CN108098565A - 研磨装置及研磨方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使研磨工序的进行状况的测定精度提高的研磨装置及研磨方法。研磨装置(100)将研磨对象物(102)按压于研磨垫(108)进行研磨对象物(102)的研磨。涡电流传感器(210)在研磨对象物(102)的多个位置测定能够根据研磨对象物(102)的膜厚变化而变化的阻抗，并输出测定信号。差值算出部(222)基于测定信号生成对应于膜厚的数据。进一步，差值算出部(222)在研磨对象物(102)的中心(CW)，在不同时刻基于涡电流传感器(210)输出的测定信号来算出不同时刻的数据间的差值。终点检测部(221)基于差值算出部(222)算出的差值来检测表示研磨结束的研磨终点。

Description

研磨装置及研磨方法
技术领域
本发明关于一种研磨装置及研磨方法，特别是关于研磨的终点检测。
背景技术
近年来，随着半导体组件的高集成化、高密度化，电路配线逐渐细微化，且多层配线的层数也增加。为了谋求电路细微化而且实现多层配线，需要对半导体组件表面实施精确的平坦化处理。
半导体组件表面的平坦化技术众所周知有化学机械研磨(CMP(ChemicalMechanical Polishing))。用于进行CMP的研磨装置具备：贴合有研磨垫的研磨台；及用于保持研磨对象物(例如半导体晶片等基板，或形成于基板表面的金属膜、障壁膜等各种膜)的顶环。研磨装置使研磨台旋转，而且在研磨垫上供给研磨液(浆液)，并通过将保持于顶环的研磨对象物按压于研磨垫来研磨研磨对象物。
研磨装置为了将研磨对象物研磨成希望厚度，通常进行研磨终点的决定。例如，过去技术是使用涡电流式膜厚传感器检测导电性膜的厚度。但是，要在到达目标厚度的时间点立即结束研磨程序有困难。其原因在于，检测膜厚时会发生检测延误时间，以及使导电性膜的研磨实际停止时会花费一定程度的时间等。因此，过去在研磨程序中，算出研磨速度，并从研磨速度算出在想实际停止研磨的目标厚度加上规定的偏置值的暂定终点膜厚。检测出该暂定终点膜厚之后，在规定的研磨时间研磨导电性膜。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开第2015-076449号
发明要解决的问题
但是，过去技术有研磨工序的进行状况的测定精度不足的情况。例如，仅想正确地除去金属膜时，从研磨速度算出暂定终点膜厚的方法的精度不足。即，过去技术是在检测膜厚时产生检测延误时间，因为检测延误时间造成精度不足，所以想完全除去金属膜时则会产生问题。金属膜的除去不充分时，例如会发生电性短路，为了防止短路而过度研磨时，则会过度研磨位于金属膜的下层的绝缘膜。本发明的一种方式为了解决此种问题，其目的为提供一种使研磨工序的进行状况的测定精度提高的研磨装置及研磨方法。
发明内容
解决问题的手段
为了解决上述问题，第一种方式是采用研磨装置的结构，该研磨装置一边使支承用于研磨研磨对象物的研磨垫的研磨台旋转，一边将所述研磨对象物按压于所述研磨垫，进行所述研磨对象物的研磨，该研磨装置具有：传感器，该传感器测定能够根据所述研磨对象物的膜厚变化而变化的物理量，并输出测定信号；差值算出部，该差值算出部基于所述测定信号而生成对应于膜厚的数据，在所述研磨对象物的规定位置，基于不同时刻所述传感器输出的所述测定信号，算出所述不同时刻的所述数据间的差值；及终点检测部，该终点检测部基于所述差值算出部算出的所述差值，检测表示所述研磨结束的研磨终点。
过去检测膜厚时发生检测延误时间的1个原因为，时间性地移动平均了传感器输出的测定信号。时间性地移动平均的理由为，当传感器输出的测定信号发生异常值时降低异常值的影响。本实施方式的差值算出部并不对传感器输出的测定信号进行时间性地移动平均。差值算出部是在研磨对象物的规定位置算出不同时刻传感器输出的测定信号的差值。因而，在检测膜厚时不发生因移动平均造成的检测延误时间。可提供使研磨工序的进行状况的测定精度提高的研磨装置。
第二种方式是采用所述规定位置是所述研磨对象物的中心的结构。第三种方式是采用所述规定位置是所述研磨对象物的中心附近的结构。因为研磨对象物的中心及其附近与研磨对象物的周边部比较，膜厚的变动小，所以可精确测定膜厚，所谓研磨对象物的中心附近，例如是(1)研磨轮廓稳定的范围；或(2)传感器的光点径内整体平均化的范围。所谓研磨轮廓稳定的范围是，研磨时研磨表面不产生凹凸的实际平坦的范围。该范围取决于研磨条件(即，研磨对象物的材质、研磨时间、研磨时的压力分布等)。所谓传感器的光点径内整体平均化的范围是，受到传感器的光点径约束而在小于某个大小的范围内无法检测研磨表面的凹凸，而检测平均的研磨状态的范围。
第四种方式是采用所述不同时刻是以如下程度而不同的时刻的结构：该程度是所述研磨台旋转一周或旋转多周所需要的时间的程度。在为研磨台旋转一周或旋转多周所需要的时间程度不同的时刻的情况下，可测定研磨对象物的同一个位置。在研磨对象物的同一个位置测定时，膜厚不致于因为位置不同而变动，所以可精确测定膜厚。
第五种方式是采用具有多个所述传感器的结构。此时，当所述研磨台旋转一周时，能够在所述研磨对象物的规定位置测定多次。因而，可将所述不同时刻设定成比所述研磨台旋转一周所需时间短的时间。
第六种方式是采用所述规定位置是不同的多个位置的结构。第七种方式是采用所述终点检测部将所述差值算出部所算出的多个差值平均来检测所述研磨终点的结构。
第八种方式是采用研磨方法的结构，该研磨方法是研磨研磨对象物，其特征在于：一边使支承用于研磨研磨对象物的研磨垫的研磨台旋转，一边将所述研磨对象物按压于所述研磨垫，进行所述研磨对象物的研磨，测定能够根据所述研磨对象物的膜厚变化而变化的物理量，输出测定信号，并基于所述测定信号而生成对应于膜厚的数据，在所述研磨对象物的规定位置，基于在不同时刻输出的所述测定信号，算出所述不同时刻的所述数据间的差值，并基于算出的所述差值，检测表示所述研磨结束的研磨终点。
附图说明
图1是模式地表示研磨装置的整体结构的图。
图2是表示涡电流传感器的结构的图。
图3是表示在涡电流传感器中使用的传感器线圈的结构例的概略图。
图4是用于与本发明的一种实施方式比较的比较例的输出的说明图。
图5是本发明的一种实施方式的输出的说明图。
符号说明
100 研磨装置
102 研磨对象物
108 研磨垫
110 研磨台
112 第一电动马达
116 顶环
118 第二电动马达
120 浆液管线
140 研磨装置控制部
160 旋转接头连接器
210 涡电流传感器
222 差值算出部
224 终点检测部
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。另外，以下的各种实施方式中，在同一或相当的部件标记同一符号并省略重复的说明。
如图1所示，研磨装置100具备：可将用于研磨研磨对象物(例如半导体晶片等的基板，或形成于基板表面的金属膜、障壁金属等各种膜)102的研磨垫108安装于上表面的研磨台110；旋转驱动研磨台110的第一电动马达112；可保持研磨对象物102的顶环116；及旋转驱动顶环116的第二电动马达118。
此外，研磨装置100具备在研磨垫108的上表面供给包含研磨粒(研磨剂)的研磨液的浆液管线120。研磨装置100使支承用于研磨研磨对象物102的研磨垫108的研磨台110旋转，而且将研磨对象物102按压于研磨垫108上进行研磨对象物102的研磨。研磨装置100具备输出关于研磨装置100的各种控制信号的研磨装置控制部140。
研磨装置100研磨研磨对象物102时，从浆液管线120供给包含研磨粒的研磨液至研磨垫108的上表面，并通过第一电动马达112旋转驱动研磨台110。而后，研磨装置100在使顶环116在与研磨台110的旋转轴偏芯的旋转轴周围旋转状态下，将保持于顶环116的研磨对象物102按压于研磨垫108。由此，通过保持了研磨液的研磨垫108研磨研磨对象物102而平坦化。
如图1所示，研磨装置100具备：作为传感器的涡电流传感器210；以及经由旋转接头连接器160、170而与涡电流传感器210连接的差值算出部222与终点检测部224。涡电流传感器210在研磨对象物的多个位置测定可依研磨对象物的膜厚变化而变化的物理量，并输出测定信号。本实施方式的物理量是研磨对象物102的电阻与自感。另外，本实施方式是表示使用涡电流传感器210的例，不过不限于此，也可是利用光的反射的光学式传感器。
差值算出部222基于在研磨对象物102的中心(规定位置)的测定信号生成对应于膜厚的数据。对于测定信号，差值算出部222在研磨对象物102的规定位置，基于不同时刻涡电流传感器210输出的测定信号来算出不同时刻的数据间的差值。本实施方式的差值算出部222对测定信号不进行后述的移动平均。终点检测部224基于差值算出部222算出的差值来检测表示研磨结束的研磨终点。本实施方式的规定位置是研磨对象物102的中心。
另外，规定位置不限于研磨对象物102的中心，也可为研磨对象物102的中心附近。此外，规定位置不限于1处，也可为多处。规定位置是多个位置时，终点检测部224将差值算出部222算出的多个差值加以平均来检测研磨终点。或是，差值算出部222也可在将涡电流传感器210输出的测定信号平均后，求出平均值的差值。终点检测部224基于差值算出部222算出的差值检测研磨终点。本实施方式的不同时刻是以如下程度而不同的时刻：该程度是研磨台110旋转一周所需要的时间的程度。不同时刻也可以是以如下程度而不同的时刻：该程度是研磨台110旋转多周所需时间的程度。
首先，说明涡电流传感器210。在研磨台110形成可将涡电流传感器210从研磨台110的背面侧插入的孔。并将涡电流传感器210插入形成于研磨台110的孔。
涡电流传感器210设置于通过保持于顶环116的研磨中的研磨对象物102的中心CW的位置。符号CT是研磨台110的旋转中心。
研磨对象物102以中心CW为轴而旋转。另外，随着研磨台110旋转，涡电流传感器210以中心CT为旋转中心而旋转。结果，在研磨研磨对象物102的研磨工序中包含涡电流传感器210不通过研磨对象物102的下方而涡电流传感器210与研磨对象物102不相对的第一状态。此外，研磨工序中包含涡电流传感器210通过研磨对象物102的下方而使涡电流传感器210与研磨对象物102相对的第二状态。第一状态与第二状态随着研磨台110的旋转而交互地出现。
此外，研磨液供给至研磨垫108上，并受到研磨台110的旋转的离心力而朝向研磨垫108的外侧移动，并且随着研磨台110的旋转而旋转移动。
图2是表示涡电流传感器210的结构图。图2(a)是表示涡电流传感器210的结构的方块图，而图2(b)是涡电流传感器210的等效电路图。
如图2(a)所示，涡电流传感器210具备配置于检测对象的金属膜等的研磨对象物102附近的传感器线圈260。传感器线圈260连接交流信号源262。此处，检测对象的研磨对象物102例如是形成于半导体晶片上的铜(Cu)、铝(Al)、金(Au)、钨(W)等薄膜。传感器线圈260相对于检测对象的研磨对象物102例如配置于0.5～5.0mm程度附近。
涡电流传感器210有基于因研磨对象物102产生涡电流而造成交流信号源262的振荡频率变化来检测导电膜的频率型。此外，涡电流传感器210有基于因研磨对象物102产生涡电流而造成从交流信号源262观看的阻抗变化来检测导电膜的阻抗型。即，频率型在图2(b)所示的等效电路中，通过涡电流I2变化而阻抗Z变化，结果交流信号源(可变频率振荡器)262的振荡频率变化。涡电流传感器210由检波电路264检测该振荡频率的变化，可检测导电膜的变化。阻抗型在图2(b)所示的等效电路中，通过涡电流I2变化而阻抗Z变化，结果从交流信号源(固定频率振荡器)262观看的阻抗Z变化。涡电流传感器210由检波电路264检测该阻抗Z的变化，可检测导电膜的变化。
阻抗型的涡电流传感器取出阻抗Z的实部、虚部即信号输出X、Y、阻抗Z的相位、阻抗Z的绝对值。从频率F或信号输出X、Y等获得导电膜的测定信息。涡电流传感器210如图1所示，可内置于研磨台110的内部的表面附近的位置。涡电流传感器210经由研磨垫而与研磨对象物102相对配置时，可从流入研磨对象物102的涡电流检测导电膜的变化。
以下，具体说明阻抗型的涡电流传感器。交流信号源262是1～50MHz程度的固定频率的振荡器，例如使用水晶振荡器。而后，通过交流信号源262供给的交流电压而在传感器线圈260中流入电流I1。通过电流流入配置在研磨对象物102附近的传感器线圈260，从而从传感器线圈260产生的磁束与研磨对象物102交链。结果，在传感器线圈260与研磨对象物102之间相互形成电感M，涡电流I2流入研磨对象物102中。此处，R1是包含传感器线圈260的一次侧电阻，L1同样地是包含传感器线圈260的一次侧自感。研磨对象物102侧的R2是相当于涡电流损失的电阻，L2是研磨对象物102的自感。从交流信号源262的端子a、b观看传感器线圈260侧的阻抗Z受到由涡电流I2产生的磁力线的影响而变化。
图3是表示在涡电流传感器中使用的传感器线圈的结构例的概略图。如图3所示，涡电流传感器的传感器线圈260具备卷绕于绕线管270的3个线圈272、273、274。线圈272是连接于交流信号源262的励磁线圈。励磁线圈272通过从交流信号源262供给的交流电流而励磁，并在配置于附近的研磨对象物102形成涡电流。在绕线管270的研磨对象物102侧配置检测线圈273，检测因形成于研磨对象物102的涡电流而产生的磁场。夹着励磁线圈272在与检测线圈273的相反侧配置有平衡线圈274。
研磨对象物102存在于检测线圈273附近时，由形成于研磨对象物102中的涡电流产生的磁束与检测线圈273及平衡线圈274交链。此时，由于检测线圈273配置于靠近导电膜的位置，因此两线圈273、274产生的感应电压的平衡瓦解，由此，可检测通过导电膜的涡电流而形成的交链磁束。
其次，通过图4、5说明研磨终点的检测。图4是表示用于与本实施方式比较的比较例的图。图4(a)的横轴是时间，纵轴例如是相当于从涡电流传感器210输出的测定信号获得的膜厚的阻抗的绝对值20。图4(b)的横轴是时间，纵轴是将相当于从涡电流传感器210输出的测定信号获得的膜厚的阻抗的绝对值进行差值后的值。比较例是将阻抗的绝对值20在整个研磨台110旋转2次的期间22进行移动平均。
在研磨台110旋转一周的期间有所述的第一状态与第二状态。第一状态不从涡电流传感器210输出研磨对象物的测定信号，仅在第二状态从涡电流传感器210输出来自研磨对象物的测定信号。求出移动平均时，在第一状态的插补数据使用虚拟数据24。虚拟数据24例如是在紧接存在于虚拟数据24前的第二状态下的绝对值20的平均值。因此，在本比较例中，虚拟数据24是研磨台110旋转一周期间即在旋转一周中的第一状态下是恒定值。
第二状态是涡电流传感器210输出多个测定信号，例如输出100个测定信号。在研磨台110旋转一周期间，第一状态的期间的长度为第二状态的期间的长度的数倍至10倍左右。图4中，为了清楚起见，第二状态下的多个绝对值20以1个实心圆表示，不过，实际上集合了100个绝对值20。为了清楚起见，第一状态下的虚拟数据24以3个虚线圆表示，不过，实际上集合了数百个以上的虚拟数据24。
求移动平均时，将这些绝对值20与虚拟数据24在整个期间22加以平均。期间22是研磨台110旋转2次的期间22。期间22在图4(a)与图4(b)中为相同长度，不过并不需要相同长度。移动平均是从通过涡电流传感器210进行测定的时刻起，使用期间22的长度部分的过去的绝对值20与虚拟数据24来进行的。因而，在期间22内，图示2个实心圆与6个虚线圆。如图4(a)所示，将期间22逐渐错开而且进行算出平均的处理。获得的平均值28在到达研磨终点前，在图4的比较例时，是在右下的直线30上。
为了求出移动平均的处理，在通过涡电流传感器210进行测定的时刻与获得移动平均的时刻之间产生延迟时间32。图示的延迟时间32是完全除去金属膜的时刻34与使用在时刻34所测定的绝对值20求出移动平均的处理结束的时刻36的差。
图4(b)表示将从涡电流传感器210输出的测定信号获得的平均值28差值后的差值38、与将差值38移动平均所获得的平均值40。差值38是某个时间点的平均值28与比该时间点提前研磨台110旋转一周期间的平均值28的差。平均值40是在整个与求出平均值28的期间22相同长度的期间，将差值38移动平均而算出的。
在比较例的情况下，通过这些处理而产生以下的检测耽误时间。此处，所谓检测耽误时间是实际的研磨终点时刻即时刻34与获得差值的平均值40而检测出研磨终点的时刻58的差。检测耽误时间包含：求出平均值28的移动平均处理的延迟时间32、求出差值38的差值处理的延迟时间42、因差值是研磨台110旋转一周期间部分的差造成的延迟时间46、及求出平均值40的移动平均处理的延迟时间44。作为这些时间合计的检测耽误时间48在比较例的情况相当于研磨台110旋转3次的期间。
在比较例的情况下，使用虚拟数据24的理由是，因研磨台110旋转一周时获得的涡电流传感器210的输出数据少(也即，第一状态的期间的长度为第二状态的期间长度的数倍至10倍左右)，且输出数据中发生异常值时加以修正。研磨台110旋转一周时加入虚拟数据24，如前所述，求出平均值28及平均值40时，通过移动平均使异常值的影响降低。
在比较例的情况下，可通过平均值28检测膜剩余量。此外，根据被认为是微分值的平均值40是否为“0”、可检测是否已全部除去金属膜，即是否已清除金属。
在通过提高传感器性能及研磨中程序的稳定等从而输出数据中发生异常值的可能性低的情况下，或是，即使输出数据中发生异常值但其影响小等情况下，不宜有移动平均的延迟时间。在比较例的情况下，在2个计算处产生耽误时间。即，求出平均值28的移动平均处理的延迟时间32、及求出平均值40的移动平均处理的延迟时间44。因为通过这些延迟时间而产生过度研磨(碟形、腐蚀等)，所以宜缩短该时间。特别是在对研磨后的剩余膜厚要求高精度的清除金属中不宜有这些延迟时间。
在图5所示的本发明的一种实施方式中，对于涡电流传感器210的测定值，进行某个时间点的测定值与从该时间点提前研磨台110旋转一周的测定值的比较(差值)，获得的差值的绝对值小于一定值时表示已清除金属。由此不进行移动平均即可检测终点。
另外，也可不进行差算且不进行移动平均，而是对研磨台110每旋转一周所取得的晶片中心部的数据(或仅使用中心部附近的1点)进行平均，再从获得的数据来检测研磨终点。
以下说明图5所示的实施方式。图5(a)的横轴为时间，纵轴为相当于从涡电流传感器210输出的测定信号获得的膜厚的阻抗的绝对值20。图5(b)的横轴为时间，纵轴为将相当于从涡电流传感器210输出的测定信号获得的膜厚的阻抗的绝对值加以差算的差值54。本实施方式不进行移动平均。仅使用研磨台110每旋转一周取得的研磨对象物102的中心数据，即仅使用在研磨对象物102的一处所获得的数据，并从获得的数据来检测已清除金属。
差值算出部222基于涡电流传感器210输出的测定信号生成相当于对应于膜厚的数据的膜厚的阻抗的绝对值50。如图5(a)所示，在各个不同时刻生成绝对值50。不同时刻是以如下程度而不同的时刻：该程度是研磨台110旋转一周所需要的时间52的程度。差值算出部222不将绝对值50加以移动平均，而是在不同时刻基于涡电流传感器210输出的测定信号来算出不同时刻的数据间的差值54。本实施方式在与比较例对比时，不产生因移动平均造成的延迟时间32及延迟时间44。因而，已清除金属等的研磨终点的检测精度提高。本实施方式仅产生因差值为研磨台110旋转一周期间的差而造成研磨台110旋转一周需要的时间52的延迟。
进一步缩短时间52的方法为在研磨台110内配置多个涡电流传感器210的方法。将多个涡电流传感器210配置于通过研磨对象物102的中心CW的位置。例如配置在与图1所示的涡电流传感器210关于旋转中心CT点对称的位置。如此，在研磨台110内配置2个涡电流传感器210时，当研磨台110旋转半圈时获得下一个测定信号。该实施方式的差值可为研磨台110旋转半圈期间的差。因此，因差值是研磨台110旋转半圈期间的差造成的延迟时间与图5所示的时间52比较减半。由于延迟时间减半，从而终点检测的精度提高。
终点检测部224基于差值算出部222算出的差值54，检测对应于表示研磨结束的研磨终点的差值56。当终点检测部224检测研磨对象物102的研磨终点时，将表示其要旨的信号输出至研磨装置控制部140。研磨装置控制部140从终点检测部224接收表示研磨终点的信号时，使研磨装置100结束研磨。
也可将通过膜厚传感器检测出的研磨对象物102的膜厚或相当于膜厚的信号传送至上阶主计算机(与多个半导体制造装置连接进行管理的计算机)，并储存在主计算机中。而后，根据从研磨装置侧传送的研磨对象物102的膜厚或相当于膜厚的信号，以主计算机算出不同时刻的数据间的差值54，基于差值54检测研磨对象物102的研磨终点时，将表示其要旨的信号传送至该研磨装置控制部140。
以上，说明了本发明的实施方式的例，不过上述的发明实施方式是为了容易理解本发明，而并非限定本发明。本发明在不脱离其主旨下可变更、改良，并且本发明当然包含其等价物。此外，在可解决上述问题的至少一部分的范围，或达到效果的至少一部分的范围内，权利要求的范围及说明书中记载的各组件可任意组合或省略。

Claims (8)

1.一种研磨装置，一边使支承用于研磨研磨对象物的研磨垫的研磨台旋转，一边将所述研磨对象物按压于所述研磨垫，进行所述研磨对象物的研磨，所述研磨装置的特征在于，具有：
传感器，该传感器测定能够根据所述研磨对象物的膜厚变化而变化的物理量，并输出测定信号；
差值算出部，该差值算出部基于所述测定信号而生成对应于膜厚的数据，在所述研磨对象物的规定位置，基于所述传感器在不同时刻输出的所述测定信号，算出所述不同时刻的所述数据间的差值；及
终点检测部，该所述传感器基于所述差值算出部所算出的所述差值，检测表示所述研磨结束的研磨终点。
2.根据权利要求1所述的研磨装置，其特征在于，
所述规定位置是所述研磨对象物的中心。
3.根据权利要求1所述的研磨装置，其特征在于，
所述规定位置是所述研磨对象物的中心附近。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的研磨装置，其特征在于，
所述不同时刻是以如下程度而不同的时刻：该程度是所述研磨台旋转一周或旋转多周所需要的时间的程度。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的研磨装置，其特征在于，
具有多个所述传感器。
6.根据权利要求1、4、5中任一项所述的研磨装置，其特征在于，
所述规定位置是不同的多个位置。
7.根据权利要求6所述的研磨装置，其特征在于，
所述终点检测部对所述差值算出部所算出的多个差值进行平均来检测所述研磨终点。
8.一种研磨方法，对研磨对象物进行研磨，所述研磨方法的特征在于，
一边使支承用于研磨研磨对象物的研磨垫的研磨台旋转，一边将所述研磨对象物按压于所述研磨垫，进行所述研磨对象物的研磨，
测定能够根据所述研磨对象物的膜厚变化而变化的物理量，输出测定信号，
基于所述测定信号而生成对应于膜厚的数据，在所述研磨对象物的规定位置，基于在不同时刻输出的所述测定信号，算出所述不同时刻的所述数据间的差值，
并基于算出的所述差值，检测表示所述研磨结束的研磨终点。
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