JP5377871B2 - 研磨終了時点の予測・検出方法とその装置 - Google Patents

Description

本発明は、研磨終了時点の予測・検出方法とその装置に関するものであり、特に、化学機械研磨加工（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等において渦電流によるジュール熱損を極小に抑えた上で、粗研磨と仕上げ研磨との研磨条件変更時点を精度よく検出し、また研磨終了時点を精度よく予測・検出することが可能な研磨終了時点の予測・検出方法とその装置に関するものである。

半導体ウェーハの表面に例えば酸化膜を形成し、該酸化膜にリソグラィ及びエッチングを施して配線パターンに対応した溝パターンを形成し、この上に前記溝パターンを充填するためのＣｕ等からなる導電性膜を成膜し、該導電性膜のうち前記溝パターンやスルーホール部分等の埋め込み部以外の不要部分を化学機械研磨により除去して配線パターンを形成するプロセスが知られている。この配線パターンの形成では、不要部分の導電性膜が適正な厚さ除去されたときの研磨終点を確実に検出してプロセスを停止することが極めて重要である。導電性膜の研磨が過剰であると配線の抵抗が増加し、研磨が過少であると配線の絶縁障害につながる。

これに関連する従来技術として、例えば次のようなフィルム厚の変化のその場での監視方法が知られている。この従来技術は、下地本体（半導体ウェーハ）上から化学機械研磨によって導電性フィルムを除去する方法において該導電性フィルムの厚さ変化をその場で監視するための方法であって、電磁界に指向性をもたらすように整形するためのフェライト・ポット型コアに巻回されたコイルからなるインダクタとコンデンサとの直列又は並列共振回路を含むセンサを前記導電性フィルムに近接して配置し、励振信号源からの２０Ｈｚ〜４０．１ＭＨｚの周波数からなる掃引出力を動作点設定用インピーダンス手段を介して前記センサへ印加する。これにより、センサが励起されると、発振電流がコイルに流れ、交番電磁界を発生する。この交番電磁界は、次いで導電性フィルム中に渦電流を誘導する。渦電流が導電性フィルムに誘導されると、二つの効果が生じることになる。まず第１に、導電性フィルムが損失抵抗として作用し、その効果はセンサ回路に対する抵抗負荷であり、これは共振信号の振幅を下げ、共振周波数を下げる。第２に、導電性フィルムの厚さが減少すると、金属ロッドがインダクタのコイルから引き抜かれるかのような効果が生じ、これによってインダクタンスの変化並びに周波数シフトを引き起こす。このようにして前記導電性フィルムの厚さ変化に起因するセンサ共振ピークに関連した周波数シフトの変化を監視することにより、該導電性フィルムの厚さ変化を連続的に検出するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

また、他の従来技術として、例えば次のような距離測定用ＩＣが知られている。この従来技術は、パッケージに内蔵している発振器と、前記パッケージに配設されるとともに前記発振器に接続されて該発振器の発振周波数を特定する平面状インダクタとを備えている。ＩＣのパッケージ表面に導電性物質が接近すると、前記平面状インダクタによって前記発振器の発振周波数が変化する。該発振周波数を検出して導電性物質の接近距離を検出することができる。測定時間を短くするため、高い周波数の電流を前記平面状インダクタに流し、その表面に発生する静電気的な誘導を有効に利用している。用途として、ロボット・アームの位置計測による該アームの制御や、位置検出器の内部に格納することによる圧力検出等がある（例えば、特許文献２参照）。
特許第２８７８１７８号公報（第２〜７頁、図１〜１５）。 特許第３３５２６１９号公報（第２〜４頁、図１８）。

特許文献１に記載の従来技術においては、センサに電磁界に指向性をもたらすためのフェライト・ポット型コアに巻回されたコイルからなるインダクタとコンデンサとの直列又は並列共振回路が備えられている。そして、研磨初期において２０Ｈｚ〜４０．１ＭＨｚの周波数からなる掃引出力をセンサへ印加し、前記コイルから発生した指向性を持つ交番電磁界により、導電性フィルムを貫通する漏洩磁束を生じさせて該導電性フィルムの膜厚に対応した大きな渦電流を研磨初期から誘導させている。導電性フィルムの膜厚に対応した大きな渦電流を誘導するためには大きな交番電磁界、即ち導電性フィルムを貫通する程度の大きな磁束を形成することが必要であり、導電性フィルムの厚さ変化の監視は研磨初期から研磨終期まで導電性フィルム内に誘起された渦電流を利用して行われている。このため、膜厚変化の監視の間、導電性フィルムの厚さ方向に向かって磁束を貫通させることが必要である。特許文献１にかかる公報の図面中には、全ての導電性フィルムの部分に該導電性フィルムを貫通する磁束線が記載されていることからも、このことは明らかである。

研磨初期におけるウェーハの表面には、無垢なＣｕ膜（導電性フィルム）が最上層にあるのが一般的である。これら無垢なＣｕ膜の全てに渦電流を誘起させるためには非常に大きな漏洩磁束が必要である。しかし、その漏洩磁束は、渦電流を誘起するが、それらはいずれ渦電流損という形でジュール熱になって消費される。このジュール熱損は、最表層の無垢なＣｕ膜に対しては、体積抵抗が小さいため、発熱は比較的小さいが、内部のすでに配線されている部分では、配線断面積が小さく体積抵抗が小さいため、貫通する磁束により大きな渦電流が誘起され、その結果局部的に大きなジュール熱損を生むことになる。これは、時として一部配線が溶融、断線してしまう問題に発展する。いわゆる誘導加熱の状態になり、特に内部に熱がこもってしまう現象になる。特に、Ｃｕ配線などでは、Ｃｕが加熱されるとＴａなどのバリア膜にＣｕが拡散する場合や、場合によっては、バリア膜を突き破ってＣｕが拡散してしまう懸念がある。

また、ウェーハの表面部に幾層にも配線が施されている場合では、表層のＣｕ膜の心配だけではなく、すでに処理が完了している内部の配線部分が局部的に暖められて周囲に拡散したり、半導体基板内のｐ型、ｎ型を形成しているドーパントがさらに拡散して、基板内素子の特性を変えてしまうこともある。また、熱が発生しない場合でも、過剰な渦電流が微細配線に流れる場合は、エレクトロマイグレーションを引き起こして断線することがある。

さらに、例えば、研磨終了時点付近のある所定の残膜量になった時点で、研磨条件を変えて処理を行う場合に、所定の残膜量であるか否かを見極めることは困難である。初期膜厚からの変化分で推測することは可能であるが、初期膜厚がばらつく場合は所定の残膜量の見積もりがばらつくことになるからである。この研磨終了時点付近の判断に関し、センサと導電性フィルム間のギャップが研磨の振動によって微小に変化すると、センサ回路系全体の浮遊容量が変化して共振周波数全体がシフトする。このため仮に、ある設定の共振周波数になったときに閾値を設定して、研磨終点を判別する設定をしていても、全体的に共振周波数がシフトすれば、その閾値の設定による研磨終了時点の判断は難しくなる。このように、従来方法において、単調かつ連続的に増加もしくは減少変化する共振周波数において、ある値に閾値を設定していたとしても、センサと導電性フィルム間のギャップが微小に変化したり、その間に何等かの誘電体が介在したりすることで、その波形自体が全体的に上下に平行移動することは度々存在し、その結果、予め設定した閾値が意味をなさないことが度々存在した。

また、特許文献２に記載の距離測定用ＩＣからなる従来技術においては、発振器と、該発振器に接続されて該発振器の発振周波数を特定する平面状インダクタとが備えられているが、用途として、ロボット・アームの位置計測による該アームの制御や、位置検出器の内部に格納して圧力検出等に使用されている。

そこで、膜内に形成されている微細な配線まで強い磁束を及ぼすことなく、その結果電磁誘導によって誘起される渦電流の発生を抑制して、渦電流によるジュール熱損を極小に抑えるとともに、センサと導電性膜のギャップの変化やスラリー等の誘電物質の介在状態によって、誘起される渦電流量が全体的にシフトして、閾値の設定が大幅に変化して検出しにくくなるといった事態をなくし、デバイスウェーハを貫通しない程度の微細な磁場であっても、粗研磨と仕上げ研磨との研磨条件変更時点を十分に精度よく検出し、また研磨終了時点を精度よく予測・検出するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は前記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、 導電性膜を研磨して、所定の導電性膜が適正に除去されたときの研磨終了時点を予測して検出する研磨終了時点の予測・検出方法であって、
前記所定の導電性膜に、インダクタを近接させ、該インダクタで形成される磁束により前記所定の導電性膜に誘起される渦電流の変化をモニタし、
研磨中の膜厚が、前記所定の導電性膜の材質を一因子として決まる表皮深さ付近になった際に、前記渦電流の変化が、所定の変化となったことを検出し、前記変化点を基に、粗研磨と仕上げ研磨へ研磨条件を変更する研磨終了時点の予測・検出方法を提供する。

この本構成によれば、インダクタが駆動され、インダクタからの周期に対応して変化する磁束が発生する。研磨により所定の導電性膜が表皮深さに対応した膜厚に至るまでは、所定の導電性膜に誘起される磁束は、前記表皮深さの領域を膜面に沿ってほぼ平行に通過する。研磨が進行して所定の導電性膜が前記表皮深さと同等もしくはその付近の膜厚になると、該所定の導電性膜を貫通する漏洩磁束が生じ始める。この磁束の変化により所定の導電性膜中に電磁誘導によって誘起される渦電流量が変化する。該渦電流は膜厚が減少していくにつれて、膜を貫通する漏洩磁束が増大していくため、徐々に誘起される渦電流量が増大する。この広い領域に発生した渦電流により、該所定の導電性膜内に大きな相互インダクタンスが発生する。この相互インダクタンスは、インダクタンス型センサにおけるセン回路系の自己インダクタンスを減少させるように作用する。このように、初期は、導電性膜が減少しても、導電膜厚に投入した磁束がウェーハを貫通しない程度である場合は、一定の渦電流が形成される。その後、膜厚がさらに減少して表皮深さに対応した膜厚以下になった場合、一部の磁束がウェーハ上の導電性膜を貫通してウェーハの裏面にまで漏洩する磁束が生じる。このとき漏洩磁束の増加とともに膜内に誘起される渦電流が大きくなる。次に、ある一定の膜厚までウェーハ表面に形成される渦電流は増大するが、その後、さらに導電性膜が除去されるにしたがって、渦電流を発生する導電性膜自身が減少するため、渦電流は減少する。結果的に、単調な膜厚減少過程であるにも関わらず、一度貫通磁束増大とともに渦電流は増大し、その後、さらなるなる膜厚の減少に伴って、渦電流を生じる堆積自体が減少することに伴って急速に減少するため、誘起される渦電流に対応した相互インダクタンスには極大点が現われる。この渦電流の急速な減少により、前記相互インダクタンスも急速に減少してセンサ回路系のインダクタンスは増加に転じる。この挙動により、インダクタ型センサから発振される共振周波数の波形に特徴のある変化であるピーク（変曲点）等が発生する。この特徴のある変化から粗研磨と仕上げ研磨との研磨条件変更時点が検出され、仕上げ研磨に移行するとともに研磨終了時点が予測される。

この特徴のある変化であるピーク等は、表皮深さに対応した膜厚で現れるため、先に述べたような誘起された渦電流量が全体的にシフトすることによる閾値の設定が変動するといった問題はなく、絶えず、残りの膜厚に対応した位置にピークが出現する。特に、導電性膜が、例えば、Ｃｕの場合、Ｃｕの残り膜が７１０Åの付近にピークが出現する。また、Ｗ膜の場合は、Ｗの残り膜がもう少し厚い部分２５００Åにピークが出現する。この膜厚は、実際の表皮深さとは異なるが、表皮深さに対応した数値になっている。表皮深さδは、電磁波の強度が１／ｅの大きさになる深さを便宜的に示した指標であるが、このピーク位置は、材料の導電率、透磁率、印加する周波数等によって決定されることからも、表皮効果によってもたらされている。本発明は、この材料の表皮効果によって現れる特徴のある変化現象を巧みに利用して、達成した技術である。特に、配線材料のＣＭＰにおいて配線材料は高導電率を有するため、ピーク位置は比較的終点付近（７１０Å）で鋭いピーク（極大点）となって現れる。そのため、様々な外乱に対しても揺らぐことなく、ロバストな研磨条件変更時点の検出及び終点の予測・検出が可能になる。

また、インダクタ型センサは、膜内に故意に積極的に渦電流を生じさせて、膜厚をモニタするものではない。従来の公知のセンサでは、導電性膜を貫通させるような磁場を与えるように指向性を持たせるようにセンサコイルを形成しているが、本発明におけるインダクタ型センサでは、平面インダクタを使用している。これにより、磁場に指向性を与えるのではなく、導電性膜に対して、導電性膜に深く浸透しないように適度に磁場を発散させることを目的としたインダクタである。これは、磁場が深く浸透した場合、又は磁場を深く浸透させるために強力な磁場を与えた場合、内部の配線が渦電流によって、局部的に過熱される場合や、エレクトロマイグレーション等によって、配線自体が断線してしまうからである。よって、導電性膜に極力磁場を浸透させず、言い換えればウェーハ上に形成された素子にダメージを与えるような渦電流を発生させない程度の、適度の磁束分布を形成する平面インダクタの構成としている。また、導電性膜が除去される間際で導電性膜が薄くなると、適度に発散させる磁場を与えたとしても、一部は導電性膜を貫通する磁束が現れる。この終点付近の薄い導電性膜状態になったときに現れる急激な変化をモニタする。よって、周波数、インダクタ及びその信号を検出するアルゴリズムは、終点付近の変曲点を最大化する構成としている。

請求項２記載の発明は、前記所定の変化は、渦電流の極大点、渦電流の上昇開始点、上昇率、上昇量である請求項１記載の研磨終了時点の予測・検出方法を提供する。

この構成によれば、研磨の進行による膜厚減少に伴って所定の導電性膜が前記表皮深さと同等もしくはその付近の膜厚になった時点で該導電性膜を貫通する磁束が生じ始め、該磁束は膜厚の減少につれて増大する。このため、該磁束により生じる渦電流も増大する。そして、さらなる膜厚の減少により渦電流を発生する導電性膜自身が実質的に減少するため渦電流は急速に減少する。この渦電流の挙動により所定の導電性膜に誘起される磁束の変化、即ち、特徴のある変化は、急峻な下降を伴った変曲点（ピーク）を持つ顕著な変化として出現する。したがって、研磨条件変更時点の検出は、該特徴のある変化における変曲点（ピーク）を用いる場合に限らず、所定の変化にあたる、渦電流の極大点、渦電流の上昇開始点、上昇率、上昇量の変化点の何れかを用いても研磨条件変更点を検出可能である。

請求項１記載の発明は、所定の導電性膜にインダクタ型センサにおけるインダクタを近接させ、該インダクタで形成される磁束により前記所定の導電性膜の材質を一因子として決まる表皮深さと同等もしくはその付近になった場合の独特な磁束変化を基に特徴のある変化を検出し、該特徴のある変化から粗研磨と仕上げ研磨との研磨条件変更時点を検出するようにしたので、研磨初期には、所定の導電性膜に誘起される磁束は、前記表面深さの領域を膜面に沿ってほぼ平行に通過する。これにより、膜内に形成されている配線等まで強い磁束を及ぼすことがなく、また、渦電流の発生が抑制されて該渦電流によるジュール熱損を極小に抑えることができる。研磨の進行により所定の導電性膜が表皮深さに対応して膜厚になった以降において、所定の導電性膜を貫通する漏洩磁束が生じ、この漏洩磁束により所定の導電性膜中に渦電流が誘起される。この渦電流は膜厚の減少に伴う漏洩磁束の増加により徐々に増大し、更なる膜厚の減少により、渦電流を発生する導電性膜自身が減少するため急速に減少する。この渦電流の増大とその後の急速な減少により、センサ回路系のインダクタンスが一旦減少してその後増加に転じる。この挙動によりインダクタ型センサから発振される共振周波数の波形、言い換えれば所定の導電性膜に誘起される磁束に特徴のある変化であるピーク（変曲点）等が発生する。そして該特徴のある変化であるピーク（変曲点）等は、様々な外乱に対して揺らぐことなく、絶えず、残りの膜厚に対応した位置に出現する。このため、特徴のある変化から粗研磨と仕上げ研磨との研磨条件変更時点を精度よく検出することができ、また研磨終了時点を精度よく予測・検出することができるという利点がある。

請求項２記載の発明は、上記所定の変化は、 渦電流の極大点、渦電流の上昇開始点、上昇率、上昇量のいずれかであるので、所定の導電性膜に誘起される磁束の導電性膜に誘起される磁束の特徴のある変化は、急峻な上昇と急峻な下降を伴った変曲点（ピーク）を持つ顕著な変化として出現する。したがって、研磨条件変更時点の検出は、特徴のある変化における変曲点（ピーク）を用いる場合に限らず、所定の変化である渦電流の極大点、渦電流の上昇開始点、上昇率、上昇量のいずれかを用いても研磨条件変更時点を精度よく検出し、また研磨終了時点を精度よく予測・検出することができるという利点がある。

膜内に形成されている微細な配線まで強い磁束を及ぼすことなく、その結果電磁誘導によって誘起される渦電流の発生を抑制して、渦電流によるジュール熱損を極小に抑えるとともに、センサと導電性膜のギャップの変化やスラリー等の誘電物質の介在状態によって、誘起される渦電流量が全体的にシフトして、閾値の設定が大幅に変化して検出しにくくなるといった事態をなくし、デバイスウェーハを貫通しない程度の微細な磁場であっても、粗研磨と仕上げ研磨との研磨条件変更時点を十分に精度よく検出し、また研磨終了時点を精度よく予測・検出するという目的を達成するために、導電性膜を研磨して、所定の導電性膜が適正に除去されたときの研磨終了時点を予測して検出する研磨終了時点の予測・検出方法であって、前記所定の導電性膜に高周波インダクタ型センサにおけるインダクタを近接させ、該インダクタで形成される磁束により前記所定の導電性膜に誘起される磁束変化をモニタし、研磨中の膜厚が前記所定の導電性膜の材質を一因子として決まる表皮深さと同等もしくはその付近になった場合の独特な磁束変化を基に特徴のある変化を検出し、該特徴のある変化から前記研磨における粗研磨と仕上げ研磨との研磨条件変更時点を検出することにより実現した。

以下、本発明の実施例１に係る研磨終了時点の予測・検出方法とその装置を図面に従って詳述する。図１は研磨終了時点の予測・検出装置が組み込まれた化学機械研磨装置の斜視図、図２は研磨ヘッドの拡大縦断面図、図３は研磨終了時点の予測・検出装置がプラテンに組み込まれた状態を説明するための一部破断して示す概略側面図、図４は研磨終了時点の予測・検出装置が研磨ヘッドに組み込まれた状態を説明するための一部破断して示す概略側面図である。

まず、本実施例に係る研磨終了時点の予測・検出方法とその装置の構成を、これに適用される化学機械研磨装置の構成から説明する。図１において化学機械研磨装置１は、主としてプラテン２と、研磨ヘッド３とから構成されている。前記プラテン２は、円盤状に形成され、その下面中央には回転軸４が連結されており、モータ５の駆動によって矢印Ａ方向へ回転する。前記プラテン２の上面には研磨パッド６が貼着されており、該研磨パッド６上に図示しないノズルから研磨剤と化学薬品との混合物であるスラリーが供給される。

前記研磨ヘッド３は、図２（ａ）に示すように、主としてヘッド本体７、キャリア８、リテーナリング９、リテーナリング押圧手段１０、弾性シート１１、キャリア押圧手段１６及びエアー等の制御手段で構成されている。

前記ヘッド本体７は前記プラテン２よりも小形の円盤状に形成され、その上面中央に回転軸１２（図１参照）が連結されている。該ヘッド本体７は前記回転軸１２に軸着されて図示しないモータで駆動され図１の矢印Ｂ方向に回転する。

前記キャリア８は円盤状に形成され、前記ヘッド本体７の中央に配設されている。該キャリア８の上面中央部とヘッド本体７の中央下部との間にはドライプレート１３が設けられており、ピン１４，１４を介してヘッド本体７から回転が伝達される。

前記ドライプレート１３の中央下部と前記キャリア８の中央上部との間には作動トランス本体１５ａが固定されており、さらに前記キャリア８の中央上部には作動トランス１５のコア１５ｂが固定され、図示しない制御部に連結されてウェーハＷ上（図２の下方側）に形成されたＣｕ等からなる導電性膜の研磨状態信号を該制御部に出力している。

前記キャリア８の上面周縁部にはキャリア押圧部材１６ａが設けられており、該キャリア８は該キャリア押圧部材１６ａを介してキャリア押圧手段１６から押圧力が伝達される。

前記キャリア８の下面にはエアーフロートライン１７から弾性シート１１にエアーを噴射するためのエアー吹出し口１９が設けられている。該エアーフロートライン１７にはエアーフィルタ２０及び自動開閉バルブＶ１を介してエアー供給源である給気ポンプ２１に接続されている。前記エアー吹出し口１９からのエアーの吹出しは前記自動開閉バルブＶ１の切替えによって実行される。

前記キャリア８の下面にはバキューム及び必要によりＤＩＷ（純水）又はエアーを吹き出すための孔２２が形成されている。該エアーの吸引は真空ポンプ２３の駆動によって実行され、そして、自動開閉バルブＶ２をバキュームライン２４に設け、該自動開閉バルブＶ２の切替えによって該バキュームライン２４を介し、バキューム及びＤＩＷの送給が実行される。

前記エアーフロートライン１７からのエアー送給及びバキュームライン２４からのバキューム作用及びＤＩＷの送給等は制御部からの指令信号によって実行される。

なお、前記キャリア押圧手段１６は、ヘッド本体７下面の中央部周縁に配置され、キャリア押圧部材１６ａに押圧力を与えることにより、これに結合されたキャリア８に押圧力を伝達する。このキャリア押圧手段１６は、好ましくはエアーの吸排気により膨脹収縮するゴムシート製のエアバック２５で構成される。該エアバック２５にはエアーを供給するための図示しない空気供給機構が連結されている。

前記リテーナリング９はリング状に形成され、キャリア８の外周に配置されている。このリテーナリング９は研磨ヘッド３に設けられたリテーナリングホルダ２７に取り付けられ、その内周部に前記弾性シート１１が張設されている。

前記弾性シート１１は円形状に形成され、複数の孔２２が開穿されている。該弾性シート１１は、周縁部がリテーナリング９とリテーナリングホルダ２７との間で挟持されることにより、リテーナリング９の内側に張設される。

前記弾性シート１１が張設されたキャリア８の下部には、キャリア８と弾性シート１１との間にエアー室２９が形成されている。導電性膜が形成されたウェーハＷは該エアー室２９を介してキャリア８に押圧される。前記リテーナリングホルダ２７はリング状に形成された取付部材３０にスナップリング３１を介して取り付けられている。該取付部材３０にはリテーナリング押圧部材１０ａが連結されている。リテーナリング９は、このリテーナリング押圧部材１０ａを介してリテーナリング押圧手段１０からの押圧力が伝達される。

リテーナリング押圧手段１０はヘッド本体７の下面の外周部に配置され、リテーナリング押圧部材１０ａに押圧力を与えることにより、これに結合しているリテーナリング９を研磨パッド６に押し付ける。このリテーナリング押圧手段１０も好ましくは、キャリア押圧手段１６と同様に、ゴムシート製のエアバック１６ｂで構成される。該エアバック１６ｂにはエアーを供給するための図示しない空気供給機構が連結されている。

図２（ｂ）および（ｃ）に示すような前記研磨ヘッド３は、２重押圧力部印圧構造になっており、１段目の押圧で被加工物全体の平均押圧力を設定され、２段目の押圧力機構で押圧力分布を変える構造である。

１段目の押圧は、図２（ａ）の前記キャリア８の上面周辺部のキャリア押圧部材１６ａを介してキャリア押圧手段１６から押圧力が伝達される押圧である。

２段目の押圧は、被加工物の表面に押圧力を与える流体を噴出する流体噴出部を備え、前記被加工物の表面の押圧力を、前記流体噴出部に対応して部分的に変化させる事が可能である。流体を供給するための図示しない流体供給機構が連結されている。

２段目の押圧力機構で押圧力を変えても被加工物全体の平均圧力は変化しない。したがって、１段目の押圧力を設定すれば、被加工物全体にかける平均押圧力は一定で安定している。その上で、２段目の押圧機構で押圧力分布を設定すると、全体の平均研磨レートは一定に保持された状態で、被加工物内での研磨レートの分配が決定される。

２重の押圧力印圧構造であるために、部分的に押圧力を変えつつ、所望の研磨レート分布を得るための設定を簡単に行う事ができる。

２重押圧力部印圧構造を有して部分的に押圧力を変えられる研磨装置を使用して、研磨量を部分的に異ならせる場合に適用可能である。

図２（ｃ）に示すように、半径に応じてＰからＵの領域に分けられている。Ｑ，Ｒ，Ｔ，Ｕの領域には、それぞれ気体を噴出する流体噴出口を有する流体噴出部Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４が設けられている。

該流体噴出部Ｚ１（ゾーン圧力１）、Ｚ２（ゾーン圧力２）、Ｚ３（ゾーン圧力３）、Ｚ４（ゾーン圧力４）に対応した第１〜第４分圧レギュレータは、制御部からの制御信号Ｃ、Ｃ１〜Ｃ４により制御される。

そして、図３又は図４に示すように、化学機械研磨装置１におけるプラテン２の上部の部分又は研磨ヘッド３のキャリア８の部分に、研磨終了時点の予測・検出装置３３がそれぞれ一つずつ組み込まれている。研磨終了時点の予測・検出装置３３がプラテン２側に組み込まれたとき、該研磨終了時点の予測・検出装置３３からの特徴のある変化等の検出信号は、スリップリング３２を介して外部に出力される。

なお、研磨終了時点の予測・検出装置３３は、プラテン２の上部の部分又は研磨ヘッド３のキャリア８の部分に、それぞれ二つ以上を組み込んでもよい。研磨終了時点の予測・検出装置３３を二つ以上を組み込んで、回転方向前方側の研磨終了時点の予測・検出装置３３から、時系列的に膜厚情報を採取することで、ウェーハＷ面内における導電性膜２８の膜厚変化の分布情報等が得られる。

図５は研磨終了時点の予測・検出装置３３の構成例を示す図であり、（ａ）はブロック図、（ｂ）は平面状インダクタの他の構成例を示す図、（ｃ）は図（ｂ）の平面状インダクタの断面図である。該研磨終了時点の予測・検出装置３３における高周波インダクタ型センサ３４の主体を構成している発振回路３５は、インダクタンスＬとなる二次元の平面状インダクタ３６に、キャパシタンスＣ_０となる集中定数キャパシタ３７が直列に接続されて、ＬＣ回路が構成されている。前記平面状インダクタ３６は、絶縁物からなる方形状等の基板３６ａ上に、Ｃｕ等の導電物質を用いてメアンダ形に構成されている。

該平面状インダクタ３６は、図５（ａ）に示すメアンダ形の他に、図５（ｂ）に示す平面状インダクタ４１のように、方形状の基板４１ａ上に、角形のスパイラルで構成してもよく、また、図示しない丸形のスパイラルとしてもよい。二次元の平面状インダクタ３６，４１は、ガラス・エポキシや紙・フェノール等の絶縁物からなる基板３６ａ，４１ａ上にＣｕ等の導電膜を成膜後、エッチング等で製作することで、線幅を非常に微細化して製作することができ、全体形状も図５（ｃ）に示すように、一辺が２３ｍｍ程度の方形状等に小型化することができる。そして、平面状インダクタ３６，４１の小形化により微小な磁場を効率よく発生させることができ、磁場を導電性膜２８の内部に深く浸透させることなく、該導電性膜２８が除去される終点付近の変化挙動を精度よく検出することが可能となる。

前記ＬＣ回路からの出力信号はオペアンプ等で構成された増幅器３８に入力され、該増幅器３８の出力は抵抗等で構成されたフィードバック・ネットワーク３９に入力されている。フィードバック・ネットワーク３９の出力信号が、平面状インダクタ３６にポジティブ・フィードバックされることにより、該平面状インダクタ３６を含めて発振回路３５が構成されている。

該発振回路３５は、基本的には、図６の構成例に示すように、その発振周波数帯ｆが、次式（１）に示すように、平面インダクタ３６のインダクタンスＬと集中定数キャパシタ３７のキャパシタンスＣ_０で決まるコルピッツ型等の発振回路となっている。

前記増幅器３８の出力端子には、周波数カウンタ４０が接続されている。該周波数カウンタ４０から後述する特徴のある変化を示す検出信号等がデジタルで外部に出力される。検出信号出力をデジタルで伝送することで、ノイズの影響及び出力の減衰が防止される。また、膜厚データの管理容易性が得られる。

前記平面状インダクタ３６を含む高周波インダクタ型センサ３４と該周波数カウンタ４０とを含めて研磨終了時点の予測・検出装置３３が構成されている。高周波インダクタ型センサ３４おける発振回路３５と、その発振（共振）周波数の変化をモニタするための周波数カウンタ４０とを近接して配置することで、該発振回路３５と周波数カウンタ４０間の配線・結線部分で分布定数回路を形成してインダクタンスやキャパシタンスが不要に大きくなるのが防止されて、高周波インダクタ型センサ３４付近にもたらされる導電性膜２８の研磨の進行に伴う磁束の変化を精度よく検出することが可能となる。

該研磨終了時点の予測・検出装置３３は、平面状インダクタ３６を除いた他の構成部品ないしは回路がＩＣ（集積回路）化されてパッケージ３３ａに内装されている。前記平面状インダクタ３６は、薄い絶縁膜で被覆されてパッケージ３３ａの表面に固定されている。パッケージ化された研磨終了時点の予測・検出装置３３が前記化学機械研磨装置１に組み込まれるとき、前記図３、図４に示したように、平面状インダクタ３６がウェーハＷ表面部の導電性膜２８と対峙するように組み込まれる。

また、発振回路３５を構成している前記集中定数キャパシタ３７はキャパシタンスが可変となっており、高周波インダクタ型センサ３４は前記発振周波数帯の範囲内で、発振周波数を選択できるようになっている。

本実施例では研磨中の所定の導電性膜２８が該所定の導電性膜２８の表皮深さδに対応する膜厚になった場合の磁束変化を基に後述する特徴のある変化の検出を行っている。所定の導電性膜２８における表皮深さδは、該所定の導電性膜２８の材質と高周波インダクタ型センサ３４の発振周波数ｆとに依存して式（２）のように決まる。

ω：２πｆ、μ：透磁率、σ：導電率である。

そして、該表皮深さδが、所定の導電性膜２８の初期膜厚よりも小さく研磨終期において埋め込み部を除いた部分の所定の導電性膜２８の膜厚より大になるように高周波インダクタ型センサ３４の発振周波数ｆが選択されている。研磨除去対象の導電性膜２８の材質がＣｕの場合において、前記発振周波数帯は、２０ＭＨｚ以上が選択される。

ここで、前記「表皮深さに対応する膜厚」及び「表皮効果によって生じる磁束変化」について、図７の（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図７はコイルから発生した磁場が導体膜上でどのような向き（（ａ）〜（ｄ）各図中下方の矢印→）に配列しているかを電磁シミュレーションした結果を示す図であり、同図（ａ）はセンサからの発振周波数が１ＭＨｚで導体膜の膜厚が０．２μｍの場合、同図（ｂ）はセンサからの発振周波数が１ＭＨｚで導体膜の膜厚が１μｍの場合、同図（ｃ）はセンサからの発振周波数が４０ＭＨｚで導体膜の膜厚が０．２μｍの場合、同図（ｄ）はセンサからの発振周波数が４０ＭＨｚで導体膜の膜厚が１μｍの場合である。

電磁シミュレーションの設定は、磁場を形成するインダクタは指向性を持たない平面状インダクタとした。前記「表皮深さに対応する膜厚」とは、「表皮効果によって磁束変化が生じる膜厚」のことである。センサの発振周波数が１ＭＨｚではコイルの下側に存在する導体膜上の磁束は縦方向を向いている。この周波数では、膜厚が１μｍ及び０．２μｍであっても、導体膜内を磁束が貫通している（図７（ａ）、（ｂ））。こうした導体膜内を磁束が貫通する場合は、従来例に示されているように、導体膜内部に発生する渦電流は、膜厚減少に伴って減少する。よって、１ＭＨｚの場合、１μｍ以下の膜厚では、単調な挙動であるため、表皮効果は現れず、「表皮深さに対応する膜厚」も少なくとも１μｍよりも厚い膜厚と考えられる。

これに対し、センサの発振周波数が４０ＭＨｚでは、明らかに導体表面での磁束向きが水平であり、膜厚が１μｍでは、殆ど導体内部に入り込んでいない（図７（ｄ））。明らかに、先の発振周波数が１ＭＨｚで膜厚が１μｍの場合（図７（ｂ））と比較すると、導体膜に入り込む磁束の向きが異なることが分かる。

しかし、発振周波数が４０ＭＨｚで導体膜が０．２μｍまで薄くなると（図７（ｃ））、一部の磁束のみが導体膜内部方向へ向いている。これは導体膜がＣｕでも、ある薄さになると一部の磁束が導体膜内を貫通することを示している。

この４０ＭＨｚの交番変化する磁束の場合、表皮効果に対応して、導体膜内の磁束の貫通状態が変化する。貫通磁束が徐々に増加する影響で、周波数は約７００Å前後まで急激に上昇する。なお、膜厚が１μｍ以上では磁束は殆ど貫通していない。よって、この場合、「表皮深さに対応した膜厚」は約１μｍということができる。このことからも、発振周波数を４０ＭＨｚと高くし、平面状インダクタを使用すると、１μｍ厚みのＣｕ導体膜内に磁束は殆ど入り込まず、これは表皮効果によるものである。

Ｃｕ導体膜で発振周波数が４０ＭＨｚの場合、Ｃｕの導電率を５８×１０^６Ｓ／ｍとすると、表皮深さδは９．３４μｍになる。計算上は、膜厚が１μｍだと磁束は導体膜内に十分入り込む計算になるが、平面状インダクタを使用しており、磁束に指向性がないことから、実際は発振周波数が４０ＭＨｚの場合、膜厚が１μｍでも表皮効果によって磁場は導体膜内に侵入しない。導体膜が薄くなるにつれて一部の磁束が導体膜内に入り込み、わずかに渦電流が発生する。このことより、渦電流を積極的に利用して膜厚測定するのではなく、終点付近の薄い膜厚になったときに、表皮効果により、わずかに漏洩・貫通する磁束を利用して、導体膜内に誘起される相互インダクタンスの変曲点（極大点）を利用して該導体膜の終点付近の膜厚状態をモニタすることが可能となる。

次に、上述のように構成された研磨終了時点の予測・検出装置が組み込まれた化学機械研磨装置の研磨作用及び研磨終了時点の予測・検出方法を、図８、図９（ａ）〜（ｅ）及び該図９の比較例としての図１０（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。図８は高周波インダクタ型センサにおける電磁結合で発生する磁場によるインダクタンスの変化作用を説明するための図、図９は導電性膜の研磨削除に伴う磁束及び渦電流の変化例及び特徴のある変化の検出作用を説明するための組図であり、（ａ）〜（ｄ）は導電性膜の研磨削除に伴う磁束及び渦電流の変化例を示す図、（ｅ）は導電性膜の膜厚変化に対する共振周波数の変化例を示す特性図である。図９（ａ）〜（ｄ）では、平面状インダクタ３６が、図を見やすくするため、スパイラル形に表示されている。

まず、化学機械研磨装置１における研磨ヘッド３を図示しない移動機構により所定箇所に待機中の導電性膜２８が非研磨のウェーハＷ上に載置する。そして、該研磨ヘッド３のバキュームライン２４を作動させ、バキューム口１９ａ及び孔２２（バキューム孔）を介して弾性シート１１下面のエアー室２９を真空にし、これにより前記導電性膜２８が非研磨のウェーハＷを吸着保持し、そして、前記移動機構により、該導電性膜２８が非研磨のウェーハＷを吸着保持した研磨ヘッド３をプラテン２上に運び、該ウェーハＷを、導電性膜２８が研磨パッド６に対接するようにプラテン２上に載置する。

前記バキュームライン２４はウェーハＷ上部の導電性膜２８の研磨作業が終了したとき、再び、該バキュームライン２４の作動により前記ウェーハＷを該研磨ヘッド３によって吸着保持し、図示しない洗浄装置へ搬送するときにも用いられる。

次いで、前記バキュームライン２４の作動を解除し、図示しないポンプからエアバック２５にエアーを供給して該エアバック２５を膨らませる。これと同時にキャリア８に設けたエアー吹出し口１９からエアー室２９にエアーを供給する。これにより、エアー室２９の内圧が高くなる。

前記エアバック２５の膨らみによって、前記ウェーハＷ上部の導電性膜２８とリテーナリング９が所定の圧力で研磨パッド６に押し付けられる。この状態でプラテン２を図１の矢印Ａ方向に回転させるとともに研磨ヘッド３を図１の矢印Ｂ方向に回転させ、回転する研磨パッド６上に図示しないノズルからスラリーを供給してウェーハＷ上部の所定の導電性膜２８を研磨する。

そして、次のように、高周波インダクタ型センサ３４における平面インダクタ３６で形成される磁束により研磨に伴う該磁束の独特な変化を基に特徴のある変化が検出され該特徴のある変化から粗研磨と仕上げ研磨との研磨条件変更時点が検出される。

平面インダクタ３６が発振回路３５から発振される高周波で駆動され、該平面インダクタ３６からその高周波の周期に対応して時間的に変化する磁束φが発生する。研磨初期において所定の導電性膜２８に誘起される磁束φは、前記表皮深さδの領域のみを膜面に沿ってほぼ平行に通過し、所定の導電性膜２８における表皮深さδを超えた領域への磁束φの侵入は回避される（図９（ａ））。また、高周波インダクタ型センサ３４から発振される共振周波数も所定の導電性膜２８の膜厚変化に関係なく一定に保持される（図９（ｅ）のａ領域）。

研磨が進行して所定の導電性膜２８が前記表皮深さδと同等もしくはその付近の膜厚になると、一部の磁束φが所定の導電性膜２８を貫通して漏洩磁束φ_Ｌが生じ始める。所定の導電性膜２８を貫通しない磁束φは、そのまま膜面に沿ってほぼ平行に通過する。そして、所定の導電性膜２８中に貫通した漏洩磁束φ_Ｌ数に比例して渦電流Ｉｅが発生する（図９（ｂ））。

さらに研磨が進行すると、漏洩磁束φ_Ｌが増えて渦電流Ｉｅが導電性膜２８の膜面に沿った広い領域に発生する（図９（ｃ））。この広い領域に発生した渦電流Ｉｅが、図８に示すように、さらに磁場Ｍを作り、その磁場Ｍが元の平面状インダクタ３６から発生した磁束φ_Ｌを打ち消すように作用する。結果的に導電性膜２８が形成した磁場Ｍによって、相互インダクタンスＬｍが上昇し、元の平面状インダクタ３６の見かけ上のインダクタンスＬが低下する。その結果、高周波インダクタ型センサ３４から発振される発振周波数ｆは、式（３）のように増大する。

したがって、相互インダクタンスの発生により、センサ回路系のインダクタンスが等価的に減少して高周波インダクタ型センサ３４から発振される共振周波数が上昇する（図９（ｅ）のｂ、ｃの領域）。

さらに研磨の進行により漏洩磁束φ_Ｌは増えて飽和する。しかし渦電流Ｉｅは、所定の導電性膜２８の膜厚体積の減少に伴い急速に減少する（図９（ｄ））。この渦電流Ｉｅの急速な減少により前記相互インダクタンスも急速に減少する。この相互インダクタンスの急速な減少は、前記式（３）におけるインダクタンスの減少分Ｌｍの低下につながり、結果としてセンサ回路系のインダクタンスが等価的に増加し、高周波インダクタ型センサ３４から発振される共振周波数が急速に低下する（図９（ｅ）のｄ領域）。

このように、研磨の進行により所定の導電性膜２８が表皮深さδと同等もしくはその付近の膜厚になった以降において、渦電流Ｉｅが発生しその後の急速な減少によりセンサ回路系のインダクタンスが一旦減少してその後増加に転じる。この挙動により高周波インダクタ型センサ３４から発振される共振周波数の波形にピーク（変曲点）Ｐを含む特徴のある変化Ｖが発生する。この特徴のある変化Ｖから粗研磨と仕上げ研磨との研磨条件変更時点が検出されるとともに研磨終了時点が予測・検出される。

図１１（ａ）を用いて後述するように、研磨条件変更時点を検出する特徴のある変化Ｖは上記ピーク（変曲点）Ｐのみに限らず、該ピーク（変曲点）Ｐの前後における上昇開始点、上昇率、上昇量、下降率もしくは上昇から下降の変化量も含まれる。所定の導電性膜２８がＣｕの場合、特徴のある変化Ｖにおけるピーク（変曲点）Ｐが検出された時点の残膜量は、ほぼ７１０Å程度であり、該残膜量に対し仕上げ研磨が行われて研磨を終了する。

該仕上げ研磨条件は、例えばウェーハＷへの加圧力、プラテン２及び研磨ヘッド３の回転数、スラリー成分、スラリー流量、並びに研磨パッド６のドレッシング条件等の変更により設定される。そして、特徴のある変化Ｖのうち、特にピーク（変曲点）Ｐから、該ピーク（変曲点）Ｐにおける残膜量である表皮深さに対応した膜厚を所要の研磨レートで予め設定した研磨時間分研磨した後に研磨終了とする。又は、研磨初期からピーク（変曲点）Ｐが検出されるまでの時間と、該ピーク（変曲点）Ｐに達するまでの研磨量から、その間における研磨レートを算出し、ピーク（変曲点）Ｐにおける残膜量である表皮深さに対応した膜厚を前記研磨レートで除することでピーク（変曲点）Ｐ検出後の所要研磨時間を算出する。そして、ピーク（変曲点）Ｐの検出後に、前記算出された研磨時間分だけ研磨することで研磨を終了する。

次いで、図１０（ａ）〜（ｅ）の比較例を説明する。該比較例では、表皮深さδが、導電性膜２８の初期膜厚よりも大になるような周波数が適用されている。このような周波数が適用されることで、研磨初期から研磨終期までの膜厚変化のモニタの間、導電性膜２８に誘起される磁束φは全て該導電性膜２８を貫通して絶えず漏洩磁束φ_Ｌが発生している。したがって、膜厚変化のモニタの間、該漏洩磁束φ_Ｌ数に比例した渦電流Ｉｅが発生する（図１０の（ａ）〜（ｄ））。このため、この渦電流Ｉｅにより導電性膜２８と前記平面インダクタとの間に大きな相互インダクタンスが発生し、この相互インダクタンスによるインダクタンスの減少分Ｌｍにより、センサから発振される発振周波数ｆは、研磨初期から前記式（３）のようになる。

そして、研磨の進行による膜厚の減少にしたがって渦電流Ｉｅは急激に減少し（図１０の（ｂ）から（ｄ））、これに伴って相互インダクタンスが減少して前記式（３）中のインダクタンスの減少分Ｌｍも減少する。この結果、センサ回路系のインダクタンスが等価的に増加してセンサから発振される共振周波数が単調減少する（図１０の（ｅ））。

このように、比較例では、共振周波数は単調減少カーブを描くため、研磨初期からの膜厚減少量を見積もることは可能だが、研磨終了時点もしくは研磨終了点手前の粗研磨と仕上げ研磨との研磨条件変更時点を厳密に判別することはできない。例えば、微妙な設定により浮遊容量Ｃが変化したとき、全体的な図１０（ｅ）の共振周波数は、波形全体にわたって上下にシフトする。このため、仮にある設定の周波数になったときに研磨終了点とする設定をしていても、全体的に共振周波数がシフトすれば、閾値は設定できない。また、初期膜厚からの除去量の状態を渦電流変化でリアルタイムにモニタしたとしても、初期膜厚がばらついている場合、研磨終了点となる状態の膜厚もばらつくことになる。波形の特徴がないため、この場合も上記と同様に閾値は設定できない。

図１１の（ａ）、（ｂ）は、研磨対象の導電性膜がバリア膜（Ｔａ／ＴａＮ）上のＣｕ膜の場合について、粗研磨と仕上げ研磨との研磨条件変更時点の検出を説明するための図である。同図（ａ）は研磨の進行に伴うＣｕ膜の膜厚と共振周波数との関係を示す図、（ｂ）はＴａ／ＴａＮ上にＣｕ膜が積層されたウェーハＷａ例を示す図である。図１１（ａ）における縦軸のカウント値は共振周波数に対応する。図１１（ａ）において、Ｃｕ膜の初期膜厚は、ほぼ１．５μｍ（１５０００Å）である。Ｃｕ膜は、研磨の進行に伴って共振周波数は膜厚が約１μｍ（１００００Å）付近から徐々に上昇し、７１０Å付近で最大値をとって特徴のある変化Ｖが急峻な上昇と急峻な下降を伴った変曲点（ピーク）Ｐを持つ顕著な変化として出現する。

したがって、研磨条件変更時点の検出は、該特徴のある変化Ｖにおける変曲点（ピーク）Ｐを用いる場合に限らず、該特徴のある変化Ｖにおける上昇開始点Ｑ_１、該上昇開始点Ｑ_１と変曲点（ピーク）Ｐ間の上昇率もしくは上昇量、下降点Ｑ_２における下降率、又は変曲点（ピーク）Ｐと下降点Ｑ_２間の下降の変化量の少なくともいずれかを用いても研磨条件変更時点を検出することができる。このように、バリア膜（Ｔａ／ＴａＮ）上のＣｕ膜は、ピーク（変曲点）Ｐを含む特徴のある変化Ｖが顕著に生じて粗研磨と仕上げ研磨との研磨条件変更時点が精度よく検知される。

図１２は、ウェーハＷ表面部に形成された溝パターン上に、バリア膜（Ｔａ／ＴａＮ）を介して成膜したＣｕ膜をＣＭＰにより研磨してＣｕ配線パターンを形成するプロセスの一部を説明するための図である。同図（ａ）は研磨初期状態、（ｂ）は粗研磨によりＣｕ膜が平坦化された状態、（ｃ）は不要部分のＣｕ膜が除去されてＣｕ配線が形成された状態をそれぞれ示している。

図１２（ａ）の研磨初期状態では、Ｃｕ膜の初期膜厚は一般的に３５００〜３５０００Å（３５０〜３５００ｎｍ）程度である。該Ｃｕ膜は粗研磨により、残膜厚が５００〜３０００Å（８０〜３００ｎｍ）程度になるまで平坦化される（同図（ｂ））。この残膜厚に至った時点で特徴のある変化Ｖが検出されて粗研磨から仕上げ研磨に切り替えられる。仕上げ研磨ではバリア膜（Ｔａ／ＴａＮ）が露出するまで研磨が行われてＣｕ配線が形成される（同図（ｃ））。

図１３は、粗研磨と仕上げ研磨からなる２ステップ研磨による平坦化効果をウェーハＷ表面の仕上がり段差により示した図であり、同図（ａ）は本実施例の場合、（ｂ）は比較例としての１ステップ研磨による場合である。図１３の（ａ）、（ｂ）における横軸は、孤立Ｃｕ配線の線幅が１μｍ、１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ及びＣｕ配線のＬｉｎｅ／Ｓｐａｃｅが９０％の各場合を示し、縦軸は横軸の各場合におけるウェーハＷ表面の中心部、中間部及びエッジ部で評価した段差をｎｍ単位で示している。

図１３（ａ）の本実施例の場合は、粗研磨時のウェーハ加圧条件が１ｐｓｉで、仕上げ研磨時のウェーハ加圧条件が０．５ｐｓｉであり、Ｃｕ残膜厚が８０ｎｍ相当で粗研磨から仕上げ研磨に切り替え、オーバー研磨量が１７４ｎｍ相当で研磨を終了したものである。一方、図１３（ｂ）の粗研磨のみの１ステップ研磨の場合は、ウェーハ加圧条件が１ｐｓｉで、オーバー研磨量が１７４ｎｍ相当で研磨を終了したものである。

図１３の本実施例の場合の具体的な研磨的な研磨条件の例は次の通りである。
（研磨条件）
スラリー：（株）フジミインコーポレーテッド社製 プレーナソリューション７１０１
パッド：ニッタ・ハース（株）社製 ＩＣ１４００同心円溝
（粗研磨条件）
ウェーハ／リテーナ加圧：１．０／２．０ｐｓｉ
プラテン／ヘッド回転数：１２０／１２０ｒｐｍ
スラリー流量：３００ｃｃ／ｍｉｎ
ゾーン加圧１／２／３／４：０／０／０／１．１ｐｓｉ
（仕上げ研磨条件）
ウェーハ／リテーナ加圧：０．５／０．５ｐｓｉ
プラテン／ヘッド回転数：１２０／１２０ｒｐｍ
スラリー流量：３００ｃｃ／ｍｉｎ
ゾーン加圧１／２／３／４：０／０／０／０ｐｓｉ
（インターバルドレス条件）
ドレス荷重：３ｋｇｆ
プラテン／ドレス回転数：８０／８８ｒｐｍ
時間：３０ｓｅｃ
図１３（ａ）の本実施例の場合の仕上がり段差と、図１３（ｂ）の比較例の場合の仕上がり段差とを、例えば線幅が５０μｍの孤立配線の場合について比較すると、本実施例の場合は、中心部、中間部及びエッジ部についての平均段差が９．９ｎｍ程度であるのに対し、比較例の場合は同平均段差が２２．０ｎｍ程度であり、本実施例の場合の平均段差は比較例の場合の１／２．２程度に小さくなっている。また、中間部に対する中心部及びエッジ部の段差バラツキが本実施例の場合は、平均２．１ｎｍ程度であるのに対し、比較例の場合は平均５．１ｎｍ程度であり、本実施例の場合の段差バラツキは比較例の場合の１／２．４程度に小さくなって、本実施例の場合は、ウェーハ面内表面が極めて均一化されている。

図１４の（ａ）、（ｂ）は、研磨対象となる導電性膜がタングステン（Ｗ）膜の場合について、特徴のある変化であるピーク（変曲点）Ｐの発生を評価した結果を示している。同図（ａ）はタングステン（Ｗ）膜の膜厚に対する共振周波数の変化特性例を示す図、（ｂ）はタングステン（Ｗ）膜付きウェーハＷｂ例を示す図である。図１４（ａ）における縦軸のセンサ出力（カウント値）は共振周波数に対応する。

タングステン（Ｗ）膜は研磨の進行とともに一旦は共振周波数は増大し、その後、急激に減少して特徴のある変化であるピーク（変曲点）Ｐが発生する。このピーク（変曲点）Ｐを含む特徴のある変化を基に粗研磨と仕上げ研磨との研磨条件変更時点の検出及び研磨終了時点の予測・検出が行われる。この挙動は、図１４（ａ）に示すタングステン（Ｗ）膜の場合に比べて、前記図１１（ａ）に示した導電率の大きいＣｕ膜の方が明らかに顕著である。

図１５は、研磨対象の導電性膜がＣｕ膜の場合について静止状態における膜厚と共振周波数との関係を示す図である。同図の縦軸のカウント値は共振周波数に対応する。図１５において、静止状態のＣｕ膜の各膜厚に対して測定した共振周波数は、膜厚が７１０Åで最大値を示している。したがって、静止状態で共振周波数が最大になるＣｕ膜の膜厚と、前記図１１（ａ）に示した研磨の進行中において共振周波数が最大となるＣｕ膜の膜厚とは、ほぼ一致している。

なお、本実施例は、前記共振周波数の他に相互インダクタンス、渦電流Ｉｅ、漏洩磁束φ_Ｌの変化のうちの少なくともいずれかの変化を基に特徴のある変化Ｖを検出することができる。相互インダクタンスの変化は前記式（３）を利用して高周波インダクタ型センサ３４の発振周波数の変化から求めることができ、渦電流Ｉｅは前記相互インダクタンスと比例関係にあることから該渦電流Ｉｅの変化は前記相互インダクタンスの変化を用いて求めることができ、また漏洩磁束φ_Ｌは渦電流Ｉｅと比例関係にあることから該漏洩磁束φ_Ｌの変化は前記渦電流Ｉｅの変化を用いて求めることができる。

上述したように、本実施例に係る研磨終了時点の予測・検出方法とその装置においては、研磨の進行により所定の導電性膜２８が表皮深さと同等もしくはその付近の研磨終了点手前の膜厚になってから特徴のある変化Ｖ検出の基になる漏洩磁束φ_Ｌが生じることで、該漏洩磁束φ_Ｌで発生する渦電流Ｉｅによるジュール熱損を極小に抑えることができる。

独特な磁束変化を基に検出される特徴のある変化Ｖは、様々な外乱に対しても揺らぐことなく、絶えず、残りの膜厚に対応した位置に出現する。このため、この特徴のある変化Ｖから粗研磨と仕上げ研磨との研磨条件変更時点を精度よく検出することができる。

磁束の特徴のある変化Ｖは、例えば、Ｃｕの残り膜が７１０Å（７１ｎｍ）の付近に急峻な上昇と急峻な下降を伴ったピークＰを持つ顕著な変化として出現する。該Ｃｕ膜は粗研磨により、残膜厚が５００〜３０００Å（５０〜３００ｎｍ）程度になるまでがＣｕ膜が除去され、研磨条件を変更する。したがって、粗研磨と仕上げ研磨との研磨条件変更時点付近で磁束の特徴のある変化Ｖが発生し、十分に精度よく検出することができる。

磁束の特徴のある変化Ｖは、急峻な上昇と急峻な下降を伴ったピークＰを持つ顕著な変化として出現する。したがって、研磨条件変更時点の検出は、ピークＰを用いる場合に限らず、特徴のある変化Ｖにおける上昇開始点、上昇率、上昇量、下降率もしくは上昇から下降の変化量の少なくともいずれかを用いても研磨条件変更時点を精度よく検出することができる。

高周波インダクタ型センサ３４からの共振周波数の伝送方法を周波数カウンタ４０を用いたデジタル出力としたことで、ノイズの影響及び共振周波数出力の減衰が防止されて、特徴のある変化Ｖを確実に検出することができる。

高周波インダクタ型センサ３４を構成している集中定数キャパシタ３７をキャパシタンス可変としたことで、異なる膜種の導電性膜２８に対し、表皮深さδが適切な値になるように発振周波数を容易に選択することができる。

高周波インダクタ型センサ３４の主構成要素である平面インダクタ３６は、ノイズの発生及び電力消費は殆どなく、さらには比較的安価で済むことからコスト低減を図ることができる。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。

本発明の実施例に係る研磨終了時点の予測・検出装置が組み込まれた化学機械研磨装置の斜視図。 図１の化学機械研磨装置における研磨ヘッドの拡大縦断面図。 部分的に押圧力を変えられる研磨ヘッドの構成例を示す縦断面図。 部分的に押圧力を変えられる研磨ヘッドの構成例を示す下面横断図。 本発明の実施例に係る研磨終了時点の予測・検出装置がプラテンに組み込まれた状態を説明するための一部破断して示す概略側面図。 本発明の実施例に係る研磨終了時点の予測・検出装置が研磨ヘッドに組み込まれた状態を説明するための一部破断して示す概略側面図。 本発明の実施例に係る研磨終了時点の予測・検出装置の構成例を示す示す図であり、（ａ）はブロック図、（ｂ）は平面状インダクタの他の構成例を示す図、（ｃ）は図（ｂ）の平面状インダクタの断面図。 図５の研磨終了時点の予測・検出装置における発振回路の基本的な構成例を示す図であり、（ａ）は構成図、（ｂ）は図（ａ）の等価回路。 本発明の実施例において、コイルから発生した磁場が導体膜上でどのような向きに配列しているかを電磁シミュレーションした結果を示す図であり、（ａ）はセンサからの発振周波数が１ＭＨｚで導体膜の膜厚が０．２μｍの場合、（ｂ）はセンサからの発振周波数が１ＭＨｚで導体膜の膜厚が１μｍの場合、（ｃ）はセンサからの発振周波数が４０ＭＨｚで導体膜の膜厚が０．２μｍの場合、（ｄ）はセンサからの発振周波数が４０ＭＨｚで導体膜の膜厚が１μｍの場合。 本発明の実施例に係る高周波インダクタ型センサにおける電磁結合で発生する磁場によるインダクタンスの変化作用を説明するための構成図。 図１の化学機械研磨装置による導電性膜の研磨削除に伴う磁束等の変化例及び特徴のある変化の検出作用を説明するための組図であり、（ａ）〜（ｄ）は導電性膜の研磨削除に伴う磁束等の変化例を示す図、（ｅ）は導電性膜の膜厚変化に対する共振周波数の変化例を示す特性図。 図９の比較例としての組図であり、（ａ）〜（ｄ）は導電性膜の研磨削除に伴う磁束及び渦電流の変化例を示す図、（ｅ）は導電性膜の膜厚変化に対する共振周波数の変化例を示す特性図。 本発明の実施例において、研磨対象の導電性膜がバリア膜上のＣｕ膜の場合について、粗研磨と仕上げ研磨との研磨条件変更時点の検出を説明するための図であり、（ａ）は研磨の進行に伴う共振周波数の変化特性例を示す図、（ｂ）はバリア膜上にＣｕ膜が積層されたウェーハ例を示す図。 本発明の実施例において、ウェーハＷ表面部に形成された溝パターン上に、バリア膜を介して成膜したＣｕ膜を研磨してＣｕ配線を形成するプロセスを説明するための断面図であり、（ａ）は研磨初期状態の図、（ｂ）は粗研磨によりＣｕ膜が平坦化された状態の図、（ｃ）は仕上げ研磨によりＣｕ膜が除去されてＣｕ配線が形成された状態を示す図。 本発明の実施例において、粗研磨と仕上げ研磨からなる２ステップ研磨による平坦化効果をウェーハ表面の仕上がり段差により示した図であり、（ａ）は本実施例の場合の図、（ｂ）は比較例としての１ステップ研磨による場合の図。 本発明の実施例において、研磨対象の導電性膜がタングステン膜の場合について特徴のある変化であるピークＰの発生を評価した結果を示す図であり、（ａ）は研磨の進行に伴う共振周波数の変化特性例を示す図、（ｂ）はタングステン膜付きウェーハ例を示す図。 本発明の実施例において、研磨対象の導電性膜がＣｕ膜の場合について静止状態における膜厚と共振周波数との関係例を示す図。

符号の説明

１ 化学機械研磨装置
２ プラテン
３ 研磨ヘッド
４ 回転軸
５ モータ
６ 研磨パッド
７ ヘッド本体
８ キャリア
９ リテーナリング
１０ リテーナリング押圧手段
１１ 弾性シート
１２ 回転軸
１３ ドライプレート
１４ ピン
１５ 作動トランス
１６ キャリア押圧手段
１７ エアーフロートライン
１９ エアー吹出し口
２０ エアーフィルタ
２１ 給気ポンプ
２２ 孔
２３ 真空ポンプ
２４ バキュームライン
２５ エアバック
２７ リテーナリングホルダ
２８ 導電性膜
２９ エアー室
３０ 取付部材
３１ スナップリング
３２ スリップリング
３３ 研磨終了時点の予測・検出装置
３４ 高周波インダクタ型センサ
３５ 発振回路
３６ 平面状インダクタ
３７ 集中定数キャパシタ
３８ 増幅器
３９ フィードバック・ネットワーク
４０ 周波数カウンタ
４１ 平面状インダクタ
Ｖ 特徴のある変化
Ｗ ウェーハ

Claims (2)

1. 導電性膜を研磨して、所定の導電性膜が適正に除去されたときの研磨終了時点を予測して検出する研磨終了時点の予測・検出方法であって、
   前記所定の導電性膜に、インダクタを近接させ、該インダクタで形成される磁束により前記所定の導電性膜に誘起される渦電流の変化をモニタし、
   研磨中の膜厚が、前記所定の導電性膜の材質を一因子として決まる表皮深さ付近になった際に、前記渦電流の変化が、所定の変化となったことを検出し、前記変化点を基に、粗研磨と仕上げ研磨へ研磨条件を変更することを特徴とする研磨終了時点の予測・検出方法。
2. 前記所定の変化は、渦電流の極大点、渦電流の上昇開始点、上昇率、上昇量であることを特徴とする請求項１記載の研磨終了時点の予測・検出方法。