(57)【要約】【課題】埋め込み配線層を研磨加工する際の終点検出をより効果的に行うことのできる研磨加工の終点検出方法を提供する。【解決手段】本発明の実施形態に係る終点検出方法は、半導体基板上に形成された半導体デバイスの埋め込み配線層を研磨する際の終点検出方法であって、半導体基板上に形成された絶縁膜に膜厚測定用の溝をダイシングライン上に形成する工程と、溝を含む絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、研磨液を用いて、金属膜を研磨する工程と、ダイシングライン上の溝の位置に対応する窪み内に残存する金属膜の膜厚を計測するステップと、を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された半導体デバイスの埋め込み配線層を研磨する際の終点検出方法であって、
前記半導体基板上に形成された絶縁膜に膜厚測定用の溝をダイシングライン上に形成する工程と、
前記溝を含む前記絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、
研磨液を用いて、前記金属膜を研磨する工程と、
前記ダイシングライン上の前記溝の位置に対応する窪み内に残存する前記金属膜の膜厚を計測するステップと、
を具備することを特徴とする終点検出方法。
【請求項２】
前記窪みに光を照射し、該窪み内に残存する金属膜からの反射光の強度に基づいて前記金属膜の膜厚を計測することを特徴とする請求項１に記載の終点検出方法。
【請求項３】
前記溝の幅は、１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の終点検出方法。
【請求項４】
前記窪みは、前記半導体デバイスのＡＡ（active area）ＣＭＰ形成工程又はＧＣ（gate/contact）ＣＭＰ形成工程において前記ダイシングライン上に形成された、前記溝にて発生する窪みが転写された窪みであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の終点検出方法。
【請求項５】
前記金属膜は、Ｃｕ膜であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の終点検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明に関する実施形態は、埋め込み配線層を研磨加工する際の終点検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの微細化に伴い、半導体デバイスの製造には、種々の技術（例えば、新たな材料や加工方法）が導入されている。その中でも、ＣＭＰ（化学機械研磨）は、層間絶縁膜（ＩＬＤ：inter layer dielectric）の平坦化、埋め込み素子分離（ＳＴＩ：shallow trench isolation）、プラグ、埋め込み金属配線の形成等、半導体デバイスの製造に不可欠の技術となっている。
【０００３】
ＣＭＰは、半導体デバイスの表面を研磨して平坦化する技術であるが、研磨しすぎた場合、半導体デバイスの電気特性に影響を与え、半導体デバイスが正常に動作しなくなる虞がある。そこで、ＣＭＰでは、研磨加工の終点を検出するために種々の技術が導入されている。例えば、埋め込み金属配線の形成において研磨加工の終点を検出する場合、層間絶縁膜の膜厚を光学的に計測する手法や（特許文献１参照）、渦電流を計測し、該渦電流の大きさから金属配線の膜厚を計算する手法が提案されている（特許文献２参照）。金属配線の膜厚を直接的に計測することは、金属配線の幅が小さく困難なためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−０１２３０２号公報
【特許文献２】特開２００９−２７７８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、層間絶縁膜の膜厚を計測する場合、金属配線とは異なる箇所を計測することになるため、研磨面全体が必要以上に研磨される現象（シニング）についてはモニタが可能であるが、研磨面が平面状ではなく、中央のみがより深く研磨されて皿状の窪みを生ずる現象（ディッシング）についてはモニタできないという問題がある。すなわち、層間絶縁膜の膜厚に問題はなく規定値（以下、スペックと称する）の範囲内であるが、金属配線の一部が研磨され過ぎているという問題が生じる。
【０００６】
また、渦電流を計測する場合、ある程度の面積を有する領域において発生する渦電流を計測することになるため、その領域の金属の平均膜厚が得られるのみである。つまり、局所的な金属配線の膜厚を得ることはできない。また、金属材料が高抵抗である場合は測定精度が低下するという問題が、そして、対象となる金属配線層の下層に低抵抗の金属配線が存在する場合は、その影響も反映され、対象となる金属配線層の正しい膜厚を得られないという問題が生じる。さらに、対象となる金属配線層と渦電流センサーとの、研磨パッドを介しての間隔の制御が難しいという問題も生じる。
【０００７】
本発明の実施形態は、かかる従来の問題を解消するためになされたもので、埋め込み配線層を研磨加工する際の終点検出をより効果的に行うことのできる研磨加工の終点検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態に係る終点検出方法は、半導体基板上に形成された半導体デバイスの埋め込み配線層を研磨する際の終点検出方法であって、半導体基板上に形成された絶縁膜に膜厚測定用の溝をダイシングライン上に形成する工程と、溝を含む絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、研磨液を用いて、金属膜を研磨する工程と、ダイシングライン上の溝の位置に対応する窪み内に残存する金属膜の膜厚を計測するステップと、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る研磨装置の構成図である。
【図２】ターンテーブルの上面図である。
【図３】残膜計測の原理を示す概略図である。
【図４】膜厚計測部による残膜の計測箇所を示した図である。
【図５】残膜の膜厚と反射光の強度との相関関係を示した図である。
【図６】残膜と埋め込み配線層の膜厚との関係を示す図である。
【図７】窪みの残膜の膜厚と埋め込み配線層の膜厚の相間関係を示す図である。
【図８】実施形態に係る研磨加工の終点検出方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
（実施形態）
図１は、実施形態に係る研磨装置１の構成図である。図１に示すように、実施形態に係る研磨装置１は、搬送機構１０、研磨機構２０、洗浄機構３０、薬液供給機構４０、制御機構５０、操作機構６０を具備する。以下、図１を参照して研磨装置１が具備する各機構について説明する。
【００１１】
搬送機構１０は、オープナー１１、アライナ１２、搬送ロボット１３を具備する。オープナー１１は、ウェハが収容された収容器２のドアを開閉する。収容器２は、研磨対象であるウェハ３を収容する容器であり、例えば、ＦＯＵＰ（Front Opening Unified Pod）やＳＭＩＦ（Standard of Mechanical Interface）Ｐｏｄ等である。
【００１２】
アライナ１２は、ウェハ３のエッジを複数点検出し、偏心補正（ウェーハ中心補正）を行う。また、アライナ１２は、ウェハ３のノッチもしくはオリエンタルフラット（以下、ノッチ等と称する）を検出する。さらに、アライナ１２は、ウェハ３を回転させて、ノッチ等を予め定められた位置まで移動させる。これにより、ウェハ３の向きをそろえて搬送することができる。
【００１３】
搬送ロボット１３は、オープナー１１、アライナ１２及び研磨機構２０との間でウェハ３を搬送する。搬送ロボット１３は、ウェハ３を搬送するアームを具備する。アームには、真空チャックまたはクランプが備えられている。この真空チャックまたはクランプにより、ウェハ３はアームにしっかりと保持される。
【００１４】
研磨機構２０は、受渡台２１、トップリング２２（ヘッドとも称する）、ターンテーブル２３（研磨テーブルとも称する）、モータ２４、研磨液吐出口２５、ドレス２６、膜厚計測部２７を具備する。受渡台２１は、搬送ロボット１３及びトップリング２２との間でウェハ３を受け渡すための台である。ウェハ３を研磨機構２０内へ搬送する際には、搬送ロボット１３が受渡台２１上に研磨面（半導体デバイスの形成面）を下向きにして載置したウェハ３をトップリング２２で受け取り、ウェハ３を研磨機構２０外へ搬送する際には、トップリング２２が受渡台２１上に載置したウェハ３を搬送ロボット１３で受け取ることによりウェハ３の受け渡しを行う。
【００１５】
トップリング２２は、搬送ロボット１３により研磨面を下に向けて受渡台２１上に載置されたウェハ３を受け取ると、後述するターンテーブル２３上にウェハ３を移送させた後、ウェハ３の研磨面をターンテーブル２３上のパッド２３ａに押し付けた状態で図示しないモータにより回転駆動される。
【００１６】
図２は、ターンテーブル２３の上面図である。図２に示すように、ターンテーブル２３上にはウェハ３を研磨加工するためのパッド２３ａが貼られており、モータ２４により中心点Ｐ１を中心として回転駆動される。また、ターンテーブル２３及びパッド２３ａには、後述する膜厚計測部２７からの光を透過する窓Ｗが設けられている。窓Ｗは、ターンテーブル２３が回転すると、研磨加工の対象であるウェハ３の中心点Ｐ２を通過するように配置されている。
【００１７】
なお、図２中の鎖線は、ターンテーブル２３が回転した際に窓Ｗが描く軌跡を示している。また、ウェハ３内の点線は、研磨面に形成された半導体デバイス間に設けられたダイシングラインを示している。研磨液吐出口２５からは、薬液供給機構４０から供給される研磨液（スラリー）がパッド２３ａ上に吐出される。ドレス２６は、パッド２３ａ上を往復駆動して、パッド２３ａのコンディショニングを行う。
【００１８】
膜厚計測部２７は、自身が発光する光がターンテーブル２３に設けられた窓を透過するようにターンテーブル２３の下部に設けられており、研磨加工中のウェハ３の残膜の膜厚を計測する。膜厚計測部２７は、ターンテーブル２３の下部に設けられているため、ターンテーブル２３の回転と共に回転する。
【００１９】
図３は、膜厚計測部２７での残膜計測の原理を示す概略図である。膜厚計測部２７は、窓Ｗを介してウェハ３の研磨面へ光を入射し、ウェハ３の研磨面からの反射光の強度を計測することで、残膜の膜厚を計測している。図３の概略図では、埋め込み配線層の研磨加工の終点を検出している。埋め込み配線層の材料はＣｕであり、Ｃｕ層と層間絶縁膜（ＳｉＯ２）との間には、バリアメタルとしてのＴｉ層が１０ｎｍ形成されている。
【００２０】
次に、膜厚計測部２７における膜厚の計測位置について説明する。図４は、膜厚計測部２７によるウェハ３の残膜３ｃの計測位置を示した図である。ＡＡ（active area）形成工程又はＧＣ（gate/contact）形成工程においては、ダイシングライン上に形成される膜厚モニタ用のマーク部は低被覆率である。このため、ＡＡ工程又はＧＣ工程において研磨加工（ＣＭＰ加工）を行う際に、ダイシングライン上に設けられたマーク部上に一辺の長さが数十μｍ以上の窪み３ａができる。
【００２１】
この窪み３ａは、上層の埋め込み配線層３ｄが形成される層にまで転写され、窪み３ａに対応する窪み３ｂが形成される。そして、埋め込み配線層３ｄの形成工程において、窪み３ｂにも配線材料（例えば、Ｃｕ）が堆積される。膜厚計測部２７は、この転写された窪み３ｂに堆積した配線材料の研磨加工後の残膜３ｃを計測することで研磨加工の終点を検出する。なお、窪み３ｂの一辺の長さは、少なくとも１０μｍ以上であることが望ましい。窪み３ｂの一辺の長さが１０μｍ未満であると、膜厚の計測に十分な面積を確保することができず、計測値が不正確なものとなるからである。
【００２２】
図５は、窪み３ｂの残膜３ｃの膜厚（横軸）と反射光の強度（縦軸）との相関関係を示した図である。なお、この反射光の強度は、ベアシリコンウェハの反射光の強度を１として規格化している。図５に示す相間関係は、研磨時間を変えた複数のサンプル（試料）を用意し、各サンプルについてＣｕの膜厚と反射光の強度を計測することで得ることができる。Ｃｕの膜厚については、例えは、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で断面写真を撮像し、算出することができる。
【００２３】
なお、計測に用いる光の波長には留意が必要である。残膜（金属）に対する透過度もしくは透過率（以下、単に透過度と称する）は光の波長で変化するため、入射する光の波長に応じて反射光の強度も変化するからである。つまり、残膜（金属）に対する透過度が高すぎると反射光の強度が低くなりすぎ、残膜（金属）に対する透過度が低すぎると反射光の強度が高くなりすぎるため、広いレンジにおいて、残膜の膜厚の増加に対して反射光の強度が単調増加するような透過度の波長を使用することが必要である。また、透過度は、配線材料（金属材料）の種類によって異なるため、計測する残膜の材料毎に使用する光の波長を変更することが好ましい。
【００２４】
図６は、残膜３ｃと埋め込み配線層３ｄの膜厚との関係を示す図である。図６（ａ）は、研磨加工後における埋め込み配線層３ｄの膜厚が規定値（以下、スペックと称する）の範囲内である状態を示している。図６（ｂ）及び図６（ｃ）は、研磨加工後における埋め込み配線層の膜厚３ｄがスペックの範囲外である状態を示しており、図６（ｂ）は、研磨加工が不十分である状態を、図６（ｃ）は、研磨加工が過剰である状態を、それぞれ示している。
【００２５】
図６（ｂ）に示す状態では、研磨加工が不十分であるため、埋め込み配線層３ｄ上に配線材料３ｅが残ってしまい、埋め込み配線層間のショート（短絡）を引き起こす。また、図６（ｃ）に示す状態では、研磨加工が過剰であるため、埋め込み配線層３ｄの膜厚が薄くなり、埋め込み配線層３ｄの電気抵抗が高くなる。
【００２６】
図７は、埋め込み配線層３ｄの膜厚と窪み３ｂの残膜３ｃの膜厚との相関関係を示した図である。図６（ａ）〜図６（ｃ）にも示すように、研磨加工の研磨量に応じて、埋め込み配線層３ｄの膜厚及び窪み３ｂの残膜３ｃの膜厚も変化する。このことから、図５に示す埋め込み配線層３ｄの膜厚と窪み３ｂの残膜３ｃの膜厚との相関関係を予め調べておくことで、窪み３ｂの残膜３ｃの膜厚から、埋め込み配線層３ｄの膜厚を予測することが可能となることがわかる。つまり、埋め込み配線層３ｄの膜厚のスペックに合わせて、窪み３ｂの残膜３ｃの膜厚の許容値を設定することで研磨加工の終点を検出することができる。
【００２７】
この窪み３ｂの残膜３ｃの膜厚を研磨加工の終点検出に利用することで、以下の利点を得ることができる。
１．十分な大きさの計測面積を確保できるため、残膜３ｃの膜厚計測の精度が向上する。
２．モニタ部が金属のため、シニングだけでなくディッシングについての影響も反映させることが可能である。
３．ダイシングライン上に形成された窪み３ａが転写されてできた窪み３ｂの残膜３ｃを計測するので、残膜３ｃを計測するための窪みを設ける工程が必要ない。
【００２８】
洗浄機構３０は、薬液供給機構４０から供給される洗浄液を吐出する洗浄液吐出口３１及び複数の洗浄ブラシ３２等を具備し、研磨加工後のウェハ３を洗浄する。なお、この実施形態では、ウェハ３を２つの洗浄ブラシ３２で挟み込むようにして洗浄しているが、ウェハ３の洗浄は該手法に限らず種々の手法を採用できる。
【００２９】
薬液供給機構４０は、研磨機構２０へ供給する研磨液を収容するタンク４１及びタンク４１内に収容された研磨液を送出する液送ポンプ４２と、洗浄機構３０へ供給する洗浄液を収容するタンク４３及びタンク４３内に収容された研磨液を送出する液送ポンプ４４とを具備する。
【００３０】
操作機構６０は、ユーザ（オペレータ）からの指示を受け付け、受け付けた指示を制御装置５０へ入力する入力手段（例えば、キーボードやマウス）と、研磨装置１の操作に必要な情報を表示するディスプレイ（例えば、液晶ディスプレイやＣＲＴ（Cathode Ray Tube））を備える。
【００３１】
制御機構５０は、メモリ５１、ＣＰＵ（central processing unit）５２、ＨＤＤ(hard disk drive)５３を具備する。ＨＤＤ５３には、研磨装置１の動作プログラムや、レシピと称される研磨条件が記憶されている。各レシピは、研磨、計測及び洗浄の３つの項目から構成されており、研磨の項目では、ウェハ３の研磨に必要なパラメータ、例えば、トップリング２２の押圧（Ｐａ）、トップリング２２の回転数（回転／分）、ターンテーブル２３の回転数（回転／分）、研磨液の供給量（ｃｃ／分）、ドレス２６の回転数（回転／分）等が設定される。
【００３２】
また、計測の項目では、残膜の膜厚の計測に必要なパラメータ、例えば、トップリング２２の回転数（回転／分）、ターンテーブル２３の回転数（回転／分）等が設定される。ここでは、ダイシングライン上の窪み３ｂ上の残膜３ｃの膜厚を膜厚計測部２７が計測できるようにトップリング２２の回転数（回転／分）、ターンテーブル２３の回転数（回転／分）を設定する。そして、回転の直前に、ウェハ３の直径に重なるダイシングライン（すなわち、ウェハ３の中心を通るダイシングライン）と窓Ｗのアライメントを行う。
【００３３】
トップリング２２及びターンテーブル２３の回転数としては、直径が３００ｍｍのウェハの場合、例えば、（３０，６０）もしくは（６０，６０）とすることが好ましい。このトップリング２２及びターンテーブル２３の回転数をこのように設定することで、ターンテーブル２３及びパッド２３ａ上の窓Ｗが、計測対象でダイシングライン上の窪み３ｂを通過する単位時間当たりの回数が多くなり、膜厚計測部２７が窪み３ｂの残膜３ｃの膜厚を計測できる確率が高くなるためである。
【００３４】
なぜなら、ウェハ３から見た、ウェハ３を通過する窓Ｗの軌跡は、一般に、複雑な曲線を描くが、この回転数の組み合わせにおいては、上述のアライメントを行った場合、ウェハ中心を往復する直線状になるからである。ダイシングライン上の残膜３ｃからの光信号であることは、時間軸に対し、反射光が鋭いピークになることから同定できる。なぜなら、ダイシングライン上の残膜３ｃからの反射の前後の時間においては、ダイシングライン上の絶縁膜からの反射になり、反射光強度は著しく小さいからである。
【００３５】
洗浄の項目では、洗浄機構３０におけるウェハ３の洗浄時間（秒）、洗浄ブラシの回転数（回転／分）、洗浄液の吐出量（ｃｃ／ｍ）等の条件が設定される。
【００３６】
制御機構５０は、操作機構６０もしくはホスト（host）により指定されたレシピでウェハ３を研磨加工及び洗浄する。
【００３７】
図８は、実施形態に係る研磨加工の終点検出方法のフローチャートである。以下、図８を参照して、研磨装置１の動作について説明する。
（ステップＳ１０１）
搬送機械（例えば、ＲＧＶ（Rail Guided Vehicle）やＯＨＶ（Over Head Vehicle））もしくはオペレータにより、収容器２がオープナー１１にセットされると、制御機構５０は、オープナー１１を制御して収容器２のドアをオープンする。
【００３８】
（ステップＳ１０２）
搬送機構１０は、搬送ロボット１３を制御して、収容器２に収容された研磨加工対象であるウェハ３をアライナ１２に搬送する。制御機構５０は、アライナ１２を制御して、ウェハ３のエッジを複数点検出して偏心補正を行うと共に、検出したノッチ等を予め定められた位置まで移動させる。
【００３９】
（ステップＳ１０３）
制御機構５０は、搬送ロボット１３を制御してアライナ１２からウェハ３を搬送し、研磨機構２０の受渡台２１上に反転載置する。制御機構５０は、トップリング２２を制御して、受渡台２１に載置されたウェハ３をトップリング２２で受け取り、ターンテーブル２３上にウェハ３を移送させた後、ウェハ３の研磨面（半導体デバイス形成面）をターンテーブル２３上のパッド２３ａに押し付けた状態で回転駆動し、研磨加工を行う。
【００４０】
（ステップＳ１０４）
制御機構５０は、膜厚計測部２７を制御して、上述したダイシングライン上の窪み３ｂの残膜３ｃを計測する。
【００４１】
（ステップＳ１０５）
制御機構５０は、洗浄機構３０へウェハ３を搬送して洗浄する。洗浄後、制御機構５０は、搬送ロボット１３を制御してウェハ３を収容器２内へ収容し、オープナー１１を制御して、収容器２のドアをクローズする。
【００４２】
以上のように、この実施形態では、研磨加工の終点を検出するために、ＡＡ（active area）形成工程又はＧＣ（gate/contact）形成工程におけるダイシングライン上の窪み３ａが転写されてできた窪み３ｂの残膜３ｃを計測している。その結果、十分な大きさの計測面積を確保でき残膜３ｃの膜厚計測の精度が向上する。また、モニタ部が層間絶縁膜である場合と異なり、配線と同じ金属であるため、シニングだけでなくディッシングについても金属配線の膜厚の決定に反映させることが可能となる。さらに、残膜３ｃを計測するための窪みわざわざ設ける工程を必要としないといった効果を有する。
【００４３】
（その他の実施形態）
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、膜厚計測部２７で計測した残膜３ｃの膜厚がスペックよりも厚い場合は、追加研磨を行うようにしてもよい。
【００４４】
また、実施形態では、研磨装置１に膜厚計測部を備え、ｉｎ−ｓｉｔｕでウェハ３の窪み３ｂ上の残膜３ｃの膜厚を計測したが、研磨装置１とは、別の膜厚計測装置（Stand-alone）で、ウェハ３の窪み３ｂ上の残膜３ｃの膜厚を計測するようにしてもよい。この場合、研磨装置１でウェハ３を研磨及び洗浄した後、ウェハ３を膜厚計測装置へ搬送してウェハ３の窪み３ｂ上の残膜３ｃの膜厚を計測することになる。
【符号の説明】
【００４５】
１…研磨装置、２…収容器、３…ウェハ、１０…搬送機構、１１…オープナー、１２…アライナ、１３…搬送ロボット、２０…研磨機構、２１…受渡台、２２…トップリング（ヘッド）、２３…ターンテーブル（研磨テーブル）、２３ａ…パッド、２４…モータ、２５…研磨液吐出口、２６…ドレス、２７…膜厚計測部、３０…洗浄機構、３１…洗浄液吐出口、３２…洗浄ブラシ、４０…薬液供給機構、４１，４３…タンク、４２，４４…液送ポンプ、５０…制御機構、６０…操作機構。
【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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