WO2005016595A1

WO2005016595A1 - 研磨装置、これを用いた半導体デバイス製造方法およびこの方法により製造される半導体デバイス

Info

Publication number: WO2005016595A1
Application number: PCT/JP2004/011566
Authority: WO
Inventors: Susumu Hoshino; Eiichi Yamamoto; Naoki Asada
Original assignee: Nikon Corporation
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2004-08-05
Publication date: 2005-02-24
Also published as: JPWO2005016595A1; TW200526356A

Abstract

研磨装置１は、研磨部材４０がドライブプレート１０を用いてヘッドハウジング３１に対し上下移動可能に配設されており、ドライブプレート１０の変形量を検出可能な歪みゲージ９２と、研磨ヘッド３０の上下移動を規制可能なロック機構９１と、ロック機構９１の作動を制御する制御部９０とを備え、研磨開始前において、研磨ヘッド３０が下方へ移動して研磨部材４０がウェハ２０に当接し、歪みゲージ９２に検出されるドライブプレート１０の変形量が零近傍になると、制御部９０がロック機構９１を作動させて研磨ヘッド３０の上下移動が規制されるように構成される。

Description

曰月糸田 β 研磨装置、これを用いた半導体デバイス製造方法およびこの方法により製造される半導体デバイス技術分野

本発明は、半導体ウェハ等の研磨対象物の表面を平坦化する研磨装置に関する。さらに、この研磨装置を用いた半導体デバイス製造方法および半導体デバイスに関する。

背景技術

このような研磨装置として、研磨対象物としての半導体ウェハを保持具により保持し、これを研磨部材（研磨パッド）に接触させながら相対回転移動させて半導体ウェハの表面研磨を行う研磨装置がある（例えば、特閧平 1 1— 1 5 6 7 1 1号公報参照）。このように半導体ウェハの表面研磨を行う研磨装置では、非常に精密且つ均一な研磨が要求されるため、ウェハ (研磨対象物）の表面の凹凸に追従して研磨部材がその姿勢を変えるようにしたり、もしくはウェハがその姿勢を変えるようにしたりして、常に最適な加工状態を維持するような工夫がなされている。

例えば、米国特許第 6 , 2 5 1 , 2 1 5号に開示の研磨装置では、ゥェハを保持するヘッド部に柔軟性に富んだゴムシートを用い、ゴムシートの裏面側に空気圧を作用させてこのゴムシ一トを介してウェハを研磨部材となる研磨パッドに押し付けるように構成されている。また、特開平 1 0— 2 3 5 5 5 5号公報に開示の装置では、ウェハを保持するへヅド部がボールジョイント構造を介して回転駆動軸に連結されて、ヘッド部がボールジョイント部を介して揺動自在な状態で回転駆動されるように構成されている。このようにゴムシートや、ボールジョイント構造を用いることにより、研磨パッドが貼り付けられる定盤の回転精度や研磨パッドの厚みのバラッキに応じてその姿勢が柔軟に変化し、ウェハが研磨パッドに常に均一に接触し、均一な表面研磨を行うことができるようになつている。

上記構成とは逆に、研磨部材側すなわち研磨パッドの姿勢を柔軟に変化させることができるようにする構成の装置も知られている。この装置では、例えば、ウェハチャックにウェハがその被研磨面を上方に向けて（フェイスァヅプ状態で）真空吸着され、ウェハチャックとともに回転駆動される。このウェハの上方にこれと対向して研磨へッドが配設されており、研磨へッドは、ウェハの被研磨面と接触する研磨パッドを貼り付けた研磨部材と、これに柔軟に支えるドライブプレートおよびゴムシート（弾性部材）と、これらに空気圧を加えるための圧力室を構成するための内部空間が形成されたへッドハウジングとを有して構成される。

へヅドハウジングの下端外周においてドライブプレートおよびゴムシートの外周が接合され、ドライブプレートおよびゴムシートが内周部において研磨部材と結合されており、へッドハウジングの内部空間がこれらドラィブプレートおよびゴムシ一トにより覆われて圧力室が形成されている。この結果、研磨部材はドライブプレ一トを介してへッドハウジングに支持され、且つゴムシートを介して圧力室内の空気圧を均一に受ける。そして、へッドハウジングが回転駆動されるとドライブプレートを介して研磨部材に回転駆動力が伝達されて全体が回転されるようになつている。

このような構成の研磨装置を用いたウェハの研磨加工は、研磨パッドを回転させながらウェハチャックに回転保持されたウェハの被研磨面に当接させて行われ、このとき、研磨パッドは回転しながらウェハに対して水平方向へ往復運動をすることで、ウェハの全表面が均一に研磨加工される。この方式の研磨装置においては、研磨へッドとともに回転するウェハのデバイス面（被研磨面）に押し付けられる。このとき、研磨ヘッドには揺動運動と呼ばれる水平な往復運動がさらに与えられることによって、ウェハのデバイス面の全面を均一に研磨することができるようになつている。なお、ウェハの研磨開始時には研磨へッドが下降し、研磨へッドと連結されるスピンドルに設けられたストッパーが装置本体側に設けられた固定プロヅクに当接して、研磨へヅドが所定位置で停止するようになつている。この所定位置において、新品の研磨パッドを使用した場合に、研磨部材（研磨パッド）と結合されたドライブプレートが略水平状態、すなわちドライブプレートの上下方向の変形量がほぼ零となるように調整されている。また、研磨パッドはそれそれの研磨が開始される前に、パッドコンディショナ一（ドレッサー）と呼ばれる工具によってパッド材質の表面を約 1 〃m程度除去する加工を行う。このパッドコンディショナーの構造は、表面に粒状のダイヤモンドが電着されたディスクを、回転させつつ一定の押し付け力で研磨パッドに押し付け、研磨パッドの表面の研磨を行うものである。

従って、ウェハの研磨加工の度に研磨パッドが約 1〃m除去されることになり、 1 0 0 0枚のウェハが研磨されると、研磨パッドの表面は約 1 m m取り除かれることになる。当然に、研磨パッドの表面が取り除かれることは、研磨パッドの厚みが薄くなることを意味し、例えば、初期厚みが 3 m mの研磨パッドは、 1 0 0 0枚のウェハを研磨すると約 2 m mの厚みへと薄くなることを意味している。なお、このようなことから研磨パッドぉよびコンディショナの寿命を判定する方法等が特閧 2 0 0 4— 2 5 4 1 3 号公報に開示されている。

上述のように、研磨装置でゥヱハを連続加工すると、使用している研磨パヅドの厚みがパヅドコンディショナーの働きによつて次第に薄くなっていく。そのため、研磨部材に加圧空気による圧力が加えられ研磨パッドがウェハの被研磨面に当接する際には、研磨パッドの厚みが薄くなった分だけドライブプレートが下向きに弾性変形した状態となる。これにより、ドライププレートに上向きの弾性反発力が生じて研磨部材のウェハに対する研磨荷重が減少し、これが研磨パッドの厚み変化による研磨荷重の誤差となってしまう。

ところで、半導体デバイスに要求されるパターンの線幅は、ますます微細化し、最近では線幅 5 0 n m程度のものが実用化されつつある。しかしながら、このように線幅が微細化すると、配線パターンの電気抵抗（R ) と絶縁物の静電容量（ C ) の積で決定される配線遅延が半導体デバイスの遅延より大きくなり、結果として微細化による高速化のメリットが得られないという問題がある。そこで、絶縁物の誘電率として 2以下のもの（Ultra Low-K) が使用されるようになっている。一般にウェハ上に形成される絶縁物である S i 0 ₂の誘電率は 3 . 9〜4 . 5程度であり、これに比べてかなり高い。そのため、絶縁物として S i 〇 ₂を使用しながら誘電率を下げる方法として、 S i〇 ₂をポ一ラスにする方法が用いられるようになつている。

ところが、 S i 0 ₂をポーラスにすると、それだけ機械的強度が弱くなり、 C M P研磨を行うときに剥離が発生したりして、良好に研磨が行えなくなるという問題が発生する。そのため、 Ultra Low-K の絶縁材を有するウェハを研磨する際には、ウェハに対する研磨荷重を低くする方法が用いられるようになっている。このように、ウェハに対する研磨荷重が低い場合には、前述した研磨パッドの厚み変化による研磨荷重の誤差が大きく影響してしまう。発明の開示

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、研磨部材（研磨パッド）の厚み変化による研磨荷重の誤差を低減することができる研磨装置を提供することを目的とする。

また、この研磨装置を用いた半導体デバイス製造方法および半導体デバイスを提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る研磨装置は、研磨対象物を保持する対象物保持具と、研磨対象物を研磨する研磨部材を保持する研磨へッドと、研磨へッドを上下移動可能に保持する上下位置調整手段とを備え、上下位置調整手段を利用して研磨へッドを下方へ移動させ研磨部材を研磨対象物に当接させたのち、研磨部材を研磨対象物に当接させながら相対移動させて研磨対象物の研磨を行うように構成された研磨装置において、研磨へッドは、下面側に開口を有するへッドハウジングと、へッドハウジング内に略水平に固設され研磨部材を上下移動可能に保持する板状の弾性部材とを有し、研磨部材は、弾性部材を用いて開口を通過するように配設され、へッドハウジング内に給排される空気を利用して上下移動可能に構成されており、研磨部材の厚さの変化による弾性部材の変形量が零近傍となるように上下位置調整手段の作動を制御する制御部を備えて構成される。さらに、この研磨装置において、研磨部材の厚さの変化を測定する測定器を備え、制御部は、測定器から出力された信号に応じて上下位置調整手段の作動を制御するように構成されるのが好ましい。

上記研磨装置において、弾性部材の変形量を検出する変位検出部を備え、制御部は、変位検出部から出力された信号に応じて上下位置調整手段の作動を制御するように構成しても良い。

また、第 2の本発明に係る研磨装置は、研磨対象物を保持する対象物保持具と、研磨対象物を研磨する研磨部材を保持する研磨ヘッドと、研磨へッドを上下移動可能に保持する上下機構とを備え、上下機構を利用して研磨へッドを下方へ移動させ研磨部材を研磨対象物に当接させたのち、研磨部材を研磨対象物に当接させながら相対移動させて研磨対象物の研磨を行うように構成された研磨装置において、研磨ヘッドは、下面側に開口を有するヘッドハウジングと、ヘッドハウジング内に略水平に固設され研磨部材を上下移動可能に保持する板状の弾性部材とを有し、研磨部材は、弾性部材を用いて開口を通過するように配設され、ヘッドハウジング内に給排される空気を利用して上下移動可能に構成されており、研磨へッドに設けられて弾性部材の変形量を検出する変位検出部と、研磨へッドの上下移動を規制する口ック機構と、ロック機構の作動を制御する制御部とを備え、研磨開始前において、研磨へッドが下方へ移動して研磨部材が研磨対象物に当接し、変位検出部に検出される弾性部材の変形量が零近傍になると、制御部がロック機構を作動させて研磨へッドの上下移動が規制されるように構成される。

このように構成される研磨装置において、変位検出部が、弾性部材に配設された歪みゲージであることが好ましい。

さらに、上記研磨装置において、変位検出部が、ヘッドハウジング内に弾性部材と対向して設けられた磁気センサもしくは光学センサであることが好ましい。

また、上記研磨装置において、変位検出部が、相対移動する一方側の部材が弹性部材に取り付けられるとともに他方側の部材が研磨へヅド側部材に取り付けられた差動トランスからなるように構成するのが好ましい。さらに、上記研磨装置において、変位検出部により検出される弾性部材の変形量の変化速度が予め定めた所定値を超えたとき、研磨へッドの作動を停止させる作動停止手段を備えるのが好ましい。

さらに、上記研磨装置において、変位検出部により検出された弾性部材の変形量が零近傍であるときの研磨へッドの上下方向位置を検出する研磨へッド位置検出部と、研磨へッド位置検出部により検出された研磨へッドの上下方向位置の変化量から研磨部材の厚さ変化量を算出する厚さ変化量算出部とを備えるのが好ましい。

本発明に係る半導体デバイス製造方法は、研磨対象物は半導体ウェハであり、上述の構成の研磨装置を用いてこの半導体ウェハの表面を平坦化する工程を有することを特徴とする。

本発明に係る半導体デバイスは、上記半導体デバイス製造方法により製造されたことを特徴とする。

本発明によれば、研磨部材（研磨パッド）の厚み変化による研磨部材の研磨荷重の誤差をなくすことができ、研磨対象物の加工精度を向上させることができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明に係る研磨装置の一例である C M P装置の要部構成を示す正面図である。

図 2は、 C M P装置に構成される研磨ヘッドの正断面図である。

図 3は、研磨へッドの分解斜視図である。

図 4は、第 1の変形例に係る C M P装置の要部構成を示す正面図である。図 5は、第 2の変形例に係る C M P装置の要部構成を示す正面図である。図 6は、本発明に係る半導体デバイスの製造プロセスを示すフローチヤ —トである。発明を実施するための最良の形態

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る研磨装置の代表例である C M P装置（化学的機械的研磨装置）の要部構成を図 1に示している。この C M P装置 1は、研磨対象物たる半導体ウェハ 2 0 (以下、ウェハ 2 0と称する）をその上面側に着脱自在に吸着保持可能なゥヱハ保持テーブル 2 5 と、このウェハ保持テーブル 2 5 の上方位置に設けられ、ウェハ保持テーブル 2 5上に保持されたウェハ 2 0の被研磨面 2 1 と対向する研磨パッド 6 0が取り付けられた研磨部材 4 0を保持してなる研磨へヅド 3 0とを備えて構成されている。この C M P 装置 1では、研磨パッド 6 0の寸法（直径）はゥヱハ 2 0の寸法（直径）よりも小さく（すなわち研磨パヅド 6 0はウェハ 2 0よりも小径であり）、研磨パッド 6 0をウェハ 2 0に接触させた状態で双方を相対移動させることにより、ウェハ 2 0の被研磨面（上面）全体を研磨できるようになっている。

ウェハ保持テ一ブル 2 5は、ウェハ 2 0とほぼ同じ直径を有する円盤状の回転テーブルであり、上下方向に延びた回転軸 2 4の上端に取り付けられてほぼ水平姿勢に保持されている。ウェハ保持テーブル 2 5の上面には図示しない真空チヤックが設けられており、これによりウェハ 2 0をゥェハ保持テーブル 2 5の上面側に着脱自在に吸着保持できるようになつている。回転軸 2 4は、図示しない電動モ一夕を有して構成されるウェハ回転機構 2 3 (図 1参照）を用いて垂直軸まわりに回転駆動されるようになつており、これによりゥヱハ保持テ一ブル 2 5を水平面内で回転させることができる。なお、ウェハ保持テーブル 2 5は本発明における対象物保持具となっている。

研磨へッド 3 0は上下に延びるスピンドル 2 9の下端部に取り付けられている。このスピンドル 2 9は、図示しない電動モ一夕を有して構成される研磨ヘッド回転機構 2 8 (図 1参照）を用いて垂直軸まわりに回転駆動されるようになつており、これにより研磨ヘッド 3 0全体を回転させて研磨パッド 6 0を水平面内で回転させることができる。また、スピンドル 2 9は、複数の図示しない電動モ一夕を有して構成される研磨ヘッド移動機構 2 7 (図 1参照）を用いて三次元的に平行移動可能に構成されており、これにより、研磨ヘッド 3 0を垂直姿勢のまま三次元的、すなわち、上下、左右および前後方向に平行移動させることができる。なお、研磨ヘッド移動機構 2 7は本発明における上下機構となっている。

研磨へッド 3 0は、図 2及び図 3に示すように、スピンドル 2 9の下端部にボルト B 5により結合される円盤部材 3 1 a及びこの円盤部材 3 1 a の下面外周にボルト B 1により結合された円筒部材 3 1 bからなるヘッドハウジング 3 1 と、円筒部材 3 1 bの下端部にボルト B 2により固定される保持リング 3 2 と、これら円筒部材 3 1 bと保持リング 3 2 とにより外周部が狭持される円盤状のドライブプレート 1 0およびダイアフラム 3 5 と、ダイアフラム 3 5の下面側に位置して取り付けられる上述の研磨部材 4 0とを有して構成される。この構成から分かるように、へッドハウジング 3 1内には、下面側に開口を有する円筒状の空間 Hが形成され、この空間 Hが後述するようにダイアフラム 3 5により覆われて圧力室が形成される。なお、研磨部材 4 0はへヅドハウジング 3 1の開口を通過するように配設される。

ドライブプレート 1 0はオーステナイト系ステンレス板等の弾性変形可能な金属板から作られ、中央に円形孔 1 1を形成した円盤に、同心円状に並んだ多数の閧孔を形成して作られている。ダイアフラム 3 5は所定厚さの（比較的薄い）ゴムシートをドライブプレート 1 0 と同一径の円盤状に形成して作られている。ダイアフラム 3 5の中央にはドライブプレート 1 0の円形孔 1 1 と同一径の円形孔 3 5 aが形成されている。ドライブプレート 1 ◦およびダイアフラム 3 5は、上下に重ねられた状態で、その外周部が上述のようにへッドハウジング 3 1 と保持リング 3 2 とに狭持されて略水平に固定される。なお、ドライブプレート 1 0およびダイァフラム 3 5は本発明における弾性部材となっている。

研磨部材 4 0は、ダイアフラム 3 5の下面側に取り付けられる円盤状の基準プレート 4 1 と、この基準プレート 4 1の下面に真空吸着により着脱自在に取り付けられる研磨工具 5 0とを有して構成される。基準プレート 4 1の中央部上面側にはドライブプレート 1 0及びダイアフラム 3 5の円形孔 1 1 , 3 5 aよりも若干小さい半径を有する円盤状の中心部材 4 4がボルト B 3により固定されており、この中心部材 4 4に芯合わせをされたドライブプレート 1 0およびダイアフラム 3 5の内周部が、基準プレート 4 1 とこの基準プレート 4 1の上面側にボルト B 4により固定されるリング部材 4 5 との間に狭持される。

このように、基準プレート 4 1 (すなわち、研磨部材 4 0 ) は、弾性を有するドライブプレート 1 0およびダイァフラム 3 5を用いてへヅドハウジング 3 1に上下移動可能に取り付けられ、スピンドル 2 9の回転駆動力がドライププレート 1 0を介して基準プレート 4 1に伝達される。また、ドライブプレート 1 0に重なって取り付けられるダイアフラム 3 5がへッドハウジング 3 1の内部空間 Hを下面側から密封状態で覆い、圧力室を形成する。なお、基準プレート 4 1の外周部から外方に張り出したフリンジ 4 1 aの外径は保持リング 3 2の内周部から内方に張り出したフリンジ 3

2 aの内径よりも大きく形成されており、基準プレート 4 1が保持リング

3 2から抜け出ることがないようになっている。

研磨工具 5 0は上記基準プレート 4 1 とほぼ同じ外径を有する円盤状のノッドプレート 5 1 と、このパッドプレート 5 1の下面である研磨パッド取付面 5 1 aに取り付けられた円形の研磨パッド（研磨布） 6 0 とから構成される。ここで、研磨パッド 6 0は研磨により劣化していく消耗品であるため、上記研磨パッド取付面 5 1 aに着脱可能に取り付け可能にして（例えば接着剤による）、交換作業を容易にしている。

図 2に示すように、基準プレート 4 1の内部には下面側に複数の吸着開口を有する空気吸入路 7 1が形成されており、この空気吸入路 7 1は中心部材 4 4側にも延びてヘッドハウジング 3 1の内部空間（圧力室） H側に開口している。この開口部にはスピンドル 2 9の中央に貫通形成されたェァ供給路 8 0内を延びた吸入管 7 2が接続されており、基準プレート 4 1 の下面側にパッドブレ一ト 5 1を位置させた状態でこの吸入管 7 2から空気を吸入することにより、パッドプレート 5 1を基準プレート 4 1に吸着取り付けできるようになつている。ここで、パッドプレート 5 1は基準プレート 4 1 との間に設けられたセンタ一ピン P 1 と位置決めピン P 2 とにより芯出しと回転方向の位置決めとがなされる。

また、エア供給路 8 0内には研磨剤供給装置 8 7 (図 1を参照）と繋がる研磨剤供給管 8 1が延びており、スピンドル 2 9 と中心部材 4 4との間に位置する接続具 8 2を介して中心部材 4 4を貫通して設けられた流路 8 3、センターピン P 1内を貫通する流路 8 4 、ノッドプレート 5 1内に形成された流路 8 5および研磨パッド 6 0に設けられた流路 8 6と繋がっている。 '

さらに、図 1に示すように、エア供給路 8 0はレギユレ一夕 8 8を介してエア供給源 8 9に繋がっており、エア供給源 8 9から供給されるエア圧により圧力室 H内の圧力を所望の圧力に調整設定できるようになつている。なお、図 1においては、研磨へヅド 3 0およびスピンドル 2 9を説明のため簡略化して示すとともに、他の構成要素を模式的に示している。

ところで、スピンドル 2 9にはロック機構 9 1が配設されており、制御部 9 0からのロック作動信号を受けてスピンドル 2 9、すなわち研磨へヅド 3 0の上下移動を（回転は規制せずに）規制するように構成される。なお、ロック機構 9 1 として、磁石を利用したブレーキ（図示せず）や、変位可能なストッパー（図示せず）を固定する構成等がある。また、ドライブプレート 1 0には、歪みゲージ 9 2がドライブプレ一ト 1 0の半径方向に向けて取り付けられており、ドライブプレート 1 0の上下方向の変形量を検出し、その検出信号を制御部 9 0に出力するように構成される。なお、歪みゲージ 9 2は本発明における変位検出部となっている。

制御部 9 0は、ウェハ回転機構 2 3にウェハ回転信号を出力し、研磨へッド回転機構 2 8にへッド回転信号を出力し、研磨へッド移動機構 2 7にへッド移動信号を出力し、研磨剤供給装置 8 7に研磨剤供給信号を出力し、レギユレ一夕 8 8にエア供給信号を出力し、そしてロック機構 9 1にロック作動信号を出力するように構成される。また、前述したように、制御部 9 0には歪みゲージ 9 2からの検出信号が入力される。

このような構成の C M P装置 1を用いてウェハ 2 0の研磨を行うには、まず、ウェハ保持テーブル 2 5の上面に研磨対象となるウェハ 2 0が吸着取り付けされ（このときウェハ 2 0の中心はウェハ保持テーブル 2 5の回転中心に一致させる）、制御部 9 0から出力されるウェハ回転信号によりゥェハ回転機構 2 3が作動しウェハ保持テーブル 2 5が回転駆動される。次に、制御部 9 0が研磨へッド移動機構 2 7にへッド移動信号を出力することで（研磨へヅド移動機構 2 7により）研磨ヘッド 3 0がウェハ 2 0の上方に位置し、研磨へヅド回転機構 2 8にへヅド回転信号を出力することで (研磨へッド回転機構 2 8により）スピンドル 2 9および研磨へッド 3 0 が回転する。続いて、制御部 9 0が研磨へッド移動機構 2 7にへッド移動信号を出力することで（研磨へヅド移動機構 2 7により）研磨へヅド 3 0 が下方へ移動し、研磨パッド 6 0の下面（研磨面）がゥヱハ 2 0の上面（被研磨面）に当接する。

このとき、研磨部材 4 0は弾性を有するドライブプレート 1 0およびダィァフラム 3 5に上下移動可能に保持されているため、研磨ヘッド 3 0のへヅドハウジング 3 1がさらに下降すると、研磨部材 4 0が（ウェハ 2 0 に当接したまま）ヘッドハウジング 3 1に対して上方へ相対移動し、これに伴ってドライブプレート 1 0およびダイァフラム 3 5の下方への変形量が減少する。なお、圧力室 H内のエア圧が大気圧であって研磨部材 4 0がウェハ 2 0に当接していないときには、研磨部材 4 0の自重によりドライププレート 1 0およびダイアフラム 3 5は下方へ弾性変形した状態となる。そして、歪みゲージ 9 2に検出されるドライブプレート 1 0の（上下方向の）変形量が零近傍の所定値以内になると、制御部 9 0はロック機構 9 1にロック作動信号を出力し、ロヅク機構 9 1が作動して研磨へッド 3 0 の上下移動が規制される。これにより、研磨パッド 6 0 (研磨部材 4 0 ) の厚みに拘わらずドライブプレート 1 0の変形量が零近傍（すなわち、ドライブプレート 1 0が略水平）になったときから研磨が開始されるため、研磨パッド 6 0の厚み変化による研磨部材 4 0の研磨荷重の誤差をなくすことができ、ウェハ 2 0の加工精度を向上させることができる。

. 次に、制御部 9 0がレギユレ一夕 8 8にエア供給信号を出力することで (レギユレ一夕 8 8を介して）エア供給源 8 9から圧力室 H内に所定のェァ圧が供給され、圧力室 H内のエア圧によりウェハ 2 0と研磨パッド 6 0 との接触圧、すなわち、研磨部材 4 0のウェハ 2 0に対する研磨荷重が所定の値に設定される。そして、制御部 9 0が研磨ヘッド移動機構 2 7にへッド移動信号を出力することで（研磨へッド移動機構 2 7により）研磨へッド 3 0が略水平面内（ウェハ 2 0と研磨パッド 6 0 との接触面の面内方向）で揺動する。このとき同時に、制御部 9 0が研磨剤供給装置 8 7に研磨剤供給信号を出力することで研磨剤供給装置 8 7より研磨剤（シリカ粒を含んだ液状のスラリー）が圧送され、研磨パッド 6 0の下面側に研磨剤が供給される。これにより、ウェハ 2 0の被研磨面 2 1は、研磨剤の供給を受けつつウェハ 2 0自身の回転運動と研磨へッド 3 ◦の（すなわち研磨パッド 6 0の）回転及び揺動運動とにより研磨される。

この結果、上記のような構成の C M P装置 1によれば、研磨パッド 6 0 の厚み変化による研磨部材 4 0の研磨荷重の誤差をなくすことができ、ゥェハ 2 0の加工精度を向上させることができる。特に、研磨部材 4 0の研磨荷重を低くしてウェハ 2 0を研磨する場合に有効である。また、本発明に係る変位検出部として歪みゲージ 9 2を用いることで、より確実にドライブプレート 1 0の（上下方向の）変形量を検出することができる。

また、上記 C M P装置 1においては、制御部 9 0が、歪ゲージ 9 2により検出されるドライブプレ一ト 1 0 (或いはダイアフラム 3 5 ) の変形量の変化速度が予め定めた所定値を超えたとき、研磨へッド 3 0の作動を停止させる作動停止手段としての役割を果たすことが好ましい。ここで、ドライブプレ一ト 1 0の変形量の変化速度とは、或る微小単位時間当たりのドライブプレート 1 0の変形量である。また、上記所定値とは、具体的には、研磨中のウェハ 2 0がゥヱハ保持テーブル 2 5から飛び出した場合に、それまでそのウェハ 2 0と接触していた研磨部材 4 0が下方に大きく降下することによってドライブプレート 1 0が大きく下方に変位する状況を模擬し得る値である。このような構成であれば、研磨中のウェハ 2 0がゥェハ保持テーブル 2 5から飛び出してしまった場合には研磨へヅド 3 0の作動を停止させることができるので、ウェハ 2 0の飛び出しに気付かずに研磨を続行して研磨部材 4 0或いはウェハ保持テーブル 2 5を損傷させてしまうようなことがなく、安全性を高めることができる。

図 4に示す C M P装置 1 ' は上記 C M P装置 1の第 1の変形例であり、前述の C M P装置 1に、歪ゲージ 9 2により検出されたドライブプレート 1 0 (或いはダイァフラム 3 5 ) の変形量が零近傍であるときの研磨へヅド 3 0の上下方向位置を検出する研磨へッド位置検出部 1◦ 0と、この研磨へッド位置検出部 1 0 0により検出された研磨へッド 3 0の上下方向位置の変化量から研磨部材 4 0の（詳細には研磨パッドの 6 0 ) 厚さ変化量を算出する厚さ変化量算出部 1 1 0とを備えたものである。ここで、研磨へッド位置検出部 1 0 0は、研磨へッド 3 0の上下方向位置を検出するへッド位置検出器 1 0 2と、上記歪ゲージ 9 2により検出されたドライブプレート 1 0の変形量が零近傍であるときに、へッド位置検出器 1 0 2が出力した研磨へッド 3 0の上下方向位置の値を読み取る研磨へッド位置読み取り器 1 0 4とから構成される。また、厚さ変化量算出部 1 1 0は、研磨へッド位置読み取り器 1 0 4が読み取った研磨へッド 3 0の上下方向位置の変化から研磨へッド 3 0の厚さ変化量を算出する演算器からなる。へッド位置検出器 1 0 2が検出する研磨へッド 3 0の上下方向位置は、研磨へッド 3 0或いは研磨へッド 3 0と一体になつて上下動する部材上の代表点の、 C M P装置 1 ' に固定された（上下方向に移動しない）任意の水平基準面からの上下方向位置でよく、研磨パッド 6 0の厚さが変化する前後における研磨へッド 3 0の上下方向位置の相対移動量が検出できればよい。

このような第 1の変形例に係る C M P装置 1 ' によれば、研磨パッド 6 0の初期厚さ（研磨開始前の新品時の厚さ）のほか、研磨の進行により減少する研磨パッド 6 0の厚さの減少量（厚さ減少量）とを計測ことができる。研磨パッド 6 0の初期厚さを計測するには、先ず、パッドプレート 5 1の下面に研磨パッド 6 0を装着していない状態で研磨へッド 3 0を降下させ、ノヅドプレート 5 1の下面をウェハ 2 0 (これは必ずしもこれから研磨しょうとするウェハ 2 0でなくてもよく、同じ厚さのダミーのウェハ等であってもよい）の表面（上面）に上方から接触させる。そして、歪ゲ —ジ 9 2の出力からドライブプレート 1 0の変形量が零近傍となったときに、へッド位置検出器 1 0 2が検出して出力している研磨ヘッド 3 0の上下方向位置の値（第 1の値とする）を研磨へッド位置読み取り器 1 0 4が読み取り、その値を厚さ変化量算出部 1 1 0に出力する。次に、研磨へッド 3 0を一旦上昇させてパヅドプレート 5 1の下面に研磨パヅド 6 0を装着し、そのうえで研磨ヘッド 3 0を降下させて研磨パッド 6 0の下面をゥェハ 2 0の表面に上方から接触させる。そして、歪ゲージ 9 2の出力からドライブプレート 1 0の変形量が零近傍となったときに、へッド位置検出器 1 0 2が検出して出力している研磨へッド 3 0の上下方向位置の値（第 2の値とする）を研磨へッド位置読み取り器 1 0 4が読み取り、その値を厚さ変化量算出部 1 1 0に出力する。厚さ変化量算出部 1 1 0は、上記第 1の値と第 2の値との差を求め、これをパッドプレート 5 1の下面に装着した研磨パッド 6 0の初期厚さとして記憶する。

このようにして研磨パッド 6 0の初期厚さが計測されたら、前述した方法でゥヱハ 2 0の研磨を行う。ウェハ 2 0の研磨工程の途中には、ドレヅシングなどにより研磨を中断して研磨ヘッド 3 0を上昇させることがあるが、その後ウェハ 2 0の研磨を開始（再開）する前には必ず歪ゲージ 9 2 により検出されるドライブプレート 1 0の変形量が零近傍となるときがあり、このときの研磨へッド 3 0の上下方向位置（第 3の値とする）を上記と同様な手順で読み取れば、第 2の値と第 3の値の差から研磨工程において減少した研磨パッド 6 0の厚さ、すなわち研磨パッド 6 0の厚さ減少量が計測される。また、この厚さ減少量と上記初期厚さとから研磨パッド 6 0の現在の厚さも分かる。

このように第 1の変形例に係る C M P装置 1 ' によれば、研磨パッド 6 0の厚さ変化をモニターすることができるので、研磨パッド 6 0の寿命管理が大変容易である。また、研磨パヅド 6 0の厚さに応じた接触圧（ゥェハ 2 0に対する研磨部材 4 0の接触圧）の調整等も非常に容易となる。なお、上述の実施形態（ C M P装置 1の実施形態及び第 1の変形例に係る C M P装置 1 ' の実施形態）において、歪みゲージ 9 2を用いてドライブプレ一ト 1 0の（上下方向の）変形量を検出しているが、これに限られるものではなく、図 1に示すように、へヅドハウジング 3 1内におけるドライブプレート 1 0と対向する位置に磁気センサ 9 3 (もしくは光学センサ）を配設し、磁気センサ 9 3 (もしくは光学センサ）とドライブプレート 1 0との間の距離を測定することにより、ドライブプレート 1 0の（上下方向の）変形量を検出して制御部 9 0に出力するようにしてもよい。このようにすれば、センサ（変位検出部）の取り付けおよび調整が容易である。また、ドライププレート 1 0 (或いはダイアフラム 3 5 ) の変形量を検出する上記変位検出部は、相対移動する一方側の部材（例えばコイル側部材）をドライブプレート 1 0に取り付けるとともに、他方側の部材（例えば鉄心側部材）を研磨へッド 3 0に取り付けて構成される差動トランスであってもよい。

また、上述の実施形態において、本発明に係る上下機構として研磨へッド 3 0を上下、左右および前後方向へ移動可能に保持する研磨ヘッド移動機構 2 7が用いられているが、これに限られるものではなく、例えば、研磨ヘッドと連結される回転軸（スピンドル）と、この回転軸を回転可能に且つ上下移動可能に保持する口一夕リーボ一ルスプラインと、回転軸を回転駆動する電動モータと、回転軸を上下方向へ駆動するシリンダとを備え、シリンダの上下駆動により研磨ヘッドが（回転軸を介して）上下移動可能に構成されてもよく、研磨へッドを上下移動可能に保持する上下機構であればよい。

また、研磨部材（研磨パッド）の厚み変化だけでなく、半導体ゥヱハの厚さのバラツキによる研磨部材（研磨パッド）の半導体ゥヱハに対する当接位置のずれが研磨特性に与える影響を取り除くこともできる。

ところで、図 5に示す C M P装置 1〃は、上記 C M P装置 1の第 2の変形例であり、前述の C M P装置 1において、歪ゲージ 9 2 (もしくは、磁気センサ 9 3 ) に替えて、研磨パッド 6 0 (研磨部材 4 0 ) の厚さの変化を測定する測定器 1 5 0を備えたものである。測定器 1 5 0は、ウェハ保持テーブル 2 5の側方に設けられた市販の接触触針式変位計であり、触針 1 5 1が研磨パッド 6 0の研磨面の接触してその高さに応じて上下し、触針 1 5 1を研磨パッド 6 0の半径方向にスライドさせることにより、研磨パッド 6 0の半径方向の厚さ分布を測定できるようになつている。

このとき、研磨パッド 6 0の厚さとして、半径方向の厚さの分布の平均値（最大値または最小値でもよい）を採用してもよく、また例えば、研磨パッド 6 0の一点のみの厚さを測定するだけでもよい。なお、測定器 1 5 0として、例えば、接触触針式変位計に替えて光学式変位計を用いるようにしてもよい。

上述のようにして測定された研磨パッド 6 0の厚さのデータ（測定信号）は、測定器 1 5 0から制御部 9 0〃へ入力されるようになっており、 C M P装置 1の第 2の変形例である C M P装置 1〃の制御部 9 0〃は、測定器 1 5 0から出力された研磨パヅド 6 0の厚さのデータ（測定信号）に応じて、本発明に係る上下位置調整手段である研磨へッド移動機構 2 7およびロック機構 9 1の作動を制御するようになっている。

このような第 2の変形例に係る C M P装置 1 において、ウェハ 2 0の研磨を行うには、まず、上述した C M P装置 1と同様に、ゥヱハ保持テーブル 2 5の上面にウェハ 2 0が吸着取り付けされ、ウェハ回転機構 2 3によりウェハ保持テーブル 2 5が回転駆動される。次に、制御部 9 0〃が研磨へッド移動機構 2 7にへッド移動信号を出力することで研磨へッド 3 0 がゥヱハ 2 0の上方に位置し、研磨へッド回転機構 2 8にへッド回転信号を出力することでスピンドル 2 9および研磨へッド 3 0が回転する。

続いて、制御部 9 0〃が研磨へッド移動機構 2 7にへッド移動信号を出力することで研磨へッド 3 0が下方へ移動し、研磨パッド 6 0の下面（研磨面）がゥヱハ 2 0の上面（被研磨面）に当接する。このとき、制御部 9 0 " は口ック機構 9 1に口ヅク作動信号を出力し、口ヅク機構 9 1が作動して研磨へッド 3 0の上下移動が規制される。なお、研磨へヅド 3 0の上下移動が規制される位置は、研磨パッド 6 0の厚さに応じて、ドライププレート 1 0の（上下方向の）変形量が零近傍となるように設定される。そして、上述した C M P装置 1 と同様に、圧力室 H内に所定のエア圧が供給されて研磨部材 4 0のウェハ 2 0に対する研磨荷重が所定の値に設定され、研磨へヅド 3 0が略水平面内（ウェハ 2 0と研磨パヅド 6 0 との接触面の面内方向）で揺動するとともに、研磨パッド 6 0の下面側に研磨剤が供給される。これにより、ウェハ 2 0の被研磨面 2 1は、研磨剤の供給を受けつつウェハ 2 0自身の回転運動と研磨へッド 3 0の（すなわち研磨パッド 6 0の）回転及び摇動運動とにより研磨される。

研磨終了後、研磨済みのウェハ 2 0はウェハ保持テ一ブル 2 5から取り外され、所定の洗浄等が行われる。そして、新しいウェハ 2 0が再びゥェハ保持テーブル 2 5の上面に吸着取り付けされ、 C M P装置 1〃による研磨が繰り返される。

所定枚数のウェハ 2 0の研磨が行われた後、新しいウェハ 2 0がウェハ保持テ一プル 2 5の上面に吸着取り付けされて、ウェハ回転機構 2 3によりゥヱハ保持テーブル 2 5が回転駆動されると、制御部 9 0〃が研磨へヅド移動機構 2 7にへッド移動信号を出力するとともに、ロック機構 9 1に口ック作動信号を出力することで、研磨へッド 3 0が測定器 1 5 0上方における所定の測定位置に移動する。そして、測定器 1 5 0により研磨パッド 6 0の厚さが測定され、その測定データ（測定信号）が制御部 9 0〃に入力される。

続いて、制御部 9 0〃が研磨へヅド移動機構 2 7にへッド移動信号を出力することで研磨へッド 3 0がゥヱハ 2 0の上方に位置し、研磨へヅド回転機構 2 8にへヅド回転信号を出力することでスピンドル 2 9および研磨へッド 3 0が回転する。次に、制御部 9 0〃が研磨へッド移動機構 2 7にへッド移動信号を出力することで研磨へッド 3 0が下方へ移動し、研磨パッド 6 0の下面（研磨面）がウェハ 2 0の上面（被研磨面）に当接する。このとき、制御部 9 0〃はロック機構 9 1にロック作動信号を出力し、口ヅク機構 9 1が作動して研磨へッド 3 0の上下移動が規制される。なおこのとき、研磨へッド 3 0の上下移動が規制される位置は、（制御部 9 0 " に入力された）研磨パッド 6 0の厚さの変化に応じて、前述において設定された位置よりも下方（もしくは上方）に位置調整される。これにより、研磨パッド 6 0が摩耗しても、ドライブプレート 1 0の（上下方向の）変形量が零近傍となるように調整される。

そして、圧力室 H内に所定のエア圧が供給されて研磨部材 4 0のウェハ 2 0に対する研磨荷重が所定の値に設定され、研磨へッド 3 0が略水平面内（ウェハ 2 0と研磨パッド 6 0との接触面の面内方向）で摇動するとともに、研磨パッド 6 0の下面側に研磨剤が供給される。これにより、ゥェハ 2 0の被研磨面 2 1は、研磨剤の供給を受けつつウェハ 2 0自身の回転運動と研磨へッド 3 0の（すなわち研磨パッド 6 0の）回転及び揺動運動とにより研磨される。

このように第 2の変形例に係る C M P装置 1〃によれば、前述の C M P 装置 1 と同様に、研磨パッド 6 0の厚み変化による研磨部材 4 0の研磨荷重の誤差をなくすことができ、ウェハ 2 0の加工精度を向上させることができる。特に、研磨部材 4 0の研磨荷重を低くしてウェハ 2 0を研磨する場合に有効である。また、制御部 9 0〃が、測定器 1 5 0から出力された研磨パッド 6 0の厚さのデ一夕（測定信号）に応じて、研磨ヘッド移動機構 2 7およびロック機構 9 1 (上下位置調整手段）の作動を制御することで、より確実に研磨パッド 6 0の厚み変化に対応することができる。なお、本実施形態（第 2の変形例に係る C M P装置 1〃の実施形態）において、新品の研磨パッド 6 0を最初に使用するときに、測定器 1 5 0により研磨パッド 6 0の厚さを測定し、測定した研磨パッド 6 0の厚さのデ一夕（測定信号）に応じて、ドライブプレート 1 0の（上下方向の）変形量が零近傍となるように研磨へッド 3 0の上下移動が規制される位置を設定するようにしてもよい。

また、本実施形態（第 2の変形例に係る C M P装置 1〃の実施形態）において、制御部 9 0〃が、測定器 1 5 0から出力された研磨パヅド 6 0の厚さのデータ（測定信号）に応じて、研磨ヘッド移動機構 2 7およびロック機構 9 1 (上下位置調整手段）の作動を制御しているが、これに限られるものではない。例えば、ドライブプレート 1 0 (或いはダイアフラム 3 5 ) の変形量を検出可能な変位検出部（例えば、図 1における歪みゲージ 9 2や磁気センサ 9 3等）を設け、制御部 9 0〃が、変位検出部から出力されたドライブプレート 1 0の変形量のデ一夕（検出信号）に応じて、研磨へッド移動機構 2 7および口ック機構 9 1 (上下位置調整手段）の作動を制御するようにしてもよい。このようにしても、上述の場合と同様の効果を得ることができる。

続いて、本発明に係る半導体デバイスの製造方法の実施例について説明する。図 6は半導体デバイスの製造プロセスを示すフローチヤ一トである。半導体製造プロセスをス夕一トすると、まずステップ S 2 0 0で次に挙げるステップ S 2 0 1〜S 2 0 4の中から適切な処理工程を選択し、いずれかのステヅプに進む。

ここで、ステップ S 2 0 1はウェハの表面を酸化させる酸化工程である。ステップ S 2 0 2は C V D等によりゥヱハ表面に絶縁膜や誘電体膜を形成する C V D工程である。ステップ S 2 0 3はゥヱハに電極を蒸着等により形成する電極形成工程である。ステップ S 2 0 4はウェハにイオンを打ち込むイオン打ち込み工程である。

C V D工程（S 2 0 2 )もしくは電極形成工程（S 2 0 3 )の後で、ステヅプ S 2 0 5に進む。ステップ S 2 0 5は C M P工程である。 C M P工程では本発明による研磨装置により、層間絶縁膜の平坦化や半導体デバイス表面の金属膜の研磨、誘電体膜の研磨等が行われ、ダマシン（damascene) プロセスが適用されることもある。

〇^[ ェ程（3 2 0 5 )もしくは酸化工程（S 2 0 1 )の後でステップ S 2 0 6に進む。ステップ S 2 0 6はフォトゾリグラフィ工程である。このェ程ではウェハへのレジストの塗布、露光装置を用いた露光によるウェハへの回路パターンの焼き付け、露光したウェハの現像が行われる。さらに、次のステップ S 2 0 7は現像したレジスト像以外の部分をエッチングにより削り、その後レジスト剥離が行われ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くエッチング工程である。

次に、ステップ S 2 0 8で必要な全工程が完了したかを判断し、完了していなければステップ S 2 0 0に戻り、先のステップを繰り返してウェハ上に回路パターンが形成される。ステップ S 2 0 8で全工程が完了したと判断されればェンドとなる。

本発明による半導体デバイス製造方法では、 C M P工程において本発明に係る研磨装置を用いているため、ウェハの加工精度および歩留まりが向上する。これにより、従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コストで半導体デバイスを製造することができるという効果がある。なお、上記半導体デバイス製造プロセス以外の半導体デバイス製造プロセスの C M Pェ程に本発明による研磨装置を用いても良い。また、本発明による半導体デバイス製造方法により製造された半導体デバイスは、歩留まりが高く低コストの半導体デバイスとなる。

Claims

言青求の範囲

1 . 研磨対象物を保持する対象物保持具と、前記研磨対象物を研磨する研磨部材を保持する研磨へッドと、前記研磨へッドを上下移動可能に保持する上下位置調整手段とを備え、前記上下位置調整手段を利用して前記研磨へッドを下方へ移動させ前記研磨部材を前記研磨対象物に当接させたのち、前記研磨部材を前記研磨対象物に当接させながら相対移動させて前記研磨対象物の研磨を行うように構成された研磨装置において、

前記研磨ヘッドは、下面側に開口を有するヘッドハウジングと、前記へツドハウジング内に略水平に固設され前記研磨部材を上下移動可能に保持する.板状の弾性部材とを有し、

前記研磨部材は、前記弾性部材を用いて前記開口を通過するように配設され、前記へッドハウジング内に給排される空気を利用して上下移動可能に構成されており、

前記研磨部材の厚さの変化による前記弾性部材の変形量が零近傍となるように前記上下位置調整手段の作動を制御する制御部を備えて構成されることを特徴とする研磨装置。

2 . 前記研磨部材の厚さの変化を測定する測定器を備え、

前記制御部は、前記測定器から出力された信号に応じて前記上下位置調整手段の作動を制御することを特徴とする請求項 1に記載の研磨装置。

3 . 前記弾性部材の変形量を検出する変位検出部を備え、

前記制御部は、前記変位検出部から出力された信号に応じて前記上下位置調整手段の作動を制御することを特徴とする請求項 1に記載の研磨装置。

4 . 研磨対象物を保持する対象物保持具と、前記研磨対象物を研磨する研磨部材を保持する研磨へッドと、前記研磨へッドを上下移動可能に保持する上下機構とを備え、前記上下機構を利用して前記研磨へッドを下方へ移動させ前記研磨部材を前記研磨対象物に当接させたのち、前記研磨部材を前記研磨対象物に当接させながら相対移動させて前記研磨対象物の研磨を行うように構成された研磨装置において、

前記研磨ヘッドは、下面側に開口を有するヘッドハウジングと、前記へッドハウジング内に略水平に固設され前記研磨部材を上下移動可能に保持する板状の弾性部材とを有し、

前記研磨へッドに設けられて前記弾性部材の変形量を検出する変位検出部と、

前記研磨へッドの上下移動を規制する口ック機構と、

前記口ック機構の作動を制御する制御部とを備え、

研磨開始前において、前記研磨へッドが下方へ移動して前記研磨部材が前記研磨対象物に当接し、前記変位検出部に検出される前記弾性部材の変形量が零近傍になると、前記制御部が前記口ック機構を作動させて前記研磨ヘッドの上下移動が規制されるように構成されることを特徴とする研磨装置。

5 . 前記変位検出部が、前記弾性部材に配設された歪みゲージであることを特徴とする請求項 4に記載の研磨装置。

6 . 前記変位検出部が、前記ヘッドハウジング内に前記弾性部材と対向して設けられた磁気センサもしくは光学センサであることを特徴とする請求項 4に記載の研磨装置。

7 . 前記変位検出部が、相対移動する一方側の部材が前記弾性部材に取り付けられるとともに他方側の部材が前記研磨へッド側部材に取り付けられた差動'トランスからなることを特徴とする請求項 4に記載の研磨装置。

8 . 前記変位検出部により検出される前記弾性部材の変形量の変化速度が予め定めた所定値を超えたとき、前記研磨へッドの作動を停止させる作動停止手段を備えたことを特徴とする請求項 4から請求項 7のうちいずれか一項に記載の研磨装置。

9 . 前記変位検出部により検出された前記弾性部材の変形量が零近傍であるときの前記研磨へッドの上下方向位置を検出する研磨へッド位置検出部と、前記研磨ヘッド位置検出部により検出された前記研磨ヘッドの上下方向位置の変化量から前記研磨部材の厚さ変化量を算出する厚さ変化量算出部とを備えたことを特徴とする請求項 4から請求項 8のうちいずれか一項に記載の研磨装置。

1 0 . 前記研磨対象物は半導体ウェハであり、請求項 1から請求項 9のうちいずれか一項に記載の研磨装置を用いて前記半導体ウェハの表面を平坦化する工程を有することを特徴とする半導体デバイス製造方法。

1 1 . 請求項 1 0に記載の半導体デバイス製造方法により製造されたことを特徴とする半導体デバイス。