JP2003511873A - 半導体ウェハ研磨方法およびシステム - Google Patents
半導体ウェハ研磨方法およびシステムInfo
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Abstract
(57)【要約】
ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）機械での半導体ウェハのＣＭＰ処理を最適化する方法である。この最適化方法は、以下のステップを含み、まず、一連のテスト用のウェハをＣＭＰ機械上で研磨するステップを含んでいる。ＣＭＰ処理の間に、機械に結合された膜厚検出器を用いて、膜の厚さが各ウェハの中心に最も近似する第１の点で測定される。各ウェハの外周縁に最も近似する第２の点での膜の厚さも、また、測定される。前記第１の点および前記第２の点におけるプロセス中での膜の厚さの測定に基づいて、最適化プロセスは、プロセス変量のセットに関する剥離速度および剥離均一性を記述する研磨プロファイルを決定する。このプロセス変量は、例えばウェハに加えられる下方方向への力の量のような研磨プロセスのための異なるＣＭＰ機械の設定を含んでいる。したがって研磨プロファイルは、結果として生じた製品ウェハを研磨するために用いられている。各製品ウェハについて、それらの個々の剥離速度および剥離均一性は、膜厚検出器を用いて前記製品ウェハの中心における膜厚および前記ウェハの外周縁における膜厚を測定することにより決定される。この測定に基づいて、プロセス変量の前記セットは、個々のウェハが研磨されていることから前記製品ウェハの前記ＣＭＰプロセスを最適化するために、製品ウェハの剥離速度および剥離均一性の測定にしたがって調整されている。
Description
【０００１】
この発明の属する技術分野は、半導体製造プロセスに関する。この発明は、半
導体ウェハの化学的機械的処理を最適化する方法およびシステムに関する。より
具体的には、この発明は、プロセス効率を改善するために、化学的・機械的研磨
（ＣＭＰ―Chemical Mechanical Polishing ―）のインシチュー（in-situe―イ
ンサイチュー／原位置・元の場所に―）最適化プロセスのための方法およびシス
テムに関する。
導体ウェハの化学的機械的処理を最適化する方法およびシステムに関する。より
具体的には、この発明は、プロセス効率を改善するために、化学的・機械的研磨
（ＣＭＰ―Chemical Mechanical Polishing ―）のインシチュー（in-situe―イ
ンサイチュー／原位置・元の場所に―）最適化プロセスのための方法およびシス
テムに関する。
【０００２】
多くの有力かつ有用な今日のデジタルＩＣデバイスは、集積化のレベルが増加
していることの結果であるということができる。ますます多くの構成要素（抵抗
器、ダイオード、トランジスタ等）は、下地層のチップまたはＩＣ内に連続的に
集積化されている。典型的なＩＣの出発材料は高純度のシリコンである。この材
料は単結晶として成長する。この単結晶は固体の円筒形状を呈している。したが
って、この結晶は（パンの一塊のように）ノコギリで切断されて、典型的には、
１０から３０ｃｍの直径で２５０ミクロンの厚さのウェハを生産している。
していることの結果であるということができる。ますます多くの構成要素（抵抗
器、ダイオード、トランジスタ等）は、下地層のチップまたはＩＣ内に連続的に
集積化されている。典型的なＩＣの出発材料は高純度のシリコンである。この材
料は単結晶として成長する。この単結晶は固体の円筒形状を呈している。したが
って、この結晶は（パンの一塊のように）ノコギリで切断されて、典型的には、
１０から３０ｃｍの直径で２５０ミクロンの厚さのウェハを生産している。
【０００３】
このＩＣの幾何学的な特徴は、フォトリソグラフィ（photolithography―露光
―）として知られているプロセスを介して通常は写真的に定義される。非常に微
細な表面の幾何学的な状態は、このような技術によって正確に再生産することが
できる。この露光プロセスは、構成要素の領域を定義し、１つの層を他の層の表
面に積層させるために用いられている。複雑なＩＣは、しばしば、多数の異なる
積層膜を有することができ、それぞれの層が複数の構成要素を有し、各層異なっ
た相互接続配線を有し、それぞれの層は前に形成された層の表面に積層されて構
成されている。このＩＣの構成素子はシリコンウェハの下地となる表面に積層さ
れているので、これら複雑なＩＣの結果としての表面の凹凸（topography）は、
たくさんの「丘」や「谷」を伴っている良く知られた地上の「山岳地帯」に似て
いる。
―）として知られているプロセスを介して通常は写真的に定義される。非常に微
細な表面の幾何学的な状態は、このような技術によって正確に再生産することが
できる。この露光プロセスは、構成要素の領域を定義し、１つの層を他の層の表
面に積層させるために用いられている。複雑なＩＣは、しばしば、多数の異なる
積層膜を有することができ、それぞれの層が複数の構成要素を有し、各層異なっ
た相互接続配線を有し、それぞれの層は前に形成された層の表面に積層されて構
成されている。このＩＣの構成素子はシリコンウェハの下地となる表面に積層さ
れているので、これら複雑なＩＣの結果としての表面の凹凸（topography）は、
たくさんの「丘」や「谷」を伴っている良く知られた地上の「山岳地帯」に似て
いる。
【０００４】
露光プロセスにおいては、種々の構成要素を定義するマスク画像またはパター
ンが、紫外線の光を用いて感光層上に焦点を合わせられる。この画像は、露光ツ
ールの光学手段を用いて表面に焦点合わせされて、感光層の内部に刷り込まれて
いる。より小さな特徴を積層させるため、ますます精密になる画像は感光層の表
面上に焦点を合わせられなければならず、例えば、光学的な解像度が増加しなく
てはならない。光学的な解像度が増加するので、マスク画像の焦点深度はそれに
相当して減少する。これは、露光ツール内における高い開口数のレンズにより強
いられた焦点深度の狭い範囲が原因である。この狭くなった焦点深度は、しばし
ば受容可能な解像度の制限要素となっており、したがって、露光ツールを用いる
受容可能な最も小さな構成要素である。極端な地形、「丘」や「谷」を有する複
雑なＩＣは、減少した焦点深度の効果を誇張している。したがって、感光層の上
にサブミクロン単位の幾何学的な特徴を定義するマスクを正確に合焦させるため
に精密に平坦となった表面が求められている。精密に平坦となった（例えば、完
全に平坦化された）表面は、非常に小さな焦点深度を許容するであろうし、同様
に非常に小さな構成要素の定義と連続的な製造を許容するであろう。
ンが、紫外線の光を用いて感光層上に焦点を合わせられる。この画像は、露光ツ
ールの光学手段を用いて表面に焦点合わせされて、感光層の内部に刷り込まれて
いる。より小さな特徴を積層させるため、ますます精密になる画像は感光層の表
面上に焦点を合わせられなければならず、例えば、光学的な解像度が増加しなく
てはならない。光学的な解像度が増加するので、マスク画像の焦点深度はそれに
相当して減少する。これは、露光ツール内における高い開口数のレンズにより強
いられた焦点深度の狭い範囲が原因である。この狭くなった焦点深度は、しばし
ば受容可能な解像度の制限要素となっており、したがって、露光ツールを用いる
受容可能な最も小さな構成要素である。極端な地形、「丘」や「谷」を有する複
雑なＩＣは、減少した焦点深度の効果を誇張している。したがって、感光層の上
にサブミクロン単位の幾何学的な特徴を定義するマスクを正確に合焦させるため
に精密に平坦となった表面が求められている。精密に平坦となった（例えば、完
全に平坦化された）表面は、非常に小さな焦点深度を許容するであろうし、同様
に非常に小さな構成要素の定義と連続的な製造を許容するであろう。
【０００５】
化学的機械的研磨（ＣＭＰ）は、ウェハの完全な平坦化を得るための所望の方
法である。これは、ウェハと、スラリにより飽和された移動する研磨用パッドと
、の間の機械的な接触を用いて、材料の犠牲層を除去することを含んでいる。地
形的に高い領域（丘）は低い地形的な領域（谷）よりも速く除去されるので、研
磨は高さにおける差異を平たくする。研磨することは、この研磨の後に、１度よ
りもはるかに小さな最大角度へと導くミリメータ尺度の平坦化の距離を超えて地
理的な状態を平滑にする可能性を伴う技術のみである。
法である。これは、ウェハと、スラリにより飽和された移動する研磨用パッドと
、の間の機械的な接触を用いて、材料の犠牲層を除去することを含んでいる。地
形的に高い領域（丘）は低い地形的な領域（谷）よりも速く除去されるので、研
磨は高さにおける差異を平たくする。研磨することは、この研磨の後に、１度よ
りもはるかに小さな最大角度へと導くミリメータ尺度の平坦化の距離を超えて地
理的な状態を平滑にする可能性を伴う技術のみである。
【０００６】
先行技術の図１はＣＭＰ機械１００の平面図を示し、図２はＣＭＰ機械の側面
図を示している。ＣＭＰ機械１００には、研磨されるべきウェハが供給されてい
る。ＣＭＰ機械１００は、アーム１０１でウェハを取り上げて、それらを回転研
磨パッド１０２上に位置決めする。研磨パッド１０２は、弾性材料より形成され
ており、研磨プロセスを援けるために織り目を有している。研磨パッド１０２は
所定の速度により、プラテン１０４または研磨パッド１０２の下側に位置する回
転テーブルを回転させる。ウェハ１０５は、研磨パッド１０２の上の位置でアー
ム１０１により保持される。ウェハ１０５の正面側は研磨パッド１０２により支
えられている。研磨パッド１０２が回転するので、アーム１０１は所定の速度で
ウェハ１０５を回転させる。アーム１０１は、所定量の下方への力で研磨パッド
１０２内にウェハ１０５を付勢している。ＣＭＰ機械１００はまた、研磨パッド
１０２の半径を横切って延長するスラリ分配アーム１０７を備えている。このス
ラリ分配アーム１０７は、研磨パッド１０２上にスラリの流れを分配する。
図を示している。ＣＭＰ機械１００には、研磨されるべきウェハが供給されてい
る。ＣＭＰ機械１００は、アーム１０１でウェハを取り上げて、それらを回転研
磨パッド１０２上に位置決めする。研磨パッド１０２は、弾性材料より形成され
ており、研磨プロセスを援けるために織り目を有している。研磨パッド１０２は
所定の速度により、プラテン１０４または研磨パッド１０２の下側に位置する回
転テーブルを回転させる。ウェハ１０５は、研磨パッド１０２の上の位置でアー
ム１０１により保持される。ウェハ１０５の正面側は研磨パッド１０２により支
えられている。研磨パッド１０２が回転するので、アーム１０１は所定の速度で
ウェハ１０５を回転させる。アーム１０１は、所定量の下方への力で研磨パッド
１０２内にウェハ１０５を付勢している。ＣＭＰ機械１００はまた、研磨パッド
１０２の半径を横切って延長するスラリ分配アーム１０７を備えている。このス
ラリ分配アーム１０７は、研磨パッド１０２上にスラリの流れを分配する。
【０００７】
このスラリは、純水（脱イオン水）と、ウェハの平滑化と予期可能な平坦化を
化学的に援けるために設計された研磨剤と、の混合液である。研磨パッド１０２
とウェハ１０５の両方の回転動作は、スラリの研磨動作とも協力して、いくつか
の正常な速度でウェハ１０５を平坦化し、または、研磨するために結合する。こ
の速度は、剥離レートとして引用される。一定で予期可能な剥離レートは、ウェ
ハ製造プロセスの均一性と全体的な性能にとって重要である。この剥離レートは
臨機応変であるべきであり、それにも拘わらず精密に平坦化されたウェハをもた
らすべきであり、また、表面の異常からは解放されるべきである。もしも剥離レ
ートが遅過ぎるならば、所定の時間的な区間で製造された平坦化されたウェハの
数が減少して製造プロセスの全体にわたってウェハを傷つける結果となる。もし
も剥離レートが速過ぎるならば、ＣＭＰの平坦化プロセスは、所望なほどは精密
にはならなくなり（ディシング―皿状に窪むこと―、エローション―腐食―、オ
ーバーポリッシング―過研磨―を導き）、製造プロセスの歩留まりを阻害する結
果となる。
化学的に援けるために設計された研磨剤と、の混合液である。研磨パッド１０２
とウェハ１０５の両方の回転動作は、スラリの研磨動作とも協力して、いくつか
の正常な速度でウェハ１０５を平坦化し、または、研磨するために結合する。こ
の速度は、剥離レートとして引用される。一定で予期可能な剥離レートは、ウェ
ハ製造プロセスの均一性と全体的な性能にとって重要である。この剥離レートは
臨機応変であるべきであり、それにも拘わらず精密に平坦化されたウェハをもた
らすべきであり、また、表面の異常からは解放されるべきである。もしも剥離レ
ートが遅過ぎるならば、所定の時間的な区間で製造された平坦化されたウェハの
数が減少して製造プロセスの全体にわたってウェハを傷つける結果となる。もし
も剥離レートが速過ぎるならば、ＣＭＰの平坦化プロセスは、所望なほどは精密
にはならなくなり（ディシング―皿状に窪むこと―、エローション―腐食―、オ
ーバーポリッシング―過研磨―を導き）、製造プロセスの歩留まりを阻害する結
果となる。
【０００８】
再び図１および図２を参照しながら、上述したように、スラリおよび研磨パッ
ド１０２の研磨動作は、剥離レートおよび剥離均一性を決定しており、したがっ
て、ＣＭＰプロセスの有効性をも決定する。プロセス技術者は、充分に高く充分
に安定した剥離レートを得るため、多数のブラケットウェハが、機械のＣＭＰプ
ロセスを適正に校正（cariblate ）する（例えば、機械の研磨パッドへの「割り
込み」やスラリの搬送レートを校正したり、ウェハを押しつける圧力を調整した
りする）ためそれぞれのＣＭＰ機械上で処理されるべき必要があることを発見し
た。
ド１０２の研磨動作は、剥離レートおよび剥離均一性を決定しており、したがっ
て、ＣＭＰプロセスの有効性をも決定する。プロセス技術者は、充分に高く充分
に安定した剥離レートを得るため、多数のブラケットウェハが、機械のＣＭＰプ
ロセスを適正に校正（cariblate ）する（例えば、機械の研磨パッドへの「割り
込み」やスラリの搬送レートを校正したり、ウェハを押しつける圧力を調整した
りする）ためそれぞれのＣＭＰ機械上で処理されるべき必要があることを発見し
た。
【０００９】
例えば、タングステンの相互接続層のＣＭＰ機械１００における平坦化処理の
場合、１束のウェハが非常にゆっくりとした剥離レートを最初は示している。そ
の後に処理されたウェハは、より速い剥離レートを示している。連続して処理さ
れたウェハのそれぞれは、しだいに高くなる剥離レートを示している。典型的な
プロセスのためには、多数のウェハが、ウェハのタングステン層の剥離レートが
充分に増加し、特定のレベルではおそらく、より重要でかつ名目的に安定させる
ことを目的として、処理されるべき必要があるであろう。ＣＭＰ機械１００の剥
離レートが充分に安定するまで（例えば、連続するウェハのそれぞれのためのい
くつかの名目的な剥離レートに校正されるまで）に、ＣＭＰ機械１００は、装置
製造プロセスにとっては不適当である。ＣＭＰ機械１００および研磨パッド１０
２により処理された如何なる製品ウェハも、予期し得ない平面性と膜厚を有する
であろうし、したがって、多くの非機能的な、または非信頼的な集積回路のダイ
ス（dies）そして結果的には相対的に低い歩留まりを含むであろう。
場合、１束のウェハが非常にゆっくりとした剥離レートを最初は示している。そ
の後に処理されたウェハは、より速い剥離レートを示している。連続して処理さ
れたウェハのそれぞれは、しだいに高くなる剥離レートを示している。典型的な
プロセスのためには、多数のウェハが、ウェハのタングステン層の剥離レートが
充分に増加し、特定のレベルではおそらく、より重要でかつ名目的に安定させる
ことを目的として、処理されるべき必要があるであろう。ＣＭＰ機械１００の剥
離レートが充分に安定するまで（例えば、連続するウェハのそれぞれのためのい
くつかの名目的な剥離レートに校正されるまで）に、ＣＭＰ機械１００は、装置
製造プロセスにとっては不適当である。ＣＭＰ機械１００および研磨パッド１０
２により処理された如何なる製品ウェハも、予期し得ない平面性と膜厚を有する
であろうし、したがって、多くの非機能的な、または非信頼的な集積回路のダイ
ス（dies）そして結果的には相対的に低い歩留まりを含むであろう。
【００１０】
したがって、従来のＣＭＰ製造方法は、目的とするＣＭＰ機械（例えば、ＣＭ
Ｐ機械１００）を用いる多数の「テストウェハ」（またはブランケットウェハ）
の処理を含んでいる。このテストは、ＣＭＰプロセスの効率性を説明する種々の
パラメータを得るように設計されている。このようなパラメータに対しては、ウ
ェハから除去されるべき膜材料の剥離レートと材料剥離の均一性とが当てはめら
れる。これら２つのパラメータは、ＣＭＰプロセスの質に関する基本的な指標と
なる。剥離レートは主として、製品ウェハの研磨時間を決定するために用いられ
ている。材料剥離における均一性は、ウェハ表面を超えた全体的な平面性に影響
を及ぼしており、この平面性は、より大きなウェハがデバイスの製造に用いられ
ているので、より重要になってきている。剥離レートおよび剥離の均一性の両者
は、消耗品と研磨パラメータとに依存しており、研磨パラメータは、圧力、また
は下降力、研磨テーブルの速度、ウェハキャリアの速度、スラリの流れ、および
その他のものを含んでいる。消耗品の組み合わせが選択された後に、研磨パラメ
ータは期待される剥離レートや剥離均一性を達成するために調整可能である。
Ｐ機械１００）を用いる多数の「テストウェハ」（またはブランケットウェハ）
の処理を含んでいる。このテストは、ＣＭＰプロセスの効率性を説明する種々の
パラメータを得るように設計されている。このようなパラメータに対しては、ウ
ェハから除去されるべき膜材料の剥離レートと材料剥離の均一性とが当てはめら
れる。これら２つのパラメータは、ＣＭＰプロセスの質に関する基本的な指標と
なる。剥離レートは主として、製品ウェハの研磨時間を決定するために用いられ
ている。材料剥離における均一性は、ウェハ表面を超えた全体的な平面性に影響
を及ぼしており、この平面性は、より大きなウェハがデバイスの製造に用いられ
ているので、より重要になってきている。剥離レートおよび剥離の均一性の両者
は、消耗品と研磨パラメータとに依存しており、研磨パラメータは、圧力、また
は下降力、研磨テーブルの速度、ウェハキャリアの速度、スラリの流れ、および
その他のものを含んでいる。消耗品の組み合わせが選択された後に、研磨パラメ
ータは期待される剥離レートや剥離均一性を達成するために調整可能である。
【００１１】
この従来の校正プロセスには顕著に不利な点がある。製品ウェハ（例えば、異
なる装置を伴うウェハ）内や、ＣＭＰプロセスそれ自身（例えば、パッド消耗に
伴う剥離レートの一定した変化）におけるいくつかの重要な変更を理由として、
終了点検出器が広く用いられている。理想的には、インシチュー（原位置）終了
点検出にともなって、ＣＭＰプロセスの停止は、実際の研磨レートに拘わらず、
正しい時間で掛け金を外すことができる。例えば、研磨レートがそのプロセスに
おける特定の変化により低下させられたならば、この終了点は、後で明らかとな
るであろうし、研磨プロセスは最終的にはより長くなるであろう。実際のところ
は、研磨時間は、材料剥離における均一性にもまた関連すべきである。一般的に
は、例えば、（過剰な金属膜を除去し、金属線を付加しまたは誘電性の材料によ
り取り囲んでウェハの表面を完成させる）金属ＣＭＰプロセスが高い均一性を有
することにより、過剰な膜がウェハ表面の全体にわたって除去されることを確実
にするために、長い過研磨時間を有することが求められている。一方、もしもＣ
ＭＰプロセスがたいへんに低い非均一性を有しているとしたら、過剰な膜がウェ
ハの表面にわたって同時に片づいて綺麗になるので、僅かな過剰研磨を行なうこ
とは適当な価格となるであろう。一般に、終了点方法はほとんど、膜の除去量を
モニタするために用いられているが、非均一性のためには用いられていない。さ
らに、終了点の検出は研磨時間という１つの変量のみを制御するだけで、他の種
々のプロセス変量への如何なる洞察や制御を提供することもない。これは、安定
したプロセスを達成するために必要とされるテストウェハの数を大きく増加させ
ることになる。
なる装置を伴うウェハ）内や、ＣＭＰプロセスそれ自身（例えば、パッド消耗に
伴う剥離レートの一定した変化）におけるいくつかの重要な変更を理由として、
終了点検出器が広く用いられている。理想的には、インシチュー（原位置）終了
点検出にともなって、ＣＭＰプロセスの停止は、実際の研磨レートに拘わらず、
正しい時間で掛け金を外すことができる。例えば、研磨レートがそのプロセスに
おける特定の変化により低下させられたならば、この終了点は、後で明らかとな
るであろうし、研磨プロセスは最終的にはより長くなるであろう。実際のところ
は、研磨時間は、材料剥離における均一性にもまた関連すべきである。一般的に
は、例えば、（過剰な金属膜を除去し、金属線を付加しまたは誘電性の材料によ
り取り囲んでウェハの表面を完成させる）金属ＣＭＰプロセスが高い均一性を有
することにより、過剰な膜がウェハ表面の全体にわたって除去されることを確実
にするために、長い過研磨時間を有することが求められている。一方、もしもＣ
ＭＰプロセスがたいへんに低い非均一性を有しているとしたら、過剰な膜がウェ
ハの表面にわたって同時に片づいて綺麗になるので、僅かな過剰研磨を行なうこ
とは適当な価格となるであろう。一般に、終了点方法はほとんど、膜の除去量を
モニタするために用いられているが、非均一性のためには用いられていない。さ
らに、終了点の検出は研磨時間という１つの変量のみを制御するだけで、他の種
々のプロセス変量への如何なる洞察や制御を提供することもない。これは、安定
したプロセスを達成するために必要とされるテストウェハの数を大きく増加させ
ることになる。
【００１２】
その他の欠点は、これらのテストウェハに付随して著しい高コストが存在する
という事実である。このテストウェハのコストに加えて、各々の新たな研磨パッ
ドを摺り合わせることに伴う顕著な時間的罰則があり、それはとりもなおさず、
機械のＣＭＰプロセスを適正に校正することである。公称（nominal）剥離レー
ト（例えば、１分間に４０００から５０００オングストローム）を達成するため
、２０から５０枚のテストウェハが処理されるべきであり、ここではそれぞれの
ウェハが有益な量の処理時間を消費する。加えて、テストウェハの処理は、これ
が変更を要求する前に研磨サイクルの有限量を有しているのみであるので、研磨
パッド１０２の有用な寿命からは差し引いている。研磨パッド１０２内での摺り
合わせるような従来の方法の他の欠点は、各々の研磨パッドを適正に摺り合わせ
るための処理されるべき必要のあるテストウェハの数に不確実に関連づけられて
いる。
という事実である。このテストウェハのコストに加えて、各々の新たな研磨パッ
ドを摺り合わせることに伴う顕著な時間的罰則があり、それはとりもなおさず、
機械のＣＭＰプロセスを適正に校正することである。公称（nominal）剥離レー
ト（例えば、１分間に４０００から５０００オングストローム）を達成するため
、２０から５０枚のテストウェハが処理されるべきであり、ここではそれぞれの
ウェハが有益な量の処理時間を消費する。加えて、テストウェハの処理は、これ
が変更を要求する前に研磨サイクルの有限量を有しているのみであるので、研磨
パッド１０２の有用な寿命からは差し引いている。研磨パッド１０２内での摺り
合わせるような従来の方法の他の欠点は、各々の研磨パッドを適正に摺り合わせ
るための処理されるべき必要のあるテストウェハの数に不確実に関連づけられて
いる。
【００１３】
したがって、求められているものは、ＣＭＰプロセスを適正に校正するために
求められたテストウェハの数を大きく減少させるシステムである。求められてい
るものは、安定したＣＭＰプロセスを達成するために関連づけられるコストを低
減するシステムである。さらに求められているものは、ＣＭＰ機械の製造ライン
に資格を与える（qualify ―適格とする―）ために要求される処理時間量と消耗
品とを減少させるシステムである。この発明は、上述した要求に対する新たな解
決法を提供する。
求められたテストウェハの数を大きく減少させるシステムである。求められてい
るものは、安定したＣＭＰプロセスを達成するために関連づけられるコストを低
減するシステムである。さらに求められているものは、ＣＭＰ機械の製造ライン
に資格を与える（qualify ―適格とする―）ために要求される処理時間量と消耗
品とを減少させるシステムである。この発明は、上述した要求に対する新たな解
決法を提供する。
【００１４】
この発明は、ＣＭＰプロセスを適正に校正するために求められたテストウェハ
の数を大きく減少させるシステムを提供するものである。この発明は、安定した
ＣＭＰプロセスを達成するために関連づけられるコストを低減するシステムを提
供するものである。この発明は、ＣＭＰ機械の製造ラインに資格を与えるために
要求される処理時間量と消耗品とを減少させるシステムをさらに提供するもので
ある。
の数を大きく減少させるシステムを提供するものである。この発明は、安定した
ＣＭＰプロセスを達成するために関連づけられるコストを低減するシステムを提
供するものである。この発明は、ＣＭＰ機械の製造ラインに資格を与えるために
要求される処理時間量と消耗品とを減少させるシステムをさらに提供するもので
ある。
【００１５】
１つの実施形態において、この発明は、ＣＭＰ機械上の半導体ウェハのＣＭＰ
（Chemical Mechanical Polishing ）処理を最適化するための方法として実施さ
れている。この最適化方法は、ＣＭＰ機械上の一連のテスト用半導体ウェハを研
磨するためのステップを含んでいる。ＣＭＰ処理の間に、膜厚はＣＭＰ機械に結
合された膜厚検出器を用いてそれぞれのウェハの中心に近接する第１の点で測定
される。各ウェハの外周縁に近接する第２の点での膜厚もまた測定される。前記
第１の点および第２の点におけるプロセス中（in-process）の膜厚の測定に基づ
いて、最適化されたプロセスがプロセス変量のセットに関する剥離レートおよび
剥離均一性を記述する研磨プロファイルを決定する。
（Chemical Mechanical Polishing ）処理を最適化するための方法として実施さ
れている。この最適化方法は、ＣＭＰ機械上の一連のテスト用半導体ウェハを研
磨するためのステップを含んでいる。ＣＭＰ処理の間に、膜厚はＣＭＰ機械に結
合された膜厚検出器を用いてそれぞれのウェハの中心に近接する第１の点で測定
される。各ウェハの外周縁に近接する第２の点での膜厚もまた測定される。前記
第１の点および第２の点におけるプロセス中（in-process）の膜厚の測定に基づ
いて、最適化されたプロセスがプロセス変量のセットに関する剥離レートおよび
剥離均一性を記述する研磨プロファイルを決定する。
【００１６】
これらのプロセス変量は、例えばウェハに与えられる下方向の力の量のような
研磨プロセス用の異なるＣＭＰ機械の設定を含んでいる。研磨プロファイルは、
結果的には製品ウェハを研磨するために引き続いて用いられている。各製品ウェ
ハのために、これらのそれぞれの剥離レートおよび剥離均一性は、膜厚検出器を
用いて各製品ウェハの中心での膜厚および各製品ウェハの外周縁での膜厚を測定
することにより決定される。これらの測定に基づいて、プロセス変量のセットは
各々の宇ｌはが研磨され続けるように、製品ウェハのＣＭＰプロセスを最適化す
るための剥離レートと剥離均一性の測定値にしたがって調整される。このような
動作において、この発明は安定したＣＭＰプロセスを達成するために結びつけら
れたコストを低減するシステムを提供している。
研磨プロセス用の異なるＣＭＰ機械の設定を含んでいる。研磨プロファイルは、
結果的には製品ウェハを研磨するために引き続いて用いられている。各製品ウェ
ハのために、これらのそれぞれの剥離レートおよび剥離均一性は、膜厚検出器を
用いて各製品ウェハの中心での膜厚および各製品ウェハの外周縁での膜厚を測定
することにより決定される。これらの測定に基づいて、プロセス変量のセットは
各々の宇ｌはが研磨され続けるように、製品ウェハのＣＭＰプロセスを最適化す
るための剥離レートと剥離均一性の測定値にしたがって調整される。このような
動作において、この発明は安定したＣＭＰプロセスを達成するために結びつけら
れたコストを低減するシステムを提供している。
【００１７】
この発明は、添付された図面に記載された図にその一例として示され、この発
明を限定するものではない実施形態により示されており、図中の参照符号は単な
る構成要素を示すのみである。
明を限定するものではない実施形態により示されており、図中の参照符号は単な
る構成要素を示すのみである。
【００１８】
この発明の好適な実施形態について、添付図面に示された幾つかの例を用いて
化学的機械的プロセスにおける半導体ウェハの原位置（インシチュー）最適化の
方法および装置の参照が詳細になされるであろう。この発明は好適な実施形態に
関連して説明されることになるが、これらの実施形態はこの発明をこれらの実施
形態に限定しようとするものではないことは理解されるべきであろう。これに対
して、この発明は、この明細書に添付された特許請求の範囲の各請求項により定
義されたこの発明の要旨と範囲の内に含まれるであろう、選択肢、変形例、均等
例を広く覆うことを意図してなされている。さらに、この発明の以下の詳細な説
明において、多数の特定な詳細説明は、この発明の全体にわたる理解を提供する
ためにの述べられている。しかしながら、この発明がこれらの特定の詳細な説明
を用いずに実現されるであろうことはこの発明の属する技術分野において通常の
知識を有する者（当業者）にとって自明のことであろう。他の例においては、公
知の方法、手順、構成要素、および回路は、この発明のアスペクトを不必要に不
明瞭にしないように、詳細には説明されてはいない。
化学的機械的プロセスにおける半導体ウェハの原位置（インシチュー）最適化の
方法および装置の参照が詳細になされるであろう。この発明は好適な実施形態に
関連して説明されることになるが、これらの実施形態はこの発明をこれらの実施
形態に限定しようとするものではないことは理解されるべきであろう。これに対
して、この発明は、この明細書に添付された特許請求の範囲の各請求項により定
義されたこの発明の要旨と範囲の内に含まれるであろう、選択肢、変形例、均等
例を広く覆うことを意図してなされている。さらに、この発明の以下の詳細な説
明において、多数の特定な詳細説明は、この発明の全体にわたる理解を提供する
ためにの述べられている。しかしながら、この発明がこれらの特定の詳細な説明
を用いずに実現されるであろうことはこの発明の属する技術分野において通常の
知識を有する者（当業者）にとって自明のことであろう。他の例においては、公
知の方法、手順、構成要素、および回路は、この発明のアスペクトを不必要に不
明瞭にしないように、詳細には説明されてはいない。
【００１９】
この発明は、ＣＭＰプロセスを適正に校正するために要求されるテストウェハ
の数を大幅に低減させるシステムを提供するものである。この発明は、安定した
ＣＭＰプロセスを完成させるために関連付けられるコストを低減させるシステム
を提供するものである。さらに、この発明に係るシステムは、ＣＭＰ機械の製造
ラインを適格なものとするために要求されるプロセス時間と消耗品とを低減させ
るものである。
の数を大幅に低減させるシステムを提供するものである。この発明は、安定した
ＣＭＰプロセスを完成させるために関連付けられるコストを低減させるシステム
を提供するものである。さらに、この発明に係るシステムは、ＣＭＰ機械の製造
ラインを適格なものとするために要求されるプロセス時間と消耗品とを低減させ
るものである。
【００２０】
化学的・機械的研磨（ＣＭＰ）は、製造プロセスのための装置を含む半導体ウ
ェハの完璧な平面化を得るために好適な方法である。このＣＭＰプロセスは、研
磨用スラリ（slurry―懸濁液―）が染み込まされた移動式の研磨パッドとウェハ
との間の摩擦的な接触と、スラリそれ自身の化学的な反応との両方を用いて犠牲
層の材料を除去することを含んでいる。ＣＭＰプロセスを経由しての研磨は、幾
何学的に高い領域（丘）が表面形状的に低い部分（谷）よりもより速く除去され
ることになるので、高く突き出た部分を平坦化させる。このＣＭＰプロセスは、
研磨後に１度未満の最大角度を導くミリメータ単位の平面化距離を超える表面形
状を滑らかにする可能性を有する好適な技術である。
ェハの完璧な平面化を得るために好適な方法である。このＣＭＰプロセスは、研
磨用スラリ（slurry―懸濁液―）が染み込まされた移動式の研磨パッドとウェハ
との間の摩擦的な接触と、スラリそれ自身の化学的な反応との両方を用いて犠牲
層の材料を除去することを含んでいる。ＣＭＰプロセスを経由しての研磨は、幾
何学的に高い領域（丘）が表面形状的に低い部分（谷）よりもより速く除去され
ることになるので、高く突き出た部分を平坦化させる。このＣＭＰプロセスは、
研磨後に１度未満の最大角度を導くミリメータ単位の平面化距離を超える表面形
状を滑らかにする可能性を有する好適な技術である。
【００２１】
このＣＭＰプロセスは、特により精密な製造プロセス（例えば、深さサブミク
ロンのパターン転写等）を有するなどの非常に高価なものとなっている。適切に
資格を与えられたＣＭＰ機械製造ラインのためには、剥離レートおよび平面化の
均一性が、装置製造処理に適した機械を提供するために、充分に安定化されてい
る（例えば、連続するウェハのそれぞれのためにいくつかの公称剥離レートに校
正される）ことが必要である。この発明は、ＣＭＰ機械の製造ラインを校正する
ために求められるプロセス時間と消耗品の量を低減するシステムを提供する。
ロンのパターン転写等）を有するなどの非常に高価なものとなっている。適切に
資格を与えられたＣＭＰ機械製造ラインのためには、剥離レートおよび平面化の
均一性が、装置製造処理に適した機械を提供するために、充分に安定化されてい
る（例えば、連続するウェハのそれぞれのためにいくつかの公称剥離レートに校
正される）ことが必要である。この発明は、ＣＭＰ機械の製造ラインを校正する
ために求められるプロセス時間と消耗品の量を低減するシステムを提供する。
【００２２】
ここで図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、この発明に係るＣＭＰ機械３００の
平面図が示され、また、Ａ−Ａ線で切断したＣＭＰ機械３００の側断面図が示さ
れている。このＣＭＰ機械３００は、アーム３０１によりウェハを摘み上げて、
それらを回転する研磨パッド３０２上に載置する。ＣＭＰ機械３００の、この研
磨パッド３０２は、所定の速度により、プラテン３０４または研磨パッド３０２
の下側に配置された回転テーブル上で回転する。アーム３０１は、（例えば、所
望の特定研磨効果により決定されたような）精密に制御された下方向の力で、研
磨パッド３０２内にウェハ３１１を付勢している。このウェハ３１１は、アーム
３０１により研磨パッド３０２上に載置され続ける。ウェハ３１１の前面側は、
研磨パッド３０２に面して置かれている。ウェハ３１１の後面側はアーム３０１
の前面側に対している。この研磨パッド３０２が精密に制御された速度で回転し
ているので、このアーム３０１はウェハ３１１を精密に制御されたレートで回転
させている。ＣＭＰ機械３００はまた、ウェハ３１１の前面側の上面層の厚さを
測定する膜厚検出器３２０と、ＣＭＰ機械３００のＣＭＰプロセスの性能を評価
して制御するコンピュータシステム３３０と、を備えている。
平面図が示され、また、Ａ−Ａ線で切断したＣＭＰ機械３００の側断面図が示さ
れている。このＣＭＰ機械３００は、アーム３０１によりウェハを摘み上げて、
それらを回転する研磨パッド３０２上に載置する。ＣＭＰ機械３００の、この研
磨パッド３０２は、所定の速度により、プラテン３０４または研磨パッド３０２
の下側に配置された回転テーブル上で回転する。アーム３０１は、（例えば、所
望の特定研磨効果により決定されたような）精密に制御された下方向の力で、研
磨パッド３０２内にウェハ３１１を付勢している。このウェハ３１１は、アーム
３０１により研磨パッド３０２上に載置され続ける。ウェハ３１１の前面側は、
研磨パッド３０２に面して置かれている。ウェハ３１１の後面側はアーム３０１
の前面側に対している。この研磨パッド３０２が精密に制御された速度で回転し
ているので、このアーム３０１はウェハ３１１を精密に制御されたレートで回転
させている。ＣＭＰ機械３００はまた、ウェハ３１１の前面側の上面層の厚さを
測定する膜厚検出器３２０と、ＣＭＰ機械３００のＣＭＰプロセスの性能を評価
して制御するコンピュータシステム３３０と、を備えている。
【００２３】
この発明の１つの実施形態に係るＣＭＰプロセスの具体例において、ＣＭＰ機
械３００により用いられるスラリは、ウェハ３１１の上面の酸化膜を平滑化と予
期可能な平面化とを化学的に援助するために設計された研磨剤と純水（脱イオン
水）との混合液である。研磨パッド３０２およびウェハ３１１の両方の回転動作
は、スラリの研磨動作に関連して、いくつかの公称レートで、ウェハ３１１を平
面化または研磨するために結びついている。このレートは、剥離レートとして引
用されている。一定のおよび予期可能な剥離レートは、ウェハ製造プロセスにお
ける均一性と性能とにとって重要である。この剥離レートは、精密に平面化され
たり、表面の異常から自由になったウェハの歩留まりにもかかわらず、臨機応変
であるべきである。もしも剥離レートが遅過ぎるならば、所定の時間内に製造さ
れる平面化されたウェハの数は少なくなり、その結果製造プロセスのウェハのス
ループット（処理能力）を傷つけることになる。もしも剥離レートが速過ぎるな
らば、ＣＭＰ平面化プロセスは、ウェハの表面にわたって均一ではなくなるであ
ろうし、その結果製造プロセスの歩留まりを傷つけることになる。剥離レートと
同様に重要なことは、表面の材料（例えば、酸化物）が研磨され除去された均一
性である。許容し得る歩留まりを維持するために、ウェハ３１１の上面層が表面
の全体にわたって均一に除去されることが非常に重要である。
械３００により用いられるスラリは、ウェハ３１１の上面の酸化膜を平滑化と予
期可能な平面化とを化学的に援助するために設計された研磨剤と純水（脱イオン
水）との混合液である。研磨パッド３０２およびウェハ３１１の両方の回転動作
は、スラリの研磨動作に関連して、いくつかの公称レートで、ウェハ３１１を平
面化または研磨するために結びついている。このレートは、剥離レートとして引
用されている。一定のおよび予期可能な剥離レートは、ウェハ製造プロセスにお
ける均一性と性能とにとって重要である。この剥離レートは、精密に平面化され
たり、表面の異常から自由になったウェハの歩留まりにもかかわらず、臨機応変
であるべきである。もしも剥離レートが遅過ぎるならば、所定の時間内に製造さ
れる平面化されたウェハの数は少なくなり、その結果製造プロセスのウェハのス
ループット（処理能力）を傷つけることになる。もしも剥離レートが速過ぎるな
らば、ＣＭＰ平面化プロセスは、ウェハの表面にわたって均一ではなくなるであ
ろうし、その結果製造プロセスの歩留まりを傷つけることになる。剥離レートと
同様に重要なことは、表面の材料（例えば、酸化物）が研磨され除去された均一
性である。許容し得る歩留まりを維持するために、ウェハ３１１の上面層が表面
の全体にわたって均一に除去されることが非常に重要である。
【００２４】
図４は、中心領域４１０と周辺領域４２０とを有するウェハ３１１を示す平面
図である。ウェハ３１１はまた、第１の膜厚測定点４０１と、第２の膜厚測定点
４０２と、を有するように示されている。測定点４０１，４０２は、それぞれ中
心領域４１０および周辺領域４２０に設けられている。
図である。ウェハ３１１はまた、第１の膜厚測定点４０１と、第２の膜厚測定点
４０２と、を有するように示されている。測定点４０１，４０２は、それぞれ中
心領域４１０および周辺領域４２０に設けられている。
【００２５】
この発明の１つの実施形態においては、ＣＭＰ機械３００により実行されるＣ
ＭＰプロセスは「インシチュー（原位置）」ＣＭＰプロセス最適化を実行するた
めに構成されている。ＣＭＰプロセスの性能を影響を及ぼす変量や状態は、ウェ
ハ３１１が研磨されているので、所望のプロセスの結果を得ることを保証するた
めに、原位置で修正することができる。
ＭＰプロセスは「インシチュー（原位置）」ＣＭＰプロセス最適化を実行するた
めに構成されている。ＣＭＰプロセスの性能を影響を及ぼす変量や状態は、ウェ
ハ３１１が研磨されているので、所望のプロセスの結果を得ることを保証するた
めに、原位置で修正することができる。
【００２６】
インシチュー最適化プロセスは、ＣＭＰ機械３００上に載置された半導体ウェ
ハの一連のテストウェハを研磨することから開始する。ＣＭＰ処理の間に、第１
の膜厚測定点（以下、中心点とする。）４０１と、第２の膜厚測定点（以下、周
縁点とする。）４０２とでそれぞれ膜厚が測定される。この実施形態においては
測定はＣＭＰ機械３００に組み込まれた膜厚検出器３２０を用いて行なわれてい
る。中心点４０１は、中心領域４１０におけるウェハ３１１の前面側の材料の表
面層の厚さの表示を提供する。同様に、周縁点４０２は、周縁領域４２０のウェ
ハ３１１の前面側の上面層の厚さの表示を提供している。この実施形態において
は、これらの測定が、原位置（インシチュー）で行なわれ、このことは、これら
がウェハ３１１がＣＭＰ機械３００により処理されるように行なわれていること
を意味している。中心点４０１および周縁点４０２のプロセス中の膜厚測定に基
づいて、この発明に係る最適化プロセスは、プロセス変量のセットに関する剥離
レートと剥離均一性とを記述する研磨プロファイルを決定している。
ハの一連のテストウェハを研磨することから開始する。ＣＭＰ処理の間に、第１
の膜厚測定点（以下、中心点とする。）４０１と、第２の膜厚測定点（以下、周
縁点とする。）４０２とでそれぞれ膜厚が測定される。この実施形態においては
測定はＣＭＰ機械３００に組み込まれた膜厚検出器３２０を用いて行なわれてい
る。中心点４０１は、中心領域４１０におけるウェハ３１１の前面側の材料の表
面層の厚さの表示を提供する。同様に、周縁点４０２は、周縁領域４２０のウェ
ハ３１１の前面側の上面層の厚さの表示を提供している。この実施形態において
は、これらの測定が、原位置（インシチュー）で行なわれ、このことは、これら
がウェハ３１１がＣＭＰ機械３００により処理されるように行なわれていること
を意味している。中心点４０１および周縁点４０２のプロセス中の膜厚測定に基
づいて、この発明に係る最適化プロセスは、プロセス変量のセットに関する剥離
レートと剥離均一性とを記述する研磨プロファイルを決定している。
【００２７】
プロセス変量は、例えばウェハ３１１に与えられる下降する力の量のような、
研磨プロセス用の異なるＣＭＰ機械での設定を含んでいる。ＣＭＰプロセスの性
能およびその全体の成功は、ウェハ３１１，パッド３５０およびスラリまたは他
の化学物質などの間の、化学的および機械的な相互関係に大きく依存している。
スラリ化合物、パッドの状態、およびウェハ３１１の属性（例えば、その上に製
造されるデバイスの特徴）における如何なる変形も、ＣＭＰプロセスにおける相
違を導くであろう。例えば、たとえパッド調整を（例えば、コンディショナ・ア
ッセンブリから）原位置（インシチュー）または位置外（ex-situ ）で行なう場
合であっても、膜の研磨レートは、研磨パッドの寿命にしたがって変化可能であ
る。これらの要素は、ＣＭＰプロセスに影響を及ぼす変量を選択的に含み、それ
ゆえにこれらの要素はプロセス変量として選択的に参照され、研磨プロファイル
はこのプロセス変量の用語により定義されている。
研磨プロセス用の異なるＣＭＰ機械での設定を含んでいる。ＣＭＰプロセスの性
能およびその全体の成功は、ウェハ３１１，パッド３５０およびスラリまたは他
の化学物質などの間の、化学的および機械的な相互関係に大きく依存している。
スラリ化合物、パッドの状態、およびウェハ３１１の属性（例えば、その上に製
造されるデバイスの特徴）における如何なる変形も、ＣＭＰプロセスにおける相
違を導くであろう。例えば、たとえパッド調整を（例えば、コンディショナ・ア
ッセンブリから）原位置（インシチュー）または位置外（ex-situ ）で行なう場
合であっても、膜の研磨レートは、研磨パッドの寿命にしたがって変化可能であ
る。これらの要素は、ＣＭＰプロセスに影響を及ぼす変量を選択的に含み、それ
ゆえにこれらの要素はプロセス変量として選択的に参照され、研磨プロファイル
はこのプロセス変量の用語により定義されている。
【００２８】
再び、図４を参照しながら、研磨プロファイルが製品ウェハをそれに合わせて
研磨するために、それ以降用いられている。それぞれの製品ウェハのため、これ
らのそれぞれの剥離レートおよび剥離均一性は、膜厚検出器３２０を用いて中心
点４０１と周縁点４０２との原位置（インシチュー）測定により決定される。こ
れらの測定に基づいて、プロセス変量のセットは、予め決定された研磨プロファ
イルにより指示された剥離レートおよび剥離均一性にしたがって調整される。研
磨プロファイルは、剥離レートおよび剥離均一性における変化に関連して調整の
特徴と程度とに関する表示を提供している。プロセス変量に対するこれらの調整
は、ウェハが研磨されている際の製品ウェハのためのＣＭＰプロセスを最適化す
るために、原位置で実施される。
研磨するために、それ以降用いられている。それぞれの製品ウェハのため、これ
らのそれぞれの剥離レートおよび剥離均一性は、膜厚検出器３２０を用いて中心
点４０１と周縁点４０２との原位置（インシチュー）測定により決定される。こ
れらの測定に基づいて、プロセス変量のセットは、予め決定された研磨プロファ
イルにより指示された剥離レートおよび剥離均一性にしたがって調整される。研
磨プロファイルは、剥離レートおよび剥離均一性における変化に関連して調整の
特徴と程度とに関する表示を提供している。プロセス変量に対するこれらの調整
は、ウェハが研磨されている際の製品ウェハのためのＣＭＰプロセスを最適化す
るために、原位置で実施される。
【００２９】
このようにして、この実施形態はプロセス変量の調整を表示するものとして、
テストウェハの処理を行なう間に得られる２つのパラメータとして剥離レートと
剥離均一性とを用いている。多くの状況においては、これら２つのパラメータは
ＣＭＰプロセスの質を適切に表示している。剥離レートは主に製造ウェハの研磨
時間を決定しているのに対して、均一性は、（装置の製造の差異に用いられるウ
ェハが多くなるのにつれてより重要になるような）ウェハの表面にわたる全体的
な平坦性に直接影響を与えている。剥離レートおよび剥離均一性の両者は、例え
ば、消耗品、プラテン速度（例えば、ｒｐｍ／rotation per minute ―１分間当
たりの回転数―）、ウェハ回転速度、スラリ流通速度、温度、下降力その他のよ
うなプロセスパラメータにそれらが共に大きく依存しているので、信頼できる表
示するものとして、機能している。この実施形態においては、消耗品の結合した
ものが選択された後に、種々の他のプロセス変量が、期待される剥離レートおよ
び剥離均一性を達成するために調整可能である。
テストウェハの処理を行なう間に得られる２つのパラメータとして剥離レートと
剥離均一性とを用いている。多くの状況においては、これら２つのパラメータは
ＣＭＰプロセスの質を適切に表示している。剥離レートは主に製造ウェハの研磨
時間を決定しているのに対して、均一性は、（装置の製造の差異に用いられるウ
ェハが多くなるのにつれてより重要になるような）ウェハの表面にわたる全体的
な平坦性に直接影響を与えている。剥離レートおよび剥離均一性の両者は、例え
ば、消耗品、プラテン速度（例えば、ｒｐｍ／rotation per minute ―１分間当
たりの回転数―）、ウェハ回転速度、スラリ流通速度、温度、下降力その他のよ
うなプロセスパラメータにそれらが共に大きく依存しているので、信頼できる表
示するものとして、機能している。この実施形態においては、消耗品の結合した
ものが選択された後に、種々の他のプロセス変量が、期待される剥離レートおよ
び剥離均一性を達成するために調整可能である。
【００３０】
再び図４を参照しながら、この発明の原位置最適化方法は、典型的なＣＭＰプ
ロセスにおいてしばしば用いられる機能性（functionality ）が存在していると
いう長所を有している。例えば、典型的な終了点（end-point ）検出法は、材料
の剥離を直接測定する（例えば、膜厚検出器３２０のような）膜厚検出ユニット
を用いている。この検出器に用いられる技術は、例えば、膜の残存量を表示する
ものとしてのウェハ表面により反射されるレーザ光線の強度を測定することなど
を含んでいる。
ロセスにおいてしばしば用いられる機能性（functionality ）が存在していると
いう長所を有している。例えば、典型的な終了点（end-point ）検出法は、材料
の剥離を直接測定する（例えば、膜厚検出器３２０のような）膜厚検出ユニット
を用いている。この検出器に用いられる技術は、例えば、膜の残存量を表示する
ものとしてのウェハ表面により反射されるレーザ光線の強度を測定することなど
を含んでいる。
【００３１】
（例えば、周縁点および中心点のように）より注意深く選択された２つまたは
それ以上の点での膜厚測定は、研磨レートおよび剥離における均一性に対して影
響を与えるような全てのプロセスパラメータを考慮する実験計画（以下、ＤＯＥ
―design of experiments ―とする。）を実行するために用いられている。この
ＤＯＥは、主として製品ウェハが研磨されることになるであろう研磨プロファイ
ルを備えている。まず製品ウェハを研磨している間に、ウェハ周縁部とウェハ中
心部での「クリアタイム（clear time）」が、コンピュータシステム３３０によ
り研磨プロファイルデータと共に記録され処理されている。その結果によれば、
必要な調整が、研磨プロファイルにしたがって、（例えば、下降力やテーブル速
度などの）プロセスパラメータに対してなされることになるので、均一性や剥離
レートは、例えばプロセス技術者により特定されるような修正範囲内となる。も
しもこのＣＭＰプロセスの１つまたはそれ以上のアスペクトがたまたま仕様以外
のところで生じたならば、コンピュータシステム３３０は、それらを検出して修
正するであろうし、さもなければ補償するであろう。例えば、もしもこの剥離レ
ートおよび剥離均一性を同時に満たすことができないならば、コンピュータシス
テム３３０は、剥離均一性を維持しながら剥離レートに対する要求についてはこ
れを低くするように選択しても良い。
それ以上の点での膜厚測定は、研磨レートおよび剥離における均一性に対して影
響を与えるような全てのプロセスパラメータを考慮する実験計画（以下、ＤＯＥ
―design of experiments ―とする。）を実行するために用いられている。この
ＤＯＥは、主として製品ウェハが研磨されることになるであろう研磨プロファイ
ルを備えている。まず製品ウェハを研磨している間に、ウェハ周縁部とウェハ中
心部での「クリアタイム（clear time）」が、コンピュータシステム３３０によ
り研磨プロファイルデータと共に記録され処理されている。その結果によれば、
必要な調整が、研磨プロファイルにしたがって、（例えば、下降力やテーブル速
度などの）プロセスパラメータに対してなされることになるので、均一性や剥離
レートは、例えばプロセス技術者により特定されるような修正範囲内となる。も
しもこのＣＭＰプロセスの１つまたはそれ以上のアスペクトがたまたま仕様以外
のところで生じたならば、コンピュータシステム３３０は、それらを検出して修
正するであろうし、さもなければ補償するであろう。例えば、もしもこの剥離レ
ートおよび剥離均一性を同時に満たすことができないならば、コンピュータシス
テム３３０は、剥離均一性を維持しながら剥離レートに対する要求についてはこ
れを低くするように選択しても良い。
【００３２】
この提案された方法がまた、剥離レートや例えばパッドの温度、ＣＭＰ中の変
化などの均一性というよりもむしろＣＭＰプロセスのいくつかのアスペクトを最
適化するために用いられることもできるということは注目されるべきである。さ
らに、いくつかの適用例においては、ウェハ表面上の膜厚検出が２点より多くの
点で求められていることも正しく評価されるべきである。ウェハ表面にわたって
分散された多数の（３つまたはそれ以上の）点を用いることは、剥離レートや剥
離均一性をより精密に評価することを許容することを可能としている。したがっ
て、この発明の原位置最適化プロセスは、消耗品の寿命を長くすると共に、ＣＭ
Ｐ機械を適格にする努力や資金を最少にすることになる。原位置最適化によれば
ＣＭＰにおける、より高いスループットや、より低いコストを達成することがで
きる。
化などの均一性というよりもむしろＣＭＰプロセスのいくつかのアスペクトを最
適化するために用いられることもできるということは注目されるべきである。さ
らに、いくつかの適用例においては、ウェハ表面上の膜厚検出が２点より多くの
点で求められていることも正しく評価されるべきである。ウェハ表面にわたって
分散された多数の（３つまたはそれ以上の）点を用いることは、剥離レートや剥
離均一性をより精密に評価することを許容することを可能としている。したがっ
て、この発明の原位置最適化プロセスは、消耗品の寿命を長くすると共に、ＣＭ
Ｐ機械を適格にする努力や資金を最少にすることになる。原位置最適化によれば
ＣＭＰにおける、より高いスループットや、より低いコストを達成することがで
きる。
【００３３】
この発明の原位置最適化プロセスにより提供される追加的な利益がある。例え
ば、製品ウェハにおける幾つかの重要な変形（例えば、その上に製造される異な
る装置を有するウェハ）を原因として、変化する剥離レートおよびＣＭＰプロセ
スそれ自身における「終了点」検出器が、材料の修正量が変更されてしまった時
点を検出するために広く用いられている。しかしながら、この発明の原位置終了
点検出によれば、ＣＭＰプロセスの停止は、実際の研磨レートに拘わらず修正時
間でトリガーされることが可能となる。例えば、もしも研磨レートがＣＭＰプロ
セスにおけるある特定の変化により低くされたならば、終了点が後に表れて研磨
プロセスはより長続きするであろう。この実施形態においては、研磨時間は、材
料の剥離における均一性に密接に関連する傾向にある。
ば、製品ウェハにおける幾つかの重要な変形（例えば、その上に製造される異な
る装置を有するウェハ）を原因として、変化する剥離レートおよびＣＭＰプロセ
スそれ自身における「終了点」検出器が、材料の修正量が変更されてしまった時
点を検出するために広く用いられている。しかしながら、この発明の原位置終了
点検出によれば、ＣＭＰプロセスの停止は、実際の研磨レートに拘わらず修正時
間でトリガーされることが可能となる。例えば、もしも研磨レートがＣＭＰプロ
セスにおけるある特定の変化により低くされたならば、終了点が後に表れて研磨
プロセスはより長続きするであろう。この実施形態においては、研磨時間は、材
料の剥離における均一性に密接に関連する傾向にある。
【００３４】
一般的に、例えば、もしも（余分な金属膜を除去して誘電性の材料により囲ま
れている金属の歯またはバリ―vias―を有するウェハ表面を終了させる）金属Ｃ
ＭＰプロセスが高い非均一性を有するとするならば、ウェハの全体にわたり過度
に金属膜がきれいにされることを保証するための長い「過研磨」を行なうことが
求められており、他方、もしもＣＭＰプロセスが非常に低い非均一性を有するな
らば、ウェハの全体にわたって同様の時間で過度の膜が綺麗になるので過研磨を
少なくしても許容可能な結果を達成することができる。したがって、この発明の
原位置最適化プロセスによれば、（例えば、点４０１，４０２のような）多数の
膜厚測定が、膜の剥離量および均一性を監視するために用いられており、これに
より他の如何なるプロセスパラメータを変更することなく、全体の研磨時間の制
御のための信頼性のある終了点検出を本質的に可能にすることができる。したが
って、この発明による原位置最適化プロセスは、ＣＭＰプロセスの終了点を検出
する概念を有益に拡大する。
れている金属の歯またはバリ―vias―を有するウェハ表面を終了させる）金属Ｃ
ＭＰプロセスが高い非均一性を有するとするならば、ウェハの全体にわたり過度
に金属膜がきれいにされることを保証するための長い「過研磨」を行なうことが
求められており、他方、もしもＣＭＰプロセスが非常に低い非均一性を有するな
らば、ウェハの全体にわたって同様の時間で過度の膜が綺麗になるので過研磨を
少なくしても許容可能な結果を達成することができる。したがって、この発明の
原位置最適化プロセスによれば、（例えば、点４０１，４０２のような）多数の
膜厚測定が、膜の剥離量および均一性を監視するために用いられており、これに
より他の如何なるプロセスパラメータを変更することなく、全体の研磨時間の制
御のための信頼性のある終了点検出を本質的に可能にすることができる。したが
って、この発明による原位置最適化プロセスは、ＣＭＰプロセスの終了点を検出
する概念を有益に拡大する。
【００３５】
ここで、図５を参照すると、この発明の１つの実施形態に係るプロセス５００
のステップのフローチャートが示されている。図５に示されるように、プロセス
５００は、テストウェハが処理され、研磨プロファイルが決定され、製品ウェハ
が処理されるような、本発明の原位置最適化プロセスのステップを示している。
この実施形態において、プロセス５００はまた、終了点検出も行なっている。
のステップのフローチャートが示されている。図５に示されるように、プロセス
５００は、テストウェハが処理され、研磨プロファイルが決定され、製品ウェハ
が処理されるような、本発明の原位置最適化プロセスのステップを示している。
この実施形態において、プロセス５００はまた、終了点検出も行なっている。
【００３６】
プロセス５００は一連のテストウェハが適格にされるべきＣＭＰ機械（例えば
図３のＣＭＰ機械３００）を用いて処理される、ステップ５０１から開始する。
上述したように、ＣＭＰ機械の性能は、実際の製品ウェハが処理される前に適格
化されている必要がある。
図３のＣＭＰ機械３００）を用いて処理される、ステップ５０１から開始する。
上述したように、ＣＭＰ機械の性能は、実際の製品ウェハが処理される前に適格
化されている必要がある。
【００３７】
ステップ５０２では、原位置膜厚測定がテストウェハのそれぞれについて行な
われる。上述したように、少なくとも２点における（例えば、図４の中心点４０
１および周縁点４０２）膜厚測定は、それぞれのテストウェハが研磨されるのに
つれて行なわれる。この測定は、ＣＭＰ機械のＣＭＰプロセスにおける剥離レー
トおよび剥離レートの均一性の評価を許容している。
われる。上述したように、少なくとも２点における（例えば、図４の中心点４０
１および周縁点４０２）膜厚測定は、それぞれのテストウェハが研磨されるのに
つれて行なわれる。この測定は、ＣＭＰ機械のＣＭＰプロセスにおける剥離レー
トおよび剥離レートの均一性の評価を許容している。
【００３８】
ステップ５０３では、ステップ５０２からの測定と他のプロセスパラメータの
相関とが、ＣＭＰ機械３００におけるＣＭＰプロセスの研磨プロファイルを生成
するために用いられる。上述したように、この研磨プロファイルは、研磨パラメ
ータに関するＣＭＰプロセスの特徴を記述するものである。この研磨プロファイ
ルに基づいて、ＣＭＰ機械３００は製品ウェハを処理するために適格化されるこ
とになる。
相関とが、ＣＭＰ機械３００におけるＣＭＰプロセスの研磨プロファイルを生成
するために用いられる。上述したように、この研磨プロファイルは、研磨パラメ
ータに関するＣＭＰプロセスの特徴を記述するものである。この研磨プロファイ
ルに基づいて、ＣＭＰ機械３００は製品ウェハを処理するために適格化されるこ
とになる。
【００３９】
ステップ５０４では、研磨プロファイルが決定されると直ちに、ＣＭＰ機械３
００を用いて製品ウェハが処理される。
００を用いて製品ウェハが処理される。
【００４０】
ステップ５０５では、この発明にしたがって、原位置膜厚測定が製品ウェハの
多数の点（例えば、点４０１，４０２）で行なわれる。上述したように、少なく
とも２点（例えば、点４０１，４０２）での膜厚測定は、製品ウェハが処理され
る際の、ＣＭＰプロセスの剥離レートおよび剥離均一性の評価を許容する。
多数の点（例えば、点４０１，４０２）で行なわれる。上述したように、少なく
とも２点（例えば、点４０１，４０２）での膜厚測定は、製品ウェハが処理され
る際の、ＣＭＰプロセスの剥離レートおよび剥離均一性の評価を許容する。
【００４１】
ステップ５０６では、ステップ５０５で行なわれた測定が、ＣＭＰプロセスの
終了点が達成されたか否かを決定する。終了点が達成されたならば、プロセス５
００はステップ５０７へと進み、そうでなければ、プロセス５００はステップ５
０４に戻る。
終了点が達成されたか否かを決定する。終了点が達成されたならば、プロセス５
００はステップ５０７へと進み、そうでなければ、プロセス５００はステップ５
０４に戻る。
【００４２】
ステップ５０６では、終了点に到達された後に、この処理された製品ウェハは
ＣＭＰ機械３００から取り外される。
ＣＭＰ機械３００から取り外される。
【００４３】
したがって、この発明は、ＣＭＰプロセスを適正に校正するために求められる
テストウェハの数を大幅に減少させるシステムを提供している。この発明は、安
定したＣＭＰプロセスを達成することに関連付けられるコストを低減するシステ
ムを提供する。さらに、この発明のシステムは、ＣＭＰ機械製造ラインを適格化
するために要求されるプロセス時間と消耗品を減少させる。
テストウェハの数を大幅に減少させるシステムを提供している。この発明は、安
定したＣＭＰプロセスを達成することに関連付けられるコストを低減するシステ
ムを提供する。さらに、この発明のシステムは、ＣＭＰ機械製造ラインを適格化
するために要求されるプロセス時間と消耗品を減少させる。
【００４４】
ここで、図６を参照すると、この発明の１つの実施形態に係るコンピュータシ
ステム３３０の構成図が示されている。この実施形態において、コンピュータシ
ステム３３０は、図３にし示されたＣＭＰ機械３００内に含まれている。図６に
示されたコンピュータシステム３３０は、情報を通信するためのアドレス／デー
タバス６００と、前記バス６００に接続されて情報および指令を処理する１つま
たはそれ以上のセントラルプロセッサ６０１と、前記バス６００に接続されて前
記セントラルプロセッサ６０１のために前記情報および指令を格納する揮発性メ
モリ６０２（例えば、ランダムアクセスメモリＲＡＭ）と、前記プロセッサ６０
１用の静的な情報および指令を格納する不揮発性メモリ６０３（例えば、読み出
し専用メモリＲＯＭ）と、を備えている。コンピュータシステム３３０はまた、
任意的にデータ格納ハードウェア６０４を備えていても良く、例えばこれは、情
報や指令を格納するフラッシュメモリまたは磁気ディスク等である。任意的なバ
スインターフェース／信号入力出力通信ユニット６０８もまた、ＣＭＰ機械３０
０の他の構成要素との間のインターフェース用に設けられている。
ステム３３０の構成図が示されている。この実施形態において、コンピュータシ
ステム３３０は、図３にし示されたＣＭＰ機械３００内に含まれている。図６に
示されたコンピュータシステム３３０は、情報を通信するためのアドレス／デー
タバス６００と、前記バス６００に接続されて情報および指令を処理する１つま
たはそれ以上のセントラルプロセッサ６０１と、前記バス６００に接続されて前
記セントラルプロセッサ６０１のために前記情報および指令を格納する揮発性メ
モリ６０２（例えば、ランダムアクセスメモリＲＡＭ）と、前記プロセッサ６０
１用の静的な情報および指令を格納する不揮発性メモリ６０３（例えば、読み出
し専用メモリＲＯＭ）と、を備えている。コンピュータシステム３３０はまた、
任意的にデータ格納ハードウェア６０４を備えていても良く、例えばこれは、情
報や指令を格納するフラッシュメモリまたは磁気ディスク等である。任意的なバ
スインターフェース／信号入力出力通信ユニット６０８もまた、ＣＭＰ機械３０
０の他の構成要素との間のインターフェース用に設けられている。
【００４５】
この発明の特定の実施形態の上述した説明は、図示および説明のみを目的とし
て提供されている。それらは、開示された精密な形式へと本発明を網羅的かつ限
定的にするつもりのものではなく、明らかな多数の変形例や変更例が上述した教
示の観点から提案可能である。これらの実施形態は、この発明の原理と実用上の
適用例を説明するために最善のものとして選択され説明されており、これにより
この技術分野で最善の技術を有する他の者が熟考した個々の使用に適するような
種々の変形例や変更例にこの発明を適用することを可能にしている。この発明の
範囲は添付された請求の範囲およびそれらの均等の範囲により定義されることが
意図されている。
て提供されている。それらは、開示された精密な形式へと本発明を網羅的かつ限
定的にするつもりのものではなく、明らかな多数の変形例や変更例が上述した教
示の観点から提案可能である。これらの実施形態は、この発明の原理と実用上の
適用例を説明するために最善のものとして選択され説明されており、これにより
この技術分野で最善の技術を有する他の者が熟考した個々の使用に適するような
種々の変形例や変更例にこの発明を適用することを可能にしている。この発明の
範囲は添付された請求の範囲およびそれらの均等の範囲により定義されることが
意図されている。
【図１】
先行技術としてのＣＭＰ機械を示す平面図である。
【図２】
先行技術としてのＣＭＰ機械を示す側部断面図である。
【図３Ａ】
この発明の一実施形態に係るＣＭＰ機械を示す平面図である。
【図３Ｂ】
図３Ａに示されたＣＭＰ機械を示す側部断面図である。
【図４】
この発明の一実施形態に係る第１および第２の膜厚測定点を有するウェハを示
す平面図である。
す平面図である。
【図５】
この発明の一実施形態に係るＣＭＰプロセスのステップを示すフローチャート
である。
である。
【図６】
この発明の一実施形態に係るコンピュータシステムの構成を示すブロック図で
ある。
ある。
３００ ＣＭＰ機械
３０１ アーム
３０２ 研磨パッド
３１１ ウェハ
３２０ 膜厚検出器
３３０ コンピュータシステム
４０１ 中心点
４０２ 周縁点
４１０ 中心領域
４２０ 周縁領域
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 リミン、ツァン
アメリカ合衆国カリフォルニア州、サニー
ベイル、ロックスナート、ウエイ、ナンバ
ー５、180
Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AA11 BA01 BA02 BA09
BB02 BB09 BC02 CB01 CB03
DA17
4M106 AA01 AA13 CA48 DH03 DH57
DJ38
【要約の続き】
測定することにより決定される。この測定に基づいて、
プロセス変量の前記セットは、個々のウェハが研磨され
ていることから前記製品ウェハの前記ＣＭＰプロセスを
最適化するために、製品ウェハの剥離速度および剥離均
一性の測定にしたがって調整されている。
Claims (10)
- 【請求項１】 ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）機械での半導体ウェハのＣＭＰ処
理を最適化する方法であって、 ａ）一連のテスト用のウェハをＣＭＰ機械上で研磨し、 ｂ）各ウェハの中心に最も近似する第１の点での膜の厚さを決定し、 ｃ）各ウェハの外周縁に最も近似する第２の点での膜の厚さを決定し、 ｄ）前記第１の点および前記第２の点で膜の厚さに基づいて、ウェハに与えら
れる下方への力の量を含むプロセス変量のセットに関する剥離速度および剥離均
一性を記述する研磨プロファイルを決定し、 ｅ）前記研磨プロファイルにしたがって前記ＣＭＰ機械上の製品ウェハを研磨
し、 ｆ）前記製品ウェハの中心における膜厚および前記ウェハの外周縁における膜
厚を決定することにより、製品ウェハの剥離速度および剥離均一性を決定し、 ｇ）前記製品ウェハの前記ＣＭＰプロセスを最適化するために、前記ステップ
ｆ）で決定された、前記製品ウェハのための前記剥離速度および前記剥離均一性
に基づいて前記プロセス変量のセットを調整する、 ステップを備える方法。 - 【請求項２】 前記ＣＭＰ機械は、このＣＭＰ機械に前記最適化方法を行なわせるコンピュー
タ読み取り可能な指令を実行するコンピュータシステムを含み、前記方法におけ
る前記ステップｄ）において、前記プロセス変量はまた、前記ＣＭＰ機械の研磨
パッドの回転速度を含んでいる請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 前記プロセス変量は、ウェハの回転速度を含んでいる請求項１または２に記載
の方法。 - 【請求項４】 前記プロセス変量は、ＣＭＰ機械の研磨パッドの回転速度を含んでいる請求項
１または２に記載の方法。 - 【請求項５】 研磨プロファイルは、前記ウェハの外周縁での明確な時間および前記ウェハの
中心での明確な時間を記述する情報を含む請求項１または２に記載の方法。 - 【請求項６】 前記剥離速度を特定の範囲内で維持するために、研磨プロファイルに関するプ
ロセス変量の前記セットを調整するステップをさらに備える請求項１または２に
記載の方法。 - 【請求項７】 前記剥離の均一性を特定の範囲内で維持するために、研磨プロファイルに関す
るプロセス変量の前記セットを調整するステップをさらに備える請求項１または
２に記載の方法。 - 【請求項８】 前記ステップｂ）で決定された前記第１の点での膜厚と、前記ステップｃ）で
決定された前記第２の点での膜厚と、を用いることにより、研磨のための終了点
を決定するステップをさらに備える請求項１または２に記載の方法。 - 【請求項９】 前記研磨プロファイルは、前記剥離速度および前記剥離の均一性に影響を与え
る前記プロセス変量を考慮する実験装置の設計を実行することにより決定される
請求項１または２に記載の方法。 - 【請求項１０】 前記ステップｂ）は前記ＣＭＰ機械に設けられた膜厚検出器を用いて行なわれ
ると共に、前記ステップｃ）およびｆ）は前記膜厚検出器を用いて行なわれる請
求項１に記載の方法。
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