JP3568632B2 - 研磨方法及びその装置 - Google Patents

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、研磨方法およびその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体ウエハ(以下「ウエハ」という)の製造プロセスの中に、CMP(Chemical mecanical polishing)と呼ばれる研磨プロセスがある。このCMPは、回転テーブルにポリウレタンなどの研磨布を貼り付け、この研磨布の表面に、シリカ(SiO)を主成分とする研磨材を用いて半導体ウエハの研磨対象物を研磨する方法であり、そのメカニズムは明確ではないが、化学的、機械的メカニズムの複合効果が研磨メカニズムに大きく関係していると考えられる。
【0003】
CMPは、例えば配線形成工程中のエッチバックと呼ばれる工程に適用される。エッチバックは、絶縁膜にコンタクトホールを形成しW(タングステン)やAl(アルミニウム)などの金属膜をウエハ表面全体に成膜した後、不要な部分を削り取って絶縁膜例えばシリコン酸化膜を露出させる工程である。ただしコンタクトホール内の金属膜とその下のn形あるいはp形の拡散層との間の相互拡散を防止するために、金属膜の下には例えばTiN(チタンナイトライド)よりなる薄いバリヤ層が介在する。
【0004】
ここでCMPは、従来図5に示すように表面に研磨布11が形成された回転テーブル12に、キャリアなどと呼ばれているウエハ保持機構13に保持したウエハ10を所定の圧力で圧接し、ノズル14から研磨液を研磨布11の表面に供給しながら、回転テーブル12を回転させると共にウエハ保持機構13をモータ15により回転させて、こうしてウエハ10を回転テーブル12上で自転させかつ相対的に公転させることによってウエハ10の表面を研磨していた。
【0005】
そして金属膜を削り取り、更に絶縁膜例えばシリコン酸化膜(SiO)の上に形成された薄いTiN(バリヤ層)を削り取ってシリコン酸化膜の表面が露出した時点(研磨の終点)を検出するためには、ウエハ保持機構13を回転させているモータ15のトルク電流を検出し、被研磨物と研磨布との間の摩擦力が被研磨物の材質により異なること、即ち金属膜の研磨時のトルクとシリコン酸化の研磨時のトルクとに差があることを利用して、電流の変化を感知して、金属膜→バリヤ層→絶縁膜のように研磨対象が移行するときの電流の変化パターンに基づいて終点を検出するようにしていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の終点検出方法では、トルク電流の変化が僅かであり、しかもノイズが多いので、高い精度で終点を検出することができず、このため電流が変化しているときに、例えば終点と予測される時点よりも若干前にモータ15を止めてウエハ保持機構13を回転テーブル12から上昇させ、作業者がウエハWの表面を目視で確認してシリコン酸化膜が完全に露出しているかどうかを観察し、更に研磨する必要がある場合には残りの研磨量を経験的に予測するなど、実際にはトルク電流の変化を終点の概ねの目安とし、作業者の目視に頼るところが大きかった。この結果精度の高い終点検出を行うことができず、また作業者の負担が大きいという問題があった。
【0007】
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、研磨の終点を容易かつ高い精度で検出することのできる研磨方法及びその装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、バリア層の上に導電層を積層してなる第1の層と、該第1の層の下方に積層された絶縁層からなる第2の層とを含む被研磨体を、研磨体と接触させつつ相対的に移動させ、第1の層と第2の層との間で反応性が異なる成分を含む研磨液を用いて研磨する研磨方法であって、
前記第1の層が研磨されて第2の層が露出すると第1の層及び第2の層の各層と研磨液中の成分との反応性が異なることによる反応熱の変化に基づいて研磨体の表面温度が変化する温度データを予め取得しておき、この温度データに基づいて設定された温度設定値と、研磨時における前記被研磨体と研磨体とが接触する面の温度測定値とを比較して前記第1の層の研磨の終点を検出することを特徴とする。請求項2の発明は、請求項1記載の研磨方法において、導電層との反応性が大きい成分を含む研磨液を用いて研磨を行うことを特徴とする。請求項3の発明は、請求項1または2に記載の研磨方法において、前記温度測定値は、前記被研磨体と研磨体との相対的な移動によって両者の接触部位の下流側近傍に露出される部位の表面温度であることを特徴とする。請求項4の発明は、請求項3記載の研磨方法において、前記表面温度は、赤外温度センサーで検出することを特徴とする。
【0009】
請求項5の発明は、バリア層の上に導電層を積層してなる第1の層と、該第1の層の下方に積層された絶縁層からなる第2の層とを含む被研磨体を、研磨体と接触させつつ相対的に移動させ、第1の層と第2の層との間で反応性が異なる成分を含む研磨液を用いて研磨する研磨装置であって、研磨時における被研磨体と研磨体とが接触する面の温度を測定する温度検出部と、前記第1の層が研磨されて第2の層が露出すると第1の層及び第2の層の各層と研磨液中の成分との反応性が異なることによる反応熱の変化に基づき研磨体の表面温度が変化する温度データに基づいて設定した温度設定値を記憶するメモリと、前記温度検出部の検出温度と前記メモリに記憶された設定値とに基づいて前記第1の層の研磨の終点を検出する終点検出部と、を有することを特徴とする。請求項6の発明は、請求項5記載の研磨装置において、前記温度検出部は、前記被研磨体と研磨体との相対的な移動によって両者の接触部位の下流側近傍に露出される部位の表面温度を測定するものであることを特徴とする。請求項7の発明は、請求項5又は6記載の研磨装置において、前記温度検出部は、赤外温度センサーであることを特徴とする。
【0010】
【作用】
研磨対象物である第1の層を研磨すると第1の層と研磨体との摩擦及び、第1の層と研磨液との化学反応により研磨体の表面温度が上昇する。そして第1の層が研磨され、第2の層が露出すると、機械的、化学的な状態が変わるため研磨体の表面温度が変化例えば下降する。研磨液として例えば第2の層の研磨よりも第1の層の研磨に選択性のあるものを用いた場合、研磨液と第1の層の成分との化学反応がなくなるので前記表面温度が下降する。従って研磨体の表面温度を検出し、例えば検出温度が、予め求めた表面温度の測定データに基づいて定めた設定値よりも低くなったときを捉えれば、研磨の終点を検出できる。
【0011】
【実施例】
本発明をウエハの表面を研磨する装置に適用した実施例について述べると、この実施例に係る研磨装置は、図1及び図2に示すようにモータ21によって鉛直な回転軸22を介して水平に回転する回転テーブル2と、この回転テーブル2の表面に貼着された例えばポリウレタンよりなる研磨布23と、被研磨体であるウエハ10を保持して前記研磨布23に所定の圧力で接触させるウエハ保持部3と、前記研磨布23の表面に研磨液を供給する研磨液供給部例えばノズル4と、前記研磨布23の表面温度を検出する温度検出部例えば赤外温度センサ5とを備えている。
【0012】
ウエハ保持部3は例えば真空チャック機構を備え、回転テーブル2の中心部から変位した位置にてウエハ10を吸着保持し研磨布23に接触させるように構成されると共に、モータ31により鉛直な回転軸32を介して水平に回転するようになっている。このモータ31は、昇降体61に取り付けられており、この昇降体61は固定板62に取り付けられたエアシリンダやボールネジ機構などの昇降部63により昇降軸64を介して昇降するようになっている。
【0013】
前記研磨液供給用ノズル4は、研磨液供給源41よりの研磨液例えばコロイダルシリカなどと呼ばれている、シリカを主成分とし弱アルカリ性のスラリー状の研磨液を例えば研磨布23の回転中心付近に供給するように構成されている。
【0014】
前記赤外温度センサ5は、検出対象物から放射される赤外線を感知してその表面温度を検出するものであり、図2に示すように例えば研磨布23の表面領域であって、研磨布23の回転方向においてウエハ10の直ぐ下流側の領域(ウエハWの近傍位置)40を検出するように設けられている。この赤外温度センサ5は、ここからの温度信号が取り込まれる終点検出部51に接続されており、終点検出部は、取り込んだ検出温度と予め設定した設定温度とを比較して、検出温度が設定温度よりも低くなったときに終点検出信号を制御部52に出力するように構成されている。
【0015】
前記制御部52は、前記各モータ21、31及び昇降部63の駆動制御や研磨液供給部41に対する給断制御を行う機能を有し、また前記終点検出信号の入力により、モータ21、31を停止させ昇降部63に対してウエハ保持部3を上昇させるための信号を出力するように構成されている。
【0016】
次に上述実施例の装置を用いて、コンタクトホールが形成されたシリコン酸化膜の全面に形成された金属膜を研磨する方法について述べる。この方法は金属膜を研磨するときとシリコン酸化膜を研磨するときでは、研磨に伴う発生熱が異なることを利用してシリコン酸化膜が露出した時点を検出するものであるため、予め研磨すべきウエハと同種の膜が積層されたウエハについて研磨を行い、そのときの研磨布23の表面温度を測定して測定データを得る工程が行われる。
【0017】
先ず研磨すべきウエハの表面構造の一例を図3(a)に示すと、n形(P形)シリコン層7の上に、例えば溝幅0.8μmのコンタクトホール81が形成されたシリコン酸化膜8が形成され、その表面全体に例えば厚さ500オングストロームのTiNよりなるバリヤ層82を介して、金属膜例えばW(タングステン)膜83が形成されている。このウエハを研磨装置に装着して次のように研磨を行う。
【0018】
即ち昇降部63によりウエハ保持部3を上昇位置に置き、被研磨面を下側に向けてウエハ10をウエハ保持部3に真空吸着させる。そしてウエハ保持部3及び回転テーブル2を回転させながらウエハ保持部3を下降させてウエハ10を研磨布23に所定の圧力で接触させ、かつ研磨液供給ノズル4から研磨液を研磨布23の表面供給する。こうしてウエハ10は自転しかつ回転テーブル12に対して相対的に公転しながら、ウエハ10のW膜、研磨布23及び研磨液との摩擦、及びその摩擦熱による研磨液の成分とW(タングステン)との化学反応などによってタングステン膜が研磨されていく。
【0019】
このとき摩擦熱、及び化学反応に伴う反応熱によって研磨布23の表面温度が上昇し所定の温度になる。そしてW膜が削り取られた後は例えばTiN膜(バリヤ層)が研磨されるがTiN膜は非常に薄いので直ぐに研磨が終了し、次いで図3(b)に示すようにシリコン酸化膜が研磨されることになる。
【0020】
ここで図4は上述の研磨を行ったときの赤外温度センサ5による温度測定データを示す図であり、時刻tは研磨を開始した時点である。この図からわかるように摩擦熱と、W及び研磨液の成分との化学反応熱により研磨布23の温度が約46℃(TA)まで上昇し、その後この温度で安定しており、時刻Tから急激に下降し、時刻tにて約37℃(TB)となって以後この温度で安定している。
【0021】
図4の温度測定データとウエハ10の表面状態との関係について考察すると、この実施例ではシリコン酸化膜に比べてW膜の選択性が大きい研磨液、即ちシリコン酸化膜とはほとんど反応しないが、Wとの反応性が大きい成分を含む研磨液を用いているため、W膜を研磨しているときにはその摩擦熱によって発熱し、この発熱で研磨液の成分とWとが化学反応を起こし、両者の熱によって研磨布23の温度が上昇すると考えられる。
【0022】
そしてW膜が削り取られてその下のTiN膜(バリヤ層)を研磨するときには、反応熱がW膜の場合よりも少なく、またこのTiN膜は非常に薄いので図4のグラフからわかるように温度が段状に下降している領域が見られる。更にTiN膜が削り取られてシリコン酸化膜が露出すると化学反応は全くあるいはほとんど全く起こらなくなるため摩擦熱による発熱のみとなって温度が低下し、その温度で安定すると考えられる。
【0023】
従ってTBよりも若干高い例えば5℃を設定値とし、検出温度が設定値以下になったときを終点とすればよく、その設定値については、予め試験をして検出温度がどのくらいなったときにウエハ保持部3を上昇させて研磨布23から離せばシリコン酸化膜が完全に露出するかということを把握して決定すればよい。
【0024】
実際のウエハ10の研磨工程においては、こうして決定した温度設定値をメモリに記憶しておき、被研磨体であるウエハ10をウエハ保持部3に保持して、既述のように研磨を行いながら赤外温度センサ5にて研磨布23の表面温度を測定し、検出温度が設定値以下になったときに終点検出部51から終点検出信号が発せられる。
【0025】
ただし終点検出部51では、具体的には例えば検出温度が一旦TAまで上昇したことを確認した上で前記設定値以下になったときに終点検出信号が出力されるように構成される。そして制御部52は終点検出信号が入力されると昇降部63に上昇指令を出力すると共にモータ31に停止指令を出力し、こうしてウエハ10が研磨布23から離れてその回転が停止する。
【0026】
上述のようにしてW膜の研磨を行って(詳しくはTiN膜も研磨する)ウエハ10の表面を観察したところシリコン酸化膜が完全に露出し、また削り過ぎることもなく、研磨の終点を高い精度で検出できることが確認できた。
【0027】
以上において研磨の終点を検出するためには、検出温度の微分値を取り、その微分値に基づいて、例えば温度が下降してその後落ち着いた時点を捉えて終点として判定するようにしてもよい。
【0028】
また上述の実施例ではW膜とバリヤ層との積層膜が第1の層に相当し、シリコン酸化膜が第2の層に相当するものであるが、本発明ではバリヤ層が介在していることに限定されないし、また金属膜としてもW膜に限らずAl(アルミニウム)膜やCu(銅)膜などあってもよく、あるいは第2の層はポリシリコン膜であってもよい。更にまた本発明では、第1の層がシリコン酸化膜やSiN(シリコンナイトライド)膜などの絶縁膜であり、第2の層が金属膜やポリシリコン膜であってもよく、研磨液としては第2の層に対して第1の層の選択性の大きいものを使用すればよい。また被研磨体としてはウエハに限らず液晶パネルディスプレイ基板であってもよい。
【0029】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、研磨の終点を容易にかつ高い精度で検出することができ研磨作業が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る研磨装置を示す構成図である。
【図2】本発明の実施例に係る研磨装置の要部を示す斜視図である。
【図3】本発明の実施例で用いたウエハの表面の積層構造を示す説明図である。
【図4】研磨時における研磨布の表面温度の測定データを示す特性図である。
【図5】従来の研磨装置を示す概略側面図である。
【符号の説明】
10 半導体ウエハ
2 回転テーブル
23 研磨布
3 ウエハ保持部
31 モータ
4 研磨液供給ノズル
5 赤外温度センサ
51 終点検出部
52 制御部
63 昇降部

Claims (7)

  1. バリア層の上に導電層を積層してなる第1の層と、該第1の層の下方に積層された絶縁層からなる第2の層とを含む被研磨体を、研磨体と接触させつつ相対的に移動させ、第1の層と第2の層との間で反応性が異なる成分を含む研磨液を用いて研磨する研磨方法であって、
    前記第1の層が研磨されて第2の層が露出すると第1の層及び第2の層の各層と研磨液中の成分との反応性が異なることによる反応熱の変化に基づいて研磨体の表面温度が変化する温度データを予め取得しておき、この温度データに基づいて設定された温度設定値と、研磨時における前記被研磨体と研磨体とが接触する面の温度測定値とを比較して前記第1の層の研磨の終点を検出することを特徴とする研磨方法。
  2. 導電層との反応性が大きい成分を含む研磨液を用いて研磨を行うことを特徴とする請求項1記載の研磨方法。
  3. 前記温度測定値は、前記被研磨体と研磨体との相対的な移動によって両者の接触部位の下流側近傍に露出される部位の表面温度であることを特徴とする請求項1または2に記載の研磨方法。
  4. 前記表面温度は、赤外温度センサーで検出することを特徴とする請求項3記載の研磨方法。
  5. バリア層の上に導電層を積層してなる第1の層と、該第1の層の下方に積層された絶縁層からなる第2の層とを含む被研磨体を、研磨体と接触させつつ相対的に移動させ、第1の層と第2の層との間で反応性が異なる成分を含む研磨液を用いて研磨する研磨装置であって、
    研磨時における被研磨体と研磨体とが接触する面の温度を測定する温度検出部と、
    前記第1の層が研磨されて第2の層が露出すると第1の層及び第2の層の各層と研磨液中の成分との反応性が異なることによる反応熱の変化に基づき研磨体の表面温度が変化する温度データに基づいて設定した温度設定値を記憶するメモリと、
    前記温度検出部の検出温度と前記メモリに記憶された設定値とに基づいて前記第1の層の研磨の終点を検出する終点検出部と、を有することを特徴とする研磨装置。
  6. 前記温度検出部は、前記被研磨体と研磨体との相対的な移動によって両者の接触部位の下流側近傍に露出される部位の表面温度を測定するものであることを特徴とする請求項5に記載の研磨装置。
  7. 前記温度検出部は、赤外温度センサーであることを特徴とする請求項5又は6記載の研磨装置。
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