(57)【要約】      （修正有）【課題】平坦な研磨面を一定の研磨時間で形成する化学的機械研磨装置を提供する。【解決手段】実施の形態によれば、研磨パッド１により半導体基板を研磨する化学的機械研磨装置であって、研磨パッド上に残留する砥粒量を検出するセンサ３を備え、センサの検出値に基づいて、研磨条件を調整する化学的機械研磨装置が提供される。【選択図】図１
2009033039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨パッドにより半導体基板を研磨する化学的機械研磨装置であって、研磨パッド上に残留する砥粒量を検出するセンサを備え、該センサの検出値に基づいて、研磨条件を調整する化学的機械研磨装置。
【請求項２】
前記センサの検出値に基づいて、研磨圧力、研磨パッドの回転速度、半導体保持具の回転速度、および供給する砥粒スラリーの濃度のうち少なくとも１の条件を調整する請求項１に記載の化学的機械研磨装置。
【請求項３】
前記センサの検出値と、予め測定した半導体基板の研磨速度の時間的変化パターンとに基づいて、研磨圧力、研磨パッドの回転速度、半導体保持具の回転速度、および供給する砥粒スラリーの濃度のうち少なくとも１の条件を調整する請求項１に記載の化学的機械研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板を研磨し、平坦化する化学的機械研磨装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板の絶縁膜および金属膜の研磨には、化学的機械的研磨法（Chemical Mechanical Polishing Method）が利用され、化学的機械的研磨法においては、研磨終了時期を正確に把握する必要がある。従来の研磨終点の検出方法は、研磨パッド表面にスラリー中の砥粒が残留することによって、スラリー濃度が上昇し、研磨速度が経時的に変動することに対応するため、残留膜の厚さまたは露出膜の種類を光学的に検出することによって研磨量を算定し、研磨終了時期を把握している。
【０００３】
この化学的機械的研磨装置の構成を図３に示す（特許文献１参照）。この半導体研磨装置は、水平に回転するプラテン３５の表面に貼着された研磨パッド３６と、半導体基板Ｓを研磨パッド３６に所定の圧力で押し付ける半導体基板保持具３９と、研磨パッド３６の表面に研磨液を供給する研磨液供給ノズル３１と、装置全体の駆動を制御する制御部３３とで構成されている。
【０００４】
光源ユニット３２から出射された光を導き、照射側ライトガイド３０Ａによって照射・受光光学系３８に導き、半導体基板Ｓの研磨面に照射する。つぎに、反射光を照射・受光光学系３８から受光側ライトガイド３０Ｂによってポリクロメータ３４に導き、ポリクロメータ３４で各波長ごとの光に分光する。分光された光を各波長ごとに光強度に応じた電気信号に変換し、各波長ごとの光強度信号をコンピュータ３７に入力する。コンピュータ３７は所定の研磨終点アルゴリズムに従い入力した光強度信号を演算処理して研磨終点を判定する。
【０００５】
また、他の研磨終点検出方法としては、たとえば、予め基板に特定の膜を形成し、研磨の進行に伴ない、特定の膜が基板の表面に露出することにより、変化する摩擦抵抗を検出して、研磨を終了させる方法がある。
【特許文献１】特開２００２−１９８３４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これら従来の化学的研磨装置においては、半導体基板の仕上がり面の平坦性を確保することができるが、研磨速度が経時的に変化するため、研磨時間が不安定となり、工程管理が煩雑になる。一方、研磨時間を一定に保つと、研磨面の仕上がりにバラツキが生じる。また、上述した光学的手法による膜厚の測定は、本来、清浄な表面に対して行なわれるものであり、研磨中に半導体基板の表面にはＳｉＯ2、ＣｅＯ2、Ａｌ2Ｏ3などの砥粒スラリーが介在するため、測定精度が不十分である。また、特定の膜を形成し、変化する摩擦抵抗を検出する方法では、本来、半導体装置の性能とは無関係であり、研磨終点を検出するだけを目的とした不要な膜を予め形成する必要があるため、半導体装置の設計上の制約となり、また機能上、不要な膜を形成するため、コストの点でも不利である。
【０００７】
本発明の課題は、平坦な研磨面を一定の研磨時間で形成する化学的機械研磨装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある実施の形態によれば、研磨パッドにより半導体基板を研磨する化学的機械研磨装置であって、研磨パッド上に残留する砥粒量を検出するセンサを備え、センサの検出値に基づいて、研磨条件を調整する化学的機械研磨装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
この実施の形態によれば、研磨時間を一定に保持しながら、研磨面の平坦性を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の化学的機械研磨装置は、研磨パッド上に残留する砥粒量を検出するセンサを備え、センサの検出値に基づいて、研磨条件を調整する。従来の化学的機械研磨装置には、研磨パッド上に残留する砥粒のスラリー濃度の上昇に伴なう研磨速度の上昇を検出する機構を備えていなかったため、研磨時間を一定にする効果と、研磨面の平坦性を維持するという効果の両方を同時に奏する研磨装置はなかった。これに対して、本発明の研磨装置では、研磨面でのスラリー濃度を一定に保持することが可能となり、研磨時間を一定に保持し、かつ平坦な研磨面を同時に得ることができるから、製品の歩留まり向上およびコスト削減が可能である。本発明において、上記センサとしては、反射光センサを好適に用いることができる。
【００１１】
この化学的機械研磨装置においては、残留砥粒量のセンサ検出値に基づき、半導体基板への研磨圧力、研磨パッドの回転速度、半導体保持具の回転速度および供給する砥粒スラリーの濃度のうち少なくとも１の条件を調整する機構を備える態様が好ましい。かかる態様により、スラリー濃度の変化による研磨速度の変化を機構的に吸収し、研磨時間を一定に保持し、研磨面の平坦性も同時に実現できる。残留砥粒量の検出値に基づき、供給する砥粒スラリーの濃度を調整する機構を備える態様においては、研磨面におけるスラリー濃度を常時一定に保つことができるようになり、研磨時間を一定に保持しつつ、研磨面の平坦性も同時に実現できる。
【００１２】
研磨パッド表面に残留する砥粒量を検出する機構と、その検出値に応じて、研磨パッドの回転速度、半導体保持装置の回転速度、研磨圧力、および供給する砥粒スラリーの濃度のうち少なくとも１の条件を調整するためのプログラム機構を設けることにより、リアルタイムで研磨条件の調整が可能となる。
【００１３】
また、センサの検出値と、予め測定した半導体基板の研磨速度の時間的変化パターンとに基づき、研磨圧力、研磨パッドの回転速度、半導体保持具の回転速度、および供給する砥粒スラリーの濃度のうち少なくとも１の条件を調整する態様が好ましい。この構成により、研磨面でのスラリーの濃度をほぼ一定に保持することが可能となり、研磨時間を一定に保持しつつ、研磨面の平坦性も得ることができる。
【００１４】
実施の形態１
図１は、本実施の形態の化学的機械研磨装置の構成を示すブロック図（概念図）である。図１に示すように、この化学的機械研磨装置は、半導体保持具２により、半導体基板Ｓの研磨面を研磨パッド１に対向するように設置し、プラテン１ａと基板保持具２をそれぞれ回転させ、相対速度を発生させることにより半導体基板Ｓを研磨する。反射光センサ３により、研磨パッド１の表面に残留している砥粒量を検出し、その検出値を反射光センサ制御ユニット８に送り、さらに統括コントローラ４に信号を送る。
【００１５】
統括コントローラ４は、反射光センサの検出値を解析し、研磨面におけるスラリーの実際の濃度を計算した後、半導体保持具駆動制御装置５と、研磨パッド駆動制御装置６と、スラリー濃度調整装置７とに信号を送り、研磨圧力、研磨パッドの回転速度、半導体保持具の回転速度、および供給するスラリーの濃度を、各々適宜（少なくとも１の条件を）調整し、研磨速度を一定に維持する構成を備える。たとえば、スラリーの濃度が高い場合には、研磨圧力をより低くし、半導体保持具２の回転速度と研磨パッドの回転速度を低下させることにより、常に一定の研磨面の仕上がりと一定の研磨時間を得ることが可能である。
【００１６】
研磨速度は、一般につぎの式で表わされる。
ＭＲＲ＝ｋ・Ｖ・Ｐ
（式中、ＭＲＲは研磨速度、ｋは研磨装置と膜種とスラリー種とその濃度によって決まる定数、Ｖは研磨パッド１および半導体基板保持具２のそれぞれの回転速度から定まる研磨面の相対速度、Ｐは半導体基板Ｓに加えられる研磨圧力である。）
したがって、スラリーの濃度と、研磨パッドの回転速度と、半導体保持具の回転速度と、研磨圧力とを調整することにより、研磨速度ＭＲＲを一定に調整することができる。
【００１７】
反射光センサ３は、一般的な白色光、レーザー光、紫外線または赤外線などを照射し、センサに内蔵したＣＰＵが光の反射率と変化を検出し、検出値を統括コントローラに通知し、統括コントローラは、研磨パッド上に残留する実際の砥粒量を解析する。反射光センサとしては、たとえばキーエンス社製のＣＭＯＳレーザセンサ（品番ＧＶ−Ｈ４５）などが好適である。
【００１８】
実施の形態２
本実施の形態では、図１において、スラリー濃度を変更することなく、半導体保持具２の回転速度と、研磨パッド１の回転速度と、研磨圧力だけを調整する構成を備える。研磨速度は、実施の形態１で述べたように、研磨圧力と研磨部分での相対速度に依存するので、スラリー濃度を変更することなく、研磨圧力と研磨部分での相対速度を制御することにより、研磨速度を一定にすることができる。
【００１９】
実施の形態３
本実施の形態では、図１において、半導体保持具２の回転速度と、研磨パッド１の回転速度と、研磨圧力を変更することなく、スラリー濃度だけを調整する構成を備える。研磨速度は、実施の形態１で述べたように、スラリー濃度に依存するので、研磨圧力と研磨部分での相対速度を変更することなく、スラリー濃度を制御することにより、研磨速度を一定にし、研磨時間を一定にすることができる。
【００２０】
実施の形態４
本実施の形態では、図１に示す化学的機械研磨装置において、半導体保持具２により、半導体基板Ｓの研磨面を研磨パッド１上に設置し、プラテン１ａと基板保持具２をそれぞれ回転させて、半導体基板を研磨する。反射光センサ３により、研磨パッド１の表面に残留している砥粒量を検出し、その検出値を反射光センサ制御ユニット８に送り、さらに統括コントローラ４に信号を送る。
【００２１】
統括コントローラ４は、反射光センサの検出値を解析し、研磨面におけるスラリーの実際の濃度を計算した後、研磨パッド表面の砥粒スラリー残留量についてのセンサの検出値と後述の図２のように予め測定した研磨速度の時間的変化パターンに基づき、半導体保持具駆動制御装置５と、研磨パッド駆動制御装置６と、スラリー濃度調整装置７とに信号を送り、研磨圧力、研磨パッドの回転速度、半導体保持具の回転速度、および供給するスラリーの濃度を各々適宜（少なくとも１の条件を）調整し、研磨速度を一定に維持する構成を備える。たとえば、スラリーの濃度が高い場合には、研磨圧力をより低くし、半導体保持具２の回転速度と研磨パッド１の回転速度を低下させ、常に一定の研磨面仕上がりと一定の研磨時間を得ることができる。
【００２２】
図２は、研磨パッドの交換に伴なう研磨速度と研磨時間の関係を示す図である。図２に示すように、研磨速度は、研磨時間が経過し、研磨パッド表面の砥粒残留濃度が増加することにより増加するが、研磨パッドを新しいパッドに交換すると、研磨速度は元の速度に回復するという時間的変化パターンを繰り返す。この時間的変化パターンは、膜種、研磨装置またはスラリーの種類により異なる。したがって、半導体基板の研磨速度の時間的変化パターンを予め測定し、統括コントローラ４に入力する。その後、研磨パッド表面の砥粒残留量についてのセンサの検出値と研磨速度の時間的変化パターンに基づき、研磨圧力と、研磨パッドおよび半導体保持具の回転速度と、供給する砥粒スラリーの濃度とを、研磨時間の経過とともに低下させるように調整すると、一層容易に一定の研磨速度と一定の研磨時間を得ることができる。この際、変化させるパラメータは、研磨圧力、回転速度、スラリーの供給濃度のすべてであってもよいし、これらのうちの１つであってもよい。
【００２３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
半導体基板の絶縁膜または金属膜の研磨工程において、一定の研磨時間と一定の研磨面の仕上がりを同時に実現できる化学的機械研磨装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１〜４の化学的機械研磨装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態４において、統括コントローラに予め入力する研磨速度と研磨時間との関係を示す図である。
【図３】従来の化学的機械研磨装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  研磨パッド、１ａ  プラテン、２  半導体保持具、３  反射光センサ、４  統括コントローラ、５  半導体保持具駆動制御装置、６  研磨パッド駆動制御装置、７  スラリー濃度調整装置、８  反射光センサ制御ユニット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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