JP2001225261A - ポリッシング装置 - Google Patents

ポリッシング装置

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JP2001225261A
JP2001225261A JP2000038739A JP2000038739A JP2001225261A JP 2001225261 A JP2001225261 A JP 2001225261A JP 2000038739 A JP2000038739 A JP 2000038739A JP 2000038739 A JP2000038739 A JP 2000038739A JP 2001225261 A JP2001225261 A JP 2001225261A
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turntable
polishing
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polished
top ring
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Norio Kimura
憲雄 木村
Katsuya Okumura
勝弥 奥村
Hiroyuki Yano
博之 矢野
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Ebara Corp
Toshiba Corp
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Ebara Corp
Toshiba Corp
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 研磨中に、半導体基板上の被研磨面に形成さ
れた絶縁膜や金属膜の膜厚をリアルタイムで連続した計
測値として検出できるとともに半導体基板の表面をター
ンテーブルから過剰にはみ出させる必要がないポリッシ
ング装置を提供する。 【解決手段】 基板を保持するトップリング３と研磨面
を有したターンテーブル１とを備え、基板上に半導体デ
バイスを形成した面を前記研磨面に摺接させて研磨する
ポリッシング装置において、前記ターンテーブル１の外
周部近傍の下方に、前記基板の被研磨面に形成された膜
の厚さを測定する光学式測定器１０を設け、前記ターン
テーブル１の外周部には少なくとも１ヵ所の切欠き１ａ
を設け、前記ターンテーブル１の回転によって前記測定
器１０からの投光が前記切欠き１ａを通過して基板の被
研磨面に入射し、該被研磨面からの反射光が前記切欠き
１ａを通過して前記測定器１０に入射するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はポリッシング装置に
係り、特に半導体ウエハ等の基板を研磨する際、基板を
トップリングに装着した状態で、基板の被研磨面に形成
された絶縁膜や金属膜の膜厚をリアルタイムで連続的に
検出することができるポリッシング装置に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】近年の半導体デバイスの高集積化に伴う
配線の微細化、および多層化の要求によって、半導体基
板の表面の平坦度が要求されている。この要求は、配線
の微細化によって、光リソグラフィに用いる光の波長が
より短いものを使用するようになり、このような短波長
の光は基板上の焦点位置での許容される高低差がより小
さくなるためである。したがって、焦点位置での高低差
が小さいこと、すなわち基板表面の高い平坦度が必要と
なってくる。
【０００３】このため、平坦面を得る手段として化学機
械研磨（ＣＭＰ）により半導体基板の表面の凹凸を除去
することが行なわれている。そして、所定時間の研磨を
行った後には、希望する位置で研磨を終了する必要があ
る。例えば、ＣｕやＡｌ等の金属配線の上部にＳｉＯ２
等の絶縁層を残したい場合がある。この後の工程で絶縁
層の上にさらに金属等の層を形成するため、このような
絶縁層を層間膜と呼んでいる。この場合、研磨を必要以
上に行うと、下層の金属膜が表面に露出してしまうた
め、層間膜を所定の膜厚だけ残すように研磨を終了しな
ければならない場合がある。また、半導体基板上に予め
所定パターンの配線用の溝を形成しておき、その中にＣ
ｕ（銅）又はその合金を充填した後に、表面の不要部分
を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去する場合がある。
【０００４】前記Ｃｕ層をＣＭＰプロセスにより研磨す
る場合、配線用の溝内に形成されたＣｕ層のみを残して
半導体基板からＣｕ層を選択的に除去することが必要と
される。即ち、Ｃｕ層を配線用の溝部以外の箇処では、
絶縁膜（ＳｉＯ２などからなる）が露出するまで除去す
ることが求められる。この場合、過剰研磨となって、配
線用の溝内のＣｕ層を絶縁膜とともに研磨してしまう
と、回路抵抗が上昇し、半導体基板全体を廃棄しなけれ
ばならず、多大な損害となる。逆に、研磨が不充分で、
Ｃｕ層が絶縁膜上に残ると、回路の分離がうまくいか
ず、短絡が起こり、その結果、再研磨が必要となり、製
造コストが増大する。この事情は、Ｃｕ層に限らず、Ａ
ｌ層等の他の金属膜を形成し、この金属膜をＣＭＰプロ
セスで研磨する場合も同様である。
【０００５】そのため、ＣＭＰプロセスの終点を検出す
るために、ターンテーブルに隣接して投光素子と受光素
子とを備えた光学式センサを設け、トップリングを横に
ずらせて、トップリングに保持された半導体基板をター
ンテーブルの外周縁よりはみ出させることにより、半導
体基板の被研磨面を露出させて被研磨面に光学式センサ
より光を照射し、被研磨面上の絶縁膜や金属膜の膜厚を
測定し、ＣＭＰプロセスの終点を検出する方法が提案さ
れている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た方法においては、半導体基板の研磨中に、常時、被研
磨面上の絶縁膜や金属膜の膜厚を計測できないという問
題点があった。また、上述の方法によって半導体基板の
被研磨面における最外周部から中心部に至るまでの箇処
の膜厚を計測しようとすると、半導体基板の表面の５０
％以上をターンテーブルからはみ出させる必要がある。
この場合、トップリングは、ターンテーブルの上面の研
磨面の傾きに追従可能なようにジンバル機構等の自在継
手部を具備しているため、トップリングは傾き、半導体
基板がターンテーブルのエッジ（縁部）に当たり半導体
基板が割れてしまうことがあるという問題点があった。
【０００７】本発明は、上述の事情に鑑みなされたもの
で、研磨中に、半導体基板上の被研磨面に形成された絶
縁膜や金属膜の膜厚をリアルタイムで連続した計測値と
して検出できるとともに半導体基板の表面をターンテー
ブルから過剰にはみ出させる必要がないポリッシング装
置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ため、本発明は、基板を保持するトップリングと研磨面
を有したターンテーブルとを備え、基板上に半導体デバ
イスを形成した面を前記研磨面に摺接させて研磨するポ
リッシング装置において、前記ターンテーブルの外周部
近傍の下方に、前記基板の被研磨面に形成された膜の厚
さを測定する光学式測定器を設け、前記ターンテーブル
の外周部には少なくとも１ヵ所の切欠きを設け、前記タ
ーンテーブルの回転によって前記測定器からの投光が前
記切欠きを通過して基板の被研磨面に入射し、該被研磨
面からの反射光が前記切欠きを通過して前記測定器に入
射するようにしたことを特徴とするものである。
【０００９】本発明によれば、研磨中に、ターンテーブ
ルの回転によって、基板の被研磨面と測定器と切欠きが
縦方向に１直線上に並び、測定器からの投光が切欠きを
通過して基板の被研磨面に入射し、被研磨面からの反射
光が切欠きを通過して測定器に入射する。これにより、
被研磨面に形成された絶縁膜や金属膜の膜厚が測定で
き、ＣＭＰプロセスの終点を検出できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係るポリッシング
装置の実施の形態を図１乃至図５を参照して説明する。
図１は、本発明のポリッシング装置の全体構成を示す縦
断面図である。図１に示すように、ポリッシング装置
は、ターンテーブル１と、半導体ウエハ２を保持しつつ
ターンテーブル１に押圧するトップリング３とを具備し
ている。ターンテーブル１はモータ（図示せず）に連結
されており、矢印で示すようにその軸心回りに回転可能
になっている。またターンテーブル１の上面には、研磨
布４が貼設されている。研磨布４の上面は、研磨面を構
成している。この研磨面は微細な砥粒（ＣｅＯ２等から
なる）を樹脂等のバインダーで固めた固定砥粒板の上面
であってもよい。
【００１１】また、トップリング３は、モータ（図示せ
ず）に連結されるとともに昇降シリンダ（図示せず）に
連結されている。これによって、トップリング３は、矢
印で示すように昇降可能かつその軸心回りに回転可能に
なっており、半導体ウエハ２を研磨布４に対して任意の
圧力で押圧することができるようになっている。トップ
リング３はトップリングシャフト８に連結されており、
またトップリング３はその下面にポリウレタン等の弾性
マット９を備えている。またトップリング３の下部外周
部には、半導体ウエハ２の外れ止めを行うガイドリング
６が設けられている。
【００１２】前記トップリングシャフト８はトップリン
グヘッド１５に支持されており、トップリングヘッド１
５は支持軸１６に支持されている。支持軸１６が回転す
ると、トップリングヘッド１５は支持軸１６を中心とし
て揺動し、トップリング３はターンテーブル１上で半径
方向外方と内方との間で揺動するようになっている。ま
た、ターンテーブル１の上方には研磨砥液ノズル５が設
置されており、研磨砥液ノズル５によってターンテーブ
ル１に貼設された研磨布４上に研磨砥液Ｑが供給される
ようになっている。
【００１３】図１に示すように、ターンテーブル１の外
周部近傍の下方には、半導体ウエハ２の被研磨面に形成
された絶縁膜や金属膜の膜厚を測定する膜厚測定器１０
が設置されている。膜厚測定器１０はフレーム等の固定
部１１に支持されている。そして、膜厚測定器１０は配
線１２によってコントローラ１３に接続されている。膜
厚測定器１０は、投光素子と受光素子を具備し、投光素
子から半導体ウエハの被研磨面に光を照射し、被研磨面
からの反射光を受光素子で受光するように構成されてい
る。この場合、投光素子から発せられる光は、レーザー
光もしくはＬＥＤによる光である。
【００１４】図２は、図１に示すポリッシング装置のタ
ーンテーブルの平面図である。図示するように、ターン
テーブル１には膜厚測定器１０に対応した位置に切欠き
１ａが形成されている。この切欠き１ａは、研磨されて
いる半導体ウエハ２の外周縁のやや内方に対応する位置
まで切込まれている。そして、膜厚測定器１０は切欠き
１ａの内端近傍に位置している。図２において、符号Ｃ
Ｔはターンテーブル１の回転中心であり、符号ＣＷは半
導体ウエハ２の中心である。したがって、ターンテーブ
ル１が一回転する毎に、膜厚測定器１０の投光素子から
の光が切欠き１ａを通過して半導体ウエハ２の被研磨面
に投光され、被研磨面からの反射光が膜厚測定器１０の
受光素子で受光される。そして、受光素子で受光された
光は、コントローラ１３により処理され、被研磨面上の
膜厚が測定される。この場合、膜厚測定器１０によって
測定される半導体ウエハ２の被研磨面上の部位は、外周
縁のやや内方にある部位である。
【００１５】次に、膜厚検出器を用いてＳｉＯ２等の絶
縁膜やＣｕ，Ａｌ等の金属膜の膜厚を検出する原理を簡
単に説明する。本膜厚検出器に適用する膜厚測定の原理
は、膜とその隣接媒体によって引き起こされる光の干渉
を利用している。基板上の薄膜に光を入射すると、まず
一部の光は膜の表面で反射され残りは透過していく。こ
の透過した光の一部はさらに基板面で反射され、残りは
透過していくが、基板が金属の場合には吸収されてしま
う。干渉はこの膜の表面反射光と基板面反射光の位相差
によって発生し、位相が一致した場合は互いに強め合
い、逆になった場合は弱め合う。つまり入射光の波長、
膜厚、膜の屈折率に応じて反射強度が変化する。基板で
反射した光を回折格子等で分光し、各波長における反射
光の強度をプロットしたプロファイルを解析して基板上
に形成された膜の厚みを測定する。
【００１６】次に、研磨中における半導体ウエハの被研
磨面の膜厚をモニターする方法について、図３を参照し
て説明する。上記構成のポリッシング装置において、ト
ップリング３の下面に半導体ウエハ２を保持させ、半導
体ウエハ２を回転しているターンテーブル１の上面の研
磨布４に昇降シリンダにより押圧する。一方、研磨砥液
ノズル５から研磨砥液Ｑを流すことより、研磨布４に研
磨砥液Ｑが保持されており、半導体ウエハ２の被研磨面
（下面）と研磨布４の間に研磨砥液Ｑが存在した状態で
ポリッシングが行われる。
【００１７】上述の研磨中に、図３（ａ）に示すよう
に、ターンテーブル１が１回転する毎に、膜厚測定器１
０の直上をターンテーブル１の切欠き１ａが通過するた
め、膜厚測定器１０の投光素子からの光が切欠き１ａを
通して半導体ウエハ２の被研磨面に到達し、被研磨面か
らの反射光が受光素子で受光され、被研磨面の膜厚が測
定される。そして、研磨中に、上述の方法により、ター
ンテーブル１の回転毎に半導体ウエハ２の被研磨面の膜
厚の測定が繰り返される。この場合、上述したように、
膜厚測定器１０によって測定される半導体ウエハ２の被
研磨面は、外周縁のやや内方にある部位である。
【００１８】次に、支持軸１６を回転させることによ
り、図３（ｂ）に示すように、トップリングヘッド１５
を矢印Ａ方向に揺動させ、トップリング３をターンテー
ブル１上でターンテーブル１の半径方向外方へ移動させ
る。これにより、半導体ウエハ２の被研磨面の半径方向
の内方を膜厚測定器１０により測定することができる。
【００１９】前記支持軸１６を更に回転させることによ
り、図３（ｃ）に示すように、トップリングヘッド１５
を矢印Ａ方向に更に揺動させ、トップリング３をターン
テーブル１上でターンテーブル１の半径方向外方へ更に
移動させる。これにより、半導体ウエハ２の被研磨面の
中心ＣＷの近傍を膜厚測定器１０により測定することが
できる。このとき、半導体ウエハ２の表面はターンテー
ブル１からあまりはみ出させなくて済む。すなわち、半
導体ウエハ２の中心ＣＷ、即ち、トップリング３の中心
３ｃは、ターンテーブル１上に位置し、ジンバル機構を
具備したトップリング３がターンテーブル１からはみ出
して傾く恐れがない。
【００２０】図３（ａ）乃至図３（ｃ）に示すように、
トップリング３を切欠き１ａの位置で、ターンテーブル
１の半径方向内方と外方との間で揺動させることによ
り、膜厚検出器１０によって半導体ウエハ２に形成され
た絶縁膜や金属膜の膜厚を半導体ウエハの外周縁から中
心部に至るまでリアルタイムで連続した測定値として検
出可能である。これにより、半導体ウエハ上の絶縁膜や
金属膜の膜厚を常時モニターすることができ、所望の膜
厚になったことを検出することにより、又は、膜厚が０
（ゼロ）になったことを検出することにより、ＣＭＰプ
ロセスの終点を正確に検出できる。
【００２１】図１乃至図３の実施の形態において、ター
ンテーブル１に形成される切欠き１ａのターンテーブル
の半径方向の奥行きＬ（図２参照）は、以下の条件を満
たすような範囲で設定される。 １）トップリングが揺動していない状態で、切欠き１ａ
内の膜厚検出器１０が研磨中の半導体ウエハの被研磨面
の中心から外周縁部までの間にある所定の部位の膜厚が
測定できる。 ２）トップリングがターンテーブルの半径方向外方へ揺
動した状態で、切欠き１ａ内の膜厚検出器１０が研磨中
の半導体ウエハの被研磨面の中心部の膜厚が測定でき
る。ただし、トップリングが最大限揺動しても、半導体
ウエハがターンテーブルからはみ出して露出する面積は
被研磨面の４０％以下であることが好ましい。
【００２２】図４は、本発明の他の実施形態を示す平面
図である。本実施形態においては、ターンテーブル１の
切欠き１ａは、２個形成されており、検出時間の間隔を
図２に示す例の１／２に短くすることができる。なお、
切欠き１ａの個数は３個以上であってもよい。図１乃至
図４に示す実施の形態においては、膜厚検出器１０に隣
接して洗浄液を供給するノズルが設置されており、膜厚
検出器１０が研磨砥液で汚れた場合に洗浄できるように
なっている。ノズルから膜厚検出器１０への洗浄液の供
給は、研磨中に連続的に行なってもよいし間欠的に行な
ってもよい。本実施形態によれば、ターンテーブルの外
周部に比較的小さな切欠きを設けるだけでよいため、研
磨砥液がターンテーブルから漏出しないようにする特別
な対策は採る必要がなく、切欠き１ａから落下した研磨
砥液は、従来からターンテーブルの回りに設置されてい
る樋（図示せず）によって受けることができる。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
研磨中に、半導体基板上の被研磨面に形成された絶縁膜
や金属膜の膜厚をリアルタイムで連続した計測値として
検出できるとともに半導体基板の表面をターンテーブル
から過剰にはみ出させる必要がない。
【００２４】また本発明によれば、ターンテーブルの外
周部に切欠きを形成するだけでよく、ターンテーブルの
研磨面の主要部分（例えば、ターンテーブルの中心部と
外周部との間の中間位置）に光学式測定器の光が通過す
るための貫通孔を形成する必要がない。したがって、光
学式測定器を設置することに伴う研磨性能の低下を最小
限に抑えることができるとともに上記貫通孔を塞ぐため
のガラス窓等の部材をターンテーブル上に設置する必要
がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のポリッシング装置の全体構成を示す縦
断面図である。
【図２】本発明のポリッシング装置のターンテーブルの
平面図である。
【図３】研磨中における半導体ウエハの被研磨面の膜厚
をモニターする方法を示す図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す平面図である。
【符号の説明】
１ ターンテーブル １ａ 切欠き ２ 半導体ウエハ ３ トップリング ４ 研磨布 ５ 研磨砥液ノズル ６ ガイドリング ８ トップリングシャフト ９ 弾性マット １０ 膜厚測定器 １１ 固定部 １２ 配線 １３ コントローラ １５ トップリングヘッド １６ 支持軸
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥村 勝弥 神奈川県横浜市磯子区新杉田８番地 株式 会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 矢野 博之 神奈川県横浜市磯子区新杉田８番地 株式 会社東芝横浜事業所内 Ｆターム(参考） 3C058 AA09 AB04 AC02 BA01 BA07 CB03 CB06 DA17

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板を保持するトップリングと研磨面を
    有したターンテーブルとを備え、基板上に半導体デバイ
    スを形成した面を前記研磨面に摺接させて研磨するポリ
    ッシング装置において、 前記ターンテーブルの外周部近傍の下方に、前記基板の
    被研磨面に形成された膜の厚さを測定する光学式測定器
    を設け、前記ターンテーブルの外周部には少なくとも１
    ヵ所の切欠きを設け、前記ターンテーブルの回転によっ
    て前記測定器からの投光が前記切欠きを通過して基板の
    被研磨面に入射し、該被研磨面からの反射光が前記切欠
    きを通過して前記測定器に入射するようにしたことを特
    徴とするポリッシング装置。
  2. 【請求項２】 前記トップリングはターンテーブル上で
    半径方向内方と外方との間で揺動可能であり、該トップ
    リングの揺動によって前記基板の被研磨面の外周縁から
    中心部に至るまでの部位に前記測定器からの投光が入射
    するようにしたことを特徴とする請求項１記載のポリッ
    シング装置。
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