JPH1187286A - 半導体ウエハの二段階式化学的機械的研磨方法及び装置 - Google Patents
半導体ウエハの二段階式化学的機械的研磨方法及び装置Info
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- JPH1187286A JPH1187286A JP24082997A JP24082997A JPH1187286A JP H1187286 A JPH1187286 A JP H1187286A JP 24082997 A JP24082997 A JP 24082997A JP 24082997 A JP24082997 A JP 24082997A JP H1187286 A JPH1187286 A JP H1187286A
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- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
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- H01L21/3212—Planarisation by chemical mechanical polishing [CMP]
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 研磨の終点検出が容易であり、同時にフォト
・マスクを転写する際のパターン・シフトを最小にする
化学的機械的研磨法を与えること。 【解決手段】 表面に研磨パッド（１１）が設けられた
研磨テーブル（１２）に対して、ウエハ・キャリア（１
３）は、固定されたウエハ（１４）を押しつけて保持
し、研磨ケーブル（１２）とウエハ・キャリア（１３）
とを共に回転させ、研磨を行う。ウエハ（１３）と研磨
パッド（１１）との接触面には、所定の化学的性質を有
するスラリが与えられている。研磨は、２つの段階に分
離されるが、第１の段階では、終点検出を容易にするた
めに、研磨テーブル（１２）の回転速度とウエハ・キャ
リア（１３）の回転速度との間に所定の差を設定して研
磨を行い、次に、第２の段階では、アライメント・シフ
トを最小にするために、両回転速度を同期させて研磨を
行うように制御する。
・マスクを転写する際のパターン・シフトを最小にする
化学的機械的研磨法を与えること。 【解決手段】 表面に研磨パッド（１１）が設けられた
研磨テーブル（１２）に対して、ウエハ・キャリア（１
３）は、固定されたウエハ（１４）を押しつけて保持
し、研磨ケーブル（１２）とウエハ・キャリア（１３）
とを共に回転させ、研磨を行う。ウエハ（１３）と研磨
パッド（１１）との接触面には、所定の化学的性質を有
するスラリが与えられている。研磨は、２つの段階に分
離されるが、第１の段階では、終点検出を容易にするた
めに、研磨テーブル（１２）の回転速度とウエハ・キャ
リア（１３）の回転速度との間に所定の差を設定して研
磨を行い、次に、第２の段階では、アライメント・シフ
トを最小にするために、両回転速度を同期させて研磨を
行うように制御する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハの平
坦化方法及び装置に関する。更に詳しくは、本発明は、
半導体ウエハの研磨による平坦化の次に行われるフォト
リソグラフィ・プロセスにおけるフォトマスクのアライ
メントへの影響を最小限に押さえるように制御された、
二段階式の化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Po
lishing =CMP）のための方法及び装置を提供する。
坦化方法及び装置に関する。更に詳しくは、本発明は、
半導体ウエハの研磨による平坦化の次に行われるフォト
リソグラフィ・プロセスにおけるフォトマスクのアライ
メントへの影響を最小限に押さえるように制御された、
二段階式の化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Po
lishing =CMP）のための方法及び装置を提供する。
【０００２】なお、本発明は、同じ出願人による特願平
９−２２９３４６号に記載された発明を改良するもので
ある。
９−２２９３４６号に記載された発明を改良するもので
ある。
【０００３】
【従来の技術】半導体デバイスは、半導体基板の上に金
属配線による回路を形成することにより製造される。具
体的には、金属配線は、デバイス内の離散的な複数の素
子を相互に接続して集積回路を形成し、層間絶縁膜によ
って、他の層から絶縁される。層の相互間の電気的な接
続のためには、この絶縁膜を貫通するコンタクト・ホー
ルを形成し、このホールを介して、電気的接続を与え
る。技術の高度化により超ＬＳＩの集積の程度が進むに
つれ、半導体基板の上に積層する配線や素子をますます
多層化する必要が生じてきている。
属配線による回路を形成することにより製造される。具
体的には、金属配線は、デバイス内の離散的な複数の素
子を相互に接続して集積回路を形成し、層間絶縁膜によ
って、他の層から絶縁される。層の相互間の電気的な接
続のためには、この絶縁膜を貫通するコンタクト・ホー
ルを形成し、このホールを介して、電気的接続を与え
る。技術の高度化により超ＬＳＩの集積の程度が進むに
つれ、半導体基板の上に積層する配線や素子をますます
多層化する必要が生じてきている。
【０００４】基板上に金属配線を形成すると、その表面
は粗くなるのが一般的である。しかし、多層化する際に
は、コンタクト・ホールや金属膜を正確に形成しデバイ
スの歩留りを向上させ最終的な集積回路の信頼性を維持
するためには、層間絶縁膜や配線を含むそれぞれの層を
平坦にすることが非常に重要である。特に、絶縁膜上に
フォトリソグラフィ・プロセスによりマスク・パターン
を正確に転写する際には、その絶縁膜が平坦でなけれ
ば、マスクのアライメント精度を維持することは難し
い。
は粗くなるのが一般的である。しかし、多層化する際に
は、コンタクト・ホールや金属膜を正確に形成しデバイ
スの歩留りを向上させ最終的な集積回路の信頼性を維持
するためには、層間絶縁膜や配線を含むそれぞれの層を
平坦にすることが非常に重要である。特に、絶縁膜上に
フォトリソグラフィ・プロセスによりマスク・パターン
を正確に転写する際には、その絶縁膜が平坦でなけれ
ば、マスクのアライメント精度を維持することは難し
い。
【０００５】平坦化のためのプロセスとして現在用いら
れている技術として、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）が
ある。このＣＭＰでは、研磨粒子（シリカ粒子、アルミ
ナ粒子、硝酸セリウムなど）を分散させた液（スラリ）
を、研磨テーブルの上に貼られたパッドに滴下し含浸さ
せ、ウエハ・キャリアに付着させた半導体ウエハをテー
ブル上のパッドに押しつけ、化学的条件、圧力、温度な
どを制御した上で、研磨テーブルとウエハ・キャリアと
を共に回転させることにより、ウエハを研磨する。この
際に、スラリは、研磨の化学的な効果を最適にするため
に成分の化学的な調整がなされている。この研磨の化学
的及び機械的な複合効果により、研磨表面の優れた平坦
化が達成される。ＣＭＰで用いられる機械的な装置構成
やスラリの化学的性質は、従来技術に属し、当業者にと
って、公知の内容である。
れている技術として、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）が
ある。このＣＭＰでは、研磨粒子（シリカ粒子、アルミ
ナ粒子、硝酸セリウムなど）を分散させた液（スラリ）
を、研磨テーブルの上に貼られたパッドに滴下し含浸さ
せ、ウエハ・キャリアに付着させた半導体ウエハをテー
ブル上のパッドに押しつけ、化学的条件、圧力、温度な
どを制御した上で、研磨テーブルとウエハ・キャリアと
を共に回転させることにより、ウエハを研磨する。この
際に、スラリは、研磨の化学的な効果を最適にするため
に成分の化学的な調整がなされている。この研磨の化学
的及び機械的な複合効果により、研磨表面の優れた平坦
化が達成される。ＣＭＰで用いられる機械的な装置構成
やスラリの化学的性質は、従来技術に属し、当業者にと
って、公知の内容である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ＣＭＰが実行された半
導体ウエハ表面上には、次に、フォトリソグラフィ技術
を用いてフォト・マスクのパターン転写が行われる。そ
の際のマスクのアライメント精度を一定水準以上に維持
するために、研磨テーブルの回転数とウエハ・キャリア
の回転数との比率をどのように制御すればよいかについ
ては、従来技術においては、実験的にも理論的にも、一
定の結論は得られていなかった。
導体ウエハ表面上には、次に、フォトリソグラフィ技術
を用いてフォト・マスクのパターン転写が行われる。そ
の際のマスクのアライメント精度を一定水準以上に維持
するために、研磨テーブルの回転数とウエハ・キャリア
の回転数との比率をどのように制御すればよいかについ
ては、従来技術においては、実験的にも理論的にも、一
定の結論は得られていなかった。
【０００７】しかし、この問題に対しては、上述の同じ
出願人による「半導体ウエハの化学的機械的研磨方法及
び装置」と題する特願平９−２２９３４６号で、解決策
が与えられている。すなわち、特願平９−２２９３４６
号においては、半導体ウエハ表面のＣＭＰを実行する際
に、研磨テーブルの回転速度とウエハ・キャリアの回転
速度とを同一にする、すなわち、両回転速度を同期させ
れば、この研磨プロセスの後に行われるフォト・マスク
のパターン転写におけるアライメント・シフトを最小化
できることが、実験的及び理論的に結論されている。
出願人による「半導体ウエハの化学的機械的研磨方法及
び装置」と題する特願平９−２２９３４６号で、解決策
が与えられている。すなわち、特願平９−２２９３４６
号においては、半導体ウエハ表面のＣＭＰを実行する際
に、研磨テーブルの回転速度とウエハ・キャリアの回転
速度とを同一にする、すなわち、両回転速度を同期させ
れば、この研磨プロセスの後に行われるフォト・マスク
のパターン転写におけるアライメント・シフトを最小化
できることが、実験的及び理論的に結論されている。
【０００８】具体的には、特願平９−２２９３４６号に
おいては、研磨面に研磨パッドが設けられた研磨テーブ
ルに対して、固定されたウエハをウエハ・キャリアによ
って押しつけて保持し、研磨パッドとウエハとの接触面
には所定の化学的性質を有する研磨剤を与え、研磨ケー
ブルとウエハ・キャリアとを共に回転させて実行する半
導体ウエハの化学的機械的研磨（ＣＭＰ）方法におい
て、研磨テーブルの回転速度とウエハ・キャリアの回転
速度とが実質的に同一に維持される方法が提供されてい
る。
おいては、研磨面に研磨パッドが設けられた研磨テーブ
ルに対して、固定されたウエハをウエハ・キャリアによ
って押しつけて保持し、研磨パッドとウエハとの接触面
には所定の化学的性質を有する研磨剤を与え、研磨ケー
ブルとウエハ・キャリアとを共に回転させて実行する半
導体ウエハの化学的機械的研磨（ＣＭＰ）方法におい
て、研磨テーブルの回転速度とウエハ・キャリアの回転
速度とが実質的に同一に維持される方法が提供されてい
る。
【０００９】また、特願平９−２２９３４６号に記載さ
れた発明の別の特徴においては、研磨面に研磨パッドが
設けられた研磨テーブルと、固定されたウエハを研磨テ
ーブルに押しつけて保持するウエハ・キャリアと、研磨
パッドとウエハとの接触面に与えられ所定の化学的性質
を有する研磨剤と、から構成される半導体ウエハの化学
的機械的研磨装置において、研磨ケーブルとウエハ・キ
ャリアとの回転速度を実質的に同一に維持する制御手段
を備えていることを特徴とする装置が提供されている。
れた発明の別の特徴においては、研磨面に研磨パッドが
設けられた研磨テーブルと、固定されたウエハを研磨テ
ーブルに押しつけて保持するウエハ・キャリアと、研磨
パッドとウエハとの接触面に与えられ所定の化学的性質
を有する研磨剤と、から構成される半導体ウエハの化学
的機械的研磨装置において、研磨ケーブルとウエハ・キ
ャリアとの回転速度を実質的に同一に維持する制御手段
を備えていることを特徴とする装置が提供されている。
【００１０】ＣＭＰにおいては、研磨をどのレベルまで
継続するか、換言すれば、研磨実行の終点をいつにする
のかは、重要な課題である。従来技術では、この終点の
検出（End Point Detection = EPD）は、研磨面の摩擦
力の変化に起因するスピンドル・モータへの負荷の変化
によって、行われていた。負荷の変化は、モータを流れ
る電流の変化をモニタして、行われる。
継続するか、換言すれば、研磨実行の終点をいつにする
のかは、重要な課題である。従来技術では、この終点の
検出（End Point Detection = EPD）は、研磨面の摩擦
力の変化に起因するスピンドル・モータへの負荷の変化
によって、行われていた。負荷の変化は、モータを流れ
る電流の変化をモニタして、行われる。
【００１１】しかし、ウエハ・キャリアと研磨テーブル
との回転速度を一致させるという上述の特許出願に開示
した方法では、終点の検出が困難であることが、経験的
に見いだされた。
との回転速度を一致させるという上述の特許出願に開示
した方法では、終点の検出が困難であることが、経験的
に見いだされた。
【００１２】この困難に対して、本発明では、研磨を２
つの段階に分離する。すなわち、第１段階では、終点の
検出が容易であるように、ウエハ・キャリアの回転速度
と研磨テーブルの回転速度との間に所定の差を保ち、モ
ータへの電流をモニタしながらＣＭＰを行う。終点が検
出された後で、第２の段階として、若干の追加的な研磨
を、今回は、次のフォトリソグラフィ・プロセスにおけ
るフォトマスクのアライメント精度を維持するように、
ウエハ・キャリアの回転速度と研磨テーブルの回転速度
とを同期させて、実行する。この二段階式の研磨によ
り、終点検出の困難という問題が解消される。
つの段階に分離する。すなわち、第１段階では、終点の
検出が容易であるように、ウエハ・キャリアの回転速度
と研磨テーブルの回転速度との間に所定の差を保ち、モ
ータへの電流をモニタしながらＣＭＰを行う。終点が検
出された後で、第２の段階として、若干の追加的な研磨
を、今回は、次のフォトリソグラフィ・プロセスにおけ
るフォトマスクのアライメント精度を維持するように、
ウエハ・キャリアの回転速度と研磨テーブルの回転速度
とを同期させて、実行する。この二段階式の研磨によ
り、終点検出の困難という問題が解消される。
【００１３】
【発明の実施の形態】次に、本発明によるＣＭＰの実際
について、添付した図面を参照して、詳細に説明する。
ここでは、タングステンＣＭＰ（Ｗ−ＣＭＰ）の場合に
生じる現象を通じて説明を行うが、本発明のＣＭＰは、
物質としてタングステンに限定されるわけではない。
について、添付した図面を参照して、詳細に説明する。
ここでは、タングステンＣＭＰ（Ｗ−ＣＭＰ）の場合に
生じる現象を通じて説明を行うが、本発明のＣＭＰは、
物質としてタングステンに限定されるわけではない。
【００１４】図１を参照すると、ＣＭＰプロセスのため
の装置的な構成が示されている。表面に研磨パッド１１
が設けられた研磨テーブル１２に対して、ウエハ・キャ
リア１３は、真空チャック（図示せず）などを用いて固
定したウエハ１４を押しつけて保持し、研磨ケーブル１
２とウエハ・キャリア１３とを共に回転させ、研磨を行
う。ウエハ１３と研磨パッド１１との接触面には、所定
の化学的性質を有する研磨剤（スラリ）が与えられてい
る。更には、ウエハ・キャリア１３を回転させるモータ
１５と、そのための電源１６とが設けられ、モータ１５
と電源１６との間には、電流計１７が配置されている。
電流計１７は、モータ１５に期待される設定回転速度を
維持するのに必要な電力をモニタするように機能する。
モータの消費電力は、モータにかかる負荷と比例するか
ら、このモニタリングによって、ウエハ１４と研磨パッ
ド１１との間の摩擦の大きさの変化を検出でき、従っ
て、所望の研磨が終了したことを示す終点検出（end po
int detection = EDP）を行うことができる。モータを
流れる電流をモニタすることによってＣＭＰによる研磨
の終点検出を行う例としては、例えば、1994年5月3日に
特許登録された「化学的機械的研磨法のための終点検出
装置及び方法」（Endpoint Detection Apparatus and M
ethod for Chmical/Mechanical Polishing）と題するCo
te他への米国特許第5,308,438号に開示されている。
の装置的な構成が示されている。表面に研磨パッド１１
が設けられた研磨テーブル１２に対して、ウエハ・キャ
リア１３は、真空チャック（図示せず）などを用いて固
定したウエハ１４を押しつけて保持し、研磨ケーブル１
２とウエハ・キャリア１３とを共に回転させ、研磨を行
う。ウエハ１３と研磨パッド１１との接触面には、所定
の化学的性質を有する研磨剤（スラリ）が与えられてい
る。更には、ウエハ・キャリア１３を回転させるモータ
１５と、そのための電源１６とが設けられ、モータ１５
と電源１６との間には、電流計１７が配置されている。
電流計１７は、モータ１５に期待される設定回転速度を
維持するのに必要な電力をモニタするように機能する。
モータの消費電力は、モータにかかる負荷と比例するか
ら、このモニタリングによって、ウエハ１４と研磨パッ
ド１１との間の摩擦の大きさの変化を検出でき、従っ
て、所望の研磨が終了したことを示す終点検出（end po
int detection = EDP）を行うことができる。モータを
流れる電流をモニタすることによってＣＭＰによる研磨
の終点検出を行う例としては、例えば、1994年5月3日に
特許登録された「化学的機械的研磨法のための終点検出
装置及び方法」（Endpoint Detection Apparatus and M
ethod for Chmical/Mechanical Polishing）と題するCo
te他への米国特許第5,308,438号に開示されている。
【００１５】図２は、研磨テーブル１２とウエハ・キャ
リア１３との幾何学的な関係を示している。ウエハ・キ
ャリア１３は、研磨テーブル１２の中心Ｏからずれた位
置に配置されている。ウエハ・キャリア１３上の任意の
点Ｐの幾何学的位置を記述するために、中心Ｃを原点と
したｘｙ座標軸を考える。ＯＣの距離はＲ、ＣＰの距離
はｒとする。研磨テーブル１２は、反時計回りに角速度
ωで回転し、ウエハ・キャリア１３も、反時計回りに角
速度φで回転する。
リア１３との幾何学的な関係を示している。ウエハ・キ
ャリア１３は、研磨テーブル１２の中心Ｏからずれた位
置に配置されている。ウエハ・キャリア１３上の任意の
点Ｐの幾何学的位置を記述するために、中心Ｃを原点と
したｘｙ座標軸を考える。ＯＣの距離はＲ、ＣＰの距離
はｒとする。研磨テーブル１２は、反時計回りに角速度
ωで回転し、ウエハ・キャリア１３も、反時計回りに角
速度φで回転する。
【００１６】図３は、研磨されるウエハの断面図を表し
ている。半導体ウエハの基板上に第１の層が積層され、
コンタクト・ホールや、ステッパ（図示せず）によるフ
ォト・マスク転写の際に使用するアライメント・マーク
などが形成され、更にその上に第２の層が積層されてい
る。本発明によるＣＭＰでは、第２の層を研磨してい
き、図１の電流計１７による摩擦変化のモニタリングに
おいて終点が検出されるまで、すなわち、実質的に、第
１の層の頂部のレベル（点線の部分）に到達するまで、
第２の層を除去する。
ている。半導体ウエハの基板上に第１の層が積層され、
コンタクト・ホールや、ステッパ（図示せず）によるフ
ォト・マスク転写の際に使用するアライメント・マーク
などが形成され、更にその上に第２の層が積層されてい
る。本発明によるＣＭＰでは、第２の層を研磨してい
き、図１の電流計１７による摩擦変化のモニタリングに
おいて終点が検出されるまで、すなわち、実質的に、第
１の層の頂部のレベル（点線の部分）に到達するまで、
第２の層を除去する。
【００１７】図４には、ウエハ上の各箇所におけるアラ
イメント・シフトの方向と大きさとが、矢線ベクトルを
用いて模式的に表されている。Ｗ−ＣＭＰを、タングス
テンのエッチ・バック・プロセスと比較すると、フォト
・マスクの転写プロセスにおいて、大きなパターン・シ
フトが見られる。
イメント・シフトの方向と大きさとが、矢線ベクトルを
用いて模式的に表されている。Ｗ−ＣＭＰを、タングス
テンのエッチ・バック・プロセスと比較すると、フォト
・マスクの転写プロセスにおいて、大きなパターン・シ
フトが見られる。
【００１８】回転速度は、ウエハ１４が研磨パッド１１
に接触する圧力や、接触面の温度などと並ぶ重要な物理
的パラメータであるから、ウエハ・キャリア１３の回転
速度φと研磨テーブル１２の回転速度ωとの相互関係
が、ＣＭＰの研磨面に何らかの力学的な効果を及ぼし、
従って、ＣＭＰ終了後のウエハ上でのアライメント・シ
フトの発生にも影響するであろうことは、容易に予想で
きる。本発明の発明者たちは、この回転速度間の相互関
係に着目し、ウエハ・キャリア１３の回転速度φと研磨
テーブル１２の回転速度ωとを様々な組合せに設定し
て、それぞれの場合に生じるパターン・シフトの大きさ
を測定した。実験の結果は、図５においてグラフ化され
ているが、このグラフは、両回転速度が等しいφ＝ωの
場合にパターン・シフトが最小になることを示してい
る。
に接触する圧力や、接触面の温度などと並ぶ重要な物理
的パラメータであるから、ウエハ・キャリア１３の回転
速度φと研磨テーブル１２の回転速度ωとの相互関係
が、ＣＭＰの研磨面に何らかの力学的な効果を及ぼし、
従って、ＣＭＰ終了後のウエハ上でのアライメント・シ
フトの発生にも影響するであろうことは、容易に予想で
きる。本発明の発明者たちは、この回転速度間の相互関
係に着目し、ウエハ・キャリア１３の回転速度φと研磨
テーブル１２の回転速度ωとを様々な組合せに設定し
て、それぞれの場合に生じるパターン・シフトの大きさ
を測定した。実験の結果は、図５においてグラフ化され
ているが、このグラフは、両回転速度が等しいφ＝ωの
場合にパターン・シフトが最小になることを示してい
る。
【００１９】経験的には、フォトリソグラフィ・プロセ
スにおけるパターン・シフトを最小にするという観点か
らは、φ＝ωという関係が最適制御条件であることがこ
の実験によって得られたが、次に、図２に関する説明で
与えた記号を用いて、回転速度の相互関係とパターン・
シフトとの関係を、理論的に考察する。
スにおけるパターン・シフトを最小にするという観点か
らは、φ＝ωという関係が最適制御条件であることがこ
の実験によって得られたが、次に、図２に関する説明で
与えた記号を用いて、回転速度の相互関係とパターン・
シフトとの関係を、理論的に考察する。
【００２０】図２に示されているウエハ・キャリア１３
の中心を原点とするｘｙ座標系を用いると、ウエハ・キ
ャリア１３上の点Ｐの相対速度Ｖのｘ座標成分Ｖxとｙ
座標成分Ｖyとは、次のように定式化できる。なお、ｔ
は、経過時間である。
の中心を原点とするｘｙ座標系を用いると、ウエハ・キ
ャリア１３上の点Ｐの相対速度Ｖのｘ座標成分Ｖxとｙ
座標成分Ｖyとは、次のように定式化できる。なお、ｔ
は、経過時間である。
【数１】Ｖx＝−ωＲｓｉｎ（φｔ）
【数２】Ｖy＝ｒ（φ−ω）−ωＲｃｏｓ（φｔ）
【００２１】数式１からわかるように、Ｖのｘ成分Ｖx
は、パラメータｒを含まない。従って、Ｖxは、点Ｐの
ウエハ・キャリア１３の中心Ｃからの距離と独立であ
る、すなわち、ウエハ・キャリア１３における点Ｐの位
置と独立である。Ｖyは、パラメータｒを含むが、（φ
−ω）＝０、すなわち、回転速度が等しい場合には、ｒ
をふくむ項はキャンセルされ、Ｖxと同様に、点Ｐのウ
エハ・キャリア１３の中心Ｃからの距離と独立、すなわ
ち、ウエハ・キャリア１３における点Ｐの位置と独立と
なる。この場合には、数式２は次のようになる。
は、パラメータｒを含まない。従って、Ｖxは、点Ｐの
ウエハ・キャリア１３の中心Ｃからの距離と独立であ
る、すなわち、ウエハ・キャリア１３における点Ｐの位
置と独立である。Ｖyは、パラメータｒを含むが、（φ
−ω）＝０、すなわち、回転速度が等しい場合には、ｒ
をふくむ項はキャンセルされ、Ｖxと同様に、点Ｐのウ
エハ・キャリア１３の中心Ｃからの距離と独立、すなわ
ち、ウエハ・キャリア１３における点Ｐの位置と独立と
なる。この場合には、数式２は次のようになる。
【数３】Ｖy＝−ωＲｃｏｓ（φｔ）
【００２２】従って、ウエハ・キャリア１３上の任意の
点であるＰの相対速度Ｖのｘ座標成分とｙ座標成分と
は、数式１と数式３とによって表されることになる。ベ
クトルＶ＝（Ｖx，Ｖy）の絶対値は、これらの式からω
Ｒであり、点Ｐの位置に左右されず、時間経過と共に変
化しない一定の値である。ベクトルＶの向きは、ウエハ
・キャリア１３の回転と共に変化する。ウエハ・キャリ
ア１３が１回転すると、ベクトルＶの向きも１回転す
る。その結果として、ウエハ・キャリア１３が１回転す
る間には、研磨されるべきウエハ１４上の任意の点Ｐ
が、絶対値が一定である同一の相対速度Ｖを有すること
になる。これを研磨に即して解釈すると、それぞれの回
転速度が等しい場合には、ウエハ１４の表面上のすべて
の点は、ウエハ内の位置とは無関係に、均一性及び一様
性が維持されながら研磨がなされることがわかる。以上
の理論的な考察は、既に述べた経験的な実験結果と一致
する。
点であるＰの相対速度Ｖのｘ座標成分とｙ座標成分と
は、数式１と数式３とによって表されることになる。ベ
クトルＶ＝（Ｖx，Ｖy）の絶対値は、これらの式からω
Ｒであり、点Ｐの位置に左右されず、時間経過と共に変
化しない一定の値である。ベクトルＶの向きは、ウエハ
・キャリア１３の回転と共に変化する。ウエハ・キャリ
ア１３が１回転すると、ベクトルＶの向きも１回転す
る。その結果として、ウエハ・キャリア１３が１回転す
る間には、研磨されるべきウエハ１４上の任意の点Ｐ
が、絶対値が一定である同一の相対速度Ｖを有すること
になる。これを研磨に即して解釈すると、それぞれの回
転速度が等しい場合には、ウエハ１４の表面上のすべて
の点は、ウエハ内の位置とは無関係に、均一性及び一様
性が維持されながら研磨がなされることがわかる。以上
の理論的な考察は、既に述べた経験的な実験結果と一致
する。
【００２３】次に、数式１から３を用いて得られたもの
と同様の理論的結論を、別個の幾何学的な考察から導く
ことにする。図６は、研磨テーブル１２上にウエハ１４
がある様子を示している。ウエハ１４の上には複数の点
が想定され、それぞれの点における相対速度のｘ成分と
ｙ成分とが示されている。図２の場合と同様に、ｘｙ座
標は、ウエハ上に固定されているものとする。また、ウ
エハ１４とテーブル１２とは、同じ方向に回転するもの
とする。この条件で、ウエハ１４の回転速度が研磨テー
ブル１２の回転速度と等しい場合（Ｘでプロットされて
いる）と、ウエハ１４の回転速度が研磨テーブル１２の
回転速度と等しくない場合（Δでプロットされている）
との２通りを考察する。
と同様の理論的結論を、別個の幾何学的な考察から導く
ことにする。図６は、研磨テーブル１２上にウエハ１４
がある様子を示している。ウエハ１４の上には複数の点
が想定され、それぞれの点における相対速度のｘ成分と
ｙ成分とが示されている。図２の場合と同様に、ｘｙ座
標は、ウエハ上に固定されているものとする。また、ウ
エハ１４とテーブル１２とは、同じ方向に回転するもの
とする。この条件で、ウエハ１４の回転速度が研磨テー
ブル１２の回転速度と等しい場合（Ｘでプロットされて
いる）と、ウエハ１４の回転速度が研磨テーブル１２の
回転速度と等しくない場合（Δでプロットされている）
との２通りを考察する。
【００２４】図７は、研磨テーブルの原点からエッジ方
向への距離を横軸にとり、研磨テーブル１２とウエハ１
４とのそれぞれの速度を示している。
向への距離を横軸にとり、研磨テーブル１２とウエハ１
４とのそれぞれの速度を示している。
【００２５】図８では、１段目に、時間の経過に対する
研磨テーブル１２上の点の速度ベクトルＶの変化を表し
ている。２段目と３段目には、やはり時間の経過に伴う
ＶxtとＶytとの変化をプロットしてある。ただし、時間
の経過は、０度から３６０度までの角度の変化として横
軸の単位に設定されている。ｔはテーブルの意味であ
る。それに対して、図９では、１段目に、時間の経過に
対するウエハ１４上の点の速度ベクトルＶの変化を表し
ている。２段目と３段目には、やはり時間の経過に伴う
ＶxwとＶywとの変化をプロットしてある。ここで、ｗ
は、ウエハの意味である。
研磨テーブル１２上の点の速度ベクトルＶの変化を表し
ている。２段目と３段目には、やはり時間の経過に伴う
ＶxtとＶytとの変化をプロットしてある。ただし、時間
の経過は、０度から３６０度までの角度の変化として横
軸の単位に設定されている。ｔはテーブルの意味であ
る。それに対して、図９では、１段目に、時間の経過に
対するウエハ１４上の点の速度ベクトルＶの変化を表し
ている。２段目と３段目には、やはり時間の経過に伴う
ＶxwとＶywとの変化をプロットしてある。ここで、ｗ
は、ウエハの意味である。
【００２６】図１０は、図８と図９とを各プロットした
点ごとに合成したものであり、テーブル１２とウエハ１
４との相対速度を示している。すなわち、図１０の上段
では、ウエハ１４上の点の相対速度Ｖのｘ座標成分であ
るＶxtotal＝Ｖxt−Ｖxwが、ウエハ１４の回転速度が研
磨テーブル１２の回転速度と等しい場合（Ｘでプロッ
ト）と、ウエハ１４の回転速度が研磨テーブル１２の回
転速度と等しくない場合（Δでプロット）との２通りが
示されている。下段には、ウエハ１４の回転速度が研磨
テーブル１２の回転速度と等しい場合のＶytotal＝Ｖyt
が、示されている。
点ごとに合成したものであり、テーブル１２とウエハ１
４との相対速度を示している。すなわち、図１０の上段
では、ウエハ１４上の点の相対速度Ｖのｘ座標成分であ
るＶxtotal＝Ｖxt−Ｖxwが、ウエハ１４の回転速度が研
磨テーブル１２の回転速度と等しい場合（Ｘでプロッ
ト）と、ウエハ１４の回転速度が研磨テーブル１２の回
転速度と等しくない場合（Δでプロット）との２通りが
示されている。下段には、ウエハ１４の回転速度が研磨
テーブル１２の回転速度と等しい場合のＶytotal＝Ｖyt
が、示されている。
【００２７】研磨テーブル１２とウエハ１４とのそれぞ
れの回転速度が等しい場合（図１０の上段のＸでプロッ
トされているグラフの場合）は、その点における相対速
度は、ウエハ１４が３６０度回転することに伴って、０
度から１８０度で正から負となり、１８０度から３６０
度で同様の形状を保ちながら再び正に戻っている。幾何
学的にも容易に理解できることであるが、このＸでプロ
ットされた曲線と横軸とに囲まれる部分の面積は、正負
を込めて０度から３６０度まで積分すれば、ゼロであ
る。Δでプロットされた曲線の場合、すなわち、研磨テ
ーブル１２とウエハ１４との回転速度の異なる場合に
は、やや下方にシフトしており、面積がゼロにならな
い。図１０の下段には、Ｘでのプロットの場合だけが示
されているが、同様のことがいえる。
れの回転速度が等しい場合（図１０の上段のＸでプロッ
トされているグラフの場合）は、その点における相対速
度は、ウエハ１４が３６０度回転することに伴って、０
度から１８０度で正から負となり、１８０度から３６０
度で同様の形状を保ちながら再び正に戻っている。幾何
学的にも容易に理解できることであるが、このＸでプロ
ットされた曲線と横軸とに囲まれる部分の面積は、正負
を込めて０度から３６０度まで積分すれば、ゼロであ
る。Δでプロットされた曲線の場合、すなわち、研磨テ
ーブル１２とウエハ１４との回転速度の異なる場合に
は、やや下方にシフトしており、面積がゼロにならな
い。図１０の下段には、Ｘでのプロットの場合だけが示
されているが、同様のことがいえる。
【００２８】この幾何学的な現象を、ウエハ１４上の各
点における研磨の状態に即して考察すると、研磨テーブ
ル１２とウエハ１４とのそれぞれの回転速度が同一の場
合、すなわち、Ｘの曲線の場合には、ウエハ１４の表面
上のすべての点は、ウエハ１４が１回転する間に、３６
０度すべての方向に関しての研磨パッド１１との摩擦が
均衡することがわかる。換言すれば、ウエハ１４上の各
点が受ける摩擦力は、それぞれの時点での微小量を、方
向を込めて（つまり、ベクトルとして）１回転に亘って
積分すれば、各方向が打ち消し合い、ゼロとなる。従っ
て、ウエハ上の点は、ウエハ内の位置とは無関係に、均
一性及び一様性が維持されながら研磨がなされ、パター
ン・シフトが少なくとも理論的には生じないことがわか
る。以上の幾何学的な考察は、やはり、既に述べた経験
的な実験結果と一致する。
点における研磨の状態に即して考察すると、研磨テーブ
ル１２とウエハ１４とのそれぞれの回転速度が同一の場
合、すなわち、Ｘの曲線の場合には、ウエハ１４の表面
上のすべての点は、ウエハ１４が１回転する間に、３６
０度すべての方向に関しての研磨パッド１１との摩擦が
均衡することがわかる。換言すれば、ウエハ１４上の各
点が受ける摩擦力は、それぞれの時点での微小量を、方
向を込めて（つまり、ベクトルとして）１回転に亘って
積分すれば、各方向が打ち消し合い、ゼロとなる。従っ
て、ウエハ上の点は、ウエハ内の位置とは無関係に、均
一性及び一様性が維持されながら研磨がなされ、パター
ン・シフトが少なくとも理論的には生じないことがわか
る。以上の幾何学的な考察は、やはり、既に述べた経験
的な実験結果と一致する。
【００２９】しかし、上述のように、ウエハ・キャリア
と研磨テーブルとの回転速度を一致させるという方法で
は、研磨の終点検出が困難であることを、本発明の発明
者は、経験的に見いだした。
と研磨テーブルとの回転速度を一致させるという方法で
は、研磨の終点検出が困難であることを、本発明の発明
者は、経験的に見いだした。
【００３０】再び図１を参照すると、電源１６とモータ
１５との間に電流計Ａが接続され、電流計Ａに、終点検
出（ＥＤＰ）システムが付随している。モータ１５は、
その回転速度が一定となるように制御されている。従っ
て、研磨パッド１１とウエハ１４との間の研磨面におけ
る摩擦力の変化は、この電流形Ａが検出する電流の変化
によって、検出できる。例えば、積層されているタング
ステンと研磨パッドとの間の摩擦力と、タングステンの
下側にある酸化物と研磨パッドとの摩擦力との差が、電
流の変化を介して、検出される。研磨テーブル１２の回
転速度とウエハ・キャリア１４の回転速度との様々な組
合せを設定し、それぞれの組合せにおけるモータ電流を
観察すると、電流計Ａが検出する電流変化は、両者の回
転速度が同じ時に、最小になることがわかった。図１１
は、この結果を示している。図１１によれば、研磨テー
ブル１２の回転速度とウエハ・キャリア１４の回転速度
とが等しいときに、摩擦力の変化は最小になり、終点検
出のための信号である電流の変化は、曖昧になる。従っ
て、終点検出の観点からは、研磨テーブル１２の回転速
度とウエハ・キャリア１４の回転速度とが等しい場合
は、検出が最も困難な最悪の場合である。換言すれば、
フォトマスクのアライメント・シフトを最小化すること
と、終点検出を容易にすることとは、トレードオフの関
係にあり、両者を同時に最適化することはできない。
１５との間に電流計Ａが接続され、電流計Ａに、終点検
出（ＥＤＰ）システムが付随している。モータ１５は、
その回転速度が一定となるように制御されている。従っ
て、研磨パッド１１とウエハ１４との間の研磨面におけ
る摩擦力の変化は、この電流形Ａが検出する電流の変化
によって、検出できる。例えば、積層されているタング
ステンと研磨パッドとの間の摩擦力と、タングステンの
下側にある酸化物と研磨パッドとの摩擦力との差が、電
流の変化を介して、検出される。研磨テーブル１２の回
転速度とウエハ・キャリア１４の回転速度との様々な組
合せを設定し、それぞれの組合せにおけるモータ電流を
観察すると、電流計Ａが検出する電流変化は、両者の回
転速度が同じ時に、最小になることがわかった。図１１
は、この結果を示している。図１１によれば、研磨テー
ブル１２の回転速度とウエハ・キャリア１４の回転速度
とが等しいときに、摩擦力の変化は最小になり、終点検
出のための信号である電流の変化は、曖昧になる。従っ
て、終点検出の観点からは、研磨テーブル１２の回転速
度とウエハ・キャリア１４の回転速度とが等しい場合
は、検出が最も困難な最悪の場合である。換言すれば、
フォトマスクのアライメント・シフトを最小化すること
と、終点検出を容易にすることとは、トレードオフの関
係にあり、両者を同時に最適化することはできない。
【００３１】この困難に対して、本発明では、研磨を２
つの段階に分離する。すなわち、第１段階では、終点の
検出が容易であるように、研磨パッドの回転速度と研磨
テーブルの回転速度との間に所定の差を保ち、モータへ
の電流をモニタしながら研磨を行う。いったん終点が検
出されると、第２の段階として、若干の追加的な研磨
（over-polish）を、今回は、次のフォトリソグラフィ
・プロセスにおけるフォトマスクのアライメント精度を
維持する目的で、研磨パッドの回転速度と研磨テーブル
の回転速度とを同期させて、実行する。このように、Ｃ
ＭＰ全体のプロセスを、異なる目的を有しており同時に
はそれらの目的を最適に達成できない２つの段階に時間
的に分離してしまうことにより、全体としては最適なＣ
ＭＰを実行することが初めて可能になる。
つの段階に分離する。すなわち、第１段階では、終点の
検出が容易であるように、研磨パッドの回転速度と研磨
テーブルの回転速度との間に所定の差を保ち、モータへ
の電流をモニタしながら研磨を行う。いったん終点が検
出されると、第２の段階として、若干の追加的な研磨
（over-polish）を、今回は、次のフォトリソグラフィ
・プロセスにおけるフォトマスクのアライメント精度を
維持する目的で、研磨パッドの回転速度と研磨テーブル
の回転速度とを同期させて、実行する。このように、Ｃ
ＭＰ全体のプロセスを、異なる目的を有しており同時に
はそれらの目的を最適に達成できない２つの段階に時間
的に分離してしまうことにより、全体としては最適なＣ
ＭＰを実行することが初めて可能になる。
【００３２】本発明の好適な実施例に関する以上の記載
は、例示と説明との目的でなされたものであって、ここ
に開示した特定の装置構成そのものに本発明を限定する
ことは意図していない。当業者であれば、種々の修正や
改変を容易に行うことができるはずである。本発明の技
術的範囲は、冒頭の特許請求の範囲とその均等の範囲と
によってのみ画定されるものとする。
は、例示と説明との目的でなされたものであって、ここ
に開示した特定の装置構成そのものに本発明を限定する
ことは意図していない。当業者であれば、種々の修正や
改変を容易に行うことができるはずである。本発明の技
術的範囲は、冒頭の特許請求の範囲とその均等の範囲と
によってのみ画定されるものとする。
【図１】本発明によるＣＭＰプロセスを実行するための
装置の構成が示されている。
装置の構成が示されている。
【図２】研磨テーブルとウエハ・キャリアとの幾何学的
関係と、各パラメータを示している。
関係と、各パラメータを示している。
【図３】研磨される半導体ウエハの断面図である。
【図４】ＣＭＰ後に生じるパターン・シフトを示してい
る。
る。
【図５】ウエハ・キャリアと研磨テーブルとのそれぞれ
の回転速度の種々な組合せの場合のパターン・シフトを
示すグラフである。
の回転速度の種々な組合せの場合のパターン・シフトを
示すグラフである。
【図６】図６は、研磨テーブルとウエハとの幾何学的関
係示している。
係示している。
【図７】研磨テーブルの原点からエッジ方向への距離を
横軸にとり、研磨テーブル１２とウエハ１４とのそれぞ
れの速度を示したグラフである。
横軸にとり、研磨テーブル１２とウエハ１４とのそれぞ
れの速度を示したグラフである。
【図８】１段目は、時間の経過に対する研磨テーブル１
２上の点の速度ベクトルＶの変化を表したグラフであ
る。２段目と３段目とは、やはり時間の経過に伴うＶxt
とＶytとの変化をプロットしたグラフである。
２上の点の速度ベクトルＶの変化を表したグラフであ
る。２段目と３段目とは、やはり時間の経過に伴うＶxt
とＶytとの変化をプロットしたグラフである。
【図９】１段目は、時間の経過に対するウエハ１４上の
点の速度ベクトルＶの変化を表したグラフである。２段
目と３段目とは、やはり時間の経過に伴うＶxwとＶywと
の変化をプロットしたグラフである。
点の速度ベクトルＶの変化を表したグラフである。２段
目と３段目とは、やはり時間の経過に伴うＶxwとＶywと
の変化をプロットしたグラフである。
【図１０】図８と図９とを各プロットした点ごとに合成
したグラフであり、研磨テーブルとウエハとの相対速度
を示している。
したグラフであり、研磨テーブルとウエハとの相対速度
を示している。
【図１１】ウエハ・キャリアと研磨テーブルとのそれぞ
れの回転速度の種々な組合せの場合に、電流計が検出す
る電流変化を示すグラフである。
れの回転速度の種々な組合せの場合に、電流計が検出す
る電流変化を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木下 修 茨城県つくば市北原10番地 株式会社エル エスアイロジック ジャパン セミコンダ クター内 (72)発明者 室橋 徹晶 茨城県つくば市北原10番地 株式会社エル エスアイロジック ジャパン セミコンダ クター内 (72)発明者 上野 昭久 茨城県つくば市北原10番地 株式会社エル エスアイロジック ジャパン セミコンダ クター内 (72)発明者 佐久間 悦文 茨城県つくば市北原10番地 株式会社エル エスアイロジック ジャパン セミコンダ クター内 (72)発明者 コスタス・アンベリアディス 茨城県つくば市北原10番地 株式会社エル エスアイロジック ジャパン セミコンダ クター内
Claims (4)
- 【請求項１】 研磨面に研磨パッドが設けられた研磨テ
ーブルに対して、固定されたウエハをウエハ・キャリア
によって押しつけて保持し、前記研磨パッドと前記ウエ
ハとの接触面には所定の化学的性質を有する研磨剤を与
え、前記研磨ケーブルと前記ウエハ・キャリアとを共に
回転させて実行する半導体ウエハの化学的機械的研磨
（ＣＭＰ）方法において、 （ａ）前記研磨テーブルの回転速度と前記ウエハ・キャ
リアの回転速度との間に所定の差を維持しながら、研磨
の終点が検出されるまで、研磨を行うステップと、 （ｂ）前記研磨テーブルの回転速度と前記ウエハ・キャ
リアの回転速度とを実質的に同一に維持しながら一定時
間の追加的な研磨を行うステップと、 を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項２】 請求項１記載の方法において、前記ステ
ップ（ａ）における終点の検出は、前記ウエハ・キャリ
アを回転させるモータを流れる電流の変化を介して、前
記ウエハ・キャリアと前記研磨テーブルとの間の摩擦力
の変化を検出して行うことを特徴とする方法。 - 【請求項３】 研磨面に研磨パッドが設けられた研磨テ
ーブルと、固定されたウエハを前記研磨テーブルに押し
つけて保持するウエハ・キャリアと、前記研磨パッドと
前記ウエハとの接触面に与えられ所定の化学的性質を有
する研磨剤と、から構成される半導体ウエハの化学的機
械的研磨装置において、 （ａ）前記研磨テーブルの回転速度と前記ウエハ・キャ
リアの回転速度との間に所定の差を維持しながら、研磨
の終点が検出されるまで、研磨を行うように制御する手
段と、 （ｂ）前記研磨テーブルの回転速度と前記ウエハ・キャ
リアの回転速度とを実質的に同一に維持して一定時間の
追加的な研磨を行うように制御する手段と、 を備えることを特徴とする装置。 - 【請求項４】 請求項３記載の装置において、前記終点
の検出は、前記ウエハ・キャリアを回転させるモータを
流れる電流の変化を介して、前記ウエハ・キャリアと前
記研磨テーブルとの間の摩擦力の変化を検出して行うこ
とを特徴とする装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24082997A JPH1187286A (ja) | 1997-09-05 | 1997-09-05 | 半導体ウエハの二段階式化学的機械的研磨方法及び装置 |
| US09/148,028 US6340434B1 (en) | 1997-09-05 | 1998-09-03 | Method and apparatus for chemical-mechanical polishing |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24082997A JPH1187286A (ja) | 1997-09-05 | 1997-09-05 | 半導体ウエハの二段階式化学的機械的研磨方法及び装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1187286A true JPH1187286A (ja) | 1999-03-30 |
Family
ID=17065320
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24082997A Pending JPH1187286A (ja) | 1997-09-05 | 1997-09-05 | 半導体ウエハの二段階式化学的機械的研磨方法及び装置 |
Country Status (2)
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|---|---|
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