JP2005340679A - Polishing equipment, polishing end detecting method, and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置の製造において、化学的機械研磨(以下CMPという)等を用いた研磨装置及び研磨終点検出方法ならびに半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a polishing apparatus, a polishing end point detection method, and a semiconductor device manufacturing method using chemical mechanical polishing (hereinafter referred to as CMP) in manufacturing a semiconductor device.
近年、半導体集積回路装置に組み込まれた半導体素子の微細化が急速に進んでおり、それに伴い表面を平坦化するCMP技術が使用されることが多くなってきている。CMPを用いると、ウエハ表面の局所的な段差を平坦化することができるが、CMP装置の研磨パッドの磨耗、研磨パッドの砥粒や研磨くずによる目詰まりなどを除去し再生するドレッサーの劣化、研磨圧力および回転式CMP装置の場合の研磨プラテン・研磨ヘッド回転数の変動、被研磨膜の堆積直後の膜厚変動により研磨レート、研磨時間が変動するという短所を有している。 In recent years, semiconductor elements incorporated in a semiconductor integrated circuit device have been rapidly miniaturized, and accordingly, a CMP technique for flattening the surface has been increasingly used. When CMP is used, it is possible to flatten local steps on the wafer surface, but wear of the polishing pad of the CMP apparatus, deterioration of the dresser that regenerates by removing clogging due to polishing pad abrasive grains and polishing debris, There are disadvantages in that the polishing rate and polishing time fluctuate due to fluctuations in the polishing pressure and the rotation speed of the polishing platen and polishing head in the case of a rotary CMP apparatus, and fluctuations in film thickness immediately after deposition of the film to be polished.
そこで、CMP装置では光の干渉を利用した終点検出技術が提案されている。
以下、図6を参照しながら、従来の光の干渉を利用して終点検出する研磨装置及び研磨終点検出方法について説明する。
Thus, an end point detection technique using light interference has been proposed in the CMP apparatus.
Hereinafter, a conventional polishing apparatus and a polishing end point detection method for detecting an end point using light interference will be described with reference to FIG.
図6は従来のCMP装置の構成図である。
図6に示すように、従来技術のCMP装置29は、研磨プラテン30に対してウエハ31を保持するための研磨ヘッド32を有している。研磨プラテン30は、研磨パッド33によって覆われている。この研磨パッド33は典型的には裏張り層34を有し、これは、ウエハ31を研磨するために研磨スラリーと共に用いられるカバー層35と研磨プラテン30との間のインターフェースとなっている。研磨プラテン30は、通常は自身の中心軸36の回りに回転している。更に、通常は研磨ヘッド32が自身の中心軸37の回りに回転し、さらに平行移動アーム38に支持され、回転しながら研磨プラテン30の表面の端から端まで並行移動する。
FIG. 6 is a configuration diagram of a conventional CMP apparatus.
As shown in FIG. 6, a
研磨プラテン30及び研磨パッド33には、ホール39が形成され、研磨ヘッド32の研磨パッド33上での平行移動的な動きに関係なく、研磨プラテン30が回転している時間のある時間帯に研磨ヘッド32によって保持されているウエハ31の表面が見えるようにこのホール39の位置が与えられる。レーザー干渉計40は、研磨プラテン30の下にあって、ホール39がウエハ31に近接したときには、レーザー干渉計40によって投射されるレーザービーム41が研磨プラテン30及び研磨パッド33のホール39を通過してその上にあるウエハ31の表面に入射するような位置に固定される。
CMP装置29は、動作中に、レーザー干渉計40からのレーザービーム41を用いてウエハの表面から除去された堆積膜材料の量を決定する。
このプロセスについて図7を参照して説明する。
During operation, the
This process will be described with reference to FIG.
図7は従来のCMP装置に搭載されたレーザー干渉計の構成を説明する図である。
図7において、レーザー及びコリメーター42、ビームスプリッタ43、及び検出器45が、レーザー干渉計40の要素として描かれている。レーザー及びコリメーター42は、ビームスプリッタ43の下側部に入射するコリメートされたレーザービーム41を発生させる。レーザービーム41の一部が、ビームスプリッタ43及びクオーツインサート19を通って進行していく。レーザービーム41のこの部分が、クオーツインサート19の下端に到達すれば、それは研磨スラリー20を通って伝播し、ウエハ3の表面に入射する。ここで、2は研磨プラテン、5は研磨パッド、6は裏張り層、7はカバー層である。
FIG. 7 is a diagram for explaining the configuration of a laser interferometer mounted on a conventional CMP apparatus.
In FIG. 7, the laser and
図8は基板上に堆積された膜によるレーザービーム干渉を説明する図である。
図8に詳細に示されているように、ウエハ3(図7参照)は、シリコンとその上の絶縁膜層(例えばシリコン窒化膜22)とを有する基板23を有している。ウエハ3に入射するレーザービーム41の一部は、シリコン窒化膜22の表面で部分的に反射され、第一の反射ビーム46を形成する。しかし、光の一部はシリコン窒化膜22を通過して、その下の基板23に入射する伝送ビーム47を形成する。基板23に到達する伝送ビーム47から少なくとも一部の光がシリコン窒化膜22へ反射し、第2の反射ビーム48を形成する。第1の反射ビーム46と第2の反射ビーム48は、これらの位相の関係によって相互に干渉し、結合ビーム44を形成するのである。第1の反射ビーム46及び第2の反射ビーム48の結合である結合ビーム44は、図7に示すように、研磨スラリー20とインサート19を通って伝播し返し、ビームスプリッタ43の上部分に達する。ビームスプリッタ43は、結合ビーム44の一部を、検出器45の方へ向きを変える。
FIG. 8 is a diagram for explaining laser beam interference caused by a film deposited on a substrate.
As shown in detail in FIG. 8, the wafer 3 (see FIG. 7) has a
前述の第1の反射ビーム46及び第2の反射ビーム48は、図7及び図8に示されるように結合ビーム44を形成し、検出器45で検知される干渉を生じさせる。第1の反射ビーム46及び第2の反射ビーム48が相互に位相が合っている場合には、これらは検出器45において最大値になる。これらのビームの位相が180°ずれている場合は、検出器45において最小値となる。これらの反射ビーム間のその他の位相関係により、干渉信号が、検出器により検知される最大値と最小値のいずれかの値となる。この結果により、検出器45からの信号出力は、シリコン窒化膜22の厚さがCMP研磨中に減少されるにつれて周期的に変化する。
The first
図9は従来の研磨装置における研磨時間と干渉光強度変化の関係をグラフ化した図であり、研磨時間(X−軸)に対する上記干渉信号サンプリング時間にわたる検出信号の強度を表わす振幅(Y−軸)の積分を示している。このデータは、シリコン基板の上に形成されている絶縁膜層を有するウエハにCMPの手順を実施しながら、図6の装置のレーザー干渉計出力をモニタすることにより、得られたものである。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between the polishing time and the interference light intensity change in the conventional polishing apparatus. The amplitude (Y-axis) represents the intensity of the detection signal over the interference signal sampling time with respect to the polishing time (X-axis). ) Integration. This data was obtained by monitoring the laser interferometer output of the apparatus of FIG. 6 while performing the CMP procedure on a wafer having an insulating film layer formed on a silicon substrate.
図9の出力信号の各周期中に、酸化物層はある厚さだけ除去される。除去された厚さは、レーザービームの波長λ及び酸化物層の屈折率nに比例している。具体的には、被研磨膜の膜厚がλ/2nの整数倍のときに、検出信号が最大値をとり、(N+1/2)倍のときに検出信号が最小値をとる。ここでλはレーザービームの自由空間波長、nは酸化物層の屈折率、Nは整数である。この最大値及び最小値は周知の信号処理の方法により簡単に検出可能であるため、研磨後の狙い膜厚から、この最大値もしくは最小値をとる時点での被研磨膜の膜厚を減じ、研磨速度で除することでその時点から狙い膜厚までの研磨時間を求め、研磨の終点を検出している。(例えば、特許文献1参照)
しかしながら、半導体集積回路装置の半導体素子パターンの微細化が進むにつれ、堆積膜厚はより薄くなり、CMPで平坦化のために研磨する研磨量が減ると、研磨前の初期膜厚から研磨後の狙い膜厚まで研磨する間に、従来のような方法では光の干渉による最大値もしくは最小値が現れず、所望の膜厚で研磨を終了させるための制御ができなくなるという問題が起こる。 However, as the semiconductor element pattern of the semiconductor integrated circuit device becomes finer, the deposited film thickness becomes thinner, and if the amount of polishing to be polished for planarization by CMP decreases, the initial film thickness before polishing is reduced after polishing. During polishing to a target film thickness, the maximum or minimum value due to light interference does not appear in the conventional method, and there is a problem that control for ending polishing at a desired film thickness cannot be performed.
具体的には、図10の従来の溝型素子分離を有する半導体基板を例示する断面図に示すような構造を有する半導体装置の研磨工程において表れる。
図10において、基板23上にシリコン窒化膜22が形成され、それをマスクとして基板に溝を形成し、素子分離絶縁膜21の基板23上に突出した部分をCMP研磨により除去して平坦化するのであるが、研磨の均一性を確保するために予め突出部の大部分を除去しておくので分離溝周辺のみに突起を生じている。
Specifically, it appears in a polishing step of a semiconductor device having a structure as shown in a cross-sectional view illustrating a semiconductor substrate having conventional groove type element isolation of FIG.
In FIG. 10, a
この状態の素子分離絶縁膜21を平坦化するために、CMP処理時においてストッパー膜として働くシリコン窒化膜22(例えば膜厚150nm程度)を、例えば100nmの厚さまで研磨をする場合に、従来技術の研磨装置及び終点検出方法を用いた場合に、λ=670nmのレーザーを使用し、シリコン窒化膜の屈折率を2.01とすると、検出信号はシリコン窒化膜膜厚167nmで最大値を取り、83nmで最小値となるため、100〜150nmの間に検出信号の最大値、最小値は現れず、シリコン窒化膜厚100nmで研磨を終了させることが出来なくなる。
In order to planarize the element
前記の問題点に鑑み、本発明は、膜の研磨量が小さい場合であっても研磨プロセス時に所望の膜厚で終点検出できることを目的とするものである。 In view of the above problems, an object of the present invention is to detect an end point with a desired film thickness during a polishing process even when the polishing amount of the film is small.
前記の目的を達成するため、本発明の請求項1に記載の研磨装置は、半導体装置の製造に際して半導体基板上の膜を所望の膜厚に研磨する研磨装置であって、前記半導体基板を研磨する研磨手段と、前記基板に単一波長のレーザービームを任意の角度で照射可能であるコリメーターと、前記レーザービームの反射干渉光強度を入射角度に対応した検出角度で検出する検出器とを有し、前記所望の膜厚になったときの前記反射干渉光強度がピークになるように前記コリメーターの照射角度を調整し、そのときの前記反射干渉光強度のピークを検出して前記所望の膜厚まで研磨されたことを確認することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a polishing apparatus according to claim 1 of the present invention is a polishing apparatus for polishing a film on a semiconductor substrate to a desired film thickness when manufacturing the semiconductor device, and polishing the semiconductor substrate. Polishing means, a collimator capable of irradiating the substrate with a laser beam having a single wavelength at an arbitrary angle, and a detector for detecting the reflected interference light intensity of the laser beam at a detection angle corresponding to the incident angle. And adjusting the irradiation angle of the collimator so that the reflected interference light intensity reaches a peak when the desired film thickness is obtained, and detecting the peak of the reflected interference light intensity at that time to detect the desired It is characterized in that it is confirmed that the film has been polished to the film thickness.
請求項2記載の研磨装置は、半導体装置の製造に際して半導体基板上の膜を所望の膜厚に研磨する研磨装置であって、前記半導体基板を研磨する研磨手段と、前記基板にそれぞれ単一波長のレーザービームを照射し、前記レーザービームの反射干渉光強度を検出する複数のレーザー干渉計とを有し、前記所望の膜厚になったときの前記反射干渉光強度がピークになるような波長のレーザービームを照射可能なレーザー干渉計を選択し、選択したレーザー干渉計にて前記反射干渉光強度のピークを検出して前記所望の膜厚まで研磨されたことを確認することを特徴とする。
The polishing apparatus according to
請求項3記載の研磨装置は、請求項2記載の研磨装置において、研磨前の膜厚を測定する膜厚測定器と、前記膜の屈折率および前記膜の研磨後設定膜厚を記憶する記憶部とを有し、前記研磨前の膜厚および前記膜の屈折率ならびに前記研磨後設定膜厚に基づいて前記研磨後設定膜厚で前記反射干渉光強度がピークとなるレーザー干渉計を選択し、選択したレーザー干渉計にて前記反射干渉光強度のピークを検出して前記所望の膜厚まで研磨されたことを確認することを特徴とする。
A polishing apparatus according to
請求項4記載の研磨終点検出方法は、半導体装置の製造における半導体基板上の膜が所望の膜厚に研磨されたことを前記膜に照射したレーザービームの反射干渉光を観測することにより検出する研磨終点検出方法であって、研磨された膜厚が前記所望の膜厚になったときに前記反射干渉光強度がピークとなる前記レーザービームの照射角度を設定する工程と、前記照射角度で単一波長のレーザービームを照射する工程と、前記反射干渉光強度を観測する工程とを有し、前記反射干渉光強度がピークであることを検出して前記膜が所望の膜厚に研磨されたことを確認することを特徴とする。
5. The polishing end point detection method according to
請求項5記載の研磨終点検出方法は、半導体装置の製造における半導体基板上の膜が所望の膜厚に研磨されたことを複数備えたレーザー干渉計を用いて前記膜に照射したレーザービームの反射干渉光を観測することにより検出する研磨終点検出方法であって、研磨された膜厚が前記所望の膜厚になったときに前記反射干渉光強度がピークとなる波長のレーザービームを照射するレーザー干渉計を選択する工程と、前記レーザー干渉計よりレーザービームを照射する工程と、前記反射干渉光強度を計測する工程とを有し、前記反射干渉光強度がピークであることを検出して前記膜が所望の膜厚に研磨されたことを確認することを特徴とする。 6. The polishing end point detection method according to claim 5, wherein a reflection of a laser beam irradiated to the film using a laser interferometer including a plurality of films on a semiconductor substrate polished to a desired film thickness in the manufacture of a semiconductor device. A polishing end point detection method for detecting interference by observing interference light, wherein a laser beam irradiates a laser beam having a wavelength at which the reflected interference light intensity reaches a peak when the polished film thickness reaches the desired film thickness. A step of selecting an interferometer, a step of irradiating a laser beam from the laser interferometer, and a step of measuring the intensity of the reflected interference light. It is characterized by confirming that the film has been polished to a desired film thickness.
請求項6記載の半導体装置の製造方法は、請求項4または請求項5に記載の研磨終点検出方法を用いることを特徴とする。
以上により、膜の研磨量が小さい場合であっても研磨プロセス時に所望の膜厚で終点検出することができる。
A method for manufacturing a semiconductor device according to a sixth aspect uses the polishing end point detection method according to the fourth or fifth aspect.
As described above, even when the polishing amount of the film is small, the end point can be detected with a desired film thickness during the polishing process.
本発明に係る研磨装置及び研磨終点検出方法ならびに半導体装置の製造方法によると、研磨中の半導体基板に照射したレーザービームにおける基板上の膜による反射干渉光が所望の膜厚のときにピークとなるように、照射するレーザービームの照射角度を設定することにより、CMPなどの研磨法を用いて基板上に形成された膜を研磨するとき、必ず、所望の膜厚になったときの被研磨膜からの反射干渉光強度の最大あるいは最小のピークが得られるため膜の研磨量が小さい場合であっても所望の膜厚で終点検出することができる。 According to the polishing apparatus, the polishing end point detection method, and the semiconductor device manufacturing method according to the present invention, the reflected interference light from the film on the substrate in the laser beam irradiated to the semiconductor substrate being polished has a peak when the film thickness is a desired thickness. Thus, by setting the irradiation angle of the laser beam to irradiate, when polishing a film formed on the substrate using a polishing method such as CMP, the film to be polished always has a desired film thickness Since the maximum or minimum peak of reflected interference light intensity from is obtained, the end point can be detected with a desired film thickness even when the polishing amount of the film is small.
また、それぞれ異なる波長のレーザービームを照射する複数のレーザー干渉計を備え、研磨中の半導体基板に照射したレーザービームにおける基板上の膜による反射干渉光が所望の膜厚のときにピークとなる波長のレーザービームを照射するレーザー干渉計を選択してレーザービームを照射することにより、CMPなどの研磨法を用いて基板上に形成された膜を研磨するとき、必ず、所望の膜厚になったときの被研磨膜からの反射干渉光強度の最大あるいは最小のピークが得られるため膜の研磨量が小さい場合であっても所望の膜厚で終点検出することができる。 Also, it has a plurality of laser interferometers that irradiate laser beams of different wavelengths, and the peak wavelength when the reflected interference light by the film on the substrate in the laser beam irradiated on the semiconductor substrate being polished has a desired film thickness When a film formed on a substrate was polished by using a polishing method such as CMP, a desired film thickness was always obtained by selecting a laser interferometer that irradiates the laser beam and irradiating the laser beam. Since the maximum or minimum peak of reflected interference light intensity from the film to be polished is obtained, the end point can be detected with a desired film thickness even when the film polishing amount is small.
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1に係る研磨装置および研磨終点検出方法について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, a polishing apparatus and a polishing end point detection method according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は実施の形態1におけるCMP装置の構成を示す図であり、研磨プラテン2に対してウエハ3を保持するための研磨ヘッド4を有している。研磨プラテン2は、研磨パッド5によって覆われている。この研磨パッド5は典型的には裏張り層6を有し、これは、ウエハ3を研磨するために研磨スラリーと共に用いられるカバー層7と研磨プラテン2との間のインターフェースとなっている。研磨プラテン2は、通常は自身の中心軸8の回りに回転しながらウエハ3を研磨パッド5に行っての圧力で押圧して研磨が進行する。更に、通常は研磨ヘッド4が自身の中心軸9の回りに回転し、それは平行移動アーム10に固定されて回転しながら研磨プラテン2の表面の端から端まで並行移動する。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a CMP apparatus according to the first embodiment, and has a polishing
研磨プラテン2及び研磨パッド5には、ホール11が形成され、研磨ヘッド4の研磨パッド5上での平行移動的な動きに関係なく、研磨プラテン2が回転している時間のある一定の期間、研磨ヘッド4によって保持されているウエハ3の表面が見えるように、このホール11の位置が与えられる。
A
レーザー干渉計12は、コリメーター13、検出器14、リニアガイド15から構成され、ホール11がウエハ3に近接したときには、コリメーター13によって投射されるレーザービーム16が研磨プラテン2及び研磨パッド5のホール11を通過してその上にあるウエハ3の表面に入射し、ウエハからの反射ビームが検出器14に入射するような位置に置かれる。コリメーター13はリニアガイド15により平行移動が可能であり、かつ回転軸17を中心に可動することでレーザービーム16のウエハ3に対する入射角度を任意に設定することが可能である。検出器14も同様に、リニアガイド15と回転軸18により、ウエハ3に対する角度を任意に設定することが可能である。
The
CMP装置1は、研磨中に、レーザー干渉計12からのレーザービーム16を用いてウエハ3の表面から除去された堆積膜材料の量を決定する。
図2,図3を参照してこのプロセスを説明する。
The CMP apparatus 1 determines the amount of deposited film material removed from the surface of the
This process will be described with reference to FIGS.
図2は実施の形態1におけるCMP装置に搭載されたレーザー干渉計の構成を説明する図、図3は実施の形態1における基板上に堆積された膜によるレーザービーム干渉を説明する図である。 FIG. 2 is a diagram for explaining a configuration of a laser interferometer mounted on the CMP apparatus in the first embodiment, and FIG. 3 is a diagram for explaining laser beam interference due to a film deposited on the substrate in the first embodiment.
図2において、コリメーター13、及び検出器14が、レーザー干渉計12の要素として描かれている。コリメーター13は、コリメートされたレーザービーム16を発生させる。レーザービーム16の一部が、クオーツインサート19を通って進行していく。レーザービーム16のこの部分が、クオーツインサート19の下端に達すれば、それは研磨スラリー20を通って伝播し、ウエハ3の表面に入射する。図3に詳細に示されているように、ウエハ3は、シリコンとその上の絶縁膜層(以下、シリコン窒化膜22を例として説明する)とを有する基板23を有している。
In FIG. 2, the
ウエハ3に入射するレーザービーム16の一部は、シリコン窒化膜22の表面で部分的に反射され、第一の反射ビーム24を形成する。しかし、光の一部はシリコン窒化膜22を通過して、その下の基板23に入射する伝送ビーム25を形成する。基板23に到達する伝送ビーム25から少なくとも一部の光がシリコン窒化膜22へ反射し、第2の反射ビーム26を形成する。第1の反射ビーム24と第2の反射ビーム26は、これらの位相の関係によって相互干渉し、結合ビーム27を形成する。前述の第1の反射ビーム24及び第2の反射ビーム26は、図2及び図3に示されるように結合ビーム27を形成し、研磨スラリー20とインサート19を通って伝播し検出器14で検知される干渉を生じさせる。
A part of the
結合ビーム27の強度Iは次式で表される。
I=I1+I2+2√(I1・I2)・cos(Φ) (1)
ここで、I1、I2はそれぞれ第1の反射ビーム24、第2の反射ビーム26の強度、Φは第1の反射ビーム24、第2の反射ビーム26の位相差である。この位相の違いは、第1の反射ビーム24と第2の反射ビーム26の光路長の違いによるもので、以下の式で表される。
The intensity I of the combined
I = I1 + I2 + 2√ (I1 · I2) · cos (Φ) (1)
Here, I1 and I2 are the intensities of the first reflected
Φ=2π・D/λ=2π{n・(AB+BC)−AD}/λ (2)
ここで、Dは第1の反射ビーム24と第2の反射ビーム26の光路差を、λはレーザービームの自由空間波長を、nはシリコン窒化膜22の屈折率、AB、BC、ADは図3における位置A,B,C,Dにおける幾何学的距離を表す。式(2)はシリコン窒化膜22の膜厚d、屈折角αで表すと以下のようになる。
Φ = 2π · D / λ = 2π {n · (AB + BC) −AD} / λ (2)
Here, D is the optical path difference between the first reflected
Φ=2π・2・n・d・cosα/λ (3)
シリコン窒化膜22を研磨すると膜厚dは減少し、結果としてΦの変化を生じさせる。例えばD=Nλで、Nが整数の場合、Iは最大値になり、N=1/2、3/2、...の時に強度Iは最小になる。すなわち
d=N・λ/(2・n・cosα) (Nは整数) (4)
のときに、Iは最大になり、
d=(2L+1)λ/(4・n・cosα) (Lは整数) (5)
のときに、Iは最小になる。
Φ = 2π · 2 · n · d · cos α / λ (3)
When the
Then I is at maximum,
d = (2L + 1) λ / (4 · n · cos α) (L is an integer) (5)
Then I is minimized.
よって、レーザービーム16にλ=670nmの単波長レーザーを使用し、膜が窒化シリコン膜22であって研磨後の目標膜厚が100nmにしたいとき、式(5)より、α=16°すなわちコリメーター13をウエハ3に対して16°傾けた状態でレーザービーム16がウエハに入射する位置に設置し、検出器14をウエハ2に対してα=16°に対応する角度だけ傾けて結合ビーム27を検出する位置に設置し、研磨する。こうすることで、結合ビーム強度Iが最小の時膜厚dが100nmになることがわかるので、正確にCMP研磨の終点検出ができる。この光強度Iの最小値は周知の信号処理の方法により簡単に検出可能であり、この時点で研磨をやめることで狙いの膜厚に研磨をすることが可能となる。
Therefore, when a single wavelength laser of λ = 670 nm is used for the
なお、本実施の形態1では、レーザー干渉計12のコリメーター13および検出器14の位置及び角度を変える方法として、リニアガイド15と回転軸17、18を用いているが、図4の実施の形態1における起動機構を説明する図に示すような移動機構28を有していてもかまわない。この装置においては、CMP研磨機構部は図1の装置と同様であるが、レーザー干渉計の部分が異なっている。すなわちコリメーター13および検出器14はほぼホール11の位置のウエハ3表面を中心とする円の曲面を有する移動機構上に設置されており、コリメーター13および検出器14はこの曲面上を自在に移動させることによってレーザービーム16の上はウエハ3への入射角度を変えることが出来る。またレーザービーム16のウエハへの入射角を変更させる、もしくは結合ビーム27の進行方向を変更させるミラーを使用し、そのミラーの位置または角度をかえることで前記入射角または進行方向を変える機構など種々の機構が使用可能である。
In the first embodiment, the
また、本実施の形態1では、レーザービーム16が透過する材料として、石英製であるクオーツインサート19を用いているが、この材料をほたる石(CaF2、λ=656.3nmに対して屈折率 1.4325)、あるいは、光学ガラス(例えば、LaK3(λ=656.3nmに対して屈折率 1.6896)等の材料に変更することでも、検出信号がピークとなる膜厚を変更することができ、終点検出が可能となる。
In Embodiment 1, a
また、本実施の形態では、シリコン窒化膜厚を150nm程度堆積し、研磨後膜厚100nmを狙った場合について説明したが、堆積膜厚、研磨後膜厚狙いがこれと異なる場合においても、屈折角度αを適当な値に設定することで、本実施の形態と同様に終点検出することが可能である。さらにSTI形成時の素子分離酸化膜平坦化の場合について説明しているが、配線層間膜の平坦化等のような他の膜構造、膜種においても同様に終点検出が可能であることはいうまでもない。
(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態2に係るCMP装置とそれを用いた研磨方法について、図面を参照しながら説明する。
In the present embodiment, the case where the silicon nitride film thickness is deposited to about 150 nm and the post-polishing film thickness is 100 nm has been described. By setting the angle α to an appropriate value, it is possible to detect the end point as in the present embodiment. Further, the case of planarizing the element isolation oxide film at the time of forming the STI has been described. However, it is also possible to detect the end point similarly in other film structures and film types such as planarization of the wiring interlayer film. Not too long.
(Embodiment 2)
Hereinafter, a CMP apparatus and a polishing method using the same according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図5は実施の形態2におけるCMP装置の構成を示す図である。
図5に示すように本発明のCMP装置49は、研磨プラテン50、研磨パッド53、第一のレーザー干渉計60、第二のレーザー干渉計63以外は、図6に示す従来のCMP装置29と同様な構造になっている。第一のレーザー干渉計60及び、第二のレーザー干渉計63は、研磨プラテン50内に設置されている。研磨プラテン50及び研磨パッド53には、第一のホール59及び第二のホール62が形成されている。研磨ヘッド52は中心軸57を軸として回転し、平行移動アーム58によって研磨パッド53上を平行移動するが、その平行移動的な動きに関係なく、研磨プラテン50が回転している時間の一部期間、研磨ヘッド52によって保持されているウエハ51の表面が見えるように、第一のホール59及び第二のホール62の位置が与えられる。
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the CMP apparatus according to the second embodiment.
As shown in FIG. 5, the
研磨中は、第一のレーザー干渉計60及び、第二のレーザー干渉計63は研磨プラテン50内部に内蔵固定されているので、それぞれ研磨プラテン50とともに研磨プラテンの中心軸56を中心に回転し、第一のホール59及び、第二のホール62がウエハ51を通るときに同期してレーザービーム61をウエハ51の表面に形成された研磨膜に照射させる。その際、第一のレーザー干渉計60では、波長λ1(例えば670nm)のレーザーを発生させ、第二のレーザー干渉計63では、波長λ2(例えば1150nm)のレーザーを発生させる。第一のレーザー干渉計60で検出される検出信号は被研磨膜の膜厚がλ1/2nの整数倍のときに最大値をとり、(N+1/2)倍のときに最小値をとるのに対して、第二のレーザー干渉計63では、被研磨膜の膜厚がλ2/2nの整数倍のときに最大値をとり、(N+1/2)倍のときに最小値を取る。すなわち、第一のレーザー干渉計60と第二のレーザー干渉計63で検出信号が最大あるいは最小ピークとなる被研磨膜の膜厚が異なるために、研磨量が少なく、いずれかのレーザー干渉計では検出信号がピークとなる前に所望の研磨量の研磨が終了するような場合でも、残りのレーザー干渉計で研磨の終了を意味するピークを検出することができる。この例では、被研磨膜(例えばシリコン窒化膜)の初期膜厚が140nmであり、研磨後狙い膜厚が80nmである場合には、第一のレーザー干渉計60で、ピークの検出が可能であるが、初期膜厚が150nmである被研磨膜に対して、研磨後膜厚を100nmにしたい場合には、第一のレーザー干渉計60では検出信号のピークが検出できない。このような場合でも、第二のレーザー干渉計63を用いることで、ピークの検出が可能となる。このようにして被研磨膜の研磨量が小さい場合であっても研磨終点の検出が出来る。言うまでもなく第二のレーザー干渉計63しか有しない場合には、初期膜厚が140nmの被研磨膜に対して、研磨後狙い膜厚80nmとして研磨を行ないたい場合に、検出信号のピークを検出できないのは明らかである。
During the polishing, the
この研磨装置においては、インライン膜厚測定器と被研磨膜の屈折率n及び研磨後狙い膜厚をデーターベースとして記憶部に持ち、被研磨膜の初期膜厚と屈折率nをインライン膜厚測定器により測定し、データーベース上の研磨後狙い膜厚の差をとり、研磨量を算出して、終点検出器で検出される干渉光の検出信号のピークが研磨中に現れるように構成して終点検出している。例えば、異なる波長を有するレーザー干渉計60または63のどちらかを終点検出用の干渉計として選択することにより終点検出システムを構築している。
In this polishing apparatus, the in-line film thickness measuring device, the refractive index n of the film to be polished and the target film thickness after polishing are stored in the storage unit as a database, and the initial film thickness and refractive index n of the film to be polished are measured in line. Measured by the instrument, calculated the difference in the target film thickness after polishing on the database, calculated the polishing amount, and configured so that the peak of the interference light detection signal detected by the end point detector appears during polishing The end point is detected. For example, the end point detection system is constructed by selecting one of the
このように、あらかじめ設けられた、異なる波長のレーザーを発生する複数のレーザー干渉計のうち、研磨量に応じて干渉波形がピークを迎えるレーザー干渉計を選択することにより、選択されたレーザー干渉計がピークとなる厚さを研磨の終点として検出できる。なお、本実施の形態2では、レーザー干渉計が同一研磨プラテンに2個搭載されている場合について説明したが、波長のそれぞれ異なるレーザー干渉計が2個以上であってもよい。3個以上ある場合はより正確にまたより小さい研磨量の終点検出可能となる。また、レーザーのウエハに対する入射角、及び反射光の検出角が固定であるレーザー干渉計について説明したが、レーザービームの入射角及び反射角が可変である終点検出器を組み合わせて使用してもよい。 As described above, the laser interferometer selected by selecting the laser interferometer that has a peak in the interference waveform according to the polishing amount among the plurality of laser interferometers that generate lasers having different wavelengths is provided. Can be detected as the end point of polishing. In the second embodiment, the case where two laser interferometers are mounted on the same polishing platen has been described. However, two or more laser interferometers having different wavelengths may be used. When there are three or more, it becomes possible to detect the end point of a smaller polishing amount more accurately. Further, the laser interferometer in which the incident angle of the laser with respect to the wafer and the detection angle of the reflected light is fixed has been described, but an end point detector in which the incident angle and the reflection angle of the laser beam are variable may be used in combination. .
以上述べた発明においては、標準670nmの波長のレーザーを用いているが、もっと波長の短いレーザービームを用いてCMP研磨中の研磨膜の膜厚をモニタすることでも、干渉光の最大最小強度変化の周期が膜厚変化に対して短くなるから研磨量が少ない場合の終点検出は可能になる。さらに、分光エリプソメトリ等の方法で波長を可変にして膜厚を測定し、狙い膜厚の終点を検出して研磨を終了させることも可能である。ただし、膜厚算出(例えば分光エリプソメトリの場合には、反射率強度比Ψと位相差Δの測定値と計算値のフィッティング)に時間を要するため、膜厚測定から研磨を止めるまでの間の遅延時間が波長固定の場合に比べて長くなると考えられる。そのため、この遅延時間を考慮して研磨を止めるようなアルゴリズムを構築する必要があると考えられる。 In the above-described invention, a laser with a standard wavelength of 670 nm is used. However, the maximum and minimum intensity change of interference light can also be monitored by monitoring the film thickness of the polishing film during CMP polishing using a laser beam with a shorter wavelength. Since the period becomes shorter with respect to the film thickness change, the end point can be detected when the polishing amount is small. Further, it is possible to measure the film thickness by changing the wavelength by a method such as spectroscopic ellipsometry, and to finish polishing by detecting the end point of the target film thickness. However, since it takes time to calculate the film thickness (for example, in the case of spectroscopic ellipsometry, fitting of the measured value of the reflectance intensity ratio Ψ and the phase difference Δ and the calculated value), the time between the film thickness measurement and the polishing is stopped. The delay time is considered to be longer than when the wavelength is fixed. Therefore, it is considered necessary to construct an algorithm that stops polishing in consideration of this delay time.
また、本発明では、研磨プラテンが自身の中心軸の回りに回転する研磨装置について説明しているが、ベルト式の研磨プラテンを有する研磨装置においても同様に終点検出することが可能である。 In the present invention, a polishing apparatus in which the polishing platen rotates about its own central axis is described. However, the end point can also be detected in a polishing apparatus having a belt-type polishing platen.
また、上記説明では、CMPを用いて研磨を行った場合について説明しているが、その他の手法で研磨を行なう場合に用いてもかまわない。 In the above description, the case where polishing is performed using CMP is described. However, the polishing may be performed using other methods.
本発明の研磨装置及び研磨終点検出方法ならびに半導体装置の製造方法は、膜の研磨量が小さい場合であっても研磨プロセス時に所望の膜厚で終点検出できることができ、半導体装置の製造において、化学的機械研磨等を用いた研磨装置及び研磨終点検出方法ならびに半導体装置の製造方法等に有用である。 The polishing apparatus, the polishing end point detection method and the semiconductor device manufacturing method of the present invention can detect the end point with a desired film thickness during the polishing process even when the polishing amount of the film is small. It is useful for a polishing apparatus using a mechanical mechanical polishing, a polishing end point detection method, a semiconductor device manufacturing method, and the like.
1 CMP装置
2 研磨プラテン
3 ウエハ
4 研磨ヘッド
5 研磨パッド
6 裏張り層
7 カバー層
8 中心軸
9 中心軸
10 平行移動アーム
11 ホール
12 レーザー干渉計
13 コリメーター
14 検出器
15 リニアガイド
16 レーザービーム
17 回転軸
18 回転軸
19 クオーツインサート
20 研磨スラリー
21 素子分離絶縁膜
22 シリコン窒化膜
23 基板
24 第1の反射ビーム
25 伝送ビーム
26 第2の反射ビーム
27 結合ビーム
28 移動機構
29 CMP装置
30 研磨プラテン
31 ウエハ
32 研磨ヘッド
33 研磨パッド
34 裏張り層
35 カバー層
36 回転中心軸
37 回転中心軸
38 平行移動アーム
39 ホール
40 レーザー干渉計
41 レーザービーム
42 コリメーター
43 ビームスプリッタ
44 結合ビーム
45 検出器
46 第1の反射ビーム
47 伝送ビーム
48 第2の反射ビーム
49 CMP装置
50 研磨プラテン
51 ウエハ
52 研磨ヘッド
53 研磨パッド
56 中心軸
57 回転中心軸
58 平行移動アーム
59 第1のホール
60 第1のレーザー干渉計
61 レーザービーム
62 第2のホール
63 第2のレーザー干渉計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (6)
前記半導体基板を研磨する研磨手段と、
前記基板に単一波長のレーザービームを任意の角度で照射可能であるコリメーターと、
前記レーザービームの反射干渉光強度を入射角度に対応した検出角度で検出する検出器と
を有し、前記所望の膜厚になったときの前記反射干渉光強度がピークになるように前記コリメーターの照射角度を調整し、そのときの前記反射干渉光強度のピークを検出して前記所望の膜厚まで研磨されたことを確認することを特徴とする研磨装置。 A polishing apparatus for polishing a film on a semiconductor substrate to a desired film thickness when manufacturing a semiconductor device,
Polishing means for polishing the semiconductor substrate;
A collimator capable of irradiating the substrate with a single wavelength laser beam at an arbitrary angle;
A detector for detecting the reflected interference light intensity of the laser beam at a detection angle corresponding to an incident angle, and the collimator so that the reflected interference light intensity reaches a peak when the desired film thickness is reached. The polishing apparatus is characterized in that the irradiation angle is adjusted, the peak of the reflected interference light intensity at that time is detected, and the polishing to the desired film thickness is confirmed.
前記半導体基板を研磨する研磨手段と、
前記基板にそれぞれ単一波長のレーザービームを照射し、前記レーザービームの反射干渉光強度を検出する複数のレーザー干渉計と
を有し、前記所望の膜厚になったときの前記反射干渉光強度がピークになるような波長のレーザービームを照射可能なレーザー干渉計を選択し、選択したレーザー干渉計にて前記反射干渉光強度のピークを検出して前記所望の膜厚まで研磨されたことを確認することを特徴とする研磨装置。 A polishing apparatus for polishing a film on a semiconductor substrate to a desired film thickness when manufacturing a semiconductor device,
Polishing means for polishing the semiconductor substrate;
A plurality of laser interferometers for irradiating the substrate with a single wavelength laser beam and detecting the reflected interference light intensity of the laser beam, and the reflected interference light intensity when the desired film thickness is reached Select a laser interferometer that can irradiate a laser beam with a wavelength such that the peak of the reflected interference light intensity is detected by the selected laser interferometer, and the film is polished to the desired film thickness. A polishing apparatus characterized by checking.
前記膜の屈折率および前記膜の研磨後設定膜厚を記憶する記憶部と
を有し、前記研磨前の膜厚および前記膜の屈折率ならびに前記研磨後設定膜厚に基づいて前記研磨後設定膜厚で前記反射干渉光強度がピークとなるレーザー干渉計を選択し、選択したレーザー干渉計にて前記反射干渉光強度のピークを検出して前記所望の膜厚まで研磨されたことを確認することを特徴とする請求項2記載の研磨装置。 A film thickness measuring instrument for measuring the film thickness before polishing;
A storage unit that stores a refractive index of the film and a set film thickness after polishing of the film, and the post-polishing setting based on the film thickness before polishing, the refractive index of the film, and the set film thickness after polishing Select a laser interferometer whose reflected interference light intensity peaks at the film thickness, and detect the peak of the reflected interference light intensity with the selected laser interferometer to confirm that it has been polished to the desired film thickness. The polishing apparatus according to claim 2.
研磨された膜厚が前記所望の膜厚になったときに前記反射干渉光強度がピークとなる前記レーザービームの照射角度を設定する工程と、
前記照射角度で単一波長のレーザービームを照射する工程と、
前記反射干渉光強度を観測する工程と
を有し、前記反射干渉光強度がピークであることを検出して前記膜が所望の膜厚に研磨されたことを確認することを特徴とする研磨終点検出方法。 A polishing end point detection method for detecting that a film on a semiconductor substrate in the manufacture of a semiconductor device is polished to a desired film thickness by observing reflected interference light of a laser beam applied to the film,
Setting the irradiation angle of the laser beam at which the reflected interference light intensity reaches a peak when the polished film thickness reaches the desired film thickness;
Irradiating a single wavelength laser beam at the irradiation angle;
A step of observing the reflected interference light intensity, and detecting that the reflected interference light intensity is at a peak and confirming that the film has been polished to a desired film thickness. Detection method.
研磨された膜厚が前記所望の膜厚になったときに前記反射干渉光強度がピークとなる波長のレーザービームを照射するレーザー干渉計を選択する工程と、
前記レーザー干渉計よりレーザービームを照射する工程と、
前記反射干渉光強度を計測する工程と
を有し、前記反射干渉光強度がピークであることを検出して前記膜が所望の膜厚に研磨されたことを確認することを特徴とする研磨終点検出方法。 Polishing end point detected by observing reflected interference light of a laser beam irradiated on the film using a laser interferometer having a plurality of films on a semiconductor substrate polished to a desired film thickness in the manufacture of a semiconductor device A detection method,
Selecting a laser interferometer that emits a laser beam having a wavelength at which the reflected interference light intensity peaks when the polished film thickness reaches the desired film thickness;
Irradiating a laser beam from the laser interferometer;
Measuring the reflected interference light intensity, and detecting that the reflected interference light intensity is at a peak and confirming that the film has been polished to a desired film thickness. Detection method.
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