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JP3313505B2 - 研磨加工法 - Google Patents

研磨加工法

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Publication number
JP3313505B2
JP3313505B2 JP07562594A JP7562594A JP3313505B2 JP 3313505 B2 JP3313505 B2 JP 3313505B2 JP 07562594 A JP07562594 A JP 07562594A JP 7562594 A JP7562594 A JP 7562594A JP 3313505 B2 JP3313505 B2 JP 3313505B2
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JP
Japan
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thin film
polishing
distance
thickness
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茂夫 森山
喜雄 河村
喜夫 本間
喜久雄 楠川
健志 古澤
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B29/00—Machines or devices for polishing surfaces on work by means of tools made of soft or flexible material with or without the application of solid or liquid polishing agents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B37/00—Lapping machines or devices; Accessories
    • B24B37/005—Control means for lapping machines or devices
    • B24B37/013—Devices or means for detecting lapping completion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B24B49/12—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation involving optical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D7/00—Bonded abrasive wheels, or wheels with inserted abrasive blocks, designed for acting otherwise than only by their periphery, e.g. by the front face; Bushings or mountings therefor
    • B24D7/12—Bonded abrasive wheels, or wheels with inserted abrasive blocks, designed for acting otherwise than only by their periphery, e.g. by the front face; Bushings or mountings therefor with apertures for inspecting the surface to be abraded

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)
  • Machine Tool Sensing Apparatuses (AREA)
  • Constituent Portions Of Griding Lathes, Driving, Sensing And Control (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体集積回路の製造工
程の一つである配線工程におけるウェハの研磨加工法、
特に被加工対象となるウェハ表面の薄膜の厚みを検出し
てフィ−ドバック制御しながら加工する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体製造工程は多くのプロセス処理工
程からなるが、配線工程の一部にウェハ表面の絶縁層の
微細凹凸を化学機械研磨する平坦化処理工程がある。ま
ず、この平坦化処理工程の詳細を図１を用いて説明す
る。
【０００３】図１（ａ）は一層目の配線が形成されてい
るウェハの断面図を示している。トランジスタ部が形成
されているウェハ基板１の表面には絶縁膜２が形成され
ており、その上にアルミニュウム等の配線層３が設けら
れている。トランジスタとの接合をとるために絶縁膜２
にホ−ルが開けられているので、配線層のその部分３’
は多少へこんでいる。２層目の配線工程では、図（ｂ）
のように一層目の上に絶縁膜４を形成した後、その上に
２層目のアルミ配線層をを形成するが、絶縁膜４を付着
させたままでは表面が凹凸になっていて、後のリソグラ
フィ工程で露光時の解像ボケの原因となるため、５のレ
ベルまで平坦となるように後述する方法によって研磨加
工する。絶縁膜を平坦加工した後、図１（ｄ）のように
コンタクトホ−ルを形成、さらにその上に２層目の配線
パタ−ンを形成する。次に図１（ｆ）のように再び絶縁
膜を形成、図中８のレベルまで研磨加工する。この工程
を繰り返しながら多層の配線を行なう。
【０００４】図２に上記絶縁膜を平坦化するための加工
法を示す。研磨パッド１１を定盤上１２に貼りつけて回
転しておく。他方、加工すべきウェハ１は弾性のある押
さえパッド１３を介してウェハホルダ１４に固定する。
このウェハホルダ１４を回転しながら研磨パッド１１表
面に荷重し、さらに研磨パッド１１の上に研磨液１５を
供給することによりウェハ表面上の絶縁膜４の凸部が研
磨除去され、平坦化される。この場合、研磨液として水
酸化カリウム水溶液に懸濁させたコロイダルシリカ等を
用いることにより化学作用が加わり、機械研磨の数倍以
上の加工能率が得られる。この加工法はため、化学機械
研磨法として広く知られている。
【０００５】さて上記研磨工程において問題となるの
は、例えばどのようにしてレベル５、またはレベル８ま
で研磨が進行したことを知り、いつ研磨作業を終了する
か、という、いわゆる終点検出の方法である。すなわ
ち、上記研磨法では被加工物のウェハは図３に示すよう
に２枚の弾性パッド材料１１、１３ではさまれており、
それらの間の距離変化からは、ここで対象とする０．１
ミクロンレベルの絶縁膜４の厚み変化は知ることは殆ど
不可能である。
【０００６】そこで従来の終点検出法としては、あらか
じめ研磨速度を調べておき、時間管理で残膜厚を推測す
る方法、または研磨が進行するに伴い被加工面の凹凸が
少なくなると、研磨パッドと被加工物間の摩擦力が変化
する現象に注目し、回転定盤の回転トルク変化を捕らえ
る方法などが用いられていたが、いずれも研磨条件の変
化によって検出精度が左右される欠点があった。
【０００７】別の従来技術として、被加工物である絶縁
膜が誘電材料であることに注目し、研磨の進行に伴って
静電容量が変化する現象を利用するものがＵＳＰ−５，
０８１，４２１に開示されている。具体的には図４に示
すように、導電金属製の回転定盤１２の一部をリング１
６で絶縁しておき、これとウェハの回転ホルダ１８間に
５ＫＨｚ程度の交流信号を流す。ウェハ基板１および研
磨液がしみこんでいる研磨パッド１１が導電性であれ
ば、交流電流が流れ、その電流値は研磨加工対象である
絶縁膜の厚みに依存する。よって、上記電流値変化に注
目していれば被加工物の残膜厚みを知ることができる
が、研磨の進行に伴う静電容量変化は絶縁膜の厚み変化
だけでなく、下地のアルミ配線のパタ−ン形状や密度の
影響を受けるため、ウェハの回路パタ−ンが異なる度に
検出感度の校正を行なう必要があった。 また、本発明
が適用される半導体の研磨工程として、先に配線用の金
属薄膜を形成し、後にこの薄膜の凸部のみを平坦化加工
する場合があるが、このような場合には上記静電容量変
化を利用する方式は適用できない。これに適用可能なも
のとして、ＥＰ０４６０３８４Ａ１には上記金属薄膜部
の導電性に着目した電磁誘導変化を利用する検出法が開
示されているが、この場合には逆に絶縁薄膜を研磨する
場合には適用できない欠点があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
欠点を解消し、回路パタ−ンの種類や膜の材質に影響さ
れずに残膜厚みをモニタしながら加工する、精度の高い
研磨加工法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的は、従来の、加
工時の摩擦力変化検出法や静電容量変化検出法といった
微細構造に影響を受けやすいモニタ法に代え、研磨すべ
き残膜厚を直接、かつ微細構造部の膜厚に注目しながら
加工することにより達成できる。
【００１０】
【作用】被加工対象であるウェハ表面の絶縁膜に対し、
絶縁膜表面位置と絶縁膜底面位置をそれぞれ検出し、そ
れらの差から絶縁膜の厚みを知ることができ、その結果
にもとづいて加工することにより達成できる。より具体
的には、回転定盤の一部に上記２つの膜位置を検出する
検出器として、流体マイクロメ−タと光学焦点位置検出
器を同軸に設けることにより行なう。また光が透過でき
ない金属薄膜の研磨時には、被加工面の反射率変化に注
目しながら行なうことにより、目的が達成される。
【００１１】
【実施例】以下、図５を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。研磨パッド１１が貼付けられている回転定盤
１２の一部に開口を設け、そこに光学的に反射面までの
位置を検出する、いわゆる焦点位置センサＳ２と、絶縁
膜４の被加工表面４’の位置を検出する検出器Ｓ１を設
ける。研磨パッド１１の開口部２１に、絶縁膜４の光学
的屈折率とほぼ同一の屈折率をもつ液体、例えば純水を
満たしておくと、検出器Ｓ２の照射ビ−ム２２は絶縁膜
４の底面まで到達し、アルミ配線膜３または絶縁膜２の
表面で反射する。この状態で上記照射ビ−ム２２と絶縁
膜４との間に相対運動を与える、例えば回転定盤１２を
回転させながら位置センサＳ２の信号出力を観察すれ
ば、例えば図６中の信号Ｓ２’のようにアルミ配線パタ
−ン部の微細形状断面を知ることができる。一方、絶縁
膜研磨面までの距離を検出する検出器Ｓ１の信号は図中
のＳ１’のように変化する。ここで両信号の短周期のレ
ベル変化は配線パタ−ン３によるものであり、長周期の
変化は研磨パッド１１の厚み変化に起因するものであ
る。そこで図６中の信号Ｓ１’と信号Ｓ２’の差を取れ
ば、Ｓ３’のように配線パタ−ンの有無のみに依存する
信号を得ることができ、信号ａ部の大きさから、絶縁膜
４の最少残膜厚を知ることができる。この結果をもとに
することにより、さらに研磨すべき時間を精度良く推測
することができる。上記２つの検出器Ｓ１，Ｓ２は回転
定盤上に設けられているので、被加工ウェハまでの距離
関係を検出できるのは１回転に一度の間歇的検出となる
が、実用上まったく問題はない。また、両検出器を静止
座標上に固定し、モニタする場合に被加工ウェハ研磨定
盤からはみださせて検出することにより、より簡単な構
成とすることも可能である。
【００１２】検出器Ｓ１の具体的な実施例を図７に示
す。原理的には流体マイクロメ−タである。ノズル３１
に研磨液３２を一定の圧力で供給するようにしておき、
このノズル３１の先端開口部を検出すべきウェハ面に近
接させておく。一方、ノズル３１内の背圧を圧力センサ
３３で検出する。この構成では、圧力センサ３３の信号
出力はノズル先端部と絶縁膜研磨面との間隙に依存する
ので、ノズル３１に対するウェハの絶縁膜研磨面までの
距離を知ることができる。この実施例の場合には、ノズ
ル３１の天井部を、検出器Ｓ２の光学レンズ３４で蓋を
すると都合が良い。検出器Ｓ２としては、光ディスクな
どに用いられている光ピックアップの焦点検出器を利用
することができる。光ピックアップの一例として、全反
射臨界角を利用するものを図８を用いて説明する。図中
のＡ点に検出すべき配線パタ−ン表面がある場合には、
対物レンズ３４を通過した光は拡散状態となり、図中の
臨界角プリズム４１に入射する光のうちＤ点では反射率
が低下し、他方Ｅ点では反射率が向上する。よってそれ
ぞれの光強度をホトディテクタ４２、４３で検出し、そ
れらの信号の差動をとることにより光学系の合焦点位置
より近くで反射していることが分かる。他方Ｃ点で反射
する場合には差動信号の極性は反転する。この原理によ
れば、０．０１ミクロンの分解能で反射面の位置を知る
ことができるので、本発明の検出器Ｓ２としては最適で
ある。上記全反射臨界角方式の他、光ピックアップの焦
点検出器として利用される、非点収差検出方式、三角プ
リズム方式なども利用することができることは明らかで
ある。
【００１３】なお、これらの形式の光ピックアップでは
検出部の反射率によって検出感度が変動するが、ホトデ
ィテクタ４２、４３の和信号をとるなどして検出部の反
射率を検出し、光源のレ−ザ強度等をサ−ボ制御するこ
とにより、上記反射率変動を補正することができる。
【００１４】また、上記反射率変化を検出することによ
り、光学的に不透明な金属薄膜を研磨する場合にも適用
できる。この工程は図９に示すように、ウェハ基板１上
に先に絶縁膜２を形成、パタ−ニングした後に配線材料
であるアルミニウム等の金属膜３を成膜し、この金属膜
の凸部を研磨するものである。研磨作業は絶縁膜２が表
面に現れた段階で終了させる。金属膜２は一般的に光学
的に不透明なので、これまで説明した方法では研磨を終
了すべき時点は検出できない。そこで前述の第２の検出
器である光ピックアップが有する反射率検出機能を利用
して加工面の反射率変化をモニタしていると、図１０に
示すように、加工前には全面が金属膜表面であるため常
時高い反射率を示す信号Ｓ４となっているが、加工が進
んで絶縁膜２が表面に表れると、信号Ｓ４’のように絶
縁膜部の低反射率部に対応した反射率の変化が生じる。
よって、この反射率変化から研磨を終了すべき時点を知
ることができる。
【００１５】第一の検出器として上記流体マイクロメ−
タの代わりに光学式検出器を用いることもできる。図１
１に示すように、第２の検出器である光ピックアップの
レ−ザ光源４４からの光をビ−ムスプリッタ４５で分離
した後、レンズ４６、折り曲げ鏡４７を介して、被加工
面上に焦点を結ばせる。この場合、入射角ｉを被加工薄
膜４と純水の屈折率比から定まる反射臨界角より大きく
設定することにより、レ−ザ光は被加工薄膜の表面で反
射される。反射された光を折り曲げ鏡４８、レンズ４９
を介してラインセンサ５０に入射、結像させる。被検出
部を純水で満たしておくため、光透過窓付きの流体ノズ
ル５４を光学系先端部に設けておく。
【００１６】上記光学系において、被加工面の高さ５が
図中の点線５’のように変化するとラインセンサ５０へ
の反射光の入射位置が図中ｘのように変化するので、こ
のラインセンサ５０の信号出力により被加工面の位置変
化を検出することができる。上記検出光学系はいわゆる
三角測量方式であるが、この他、被加工面を反射面とす
る斜入射干渉法なども利用できることは容易に理解され
よう。
【００１７】これまでは２つの検出器を利用する実施例
について述べたが、その他図１２に示す実施例のよう
に、第一の検出器を省略することも可能である。この実
施例では、第一の検出器として流体マイクロメ−タの代
わりに静圧流体軸受を用い、研磨面に対して常に一定の
距離を隔てて自動的に浮上させる。そのためには、ノズ
ル３１部が自在に可動できるように平行ばね５１で支え
ておき、バネ５２でつねに一定荷重Ｗをノズルに与える
ように構成する。このノズル３１に検出器Ｓ２の光学系
を設けておくことにより、この検出信号Ｓ２’のみで目
的とする絶縁膜の厚み変化を知ることができる。
【００１８】またこの場合、静圧流体軸受の代わりに単
に接触子とし、これを被加工面に押しあてて光学レンズ
系と被加工面との距離を常に一定に定めることも可能で
あるが、接触子が被加工面を摺動することになるので、
接触子摺動面にテフロン等をコ−ティングするなど、被
加工面を傷付けないための工夫が必要である。
【００１９】これまで説明した実施例以外にも、検出器
Ｓ１、Ｓ２として種々なものが適用できることは容易に
理解できよう。また被加工物として、実施例で説明した
半導体ウェハ以外にも、ＳＯＩウェハや薄膜結晶片など
の研磨加工に応用できる。
【００２０】
【発明の効果】上記のように本発明では、従来の、加工
時の摩擦力変化検出法や静電容量変化検出法といった微
細構造に影響を受けやすいモニタ法に代え、研磨すべき
残膜厚を直接、かつ微細構造部の膜厚に注目しながら加
工するので、回路パタ−ンの種類や膜の材質に影響され
ずに精度の高い研磨加工を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ウェハ表面の平坦化工程の説明図である。
【図２】化学機械研磨法を説明する図である。
【図３】化学機械研磨法の課題を説明する図である。
【図４】従来の終点検出法を説明する図である。
【図５】本発明の第一の実施例を示す図である。
【図６】検出信号の例を説明する図である。
【図７】流体マイクロを利用する検出器Ｓ１の例を説明
する図である。
【図８】全反射臨海角方式を利用する検出器Ｓ２の例を
説明する図である。
【図９】金属埋め込み工程における研磨加工を説明する
図である。
【図１０】金属薄膜研磨時の反射率変化検出信号の例
【図１１】第一の検出器Ｓ１として、光学式検出器の実
施例を説明する図である。
【図１２】本発明の第２の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１…ウェハ基板、３…配線パタ−ン、４…絶縁膜、１１
…研磨パッド、１２…回転定盤、２１…研磨液、２２…
検出用照明光 Ｓ１…光学的距離検出器、Ｓ２…第２の距離検出器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 楠川 喜久雄 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 古澤 健志 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平３−228326（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−86128（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23Q 17/00 - 23/00 H01L 21/304

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】加工すべき薄膜が表面に形成されている基
    板を研磨パッド表面上に押しつけて研磨液を供給しなが
    ら上記基板と上記研磨パッドを相対運動させながら該薄
    膜を研磨する加工法であって、 第一の検出器によって該薄膜の被加工面までの第１の距
    離を検出し、第二の検出器によって該薄膜の底面までの
    第２の距離を検出する工程と、 上記第１の距離及び上記第２の距離との相対的距離関係
    から該薄膜の厚さを計算する工程と、 上記計算された厚さに基いて研磨加工の条件を制御する
    工程とを有することを特徴とする研磨加工法において、 上記第一の検出器または第二の検出器は上記薄膜の表面
    に上記研磨液を介在した状態で距離を検出することを特
    徴とする研磨加工方法 。
  2. 【請求項２】第一の検出器及び上記第二の検出器は上記
    基板に面するように上記研磨パッドの側に設けられ、 第一の検出器及び上記第二の検出器から上記薄膜の表面
    及び底面までの距離をそれぞれ検出することを特徴とす
    る請求項１に記載の研磨加工法。
  3. 【請求項３】第二の検出器は上記薄膜の底面形状を検出
    するに十分な分解能を有することを特徴とする請求項２
    に記載の研磨加工法。
  4. 【請求項４】薄膜の厚さは、上記第一の検出器から上記
    薄膜の表面の位置までの距離に相当する上記第一の検出
    器から得られる第一の検出信号と、上記第二の検出器か
    ら上記薄膜の底面の位置までの距離に相当する上記第二
    の検出器から得られる第二の検出信号との信号の差に基
    づいて得られることを特徴とする請求項２に記載の研磨
    加工法。
  5. 【請求項５】上記第二の検出器は、結像した光スポット
    を該薄膜底面に照射し、その反射光に含まれる光学的情
    報から薄膜底面までの距離を知る形式の検出器を用いる
    ことを特徴とする請求項２記載の研磨加工法。
  6. 【請求項６】上記第一の検出器と第二の検出器が共に該
    研磨パッドを支持している定盤部に設けられていること
    を特徴とする請求項２記載の研磨加工法。
  7. 【請求項７】上記第一の検出器として、流体マイクロメ
    −タを用いることを特徴とする請求項２に記載の研磨加
    工法。
  8. 【請求項８】上記流体マイクロメ−タの作動流体とし
    て、加工に用いる研磨液を用いることを特徴とする請求
    項７記載の加工法。
  9. 【請求項９】上記第一の検出器として、該薄膜材料の屈
    折率と該研磨液の屈折率から定まる臨界反射角より大き
    な角度で光を薄膜表面に照射し、薄膜の被加工面で反射
    した光の情報を利用して薄膜被加工面までの距離を知る
    検出器を用いること特徴とする請求項２記載の加工法。
  10. 【請求項１０】加工すべき薄膜が表面に形成されている
    基板を研磨パッド表面上に押しつけて研磨液を供給しな
    がら上記基板と上記研磨パッドを相対運動させながら該
    薄膜を研磨する加工法であって、 該薄膜の被加工表面の位置から該薄膜の底面までの距離
    を該薄膜表面へ研磨液を介在させながら該研磨液中を通
    過した反射光を検出する検出器によって直接検出する工
    程と、 上記距離に基づいて該薄膜の厚さを計算する工程と、 上記計算された厚さに基いて研磨加工の条件を制御する
    工程とを有し、 上記検出器は上記基板に面するように上記研磨パッドの
    側に設けられ、上記厚さは上記検出器から上記表面及び
    上記検出器から上記底面までの距離の差によって直接検
    出されることを特徴とする研磨加工法。
  11. 【請求項１１】上記検出器は、結像した光スポットを該
    薄膜底面に照射し、その反射光に含まれる光学的情報か
    ら薄膜底面までの距離を知る形式であって、上記厚さは
    上記検出器から上記表面及び上記検出器から上記底面ま
    での距離の差を検出されることを特徴とする請求項１０
    記載の研磨加工法。
  12. 【請求項１２】上記検出器は上記薄膜の底面形状を検出
    するに十分な分解能を有することを特徴とする請求項１
    ０に記載の研磨加工法。
  13. 【請求項１３】上記検出器は結像した光スポットを該薄
    膜底面に照射し、その反射光に含まれる光学的情報から
    薄膜底面までの距離と検出部の反射率を知る形式の検出
    器であることを特徴とする請求項１０記載の研磨加工
    法。
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