JP2006024694A - 基板研磨方法および基板研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の表面に形成された膜を目標膜厚まで精度よく研磨する。
【解決手段】基板研磨装置では、膜厚測定部にて基板の表面に形成された膜の厚さを測定して第１膜厚が取得され（ステップＳ１２）、研磨部にて基板が所定の初期研磨時間だけ研磨される（ステップＳ１３）。初期研磨時間の研磨が終了すると、基板の膜の第２膜厚が取得され（ステップＳ１４）、第１膜厚、第２膜厚および初期研磨時間から研磨レートが導かれる（ステップＳ１５）。研磨レートは補正係数を用いて補正され（ステップＳ１６）、第２膜厚と目標膜厚との差と、補正後の研磨レートとに基づいて追加研磨時間が求められる（ステップＳ１７）。そして、追加研磨時間だけ基板がさらに研磨される（ステップＳ１８）。これにより、基板の表面に形成された膜を目標膜厚まで精度よく研磨することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、基板を研磨する技術に関する。

半導体製品の一定の品質を確保するため、半導体製造工程において、例えば、化学機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing、以下、「ＣＭＰ」と略す。）を利用した研磨工程では、半導体基板（例えば、シリコン（Ｓｉ）基板であり、以下、「基板」という。）の表面に形成された薄膜の研磨前後での厚さを測定することにより研磨レートを求め、次の基板（または、ロット）の処理に利用して研磨後の基板の膜厚のばらつきを抑制する技術が知られている（このような技術として、例えば、特許文献１参照。）。

なお、膜の厚さの測定には、白色光を基板に照射して基板からの反射光を分光解析することにより分光反射率を求め、分光反射率に基づいて膜の厚さを算出する光干渉式の膜厚測定装置が従来より用いられる。
特開平１１−１８６２０４号公報

ところで、基板の研磨レートは、研磨テーブルの状態、スラリー濃度、温度、あるいは、研磨パッドの減り等により変化するため、直前の処理で得られた研磨レートのみに基づいて研磨時間を決定して基板を研磨したとしても、基板の膜を目標膜厚まで精度よく研磨することは容易ではない。したがって、基板上のパターンのさらなる微細化が図られた場合には、膜厚の要求精度を満たすことが困難になる。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、基板の表面に形成された膜を目標膜厚まで精度よく研磨することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、基板を研磨する基板研磨方法であって、基板の表面に形成された膜の厚さを測定して第１の膜厚を取得する第１測定工程と、前記基板を所定の時間だけ研磨する第１研磨工程と、前記第１研磨工程後の前記膜の第２の膜厚を取得する第２測定工程と、前記第１の膜厚、前記第２の膜厚および前記所定の時間から導かれる研磨レートと、前記第２の膜厚と目標膜厚との差とに基づいて追加研磨時間を求める工程と、前記基板を前記追加研磨時間だけさらに研磨する第２研磨工程とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の基板研磨方法であって、前記追加研磨時間を求める工程において、前記研磨レートが補正係数を用いて補正される。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の基板研磨方法であって、前記第２研磨工程後の前記膜の第３の膜厚を取得する第３測定工程と、前記第２の膜厚、前記第３の膜厚および前記目標膜厚に基づいて前記補正係数を修正する工程と、もう１つの基板に対して、前記第１測定工程から前記修正する工程までを繰り返す工程とをさらに備える。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の基板研磨方法であって、前記補正係数を修正する工程において、前記第２の膜厚と前記第３の膜厚との差を前記第２の膜厚と前記目標膜厚との差にて除算して得た値を前記補正係数に乗じることにより前記補正係数が修正される。

請求項５に記載の発明は、基板を研磨する基板研磨装置であって、基板を研磨する研磨部と、基板の表面に形成された膜の厚さを測定して膜厚を取得する膜厚測定部と、研磨前の基板の表面に形成された膜の第１の膜厚、前記研磨部にて所定の時間だけ研磨した後の前記膜の第２の膜厚および前記所定の時間から導かれる研磨レートと、前記第２の膜厚と目標膜厚との差とに基づいて求められる追加研磨時間だけ、前記研磨部にて前記基板をさらに研磨させる制御部とを備える。

請求項１ないし５の発明では、基板の表面に形成された膜を目標膜厚まで精度よく研磨することができる。

また、請求項２の発明では、基板をより精度よく研磨することができ、請求項３の発明では、もう１つの基板をより精度よく研磨することができる。また、請求項４の発明では、補正係数を容易に修正することができる。

図１は本発明の一の実施の形態に係る基板研磨装置１の構成を示す図である。図１の基板研磨装置１は、例えば、回路形成工程におけるダマシン工程に用いられ、積層して形成された膜（回路パターンを構成する多層膜）を有する基板に研磨（例えば、ＣＭＰ）を施すとともに、基板の膜厚を測定する。

図１の基板研磨装置１は、基板９を保持する円板状の基板保持部２、基板９の膜の厚さを測定して膜厚を取得する膜厚測定部３、各種演算処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成された全体制御部４、および、全体制御部４に接続された研磨部５を備える。なお、図１では膜厚測定部３の構造を図示しているが、研磨部５の構造の図示は省略している。

基板保持部２には、基板９とは反対側においてモータおよび回転支持軸を有する基板回転機構２１が取り付けられる。膜厚測定部３は、膜厚測定時において基板９の表面に形成された膜（表面に形成された膜のうち最上層の研磨対象となる膜を、以下、「対象膜」という。）に照明光を照射するとともに基板９からの反射光が入射するヘッド部３１、ヘッド部３１に入射する基板９からの反射光の分光強度を取得する分光器３２、および、各種演算処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成されたコンピュータ３３を有する。

ヘッド部３１には、ランプ（例えば、キセノンランプ）３１１から光ファイバ３１２を介して照明光が取り込まれ、レンズ３１３を介してハーフミラー３１４へと導かれる。ハーフミラー３１４にて反射した照明光はレンズ３１５を介して基板９の表面へと照射される。基板９からの反射光はレンズ３１５によりヘッド部３１内に取り込まれ、ハーフミラー３１４を透過した後、光ファイバ３１６により分光器３２へと導かれる。コンピュータ３３はＩ／Ｏボードを介して分光器３２に接続され、分光器３２からの出力に基づいて基板９上の膜の厚さを求める。

図２は基板９の研磨時における基板研磨装置１を簡略化して示す図である。図２に示すように、研磨部５は上面に研磨パッドが貼り付けられるとともに、下面がモータ５２に接続された研磨テーブル５１を有し、研磨テーブル５１は膜厚測定部３（図２では円にて示している。）に隣接して設けられる。また、基板保持部２は図示省略の保持部移動機構に取り付けられ、基板９を研磨する際には、基板保持部２は研磨テーブル５１上へと移動して基板９の下面（すなわち、対象膜の表面）が研磨テーブル５１の表面に当接する。基板回転機構２１は全体制御部４に接続され（図１参照）、基板回転機構２１が駆動されることにより基板９が研磨テーブル５１上において一定の角速度で回転する。研磨テーブル５１もモータ５２により回転し、その表面上には研磨剤（スラリーとも呼ばれる。）が供給される。これにより、研磨テーブル５１上において回転する基板９の表面が回転する研磨テーブル５１により研磨される。なお、基板９の研磨時において基板保持部２は図示省略の保持部移動機構により研磨テーブル５１の内部と外周部との間を揺動する。

図３は基板研磨装置１が基板９を研磨する処理の流れを示す図である。図３において、右側の破線の矩形に含まれる工程は膜厚測定部３における工程を示し、左側の破線の矩形に含まれる工程は研磨部５における工程を示している。

基板研磨装置１では、まず、膜厚測定部３のコンピュータ３３において基板９の膜厚の測定方法の種類や測定に利用されるパラメータ等を示す測定レシピが作成される（ステップＳ１１）。後述するように、基板研磨処理では１つの基板９に対して３回の膜厚測定がそれぞれ異なる加工（研磨）段階において行われ、膜厚測定部３では各膜厚測定で利用される測定レシピが個別に作成される。例えば、基板９が２層の膜を有する場合には、コンピュータ３３では、３回の膜厚測定のうちの１回目の測定に対しては２層の膜の両方の膜厚を測定する測定レシピが作成され、２回目および３回目の測定に対しては対象膜の膜厚のみを測定し、他方の膜（すなわち、下層膜）の膜厚は１回目の測定値を利用する測定レシピが作成される。なお、予め下層膜の膜厚（の予想値）が測定レシピに設定され、下層膜の膜厚を利用しつつ対象膜のみが迅速に測定されてもよい。コンピュータ３３では、操作者からの入力により１〜３回目の測定のそれぞれに対して下層膜の膜厚測定の要否等が個別に指定される。もちろん、基板９上の膜は３層以上であってもよく、この場合、以下の説明における下層膜は多層膜とされる。

続いて、外部の搬送装置により基板待機ステージ（図２において符号７１を付して示す。）へと搬送された基板９が、基板保持部２に吸着により保持され、保持部移動機構が基板保持部２を膜厚測定部３へと移動する。そして、全体制御部４の制御により、膜厚測定部３における１回目の膜厚測定が行われる。具体的には、ヘッド部３１からの照明光が基板９の表面へと照射され、基板９からの反射光の分光強度が分光器３２により取得される。膜厚測定部３では、膜が形成されていない他の基板（参照基板）において反射光の分光強度が予め取得されており、参照基板の分光強度を利用して基板９の相対的な分光反射率が求められる。図４は、測定により求められた分光反射率の一例を符号８１を付す実線にて示す図である。

コンピュータ３３では、予め準備されたプログラムを実行することにより、基板９の多層膜の多重反射を考慮した光干渉の所定の膜厚算出式に基づいて、基板９の膜構成における様々な膜厚の組み合わせに対する分光反射率が演算により求められている。そして、事前に求められたこれらの分光反射率と測定により求められた分光反射率とのマッチングを行うことにより、測定により求められた分光反射率に最も近似した分光反射率（例えば、図４中において符号８２を付す破線にて示す分光反射率）を示す膜厚の組み合わせが特定され、対象膜の膜厚（以下、「第１膜厚」という。）および下層膜の膜厚が取得される（ステップＳ１２）。なお、取得された膜厚のデータはコンピュータ３３にて記憶されるとともに、必要に応じて全体制御部４に出力される。

第１膜厚が取得されると、基板保持部２が研磨テーブル５１上へと移動し、基板保持部２の回転および揺動並びに研磨テーブル５１の回転が開始され、所定の時間（以下、「初期研磨時間」という。）だけ基板９が研磨される（ステップＳ１３）。なお、初期研磨時間は、基板９の対象膜が所定の目標膜厚に到達するために要する時間よりも十分に短い時間とされる。

初期研磨時間が経過すると、研磨部５は研磨を終了し、基板保持部２が研磨テーブル５１から離れて膜厚測定部３へと移動する。そして、２回目の膜厚測定が行われ、初期研磨時間の研磨後における基板９の対象膜の膜厚（以下、「第２膜厚」という。）が取得される（ステップＳ１４）。このとき、膜厚測定部３では測定レシピに従って下層膜の膜厚については１回目の膜厚測定にて得られた値を利用し、対象膜の膜厚のみが求められるため、膜厚測定を短時間で行うことができる。

第２膜厚が取得されると、コンピュータ３３では、第１膜厚をｄ１、第２膜厚をｄ２、初期研磨時間をＴｉとして数１に示す演算を行うことにより研磨レートＲｉが求められる（ステップＳ１５）。

続いて、研磨レートＲｉに補正係数Ｘを乗じることにより研磨レートＲｉが補正され、補正後の研磨レートＲｃが求められる（ステップＳ１６）。ここで、１枚目の基板９に対しては補正係数Ｘが１．０として設定されており、研磨レートＲｉがそのまま補正後の研磨レートＲｃとして取り扱われる。補正後の研磨レートＲｃが取得されると、初期研磨時間の研磨後の基板９に対する追加研磨時間Ｔｃが、第２膜厚をｄ２、補正後の研磨レートをＲｃ、目標膜厚をｄ０として数２に示す演算により求められる（ステップＳ１７）。

このように、追加研磨時間Ｔｃは、第１膜厚ｄ１、第２膜厚ｄ２および初期研磨時間Ｔｉから導かれる研磨レートＲｃと、第２膜厚ｄ２と目標膜厚ｄ０との差とに基づいて求められる。追加研磨時間Ｔｃは全体制御部４に出力され、基板９が研磨テーブル５１上へと再度移動する。そして、全体制御部４の制御により基板９が追加研磨時間Ｔｃだけさらに研磨される（ステップＳ１８）。これにより、同一の基板９に対する初期研磨時間の研磨の結果に基づいて、基板９が目標膜厚ｄ０まで精度よく研磨される。

追加の研磨が終了すると、基板保持部２が膜厚測定部３へと移動して３回目の膜厚測定が行われ、追加の研磨後における基板９の対象膜の膜厚（以下、「第３膜厚」という。）が取得される（ステップＳ１９）。既述のように、３回目の膜厚測定においても２回目の膜厚測定と同様に、下層膜の膜厚は１回目の測定値が利用される。そして、第２膜厚ｄ２、第３膜厚ｄ３、目標膜厚ｄ０および現在の補正係数Ｘ（数３ではＸｃと示している。）を数３の右辺に代入することにより、次の基板９の処理に利用される修正後の補正係数Ｘが取得される（ステップＳ２０）。

数３では、追加の研磨による実際の研磨量である第２膜厚ｄ２と第３膜厚ｄ３との差を、追加の研磨に対して予想された研磨量である第２膜厚ｄ２と目標膜厚ｄ０との差にて除算して得た値を補正係数Ｘに乗じることにより補正係数が容易に修正される。

補正係数Ｘが修正されると（または、補正係数Ｘを修正しつつ）、基板保持部２が基板待機ステージ７１へと移動して基板９が載置され、外部の搬送機構により基板研磨装置１から払い出される。その後、基板待機ステージ７１には次の処理対象の基板９ａが載置される。

次の基板９ａは基板保持部２により保持され、膜厚測定部３にて最上層の対象膜の第１膜厚が取得される（ステップＳ２１、Ｓ１２）。第１膜厚の取得後、基板９ａは研磨部５にて１枚目の基板９と同じ初期研磨時間Ｔｉだけ研磨され（ステップＳ１３）、初期研磨時間の研磨後における基板９ａの対象膜の第２膜厚ｄ２が取得される（ステップＳＳ１４）。そして、基板９ａの第１膜厚ｄ１および第２膜厚ｄ２並びに初期研磨時間Ｔｉを数１に代入することにより基板９ａの研磨レートＲｉが算出される（ステップＳ１５）。

コンピュータ３３では、さらに、１枚目の基板９の実際の追加研磨量と予想された研磨量との比に基づいて修正された補正係数Ｘを基板９ａの研磨レートＲｉに乗じることにより、基板９の追加の研磨の結果を考慮した基板９ａの補正後の研磨レートＲｃが取得される（ステップＳ１６）。そして、基板９ａの補正後の研磨レートＲｃ、第２膜厚ｄ２および目標膜厚ｄ０を数２に代入することにより基板９ａに対する追加研磨時間Ｔｃが求められ（ステップＳ１７）、基板９ａが追加研磨時間Ｔｃだけさらに研磨される（ステップＳ１８）。

追加の研磨が終了すると、追加の研磨後における基板９ａの第３膜厚ｄ３が取得され（ステップＳ１９）、数３を用いることにより、基板９ａの第２膜厚ｄ２、第３膜厚ｄ３および目標膜厚ｄ０に基づいて補正係数Ｘがさらに修正される（ステップＳ２０）。すなわち、補正係数Ｘは２枚目の基板９ａの追加研磨の結果を反映した値に修正される。２枚目の基板９ａは基板待機ステージ７１へと移動した後、基板研磨装置１から搬出され、さらに次の基板が基板待機ステージ７１へと搬入されて上記ステップＳ１２〜Ｓ２０が繰り返される（ステップＳ２１）。

以上のように、基板研磨装置１では、基板９が所定の初期研磨時間だけ研磨部５にて研磨され、続けて、研磨前の基板９の最上層の膜の第１膜厚、初期研磨時間だけ研磨した後の膜の第２膜厚および初期研磨時間から導かれる研磨レートと、第２膜厚と目標膜厚との差とに基づいて求められる追加研磨時間だけ、基板９がさらに研磨される。これにより、初期研磨時間の研磨における研磨レートを利用して基板９の最上層の膜を目標膜厚まで精度よく研磨することができる。また、一般的には、最適な研磨レートを求めることは容易ではなく、直前の研磨の結果のみから研磨レートを求めたとしても、実際の研磨レートに対して一定のずれが生じることが経験的に判っているが、基板研磨装置１では、研磨レートを補正係数を用いて補正することにより、より精度よく基板９を研磨することが実現される。さらに、次の基板を処理する前に、直前の基板９の研磨の結果に基づいて補正係数が修正されるため、次の基板をより精度よく研磨することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

上記実施の形態では、膜厚測定部３により追加研磨時間が求められるが、例えば、膜厚測定部３から全体制御部４に第１膜厚、第２膜厚および第３膜厚が入力されることにより、追加研磨時間が全体制御部４により求められてもよい。また、コンピュータ３３における膜厚を演算により求める機能が全体制御部４により実現され、全体制御部４が膜厚測定部３の一部の機能を担ってもよい。

膜厚測定部３は、必ずしも膜の分光反射率を取得することにより膜の厚さを測定するものである必要はなく、例えば、偏光解析により膜の厚さを取得するエリプソメータであってもよい。

基板９は単層膜が形成されたものであってもよい。また、基板９は必ずしも半導体基板である必要はなく、プリント配線基板やガラス基板等の他の種類の基板であってもよい。

基板研磨装置の構成を示す図である。 基板の研磨時における基板研磨装置を簡略化して示す図である。 基板を研磨する処理の流れを示す図である。 分光反射率の一例を示す図である。

符号の説明

１ 基板研磨装置
３ 膜厚測定部
４ 全体制御部
５ 研磨部
９ 基板
Ｓ１２〜Ｓ２１ ステップ

Claims (5)

1. 基板を研磨する基板研磨方法であって、
   基板の表面に形成された膜の厚さを測定して第１の膜厚を取得する第１測定工程と、
   前記基板を所定の時間だけ研磨する第１研磨工程と、
   前記第１研磨工程後の前記膜の第２の膜厚を取得する第２測定工程と、
   前記第１の膜厚、前記第２の膜厚および前記所定の時間から導かれる研磨レートと、前記第２の膜厚と目標膜厚との差とに基づいて追加研磨時間を求める工程と、
   前記基板を前記追加研磨時間だけさらに研磨する第２研磨工程と、
   を備えることを特徴とする基板研磨方法。
2. 請求項１に記載の基板研磨方法であって、
   前記追加研磨時間を求める工程において、前記研磨レートが補正係数を用いて補正されることを特徴とする基板研磨方法。
3. 請求項２に記載の基板研磨方法であって、
   前記第２研磨工程後の前記膜の第３の膜厚を取得する第３測定工程と、
   前記第２の膜厚、前記第３の膜厚および前記目標膜厚に基づいて前記補正係数を修正する工程と、
   もう１つの基板に対して、前記第１測定工程から前記修正する工程までを繰り返す工程と、
   をさらに備えることを特徴とする基板研磨方法。
4. 請求項３に記載の基板研磨方法であって、
   前記補正係数を修正する工程において、前記第２の膜厚と前記第３の膜厚との差を前記第２の膜厚と前記目標膜厚との差にて除算して得た値を前記補正係数に乗じることにより前記補正係数が修正されることを特徴とする基板研磨方法。
5. 基板を研磨する基板研磨装置であって、
   基板を研磨する研磨部と、
   基板の表面に形成された膜の厚さを測定して膜厚を取得する膜厚測定部と、
   研磨前の基板の表面に形成された膜の第１の膜厚、前記研磨部にて所定の時間だけ研磨した後の前記膜の第２の膜厚および前記所定の時間から導かれる研磨レートと、前記第２の膜厚と目標膜厚との差とに基づいて求められる追加研磨時間だけ、前記研磨部にて前記基板をさらに研磨させる制御部と、
   を備えることを特徴とする基板研磨装置。

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