JPH10202508A - 研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ウエハの表面に形成された薄膜の表面の凹凸の
平坦化の研磨工程のように下地材料が露出しない状態で
研磨を終了する研磨工程や下地材料が露出するまで研磨
する場合であっても表層の薄膜と下地材料との研磨抵抗
に顕著な差がない研磨工程においても、研磨終点を正確
に検出し、ウエハを再現性良く研磨できる研磨方法を提
供する。 【解決手段】研磨抵抗が異なる層が積層されているダミ
ーウエハＳd を製品ウエハＳn に加えて、研磨台３上の
ウエハ載置部１に載置し、この製品ウエハＳn およびダ
ミーウエハＳd に研磨定盤５に被着された研磨パッド２
を押し当て、それらと研磨パッド２との間に研磨スラリ
を供給し、ウエハ載置部１、研磨台３、研磨定盤５の少
なくとも一つを回転させて製品ウエハＳn およびダミー
ウエハＳd を同時に研磨し、研磨定盤５を回転させる回
転軸のトルクの時間変化からダミーウエハＳdの研磨抵
抗の変化を検出し研磨終点を判定する研磨方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子、磁性
素子、光学素子などの薄膜素子の製造工程において、平
板基板上に形成された薄膜の表面平坦化などに用いられ
る研磨方法に関し、特にＬＳＩ等の半導体素子の製造工
程においてシリコンウエハの表面に形成された薄膜の表
面平坦化に用いられる研磨方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、例えばＬＳＩ等の半導体素子の製
造工程において、半導体素子の高密度化を目的として多
層配線が用いられるようになり、また半導体素子の微細
化に伴い配線形成の高精度化が要求されるようになって
きている。そのため、例えば層間絶縁膜や配線となる導
電膜をウエハ表面に形成した後、これらの薄膜の表面の
凹凸を化学的機械研磨（ＣＭＰ： Chemical Mechanical
Polishing）により平坦化することが行われるようにな
ってきている。

【０００３】このウエハ表面の薄膜の研磨には、研磨台
に載置されたウエハに、研磨定盤に取り付けられた研磨
パッドを押し当て、研磨スラリ（砥粒液）を供給しなが
ら、研磨定盤および研磨台のいずれか一方または両方を
回転させる方法が採られている。複数枚のウエハを研磨
台に載置することにより、各ウエハを同時に研磨するこ
とも行われる。

【０００４】従来、このウエハ表面に形成された薄膜の
研磨の終点検出は操業経験に基づき行われていた。すな
わち、研磨する薄膜の厚さをあらかじめ測定しておいた
研磨速度で除した値に安全率を乗じた値を研磨時間とし
て事前に設定しておき、その時間研磨を行う方法であ
る。

【０００５】しかしながら、研磨速度は研磨パッドの摩
耗や変形の影響を受ける。すなわち、研磨パッドが摩耗
すると急速に研磨速度が低下する。そのため、時間の経
過とともに、研磨パッドの摩耗度合いが大きくなり、研
磨時間を一定にしていたのではウエハの研磨不足等が発
生する。このため、あらかじめ研磨時間を設定する従来
方法では再現性良く研磨を行うことは困難であった。

【０００６】この問題点を解決する方法として、ウエハ
が固定されたウエハ保持部を回転駆動するトルクの時間
変化を測定することにより研磨終点を判定する方法が提
案されている（特開平６−２１６０９５号公報、特開平
６−３１５８５０号公報）。

【０００７】特開平６−２１６０９５号公報に記載され
た方法は、ウエハ表面に形成された薄膜の凹凸がなくな
るときの研磨抵抗の減少をトルクの急減としてとらえる
ものである。

【０００８】また、特開平６−３１５８５０号公報に記
載された方法は、ウエハ表面に形成された薄膜が研磨さ
れて下地材料が表面に露出するときの研磨抵抗の変化を
トルクの変化としてとらえるものである。

【０００９】しかしながら、特開平６−２１６０９５号
公報に記載された方法では、半導体素子の微細パターン
の凹凸の減少による研磨抵抗の変化は微小であるため、
実際にはノイズなどのためにその研磨抵抗の変化をトル
クの変化として検出することは通常は困難である。

【００１０】また、特開平６−３１５８５０号公報に記
載された方法は、ウエハ表面の薄膜とは膜質の異なる下
地材料が表面に露出したときの研磨抵抗の変化をとらえ
るものであり、上述したウエハ表面に形成されたの凹凸
の平坦化のような薄膜を途中まで研磨する研磨工程、す
なわち下地材料が露出しない状態を研磨終了とする研磨
工程への適用は困難である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の課題
を解決するためになされたものであり、ウエハの表面に
形成された薄膜の表面の凹凸の平坦化の研磨工程のよう
に下地材料が露出しない状態で研磨を終了する研磨工程
や下地材料が露出するまで研磨する場合であっても表層
の薄膜と下地材料との研磨抵抗に顕著な差がない研磨工
程においても、研磨終点を正確に検出し、ウエハを再現
性良く研磨できる研磨方法を提供することを目的として
いる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の研磨方法は、研
磨台に設けられた複数の被研磨物載置部に載置された被
研磨物に、研磨定盤に被着された研磨パッドを押し当
て、被研磨物と研磨パッドとの間に研磨スラリを供給
し、研磨台、被研磨物載置部および研磨定盤の少なくと
も一つを回転させて複数枚の被研磨物を同時に研磨する
研磨方法であって、前記複数枚の被研磨物に、研磨抵抗
が異なる層が積層されているダミー被研磨物を混在させ
て研磨し、研磨定盤を回転させる回転軸、研磨台を回転
させる回転軸およびダミー被研磨物が載置されている被
研磨物載置部を回転させる回転軸の少なくとも一つのト
ルクを測定し、このトルクの時間変化に基づいて研磨終
点を判定することを特徴としている。

【００１３】なお、研磨抵抗が異なる層が積層されてい
るダミー被研磨物には、下地基板（下地層）の表面に下
地基板と研磨抵抗の異なる薄膜（表面層）を形成するも
のも当然含まれる。

【００１４】また、ここで言うトルクは、トルク値であ
る必要はなく、トルク相当値を表す値であれば良い。

【００１５】本発明の研磨方法は、研磨抵抗が異なる層
を備え、表面層が所定量研磨されると研磨抵抗の異なる
下地層が表面に露出するようにしたダミー被研磨物を用
意し、このダミー被研磨物を被研磨物と同時に研磨し、
ダミー被研磨物の研磨抵抗の変化をトルクの変化として
検出するものである。すなわち、被研磨物が目標量研磨
されたとき、ダミー被研磨物においては表面層とは研磨
抵抗が異なる下地層が表面に露出されて、ダミー被研磨
物の研磨抵抗が顕著に変化する。また、全体の研磨抵抗
も、他の被研磨物の研磨抵抗が変化しない場合およびほ
とんど変化しない場合であっても、ダミー被研磨物の研
磨抵抗の変化により有意な変化を示す。したがって、研
磨定盤を回転させる回転軸に対するトルク、研磨台を回
転させる回転軸に対するトルクおよびダミー被研磨物が
載置されている被研磨物載置部を回転させる回転軸に対
するトルクの少なくとも一つのトルクを測定することに
より、この研磨抵抗の変化を検出して、研磨終点を判定
することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、Ｃ
ＭＰによるウエハ（被研磨物）の研磨方法を例にとり説
明する。

【００１７】（研磨装置）図１は、本発明の研磨方法に
用いられる研磨装置の１例を示す模式的縦断面図であ
る。研磨パッド２が研磨定盤５に取り付けられており、
また、研磨台３上にはウエハ載置部１が５ケ所設けられ
ている。ウエハ載置部１には、被研磨物である製品ウエ
ハＳn が載置される。この図では、製品ウエハＳn が４
枚、後述するダミーウエハＳd が１枚載置されている。
研磨定盤５は、その中心を回転軸として研磨定盤回転駆
動機構７により回転させられる。また、研磨台３および
ウエハ載置部１は、それぞれの中心を回転軸として、そ
れぞれが研磨台回転駆動機構４により回転させられる構
成となっている。すなわち、研磨台３がその中心軸の回
りに回転（公転）するとともに、ウエハ載置部１もウエ
ハ載置部１の中心軸の回りに回転（自転）する構成とな
っている。製品ウエハＳn の研磨は、研磨スラリ供給機
構（図示せず）から研磨スラリを供給しながら、研磨パ
ッド２と製品ウエハＳn とを接触回転させることにより
行われる。この装置では、上述したように製品ウエハＳ
n とダミーウエハＳd とを合わせウエハ５枚を同時に研
磨することができる。

【００１８】この装置では、さらに研磨定盤５のトルク
を測定するトルク測定機構８と終点判定部９が設けられ
ている。

【００１９】トルク測定機構８は、トルクを測定し、ト
ルク測定信号を終点判定機構９に伝達する。トルク測定
機構８としては、例えば研磨定盤回転駆動機構７の電動
機に印加される電力を測定し、その電力値と研磨定盤５
の回転数とから算出するものなどを用いれば良い。研磨
定盤５の回転数を一定とする場合、その電力値をそのま
ま用いても良い。また、トルク測定機構８としては、こ
の構成以外に、研磨定盤５と研磨定盤回転駆動機構７の
途中に市販のトルク測定器を挿入する構成としても良
い。

【００２０】なお、トルクの測定は、この例では研磨定
盤５を駆動する回転軸に対するトルクに対して行うもの
であるが、ウエハを回転させる研磨台３の回転軸に対し
て行っても良いし、また両方に対して行っても良い。ダ
ミーウエハが載置されるウエハ載置部１の回転軸に対し
て行っても良い。

【００２１】終点判定機構９においては、トルク測定信
号およびその時間微分値などからウエハの研磨終点を判
定する。研磨終点の判定は、例えばトルク測定信号およ
びその時間微分値の少なくとも一方が所定の設定値以上
に変化したときを研磨終点と判定するなどとすれば良
い。

【００２２】なお、トルク測定信号には、研磨定盤や研
磨台の回転駆動機構のスイッチングに起因する高周波ノ
イズや、研磨定盤および研磨台の回転数変動や研磨中の
わずかな研磨押圧力変動に起因するドリフト成分を含む
低周波ノイズが含まれる場合がある。そこで、これらを
除去するノイズカット部を備えることが好ましい。

【００２３】例えば、図１に示す終点判定機構９では、
Ａ／Ｄ変換部９ａ、ノイズカット部９ｂおよび終点判定
部９ｃを備えており、トルク測定信号をＡ／Ｄ変換し、
ノイズカット部９ｂにおいてＡ／Ｄ変換されたデジタル
データにデジタルフィルタを用いたデータ処理を施して
これらのノイズを低減し、研磨終点判定を行う構成とな
っている。

【００２４】図２は、ノイズカット部での信号処理のボ
ード線図を示すものである。遮断周波数ｆ1およびｆ2を
適切に選択することにより、上記の高周波ノイズおよび
ドリフト成分を含む低周波ノイズを除去し、トルクに対
応する信号のみを取り出すことができる。

【００２５】なお、Ａ／Ｄ変換前のアナログ信号側に、
ローパスフィルタおよびハイパスフィルタのいずれか一
方または両方を含むノイズカット部を設け、ローパスフ
ィルタにより高周波ノイズを低減させ、ハイパスフィル
タによりドリフト成分を含む低周波ノイズを除去させて
も良い。すなわち、ノイズカット部は、Ａ／Ｄ変換後の
デジタル信号側にソフトウェアとして入れても良いし、
変換前のアナログ信号側にハードウェアとして入れても
良い。

【００２６】（ダミーウエハ）製品ウエハＳn の表面に
形成された薄膜層を目標量研磨したい場合、ダミーウエ
ハＳd として、例えば、製品ウエハＳn の表面薄膜層と
研磨抵抗の大きく異なる下地層の上に、製品ウエハＳn
の表面薄膜層と同等の膜質の薄膜を製品ウエハＳn の目
標研磨量だけ表面に形成したものを用いれば良い。この
ダミーウエハＳd を用いれば、製品ウエハＳn が目標量
研磨されたとき、ダミーウエハＳd も目標量研磨され
て、下地層が表面に露出し、ダミーウエハＳd の研磨抵
抗が顕著に変化するので、研磨定盤を駆動している回転
軸や研磨台の回転軸のトルク測定値の変化から、製品ウ
エハＳn が目標量研磨されたことを判定できる。

【００２７】例えば、製品ウエハＳn の表面薄膜層がシ
リコン酸化膜の場合、ダミーウエハＳd の表面層とし
て、シリコン酸化膜以外に、膜質が同等のものとして、
ＰＳＧ（Phospho-Silicate Glass）膜やＢＰＳＧ（Boro
n-doped Phospho-Silicate Glass）膜などを用いること
ができる。

【００２８】また、ダミーウエハＳd の表面層を、製品
ウエハＳn の表面薄膜層と異なる膜質の薄膜とする場
合、膜質の差による研磨速度の差を換算し、製品ウエハ
Ｓn の表面薄膜層を目標量研磨できるように、ダミーウ
エハＳd の表面層の膜厚を決めれば良い。

【００２９】例えば、製品ウエハＳn の表面薄膜層がシ
リコン酸化膜の場合、ダミーウエハＳd の表面層とし
て、タングステンを用いた場合、製品ウエハＳn の目標
研磨量の１．５倍を膜厚とすれば良い。

【００３０】ただし、ダミーウエハＳd の表面層として
は、製品ウエハＳn の表面薄膜層と膜質が同等のものを
用いることが好ましく、製品ウエハＳn の表面薄膜層と
同じ膜を用いることがより好ましい。

【００３１】研磨抵抗の異なる層を基板の上にＮ層備え
るダミーウエハＳd を用いれば、製品ウエハＳn の研磨
において、Ｎ個の研磨量に対して終点検出が可能であ
る。

【００３２】（研磨方法）以下、製品ウエハＳn の表面
に形成された薄膜層を目標量研磨する場合を例として本
発明の研磨方法について説明する。

【００３３】図３は、本発明の研磨方法の例を示すフロ
ーチャートである。

【００３４】あらかじめ、ダミーウエハＳd を用意す
る。ダミーウエハＳd として、前述したように、例え
ば、製品ウエハＳn の表面薄膜層と研磨抵抗の大きく異
なる下地層の上に、製品ウエハＳn の表面薄膜層と同等
の膜質の薄膜を製品ウエハＳn の目標研磨量だけ表面に
形成したものを用いれば良い。（ステップＳ２０１）。

【００３５】ダミーウエハＳd と製品ウエハＳn を研
磨台３のウエハ載置部１に載置して、ダミーウエハＳd
と製品ウエハＳn の研磨を開始する（ステップＳ２０
２）。

【００３６】トルク測定機構８によりトルクを測定す
る（ステップＳ２０３）。

【００３７】終点判定機構９において、トルク測定信
号およびその時間微分値などから製品ウエハを目標量研
磨するときの研磨終点を判定する（ステップＳ２０
４）。

【００３８】終点と判定されたとき、研磨を終了する
（ステップＳ２０５）。終点と判定されなかったとき、
研磨を続けトルク測定（ステップＳ２０３）に戻る。

【００３９】この研磨方法は、製品ウエハに関する研磨
抵抗が変化しなくても、ダミーウエハの研磨抵抗の変化
から終点を正確に判定できるので、再現性良く、ウエハ
の表面に形成された薄膜を目標量だけ研磨することがで
きる。

【００４０】

【実施例】本発明の実施例について説明する。本実施例
で用いた研磨装置は、図１に示したものである。トルク
の測定は、研磨定盤回転駆動機構７の電動機に印加され
る電力を測定して、その電力値と研磨定盤の回転数とか
ら演算することとした。

【００４１】図４は、本実施例のノイズカット部での信
号処理のボード線図を示すものである。高周波ノイズを
除去するものとし、遮断周波数ｆ2は５Ｈｚとした。

【００４２】ダミーウエハＳd を用いたとき（本発明
例）とダミーウエハＳd を用いないとき（比較例）に対
し、表面に薄膜を備えたウエハを研磨したときのトルク
の時間変化を測定した。本発明例では、ダミーウエハＳ
d １枚および製品ウエハＳn ４枚を同時に研磨した。比
較例では、製品ウエハＳn ５枚を同時に研磨した。

【００４３】研磨に用いたウエハは、シリコンウエハ上
にシリコン酸化膜が凸部で５００ｎｍ凹部で３５０ｎｍ
成膜され、表面の凹凸差が１５０ｎｍのものである。ま
た、ダミーウエハＳd は、シリコンウエハ上にシリコン
酸化膜が２００ｎｍ成膜されたものである。

【００４４】研磨パッドは、不織布にポリウレタンを含
浸させたものを用いた。研磨スラリは、シリカ（ＳｉＯ
₂）をＫＯＨ水溶液に懸濁させたものを用いた。研磨定
盤５、研磨台３、ウエハ載置部の回転数は、それぞれ４
５ｒｐｍ、７ｒｐｍ、４２ｒｐｍとした。

【００４５】図５は、ウエハを研磨したときのトルクの
測定結果の一例を示す図である。Ａは本発明例の結果で
あり、Ｂは比較例の結果である。ｔE は、研磨終点の時
間である。

【００４６】本発明例では、シリコン酸化膜を２００ｎ
ｍ研磨した時点（研磨終点）で、トルクの値が大きく変
化した。一方、本発明例および比較例ともに、シリコン
酸化膜が１５０ｎｍ以上研磨され凹凸が平坦化された時
点でのトルクの変化は、検出されなかった。

【００４７】次に、研磨終点を判定するトルク値ＴＲE
を４８０Ｎ・ｍとして、ダミーウエハＳd １枚および製
品ウエハＳn ４枚を同時に研磨し、製品ウエハＳn ４枚
について研磨量を測定した。結果、平均研磨量２０１ｎ
ｍ、研磨量の均一性±５．０％であった。すなわち、ダ
ミーウエハＳd を用いることにより、製品ウエハを精度
良く目標量研磨することができることを確認した。

【００４８】図６は、図５に示したトルクのＡ／Ｄ変換
直後のトルクの波形の一例を示す図である。Ａは本発明
例の結果であり、Ｂは比較例の結果である。ｔE は、同
じく研磨終点の時間である。この図から、ノイズカット
部を備えることにより、トルク波形からノイズを除去
し、研磨終点の判定の精度を向上できることがわかる。

【００４９】

【発明の効果】上述したように、本発明の研磨方法は、
ウエハ表面に形成された薄膜の表面の凹凸の平坦化の研
磨工程のように下地材料が露出しない状態を研磨終点と
する研磨工程や下地材料が露出するまで研磨する場合で
あっても表層の薄膜と下地材料との研磨抵抗に顕著な差
がない研磨工程においても、研磨終点を正確に検出し、
ウエハを再現性良く研磨できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の研磨方法に用いられる研磨装置の１例
を示す模式的縦断面図である。

【図２】ノイズカット部での信号処理のボード線図を示
すものである。

【図３】本発明の研磨方法の例を示すフローチャートで
ある。

【図４】本実施例でのノイズカット部での信号処理のボ
ード線図を示すものである。

【図５】ウエハを研磨したときのトルクの測定結果の一
例を示す図である。

【図６】図５に示したトルクのＡ／Ｄ変換直後のトルク
の波形の一例を示す図である。

【符号の説明】

Ｓn 製品ウエハ（被研磨物） Ｓd ダミーウエハ（ダミー被研磨物） １ ウエハ載置部 ２ 研磨パッド ３ 研磨台 ４ 研磨台回転駆動機構 ５ 研磨定盤 ７ 研磨定盤回転駆動機構 ８ トルク測定機構 ９ 研磨終点判定機構 ９ａ Ａ／Ｄ変換部 ９ｂ ノイズカット部 ９ｃ 終点判定部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】研磨台に設けられた複数の被研磨物載置部
   に載置された被研磨物に、研磨定盤に被着された研磨パ
   ッドを押し当て、被研磨物と研磨パッドとの間に研磨ス
   ラリを供給し、研磨台、被研磨物載置部および研磨定盤
   の少なくとも一つを回転させて複数枚の被研磨物を同時
   に研磨する研磨方法であって、前記複数枚の被研磨物
   に、研磨抵抗が異なる層が積層されているダミー被研磨
   物を混在させて研磨し、研磨定盤を回転させる回転軸、
   研磨台を回転させる回転軸およびダミー被研磨物が載置
   されている被研磨物載置部を回転させる回転軸の少なく
   とも一つのトルクを測定し、このトルクの時間変化に基
   づいて研磨終点を判定することを特徴とする研磨方法。