JP2008004648A - 研磨装置及び研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の抵抗率の影響を受けずに渦電流方式の終点検出が可能な研磨装置及び研磨方法を提供する。
【解決手段】被処理基板Ｗを保持する基板ホルダー３と、研磨パッド２が取り付けられる研磨定盤１と、基板ホルダー３と研磨定盤１の少なくとも一方に設けられた回転機構と、研磨定盤１に取り付けられた研磨パッド２上に研磨液１０を供給する研磨液供給部５とを備え、基板ホルダー３に保持された被処理基板Ｗの表面の導電膜を研磨する研磨装置において、基板ホルダー３に保持された被処理基板Ｗの基板部の抵抗率を低下させる抵抗率調整機構１００と、被処理基板Ｗに渦電流を発生させる渦電流プローブ５を含み、抵抗率調整機構１００によって基板部の抵抗率が低下された被処理基板Ｗの導電膜の厚みに依存する導電率を検出する検出器８などの検出手段とを具備する。これにより、渦電流プローブ５によって被処理基板Ｗに発生させる渦電流への基板抵抗率の影響を最小化することが可能になり、基板抵抗率の相違による終点検出時間の差を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体集積回路の多層配線工程や素子分離工程で使用する研磨装置及び研磨方法に関するものである。

図１０に従来の研磨装置の概略構成を示す。回転機構を有する研磨定盤１と、研磨定盤１に取り付けられた研磨パッド２と、回転機構を有する基板ホルダー３と、研磨液供給部４とで構成されており、導電膜が表面に形成された被処理基板Ｗを研磨する際の終点を検出するための渦電流プローブ５を具備している。渦電流プローブ５は、コイル６と高周波電源７と構成されており、少なくともコイル６は研磨定盤１内（基板ホルダー３内でもよい）に配置されている。渦電流プローブ５は渦電流検出器８に接続され、渦電流検出器８は、研磨定盤１の回転を制御する回転制御装置９に接続されている。

上記研磨装置によって被処理基板Ｗを研磨する際には、研磨パッド２が取り付けられた研磨定盤１の上に、被処理基板Ｗを保持した基板ホルダー３を荷重をかけて下ろす。このときに、研磨パッド２の上に研磨液供給部４より研磨液１０を滴下させつつ、研磨定盤１と基板ホルダー３を回転させることにより、被処理基板Ｗの表面を研磨パッド２および研磨液１０で研磨する。この間に、渦電流プローブ５のコイル６に高周波電源７より高周波電界を印加して被処理基板Ｗの導電膜に渦電流を発生させ、その変化を渦電流検出器８で監視し、適当時に研磨を終了する。

研磨の終点検出の原理を説明する。導電膜の導電率は膜厚に対応しているので、導電率（渦電流）をモニタリングすることによって膜厚をモニタリングすることができる。導電率と膜厚との関係を予め調べておけば、研磨が進行して残膜厚が所望の値に到達したことを導電率の値から知ることができ、導電率を研磨の停止、即ち終点検出に利用できるのである。

この渦電流を用いる終点検出は通常、導電膜を所望の膜厚だけ残して研磨停止するために利用される。研磨開始初期は表面段差が大きいので、まず大きい研磨レートで平坦性に優れる条件で研磨を行ない、渦電流方式で終点検出して所望の膜厚を残すのである。その後に小さい研磨レートで配線のディッシングを拡大させないように余分な領域の導電膜を全て除去する。このときには下地のバリアメタルが露出するので、光反射率の変化を利用する終点検出方法が採用されることが多い。
特許第３２９０３４７号公報

しかしながら、上記した従来の渦電流方式の終点検出法では、被処理基板Ｗの内の基板の抵抗率が渦電流に与える影響が考慮されていない。つまり低抵抗の基板は高抵抗の基板に比べて基板自体に流れる渦電流が無視できず、渦電流プローブが検出する導電率の変化にも影響が現れる。

図１１にシリコン基板の不純物濃度（即ちキャリア濃度）と抵抗率との関係を示す。日常の研磨レート管理等には安価なＣＺ成長のシリコン基板が用いられる。かかるシリコン基板の抵抗率は例えばｐ型で０．１〜１００Ωｃｍであり、この抵抗率を図１１の関係に基づいてキャリア濃度に換算すると約３×１０^１５〜約５×１０^１８ｃｍ^−３である。

一方、製品向けには、シリコンのエピタキシャル基板、すなわち低抵抗のシリコン基板上に高抵抗のシリコン薄膜をエピタキシャル成長させた基板が用いられる。深さ方向に理想的な不純物濃度分布が得られるだけでなく、ＣＭＯＳのラッチアップ抑制にも効果があるからである。かかるエピタキシャル基板では、高抵抗のエピタキシャル層は数μｍであるため実効的な抵抗率は低抵抗基板で決定され、通常、ｐ＋型で０．０１−０．０２Ωｃｍである。この抵抗率を図１１の関係に基づいてキャリア濃度に換算すると約２×１０^１９〜約１×１０^２０ｃｍ^−３である。つまりエピタキシャル基板はＣＺ成長のシリコン基板に比べて抵抗率が１〜４桁、キャリア濃度が１〜５桁異なる。

導電膜は基板の抵抗率に関係なく同一の膜質で同じ膜厚で堆積できるのであるが、同一の膜質で同じ膜厚であっても、流れる渦電流の大きさは基板の抵抗率の影響で異なることになり、渦電流プローブが検出する全体（基板＋導電膜）の導電率も異なってしまう。言い換えると、検出された導電率が同じであっても、基板の抵抗率に依っては導電膜の膜厚が異なることがある。

具体的には、導電膜が所望の膜厚に減じられた時点で研磨を停止する場合、所望の膜厚に対応する所定の導電率が検出された時に終点とするのであるが、この所定の導電率が検出されるまでの研磨時間が基板の抵抗率が高いほど短くなる。つまり、導電膜の研磨開始時の膜厚および研磨速度が一定であっても、基板の抵抗率が高いほど、研磨時間が短くなり、導電膜の残膜厚が厚くなる。

この現象について詳述する。表面に導電膜が形成された基板を研磨対象とする場合、渦電流が流れる経路を等価電気回路で表現すると、図１２に示すように、基板の抵抗Ｒ_ｓｕｂと導電膜の抵抗Ｒ_ｃｏｎとが並列接続された系とみなすことができる。したがって全体の抵抗Ｒは次式で表される。

１／Ｒ＝１／Ｒ_ｓｕｂ＋１／Ｒ_ｃｏｎ ・・・（１）
基板の抵抗Ｒ_ｓｕｂと導電膜の抵抗Ｒ_ｃｏｎは、基板と導電膜の抵抗率をそれぞれρ_ｓｕｂとρ_ｃｏｎとし、渦電流が通過する断面積をそれぞれＳ_ｓｕｂとＳ_ｃｏｎとし、渦電流が通過する経路長をそれぞれＬ_ｓｕｂとＬ_ｃｏｎとしたとき、オームの法則によって、それぞれ次式で表される。

Ｒ_ｓｕｂ＝ρ_ｓｕｂ×（Ｌ_ｓｕｂ／Ｓ_ｓｕｂ） ・・（２）
Ｒ_ｃｏｎ＝ρ_ｃｏｎ×（Ｌ_ｃｏｎ／Ｓ_ｃｏｎ） ・・（３）
基板の断面積Ｓ_ｓｕｂは、渦電流が基板の電気回路加工面、即ち円面に平行に流れるため、基板の厚さａ_ｓｕｂと基板の直径ｂ_ｓｕｂとの積で表されると仮定できる。

Ｓ_ｓｕｂ＝ａ_ｓｕｂ×ｂ_ｓｕｂ ・・・（４）
同様に、導電膜の断面積Ｓ_ｃｏｎは、導電膜の厚さａ_ｃｏｎと基板の直径ｂ_ｓｕｂとの積で表されると仮定できる。

Ｓ_ｃｏｎ＝ａ_ｃｏｎ×ｂ_ｓｕｂ ・・・（５）
基板と導電膜の線路長Ｌ_ｓｕｂ，Ｌ_ｃｏｎはともに基板の直径ｂ_ｓｕｂで表せる。
Ｌ_ｓｕｂ＝ｂ_ｓｕｂ、Ｌ_ｃｏｎ＝ｂ_ｓｕｂ ・・・（６）
基板と導電膜の断面積Ｓ_ｓｕｂ，Ｓ_ｃｏｎおよび経路長Ｌ_ｓｕｂ，Ｌ_ｃｏｎは図１３で表される。基板サイズは直径２００ｍｍ（８インチウエハ）としている。式（４）（５）（６）をそれぞれ式（２）（３）に代入して整理すると、次式が得られる。

Ｒ_ｓｕｂ＝ρ_ｓｕｂ×（Ｌ_ｓｕｂ／Ｓ_ｓｕｂ）
＝ρ_ｓｕｂ×｛ｂ_ｓｕｂ／（ａ_ｓｕｂ×ｂ_ｓｕｂ）｝
＝ρ_ｓｕｂ／ａ_ｓｕｂ ・・・・・・・・（７）
Ｒ_ｃｏｎ＝ρ_ｃｏｎ×(Ｌ_ｃｏｎ／Ｓ_ｃｏｎ)
＝ρ_ｃｏｎ×｛ｂ_ｓｕｂ／（ａ_ｃｏｎ×ｂ_ｓｕｂ）｝
＝ρ_ｃｏｎ／ａ_ｃｏｎ ・・・・・・・・（８）
得られた式（７）（８）にたとえば次の値を代入して具体的に数値計算を行なうことで、基板の抵抗Ｒ_ｓｕｂ，導電膜の抵抗Ｒ_ｃｏｎが求められる。

ρ_ｓｕｂ＝０．０２、または、１００［Ωｃｍ］
ρ_ｃｏｎ＝２［μΩｃｍ］
ａ_ｓｕｂ＝７００［μｍ］
ａ_ｃｏｎ＝６００［ｎｍ］
ここで、ρ_ｓｕｂ＝０．０２と１００［Ωｃｍ］はそれぞれシリコン基板、すなわちエピタキシャル基板とフラットネス基板の抵抗率を表している。ρ_ｃｏｎ＝２［μΩｃｍ］は銅の導電膜の抵抗率を表している。得られた抵抗Ｒ_ｓｕｂ，Ｒ_ｃｏｎの各値を式（１）に代入すると全体の抵抗Ｒが求められる。

図１４に、抵抗率ρ_ｓｕｂ＝０．０２［Ωｃｍ］のエピタキシャル基板（低抵抗基板という）と、抵抗率ρ_ｓｕｂ＝１００［Ωｃｍ］のフラットネス基板（高抵抗基板という）とをそれぞれ研磨したときのコンダクタンス（１／Ｒ）の経時変化を示す。銅の導電膜（図中に単に銅膜あるいはＣｕと記す）の研磨レートは基板の種類に関係なく６００ｎｍ／ｍｉｎ（一定）とした。導電膜は研磨によって次第に除去され、それに伴って抵抗が増大するので、研磨時間が経過するにしたがってコンダクタンスは減少する。

いずれの基板でも、研磨時間６０秒で導電膜が消滅し、以降の研磨時間では基板の抵抗率の逆数に相応する一定のコンダクタンス値になっている。しかし両基板において、導電膜の研磨中及び消滅後の挙動に差がある。図１４から明らかなように、導電膜がある膜厚になる研磨時間、つまりあるコンダクタンスに到達する研磨時間は、高抵抗基板の方が低抵抗基板よりも短くなっている。研磨レートは基板の抵抗率に関係なく一定としているので、研磨時間の短い高抵抗基板上の銅膜の方が低抵抗基板上の銅膜よりも厚く残留することになる。

導電膜を膜厚２００ｎｍにて残す場合を検討する。初期膜厚６００ｎｍの導電膜を一定の研磨レート６００ｎｍ／ｍｉｎで研磨すると、図１５に残膜厚の経時変化を示すように、研磨時間４０秒で残膜厚２００ｎｍに到達する。研磨時間４０秒での高抵抗基板あるいは低抵抗基板に対する全体のコンダクタンスは、図１４から、それぞれ１０．００、１３．５０である（任意単位）。

製品に使用される基板は上述したように低抵抗基板（エピタキシャル基板）なので、その上の導電膜を研磨することを標準に考えると、研磨時間４０秒で残膜厚は２００ｎｍになり、全体のコンダクタンスは１３．５０になる。渦電流プローブは、コンダクタンス１３．５０を検知した時点で研磨を停止させるというレシピを標準とすることになる。

このレシピで高抵抗基板上の導電膜を研磨する場合、渦電流プローブがコンダクタンス１３．５０を検知した時点で研磨を停止させるので、図１４より、約３３秒で研磨が停止することになる。この研磨時間では導電膜の残膜厚は、図１５より、約２７０ｎｍになり、目標の２００ｎｍよりも厚く残留する。

このように発生する残膜厚の差は、次ステップで余分な領域の導電膜を全て除去する際の研磨の負荷を増大させる。また導電膜が予想以上に厚く残る場合は除去しきれず、配線間ショート等の不良に結びつく恐れがある。さらに基板種ごとに渦電流値と残膜厚値との関係を調べなくてはならず、研磨のレシピも別々に作成しなければならない。

本発明は上記従来の問題を解決するもので、基板自体の抵抗率の影響を受けずに渦電流方式の終点検出が可能な研磨装置及び研磨方法を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の研磨装置は、被処理基板を保持する基板ホルダーと、研磨パッドが取り付けられる研磨定盤と、前記基板ホルダーと研磨定盤をそれぞれ回転させる回転機構と、前記研磨定盤に取り付けられた研磨パッド上に研磨液を供給する研磨液供給部とを備え、前記基板ホルダーに保持された被処理基板の表面の導電膜を研磨する研磨装置において、前記基板ホルダーに保持された被処理基板の基板部の抵抗率を低下させる抵抗率調整機構と、被処理基板に渦電流を発生させる渦電流プローブを含み、前記抵抗率調整機構によって基板部の抵抗率が低下された被処理基板の導電膜の厚みに依存する導電率を検出する検出手段とを具備したことを特徴とする。

これにより、渦電流プローブによって被処理基板に発生させる渦電流への基板部の抵抗率の影響を最小化することが可能になり、基板部の本来の抵抗率の差に基づく終点検出時間の差を低減することができる。したがって、導電膜が予想以上に厚く残ることはなくなり、次ステップで余分な領域の導電膜を全て除去するための研磨の負荷を増大させることや、導電膜を除去しきれないことに起因する配線間ショート等の不良を回避できる。基板種ごとに研磨のレシピを変える必要もなくなる。

渦電流プローブが研磨定盤内または基板ホルダーに配置されていることを特徴とする。
検出手段が導電膜の所望の残膜厚に対応する所定の導電率を検出した時に研磨を停止させる手段を備えているのが都合よい。

抵抗率調整機構が、被処理基板に電磁波を照射する電磁波源と被処理基板を加熱する加熱手段との内の少なくとも一方を有していることを特徴とする。
電磁波源は、紫外から赤外までの波長範囲のレーザー光源または白色光源であってよい。加熱手段は、ヒーター、電子線源、またはエックス線源であってよい。電磁波源からの電磁波を被処理基板の裏面に向けて発散させる凹レンズが配置されていてよい。

研磨定盤と基板ホルダーの少なくとも一方を回転させながら、前記研磨定盤に取り付けられた研磨パッド上に研磨液を滴下し、前記基板ホルダーに保持された被処理基板の表面を押し付けて研磨する際に、前記被処理基板の基板部の抵抗率を所定の値に低下させつつ、被処理基板に渦電流を発生させて、基板表面の導電膜の所望の残膜厚に対応する所定の導電率を研磨終点として検出することを特徴とする。

本発明の研磨装置は、被処理基板の基板部の抵抗率を低下させる抵抗率調整機構を具備したことにより、渦電流プローブによって導電膜に発生させる渦電流への基板抵抗率の影響を最小化することが可能になり、基板毎の専用レシピを準備することなく、同一条件で、導電膜を所望の残膜厚に対応する予め決めた導電率値を研磨終点として研磨することが可能になった。初めての基板に対しても新たな条件出しが不要である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の研磨装置の概略構成を示す。回転軸１ａなどの回転機構を有した研磨定盤１と、研磨定盤１に取り付けられた研磨パッド２と、回転軸３ａなどの回転機構を有した基板ホルダー３と、研磨液供給部４とで構成されており、導電膜が表面に形成され基板ホルダー３に保持された被処理基板Ｗを研磨する際の終点を検出するための渦電流プローブ５を具備している。渦電流プローブ５は、コイル６と高周波電源７と構成されており、少なくともコイル６は研磨定盤１内に配置されている。渦電流プローブ５は渦電流検出器８に接続され、渦電流検出器８は、研磨定盤１の回転を制御する回転制御装置９に接続されている。図示を省略するが、基板ホルダー３の回転やＸＹＺ方向の移動を制御する制御装置もある。基板ホルダー３は、搬送中は真空吸着で被処理基板Ｗを保持するが、研磨中はリテーナリングと呼ばれる外周リングで被処理基板Ｗを保持してその飛び出しを防ぐようになっている。

この研磨装置が従来のものと相違するのは、基板ホルダー３に保持された被処理基板Ｗの基板部の抵抗率を低下させる抵抗率調整機構１００として、基板ホルダー３に、基板裏面に接触する透明なフィルム１１０を介して基板裏面にレーザー光を照射するレーザー光源１１１を有している点である。

上記研磨装置によって被処理基板Ｗを研磨する際には、研磨パッド２が取り付けられた研磨定盤１の上に、被処理基板Ｗを保持した基板ホルダー３を荷重をかけて下ろす。研磨荷重はフィルム１１０を介して被処理基板Ｗに印加されることになる。このときに、研磨パッド２の上に研磨液供給部４より研磨液１０を滴下させつつ、研磨定盤１と基板ホルダー３とを回転させることにより、被処理基板Ｗの表面を研磨パッド２および研磨液１０で研磨する。

この間に、渦電流プローブ５のコイル６に高周波電源７より高周波電界を印加して基板表面の導電膜中に渦電流を発生させる。またこの間に、レーザー光源１１１からのレーザー光をフィルム１１０を通して基板裏面に照射する。照射されたレーザー光は被処理基板Ｗの基板部に吸収されてキャリアを発生させるので、基板部の導電率は増加する（即ち基板部の抵抗率は低下する）。高抵抗基板である場合には実効的に抵抗を下げることができるので、製品に使用される低抵抗基板との抵抗差を低減することができる。結果として、導電膜に流れる渦電流への基板部からの影響が小さくなる。

このため、基板部が低抵抗基板であるか高抵抗基板であるかに関わらず、同一研磨レシピで導電膜の終点検出を行なうことが可能である。渦電流プローブ５のコイル６を介して渦電流検出器８が所定のコンダクタンス値を検知したら、回転制御装置９に信号を送って、研磨定盤１の回転を停止し、研磨を終了させる。

この光照射を用いる渦電流方式の終点検出の原理について説明する。基板材料はシリコンであり、低抵抗のエピタキシャルシリコン基板（ｐ＋型、抵抗率０．０２Ωｃｍ、キャリア濃度約２×１０^１９ｃｍ^−３）、および、高抵抗のシリコンフラットネス基板（ｐ型、抵抗率１００Ωｃｍ、キャリア濃度約３×１０^１５ｃｍ^−３）であるものとする。レーザー光源１１１には波長６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを用いるものとする。

Ｈｅ−Ｎｅレーザーのフォトンエネルギーは次式で表される。
Ｅ_{Ｐｈｏｔｏｎ}＝（ｈ×ｃ）／（λ×ｑ）・・・（９）
ここで、ｈ＝６．６３×１０^−３４［Ｊｓｅｃ］（プランク定数）、ｃ＝３．００×１０^８［ｍ／ｓｅｃ］（光速度）、λ＝６３２．８［ｎｍ］（光の波長）、ｑ＝１．６０２×１０^−１９［Ｃ］（電子電荷）とし、（９）式に代入して計算すると、Ｅ_{Ｐｈｏｔｏｎ}＝１．９５９［ｅＶ］になる。

ｐ型基板に光照射した場合の過剰少数キャリア濃度は次式で表される。

ここで、ｘ［μｍ］は基板表面からの距離、Δｎ（ｘ）［ｃｍ^−３］は過剰少数キャリア（ｐ型基板なので電子を意味する）である。Ｒは反射率であって入射角０度の場合は次式で表される。

Ｒ＝｛（１−ｎ）^２＋κ^２｝／｛（（１＋ｎ）^２＋κ^２）｝・・・（１１）
ここで、ｎは屈折率、κは消衰係数である。上記のλ＝６３２．８ｎｍについての各値が入手困難であるため、文献上で最も近い波長λ＝６４５．８ｎｍに対する屈折率ｎ＝３．８５８、消衰係数κ＝０．０１７で代用するものとする。これにより、Ｒ＝０．３４６が得られる。

α［ｃｍ^−１］は光の吸収係数であって次式で表される。
α＝（４×π×κ）／λ ・・・（１２）
ここで、πは円周率である。λ＝６３２．８ｎｍの場合について計算すると、α＝３３７６［ｃｍ^−１］である。

Φ［ｃｍ^−２・ｓ^−１］は単位時間当たりに単位面積に入射するＰｈｏｔｏｎ数であって次式で表される。
Φ＝Ｐ／（ｑ×Ｅ_{Ｐｈｏｔｏｎ}×Ａ） ・・・（１３）
ここで、Ｐはレーザー出力［Ｗ］、Ａはレーザーの照射面積［μｍ^２］である。

Ｌｎ［μｍ］は電子の拡散距離、Ｄｎ［ｃｍ^２・ｓ］は電子の拡散係数であって、次式で関係付けられている。
Ｌｎ＝√（Ｄｎ×τｎ） ・・・（１４）
Ｄｎ＝（ｋＢ×Ｔ×μｎ）／ｑ ・・・（１５）
ここで、τｎ［ｓ］は電子の寿命、μｎ［ｃｍ^２／（Ｖ・ｓ）］は電子の移動度である。ｋＢ＝１．３８×１０^２３［Ｊ／Ｋ］（ボルツマン定数）であり、Ｔ（Ｋ）は絶対温度であってｔをセルシウス温度（℃）として次式で表される。

Ｔ＝２７３．１５＋ｔ ・・・（１６）
Ｔ＝３００［Ｋ］、μｎ＝１３５０［ｃｍ^２／（Ｖ・ｓ）］、τｎ＝１０［μｓ］として、（１４）（１５）式に代入してＬｎ、Ｄｎを計算すると、Ｌｎ＝０．０５９４［ｃｍ］、Ｄｎ＝３５．２８［ｃｍ^２・ｓ］になる。

ｓｒは規格化された表面再結合速度次式であって次式で与えられる。
ｓｒ＝Ｓ×Ｌｎ／Ｄｎ ・・・（１７）
ここで、Ｓ［ｃｍ／ｓ］は表面再結合速度である。

以上のようにして導出された各値と、Ｐ＝１００［Ｗ］、Ａ＝０．０３１４［ｃｍ^２］、Ｓ＝１０［ｃｍ／ｓ］とを（１０）式に代入して、過剰少数キャリア濃度Δｎ（ｘ）の基板表面からの距離に対する変化を計算すると、図２に示す分布となる。発生した過剰少数キャリアは、１〜２×１０^１９［ｃｍ^−３］になる。これを先の図１１からｐ型シリコン基板の抵抗率に換算すると、約０．０５［Ωｃｍ］になる。

この結果は、光照射する前のｐ型シリコン基板の抵抗率が１００［Ωｃｍ］であれば、光照射することで抵抗率を５桁下げられることを意味する。光照射によって低下したシリコン基板の抵抗率を用いて前述したのと同様にしてコンダクタンスの研磨時間依存性を計算すると、導電膜（銅）の残膜厚２００ｎｍを目標とする研磨時間は約３６秒になる。この研磨時間での残膜厚は約２４０ｎｍとなり、光照射しない場合の２７０ｎｍよりも約３０ｎｍ目標値に近付く。光照射によって、シリコン基板の抵抗率による影響を小さくできることになる。

つまり、本実施形態１の研磨装置及び研磨方法は、任意の低抵抗基板を標準に選び、その標準基板の表面に形成された導電膜の導電率と膜厚との関係を求めておき、被処理基板を研磨する際に、標準基板の抵抗率に近づくように被処理基板に光照射し、前記標準基板について求めた導電膜の導電率と膜厚との関係を用いて研磨終点を検出するものである。低抵抗基板を標準としたのは、製品に使用されるエピタキシャル基板で最も使用枚数が多いためである。他の基板を使用する場合には、その上に堆積する導電膜（低抵抗率膜であればよく、銅に限らない）の導電率と膜厚とを考慮して光照射のパワーを決める必要がある。このようにすることにより、渦電流へのシリコン基板の抵抗率の影響を最小化し、導電膜（銅）について所望の残膜厚値で研磨を停止させることができる。

本実施形態１では、光照射の光源にＨｅ−Ｎｅレーザーを使用して、適切なレーザー出力、照射面積を設定したが、より大きな効果を生むためには、より短波長、高レーザー出力である方が好ましい。Ｈｅ−Ｎｅレーザーではなく他の電磁波光源を用いてもよい。使用可能な他の光源には、ＹＡＧレーザ、Ａｒレーザ、ＡｌＧａＡｓ半導体レーザ、ＧａＮ半導体レーザ、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、Ｆ_２レーザ、窒素レーザ、ＣＯ_２レーザ、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀灯などがある。

また本実施形態１では、シリコン基板に直接に光照射したが、シリコン基板全面に光照射するために、例えば図３に示すように、凹レンズ１１５を介して光照射してもよい。
また渦電流プローブ６の位置は、上記した研磨定盤１内に限られず、図４に示すように基板ホルダー４内に配置してもよい。
(実施形態２)
図５は本発明の実施形態２の研磨装置の概略構成を示す。この研磨装置が上記の実施形態１のものと相違するのは、基板ホルダー３に保持された被処理基板Ｗの基板部の抵抗率を下げる抵抗率調整機構１００として、基板ホルダー３に、基板裏面側から加熱するヒーター１１２が設けられている点である。ここではヒーター１１２は同心円状に配置されている。温度センサ１１６および温度制御装置１１７も備えている。

上記構成により、実施形態１と同様にして、被処理基板Ｗの表面を研磨する状態において、渦電流プローブ５のコイル６に高周波電源７より高周波電界を印加して基板表面の導電膜中に渦電流を発生させながら、ヒーター１１２からの熱をフィルム１１０を通して基板裏面に伝達させると、伝達された熱は、基板部の温度を上昇させ、キャリアを発生させるので、基板部の導電率は増加する（即ち基板部の抵抗率は低下する）。結果として、導電膜に流れる渦電流への基板部からの影響が小さくなる。

このため、基板部が低抵抗基板であるか高抵抗基板であるかに関わらず、同一研磨レシピで導電膜の終点検出を行なうことが可能となる。渦電流プローブ５のコイル６を介して渦電流検出器８が所定のコンダクタンス値を検知したら、回転制御装置９に信号を送って、研磨定盤１の回転を停止し、研磨を終了させる。

この基板加熱を用いる渦電流方式の終点検出の原理について説明する。基板材料はシリコンであり、低抵抗のエピタキシャルシリコン基板（ｐ＋型、抵抗率０．０２Ωｃｍ、キャリア濃度約２×１０^１９ｃｍ^−３）、および、高抵抗のシリコンフラットネス基板（ｐ型、抵抗率１００Ωｃｍ、キャリア濃度約３×１０^１５ｃｍ^−３）であるものとする。ヒーター１１２にはタングステン電熱線を用いるものとする。

図６にシリコン基板のキャリア濃度の温度依存性を示す。低温領域では、半導体のキャリア濃度はドナーやアクセプタである不純物から放出されるキャリアで律速されるため、この領域は「不純物支配領域」と呼ばれる。この領域から温度を上昇させると、キャリア濃度が温度に対して一定になる領域がある。このキャリア濃度一定の領域は、不純物原子からキャリアが出払ってしまっている状態、すなわちドナーやアクセプタが全てキャリアを放出した状態にあるため、「出払い領域」と呼ばれる。さらに温度を上昇させると、温度の増加にともなってキャリア濃度が急激に増加する領域に入る。加熱による熱エネルギーが格子内のシリコン原子の振動を増加させて、電子を放出させ、電子が抜けた後に正孔ができるというように、電子−正孔対が急激に増加していくもので、この領域は「真性領域」と呼ばれる。

高抵抗シリコン基板（フラットネス基板）を加熱することによって、キャリア濃度を増加させ、抵抗率を低抵抗基板（エピタキシャル基板）のそれと同水準に下げるためには、図６より、加熱温度を３００℃以上に設定すればよい。
つまり、高抵抗シリコン基板の加熱温度を３００℃以上にすることによって、そのキャリア濃度が、低抵抗基板の抵抗率１０^１９ｃｍ^−３台と同レベルになる。両基板の抵抗率が同レベルであれば、実施形態１で説明したように、渦電流による終点検出時間も同レベルになる。

つまり本実施形態２の研磨装置及び研磨方法は、任意の低抵抗基板を標準に選び、その標準基板の表面に形成された導電膜の導電率と膜厚との関係を求めておき、被処理基板を研磨する際に、標準基板の抵抗率に近づくように被処理基板を加熱し、前記標準基板について求めた導電膜の導電率と膜厚との関係を用いて研磨終点を検出する。渦電流へのシリコン基板の抵抗率の影響を最小化し、導電膜（銅）について所望の残膜厚値で研磨を停止させることができる。

本実施形態２では、被処理基板Ｗの加熱をフィルム１１０という介在物を通じて行なうとしたが、これに加えて、例えば加熱した研磨液や研磨パッド２で直接に被処理基板Ｗを加熱してもよい。なおフィルム１１０は、シリコンよりなる被処理基板ＷをＳＵＳ等で製造される基板ホルダー３に直接に接触させると破損が生じるので、これを避けるために被処理基板Ｗと基板ホルダー３との間に軟質のものを介在させているのである。研磨液は研磨液供給装置内で、また研磨パッド２は研磨定盤内のヒーターで、加熱することができる。
(実施形態３)
図７は本発明の実施形態３の研磨装置の概略構成を示す。この研磨装置では、基板ホルダー３に保持された被処理基板Ｗの基板部の抵抗率を下げる抵抗率調整機構１００として、基板ホルダー３に、基板裏面側から加熱する電子線源１１４を設けている。

上記構成により、実施形態２と同様にして、被処理基板Ｗの表面を研磨する状態において、渦電流プローブ５のコイル６に高周波電源７より高周波電界を印加して基板表面の導電膜中に渦電流を発生させながら、電子線源１１４からの電子線をフィルム１１０を通して基板裏面に照射することで基板部の温度を上昇させ、キャリアを発生させ、基板部の導電率を増加させる（即ち基板部の抵抗率は低下する）ことができる。

このため、この研磨装置でも、基板部が低抵抗基板であるか高抵抗基板であるかに関わらず、同一研磨レシピで導電膜の終点検出を行なうことが可能となる。渦電流プローブ５のコイル６を介して渦電流検出器８が所定のコンダクタンス値を検知したら、回転制御装置９に信号を送って、研磨定盤１の回転を停止し、研磨を終了させる。

このように、本実施形態３の研磨装置及び研磨方法によれば、渦電流へのシリコン基板の抵抗率の影響を最小化し、導電膜（銅）について所望の残膜厚値で研磨を停止させることができる。

本実施形態３では、電子線をフィルム１１０を通して基板裏面側に照射するとしたが、フィルム１１０に電子線通過用の穴を開けておいて（図示省略）、電子線を直接に照射することで基板部の加熱を行なってもよい。
（実施形態４）
図８は本発明の実施形態４の研磨装置の概略構成を示す。この研磨装置では、基板ホルダー３に保持された被処理基板Ｗの基板部の抵抗率を下げる抵抗率調整機構１００として、基板ホルダー３に、基板裏面側から加熱するエックス線源１１５とを設けている。

上記構成により、実施形態２と同様にして、被処理基板Ｗの表面を研磨する状態において、渦電流プローブ５のコイル６に高周波電源７より高周波電界を印加して基板表面の導電膜中に渦電流を発生させながら、エックス線源からのエックス線をフィルム１１０を通して基板裏面に照射することで基板部の温度を上昇させ、キャリアを発生させ、基板部の導電率を増加させる（即ち基板部の抵抗率は低下する）ことができる。

このため、この研磨装置でも、基板部が低抵抗基板であるか高抵抗基板であるかに関わらず、同一研磨レシピで導電膜の終点検出を行なうことが可能である。渦電流プローブ５のコイル６を介して渦電流検出器８が所定のコンダクタンス値を検知したら、回転制御装置９に信号を送って、研磨定盤１の回転を停止し、研磨を終了させる。

このように、本実施形態４の研磨装置及び研磨方法によれば、渦電流へのシリコン基板の抵抗率の影響を最小化し、導電膜（銅）について所望の残膜厚値で研磨を停止させることができる。

本実施形態４では、エックス線をフィルム１１０を通して基板裏面側に照射するとしたが、フィルム１１０にエックス線通過用の穴を開けておいて（図示省略）、エックス線を直接に照射することで基板部の加熱を行なってもよい。
（実施形態５）
図９は本発明の実施形態５の研磨装置の概略構成を示す。この研磨装置では、基板ホルダー３に保持された被処理基板Ｗの基板部の抵抗率を下げる抵抗率調整機構１００として、基板ホルダー３に、基板裏面にレーザー光を照射するレーザー光源１１１と、基板裏面側から加熱するヒーター１１２とを設けている。ここではレーザー光源１１１は軸心位置に配置され、その周りにヒーター１１２が同心円状に配置されている。

上記構成により、実施形態１あるいは実施形態２と同様にして、被処理基板Ｗの表面を研磨する状態において、渦電流プローブ５のコイル６に高周波電源７より高周波電界を印加して基板表面の導電膜中に渦電流を発生させながら、レーザー光源からのレーザ光を基板裏面に照射することで、またヒーターからの熱で基板温度を上昇させることでキャリアを発生させ、基板部の導電率を増加させる（即ち基板部の抵抗率を低下させる）ことができる。

したがって基板が低抵抗であるか高抵抗であるかに関わらず、同一研磨レシピで導電膜の終点検出を行なうことが可能となる。渦電流プローブ６のコイルを介して検知器１０８が所定のコンダクタンス値を検知したら、回転制御装置１０９に信号を送って、研磨定盤１０１の回転を停止し、研磨を終了させる。

光照射を用いる終点検出については実施形態１に、またヒーター加熱を用いる終点検出については実施形態２に既述してある。本実施形態５では、光照射および加熱という両キャリア発生手段を並存させることによって、高抵抗のシリコン基板のキャリア濃度を低抵抗エピタキシャル基板と同レベルのキャリア濃度まで引き上げることをより効率的に行うものである。

たとえば、レーザー光照射によってキャリア濃度を１×１０^１９ｃｍ^−３まで高める。さらに加熱によって基板温度３００℃以上にすることでキャリア濃度を１×１０^１９ｃｍ^−３まで高める。両キャリア濃度の和は２×１０^１９ｃｍ^−３となり、低抵抗基板（エピタキシャル基板）のキャリア濃度２×１０^１９ｃｍ^−３とほぼ同じになる。光照射だけ、またはヒーター加熱だけでは不十分であったキャリア発生濃度を、両手段を併用することによって、さらに高める効果がある。

以上のように、本実施形態５の研磨装置及び研磨方法によれば、渦電流へのシリコン基板の抵抗率の影響を最小化し、導電膜（銅）について所望の残膜厚値で研磨を停止させることができる。

本実施形態５では、光照射にレーザー光源１１１を用いており、このレーザー光源１１１にはたとえば実施形態１に記載したようにＨｅ−Ｎｅレーザーを使用することができるが、他の電磁波光源を使用してもよい。基板裏面に直接に光照射するのでなく、基板全面に光照射するために例えば凹レンズを介在させてもよい。基板加熱のためにヒーター１１２を用いたが、これに代えて電子線源やエックス線源を使用してもよい。また基板部の加熱をフィルム１１０等の介在物を通じて行なうとしたが、例えば加熱した研磨液や研磨パッド２で直接に基板部を加熱してもよい。

銅の配線技術は、最先端の微細で高集積の半導体集積回路に必要不可欠である。本発明の研磨装置及び研磨方法によって、ばらつきの小さいＣｕ配線、それを有する半導体集積回路の形成が可能になり、高速で多機能なシステムＬＳＩが可能になり、デジタル家電や携帯電話等に有用である。

本発明の実施形態１における研磨装置の概略構成図 図１の研磨装置の終点検出を説明する、シリコン基板における過剰少数キャリアの濃度分布図 図１の研磨装置の変形例を示す概略構成図 図１の研磨装置の他の変形例を示す概略構成図 本発明の実施形態２における研磨装置の概略構成図 図５の研磨装置の終点検出を説明する、シリコン基板におけるキャリア濃度と温度との相関図 本発明の実施形態３における研磨装置の概略構成図 本発明の実施形態４における研磨装置の概略構成図 本発明の実施形態５における研磨装置の概略構成図 従来の研磨装置の概略構成図 図１の研磨装置の終点検出を説明するための、シリコン基板における不純物濃度と抵抗率との相関図 図１の研磨装置の終点検出を説明するための等価回路図 図１の研磨装置の終点検出を説明するための、渦電流の通過断面積と経路長を示す図 図１の研磨装置の終点検出を説明するための、全体のコンダクタンスと研磨時間との相関図 図１の研磨装置の終点検出を説明するための、銅の膜厚の研磨時間との相関図

符号の説明

１ 研磨定盤
２ 研磨パッド
３ 基板ホルダー
４ 研磨液供給部
５ 渦電流プローブ
６ コイル
７ 高周波電源
８ 渦電流検出器
９ 回転制御装置
10 研磨液
100 抵抗率調整機構
110 フィルム
111 レーザー光源
112 ヒーター
113 電子線源
114 エックス線源
Ｗ 被処理基板

Claims (8)

1. 被処理基板を保持する基板ホルダーと、研磨パッドが取り付けられる研磨定盤と、前記基板ホルダーと研磨定盤をそれぞれ回転させる回転機構と、前記研磨定盤に取り付けられた研磨パッド上に研磨液を供給する研磨液供給部とを備え、前記基板ホルダーに保持された被処理基板の表面の導電膜を研磨する研磨装置において、
   前記基板ホルダーに保持された被処理基板の基板部の抵抗率を低下させる抵抗率調整機構と、被処理基板に渦電流を発生させる渦電流プローブを含み、前記抵抗率調整機構によって基板部の抵抗率が低下された被処理基板の導電膜の厚みに依存する導電率を検出する検出手段とを具備した研磨装置。
2. 渦電流プローブが研磨定盤内または基板ホルダーに配置されている請求項１記載の研磨装置。
3. 検出手段が導電膜の所望の残膜厚に対応する所定の導電率を検出した時に研磨を停止させる手段をさらに備えた請求項１または請求項２のいずれかに記載の研磨装置。
4. 抵抗率調整機構が、被処理基板に電磁波を照射する電磁波源と被処理基板を加熱する加熱手段との内の少なくとも一方を有している請求項１記載の研磨装置。
5. 電磁波源が、紫外から赤外までの波長範囲のレーザー光源または白色光源である請求項４記載の研磨装置。
6. 加熱手段が、ヒーター、電子線源、またはエックス線源である請求項４記載の研磨装置。
7. 電磁波源からの電磁波を被処理基板の裏面に向けて発散させる凹レンズが配置されている請求項４または請求項５のいずれかに記載の研磨装置。
8. 研磨定盤と基板ホルダーの少なくとも一方を回転させながら、前記研磨定盤に取り付けられた研磨パッド上に研磨液を滴下し、前記基板ホルダーに保持された被処理基板の表面を押し付けて研磨する際に、
   前記被処理基板の基板部の抵抗率を所定の値に低下させつつ、被処理基板に渦電流を発生させ、基板表面の導電膜の所望の残膜厚に対応する所定の導電率を研磨終点として検出する研磨方法。

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