JP2010186866A - 研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属配線を所望の量だけ正確に研磨することができる研磨方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る研磨方法は、溝９０５を有する絶縁膜９０３と、絶縁膜９０３上に形成されたバリア膜９０６と、バリア膜９０６上に形成された金属膜９０７とを有し、金属膜９０７の一部が金属配線９１０として溝９０５内に形成されている基板Ｗを研磨する。この研磨方法は、金属膜９０７を除去する第１研磨工程と、記第１研磨工程後、バリア膜９０６を除去する第２研磨工程と、第２研磨工程後、絶縁膜９０３および金属配線９１０を研磨する第３研磨工程と、第３研磨工程終了後、金属配線９１０の高さを渦電流センサにより測定する測定工程と、測定工程で得られた測定値に基づき、後続の基板の研磨時間を調整する調整工程とを有する。
【選択図】図１

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、金属配線を所望の量だけ研磨することができ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的研磨（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。これは、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からである。

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量、すなわち金属配線の高さを管理することは、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、ハードマスク膜および金属配線の研磨においては、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、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。さらに、銅などの金属配線に光を当てると、フォトコロージョンと呼ばれる現象が起き、配線金属が腐食することもあった。

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、金属配線を所望の量だけ正確に研磨す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において、前記金属膜を除去する第１研磨工程と、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、前記絶縁膜および前記金属配線を研磨する第３研磨工程と、前記第３研磨工程終了後、前記金属配線の高さを渦電流センサにより測定する測定工程と、前記測定工程で得られた測定値に基づき、後続の基板の研磨時間を調整する調整工程とを有することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記測定工程は、基板の被研磨面内の所定の領域における前記金属配線の高さを前記渦電流センサにより測定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記測定工程は、前記第１乃至第３研磨工程が行われる研磨部とは別に設けられた測定ステーションで行われることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記調整工程は、前記後続の基板の前記第２研磨工程および／または前記第３研磨工程の研磨時間を、前記測定値に基づいて調整することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記調整工程は、前記測定値から所定の目標値を減算することで、前記測定値と前記目標値との差を求め、前記差を除去レートで割ることにより調整時間を求め、予め設定されている研磨時間に前記調整時間を加算する工程を含むことを特徴とする。

本発明の他の態様は、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において、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、前記絶縁膜および前記金属配線を研磨する第３研磨工程と、研磨中の前記基板の研磨状態を少なくとも１つの渦電流センサで監視する監視工程とを有し、前記第１研磨工程、前記第２研磨工程、および前記第３研磨工程に応じて前記渦電流センサの感度を変更することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記少なくとも１つの渦電流センサは、異なる感度を有する複数の渦電流センサであり、前記渦電流センサの感度の変更は、前記複数の渦電流センサのうちの１つから他に切り替えることであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記少なくとも１つの渦電流センサは、少なくとも２つの感度レベルを切り替え可能に構成された渦電流センサであり、前記渦電流センサの感度の変更は、前記少なくとも２つの感度レベルのうちの１つから他に切り替えること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３研磨工程における前記渦電流センサの感度は、前記第１研磨工程および前記第２研磨工程における前記渦電流センサの感度よりも高いことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第３研磨工程における前記渦電流センサの感度は、前記第２研磨工程における前記渦電流センサの感度よりも高く、前記第２研磨工程における前記渦電流センサの感度は、前記第１研磨工程における前記渦電流センサの感度よりも高いことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記渦電流センサの感度の変更は、該渦電流センサのセンサコイルに与える交流電流の周波数、前記センサコイルの巻き数、前記センサコイルの径、前記渦電流センサ内の電気信号の増幅率、調整信号範囲、および被研磨面と前記センサコイルとの距離のうち少なくとも１つを変更することであることを特徴とする。

本発明の他の態様は、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において、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、前記絶縁膜および前記金属配線を研磨する第３研磨工程と、研磨中の前記基板の研磨状態を渦電流センサで監視する監視工程とを有し、前記渦電流センサは、前記基板の被研磨面に形成されている少なくとも１つのチップを覆う有効計測範囲を有していることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記渦電流センサの有効計測範囲は、前記渦電流センサのセンサコイルの直径により調整されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記渦電流センサのセンサコイルの直径は、２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記渦電流センサの有効計測範囲は、前記渦電流センサのセンサコイルと基板との距離により調整されることを特徴とする。

本発明によれば、絶縁膜（ハードマスク膜または層間絶縁膜）に隣接する金属配線の高さに応じて渦電流センサの出力信号値が変化するので、渦電流センサの出力信号値から金属配線の高さを求めることができる。さらに、測定された金属配線の高さに基づいて、後続の基板の研磨時間を調整することにより、後続の基板の研磨終点の精度を高めることができる。

また、本発明によれば、研磨工程に応じて渦電流センサの感度を変えることにより、正確な金属配線高さを測定することができる。例えば、第３研磨工程では、絶縁膜と金属配線とが混在する層が研磨される。絶縁膜と金属配線とが混在する層は（金属層に比べ）抵抗が高いので、このような層を研磨するときには高い感度の渦電流センサが用いられる。その結果、正確な研磨状態、すなわち、金属配線高さを監視することができる。

さらに、本発明によれば、少なくとも１つのチップを完全に覆う有効計測範囲を有する渦電流センサを用いることにより、配線パターンの影響を受けることなく、金属配線高さを測定することができる。したがって、正確な測定値に基づいて研磨終点を検出することができる。

配線形成構造の一例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。 第１研磨ユニットの構成を示す模式図である。 測定ステーションを示す模式図である。 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。 金属配線の高さの測定結果に基づいて、後続の基板の研磨時間を調整する工程を示すフローチャートである。 研磨テーブルを示す平面図である。 渦電流センサの有効計測範囲を示す模式図である。 トップリングの変形例を模式的に示す断面図である。 渦電流センサの移動軌跡を示す図である。

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は本発明の実施形態に係る研磨方法を実行するための研磨装置の全体構成を示す平面図である。図２に示すように、研磨装置は、ロード／アンロード部２と、研磨部３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２では３つ）のフロントロード部２０を備えている。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。

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、第３研磨ユニット３０Ｃと、第４研磨ユニット３０Ｄとを備えている。第１研磨ユニット３０Ａは、研磨パッドを支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。

図３は、第１研磨ユニット３０Ａの構成を示す模式図である。図３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が埋設されている。この渦電流センサ３１２Ａは、センサコイルに高周波の交流電流を流して導電膜に渦電流を誘起させ、この渦電流の磁界に起因するインピーダンスの変化から導電膜の厚さを検出する。渦電流センサ３１２Ａは、基板Ｗの膜厚を示す信号を制御部８に出力するようになっている。第２研磨ユニット３０Ｂ，第３研磨ユニット３０Ｃ、および第４研磨ユニット３０Ｄは、第１研磨ユニット３０Ａと同一の構成を有しているので、その説明を省略する。

図２に示すように、第１研磨ユニット３０Ａおよび第２研磨ユニット３０Ｂに隣接して、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は、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ように構成されている。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。基板は、第１リニアトランスポータ５によって第１研磨ユニット３０Ａおよび第２研磨ユニット３０Ｂに搬送される。

また、第３研磨ユニット３０Ｃ、第４研磨ユニット３０Ｄ、および第１リニアトランスポータ５に隣接して、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は、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ように構成されている。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。基板は、第２リニアトランスポータ６によって第３研磨ユニット３０Ｃおよび第４研磨ユニット３０Ｄに搬送される。

洗浄部４は、研磨後の基板を洗浄する領域である。この洗浄部４は、研磨された基板を受け取る第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４２，４３，４４，４５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。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。

第１搬送ロボット２２に隣接して、Ｅｘ−ｓｉｔｕ型測定ステーション２３が設けられている。この測定ステーション２３は、研磨された基板の膜厚を測定する装置である。図４は、測定ステーションを示す模式図である。図４に示すように、測定ステーション２３は、基板Ｗを真空吸着などにより保持して基板Ｗを水平面内で回転させる保持部２４を有している。基板Ｗは、その被研磨面が上を向いた状態で保持部２４に保持される。

測定ステーション２３は、保持部２４と同心状に配列された複数のセンタリング機構（フィンガーなど）２５を有している。第１搬送ロボット２２により測定ステーション２３内に搬送された基板Ｗは、センタリング機構２５に一旦保持され、これにより基板Ｗの保持部２４に対するセンタリングが行われる。そして、センタリングが行われた後、基板Ｗは保持部２４により保持される。保持部２４に保持された基板Ｗの周縁部に隣接してノッチ検出部２６が配置されている。このノッチ検出部２６は、保持部２４により基板Ｗを回転させながら基板Ｗのノッチを画像処理などにより検出する。

測定ステーション２３は、基板Ｗの被研磨面に対向して配置された渦電流センサ２７を備えている。この渦電流センサ２７は、図示しない移動機構により基板Ｗの表面と平行な面内で移動するように構成されている。ノッチ検出部２６によってノッチが検出されると、そのノッチの位置に基づき、ノッチが所定の方向を向くように保持部２は基板Ｗの回転方向の位置（角度）を調整する。そして、渦電流センサ２７は、基板Ｗの被研磨面内の所定の領域における膜厚を測定する。膜厚の測定後、基板Ｗは第１搬送ロボット２２により、フロントロード部２０のウェハカセットに戻される。基板処理の一連の動作は、制御部８によって制御される。

本発明における研磨対象の基板は、図１に示すように、溝を有する絶縁膜と、この絶縁膜上に形成されたバリア膜と、このバリア膜上に形成された金属膜とを有する基板であり、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）、そして絶縁膜および金属配線研磨工程（第３研磨工程）と、およそ３段階の研磨工程に分けられる。図５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９０３およびトレンチ内の銅（金属配線）９１０が研磨されている状態を示している。

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。したがって、第３研磨工程におけるＩｎ−ｓｉｔｕ型渦電流センサ３１２Ａの出力信号値と金属配線の高さとの間には相関関係がある。図６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３１２Ａの出力信号値の変化を示すグラフである。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３１２Ａの出力信号値が示されている。

図６に示すグラフから分かるように、研磨開始から２０秒程度経過した後に、渦電流センサ３１２Ａの出力信号値の変化が緩やかになっている。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３１２Ａ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金属配線も研磨されていることを示している。

本実施形態では、研磨終点は、研磨時間によって決定される。すなわち、所定の開始時点から所定の研磨時間が経過したときに、第３研磨工程が終了される。所定の開始時点とは、第１研磨工程、第２研磨工程、および第３研磨工程のいずれかの開始時点である。第２研磨工程の開始時点は、第１研磨工程の終点と同義である。この第１研磨工程は金属膜の除去であるので、第２研磨工程の開始時点は渦電流センサ３１２Ａの出力信号値から判断することができる。第３研磨工程の開始時点も、図６のグラフを参照して説明したように、渦電流センサ３１２Ａの出力信号値から判断することができる。

なお、第２研磨工程で研磨されるバリア膜は比較的薄く、厚さがほぼ一定であるので、第２研磨工程の終点（すなわち第３研磨工程の開始時点）を研磨時間から判断してもよい。第１研磨工程から第３研磨工程までの全ての研磨工程を、研磨時間から判断することもできる。第２研磨工程および第３研磨工程の開始時点を検知するに際して、Ｉｎ−ｓｉｔｕ型渦電流センサ３１２Ａの出力信号値に加えて、研磨テーブルのトルク電流を監視してもよい。

研磨部３で研磨された基板は、洗浄部４に送られ、ここで基板が洗浄され、さらに乾燥される。乾燥された基板は第１搬送ロボット２２によってＥｘ−ｓｉｔｕ型測定ステーション２３に搬送され、ここで金属配線の高さが渦電流センサ２７（図４参照）により測定される。測定結果は制御部８に送られ、測定結果に基づいて後続の基板の研磨時間が調整されるようになっている。

ここで、金属配線の高さの測定結果に基づいて、後続の基板の研磨時間を調整する工程について図７を参照して説明する。以下、先行する基板を第１の基板と称し、後続の基板を第２の基板と称する。まず、ステップ１では、第１の基板（例えば、ロット内の先頭の基板）の研磨時間Ｔ１が制御部８に設定される。この研磨時間Ｔ１は、第１研磨工程、第２研磨工程、および第３研磨工程のうちの少なくとも１つの研磨工程の研磨時間である。例えば、第１研磨工程の研磨終点を渦電流センサ３１２Ａで検出し、第２研磨工程および第３研磨工程を所定の研磨時間だけ行うように研磨動作が制御部８に設定されている場合は、研磨時間Ｔ１は、第２研磨工程および第３研磨工程の総研磨時間である。第１研磨工程〜第３研磨工程を所定の研磨時間で実行するように研磨動作が制御部８に設定されている場合は、研磨時間Ｔ１は、第１研磨工程〜第３研磨工程の総研磨時間である。このように、基準研磨時間である研磨時間Ｔ１は、時間によって研磨終点が管理される研磨工程の研磨時間である。この研磨時間Ｔ１で実行される研磨工程は、予め制御部８に設定されている。

次に、ステップ２では、第１研磨工程、第２研磨工程、および第３研磨工程を通じて第１の基板が研磨される。この第１の基板の研磨では、制御部８に予め設定されている上記研磨工程は、研磨時間Ｔ１で実行される。その後、ステップ３として、研磨された第１の基板が洗浄部４に搬送され、ここで第１の基板が洗浄され、乾燥される。乾燥された第１の基板は測定ステーション２３に搬送され、ここで第１の基板の金属配線高さｈ１が測定される（ステップ４）。第１の基板の測定領域は予め定められた固定位置にある領域である。すなわち、測定ステーション２３では定点測定が行われる。

ステップ５では、測定された金属配線高さｈ１と、予め設定された目標高さｈ０との差Δｈが算出される。この差Δｈは、金属配線高さｈ１から目標高さｈ０を減算することにより求められる。次に、ステップ６では、差Δｈを第１の基板の除去レートαで割ることにより、調整時間ΔＴが算出される。除去レートαは、同一の構造を有するサンプル基板の初期配線高さｈIni（例えば、バリア膜除去時の値）と、目標高さｈ０と、サンプル基板の研磨を通じて得られた研磨時間Ｔとから、次の式を用いて得られる。
除去レートα＝（ｈIni−ｈ０）／Ｔ ・・・（１）

そして、ステップ７として、研磨時間Ｔ１に調整時間ΔＴを加算することにより、第２の基板の研磨時間Ｔ２（第１の基板の研磨時間Ｔ１に相当）が調整される。その後、第２の基板が研磨される。このとき、制御部８に予め設定されている上記研磨工程は、調整された研磨時間Ｔ２で実行される。研磨された第２の基板は、第１の基板と同様に、洗浄部４で洗浄および乾燥される。なお、式（１）に用いられる研磨時間Ｔは、調整された研磨時間（Ｔ２，Ｔ３，…）に順次置き換えることができる。

必要に応じて、乾燥された第２の基板の金属配線高さを測定ステーション２３にて測定し、第２の基板に続く他の基板の研磨時間を、上述と同様の方法で調整してもよい。この場合、第１の基板と同一領域における金属配線の高さが測定される。第２の基板は、第１の基板のすぐ後に続く基板でなくともよく、第１の基板と第２の基板との間に、複数枚の基板を研磨してもよい。この場合、第１の基板と第２の基板との間に研磨される基板の上記研磨工程は、研磨時間Ｔ１で実行される。

金属配線高さを正確に測定するために、測定ステーション２３の渦電流センサ２７の出力信号値と金属配線高さとの関係を予め求めておくことが好ましい。渦電流センサ２７の出力信号値と金属配線高さとの関係は、研磨対象の基板と同一の構造を有する１枚または複数のサンプル基板を研磨し、その金属配線高さを渦電流センサ２７で測定して得られた結果から求めることができる。本実施形態では、Ｅｘ−ｓｉｔｕ型測定ステーション２３が使用されているので、基板を乾燥した後に金属配線高さが測定される。したがって、研磨液やリンス液などが測定に影響を与えることがなく、結果として金属配線高さを正確に測定することができる。なお、金属配線に代えて、この金属配線と同じ高さを持つ測定用金属膜の厚さを測定してもよい。この測定用金属膜は、金属配線およびハードマスク膜と同時に研磨されるバルク膜として形成される。この場合、測定用金属膜は、上記固定位置に形成され、測定ステーション２３によって定点観察が行われる。

一般に、金属配線の高さの測定は、配線パターンの影響を受ける。これは、金属配線の高さのみならず、配線密度によっても、渦電流センサの出力信号値が変動するからである。さらに、多層配線構造では、渦電流センサは、測定対象となる金属配線だけでなく、その下層階の金属配線にも反応してしまう。このような配線パターンや下層階の金属配線の影響を軽減するために、本実施形態では、基板の予め定められた領域（固定位置）での金属配線の高さが測定される。したがって、その領域での金属配線の高さと渦電流センサの出力信号値との関係を予め取得しておけば、正確な金属配線高さを測定することができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。
本実施形態では、Ｉｎ−ｓｉｔｕ型の渦電流センサを用いて、研磨中の基板の研磨状態（研磨の進行具合）が監視される。より具体的には、渦電流センサの感度を変更しながら、第１研磨工程、第２研磨工程、および第３研磨工程が監視される。図８は、本実施形態に使用される研磨テーブルを示す平面図である。図８に示すように、研磨テーブル３００Ａには、複数の（図８では３つの）渦電流センサ３１２Ａ−１，３１２Ａ−２，３１２Ａ−３が埋設されている。これらの渦電流センサ３１２Ａ−１，３１２Ａ−２，３１２Ａ−３は、研磨テーブル３００Ａの回転に伴って基板Ｗの中心を通る位置に配置されている。

渦電流センサ３１２Ａ−１，３１２Ａ−２，３１２Ａ−３は、互いに異なる感度を有している。基板Ｗの研磨中は、これら渦電流センサ３１２Ａ−１，３１２Ａ−２，３１２Ａ−３のいずれかによって基板Ｗの被研磨面の研磨状態が監視される。より具体的には、第３研磨工程では、最も感度が高い渦電流センサ３１２Ａ−３により研磨状態が監視され、第２研磨工程および第１研磨工程では、第３研磨工程で用いられる渦電流センサ３１２Ａ−３よりも低い感度を有する渦電流センサ３１２Ａ−１および／または渦電流センサ３１２Ａ−２により研磨状態が監視される。これは、第３研磨工程で研磨される層は、絶縁膜と金属配線とが混在した層であって、抵抗が高いからである。

本実施形態では、渦電流センサ３１２Ａ−１，３１２Ａ−２，３１２Ａ−３の出力信号値が所定のしきい値に達したときに研磨が終了される。このしきい値は制御部８に予め入力されており、研磨終点の判断は制御部８によって行われる。本実施形態では、第３研磨工程を感度のよい渦電流センサで監視することによって、正確な研磨終点が可能となる。

ここで、第３研磨工程における渦電流センサ３１２Ａ−１の感度は、第２研磨工程における渦電流センサ３１２Ａ−２の感度よりも高いことが好ましく、第２研磨工程における渦電流センサ３１２Ａ−２の感度は、第１研磨工程における渦電流センサ３１２Ａ−１の感度よりも高いことが好ましい。なお、設置すべき渦電流センサの数は、２つ以上であれば特に限定されない。

渦電流センサ３１２Ａ−１，３１２Ａ−２，３１２Ａ−３は、センサコイルに与える交流電流の周波数、センサコイルの巻き数、センサコイルの径、渦電流センサ内の電気信号の増幅率、調整信号範囲、および被研磨面とセンサコイルとの距離のうち少なくとも１つが異なるように構成されている。なお、調整信号範囲とは、ＡＤ変換範囲、すなわち、デジタル変換の対象とするアナログ信号値の範囲である。感度の異なる複数の渦電流センサに代えて、少なくとも２つの感度レベルを切り替え可能な１台の渦電流センサを設けてもよい。この場合は、センサコイルに与える交流電流の周波数、渦電流センサ内の電気信号の増幅率、調整信号範囲を変更することによって、感度レベルを切り替えることができる。

次に、本発明のさらに他の実施形態について説明する。
上述の実施形態と同様に、本実施形態においても、Ｉｎ−ｓｉｔｕ型の渦電流センサを用いて、研磨中の基板の研磨状態が監視される。そして、渦電流センサの出力信号値が所定のしきい値に達したときに研磨が終了される。渦電流センサの配置は、図３に示す配置と同様である。この実施形態では、基板に形成されている少なくとも１つのチップを完全に覆う有効計測範囲を有する渦電流センサが使用される。

図９は、本実施形態に係る渦電流センサの有効計測範囲を示す模式図である。図９に示すように、渦電流センサ３１２Ａの有効計測範囲は、１つのチップの面積よりも大きく、チップを完全に覆っている。この有効計測範囲は、渦電流センサ３１２Ａのセンサコイルの径およびセンサコイルと基板との距離に依存して変化する。したがって、センサコイルの径および／またはセンサコイルと基板との距離を調整することよって、渦電流センサ３１２Ａの有効計測範囲を１つのチップの面積よりも大きくすることができる。なお、センサコイルの径を大きくすることにより、渦電流センサ３１２Ａ自体の感度を上げることができる。好ましい有効計測範囲は、２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下である。

以上説明した実施形態は、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膜が直接形成され、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。

上述の実施形態において、金属配線高さの測定精度を向上させるために、次のような手段を採用することが好ましい。
第１の手段は、渦電流センサの出力信号値を補正することである。渦電流センサの出力信号の値は、渦電流センサの周囲温度、研磨パッドへの水染みなどの使用環境の変化や、渦電流センサそのものの経時変化などにより変化することがある。したがって、このような渦電流センサの出力信号の値そのものの変化を補正することが好ましい。具体的には、研磨中または研磨前後の適当なタイミングにおいて所定の条件下で渦電流センサの信号値を補正信号値として取得し、この補正信号値から所定の補正基準値を減算して補正量を算出し、渦電流センサの出力信号値（膜厚実測値）から補正量を減算することにより、補正された信号値を得ることができる。補正基準値は、補正信号値を取得したときと同一の条件の下で予め取得された渦電流センサの出力信号である。

第２の手段は、金属配線を研磨する前に、金属膜またはバリア膜の膜厚を均一にすることである。基板の研磨において、必ずしも被研磨面内で膜厚が均一の状態を保ちながら研磨が進行するとは限らない。例えば、基板の外周領域よりも中心領域で研磨が早く進行することがあれば、基板の中心領域よりも外周領域で研磨が早く進行することもある。このように基板の被研磨面内で膜厚が均一でないと、絶縁膜研磨の開始タイミングが面内でずれてしまい、その結果、配線金属の高さがばらついてしまうと共に、配線金属の高さの測定にも悪影響を与えてしまう。そこで、第３研磨工程の前、つまり第１研磨工程または第２研磨工程において、基板の表面内で金属膜またはバリア膜の膜厚が均一となるように研磨することが好ましい。具体的には、図１０に示すような、同心状に配列された複数の押圧機構を有するトップリングを用いて基板を研磨することが好ましい。

図１０はトップリング３０１Ａの変形例を模式的に示す断面図である。トップリング３０１Ａは、基板Ｗに当接する円形の弾性パッド１４２と、弾性パッド１４２を保持するチャッキングプレート１４４とを有している。弾性パッド１４２の上周端部はチャッキングプレート１４４に保持され、弾性パッド１４２とチャッキングプレート１４４との間には、４つの圧力室（エアバッグ）Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が設けられている。圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４にはそれぞれ流体路１５１，１５２，１５３，１５４を介して加圧空気等の加圧流体が供給され、あるいは真空引きがされるようになっている。中央の圧力室Ｐ１は円形であり、他の圧力室Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は環状である。これらの圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、同心上に配列されている。

圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力は図示しない圧力調整部により互いに独立して変化させることが可能であり、これにより、基板Ｗの４つの領域、すなわち、中央部、内側中間部、外側中間部、および周縁部に対する押圧力を独立に調整することができる。この例では、圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、互いに独立して基板を押圧する押圧機構を構成する。研磨中の膜厚は、渦電流センサ３１３Ａ（図３参照）によって測定され、基板Ｗの径方向の膜厚分布が制御部８（図２参照）によって取得される。制御部８は、膜厚分布に応じて圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力を制御し、これにより、基板Ｗが平坦に研磨される。

第３の手段は、Ｉｎ−ｓｉｔｕ型渦電流センサの移動軌跡が基板の表面の全周にわたって略均等に分布するようにトップリングと研磨テーブルとの回転速度比を調整することである。一般に、配線パターンが測定値に与える影響を完全に取り除くことは困難である。そこで、トップリングと研磨テーブルの回転速度比を調整することによって、図１１に示すように、渦電流センサが基板の表面を周方向において略等間隔に走査することができる。所定時間内に取得された測定値は平均化され、この平均値が基板の表面全体の測定値として使用される。このように、基板の表面全体を均等に測定し、その測定値を平均化することにより、配線パターンの影響を軽減することができる。

第４の手段は、渦電流センサをトップリングの中心に配置することである。トップリングの中心は、基板の中心とほぼ一致するので、トップリングに設けた渦電流センサにより、基板の定点、すなわち中心部の膜厚が測定される。したがって、配線パターンの影響を受けることなく、正確な研磨終点を検知することができる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

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
８ 制御部
２０ フロントロード部
２１ 走行機構
２２ 第１搬送ロボット
２３ 測定ステーション
２４ 保持部
２５ センタリング機構
２６ ノッチ検出部
２７ 渦電流センサ
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

Claims (15)

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において、
   前記金属膜を除去する第１研磨工程と、
   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、前記絶縁膜および前記金属配線を研磨する第３研磨工程と、
   前記第３研磨工程終了後、前記金属配線の高さを渦電流センサにより測定する測定工程と、
   前記測定工程で得られた測定値に基づき、後続の基板の研磨時間を調整する調整工程とを有することを特徴とする研磨方法。
2. 前記測定工程は、基板の被研磨面内の所定の領域における前記金属配線の高さを前記渦電流センサにより測定することを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
3. 前記測定工程は、前記第１乃至第３研磨工程が行われる研磨部とは別に設けられた測定ステーションで行われることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
4. 前記調整工程は、前記後続の基板の前記第２研磨工程および／または前記第３研磨工程の研磨時間を、前記測定値に基づいて調整することを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
5. 前記調整工程は、
   前記測定値から所定の目標値を減算することで、前記測定値と前記目標値との差を求め、
   前記差を除去レートで割ることにより調整時間を求め、
   予め設定されている研磨時間に前記調整時間を加算する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
6. 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において、
   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、前記絶縁膜および前記金属配線を研磨する第３研磨工程と、
   研磨中の前記基板の研磨状態を少なくとも１つの渦電流センサで監視する監視工程とを有し、
   前記第１研磨工程、前記第２研磨工程、および前記第３研磨工程に応じて前記渦電流センサの感度を変更することを特徴とする研磨方法。
7. 前記少なくとも１つの渦電流センサは、異なる感度を有する複数の渦電流センサであり、
   前記渦電流センサの感度の変更は、前記複数の渦電流センサのうちの１つから他に切り替えることであることを特徴とする請求項６に記載の研磨方法。
8. 前記少なくとも１つの渦電流センサは、少なくとも２つの感度レベルを切り替え可能に構成された渦電流センサであり、
   前記渦電流センサの感度の変更は、前記少なくとも２つの感度レベルのうちの１つから他に切り替えることであることを特徴とする請求項６に記載の研磨方法。
9. 前記第３研磨工程における前記渦電流センサの感度は、前記第１研磨工程および前記第２研磨工程における前記渦電流センサの感度よりも高いことを特徴とする請求項６に記載の研磨方法。
10. 前記第３研磨工程における前記渦電流センサの感度は、前記第２研磨工程における前記渦電流センサの感度よりも高く、前記第２研磨工程における前記渦電流センサの感度は、前記第１研磨工程における前記渦電流センサの感度よりも高いことを特徴とする請求項９に記載の研磨方法。
11. 前記渦電流センサの感度の変更は、該渦電流センサのセンサコイルに与える交流電流の周波数、前記センサコイルの巻き数、前記センサコイルの径、前記渦電流センサ内の電気信号の増幅率、調整信号範囲、および被研磨面と前記センサコイルとの距離のうち少なくとも１つを変更することであることを特徴とする請求項６に記載の研磨方法。
12. 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において、
    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、前記絶縁膜および前記金属配線を研磨する第３研磨工程と、
    研磨中の前記基板の研磨状態を渦電流センサで監視する監視工程とを有し、
    前記渦電流センサは、前記基板の被研磨面に形成されている少なくとも１つのチップを覆う有効計測範囲を有していることを特徴とする研磨方法。
13. 前記渦電流センサの有効計測範囲は、前記渦電流センサのセンサコイルの直径により調整されることを特徴とする請求項１２に記載の研磨方法。
14. 前記渦電流センサのセンサコイルの直径は、２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の研磨方法。
15. 前記渦電流センサの有効計測範囲は、前記渦電流センサのセンサコイルと基板との距離により調整されることを特徴とする請求項１２に記載の研磨方法。

Images