特許 5691843 半導体装置の製造方法および化学機械研磨装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5691843

(24)【登録日】2015年2月13日

(45)【発行日】2015年4月1日

(54)【発明の名称】半導体装置の製造方法および化学機械研磨装置

(51)【国際特許分類】

   B24B 53/00 20060101AFI20150312BHJP

   H01L 21/304 20060101ALI20150312BHJP

   B24B 37/00 20120101ALI20150312BHJP

【ＦＩ】

   B24B53/00 A

   B24B53/00 J

   H01L21/304 622M

   B24B37/00 A

   H01L21/304 621D

【請求項の数】7

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2011-119641(P2011-119641)

(22)【出願日】2011年5月27日

(65)【公開番号】特開2012-245589(P2012-245589A)

(43)【公開日】2012年12月13日

【審査請求日】2014年1月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】308014341

【氏名又は名称】富士通セミコンダクター株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100146776

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 昭則

(72)【発明者】

【氏名】小島 良太

【審査官】 石田 智樹

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１１−５３０８０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０２２０２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１８６４９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０５８３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−００９７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２８８９１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０６１８１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２４Ｂ ５３／００

Ｂ２４Ｂ ３７／００

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

化学機械研磨装置において、研磨パッドを担持したプラテンを回転させながら、前記研磨パッドの表面をアームに保持されたコンディショニングディスクによりドレッシングする工程を含み、
前記ドレッシングは、前記コンディショニングディスクを前記研磨パッドの表面に押圧し、さらに前記アームを前記アームの回転軸回りで回転運動させ、前記コンディショニングディスクの位置を、前記プラテンの径方向上に、前記プラテンの中心部と外周部との間で変化させることにより実行され、
前記ドレッシングの際、前記アームに作用するトルクの平均値＜Ｎ＞および変動幅Ｙを、前記コンディショニングディスクの、前記プラテンの径方向上における複数の位置にわたって求め、前記トルクの平均値＜Ｎ＞および前記トルクの変動幅Ｙの値をもとに、前記アームに対するメンテナンスの要否を判定し、
前記研磨パッドの表面には、前記プラテンの径方向に複数の区間が設定され、前記複数の位置は前記複数の区間の一つに含まれ、前記複数の区間の少なくとも一つにおいて前記トルクの平均値＜Ｎ＞に対するトルクの変動幅Ｙの比Ｙ／＜Ｎ＞が所定値を超えた場合に、前記アームに対するメンテナンスが必要であると判定することを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項2】

化学機械研磨装置において、研磨パッドを担持したプラテンを回転させながら、前記研磨パッドの表面をアームに保持されたコンディショニングディスクによりドレッシングする工程を含み、
前記ドレッシングは、前記コンディショニングディスクを前記研磨パッドの表面に押圧し、さらに前記アームを前記アームの回転軸回りで回転運動させ、前記コンディショニングディスクの位置を、前記プラテンの径方向上に、前記プラテンの中心部と外周部との間で変化させることにより実行され、
前記ドレッシングの際、前記アームに作用するトルクの平均値＜Ｎ＞および変動幅Ｙを、前記コンディショニングディスクの、前記プラテンの径方向上における複数の位置にわたって求め、前記トルクの平均値＜Ｎ＞および前記トルクの変動幅Ｙの値をもとに、前記アームに対するメンテナンスの要否を判定し、
前記研磨パッドの表面には、前記プラテンの径方向上に複数の区間が設定され、前記複数の位置は前記複数の区間にわたって分布し、前記トルクの平均値＜Ｎ＞および前記トルクの変動幅Ｙは、前記複数の区間の各々について求められ、さらに前記複数の区間にわたり、前記トルクの平均値＜Ｎ＞の平均値＜＜Ｎ＞＞および前記トルクの変動幅Ｙの平均値＜Ｙ＞を求め、前記トルクの平均値＜Ｎ＞の平均値＜＜Ｎ＞＞に対する前記トルクの変動幅Ｙの平均値＜Ｙ＞の比＜Ｙ＞／＜＜Ｎ＞＞が所定値を超えた場合に、前記アームに対するメンテナンスが必要であると判断することを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項3】

前記複数の位置は、前記アームの折り返し点に対応する位置を避けて選ばれることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。

【請求項4】

前記ドレッシングの後、前記研磨パッド上においてウェハの化学機械研磨を行うことを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。

【請求項5】

前記ウェハの化学機械研磨では、シリコン酸化膜の化学機械研磨が行われ、前記所定値は０．８以下であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。

【請求項6】

研磨パッドを担持して回転するプラテンと、
前記プラテン上の研磨パッドにスラリを供給するスラリ供給ノズルと、
前記プラテン上の研磨パッドに被研磨材を回転し押圧する研磨ヘッドと、
前記プラテン上の研磨パッドに回転し押圧され、前記研磨パッドの表面をドレッシングするコンディショニングディスクと、
前記コンディショニングディスクを担持し、前記コンディショニングディスクに前記研磨パッドの表面を走査させ、ドレッシングを行わせるアームと、
前記アームに作用するトルクの値を、前記プラテンの半径方向上における前記コンディショニングディスクの複数の位置において測定するトルク測定部と、
前記トルク測定部により測定されたトルクの値を処理するデータ処理部と、
を備え、
前記データ処理部は、前記複数の位置における前記トルクの値から前記トルクの平均値＜Ｎ＞および前記トルクの変動幅Ｙを求め、前記トルクの平均値＜Ｎ＞および変動幅Ｙに基づいて、前記アームに対してメンテナンスを行う必要があることを示すアラーム信号を発し、
前記データ処理部は前記研磨パッドの表面に、前記プラテンの半径方向上において複数の区間を設定し、前記データ処理部は、前記複数の区間の少なくとも一つにおいて前記トルクの平均値に対するトルクの変動幅の比Ｙ／＜Ｎ＞が所定値を超えた場合に、前記アラーム信号を発することを特徴とする化学機械研磨装置。

【請求項7】

研磨パッドを担持して回転するプラテンと、
前記プラテン上の研磨パッドにスラリを供給するスラリ供給ノズルと、
前記プラテン上の研磨パッドに被研磨材を回転し押圧する研磨ヘッドと、
前記プラテン上の研磨パッドに回転し押圧され、前記研磨パッドの表面をドレッシングするコンディショニングディスクと、
前記コンディショニングディスクを担持し、前記コンディショニングディスクに前記研磨パッドの表面を走査させ、ドレッシングを行わせるアームと、
前記アームに作用するトルクの値を、前記プラテンの半径方向上における前記コンディショニングディスクの複数の位置において測定するトルク測定部と、
前記トルク測定部により測定されたトルクの値を処理するデータ処理部と、
を備え、
前記データ処理部は、前記複数の位置における前記トルクの値から前記トルクの平均値＜Ｎ＞および前記トルクの変動幅Ｙを求め、前記トルクの平均値＜Ｎ＞および変動幅Ｙに基づいて、前記アームに対してメンテナンスを行う必要があることを示すアラーム信号を発し、
前記データ処理部は前記研磨パッドの表面に、前記プラテンの半径方向上において複数の区間を設定し、前記データ処理部は、前記複数の区間の各々において、前記トルクの平均値＜Ｎ＞および前記トルクの変動幅Ｙを求め、さらに前記複数の区間にわたり、前記トルクの平均値＜Ｎ＞の平均値＜＜Ｎ＞＞、および前記トルクの変動幅の平均値＜Ｙ＞を求め、前記トルクの平均値＜Ｎ＞の平均値＜＜Ｎ＞＞に対する前記トルクの変動幅Ｙの平均値の比＜Ｙ＞／＜＜Ｎ＞＞が所定値を超えた場合に、前記アラーム信号を発することを特徴とする化学機械研磨装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

以下に説明する実施形態は半導体装置の製造方法および化学機械研磨装置に関する。

【背景技術】

【0002】

化学機械研磨は半導体装置あるいはその他の電子装置の製造において、金属膜、絶縁膜あるいは半導体膜を除去し、配線パタ―ンや平坦面を形成するのに広く使われている技術である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５−２２０２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一般に化学機械研磨は、研磨パッドを担持し所定の速度で回転されるプラテンを備えた研磨装置を使って実行される。前記研磨パッド上にはスラリが塗布されており、半導体ウェハなどの研磨対象物（以下「ワーク」と記す）は、研磨ヘッド上に保持され、ワークは前記研磨ヘッドにより所定の速度で回転されながら、プラテンと共に回転している前記研磨パッドに所定の圧力で押圧される。この状態で、前記スラリの機械的および化学的な研磨作用により、所望の研磨が実行される。一般に半導体装置の化学機械研磨では、研磨パッドとして、様々な硬さの発泡あるいは無発泡樹脂膜が使われる。スラリは、シリカ（ＳｉＯ₂）やアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、セリア（ＣｅＯ₂）などの微粒子よりなる砥粒を水やｐＨを調整した溶媒に分散させたもので、ワークの種類に応じて選択され、研磨中に研磨パッド上に所定の割合で滴下される。

【0005】

このような研磨装置では、研磨パッド上にスラリが保持されるように、あらかじめ研磨パッドの表面を削り、意図的に荒れた状態を形成することが多い。このような操作は「ドレッシング」あるいは「目立て」とよばれる。ドレッシングには、一般にダイヤモンド砥粒が埋め込まれ、回転駆動されるコンディショニングディスクが使われる。すなわちかかるコンディショニングディスクを、所定速度で回転しているプラテン上の研磨パッドに、所定速度で回転させながら、所定の圧力で押圧することにより、研磨パッドの表面がダイヤモンド砥粒により削られ、所望のドレッシングがなされる。

【0006】

このようにしてドレッシング処理された研磨パッドの荒れた表面にはスラリが溶媒と共に安定に保持され、ウェハの被研磨面に作用し、所望の研磨がなされる。またこのようにして形成された研磨パッドの荒れた表面には、研磨によりウェハから削り取られた研磨屑も保持され、研磨屑によりウェハの表面にスクラッチとよばれる傷が生じるのが回避される。一般にウェハ一枚あるいは数枚を研磨する度に、先に使われた研磨パッドの表面はコンディショニングディスクにより削り取られ、新たな表面が荒れた状態で形成される。

【0007】

このようなドレッシングは、研磨パッドの全面に対して行う必要があり、このため、コンディショニングディスクは一般にプラテンの近傍において軸受け部により回動自在に支持されたアームの先端に設けられている。前記アームを前記軸受け部の回りで旋回運動させることにより、前記研磨パッドの全面をドレッシングすることが可能となる。

【0008】

ところが、このような構成の研磨装置において多数のウェハを化学機械研磨しているうちに、例えば前記アームの軸受け部が消耗するなどしてアームの状態が変化し、旋回運動の際にアームに振動が生じることがある。このような振動が生じると、コンディショニングディスクを研磨パッドに対し所定の圧力で押圧できなくなり、ドレッシングが不完全になってしまう。ドレッシングが不完全だと、研磨パッド表面を十分に荒らす（「目立て」する）ことができず、その結果、スラリを研磨パッド表面に十分に保持できず研磨速度が低下したり、研磨屑を保持できずワークにスクラッチが生じたりするなど、所望の研磨を行うことができなくなる。

【0009】

従来、研磨速度の低下やスクラッチの発生が生じると、研磨パッドやスラリが交換されることが多かったが、原因がアームの振動である場合、研磨パッドやスラリを交換しても解決するものではなく、間違った管理の結果、時間やマンパワー、さらには部材が無駄になることがあった。

【課題を解決するための手段】

【0010】

一の側面によれば半導体装置の製造方法は、化学機械研磨装置において、研磨パッドを担持したプラテンを回転させながら、前記研磨パッドの表面をアームに保持されたコンディショニングディスクによりドレッシングする工程を含み、前記ドレッシングは、前記コンディショニングディスクを前記研磨パッドの表面に押圧し、さらに前記アームを前記アームの回転軸回りで回転運動させ、前記コンディショニングディスクの位置を、前記プラテンの径方向上に、前記プラテンの中心部と外周部との間で変化させることにより実行され、前記ドレッシングの際、前記アームに作用するトルクの平均値＜Ｎ＞および変動幅Ｙを、前記コンディショニングディスクの、前記プラテンの径方向上における複数の位置にわたって求め、前記トルクの平均値＜Ｎ＞および前記トルクの変動幅Ｙの値をもとに、前記アームに対するメンテナンスの要否を判定する。

【0011】

他の側面によれば化学機械研磨装置は、研磨パッドを担持して回転するプラテンと、前記プラテン上の研磨パッドにスラリを供給するスラリ供給ノズルと、前記プラテン上の研磨パッドに被研磨材を回転し押圧する研磨ヘッドと、前記プラテン上の研磨パッドに回転し押圧され、前記研磨パッドの表面をドレッシングするコンディショニングディスクと、前記コンディショニングディスクを担持し、前記コンディショニングディスクに前記研磨パッドの表面を走査させ、ドレッシングを行わせるアームと、前記アームに作用するトルクの値を、前記プラテンの半径方向上における前記コンディショニングディスクの複数の位置において測定するトルク測定部と、前記トルク測定部により測定されたトルクの値を処理するデータ処理部と、を備え、前記データ処理部は、前記複数の位置における前記トルクの値から前記トルクの平均値＜Ｎ＞および前記トルクの変動幅Ｙを求め、前記トルクの平均値＜Ｎ＞および変動幅Ｙに基づいて、前記アームに対してメンテナンスを行う必要があることを示すアラーム信号を発する。

【発明の効果】

【0012】

上記側面によれば、コンディショニングディスクを担持するアームの状態を、アームに印加されるトルクの平均値だけでなく、トルクの変動幅をも加味して判断するため、アームに大きなトルクはかかっているが、研磨パッドへのコンディショニングディスクの作用が不均一であるような状態を検出することができ、アームのメンテナンス時期を確実に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】化学機械研磨装置を含む第１の実施形態による化学機械研磨システムの構成を示すブロック図である。

【図2】図１の化学機械研磨システム中の化学機械研磨装置を示す平面図である。

【図3】第１の実施形態の化学機械研磨装置において、ドレッシングの際にコンディショニングディスクを担持したアームに生じるトルクの値を、研磨パッド上における前記コンディショニングディスクの様々な位置に対してプロットした散布図である。

【図4】図３の図を、コンディショニングディスクを担持するアームが正常な場合と異常な場合について示す散布図である。

【図5】実験Ｉ〜VIIIについて求めた、コンディショニングディスクの位置に対するトルクの平均値と変動幅の関係を示すグラフである。

【図6】図５の実験の各々について、引き続きウェハの化学機械研磨を行った場合の、ウェハ上に観察された欠陥の数を示したヒストグラムである。

【図7】図５の結果を統計処理した散布図である。

【図8】図１の化学機械研磨システムで実行されるデータ処理を示すフローチャートである。

【図9】図８の一変形例を示すフローチャートである。

【図10】図１の化学機械研磨装置の一変形例を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１は、第１の実施形態に係る化学機械研磨システム２０の全体的な構成を示す図である。

【0015】

図１を参照するに化学機械研磨システム２０は化学機械研磨装置２０Ａとデータ処理装置２０Ｂ、および欠陥検査装置２０Ｃを含み、前記化学機械研磨装置２０Ａは、モータ２１Ｍにより回転軸２１Ｎの回りを矢印Ａで示す方向に所定速度で回転されるプラテン２１を備えており、前記プラテン２１上には研磨パッド２１Ｐが担持され、プラテン２１とともに前記所定速度で回動する。

【0016】

前記研磨パッド２１Ｐ上にはスラリが、滴下ノズル２１Ｓより滴下され、さらに半導体ウェハなどのワークＷを担持した研磨ヘッド２２が、前記ワークＷを、前記研磨パッド２１Ｐに、モータ２２Ｍにより矢印Ｂの方向に所定速度で回転させながら、所定の圧力で押圧する。

【0017】

さらに前記研磨パッド２１Ｐ上には、ダイヤモンド砥粒を樹脂あるいは金属ディスク中に埋設したコンディショニングディスク２３が設けられている。前記コンディショニングディスク２３はアーム２３Ａの先端部に、モータ２３Ｍを介して保持され、モータ２３Ｍにより矢印Ｃの方向に所定速度で回転され、前記研磨パッド２１Ｐに所定の圧力Ｆで押圧される。一方、前記アーム２３Ａは、図示しない駆動モータを含み、前記プラテン２１の面に垂直な回動軸２３Ｎの回りで回動する軸受け部２３Ｂに、基部を固定されている。前記軸受け部２３Ｂには、その際のトルクＮを前記回動軸２３Ｎの回りで測定するトルク測定部２３Ｄ設けられている。このようなトルク測定部２３Ｄは、例えばロードセルや歪みゲージ、ＡＥセンサ等の応力センサを含み、前記プラテン２１の前記図１における矢印Ａで示す方向への回転、および前記コンディショニングディスク２３の前記図１における矢印Ｃで示す方向への回転、さらに前記研磨パッド２１Ｐと前記コンディショニングディスク２３との間の摩擦などにより前記アーム２３Ａに生じる応力を測定し、測定結果をもとに前記軸２３Ｎ回りのトルクＮを、前記アーム２３Ａの角位置θとともに求めている。

【0018】

図２は、前記化学機械研磨装置２０のうち、プラテン２１およびコンディショニングディスク２３を含む部分の平面図を示す。

【0019】

図２を参照するに、前記アーム２３Ａは前記軸受け部２３Ｂにより、前記回動軸２３Ｎの回りで第１の角位置（θ＝θmin；ホームポジション）と第２の角位置（θ＝θMAX）との間で往復駆動され、これに伴って前記コンディショニングディスク２３は、前記プラテン２１と共に回転している研磨パッド２１Ｐ上を、まんべんなく走査する。前記ホームポジションでは、前記コンディショニングディスク２３は前記研磨プラテンの外周の外に外れ、研磨パッド２１Ｐには当接しない。前記アーム２３Ａが前記軸２３Ｎの回りで回動することにより、前記コンディショニングディスク２３は前記研磨パッド２１Ｐ上において、前記プラテン２１の径方向に位置を変化させる。後で説明するように前記研磨パッド２１Ｐ上には、データ処理の都合上、前記プラテン２１の径方向に区間ｒ_０，ｒ_１，ｒ_２，・・・が設定されており、前記コンディショニングディスク２３は前記アーム２３Ａの回動に伴って、前記区間ｒ_０，ｒ_１，ｒ_２，・・・を順次連続的に走査する。

【0020】

前記アーム２３Ａの角位置θは、データ処理装置２０Ｂにおいて直ちに、前記コンディショニングディスク２３の前記プラテン２１上における、プラテン２１の中心あるいは外周からのラジアル方向の距離に変換される。以下では、アーム２３Ａの角位置θは、プラテン２１の中心からのラジアル方向の距離に変換されるものとする。

【0021】

前記軸受け部２３Ｂはまた、前記プラテン２１の面およびその外周方向に平行な軸２３Ｐの回りで回動、あるいは前記軸２３Ｎに沿って上下運動することができ、その結果、前記コンディショニングディスク２３を前記研磨パッド２３Ｐに、前記アーム２３Ａを介して、前記所定圧力Ｆで押圧することが可能である。

【0022】

このような化学機械研磨装置２０Ａとしては、限定はされないが、例えばApplied Materials社より市販のモデルReflection-LKを挙げることができる。

【0023】

前記化学機械研磨システム２０では、さらにデータ処理装置２０Ｂと欠陥検査装置２０Ｃが設けられているが、前記データ処理装置２０Ｂは、前記軸受け部２３Ｂより出力された前記トルクＮの値と前記アーム２３Ａの位置、すなわち前記プラテン２３の中心から測った、前記コンディショニングディスク２３の径方向への位置を表す情報を供給され、これを以下に説明するように統計処理して、前記アーム２３Ａおよび軸受け部２３Ｂの状態が異常である場合に、アラームを発生させる。

【0024】

また前記欠陥検査装置２０は、実際に研磨されたウェハの表面を顕微鏡により検査し、画像処理を行って欠陥の数を計数するとともにその分布を求め、欠陥数をヒストグラムで出力したり、欠陥の分布をマップの形で出力したりする。

【0025】

図１では、あたかも前記研磨パッド２１Ｐのコンディショニングディスク２３によるドレッシングが、前記ワークＷの化学機械研磨と同時に実行されているかのように示されているが、これは図示の都合上のことであり、実際には研磨パッド２１Ｐのコンディショニングに引き続き、ワークＷの化学機械研磨がなされるのがふつうである。ただし図１の化学機械研磨システム２０において、研磨パッド２１ＰのコンディショニングとワークＷの化学機械研磨を同時に実行する場合が排除されるわけではない。

【0026】

図３は、このような化学機械研磨システム２０において得られたトルクＮの値と、そのときのコンディショニングディスク２３の前記研磨パッド２１Ｐ上における位置、より具体的には、前記プラテン２１の中心からのラジアル距離との関係をプロットした図である。図３中、縦軸が前記トルクＮの値を任意単位で示しており、横軸が前記ラジアル距離をインチの単位で示している。図３中、矢印Ａは前記研磨パッド２１Ｐを、前記コンディショニングディスク２３により、をプラテン２１の中心から外周方向に走査した場合を示しており、一方矢印Ｂは前記研磨パッド２１Ｐを、前記コンディショニングディスク２３により、をプラテン２１の外周部から中心方向に走査した場合を示している。

【0027】

図３の例では前記コンディショニングディスクとして、径が４インチの金属ディスクの表面に樹脂層によりダイヤモンド砥粒を埋設したものを使い、前記コンディショニングディスク２３を前記研磨パッド２１Ｐ上において、前記プラテン２１の中心から半径距離が１〜１４インチの範囲で走査させている。なお前記半径距離が１４インチを超えると、コンディショニングディスク２３は前記プラテン２１の外周の外側に、すなわち前記研磨パッド２１Ｐの外側に外れる。半径距離が１９インチの位置が、図２で示したホームポジションに対応する。

【0028】

図３を参照するに、前記プラテン２１の回転方向とコンディショニングディスク２３の回転方向との関係により、前記アーム２３Ａを前記図３中、矢印Ａに示すようにプラテン２１の中心から外周方向に移動させた場合は正のトルクが検出され、一方アーム２３Ａを逆に図３中、矢印Ｂで示すようにプラテン２１の外周から中心方向に移動させた場合には負のトルクか検出されることがわかる。図３中、個々の四角形は前記軸受け部２３Ｂにより測定されたトルクＮの値とそのときのコンディショニングディスク２３の径方向での位置を示している。

【0029】

図３の例は、比較的良好なドレッシングが行われている場合を示しており、アーム２３をプラテン２１の中心から外周へ移動させた場合と外周から中心へ移動させた場合のいずれにおいてもトルクＮの変動幅が比較的小さく、かつ検出されているトルクＮの絶対値が比較的大きく、このため、前記アーム２３をプラテンの中心から外周へ移動させた場合のデータ点と、同じアーム２３をプラテンの外周から中心へ移動させた場合のデータ点との間に、広いギャップが生じているのがわかる。

【0030】

なお図３の例では、前記プラテン２１の中心から外周へと旋回したアーム２３Ａは、前記コンディショニングディスク２３がおおよそ１３〜１４インチの位置にあるときに折り返しており、また前記プラテン２１の外周から中心へと旋回したアーム２３Ａは、前記コンディショニングディスク２３がおおよそ１〜２インチの位置にあるときに折り返している。このような折り返し点では、検出されるトルクＮの値が正から負に、あるいは負から正に、大きく変動している。

【0031】

図４は、アーム２３Ａおよび軸受け部２３Ｂの状態が良好な場合と不良である場合とを比較した図である。図４中、右側の図は前記アーム２３Ａおよび軸受け部２３Ｂの状態が良好である場合を、左側の図は不良である場合を示している。

【0032】

図４を参照するに、右側の図では、前記図３の場合と同様に、アーム２３をプラテン２１の中心から外周へ移動させた場合と外周から中心へ移動させた場合のいずれにおいてもトルクＮの変動幅が小さく、かつ検出されているトルクＮの絶対値が大きく、前記アーム２３をプラテンの中心から外周へ移動させた場合のデータ点と、同じアーム２３をプラテンの外周から中心へ移動させた場合のデータ点との間に、非常に広いギャップが生じているのがわかる。すなわち図４の右側の図は、前記コンディショニングディスク２３が研磨パッド２１Ｐに安定に、かつしっかりと係合し、その表面を削っている状態に対応していると考えられる。

【0033】

これに対し図４の左側の図ではトルクＮの変動幅が大きく、かつトルクＮの絶対値が小さく、その結果、アーム２３をプラテン２１の中心から外周へ移動させた場合と外周から中心へ移動させた場合で符号が反転するトルクＮの差が非常に小さくなっているのがわかる。すなわち図４の左側の図は、コンディショニングディスク２３が研磨パッド２１Ｐを十分に削っておらず、かつその作用も不均一であることを示唆している。

【0034】

図５は、前記図３や図４の実験に基づいて、化学機械研磨システム２０において、アーム２３Ａおよび軸受け部２３Ｂが様々な状態にある化学機械研磨装置２０Ａを使い、所定のドレッシングを行った場合のトルクＮの平均値とトルクＮの変動幅を、前記プラテン２１の中心から測ったコンディショニングディスク２３のラジアル距離（インチ）に対応させて示す図である。ただし図５の実験では、前記研磨パッド２１Ｐとしてニッタハース社のIC1510（登録商標）を使っている。また前記コンディショニングディスク２３として、表面に形成した樹脂層中にダイヤ粒径が＃８０〜１１０のダイヤモンド砥粒を埋設した径が4インチの金属ディスクを使っている。また前記実験において前記プラテン２１およびコンディショニングディスク２３は、同一方向にそれぞれ４０〜８０ｒｐｍおよび８０〜１１０ｒｐｍの範囲内の所定の回転数で回転され、前記コンディショニングディスク２３は前記研磨パッド２１Ｐに、６〜１１ｌｂｆの範囲内の所定の圧力で押圧されている。

【0035】

ただし図５のプロットでは、トルクＮの平均値および変動幅を求めるに当たり、アーム２３が折り返すためトルクＮの値が正から負にあるいは負から正に変化する０〜３インチの範囲および１１〜１５インチの範囲は除外している。

【0036】

より具体的には、前記研磨パッド２１Ｐの表面を、前記３インチから１１インチまでの範囲で図２に示したような幅が０．８インチの同心円状の区間１〜１０に分割し、各々の区間毎に観測されたトルクＮの絶対値の区間当たりの平均値＜Ｎ＞、および前記トルクＮの絶対値の区間当たりの変動幅Ｙを示している。図５中、左側の図が前記区間当たりの平均値＜Ｎ＞を示しており、右側の図が前記区間当たりの変動幅Ｙを示している。図５中、右側および左側の図において横軸は、前記プラテン２１の回転中心から前記１０に分割した同心円状の区間１〜１０までの距離をインチで表している。

【0037】

図５を参照するに、曲線Ｉの例では区間当たりのトルク平均値＜Ｎ＞がいずれの区間でも最も小さく、アーム２３Ａに十分なトルクＮがかかっていないこと（図５の左図を参照）がわかる。この曲線Ｉの例では、その結果、研磨パッド２１Ｐのドレッシングが不完全であることが予測される。また前記曲線Ｉの例では、トルクの区間当たりの変動幅Ｙは比較的小さいが（図５の右図を参照）、これはトルクの値自体が小さいためであると考えられる。

【0038】

曲線IIの例でもトルクの区間当たりの平均値＜Ｎ＞が、いずれの区間においても前記曲線Ｉの場合よりは大きいものの、やはり小さく（図５の左図を参照）、アーム２３Ａに十分なトルクＮがかかっていないことが予測される。また前記曲線IIの例では、トルクの区間当たりの変動幅Ｙが、曲線Ｉの場合よりも多少大きくなっており（図５の右図を参照）、ドレッシングが不均一になっていることが予測される。

【0039】

さらに曲線IIIの例ではトルクの区間当たりの平均値＜Ｎ>が、いずれの区間においても前記曲線IIの場合より大きいものの、やはり比較的小さく（図５の左図を参照）、アーム２３Ａに十分なトルクＮがかかっていないことが予測される。また前記曲線IIIの例では、トルクの区間当たりの変動幅が非常に大きくなっており（図５の右図を参照）、これはコンディショニングディスク２３が前記研磨パッド２１Ｐの表面を跳躍しながら走査している（スティックスリップ現象）ことを示していると考えられる。

【0040】

同様に曲線IVの例でもトルクの区間当たりの平均値＜Ｎ>は、いずれの区間においても前記曲線IIIの場合より大きいものの、やはり比較的小さく（図５の左図を参照）、アーム２３Ａに十分なトルクＮがかかっていないことが予測される。また前記曲線IVの例でも、トルクの区間当たりの変動幅が非常に大きくなっており（図５の右図を参照）、やはりコンディショニングディスク２３が前記研磨パッド２１Ｐの表面を跳躍しながら走査していることを示していると考えられる。

【0041】

さらに曲線Ｖの例では、トルクの区間当たりの平均値＜Ｎ＞がいずれの区間においても非常に大きいが（図５の左図を参照）、トルクの区間当たりの変動幅もやはり非常に大きく（図５の右図を参照）、均一なドレッシングはなされていないものと予測される。

【0042】

一方、図５中、曲線VIの例ではトルクの区間当たりの平均値＜Ｎ>が、前記曲線Ｉ〜IVの場合と比較して格段に増大し、かつトルクの区間当たりの変動幅Ｙも比較的小さく、効果的なコンディショニングが均一になされていることが予測される。

【0043】

さらに図５中、曲線VIIの例ではトルクの区間当たりの平均値＜Ｎ＞が前記曲線VIの例と同様に大きく、またトルクの区間当たりの変動幅Ｙが曲線VIの場合と比較して、全体的にさらに減少しており、効率的なコンディショニングが、より均一になされていることが予測される。

【0044】

さらに図５中、曲線VIIIの例ではトルクの区間当たりの平均値＜Ｎ＞が前記曲線VIIの例よりも、全区間１〜１０にわたりさらに増大しており、またトルクの区間当たりの変動幅Ｙが曲線VIIの場合と比較して、全区間１〜１０にわたり、にさらに減少していることがわかる。このことから、曲線VIIIの例では、非常に効率的なコンディショニングが、非常に均一になされていることが予測される。

【0045】

以上の予測を確認するため、本発明の発明者は、曲線Ｉ〜VIIIのそれぞれの実験において、コンディショニングに引き続き、シリコンウェハ上に形成された熱酸化膜を化学機械研磨する実験を行った。この実験では、前記曲線Ｉ〜VIIIのコンディショニングのそれぞれの後に、厚さが１２０ｎｍの熱酸化膜を形成された径が３００mmのシリコンウェハを前記ワークＷとして、前記研磨ヘッド２３Ｂに保持し、酸化膜研磨用スラリを２００ｍｌ／分の流量で滴下しながら前記研磨ヘッド２３Ｂを４０〜８０ｒｐｍの範囲内の所定の速度で回転させ、前記研磨パッド２１Ｐに、３〜８ｐｓｉの範囲内の所定の圧力で押圧することにより、前記熱酸化膜の化学機械研磨を６０〜１２０秒の範囲内で行った。

【0046】

図６は、このようにして行ったシリコンウェハの表面を、図１の欠陥検査装置２０Ｃにより検査した結果を示すグラフである。図６中、縦軸はウェハ当たりの欠陥数を、横軸のＩ〜VIIIは、図５の曲線Ｉ〜VIIIの実験にそれぞれ対応している。

【0047】

図６を参照するに、ウェハ当たりの欠陥数の限度を２００個とすると、曲線VI〜VIIIの実験で得られたウェハのみが合格し、曲線Ｉ〜Ｖの実験で得られたウェハは不合格であることがわかる。これは先に説明した、曲線VI〜VIIIの実験では、アーム２３Ａに大きなトルクＮが余り変動せずにかかっていて、コンディショニングディスク２３が研磨パッド２１Ｐの表面を効果的に、かつ一様に研削しているのに対し、曲線Ｉ〜Ｖの実験ではアーム２３ＡにかかるトルクＮが小さく、あるいはトルクＮが大きくても不安定で、一様な研削がなされていない、との予測を裏付けるものである。

【0048】

図７は、前記トルクＮの区間当たりの変動幅Ｙを、全区間１〜１０にわたり平均したトルクＮの平均変動幅＜Ｙ＞、および前記トルクＮの区間あたりの平均値＜Ｎ＞を全区間１〜１０にわたりさらに平均したトルクＮの二重平均値＜＜Ｎ＞＞をプロットした散布図である。図７中、縦軸が前記平均変動幅＜Ｙ＞を、横軸が前記二重平均値＜＜Ｎ＞＞を示している。

【0049】

図７を参照するに、合格した曲線VI〜VIIIの実験に対応するプロットは、トルクＮの平均変動幅＜Ｙ＞が小さく、同時にトルクＮの二重平均値＜＜Ｎ＞＞が大きい、グラフ中、右下の領域に集まっているのに対し、合格しなかった曲線Ｉ〜IVの実験に対応するプロットは、グラフの左端に集合しているのがわかる。また、トルクＮの二重平均値＜＜Ｎ＞＞は大きかったが、トルクＮの平均変動幅＜Ｙ＞も大きく不合格となった曲線Ｖの実験は、グラフの右上に位置しているのがわかる。

【0050】

図７中、それぞれの点について、平均変動幅＜Ｙ＞と二重平均値＜＜Ｎ＞＞の比Ｒ（Ｒ＝＜Ｙ＞／＜＜Ｎ＞＞）を求めると、曲線Ｉの実験では０．９、曲線IIの実験では１．１、曲線IIIの実験では１．２、曲線IVの実験では１．１、曲線Ｖの実験では０．８であるのに対し、曲線VIの実験では０．７、曲線VIIの実験では０．６、また曲線VIIIの実験では０．５となり、前記アーム２３Ａおよび軸受け部２３Ｂに対し、前記比Ｒが０．８未満、より好ましくは０．７以下のものを合格させるという基準を設定すると、引き続いて行った研磨結果が不良となるような事態を回避できることがわかる。

【0051】

なお、上記の説明でトルクＮは任意単位としているので，前記トルクＮの変動幅Ｙおよび平均値＜Ｎ＞あるいは平均値＜Ｙ＞および二重平均値＜＜Ｎ＞＞の値自体は、トルクＮの単位如何により変化するが、前記比Ｒの値は単位を含んでおらず、トルクＮの単位の取り方で変化することはないことに注意すべきである。

【0052】

このように本実施形態では、研磨パッド２１Ｐのドレッシングの際に、コンディショニングディスク２３を担持するアーム２３Ａに印加されるトルクＮの値を取得し、その平均値＜Ｎ＞およびその変動幅Ｙをもとに、ドレッシングの状態を判断しているため、トルクＮの平均値＜Ｎ＞だけ、あるいはその変動幅Ｙだけを使って判定するよりも信頼性の高い判定を行うことができ、無駄なメンテナンスや誤ったメンテナンスを回避することが可能となる。

【0053】

一方、特許文献１のように前記トルクＮの変動幅Ｙだけをモニタした場合には、曲線IVや曲線Ｖの例についてはドレッシングの不良を検出できても、曲線Ｉ〜IIIの例については検出できない。また前記トルクＮの平均値＜Ｎ＞あるいは二重平均値＜＜Ｎ＞＞だけをモニタした場合には、前記曲線Ｉ〜IVの例についてドレッシングの不良を検出できるが、曲線Ｖの例については問題を検出することができない。このような場合には、ウェハの研磨が終了して始めて問題が検出され、かつその問題がアーム２３Ａおよび軸受け部２３Ｂに起因するものであることは示されないので、誤ったメンテナンスが行われる可能性もある。

【0054】

図８は、前記図１に示すデータ処理装置２１Ｂにおいて図７で示した統計処理を行うためのフローチャートを示す。

【0055】

図８を参照するにステップ１において、前記軸受け部２３Ｂに設けられたトルク測定部より、前記アーム２３Ａに作用するトルクＮの値と前記コンディショニングディスクの、前記プラテン２１の中心からのラジアル方向の位置に関する情報を取得し、前記区間１〜１０の各々において、トルクＮの平均値＜Ｎ＞および変動幅Ｙを求める。

【0056】

さらにステップ３において、前記区間１〜１０の全体にわたり、前記トルクＮの平均値＜Ｎ＞を平均し、前記二重平均値＜＜Ｎ＞＞を求め、また前記変動委幅Ｙの平均値＜Ｙ＞を求める。

【0057】

さらにステップ４において、このようにして求めた平均値＜Ｙ＞および二重平均値＜＜Ｎ＞＞より、前記比Ｒを式Ｒ＝＜Ｙ＞／＜＜Ｎ＞＞により求め、ステップ５において、前記比Ｒが０．８未満であるか否かが判定される。

【0058】

前記比Ｒが０．８未満である場合には、ドレッシングは正常に行われており、プロセスはステップ１に戻る。一方前記比Ｒが０．８以上となる場合には、ステップ６において、アーム２３Ａおよび軸受け２３Ｂのメンテナンスが必要であることを示すアラームが発せられる。

【0059】

なお本実施形態において、図８のフローチャートに代えて、図９に示すフローチャートを使うことも可能である。図９のフローチャートではステップ１１において前記ステップ１と同様にトルクＮの値を前記コンディショニングディスクのそれぞれの位置に対して取得した後、ステップ１２において、特定の区間について前記トルクＮの平均値＜Ｎ＞および変動値Ｙを求め、ステップ１３において前記比Ｒを、Ｙと＜Ｎ＞の比（Ｒ＝Ｙ／＜Ｎ＞）として求めている。

【0060】

さらにステップ１４において前記ステップ５と同様に前記比Ｒが０．８未満であるか否かが判定され、ＹＥＳであれば研磨装置２０Ａの運転は継続されるが、ＮＯである場合、ステップ１５において、メンテナンスが必要であるとのアラームが発せられる。

【0061】

図９の変形例において、ステップ１２で選ばれる特定の区間としては、経験的に確実な判断ができることがわかっている区間を選ぶことができる。あるいは図９の変形例において、前記特定の区間として、前記区間１〜１０の全てを一つの区間として選ぶことも可能である。

【0062】

なお以上の実施形態ではドレッシングに回転するコンディショニングディスク２３を使った場合を説明したが、本実施形態はこのような特定の構成に限定されるものではなく、図１０の変形例に示すように、回転するコンディショニングディスク２３の代わりにコンディショニングブラシ３３を使った場合にも有効である。ただし図１０中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

【0063】

以上の実施形態では、半導体装置の製造について説明を行ったが、上記実施形態は半導体装置以外の製造にも適用可能である。

【0064】

以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0065】

２０ 化学機械研磨システム
２０Ａ 化学機械研磨装置
２０Ｂ データ処理装置
２０Ｃ 欠陥検査装置
２１ プラテン
２１Ｍ，２２Ｍ，２３Ｍモータ
２１Ｐ 研磨パッド
２２ 研磨ヘッド
２３ コンディショニングディスク
２３Ａ アーム
２３Ｂ 軸受け部
２３Ｎ，２３Ｐ 回転軸
３３ コンディショニングブラシ
ｒ₀〜ｒ₄ 区間

【図1】

【図2】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図3】

【図4】