(57)【要約】【課題】  研磨中のウエハの表面に残る金属層の状態がリアルタイムで検出できるＣＭＰ装置及び方法の実現。【解決手段】  表面に研磨パッド5を有し、回転するプラテン1と、表面に金属層を有するウエハ7を研磨パッドに押し付けるように保持しながら回転するウエハ保持機構8とを備え、ウエハ7を研磨するＣＭＰ装置において、プラテン1と研磨パッド5は透明であり、プラテンと研磨パッドとを通して研磨中のウエハ7の表面を照明する照明手段12と、プラテンと研磨パッドとを通して研磨中のウエハ7の表面を撮影する撮像装置11とを備える。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に研磨パッドを有し、回転するプラテンと、
表面に金属層を有するウエハを前記研磨パッドに押し付けるように保持しながら回転するウエハ保持機構とを備え、前記ウエハを研磨する化学機械研磨装置において、
前記プラテンと前記研磨パッドは透明であり、
前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハの表面を照明する照明手段と、
前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハの表面を撮影する撮像装置とを備えることを特徴とする化学機械研磨装置。
【請求項２】
前記撮像装置は、前記照明手段からの照明光の、前記プラテンの表面、前記研磨パッドの表面及び前記ウエハの表面での正反射を捕らえないように配置されている請求項１に記載の化学機械研磨装置。
【請求項３】
前記撮像装置の出力する画像を表示する表示モニターを更に備える請求項１又は２に記載の化学機械研磨装置。
【請求項４】
前記撮像装置の出力する画像を処理する画像処理装置を更に備え、
該画像処理装置は、前記ウエハの表面の金属層部分を識別し、更に前記ウエハのオリエンテーションフラット又はノッチの位置を検出して、各金属層部分の前記ウエハ上の位置を算出する請求項１又は２に記載の化学機械研磨装置。
【請求項５】
当該化学機械研磨装置を制御する制御装置を備え、
前記画像処理装置は、金属層部分がすべて除去されたか又は各金属層部分の大きさがすべて所定の大きさ以下であるか判定して研磨終了信号を発生し、
前記制御装置は、前記研磨終了信号に応答して研磨を停止する請求項４に記載の化学機械研磨装置。
【請求項６】
前記画像処理装置は、前記ウエハの表面に金属層の下層が出現したことを識別し、前記下層が出現してから所定時間内に前記研磨終了信号を発生させる状態にならない時には、研磨異常信号を発生させ、
前記制御装置は、前記研磨異常信号に応答してアラームを出力する請求項５に記載の化学機械研磨装置。
【請求項７】
回転するプラテンの表面に設けられた研磨パッドに、ウエハ保持機構に保持された表面に金属層を有するウエハを回転しながら前記研磨パッドに押し付けて研磨するウエハの化学機械研磨方法において、
前記プラテンと前記研磨パッドは透明であり、
前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハの表面を照明し、
前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハの表面を撮影することを特徴とする化学機械研磨方法。
【請求項８】
前記ウエハの表面の撮影は、前記照明手段からの照明光の、前記プラテンの表面、前記研磨パッドの表面及び前記ウエハの表面での正反射を捕らえないように行う請求項７に記載の化学機械研磨方法。
【請求項９】
撮影した前記ウエハの表面の画像表示する請求項７又は８に記載の化学機械研磨方法。
【請求項１０】
前記ウエハの表面の金属層部分を識別し、更に前記ウエハのオリエンテーションフラット又はノッチの位置を検出して、各金属層部分の前記ウエハ上の位置を算出する請求項７又は８に記載の化学機械研磨方法。
【請求項１１】
前記ウエハの表面の金属層部分がすべて除去されたか又は各金属層部分の大きさがすべて所定の大きさ以下であるか判定して研磨終了信号を発生し、
前記研磨終了信号に応答して研磨を停止する請求項１０に記載の化学機械研磨方法。
【請求項１２】
前記ウエハの表面に金属層の下層が出現したことを識別し、前記下層が出現してから所定時間内に前記研磨終了信号を発生させる状態にならない時には、研磨異常信号を発生させ、
前記研磨異常信号に応答してアラームを出力する請求項１１に記載の化学機械研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造プロセスで、ウエハ上の先に形成された層の表面を化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing: CMP)する化学機械研磨（ＣＭＰ）装置及び化学機械研磨（ＣＭＰ）方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体製造プロセスにおいては、ＣＭＰ装置を使用してプロセスの途中のウエハの表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）することが行われており、特許文献１及び２などに説明されている。まず、従来のＣＭＰ装置の概略構成を簡単に説明する。
【０００３】
ＣＭＰ装置では、研磨パッドを貼り付けたプラテンを回転させ、研磨パッドにスラリィを供給しながら、ウエハ保持機構に保持されたウエハを回転しながら研磨パッドに押し付けて研磨を行う。ＣＭＰでは、ウエハの表面に形成された絶縁膜や金属膜の層を研磨する。そのため、表面に残された層の厚さを正確に検出して研磨を停止する必要がある。これを終点検出と呼んでいる。一般に、プラテンや研磨パッドが不透明であり、研磨中のウエハの表面状態を検出するのは難しい。そのため、終点検出のための各種の方法が提案されている。
【０００４】
図１は、特許文献１に記載された終点検出の方法を示す図である。図１に示すように、研磨パッド１０５を貼り付けたプラテン１０１を回転し、研磨パッド１０５上にスラリィを供給しながら、その上にウエハ保持機構１０８に保持したウエハ１０７を回転させながら押し付ける。プラテン１０１及び研磨パッド１０５は不透明であるので、研磨中のウエハを観察して、その表面の層の厚さを検出することはできない。そこで、プラテン１０１には、溝１０２と、貫通孔１０３と、スラリィの漏れを防止する透明部材１０４とを設け、研磨パッド１０５には窓１０６を設ける。更に、図の位置にプローブ１０９と光ケーブル１１０が設ける。プローブ１０９からは光ケーブル１１０から送られた光ビームが射出され、研磨中のウエハ１０７の表面に照射される。プラテン１０１が回転すると、１回転毎に図示のような状態になるので、その時に光ビームのウエハの表面での反射光をプローブ１０９で集めて、光ケーブル１１０を介して解析装置に送り、分光反射率を算出して残存する層の膜厚を検出する。
【０００５】
特許文献２も特許文献１に記載された終点検出方法に類似の方法を開示している。いずれにしろ、研磨中のウエハ表面の状態を光学的に検出する方法は、上記のように、プラテン及び研磨パッドが不透明であるので、プラテン及び研磨パッドに透明な穴を設けて、その穴を通して、周期的にウエハの表面を観察及び検査する。
【０００６】
ＣＭＰ装置で研磨するウエハ上の層には各種あるが、図１に示した終点検出方法は、主として誘電体層を研磨する場合に使用される。
【０００７】
図２は、ウエハの表面にスルーホールを形成し、スルーホールを埋めるようにウエハの全面に金属層を蒸着した場合の表面状態の例を示す図である。図２においては、下側が表面である。図示のように、ウエハの表面に異なる部分１１１、１１２が形成され、その上に誘電体層１１３が形成される。誘電体層１１３の部分１１２の上には、スルーホール１１４が形成され、その内部に金属層を形成する。そのため、図示のようにウエハ全面に金属層１１５を蒸着して、金属層１１５を図の破線の部分まで研磨することにより、スルーホール１１４に部分にのみ金属層が形成され、他の部分は誘電体層１１３が露出している状態になる。
【０００８】
金属層を研磨する時の終点検出は、研磨が進行して表面に絶縁層が現れた時に摩擦が変化して、プラテン及びウエハ保持機構の回転負荷が変化するので、それを検出して終点と判定している。なお、金属層を研磨する時の終点検出を、特許文献１に記載された図１の構成を使用して行うことも可能であり、その場合には、金属層と絶縁体層は反射率に差があるので、表面に絶縁体層が現れた時の反射率の変化を検出する。
【０００９】
なお、ＣＭＰではないが、特許文献３は、貼り合せウエハによるＳＯＩ半導体基板を所望の厚さまで研磨する方法で、透明なプラテン及び透明な研磨パッドを使用して、レーザ光を照射してその透過を検出することにより、所望の厚さになったことを検出する方法を記載している。
【００１０】
【特許文献１】特開平７−５２０３２号公報
【特許文献２】特開平７−２３５５２０号公報
【特許文献３】特開平５−３０９５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ＣＭＰ装置でウエハを研磨する場合、ウエハ全面が同じように研磨されるわけではなく、各種の要因により部分的に研磨速度が異なる。例えば、ウエハは研磨パッドに押し付けられ、押し付ける圧力により研磨速度が異なるが、ウエハ全面が同一の圧力で押し付けられるわけではなく部分的な圧力の差が避けられない。例えば、一般的にウエハの周辺部は中心部より押し付ける圧力が小さくなり、周辺部の方が中心部より研磨速度が小さい。このため、ウエハ上の金属層を研磨する場合、中心部の金属層が研磨されてなくなっても、周辺部には金属層が残ることになる。また、ＣＭＰプロセスは熱により研磨速度が異なるが、研磨中のウエハの熱分布は一様でなくむらがあるため、部分的に研磨速度が異なる。
【００１２】
上記のＣＭＰ装置の回転負荷を検出する方法は、回転負荷は部分的な研磨具合の差を検出することはできない。
【００１３】
また、図１に示した特許文献１に記載された終点研磨方法を使用して反射率の変化を検出することにより金属層の有無を検出する場合、検出箇所は１箇所であり、ウエハ全面の研磨具合を検出することはできない。検出箇所を複数箇所にすることも考えられるが、検出箇所の個数が少ない場合やはりウエハ全面の研磨具合を検出することはできず、検出箇所の個数を増加するとコストが増加するという問題がある。また、ウエハは回転するので、検出箇所をウエハ中心から異なる半径位置に配置してウエハ全面の研磨具合を検出することも考えられるが、この場合の検出周期はウエハが１回転する周期である。そのため、ウエハが１回転する間の変化は検出できず、十分な精度で終点検出及び終点制御を行うことができないという問題がある。
【００１４】
更に、ウエハは、ウエハ保持機構に吸着（チャック）された状態で研磨される場合も、ウエハ保持機構にチャックされずに研磨される場合もある。チャックされて研磨される場合には、ウエハはウエハ保持機構と一緒に回転する。チャックされずに研磨される場合には、ウエハはウエハ保持機構と一緒ではないが、やはり回転する。ウエハには結晶の方向を示すオリエンテーションフラット（ＯＦ）又はノッチが設けられているので、ＯＦ又はノッチを検出することにより、ウエハの回転位置を検出できるが、特許文献１のような穴を設けて検出する場合には、この穴からウエハが観察できるのはプラテンが１回転する間に１回であり、その時にＯＦ又はノッチが検出できるとは限らず、常時ウエハの回転位置を検出することはできない。そのため、ウエハの中心以外に穴を設けると、穴から観察したウエハの表面が、ウエハのどの位置であるか判定することができない。
【００１５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、化学機械研磨プロセスで表面に金属層を有するウエハを研磨する場合に、ウエハ全面の研磨状態をリアルタイムで検出できる化学機械研磨装置及び方法の実現を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を実現するため、本発明の化学機械研磨装置及び方法は、透明なプラテン及び研磨パッドを使用し、プラテンと研磨パッドとを通して研磨中のウエハの表面を照明し、プラテンと研磨パッドとを通して研磨中のウエハの表面を撮影することを特徴とする。
【００１７】
すなわち、本発明の化学機械研磨装置は、表面に研磨パッドを有し、回転するプラテンと、表面に金属層を有するウエハを前記研磨パッドに押し付けるように保持しながら回転するウエハ保持機構とを備え、前記ウエハを研磨する化学機械研磨装置において、前記プラテンと前記研磨パッドは透明であり、前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハの表面を照明する照明手段と、前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハの表面を撮影する撮像装置とを備えることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の化学機械研磨方法は、回転するプラテンの表面に設けられた研磨パッドに、ウエハ保持機構に保持された表面に金属層を有するウエハを回転しながら前記研磨パッドに押し付けて研磨するウエハの化学機械研磨方法において、前記プラテンと前記研磨パッドは透明であり、前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハの表面を照明し、前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハの表面を撮影することを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、研磨中のウエハ全面をリアルタイムで観察できるので、ウエハ表面の金属層の研磨状況を的確に判定できる。なお、金属層とその下の層（一般的には誘電体層）は反射が大きく異なるので、たとえウエハ表面と研磨パッドの間にスラリィが存在しても、金属層の存在は十分に検出できる。特に、撮像装置が照明光のプラテンの表面、研磨パッドの表面及びウエハの表面での正反射を捕らえないように配置すれば、金属層とその下の層の差がより明瞭に観察できる。
【００２０】
撮像装置の出力する画像は、例えば表示モニターに表示して、オペレータが観察できるようにする。
【００２１】
また、撮像装置の出力する画像を画像処理装置で処理して、光強度の差からウエハの表面の金属層部分を識別し、各種の制御を自動的に行うことも可能である。この場合、ウエハは研磨中に回転するので、ウエハのオリエンテーションフラット又はノッチの位置を検出してウエハの回転方向を検出し、回転に伴う画像の変化を考慮する必要がある。
【００２２】
自動的に行う制御としては、例えば、金属層部分がすべて除去されたか又は各金属層部分金の大きさがすべて所定の大きさ以下であるか判定して研磨終了信号を発生し、それに応じて研磨を停止する制御がある。例えば、図２に示すような金属層を研磨する場合、スルーホール１１４以外の部分の金属層がすべてなくなった時に研磨を停止すればよい。スルーホール１１４は非常に小さいので、通常の撮像装置では検出できないので、金属層部分が検出できない状態になった時又はそれから所定時間経過後に研磨を停止する。なお、電極パッドなど比較的大きな金属層を残す場合もあるので、その場合には、その部分より若干大きな閾値を設定し、各金属層部分の大きさがすべてこの閾値より小さくなった時に研磨を停止する。
【００２３】
また、別の判定例としては、ウエハ表面のある部分に最初に金属層の下層が出現してから、全面で金属層がなくなるまでの時間が長いと、その間に最初に金属層の下層が出現した部分は研磨され過ぎることになるので、その場合には研磨異常信号を発生させる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、研磨中のウエハ全面をリアルタイムで観察できるので、ウエハ表面の金属層の研磨状況を的確に判定できる。これにより、金属層が残ったために再度研磨するという問題を回避できるので、スループットが向上する。また、ウエハ全面で金属層が除去された直後に研磨を停止するため、過剰研磨されることがなくなり、歩留まりが向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図３は、本発明の第１実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。第１実施例のＣＭＰ装置では、全面が透明なポリウレタン製研磨パッド５を貼り付けた全体が透明な石英ガラス製プラテン１を回転し、スラリィ供給器２１から研磨パッド５上にスラリィ２２を供給しながら、その上にウエハ保持機構８に保持したウエハ７を回転させながら押し付ける。なお、プラテン１は、すべて透明である必要はなく、例えば、複数の大きな穴を有する金属製の構造物に円板状の石英ガラスを載置した構造でもよい。この場合、撮影範囲に金属の梁の部分が入るとその部分は撮影できないが、特に問題は生じない。また、アクリル板などで作ることも可能である。
【００２６】
プラテン１の下側には、ウエハ７の表面を照明する照明装置１２が設けられている。ここでは、照明装置１２からの照明光は、プラテン１の下面、研磨パッド５及びウエハの表面に、斜めに入射する。更に、プラテン１の下側には、ビデオカメラなどの撮像装置１１が設けられ、研磨中のウエハ７の表面の画像を捕らえる。撮像装置１１の光軸は、プラテン１の下面、研磨パッド５及びウエハの表面に垂直であり、ウエハ７の全面の画像を撮影できる。ウエハ保持機構８は、ウエハ７を研磨パッド上に搬送する時には真空吸着によりウエハ７をチャックして搬送するが、研磨中は真空吸着を解除して、ウエハ７の直径より若干大きな内径を有するガイドリングにより、研磨中にウエハ７が保持機構８より飛び出るのを防止している。ウエハ７は、ウエハ７が保持機構８の回転に従って回転するが、同じ回転速度ではなく、ある程度遅い回転速度で回転する。なお、研磨中もウエハ保持機構８がウエハ７を真空吸着によりチャックした状態で、回転させるようにしてもよい。研磨中、保持機構８はウエハ７を研磨パッドに所定の圧力で押し付ける。
【００２７】
なお、スラリィにより研磨パッドの目詰まりが生じるので、図示していないドレッサにより、研磨パッドの表面は定期的にドレッシングされる。
【００２８】
撮像装置１１からの画像信号は、画像モニター１３上に表示される。オペレータは、画像モニター１３を見ながらウエハ７の表面の金属層の研磨状況を判定して、ウエハ全面で金属層が除去されると（スルーホールの部分の金属層は残る。）、研磨を停止する。ウエハ表面の金属層とその下の層（一般的には誘電体層）は反射が大きく異なる。金属層を斜めから照明すると、照明光はほとんど正反射方向に反射されるので撮像装置１１には入射せず、暗い画像になる。これに対して、金属層の下の透明な層を斜めから照明すると、照明は下の層内に入って乱反射するので、一部は撮像装置１１に入射するので、金属層よりは明るい画像になる。このようにして、金属層とその下の層を識別できる。
【００２９】
なお、撮像装置が照明光の正反射像を捕らえる場合、金属層は明るい画像になり、その下の層は金属層より暗い画像になるため、同様に識別可能である。しかし、ウエハ全面で照明光の正反射を捕らえるためには、テレセントリック光学系のような大きな投影レンズを有する光学系を使用する必要があり、ウエハの直径は３００ｍｍにもなるので、コスト的な問題を生じる。このため、撮像装置が照明光の正反射像を捕らえない本実施例の光学系が望ましい。
【００３０】
また、照明装置１２の照明光の照射方向は、変化できるようになっており、ウエハの種類、スラリィの種類、研磨パッドの種類などに応じて適宜設定できるようにしている。
【００３１】
ウエハ７は、ウエハ保持手段８にチャックされていないが、ウエハ保持手段８の回転に伴って回転する。但し、ウエハ７とウエハ保持手段８の回転速度は同じではない。ウエハ７の画像も、ウエハの回転に伴って変化するため、ウエハ７の全面の研磨状況を正確に検出するには、ウエハの回転方向を検出する必要がある。
【００３２】
ウエハ７には、ウエハの結晶方向を示すために、図４の（Ａ）に示すように、オリエンテーションフラット（ＯＦ）２１、又は図４の（Ｂ）に示すように、ノッチ２２が設けられている。ＯＦ２１及びノッチ２２の位置を参照すれば、ウエハ７の回転方向を識別できる。
【００３３】
図５は、第１実施例における研磨中のウエハ７の画像の変化例を示す図である。図５の（Ａ）は研磨開始時の画像であり、ウエハ７の全面に金属層が形成されているので、ウエハ７の全面が暗い画像である。図５の（Ｂ）は、研磨が進んだ状態を示し、ウエハ７の中心付近及び周辺の一部で明るい部分が現れているが、それ以外の部分は暗い画像である。これは、中心付近及び周辺の一部の明るい部分は金属層が除去されて下の層が現れているが、それ以外の部分は研磨が遅れており、金属層が残っていることを示している。図５の（Ｃ）は、研磨が更に進んだ状態を示し、図５の（Ｂ）に比べて暗い部分、すなわち金属層が残っている部分が減少していることを示している。図５の（Ｄ）は、研磨が更に進んで金属層がすべて除去された状態を示している。この状態になった時に研磨を停止する。
【００３４】
なお、図２のように形成された金属層を研磨する場合、スルーホール１１４の部分には金属層が残るが、スルーホール１１４は非常に微細であり、撮像装置１１の解像度では検出できないので、図５の（Ｄ）でもウエハ７の全面は一様な画像である。また、比較的大きな電極パッドなどが存在する場合には、図５の（Ｄ）の画像で識別可能な暗い部分が残る場合もあるが、オペレータはそれらを識別可能であるので、特に問題を生じない。
【００３５】
ウエハ７を研磨パッドに押し当てる圧力を部分的に調整できるのであれば、オペレータは、ウエハ７の全面が同じように研磨されるように部分的に圧力を調整する。
【００３６】
図６は、本発明の第２実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。第２実施例のＣＭＰ装置は、撮像装置１１の出力する画像信号を画像処理装置１４で処理して、その処理結果を制御装置１５に出力する点が第１実施例と異なり、他の部分は同じである。なお、第２実施例において、画像モニター１３を設けて、観察可能にすることも可能である。
【００３７】
画像処理装置１４は、ウエハ７の画像で、金属層部分とその下の層の部分の画像強度（光強度）の中間に設定された閾値で画像を分類して、金属層部分とその下の層の部分を識別すると共に、ＯＦ２１及びノッチ２２の位置を検出してウエハ７の回転位置を検出する。そして、各画像をウエハ７の回転位置に応じて調整して、ウエハ７における金属層部分とその下の層の部分の変化をリアルタイムで監視する。そして、画像処理装置１４は、図５の（Ａ）のウエハ７の全面が金属層の状態から下の層が現れた時に所定時間を計時するタイマーを起動する。この所定時間は、金属層がなくなった状態から研磨することが許容される量を研磨するのに要する時間である。そして、タイマーが所定時間を計時する前に図５の（Ｄ）のような全面が下の層、すなわち金属層が全面で除去された状態になると、研磨終了信号を出力する。また、図５の（Ｄ）のような状態を検出する前にタイマーが所定時間を計時すると、研磨異常信号を出力する。研磨異常信号が出力されるのは、最初に下の層が現れた部分が許容される研磨量だけ研磨されても他の部分に金属層が残った状態を示す。
【００３８】
制御装置１５は、研磨終了信号に応じてＣＭＰ装置を停止する。また、制御装置１５は研磨異常信号に応じてアラームを発生してオペレータに異常の発生を知らせる。
【００３９】
オペレータはアラームが発生されると、次の研磨はウエハを研磨パッドに押し当てる圧力を調整して研磨速度を低下させたり、部分的な圧力を調整するなどの対策を行う。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明によれば、研磨中のウエハの表面に残る金属層の状態がリアルタイムで検出できるので、最良のタイミングで研磨を停止したり、全面が一様に研磨されるように各種の条件を容易に設定できるようになる。これにより、ＣＭＰ装置及び方法のスループットや歩留まりが向上でき、ひいては半導体製造プロセスにおけるコスト低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ＣＭＰ装置の従来例の概略構成を示す図である。
【図２】表面に金属層を有するウエハの表面の構成例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。
【図４】ウエハのオリエンテーションフラット及びノッチを示す図である。
【図５】研磨によるウエハ表面画像の変化例を示す図である。
【図６】本発明の第２実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…プラテン
５…研磨パッド
７…ウエハ
８…ウエハ保持機構
１１…撮像装置
１２…画像モニター
１３…画像処理装置
１４…制御装置
【図１】
2005259770.tif 000003
【図２】
2005259770.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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