JP4924593B2 - Ｃｍｐ研磨方法、ｃｍｐ装置、半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＭＰ研磨方法、ＣＭＰ装置、半導体装置及びその製造方法に関する。特には、１回の研磨処理によって正確な狙い膜厚が得られるＣＭＰ研磨方法、ＣＭＰ装置、半導体装置及びその製造方法に関する。

従来のＣＭＰ装置はターンテーブルを有しており、このターンテーブルは回転モータによって回転可能に構成されている。ターンテーブルの上面上には研磨クロスが貼り付けられている。ターンテーブルの上方にはウエハ保持手段である研磨ヘッドが配置されており、この研磨ヘッドは回転モータによって回転可能に構成されている。また、ターンテーブルの上方にはスラリーを吐出するノズルが配置されている。また、このＣＭＰ装置は、研磨時間、ターンテーブルの回転数、研磨ヘッドの回転などを制御する制御部を有している。

上記ＣＭＰ装置を用いて次のように研磨する。
１ロットには２５枚の製品用ウエハが含まれており、製品用ウエハの研磨はロット単位で行う。まず、研磨レートを測定するために、モニター用ウエハを準備する。このモニター用ウエハには、製品用ウエハで研磨しようとしている膜（例えばシリコン酸化膜など）が全面に成膜されている。次いで、モニター用ウエハの研磨前の膜厚（初期膜厚）を測定し、所定時間研磨を行う。即ち、研磨ヘッドの下部にモニター用ウエハの裏面を真空保持し、ターンテーブルを所定の回転数で矢印の方向に回転させ、ノズルからスラリーを吐出し、そのスラリーを研磨クロスの中央付近に滴下し、回転モータによって研磨ヘッドを所定の回転数で矢印の方向に回転させ、モニター用ウエハの表面（研磨面）を研磨クロスに押圧し、さらに研磨ヘッドによってウエハの裏面にエアー圧をかけて押圧する。このようにしてモニター用ウエハを所定時間研磨する。そして、研磨後の膜厚を測定し、初期膜厚と研磨後の膜厚と研磨時間から研磨レートを導出する。

次に、２５枚の製品用ウエハには２回に分けて上記ＣＭＰ装置を用いて研磨を行う。まず、１回目の研磨で、２５枚の製品用ウエハに所望の膜厚より少し厚くなる程度まで研磨を行った後、研磨後の膜厚を測定する。次いで、この測定した研磨後の膜厚と研磨レートから２回目の研磨を行う際の研磨時間を導出する。この後、この導出した研磨時間の研磨を２５枚の製品用ウエハに対して行う。１回目の研磨と２回目の研磨の両方において研磨時間以外の研磨条件は同一とする。このようにして研磨を行った後、２５枚の製品用ウエハのうちの１枚又は２枚について研磨後の膜厚を測定し、所望の膜厚となっていることを確認する。これにより、２５枚の製品用ウエハの研磨を終了する。

上述したように２回に分けて研磨処理を行うことにより、研磨後の膜が狙い膜厚になるように合わせ込んでいた。しかし、２回に分けて研磨処理を行うと、１回で研磨処理を終了させる場合に比べて処理工程が多くなるので、処理の遅延により生産能力が低下するという問題があった。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、１回の研磨処理によって正確な狙い膜厚が得られるＣＭＰ研磨方法、ＣＭＰ装置、半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係るＣＭＰ研磨方法は、モニター用ウエハで研磨レートを測定する第１工程と、
複数の製品用ウエハから一部を抜き取り、抜き取った一部の製品用ウエハの初期膜厚を測定し、前記初期膜厚と研磨後の狙い膜厚と前記研磨レートから研磨時間を導出する第２工程と、
前記一部の製品用ウエハに対して前記研磨時間の研磨処理を行う第３工程と、
前記第３工程での研磨処理後の膜厚を測定し、前記膜厚と狙い膜厚から研磨不足時間を導出する第４工程と、
前記研磨不足時間と前記第２工程で導出した研磨時間とから理想研磨時間を導出する第５工程と、
前記第２工程で一部が抜き取られた製品用ウエハの残りを前記理想研磨時間で研磨処理する第６工程と、
を具備する。

上記ＣＭＰ研磨方法によれば、第１工程から第５工程で理想研磨時間を導出することにより、従来のＣＭＰ研磨方法のように２回に分けて研磨処理を行う必要が無くなる上、終点検出機能を用いることなく研磨終点を正確に制御することができ、１回の研磨処理によって正確な狙い膜厚に研磨することができる。

また、本発明に係るＣＭＰ研磨方法においては、前記第６工程の後又は前記第１工程乃至第６工程の途中で、前記第１工程で測定した研磨レートと前記第５工程で導出した理想研磨時間をデータとして保存し、前記第１工程乃至第６工程を繰り返し行うことにより研磨レートと理想研磨時間のデータを複数保存し、これら複数のデータから研磨レートと理想研磨時間の関係を導く第７工程をさらに具備することも可能である。

また、本発明に係るＣＭＰ研磨方法においては、前記第７工程の後に、モニター用ウエハで研磨レートを測定し、この測定した研磨レートと前記第７工程で導いた関係から、現在の装置状態での理想研磨時間を導出し、前記理想研磨時間で製品用ウエハの研磨処理を行う第８工程をさらに具備することも可能である。第７工程で研磨レート（マシンコンディション）と理想研磨時間の関係を得ることにより、モニター用ウエハで研磨レートを測定しただけで現在の装置状態の理想研磨時間を導出できるため、第２工程乃至第４工程を省略しても１回の研磨処理によって正確な狙い膜厚に研磨することが可能となる。

本発明に係る半導体装置は、前記のＣＭＰ研磨方法を用いて研磨した工程を経て製造されたものである。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、前記のＣＭＰ研磨方法を用いて研磨する工程を有するものである。

本発明に係るＣＭＰ装置は、ウエハをＣＭＰ研磨するＣＭＰ装置であって、
回転可能に構成されたターンテーブルと、
前記ターンテーブル上に配置された研磨クロスと、
前記研磨クロス上にスラリーを供給するスラリー供給機構と、
前記ウエハを保持しながら前記研磨クロスに該ウエハを押し当てる研磨ヘッドと、
前記研磨ヘッド及び前記ターンテーブルの動作を制御する制御部と、
を具備するＣＭＰ装置において、
前記制御部は、モニター用ウエハで研磨レートを測定し、複数の製品用ウエハから一部を抜き取り、抜き取った一部の製品用ウエハの初期膜厚を測定し、前記初期膜厚と研磨後の狙い膜厚と前記研磨レートから研磨時間を導出し、前記一部の製品用ウエハに対して前記研磨時間の研磨処理を行い、研磨処理後の膜厚を測定し、前記膜厚と狙い膜厚から研磨不足時間を導出し、前記研磨不足時間と前記研磨時間とから理想研磨時間を導出し、前記理想研磨時間と前記研磨レートをデータとして保存し、これらのデータを複数収集することにより研磨レートと理想研磨時間の関係を導出し、この関係から、モニター用ウエハで研磨レートを測定するだけで現在の装置状態での理想研磨時間を導出し、この理想研磨時間で製品用ウエハを研磨するように制御する。

本発明に係る半導体装置は、前記のＣＭＰ装置を用いて研磨した工程を経て製造されたものである。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、前記のＣＭＰ装置を用いて研磨する工程を有するものである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は、本発明に係る実施の形態によるＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置の概略を示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＣＭＰ装置の側面図である。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、ＣＭＰ装置は円盤形状のターンテーブル１１１を有しており、このターンテーブル１１１の下面には回転軸（図示せず）を介して回転モータ（図示せず）が配置されている。

ターンテーブル１１１の上面上には研磨クロス１１３が貼り付けられている。ターンテーブル１１１の上方にはウエハ保持手段である研磨ヘッド１１７が配置されており、この研磨ヘッド１１７の上部には回転軸１１８を介して回転モータ（図示せず）が配置されている。また、ターンテーブル１１１の上方にはスラリー１２１を吐出するノズル１１９が配置されている。また、本ＣＭＰ装置は、研磨時間、ターンテーブル１１１の回転数、研磨ヘッド１１７の回転を制御する制御部（図示せず）を有している。

上記ＣＭＰ装置を図２に示すように動作させて次のように研磨する。
図２は、本発明に係る実施の形態によるＣＭＰ研磨方法を説明する図である。
１ロットには２５枚の製品用ウエハが含まれており、製品用ウエハの研磨はロット単位で行う。

まず、研磨レートを測定するために、モニター用ウエハを準備する。このモニター用ウエハには、製品用ウエハで研磨しようとしている膜（例えばシリコン酸化膜）が全面に成膜されている。次いで、モニター用ウエハの研磨前の膜厚（初期膜厚）を測定し、所定時間研磨を行う。即ち、研磨ヘッド１１７の下部にモニター用ウエハの裏面を真空保持し、ターンテーブル１１１を所定の回転数で矢印の方向に回転させ、ノズル１１９からスラリー１２１を吐出し、そのスラリーを研磨クロス１１３の中央付近に滴下し、回転モータによって研磨ヘッド１１７を所定の回転数で矢印の方向に回転させ、モニター用ウエハの表面（研磨面）を研磨クロス１１３に押圧し、さらに研磨ヘッド１１７によってウエハの裏面にエアー圧をかけて押圧する。このようにしてモニター用ウエハを所定時間研磨する。そして、研磨後の膜厚を測定し、初期膜厚と研磨後の膜厚と研磨時間から研磨レート（例えば３００ｎｍ／分）を導出する（ＳＴ１）。

次に、２５枚の製品用ウエハ（１ロット）を準備する。製品用ウエハにはシリコン酸化膜が成膜されており、このシリコン酸化膜が前記ＣＭＰ装置を用いて研磨される。
次いで、上記製品用ウエハの２５枚のうち１枚を抜き取り、シリコン酸化膜の初期膜厚を測定し、この初期膜厚と研磨後の狙い膜厚と研磨レートから研磨時間（例えば１００秒）を導出する。尚、ここでは１枚を抜き取っているが、２枚以上を抜き取ることも可能である。
次いで、上記の抜き取った１枚の製品用ウエハに対して前記導出した研磨時間の研磨処理を行う（ＳＴ２）。

この後、上記研磨処理後のシリコン酸化膜の膜厚を測定し、この膜厚と狙い膜厚から研磨時間の過不足を導出する（ＳＴ３）。すなわち、上記研磨処理後のシリコン酸化膜の膜厚を測定したら１３７０ｎｍであり、研磨後の狙い膜厚が１３００ｎｍである場合、７０ｎｍだけ研磨不足となるので、３００ｎｍ／分の研磨レートから計算すると研磨不足時間が１４秒間となる。尚、ＳＴ２の工程で２枚の製品用ウエハを抜き取り、研磨処理を行った場合、研磨時間の過不足を導出する際には平均値を用いることが好ましい。

次に、上記ＳＴ３の工程で導出した研磨不足時間の研磨を行い、研磨後の膜厚を測定して狙い膜厚になっているかを確認し、前記研磨時間と研磨不足時間との和から理想研磨時間（例えば１００＋１４＝１１４秒）を導出する（ＳＴ４）。
次いで、上記製品用ウエハの２５枚のうち残りの２４枚に対して上記理想研磨時間（例えば１１４秒）の研磨処理を行う（ＳＴ５）。

この後、上記ＳＴ５の工程で研磨処理を行った２４枚のうち２枚を抜き取り、研磨後の膜厚を測定し、狙い膜厚となっていることを確認する（ＳＴ６）。尚、本実施の形態では、１ロットに対する研磨処理をＳＴ１〜ＳＴ６までの工程によって行っているが、２ロット以上に対する研磨処理をＳＴ１〜ＳＴ６までの工程によって行うことも可能である。また、ＳＴ１〜ＳＴ６の工程は制御部によって制御しながら行われることが好ましい。

次いで、前記研磨レート（３００ｎｍ／分）と前記理想研磨時間（１１４秒）を制御部の記憶部にデータとして保存する。
次に、上述したＳＴ１〜ＳＴ６までの工程を、前記ＣＭＰ装置を用いて繰り返し行う。これにより、研磨レートが例えば２５０ｎｍ／分、理想研磨時間が１２０秒というデータ、研磨レートが例えば２３０ｎｍ／分、理想研磨時間が１４０秒というデータなどをとることができる。

ＣＭＰ装置を使用していく間に研磨レートが変化していくのは、ＣＭＰ装置の状態（即ちマシンコンディション）が変化していくからである。この変化の原因となるものは、例えばＣＭＰ装置の研磨クロス１１３の摩耗、研磨剤の劣化などが挙げられる。前記のデータを前記記憶部に蓄積していくことにより、図３に示すような研磨レート（マシンコンディション）と理想研磨時間の関係を得ることができる。この関係は数式化（例えばｙ＝ａｘ＋ｂ、ｘが研磨レートでｙが理想研磨時間）することも可能である。

上記のような関係を得ることにより、研磨レートを測定するだけで理想研磨時間を導出することが可能となる。つまり、研磨レートを測定し、その研磨レートと前記の関係から理想研磨時間を導出することが可能となる。その場合は、前述したＳＴ２〜ＳＴ４の工程を省略することができ、研磨レートを測定した後、すぐにＳＴ５の工程で１ロットの２５枚のすべての製品用ウエハを理想研磨時間で研磨処理することができる。

上記実施の形態によれば、ＳＴ１〜ＳＴ４の工程で理想研磨時間を導出することにより、従来のＣＭＰ研磨方法のように２回に分けて研磨処理を行う必要が無くなる上、終点検出機能を用いることなく研磨終点を正確に制御することができ、１回の研磨処理によって正確な狙い膜厚に研磨することができる。従って、ＣＭＰ装置の処理能力を向上させることができる。

また、研磨レートと理想研磨時間のデータを制御部の記憶部に蓄積していくといったデータのフィードバックを行い、研磨レート（マシンコンディション）と理想研磨時間の関係を得ることにより、ＳＴ２〜ＳＴ４の工程を省略しても１回の研磨処理によって正確な狙い膜厚に研磨することが可能となる。
尚、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。

また、上記実施の形態では、本発明をＣＭＰ装置、ＣＭＰ研磨方法に適用した例を示しているが、これに限定されるものではなく、本発明を半導体装置及びその製造方法に適用することも可能である。例えば、本実施の形態によるＣＭＰ装置を用いて研磨した工程を経て製造された半導体装置、本実施の形態によるＣＭＰ研磨方法を用いて研磨した工程を経て製造された半導体装置、本実施の形態によるＣＭＰ装置を用いて研磨する工程を有する半導体装置の製造方法、本実施の形態によるＣＭＰ研磨方法を用いて研磨する工程を有する半導体装置の製造方法についても本発明の適用範囲に含まれる。

本発明に係る実施の形態によるＣＭＰ装置の概略を示す図。 本発明に係る実施の形態によるＣＭＰ研磨方法を説明する図。 研磨レートと理想研磨時間の関係を示す図。

符号の説明

１１１…ターンテーブル、１１３…研磨クロス、１１５…ウエハ、１１７…研磨ヘッド、１１８…回転軸、１１９…ノズル、１２１…スラリー

Claims (5)

1. モニター用ウエハに形成されている第１シリコン酸化膜の第１研磨レートを導出する第１工程と、
   第１製品用ウエハに形成されている第２シリコン酸化膜の膜厚及び狙い膜厚並びに前記第１研磨レートから、第１研磨時間を導出する第２工程と、
   前記第１研磨時間で前記第２シリコン酸化膜を研磨する第３工程と、
   前記狙い膜厚と研磨後の前記第２シリコン酸化膜の膜厚とから、前記第２シリコン酸化膜の研磨不足の膜厚を導出する第４工程と、
   前記第１研磨レートと前記研磨不足の膜厚とから、第２研磨時間を導出する第５工程と、
   前記第２研磨時間で、研磨後の前記第２シリコン膜を研磨する第６工程と、
   前記第１研磨時間と前記第２研磨時間とから導出された第３研磨時間で、第２製品用ウエハに形成されている第３シリコン酸化膜を研磨する第７工程と、を含み、
   前記第１工程から前記第７工程を繰り返すことにより、前記第１研磨レート及び前記第３研磨時間の関係を導出し、その後、前記第１工程を行うことによって前記第１研磨レートを導出し、前記第１研磨レートと前記関係から第４研磨時間を導出し、前記第４研磨時間で第３製品用ウエハに形成されている第４シリコン酸化膜を研磨する、研磨方法。
2. 請求項１において、
   前記第６工程の研磨後の前記第２シリコン酸化膜の膜厚が前記狙い膜厚になっていることを確認した後に、前記第７工程を行う、研磨方法。
3. 請求項１又は２の研磨方法を含む、半導体装置の製造方法。
4. ターンテーブルと、
   前記ターンテーブル上に配置された研磨クロスと、
   前記研磨クロス上に配置されたスラリー供給機構と、
   前記研磨クロス上に配置された研磨ヘッドと、
   前記研磨ヘッド及び前記ターンテーブルの動作を制御する制御部と、を含み、
   前記制御部は、
   第１モニター用ウエハに形成されている第１シリコン酸化膜の第１研磨レート並びに第１製品用ウエハに形成されている第２シリコン酸化膜の膜厚及び狙い膜厚から導出された第１研磨時間で、前記第２シリコン酸化膜が研磨されるように、前記研磨ヘッド及び前記ターンテーブルの第１動作を制御し、
   前記狙い膜厚と前記第２シリコン酸化膜の研磨後の膜厚とから導出された前記第２シリコン酸化膜の研磨不足の膜厚及び前記第１研磨レートから導出された第２研磨時間で、研磨後の前記第２シリコン酸化膜が研磨されるように、前記研磨ヘッド及び前記ターンテーブルの第２動作を制御し、
   前記第１研磨時間と前記第２研磨時間とから導出された第３研磨時間で、第２製品用ウエハに形成されている第３シリコン酸化膜が研磨されるように、前記研磨ヘッド及び前記ターンテーブルの第３動作を制御し、
   前記第１動作から前記第３動作を繰り返すように制御することにより、前記第１研磨レート及び前記第３研磨時間の関係を導出し、その後、第２モニター用ウエハに形成されている第４シリコン酸化膜の第２研磨レートと前記関係から第４研磨時間を導出し、前記第４研磨時間で、第３製品用ウエハに形成されている第５シリコン酸化膜が研磨されるように、前記研磨ヘッド及び前記ターンテーブルの動作を制御する、研磨装置。
5. 請求項４の研磨装置を用いた研磨方法を含む、半導体装置の製造方法。

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