(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＭＰによりウエハの表面を平坦化する平坦化工程を有する、半導体装置の製造方法であって、
前記平坦化工程において、前記ウエハの表面を研磨する研磨パッドの形状データと目標形状データとを比較し、当該両データの差が、予め定めた閾値以下となった場合に、第１のドレス用工具を用いて前記研磨パッドをドレッシングした後、当該第１のドレス工具よりも切れ刃配列の粗さが小さな第２のドレス用工具を用いて前記研磨パッドをドレッシングするようにしたことを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
研磨パッドと加工物とを摺動して前記加工物を研磨する研磨方法であって、
前記研磨パッドの形状データと目標形状データとを比較し、前記加工物の研磨により当該両データの差が所定の閾値以下となったときに、第１のドレス用工具を用いて前記研磨パッドをドレッシングした後、当該第１のドレス工具よりも切れ刃配列の粗さが小さな第２のドレス用工具を用いて前記研磨パッドをドレッシングするようにしたことを特徴とする研磨方法。
【請求項３】
加工物と研磨パッドとの間に相対的な運動を与えて前記研磨パッドの作業面で前記加工物の表面を研磨する研磨装置であって、
第１のドレス用工具と、
前記第１のドレス工具よりも切れ刃配列の粗さの小さな第２のドレス用工具と、
前記第１のドレス用工具を前記研磨パッドの作業面に押し当てる第１の加圧手段と、
前記第２のドレス用工具を前記研磨パッドの作業面に押し当てる第２の加圧手段と、
前記研磨パッドの作業面に押し当てられた前記第１または第２のドレス用工具と、前記研磨パッドとの間に相対的な運動を与える移動手段と、
前記研磨パッドの作業面の形状データを検出する検出手段と、
前記検出手段が検出した前記形状データと目標形状データとを比較し、当該両データの差が、予め定めた閾値以下となったときに、前記第１の加圧手段に前記第１のドレス用工具を前記研磨パッドに押し当てさせた後、前記第２の加圧手段に前記第２のドレス用工具を前記研磨パッドに押し当てさせる制御手段と、
を備えることを特徴とする研磨装置。
【請求項４】
請求項３記載の研磨装置であって、
前記第１及び第２のドレス用工具を前記加工物と共に保持する保持具をさらに備え、
前記移動手段が、さらに前記加工物と前記研磨パッドとの間に相対的な運動を与えることを特徴とする研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層配線の層間絶縁膜及び金属膜の平坦化技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多層配線技術において主要課題とされている層間絶縁膜(ＳｉＯ2)の平坦度の改善を実現する加工方法として、層間絶縁膜との固相反応性に富んだ研磨液を用いて層間絶縁膜の表面を研磨するＣＭＰ(Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ)が知られている。
【０００３】
さて、ＣＭＰ加工においては、研磨加工の進行に伴う研磨パッドの作業面の劣化によって、設定研磨量よりも実研磨量が小さくなるという問題がある。そこで、こうした問題を解決するために、従来、研磨パットのドレッシング技術の改善が数多く試みられている。その内の一つとして、以下に示す特開平７−２９７１９５号公報記載の「半導体装置の平坦化方法及び平坦化装置」が知られている。
【０００４】
さて、特開平７−２９７１９５号では、従来のＣＭＰ加工においては、研磨加工の進行に伴う研磨パットの作業面の劣化によって研磨パットの作業面上に局所的に砥粒を保持できない領域が発生するため、安定した研磨能率が維持することができないという問題が提起されている。更に、単に、層間絶縁膜の表面の平坦性を確保するだけでなく、層間絶縁膜の膜厚の均一性を確保する必要があることも述べられている。
【０００５】
そこで、特開平７−２９７１９５号では、研磨加工中に、ダイヤモンドドレッサ等を用いて研磨パッドを絶えずドレッシングし続けて、研磨パッドの作業面上の毛羽立ちの状態を一様に維持することによって、上記問題の解決を図っている。更に、研磨パッドの作業面をウエハの曲率と等しい曲率の曲面形状に整形し、この曲面形状を層間絶縁膜の表面に転写することによって、層間絶縁膜の膜厚の均一性を確保している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
さて、ＣＭＰ加工では、研磨パットの作業面上における切れ刃分布(特に、深さ方向の切れ刃分布)の相違によって、研磨パットの寿命や研磨仕上げ面の表面粗さが大きく左右されることが知られている。ところが、特開平７−２９７１９５号では、ドレッシングによって研磨パッドの作業面上を一様な状態に維持することだけが着目されており、ドレッシングによって研磨パットの作業面上に安定で緻密な切れ刃配列を形成する必要があることが全く考慮されていない。従って、必ずしも、良好な研磨仕上げ面を創成できるとは限らない。また、予想外に早く研磨パットの劣化が進行する可能性もある。
【０００７】
そこで、本発明は、研磨工具の作業面に、劣化しにくく、切れ味の良好な緻密な切れ刃配列を形成することを第一の目的とする。また、研磨加工中に、こうした切れ刃配列を維持することにより、研磨能率の安定化を図ることを第二の目的とする。
【０００８】
ところで、ドレス主導形の研磨加工においては、ドレス条件の最適点を把握することができれば、研磨工具に優れた研磨性能を発揮させつつ、且つ、より経済的な研磨加工を行うことができることが一般に知られている。従って、ドレス主導形の研磨加工においては、ドレス条件の最適点の把握が重要な課題とされている。
【０００９】
そこで、本発明は、研磨加工中に、ドレス条件の最適点の把握を可能とすることを第三の目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
研磨パッドと加工物とを摺動して前記加工物を研磨する研磨方法であって、
前記研磨パッドの形状データと目標形状データとを比較し、前記加工物の研磨により当該両データの差が所定の閾値以下となったときに、第１のドレス用工具を用いて前記研磨パッドをドレッシングした後、当該第１のドレス工具よりも切れ刃配列の粗さが小さな第２のドレス用工具を用いて前記研磨パッドをドレッシングするようにしたことを特徴とする研磨方法を提供する。
また、本発明は、
加工物と研磨パッドとの間に相対的な運動を与えて前記研磨パッドの作業面で前記加工物の表面を研磨する研磨装置であって、
第１のドレス用工具と、
前記第１のドレス工具よりも切れ刃配列の粗さの小さな第２のドレス用工具と、
前記第１のドレス用工具を前記研磨パッドの作業面に押し当てる第１の加圧手段と、
前記第２のドレス用工具を前記研磨パッドの作業面に押し当てる第２の加圧手段と、
前記研磨パッドの作業面に押し当てられた前記第１または第２のドレス用工具と、前記研磨パッドとの間に相対的な運動を与える移動手段と、
前記研磨パッドの作業面の形状データを検出する検出手段と、
前記検出手段が検出した前記形状データと目標形状データとを比較し、当該両データの差が、予め定めた閾値以下となったときに、前記第１の加圧手段に前記第１のドレス用工具を前記研磨パッドに押し当てさせた後、前記第２の加圧手段に前記第２のドレス用工具を前記研磨パッドに押し当てさせる制御手段と、
を備えることを特徴とする研磨装置を提供する。
【００１１】
本半導体装置の製造方法によれば、切れ刃配列の粗さの異なるドレス用工具により、研磨工具の作業面をドレッシングすることができる。そこで、例えば、最初に、図３(ｂ)に示すように、切れ刃配列の大きなドレス用工具を用いて、研磨工具の作業面を粗くドレッシングした後、更に、図３(ｃ)に示すように、切れ刃配列の小さなドレス用工具を用いて、深さ方向の切れ刃分布を修正するようにすれば、研磨工具１４の作業面上に、加工物Ａの表面に実質的な研磨作用を与える緻密な刃先３９ａを有し、且つ、安定に研磨液１６を保持する溝部９ｂを有する切れ刃３９を再生することができる。また、加工物Ａの表面に実質的な研磨作用を与える刃先３９ａが非常に緻密で、加工物Ａと切れ刃３９との有効接触幅が大きいため、切れ刃が摩耗しにくい。
【００１２】
また、研磨加工中に、このような２種類のドレス用工具によるドレッシングを、研磨工具の作業面に対して定期的に又は継続的に施すようにすれば、上記緻密で安定な切れ刃配列を維持することができる。
【００１３】
更に、研磨加工中にセンサで前記研磨工具の作業面の表面形状をインプロセス計測するようにすれば、このセンサの出力に基づいて研磨工具の研磨性能の作業面の状態をリアルタイムに把握できるようになるため、研磨加工中に、ドレス条件の最適点を検出することが可能となる。そして、このドレス条件の下で、研磨工具の作業面に対して、上記２種類のドレス用工具によるドレッシングを施すようにすれば、研磨工具の優れた研磨性能を維持しつつ、研磨加工の経済性を向上させることできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明に係る一実施の形態について説明する。
【００１５】
本研磨装置は、ＣＮＣ装置の制御に従って、研磨パッドの作業面上への研磨液の供給と、研磨パッドの作業面に対する加工物の押圧と、研磨パッドの作業面と加工物の表面との摺動運動を実行して、研磨液による機械的研磨作用と化学的研磨作用の相乗効果によって加工物の表面の微細な凹凸を除去することにより、最終的に、加工物の表面を鏡面仕上げするＣＭＰ研磨機能を有する。また、更に、研磨加工中、定期的に、または、継続的に、研磨パットの作業面に対してドレッシングを施すドレッシング機能を有する。
【００１６】
以下、図１により、本研磨装置の基本構成を各機能毎に分けて説明する。
【００１７】
最初に、上記ＣＭＰ研磨機能を実現するための基本構成について説明する。
【００１８】
本研磨装置は、研磨パッド１４を貼付した研磨定盤１３と、研磨定盤１３が取り付けられた工具軸１００を回転させる砥石軸回転機構と、加工物Ａを保持するチャック４と、チャック４が取り付けられた主軸２１を回転させる主軸回転機構と、主軸２１を収納した研磨ヘッドをｘ方向に移動させる送り機構と、主軸ヘッドから主軸２１を出し入れする切り込み機構と、研磨パッド１４の作業面１４ａに加工物Ａを押し当てる加圧機構(図２参照)と、研磨パッド１４の作業面１４ａ上に研磨液１６ａを供給する研磨液供給機構と、各機構を制御するＣＮＣ装置３５とを備える。但し、研磨液１６には、加工物Ａと固相反応性に富んだスラリを使用する必要がある。例えば、Ｓｉウエハ上に形成された層間絶縁膜を研磨する場合には、アルカリ性溶液に粒径約３０ｎｍのＳｉＯ2砥粒を約２０％程度混入させたスラリ、または、酸化セリウム砥粒を約２０％程度混入させたスラリを使用することが望ましい。また、Ｓｉウエハ上に形成された金属膜を研磨する場合には、酸性溶液に酸化セリウム砥粒やアルミナ砥粒を約２０％程度混入させたスラリを使用することが望ましい。そして、研磨パッド１４には、耐摩耗性と耐有機溶剤性とに優れた合成樹脂で形成された研磨パッドを使用する必要がある。例えば、Ｓｉウエハ上に形成された層間絶縁膜を研磨する場合には、硬質発砲ポリウレタン系の合成樹脂で形成された研磨パッドを使用することが望ましい。
【００１９】
研磨液供給機構は、専用モータ(不図示)でポンプ(不図示)を駆動することによって、本研磨装置のベース２５内に設けられたタンク(不図示)に充填されている研磨液１６を、研磨液供給管１５から研磨パッド１４の作業面１４ａに向けて放出する。尚、研磨パッド１４の作業面１４ａ上に研磨液１６が適量づつ供給されるように、研磨液供給管１５には、研磨液１６の流量を調節するバルブ(不図示)が取付けられている。そして、このバルブの開度は、ＣＮＣ装置３５により制御されている。
【００２０】
また、工具回転機構は、サーボモータ２８の出力を、減速機(不図示)を介して工具軸１００に伝達することによって、工具軸１００を回転させる。尚、工具軸１００の回転速度の変動が抑制されるように、サーボモータ２８は、速度コントローラ(不図示)によって速度制御されている。
【００２１】
また、主軸回転機構は、サーボモータ２２の出力を、減速機(不図示)を介して、主軸２１に伝達することによって、主軸２１を回転させる。尚、主軸２１の回転速度の変動が抑制されるように、サーボモータ２２は、速度コントローラによって速度制御されている。
【００２２】
また、送り機構は、サーボモータ(不図示)の出力を、減速機(不図示)を介して、研磨ヘッド送り用ボールネジ３０に形成されたスプラインに伝達することにより、研磨ヘッド２９をｘ方向に移動させる。そして、サーボモータの回転角は、ＣＮＣ装置３５により数値制御されている。
【００２３】
また、切り込み機構は、エアシリンダ２４の出力を主軸出入調節用クイル２３に伝達することによって、研磨ヘッド２９から主軸２１を出し入れする。尚、主軸２１の軸心位置の保持と、切り込み機構が加工物Ａに与える切り込み量の維持のため、研磨ヘッド２９の内周の複数箇所(通常、３個または５個)に設けられたストッパ２６が、各エアシリンダ２７の出力で、主軸出入調節用クイル２３の移動を完全に拘束するようになっている。
【００２４】
尚、加工物Ａを保持するチャック４と、加工物Ａを研磨パッド１４の作業面１４ａに押し当てる加圧機構は、それぞれ、ドレス用工具の保持具としての機能と、ドレス用工具を研磨パッド１４の作業面１４ａに押し当てる加圧機構としての機能を兼ねているので、それらの構造については、後にまとめて説明することとする。
【００２５】
次に、図１及び図２により、上記ドレッシング機能を実現するための基本構成について説明する。
【００２６】
本研磨装置は、図２に示すように、研磨パット１４の作業面１４ａの表面形状をインプロセス計測するスタイラス式表面粗さ計５７と、研磨パット１４の作業面１４ａ上でスタイラス式表面粗さ計５７をｘ方向に往復移動させるスライダ(不図示)と、互いに粒度の異なる２種類以上のドレス用砥石(本実施の形態では、２種類のドレス用砥石１１ａ,１１ｂ)と、研磨パッド１４の作業面１４ａに各ドレス用砥石１１ａ,１１ｂを押し当てる加圧機構(不図示)とを備える。
【００２７】
スタイラス表面粗さ計５７は、研磨パッド１４の回転と、スライダがスタイラス表面粗さ計５７に与えるｘ方向への往復移動とによって、研磨パッド１４の作業面１４ａ上で相対的に旋回しながら移動する。それに伴い、スタイラス表面粗さ計５７のスタイラス５７ｂが研磨パッド１４の作業面１４ａ上を走査するため、研磨パッド１４の作業面１４ａの表面粗さが全面に渡って測定される。そして、スタイラス式表面粗さ計５７からの出力信号Ｋ1は、ＡＤ変換器でデジタル形状データＫ1に変換された後、ＣＮＣ装置３５へと入力される。尚、研磨パット１４の作業面１４ａ上をスタイラス表面粗さ計５７がスムーズに相対移動するように、スタイラス表面粗さ計５７の下面５７ａには、摩擦係数が小さい摺動面が形成されている。
【００２８】
また、チャック４の端面には、図１に示すように、外周に沿って、空洞部５ｂ，５ｃが形成されており、それらの内部には、エアバッグ６ｂ，６ｃが詰め込まれている。そして、一方のエアバッグ６ｂの表面には、粒度の小さなドレス用砥石１１ａが一個以上取付けられており、他方のエアバッグ６ｃの表面には、粒度の大きなドレス用砥石１１ｂが一個以上取付けられている。尚、これとは逆に、一方のエアバッグ６ｂの表面の方に、粒度の大きなドレス用砥石１１ｂを取付け、他方のエアバッグ６ｃの表面の方に、粒度の小さなドレス用砥石１１ａを取付けてるようにしても構わない。また、チャック４の端面には、更に、中央領域にも空洞部５ａが形成されており、その内部にもエアバッグ６ａが詰め込まれてる。そして、このエアバッグ６ａの表面には、加工物Ａを吸着する支持体２を貼付した剛性部材３が取付けられている。尚、各エアバッグ６ａ，６ｂ，６ｃの給気孔は、それぞれ、自身が詰め込まれている空洞部５ａ，５ｂ，５ｃと気体分流用スリップリング２０との間をつなぐ流路１７ａ，１７ｂ，１７ｃの流路端に連結されている。
【００２９】
また、加圧機構は、ＣＮＣ装置３５の気体分流用スリップリング用バルブの開度制御によって、外部のコンプレッサと各流路１７ａ，１７ｂ，１７ｃとの間をつなぐ流路が開放されると、外部のコンプレッサから供給される気体(例えば、Ｎ2、空気等)を各エアバッグ６ａ，６ｂ、６ｃの内部にそれぞれ充填させる。ＣＮＣ装置３５によって、それにより、エアバッグ６ａが膨張すれば、加工物Ａと研磨パット１４の間に働いている研磨圧が増加し、エアバッグ６ｂが膨張すれば、ドレス用砥石１１ａと研磨パット１４との間に働いている研磨圧が増加し、エアバッグ６ｃが膨張すれば、ドレス用砥石１１ｂと研磨パット１４との間に働いている研磨圧が増加する。更に、加圧機構は、ＣＮＣ装置３５の気体分流用スリップリング用バルブの開度制御によって、外部と各流路１７ａ，１７ｂ，１７ｃとの間をつなぐ排気流路を開放されると、各エアバッグ６ａ，６ｂ，６ｃに充満している気体を外部に排出させる。それにより、エアバッグ６ａが萎めば、加工物Ａと研磨パット１４の間に働いている研磨圧が減少し、エアバッグ６ｂが萎めば、ドレス用砥石１１ａと研磨パット１４との間に働いている研磨圧が減少し、エアバッグ６ｃが萎めば、ドレス用砥石１１ｂと研磨パット１４との間に働いている研磨圧が減少する。
【００３０】
以下、図２により、研磨加工中にＣＮＣ装置３５が実行する処理について説明する。
【００３１】
ＣＮＣ装置３５は、加工研磨液１６が研磨パッド１４の作業面１４ａ上への研磨液１６の供給が開始されるように研磨液供給機構を制御すると共に、加工物Ａに所定の切り込みが与えられるように切り込み機構を制御する。更に、研磨パッド１４と加工物Ａとの間に研磨圧が発生するように加圧機構を制御してから、加工物Ａの表面と研磨パッド１４の作業面１４ａとの摺動が開始されるように工具回転機構と主軸回転機構と送り機構とを制御する。尚、本実施の形態では、研磨パッド１４の作業面１４ａ上の外周付近の周速と回転中心付近の周速との相違を考慮して、加工物Ａが研磨パッド１４の回転中心に近づくにつれて、研磨ヘッド２９の送り速度ｖを減速させることとしている。
【００３２】
そして、その間、更に、ＣＮＣ装置３５は、スタイラス式表面粗さ計５７側からリアルタイムに入力されてくるデジタル形状データＫ1と、予め定めた目標作業面形状データＫとの差分ΔＫを逐次算出する。尚、ここでいう目標作業面形状データＫとは、研磨パッドの作業面の理想的な表面形状を表している形状データのことである。そして、算出した差分ΔＫと閾値とを比較して、研磨加工中の研磨パッドの研磨性能の推移を判定する。即ち、差分ΔＫが第一閾値以上となった場合に、研磨パッドの研磨性能が劣化したと判定し、以下のドレッシング処理を実行する。
【００３３】
まず、ＣＮＣ装置３５は、加圧機構のエアバッグ６ｂに供給すべき気体の流量を算出し、その結果に基づいて、加圧機構の気体分流用スリップリング用バルブの開度を制御することによって、外部のコンプレッサと流路１７ｂとの間をつなぐ流路を開放させる。その結果、外部のコンプレッサから供給される気体でエアバッグ６ｂが膨張し、粒度の大きなドレス用砥石１１ａと研磨パット１４の作業面１４ａとの間に研磨圧が発生する。これにより、研磨パット１４の作業面１４ａには、粒度の大きなドレス用砥石１１ａによるドレッシングが施される。そして、ＣＮＣ装置３５は、差分ΔＫを適当な付加比率(９％程度)で閾値処理し、それが第二閾値以下となった時点で、エアバッグ６ｃに供給すべき気体の流量を算出し、その結果に基づいて、加圧機構の気体分流用スリップリング用バルブの開度を制御することによって、外部と流路１７ｂとの間をつなぐ排気流路を開放させると共に、コンプレッサと流路１７ｃとの間をつなぐ流路を開放させる。その結果、エアバッグ６ｂの内部の気体が外部に排出されて、エアバッグ６ｂが萎み、粒度の大きなドレス用砥石１１ｂによるドレッシングが終了する。一方、コンプレッサから供給される気体でエアバッグ６ｃが膨張し、粒度の小きなドレス用砥石１１ｂと研磨パット１４の作業面１４ａとの間に研磨圧が発生する。これにより、研磨パット１４の作業面１４ａには、更に、粒度の小さなドレス用砥石１１ａによるドレッシングが施される。そして、ＣＮＣ装置３５は、差分ΔＫが第三閾値以下となった時点で、加圧機構の気体分流用スリップリング用バルブの開度を制御することによって、外部と流路１７ｃとの間をつなぐ排気流路を開放させる。その結果、エアバッグ６ｃの内部の気体が外部に排出され、エアバッグ６ｃが萎み、粒度の小さなドレス用砥石１１ｂによるドレッシングも終了する。
【００３４】
こうした一連の処理を実行することにより、研磨加工の進行に伴う研磨パッド１４の研磨性能の劣化の度合い応じて、適宜、研磨パッド１４の作業面１４ａに対してドレッシングを施すことができる。即ち、最適ドレス点で、研磨パッド１４の作業面１４ａに対するドレッシングを実行することができる。従って、研磨パッド１４の優れた研磨性能を維持しつつ、研磨加工の経済性を向上させることができる。
【００３５】
尚、本実施の形態では、ＣＮＣ装置３５は、スタイラス式表面粗さ計からの出力データに基づいて、気体分流用スリップリング２０に取付けられたバルブを制御しているが、必ずしも、このようにする必要はない。例えば、実験データ等から、２種類のドレス用砥石１１ａ，１１ｂの最適ドレス間隔を予め定めておいても構わない。尚、この場合には、研磨加工の進行と共に１回当たりのドレス時間を徐々に延長してゆくとより効果的である。また、スタイラス式表面粗さ計に代えて、例えば非接触式のレーザ表面粗さ計等の他の方式の表面粗さ計を使用しても構わない。
【００３６】
ここで、こうしたドレッシング処理による切れ刃再生効果の理解を助けるため、研磨パッド１４の作業面１４ａの表面状態の推移を簡単にまとめておく。
【００３７】
研磨加工中、研磨パッド１４の作業面１４ａの切れ刃３７が、図３(ａ)に示すように著しく摩耗した場合に、ＣＮＣ装置３５は、研磨パッド１４の研磨性能が劣化したことを判定し、加圧機構の気体分流用スリップリング用バルブの開度を制御する。そこで、研磨パット１４の作業面１４ａには、粒度の大きなドレス用砥石１１ａによるドレッシングが施される。その結果、図３(ｂ)に示すように、研磨パッド１４の作業面１４ａには、比較的切れ刃配列の粗い切れ刃３８が形成される。この時点で、ＣＮＣ装置３５は、加圧機構の気体分流用スリップリング用バルブの開度を制御する。そこで、研磨パット１４の作業面１４ａには、更に、粒度の小さなドレス用砥石１１ｂによるドレッシングが施される。その結果、図３(ｃ)に示すように、深さ方向ｓの切れ刃分布が修正され、最終的には、研磨パット１４の作業面１４ａには、加工物Ａの表面に実質的な研磨作用を与える緻密な刃先３９ａを有し、且つ、安定に研磨液１６を保持する溝部９ｂを有する切れ刃３９が再生される。
【００３８】
尚、こうした切れ刃配列を有する研磨パッド１４が、従来のＣＭＰ加工において一般的に行われている一種類のドレス用砥石を用いてドレッシングした研磨パッドの研磨性能よりも格段に優れていることは、この２つの研磨パッドを実際に使用し比べれてみれば明らかである。
【００３９】
そこで、このことを立証すべく、表面に層間絶縁膜が形成された６インチＳｉウエハを研磨対象として、以下に示す条件の下で比較実験を行った。尚、研磨量算出のために、研磨加工開始時に、光干渉式膜厚計を用いて、複数の測定点(ウエハのラジアル方向に３１箇所、その他１８箇所)で層間絶縁膜の膜厚Ｔ0，．．．．，Ｔ41を予め測定しておく。
【００４０】
研磨条件：
工具軸の回転角速度  約２０ｒｐｍ
主軸の回転角速度    約２０ｒｐｍ
加工物の送り速度    ２〜５ｍｍ／ｓｅｃ
研磨加工時間        １０分間
研磨荷重            ６０ｋｇ
研磨パッドのドレス条件：
ドレス用工具    (Ａ)２種類のドレス用砥石(粒径１２５μｍ、粒径６０μｍ)
(Ｂ)１種類のドレス用砥石のみ(粒径１２５μｍ)
ドレスタイミング    研磨加工開始時
研磨加工終了後、再度、層間絶縁膜の膜厚Ｔ0’，．．．．，Ｔ41’を測定し、数式(１)を用いて研磨量Ｖを算出した後、更に、数式(２)を用いて研磨量ＶのバラツキΔＶを算出した。
【００４１】
Ｖk＝Ｔk−Ｔk’                            …(１)
ΔＶ＝±１００(Ｖmax−Ｖmin)／(２Ｖave)    …(２)
ここで、ｋは、４９以下の自然数であり、Ｖmaxは、最大研磨量であり、Ｖminは、最小研磨量であり、Ｖaveは、平均研磨量(ΣＶ／４９)である。
【００４２】
その結果、図４に示すように、１種類のドレス用砥石(Ｂ)だけを用いた場合には、研磨量ＶのバラツキΔＶが±１９％も生じていたことに対して、２種類のドレス用砥石(Ａ)を併用した場合には、研磨量ＶのバラツキＶが±２．８％以下に抑制されていた。両結果を比較すれば、２種類のドレス用砥石(Ａ)を併用したことによって、加工物の研磨量の安定化が達成されたことは明らかである。このように、１種類のドレス用砥石(Ｂ)だけを用いた場合と、２種類のドレス用砥石(Ａ)を併用した場合とで顕著な相違を生じるのは、１種類のドレス用砥石(Ｂ)でドレッシングを施すだけでは、研磨パッド１４の作業面１４ａにおける深さ方向ｓの切れ刃分布のバラツキが大き過ぎるため、実質的に加工物Ａに研磨作用を及ぼす切れ刃の数が非常に少ないからである(図５参照)。
【００４３】
また、図６に示すように、１種類のドレス用砥石(Ｂ)だけを用いた場合には、研磨加工初期における研磨パッドの研磨能率が０．１μm／ｍｉｎであったことに対して、２種類のドレス用砥石(Ａ)を併用した場合には、研磨加工初期における研磨パッドの研磨能率が約０．１４μm／ｍｉｎにまで向上していた。両結果を比較すれば、２種類のドレス用砥石(Ａ)を併用することによって、研磨パッドの研磨能率の向上が達成されたことは明らかである。また、１種類のドレス用砥石(Ｂ)だけを用いた場合には、研磨加工初期から研磨加工終盤迄の間に研磨パッドの研磨能率が約２０％も低下していたことに対して、２種類のドレス用砥石(Ａ)を併用した場合には、研磨加工初期から研磨加工終盤迄の間の研磨パッドの研磨能率が約７％に抑制されていた。両結果を比較すれば、２種類のドレス用砥石(Ａ)を併用したことによって、研磨パッドの研磨能率の安定化と寿命の延長が達成されたことは明らかである。このように、１種類のドレス用砥石(Ｂ)だけを用いた場合と、２種類のドレス用砥石(Ａ)を併用した場合とで顕著な相違を生じるのは、１種類のドレス用砥石(Ｂ)でドレッシングを施すだけでは、研磨パッド１４の作業面１４ａにおける切れ刃配列が粗過ぎるため、加工物Ａと切れ刃の有効接触幅が非常に少ないからである。
【００４４】
また、更に、図７に示したように多層配線プロセスに本研磨装置を実際に導入し、本研磨装置の性能評価を行った。
【００４５】
まず、第一配線形成プロセス５０において、スパッタ法等により、６インチウエハの表面に、幅０．２５μmの第一Ａｌ配線層を形成した後、成膜プロセス５１において、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法等により、膜厚１.５μmの層間絶縁膜を堆積する。その後、第一平坦化プロセス５２において、本研磨装置を用いて、層間絶縁膜の表面を鏡面仕上げする。尚、このときの層間絶縁膜の目標膜厚は０.５μmである。
【００４６】
この時点で、光干渉式膜厚計により層間絶縁膜の膜厚を測定した結果、膜厚バラツキＶが±２．８％以下に抑制されていることが確認された。また、接触式表面粗さ計と原子間力顕微鏡とにより層間絶縁膜の表面粗さを測定した結果、層間絶縁膜の表面粗さＲMaxが０.３ｎｍ以下に抑制されていることが確認された。更に、触針式段差測定計と原子間力顕微鏡とにより、段差部における層間絶縁膜の表面の凹凸の高さを測定した結果、当初高さ１μmであった凹凸の高さ０.１μm以下にまで平坦化されていることが確認された。尚、以上の各測定値は、幅０.２５μｍの超微細配線の層間絶縁膜に通常要求されている条件を難なく満すことができる値である。
【００４７】
そして、コンタクトホール形成プロセス５３において、このように良好な状態に仕上がった層間絶縁膜をエッチングして、第一Ａｌ配線層との電気的接続を形成するためのコンタクトホールを形成する。更に、コンタクトスタッド形成プロセス５４において、選択ＣＶＤ法等によって、コンタクトホールに導電体(例えば、タングステン等)を埋め込んでコンタクトスタッドを形成する。
【００４８】
その後、第二平坦化プロセス５５において、本研磨装置を用いて、一般に凹凸が激しいとされている選択ＣＶＤ法で形成したコンタクトスタッドの表面を鏡面仕上げする。
【００４９】
この時点で、接触式表面粗さ計と原子間力顕微鏡とによりコンタクトスタッドの表面粗さを測定した結果、コンタクトスタッドの表面粗さＲMaxが０.３ｎｍ以下に抑制されていたことが確認された。これは、コンタクトスタッドの表面が、幅０.２５μｍの超微細配線に適した良好な状態に仕上げられてることを示す値である。更に、原子間力顕微鏡により層間絶縁膜の表面を観察したところ、層間絶縁膜上に不要な導電体膜が全く発見されなかったことから、コンタクトホール形成プロセス５３で層間絶縁膜上の微小な欠陥を核として成長した不要な導電体膜が、第二平坦化プロセスにおいて除去されたと推測される。
【００５０】
その後、第二配線形成プロセス５６において、スパッタ法等により、幅０．２５μmの第二Ａｌ配線を形成する。
【００５１】
この時点でコンタクトビア抵抗と配線抵抗とを測定した結果、従来、この時点で発見されることがあったコンタクト抵抗不良と配線不良とが全く発見されなかったことから、本研磨装置の多層配線プロセスへの導入によって、コンタクトホールの形成不良が皆無となったことが容易に推測される。
【００５２】
以上の結果に基づけば、本研磨装置を多層配線プロセスに導入したことにより、より信頼性の高い半導体装置の製造が可能となったことは明らかである。尚、本研磨加工装置の多層配線プロセスへの適用は、装置性能を評価するために示した一例に過ぎない。従って、高い形状精度を要求される他の部品(例えば、光学素子等)の研磨工程に本研磨加工装置を導入しても、これと同様な有益な効果が達成されることは言うまでもない。
【００５３】
以上、研磨パッド１４に対して加工物Ａとドレス用砥石１１ａ，１１ｂを一体的に相対移動させる場合を例に挙げて説明したが、必ずしも、このようにする必要はない。例えば、図８に示すように、上記主軸送り機構その他の機構から構成された駆動装置と同様な構成を備えたドレス用砥石専用駆動装置５０を別途準備し、ドレス用砥石１１ａ，１１ｂと加工物Ａとを独立に駆動するようにしても構わない。尚、この場合であっても、ＣＮＣ装置３５が、スタイラス式表面粗さ計３５の出力信号Ｋ1に応じて、ドレス用砥石専用駆動装置５０の各機構を駆動するサーボモータを制御するようにする必要があることは言うまでもない。
【００５４】
また、本実施の形態では、粒度の異なる２種類のドレス用砥石に与える研磨圧を個々に制御しているが、必ずしも、このようにする必要はない。例えば、図９に示すように、セグメント状のドレス用砥石１１ａ，１１ｂをそれぞれ弾性体４１を介してチャック４の端面に固定すれば、各弾性体４１の変形により、両方のドレス用砥石１１ａ，１１ｂと研磨パッド１４との間には、研磨パッド１４の作業面１４ａの曲率に応じた適当な研磨圧が与えられる。但し、この場合には、研磨加工中、研磨パッド１４の作業面１４ａに対して、両方のドレス用砥石１１ａ，１１ｂによるドレッシングが常に施されることになる。また、このように弾性体４１を利用する場合には、エアバッグ６ｂ，６ｃへの気体供給の便宜を図る必要がないため、チャック４の端面上における両ドレス用砥石１１ａ，１１ｂのレイアウトを柔軟に決定することができる。従って、例えば、図１０に示すように、研磨パッド１４の作業面１４ａに仮想的に描いた円周１４ｂ1上に、セグメント状のドレス用砥石１１ａ，１１ｂを交互に配置しても構わない。
【００５５】
また、本実施の形態では、１個の加工物Ａだけを研磨加工する装置構成としているが、必ずしもこのような装置構成とする必要もない。例えば、上記主軸回転機構その他の機構から構成された駆動装置を複数設けて、複数の加工物Ａを同時に研磨加工する装置構成としても構わない。但し、そのようにする場合には、ＣＭＰ加工中に、複数の加工物が研磨パッド１４の作業上で衝突することがないように、各駆動装置の配置等を適切に定める必要がある。
【００５６】
また、本実施の形態では、ドレス用工具としてドレス用砥石を使用しているが、適当な硬度を有する材料(セラミックス材等)の表面に、上記ドレス用砥石の作業面の切れ刃配列と同程度の粗さの切れ刃配列を形成したものを、上記ドレス用砥石の代用とすることも可能である。
【００５７】
また、本実施の形態では、研磨パッドの作業面にドレス用砥石を押し当てる動力源としてエアバッグを使用しているが、必ずしもエアバッグを使用する必要はない。例えば、エアバッグの代わりに、電気的エネルギを機械的エネルギに変換することができる圧電素子等を使用しても構わない。尚、この場合には、気体分流用スリップリングの代わりに、電流分流用スリップリングを使用すればよい。
【００５８】
【発明の効果】
本発明に係る研磨装置及び研磨方法によれば、研磨工具の作業面に、切れ味が良好で、劣化しにくい切れ刃配列を形成することができる。そして、研磨加工中に、こうした切れ刃配列を維持することもできる。
【００５９】
また、研磨加工中に、ドレス条件の最適点を把握することができる。従って、研磨工具に優れた研磨性能を発揮させつつ、研磨加工に費やすドレスコストの低減という経済な効果を得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る研磨装置の基本構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の一形態に係る研磨装置の基本構成を説明するための図である。
【図３】研磨パッドの作業面状態の推移を示した図である。
【図４】（Ａ）は、１種類のドレス用砥石のみでドレッシングした研磨パッドによる研磨量を測定した結果を示した図であり、（Ｂ）は、２種類のドレス用砥石のみでドレッシングした研磨パッドによる研磨量を測定した結果を示した図である。
【図５】１種類のドレス用砥石のみでドレッシングした研磨パッドの作業面状態を示した図である。
【図６】２種類のドレス用砥石のみでドレッシングした研磨パッドの研磨能率の推移Ａと、１種類のドレス用砥石のみでドレッシングした研磨パッドの研磨能率の推移Ｂとを比較するための図である。
【図７】多層配線プロセスを説明するための図である。
【図８】本発明の実施の一形態に係る研磨装置の基本構成を示した図である。
【図９】上図は、本発明の実施の形態に係るチャックの断面図であり、下図は、本発明の実施の形態に係るチャックの下面図である。
【図１０】チャックの端面におけるドレス用工具のレイアウトの一例を示した図である。
【符号の説明】
２…支持体
３…剛性部材
４…チャック
５ａ，５ｂ，５ｃ…空洞部
６ａ，６ｂ，６ｃ…エアバック
１１ａ，１１ｂ…ドレス用砥石
１３…研磨定盤
１４…研磨パッド
１５…研磨液供給管
１６…研磨液
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ…流路
２０…気体分流用スリップリング
２１…主軸
２２…サーボモータ
２３…主軸出入調節用クイル
２４…エアシリンダ
２５…ベース
２６…ストッパ
２７…エアシリンダ
２８…サーボモータ
２９…研磨ヘッド
３０…研磨ヘッド送り用ボールネジ
３５…ＣＮＣ装置
５７…スタイラス式表面粗さ計
１００…工具軸
【図１】
0003660448.tif 000002
【図２】
0003660448.tif 000003
【図３】
0003660448.tif 000004
【図４】
0003660448.tif 000005
【図５】
0003660448.tif 000006
【図６】
0003660448.tif 000007
【図７】
0003660448.tif 000008
【図８】
0003660448.tif 000009
【図９】
0003660448.tif 000010
【図１０】
0003660448.tif 000011