JPH09131663A - ポリッシングの終点決定方法及び装置 - Google Patents

ポリッシングの終点決定方法及び装置

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JPH09131663A
JPH09131663A JP30998295A JP30998295A JPH09131663A JP H09131663 A JPH09131663 A JP H09131663A JP 30998295 A JP30998295 A JP 30998295A JP 30998295 A JP30998295 A JP 30998295A JP H09131663 A JPH09131663 A JP H09131663A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面の凹凸を平坦化すると同時に、その後任
意の位置で研磨終点を決定することができるポリッシン
グの終点決定方法及び装置を提供する。 【解決手段】 ポリッシング対象物の表面の凹凸を平坦
且つ鏡面状に研磨するポリッシングの研磨終点を決定す
る方法において、ポリッシング中の半導体ウエハ３と研
磨布２との摩擦力を検出し、表面の凹凸が平坦に研磨さ
れた時点を、凹凸を研磨している時の摩擦力と、凹凸が
除去されて平坦面を研磨している時の摩擦力との差異に
基づいて決定し、その時点から所定時間の後を研磨終点
とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体ウエハ等のポリッ
シング対象物を平坦且つ鏡面状に研磨するポリッシング
方法および装置に係わり、特にポリッシングの終点を決
定する終点決定方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積化が進む
につれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭く
なりつつある。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラ
フィの場合、焦点深度が浅くなるためステッパーの結像
面の平坦度を必要とする。そこで、半導体ウエハの表面
を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の１手
段としてポリッシング装置により研磨することが行われ
ている。
【０００３】従来、この種のポリッシング装置は、各々
独立した回転数で回転するターンテーブルとトップリン
グとを有し、トップリングが一定の圧力をターンテーブ
ルに与え、ターンテーブルとトップリングとの間にポリ
ッシング対象物を介在させて、砥液を供給しつつ該ポリ
ッシング対象物の表面を平坦且つ鏡面に研磨している。
【０００４】ここで、ターンテーブル上面には研磨部材
である研磨布が貼設されていて、研磨布の上面に供給さ
れた砥液が研磨布に保持され、研磨布とポリッシング対
象物との相対運動により砥液をポリッシング対象物全面
に作用させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ポリッシングを行って
表面の凹凸が平坦に研磨された後には、所定の位置で研
磨を終了することが望まれる。しかしながら、ポリッシ
ング中にこの研磨終了位置を検知することは以下のよう
な難点がある。 （１）上述したポリッシング装置において、ポリッシン
グ対象物の表面は全面を他の部材と摩擦することによっ
て研磨されるため、表面が露出していない。 （２）ポリッシング中は砥液を供給するため、ポリッシ
ング対象物が濡れている。 （３）また、近年のポリッシング技術に要求されている
加工レベルはオングストロームオーダの加工であり、こ
のレベルの量を正確に測定する技術は限定される。 （４）さらに、求めるポリッシングの終点位置はポリッ
シング対象物によって異なる。 このような難点を解決し、研磨終点を決定する正確な技
術が必要とされている。本発明は、上述の事情に鑑みな
されたもので、表面の凹凸を平坦化すると同時に、その
後任意の位置で研磨終点を決定することができるポリッ
シングの終点決定方法及び装置を提供することを目的と
する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、本発明の終点決定方法は、ポリッシング対象物
の表面の凹凸を平坦且つ鏡面状に研磨するポリッシング
の研磨終点を決定する方法において、ポリッシング中の
対象物と研磨部材との摩擦力を検出し、表面の凹凸が平
坦に研磨された時点を、凹凸を研磨している時の摩擦力
と、凹凸が除去されて平坦面を研磨している時の摩擦力
との差異に基づいて決定し、その時点から所定時間の後
を研磨終点とすることを特徴とする。
【０００７】本発明の終点決定装置は、ポリッシング対
象物の表面の凹凸を平坦且つ鏡面状に研磨するポリッシ
ング装置において、ポリッシング中の対象物と研磨部材
との摩擦力を検出する検出手段と、ポリッシング中の対
象物と研磨部材との摩擦力を検出し、表面の凹凸が平坦
に研磨された時点を、凹凸を研磨している時の摩擦力
と、凹凸が除去されて平坦面を研磨している時の摩擦力
との差異に基づいて決定し、その時点から所定時間の後
を研磨終点とする信号処理手段を備えたことを特徴とす
る。
【０００８】前述した方法からなる本発明によれば、ポ
リッシング対象物の表面が凹凸面から平坦面に変化した
時点をポリッシング中の摩擦力に基づいて検知するの
で、ポリッシングを行いながら研磨終点を決定すること
ができる。
【０００９】また、ポリッシング対象物の表面が凹凸面
から平坦面に変化した時点を基準とし、その時点からの
研磨時間を設定するので、終点の決定位置を任意に設定
することができ、種々の終点位置の要求に対応すること
ができる。
【００１０】また、ポリッシング対象物を研磨部材に対
して相対運動させるポリッシング装置の駆動用モータに
よって摩擦力を検出するため、僅かな摩擦力の変動であ
っても感知することができる。
【００１１】さらに、ポリッシング対象物の表面が凹凸
面から平坦面に変化した時点からの研磨時間を先に研磨
したポリッシング対象物の研磨量に応じて随時修正可能
としたため、ポリッシング速度の経時的変動に対応する
ことができる。
【００１２】
【実施例】以下、本発明に係る終点決定方法の一実施例
を図１乃至図３に基づいて説明する。図１は本発明のポ
リッシングの終点決定方法を実施するポリッシング装置
の概略図であり、図２はポリッシング対象物である半導
体ウエハの構造を示す拡大断面図であり、図３は研磨中
の摩擦力の変動を示すグラフである。
【００１３】図１において、ポリッシング装置は、上面
に研磨布２を貼った回転可能なターンテーブル１、ポリ
ッシング対象物である半導体ウエハ３を保持するととも
に研磨布２に押圧するトップリング４、研磨布上に砥液
を供給するための砥液供給ノズル５、ターンテーブル１
を回転駆動するモータ６、トップリング４を回転駆動す
るモータ７を備えている。またポリッシング装置は、タ
ーンテーブル１を回転駆動するモータ６に連結されたモ
ータ電流検出器８、トップリング４を回転駆動するモー
タ７に連結されたモータ電流検出器９、終点決定を行う
ための信号処理装置１０を備えている。また、ポリッシ
ング装置は図示しない制御装置によりその稼動状態が制
御され、終点決定のための信号処理装置１０はこの制御
装置に接続している。
【００１４】研磨面を下側に向けて半導体ウエハ３を保
持したトップリング４は、研磨布２上に半導体ウエハ３
を押圧するとともに、トップリング４およびターンテー
ブル１は各々の駆動モータ６，７によって回転され、半
導体ウエハ３を研磨部材である研磨布２に対して相対運
動させる。このとき同時にターンテーブル１上に伸びた
砥液供給ノズル５から研磨布上２に砥液を供給すること
により、半導体ウエハ３がポリッシングされる。
【００１５】ポリッシング対象物は、例えば図２（ａ）
に示すようなシリコン（Ｓｉ）基板３ａ上に金属配線３
ｂが形成され、さらにそれらの上に二酸化シリコン（Ｓ
ｉＯ2 ）からなる絶縁層３ｃを形成した半導体ウエハ３
を用いる。ここで、シリコン基板３ａの表面は平坦であ
って、その上に形成した金属配線３ｂによって凹凸が形
成され、その上に形成した絶縁層３ｃの表面が凹凸にな
っている。
【００１６】近年の半導体デバイスの高集積化に伴う配
線の微細化、および多層化の要求によって、表面の平坦
度が要求されている。この要求は配線の微細化によっ
て、光リソグラフィに用いる紫外線の波長がより短いも
の、例えばｇ線、ｉ線と呼ばれる紫外線を使用し、この
ような短波長の光は基板上の焦点位置での許容される高
低差がより小さくなるためである。したがって、焦点位
置での高低差が小さいこと、すなわち基板表面の高い平
坦度が必要となってくる。
【００１７】このため、平坦面を得る手段として上述し
たポリッシングを行って凹凸を除去するのであるが、所
定時間のポリッシングを行った後には希望する位置でポ
リッシングを終了する必要がある。例えば、図２（ａ）
の上図の状態から下図のように、金属配線３ｂの上部に
絶縁層３ｃを残したい場合がある。この後の工程で絶縁
層の上にさらに金属等の層を形成するため、このような
絶縁層３ｃを層間膜と呼ぶ。この場合、ポリッシングを
必要以上に行うと、下層の金属膜が表面に露出してしま
うため、層間膜を残すようにポリッシングを終了しなけ
ればならない。
【００１８】このような要求を実現するための方法およ
びその手段を以下で説明する。図３はポリッシング中の
ターンテーブル１を駆動するモータ６のモータ電流検出
器８によって検出し、所定の信号処理を施して得られた
電流値のグラフである。横軸はポリッシング時間を表
し、縦軸は電流値を表している。
【００１９】時刻Ｔ0 でポリッシングを開始すると、摩
擦力はポリッシング時間に伴って減少していき、時刻Ｔ
1 を過ぎると比較的定常な状態となる。これはポリッシ
ング対象物の表面が凹凸面から平坦な面に研磨されたこ
とを表していて、この摩擦力の変動に基づいて、時刻Ｔ
1 を凹凸面が平坦に研磨された時点とみなす。この時刻
は図２（ａ）においては、凹凸が除去され、研磨が凹凸
の最上部Ａから最下部Ｂへ移行した時点を表している。
したがって、この時点から下層が露出する前までの所定
時間だけポリッシングしてその後に終了することによ
り、層間膜を残すことができる。この時間は、先に研磨
した半導体ウエハの研磨量と研磨時間から研磨速度を予
め算出しておき、平坦面となった時点からの希望する研
磨量を研磨速度で割ることにより求めることができる。
このようにして時間を設定することにより層間膜を残す
ようにポリッシングの終点決定を行う。例えば、図３に
おいて時刻Ｔ1 からＴ2 の間の時間Ｓ2 の間の時刻ＴE
を終点とする。
【００２０】ポリッシング装置に設けられた信号処理装
置１０はターンテーブル１のモータ電流をモータ電流検
出器８によって検出し、電流値から雑音等を除去すると
共に、所定の信号処理を行うことにより凹凸が平坦に研
磨された時刻を決定し、その時点からの研磨時間を予め
入力されている研磨速度から算出する。求めた時刻にな
ったらポリッシング装置の制御装置に終点信号を送り、
制御装置はポリッシングを終了すべく装置を停止する。
【００２１】ここで、ポリッシング中の半導体ウエハ３
とターンテーブル１上の研磨布２との摩擦力は、ターン
テーブル１には抵抗トルクとして作用とする。したがっ
て、摩擦力の変化はターンテーブル１にかかるトルクの
変化として測定することができる。また、ターンテーブ
ル１を回転させる手段が電気モータの場合、トルクの変
化は電気モータの電流の変化として間接的に測定するこ
とができる。
【００２２】以上、ターンテーブルを回転させるモータ
の電流を検出する場合を説明したが、トップリング４を
回転駆動するモータの電流を用いてもよく、この場合、
図１に示すようにトップリング側のモータ７に接続され
たモータ電流検出器９の信号を信号処理装置１０によっ
て処理すればよい。
【００２３】なお、図３において、ポリッシングが時刻
Ｔ2 を過ぎると下層の金属配線が露出し研磨摩擦力はさ
らに変動し、検出している電流値にもその変動が現れて
いる。すなわち、所要時間Ｓ1 は凹凸を研磨している時
間、Ｓ2 は平坦面を研磨している時間、Ｓ3 は異材質を
含んだ層を研磨している時間を表し、図２（ａ）の半導
体ウエハの厚さＳ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 にそれぞれ対応してい
る。
【００２４】ここで、研磨速度は、研磨布の経時変化
や、その他の未解明な要因によって変化することが知ら
れている。したがって、凹凸が平坦になった時点からの
時間を算出する場合、研磨速度が全ポリッシング時間を
通して一定であるとすると、研磨速度の変化に対応でき
ず、ポリッシング量の過不足が生じてしまう。このよう
な不都合を解決するために、ポリッシングが終了した半
導体ウエハの研磨量を測定し、研磨速度を随時修正す
る。研磨量は、研磨前の既知の膜厚から研磨後に測定し
た膜厚の差により得られる。このとき、１枚毎の研磨速
度にはばらつきがあるため過去何枚かの平均研磨速度を
算出するようにするとよい。このような修正を自動的に
行うために、ポリッシング装置にポリッシング後の膜厚
を測定する測定器を備え、この測定器は信号処理装置に
接続されている。
【００２５】以上は層間膜を残すようにポリッシングの
終点を決定する方法を述べたが、図２（ｂ）に示すよう
に、下層が露出するまで研磨したのちにポリッシングを
終了したい場合がある。図２（ｂ）の上図は、シリコン
基板３ａ上に成膜された絶縁膜３ｃをエッチングによっ
て一部分を除去し、その上に金属層３ｄを成膜した研磨
前の半導体ウエハ３である。最上層の金属層３ｄを絶縁
膜３ｃの上部まで研磨することにより、絶縁層３ｃがエ
ッチングによって除去された溝部に金属を埋め込む。
【００２６】この場合も、ポリッシング装置のターンテ
ーブル１又はトップリング４の駆動モータ６又は７の電
流を検知し、凹凸が平坦に研磨された時点を検知し、そ
の時点から所定時間の後をポリッシングの終点とするの
は同様である。ただし、このときには研磨が下層の絶縁
膜に達するまでの時間を過去の研磨速度の値によって算
出する。
【００２７】このように、本発明のポリッシングの終点
を決定する方法は、ポリッシング時間を設定する基準と
する時点が凹凸が平坦な面に研磨された時点であるた
め、層間膜を残すように終点を決定することや、研磨が
異材質を含む層に移行したのちを終点とするような、異
なった要求に対応することできる。
【００２８】ポリッシング中の凹凸な表面を研磨してい
るときの摩擦力と、平坦な面を研磨しているときの摩擦
力が異なるのは、両者の摩擦係数の差によるものであ
る。摩擦力はポリッシング対象物と研磨部材との摩擦係
数と押圧力との積で表され、摩擦係数は、ポリッシング
対象物と研磨部材の材質に依存するのと同時に、両者の
表面状態にも依存する。すなわち、同じ材料であっても
表面の粗さが粗い場合と細かい場合では、粗いほうが摩
擦係数は大きくなる。本発明はポリッシングによって表
面状態が凹凸面から平坦面に、すなわち、粗い面から鏡
面へと変化することによる摩擦係数の変化を利用してい
る。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、以
下に示す優れた効果が得られる。 （１）ポリッシング中の摩擦力に基づいて研磨面の状態
を検知するので、ポリッシングを行いながらポリッシン
グの終点を決定することができる。 （２）ポリッシングの終点の決定位置を任意に設定する
ことができ、種々の終点位置の要求に対応することがで
きる。 （３）ポリッシング装置の駆動用モータによって摩擦力
を検出するため、僅かな摩擦力の変動であっても感知す
ることができる。 （４）ポリッシング対象物の表面が凹凸面から平坦面に
変化した時点からの研磨時間を先に研磨したポリッシン
グ対象物の研磨量に応じて随時修正可能としたため、ポ
リッシング速度の経時的変動に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るポリッシングの終点決定方法を実
施するポリッシング装置の概略図である。
【図２】ポリッシング対象物である半導体ウエハの構造
を示す拡大断面図である。
【図３】半導体ウエハの研磨中の摩擦力の変動を示すグ
ラフである。
【符号の説明】
１ ターンテーブル ２ 研磨布 ３ 半導体ウエハ ４ トップリング ５ 砥液供給ノズル ６，７ モータ ８，９ モータ電流検出器 １０ 信号処理装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 憲雄 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 小寺 雅子 神奈川県川崎市幸区堀川町72番地 株式会 社東芝川崎事業所内 (72)発明者 重田 厚 三重県四日市市山之一色町字中龍宮800番 地 株式会社東芝四日市工場内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ポリッシング対象物の表面の凹凸を平坦
    且つ鏡面状に研磨するポリッシングの研磨終点を決定す
    る方法において、 ポリッシング中の対象物と研磨部材との摩擦力を検出
    し、表面の凹凸が平坦に研磨された時点を、凹凸を研磨
    している時の摩擦力と、凹凸が除去されて平坦面を研磨
    している時の摩擦力との差異に基づいて決定し、その時
    点から所定時間の後を研磨終点とすることを特徴とする
    ポリッシングの終点決定方法。
  2. 【請求項２】 前記摩擦力はポリッシング対象物を研磨
    部材に対して相対運動させるポリッシング装置の駆動用
    モータの電流によって検出することを特徴とする請求項
    １記載の終点決定方法。
  3. 【請求項３】 前記表面の凹凸が平坦に研磨された時点
    からの所定時間は、先に研磨したポリッシング対象物の
    研磨量と研磨時間とに基づいて決定し、随時修正可能と
    したことを特徴とする請求項１又は２記載の終点決定方
    法。
  4. 【請求項４】 ポリッシング対象物の表面の凹凸を平坦
    且つ鏡面状に研磨するポリッシングの研磨終点を決定す
    る装置において、 ポリッシング中の対象物と研磨部材との摩擦力を検出す
    る検出手段と、 ポリッシング中の対象物と研磨部材との摩擦力を検出
    し、表面の凹凸が平坦に研磨された時点を、凹凸を研磨
    している時の摩擦力と、凹凸が除去されて平坦面を研磨
    している時の摩擦力との差異に基づいて決定し、その時
    点から所定時間の後を研磨終点とする信号処理手段を備
    えたことを特徴とするポリッシングの終点決定装置。
  5. 【請求項５】 前記ポリッシング装置は、研磨後のポリ
    ッシング対象物の研磨量を測定する測定手段をさらに備
    え、該測定手段は前記信号処理手段に測定された研磨量
    の信号を送るために接続されていることを特徴とする請
    求項４記載のポリッシングの終点決定装置。
JP30998295A 1995-11-02 1995-11-02 ポリッシングの終点決定方法及び装置 Expired - Lifetime JP3649493B2 (ja)

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