JP2007266235A

JP2007266235A - 研磨装置

Info

Publication number: JP2007266235A
Application number: JP2006088276A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Ota; 真朗大田; Mitsuo Tada; 光男多田
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】終点検知モニタの膜厚検出精度を向上させて、被研磨面がより最適な状態となった時に、研磨を終了させることができるようにする。
【解決手段】トップリング３で保持した基板２の表面を、研磨テーブル１の表面を覆う研磨パッド４に摺接させて研磨する研磨装置において、研磨テーブル１及び研磨パッド４に該研磨テーブル１及び研磨パッド４を貫通して延びるセンサ孔３０を設け、センサ孔３０の内部に終点検知モニタ４０のセンサ３６を該センサ３６のセンサヘッド３４が研磨中の基板２に近接するように配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、研磨装置に関し、特に研磨の終点を検知する終点検知モニタを備え、半導体ウェーハ等の基板の表面に成膜した銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、酸化膜またはバリヤ膜等の導電性膜を研磨するのに使用される研磨装置に関する。

近年、半導体ウェーハ等の基板上に回路を形成するための配線材料として、アルミニウムまたはアルミニウム合金に代えて、電気抵抗率が低くエレクトロマイグレーション耐性が高い銅（Ｃｕ）を用いる動きが顕著になっている。この種の銅配線は、基板の表面に設けた微細な配線用凹部の内部に銅を埋込むことによって一般に形成される。この銅配線を形成する方法としては、ＣＶＤ、スパッタリング及びめっきといった手法があるが、いずれにしても、基板のほぼ全表面に銅膜を成膜して、化学機械的研磨（ＣＭＰ）により配線用凹部の内部以外の不要な銅膜を研磨するようにしている。

この不要の銅膜をＣＭＰにより研磨する場合、不要の銅膜が所定の量だけ研磨されたことを検知したり、完全に研磨されたことを検知したりする必要がある。このため、例えば、渦電流式終点検知モニタ等の終点検知モニタで研磨の終点を研磨中に検知することが広く行われている。

図４は、渦電流式終点検知モニタを備えた研磨装置の一例を示す。この研磨装置は、研磨テーブル１と、半導体ウェーハ等の基板２を保持しつつ研磨テーブル１に向けて押圧するトップリング３を具備している。研磨テーブル１は、モータ７に連結されており、その軸心回わりに回転する。また、研磨テーブル１の上面には、研磨パッド４が貼設されている。

トップリング３は、モータ（図示せず）に連結されるとともに、昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これによって、トップリング３は、矢印で示すように昇降して、基板２を研磨パッド４に対して任意の圧力で押圧し、その軸心回わりに回転する。トップリング３はトップリングシャフト８に連結されており、その下面にポリウレタン等の弾性マットや圧力室を形成する弾性膜９を備えている。トップリング３の下部外周部には、基板２の外れ止めを行うガイドリング６が設けられている。研磨テーブル１の上方には、研磨テーブル１に貼設された研磨パッド４上に研磨液Ｑを供給する研磨液供給ノズル５が配置されている。

これにより、基板２をトップリング３の下面の弾性マットや圧力室を形成する弾性膜９の下部に保持し、研磨テーブル１上の研磨パッド４に、基板２をトップリング３によって押圧するとともに、研磨テーブル１及びトップリング３を回転させ、研磨パッド４と基板２を相対運動させて基板２の表面を研磨する。このとき、研磨液供給ノズル５から研磨パッド４上に研磨液Ｑを供給する。研磨液Ｑは、例えば銅膜を研磨する場合は、酸化剤にアルミナやシリカといった微粒子からなる砥粒を懸濁したものを用い、銅表面を化学反応で酸化させながら、砥粒による機械的研磨作用との複合作用によって基板の表面の銅膜を研磨する。

研磨テーブル１の内部には、センサコイルに高周波電流を流して基板２の被研磨面に渦電流を生じさせる渦電流センサ１０が埋め込まれている。渦電流センサ１０の配線１４は、研磨テーブル１及び研磨テーブル支持軸１ａ内を通り、研磨テーブル支持軸１ａの軸端に設けられたロータリコネクタ１１を経由してコントローラ１２に接続されている。コントローラ１２は表示装置１３に接続されている。これによって、渦電流式終点検知モニタ２０が構成されている。ロータリコネクタ１１の代わりにスリップリングを用いることができる。

この渦電流式終点検知モニタ２０によれば、基板２に形成されて研磨される銅膜等の導電性膜の膜厚の変化を、渦電流を介して渦電流センサ１０で検出し、渦電流センサ１０の信号をモニタして、不要の銅膜等の導電成膜が所定の量だけ研磨されたり、不要な銅膜等の導電性膜が基板から完全に除去されたときの周波数変化により研磨の終点を検出することができる。

従来の一般的な渦電流式終点検知モニタの渦電流センサにおけるスポット径は、約２０ｍｍ以上であり、図５に示すように、１点当りの検出モニタ領域Ｍ_１が一般に広く、広範囲の領域を平均化した残膜結果しか得られなかった。このため、残膜有無の検出精度およびプロファイルコントロールの精度に限界があり、特に、図５に示すように、研磨後の基板のエッジ部Ｅ_１における膜厚のばらつきに対応できなかった。これは、基板上に成膜した銅膜等の導電成膜を研磨する際、基板のエッジ部は境界領域となって、ここに成膜される膜の膜厚が他の場所に成膜される膜の膜厚に比べて変化し易いためである。また、基板の一部に残った、６ｍｍ幅以下の残膜の検出が一般に困難で、基板上への膜の成膜状態、あるいは膜の研磨条件の変動などにより、本来研磨すべき膜が基板の一部に残ってしまうことがあった。

なお、渦電流センサにおけるスポット径が広いのは、センサコイル径が大きいためである。これを解決するため、渦電流センサのセンサコイル径を小さくし、膜厚の検出モニタ領域を小さくすることが考えられる。しかし、渦電流センサで膜厚が検出できる該渦電流センサから膜までの距離は、センサコイル径と相関関係があるため、センサコイル径を小さくすると、渦電流センサと基板との間には研磨パッドが存在することから、渦電流が基板まで到達せず、膜厚が検出できなくなる。

本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、終点検知モニタの膜厚検出精度を向上させて、被研磨面がより最適な状態となった時に、研磨を終了させることができるようにした研磨装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、トップリングで保持した基板の表面を、研磨テーブルの表面を覆う研磨パッドの研磨面に摺接させて研磨する研磨装置において、前記研磨テーブル及び前記研磨パッドに該研磨テーブル及び研磨パッドを貫通して延びるセンサ孔を設け、前記センサ孔の内部に終点検知モニタのセンサを該センサのセンサヘッドが研磨中の基板に近接するように配置したことを特徴とする研磨装置である。

これにより、研磨パッドの影響を軽減しつつ、センサヘッドを研磨中の基板により近づけることで、センサヘッドとして、センサコイル径が小さくスポット径が小さい小型のものを使用しても、基板に成膜した研磨中に膜の膜厚を検出できるようにすることができる。このように、小型でスポット径の小さなセンサヘッドを有するセンサを使用することで、終点検知モニタの膜厚検出精度を向上させることができる。この場合、センサ孔は研磨パッドの上面に開口するが、このセンサ孔の孔径を、研磨後における膜表面のプロフィールに影響を与えないように設定し、センサヘッドとして、このセンサ孔の孔径より小型のものを使用して、センサヘッドで膜厚が検出可能な距離までセンサヘッドを基板に近づけるようにすることが好ましい。

請求項２に記載の発明は、前記センサを、前記センサ孔の内部に該センサ孔に沿って移動自在に配置したことを特徴とする請求項１記載の研磨装置である。
センサヘッドの出力は、センサヘッドと基板との距離によって変動し、研磨パッドは、使用前の状態において厚さのばらつきを持っている。このため、研磨パッドの厚さを研磨パッド毎に測定し、研磨パッドの厚さに合わせて、センサをセンサ孔に沿って移動させることで、センサを最適な位置にセットすることができる。

請求項３に記載の発明は、前記研磨パッドの厚さを測定するパッド厚測定部を更に有することを特徴とする請求項２記載の研磨装置である。
研磨パッドは、研磨パッドのドレッシングと共に薄くなる場合があり、このように、研磨パッドが薄くなると、センサヘッドと基板との距離が変動する。このため、研磨パッドの厚さを定期的に測定し、その情報をフィードバックして、センサヘッドと基板との距離が常に一定となるようにセンサの位置を調整することで、センサヘッドの出力と残膜との相関関係を向上させることができる。

請求項４に記載の発明は、前記終点検知モニタは、渦電流式またはマイクロ波エリプソ式であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の研磨装置である。

本発明によれば、センサヘッドを基板に近接させて配置し、センサヘッドとしてスポット径が小さな小型なものを使用することで、終点検知モニタの膜厚検出精度を向上させることができる。したがって、この終点検知モニタを備えることで、被研磨面がより最適な状態となった時に、研磨を終了させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１及び図２は、終点検知モニタとして渦電流式終点検知モニタを使用した、本発明の実施の形態の研磨装置を示す。なお、図４に示す従来例と同一または相当する部材には、同一の符号を伏して、重複した説明を省略する。

図１及び図２に示すように、研磨テーブル１及び研磨パッド４には、研磨テーブル１を上下に貫通するテーブル孔１ｂと研磨パッド４を上下に貫通するパッド孔４ａからなるセンサ孔３０が互いに連続して設けられている。そして、このセンサ孔３０の内部に、スリーブ３２と該スリーブ３２の内部に固着したセンサヘッド３４を有する渦電流センサ３６が、センサヘッド３４の上部がスリーブ３２から突出した状態で、昇降機構３８を介して昇降自在に配置されている。そして、この渦電流センサ３６の配線１４は、研磨テーブル支持軸１ａの軸端に設けられたロータリコネクタ１１を経由してコントローラ１２に接続されている。コントローラ１２は表示装置１３に接続されている。これによって、渦電流式終点検知モニタ４０が構成されている。

ここに、パッド孔４ａの孔径は、研磨後における膜表面のプロフィールに影響を与えない最小値に設定されている。そして、センサヘッド３４として、例えばスポット径が１ｍｍとなるようなセンサコイルを有する小型で円柱状のものが使用され、センサヘッド３４は、この上端がパッド孔４ａの内部に位置して、研磨時の基板２の表面（被研磨面）に近接するように配置されている。更に、この例では、スリーブ３２として、その外径がパッド孔４ａの孔径より小径のものを使用し、更に、テーブル孔１ｂの内径は、スリーブ３２の外径より僅かに大きく、スリーブ３２がテーブル孔１ｂの内部を摺動可能な大きさに設定されている。

このように、渦電流センサ３６のセンサヘッド３４の上端をパッド孔４ａ内に位置させて、センサヘッド３４が研磨時の基板２の表面（被研磨面）に近接するように渦電流センサ３６を配置することで、センサヘッド３４として、センサコイル径が小さくスポット径が小さい小型のものを使用することができる。このように、小型でスポット径の小さなセンサヘッド３４を有する渦電流センサ３６を使用することで、渦電流式終点検知モニタ４０の膜厚検出精度を向上させることができる。

つまり、この例にあっては、研磨パッド４の上面に開口するパッド孔４ａの孔径を、研磨後における膜表面のプロフィールに影響を与えないように設定し、センサヘッド３４として、このパッド孔４ａの孔径より小型のものを使用して、センサヘッド３４で膜厚が検出可能な距離までセンサヘッド３４を基板２に近づけるようにしている。センサヘッド３４と基板２との間隔は、研磨時に研磨パッド４がその弾性で変形しても、センサヘッド３４が基板２に接触しない大きさになっている。パッド孔４ａの孔径も同様に、研磨時に研磨パッド４がその弾性で変形しても、センサヘッド３４が研磨パッド４に接触しない大きさになっている。

このセンサヘッド３４は、耐薬品性を有する材料で一体に覆われており、これによって、センサヘッド３４が研磨パッド４上に供給される研磨液Ｑに接触しても、センサヘッド３４が研磨液Ｑの影響を受けて変質しないようになっている。また、パッド孔４ａの内部に残留した研磨液Ｑは、例えばアトマイザにより除去されて、パッド孔４ａの内部に研磨液が残留したり、固着したりすることはない。更に、研磨テーブル１の少なくともテーブル孔１ｂを有する部位及びスリーブ３２は、テーブル孔１ｂの内部をスリーブ３２が摺動しても、発塵しない材料で構成されている。

センサヘッド３４の出力は、センサヘッド３４と基板２との距離によって変動し、研磨パッド４は、使用前の状態において厚さのばらつきを持っている。このため、研磨パッド４の厚さを研磨パッド４毎に測定し、研磨パッド４の厚さに合わせて、渦電流センサ３６を、昇降機構３８を介してセンサ孔３０に沿って移動（昇降）させることで、センサヘッド３４と基板２とが最適な位置関係となるようにセットすることができる。

更に、この例では、研磨パッド４の厚さを測定するパッド厚測定部４２が備えられ、このパッド厚測定部４２からの出力信号は、昇降機構制御ユニット４４に入力され、この昇降機構制御ユニット４４からの出力は、ロータリコネクタ１１を経由して昇降機構３８に入力され、この入力信号で昇降機構３８が制御されるようになっている。研磨パッド４は、研磨パッド４のドレッシングと共に薄くなる場合があり、研磨パッド４が薄くなると、センサヘッド３４と基板２との距離が変動して、センサヘッド３４の出力が変動する。このため、研磨パッド４の厚さをパッド厚測定部４２で定期的に測定し、その情報をフィードバックして、渦電流センサ３６の位置をセンサヘッド３４と基板２との距離が常に一定となるように、昇降機構３８を介して調整することで、センサヘッド３４の出力と残膜との相関関係を向上させることができる。

この例にあっては、基板２をトップリング３の下面の弾性マットや圧力室を形成する弾性膜９の下部に保持し、研磨テーブル１上の研磨パッド４に、基板２をトップリング３によって押圧するとともに、研磨テーブル１及びトップリング３を回転させ、研磨パッド４と基板２を相対運動させて、基板２の表面の、例えば銅膜等の導電性膜を研磨する。このとき、研磨液供給ノズル５から研磨パッド４上に研磨液Ｑを供給する。研磨液Ｑは、例えば銅膜を研磨する場合は、酸化剤にアルミナやシリカといった微粒子からなる砥粒を懸濁したものを用い、銅表面を化学反応で酸化させながら、砥粒による機械的研磨作用との複合作用によって基板の表面の銅膜を研磨する。

この研磨時に、センサヘッド３４のセンサコイルに高周波電流を流して基板２の被研磨面に渦電流を生じさせて、基板２に形成されて研磨される銅膜等の導電性膜の膜厚の変化を渦電流を介してセンサヘッド３４で検出し、センサヘッド３４の信号をモニタして、不要な銅膜等の導電性膜が所定の量だけ研磨されて、被研磨面が平坦化したり、不要な銅膜等の導電性膜が基板から完全に除去されたりした時の周波数変化により研磨の終点を検出する。

この例の渦電流センサ３６のセンサヘッド３４におけるスポット径は、例えば約１ｍｍで、従来の一般的な渦電流センサおけるスポット径２０ｍｍの１／２０以下である。このため、図３に示すように、１点当りの検出モニタ領域Ｍ_２が狭くなって、残膜有無の検出精度およびプロファイルコントロールの精度が向上する。これによって、特に、研磨後の基板のエッジ部Ｅ_２における膜厚のばらつきを少なくすることができる。また、基板の一部に残った、６ｍｍ幅以下の残膜の検出が可能となり、これによって、基板上への膜の成膜状態、あるいは膜の研磨条件の変動などにより、本来研磨すべき膜が基板の一部に残ってしまうことを防止することができる。

そして、例えば所定枚数の基板２に対する研磨を行った後に、研磨パッド４の厚さをパッド厚測定部４２で定期的に測定し、その情報をフィードバックして、渦電流センサ３６の位置を、昇降機構３８を介して、センサヘッド３４と基板２との距離が常に一定となるように調整する。
以上により、基板２上の微小領域の残膜測定が可能になり、基板２とセンサヘッド３４との間の距離のばらつきの影響を受けない、安定した出力結果が得られるようになり、この渦電流式終点検知モニタ４０を用いることで、残膜検出精度を向上させて、残膜管理精度を向上させることができる。つまり、被研磨面がより最適な状態となった時に、研磨を終了させることができる。

なお、上記の例では、終点検知モニタとして、渦電流式終点検知モニタに適用した例を示しているが、センサヘッドとして、基板に向けてマイクロ波を投光する投光素子と、基板から反射するマイクロ波を受光する受光素子とを備えたマイクロ波エリプソ式の終点検出モニタに適用することもできる。これによっても、研摩プロセスに影響を与えない程度で研摩パットにパッド孔（センサ孔）を開け、センサヘッドを研磨中の基板に近接させた位置に配置することで、センサヘッドとして、小型のものを使用して、基板表面の残膜に対する膜厚検出精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態の研磨装置の全体構成を示す縦断面図である。図１の要部を拡大して示す要部拡大図である。図１に示す研磨装置で、基板上の導電成膜（残膜）を、渦電流式終点検知モニタで膜厚を検知しながら研磨したときの研磨前後における導電成膜の膜厚と基板の半径方向の位置との関係と、渦電流式終点検知モニタの１点当りの検出モニタ領域を示す図である。従来の研磨装置の全体構成を示す縦断面図である。図４に示す研磨装置で、基板上の導電成膜（残膜）を、渦電流式終点検知モニタで膜厚を検知しながら研磨したときの研磨前後における導電成膜の膜厚と基板の半径方向の位置との関係と、渦電流式終点検知モニタの１点当りの検出モニタ領域を示す図である。

符号の説明

１研磨テーブル
１ｂテーブル孔
２基板
３トップリング
４研磨パッド
４ａパッド孔
５研磨液供給ノズル
１２コントローラ
１３表示装置
３０センサ孔
３２スリーブ
３４センサヘッド
３６渦電流センサ
３８昇降機構
４０渦電流式終点検知モニタ
４２パッド厚測定部
４４昇降機構制御ユニット

Claims

トップリングで保持した基板の表面を、研磨テーブルの表面を覆う研磨パッドに摺接させて研磨する研磨装置において、
前記研磨テーブル及び前記研磨パッドに該研磨テーブル及び研磨パッドを貫通して延びるセンサ孔を設け、
前記センサ孔の内部に終点検知モニタのセンサを該センサのセンサヘッドが研磨中の基板に近接するように配置したことを特徴とする研磨装置。
前記センサを、前記センサ孔の内部に該センサ孔に沿って移動自在に配置したことを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
前記研磨パッドの厚さを測定するパッド厚測定部を更に有することを特徴とする請求項２記載の研磨装置。
前記終点検知モニタは、渦電流式またはマイクロ波エリプソ式であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の研磨装置。