JP2003175460A

JP2003175460A - 半導体装置の製造方法及び研磨装置

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Publication number: JP2003175460A
Application number: JP2001378458A
Authority: JP
Inventors: Takatada Yamaguchi; 宇唯山口; 創一 ▲片▼桐; Souichi Katagiri; Kan Yasui; 感安井; Masahiro Kaise; 正博貝瀬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-12-12
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2003-06-24

Abstract

(57)【要約】【課題】稼動効率を増加させ、不良品の発生を減少する
ことのできる研磨装置を提供すること。【解決手段】砥粒及びこの砥粒を保持するための物質か
らなる砥石１０と、表面に凹凸パターンが形成されたウ
エハ１の凹凸パターンが形成された面を砥石表面に押し
付けて保持する保持手段と、砥石及びウエハ１を相対運
動させる運動手段とを有し、ウエハ１表面を平坦化する
ものであって、この砥石１０は、寿命マーク層１２を有
し、研磨装置に、砥石１０の表面を監視する監視装置１
３を備えた研磨装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板表面を平坦化
する研磨装置及び研磨方法に関し、特に半導体基板上に
形成された凹凸パタンを研削する半導体装置の製造方法
及び製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路装置（以下、ＬＳ
Ｉと記す）の高集積化、高性能化に伴って新たな微細加
工技術が開発されている。化学機械研磨法（以下、ＣＭ
Ｐ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌ
ｉｓｈｉｎｇ）と記す）もその一つであり、ＬＳＩ製造
工程、特に多層配線形成工程における層間絶縁膜の平坦
化、金属プラグ形成、埋め込み配線形成において頻繁に
利用される技術である。この技術は、例えば米国特許第
４９４４８３６号に開示されているように、加工液に研
磨粉や砥粒を含む研磨スラリーと研磨パッドを用いて加
工する方法である。この方法では、研磨パッドの弾性率
が高くないために、基板表面を押しつける力により研磨
パッドが凹凸に変形してしまい、加工後の平坦性が低下
するということについて配慮されていなかった。圧縮弾
性率は、例えば、ポリウレタンからなる研磨パッドでは
１００ＭＰａ以下である。

【０００３】一方、研磨スラリーと研磨パッドを用いる
代わりに、砥粒を樹脂で固めた砥石（固定砥粒盤）を用
いて基板表面を加工する技術が特開平９−２３２２６０
号公報に開示されている。砥石は研磨パッドに比べて硬
く、例えば、圧縮弾性率が５００ＭＰａ以上であるた
め、基板表面を押しつける力により砥石が凹凸に変形す
ることはなく、加工後の平坦性は研磨パッドを用いたＣ
ＭＰよりも向上する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、砥石
の使用限界（寿命）については配慮されていなかった。
そのため、加工の都度、作業者が目視にて砥石の厚さを
確認し、或いは、砥石の厚さを測定し、薄いと判断した
場合は、必要に応じて砥石の厚さの面内分布を測定し、
砥石の交換が必要か否かを判別していた。また、作業者
が砥石の交換時期の判断を誤ると、均一に研磨できず、
不良品が発生する。またそれを防ぐために十分の余裕を
もって砥石を交換すれば稼働効率が落ちることになり、
その結果、製造ライン全体のスループットの低下及び製
造単価の増大を招くことについて配慮されていなかっ
た。

【０００５】本発明の第１の目的は、稼動効率を増加さ
せ、不良品の発生を減少することのできる研磨装置を提
供することにある。

【０００６】本発明の第２の目的は、歩留まりが向上
し、不良品の発生を減少させることのできる半導体装置
の製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明の研磨装置は、砥粒及びこの砥粒を保
持するための物質からなる砥石と、表面に凹凸パターン
が形成された被研磨基板の凹凸パターンが形成された面
を砥石表面に押し付けて保持する保持手段と、砥石及び
被研磨基板を相対運動させる運動手段とを有し、被研磨
基板表面を平坦化するものであって、この砥石は、寿命
マークを有し、研磨装置に、砥石の表面を監視する監視
手段を備えるようにしたものである。

【０００８】監視手段は、例えば、ＣＣＤやＣ−ＭＯＳ
イメージセンサー等の光学素子を用いることができる。
この研磨装置は、監視手段からの情報に基づいて砥石の
寿命を判別する判別手段を設けることが好ましい。例え
ば、監視手段が光学素子であれば、この光学素子からの
データに基づいて画像処理し、その処理された情報に基
づいて砥石の寿命を判別手段で判別することが好まし
い。さらに判別手段からの情報をもとに作業者へ砥石交
換の警報を発報する発報装置を設けることが好ましい。

【０００９】寿命マークは、例えば、砥石とは異なる色
を呈する部分であればよい。この部分は、所望の色を呈
する層でも、砥石と同じ色又はほぼ同じ色を呈する層の
上にこれと異なる所望の色をマークしたものでもよい。

【００１０】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明の半導体装置の製造方法は、砥粒及び砥粒を保持
するための物質からなる砥石に、表面に凹凸パターンが
形成された半導体基板のこの凹凸パターンが形成された
面を砥石表面に押し付け、砥石及び半導体基板を相対運
動させ、半導体基板の表面を平坦化する方法であって、
砥石に寿命マークを設け、監視手段により砥石の表面を
監視しながら相対運動を行なうようにしたものである。

【００１１】監視手段が光学素子であれば、この光学素
子により寿命マークの少なくとも一部の出現を検出し、
検出したデータに基づいて画像処理し、その処理された
情報に基づいて砥石の寿命を判別手段で判別することが
好ましい。さらに判別手段からの情報をもとに作業者へ
砥石交換の警報を発報する発報装置を設けることが好ま
しい。

【００１２】

【発明の実施の形態】〈実施例１〉以下、本発明の一実
施例を図１を用いて説明する。なお、それぞれ図中にお
いて、同一の機能の部分には同一の番号を付した。この
研磨装置は、ウエハ１を保持するヘッド２、ヘッドを揺
動するスイングアーム３、ウエハ１を平坦化する砥石１
０、砥石１０が接着され、回転運動する回転定盤１１、
砥石上に加工液８を供給する加工液供給系６、砥石１０
の研磨能力を回復させるためにツルーイングをする定寸
ドレッサ４、砥石１０の寿命マーク層１２の露出を監視
する監視装置１３、監視装置１３からの画像を処理する
画像処理装置１４、画像処理装置１４からの情報をもと
に砥石１０の寿命を判別し、研磨装置の動作信号を生成
する制御装置１５、制御装置１５からの制御信号をもと
に作業者へ砥石交換の警報を発報する発報装置１６から
構成される。

【００１３】ヘッド２、回転定盤１１は各々図示しない
モーターにより回転運動する。ウエハ１はヘッド２によ
って砥石１０に対して表面を向けた状態で保持される。
加工中のウエハ１は裏面を均等に加圧されて砥石１０に
押し当てられる。砥石１０とヘッド２は加工中に回転運
動するが、両者の回転数はほぼ等しくなるように設定さ
れており、ヘッド２に保持されているウエハ１はウエハ
上の任意の点で砥石１０に対する相対速度が等しく、ウ
エハ全面が均一に研磨される。監視装置１３は、砥石１
０の磨耗等により砥石１０上に出現した寿命マーク層１
２を撮像する働きをし、この監視装置１３の監視領域
は、砥石１０の中心から外周までで十分である。なぜな
らば、研磨中に砥石１０の寿命マーク層１２が現れた場
合、砥石１０は回転しており、寿命マーク層１２は自然
に監視装置１３の監視領域に入ってくるからである。ま
た、監視装置１３の画像情報は、砥石１０の回転速度に
同期して画像処理装置１４に常時取り込まれている。

【００１４】砥石を用いた研磨加工法では、ウエハを加
工する毎に、或いは加工と同時に砥石表面形状の修正を
目的としたツルーイングと呼ばれる処理をする。砥石の
ツルーイングとして、定寸切り込みによる方法を用いる
ことが出来る。この方法は、ダイヤモンド等の硬質の砥
粒を埋め込んだ直径３０〜７０ｍｍのリング又はディス
クを、毎分３０００〜１００００回転の高速で回転させ
ながら、工具と砥石の距離を一定に保ち、砥石面内を相
対的に移動させて切り込む方法で、砥石面を精度良くツ
ルーイングすることが出来る。具体的には、砥石表面を
深さ１μｍ程度で極表面層のみを除去するように、基準
面５からの絶対高さ位置制御をかけながら砥石面上を走
査することで実現できる。このような定寸加工では、工
具高さの位置決め精度を高めれば、原理的により高い平
坦度を得ることが出来る。

【００１５】ツルーイングによる砥石の摩耗量は通常１
０μｍ以下であるから、砥石の厚さが１０ｍｍであれ
ば、ウエハを１０００枚加工した時点で砥石は使用限界
に達すると予想できる。しかし、この機能のみであると
砥石の初期厚さに異常があったり、砥石の取り付けに不
備があって偏研削し、一部のみ早く使用限界に達したと
きなどに異常が発生することがある。この不具合を避け
るため、監視装置１３は砥石１０の上面を常時監視して
いる。砥石１０が使用限界まで磨耗した場合には、図１
２に示すように、砥石１０の寿命マーク層１２が砥石１
０上に出現する。この状態を監視装置１３がとらえ、監
視装置１３により砥石１０上の寿命マーク層１２が撮像
される。この監視装置１３の画像情報は、砥石１０の回
転速度に同期して画像処理装置１４に取り込まれる。画
像処理装置１４では、監視装置１３からの画像情報に基
づいて、砥石１０が使用限界に達している等を判別す
る。この砥石１０が使用限界であると判別された場合に
は、制御装置１５に信号が送られ、この制御装置１５に
より、研磨装置の運転をウエハ加工前に停止すると共
に、発報装置１６により作業者に砥石１０を交換するよ
う知らせる。

【００１６】寿命マーク層１２は、図１のように積層構
造として全面に形成してもよいが、図５から図１１に示
すように、砥石面内に分布させれば十分であり、必ずし
も全面に形成する必要はない。寿命マーク層１２は、積
層構造の砥石の下部の層の樹脂部分を全部着色したもの
でもよいし、部分的に着色したものでもよい。着色は、
例えば、非水溶性の着色剤を用いて印刷すればよい。着
色された砥石の上層は、通常の砥石のセグメントを並べ
ればよい。

【００１７】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れないのは勿論であり、種々変形可能である。例えば、
上記の実施例では、監視手段として、ＣＣＤカメラを想
定しているが、これに代えて、Ｃ−ＭＯＳイメージセン
サ等が用いられてもよい。この場合にも、ＣＣＤカメラ
の場合と同様に、この信号が画像処理装置１３に取り込
まれる。

【００１８】その他、上記監視装置１３の使用方法とし
て、砥石が加工中に欠けたり、ウェハが脱落した異常を
検出して警報を発報する機能を設けることが望ましい。
例えば、寿命マーク層１２に積層構造の砥石の下部の層
の樹脂部分を全部着色したものを用いれば、砥石の欠け
は容易に検出できる。

【００１９】〈実施例２〉本実施例においては、図２に
示すように、砥石のドレス方法として、一定の圧力で工
具面を切り込む（定圧加工）定圧ドレスを用いた例を示
す。従来のＣＭＰ装置で用いられてきた定圧ドレスで
は、定寸ドレスとは異なり、高い平坦度を得られない。
つまり、ツルーイングする毎に、砥石の厚さは不均一と
なる。よって、定寸ドレスの場合と異なり、砥石の使用
限界を予測するのは困難であった。しかしながら、本発
明により、寿命マークを、例えば、図５から図１１に示
すように、砥石面内に分布させれば定圧ドレスでツルー
イングしても砥石の使用限界を自動的に検出することが
可能となる。つまり、本発明により定圧ドレス機能のみ
を有する研磨装置においても砥石を用いることが初めて
可能となる。

【００２０】図１０に示したマーク配置の砥石を定圧ド
レス機能を有する研磨装置を使用した結果、砥石１０の
寿命マーク層１２が砥石１０上に出現した一例を図１２
に示す。この状態を監視装置１３がとらえ、監視装置１
３により砥石１０上の寿命マーク層１２が撮像される。
この監視装置１３の画像情報は、砥石１０の回転速度に
同期して画像処理装置１４に取り込まれる。画像処理装
置１４では、監視装置１３からの画像情報に基づいて、
砥石１０が使用限界に達している等を判別する。この砥
石１０が使用限界であると判別された場合には、制御装
置１５に信号が送られ、この制御装置１５により研磨装
置の運転をウエハ加工前に停止すると共に、発報装置１
６により作業者に砥石１０を交換するよう知らせる。

【００２１】実施例１と同様に、上記監視装置１３の使
用方法として、砥石が加工中に欠けたり、ウェハが脱落
した異常を検出して警報を発報する機能を設けると望ま
しいことは言うまでもない。

【００２２】〈実施例３〉上記の研磨装置を用いて凹凸
パタンを有するウエハを研磨加工し、ダマシン法により
銅配線を形成した結果を図１３に示す。図１３（ａ）は
酸化膜隔壁厚さに対するディッシングとエロージョンの
和を示し、縦軸はディッシングとエロージョンの和、横
軸は銅配線を隔てる酸化膜の幅である。ディッシングと
エロージョンについて図１３（ｂ）（ｃ）で説明した。
用いたパタンは幅２０μｍ、長さ１９００μｍの銅配線
（四又は五本で一組）が周期的に並ぶ、いわゆるライン
アンドスペースである。

【００２３】加工条件はウエハ加工圧力を２９．４ｋＰ
ａ（３００ｇｆ／ｃｍ²）、ホルダと固定砥粒盤の回転
数を共に４６ｒｐｍ、加工液供給量を２００ｍｌ／分と
した。ディッシングとエロージョン量は触針式表面粗さ
計で測定した。従来のＣＭＰ装置に比べ、加工後の表面
形状の平坦性が極めて高いことが分かる。

【００２４】さらに、従来のＣＭＰ装置は、ダウンした
とき均一に研磨できず、多量の不良品が発生する。また
それを防ぐために十分の余裕をもって砥石を交換すれば
稼働効率が落ちる。本発明のＣＭＰ装置は、不良品の発
生を減少させることができるので歩留まりが向上し、或
いは稼働効率が向上した。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の研磨装置
は、稼動効率を増加させ、不良品の発生を減少すること
ができる。また、本発明の半導体装置の製造方法によれ
ば、歩留まりが向上し、不良品の発生を減少させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の研磨装置の全体構成を示す
模式図である。

【図２】本発明の他の実施例の研磨装置の全体構成を示
す模式図である。

【図３】本発明に用いる砥石の一実施例の斜視図であ
る。

【図４】本発明に用いる砥石の一実施例の断面構造模式
図である。

【図５】発明に用いる砥石の一実施例の寿命マーク層を
説明する平面図である。

【図６】本発明に用いる砥石の他の実施例の寿命マーク
層を説明する平面図である。

【図７】本発明に用いる砥石のさらに他の実施例の寿命
マーク層を説明する平面図である。

【図８】本発明に用いる砥石のさらに他の実施例の寿命
マーク層を説明する平面図である。

【図９】本発明に用いる砥石のさらに他の実施例の寿命
マーク層を説明する平面図である。

【図１０】本発明に用いる砥石のさらに他の実施例の寿
命マーク層を説明する平面図である。

【図１１】本発明に用いる砥石のさらに他の実施例の寿
命マーク層を説明する平面図である。

【図１２】図１０に示した砥石を定寸ドレスした際、砥
石表面上に露出した寿命マーク層の一例を示す図であ
る。

【図１３】本発明の研磨装置の効果を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１…ウエハ２…ヘッド３…スイングアーム４…定寸ドレッサ５…基準面６…加工液供給系８…加工液１０…砥石１１…回転定盤１２…寿命マーク層１３…監視装置１４…画像処理装置１５…制御装置１６…発報装置１７…セグメント１６…台盤１９…定圧ドレッサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安井感東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者貝瀬正博東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内Ｆターム(参考） 3C034 AA08 AA15 BB93 CA09 3C043 BA09 BB00 CC04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】砥粒及び該砥粒を保持するための物質から
なる砥石と、表面に凹凸パターンが形成された被研磨基
板の該凹凸パターンが形成された面を上記砥石表面に押
し付けて保持する保持手段と、上記砥石及び上記被研磨
基板を相対運動させる運動手段とを有し、上記被研磨基
板表面を平坦化する研磨装置において、上記砥石は、寿
命マークを有し、上記研磨装置は、上記砥石の表面を監
視する監視手段を有することを特徴とする研磨装置。
【請求項２】上記研磨装置は、上記監視手段からの情報
に基づいて砥石の寿命を判別する判別手段を有すること
を特徴とする請求項１記載の研磨装置。
【請求項３】上記寿命マークは、上記砥石とは異なる色
を呈することを特徴とする請求項１又は２記載の研磨装
置。
【請求項４】砥粒及び該砥粒を保持するための物質から
なる砥石に、表面に凹凸パターンが形成された半導体基
板の該凹凸パターンが形成された面を上記砥石表面に押
し付け、上記砥石及び上記半導体基板を相対運動させ、
上記半導体基板の表面を平坦化する半導体装置の製造方
法において、上記砥石は、寿命マークを有し、監視手段
により上記砥石の表面を監視しながら上記相対運動を行
なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】上記監視手段からの情報に基づいて、砥石
の寿命を判別することを特徴とする請求項４記載の半導
体装置の製造方法。