JP2009277888A - 研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハードマスク膜などの絶縁膜が所望の研磨量だけ研磨されたときに研磨を終了させることができる研磨方法を提供する。
【解決手段】本発明は、溝を有する絶縁膜と、絶縁膜上に形成されたバリア膜と、バリア膜上に形成された金属膜とを有し、金属膜の一部が金属配線として溝内に形成されている基板を研磨する研磨方法である。この研磨方法は、金属膜を除去する第１研磨工程と、第１研磨工程後、バリア膜を除去する第２研磨工程と、第２研磨工程後、絶縁膜を研磨する第３研磨工程とを有し、第２研磨工程および第３研磨工程の間、基板の研磨状態を渦電流センサでモニタし、渦電流センサの出力信号値が所定の閾値に達したときに第３研磨工程を終了する。
【選択図】図２

Description

本発明は金属膜とバリア膜と絶縁膜とを含む配線形成構造を有する基板の研磨方法に関し、特に、絶縁膜が所定の膜厚だけ除去されたときに研磨を終点させる研磨方法に関する。

半導体ウェハの配線形成工程においては、配線となる金属膜を形成した後に化学的機械研磨（ＣＭＰ）を行って、配線に用いられない余分な金属膜を除去する研磨工程が行われている。この研磨工程では、金属膜が除去された後、その金属膜の下に形成されているバリア膜が研磨される。さらにはその下に形成されたハードマスク膜が研磨され、ハードマスク膜が所定の膜厚になったときに研磨が終了される。

ここで、ハードマスク膜とは絶縁性材料からなる絶縁膜であり、層間絶縁膜を覆うように形成されている。層間絶縁膜は、ハードマスク膜と同様に絶縁性を有し、脆性材料であるＬｏｗ−ｋ材等から形成されている。ハードマスク膜は、この層間絶縁膜をＣＭＰによる物理加工から保護するために形成されるものである。

図１は、配線を形成する多層構造の一例を示す断面図である。図１に示すように、ＳｉＯ_２やＬｏｗ−ｋ材からなる層間絶縁膜９０２の上に、例えばＳｉＯ_２からなるハードマスク膜９０３が形成されている。ハードマスク膜９０３及び層間絶縁膜９０２には、例えばリソグラフィ・エッチング技術によりビアホール９０４とトレンチ９０５が形成される。さらに、ハードマスク膜９０３、ビアホール９０４、およびトレンチ９０５の表面に、ＴａまたはＴａＮ等の金属からなるバリア膜９０６がスパッタリング等により形成される。さらに、基板に銅めっきを施すことで、ビアホール９０４及びトレンチ９０５内に銅を充填させるとともに、バリア膜９０６上に金属膜としての銅膜９０７を堆積させる。

その後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により、銅膜９０７およびバリア膜９０６が除去され、図１の点線で示すように、ハードマスク膜９０３の膜厚が所定の厚さになった時点で研磨が終了される。これによりビアホール９０４及びトレンチ９０５に充填した銅からなる配線９１０が形成される。

金属からなるバリア膜を研磨するのは配線間の短絡を防ぐためであり、金属膜（銅膜９０７）を除去する目的と同一である。一方、ハードマスク膜を研磨する目的は、ビアホールやトレンチを形成するときにエッチング等でハードマスク膜が損傷を受けたり、変質するため、この損傷部分や変質部分を除去するためである。

さらに、ハードマスク膜を研磨することによって、金属配線の配線抵抗をコントロールすることができる。つまり、バリア膜が除去されると、配線間の分離が完了し、短絡が起きることはなくなるから、この段階で配線が形成されることになる。ここで、さらに研磨を続行することにより、配線の断面積を減少させ、配線抵抗を変化させることが可能となる。

配線抵抗の管理は素子形成にとって重要な要素である。つまり、ハードマスク膜の研磨工程において、ハードマスク膜の研磨量を管理することは、素子の安定性を確保する上で極めて重要である。したがって、ハードマスク膜の研磨においては、高い精度で研磨終点を検出することが求められている。例えば、ハードマスク膜の目標厚さ±５〜１０ｎｍの精度で研磨終点を検知することが必要とされる。

ハードマスク膜や層間絶縁膜などの絶縁膜は光透過性を有することから、これら絶縁膜の膜厚測定方法としては光学的手段が従来から用いられている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、ハードマスク膜と層間絶縁膜とが、いずれも光透過性を有するＳｉＯ_２で形成されている場合がある。このような場合、ハードマスク膜を研磨している間に光を照射しても、その下地膜である層間絶縁膜の影響を受け、膜厚の測定が困難となる。結果として、ハードマスク膜が所望の厚さに達したときに研磨を終了させることが難しかった。

特開２００３−１９７５８７号公報

本発明は、上述した従来の技術の問題点に鑑みてなされたもので、ハードマスク膜などの絶縁膜が所望の研磨量だけ研磨されたときに研磨を終了させることができる研磨方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、溝を有する絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されたバリア膜と、前記バリア膜上に形成された金属膜とを有し、前記金属膜の一部が金属配線として前記溝内に形成されている基板を研磨する研磨方法であって、前記金属膜を除去する第１研磨工程と、前記第１研磨工程後、前記バリア膜を除去する第２研磨工程と、前記第２研磨工程後、前記絶縁膜を研磨する第３研磨工程とを有し、前記第２研磨工程および前記第３研磨工程の間、基板の研磨状態を渦電流センサでモニタし、前記渦電流センサの出力信号値が所定の閾値に達したときに前記第３研磨工程を終了することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記閾値は、前記第２研磨工程終了時の前記渦電流センサの出力信号値から所定の値を減算した値であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記所定の値は、前記絶縁膜の所定の研磨量に対応する前記渦電流センサの出力信号値の変化量であることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記閾値は、前記絶縁膜の１つ下の階層に属する絶縁膜の研磨終了時の前記渦電流センサの出力信号値に所定の値を加えた値であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１研磨工程、前記第２研磨工程、および前記第３研磨工程は、基板を基板保持具で保持して研磨テーブル上の研磨パッドの研磨面に押圧し、前記基板保持具と前記研磨テーブルとを回転させることによって行われ、前記第２研磨工程の終点を、前記渦電流センサの出力信号値と、前記研磨面の温度、前記研磨テーブルのトルク電流、前記基板保持具のトルク電流の少なくともいずれか１つとをモニタすることによって検出することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記第２研磨工程の間、光学式センサで基板の研磨状態をモニタし、前記渦電流センサの出力信号値と前記光学式センサの出力信号値の変化点から、前記第２研磨工程の研磨終点を検出することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第３研磨工程の終了時に前記金属配線の上面と前記絶縁膜の上面が同一平面内に位置するように、前記第１研磨工程、前記第２研磨工程、および前記第３研磨工程に研磨液として使用されるスラリの選択比を調整することを特徴とする。

本発明によれば、絶縁膜に隣接する金属配線の高さに応じて変化する渦電流センサの出力信号値を利用して絶縁膜の研磨量を正確に求めることができる。したがって、渦電流センサの出力信号値が所定の閾値に達したときに研磨を終了させることにより、絶縁膜を所定の研磨量（厚さ）だけ正確に研磨することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図２は、図１に示す配線形成構造の研磨中の断面を示す模式図であり、ハードマスク膜（絶縁膜）上のバリア膜が除去され、ハードマスク膜およびトレンチ内の銅（金属配線）が研磨されている状態を示している。

本実施形態では、絶縁膜であるハードマスク膜を研磨するにあたり、膜厚測定および終点検知は渦電流センサを用いて行われる。前述したように、ハードマスク膜の研磨時には、金属配線も同時に研磨されるため、ハードマスク膜の研磨時においても渦電流センサの出力信号値は変化する。つまり、ハードマスク膜の膜厚と金属配線の高さ（または配線の断面積）には相関関係がある。言い換えれば、ハードマスク膜の研磨量と渦電流センサの出力信号値の変化量との間には相関関係がある。ここで、ハードマスク膜の研磨量は、その初期膜厚からの膜厚の減少量として表される。

上記の根拠から、発明者は、金属膜研磨時に得られる出力信号値よりも変化は小さいものの、ハードマスク膜の研磨時にも渦電流センサの出力信号値が変化することを見出した。そこで、本発明では、ハードマスク膜に隣接して形成されている金属配線の高さ（断面形状）の変化を利用して、絶縁膜であるハードマスク膜の厚さを間接的に計測する。

図３は、図１に示す配線形成構造のバリア膜およびハードマスク膜を研磨しているときの渦電流センサの出力信号値の変化を示すグラフである。図３には、第２階層の配線形成構造を研磨しているときの渦電流センサの出力信号（Ｍ２）と、その上層に位置する第３階層の配線形成構造を研磨しているときの渦電流センサの出力信号（Ｍ３）が表されている。なお、このグラフでは、バリア膜（バリアメタル膜）の研磨からの渦電流センサの出力信号値が示されている。

図３に示すグラフから、研磨開始から２０秒程度経過した後に、渦電流センサの出力信号値の変化が緩やかになっていることが分かる。これは、バリア膜が除去されたことを示している。さらに研磨が進むにつれて、渦電流センサの出力信号値が緩やかに減少しているのが分かる。これは、ハードマスク膜の研磨に伴って配線も研磨されていることを示している。そして、このハードマスク膜研磨時の出力信号値の変化を利用して、ハードマスク膜の研磨終点や膜厚の管理が行われる。

具体的には、渦電流センサの出力信号値が所定の閾値に達したときに研磨が終了される。この閾値は、図３に示すように、バリア膜が除去された時の出力信号値よりも値Ａ１だけ小さい値である。この値Ａ１は、ハードマスク膜の所定の研磨量に対応する渦電流センサの出力信号値の変化量であり、ハードマスク膜の研磨量と渦電流センサの出力信号値の変化量との相関関係から予め求められた値である。

ここで、配線密度は基板ごとに異なる。したがって、配線密度に応じて渦電流センサの出力信号値は変化しうる。詳述すると、渦電流センサの感度が同一であるとき、配線密度が低い基板では渦電流センサの出力信号値の変化が比較的緩やかであろうし、配線密度が高い基板では出力信号値の変化は比較的急峻になる。

そこで、研磨対象となる基板の配線密度が既知であれば、予め取得されている配線密度と渦電流センサの出力信号値との関係を利用して、渦電流センサの出力信号値または渦電流センサの感度を補正または較正することができる。この較正により、配線密度に依存することなく、同等のスケール（すなわち標準化されたスケール）で渦電流センサの出力信号値の変化を求めることが可能となる。スケールの標準化は、標準化されたデータの収集が可能になるということであり、データの増加は研磨プロセスの安定化に寄与する。

研磨工程を進めるにしたがって、図４に示すように、被研磨面にはエロージョンと呼ばれるくぼみが発生することがある。この場合において、くぼみの外側にはハードマスク膜が残ることとなる。しかしながら、渦電流センサが捉えるのはあくまで配線高さ（配線の断面積）である。したがって、配線高さを管理したい時には、エロージョンの影響を考慮することなく、渦電流センサの出力信号値をそのまま採用することができる。

なお、エロージョンの発生はその後の配線形成プロセスに影響を及ぼす場合がある。このことから、ハードマスク膜の研磨終了時にハードマスク膜の上面と配線の上面とが同一平面内に位置するように、金属層の研磨からハードマスク膜の研磨に至るまで、スラリ（研磨液）の選択比を調節することが好ましい。

ここで、前述したように、渦電流センサの出力信号値は配線密度の影響を受ける。したがって、この配線密度に応じて渦電流センサの出力信号値を補正するか、または閾値に配線密度に比例した係数を掛け、閾値を配線密度に連動させることができる。さらには、出力信号値の変化が安定しており、再現性がある程度認められれば出力信号値の微分値を計算することによっても研磨終点を検知することができる。

なお、図３のグラフでは、バリア膜の研磨からの出力信号値が示されているが、実際の研磨工程ではバリア膜の上の銅やタングステン等の金属膜の研磨から行われる。したがって、基板の研磨工程は、金属膜研磨（第１研磨工程）、バリア膜研磨工程（第２研磨工程）、そしてハードマスク膜研磨工程（第３研磨工程）と、およそ３段階の研磨工程に分けられる。

ここで、第２研磨工程の終点は、渦電流センサの出力信号値の変化が緩やかになった点である。例えば、渦電流センサの出力信号値の微分値が所定の値に達した時点を第２研磨工程の終点とすることができる。しかしながら、第２研磨工程から第３研磨工程への切り替え点は、図３のグラフに示されるように、明確に判別できるとは限らない。そこで、研磨パッドの研磨面の温度、研磨テーブルのトルク電流、またはトップリングのトルク電流を測定し、これら測定結果と渦電流センサの出力信号値を用いてバリア膜の除去点を検出することが好ましい。例えば、バリア膜が除去されてハードマスク膜が露出した時、研磨パッドと基板との摩擦力は変化する。したがって、研磨パッドの研磨面の温度も変化する。なお、研磨パッド、研磨テーブル、トップリングなどを含む研磨装置の構成については後述する。

また、金属であるバリア膜が除去されることにより、その下地膜である絶縁層に光を当てることができる。したがって、渦電流センサに加え、光学式センサの出力信号値を併用して第２研磨工程の終点を検出してもよい。

次に、研磨終点の閾値を決定する具体的なステップについて説明する。
研磨工程の初期段階では、ハードマスク膜の厚さと渦電流センサの出力信号値との相関関係は不明である。したがって、まず、以下のようにして、ハードマスク膜の研磨量と渦電流センサの出力信号値の変化量との相関関係が定量化される。

まず、ステップ１として、厚さの異なるハードマスク膜を持つ基板を少なくとも１つ用意する。この用意される基板は、複数回研磨することによって異なる厚さのハードマスク膜を有する１枚の基板であってもよく、または厚さの異なるハードマスク膜を有する複数の基板であってもよい。また、用意される基板は、配線密度が既知の基板であり、ハードマスク膜の属する階層は第１階層、第２階層、またはその他の階層であってもよい。

以下の説明では、一例として、ハードマスク膜が１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ研磨された３枚の基板が用意される。これらの数値１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍは、ハードマスク膜の研磨量（元の膜厚からの減少量）を示している。

ステップ２として、ハードマスク膜に隣接する金属配線の高さを渦電流センサにより測定し、ハードマスク膜の研磨量（１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ）ごとの出力信号値を取得する。
次に、ステップ３として、各ハードマスク膜の実際の膜厚を測定し、実際の研磨量を求める。この測定は、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）を用いた断面測定か、または微細パターンの線幅を光学的に測定するＯＣＤ（Optical Critical Dimension）などを用いて行うことができる。ＯＣＤは、ＳＥＭによる断面測定と異なり、非破壊検査であることからスクラップされる基板が減り、生産性向上に寄与する。ＯＣＤを用いる場合は、１枚の基板のみを用意すればよい。

ステップ４として、ハードマスク膜の実際の研磨量（元の膜厚からの減少量）と、その研磨量に対応する渦電流センサの出力信号値の変化量とを関連付け、ハードマスク膜の研磨量と渦電流センサの出力信号値の変化量との相関関係を定量化する。なお、ハードマスク膜の研磨量は３０ｎｍ、５０ｎｍでない場合が当然にあり得るが、ハードマスク膜の研磨量と出力信号値の変化量との相関関係を定量化することにより、渦電流センサの出力信号値からハードマスク膜の研磨量を連続的に求めることができる。

ステップ５として、ハードマスク膜の所望の研磨量に対応する渦電流センサの出力信号値の変化量を値Ａ１として求める。
ステップ６として、ハードマスク膜の研磨量と渦電流センサの出力信号値の変化量との相関関係の再現性を調べる。再現性が得られていれば、研磨対象であるプロダクト基板の研磨を行う。一方、再現性が得られていなければ、ステップ２に戻る。

基板の研磨は、渦電流センサにより研磨状態をモニタしながら行われ、金属膜の除去（第１研磨工程）、バリア膜除去（第２研磨工程）、そしてハードマスク膜研磨（第３研磨工程）が順次行われる。研磨終点となる閾値は、バリア膜の除去時の出力信号値から値Ａ１を減算することにより求められる。そして、渦電流センサの出力信号値がこの閾値に達したときに研磨が終了される。

なお、図３から分かるように、第２階層の配線形成構造を研磨しているときの渦電流センサの出力信号（Ｍ２）と、第３階層の配線形成構造を研磨しているときの渦電流センサの出力信号（Ｍ３）とは、ほぼ同じグラフ形状を示している。つまり、このグラフから、同一の基板においては、第２階層と第３階層との出力信号値の減少傾向が一致していることが理解される。

この事実を利用して、下層の研磨終了時の渦電流センサの出力信号値に、図３に示すように、予め定めた値Ａ２を加えた閾値を定め、渦電流センサの出力信号値がこの閾値に達したときに研磨終了と判断することも可能である。この場合も、プロダクト基板を研磨する前に、サンプル基板を用いて値Ａ２が予め求められる。この研磨終点検出方法は下層の結果を利用しているために、ハードマスク膜の削り過ぎを防ぐことができる。

以上の実施形態は、層間絶縁膜の上に形成されたハードマスク膜の研磨についての説明である。一方、ハードマスク膜を介さずに層間絶縁膜の上にバリア層が直接形成され、金属膜、バリア膜、および層間絶縁膜を研磨することで得られる積層構造もある。本発明はこのような積層構造を持つ基板であっても適用可能である。

次に、上述した研磨を行うための研磨装置について図面を参照して詳細に説明する。図５は研磨装置の全体構成を示す平面図、図６は図５に示す研磨装置の概要を示す斜視図である。図５に示すように、研磨装置は、略矩形状のハウジング１を備えており、ハウジング１の内部は隔壁１ａ，１ｂ，１ｃによってロード／アンロード部２と研磨部３（３ａ，３ｂ）と洗浄部４とに区画されている。

ロード／アンロード部２は、複数の基板をストックするウェハカセットを載置する２つ以上（図５では３つ）のフロントロード部２０を備えている。これらのフロントロード部２０は、研磨装置の幅方向（長手方向と垂直な方向）に隣接して配列されている。フロントロード部２０には、オープンカセット、ＳＭＩＦ（Standard Manufacturing Interface）ポッド、又はＦＯＵＰ（Front Opening Unified Pod）を搭載することができる。ここで、ＳＭＩＦ、ＦＯＵＰは、内部にウェハカセットを収納し、隔壁で覆うことにより、外部空間とは独立した環境を保つことができる密閉容器である。

また、ロード／アンロード部２には、フロントロード部２０の並びに沿って走行機構２１が敷設されており、この走行機構２１上にフロントロード部２０の配列方向に沿って移動可能な第１搬送ロボット２２が設置されている。第１搬送ロボット２２は走行機構２１上を移動することによってフロントロード部２０に搭載されたウェハカセットにアクセスできるようになっている。この第１搬送ロボット２２は上下に２つのハンドを備えており、例えば、上側のハンドをウェハカセットに研磨された基板を戻すときに使用し、下側のハンドを研磨前の基板を搬送するときに使用して、上下のハンドを使い分けることができるようになっている。

ロード／アンロード部２は最もクリーンな状態を保つ必要がある領域であるため、ロード／アンロード部２の内部は、装置外部、研磨部３、及び洗浄部４のいずれよりも高い圧力に常時維持されている。また、第１搬送ロボット２２の走行機構２１の上部には、ＨＥＰＡフィルタやＵＬＰＡフィルタなどのクリーンエアフィルタを有するフィルタファンユニット（図示せず）が設けられており、このフィルタファンユニットによりパーティクルや有毒蒸気、ガスが除去されたクリーンエアが常時下方に向かって吹き出している。

研磨部３は、基板の研磨が行われる領域であり、第１研磨ユニット３０Ａと第２研磨ユニット３０Ｂとを内部に有する第１研磨部３ａと、第３研磨ユニット３０Ｃと第４研磨ユニット３０Ｄとを内部に有する第２研磨部３ｂとを備えている。これらの第１研磨ユニット３０Ａ、第２研磨ユニット３０Ｂ、第３研磨ユニット３０Ｃ、及び第４研磨ユニット３０Ｄは、図５に示すように、装置の長手方向に沿って配列されている。

第１研磨ユニット３０Ａは、研磨パッドを保持する研磨テーブル３００Ａと、基板を保持しかつ基板を研磨テーブル３００Ａ上の研磨パッドの研磨面に対して押圧するためのトップリング３０１Ａと、研磨パッドの研磨面に研磨液（例えば、スラリ）やドレッシング液（例えば、純水）を供給するための研磨液供給ノズル３０２Ａと、研磨パッドのドレッシングを行うためのドレッサ３０３Ａと、液体（例えば純水）と気体（例えば窒素）の混合流体を霧状にして、ノズルから研磨面に噴射するアトマイザ３０４Ａとを備えている。

同様に、第２研磨ユニット３０Ｂは、研磨テーブル３００Ｂと、トップリング３０１Ｂと、研磨液供給ノズル３０２Ｂと、ドレッサ３０３Ｂと、アトマイザ３０４Ｂとを備えており、第３研磨ユニット３０Ｃは、研磨テーブル３００Ｃと、トップリング３０１Ｃと、研磨液供給ノズル３０２Ｃと、ドレッサ３０３Ｃと、アトマイザ３０４Ｃとを備えており、第４研磨ユニット３０Ｄは、研磨テーブル３００Ｄと、トップリング３０１Ｄと、研磨液供給ノズル３０２Ｄと、ドレッサ３０３Ｄと、アトマイザ３０４Ｄとを備えている。

第１研磨部３ａには、長手方向に沿った４つの搬送位置（ロード／アンロード部側から順番に第１搬送位置ＴＰ１、第２搬送位置ＴＰ２、第３搬送位置ＴＰ３、第４搬送位置ＴＰ４とする）の間で基板を搬送する第１リニアトランスポータ５が配置されている。この第１リニアトランスポータ５の第１搬送位置ＴＰ１の上方には、第１搬送ロボット２２から受け取った基板を反転する反転機３１が配置されており、その下方には上下に昇降可能なリフタ３２が配置されている。また、第２搬送位置ＴＰ２の下方には上下に昇降可能なプッシャ３３が、第３搬送位置ＴＰ３の下方には上下に昇降可能なプッシャ３４が、第４搬送位置ＴＰ４の下方には上下に昇降可能なリフタ３５がそれぞれ配置されている。

また、第２研磨部３ｂには、第１リニアトランスポータ５に隣接して、長手方向に沿った３つの搬送位置（ロード／アンロード部側から順番に第５搬送位置ＴＰ５、第６搬送位置ＴＰ６、第７搬送位置ＴＰ７とする）の間で基板を搬送する第２リニアトランスポータ６が配置されている。この第２リニアトランスポータ６の第５搬送位置ＴＰ５の下方には上下に昇降可能なリフタ３６が、第６搬送位置ＴＰ６の下方にはプッシャ３７が、第７搬送位置ＴＰ７の下方にはプッシャ３８がそれぞれ配置されている。

図６に示すように、第１リニアトランスポータ５は、直線往復移動可能な４つのステージ、すなわち、第１ステージ、第２ステージ、第３ステージ、および第４ステージを備えている。これらのステージは上下に２段の構成となっている。すなわち、下段には第１ステージ、第２ステージ、第３ステージが配置され、上段には第４ステージが配置されている。

下段のステージと上段のステージとは、設置される高さが異なっているため、下段のステージと上段のステージとは互いに干渉することなく自由に移動可能となっている。第１ステージは、第１搬送位置ＴＰ１と（基板の受け渡し位置である）第２搬送位置ＴＰ２との間で基板を搬送し、第２ステージは、第２搬送位置ＴＰ２と（基板の受け渡し位置である）第３搬送位置ＴＰ３との間で基板を搬送し、第３ステージは、第３搬送位置ＴＰ３と第４搬送位置ＴＰ４との間で基板を搬送する。また、第４ステージは、第１搬送位置ＴＰ１と第４搬送位置ＴＰ４との間で基板を搬送する。

第２リニアトランスポータ６は、第１リニアトランスポータ５と実質的に同一の構成を有している。すなわち、上段に第５ステージおよび第６ステージが配置され、下段に第７ステージが配置されている。第５ステージは、第５搬送位置ＴＰ５と（基板の受け渡し位置である）第６搬送位置ＴＰ６との間で基板を搬送し、第６ステージは、第６搬送位置ＴＰ６と（基板の受け渡し位置である）第７搬送位置ＴＰ７との間で基板を搬送し、第７ステージは、第５搬送位置ＴＰ５と第７搬送位置ＴＰ７との間で基板を搬送する。

研磨時にはスラリを使用することを考えるとわかるように、研磨部３は最もダーティな（汚れた）領域である。したがって、研磨部３内のパーティクルが外部に飛散しないように、各研磨テーブルの周囲から排気が行われており、研磨部３の内部の圧力を、装置外部、周囲の洗浄部４、ロード／アンロード部２よりも低くすることでパーティクルの飛散を防止している。また、通常、研磨テーブルの下方には排気ダクト（図示せず）が、上方にはフィルタ（図示せず）がそれぞれ設けられ、これらの排気ダクト及びフィルタを介して清浄化された空気が噴出され、ダウンフローが形成される。

洗浄部４は、研磨後の基板を洗浄する領域であり、第２搬送ロボット４０と、第２搬送ロボット４０から受け取った基板を反転する反転機４１と、研磨後の基板を洗浄する４つの洗浄機４２〜４５と、反転機４１及び洗浄機４２〜４５の間で基板を搬送する搬送ユニット４６とを備えている。これらの第２搬送ロボット４０、反転機４１、及び洗浄機４２〜４５は、研磨装置の長手方向に沿って直列に配置されている。また、これらの洗浄機４２〜４５の上部には、クリーンエアフィルタを有するフィルタファンユニット（図示せず）が設けられており、このフィルタファンユニットによりパーティクルが除去されたクリーンエアが常時下方に向かって吹き出している。また、洗浄部４の内部は、研磨部３からのパーティクルの流入を防止するために研磨部３よりも高い圧力に常時維持されている。

搬送ユニット４６は、基板を把持する複数のアームを有しており、これらアームによって複数の基板を反転機４１及び洗浄機４２〜４５の間で同時に水平方向に移動させることができるようになっている。洗浄機４２及び洗浄機４３としては、例えば、上下に配置されたロール状のスポンジを回転させて基板の表面及び裏面に押し付けて基板の表面及び裏面を洗浄するロールタイプの洗浄機を用いることができる。また、洗浄機４４としては、例えば、半球状のスポンジを回転させながら基板に押し付けて洗浄するペンシルタイプの洗浄機を用いることができる。

洗浄機４５としては、例えば、基板の裏面はリンス洗浄することができ、基板の表面の洗浄は半球状のスポンジを回転させながら押し付けて洗浄するペンシルタイプの洗浄機を用いることができる。この洗浄機４５は、チャックした基板を高速回転させるステージを備えており、基板を高速回転させることで洗浄後の基板を乾燥させる機能（スピンドライ機能）を有している。なお、各洗浄機４２〜４５において、上述したロールタイプの洗浄機やペンシルタイプの洗浄機に加えて、洗浄液に超音波を当てて洗浄するメガソニックタイプの洗浄機を付加的に設けてもよい。

反転機３１と第１搬送ロボット２２との間にはシャッタ１０が設置されており、基板の搬送時にはシャッタ１０を開いて第１搬送ロボット２２と反転機３１との間で基板の受け渡しが行われる。また、反転機４１と第２搬送ロボット４０との間、反転機４１と１次洗浄機４２との間、第１研磨部３ａと第２搬送ロボット４０との間、及び第２研磨部３ｂと第２搬送ロボット４０との間にもそれぞれシャッタ１１，１２，１３，１４が設置されており、基板の搬送時にはこれらのシャッタ１１，１２，１３，１４を開いて基板の受け渡しが行われる。

図７は、第１研磨ユニット３０Ａの構成を示す模式図である。図７に示すように、研磨テーブル３００Ａの上には研磨パッド３１０Ａが固定されている。研磨テーブル３００Ａは、その下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、軸心周りに回転可能になっている。トップリング３０１Ａは、トップリングシャフト３１１Ａを介してモータ及び昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これにより、トップリング３０１Ａは昇降可能かつトップリングシャフト３１１Ａ周りに回転可能となっている。このトップリング３０１Ａの下面には、基板Ｗが真空吸着等によって保持される。研磨パッド３１０Ａの上面は、基板Ｗが摺接される研磨面を構成している。

トップリング３０１Ａの下面に保持された基板Ｗはトップリング３０１Ａによって回転させられつつ、回転している研磨テーブル３００Ａ上の研磨パッド３１０Ａに押圧される。このとき、研磨液供給ノズル３０２Ａから研磨パッド３１０Ａの研磨面（上面）に研磨液が供給され、基板Ｗと研磨パッド３１０Ａとの間に研磨液が存在した状態で基板Ｗが研磨される。研磨テーブル３００Ａおよびトップリング３０１Ａは、基板Ｗと研磨面とを相対移動させる機構を構成している。

研磨テーブル３００Ａには渦電流センサ３１２Ａが埋設されており、基板Ｗの膜厚を示す信号を判定部３１３Ａに出力するようになっている。判定部３１３Ａは、渦電流センサの出力信号を受け取り、上述した方法に従って研磨終点を検出する。研磨終点を検出すると、判定部３１３Ａは研磨終点を示す信号を制御部３１４Ａに送信し、制御部３１４Ａはこの信号を受けて研磨動作を終了する。第２研磨ユニット３００Ｂ，第３研磨ユニット３００Ｃ、および第４研磨ユニット３００Ｄは、第１研磨ユニット３００Ａと同一の構成を有しているので、その説明を省略する。

このような構成を有する研磨装置によれば、１枚の基板を４つの研磨ユニットで連続的に研磨するシリーズ処理、および２枚の基板を同時に研磨するパラレル処理を行うことができる。

基板をシリーズ処理する場合には、基板は、フロントロード部２０のウェハカセット→第１搬送ロボット２２→反転機３１→リフタ３２→第１リニアトランスポータ５の第１ステージ→プッシャ３３→トップリング３０１Ａ→研磨テーブル３００Ａ→プッシャ３３→第１リニアトランスポータ５の第２ステージ→プッシャ３４→トップリング３０１Ｂ→研磨テーブル３００Ｂ→プッシャ３４→第１リニアトランスポータ５の第３ステージ→リフタ３５→第２搬送ロボット４０→リフタ３６→第２リニアトランスポータ６の第５ステージ→プッシャ３７→トップリング３０１Ｃ→研磨テーブル３００Ｃ→プッシャ３７→第２リニアトランスポータ６の第６ステージ→プッシャ３８→トップリング３０１Ｄ→研磨テーブル３００Ｄ→プッシャ３８→第２リニアトランスポータ６の第７ステージ→リフタ３６→第２搬送ロボット４０→反転機４１→搬送ユニット４６→洗浄機４２→搬送ユニット４６→洗浄機４３→搬送ユニット４６→洗浄機４４→搬送ユニット４６→洗浄機４５→第１搬送ロボット２２→フロントロード部２０のウェハカセットという経路で搬送される。

基板をパラレル処理する場合には、一方の基板は、フロントロード部２０のウェハカセット→第１搬送ロボット２２→反転機３１→リフタ３２→第１リニアトランスポータ５の第１ステージ→プッシャ３３→トップリング３０１Ａ→研磨テーブル３００Ａ→プッシャ３３→第１リニアトランスポータ５の第２ステージ→プッシャ３４→トップリング３０１Ｂ→研磨テーブル３００Ｂ→プッシャ３４→第１リニアトランスポータ５の第３ステージ→リフタ３５→第２搬送ロボット４０→反転機４１→搬送ユニット４６→洗浄機４２→搬送ユニット４６→洗浄機４３→搬送ユニット４６→洗浄機４４→搬送ユニット４６→洗浄機４５→第１搬送ロボット２２→フロントロード部２０のウェハカセットという経路で搬送される。

また、他方の基板は、フロントロード部２０のウェハカセット→第１搬送ロボット２２→反転機３１→リフタ３２→第１リニアトランスポータ５の第４ステージ→リフタ３５→第２搬送ロボット４０→リフタ３６→第２リニアトランスポータ６の第５ステージ→プッシャ３７→トップリング３０１Ｃ→研磨テーブル３００Ｃ→プッシャ３７→第２リニアトランスポータ６の第６ステージ→プッシャ３８→トップリング３０１Ｄ→研磨テーブル３００Ｄ→プッシャ３８→第２リニアトランスポータ６の第７ステージ→リフタ３６→第２搬送ロボット４０→反転機４１→搬送ユニット４６→洗浄機４２→搬送ユニット４６→洗浄機４３→搬送ユニット４６→洗浄機４４→搬送ユニット４６→洗浄機４５→第１搬送ロボット２２→フロントロード部２０のウェハカセットという経路で搬送される。

配線形成構造の一例を示す断面図である。 図１に示す配線形成構造の研磨中の断面を示す模式図である。 図１に示す配線形成構造のバリア膜およびハードマスク膜を研磨しているときの渦電流センサの出力信号値の変化を示すグラフである。 研磨時に発生するエロージョンを示す断面図である。 研磨装置の全体構成を示す平面図である。 図５に示す研磨装置の概要を示す斜視図である。 第１研磨ユニットの構成を示す模式図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ ロード／アンロード部
３ 研磨部
４ 洗浄部
５，６ リニアトランスポータ
１０〜１４ シャッタ
２０ フロントロード部
２１ 走行機構
２２ 第１搬送ロボット
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ 研磨ユニット
３１，４１ 反転機
３２ リフタ
３３，３４，３７，３８ プッシャ
３５，３６ リフタ
４０ 第２搬送ロボット
４２〜４５ 洗浄機
４６ 搬送ユニット
３００Ａ，３００Ｂ，３００Ｃ，３００Ｄ 研磨テーブル
３０１Ａ，３０１Ｂ，３０１Ｃ，３０１Ｄ トップリング
３０２Ａ，３０２Ｂ，３０２Ｃ，３０２Ｄ 研磨液供給ノズル
３０３Ａ，３０３Ｂ，３０３Ｃ，３０３Ｄ ドレッサ
３０４Ａ，３０４Ｂ，３０４Ｃ，３０４Ｄ アトマイザ
３１０Ａ 研磨パッド
３１１Ａ トップリングシャフト
３１２Ａ 渦電流センサ
３１３Ａ 判定部
３１４Ａ 制御部

Claims (7)

1. 溝を有する絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されたバリア膜と、前記バリア膜上に形成された金属膜とを有し、前記金属膜の一部が金属配線として前記溝内に形成されている基板を研磨する研磨方法であって、
   前記金属膜を除去する第１研磨工程と、
   前記第１研磨工程後、前記バリア膜を除去する第２研磨工程と、
   前記第２研磨工程後、前記絶縁膜を研磨する第３研磨工程とを有し、
   前記第２研磨工程および前記第３研磨工程の間、基板の研磨状態を渦電流センサでモニタし、
   前記渦電流センサの出力信号値が所定の閾値に達したときに前記第３研磨工程を終了することを特徴とする研磨方法。
2. 前記閾値は、前記第２研磨工程終了時の前記渦電流センサの出力信号値から所定の値を減算した値であることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
3. 前記所定の値は、前記絶縁膜の所定の研磨量に対応する前記渦電流センサの出力信号値の変化量であることを特徴とする請求項２に記載の研磨方法。
4. 前記閾値は、前記絶縁膜の１つ下の階層に属する絶縁膜の研磨終了時の前記渦電流センサの出力信号値に所定の値を加えた値であることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
5. 前記第１研磨工程、前記第２研磨工程、および前記第３研磨工程は、
   基板を基板保持具で保持して研磨テーブル上の研磨パッドの研磨面に押圧し、
   前記基板保持具と前記研磨テーブルとを回転させることによって行われ、
   前記第２研磨工程の終点を、前記渦電流センサの出力信号値と、前記研磨面の温度、前記研磨テーブルのトルク電流、前記基板保持具のトルク電流の少なくともいずれか１つとをモニタすることによって検出することを特徴とする請求項２に記載の研磨方法。
6. 前記第２研磨工程の間、光学式センサで基板の研磨状態をモニタし、
   前記渦電流センサの出力信号値と前記光学式センサの出力信号値の変化点から、前記第２研磨工程の研磨終点を検出することを特徴とする請求項２に記載の研磨方法。
7. 前記第３研磨工程の終了時に前記金属配線の上面と前記絶縁膜の上面が同一平面内に位置するように、前記第１研磨工程、前記第２研磨工程、および前記第３研磨工程に研磨液として使用されるスラリの選択比を調整することを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。

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