JP3853106B2

JP3853106B2 - ポリッシング装置及び方法

Info

Publication number: JP3853106B2
Application number: JP14977899A
Authority: JP
Inventors: 憲雄木村
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1999-05-28
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: JP2000340537A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はポリッシング装置及び方法に係り、特に半導体ウエハ等のポリッシング対象物の表面に積層した成膜を平坦且つ鏡面状に研磨するにあたり、残存する成膜（残膜）の膜厚のばらつきを極力少なくできるようにしたポリッシング装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の平坦度を必要とする。
そこで、半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の１手段としてポリッシング装置により研磨（ポリッシング）することが行われている。
【０００３】
従来、この種のポリッシング装置は、各々独立した回転数で回転する、上面に研磨布を貼り付けたターンテーブルと、もしくは上面に研磨面を有する砥石により構成されるターンテーブルと、トップリングとを有し、トップリングが所定の圧力をターンテーブルに与え、ターンテーブルとトップリングとの間にポリッシング対象物を介在させて該ポリッシング対象物の表面を平坦且つ鏡面に研磨している。
【０００４】
上述したポリッシング装置で半導体ウエハ表面の成膜をポリッシングする際には、ポリッシングの終点を検出して残存する成膜の膜厚のばらつきを少なくする必要がある。このため、ポリッシングの終点検知手段の１つとして、研磨が異材質の物質に移行した際の研磨摩擦力の変化を検知する方法が知られている。詳しくは、ポリッシング対象物である半導体ウエハは、半導体、導体、絶縁体の異なる材質からなる積層構造を有しており、異材質間で摩擦係数が異なるため、研磨が異材質間に移行することによって生じる研磨摩擦力の変化を検知する方法である。この方法によれば、研磨が異材質層に達した時がポリッシングの終点となる。
【０００５】
ここで、研磨摩擦力の変化は、例えば次のように検出される。研磨摩擦力はターンテーブル回転中心から偏心した位置に作用するため、回転するターンテーブルには負荷トルクとして作用する。このため、研磨摩擦力はターンテーブルに働くトルクとして検出することができる。ターンテーブルを回転駆動させる手段が電動モータの場合には、トルクはモータを流れる電流として測定することができる。このため、モータ電流を電流計でモニタし、信号処理を施すことによってポリッシングの終点が検知される。ポリッシングの終点検知は、電流値以外にも、例えば、被研磨面から生ずる振動、音、摩擦熱などの物理量をとらえて行うこともなされていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体デバイスとしての集積度が高まるつれて、ポリッシング後に残存する成膜の膜厚のばらつきが大きさが問題となる。例えば、酸化膜形成プロセスにあっては、図４（Ａ）に示すように、シリコン基板１の表面にトレンチ２を設け、トレンチ２を除いたシリコン基板１の表面にＳｉＮ膜３を形成した後、トレンチ２およびＳｉＮ膜３の表面にＳｉＯ_２膜４を堆積させる。次に、図４（Ｂ）に示すように、ＳｉＯ_２膜４の表面を平坦かつ鏡面状に研磨する。その後、図４（Ｃ）に示すように、エッチングによってＳｉＮ膜３を除去してシャロー・トレンチ５を形成し、図４（Ｄ）に示すように、このシャロー・トレンチ５内に例えばＣｕ等の配線材料６を形成する。ここで、ポリッシング後に残存するＳｉＮ膜３の膜厚ｔは、一定の厚さであることが必要であり、このため、ポリッシング後に残存する成膜の膜厚のばらつきを、例えば±２００Åといった一定の公差範囲内に収めることが望まれている。
【０００７】
しかしながら、従来の方法では、ポリッシング後に残存する成膜の膜厚のばらつきを一定の公差範囲内に収めようとしても、上述したように、モータ電流や振動，音，摩擦熱などの物理量をとらえて、ポリッシングの終点を検知してポリッシングを終了しているため、この膜厚の制御には限界があり、特に酸化膜プロセスにおいては有効なポリッシングの終点検知方法がないというのが現状であった。
【０００８】
本発明は上述の事情に鑑みてなされたもので、ポリッシング対象物の表面に残存する成膜の膜厚のばらつきを一定の公差範囲内に収めることができるようにしたポリッシング装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【解題を解決するための手段】
本発明のポリッシング装置は、研磨面を有したターンテーブルと、ポリッシング対象物を前記研磨面に押圧するトップリングとを有し、ターンテーブルを回転させるとともにトップリングを回転させてポリッシング対象物表面の成膜を研磨するポリッシング装置において、研磨中にターンテーブルおよびトップリングの駆動モータに供給される電流値を測定する電流値測定部と、研磨中のトップリングの振動を測定するための加速度センサと、研磨中の音を測定する騒音測定器と、前記研磨面の温度を測定する放射温度計と、前記ターンテーブルに供給される温調水の温度を測定する温度計と、ポリッシング対象物の研磨量推定値を算出する演算部とを備え、前記演算部は、前記加速度センサ、前記騒音測定器、前記放射温度計、および前記温度計の測定値の各積分値をエネルギの損失値として算出し、前記電流値の積分値と前記エネルギの損失値との差を前記研磨量推定値として算出することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明によれば、測定精度が高く膜厚を測定できるレンジが非常に狭い膜厚測定器で測定できる膜厚となるまで、ポリッシング対象物表面の成膜の研磨量を電流値測定部および物理量測定部からの信号に基づいて推定しつつ研磨することができる。そして、膜厚測定器で実際に膜厚を測定した後、所定の膜厚となるように再度研磨することにより、加工精度を高めて、膜厚のばらつきを一定の公差範囲内に収めることができる。
【００１１】
本発明のポリッシング方法は、研磨面を有したターンテーブルと、ポリッシング対象物を前記研磨面に押圧するトップリングとを有し、ターンテーブルを回転させるとともにトップリングを回転させてポリッシング対象物表面の成膜を研磨するポリッシング方法において、前記ターンテーブルの駆動モータおよび前記トップリングの駆動モータに供給される電流値を測定し、前記トップリングの振動を測定し、研磨中の騒音を測定し、前記研磨面の温度を測定し、前記ターンテーブルに供給される温調水の温度を測定し、前記トップリングの振動、前記研磨中の騒音、前記研磨面の温度、および前記温調水の温度の測定値の各積分値をエネルギの損失値として算出し、前記電流値の積分値から前記エネルギの損失値を引いた値をポリッシング対象物の研磨量推定値として算出し、前記研磨量推定値が所定の値に達したときにポリッシング対象物の研磨を中断することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明によれば、測定精度が高く膜厚を測定できるレンジが非常に狭い膜厚測定器で測定できる膜厚となるまで１次研磨し、膜厚測定器で実際に膜厚を測定した後、所定の膜厚となるように再度研磨することで、加工精度を高めて、膜厚のばらつきを一定の公差範囲内に収めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るポリッシング装置及び方法の一実施形態を図１乃至図３に基づいて説明する。
図１は、本発明のポリッシング装置の全体構成を示す平面図であり、図２は研磨部の構成を示す側面図であり、図３は半導体ウエハの研磨の一例を示す説明図である。
【００１４】
ポリッシング装置は、研磨部１０、ロード・アンロード部１１、搬送ロボット１２、３つの洗浄機１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、及び反転機１４を備えている。搬送ロボット１２は、図１に示すようなレール上を自走する形式でも、多関節アームの先端にロボットハンドを有する固定型でもよい。前記ロード・アンロード部１１に載置されたウエハカセット５０から搬送ロボット１２により取り出される半導体ウエハＷの搬送経路に沿った位置には、膜厚測定器１５を備えた膜厚測定部１６が配置されている。一方、前記研磨部１０には、上面に研磨布を有したターンテーブル１７が備えられ、このターンテーブル１７の側方に、半導体ウエハＷの受け渡しを行うプッシャ１８と、膜厚測定器１９を備えた膜厚測定部２０が配置されている。
【００１５】
前記膜厚測定器１５は、ポリッシング開始前に半導体ウエハＷの表面の成膜の膜厚、例えば図３（Ａ）に示すＳｉＯ_２膜４の膜厚ｔ１を測定するものであり、測定できるレンジがかなり広いものが使用されている。一方、膜厚測定器１９は、所定の時間だけ研磨した１次研磨後の半導体ウエハＷの表面に残存する成膜の膜厚、例えば図３（Ｂ）に示すＳｉＮ膜３の膜厚ｔ２を測定するものであり、測定精度が高く、測定できるレンジがかなり狭いものが使用されている。
【００１６】
前記洗浄機１３ａは、半導体ウエハＷを取り囲むように複数の直立したローラ２１を配置し、ローラ２１の頂部に形成した把持溝によって半導体ウエハＷの縁部を保持し、ローラ２１の回転によって半導体ウエハＷを回転させる低速回転型の洗浄機である。洗浄機１３ｂ，１３ｃは、回転軸２２の上端に半導体ウエハＷを把持するアーム２３が放射状に延びて形成された回転テーブル２４を有する高速回転型の洗浄機である。いずれの洗浄機の場合も、半導体ウエハＷの表面に洗浄液等を供給するノズル、スプラッシュの飛散を防止する周壁及びミストの拡散を防止するための下降気流を形成するダクト等が設けられている。
【００１７】
研磨部１０は、図２に示すように、研磨布２５を上面に貼設した前記ターンテーブル１７と、半導体ウエハＷを保持し研磨布２５に押圧するとともに半導体ウエハＷを回転させるトップリング２６と、トップリング２６をターンテーブル１７上で回転駆動するモータ２７と、ターンテーブル１７を回転駆動するモータ２８とを備えている。トップリング２６は揺動アーム２９の自由端側に保持されて揺動可能になっており、ターンテーブル１７とプッシャ１８と膜厚測定部２０にアクセスできるようになっている。また研磨布２５上には砥液供給ノズル４１から研磨砥液Ｑが供給できるようになっている。また図示しないが、砥石によって構成されるターンテーブルの場合には研磨布２５は不要であり、砥石で構成されたターンテーブル１７上に砥液Ｑもしくは純水等を供給する構造となっている。
【００１８】
前記ターンテーブル１７の上方には、研磨中における研磨布２５もしくは砥石の表面温度を測定する放射温度計３０が配置され、トップリング２６には、研磨中のトップリング２６の振動を測定する加速度センサ３１及び／又は図示しない振幅センサが取付けられている。また、ターンテーブル１７の内部に温調水を供給する温調水配管３２が配設され、この温調水配管３２の入口及び出口に温調水の温度を測定する温度計３３，３４が取付けられている。さらに、トップリング２６の近傍に、研磨中の騒音を測定する騒音測定器３８が設けられている。前記ターンテーブル１７に隣接して配置された膜厚測定器１９は、ロボット３５のアーム３５ａの先端に取付けられている。
【００１９】
また、ポリッシング装置には、演算部３６と追加研磨条件設定部３７が設けられ、演算部３６に前記膜厚測定器１５および１９の測定値、ターンテーブル駆動用モータ２８とトップリング駆動用モータ２７を流れる電流を測定する電流値測定部２７ａ，２８ａからの電流値、前記放射温度計３０、加速度センサ３１、振幅センサ、温度計３３，３４及び騒音測定器３８の測定値が入力される。また追加研磨条件設定部３７に前記膜厚測定器１９の測定値が入力される。前記放射温度計３０、加速度センサ３１、振幅センサ、温度計３３，３４及び騒音測定器３８は物理量測定部を構成している。
【００２０】
前記演算部３６は、半導体ウエハＷの表面の成膜の研磨の状態をポリッシング中に監視しながら該成膜の研磨量を推定するものである。すなわち、研磨する半導体ウエハＷに対する仕事量としては、ターンテーブル駆動用モータ２７とトップリング駆動用モータ２８を流れる電流の電流値の積分値が対応する。またエネルギの損失としては、トップリング２６を暴れさせる振動、音のエネルギとなって逃げる騒音、熱として研磨布２５の表面またはターンテーブル１７に熱交換された熱のロスがある。そこで、前記ターンテーブル駆動用モータ２７とトップリング駆動用モータ２８を流れる電流の電流値の積分値を∫f(1)、前記放射温度計３０の測定値に基づく積分値を∫f(2)、加速度センサ３１の測定値に基づく積分値を∫f(3)、温度計３３，３４の測定値に基づく積分値を∫f(4)、騒音測定器３８の測定値に基づく積分値を∫f(5)とした時、
研磨量＝∫f(1)−∫f(2)−∫f(3)−∫f(4)−∫f(5)
として、研磨量を推定することができる。
【００２１】
そして、演算部３６には、膜厚測定器１５の測定値が入力される。この膜厚測定器１５は、半導体ウエハＷの表面の成膜の膜厚をポリッシング前に測定するものであり、この測定値から前記推定した研磨量を差し引くことで、残存する成膜の膜厚が求められる。そして、この残存する成膜の膜厚が一定の値に達したときに、演算部３６は、ポリッシング装置の制御装置４０に信号を出力するように構成されている。
【００２２】
一方、追加研磨条件設定部３７は、前記膜厚測定器１９の測定値を基に追加研磨条件を設定するものである。すなわち、この追加研磨条件設定部３７には、残存させるべき成膜の膜厚が設定値として予め入力されており、この設定値と膜厚測定器１９の測定値とを比較することで、例えば追加研磨時間等の追加研磨条件が設定され、この出力信号がポリッシング装置の制御装置４０に入力されるように構成されている。
【００２３】
次に、上述した構成のポリッシング装置によるポリッシング動作について説明する。図３は、ポリッシング対象物である半導体ウエハＷの断面図を示すものであり、図３（Ａ）に示すように、シリコン基板１の表面にトレンチ２を設け、該トレンチ２を除いたシリコン基板１の表面にＳｉＮ膜３を形成した後、トレンチ２およびＳｉＮ膜３の表面にＳｉＯ_２膜４を堆積させた半導体ウエハＷがウエハカセット５０に収容されている。
【００２４】
次に、ロード・アンロード部１１に載置されたウエハカセット５０から半導体ウエハＷを搬送ロボット１２により取出し、膜厚測定部１６に搬送する。そして、膜厚測定器１５で半導体ウエハＷの表面の成膜の膜厚、すなわちＳｉＯ_２膜４の膜厚ｔ１を測定する（図３（Ａ）参照）。しかる後、搬送ロボット１２により半導体ウエハＷをプッシャ１８に搬送し、トップリング２６に受け渡す。
【００２５】
次に、半導体ウエハＷを保持したトップリング２６をモータ２７の駆動によって回転させながら、ターンテーブル１７をモータ２８の駆動によって回転させる。そして、トップリング２６によって半導体ウエハＷを研磨布２５に押圧し、同時に研磨布２５に砥液供給ノズル４１から砥液Ｑを供給する。これにより、半導体ウエハＷの表面の成膜、すなわち図３（Ａ）に示すＳｉＯ_２膜４、更には該ＳｉＯ_２膜４とＳｉＮ膜３を同時に研磨（１次研磨）する。
【００２６】
この研磨中にターンテーブル駆動用モータ２８とトップリング駆動用モータ２７を流れる電流の電流値、前記放射温度計３０、加速度センサ３１、温度計３３，３４及び騒音測定器３８の測定値を演算部３６に入力し、この演算部３６で成膜の研磨量を推定する。そして、前記初期の成膜の膜厚ｔ１からこの研磨量を差し引いた値が、例えば４５００〜５５００Åといった一定の値に達した時に、ポリッシング装置の制御装置４０に信号を送る。
【００２７】
この信号を受けると、一旦研磨作業を中断し、揺動アーム２９を旋回させ、図２に示すように半導体ウエハＷをトップリング２６で保持したまま膜厚測定部２０に位置させる。そして、膜厚測定器１９で残存する成膜の膜厚、すなわち図３（Ｂ）に示すＳｉＮ膜３の膜厚ｔ２を測定し、この測定結果を追加研磨条件設定部３７に入力する。このように、研磨量を推定しつつ１次研磨を行うことで、測定精度が高く膜厚を測定できるレンジが非常に狭い膜厚測定器１９でＳｉＮ膜３の膜厚ｔ２を測定することが可能となる。
【００２８】
追加研磨条件設定部３７は、膜厚測定器１９からの信号を受けると、この測定値と予め入力された設定値とを比較し、この差に基づいて、例えば追加研磨時間等の追加研磨条件を設定して、ポリッシング装置の制御装置４０に信号を送る。この場合、追加研磨時間を求めるためには、研磨速度を知る必要があるが、膜厚測定器１５の測定値と膜厚測定器１９の測定値とから研磨量を演算部３６にて演算し、この研磨量を研磨時間で割ることにより求めることができる。
【００２９】
そして、前述と同様に、トップリング２６を回転させながら、回転しているターンテーブル１７の研磨布２５に対して半導体ウエハＷを押圧し、同時に研磨布２５に砥液Ｑを供給することで、半導体ウエハＷ表面の成膜、すなわちＳｉＯ_２膜４とＳｉＮ膜３を同時に研磨（２次研磨）する。これにより、図３（Ｃ）に示すように、ＳｉＯ_２膜４の膜厚ｔ３及びＳｉＮ膜３の膜厚ｔ４が所定値となるようにして、ポリッシングを完了する。以上の工程を経て、加工精度を高めて、ポリッシング後に残存する成膜のばらつきが、例えば±２００Åといった一定の公差範囲内に収まるようにすることができる。
【００３０】
次に、ポリッシングが完了した半導体ウエハＷを洗浄機１３ａに搬送し、ここで、半導体ウエハＷを回転させながら、半導体ウエハＷの上下面に純水や洗浄液を供給しつつ上下から洗浄部材によりスクラブ洗浄（１次洗浄）を行なう。しかる後、洗浄機１３ｂまたは１３ｃに移送する。
【００３１】
洗浄機１３ｂまたは１３ｃでは、半導体ウエハＷを１００〜５００ｒｐｍ程度の低速で回転させながら、例えば超音波で加振された純水を半導体ウエハＷの中心部を通過するように供給して、半導体ウエハＷの表面の仕上げ洗浄（２次洗浄）を行う。そして、純水の供給を止め、半導体ウエハＷの回転速度を１５００〜５０００ｒｐｍ程度の高速回転に移し、必要に応じて清浄な不活性ガスを供給しながら半導体ウエハＷの乾燥工程を行なう。洗浄・乾燥工程を終えた半導体ウエハＷは搬送ロボット１２の清浄なハンドによってロード・アンロード部１１に載置されたウエハカセット５０に戻される。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、測定精度が高く膜厚を測定できるレンジが非常に狭い膜厚測定器で測定できる膜厚となるまでポリッシング対象物表面の成膜の研磨量を推定しつつ研磨することができる。そして、膜厚測定器で実際に膜厚を測定した後、所定の膜厚となるように再度研磨することで、加工精度を高めて、膜厚のばらつきを一定の公差範囲内に収めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のポリッシング装置の全体構成を示す平面図である。
【図２】本発明の一実施形態のポリッシング装置における研磨部の構成を示す側面図である。
【図３】本発明のポリッシング装置により研磨される半導体ウエハの表面を示す拡大断面図であり、図３（Ａ）は研磨前、図３（Ｂ）は１次研磨後、図３（Ｃ）は２次研磨後を示す。
【図４】従来のポリッシング装置により研磨される半導体ウエハの表面を示す拡大断面図であり、図４（Ａ）は研磨前、図４（Ｂ）は研磨後、図４（Ｃ）はエッチング後、図４（Ｄ）は配線後を示す。
【符号の説明】
１シリコン基板
２トレンチ
３ＳｉＮ膜
４ＳｉＯ_２膜
５シャロー・トレンチ
６配線材料
１０研磨部
１１ロード・アンロード部
１２搬送ロボット
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ洗浄機
１４反転機
１５，１９膜厚測定器
１６，２０膜厚測定部
１７ターンテーブル
１８プッシャ
２１ローラ
２２回転軸
２３，２９，３５ａアーム
２４回転テーブル
２５研磨布
２６トップリング
２７トップリング駆動用モータ
２７ａ，２８ａ電流値測定部
２８ターンテーブル駆動用モータ
３０放射温度計
３１加速度センサ
３２温調水配管
３３，３４温度計
３５ロボット
３６演算部
３７追加研磨条件設定部
３８騒音測定器
４０制御装置
４１砥液供給ノズル
５０ウエハカセット
Ｗ半導体ウエハ

Claims

研磨面を有したターンテーブルと、ポリッシング対象物を前記研磨面に押圧するトップリングとを有し、ターンテーブルを回転させるとともにトップリングを回転させてポリッシング対象物表面の成膜を研磨するポリッシング装置において、
研磨中にターンテーブルおよびトップリングの駆動モータに供給される電流値を測定する電流値測定部と、研磨中のトップリングの振動を測定するための加速度センサと、研磨中の音を測定する騒音測定器と、前記研磨面の温度を測定する放射温度計と、前記ターンテーブルに供給される温調水の温度を測定する温度計と、ポリッシング対象物の研磨量推定値を算出する演算部とを備え、
前記演算部は、前記加速度センサ、前記騒音測定器、前記放射温度計、および前記温度計の測定値の各積分値をエネルギの損失値として算出し、前記電流値の積分値と前記エネルギの損失値との差を前記研磨量推定値として算出することを特徴とするポリッシング装置。
前記ポリッシング対象物表面の成膜の膜厚を研磨開始前に測定する膜厚測定器と、研磨後にポリッシング対象物表面に残存する成膜の膜厚を測定する膜厚測定器とを備えたことを特徴とする請求項１記載のポリッシング装置。
研磨開始前に測定された成膜の膜厚と、研磨後に測定された成膜の膜厚から追加研磨条件を設定する追加研磨条件設定部を備えたことを特徴とする請求項２記載のポリッシング装置。
研磨面を有したターンテーブルと、ポリッシング対象物を前記研磨面に押圧するトップリングとを有し、ターンテーブルを回転させるとともにトップリングを回転させてポリッシング対象物表面の成膜を研磨するポリッシング方法において、
前記ターンテーブルの駆動モータおよび前記トップリングの駆動モータに供給される電流値を測定し、
前記トップリングの振動を測定し、
研磨中の騒音を測定し、
前記研磨面の温度を測定し、
前記ターンテーブルに供給される温調水の温度を測定し、
前記トップリングの振動、前記研磨中の騒音、前記研磨面の温度、および前記温調水の温度の測定値の各積分値をエネルギの損失値として算出し、
前記電流値の積分値から前記エネルギの損失値を引いた値をポリッシング対象物の研磨量推定値として算出し、
前記研磨量推定値が所定の値に達したときにポリッシング対象物の研磨を中断することを特徴とするポリッシング方法。