JP2010141135A - 半導体研磨装置および研磨レート推定方法並びにプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハの回路パターンにかかわらず適切に研磨レートを推定することができる半導体研磨装置の研磨レート推定方法を提供する。
【解決手段】半導体ウェハを研磨する研磨機構の特性を表す複数の物理量を式の要素とする統計モデルに基づいて研磨レートを推定する。その場合、複数の物理量のそれぞれについて、半導体ウェハの回路パターン配線長に対応する補正値を求める近似式を決定する。次に、その近似式によって求めた補正値によって統計モデルを補正する。次に、補正された統計モデルを用いて研磨レートを推定する。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体研磨装置に係り、特に、半導体ウェハ上の回路パターンが異なる場合においても、適切に研磨レートを推定することができる半導体研磨装置および研磨レート推定方法並びにプログラムに関する。

半導体ウェハの研磨工程における研磨レートは、通常、ウェハの研磨前後の膜厚を膜厚測定器により測定し、その研磨レート差から得られる研磨量を単位時間で除算して算出される。ところが、半導体ウェハ一枚一枚の研磨量を毎回測定して研磨レートを算出していると、製造工程数が増大し生産性が悪化してしまう。

そこで、半導体研磨装置においては、半導体ウェハの研磨前後の膜厚を随時計測せずに、半導体ウェハの研磨装置の各種物理現象を表すセンサデータにより研磨レートを推定する方法が用いられる。その方法の一例として、特許文献１には、半導体ウェハの研磨装置の各種センサから得られる物理量を説明変数とし、テストウェハの研磨量を目的変数として、回帰分析により研磨レートを推定する方法が記載されている。この文献記載の方法では、説明変数として、研磨装置内の半導体ウェハを研磨する研磨テーブルを回転させるモータのトルク値や、半導体ウェハを研磨する研磨テーブル上の表面温度、さらに研磨時に研磨テーブルに半導体ウェハを押し当てる圧力値などの物理現象の平均値を求め、回帰分析の統計モデルを作成して、その後の研磨レートを推定する。
なお、半導体研磨装置に係る文献として特許文献２、３も知られている。
特開2005-342841号公報 特開2004-047747号公報 特開2007-220842号公報

ところで、半導体ウェハの表面は、製品により回路パターンが異なるため、同じ研磨レートにより研磨が行われても、半導体ウェハと研磨テーブル上の研磨パッドとの研磨によるテーブル温度の変化や、研磨テーブルを回転させるモータや半導体ウェハを保持しウェハを回転させる研磨ヘッド回転モータのトルクなど、各種物理現象に差が出てしまう。また、現在では半導体ウェハ上の回路構成は多層配線が採用されているため、同一製品であっても配線層によって回路パターンが異なっている。この場合においても、同様に、等しい研磨レートであっても研磨の際に生じる物理現象に差が出てしまう。

図８、図９を用いて等しい研磨レートであっても物理現象に差が出る事例を説明する。図８は、研磨レートが等しい状態で、半導体ウェハ上の回路パターンが異なる製品ウェハ５０およびウェハ５１を研磨した場合のテーブルモータ回転トルクの研磨中の変化である。一般的に、テーブルモータ回転トルクは、研磨開始時にウェハがテーブル上の研磨パッドに接触し、研磨ヘッドにより押しつけられるために、研磨パッドとウェハとの間の抵抗が増大してモータの回転トルク値が上昇する。その後、最も摩擦抵抗が高いウェハ表面を研磨する時に最高トルク値を示し、その後徐々に低下する傾向にある。ところが、等しい研磨レートでウェハを研磨しても、回路パターンの配線長が短い製品では図１のウェハ５１の様に、トルク値が低く推移することがある。一般的には回路パターンの配線長の合計が短いウェハではウェハ表面の研磨抵抗が低くなる傾向にあり、図１のウェハ５１の様にトルク値が低くなる場合が多い。また図９のテーブル温度推移においても同様なことが言え、ウェハ表面の回路パターンの配線長が長く研磨抵抗が大きい製品ウェハ５０が製品ウェハ５１より高温で推移する。

以上の様に、ウェハ表面の回路パターンの違いにより、ウェハ研磨時の各種物理現象に差が生じるため、従来の方法による研磨レートの推定では、正確に製品ウェハの実際の研磨レートを予測することができない。また、ウェハの回路パターンに応じて個別に統計モデルを作成する方法も考えられるが、数多くの製品種類に対して、さらに多階層に対して研磨レートの推定用統計モデルを作成する必要があり、生産効率を著しく劣化させてしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ウェハの回路パターンにかかわらず適切に研磨レートを推定することができ、これにより、従来のものに比較しはるかに生産性を上げることができる半導体研磨装置および研磨レート推定方法並びにプログラムを提供することにある。

本発明は、半導体ウェハを研磨する研磨機構の特性を表す複数の物理量を式の要素とする統計モデルに基づいて研磨レートを推定し、その推定結果を用いて半導体ウェハの研磨処理を行う半導体研磨装置において、前記複数の物理量のそれぞれについて、前記半導体ウェハの回路パターン配線長に対応する補正値を求める近似式を決定する近似式決定処理と、前記近似式によって求めた補正値によって前記統計モデルを補正する補正処理と、前記補正処理によって補正された統計モデルを用いて研磨レートを推定する推定処理とを有することを特徴とする半導体研磨装置における研磨レート推定方法である。

また、本発明は、半導体ウェハを研磨する研磨機構の特性を表す複数の物理量を式の要素とする統計モデルに基づいて研磨レートを推定し、その推定結果を用いて半導体ウェハの研磨処理を行う半導体研磨装置において、前記複数の物理量のそれぞれについて、前記半導体ウェハの回路パターン配線長に対応する補正値を求める近似式を決定する近似式決定手段と、被研磨ウェハの回路パターン配線長を前記近似式に適用して補正値を算出し、算出した補正値によって前記統計モデルを補正する補正手段と、前記補正手段によって補正された統計モデルを用いて研磨レートを推定する推定手段とを有することを特徴とする半導体研磨装置である。

また、本発明は、半導体ウェハを研磨する研磨機構の特性を表す複数の物理量を式の要素とする統計モデルに基づいて研磨レートを推定する半導体研磨装置における研磨レート推定プログラムにおいて、前記複数の物理量のそれぞれについて、前記半導体ウェハの回路パターン配線長に対応する補正値を求める近似式を決定する近似式決定処理と、前記近似式によって求めた補正値によって前記統計モデルを補正する補正処理と、前記補正処理によって補正された統計モデルを用いて研磨レートを推定する推定処理とをコンピュータに実行させるためのプログラムである。

本発明によれば、半導体ウェハの回路パターンにかかわらず１つの統計モデルで適切に研磨レートを推定することができ、これにより、従来のものに比較しはるかに生産性を上げることができる効果がある。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態による半導体研磨装置は、回路パターンが異なる半導体ウェハの研磨レートを推定する時に、研磨レートを推定する統計モデルの各説明変数を回路パターンの配線長データにより導いた補正値により補正することによって統計モデルの共通化を図り、もって、多製品の半導体ウェハの研磨レートの推定を効率良く行うことを可能にしたものである。

以下、図１、図２を参照して詳述する。
図１は、本実施形態による半導体研磨装置の構成を示すブロック図である。本半導体研磨装置は、半導体ウェハを研磨する研磨パッドを上面に搭載した研磨テーブル１と、研磨テーブル１を回転させるテーブルモータ２と、半導体ウェハの研磨面を研磨テーブル１側に向けて半導体ウェハを保持し搬送する機能と、研磨テーブル１に半導体ウェハを加圧しながら押し当て研磨を行う機能を有する研磨ヘッド３と、研磨ヘッド３を回転させるヘッドモータ４と、研磨後の研磨テーブル１上の研磨パッドのドレッシングを行うドレッサーヘッド５と、ドレッサーヘッド５を回転させるドレッサーモータ６と、研磨テーブル１上へ研磨液であるスラリーを供給するスラリー供給器７と、ウェハの研磨により化学的に発生する熱とウェハと研磨テーブルとの摩擦による機械的に発生する熱とによる研磨テーブル１上の温度変化を測定する温度計８と、テーブルモータ２とヘッドモータ４とドレッサーモータ６の各モータトルクデータと温度計８の温度データを収集し、データベース１１へデータを送信するデータ収集部１０と、データ収集部１０で収集したデータを蓄積するデータベース１１と、データベース１１内のデータから研磨レートを推定する演算部１２とから構成される。

次に研磨レートの推定を行う演算部１２の処理手順を、図２を用いて説明する。演算部１２は、研磨中の一定時間周期で各種センサデータを取得する研磨データ取得部２０と、研磨データ取得部２０で取得したセンサデータを代表値処理する変換部２１と、モデル作成時に目的変数となる出来映えデータを保存する目的変数部２２と、変換部２１で算出した代表値と目的変数部２２に保存された出来映えデータから統計モデル２４を作成するモデル部２３と、研磨レートを推定する新たな半導体ウェハの製品情報を取得する製品情報取得部２５と、モデル部２３において作成された統計モデル２４と変換部２１から出力される半導体ウェハのセンサデータの代表値と製品情報取得部２６の製品データとから予測値２７を算出する予測部２６とから構成される。

次に、上記半導体研磨装置の動作を説明する。
まず、図１のデータ収集部１０は、研磨テーブル１上でウェハが研磨されている時のテーブルモータ２の回転トルクデータと、同じく研磨中のヘッドモータ４の回転トルクデータと、同じく研磨中の研磨テーブル１上の温度を測定する温度計８のデータを、一定のサンプリング周期でサンプリングしてデータベース１１へ格納する。また、ウェハの研磨後に行われるドレッサーヘッド５による研磨テーブル１のドレッシング時のドレッサーモータ６の回転トルクデータもデータベース１１へ格納する。ここで、データベース１１に格納されるサンプリングデータは、例えば、温度計８の温度データでは、図３の様に、時間データに対するテーブル温度データの変化を表す２次元データとなる。その他のモータ回転トルク値なども同様に時間データに対するトルク値の変化を表す２次元データとなる。

次に、図２に示す演算部１２の動作を説明する。まず、演算部１２は、研磨データ取得部２０によりデータベース１１内に保存されている研磨中のテーブルモータ２とヘッドモータ４の回転トルクデータと温度計８の研磨テーブル温度データと、ドレッシング時のドレッサーモータ６の回転トルクデータを抽出し、変換部２１へ出力する。変換部２１は、取得したデータのそれぞれについて平均値や一定時間の差分値などの代表値処理をウェハの研磨処理毎に行う。

次に、目的変数部２２について説明する。目的変数部２２は、統計モデル作成時に目的変数となる研磨レート値の取得保存を行う。研磨レート値は、通常、テストウェハなどで試験的に研磨を行い、研磨前後のウェハ膜厚値を計測し、その計測結果と研磨時間とから研磨レートを正確に測定したデータを取得保存する。次に、モデル部２３を説明する。モデル部２３では、目的変数部２２のテストウェハの研磨レートデータと、その研磨レートデータを測定したテストウェハが研磨処理された時の演算部２１で算出した説明変数（代表値）とから、重回帰分析により研磨レートの統計モデル２４を作成する。

次に、製品情報取得部２５は、研磨データ取得部２０で取得した研磨データに該当するウェハの回路パターン配線長を取得する。次に、予測部２６は、まず、研磨レートを推定するウェハが研磨された時のテーブル温度や各種モータ回転トルクなどの代表値化された研磨データを説明変数として変換部２１より取得する。次に前記作成済みの統計モデル２４を、製品情報取得部２５からの回路パターンの配線長データから算出した補正値により補正を行う。なお、配線長は図４に表す様にウェハ上の回路パターンＬ１の配線の中央線Ｌ２の合計長とする。最後に、前記説明変数と補正後の統計モデル２４とから、研磨を行った半導体ウェハの研磨レートの推定値を算出する。

次に、予測部２６で用いる回路パターンの配線長に対する統計モデルの補正式Ｙｍの算出方法を図５，図６を用いて説明する。図５は、統計モデルの補正値Ｙｍの算出手順を示す流れ図である。まず、ステップ１として、基準ウェハＷ１と、Ｗ１とは回路パターン配線長の異なる製品ウェハＷ２〜ＷｎまでをＷ１に続き連続研磨処理を行う。Ｗ１〜Ｗｎを連続処理した場合でも、それぞれのウェハの研磨レートは厳密には異なるが、研磨パッドなどの研磨に用いる消耗部材は、数枚のウェハの研磨処理では大きく劣化しないため、ウェハＷ１〜Ｗｎの研磨時の研磨レートは等しいとする。なお、基準となるウェハＷ１は、想定される回路パターンの配線長で最長を選ぶのが望ましい。

次に、ステップ２として、ステップ１で研磨したウェハＷ１〜Ｗｎの説明変数に用いる１つの物理現象の代表値を求める。本実施形態では、テーブルモータ２の回転トルク、ヘッドモータ４の回転トルク、研磨テーブル１上の温度、ドレッサーモータ６の回転トルクを説明変数とする。ステップ３にて、１つの物理現象と回路パターン配線長の補正式Ｙ１を決定する。最後に前記ステップ２，３を統計モデルに用いる説明変数の全てに対して行い、補正式Ｙ１〜Ｙｍを求める。

次に、各説明変数の代表値と回路パターン配線長に対する補正式Ｙ１〜Ｙｍの決定方法を、図６を用いて説明する。図６は、ウェハＷ１〜Ｗｎを研磨処理した時の説明変数に用いる一つの物理現象、例えばテーブル回転モータトルク値の代表値（例えば平均値）をプロットしたグラフである。横軸はウェハＷ１〜Ｗｎの回路パターン配線長であり、縦軸は物理現象の代表値であり、Ｚ１〜ＺｎはそれぞれＷ１〜Ｗｎを研磨した時の代表値である。同図に示す様に、本来等しい研磨レートで研磨したウェハＷ１〜Ｗｎであるが、回路パターンの配線長の違いにより基準ウェハＷ１の代表値Ｚ１とウェハＷ２〜Ｗｎの代表値Ｚ２〜Ｚｎには差が出てしまう。したがって、これらのウェハＷ１〜Ｗｎを同じ研磨レートと判断する為には、基準ウェハＷ１の代表値Ｚ１とウェハＷ２〜Ｗｎの代表値Ｚ２〜Ｚｎが等しくなるように、式（１）によりそれぞれのウェハの補正値Ｒｎ（ｎ：ウェハ番号）を求めれば良い。
補正値Ｒｎ＝Ｚ１／Ｚｎ ・・・・（１）

次に、任意の回路パターン配線長に対する補正値を求めるための補正式Ｙの算出方法を、図７を用いて説明する。図７は、回路パターン配線長に対する前記求めた補正値の関係を表すグラフである。同図に示す様に、回路パターン配線長と補正値に近似式を適用する。本実施形態では、式（２）に示す１次式による近似を適用する。
Ｙ＝ＡＸ＋Ｂ ・・・・（２）
ここで、Ｙは補正値、Ｘは回路パターン配線長、Ａは１次近似式の傾き、Ｂは切片を表す。式（２）の補正式により傾きＡと切片Ｂが算出できるため、上記例のウェハＷ１〜Ｗｎ以外の任意の回路パターンであっても、回路パターンの配線長データにより補正値を算出することが可能となる。上記算出方法を、説明変数に用いるｍ個の物理現象のそれぞれにおいて行い、各説明変数の補正値を算出する近似式Ｙｍ（ｍ：物理現象の数）を算出する。
Ｙｍ＝ＡｍＸ＋Ｂｍ ・・・・（３）
この式（３）を用いる事により、任意の回路パターンの配線長における補正値Ｙｍを算出することができる。

次に、算出した補正値により統計モデルを補正する方法を説明する。式（４）は一般的な重回帰分析のモデルである。
研磨レート推定値＝ａ１×Ｅ１＋ａ２×Ｅ２＋・・・・＋ａｍ×Ｅｍ ・・・・（４）
ここでａ１からａｍは基準ウェハ１により作成された統計モデルの各説明変数に対する回帰係数であり、Ｅｍは推定対象となるウェハの各説明変数の代表値データである。本実施形態では、上記式（４）に式（３）で求めた回路パターン配線長に対する各説明変数の補正値Ｙｍを乗じた補正後の統計モデル式（５）により、多品種の製品ウェハの研磨レートの推定を行うものである。
研磨レート推定値＝ａ１×Ｅ１×Ｙ１＋ａ２×Ｅ２×Ｙ２＋・・・・
＋ａｎ×Ｅｎ×Ｙｎ ・・・・（５）

なお、回路パターン配線長と補正値の近似式（２）を１次近似式ではなく、研磨部材の特性や、説明変数の特性により、指数関数、対数関数、ｎ次関数などの物理現象に則したその他の近似式を用いても良い。
また、式（４）の様な重回帰モデルに適用する場合だけでなく、その他の統計モデルに適用する際にも、各物理現象を表す説明変数に対して補正係数による補正を行うことにより、重回帰モデル以外の統計モデルにも適用が可能である。

本発明は、半導体ウェハの研磨処理を行う半導体研磨装置に用いられる。

本発明の一実施形態による半導体研磨装置の構成を示すブロック図である。 同半導体研磨装置における演算部１２の構成を示すブロック図である。 同半導体研磨装置における温度計８の検出温度の変化を示す図である。 回路パターンの配線長の測定方法を説明するための図である。 統計モデルの補正値Ｙｍの算出手順を示す流れ図である。 補正値Ｙｍの算出原理を説明するための図である。 補正値Ｙｍを求める近似式を説明するための図である。 半導体ウェハの研磨処理において、ウェハの回路パターンに応じて研磨テーブルの回転トルクが異なることを説明するための図である。 半導体ウェハの研磨処理において、ウェハの回路パターンに応じて研磨テーブルの温度が異なることを説明するための図である。

符号の説明

１…研磨テーブル
３…研磨ヘッド
５…ドレッサーヘッド
７…スラリー供給器
８…温度計
１０…データ収集部
１１…データベース
１２…演算部
２０…研磨データ取得部
２１…変換部
２２…目的変数部
２３…モデル部
２４…推定モデル
２５…製品情報取得部
２６…予測部
２７…予測値

Claims (9)

1. 半導体ウェハを研磨する研磨機構の特性を表す複数の物理量を式の要素とする統計モデルに基づいて研磨レートを推定し、その推定結果を用いて半導体ウェハの研磨処理を行う半導体研磨装置において、
   前記複数の物理量のそれぞれについて、前記半導体ウェハの回路パターン配線長に対応する補正値を求める近似式を決定する近似式決定処理と、
   前記近似式によって求めた補正値によって前記統計モデルを補正する補正処理と、
   前記補正処理によって補正された統計モデルを用いて研磨レートを推定する推定処理と、
   を有することを特徴とする半導体研磨装置における研磨レート推定方法。
2. 前記統計モデルは重回帰分析によるモデルであることを特徴とする請求項１に記載の半導体研磨装置における研磨レート推定方法。
3. 前記近似式決定処理は、予め複数の異なる回路パターンを有する半導体ウェハについて研磨処理を行って前記物理量を求め、求めた物理量の相違が解消されるように前記近似式を決定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体研磨装置における研磨レート推定方法。
4. 前記近似式は、回路パターン配線長の一次式であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかの項に記載の半導体研磨装置における研磨レート推定方法。
5. 半導体ウェハを研磨する研磨機構の特性を表す複数の物理量を式の要素とする統計モデルに基づいて研磨レートを推定し、その推定結果を用いて半導体ウェハの研磨処理を行う半導体研磨装置において、
   前記複数の物理量のそれぞれについて、前記半導体ウェハの回路パターン配線長に対応する補正値を求める近似式を決定する近似式決定手段と、
   被研磨ウェハの回路パターン配線長を前記近似式に適用して補正値を算出し、算出した補正値によって前記統計モデルを補正する補正手段と、
   前記補正手段によって補正された統計モデルを用いて研磨レートを推定する推定手段と、
   を有することを特徴とする半導体研磨装置。
6. 前記統計モデルは重回帰分析によるモデルであることを特徴とする請求項５に記載の半導体研磨装置。
7. 前記近似式決定手段は、予め複数の異なる回路パターンを有する半導体ウェハについて研磨処理を行って前記物理量を求め、求めた物理量の相違が解消されるように前記近似式を決定することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の半導体研磨装置。
8. 前記近似式は、回路パターン配線長の一次式であることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれかの項に記載の半導体研磨装置。
9. 半導体ウェハを研磨する研磨機構の特性を表す複数の物理量を式の要素とする統計モデルに基づいて研磨レートを推定する半導体研磨装置における研磨レート推定プログラムにおいて、
   前記複数の物理量のそれぞれについて、前記半導体ウェハの回路パターン配線長に対応する補正値を求める近似式を決定する近似式決定処理と、
   前記近似式によって求めた補正値によって前記統計モデルを補正する補正処理と、
   前記補正処理によって補正された統計モデルを用いて研磨レートを推定する推定処理と、
   をコンピュータに実行させるためのプログラム。
   

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