(57)【要約】【課題】  高い平坦化を実現することのできる研磨装置、研磨方法およびこの研磨方法を用いた半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】  研磨装置４は、研磨定盤８と、研磨定盤８に取り付けられてウェハ１７を研磨する研磨布７と、研磨布７の表面をドレッシングするドレッサ９と、研磨布７の表面の傾斜角を測定する傾斜角測定手段１０とを有する。傾斜角測定手段１０は、研磨布７の膜厚を測定する膜厚測定部１３と、この膜厚から傾斜角を算出する傾斜角算出部１４とを有することができる。さらに、膜厚測定部１３は、渦電流センサ１５を有することができる。また、傾斜角測定手段１０には、傾斜角に応じてドレッシングの条件を制御するドレッシング条件制御部１１が接続していて、ドレッサ９に制御データを伝達する機構となっていることが好ましい。【選択図】      図５
2006263876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨定盤と、
前記研磨定盤に取り付けられて被研磨部材を研磨する研磨布と、
前記研磨布の表面をドレッシングするドレッサと、
前記研磨布の表面の傾斜角を測定する傾斜角測定手段とを有することを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記傾斜角測定手段は、前記研磨布の膜厚を測定する膜厚測定部と、
前記膜厚から傾斜角を算出する傾斜角算出部とを有する請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】
前記膜厚測定部は渦電流センサを有する請求項１または２に記載の研磨装置。
【請求項４】
前記膜厚測定部はレーザ変位計を有する請求項１または２に記載の研磨装置。
【請求項５】
前記傾斜角に応じて前記ドレッシングの条件を制御するドレッシング条件制御部をさらに有する請求項１〜４に記載の研磨装置。
【請求項６】
研磨定盤に取り付けられた研磨布にウェハを押し付けた状態で、前記研磨定盤と前記ウェハを回転させながら前記ウェハの表面を研磨する工程と、
前記研磨布の表面の傾斜角を求める工程と、
前記傾斜角からドレッシング条件に関する制御データを作成する工程と、
前記制御データにしたがって、前記研磨定盤とドレッサを回転させながら前記研磨布のドレッシングを行う工程とを有することを特徴とする研磨方法。
【請求項７】
前記ドレッシング条件は、前記研磨定盤の回転数または前記ドレッサの回転数である請求項６に記載の研磨方法。
【請求項８】
半導体ウェハの上に被処理膜を形成する工程と、
請求項６または７に記載の研磨方法によって前記被処理膜を研磨する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨装置、研磨方法および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造工程には、半導体ウェハの上に導電体膜を形成して配線層を形成する工程や、配線層の上に層間絶縁膜を形成する工程などがある。これらの工程では、半導体ウェハの表面に凹凸が生じることから、この表面を平坦化する技術が重要となっている。
【０００３】
表面の凹凸を平坦化する技術としては、従来より、化学的機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法がある。化学的機械的研磨法は、半導体ウェハの表面を研磨面に押し付けた状態で、液体に砥粒が分散された研磨剤（スラリー）を用いて研磨する技術である。以下、従来の化学的機械的研磨装置による研磨方法について説明する。
【０００４】
従来の化学的機械的研磨装置は、上面に研磨布を取り付けた研磨定盤と、研磨対象となる半導体ウェハを保持する保持台と、研磨布の表面を粗くするドレッサとを備えている。例えば、研磨の前に、まず、ドレッサによって研磨布の表面を毛羽立たせるドレッシング（コンディショニングとも言う。以下、本明細書において同じ。）を行う。次に、保持台によって被研磨面が研磨布に向くように半導体ウェハを保持した後、この保持台を研磨定盤の上に下降させる。そして、研磨布の上に研磨剤を滴下しながら、被研磨面を研磨布に押し付けた状態で、研磨定盤と保持台の両方を回転させて研磨を行う。
【０００５】
このような化学的機械的研磨法による研磨工程では、面内での研磨速度を均一にすることによって、表面の凹凸を解消して高い平坦性を実現することができる。
【０００６】
ここで、研磨速度の制御は、従来より、被研磨面の押付圧力、保持台の回転数、研磨定盤の回転数および研磨剤の流量を調整することによって行ってきた。例えば、電磁力により研磨定盤の傾斜角度を制御することによって、研磨定盤の回転で生じる研磨布のうねりをなくして被研磨面の押付圧力を均一にする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、こうした方法には限界があり、十分な平坦化を図ることができないという問題があった。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３１７８２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、高い平坦化を実現することのできる研磨装置を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の目的は、高い平坦化を実現することのできる研磨方法を提供することにある。
【００１０】
さらに、本発明の目的は、高い平坦化を実現することのできる研磨方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願の第１の発明は、研磨定盤と、この研磨定盤に取り付けられて被研磨部材を研磨する研磨布と、この研磨布の表面をドレッシングするドレッサと、研磨布の表面の傾斜角を測定する傾斜角測定手段とを有することを特徴とする研磨装置に関する。
【００１３】
また、本願の第２の発明は、研磨定盤に取り付けられた研磨布にウェハを押し付けた状態で、研磨定盤とウェハを回転させながらウェハの表面を研磨する工程と、研磨布の表面の傾斜角を求める工程と、この傾斜角からドレッシング条件に関する制御データを作成する工程と、この制御データにしたがって、研磨定盤とドレッサを回転させながら研磨布のドレッシングを行う工程とを有することを特徴とする研磨方法に関する。
【００１４】
さらに、本願の第３の発明は、半導体ウェハの上に被処理膜を形成する工程と、本発明の研磨方法によって被処理膜を研磨する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、研磨布の傾斜角を測定し、その結果に応じてドレッシングの条件を最適化することによって、研磨布の面内膜厚均一性を良好にすることができるので、被研磨面に対する研磨速度の面内ばらつきを小さくして高い平坦性を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
上述したように、化学的機械的研磨法による研磨工程の前には、研磨布に対してドレッシングが行われる。これは、研磨布の表面が研磨で平滑化されることによって、研磨速度が低下するのを防ぐことを目的としている。
【００１７】
ドレッシングは、図１に示すように、研磨定盤１に取り付けられた研磨布２に、ダイヤモンド粒子を接着したドレッサ３を押し付け、この状態で研磨定盤１とドレッサ３をともに回転させて行う。ドレッシングを行うことによって、研磨布が研磨剤を良好に保持できるようになるので、研磨速度を回復させて研磨効率を向上させることができる。
【００１８】
本発明者は、鋭意研究した結果、ドレッシングを終えた後の研磨布の傾斜角θと研磨速度の面内ばらつきとの間に相関関係があることを見出した。図２にその一例を示す。
【００１９】
図２では、傾斜角が−０．００２５度程度で研磨速度の面内ばらつきは最小となるが、これより傾斜角が大きくなったり、小さくなったりするとばらつきは次第に大きくなる。
【００２０】
具体的には、傾斜角がプラス側に大きくなると、研磨布２の膜厚は外周部へ行くほど大きくなる（図３（ａ））。反対に、傾斜角がマイナス側に大きくなると、研磨布２の膜厚は外周部へ行くほど小さくなる（図３（ｂ））。このため、図３（ａ）の状態の研磨布で研磨した場合、ウェハの被研磨面にかかる圧力は外周部へ行くほど大きくなるので、研磨速度は外周部で速くなる。一方、図３（ｂ）の状態の研磨布で研磨した場合、半導体ウェハの被研磨面にかかる圧力は外周部へ行くほど小さくなるので、研磨速度は外周部で遅くなる。
【００２１】
図４は、ウェハ面内における研磨速度のばらつきを示す図である。図４において、イ´は、図２で傾斜角−０．０１０３度（測定点イ）の研磨布で研磨した場合に対応している。また、ロ´は、図２で傾斜角＋０．００１４度（測定点ロ）の研磨布で研磨した場合に対応している。
【００２２】
以上より、本発明者は、研磨布の傾斜角を測定し、その結果に応じてドレッシングの条件を最適化することによって、研磨布の面内膜厚均一性を良好にすることができるので、被研磨面に対する研磨速度の面内ばらつきを小さくすることが可能になると考え、本発明に至った。
【００２３】
ここで、研磨布の面内膜厚均一性は、次のようにして求められる。すなわち、研磨布の膜厚を所定の複数の個所について測定する。そして、膜厚の最大値をｔｍａｘ、最小値をｔｍｉｎ、平均値をｔａｖｅとすると、面内膜厚均一性（％）＝｛（ｔｍａｘ−ｔｍｉｎ）／２ｔａｖｅ｝×１００の関係が成立する。
【００２４】
一方、研磨速度は、次のようにして求められる。すなわち、研磨布の所定個所における膜厚を研磨前後で測定し、各個所での膜厚の減少量の平均値を算出する。この平均値を研磨時間で割った値が研磨速度である。
【００２５】
図５は、本実施の形態における研磨装置の平面図である。この研磨装置に適用可能なウェハとしては、例えば、ダマシン法による配線形成工程において、配線溝または配線孔に導電体膜を埋め込む前の半導体ウェハや、下層の配線層などの段差を反映して、層間絶縁膜の表面に凹凸の生じた半導体ウェハなどが挙げられる。これらにおいては、導電体膜や層間絶縁膜が被研磨部材となる。
【００２６】
図５において、研磨装置４は、研磨室５およびウェハ収納室６を備える。また、研磨室５は、研磨布７が取り付けられた研磨定盤８と、ドレッサ９と、傾斜角測定手段１０と、ドレッシング条件制御部１１とを有する。一方、ウェハ収納室６は、ウェハ搬送手段１２と、ウェハ載置台２１とを有する。但し、ウェハ搬送手段１２は、後述するように、研磨室５とウェハ収納室６との間でウェハ１７を搬送可能な手段であるとする。尚、本実施の形態においては、ウェハ載置台２１に代えて、例えば、ウェハを収納可能なカセットなどを設置してもよい。
【００２７】
傾斜角測定手段１０は、研磨布７の表面の傾斜角を測定可能な手段である。例えば、図５のように、研磨布７の膜厚を測定する膜厚測定部１３と、膜厚測定部１３で得られたデータから傾斜角を算出する傾斜角算出部１４とを有するものとすることができる。ここで、膜厚測定部１３は、研磨布７の中心から外周方向に向かって渦電流センサ１５が取り付けられた構造とすることができる。また、膜厚測定部１３に回転部１６を接続し、回転部１６を矢印の方向に回転させることによって、測定時にのみ膜厚測定部１３が研磨布７の上に移動する機構とすることができる。尚、膜厚測定部１３には、渦電流センサ１５に代えて、例えばレーザ変位計などが取り付けられていてもよい。また、傾斜角測定手段１０は、研磨室５内に複数個設けられていてもよい。
【００２８】
傾斜角測定手段１０は、ドレッシング条件制御部１１に接続している。ドレッシング条件制御部１１は、得られた傾斜角に応じてドレッシングの条件を制御する部分であり、より詳しくは、傾斜角測定手段１０で得られた測定データからドレッシング条件に関する制御データを作成する部分である。そして、ドレッシング条件制御部１１はドレッサ９に接続していて、作成した制御データにしたがってドレッシングが行われる。
【００２９】
ウェハ搬送手段１１は、研磨室５とウェハ収納室６との間でウェハ１７を搬送する手段である。例えば、図５のように、ウェハ１７を保持するウェハ保持部１８と、ウェハ保持部１８に接続する回転部１９とを有し、回転部１９が矢印の方向に回転することによって、研磨室５とウェハ収納室６との間でウェハ保持部１８が移動可能な機構とすることができる。また、ウェハ保持部１８も回転可能であって、研磨の際には、研磨定盤８とウェハ保持部１８の両方が回転するようになっている。
【００３０】
また、図５では、ドレッサ９にも回転部２０を接続しており、ドレッシング時に回転部２０を矢印の方向に回転させることによって、ドレッサ９が研磨布７の上に移動するようにしている。さらに、ドレッサ９も回転可能であって、ドレッシングの際には、研磨定盤８とドレッサ９の両方が回転するようになっている。
【００３１】
尚、図５において、研磨室５は複数個設けることができる。その場合、ウェハ収納室６は１個のみであってもよいし、研磨室の数に応じて複数個設けられていてもよい。
【００３２】
図６は、本実施の形態における研磨方法を説明するフローチャートである。以下に、図５の研磨装置を用いて、図６の研磨方法を実施する例について説明する。
【００３３】
まず、研磨定盤８に取り付けられた研磨布７にウェハ１７を押し付けた状態で、研磨布７とウェハ１７を回転させながらウェハ１７表面の研磨を行う（処理１０１）。
【００３４】
次に、予め決められた枚数のウェハの研磨を終えたところで、傾斜角測定手段１０によって研磨布７の表面の傾斜角を求める（処理１０２）。ここで、予め決められた枚数とは、場合に応じて適宜設定することができる。例えば、ウェハ１枚を研磨する度に傾斜角を測定してもよいし、１カセットに収納された全てのウェハの研磨を終える度に傾斜角を測定してもよい。
【００３５】
処理１０２は、具体的には次のようにして行われる。まず、ウェハ搬送手段１２によって、ウェハ１７を研磨室５からウェハ収納室６へ搬送する。次いで、膜厚測定部１３を研磨布７の上面に移動させて、研磨布７の所定個所における膜厚を測定する。その後、傾斜角算出部１４によって、膜厚データから傾斜角が算出される。
【００３６】
算出された傾斜角は、測定データとしてドレッシング条件制御部１１に伝達される。ドレッシング条件制御部１１では、測定データからドレッシング条件に関する制御データが作成される（処理１０３）。
【００３７】
次に、作成された制御データにしたがって、ドレッサ９を用いて研磨布７のドレッシングを行う（処理１０４）。
【００３８】
具体的には、回転部１６を回転させて、膜厚測定部１３を研磨室５の所定の位置に退避させた後、回転部２０を回転させることによって、ドレッサ９を研磨布７の上面に移動してドレッシングを行う。
【００３９】
ドレッシングを終えた後は、再び回転部２０を回転させて、ドレッサ９を研磨室５の所定の位置に退避させた後、ウェハ搬送手段１２によって、ウェハ収納室６から研磨室５へウェハ１７を搬送する。次いで、ウェハ１７を研磨布７の上に下降させて研磨を行う（処理１０５）。
【００４０】
以上の処理１０２〜処理１０５を所定回数繰り返した後に研磨工程を終了する。
【００４１】
次に、図７を用いて、図６における処理１０３をさらに詳しく説明する。
【００４２】
まず、傾斜角測定手段１０から伝達された測定データによって、傾斜角が許容範囲内であるか否かが判定される（処理１０３ａ）。ここで、傾斜角の許容範囲は適宜設定することができるが、例えば、図２の関係で、研磨速度の面内ばらつきが１５％以下となる傾斜角の範囲を許容範囲とすることができる。
【００４３】
傾斜角が許容範囲を超える場合には、ドレッシングの条件を変更して新たに制御データを作成する（処理１０３ｂ）。ここで、ドレッシングの条件としては、例えば、ドレッサの回転数Ｄ（ｒｐｍ）または研磨定盤の回転数Ｐ（ｒｐｍ）などを挙げることができる。
【００４４】
例えば、傾斜角がプラス側に大きすぎる場合には、ドレッサの回転数Ｄを変えずに、研磨定盤の回転数Ｐを大きくする。この場合、研磨定盤の回転数Ｐを変えずに、ドレッサの回転数Ｄを小さくしてもよい。一方、傾斜角がマイナス側に大きすぎる場合には、ドレッサの回転数Ｄを変えずに、研磨定盤の回転数Ｐを小さくする。この場合、研磨定盤の回転数Ｐを変えずに、ドレッサの回転数Ｄを大きくしてもよい。
【００４５】
一方、傾斜角が許容範囲内である場合には、ドレッシング条件を変更する必要はない。すなわち、予め決められたドレッサの回転数および研磨定盤の回転数で制御データが作成される（処理１０３ｃ）。
【００４６】
上記の実施の形態においては、研磨工程とドレッシング工程とを別々に行う場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。本発明においては、研磨工程とドレッシング工程とが同時に行われてもよい。例えば、図５の研磨装置において、ウェハ１７の研磨を行っている間に、研磨布７の空いている個所でドレッシングを行ってもよい。この場合、膜厚測定部１３を研磨布７の上面に設置した状態でドレッシングと研磨を行うことにより、ウェハ毎にリアルタイムでドレッシング条件を最適化することが可能となる。
【００４７】
以上述べたように、本発明の研磨装置および研磨方法によれば、研磨布の表面における傾斜角を求めることによってドレッシング条件を最適化することができるので、研磨布の面内膜厚均一性を良好にして、被研磨面に対する研磨速度の面内ばらつきを小さくすることが可能になる。したがって、本発明による研磨方法を用いて半導体装置を製造することにより、半導体ウェハの表面を高い精度で平坦化することができるので、電気的特性や信頼性に優れた半導体装置を製造することができる。また、半導体装置の製造工程における歩留まりを向上させることもできる。
【００４８】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】ドレッシングの説明図である。
【図２】研磨布の傾斜角と研磨速度の面内ばらつきとの関係を示す図である。
【図３】傾斜角度の異なる研磨布の断面図であり、（ａ）は傾斜角がプラス側に大きい場合、（ｂ）は傾斜角がマイナス側に大きい場合である。
【図４】半導体ウェハの面内における研磨速度のばらつきを示す図である。
【図５】本実施の形態における研磨装置の平面図である。
【図６】本実施の形態における研磨方法を説明するフローチャートである。
【図７】図６の処理１０３を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００５０】
１，８  研磨定盤
２，７  研磨布
３，９  ドレッサ
４  研磨装置
５  研磨室
６  ウェハ収納室
１０  傾斜角測定手段
１１  ドレッシング条件制御部
１２  ウェハ搬送手段
１３  膜厚測定部
１４  傾斜角算出部
１５  渦電流センサ
１６，１９，２０  回転部
１７  ウェハ
１８  ウェハ保持部
２１  ウェハ載置台
【図１】
2006263876.tif 000003
【図２】
2006263876.tif 000004
【図３】
2006263876.tif 000005
【図４】
2006263876.tif 000006
【図５】
2006263876.tif 000007
【図６】
2006263876.tif 000008
【図７】
2006263876.tif 000009