JPH08288245A - 研磨装置及び研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ストッパー層等の形成によるプロセスコスト
の上昇や適用範囲の制約を解消しつつ、基板相互間にお
ける研磨均一性を大幅に向上させる。 【構成】 被処理基板２上に成膜された所定膜を研磨す
る研磨処理部４と、被処理基板２上における所定膜の膜
厚を測定する膜厚測定部１３と、膜厚測定部１３によっ
て測定された膜厚データと規定の膜厚データとのずれ量
から研磨条件補正用の補正データを算出する演算部１６
と、演算部１６での演算結果に応じて研磨処理部４での
研磨条件を補正する研磨条件補正部１９とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被処理基板上に成膜さ
れた所定膜を研磨する際に用いられる研磨装置及び研磨
方法に関するもので、特に、半導体ウエハの層間絶縁膜
の平坦化研磨等に用いて好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの高密度化に伴い、回路
基板の配線技術は、ますます微細化、多層化の方向に進
んでいる。しかし、高集積化の進行にあたっては、配線
技術の微細化と多層化の進展により層間絶縁膜の段差が
大きく且つ急峻となり、その上に形成される配線の加工
精度や信頼性を低下させるため、ひいてはデバイスその
ものの信頼性を低下させる要因にもなり兼ねない。この
ため、アルミ配線等の段差被覆性（ステップカバレー
ジ）を大幅に改善できない現状では、層間絶縁膜の平坦
性を向上させることが急務となっている。この点につい
ては、薄膜形成技術におけるリソグラフィーの短波長化
に伴う焦点深度の低下の面からも重要になりつつある。

【０００３】ところで層間絶縁膜の平坦化技術として
は、塗布法、リフロー法、エッチング法、ＰＶＤ法、Ｃ
ＶＤ法など各種の技術が提案、活用されてきたが、いず
れの場合も今後のより微細化、高集積化に対応できるグ
ローバル平坦化（完全平坦化）は実現されていない。そ
こで最近では、シリコンウエハのミラーポリッシュ（鏡
面研磨）を応用した化学的機械研磨（ＣＭＰ）法がグロ
ーバル平坦化を実現する研磨技術として有望視されてい
る。この化学的機械研磨法は、単に層間膜の平坦化だけ
でなく、ｐｏｌｙ−Ｓｉ埋め込み素子分離構造の平坦化
や、コンタクト、ビアホール、埋め込み配線などの金属
膜研磨による平坦化などＬＳＩプロセスに対する適用範
囲も広く、その実用化は革新的プロセス技術として大い
に期待されている。

【０００４】図３は従来における化学的機械研磨装置の
構成を説明する側面図である。図３に示す化学的機械研
磨装置は、プレート回転軸５１に取り付けられた研磨プ
レート５２と、この研磨プレート５２上に張設された研
磨パッド５３と、研磨プレート５２に対向して配置され
た研磨ヘッド５４と、この研磨ヘッド５４を下端部にて
支持するヘッド回転軸５５と、研磨パッド５３にノズル
５６を通して研磨剤（スラリー）５７を供給する研磨剤
供給系５８とを備えている。研磨時には、半導体ウエハ
等の被処理基板５９が研磨ヘッド５４によって保持され
る。また、研磨プレート５２と研磨ヘッド５４とは、そ
れぞれプレート回転軸５１とヘッド回転軸５５とともに
回転する。このとき、研磨剤供給系５８からノズル５６
を通して研磨剤５７が研磨パッド５３上に供給され、こ
の状態で図示せぬ研磨圧力調整器によってパッド表面に
被処理基板５９が押し付けられる。これにより、被処理
基板５９上に成膜された所定膜（例えば、層間絶縁膜）
は、研磨剤５７中のアルカリによる化学的研磨作用とシ
リカによる機械的研磨作用によって研磨される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
化学的機械研磨においては、単一基板面内での研磨均一
性の改善については幾つか提案されているものの、基板
相互間における研磨均一性については、研磨条件となる
各パラメータの管理を厳密に行う以外に特別な対策がな
されておらず、またそれによって得られ研磨均一性の改
善レベルにも自ずと限界があった。そこで従来技術の中
には、研磨時のポリッシュ音をピックアップして、その
波形の変化点を研磨終点として検出し、これによって基
板相互間の研磨均一性を向上させた例も報告されてい
る。しかし、その場合は被研磨層の下に予めストッパー
層を形成する必要があるうえ、半導体ウエハの層間絶縁
膜の平坦化研磨のように下地の配線部分を露出させずに
層間膜を研磨する場合などは研磨中にポリッシュ音の変
化が現れないため適用できない。

【０００６】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたもので、その目的とするところは、ストッパー層の
形成によるプロセスコストの上昇や適用範囲の制約を解
消しつつ、基板相互間における研磨均一性を大幅に向上
させることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の研磨装置では、
被処理基板上に成膜された所定膜を研磨する研磨処理部
と、被処理基板上における所定膜の膜厚を測定する膜厚
測定部と、この膜厚測定部によって測定された膜厚デー
タと規定の膜厚データとのずれ量に基づいて研磨処理部
での研磨条件を補正する研磨条件補正部とを備えた構成
を採っている。

【０００８】

【作用】本発明の研磨装置においては、膜厚測定部で測
定された膜厚データと規定の膜厚データとの間にずれが
生じた場合、このずれを解消すべく研磨処理部での研磨
条件が研磨条件補正部にて補正されるため、個々の被処
理基板上の膜厚が規格に近似したかたちで均一に研磨さ
れるようになる。

【０００９】

【実施例】以下、例えば半導体ウエハの平坦化研磨に用
いられる化学的機械研磨装置及び化学的機械研磨方法に
適用した場合の本発明の実施例につき、図面を参照しつ
つ詳細に説明する。なお、本発明に係わる研磨装置及び
研磨方法は上記化学的機械研磨装置及び化学的機械研磨
方法への適用に限定されるものではなく、例えば機械的
研磨作用を主体としたメカノケミカル研磨や化学的研磨
作用を主体としたケモメカニカル研磨など、物理的作用
と化学的作用を複合化させた複合研磨全般に適用できる
ものである。

【００１０】図１は本発明が適用される化学的機械研磨
装置の構成を説明する図である。先ず、図１（ａ）にお
いて、ロード側（図中左側）のウエハキャリア１には処
理前の半導体ウエハ（被処理基板）２が収納されてお
り、このロード側ウエハキャリア１から繰り出され且つ
所定の研磨処理が施された半導体ウエハ２がアンロード
側（図中右側）のウエハキャリア３に収容されるように
なっている。

【００１１】研磨処理部４は、半導体ウエハ２上に成膜
された所定膜、例えば層間絶縁膜を研磨するものであ
る。この研磨処理部４は、プレート回転軸５の上端に設
けられた研磨プレート６と、この研磨プレート６上に張
設された研磨パッド７と、研磨プレート６に対向して配
置された研磨ヘッド８と、その下端部にて研磨ヘッド８
を保持するヘッド回転軸９と、研磨パッド７上にノズル
１０を介して研磨剤（スラリー）１１を供給する研磨剤
供給系１２とを備えている。

【００１２】膜厚測定部１３は、半導体ウエハ２上にお
ける所定膜（本例では層間絶縁膜）の膜厚を測定するも
のである。この膜厚測定部１３は、例えば測定対象とな
る半導体ウエハ２を載置するための測定ステージ１４
と、この測定ステージ１４の上方に所定の間隙を隔てて
対向配置された膜厚測定器１５とから成るもので、具体
的な膜厚測定手段としては、反射率、屈折率変化を用い
た光学的手法によるものや、抵抗値変化を用いた電気的
手法によるものなどを採用することができる。

【００１３】一方、図１（ｂ）に示す装置制御系の構成
では、上記膜厚測定部１３で測定された膜厚データが演
算機能を持つ演算部１６に与えられるようになってい
る。演算部１６は、膜厚測定部１３によって得られる膜
厚データをパラメータとして研磨条件を補正するための
補正データを算出するもので、データ格納用のメモリ１
７を有している。このメモリ１７には、後述する演算処
理に用いられる規定の膜厚データ（規格値）や、研磨処
理部４での研磨条件、さらにはその研磨条件に基づく研
磨速度データ等が予め格納されている。一方、制御部１
８は、演算部１６から送出された補正データを研磨条件
補正部１９に転送する。また研磨条件補正部１９は、制
御部１８によって転送された補正データに応じて研磨処
理部４での研磨条件を補正する。そして制御部１８は、
研磨条件補正部１９にて補正された研磨条件に基づいて
研磨処理部４の動作を制御する。

【００１４】次に、上記構成からなる化学的機械研磨装
置の動作手順について説明する。まず、ロード側のウエ
ハキャリア１からは図示せぬ搬送系によって一枚目の半
導体ウエハ２が取り出され、これが研磨処理部４の研磨
ヘッド８にセットされる。次いで、研磨処理部４では、
研磨プレート６と研磨ヘッド８とが図中矢印方向に回転
駆動されるとともに、研磨剤供給系１２からノズル１０
を介して研磨パッド７上に研磨剤７が供給され、この状
態で図示せぬ研磨圧力調整器によって半導体ウエハ２の
被研磨面（図中下面）がパッド表面に押し付けられる。
これにより半導体ウエハ２上に成膜された所定膜（層間
絶縁膜）が機械的研磨作用と化学的研磨作用とによって
平坦化研磨される。

【００１５】続いて、研磨処理を終えた半導体ウエハ２
は図示せぬ洗浄部に移送され、そこで洗浄処理されたの
ち、膜厚測定部１３の測定ステージ１４にセットされ
る。膜厚測定部１３では、測定ステージ１４上にセット
された半導体ウエハ２の膜厚を膜厚測定器１５によって
測定し、その測定結果を演算部１６に出力する。

【００１６】ここで被処理基板となる半導体ウエハ２上
に、例えば図２（ａ）に示すように酸化シリコンからな
る第１の層間絶縁膜２０が形成され、その上に配線厚Ｔ
１＝６００ｎｍのアルミ配線層２１を介して膜厚Ｔ２＝
９００ｎｍの第２の層間絶縁膜２２が形成されている場
合、アルミ配線層２１を露出させずに第２の層間絶縁膜
２２を平坦化研磨するには、研磨後における第２の層間
絶縁膜２２の膜厚を６００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲内に
設定する必要がある。そこで研磨後における第２の層間
絶縁膜２２の膜厚規格値を６００ｎｍ〜９００ｎｍのセ
ンター値つまり７５０ｎｍに設定すると、研磨量として
も同じ７５０ｎｍとなる。また、研磨プレート回転数：
５０ｒｐｍ、研磨圧力：８ｐｓｉ、研磨パッド温度：９
０℃、研磨剤流量：２２５ｍｌ／ｍｉｎでの研磨速度が
約２００ｎｍ／ｍｉｎであったとすると、研磨条件の一
つである研磨時間は以下の数１式によって２２５ｓｅｃ
と設定される。

【数１】研磨時間（ｓｅｃ）＝研磨量／研磨速度×６０

【００１７】こうして研磨処理部４での研磨条件として
研磨時間を２２５ｓｅｃに設定して実際に研磨処理を行
ったところ、研磨後に膜厚測定部１３で測定された膜厚
データ、すなわち図２（ｂ）に示す第２の絶縁層間膜２
２の膜厚Ｔ３が上記規格値（７５０ｎｍ）よりも５０ｎ
ｍ薄い７００ｎｍであったと仮定すると、その誤差要因
としては、第２の層間絶縁膜２２が成膜時から規格値よ
りも５０ｎｍだけ薄く形成されていたか、装置コンディ
ションによって研磨速度が２１３ｎｍ／ｍｉｎ程度にな
っていたか、あるいは双方の要因が複合して誤差が発生
したかのいずれかが考えられる。

【００１８】そこで本実施例においては、二枚目の半導
体ウエハ２の研磨処理が開始されるまでの間に以下の手
順で研磨処理部４での研磨条件が補正される。まず、膜
厚測定部１３で測定された膜厚データは演算部１６に送
られ、そこでメモリ１７に格納された規定の膜厚データ
とのずれ量（５０ｎｍ）が算出される。さらに演算部１
６では、次回研磨時に上記ずれ量を解消すべく、以下の
数２式をもって研磨条件の補正データを算出する。

【数２】補正データ（ｓｅｃ）＝補正前データ−（ずれ
量／研磨速度）×６０

【００１９】ここで、補正前データ＝２２５ｓｅｃ、ず
れ量＝５０ｎｍ、研磨速度＝２１３ｎｍ／ｍｉｎを代入
すると、補正データとしては２１０ｓｅｃと求められ
る。こうして求められた補正データは、演算部１６から
制御部１８を介して研磨条件補正部１９に転送される。
そして、研磨条件補正部１９にて設定されている研磨条
件のうち、本実施例で補正対象とした研磨時間の設定値
が、２２５ｓｅｃから２１０ｓｅｃに補正され、この補
正後の研磨時間が二枚目の半導体ウエハ２を研磨処理す
る際に適用される。これにより、次に研磨処理部４で研
磨される二枚目の半導体ウエハ２は、研磨時間の短縮に
よって一枚目よりも５０ｎｍ少ない７００ｎｍの研磨量
（推定値）をもって研磨されるようになるため、研磨後
における第２の層間絶縁膜２２の膜厚は規格値（７５０
ｎｍ）により近似した値となる。

【００２０】その後、３枚目以降の半導体ウエハ２を研
磨する際にも、それぞれ直前に研磨された半導体ウエハ
２の膜厚が膜厚測定部１３にて測定されるとともに、そ
の測定された膜厚データと規定の膜厚データとのずれ量
に基づいて個々の半導体ウエハ２に対する研磨処理部４
での研磨条件が補正される。なお、当然のことではある
が、膜厚測定部１３で測定された膜厚データが規格値と
一致した場合には研磨条件の補正は行われない。

【００２１】このように本実施例の化学的機械研磨装置
においては、膜厚測定部１３によって測定された膜厚デ
ータをフィードバックデータとして、次回研磨時の研磨
条件を研磨条件補正部１９にて補正するようにしたの
で、たとえ研磨パッド７の摩耗等により装置コンディシ
ョンが変動する場合でも、各ウエハ間においては常に第
２の層間絶縁膜２２を規格値に近似した膜厚で平坦化研
磨することができる。また、一枚目の半導体ウエハ２を
研磨するに際しても、研磨前に膜厚測定部１３にて膜厚
測定を行い、その測定データに基づいて研磨処理部４で
の研磨条件を補正するようにすれば、全ての半導体ウエ
ハ２を規格値に近似した膜厚をもって均一に研磨するこ
とが可能となる。

【００２２】なお、上記実施例においては、補正対象と
なる研磨条件として研磨時間を採用するようにしたが、
本発明はこれに限定されるものではなく、他の研磨条
件、例えば研磨圧力調整器での研磨圧、研磨プレートの
回転数、研磨剤の供給量及び濃度、研磨時の制御温度等
を補正対象としてもよい。しかしながら、研磨速度の制
御性や装置機能の追加などの点を考慮すると、本実施例
のように研磨条件の補正対象として研磨時間を採用する
方が好適である。

【００２３】また上記実施例においては、膜厚測定部１
３で測定された膜厚データが規定の膜厚データと不一致
の場合に必ず研磨条件を補正するようにしているが、こ
れ以外にも他の実施例としては、膜厚の規格値に数ｎｍ
程度の許容範囲を設定しておき、研磨後の膜厚データが
この許容範囲を超えたときだけ研磨条件を補正するよう
にしてもよい。この実施例を採用すれば、研磨条件の補
正傾向として、例えば補正が頻繁に行われ且つ補正のし
方が常に研磨量が多くなる方向になった場合、研磨パッ
ド７の摩耗を補正要因として特定できるようになるた
め、装置コンディションの変動を容易に把握できるとい
うメリットが得られる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、被
処理基板上に成膜された所定膜を研磨する研磨処理部に
加えて、被処理基板上における所定膜の膜厚を測定する
膜厚測定部と、この膜厚測定部によって測定れた膜厚デ
ータと規定の膜厚データとのずれ量に基づいて研磨処理
部での研磨条件を補正する研磨条件補正部とを備えた構
成となっているため、装置コンディションの変動等が生
じても被処理基板上の所定膜を常に規格値に近似した膜
厚をもって均一に研磨することができる。これにより、
従来のように研磨終点判定用のストッパー層等を形成す
ることなく、基板相互間における研磨均一性を大幅に向
上させることが可能となり、特に、本発明を半導体ウエ
ハの層間絶縁膜の平坦化研磨に適用すれば、半導体装置
の信頼性及び歩留りの向上に大いに貢献する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される化学的機械研磨装置の構成
図である。

【図２】研磨前後のウエハ状態を示す図である。

【図３】従来例を説明する図である。

【符号の説明】

２ 半導体ウエハ（被処理基板） ４ 研磨処理部 １３ 膜厚測定部 １９ 研磨条件補正部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理基板上に成膜された所定膜を研磨
   する研磨処理部と、 前記被処理基板上における前記所定膜の膜厚を測定する
   膜厚測定部と、 前記膜厚測定部によって測定された膜厚データと規定の
   膜厚データとのずれ量に基づいて前記研磨処理部での研
   磨条件を補正する研磨条件補正部とを備えたことを特徴
   とする研磨装置。
2. 【請求項２】 前記研磨条件補正部によって補正される
   研磨条件が研磨時間であることを特徴とする請求項１記
   載の研磨装置。
3. 【請求項３】 被処理基板上に成膜された所定膜を研磨
   した後、研磨後における前記所定膜の膜厚を測定し、 前記測定した膜厚データと規定の膜厚データとのずれ量
   に基づいて次回研磨時の研磨条件を補正することを特徴
   とする研磨方法。
4. 【請求項４】 前記次回研磨時に補正される研磨条件が
   研磨時間であることを特徴とする請求項３記載の研磨方
   法。