JP2005203729A - 基板研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 研磨過剰や研磨不足を防止し、追加研磨時間を定量的に設定することができるによる基板研磨装置を提供すること。
【解決手段】 研磨対象である基板を研磨する機構５０１と、基板上に成膜された薄膜の厚みを計測するための膜厚測定装置３００と、目標とする研磨後の薄膜の厚みを入力するためのインターフェース５０６と、過去の研磨結果を保存する記憶領域４００ａと、研磨時間及び研磨速度を算出するための演算装置４００ｂとを備える基板研磨装置ＰＡは、記憶領域４００ａに、追加研磨の結果から得られたデータを格納するための追加研磨データベースを備える。
【選択図】 図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は、半導体ウェハ等の基板を研磨して平坦化するポリッシング装置等の基板研磨装置に関するものである。

近年、半導体デバイスがますます微細化され素子構造が複雑になり、またロジック系の多層配線の層数が増えるに伴い、半導体デバイスの表面の凹凸はますます増え、段差が大きくなる傾向にある。半導体デバイスの製造では薄膜を形成し、パターンニングや開孔を行う微細加工の後、次の薄膜を形成するという工程を何回も繰り返すためである。

半導体デバイスの表面の凹凸が増えると、薄膜形成時に段差部での膜厚が薄くなったり、配線の断線によるオープンや配線層間の絶縁不良によるショートが起こったりするため、良品が取れなかったり、歩留まりが低下したりする傾向がある。また、初期的に正常動作をするものであっても、長時間の使用に対しては信頼性の問題が生じる。更に、リソグラフィ工程における露光時に、照射表面に凹凸があると露光系のレンズ焦点が部分的に合わなくなるため、半導体デバイスの表面の凹凸が増えると微細パターンの形成そのものが難しくなるという問題が生ずる。

従って、半導体デバイスの製造工程においては、半導体デバイス表面の平坦化技術がますます重要になっている。この平坦化技術のうち、最も重要な技術は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））である。この化学的機械的研磨は、ポリッシング装置を用いて、シリカ（ＳｉＯ２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッド等の研磨面上に供給しつつ半導体ウェハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。

この種のポリッシング装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウェハを保持するためのトップリング又はキャリアヘッド等と称される基板保持装置とを備えている。このようなポリッシング装置を用いて半導体ウェハの研磨を行う場合には、基板保持装置により半導体ウェハを保持しつつ、この半導体ウェハを研磨テーブルに対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることにより半導体ウェハが研磨面に摺接し、半導体ウェハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。

上述したポリッシング装置では、研磨速度が一定であれば、研磨量は研磨時間（処理時間）に比例する。このため、研磨時間の決定にあたっては、従来から以下の方法が採用されていた。即ち、まず１枚の半導体基板の研磨前における膜厚を測定する。続いて、その１枚の半導体基板を研磨装置で予め決めた一定時間に亘って研磨し、研磨後のその基板の膜厚を測定する。所要の研磨時間との関係から研磨速度を算定し、目標膜厚との関係から最適な研磨時間を計算する。そして、算出した研磨時間を用いて以降の半導体基板の研磨を行っている（例えば、特許文献１、２参照）。

しかしながら、このようにして算出した研磨速度を単に次回に研磨する基板の研磨速度算出の基準として適用した場合には、研磨速度にバラツキがあり、その研磨速度が１枚限りの限定的なものであった場合には、後続して処理する基板の膜厚が目標値から大きくはずれる要因となる。このため、既に研磨が終了した半導体基板の研磨量及び研磨時間を記憶領域に保存し、これらのデータから平均研磨速度を算出し、この平均研磨時間に基づいて次回の研磨を行うことが提案されている（例えば、特許文献３参照）。この過去のデータに基づいて平均研磨速度を算出する手法では、逐一ロット毎に研磨速度を測定する手間が省け、さらに測定のバラツキも低減することができるという効果がある。

しかしながら、半導体デバイスの更なる微細化に対応すべく、より凹凸解消能力を高めた研磨方法（例えば、特許文献４参照）を用いる場合、研磨の前半と後半では研磨速度が大きく異なるため、このようにして求めた平均研磨速度の意味が半減するという問題がある。これは、研磨結果が研磨過剰や研磨不足であった場合、研磨終盤の研磨速度を考慮して処理時間の修正が成されるべきであり、平均研磨速度を用いては最適研磨時間の算出が難しいためである。

研磨結果が研磨不足となった場合には、追加研磨（すなわちリワーク）を行っており、製造コストの増大につながる。加えて、追加研磨における研磨時間は作業者の経験に基づいて設定されていた。他方、研磨結果が研磨過剰になると、配線用の溝内のＣｕ層を絶縁膜とともに研磨してしまうことにより、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、歩留まりが悪化し、多大な損害となる。

また、従来の基板研磨装置においてトレンチ分離（shallow trench isolation, STI）による素子分離を形成するＳＴＩ ＣＭＰが行われている。このＳＴＩ ＣＭＰでは、基板の最上層に成膜されたＳｉＯ_２膜を完全に除去した後、その下層のＳｉＮ層を所定の厚さだけ研磨して研磨を終了するようにしている。この場合、上層のＳｉＯ_２膜が除去されたことを検知する方法として、トップリングやターンテーブルを駆動するモータ電流を測定しておき、ＳｉＯ_２からＳｉＮへ種膜が変わることによってトルクが変化したときの電流の変化を利用する方法が知られている。しかし、ＳｉＮ層の露出を検出した後に所定量のＳｉＮを研磨するオーバーポリッシュ時間は、作業者の経験に頼らなければならないという問題があった。

特許第３３１１８６４号 特開平１０−１０６９８４号公報 特公平７−１００２９７号公報 特開平８−２２９７０号公報

本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、高性能研磨液を用いた場合でも、研磨過剰による製造歩留まりの低下や研磨不足に起因する追加研磨の発生を防止することによって製造コストを低減させ、仮に追加研磨が発生した場合であっても基板研磨装置内で自動処理を行うことによって、従来経験的に行われてきた追加研磨時間を定量的に設定し、半導体製造工程の手間を低減することができる基板研磨装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、
研磨対象である基板を研磨する機構と、前記基板上に成膜された薄膜の厚みを計測するための測定装置と、過去の研磨結果を保存する記憶領域と、研磨時間及び研磨速度を算出するための演算装置とを備える基板研磨装置であって、
前記記憶領域に、追加研磨の結果から得られたデータを格納するための追加研磨データベースを設けることを特徴とする基板研磨装置、
を提供する。

請求項２の発明は、前記演算装置が、前記追加研磨データベースに格納されたデータに基づいて、前記研磨機構に設けた研磨プロセスモニタからの信号受信後に行う研磨時間を最適化し、次回の研磨を適正化することを特徴とする。

請求項３の発明は、前記演算装置が、前記追加研磨データベースに格納されたデータに基づいて、次回の研磨のための最適研磨時間を算出するよう動作することを特徴とする。
請求項４の発明は、前記記憶領域に、前記追加研磨データベースに加えて、通常研磨の結果から得られたデータを格納する通常研磨データベースを設け、前記演算装置が、これら追加研磨データベース及び通常研磨データベースに格納されたデータに基づいて、次回の研磨のための最適研磨時間を算出することを特徴とする。

請求項５の発明は、前記演算装置が、前記追加研磨データベース又は前記通常研磨データベースに格納された２点以上の研磨結果から研磨量と研磨時間との間の関係式を近似的に求め、求められた前記関係式に基づいて最適研磨時間を算出するよう動作することを特徴とする。

請求項６の発明は、前記基板が複数に積層された薄膜を備え、前記演算装置が、積層された前記薄膜のそれぞれにおける研磨速度、積層された前記薄膜のうちの少なくとも一層の研磨速度、又は、隣り合う２つの前記薄膜における研磨速度比を算出し、算出された前記研磨速度又は前記研磨速度比を前記記憶領域に格納してデータベース化することを特徴とする。

以下、本発明に係る基板研磨装置の一つの実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る基板研磨装置ＰＡの主要な構成要素の配置と構成とを概略的に示す図であり、基板研磨装置ＰＡは研磨面を有する研磨テーブル１００と、研磨対象である基板Ｗを保持して研磨テーブルの研磨面に押圧する基板保持装置２００と、基板Ｗ上に形成されている膜の膜厚や基板保持装置及び／又は研磨テーブルのトルクや振動を測定する基板測定装置３００とを備えている。

図１において、研磨前の、及び／又は研磨後に洗浄及び乾燥処理が完了した半導体ウェハ等の基板の膜厚を測定するIn-Line膜厚測定器３００ａと、研磨中の半導体ウェハ等の基板の膜厚や基板保持装置及び／又は研磨テーブルのトルクや振動を測定するIn-Situプロセスモニタ３００ｂとからなる基板測定装置３００が配置されている。In-Line膜厚測定器３００ａは、搬送ロボット（図示せず）が研磨後の基板Ｗをカセット（図示せず）内に収納する前、もしくは搬送ロボットが研磨前の基板Ｗをカセットから取出した後に、センサコイルによる渦電流信号、光学的手段による研磨面への入射及び反射の光学信号、研磨面の温度信号、あるいはマイクロ波の反射信号などの単独又は適切なる組合せから、基板Ｗの導電性膜のＣｕ膜やバリアメタル層又は酸化膜等の絶縁膜の膜厚を測定する。更に、In-Line膜厚測定器３００ａは、基板Ｗを静止させた状態で、又は基板ＷをＸ−Ｙステージに載置して配線部等の任意の基板Ｗの所定位置を検出可能とした状態で、研磨後に、洗浄し乾燥した基板Ｗの絶縁層又は導電性膜の膜厚や配線の状況などを、上記のセンサ信号や計測値から検出する。他方、In-Situプロセスモニタ３００ｂは、基板の研磨中に、導電性膜が配線部等の必要な領域を除いて除去され、又は絶縁膜が除去されることをこれらのセンサ信号や計測値、あるいは研磨中の研磨テーブルや基板保持装置の回転トルク、音、振動等をセンシングした信号を検出してＣＭＰプロセスの終点を決定し、適切な研磨処理を繰り返す。

基板測定装置３００の測定結果はコントローラ４００に伝達され、研磨装置の動作データ（レシピ）の修正等に用いられる。研磨ステップの各研磨プロセスの条件、例えば研磨テーブル、トップリングの回転数、圧力等と連動して、センサ出力を単独又は組合せることで、研磨ステップ毎の研磨対象物の金属膜、酸化膜などの非金属の厚膜から薄膜までの膜厚計測、相対増減変化を検出することで、研磨工程における各種の条件設定、例えば研磨終点の検出に用いられる。基板測定装置３００では、基板Ｗの半径方向に区画された各領域の膜厚の計測が可能であり、基板保持装置２００の基板Ｗの領域毎に加える押圧力は、基板測定装置３００による当該領域毎の膜厚の測定情報に基づいて調整される。

基板保持装置２００は、上述したように研磨対象である基板Ｗを保持して研磨テーブル１００上の研磨面に押圧して基板Ｗを研磨する装置である。図１に示すように、基板保持装置２００のトップリング１の下方には、上面に研磨パッド（研磨布）１０１を貼付した研磨テーブル１００が設置され、また、研磨テーブル１００の上方には研磨液供給ノズル１０２が設置されており、研磨液供給ノズル１０２によって研磨テーブル１００上の研磨パッド１ ０１上に研磨液Ｑが供給される。

トップリング１は、自在継手部１０を介してトップリング駆動軸１１に接続されており、トップリング駆動軸１１はトップリング・ヘッド１１０に固定されたトップリング用エアシリンダ１１１に連結される。このトップリング用エアシリンダ１１１によってトップリング駆動軸１１は上下動し、トップリング１の全体を昇降させると共にトップリング１の下端に固定されたリテーナ・リング２ を研磨テーブル１００に押圧するようになっている。トップリング用エアシリンダ１１１はレギュレータＲＥ１を介して圧縮空気源１２０に接続されており、レギュレータＲＥ１によってトップリング用エアシリンダ１１１に供給される加圧空気の空気圧等の流体圧力を調整することができる。これにより、リテーナ・リング２が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を調整することができる。

トップリング駆動軸１１は回転筒１１２に連結される。この回転筒１１２はその外周部にタイミング・プーリ１１３を備えている。トップリング・ヘッド１１０にはトップリング用モータ１１４が固定されており、上記タイミング・プーリ１１３は、タイミング・ベルト１１５を介してトップリング用モータ１１４に設けられたタイミング・プーリ１１６に接続されている。従って、トップリング用モータ１１４を回転駆動することによってタイミング・プーリ１１６、タイミング・ベルト１１５及びタイミング・プーリ１１３を介して回転筒１１２及びトップリング駆動軸１１が、図示しない機構により昇降自在に一体に回転し、トップリング１が回転する。トップリング・ヘッド１１０は、フレーム（図示せず）に固定支持されたトップリング・ヘッド・シャフト１１７によって支持される。

研磨時に、トップリング１の下面に基板Ｗを保持させると共に、トップリング駆動軸１１に連結されたトップリング用エアシリンダ１１１を作動させてトップリング１の下端に固定されたリテーナ・リング２を所定の押圧力で研磨テーブル１００の研磨面に押圧する。この状態で、圧縮空気源１２０からレギュレータＲＥ２〜ＲＥ８を介して所定の圧力の加圧空気をリテーナ・リング２内に供給して基板Ｗを研磨テーブル１００の研磨パッド１０１に押圧する。同時に、研磨液供給ノズル１０２から研磨液Ｑを流すことにより、研磨パッド１０１に研磨液Ｑが保持され、基板Ｗの被研磨面と研磨パッド１０１との間に研磨液Ｑが存在した状態で基板Ｗの研磨を行う。

基板Ｗ上には、所要の配線を形成するためにＳ ｉＯ２膜に設けられた溝中に銅めっき膜が成膜され、その下地材料としてバリア層が成膜されている。基板Ｗの最上層にＳｉＯ２膜等の絶縁膜が成膜されているときには、光学式センサやマイクロ波センサ等のIn-Situ膜厚測定器によりその絶縁膜の膜厚を検知して除去する。光学式センサの光源としては、ハロゲンランプやキセノンフラッシュランプ、ＬＥＤ、レーザー光源などが用いられる。また、研磨対象が銅膜やタングステン膜等の導電性膜のときには、上記光学的センサの他に渦電流センサが用いられる。また、例えば導電性膜がほぼ除去されバリア層が露出するなど研磨対象が変化した際に、研磨テーブルやトップリングのトルクや振動が変化することから、研磨テーブルやトップリングのトルクや振動を検知することにより研磨終点を求めることもできる。

基板研磨装置ＰＡにおいては、コントローラ４００によって基板Ｗの表面上の研磨処理を制御しつつ、基板測定装置３００において研磨対象膜の膜厚を測定していく。

図２―１は、基板研磨装置ＰＡの各構成要素の相互接続関係を示す図であり、図２−２は、基板研磨装置ＰＡの各構成要素の相互配置関係を示す図である。これらの図において、基板研磨装置ＰＡは、研磨対象である基板Ｗを研磨する研磨テーブル１００及び基板保持装置２００を含む研磨部５０１と、研磨テーブル１００の研磨面に目立てを行うドレッシング部５０２と、研磨後の基板Ｗの洗浄乾燥を行う洗浄部５０３と、研磨前の基板Ｗをカセットからロードし且つ研磨後の基板Ｗをカセットにアンロードする取出し収納部５０４と、搬送部５０５と、基板測定装置３００と、コントローラ４００とを備えている。

取出し収納部５０４においてカセットから取り出された基板Ｗは搬送部５０５により研磨部５０１に送られる。研磨期間中、基板測定装置３００は基板Ｗの研磨前、研磨中及び研磨後の膜厚に関するデータをコントローラ４００に送り、その記憶領域４００ａに保存させる。また、コントローラ４００は研磨時間を算出する演算装置４００ｂを備えており、研磨終了後の膜の研磨量及び研磨時間から、例えば重み付け平均法を用いて研磨速度を算出して記憶領域４００ａに保存する。従って、研磨装置ＰＡにおいて研磨が終了すると、その都度、除去された膜厚量及び研磨時間のデータが記憶領域４００ａに保存され、演算装置４００ｂにて研磨速度が算定され、そのデータが再び記憶領域４００ａに保存される。更に、作業者とコントローラ４００との間で、各種のデータがインタフェース５０６を介して入出力される。例えば、作業者は目標とする研磨後の膜厚をインタフェース５０６を介してコントローラ４００の記憶領域４００ａに記憶させることができる。

なお、In-Situプロセスモニタ３００ｂとして光学式膜厚測定器を適用する場合には、前記光学式膜厚測定器によって、基板Ｗの研磨対象の膜厚を、研磨面への入射光及び反射光を利用して測定する場合、研磨面から受光された反射光を特性値に変換し、この特性値の時間的変化の極大値及び極小値を検出して研磨の進捗状況を検知する。また、In-Situプロセスモニター３００ｂとしてトップリング１や研磨テーブル１００の回転トルクを計測する場合や渦電流センサ、振動検知センサやアコースティックセンサを用いる場合においても、所定の極大値や極小値や閾値を検出して研磨の進捗状況を検知している。このとき、極大値や極小値を検出した時点で研磨を停止してリファレンスとして膜厚を予め測定しておけば、研磨の進捗状況を研磨膜の膜厚と関連付けることができる。研磨停止点又は研磨変更点等の終点の検出においては、所望の膜厚の直前の極値（特徴点の一つ）を検出し、極値に対する膜厚と所望の膜厚との差分に相当する時間だけ、極値の検出後に研磨を行う。以降、極値検出後の研磨時間をオーバーポリッシュと呼ぶ。

以下、本発明における基板研磨装置ＰＡの特徴的な動作態様をＳＴＩ ＣＭＰを例にとって説明する。

図３は、本発明に係る基板研磨装置ＰＡの第１の動作態様における手順を示すフロー図であり、追加研磨発生時に、追加研磨の結果を記憶領域４００ａに登録して追加研磨データベース（以下、追加研磨ＤＢという）を構築するようにしたものである。同図において、最上層にＳｉＯ_２膜が形成され、その下にＳｉＮ層が形成された基板Ｗを基板保持装置２００に保持させ、ステップＳ１において通常のとおりに研磨する。研磨中、研磨面での膜厚をIn-Situプロセスモニタ３００ｂによって測定していき、ステップＳ２においてIn-Situプロセスモニタ３００ｂが所望の膜厚の直前の極値を検知すると、オーバーポリッシュを行い、研磨が終了する。その後、ステップＳ３において、In-Line膜厚測定器３００ａによりＳｉＯ_２膜に未研磨の部分があることが判明した場合、コントローラ４００はステップＳ４においてリワーク即ち追加研磨を実施するよう指令し、追加研磨の終了時点にステップＳ５において膜厚を再度測定させる。こうした過程で、追加研磨した膜厚、追加研磨に要した時間、追加研磨速度等のデータを取得することができ、得られたデータはコントローラ４００に送られてステップＳ６において記憶領域４００ａに記憶される。これによって、記憶領域４００ａに追加研磨ＤＢを構築する。

図４は、本発明に係る基板研磨装置ＰＡの第２の動作態様における手順を示すフロー図であり、オーバーポリッシュ時間を追加研磨ＤＢに基づいて最適化するようにしたものである。同図において、基板保持装置２００に保持された基板ＷをステップＳ１１において通常のとおりに研磨していき、コントローラ４００がステップＳ１２においてIn-Situプロセスモニタ３００ｂからの信号によって基板Ｗの所望の膜厚の直前の極値を検知すると、コントローラ４００はステップＳ１３において所定時間（オーバーポリッシュ時間）だけ研磨を更に継続させてオーバーポリッシュを行って研磨が終了した後、研磨面における膜厚の測定をIn-Line膜厚測定器３００ａにて実施させる。次いで、コントローラ４００はステップＳ１４において研磨量が適切であるか否かを判定し、研磨量が適切であるときには、研磨を終了し、このときには追加研磨ＤＢに記憶された研磨条件を変更しない。

一方、ステップ１４において研磨量が適切でないと判定されたときには、コントローラ４００はステップＳ１５において研磨が過剰であるか否かを判定し、研磨が過剰でないと判定したときには、オーバーポリッシュ時間を延長すべきであるから、ステップＳ１６において追加研磨を実施させ、基板測定装置３００からの信号により追加研磨が終了したことを検知した時点に膜厚を再度測定させる。こうした過程でステップＳ１３〜Ｓ１６で取得された、研磨した膜厚、研磨に要した時間、追加研磨速度等のデータをステップＳ１７においてコントローラ４００に送る。そこで、コントローラ４００は送られてきたデータに基づいて記憶領域４００ａ内の追加研磨ＤＢを更新する。こうして更新された追加研磨ＤＢに記憶されたデータに基づいて、コントローラ４００の演算装置４００ｂはステップＳ１８においてオーバーポリッシュ時間を延長するよう最適化する演算を行い、最適化されたオーバーポリッシュ時間を追加研磨ＤＢに登録する。この最適化されたオーバーポリッシュ時間を用いて次回の研磨が行われる。

ステップＳ１５で研磨が過剰であると判定されたときには、ステップＳ１３におけるオーバーポリッシュ時間は短縮されるべきであるから、コントローラ４００はステップＳ１８において、追加研磨ＤＢに記憶されたデータに基づいてオーバーポリッシュ時間を短縮するよう最適化するとともに追加研磨ＤＢに登録しておき次回の研磨で使用する。

図５は、本発明に係る基板研磨装置ＰＡの第３の動作態様における手順を示すフロー図であり、追加研磨ＤＢに基づいて、次回の研磨（追加研磨を含む）の際の最適研磨時間を算出するようにしたものである。同図において、基板保持装置２００に保持された基板ＷをステップＳ２１において通常のとおりに研磨していき、所定の時間が経過したことをコントローラ４００がステップＳ２２において検知すると、コントローラ４００は基板測定装置３００に基板Ｗの研磨面における膜厚を測定させる。次いで、コントローラ４００はステップＳ２３において研磨量が適切であるか否かを判定し、研磨量が適切であるときには、研磨を終了するとともに、追加研磨ＤＢに記憶された研磨条件を変更しない。

一方、ステップＳ２３において研磨量が適切でないと判定されたときには、コントローラ４００はステップＳ２４において研磨が過剰であるか否かを判定し、研磨が過剰でないと判定したときには研磨時間を延長すべきであるから、ステップＳ２５において追加研磨を実施させ、In-Situプロセスモニタ３００ｂからの信号により追加研磨が終了したことを検知した時点に膜厚をIn-Line膜厚測定器３００ａにて再度測定させる。こうした過程でステップＳ２２〜Ｓ２５で取得された、研磨した膜厚、研磨に要した時間、追加研磨速度、追加研磨時間等のデータをステップＳ２６においてコントローラ４００に送る。そこで、コントローラ４００の演算装置４００ｂは、ステップＳ２６において、次に発生する追加研磨のための最適な研磨時間を算出し、ステップＳ２７において、算出された最適な研磨時間で追加研磨ＤＢを更新する。こうして、次回の研磨に際しては、コントローラ４００の演算装置４００ｂはステップＳ２８において、更新された追加研磨ＤＢに記憶されたデータに基づいて研磨時間を最適化する演算を行い、最適化された研磨時間で次回の研磨がステップＳ２２で実施される。

ステップＳ２４で研磨が過剰であると判定されたときには、ステップＳ２２における研磨時間は短縮されるべきであるから、コントローラ４００の演算装置４００ｂはステップＳ２８において、追加研磨ＤＢに記憶されたデータに基づいて研磨時間を短縮するよう最適化する演算を行うとともに追加研磨ＤＢに登録しておき次回の研磨で使用する。

図６は、本発明に係る基板研磨装置ＰＡの第４の動作態様における手順を示すフロー図であり、図３に関して説明した追加研磨ＤＢに加えて、通常の研磨に関するデータを記憶する通常研磨データベース（以下、通常研磨ＤＢという）を記憶領域４００ａに構築し、これらのデータベースを用いて次回の研磨（追加研磨を含む）のための最適研磨時間を算出するようにしたものである。同図において、基板Ｗを基板保持装置２００に保持させ、ステップＳ３１において通常のとおりに研磨する。研磨中、研磨面での膜厚をIn-Situプロセスモニタ３００ｂによって測定していき、ステップＳ３２においてIn-Situプロセスモニタ３００ｂが所望の膜厚の直前の極値を検知すると、オーバーポリッシュを行い、研磨が終了する。

ステップＳ３２における膜厚測定の結果、ステップＳ３３において、In-Line膜厚測定器３００ａによりＳｉＯ_２膜に未研磨の部分があることが判明した場合、コントローラ４００はステップＳ３４において追加研磨を実施するよう指令し、追加研磨の終了時点にステップＳ３５において膜厚を再度測定させる。こうした過程で、追加研磨した膜厚、追加研磨に要した時間、追加研磨速度等のデータを取得することができ、得られたデータはコントローラ４００に送られて、ステップＳ３６において記憶領域４００ａに記憶される。これによって、記憶領域４００ａに追加研磨ＤＢを構築する。一方、ステップＳ３１、Ｓ３２において実施される通常研磨において取得された、研磨した膜厚、研磨に要した時間、研磨速度等のデータもコントローラ４００に送られて、ステップＳ３７において記憶領域４００ａに記憶される。これによって、記憶領域４００ａに通常研磨ＤＢが構築される。こうして構築された通常研磨ＤＢ及び追加研磨ＤＢに基づいて、演算装置４００ｂは次回に研磨する基板のための最適な通常研磨時間及び最適な追加研磨時間を算出する。

本発明に係る基板研磨装置ＰＡの第５の動作態様は、図６に関して説明した通常研磨ＤＢ及び追加研磨ＤＢを利用して最適な研磨時間を算出するものである。例えば、研磨量と研磨時間との間の関係が図７の（Ａ）に示す近似式Ｙ＝ＡＸ＋Ｂで表されるものとして研磨を実施したが、通常研磨ＤＢ又は追加研磨ＤＢに格納された実際の研磨量と研磨時間とをプロットしたところ、図７の（Ｂ）に点線で示す線形の関係が得られたとする。そこで、コントローラ４００の演算装置４００ｂはデフォルトの近似式Ｙ＝ＡＸ＋Ｂの係数Ａ、Ｂを修正し、研磨量と研磨時間との関係としてＹ＝Ａ′Ｘ＋Ｂ′を新たに設定する演算を行い、これを用いることによって最適な研磨時間を算出する。

本発明に係る基板研磨装置ＰＡの第６の動作態様は、複数の異なる膜種の薄層が積層されている基板を研磨するとき、少なくとも一つの層の研磨速度又は積層された各層の研磨速度を算出してデータベース化するようにしたものである。本発明の第６の動作態様においては、基板の最上層に成膜されたＳｉＯ_２膜を完全に除去した後、その下層のＳｉＮ層を所定の厚さだけ研磨して研磨を終了する。

このとき、コントローラ４００の演算装置４００ｂは複数種の膜が積層された基板を研磨する際、積層されたそれぞれの膜における研磨膜厚、少なくとも一つの膜における研磨速度、上層と下層との研磨速度の比等を算出し、算出結果を記憶領域４００ａに格納してデータベース化する。こうしてデータベース化されたデータを用いると、例えば、通常研磨後にＳｉＯ２膜に研磨し残りの部分が存在することが検知されたときに追加研磨でＳｉＯ_２膜を除去する研磨の終了タイミングを

によって求めることができる。ただし、
Ｔは追加研磨時間
ＩｎｉＴｈｋ＿１はＳｉＯ_２膜の追加研磨前の膜厚
ＰｏｓｔＴｈｋ＿１はＳｉＯ_２膜の追加研磨後の膜厚
ＩｎｉＴｈｋ＿２はＳｉＮ膜の追加研磨前の膜厚
ＰｏｓｔＴｈｋ＿２はＳｉＮ膜の追加研磨後の膜厚
ＲＲ＿１はＳｉＯ_２膜の平均研磨速度
ＲＲ＿２はＳｉＮ膜の平均研磨速度
である。

なお、複数種の膜を研磨する研磨工程においては、各膜の絶対的な研磨速度はトップリングの回転数や研磨面の摩耗度等によって異なるが、膜種間における研磨速度の比、即ち上記の式における平均研磨速度比（ＲＲ＿１／ＲＲ＿２）は概ね一定であることが経験的に判っている。

これまでは、ＳＴＩ ＣＭＰを例に取って説明してきたが、本発明に係る基板研磨装置はＣｕ ＣＭＰにも適用可能である。例えば、図８の（Ａ）に示す、Ｃｕ膜６０１の上に、第１の絶縁膜６０２、低ｋ膜６０３、第２の絶縁膜６０４、バリアメタル層６０５がこの順で積層されている基板におけるバリアメタル層６０５と第２の絶縁膜６０４とを本発明に係る基板研磨装置で研磨する場合にも、図６を参照して既に説明した手順と同様の手順で研磨を行うことができる。即ち、まずステップＳ４１にて通常研磨を行い、所定の時間だけ研磨を行ってから、又は、渦電流センサ等によってバリアメタル層６０５が除去されたことを検知した後に所定時間だけオーバーポリッシュを行ってから研磨を終了する。研磨終了時点でステップＳ４２においてIn-Line膜厚測定器３００ａにて研磨後の膜厚を測定し、その結果、研磨量が適正であれば、ステップＳ４３において、今回の研磨に関するデータで通常研磨ＤＢを更新して次回の通常研磨時間を最適化する。一方、ステップＳ４２において研磨が過剰なときにはステップＳ４３において通常研磨ＤＢを更新し、ステップＳ４２で研磨不足が検知されたときには、ステップＳ４４に進んで追加研磨を行い、追加研磨終了後にステップＳ４５において追加研磨ＤＢを更新して次回の追加研磨時間を最適化する。

以上、本発明に係る基板研磨装置の一つの実施の形態とその動作態様を説明してきたが、本発明はこうした実施の形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことはいうまでもない。また、基板研磨装置やその構成例は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、これまでは、基板研磨装置はIn-Line膜厚測定器とIn-Situプロセスモニタとの両方を備えるものとして説明してきたが、In-Line膜厚測定器のみを備えるものであっても本発明を実施することが可能である。即ち、研磨工程を時間制御にし、一定時間研磨して研磨終了後の基板をIn-Line膜厚測定器で測定する場合、In-Line膜厚測定器で研磨不足又は研磨過剰を検知し、研磨不足の場合は追加研磨を行う。また、研磨状況を基板保持装置又は研磨テーブルを駆動するモータの電流を検知することで行う場合にも、In-Line膜厚測定器を用いて追加研磨ＤＢを構築することにより、モータ電流検知の閾値を調節することができる。

また、本発明に係る基板研磨装置はＱＣ（quality control）ウェハにも適用可能である。ＱＣウェハとは、１週間に１回、１日に１回、或いは１００枚研磨したら１枚、等のように、定期的に研磨速度及び基板面内均一性をチェックするためのウェハであり、基本的には基板上に銅膜や絶縁膜等の所定の被研磨材を面内均一に形成したものである。このＱＣウェハの研磨を追加研磨と同様のものと仮定し、この研磨結果を追加研磨ＤＢに反映させることが可能である。追加研磨は、通常、基板上に形成された被研磨面の段差が解消され、面内がほぼ均一になった状態で行われる。つまり、面内均一の被研磨面を研磨する点で追加研磨とＱＣウェハ研磨とは共通しており、ＱＣウェハの研磨結果を追加研磨ＤＢに反映させることが可能となる。これにより、運転初期の研磨装置等、追加研磨を行ったことのない研磨装置において、ＱＣウェハにおける研磨結果を追加研磨と置き換えることで、実際の追加研磨における条件設定の精度を高めることができる。

以上説明したところから理解されるとおり、本発明は、
研磨過剰による製造歩留まりの低下を防止することができる、
研磨不足による追加研磨の発生を防止して製造コストを低減させる、
追加研磨時間を定量的に設定して半導体製造工程の手間を低減する、
等の格別の効果を奏する。

本発明に係る基板研磨装置の主要部の構成を示す一部断面平面図である。 図１の基板研磨装置における構成要素相互の接続関係を概略的に示すブロック図である。 図１の基板研磨装置における構成要素相互の配置関係を概略的に示すブロック図である。 本発明に係る基板研磨装置の第１の動作態様を説明するためのフロー図である。 本発明に係る基板研磨装置の第２の動作態様を説明するためのフロー図である。 本発明に係る基板研磨装置の第３の動作態様を説明するためのフロー図である。 本発明に係る基板研磨装置の第４の動作態様を説明するためのフロー図である。 Ａ及びＢは、本発明に係る基板研磨装置の第５の動作態様を説明するためのグラフである。 本発明に係る基板研磨装置を他の基板に適用したときの動作態様を説明するためのフロー図である。

符号の説明

１ トップリング
２ リテーナ・リング
１０ 自在継手部
１１ トップリング駆動軸
１００ 研磨テーブル
１０１ 研磨パッド
１０２ 研磨液供給ノズル
１２０ 圧縮空気源
２００ 基板保持装置
３００ 基板測定装置
３００ａ In-Line膜厚測定器
３００ｂ In-Situプロセスモニタ
４００ コントローラ
４００ａ 記憶領域
４００ｂ 演算装置
５０１ 研磨部
５０２ ドレッシング部
５０３ 洗浄部
５０４ 取出し収納部
５０５ 搬送部
５０６ インタフェース
Ｗ 基板

Claims (6)

1. 研磨対象である基板を研磨する機構と、前記基板上に成膜された薄膜の厚みを計測するための測定装置と、過去の研磨結果を保存する記憶領域と、研磨時間及び研磨速度を算出するための演算装置とを備える基板研磨装置であって、
   前記記憶領域に、追加研磨の結果から得られたデータを格納するための追加研磨データベースを設けることを特徴とする基板研磨装置。
2. 前記演算装置が、前記追加研磨データベースに格納されたデータに基づいて、前記研磨機構に設けた研磨プロセスモニタからの信号受信後に行う研磨時間を最適化し、次回の研磨を適正化することを特徴とする、請求項１に記載の基板研磨装置。
3. 前記演算装置が、前記追加研磨データベースに格納されたデータに基づいて、次回の研磨のための最適研磨時間を算出するよう動作することを特徴とする、請求項１に記載の基板研磨装置。
4. 前記記憶領域に、前記追加研磨データベースに加えて、通常研磨の結果から得られたデータを格納する通常研磨データベースを設け、
   前記演算装置が、これら追加研磨データベース及び通常研磨データベースに格納されたデータに基づいて、次回の研磨のための最適研磨時間を算出する
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の基板研磨装置。
5. 前記演算装置が、前記追加研磨データベース又は前記通常研磨データベースに格納された２点以上の研磨結果から研磨量と研磨時間との間の関係式を近似的に求め、求められた前記関係式に基づいて最適研磨時間を算出するよう動作することを特徴とする、請求項４に記載の基板研磨装置。
6. 前記基板が複数に積層された薄膜を備え、
   前記演算装置が、積層された前記薄膜のうちの少なくとも一層の研磨速度、又は、隣り合う２つの前記薄膜における研磨速度比を算出し、算出された前記研磨速度又は前記研磨速度比を前記記憶領域に格納してデータベース化することを特徴とする、請求項１に記載の基板研磨装置。

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