研磨方法
【課題】半導体基板上に形成されるごく薄い導電性膜から比較的厚い導電性膜まで正確に膜厚等の検出を行いながら該導電性膜を研磨する研磨方法を提供する。
【解決手段】基準ウエハのインピーダンスを渦電流センサ１０で計測することで、渦電流センサ１０のインピーダンスと、センサコイルに供給すべき交流電流の周波数と、膜厚との関係を較正し、渦電流センサ１０は、センサコイルに一定周波数の交流電流を供給して研磨対象物上の導電性膜に渦電流を形成し、センサコイルの両端子から見た導電性膜を含めたインピーダンスを計測し、研磨対象物上の導電性膜を含めたインピーダンスの変化から、導電性膜の膜厚変化を検出する。
【解決手段】基準ウエハのインピーダンスを渦電流センサ１０で計測することで、渦電流センサ１０のインピーダンスと、センサコイルに供給すべき交流電流の周波数と、膜厚との関係を較正し、渦電流センサ１０は、センサコイルに一定周波数の交流電流を供給して研磨対象物上の導電性膜に渦電流を形成し、センサコイルの両端子から見た導電性膜を含めたインピーダンスを計測し、研磨対象物上の導電性膜を含めたインピーダンスの変化から、導電性膜の膜厚変化を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体基板の研磨方法に係り、特に半導体ウエハ等の基板の表面に形成した導電性膜の膜厚等を検出するのに好適な渦電流センサを用いた研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に配線回路を形成するために、銅めっきを行い、形成された銅めっき層のうち、不要部分を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去し、銅配線層を形成するプロセスが知られている。このような場合に、化学機械研磨（ＣＭＰ）において、銅めっき層の研磨の進行状況を正確に管理する必要がある。このような膜厚管理として、光学的センサを用いた方法や、導電性膜に生じる渦電流の大きさから導電性膜の膜厚を計測する渦電流センサを用いた方法等が知られている。
【０００３】
光学的センサを用いた方法においては、光の波長を基準として膜厚を計測するため、正確な膜厚の検出が可能である。ところが、例えば上述の化学機械研磨において、研磨中の半導体基板上の導電性膜の膜厚を検出するためには、研磨途中の基板を直接観測可能な位置に開口等を設ける必要がある。しかしながら、化学機械研磨装置にそのような開口を設けることは、装置の研磨特性上好ましいことではない。
【０００４】
一方で、渦電流センサは、例えば化学機械研磨装置における研磨工具の内部に装着することも可能であり、研磨中の半導体基板の研磨の状況を非接触で研磨工具に開口等を設けることなく観測することが可能である。しかしながら、一般に渦電流センサは半導体基板の表面に設けられた導電性膜に渦電流を形成し、この渦電流により間接的に膜厚の計測を行うものであるので、正確な膜厚の検出が困難であるという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、半導体基板上に形成されるごく薄い導電性膜から比較的厚い導電性膜まで正確に膜厚等の検出を行いながら該導電性膜を研磨する研磨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】
【０００６】
上述の目的を達成するため、本発明は、研磨対象物をトップリングにより保持し、該研磨対象物を研磨面に押圧して研磨する研磨方法であって、基準ウエハのインピーダンスを渦電流センサで計測することで、前記渦電流センサのインピーダンスと、センサコイルに供給すべき交流電流の周波数と、膜厚との関係を較正し、前記渦電流センサは、前記センサコイルに一定周波数の交流電流を供給して前記研磨対象物上の導電性膜に渦電流を形成し、前記センサコイルの両端子から見た前記導電性膜を含めたインピーダンスを計測し、前記研磨対象物上の前記導電性膜を含めたインピーダンスの変化から、前記導電性膜の膜厚変化を検出することを特徴とする。
【０００７】
渦電流センサは、導電性膜の近傍に配置されるセンサコイルと、該センサコイルに交流信号を供給して前記導電性膜に渦電流を形成する信号源と、前記導電性膜に形成された渦電流を前記センサコイルにより検出する検出回路とを備えることが好ましい。
【０００８】
発振周波数は固定したままで、例えば極薄領域の抵抗成分の変化を見ることで、その領域の膜厚の変化を直線的に良好な感度で検出することが可能である。また、導電性膜の比較的厚い膜厚領域において、リアクタンス成分の変化を見ることで、その領域の膜厚の変化を直線的に良好な感度で検出することが可能である。また、抵抗成分とリアクタンス成分を含めたインピーダンスの変化を見ることで、極薄の膜厚から比較的厚い膜厚まで、広いダイナミックレンジで膜厚の変化を直線的に良好な感度で検出することが可能である。
例えば、高比抵抗の薄い膜厚の導電性膜における渦電流損の検出が可能となり、バリア層を構成するタンタル（Ｔａ）等のオングストロームオーダの薄膜の研磨状態を検出することができる。それ故、半導体ウエハ等を研磨するポリッシング装置において、渦電流センサを用いて、格段に精度の高い研磨終点の検出が行える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、導電性膜の検出を極薄膜から比較的厚い膜迄高精度で行える。これにより、例えば半導体ウエハ上に形成されるバリア層等の極薄の高抵抗層の研磨時の膜厚管理も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図１乃至図１３を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
図１（ａ）は、本発明の実施形態の渦電流センサを示す。検出対象の導電性膜１の近傍にセンサコイル２を配置し、そのコイルに交流信号源３を接続した状態を示す。ここで、検出対象の導電性膜１は例えば半導体ウエハＷ上に形成された厚さが０〜１μｍ程度の銅めっき膜、或いはその下地に形成された厚さがオングストロームオーダのバリア層である。バリア層は、Ｔａ，ＴａＮ，Ｔｉｎからなる高抵抗層であり、この膜厚検出は上述した化学機械研磨における終点を正確に検出する上で重要である。センサコイル２は、１〜数ターンのコイルであり、検出対象の導電性膜に対して例えば１０〜２０ｍｍ程度の近傍に配置される。交流信号源３は、８〜３２ＭＨｚ程度の固定周波数の発振器であり、例えば水晶発振器が用いられる。
【００１２】
また、センサコイル２の端部には、導電性膜１に形成された渦電流を前記センサコイルにより検出する同期検波回路５が接続されている。この同期検波回路５は、導電性膜１を含めてセンサコイル２側を見たインピーダンスを計測することが可能である。
【００１３】
図１（ｂ）は、交流信号源とセンサコイルと導電性膜との間の等価回路を示す。交流信号源３により供給される交流電圧により、センサコイル２に電流Ｉ１が流れる。導電性膜１の近傍に配置されたコイル２に電流が流れることで、この磁束が導電性膜１と鎖交することでその間に相互インダクタンスＭが形成され、導電性膜１中に渦電流Ｉ２が流れる。ここでＲ１はセンサコイルを含む一次側の等価抵抗であり、Ｌ１は同様にセンサコイルを含む一次側の自己インダクタンスである。導電性膜１側では、Ｒ２は渦電流損に相当する等価抵抗であり、Ｌ２はその自己インダクタンスである。交流信号源３の端子ａ，ｂからセンサコイル側を見たインピーダンスＺは、導電性膜１中に形成される渦電流損の大きさによって変化する。
【００１４】
図２は、交流信号源側から見たインピーダンスＺの変化を示す。横軸は抵抗成分（Ｒ）であり、縦軸はリアクタンス成分（Ｘ）である。点Ａは膜厚が例えば１００μｍ以上と極めて大きい場合である。この場合には、交流信号源３の端子ａ，ｂからセンサコイル２側を見たインピーダンスＺは、センサコイルに近接して配置された導電性膜１の渦電流が極めて大きく、センサコイル２と等価的に並列に接続された抵抗成分（Ｒ２）とリアクタンス成分ｊω（Ｍ＋Ｌ２）が極めて小さくなる。従って、抵抗成分（Ｒ）およびリアクタンス成分（Ｘ）が共に小さくなる。
【００１５】
研磨が進行し導電性膜が薄くなると、センサコイル入力端（端子ａ，ｂ）から見たインピーダンスＺは、抵抗成分（Ｒ２）が増大し、リアクタンス成分ｊω（Ｍ＋Ｌ２）も増大する。センサコイル入力端から見たインピーダンスＺの抵抗成分（Ｒ）が最大となる点をＢで示す。この時、センサコイル入力端から見た渦電流損が最大となる。さらに研磨が進行し、導電性膜がより薄くなると、渦電流が減少し、センサコイルから見た抵抗成分は、渦電流損が徐々に減少することから、抵抗（Ｒ）成分は徐々に小さくなる。そして、導電性膜が全て研磨により除去されると、そこには渦電流損が存在せず、等価的に並列接続された抵抗成分（Ｒ２）は無限大となり、センサコイル自体の抵抗分（Ｒ１）のみが残ることになる。この時のリアクタンス成分（Ｘ）は、センサコイル自体のリアクタンス成分（Ｌ１）である。この状態を、点Ｃで示す。
【００１６】
実際に、例えばシリコン酸化膜中に設けられた溝に銅配線を、いわゆるダマシンプロセスで形成する場合には、シリコン酸化膜上に窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等のバリア層が設けられ、その上に導電率の高い銅またはタングステン等の金属配線が設けられる。従って、これらの導電性膜の研磨にあたっては、バリア層の研磨の終点検出が重要となる。ところが、バリア層は上述したように窒化タンタル（ＴａＮ）または窒化チタン（ＴｉＮ）等の導電率が比較的低く、かつ膜厚がオングストロームオーダの極めて薄い膜が採用されている。
【００１７】
本発明の実施形態の渦電流センサにおいては、このようなバリア層の研磨終点近傍の膜厚検出が容易に可能となる。即ち、図２に示す、点Ｄは例えば膜厚が１０００Å程度の位置を示し、これより膜厚がゼロとなる、点Ｃに向けて、膜厚の変化に対応して抵抗成分の変化が極めて大きく、かつ略直線的に変化する。この時に、リアクタンス成分（Ｘ）は、図示するように抵抗成分と比較して、極めて変化量が小さい。このため、リアクタンス分の変化に伴って生じる発振周波数の変化に基づいて膜厚を検出するという原理に基づく従来の渦電流センサでは、この膜厚変化に対して発振周波数の変化は極めて小さい。このため、周波数変化の分解能を上げるためには、周波数を高くする必要があった。しかしながら、この渦電流センサによれば、発振周波数は固定したままで、抵抗成分の変化を見ることにより膜厚の変化を検出するものであるので、比較的低い周波数でこの極めて薄い膜厚の研磨状態を明瞭に観察することが可能となる。
【００１８】
図３は、オングストロームオーダの微細な導電性層の膜厚の検出結果を示す。それぞれ横軸は残膜厚を示し、縦軸の実線は抵抗成分（Ｒ）を示し、点線はリアクタンス成分（Ｘ）を示している。図３（ａ）は、タングステン（Ｗ）膜に関するデータであり、１０００Å以下の微細な残膜厚で抵抗成分の変化を見ることにより明瞭に膜厚の変化を検出できることがわかる。図３（ｂ）は、窒化チタン（ＴｉＮ）膜に関するデータであり、同様に１０００Å以下の領域で膜厚の変化を明瞭に検出できる。図３（ｃ）は、チタン（Ｔｉ）膜に関するデータであり、図示するように、膜厚が５００〜０Åに変化する間に、その抵抗成分が大幅に変化することで、明瞭にその膜厚の変化を検出することができる。
【００１９】
交流信号源の発振周波数は、導電率が比較的低いバリア層の検出では、発振周波数を例えば３２ＭＨｚ程度に高くすることが望ましい。発振周波数を高くすることにより、バリア層の０〜２５０Åの膜厚の変化を明瞭に観察することができる。これに対して、例えば銅膜等の導電率が比較的高い金属においては、８ＭＨｚ程度の低い発振周波数でも明瞭に膜厚の変化の検出が可能である。また、タングステン膜の場合には、１６ＭＨｚ程度の発振周波数が好適である。このように、研磨対象膜の種類に対応して、発振周波数を選択することが好ましい。
【００２０】
図３に示す各例において、抵抗成分（Ｒ）の変化に対して、リアクタンス成分（Ｘ）の変化は極めて小さい。バリア層の膜厚検出例で、タンタル膜において、残膜厚が０Åと２５０Åでリアクタンス成分（Ｘ）の変化は、０．００５％であった。これに対して抵抗成分（Ｒ）の変化は、１．８％であった。よって、検出感度の向上はリアクタンス成分の変化を見る方式に対して、約３６０倍検出感度が向上することになる。
【００２１】
図４は、交流信号源側からセンサコイル側を見たインピーダンスＺの計測回路例を示す。上述した膜厚の検出例は、主として抵抗成分（Ｒ）の変化に着目したものであるが、図４に示すインピーダンスＺの計測回路においては、膜厚の変化に伴う抵抗成分（Ｒ）、リアクタンス成分（Ｘ）、振幅出力（Ｚ）および位相出力（ｔａｎ−１Ｒ／Ｘ）を取り出すことができる。従って、これらの信号出力を用いることで、例えば振幅の大きさにより膜厚を計測するなど、より多面的な研磨の進行状況のチェックが可能となる。
【００２２】
センサコイル２は検出対象の導電性膜１を備えた半導体ウエハＷの近傍に配置される。センサコイル２に交流信号を供給する信号源３は、水晶発振器からなる固定周波数の発振器であり、例えば、８，１６，３２ＭＨｚの固定周波数の電圧を供給する。信号源３で形成される交流電圧は、バンドパスフィルタ１０２を介してセンサコイル２に供給される。センサコイル２の端子で検出された信号は、高周波アンプ１０３および位相シフト回路１０４を経て、ｃｏｓ同期検波回路１０５およびｓｉｎ同期検波回路１０６からなる同期検波部により検出信号のｃｏｓ成分とｓｉｎ成分とが取り出される。ここで、信号源３で形成される発振信号は、位相シフト回路１０４により信号源３の同相成分（０゜）と直交成分（９０゜）の２つの信号が形成され、それぞれｃｏｓ同期検波回路１０５とｓｉｎ同期検波回路１０６とに導入され、上述の同期検波が行われる。
【００２３】
同期検波された信号は、ローパスフィルタ１０７，１０８により、信号成分以上の不要な高周波成分が除去され、ｃｏｓ同期検波出力である抵抗成分（Ｒ）出力と、ｓｉｎ同期検波出力であるリアクタンス成分（Ｘ）出力とがそれぞれ取り出される。また、ベクトル演算回路１０９により、抵抗成分（Ｒ）出力とリアクタンス成分（Ｘ）出力とから振幅出力（√Ｒ２＋Ｘ２）が得られる。また、ベクトル演算回路１１０により、同様に抵抗成分出力とリアクタンス成分出力とから位相出力（ｔａｎ−１Ｒ／Ｘ）が得られる。
【００２４】
図５は、本発明の渦電流センサにおけるセンサコイルの構成例を示す。センサコイル１０は、導電性膜に渦電流を形成するためのコイルと、導電性膜の渦電流を検出するためのコイルとを分離したもので、ボビン１１に巻回された３層のコイル１２，１３，１４により構成されている。ここで中央のコイル１２は、交流信号源３に接続される発振コイルである。この発振コイル１２は、交流信号源３より供給される電流の形成する磁界により、近傍に配置される半導体ウエハＷ上の導電性膜１に渦電流を形成する。ボビン１１の上側（導電性膜側）には、検出コイル１３が配置され、導電性膜に形成される渦電流により発生する磁界を検出する。そして、発振コイル１２の検出コイル１３と反対側にはバランスコイル１４が配置されている。
【００２５】
コイル１２，１３，１４は、この実施形態においては同じターン数（例えば４ターン）のコイルにより形成され、検出コイル１３とバランスコイル１４とは互いに逆相に接続されている。従って、コイル１３，１４に鎖交する同一磁束に対して、発生する起電力が互いに打ち消し合うように結線されている。コイル１２，１３，１４の直径は、例えば１５ｍｍ程度である。
【００２６】
図６は、各コイルの接続例を示す。検出コイル１３とバランスコイル１４とは、上述したように直列回路を構成し、その両端は図６に示すように可変抵抗１６を含む抵抗ブリッジ回路１７に接続されている。可変抵抗１６の抵抗値を調整することで、コイル１３，１４からなる直列回路の出力電圧が、導電性膜が存在しないときにはゼロとなるように調整可能としている。コイル１２は交流信号源３に接続され、交番磁束を生成することで、近傍に配置される導電性膜１に渦電流を形成する。即ち、センサコイル１０の近傍に導電性膜が存在せず、ここに渦電流が形成されていないときには、互いに逆相に接続されたコイル１３，１４からなる直列回路の出力がゼロとなるように可変抵抗１６を調整する。従って、コイル１２が交番磁束を発生させても、コイル１３，１４の互いに逆相に接続された直列回路には出力は現れない。
【００２７】
そして、導電性膜が検出コイル１３の近傍に存在する時には、導電性膜中に形成される渦電流によって生じる磁束が検出コイル１３とバランスコイル１４とに鎖交するが、検出コイル１３のほうが導電性膜に近い位置に配置されているので、両コイル１３，１４に生じる誘起電圧のバランスが崩れ、これにより導電性膜の渦電流によって形成される鎖交磁束を検出することができる。即ち、交流信号源に接続された発振コイル１２から、検出コイル１３とバランスコイル１４との直列回路を分離して、抵抗ブリッジ回路でバランスの調整を行うことで、ゼロ点の調整が可能である。従って、導電性膜に流れる渦電流をゼロの状態から検出することが可能になるので、導電性膜中の渦電流の検出感度が高められる。これにより、広いダイナミックレンジで導電性膜に形成される渦電流の大きさの検出が可能となる。
【００２８】
図７は、導電性膜の膜厚の変化に伴うセンサコイル１０の検出端子側に現れる同期検波出力を示すもので、図７（ａ）は、導電性膜の膜厚の変化に対するリアクタンス分（Ｘ＝ωＬ）の変化を示す。膜厚の変化に対するリアクタンス分の変化の関係は、膜厚が厚い方から薄い方に変化するに従ってリアクタンス分Ｘが図示するように変化する。即ち、導電性膜の膜厚は、極薄膜厚の領域（ａ）ではリアクタンス分の変化（Ｘ＝ωＬ）が少なく、膜厚が厚くなる領域（ｂ）ではリアクタンス分の変化（Ｘ＝ωＬ）は大きくなる。さらにそれ以上の膜厚の領域（ｃ）ではリアクタンス分の変化（Ｘ＝ωＬ）は飽和する。
【００２９】
図７（ｂ）は、導電性膜の膜厚の変化に対する抵抗分の変化を示す。膜厚の変化に対する抵抗分の変化の関係は、膜厚が厚い方から薄い方に変化するに従って、抵抗分Ｒが図示するように変化する。即ち、極薄膜厚の領域（ａ）では抵抗分Ｒの出力が直線的に大きく変化し、ある厚さの領域（ｂ）になると抵抗分Ｒの変化は飽和し、更に膜厚が厚くなる領域（ｃ）においては抵抗分Ｒの出力が低下する。ここで、銅膜の場合は、（ａ）点が約１０００Å程度を示し、（ｂ）点が２０００−３０００Åを示し、（ｃ）点が５０００Å以上を示す。
【００３０】
抵抗成分とリアクタンス成分の出力をそれぞれ二乗し、平方することでベクトル演算回路により導電性膜の膜厚に対応した合成インピーダンスＺを出力することが可能である。図７（ｃ）は、導電性膜の膜厚と合成インピーダンスＺとの関係を示す。図７（ｃ）から明らかなように、合成インピーダンスＺでは、膜厚の変化に対して出力が直線的に変化する領域が、図７（ａ）または（ｂ）の抵抗分またはリアクタンス分を単独に計測するのと比較して格段に拡張する。即ち、合成インピーダンスＺによれば、ダイナミックレンジの広い導電性膜の膜厚の計測が可能になる。
【００３１】
図８は、これらの渦電流センサを備えたポリッシング装置の全体構成を示す縦断面図である。図８に示されるように、ポリッシング装置は、ターンテーブル２１と、半導体ウエハＷを保持しつつターンテーブル２１の研磨布２２に押圧するトップリング（保持具）２５とを具備している。ターンテーブル２１はモータ２７に連結されており、矢印で示すようにその軸心回わりに回転可能になっている。また、トップリング２５は、モータ（図示せず）に連結されるとともに昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これによって、トップリング２５は、矢印で示すように昇降可能かつその軸心回りに回転可能になっており、半導体ウエハＷを研磨布２２に対して任意の圧力で押圧することができるようになっている。トップリング２５はトップリングシャフト３２に連結されており、またトップリング２５はその下面にポリウレタン等の弾性マット２７を備えている。またトップリング２５の下部外周部には、半導体ウエハＷの外れ止めを行うガイドリング２６が設けられている。また、ターンテーブル２１の上方には研磨砥液ノズル２８が設置されており、研磨砥液ノズル２８によってターンテーブル２１に貼設された研磨布２２上に研磨砥液Ｑが供給されるようになっている。
【００３２】
図８に示すように、ターンテーブル２１内にはセンサコイル１０が埋め込まれている。センサコイル１０の接続ケーブルは、ターンテーブル２１およびターンテーブル支持軸２１ａ内を通り、ターンテーブル支持軸２１ａの軸端に設けられたロータリコネクタ（またはスリップリング）３４を経由してコントローラ３５に接続されている。コントローラ３５は交流信号源および同期検波回路を含み、その出力は表示装置（ディスプレイ）３６に接続されている。
【００３３】
図９は、図８に示すポリッシング装置の平面図である。図示するように、センサコイル１０ａ〜１０ｆ（２，１０）は、トップリング２５に保持された研磨中の半導体ウエハＷの中心Ｃｗを通過する位置に、この場合は６ヶ所に設置されている。符号ＣＴはターンテーブル２１の回転中心である。センサコイル１０ａ〜１０ｆは、半導体ウエハＷの下方を通過している間、通過軌跡上で連続的に半導体ウエハＷのＣｕ層およびバリア層等の導電性膜の膜厚を検出できるようになっている。ここで、センサコイルの周波数を高低の複数種類用いるようにしてもよい。これにより、高い方でバリア層の膜厚変化を主として検出し、低い方で導電層の膜厚変化を主として検出する等の管理を行うことができる。
【００３４】
この場合は、センサコイルを６ヶ所に配置しているが、配置数は適宜変更することができる。また、ターンテーブルに研磨布を配置した例について説明したが、固定砥粒プレートを用いるようにしてもよい。また、この場合には固定砥粒プレート内にセンサコイルを配置するようにしてもよい。なお、ターンテーブルは１テーブルでなく複数テーブルタイプにも対応可能である。また、ターンテーブルは研磨面を有するベルトやウエブ（Ｗｅｂ）に代用できる。
【００３５】
上記構成のポリッシング装置において、トップリング２５の下面に半導体ウエハＷを保持させ、半導体ウエハＷを回転しているターンテーブル２１の上面の研磨布２２に昇降シリンダにより押圧する。一方、研磨砥液ノズル２８から研磨砥液Ｑを流すことより、研磨布２２に研磨砥液Ｑが保持されており、半導体ウエハＷの被研磨面（下面）と研磨布２２の間に研磨砥液Ｑが存在した状態でポリッシングが行われる。
【００３６】
この研磨中に、センサコイル１０ａ〜１０ｆは、ターンテーブル２１が一回転する毎にそれぞれ半導体ウエハＷの被研磨面の直下を通過する。この場合、センサコイル１０ａ〜１０ｆは半導体ウエハＷの中心Ｃｗを通る軌道上に設置されているため、センサの移動に伴って半導体ウエハＷの被研磨面の円弧状の軌道上で連続的に膜厚検出が可能である。そして、この場合には、センサコイルが６ヶ所に設けられているので、断続的にではあるが短い間隔で研磨の進行状況をいずれかのセンサコイルで検出できる。
【００３７】
従来の渦電流センサを用いた終点検出方法では、該渦電流センサをトップリング内に設けていたため、半導体ウエハ上に形成されたＣｕ層等の導電性膜の膜厚はセンサコイルの直下しか計測できないという欠点があった。この場合、トップリング側に埋め込むセンサの数を増やせば、膜厚の計測箇処は増加するが、それでも、互いに離間した複数点（または多数点）の断続的な計測値が得られるにすぎず、連続したプロファイルとしての計測値を得ることができないという問題点があった。またセンサ数の増加に伴って、装置コストが増加するとともに信号処理が複雑になるという問題点があった。ターンテーブルにセンサコイルを配置した本方式では、研磨中に、センサコイルは、ターンテーブルが一回転する間に半導体基板の被研磨面の直下を通過する。この場合、センサコイルは半導体基板の中心を通る軌道上に設置されているため、センサコイルに対する相対的移動に伴って半導体基板の被研磨面の円弧状の軌道上で連続的に膜厚検出が可能である。
【００３８】
図１０（ａ）（ｂ）に示すように、研磨が進行するにつれて、センサコイル１０ａ〜１０ｆの信号をコントローラ３５で処理した値は漸次減少してゆく。即ち、導電性膜の膜厚が減少するにつれて、センサコイル１０ａ〜１０ｆの信号をコントローラ３５で処理した値である検出値が減少してゆく。したがって、予め、導電性膜が配線部を除いて除去されたときの検出値の値を調べておけば、検出出力の値をモニターすることにより、ＣＭＰプロセスの終点を検出できる。
【００３９】
図１１は、膜厚と発振周波数との関係を較正した例を示す。例えば、１０００Å（ｔ１）または２００Å（ｔ２）等の基準ウエハを準備し、この基準ウエハにおける検出出力を測定し、これらの点を基準点とする。そして、実際の研磨の進行状況に伴う検出出力に対する膜厚変化のデータを取得し、これを点線で示す。この検出出力は、抵抗成分出力、リアクタンス成分出力、インピーダンス（振幅）出力、位相出力が可能である。このデータを上記基準点に対して最小二乗法等の手法によりカーブを形成する。このような手法により、渦電流センサの特性を較正しておくことで、検出出力の変化から直接膜厚の変化を読みとることが可能となる。
このような渦電流センサを多数備えたポリッシング装置によれば、終点検出を半導体ウエハの全面について行うことができ、且つ短時間間隔で行うことができる。そして、上述したようにバリア層であるＴａ、ＴａＮ、ＴｉＮ層等の研磨終点を検出できるので、極めて高精度の研磨終点の検出を行える。
【００４０】
また、導電性膜が配線部を除いて除去されることを渦電流センサと光学式センサの両者からの信号を処理し、モニターすることにより検出し、ＣＭＰプロセスの終点を決定するようにしてもよい。図１２は、このようなポリッシング装置の構成例を示す。ベルト状研磨パッド４１がローラ４２，４３により回転駆動され、トップリング（保持具）４５に保持された研磨対象物（半導体ウエハ）が回転しつつ研磨パッド４１に押圧される。研磨対象物の被研磨面は研磨パッド（研磨面）に摺接され、これにより研磨が進行する。トップリングの直下には、上記渦電流センサと光学式センサを備えた支持体４６が配置され、被研磨面の表面状態をモニタする。ここで、穴４７（図１２（ａ）参照）および切欠き４８（図１２（ｂ）参照）は、光学式センサが研磨面の表面状態を観察するためのものである。
【００４１】
本実施の形態においては、導電性膜としてＣｕ層およびバリア層について説明したが、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ等の他の金属であってもよい。また、（１）渦電流センサ信号、（２）ターンテーブルモータもしくはトップリングモータの電流信号、（３）テーブル内もしくはテーブル外に設けた光学的手段による研磨面への入射および反射の光学信号、（４）研磨面の温度信号を単独または適切なる組合せにより使用することにより、研磨終点の検出性能を向上させることもできる。
【００４２】
図１３は、本発明の渦電流センサをめっき槽に配置した例を示す。めっき槽５１には金属めっき膜を被着する半導体ウエハＷが配置され、治具５２に固定されている。治具５２の内部にはセンサコイル１０が配置され、コントローラ５３に接続されている。コントローラ５３には交流信号源および同期検波回路を備え、半導体ウエハＷ上に被着する金属めっき膜の膜厚を検出する。これにより、めっき膜の形成状況を非接触で確実に把握することができる。
【００４３】
なお、本発明の渦電流センサは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態の渦電流センサの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す渦電流センサによる膜厚の変化に伴う抵抗成分（Ｒ）・リアクタンス成分（Ｘ）の推移軌跡を示す図である。
【図３】膜厚の変化による抵抗成分（Ｒ）およびリアクタンス成分（Ｘ）の変化例を示す図である。
【図４】同期検波回路の構成例を示す図である。
【図５】センサコイルの構成例を示す図である。
【図６】図５に示すセンサコイルの接続例を示す図である。
【図７】導電性膜の膜厚と同期検波出力の関係を示すグラフであり、（ａ）はリアクタンス成分の変化を示し、（ｂ）は抵抗成分の変化を示し、（ｃ）はインピーダンス（振幅）の変化を示す。
【図８】本発明の渦電流センサを備えたポリッシング装置の全体構成を示す縦断面図である。
【図９】図８に示すポリッシング装置のターンテーブルの平面図である。
【図１０】図８に示す装置における発振信号の検出例を示す図である。
【図１１】渦電流センサの検出出力と膜厚の較正例を示す図である。
【図１２】本発明の渦電流センサを備えた他のポリッシング装置の構成例を示す斜視図である。
【図１３】本発明の渦電流センサを備えためっき槽を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 導電性膜
２，１０（１０ａ〜１０ｆ） 渦電流センサ（センサコイル）
３ 交流信号源
５ 同期検波回路
１１ ボビン
１２ 発振コイル
１３ 検出コイル
１４ バランスコイル
１６ 可変抵抗
１７ 抵抗回路網
１０５ ｃｏｓ同期検波回路
１０６ ｓｉｎ同期検波回路
１０９，１１０ ベクトル演算回路
Ｗ 半導体ウエハ
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体基板の研磨方法に係り、特に半導体ウエハ等の基板の表面に形成した導電性膜の膜厚等を検出するのに好適な渦電流センサを用いた研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に配線回路を形成するために、銅めっきを行い、形成された銅めっき層のうち、不要部分を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去し、銅配線層を形成するプロセスが知られている。このような場合に、化学機械研磨（ＣＭＰ）において、銅めっき層の研磨の進行状況を正確に管理する必要がある。このような膜厚管理として、光学的センサを用いた方法や、導電性膜に生じる渦電流の大きさから導電性膜の膜厚を計測する渦電流センサを用いた方法等が知られている。
【０００３】
光学的センサを用いた方法においては、光の波長を基準として膜厚を計測するため、正確な膜厚の検出が可能である。ところが、例えば上述の化学機械研磨において、研磨中の半導体基板上の導電性膜の膜厚を検出するためには、研磨途中の基板を直接観測可能な位置に開口等を設ける必要がある。しかしながら、化学機械研磨装置にそのような開口を設けることは、装置の研磨特性上好ましいことではない。
【０００４】
一方で、渦電流センサは、例えば化学機械研磨装置における研磨工具の内部に装着することも可能であり、研磨中の半導体基板の研磨の状況を非接触で研磨工具に開口等を設けることなく観測することが可能である。しかしながら、一般に渦電流センサは半導体基板の表面に設けられた導電性膜に渦電流を形成し、この渦電流により間接的に膜厚の計測を行うものであるので、正確な膜厚の検出が困難であるという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、半導体基板上に形成されるごく薄い導電性膜から比較的厚い導電性膜まで正確に膜厚等の検出を行いながら該導電性膜を研磨する研磨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】
【０００６】
上述の目的を達成するため、本発明は、研磨対象物をトップリングにより保持し、該研磨対象物を研磨面に押圧して研磨する研磨方法であって、基準ウエハのインピーダンスを渦電流センサで計測することで、前記渦電流センサのインピーダンスと、センサコイルに供給すべき交流電流の周波数と、膜厚との関係を較正し、前記渦電流センサは、前記センサコイルに一定周波数の交流電流を供給して前記研磨対象物上の導電性膜に渦電流を形成し、前記センサコイルの両端子から見た前記導電性膜を含めたインピーダンスを計測し、前記研磨対象物上の前記導電性膜を含めたインピーダンスの変化から、前記導電性膜の膜厚変化を検出することを特徴とする。
【０００７】
渦電流センサは、導電性膜の近傍に配置されるセンサコイルと、該センサコイルに交流信号を供給して前記導電性膜に渦電流を形成する信号源と、前記導電性膜に形成された渦電流を前記センサコイルにより検出する検出回路とを備えることが好ましい。
【０００８】
発振周波数は固定したままで、例えば極薄領域の抵抗成分の変化を見ることで、その領域の膜厚の変化を直線的に良好な感度で検出することが可能である。また、導電性膜の比較的厚い膜厚領域において、リアクタンス成分の変化を見ることで、その領域の膜厚の変化を直線的に良好な感度で検出することが可能である。また、抵抗成分とリアクタンス成分を含めたインピーダンスの変化を見ることで、極薄の膜厚から比較的厚い膜厚まで、広いダイナミックレンジで膜厚の変化を直線的に良好な感度で検出することが可能である。
例えば、高比抵抗の薄い膜厚の導電性膜における渦電流損の検出が可能となり、バリア層を構成するタンタル（Ｔａ）等のオングストロームオーダの薄膜の研磨状態を検出することができる。それ故、半導体ウエハ等を研磨するポリッシング装置において、渦電流センサを用いて、格段に精度の高い研磨終点の検出が行える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、導電性膜の検出を極薄膜から比較的厚い膜迄高精度で行える。これにより、例えば半導体ウエハ上に形成されるバリア層等の極薄の高抵抗層の研磨時の膜厚管理も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図１乃至図１３を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
図１（ａ）は、本発明の実施形態の渦電流センサを示す。検出対象の導電性膜１の近傍にセンサコイル２を配置し、そのコイルに交流信号源３を接続した状態を示す。ここで、検出対象の導電性膜１は例えば半導体ウエハＷ上に形成された厚さが０〜１μｍ程度の銅めっき膜、或いはその下地に形成された厚さがオングストロームオーダのバリア層である。バリア層は、Ｔａ，ＴａＮ，Ｔｉｎからなる高抵抗層であり、この膜厚検出は上述した化学機械研磨における終点を正確に検出する上で重要である。センサコイル２は、１〜数ターンのコイルであり、検出対象の導電性膜に対して例えば１０〜２０ｍｍ程度の近傍に配置される。交流信号源３は、８〜３２ＭＨｚ程度の固定周波数の発振器であり、例えば水晶発振器が用いられる。
【００１２】
また、センサコイル２の端部には、導電性膜１に形成された渦電流を前記センサコイルにより検出する同期検波回路５が接続されている。この同期検波回路５は、導電性膜１を含めてセンサコイル２側を見たインピーダンスを計測することが可能である。
【００１３】
図１（ｂ）は、交流信号源とセンサコイルと導電性膜との間の等価回路を示す。交流信号源３により供給される交流電圧により、センサコイル２に電流Ｉ１が流れる。導電性膜１の近傍に配置されたコイル２に電流が流れることで、この磁束が導電性膜１と鎖交することでその間に相互インダクタンスＭが形成され、導電性膜１中に渦電流Ｉ２が流れる。ここでＲ１はセンサコイルを含む一次側の等価抵抗であり、Ｌ１は同様にセンサコイルを含む一次側の自己インダクタンスである。導電性膜１側では、Ｒ２は渦電流損に相当する等価抵抗であり、Ｌ２はその自己インダクタンスである。交流信号源３の端子ａ，ｂからセンサコイル側を見たインピーダンスＺは、導電性膜１中に形成される渦電流損の大きさによって変化する。
【００１４】
図２は、交流信号源側から見たインピーダンスＺの変化を示す。横軸は抵抗成分（Ｒ）であり、縦軸はリアクタンス成分（Ｘ）である。点Ａは膜厚が例えば１００μｍ以上と極めて大きい場合である。この場合には、交流信号源３の端子ａ，ｂからセンサコイル２側を見たインピーダンスＺは、センサコイルに近接して配置された導電性膜１の渦電流が極めて大きく、センサコイル２と等価的に並列に接続された抵抗成分（Ｒ２）とリアクタンス成分ｊω（Ｍ＋Ｌ２）が極めて小さくなる。従って、抵抗成分（Ｒ）およびリアクタンス成分（Ｘ）が共に小さくなる。
【００１５】
研磨が進行し導電性膜が薄くなると、センサコイル入力端（端子ａ，ｂ）から見たインピーダンスＺは、抵抗成分（Ｒ２）が増大し、リアクタンス成分ｊω（Ｍ＋Ｌ２）も増大する。センサコイル入力端から見たインピーダンスＺの抵抗成分（Ｒ）が最大となる点をＢで示す。この時、センサコイル入力端から見た渦電流損が最大となる。さらに研磨が進行し、導電性膜がより薄くなると、渦電流が減少し、センサコイルから見た抵抗成分は、渦電流損が徐々に減少することから、抵抗（Ｒ）成分は徐々に小さくなる。そして、導電性膜が全て研磨により除去されると、そこには渦電流損が存在せず、等価的に並列接続された抵抗成分（Ｒ２）は無限大となり、センサコイル自体の抵抗分（Ｒ１）のみが残ることになる。この時のリアクタンス成分（Ｘ）は、センサコイル自体のリアクタンス成分（Ｌ１）である。この状態を、点Ｃで示す。
【００１６】
実際に、例えばシリコン酸化膜中に設けられた溝に銅配線を、いわゆるダマシンプロセスで形成する場合には、シリコン酸化膜上に窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等のバリア層が設けられ、その上に導電率の高い銅またはタングステン等の金属配線が設けられる。従って、これらの導電性膜の研磨にあたっては、バリア層の研磨の終点検出が重要となる。ところが、バリア層は上述したように窒化タンタル（ＴａＮ）または窒化チタン（ＴｉＮ）等の導電率が比較的低く、かつ膜厚がオングストロームオーダの極めて薄い膜が採用されている。
【００１７】
本発明の実施形態の渦電流センサにおいては、このようなバリア層の研磨終点近傍の膜厚検出が容易に可能となる。即ち、図２に示す、点Ｄは例えば膜厚が１０００Å程度の位置を示し、これより膜厚がゼロとなる、点Ｃに向けて、膜厚の変化に対応して抵抗成分の変化が極めて大きく、かつ略直線的に変化する。この時に、リアクタンス成分（Ｘ）は、図示するように抵抗成分と比較して、極めて変化量が小さい。このため、リアクタンス分の変化に伴って生じる発振周波数の変化に基づいて膜厚を検出するという原理に基づく従来の渦電流センサでは、この膜厚変化に対して発振周波数の変化は極めて小さい。このため、周波数変化の分解能を上げるためには、周波数を高くする必要があった。しかしながら、この渦電流センサによれば、発振周波数は固定したままで、抵抗成分の変化を見ることにより膜厚の変化を検出するものであるので、比較的低い周波数でこの極めて薄い膜厚の研磨状態を明瞭に観察することが可能となる。
【００１８】
図３は、オングストロームオーダの微細な導電性層の膜厚の検出結果を示す。それぞれ横軸は残膜厚を示し、縦軸の実線は抵抗成分（Ｒ）を示し、点線はリアクタンス成分（Ｘ）を示している。図３（ａ）は、タングステン（Ｗ）膜に関するデータであり、１０００Å以下の微細な残膜厚で抵抗成分の変化を見ることにより明瞭に膜厚の変化を検出できることがわかる。図３（ｂ）は、窒化チタン（ＴｉＮ）膜に関するデータであり、同様に１０００Å以下の領域で膜厚の変化を明瞭に検出できる。図３（ｃ）は、チタン（Ｔｉ）膜に関するデータであり、図示するように、膜厚が５００〜０Åに変化する間に、その抵抗成分が大幅に変化することで、明瞭にその膜厚の変化を検出することができる。
【００１９】
交流信号源の発振周波数は、導電率が比較的低いバリア層の検出では、発振周波数を例えば３２ＭＨｚ程度に高くすることが望ましい。発振周波数を高くすることにより、バリア層の０〜２５０Åの膜厚の変化を明瞭に観察することができる。これに対して、例えば銅膜等の導電率が比較的高い金属においては、８ＭＨｚ程度の低い発振周波数でも明瞭に膜厚の変化の検出が可能である。また、タングステン膜の場合には、１６ＭＨｚ程度の発振周波数が好適である。このように、研磨対象膜の種類に対応して、発振周波数を選択することが好ましい。
【００２０】
図３に示す各例において、抵抗成分（Ｒ）の変化に対して、リアクタンス成分（Ｘ）の変化は極めて小さい。バリア層の膜厚検出例で、タンタル膜において、残膜厚が０Åと２５０Åでリアクタンス成分（Ｘ）の変化は、０．００５％であった。これに対して抵抗成分（Ｒ）の変化は、１．８％であった。よって、検出感度の向上はリアクタンス成分の変化を見る方式に対して、約３６０倍検出感度が向上することになる。
【００２１】
図４は、交流信号源側からセンサコイル側を見たインピーダンスＺの計測回路例を示す。上述した膜厚の検出例は、主として抵抗成分（Ｒ）の変化に着目したものであるが、図４に示すインピーダンスＺの計測回路においては、膜厚の変化に伴う抵抗成分（Ｒ）、リアクタンス成分（Ｘ）、振幅出力（Ｚ）および位相出力（ｔａｎ−１Ｒ／Ｘ）を取り出すことができる。従って、これらの信号出力を用いることで、例えば振幅の大きさにより膜厚を計測するなど、より多面的な研磨の進行状況のチェックが可能となる。
【００２２】
センサコイル２は検出対象の導電性膜１を備えた半導体ウエハＷの近傍に配置される。センサコイル２に交流信号を供給する信号源３は、水晶発振器からなる固定周波数の発振器であり、例えば、８，１６，３２ＭＨｚの固定周波数の電圧を供給する。信号源３で形成される交流電圧は、バンドパスフィルタ１０２を介してセンサコイル２に供給される。センサコイル２の端子で検出された信号は、高周波アンプ１０３および位相シフト回路１０４を経て、ｃｏｓ同期検波回路１０５およびｓｉｎ同期検波回路１０６からなる同期検波部により検出信号のｃｏｓ成分とｓｉｎ成分とが取り出される。ここで、信号源３で形成される発振信号は、位相シフト回路１０４により信号源３の同相成分（０゜）と直交成分（９０゜）の２つの信号が形成され、それぞれｃｏｓ同期検波回路１０５とｓｉｎ同期検波回路１０６とに導入され、上述の同期検波が行われる。
【００２３】
同期検波された信号は、ローパスフィルタ１０７，１０８により、信号成分以上の不要な高周波成分が除去され、ｃｏｓ同期検波出力である抵抗成分（Ｒ）出力と、ｓｉｎ同期検波出力であるリアクタンス成分（Ｘ）出力とがそれぞれ取り出される。また、ベクトル演算回路１０９により、抵抗成分（Ｒ）出力とリアクタンス成分（Ｘ）出力とから振幅出力（√Ｒ２＋Ｘ２）が得られる。また、ベクトル演算回路１１０により、同様に抵抗成分出力とリアクタンス成分出力とから位相出力（ｔａｎ−１Ｒ／Ｘ）が得られる。
【００２４】
図５は、本発明の渦電流センサにおけるセンサコイルの構成例を示す。センサコイル１０は、導電性膜に渦電流を形成するためのコイルと、導電性膜の渦電流を検出するためのコイルとを分離したもので、ボビン１１に巻回された３層のコイル１２，１３，１４により構成されている。ここで中央のコイル１２は、交流信号源３に接続される発振コイルである。この発振コイル１２は、交流信号源３より供給される電流の形成する磁界により、近傍に配置される半導体ウエハＷ上の導電性膜１に渦電流を形成する。ボビン１１の上側（導電性膜側）には、検出コイル１３が配置され、導電性膜に形成される渦電流により発生する磁界を検出する。そして、発振コイル１２の検出コイル１３と反対側にはバランスコイル１４が配置されている。
【００２５】
コイル１２，１３，１４は、この実施形態においては同じターン数（例えば４ターン）のコイルにより形成され、検出コイル１３とバランスコイル１４とは互いに逆相に接続されている。従って、コイル１３，１４に鎖交する同一磁束に対して、発生する起電力が互いに打ち消し合うように結線されている。コイル１２，１３，１４の直径は、例えば１５ｍｍ程度である。
【００２６】
図６は、各コイルの接続例を示す。検出コイル１３とバランスコイル１４とは、上述したように直列回路を構成し、その両端は図６に示すように可変抵抗１６を含む抵抗ブリッジ回路１７に接続されている。可変抵抗１６の抵抗値を調整することで、コイル１３，１４からなる直列回路の出力電圧が、導電性膜が存在しないときにはゼロとなるように調整可能としている。コイル１２は交流信号源３に接続され、交番磁束を生成することで、近傍に配置される導電性膜１に渦電流を形成する。即ち、センサコイル１０の近傍に導電性膜が存在せず、ここに渦電流が形成されていないときには、互いに逆相に接続されたコイル１３，１４からなる直列回路の出力がゼロとなるように可変抵抗１６を調整する。従って、コイル１２が交番磁束を発生させても、コイル１３，１４の互いに逆相に接続された直列回路には出力は現れない。
【００２７】
そして、導電性膜が検出コイル１３の近傍に存在する時には、導電性膜中に形成される渦電流によって生じる磁束が検出コイル１３とバランスコイル１４とに鎖交するが、検出コイル１３のほうが導電性膜に近い位置に配置されているので、両コイル１３，１４に生じる誘起電圧のバランスが崩れ、これにより導電性膜の渦電流によって形成される鎖交磁束を検出することができる。即ち、交流信号源に接続された発振コイル１２から、検出コイル１３とバランスコイル１４との直列回路を分離して、抵抗ブリッジ回路でバランスの調整を行うことで、ゼロ点の調整が可能である。従って、導電性膜に流れる渦電流をゼロの状態から検出することが可能になるので、導電性膜中の渦電流の検出感度が高められる。これにより、広いダイナミックレンジで導電性膜に形成される渦電流の大きさの検出が可能となる。
【００２８】
図７は、導電性膜の膜厚の変化に伴うセンサコイル１０の検出端子側に現れる同期検波出力を示すもので、図７（ａ）は、導電性膜の膜厚の変化に対するリアクタンス分（Ｘ＝ωＬ）の変化を示す。膜厚の変化に対するリアクタンス分の変化の関係は、膜厚が厚い方から薄い方に変化するに従ってリアクタンス分Ｘが図示するように変化する。即ち、導電性膜の膜厚は、極薄膜厚の領域（ａ）ではリアクタンス分の変化（Ｘ＝ωＬ）が少なく、膜厚が厚くなる領域（ｂ）ではリアクタンス分の変化（Ｘ＝ωＬ）は大きくなる。さらにそれ以上の膜厚の領域（ｃ）ではリアクタンス分の変化（Ｘ＝ωＬ）は飽和する。
【００２９】
図７（ｂ）は、導電性膜の膜厚の変化に対する抵抗分の変化を示す。膜厚の変化に対する抵抗分の変化の関係は、膜厚が厚い方から薄い方に変化するに従って、抵抗分Ｒが図示するように変化する。即ち、極薄膜厚の領域（ａ）では抵抗分Ｒの出力が直線的に大きく変化し、ある厚さの領域（ｂ）になると抵抗分Ｒの変化は飽和し、更に膜厚が厚くなる領域（ｃ）においては抵抗分Ｒの出力が低下する。ここで、銅膜の場合は、（ａ）点が約１０００Å程度を示し、（ｂ）点が２０００−３０００Åを示し、（ｃ）点が５０００Å以上を示す。
【００３０】
抵抗成分とリアクタンス成分の出力をそれぞれ二乗し、平方することでベクトル演算回路により導電性膜の膜厚に対応した合成インピーダンスＺを出力することが可能である。図７（ｃ）は、導電性膜の膜厚と合成インピーダンスＺとの関係を示す。図７（ｃ）から明らかなように、合成インピーダンスＺでは、膜厚の変化に対して出力が直線的に変化する領域が、図７（ａ）または（ｂ）の抵抗分またはリアクタンス分を単独に計測するのと比較して格段に拡張する。即ち、合成インピーダンスＺによれば、ダイナミックレンジの広い導電性膜の膜厚の計測が可能になる。
【００３１】
図８は、これらの渦電流センサを備えたポリッシング装置の全体構成を示す縦断面図である。図８に示されるように、ポリッシング装置は、ターンテーブル２１と、半導体ウエハＷを保持しつつターンテーブル２１の研磨布２２に押圧するトップリング（保持具）２５とを具備している。ターンテーブル２１はモータ２７に連結されており、矢印で示すようにその軸心回わりに回転可能になっている。また、トップリング２５は、モータ（図示せず）に連結されるとともに昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これによって、トップリング２５は、矢印で示すように昇降可能かつその軸心回りに回転可能になっており、半導体ウエハＷを研磨布２２に対して任意の圧力で押圧することができるようになっている。トップリング２５はトップリングシャフト３２に連結されており、またトップリング２５はその下面にポリウレタン等の弾性マット２７を備えている。またトップリング２５の下部外周部には、半導体ウエハＷの外れ止めを行うガイドリング２６が設けられている。また、ターンテーブル２１の上方には研磨砥液ノズル２８が設置されており、研磨砥液ノズル２８によってターンテーブル２１に貼設された研磨布２２上に研磨砥液Ｑが供給されるようになっている。
【００３２】
図８に示すように、ターンテーブル２１内にはセンサコイル１０が埋め込まれている。センサコイル１０の接続ケーブルは、ターンテーブル２１およびターンテーブル支持軸２１ａ内を通り、ターンテーブル支持軸２１ａの軸端に設けられたロータリコネクタ（またはスリップリング）３４を経由してコントローラ３５に接続されている。コントローラ３５は交流信号源および同期検波回路を含み、その出力は表示装置（ディスプレイ）３６に接続されている。
【００３３】
図９は、図８に示すポリッシング装置の平面図である。図示するように、センサコイル１０ａ〜１０ｆ（２，１０）は、トップリング２５に保持された研磨中の半導体ウエハＷの中心Ｃｗを通過する位置に、この場合は６ヶ所に設置されている。符号ＣＴはターンテーブル２１の回転中心である。センサコイル１０ａ〜１０ｆは、半導体ウエハＷの下方を通過している間、通過軌跡上で連続的に半導体ウエハＷのＣｕ層およびバリア層等の導電性膜の膜厚を検出できるようになっている。ここで、センサコイルの周波数を高低の複数種類用いるようにしてもよい。これにより、高い方でバリア層の膜厚変化を主として検出し、低い方で導電層の膜厚変化を主として検出する等の管理を行うことができる。
【００３４】
この場合は、センサコイルを６ヶ所に配置しているが、配置数は適宜変更することができる。また、ターンテーブルに研磨布を配置した例について説明したが、固定砥粒プレートを用いるようにしてもよい。また、この場合には固定砥粒プレート内にセンサコイルを配置するようにしてもよい。なお、ターンテーブルは１テーブルでなく複数テーブルタイプにも対応可能である。また、ターンテーブルは研磨面を有するベルトやウエブ（Ｗｅｂ）に代用できる。
【００３５】
上記構成のポリッシング装置において、トップリング２５の下面に半導体ウエハＷを保持させ、半導体ウエハＷを回転しているターンテーブル２１の上面の研磨布２２に昇降シリンダにより押圧する。一方、研磨砥液ノズル２８から研磨砥液Ｑを流すことより、研磨布２２に研磨砥液Ｑが保持されており、半導体ウエハＷの被研磨面（下面）と研磨布２２の間に研磨砥液Ｑが存在した状態でポリッシングが行われる。
【００３６】
この研磨中に、センサコイル１０ａ〜１０ｆは、ターンテーブル２１が一回転する毎にそれぞれ半導体ウエハＷの被研磨面の直下を通過する。この場合、センサコイル１０ａ〜１０ｆは半導体ウエハＷの中心Ｃｗを通る軌道上に設置されているため、センサの移動に伴って半導体ウエハＷの被研磨面の円弧状の軌道上で連続的に膜厚検出が可能である。そして、この場合には、センサコイルが６ヶ所に設けられているので、断続的にではあるが短い間隔で研磨の進行状況をいずれかのセンサコイルで検出できる。
【００３７】
従来の渦電流センサを用いた終点検出方法では、該渦電流センサをトップリング内に設けていたため、半導体ウエハ上に形成されたＣｕ層等の導電性膜の膜厚はセンサコイルの直下しか計測できないという欠点があった。この場合、トップリング側に埋め込むセンサの数を増やせば、膜厚の計測箇処は増加するが、それでも、互いに離間した複数点（または多数点）の断続的な計測値が得られるにすぎず、連続したプロファイルとしての計測値を得ることができないという問題点があった。またセンサ数の増加に伴って、装置コストが増加するとともに信号処理が複雑になるという問題点があった。ターンテーブルにセンサコイルを配置した本方式では、研磨中に、センサコイルは、ターンテーブルが一回転する間に半導体基板の被研磨面の直下を通過する。この場合、センサコイルは半導体基板の中心を通る軌道上に設置されているため、センサコイルに対する相対的移動に伴って半導体基板の被研磨面の円弧状の軌道上で連続的に膜厚検出が可能である。
【００３８】
図１０（ａ）（ｂ）に示すように、研磨が進行するにつれて、センサコイル１０ａ〜１０ｆの信号をコントローラ３５で処理した値は漸次減少してゆく。即ち、導電性膜の膜厚が減少するにつれて、センサコイル１０ａ〜１０ｆの信号をコントローラ３５で処理した値である検出値が減少してゆく。したがって、予め、導電性膜が配線部を除いて除去されたときの検出値の値を調べておけば、検出出力の値をモニターすることにより、ＣＭＰプロセスの終点を検出できる。
【００３９】
図１１は、膜厚と発振周波数との関係を較正した例を示す。例えば、１０００Å（ｔ１）または２００Å（ｔ２）等の基準ウエハを準備し、この基準ウエハにおける検出出力を測定し、これらの点を基準点とする。そして、実際の研磨の進行状況に伴う検出出力に対する膜厚変化のデータを取得し、これを点線で示す。この検出出力は、抵抗成分出力、リアクタンス成分出力、インピーダンス（振幅）出力、位相出力が可能である。このデータを上記基準点に対して最小二乗法等の手法によりカーブを形成する。このような手法により、渦電流センサの特性を較正しておくことで、検出出力の変化から直接膜厚の変化を読みとることが可能となる。
このような渦電流センサを多数備えたポリッシング装置によれば、終点検出を半導体ウエハの全面について行うことができ、且つ短時間間隔で行うことができる。そして、上述したようにバリア層であるＴａ、ＴａＮ、ＴｉＮ層等の研磨終点を検出できるので、極めて高精度の研磨終点の検出を行える。
【００４０】
また、導電性膜が配線部を除いて除去されることを渦電流センサと光学式センサの両者からの信号を処理し、モニターすることにより検出し、ＣＭＰプロセスの終点を決定するようにしてもよい。図１２は、このようなポリッシング装置の構成例を示す。ベルト状研磨パッド４１がローラ４２，４３により回転駆動され、トップリング（保持具）４５に保持された研磨対象物（半導体ウエハ）が回転しつつ研磨パッド４１に押圧される。研磨対象物の被研磨面は研磨パッド（研磨面）に摺接され、これにより研磨が進行する。トップリングの直下には、上記渦電流センサと光学式センサを備えた支持体４６が配置され、被研磨面の表面状態をモニタする。ここで、穴４７（図１２（ａ）参照）および切欠き４８（図１２（ｂ）参照）は、光学式センサが研磨面の表面状態を観察するためのものである。
【００４１】
本実施の形態においては、導電性膜としてＣｕ層およびバリア層について説明したが、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ等の他の金属であってもよい。また、（１）渦電流センサ信号、（２）ターンテーブルモータもしくはトップリングモータの電流信号、（３）テーブル内もしくはテーブル外に設けた光学的手段による研磨面への入射および反射の光学信号、（４）研磨面の温度信号を単独または適切なる組合せにより使用することにより、研磨終点の検出性能を向上させることもできる。
【００４２】
図１３は、本発明の渦電流センサをめっき槽に配置した例を示す。めっき槽５１には金属めっき膜を被着する半導体ウエハＷが配置され、治具５２に固定されている。治具５２の内部にはセンサコイル１０が配置され、コントローラ５３に接続されている。コントローラ５３には交流信号源および同期検波回路を備え、半導体ウエハＷ上に被着する金属めっき膜の膜厚を検出する。これにより、めっき膜の形成状況を非接触で確実に把握することができる。
【００４３】
なお、本発明の渦電流センサは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態の渦電流センサの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す渦電流センサによる膜厚の変化に伴う抵抗成分（Ｒ）・リアクタンス成分（Ｘ）の推移軌跡を示す図である。
【図３】膜厚の変化による抵抗成分（Ｒ）およびリアクタンス成分（Ｘ）の変化例を示す図である。
【図４】同期検波回路の構成例を示す図である。
【図５】センサコイルの構成例を示す図である。
【図６】図５に示すセンサコイルの接続例を示す図である。
【図７】導電性膜の膜厚と同期検波出力の関係を示すグラフであり、（ａ）はリアクタンス成分の変化を示し、（ｂ）は抵抗成分の変化を示し、（ｃ）はインピーダンス（振幅）の変化を示す。
【図８】本発明の渦電流センサを備えたポリッシング装置の全体構成を示す縦断面図である。
【図９】図８に示すポリッシング装置のターンテーブルの平面図である。
【図１０】図８に示す装置における発振信号の検出例を示す図である。
【図１１】渦電流センサの検出出力と膜厚の較正例を示す図である。
【図１２】本発明の渦電流センサを備えた他のポリッシング装置の構成例を示す斜視図である。
【図１３】本発明の渦電流センサを備えためっき槽を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 導電性膜
２，１０（１０ａ〜１０ｆ） 渦電流センサ（センサコイル）
３ 交流信号源
５ 同期検波回路
１１ ボビン
１２ 発振コイル
１３ 検出コイル
１４ バランスコイル
１６ 可変抵抗
１７ 抵抗回路網
１０５ ｃｏｓ同期検波回路
１０６ ｓｉｎ同期検波回路
１０９，１１０ ベクトル演算回路
Ｗ 半導体ウエハ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨対象物をトップリングにより保持し、該研磨対象物を研磨面に押圧して研磨する研磨方法であって、
基準ウエハのインピーダンスを渦電流センサで計測することで、前記渦電流センサのインピーダンスと、センサコイルに供給すべき交流電流の周波数と、膜厚との関係を較正し、
前記渦電流センサは、前記センサコイルに一定周波数の交流電流を供給して前記研磨対象物上の導電性膜に渦電流を形成し、前記センサコイルの両端子から見た前記導電性膜を含めたインピーダンスを計測し、
前記研磨対象物上の前記導電性膜を含めたインピーダンスの変化から、前記導電性膜の膜厚変化を検出することを特徴とする研磨対象物の研磨方法。
【請求項２】
前記センサコイルは複数であり、前記複数のセンサコイルに供給される交流電流の周波数は、それぞれ異なることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
【請求項３】
前記複数のセンサコイルは、前記トップリングに保持された研磨中の研磨対象物の中心を通過する位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
【請求項１】
研磨対象物をトップリングにより保持し、該研磨対象物を研磨面に押圧して研磨する研磨方法であって、
基準ウエハのインピーダンスを渦電流センサで計測することで、前記渦電流センサのインピーダンスと、センサコイルに供給すべき交流電流の周波数と、膜厚との関係を較正し、
前記渦電流センサは、前記センサコイルに一定周波数の交流電流を供給して前記研磨対象物上の導電性膜に渦電流を形成し、前記センサコイルの両端子から見た前記導電性膜を含めたインピーダンスを計測し、
前記研磨対象物上の前記導電性膜を含めたインピーダンスの変化から、前記導電性膜の膜厚変化を検出することを特徴とする研磨対象物の研磨方法。
【請求項２】
前記センサコイルは複数であり、前記複数のセンサコイルに供給される交流電流の周波数は、それぞれ異なることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
【請求項３】
前記複数のセンサコイルは、前記トップリングに保持された研磨中の研磨対象物の中心を通過する位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−３１８１６９（Ｐ２００７−３１８１６９Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０２７４７（Ｐ２００７−２０２７４７）
【出願日】平成１９年８月３日（２００７．８．３）
【分割の表示】特願２００４−１９４５３０（Ｐ２００４−１９４５３０）の分割
【原出願日】平成１４年５月９日（２００２．５．９）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月３日（２００７．８．３）
【分割の表示】特願２００４−１９４５３０（Ｐ２００４−１９４５３０）の分割
【原出願日】平成１４年５月９日（２００２．５．９）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
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