(57)【要約】【課題】研磨対象物の被研磨面上の特定の点（定点）における膜厚を測定して精度の高い膜厚測定を可能とし、また、装置全体をコンパクトにすることができるポリッシング装置を提供する。【解決手段】半導体ウェハＷを保持するトップリング３０と研磨面を有した研磨テーブル２０とを備え、半導体ウェハＷを研磨面に摺接させて研磨するポリッシング装置において、研磨テーブル２０の内部に、半導体ウェハＷの被研磨面に所定の波長の光を照射する光源１５４と、被研磨面からの反射光を分光する分光器１５５と、分光器１５５により分光された光を取り込むＣＣＤアレイ１５６とを有する膜厚測定器１５０を埋設し、ＣＣＤアレイ１５６により取り込まれた被研磨面全面についての情報を解析して被研磨面上の任意の点における膜厚を取得するコントローラ１６０を有する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨対象物を保持するトップリングと研磨面を有する研磨テーブルとを備え、前記研磨対象物を前記研磨面に摺接させて研磨するポリッシング装置において、
前記研磨テーブルの内部に、前記研磨対象物の被研磨面に所定の波長の光を照射する光源と、前記被研磨面からの反射光を分光する分光器と、前記分光器により分光された単一又は複数の波長の光を取り込むＣＣＤアレイとを有する膜厚測定器を埋設し、
前記ＣＣＤアレイにより取り込まれた前記研磨対象物の被研磨面全面についての情報を解析して該研磨対象物の被研磨面上の任意の点における膜厚を取得する制御部を有することを特徴とするポリッシング装置。
【請求項２】
前記膜厚測定器の径方向の長さは、前記研磨対象物の半径よりも長いことを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置。
【請求項３】
前記制御部は、研磨に用いられる研磨液が影響を与える波長をカットして解析を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のポリッシング装置。
【請求項４】
加工電極と研磨対象物に給電する給電電極とを備え、前記研磨対象物を前記加工電極に接触又は近接させて電解研磨を行うポリッシング装置において、
前記研磨対象物の被研磨面に所定の波長の光を照射する光源と、前記被研磨面からの反射光を分光する分光器と、前記分光器により分光された単一又は複数の波長の光を取り込むＣＣＤアレイとを有する膜厚測定器を前記電極に隣接させて配置し、
前記ＣＣＤアレイにより取り込まれた前記研磨対象物の被研磨面全面についての情報を解析して該研磨対象物の被研磨面上の任意の点における膜厚を取得する制御部を有することを特徴とするポリッシング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリッシング装置に係り、特に半導体ウェハなどの研磨対象物の被研磨面の膜厚を測定する膜厚測定器を備えたポリッシング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体デバイスの高集積化に伴う配線の微細化、及び多層化の要求によって、半導体基板の表面の平坦度が要求されている。すなわち、配線の微細化によって、光リソグラフィに用いる光の波長としてより短いものを使用するようになり、このような短波長の光は基板上の焦点位置での許容される高低差がより小さくなる。したがって、焦点位置での高低差が小さいこと、すなわち基板表面の高い平坦度が必要となってくる。このため、化学機械研磨（ＣＭＰ）により半導体基板の表面の凹凸を除去してその表面を平坦化することが行われている。
【０００３】
上記化学機械研磨においては、所定時間の研磨を行った後に所望の位置で研磨を終了する必要がある。例えば、ＣｕやＡｌなどの金属配線の上部にＳｉＯ２等の絶縁層（この後の工程で絶縁層の上に更に金属などの層を形成するため、このような絶縁層は層間膜と呼ばれる。）を残したい場合がある。このような場合、研磨を必要以上に行うと下層の金属膜が表面に露出してしまうので、層間膜を所定の膜厚だけ残すように研磨を終了する必要がある。
【０００４】
また、半導体基板上に予め所定パターンの配線用の溝を形成しておき、その中にＣｕ（銅）又はその合金を充填した後に、表面の不要部分を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去する場合がある。Ｃｕ層をＣＭＰプロセスにより研磨する場合、配線用溝の内部に形成されたＣｕ層のみを残して半導体基板からＣｕ層を選択的に除去することが必要とされる。すなわち、配線用の溝部以外の箇所では、（ＳｉＯ２などからなる）絶縁膜が露出するまでＣｕ層を除去することが求められる。
【０００５】
この場合において、過剰研磨となって、配線用の溝内のＣｕ層を絶縁膜と共に研磨してしまうと、回路抵抗が上昇し、半導体基板全体を廃棄しなければならず、多大な損害となる。逆に、研磨が不十分で、Ｃｕ層が絶縁膜上に残ると、回路の分離がうまくいかず、短絡が起こり、その結果、再研磨が必要となり、製造コストが増大する。このような事情は、Ｃｕ層に限らず、Ａｌ層等の他の金属膜を形成し、この金属膜をＣＭＰプロセスで研磨する場合も同様である。
【０００６】
このため、光学式センサを用いてＣＭＰプロセスの加工終点を検出することがなされている。すなわち、投光素子と受光素子とを備えた光学式センサを設置し、この光学式センサから半導体基板の被研磨面に光を照射する。そして、被研磨面における光の反射率の変化を検知して被研磨面上の絶縁膜や金属膜の膜厚を測定し、ＣＭＰプロセスの加工終点を検出している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光学式センサを用いた膜厚の測定においては、半導体基板の半径方向の線上又はランダムな点を測定することしかできず、定点における膜厚を測定することができないため、高精度の膜厚の測定が困難であった。また、従来のポリッシング装置においては、研磨後の品質を検査するための膜厚測定器として、ＣＭＰプロセスの終点検出用の膜厚測定器と別個の膜厚測定器が必要であったため、この膜厚測定器のためのスペースが必要となり、装置の大型化を招いていた。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、研磨対象物の被研磨面上の特定の点（定点）における膜厚を測定して精度の高い膜厚測定を可能とし、また、装置全体をコンパクトにすることができるポリッシング装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような従来技術における問題点を解決するために、本発明の第１の態様は、研磨対象物を保持するトップリングと研磨面を有した研磨テーブルとを備え、上記研磨対象物を上記研磨面に摺接させて研磨するポリッシング装置において、上記研磨テーブルの内部に、上記研磨対象物の被研磨面に所定の波長の光を照射する光源と、上記被研磨面からの反射光を分光する分光器と、上記分光器により分光された単一又は複数の波長の光を取り込むＣＣＤアレイとを有する膜厚測定器を埋設し、上記ＣＣＤアレイにより取り込まれた上記研磨対象物の被研磨面全面についての情報（分光反射率）を解析して該研磨対象物の被研磨面上の任意の点における膜厚を取得する制御部を有することを特徴とするポリッシング装置である。
【００１０】
このような構成により、研磨対象物の被研磨面上の特定の点（定点）における膜厚を測定することができるので、精度の高い膜厚測定が可能となる。例えば、研磨中に膜厚の測定を行い、所望の膜厚になったことを検出することにより、あるいは、膜厚が０（ゼロ）になったことを検出することにより、研磨プロセスの終点を正確に検出することができる。また、研磨後に膜厚の測定を行えば、研磨後の研磨対象物の品質検査を行うことができる。したがって、１つの膜厚測定器により研磨中の膜厚測定（Ｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング）と研磨後の品質検査の双方を行うことができ、省スペース化を図ることができる。更に、研磨対象物の被研磨面全面をスキャンすることができるため、被研磨面上のすべての点における膜厚を得ることができ、局所的な研磨ムラを把握することができる。
【００１１】
本発明の好ましい一態様は、上記膜厚測定器の径方向の長さは、上記研磨対象物の半径よりも長いことを特徴としている。
【００１２】
本発明の好ましい一態様は、上記制御部は、研磨に用いられる研磨液が影響を与える波長をカットして解析を行うことを特徴としている。これにより、研磨液の影響を抑えてより正確な膜厚の測定が可能となる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、加工電極と研磨対象物に給電する給電電極とを備え、上記研磨対象物を上記加工電極に接触又は近接させて電解研磨を行うポリッシング装置において、上記研磨対象物の被研磨面に所定の波長の光を照射する光源と、上記被研磨面からの反射光を分光する分光器と、上記分光器により分光された単一又は複数の波長の光を取り込むＣＣＤアレイとを有する膜厚測定器を前記電極に隣接させて配置し、上記ＣＣＤアレイにより取り込まれた上記研磨対象物の被研磨面全面についての情報を解析して該研磨対象物の被研磨面上の任意の点における膜厚を取得する制御部を有することを特徴とするポリッシング装置である。
【００１４】
このような構成により、研磨対象物の被研磨面上の特定の点（定点）における膜厚を測定することができるので、精度の高い膜厚測定が可能となる。例えば、研磨中に膜厚の測定を行い、所望の膜厚になったことを検出することにより、あるいは、膜厚が０（ゼロ）になったことを検出することにより、研磨プロセスの終点を正確に検出することができる。また、研磨後に膜厚の測定を行えば、研磨後の研磨対象物の品質検査を行うことができる。したがって、１つの膜厚測定器により研磨中の膜厚測定（Ｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング）と研磨後の品質検査の双方を行うことができ、省スペース化を図ることができる。更に、研磨対象物の被研磨面全面をスキャンすることができるため、被研磨面上のすべての点における膜厚を得ることができ、局所的な研磨ムラを把握することができる。特に、電解研磨で用いられる純水や超純水は光透過性が高いため、高精度な測定を実現することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るポリッシング装置の実施形態について図１乃至図５（ｂ）を参照して詳細に説明する。なお、図１乃至図５（ｂ）において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施形態におけるポリッシング装置の全体構成を示す縦断面図である。図１に示すように、本実施形態におけるポリッシング装置は、上面に研磨布１０が貼設された研磨テーブル２０と、研磨対象物である半導体ウェハＷを保持して研磨布１０の上面に押圧するトップリング３０とを備えている。研磨布１０の上面は、研磨対象物である半導体ウェハＷと摺接する研磨面を構成している。なお、微細な砥粒（ＣｅＯ２等からなる）を樹脂等のバインダで固めた固定砥粒板の上面を研磨面として構成することもできる。
【００１７】
研磨テーブル２０は、その下方に配置されるモータ２１に連結されており、矢印で示すようにその軸心回りに回転可能になっている。また、研磨テーブル２０の上方には研磨液供給ノズル２２が設置されており、この研磨液供給ノズル２２から研磨布１０上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。
【００１８】
トップリング３０は、トップリングシャフト３２に連結されており、このトップリングシャフト３２を介してモータ及び昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これによりトップリング３０は、矢印で示すように昇降可能かつトップリングシャフト３２回りに回転可能となっている。また、トップリング３０はその下面にポリウレタン等の弾性マット３４を備えており、この弾性マット３４の下面に、研磨対象物である半導体ウェハＷが真空等によって吸着、保持される。このような構成により、トップリング３０は自転しながら、その下面に保持した半導体ウェハＷを研磨布１０に対して任意の圧力で押圧することができるようになっている。なお、トップリング３０の下部外周部には、半導体ウェハＷの外れ止めを行うガイドリング３６が設けられている。
【００１９】
上述の構成のポリッシング装置において、トップリング３０の下面に保持された半導体ウェハＷは、回転している研磨テーブル２０の上面の研磨パッド１０に押圧される。このとき、研磨液供給ノズル２２から研磨パッド１０上に研磨液Ｑを供給する。これによって、半導体ウェハＷの被研磨面（下面）と研磨パッド１０の間に研磨液Ｑが存在した状態でポリッシングが行われる。
【００２０】
ここで、本実施形態における研磨テーブル２０の内部には、半導体ウェハＷの被研磨面に形成された絶縁膜や金属膜の膜厚を測定する膜厚測定器１５０が埋設されている。この膜厚測定器１５０の径方向の長さは、半導体ウェハＷの半径よりも長くなっている。また、研磨布１０には、膜厚測定器１５０からの光を透過させるための直方体状の透光窓部材１５２が取付けられている。この透光窓部材１５２は、透過率の高い材質で形成されており、例えば、無発泡ポリウレタンなどにより形成される。
【００２１】
図２に示すように、膜厚測定器１５０は、半導体ウェハＷの被研磨面に所定の範囲の波長の光を照射する光源１５４と、研磨面からの反射光を分光する分光器１５５と、分光器１５５により分光された光を取り込むＣＣＤアレイ１５６とを備えている。また、図１に示すように、膜厚測定器１５０の光源１５４及びＣＣＤアレイ１５６からのケーブル１５８は、研磨テーブル２０及び研磨テーブル支持軸２０ａ内を通り、研磨テーブル支持軸２０ａの軸端に設けられたロータリコネクタ１５９を経由してコントローラ（制御部）１６０に接続されている。このコントローラ１６０は表示装置（ディスプレイ）１６２に接続されている。
【００２２】
膜厚測定器１５０の光源１５４から発せられた光は半導体ウェハＷの被研磨面で反射し、この反射光は分光器１５５により分光され、ＣＣＤアレイ１５６に照射される。ＣＣＤアレイ１５６は、単一又は複数の波長における強度（分光反射率）を例えば画像として取り込む。上述したように、膜厚測定器１５０の径方向の長さは半導体ウェハＷの半径よりも長くなっているので、図３に示すように、トップリング３０の回転に伴い膜厚測定器１５０上で半導体ウェハＷが１回転することにより、半導体ウェハＷの被研磨面全面をスキャンすることができる。コントローラ１６０は、ＣＣＤアレイ１５６により取り込まれた半導体ウェハＷの被研磨面全面についての情報（分光反射率）を解析することにより、半導体ウェハＷの被研磨面の特定の点（測定点）における膜厚を取得する。このとき、半導体ウェハＷの向きを特定するためにウェハＷの外周縁に形成されたノッチＮ（又はオリエンテーションフラット）を基準として測定点を特定することができる。
【００２３】
このように、本実施形態によれば、半導体ウェハＷの被研磨面上の特定の点（定点）における膜厚を測定することができるので、精度の高い膜厚測定が可能となる。例えば、研磨中に膜厚の測定を行い、所望の膜厚になったことを検出することにより、あるいは、膜厚が０（ゼロ）になったことを検出することにより、ＣＭＰプロセスの終点を正確に検出することができる。また、研磨後に膜厚の測定を行えば、研磨後の半導体ウェハＷの品質検査を行うことができる。したがって、１つの膜厚測定器により研磨中の膜厚測定（Ｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング）と研磨後の品質検査の双方を行うことができ、省スペース化を図ることができる。また、本実施形態では、半導体ウェハＷの被研磨面全面をスキャンすることができるため、被研磨面上のすべての点における膜厚を得ることができ、局所的な研磨ムラを把握することができる。例えば、膜厚測定器により得られた膜厚情報を研磨圧力分布の制御等を行う研磨制御部（図示せず）に送り、トップリング３０による半導体ウェハＷの押圧力の圧力分布や研磨液の量を調整することにより上述した研磨ムラを最小限に抑えることができる。
【００２４】
ここで、コントローラ１６０は、被研磨面全面についての情報を解析する際に、研磨に用いられる研磨液Ｑが影響を与える波長（例えば、研磨液に含まれるシリカ又はセリアの粒径の周辺の波長）をカットして解析を行うことが好ましい。このようにすれば、研磨液Ｑの影響を抑えてより正確な膜厚の測定が可能となる。
【００２５】
また、上述した膜厚測定器を電解研磨を行うポリッシング装置に組み込むこともできる。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、上述した膜厚測定器を電解研磨に適用した本発明の第２の実施形態におけるポリッシング装置を示す概略図である。本実施形態におけるポリッシング装置は、並列に配置された複数の電極２００を備えており、この電極２００の上面はイオン交換体（図示せず）によって覆われている。電極２００は、それぞれ電源（図示せず）の陽極と陰極に交互に接続されており、これにより加工電極と給電電極とが構成されている。例えば、銅を加工する場合においては、陰極側に電解加工作用が生じるので、陰極に接続した電極が加工電極となり、陽極に接続した電極が給電電極となる。
【００２６】
研磨時には、半導体ウェハＷを電極２００のイオン交換体の表面に接触又は近接させ、半導体ウェハＷと電極２００とを相対運動させる。このとき、半導体ウェハＷと電極２００との間に純水又は超純水を供給する。そして、電源により加工電極と給電電極との間に所定の電圧を印加すると、イオン交換体により生成された水素イオン又は水酸化物イオンによって、加工電極においてウェハＷの表面の導電体膜の電解研磨が行われる。
【００２７】
ここで、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、電極２００に隣接して上述の第１の実施形態と同様の膜厚測定器２５０が配置されている。この膜厚測定器２５０の径方向の長さは、第１の実施形態と同様に、半導体ウェハＷの半径よりも長くなっている。したがって、膜厚測定器２５０上で半導体ウェハＷが１回転すると、膜厚測定器２５０により半導体ウェハＷの被研磨面全面をスキャンすることができる。この場合において、膜厚測定器２５０の上面に供給されるのは、光透過性の高い純水又は超純水であるため、高精度な測定を実現することができる。このように、本実施形態では、半導体ウェハＷの被研磨面全面をスキャンすることができるため、被研磨面上のすべての点における膜厚を得ることができ、局所的な研磨ムラを把握することができる。このような研磨ムラは、電極２００間に印加する電圧や純水又は超純水の量を調整することにより最小限に抑えることができる。
【００２８】
なお、膜厚測定器２５０と半導体ウェハＷの被研磨面との間に流れる流体が層流となるように構成するのが好ましい。流体を層流とすれば、膜厚測定器２５０と半導体ウェハＷの被研磨面との間の流体の乱れがなくなるため、より良好な状態で測定を行うことができる。
【００２９】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、上述の第２の実施形態におけるポリッシング装置の改良例を示す概略図である。この改良例では、上述した膜厚測定器２５０が電極２００と平行に電極２００間に配置されている。このような配置により装置全体をよりコンパクトにすることができる。
【００３０】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【００３１】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、研磨対象物の被研磨面上の特定の点（定点）における膜厚を測定することができるので、精度の高い膜厚測定が可能となる。例えば、研磨中に膜厚の測定を行い、所望の膜厚になったことを検出することにより、あるいは、膜厚が０（ゼロ）になったことを検出することにより、研磨プロセスの終点を正確に検出することができる。また、研磨後に膜厚の測定を行えば、研磨後の研磨対象物の品質検査を行うことができる。したがって、１つの膜厚測定器により研磨中の膜厚測定（Ｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング）と研磨後の品質検査の双方を行うことができ、省スペース化を図ることができる。更に、研磨対象物の被研磨面全面をスキャンすることができるため、被研磨面上のすべての点における膜厚を得ることができ、局所的な研磨ムラを把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるポリッシング装置の全体構成を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す膜厚測定器の構成を示す模式図である。
【図３】図１に示す膜厚測定器の作用を説明するための平面図である。
【図４】図４（ａ）は本発明の第２の実施形態におけるポリッシング装置の概略構成を示す平面図、図４（ｂ）は縦断面図である。
【図５】図５（ａ）は本発明の第２の実施形態におけるポリッシング装置の改良例を示す平面図、図５（ｂ）は縦断面図である。
【符号の説明】
１０　　研磨布
２０　　研磨テーブル
２１　　モータ
２２　　研磨液供給ノズル
３０　　トップリング
３２　　トップリングシャフト
３４　　弾性マット
３６　　ガイドリング
１５０，２５０　　膜厚測定器
１５２　　透光窓部材
１５４　　光源
１５５　　分光器
１５６　　ＣＣＤアレイ
１５８　　ケーブル
１５９　　ロータリコネクタ
１６０　　コントローラ（制御部）
１６２　　表示装置（ディスプレイ）
２００　　電極
Ｎ　　ノッチ
Ｑ　　研磨液
Ｗ　　半導体ウェハ
【図１】
2004119850.tif 000003
【図２】
2004119850.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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