(57)【要約】【課題】研磨後膜厚のばらつきを小さく抑えることが可能な半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置の製造方法では、研磨装置状態の変化による研磨レートの変化を研磨処理時の設備パラメータからモデル式を用いて予測し、被研磨膜の研磨時間を算出する。この際には、被研磨膜の研磨前膜厚を各ウェーハ毎に把握し、この膜厚差による研磨レートの変化分を補正して研磨時間を算出する。【選択図】図３
2011029479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板からなるウェーハ上に被研磨膜である絶縁膜を堆積する工程と、前記被研磨膜を所定の膜厚まで研磨する工程とを備えた半導体装置の製造方法であって、
前記被研磨膜を研磨する工程は、
ｎを正の整数とするとき、ｎロット目の前記ウェーハを研磨する時の第１の設備パラメータを収集する工程（ａ）と、
前記第１の設備パラメータからｎロット目のブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートを算出する工程（ｂ）と、
ｎ＋１ロット目の前記被研磨膜が成膜されたチャンバー毎に、研磨前の前記被研磨膜の膜厚を前記ウェーハの各々について把握する工程（ｃ）と、
ｎ＋１ロット目の前記ブランクウェーハについて、絶縁膜の研磨レートを予測する工程（ｄ）と、
前記工程（ｃ）で把握されたチャンバー毎の、前記各ウェーハの前記被研磨膜の膜厚と、前記ステップ（ｄ）で得られたｎ＋１ロット目の研磨レートとから、ｎ＋１ロット目の研磨時間ｔ（ｎ＋１）を算出する工程（ｅ）と、
研磨装置によってｎ＋１ロット目のウェーハの前記被研磨膜を前記研磨時間ｔ（ｎ＋１）の間研磨する工程（ｆ）とを含んでいる半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程（ｄ）では、ｎ＋１ロット目の絶縁膜の研磨レートを、前記工程（ｂ）で得られた前記ｎロット目の研磨レートと等しいとみなして予測することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程（ｃ）では、ｎ＋１ロット目の前記各ウェーハについて、成膜が行われたチャンバー毎に前記被研磨膜の膜厚を測定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程（ｃ）では、研磨前の前記被研磨膜の膜厚を予測するための第１のモデル式を予め用意しておき、ｎ＋１ロット目の前記ウェーハ上に前記被研磨膜を成膜する際の第２の設備パラメータを、前記第１のモデル式に代入することで、ｎ＋１ロット目の前記各ウェーハの研磨前における前記被研磨膜の膜厚を算出することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程（ｂ）では、前記ブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートを予測するための第２のモデル式を予め用意しておき、ｎロット目の前記ウェーハを研磨する際の前記第１の設備パラメータを、前記第２のモデル式に代入することで、前記ブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートを算出することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程（ｅ）では、ｎ＋１ロット目における前記ブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レート依存項と、研磨前の前記被研磨膜の膜厚に依存する項との２項を含む式を用いてｎ＋１ロット目の研磨時間ｔ（ｎ＋１）を算出することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
前記被研磨膜は、埋め込み金属配線上に形成された層間絶縁膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
半導体基板からなるウェーハ上に被研磨膜である絶縁膜を形成するためのチャンバーを有する成膜装置と、
前記被研磨膜を研磨する研磨装置と、
ｎを正の整数とするとき、ｎロット目の前記ウェーハを研磨する時の第１の設備パラメータを収集する第１のモニタリング装置と、
前記第１の設備パラメータからｎロット目のブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートを算出するとともに、前記チャンバー毎に把握された前記ウェーハの各々に形成された研磨前の被研磨膜の膜厚と、ｎ＋１ロット目の前記ブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートとから、ｎ＋１ロット目の研磨時間ｔ（ｎ＋１）を算出するＡＰＣシステムと、
前記ＡＰＣシステムで算出されたｎ＋１ロット目の前記研磨時間ｔ（ｎ＋１）を前記研磨装置に指示する生産管理装置とを備えている半導体装置の製造システム。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置の製造システムにおいて、
ｎ＋１ロット目の前記各ウェーハについて、成膜が行われた前記チャンバー毎に前記被研磨膜の研磨前の膜厚を測定する膜厚測定器をさらに備え、
前記ＡＰＣシステムは、前記膜厚測定器で測定された被研磨膜の膜厚を格納することを特徴とする半導体装置の製造システム。
【請求項１０】
請求項８に記載の半導体装置の製造システムにおいて、
ｎ＋１ロット目の前記ウェーハ上に前記被研磨膜が成膜される際の第２の設備パラメータを前記ウェーハ毎に収集する第２のモニタリング装置をさらに備え、
前記ＡＰＣシステムは、研磨前の前記被研磨膜の膜厚を予測するための第１のモデル式を予め格納しており、前記被研磨膜が成膜される際の前記第２の設備パラメータを前記第１のモデル式に代入することでｎ＋１ロット目の前記各ウェーハの被研磨膜の研磨前の膜厚を算出することを特徴とする半導体装置の製造システム。
【請求項１１】
請求項８〜１０のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造システムにおいて、
前記ＡＰＣシステムは、前記ブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートを予測するための第２のモデル式を予め格納しており、ｎロット目の前記ウェーハを研磨する際の前記第１のパラメータを前記第２のモデル式に代入することで、ｎロット目の前記ブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートを算出することを特徴とする半導体装置の製造システム。
【請求項１２】
請求項８〜１１のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造システムにおいて、
前記ＡＰＣシステムは、ｎ＋１ロット目の前記ブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートをｎロット目の前記ブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートと等しいとみなして、ｎ＋１ロット目の前記研磨時間ｔ（ｎ＋１）を算出することを特徴とする半導体装置の製造システム。
【請求項１３】
請求項８〜１２のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造システムにおいて、
前記ＡＰＣシステムは、ｎ＋１ロット目における前記ブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レート依存項と、研磨前の前記被研磨膜の膜厚に依存する項との２項を含む式を用いてｎ＋１ロット目の前記研磨時間ｔ（ｎ＋１）を算出することを特徴とする半導体装置の製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法及び製造システムに関し、配線形成工程等での化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）後の層間絶縁膜の膜厚を制御する製造方法及び製造システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の微細化に伴い、製造設備の加工ばらつきが電気特性に影響し、最終的に半導体装置の歩留り低下につながるようになってきている。このような不具合に対して、製造設備の変動による加工ばらつきを抑えるため、各加工工程において、仕上がりの寸法や膜厚などの拡散パラメータがターゲット値となるようにＡＰＣ（Advanced Process Control）を実施し、電気特性への影響をなくそうとする技術が多く用いられている。
【０００３】
特にＣＭＰ工程においては、ＣＭＰ装置におけるパッドなどの消耗部材の状態変化により研磨レートが大きく変化する。そこで所望の研磨膜厚を得るため、フィードフォワード制御やフィードバック制御などのラントゥーラン（Run-To-Run）制御が用いられている。
例えば、特許文献１に記載の技術では、製品研磨時の研磨膜厚を膜厚測定器で測定し、予め把握しておいた製品研磨膜厚とブランクウェーハの研磨膜厚との関係式から、ブランクウェーハの研磨レートを推定する。これによって装置状態の変化を把握し、逐次そのブランクウェーハの研磨レートを用いて次ロット処理時に適切な研磨時間を算出し、研磨するラントゥーラン制御が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８５９４７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に開示された技術では、研磨レートを把握するために、膜厚測定が必須となっている。一般に研磨処理からインラインの膜厚測定結果を得るまでに１時間程度時間がかかるため、その間に研磨装置の状態が変化し、被研磨膜の研磨レートが変化する。従って、被研磨膜のリアルタイムの研磨レートを得ることができないため、研磨後膜厚を所望の値に制御することが困難であった。
【０００６】
また、上記特許文献１に開示された技術では、製品において研磨除去された分の被研磨膜の厚み（研磨量）とブランクウェーハの研磨除去された分の被研磨膜の膜厚との関係式を予め把握しておく必要があるが、その関係式は半導体装置の品種毎に異なる。したがって、多品種生産の場合、すべての品種に対して最適値を準備しておかないと所望の研磨ばらつき制御性能を得ることができない。現実的には全品種の最適特性値を準備することは難しいため、多品種生産の量産工場で上記従来技術を使用することは困難である。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑み、研磨後膜厚のばらつきを小さく抑えることが可能な半導体装置の製造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】
【０００８】
以上の目的を達成するために、本発明では以下の手段を採用している。
【０００９】
まず、本発明の一例は、半導体基板からなるウェーハ上に被研磨膜である絶縁膜を堆積する工程と、前記被研磨膜を所定の膜厚まで研磨する工程とを備えた半導体装置の製造方法である。前記被研磨膜を研磨する工程は、ｎを正の整数とするとき、ｎロット目の前記ウェーハを研磨する時の第１の設備パラメータを収集する工程（ａ）と、前記第１の設備パラメータからｎロット目のブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートを算出する工程（ｂ）と、ｎ＋１ロット目の前記被研磨膜が成膜されたチャンバー毎に、研磨前の前記被研磨膜の膜厚を前記ウェーハの各々について把握する工程（ｃ）と、ｎ＋１ロット目の前記ブランクウェーハについて、絶縁膜の研磨レートを予測する工程（ｄ）と、前記工程（ｃ）で把握されたチャンバー毎の、前記各ウェーハの前記被研磨膜の膜厚と、前記ステップ（ｄ）で得られたｎ＋１ロット目の研磨レートとから、ｎ＋１ロット目の研磨時間ｔ（ｎ＋１）を算出する工程（ｅ）と、研磨装置によってｎ＋１ロット目のウェーハの前記被研磨膜を前記研磨時間ｔ（ｎ＋１）の間研磨する工程（ｆ）とを含んでいる。なお、工程（ａ）で「第１の設備パラメータを収集する」とは、「第１の設備パラメータの値を収集する」という意味である。
【００１０】
この方法によれば、第１の設備パラメータを用いてブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートを予測し、ｎ＋１ロット目のウェーハの最適な研磨時間を算出しているので、研磨中に被研磨膜の膜厚を測定する従来の研磨方法に比べてリアルタイムで研磨装置の状態を把握し、これを考慮した研磨時間を算出できる。そのため、被研磨膜厚の制御を高精度に行うことが可能となる。また、研磨中に長時間を要する膜厚測定を行わないため、半導体装置の製造に要する時間を短縮することができる。
【００１１】
また、研磨前の被研磨膜の膜厚を考慮した補正項を有する式を用いて研磨時間の算出を行う場合には、被研磨膜の膜厚をより高精度に制御でき、被研磨膜の膜厚ばらつきをより小さくすることが可能となる。
【００１２】
なお、第１のパラメータとしては、例えば、製品研磨時のプラテン回転トルク、パッド累積処理枚数、スラリー流量、ヘッド圧力などから選択した少なくとも１つが用いられる。
【００１３】
また、本発明の一例に係る半導体装置の製造システムは、半導体基板からなるウェーハ上に被研磨膜である絶縁膜を形成するためのチャンバーを有する成膜装置と、前記被研磨膜を研磨する研磨装置と、ｎを正の整数とするとき、ｎロット目の前記ウェーハを研磨する時の第１の設備パラメータを収集する第１のモニタリング装置と、前記第１の設備パラメータからｎロット目のブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートを算出するとともに、前記チャンバー毎に把握された前記ウェーハの各々に形成された研磨前の被研磨膜の膜厚と、ｎ＋１ロット目の前記ブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートとから、ｎ＋１ロット目の研磨時間ｔ（ｎ＋１）を算出するＡＰＣシステムと、前記ＡＰＣシステムで算出されたｎ＋１ロット目の前記研磨時間ｔ（ｎ＋１）を前記研磨装置に指示する生産管理装置とを備えている。
【００１４】
このような製造システムにより、被研磨膜の成膜時の設備パラメータ（第１の設備パラメータ）を収集し、ｎロット目のブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートを取得し、ｎ＋１ロット目のブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートを取得できる。また、ｎ＋１ロット目のブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートと被研磨膜の研磨前の膜厚とを用いて適切な研磨時間を算出することができるので、被研磨膜の膜厚バラツキを効果的に抑えることが可能となる。
【００１５】
製造システムが被研磨膜の膜厚を測定する膜厚測定器を備えていてもよいし、ＡＰＣシステムがモデル式を用いて、被研磨膜の成膜処理時の設備パラメータから被研磨膜の膜厚を予測してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明の一例である半導体装置の製造方法によれば、研磨装置の設備パラメータからリアルタイムの研磨レートを予測し、且つその予測式を用いて製品上の被研磨膜の研磨後膜厚を所望の値に制御することができる。また、本発明の一例である製造システムによれば、上述の製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、半導体基板上の絶縁膜中に形成された凹部内に埋め込み型の配線が設けられた半導体装置を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る製造システムの構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法において、層間絶縁膜の膜厚を一定に制御するための製造フローを示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る製造システムの構成を示す図である。
【図５】第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法において、層間絶縁膜の膜厚を一定に制御するための製造フローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
上述のように、本願発明者らは、配線形成工程において、絶縁膜（被研磨膜）の研磨後膜厚の制御性を向上させるためには、被研磨膜の研磨レートをリアルタイムで把握する必要があると考えた。しかしながら、被研磨膜の膜厚測定には長時間を要するため、本願発明者らは、研磨中に被研磨膜の膜厚測定を行うことなく被研磨膜の膜厚を把握することが可能になる方法について種々の検討を行った。
【００１９】
その結果、成膜装置やＣＭＰ装置の設備パラメータに基づいて研磨レートを予測すれば、短時間で研磨レートを把握することができ、研磨後膜厚の制御性を向上させることができることに想到した。また、本実施形態らは独自の実験結果から、被研磨膜の研磨前の膜厚が大きい程、被研磨膜の研磨レートが小さくなる傾向にあることを見出し、研磨レートの予測式に被研磨膜の膜厚による補正項を組み込むことで、より研磨レートの予測精度を向上させることができることに想到した。以下、本発明に係る半導体装置の製造方法の各実施形態について説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を用いて説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、半導体基板（図示せず）からなるウェーハ上の絶縁膜（第一層間絶縁膜；被研磨膜）中に形成された配線（例えば埋め込み型配線）が設けられた半導体装置を概略的に示す断面図である。図１（ａ）は層間絶縁膜研磨前の半導体装置を示し、図１（ｂ）は層間絶縁膜研磨後の半導体装置を示す。また、図２は、本実施形態に係る製造システムの構成を示す図であり、図３は、本実施形態の半導体装置の製造方法に係る、層間絶縁膜の膜厚を一定に制御するための製造フローを示す図である。なお、図１（ａ）、（ｂ）に示す半導体装置では、既に半導体基板上の所定位置に半導体素子が形成されており（図示せず）、その素子を絶縁膜が覆う工程から説明する。
【００２１】
まず、図１（ａ）に示すように、第一層間絶縁膜１を半導体基板上に堆積した後、所定のパターンを有する配線用のトレンチ２をフォトリソグラフィーおよびエッチングにより第一層間絶縁膜１に形成する。次に、窒化タンタル（ＴａＮ）などからなるバリアメタル膜３、およびＣｕまたはＣｕ合金からなる配線材料膜４を順に堆積させてから、ＣＭＰによりバリアメタル膜３及び配線材料膜４を研磨し、第一層間絶縁膜１の上面を露出させる。これにより、バリアメタル膜３と配線材料膜４とで構成され、トレンチ２内に埋め込まれた下層配線１０を形成する。
【００２２】
続いて、例えばシリコン窒化膜からなり、下層配線１０を覆う拡散防止膜５と、第二層間絶縁膜６とを順次堆積させる。上述のＣＭＰによる下層配線１０の形成時には、配線材料膜４と第一層間絶縁膜１との研磨レートの違いにより一般的に配線部の上面位置は絶縁膜１の上面位置よりも低くなり、段差が発生する。このため、下層配線１０を覆う拡散防止膜５と第二層間絶縁膜６を形成した後も段差が残る。この段差をなくすため、および、第二層間絶縁膜６の膜厚を所望の厚さに調整するためＣＭＰにより第二層間絶縁膜６を研磨する。
【００２３】
図１（ｂ）に示すように、研磨後には第二層間絶縁膜６上面の段差が緩和されている。この第二層間絶縁膜６の研磨工程後の第二層間絶縁膜６の膜厚は、その後形成する上層配線のビアおよびトレンチの深さ形状に影響する。第二層間絶縁膜６の膜厚がばらつくと、配線間容量の変動、および、配線材料埋め込み時の埋め込み不良の原因となるため、所望とする膜厚を一定値に制御することが必要である。
【００２４】
次に、図２と図３を用いて、絶縁膜ＣＭＰ後の第二層間絶縁膜の膜厚を一定値に制御する方法について説明する。
【００２５】
まず、図２に示すように、本実施形態に係る半導体装置の製造システムは、絶縁膜を成膜する成膜装置１１と、膜厚測定器１７と、ＣＭＰ装置（研磨装置）１９と、ＣＭＰ装置１９の設備パラメータを収集する設備モニタリングシステム（第１のモニタリング装置）２１と、ＣＭＰ装置１９による研磨時間を算出するＡＰＣシステム（情報処理装置；Automatic Program Control System）１３と、ロット進行制御を行うとともに、研磨時間をＣＭＰ装置１９に指示する生産管理装置（Manufacturing Execution System；ＭＥＳ）１５とを備えている。一般に量産の製造ラインではウェーハは複数枚のロット単位で成膜装置１１、ＣＭＰ装置１９の順に処理される。なお、成膜装置１１は複数のチャンバーを有しているものであれば、ＣＶＤ法に限らず他の方法で絶縁膜を成膜するものであってもよい。なお、以下の説明で「設備パラメータを収集する」とあるのは、「設備パラメータの値を収集する」という意味である。
【００２６】
以下にロットごとのウェーハ処理の流れとデータ処理について説明する。
【００２７】
まず、成膜装置１１でロットが処理された際に、各ウェーハの処理チャンバーの情報を、ウェーハ固有情報であるウェーハＩＤと紐付けて（関連付けて）ＡＰＣシステム１３に格納する。その後、膜厚測定器１７により、成膜装置１１で成膜された絶縁膜の膜厚を測定する。次に各膜厚データをウェーハＩＤと紐付けて（関連付けて）ＡＰＣシステム１３に送信し、ウェーハＩＤと処理チャンバーと膜厚を紐付けたデータとしてＡＰＣシステム１３内に格納する。ここで、膜厚測定器１７による膜厚測定時間を最小限にするために成膜チャンバー毎に１枚（３チャンバー処理であれば３枚）のウェーハを選んで絶縁膜の膜厚を測定し、未測定のウェーハは上述のチャンバー情報を参照し、チャンバー毎に測定値を紐付けて格納してもよい。言い換えれば、当該ウェーハが処理されたチャンバーと、そのチャンバーで処理されたウェーハにおける絶縁膜の膜厚の代表値とを関連付けた情報をＡＰＣシステム１３に格納してもよい。なお、成膜チャンバー毎に少なくとも１枚のウェーハの絶縁膜厚を測定するのは、成膜チャンバーによって装置の状態が異なっており、成膜チャンバー毎のばらつきが大きいためである。
【００２８】
次に、ＣＭＰ装置１９までロットの処理が進行すると、ＭＥＳ１５は研磨時間をＡＰＣシステム１３に要求し、ＡＰＣシステム１３は以下に説明する研磨時間の算出方法により当該ロットのウェーハに適切な研磨時間を算出し、算出された研磨時間をＭＥＳ１５に回答する。ＭＥＳ１５はこの研磨時間をＣＭＰ装置１９に指示し、ＣＭＰ装置１９はＭＥＳ１５が指示した研磨時間だけ研磨を行う。研磨時の設備パラメータデータは設備モニタリングシステム２１により収集され、設備モニタリングシステム２１からＡＰＣシステム１３へと送信される。
【００２９】
ここで、ＡＰＣシステム１３は、設備パラメータを基にして、ブランクウェーハ上の絶縁膜の研磨レート（以下単に「ブランクウェーハの研磨レート」と表記する）を予測するモデル式を予め準備しており、これを格納している。ＡＰＣシステム１３は、設備パラメータデータを受信すると同時に、当該モデル式に受信した設備パラメータを代入し、当該ロット（ｎロット目）での研磨レートを予測する。研磨レートは以降のロット処理時の研磨時間算出に用いる。
【００３０】
ここで、ブランクウェーハとは、半導体基板上に被研磨膜と同じ酸化シリコン等からなり、パターンが形成されていない絶縁膜が形成されたウェーハのことである。トレンチパターンが形成されたウェーハを用いると設備パラメータにトレンチパターンにより生じたノイズが入るため、本実施形態の方法では研磨レートの予測にブランクウェーハを用いることが好ましい。
【００３１】
ブランクウェーハの研磨レートを算出する式として、例えば、以下の式（１）を使用することができる。式（１）は、ＣＭＰ装置の設備パラメータｐ１〜ｐｎと、係数ａ１〜ａｎ、定数ｂによりブランクウェーハの研磨レートＲを表現した合成式である。
【００３２】
Ｒ＝ａ１×ｐ１＋ａ２×ｐ２…＋ａｎ×ｐｎ＋ｂ    ・・・（１）
なお、式（１）において、ＣＭＰの設備パラメータｐ１〜ｐｎは、特定のタイミングで取得された測定値であってもよく、統計値であってもよい。統計値とは、例えば、１回の加工処理中に複数回取得される設備パラメータの平均値、中央値、標準偏差、分散、レンジ（最大値−最小値）等を指す。この場合、係数ａ１〜ａｎおよび定数ｂは、例えば、複数回の加工処理にわたって取得された、設備パラメータの各統計値と、それぞれの設備パラメータの統計値が取得された加工処理におけるブランクウェーハの研磨レートの実測値とを対象とする重回帰分析により求めることができる。
【００３３】
また、式（１）中で変数ｐ１〜ｐｎとして使用する設備パラメータは、多変量解析、変数増減法等の変数決定法等により研磨レートＲと高い相関関係を有する設備パラメータを適宜選択すればよい。なお、研磨レートＲの算出式は、一次多項式に限らず設備パラメータの２次関数や指数関数や対数関数などを用いてもよい。なお、ＣＭＰ装置１９から取得する設備パラメータは例えば、プラテン回転トルク、コンディショナー回転トルク、パッド累積処理枚数、スラリー流量、ヘッド圧力などである。
【００３４】
次に図３を用いて、本実施形態の研磨方法を説明する。
【００３５】
まず、図３のステップＳ１では、ＡＰＣシステム１３が、ＣＭＰ工程で処理されたｎロット目のウェーハにおけるＣＭＰ研磨処理時の設備パラメータをウェーハ毎に収集する。ここで、ｎは正の整数とする（以下の説明でも同じ）。
【００３６】
次に、ステップＳ２では、ＡＰＣシステム１３が、ＣＭＰ研磨処理時におけるｎロット目のブランクウェーハの研磨レートＲ（ｎ）を算出する。ここで、研磨レートの算出に際し、複数ヘッドで研磨する研磨装置の場合はヘッド毎に研磨レートを算出し、当該ヘッド毎に研磨レートのデータをＡＰＣシステム１３内のメモリ等に格納することが望ましい。また、ロット内の複数ウェーハの研磨レートの平均値や、各ウェーハの研磨レートに異なる重み係数をかけた重みつき平均値を研磨レートＲ（ｎ）として利用することもできる。
【００３７】
次に、ステップＳ３では、ＣＭＰ工程で処理されるｎ＋１ロット目のウェーハに絶縁膜（図１（ａ）の第二層間絶縁膜６）が成膜された後、成膜チャンバー毎の膜厚Ｔｃｈ(ｎ＋１)を各ウェーハについて膜厚測定器１７が測定し、測定値をＡＰＣシステム１３へと送る。ＡＰＣシステム１３は、膜厚の測定値のデータを格納する。
【００３８】
次に、ステップＳ４では、ｎ＋１ロット目の研磨時のブランクウェーハの研磨レートＲ（ｎ＋１）を予測する。本ステップでは、研磨レートＲ（ｎ＋１）をｎロット目のブランクウェーハの研磨レートＲ(ｎ)とほぼ等しい、すなわち、Ｒ(ｎ＋１)＝Ｒ(ｎ)であると予測する。これは、ｎロット目とｎ＋１ロット目とではＣＭＰ装置１９の状態が大きく変化しないため、ｎロット目処理時の研磨レートがｎ＋１ロット目処理時の研磨レートとほとんど変化しないと近似できるからである。
【００３９】
ｎロット目とｎ＋１ロット目の研磨レートが同じと近似できないほど、ロット毎の研磨レート変化が大きい場合や予測精度を上げたい場合は、以下２種類の方法でｎ＋１ロット目の研磨レートＲ（ｎ＋１）を予測することもできる。
【００４０】
第一の予測方法では、ｎ＋１ロット目のウェーハが処理される際の設備パラメータを過去の時系列トレンドから推定し、その推定値を式（１）に代入して予測する。例えば、ｍを正の整数とする時、ｎ＋１ロット処理前の直近ｍロット処理時における式（１）で用いる各設備パラメータの時系列変化を、ｍを変数とする関数で表し、その関数式にｍ＋１を代入してｎ＋１ロット処理時の設備パラメータを推定する。この関数は１次関数、２次関数などどのような関数を用いても良い。
【００４１】
また、第二の予測方法では、ｎ＋１ロット目のロットが処理される際の研磨レートを過去の研磨レートトレンドから予測する。ｍを正の整数とする時、ｎ＋１ロット処理前の直近ｍロット処理時における研磨レートの時系列変化を、ｍを変数とする関数で表し、その関数式にｍ＋１を代入してｎ＋１ロット処理時の研磨レートを推定する。
【００４２】
以上では、ステップＳ４においてロット単位の予測をする例を説明したが、ウェーハ単位でもＲ(ｎ＋１)を予測してもよい。なお、ロット毎の研磨レートの変化が小さい場合でも上述のようにＲ（ｎ＋１）について詳細な予測を行うことができるが、Ｒ(ｎ＋１)＝Ｒ(ｎ)と近似する方が演算時間を短縮することができるので、より好ましい。この場合、制御方式がシンプルであるため、不具合が発生した場合に改善しやすいという利点もある。
【００４３】
次に、ステップＳ５では、ｎ＋１ロット目ウェーハの研磨時間（各成膜チャンバー毎）ｔ（ｎ＋１）をウェーハ毎に式（２）により算出する。
【００４４】
ｔ(ｎ＋１)＝(Ｔｔ−Ｔｃｈ(ｎ＋１))/Ｒ(ｎ＋１)＋Ｆ(Ｔｃｈ)  ・・・・・（２）
ここで、Ｔｃｈ(ｎ)はｎロット目の各成膜チャンバーの膜厚、Ｒ(ｎ)はｎロット目のブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レート予測値、Ｒ(ｎ＋１)はｎ＋１ロット目処理時のブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートの予測値、Ｔｔはターゲット残膜厚である。Ｆ（Ｔｃｈ)は研磨時間補正項であり、Ｔｃｈの関数、例えば、Ｔｃｈの１次関数としてｃ＊Ｔｃｈ＋ｄと表すことができる。ｃ、ｄは係数であり、実験で膜厚を条件振りしたロットについて、式（２）の第１項目のみで算出した研磨時間で処理した場合の製品の研磨膜厚とターゲット研磨膜厚(Ｔｔ−Ｔｃｈ(ｎ＋１))との差異から適切な研磨時間を推測することで決定できる。ここで、ｃ、ｄを品種毎、品種レーヤー毎に準備すると、更に研磨時間の精度を向上させることができ、被研磨膜の膜厚を精度良く所望の値にすることができる。なお、Ｒとしてはヘッド毎の研磨レートを用いることが望ましい。
【００４５】
次に、ステップＳ６では、ｎ＋１ロット目のウェーハを、ステップＳ５で算出されたｔ(ｎ＋１)を研磨時間として研磨する。
【００４６】
次に、ステップＳ７では、ｎをｎ＋１に置き換えて上記ステップ１に戻る。その後は、ステップＳ２からステップＳ７（本ステップ）までを繰り返すことで逐次最新の研磨レートを反映した研磨時間でＣＭＰ研磨を行う。以後、ステップＳ１からステップＳ７までを必要な回数繰り返す。
【００４７】
本実施形態の半導体装置の製造方法において、ステップＳ１での設備パラメータの収集や、ステップＳ４でのｎ＋１ロット目のブランクウェーハ（上の絶縁膜）の研磨レートの予測、ステップＳ６での研磨時間ｔ(ｎ＋１)の算出には、被研磨膜の膜厚測定に比べて圧倒的に短い時間しか要しないので、常に直近のブランクウェーハでの研磨レートを予測により把握することができる。このため、研磨中に膜厚測定を行っていた従来の方法に比べてリアルタイムで研磨レートを把握することができ、精度の高い研磨が可能となる。従って、本実施形態の製造方法によれば、埋め込み配線を複数層形成する場合に、層間絶縁膜厚を所望の値に制御しながら層間絶縁膜の平坦化を図ることができる。さらに、ステップＳ１で収集する設備パラメータの種類を増やすことによって研磨レートをより正確に予測することが可能となる。
【００４８】
また、上述のように、ステップＳ４ではｎロット目のウェーハでの研磨レートをｎ＋１ロット目のウェーハの研磨レートと等しいと近似することで、簡便に適切な研磨時間の予測が可能となる。研磨レートの変化がロット毎あるいは時系列で大きく変化する場合には、より詳細な関係式を用いてｎ＋１ロット目のウェーハでの研磨レートを精度良く予測することもできる。
【００４９】
また、ステップＳ５で研磨時間を算出する際に、上述したように被研磨膜の研磨膜膜厚等による補正項を入れた式を用いているので、より膜厚の予測精度を向上させることが可能となっている。
【００５０】
なお、ステップＳ３での研磨前の被研磨前の層間絶縁膜の膜厚測定にはある程度の時間を要するが、あるロットでの膜厚測定を行っている間に別のロットの研磨を行うことができるため、半導体装置を製造する際の実質的なスループットが膜厚測定によって落ちることはない。
【００５１】
また、半導体装置の品種が異なる場合でも、共通の式（１）、式（２）を用いて研磨レート及び研磨時間の算出を行えるので、本実施形態の半導体装置の製造方法は、多品種少量生産を行う場合であっても好ましく用いられる。
【００５２】
また、図２に示す半導体装置の製造システムによれば、上述した製造方法を実行することができる。
【００５３】
また、本実施形態で説明した研磨方法は、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）における絶縁膜の研磨や、埋め込み配線形成時の配線材料の研磨時に適用することも可能である。
【００５４】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では研磨前の層間絶縁膜厚を膜厚測定器により測定したが、本発明の第２の実施形態では研磨前の層間絶縁膜厚を成膜処理時の設備パラメータにより算出し、膜厚測定器による測定を全く行わない。このため、膜厚測定によるロットの進行時間の短縮を図るとともに、膜厚測定コストをなくすことによる製造コストの低減を図ることができる。以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を詳細に説明する。
【００５５】
図４は、第２の実施形態に係る製造システムの構成を示す図であり、図５は、本実施形態の半導体装置の製造方法に係る、層間絶縁膜の膜厚を一定に制御するための製造フローを示す図である。
【００５６】
図４に示すように、本実施形態の半導体装置の製造システムは、絶縁膜を成膜する成膜装置１１と、ＣＭＰ装置１９と、成膜装置１１の設備パラメータを収集する第２の設備モニタリングシステム（第２のモニタリング装置）２１ａと、ＣＭＰ装置１９の設備パラメータを収集する第１の設備モニタリングシステム（第１のモニタリング装置）２１ｂと、ＣＭＰ装置による研磨時間を算出するＡＰＣシステム１３と、ロット進行制御を行うとともに、研磨時間をＣＭＰ装置１９に指示する生産管理装置（ＭＥＳ）１５とを備えている。
【００５７】
一般に、半導体装置を量産する場合、複数枚のウェーハがロット単位で成膜装置１１、ＣＭＰ装置１９により順次処理される。以下に、ロットの流れとデータ処理について説明する。
【００５８】
本実施形態の製造方法では、複数のチャンバーを持つ成膜装置１１でロットが処理された際、第２の設備モニタリングシステム２１ａがウェーハ毎に成膜処理時の設備パラメータを収集し、収集した設備パラメータをＡＰＣシステム１３に送信する。ここでは、チャンバー毎の設備パラメータを送信してもよいが、膜厚予測はウェーハ毎に行うため、ウェーハ毎に設備パラメータを収集、送信する方がより好ましい。ＡＰＣシステム１３は、設備パラメータから膜厚を予測するためのモデル式を予め格納しておき、受信した設備パラメータをこのモデル式に代入して各ウェーハにおける層間絶縁膜の膜厚を予測する。この膜厚Ｔｃｈはロット処理時の研磨時間算出に用いる。
【００５９】
膜厚を算出する式として、例えば、以下の式（３）を使用することができる。式（３）は、成膜装置１１の設備パラメータｘ１〜ｘｎと、係数ｋ１〜ｋｎ、定数ｍと、成膜の処理時間ｔとにより膜厚を表現した合成式である。
【００６０】
Ｔｃｈ＝（ｋ１＊ｘ１＋ｋ２＊ｘ２…＋ｋｎ＊ｘｎ＋ｍ）＊ｔ    ・・・（３）
ここで（ｋ１＊ｘ１＋ｋ２＊ｘ２…＋ｋｎ＊ｘｎ＋ｍ）の項は成膜レートであり、成膜レートはこのように設備パラメータの合成式として表現できる。成膜レートに処理時間を乗じて膜厚を予測する。なお、式（３）において記号＊は掛け算を表すものとする。
【００６１】
なお、式（３）において、成膜装置１１の設備パラメータｘ１〜ｘｎは、特定のタイミングで取得された測定値であってもよく、統計値であってもよい。統計値とは、例えば、１回の加工処理中に複数回取得される設備パラメータの平均値、中央値、標準偏差、分散、レンジ（最大値−最小値）等を指す。この場合、係数ｋ１〜ｋｎおよび定数ｍは、例えば、複数回の加工処理にわたって取得された、設備パラメータの各統計値と、それぞれの設備パラメータの統計値が取得された加工処理における成膜レートの実測値とを対象とする重回帰分析により求めることができる。また、式（１）中で変数ｘ１〜ｘｎとして使用する設備パラメータは、多変量解析、変数増減法等の変数決定法等により成膜レートと高い相関関係を有する設備パラメータから適宜選択されたものであればよい。なお、成膜レートの算出式は、一次多項式に限らず設備パラメータの２次関数や指数関数や対数関数などを用いてもよい。なお成膜装置１１で取得する設備パラメータは例えば、チャンバー圧力、圧力制御バルブの開度、ガス流量、サセプタヒータの温度、ウォール温度、進行波電力、反射波電力、マッチング位置、Ｖｐｐ、Ｖｄｃ、などである。ここで、Ｖｐｐはチャンバー内のプラズマ密度であり、Ｖｄｃはプラズマ生成時に加わる電界である。
【００６２】
次に、ＣＭＰ装置１９までロットの処理が進行した際に、ＭＥＳ１５は研磨時間をＡＰＣシステム１３に要求し、ＡＰＣシステム１３は以下に説明する研磨時間の算出方法により研磨時間を算出し、ＭＥＳ１５に応答する。ＣＭＰ装置１９はＭＥＳ１５が指示した研磨時間だけ研磨する。研磨時の設備パラメータデータは第１の設備モニタリングシステム２１ｂにより収集され、ＡＰＣシステム１３に送信される。ＡＰＣシステム１３は、設備パラメータを用いてブランクウェーハの研磨レートを予測するモデル式を予め格納しており、設備パラメータデータの受信と同時に、このモデル式に受信した設備パラメータを代入することで、研磨時の研磨レートを予測する。この研磨レートは以降のロット処理時の研磨時間算出に用いる。ブランクウェーハの研磨レートを算出する式として、第１の実施形態に係る方法と同様に式（１）を使用することができる。
【００６３】
次に、図５を用いて、本実施形態の研磨方法を説明する。
【００６４】
まず、図５のステップＳ１１では、ＡＰＣシステム１３が、ＣＭＰ工程で処理されたｎロット目におけるウェーハのＣＭＰ研磨処理時の設備パラメータをウェーハ毎に収集する。
【００６５】
次に、ステップＳ１２では、ＡＰＣシステム１３が、ＣＭＰ研磨処理時におけるｎロット目のブランクウェーハの研磨レートＲ（ｎ）を算出する。ここで、研磨レートの算出に際し、複数ヘッドで研磨する研磨装置の場合はヘッド毎に研磨レートを算出し、当該ヘッド毎に研磨レートのデータをＡＰＣシステム１３内のメモリ等に格納することが望ましい。また、ロット内の複数ウェーハの研磨レートの平均値や、各ウェーハの研磨レートに異なる重み係数をかけた重みつき平均値を研磨レートＲ（ｎ）として利用することもできる。
【００６６】
次に、ステップＳ１３では、ＣＭＰ工程で処理されるｎ＋１ロット目が成膜された際、ＡＰＣシステム１３が各成膜チャンバー毎の設備パラメータを第２の設備モニタリンスシステム２１ａから取得し、ＡＰＣシステム１３内で膜厚Ｔｃｈ(ｎ＋１)を設備パラメータから予測する。予測された絶縁膜の膜厚Ｔｃｈ(ｎ＋１)のデータは、ＡＰＣシステム１３に格納される。
【００６７】
次に、ｎ＋１ロット目ウェーハの研磨時におけるブランクウェーハの研磨レートＲ（ｎ＋１）を予測する。本ステップでは、研磨レートＲ（ｎ＋１）をｎロット目のブランクウェーハの研磨レートＲ(ｎ)とほぼ等しい、すなわち、Ｒ(ｎ＋１)＝Ｒ(ｎ)であると予測する。これは、ｎロット目処理時の研磨レートがｎ＋１ロット目処理時の研磨レートとほとんど変化しないと近似できるからである。ここでも、第１の実施形態のステップＳ４と同様に、ｎロット目とｎ＋１ロット目の研磨レートが同じと近似できないほどロット毎の研磨レート変化が大きい場合は、より詳細な式を用いて研磨レートＲ（ｎ＋１）を予測してもよい。
【００６８】
次に、ステップＳ１５では、ｎ＋１ロット目の研磨時間（各成膜チャンバー毎）ｔ(ｎ＋１)をウェーハ毎に式（２）により算出する。
【００６９】
ｔ(ｎ＋１)＝(Ｔｔ−Ｔｃｈ(ｎ＋１))/Ｒ(ｎ＋１)＋Ｆ(Ｔｃｈ)  ・・・・・（２）
ここで、Ｔｃｈ(ｎ)はｎロット目の各成膜チャンバーの膜厚、Ｒ(ｎ)はｎロット目のブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レート予測値、Ｒ(ｎ＋１)はｎ＋１ロット目処理時のブランクウェーハでの絶縁膜の研磨レートの予測値、Ｔｔはターゲット残膜厚である。Ｆ（Ｔｃｈ)は研磨時間補正項であり、Ｔｃｈの関数、例えば、Ｔｃｈの１次関数としてｃ＊Ｔｃｈ＋ｄと表すことができる。ｃ、ｄは係数であり、実験で膜厚を条件振りしたロットについて、式（２）の第１項目のみで算出した研磨時間で処理した場合の製品の研磨膜厚とターゲット研磨膜厚(Ｔｔ−Ｔｃｈ(ｎ＋１))との差異から適切な研磨時間を推測することで決定できる。ここで、ｃ、ｄを品種毎、品種レーヤー毎に準備すると更に研磨時間の精度を向上させることができ、被研磨膜の膜厚を精度良く所望の値にすることができる。なお、Ｒとしてはヘッド毎の研磨レートを用いることが望ましい。
【００７０】
次に、ステップＳ１６では、ｎ＋１ロット目のウェーハを、ステップＳ１５で算出されたｔ(ｎ＋１)を研磨時間として研磨する。
【００７１】
次に、ステップＳ１７では、ｎをｎ＋１に置き換えて上記ステップＳ１１に戻る。その後は、ステップＳ１２からステップＳ１７（本ステップ）までを繰り返すことで逐次最新の研磨レートを反映した研磨時間でＣＭＰ研磨を行う。以後、ステップＳ１１からステップＳ１７までを必要な回数繰り返す。
【００７２】
本実施形態の半導体装置の製造方法において、ステップＳ１１での設備パラメータの収集や、ステップＳ１４でのｎ＋１ロット目のブランクウェーハの研磨レートの予測、ステップＳ１６での研磨時間ｔ(ｎ＋１)の算出には、被研磨膜の膜厚測定に比べて圧倒的に短い時間しか要しないので、常に直近のブランクウェーハでの研磨レートを予測により把握することができる。このため、研磨中に膜厚測定を行っていた従来の方法に比べてリアルタイムで研磨レートを把握することができ、精度の高い研磨が可能となる。
【００７３】
さらに、本実施形態の製造方法では、ステップＳ１３で成膜装置の設備パラメータから研磨前の被研磨膜の膜厚を予測するので、研磨前の被研磨膜の膜厚を測定する第１の実施形態の方法と比べて研磨前の被研磨膜の膜厚を把握するための時間を大幅に短縮できる。従って、各ウェーハを処理するのに要する時間をより短縮することができる。このため、本実施形態の製造方法によれば、埋め込み配線を複数層形成する場合に、層間絶縁膜厚を精度良く制御しながら層間絶縁膜の平坦化を図ることができる。さらに、ステップＳ１１、Ｓ１３で収集する設備パラメータの種類を増やすことによって研磨レートをより正確に予測することが可能となる。
【００７４】
また、上述のように、ステップＳ１４ではｎロット目のウェーハでの研磨レートをｎ＋１ロット目のウェーハの研磨レートと等しいと近似することで、簡便に適切な研磨時間の予測が可能となる。研磨レートの変化がロット毎あるいは時系列で大きく変化する場合には、より詳細な関係式を用いてｎ＋１ロット目のウェーハでの研磨レートを精度良く予測することもできる。
【００７５】
また、ステップＳ１５で研磨時間を算出する際に、上述したように被研磨膜の研磨膜膜厚等による補正項を入れた式を用いているので、より膜厚の予測精度を向上させることが可能となっている。
【００７６】
また、半導体装置の品種が異なる場合でも、共通の式（２）、式（３）を用いて研磨レート及び研磨時間の算出を行えるので、本実施形態の半導体装置の製造方法は、多品種少量生産を行う場合であっても好ましく用いられる。
【００７７】
また、図４に示す半導体装置の製造システムによれば、上述した製造方法を実行することができる。
【００７８】
なお、本発明は、以上で説明した実施形態の内容に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で変形可能である。例えば、ステップＳ１、Ｓ１１やステップＳ１３で収集される設備パラメータや、関係式などは、具体例を挙げたものに限定されることはない。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
以上のように、本発明によれば、プロセスマージンが小さい半導体デバイスにおいても配線層間の絶縁膜厚を精度良く所望の値にできるため、被研磨膜の膜厚ばらつきを抑え、半導体装置の歩留りを改善できる。従って、本発明は、設計ルールが微細化した半導体装置の製造等に利用可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１        第一層間絶縁膜
２        トレンチ
３        バリアメタル膜
４        配線材料膜
５        拡散防止膜
６        第二層間絶縁膜
１０      下層配線
１１      成膜装置
１３      ＡＰＣシステム
１５      ＭＥＳ 
１７      膜厚測定器
１９      ＣＭＰ装置 
２１      設備モニタリングシステム 
２１ａ    第２の設備モニタリングシステム
２１ｂ    第１の設備モニタリングシステム
【図１】
2011029479.tif 000003
【図２】
2011029479.tif 000004
【図３】
2011029479.tif 000005
【図４】
2011029479.tif 000006
【図５】
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