TW202201513A - 研磨方法、研磨裝置、及記錄有程式之電腦可讀取記錄媒體 - Google Patents

研磨方法、研磨裝置、及記錄有程式之電腦可讀取記錄媒體 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種研磨晶圓等之基板的研磨方法及研磨裝置。此外，本發明係關於一種記錄有用於使研磨裝置執行研磨方法之程式的電腦可讀取記錄媒體。本方法係使研磨台（3）旋轉，並將基板（W）按壓於研磨面（2a）來研磨基板（W）。研磨基板（W）之工序包含：膜厚輪廓調整工序、及研磨終點檢測工序。膜厚輪廓調整工序包含依據複數個膜厚調整基板（W）對研磨面（2a）之按壓力，決定從複數個膜厚中之至少1個而決定的膜厚指標值達到膜厚臨限值之時間點的工序。研磨終點檢測工序包含量測用於使研磨台（3）旋轉之轉矩，依據轉矩決定研磨終點之工序。

Description

研磨方法、研磨裝置、及記錄有程式之電腦可讀取記錄媒體
本發明係關於一種研磨晶圓等之基板的研磨方法及研磨裝置。此外，本發明係關於一種記錄有用於使研磨裝置執行研磨方法之程式的電腦可讀取記錄媒體。
近年來，隨著半導體元件之高積體化、高密度化，電路之配線愈來愈微細化，多層配線之層數亦增加。為了謀求電路之微細化並實現多層配線，由於係沿襲下側層之表面凹凸而且階差變得更大，因此，隨著配線層數增加，膜被覆性（階躍式覆蓋率：step coverage）對形成薄膜時之階差形狀變差。因此，為了進行多層配線，須改善其階躍式覆蓋率，並以適當過程進行平坦化處理。
因此，在半導體元件之製造工序中，半導體元件表面之平坦化愈來愈重要。該表面之平坦化中最重要的技術係化學機械研磨（CMP：Chemical Mechanical Polishing）。該化學機械研磨（以下，稱CMP）係將含有二氧化矽（SiO2 ）等之研磨粒的研磨液供給至研磨墊之研磨面上，同時使晶圓等之基板滑動接觸於研磨面來進行研磨者。
用於進行CMP之研磨裝置具備：支撐具有研磨面之研磨墊的研磨台；及用於保持基板之研磨頭。此種研磨裝置係以使研磨台與研磨頭相對運動，再者，一邊將漿液(slurry)等之研磨液供給至研磨墊的研磨面上，一邊藉由研磨頭將基板按壓於研磨墊之研磨面的方式構成。基板之表面在研磨液存在下與研磨面滑動接觸，藉由研磨液之化學性作用、及研磨液中所含之研磨粒的機械性作用，將基板之表面研磨成平坦且鏡面。
晶圓等之基板具有由半導體、導體、絕緣體等不同材質而構成的積層構造。作用於基板與研磨墊之間的摩擦力依基板之被研磨面的材質而變化。因此，過去以來，研磨終點之決定方法為檢測藉由基板之被研磨面的材質轉變為不同材質而產生之摩擦力的變化，並依據摩擦力變化之時間點來決定研磨終點的方法。上述摩擦力因為作用於從研磨台之旋轉中心（軸心）離開的位置，所以摩擦力之變化可作為用於使研磨台旋轉之轉矩的變化來檢測。使研磨台旋轉驅動之機構係電動馬達情況下，上述轉矩可作為流入電動馬達之電流來量測。 (先前技術文獻) (專利文獻)
[專利文獻1]日本特開2013－219248號公報 [專利文獻2]日本特開2005－11977號公報 [專利文獻3]日本特開2014－3063號公報
（發明所欲解決之問題）
但是，構成基板之被研磨面的膜厚度不均勻時，作用於基板與研磨墊之間的摩擦力之變化，未能作為上述轉矩的變化而顯著呈現，因而無法正確決定研磨終點。
因此，本發明之目的為提供一種可正確決定基板之研磨終點的研磨方法、研磨裝置、及記錄有用於使研磨裝置執行此種研磨方法之程式的電腦可讀取記錄媒體。 （解決問題之手段）
一個樣態係提供一種研磨方法，係使支撐研磨墊之研磨台旋轉，藉由研磨頭將具有積層構造的基板按壓於前述研磨墊之研磨面來研磨前述基板，該積層構造具備絕緣膜與形成於前述絕緣膜之下層的阻擋（Stopper）層，研磨前述基板之工序包含：膜厚輪廓調整工序；及在前述膜厚輪廓調整工序之後進行的研磨終點檢測工序；前述膜厚輪廓調整工序包含在前述基板上之複數個量測點量測複數個膜厚，依據前述複數個膜厚調整前述基板對前述研磨面之按壓力，來決定從前述複數個膜厚中之至少1個決定的膜厚指標值達到膜厚臨限值之時間點的工序；前述研磨終點檢測工序包含量測用於使前述研磨台旋轉之轉矩，並依據前述轉矩決定前述基板之研磨終點的工序。
一個樣態係調整前述按壓力之工序，包含依據前述複數個膜厚，以前述基板之被研磨面變成平坦的方式，調整前述基板對前述研磨面之按壓力的工序。 一個樣態係量測前述複數個膜厚之工序，包含在前述基板上照射光，生成來自前述基板上之複數個量測點的反射光之複數個光譜，依據前述複數個光譜來決定前述複數個膜厚之工序。 一個樣態係研磨前述基板之工序，進一步包含在前述膜厚輪廓調整工序之前進行的初期研磨工序，前述初期研磨工序包含量測用於使前述研磨台旋轉之轉矩，並依據前述轉矩來決定初期研磨終點之工序。
一個樣態係提供一種電腦可讀取記錄媒體，其係記錄有用於使電腦執行以下步驟之程式，該步驟包含：對台馬達發出指令，使支撐研磨墊之研磨台旋轉；藉由具有與複數個壓力調整器連結之複數個壓力室的研磨頭，將基板按壓於前述研磨墊之研磨面來研磨該基板時，依據在前述基板上之複數個量測點的複數個膜厚，對前述複數個壓力調整器發出指令，使其調整前述基板對前述研磨面之按壓力；決定從前述複數個膜厚中之至少1個決定的膜厚指標值達到膜厚臨限值之時間點；及決定前述膜厚指標值達到膜厚臨限值之時間點後，依據用於使前述研磨台旋轉之轉矩來決定前述基板的研磨終點。
一個樣態係使前述複數個壓力調整器調整前述基板對前述研磨面之按壓力的前述步驟，包含依據在前述複數個量測點之複數個膜厚對前述複數個壓力調整器發出指令，以前述基板之被研磨面變成平坦的方式，使其調整前述基板對前述研磨面之按壓力的步驟。 一個樣態係前述程式在研磨前述基板時，且在使前述複數個壓力調整器調整前述基板對前述研磨面之按壓力的前述步驟之前，使電腦進一步執行依據用於使前述研磨台旋轉之轉矩，來決定初期研磨終點之步驟。
一個樣態係提供一種研磨裝置，係用於研磨具有積層構造的基板，該積層構造具備絕緣膜與形成於前述絕緣膜之下層的阻擋層，且該研磨裝置具備：研磨台，其係支撐研磨墊；台馬達，其係使前述研磨台旋轉；研磨頭，其係具有用於將前述基板按壓於前述研磨墊之研磨面的複數個壓力室；膜厚量測裝置，其係量測在前述基板上之複數個量測點的複數個膜厚；複數個壓力調整器，其係連結於前述複數個壓力室；轉矩量測裝置，其係量測用於使前述研磨台旋轉之轉矩；及動作控制部，其係控制前述研磨裝置之動作；前述動作控制部係以在前述基板研磨中，依據前述複數個膜厚對前述複數個壓力調整器發出指令，使其調整前述基板對前述研磨面之按壓力，執行決定從前述複數個膜厚中之至少1個決定的膜厚指標值達到膜厚臨限值之時間點的膜厚輪廓調整工序，並在前述基板研磨中，且在前述膜厚輪廓調整工序後，依據前述轉矩決定前述基板之研磨終點的方式構成。
一個樣態係前述動作控制部係以依據前述複數個膜厚，對前述複數個壓力調整器發出指令，以前述基板之被研磨面變成平坦的方式調整前述基板對前述研磨面之按壓力的方式構成。 一個樣態係前述膜厚量測裝置係依據來自前述基板之反射光的光譜，量測前述基板之膜厚的光學式膜厚量測裝置。 一個樣態係前述動作控制部係以在前述基板研磨中，且在前述膜厚輪廓調整工序前，依據用於使前述研磨台旋轉之轉矩來決定初期研磨終點的方式構成。 （發明之效果）
採用本發明時，研磨裝置在一邊依據基板上之複數個量測點的複數個膜厚調整基板對研磨墊之按壓力，一邊研磨基板的膜厚輪廓調整工序之後，執行依據用於使研磨台旋轉之轉矩來決定基板之研磨終點的研磨終點檢測工序。研磨裝置在調整了基板之膜厚輪廓的狀態下，可量測上述轉矩，並可正確決定基板之研磨終點。
以下，參照圖式詳係說明本發明之實施形態。 圖1係顯示研磨裝置之一種實施形態的示意圖。如圖1所示，研磨裝置具備：支撐研磨墊2之研磨台3；將具有膜之晶圓等的基板W按壓於研磨墊2之研磨頭1；使研磨台3旋轉之台馬達6；用於在研磨墊2上供給漿液等研磨液之研磨液供給噴嘴5；量測基板W之膜厚的膜厚量測裝置40（光學式膜厚量測裝置40）；量測用於使研磨台3旋轉之轉矩的轉矩量測裝置8；及用於控制研磨裝置之動作的動作控制部9。研磨墊2之上面構成研磨基板W的研磨面2a。
本實施形態之被研磨對象係具有積層構造的基板。基板W具有積層構造，該積層構造具備絕緣膜與形成於絕緣膜下層之阻擋層。本實施形態之絕緣膜係由二氧化矽（SiO2 ）所形成，阻擋層係由氮化矽（Si3 N4 ）所形成，不過，絕緣膜及阻擋層之構成不限定於本實施形態。一種實施形態係阻擋層可為由不被用於除去絕緣膜之蝕刻液除去，且被不致在絕緣膜上造成損傷之蝕刻液除去的材料而形成。
研磨頭1連結於頭軸桿10，頭軸桿10經由皮帶等連結機構而連結於無圖示之研磨頭馬達。研磨頭馬達使研磨頭1與頭軸桿10一起在箭頭指示之方向旋轉。研磨台3連結於台馬達6，台馬達6係以使研磨台3及研磨墊2在箭頭指示之方向旋轉的方式構成。研磨頭1及研磨台3之旋轉方向不限定於本實施形態。一種實施形態係研磨頭1及研磨台3亦可以在與圖1之箭頭指示的方向相反方向旋轉之方式構成。
基板W是以如下方式研磨。一 邊使研磨台3及研磨頭1在圖1之箭頭指示的方向旋轉，一邊從研磨液供給噴嘴5供給研磨液至研磨台3上之研磨墊2的研磨面2a。一邊藉由研磨頭1使基板W旋轉，一邊在研磨墊2上存在研磨液之狀態下，藉由研磨頭1將基板W按壓於研磨墊2之研磨面2a。基板W之表面是藉由研磨液之化學性作用、及研磨液中所含之研磨粒或研磨墊2的機械性作用而研磨。
動作控制部9由至少1台電腦構成。動作控制部9具備：儲存程式之記憶裝置9a；及按照程式中所含之命令執行運算的運算裝置9b。運算裝置9b包含按照儲存於記憶裝置9a之程式中所含的命令執行運算之CPU（中央處理裝置）或GPU（圖形處理單元）等。記憶裝置9a具備：運算裝置9b可存取之主記憶裝置（例如隨機存取記憶體）；與儲存資料及程式之輔助記憶裝置（例如，硬碟機或固態硬碟）。
轉矩量測裝置8連接於台馬達6。基板W研磨中，研磨台3以一定速度旋轉之方式被台馬達6驅動。因此，用於使研磨台3以一定速度旋轉所需的轉矩變化時，台馬達6之驅動電流變化。
用於使研磨台3旋轉之轉矩，係使研磨台3在其軸心CP周圍旋轉之力矩。用於使研磨台3旋轉之轉矩相當於台馬達6的驅動電流。因此，本實施形態之轉矩量測裝置8係量測台馬達6之驅動電流的電流量測器。一種實施形態係轉矩量測裝置8亦可由驅動台馬達6之馬達驅動器的至少一部分構成。此時，馬達驅動器決定用於使研磨台3以一定速度旋轉所需的電流值，並輸出該決定之電流值。決定後之電流值相當於用於使研磨台3旋轉的轉矩。一種實施形態之轉矩量測裝置8亦可係直接量測使研磨台3在其軸心CP周圍旋轉之轉矩的轉矩量測裝置。
轉矩量測裝置8連接於動作控制部9。動作控制部9依據藉由轉矩量測裝置8所量測之轉矩來控制基板W的研磨動作。例如，動作控制部9依據藉由轉矩量測裝置8所量測之轉矩來決定基板W的研磨終點。
本實施形態之膜厚量測裝置40係將光引導至基板W表面，並依據來自基板W之反射光的強度量測資料來決定基板W之膜厚的光學式膜厚量測裝置。光學式膜厚量測裝置40具備：發出光之光源44；分光器47；連結於光源44及分光器47之光學感測頭7；及連結於分光器47之處理系統49。光學感測頭7、光源44、及分光器47安裝於研磨台3，並與研磨台3及研磨墊2一起一體地旋轉。光學感測頭7之位置係在研磨台3及研磨墊2每旋轉一圈時就穿越研磨墊2上之基板W表面的位置。
處理系統49具備：儲存有用於執行後述之光譜的生成及基板W之膜厚檢測的程式之記憶裝置49a；及按照程式中所含之命令執行運算的運算裝置49b。處理系統49由至少1台電腦構成。記憶裝置49a具備：RAM等之主記憶裝置；及硬碟機（HDD）、固態硬碟（SSD）等之輔助記憶裝置。運算裝置49b之例可舉出CPU（中央處理裝置）、GPU（圖形處理單元）。不過，處理系統49的具體構成不限定於此等之例。
從光源44所發出之光傳送至光學感測頭7，並從光學感測頭7引導至基板W表面。光被基板W表面反射，來自基板W表面之反射光藉由光學感測頭7接收，並傳送至分光器47。分光器47按照波長分解反射光，量測在各波長之反射光強度。反射光之強度量測資料送至處理系統49。
處理系統49係以從反射光之強度量測資料生成反射光的光譜之方式構成。反射光之光譜作為顯示反射光之波長與強度的關係之線圖（亦即分光波形）來表示。反射光之強度亦可作為反射率或相對反射率等的相對值來表示。
圖2係顯示藉由處理系統49所生成之光譜的一例圖。光譜作為顯示光之波長與強度的關係之線圖（亦即分光波形）來表示。圖2中，橫軸表示從基板反射之光的波長，縱軸表示從反射之光的強度導出之相對反射率。所謂相對反射率，係顯示反射光之強度的指標值，且係光之強度與指定的基準強度之比。各波長中藉由光強度（實測強度）除以指定之基準強度，可從實測強度除去裝置之光學系統及光源固有之強度的變動等不需要的雜訊。
基準強度係就各波長預先量測之光的強度，相對反射率係在各波長中算出。具體而言，藉由將在各波長之光強度（實測強度）除以對應之基準強度而求出相對反射率。基準強度例如藉由直接量測從光學感測頭7發出之光的強度，或是從光學感測頭7照射光至鏡，藉由量測來自鏡之反射光的強度而獲得。或是，基準強度亦可為在將未形成膜之矽基板（裸基板）在研磨墊2上，於存在水的情況下進行水研磨時，或是將上述矽基板（裸基板）放置於研磨墊2上時，藉由分光器47所量測之來自矽基板的反射光強度。
實際研磨時，從實測強度減去黑位準（在遮蔽光之條件下獲得的背景強度）而求出修正實測強度，進一步從基準強度減去上述黑位準而求出修正基準強度，而後，藉由修正實測強度除以修正基準強度而求出相對反射率。具體而言，相對反射率R（λ）可使用下列公式（1）求出。 [數學式1]
Figure 02_image001
(1) 此處，λ係從基板反射之光的波長，E(λ)係在波長λ之強度，B(λ)係在波長λ之基準強度，D(λ)係在遮斷光之條件下所量測的波長λ之在背景強度（黑位準）。
光學感測頭7每當研磨台3旋轉一圈時，就將光導入基板W之表面（被研磨面）並接收來自基板W之反射光。反射光送至分光器47。分光器47按照波長分解反射光，並量測在各波長之反射光的強度。反射光之強度量測資料傳送至處理系統49，處理系統49從反射光之強度量測資料生成如圖2所示之光譜。再者，處理系統49從反射光之光譜決定基板W的膜厚。反射光之光譜依基板W之膜厚而變化。因此，處理系統49可從反射光之光譜決定基板W的膜厚。從反射光之光譜決定基板W的膜厚之具體方法可使用習知的技術。圖2所示之例，反射光之光譜係顯示相對反射率與反射光之波長的關係之分光波形，不過反射光之光譜亦可係顯示反射光之強度本身與反射光之波長的關係之分光波形。
處理系統49由至少1台電腦構成。前述至少1台電腦亦可係1台伺服器或複數台伺服器。處理系統49亦可係以通信線連接於分光器47之邊緣伺服器，亦可係藉由網際網路或區域網路等通信網路而連接於分光器47之雲端伺服器，或是，亦可係設置在連接於分光器47之網路中的霧計算裝置（閘道器、霧伺服器、路由器等）。
處理系統49亦可係藉由網際網路或區域網路等通信網路所連接之複數個伺服器。例如，處理系統49亦可係邊緣伺服器與雲端伺服器之組合。
處理系統49連接於動作控制部9。動作控制部9依據藉由處理系統49所決定之基板W的膜厚來控制基板W之研磨動作。例如，動作控制部9對後述之壓力調整器發出指令，依據基板W之膜厚使其調整基板W對研磨面2a之按壓力。
本實施形態之光學式膜厚量測裝置40係以量測在基板W上之複數個量測點的複數個膜厚之方式構成。本實施形態在光學感測頭7穿越基板W一次的期間，光學感測頭7對基板W上之複數個量測點放射光，並接收來自此等複數個量測點的反射光。本實施形態係僅將1個光學感測頭7設於研磨台3中，不過亦可將複數個光學感測頭7設於研磨台3中。
圖3係顯示在基板W表面（被研磨面）上之複數個量測點的一例示意圖。如圖3所示，光學感測頭7每當於穿越基板W時，就將光導入複數個量測點MP，並接收來自此等複數個量測點MP之反射光。因此，處理系統49每當於光學感測頭7穿越基板W時（亦即，每當研磨台3旋轉一圈時），就生成來自複數個量測點MP之反射光的複數個光譜，並依據複數個光譜來決定在各個量測點MP之膜厚。各量測點MP之位置係依據光之照射時間(irradiation timing)、研磨台3之旋轉速度、研磨頭1之位置、及研磨頭1的旋轉速度等來決定。
如後述，研磨頭1係構成將對研磨墊2之研磨面2a按壓基板W的基板壓緊面區分成複數個區域，各區域可獨立地調整施加於基板W之負荷。研磨頭1可依據對應於各區域之基板W的膜厚，來調整基板W對研磨面2a之按壓力。本實施形態之膜厚量測裝置40係光學式膜厚量測裝置40，不過，膜厚量測裝置40不限定於光學式膜厚量測裝置，只要可量測在基板W上之在複數個量測點之絕緣膜的複數個膜厚即可。
其次，詳係說明研磨頭1。圖4係圖1所示之研磨頭1的剖面圖。如圖4所示，研磨頭1具備：用於對研磨墊2之研磨面2a按壓基板W的彈性膜65；保持彈性膜65之頭本體21；配置於頭本體21下方之環狀的驅動環62；及固定於驅動環62下面之環狀的扣環(retainer ring)60。彈性膜65安裝於頭本體21之下部。頭本體21固定於頭軸桿10之端部，頭本體21、彈性膜65、驅動環62、及扣環60以藉由頭軸桿10之旋轉而一體地旋轉的方式構成。扣環60及驅動環62係構成可對頭本體21相對地上下移動。頭本體21藉由工程塑料（例如，聚醚醚酮（PEEK））等之樹脂而形成。
彈性膜65之下面構成對研磨墊2之研磨面2a按壓基板W的基板壓緊面65a。扣環60以包圍基板壓緊面65a之方式配置，基板W被扣環60包圍。在彈性膜65與頭本體21之間設有4個壓力室70、71、72、73。壓力室70、71、72、73藉由彈性膜65與頭本體21而形成。中央之壓力室70係圓形，其他之壓力室71、72、73係環狀。此等壓力室70、71、72、73排列於同心上。本實施形態之彈性膜65係形成4個壓力室70～73，不過上述壓力室數量係例示，亦可適當變更。
壓力室70、71、72、73中分別連接有氣體輸送管線F1、F2、F3、F4。氣體輸送管線F1、F2、F3、F4之一端連接於設置有研磨裝置之工廠設置的作為應用之壓縮氣體供給源（無圖示）。壓縮空氣等之壓縮氣體可通過氣體輸送管線F1、F2、F3、F4分別供給至壓力室70、71、72、73。藉由在壓力室70～73中供給壓縮氣體，彈性膜65膨脹，壓力室70～73中之壓縮氣體經由彈性膜65而將基板W按壓於研磨墊2的研磨面2a。壓力室70～73發揮用於將基板W按壓於研磨墊2之研磨面2a的致動器功能。
與壓力室72連通之氣體輸送管線F3連接於無圖示之真空管線，而可在壓力室72中形成真空。在構成壓力室72之彈性膜65的部位形成有開口，藉由在壓力室72中形成真空，而將基板W吸附保持於研磨頭1。此外，藉由在該壓力室72中供給壓縮氣體，可從研磨頭1釋放基板W。彈性膜65藉由乙丙橡膠（EPDM）、聚氨酯橡膠、矽橡膠等強度及耐用性優異的橡膠材而形成。
扣環60係配置於彈性膜65周圍而與研磨墊2之研磨面2a接觸的環狀構件。扣環60係以包圍基板W之外周緣的方式配置，在基板W研磨中防止基板W從研磨頭1跳出。
驅動環62之上部連結於環狀的扣環壓緊裝置80。扣環壓緊裝置80經由驅動環62對扣環60之整個上面60b賦予向下的負荷，藉此，將扣環60之下面60a按壓於研磨墊2的研磨面2a。
扣環壓緊裝置80具備：固定於驅動環62之上部的環狀活塞81；及連接於活塞81之上面的環狀滾動隔膜（Rolling Diaphragm）82。在滾動隔膜82之內部形成有扣環壓力室83。該扣環壓力室83經由氣體輸送管線F5而連結於上述壓縮氣體供給源。壓縮氣體通過氣體輸送管線F5而供給至扣環壓力室83中。
從上述壓縮氣體供給源供給壓縮氣體至扣環壓力室83時，滾動隔膜82將活塞81推向下方，活塞81推下驅動環62，進一步，驅動環62將整個扣環60推向下方。因此，扣環壓緊裝置80將扣環60之下面60a按壓於研磨墊2的研磨面2a。驅動環62可裝卸地連結於扣環壓緊裝置80。
氣體輸送管線F1、F2、F3、F4、F5經由安裝於頭軸桿10之旋轉接頭25而延伸。研磨裝置進一步具備壓力調整器R1、R2、R3、R4、R5，壓力調整器R1、R2、R3、R4、R5分別設於氣體輸送管線F1、F2、F3、F4、F5。來自壓縮氣體供給源之壓縮氣體通過壓力調整器R1～R5分別獨立地供給至壓力室70～73及扣環壓力室83中。壓力調整器R1～R5係以調整壓力室70～73、及扣環壓力室83中之壓縮氣體的壓力之方式構成。壓力調整器R1～R5連接於動作控制部9。
壓力調整器R1～R5可使壓力室70～73及扣環壓力室83之內部壓力彼此獨立地變化，藉此，可獨立地調整在基板W對應之4個區域，亦即中央部、內側中間部、外側中間部、及邊緣部的基板W對研磨面2a之按壓力、及扣環60對研磨墊2的按壓力。氣體輸送管線F1、F2、F3、F4、F5亦分別連接於大氣開放閥（無圖示），亦可將壓力室70～73、及扣環壓力室83實施大氣開放。本實施形態之彈性膜65係形成4個壓力室70～73，不過，一種實施形態之彈性膜65亦可形成比4個少、或比4個多之壓力室。
關於藉由圖1所示之膜厚量測裝置40所量測的在基板W複數個量測點之複數個膜厚的膜厚資料傳送至動作控制部9。動作控制部9對壓力調整器R1～R4發出指令，依據藉由膜厚量測裝置40所量測之複數個膜厚使其獨立地調整基板W對應之4個區域中基板W對研磨面2a的按壓力。一例為動作控制部9將基板W中央部之膜厚與其他區域的膜厚作比較，中央部之膜厚比其他區域的膜厚大時，動作控制部9對壓力調整器R1發出指令，使壓力室70之內部壓力增加。
以下，以圖5A～圖5C所示之基板為例詳細說明基板之研磨方法及基板之研磨終點的決定方法。圖5A～圖5C所示之基板係在具有表面階差之矽（Si）層100的凸部上形成有由氮化矽（Si3 N4 ）構成的阻擋層103，並在阻擋層103上形成有由二氧化矽（SiO2 ）構成之絕緣膜107。阻擋層103具有無法被用於除去絕緣膜107之蝕刻液所除去的性質。本實施形態係說明研磨絕緣膜107至阻擋層103的表面露出之方法。圖5A顯示基板W研磨前之狀態，圖5B顯示如後述研磨絕緣膜107至膜厚指標值達到膜厚臨限值時之基板W的狀態，圖5C顯示研磨基板W至研磨終點時之基板W的狀態。圖5B及圖5C所示的積層構造之例可舉出淺溝槽隔離（STI）。因此，本實施形態之研磨方法可適用於製作淺溝槽隔離（STI）的工序。
圖6係顯示基板W之研磨方法及基板W之研磨終點的決定方法一種實施形態之流程圖。 步驟1係研磨裝置開始研磨。亦即，台馬達6使研磨台3與研磨墊2一體地以一定旋轉速度旋轉，研磨頭1使基板W以一定旋轉速度旋轉。研磨頭1進一步將基板W按壓於研磨墊2之研磨面2a開始研磨基板W。
步驟2～5係研磨裝置執行膜厚輪廓調整工序。膜厚輪廓調整工序係一邊研磨基板W一邊量測在基板W上之複數個量測點的複數個膜厚，並依據複數個膜厚調整基板W對研磨面2a之按壓力，決定從複數個膜厚中之至少1個決定的膜厚指標值達到膜厚臨限值之時間點的工序。在膜厚輪廓調整工序量測之膜厚係絕緣膜107的厚度。
步驟2係膜厚量測裝置40量測在基板W上之複數個量測點的複數個膜厚。具體而言，光學式膜厚量測裝置40在光學感測頭7穿越基板W時，在基板W上複數次照射光，並量測複數個反射光之在各波長的強度。光學式膜厚量測裝置40從複數個反射光之強度量測資料生成反射光的複數個光譜。光學式膜厚量測裝置40依據複數個光譜決定在各量測點之複數個膜厚。動作控制部9對光學式膜厚量測裝置40發出指令使其執行步驟2。
步驟3係依據在步驟2所量測之複數個膜厚調整基板W對研磨面2a的按壓力。具體而言，動作控制部9從光學式膜厚量測裝置40取得在步驟2所量測之膜厚資料，並依據複數個膜厚決定研磨頭1之壓力室70～73的內部壓力，對壓力調整器R1～R4中之至少1個發出指令，使其調整基板W對研磨面2a之按壓力。
動作控制部9亦可生成表示基板W上之複數個位置與在複數個位置之複數個膜厚的關係之膜厚輪廓。動作控制部9亦可依據膜厚輪廓決定研磨頭1之壓力室70～73的內部壓力。發出指令之壓力調整器亦可係1個，亦可係2個以上。在上述基板W之4個區域中的任何一個區域中存在複數個量測點時，動作控制部9亦可藉由算出該區域內之複數個量測點的膜厚平均值來決定該區域中之膜厚。一種實施形態亦可從各區域內之複數個量測點任意選擇之1個量測點上的膜厚作為該區域中之膜厚，再者，一種實施形態亦可將各區域內之複數個膜厚的最大值或最小值作為該區域中之膜厚。
以下說明步驟3之一例。動作控制部9從光學式膜厚量測裝置40接收在步驟2所量測之膜厚資料，生成表示基板W上之複數個位置與在複數個位置之複數個膜厚的關係之膜厚輪廓。動作控制部9依據膜厚輪廓決定基板W對應之4個區域，亦即中央部、內側中間部、外側中間部、及邊緣部的膜厚。各區域內存在複數個量測點時，藉由算出在各區域之複數個量測點的膜厚平均值，來決定各區域之膜厚。
一例為動作控制部9將基板W之中央部的膜厚與其他區域的膜厚作比較。中央部之膜厚比其他區域的膜厚大時，動作控制部9對壓力調整器R1發出指令，使壓力室70之內部壓力增加，中央部之膜厚比其他區域的膜厚小時，動作控制部9對壓力調整器R1發出指令，使壓力室70之內部壓力減少。
因此，藉由依據基板W上之複數個膜厚使壓力室70～73之內部壓力分別相互獨立變化，研磨裝置可調整基板W之膜厚輪廓。本實施形態係以依據基板W之複數個膜厚使基板W之被研磨面變成平坦的方式（亦即，構成基板W之被研磨面的膜厚度成為均勻之方式），動作控制部9對壓力調整器R1～R4發出指令，調整基板W對研磨面2a之按壓力。結果，研磨裝置可精確執行後述之研磨終點檢測工序。
步驟4係動作控制部9從步驟2所量測之基板W上的複數個量測點之複數個膜厚中的至少1個決定膜厚指標值。本實施形態係藉由算出複數個膜厚之平均值來決定膜厚指標值。一種實施形態亦可將從複數個量測點任意選擇之1個量測點上的膜厚作為膜厚指標值，再者，一種實施形態亦可將複數個膜厚之最大值或最小值作為膜厚指標值。
步驟5係動作控制部9決定膜厚指標值達到膜厚臨限值的時間點。具體而言，動作控制部9將膜厚指標值與膜厚臨限值作比較，膜厚指標值未達膜厚臨限值時，返回步驟2，再度執行步驟2～步驟5。膜厚指標值達到膜厚臨限值時，研磨裝置結束膜厚輪廓調整工序，並執行研磨終點檢測工序。
上述膜厚臨限值係依據實驗或過去的研磨成效而預先決定。上述膜厚臨限值在後述之研磨終點檢測工序中，在可精確檢測研磨終點之前係依據絕緣膜107之膜厚變薄的時間點來決定。圖5B中顯示研磨絕緣膜107直至膜厚指標值達到膜厚臨限值時的基板W狀態。
步驟6～8係研磨裝置執行研磨終點檢測工序。研磨終點檢測工序係一邊研磨基板W，一邊量測用於使研磨台3旋轉之轉矩，並依據上述轉矩決定基板W之研磨終點的工序。
步驟6係轉矩量測裝置8量測用於使研磨台3旋轉之轉矩。具體而言，動作控制部9對轉矩量測裝置8發出指令，使其量測用於使研磨台3旋轉的轉矩。本實施形態之轉矩量測裝置8係電流量測器，且轉矩量測裝置8量測相當於用於使研磨台3旋轉之轉矩的台馬達6之驅動電流。
步驟7及8係動作控制部9依據在步驟6所量測之轉矩決定基板W的研磨終點。具體而言，動作控制部9從轉矩量測裝置8取得上述轉矩之量測值，並與預先設定有上述轉矩之量測值的轉矩臨限值作比較（步驟7）。該轉矩之量測值表示為了使研磨台3以一定速度旋轉而需要的轉矩。上述轉矩之量測值未達轉矩臨限值時，動作控制部9返回步驟6，再度執行步驟6及7。上述轉矩之量測值達到轉矩臨限值時，動作控制部9決定研磨終點，該研磨終點是上述轉矩之量測值達到轉矩臨限值的時間點（步驟8）。然後，動作控制部9結束研磨終點檢測工序。
一種實施形態係動作控制部9亦可依據在步驟6所量測之轉矩算出用於使研磨台3旋轉之轉矩的變化比率，並將算出之轉矩的變化比率與預設之變化比率臨限值作比較。轉矩之變化比率表示每單位時間之轉矩的變化量。轉矩之變化比率未達變化比率臨限值時，動作控制部9返回步驟6，再度執行步驟6及7。轉矩之變化比率達到變化比率臨限值時，動作控制部9亦可決定研磨終點，該研磨終點是上述轉矩之變化比率達到變化比率臨限值的時間點。
圖5C中顯示研磨基板W至研磨終點時之基板W的狀態。研磨終點係藉由研磨除去阻擋層103上之絕緣膜107，而且阻擋層103的整個表面露出的時間點。用於使研磨台3旋轉之轉矩（與作用於研磨墊2與基板W之間的摩擦力成正比）隨著阻擋層103上之絕緣膜107的膜厚變小而變化，當阻擋層103之表面完全露出時，上述轉矩不再變化。因此，動作控制部9可依據轉矩不再變化之時間點的轉矩之量測值或轉矩之量測值的變化比率來決定研磨終點。轉矩臨限值及變化比率臨限值係依據實驗或過去的研磨成效而預先決定。
步驟9係研磨裝置執行延長研磨工序。延長研磨工序係研磨裝置以步驟1所說明之方法僅以預定之延長時間研磨基板W。研磨終點經過後，亦藉由研磨基板W可完全除去阻擋層103上之絕緣膜107。延長時間係依據實驗或過去之研磨成效而預先決定。延長時間經過後，研磨裝置結束延長研磨工序。藉此，結束基板W之研磨。延長研磨工序亦可省略。省略延長研磨工序時，在步驟8檢測出研磨終點時，結束基板W的研磨。
構成基板W之被研磨面的膜（圖5A所示之例係絕緣膜107）之厚度不均勻時，作用於基板W與研磨墊2之間的摩擦力之變化，不致作為使研磨台3旋轉之轉矩的變化（台馬達6之驅動電流的變化）而顯著呈現，因而無法正確決定研磨終點。採用本實施形態時，由於係在研磨終點檢測工序之前執行膜厚輪廓調整工序，因此可在將基板W之膜厚輪廓控制成希望狀態的狀態下執行研磨終點檢測工序。例如，研磨裝置可在將基板W之被研磨面形成平坦的狀態（基板W之面內均勻性良好的狀態）下執行研磨終點檢測工序。結果，動作控制部9可正確決定基板W之研磨終點。
圖7係顯示在各研磨工序中台馬達6之驅動電流的量測值之圖。虛線表示之曲線顯示不執行膜厚輪廓調整工序而執行研磨終點檢測工序時之台馬達6的驅動電流之量測值，以實線表示之曲線顯示膜厚輪廓調整工序後，執行研磨終點檢測工序時之台馬達6的驅動電流之量測值。如圖7所示，不執行膜厚輪廓調整工序時（以虛線顯示），台馬達6之驅動電流的量測值，即使在通過了研磨終點仍然繼續降低，該研磨終點是阻擋層103上之絕緣膜107已被除去的時間點。另外，在膜厚輪廓調整工序之後執行研磨終點檢測工序時（以實線顯示），阻擋層103上之絕緣膜107已被除去時，台馬達6之驅動電流的量測值保持一定。因此，動作控制部9可正確決定基板W之研磨終點，該基板W之研磨終點是台馬達6之驅動電流的量測值變成保持一定之時間點。
接近基板W之研磨終點時，阻擋層103上之絕緣膜107的厚度變得極小。絕緣膜107之厚度降低至膜厚量測裝置40接近量測精度的界限時，膜厚量測裝置40之膜厚量測精度降低。因此，僅依據藉由膜厚量測裝置40所量測之膜厚來決定基板W的研磨終點是困難的。採用本實施形態時，藉由組合膜厚輪廓調整工序、與研磨終點檢測工序，研磨裝置可正確決定基板W之研磨終點。
一種實施形態係研磨裝置亦可在膜厚輪廓調整工序之前執行初期研磨工序。初期研磨工序係一邊研磨基板W，一邊量測用於使研磨台3旋轉的轉矩，並依據上述轉矩來決定基板W之初期研磨終點的工序。由於不特別說明之初期研磨工序的詳細內容與參照步驟6～8而說明之研磨終點檢測工序相同，因此省略其重複之說明。初期研磨工序係動作控制部9將轉矩之量測值（或是轉矩之變化比率）與預設之初期轉矩臨限值（或初期變化比率臨限值）作比較。上述轉矩之量測值（轉矩之變化比率）達到初期轉矩臨限值（初期變化比率臨限值）時，動作控制部9決定初期研磨終點，該初期研磨終點是上述轉矩之量測值達到初期轉矩臨限值的時間點。
圖8係顯示研磨基板W至初期研磨終點時之基板W的狀態圖。初期研磨終點係研磨具有表面階差之絕緣膜107的凸部而絕緣膜107表面變成平坦的時間點。圖8顯示圖5A所示之基板W的狀態與圖5B所示之基板W的狀態之間的狀態。如圖5A至圖5C所示，基底之矽層100具有凹凸階差時，上層之絕緣膜107會具有圖5A所示之表面階差。絕緣膜107具有表面階差時，僅絕緣膜107表面之凸部與研磨墊2接觸。因而，絕緣膜107具有表面階差時之絕緣膜107與研磨墊2的接觸面積，比絕緣膜107不具表面階差時（絕緣膜107表面平坦時）之接觸面積小。結果，絕緣膜107具有表面階差時作用於基板W與研磨墊2之間的摩擦力（用於使研磨台3旋轉之轉矩），與絕緣膜107不具表面階差時之上述摩擦力（上述轉矩）不同。因此，動作控制部9可依據轉矩之量測值（或轉矩之變化比率）的變化來決定初期研磨終點。初期轉矩臨限值（或初期變化比率）係依據實驗或過去的研磨成效而預先決定。
絕緣膜107具有表面階差時，藉由膜厚量測裝置40量測絕緣膜107之膜厚的精度降低。如上述，藉由在膜厚輪廓調整工序之前執行初期研磨工序，可藉由膜厚量測裝置40精確量測絕緣膜107之膜厚。
上述初期研磨工序、膜厚輪廓調整工序、研磨終點檢測工序、及延長研磨工序全部藉由圖1所示之研磨裝置來執行。亦即，一邊基板W被研磨頭1按壓於相同的研磨台3上之研磨墊2，一邊依序執行初期研磨工序、膜厚輪廓調整工序、研磨終點檢測工序、及延長研磨工序。由於在基板W與相同的研磨台3上之研磨墊2接觸情況下執行上述複數個工序，因此基板W之處理量提高。
動作控制部9按照儲存於記憶裝置9a之程式中包含的命令執行上述各步驟。用於使動作控制部9執行上述各步驟之程式記錄於永久性實體之電腦可讀取記錄媒體，並經由記錄媒體而提供至動作控制部9。或是，程式亦可經由網際網路或區域網路等通信網路而輸入動作控制部9。
上述實施形態係以具有本發明所屬之技術領域的一般知識者可實施本發明為目的而記載者。所屬技術領域中具有通常知識者當然可形成上述實施形態之各種修改例，本發明之技術性思想亦可適用於其他實施形態。因此，本發明不限定於記載之實施形態，而係按照藉由申請專利範圍所定義之技術性思想的最廣範圍作解釋者。 (產業上的利用可能性)
本發明可利用於研磨晶圓等之基板的研磨方法及研磨裝置。此外，本發明可利用於記錄有用於使研磨裝置執行研磨方法之程式的電腦可讀取記錄媒體。
1:研磨頭 2:研磨墊 2a:研磨面 3:研磨台 5:研磨液供給噴嘴 6:台馬達 7:光學感測頭 8:轉矩量測裝置 9:動作控制部 9a:記憶裝置 9b:運算裝置 10:頭軸桿 21:頭本體 25:旋轉接頭 40:膜厚量測裝置 (光學式膜厚量測裝置) 44:光源 47:分光器 49:處理系統 49a:記憶裝置 49b:運算裝置 60:扣環 60a:下面 60b:上面 62:驅動環 65:彈性膜 65a:基板壓緊面 70,71,72,73:壓力室 80:扣環壓緊裝置 81:活塞 82:滾動隔膜 83:扣環壓力室 100:矽層 103:阻擋層 107:絕緣膜 CP:軸心 F1,F2,F3,F4,F5:氣體輸送管線 MP:量測點 R1,R2,R3,R4,R5:壓力調整器 W:基板
圖1係顯示研磨裝置之一種實施形態的示意圖。 圖2係顯示藉由處理系統所生成之光譜的一例圖。 圖3係顯示在基板表面（被研磨面）上之複數個量測點的一例示意圖。 圖4係圖1所示之研磨頭的剖面圖。 圖5A係顯示基板研磨前之狀態圖。 圖5B係顯示研磨絕緣膜至膜厚指標值達到膜厚臨限值時之基板的狀態圖。 圖5C係顯示研磨基板至研磨終點時之基板的狀態圖。 圖6係顯示基板之研磨方法及基板之研磨終點的決定方法一種實施形態之流程圖。 圖7係顯示在各研磨工序中台馬達之驅動電流的量測值之圖。 圖8係顯示研磨基板至初期研磨終點時之基板的狀態圖。

Claims (11)

  1. 一種研磨方法，係使支撐研磨墊之研磨台旋轉， 藉由研磨頭將具有積層構造的基板按壓於前述研磨墊之研磨面來研磨前述基板，該積層構造具備絕緣膜與形成於前述絕緣膜之下層的阻擋（Stopper）層， 研磨前述基板之工序包含：膜厚輪廓調整工序；及在前述膜厚輪廓調整工序之後進行的研磨終點檢測工序； 前述膜厚輪廓調整工序包含在前述基板上之複數個量測點量測複數個膜厚，依據前述複數個膜厚調整前述基板對前述研磨面之按壓力，決定從前述複數個膜厚中之至少1個決定的膜厚指標值達到膜厚臨限值之時間點的工序； 前述研磨終點檢測工序包含量測用於使前述研磨台旋轉之轉矩，並依據前述轉矩決定前述基板之研磨終點的工序。
  2. 如請求項1之研磨方法，其中調整前述按壓力之工序，包含依據前述複數個膜厚，以前述基板之被研磨面變成平坦的方式，調整前述基板對前述研磨面之按壓力的工序。
  3. 如請求項1或2之研磨方法，其中量測前述複數個膜厚之工序，包含在前述基板上照射光，生成來自前述基板上之複數個量測點的反射光之複數個光譜，依據前述複數個光譜來決定前述複數個膜厚之工序。
  4. 如請求項1或2之研磨方法，其中研磨前述基板之工序，進一步包含在前述膜厚輪廓調整工序之前進行的初期研磨工序， 前述初期研磨工序包含量測用於使前述研磨台旋轉之轉矩，並依據前述轉矩來決定初期研磨終點之工序。
  5. 一種電腦可讀取記錄媒體，其係記錄有用於使電腦執行以下步驟之程式，該步驟包含： 對台馬達發出指令，使支撐研磨墊之研磨台旋轉； 藉由具有與複數個壓力調整器連結之複數個壓力室的研磨頭，將基板按壓於前述研磨墊之研磨面來研磨該基板時，依據在前述基板上之複數個量測點的複數個膜厚，對前述複數個壓力調整器發出指令，使其調整前述基板對前述研磨面之按壓力； 決定從前述複數個膜厚中之至少1個決定的膜厚指標值達到膜厚臨限值之時間點；及 決定前述膜厚指標值達到膜厚臨限值之時間點後，依據用於使前述研磨台旋轉之轉矩來決定前述基板的研磨終點。
  6. 如請求項5之電腦可讀取記錄媒體，其中使前述複數個壓力調整器調整前述基板對前述研磨面之按壓力的前述步驟，包含依據在前述複數個量測點之複數個膜厚對前述複數個壓力調整器發出指令，以前述基板之被研磨面變成平坦的方式，使其調整前述基板對前述研磨面之按壓力的步驟。
  7. 如請求項5或6之電腦可讀取記錄媒體，其中前述程式在研磨前述基板時，且在使前述複數個壓力調整器調整前述基板對前述研磨面之按壓力的前述步驟之前，使電腦進一步執行依據用於使前述研磨台旋轉之轉矩，來決定初期研磨終點之步驟。
  8. 一種研磨裝置，係用於研磨具有積層構造的基板，該積層構造具備絕緣膜與形成於前述絕緣膜之下層的阻擋層， 且該研磨裝置具備： 研磨台，其係支撐研磨墊； 台馬達，其係使前述研磨台旋轉； 研磨頭，其係具有用於將前述基板按壓於前述研磨墊之研磨面的複數個壓力室； 膜厚量測裝置，其係量測在前述基板上之複數個量測點的複數個膜厚； 複數個壓力調整器，其係連結於前述複數個壓力室； 轉矩量測裝置，其係量測用於使前述研磨台旋轉之轉矩；及 動作控制部，其係控制前述研磨裝置之動作； 前述動作控制部係以在前述基板研磨中，依據前述複數個膜厚對前述複數個壓力調整器發出指令，使其調整前述基板對前述研磨面之按壓力，執行決定從前述複數個膜厚中之至少1個決定的膜厚指標值達到膜厚臨限值之時間點的膜厚輪廓調整工序， 並在前述基板研磨中，且在前述膜厚輪廓調整工序後，依據前述轉矩決定前述基板之研磨終點的方式構成。
  9. 如請求項8之研磨裝置，其中前述動作控制部係以依據前述複數個膜厚，對前述複數個壓力調整器發出指令，以前述基板之被研磨面變成平坦的方式調整前述基板對前述研磨面之按壓力的方式構成。
  10. 如請求項8或9之研磨裝置，其中前述膜厚量測裝置係依據來自前述基板之反射光的光譜，量測前述基板之膜厚的光學式膜厚量測裝置。
  11. 如請求項8或9之研磨裝置，其中前述動作控制部係以在前述基板研磨中，且在前述膜厚輪廓調整工序前，依據用於使前述研磨台旋轉之轉矩來決定初期研磨終點的方式構成。
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