(57)【要約】【課題】高抵抗金属の被研磨膜に対し研磨の終点検出が正確で安定な終点検出装置を備えた研磨装置及び終点検出方法を提供する。【解決手段】研磨定盤１０１の上に研磨パッド１０２を取り付け、ウエハ１０３を保持した基板保持台１０４を、荷重をかけて下ろす。次に、研磨パッド１０２の上に研磨液１１０を滴下しながら、研磨定盤１０１と基板保持台１０４を回転させてウエハ１０３を研磨する。このとき、渦電流プローブ１０６を用いてウエハ１０３に渦電流を発生させ、この渦電流により上昇する研磨パッド１０２の温度を赤外線温度センサ１０７でモニタリングする。そして、赤外線温度センサ１０７の値により研磨の終点を検出し、制御装置１０９を作動させ第１の回転モータ１０５ａ及び第２の回転モータ１０５ｂを制御する。【選択図】図１
2006216648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨定盤上に取り付けられた研磨パッドと、
基板を保持する基板保持台と、
前記研磨定盤を回転させる第１の回転モータと、
前記基板保持台を回転させる第２の回転モータと、
前記研磨定盤内に渦電流を発生させる渦電流プローブと、
前記研磨パッドの温度を測定する温度モニターと、
前記温度モニターの値により少なくとも前記第１の回転モータ又は前記第２の回転モータのいずれか一つの回転を制御する制御装置とを備えていることを特徴とする基板研磨装置。
【請求項２】
請求項１に記載の基板研磨装置において、
前記温度モニターは、赤外線モニターであることを特徴とする基板研磨装置。
【請求項３】
研磨定盤上に取り付けられた研磨パッドと、
基板を保持する基板保持台と、
前記研磨定盤を回転させる第１の回転モータと、
前記基板保持台を回転させる第２の回転モータと、
前記研磨定盤内に渦電流を発生させる渦電流プローブと、
少なくとも前記研磨定盤又は前記基板保持台のいずれか一つのトルクを測定するトルクモニターと、
前記トルクモニターの値により少なくとも前記第１の回転モータ又は前記第２の回転モータのいずれか一つの回転を制御する制御装置とを備えていることを特徴とする基板研磨装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つに記載の基板研磨装置において、
前記制御装置は、前記基板の表面上に形成された導電膜の研磨の終点において少なくとも前記第１の回転モータ又は前記第２の回転モータのいずれか一つの回転を制御することを特徴とする基板研磨装置。
【請求項５】
請求項４に記載の基板研磨装置において、
前記導電膜はタングステン、タンタル、窒化タンタル、タンタル及び窒化タンタルの積層膜、チタン、窒化チタン、又は、チタン及び窒化チタンの積層膜であることを特徴とする基板研磨装置。
【請求項６】
研磨定盤上に研磨パッドを取り付ける工程（ａ）と、
基板保持台に保持された基板を載置する工程（ｂ）と、
前記工程（ｂ）の後に、前記研磨パッドの上に研磨液を滴下する工程（ｃ）と、
前記研磨液を用いて、前記研磨定盤と前記基板保持台を回転させて前記基板の表面に形成された導電膜を研磨する工程（ｄ）とを備え、
前記工程（ｄ）では、前記基板に渦電流を発生させる工程（ｄ１）と、
前記渦電流により上昇する前記研磨パッドの温度を温度モニターで測定する工程（ｄ２）と、
前記温度モニターの値により少なくとも前記研磨定盤又は前記基板保持台のいずれか一つの回転を制御する工程（ｄ３）を有することを特徴とする基板研磨方法。
【請求項７】
請求項６に記載の基板研磨方法において、
前記工程（ｄ３）は、前記温度モニターの値により前記基板の表面上に形成された導電膜の研磨の終点を検出する第１の工程と、前記研磨の終点において少なくとも前記研磨定盤又は前記基板保持台のいずれか一つの回転を制御する第２の工程を有することを特徴とする基板研磨方法。
【請求項８】
研磨定盤上に研磨パッドを取り付ける工程（ａ）と、
基板保持台に保持された基板を載置する工程（ｂ）と、
前記工程（ｂ）の後に、前記研磨パッドの上に研磨液を滴下する工程（ｃ）と、
前記研磨液を用いて、前記研磨定盤と前記基板保持台を回転させて前記基板の表面に形成された導電膜を研磨する工程（ｄ）とを備え、
前記工程（ｄ）では、前記基板に渦電流を発生させる工程（ｄ１）と、
前記渦電流により上昇する少なくとも前記研磨定盤又は前記基板保持台のいずれか一つのトルクをトルクモニターで測定する工程（ｄ２）と、
前記トルクモニターの値により少なくとも前記研磨定盤又は前記基板保持台のいずれか一つの回転を制御する工程（ｄ３）を有することを特徴とする基板研磨方法。
【請求項９】
請求項８に記載の基板研磨方法において、
前記工程（ｄ３）は、前記トルクモニターの値により前記基板の表面上に形成された導電膜の研磨の終点を検出する第１の工程と、前記研磨の終点において少なくとも前記研磨定盤又は前記基板保持台のいずれか一つの回転を制御する第２の工程を有することを特徴とする基板研磨方法。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか一つに記載の基板研磨方法において、
前記導電膜はタングステン、タンタル、窒化タンタル、タンタル及び窒化タンタルの積層膜、チタン、窒化チタン又はチタン及び窒化チタンの積層膜であることを特徴とする基板研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、終点検出装置を備えた基板研磨装置及び基板研磨方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体装置の微細化・多層化に伴い、ダマシン法による配線及びプラグの形成が行なわれるようになった。ダマシン法による配線及びプラグの形成は、ウエハの半導体領域上に堆積した層間絶縁膜に配線パターンやコンタクトパターンを持つ溝や孔を形成した後、その溝や孔に配線材料やプラグ材料（以下、導電膜とする）を埋め込み、その後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学的機械的研磨）法により導電膜を研磨して平坦化し、配線やコンタクトプラグを完成するものである。このとき、ＣＭＰ法による研磨工程では、層間絶縁膜上の導電膜を確実に除去し、かつ、溝や孔に導電膜を十分に残す必要がある。層間絶縁膜上に導電膜が残存した場合には、配線間ショート等の配線不良を引き起こすこととなり、溝や孔に導電膜が十分に残らない場合には、配線抵抗が高くなって配線遅延を引き起こすこととなるためである。したがって、ダマシン法による配線及びプラグの形成における研磨工程では、層間絶縁膜上の導電膜の有無を絶えず測定し、層間絶縁膜上の導電膜がなくなったときに研磨を終了するよう、研磨の終点を検出することが重要となる。ここで、研磨の終点とは、導電膜が層間絶縁膜上から完全に除去され、かつ、溝や孔に十分に残っているという状態の研磨時間の一点をいう。
【０００３】
研磨工程における終点検出を行う方法としては、例えば、ウエハの表面に形成された導電膜に渦電流を発生させ、導電膜の膜厚が減ることにより変化したウエハの導電率を渦電流センサでモニタリングして研磨を制御する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
以下、従来の終点検出装置を備えた基板研磨装置及び基板研磨方法について説明する。
【０００５】
図６は、従来の終点検出装置を備えた基板研磨装置を示す構成図である。従来の終点検出装置を備えた基板研磨装置は、研磨定盤１上に取り付けられた研磨パッド２と、研磨パッド２の上にウエハ３を保持する基板保持台４と、研磨定盤１を回転させる第１のモータ５ａと、基板保持台４を回転させる第２の回転モータ５ｂと、研磨定盤１内に高周波コイルからなる渦電流を発生させる渦電流プローブ６と、渦電流プローブ６によってウエハ３の表面に形成された導電膜に発生した渦電流をモニタリングする渦電流センサ７と、渦電流センサ７の値により少なくとも第１の回転モータ５ａ又は第２の回転モータ５ｂのいずれか一つの回転を制御する制御装置８とからなる。
【０００６】
上述した構成からなる従来の終点検出装置を備えた基板研磨装置を用いた基板研磨方法を説明する。まず、研磨定盤１の上に研磨パッド２を取り付け、研磨パッド２の上に、ウエハ３を保持した基板保持台４を荷重をかけて下ろす。次に、研磨パッド２の上に、研磨液９を滴下しながら、研磨定盤１と基板保持台４を回転させてウエハ３の表面に形成された導電膜（図示せず）を研磨する。このとき、研磨定盤１は回転モータ５ａを用いて回転させており、基板保持台４は第２の回転モータ５ｂを用いて回転させている。次に、渦電流プローブ６を用いてウエハ３に渦電流を発生させ、この渦電流により変化するウエハ３の導電率を渦電流センサ７でモニタリングする。このとき、渦電流は主にウエハ３の半導体領域に比べて抵抗の低いウエハ３の表面に形成された導電膜に流れる。そのため、研磨により導電膜の膜厚が減るにしたがって導電膜の抵抗が上昇してウエハ３に流れる渦電流が減少し、ウエハ３の実効的な導電率は減少する。次に、渦電流センサ７の値により制御装置８を作動させ少なくとも第１の回転モータ５ａ又は第２の回転モータ５ｂのいずれか一つの回転を制御する。
【特許文献１】特開２００２−１９８３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の終点検出装置を備えた基板研磨装置及び基板研磨方法には以下のような問題がある。
【０００８】
従来の終点検出装置を備えた基板研磨装置及び基板研磨方法は、被研磨膜となる導電膜が低抵抗の金属、例えば、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）である場合には終点検出が容易であるが、導電膜が高抵抗の金属、例えば、タングステン（Ｗ）やタンタル（Ｔａ）やチタン（Ｔｉ）である場合には研磨の終点検出が困難となる。従来の終点検出装置を備えた基板研磨装置及び基板研磨方法は、研磨の進行により導電膜の膜厚が減少して抵抗が上昇し、流れる渦電流が減少するので、ウエハ３の導電率をモニタリングすることにより研磨の終点を判断するものである。しかしながら、ウエハ３の表面に形成された導電膜の抵抗が高くなると、導電膜の除去前と除去後でウエハ全体に流れる渦電流はほとんど変わらず、ウエハの導電率の変化量が微弱になる。その結果、研磨の終点がモニタリングにより判断しにくくなる。すなわち、導電膜が高抵抗の金属の場合、導電膜とウエハの半導体領域との抵抗の差が小さいために、ウエハの導電率の変化が微小になり、終点が分かり難くなる。
【０００９】
ここで、高抵抗の金属であるタングステンは、ウエハの半導体領域と第１層目の配線層を接続するコンタクトプラグの材料や配線同士を接続するためのプラグの材料として用いられる。タングステンプラグの形成は、エッチバック法では、タングステンプラグのリセスが大きく微細加工における平坦性が確保できないため、ＣＭＰ法が必須である。ＣＭＰ法によるタングステンプラグの形成は、研磨不足による配線又はプラグ間ショートや過剰研磨による配線又はプラグ抵抗の上昇により発生する配線不良を抑制するため、研磨の終点を正確に検出することが重要である。また、ウエハごとの終点のばらつきが大きくなるのを防ぐため、終点検出が安定な方法であることも重要である。
【００１０】
本発明は、研磨の終点検出が正確で安定な終点検出装置を備えた基板研磨装置及び基板研磨方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る基板研磨装置は、研磨定盤上に取り付けられた研磨パッドと、基板を保持する基板保持台と、研磨定盤を回転させる第１の回転モータと、基板保持台を回転させる第２の回転モータと、研磨定盤内に渦電流を発生させる渦電流プローブと、研磨パッドの温度を測定する温度モニターと、温度モニターの値により少なくとも第１の回転モータ又は第２の回転モータのいずれか一つの回転を制御する制御装置とを備えている。
【００１２】
これにより、高抵抗の金属のＣＭＰ法による研磨であっても、研磨の終点を高精度に検出することができ、研磨不足による配線又はプラグ間ショートや過剰研磨による配線又はプラグ抵抗の上昇等の不良を防ぐことができる。
【００１３】
また、本発明に係る基板研磨装置において、温度モニターは、赤外線モニターである。
【００１４】
また、本発明に係る基板研磨装置は、研磨定盤上に取り付けられた研磨パッドと、基板を保持する基板保持台と、研磨定盤を回転させる第１の回転モータと、基板保持台を回転させる第２の回転モータと、研磨定盤内に渦電流を発生させる渦電流プローブと、少なくとも研磨定盤又は基板保持台のいずれか一つのトルクを測定するトルクモニターと、トルクモニターの値により少なくとも第１の回転モータ又は第２の回転モータのいずれか一つの回転を制御する制御装置とを備えている。
【００１５】
これにより、高抵抗の金属のＣＭＰ法による研磨であっても、研磨の終点を高精度に検出することができ、研磨不足による配線又はプラグ間ショートや過剰研磨による配線又はプラグ抵抗の上昇等の不良を防ぐことができる。
【００１６】
また、本発明に係る基板研磨装置において、制御装置は、基板の表面上に形成された導電膜の研磨の終点において少なくとも第１の回転モータ又は第２の回転モータのいずれか一つの回転を制御する。
【００１７】
また、本発明に係る基板研磨装置において、導電膜は、タングステン、タンタル、窒化タンタル、タンタル及び窒化タンタルの積層膜、チタン、窒化チタン、又は、チタン及び窒化チタンの積層膜である。
【００１８】
本発明に係る基板研磨方法は、研磨定盤上に研磨パッドを取り付ける工程（ａ）と、基板保持台に保持された基板を載置する工程（ｂ）と、工程（ｂ）の後に、研磨パッドの上に研磨液を滴下する工程（ｃ）と、研磨液を用いて、研磨定盤と基板保持台を回転させて基板の表面に形成された導電膜を研磨する工程（ｄ）とを備え、工程（ｄ）では、基板に渦電流を発生させる工程（ｄ１）と、渦電流により上昇する研磨パッドの温度を温度モニターで測定する工程（ｄ２）と、温度モニターの値により少なくとも研磨定盤又は基板保持台のいずれか一つの回転を制御する工程（ｄ３）を有する。
【００１９】
これにより、高抵抗の金属のＣＭＰ法による研磨であっても、研磨の終点を高精度に検出することができ、研磨不足による配線又はプラグ間ショートや過剰研磨による配線又はプラグ抵抗の上昇等の不良を防ぐことができる。
【００２０】
また、本発明に係る基板研磨方法において、工程（ｄ３）は、温度モニターの値により基板の表面上に形成された導電膜の研磨の終点を検出する第１の工程と、研磨の終点において少なくとも研磨定盤又は基板保持台のいずれか一つの回転を制御する第２の工程を有する。
【００２１】
また、本発明に係る基板研磨方法は、研磨定盤上に研磨パッドを取り付ける工程（ａ）と、基板保持台に保持された基板を載置する工程（ｂ）と、工程（ｂ）の後に、研磨パッドの上に研磨液を滴下する工程（ｃ）と、研磨液を用いて、研磨定盤と基板保持台を回転させて基板の表面に形成された導電膜を研磨する工程（ｄ）とを備え、工程（ｄ）では、基板に渦電流を発生させる工程（ｄ１）と、渦電流により上昇する少なくとも研磨定盤又は基板保持台のいずれか一つのトルクをトルクモニターで測定する工程（ｄ２）と、トルクモニターの値により少なくとも研磨定盤又は基板保持台のいずれか一つの回転を制御する工程（ｄ３）を有する。
【００２２】
これにより、高抵抗の金属のＣＭＰ法による研磨であっても、研磨の終点を高精度に検出することができ、研磨不足による配線又はプラグ間ショートや過剰研磨による配線又はプラグ抵抗の上昇等の不良を防ぐことができる。
【００２３】
また、本発明に係る基板研磨方法において、工程（ｄ３）は、トルクモニターの値により基板の表面上に形成された導電膜の研磨の終点を検出する第１の工程と、研磨の終点において少なくとも研磨定盤又は基板保持台のいずれか一つの回転を制御する第２の工程を有する。
【００２４】
また、本発明に係る基板研磨方法において、導電膜は、タングステン、タンタル、窒化タンタル、タンタル及び窒化タンタルの積層膜、チタン、窒化チタン又はチタン及び窒化チタンの積層膜である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明における終点検出装置を備えた基板研磨装置及び基板研磨方法は、被研磨膜となる導電膜が高抵抗の金属の場合であっても研磨の終点を正確に判断することができ、研磨不足、過剰研磨が発生しないように研磨を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について説明する。第１の実施形態は、導電膜に渦電流が発生することにより研磨パッドの温度が変化するのをモニタリングすることによって研磨の終点を検出するものである。
【００２７】
図１は、第１の実施形態に係る終点検出装置を備えた基板研磨装置を示す構成図である。本発明の第１の実施形態に係る終点検出装置を備えた基板研磨装置は、研磨定盤１０１上に取り付けられた研磨パッド１０２と、研磨パッド１０２の上にウエハ１０３を保持する基板保持台１０４と、研磨定盤１０１を回転させる第１の回転モータ１０５ａと、基板保持台１０４を回転させる第２の回転モータ１０５ｂと、研磨定盤１０１内に高周波コイルからなる渦電流を発生させる渦電流プローブ１０６と、渦電流により上昇した研磨パッドの温度をモニタリングする赤外線センサ１０７と、赤外線センサ１０７の測定値により少なくとも第１の回転モータ１０５ａ又は第２の回転モータ１０５ｂのいずれか一つの回転を制御する制御装置１０９とからなる。
【００２８】
上述した構成からなる第１の実施形態に係る終点検出装置を備えた基板研磨装置を用いた基板研磨方法を説明する。まず、研磨定盤１０１の上に研磨パッド１０２を取り付け、研磨パッド１０２の上にウエハ１０３を保持した基板保持台１０４を、荷重をかけて下ろす。次に、研磨パッド１０２の上に研磨液１１０を滴下しながら、研磨定盤１０１と基板保持台１０４を回転させてウエハ１０３の表面に形成された導電膜（図示せず）を研磨する。このとき、研磨定盤１０１は第１の回転モータ１０５ａを用いて回転させており、基板保持台１０４は第２の回転モータ１０５ｂを用いて回転させている。また、第１の回転モータ１０５ａ及び第２の回転モータ１０５ｂは、研磨定盤１０１又は基板保持台１０４の回転軸と、プーリー、ギア、減速機等（図示せず）を通じて結ばれている。次に、渦電流プローブ１０６を用いてウエハ１０３に渦電流を発生させ、この渦電流により上昇する研磨パッド１０２の温度を赤外線温度センサ１０７でモニタリングする。次に、赤外線センサ１０７の値により研磨の終点を検出し、制御装置１０９を作動させ少なくとも第１の回転モータ１０５ａ又は第２の回転モータ１０５ｂのいずれか一つの回転を制御する。
【００２９】
次に、渦電流発生により変化する研磨パッドの温度をモニタリングすることによって研磨の終点を検出する方法を説明する。高抵抗の金属を用いた導電膜に渦電流を流した場合、渦電流は主にウエハ１０３の半導体領域に比べて抵抗の低いウエハ１０３の表面上に形成された導電膜に流れる。そのため、研磨により導電膜の膜厚が減るにしたがって導電膜の抵抗が上昇してウエハ１０３に流れる渦電流が減少する。このとき、ウエハの電気抵抗と渦電流によりウエハ１０３にジュール熱が発生し、発熱が研磨パッド１０２に伝播する。この研磨パッド１０２の温度を赤外線センサ１０７によってモニタリングすることにより終点を検出することができる。
【００３０】
図２は、第１の実施形態に係る研磨時間に伴う研磨パッドの温度の変化を示すグラフである。ウエハ１０３に渦電流を発生させずに研磨を行った場合には、研磨パッド１０２には摩擦による熱のみが発生する。この摩擦による発熱の温度は、研磨開始から研磨終了までほぼ一定に推移するため、研磨パッド１０２の温度の変化により終点を検出することは難しい。一方、ウエハ１０３に渦電流を発生させて研磨を行った場合には、ウエハ１０３の電気抵抗と渦電流によりジュール熱が発生し、発熱が研磨パッド１０２に伝播される。ここで、渦電流は、導電膜の膜厚が厚いほど多く流れる。そのため、研磨パッド１０２の温度は、導電膜の研磨時間に伴う膜厚の減少に比例して低下する。したがって、研磨パッド１０２の温度は、研磨開始直後が最も高く、研磨の進行とともに線形に減少していき、その後、一定で推移する。この減少から一定に推移する変化点において、導電膜は層間絶縁膜上から完全に除去され、かつ、溝や孔に十分に残っている状態なので、この変化点が研磨の終点として検出される。
【００３１】
次に、研磨の終点で制御装置１０９を作動させ第１の回転モータ１０５ａ及び第２の回転モータ１０５ｂを制御する方法を説明する。制御装置１０９は、赤外線センサ１０７によるモニタリングによって得られた研磨パッドの温度の変化を示すグラフを研磨時間で微分した波形を用いて、第１の回転モータ１０５ａ及び第２の回転モータ１０５ｂを制御する。導電膜が残存している間は、微分波形は負の値を取るが、終点を通過した後は、微分波形はゼロとなる。そのため、このデジタル波形を読み取ることにより第１の回転モータ１０５ａ及び第２の回転モータ１０５ｂの作動を制御することができる。
【００３２】
第１の実施形態によれば、高抵抗の金属のＣＭＰ法による研磨であっても、研磨の終点を高精度に検出することができ、研磨不足による配線又はプラグ間ショートや過剰研磨による配線又はプラグ抵抗の上昇等の不良を防ぐことができる。
【００３３】
なお、第１の実施形態において、導電膜として高抵抗の金属のタングステンを用いたが、埋め込み銅配線のバリアメタル材料のタンタル、窒化タンタル（ＴａＮ）、これらの積層膜、チタン、窒化チタン（ＴｉＮ）、又は、これらの積層膜を用いることもできる。さらに、高抵抗の金属の代わりに、低抵抗の金属、例えば、銅やアルミニウムを用いることもできる。また、第１の実施形態では、渦電流プローブは研磨定盤１０１内にあるとしたが、基板保持台１０４内にあってもよい。また、第１の実施形態では、渦電流による温度の変化量は、増幅器やノイズフィルタを組み合わせて信号の変化を捉えるように制御することもできる。これにより、終点の検出がより正確になる。
【００３４】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、導電膜に渦電流が発生することにより研磨定盤１０１のトルクが変化するのをモニタリングすることによって研磨の終点を検出するものである。
【００３５】
図３は、第２の実施形態に係る終点検出装置を備えた基板研磨装置を示す構造図である。本発明の第２の実施形態に係る終点検出装置を備えた基板研磨装置は、研磨定盤１０１上に取り付けられた研磨パッド１０２と、研磨パッド１０２の上にウエハ１０３を保持する基板保持台１０４と、研磨定盤１０１を回転させる第１の回転モータ１０５ａと、基板保持台１０４を回転させる第２の回転モータ１０５ｂと、研磨定盤１０１内に高周波コイルからなる渦電流を発生させる渦電流プローブ１０６と、渦電流により上昇した研磨定盤１０１のトルクをモニタリングするトルクセンサ１０８と、トルクセンサ１０８の測定値により少なくとも第１の回転モータ１０５ａ又は第２の回転モータ１０５ｂのいずれか一つの回転を制御する制御装置１０９とからなる。
【００３６】
上述した構成からなる第２の実施形態に係る終点検出装置を備えた基板研磨装置を用いた基板研磨方法を説明する。まず、研磨定盤１０１の上に研磨パッド１０２を取り付け、研磨パッド１０２の上にウエハ１０３を保持した基板保持台１０４を荷重をかけて下ろす。次に、研磨パッド１０２の上に研磨液１１０を滴下しながら、研磨定盤１０１と基板保持台１０４を回転させてウエハ１０３の表面に形成された導電膜（図示せず）を研磨する。このとき、研磨定盤１０１は第１の回転モータ１０５ａを用いて回転させており、基板保持台１０４は第２の回転モータ１０５ｂを用いて回転させている。また、第１の回転モータ１０５ａ及び第２の回転モータ１０５ｂは、研磨定盤１０１又は基板保持台１０４の回転軸と、プーリー、ギア、減速機等（図示せず）を通じて結ばれている。次に、渦電流プローブ１０６を用いてウエハ１０３に渦電流を発生させ、この渦電流により上昇する研磨定盤１０１のトルクをトルクセンサ１０８でモニタリングする。このとき、トルクセンサ１０８は、タコメーターとのフィードバック機構（図示せず）によって、一定回転数を維持するために、制御された電流量をモニタリングする。次に、トルクセンサ１０８の値により研磨の終点を検出し、制御装置１０９を作動させ少なくとも第１の回転モータ１０５ａ又は第２の回転モータ１０５ｂのいずれか一つの回転を制御する。
【００３７】
次に、渦電流発生により変化するトルクをモニタリングすることによって研磨の終点を検出する方法を説明する。高抵抗の金属を用いた導電膜に渦電流を流した場合、渦電流は主にウエハ１０３の半導体領域に比べて抵抗の低いウエハ１０３の表面上に形成された導電膜に流れる。そのため、研磨により導電膜の膜厚が減るにしたがって導電膜の抵抗が上昇してウエハ１０３に流れる渦電流が減少する。このとき、ウエハの電気抵抗と渦電流によりウエハ１０３に第１の回転モータ１０５ａ及び第２の回転モータ１０５ｂの回転方向と反対方向の力が加わる。第１の回転モータ１０５ａ及び第２の回転モータ１０５ｂは回転数を一定に保つためにトルクを上昇させるので、このトルクをトルクセンサ１０８によってモニタリングすることにより終点を検出することができる。
【００３８】
図４は、第２の実施形態に係る研磨時間に伴うトルクの変化を示すグラフである。ウエハ１０３に渦電流を発生させずに研磨を行った場合には、摩擦によるトルクのみが発生する。この摩擦によるトルクは、研磨開始から研磨終了までほぼ一定に推移するため、トルクの変化により終点を検出することは難しい。一方、ウエハ１０３に渦電流を発生させて研磨を行った場合には、ウエハ１０３の電気抵抗と渦電流により第１の回転モータ１０５ａ及び第２の回転モータ１０５ｂの回転方向と反対方向に力が加わり、第１の回転モータ１０５ａ及び第２の回転モータ１０５ｂは回転数を一定に維持しようとするため、研磨定盤１０１のトルクが上昇する。ここで、渦電流は、導電膜の膜厚が厚いほど多く流れる。そのため、トルクは、導電膜の研磨時間に伴う膜厚の減少に比例して低下する。したがって、トルクは、研磨開始直後が最も高く、研磨の進行とともに線形に減少していき、その後、一定で推移する。この減少から一定に推移する変化点において、導電膜は層間絶縁膜上から完全に除去され、かつ、溝や孔に十分に残っている状態なので、この変化点が研磨の終点として検出される。
【００３９】
次に、研磨の終点で制御装置１０９を作動させ第１の回転モータ１０５ａ及び第２の回転モータ１０５ｂを制御する方法を説明する。制御装置１０９は、トルクセンサ１０８によるモニタリングによって得られたトルクの変化を示すグラフを、研磨時間で微分した波形を用いて、第１の回転モータ１０５ａ及び第２の回転モータ１０５ｂを制御する。導電膜が残存している間は、微分波形は負の値を取るが、終点を通過した後は、微分波形はゼロとなる。そのため、このデジタル波形を読み取ることにより第１の回転モータ１０５ａ及び第２の回転モータ１０５ｂの作動を制御することができる。
【００４０】
第２の実施形態によれば、高抵抗の金属のＣＭＰ法による研磨であっても、研磨の終点を高精度に検出することができ、研磨不足による配線又はプラグ間ショートや過剰研磨による配線又はプラグ抵抗の上昇等の不良を防ぐことができる。
【００４１】
なお、第２の実施形態において、導電膜として高抵抗の金属のタングステンを用いたが、埋め込み銅配線のバリアメタル材料のタンタル、窒化タンタル、これらの積層膜、チタン、窒化チタン、又は、これらの積層膜を用いることもできる。さらに、高抵抗の金属の代わりに、低抵抗の金属、例えば、銅やアルミニウムを用いることもできる。また、第２の実施形態では、渦電流プローブは研磨定盤１０１内にあるとしたが、基板保持台１０４内にあってもよい。また、第２の実施形態では、渦電流によるトルクの変化量は、増幅器やノイズフィルタを組み合わせて信号の変化を捉えるように制御することもできる。これにより、終点の検出がより正確になる。また、第２の実施形態では、トルクセンサ１０８を研磨定盤１０１に取り付けたが、基板保持台１０４に取り付けることにより基板保持台１０４のトルクをモニタリングして終点を検出してもよい。
【００４２】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、導電膜に渦電流が発生することにより研磨パッドの温度及び研磨定盤１０１のトルクが変化するのをモニタリングすることによって研磨の終点を検出するものである。
【００４３】
図５は、本発明の第３の実施形態に係る終点検出装置を備えた基板研磨装置を示す構造図である。本発明の第３の実施形態に係る終点検出装置を備えた基板研磨装置は、研磨定盤１０１上に取り付けられた研磨パッド１０２と、研磨パッド１０２の上にウエハ１０３を保持する基板保持台１０４と、基板定盤１０１を回転させる第１の回転モータ１０５ａと、基板保持台１０４を回転させる第２の回転モータ１０５ｂと、研磨定盤１０１内に高周波コイルからなる渦電流を発生させる渦電流プローブ１０６と、渦電流により上昇した研磨パッドの温度をモニタリングする赤外線センサ１０７と、渦電流により上昇した研磨定盤１０１のトルクをモニタリングするトルクセンサ１０８と、赤外線センサ１０７及びトルクセンサ１０８の測定値により少なくとも第１の回転モータ１０５ａ又は第２の回転モータ１０５ｂのいずれか一つの回転を制御する制御装置１０９とからなる。
【００４４】
上述した構成からなる第３の実施形態に係る終点検出装置を備えた基板研磨装置を用いた基板研磨方法を説明する。まず、研磨定盤１０１の上に研磨パッド１０２を取り付け、研磨パッド１０２の上にウエハ１０３を保持した基板保持台１０４を荷重をかけて下ろす。次に、研磨パッド１０２の上に研磨液１１０を滴下しながら、研磨定盤１０１と基板保持台１０４を回転させてウエハ１０３の表面に形成された導電膜（図示せず）を研磨する。このとき、研磨定盤１０１は第１の回転モータ１０５ａを用いて回転させており、基板保持台１０４は第２の回転モータ１０５ｂを用いて回転させている。また、第１の回転モータ１０５ａ及び第２の回転モータ１０５ｂは、研磨定盤１０１又は基板保持台１０４の回転軸と、プーリー、ギア、減速機等（図示せず）を通じて結ばれている。次に、渦電流プローブ１０６を用いてウエハ１０３に渦電流を発生させ、この渦電流により上昇する研磨パッドの温度を赤外線温度センサ１０７でモニタリングし、この渦電流により上昇する研磨定盤１０１のトルクをトルクセンサ１０８でモニタリングする。このとき、トルクセンサ１０８は、タコメーターとのフィードバック機構（図示せず）によって、一定回転数を維持するために、制御された電流量をモニタリングする。次に、赤外線センサ１０７及びトルクセンサ１０８により研磨の終点を検出し、制御装置１０９を作動させ少なくとも第１の回転モータ１０５ａ又は第２の回転モータ１０５ｂのいずれか一つの回転を制御する。
【００４５】
次に、渦電流発生によって変化する研磨パッドの温度及びトルクをモニタリングすることによって研磨の終点を検出する方法を説明する。高抵抗の金属を用いた導電膜に渦電流を流した場合、渦電流は主にウエハ１０３の半導体領域に比べて抵抗の低いウエハ１０３の表面上に形成された導電膜に流れる。そのため、研磨により導電膜の膜厚が減るにしたがって導電膜の抵抗が上昇してウエハ１０３に流れる渦電流が減少する。このとき、ウエハの電気抵抗と渦電流によりウエハ１０３にジュール熱が発生し、発熱が研磨パッド１０２に伝播する。また、ウエハの電気抵抗と渦電流によりウエハ１０３に第１の回転モータ１０５ａ及び第２の回転モータ１０５ｂの回転方向と反対方向の力が加わり、回転数を一定に保つためにトルクが上昇する。この研磨パッド１０２の温度及びトルクを赤外線センサ１０７及びトルクセンサ１０８でモニタリングし、温度及びトルクの物理量を電圧等の電気信号に変換し、重畳することにより終点を検出することができる。
【００４６】
第３の実施形態によれば、高抵抗の金属のＣＭＰ法による研磨であっても、研磨の終点を高精度に検出することができ、研磨不足による配線又はプラグ間ショートや過剰研磨による配線又はプラグ抵抗の上昇等の不良を防ぐことができる。
【００４７】
なお、第３の実施形態において、導電膜として高抵抗の金属のタングステンを用いたが、埋め込み銅配線のバリアメタル材料のタンタル、窒化タンタル、これらの積層膜、チタン、窒化チタン、又は、これらの積層膜を用いることもできる。さらに、高抵抗の金属の代わりに、低抵抗の金属、例えば、銅やアルミニウムを用いることもできる。また、第３の実施形態では、渦電流プローブは研磨定盤１０１内にあるとしたが、基板保持台１０４内にあってもよい。また、第３の実施形態では、渦電流による温度及びトルクの変化量は、増幅器やノイズフィルタを組み合わせて信号の変化を捉えるように制御することもできる。これにより、終点の検出がより正確になる。また、第３の実施形態では、トルクセンサ１０８を研磨定盤１０１に取り付けたが、基板保持台１０４に取り付けることにより基板保持台１０４のトルクをモニタリングして終点を検出してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の終点検出装置を備えた基板研磨装置及び基板研磨方法は、高抵抗な導電膜を用いた埋め込み配線及びプラグを有する半導体装置の製造に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１の実施形態に係る終点検出装置を備えた基板研磨装置を示す構成図
【図２】第１の実施形態に係る研磨時間に伴う研磨パッドの温度の変化を示すグラフ
【図３】第２の実施形態に係る終点検出装置を備えた基板研磨装置を示す構成図
【図４】第２の実施形態に係る研磨時間に伴うトルクの変化を示すグラフ
【図５】第３の実施形態に係る終点検出装置を備えた基板研磨装置を示す構成図
【図６】従来の終点検出装置を備えた基板研磨装置を示す構成図
【符号の説明】
【００５０】
１０１  研磨定盤
１０２  研磨パッド
１０３  ウエハ
１０４  基板保持台
１０５ａ  第１の回転モータ
１０５ｂ  第２の回転モータ
１０６  渦電流プローブ
１０７  赤外線温度センサ
１０８  トルクセンサ
１０９  制御装置
１１０  研磨液
【図１】
2006216648.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006216648.tif 000006
【図５】
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【図６】
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