JP2006286766A - 化学的機械的研磨方法及び化学的機械的研磨システム - Google Patents

Abstract

【課題】 被研磨ウェハの被研磨膜を狙い通りの研磨量で研磨する。
【解決手段】 所定のプロセス条件における被研磨ウェハの被研磨膜の化学的機械的研磨方法であって、このプロセス条件と同じ条件下で被研磨膜と同じ種類の膜が形成された試験用ウェハを研磨する先行研磨を行って、試験研磨時間Ｔ１，Ｔ２と試験研磨量Ｍ１，Ｍ２を対応づけた研磨情報ＰＩを複数回取得する情報取得工程と、情報取得工程にて取得された各研磨情報ＰＩに基づいて被研磨ウェハの被研磨膜に要求される実研磨量から実研磨時間を算出する研磨時間算出工程と、研磨時間算出工程にて算出された実研磨時間だけ被研磨ウェハの被研磨膜を研磨する実研磨工程と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被研磨ウェハの被研磨膜の化学的機械的方法及び化学的機械的研磨システムに関する。

半導体ウェハの表面における層間絶縁膜の平坦化、金属配線の形成等には、化学的機械的研磨（以下、ＣＭＰという）が一般的に行われる。近年、半導体プロセスの高集積化及び微細化に伴い、層間絶縁膜等の薄膜化が進んで高精度でウェハ表面を研磨する必要が生じ、ＣＭＰの研磨量は減少する傾向にある。また、コスト低減の観点からも、研磨量を減少させることが好ましい。

ここで、ＣＭＰの研磨量は、研磨時にウェハに加わる荷重、研磨パッドの表面状態等に加えて、スラリーの流量、ｐｈ、温度等によっても変化する。このように、ＣＭＰにおいては研磨量が比較的変動しやすいことから、製品として出荷される被研磨ウェハの被研磨膜を研磨する前に、現実のプロセス条件と同じ条件下で被研磨膜と同じ種類の膜が形成された試験用ウェハの先行研磨を１回行う。この先行研磨における研磨時間及び研磨量から、製品の被研磨ウェハの研磨時間が決定される（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１には、試験用ウェハ（ダミーウェハ）を研磨することにより、研磨モデルの補正を行うことが開示されている。

ここで、研磨レートＰＲは、研磨前の被研磨膜の膜厚をＭ０、研磨後の膜厚をＭ１とし、研磨に要した時間をＴｐとすると、
ＰＲ＝（Ｍ０−Ｍ１）／Ｔｐ
の式で規定される。この研磨レートＰＲは、ホストコンピュータに一定時間保存される。研磨レートＰＲが保存されている間に、製品の被研磨ウェハの研磨が仕掛かったときは、各被研磨ウェハ固有の実研磨量から、研磨レートＰＲを用いて実研磨時間を算出するようになっている。
特開平１０−２９４３００号公報（第３頁、段落００１０）

ところで、化学的機械的研磨では、インキュベーションタイムと呼ばれる研磨初期に研磨が進行しない時間が存在することが一般的に知られている。このインキュベーションタイムは、ＳｉＯ_２等のような親水性の膜である場合は比較的短時間であるが、低誘電率膜（ｌｏｗ−ｋ膜）のような疎水性の膜である場合は比較的長時間となる。そして、研磨量が比較的少ない場合においては、研磨時間も比較的少なくなることから、インキュベーションタイムの影響が相対的に大きくなり、１回のみの先行研磨でインキュベーションタイムを含めて線形的に研磨レートを求めてしまうと、製品の実研磨時間を正確に算出することができない。

このように、インキュベーションタイムが存在して研磨が進行しない研磨時間領域をはじめとして、研磨が過剰に進行する研磨時間領域など、研磨量を単純に近似化できない研磨時間領域においては、１回の先行研磨で要求される研磨量に対応する研磨時間を精度よく予測するのは困難である。

本発明によれば、所定のプロセス条件における被研磨ウェハの被研磨膜の化学的機械的研磨方法であって、前記プロセス条件と同じ条件下で前記被研磨膜と同じ種類の膜が形成された試験用ウェハを研磨する先行研磨を行って、試験研磨時間と試験研磨量を対応づけた研磨情報を複数回取得する情報取得工程と、前記情報取得工程にて取得された各研磨情報に基づいて、前記被研磨ウェハの前記被研磨膜に要求される実研磨量から実研磨時間を算出する研磨時間算出工程と、前記研磨時間算出工程にて算出された実研磨時間だけ前記被研磨ウェハの前記被研磨膜を研磨する実研磨工程と、を有することを特徴とする化学的機械的研磨方法が提供される。

この化学的機械的研磨方法では、情報取得工程において試験研磨時間と試験研磨量の関係を複数回取得するようにし、研磨時間算出工程にて複数の試験研磨時間と試験研磨量の関係から実研磨時間が算出されるようにしたので、単純に近似化できない研磨時間及び研磨量の領域においても、複数の情報から精度よく実研磨時間を算出することができる。
従って、先行研磨にて１回だけ研磨に関する情報を取得する従来のものに比べて、格段に実研磨時間の精度を向上することができる。これにより、実研磨工程にて被研磨ウェハの被研磨膜を狙い通りの研磨量で研磨することができる。

また、本発明によれば、被研磨ウェハの被研磨膜を研磨する研磨部と、前記被研磨膜の膜厚を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記被研磨膜の研磨前後の膜厚及び研磨に要した時間に基づいて、前記被研磨ウェハの前記被研磨膜に要求される実研磨量から実研磨時間を算出する研磨時間算出部と、を備え、前記研磨時間算出部は、複数の研磨前後の膜厚及び研磨に要した時間から前記実研磨時間を算出することを特徴とする化学的機械的研磨システムが提供される。

この化学的機械的研磨システムでは、導出部が複数の研磨前後の膜厚及び研磨に要した時間から実研磨時間を算出するようにしたので、単純に近似化できない研磨時間及び研磨量の領域においても、複数の情報から精度よく実研磨時間を算出することができる。
従って、先行研磨にて１回だけ研磨に関する情報を取得する従来のものに比べて、格段に実研磨時間の精度を向上することができる。これにより、被研磨ウェハの被研磨膜を狙い通りの研磨量で研磨することができる。

本発明によれば、被研磨ウェハの被研磨膜を狙い通りの研磨量で研磨することができ、製造される半導体素子の品質を保証することができる。

図面を参照しつつ、本発明による化学的機械的研磨方法及び化学的機械的研磨システムの好適な実施形態について詳細に説明する。尚、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１及び図２は本発明の一実施形態を示す化学的機械的研磨システムの概略構成ブロック図である。
図１及び図２に示すように、この化学的機械的研磨システム１００は、被研磨ウェハの被研磨膜を研磨する研磨部１０２と、被研磨膜の膜厚を検出する検出部１０４と、検出部１０４により検出された被研磨膜の研磨前後の膜厚とこの研磨に要した時間とに基づいて、被研磨ウェハの被研磨膜に要求される実研磨量ＭＲから実研磨時間ＴＲを算出する研磨時間算出部１０８と、を備えている。そして、研磨時間算出部１０８は、被研磨膜の研磨前後の膜厚とこの研磨に要した時間に関する複数の情報（研磨情報ＰＩ）から実研磨時間ＴＲを算出する。本実施形態においては、化学的機械的研磨システム１００は、複数の研磨情報ＰＩから研磨時間と研磨量の研磨レートＰＲを導出する導出部１０６を備え、研磨時間算出部１０８は、導出部１０６にて導出された研磨レートＰＲを用いて実研磨時間ＴＲを算出する。

図１及び図２に示すように、化学的機械的研磨システム１００は、互いに通信接続されたＣＭＰ装置２００とホストコンピュータ３００とから構成される。そして、前述の研磨部１０２及び検出部１０４はＣＭＰ装置２００に設けられ、導出部１０６及び研磨時間算出部１０８はホストコンピュータ３００に設けられる。

研磨部１０２は、被研磨膜を下方に向けた状態で被研磨ウェハを支持するヘッド部、被研磨ウェハの表面を研磨する研磨パッド、研磨パッドを上面で支持する定盤等を有している。そして、ヘッド部を用いて被研磨ウェハを定盤側へ押しつけ、被研磨ウェハの被研磨膜と研磨パッドの接触部分にスラリーを供給しつつ、ヘッド部及び定盤を回転させることにより、被研磨膜が研磨される。

検出部１０４は、被研磨膜の膜厚を測定する膜厚センサであり、白色光源からの光を被研磨ウェハへ照射して反射した光を検出することにより膜厚を測定するものである。

また、図１に示すように、ＣＭＰ装置２００には、研磨に要した時間及び被研磨膜の研磨前後の膜厚を、試験研磨時間Ｔ１，Ｔ２及び試験研磨量Ｍ１，Ｍ２として記憶可能な記憶部１１０が設けられている。本実施形態においては、２つの試験研磨時間Ｔ１，Ｔ２及び試験研磨量Ｍ１，Ｍ２が記憶され、第１試験研磨時間Ｔ１は第２試験研磨時間Ｔ２よりも短い時間となっている。

各試験研磨時間Ｔ１，Ｔ２及び各試験研磨量Ｍ１，Ｍ２は、ホストコンピュータ３００からの要求に応じて、ＣＭＰ装置２００からホストコンピュータ３００へ送信される。導出部１０６は、受信した各試験研磨時間Ｔ１，Ｔ２及び各試験研磨量Ｍ１，Ｍ２から研磨レートＰＲを導出する。本実施形態においては、各試験研磨量Ｍ１，Ｍ２は、初期膜厚ｍ１０，ｍ２０と研磨後の膜厚ｍ１１，ｍ２１の差により規定されており、Ｍ１＝（ｍ１０−ｍ１１）、Ｍ２＝（ｍ２０−ｍ２１）となっている。そして、研磨レートＰＲは、
ＰＲ＝（（ｍ２０−ｍ２１）−（ｍ１０−ｍ１１））／（Ｔ２−Ｔ１）
の式で規定されている。すなわち、研磨レートＰＲは、２つの研磨情報ＰＩから線形的に求められる。

また、本実施形態においては、導出部１０６は、補正値ＩＣも２つの研磨情報ＰＩから導出する。具体的には、補正値ＩＣは、
ＩＣ＝（Ｔ１（ｍ２０−２１）−Ｔ２（ｍ１０−ｍ１１））／（Ｔ２−Ｔ１）
の式で規定されている。

図１に示すように、このようにして算出された研磨レートＰＲ及び補正値ＩＣは、ホストコンピュータ３００の記憶部１１２に記憶される。研磨レートＰＲ及び補正値ＩＣの算出は定期的に行われ、記憶部１１２には常に最新の研磨レートＰＲ及び補正値ＩＣが記憶されるようになっている。尚、この研磨レートＰＲ及び補正値ＩＣを算出するタイミングは任意であり、一定時間おきに算出してもよいし、被研磨ウェハを一定枚数処理する都度に算出してもよいし、プロセス条件が変動した際に算出するようにしてもよい。

そして、図２に示すように、研磨時間算出部１０８は、被研磨ウェハの被研磨膜に要求される実研磨量ＭＲから実研磨時間ＴＲを算出する。具体的には、
ＴＲ＝（ＭＲ＋ＩＣ）／ＰＲ
の式から実研磨時間ＴＲが算出される。

この化学的機械的研磨システム１００を用いた化学的機械的研磨方法について説明する。ここで、被研磨膜は、低誘電率膜であり疎水性の膜となっている。この研磨方法は、所定のプロセス条件における被研磨ウェハの被研磨膜の化学的機械的研磨方法である。

図３は、化学的機械的研磨方法の工程説明図である。
図３に示すように、この研磨方法は、所定のプロセス条件と同じ条件下で被研磨膜と同じ種類の膜が形成された試験用ウェハを研磨する先行研磨を行って、試験研磨時間Ｔ１，Ｔ２と試験研磨量Ｍ１，Ｍ２が対応づけられた研磨情報ＰＩを複数回取得する情報取得工程４１０と、情報取得工程４１０にて取得された各研磨情報ＰＩに基づいて、被研磨ウェハの被研磨膜に要求される実研磨量ＭＲから実研磨時間ＴＲを算出する研磨時間算出工程４３０と、研磨時間算出工程４３０にて算出された実研磨時間ＴＲだけ被研磨ウェハの被研磨膜を研磨する実研磨工程４４０と、を有する。本実施形態においては、情報取得工程４１０の後、各研磨情報ＰＩから所定のプロセス条件下における被研磨膜の研磨時間と研磨量の研磨レートＰＲを導出する研磨レート導出工程４２０を有し、研磨時間算出工程４３０では研磨レート導出工程４２０にて導出された研磨レートＰＲを用いて実研磨量ＭＲを算出する。

ここで、情報取得工程４１０において、第１試験研磨時間Ｔ１は実研磨時間ＴＲより短く、第２試験研磨時間Ｔ２は実研磨時間ＴＲより長くなるように、各研磨情報ＰＩが取得される。先行研磨においては、実研磨時間ＴＲに関する情報が予め取得されているわけではないが、研磨対象となる被研磨ウェハの被研磨膜について、実研磨量ＭＲ及び実研磨時間ＴＲのおおよその値が経験的に明らかとなっていることから、実研磨時間ＴＲが各試験研磨時間Ｔ１，Ｔ２の間となるように各試験研磨時間Ｔ１，Ｔ２を設定すればよい。

このように、情報取得工程４１０においては、試験研磨時間Ｔ１，Ｔ２と試験研磨量Ｍ１，Ｍ２の関係を複数回取得するようにし、研磨レート導出工程４２０にて複数の試験研磨時間Ｔ１，Ｔ２と試験研磨量Ｍ１，Ｍ２の関係から研磨レートＰＲが導出されるようにしたので、単純に近似化できない研磨時間及び研磨量の領域においても、複数の情報から精度よく研磨レートＰＲを導出することができる。

図４は、先行研磨における試験研磨時間Ｔ１，Ｔ２及び試験研磨量Ｍ１，Ｍ２の関係と、実研磨時間ＴＲ及び実研磨量ＭＲの関係を示すグラフである。
ここで、本実施形態においては、情報取得工程４１０において、図４に示すように、初期に研磨が進行しないインキュベーションタイム経過後に各研磨情報ＰＩを取得する。これにより、研磨時間と研磨量が比較的線形に近い領域で各研磨情報ＰＩが取得されることとなる。

従って、先行研磨にて１回だけ研磨に関する情報を取得する従来のものに比べて、格段に研磨レートＰＲの精度を向上することができる。これにより、研磨時間算出工程４３０にて算出される実研磨時間ＴＲの精度も向上し、実研磨工程４４０にて被研磨ウェハの被研磨膜を狙い通りの実研磨量ＭＲで研磨することができる（図４参照）。

このように、本実施形態によれば、被研磨ウェハの被研磨膜を狙い通りの研磨量で研磨することができ、製造される半導体素子の品質を保証することができる。

特に、被研磨ウェハの被研磨膜が疎水性の膜であるので、図５に示すようにインキュベーションタイムが親水性の膜等に比して長く、研磨時間が比較的短い低研磨領域においては線形性を呈さずに従来では精度を欠くことが多かったが、本実施形態の手法により研磨レートＰＲを的確に導出することができる。ここで、図５は、疎水性の膜及び親水性の膜のそれぞれについて、研磨時間と研磨量の関係を示すグラフである。
また、被研磨膜の酸化状態等が表面側と基板側で異なる場合にも、研磨レートＰＲを的確に導出することができ、実用に際して極めて有利である。

また、第１試験研磨時間Ｔ１が実研磨工程４４０における実研磨時間ＴＲより小さくなるとともに、第２試験研磨時間Ｔ２が実研磨工程４４０における実研磨時間ＴＲより大きくなるように、各研磨情報ＰＩを取得するようにしたので、図４に示すように、実研磨時間ＴＲが各試験研磨時間Ｔ１，Ｔ２の間に挟まれ、導出される研磨レートＰＲが実研磨時間ＴＲに適している蓋然性が高くなり、これによっても研磨レートＰＲの精度が向上する。

尚、前記実施形態においては、ＣＭＰ装置２００に検出部１０４及び記憶部１１０が設けられているものを示したが、検出部１０４及び記憶部１１０をＣＭＰ装置２００と別ユニットとしてもよいことは勿論である。すなわち、化学的機械的研磨システム１００が、検出部１０４及び記憶部１１０を備えていれば、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、前記実施形態においては、２つの研磨情報ＰＩを取得するものを示したが、３以上の研磨情報ＰＩを取得して研磨レートＰＲを導出するようにしてもよい。この場合、少なくとも１つの試験研磨時間が実研磨工程４４０における実研磨時間ＴＲより小さくなるとともに、少なくとも１つの試験研磨時間が実研磨工程４４０における実研磨時間ＴＲより大きくなるように、各研磨情報ＰＩを取得すると導出される研磨レートＰＲが実研磨時間ＴＲに適している蓋然性が高くなる。
また、前記実施形態においては、各研磨情報ＰＩから、線形的に研磨レートＰＲを求めるものを示したが、非線形的に研磨レートＰＲを求めるものであってもよいことは勿論である。

さらに、前記実施形態のように、第１試験研磨時間Ｔ１<実研磨時間ＴＲ<第２研磨時間Ｔ２という条件を満たすのならば、内挿法により研磨レートＰＲを導出するようにしてもよい。この場合、実研磨時間ＴＲは、
ＴＲ＝（（ｍ２１−ＭＲ）Ｔ１＋（ＭＲ−ｍ１１）Ｔ２）／（ｍ２１−ｍ１１）
の式より算出される。これは内挿法の公式に基づくものである。これにより、比較的簡単容易に実研磨時間ＴＲを算出することが可能となる。
ここで、実研磨時間ＴＲ<第１試験研磨時間Ｔ１<第２試験研磨時間Ｔ２という条件であったり、第１試験研磨時間Ｔ１<第２試験研磨時間Ｔ２<実研磨時間ＴＲという条件ならば、外挿法により研磨レートＰＲを導出してもよい。

また、前記実施形態においては、被研磨膜が疎水性の膜であるものを示したが、被研磨膜が親水性の膜であってもよい。すなわち、本発明は、研磨初期に過剰に研磨が進行する系など、部分的にしか研磨時間と研磨量の関係が線形性を持たない系に対しても有効であるし、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

本発明の一実施形態を示す先行研磨時の化学的機械的研磨システムの概略構成ブロック図である。 製品研磨時の化学的機械的研磨システムの概略構成ブロック図である。 化学的機械的研磨方法の工程説明図である。 先行研磨における試験研磨時間及び試験研磨量の関係と、実研磨時間及び実研磨量の関係を示すグラフである。 疎水性の膜及び親水性の膜のそれぞれについて、研磨時間と研磨量の関係を示すグラフである。

符号の説明

１００ 化学的機械的研磨システム
１０２ 研磨部
１０４ 検出部
１０６ 導出部
１０８ 研磨時間算出部
１１０ 記憶部
１１２ 記憶部
２００ ＣＭＰ装置
３００ ホストコンピュータ
４１０ 情報取得工程
４２０ 研磨レート導出工程
４３０ 研磨時間算出工程
４４０ 実研磨工程
ＩＣ 補正値
ｍ１０ 初期膜厚
ｍ１１ 研磨後の膜厚
ｍ２０ 初期膜厚
ｍ２１ 研磨後の膜厚
Ｍ１ 試験研磨量
Ｍ２ 試験研磨量
ＭＲ 実研磨量
ＰＩ 研磨情報
ＰＲ 研磨レート
Ｔ１ 試験研磨時間
Ｔ２ 試験研磨時間
ＴＲ 実研磨時間

Claims (8)

1. 所定のプロセス条件における被研磨ウェハの被研磨膜の化学的機械的研磨方法であって、
   前記プロセス条件と同じ条件下で前記被研磨膜と同じ種類の膜が形成された試験用ウェハを研磨する先行研磨を行って、試験研磨時間と試験研磨量を対応づけた研磨情報を複数回取得する情報取得工程と、
   前記情報取得工程にて取得された各研磨情報に基づいて、前記被研磨ウェハの前記被研磨膜に要求される実研磨量から実研磨時間を算出する研磨時間算出工程と、
   前記研磨時間算出工程にて算出された実研磨時間だけ前記被研磨ウェハの前記被研磨膜を研磨する実研磨工程と、を有することを特徴とする化学的機械的研磨方法。
2. 前記情報取得工程の後、前記各研磨情報から前記プロセス条件下における前記被研磨膜の研磨時間と研磨量の研磨レートを導出する研磨レート導出工程を有し、
   前記研磨時間算出工程は、前記研磨レート導出工程にて導出された研磨レートを用いて前記実研磨時間を算出することを特徴とする請求項１に記載の化学的機械的研磨方法。
3. 前記研磨時間算出工程は、前記情報取得工程にて取得された各研磨情報から内挿法を用いて前記実研磨時間を算出することを特徴とする請求項１に記載の化学的機械的研磨方法。
4. 前記情報取得工程において、インキュベーションタイム経過後に、前記各研磨情報を取得するようにしたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の化学的機械的研磨方法。
5. 前記被研磨ウェハの前記被研磨膜は、疎水性の膜であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の化学的機械的研磨方法。
6. 被研磨ウェハの被研磨膜を研磨する研磨部と、
   前記被研磨膜の膜厚を検出する検出部と、
   前記検出部により検出された前記被研磨膜の研磨前後の膜厚とこの研磨に要した時間とに基づいて、前記被研磨ウェハの前記被研磨膜に要求される実研磨量から実研磨時間を算出する研磨時間算出部と、を備え、
   前記研磨時間算出部は、前記被研磨膜の研磨前後の膜厚及び研磨に要した時間に関する複数の情報から前記実研磨時間を算出することを特徴とする化学的機械的研磨システム。
7. 前記検出部により検出された前記被研磨膜の研磨前後の膜厚及び研磨に要した時間に関する複数の情報から、研磨時間と研磨量の研磨レートを導出する導出部を備え、
   前記研磨時間算出部は、前記導出部にて導出された研磨レートを用いて前記実研磨時間を算出することを特徴とする請求項６に記載の化学的機械的研磨システム。
8. 前記研磨時間算出部は、前記被研磨膜の研磨前後の膜厚及び研磨に要した時間に関する複数の情報から内挿法を用いて前記実研磨時間を算出することを特徴とする請求項６に記載の化学的機械的研磨システム。

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