(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨面を有する研磨パッドが貼付される研磨テーブルと、
前記研磨テーブルを駆動するモータと、
被研磨物を有する基板を保持し、前記基板を前記研磨面へ押圧する保持機構と、
前記研磨面の目立てを行うドレッサーと、
前記被研磨物の研磨量を監視するモニタリング装置とを備え、
前記被研磨物は、多層配線構造の１つの階層に属する膜であり、
前記モニタリング装置は、前記被研磨物を研磨しているときの前記モータのトルク電流の積算値と、前記ドレッサーの累積使用時間と、前記膜が属する階層の番号を変数として含むモデル式を用いて前記被研磨物の研磨量を算出することを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記階層の番号は、互いに似た構造を持つ階層をグループ化した階層の番号であることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】
前記モデル式は、研磨された複数の基板から取得された前記被研磨物の研磨量、前記トルク電流の積算値、前記ドレッサーの累積使用時間、および前記階層の番号を含むデータから重回帰分析により求められた重回帰式であることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項４】
研磨面を有する研磨パッドと、
前記研磨パッドが貼付される研磨テーブルと、
前記研磨テーブルを駆動するモータと、
被研磨物を有する基板を保持し、前記基板を前記研磨面へ押圧する保持機構と、
前記研磨面の目立てを行うドレッサーとを備えた研磨装置を用いて前記被研磨物を研磨する方法であって、
前記被研磨物は、多層配線構造の１つの階層に属する膜であり、
前記モータのトルク電流の積算値と、前記ドレッサーの累積使用時間と、前記膜が属する階層の番号を変数として含む研磨量のモデル式を作成し、
前記被研磨物を前記研磨面に摺接させて該被研磨物を研磨し、
前記モデル式に、前記ドレッサーの累積使用時間と、前記被研磨物を研磨しているときの前記トルク電流の積算値とを代入して前記被研磨物の研磨量を算出することを特徴とする研磨方法。
【請求項５】
前記被研磨物の研磨中に前記モデル式によって算出される研磨量が所定の目標値に達したときに前記被研磨物の研磨を停止することを特徴とする請求項４に記載の研磨方法。
【請求項６】
前記階層の番号は、互いに似た構造を持つ階層をグループ化した階層の番号であることを特徴とする請求項４に記載の研磨方法。
【請求項７】
前記モデル式は、研磨された複数の基板から取得された前記被研磨物の研磨量、前記トルク電流の積算値、前記ドレッサーの累積使用時間、および前記階層の番号を含むデータから重回帰分析により求められた重回帰式であることを特徴とする請求項４に記載の研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被研磨物の研磨量をモデル式を用いて推定する研磨装置および研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多層配線構造が高密度化するに従い、誘電率の低い層間絶縁膜が必要とされる。これは、積層された配線金属間の距離が小さくなると、配線間容量が増大し、これが配線を伝わる信号を遅延させてしまうからである。そこで、最近では、層間絶縁膜として誘電率の低いｌｏｗ−ｋ材が用いられる傾向にある。このｌｏｗ−ｋ材は、誘電率が低いという利点を有する一方で、機械的強度が低くて剥離しやすいという欠点がある。そこで、ｌｏｗ−ｋ材の剥離を防ぐために、ｌｏｗ−ｋ材の上にハードマスク膜が形成されることがある。
【０００３】
図１は、多層配線構造の一部を示す模式図である。図１に示すように、ｌｏｗ−ｋ材からなる層間絶縁膜（以下、ｌｏｗ−ｋ膜という）の上にはハードマスク膜が形成され、その上に、バリア膜、配線金属としてのＣｕ膜が形成される。多層配線構造は、このように積層された複数の膜からなる積層構造が複数階層重なって構成されたものである。
【０００４】
図１に示す積層構造の上に新たな階層の積層構造を形成する際には、研磨装置によって不要な膜が除去される。ハードマスク膜はｌｏｗ−ｋ膜の保護膜としての機能を有するため、ハードマスク膜がある程度の厚さで残るように研磨を停止させる必要がある。具体的には、図１において、研磨終点は、バリア膜が完全に除去された後であって、ハードマスク膜が除去される前である。したがって、研磨中のハードマスク膜の厚さをモニタリングして研磨終点を正確に検出することが必要とされる。
【０００５】
研磨中の膜厚をモニタリングする技術としては、光学式センサを用いる方法や、渦電流センサを用いる方法などが挙げられる。しかしながら、ハードマスク膜は一般に５０ｎｍ〜６０ｎｍと薄く、また酸化膜であるため、これらの終点検知技術を用いてハードマスク膜の膜厚変化を正確にモニタリングすることは難しかった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１５４９２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、被研磨物の厚さの変化を研磨中に高い精度で監視しながら該被研磨物を研磨することができる研磨装置および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】
【０００８】
本発明者らは、研磨パッドの研磨面をドレッシング（目立て）するドレッサー（コンディショナー）の累積使用時間が研磨レートに及ぼす影響を調べ、その結果、ドレッサーの累積使用時間と研磨レートとの間に相関関係があることを見出した。図２は、縦軸が研磨レートを表し、横軸がドレッサーの累積使用時間を表す座標系に、研磨された複数の基板から取得されたデータをプロットした図である。図２から、ドレッサーの累積使用時間に従って研磨レートが下がっていることが分かる。
【０００９】
一般に、ドレッサーの寿命は、研磨パッドの寿命よりも長いため、ドレッサーを新しいものに交換する前には、複数の研磨パッドが交換されるのが通常である。図２では、６枚の研磨パッドが交換される間に取得されたデータが示されている。しかしながら、図２から分かるように、研磨パッドの交換にかかわらず、ドレッサーの累積使用時間に従って研磨レートが下がっている。これは、ドレッサーの使用時間の累積とともに、ドレッサーのドレッシング能力が次第に低下していくためと推測される。このようなドレッサーの累積使用時間と研磨レートとの関係から、研磨対象となる膜の研磨量（すなわち、減少した膜の厚さ）はドレッサーの累積使用時間に影響を受けることが分かる。
【００１０】
したがって、本発明の一態様は、研磨面を有する研磨パッドが貼付される研磨テーブルと、前記研磨テーブルを駆動するモータと、被研磨物を有する基板を保持し、前記基板を前記研磨面へ押圧する保持機構と、前記研磨面の目立てを行うドレッサーと、前記被研磨物の研磨量を監視するモニタリング装置とを備え、前記被研磨物は、多層配線構造の１つの階層に属する膜であり、前記モニタリング装置は、前記被研磨物を研磨しているときの前記モータのトルク電流の積算値と、前記ドレッサーの累積使用時間と、前記膜が属する階層の番号を変数として含むモデル式を用いて前記被研磨物の研磨量を算出することを特徴とする研磨装置である。
なお、本明細書において研磨量とは、被研磨物の厚さの減少幅をいう。
【００１１】
本発明の好ましい態様は、前記階層の番号は、互いに似た構造を持つ階層をグループ化した階層の番号であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記モデル式は、研磨された複数の基板から取得された前記被研磨物の研磨量、前記トルク電流の積算値、前記ドレッサーの累積使用時間、および前記階層の番号を含むデータから重回帰分析により求められた重回帰式であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の他の態様は、研磨面を有する研磨パッドと、前記研磨パッドが貼付される研磨テーブルと、前記研磨テーブルを駆動するモータと、被研磨物を有する基板を保持し、前記基板を前記研磨面へ押圧する保持機構と、前記研磨面の目立てを行うドレッサーとを備えた研磨装置を用いて前記被研磨物を研磨する方法であって、前記被研磨物は、多層配線構造の１つの階層に属する膜であり、前記モータのトルク電流の積算値と、前記ドレッサーの累積使用時間と、前記膜が属する階層の番号を変数として含む研磨量のモデル式を作成し、前記被研磨物を前記研磨面に摺接させて該被研磨物を研磨し、前記モデル式に、前記ドレッサーの累積使用時間と、前記被研磨物を研磨しているときの前記トルク電流の積算値とを代入して前記被研磨物の研磨量を算出することを特徴とする研磨方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、モデル式を用いて研磨量を正確に予測できるので、所望のタイミングで研磨を停止させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図３は本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す模式図である。図３に示すように、研磨装置は、研磨面１０ａを有する研磨パッド１０と、研磨パッド１０が貼付される研磨テーブル１２と、研磨テーブル１２を駆動するモータ３０と、基板（例えば、半導体ウェハ）Ｗを保持し、該基板Ｗを研磨面１０ａへ押圧するトップリング（保持機構）１４と、研磨面１０ａの目立てを行うドレッサー２０と、基板Ｗ上の被研磨物の研磨量を監視するモニタリング装置５３と、研磨装置の動作を制御する制御装置５４とを備えている。
【００１５】
研磨テーブル１２は、回転軸を介してモータ３０に連結されており、研磨テーブル１２はその軸心周りに矢印で示すように回転可能になっている。また、研磨テーブル１２の上方には図示しない研磨液供給ノズルが設置されており、この研磨液供給ノズルから研磨パッド１０の研磨面１０ａ上に研磨液が供給されるようになっている。
【００１６】
トップリング１４は、トップリングシャフト１８に連結されており、このトップリングシャフト１８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１４は昇降可能かつトップリングシャフト１８の周りに回転可能となっている。このトップリング１４の下面には、基板Ｗが真空吸着等によって保持される。
【００１７】
上述の構成において、トップリング１４の下面に保持された基板Ｗはトップリング１４によって回転させられつつ、回転している研磨テーブル１２上の研磨パッド１０の研磨面１０ａに押圧される。このとき、研磨液供給ノズルから研磨面１０ａに研磨液が供給され、基板Ｗと研磨面１０ａとの間に研磨液が存在した状態で基板Ｗ上の被研磨物が研磨される。本実施形態においては、基板Ｗと研磨パッド１０とを相対移動させる機構は、研磨テーブル１２およびトップリング１４によって構成される。
【００１８】
被研磨物は、基板Ｗの表面に形成された多層配線構造を構成する配線金属膜（例えばＣｕ膜）、バリア膜、およびハードマスク膜である（図１参照）。研磨テーブル１２には、被研磨物の厚さに応じて変化する信号を出力する渦電流センサ５０が埋設されている。この渦電流センサ５０の出力信号はモニタリング装置５３に送信される。
【００１９】
モータ３０のトルク電流の値は、モニタリング装置５３によって取得され、モニタリング装置５３はトルク電流の積算値を算出するようになっている。図４は研磨時間の経過とともに変化するトルク電流値のグラフを示す図である。一般に、被研磨物を研磨しているときのトルク電流の平均値は研磨レートに概ね比例する。したがって、トルク電流の積算値、すなわち図４の斜線部の面積を計算することにより、おおよその研磨量が求められる。ここで、図４における積算の始点は、バリア膜研磨の終了時点、即ちハードマスク膜の研磨開始時点であり、積算終点は、ハードマスク膜の研磨が終了した時点である。バリア膜研磨の終了時点（すなわちハードマスク膜の研磨開始時点）は図４に示されるように、トルク電流の変化によって検知可能である。さらに、バリア膜とハードマスク膜の物性は一般に異なっているため、渦電流センサ、光学式センサによってもバリア膜研磨の終了時点（すなわちハードマスク膜の研磨開始時点）を検知することができる。
【００２０】
なお、トルク電流に代えて、研磨パッド１０の温度の積算値からおおよその研磨量を求めてもよい。図５は研磨時間の経過とともに変化する研磨パッド１０の温度のグラフを示す図である。一般に、被研磨物を研磨しているときの研磨パッド１０の平均温度は研磨レートに概ね比例する。したがって、研磨パッド１０の温度の積算値、すなわち図５の斜線部の面積を計算することにより、おおよその研磨量が求められる。なお、研磨パッド１０の温度は、研磨パッド１０の上方に配置された温度センサ（図示せず）により計測することができる。
【００２１】
本実施形態では、導電膜である配線金属膜およびバリア膜は、渦電流センサ５０の出力信号に基づいてモニタリング装置によって膜厚の変化（すなわち研磨量）が監視されながら研磨される。一方、酸化膜であるハードマスク膜は、以下に説明するモデル式を用いて算出された予想研磨量がモニタリング装置によって監視されながら、研磨される。
【００２２】
モデル式は、ドレッサー２０の累積使用時間と、トルク電流の積算値と、研磨されるハードマスク膜が属する階層の番号を変数とした関係式であり、具体的には次の式で表される。
Ｙ＝ａ０＋ａ１・Ｘ１＋ａ２・Ｘ２＋ａ３・Ｘ３＋ａ４・Ｘ４
＋ａ５・Ｘ５＋ａ６・Ｘ６＋ａ７・Ｘ７・・・＋ａｎ−２・Ｘｎ−２
＋ａｎ−１・Ｘｎ−１＋ａｎ・Ｘｎ・・・（１）
ここで、上記モデル式は重回帰式であり、Ｙはハードマスク膜の予想研磨量を表す目的変数、ａ０〜ａｎは偏回帰係数、Ｘ１〜Ｘｎは説明変数である。
【００２３】
上記モデル式において、変数Ｘ１〜Ｘｎ−２はダミー変数であり、研磨されるハードマスク膜が属する階層番号（質的変数）を数量化したものである。すなわち、Ｘ１〜Ｘｎ−２は０または１をとる変数であり、０と１との組み合わせにより階層の番号が表される。例えば、研磨されるハードマスク膜が第１階層に属する場合は、Ｘ１は１，Ｘ２〜Ｘｎ−２は０である。同様に、研磨されるハードマスク膜が第２階層に属する場合は、Ｘ２は１，Ｘ１，Ｘ３〜Ｘｎ−２は０である。そして、研磨されるハードマスク膜が第ｎ−１階層に属する場合は、Ｘ１〜Ｘｎ−２はすべて０である。
【００２４】
このように、モデル式に導入されるダミー変数の総数は、多層配線構造を構成する階層の総数よりも１だけ小さい数である。なお、本実施形態において、階層の番号は、下層から上層に向かって、第１階層、第２階層、第３階層、・・・、第ｎ−１階層と割り振られている。上記モデル式において、変数Ｘｎ−１はドレッサー２０の累積使用時間を表す量的変数である。変数Ｘｎはトルク電流の積算値を表す量的変数である。偏回帰係数ａ０〜ａｎは、重回帰分析により予め求められた係数である。
【００２５】
多層配線構造を形成するとき、階層ごとに配線金属膜、バリア膜、ハードマスク膜などが積層され、これらが研磨されて平坦な表面が形成される。通常、多層配線構造を研磨する場合、研磨される膜が同一種の膜であっても、階層が異なれば研磨レートも若干異なる。例えば、６層からなる多層配線構造の場合、第１階層のハードマスク膜を研磨するときの研磨レートと、第６階層のハードマスク膜を研磨するときの研磨レートとは異なる。言い換えれば、研磨レートと階層との間には相関関係がある。したがって、研磨されるハードマスク膜が属する階層の番号をモデル式に反映させることにより、より正確な研磨量を予測することができる。
【００２６】
例えば、多層配線構造が６層からなる場合、上記モデル式（１）は次の式で表される。
Ｙ＝ａ０＋ａ１・Ｘ１＋ａ２・Ｘ２＋ａ３・Ｘ３＋ａ４・Ｘ４＋ａ５・Ｘ５
＋ａ６・Ｘ６＋ａ７・Ｘ７・・・（２）
ここで、変数Ｘ１〜Ｘ５は、研磨されるハードマスク膜が第何番目の階層に属するかを表すダミー変数である。変数Ｘ６はドレッサー２０の累積使用時間を表す量的変数である。変数Ｘ７はトルク電流の積算値を表す量的変数である。
【００２７】
この例において、研磨されるハードマスク膜が第１階層に属する場合、Ｘ１は１であり、Ｘ２〜Ｘ５は０である。研磨されるハードマスク膜が第２階層に属する場合、Ｘ２は１であり、Ｘ１，Ｘ３〜Ｘ５は０である。研磨されるハードマスク膜が第３階層に属する場合、Ｘ３は１であり、Ｘ１，Ｘ２，Ｘ４，Ｘ５は０である。研磨されるハードマスク膜が第４階層に属する場合、Ｘ４は１であり、Ｘ１〜Ｘ３，Ｘ５は０である。研磨されるハードマスク膜が第５階層に属する場合、Ｘ５は１であり、Ｘ１〜Ｘ４は０である。研磨されるハードマスク膜が第６階層に属する場合、Ｘ１〜Ｘ５は０である。このようにして、質的変数である階層の番号が数量化される。
【００２８】
偏回帰係数ａ０〜ａｎは、次のようにして重回帰分析により求められる。まず、複数の基板上に形成された多層配線構造を研磨することによって得られた上記目的変数および説明変数のデータが用意される。すなわち、ハードマスク膜の研磨量（実研磨量）、研磨されたハードマスク膜が属する階層の番号、ドレッサー２０の累積使用時間、およびハードマスク膜の研磨に要したトルク電流の積算値を含むデータが用意される。これらのデータはモニタリング装置５３に入力される。そして、これらのデータから重回帰分析の公式を用いて各偏回帰係数ａ０〜ａｎがモニタリング装置５３により演算される。これら偏回帰係数の演算は別の装置により算出された後に、モニタリング装置５３に入力されてもよい。なお、重回帰分析の公式は、「多変量解析法入門」（サイエンス社発刊、永田靖他著）などの書籍に掲載されている。
【００２９】
次に、上記モデル式を用いてハードマスク膜の研磨量を求める処理フローダイヤグラムについて説明する。まず、モニタリング装置５３には、研磨されるハードマスク膜が属する階層の番号が制御装置５４から入力される。これにより、変数Ｘ１〜Ｘｎ−２の値（０または１）が決定される。また、ドレッサー２０の累積使用時間が制御装置５４からモニタリング装置５３に入力され、これにより変数Ｘｎ−１の値が決定される。
【００３０】
ハードマスク膜の研磨中、モニタリング装置５３はトルク電流の積算値を時々刻々計算し、得られた値をモデル式の変数Ｘｎに代入する。したがって、モデル式の目的変数である予想研磨量は、変数Ｘｎの値が大きくなるにしたがって増えていく。そして、算出された予想研磨量が予め設定された目標値に達したときにモニタリング装置５３は研磨終点信号を制御装置５４に送信する。制御装置５４はこの研磨終点信号を受け、研磨動作を停止する。
【００３１】
研磨終了後、研磨装置に搭載されている図示しない膜厚測定器により実際の研磨量が測定される。この測定された実研磨量は、算出された予想研磨量、階層番号、ドレッサー２０の累積使用時間、トルク電流の積算値とともにモニタリング装置５３にデータとして保存される。モニタリング装置５３は、算出された予想研磨量と実研磨量との差を計算し、その差が第１のしきい値を超えた場合には、モニタリング装置５３は新たに取得された上記データから偏回帰係数ａ０〜ａｎを再計算し、モデル式を更新する。また、算出された予想研磨量と実研磨量との差が第２のしきい値（＞第１のしきい値）を超えた場合には、モニタリング装置５３は研磨異常が起きたと判断して警告を発する。
【００３２】
偏回帰係数を算出するために用意すべきデータの数は、偏回帰係数の総数が多いほど多くなければならない。言い換えれば、偏回帰係数の総数を少なくすることができれば、用意すべきデータを少なくすることができる。したがって、多層配線構造のうち互いに類似している構造を持つ階層をグループ化し、１つの階層として取り扱ってもよい。例えば、上述の６層からなる多層配線構造において、互いに似た構造を持つ第１階層と第２階層をグループ化して第１階層とし、互いに似た構造を持つ第３階層と第４階層をグループ化して第３階層とし、互いに似た構造を持つ第５階層と第６階層をグループ化して第５階層にまとめることができる。この場合は、上述の式（２）は次のようになる。
Ｙ＝ａ０＋ａ１・Ｘ１＋ａ２・Ｘ２＋ａ３・Ｘ３＋ａ４・Ｘ４・・・（３）
【００３３】
上記式において、ダミー変数はＸ１およびＸ２である。研磨されるハードマスク膜が第１または第２階層に属する場合、Ｘ１は１であり、Ｘ２は０である。研磨されるハードマスク膜が第３または第４階層に属する場合、Ｘ２は１であり、Ｘ１は０である。研磨されるハードマスク膜が第５または第６階層に属する場合、Ｘ１およびＸ２は０である。なお、変数Ｘ３はドレッサーの累積使用時間を表し、変数Ｘ４はトルク電流の積算値を表す。
【００３４】
図６は階層ごとのダミー変数を持つモデル式（２）を用いて算出した研磨量と実研磨量との誤差をプロットした図であり、図７はグループ化された階層ごとのダミー変数を持つモデル式（３）を用いて算出した研磨量と実研磨量との誤差をプロットした図である。図６および図７に示すように、いずれの場合も誤差は±１０ｎｍの範囲内にあり、ほぼ同じ結果が得られることが分かる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によれば、正確な研磨量を推定することができるので、所望の研磨量に達したときに研磨を停止することができる。
上述した実施形態は、当該技術分野に属する者が本発明を実施できることを目的として説明されたものであり、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】多層配線構造の一部を示す模式図である。
【図２】縦軸が研磨レートを表し、横軸がドレッサーの累積使用時間を表す座標系に、複数の基板から取得されたデータをプロットした図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す模式図である。
【図４】研磨時間の経過とともに変化するトルク電流値のグラフを示す図である。
【図５】研磨時間の経過とともに変化する研磨パッドの温度のグラフを示す図である。
【図６】階層ごとのダミー変数を持つモデル式を用いて算出した研磨量と実研磨量との誤差をプロットした図である。
【図７】グループ化された階層ごとのダミー変数を持つモデル式を用いて算出した研磨量と実研磨量との誤差をプロットした図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０      研磨パッド
１０ａ    研磨面
１２      研磨テーブル
１４      トップリング
１８      トップリングシャフト
２０      ドレッサー
３０      モータ
５０      渦電流センサ
５３      モニタリング装置
５４      制御装置
【図１】
0005112007.tif 000002
【図２】
0005112007.tif 000003
【図３】
0005112007.tif 000004
【図４】
0005112007.tif 000005
【図５】
0005112007.tif 000006
【図６】
0005112007.tif 000007
【図７】
0005112007.tif 000008