JP2000117635A

JP2000117635A - 研磨方法及び研磨システム

Info

Publication number: JP2000117635A
Application number: JP10293161A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Yamade; 善章山出; Yoshitaka Morioka; 善隆森岡; Motoyuki Obara; 基之小原
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1998-10-15
Publication date: 2000-04-25

Abstract

(57)【要約】【課題】研磨レートの安定性向上を図ること。【解決手段】研磨装置に供給される研磨スラリー中の
酸化剤の濃度を測定し、当該濃度が常に適正範囲内に収
まるように制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨スラリーを用
いて半導体ウエハー等の被研磨材を研磨する研磨方法及
び研磨技術に関する。特に、過酸化水素等の酸化剤を添
加した研磨スラリーを用い、当該研磨スラリーを再生利
用しつつ研磨作業を行う研磨方法及び研磨システムの改
良に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、あらゆる装置、部品の高精度化及
び微細化に伴い、研磨技術の更なる進歩が要求されてい
る。特に、半導体製造プロセスの分野においては、半導
体デバイスの高集積化に伴い、半導体ウエハの表面を今
まで以上に高精度に平坦化することが要求されてきてい
る。ウエハ表面を平坦化する装置として、現在ではＣＭ
Ｐ装置（化学機械的研磨装置）が広く使用されている。
ＣＭＰ装置においては、回転する研磨パッドと半導体ウ
エハの間に研磨スラリーを供給しつつ研磨を行う。

【０００３】研磨スラリーは高価であるため、使用済み
の研磨スラリーを再生利用する方法が既に提案されてい
る。研磨スラリーを再利用する場合には、研磨レートを
一定に保つことが大きな課題であり、そのため、従来で
は研磨スラリー中の研磨砥粒（シリカ粒子等）の濃度が
一定になるような制御を行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、研磨ス
ラリー中の研磨砥粒の濃度を一定に保った場合にも、被
研磨材の研磨レートが時間と共に低下するという問題が
あった。また、研磨時間と共に平坦性が劣化するという
不都合もあった。

【０００５】本発明は上記のような状況に鑑みてなされ
たものであり、研磨レートの安定性向上に寄与する磨方
法を提供することを目的とする。

【０００６】本発明の他の目的は、研磨レートの安定性
向上に寄与する研磨システムを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の第１の態様にかかる研磨方法においては、
研磨装置に供給される研磨スラリー中の酸化剤の濃度を
測定し、当該濃度が常に適正範囲内に収まるように制御
する。

【０００８】本発明の第２の態様に係る研磨システム
は、酸化剤が添加された研磨スラリーを貯留するスラリ
ー供給タンク（１８）と；使用済みの研磨スラリーを再
生し、再生後の研磨スラリーをスラリー供給タンクに供
給する再生手段（２０）と；スラリー供給タンク（１
８）に貯留された研磨スラリー中の酸化剤の濃度を計測
する濃度計（３２）と；濃度計（３２）による測定結果
に基づき、研磨スラリー中の酸化剤の量が略一定になる
ように、必要量の酸化剤を研磨スラリーに添加する添加
手段（３４，３６）とを備えている。

【０００９】半導体ウエハ上に形成された金属膜（タン
グステン、アルミニウム、銅）を研磨する際には、研磨
レートを向上させる等の目的で研磨スラリーに酸化剤を
添加することがある。しかし、研磨スラリー中の酸化剤
の濃度が研磨時間と共に減少し、酸化剤の濃度の低下に
伴って研磨レート及び平坦性が徐々に劣化してしまう。
本発明はこのような事実に着目してなされたものであ
る。図２は、研磨スラリー中の過酸化水素（酸化剤）の
濃度と研磨レートとの関係を示す。

【００１０】本発明によれば、研磨スラリー中の酸化剤
の濃度を適正範囲に保っているため、研磨レートの低下
が最小限に抑えられ、研磨レートの均一性（安定性）を
向上させることが出来る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て実施例を用いて説明する。以下に示す実施例は、半導
体ウエハ上の金属膜（タングステン）を研磨するＣＭＰ
システムに本発明の技術的思想を適用したものである。
なお、本発明は、半導体ウエハの研磨以外にも、磁気デ
ィスクやガラス基板等の種々のタイプの試料の研磨に適
用できることは言うまでもない。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明の第１の実施例に係るＣＭＰ
システムの全体構成を示す。ＣＭＰシステム１０は、Ｃ
ＭＰ装置本体１２と、当該装置１２に研磨スラリーを供
給する構成（１４〜１８他）と、使用済みスラリーの再
生に寄与する構成（２０他）と、廃棄ユニット２４とを
備えている。ＣＭＰ装置本体１２は、半導体ウエハの表
面を研磨パッドを用いて研磨する。研磨作業中は、研磨
パッドと半導体ウエハの間に研磨スラリーが供給され
る。

【００１３】符号１６は、スラリーを貯留するための混
合タンクとそのタンク内のスラリーを送り出すためのポ
ンプを具備するスラリー混合ユニットであり、スラリー
原液供給ユニット１４から供給されるスラリー原液を所
定の割合で純水等の希釈液、酸化剤と混合する。本実施
例においては、不純物を含まず、酸化力が強い過酸化水
素（Ｈ_２Ｏ_２）を酸化剤として用いる。スラリー混合ユ
ニット１６から供給された新規な研磨スラリーは、スラ
リー供給ユニット（スラリー供給タンク）１８に送り込
まれる。

【００１４】一方、ＣＭＰ装置本体１２から排出される
使用済みスラリーは、廃棄ユニット２４及びリターンユ
ニット（再生ユニット）２０に供給される。廃棄ユニッ
ト２４に供給されるスラリーは、ＣＭＰ装置本体１２を
純水にて洗浄した直後の排出スラリー等、適正濃度にな
いスラリーであり、再生利用されることなく廃棄され
る。他方、リターンユニット２０に供給されるスラリー
は、適正濃度にあるスラリーであり、当該リターンユニ
ット２０において濾過再生処理が行われた後に、スラリ
ー供給ユニット１８に戻される。

【００１５】リターンユニット２０は、回収タンクとそ
のタンク内のスラリーを送り出すためのポンプを具備す
る。図３は、回収タンク２０１の内部構造を示す。回収
タンク２０１内には、フィルター３４を有するフィルタ
ーカートリッジ６４が配置される。フィルターカートリ
ッジ６４は、フィルター３４を保持するカートリッジ本
体６６と、本体６６を回収タンク２０１内にセットし、
更には取り出し易いように設けられたハンドル７２とを
備えている。

【００１６】回収タンク２０１は、第１フィルター槽７
４と、第２フィルター槽７６とから構成されている。第
１フィルター槽７４には、使用済みスラリーが配管２９
を介して供給される。第２フィルター槽７６は、フィル
ター３４により濾過された後のスラリーを貯留する。第
２フィルター槽７６は、配管２１を介してスラリー供給
ユニット１８に連結されている。

【００１７】回収タンク２０１内には、２つのセンサ３
８、４０が設置されている。センサ３８は、フロート式
の下限センサであり、この下限センサ３８によってスラ
リーの表面位置を検出したときに、ポンプ（図示せず）
によるスラリーの排出（吸い上げ）を停止するようにな
っている。センサ４０は、フロート式の上限センサであ
り、第２フィルター槽７６内のスラリーのレベルが汲み
上げ開始位置に達したことを検出する。

【００１８】スラリー供給ユニット１８は、図４に示す
ように、スラリー供給タンク１８１と、そのタンク内の
スラリーを送り出すためのポンプ１８２を具備し、スラ
リー混合ユニット１６から供給される新規な研磨スラリ
ーと、リターンユニット２０から供給される再生スラリ
ーとを混合してフィルターユニット２２に供給するよう
になっている。また、スラリー供給ユニット１８は、タ
ンク内のスラリーを攪拌するための攪拌手段１８３を備
えることが好ましい。スラリー供給ユニット１８には、
スラリー供給タンク１８１中の研磨スラリーを冷却する
冷却装置（図示せず）が連結されており、研磨スラリー
の温度を１０℃前後に維持している。研磨スラリーを低
温状態で貯留することにより、研磨スラリー中の過酸化
水素の自己分解が抑制（自己分解速度が低下）され、過
酸化水素の濃度低下率を緩やかにすることができる。そ
して、研磨スラリー中の過酸化水素の濃度低下を抑える
ことにより、研磨レートの低下を最小限に抑えることが
できる。

【００１９】スラリー供給タンク１８１には、過酸化水
素濃度計３２が接続されており、当該タンク内に貯留さ
れている研磨スラリー中の過酸化水素濃度を滴定法によ
って計測するようになっている。滴定法としては、過マ
ンガン酸カリウム滴定法を採用することができる。

【００２０】スラリー供給タンク１８１には、また、流
量調整器３６を介して過酸化水素供給ユニット３４が連
結されている。過酸化水素供給ユニット３４は、スラリ
ー供給ユニット１８に対して必要量の過酸化水素を供給
するように構成され、その流量は流量調整器３６によっ
て調整される。

【００２１】フィルターユニット２２は、ＣＭＰ装置本
体１２に供給される直前の研磨スラリーを濾過し、スラ
リーの２次成長砥粒や、異常成長砥粒を除去する。フィ
ルターユニット２２を通過した研磨スラリーは、バルブ
２６により、ＣＭＰ装置本体１２とリターンユニット２
０との一方にの選択的に導かれる。すなわち、研磨スラ
リーの流路を、ＣＭＰ装置本体１２側とリターンユニッ
ト２０側との間で任意に切り替えられるように構成され
ている。ＣＭＰ装置本体１２には、また、バルブ２７を
介して洗浄用の純水が供給されるようになっている。符
号２６ａは、バルブ２６とリターンユニット２０を連結
するバイパス配管を示す。

【００２２】ＣＭＰ装置本体１２と、リターンユニット
２０との間にはバルブ２８ａが、廃棄ユニット２４との
間にはバルブ２８ｂが各々設けられている。これら２つ
のバルブ２８ａ、２８ｂを選択的に開閉制御することに
よって、ＣＭＰ装置本体１２から排出される液（スラリ
ー、純水）の流路を、リターンユニット２０側と廃棄ユ
ニット２４側との間で切り替えるようになっている。そ
して、リターンユニット２０に供給されたスラリーは、
再生利用のためにシステム内を循環する。また、廃棄ユ
ニット２４に供給されるスラリー及び純水は、所定のタ
イミングで廃棄される。

【００２３】図５は、図１に示した本実施例のＣＭＰシ
ステム１０の制御系のうち、研磨スラリーの循環及び、
研磨スラリー中の過酸化水素濃度の制御に関する部分の
構成を示す。ＣＭＰシステム１０はコントローラ１７０
によって統括的に制御されている。コントローラ１７０
は、タイマー１７２及びＣＭＰ装置本体１２からの信号
に基づき、バルブ２６、２７、２８ａ、２８ｂを開閉制
御する。コントローラ１７０は、また、過酸化水素濃度
計３２からの信号に基づいて、流量調整器３６を制御す
るようになっている。

【００２４】次に、本実施例のＣＭＰシステム１０の流
路制御動作について説明する。まず、ＣＭＰ装置本体１
２において研磨作業を開始するに先立ち、被研磨部材で
ある半導体ウエハをＣＭＰ装置本体１２にロードする。
この時、研磨スラリーがＣＭＰ装置本体１２をバイバス
し、バイバス配管２６ａを介してリターンユニット２０
に供給されるように、コントローラ１７０によってバル
ブ２６が制御されている。コントローラ１７０は、ま
た、バルブ２８ａを閉鎖すると共に、バルブ２８ｂを開
放することにより、ＣＭＰ装置本体１２から排出される
流体を廃棄ユニット２４に導く制御を行う。

【００２５】ウエハのロードが完了して、ＣＭＰ装置本
体１２において研磨作業が開始されると、コントローラ
１７０は、バルブ２７を閉鎖すると同時に、バルブ２６
を制御してフィルターユニット２２から供給される研磨
スラリーをＣＭＰ装置本体１２に導く。

【００２６】コントローラ１７０は、タイマー１７２か
らの信号に基づき、研磨作業開始から一定時間経過する
までの間は、バルブ２８ｂが開放、バルブ２８ａが閉鎖
という状態を維持する。この時間は、ＣＭＰ装置本体１
２の洗浄等に用いられた純水と研磨スラリーとの両方
が、ＣＭＰ装置本体１２から排出される。この間、ＣＭ
Ｐ装置本体１２に供給される研磨スラリーは、再生利用
されずに廃棄される。

【００２７】コントローラ１７０は、研磨作業開始から
一定の時間が経過すると、バルブ２８ａを開放し、バル
ブ２８ｂを閉鎖することにより、ＣＭＰ装置本体１２か
ら排出される使用済みスラリーをリターンユニット２０
に導く。スラリー供給ユニット１８に供給された使用済
み研磨スラリーは、スラリー混合ユニット１６から供給
される新規なスラリーと混合される。

【００２８】ＣＭＰ装置本体１２における研磨作業が終
了すると、コントローラ１７０は、バルブ２６を制御し
て、フィルターユニット２２から供給されるスラリーが
ＣＭＰ装置本体１２をバイバスし、バイバス配管２６ａ
を介してリターンユニット２０に導かれるようにする。
その後、コントローラ１７０は、研磨済みウエハ及びＣ
ＭＰ装置本体１２の洗浄のために、バルブ２７を開放す
ると同時に、バルブ２８ａを閉鎖し、バルブ２８ｂを開
放する。これにより、ＣＭＰ装置本体１２には純水が流
れ込み、洗浄等に利用された純水は、そのまま廃棄ユニ
ット２４に導かれて廃棄される。純水により研磨済みウ
エハの表面に残っているスラリーは洗い流され、その後
ウエハはアンロードされる。研磨作業終了から一定時間
は、ＣＭＰ装置本体１２から純水と共に残留スラリーが
排出される。

【００２９】上記のように研磨作業開始から、研磨スラ
リーを再利用する間での時間、すなわち、バルブ２８ａ
を開放するまでの時間とは、研磨スラリーが再利用でき
る程度の十分な濃度を回復するまでの時間である。この
時間は、例えば、実際に製品ウエハの処理を行う前に、
ダミーウエハを用いて製品ウエハの処理と同条件で試運
転を行い、その試運転中に研磨装置から排出されるスラ
リーの濃度を観察し、その観察結果に基づいて設定する
ことができる。また、実際にＣＭＰ装置本体１２から排
出されるスラリーの濃度をセンサによって測定し、その
測定結果に基づいてバルブの開閉制御を行うようにして
も良い。

【００３０】この研磨開始から研磨スラリーを再利用す
るまでの時間に排出される研磨スラリー、及び研磨終了
後に研磨装置及び流路に残された研磨スラリーは、再利
用されることなく廃棄されるので、ロス（無駄）とな
る。このロス分を補うべくスラリー混合ユニット１６か
らスラリー供給ユニット１８へ新規な研磨スラリーが供
給される。発明者らが実験的に行った研磨処理では、３
０％程度の研磨スラリーがロスとなり（再利用されずに
廃棄され）、７０％程度がリターンユニットを介して再
利用され、ロス分の３０％程度をスラリー混合ユニット
から補充するような運転状況となった。

【００３１】次に、本実施例における研磨スラリー中の
過酸化水素濃度のフィードバック制御動作について、図
６を参照して説明する。上述したように、本実施例にお
いては、被研磨材としてシリコンウエハ上に形成された
タングステン膜を用い、基準値４％（Ａ％）の過酸化水
素が添加された研磨スラリーを用いて研磨を行う。ＣＭ
Ｐ装置本体１２において研磨を開始した後、スラリー供
給ユニット１８に貯留された研磨スラリー中の過酸化水
素濃度を濃度計３２によってサンプリングする。サンプ
リング時間（間隔）は、例えば１０分とする。

【００３２】過酸化水素濃度計３２による測定の結果、
研磨スラリー中の過酸化水素の濃度Ｘ（％）がしきい値
Ｂ（％）より低くなった場合には、必要量Ｚ（ｍｌ）の
過酸化水素をスラリー供給ユニット１８に貯留されてい
る研磨スラリーに添加する。過酸化水素の添加は、コン
トローラ１７０の制御の下、過酸化水素供給ユニット３
４及び流量調整器３６によって行われる。しきい値
（Ｂ）は、例えば３％に設定する。また、必要添加量
（Ｚ）は、コントローラ１７０により以下の式に従って
算出される。Ｚ＝Ｙ（Ａ−Ｘ）／Ｗ−Ａここで、Ｙはスラリー供給タンク１８１内の添加前のス
ラリーの総量（ｍｌ）、Ｗは添加する過酸化水素の濃度
（％）を示す。過酸化水素供給ユニット３４中の過酸化
水素中の過酸化水素の濃度（Ｗ）は、例えば３０％（残
りの７０％は水）とすることができる。

【００３３】図７は、上記の方法によって研磨スラリー
中に含まれる過酸化水素の量を制御した場合の、研磨レ
ートの変化を示す。図より解るように、本実施例によれ
ば、長時間研磨作業を継続して行った場合にも研磨レー
トは大きく変化せず、安定した状態を維持する。また、
図には示さないが、長時間研磨作業を継続して行った場
合にもウエハの平坦性が損なわれなかった。

【００３４】図８は、研磨スラリー中に含まれる過酸化
水素の量を調整せずに研磨作業を行った場合の、研磨レ
ートの変化を示す。図より解るように、長時間研磨作業
を継続していくうちに、研磨レートが徐々に低下してい
く。また、図には示さないが、長時間研磨作業を継続し
ていくうちに、ウエハの平坦性も損なわれていった。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
研磨スラリー中の酸化剤の濃度を適正範囲に制御してい
るため、研磨レートの低下が最小限に抑えられ、研磨レ
ートの均一性を向上させることが出来る。また、研磨レ
ートの安定化と同時に、被研磨材の平坦性の悪化抑制に
寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施例にかかるＣＭＰシステ
ムの全体構成を示す概略ブロック図である。

【図２】図２は、本発明の原理を説明するために使用さ
れるグラフであり、研磨スラリー中の過酸化水素濃度に
対する研磨レートの変化を示す。

【図３】図３は、実施例に係るＣＭＰシステムの要部
（リターンユニットの回収タンク）の構造を示す断面図
である。

【図４】図４は、実施例に係るＣＭＰシステムの要部
（スラリー供給ユニット）の構造を示す断面図である。

【図５】図５は、実施例に係るＣＭＰシステムの制御系
の構成を示すブロック図である。

【図６】図６は、実施例に係るＣＭＰシステムにおける
研磨スラリー中の過酸化水素濃度制御動作を示すフロー
チャートである。

【図７】図７は、実施例の作用を示すグラフであり、研
磨作業時間に対する研磨レートの変化を示す。

【図８】図８は、実施例の作用を説明するために用いら
れるグラフであり、従来技術における研磨作業時間と研
磨レート変化との関係を示す。

【符号の説明】

１０ＣＭＰシステム１２ＣＭＰ装置本体１８スラリー供給ユニット２０リターンユニット２６、２７、２８ａ、２８ｂバルブ２６ａバイパス配管３２過酸化水素濃度計３４過酸化水素供給ユニット３６流量調整器１７０・・・コントローラ（制御手段）１７２・・・タイマー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小原基之兵庫県尼崎市扶桑町１番８号住友金属工業株式会社半導体装置事業部内Ｆターム(参考） 3C047 AA18 AA21 GG14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化剤が添加された研磨スラリーを用い、
当該研磨スラリーを再生利用しつつ、研磨装置によって
被研磨材を研磨する研磨方法において、前記研磨装置に供給される研磨スラリー中の酸化剤の濃
度を測定し、常に適正範囲内の値を維持するように前記酸化剤の濃度
を制御することを特徴とする研磨方法。
【請求項２】前記被研磨材は、半導体ウエハ上に形成さ
れた金属膜であ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】前記適正範囲は、３〜４％であることを特
徴とする請求項１又は２に記載の研磨方法。
【請求項４】前記酸化剤は、過酸化水素であることを特
徴とする請求項１、２又は３に記載の研磨方法。
【請求項５】研磨作業の後に前記研磨装置を洗浄するに
際し、洗浄用流体を当該研磨装置に供給し、研磨作業を行っていない間と、前記研磨作業の開始から
所定時間経過するまでの間は、前記研磨装置から排出さ
れる研磨スラリー及び洗浄用流体を廃棄することを特徴
とする請求項１，２，３又は４に記載の研磨方法。
【請求項６】研磨作業を行っていない間は、前記研磨ス
ラリーを当該研磨装置に供給することなく、再生利用に
供することを特徴とする請求項１，２，３，４又は５に
記載の研磨方法。
【請求項７】前記使用済みの研磨スラリーを再利用する
に際し、当該スラリーをフィルターによって濾過するこ
とを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６に記載
の研磨方法。
【請求項８】酸化剤が添加された研磨スラリーを用い、
当該研磨スラリーを再生利用しつつ、研磨装置によって
被研磨材を研磨する研磨システムにおいて、前記酸化剤が添加された研磨スラリーを貯留するスラリ
ー供給タンクと；使用済みの前記研磨スラリーを再生
し、再生後の研磨スラリーを前記スラリー供給タンクに
供給する再生手段と；前記スラリー供給タンクに貯留さ
れた前記研磨スラリー中の酸化剤の濃度を計測する濃度
計と；前記濃度計による測定結果に基づき、前記研磨ス
ラリー中の酸化剤の濃度が常に適正範囲になるように、
必要量の酸化剤を前記研磨スラリーに添加する添加手段
とを備えたことを特徴とする研磨システム。
【請求項９】前記被研磨材は、半導体ウエハ上に形成さ
れた金属膜であることを特徴とする請求項８に記載の研
磨システム。
【請求項１０】前記酸化剤は、過酸化水素であることを
特徴とする請求項８又は９に記載の研磨システム。
【請求項１１】前記研磨装置に対して洗浄用流体を供給
する洗浄液供給手段と；前記研磨装置から排出される研
磨スラリー及び洗浄用流体を廃棄する廃棄手段と；前記
研磨装置から排出される前記研磨スラリー及び洗浄用流
体の流路を、前記再生手段と前記廃棄手段との間で切り
替える第１切り替え手段と；前記研磨装置において研磨
作業を行っていない時間と、研磨作業の開始から所定時
間経過するまでの待機時間は、前記研磨装置から排出さ
れる研磨スラリー及び洗浄用流体を前記廃棄手段に導
き；研磨作業を行っている時間のうち、前記待機時間を
除く時間は、前記研磨装置から排出される使用済み研磨
スラリーを前記再生手段に導くように前記第１切り替え
手段を制御する制御手段とを更に備えたことを特徴とす
る請求項８，９又は１０に記載の研磨システム。
【請求項１２】前記スラリー供給タンクから供給される
前記研磨スラリーを前記研磨装置へ供給せずに前記再生
手段に供給すべく設けられたバイパス配管と；前記スラ
リー供給タンクから供給される前記研磨スラリーの流路
を、前記研磨装置と前記バイパス配管との間で切り替え
る第２切り替え手段とを更に備え、前記制御手段は、さらに、前記研磨装置において研磨作
業を行っていない間は、前記スラリー供給タンクから供
給される研磨スラリーを前記バイパス配管に供給するよ
うに前記第２切り替え手段を制御することを特徴とする
請求項８，９，１０又は１１に記載の研磨システム。
【請求項１３】前記使用済みの研磨スラリーを濾過する
フィルターを更に備えたことを特徴とする請求項８，
９，１０，１１又は１２に記載の研磨システム。