JP2008108940A

JP2008108940A - 研磨装置および研磨方法

Info

Publication number: JP2008108940A
Application number: JP2006290865A
Authority: JP
Inventors: Norio Nakahira; 法生中平
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2008-05-08

Abstract

【課題】研磨終了を確実に検出することができる研磨方法を提供する。
【解決手段】本発明による研磨方法は、回転するチャック（１０９）上に保持した研磨対象物（１１１）に、研磨部材（２０１）を設けた研磨ヘッド（１０１）を押圧して回転させながら揺動させて、前記研磨対象物を研磨する研磨方法であって、前記研磨ヘッドにかかるトルクの、揺動によって生じる振幅を求め、前記揺動によって生じる振幅の変化によって研磨の終了点を検出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、研磨装置及び研磨方法、特にＵＬＳＩ(Ultralarge-scale integrated)などの半導体を製造するプロセスにおいて実施される半導体デバイスの平坦化研磨に用いる研磨装置または研磨方法に関するものである。

半導体集積回路の高集積化、微細化に伴って半導体製造プロセスの工程が増加し複雑になってきている。これに伴い、半導体デバイスの表面の平坦度を確保するのが困難になってきている。表面に於ける段差の存在は配線の段切れ、局所的な抵抗の増大などを招き、断線や電気容量の低下をもたらす。また、絶縁膜では耐電圧劣化やリークの発生にもつながる。

一方、半導体集積回路の高集積化、微細化に伴って光リソグラフィの光源波長は短くなり、開口数いわゆるＮＡが大きくなってきていることに伴い、半導体露光装置の焦点深度が実質的に浅くなってきている。焦点深度が浅くなることに対応するためには、今まで以上にデバイス表面の平坦化が要求されている。このような半導体表面を平坦化する方法としては、化学的機械的研磨(Chemical Mechanical PolishingまたはChemical Mechanical Planarization 、以下、ＣＭＰと呼称する) 技術が有望な方法と考えられている。

ＣＭＰによる研磨装置は、上面に研磨部材を取り付けたプラテンと、ウエハなどの研磨対象物を取り付けた研磨ヘッドとを備える。プラテンおよび研磨ヘッドは、研磨ヘッドが、研磨部材に研磨対象物を押しつけた状態で、それぞれ所定の回転数で回転する。さらに、研磨ヘッドは、研磨部材上において往復運動（以下、揺動と呼称する）を行う。このようにして、研磨対象物の表面が、研磨部材によって平坦かつ鏡面に研磨される。

このような研磨装置において、研磨の終了点を検出する方法として、研磨中の研磨摩擦力の変化を検出する方法が知られている。研磨対象物であるウエハは、半導体、導体、絶縁体の異なる材質からなる積層構造を有する。異なる材質では、研磨による摩擦係数が異なるので、研磨摩擦力の変化を検出することによって、研磨対象の材質が変化したことを検出し、研磨の終了点を検出することができる。

一方、研磨摩擦力は、研磨ヘッドの揺動によって変化する。研磨摩擦力の変化を検出することによって、研磨の終了点を検出する場合には、研磨摩擦力の、研磨ヘッドの揺動による変化を除去するのが都合がよい。研磨ヘッドの揺動による変化をアナログ・ローパスフィルタによって除去する場合には、カットオフ周波数およびゲインなどを調整する必要があり、また、数十秒の遅れが発生する。そこで、研磨摩擦力の、揺動周期ごとの平均値を求めることによって、研磨終了を検出することが提案されている（たとえば、特許文献１）。

しかし、研磨摩擦力の、揺動周期ごとの平均値は、揺動機構の状態など他の要因によっても変化するので、研磨摩擦力の、揺動周期ごとの平均値のみによって研磨終了を確実に検出できない場合もある。

特開平10-202513号公報

したがって、研磨終了を確実に検出することができる研磨装置および研磨方法に対するニーズがある。

本発明による研磨方法は、回転する保持手段上に保持した研磨対象物に、研磨部材を設けた研磨ヘッドを押圧して回転させながら揺動させて、前記研磨対象物を研磨する研磨方法であって、前記研磨ヘッドにかかるトルクの、揺動によって生じる振幅を求め、前記揺動によって生じる振幅の変化によって研磨の終了点を検出することを特徴とする。

研磨ヘッドにかかるトルクの、揺動による振幅の幅は、研磨対象材の平坦度、すなわち研磨の終了と密接に関係しているので、揺動による振幅の幅を観察することにより、確実に研磨の終了を検出することができる。

本発明の一実施形態による研磨方法は、前記研磨ヘッドにかかるトルクの、揺動の１周期内における最大値および最小値の差から、前記揺動によって生じる振幅を求めることを特徴とする。

本実施形態によれば、揺動の１周期内における最大値および最小値の差から、揺動によって生じる振幅を確実に求めることができる。

本発明の他の実施形態による研磨方法は、前記研磨ヘッドにかかるトルクの、揺動による影響を除去した値を求め、前記揺動による影響を除去した値をさらに考慮して研磨の終了点を検出することを特徴とする。

研磨ヘッドにかかるトルクの、揺動による影響を除去した値は、研磨対象材の材質の差に依存し、研磨終了と密接に関係しているので、揺動による振幅の幅とともに観察することにより、確実に研磨の終了を検出することが得きる。

本発明の他の実施形態による研磨方法は、前記研磨ヘッドにかかるトルクおよび前記保持手段にかかるトルクの差の、揺動による影響を除去した値を求め、前記揺動による影響を除去した値をさらに考慮して研磨の終了点を検出することを特徴とする。

研磨ヘッドにかかるトルクおよび保持手段にかかるトルクの差の、揺動による影響を除去した値は、研磨対象材の材質の差に依存し、研磨終了と密接に関係しているので、揺動による振幅の幅とともに観察することにより、確実に研磨の終了を検出することが得きる。

本発明の他の実施形態による研磨方法は、研磨終了検出対象期間のウィンドウを定め、該ウィンドウの時間範囲内で研磨終了検出を行うことを特徴とする。

本実施形態によれば、検出対象期間のウィンドウを定めることにより、無駄な検出処理を防止することができる。また、研磨終了の誤検出を防止することができる。

本発明による研磨装置は、研磨対象物を上面に保持した保持手段と、前記保持手段を回転させる機構と、研磨部材を備えた研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドを回転させる機構と、前記保持手段上において、前記研磨ヘッドを揺動させる機構と、前記研磨ヘッドにかかるトルクを検出する装置と、研磨の終了点を検出する装置と、を備え、前記研磨の終了点を検出する装置は、前記研磨ヘッドにかかるトルクの、揺動によって生じる振幅を求め、前記揺動によって生じる振幅の変化によって研磨の終了点を検出することを特徴とする。

本発明によれば、研磨終了を確実に検出することができる研磨装置および研磨方法が得られる。

図１は、本発明の一実施形態による研磨装置の構成を示す図である。本実施形態による研磨装置は、研磨部材２０１を取り付けた研磨ヘッド１０１と、ウエハなどの研磨対象物１１１を上面に保持したチャック（保持手段）１０９を備える。

研磨ヘッド１０１は、研磨ヘッド回転用モータ１０３によって回転するように構成されている。さらに、研磨ヘッド１０１は、揺動機構１０７によって、研磨対象物１１１上を揺動するように構成されている。チャック１０９は、チャック回転用モータ１１３によって回転するように構成されている。研磨の際に、研磨部材２０１は、チャック１０９上のウエハなどの研磨対象物１１１に押圧された状態となり、研磨ヘッド１０１およびチャック１０９が、それぞれ回転し、また研磨ヘッド１０１が揺動して、研磨部材２０１によって研磨対象物１１１の研磨が行われる。

本実施形態による研磨装置は、研磨ヘッドの負荷トルク検出装置１０５と、チャックの負荷トルク検出装置１１５と、研磨終了判断装置１２１と、をさらに備える。研磨ヘッドの負荷トルクのデータとして、研磨ヘッド回転用モータ１０３のモータ電流を使用する場合には、研磨ヘッドの負荷トルク検出装置１０５は、研磨ヘッド回転用モータ１０３から、モータ電流のデータを採取して、研磨終了判断装置１２１に送る。あるいは、研磨ヘッドの負荷トルク検出装置１０５として、研磨ヘッド１０１の回転軸にトルク計を取り付けて、負荷トルクのデータを採取してもよい。チャックの負荷トルクとして、チャック回転用モータ１１３のモータ電流を使用する場合には、チャックの負荷トルク検出装置１１５は、チャック回転用モータ１１３から、モータ電流のデータを採取して、研磨終了判断装置１２１に送る。あるいは、チャックの負荷トルク検出装置１１５として、チャック１０９の回転軸にトルク計を取り付けて、負荷トルクのデータを採取してもよい。研磨終了判断装置１２１としては、種々の形態のプロセッサを使用することができる。研磨終了判断装置１２１によって実行される研磨終了判断処理については以下に説明する。

図２は、研磨終了判断装置１２１によって実行される、本発明の一実施形態による研磨終了判断処理を示す流れ図である。

研磨終了判断処理に先だって、研磨ヘッド１０１の揺動の１周期および検出対象期間のウィンドウを定めておく。研磨ヘッド１０１の揺動の１周期は、研磨ヘッド１０１を実際に揺動させて１周期の時間を測定することによって定めてもよい。一例として、揺動の１周期は２秒である。検出対象期間のウィンドウとは、研磨終了時点が含まれると推定される期間であり、したがって研磨終了検出の対象となる期間である。検出対象期間のウィンドウは、以下のように定めてもよい。最初に、テスト用ウエハを使用して所定時間における研磨量を求め、所定時間における研磨量から研磨速度を求める。つぎに、目標研磨量と該研磨速度から推定される研磨終了時点を求め、該推定される研磨終了時点を含む所定の範囲を検出対象期間のウィンドウと定める。検出対象期間のウィンドウを定めることにより、無駄な検出処理を防止することができる。また、研磨終了の誤検出を防止することができる。

図２のステップＳ２０５において、研磨終了判断装置１２１は、時刻が検出対象期間のウィンドウの下限値に達しているかどうか判断する。時刻が検出対象期間のウィンドウの下限値に達していない場合には、ステップＳ２４５に進み、所定の時間が経過した後、ステップＳ２０５に戻る。所定の時間は、データのサンプリング間隔に相当し、一例として５乃至１０ミリ秒である。時刻が検出対象期間のウィンドウの下限値に達している場合には、ステップＳ２１０に進む。

図２のステップＳ２１０において、研磨終了判断装置１２１は、時刻が検出対象期間のウィンドウの上限値を超えているかどうか判断する。時刻が検出対象期間のウィンドウの上限値を超えていれば、ステップＳ２１５に進み、超えていなければステップＳ２２０に進む。

図２のステップＳ２１５において、異常処理を行う。具体的には、異常を示す表示や音声出力を行う。この場合、異常とは、検出対象期間のウィンドウ内において研磨終了が検出できなかったことを意味する。

図２のステップＳ２２０において、研磨終了判断装置１２１は、研磨ヘッドの負荷トルク検出装置１０５から、研磨ヘッド回転用モータ１０３のモータ電流を取得する。

図３は、研磨ヘッド回転用モータ１０３のモータ電流の値を示す図である。横軸は、時間であり、単位は１０ミリ秒である。縦軸は、電流の相対値である。検出対象期間のウィンドウはＷで表されている。

図２のステップＳ２２５において、所定の時間ごとに、その時点以前の揺動の１周期間における、研磨ヘッド回転用モータ１０３のモータ電流の最大値および最小値を求める。一例として、上記所定の時間は１０ミリ秒である。また、揺動の１周期は２秒であり、サンプリング間隔が１０ミリ秒であれば、モータ電流値の２００データの最大値および最小値を求める。

図２のステップＳ２３０において、上記所定の時間ごとに、研磨ヘッド回転用モータ１０３のモータ電流の振幅を求める。ステップＳ２２５において求めた、研磨ヘッド回転用モータ１０３のモータ電流の最大値および最小値の差がモータ電流の振幅である。

図４は、研磨ヘッド１０１の揺動による、モータ電流の周期的変化を示す図である。横軸は、時間であり、単位は１０ミリ秒である。縦軸は、電流の相対値である。モータ電流の値は、４０１で表される。揺動の周期は、Ｐで、モータ電流の振幅は、Ａで表される。

図５は、ステップＳ２３０において求めたモータ電流の振幅の値の変化を示す図である。横軸は、時間であり、単位は１０ミリ秒である。縦軸は、電流の相対値である。検出対象期間のウィンドウはＷで表されている。

図２のステップＳ２３５において、ステップＳ２３０において求めた振幅の値を平滑化する。一例として、それぞれの時点で、２揺動周期分の平均値をとる。

図６は、ステップＳ２３５において平滑化されたモータ電流の振幅の値の変化を示す図である。横軸は、時間であり、単位は１０ミリ秒である。縦軸は、電流の相対値である。検出対象期間のウィンドウはＷで表されている。

図２のステップＳ２４０において、ステップＳ２３５において平滑化された振幅の値が、所定の関係を満たすかどうか判断する。一例として平滑化された振幅の値が所定の値（たとえば、０．２）より小さくなる時点で、研磨終了の判断をしてもよい。また、平滑化された振幅の値の変化を、時間の１次微分を求めることにより検出し、または、時間の２次微分を求めることによって変曲点として検出し、研磨終了の判断をしてもよい。平滑化された振幅の値の変化を、いずれかの方法で検出すればよい。

平滑化された振幅の値が、所定の関係を満たせば、ステップＳ２５０に進む。平滑化された振幅の値が、所定の関係を満たさなければ、ステップＳ２４５に進み、所定の時間が経過した後、ステップＳ２０５に戻る。

図２のステップＳ２５０において、研磨終了の処理を行う。具体的には、研磨終了を示す表示や音声出力を行う。

図７は、研磨終了判断装置１２１によって実行される、本発明の他の実施形態による研磨終了判断処理を示す流れ図である。

研磨終了判断処理に先だって、図２に関して説明した実施形態と同様に、研磨ヘッド１０１の揺動の１周期および検出対象期間のウィンドウを定めておく。

図７のステップＳ７０５において、研磨終了判断装置１２１は、時刻が検出対象期間のウィンドウの下限値に達しているかどうか判断する。時刻が検出対象期間のウィンドウの下限値に達していない場合には、ステップＳ７５５に進み、所定の時間が経過した後、ステップＳ７０５に戻る。所定の時間は、データのサンプリング間隔に相当し、一例として５乃至１０ミリ秒である。時刻が検出対象期間のウィンドウの下限値に達している場合には、ステップＳ７１０に進む。

図７のステップＳ７１０において、研磨終了判断装置１２１は、時刻が検出対象期間のウィンドウの上限値を超えているかどうか判断する。時刻が検出対象期間のウィンドウの上限値を超えていれば、ステップＳ７１５に進み、超えていなければステップＳ７２０に進む。

図７のステップＳ７１５において、異常処理を行う。具体的には、異常を示す表示や音声出力を行う。この場合、異常とは、検出対象期間のウィンドウ内において研磨終了が検出できなかったことを意味する。

図７のステップＳ７２０において、研磨終了判断装置１２１は、研磨ヘッドの負荷トルク検出装置１０５から、研磨ヘッド回転用モータ１０３のモータ電流を取得し、チャックの負荷トルク検出装置１１５から、チャック回転用モータ１１３のモータ電流を取得する。

図７のステップＳ７２５において、所定の時間ごとに、その時点以前の揺動の１周期間における、研磨ヘッド回転用モータ１０３のモータ電流の最大値および最小値を求める。一例として、揺動の１周期が２秒であり、サンプリング間隔が１０ミリ秒であれば、モータ電流値の２００データの最大値および最小値を求める。

図７のステップＳ７３０において、上記所定の時間ごとに、研磨ヘッド回転用モータ１０３のモータ電流の振幅を求める。ステップＳ７２５において求めた、研磨ヘッド回転用モータ１０３のモータ電流の最大値および最小値の差がモータ電流の振幅である。モータ電流の振幅の値の変化は、上述の図５に示されている。

図７のステップＳ７３５において、ステップＳ７３０において求めた振幅の値を平滑化する。一例として、それぞれの時点で、２揺動周期分の平均値をとる。平滑化されたモータ電流の振幅の値の変化は、上述の図６に示されている。

図７のステップＳ７４０において、サンプリング周期ごとに、研磨ヘッド回転用モータ１０３のモータ電流とチャック回転用モータ１１３のモータ電流との差を求め、当該差について、研磨ヘッド１０１の揺動１周期の平均値を求める。結果として、サンプリング周期ごとに、揺動１周期の平均値が求まる。このようにして求めた平均値を移動平均値と呼称する。

研磨ヘッド回転用モータ１０３のモータ電流とチャック回転用モータ１１３のモータ電流との差を求めるのは、当該差が研磨対象物にかかるトルクに対応するからである。実際には、チャック回転用モータ１１３のモータ電流の値は変化が小さいので、当該差に代えて研磨ヘッド回転用モータ１０３のモータ電流の値を使用してもよい。

図８は、研磨ヘッド回転用モータ１０３およびチャック回転用モータ１１３のモータ電流の移動平均値の変化を示す図である。横軸は、時間であり、単位は１０ミリ秒である。縦軸は、電流の相対値である。左側の縦軸の目盛は、研磨ヘッド回転用モータ１０３のモータ電流の移動平均値８０１の目盛であり、右側の縦軸の目盛は、チャック回転用モータ１１３のモータ電流の移動平均値８０３の目盛である。移動平均値８０３の変化は、移動平均値８０１の変化に比較して小さい。

図４は、研磨ヘッド１０１の揺動による、モータ電流の周期的変化を示す図である。横軸は、時間であり、単位は１０ミリ秒である。縦軸は、電流の相対値である。その時点における値は、４０１で、移動平均値は４０３で表される。揺動の周期はＰで、モータ電流の振幅はＡで表される。移動平均値をとると、揺動成分が相殺されて、揺動成分なしのモータ電流の値が得られる。

図７のステップＳ７４５において、ステップＳ７４０において求めた移動平均値の時間微分値を求める。

図９は、移動平均値９０１およびその時間微分値９０３の変化を示す図である。横軸は、時間であり、単位は１０ミリ秒である。縦軸は、電流の相対値である。検出対象期間のウィンドウはＷで表されている。

図７のステップ７５０において、図６に示す平滑化された振幅の値が、所定の関係を満たす時点および図９に示す上記の時間微分値が所定の関係を満たす時点を求める。

一例として平滑化された振幅の値が所定の値（たとえば、０．２）より小さくなる時点を求める。また、平滑化された振幅の値の変化を、時間の１次微分を求めることにより検出し、または、時間の２次微分を求めることによって変曲点として検出し、研磨終了の判断をしてもよい。平滑化された振幅の値の変化を、いずれかの方法で検出すればよい。

他方、一例として、上記の時間微分値が所定の値より大きくなる時点を求める。図９において、上記の時間微分値は、複数の時点（図９のＡおよびＢ）において他の時点と比較して大きくなる。そこで、上記複数の時点のうち、平滑化された振幅の値が所定の値より小さくなる時点に最も近い時点（図９のＡ）で、研磨終了の判断をしてもよい。

研磨ヘッドにかかるトルクの、揺動による振幅の幅および研磨対象材にかかるトルクの移動平均値は、研磨の終了と密接に関係している。したがって、揺動による振幅の変化と、上記移動平均値の変化とをあわせて考慮することにより、確実に研磨の終了を検出することができる。

上記時間微分値および平滑化された振幅の値が、所定の関係を満たせば、ステップＳ７６０に進む。上記時間微分値および平滑化された振幅の値が、所定の関係を満たさなければ、ステップＳ７５５に進み、所定の時間が経過した後、ステップＳ７０５に戻る。

図７のステップＳ７６０において、研磨終了の処理を行う。具体的には、研磨終了を示す表示や音声出力を行う。

本発明によれば、研磨ヘッドにかかるトルクの、揺動によって生じる振幅の変化を検出ることによって、研磨終了を確実に検出することができる。

本発明の一実施形態による研磨装置の構成を示す図である。本発明の１実施形態による研磨終了判断処理を示す流れ図である。研磨ヘッド回転用モータのモータ電流の値を示す図である。研磨ヘッドの揺動による、モータ電流の周期的変化を示す図である。モータ電流の振幅の値の変化を示す図である。平滑化されたモータ電流の振幅の値の変化を示す図である。本発明の他の実施形態による研磨終了判断処理を示す流れ図である。研磨ヘッド回転用モータおよびチャック回転用モータのモータ電流の移動平均値の変化を示す図である。研磨ヘッド回転用モータの電流の値と、チャック回転用モータの電流の値との差の移動平均値およびその時間微分値の変化を示す図である。

符号の説明

１０１…研磨ヘッド、１０９…チャック、１１１…研磨対象物、１２１…研磨終了判断装置、２０１…研磨部材

Claims

回転する保持手段上に保持した研磨対象物に、研磨部材を設けた研磨ヘッドを押圧して回転させながら揺動させて、前記研磨対象物を研磨する研磨方法であって、前記研磨ヘッドにかかるトルクの、揺動によって生じる振幅を求め、前記揺動によって生じる振幅の変化によって研磨の終了点を検出することを特徴とする研磨方法。
前記研磨ヘッドにかかるトルクの、揺動の１周期内における最大値および最小値から、前記揺動によって生じる振幅を求めることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
前記研磨ヘッドの回転用モータの電流値から、前記研磨ヘッドにかかるトルクの、前記揺動によって生じる振幅を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法。
前記研磨ヘッドにかかるトルクの、揺動による影響を除去した値を求め、前記揺動による影響を除去した値をさらに考慮して研磨の終了点を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の研磨方法。
前記研磨ヘッドにかかるトルクの、揺動１周期分の値を平均化することにより、前記揺動による影響を除去した値を求めることを特徴とする請求項４に記載の研磨方法。
前記研磨ヘッドの回転用モータの電流値から、前記揺動による影響を除去した値を求めることを特徴とする請求項４または５に記載の研磨方法。
前記研磨ヘッドにかかるトルクおよび前記保持手段にかかるトルクの差の、揺動による影響を除去した値を求め、前記揺動による影響を除去した値をさらに考慮して研磨の終了点を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の研磨方法。
前記差の、揺動１周期分の値を平均化することにより、前記揺動による影響を除去した値を求めることを特徴とする請求項７に記載の研磨方法。
前記研磨ヘッドの回転用モータおよび前記保持手段の回転用モータの電流値から、前記揺動による影響を除去した値を求めることを特徴とする請求項７または８に記載の研磨方法。
研磨終了検出対象期間のウィンドウを定め、該ウィンドウの時間範囲内で研磨終了検出を行うことを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の研磨方法。
研磨対象物を上面に保持した保持手段と、
前記保持手段を回転させる機構と、
研磨部材を備えた研磨ヘッドと、
前記研磨ヘッドを回転させる機構と、
前記保持手段上において、前記研磨ヘッドを揺動させる機構と、
前記研磨ヘッドにかかるトルクを検出する装置と、
研磨の終了点を検出する装置と、を備え、
前記研磨の終了点を検出する装置は、前記研磨ヘッドにかかるトルクの、揺動によって生じる振幅を求め、前記揺動によって生じる振幅の変化によって研磨の終了点を検出することを特徴とする、研磨装置。