JP2000269173A - 半導体研磨装置及び半導体研磨方法 - Google Patents

半導体研磨装置及び半導体研磨方法

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    • H01L21/31051—Planarisation of the insulating layers
    • H01L21/31053—Planarisation of the insulating layers involving a dielectric removal step

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の方法では、半導体研磨装置上のウエー
ハが回転しているために、デバイス表面の不特定箇所の
情報しかわからないため、特定箇所の膜厚を知ることが
できず、厳密な残膜制御が困難だった。本発明では、デ
バイス表面の任意の特定箇所の膜厚等の情報を用意に把
握管理できる半導体研磨装置及び半導体研磨方法を提供
することを目的としている。 【解決手段】 ウエーハ１３に光を当てるための測定波
照射装置２１と、膜厚を測定するための膜厚測定装置２
２と、前記膜厚測定装置２２からの測定結果を計算する
ためのデータ処理装置２３とを備えることを特徴として
いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ＣＭＰ技術に係
り、特にＣＭＰ中の被研磨膜の膜厚測定技術に使用され
る半導体研磨装置及び半導体研磨方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体デバイスの表面に堆積された膜の
凹凸を平坦化するために、半導体研磨方法の一つとし
て、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法が用いられている。ＣＭＰの研
磨の際、ＣＭＰ後の残膜厚を制御するために、ＣＭＰ途
中の被研磨膜の膜厚を知る要求があった。
【０００３】従来の測定例を図４を参照して説明する。
【０００４】図４に示すように、モータ１１５に設置さ
れている研磨定盤１０１上に貼り付けた研磨クロス１０
２上に、半導体デバイスの製造工程の途中にあるウエー
ハ１０３を表面を下方に向けて設置する。前記ウエーハ
１０３は、トップリング１０４に保持されている。前記
トップリングはモータ１１６に設置されており、前記ト
ップリング１０４、および定盤１０１は研磨時には、共
に回転している。ここで研磨クロス１０２の表面に膜厚
測定用孔１０５を開け、その下に測定波照射装置１０６
および膜厚測定装置１０７を設置する。前記測定波照射
装置１０６からウエーハ１０３の表面に膜厚測定のため
の可視光１０８を照射して、ウエーハ表面の反射光を測
定して膜厚を得る。
【０００５】しかしこの方法では、ウエーハが回転して
いるためにデバイス表面の不特定箇所の情報しかわから
ないため、特定箇所の膜厚を知ることができず、厳密な
残膜制御が困難だった。また従来では、研磨中にウエー
ハを定盤からはみださせて、その部分に膜厚測定波を照
射する方法もあるが、同様にデバイス表面の不特定箇所
の情報しかわからなかった。
【０００６】このため、研磨量を厳密に管理することが
できず、研磨量が不足、または過剰であったり、そのた
めに研磨後にディッシング（Ｄｉｓｈｉｎｇ）、シニン
グ（Ｔｈｉｎｎｉｎｇ）、ラウンディング（Ｒｏｕｎｄ
ｉｎｇ）といった形状不良が発生していた。
【０００７】また、膜厚の解析ソフトの処理が煩雑であ
り、ソフトが新しくなると新たに機器の調整が必要であ
った。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の方
法では、半導体研磨装置上のウエーハが回転しているた
めに、デバイス表面の不特定箇所の情報しかわからない
ため、特定箇所の膜厚を知ることができず、厳密な残膜
制御が困難だった。このため、研磨後及び研磨中におけ
る研磨量を厳密に管理することができず、研磨量が不
足、または過剰であったり、そのために研磨後にディッ
シング（Ｄｉｓｈｉｎｇ）、シニング（Ｔｈｉｎｎｉｎ
ｇ）、ラウンディング（Ｒｏｕｎｄｉｎｇ）といった形
状不良が発生するという問題があった。
【０００９】また、膜厚の解析ソフトの処理が煩雑であ
り、ソフトが新しくなると新たに機器の調整が必要であ
った。
【００１０】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、半導体デバイスの
研磨中及び研磨後に、任意に半導体デバイスの膜厚を制
御、管理することにでき、また装置の管理が安易な半導
体研磨装置及び半導体研磨方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に記
載した半導体研磨装置は、表面に研磨クロスを貼り付け
た研磨定盤とウエーハ保持部により保持されたウエーハ
を対置させ、研磨クロスとウエーハとの間に研磨剤を供
給し、ウエーハに荷重を加えながらウエーハを回転させ
ることによりウエーハ表面を研磨する半導体研磨装置に
おいて、前記研磨定盤の外周部に設けられた膜厚測定用
窓と、前記膜厚測定用窓を通り、前記ウエーハに測定波
を当てるための測定波照射装置と、前記測定波照射装置
に接続され膜厚を測定するための膜厚測定装置と、前記
膜厚測定装置に接続され前記膜厚測定装置からの測定結
果を計算するためのデータ処理装置とを具備したことを
特徴としている。
【００１２】請求項１のような構成によれば、ＣＭＰ中
の半導体デバイスを形成したウエーハに、特定の周波数
でパルス状に膜厚測定波を照射することにより、半導体
デバイスの特定箇所の膜厚測定を行うことができる。
【００１３】また、この発明の請求項２に記載した半導
体研磨装置は、表面に研磨クロスを貼り付けた研磨定盤
と、ウエーハ保持部により保持されたウエーハの一部が
前記研磨定盤の外周部よりも外に位置するウエーハと、
前記ウエーハに測定波を当てるための測定波照射装置
と、前記測定波照射装置に接続され膜厚を測定するため
の膜厚測定装置と、前記膜厚測定装置に接続され前記膜
厚測定装置からの測定結果を計算するためのデータ処理
装置とを具備したことを特徴としている。
【００１４】請求項２のような構成によれば、請求項１
の効果に加えて、膜厚測定用窓を有さない研磨定盤にお
いても同様に本発明を実施することができる。
【００１５】また、この発明の請求項９に記載した半導
体研磨方法は、表面に研磨クロスを貼り付けた研磨定盤
とウエーハ保持部により保持されたウエーハを対置さ
せ、研磨クロスとウエーハとの間に研磨剤を供給する手
段と、ウエーハに荷重を加えながらウエーハを回転させ
ることによりウエーハ表面を研磨する研磨手段を有する
半導体研磨方法において、前記研磨定盤の外周部に設け
られた膜厚測定用窓を通り、前期ウエーハに測定波を照
射する工程と、前記測定波照射装置に接続された膜厚測
定装置により膜厚を測定する工程と、前記膜厚測定装置
からの測定結果を計算する工程とを具備したことを特徴
とする。
【００１６】請求項９のような方法によれば、本発明の
研磨装置を実現でき、ＣＭＰ中の半導体デバイスを形成
したウエーハに、特定の周波数でパルス状に膜厚測定波
を照射することにより、半導体デバイスの特定箇所の膜
厚測定を行うことができる。
【００１７】また、この発明の請求項１０に記載した半
導体研磨方法は、表面に研磨クロスを貼り付けた研磨定
盤とウエーハ保持部により保持されたウエーハの一部が
前記研磨定盤の外周部よりも外に位置するウエーハに測
定波を照射する工程と、前記測定波照射装置に接続され
た膜厚測定装置により膜厚を測定する工程と、前記膜厚
測定装置からの測定結果を計算する工程とを具備したこ
とを特徴とする。
【００１８】請求項１０のような方法によれば、本発明
の研磨装置を実現でき、請求項９の効果に加えて、膜厚
測定用窓を有さない研磨定盤においても同様に本発明を
実施することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の
実施の形態を示した概略図である。
【００２０】図１に示すように、研磨定盤１１上に研磨
クロス１２を貼り付けられており、ウエーハ保持部とし
てトップリング１４により保持されたウエーハ１３を対
置させている。前記トップリング１４は、モータ１６に
設置されている。研磨時には、研磨クロスとウエーハと
の間に研磨剤（図示せず）を供給し、ウエーハ１３に荷
重を加えながら研磨定盤１１をモータ１５を回転させる
ことによりウエーハ１３表面を研磨する。
【００２１】また、前記研磨定盤１１の外周部には膜厚
測定用窓１７が設けられており、前記膜厚測定用窓１７
を通り、前期ウエーハ１３に光を当てるための測定波照
射装置２１とが、研磨定盤１１下部に設置されている。
前記測定波照射装置２１にはアライメント機構２５が接
続されている。さらに、膜厚を測定するための膜厚測定
装置２２と、前記膜厚測定装置からの測定結果を計算す
るためのデータ処理装置２３が前記アライメント機構２
５に接続されている。また、前記モータ１５及び１６、
そして前記データ処理装置２３は電気的に接続されてい
る。
【００２２】図１に示すように、研磨定盤１１上に貼り
付けた研磨クロス１２上に、半導体デバイスの製造工程
の途中にあるウエーハ１３を表面を下方に向けて設置す
る。前記ウエーハ１３はトップリング１４に保持されて
おり、トップリング１４および定盤１１はともにそれぞ
れモータ１５、及び１６により回転している。ここで研
磨クロス１２の表面に膜厚測定用窓１７を開け、前記膜
厚測定用窓１７の下部に、パルス状に膜厚測定波を照射
する測定波照射装置２１および膜厚測定装置２２、さら
にモータ１５、１６の回転数から膜厚測定波のパルス周
波数を計算するためのデータ処理装置２３を設置されて
いる。
【００２３】前記パルス周波数の計算方法の例として
は、モータ１５の回転数がＲＴＴ（Ｒｐｍ）、モータ１
６の回転数がＲＴＲ（Ｒｐｍ）である場合、まずＲＴＴ
とＲＴＲの最小公倍数Ｒを求める。膜厚測定波のパルス
周波数をλ（Ｈｚ）とすると、λ=６０ｎ/Ｒまたは６０
ｎ/Ｒ（ｎは整数）……（１）であるようにλを定め
る。この際、予め研磨前に膜厚測定のための例えば可視
光２４がデバイス表面の所定の箇所に照射されるよう前
記アライメント機構２５により前記測定波照射装置２１
の位置を調整しておく。この状態で研磨定盤１およびト
ップリング１４をモータ１５、１６により回転させ始め
ると、１/Ｒ毎にデバイス表面の所定の箇所が膜厚測定
用窓１７の上方を通るので、そのタイミングに同期した
パルス周波数λ（Ｈｚ）で例えば可視光２４を照射すれ
ば、その特定箇所の反射光を測定して膜厚を得ることが
できる。
【００２４】ここで膜厚測定のための可視光２４は紫外
線、または対象膜がメタル膜の場合はＸ線であっても良
い。また可視光２４は周波数λのパルス状に照射するた
め、その照射周期はｍ/λ（ｍは整数）で表されるが、
ｍは必ずしも連続な整数でなくても良い。例えば１/
λ、２/λ、４/λ、６/λ、…というように不連続な周
期で照射しても良い。また、膜厚測定のためには可視光
２４の照射周波数を振る必要があるが、その範囲を予め
予想されるデバイスの強膜厚から逆算して限定し、測定
時間を短縮しても良い。また、膜厚測定用窓１７の形
状、大きさは限定されず様々な形態を用いることができ
る。
【００２５】以上、本発明を用いることにより、ＣＭＰ
中の半導体デバイスを形成したウエーハに、特定の周波
数でパルス状に膜厚測定波を照射することにより、半導
体デバイスの特定箇所の膜厚測定を行うことができる。
また、研磨後の残膜厚の制御が厳密にできるようにな
り、研磨量の過不足や研磨後の形状不良が生じなくな
る。さらに、研磨定盤の回転数ＲＴＴとトップリングの
回転数ＲＴＲの最小公倍数をＲとするとき、膜厚測定波
のパルス周波数を６０ｎ/Ｒまたは６０ｎ/Ｒ（ｎは整
数）とすると、少なくとも半導体デバイスの特定箇所に
膜厚測定波を照射することができ、膜厚測定を実行する
ことができる。また、膜厚測定波を可視光とすると、シ
リコン酸化膜など光を透過する物質の厚膜である場合に
膜厚測定が可能である。膜厚測定波を紫外線とすると、
シリコン酸化膜など光を透過する物質の薄膜である場合
に膜厚測定が可能である。膜厚測定波をＸ線とすると、
メタル膜の膜厚測定が可能である。また、研磨中に膜厚
測定を行う装置において、パルス状の膜厚測定波を照射
する手段と、ＣＭＰ装置の研磨定盤およびトップリング
の回転数から前記パルスの周波数を計算する手段と、照
射した前記パルス状の膜厚測定波の反射光から膜厚を測
定する手段を備えることにより、上述のように研磨中の
半導体デバイスの特定箇所の膜厚測定を行うことがで
き、品質及び信頼性の向上を図ることができる。
【００２６】図２は、本発明の第２の実施の形態を示し
た概略図である。
【００２７】図２に示すように、研磨定盤１１の表面に
研磨クロス１２を貼り付けた前記研磨定盤１１と、ウエ
ーハ保持部としてトップリング１４により保持されたウ
エーハ１３の一部が前記研磨定盤１１の外周部よりも外
にウエーハ１３が設置されている。前記トップリング１
４は、モータ１６に接続されている。前期ウエーハ１３
に光を当てるための測定波照射装置２１は、前記ウエー
ハ１３の下部に位置しており、前記測定波照射装置２１
に接続され前記測定波照射装置２１にはアライメント機
構２５が接続されている。研磨時には、研磨クロスとウ
エーハとの間に研磨剤（図示せず）を供給し、ウエーハ
１３に荷重を加えながら研磨定盤１１をモータ１５を回
転させることによりウエーハ１３表面を研磨する。さら
に、膜厚を測定するための膜厚測定装置２２と、前記膜
厚測定装置からの測定結果を計算するためのデータ処理
装置２３が前記アライメント機構２５に接続されてい
る。また、前記モータ１５及び１６、そして前記データ
処理装置２３は電気的に接続されている。
【００２８】本発明の第２の実施形態の第１の実施形態
との違いは、前記ウエーハの膜厚を測定するための測定
波を照射する場所が、膜厚測定用窓１７ではなく、ウエ
ーハ１３の一部が前記研磨定盤１１の外周部よりも外に
ウエーハ１３が設置され、前記ウエーハ１３の一部がは
み出している部分に照射するという点である。これによ
って、第１の実施形態の効果に加え、膜厚測定用窓１７
を有した研磨定盤でなくても本発明を実施することがで
きる。
【００２９】図３及び図４は、本発明の第３の実施の形
態を示した断面図である。
【００３０】図３に示すように、本発明の第３の実施形
態は、前記第１の実施形態の半導体研磨装置において、
前記データ処理装置と前記膜厚測定用窓の間の中で、膜
厚測定装置２２の直前にゲートを設置し、データ処理装
置をゲート開閉計算装置に変更したことが特徴である。
【００３１】図３に示すように、前記膜厚測定装置２２
の下に反射波のデータを膜厚計算手段２２に取り込むた
めのゲート２７が設置されている。ここで、反射波のデ
ータをゲート２７を通して膜厚測定装置２２に取り込む
際に、ゲートの開閉計算装置２８によって算出した研磨
定盤１１およびトップリング１４の回転数から算出した
特定の周波数に同期させ、かつ反射波情報がゲートに達
するまでの遅延時間から計算した任意の時間だけ遅らせ
て行う。さらに膜厚測定装置２２において、取り込んだ
反射波データを累積積算すると、情報量が多くなるの
で、任意に情報量を制御することができる。
【００３２】ここで膜厚測定のための可視光２４は紫外
線、または対象膜がメタル膜の場合はＸ線であっても良
い。またゲート開閉の周波数をλ`とすると、実施例１
で述べたようにλ`=６０ｎ/Ｒまたは６０ｎ/Ｒ（ｎは整
数）……（１）と定めても良い。この際、ゲート開閉の
周期はｍ/λ（ｍは整数）で表されるが、ｍは必ずしも
連続な整数でなくても良い。例えば１/λ、２/λ、４/
λ、６/λ、……というように不連続な周期で開閉して
も良い。また、膜厚測定のための可視光２４を通過させ
るための膜厚測定用窓１７を設ける代わりに、第２の実
施形態に示したように、ウエーハを研磨定盤からオーバ
ーハングしてはみ出させて、研磨定盤の外で可視光２４
をウエーハに照射しても良い。また、膜厚測定用窓１７
の形状、大きさは限定されない。さらに、前記ゲート
は、前記データ処理装置と前記膜厚測定用窓の間であれ
ば、設置する場所は限定されず、図４に示すように、前
記膜厚測定用窓１７の中にゲート３０を設置してもよ
く、設置場所は限定されるものではない。
【００３３】本発明の第３の実施形態を用いることによ
り、ゲートを設置し取り込んだ反射波データを累積積算
しないようにすることにより、情報量が多ならず、任意
に情報量を制御でき、算出した膜厚の精度を高めること
ができる。
【００３４】本発明の第１から第３までの実施形態にお
いて、研磨装置と接続された膜厚測定装置が膜厚測定を
行い、最適な研磨を実施するので、従来のような初めか
ら定められた制御ソフトを必要とせず、また、煩雑な設
定やバージョンアップのたびに必要だった調整も不要に
なり、効率が向上する。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、半導体デバイスの研磨中及び研磨後に、任意に半導
体デバイスの膜厚を制御、管理することにでき、品質及
び信頼性の向上を図ることができる半導体研磨装置及び
半導体研磨方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体研磨装置に
係る膜厚測定装置を示した概略図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の半導体研磨装置に
係る膜厚測定装置を示した概略図。
【図３】本発明の第３の実施の形態の半導体研磨装置に
係る膜厚測定装置を示した概略図。
【図４】本発明の第３の実施の形態の半導体研磨装置に
係る膜厚測定装置を示した概略図。
【図５】従来の技術の半導体研磨装置に係る膜厚測定装
置を示した概略図。
【符号の説明】
１１、１０１…研磨定盤 １２、１０２…研磨クロス １３、１０３…ウエーハ １４、１０４…トップリング １５、１６、１１５、１１６…モータ １７、１０５…膜厚測定用窓 ２１、１０６…測定は照射装置 ２２、１０７…膜厚測定装置 ２３…データ処理装置 ２４…可視光 ２５…アライメント機構 ２７、３０…ゲート ２８…ゲートの開閉計算装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三好 元介 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AA09 AC02 AC04 BA07 BA09 BB02 BB09 BC02 CB03 DA12 DA17 4M106 AA01 BA04 BA07 BA20 CA48 DH03 DH31 DH34 DJ07

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】表面に研磨クロスを貼り付けた研磨定盤と
    ウエーハ保持部により保持されたウエーハを対置させ、
    研磨クロスとウエーハとの間に研磨剤を供給し、ウエー
    ハに荷重を加えながらウエーハを回転させることにより
    ウエーハ表面を研磨する半導体研磨装置において、 前記研磨定盤の外周部に設けられた膜厚測定用窓と、 前記膜厚測定用窓を通り、前記ウエーハに測定波を当て
    るための測定波照射装置と、 前記測定波照射装置に接続され膜厚を測定するための膜
    厚測定装置と、 前記膜厚測定装置に接続され前記膜厚測定装置からの測
    定結果を計算するためのデータ処理装置と、を具備した
    ことを特徴とする半導体研磨装置。
  2. 【請求項２】表面に研磨クロスを貼り付けた研磨定盤
    と、 ウエーハ保持部により保持されたウエーハの一部が前記
    研磨定盤の外周部よりも外に位置するウエーハと、 前記ウエーハに測定波を当てるための測定波照射装置
    と、 前記測定波照射装置に接続され膜厚を測定するための膜
    厚測定装置と、 前記膜厚測定装置に接続され前記膜厚測定装置からの測
    定結果を計算するためのデータ処理装置と、を具備した
    ことを特徴とする半導体研磨装置。
  3. 【請求項３】前記データ処理装置と前記膜厚測定用窓の
    間に、ゲートを設けることを特徴とする請求項１記載の
    半導体研磨装置。
  4. 【請求項４】前記ゲートの開閉は前記研磨定盤および前
    記ウエーハ保持部の回転数から算出した特定の周波数に
    同期し、反射波情報がゲートに達するまでの遅延時間か
    ら計算した任意の時間だけ遅らせて行うことを特徴とす
    る請求項１記載の半導体研磨装置。
  5. 【請求項５】前記データ処理装置は、前記ウエーハ保持
    部の回転数から前記測定波の周波数を算出することを特
    徴とする請求項１または請求項２記載に記載の半導体研
    磨装置。
  6. 【請求項６】前記データ処理装置は、取り込んだ情報を
    累積積算することを特徴とする請求項１または請求項２
    記載に記載の半導体研磨装置。
  7. 【請求項７】前記測定波照射装置は、特定の周波数でパ
    ルス状に測定波照射することを特徴とする請求項１また
    は請求項２に記載の半導体装置の研磨装置。
  8. 【請求項８】前記膜厚測定装置は、測定するウエーハの
    任意の特定箇所の膜厚を測定できることを特徴とする請
    求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の半導体
    研磨装置。
  9. 【請求項９】表面に研磨クロスを貼り付けた研磨定盤と
    ウエーハ保持部により保持されたウエーハを対置させ、
    研磨クロスとウエーハとの間に研磨剤を供給する手段
    と、ウエーハに荷重を加えながらウエーハを回転させる
    ことによりウエーハ表面を研磨する研磨手段を有する半
    導体研磨方法において、 前記研磨定盤の外周部に設けられた膜厚測定用窓を通
    り、前期ウエーハに測定波を照射する工程と、 前記測定波照射装置に接続された膜厚測定装置により膜
    厚を測定する工程と、 前記膜厚測定装置からの測定結果を計算する工程と、を
    具備したことを特徴とする半導体研磨方法。
  10. 【請求項１０】表面に研磨クロスを貼り付けた研磨定盤
    とウエーハ保持部により保持されたウエーハの一部が前
    記研磨定盤の外周部よりも外に位置するウエーハに測定
    波を照射する工程と、 前記測定波照射装置に接続された膜厚測定装置により膜
    厚を測定する工程と、 前記膜厚測定装置からの測定結果を計算する工程と、を
    具備したことを特徴とする半導体研磨方法。
  11. 【請求項１１】前記測定結果を計算する工程において、
    前記ウエーハ保持部の回転数から前記測定波の周波数を
    算出することを特徴とする請求項９または請求項１０記
    載に記載の半導体研磨方法。
  12. 【請求項１２】前記測定結果を計算する工程において、
    前記測定結果を累積積算することを特徴とする請求項９
    または請求項１０に記載の半導体研磨方法。
  13. 【請求項１３】前記測定波を照射する工程は、特定の周
    波数でパルス状に測定波を照射することを特徴とする請
    求項９または請求項１０のいずれか１項に記載の半導体
    装置の研磨方法。
  14. 【請求項１４】前記膜厚を測定する工程において、測定
    するウエーハの任意の特定箇所の膜厚を測定できること
    を特徴とする請求項９から請求項１３までのいずれか１
    項に記載の半導体研磨方法。
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