(57)【要約】      （修正有）【課題】研磨終点の検出を確実に行える半導体ウェーハの研磨方法及び半導体ウェーハの研磨装置を提供する。【解決手段】被研磨層の研磨終点に周期性を有するパターン５０が形成された半導体ウェーハＷを保持したスピンドル６と、表面に研磨パッド４が設けられた回転テーブル２と、をそれぞれ回転させながら、被研磨層を研磨パッド４に接触させて研磨する研磨方法であって、スピンドル６及び回転テーブル２の回転に伴って生じる振動に、パターン５０が研磨パッド４に達したことに伴う振動が加わると共振するように、パターン５０の周期を設定した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研磨層の研磨終点に周期性を有するパターンが形成された半導体ウェーハを保持したスピンドルと、表面に研磨パッドが設けられた回転テーブルと、をそれぞれ回転させながら、前記被研磨層を前記研磨パッドに接触させて研磨する研磨方法であって、
前記スピンドル及び前記回転テーブルの回転に伴って生じる振動に、前記パターンが前記研磨パッドに達したことに伴う振動が加わると共振するように、前記パターンの周期を設定することを特徴とする半導体ウェーハの研磨方法。
【請求項２】
前記パターンが前記研磨パッドに達したとき、前記スピンドルの回転周期または前記回転テーブルの回転周期に同期して共振するように、前記パターンの周期を設定することを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハの研磨方法。
【請求項３】
前記パターンが前記研磨パッドに達したとき、前記スピンドルの固有振動数、前記回転テーブルの固有振動数、前記スピンドルと一体に回転する共振器の固有振動数、または前記回転テーブルと一体に回転する共振器の固有振動数で共振するように、前記パターンの周期を設定することを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハの研磨方法。
【請求項４】
表面に研磨パッドが設けられた回転テーブルと、
被研磨層の研磨終点に周期性を有するパターンが形成された半導体ウェーハの前記被研磨層を、前記研磨パッドに接触させた状態で、前記半導体ウェーハを保持可能なスピンドルと、
前記回転テーブルと前記スピンドルとをそれぞれ回転させながら前記被研磨層を前記研磨パッドに接触させて研磨しているときの前記スピンドル及び前記回転テーブルの回転に伴って生じる振動に、前記パターンが前記研磨パッドに達したことに伴う振動が加わると生じる共振振動に基づいて前記研磨終点を検出する検出装置と、
を備えたことを特徴とする半導体ウェーハの研磨装置。
【請求項５】
前記回転テーブルまたは前記スピンドルと一体に回転可能な共振器をさらに備え、
前記パターンが前記研磨パッドに達すると、前記共振器の固有振動数で共振することを特徴とする請求項４記載の半導体ウェーハの研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェーハの研磨方法及び半導体ウェーハの研磨装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、半導体製造工程における多層配線間の層間膜の平坦化に、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法が広く利用されている。このＣＭＰ研磨の研磨終点を検出する方法としては、駆動用モータのトルク変化を検出する方法が知られているが、これは、研磨中における被研磨層と研磨パッドとの摩擦力の変化を利用するため、研磨のストッパ材として、ウェーハ面積の数十パーセントを占める被膜を形成する必要があり、素子の構造上そのような比較的広い領域にわたって被膜を形成することができない場合は、終点検出の感度が悪くなる。また、予め研磨終点に達するまでの時間データを取得した上で、研磨時間を管理することで研磨終点を検出する方法があるが、この方法は、膜厚のばらつきの影響を受けるので、研磨終点の判定に高い精度が得られない。
【０００３】
特許文献１には、研磨布や定盤の内部に空洞を形成し、研磨時の振動を増幅させることが開示されているが、研磨中に生じる振動を、研磨を行っている間全体にわたって増幅するため、研磨終点に達する前と、研磨終点に達した後とで、検出される振動強度の差が強調されにくく、研磨終点に達したことを見落とすおそれがある。
【特許文献１】特開平９−１５０３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、研磨終点の検出を確実に行える半導体ウェーハの研磨方法及び半導体ウェーハの研磨装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、被研磨層の研磨終点に周期性を有するパターンが形成された半導体ウェーハを保持したスピンドルと、表面に研磨パッドが設けられた回転テーブルと、をそれぞれ回転させながら、前記被研磨層を前記研磨パッドに接触させて研磨する研磨方法であって、前記スピンドル及び前記回転テーブルの回転に伴って生じる振動に、前記パターンが前記研磨パッドに達したことに伴う振動が加わると共振するように、前記パターンの周期を設定することを特徴とする半導体ウェーハの研磨方法が提供される。
【０００６】
また、本発明の他の一態様によれば、表面に研磨パッドが設けられた回転テーブルと、被研磨層の研磨終点に周期性を有するパターンが形成された半導体ウェーハの前記被研磨層を、前記研磨パッドに接触させた状態で、前記半導体ウェーハを保持可能なスピンドルと、前記回転テーブルと前記スピンドルとをそれぞれ回転させながら前記被研磨層を前記研磨パッドに接触させて研磨しているときの前記スピンドル及び前記回転テーブルの回転に伴って生じる振動に、前記パターンが前記研磨パッドに達したことに伴う振動が加わると生じる共振振動に基づいて前記研磨終点を検出する検出装置と、を備えたことを特徴とする半導体ウェーハの研磨装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、研磨終点の検出を確実に行える半導体ウェーハの研磨方法及び半導体ウェーハの研磨装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体ウェーハの研磨装置の構成を例示する模式図である。
【００１０】
本実施形態に係る研磨装置は、表面に研磨パッド４が設けられた回転テーブル２と、半導体ウェーハＷを保持可能なスピンドル６と、研磨装置における回転系に生じる振動に基づいて研磨終点を検出する検出装置と、を備える。
【００１１】
スピンドル６の回転軸１８は、軸受２２に支持されると共に、モータ２４の回転駆動軸に連結されている。回転テーブル２の回転軸１２は、軸受１４に支持されると共に、モータ１６の回転駆動軸に連結されている。
【００１２】
検出装置は、例えば、軸受１４、２２のそれぞれに設けられた加速度センサ２６、２８と、加速度センサ２６、２８の検出信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ:Fast Fourier Transform）して、回転系に生じている振動の周波数スペクトルを算出するＦＦＴアナライザ３０と、を有する。
【００１３】
スピンドル６は、例えば、シリコンウェーハなどの半導体ウェーハＷを真空吸着して保持する。  
図２（ａ）は、その半導体ウェーハＷの表面を表し、図２（ｂ）は、半導体ウェーハＷ表面に形成されるダイシングラインＬ上の要部拡大図を表す。  
図３は、研磨時における図２（ｂ）のＡ−Ａ断面の拡大図であり、図３（ａ）は研磨終点到達前の状態を表し、図３（ｂ）は研磨終点に到達した状態を表す。
【００１４】
図２（ｂ）に表すように、ダイシングラインＬ上には、一定の間隔（周期）λで、ダイシングラインＬの延在方向に並ぶストライプ状のパターン５０が形成されている。パターン５０は、ダイシングライン形成位置に、被研磨層４０（図３（ａ））と異なる材料が埋め込まれることで形成される。
【００１５】
図３（ａ）に表すように、半導体ウェーハＷは、スピンドル６に保持された状態でスピンドル６と共に回転され、その状態で被研磨層４０が研磨パッド４に接触し、１点鎖線で表す研磨終点まで研磨される。研磨時、スピンドル６と回転テーブル２とは、通常同一方向に回転される（図５）。あるいは、スピンドル６と回転テーブル２とを逆方向に回転させてもよい。この場合、後述する数式１は、周速度の和とするため第二項の符号は＋（プラス）となる。また、研磨時、研磨パッド４上には、シリカ粒や化学反応性物質などを含んだ液状のスラリーが供給される。
【００１６】
研磨終点に至る前の状態では、パターン５０は半導体ウェーハＷ表面に露出せずに、被研磨層４０に覆われている。研磨終点の検出感度をより高める観点から、被研磨層４０に対して異なる材料でパターン５０を形成することが望ましい。例えば、被研磨層４０がシリコン酸化膜の場合には、シリコン窒化膜でパターン５０を形成することができる。
【００１７】
被研磨層４０の研磨中、スピンドル６及び回転テーブル２の回転に伴って機械的振動が生じる。また、研磨終点に到達し（図３（ｂ）の状態）、被研磨層４０と異なる材料のパターン５０が研磨パッド４に接触すると、これに伴う振動が、スピンドル６及び回転テーブル２の回転に伴う振動に加わり、後述するように本実施形態では、そのとき共振が起こるようにしている。
【００１８】
前述した振動は、加速度センサ２６、２８によって検出され、この検出信号は、ＦＦＴアナライザ３０によって高速フーリエ変換処理されて周波数スペクトルに分解される。
【００１９】
図４は、その周波数スペクトルを表すグラフ図である。図４において、細線は終点到達前の振動の周波数スペクトルを、太線は終点検出時（パターン５０が研磨パッド４に達したとき）の振動の周波数スペクトルを表す。
【００２０】
パターン５０が研磨パッド４に達したとき（研磨終点到達時）に生じる振動が、例えば、スピンドル６の回転周期に同期するように（スピンドル６の回転に伴う振動と共振するように）、半導体ウェーハＷに形成するパターン５０の周期λを設定しておくと、研磨終点到達時に、スピンドル６の回転に伴う振動の振動数域での強度が、終点到達前の強度に比べて顕著に増大する。
【００２１】
あるいは、パターン５０が研磨パッド４に達したとき（研磨終点到達時）に生じる振動が、例えば、回転テーブル２の回転周期に同期するように（回転テーブル２の回転に伴う振動と共振するように）、半導体ウェーハＷに形成するパターン５０の周期λを設定しておくと、研磨終点到達時に、回転テーブル２の回転に伴う振動の振動数域での強度が、終点到達前の強度に比べて顕著に増大する。
【００２２】
あるいは、パターン５０が研磨パッド４に達したとき（研磨終点到達時）に生じる振動が、例えば、スピンドル６の固有振動数で共振するように、半導体ウェーハＷに形成するパターン５０の周期λを設定しておくと、研磨終点到達時に、スピンドル６の固有振動数での強度が、終点到達前の強度に比べて顕著に増大する。
【００２３】
あるいは、パターン５０が研磨パッド４に達したとき（研磨終点到達時）に生じる振動が、例えば、回転テーブル２の固有振動数で共振するように、半導体ウェーハＷに形成するパターン５０の周期λを設定しておくと、研磨終点到達時に、回転テーブル２の固有振動数での強度が、終点到達前の強度に比べて顕著に増大する。
【００２４】
すなわち、本実施形態によれば、周期性のパターン５０が研磨パッド４に達したときの共振による振動スペクトル強度の急激な変化（増大）を検出することで、研磨終点を検出できる。この研磨終点の検出は、半導体ウェーハＷを破壊することなく、かつ研磨中にリアルタイムで行える。
【００２５】
研磨終点到達時に所望の共振を生じさせるべく周期（間隔）λが設定されたストライプ状のパターン５０における周期（間隔）λは、例えば、次のようにして設定される。
【００２６】
図５は、回転テーブル２とスピンドル６との平面配置関係の一例を表す模式図である。スピンドル６の回転中心は、回転テーブル２の回転中心に対して外周側に偏心した位置にある。
【００２７】
半導体ウェーハＷと共に回転するスピンドル６の回転数をｎｔｒ（ｒｐｍ）、スピンドル６の回転角速度をωｔｒ（ｒａｄ／秒）、半導体ウェーハＷの半径をｒ（ｍｍ）、回転テーブル２の回転数をＮｔｔ（ｒｐｍ）、回転テーブル２の回転角速度をΩｔｔ（ｒａｄ／秒）、回転テーブル２の半径をＲ（ｍｍ）とする。ｎｔｒ、Ｎｔｔは、被研磨層４０の材料に合わせて最適な値として予め設定される。
【００２８】
回転テーブル２外周側の位置Ｐにおける、回転テーブル２に対するスピンドル６（半導体ウェーハＷ）の相対速度ｖは、数式１で表される。
【００２９】
【数１】
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【００３０】
例えば、ｎｔｒ＝１００（ｒｐｍ）、Ｎｔｔ＝９５（ｒｐｍ）に設定し、半径が６インチの半導体ウェーハの研磨を行うとき、パターン５０が研磨パッド４に達したときにスピンドル６の回転周期に同期する振動を生じさせる場合、設定すべきパターン５０の周期λは、数式１のｖを用いて、数式２で表され、前述した条件の場合、例えばλ＝５．６（μｍ）に設定される。
【００３１】
【数２】
2008078591.tif 000004
【００３２】
また、前述と同様な条件のもと、パターン５０が研磨パッド４に達したときに回転テーブル２の回転周期に同期する振動を生じさせる場合、設定すべきパターン５０の周期λは、数式１のｖを用いて、数式３で表される。
【００３３】
【数３】
2008078591.tif 000005
【００３４】
ｎｔｒ＝１００（ｒｐｍ）、Ｎｔｔ＝９５（ｒｐｍ）とした場合、ｎｔｒとＮｔｔとの差は５％なので、数式２と数式３におけるλは、ほぼ同じ値となる。すなわち、半径が６インチの半導体ウェーハの研磨を行うとき、スピンドル６及び回転テーブル２を１００（ｒｐｍ）近傍の回転数で回転させた場合には、パターン５０が研磨パッド４に達したときに生じる振動は、スピンドル６の回転に同期する振動であると共に、回転テーブル２の回転に同期する振動でもあり、スピンドル６の回転に同期する振動数と、回転テーブル２の回転に同期する振動数の両方のスペクトル強度が終点到達前に比べて著しく増大する。スペクトル強度の急増が、２つの振動数帯域で生じるため、より確実に終点到達を判定できる。
【００３５】
スピンドル６（半導体ウェーハＷを含めて）の固有振動数ν０ｔｒが判明しており、パターン５０が研磨パッド４に達したときにν０ｔｒで共振させる場合、設定すべきパターン５０の周期λは、数式１のｖを用いて、数式４で表される。
【００３６】
【数４】
2008078591.tif 000006
【００３７】
回転テーブル２の固有振動数ν０ｔｔが判明しており、パターン５０が研磨パッド４に達したときにν０ｔｔで共振させる場合、設定すべきパターン５０の周期λは、数式１のｖを用いて、数式５で表される。
【００３８】
【数５】
2008078591.tif 000007
【００３９】
前述した特許文献１では、研磨中に生じる振動を、研磨を行っている間全体にわたって増幅するため、研磨終点に達する前と、研磨終点に達した後とで、検出される振動強度の差が強調されにくい。これに対して、本実施形態では、研磨終点に達したときのみ共振を生じさせるため、研磨終点に達する前と、研磨終点に達した後とで、検出される振動強度の差が強調され、研磨終点の判定が容易である。
【００４０】
このように本実施形態では、パターン５０が研磨パッド４に達したときの共振現象を利用しているので、その共振を生じさせるパターン５０は、ウェーハ面積に対してわずかな領域に形成すれば十分であり、例えば素子領域外のダイシングラインに、パターン５０を形成することができる。パターン５０は、必ずしもダイシングラインのすべての領域に形成する必要はなく、その一部に形成するのみでもよい。もちろん、ダイシングライン以外の位置にパターン５０を形成してもよい。
【００４１】
研磨終点検出のために用いられるパターン５０は、素子や回路としては活用されない無駄な領域であるので、パターン５０の面積を小さくできることは、その分、ウェーハにおける素子領域が占める面積を広く確保できる。研磨終点検出用のストッパ材の面積が十分確保できない、例えば、ＤＴＭＯＳ（Deep Trench Metal-Oxide-Semiconductor）構造における埋め込みエピタキシャルシリコンのポリッシュバックに、本実施形態は非常に有効である。
【００４２】
パターン５０の周期λを様々に設定することで、研磨終点到達時にどの周波数帯域で共振を起こさせるか自由に設定できる。研磨終点到達時に最も強度変化が著しく生じるような周波数帯域で共振するようにパターン５０の周期λを設定すれば、研磨終点の検出をより確実に行える。
【００４３】
また、研磨終点到達時に、スピンドル６の固有振動数や、回転テーブル２の固有振動数で共振するようにパターン５０の周期λを設定すれば、スピンドル６や回転テーブル２の回転数が変更されても、ウェーハに形成したパターン５０の周期λを変更することなく研磨終点の検出が可能であり、新たなλに設定されたパターン５０を有するウェーハを作り直すことによる無駄を回避できる。
【００４４】
図６は、本発明の他の具体例に係る研磨装置の構成を例示する模式図である。なお、図１に表される前述した研磨装置と同じ構成部分には、同一の符号を付しその詳細な説明は省略する。
【００４５】
本具体例では、例えばスピンドル６の回転軸１８に、スピンドル６と一体に回転可能な共振器３５を設けている。
【００４６】
本具体例では、パターン５０が研磨パッド４に達したとき（研磨終点到達時）に生じる振動が、共振器３５の固有振動数νＭで共振するように、パターン５０の周期λを設定することで、研磨終点到達時には、固有振動数νＭでの強度が、終点到達前の強度に比べて顕著に増大し、これにより研磨終点を容易に検出できる。
【００４７】
パターン５０が研磨パッド４に達したときに、共振器３５の固有振動数νＭで共振させるべく、設定されるパターン５０の周期λは、数式１のｖを用いて、数式６で表される。
【００４８】
【数６】
2008078591.tif 000008
【００４９】
共振器３５は、回転テーブル２の回転軸１２に、回転テーブル１２と一体に回転可能に設けてもよい。また、共振器３５は、スピンドル６及び回転テーブル２の少なくともいずれかと一体に回転可能に設けられればよく、回転軸１２、１８に限らず、スピンドル６や回転テーブル２、その他回転している部分に設けてもよい。
【００５０】
研磨終点検出用のパターン５０としては、最終的な製品として機能上不可欠な素子や回路を構成するパターン（例えば、ｐ型半導体のピラー領域と、ｎ型半導体のピラー領域とが交互に配列されたいわゆる「スーパージャンクション構造」におけるストライプ状のピラーパターン）を用いてもよい。この場合、別途、終点検出用のパターンを形成する必要がない。また、この場合には、ピラーパターンが研磨パッドに到達したときに共振器３５の固有振動数で共振が生じるような固有振動数を有する共振器３５を回転系に加えれば、ピラーパターンの周期や、回転系の回転数などの加工条件を変えることなく、また回転系に大幅な変更を施すことなく、容易に、ピラーパターンが研磨パッドに到達したときに所望の共振を起こさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態に係る研磨装置の構成を例示する模式図である。
【図２】半導体ウェーハ表面、その表面に形成されたダイシングライン、およびダイシングライン上に周期λで形成された研磨終点検出用のパターンを表す模式図である。
【図３】研磨時における図２（ｂ）のＡ−Ａ断面の拡大図であり、（ａ）は研磨終点到達前の状態を表し、（ｂ）は研磨終点に到達した状態を表す。
【図４】研磨時の振動の周波数スペクトルを表すグラフ図である。
【図５】回転テーブルとスピンドルとの平面配置関係の一例を表す模式図である。
【図６】本発明の他の具体例に係る研磨装置の構成を例示する模式図である。
【符号の説明】
【００５２】
２…回転テーブル、４…研磨パッド、６…スピンドル、１２，１８…回転軸、１４，２２…軸受、１６，２４…モータ、２６，２８…加速度センサ、３０…ＦＦＴアナライザ、３５…共振器、４０…被研磨層、５０…パターン、Ｗ…半導体ウェーハ、Ｌ…ダイシングライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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