JP2005342841A

JP2005342841A - 研磨装置

Info

Publication number: JP2005342841A
Application number: JP2004165870A
Authority: JP
Inventors: Masaru Nozue; 勝野末
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】精度の高い研磨レートの予測を可能とした研磨装置を提供すること。
【解決手段】データ記録部１４は、圧力制御部４から出力される研磨圧力、テーブル回転モータ５に供給される電流、温度センサ８によって計測されたヘッド３と研磨パッド７との接触部近傍の表面温度および研磨パッド残厚測定部１３によって計測された研磨パッド残厚を記録する。プロセス演算部１５は、データ記録部１４に記録された研磨圧力、テーブル回転モータ電流、研磨パッドの表面温度および研磨パッド残厚の平均値を、予め作成されたモデル式に代入して研磨レート予測値を算出する。したがって、研磨圧力の変動、研磨特性の変動などに対する補償が行なえるようになり、精度の高い研磨レートの予測が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウェーハ基板の研磨装置に関し、特に、プロセス異常をより高精度に検出できる研磨装置に関する。

従来、ウェーハを研磨するための研磨装置において、研磨パッド、スラリなどの消耗材の状態を含んだ装置状態の判定指標の１つとして、研磨レートが広く知られている。この研磨レートは、被研磨ウェーハ上の被研磨膜の膜厚を、たとえば光学式膜厚計を用いて研磨前と研磨後とについてそれぞれ測定して研磨量を求め、これを研磨時間で除算することによって求めていた。これに関連する技術として、特開２００３−２３００１号公報、特開平１０−４４０３５号公報および特開２０００−３４０５３７号公報に開示された発明がある。

特開２００３−２３００１号公報に開示されたドライエッチング装置においては、電流、電圧並びに位相差の基本波および高調波と、エッチングレートとに関して予め相関式を作成しておき、エッチング処理時に検出した電流、電圧並びに位相差の基本波および高調波からエッチングレートを算出し、算出されたエッチングレートが予め設定された所定の範囲から外れた時に異常であると判定するものである。

また、特開平１０−４４０３５号公報に開示された研磨終点検出装置においては、研磨プレートの回転モータのモータ電流と、研磨プレートのプレート温度とを測定し、測定されたモータ電流およびプレート温度に対応する２つの信号をアームが研磨プレートの内周部と外周部との間を揺動する周期で平均化し、これら平均化された両信号の相関を求め研磨終点を判定するものである。

また、特開２０００−３４０５３７号公報に開示されたポリッシング装置においては、研磨中にターンテーブルおよびトップリングの駆動モータに供給される電流値を測定し、研磨のトップリングの振動、研磨中の音、研磨中の摩擦熱等の研磨に伴う半導体ウェーハの被研磨面とターンテーブルの研磨面との物理的接触によって生ずる物理量を測定して研磨量を推定するものである。
特開２００３−２３００１号公報特開平１０−４４０３５号公報特開２０００−３４０５３７号公報

上述した従来の研磨装置においては、研磨レートを求めるために研磨装置以外に膜厚測定装置を別途用意する必要があり、膜厚測定を行なわずに研磨レートを求めることはできない。また、光学式膜厚計などによる膜厚測定においては、研磨後のウェーハを研磨装置外に取出す必要がある。これに要する時間は、たとえば５分程度である。このため、被研磨ウェーハ毎に研磨レートの異常検知を行なうと、研磨レートの判定が完了するまで次の被研磨ウェーハの処理が待たされることになり、研磨装置の生産能力を低下させるといった問題点があった。

この生産能力の低下を避けるために、研磨レートの測定による異常検知を実際に行なわず、一般的にはインターロック方式による監視が用いられている。しかし、インターロック方式においては、研磨圧力や研磨パッド表面の温度などの各装置パラメータの測定値が所定の範囲内に入っていたとしても、研磨パッドの消耗や、研磨圧力の変動などの要因が複合されて生じる研磨レートの変動を検知することが困難であり、製品の歩留まりを低下させる要因の１つとなっていた。

また、特開２００３−２３００１号公報に開示されたドライエッチング装置における方法を用いて研磨レートの算出を行なうことも考えられる。しかしながら、ドライエッチング装置と研磨装置とでは装置の構成要素および反応モデルが根本的に異なるため、ドライエッチング装置における方法をそのまま研磨装置に適用することは困難である。

また、特開平１０−４４０３５号公報に開示された研磨終点検出装置においては、被研磨ウェーハの研磨中の終点を検出することはできるが、その研磨レートを物理量として算出することはできない。たとえ、演算方法を工夫して各測定値から研磨レートを求めることができたとしても、研磨プレートの回転モータのモータ電流と研磨プレートのプレート温度だけから研磨レートを算出することになるため、研磨プレートがコンディショニングにより厚みが減少し、その弾性率や表面に加工された溝の深さが変化し、研磨特性が変化することを反映していないため、量産に使用できる精度を得ることは困難であるといった問題点があった。

また、特開２０００−３４０５３７号公報に開示されたポリッシング装置においては、ターンテーブルおよびトップリングの駆動モータに供給される電流値と、半導体ウェーハの研磨中の摩擦熱などの物理量とから研磨量を推定するものであるが、これらの計測値だけでは高精度で研磨レートを計算することができない。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、精度の高い研磨レートの予測を可能とした研磨装置を提供することである。

研磨装置は、研磨パッドに対する被研磨ウェーハの研磨圧力、研磨パッドが固定されるテーブルのテーブルモータ電流、研磨パッドの表面温度および研磨パッドの残厚のそれぞれの測定値を、予め作成されたモデル式に代入することにより研磨レートの予測値を算出するための算出手段と、算出手段によって算出された研磨レートの予測値が所定範囲内にあるか否かによってプロセス異常を判定するための判定手段とを含む。

算出手段が、研磨パッドに対する被研磨ウェーハの研磨圧力、研磨パッドが固定されるテーブルのテーブルモータ電流、研磨パッドの表面温度および研磨パッドの残厚のそれぞれの測定値を、予め作成されたモデル式に代入することにより研磨レートの予測値を算出するので、研磨圧力の変動、研磨特性の変動などに対する補償が行なえるようになり、精度の高い研磨レートの予測が可能となった。

図１は、本発明の実施の形態における研磨装置の概略構成を示すブロック図である。この研磨装置は、被研磨ウェーハ１が取付けられるヘッド３と、ヘッド回転軸２を介してヘッド３に加える圧力を制御する圧力制御部４と、テーブル６と、テーブル６を回転させるテーブル回転モータ５と、テーブル６に貼り付けられる研磨パッド７と、研磨パッド７の接触部近傍の表面温度を測定する温度センサ８と、スラリ１０を研磨パッド７上に滴下させるスラリノズル９と、パッドコンディショナ１１と、パッドコンディショナ１１を回転させるパッドコンディショナ回転軸１２と、研磨パッド７の残厚を測定する研磨パッド残厚測定部１３と、圧力制御部４から出力される研磨圧力、テーブル回転モータ５に供給される電流（以下、テーブル回転モータ電流と呼ぶ。）、温度センサ８によって測定された研磨パッド７の表面温度および研磨パッド残厚測定部１３によって測定された研磨パッド残厚を受けて記録するデータ記録部１４と、データ記録部１４に記録されたデータを用いて演算を行なうプロセス演算部１５と、プロセス演算部１５による演算結果を用いて異常が発生したか否かを判定する異常判定部１６と、研磨装置内の圧力や回転数など全体的な制御を行なうプロセス制御部１７とを含む。

被研磨ウェーハ１は、たとえば図示しない弾性体の裏面パッドを介してヘッド３に保持される。ヘッド３は、ヘッド回転軸２を介して図示しないヘッド回転モータに取付けられており、回転モータの回転が伝達される。また、ヘッド回転軸２には、所定圧力でヘッド３を加圧するための圧力制御部４が設けられる。

温度センサ８は、たとえば放射温度計などによって構成され、ヘッド３と研磨パッド７との接触部近傍の表面温度を測定するように設けられる。また、スラリノズル９は、研磨パッド７に対向するように設けられる。

パッドコンディショナ１１は、研磨パッド７の表面の目立てを行なうために設けられ、パッドコンディショナ回転軸１２を介して研磨パッド７に押圧される。研磨パッド７側には、たとえばダイヤモンド砥粒が埋設されている。また、パッドコンディショナ回転軸１２には、研磨パッド残厚測定部１３が取付けられている。

研磨パッド残厚測定部１３は、たとえばレーザ変位計などによって構成され、コンディショニング中のテーブル６に対するパッドコンディショナ１１の軸方向における変位を測定することにより、研磨パッド７の残厚を測定する。また、渦電流センサを用いて直接研磨パッド７の残厚を測定するようにしてもよい。

データ記録部１４は、圧力制御部４から出力される研磨圧力、テーブル回転モータ５に供給される電流、温度センサ８によって計測されたヘッド３と研磨パッド７との接触部近傍の表面温度および研磨パッド残厚測定部１３によって計測された研磨パッド残厚を記録し、これらの情報をプロセス演算部１５に出力する。

次に、図１に示す研磨装置を用いた研磨プロセス動作について説明する。まず、図示しないウェーハ搬送装置によって搬送された被研磨ウェーハ１が、たとえば真空吸着によってヘッド３上に保持される。次に、プロセス制御部１７は、ヘッド３とテーブル６とをそれぞれ所定の回転速度で回転させながら、スラリノズル９からスラリ１０を研磨パッド７上に所定の流量で滴下させる。その状態で、ヘッド３を介して被研磨ウェーハ１を研磨パッド７に押し付けて、被研磨ウェーハ１を研磨する。研磨時間は、プロセス制御部１７に予め設定される。

被研磨ウェーハ１の研磨が完了すると、研磨パッド７の表面に堆積した被研磨くずやスラリ残余物による目詰まりを解消するために、プロセス制御部１７は、研磨パッド７に対してパッドコンディショナ１１を所定の回転速度と所定の圧力とで押し付けるように制御し、研磨パッド７の表面層を削り取ることによってコンディショニングを行なう。

次に、本発明の実施の形態における研磨装置を、被研磨膜がシリコン酸化膜で下地膜がシリコンである構造の被研磨ウェーハ１の研磨に適用した場合について説明する。まず、研磨レート予測値を算出するためのモデル式を作成する。膜厚計で実際に膜厚を測定する被研磨ウェーハ１をたとえば５０枚用意し、予め研磨装置外の膜厚測定器でシリコン酸化膜厚を測定しておく。被研磨ウェーハ１の枚数は２０枚以上であり、可能であれば１００枚以上が望ましい。被研磨ウェーハ１の枚数が多いほどモデル式の精度を向上させることができる。また、研磨パッド７の使い始めの状態で研磨した時と、パッドコンディショナ１１によるコンディショニングによって残厚が薄くなった状態で研磨した時との両方でデータを作成すると、さらに精度を向上させることができる。

プロセス制御部１７は、被研磨ウェーハ１を連続で研磨させ、データ記憶部１４にそのときの研磨圧力（Ｘ１）、テーブル回転モータ電流（Ｘ２）、研磨パッド７の表面温度（Ｘ３）および研磨パッド残厚（Ｘ４）の測定値を、たとえば１００ｍｓのサンプリング時間で記録させる。出願人が実験で使用した研磨条件は、以下の通りである。

被研磨ウェーハサイズ：φ２００ｍｍ
スラリ：コロイダルシリカ（アンモニア溶媒）
スラリ流量：２００ｃｃ／ｍｉｎ
研磨パッド：発泡ポリウレタン（溝加工有り）
研磨圧力：２５ｋＰａ
ヘッド回転数：４０ｒｐｍ
テーブル回転数：４２ｒｐｍ
パッドコンディショナ：電着固定方式ダイヤモンド砥粒
プロセス演算部１５は、被研磨ウェーハ１の研磨終了毎に、研磨中の、すなわち被研磨ウェーハ１の加圧時における各測定値の平均値を算出して記憶する。研磨装置外の膜厚測定器によって研磨後の被研磨ウェーハ１のシリコン酸化膜厚を測定し、研磨前の被研磨ウェーハ１のシリコン酸化膜厚から研磨後の被研磨ウェーハ１のシリコン酸化膜厚を減算することによって研磨量を算出する。そして、研磨量を実際の研磨時間で除算することによって研磨レートを算出する。

次に、算出された研磨レートを目的変数とし、プロセス演算部１５に記憶されている各測定値の平均値を説明変数として重回帰分析を行ない、偏回帰係数を求めて次式のような研磨レート予測のためのモデル式を作成する。

Ｙ＝ａ１・Ｘ１＋ａ２・Ｘ２＋ａ３・Ｘ３＋ａ４・Ｘ４＋ｂ０ …（１）
なお、Ｙは研磨レート予測値（ｎｍ／ｍｉｎ）、ａ１〜ａ４は偏回帰係数、Ｘ１〜Ｘ４は測定データ、ｂ０は定数とする。

図２は、被研磨ウェーハ１の研磨レートの実測値と、モデル式を用いて算出された予測値との相関を示す図である。図２に示すように、被研磨ウェーハ１の研磨レートの実測値と予測値との相関係数Ｒ^２値は０．９５８であり、誤差は±３％以下であった。

図３は、本発明の実施の形態におけるモデル式を用いて算出された予測値と、従来技術におけるモデル式を用いて算出された予測値との比較を示す図である。本実施の形態においては、Ｘ１〜Ｘ４の４つの説明変数を用いることにより相関係数Ｒ^２値が０．９５８であり、誤差が±３％となる。一方、Ｘ２およびＸ３の２つの説明変数を用いた従来技術においては、相関係数Ｒ^２値が０．７４５となり、誤差が±１８％となった。また、Ｘ１〜Ｘ３の３つの説明変数を用いた従来技術においては、相関係数Ｒ^２値が０．８３９となり、誤差が±８％となった。このように、本実施の形態におけるモデル式を用いて予測値を算出した場合、従来技術を用いて予測値を算出した場合よりも精度が大幅に向上していることが分かる。

図４は、本実施の形態における研磨装置におけるプロセス異常の判定処理を説明するためのフローチャートである。まず、プロセス演算部１５は、データ記録部１４に記録された研磨圧力（Ｘ１）、テーブル回転モータ電流（Ｘ２）、研磨パッドの表面温度（Ｘ３）および研磨パッド残厚（Ｘ４）の平均値を、式（１）に示す研磨レート予測式に代入し（Ｓ１）、研磨レート予測値を算出する（Ｓ２）。なお、偏回帰係数ａ１〜ａ４として、上述した予め重回帰分析を行なって求められた偏回帰係数が用いられる。

次に、異常判定部１６は、予め設定された研磨レートの上下限値を用いて、研磨レートの予測値がこの研磨レートの上下限値の範囲内にあるか否かを判定する（Ｓ３）。上下限値の範囲内にある場合には（Ｓ３，Ｙｅｓ）、異常判定部１６はプロセスが正常であると判定する（Ｓ４）。これによって、プロセス制御部１７は、プロセスを続行する。

また、上下限値の範囲内にない場合には（Ｓ３，Ｎｏ）、異常判定部１６はプロセスが異常であると判定し（Ｓ５）、プロセス制御部１７に研磨停止信号を出力する。プロセス制御部１７は、研磨停止信号を受けると、以降の被研磨ウェーハ１の研磨を停止する。また、プロセス異常が発生したことを、たとえば図示しない警告表示部に表示して操作者に知らせるようにしてもよい。

図５は、途中で研磨パッド７を新品に交換したときの研磨レート実測値と予測値との誤差を示す図である。図５は、モデル式の予測精度を確認するために、被研磨ウェーハ１を２００枚研磨し、途中で研磨パッド７を新品に交換し、さらに被研磨ウェーハ１を２００枚研磨したときの研磨レート実測値と予測値との誤差を示している。本実施の形態においては、誤差が±４％となる。一方、Ｘ２およびＸ３の２つの説明変数を用いた従来技術においては、誤差が±２７％となった。また、Ｘ１〜Ｘ３の３つの説明変数を用いた従来技術においては、誤差が±１２％となった。このように、本実施の形態におけるモデル式を用いて予測値を算出した場合、従来技術を用いて予測値を算出した場合よりも精度が大幅に向上していることが分かる。

図６は、研磨レートの予測値と実測値とを、被研磨ウェーハ１の研磨順に並べたときのトレンド図である。図６内の破線は、コンディショニングによる消耗によって新品の研磨パッド７に交換したタイミングを示している。また、白丸は研磨レート実測値を示し、黒四角は研磨レート予測値を示している。図６に示すように、研磨パッド７の交換を挟んだ場合でも、研磨レートの予測値が実測値に精度良く追従していることが分かる。

以上説明したように、本実施の形態における研磨装置によれば、研磨圧力（Ｘ１）、テーブル回転モータ電流（Ｘ２）、研磨パッドの表面温度（Ｘ３）および研磨パッド残厚（Ｘ４）を用いて重回帰分析を行なうことによりモデル式を作成し、このモデル式を用いて被研磨ウェーハ１の研磨レートを算出するようにしたので、従来技術では困難であって装置部品の劣化等による研磨圧力の変動に対する補償、および研磨パッド７がパッドコンディショナ１１によって削られて薄くなることによる研磨特性の変動に対する補償ができるようになり、精度の高い研磨レートの予測が可能となった。

また、この研磨レートの予測値を用いることによって、正確にプロセス異常を判定することが可能となった。

さらには、研磨圧力（Ｘ１）、テーブル回転モータ電流（Ｘ２）、研磨パッドの表面温度（Ｘ３）および研磨パッド残厚（Ｘ４）のそれぞれの平均値と研磨レートとの重回帰分析を行なうことにより予めモデル式を作成するようにしたので、研磨中にリアルタイムでモデル式を算出する場合と比較して、瞬間レートによる誤差の変動を少なくすることができ、誤差の少ない予測を実現することが可能となった。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態における研磨装置の概略構成を示すブロック図である。被研磨ウェーハ１の研磨レートの実測値と、モデル式を用いて算出された予測値との相関を示す図である。本発明の実施の形態におけるモデル式を用いて算出された予測値と、従来技術におけるモデル式を用いて算出された予測値との比較を示す図である。本実施の形態における研磨装置におけるプロセス異常の判定処理を説明するためのフローチャートである。途中で研磨パッド７を新品に交換したときの研磨レート実測値と予測値との誤差を示す図である。研磨レートの予測値と実測値とを、被研磨ウェーハ１の研磨順に並べたときのトレンド図である。

符号の説明

１被研磨ウェーハ、２ヘッド回転軸、３ヘッド、４圧力制御部、５テーブル回転モータ、６テーブル、７研磨パッド、８温度センサ、９スラリノズル、１０スラリ、１１パッドコンディショナ、１２パッドコンディショナ回転軸、１３研磨パッド残厚測定部、１４データ記録部、１５プロセス演算部、１６異常判定部、１７プロセス制御部。

Claims

研磨パッドに対する被研磨ウェーハの研磨圧力、前記研磨パッドが固定されるテーブルのテーブルモータ電流、前記研磨パッドの表面温度および前記研磨パッドの残厚のそれぞれの測定値を、予め作成されたモデル式に代入することにより研磨レートの予測値を算出するための算出手段と、
前記算出手段によって算出された研磨レートの予測値が所定範囲内にあるか否かによってプロセス異常を判定するための判定手段とを含む研磨装置。
前記モデル式は、前記研磨圧力、前記テーブルモータ電流、前記研磨パッドの表面温度および前記研磨パッドの残厚と、研磨レートの実測値との重回帰分析を行なうことによって作成される、請求項１記載の研磨装置。
前記モデル式は、前記研磨圧力、前記テーブルモータ電流、前記研磨パッドの表面温度および前記研磨パッドの残厚のそれぞれの平均値を用いて作成される、請求項２記載の研磨装置。