JP2001160544A - 研磨機制御方法 - Google Patents

研磨機制御方法

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JP2001160544A JP2000312323A JP2000312323A JP2001160544A JP 2001160544 A JP2001160544 A JP 2001160544A JP 2000312323 A JP2000312323 A JP 2000312323A JP 2000312323 A JP2000312323 A JP 2000312323A JP 2001160544 A JP2001160544 A JP 2001160544A
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ビー． プラブ ゴパラクリシュナ
Steven T Mear
ティ． メアー スティーヴン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 キャリアヘッド圧用レシピ等の研磨機器用レ
シピを実験データから生成し、従って理論モデルに基づ
く技術より正確な予測を提供する。 【解決手段】 複数のパラメータセットを用いて複数の
テスト基板を研磨する。該複数のテスト基板の研磨プロ
ファイルをそれぞれ測定し、予測基板プロファイルと所
望基板プロファイル間の差を最小とする各研磨パラメー
タセットについて研磨時間を計算する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願の相互参照】本願は１９９９年１０月１２日
出願の仮米国出願第６０／１５８，７５３号に優先権を
主張するものである。
【０００２】
【背景】本発明は基板の化学的機械研磨、特に研磨機器
の制御方法に関する。
【０００３】集積回路は、通常基板、特にシリコンウェ
ーハ上に伝導性、半伝導性、あるいは絶縁性の層を連続
堆積して形成される。各層を堆積した後、エッチングし
て回路構成を作成する。一連の層は連続的に堆積・エッ
チングされるので基板の外側あるいは一番上の面、すな
わち基板の露出面はますます非平坦となる。この非平坦
面は集積回路製造工程のフォトリソグラフィックステッ
プにおいて問題を生ずる。従って、基板面を定期的に平
坦化して平坦面を提供する必要がある。平坦化は要する
に伝導性、半伝導性、あるいは絶縁性の層であれ非平坦
な外側の面を研磨して比較的平らで滑らかな面を形成す
る。
【０００４】化学的機械研磨（ＣＭＰ）は、一般に認め
られている平坦化の一方法である。通常この平坦化方法
によれば、研磨すべき基板面が露出された状態で基板を
キャリアあるいは研磨ヘッドに装着する必要がある。次
に、基板は回転研磨パッドに対向配置される。さらに、
キャリアヘッドは、回転し、基板と研磨面間に付加的な
運動を与えてよい。さらに、研磨剤および少なくとも１
つの化学的活性剤を含む研磨スラリを研磨パッドに散布
し、パッドと基板間の界面に化学研磨溶液を供給してよ
い。
【０００５】ＣＭＰ処理の効果は、研磨速度によって、
また結果としての基板面の仕上げ（粗度）および平面度
（大きなトポグラフィがない）によって測定されてよ
い。平面度および仕上げが不十分であると、基板の不具
合を生ずる場合がある。研磨速度は、層研磨に要する時
間および研磨装置の最大スループットを設定する。
【０００６】代表的な化学的機械ポリシャは、レシピ、
すなわち一連の研磨ステップ（各ステップはプラテン回
転速度、スラリ吐出速度等、予め選択された１セットの
機器パラメータを用いて実行される）に従うソフトウェ
アによって制御される。困ったことに、研磨レシピの作
成は、各レシピが試行錯誤を通して作成されるので、時
間がかかる上に困難である。
【０００７】
【概要】全般に、一態様においては、本発明は研磨レシ
ピの決定方法を対象とする。該方法において、複数の研
磨パラメータセットを用いて複数のテスト基板を研磨す
る。複数のテスト基板の研磨プロファイルをそれぞれ測
定し、予測基板プロファイルと所望基板プロファイル間
の差を最小とする各研磨パラメータセットについて研磨
時間を計算する。
【０００８】本発明の各実施形態は、以下の１つ以上を
含んでよい。該研磨パラメータセットについて計算され
た研磨時間の連続各研磨パラメータセットをそれぞれ用
いて、デバイス基板を研磨してよい。デバイス基板の初
期プロファイルを決定してよく、合計研磨プロファイル
と初期研磨プロファイル間の差から予測基板プロファイ
ルを計算してよい。テスト基板の研磨時間と関連する測
定プロファイルの積の総数から合計研磨プロファイルを
計算してよい。
【０００９】別の態様において、本発明は研磨レシピの
決定方法を対象とする。該方法において、現在のデバイ
ス基板の研磨中に用いてよい複数のキャリアヘッドパラ
メータセットを用いて、複数のテスト基板を研磨する。
これは、第１セットのテスト基板を研磨して研磨プロフ
ァイルの変動量を接触領域の直径の関数として決定する
ステップと、第２セットのテスト基板を研磨して研磨プ
ロファイルの変動量をリテーニングリング圧の関数とし
て決定するステップとを含む。各テスト基板上の複数の
異なる半径方向の位置で除去された材料量を測定し、基
板の所望厚を表す所望プロファイルを作成する。また、
結果として予測基板プロファイルが所望基板プロファイ
ルに略等しくなるように複数のキャリアヘッドパラメー
タセットについて研磨時間をそれぞれ計算する。
【００１０】本発明の各実施形態は、第３のセットのテ
スト基板を研磨して研磨プロファイルの変動量をエッジ
制御リング圧の関数として決定するステップを含んでよ
い。
【００１１】本発明の詳細な各実施形態は、以下の利点
の１つ以上を有してよい。研磨レシピは研磨均一性を向
上させて作成可能である。キャリアヘッド圧のレシピは
実験データから作成可能であり、従って理論モデルに基
づく技術より正確な予測を提供可能である。各レシピは
迅速に作成可能である。
【００１２】
【詳細な説明】全般に、本発明は化学的機械研磨の結果
としてのウェーハ表面全体の平坦性を均一にするための
研磨レシピの決定方法を提供する。該方法は、複数の研
磨パラメータセットを用いて複数のテスト基板を研磨す
るステップと、複数のテスト基板の研磨プロファイルを
それぞれ測定するステップと、予測基板プロファイルと
所望基板プロファイル間の差を最小とする各研磨パラメ
ータセットについて研磨時間を計算するステップとを含
む。
【００１３】該方法を実施することによって、研磨レシ
ピを自動的に作成可能である。まず、各研磨ステップの
除去プロファイルを測定することにより実験データを蓄
積する。研磨レシピを作成するために、システムは各基
本研磨ステップのスケールファクタを計算する。このス
ケールファクタは、該パラメータプロファイルを用いた
研磨にかかった時間量を決定する。スケールファクタ
は、最終ウェーハプロファイルの変動量が最小となるよ
う選択される。研磨中、各研磨ステップは、計算された
時間量について連続して実施される。
【００１４】図１はＣＭＰ装置２０を示す。１つの研磨
ステーションを図示したのみであるが、ＣＭＰ装置は複
数のステーションを含んでよい。研磨ステーションは回
転可能なプラテン２４を含み、その上に研磨パッド３０
が配置される。また、各研磨ステーションは、スラリ吐
出ポート２８と、基板を効果的に研磨するように研磨パ
ッドの状態を維持する図示しないパッドコンディショナ
装置を含んでもよい。
【００１５】センタポスト６２により支持された回転可
能な回転式コンベア６０は、１つ以上のキャリアヘッド
システム７０を保持する。各キャリアヘッドシステム７
０は、キャリアあるいはキャリアヘッド１００を含む。
キャリア駆動軸７４がキャリアヘッド回転モータ（図示
せず）に接続されており、各キャリアヘッド１００はそ
の軸を中心にして別々に回転可能である。さらに、各キ
ャリアヘッド１００は、回転式コンベア支持プレート６
６に形成された径方向長孔７２内を別々に横方向に揺動
する。
【００１６】図２は化学的機械研磨装置からのキャリア
ヘッド１００を示す。同様のキャリアヘッドは１９９８
年１２月３０日出願の米国出願第６０／１１４，１８２
号および１９９９年１２月２３日出願の米国出願第０９
／４７０，８２０号に詳述されているが、これらの全文
はここに参考として組み込まれる。キャリアヘッド１０
０は、ハウジング１０２と、ベースアッセンブリ１０４
と、ローディングチャンバ１０６と、リテ−ニングリン
グ１０８と、基板バッキングアッセンブリ１１０とを含
む。基板バッキングアッセンブリ１１０は内側膜１１２
と外側膜１１４を含み、これらの膜は上部浮動チャンバ
１２０、下部浮動チャンバ１２２、外側チャンバ１２４
等、３つの与圧可能なチャンバを画成する。ハウジング
１０２およびベース１０４を貫通する図示しない通路を
用いて各チャンバ圧を変化させることによって、利用者
は内側可撓膜１２２と外側可撓膜１２４間の接触領域半
径（従ってウェーハの与圧領域の半径）および接触領域
内のウェーハに対する外側膜１２４の圧力を両方共変え
ることができる。
【００１７】また、キャリアヘッドは、リテーニングリ
ング１０８と外側膜１１８間に配置されるスペーサリン
グ１１６と、外側チャンバ１２４に配置されるエッジロ
ード構造１１８を含む。上部浮動チャンバ１２０を与圧
し下部浮動チャンバ１２２を排気することによって、エ
ッジロード構造１１８は外側可撓膜１１４の上面に押圧
され、ウェーハの裏面の環状領域、すなわち外周あるい
は縁端近傍に補足的な局部圧を付与することができる。
さらに、研磨面に対するリテーニングリング１０８の圧
力は、ローディングチャンバ１０６の圧力を選択するこ
とによって変化させることができる。
【００１８】図３を参照すると、各種チャンバの圧力を
制御するレシピは、方法２００によって作成される。一
般に、研磨方法は、一連の基本研磨ステップ（各々予め
選択された１セットのキャリアヘッドパラメータを用い
る）において、各ステップが実行されるものと仮定して
いる。まず、各研磨ステップの除去プロファイルを測定
することにより実験データを蓄積する。研磨レシピを作
成するため、システムは各基本研磨ステップのスケール
ファクタを計算する。このスケールファクタは、該パラ
メータプロファイルを用いて研磨にかかった時間量を決
定する。スケールファクタは、最終ウェーハプロファイ
ルの変動量が最小となるよう選択される。研磨中、各研
磨ステップは、計算された時間量について連続して実行
される。
【００１９】まず、テストウェーハが、現在のデバイス
ウェーハの研磨中に用いられるキャリアヘッドパラメー
タを用いて研磨される。１セットのウェーハを研磨して
接触領域の直径の関数として研磨プロファイルの変動量
を決定してよい（ステップ２０２）。別セットのウェー
ハを研磨してエッジ制御リング圧の関数として研磨プロ
ファイルの変動量を決定してよい（ステップ２０４）。
さらに別セットのウェーハを研磨してリテーニングリン
グ圧の関数として研磨プロファイルの変動量を決定して
よい（２０６）。
【００２０】一例として、ステップ２０２において、１
枚のウェーハを直径４０ｍｍの接触領域で研磨し、別の
ウェーハを直径６０ｍｍの接触領域で研磨する等、２０
ｍｍ単位で直径１８０ｍｍの接触領域までにしてよい。
各ウェーハは、同じ接触圧Ｐ CAI（接触領域の直径は異
なるが）で同じ時間、例えば３０秒間研磨される。ステ
ップ２０４において、一つのウェーハをエッジ制御リン
グ圧ＰELR1、リテーニングリング圧ＰRR1で研磨し、第
２のウェーハをエッジ制御リング圧ＰELR2、リテーニン
グリング圧ＰRR1で研磨し、第３のウェーハをエッジ制
御リング圧ＰELR 1、リテーニングリング圧ＰRR2で研磨
し、第４のウェーハをエッジ制御リング圧ＰELR2、リテ
ーニングリング圧ＰRR2で研磨してよい。さらに、各ウ
ェーハは同じ時間、例えば３０秒間、最小あるいはゼロ
接触領域圧で研磨される。最後に、ステップ２０６にお
いて、数枚のウェーハを「ベースライン」条件（すなわ
ちセンタあるいはエッジリング圧ゼロ）で別々のリテー
ニングリング圧で研磨する。
【００２１】ウェーハが研磨されたなら、除去された材
料量を各ウェーハ上の異なる別々の半径方向の位置で測
定する（ステップ２０８）。これによって、各セットの
研磨パラメータの研磨プロファイルに関する「データベ
ース」を作成する。ステップ２０２〜２０６から得られ
るサンプルウェーハ研磨プロファイルを図３に示す。こ
のデータベースは、各研磨ステップの研磨時間を計算す
る際、レシピジェネレータによって利用される。
【００２２】テストウェーハが研磨されテストウェーハ
の研磨プロファイルが測定されたなら、基板の初期プロ
ファイルが生成される（ステップ２１０）。テスト環境
においては、初期プロファイルは製造仕様から簡単に推
定されるが、製造環境においては、研磨すべきウェーハ
の初期プロファイルは計測デバイスを用いて測定してよ
い。計測デバイスからの測定値は手作業でレシピジェネ
レータに入力してよい。レシピジェネレータは初期プロ
ファイル[ＰI] を作成するが、ここで[ＰI]は１ｘＭ列
のマトリックスであり、Ｍは測定点数であり、１つの測
定点はマトリックスの各列に置かれる。
【００２３】初期プロファイルの作成およびテストウェ
ーハの研磨の前あるいは後、利用者は、ウェーハの所望
厚を表す所望プロファイルを作成する（ステップ２１
２）。所望プロファイルは、１ｘＭ列のマトリックス
[ＰD]によって表すことができる。特に、利用者は所望
の端部厚を指定することができ、レシピジェネレータ
は、この所望端部厚を各マトリックス列に入力すること
ができる。
【００２４】テストウェーハが研磨され、テストウェー
ハの研磨プロファイルが測定され、初期プロファイル及
び所望プロファイルが作成されたなら、研磨レシピを生
成してよい（ステップ２１４）。データベースの情報は
一連の除去プロファイル[ＰR]iとして表してよいが、こ
こで各除去プロファイル[ＰR]1、[ＰR]2...[ＰR]Nはそ
れぞれ研磨ステップ１、２...Ｎからの測定値を有する
１ｘＭ列のマトリックスである。
【００２５】合計除去プロファイル[ＰR]T（すなわち半
径の関数としての除去量）は次のように計算することが
できる（ステップ２１６）。
【００２６】
【数式１】 ここで[ＰR]iはステップiの除去速度、Ｔiは（以下で計
算される予定の）ステップiの研磨速度、Ｔbaseはテス
トウェーハの研磨時間、例えば３０秒、Ｎは研磨ステッ
プの総数である。予測ウェーハプロファイル[ＰP]は単
に初期プロファイルと合計除去プロファイル間の差、す
なわち[ＰP]＝[ＰI]−[ＰR]Tである。
【００２７】レシピを作成するため、レシピジェネレー
タは、所望プロファイル[ＰD]から予測ウェーハプロフ
ァイル[ＰP]の変動量を最小にする１セットの研磨時間
Ｔiを計算する（ステップ２１８）。最小化は、ウェー
ハの一定直径範囲、例えば３〜１９７ｍｍあるいは１０
〜１９０ｍｍ等で実施可能である。最小化の計算は従来
技術によって実施可能である。例えば、マトリックス
[ＰD]、[ＰI]、[ＰR]iおよび研磨時間ＴiをエクセルRス
プレッドシートのセルに入力してよく、上述の式に対応
する各式をスプレッドシートに入力してよく、エクセル
のソルバー機能を用いて研磨時間Ｔiを計算して予測ウ
ェーハプロファイル[ＰP]および所望プロファイル[ＰD]
間の合計差を最小としてよい。また、研磨時間は１つ以
上の偏差変数、例えば[ｚmin]および[ｚmax]を導入する
とともにそれらを境界として用いて最適化し、予測ウェ
ーハプロファイル[ＰP]と所望プロファイル[ＰD]間の加
重偏差を最小としてもよい。
【００２８】これら計算された研磨時間Ｔiは次に手作
業で化学的機械研磨制御装置に入力してよいが、該制御
装置は、時間Ｔiの計算された量について各研磨ステッ
プを順序正しく実行する（ステップ２２０）。
【００２９】製造システムでは、データは各種構成要素
間に自動的に送られる。例えば、初期ウェーハプロファ
イルは計測システムからレシピジェネレータに自動的に
送られ、研磨時間Ｔiはレシピジェネレータから制御装
置に自動的に送られる。実際、レシピジェネレータは制
御装置自体の一部として構成してよい。また、計算され
た研磨時間はコンピュータ可読媒体の別個のファイル中
の研磨レシピの一部として記憶してもよい。次に、研磨
レシピは、関連付けされた研磨時間と共に必要時研磨装
置の制御ソフトウェアにロードしてよい。
【００３０】大部分は汎用ディジタルコンピュータのソ
フトウェアとして構成され、コンピュータ可読媒体に明
確に具現される命令として記憶されるのではあるが、レ
シピジェネレータは、アプリケーション特定集積回路
（ＡＳＩＣ）を含むハードウェア、ファームウェア、ソ
フトウェア、あるいはこれらの組合わせを用いて構成し
てもよい。
【００３１】本発明の実施例を数多く説明したが、本発
明の意図および範囲を逸脱しないなら様々な改変をして
よいのは言うまでもない。従って、その他の実施例は特
許請求の範囲の中に存する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＭＰ装置の図である。
【図２】化学的機械研磨システムのキャリアヘッドの概
略横断面図である。
【図３】本発明で実施される方法を示すフローチャート
である。
【図４】研磨パラメータの異なる一連のウェーハを研磨
して生成される研磨プロファイルの図である。
【符号の説明】
２０・・・ＣＭＰ装置、２４・・・プラテン、２８・・・スラリ
吐出ポート、３０・・・研磨パッド、６０・・・回転式コンベ
ア、７０・・・キャリアヘッドシステム、１００・・・キャリ
アヘッド、１０８・・・リテーニングリング。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゴパラクリシュナ ビー． プラブ アメリカ合衆国， カリフォルニア州， サニーヴェイル， ヘンダーソン アヴェ ニュー 986 ナンバー２ (72)発明者 スティーヴン ティ． メアー アメリカ合衆国， カリフォルニア州， ロス ガトス， ペン ウェイ 291

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 研磨レシピの決定方法において、 複数の研磨パラメータセットを用いて複数のテスト基板
    を研磨するステップと、 複数のテスト基板の研磨プロファイルをそれぞれ測定す
    るステップと、 予測基板プロファイルと所望基板プロファイル間の差を
    最小とする各研磨パラメータセットについて研磨時間を
    計算するステップと、を含む、研磨レシピの決定方法。
  2. 【請求項２】 該研磨パラメータセットについて計算さ
    れた研磨時間の連続研磨パラメータセットをそれぞれ用
    いてデバイス基板を研磨するステップをさらに含む、請
    求項１記載の研磨レシピの決定方法。
  3. 【請求項３】 デバイス基板の初期プロファイルを決定
    するステップをさらに含む、請求項１記載の研磨レシピ
    の決定方法。
  4. 【請求項４】 合計研磨プロファイルと初期研磨プロフ
    ァイル間の差から予測基板プロファイルを計算するステ
    ップをさらに含む、請求項１記載の研磨レシピの決定方
    法。
  5. 【請求項５】 テスト基板の研磨時間と測定された関連
    プロファイルの積の総数から合計研磨プロファイルを計
    算するステップをさらに含む、請求項４記載の研磨レシ
    ピの決定方法。
  6. 【請求項６】 各研磨パラメータセットの研磨時間Ｔi
    の計算は合計除去プロファイル[ＰR]Tを次のように表す
    ステップを含み、 ここで[ＰR]iはテスト基板の測定プロファイルであり、
    Ｔbaseはテスト基板が研磨された時間量である、請求項
    １記載の研磨レシピの決定方法。
  7. 【請求項７】 繰り返しＴｉを計算し、[ＰD]−（[ＰI]
    -[ＰR]T）の値を最小とし、ここで[ＰD]は所望研磨プロ
    ファイルであり、[ＰI]は研磨前の基板の厚さプロファ
    イルである、請求項６記載の研磨レシピの決定方法。
  8. 【請求項８】 研磨レシピの決定方法において、 現在のデバイス基板の研磨中に用いることができる複数
    のキャリアヘッドパラメータセットを用いて複数のテス
    ト基板を研磨するステップと、 第１セットのテスト基板を研磨して研磨プロファイルの
    変動量を接触領域の直径の関数として決定するステップ
    と、 第２セットのテスト基板を研磨して研磨プロファイルの
    変動量をリテーニングリング圧の関数として決定するス
    テップと、 各テスト基板上の複数の異なる半径方向の位置で除去さ
    れた材料量を測定するステップと、 基板の所望厚を表す所望プロファイルを作成するステッ
    プと、 結果として予測基板プロファイルが所望基板プロファイ
    ルに実質的に等しくなるように複数のキャリアヘッドパ
    ラメータセットについて研磨時間をそれぞれ計算するス
    テップと、を含む研磨レシピの決定方法。
  9. 【請求項９】 複数のテスト基板の研磨は、第３のセッ
    トのテスト基板を研磨して研磨プロファイルの変動量を
    エッジ制御リング圧の関数として決定するステップを含
    む請求項８記載の研磨レシピの決定方法。
  10. 【請求項１０】 コンピュータ可読媒体に明確に記憶さ
    れたコンピュータプログラム製品において、該プログラ
    ムは機器に対し、 複数の研磨パラメータセットを用いて複数のテスト基板
    を研磨し、 複数のテスト基板の研磨プロファイルをそれぞれ測定
    し、 予測基板プロファイルと所望基板プロファイル間の差を
    最小とする各研磨パラメータセットの研磨時間を計算さ
    せるよう、操作可能な命令を含むコンピュータプログラ
    ム製品。
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