JP2005175329A - 研磨方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 位置合わせ用の計測用マーク等の凹凸形状上の膜層を対称的な形状に研磨することができる研磨方法及び装置を提供する。
【解決手段】 半導体基板のデバイス形成面に、所定の圧力で研磨パッドを当接し、前記半導体基板及び研磨パッドを回転させて前記デバイス形成面を研磨する研磨方法であって、前記半導体基板及び前記研磨パッドを、一方向に回転させて前記デバイス形成面を研磨する第１の研磨ステップと、前記半導体基板及び前記研磨パッドを、前記第１の研磨ステップで回転された前記一方向と逆方向に回転させて前記デバイス形成面を研磨する第２の研磨ステップとを有することを特徴とする研磨方法を提供する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一般には、研磨方法及び装置に係り、特に、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の半導体ウェハ又は表面上に複数の島状の半導体領域が形成された石英基板やガラス基板等の基板の研磨方法及び装置に関する。

半導体デバイスの超微細化に伴い、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の半導体ウェハ又は表面上に複数の島状の半導体領域が形成された石英基板やガラス基板等の基板の外表面を高精度に平坦化することが求められている。更に、ＳＯＩウェハの出現や３次元集積化の必要性からも基板の外表面のグローバル平坦化が望まれている。

このような基板のグローバル平坦化に加えて、ミクロな平坦化も可能な平坦化技術としては、例えば、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）装置が従来から知られている。

図１６は、従来の化学機械研磨（以下、「ＣＭＰ」と称する。）装置１０００の主要構成を示す概略断面図である。ＣＭＰ装置１０００は、被加工物であるウェハＷの被研磨面を下向きに保持した状態で保持するウェハチャック１０１０と、ウェハチャック１０１０に保持されるウェハＷに対向するように配置されてウェハＷの口径よりも大きな口径の、例えば、ポリウレタンからなる研磨パッドＰを取り付ける研磨テーブル１０２０とを備え、更に、研磨パッドＰ上に研磨剤（スラリー）Ｓを供給する研磨剤供給手段１０３０が設けられている。

ＣＭＰ装置１０００において、ウェハＷの被研磨面を研磨パッドＰ上に当接させると共に、ウェハＷに所定の加工圧を加えた状態で、図示しない駆動手段によってウェハＷと研磨パッドＰをそれぞれ矢印の方向に回転させ、同時に、研磨剤供給手段１０３０から研磨剤Ｓを研磨パッドＰ上に滴下してウェハＷの被研磨面の研磨を行う。ウェハＷと研磨パッドＰの駆動に関して、ウェハＷと研磨パッドＰの回転速度（回転数）を等しくした場合には、研磨パッドＰの線速度がウェハＷ上の任意の位置で一定になり、グローバル平坦化にとっては望ましい。しかし、研磨パッドＰの表面に刻まれている格子状の溝模様がウェハＷの被研磨面に転写されるため、ミクロな平坦化を得ることができない。そこで、一般には、ウェハＷと研磨パッドＰの回転速度を数％ずらして研磨を行っている。

ウェハ等の基板の被研磨面上には、図１７に示すように、半導体デバイスを形成するデバイスパターンＤＰの他に、重ね合わせ検査装置や露光装置等のアライメント検出系のための位置合わせ用の計測用マーク（アライメントマーク）ＡＭが配置されている。計測用マークＡＭの上にも、図１７に示すように、絶縁膜や誘電体等を積層した膜層Ｃが形成されており、研磨工程においては、計測用マークＡＭ上の膜層ＣはデバイスパターンＤＰ上の膜層Ｃと共に、同時に研磨されている。ここで、図１７は、ウェハの被研磨面上にデバイスパターンや計測用マークが配置されていることを示す概略断面図である。

ＣＭＰ装置で平坦化すべきデバイスパターンは、一般的には、１μｍ以下、現状の量産では０．９μｍ程度の微細パターンであるが、計測用マークは３０μｍ乃至３００μｍ程度であり、使用線幅は１μｍ乃至３０μｍ程度の大きさである。また、ＣＭＰ装置では、ポリウレタンパッドのような粘弾性体の研磨パッドで研磨するために、研磨中の研磨パッドの変形により、凹凸の疎の部分は平坦に研磨されず、所謂、ディッシング、エロージョン及びシニングなどの現象が起こる。このため、計測用マーク上の膜層では、ＣＭＰ装置による平坦化の後でも僅かに凹凸が残り、この僅かに残った凹凸により、アライメント計測や重ね合わせ検査計測が可能となっている。

しかし、アライメント計測や重ね合わせ検査計測のための計測用マークの形状は、ディッシング、エロージョン及びシニングの影響を受けたり、計測用マークの寸法、特に、幅がデバイスパターンと比較すると大きく、周りのパターン密度が異なるためにオーバーポリッシュされたりする。これにより、計測用マークの形状は非対称なものとなってしまい、アライメントや重ね合わせ検査の精度を悪化させる要因となっている。

重ね合わせ検査装置や露光装置等のアライメント検出系において実際に使用されている方式のほとんどは明視野画像処理方式であり、この種のアライメント検出系は、図１８に示すように構成されている。アライメント検出系２０００は、ウェハＷ上に形成された計測用マークＡＭを光学系の結像作用を用いて検出し、その像を光学系２０１０を介して、撮像素子としてのＣＣＤ２０２０上に形成し、そのビデオ信号を各種信号処理を施すことにより、アライメント計測又は重ね合わせ検査を行っている。ここで、図１８は、明視野画像処理方式のアライメント検出系２０００の構成を示す概略ブロック図である。

アライメント検出系の光学系において最も必要とする結像性能は像の対称性である。しかし、図１９（ａ）に示すように、計測用マークＡＭ上の膜層Ｃが非対称であると、計測用マークＡＭに対して垂直に入射した光Ａ乃至Ｄに対しては、異なった角度で反射し、その反射光Ａ’乃至Ｄ’は、ＣＣＤ上に結像して光電変換され、図１９（ｂ）に示すようなビデオ信号となる。このとき、計測用マークＡＭの左右から反射した光の反射角度が異なるためにビデオ信号も非対称となり、歪みが発生して位置ずれを起こしてしまう。これがアライメント精度や重ね合わせ検査精度を悪化させる要因となっている。ここで、図１９（ａ）は、計測用マーク上で異なった角度で反射する反射光の状態を示す概略断面図であり、図１９（ｂ）は、図１９（ａ）に示す反射光を光電変換して得られるビデオ信号を示す図である。

このように、従来のＣＭＰ装置では、計測用マーク上の膜層が非対称に研磨されるために、重ね合わせ検査装置や露光装置等のアライメント検出系において位置合わせ精度が悪化するという問題がある。

そこで、本発明者から、半導体基板及び／又は研磨パッドの回転速度を制御することで、計測用マーク上の膜層が非対称に研磨されることを防止する提案がされている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−２５９５８号公報

しかし、近年では半導体デバイスの超微細化は急速に進み、半導体基板及び／又は研磨パッドの回転速度を制御しながら研磨しても、要求されるアライメント精度や重ね合わせ検査精度を満たすことができなくなってきている。換言すれば、半導体基板及び／又は研磨パッドの回転速度を制御することで、計測用マーク上の膜層が非対称に研磨されることを軽減することはできるが、計測用マーク上の膜層を対称に研磨することはできず、僅かな非対称性を発生させてしまう。

そこで、本発明は、位置合わせ用の計測用マーク等の凹凸形状上の膜層を対称的な形状に研磨することができる研磨方法及び装置を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての研磨方法は、半導体基板のデバイス形成面に、所定の圧力で研磨パッドを当接し、前記半導体基板及び研磨パッドを回転させて前記デバイス形成面を研磨する研磨方法であって、前記半導体基板及び前記研磨パッドを、一方向に回転させて前記デバイス形成面を研磨する第１の研磨ステップと、前記半導体基板及び前記研磨パッドを、前記第１の研磨ステップで回転された前記一方向と逆方向に回転させて前記デバイス形成面を研磨する第２の研磨ステップとを有することを特徴とする。

本発明の別の側面としての研磨方法は、半導体基板のデバイス形成面に、所定の圧力で研磨パッドを当接し、前記半導体基板及び研磨パッドを回転させて前記デバイス形成面を研磨する研磨方法であって、前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転方向を、一方向及び前記一方向と逆方向に反転させることを複数組み合わせて前記デバイス形成面の研磨を行うステップと、前記研磨ステップで研磨された前記デバイス形成面に配置されている断面凹形状の計測用マークの非対称性を計測するステップと、前記計測ステップで計測された前記計測用マークの非対称性に基づいて、前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転方向の複数の組み合わせのうち一を選択するステップとを有することを特徴とする。

本発明の更に別の側面としての研磨方法は、半導体基板のデバイス形成面に、所定の圧力で研磨パッドを当接し、前記半導体基板及び研磨パッドを回転させて前記デバイス形成面を研磨する研磨方法であって、前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転方向を変えながら前記デバイス形成面を研磨するステップと、前記研磨ステップで研磨された前記デバイス形成面に配置されている断面凹形状の計測用マークの非対称性を計測するステップと、前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転方向と計測された前記計測用マークの非対称性との関係を取得するステップと、前記取得ステップで取得した前記回転方向と前記非対称性との関係に基づいて、前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転条件を決定するステップとを有することを特徴とする。

本発明の更に別の側面としての研磨装置は、半導体基板のデバイス形成面を研磨する研磨装置であって、前記デバイス形成面に所定の圧力で当接し、前記デバイス形成面を研磨する研磨パッドと、前記半導体基板及び前記研磨パッドを一方向及び前記一方向と逆方向に回転させる回転手段と、前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転方向及び回転時間を制御する制御部であって、前記デバイス形成面に配置された計測用マークの非対称性を低減するように、前記回転手段を制御することを特徴とする。

本発明の更に別の側面としての研磨装置は、上述の研磨方法を行う研磨モードを有することを特徴とする。

本発明の更に別の側面としてのデータベースは、半導体基板のデバイス形成面に、所定の圧力で研磨パッドを当接し、前記半導体基板及び研磨パッドを回転させて前記デバイス形成面を研磨する際に用いられるデータベースであって、前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転方向及び回転時間と、前記デバイス形成面に配置された計測用マークの非対称性との関係を表示することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、位置合わせ用の計測用マーク等の凹凸形状上の膜層を対称的な形状に研磨することができる研磨方法及び装置を提供することができる。

本発明者は、位置合わせ用の計測用マーク等の凹凸形状上の膜層を対称的な形状に研磨することができる研磨方法及び装置を提供するにあたり、基本に戻って、研磨によって発生する計測用マーク上の膜層の非対称性について鋭意検討した結果、ＣＭＰ装置において、ウェハ及び研磨パッドの回転方向を反転させると、ＣＭＰ後の計測用マーク上の膜層の非対称性も反転することを発見した。また、ＣＭＰの研磨量は、ウェハ及び研磨パッドの回転方向によらずに研磨時間に比例することを発見した。更に、計測用マーク上の膜層の非対称性は、全研磨時間の最後の時間にのみ発生することを発見した。

図１は、ＣＭＰ研磨時間に対する計測用マーク上の膜層の非対称性及び研磨量の関係を示すグラフである。図１では、ウェハ及び研磨パッドの回転方向の一つをＣＷ、回転方向ＣＷの逆方向の回転をＣＣＷとする。また、横軸をＣＭＰ研磨時間とし、縦軸を計測用マーク上の膜層の非対称性及び研磨量とした。

図１を参照するに、研磨量に関しては、回転方向ＣＷ又はＣＣＷによらずにＣＭＰ研磨時間に比例している。一方、計測用マーク上の膜層の非対称性は、研磨開始の最初の方には発生せず、全研磨時間の最後の方のある時間から発生し、かかる非対称性の方向は回転方向ＣＷ又はＣＣＷにより反対である。また、実素子の研磨量は、ＣＭＰ研磨時間に比例して、回転方向に依存しない。

ＣＭＰ直後のウェハ上の計測用マークにおいて、アライメント誤差の回転エラーを発生させる非対称性の定量化に関しては、本発明者により、「第６３回応用物理学会学術講演会（予稿Ｎｏ．２、６４０頁２７ｐ−Ｎ−１）」において報告している。

アライメント誤差の回転エラーに関しては、ウェハ内のずれ量をベクトル表示した場合の概略図を図２に示す。ウェハＷ内の左側のショットでは、矢印が上を向いているので、ずれ量が上にずれる方向に発生していることを意味している。同様に、上側のショットは右に、右側のショットは下に、下側のショットは左にずれており、ウェハＷ全体では、時計方向に回転する誤差が発生している。

ＣＭＰ装置において、ウェハ及び研磨パッドの回転方向を逆転させると、アライメント結果は、ウェハ全体で反時計方向に回転する誤差が発生していることが知られている。これは、ウェハ及び研磨パッドの回転方向を反転させると、研磨後の計測用マーク上の膜層の非対称性も反転することが原因である。

また、本発明者は、ＣＭＰ装置において、異なる３つの研磨条件で研磨を行い、それぞれに対して露光装置を使用してアライメント精度の検討を行った。異なる３つの研磨条件は、以下の通りである。
（研磨条件１） ウェハと研磨パッドを同期を取らずに研磨
（研磨条件２） ウェハと研磨パッドを最初は同期せずに、最後に同期を取って研磨
（研磨条件３） ウェハと研磨パッドを終始同期を取って研磨
図３は、ＣＭＰ装置装置において、異なる３つの研磨条件で研磨を行った際のアライメント精度の結果を示すグラフである。図３では、縦軸をアライメント精度の一部を表す量のウェハ回転成分の誤差（以下、「回転誤差」と称する。）としている。ここで、ウェハ回転成分の誤差とは、図２で示したのと同様に、ウェハ中心に対して回転方向の計測用マークの非対称性が発生した場合に起こるエラーであり、回転成分の誤差を計算してＰＰＭで示したものである。横軸は、それそれの研磨条件で研磨してアライメントし、露光及び現像後に重ね合わせ検査装置で検査を行ったウェハ番号を示すものである。

図３を参照するに、研磨条件１では、回転誤差が大きく発生するが、研磨条件２及び研磨条件３では、それほど大きな回転誤差が発生していない。これは、アライメントマーク及び重ね合わせ検査用マーク上の膜層の形状が、研磨条件１では、回転誤差を発生するような非対称性があることが原因であると考えられ、研磨条件２及び研磨条件３では、非対称性が研磨条件１ほど顕著に表れていないからであると言える。なお、研磨条件２と研磨条件３との間には、差がない考えられるので、図２に示したように、計測用マーク上の膜層の非対称性は、研磨時間の最初の方には発生せず、全研磨時間の最後の方から発生すると考えられる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。図４は、本発明の原理を示す図であり、ＣＭＰ研磨時間及び回転方向に対する計測用マーク上の膜層の非対称性及び研磨量の関係を示すグラフである。図４では、ウェハ及び研磨パッドの回転方向の一つをＣＷ、回転方向ＣＷの逆方向の回転をＣＣＷとする。また、横軸をＣＭＰ研磨時間とし、縦軸を計測用マーク上の膜層の非対称性及び研磨量とした。

図４を参照するに、まず、回転方向ＣＷで研磨を行い、研磨時間が残りＴ１となってから、計測用マーク上の膜層の非対称性が発生し、研磨時間が残りＴ２となったときに回転方向をＣＣＷとして研磨時間の終了まで研磨を行った。図４では、所望の研磨量を研磨したときに、計測用マーク上の膜層の非対称性量が０となっていることを示している。計測用マーク上の膜層の非対称性は、ある時間から線形に発生し、回転方向で反転すると共に、反転した後の非対称性の発生具合も線形であれば、Ｔ１及びＴ２からの変化は直線となり、Ｔ１の半分がＴ２となる。これにより、ウェハ及び研磨パッドの回転方向を適当に制御することで、計測用マーク上の膜層を対称的な形状に研磨することが可能であると分かる。

次に、上述の原理を利用したＣＭＰ装置について説明する。図５は、本発明の一側面としての研磨装置１の構成を示す概略ブロック図である。

研磨装置１は、半導体基板のデバイス形成面を高精度に平坦化するＣＭＰ装置である。研磨装置１は、図５に示すように、被加工物としての半導体基板（以下、「ウェハ」と称する。）を研磨するウェハ研磨部１００と、ウェハ研磨部１００において研磨されたウェハを洗浄する洗浄部２０と、洗浄部２０で洗浄した後にウェハをプリアライメントするためのプリアライメント部３０と、プリアライメントされたウェハの計測用マーク上の膜層の非対称性を測定するための膜層対称性測定部４０とを有する。プリアライメント部３０では、ノッチ基準又はオリフラ基準での回転方向の位置合わせとウェハ外形基準によるＸＹ方向の位置決めを行い、膜層対称性測定部４０では、ウェハの計測用マーク上の膜層の非対称性を測定する。

また、研磨装置１は、洗浄部２０で洗浄されたウェハを保持して、プリアライメント部３０及び膜層対称性測定部４０へウェハを移送するＸＹθステージ５０と、ウェハキャリアに収納されたウェハを研磨装置１に投入及び排出するためのウェハロード・アンロード部６０と、ウェハを搬送するための搬送ロボット６０とを有する。

ここで、図６及び図７を参照して、図５に示す研磨装置１のウェハ研磨部１００について説明する。図６は、図５に示すウェハ研磨部１００の要部構成を示す側面図である。図７は、図５に示すウェハ研磨部１００の要部構成を示す正面図である。

ウェハ研磨部１００は、被加工物としてのウェハＷの被研磨面を上向きにした状態でウェハチャック１１５を介して保持するウェハテーブル１１０と、ウェハテーブル１１０に保持されるウェハＷに対向するようにウェハテーブル１１０の上方に配置されて、ウェハＷの径より大きく、且つ、ウェハＷの径の２倍より小さい口径を有する研磨パッド１２０を保持する研磨ヘッド１３０と、研磨パッド１２０を保持する研磨ヘッド１３０をその軸を中心に矢印Ａの方向に回転駆動する第１の駆動手段１３２と、研磨ヘッド１３０を上下方向に移動させて研磨パッド１２０をウェハＷに対して押圧して加圧するヘッド上下動駆動手段１３４とを有する。

また、ウェハＷを保持するウェハテーブル１１０は、図７に示すように、ウェハＷを保持するウェハチャック１１５をその軸を中心に矢印Ｂの方向に回転駆動する第２の駆動手段１４０と、ウェハＷを保持するウェハチャック１１５を水平方向（矢印Ｃ）に揺動させるためのガイド部１５２と動力部１５４とから構成される第３の駆動手段１５０と、ウェハＷを研磨パッド１２０により研磨する際にウェハＷの全面を研磨パッド１２０に対して一定に押圧するためのイコライズ機構１６０とを有する。

更に、ウェハ研磨部１００は、ウェハＷの被研磨面と研磨パッド１２０の対向する領域に研磨剤（スラリー）Ｓを供給するように、研磨ヘッド１３０及び研磨パッド１２０の中心部に設けられた小孔１３６及び１２６に連通する研磨剤供給管１７２を有する研磨剤供給機構１７０を有する。なお、研磨パッド１２０が研磨剤Ｓを通過させることができる材料、例えば、布や大きな連通孔をもつポリウレタンで構成されている場合には、研磨パッド１２０に小孔１２６を設ける必要はない。

本実施形態に用いられる研磨剤Ｓとしては、材質が酸化シリコン、酸化セリウム、酸化アルミニウム、酸化ゼオライト、酸化クロム、酸化鉄、炭化シリコン、炭化ホウ素、カーボン、アンモニウム塩等であって、径が数ミクロンオーダー乃至サブミクロンオーダーの範囲内で比較的均一である微粒子が、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、アンモニア水溶液、イソシアヌル酸溶液、Ｂｒ−ＣＨ_３ＯＨ、塩酸水溶液等の溶液中で分散している研磨液である。これらの微粒子と溶液との組み合わせは、研磨する対象物に合わせて選択することが可能である。例えば、Ｓｉ表面の研磨においては、酸化シリコン、酸化セリウム、アンモニウム塩、二酸化マンガン等の微粒子を上述した溶液に分散させた研磨剤が好適であり、ＳｉＯ_２の表面研磨においては、酸化シリコン微粒子を水酸化カリウム水溶液に分散させた研磨剤が適しており、また、Ａｌ表面のウェハにおいては、酸化シリコン微粒子を過酸化水素を含むアンモニア水溶液に分散させた研磨剤が好適である。

ウェハ研磨部１００は、第１の駆動手段１３２、ヘッド上下動駆動手段１３４、第２の駆動手段１４０及び第３の駆動手段１５０等の駆動を各々独立して又は相関させて制御する制御部１８０が設けられている。また、制御部１８０は、後述する研磨方法に従って、ウェハＷ及び研磨パッド１２０の回転方向及びかかる回転方向での回転時間を制御する。

ウェハ研磨部１００の動作において、ウェハテーブル１１０上にウェハチャック１１５を介して保持されたウェハＷの被研磨面（デバイス形成面）に、研磨ヘッド１３０に保持された研磨パッド１２０を当接させると共に、所定の加工圧を加えた状態で、研磨パッド１２０を第１の駆動手段１３２により矢印Ａ方向に回転させると共に、ウェハＷを第２の駆動手段１４０により矢印Ｂ方向に回転させ、同時に、研磨剤供給機構１７０から研磨剤Ｓを研磨パッド１２０とウェハＷとの間に供給して、ウェハＷの被研磨面の研磨を行う。

以下、図８を参照して、研磨装置１における研磨方法について説明する。図８は、本発明の一側面としての研磨方法４００を説明するためのフローチャートである。なお、研磨方法４００は、被加工物であるウェハＷと研磨パッド１２０とを同方向に異なる回転速度で駆動して制御する研磨方法である。ウェハＷと研磨パッド１２０の各々の回転速度の選択範囲は１０００ｒｐｍ以下であり、より好ましくは、５０乃至３００ｒｐｍの範囲で同方向である。また、ヘッド上下動駆動手段１３４によって研磨パッド１２０をウェハＷに対して押圧する圧力は、０乃至１００ｋＰａの範囲とする。回転方向を逆方向にする場合は、同時にウェハＷと研磨パッド１２０の回転方向を変更する。

図８を参照するに、まず、ステップ４０２において、ウェハロード・アンロード部６０に置かれたウェハキャリアに収納されているウェハＷは、ウェハローディングシーケンスに従って、搬送ロボット６０によりウェハ研磨部１００へ搬送され、ウェハ研磨部１００にて研磨が行われる（ステップ４０４）。

研磨の形態は、制御部１８０によって予め組み合わされたウェハＷ及び研磨パッド１２０の回転方向及び回転時間（即ち、回転方向ＣＷ及び回転方向ＣＷの逆方向の回転方向ＣＣＷとの組み合わせ、及び、回転方向ＣＷでの研磨時間及び回転方向ＣＣＷの研磨時間）に従って研磨される。また、研磨圧力、ウェハＷの回転速度、研磨パッド１２０の回転速度等の他の研磨条件は、予め任意に設定されており、図示しない入力手段を介して入力され、かかる入力値に従って研磨を行うものとする。望ましくは、ウェハＷと研磨パッド１２０の回転速度の差は、１ｒｐｍ乃至１０ｒｐｍ程度がよい。

研磨が終了したウェハＷは搬送ロボット６０によりウェハ研磨部１００から洗浄部２０へ搬送され、洗浄部２０においてウェハＷは洗浄及び乾燥され（ステップ４０６）、その後に、搬送ロボット６０により、ＸＹθステージ５０上に移載される。

ウェハＷの洗浄方法も種々あるが、計測用マークの対称性を向上させるためには複数の洗浄方式を行い、最後にアンモニア溶液を使用した超音波洗浄を行うことで、計測用マークの凹部へ、例えば、Ｗ、Ｃｕの研磨の削りカスや、研磨剤Ｓの残り、ウェハＷを保持するウェハチャック１１５からの発生物が埋まってしまい、計測用マークの形状が非対称性となることを防止することができる。

ＸＹθステージ５０上のウェハＷはプリアライメント部３０へ移送され、プリアライメント部３０において、プリアライメントとしてノッチ基準又はオリフラ基準での回転方向の位置合わせとウェハ外形基準によるＸＹ方向の位置決めを行う（ステップ４０８）。

次いで、ウェハＷはＸＹθステージ５０により膜層対称性測定部４０へ移送される。ステップ４１０において予め入力されている計測用マークの位置や数に従って、ＸＹθステージ５０をＸＹ方向に駆動することにより計測用マークの検索を行い（ステップ４１２）、その後に、計測用マークの形状の非対称性の計測を行う（ステップ４１４）。

計測用マークの形状の非対称性の計測には、図９に示すような、計測用マークの対称性検出系４０Ａを用いる。図９は、図５に示す膜層対称性測定部４０の一例としての対称性検出系４０Ａの構成を示すブロック図である。対称性検出系４０Ａは、光源４２から発せられる光をビームスプリッターを含む光学系４４を介してウェハＷ上の計測用マークＡＭに照射し、その反射光を光学系４４を介して撮像素子としてのＣＣＤ４６に結像させる。ＣＣＤ４６に結像された計測用マーク像のビデオ信号を信号処理系により処理することによって、計測用マークＡＭ上の膜層の対称性を計測する。

なお、計測用マーク上の膜層の対称性の計測については後述する。対称性検出系４０Ａの検出原理は、基本的には、図１８に示した明視野画像処理方式のアライメント検出系と同様であるが、投影光学系を透過していない。また、計測する計測用マークの数は、図示しない入力手段から予め任意に設定できるが、好ましくは２個から１８個程度を選定する。その際に、同じ円周上の計測用マークを複数選定すると補正精度を向上させることができる。

このように選定された各計測用マークの非対称性を計測し、計測された非対称性に基づいて、予め作成されているデータベースを参照して、次のウェハＷを研磨する際のウェハＷと研磨パッド１２０の回転方向の組み合わせにフィードバックさせ（ステップ４１８）、次回研磨するウェハＷと研磨パッド１２０の回転方向の組み合わせを適宜補正する（ステップ４２０）。

計測用マークの非対称性の計測を終えたウェハＷは、ウェハアンローディングシーケンスに従って、搬送ロボット６０によりウェハロード・アンロード部６０のウェハキャリアに収納される（ステップ４１６）。

ここで、計測用マークの非対称性の計測について説明する。図１０は、計測用マークの非対称性の計測を説明するための図である。対称性検出系４０ＡのＣＣＤ４６上に結像される計測用マークＡＭに対する計測範囲を、図１０（ａ）に示す位置関係となるようにテンプレートマッチングを行うと、図１０（ｂ）に示すような計測信号が得られる。計測範囲中央部分の計測用マークＡＭから得られる計測信号は、計測方向に対して２つの山型に変化する。あるスライスレベルで計測信号をスライスして得られる各々２個の交点の中間点を求め、かかる中間点を計測用マークの中心位置とし、その中心位置から各々の山型のピークまでの距離の差を計測用マークの対称度とする。

また、計測用マークの非対称性を計測する別の方法としては、２個の山型に変化した計測信号を中心で折り返して差分をとる方法がある。図１０（ｂ）に示すように、得られた計測信号のＸに対して、以下の信号処理を行う。

まず、以下の数式１で得られたＭ（Ｘ）の絶対値の最小値を求め、かかる最小値をＷで除した値を対称度と定義する（数式２）。

なお、Ｗ、Ｃは、計測用マークの種類及び対称性検出系４０Ａの倍率、ＣＣＤ４６の画素数等で決まる係数である。

更に、計測用マークの対称性を計測する別な方法としては、予め記憶した対称性のよい波形に対して、実際に計測された計測信号を比較し、相関をとることによって対称度を算出する方法もある。

以下、計測された計測用マークの対称度に基づいて、ウェハＷと研磨パッド１２０の回転方向を決定する方法及びデータベースの作成方法について説明する。研磨対象となるデバイスプロセスにおけるウェハＷ上の計測用マーク上の膜層に対し、予めウェハＷと研磨パッド１２０の各回転方向を数種類の組み合わせで正回転（回転方向ＣＷ）、逆回転（回転方向ＣＣＷ）させて実際に研磨し、そのときの計測用マーク上の膜層形状を計測して得られる結果に基づき、ウェハＷと研磨パッド１２０の回転方向の組み合わせと計測用マーク上の膜層の非対称度との関係を求め、かかる非対称性の計測結果の最も良い（即ち、最も対称）な組み合わせのウェハＷ及び研磨パッド１２０の回転方向の組み合わせを求めることができる。また、他の回転方向の組み合わせの場合での計測用マークの非対称度の関係を求め、データベース化しておく。

通常、半導体製造プロセスでは、製造ロットの最初に装置の安定性を確認するためのテストウェハを流している。研磨装置１においても、研磨パッド１２０や研磨剤Ｓ等の消耗材の安定性を確認するために、一枚目のウェハを研磨する前にテストウェハを研磨し、研磨レート、平坦性などを確認している。そこで、テストウェハを研磨した際に、計測用マークの形状の非対称性を計測する。計測用マークの形状の非対称性が良好（即ち、対称）であれば、その研磨条件で次のウェハからを処理すればよい。計測用マークの非対称性が、予め設定したある閾値以上の非対称の場合、複数の回転方向の組み合わせでの計測マークの非対称度の関係をデータベース化したものを参照し、この非対称性に応じた回転方向の組み合わせを求めることができる。

このように、研磨装置１に、計測用マークの非対称性を計測する膜層対称性測定部４０を設けた場合には、一枚毎の研磨ウェハのデータをフィードバックして研磨を行うことにより、研磨パッド１２０の経時変化等の要因が１ロットの処理中に変化しても、それらに対応して計測葉マーク上の膜層を対称に研磨することが可能になる。従って、位置合わせ精度や重ね合わせ検査精度を向上させることができる。

ウェハ研磨部１００で研磨されたウェハＷは、洗浄部２０での洗浄工程を経て、更に、次のデバイス生産工程へと搬送され、順次加工処理を施してデバイスを生産している。図１１は、デバイス生産工程を示すフローチャートである。

図１１を参照するに、ステップ５０１（酸化）は、ウェハの表面を酸化させる工程、ステップ５０２（ＣＶＤ）は、ウェハ表面に絶縁膜を形成する工程、ステップ５０３（電極形成）は、ウェハ上に電極を蒸着によって形成する工程、ステップ５０４（イオン打込み）は、ウェハにイオンを打ち込む工程である。そして、ステップ５０５（ＣＭＰ）は、上述の研磨装置１を用いて、ウェハの表面をＣＭＰする工程であり、ステップ５０６（レジスト処理）は、ウェハにレジストを塗布する工程、ステップ５０７（露光）は、ステッパーやスキャナー等の露光装置によってマスクの回路パターンをウェハの複数のショット領域に並べて焼き付け露光する工程、ステップ５０８（現像）は、露光したウェハを現像する工程、ステップ５０９（エッチング）は、現像したレジスト像以外の部分を削り取る工程であり、ステップ５１０（レジスト剥離）は、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く工程である。これらの工程を１０回乃至３０回程度適宜繰り返し行うことによって半導体デバイスを生産している。

なお、図１１には示していないが、ＣＭＰの工程（ステップ５０５）が終了したウェハ等の半導体基板は、デバイス設計で指定された所望の膜、例えば、絶縁膜、バリアメタルや配線メタル膜等を成膜され、その後、リソグラフィー工程（レジスト塗布及び現像のコーター・デベロッパ、重ね合わせ検査装置やステッパーやスキャナー等の露光装置や重ね合わせ検査装置）へ送り込まれ処理される場合もある。

以上では、回転方向ＣＷ及びＣＣＷをそれぞれ１回転毎に変えた場合を説明した。これは、計測用マークの非対称性の変化（研磨時間に対して）が少ない場合や線形である場合、或いは、研磨の回転方向を変えた後の変化の仕方も変える前と同じ又は同程度の場合は有効である。

しかし、図１２に示すように、計測用マークの非対称性の変化が、研磨時間終了から残りＴ３までの間において急峻に変わる場合、理想的には、図１３に示すように、回転方向ＣＷ及びＣＣＷをそれぞれ1回転ずつ（ＣＣＷ回転方向をＴ４だけ）使用すればよいが、何らかのズレが発生した時には問題となってしまう。

なお、図１３では、回転方向を変えた後の計測用マークの非対称性の変化が、変える直前の変化とは異なり、回転方向を変えた後は変化が急峻でなくなる場合を示している。

図１４に、計測用マークの非対称性の変化があるときから急峻に変わる場合に、回転方向の変更を間違えて理想からのズレが発生した場合を示す。図１４に示すように、研磨時間が残りＴ４となったときに、回転方向を回転方向ＣＷから回転方向ＣＣＷに変えて研磨を行えばよいが、何らかの誤差により、Ｔ４より少ないＴ５になって回転方向を回転方向ＣＷから回転方向ＣＣＷに変えて研磨をしたとする。この場合、研磨時間が終了したときには、計測用マーク形状の非対称性がΔだけ発生してしまい、本発明の目的を達成することができなくなってしまう。

図４に示したような場合でも何らかの誤差が発生したときには、計測用マークの形状の非対称性は０にはならないが、それほど大きな値とはならないので問題とならない。しかし、図１４に示すように、計測用マークの形状の非対称性の変化が急峻に変わる場合には、僅かな誤差が補正できないほどの大きな量として発生してしまうために問題となる。

そこで、図１５に示すように、回転方向ＣＷ、回転方向ＣＣＷ、回転方向ＣＷと全部で３回、研磨の回転方向を変えることによって、計測用マークの非対称性の発生を防止することができる。図１５に示すように、計測用マークの形状の非対称性の変化が急峻になる前に回転方向を反転する組み合わせを選択することにより、何らかの誤差が発生した場合でも、許容される計測用マークの形状の非対称性量しか発生しないようにすることができる。

なお、図１５では、回転方向ＣＷ、回転方向ＣＣＷ、回転方向ＣＷと全部で３回回転方向を変えているが、これに限定する必要はない。計測用マークの非対称性の変化が急峻に変わる前に、研磨の回転方向を変えるような組み合わせを選択することで、何らかの誤差が発生した場合でも、許容される計測用マーク形状の非対称性の量しか発生しないようにすればよい。

本発明によれば、ウェハと研磨パッドの回転方向を複数回反転させて研磨を行うことで、計測マーク上の膜層を等方的に研磨することができ、更に、一枚前に研磨したウェハのデータをデータベースに照合して、その結果（即ち、最適なウェハと研磨パッドの回転方向の組み合わせ）をフィードバックすることにより、研磨パッドの経時変化等の要因が変化しても、それらに対応して計測用マーク上の膜層を対称に研磨することが可能になる。これにより、重ね合わせ検査およびに位置合わせ精度を向上させることができる。

なお、本実施形態では、位置合わせ用や重ね合わせ検査用の計測用マークの対称性を計測する膜層対称性測定部を研磨装置内に配置したが、膜層対称性測定部を研磨装置内に配置することなく、研磨が終了したウェハの対称性の計測を研磨装置外で行い、得られた対称度のデータを研磨装置に設けられている入力手段を介して入力するようにすることもできる。

また、本実施形態では、図９に示すような、光学的に計測用マークの非対称性を計測する対称検出系を用いたが、本発明はそれに限定するものではなく、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等を使用することでも本発明の目的を達成することができる。

一般に、ＣＭＰ装置では、粗研磨である一次研磨と、仕上げ研磨である二次研磨が行なわれている。そこで、仕上げ研磨である二次研磨を更に二つに分けた研磨手順で行ってもよい。図１に示したように、本発明者が発見した事象によれば、粗研磨の間には計測用マーク形状の非対称性は発生せず、二次研磨の研磨時間の最後において発生する。

例えば、仕上げ研磨である二次研磨に回転方向ＣＷに1回、回転方向ＣＣＷに１回の回転方向の組み合わせを行う場合、ＣＭＰを行うウェハ上の材質にもよるが、回転方向ＣＣＷの研磨を行う場合には、先の回転方向ＣＷの研磨による「目づまり」により、最初から同じ方向で行う通常の研磨を行った場合の研磨能力（研磨速度、研磨後のパターンの対称性）が異なり本来の特性を出すことができないことがある。その場合は、三次研磨という考えを導入し、二次研磨と同じ条件であるが回転方向を逆にして新しい研磨パッドに交換して行うことで、本発明の目的を達成することができる。

また、研磨装置にウェハ研磨部を二つ設けて、かかる二つのウェハ研磨部の回転方向が逆になるように設定しておき、二次研磨を二つのウェハ研磨部で行うようにすることでも本発明の目的を達成することができる。勿論、二つの研磨装置のウェハ研磨部の回転方向が逆になるように設定しておき、一つのウェハに対して二つの研磨装置で二次研磨を行ってもよい。

また、本実施形態では、回転方向ＣＷの研磨を先に行っているが、何らその制限を設けるものではなく、回転方向を反転して研磨することを説明するために、例としてあげたものである。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

ＣＭＰ研磨時間に対する計測用マーク上の膜層の非対称性及び研磨量の関係を示すグラフである。 アライメント誤差の回転エラーをウェハ内でベクトル表示した場合を示す図である。 ＣＭＰ装置装置において、異なる３条件の研磨条件で研磨を行った際のアライメント精度の結果を示すグラフである。 ＣＭＰ研磨時間及び回転方向に対する計測用マーク上の膜層の非対称性及び研磨量の関係を示すグラフである。 図５は、本発明の一側面としての研磨装置の構成を示す概略ブロック図である。 図５に示すウェハ研磨部の要部構成を示す側面図である。 図５に示すウェハ研磨部の要部構成を示す正面図である。 本発明の一側面としての研磨方法を説明するためのフローチャートである。 図５に示す膜層対称性測定部の一例としての対称性検出系の構成を示すブロック図である。 計測用マークの非対称性の計測を説明するための図である。 デバイス生産工程を示すフローチャートである。 計測用マークの非対称性の変化が急峻に変わる場合のＣＭＰ研磨時間及び回転方向に対する計測用マーク上の膜層の非対称性及び研磨量の関係を示すグラフである。 計測用マークの非対称性の変化が急峻に変わる場合において、理想的に回転方向を制御したときのＣＭＰ研磨時間及び回転方向に対する計測用マーク上の膜層の非対称性及び研磨量の関係を示すグラフである。 計測用マークの非対称性の変化があるときから急峻に変わる場合に、回転方向の制御を間違えたときのＣＭＰ研磨時間及び回転方向に対する計測用マーク上の膜層の非対称性及び研磨量の関係を示すグラフである。 計測用マークの非対称性の変化が急峻に変わる場合に対して、計測用マークの非対称性の発生を防止するときのＣＭＰ研磨時間及び回転方向に対する計測用マーク上の膜層の非対称性及び研磨量の関係を示すグラフである。 従来のＣＭＰ装置の主要構成を示す概略断面図である。 ウェハの被研磨面上にデバイスパターンや計測用マークが配置されていることを示す概略断面図である。 明視野画像処理方式のアライメント検出系２０００の構成を示す概略ブロック図である。 図１９（ａ）は、計測用マーク上で異なった角度で反射する反射光の状態を示す概略断面図であり、図１９（ｂ）は、図１９（ａ）に示す反射光を光電変換して得られるビデオ信号を示す図である。

符号の説明

１ 研磨装置
２０ 洗浄部
３０ プリアライメント部
４０ 膜層対称性測定部
５０ ＸＹθステージ
６０ ウェハロード・アンロード部
１００ ウェハ研磨部
１１０ ウェハテーブル
１１５ ウェハチャック
１２０ 研磨パッド
１２６ 小孔
１３０ 研磨ヘッド
１３２ 第１の駆動手段
１３４ ヘッド上下動駆動手段
１３６ 小孔
１４０ 第２の駆動手段
１５０ 第３の駆動手段
１５２ ガイド部
１５４ 動力部
１６０ イコライズ機構
１７０ 研磨剤供給機構
１７２ 研磨剤供給管
１８０ 制御部
Ｓ 研磨剤
Ｗ ウェハ

Claims (15)

1. 半導体基板のデバイス形成面に、所定の圧力で研磨パッドを当接し、前記半導体基板及び研磨パッドを回転させて前記デバイス形成面を研磨する研磨方法であって、
   前記半導体基板及び前記研磨パッドを、一方向に回転させて前記デバイス形成面を研磨する第１の研磨ステップと、
   前記半導体基板及び前記研磨パッドを、前記第１の研磨ステップで回転された前記一方向と逆方向に回転させて前記デバイス形成面を研磨する第２の研磨ステップとを有することを特徴とする研磨方法。
2. 前記第１の研磨ステップ及び前記第２の研磨ステップで研磨された前記デバイス形成面に配置されている断面凹形状の計測用マークの非対称性を計測するステップと、
   前記計測ステップで計測された前記計測用マークの非対称性が所定の範囲内となるように、前記第１の研磨ステップにおいて前記半導体基板及び前記研磨パッドを前記一方向に回転させる第１の回転時間と、前記第２の研磨ステップにおいて前記半導体基板及び前記研磨パッドを前記一方向と逆方向に回転させる第２の回転時間とを制御するステップとを更に有することを特徴とする請求項１記載の研磨方法。
3. 前記第２の研磨ステップは、前記半導体基板及び前記研磨パッドを同時に前記一方向と逆方向に回転させることを特徴とする請求項１記載の研磨方法。
4. 前記第２の研磨ステップは、前記半導体基板及び前記研磨パッドを、前記第１の研磨ステップで回転された前記一方向と逆方向に回転させる際に、前記研磨パッドを交換するステップを有することを特徴とする請求項１記載の研磨方法。
5. 半導体基板のデバイス形成面に、所定の圧力で研磨パッドを当接し、前記半導体基板及び研磨パッドを回転させて前記デバイス形成面を研磨する研磨方法であって、
   前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転方向を、一方向及び前記一方向と逆方向に反転させることを複数組み合わせて前記デバイス形成面の研磨を行うステップと、
   前記研磨ステップで研磨された前記デバイス形成面に配置されている断面凹形状の計測用マークの非対称性を計測するステップと、
   前記計測ステップで計測された前記計測用マークの非対称性に基づいて、前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転方向の複数の組み合わせのうち一を選択するステップとを有することを特徴とする研磨方法。
6. 半導体基板のデバイス形成面に、所定の圧力で研磨パッドを当接し、前記半導体基板及び研磨パッドを回転させて前記デバイス形成面を研磨する研磨方法であって、
   前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転方向を変えながら前記デバイス形成面を研磨するステップと、
   前記研磨ステップで研磨された前記デバイス形成面に配置されている断面凹形状の計測用マークの非対称性を計測するステップと、
   前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転方向と計測された前記計測用マークの非対称性との関係を取得するステップと、
   前記取得ステップで取得した前記回転方向と前記非対称性との関係に基づいて、前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転条件を決定するステップとを有することを特徴とする研磨方法。
7. 前記回転条件は、前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転方向及び回転時間の組み合わせであることを特徴とする請求項６記載の研磨方法。
8. 前記計測用マークは、アライメントマークであることを特徴とする請求項１、５又は６記載の研磨方法。
9. 前記計測用マークは、重ね合わせ検査用マークであることを特徴とする請求項１、５又は６記載の研磨方法。
10. 半導体基板のデバイス形成面を研磨する研磨装置であって、
    前記デバイス形成面に所定の圧力で当接し、前記デバイス形成面を研磨する研磨パッドと、
    前記半導体基板及び前記研磨パッドを一方向及び前記一方向と逆方向に回転させる回転手段と、
    前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転方向及び回転時間を制御する制御部であって、前記デバイス形成面に配置された計測用マークの非対称性を低減するように、前記回転手段を制御することを特徴とする研磨装置。
11. 前記制御部は、前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転方向及び回転時間と、前記計測用マークの非対称性との関係を算出し、当該関係に基づいて、前記回転方向及び前記回転時間を修正することを特徴とする請求項１０記載の研磨装置。
12. 前記計測用マークの非対称性を検出する検出手段を更に有することを特徴とする請求項１０記載の研磨装置。
13. 前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転方向及び回転時間と、前記計測用マークの非対称性との関係を格納する格納手段を更に有することを特徴とする請求項１０記載の研磨装置。
14. 請求項１乃至９のうちいずれか一項記載の研磨方法を行う研磨モードを有することを特徴とする研磨装置。
15. 半導体基板のデバイス形成面に、所定の圧力で研磨パッドを当接し、前記半導体基板及び研磨パッドを回転させて前記デバイス形成面を研磨する際に用いられるデータベースであって、
    前記半導体基板及び前記研磨パッドの回転方向及び回転時間と、前記デバイス形成面に配置された計測用マークの非対称性との関係を表示することを特徴とするデータベース。