JP4714427B2 - 基板上に形成された薄膜の研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板上に形成される薄膜の研磨方法に関し、特に、エリプソメトリーを利用して薄膜の物性や膜厚を特定して、当該薄膜の研磨をより適正に行えるようにした薄膜の研磨方法に関する。

エリプソメトリーは、平らな表面の試料に偏光を入射させ、反射光の偏光状態の変化を測定することにより、試料の屈折率等を特定する方法であるが、試料の表面に薄膜が形成されている場合には、該薄膜の厚さを特定するためにも用いられる。

ＩＣチップを製造する場合には、基板（Ｓｉ基板）上に各種の材料の薄膜を形成する工程、該薄膜をＣＭＰ（化学的機械的平坦化）処理する工程等が含まれるが、例えば銅の薄膜の場合、銅薄膜には表面にCuOやCu2Oなど酸化膜が形成されやすく、ＣＭＰ処理を行うに際しては、研磨パッドに酸化膜を押圧する場合と、酸化膜が除去された後の純度の高い銅を押圧する場合とでは、その押圧力を適正に調整する必要がある。従って、ＣＭＰ処理する場合には、予め酸化膜の膜厚を知り、それに基づき、当該CMP処理の研磨条件を設定することが望まれる。
エリプソメトリーでは、薄膜上に直線偏光を入射し、反射される楕円偏光の位相角Δと、楕円偏光の振幅強度比から求められる正接Ψを測定するものであり、当該薄膜の材料の所定の光学定数（すなわち複素屈折率）が分かれば、該光学定数と測定されたΔ及びΨの値との関係で該薄膜の膜厚が特定できる。
しかしながら、例えばICチップ製造において基板上に形成される銅の薄膜に関し、ハンドブックや文献などで一般的に公表されている銅に関する光学定数を用いて、そのようなエリプソメトリーによる膜厚決定を行うことは適切ではないことが分かった。図１は、このことを示すものである。すなわち、図１において●で示すのは、基板上に銅の薄膜を形成し、該薄膜をCMP処理して平坦化し、表面に形成されている酸化膜を除去し、清浄化した後に、エリプソメトリーを行いΔ及びΨを測定したものである。また、○は平坦化した後に酸化が進んでいったときにエリプソメトリーにより時系列的に測定したΔ及びΨである。一方、◆、▲、■で示すのは、ハンドブックや文献等で公表されている酸化膜の無い清浄表面の銅に関する光学定数（複素屈折率）を用い、算定されるΔ及びΨである。この図からわかるように、同じ清浄表面の銅でも、実際に基板上に形成された銅薄膜や酸化膜に関し測定されたΔ及びΨと、公表されている一般的な銅などの光学定数から求めたΔ及びΨとでは、その値が明らかに異なるということである。すなわち、一般的に公表されている複素屈折率と、エリプソメトリーにより測定されるΔ及びΨの値とから、当該薄膜の膜厚を正確に決定することはできないことが分かる。

本発明はこのような点に鑑み、基板に形成された銅などの薄膜をエリプソメトリーを用いてより正確に特定できるようにし、基板上の薄膜の研磨をより適正に行えるようにすることを目的とするものである。
尚、この技術に関連する先行技術としては、以下のようなものがある。
特開平０７−１９３０３３

すなわち、本発明は、基板上に形成された薄膜を研磨方法において、
少なくとも１枚の基板上に形成された薄膜を、その膜厚が残るようにしてＣＭＰ処理して薄膜を平坦化するための平坦化処理ステップと、
平坦化処理された前記薄膜を清浄化するための洗浄化ステップと、
清浄化された前記薄膜をエリプソメトリーにより該薄膜に関するΔ及びΨの値を測定し、測定されたΔ及びΨに基づき当該薄膜の物性を特定するための物性特定ステップと、
他の基板の前記薄膜を研磨するのに、前記物性特定ステップにより得られた前記物性に関するデータに基づき、当該他の基板の薄膜の研磨条件を設定する研磨条件設定ステップと
を有することを特徴とする基板上に形成された薄膜の研磨方法を提供する。

具体的には、平坦化される前の前記薄膜がその表面に酸化膜が形成されているものであり、
前記平坦化処理ステップにおいて、前記酸化膜を除去して酸化膜が形成されていない状態の前記薄膜を露出し、
前記清浄化ステップにおいて、前記露出され平坦化されている前記薄膜を清浄化し、
前記物性特定ステップにおいて、該清浄化された薄膜をエリプソメトリーにより測定するとともに、同清浄化された後に酸化膜が形成される薄膜を所定時間間隔をもってエリプソメトリーにより測定するようにすることができる。」

より具体的には、前記物性特定ステップが、前記酸化膜に関し測定されたΔ及びΨの値に基づき酸化膜の膜厚を特定する膜厚特定ステップを含み、
前記研磨条件設定ステップにおいて、前記膜厚特定ステップにおいて特定された膜厚のデータに基づき、前記他の基板における薄膜の酸化膜の膜厚を特定するようにすることができる。

また、平坦化処理ステップにより残された前記薄膜の膜厚を所定値のものとし、
該残された薄膜に対するエリプソメトリー測定によって得られたΔ及びΨの値、並びに、前記膜厚に基づき、当該薄膜の屈折率を決定し、
該膜厚及び屈折率の値に近い膜厚及び屈折率値に対応するΔ及びΨの値を算定し、
それら膜厚及び屈折率、並びに、それらから算定して得られたΔ及びΨの相関関係を決定し、
前記少なくとも１つの基板上の薄膜上に形成される酸化膜に関して所定時間間隔でエリプソメトリーを行ってΔ及びΨの値を測定し、該測定されたΔ及びΨの値に対応する膜厚を前記相関関係から決定し、
前記他の基板の薄膜に形成された酸化膜の膜厚を、前記決定された膜厚に関するデータに基づき決定するようにすることもできる。

更に、前記少なくとも１つの基板と前記他の基板との成膜が同時に同じ条件で形成されたものされ、
前記研磨条件設定ステップにおいて、前記膜厚特定ステップにより特定された膜厚データ及び成膜から当該他の基板のCMP処理が行われるまでの時間を考慮し、該他の基板の酸化膜の膜厚を特定するようにすることができる。

本発明によれば、基板に形成された薄膜をＣＭＰ処理する場合に、実際に基板上に形成されている薄膜をＣＭＰ処理し、酸化膜を除去して清浄化した状態でエリプソメトリーを行い、当該薄膜及び該薄膜に生成される酸化膜の膜厚測定を行うようにしたので、当該膜厚の測定をきわめて正確に行うことが可能となり、従って、当該薄膜のＣＭＰ処理も正確に行うことが可能となる。

本発明に係る基板上に形成された薄膜の研磨方法は、CMP装置すなわち化学的機械的平坦化装置において行われる。CMP装置は周知の如く、銅などにより成膜された基板が多数収納されたカセットが装填され、該装填されたカセットから基板が順次取り出されて、研磨用ターンテーブルに運ばれ、同ターンテーブル上の研磨パッド上に押し付けられて研磨され平坦化されるものであり、平坦化された基板は、洗浄ステーション、乾燥ステーション等を通されてカセットに戻されるようになっている。

本発明に係る研磨方法は、このCMP内で行われるCMP処理すなわち化学的機械的平坦化処理をより適正に行えるようにすることを目的に、エリプソメトリーによる基板上の薄膜測定を行い、該測定に基づき決定された薄膜に関するデータ、特に、膜厚に関するデータを得て、このデータに基づきCMP処理を行うものであり、その詳細は以下の通りである。

すなわち、本発明に係る研磨方法は、図３に示すプロセスに従って行われる。
ステップ１（サンプリングステップ）：
CMP装置に装てんされたカセットから１枚の基板を取り出す。
該基板には銅などの薄膜が形成されており、薄膜形成からの時間経過に伴って薄膜表面には酸化膜が形成されている。

ステップ２（平坦化ステップ）：
取り出した基板をCMP処理し、ナノレベルで平坦化平滑化する。
該CMP処理においては、上記酸化膜が除去され、所定厚さの薄膜ｄが残されるようにする。この場合の膜厚測定は、渦電流膜厚センサーや光学式膜厚センサーが用いられる。これらのセンサーは、銅の膜厚の測定を測定することができるが、酸化銅の膜厚測定はできない。

ステップ３（清浄化ステップ）：
CMP処理された薄膜を清浄化し、CMP処理において使用した研磨粒子等を除去し、あるいは表面ダメージ層の除去を行う。
この洗浄においては、表面ダメージ層除去のために酸などの溶液を用いることが好ましく、その場合、硫酸などの無機酸ではなくクエン酸などの有機酸を用いることが好ましい。図４は無機酸溶液、図５は有機酸溶液により洗浄した場合の平坦化表面のSEM像を示しており、有機酸溶液を用いた方が平滑な表面になっていることが分かる。

ステップ４（エリプソメトリー測定ステップ）：
清浄化した薄膜表面をエリプソメトリーにより測定し、酸化されていない銅膜に関するΔ（表面から反射される楕円偏光の位相角）及びΨ（楕円偏光の振幅強度比から求められる正接）の値（Δｓ、Ψｓ）を求める。

ステップ５（銅薄膜の光学定数特定ステップ）：
Δｓ、Ψｓ及び当該銅薄膜の膜厚ｄに基づき、該銅薄膜の光学定数（屈折率）を求める。

ステップ６（酸化膜生成及び時系列的エリプソメトリー測定）：
基板を室温下におき、銅表面に酸化膜を生じさせ、一定時間間隔をおいて酸化膜の生成される銅薄膜をエリプソメトリーにより測定し、該銅薄膜のΔ及びΨの値（Δｆ、Ψｆ）の時系列的変化を測定する。」

ステップ７（膜厚チャート作成ステップ）：
銅薄膜の（Δｓ、Ψｓ）、及び、それに近い（Δ、Ψ）値をカバーする領域のΔ−Ψのグラフ(図２)上に、酸化膜の形成されていない（Δｓ、Ψｓ）値をとり、該値を中心にした光学定数（図示の例では、複素屈折率の実数部ｎ）をパラメータとし、膜厚のチャートを作成する。

ステップ８（膜厚決定ステップ）
同グラフに酸化膜の形成された（Δ、Ψ）の時系列的（Δｆ、Ψｆ）値をプロットする。このプロットした点及び上記チャートから酸化された銅膜の膜厚値の変化を知ることができ、酸化膜として増加した膜厚値及び光学定数を知ることができる。

ステップ９（別の基板の膜厚決定ステップ）
CMP装置に装てんされたカセットから別の基板を取り出し研磨するに際し、ステップ８から分かる酸化膜厚等に関する経時的データに基づき、該別の基板の銅薄膜形成からの時間経過による酸化膜の膜厚を決定する。

ステップ１０（別の基板の平坦化処理）
ステップ９で決定された膜厚に基づき基板上の酸化膜を研磨すべき時間等の平坦化条件を決定し、CMP処理を行う。例えば、酸化膜押圧時には押圧力P_１を銅膜押圧時の押圧力P_２より高く設定し、酸化膜の膜厚に応じてP_１で押圧する時間を決定する。CMP装置に装てんされているカセット内の基板の成膜が、同時に同一条件で行われたものである場合には、それらカセット内の全ての基板につき同一の平坦化条件でCMP処理を行う。
同一の条件で成膜の行われた基板に関して、平坦化処理を行う時間が異なるなる場合、すなわち成膜からの経過時間が異なる場合には、ステップ８で求めた酸化膜の膜厚等の経時的データから、それらについての平坦化処理条件を決定し、平坦化処理を行う。

上記した本発明に係る基板研磨方法を図６に示したCMP装置に基づき説明すれば次の通りである。

１．基板カセット１がロード／アンロードステーション２に装てんされる。
基板は、銅膜が上向きになった状態で基板カセット内に収納されている。

２．第１搬送ロボット４により基板カセットから基板が取り出されて、載置台に載置される。

３．基板は載置台から第２若しくは第３搬送ロボット１２，１３により、反転機３１に運ばれる。

４．反転機３１によって基板の銅膜を下向きにしてロータリートランスポータ３２に渡され、プッシャー３６に移される。

５．プッシャー３６から、基板キャリア２６に基板が吸着され、研磨テーブル２４に押し付けられて研磨が行われる。

６．一定時間が経過して、研磨テーブル内に設けられた渦電流膜厚センサーまたは光学式膜厚センサー（図示せず）により銅膜が所定厚さまで研磨されたことが検地されると、研磨は終了され、プッシャー３６に渡され、プッシャーからロータリートランスポータ３２により反転機３１へ渡される。

７．反転機３１で反転させ、第２搬送ロボット１２、あるいは第３搬送ロボット１３によって洗浄機５，１４，１５、乾燥機６からなる洗浄モジュールへ搬送される。

８．洗浄モジュールにおいて、洗浄、乾燥処理が行われる。

９．乾燥終了後、第１搬送ロボット４により、基板がex-situエリプソメータ５０に搬送され、銅膜のΔ及びΨの値（Δｓ、Ψｓ）を求める。
が行われる。

１０．膜厚測定後、搬送ロボット４により、基板が載置台７，８，９，１０のいずれかに搬送される。

１１．所定時間放置した後、第１搬送ロボット４により、基板がex-situエリプソメータ５０に搬送され、基板表面の銅膜に生じた銅酸化膜のΔ及びΨの値の測定が行われる。

１２．以下、１０と１１の工程を繰り返し行い、銅酸化膜についての膜厚のデータを得る。

１３．１０−１２で得られたデータを基に、他の基板に関する研磨条件が設定され、該研磨条件に基づく他の基板の研磨が行われる。

図６のＣＭＰ装置で行われるエリプソメトリーはex-situすなわち測定表面を洗浄乾燥後に空気中で行うものであるが、効率を考えた場合、in-situすなわち液中での測定が好ましい。
図７は、in-situエリプソメトリーを行う例が示してある。

すなわち、図８は、in-situエリプソメトリーを行えるようにしたＣＭＰ装置の一部断面側面図である。図において、１０６は研磨テーブル、１０８は基板Ｗを保持して研磨テーブルの研磨パッド１０９上に押し付ける基板キャリアである。

研磨テーブル１０６には、水を供給するための流体通路１０７が設けられており、該通路の上端に取り付けられたノズル１０１を通して水が基板Ｗの研磨面に向けて噴出されるようになされており、噴出された水は基板の研磨面からノズル１０１の周囲を通り下方へ排出されるようになっている。

１０３はエリプソメータの照射ファイバ、１０４は受光ファイバ、１０５は測定演算部である。照射ファイバ１０３、受光ファイバ１０４はエリプソメトリーにおける最良のブリュースター角を得ることができるように、垂直方向で変位可能とされている。

エリプソメトリーを行うときは、基板キャリアによる回転は停止し、また、入射面を基板に対して垂直とするため、基板キャリアの研磨パッドに対する押圧力を一定にする。また、光路の安定のため、エリプソメトリー実施中は水流の供給・排出を停止させても良い。あるいは、水流が層流となるように流量を制御することが好ましい。

以上、本発明に係る実施形態につき説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
例えば、本発明に係る上記の方法は、Al,W,Ti,Ta等の金属膜や絶縁膜等に対しても適用できる。
使用するエリプソメトリーは、分光式でも単一波長でも良いが、ICチップの製造にあっては複数の層が形成されるので分光式が好ましい。

エリプソメトリーのΔ―Ψのグラフであり、Ｄは本発明に係る方法に従って基板上の銅薄膜を研磨平坦化して酸化膜を除去し、残された所定膜厚の酸化膜の無い清浄表面の銅薄膜に対するエリプソメトリーにより得られたΔ、Ψの値（Δｓ、Ψｓ）であり、Ａ，Ｂ，Ｃは同じ銅に対して一般的に公表されている３つの異なる光学定数を用いて求められるΔ、Ψの値（Δｆ、Ψｆ）をプロットしたものである。 図１のグラフを用いた光学定数をパラメータとした膜厚のチャートである。 本発明に係る研磨方法をプロセスを示すフローチャートである。 平坦化処理した銅表面を無機酸の溶液を用いて清浄化した場合の銅表面の走査型電子顕微鏡像である。 平坦化処理した銅表面を有機酸の溶液を用いて清浄化した場合の銅表面の走査型電子顕微鏡像である。 本発明に係る研磨方法を実施するためのＣＭＰ装置の概要を示す平面図である。 本発明におけるエリプソメトリーをin-situで行うようにしたＣＭＰ装置の一部断面側面図である。

符号の説明

１ 基板カセット
２ ロード／アンロードステーション
４ 第１搬送ロボット
５ 洗浄機
６ 乾燥機
７〜１０ 載置台
１２ 第２搬送ロボット
１３ 第３搬送ロボット
１４，１５ 洗浄機
２４ 研磨パッド
２６ 基板キャリア
３１ 反転機
３２ ロータリートランスポータ
３６ プッシャー
５０ エリプソメータ
１０１ ノズル
１０３ 照射ファイバ
１０４ 受光ファイバ
１０５ 測定演算部
１０６ 研磨テーブル
１０７ 流体通路
１０８ 基板キャリア
１０９ 研磨パッド

Claims (1)

1. 基板上に形成され、表面に酸化膜が形成されている薄膜の研磨方法において、
   前記酸化膜を除去して酸化膜が形成されていない状態の前記薄膜を露出するように前記薄膜をＣＭＰ処理して平坦化するための平坦化処理ステップと、
   平坦化処理された前記薄膜を清浄化するための洗浄化ステップと、
   清浄化された前記薄膜をエリプソメトリーにより該薄膜に関するΔ及びΨの値を測定するとともに、清浄化された後で酸化膜が形成される該薄膜を所定時間間隔をもってエリプソメトリーによりそのΔ及びΨの値を測定する物性特定ステップであって、前記酸化膜に関し測定されたΔ及びΨの値に基づき酸化膜の膜厚を特定する膜厚特定ステップを含む物性特定ステップと、
   他の基板の薄膜を研磨するのに、前記膜厚特定ステップにおいて特定された膜厚の
   データに基づき、前記他の基板における薄膜の酸化膜の膜厚を特定して、当該他の基板の薄膜の研磨条件を設定する研磨条件設定ステップと
   を有し、
   前記物性特定ステップが、
   平坦化処理ステップにより残された前記薄膜の膜厚を所定値のものとし、
   該残された薄膜に対するエリプソメトリー測定によって得られたΔ及びΨの値、並びに、前記膜厚に基づき、当該薄膜の屈折率を決定し、
   該膜厚及び屈折率の値に近い膜厚及び屈折率値に対応するΔ及びΨの値を算定し、
   それら膜厚及び屈折率、並びに、それらから算定して得られたΔ及びΨの相関関係を示すチャートを決定し、
   前記少なくとも１つの基板上の薄膜上に形成される酸化膜に関して所定時間間隔でエリプソメトリーを行ってΔ及びΨの値を測定し、該測定されたΔ及びΨの値に対応する膜厚を前記チャートから決定し、
   前記他の基板の薄膜に形成された酸化膜の膜厚を、前記決定された膜厚に関するデータに基づき決定するようにするものとし、
   前記少なくとも１つの基板と前記他の基板との成膜が同時に同じ条件で形成されたものとされ、
   前記研磨条件設定ステップにおいて、前記膜厚特定ステップにより特定された膜厚データ、及び、成膜から当該他の基板のCMP処理が行われるまでの時間を考慮し、該他の基板の酸化膜の膜厚を特定するようにした
   ことを特徴とする基板上に形成された薄膜の研磨方法。