(57)【要約】【課題】半導体装置の研磨装置および研磨方法において、研磨パッド表面の変化を検知し、研磨条件へフィードバックし、最良の研磨プロファイルを実現する。【解決手段】研磨パッド１２に研磨剤１５ａを供給し、半導体ウェハ１３をヘッド１４に保持させ、研磨パッド１２の硬さを測定する。ヘッド１４と研磨パッド１２を回転させながら、ヘッド１４に保持された半導体ウェハ１３を研磨パッド１２に押し付けて研磨を行う。この際、研磨パッド１２の硬さをセンサ１７にて測定し、測定結果に基づいて、ヘッド１４における半導体ウェハ１３の周辺部もしくは中央部に対する押し付け圧力を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機構を備えた定盤と、
前記定盤上に貼り付けた研磨パッドと、
前記研磨パッドに研磨剤を供給する研磨剤供給部材と、
半導体ウェハを保持し、回転かつ加圧する機構を有し、前記半導体ウェハの中央部と周辺部とをそれぞれ独立して加圧することが可能なヘッドと、
前記研磨パッドの表面を目立てする目立て部材と、
前記研磨パッドの表面の硬さを計測するセンサとを備え、
前記センサによる測定値に基づいて、前記ヘッドの中央部と周辺部の加圧状態を制御することを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項２】
前記センサが前記研磨パッドの直径方向に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造装置。
【請求項３】
研磨パッドに研磨剤を供給する工程と、
半導体基板をヘッドに保持させる工程と、
前記研磨パッドの硬さを測定する工程と、
前記ヘッドと前記研磨パッドを回転させながら、前記ヘッドに保持された前記半導体基板を前記研磨パッドに押し付けて研磨を行う工程とを含み、
前記研磨パッドの硬さを測定する工程において測定された研磨パッドの硬さに基づいて、前記ヘッドが前記半導体基板の周辺部もしくは中央部の押し付け圧力を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記研磨パッドの硬さを測定する工程において、研磨パッドの中心からの距離が異なる複数の箇所を測定して平均値を求めることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記研磨パッドの硬さを測定する工程において、研磨パッドの同心円上の異なる複数の箇所を測定して平均値を求めることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造装置および製造方法に関するものであって、特に半導体ウェハなどを研磨する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体ウェハなどを研磨する装置では、図８に示すように定盤３１の上に貼り付けた研磨パッド３２の表面に研磨剤（スラリー）３５を供給し、定盤３１を回転させ、ウェハ３３をヘッド３４に保持させて、ヘッド３４を回転させ、かつウェハ３３を研磨パッド３２の表面に押し当てながらウェハ８３を研磨する構成になっており、さらに、研磨パッド３２の表面を研磨処理毎および研磨処理中に目立てする目立て機構３６を具備している。
【０００３】
ウェハ３３を研磨パッド３２へ押し付ける研磨荷重の制御は、シリンダやエア圧制御（エアバック方式）などで実施している。
【０００４】
また、研磨中の実荷重を測定できるロードセル３７などにて実荷重値を検出して記憶するユニット３８と、研磨荷重のコントローラ３９とを備え、これらにより荷重制御フィードバックする方法を採用し、研磨レートの安定化を実現しているものもある。
【０００５】
研磨時間の決定には、定期的にモニタウェハによる研磨レート測定を実施し、目標とする残膜厚になるように研磨時間を算出することが一般的である。
【特許文献１】特開平９−１５０３６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の研磨装置および研磨方法では、パッドに対する処理枚数が増加するに伴い、パッド表面が変質し、ウェハ面内での研磨レートのプロファイルが変化するものがある。パッド表面の変質の原因は、スラリーに含まれる化学成分の影響や、目立て条件などが考えられる。
【０００７】
一例として、図７に示すように処理枚数が増加するにつれてウェハ中央部の研磨レートが上昇する場合がある。このような場合、ウェハエッジ部分の研磨レートは増加しないため、処理を重ねるとともに均一性が悪化する。
【０００８】
定期的に研磨レートを測定すれば、ウェハ中央部の残膜厚は目標値に合せることができるが、パッド処理枚数が多い場合には、ウェハエッジ部の研磨レートが悪いため、ウェハエッジ部において研磨残りが発生する。
【０００９】
このように研磨パッド表面の変化自体による研磨プロファイルの変化のため、研磨荷重のフィードバック制御だけでは均一性の確保はできない。
【００１０】
本発明は、前記従来技術の課題を解決し、研磨パッド表面の変化を検知し、研磨条件へフィードバックし、最良の研磨プロファイルを実現できる半導体装置の製造装置および製造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】
【００１１】
前記目的を達成するため、請求項１に記載の半導体装置の製造装置に係る発明は、回転機構を備えた定盤と、前記定盤上に貼り付けた研磨パッドと、前記研磨パッドに研磨剤を供給する研磨剤供給部材と、半導体ウェハを保持し、回転かつ加圧する機構を有し、前記半導体ウェハの中央部と周辺部とをそれぞれ独立して加圧することが可能なヘッドと、前記研磨パッドの表面を目立てする目立て部材と、前記研磨パッドの表面の硬さを計測するセンサとを備え、前記センサによる測定値に基づいて、前記ヘッドの中央部と周辺部の加圧状態を制御することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載の半導体装置の製造方法に係る発明は、研磨パッドに研磨剤を供給する工程と、半導体基板をヘッドに保持させる工程と、前記研磨パッドの硬さを測定する工程と、前記ヘッドと前記研磨パッドを回転させながら、前記ヘッドに保持された前記半導体基板を前記研磨パッドに押し付けて研磨を行う工程とを含み、前記研磨パッドの硬さを測定する工程において測定された研磨パッドの硬さに基づいて、前記ヘッドが前記半導体基板の周辺部もしくは中央部の押し付け圧力を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、研磨パッドによる処理枚数増加に伴い、パッド表面状態が変化し、研磨プロファイルが変化しても、パッド表面状態の変化を検知し、研磨処理条件にフィードバックすることにより、常に最適な研磨プロファイルが得られ、目標とする残膜厚への合わせこみが容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態における半導体装置の製造装置の概略構成を示す斜視図である。
【００１６】
図１に示すように、本装置は、定盤１１の上に貼り付けた研磨パッド１２の表面に、研磨剤供給部材１５から研磨剤（スラリー）１５ａを供給し、回転させた定盤１１に半導体ウェハ（半導体基板）１３を保持したヘッド１４を回転させ、かつ半導体ウエハ１３を研磨パッド１２の表面に押し当てながら加圧研磨する構成になっており、さらに、研磨パッド１２の表面を目立てする目立て部材１６と、研磨パッド１２の表面硬さを測定するセンサ１７と、センサ１７からの測定値の記憶する収集ユニット１８と、収集ユニット１８における測定値に基づきヘッド１４の加圧力などを後述するように制御する制御部１９を備えている。
【００１７】
研磨パッド１２の表面硬さを測定するセンサ１７としては、強度評価試験機などを用いる。この強度評価試験機により、パッド表面に対し、ある一定の力で繰り返し圧縮をかけ、パッド表面の変位量からパッド表面の硬さを測定する。そして、変位量が大きい場合は軟らかい、また変位量が小さい場合は硬いと判断できる。
【００１８】
図２は研磨パッドの表面硬さ（変位量の逆数）と研磨レートの関係を示す図であって、図２に示すように、パッド表面が硬くなると研磨レートが増加する。
【００１９】
図７に示すようにパッド処理枚数を重ねると、パッド表面が硬くなるプロセスの場合、研磨プロファイルをみると、ウェハ中央部の研磨レートは増加するが、ウェハ周辺部の研磨レートは低いままであるため、ウェハ全体の研磨レートの均一性が悪化する。
【００２０】
現在、一般的に使用されているヘッド１４は、図３に示すように、ウェハ１３を保持し、回転させながら研磨パッド１２に押し当てるもので、ウェハ１３の中央部や周辺部分を独立して荷重を加えることができる構成のものである。
【００２１】
ヘッド１４は、エアバック構造となっており、ウェハ中央部を加圧するゾーン２１およびウェハ周辺部を加圧するゾーン２２の圧力を制御することにより、ウェハの中央部と周辺部の研磨レートを制御することが可能である。
【００２２】
前記構造のヘッド１４を用いることで、制御部１９において研磨パッド１２の表面硬さから研磨プロファイルの変化を予測し、研磨荷重制御にフィードバックすることで、常に所望のプロファイルの実現が可能である。
【００２３】
前記構成において、基板中央部の荷重を低下させたときの荷重変更前後の研磨プロファイルを図４に示す。
【００２４】
図４に示すように、研磨パッド１２の表面が硬いときに、通常の研磨荷重条件で研磨した場合は、ウェハ中央部の研磨レートが高い状態であるが、ウェハ中央部の荷重を低下させたときは、ウェハ中央部の研磨レートがウェハ周辺部と同等レベルとなり、良好な均一性が得られる。
【００２５】
研磨パッド１２の表面の硬さから研磨荷重の制御値への変換は、あらかじめ得られている研磨パッド１２の表面の硬さと研磨プロファイルの関係から、ウェハ中央部とウェハ周辺部のレートの差異分を荷重変化量に換算することで実現できる。
【００２６】
そして、パッド表面の硬さを研磨処理前に測定し、制御部１９における研磨荷重制御にフィードバックすることで、処理毎に最適な研磨条件で処理することができる。
【００２７】
次に、制御部１９におけるフィードバックについて具体的に説明する。
【００２８】
先ず、特に表面の硬化が始まっていない新しい研磨パッド１２の表面硬さを、センサ１７である硬さ測定器の振幅で測定する。そして、このときにウェハ研磨を均一に行うために、ウェハ中央部に加える圧力をＰ１、ウェハ周辺部に加える圧力をＰ２とする。
【００２９】
ここで、例えば、研磨パッド１２の表面の硬さ（変位数の逆数）が２倍になったとすると、ウェハ中央部に加える圧力Ｐ１を０．５倍することでウェハ中央部の研磨レートを相対的に下げるか、またはウェハ周辺部の圧力Ｐ２を２倍することでウェハ周辺部の研磨レートを相対的に上げることによって、ウェハ全体での研磨レートを均一にすることが可能となる。
【００３０】
（第２の実施形態）
以下、本発明における第２の実施の形態について説明する。
【００３１】
第１の実施形態にて説明した研磨装置において、図５に示すように、研磨パッド１２の表面硬さを測定するセンサ１７の位置を研磨パッド１２の半径方向へ移動させる機構を備え、研磨パッド１２の表面硬さを測定する測定点Ｍを、研磨パッド１２がウェハ１３に接触する領域Ｓ内における複数点とする。図５に示す例では、３点の測定点Ｍで硬さを測定している。
【００３２】
制御部１９において、前記測定点Ｍにおける測定値の平均値から研磨荷重制御へフィードバックする。複数点測定することで、ウェハを研磨しているパッド表面の硬さのばらつきを考慮することができる。研磨処理前に測定することにより、処理毎に最適な研磨条件で処理することができる。
【００３３】
本実施形態では３点を測定したが、４点以上を測定して平均を取ることで，パッド表面のばらつきをさらに正確に把握でき、研磨荷重のより正確な制御によって、ウェハ研磨の均一性をさらに高くすることができる。
【００３４】
（第３の実施形態）
以下、本発明における第３の実施の形態について説明する。
【００３５】
第１の実施形態にて説明した研磨装置において、図６に示すように、研磨パッド１２の表面硬さを測定するセンサ１７を用いて研磨パッド１２の表面硬さを測定する際に、研磨パッド１２がウェハ１２に接触する領域Ｓにおいて、研磨パッド１２を回転させた一定角度の位置を測定点Ｎとして複数点を測定する。図６に示す例では、１２０度ずつ研磨パッド１２を回転させた３点を測定点Ｎとしている。
【００３６】
制御部１９において、前記測定点Ｎにおける測定値の平均値から研磨荷重制御へフィードバックする。複数点測定することで、ウェハ１２を研磨しているパッド表面の硬さのばらつきを考慮することができる。第２の実施形態にて説明した機構を併用すれば、パッドの直径方向の硬さばらつきも考慮した測定が可能となる。研磨処理前にあらかじめ測定することで、処理毎に最適な研磨条件で処理できる。
【００３７】
なお、本実施形態では３点を測定したが、４点以上を測定して平均を取ることで，パッド表面のばらつきをさらに正確に把握でき、研磨荷重のより正確な制御によって、ウェハ研磨の均一性をさらに高くすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係る半導体ウェハなどの表面を研磨する技術は、研磨パッド表面の変化によりウェハ面内の研磨レートのプロファイルが変化するプロセスにおいて、常に所望の研磨レートプロファイルを得ることができ、研磨パッドライフ内にて良好な研磨レートの均一性を得ることが必要な研磨処理を実施する場合に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施形態における半導体装置の製造装置の概略構成を示す斜視図
【図２】本実施形態におけるパッド硬さと研磨レートおよび均一性の関係の説明図
【図３】第１の実施形態における研磨ヘッドの構造図
【図４】第１の実施形態においてウェハ中央部の荷重を変更したときの研磨プロファイルの説明図
【図５】本発明の第２の実施形態におけるパッド表面硬さ測定位置に関する説明図
【図６】本発明の第３の実施形態におけるパッド表面硬さ測定位置に関する説明図
【図７】従来の研磨方法での処理枚数増加に伴う研磨プロファイルの変化を示す説明図
【図８】従来の半導体装置の研磨装置の構成図
【符号の説明】
【００４０】
１１  定盤
１２  研磨パッド
１３  半導体ウェハ（半導体基板）
１４  ヘッド
１５  研磨剤供給部材
１５ａ  研磨剤
１６  目立て部材
１７  センサ
１８  収集ユニット
１９  制御部
２１  ヘッドのウェハ中央部を加圧するゾーン
２２  ヘッドのウェハ周辺部を加圧するゾーン
Ｎ，Ｍ  研磨パッドの表面硬さ測定点
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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