JP2001088008A - 研磨方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 研磨加工での研磨パッドのドレッシングに際
して、良好な研磨を行うと共に、研磨パッドの寿命を延
ばすことができる研磨方法とその装置を提供する。 【解決手段】 研磨パッドドレッサ１５ａによる研磨パ
ッド１０ａのドレッシング終了時間の設定を、定盤９ａ
を駆動するモータ７ａの電流値を測定し、それにもとづ
いて行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体ウエハ等の研
磨技術に関し、特に、研磨の際に用いる研磨パッドのド
レッシング技術を向上させた研磨技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの高集積化に伴い、ＬＳＩの製造
プロセスで用いられている露光機の焦点深度が年々小さ
くなっている。それに伴い、露光マージンが減少してい
る。このため、半導体ウエハであるシリコン上に形成さ
れている層間膜平坦度も低減する必要がある。塗布絶緑
膜と反応性エッチングを組み合わせた方法では限界があ
るため、平坦化の手法としてＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）が導入さ
れている。

【０００３】図８はＣＭＰによる研麿方法の概要を示す
模式斜視図である。発泡ポリウレタン製の研磨パッド５
１が上面に固定された定盤５２を回転させ、この研磨パ
ッド５１に対面して設けられたウエハキャリア５３に半
導体ウエハ５４を固定した回転状態で、研磨パッド５１
の表面にシリカ砥粒を混濁させた研磨スラリー（研磨
液）５５を滴下しながら、半導体ウエハ５４を研磨パッ
ド５１に所定荷重で押しつけて研磨する。研磨中あるい
は研磨前に研磨パッドドレッサ（ダイヤモンドを電着し
た砥石）５６を用いて研磨パッド５１の表面を削り取り
毛羽立てて、研磨パッド５１のドレッシングを行ってい
る。

【０００４】この研磨パッド５１のドレッシングは、研
磨能率の安定化のために行っているもので、常に、研磨
パッド５１の表面が研磨に適した毛羽立った良好な状態
を維持するために行っている。研磨加工では、研磨パッ
ド５１のドレッシング不良等により研磨能率の変動が生
じる。その結果、半導体ウエハ５４面で層間膜の厚さが
変動して半導体ウエハ５４面内で膜厚のばらつきが生じ
る。それらが半導体製造プロセスの後の工程でのオーバ
ーエッチングやコンタクト不良を生じる原因になる。

【０００５】なお、ドレッシング時間については、各研
磨スラリー５５等によって、研磨パッド５１を削り込む
量が異なる為、加工に先立ち事前に実験的にドレッシン
グを行い、それらのデータからドレッシング時間を規定
している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ドレッシング方法では、ドレッシング中にドレッシング
状態を常時モニタしておらず、予め、実験によって得た
データを用いて固定したデータを用いているため、実験
データと実際の研磨状態との際が生じた場合、半導体ウ
エハに対して所定の研磨を行うことはできず、また、そ
れによりパッドの消耗も把握できず、パッドの寿命を延
ばすこともできない。

【０００７】本発明はこれらの事情にもとづいてなされ
たもので、半導体ウエハ等の研磨加工で、研磨パッドの
ドレッシングを行うに際し、ドレッシング時間を最適化
し、良好な研磨を行うと共に、研磨パッドの寿命を延ば
すことができる研磨方法とその装置を提供することを目
的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、ウエハキャリアに保持されたウエハを定盤
に取付けられた研磨パッドに所定圧力で接触させて研磨
し、かつ、前記研磨パッドは研磨パッドドレッサによる
加圧によってドレッシングされる研磨方法において、前
記研磨パッドドレッサによるドレッシングは、前記定盤
を駆動するモータの電流値の測定結果にもとづいて終了
させることを特徴とする研磨方法である。

【０００９】また請求項２の発明による手段によれば、
前記研磨パッドドレッサのドレッシングの終了時間の設
定は、前記定盤を駆動するモータの電流値が飽和状態で
一定値になった時間よりも長く設定されていることを特
徴とする研磨方法である。

【００１０】また請求項３の発明による手段によれば、
前記研磨パッドドレッサによるドレッシングの際は、前
記ウエハキャリアが前記研磨パッドから離間しているこ
とを特徴とする研磨方法である。

【００１１】また請求項４の発明による手段によれば、
ウエハキャリアに保持されたウエハを研磨する研磨パッ
ドが取付けられた定盤と、前記研磨パッドをドレッシン
グするための研磨パッドドレッサとを有する研磨装置に
おいて、前記定盤を駆動するモータには、このモータを
流れる電流を検出するモータ電流検出回路が接続されて
いることを特徴とする研磨装置である。

【００１２】また請求項５の発明による手段によれば、
前記モータは、前記モータ電流検出回路による電流値の
検出結果にもとづいて制御器により制御されていること
を特徴とする研磨装置である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１４】図１（ａ）および（ｂ）は、本発明の方法
に従って使用されるＣＭＰ装置の模式図で、図１（ａ）
は正面図で、図１（ｂ）は平面図である。

【００１５】ＣＭＰ装置は、半導体ウエハ１を保持する
ウエハキャリア２が、軸Ａ_１を中心に駆動モータ３によ
り矢印４で示した方向に連続して回転するように取り付
けられる。ウエハキャリア２は、矢印５で示した力が半
導体ウエハ１にかかるように配置されている。ＣＭＰ装
置は、また、軸Ａ_２を中心に駆動モータ７により矢印８
で示した方向に連続して回転するように取り付けられた
定盤９を備えている。定盤９の表面にはインフレート、
ポリウレタン等の材料から成る研磨パッド１０が取り付
けられる。この研磨パッド１０の表面には塩基性または
酸性の溶液中に懸濁されたシリカまたはアルミナ研磨粒
子等の研磨液体を含んだ研磨スラリーが、溜め１１から
導管１２を介して供給される。

【００１６】また、研磨パッドドレッサ１５は、ダイヤ
モンド粒子が含浸されたドレッサパッド（ダイヤモンド
を電着した砥石）等の研磨研削層１６が取り付けられる
保持具１７を備えている。この保持具１７は、軸Ａ_３を
中心に駆動モータ１８により矢印１９で示した方向に連
続して回転し、保持具１７は、更に、矢印２０で示した
力が研磨研削層１６に荷重としてかかるように設定され
ている。

【００１７】図２は研磨パッドドレッサの終端検出に関
するブロック図である。表面に研磨パッド１０ａが取付
けられたターンテーブルで構成されている定盤９ａは、
モータ７ａにより１００ｒｐｍ程度で回転駆動される。
モータ７ａは制御器３０からの制御信号を受けたドライ
バ３１により駆動される。また、モータ７ａにはモータ
電流検知回路３２が接続されており、モータ７ａの電流
値が検知されている。このモータ電流検知回路３２は出
力側が制御器３０に接続されている。つまり、制御器３
０では、モータ電流検知回路３２からの出力信号を受け
それにより演算して、制御信号をドライバ３１に送りモ
ータ７ａを制御している。

【００１８】研磨パッド１０ａの対向位置に設けられて
いるウエハキャリア２ａは、外径がφ２００ｍｍ程度
で、被加工体である半導体ウエハ１ａを吸着固定してモ
ータＡ３ａにより１００ｒｐｍ程度で回転駆動され、モ
ータＡ３ａは制御器３０からの信号を受けたドライバＡ
３３により駆動制御されている。また、ウエハキャリア
２ａとモータＡ３ａは一体となった状態で、ウエハキャ
リア上下機構３４により上下方向に移動して定盤９ａ上
の研磨パッド１０ａに対して接離動作を行う。研磨加工
時にはウエハキャリア２ａが保持している半導体ウエハ
１ａが研磨パッド１０ａに、所定の研磨圧力で例えば１
２０ｓｅｃ程度研磨する。研磨が終了するとウエハキャ
リア２ａはウエハキャリア上下機構３４により上方向に
移動して研磨パッド１０ａから離反する。ウエハキャリ
ア上下機構３４は直線移動機構でボールねじ（不図示）
による移動が、直線ガイド（不図示）に案内され直線移
動する。

【００１９】また、ウエハキャリア上下機構３４は制御
器３０からの信号を受けたドライバＢ３５により上下方
向に駆動される。つまり、ウエハキャリア２ａの回転と
研磨パッド１０ａへの接触は、予め定められたタイミン
グにより制御器３０で制御されて作動する。

【００２０】また、研磨パッド１０ａの対向位置に設け
られている外径がφ２００ｍｍ程度の研磨パッドドレッ
サ１５ａは下面側に研磨研削層１６ａが形成され、モー
タＢ１８ａにより２０ｒｐｍ程度で回転駆動され、モー
タＢ１８ａは制御器３０からの信号を受けたドライバＣ
３６により駆動制御される。また、研磨パッドドレッサ
１５ａとモータＢ１８ａは一体となった状態で、ドレッ
サ上下機構３７により上下方向に移動して定盤９ａ上の
研磨パッド１０ａに対して接離動作を行う。研磨パッド
１０ａを研磨研削層１６ａでドレッシングする際には、
２０ｓｅｃ程度、研磨パッド１０ａに研磨研削層１６ａ
が接触して、研磨研削層１６ａを約１０〜１００ｒｐｍ
で回転させ、研磨パッド１０ａに約０．０７０３１〜
０．７０３１ｋｇｆ／ｃｍ^２（約１〜１０ｐｓｉ）の圧
力をかけてドレッシングを行い研磨パッド１０ａの表面
を毛羽立てる。

【００２１】なお、研磨パッド１０ａのドレッシング中
は、ウエハキャリヤ２ａは研磨パッド１０ａから離反し
ており、半導体ウエハ１ａは研磨パッド１０ａとは接触
しない。また、研磨パッド１０ａのドレッシング中は、
研磨パッド１０ａは約１０〜１００ｒｐｍで回転してい
る。

【００２２】ドレッシングが終了するとドレッサ上下機
構３７により研磨パッドドレッサ１５ａは上方向に移動
して研磨パッド１０ａから離反する。ドレッサ上下機構
３７は直線移動機構でボールねじ（不図示）による移動
が直線ガイド（不図示）に案内されて直線移動する。ま
た、ドレッサ上下機構３７は制御器３０からの信号を受
けたドライバＤ３８により上下方向に駆動される。つま
り、研磨パッドドレッサ１５ａの回転と研磨パッド１０
ａへの接触は、予め定められたタイミングにより制御器
３０で制御されて作動する。

【００２３】なお、研磨パッドのドレッシング中に、ウ
エハキャリアを研磨パッドから離反させずに、半導体ウ
ヘハの研磨とドレッシングを同時に並行して行うことも
できる上述のような半導体ウエハの研磨加工の際に、研
磨パッドは、半導体ウエハとが研磨剤（不図示）という
媒体を介して摺動する。研磨剤には粒径約３０〜５０ｎ
ｍの球状のシリカ砥粒が含まれており、半導体ウエハと
研磨パッドの摺動部分に介在するそれらのシリカ砥粒が
研磨に関与して、研磨パッドの表面は、半導体ウエハと
の接触摺動により押しつぶされて変形し平滑化する。ま
た、研磨による生成物、スラリーが付着する等によりダ
メージを受ける。

【００２４】このようなダメージが生じると研磨能率が
低下するため、ダイヤモンド砥粒を電着した砥石を用い
た研磨パッドドレッサで研磨パッドの表面を削り取つて
毛羽立ててダメージを回復している。

【００２５】なお、研磨パッドの表面が平滑化し、研磨
能率が低下する要因としては、研磨のダメージによる目
詰まりが、ドレッシングの効果よりも大きいために研磨
量が低下するためと考られる。したがって、研磨パッド
ドレッサの作用は、研磨のダメージよりもドレッシング
の効果が大きいように設定する必要がある。

【００２６】図３（ａ）は、研磨パッドドレッサのドレ
ッシングパターンを示し、図３（ｂ）は、それに対応し
た研削能率（μｍ／ｍｉｎ）を示している。また、図３
（ｃ）は、それに対応した研磨による半導体ウエハの研
磨面の均一性を示している。これらは、いずれも、１９
９８年秋：応用物理学会発行の論文予稿集、第７５１頁
の論文番号１６ｐ−ＺＬ−１９「高研磨レート絶縁膜Ｃ
ＭＰのドレスシーケンス最適化」三富士外の図１に開示
されている。

【００２７】すなわち、図３（ａ）に示すように、ドレ
ッシングパターンをＡ（１００％）、Ｂ（５０％）、Ｃ
（５０％分割）、Ｄ（２５％）およびＥ（０％）とした
とき、研磨能率に関しては、図３（ｂ）に示すように半
導体ウエハを２５枚処理した場合、ドレッシングパター
ンがＥの場合を除くと、ドレッシングパターンがＡ〜Ｄ
の場合は、ほぼ同程度である。

【００２８】一方、研磨による研磨面の均一性について
は、図３（ｃ）に示すように、ドレッシングパターンに
よりかなりの差異が生じている。Ａ最も良好で、Ｃがそ
の次であり、残りはあまり好ましくない。

【００２９】また、ドレッシング時間（処理枚数）と研
磨能率（μｍ／ｍｉｎ）の関係は、図４に示すように所
定時間が経過後は、飽和状態になり時間の経過に拘わら
ず、ほぼ一定値で推移する。つまり、所定枚数の研磨を
行うと、研磨パッドの表面が平滑化状態で一定状態にな
るため、研磨能率も一定状態になる。

【００３０】また、図５は研磨パッドの表面粗さＲａ
（μｍ）と研磨能率（μｍ／ｍｉｎ）を示したグラフで
ある。両者はほぼリニアな関係が成立している。なお、
図５は１９９８年１１月発行の「砥粒加工学会誌」に掲
載された論文の第１０頁に「ＣＭＰによる層間膜の平坦
化」大川の図３として開示されている。

【００３１】したがって、図４および図５に示した結果
により、ドレッシング時間と研磨パッドの表面粗さの関
係は図６に示すようになる。すなわち、研磨パッドの表
面粗さはドレッシング時間が所定値を経過後は、変化が
なくほぼ一定値で推移する。

【００３２】つまり、所定時間経過後は、研磨パッドの
表面粗さがほぼ一定になる（この状態は研磨パッドの表
面がつぶれた状態で、研磨には好ましくない状態であ
る）ので、研磨パッドが取付けられている定盤を回転さ
せているモータの負荷も一定になり、モータを流れる電
流も図７に示すように初期状態のＩ_０から、所定時間ｔ
_１経過後は一定値Ｉ_ｓとなり飽和状態になり変化しな
い。

【００３３】これらのことから、常に、研磨パッドの表
面が平滑化する以前の毛羽立った状態で研磨するには、
ドレッシング終了時間Ｔについて、図７で示した所定時
間ｔ _１との関係が、ｔ_１＜Ｔの範囲内でドレッシングを
終了するようにすればよいことになる。すなわち、定盤
のモータの電流値をモータ電流検知回路で常時検出し、
所定時間ｔ_１の検出を行ってそれよりも長い時間でドレ
ッシングを終了することによって良好な研磨加工を行う
ことができる。また、研磨性能を低下させることなく研
磨パッドの長寿命化を図ることも可能となる。

【００３４】なお、上述の実施の形態ではモータ電流検
出回路を定盤を駆動するモータに接続してドレッシング
の終点を検出したが、別の方法として、モータ電流検出
回路を研磨パッドドレッサを駆動するモータに接続し
て、その検出結果によってドレッシングの終点を検出し
てもよい。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、研磨パッドの負荷を、
それが取付けられたターンテーブルを駆動するモータに
流れる電流値により検出して、それにより研磨パッドの
ドレッシング終了時間を設定しているので、常に良好な
状態の研磨パッドで研磨を行うことができる。

【００３６】また、それにより、研磨性能を低下させる
ことなく研磨パッドの長寿命化を図ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）はＣＭＰ装置の模式正面図、（ｂ）はそ
の模式平面図。

【図２】本発明の研磨パッドドレッサの終端検出に関す
るブロック図。

【図３】（ａ）は研磨パッドドレッサのドレッシングパ
ターン図、（ｂ）はそれに対応した研削能率（μｍ／ｍ
ｉｎ）を示すグラフ、（ｃ）はそれに対応した研磨面の
均一性を示すグラフ。

【図４】ドレッシング時間と研磨能率の関係を示すグラ
フ。

【図５】研磨パッドの表面粗さと研磨能率の関係を示し
たグラフ。

【図６】ドレッシング時間と研磨パッドの表面粗さの関
係を示すグラフ。

【図７】ドレッシング終了時間を説明するグラフ。

【図８】ＣＭＰ方法の説明図。

【符号の説明】

１、１ａ…半導体ウエハ、２、２ａ…ウエハキャリア、
７、７ａ…モータ、９、９ａ…定盤、１０、１０ａ…研
磨パッド、１５、１５ａ…研磨パッドドレッサ、３０…
制御器、３２…モータ電流検知回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウエハキャリアに保持されたウエハを定
   盤に取付けられた研磨パッドに所定圧力で接触させて研
   磨し、かつ、前記研磨パッドは研磨パッドドレッサによ
   る加圧によってドレッシングされる研磨方法において、 前記研磨パッドドレッサによるドレッシングは、前記定
   盤を駆動するモータの電流値の測定結果にもとづいて終
   了させることを特徴とする研磨方法。
2. 【請求項２】 前記研磨パッドドレッサのドレッシング
   の終了時間の設定は、前記定盤を駆動するモータの電流
   値が飽和状態で一定値になった時間よりも長く設定され
   ていることを特徴とする請求項１記載の研磨方法。
3. 【請求項３】 前記研磨パッドドレッサによるドレッシ
   ングの際は、前記ウエハキャリアが前記研磨パッドから
   離間していることを特徴とする請求項１記載の研磨方
   法。
4. 【請求項４】 ウエハキャリアに保持されたウエハを研
   磨する研磨パッドが取付けられた定盤と、前記研磨パッ
   ドをドレッシングするための研磨パッドドレッサとを有
   する研磨装置において、 前記定盤を駆動するモータには、このモータを流れる電
   流を検出するモータ電流検出回路が接続されていること
   を特徴とする研磨装置。
5. 【請求項５】 前記モータは、前記モータ電流検出回路
   による電流値の検出結果にもとづいて制御器により制御
   されていることを特徴とする請求項４記載の研磨装置。