JPH11170155A

JPH11170155A - 研磨装置

Info

Publication number: JPH11170155A
Application number: JP33845697A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Kondo; 誠一近藤; Yoshio Honma; 喜夫本間; Kikuo Kusukawa; 喜久雄楠川; Masayuki Nagasawa; 正幸長澤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-12-09
Filing date: 1997-12-09
Publication date: 1999-06-29

Abstract

(57)【要約】【課題】研磨布表面の平坦性を維持しつつ、繰り返しコ
ンディショニングを行うことが可能な研磨装置を提供す
る。【解決手段】研磨布表面の凹凸を計測して、その結果に
基づいて研磨布を平坦化した後にＣＭＰを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置等の製造
に係わる研磨装置に関し、特に微細加工工程における化
学機械研磨法に用いられる研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路（以下ＬＳＩと記
す）の高集積化，高性能化に伴って新たな微細加工技術
が開発されている。化学機械研磨法（ケミカルメカニカ
ルポリッシング、以下ＣＭＰと略する）もその一つであ
り、シリコンウエハ表面の平坦化から、多層配線形成工
程における層間絶縁膜の平坦化，金属プラグ形成，埋め
込み配線形成において頻繁に利用される技術である。こ
の方法は、例えばU.S.P.No.4944836において報告されて
いる。

【０００３】このような用途に一般的に用いられるＣＭ
Ｐ装置（以下、研磨装置と記す）は、研磨定磐とウエハ
ホルダ（キャリアもしくは加工ヘッドとも呼ばれる）か
ら構成されており、研磨定盤には研磨布を、ウエハホル
ダにはバッキングパッドと呼ばれる多孔質樹脂シートを
貼り付けてウエハを支持し、両者が研磨剤を介して接触
／回転しながらＣＭＰを行う構造になっている。ＣＭＰ
中にウエハがはずれないようにウエハホルダにはリテー
ナリングが設けられている。通常のＣＭＰ条件の研磨荷
重は１００から５００ｇ／cm² 、定盤とホルダの回転数
はともに１０から５０rpm 程度である。

【０００４】研磨速度を決める機械的な要因は、研磨時
の圧力もしくは荷重、被研磨基板と研磨布との相対速度
が主である。従って研磨中には被研磨基板全面にわたっ
て均一な圧力が加わるように保持することが必要であ
る。研磨布に長周期、たとえば直径１cm，高さ数十ミク
ロン程度の突起が存在したりすると、突起部分では被研
磨基板に加わる圧力が増加し、局所的に研磨速度が増加
してしまう。この様に研磨布の凹凸に応じて研磨速度が
場所によって変動すると研磨速度の均一性が劣化する。

【０００５】しかし、研磨布自体の厚さは１mm程度あ
り、プラスマイナス数十ミクロン程度の厚さばらつきは
多くの場合に存在する。また研磨布は数ミクロンないし
十数ミクロン厚さの両面接着テープや接着剤を介して研
磨定盤に貼り付けられるために、貼り付け後の研磨布表
面にはプラスマイナス１００ミクロン以上の凹凸が生じ
る事も珍しくない。また、ＣＭＰを続けて行うと研磨パ
ッド表面に研磨剤中の砥粒が固着し、研磨速度の低下や
研磨速度分布の不均一などを引き起こしたりもする。さ
らに多数枚の被研磨基板表面を研磨する過程で研磨布表
面も磨耗して研磨定盤の直径方向での研磨布の平坦性が
劣化し、研磨速度不均一を引き起こしたりもする。

【０００６】この様な研磨布表面に生じた凹凸や固着砥
粒を除去したり、研磨布表面の粗さを一定に保つために
コンディショニングが行われる。コンディショナとして
は円盤状もしくはリング状の基板にダイアモンド粒子が
埋め込まれたものを用い、これを研磨定盤を回転させな
がら押しつけて研磨布表面を削る。一般にはコンディシ
ョナの直径の方が研磨定盤の直径よりも小さいために、
研磨定盤に貼り付けられた研磨布上をコンディショナを
移動させて突起の除去や所定の表面状態にする作業を行
う。これにより局所的な凹凸を除去したり、研磨定盤を
直径方向に実質的に平坦化したりする。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、研磨定盤の
どの位置に対して、コンディショナをどの様な圧力，回
転速度，処理時間や移動速度などで用いるかの条件（以
下コンディショナ条件と記す）を最適化しなければ直径
方向に実質的に平坦な研磨布表面を作り出す事はできな
い。例えば研磨を繰り返し行うことによって研磨布上の
被研磨基板が主に通過する領域が窪み、研磨定盤の中央
部や周辺部が高くなってしまうという現象が生じる。研
磨布表面にこの様な凹凸が生じると、被研磨基板の中央
部の研磨速度は低く、周辺部で高くなるという不均一性
が生じてしまう。

【０００８】従来は所定のコンディショナ条件でコンデ
ィショニングを行った後で研磨布を研磨定盤から剥がし
て研磨布の厚さを測定して削られた量の分布を測定し、
コンディショナ条件と研磨布の残存厚さとの関係を求め
るなどの方法によってコンディショナ条件の最適化を図
り、研磨不均一の状況に応じて対応するコンディショナ
条件を用いて研磨布表面の平坦化を図っていた。

【０００９】しかし、この様な方法では表面の平坦度が
大幅に劣化した場合などは平坦面に復帰させる条件を見
出す事は困難な場合もあり、試行錯誤的にコンディショ
ナ条件を変化させてコンディショニングしては、実際に
ダミー基板を研磨して研磨速度の均一性を測定し、コン
ディショナ条件を再調整することを繰り返すなどの方法
が行われていた。この様に従来は研磨定盤に貼り付けら
れた研磨布表面の凹凸を直接測定する手段が無く、コン
ディショニングと研磨速度均一性の測定とを繰り返さざ
るを得なかったために極めて効率の低い工程となってい
た。

【００１０】本発明はこのような従来技術の問題点を解
決する目的でなされたものであり、研磨布の平坦性を容
易に維持することができるコンディショニングの方法及
びその機構が備わった研磨装置を提供する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は研磨定盤上に
研磨布の凹凸を測定できる凹凸測定器を備え、凹凸測定
器が研磨定盤上を直径方向に移動しながら研磨布表面の
凹凸を測定する機構，必要に応じて凹凸測定器による測
定結果の出力をコンディショナの制御機構に伝え、コン
ディショナ条件を変化させる機構を備えた装置を用い、
研磨布を剥がしたりせずに表面の凹凸を測定し、それに
応じたコンディショナ条件で研磨布表面を実質的に平坦
化することによって達成される。例えば、凹凸測定器に
よって凸部と判定された部分の削り量が多くなる様にコ
ンディショナ条件を設定し、研磨布表面を削りながら、
もしくは所定の量を削った後に凹凸測定器によって平坦
性を測定し、凹凸が所定の範囲内に収まるまで継続すれ
ば良い。

【００１２】また、研磨布表面には直径／深さとも数十
ミクロンの気泡や研磨布表面の繊維の密度のばらつきな
どによって生じた多くの局所的な凹凸が存在するため、
凹凸測定器の触針もしくはプローブの直径は少なくとも
それらの局所的な凹凸よりも大きい事が望ましい。例え
ば、研磨布表面の局所凹凸の直径が３０ミクロン程度で
ある場合は触針の先端の半径は１００ミクロン以上であ
る事がのぞましい。また、ボールペン先端部のように回
転する物体を先端に支持して接触させる方式でも良い。

【００１３】さらに、研磨布には研磨剤の供給を円滑に
するため直径もしくは幅数ミリメートルの孔や溝が形成
されている場合がある。この様な孔や溝に触針が入り込
んだ場合は、正しい凹凸は測定できないことになる。し
かし、これらの孔や溝の深さは一般には研磨布表面で問
題とする凹凸の範囲よりも著しく大きく、しかも深さは
既知であり、かつ被研磨基板の局所的凹凸よりも著しく
大きい場合が多いので、測定データのグループの中から
それらのデータを除くことは容易であり、それによって
正しい直径方向の研磨布の凹凸を測定することができ
る。

【００１４】研磨定盤が停止中に凹凸測定器によって研
磨布表面を測定する場合は通常の針状の触針でよいが、
回転中の研磨布表面を測定する場合は、研磨布表面の孔
や溝の断面形状によっては通常の針状の触針では測定で
きない場合も生じる。その場合は、定盤の回転方向には
長く、直径方向には短い、あたかも舟の様な形状の触針
を用いても良い。

【００１５】なお、凹凸測定器が研磨定盤上を直径方向
に移動する方法として、研磨定盤上の直径方向に直線性
が既知の基準となるガイドを設置しておき、これに沿っ
て移動させれば良い。ガイドは金属棒状のものでも良い
し、電気的に位置を測定・補正しながら移動させるよう
なものであっても良い。

【００１６】研磨定盤の構造が上記の円盤型でなくベル
ト式のものの場合は、研磨布の移動方向と垂直に移動す
る凹凸測定器を設置して、同様な方法でコンディショニ
ングを行うことができる。なお、凹凸測定器はプラスマ
イナス１０ミクロン、望ましくはプラスマイナス５ミク
ロン以下の分解能を持つことが望ましい。プラスマイナ
ス２.５ミクロン以下の分解能を有する場合は、データ
の統計処理を行うことによって更に測定精度を向上させ
られる。

【００１７】凹凸計測器は上記の機械的に測定するもの
以外でも良い。例えば、半導体レーザを用いて光学的に
距離を測定するものでも良い。

【００１８】

【発明の実施の形態】（実施例１）本実施例で用いる研
磨布表面の凹凸計測器１４は、図１のように研磨装置内
の研磨布１２上に取り付けられている。凹凸計測器から
研磨布表面に向かって垂直に突起があり、この突起が研
磨布表面に接触して、研磨布の凹凸に応じて伸び縮みす
る機構になっている。そして、その伸び縮み量に比例し
た電圧信号１８が出力される。突起先端は直径１０mmの
球が支持された(ボールペン先端部と同様の)構造になっ
ており、摩擦と凹凸ノイズを低減する効果がある。

【００１９】この凹凸計測器を研磨定盤１１上に平行に
設置された渡し棒１５上を動かすと、研磨布表面の動径
方向の凹凸形状が測定される。研磨定盤を３０度ずつ回
転させながらこの計測を６回繰り返すと、図２のように
研磨布全体の凹凸が測定される。また、凹凸計測器を固
定して研磨定盤を１回転させると同心円方向の凹凸形状
が測定される。

【００２０】図２は従来方法によってコンディショニン
グを行った研磨布表面の凹凸の計測結果である。研磨布
はロデールニッタ社製のＩＣ−１０００である。研磨布
の中心と外周の間の部分が最も深く削られる傾向がある
が、これはコンディショナーがその部分を頻繁に往復し
て表面層を削り取るからである。このように研磨布表面
の凹凸は１軸対称であり、半径部分のみの測定値でほぼ
全体の構造を示すことが可能であるため、以下ではこの
部分の測定のみを行う。

【００２１】次にこの凹凸計測器の測定結果に基づいて
コンディショニングを行う本発明の方法を説明する。

【００２２】研磨定盤を回転させ、凹凸計測器を作動さ
せる。コンディショナは５インチのダイヤモンドディス
ク１３を用い、凹凸計測器に追随して研磨布上を動くよ
うにする。即ち、図３に示したように凹凸計測器１４が
測定した研磨布上の位置に、一定の時間後にコンディシ
ョナ１３が来るように両者が移動する構造になってい
る。両者が図３のように動径方向に移動する場合は、常
に一定の時間差で研磨布上の位置が両者間を通過する。
本実施例の研磨装置では凹凸計測器とコンディショナの
位置は６０度ずれているため、定盤回転数が３０rpm の
場合、１／３秒の時間差で両者を通過する。

【００２３】本実施例では、コンディショナにかかる荷
重は凹凸計測器の出力１８に比例して制御装置１７から
信号１９が送られて設定される。比例係数は作業者が変
えることが可能である。比例係数が小さ過ぎると従来の
コンディショニングと同様になり、比例係数が大き過ぎ
ると研磨布の凹凸は逆に大きくなる場合もある。研磨布
の硬さとコンディショナの削り速度に応じて最適な比例
係数を設定する必要がある。凹凸計測器の信号は１／３
秒後にコンディショナに伝達され荷重が増減する機構に
なっている。本実施例では研磨布ＩＣ−１０００に平均
荷重２００ｇ／cm² をかけ、１０マイクロメートルの表
面凸部に対して５０ｇ／cm² の荷重をプラスするように
設定した。

【００２４】この方法によりコンディショニングを２０
分間行った結果を図４に示す。１０マイクロメートル以
下の凹凸まで平坦化されており、従来のコンディショニ
ングの５０マイクロメートル以上の凹凸が平坦化されて
いることがわかる。しかも、従来の方法ではコンディシ
ョニングの度に研磨布表面の平坦性が低下してきたが、
本発明の方法では常に平坦性を保ちながら、最低限の時
間でコンディショニングを終了することができた。ま
た、本実施例では既に平坦性の劣化した研磨布をコンデ
ィショニングしたが、ＣＭＰを実施する度に本発明のコ
ンディショニングを繰り返す場合は、５分以下のコンデ
ィショニングで研磨砥粒の目詰まりを防止することが可
能であった。

【００２５】（実施例２）本実施例では凹凸計測器で測
定された研磨布表面の凹凸値が一定値以下になるまでコ
ンディショニングを行い平坦化する方法を説明する。ま
た、本実施例における凹凸検出器は半導体レーザとディ
テクタを組合せたもので、研磨バットまでの距離を測定
して凹凸を検出する機構になっている。これを実施例１
と同様に図１の１４の位置に取り付ける。実施例１の機
械的凹凸検出器と比較して精度が高い。

【００２６】まず研磨定盤を回転させ、凹凸計測器を作
動させる。研磨布ＩＣ−１０００は図２の状態になって
いるものをコンディショニングする。凹凸計測器が動径
方向に移動した際に、最も研磨布表面が凹部になってい
る位置を基準とする。次に凸部のコンディショニングを
２００ｇ／cm² の荷重をかけて開始し、基準値から１０
マイクロメートルだけの凹凸値になったらコンディショ
ナが動径方向に移動する。したがって、基準点のコンデ
ィショニング時間が最も短く、凸部は時間をかけてコン
ディショニングを行う。最終的に、凹凸計測器が示す研
磨布の表面高さが基準値と等しくなった時点で研磨布全
体の平坦化が終了する。

【００２７】この方法により２０分間のコンディショニ
ングを行った結果を図５に示す。

【００２８】１０マイクロメートル以下の凹凸まで平坦
化されており、図３に示した従来のコンディショニング
の１００マイクロメートル以上の凹凸が平坦化されてい
ることがわかる。しかも、従来の方法ではコンディショ
ニングの度に研磨布表面の平坦性が劣化してきたが、本
発明の方法では常に平坦性は保ちながら、最低限の時間
でコンディショニングを終了することができた。また、
本実施例では既に平坦性のおちた研磨布をコンディショ
ニングしたが、本発明のコンディショニングをＣＭＰを
実施する度に繰り返す場合は、５分以下のコンディショ
ニングで研磨砥粒の目詰まりを防止することが可能であ
った。

【００２９】（実施例３）本実施例では、研磨布に溝や
穴がある場合のデータ処理方法について説明する。研磨
布はＩＣ１０００で、約１５mmピッチで幅３mm，深さ
０.５mm の溝が研磨布全体に渡って形成されているもの
である。この様な溝に触針が入り込んだ場合は正しい凹
凸は測定できないことになるため、測定データのグルー
プの中からそれらのデータを除く処理を行う。それによ
って正しい直径方向の研磨布の凹凸を測定することがで
きる。

【００３０】図６にその結果を示す。下側に示したのが
実測値で、溝内に触針が落ち込んでデータがオーバーフ
ローしている。溝の深さは約０.５mm であるため、段差
設定値を０.３mm とし、これを越える値はすべて除外す
るものとする。このデータを除去して処理し直した線が
上側のデータである。このようにデータ処理することに
より、実施例１で示したような凹凸値に応じた研磨荷重
の調整や、実施例２に示したような凹凸値が一定値以下
になるまでコンディショニングを行う方法を用いること
ができる。

【００３１】（実施例４）本実施例では、従来のコンデ
ィショニングを施した研磨布と本発明のコンディショニ
ングを施した研磨布でＣＭＰを実施した場合のウエハの
研磨均一性の効果について評価をした。従来のコンディ
ショニングを施した研磨布は図４の「本発明のコンディ
ショニング前」の表面凹凸を有するものであり、「本発
明のコンディショニング後」の研磨布は図４のように１
０マイクロメートル以下まで表面凹凸が平坦化されたも
のである。

【００３２】研磨均一性を測定した試料は、シリコン基
板上にシリコン酸化膜を５００ｎｍ成膜し、その上に接
着層として厚さ５０ｎｍのＴｉＮ層を成膜した後に銅の
薄膜を厚さ８００ｎｍスパッタリング法により真空中で
連続で成膜したものである。

【００３３】図７に研磨装置の構造を示す。図７におい
て、１６は純水供給口、７１はウエハホルダ、７２はウ
エハ、７３はバッキングパッド、７４はリテーナーリン
グ、７５は研磨剤供給口である。研磨剤は定盤上に設け
られた第１の供給口７５から研磨パッド上に約３０cc／
min の速度で滴下してＣＭＰを行う。ＣＭＰ中における
研磨荷重は１５０ｇ／cm² 、定盤とホルダの回転数はと
もに３０rpm である。研磨剤はロデールニッタ社製のア
ルミナ研磨剤に過酸化水素水（市販の３０％水溶液）を
３０％混合したものを用いた。ＣＭＰ時間は３分間であ
る。ＣＭＰが終了した段階で第１の供給口７５を閉じて
研磨液の供給を停止し、第２の供給口１６から純水を約
３０００cc／min の速度で供給してフラッシングを１５
〜３０秒間行う。その後ウエハを洗浄して乾燥させる。

【００３４】図８に示すように、従来のコンディショニ
ングを行った研磨布でＣＭＰを実施したウエハの研磨均
一性は約３０％で、ウエハ外周部の研磨量が中心部より
も多かった。これはウエハ周辺部では研磨布が凸になっ
ているために研磨速度が速くなり、実質的なオーバー研
磨量がウエハ中心部よりも大きくなったためと考えられ
る。これに対して、本発明のコンディショニングを行っ
た研磨布でＣＭＰを実施したウエハでは研磨均一性を１
０％以下まで低減できた。

【００３５】したがって、本発明のコンディショニング
を行った研磨布でＣＭＰを行うことにより、研磨の均一
性が向上する効果があった。

【００３６】

【発明の効果】本発明の凹凸検出器とコンディショニン
グ機器を備えた研磨装置では、研磨布の平坦性を確認し
てＣＭＰを行うことができるため、ＣＭＰの均一性が向
上する。また、研磨布が最適な時間でコンディショニン
グされて平坦化されるため、研磨布の寿命が長くなる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の研磨装置の概略構成を示す正面図。

【図２】従来のコンディショニングを施した研磨布全体
の表面凹凸を示す模式図。

【図３】本発明の研磨装置での凹凸計測器とコンディシ
ョナの位置関係を示す平面図。

【図４】本発明の実施例１のコンディショニングを施し
た研磨布の表面凹凸の測定図。

【図５】本発明の実施例２のコンディショニングを施し
た研磨布の表面凹凸の測定図。

【図６】研磨布の溝を除外して表面凹凸を図示する方法
の説明図。

【図７】ＣＭＰ装置の正面図。

【図８】研磨均一性を示す測定図。

【符号の説明】

１１…研磨定盤、１２…研磨布、１３…コンディショ
ナ、１４…凹凸計測器、１５…渡し棒、１６…純水供給
口、１７…制御装置、１８…凹凸値から変換された電圧
信号、１９…コンディショナ加圧／移動信号、６１…Ｃ
ｕ、６２…ＴｉＮ、６３…ＳｉＯ₂ 、６４…Ｓｉ₃Ｎ₄、
６５…Ｓｉ基板、７１…ウエハホルダ、７２…ウエハ、
７３…バッキングパッド、７４…リテーナーリング、７
５…研磨剤供給口。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者長澤正幸東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨布表面の凹凸を計測する機器（以下、
凹凸測定器と記す）と、研磨布に荷重を印加して研磨布
の表面層を削り取る（以下、コンディショニングと記
す）機器を具備し、該コンディショニング機器が該凹凸
計測器の計測結果に基づいて研磨布表面を移動して平坦
化する機構を備えていることを特徴とする研磨装置。
【請求項２】前記凹凸測定器によって計測した研磨布表
面の凹凸の大きさの関数でコンディショニング機器に印
加される荷重を増減して研磨布を平坦化する機構を備え
ていることを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
【請求項３】コンディショニングを行った後に凹凸測定
器による研磨布表面の凹凸測定を行い、研磨布表面の凹
凸値がある一定値以下に達するまでこれを繰り返す手段
を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の研磨
装置。
【請求項４】上記凹凸を計測する機器が触針式であり、
かつ触針先端部の形状が半径１００ミクロン以上の球面
もしくは円盤、もしくは実質的にそれ以上緩やかで太い
形状、もしくは回転する物体を先端に具備することを特
徴とする請求項１から３のいずれか記載の研磨装置。
【請求項５】上記凹凸を計測する機器が、直線性が所定
の範囲内に保持されたガイドと、そのガイドを基準にし
て研磨布上を所定の方向に移動しながら凹凸を測定する
ための触針式測定子と、所定の基準点に対する移動位置
を検出する機構とを備えていることを特徴とする請求項
１から４のいずれか記載の研磨装置。
【請求項６】上記凹凸の測定データが所定の設定値（以
下、段差設定値という）を越えた場合に、そのデータを
除く機構を有することを特徴とする請求項１から５のい
ずれか記載の研磨装置。