JP2005311246A - 化学機械研磨装置及び化学機械研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 研磨中のウエハの表面の温度分布を測定できるＣＭＰ装置及び方法の実現。
【解決手段】 表面に研磨パッド35を有し、回転するプラテン31と、ウエハ7を研磨パッドに押し付けるように保持しながら回転するウエハ保持機構8とを備え、ウエハ7を研磨するＣＭＰ装置において、プラテン31と研磨パッド35は透明であり、プラテン31と研磨パッド35とを通して研磨中のウエハ7全体の温度分布を測定するサーモグラフィ装置41を備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体製造プロセスで、ウエハ上の先に形成された層の表面を化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing: CMP)する化学機械研磨（ＣＭＰ）装置及び化学機械研磨（ＣＭＰ）方法に関する。

近年、半導体製造プロセスにおいては、ＣＭＰ装置を使用してプロセスの途中のウエハの表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）することが行われており、特許文献１などに説明されている。まず、従来のＣＭＰ装置の概略構成を簡単に説明する。

図１は、従来のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。図示のように、研磨パッド５を貼り付けたプラテン１を回転させ、研磨パッド５上にスラリ（研磨粒子を含んだ研磨液）６を供給しながら、ウエハ保持機構８に保持されたウエハ７を回転しながら研磨パッド５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。化学機械研磨は、ウエハの表面を機械的に削ると同時に研磨液がウエハの表面と化学反応して研磨を行う。そのため、研磨に伴ってウエハ表面が機械的にあるいは化学反応を伴って発熱する。この発熱によるウエハ表面の温度上昇によって、研磨の進行が影響される場合がある。

ＣＭＰ装置で制御する必要のある重要点は、研磨量を正確に検出して研磨を停止することである。これを終点検出と呼んでいる。終点検出の方法は、研磨中のウエハの表面に光ビームを照射して、反射光の分光特性及び反射光の干渉などを測定することにより、ウエハ表面の研磨対象膜の膜厚変化を検出して判定する方法や、プラテン及びウエハ保持機構の回転負荷の変化を検出する方法など各種提案されている。いずれの終点検出方法を使用する場合でも、上記のように、ウエハ表面の温度が研磨の進行に影響するため、研磨中の温度を検出して管理する必要がある。

研磨の進行具合は、ウエハを研磨パッドに押し付ける圧力などを変化させればそれに応じて変化し、同様にウエハ表面の温度が変化すれば変化する。どのように変化するかは、研磨対象膜の材料、スラリなど各種の要因によることになるが、一般的には、圧力を高めれば研磨の進行が早くなり、温度が高いと研磨の進行が早くなる。ここでは、温度が高いと研磨の進行が早くなるものとして説明するが、これに限定されるものではない。

研磨の進行を速くすれば、終点検出の少しの誤差でもその間に研磨される量が大きいため、重大な問題になる。一方、研磨の進行を遅くすれば、終点検出に誤差があっても、その間に研磨される量が少ないため、大きな問題にはならない。しかし、これではＣＭＰ装置のスループットが低いという問題がある。そこで、現状では、終点検出の精度とスループットを勘案してＣＭＰプロセスの各種の条件を設定している。

そこで、研磨中のウエハの温度又はそれに対応する温度を測定して管理することにより、終点検出の精度を向上することが行われている。例えば、ウエハを保持するウエハ保持機構の各部にサーミスタを設けて、研磨中のウエハの温度を予測して管理することが提案されている。しかし、この方法は、ウエハ自体の温度を測定するものではないので、ウエハの温度を十分な精度で検出することができないという問題がある。

特許文献１は、研磨中のウエハの裏面の温度を測定する構成を記載している。図２は、特許文献１に記載されたＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。図示のように、研磨パッド５を貼り付けたプラテン１を回転させ、研磨パッド５の上にウエハ７を保持したウエハ保持板１１を配置して押し付けながら回転する。ウエハ保持板１１は、固定の筐体１３に設けられた回転駆動機構により回転される。ウエハ保持板１１の中心部には穴が設けられており、穴の中に透明盤が設けられている。筐体１３の中心部も中空になっており、筐体１３の上部に設けた赤外線放射温度計１４により研磨中のウエハ７の裏面の温度が測定できる。ウエハ７は薄い板なので、裏面と表面はほぼ同じ温度であると考えられ、研磨中のウエハの表面温度に対応する温度が測定できる。従って、特許文献１のＣＭＰ装置では、研磨中のウエハの温度を高精度に測定できるので、終点検出の精度を向上できる。これに応じて、研磨速度を増加させるなど、ＣＭＰプロセスのスループットを向上するための各種の方策に応用できる。

特開２００２−３０１６６０号公報 特開平７−５２０３２号公報

ウエハには複数層の膜が複数の半導体回路パターンに従って形成されており、ウエハ面の研磨による温度分布は複雑である。また、研磨パッドの高低差などのために部分的な押し付け圧力の差が存在し、更にウエハの押し付け圧分布はパターンにも依存する上スラリの流れ込み量の分布にも左右されるので、研磨中のウエハは全面が同じ温度ではなく、複雑な温度分布をしている。

特許文献１に記載されたＣＭＰ装置では、研磨中のウエハの中心部の温度を測定しているだけで、ウエハ全面の温度分布を測定することはできない。そのため、ウエハの中心部の温度のみを測定して各種の管理を行っても十分とはいえず、終点検出の精度も十分には向上できないという問題がある。

本発明は、ＣＭＰプロセスで研磨中のウエハ全面の温度分布を高精度に測定できるＣＭＰ装置及び方法の実現を目的とする。

上記目的を実現するため、本発明の化学機械研磨装置及び方法は、透明なプラテンと研磨パッドを通して研磨中のウエハ全体の温度分布をサーモグラフィー装置で測定することを特徴とする。

すなわち、本発明の化学機械研磨装置は、表面に研磨パッドを有し、回転するプラテンと、ウエハを前記研磨パッドに押し付けるように保持しながら回転するウエハ保持機構とを備え、前記ウエハを研磨する化学機械研磨装置において、前記プラテンと前記研磨パッドは透明であり、前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハ全体の温度分布を測定するサーモグラフィ装置を備えることを特徴とする。

また、本発明の化学機械研磨方法は、回転するプラテンの表面に設けられた研磨パッドに、ウエハ保持機構に保持されたウエハを回転しながら前記研磨パッドに押し付けて研磨する化学機械研磨方法において、前記プラテンと前記研磨パッドは透明であり、前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハ全体の温度分布を測定することを特徴とする。

透明なプラテンは、例えば石英ガラスで作られる。また、透明な研磨パッドは、例えばポリウレタンで作られる。

本発明により、研磨中のウエハ全体の温度分布を検出できるので、各種の制御の精度を向上させたり、品質管理の精度を向上させることができる。

例えば、前述のように、ウエハ表面の温度により研磨の進行具合が異なる。そのため、ウエハの温度が部分的に異なるとそれぞれの部分での研磨の進行具合が異なることになる。特許文献２は、研磨中のウエハの表面のある部分の膜厚を測定する方法を記載している。例えば、膜厚を測定している場所が他の部分より温度が高いと、その部分の膜厚に基づいて研磨を終了すると、他の部分は研磨が不充分である。逆に、膜厚を測定している場所が他の部分より温度が低いと、その部分の膜厚に基づいて研磨を終了すると、他の部分は研磨のし過ぎとなる。本発明によりウエハの温度分布を測定して、膜厚を測定している場所が他の部分に比べてどのような温度であるかを加味して研磨の終了を判定すれば、研磨量をより高精度に制御できる。

また、ウエハは全面が同じように研磨される必要があり、部分的な研磨量の差には許容範囲があり、この許容範囲を越えるとウエハの一部のダイ（チップ）は不良になる。上記のように、ウエハの温度が部分的に異なるとそれぞれの部分での研磨量に差が生じるが、この差が許容範囲内に入ることが要求される。そこで、本発明により研磨中のウエハの温度分布を測定し、あらかじめ温度分布と実際の研磨量の差の関係を調べて、研磨量の許容範囲に対応する限界温度差を記憶しておく。そして、本発明により研磨中のウエハの温度分布を測定し、ウエハ内の温度差が限界温度差を超えた場合には、研磨速度を遅くするなどの制御を行うことが可能になる。

図３は、本発明の実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。実施例のＣＭＰ装置では、全面が透明なポリウレタン製研磨パッド３５を貼り付けた全体が透明な石英ガラス製プラテン３１を回転し、研磨パッド３５上にスラリを供給しながら、その上にウエハ保持機構８に保持したウエハ７を回転させながら押し付ける。なお、プラテン３１は、すべて透明である必要はなく、例えば、梁（リブ）で構成された金属製の構造物に石英ガラスや透明樹脂などの円板状の透明板を載置した構造でもよい。この場合、撮影範囲に金属の梁の部分が入るとその部分は撮影できないが、前後の温度分布画像を合成すれば特に問題は生じない。

プラテン３１の下側には、サーモグラフィ装置４１が設けられ、研磨中のウエハ７全体の温度分布をリアルタイムで測定する。

ウエハ保持機構８は、ウエハ７を研磨パッド上に搬送する時には真空吸着によりウエハ７をチャックして搬送するが、研磨中は真空吸着を解除して、ウエハ７の直径より若干大きな内径を有するガイドリングにより、研磨中にウエハ７が保持機構８より飛び出るのを防止している。なお、研磨中もウエハ保持機構８がウエハ７を真空吸着によりチャックした状態で、回転させるようにしてもよい。研磨中、保持機構８はウエハ７を研磨パッド３５に所定の圧力で押し付ける。

なお、スラリにより研磨パッド３５の目詰まりが生じるので、図示していないドレッサにより、研磨パッド３５の表面は定期的にドレッシングされる。

サーモグラフィ装置４１からの温度画像信号は画像処理装置４２に送られ、画像処理装置４２は次のような処理を行う。上記のように、ウエハ７は回転する。そのため、ウエハの温度分布の画像はウエハと共に回転することになり、ウエハの温度分布を正確に測定するには、ウエハの回転を検出して、温度分布画像の回転位置に応じた変化を追跡する必要がある。

ウエハ７には、ウエハの結晶方向を示すために、図４の（Ａ）に示すように、オリエンテーションフラット（ＯＦ）２１、又は図３４（Ｂ）に示すように、ノッチ２２が設けられている。ＯＦ２１及びノッチ２２の位置を検出すれば、ウエハ７の回転位置が検出できる。そこで、画像処理装置４２は、ＯＦ２１及びノッチ２２の位置を検出して、温度分布画像を回転位置を考慮して合成する。

画像処理装置４２は、ウエハ７及びプラテン３１と研磨パッド３５に関する温度分布情報を制御装置４３に送る。制御装置４３は、送られた温度分布情報に基づいて各種の制御を行う。この温度分布情報は各種の応用が可能である。

例えば、ウエハの温度により研磨の進行具合が異なる。そのため、ウエハの温度が部分的に異なるとそれぞれの部分での研磨の進行具合が異なることになる。前述のように、ＣＭＰ装置では終点検出を正確に行うことが非常に重要であり、例えば、特許文献２に記載されたような、研磨中のウエハの表面のある部分の膜厚を測定する方法を使用して終点検出を行うとした場合、膜厚を測定しているウエハの表面の部分が他の部分より温度が高いと、このようにして測定した膜厚の情報に基づいて研磨を終了すると、他の部分は研磨が不足していることになる。逆に、膜厚を測定している部分が他の部分より温度が低いと、他の部分は研磨のし過ぎとなる。

本実施例のＣＭＰ装置では、ウエハ７の温度分布が測定できるので、膜厚を測定している部分が他の部分に比べて温度が高い場合には、その分研磨の終了を遅らせ、膜厚を測定している部分が他の部分に比べて温度が低い場合には、その分研磨の終了を早くするという制御を行う。

また、あらかじめウエハの温度分布と実際の研磨量の差の関係を調べて、研磨量の許容範囲に対応する１枚のウエハ内での限界温度差を決定して記憶しておく。そして、研磨中のウエハの温度分布を測定し、ウエハ内の温度差が限界温度差を超えた場合には、ウエハ７を研磨パッド３５に押し付ける圧力を低下させて研磨速度を遅くするように制御する。一般に、研磨速度を遅くすると、１枚のウエハ内の温度差は減少するので、これによりウエハ内の温度差は縮小する。

また、研磨圧を部分的に変えられるＣＭＰ装置の場合には、測定したウエハの温度分布に応じて一様な研磨が行われるように対応する部分の研磨圧を変化させることも可能である。

従来は、ウエハ内の温度差を測定することができなかったので、上記のようなウエハ内の研磨量の差を生じないように研磨速度を設定していた。言い換えれば、研磨速度を十分に低く設定して１枚のウエハ内の温度差を小さくしてウエハ内の研磨量の差を生じないようにしていた。そのため、十分なスループットが得られていなかった。これに対して、本実施例であれば、ウエハ内の温度差が限界温度差を超える直前まで研磨速度を増加させることが可能であるので、スループットが向上する。

以上、本発明の実施例を説明したが、サーモグラフィ装置による温度検出精度を向上するには、較正が重要である。ウエハを研磨状態にセットした研磨開始前の状態では、ウエハ表面の温度は一様であると考えられるので、サーモグラフィ装置が検出したこの状態のウエハ表面の温度分布を基準にして、研磨中に検出した温度分布変化を較正すれば、検出精度を向上できる。

本発明によれば、研磨中のウエハの表面の温度分布を測定できるので、各種の制御の精度を向上させたり、品質管理の制度を向上させることができる。これにより、ＣＭＰ装置及び方法のスループットや歩留まりが向上でき、ひいては半導体製造プロセスにおけるコスト低減が図れる。

ＣＭＰ装置の基本構成を示す図である。 研磨中のウエハの温度を測定可能にした従来例のＣＭＰ装置の構成を示す図である。 本発明の実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。 ウエハのオリエンテーションフラット及びノッチを示す図である。

符号の説明

１、３１…プラテン
５、３５…研磨パッド
７…ウエハ
８…ウエハ保持機構
４１…サーモグラフィ装置
４２…画像処理装置
４３…制御装置

Claims (2)

1. 表面に研磨パッドを有し、回転するプラテンと、
   ウエハを前記研磨パッドに押し付けるように保持しながら回転するウエハ保持機構とを備え、前記ウエハを研磨する化学機械研磨装置において、
   前記プラテンと前記研磨パッドは透明であり、
   前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハ全体の温度分布を測定するサーモグラフィ装置を備えることを特徴とする化学機械研磨装置。
2. 回転するプラテンの表面に設けられた研磨パッドに、ウエハ保持機構に保持されたウエハを回転しながら前記研磨パッドに押し付けて研磨する化学機械研磨方法において、
   前記プラテンと前記研磨パッドは透明であり、
   前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハ全体の温度分布を測定することを特徴とする化学機械研磨方法。

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