JP2009026850A - Ｃｍｐ装置及びｃｍｐによるウェハー研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】研磨パッドの厚みにばらつきがあったとしても、高速研磨時におけるウェハー上の研磨対象膜を一定の膜厚にする。
【解決手段】新規な研磨パッド１３をＣＭＰ装置の回転定盤１４上にセットする。次に、新規な研磨パッド１３の厚みを測定する。この測定結果は研磨制御部１９に入力される。次に、研磨制御部１９は、データテーブル１９ｂを参照して、新しい研磨パッド１３の厚みに対応する閾値を決定する。さらに、こうして求められた閾値を登録する。その後、この閾値を用いて研磨対象のウェハー１１を研磨する。詳細には、渦電流センサーの出力が閾値に達するまでウェハー１１を高速研磨し、閾値に達した時点で高速研磨から低速研磨に切り替え、研磨終点を検出した時点で研磨を終了する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）装置及びＣＭＰによる半導体ウェハーの研磨方法に関し、特に、研磨速度の切り替えタイミングの検出方法に関するものである。

半導体デバイスの製造においてＣＭＰは重要な役割を担っている。半導体集積回路チップは、ウェハー上に導電層や絶縁層あるいはその他の薄膜層を所定の順序で形成し、必要に応じて各層毎にフォトリソグラフィ及びエッチングを行うことによりパターン層を形成し、すべての層を形成した後にウェハー上の個々のチップを切断分離することにより製造される。ここで、成膜時の下地面に凸凹や段差があると、その上に成膜した材料膜の膜厚が部分的に薄くなって段差被覆性（ステップ・カバレッジ）が悪化し、歩留まり低下などの問題が起こる。また、上位層は下位のパターン層の影響を受けて凹凸を生じるため、露光時の焦点が定まらず、精密なパターンを転写できないという問題がある。そのため、材料膜の表面を平坦化する必要があり、ＣＭＰはかかる目的のために用いられる。

ＣＭＰにおいては、ウェハーをできるだけ高速に研磨することでスループット（単位時間内に研磨処理できるウェハー枚数）の向上が図られている。しかし、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等の金属膜を高速に研磨するとエロージョンが大きくなるという問題がある。そこで、メタル系ＣＭＰにおいては、まず高速研磨を行い、金属膜の膜厚が数十ｎｍ程度に達した時点で高速研磨から低速研磨に切り替えることにより、エロージョンの抑制を図っている。

高速研磨中に金属膜の膜厚を測定する方法の一つとして、渦電流センサーを用いる方法が知られている（特許文献１参照）。渦電流センサーは、高周波磁界を利用して金属膜の膜厚を測定するもので、渦電流センサーで膜厚を測定しながら金属膜を高速研磨し、渦電流センサーの出力が所定の閾値となった時点で高速研磨を終了し、低速研磨に切り替える。
特表２００４−５２５５２１号公報

しかしながら、研磨パッドの厚みにばらつきがあると、金属膜の残膜もその厚みばらつきに応じた膜厚となる。研磨パッドが厚いときは研磨対象の金属膜までの距離が遠くなるため、渦電流センサーが所定の出力値となった時点で高速研磨を終了したとしても、金属膜の膜厚は目標膜厚よりも厚くなる。また、研磨パッドが薄いときは研磨対象の金属膜までの距離が短くなるため、渦電流センサーが所定の出力値となった時点で研磨を終了したとしても、金属膜の膜厚は目標膜厚よりも薄くなる。この残膜のばらつきは、その後の低速研磨（バリアクリア研磨）において、研磨時間のばらつきとなり、研磨パッドが厚い場合には残膜も厚くなることから、ＣＭＰのスループットが低下するという問題がある。また、研磨パッドが薄い場合には残膜も薄くなることから、エロージョン等による品質劣化を招くおそれがある。

したがって、本発明の目的は、たとえ研磨パッドの厚みにばらつきがあったとしても、高速研磨時におけるウェハー上の研磨対象膜を一定の膜厚にすることが可能なＣＭＰ装置及びＣＭＰによるウェハーの研磨方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、交換可能な研磨パッドと、研磨パッドを介してウェハー上の研磨対象膜の膜厚を測定する膜厚センサーと、膜厚センサーの出力値が閾値を超えたことに応答して研磨条件を切り替える研磨制御部とを備え、研磨制御部は、研磨パッドが交換されたとき、新規な研磨パッドの厚みに応じた閾値を記憶する記憶部を備えることを特徴とするＣＭＰ装置によって達成される。

本発明において、記憶部は、研磨対象膜の膜厚を一定とした場合における研磨パッドの厚みと膜厚センサーの出力値との関係を示す変換情報をさらに記憶しており、研磨制御部は、変換情報を参照して、新規な研磨パッドの厚みに応じた膜厚センサーの出力値を求め、当該出力値を閾値として登録することが好ましい。

本発明において、研磨制御部は、所定の膜厚を有する研磨対象膜が形成された基準ウェハーをセットした後、膜厚センサーを用いて研磨対象膜の膜厚を測定し、膜厚センサーの出力値を閾値として登録することが好ましい。

本発明においては、膜厚センサーが渦電流センサーであることが好ましい。また、研磨対象膜は金属膜又は金属化合物膜であることが好ましい。

本発明の上記目的はまた、新規な研磨パッドをセットする研磨パッドセッティングステップ、新規な研磨パッドの厚みに基づいて補正された所定の閾値を登録する閾値登録ステップ、研磨対象のウェハーをセットし、膜厚センサーで研磨対象膜の膜厚を監視しながら高速研磨を行う高速研磨ステップ、膜厚センサーの出力が閾値に達したとき高速研磨から低速研磨に切り替える研磨条件切替ステップ、及び研磨終点までウェハーの低速研磨を行う低速研磨ステップを備えることを特徴とするＣＭＰによるウェハー研磨方法によっても達成される。

本発明において、閾値登録ステップは、研磨対象膜の膜厚を一定とした場合における研磨パッドの厚みと膜厚センサーの出力値との関係を示す変換情報を参照して、新規な研磨パッドの厚みに対応する膜厚センサーの出力値を求めるステップ、及び当該出力値を閾値として登録するステップを含むことが好ましい。

本発明において、閾値登録ステップは、所定の膜厚を有する研磨対象膜が形成された基準ウェハーを研磨ヘッドにセットするステップ、膜厚センサーを用いて研磨対象膜の膜厚を測定するステップ、及び膜厚センサーの出力値を閾値として登録するステップを含むことが好ましい。

このように、本発明によれば、研磨パッドの厚みに応じて渦電流センサーの閾値の補正を行うので、メタル系ＣＭＰにおいて研磨モードの切り替えタイミングを正確に計ることができ、スループットの向上及びエロージョンの防止を図ることができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施の形態によるＣＭＰ装置の構成を示す模式図である。

図１に示すように、このＣＭＰ装置１００は、ウェハー１１を保持する研磨ヘッド１２と、研磨パッド１３が取り付けられた回転定盤１４と、シリカ（ＳｉＯ_２）微粒子などの研磨剤を含む研磨液（スラリー）を供給するスラリー供給部１５と、研磨パッド１３の目立てを行うドレッサー１７と、ウェハー１１上の研磨対象金属膜であるタングステン膜の膜厚を測定するための渦電流センサー１８と、研磨パッド１３の状態を測定するパッドプローブ１６と、これらの各部を制御する研磨制御部１９とを備えている。

研磨ヘッド１２は、ウェハー１１を回転させるスピンドル機構と、最適な加圧力でウェハー１１を研磨パッド１３に押しつけるための加圧機構を備えている。研磨ヘッド１２にセットされたウェハー１１の外周にはガイドリング１２ａが設けられており、これによりウェハー１１の確実な保持が可能である。回転定盤１４もまた、研磨パッド１３を回転させるスピンドル機構を備えている。これによりウェハー１１と研磨パッド１３を相互に動かすことができ、効率的で均一な研磨が可能である。

研磨パッド１３は回転定盤１４の主面に貼り付けられている。研磨パッド１３は、微細な多孔構造を持つ研磨シートとクッションシートの２層構造からなり、研磨シートとしては硬質ポリウレタン発泡体が用いられる。研磨パッド１３は消耗品であり、ドレッサー１７で定期的な目立てを行うことにより研磨面の再生が行われるが、完全に消耗した研磨パッド１３は回転定盤１４から取り外され、新しい研磨パッドに交換される。

パッドプローブ１６は、研磨パッド１３の表面の摩擦係数を監視することにより、研磨パッド１３の寿命、ドレッシング終点、プロセス異常を検出するものである。パッドプローブ１６で研磨パッド１３の表面を測定し、摩擦係数が基準値よりも低かった場合には、研磨パッド１３の目立てが行われる。

ドレッサー（パッドコンディショナーともいう）１７は、目詰まり等により摩擦係数の低下した研磨パッド１３の目立て（ドレッシング）に使用される。研磨パッド１３との接触面にはダイヤモンド砥粒が埋め込まれており、このダイヤモンド砥粒により研磨パッド１３の表面が切削される。

渦電流センサー１８は、高周波磁界を利用して金属膜の膜厚を測定するもので、回転定盤１４の主面付近に設けられている。渦電流センサー１８の出力信号は研磨制御部１９に供給され、研磨条件の切り替えタイミングの判定に用いられる。

研磨制御部１９は、研磨ヘッド１２、回転定盤１４、スラリー供給部１５を制御するためのものである。具体的には、研磨ヘッド１２の位置及び回転速度、回転定盤１４の回転速度、スラリー供給部１５からのスラリー供給量等を制御する。

研磨制御部１９内のメモリ１９ａには、タングステン膜の膜厚を一定（例えば２０ｎｍ）とした場合における研磨パッド１３の厚みと渦電流センサー１８の出力値との関係を示すデータテーブル１９ｂが記録されている。渦電流センサー１８は研磨パッド１３を介してウェハー１１と対向しており、研磨パッド１３の厚みに応じて渦電流センサー１８からウェハー１１の研磨面までの距離も変化するので、渦電流センサー１８の出力も研磨パッド１３の厚みによって変化する。例えば、研磨パッド１３の規格上の厚みばらつきが±０．２５ｍｍであるとき、タングステン膜の膜厚も±１５ｎｍのばらつきを生じる。通常、切り替えタイミングの判定に用いるタングステン残膜の膜厚は１０〜３０ｎｍに設定され、タングステン残膜の膜厚を２０ｎｍに設定した場合には、研磨パッド１３の厚みばらつきによってタングステン残膜の膜厚は２０±１５ｎｍ、つまり、最大で３５ｎｍ、最小で５ｎｍの膜厚となる。

このように、研磨パッド１３が相対的に厚い場合と薄い場合では、たとえ渦電流センサー１８の出力が所定の値になった時点で研磨を停止したとしても、研磨停止後のタングステン膜の膜厚は互いに異なるものとなってしまう。しかしながら、データテーブル１９ｂを参照して、膜厚の閾値を補正しておくことで、研磨パッド１３の厚みばらつきの影響を受けることなく、タングステン膜の膜厚を正確に測定することができ、高速研磨から低速研磨への切り替えタイミングを高精度に判定することができる。こうして得られたタングステン膜の膜厚の閾値１９ｃもメモリ１９ａに記録される。

図２は、ＣＭＰ装置１００を使用したウェハー１１の研磨方法を示すフローチャートである。

図２に示すように、本実施形態によるウェハー１１の研磨では、まずウェハー１１の加工面を下向きにして研磨ヘッド１２にセットし、スラリーを流しながらウェハー１１を研磨パッド１３に押しつけ、ウェハー１１及び研磨パッド１３を高速回転させることにより、ウェハー１１の高速研磨を行う（Ｓ１１）。その後、タングステン膜の膜厚が数十ｎｍ程度に達した時点で高速研磨を終了し（Ｓ１２Ｙ）、低速研磨に切り替える（Ｓ１３）。そして、研磨終点を検出した時点でウェハー１１の研磨が完了となる（Ｓ１４Ｙ）。

上述の通り、タングステン膜の膜厚測定は渦電流センサー１８を用いて行うが、研磨パッド１３の厚みばらつきに伴い、高速研磨が完了時点でのタングステン膜の膜厚にもばらつきが生じる。そのため、研磨パッド１３交換時には研磨条件切り替えタイミングの判定に用いる閾値の再設定が行われる。

図３は、閾値の再設定手順の一例を示すフローチャートである。

図３に示すように、閾値の再設定では、まず新規な研磨パッド１３を回転定盤１４上にセットする（Ｓ２１）。ここにいう新規な研磨パッド１３とは、規格上の厚みばらつきを有する研磨パッド１３のことをいう。したがって、未使用の研磨パッド１３である必要はなく、厚みばらつきのある研磨パッド１３はすべて閾値設定の対象となる。

次に、新規な研磨パッド１３の厚みを測定する（Ｓ２２）。この研磨パッド１３の厚みは、例えば、規定のタングステン膜厚を用いたウェハー１１を水研磨した際の出力電圧値を算出し、そこから、ウェハー１１分の出力電圧値を差し引くことで測定することができ、測定結果は研磨制御部１９に入力される。

次に、研磨制御部１９は、データテーブル１９ｂを参照して、新規な研磨パッド１３の厚みに対応する閾値を決定する（Ｓ２３）。上述の通り、データテーブル１９ｂには、タングステン膜の膜厚を研磨条件切り替えタイミングの閾値に設定した場合における研磨パッド１３の厚みと渦電流センサー１８の出力値との関係が記録されている。

次に、こうして求められた閾値を登録する（Ｓ２４）。その後、この閾値を用いて研磨対象のウェハー１１を研磨する。すなわち、渦電流センサーの出力が閾値に達するまでウェハー１１を高速研磨し、閾値に達した時点で高速研磨から低速研磨に切り替え、研磨終点を検出した時点で研磨を終了する。こうしたウェハー１１の研磨は、研磨パッド１３が消耗するまで繰り返し行われ、必要に応じてドレッサー１７による研磨パッド１３のドレッシングが行われる。

以上説明したように、本実施形態によれば、研磨条件切り替えタイミング判定のための閾値を研磨パッド１３の厚みに応じて変化させるので、タングステン残膜の膜厚をより正確に測定することができ、研磨条件切り替えタイミングを高精度に判定することができる。したがって、研磨パッド１３の厚みにばらつきがあったしても、タングステン残膜の膜厚を一定にすることができ、ＣＭＰ工程のスループット及びエロージョン等の品質を一定にすることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の特徴は、所定の厚みを有する基準ウェハーを用意しておき、研磨パッド１３のセッティング時に渦電流センサーを用いて基準ウェハーを測定し、このときの測定結果を閾値として登録する点にある。本実施形態に用いるＣＭＰ装置は、データテーブルを必要としない点を除き、第１の実施形態に示したＣＭＰ装置１００と略同様である。

図４は、閾値の再設定手順の他の例を示すフローチャートである。

図４に示すように、閾値の再設定では、まず新規な研磨パッド１３を回転定盤１４上にセットする（Ｓ３１）。また、所定の膜厚を有するタングステン膜が形成された基準ウェハーをセットする（Ｓ３２）。

図５は、基準ウェハーの構造を示す略部分断面図である。

図５に示すように、基準ウェハー５０にはタングステン膜５１が成膜されており、このタングステン膜５１はすでに研磨され、高速研磨から低速研磨への切り替えタイミングである目標膜厚ｔ_０に調整されている。

次に、基準ウェハー５０のタングステン膜５１の膜厚を渦電流センサー１８で測定する（Ｓ３３）。基準ウェハー５０のタングステン膜５１はすでに理想的な膜厚となっているので、この膜厚を測定したときに得られる渦電流センサー１８の出力は、研磨条件切り替えタイミングを示す正しい出力値であり、しかも研磨パッド１３の厚みばらつきが考慮された値となっている。

次に、こうして得られた渦電流センサー１８の出力値を、実際のウェハー研磨時に使用する閾値として登録する（Ｓ３４）。その後、この閾値を用いて研磨対象ウェハーを研磨する。すなわち、渦電流センサーの出力が閾値に達するまでウェハーを高速研磨し、閾値に達した時点で高速研磨から低速研磨に切り替え、研磨終点を検出した時点で研磨を終了する。研磨対象ウェハーの研磨は、研磨パッド１３が消耗するまで繰り返し行われ、必要に応じてドレッサー１７による研磨パッド１３のドレッシングが行われる。

以上説明したように、本実施形態によれば、研磨条件切り替えタイミング判定のための閾値を研磨パッド１３の厚みに応じて変化させるので、研磨対象であるタングステン膜の膜厚をより正確に測定することができ、研磨条件の切り替えタイミングを高精度に判定することができる。したがって、研磨パッド１３の厚みにばらつきがあったとしても、タングステン残膜の膜厚を一定にすることができ、ＣＭＰ工程のスループット及びエロージョン等の品質を一定にすることができる。

以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加えることが可能であり、それらも本発明の範囲に包含されるものであることは言うまでもない。

例えば、上記実施形態においては、ウェハー上の研磨対象膜の膜厚を測定するための膜厚センサーとして渦電流センサーを用いているが、本発明は渦電流センサーに限定されるものではなく、種々のセンサーを用いることができる。

また、研磨対象膜はタングステンに限定されず、銅（Ｃｕ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等、種々の金属又は金属化合物を対象とすることができる。

また、上記実施形態においては、渦電流センサー１８の出力値から研磨パッド１３の厚みを求めるための変換情報として、データテーブルを用いているが、本発明はデータテーブルに限定されるものではなく、演算式を用いて渦電流センサー１８の出力値から研磨パッド１３の厚みを求めてもよい。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるＣＭＰ装置の構成を示す模式図である。 図２は、ＣＭＰ装置１００を使用したウェハー１１の研磨方法を示すフローチャートである。 図３は、閾値の再設定手順の一例を示すフローチャートである。 図４は、閾値の再設定手順の他の例を示すフローチャートである。 図５は、基準ウェハーの構造を示す略部分断面図である。

符号の説明

１１ ウェハー
１２ 研磨ヘッド
１２ａ ガイドリング
１３ 研磨パッド
１４ 回転定盤
１５ スラリー供給部
１６ パッドプローブ
１７ ドレッサー
１８ 渦電流センサー
１９ 研磨制御部
１９ａ メモリ
１９ｂ データテーブル
１９ｃ 閾値データ
５０ 基準ウェハー
５１ 金属膜（タングステン膜）
１００ ＣＭＰ装置

Claims (8)

1. 交換可能な研磨パッドと、
   前記研磨パッドを介してウェハー上の研磨対象膜の膜厚を測定する膜厚センサーと、
   前記膜厚センサーの出力値が閾値を超えたことに応答して研磨条件を切り替える研磨制御部とを備え、
   前記研磨制御部は、研磨パッドが交換されたとき、新規な研磨パッドの厚みに応じた前記閾値を記憶する記憶部を備えることを特徴とするＣＭＰ装置。
2. 前記記憶部は、前記研磨対象膜の膜厚を一定とした場合における研磨パッドの厚みと膜厚センサーの出力値との関係を示す変換情報をさらに記憶しており、
   前記研磨制御部は、前記変換情報を参照して、前記新規な研磨パッドの厚みに応じた膜厚センサーの出力値を求め、当該出力値を前記閾値として登録することを特徴とする請求項１に記載のＣＭＰ装置。
3. 前記研磨制御部は、所定の膜厚を有する研磨対象膜が形成された基準ウェハーをセットした後、前記膜厚センサーを用いて前記研磨対象膜の膜厚を測定し、前記膜厚センサーの出力値を前記閾値として登録することを特徴とする請求項１に記載のＣＭＰ装置。
4. 前記膜厚センサーが渦電流センサーであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＣＭＰ装置。
5. 前記研磨対象膜が金属膜又は金属化合物膜であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＣＭＰ装置。
6. 新規な研磨パッドをセットする研磨パッドセッティングステップ、
   前記新規な研磨パッドの厚みに基づいて補正された所定の閾値を登録する閾値登録ステップ、
   研磨対象のウェハーをセットし、膜厚センサーで研磨対象膜の膜厚を監視しながら高速研磨を行う高速研磨ステップ、
   前記膜厚センサーの出力が前記閾値に達したとき前記高速研磨から低速研磨に切り替える研磨条件切替ステップ、及び
   研磨終点まで前記ウェハーの低速研磨を行う低速研磨ステップを備えることを特徴とするＣＭＰによるウェハー研磨方法。
7. 前記閾値登録ステップは、
   前記研磨対象膜の膜厚を一定とした場合における研磨パッドの厚みと膜厚センサーの出力値との関係を示す変換情報を参照して、前記新規な研磨パッドの厚みに対応する前記膜厚センサーの出力値を求めるステップ、及び
   当該出力値を前記閾値として登録するステップを含むことを特徴とする請求項６に記載のウェハー研磨方法。
8. 前記閾値登録ステップは、
   所定の膜厚を有する研磨対象膜が形成された基準ウェハーを前記研磨ヘッドにセットするステップ、
   前記膜厚センサーを用いて前記研磨対象膜の膜厚を測定するステップ、及び
   前記膜厚センサーの出力値を前記閾値として登録するステップを含むことを特徴とする請求項６に記載のウェハー研磨方法。

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