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JP3011113B2 - 基板の研磨方法及び研磨装置 - Google Patents

基板の研磨方法及び研磨装置

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JP3011113B2
JP3011113B2 JP30526796A JP30526796A JP3011113B2 JP 3011113 B2 JP3011113 B2 JP 3011113B2 JP 30526796 A JP30526796 A JP 30526796A JP 30526796 A JP30526796 A JP 30526796A JP 3011113 B2 JP3011113 B2 JP 3011113B2
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polishing
substrate
carrier
distance
end point
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JP30526796A
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亨 久保
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NEC Corp
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は終点検知方法に関
し、特に化学的機械的研磨(Chemicao MechanicalPolis
hing :CMP)法を用いた金属膜の研磨方法汲び研磨
装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の製造工程では、半導体基板
(ウェハ)の表面に形成した金属膜をCMP法により研
磨する工程が行われるが、この研磨を好適に行うために
は、その研磨の終点を正確に判定して研磨を終了させる
必要がある。この研磨の終点判定の第1の技術として、
図5に特開平6−120183号公報に記載の技術を示
すように、回転する定盤を用いた技術がある。この技術
では、研磨するウェハ21をキャリア22に保持し、か
つ回転される定盤23の表面には開口24aを有する研
磨パッド24を設けておき、キャリア22を用いてウェ
ハ21の表面を研磨パッド24に押圧させ、かつ研磨パ
ッド24の表面に研磨剤としてのスラリを供給源25か
ら供給しながらキャリア22と定盤23を回転すること
で、ウェハの表面をCMP研磨する。このとき、前記研
磨パッド24の開口24a中に存在するスラリ中のイオ
ンが、定盤側とウェハ側の配線層を介して導通状態とさ
れるため、これらの間に電源26により通電を行い、そ
の際の電流を電流計27によって検出する。この検出し
た電流値はウェハ表面での残存膜厚によって変化される
ため、この検出電流を監視することで研磨の終点が可能
となる。。
【0003】あるいは、第2の技術としての特開平6−
216095号公報に記載の技術は、図6に示すよう
に、ウェハ31の研磨に際して回転(自転)されるキャ
リア32の回転数をモータ35において回転計36で測
定し、回転が常に一定になるように制御装置37で回転
数を制御する。このような条件を用いて研磨を実行する
と、ウェハ表面の平坦化が進行するにつれて、キャリア
32にかかるトルクは小さくなる。このトルクは研磨抵
抗測定手段であるトルク計38にて測定される。そして
測定トルクが蝕和状憑になった時を研磨の終点として判
定する。33はモータ33aで回転駆動され、表面に研
磨パッドを有する定盤、34はスラリ供給源である。
【0004】さらに、研磨されるウェハの膜厚や表面状
態を光学的に検出して終点を判定する技術も提案されて
いる。例えば、第3の技術として特開平7−28317
8号公報に記載の技術では、研磨されるウェハの表面側
から裏面側に赤外光等のエネルギを供給し、このエネル
ギがウェハを透過した後のエネルギ変化を検出すること
でウェハの膜厚を検出して研磨の終点を検出する技術が
提案されている。この技術では、赤外光がウェハを透過
する際に、原子及び結合原子に固有の波長のエネルギ吸
収が起きるため、このエネルギ吸収量をモニターするこ
とで研磨の終点を判定している。あるいは、第4の技術
として特開平8−17768号公報に記載の技術よう
に、研磨されるウェハを研磨の途中で光学センサ上に移
動させ、可視光線を利用した光学手法によりウェハある
いは研磨膜の膜厚を測定することでその終点を判定する
技術も提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】前記した従来の第1の
技術では、ウェハ連続研磨時での電流がどのウェハでも
常に一定範囲にはないため、その都度設定を行う必要が
あり、研磨作業が面倒なものとなる。これは第2の技術
におけるトルク変化を検出する場合についても同じであ
る。その理由は、第1の技術では、研磨パッドの開口内
に常に一定量、一定濃度のスラリが入り込んではおら
ず、また、ウェハ表面及び研磨パッドのパターンの違い
による電流値のバラツキも発生するからである。第2の
技術では、仮に研磨パッド表面再生の為のドレッシング
を行っても、研磨パッド表面は常に劣化していくのでト
ルクの変化(シフト)は必ず起きてしまうからである。
【0006】また、前記した第3の技術では、特定の膜
を対象としてその成分から膜厚を検出しているが、高精
度に研磨対象膜の構成化学成分を検知することが困難で
あり、したがって膜厚を高精度に検出することは困難で
ある。その理由は、多層化、かつ高集積化したウェハ表
面の構造の中で1層のみの化学成分を精度よく検出する
のは困難であるからである。また、異なる材料の膜厚を
検出する際には、その設定をやり直す必要がある。さら
に、第4の技術では、研磨を中断してウェハの測定を行
うため、研磨時間以外の測定時間が必要となり、研磨の
スループットが低下することになる。その理由は、ウェ
ハを保持しているキャリアを研磨パッド上から、光学セ
ンサ上へ移動するからである。
【0007】本発明の目的は、研磨の終点を高精度に判
定して所要の研磨を正確に行うことを可能にした基板の
研磨終点判定方法と研磨装置を提供することにある。
【0008】
【発明を解決するための手段】本発明の研磨方法は、キ
ャリアに支持して研磨を行う基板の反りの状態を検出し
て基板の研磨の終点を判定することを特徴とする。すな
わち、基板の反りが反転したときを終点と判定する。ま
た、基板の反りは、基板の裏面一部とキャリアとの距離
を測定し、測定距離が予め設定された距離にまで低減さ
れたときに終点と判定する。また、この基板の裏面一部
とキャリアとの距離は、基板の裏面での光反射の時間情
報から求めることが好ましい。
【0009】また、本発明の研磨装置は、表面に研磨パ
ッドが形成されて回転駆動される定盤と、この定盤上で
回転可能でかつ定盤の表面に対して往復移動可能に構成
されて研磨される基板を保持するキャリアと、前記研磨
パッドの表面に研磨剤を供給する手段とを備えており、
キャリアに保持した基板を研磨パッドに押し当て、研磨
剤と研磨パッドとにより基板の表面を研磨する研磨装置
において、キャリアに設けられて基板の反り状態を検出
する手段と、この反り状態に基づいて定盤、キャリア、
研磨剤供給手段の各研磨動作を停止させる手段とを備え
ることを特徴とする。ここで、基板の反り状態を検出す
る手段は、基板の裏面と、この基板の裏面に対向される
キャリア内面との距離を測定し、この測定された距離の
変化に基づいて反りの反転を検出する手段として構成さ
れる。例えば、基板の反り状態を検出する手段は、基板
の裏面に対して光を投射し、かつその反射光を受光する
までの時間を測定する手段と、この測定された時間に基
づいて距離を計算する手段で構成される。また、この時
間を測定する手段は、円形板状をした基板の周辺部に対
向する位置に配置される。
【0010】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。図1は本発明の研磨
装置の全体構成を示す概略構成図であり、回転軸1aに
よって自転される円形板状をした定盤1の表面には研磨
パッド2が一体に設けられている。この定盤1は、モー
タや変速機等で構成される定盤回転駆動部3により回転
駆動される。また、前記定盤1の上方位置には、研磨す
る半導体基板(ウェハ)4を保持するキャリア5が配置
される。さらに、このキャリア5に隣接する位置には、
研磨剤としてのスラリを前記研磨パッド上に供給するた
めのスラリ供給管6と、スラリ供給制御部7が設けられ
る。
【0011】前記キャリア5は、図2(a),(b)に
その拡大断面図と底面図を示すように、回転軸5aによ
り回転される下向きの浅皿状に形成されており、その周
縁部には飛出し防止リング8が、底面部には裏面パッド
9がそれぞれ設けられ、これら飛出しリング8と裏面パ
ッド9との間に前記半導体基板4を支承するように構成
される。前記回転軸5aはモータや減速機等で構成され
るキャリア回転駆動部10により回転駆動される。ま
た、このキャリア回転駆動部10を制御し、あるいはキ
ャリア5の上下移動を制御するためのキャリア動作制御
部11が設けられる。
【0012】また、前記キャリア5の裏面パッド9の周
囲複数箇所、ここでは円周方向に4分した位置にそれぞ
れ光学センサ12を配置している。この光学センサ12
の構造の説明は省略するが、内蔵された発光素子で発光
した光をキャリアの下方に出射させ、その反射光を内蔵
された受光素子で受光してその際の時間を検出すること
で、これから裏面パッド9とウェハ4の表面との距離を
測定することが可能とされるものである。前記光学セン
サ12には光学センサ測定部13が接続されており、こ
の光学センサ測定部13はCPU14に接続される。そ
して、このCPU14には、前記光学センサ13て測定
した距離に基づいて研磨の終点を判定する終点判定部1
5が接続され、この終点判定部15には、前記した定盤
回転駆動部3、スラリ供給制御部7、キャリア動作制御
部11がそれぞれ接続されている。なお、この実施形態
では、前記裏面パッド9はスエードタイプのような湿式
発泡体(連続発泡体)で構成され、飛び出し防止リング
8は結晶性ポリアセタールのようなプラスチックが用い
られる。また、光学センサ12では測定用の光として可
視光線、或いは赤外領域のレーザ光線を用いている。
【0013】次に、本発明の実施の形態における研磨動
作の全体の流れについて説明する。研磨されるウェハ4
をキャリア5の裏面パッド9と飛出しリング8の内部に
内挿し、かつキャリア動作制御部11によりキャリア5
を下動してウェハ4を定盤1の研磨パッド2上に当接す
る。そして、定盤回転駆動部3により定盤1を回転駆動
するとともに、キャリア回転駆動部10によりキャリア
5を回転させる。さらに、スラリ供給制御部7によりス
ラリ供給管6から研磨パッド2上にスラリを供給する。
これにより、ウェハ4は研磨パッド2とスラリとにより
その表面のCMP研磨が実行されることになる。
【0014】そして、この研磨の終点の判定動作は、図
3にフローチャートを示すように、光学センサ12にお
いて、その光線出射からウェハ4の裏面での反射光の受
光までの時間情報を光学センサ測定部13に入力する。
さらに、この光学センサ測定部13からの出力はCPU
14に入力され、このCPU14において時間情報が距
離情報に変換され、終点判定部15に入力される。終点
判定部15では、この距離情報の変化状態を随時検出
し、この検出値が予め設定された距離にまで低減される
たときに研磨の終点と判定し、研磨の終点信号が出力さ
れる。この終点信号の出力先はスラリ供給制御部7、キ
ャリア動作制御部11、定盤回転駆動部3である。ま
ず、スラリ供給制御部7に終点信号が入力してスラリの
供給を停止させる。続いて、キャリア動作制御部11に
入力した終点信号により、キャリア5を上方に移動させ
て研磨庄力を0とし、さらに研磨パッド2との接触状態
から離脱させる。そして、キャリア動作制御部11から
キャリア回転駆動部10に終点信号が伝達され、キャリ
ア5の回転が停止する。最後に、定盤回転駆動部3に入
力した終点信号により、定盤1の回転が停止し全体の研
磨動作が終了する。
【0015】図4はその研磨動作の一例を工程順に示す
図である。ここでは、図4(a1)のように、ウェハ4
の表面上に下絶縁膜膜41、配線としてTi膜42、T
iN膜43、AlCu膜44、TiN膜45の積層金属
配線、層間絶縁膜としてバイアスECRSiO2 膜4
6、金属配線上に開口しているスルーホールをTiN膜
47、ブランケットW膜48で埋設した構造が形成され
ているものとする。そして、このウェハ4は図4(a
2)に示すように、前記キャリア5内に内挿され裏面パ
ッド9に裏面において支持される。この状態では、ウェ
ハ4の表面上にブランケットW膜48が形成されている
ため、その機械的な強度によってウェハ4は上方に凸の
状態に反った状態となっている。したがって、このとき
に光学センサ12で検出されるウェハ4の裏面の周辺部
と裏面パッド9との距離L0は比較的に大きなものとな
っている。このとき、ウェハ4のストレスは500Mp
aで、反り量は40μm程度であった。
【0016】このウェハを図1の研磨装置を用いて、定
盤回転数50rpm、キャリア回転数40rpm、研磨
圧力5.0psi、裏面圧力0psi、スラリ供給流量
100cc/minの条件で研磨を行った。用いたスラ
リの粒子種はアルミナ粒子、溶液のpHは4前後であっ
た。図4(b1)にはブランケットW膜48の研磨途中
の状態を示している。この時のウェハ4は、図4(b
2)に示すように、ブランケットW膜48の膜厚の減少
によってその反り量が低減され、したがって光学センサ
12で検出される裏面パッド9とウェハ4の裏面との距
離L1は前記L0よりも低減される。
【0017】引き続いて研磨を行っていくと、図4(c
1)に示すようにブランケットW膜48とTiN膜47
が除去されて、Wプラグが形成される。この時、図4
(c2)に示すように、ウェハ4は表面のブランケット
W膜48が完全に除去されるため、その機械力が解消さ
れて研磨前の反りとは逆の下方に凸の形状になってい
る。このため、ウェハ4の裏面周辺部における裏面パッ
ド9との距離L2は更に短いものとなり、これを光学セ
ンサ12により検出することで、ウェハの反りの反転が
検出でき、これにより終点判定部15における研磨の終
点が判定されることになる。この終点の判定において
は、図4に示したフローチャートに伴う動作が行われる
ことは前記した通りである。
【0018】したがって、この研磨においては、ウェハ
4の反りの状態を検出することで研磨の終点が判定でき
るため、単にウェハの表面状態を検出するための手段を
設ければよく、従来のような複雑な測定機器が不要にな
る。また、特定の膜のみを対象とした研磨の終点検出手
法ではないため、ウェハの表面上の膜の種類如何にかか
わらず研磨の終点を高精度の判定することが可能とな
り、適切な研磨が実現できる。また、終点の判定は研磨
の進行と同時に判定できるため、研磨の効率が低下され
ることはない。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、基板の裏
面一部とキャリアとの距離を測定して基板の反りを検出
し、基板の反りが反転したときを終点と判定する。ま
た、測定した距離が予め設定された距離にまで低減され
たときに終点と判定する。特に、基板の裏面での光反射
の時間情報から基板の裏面一部とキャリアとの距離を求
めて研磨される基板の反りの状態を検出することで基板
表面での膜状態を検出し、基板の研磨終点を判定してい
るため、基板の表面の膜、スラリ、研磨パッド等の種類
によらずに正確に終点検知が行なうことができ、不必要
な過剰研磨を防止するとともに、ウェハ表面のパターン
による反りのばらつきやウェハ間のストレス(反り)の
ばらつきがほとんど無いために、ウェハの連続研磨を行
なう場合でもその設定範囲を変更する必要がなく、研磨
作業が複雑化されることはない。また、研磨を中断する
ことなく、研磨の進行と同時に基板の研磨終点が判定で
きるため、研磨の時間効率が高められ、基板1枚当たり
における研磨時間を短縮して研磨のスループットが向上
する。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、研磨され
る基板の反りの状態を検出することで基板表面での膜状
態を検出し、基板の研磨終点を判定しているため、基板
の表面の膜、スラリ、研磨パッド等の種類によらずに正
確に終点検知が行なうことができ、不必要な過剰研磨を
防止するとともに、ウェハ表面のパターンによる反りの
ばらつきやウェハ間のストレス(反り)のばらつきがほ
とんど無いために、ウェハの連続研磨を行なう場合でも
その設定範囲を変更する必要がなく、研磨作業が複雑化
されることはない。また、研磨を中断することなく、研
磨の進行と同時に基板の研磨終点が判定できるため、研
磨の時間効率が高められ、基板1枚当たりにおける研磨
時間を短縮して研磨のスループットが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の研磨装置の実施形態の槻略構成を示す
図である。
【図2】キャリアの拡大断面図とその底面図である。
【図3】終点判定動作を説明するためのフローチャート
である。
【図4】ウェハの研磨状態と終点判定動作との関係を工
程順に示す図である。
【図5】従来の第1の技術を説明するための図である。
【図6】従来の第2の技術を説明するための図である。
【符号の説明】
1 定盤 2 研磨パッド 3 定盤回転駆動部 4 ウェハ 5 キャリア 6 スラリ供給管 9 裏面パッド 10 キャリア回転駆動部 11 キャリア動作制御部 12 光学センサ 13 光学センサ測定部 14 CPU 15 終点判定部

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面に膜を有する基板をキャリアに保持
    し、前記キャリアにより前記基板を研磨パッドに押し当
    てて前記基板表面の前記膜の研磨を行う基板の研磨方法
    において、前記基板の裏面の一部と前記キャリアとの距
    離を、前記基板の前記裏面での光反射の時間情報から求
    めることにより、測定して前記基板の反りの状態を検出
    、前記距離が予め設定された距離にまで低減された時
    に前記基板の前記膜の研磨の終点判定することを特徴
    とする基板の研磨方法。
  2. 【請求項2】 定盤の表面に研磨パッドが形成されて回
    転駆動され、キャリアが前記定盤上で回転可能でかつ前
    記定盤の表面に対して往復移動可能に構成され表面の膜
    が研磨される基板を保持し、前記研磨パッドの表面に研
    磨剤が供給され、前記キャリアに保持した前記基板を前
    記研磨パッドに押し当て、前記研磨剤と前記研磨パッド
    とにより前記基板の表面を研磨する基板の研磨方法にお
    いて、前記基板の裏面と前記基板の裏面に対向される前
    記キャリア内面との距離を測定し前記基板の反りの状態
    を検出し、測定された前記距離の変化に基づいて反りの
    反転を検出することにより前記基板の前記膜の研磨の終
    点を判定し、前記研磨の終点が判定されたら前記定盤、
    前記キャリア、前記研磨剤供給手段の各研磨動作を停止
    させることを特徴とする基板の研磨方法。
  3. 【請求項3】 定盤の表面に研磨パッドが形成されて回
    転駆動され、キャリアが前記定盤上で回転可能でかつ前
    記定盤の表面に対して往復移動可能に構成され表面の膜
    が研磨される基板を保持し、前記研磨パッドの表面に研
    磨剤が供給され、前記キャリアに保持した前記基板を前
    記研磨パッドに押し当て、前記研磨剤と前記研磨パッド
    とにより前記基板の表面を研磨する基板の研磨方法にお
    いて、前記基板の裏面と前記基板の裏面に対向される前
    記キャリア内面との距離を測定し前記基板の反りの状態
    を検出し、前記距離が予め設定された距離にまで低減さ
    れた時に前記基板の前記膜の研磨の終点と判定し、前記
    研磨の終点が判定されたら前記定盤、前記キャリア、前
    記研磨剤供給手段の各研磨動作を停止させることを特徴
    とする基板の研磨方法。
  4. 【請求項4】 表面に研磨パッドが形成されて回転駆動
    される定盤と、前記定盤上で回転可能でかつ前記定盤の
    表面に対して往復移動可能に構成されて表面 の膜が研磨
    される基板を保持するキャリアと、前記研磨パッドの表
    面に研磨剤を供給する手段とを備え、前記キャリアに保
    持した前記基板を前記研磨パッドに押し当て、前記研磨
    剤と前記研磨パッドとにより前記基板の表面を研磨する
    研磨装置において、前記基板の裏面と前記基板の裏面に
    対向される前記キャリア内面との距離を測定し前記基板
    の反り状態を検出し、測定された前記距離の変化に基づ
    いて反りの反転を検出することにより前記基板の前記膜
    の研磨の終点を判定する手段と、前記研磨の終点が判定
    されたら前記定盤、前記キャリア、前記研磨剤供給手段
    の各研磨動作を停止させる手段とを備えることを特徴と
    する基板の研磨装置。
  5. 【請求項5】 表面に研磨パッドが形成されて回転駆動
    される定盤と、前記定盤上で回転可能でかつ前記定盤の
    表面に対して往復移動可能に構成されて表面の膜が研磨
    される基板を保持するキャリアと、前記研磨パッドの表
    面に研磨剤を供給する手段とを備え、前記キャリアに保
    持した前記基板を前記研磨パッドに押し当て、前記研磨
    剤と前記研磨パッドとにより前記基板の表面を研磨する
    研磨装置において、前記基板の裏面と前記基板の裏面に
    対向される前記キャリア内面との距離を測定し前記基板
    の反り状態を検出し、前記距離が予め設定された距離に
    まで低減された時に前記基板の前記膜の研磨の終点を判
    定する手段と、前記研磨の終点が判定されたら前記定
    盤、前記キャリア、前記研磨剤供給手段の各研磨動作を
    停止させる手段とを備えることを特徴とする基板の研磨
    装置。
  6. 【請求項6】 前記研磨の終点を判定する手段が、前記
    基板の前記裏面に対して光を投射し、かつ該光の反射光
    を受光するまでの時間を測定する手段と、時間に基づ
    いて前記距離を計算する手段とを含む請求項4または5
    に記載の基板の研磨装置。
  7. 【請求項7】 前記時間を測定する手段は、円形板状を
    した前記基板の前記裏面の周辺部に対向する位置に配置
    される請求項に記載の基板の研磨装置。
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