッドを準備するステップと、
ウェハから材料の層を除去できるように、研磨位置で前記ウェハを前記研磨パッドに当接させるステップと、
前記研磨位置より前である第一の位置において、前記研磨パッドの第一の温度を検知するステップと、
前記研磨位置より後である第二の位置において、前記研磨パッドの第二の温度を検知するステップと、
前記第二の温度と前記第一の温度との間の温度差を計算するステップと、
を備える方法。
【請求項２２】
更に、
前記ウェハからの層の除去を示す温度差の変化を監視するステップを含む、請求項２１に記載の他のウェハ準備段階へ切り替えるために、或いは化学的機械研磨による平坦化処理を終了させるために、ウェハ表面の処理状態を監視する方法。
【請求項２３】
前記温度差の変化が、更に、第一のタイプの材料から成る層から第二のタイプの材料から成る別の層への除去における変化を示す、請求項２２に記載の他のウェハ準備段階へ切り替えるために、或いは化学的機械研磨による平坦化処理を終了させるために、ウェハ表面の処理状態を監視する方法。
【請求項２４】
エンドポイント検出方法であって、
研磨パッドを準備するステップと、
ウェハから材料の第一の層を除去できるように、研磨位置で前記ウェハを研磨パッドに当接させるステップと、
前記研磨位置より前であるイン位置において、前記研磨パッドの第一の温度を検知するステップと、
前記研磨位置より後であるアウト位置において、前記研磨パッドの第二の温度を検知するステップと、
前記第二の温度と前記第一の温度との間の温度差を計算するステップと、
前記ウェハからの前記第一の層の除去を示す温度差の変化を監視するステップと、
を備える方法。
【請求項２５】
前記パッドが、ベルトパッドと、テーブルパッドと、ロータリパッドと、オービタルパッドとのうちの一つである、請求項２４に記載のエンドポイント検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハの化学的機械研磨（ＣＭＰ）に関し、特に、研磨エンドポイント検出技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造では、研磨と、バフ研磨と、ウェハ洗浄とを含むＣＭＰ動作を実行する必要がある。通常、集積回路デバイスは、マルチレベル構造の形をとる。基板レベルでは、拡散領域を有するトランジスタデバイスが形成される。次のレベルでは、相互接続金属線が、パターン形成され、トランジスタデバイスと電気的に接続され、所望の機能デバイスを画定する。周知のように、パターン形成済みの導電層は、二酸化ケイ素等の誘電材料により、他の導電層から絶縁されている。各金属化レベル（メタライゼーションレベル）では、金属又は関連する誘電材料を平坦化する必要がある。平坦化しない場合、追加金属層の形成は、表面トポグラフィの大きなばらつきから、非常に困難になる。別の応用において、金属線パターンは、誘電材料中に形成され、その後、金属ＣＭＰ動作が実行され、銅等の余分な金属化部分が除去される。
【０００３】
従来技術において、ＣＭＰシステムは、通常、ベルト、軌道、又はブラシステーションにより実施され、この中で、ベルト、パッド、又はブラシを使用して、ウェハをスクラブ、バフ研磨、又は研磨する。スラリは、ＣＭＰ動作を促進及び強化するために使用される。スラリは、最も一般的には、例えば、ベルト、パッド、ブラシ、及びその他の移動する準備面上に導入され、準備面と、バフ研磨、研磨、又はＣＭＰプロセスによるその他の準備が行われている半導体ウェハの表面とに分配される。この分配は、通常、準備面の運動と、半導体ウェハの運動と、半導体ウェハ及び準備面の間に形成される摩擦との組み合わせによって達成される。
【０００４】
図１Ａは、ダマシン及びデュアルダマシン相互接続金属線の構築に共通する製造プロセスが施されている誘電層１０２の断面図を示している。誘電層１０２は、誘電層１０２のエッチングパターン形成面上に蒸着された拡散バリア層１０４を有する。この拡散バリア層は、周知のように、通常は、窒化チタン（ＴｉＮ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、又は窒化タンタル（ＴａＮ）とタンタル（Ｔａ）の組み合わせである。拡散バリア層１０４が所望の厚さで蒸着された後、銅層１０４が、拡散バリア層の上に、誘電層１０２のエッチング特徴部を満たすように形成される。一部の余分な拡散バリア及び金属化材料も、必然的に、フィールドエリア上に蒸着される。こうした過剰被覆材料を取り除き、所望の相互接続金属線と、関連するバイア（図示せず）とを画定するために、化学機械平坦化（ＣＭＰ）動作が実行される。
【０００５】
上で述べたように、ＣＭＰ動作は、誘電層１０２上から、最上部の金属化材料を除去するように設計される。例えば、図１Ｂに示すように、銅層１０６及び拡散バリア層１０４の過剰被覆部分が、除去される。ＣＭＰ動作に共通であるように、このＣＭＰ動作は、すべての過剰被覆金属化及び拡散バリア材料１０４が、誘電層１０２上から除去されるまで継続する必要がある。しかしながら、すべての拡散バリア層１０４を誘電層１０２上から確実に除去するためには、ＣＭＰ処理中の処理状態とウェハ表面の状態とを監視する方法が必要である。これは、一般に、エンドポイント検出と呼ばれる。マルチステップのＣＭＰ動作では、多数のエンドポイントを確認する必要がある（例えば、拡散バリア層上からＣｕを確実に除去するため、及び誘電層上から拡散バリア層を確実に除去するため）。したがって、エンドポイント検出手法を使用して、所望の過剰被覆材料をすべて確実に除去する。現在のエンドポイント検出手法における共通の問題は、誘電層１０２上から導電材料（金属化材料又は拡散バリア層１０４）をすべて確実に除去し、金属線間での不慮の電気的相互接続を防止するために、ある程度のオーバエッチングが必要になることである。不適切なエンドポイント検出又は過剰研磨の悪影響は、誘電層１０２内に残ることが望ましい金属化層で、ディッシング（へこみ）１０８が発生することである。こうしたディッシング効果では、基本的には、所望量より多くの金属化材料が除去され、金属線上に皿状の特徴部が残る。ディッシングは、相互接続金属線の性能に否定的な形で影響を与えることが知られており、過度のディッシングにより、希望する集積回路が意図した目的で機能しなくなる可能性もある。
【０００６】
図１Ｃは、パッド１５０がローラ１５１の周りを回転するように設計された従来技術のベルトＣＭＰシステムを示している。ベルトＣＭＰシステムに共通であるように、プラテン１５４が、パッド１５０の下に位置決めされ、図１Ｂに示すようにキャリヤ１５２を使用してウェハを当てる表面を提供する。エンドポイント検出を実行する一方法は、プラテン１５４を通し、パッド１５０を通して、研磨されているウェハ１００の表面に光を当てる光学検出器１６０を使用することである。光学エンドポイント検出を達成するために、パッド１５０にはパッドスロット１５０ａが形成される。一部の実施形態において、パッド１５０は、パッド１５０の様々な位置に戦略的に位置決めされた多数のパッドスロット１５０ａを含むことができる。通常、パッドスロット１５０ａは、研磨動作への影響を最小限にするために、十分に小さくなるように設計される。パッドスロット１５０ａに加えて、プラテンスロット１５４ａが、プラテン１５４に定められる。プラテンスロット１５４ａは、研磨時に光学ビームがプラテン１５４を通過し、パッド１５０を通過して、ウェハ１００の所望の表面に当たるように設計されている。
【０００７】
光学検出器１６０を使用することで、特定の膜がウェハ表面から除去されたレベルを確認することが可能になる。この検出手法は、光学検出器１６０が受けた干渉パターンを検査することで、膜の厚さを測定するように設計される。光学エンドポイント検出は一部の応用には最適だが、半導体ウェハ１００の様々な領域又は区域でのエンドポイント検出が望ましい場合、光学エンドポイント検出は、適切ではない可能性がある。ウェハ１００の様々な区域を検査するためには、いくつかのパッドスロット１５０ａと、いくつかのプラテンスロット１５４ａとを画定する必要がある。パッド１５０及びプラテン１５４に多くのスロットを画定すると、ウェハ１００上で実行されている研磨への有害な影響が大きくなる可能性がある。つまり、パッド１５０の表面は、パッド１５０に形成された多数のスロットにより変更されてしまい、同時に、プラテン１５４の設計が複雑化することになる。
【０００８】
加えて、従来のプラテン１５４は、パッド１５０に一定の度合いの背圧を戦略的に加え、ウェハ１００から層を正確に除去できるように設計されている。プラテン１５４に多くのプラテンスロット１５４ａを画定すると、プラテン１５４に加える圧力の設計及び実施は、更に困難になる。したがって、光学エンドポイント検出は、一般に、ベルトＣＭＰシステムに統合するには手間がかかり、更に、ウェハの層を正確に研磨するＣＭＰシステムの能力に影響を与えることなく、ウェハの様々な区域又は領域全体でエンドポイントを完全に検出する上で問題を引き起こす。
【０００９】
図２Ａは、最上層に銅ＣＭＰ処理を施した後の例示的な半導体チップ２０１の部分断面図を示している。標準的な不純物注入、フォトリソグラフィ、及びエッチング手法を使用して、Ｐ型シリコン基板２００に、Ｐ型トランジスタとＮ型トランジスタとが作成されている。図示のように、各トランジスタは、ゲートと、ソースと、ドレーンとを有し、これらは適切なウェル内に作成されている。Ｐ型トランジスタとＮ型トランジスタとが交互になるパターンにより、相補型金属誘電半導体（ＣＭＯＳ）デバイスが形成される。
【００１０】
第一の誘電層２０２は、トランジスタ及び基板２００の上に作成される。従来のフォトリソグラフィ、エッチング、及び蒸着手法を使用して、タングステンプラグ２１０と銅線２１２とが形成される。タングステンプラグ２１０は、銅線２１２とトランジスタの有効な特徴部との間の電気的な接続を提供する。第二の誘電層２０４は、第一の誘電層２０２及び銅線２１２の上に作成することができる。従来のフォトリソグラフィ、エッチング、及び蒸着手法を使用して、第二の誘電層２０４に銅バイア２２０と銅線２１４とが形成される。銅バイア２２０は、第二の層の銅線２１４と第一の層の銅線２１２又はタングステンプラグ２１０との間の電気的接続を提供する。
【００１１】
次に、このウェハには、図１Ａ乃至図１Ｄを参照して説明したようにウェハの表面を平坦化するために銅ＣＭＰ処理が施され、ほぼ平坦な表面が残る（ここには図示されていないが、図１Ｂを参照して例示したディッシングが存在する可能性がある）。銅ＣＭＰ処理の後、ウェハは、ウェハ洗浄システムで洗浄される。
【００１２】
図２Ｂは、図１Ｃ及び図１Ｄを参照して説明したようにウェハが光学エンドポイント検出を受けた後の部分断面図を示している。図示のように、最上層の銅線２１４は、検出プロセス中に光腐食を受けている。光腐食は、部分的には、光学検出器によって放出され、太陽電池の機能を果たすことが可能なＰ／Ｎ接合部に達する光の光子によって発生すると考えられている。残念なことに、光学検出において通常は標準的であるこうした光の量は、壊滅的な腐食作用を引き起こす可能性がある。
【００１３】
この断面の例では、銅線、銅バイア、又はタングステンプラグが、Ｐ／Ｎ接合部の様々な部分と電気的に接続している。ウェハ表面に加えられるスラリ化学物質及び／又は化学溶液は、電解質を含む可能性があり、これは、電子ｅ−として電気回路を閉じる効果を有し、ホールｈ＋が、Ｐ／Ｎ接合部を渡って運ばれる。光生成された電子／ホールの対は、電場によって分離される。導入されたキャリヤは、接合部の両側の間で潜在的な差を誘発する。この潜在的な差は、光強度により増加する。したがって、接合部のＰ側に接続された電極では、銅が腐食する：Ｃｕ→Ｃｕ２＋＋２ｅ−。生成された可溶性イオン種は、他の電極に拡散する場合があり、ここで還元が発生する可能性がある：Ｃｕ２＋＋２ｅ−→Ｃｕ。なお、任意の金属の一般的な腐食の式は、Ｍ→Ｍｎ＋＋ｎｅ−であり、任意の金属の一般的な還元の式は、Ｍｎ＋＋ｎｅ−→Ｍである。光腐食作用に関する詳しい情報については、ハワイ州ホノルルでの第１９６回ＥＣＳ会議（１９９９年１０月）において発表されたＡ・ボベリナらの論文「Ｃｕ相互接続部洗浄中の光腐食作用」を参照することができる。
【００１４】
残念なことに、この種の光腐食は、図２Ｂに示すように、銅線を移動させてしまい、銅特徴部の意図した物理的トポグラフィを破壊する。Ｐ型トランジスタ上にあるウェハ表面の一部の位置では、光腐食作用により、腐食した銅線２２４、或いは完全に溶解した銅線２２６が発生する場合がある。言い換えると、光腐食により、銅線は、線が存在しなくなるほどに腐食する場合がある。一方、Ｎ型トランジスタ上では、光腐食作用により、銅の堆積２２２が形成される場合がある。銅線の腐食を含め、こうした歪んだトポグラフィは、チップ全体を動作不能にするデバイスの欠陥を引き起こす場合がある。一つの欠陥デバイスは、チップ全体を廃棄しなければならないことを意味し、したがって、歩留まりは低下し、製造プロセスのコストは大幅に増加する。しかしながら、こうした効果は、一般に、ウェハ全体で発生することになるため、ウェハ上のチップの多くを破壊する。これにより、当然ながら、製造コストは増加する。
【００１５】
上記説明を考慮すると、光学検出を実施せず、正確なエンドポイント検出によりディッシングを防止して過度の過剰研磨を実行する必要性を回避することが可能なＣＭＰエンドポイント検出システムの必要性が存在する。
【００１６】
【発明の概要】
略述すれば本発明は、基板表面層の化学的機械研磨において使用されるエンドポイント検出システム及び方法を提供することで、こうした必要性を満たす。本発明は、プロセス、装置、システム、デバイス、又は方法を含め、多数の方法で実施可能であると理解されるべきである。例えば、本発明は、リニアベルトパッドシステム、ロータリパッドシステム、及びオービタルパッドシステムで使用することが可能である。本発明のいくつかの実施形態について、下で説明する。
【００１７】
一実施形態においては、化学的機械研磨システムが開示される。このシステムは、第一のポイントから第二のポイントへ直線的に移動するように構成された研磨パッドを含む。更にキャリヤが含まれ、これは、研磨される基板を研磨パッドの上で保持するように構成される。このキャリヤは、第一のポイントと第二のポイントとの間である研磨位置で、基板を研磨パッドに当てるように設計される。第一のセンサは、第一のポイントに位置しており、研磨パッドのイン温度を検知するように配向され、第二のセンサは、第二のポイントに位置しており、研磨パッドのアウト温度を検知するように配向される。イン温度及びアウト温度を検知することは、変化した時に基板からの希望する層の除去を示す温度差を生成するように構成される。
【００１８】
別の実施形態においては、化学的機械研磨のエンドポイントを監視する方法が開示される。この方法は、直線的に移動するように構成された研磨パッドベルトを提供することと、ウェハから材料の第一の層を除去するために、ウェハを研磨位置で研磨パッドベルトに当てることとを含む。この方法は、更に、研磨位置よりも直線的に前であるイン位置で、研磨パッドベルトの第一の温度を検知することと、研磨位置よりも直線的に後であるアウト位置で、研磨パッドベルトの第二の温度を検知することとを含む。次に、第二の温度と第一の温度との間で、温度差が計算される。その後、温度差の変化がウェハからの第一の層の除去を示すように、温度差の変化が監視される。これにおいて、第一の層は、誘電層、銅層、拡散バリア層、その他といった、ウェハ上に作成される任意の層にすることができる。
【００１９】
更に別の実施形態においては、ウェハ表面からの材料除去のエンドポイントを監視する方法が開示される。この方法は、（ａ）直線的に移動するように構成された研磨パッドを提供することと、（ｂ）ウェハから材料の層を除去するために、ウェハを研磨位置で研磨パッドに当てることと、（ｃ）研磨位置よりも前である第一の位置で、研磨パッドの第一の温度を検知することと、（ｄ）研磨位置よりも後である第二の位置で、研磨パッドの第二の温度を検知することと、（ｅ）第二の温度と第一の温度との間の温度差を計算することとを含む。
【００２０】
更に別の実施形態においては、エンドポイント検出方法が開示される。この方法は、（ａ）研磨パッドを提供することと、（ｂ）ウェハから材料の層を除去するために、ウェハを研磨位置で研磨パッドに当てることと、（ｃ）研磨位置よりも前であるイン位置で、研磨パッドの第一の温度を検知することと、（ｄ）研磨位置よりも後であるアウト位置で、研磨パッドの第二の温度を検知することと、（ｅ）第二の温度と第一の温度との間の温度差を計算することと、（ｆ）温度差の変化を監視することとを含む。これにおいて、このパッドは、ベルトパッド、テーブルパッド、ロータリパッド、及びオービタルパッドのうちの一つである。
【００２１】
本発明のその他の態様及び利点は、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となろう。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、化学的機械研磨（ＣＭＰ）エンドポイント検出システムと、かかるシステムを実施する方法とに関する発明を開示する。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細について述べる。しかしながら、こうした特定の詳細の一部又は全部がなくとも本発明を実施し得ることは当業者には理解されよう。また、周知のプロセス動作については、本発明を不必要に曖昧にしないために、説明されていない。
【００２３】
図３Ａは、本発明の一実施形態による、エンドポイント検出システムを含むＣＭＰシステム３００を示している。このエンドポイント検出システムは、キャリヤ３０８に近接する位置の近くに位置決めされたセンサ３１０ａ，３１０ｂを含むように設計される。周知のように、キャリヤ３０８は、ウェハ３０１を保持し、ウェハ３０１をパッド３０４の表面に当てるように設計される。パッド３０４は、ローラ３０２ａ，３０２ｂの周りを、パッド運動方向３０５に移動するように設計される。パッド３０４には、一般に、ウェハ３０１の化学的機械研磨を助けるスラリ３０６が提供される。この実施形態において、ＣＭＰシステム３００は、更に、トラック３２０に接続されたコンディショニングヘッド３１６を含む。このコンディショニングヘッドは、ｉｎ−ｓｉｔｕ形式又はｅｘ−ｓｉｔｕ形式で、パッド３０４の表面をスクラブするように設計される。周知のように、パッド３０４のコンディショニングは、研磨動作の性能を向上させるために、パッド３０４の表面を修整するように設計される。
【００２４】
センサ３１０ａ，３１０ｂは、パッド３０４の位置の上方に固定されるように設計され、一方、キャリヤ３０８は、パッド３０４の表面上でウェハ３０１を回転させる。したがって、センサ３１０ａ，３１０ｂは、キャリヤ３０８と一緒に回転せず、プラテン３２２の上方で同じ接近した位置を維持する。センサ３１０ａ，３１０ｂは、好ましくは、ＣＭＰ動作中のパッド３０４の温度を検知する温度センサである。検知された温度は、その後、エンドポイント信号プロセッサ３１２へと通信される検知信号３０９ａ，３０９ｂとなる。図示のように、キャリヤ３０８は、更に、キャリヤ３０８及び関連するウェハを、パッド３０４の上方において方向３１４に沿って下降及び上昇させるように設計されたキャリヤポジショナ３０８ａを有する。
【００２５】
図３Ｂは、運動方向３０５に移動するパッド３０４の一部の平面図を示している。図示のように、キャリヤ３０８は、キャリヤポジショナ３０８ａによって、パッド３０４上へ下降する。センサ３１０ａ，３１０ｂも、図３Ｃ及び図３Ｄに示すように、パッド３０４に向かって下降する。センサ３１０ａ，３１０ｂは、上で説明したように、キャリヤ３０８と一緒に回転せず、パッド３０４の上で同じ相対位置を維持する。したがって、センサ３１０ａ，３１０ｂは固定されるが、しかしながら、キャリヤ３０８と同調して、パッド３０４へ向かう垂直方向及びパッド３０４から離れる垂直方向に沿って移動可能となるように設計される。したがって、キャリヤ３０８がパッド３０４に向かって下降する時には、センサ３１０ａ，３１０ｂも、パッド３０４の表面に向かって下降することになる。別の実施形態において、キャリヤ３０８は、センサ３１０ａ，３１０ｂから独立して移動することができる。
【００２６】
本発明の好適な実施形態において、センサ３１０ａ，３１０ｂは、パッド３０４から生じる温度を検知するように設計される。研磨中、ウェハはパッド３０４との間で一定の摩擦を発生させる状態にあるため、パッド３０４は、パッド３０４がセンサ３１０ａ及びセンサ３１０ｂの固定位置から移動する時点から、温度を変化させる。通常、熱は、ウェハと、パッド材料と、排出されるスラリと、処理副産物とに吸収される。そのため、これにより、検知可能な温度の差が生じる。したがって、センサ３１０ａが検知する温度は、「イン」温度（Ｔｉｎ）となり、センサ３１０ｂが検知する温度は、「アウト」温度（Ｔｏｕｔ）となる。温度差（ΔＴ）は、その後、ＴｏｕｔからＴｉｎを差し引くことで計測される。この温度差は、図３Ｂのボックス３１１に式として示されている。
【００２７】
図３Ｃは、ウェハ３０１をパッド３０４に当てるキャリヤ３０８の側面図を示している。図示のように、キャリヤ３０８は、保持リング３０８ｂによって保持されたウェハ３０１を、プラテン３２２の上のパッド３０４に当てる。パッド３０４が運動方向３０５に移動するにしたがって、センサ３１０ａは、温度Ｔｉｎを検出し、これは、検知信号３０９ａとしてエンドポイント信号プロセッサ３１２へ通信される。センサ３１０ｂも、温度Ｔｏｕｔを受けて、検知温度を検知信号３０９ｂによりエンドポイント信号プロセッサ３１２へ提供するように構成される。一実施形態において、センサ３１０は、好ましくは、温度を十分正確に検知し、エンドポイント信号プロセッサ３１２へ提供できるように、パッド３０４に近接して位置決めされる。例えば、このセンサは、好ましくは、キャリヤ３０８がウェハ３０１をパッド３０４の表面に当てる時、パッド３０４の表面から約１ミリメートル乃至約２５０ミリメートル離れるように調整される。図３Ｄに示されるセンサ３１０ａは、好適な実施形態において、パッド３０４表面から約５ミリメートルと離れるように位置決めされる。
【００２８】
この好適な実施形態において、センサ３１０は、好ましくは、パッドがパッド運動方向３０５で直線的に移動する時にパッド３０４の温度を検知するように構成された赤外線センサである。赤外線温度センサの一例は、イリノイ州バーノンヒルズ所在のＣｏｌｅ  Ｐａｒｍｅｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社が販売するモデルＮｏ．３９６７０−１０である。別の実施形態において、センサ３１０は、必ずしもキャリヤ３０８の間近にある必要はない。例えば、このセンサは、キャリヤ３０８から約１／８インチ（０．３２ｃｍ）乃至約５インチ（１２．７ｃｍ）の間隔をあけることが可能であり、最も好ましくは、キャリヤ３０８の側面から約１／４インチ（０．６４ｃｍ）の位置に位置決めされる。センサ３１０はパッドに対して相対的に固定され、一方、キャリヤ３０８はパッド表面３０４に当てた状態のウェハ３０１を回転させるように構成されるため、好ましくは、この間隔は、センサ３１０がキャリヤ３０８の回転に干渉しないように設定される。
【００２９】
図４Ａは、誘電層１０２と、拡散バリア層１０４と、銅層１０６との断面図を示している。拡散バリア層１０４及び銅層１０６の厚さは、ウェハごと、及び研磨されている特定のウェハ全体の表面区域ごとに、変化する可能性がある。しかしながら、研磨動作中、ウェハ３０１上から所望量の材料を除去するには、近似の時間量を要する。例えば、研磨動作を開始する時点である時間Ｔ０と比較すると、拡散バリア層１０４を除去するには、ほぼ時間Ｔ２までの時間を要し、銅１０４を拡散バリア層１０４まで除去するには、時間Ｔ１までの時間を要する。
【００３０】
例示の目的で、図４Ｂでは、温度差対時間プロット４００を提示している。温度差対時間プロット４００は、センサ３１０ａ，３１０ｂの間でのパッド３０４表面の温度差の変化を示している。例えば、時刻Ｔ０では、研磨動作がまだ開始されていないため、温度差状態４０２ａは、ゼロである。銅材料での研磨動作が開始されると、温度差４０２ｂは、温度差ΔＴＡまで上昇する。パッド３０４の温度は、ウェハ３０１をパッド３０４に当てた状態が摩擦応力を受けるにしたがって増加するため、この温度差は、オフ位置に対する相対的な増加である。
【００３１】
温度差ΔＴＡは、更に、研磨されている材料の種類に基づいて、特定のレベルまで増加する。銅層１０６が図４Ａの構造上から除去されると、ＣＭＰ動作は、拡散バリア層１０４で継続されることになる。拡散バリア層材料が研磨され始めると、温度差は、４０２ｂから４０２ｃへ移行する。温度差４０２ｃは、ΔＴＢとして図示されている。これは、拡散バリア層１０４が銅層１０６よりも硬質の材料であるという事実による温度差の増加である。拡散バリア層１０４が誘電層１０２から除去されるとすぐに、より多くの誘電材料が研磨され始めるため、時刻Ｔ２において温度差の更なる移行が発生する。
【００３２】
この時点で、温度差４０２ｄがΔＴＣになる。したがって、ΔＴＢとΔＴＣとの間の移行は、ターゲットエンドポイント温度差変化４０４を引き起こす。このターゲットエンドポイント温度差変化４０４は、ほぼ時刻Ｔ２に発生する。研磨動作を停止する適切な時間を確認し、拡散バリア層１０４が誘電層１０２の上から十分に除去された状態を確保するために、４０２ｃと４０２ｄとの間での推移の検査が、好ましい形で実行される。
【００３３】
図４Ｃに示すように、拡大して図示されているターゲットエンドポイント温度差変化４０４において、いくつかのポイントＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６、及びＰ７でテストが実行される。これらのポイントは、温度差ΔＴＢ及びΔＴＣに亘って存在する。図示のように、時刻Ｔ２は、実際には、時刻Ｔ２（Ｐ１）と時刻Ｔ２（Ｐ７）との間に渡っている。最善で最も正確なエンドポイントを確保するためには、時刻Ｔ２内で停止する時刻を確認する必要がある。同じ材料及び層の厚さを有するいくつかのテストウェハを研磨することで、様々なポイントＰ１乃至Ｐ７が、好ましい形で分析される。様々な期間に研磨される様々な層と、関連する層の厚さとを検査することで、研磨動作を停止する正確な時間を確認することが可能である。例えば、研磨動作は、過剰研磨時間となるポイントＰＯＰ４０７ではなく、ポイントＰ５４０５で停止することができる。過剰研磨手法は、通常、研磨されている拡散バリア層又は他の任意の層がベース層（誘電層等）の上から実際に除去される時期が不確実な時に、従来技術において使用される。
【００３４】
しかしながら、時間差４０２ｃと時間差４０２ｄとの間での推移を検査することにより、傷つきやすい相互接続金属線又は特徴部で発生する可能性のあるディッシングその他の過剰研磨の損害に関する前記の問題を回避する時間枠の中で、研磨動作を停止させるのに相応しい時間を確認すること（したがって、正確又はほぼ正確なエンドポイントを検出すること）が可能となる。
【００３５】
図５Ａは、複数のセンサ１〜１０と基準センサＲの一対とが、キャリヤ３０８の周りでキャリア３０８に近接して位置決めされた本発明の別の実施形態の平面図を示している。しかしながら、任意の数のセンサの対を使用することも可能であると理解されるべきである。この実施形態において、センサは、研磨されるウェハ上の五つの区域に区分される。パッドが方向３０５に回転するにしたがって、温度差は、センサ９及び１０と、５及び６と、１及び２と、３及び４と、７及び８との間で決定される。こうした温度差ΔＴ１〜ΔＴ５のそれぞれは、区域１〜５を個々に画定する。こうした区域のそれぞれに関して、エンドポイントを確認するための決定済みターゲット温度差が存在する。
【００３６】
較正済みテストにより、各区域のターゲット温度差が図５Ｂに示すように変化することを決定できる。例えば、区域１及び５は、ターゲット温度差として１５を有し、区域２及び４は、温度差ターゲットとして２０を有し、区域３は、温度差として約３５を有する場合がある。それぞれの区域における温度差を検査することにより、図５Ａにおいて研磨されているウェハの様々な区域に関して、適切なエンドポイントに達したかどうかを確認することが可能となる。したがって、図３乃至図４の実施形態は、同じように図５Ａ及び図５Ｂの実施形態に応用することができる。しかしながら、ウェハ表面の様々な区域を分析することにより、一定のウェハの様々な区域上で、更に正確なエンドポイントを確認することが可能となる。当然ながら、モニタを希望する区域の数に応じて、これより多くのセンサ又は少ないセンサを実施することができる。
【００３７】
図６は、図５Ａに示されたセンサ１〜１０の概略図を示している。（例えば、図３のセンサ３１０ａ，３１０ｂのような）センサ１〜１０は、パッドに近接する位置だが、キャリヤ３０８のように回転しない静止位置に位置決めされる。進行中の研磨動作にしたがって、パッド３０４の上の様々な位置で温度を決定することにより、パッド３０４の様々な相対位置で温度差ΔＴ１〜ΔＴ５を確認できる。検知信号３０９は、その後、エンドポイント信号プロセッサ３１２へ通信される。
【００３８】
エンドポイント信号プロセッサ３１２は、マルチチャネルデジタル化カード４６２（又はデジタル化回路）を含むように構成される。マルチチャネルデジタル化カード４６２は、それぞれの信号をサンプリングし、適切な出力４６３をＣＭＰ制御コンピュータ４６４に提供するように構成される。ＣＭＰ制御コンピュータ４６４は、その後、マルチチャネルデジタル化カード４６２から受けた信号を処理し、これを信号４６５によりグラフィカルディスプレイ４６６に提供することができる。グラフィカルディスプレイ４６６は、研磨されているウェハの様々な区域を画像で表し、各特定区域が適切なエンドポイントに到達した時期を示すグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）を含むことができる。一区域が別の区域よりも先にエンドポイントに到達する場合は、ＣＭＰ動作の均一性を向上させるために、ウェハに適切な背圧を加えること、或いは研磨が遅れている一定の位置で研磨パッドの背圧を変化させることが可能であり、これにより、ウェハ全体を均一な形で（つまり、ほぼ同時に）エンドポイントに到達させることができる。
【００３９】
理解できるように、本発明のエンドポイント監視は、ウェハ上でのより正確なＣＭＰ動作を可能にし、研磨されているウェハの選択領域をゼロに合わせることで、不要なもののない無傷の状態で下の表面を残して、希望する材料が除去されたかどうかを確認できる利点を有する。更に注意すべき点として、本発明の監視の実施形態は、上で説明したように光支援腐食に敏感な場合があるウェハとって非破壊的なものにすることもできる。加えて、本発明の実施形態は、パッドスロットによりＣＭＰパッドを変造する必要がなく、或いは、パッドの下に位置決めされるプラテン又は回転テーブルにスロットを開ける必要がない。したがって、この監視は、ウェハの正確な研磨に干渉しない受動的監視に近いが、研磨を正確に停止するための非常に正確なエンドポイントを表示する。
【００４０】
いくつかの好適な実施形態に基づき本発明を説明してきたが、当業者が以上の明細書を読み且つ図面を検討することで、その様々な変形例、追加例、置換例、及び均等物を認識し得ることは理解されよう。例えば、このエンドポイント検出手法は、任意の研磨プラットフォーム（ベルト、テーブル、ロータリ、オービタル、その他）において機能し、２００ｍｍ、３００ｍｍ、及びこれより大きなものに加え、その他のサイズ及び形状を含めた任意のサイズのウェハ又は基板において機能する。そのため、本発明では、本発明の本来の趣旨及び範囲に入る、こうしたすべての変形例、追加例、置換例、及び均等物を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】ダマシン及びデュアルダマシン相互接続金属線及び構造の構築に共通する製造プロセスが施されている誘電層の断面図である。
【図１Ｂ】ダマシン及びデュアルダマシン相互接続金属線及び構造の構築に共通する製造プロセスが施されている誘電層の断面図である。
【図１Ｃ】パッドがローラの周りを回転するように設計され、光学エンドポイント検出システムが使用される、従来技術のベルトＣＭＰシステムを示す図である。
【図１Ｄ】パッドがローラの周りを回転するように設計され、光学エンドポイント検出システムが使用される、従来技術のベルトＣＭＰシステムを示す図である。
【図２Ａ】最上層に銅ＣＭＰ処理を施した後の従来型半導体チップの断面図である。
【図２Ｂ】例えば光学エンドポイント検出により、ウェハが光支援腐食を受けた後の図２Ａの従来型半導体チップの断面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による、エンドポイント検出システムを含むＣＭＰシステムを示す図である。
【図３Ｂ】直線的に移動するパッドの一部を示す平面図である。
【図３Ｃ】ウェハをパッドに当てるキャリヤの側面図である。
【図３Ｄ】図３Ｃの更に詳細な図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による、エンドポイント検出を含むＣＭＰ動作中に銅層及び拡散バリア層のそれぞれが除去されるように構成される、誘電層、拡散バリア層、及び銅層の断面図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による、温度差対時間を表すグラフである。
【図４Ｃ】本発明の一実施形態による、温度差対時間を表すグラフである。
【図５Ａ】複数のセンサ１〜１０と基準センサＲの一対とが、キャリヤの周りで、これに近接して位置決めされる（したがって、用途に応じて任意の数のセンサの対を使用可能である）、本発明の別の実施形態の平面図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態による、ウェハの各区域でのターゲット温度差が記載された表を例示する図である。
【図６】図５Ａに図示されたセンサ１〜１０の概略図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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