(57)【要約】【課題】  部分的に研磨レートが調整できる研磨（ＣＭＰ）装置において、部分的な研磨レートの設定をより容易に行えるようにすること。【解決手段】  研磨ヘッドで被加工物Wを研磨定盤上の研磨パッド2に押圧しながら相対運動させる研磨装置であって、研磨ヘッドは、ヘッド本体11と、上下方向移動自在に支持されたキャリア14と、キャリアを被加工物の表面に向けてキャリア押圧力で押圧するキャリア押圧機構12と、キャリアの下面から被加工物の表面に押圧力を与える流体を噴出する流体噴出機構と、キャリア押圧機構及び流体噴出機構を制御する制御部27とを備える研磨装置において、流体噴出機構は、複数の副流体噴出部15-18を備え、制御部は、一部の副流体噴出部からの噴出圧力を変化させた時に、他の副流体噴出部に対応した部分における押圧力が元の押圧力になるように、キャリア押圧力を調整する。【選択図】      図２
2007005463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨ヘッドで被加工物を研磨定盤上の研磨パッドに押圧しながら相対運動させる研磨装置であって、
前記研磨ヘッドは、
ヘッド本体と、
前記ヘッド本体に上下方向移動自在に支持されたキャリアと、
前記キャリアの上面を前記被加工物の表面に向けてキャリア押圧力で押圧するキャリア押圧機構と、
前記キャリアの下面から前記被加工物の表面に押圧力を与える流体を噴出する流体噴出機構と、
前記キャリア押圧機構及び前記流体噴出機構を制御する制御部とを備える研磨装置において、
前記流体噴出機構は、選択的に前記流体を噴出可能な複数の副流体噴出部を備え、前記被加工物の表面の押圧力を、前記副流体噴出部に対応して部分的に変化させることが可能であり、
前記制御部は、一部の前記副流体噴出部から噴出される前記流体の圧力が第１のキャリア押圧力から変化された時に、他の副流体噴出部に対応した部分における前記被加工物の表面の押圧力が前記第１のキャリア押圧力になるように、前記キャリア押圧機構の前記キャリア押圧力を第２のキャリア押圧力に調整することを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
研磨ヘッドで被加工物を研磨定盤上の研磨パッドに押圧しながら相対運動させる研磨方法であって、
前記研磨ヘッドは、
ヘッド本体と、
前記ヘッド本体に上下方向移動自在に支持されたキャリアと、
前記キャリアの上面を前記被加工物の表面に向けてキャリア押圧力で押圧するキャリア押圧機構と、
前記キャリアの下面から前記被加工物の表面に押圧力を与える流体を噴出する流体噴出機構とを備え、
前記被加工物全体の研磨レートは、前記キャリア押圧機構による前記被加工物の表面の前記キャリア押圧力で決定され、
前記流体噴出機構は、選択的に前記流体を噴出可能な複数の副流体噴出部を備え、前記被加工物の表面の押圧力を、前記副流体噴出部に対応して部分的に変化させることが可能であり、
一部の前記副流体噴出部から噴出される前記流体の圧力が第１のキャリア押圧力から変化された時に、他の副流体噴出部に対応した部分における前記被加工物の表面の押圧力が前記第１のキャリア押圧力になるように、前記キャリア押圧機構の前記キャリア押圧力を第２のキャリア押圧力に調整することを特徴とする研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造工程の途中工程で半導体ウエハなどの板状の被加工物を研磨する化学的機械研磨法(CMP: Chemical Mechanical Polishing)による研磨装置（ＣＭＰ装置）及び研磨方法に関し、特に流体層を介して被研磨物を研磨パッドに押圧し、押圧力を部分的に変化させることが可能なＣＭＰ装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体製造プロセスなどにおいては、ＣＭＰ装置を使用してプロセスの途中の被加工物（ウエハ）の表面をＣＭＰ研磨することが行われている。ＣＭＰ装置は、研磨パッドを貼り付けた研磨定盤（プラテン）を回転させ、研磨パッド上にスラリー（研磨粒子を含んだ研磨液）を供給しながら、研磨ヘッドのキャリア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、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。
【０００３】
ＣＭＰ装置は、大きな面積のウエハの表面を所定の厚さ研磨する必要がある。単位時間当たりの研磨量（研磨レート）は、ウエハを研磨パッドに押圧する圧力に応じて変化するので、ウエハ全面に一様な圧力を印加することが要求される。そこで、ウエハ全面に一様な圧力を印加するための各種の方法が提案されている。例えば、特許文献１は、キャリアの下面にウエハの裏面に向けて気体を噴出することによりキャリアとウエハの間に圧力流体層を形成し、圧力流体層を介してウエハを研磨パッドに押圧することを記載している。また、特許文献２は、特許文献１の構成において、キャリア下面に保護シートを設ける構成を記載している。これらの研磨ヘッドの構成についての説明は省略する。
【０００４】
特許文献１及び２に記載された研磨ヘッドを使用してウエハを一様な押圧力で研磨パッドに押圧したとしても、ウエハは回転して研磨されるため、ウエハの中心と周辺では研磨量に差を生じる。このような問題を解決するため、特許文献３は、キャリアに選択的に気体を噴出可能な複数の副気体噴出部を設け、気体を噴出する副気体噴出部を選択することにより、ウエハを研磨パッドに押圧する圧力を部分的に変化可能にしたＣＭＰ装置を記載している。具体的には、研磨量は半径に応じてバラツクため、キャリアの下面を半径に応じて複数の領域に分割し、各領域毎に気体を噴出する副気体噴出部を設ける。副気体噴出部の気体噴出圧は、各領域毎に設定可能である。研磨レートは、ウエハを研磨パッドに押圧する押圧力に応じて変化するため、各領域毎に研磨レートを変化させることができる。
【０００５】
図１は、特許文献１に記載された研磨ヘッドにおいて、キャリアの下面を半径に応じて複数の領域に分割し、各領域毎に気体を噴出する副気体噴出部を設けたＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。
【０００６】
図１の（Ａ）に示すように、ヘッド本体１１には、流体噴出手段１２が設けられ、キャリアレギュレータ２２から供給される気体がキャリア気体室１３に噴出され、キャリア２０を押圧する。キャリア２０の押圧力は、キャリアレギュレータ４４から供給される気体の圧力により規定される。後述するように、このキャリア２０の押圧力がウエハＷを押圧する基準押圧力となる。ここでは、この押圧力をキャリア押圧力と呼ぶことにする。
【０００７】
キャリア２０の下面は、図１の（Ｂ）に示すように、半径に応じてＰからＵの６つの領域に分けられている。図１の（Ａ）に示すように、Ｑ、Ｒ、Ｔ及びＵの領域には、それぞれ気体を噴出する流体噴出口を有する副流体噴出部１５から１８が設けられている。領域Ａ及びＤには、副流体噴出部は設けられていない。
【０００８】
高圧気体が、気体源２１から、キャリアレギュレータ２２、第１から第４分圧レギュレータ２３〜２６に供給される。キャリアレギュレータ２２は、高圧気体をキャリアの押圧力に対応する所定の圧力に調整して、流体噴出手段１２に供給する。また、第１から第４分圧レギュレータ２３〜２６は、高圧気体をそれぞれ設定された圧力に調整して、副流体噴出部１５から１８に供給する。なお、図示していないが、各気体経路にはバルブが設けられており、気体を供給するかしないかを制御できるようになっている。また、研磨ヘッドにウエハを吸着して研磨パッド上に搬送する場合には、副流体噴出部１５から１８は空気を吸い込む吸気機構に接続されるように切り換えられる。
【０００９】
キャリアレギュレータ２２、第１から第４分圧レギュレータ２３〜２６は、制御部２７からの制御信号Ｃ、Ｃ１〜Ｃ４により制御される。また、制御部２７は、オペレータによる制御指示又はホストコンピュータからの制御信号を受けるための入力手段２８と、オペレータへの指示及び制御状態の表示などを行うためのモニター２９とを有する。
【００１０】
ウエハＷを研磨パッド２に押圧する押圧力は、流体噴出手段１２から噴出される気体がキャリア２０を押圧するキャリア押圧力、すなわち、キャリアレギュレータ２２から出力される気体圧力により規定される。例えば、第１から第４分圧レギュレータ２３〜２６から副流体噴出部１５〜１８に気体が供給されないと、キャリア２０の下面はウエハＷの裏面に直接接触して、ウエハＷをキャリア押圧力で研磨パッド２に押圧する。しかし、これではキャリア２０の下面はウエハＷの裏面に直接接触するのでウエハＷの裏面が傷ついたり、ウエハの押圧力が一様でなくなるので好ましくない。そこで、副流体噴出部１５〜１８の少なくとも１つからキャリア押圧力に等しい圧力で気体を噴出するようにする。
【００１１】
なお、図１の例では、流体噴出手段１２とキャリア気体室１３を設け、キャリアレギュレータ２２から流体噴出手段１２に供給される気体がキャリア１４を押圧する機構を用いたが、特許文献４に記載されたエアバッグを使用した機構を用いることも可能である。
【００１２】
また、特許文献２に記載された保護シートを有する研磨ヘッドにおいて、キャリアの下面に副気体噴出部を設けて、領域ごとに押圧力を変えられるようにすることも可能である。
【００１３】
図１の研磨ヘッドにおいて、領域Ｑ、Ｒ、Ｔ、Ｕのうちの１つの領域の研磨レートを高める場合、第１から第４分圧レギュレータ２３〜２６のいずれかを選択してキャリアレギュレータ２２から出力される気体圧力より高い圧力で気体を出力すると、選択した分圧レギュレータから気体が供給される副流体噴出部が設けられた領域において、ウエハＷを研磨パッド２に押圧する押圧力が増加する。しかし、キャリア１４は浮いた状態であり、一部の領域での押圧力が増加すると、他の領域での押圧力が低下して、キャリア全体としては、キャリアレギュレータ２２から出力される気体圧力によるキャリア押圧力と釣り合う状態になる。言い換えれば、非選択の副流体噴出部の部分及び副流体噴出部はキャリア押圧力より小さい圧力でウエハＷを研磨パッド２に押し付け、この時の圧力にこの部分の面積を乗じた値に、選択された領域の圧力に選択された領域の面積を乗じた値を加えた合計値が、キャリア押圧力にキャリアの面積を乗じた値に等しくなる。
【００１４】
図１に示すような構成を有するＣＭＰ装置の管理では、実際に研磨が行われた前後のウエハ上の膜厚の変化を検出して各領域の研磨レートを算出し、ウエハ全面で所望の研磨量が得られるように第１から第４分圧レギュレータ５３〜５６の圧力を設定することが行われている。この設定は、ウエハ全面で一様な研磨レートになるように行われるだけでなく、研磨前にウエハにおける膜厚分布を検出し、検出した膜厚分布に応じて所望の研磨量が得られるように、すなわち、所望の研磨レート分布が得られるように行われる場合もある。いずれにしても、所望の研磨レート分布が得られるように、キャリアレギュレータ２２及び第１から第４分圧レギュレータ２３〜２６の出力する気体の圧力を設定する。
【００１５】
【特許文献１】特開平１１−３４７９１８号公報
【特許文献２】特開２０００−３１７８１９号公報
【特許文献３】特開平９−２２５８２１号公報
【特許文献４】特開２００１−２１２７５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
第１から第４分圧レギュレータ２３〜２６の圧力の設定は、オペレータにより行われる。オペレータは、ウエハを研磨する時、研磨レートを高くしたい領域に対応する分圧レギュレータの圧力を高くしてその領域の研磨レートを高く設定する。しかし、上記のように、一部の領域での押圧力が増加すると、他の領域での研磨レートが低下して以下のような問題を生じる。
【００１７】
図２の（Ａ）は、この問題を説明する図である。ある状態のウエハ全面の研磨レートを基準レートとする。この状態から、例えば図２の（Ａ）のように、周辺の研磨レートを増加させるが、他の部分（中心部など）は元の研磨レートを維持したい場合を考える。この場合、オペレータは、第１から第４分圧レギュレータ２３〜２６のうち周辺の領域に対応する分圧レギュレータの圧力を高くする。しかし、上記のように、一部の領域の押圧力を高くすると、他の部分の押圧力が低下し、中心部などの研磨レートが低下してしまう。このような状態で研磨を行うと、中心部などでは十分な研磨が行われず、研磨不足の状態になる。研磨不足であることが判明した時には再研磨を行うが、再研磨は製造効率を低下させるという問題を生じる。また、研磨不足であることが分からずに次の工程に進むと不良品が発生して歩留まりの低下という問題を生じる。
【００１８】
そこで、オペレータは、一部の領域の押圧力を高くする場合、他の部分の研磨レートが低下することを考慮して、研磨時間を長く設定することになる。しかし、研磨時間の再設定は、経験に基づいて行われるので、適切な値に設定するのが難しく、個人差を生じやすいという問題がある。
【００１９】
また、キャリアレギュレータ５２の圧力などを設定し直して他の部分の研磨レートが元の状態にするように調整を行うことも考えられるが、この作業も経験に基づいて行われるので、同様の問題を生じる。
【００２０】
本発明は、このような問題を解決するもので、部分的に研磨レートが調整できる研磨（ＣＭＰ）装置において、部分的な研磨レートの設定をより容易に行えるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を実現するため、本発明の研磨装置及び研磨方法では、部分的な研磨レートの増加の指示に応じて、他の領域の研磨レートを維持するようにキャリアの押圧を自動的に設定する。
【００２２】
すなわち、本発明の研磨装置は、研磨ヘッドで被加工物を研磨定盤上の研磨パッドに押圧しながら相対運動させる研磨装置であって、前記研磨ヘッドは、ヘッド本体と、前記ヘッド本体に上下方向移動自在に支持されたキャリアと、前記キャリアの上面を前記被加工物の表面に向けてキャリア押圧力で押圧するキャリア押圧機構と、前記キャリアの下面から前記被加工物の表面に押圧力を与える流体を噴出する流体噴出機構と、前記キャリア押圧機構及び前記流体噴出機構を制御する制御部とを備える研磨装置において、前記流体噴出機構は、選択的に前記流体を噴出可能な複数の副流体噴出部を備え、前記被加工物の表面の押圧力を、前記副流体噴出部に対応して部分的に変化させることが可能であり、前記制御部は、一部の前記副流体噴出部から噴出される前記流体の圧力が第１のキャリア押圧力から変化された時に、他の副流体噴出部に対応した部分における前記被加工物の表面の押圧力が前記第１のキャリア押圧力になるように、前記キャリア押圧機構の前記キャリア押圧力を第２のキャリア押圧力に調整することを特徴とする。
【００２３】
図２の（Ｂ）は、本発明の原理を説明する図である。図２の（Ａ）に示すように、一部の領域の研磨レートを基準となる平均レートからＣ１だけ増加させるために、一部の副流体噴出部から噴出される流体の圧力を第１のキャリア押圧力から増加させると、他の副流体噴出部に対応する部分の研磨レートは、平均レートよりＣ２だけ低くなる。そこで、図２の（Ｂ）に示すように、本発明の研磨装置では、キャリア押圧力を第２のキャリア押圧力に変化させて、他の副流体噴出部に対応する部分の研磨レートをＣ２だけ増加させて平均レートになるようにする。この処理を制御部が自動的に行う。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の研磨装置は、ある領域の研磨レートを、他の領域を考慮すること無しに、任意に設定できるので、部分的な研磨レートの設定が容易に行えるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の実施例の研磨装置（ＣＭＰ装置）は、図１に示したような従来のＣＭＰ装置と同様の構成を有し、制御部５７が行う部分的な研磨レートの設定処理が異なる。なお、本実施例では、図１の研磨ヘッドを例として説明を行うが、本発明は、特許文献４に記載されたエアバッグを使用した機構を有する研磨ヘッドや、特許文献２に記載された保護シートを有する研磨ヘッドにおいて、キャリアの下面に副気体噴出部を設けて、領域ごとに押圧力を変えられるようにした構成を有する場合には、適用可能である。
【００２６】
本願発明者は、１つの領域の押圧を変化させるとその領域の研磨レートは押圧に比例して変化するが、ウエハ全体の平均研磨レートは変化せず、ウエハ全体の平均研磨レートはキャリアの押圧に比例して変化することに着目した。これに基づいて、以下に説明するような補正原理で、ある領域の研磨レートを増加させた時に、他の領域の研磨レートの低下を補正できることを見出した。図３から図４を参照して補正原理を説明する。
【００２７】
図１に示すように、実施例のＣＭＰ装置では、４つの領域Ｑ、Ｒ、Ｔ及びＵに副流体噴出部１５〜１８が設けられて出力する気体の圧力を任意に設定できるが、領域ＰとＳには何も設けられていない。ここでは、１つの領域、例えば領域Ｒの副流体噴出部１５から噴射される気体の圧力、すなわち第１分圧レギュレータ２３の圧力を、キャリアレギュレータ２２の圧力（キャリア圧）より高くし、他の領域Ｒ、Ｔ及びＵの副流体噴出部１６〜１８からは、気体が噴出されない場合の例を説明する。
【００２８】
図３の（Ａ）に示すように、領域Ｒの幅（内径と外径の差）をＺＡとし、第１分圧レギュレータ２３の圧力をキャリア（ウエハ圧）ＷＰより高いＺＰにすると仮定する。これにより、領域Ｒの幅ＺＡの範囲では押圧力はＺＰになるが、他の領域Ｐ、Ｒ〜Ｕにおける押圧力はキャリア圧ＷＰより低くなる。キャリア全体の押圧力は一定であるので、圧力の高くなった部分における圧力の増加総量と、圧力の低くなった部分における圧力の減少総量とは同じ値である。
【００２９】
キャリア２０の下面の押圧力は、図３の（Ａ）のようになるが、実際にウエハＷが研磨パッド２に押圧される押圧力の分布は滑らかになり、実際の研磨レートの分布は、図３の（Ｂ）に示すようになり、幅ＥＺＡの範囲の研磨レートがＺＲになる。ここで、研磨レートＺＲを平均レートに対する比率ＺＲｔ（％）で表現すると、ＺＲＴ（％）＝（ＺＲ−ＡｖＲ）／ＡｖＲで表される。
【００３０】
ＺＲＴ（％）は、図３の（Ａ）に示した領域Ｒの押圧力ＺＰとキャリア圧ＷＰと所定の関係があり、ＺＲＴ（％）＝ａ１（ＺＰ−ＷＰ）／ＷＰ＋ｂ１で表される。ａ１とｂ１は、定数であり、実験によりあらかじめ求めておくことができる。
【００３１】
図４に示すように、キャリア全体の押圧力は一定であるので、ウエハＷの平均研磨レートＡｖＲは一定であり、平均研磨レートＡｖＲより高くなった部分Ｅの研磨レートの増加の総量と、平均研磨レートＡｖＲより低くなった部分Ｆの研磨レートの減少の総量とは同じ値であり、研磨レートが高くなった部分Ｅの面積は、領域Ｒの面積に関係する。そのため、研磨レートが低くなった部分の研磨レート減少の最大値ΔＲｂＲの平均レートに対する比率ＲｂＲｔ（％）は、ＺＲｔ（％）と、ＲｂＲｔ（％）＝ＺＲｔ（％）×βの関係がある。また、ΔＲｂＲ＝ＡｖＲ×ＲｂＲｔの関係がある。βは、あらかじめ実験により算出することができる。
【００３２】
図５は、図３の（Ａ）に示すような領域Ｑにおける圧力のみを増加させた状態で、キャリア圧ＷＰを変化させた時の、領域Ｑ以外の領域Ｒ〜Ｕにおける押圧力ＲＲの変化を示す図である。図示のように、ＲＲはＷＰに対して線形に変化し、ＲＲ＝ａ２・ＷＰ＋ｂ２で表される。ここで、領域Ｒ〜Ｕにおける押圧力をＣだけ増加させる必要があるので、その時点のＷＰの値ＷＰＡに対応する領域Ｒ〜Ｕにおける押圧力ＲＲ１をΔＲｂＲだけ増加させるのに必要なΔＷＰを、ΔＷＰ＝ΔＷＰ／ａ２を求めることができる。ａ２もあらかじめ実験により求めることができる。
【００３３】
図６は、図１の制御部２７が、以上説明した処理を実行する場合のフローチャートを示す。ステップ１０１では、研磨レートを増加させる領域の圧力ＺＰを設定する。圧力ＺＰは、例えば、平均研磨レートに対して増加させる研磨レートの比率をキャリア圧に乗じて算出する。
【００３４】
ステップ１０２では、設定したＺＰ、キャリア圧ＷＰ及びあらかじめ算出しているａ１、ｂ１を使用して、図示の式に従ってＺＲｔ（％）を算出する。
【００３５】
ステップ１０３では、ＺＲｔ（％）にあらかじめ算出しているβを乗じてＲｂＲｔを算出する。
【００３６】
ステップ１０４では、平均レートにＲｂＲｔを乗じてΔＲｂＲを算出する。
【００３７】
ステップ１０５では、ΔＲｂＲをあらかじめ算出しているａ２で除してΔＷＰを算出する。
【００３８】
ステップ１０６では、キャリアレギュレータ２２の圧力、すなわちキャリア圧研磨レートをＷＰ＋ΔＷＰに、増加させる領域に対応する分圧レギュレータの圧力をＺＰにする補正レシピを決定する。
【００３９】
ステップ１０７では、以上のような補正レシピに従って設定を行う。
【００４０】
以上、実施例のＣＭＰ装置を説明したが、オペレータによる研磨レートを増加させる領域の選定や、圧力ＺＰの設定をようにするため、制御部２７は、モニタ２９で、必要な情報の表示やオペレータによる入力手段２８からのデータ入力を補助する表示を行う。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明によれば、部分的に押圧を変えて研磨レートを調整できるＣＭＰ装置における設定動作が容易になるので、所望の研磨を精密に行うことが可能になり、半導体製造工程などにおける生産効率や歩留まりの向上に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明を適用する研磨（ＣＭＰ）装置の概略構成を示す図である。
【図２】従来技術の問題点と、本発明の原理を説明する図である。
【図３】本発明の実施例のＣＭＰ装置における補正原理を説明する図である。
【図４】実施例のＣＭＰ装置における補正原理を説明する図である。
【図５】実施例のＣＭＰ装置における補正原理を説明する図である。
【図６】実施例のＣＭＰ装置における部分的な圧力設定処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
２    研磨パッド
１１    研磨ヘッド本体
１２    流体噴出手段（キャリア押圧機構）
１４    キャリア
１５−１８    副流体噴出部
２２    キャリアレギュレータ
２３    第１分圧レギュレータ
２４    第２分圧レギュレータ
２５    第３分圧レギュレータ
２６    第４分圧レギュレータ
２７    制御部
Ｗ    ウエハ（被加工物）
【図１】
2007005463.tif 000003
【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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