(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
定盤上に取り付けられた研磨布を第１の回転速度で回転させ、前記研磨布の表面上に研磨剤を供給し、複数の基板を、第２の回転速度で回転させるとともに前記研磨布の表面に押圧することにより同時に研磨することができる化学機械研磨装置を用い、表面に凹凸部を有するPlasma CVD TEOS膜が形成された製品基板を研磨して前記凹凸部の段差を緩和し、前記膜を規定の膜厚にする基板研磨方法であって、１バッチにおいて研磨すべき前記製品基板の数が前記化学機械研磨装置が同時に研磨できる数に満たない端数となる場合は、同じ研磨時間で、研磨すべき前記製品基板の数が前記化学機械研磨装置が同時に研磨できる数である場合と同一の研磨量となるように、表面に凹凸部がなく、被研磨面がシリコン窒化膜、High Density Plasma−ＳｉＯ２膜、シリコン窒化膜とHigh Density Plasma−ＳｉＯ２膜との積層膜、またはセラミック材のうちの１つとなっている基板と共に前記製品基板を研磨することを特徴とする基板研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板や液晶基板等よりなる基板の表面を平坦化処理するための化学機械研磨（ＣＭＰ）を行う基板の研磨方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製造プロセスの高密度化、微細化に伴い種々の微細加工技術が研究開発されている。その中でも、化学機械研磨（以下ＣＭＰという）は、層間絶縁膜の平坦化を行う必須技術である。
【０００３】
ＣＭＰに用いられる基板研磨装置は、図１１のようなものであって、中心軸の回りに回転する円盤状のプラテン（定盤）６とプラテン６を中心部で支持するプラテン軸７とプラテン６上に貼り付けられた独立気泡型ポリウレタン樹脂や不織布等からなる研磨布（パッド）５と基板３が装着された円板状のキャリア１とキャリア１を中心部で支持するキャリア軸８とコロイダルシリカを主成分とする研磨剤（スラリー）１１を供給するための研磨剤供給装置１０とを備え、キャリア１に装着した基板３の表面を研磨布５に押しつける機械的研磨作用と、加工中に供給した研磨剤（スラリー）１１の化学的研磨作用により、基板表面の凹凸をなくすよう研磨することを特徴としている。
【０００４】
更に本発明者が使用する基板研磨装置は他のキャリア２を有しているため、１枚の研磨布５上でキャリア１、２が同時に２枚の基板３、４を研磨することができる。故に１バッチ２枚処理となり、スループットを大幅に短縮できる。
【０００５】
さて、半導体基板の多層配線構造は図１２に示すようにシリコン基板２１上にパターン形成した金属配線２２の上に層間絶縁膜２３を積層し、その層間絶縁膜２３の凹凸部分２４を基板研磨装置で平坦化研磨する組み合わせで構成されている。
【０００６】
特にＣＭＰによる層間絶縁膜の平坦化加工において、初期膜厚２５から規定の膜厚２６に合わせ込む研磨時間は、事前に金属配線なしの層間絶縁膜を積層した凹凸なしの基板(以降、下地なしの基板)の研磨レート測定より得られた研磨レートをＲ、初期膜厚２５をＨｉ、規定の膜厚２６をＨｏ、層間膜段差における凹凸部のパターン密度をＫとして
【０００７】
【数１】
0004165087.tif 000002
【０００８】
より導かれる。パターン密度Ｋは品種及び配線層によって決定される定数である。
【０００９】
ここで、図１３に図１１に示す１バッチ２枚処理の基板研磨装置を用いた場合のロット処理方法を示している。
【００１０】
研磨時間Ｔ1はキャリア１で研磨した下地なしの基板３の研磨レートをＲ1、キャリア２で研磨した処理の下地なしの基板４の研磨レートをＲ2として、
【００１１】
【数２】
0004165087.tif 000003
【００１２】
より導かれ、１バッチ固定の研磨時間Ｔ1で複数枚の基板の研磨を行う。
【００１３】
しかし、処理枚数が奇数であるロットを処理する場合、最終バッチはキャリア１に装着した基板３の１枚のみ研磨を行うが、１枚の研磨布上でキャリア１、２で研磨を行った前バッチと同じ研磨時間で処理すると、規定の膜厚に合わせ込むことができない。なぜなら、基板１枚研磨した場合の研磨布と基板２枚同時に研磨した場合の研磨布の目詰まりや研磨熱による研磨布の表面の劣化の度合いが異なるため、研磨レートが異なるためである。更に研磨布表面の劣化度合は研磨する基板の凸部の比率によって単位面積当りの荷重が変化するため品種によって異なる。
【００１４】
そこで、１枚処理を行う場合、キャリア１のみで下地なしの基板の研磨レート測定を行い、研磨時間Ｔ2を研磨レート測定から得られた研磨レートをＲ3として（数１）に挿入することによって
【００１５】
【数３】
0004165087.tif 000004
【００１６】
より求め、得られた研磨時間Ｔ2で研磨を行わなければならなかった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最終バッチの１枚のみ規定の膜厚に合わせ込む研磨時間を変更するとなると、ロット処理を分割しなければならない。又、研磨時間を決定するためにキャリア１とキャリア２で同時に研磨する下地なしの基板の研磨レートの測定とキャリア１のみで研磨する下地なしの基板の研磨レートの測定が必要である為、装置の処理能力に影響を及ぼす。
【００１８】
そこで、本発明では基板の研磨方法として、１枚の研磨布で２枚以上の基板を同時に研磨し、端数の基板を研磨する場合、同じ研磨時間で端数の基板の研磨量を１バッチ処理時に全ての基板を表面の凹凸部の段差を有する基板とした場合の研磨量と同一にすることによって、端数の基板でも規定の膜厚に合わせ込む方法を確立することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の基板研磨方法は、定盤上に取り付けられた研磨布を第１の回転速度で回転させ、前記研磨布の表面上に研磨剤を供給し、複数の基板を、第２の回転速度で回転させるとともに前記研磨布の表面に押圧することにより同時に研磨することができる化学機械研磨装置を用い、表面に凹凸部を有するPlasma CVD TEOS膜が形成された製品基板を研磨して前記凹凸部の段差を緩和し、前記膜を規定の膜厚にする基板研磨方法であって、１バッチにおいて研磨すべき前記製品基板の数が前記化学機械研磨装置が同時に研磨できる数に満たない端数となる場合は、同じ研磨時間で、研磨すべき前記製品基板の数が前記化学機械研磨装置が同時に研磨できる数である場合と同一の研磨量となるように、表面に凹凸部がなく、被研磨面がシリコン窒化膜、High Density Plasma−ＳｉＯ２膜、シリコン窒化膜とHigh Density Plasma−ＳｉＯ２膜との積層膜、またはセラミック材のうちの１つとなっている基板と共に前記製品基板を研磨する。
【００２１】
この方法により、前記製品基板の研磨量を、同じ研磨時間で１バッチ処理時に全ての基板を表面の凹凸部の段差を有する基板とした場合の研磨量と同一にすることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ、詳細に説明する。
【００２９】
（第１の実施形態）
図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るＣＭＰに使用される基板研磨装置の処理枚数が偶数であるロットの処理方法を示しており、研磨布５上でキャリア１、キャリア２が同時に２枚の基板３、基板４を研磨することができる。
【００３０】
図１（Ｂ）は処理枚数が奇数であるロットの最終バッチの処理方法を示している。
【００３１】
ロットは凹凸部の段差有りの基板（以降、製品基板）であり、基板の被研磨面はＰ-ＴＥＯＳ（Plasma-CVD TEOS）膜であり、本発明においては表面の成膜状態が一定であり、成膜状態によって研磨レートの変動が少ないものとする。
【００３２】
１バッチ２枚処理の基板研磨装置を用いた場合のロットの処理方法を説明する。
【００３３】
まず、キャリア１、キャリア２を用いて、事前に金属配線なしの層間絶縁膜を積層した凹凸なしの基板(以降、下地なしの基板)の研磨レート測定を実施する。
【００３４】
次に、研磨時間Ｔを研磨レート測定結果から得られたキャリア１の研磨レートをＲ1、キャリア２の研磨レートをＲ2、ロットの初期膜厚２５の平均値をＨｉ、規定の膜厚２６をＨｏ、層間膜段差２４における凹凸部のパターン密度をＫとして、
【００３５】
【数４】
0004165087.tif 000005
【００３６】
より、導く。パターン密度Ｋは品種及び配線層によって決定される定数である。
【００３７】
処理枚数が偶数であるロットを処理する場合、（数４）より得られた研磨時間Ｔを固定して、１バッチ２枚ずつ研磨を行っていく。
【００３８】
処理枚数が奇数であるロットを処理する場合、最終バッチは製品基板１枚となる為、キャリア１に製品基板、キャリア２にダミーの基板を装着して、前バッチと同じく（数４）より得られた研磨時間Ｔで１バッチ２枚の研磨を行う。
【００３９】
ダミーの基板の選定においては製品基板と同じ段差をもつ基板を用意すればよいが、コスト面から難しいのは当然であり、下記の実施の形態より、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜でかつ下地なしの基板又はＨＤＰ（Ｈigh Ｄensity  Plasma）-ＳiＯ2膜でかつ下地なしの基板を選択している。
【００４０】
本実施の形態におけるキャリア２に使用するダミーの基板の種類を図２に示している。本実施の形態では、実験１としてキャリア１に製品基板、キャリア２に製品基板を装着して研磨し、実験２としてキャリア１に製品基板、キャリア２にシリコン基板、実験３としてキャリア１に製品基板、キャリア２に製品と同質の膜質であるＰ-ＴＥＯＳ（Plasma-CVD TEOS）膜でかつ下地なしの基板を装着して研磨し、実験４としてキャリア１に製品基板、キャリア２にシリコン窒化（ＳｉＮ）膜を装着して研磨し、実験５としてキャリア１に製品基板、キャリア２にＨＤＰ（Ｈigh Ｄensity  Plasma）-ＳiＯ2膜を装着して研磨している。
【００４１】
図３に実験１の場合のキャリア１で処理した製品基板の研磨量を基準にして、各実験のキャリア１で処理した製品基板の研磨量の比較結果を示している。
【００４２】
図３の結果からいえば、キャリア１に製品基板、キャリア２に製品基板を装着して研磨した状態に近いのは、ダミーの基板として、キャリア２にシリコン窒化（ＳｉＮ）膜またはＨＤＰ（Ｈigh Ｄensity  Plasma）-ＳiＯ2膜となることが分かる。
【００４３】
図２に各成膜の物性比較を示しているが、エッチングレートが低い程、膜質の硬度が高いことを示し、硬度の高いシリコン窒化（ＳｉＮ）膜またはＨＤＰ（Ｈigh Ｄensity  Plasma）-ＳiＯ2膜をダミーの基板にすることによってキャリア１に製品基板、キャリア２に製品基板を装着して研磨した状態に近くすることができるとも言える。
【００４４】
ここで、本発明者達は凹凸部の段差のある基板の処理方法において、研磨布の表面温度と相関していることを示唆するものとして、以下のような注目すべき事実に気がついた。
【００４５】
図５は、図４に示すように赤外線温度計を研磨布の上に配置し、各実験の研磨布の表面温度を非接触で測定した結果を示しており、横軸に研磨時間、縦軸に研磨布の表面温度を表している。
【００４６】
図５より、実験２のキャリア１に製品基板、キャリア２にシリコン基板を装着して研磨した研磨布の温度曲線、実験３のキャリア１に製品基板、キャリア２に製品と同質の膜質であるＰ-ＴＥＯＳ（Plasma-CVD TEOS）膜を装着して研磨した研磨布の温度曲線は、実験１のキャリア１に製品基板、キャリア２に製品基板を装着して研磨した研磨布の温度曲線と比較して、常に高い。又、実験４のキャリア１に製品基板、キャリア２にシリコン窒化（ＳｉＮ）膜を装着して研磨した研磨布の温度曲線、実験５のキャリア１に製品基板、キャリア２にＨＤＰ（Ｈigh Ｄensity  Plasma）-ＳiＯ2膜を装着して研磨した研磨布の温度曲線は実験１のキャリア１に製品基板、キャリア２に製品基板を装着して研磨した研磨布の温度曲線とほぼ類似していることが分かる。
【００４７】
このような温度差が生じる理由は基板を２枚同時に処理した場合において、基板の膜の種類によって研磨布の目詰まりの度合いが異なるためで、研磨布の温度が高いことは研磨レートが高いことを示している。
【００４８】
ゆえに、温度曲線の面からも、キャリア１に製品基板、キャリア２に製品基板を装着して研磨した状態に近いのは、キャリア２のダミーの基板として、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜またはＨＤＰ（Ｈigh Ｄensity  Plasma）-ＳiＯ2膜となる。
【００４９】
本発明の知見として、キャリア１に製品基板、キャリア２にダミーの基板とした場合の研磨布の表面温度をキャリア１、２共に、製品基板２枚同時に処理した場合の研磨布の表面温度と同じになるようにすれば、研磨レートが同じになり、キャリア１に製品基板、キャリア２にダミーの基板として処理した場合の基板の研磨量とキャリア１、２共、製品基板２枚同時に処理した場合の研磨量とは同じになることが言える。上記知見に基づけば、製品基板の非研磨面がＰ−ＴＥＯＳ（Plasma-CVD TEOS）膜以外の膜、例えば層間絶縁膜で代表的なＢＰＳＧ膜についても同じことが言え、実施の形態と同じ実験を行えば、容易にダミーの基板は選定できる。
【００５０】
本発明を適用することで、１バッチで２枚以上の複数の基板を同時に研磨を行う場合においても、上記実施形態と同じ効果が得られる。
【００５１】
（第２の実施形態）
図５より実験４、実験５とも、研磨の終了付近で急激な温度上昇が見受けられるが、これは膜が無くなり、シリコン基板が表われたことを意味している。よりキャリア１に製品基板、キャリア２に製品基板を装着して研磨した状態に近づける為には、研磨時間に応じてシリコン窒化（ＳｉＮ）膜またはＨＤＰ（Ｈigh Ｄensity  Plasma）-ＳiＯ2膜を多く堆積する必要がある。しかしながら、ＣＶＤ装置で膜厚を多く堆積することはパーティクルの多発を招くため、困難である。
【００５２】
そこで、第２の実施形態として、製品基板の研磨時間が１５０秒以上の場合、実験６として、キャリア２に使用するダミーの基板として、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜２００ｎｍの上にＨＤＰ（Ｈigh Ｄensity  Plasma）-ＳiＯ2膜７００ｎｍを堆積するといった異種の膜厚を組み合わせてみた。
【００５３】
図６に実験１の場合のキャリア１で処理した製品基板の研磨量を基準にして、実験６のキャリア１で処理した製品基板の研磨量の比較結果を示している。
【００５４】
図６より、キャリア１に製品基板、キャリア２にシリコン窒化（ＳｉＮ）膜とＨＤＰ（Ｈigh Ｄensity  Plasma）-ＳiＯ2膜を組み合わせた基板を装着して研磨した場合の製品基板の研磨量は、キャリア１に製品基板、キャリア２に製品基板を装着して研磨した場合の研磨量に対し近い値が得られ、研磨布の温度特性曲線も図７に示すようにほぼ同一の曲線が得られた。キャリア２に使用するダミーの基板として、異種の膜を組み合わせることによって、研磨時間が長くても、同様な効果が得られることが分かった。
【００５５】
（第３の実施形態）
本発明はキャリア２に使用するダミーの基板を、第１、第２の実施形態としてシリコン基板を使用したが、第３の実施形態として石英材又はセラミック材の加工品でシリコン基板と同じ形状（直径２００ｍｍ，厚み７２５±２５ｍｍ）を組み合わせた。
【００５６】
本実施の形態では、実験１としてキャリア１に製品基板、キャリア２に製品基板を装着して研磨し、実験７としてキャリア１に製品基板、キャリア２に石英材の加工品を装着して研磨し、実験８としてキャリア１に製品基板、キャリア２にセラミック材の加工品を装着して研磨している。
【００５７】
図８に実験１の場合のキャリア１で処理した製品基板の研磨量を基準にして、実験７、実験８のキャリア１で処理した製品基板の研磨量の比較結果を示している。
【００５８】
図８より、キャリア１に製品基板、キャリア２に石英材の加工品を装着して研磨した場合とキャリア１に製品基板、キャリア２にセラミック材の加工品を装着して研磨した場合の製品基板の研磨量は、キャリア１に製品基板、キャリア２に製品基板を装着して研磨した場合の研磨量に対し近い値が得られることが分かる。
【００５９】
キャリア２に使用するダミーの基板の代わりとして、石英材又はセラミック材の加工品を組み合わせることによって、同様な効果が得られることが分かった。
【００６０】
しかしながら、石英材の加工品は透過光センサーを通過してしまうため、透過光センサーの有無によって使い分ける必要がある。又、石英材又はセラミックの加工品を使用すれば、再利用が可能のため第１、第２の実施形態で使用したダミーの基板を削減できる。
【００６１】
（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係るＣＭＰに使用される基板研磨装置である。本実施形態に係る基板研磨装置は研磨布５上でキャリア１、キャリア２が同時に２枚の基板３、基板４を研磨することができ、研磨布を貼り付けるプラテン６（定盤）の温度を変更することによって研磨布の温度をバッチ毎に制御する。
【００６２】
循環配管１４は純水を循環供給するための配管であり、プラテン６の内部に流路接続されている。循環配管１４には、ポンプ１５、チラー１６、管内温度計１７がそれぞれ介設されている。ポンプはプラテン６の内部に向けて、純水を循環配管１４を介して送液し、チラー１６は循環配管１４を流れる約２３℃の純水を例えば約０℃から約２０℃の範囲内まで冷却し、管内温度計１７はチラー１６で冷却された純水の温度を測定する。
【００６３】
基板研磨装置の制御部の内部に組み込まれた配管温度の制御部１８は、管内温度計１７、ポンプ１５、チラー１６と電気的に接続され、管内温度計１７による測定に基づく信号を受信し、ポンプ１５、チラー１６に制御信号を送信する。
【００６４】
次に第４の実施形態の基板研磨装置の研磨シーケンスを説明する。まず、処理枚数が奇数であるロットの最終バッチの情報を装置に教え込ませる。最終バッチにはキャリア１に製品の基板、キャリア２に製品の基板の被研磨面と同質の膜質で、かつ下地なしの基板を装着させる。本実施形態での基板の被研磨面はＰ−ＴＥＯＳ（Plasma-CVD TEOS）膜であり、本発明においては表面の成膜状態が一定であり、成膜状態によって研磨レートの変動が少ないものとする。
【００６５】
次に研磨が開始されると、ポンプ１５を作動させてプラテン６に向けて純水を循環供給し、チラー１６より循環供給される２３℃の純水を２０度まで冷却し、管内温度計１７によって測定された結果を基にフィードバック制御を行い、純水の温度を一定に保つことによって、プラテン６の温度を一定に保つ。
【００６６】
最終バッチの前バッチが終了した際、チラー１６の温度を強制的に下げ、管内温度計が安定したのを確認した後、最終バッチの処理が行われる。図８の結果より、実験１のキャリア１に製品基板、キャリア２に製品基板を装着して研磨した研磨布の温度曲線と、実験２のキャリア１に製品基板、キャリア２に製品と同質の膜質であるＴＥＯＳ膜でかつ下地なしの基板研磨布の表面温度の温度差が４度あることから、チラー１６の温度はプラテン６から研磨布５への熱効率を考慮して２０度より６〜８度下げる必要がある。
【００６７】
図１０に第４の実施形態における基板研磨装置を使用して、２５枚連続処理した際のＣＭＰ後膜厚推移を示している。横軸に処理した基板の番号、縦軸にＣＭＰ後の膜厚及び循環配管１４の純水の温度を表している。最終バッチで番号２５の基板を処理しており、循環配管の純水の温度を下げて、ＣＭＰ後の規定の膜厚１０００ｎｍ±２００ｎｍ内に入っていることが分かる。
【００６８】
研磨布の温度を下げることによって研磨レートを低下させ、キャリア１に製品基板、キャリア２に製品の基板の被研磨面と同質の膜質で、かつ下地なしの基板とした場合の製品基板の研磨量をキャリア１、２共に、製品基板２枚同時に処理した場合の研磨量と同一にすることができる。
【００６９】
本発明を適用することで、１バッチで２枚以上の複数の基板を同時に研磨を行う場合においても、上記実施形態と同じ効果が得られる。
【００７０】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、１枚の研磨布で２枚以上の基板を同時に研磨し、端数の基板を研磨する場合、一方の基板を凹凸部の段差を有する基板、他方の基板を凹凸部の段差の無い基板と共に組み合わせることによって、同じ研磨時間で、端数の基板でも規定の膜厚に合わせ込むことが可能である。
【００７１】
凹凸部の段差の無い基板の代わりにセラミック材や石英材の加工品としても、同様な効果が得られ、基板の削減からも有効である。
【００７２】
又、研磨布の温度を下げることによっても同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の処理枚数が奇数であるロットの最終バッチの処理運用を説明する図
【図２】本発明の第１の実施形態におけるダミー基板の種類を示す図
【図３】本発明の第１の実施形態における片側使用基板の違いによる製品基板の研磨量の比較を示す図
【図４】本発明の第１の実施形態における赤外線温度計による研磨布の表面温度測定を概略的に示す図
【図５】本発明の第１の実施形態における片側使用基板の違いによる研磨布の表面温度特性を示す図
【図６】本発明の第２の実施形態における片側使用基板の違いによる製品基板の研磨量の比較を示す図
【図７】本発明の第２の実施形態における片側使用基板の違いによる研磨布の表面温度特性を示す図
【図８】本発明の第３の実施形態における片側使用材料の違いによる製品基板の研磨量の比較を示す図
【図９】本発明の第４の実施形態における基板研磨装置の図
【図１０】本発明の第４の実施形態における基板研磨装置を使用して、２５枚処理した際のＣＭＰ後膜厚推移を示す図
【図１１】ＣＭＰに使用される基板研磨装置による基板の研磨状態を概略的に示す斜視図
【図１２】研磨対象となる膜構造の一例を示す図
【図１３】従来の処理枚数が奇数であるロットの最終バッチの処理運用を説明する図
【符号の説明】
１  キャリア
２  キャリア
３  基板
４  基板
５  研磨布（パッド）
６  プラテン（定盤）
７  プラテン軸
８  キャリア軸
９  キャリア軸
１０  研磨剤供給装置
１１  研磨剤（スラリー）
１２  赤外線温度計
１３  赤外線温度計の測定箇所
１４  循環配管
１５  循環ポンプ
１６  チラー
１７  管内温度計
１８  制御部
２１  シリコン基板
２２  金属配線
２３  層間絶縁膜
２４  層間膜段差
２５  初期膜厚
２６  規定の膜厚
【図１】
0004165087.tif 000006
【図２】
0004165087.tif 000007
【図３】
0004165087.tif 000008
【図４】
0004165087.tif 000009
【図５】
0004165087.tif 000010
【図６】
0004165087.tif 000011
【図７】
0004165087.tif 000012
【図８】
0004165087.tif 000013
【図９】
0004165087.tif 000014
【図１０】
0004165087.tif 000015
【図１１】
0004165087.tif 000016
【図１２】
0004165087.tif 000017
【図１３】
0004165087.tif 000018