JP2003071708A - 研磨方法および研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】作業者の技能により左右されることなく、的確
にディッシングやエロージョンなどの発生を防止でき、
研磨レートを向上させることができ、安定して高い加工
精度を得るこができる研磨方法および研磨装置を提供す
る。 【解決手段】研磨パッドと被研磨対象の被研磨面を所定
方向に相対移動して当該被研磨面が平坦となるように研
磨する研磨方法であって、複数の同種の被研磨対象を試
料として用意し、各試料毎に加工開始位置を順次ずらし
た加工条件により、研磨を行い、各加工位置における研
磨特性を得、得られた研磨パッドの各加工位置での加工
特性から、研磨結果を予測し、新たな加工条件を調整
し、次の研磨にフィードバックする（ＳＴ１〜ＳＴ
９）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば半導体ウ
ェハの表面に形成されたメッキ膜や絶縁膜を平坦に研磨
する研磨方法および研磨装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の高集積化、小型化に伴い、
配線の微細化、配線ピッチの縮小化および配線の多層化
が進んでおり、半導体装置の製造プロセスにおける多層
配線技術の重要性が増大している。一方、従来、多層配
線構造の半導体装置の配線材料としてアルミニウムが多
用されてきたが、近年の０．１８μｍルール以下のデザ
インルールにおいて、信号の伝搬遅延を抑制するため
に、配線材料をアルミニウムから銅に代えた配線プロセ
スの開発が盛んに行われている。銅を配線に使用する
と、低抵抗と高エレクトロマイグレーション耐性を両立
できるというメリットがある。

【０００３】たとえば銅を配線に使用するプロセスで
は、あらかじめ層間絶縁膜に形成した溝状の配線パター
ンに金属を埋め込み、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Po
lishing : 化学機械研磨) 法によって余分な金属膜を除
去して配線を形成する、ダマシン（damascene ）法と呼
ばれる配線プロセスが有力となっている。このダマシン
法は、配線のエッチングが不要であり、さらに上層の層
間絶縁膜も自ずと平坦なものになるので、工程を簡略化
できるという利点がある。さらに、層間絶縁膜に配線用
溝だけでなく、コンタクトホールも溝として開け、配線
用溝とコンタクトホールを同時に金属で埋め込むデュア
ルダマシン（dualdamascene）法では、さらに大幅な配
線工程の削減が可能となる。

【０００４】ここで、上記のデュアルダマシン法による
配線形成プロセスの一例について下記の図を参照して説
明する。なお、配線材料として銅を用いた場合について
説明する。

【０００５】まず、図１８（ａ）に示すように、たとえ
ば、不図示の不純物拡散領域が適宜形成されているシリ
コン等の半導体基板１上に、たとえば酸化シリコンから
なる層間絶縁膜２を、たとえば減圧ＣＶＤ（Chemical V
apor Deposition ）法により形成する。

【０００６】次に、図１８（ｂ）に示すように、半導体
基板１の不純物拡散領域に通じるコンタクトホールＣ
Ｈ、および半導体基板１の不純物拡散領域と電気的に接
続される所定のパターンの配線が形成される溝Ｍを公知
のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用
いて形成する。

【０００７】次に、図１８（ｃ）に示すように、バリア
膜３を層間絶縁膜２の表面、コンタクトホールＣＨおよ
び溝Ｍ内に形成する。このバリア膜３は、たとえば、Ｔ
ａ、Ｔｉ、ＴａＮ、ＴｉＮ等の材料を公知のスパッタ法
により形成する。バリア膜３は、配線を構成する材料が
銅で層間絶縁膜２が酸化シリコンで構成されている場合
には、銅は酸化シリコンへの拡散係数が大きく、酸化さ
れやすいため、これを防止するために設けられる。

【０００８】次に、図１９（ｄ）に示すように、バリア
膜３上に、銅を公知のスパッタ法により所定の膜厚で堆
積させ、シード膜４を形成する。次に、図１９（ｅ）に
示すように、コンタクトホールＣＨおよび溝Ｍを銅で埋
め込むように、銅膜５を形成する。銅膜５は、たとえ
ば、メッキ法、ＣＶＤ法、スパッタ法等により形成す
る。

【０００９】次に、図１９（ｆ）に示すように、層間絶
縁膜２上の余分な銅膜５およびバリア膜３をＣＭＰ法に
よって除去し、平坦化する。以上の工程により、銅配線
６およびコンタクト７とが形成される。上記したプロセ
スを配線６上で繰り返し行うことにより、多層配線を形
成することができる。

【００１０】上述した研磨工程においては、平坦化研磨
装置が用いられる。図２０は、従来の平坦化研磨装置の
概略を示す斜視図である。この平坦化研磨装置２０は、
研磨布２１が上面に貼られた回転可能な円盤状の定盤２
２と、ウェハ１を下面で保持する回転可能であって、上
下動可能な円盤状のマウント板２３と、研磨布２１上に
研磨液Ｐを供給するノズル２４を備えている。

【００１１】このような構成において、先ず、積層配線
パターン用銅膜５が形成されているウェハ１の表面を下
に向けて、ウェハ１の裏面をマウント板２３の下面に接
着あるいは真空吸着させる。次に、定盤２２とマウント
板２３を回転させると共に、ノズル２４から研磨布２１
上に研磨液Ｐを供給する。そして、マウント板２３を下
降させて、ウェハ１の表面を研磨布２１上に押し付け、
ウェハ１の表面に形成されている積層配線パターン用銅
膜５を研磨する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の平坦化
研磨装置２０による積層配線パターン用銅膜５の研磨量
は、時間管理されているため不安定であり、研磨終了後
でないと正確な研磨量が判らないという欠点がある。ま
た、研磨精度も、研磨布２１の状態等により変化するの
で不安定であり、作業者の経験や勘を頼りにしなければ
ならないという問題がある。

【００１３】それに加えて、層間絶縁膜２と、銅膜５お
よびバリア膜３との除去性能が異なることから、配線６
にディッシング、エロージョン（シンニング）、リセス
等が発生しやすいという問題がある。

【００１４】ディッシングは、図２１（ａ）に示すよう
に、たとえば、０．１８μｍルールのデザインルールに
おいて、たとえば、１００μｍ程度のような幅の広い配
線７が存在した場合に、当該配線の中央部が過剰に除去
され、へこんでしまう現象であり、このディッシングが
発生すると配線６の断面積が不足するため、配線抵抗値
不良等の原因となる。このディッシングは、配線材料に
比較的軟質の銅やアルミニウムを用いた場合に発生しや
すい。

【００１５】エロージョンは、図２１（ｂ）に示すよう
に、たとえば、３０００μｍの範囲に１．０μｍの幅の
配線が５０パーセントの密度で形成されているようなパ
ターン密度の高い部分が過剰に除去されてしまう現象で
あり、エロージョンが発生すると、配線の断面積が不足
するため、配線抵抗値不良等の原因となる。

【００１６】リセスは、図２１（ｃ）に示すように、層
間絶縁膜２と配線６との境界で配線６が低くなり段差が
できてしまう現象であり、この場合にも配線の断面積が
不足するため、配線抵抗値の不良等の原因となる。

【００１７】一方、特にダマシン法またはデュアルダマ
シン法では、配線用溝、または配線用溝およびコンタク
トホールを同時に銅で埋め込むため、余分な銅膜６の膜
厚が大きく、かつ銅膜表面には埋め込みによって生じた
凹凸があることから、余分な銅膜５をＣＭＰ法によっ
て、効率的に除去しつつ、当該初期段差を緩和する必要
がある。したがって、単位時間当たりの除去量である研
磨レートは、たとえば、５００ｎｍ／ｍｉｎ以上となる
ように要求されており、この研磨レートを稼ぐために
は、ウェハに対する加工圧力を大きくしたり、エッチン
グ力の強い薬液を用いたり、研磨工具の回転数を上げた
りすることが考えられるが、いずれの場合でも精度面で
は、上記の方法で研磨レートを向上しようとすると、段
差緩和能力（平坦化能力）が低下することが知られてい
る。

【００１８】また、図２２に示すように、配線表面にス
クラッチＳＣやケミカルダメージＣＤが発生しやすくな
り、特に、軟質の銅では発生しやすい。このため、配線
のオープン、ショート、配線抵抗値不良等の不具合の原
因となり、また、上記の方法で研磨レートを向上しよう
とすると、上記のクラック、層間絶縁膜の剥離、ディッ
シング、エロージョンおよびリセスの発生量も大きくな
るという不利益がある。

【００１９】また、研磨布２１の状態等の変化に起因す
る不安定性をなくし、作業者の経験や勘を頼りにする部
分を可能な限り少なくするためにＣＭＰ加工において、
その硬質研磨ホイールによる優れた平坦化性能を得、ソ
フトウエア制御によるいわゆるスキルレスな均一性補正
を実現しようとする研磨装置が実現されている。

【００２０】ところが、この装置における均一性補正
は、結局、作業者の経験と勘によるところが大きく、い
わゆるレシピ作成にはかなりの熟練を要しているのが実
状である。これは、円形のウェハに対してリング状のホ
イールを、部分的に接触させて除去するという加工法
が、純粋な部分加工ではなく、ある面積を持ってしまっ
ていることから、除去量を部分的に補正するためのレシ
ピ調整がイメージしにくいことが原因である。

【００２１】加えて、熟練した作業者においても、主軸
の傾斜を変化させたりすると、補正時に現れる結果が予
期せぬ状態であったりということが多く、均一性補正に
関しては、各種入力パラメータに対する除去量の変化
が、未だ定量的に関連付けされていないのが現状であ
る。

【００２２】すなわち、従来の研磨装置では、ウェハ連
続処理時の均一性の向上、維持に対して、各種加工パラ
メータは作業者の経験からくる予測などにより変更・補
正を繰り返し行う必要があり、デバイス製造上のプロセ
スマージンが装置システム的に決定されるのではなく、
作業者の技能により左右される。

【００２３】また、従来の研磨装置では、研磨パッドが
被研磨対象の一部を摺接しながら研磨を行うため、局所
的な研磨の補正が可能である。しかしその反面、その補
正を行うに当たって、プロセスのノウハウを必要とし、
加工条件を決定することが困難であった。また、加工条
件を物理的な現象と捉えたシュミレーションで行うに
は、不確定要素が多く、誤差も少なくない。

【００２４】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、作業者の技能により左右される
ことなく、被研磨対象上の膜厚の均一性向上させること
ができ、安定して高い加工精度を得るこができる研磨方
法および研磨装置を提供することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、研磨手段と被研磨対象の被研磨面を所定
方向に相対移動して当該被研磨面が平坦となるように研
磨する研磨方法であって、複数の同種の被研磨対象を試
料として、各試料毎に研磨加工の開始位置を順次ずらし
た加工条件により研磨を行い、研磨結果に基づいて各加
工位置における研磨特性を得、得られた研磨手段の各加
工位置での加工特性から研磨結果を予測し、予測結果に
基づいて新たな加工条件を調整し、調整した研磨条件を
次の研磨の条件にフィードバックする。

【００２６】また、本発明は、研磨手段と被研磨対象の
被研磨面を所定方向に相対移動して当該被研磨面が平坦
となるように研磨する研磨装置であって、複数の同種の
被研磨対象を試料として、各試料毎に研磨加工の開始位
置を順次ずらした加工条件により研磨を行った研磨結果
に基づいて各加工位置における研磨特性を得、得られた
研磨手段の各加工位置での加工特性から研磨結果を予測
し、予測結果に基づいて新たな加工条件を調整し、調整
した研磨条件を次の研磨の条件にフィードバックする制
御手段を有する。

【００２７】本発明では、研磨手段の各加工位置におけ
る研磨特性を、研磨手段の送り速度、回転数、切り込み
量、被研磨対象の回転数の加工条件より予測する。

【００２８】また、本発明では、研磨後の被研磨対象の
被研磨面膜厚の測定結果と、研磨結果の予測値とを比較
して加工条件を調整し、次の研磨にフィードバックす
る。

【００２９】また、本発明では、前記加工条件の調整
を、研磨特性が線形に変化する研磨手段の送り速度に基
づいて行う。

【００３０】また、本発明では、各試料毎に、研磨手段
の中心位置と、被研磨対象の回転中心との中心間距離を
変化させつつ研磨を行う。

【００３１】また、本発明では、所定の中心間距離を研
磨加工の開始位置とし、各試料毎に当該開始位置から研
磨手段が被研磨対象の被研磨面を摺接する距離が順次に
長くなるようにして、各試料の研磨加工を行う。

【００３２】また、本発明では、研磨加工の開始位置よ
り終了位置までの区間をＮ個の小区間（１≦ｉ≦Ｎ）に
区分し、各試料毎に研磨手段が被研磨対象の被研磨面を
摺接する小区間数が異なるようにして、各試料の研磨加
工を行う。

【００３３】また、本発明では、被研磨面の膜厚が所望
の値にならなかった場合、各小区間にける研磨手段の送
り速度Ｖ₀ ⁱ からＶ ⁱに変化させる。

【００３４】また、本発明では、隣接小区間間の研磨手
段の送り速度の差を一定値以下に制限する。

【００３５】また、本発明では、研磨加工の開始位置と
終了位置（たとえば被研磨対象の回転中心）との間に複
数の制御点を設け、制御点の小区間のうちの任意の一つ
の送り速度Ｖ_c ^k の値を微小変化させ、変化前と変化後
の誤差関数Ｅｒｒの値Ｅｒｒ（Ｖⁱ ）とＥｒｒ（Ｖⁱ ±
ΔＶⁱ ）を比較し、値が小さくなっていればＶ_c ^k ±Δ
Ｖ_c ^k を新たなＶ_c ^k の値とする。

【００３６】また、本発明では、すべての制御点のＶ_c
^k を微小変化させても、誤差関数Ｅｒｒの値が変化しな
くなった時点で、処理を終了する。

【００３７】また、本発明では、上記被研磨対象は半導
体のウェハである。

【００３８】本発明によれば、複数の同種の被研磨対
象、たとえば半導体ウェハを試料として、各試料毎に研
磨加工の開始位置を順次ずらした加工条件により研磨を
行う。たとえば、研磨加工の開始位置より終了位置まで
の区間をＮ個の小区間に区分し、各試料毎に研磨手段が
被研磨対象の被研磨面を摺接する小区間数が異なるよう
にして、各試料の研磨加工を行う。次いで、この研磨結
果に基づいて各加工位置における研磨特性を得る。そし
て、得られた研磨手段の各加工位置での加工特性から研
磨結果を予測する。次に、予測結果に基づいて新たな加
工条件を調整し、調整した研磨条件を次の研磨の条件に
フィードバックする。なお、加工条件の調整は、たとえ
は研磨特性が線形に変化する研磨手段の送り速度に基づ
いて行う。

【００３９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述
べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、
技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明
の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨
の記載がない限り、これらの形態に限られるものではな
い。

【００４０】図１は、本発明に係る研磨方法を採用した
平坦化研磨装置の一実施形態の全体構成を模式的に示す
平面図である。

【００４１】この平坦化研磨装置１００は、被研磨対象
のウェハ１０１が投入されるカセットポート１１０、こ
のカセットポート１１０から取出されたウェハ１０１を
位置決めするハンドリングシステム１２０、このハンド
リングシステム１２０で位置決めされたウェハ１０１を
化学的機械研磨するポリッシングヘッド１３０およびポ
リッシングヘッド１３０で化学的機械研磨されたウェハ
１０１を洗浄するクリーナ１４０で大略構成されてい
る。なお、各部間のウェハ１０１の搬送は、図示しない
ロボットにより行われるようになっている。

【００４２】このような構成において、平坦化研磨装置
１００内における通常の研磨工程について説明する。先
ず、複数枚のウェハ１０１が、カセット１０２内に並列
に収納され、このカセット１０２が、カセットポート１
１０にセットされる。そして、１枚のウェハ１０１が、
カセット１０２から取出されて、ハンドリングシステム
１２０に搬送される。

【００４３】搬送されてきたウェハ１０１は、コンベア
１２１で位置決め部１２２に移送されて、センタリング
およびオリフラ合わせが行われ、再びコンベア１２１で
元の位置まで移送される。再移送されてきたウェハ１０
１は、ポリッシングヘッド１３０に搬送される。搬送さ
れてきたウェハ１０１は、バッファ１３１に一旦投入さ
れた後、加工部１３２にセットされて後述するように研
磨状態が測定されながら化学的機械研磨される。研磨が
完了したウェハ１０１は、ウェットステーション１３３
に一旦取出された後、クリーナ１４０に搬送される。

【００４４】搬送されてきたウェハ１０１は、薬剤を洗
浄するために洗浄部１４１を通された後、洗浄液を乾燥
させるために乾燥部１４２へ移送される。そして、乾燥
が完了したウェハ１０１は、再びハンドリングシステム
１２０に搬送され、カセット１０２の空き部分に収納さ
れる。収納している全ウェハ１０１について以上の工程
が終了したカセット１０２は、カセットポート１１０か
ら取出され、次工程へ搬送される。

【００４５】図２は、図１の平坦化研磨装置１００にお
ける加工部１３２の詳細を示す一部断面側面図である。
この加工部１３２は、加工テーブル１５０、加工ヘッド
１６０、および研磨状態測定部２００を主構成要素とし
て有している。

【００４６】加工テーブル１５０は、ウェハ１０１を載
置固定して回転させると共にＸ方向に移動させる機能を
有する。台盤１５１の上面には、ウェハ１０１を真空吸
着するウェハチャック１５２が配設され、台盤１５１の
下面には、Ｘ軸ボールナット１５３を有する支持部１５
４が配設されている。

【００４７】そして、Ｘ軸ボールナット１５３には、Ｘ
軸サーボモータ１５５が連結され、Ｘ方向に伸びるＸ軸
ボールネジ１５６が螺合されている。また、台盤１５１
の上方には、研磨液を供給するためのノズル１５７が配
設されている。なお、図示していないが、台盤１５１に
は、ウェハチャック１５２を回転させる機構が内蔵され
ている。

【００４８】加工ヘッド１６０は、Ｚ方向に移動して、
加工テーブル１５０に固定されているウェハ１０１を２
段階で化学的機械研磨する機能を有する。ウェハ１０１
と略同径の円盤状のバフ１６１と、バフ１６１の径より
大きい内径を有する円環状のホイール１６２が、同軸、
即ち同心円状に配設されている。そして、バフ１６１
は、円環状のメタル定盤１６３の下面に接着固定され、
ホイール１６２は、円環状のメタルツールフランジ１６
４の下面に接着固定されている。

【００４９】メタル定盤１６３の中央孔には、シャフト
１６５の一端が、軸受１６７を有するフランジ１６６を
介して固定されている。フランジ１６６は、外周面がテ
ーパ形状に形成されており、同様のテーパ形状に形成さ
れているメタル定盤１６３の中央部の穴の内周面に嵌合
して固定されている。メタルツールフランジ１６４の上
面側には、等角度間隔で座ぐり１６８が設けられてい
る。

【００５０】座ぐり１６８の内部には、バネ１６９を有
するピン１７０が、メタルツールフランジ１６４の下面
側へ突き抜けるように挿入されている。そして、ピン１
７０の先端は、メタル定盤１６３の上面に螺合されてい
る。メタルツールフランジ１６４の上面には、主軸スピ
ンドルモータ１７１を有する主軸スピンドル１７２が固
定され、さらに主軸スピンドルモータ１７１の上部に
は、エアシリンダ１７３が固定されている。

【００５１】シャフト１６５は、メタルツールフランジ
１６４の中央孔から主軸スピンドル１７２、主軸スピン
ドルモータ１７１およびエアシリンダ１７３の中央部を
通って突き抜けるように配設されている。そして、シャ
フト１６５の他端には、エアシリンダ１７３のピストン
１７３ａが固定されている。そして、シャフト１６５
は、研磨液を供給するために中空円筒状に形成されてい
る。

【００５２】主軸スピンドルモータ１７１の外周面に
は、Ｚ軸ボールナット１７４を有する支持部１７５が配
設されている。支持部１７５は、Ｚ軸ガイド１７６に係
止されており、Ｚ軸ボールナット１７４には、Ｚ軸サー
ボモータ１７７に連結され、Ｚ方向に伸びるＺ軸ボール
ネジ１７８が螺合されている。

【００５３】そして、Ｘ軸サーボモータ１５５はコント
ローラ３０１による制御信号ＣＴＬ１によりウェハ１０
１のＸ軸方向の速度制御が行われ、主軸スピンドルモー
タ１７１はコントローラ３０１による制御信号ＣＴＬ２
により回転数が制御され、Ｚ軸サーボモータ１７７はコ
ントローラ３０１による制御信号ＣＴＬ３により加工ヘ
ッド１６０のＺ軸方向の位置決め制御が行われる。

【００５４】なお、図３は、加工ヘッド１６０が位置決
め制御されて下降し、研磨状態になっている場合を示す
図である。

【００５５】このとき、メタル定盤１６３は、バネ１６
９を圧縮し、バフ１６１の研磨面は、ホイール１６２の
研磨面よりも突き出た状態となる。そして、バフ１６１
の研磨面をウェハ１０１の表面に押しつけ、Ｘ軸サーボ
モータ１５５を駆動してＸ軸ボールネジ１５６を回転さ
せ、支持部１５４を介して台盤１５１を往復移動させ、
ウェハ１０１を化学的機械研磨する。なお、このときの
研磨量の絶対値は、主にエアシリンダ１７３の圧力とバ
フ１６１のウェハ１０１に対する通過速度で制御するこ
とができる。

【００５６】研磨状態測定部２００は、検出装置１８０
およびこの検出装置１８０に電気的に接続された制御装
置１９０を備えている。検出装置１８０は、ウェハ１０
１のたとえば研磨状態すなわち膜厚を光の干渉を用いて
変化を検出する装置であり、受発光部１８１およびこの
受発光部１８１に接続された光ファイバ１８２を備えて
いる。

【００５７】受発光部１８１は、制御装置１９０から入
力した駆動信号をその大きさに対応した光に変換して、
光ファイバ１８２を伝搬させた、たとえばハロゲンラン
プからなる光源の光と、ウェハ１０１の表面において反
射され、光ファイバ１８２を伝搬してきた光の干渉縞を
検知し、制御装置１９０に出力する。光ファイバ１８２
は、２芯のファイバであり、ファイバ先端が、加工ヘッ
ド１６０の隣接位置であって、ウェハ１０１のＸ方向の
中心線上の例えば５０ｍｍ〜１００ｍｍ上方の位置し、
測定時にウェハ１０１の表面に向って、例えば１ｍｍの
距離に接近する。ウェハ１０１の表面に向かって固定さ
れている。

【００５８】制御装置１９０は、検出装置１８０からの
検出値に基づいて、すなわち干渉縞に基づいて膜厚を測
定し、これによりウェハ１０１の削り残し部分を認識
し、この削り残し部分と削り残し以外の部分の研磨条件
を自動的に生成してフィードバックする装置である。

【００５９】ここで、先ず、ウェハ１０１の表面反射と
ウェハ１０１の研磨状態（削り残し部分および削り残し
以外の部分）の関係について説明する。図４は、研磨後
のウェハ１０１の膜厚状態の一例を示す図である。ウェ
ハ１０１は、加工テーブル１５０で回転させられなが
ら、回転している加工ヘッド１６０で研磨されるが、ウ
ェハ１０１と加工ヘッド１６０の相対速度がその中心間
距離によってことなるため、図４に示すように、同心円
状に膜厚の不均一性が生じる。

【００６０】このため、ウェハ１０１を加工テーブル１
５０で回転させながら、ウェハ１０１の中心から外周に
向かってＸ方向（半径方向）に膜厚を測定することによ
り、ウェハ１０１のＸ軸上の位置に対応した平均化され
た膜厚を得ることができる。以上のことから、ウェハ１
０１上の膜厚プロファイルを得ることができる。

【００６１】コントローラ３０１は、研磨装置全体を制
御する機能を有し、特に、上述したように、制御信号Ｃ
ＴＬ１をＸ軸サーボモータ１５５に供給してウェハ１０
１のＸ軸方向の速度制御を行い、制御信号ＣＴＬ２を主
軸スピンドルモータ１７１に供給してその回転数を制御
し、制御信号ＣＴＬ３をＺ軸サーボモータ１７７に供給
して加工ヘッド１６０のＺ軸方向の位置決め制御を行
う。なお、加工ヘッド１６０のＺ軸方向の位置決め制御
は、換言すれば加工ヘッド１６０におけるバフ１６１の
ウェハ１０１の表面に対する押しつけ力（押し圧力；加
工圧力）を制御するものである。

【００６２】また、コントローラ３０１は、後で詳述す
るように、加工ヘッド１６０による所定のウェハ１０１
に対する最適な加工条件を、複数の同種ウェハを用いて
得られたデータ、具体的には、研磨状態測定部２００で
測定された被研磨対象の膜厚測定結果である研磨後デー
タに基づいて予測し、次の研磨するウェハの研磨条件
（研磨用レシピ）にフィードバックさせる。すなわち、
コントローラ３０１は、装置の特性、加工ヘッド（バフ
１６１を含むホイール）の特性、被研磨対象であるウェ
ハの特性を把握し、これら特性データに基づいて、加工
条件を算出し、所望の研磨結果を得るための最適な加工
条件を自動的に得る。

【００６３】なお、コントローラ３０１およびコントロ
ールパネル３０２を有するコンピュータからなる制御部
３００は、たとえば図５に示すように、通信網、たとえ
ばイーサネット（登録商標）（Ｅｉｔｈｅｒｎｅｔ（登
録商標））４００を介して平坦化研磨装置１００と接続
し、遠隔操作を行うことも可能である。

【００６４】コントローラ３０１に接続されたコントロ
ールパネル３０２は、オペレータが各種加工パラメー
タ、すなわちウェハ１０１のＸ軸方向の速度データ、主
軸スピンドルモータ１７１の回転数データ、加工ヘッド
１６０のＺ軸方向の位置決めデータ（加工圧力データ）
等を入力したりするキーボード３０２１と、研磨状態測
定部３００で測定された被研磨対象であるウェハの膜厚
測定結果や研磨の最適条件の計算結果等を表示するモニ
タ３０２２を有する。

【００６５】本実施形態に係る平坦化研磨装置１００で
は、ウェハ研磨後の膜厚を測定し、それを次に研磨する
ウェハの研磨条件にフィードバックすることにより、加
工の安定性と残膜均一性を制御する。本実施形態では、
均一性補正を、定量的に、スキルレスに行えるように、
所定の条件に従ってＣＭＰ加工の複数の試料としての同
種ウェハを用いてシミュレーションを行い、その結果か
ら各種加工パラメータを最適化する。換言すれば、ウェ
ハの膜除去量は、ホイール１６２の回転数、切り込み
量、送り速度など、所定のレシピで設定されたパラメー
タで制御されるが、これらの中で、送り速度は除去量に
対しておおよそリニアな特性を持つため、この送り速度
を変化させることにより、均一な除去量をもたらすレシ
ピをコントローラ３０１で自動的に生成する。以下に、
本発明に係る平坦化研磨方法について、図面に関連付け
ながら順を追って説明する。

【００６６】本研磨装置１００の研磨時は、たとえば外
径２００ｍｍ、内径１６０ｍｍのドーナツ状の硬質パッ
ドホイール（バフを含む）を垂直軸（主軸）に対し、数
十ミクロン傾斜させて（傾斜角θをもって傾斜させ
て））ウェハ１０１に接触させている。 このときの、
ホイールとウェハの接触状態は幾何学的には、図６およ
び図７に示す通りである。そして、たとえばホイール１
６２は３２０ｒｐｍで、ウェハチャック１５２は６０ｒ
ｐｍの回転速度で回転される。これにより、バフ１６１
の狭小な部分がウェハ１０１に摺接して、局所的な研磨
の補正を可能としている。さらに、コントローラ３０１
の制御信号ＣＴＬ１により、Ｘ軸サーボモータ１５５に
供給して、図７に示すウェハ１０１のＸ軸方向の速度制
御、すなわち送り速度の制御が行われる。

【００６７】なお、本実施形態に係るホイールのバフ
は、発泡ポリウレタンなどの多孔質粘弾性材や不織布等
の研磨布から構成される、研磨工具、研磨砥石、研磨ホ
イールや積層フィルムなどの固定砥粒を有する研磨工具
を指し、以下これらを研磨パッドＰＤと総称する。

【００６８】またここでは、研磨パッドＰＤが、被研磨
対象であるウェハ１０１の被研磨面に接面した位置より
さらに押し付けることを切り込みと、またその距離を切
り込み量と称する。

【００６９】図８は、本発明に係る平坦化研磨方法の具
体的な処理を説明するためのフローチャートである。以
下、この図８に関連付けて平坦化研磨方法の具体的な処
理について順を追って説明する。

【００７０】ステップＳＴ１ 研磨パッドの中心位置と、被研磨対象を保持し回転駆動
させるウェハチャック１５２（実際は、台盤１５１に内
蔵の回転機構）の回転中心との中心間距離を変化させつ
つ研磨を行う。所定の中心間距離（Ｘ₀ ）にて切り込み
を開始し、所定の中心間距離（Ｘ_N ）にて切り込みを終
了し、その間、研磨パッドＰＤは被研磨対象（ウェハ１
０１）の被研磨面を摺接しながら移動してゆく。

【００７１】具体的には、開始位置より終了位置までの
区間をＮ個の小区間に区分し、小区間における研磨特性
を得るために、切り込みをＸ₀ で開始し、Ｘ_i で終了
し、他の研磨パッドの送り速度Ｖ_O ⁱ 、回転数、被研磨
対象の回転数の加工条件は固定したＮ＋１個の加工条件
を用意する（０≦ｉ≦Ｎ）。すなわち、Ｎ＋１枚の同種
の被研磨対象（ウェハ１０１）を用意し、被研磨面の研
磨膜厚を測定する。Ｎ＋１枚の被研磨対象である各ウェ
ハ１０１の被研磨面を、Ｎ＋１個の加工条件のもと、具
体的には、図９に示すように、それぞれの被研磨対象の
対応して設定されたレシピ０〜レシピＮに基づいて各々
研磨する。

【００７２】たとえば、第１のウェハ〜第Ｎ＋１のウェ
ハのＮ＋１枚の同種ウェハを用いた場合、図９に示すよ
うに、第１のウェハに対してはレシピ０を用いて、研磨
パッドＰＤを外周側の所定の中心間距離（Ｘ₀ ）で接触
させて直ちに非接触状態にする（離間させる）。第２の
ウェハの対してはレシピ１を用いて、研磨パッドＰＤを
所定の中心間距離（Ｘ₀ ）で接触させて、所定距離を摺
接しながら移動させて内周側近傍の中心間距離（Ｘ₁ ）
で非接触状態にする（離間させる）。第３のウェハの対
してはレシピ２を用いて、研磨パッドＰＤを所定の中心
間距離（Ｘ₀ ）で接触させて、所定距離を摺接しながら
移動させて内周側近傍の中心間距離（Ｘ₂ ）で非接触状
態にする（離間させる）。以下同様にして、第Ｎ＋１の
ウェハに対してレシピＮを用いて、研磨パッドＰＤを所
定の中心間距離（Ｘ₀ ）で接触させて、所定距離を摺接
しながら移動させて最内周の切り込み終了位置である所
定の中心間距離（Ｘ_N ）で非接触状態にする（離間させ
る）。

【００７３】各被研磨対象である第１のウェハ〜第Ｎ＋
１のウェハの被研磨面の研磨後の膜厚Ｔｈ_i （ｘ）（０
≦ｉ≦Ｎ）を膜厚状態測定部２００により測定する。各
小区間 [Ｘ_i-1 ，Ｘ_i ] （１≦ｉ≦Ｎ）における研磨特
性、Φ_i （ｘ）は、次式により得ることができる。

【００７４】

【数１】 Φ_i （ｘ）＝Ｔｈ_i （ｘ）−Ｔｈ_i-1 （ｘ） （１≦ｉ≦Ｎ） …（１）

【００７５】全区間［Ｘ₀ ，Ｘ_N ] を摺接して研磨した
場合の被研磨対象の抽研磨面の研磨量Ｔｃは、次のよう
になる。

【００７６】

【数２】

【００７７】各小区間の研磨量は、各小区間における研
磨パッドＰＤの送り速度Ｖⁱ に比例する。したがって、
被研磨面の膜厚が所望の値にならなかった場合、各小区
間における初期研磨パッドＰＤの送り速度Ｖ_O ⁱ をＶⁱ
に変化させ、所望の値Ｔｇ（ｘ，Ｖ¹ ，Ｖ² ，・・・，
Ｖ^N ）なるようにする。

【００７８】

【数３】

【００７９】ただし、Ｒ_i （ｘ）は各小区間における研
磨特性である。

【００８０】ステップＳＴ２ 位置を示すパラメータｋに１を代入し、また、送り速度
を変えたか否かを示すチェンジフラグ（ＣｈａｎｇｅＦ
ｌａｇ）を、変更していないことを示すＦａｌｓｅに設
定する。

【００８１】以下は、研磨パッドＰＤの送り速度Ｖⁱ を
決定する工程である。

【００８２】ステップＳＴ３〜ステップＳＴ８ 各小区間の研磨特性から計算された被研磨対象の被研磨
面の研磨量、Ｔｃ（ｘ，Ｖ¹ ，Ｖ² ，・・・，Ｖ^N ）と
所望の研磨量、Ｔｇ（ｘ）との差を、次のように、誤差
関数Ｅｒｒにより評価する。

【００８３】

【数４】

【００８４】総和は被研磨対象の被研磨面の測定点で取
る。

【００８５】Ｎ個の小区間のうちの任意の一つの小区間
[Ｘ_k-1 ，Ｘ_k ] （１≦ｋ≦Ｎ）の研磨パッドＰＤの送
り速度Ｖ^k を微小変化させ、変化前と変化後の誤差関数
Ｅｒｒの値Ｅｒｒ（Ｖ^k ）、とＥｒｒ（Ｖ^k ±ΔＶ^k ）
を比較し、値が小さくなっていれば、Ｖ^k ±ΔＶ^k を新
たなＶⁱ の値とする（ＳＴ５）。値が小さくなっていな
ければ、送り速度Ｖ^k を更新しない（ＳＴ６）。そし
て、ＣｈａｎｇｅＦｌａｇを送り速度を更新したことを
示すＴｒｕｅに設定する。すべての小区間の研磨パッド
の送り速度Ｖⁱ を微小変化させても、Ｅｒｒの値が変化
しなくなった時点で、処理を終了する。

【００８６】ステップＳＴ９ 以上の処理を繰り返し、すべてのＣｈａｎｇｅＦｌａｇ
がＴｒｕｅに設定された時点で処理を終了する。

【００８７】なお、数値計算により求められたＥｒｒの
値を最小にする最適な各小区間の研磨パッドＰＤの送り
速度Ｖⁱ の値が現実的でない場合が考えられ、それを防
ぐ拘束条件が必要となる。

【００８８】まず、各小区間の研磨パッドの送り速度、
Ｖⁱ は非負であること、各小区間の研磨パッドの送り速
度Ｖⁱ は研磨パッドの送り速度の最大限界値を超えない
ことである。さらに、隣接する小区間の研磨パッドの送
り速度の差が大きすぎ、研磨パッドの移動装置が追従で
きないことのないように、隣接小区間間の研磨パッドの
送り速度の差を一定値以下に制限することが必要とされ
る。

【００８９】隣接小区間間の研磨パッドの送り速度の差
を制限するには、単にしきい値を設ける以外に、線型補
間法やＬａｇｒａｎｇｅの補間法を用いる方法もある。
被研磨対象を保持し回転駆動させる手段であるウェハチ
ャック１５２の回転中心との中心問距離ｘと、研磨パッ
ドの送り速度、ＶのＸ−Ｖ平面上に、いくつか（Ｍ）の
制御点（Ｘ_c ^k ，Ｖ_c ^k ）を設ける（１≦ｋ≦Ｍ＜
Ｎ）。Ｎ個の各小区間における研磨パッドの送り速度Ｖ
^j （１≦ｊ≦Ｎ）からＶ_c ^kを決定する方法は以下の式
による。

【００９０】

【数５】

【００９１】Ｍ個の制御点の任意の一つのＶ_c ^j の値を
微小変化させ、逆にＮ個の各小区間の研磨パッドの送り
速度Ｖⁱ を次のように算出する。

【００９２】

【数６】

【００９３】変化前と変化後のＥｒｒの値Ｅｒｒ（Ｖ
ⁱ ）とＥｒｒ（Ｖⁱ ±ΔＶⁱ ）を比較し、値が小さくな
っていればＶ_c ^k ±ΔＶ_c ^k を新たなＶ_c ^k の値とす
る。すべての制御点のＶ_c ^k を微小変化させても、Ｅｒ
ｒの値が変化しなくなった時点で、処理を終了する。

【００９４】この方法は、区間数Ｎに対して、被研磨対
象であるウェハの被研磨面の測定点数が少ない場合にも
有用である。線形補間でも同様である。制御点数が多い
場合、Ｌａｇｒａｎｇｅ補間は誤差が大きくなる為線形
補間の方が望ましい。

【００９５】上述したように、被研磨対象であるウェハ
の被研磨面の研磨は、回転させながら行なわれることか
ら、被研磨対象であるウェハの被研磨面の膜厚は、被研
磨対象であるウェハの回転中心より対称な分布をする。
測定誤差の軽減を図るため、膜厚の測定値を被研磨対象
であるウェハの中心より同一半径に沿った平均化処理を
行う。

【００９６】なお、被研磨対象の被研磨面の膜厚は、上
述した光学的機上膜厚測定装置でなくとも、オフライン
の膜厚測定器で測定しても構わない。

【００９７】切削量は、切削面での圧力と、切削工具面
と被切削面の相対速度に比例するといプレストン（Ｐｒ
ｅｓｔｏｎ）の式より、研磨量を予測することができ
る。

【００９８】プレストンの式 遊離砥粒による研磨加工においては、その除去量はプレ
ストンの式より、次の式で表される。

【００９９】

【数７】 Ｍ＝ｋＰｖｔ …（７）

【０１００】ここで、Ｍ：除去量、ｋ：研磨状態によっ
て定まる比例定数、Ｐ：加工圧力、ｖ：工具、被加工物
間の相対速度、ｔ：研磨時間を示している。

【０１０１】すなわち、切り込み量より研磨パッドＰＤ
と被研磨対象であるウェハの被研磨面との圧力分布を計
算し、さらに研磨パッドＰＤの回転数と、被研磨対象で
あるウェハの回転数、および研磨パッドＰＤが被研磨対
象に摺接する位置の被研磨対象の中心からの距離から相
対速度を計算する。この計算結果に基づいて、研磨パッ
ドＰＤが各位置にある時の研磨特性が得られる。ただ
し、計算では研磨量の絶対値が得られないので、その係
数は実際に研磨した結果と比較して決定する必要があ
る。

【０１０２】本方法では、上述したように、誤差関数Ｅ
ｒｒの値がゼロになるように計算を進めてゆくが、実際
には多様な誤差要因により、誤差関数Ｅｒｒの値はゼロ
にはならない。計算された加工条件での研磨予測と、実
際の研磨結果とを再び比較し、その差異をフィードバッ
クすることにより、累積誤差を最小限に抑え、より精度
の高い制御を可能とする。決定された各小区間での研磨
パッドの送り速度Ｖⁱ により、Ｔｃ（ｘ）になる研磨結
果が得られる筈である。

【０１０３】

【数８】

【０１０４】ここで、Ｃ_i （１≦ｉ≦Ｎ）は、各小区間
における補正定数で、その初期値は１とする。

【０１０５】実際の研磨結果がＴ（ｘ）であったとす
る。計算された加工条件での研磨予測と実際の加工結果
との誤差関数は次のようになる。

【０１０６】

【数９】

【０１０７】このとき、前記の手法と同様な手法を用
い、補正係数Ｃ_i を決定する。すなわち、Ｎ個の補正小
区間のうちの任意の一つの小区間の係数 [Ｘ_i-1 ，Ｘ
_i ] （１≦ｉ≦Ｎ）の補正係数、Ｃ_i を微小変化させ、
変化前と変化後の誤差関数Ｅｒｒ２の値Ｅｒｒ２（Ｃ_i
±ΔＣ_i ）を比較し、値が小さくなっていれば、Ｃ_i ±
ΔＣ_i を新たなＣ_i の値とする。すべての小区間の補正
係数Ｃ_i を微小変化させても、誤差関数Ｅｒｒの値が変
化しなくなった時点で、処理を終了する。このようにし
て得られた補正係数Ｃ_i に基づき、新しい研磨特性Ｒ’
_i （ｘ）を決定する。

【０１０８】

【数１０】 Ｒ’_i （ｘ）＝Ｒ_i （ｘ）Ｃ_i …（１０）

【０１０９】この修正された新しい研磨特性Ｒ’_i
（ｘ）に基づいて、次研磨の研磨条件の研磨パッドの送
り速度Ｖⁱ を決定する前記手法により、不特定な要因に
よる誤差や、研磨パッドの磨耗などによる経時的変化に
よる誤差を吸収することができ、さらに研磨精度の向上
を図れる。

【０１１０】被研磨対象がパターンウェハの場合、被研
磨対象がパタ一ンの無いウェハで研磨した時の最適条件
で研磨しても所望の研磨結果が得られない場合がある。
これは研磨特性がパターンに依存するためである。この
場合、パターンウェハを研磨した場合の研磨結果をＴ
（ｘ）とし、前記手法により、パターンウェハ補正係数
として、Ｃ_i を決定し、パターンウェハを所望の膜厚で
研磨することができる。

【０１１１】このように、本発明に係る平坦化研磨方法
では、まず、装置の特性、研磨パッドの特性、被研磨対
象の特性を把握し、この特性データに基づいて、加工条
件を算出するため、所望の研磨結果を得るための最適な
加工条件を自動的に得ることができ、数値制御化された
研磨を容易にかつ高精度に行なうことが可能となる。

【０１１２】また、毎次加工後に被研磨対象の被研磨面
の膜厚を測定し、その結果をフィードバックすることに
より、経時的変化による誤差を吸収することが可能とな
る。

【０１１３】また、パターンウェハの、研磨特性のパタ
ーン依存性を自動的に吸収することが可能となる。

【０１１４】次に、実際に実験を行った結果について説
明する。

【０１１５】この実験において、各小区間ｉにおける研
磨量をΦ_i （ｘ）とすると、全除去量Ｔは、次のように
表すことができる。

【０１１６】

【数１１】 Ｔ（ｘ）＝ΣＲ_i （ｘ）・（Ｖ₀ ⁱ ／Ｖⁱ ）＝ΣΦ_i （ｘ） …（１１）

【０１１７】ここで、Ｖ₀ ⁱ は各小区間での初期の送り
速度、Ｖⁱ は各小区間での送り速度、Ｒ_i は各小区間で
の単位送り速度当たりの研磨特性を示している。

【０１１８】この実験では１２枚のウェハを用いる。膜
厚フィードバックを行うに当たって、各小区間の研磨量
特性を知る必要がある。そこで、図１０に示すような、
初期研磨の初期レシピ０を用意する。初期レシピ０にお
いて、切り込み量（Ｃｕｔｉｎ）の単位はｍｍ、送り速
度（Ｆｅｅｄｉｎｇ）の単位はｍｍ／ｓである。なお、
本実験では、ホイールのモータの電流値を監視しながら
トルクが一定になるような制御を行った。また、ホイー
ル（回転パッド）１６２は３２０ｒｐｍで、ウェハチャ
ック１５２は６０ｒｐｍの回転速度で回転される。

【０１１９】この初期レシピ０に基づいて、図１１に示
すように、各ポイントでホイール１６２を被研磨面（ウ
ェハ面）に非接触状態にさせる（離間させる）レシピ
（ｒｅｃｉｐｅ）１〜１１を用意する。

【０１２０】ここでたとえば、レシピ１は、中心間距離
−９０でホイール（研磨パッドＰＤ）を被研磨面（ウェ
ハ面）に接触させて直ちに非接触状態にする（離間させ
る）レシピであり、レシピ２は、中心間距離−９０でホ
イール（研磨パッドＰＤ）を被研磨面（ウェハ面）に接
触させ、所定距離を摺接しながら移動させて内周側近傍
の中心間距離−８０で非接触状態にする（離間させる）
レシピである。この２つのレシピで研磨した結果の差分
が、ホイール（研磨パッドＰＤ）を−９０から−８０に
移動させた間の除去量特性となる。レシピ１１は、ホイ
ール（研磨パッドＰＤ）を被研磨面（ウェハ面）の中心
を過ぎた直後で非接触状態にする（離間させる）レシピ
である。フィードバック制御を行う際、均一性の最適化
の解の一意性を考慮して、ホイール（研磨パッドＰＤ）
が被研磨面（ウェハ面）の中心を通過する以前の送り速
度のみを制御してフィードバックを行うため、初期レシ
ピ０とレシピ１１での研磨結果の差分は後半研磨の除去
量特性としてまとめて扱うこととする。

【０１２１】図１２は、これらのレシピ０〜レシピ１１
に基づく研磨後の残膜を測定した結果を示す図である。
図１２において、横軸がＸ軸方向の位置（−１００〜１
００）を、縦軸が研磨後の膜厚を表している。また、図
１２において、Ｔ_INI で示す線が初期膜厚を、Ｔ０で示
す曲線が初期レシピ０による残膜特性を、Ｔ１で示す曲
線が初期レシピ１による残膜特性を、Ｔ２で示す曲線が
初期レシピ２による残膜特性を、Ｔ３で示す曲線が初期
レシピ３による残膜特性を、Ｔ４で示す曲線が初期レシ
ピ４による残膜特性を、Ｔ５で示す曲線が初期レシピ５
による残膜特性を、Ｔ６で示す曲線が初期レシピ６によ
る残膜特性を、Ｔ７で示す曲線が初期レシピ７による残
膜特性を、Ｔ８で示す曲線が初期レシピ８による残膜特
性を、Ｔ９で示す曲線が初期レシピ９による残膜特性
を、Ｔ１０で示す曲線が初期レシピ１０による残膜特性
を、Ｔ１１で示す曲線が初期レシピ１１による残膜特性
をそれぞれ示している。

【０１２２】そして、図１３は、これらのレシピ０〜レ
シピ１１に基づく研磨結果から求めた除去量特性を示す
図である。なお、この際、除去量特性がほぼ中心対象に
なることから、被研磨対象（ウェハ）の中心に対して折
り返し平均を行い、さらに測定雑音を除去するフィルタ
リングを行った。

【０１２３】図１３において、横軸がＸ軸方向の位置
（−１００〜１００）を、縦軸が研磨後の膜厚を表して
いる。また、図１３において、で示す曲線が初期膜厚
からレシピ１に基づく残膜厚を減算した除去量特性を、
で示す曲線がレシピ１に基づく残膜厚からレシピ２に
基づく残膜厚を減算した除去量特性を、で示す曲線が
レシピ２に基づく残膜厚からレシピ３に基づく残膜厚を
減算した除去量特性を、で示す曲線がレシピ３に基づ
く残膜厚からレシピ４に基づく残膜厚を減算した除去量
特性を、で示す曲線がレシピ４に基づく残膜厚からレ
シピ５に基づく残膜厚を減算した除去量特性を、で示
す曲線がレシピ５に基づく残膜厚からレシピ６に基づく
残膜厚を減算した除去量特性を、で示す曲線がレシピ
６に基づく残膜厚からレシピ７に基づく残膜厚を減算し
た除去量特性を、で示す曲線がレシピ７に基づく残膜
厚からレシピ８に基づく残膜厚を減算した除去量特性
を、で示す曲線がレシピ８に基づく残膜厚からレシピ
９に基づく残膜厚を減算した除去量特性を、○10で示す
曲線がレシピ９に基づく残膜厚からレシピ１０に基づく
残膜厚を減算した除去量特性を、○11で示す曲線がレシ
ピ１０に基づく残膜厚からレシピ１１に基づく残膜厚を
減算した除去量特性を、○12で示す曲線がレシピ１１に
基づく残膜厚からレシピ０に基づく残膜厚を減算した除
去量特性を、それぞれ示している。

【０１２４】この場合、得られた研磨特性関数Ｒ_i
（ｘ）を各区間の送り速度Ｖⁱ と共に畳み込みをとった
ものがターゲットとなる膜厚Ｔｇ（ｘ）に近くなるよう
に、すなわち、下記の式（１２）でＥｒｒが最小となる
ように、すなわち最小自乗法で送り速度Ｖⁱ を決める。

【０１２５】

【数１２】

【０１２６】このように新しい送り速度Ｖⁱ ’が求めら
れる。ここで、初期送り速度と新しく算出された送り速
度の比であるオーバーライド係数ｋ_i を定義する。

【０１２７】

【数１３】 ｋ_i ＝Ｖⁱ ／Ｖⁱ ’ …（１３）

【０１２８】新しい送り速度でのコントローラ３０１上
の畳み込み計算の結果である研磨予測と実際の研磨によ
る加工結果とは、ずれが生じる。これを以下の手順で順
次補正して行く。第Ｍ世代のオーバーライド係数ｋ_i ^M
と研磨特性関数Ｒ_i ^M から次式の畳み込み計算結果が得
たとする。

【０１２９】

【数１４】

【０１３０】実際の研磨により得られた膜厚がＴ_M
（ｘ）であったとすると、既得の研磨特性関数Ｒ_i ^M
（ｘ）で実際の研磨による膜厚になるようなオーバーラ
イド係数Ｋ _i ^M を求める必要がある。

【０１３１】

【数１５】

【０１３２】そして、次の誤差関数Ｅｒｒ２’を最小と
するように最小自乗法によりオーバーライド係数Ｋ_i を
決める。

【０１３３】

【数１６】

【０１３４】畳み込み計算の結果であるＦ_M （ｘ）と、
実際の研磨により得られた膜厚Ｔ_M（ｘ）が異なる故、
係数Ｋ_i ^M とｋ_i ^M は同じ値にならず、次のようにその
誤差を研磨特性関数特性Ｒ_i ^M （ｘ）に起因させ、修正
する。

【０１３５】

【数１７】 Ｒ_i ^M+1 （ｘ）＝Ｒ_i ^M （ｘ）・（Ｋ_i ^M ／ｋ_i ^M ） …（１７）

【０１３６】

【数１８】

【０１３７】この新しい研磨特性関数で畳み込みを行え
ば、実際の除去量により近い予測値が得られる。この新
しい除去量特性関数を基にターゲットのプロファイルＴ
ｇ（ｘ）を持つウェハを生成するための次の世代のオー
バーライド係数ｋ_i ^M+1 を再び最小自乗法で求める。

【０１３８】

【数１９】

【０１３９】得られたオーバーライド係数ｋ_i ^M+1 よ
り、第Ｍ＋１代のレシピの送り速度を次のように決定す
る。

【０１４０】

【数２０】 Ｖⁱ _M+1 ＝Ｖ_M ⁱ ／ｋ_i ^M+1 …（１９）

【０１４１】そのレシピで研磨したウェハの加工結果と
Ｆ_M+1 とを比較し、同様な計算を繰り返す。この繰り返
しにより、実際の研磨結果とターゲットとは近づき、収
束して行く。

【０１４２】以上の実験では、図１４および図１５に示
すように、ターゲットを５０００オングストロームとし
て、３回の繰り返し研磨でほぼ所望の残膜に到達した。
均一性はエッジから２０ｍｍでの値であるが、１．４８
％と非常に良い結果を得ることができた。レシピはフィ
ードバックが最適な条件に収束した後は殆ど変化しな
い。

【０１４３】なお、図１４において、横軸がＸ軸方向の
位置（−１００〜１００）を、縦軸が研磨後の膜厚を表
している。また、図１４において、で示す曲線が初期
レシピ０による残膜特性を、で示す曲線が第１世代の
生成レシピによる残膜特性を、で示す曲線が第２世代
の生成レシピによる残膜特性を、で示す曲線が第３世
代の生成レシピによる残膜特性をそれぞれ示している。

【０１４４】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、研磨パッドと被研磨対象の被研磨面を所定方向に相
対移動して当該被研磨面が平坦となるように研磨する研
磨方法であって、複数の同種の被研磨対象を試料として
用意し、各試料毎に加工開始位置を順次ずらした加工条
件により、研磨を行い、各加工位置における研磨特性を
得、得られた研磨パッドの各加工位置での加工特性か
ら、研磨結果を予測し、新たな加工条件を調整し、次の
研磨にフィードバックするようにしたので、作業者の技
能により左右されることなく、均一な膜厚を得ることが
でき、安定して高い加工精度を得るこができる。

【０１４５】次に、上記構成による研磨装置の動作を図
３、図１６、および図１７のフローチャートに関連付け
て説明する。ここでは、ウェハ１０１とウェハとホイー
ル（バフを含む）の幾何的形状と、プレストンの研磨法
則から理論的に得られる除去量をシミュレーションし、
各種入力パラメータに対する、均一性変化状態を、理論
上から定量的に関連付けたデータがコントロールパネル
３０２からコントローラ３０１に対して入力される。な
お、装置においては主軸傾きは所定の傾きに設定されて
いる。

【０１４６】コントローラ３０１では、たとえば制御信
号ＣＴＬ１がＸ軸サーボモータ１５５に供給されてウェ
ハ１０１のＸ軸方向の速度制御が行われ、制御信号ＣＴ
Ｌ２が主軸スピンドルモータ１７１に供給されその回転
数を制御し、制御信号ＣＴＬ３がＺ軸サーボモータ１７
７に供給されて加工ヘッド１６０のＺ軸方向の位置決め
制御が行われる。

【０１４７】ここで、バフ１６１としては、たとえば軟
質バフ、その研磨液としては、たとえば硝酸（ＨＮＯ
₃ ）等のエッチャントの薬液が使用される。また、ホイ
ール１６２としては、たとえば硬質アルミナ砥粒（γ−
Ａｌ₂ ０₃ 、粒子径０．３５μｍ、比重１．６１）が固
定化された硬質ホイール、その研磨液としては、たとえ
ば１０ｗｔ％のアルミナ砥粒（Ａｌ₂ ０₃ 、粒子径
０．１６μｍ、モース硬度８．０）を３％の過酸化水素
（Ｈ₂ Ｏ₂ ）で分散させたスラリ（ｐｈ４．８ ）が使
用される。なお、このホイール１６２とスラリによる研
磨によると、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、二酸化珪
素（ＳｉＯ₂ ）の各研磨速度は、１２００Å／ｍｉｎ、
１３０Å／ｍｉｎ、６０Å／ｍｉｎ以下となる。

【０１４８】最初に、所定のレシピに基づいてバフ（研
磨パッド）１６１を用いた研磨を行い（図３参照）、そ
の後に、研磨状態測定部２００での測定を行い、その測
定結果に基づいて、ホイール１６２を用いた研磨を行う
（図１６参照）。

【０１４９】先ず、ウェハチャック１５２にウェハ１０
１を真空吸着させたら、Ｘ軸サーボモータ１５５を駆動
してＸ軸ボールネジ１５６回転させ、ウェハ１０１が所
定の研磨開始位置になるまで、支持部１５４を介して台
盤１５１を移動させる。そして、台盤１５１に内蔵され
ている回転機構を駆動してウェハチャック１５２を介し
てウェハ１０１を回転させる。同時に、主軸スピンドル
モータ１７１を駆動して主軸スピンドル１７２を介して
ホイール１６２を回転させ、さらにピン１７０を介して
バフ１６１を回転させる。

【０１５０】次に、Ｚ軸サーボモータ１７７を駆動して
Ｚ軸ボールネジ１７８を回転させ、ホイール１６２の研
磨面が、ウェハチャック１５２に真空吸着されているウ
ェハ１０１の表面から所定の間隔を開けた状態になるま
で、支持部１７５をＺ軸ガイド１７６に沿って下降させ
る。そして、薬液を図示しない供給装置からシャフト１
６５の中空部およびメタル定盤１６３の溝１６３ａを介
してバフ１６１へ供給する。同時に、エアシリンダ１７
３のシリンダ１７３ｂに設けられている加圧側供給口１
７３ｃにエアーを供給し、ピストン１７３ａおよびシャ
フト１６５を介してメタル定盤１６３を下降させる。

【０１５１】このとき、メタル定盤１６３は、バネ１６
９を圧縮し、バフ１６１の研磨面は、ホイール１６２の
研磨面よりも突き出た状態となる。そして、バフ１６１
の研磨面をウェハ１０１の表面に押しつけ、Ｘ軸サーボ
モータ１５５を駆動してＸ軸ボールネジ１５６を回転さ
せ、支持部１５４を介して台盤１５１を往復移動させ、
ウェハ１０１を化学的機械研磨する。なお、このときの
研磨量の絶対値は、主にエアシリンダ１７３の圧力とバ
フ１６１のウェハ１０１に対する通過速度で制御するこ
とができる（ＳＴＰ１）。

【０１５２】この研磨終了後は、薬液の供給を停止し、
図示しないノズルを介してウェハ１０１の表面に純水お
よび薬液を供給し、ウェハ１０１の表面に残存している
研磨液やパーティクルを洗浄除去してリンスおよび酸化
防止する（ＳＴＰ２）。

【０１５３】続いて、エアシリンダ１７３のシリンダ１
７３ｂに設けられている退避側供給口１７３ｄにエアー
を供給し、ピストン１７３ａおよびシャフト１６５を介
してメタル定盤１６３を上昇させ、バフ１６１の研磨面
をウェハ１０１の表面から離す。このとき、メタル定盤
１６３の上面は、メタルツールフランジ１６４の下面に
バネ１６９の復元力により押しつけられており、バフ１
６１の研磨面は、ホイール１６２の研磨面よりも引っ込
んだ状態となる。

【０１５４】そして、ウェハ１０１の研磨状態を測定す
るために、Ｘ軸サーボモータ１５５を駆動してＸ軸ボー
ルネジ１５６を回転させ、ウェハ１０１の中心（ｘ＝０
ｍｍ）が光ファイバ１８２の直下の位置になるまで、支
持部１５４を介して台盤１５１を移動させる。この位置
決め完了後、光ファイバ１８２の先端をウェハ１０１の
表面に接近させ、受発光部１８１で発光させた光を光フ
ァイバ１８２を介してウェハ１０１の表面に照射し、そ
の反射光を光ファイバ１８２を介して受残光部１８１で
受光して、光源の光とウェハ１０１の表面において反射
光の干渉縞の検知し、これに基づき膜厚を測定する（Ｓ
ＴＰ３）。

【０１５５】得られた、膜厚の測定結果に基づいて、Ｘ
軸サーボモータ１５５による次のウェハ研磨の送り速度
パターンを算出する（ＳＴＰ４）。

【０１５６】以上のように、ウェハ１０１の研磨状態を
測定し、次に研磨するウェハにフィードバックする手法
をとっているので、従来のように時間管理のみでプロセ
スを組む場合と比べ、ウェハ１０１全面をアンダーポリ
ッシュが無く、オーバーポリッシュを少なくした研磨が
可能となり、研磨精度や研磨安定性を向上させることが
できる。また、従来はバラツキを見越してプロセスを組
んであるため、不必要なマージンを設定してあり、前後
プロセスヘの要求スペックが厳しくなることや、十分な
デバイス特性が発揮できない等の弊害があったが、上記
実施形態によれば、プロセスマージンの拡大、歩留りの
向上、コストダウンを図ることができる。また、従来の
研磨条件だしのときには熟練したオペレータの経験や勘
に頼ることが多く、またその作業も手間が掛かっていた
が、上記実施形態によれば、自動化が可能となり、メン
テナンスのスキルレス化が可能となる。

【０１５７】なお、本実施形態では、機内で光の干渉を
用いて膜厚の分布測定をすることにより除去の必要な部
分を機上で測定し、その結果からその部分を加工する条
件を自動で作成するシステムについて説明したが、たと
えば、ＩＬＤのＣＭＰでは機内で膜厚の光学測定をする
ことにより除去の必要な部分を機上で測定し、その結果
からその部分を加工する条件を自動でフィードバックす
ることで、ＣＭＰのグローバルな加工精度、安定性を補
正向上させるシステムとすることも可能である。

【０１５８】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
所望の研磨結果を得るための最適な加工条件を白動的に
得ることができ、数値制御化されたカンマを、作業者の
技能により左右されることなく、容易にかつ安定して高
い加工精度を得るこができる利点がある。

【０１５９】また、本発明によれば、毎次加工後に被研
磨対象の被研磨面の膜厚を測定し、その結果をフィード
バックすることにより、経時的変化による誤差を吸収す
ることが可能となる。また、パターンウェハの、研磨特
性のパターン依存性を自動的に吸収することが可能とな
る。本発明の膜厚フィードバック法により、最適な研磨
条件を自動的に求め、高い均一性を実現することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る平坦化研磨装置の実施形態の全体
構成を示す平面図である。

【図２】図１の平坦化研磨装置における加工部の詳細を
示す一部断面側面図である。

【図３】図１の平坦化研磨装置の動作例を示す断面側面
図である。

【図４】研磨後のウェハの膜厚状態の一例を示す図であ
る。

【図５】遠隔制御の基本構成を説明するための図であ
る。

【図６】ホイールとウェハの接触状態を幾何学的に示す
図である。

【図７】ホイールとウェハの接触状態を幾何学的に示す
図である。

【図８】本発明に係る平坦化研磨方法の具体的な処理を
説明するためのフローチャートである。

【図９】被研磨面（ウェハ面）に非接触状態にさせる
（離間させる）レシピ（ｒｅｃｉｐｅ）を説明するため
の図である。

【図１０】初期研磨の初期レシピ例を示す図である。

【図１１】初期レシピに基づいて用意する被研磨面（ウ
ェハ面）に非接触状態にさせる（離間させる）レシピ
（ｒｅｃｉｐｅ）１〜１１を説明するための図である。

【図１２】レシピ０〜レシピ１１に基づく研磨後の残膜
を測定した結果を示す図である。

【図１３】レシピ０〜レシピ１１に基づく研磨結果から
求めた除去量特性を示す図である。

【図１４】繰り返し研磨の実験結果を示す図である。

【図１５】繰り返し研磨のレシピ生成回数と均一性との
関係を示すである。

【図１６】図１の平坦化研磨装置の動作例を示す第３の
断面側面図である。

【図１７】図１の平坦化研磨装置の動作例を示すフロー
チャート図。

【図１８】従来例に係るデュアルダマシン法による銅配
線の形成方法を説明するための断面図である。

【図１９】従来例に係るデュアルダマシン法による銅配
線の形成方法を説明するための断面図である。

【図２０】従来の平坦化研磨装置の概略を示す斜視図。

【図２１】ＣＭＰ法による銅膜研磨構成における課題を
説明するための図である。

【図２２】ＣＭＰ法による銅膜研磨構成において発生す
るスクラッチおよびケミカルダメージを説明するための
図である。

【符号の説明】

１００…研磨装置、１０１…ウェハ、１１０…カセット
ポート、１２０…ハンドリングシステム、１３０…ポリ
シングヘッド、１３２…加工部、１４０…クリーナ、１
５０…加工テーブル、１５１…台盤、１５２…ウェハチ
ャック、１５３…Ｘ軸ボールナット、１５４…支持部、
１５５…Ｘ軸サーボモータ、１５６…Ｘ軸ボールネジ、
１５７…ノズル、１６０…加工ヘッド、１６１…バフ、
１６２…ホイール、１６３…メタル定盤、１６４…メタ
ルツールフランジ、１６５…シャフト、１６７…フラン
ジ、１６８…座ぐり、１６９…ネジ、１７０…ピン、１
７１…主軸スピンドルモータ、１７２…主軸スピンド
ル、１７３…エアシリンダ、１７４…Ｚ軸ボールナッ
ト、１７５…支持部、１７６…Ｚ軸ガイド、１７７…Ｚ
軸サーボモータ、１７８…Ｚ軸ボールネジ、１８０…検
出装置、１８１…受発光部、１８２…光ファイバ、１９
０…制御装置、２００…研磨状態測定部、３００…制御
部、３０１…コントローラ、３０２…コントロールパネ
ル、３０２１…モニタ、３０２２…キーボード。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C034 AA19 CA03 CA22 CB01 DD01 3C058 AA07 AA11 AA13 BA02 BB06 BB09 CB01 CB03 DA17

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 研磨手段と被研磨対象の被研磨面を所定
   方向に相対移動して当該被研磨面が平坦となるように研
   磨する研磨方法であって、 複数の同種の被研磨対象を試料として、各試料毎に研磨
   加工の開始位置を順次ずらした加工条件により研磨を行
   い、 研磨結果に基づいて各加工位置における研磨特性を得、 得られた研磨手段の各加工位置での加工特性から研磨結
   果を予測し、 予測結果に基づいて新たな加工条件を調整し、調整した
   研磨条件を次の研磨の条件にフィードバックする研磨方
   法。
2. 【請求項２】 研磨手段の各加工位置における研磨特性
   を、研磨手段の送り速度、回転数、切り込み量、被研磨
   対象の回転数の加工条件より予測する請求項１記載の研
   磨方法。
3. 【請求項３】 研磨後の被研磨対象の被研磨面膜厚の測
   定結果と、研磨結果の予測値とを比較して加工条件を調
   整し、次の研磨にフィードバックする請求項１記載の研
   磨方法。
4. 【請求項４】 前記加工条件の調整を、研磨特性が線形
   に変化する研磨手段の送り速度に基づいて行う請求項１
   記載の研磨方法。
5. 【請求項５】 各試料毎に、研磨手段の中心位置と、被
   研磨対象の回転中心との中心間距離を変化させつつ研磨
   を行う請求項１記載の研磨方法。
6. 【請求項６】 所定の中心間距離を研磨加工の開始位置
   とし、各試料毎に当該開始位置から研磨手段が被研磨対
   象の被研磨面を摺接する距離が順次に長くなるようにし
   て、各試料の研磨加工を行う請求項５記載の研磨方法。
7. 【請求項７】 研磨加工の開始位置より終了位置までの
   区間をＮ個の小区間（１≦ｉ≦Ｎ）に区分し、各試料毎
   に研磨手段が被研磨対象の被研磨面を摺接する小区間数
   が異なるようにして、各試料の研磨加工を行う請求項６
   記載の研磨方法。
8. 【請求項８】 被研磨面の膜厚が所望の値にならなかっ
   た場合、各小区間にける研磨手段の送り速度Ｖ₀ ⁱ から
   Ｖ ⁱに変化させる請求項７記載の研磨方法。
9. 【請求項９】 隣接小区間間の研磨手段の送り速度の差
   を一定値以下に制限する請求項８記載の研磨方法。
10. 【請求項１０】 研磨加工の開始位置と被研磨対象の回
    転中心との間に複数の制御点を設け、制御点の小区間の
    うちの任意の一つの送り速度Ｖ_c ^k の値を微小変化さ
    せ、変化前と変化後の誤差関数Ｅｒｒの値Ｅｒｒ（Ｖ
    ⁱ ）とＥｒｒ（Ｖ ⁱ ±ΔＶⁱ ）を比較し、値が小さくな
    っていればＶ_c ^k ±ΔＶ_c ^k を新たなＶ_c ^k の値とする
    請求項７記載の研磨方法。
11. 【請求項１１】 すべての制御点のＶ_c ^k を微小変化さ
    せても、誤差関数Ｅｒｒの値が変化しなくなった時点
    で、処理を終了する請求項１０記載の研磨方法。
12. 【請求項１２】 上記被研磨対象は半導体のウェハであ
    る請求項１記載の研磨方法。
13. 【請求項１３】 研磨手段と被研磨対象の被研磨面を所
    定方向に相対移動して当該被研磨面が平坦となるように
    研磨する研磨装置であって、 複数の同種の被研磨対象を試料として、各試料毎に研磨
    加工の開始位置を順次ずらした加工条件により研磨を行
    った研磨結果に基づいて各加工位置における研磨特性を
    得、得られた研磨手段の各加工位置での加工特性から研
    磨結果を予測し、予測結果に基づいて新たな加工条件を
    調整し、調整した研磨条件を次の研磨の条件にフィード
    バックする制御手段を有する研磨装置。
14. 【請求項１４】 上記制御手段は、研磨手段の各加工位
    置における研磨特性を、研磨手段の送り速度、回転数、
    切り込み量、被研磨対象の回転数の加工条件より予測す
    る請求項１３記載の研磨装置。
15. 【請求項１５】 上記制御手段は、研磨後の被研磨対象
    の被研磨面膜厚の測定結果と、研磨結果の予測値とを比
    較して加工条件を調整し、次の研磨にフィードバックす
    る請求項１３記載の研磨装置。
16. 【請求項１６】 上記制御手段は、前記加工条件の調整
    を、研磨特性が線形に変化する研磨手段の送り速度に基
    づいて行う請求項１３記載の研磨装置。
17. 【請求項１７】 上記制御手段は、各試料毎に、研磨手
    段の中心位置と、被研磨対象の回転中心との中心間距離
    を変化させつつ研磨を行う請求項１３記載の研磨装置。
18. 【請求項１８】 上記制御手段は、所定の中心間距離を
    研磨加工の開始位置とし、各試料毎に当該開始位置から
    研磨手段が被研磨対象の被研磨面を摺接する距離が順次
    に長くなるようにして、各試料の研磨加工を行う請求項
    １７記載の研磨装置。
19. 【請求項１９】 上記制御手段は、研磨加工の開始位置
    より終了位置までの区間をＮ個の小区間（１≦ｉ≦Ｎ）
    に区分し、各試料毎に研磨手段が被研磨対象の被研磨面
    を摺接する小区間数が異なるようにして、各試料の研磨
    加工を行う請求項１８記載の研磨装置。
20. 【請求項２０】 上記制御手段は、被研磨面の膜厚が所
    望の値にならなかった場合、各小区間にける研磨手段の
    送り速度Ｖ₀ ⁱ からＶ ⁱに変化させる請求項１９記載の
    研磨装置。
21. 【請求項２１】 上記制御手段は、隣接小区間間の研磨
    手段の送り速度の差を一定値以下に制限する請求項２０
    記載の研磨装置。
22. 【請求項２２】 上記制御手段は、研磨加工の開始位置
    と終了位置との間に複数の制御点を設け、制御点の小区
    間のうちの任意の一つの送り速度Ｖ_c ^k の値を微小変化
    させ、変化前と変化後の誤差関数Ｅｒｒの値Ｅｒｒ（Ｖ
    ⁱ ）とＥｒｒ（Ｖⁱ ±ΔＶⁱ ）を比較し、値が小さくな
    っていればＶ_c ^k ±ΔＶ_c ^k を新たなＶ_c ^k の値とする
    請求項１９記載の研磨装置。
23. 【請求項２３】 上記制御手段は、すべての制御点のＶ
    _c ^k を微小変化させても、誤差関数Ｅｒｒの値が変化し
    なくなった時点で、処理を終了する請求項２２記載の研
    磨装置。
24. 【請求項２４】 上記被研磨対象は半導体のウェハであ
    る請求項１３記載の研磨装置。