JP3902064B2

JP3902064B2 - 渦電流センサ

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Publication number: JP3902064B2
Application number: JP2002134656A
Authority: JP
Inventors: 光男多田; 裕延山崎; 康成須藤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2002-05-09
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2021-07-23
Also published as: JP2003021501A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は渦電流センサに係り、特に半導体ウエハ等の基板の表面に銅（Ｃｕ）等の導電性膜を被着し、これを化学機械的研磨（ＣＭＰ）で研磨する際に、上記導電性膜に生じる渦電流損を検出することで、その研磨の進行状況を検出することができる渦電流センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板上に配線回路を形成するために、予め所定パターンの配線用の溝を形成しておき、基板をめっき液中に浸漬させて例えば銅（Ｃｕ）の無電解又は電解めっきを行ない、その後表面の不要部分を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去する方法が提案されている。斯かるめっきによる成膜では、高アスペクト比の配線溝を均一に高導電率の金属で充填することが可能となる。前記ＣＭＰプロセスは、ターンテーブル上に貼設された研磨布にトップリングによって保持された半導体ウエハを押圧し、同時に砥粒を含有した研磨砥液を供給しつつ、半導体ウエハ上のＣｕ層を研磨するものである。
【０００３】
前記Ｃｕ層をＣＭＰプロセスにより研磨する場合、配線用の溝内に形成されたＣｕ層のみを残して半導体基板上からＣｕ層を選択的に除去することが必要とされる。即ち、Ｃｕ層を配線用の溝部以外の箇処では、酸化膜（ＳｉＯ_２）が露出するまでＣｕ層を除去することが求められる。この場合、過剰研磨となって、配線用の溝内のＣｕ層を酸化膜（ＳｉＯ_２）とともに研磨してしまうと、回路抵抗が上昇し、半導体基板全体を廃棄しなければならず、多大な損害となる。逆に、研磨が不充分で、Ｃｕ層が酸化膜上に残ると、配線回路の分離がうまくいかず、短絡が起こり、その結果、再研磨が必要となり、製造コストが増大する。この事情は、Ｃｕ層に限らず、Ａｌ層等の他の導電性膜を形成し、この導電性膜をＣＭＰプロセスで研磨する場合も同様である。
【０００４】
そのため、ＣＭＰプロセスの終点を検出するために、渦電流センサを用いた研磨終点検出方法が提案されている。図１５は、従来の渦電流センサを備えたポリッシング装置の主要部を示す図である。ポリッシング装置は、上面に研磨面を有する研磨布４２を貼った回転するターンテーブル４１と、回転および押圧可能に研磨対象基板である半導体ウエハ４３を保持するトップリング４５と、研磨布４２に砥液Ｑを供給する砥液供給ノズル４８を備えている。また、研磨布４２の代わりに固定砥粒と呼ばれる、砥粒を有する樹脂で形成された研磨板をテーブルに貼る場合もある。トップリング４５はトップリングシャフト４９に連結されており、またトップリング４５はその下面にポリウレタン等の弾性マット４７を備えており、弾性マットに接触させて半導体ウエハ４３を保持する。さらにトップリング４５は、研磨中に半導体ウエハ４３がトップリング４５の下面から外れないようにするため、円筒状のリテーナリング４６を外周縁部に備えている。ここで、リテーナリング４６はトップリング４５に対して固定されており、その下端面はトップリング４５の保持面から突出するように形成され、半導体ウエハ４３が保持面内に保持され、研磨中に研磨布４２との摩擦力によってトップリング外へ飛び出さないようになっている。
【０００５】
またトップリング４５内には、渦電流センサコイル５０Ａが埋め込まれており、この渦電流センサコイル５０Ａは配線５１を介してトップリングシャフト４９内を通って発振回路を構成する能動素子部５０Ｂに接続され、更にフィルタ回路からなるインタフェースボード５３、波形変換回路からなるディストリビューションボックス５４を介してプロセッサ５５に送られる。ディストリビューションボックス５４では、発振信号がＴＴＬレベル（０−５Ｖ）に変換され、プロセッサ５５内の周波数カウンタにより発振周波数が計数される。計測された発振周波数は表示装置５６にて表示される。
【０００６】
半導体ウエハ４３をトップリング４５の下面の弾性マット４７の下部に保持し、ターンテーブル４１上の研磨布４２に半導体ウエハ４３をトップリング４５によって押圧するとともに、ターンテーブル４１およびトップリング４５を回転させて研磨布４２と半導体ウエハ４３を相対運動させて研磨する。このとき、砥液供給ノズル４８から研磨布４２上に砥液Ｑを供給する。砥液は、例えばＣｕ（銅）を研磨する場合は酸化剤にアルミナやシリカといった微粒子からなる砥粒を懸濁したものを用い、Ｃｕ表面を化学反応で酸化させながら、砥粒による機械的研磨作用との複合作用によって半導体ウエハを研磨する。
【０００７】
上述の研磨中に、前記渦電流センサ５０Ａ，５０Ｂによって半導体ウエハ４３の被研磨面に形成されたＣｕ層等の導電性膜の膜厚の変化を検出しつづける。そして、渦電流センサ５０Ａ，５０Ｂの信号をモニターし、配線用の溝内に形成されたＣｕ層等の導電体のみを残して、酸化膜（ＳｉＯ_２）上の導電性膜が除去されたときの周波数変化によりＣＭＰプロセスの終点を検出する。
【０００８】
渦電流センサは、上述したように研磨対象の基板に対面するように配置されるセンサコイル５０Ａと、そのセンサコイルに接続されキャパシタンスおよび能動素子とにより構成される発振回路（能動素子部）５０Ｂとからなる。そして、能動素子部５０Ｂに直流電源が供給されると、前記センサコイル５０Ａとキャパシタンスとがタンク回路を形成し、トランジスタ等の能動素子によりその発振周波数で発振する。ここで、センサコイル５０Ａが形成する磁束がそのセンサコイルの前面に配置された基板４３上の導電性膜を貫通し、交番的に変化することで該導電性膜中に渦電流が生じる。そして、この渦電流が導電性膜中に流れることで渦電流損失が生じ、等価回路的にみるとセンサコイルのインピーダンスのリアクタンス成分を低下させることになる。
【０００９】
従って、この渦電流損がゼロの時には発振回路の発振周波数はタンク回路の発振周波数となるが、渦電流損が存在すると半導体ウエハの等価抵抗分の影響により発振回路の抵抗分が大きくなり、これにより発振周波数が高くなる方向に移動する。従って、発振回路の発振周波数の変化を観察することで、研磨の進行に伴い導電性膜が徐々に薄くなると、これにより発振周波数が低下し、導電性膜が研磨により完全になくなるとタンク回路の自己発振周波数となり、それ以降は発振周波数が略一定となる。それ故、この点を検出することにより導電性膜の化学機械的研磨による終点を検出することができる。
【００１０】
係る渦電流センサを利用した化学機械的研磨の終点検出によれば、研磨対象の基板に対して非接触で、且つ研磨の進行中に導電性膜の研磨の進行状況を把握することができる。
【００１１】
この装置の場合には、センサコイル５０Ａが研磨対象の基板を保持するトップリング中に配設され、一方で発振回路の能動素子部５０Ｂはセンサコイルから離れたトップリングシャフトを保持する固定部に配置されていて、その間が通信線５１で接続されている。発振回路で形成される発振信号はインターフェースボックス５３およびディストリビューションボックス５４等を経てパーソナルコンピュータに導入され、ここで発振周波数の推移がコンピュータのモニタ画面に表示されるようになっている。通信線５２は一対（２本）の信号線と、一対（２本）の直流電源線の合計４本の電線により構成されている。また、通信線５１はロータリコネクタを用いて固定側の能動素子部５０Ｂを回転するトップリング内に収容されたセンサコイル５０Ａに接続している。従って、導電性膜の研磨の進行と共に渦電流損が減少し、これにより発振周波数が推移する様子をパーソナルコンピュータ５５のモニタ５６の画面上で観察することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、係る従来の渦電流センサによる研磨終点の検出方法においては、以下に述べる問題がある。即ち、センサコイル部分５０Ａと能動素子部分５０Ｂとが別々の位置に配置され、その間が高インピーダンスの通信線５１でロータリコネクタを介して接続されているため、通信線５１がターンテーブルの回転等に伴うノイズを拾い、発振回路の出力信号処理においてこの除去が難しい。このため、十分なノイズに対する減衰量を有するフィルタ回路等を設ける必要がある。また、通信線５２においてもノイズを拾う。
【００１３】
さらに、渦電流センサに使用する発振周波数が７ＭＨｚ程度であり比較的低いため、研磨対象の導電性膜が十分に厚い場合には、大きな渦電流損を検出することができるが、導電性膜の研磨が進行し膜厚が極めて薄くなると、渦電流損の大きさが小さくなり、この場合には例えば１０００Å以下程度の膜厚の検出が困難となる。即ち、従来の渦電流センサは発振周波数が比較的低いため、オングストロームオーダの膜厚検出精度が要求されるポリッシング装置の研磨終点の検出には、その精度が十分ではなかった。
【００１４】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、安定な動作を可能とすると共に精度の高い研磨終点の検出ができる渦電流センサを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様は、導電性膜に生じる渦電流損の変化から前記導電性膜の膜厚を検出する渦電流センサにおいて、前記導電性膜に渦電流を生じさせる渦巻状のセンサコイルと、該コイルに接続され前記渦電流損に対応して可変周波数を発振する能動素子部を搭載した基板とが一体的に箱体に収納され、該能動素子を搭載した基板は、前記渦巻状のセンサコイルに対して直交するように配置されていることを特徴とするものである。ここで、前記センサコイルは、空芯渦巻状であることが好ましい。また、センサコイルと能動素子部が一体的に構成された発振回路には、低インピーダンスの同軸ケーブルが接続され、これにより電源供給線と発振信号出力線とが兼用されていることが好ましい。
【００１６】
本発明によれば、渦電流センサを構成するセンサコイルと、そのコイルに接続された能動素子部とが一体的に構成されて発振回路を形成するので、且つ、信号通信線は低インピーダンス（５０Ω）で信号電送が可能になりポリッシング装置のターンテーブル等の回転に伴うノイズを拾うことなく安定に動作させることができる。また、能動素子を搭載した基板を該センサコイルと直交する方向に配置することで、ＶＨＦ帯の高い発振周波数を用いて渦電流損失の検出が可能となる。これにより、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、格段に精度の高い研磨終点の検出が行える。
【００１７】
本発明の参考例としての第２の態様は、導電性膜に生じる渦電流損の変化から前記導電性膜の膜厚を検出する渦電流センサにおいて、前記導電性膜に渦電流を生じさせるセンサコイルを備え、該センサコイルと前記導電性膜により形成されるインピーダンスのうち、抵抗成分の変化から前記導電性膜の膜厚の変化を検出することを特徴とするものである。これにより、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、研磨の進行による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。従って、極めて薄くかつ導電率が低いバリア層の膜厚検出が容易に可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図１４を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態の渦電流センサの構造の概略を示す。この渦電流センサ１０は、導電性膜に渦電流を生じさせるセンサコイル１１と、そのコイルに接続され渦電流損に対応して可変周波数を発振する発振回路を構成する能動素子部１２とが一体的に構成されている。そして、センサコイル１１と能動素子部を搭載した基板１２とが箱体１３に収納されている。箱体の寸法としては、例えば縦横の寸法がそれぞれ２０ｍｍ以下、高さが１０ｍｍ以下程度となっている。能動素子部１２にはインピーダンス５０Ω程度の同軸ケーブル１５が接続され、これにより渦電流センサに直流電源が供給されるとともに、該ケーブル１５は発振信号を出力する出力線の役割を果たしている。
【００２０】
ここで、センサコイル１１は空芯渦巻状であり、この実施形態においては２ターン程度のものが採用されている。発振回路を構成する能動素子部を搭載した基板１２は、空芯渦巻状のセンサコイル１１に対して直交するように配置されている。これにより、センサコイルが能動素子部を搭載した基板上の導電性材料に渦電流を生じさせない。即ち、仮にセンサコイル１１を能動素子部を搭載した基板に平行に配置すると、センサコイルから生じる磁束が回路基板上の導電材料中に渦電流を生じさせ、渦電流センサとしてはこの渦電流損を検出することとなり精度が劣化する。また、能動素子部を搭載した基板においてもその基板上の導電性材料中に渦電流が生じることはその動作上好ましいことではない。このようにして、センサコイル１１と、能動素子部を搭載した基板１２とを直交して配置することで、後述するように例えば２００ＭＨｚ程度の高い発振周波数で精度良く渦電流損失を計測することが可能となる。
【００２１】
能動素子部１２には、例えばコルピッツ型の発振回路が採用され、センサコイル１１のインダクタンスと基板１２に搭載されたコンデンサのキャパシタンスによりタンク回路が形成され、このタンク回路の発振周波数により発振周波数が決定されることは上述したとおりである。ここで、渦電流損に対応してセンサコイルの等価的なインピーダンスのリアクタンス成分が変化し、これにより発振周波数が移動する点も上述したとおりである。
【００２２】
本発明の実施形態においては、センサコイル１１のインダクタンス値と能動素子基板１２に搭載されたコンデンサのキャパシタンス値とを選択することにより、約２００ＭＨｚ程度のＶＨＦ帯の発振周波数となるように設定している。この発振周波数を選択することにより、渦電流損を発生する導電性膜比抵抗に対応した検出感度が得られる。即ち、化学機械的研磨の対象となる導電性膜としては、一般にタンタル（Ｔａ）膜のバリア層が形成され、その上に銅（Ｃｕ）のメッキ層が形成されている。ここで、タンタル（Ｔａ）膜の比抵抗は１６０Ωｍ程度であり、銅（Ｃｕ）の比抵抗は１．６Ωｍ程度であり、約１００倍の差がある。ここで、導電性膜が銅（Ｃｕ）である場合には、発振周波数は図２（ａ）に示すように約２０ＭＨｚ程度で良好な検出精度が得られる。即ち、銅（Ｃｕ）の膜厚が十分に大きい場合には、発振周波数は２０．７ＭＨｚ程度が得られ、銅（Ｃｕ）の膜が殆ど除去された状態では発振周波数は２０．０ＭＨｚ程度となる。このため、膜厚が十分にある場合とない場合との差が０．７ＭＨｚ程度の十分な検出幅が得られる。これに対して、バリア層として用いられるタンタル（Ｔａ）膜の場合には、タンタル（Ｔａ）膜の膜厚が十分に厚い場合には１８７ＭＨｚ程度の発振周波数が得られ、タンタル（Ｔａ）膜の膜厚がほぼ０となった場合には発振周波数は１８４ＭＨｚ程度となる。この場合にも上述と同様に３ＭＨｚ程度の十分な検出幅が得られる。
【００２３】
ここで、バリア層となるタンタル（Ｔａ）膜の膜厚はオングストロームオーダであり、銅（Ｃｕ）の膜厚はμｍオーダである。従って、図１に示す渦電流センサによれば、バリア層を形成する極めて薄いタンタル（Ｔａ）膜に対してその研磨の進行状況を検出することが可能となる。即ち、発振周波数を７ＭＨｚとした銅膜の検出においては、研磨の終点が例えば１０００Å程度の誤差が生じるが、極めて薄い膜厚のタンタル（Ｔａ）層の研磨の終点を発振周波数を約１８０ＭＨｚとして検出することで、オングストロームオーダのバリア層の研磨終点の検出が可能となる。これにより、研磨終点の検出精度を格段に向上させることができる。
【００２４】
図３は、渦電流センサによる渦電流損の検出回路を示す。渦電流センサは、上述したようにセンサコイル１１と、このセンサコイルとタンク回路を形成するコンデンサ１６，１７と、トランジスタ等からなる能動回路素子１８とにより構成されている。キャパシタンスは、固定キャパシタ１６と可変キャパシタ１７とからなり、この可変キャパシタ１７により後述するように自動周波数調整回路を構成している。渦電流センサ１０には同軸ケーブル１５を介して分周器または減算器６１および波形変換を行うディストリビューションボード５４が接続されている。ここで同軸ケーブル１５は上述したように電源の供給線と信号線とを兼ねていて、渦電流センサ１０の発振信号は、結合コンデンサを介して発振信号検出回路に接続され、インタフェースボード５３側から直流電源が供給される。ここで、分周回路は検出した発振周波数を逓降するものであるが、減算器によれば変化分に対する固定分の多くの部分を減算して除くことにより、分解能を高めることができる。
【００２５】
プロセッサ５５内の発振信号検出部は、研磨の進行に伴う渦電流損の変化から研磨の進行状況を検出するものであり、以下に述べる大略２つの方式がある。第１の方式としては、発振信号の発振周波数の変化を検出する方式である。図２に示すように、導電性膜の研磨が進行すると、これに伴い渦電流損が変化し、センサコイルの等価的な抵抗値が変化する。従って、発振回路の発振周波数が変化するので、この発振信号を分周回路により分周し、または減算器により減算することにより、検出幅の周波数の大きさに対応した信号をモニタに表示する。これにより、上述した図２に示すような周波数軌跡の推移グラフが得られる。
【００２６】
膜厚が十分に厚い場合には研磨の進行（時間ｔの経過）に伴う渦電流損の変化は少なく、従って発振周波数の変化も少ない。研磨が進行し、導電性膜の残膜の厚さが薄くなると、渦電流損は急激に減少する。このため、周波数も急激に下降する。そして、導電性膜の残膜が完全になくなると、下地の酸化膜の研磨は進行するとしても、導電性膜自体が存在しなくなるので発振周波数は略一定となる。従って、発振周波数が急激に下降してそれから略一定に変化する点が研磨の終点となる。渦電流センサの出力を移動平均処理した後に微分処理を行い、この微分処理結果を観察することにより研磨の終点を精度良く検出することが可能となる。
【００２７】
そして、発振信号検出部で検出された発振周波数を制御回路に伝達し、可変コンデンサ（バリキャップ）１７のキャパシタンス値を変更することにより、自動周波数調整（Automatic Frequency Tuning)により発振周波数のずれの自動補正を行うことができる。これによりセンサの自己発振周波数の変動を抑え、センサの個体差をなくすことにより渦電流センサからの出力信号周波数の感度の安定化を行え、且つ渦電流センサ自体の製作精度によるバラツキをなくすことができる。自動振幅制御（ＡＬＣ）方式を用いて、発振回路の発振振幅の安定化を行ない、振幅を一定にするためには、図４に示すように、発振信号検出回路内に高周波振幅検出器２４を設け、検出された信号の大きさを比較器２５にて基準振幅信号と比較し、これにより減衰器２６を操作することで振幅を一定に制御することができる。このような回路を導入することで、渦電流センサの高周波信号からＴＴＬレベル信号変換時の動作安定とＳ／Ｎ比を安定にすることができる。
【００２８】
渦電流センサの発振周波数信号を周波数の時間勾配変化としてとらえ、即ち発振周波数の時間微分信号を演算し、この特徴点により研磨終点の判定が行える。図５（ａ）は発振周波数自体の時間ｔの推移軌跡を示し、図５（ｂ）はこの微分値の推移軌跡を示す。ここでＡはメタル層クリアを示し、Ｂはバリア一層目クリアを示し、Ｃはバリア二層目のクリアを示す。この様に発振周波数自体の変化は僅かでも、この微分値を観察することで、オングストロームオーダのバリア層の研磨終点の検出が容易に可能となる。
【００２９】
第２の渦電流損の検出方式としては、センサコイル１１の渦電流損の等価インピーダンスの抵抗成分をＬＣＲメータにより直接測定する。図３における信号検出回路としてＬＣＲメータを用いることにより、図６に示すようにモニタ画面には、横軸に抵抗Ｒ、縦軸にリアクタンスＸが表示される。導電性膜の渦電流損が研磨の進行に伴い変化することにより、導電性膜の渦電流損の変化と共に抵抗値Ｒおよびリアクタンス値Ｘの軌跡が推移する様子を観察することができる。即ち、点Ｂは残膜量が多く、渦電流損失が大きい状態を示し、点Ａは導電性膜が研磨の進行に伴いなくなり、渦電流損がなくなり、インピーダンスメータ側から見た固定抵抗分のみとなる状態である。図６に示すようにセンサのインピーダンス変化は、
ΔＲ≫ΔＸ
であり、リアクタンス成分（ΔＸ）よりは抵抗成分（ΔＲ）がはるかに大きく変化することに着目している。なお、渦電流センサを使用してポリッシング装置の動作をさせている時に、予め定めた範囲から測定結果が逸脱した場合には、センサ故障と判断し、エラー信号を発生させる。そして、研磨を停止させることで異常時の影響を最小限に止めることができる。
【００３０】
図７は、本発明の第２の態様の渦電流センサを示す。センサコイル１０１は第１の実施形態の渦電流センサと同様な空芯渦巻状のコイルであり、例えば、２ターン程度のものが採用されている。センサコイル１０１は研磨対象の導電性膜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１０１に交流信号を供給する信号源は、水晶発振器からなる固定周波数の発振部１０２であり、例えば、８，１６，３２ＭＨｚの固定周波数の信号源である。センサコイル１０１の両端で検出される電圧は、発振部１０２の発振周波数を通過させるバンドパスフィルタ１０３を通り、ｃｏｓ同期検波回路１０５及び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、発振部１０２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。
【００３１】
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、Ｒ成分出力とＸ成分出力とから振幅出力（√Ｒ^２＋Ｘ^２）が得られる。また、ベクトル演算回路１１０により、同様にＲ成分出力とＸ成分出力とから位相出力（ｔａｎ^−１Ｒ／Ｘ）が得られる。
【００３２】
図８は、上記渦電流センサを用いた導電性膜の膜厚の測定結果の一例を示す。横軸は抵抗成分（Ｒ）であり、縦軸はリアクタンス成分（Ｘ）であり、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、センサコイルから見たインピーダンスは、センサコイルに近接して配置された導電性膜の渦電流損が極めて大きく、センサコイルから見た抵抗成分（Ｒ）が極めて小さくなる。研磨が進行し導電性膜が薄くなると、センサコイルから見た抵抗成分が増大し、リアクタンス成分も増大する。センサコイルから見た抵抗成分（Ｒ）が最大となる点をＢで示す。さらに研磨が進行し、導電性膜がより薄くなると、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、抵抗成分（Ｒ）はゼロとなり、センサコイル自体の抵抗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である。この状態を、点Ｃで示す。
【００３３】
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又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）又は窒化チタン（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。
【００３４】
本発明の第２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８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、上述した第１の実施形態の渦電流センサは、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基本的な考え方に基づいているので、かかる原理に基づく渦電流センサでは、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、上述したように周波数を高くする必要があった。しかしながら、この第２の実施形態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。
【００３５】
図９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９（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９（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９（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、その抵抗成分が約１００Ω強〜約０Ω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。
【００３６】
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、例えば銅膜やタングステン膜等の導電率が比較的高い金属においては、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。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。
【００３７】
図９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、検出感度の向上は従来の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。
【００３８】
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。しかしながら、図７に示す渦電流センサにおいては、研磨の進行に伴う振幅出力及び位相出力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、例えば位相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。
【００３９】
図１０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１０に示されるように、ポリッシング装置は、ターンテーブル４１と、半導体ウエハ４３を保持しつつターンテーブル４１の研磨布４２に押圧するトップリング（保持具）４５とを具備している。ターンテーブル４１はモータ４７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４５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４５は、矢印で示すように昇降可能かつその軸心回わりに回転可能になっており、半導体ウエハ４３を研磨布４２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４５はトップリングシャフト５２に連結されており、またトップリング４５はその下面にポリウレタン等の弾性マット４７を備えている。またトップリング４５の下部外周部には、半導体ウエハ４３の外れ止めを行うガイドリング４６が設けられている。また、ターンテーブル４１の上方には研磨砥液ノズル４８が設置されており、研磨砥液ノズル４８によってターンテーブル４１に貼設された研磨布４２上に研磨砥液Ｑが供給されるようになっている。
【００４０】
図１０に示すように、ターンテーブル４１内には渦電流センサ１１，１０１が埋め込まれている。渦電流センサ１１，１０１の接続ケーブル１５は、ターンテーブル４１およびターンテーブル支持軸４１ａ内を通り、ターンテーブル支持軸４１ａの軸端に設けられたロータリコネクタ（又はスリップリング）１９を経由してコントローラ５５に接続されている。コントローラ５５は表示装置（ディスプレイ）５６に接続されている。
【００４１】
図１１は、図１０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、渦電流センサ１０ａ〜１０ｆ（１１，１０１）は、トップリング４５に保持された研磨中の半導体ウエハ４３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Ｃ_Ｔはターンテーブル４１の回転中心である。渦電流センサ１０ａ〜１０ｆは、半導体ウエハ４３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４３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、渦電流センサ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。
【００４２】
この場合は、渦電流センサを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渦電流センサ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。
【００４３】
上記構成のポリッシング装置において、トップリング４５の下面に半導体ウエハ４３を保持させ、半導体ウエハ４３を回転しているターンテーブル４１の上面の研磨布４２に昇降シリンダにより押圧する。一方、研磨砥液ノズル４８から研磨砥液Ｑを流すことより、研磨布４２に研磨砥液Ｑが保持されており、半導体ウエハ４３の被研磨面（下面）と研磨布４２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。
【００４４】
この研磨中に、渦電流センサ１０ａ〜１０ｆは、ターンテーブル４１が一回転する毎にそれぞれ半導体ウエハ４３の被研磨面の直下を通過する。この場合、渦電流センサ１０ａ〜１０ｆは半導体ウエハ４３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４３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、渦電流センサが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で検出できる。
【００４５】
図１５に示す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渦電流センサ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（又は多数点）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。ターンテーブルに渦電流センサを配置した本方式では、研磨中に、渦電流センサは、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、渦電流センサ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、センサの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。
【００４６】
図１２（ａ）（ｂ）に示すように、研磨が進行するにつれて、渦電流センサ１０ａ〜１０ｆの信号をコントローラ１２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、渦電流センサ１０ａ〜１０ｆの信号をコントローラ１２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。
【００４７】
図１３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（ｔ_１）または２００Å（ｔ_２）等の基準ウエハを準備し、この基準ウエハにおける発振周波数ｆ_１，ｆ_０等の周波数を測定し、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周波数に対する膜厚変化のデータを取得し、これを点線で示す。この手法は、抵抗成分出力の検出にも同様に適用が可能である。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。
【００４８】
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１４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７１がローラ７２，７３により回転駆動され、トップリング（保持具）７５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７１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７６が配置され、被研磨面の表面状態をモニタする。ここで、穴７７（図１４（ａ）参照）及び切欠き７８（図１４（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。
【００４９】
本実施の形態においては、導電性膜としてＣｕおよびＴａ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。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ポリッシング装置における研磨終点の検出を安定に、且つ高精度で行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の渦電流センサの概略構成を示す透視斜視図である。
【図２】研磨の進行に伴う発振周波数の変化を示すグラフである。
【図３】渦電流センサの発振信号の検出回路を示す図である。
【図４】図３における振幅調整回路を示す図である。
【図５】（ａ）は発振周波数の推移軌跡を示す図であり、（ｂ）は発振周波数の時間微分値の推移軌跡を示す図である。
【図６】ＬＣＲメータによる等価インピーダンスの推移軌跡を示す図である。
【図７】本発明の第２の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８】図７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９】膜厚の変化による抵抗成分（Ｒ）及びリアクタンス成分（Ｘ）の変化例を示す図である。
【図１０】本発明のポリッシング装置の全体構成を示す縦断面図である。
【図１１】図１０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１２】図１０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１３】渦電流センサの発振周波数と膜厚の較正例を示す図である。
【図１４】本発明の他のポリッシング装置の構成例を示す斜視図である。
【図１５】従来のポリッシング装置の主要部を示す図である。
【符号の説明】
１０（１０ａ〜１０ｆ）渦電流センサ
１１センサコイル
１２能動素子部（基板）
１３箱体
１５同軸ケーブル
２０直流電源
２１発振信号検出回路
４１ターンテーブル
４２研磨布
４３半導体ウエハ
４５トップリング（保持具）
４８砥液供給ノズル
４９トップリングシャフト
５０Ａ，５０Ｂ渦電流センサ
５１配線

Claims

導電性膜に生じる渦電流損の変化から前記導電性膜の膜厚を検出する渦電流センサにおいて、
前記導電性膜に渦電流を生じさせる渦巻状のセンサコイルと、該コイルに接続され前記渦電流損に対応して可変周波数を発振する能動素子部を搭載した基板とが一体的に箱体に収納され、該能動素子部を搭載した基板は、前記渦巻状のセンサコイルに対して直交するように配置されていることを特徴とする渦電流センサ。
前記発振回路の発振周波数は、ＶＨＦ帯であることを特徴とする請求項１記載の渦電流センサ。
前記渦電流損の変化を発振周波数の変化として検出することを特徴とする請求項１記載の渦電流センサ。
基板を保持するトップリングと研磨面を有したターンテーブルとを備え、基板上に半導体デバイスを形成した面を前記研磨面に摺接させて研磨するポリッシング装置において、
前記基板の被研磨面の下方又は上方に前記基板上の被研磨面に形成された導電性膜の膜厚を計測できる渦電流センサを設け、
該渦電流センサは、前記導電性膜に渦電流を生じさせる渦巻状のセンサコイルと、該コイルに接続され前記渦電流損に対応して可変周波数を発振する能動素子部を搭載した基板とが一体的に箱体に収納され、該能動素子部を搭載した基板は、前記渦巻状のセンサコイルに対して直交するように配置されていることを特徴とするポリッシング装置。