JPH11135465A - 半導体研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定精度が良く、かつハンドリングが簡単で
測定時間の短い、研磨量又は研磨終了点検出方式を有す
る半導体研磨装置を提供する。 【解決手段】研磨が終了したウェハは、ロボットアーム
４により研磨ヘッド３より取出され、出口側スタンバイ
ステージ７上に運ばれて待機する。ロボットアーム４又
は出口側スタンバイステージ７に、研磨終了点検出機構
９、１０が取付けられている。研磨終了点検出機構９
は、研磨が終了したウェハを保持している研磨ヘッド３
の下側にロボットアーム４が位置した状態、又は、研磨
が終了したウェハをロボットアーム４が研磨ヘッド３よ
り受け取って出口側スタンバイステージ７に搬送してい
る途中で、研磨終了点（又は研磨量）を測定する。研磨
終了点検出機構１０は、研磨が終了したウェハが出口側
スタンバイステージ７上に位置している状態で研磨終了
点（又は研磨量）を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウェハの表面を研
磨することにより、層間絶縁層又は金属電極膜の少なく
とも一部を除去する半導体研磨装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの高密度化は限界を見せ
ず進展を続けており、高密度化に伴う様々の障害のいく
つかは、種々な技術、方法により克服されつつある。大
きな課題のひとつとして、グローバルな（比較的大きな
エリアでの）デバイス面の平坦化がある。デバイスの集
積度が上がるにつれ、電極他の更なる積層化は避けられ
ない。リソグラフィの短波長化や、高開口度化に付随し
た露光時の焦点深度短縮を考慮すると、少なくとも露光
エリア程度の範囲での層間層の平坦化の精度要求は大き
い。また、金属電極層の埋め込みであるいわゆる象嵌
（プラグ、ダマシン）の要求も高く、この場合、積層後
の余分な金属層の除去及び平坦化が要求される。

【０００３】近年、成膜法などの改良により、局所的に
層間層を平滑化する方法が多く提案、実行されている。
これらの中で、今後、さらに必要とされる、より大きな
エリアでの効率的な平坦化技術として注目を集めている
のが、ＣＭＰと呼ばれる研磨工程である。ＣＭＰ（Chem
ical Mechanical PolishingまたはPlanarization）は、
物理的研磨と化学的な作用（研磨材、溶液による溶かし
出し）とを併用して、ウェハの表面凹凸を除いていく工
程であり、グローバル平坦化技術の最有力な候補となっ
ている。

【０００４】具体的には、酸、アルカリなどの研磨物の
可溶性溶媒中に、研磨粒（シリカ、アルミナ、酸化セリ
ウムなどが一般的）を分散させたスラリーと呼ばれる研
磨剤を用い、適当な研磨布（研磨パッド）でウェハ表面
を加圧し、研磨布（研磨パッド）とウェハとを相対運動
させて摩擦することにより研磨を進行させる。ウェハ全
面において、加圧と相対運動速度を一様とすることで面
内を一様に研磨することが可能になる。

【０００５】この工程は、従来の半導体プロセスとのマ
ッチングの点などでも未だに多くの課題を残している
が、一般的な要求課題の大きなものとして、研磨工程の
終了の検知がある。ことに、研磨工程を行いながらの
（in-situの）研磨終了点の検出は、工程効率化のため
にも要請が大きい。

【０００６】検出方法のひとつとして、目的研磨層と異
なった層へ研磨が進んだ場合の摩擦変動を、ウェハ回転
や研磨パッドの回転のモータートルクの変化によって検
出する方法が用いられている。また、研磨パッドに光路
を設けたり、ウェハ裏面からのウェハ透過性の光（赤外
光）を使用し、光の干渉を利用して研磨中の薄膜の膜厚
を測定する方法も実用化に向け開発が進められている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＣＭＰ
における研磨終了点を研磨中にモニタする前記の技術
は、要請が高まっているにも関わらず、未だ完全に信頼
性のあるものとはなっていない。

【０００８】例えば、研磨終了点をモータートルクで検
出する方式は、今のところ、明らかに異なる層の研磨開
始を検知する場合にのみ有効で、しかも精度の上で不十
分である。

【０００９】また、干渉利用の膜厚計測の方法（レーザ
光を照射し、反射光量の時間変動を追跡する方法。）に
おいては、半導体のパターンの影響を受けて誤差が生じ
たり、測定位置によって誤差が生じることなどが指摘さ
れている。

【００１０】このため、実際のプロセスにおいては、研
磨時間を規定することによって研磨の終了を制御するこ
とが多いが、その精度不足のため、必要以上の膜厚を成
膜する必要に迫られることになっている。

【００１１】in-situの研磨終了点検出におけるこれら
の問題点を回避するため、研磨工程中ではなく研磨工程
後に計測を行い、研磨量や研磨終了点を検知する方法が
採られていることも多い。研磨工程後計測の一般的な例
は、ウェハを計測機に搬送し、そこで光学的な膜厚計測
を行うものである。計測結果を研磨工程にフィードバッ
クしたり、研磨不足の場合に計測したウェハを再研磨す
ることが行われることもある。計測は、ウェハを洗浄後
に乾燥させて行うものや、水中で計測する方式のものが
ある。（研磨ウェハは、洗浄前に乾燥させると、研磨剤
が固着して除去不可能になるためである。）

【００１２】このようないわゆるin-line またはoff-li
ne計測は、研磨パッドの状態が比較的安定で、連続した
ウェハ間で研磨レートが大きく変わらなければ実用上有
効な場合が多い。しかし、シーケンス的に、ウェハのヘ
ッドから取り外し→計測機への搬送→計測機内でのアラ
イメント→計測→計測機からもとのルートへの搬送とい
う形をとり、水中搬送なども含むため面倒で時間もかか
り、動作エラーの原因にもなりやすくなっている。ま
た、研磨後、計測まで長時間を要することも多く、有効
なフィードバックがかけられない状況もある。

【００１３】本発明はこのような問題点を解決するため
に行われたもので、精度上問題のあるin-situ計測や、
ハンドリングや測定時間に問題のあるin-line又はoff-l
ine計測を使用せず、測定精度が良く、かつハンドリン
グが簡単で測定時間の短い、研磨量又は研磨終了点検出
方式を有する半導体研磨装置を提供することを課題とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、ウェハの表面を研磨する半導体研磨装
置であって、研磨量又は研磨終了点の検知の為のウェハ
面計測を、研磨装置本体部からのウェハの搬送中また
は、研磨装置本体部からのウェハの受け渡し時に行うこ
とを特徴とする半導体研磨装置（請求項１）である。こ
こに、研磨装置本体部とは、直接ウェハの研磨に携わる
部分であり、研磨装置全体から、ウェハの搬送や一時待
機等に関わる装置を除いたものである。

【００１５】この手段においては、研磨量又は研磨終了
点の検知の為のウェハ面計測を、研磨装置本体部からの
ウェハの搬送中、すなわち、研磨装置本体部からウェハ
を取出す工程中に行うか、研磨装置本体部からのウェハ
の受け渡し時、すなわち、研磨装置本体部から次の工程
へのウェハの受け渡し時に行う。よって、in-situ計測
におけるような計測精度の不安定性の問題がなく、か
つ、in-line又はoff-line計測におけるよりも早期に計
測ができ、ウェハを測定工程に送るような特別な搬送工
程を必要としない。in-line又はoff-line計測における
よりも早期に計測ができることにより、研磨工程へのフ
ィードバックを早期に行うことができるので、全体とし
て精度の良い研削を行うことができる。

【００１６】前記課題を解決するための第２の手段は、
前記第１の手段であって、研磨量又は研磨終了点を検知
する機構が、ウェハの搬送を行う機構に付属しているこ
とを特徴とするもの（請求項２）である。

【００１７】これにより、研磨装置本体部にウェハが保
持されている状態で、又は研磨装置本体部からのウェハ
の搬送中に、研磨量又は研磨終了点の検知を確実に行う
ことができるようになる。

【００１８】前記課題を解決するための第３の手段は、
前記第１の手段であって、研磨量又は研磨終了点を検知
する機構が、ウェハの出側スタンバイステージに付属し
ていることを特徴とするもの（請求項３）である。

【００１９】これにより、研磨装置本体部からのウェハ
の受け渡し時に、研磨量又は研磨終了点の検知を確実に
行うことができるようになる。

【００２０】前記課題を解決するための第４の手段は、
前記第１の手段から第３の手段のうちいずれかであっ
て、研磨量又は研磨終了点検出を、ウェハが研磨ヘッド
に装着した状態で行うことを特徴とするもの（請求項
４）である。

【００２１】この手段によれば、測定の結果、研磨量が
不足していたり研磨終了点に達していなかった場合に、
直ちにウェハを研磨装置本体部に戻して再研磨を行うこ
とができる。

【００２２】前記課題を解決するための第５の手段は、
前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、計
測された研磨量に応じて、研磨条件を変化させることを
特徴とするもの（請求項５）である。

【００２３】この手段によれば、測定の結果が研磨装置
本体部にフィードバックされることにより、研磨装置全
体として精度の良い研磨ができるようになる。なお、前
述したように、in-line又はoff-line計測におけるより
も早期に計測ができることにより、研磨工程へのフィー
ドバックを迅速に行うことができるので、研磨精度の向
上を図ることができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の例を
図を用いて説明する。図１はロボット搬送装置を用いた
ＣＭＰ研磨装置全体を示す概要図である。図１におい
て、１は研磨パッド、２は研磨されるウェハ、３は研磨
ヘッド、４はロボットアーム、５は入口側スタンバイス
テージ、６は入口側ウェハキャリア、７は出口側スタン
バイステージ、８は出口側ウェハキャリア、９はロボッ
トアーム４に取付けられた研磨終了点検出機構、１０は
出口側スタンバイステージ７に取付けられた研磨終了点
検出機構である。この図においては、研磨パッド１と研
磨ヘッド３が研磨装置本体部に対応する。

【００２５】ウェハは、入口側ウェハキャリア６からロ
ボットアーム４によって、入口側スタンバイステージ５
に運ばれて待機する。入口側スタンバイステージ５上の
ウェハは、再びロボットアーム４によって搬送され、研
磨ヘッド３に装着される。そして、研磨パッド１と研磨
ヘッド３の相対運動により研磨が行われる。研磨が終了
したウェハは、ロボットアーム４により研磨ヘッド３よ
り取出され、出口側スタンバイステージ７上に運ばれて
待機する。そして、再びロボットアーム４により、出口
側ウェハキャリア８に運ばれて、次工程に搬送される。
スタンバイステージ、ウェハキャリアは、入口側、出口
側を、それぞれ１つで兼ねてもよい。

【００２６】図１においては、ロボットアーム４又は出
口側スタンバイステージ７に、研磨終了点検出機構９、
１０が取付けられている。研磨終了点検出機構９、１０
はどちらか１つを設ければ十分である。

【００２７】研磨終了点検出機構９は、研磨が終了した
ウェハを保持している研磨ヘッド３の下側にロボットア
ーム４が位置した状態、又は、研磨が終了したウェハを
ロボットアーム４が研磨ヘッド３より受け取って出口側
スタンバイステージ７に搬送している途中で、研磨終了
点（又は研磨量）を測定する。

【００２８】研磨終了点検出機構１０は、研磨が終了し
たウェハが出口側スタンバイステージ７上に位置してい
る状態（ロボットアーム４に保持されている状態又は出
口側スタンバイステージ７上に載置されている状態）で
研磨終了点（又は研磨量）を測定する。

【００２９】図２にロボットアーム４に取付けられた研
磨終了点検出機構９の概要を示す。以下の図において
は、前出の図において説明した構成要素と同じ構成要素
には、同じ符号を付してその説明を省略する。図２にお
いて、１１はウェハへの照射光、１２はウェハからの反
射光、１３は光ファイバを示す。

【００３０】研磨終了点検出器機構の本体部（図示せ
ず）からの検出光は、光ファイバ１３によって導かれ、
研磨終了点検出機構９から、照射光１１となってウェハ
表面を照射する。ウェハ表面からの反射光は１１は、光
ファイバ１３によって研磨終了点検出器機構の本体部に
導かれる。

【００３１】ウェハ表面に光を照射し、その反射光を測
定することによって研磨量又は研磨終了点を検知する方
法は、いろいろなものが確立され公知となっているの
で、これらの方法から任意のものを適宜選択して使用す
ることができる。一般には、最表層の膜厚を知ることが
直接的で望ましく、種々の技術が開発されている。その
中でも、薄膜の干渉現象を使用する方式は、精度が良い
ので採用することが好ましい。このように、ウェハ表面
からの光の反射を使用した測定方法によれば、半導体層
（層間絶縁膜）の研磨ばかりでなく、金属膜の研磨にお
いても研磨終了点の測定が可能である。

【００３２】図２に示す装置においては、研磨終了点検
出機構９とその本体部を光ファイバ１３で結び、ロボッ
トアーム４に取付けられるユニットを照射光の照射部
と、反射光の受光部に限定しているので、ロボットの負
荷を軽減することができる。

【００３３】このように、ロボットアーム４に研磨終了
点検出機構９を取付けることにより、ロボットアーム４
が研磨終了後のウェハを研磨ヘッド３より受け取る直前
に、研磨ヘッド３にウェハを装着したままで、又は研磨
ヘッド３よりウェハを受け取って出口側スタンバイステ
ージ７に搬送する途中で、研磨終了点（研磨量）を測定
することができる。前者においては、ウェハは通常、研
磨ヘッド３にバッキングフィルムと呼ばれる濡れた柔軟
材で保持されたり、真空チャックで吸引されたりしてい
るが、これが、ロボットアーム４の上部に来たところで
（研磨ヘッド３とロボットアーム４のどちらが移動して
もよい）計測を行う。この方法によれば、研磨不足を直
ちに検出でき、再研磨を行うと共に、次のウェハの研磨
条件を変更することができる。

【００３４】なお、計測にあたっては、計測機構、及び
測定対象のウェハが停止している必要は必ずしもない。
これらの移動中に計測を行うことは、工程時間短縮の点
で有利である。

【００３５】図３に、研磨終了点検出機構１０を出口側
スタンバイステージ７に付属させた例を示す。検出の原
理は図２に示したものと同じである。図３に示す装置に
おいては、ウェハが出口側スタンバイステージ７上に載
置されたとき、又は、ウェハが出口側スタンバイステー
ジ７の上方に搬送されてきたとき、研磨終了点検出機構
１０が研磨終了点（又は研磨量）を検出する。

【００３６】この装置においても、図２に示した装置
と、ほぼ同じ作用効果を得ることができる。また、この
装置は、後に実施例の説明で述べるように、研磨ヘッド
３から出口側スタンバイステージ７までの搬送にロボッ
トを使用せず、研磨ヘッド３自身を移動させる場合にも
使用することができる。

【００３７】また、図３においては、研磨終了点検出機
構１０とその本体部とは光ファイバ１３で結合されてい
るが、この場合には、本体部を出口側スタンバイステー
ジ７の下側に設置し、光ファイバ１３を用いることな
く、直接本体部から照射光を照射し、反射光を本体部で
受光することもできる。

【００３８】研磨終了点（又は研磨量）の計測において
は、計測位置を細かく特定し、制御する機構を持たせて
もよいが、機構が複雑になり、計測に時間がかかるとい
う問題点を有する。そこで、計測位置の精度が粗くても
研磨終了点（又は研磨量）の正確な測定ができるシステ
ムとするほうが望ましい。望ましいシステムとして、例
えば、照射光スポット径を比較的大きくとって、ある程
度平均化されたウェハ上の情報を得る方法等が考えられ
る。

【００３９】

【実施例】

（実施例１）実際のＣＭＰ研磨システムにおいて、６イ
ンチウェハ上の撮像素子の層間絶縁膜ＳｉＯ₂を研磨
し、その研磨終了点検出を試みた。研磨は、ウェハをバ
ッキングフィルムで保持した研磨ヘッドを、６００mm径
の発泡性の研磨パッドの上で回転および揺動することに
より行った。研磨材（スラリー）は、シリカ粒をアルカ
リ溶媒に分散させたものを用い、研磨圧は２００ｇ／cm
²程度とした。

【００４０】研磨終了点の検出は、図４に示すような手
順で行った。図４において、１４は研磨定盤、１５は研
磨パッドである。

【００４１】研磨工程（ａ）が終了すると、研磨ヘッド
はその位置で上昇する。すると、研磨ヘッド３とスタン
バイステージ間に位置するウェハ搬送用のロボットアー
ム４が、研磨ヘッド３の下部に入り込む。そして、ロボ
ットアーム４に設置された研磨終了点検出機構９からウ
ェハ２表面へ、プローブ光１１を照射し、その反射光１
２を検出することにより、研磨終了を判断する（ｂ）。
ここでは検出手段として、反射光の分光特性から残膜厚
を計測する方式を採っている。具体的には、白色光（キ
セノンランプ）を照射し、反射光をピンホールに通過さ
せた後、回折格子で波長分解し、異なった方向に異なっ
た波長の光が向かうようにして、光ダイオード型のリニ
アセンサ（５０素子）で検出する方式の光学系を用い
て、分光特性を計測している。

【００４２】このように計測した結果、研磨終了点に達
していると判断された場合は、そのままロボットアーム
４がウェハ２を研磨ヘッド３から受け取り、次工程のた
めスタンバイステージへ移動させる（ｃ）。

【００４３】もし、研磨終了点に到っていないというこ
とが計測により判明すれば、ロボットアーム４は元の位
置に戻り、研磨ヘッド３は下降して再び研磨を続行す
る。また、ここで得られた必要研磨時間の情報は、次ウ
ェハの研磨条件にフィードバックされる。（通常は研磨
パッドの劣化により、徐々に研磨時間を長くすることを
要する。） こうして研磨終了点の検知が迅速に効率よく行われ、ま
た、研磨レートが低くなったことを検出することによ
り、研磨パッド交換時期の検知を行うことができた。

【００４４】（実施例２）研磨ヘッドとスタンバイステ
ージとの間の搬送にロボットを用いず、研磨ヘッドをア
ームによって移動させて搬送させるタイプのＣＭＰ研磨
装置において、スタンバイステージでの計測を行った。
この場合の研磨終了点の検出の手順の概要を図５に示
す。図５において、１６はドレッシングアームである。

【００４５】研磨終了後、研磨ヘッド３は、出口側スタ
ンバイステージ７上に移動する（ａ）。ウェハを出口側
スタンバイステージ７に載置してから研磨終了点の検出
を行ってもよいが、ここでは、出口側スタンバイステー
ジ７上部で、出口側スタンバイステージ７に取り付けら
れた研磨終了点検出機構１０により、ウェハ計測を行
う。計測方法は、実施例１と同じく、反射光の分光特性
から残膜厚を計測する方式を採っている。計測した結果
から、研磨終了点に達していると判断された場合は、そ
のまま研磨ヘッド３が下降し、ウェハ２を出口側スタン
バイステージ７に置く（ｃ）。もし、研磨終了点に到っ
ていないということが計測により判明すれば、研磨ヘッ
ド３はウェハ２を保持したまま、元の位置に戻り、再び
研磨を続行する。

【００４６】このような機構によっても、研磨終了点の
検知と、工程へのフィードバックが迅速に効率よく行わ
れた。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る発
明は、ウェハの表面を研磨する半導体研磨装置であっ
て、研磨量又は研磨終了点の検知の為のウェハ面計測
を、研磨装置本体部からのウェハの搬送中または、研磨
装置本体部からのウェハの受け渡し時に行うことを特徴
とする半導体研磨装置であるので、in-situ計測におけ
るような計測精度の不安定性の問題がなく、かつ、in-l
ine又はoff-line計測におけるよりも早期に計測がで
き、ウェハを測定工程に送るような特別な搬送工程を必
要としない。in-line又はoff-line計測におけるよりも
早期に計測ができることにより、研磨工程へのフィード
バックを早期に行うことができるので、全体として精度
の良い研削を行うことができる。

【００４８】請求項２に係る発明においては、研磨量又
は研磨終了点を検知する機構が、ウェハの搬送を行う機
構に付属しているので、研磨装置本体部にウェハが保持
されている状態で、又は研磨装置本体部からのウェハの
搬送中に、研磨量又は研磨終了点の検知を確実に行うこ
とができる。

【００４９】請求項３に係る発明においては、研磨量又
は研磨終了点を検知する機構が、ウェハの出側スタンバ
イステージに付属しているので、研磨装置本体部からの
ウェハの受け渡し時に、研磨量又は研磨終了点の検知を
確実に行うことができる。

【００５０】請求項４に係る発明は、研磨量又は研磨終
了点検出を、ウェハが研磨ヘッドに装着した状態で行う
ことを特徴とするものであるので、研磨量が不足してい
たり研磨終了点に達していなかった場合に、直ちにウェ
ハを研磨装置本体部に戻して再研磨を行うことができ
る。

【００５１】請求項５に係る発明においては、計測され
た研磨量に応じて、研磨条件を変化させるので、測定の
結果が研磨装置本体部にフィードバックされることによ
り、研磨装置全体として精度の良い研磨ができるように
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の１例を示す図であり、ロ
ボット搬送装置を用いたＣＭＰ研磨装置の概要図であ
る。

【図２】搬送ロボットアームに研磨終了点検出機構を付
属させた例を示す図である。

【図３】ウェハスタンバイステージに研磨終了点検出機
構を付属させた例を示す図である。

【図４】本発明の１実施例に係る研磨終了点検知のプロ
セスを示す図である。

【図５】本発明の他の実施例に係る研磨終了点検知のプ
ロセスを示す図である。

【符号の説明】

１…研磨パッド ２…研磨ウェハ ３…研磨ヘッド ４…ロボットアーム ５…入口側スタンバイステージ ６…入口側ウェハキャリア ７…出口側スタンバイステージ ８…出口側ウェハキャリア ９…研磨終了点検出機構（ロボットアーム取り付け） １０…研磨終了点検出機構（スタンバイステージ取り付
け） １１…ウェハへの照射光 １２…ウェハからの反射光 １３…光ファイバ １４…研磨定盤 １５…研磨パッド １６…ドレッシングアーム

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウェハの表面を研磨する半導体研磨装置
   であって、研磨量又は研磨終了点の検知の為のウェハ面
   計測を、研磨装置本体部からのウェハの搬送中または、
   研磨装置本体部からのウェハの受け渡し時に行うことを
   特徴とする半導体研磨装置。
2. 【請求項２】 研磨量又は研磨終了点を検知する機構
   が、ウェハの搬送を行う機構に付属していることを特徴
   とする請求項１に記載の半導体研磨装置。
3. 【請求項３】 研磨量又は研磨終了点を検知する機構
   が、ウェハの出側スタンバイステージに付属しているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の半導体研磨装置。
4. 【請求項４】 研磨量又は研磨終了点検出を、ウェハが
   研磨ヘッドに装着した状態で行うことを特徴とする請求
   項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の半導体研
   磨装置。
5. 【請求項５】 計測された研磨量に応じて、研磨条件を
   変化させることを特徴とする請求項１から請求項４のう
   ちいずれか１項に記載の半導体研磨装置。