(57)【要約】【課題】複数の研磨プラテンを用いて複数の研磨ステップで被研磨膜を研磨する研磨方法及び研磨装置に関し、残膜厚分布のモニタが困難な研磨ステップやフラットな研磨プロファイルを得ることが困難な研磨ステップを含む場合にも研磨の面内均一性を向上しうる研磨方法及び研磨装置を提供する。【解決手段】基板上に形成された被研磨膜を途中まで研磨する第１の研磨工程と、被研磨膜を更に研磨する第２の研磨工程とを有する研磨方法において、第１基板の第２の研磨工程における被研磨膜の膜厚面内分布を示す第１膜厚プロファイルを測定し、第２基板の第１の研磨工程を、第１膜厚研磨プロファイルとは膜厚の大小関係が逆の関係にある第２膜厚プロファイルを得るよう行う。【選択図】図５
2008238367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された被研磨膜を途中まで研磨する第１の研磨工程と、前記被研磨膜を更に研磨する第２の研磨工程とを有する研磨方法であって、
第１基板の前記第２の研磨工程後における前記被研磨膜の膜厚面内分布を示す第１膜厚プロファイルを測定し、
第２基板の前記第１の研磨工程を、前記第１膜厚プロファイルとは膜厚の大小関係が逆の関係にある第２膜厚プロファイルを得るよう行う
ことを特徴とする研磨方法。
【請求項２】
請求項１記載の研磨方法において、
前記第１膜厚プロファイルを測定するステップでは、前記第１膜厚プロファイルと所定プロファイルとの乖離量を求め、
前記第１の研磨工程における研磨条件は前記乖離量に基づいて決定される
ことを特徴とする研磨方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の研磨方法において、
前記第１の研磨工程における複数の研磨条件とその条件により得られる膜厚プロファイル群とを関連づけるデータベースを予め用意しておき、
前記第１の研磨工程においては、前記測定された前記第１膜厚プロファイルに基づいて、前記データベースに含まれる前記プロファイル群から特定の膜厚プロファイルを抽出し、前記特定の膜厚プロファイルに対応する研磨条件を用いて研磨を行う
ことを特徴とする研磨方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の研磨方法において、
前記第１の研磨工程では、前記被研磨膜の膜厚分布をモニタしながら研磨を行い、前記特定の膜厚プロファイルに近づくように研磨条件を逐次制御する
ことを特徴とする研磨方法。
【請求項５】
請求項４記載の研磨方法において、
前記基板を保持する研磨ヘッドとして複数の圧力ゾーンを有する研磨ヘッドを用い、前記圧力ゾーンの圧力を制御することにより、前記研磨条件の逐次制御を行う
ことを特徴とする研磨方法。
【請求項６】
請求項４又は５記載の研磨方法において、
前記被研磨膜は、金属膜であり、
前記被研磨膜の膜厚分布は、研磨の際に前記被研磨膜に発生する渦電流によりモニタする
ことを特徴とする研磨方法。
【請求項７】
請求項４又は５記載の研磨方法において、
前記研磨膜は、絶縁膜であり、
前記被研磨膜の膜厚分布は、光学式検知機を用いてモニタする
ことを特徴とする研磨方法。
【請求項８】
基板上に形成された被研磨膜を複数の研磨ステップで研磨する研磨装置であって、
研磨プラテンと、
前記研磨プラテンに対向するように配置され、複数の圧力ゾーンを有する研磨ヘッドと、
被研磨膜が形成された基板を研磨する際に、前記被研磨膜の膜厚の分布を測定する膜厚モニタと、
前記基板を研磨する際に、前記膜厚モニタの測定結果に基づいて前記研磨ヘッドの複数の前記圧力ゾーンに加わる圧力をフィードバック制御する制御機構と、
前記研磨プラテンにおける複数の研磨条件とその条件により得られる膜厚プロファイル群とを関連づけるデータベースを記憶する記憶装置と、
第１の研磨ステップによる研磨と第２の研磨ステップによる研磨とを組み合わせて前記被研磨膜を研磨する際に、第１基板の前記第２の研磨ステップ後における第１膜厚プロファイルを記憶し、第２基板の前記第１のステップにおいて、前記第１膜厚プロファイルとは膜厚の大小関係が逆の関係にある特定の膜厚プロファイルを前記膜厚プロファイル群から選択する研磨条件決定機構と
を有することを特徴とする研磨装置。
【請求項９】
半導体基板上に、絶縁膜を形成する第１の工程と、
前記絶縁膜に、配線溝を形成する第２の工程と、
前記配線溝が形成された前記絶縁膜上に、バリアメタル層を形成する第３の工程と、
前記バリアメタル層上に、金属膜を形成する第４の工程と、
前記配線溝が形成されていない領域に形成された前記金属膜を研磨により途中まで除去する第５の工程と、
前記配線溝が形成されていない領域の前記バリアメタル層が露出するまで前記金属膜を研磨により除去する第６の工程と、
前記配線溝が形成されていない領域の前記絶縁膜が露出するまで前記バリアメタル層を研磨により除去する第７の工程とを有し、
前記第６の工程後における膜厚面内分布を示す第１膜厚プロファイルを予め測定しておき、
前記第５の工程では、前記第１膜厚プロファイルとは膜厚の大小関係が逆の関係にある第２膜厚プロファイルを得るための研磨条件を用いて研磨を行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
半導体基板に、素子分離溝を形成する第１の工程と、
前記素子分離溝が形成された前記半導体基板上に、絶縁膜を形成する第２の工程と、
前記素子分離溝が形成されていない領域の前記絶縁膜を研磨により途中まで除去する第３の工程と、
前記絶縁膜の表面が平坦化されるまで前記絶縁膜を研磨により除去する第４の工程と、
前記素子分離溝が形成されていない領域の前記絶縁膜が除去されるまで前記絶縁膜を研磨により除去する第５の工程とを有し、
前記第４の工程後における膜厚面内分布を示す第１膜厚プロファイルを予め測定しておき、
前記第３の工程では、前記第１膜厚プロファイルとは膜厚の大小関係が逆の関係にある第２膜厚プロファイルを得るための研磨条件を用いて研磨を行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨装置及び研磨方法に係り、特に、複数の研磨プラテンを用いて複数の研磨ステップで被研磨膜を研磨する研磨方法及び研磨装置、並びにその研磨方法を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体装置の製造プロセスには、ダマシン法による配線層の形成、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法による素子分離膜の形成、フォトリソグラフィの露光マージンを確保するための層間絶縁膜の平坦化等において、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）が用いられている。
【０００３】
素子の微細化が進むにつれ、ＣＭＰの特性向上も求められており、特に研磨プロファイルの面内均一性を向上は重要になってきている。例えば、金属配線は、９０ｎｍ世代、６５ｎｍ世代、４５ｎｍ世代と微細化が進むにつれて、一般的な配線厚みは２５０ｎｍ、２２０ｎｍ、１８０ｎｍ程度に薄膜化されており、ＣＭＰの面内均一性が配線層の抵抗分布に与える影響は大きくなっている。
【０００４】
ＣＭＰを用いた配線層の形成は平坦化の工程であるものの、ディッシングやエロージョンが発生することにより、配線の厚みが薄くなることが知られている。例えば研磨により２０ｎｍ程度配線が薄くなる場合、２５０ｎｍの配線では８％の配線高さ減少にとどまるのに対し、１８０ｎｍの配線では１１％になり、同じディッシングやエロージョン量でも、９０ｎｍ世代から４５ｎｍ世代と世代が進むにつれて影響が大きくなる。実際はこれにＣＭＰの面内分布が加わり、ＣＭＰの研磨レートが速い部分ではよりディッシングやエロージョンが大きくなるため、４５ｎｍ世代のような、より薄い配線に対してはより一層厳しい状況となる。
【０００５】
ＣＭＰの面内均一性を向上するための一手法として、ＣＭＰの際に配線材料表面に発生する渦電流を検出して配線材料の残膜厚の分布をモニタすることにより、ＣＭＰがフラットに行われるようにヘッド圧力をフィードバック制御する方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００３−１７５４５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
研磨のスループットを上げるためには、配線材料の研磨を２ステップに分けて行う必要がある。この場合、第１の研磨ステップで配線材料の残膜厚が２００ｎｍ程度になるように研磨して表面を平坦化した後、第２の研磨ステップで残りの配線材料の研磨を行う。
【０００７】
しかしながら、第２の研磨ステップで配線材料の研磨を行う際、配線材料の残膜厚は研磨の進行とともにほとんど無い或いは無くなるため、渦電流によって膜厚分布をモニタすることができなかった。すなわち、実質的に配線材料の膜厚分布を制御できるのは、第１の研磨ステップのみであった。
【０００８】
また、マルチプラテンの研磨装置を用いる場合など、第１の研磨ステップと第２の研磨ステップとで異なる研磨パッドを使用した場合、それぞれの研磨ステップの研磨レートプロファイルが異なる。そのため、仮に第１の研磨ステップで配線材料の残膜厚をフラットに制御したとしても、第２の研磨ステップで研磨分布に偏りが生じ、場合によっては形成した配線層の膜厚がウェーハ面内でばらつくことがあった。
【０００９】
また、配線材料のＣＭＰの場合のみならず、例えばＳＴＩ法による素子分離膜の形成工程などに用いられる絶縁材料のＣＭＰの場合にも、同様の問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、複数の研磨プラテンを用いて複数の研磨ステップで被研磨膜を研磨する研磨方法及び研磨装置に関し、残膜厚分布のモニタが困難な研磨ステップやフラットな研磨プロファイルを得ることが困難な研磨ステップを含む場合にも研磨の面内均一性を向上しうる研磨方法及び研磨装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、研磨工程を用いて製造される半導体装置の製造歩留まりを向上しうる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一観点によれば、基板上に形成された被研磨膜を途中まで研磨する第１の研磨工程と、前記被研磨膜を更に研磨する第２の研磨工程とを有する研磨方法であって、第１基板の前記第２の研磨工程後における前記被研磨膜の膜厚面内分布を示す第１膜厚プロファイルを測定し、第２基板の前記第１の研磨工程を、前記第１膜厚プロファイルとは膜厚の大小関係が逆の関係にある第２膜厚プロファイルを得るよう行う研磨方法が提供される。
【００１２】
また、本発明の他の観点によれば、基板上に形成された被研磨膜を複数の研磨ステップで研磨する研磨装置であって、研磨プラテンと、前記研磨プラテンに対向するように配置され、複数の圧力ゾーンを有する研磨ヘッドと、被研磨膜が形成された基板を研磨する際に、前記被研磨膜の膜厚の分布を測定する膜厚モニタと、前記基板を研磨する際に、前記膜厚モニタの測定結果に基づいて前記研磨ヘッドの複数の前記圧力ゾーンに加わる圧力をフィードバック制御する制御機構と、前記研磨プラテンにおける複数の研磨条件とその条件により得られる膜厚プロファイル群とを関連づけるデータベースを記憶する記憶装置と、第１の研磨ステップによる研磨と第２の研磨ステップによる研磨とを組み合わせて前記被研磨膜を研磨する際に、第１基板の前記第２の研磨ステップ後における第１膜厚プロファイルを記憶し、第２基板の前記第１のステップにおいて、前記第１膜厚プロファイルとは膜厚の大小関係が逆の関係にある特定の膜厚プロファイルを前記膜厚プロファイル群から選択する研磨条件決定機構とを有する研磨装置が提供される。
【００１３】
また、本発明の更に他の観点によれば、半導体基板上に、絶縁膜を形成する第１の工程と、前記絶縁膜に、配線溝を形成する第２の工程と、前記配線溝が形成された前記絶縁膜上に、バリアメタル層を形成する第３の工程と、前記バリアメタル層上に、金属膜を形成する第４の工程と、前記配線溝が形成されていない領域に形成された前記金属膜を研磨により途中まで除去する第５の工程と、前記配線溝が形成されていない領域の前記バリアメタル層が露出するまで前記金属膜を研磨により除去する第６の工程と、前記配線溝が形成されていない領域の前記絶縁膜が露出するまで前記バリアメタル層を研磨により除去する第７の工程とを有し、前記第６の工程後における膜厚面内分布を示す第１膜厚プロファイルを予め測定しておき、前記第５の工程では、前記第１膜厚プロファイルとは膜厚の大小関係が逆の関係にある第２膜厚プロファイルを得るための研磨条件を用いて研磨を行う半導体装置の製造方法が提供される。
【００１４】
また、本発明の更に他の観点によれば、半導体基板に、素子分離溝を形成する第１の工程と、前記素子分離溝が形成された前記半導体基板上に、絶縁膜を形成する第２の工程と、前記素子分離溝が形成されていない領域の前記絶縁膜を研磨により途中まで除去する第３の工程と、前記絶縁膜の表面が平坦化されるまで前記絶縁膜を研磨により除去する第４の工程と、前記素子分離溝が形成されていない領域の前記絶縁膜が除去されるまで前記絶縁膜を研磨により除去する第５の工程とを有し、前記第４の工程後における膜厚面内分布を示す第１膜厚プロファイルを予め測定しておき、前記第３の工程では、前記第１膜厚プロファイルとは膜厚の大小関係が逆の関係にある第２膜厚プロファイルを得るための研磨条件を用いて研磨を行う半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数の研磨ステップで被研磨膜を研磨する際に、第２の研磨ステップにおける研磨プロファイルを予め測定しておき、第１の研磨ステップを行う際に、第２の研磨ステップにおける研磨プロファイルを考慮した研磨プロファイルを選択して研磨を行うので、第２の研磨ステップにおける残膜厚分布のモニタが困難な場合や第２の研磨ステップにおいてフラットな研磨プロファイルを得ることが困難な場合にも、仕上がりの被研磨膜の高さの面内分布を大幅に向上することができる。これにより、形成する配線層や素子分離膜の膜厚の面内ばらつきを低減すことができ、半導体装置の歩留まりを向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による研磨装置及び研磨方法について図１乃至図９を用いて説明する。
【００１７】
図１は本実施形態による研磨装置の全体構成を示す概略平面図、図２は本実施形態による研磨装置の具体的な構造を示す概略断面図、図３は研磨ヘッドの構造を示す断面図及び平面図、図４は本実施形態による研磨方法を示す工程断面図、図５は本実施形態による研磨方法の第１の研磨ステップを説明するフローチャート、図６は第１の研磨ステップにおける研磨残膜プロファイルの例を示すグラフ、図７は第２の研磨ステップにおける研磨レートプロファイルの例を示すグラフ、図８は配線層のディッシング量を説明する図、図９は配線層のディッシング量のウェーハ面内分布を示すグラフである。
【００１８】
はじめに、本実施形態による研磨装置について図１乃至図３を用いて説明する。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態による研磨装置１０には、３つの研磨プラテン１２ａ，１２ｂ，１２ｃが設けられている。研磨プラテン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ上には、４本のアーム１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを有するアーム支持体１４が設けられている。アーム１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの先端には、研磨ヘッド１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄがそれぞれ設けられており、アーム支持体１４の中心を軸として回転させることにより、研磨プラテン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ上に研磨ヘッド１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄを順次移動できるようになっている。
【００２０】
図２に示すように、各研磨プラテン１２上には、研磨パッド２０が貼付されている。研磨対象の半導体ウェーハ２２は、研磨面が研磨パッド２０に対向するようにして研磨ヘッドに保持されている。研磨プラテン１２上には、スラリー２４を研磨パッド２０上に滴下するためのスラリー供給ノズル２６が設けられている。また、研磨プラテン１２上には、研磨と研磨の間又は研磨中に研磨パッド２０の目立てを行うための目立て装置２８が設けられている。研磨プラテン１２は、軸１８を中心に回転できるようになっている。
【００２１】
研磨ヘッド１６下の研磨プラテン１２内には、研磨中の半導体ウェーハ２２の表面に発生する渦電流を測定する渦電流検出器３０が埋設されている。渦電流検出器３０は渦電流モニタ３２に接続されており、渦電流検出器３０により検出された信号に基づいて研磨残膜や分布をモニタできるようになっている。
【００２２】
研磨ヘッド１６は、図３に示すように、半導体ウェーハ２２を支持するためのリテーナリング３４と、同心円状に分離された複数の圧力チャンバー３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅを有している。これら圧力チャンバー３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅは、半導体ウェーハ２２を研磨パッド２０に押圧する際の圧力を制御するためのものである。なお、研磨分布を細かく制御する観点からは、圧力チャンバー３６を５個以上有していることが望ましい。研磨ヘッド１６は、軸４０を中心に回転できるようになっている。
【００２３】
研磨ヘッド１６には、図２に示すように、ヘッド圧力制御ユニット３８が接続されている。これにより、圧力チャンバー３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅに対応する半導体ウェーハ２２のゾーン毎に、研磨パッド２０に押圧する際の圧力をコントロールできるようになっている。また、ヘッド圧力制御ユニット３８は、渦電流モニタ３２に接続されており、渦電流検出器３０により検出された信号に基づいて、半導体ウェーハ２２の研磨圧力を制御できるようにもなっている。
【００２４】
また、ヘッド圧力制御ユニット３８には、記憶装置４６が接続されている。記憶装置４６には、複数の研磨条件とそれら条件を用いて研磨を行うことにより得られる複数の研磨プロファイルとの関係を示すデータベースが格納されている。これにより、記憶装置４６のデータベースを参照することによって、任意の研磨プロファイルを得るための研磨条件を迅速に抽出できるようになっている。なお、研磨プロファイルには、研磨後の残膜厚の面内分布を示す研磨残膜プロファイルや、研磨レートの面内分布を示す研磨レートプロファイルが含まれる。
【００２５】
次に、本実施形態による研磨方法について図１乃至図９を用いて説明する。ここでは、半導体装置のバックエンドプロセスにおいてダマシン法により銅配線を形成する際に、本発明による研磨方法を適用した例を説明する。
【００２６】
まず、研磨対象の半導体ウェーハ２２を用意する。研磨対象の半導体ウェーハ２２は、例えば図４（ａ）に示すように、深さが２００ｎｍの配線溝５２が形成された膜厚３５０ｎｍの層間絶縁膜５０と、配線溝５２内を含む層間絶縁膜５０上の全面に形成された膜厚８ｎｍのバリアメタル層５４と、バリアメタル層５４上に形成された膜厚７００ｎｍの銅膜５６とを有している。この半導体ウェーハ２２は、下地基板上に層間絶縁膜５０を形成し、層間絶縁膜５０に配線溝５２を形成し、配線溝が形成された層間絶縁膜５０上にバリアメタル層５４及び銅膜５６を順次堆積することにより、形成することができる。
【００２７】
この半導体ウェーハ２２を、図１に示す研磨装置を用いて研磨する。銅配線を形成する際のＣＭＰ工程では、銅膜５６を研磨する研磨ステップとバリアメタル層５４を研磨する研磨ステップとの２段階に分けて行うことが一般的である。また、研磨時間が長くなる銅膜５６の研磨ステップを２ステップに分割し、全体を３ステップで行うことも一般的である。このような研磨に用いる研磨装置としては、例えばアプライドマテリアルズ社製の「Ｒｅｆｌｅｘｉｏｎ  ＬＫ」などが挙げられる。
【００２８】
３ステップで研磨を行う場合、図１に示す研磨装置の研磨プラテン１２ａ，１２ｂ，１２ｂを、それぞれのステップに割り当てることにより、複数の半導体ウェーハ２２を連続して処理することが可能である。ここでは、銅膜５６の段差を除去するための第１の研磨ステップを研磨プラテン１２ａで行い、不要部分の銅膜５６を除去するための第２の研磨ステップを研磨プラテン１２ｂで行い、不要部分のバリアメタル層５４を除去するための第３の研磨ステップを研磨プラテン１２ｃで行うものとする。
【００２９】
まず、研磨対象の半導体ウェーハ２２を、研磨装置１０内に搬送する。ここでは、図１の研磨装置１０において、第１の研磨ステップにおいて用いる研磨プラテン１２ａ上に、研磨ヘッド１６ａによって研磨対象の半導体ウェーハ２２が搬送されたものとする。
【００３０】
第１の研磨ステップでは、図４（ｂ）に示すように、層間絶縁膜５０上における銅膜５６の膜厚（残膜厚）が２００ｎｍ程度になるまで銅膜５６の研磨を行い、配線溝５２に起因する銅膜５６表面の段差を除去する。なお、銅膜５６の残膜厚は、渦電流検出器３０により膜厚の検出が可能な範囲であれば、必ずしも２００ｎｍである必要はない。
【００３１】
第１の研磨ステップは、研磨パッドとして例えばニッタハース社製の「ＩＣ１０００」を、スラリーとして例えば日立化成社製の「ＨＳ−Ｃ８００−１」を用い、例えば、研磨ヘッド圧力を２１０ｇ重／ｃｍ２、研磨ヘッド回転数を６０回転／分、研磨プラテンの回転数を７０回転／分、スラリーの供給量を０．３リットル／分の条件で研磨を行う。研磨パッドとして「ＩＣ１０００」のようなより硬い研磨パッドを使用することで、銅膜５６の段差緩和を効率よく行うことができる。なお、ここで記載している研磨圧力とは、半導体ウェーハ２２にかかる平均的な圧力であり、複数ゾーンを有する研磨ヘッドの場合、ゾーンに応じた圧力を設定する必要がある。
【００３２】
第１の研磨ステップの具体的なフローチャートについて、図５を用いて説明する。
【００３３】
まず、研磨処理に先立ち、研磨プラテン１２ａを用いた場合の、研磨条件とその条件を用いて研磨を行うことにより得られる研磨プロファイルとの関係を示すデータベースを記憶装置４６に入力しておく（ステップＳ１１）。研磨残膜プロファイルには、例えば、図６（ａ）に示すようなウェーハエッジが厚くなるタイプ、図６（ｂ）に示すようなフラットなタイプ、図６（ｃ）に示すようなウェーハエッジが薄くなるタイプなどが含まれる。
【００３４】
図６（ａ）に示す研磨残膜プロファイルは、圧力チャンバー３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅに対応する半導体ウェーハ２２上の領域をそれぞれ、ゾーン１，ゾーン２，ゾーン３，ゾーン４，ゾーン５として、例えば、リテーナリングの圧力を５０５ｋｇ重／ｃｍ２、ゾーン１の圧力を２６０ｋｇ重／ｃｍ２、ゾーン２の圧力を１８０ｋｇ重／ｃｍ２、ゾーン３の圧力を２２０ｋｇ重／ｃｍ２、ゾーン４の圧力を２４０ｋｇ重／ｃｍ２、ゾーン５の圧力を２４０ｋｇ重／ｃｍ２に設定することにより、実現することができる。
【００３５】
また、図６（ｂ）に示す研磨残膜プロファイルは、例えば、リテーナリングの圧力を５２０ｋｇ重／ｃｍ２、ゾーン１の圧力を３１５ｋｇ重／ｃｍ２、ゾーン２の圧力を１８０ｋｇ重／ｃｍ２、ゾーン３の圧力を２２０ｋｇ重／ｃｍ２、ゾーン４の圧力を２４０ｋｇ重／ｃｍ２、ゾーン５の圧力を２４０ｋｇ重／ｃｍ２に設定することにより、実現することができる。
【００３６】
また、図６（ｃ）に示す研磨残膜プロファイルは、例えば、リテーナリングの圧力を５４０ｋｇ重／ｃｍ２、ゾーン１の圧力を３３０ｋｇ重／ｃｍ２、ゾーン２の圧力を１８０ｋｇ重／ｃｍ２、ゾーン３の圧力を２２０ｋｇ重／ｃｍ２、ゾーン４の圧力を２４０ｋｇ重／ｃｍ２、ゾーン５の圧力を２４０ｋｇ重／ｃｍ２に設定することにより、実現することができる。
【００３７】
なお、研磨残膜プロファイルは、図６に示すようなプロファイルのほか、必要に応じて任意に設定することができる。
【００３８】
ステップＳ１１におけるデータベースの入力作業は、一旦行えば、研磨装置４６にデータが蓄積されているため、常に必要ではない。研磨条件と研磨残膜プロファイルとの関係について新たなデータが必要となったときに、そのデータを適宜入力するようにすればよい。入力は、数値を入力するようにしてもよいし、ペンタイプの入力装置で手書き入力するようにしてもよい。また、この際にプロファイルの制御幅（研磨残膜の膜厚レンジ）を値で入力してもよい。
【００３９】
次いで、ステップＳ１１で入力したデータベースから、第１の研磨ステップで得ようとする所望の研磨残膜プロファイルを選択する（ステップＳ１２）。研磨残膜プロファイルの選択は、コンピュータによって記憶装置４６のデータベースから自動的に選び出すようにしてもよいし、オペレータ自身が選び出すようにしてもよい。なお、第１の研磨ステップにおいて研磨残膜プロファイルを選択する理由については、後述する。
【００４０】
次いで、選択した研磨残膜プロファイルに関係づけられた研磨条件を用いて、半導体ウェーハ２２の研磨を開始する（ステップＳ１３）。なお、データベースに好適な研磨残膜プロファイルが存在しない場合には、既存のデータベースから類推して新たな研磨条件を算出するようにしてもよい。例えば、好適な研磨残膜プロファイルが、データベース上の２つの研磨残膜プロファイルの間に位置するような場合には、データベース上の２つの研磨残膜プロファイルを得るための研磨条件の間の条件を算出することができる。或いは、新たに研磨条件を入力するようにしてもよい。半導体ウェーハ２２の研磨中は、渦電流検出器３０により銅膜５６の表面に発生する渦電流を検出し、渦電流モニタ３２によって銅膜５６の残膜厚とその分布をモニタする（ステップＳ１４）。
【００４１】
そして、モニタした銅膜５６の残膜厚が狙いの膜厚でない場合には、研磨処理を継続する。また、モニタしたプロファイルが狙い通りでない場合には、狙い通りの研磨残膜プロファイルが得られるようにヘッド圧力を制御して（ステップＳ１６）、研磨処理を継続する。ヘッド圧力は、研磨ヘッド１６内の圧力チャンバー３６ａ〜３６ｅの圧力を制御することにより行う。
【００４２】
例えば、選択した研磨残膜プロファイルに対して、半導体ウェーハ２２の周辺部の残膜厚が中央部の残膜厚よりも相対的に厚い場合には、半導体ウェーハ２２の周辺部側のゾーンに対応する圧力チャンバーの圧力の設定値が相対的に増加するように、圧力チャンバー３６ａ〜３６ｅの圧力を制御する。また、選択した研磨残膜プロファイルに対して、半導体ウェーハ２２の周辺部の残膜厚が中央部の残膜厚よりも相対的に薄い場合には、半導体ウェーハ２２の周辺部側のゾーンに対応する圧力チャンバーの圧力の設定値が相対的に減少するように、圧力チャンバー３６ａ〜３６ｅの圧力を制御する。
【００４３】
モニタした銅膜５６の残膜厚が狙いの膜厚（例えば２００ｎｍ）に達したら、研磨プラテン１２ａにおける第１の研磨ステップを終了する（ステップＳ１７）。
【００４４】
第１の研磨ステップが終了したら、アーム支持体１４を回転し、研磨ヘッド１６ａに支持されている半導体ウェーハ２２を研磨プラテン１２ｂ上まで搬送し、研磨プラテン１２ｂにおいて第２の研磨ステップを行う。
【００４５】
第２の研磨ステップでは、図４（ｃ）に示すように、配線溝５２が形成されていない領域のバリアメタル層５６が露出するまで銅膜５６の研磨を行い、配線溝５２内以外の銅膜５６を除去する。
【００４６】
第２の研磨ステップは、研磨パッドとして例えばニッタハース社製の「ＩＣ１４００」を、スラリーとして例えば日立化成社製の「ＨＳ−Ｃ８００−１」を用い、例えば、研磨ヘッド圧力を２１０ｇ重／ｃｍ２、研磨ヘッド回転数を６０回転／分、研磨プラテンの回転数を７０回転／分、スラリーの供給量を０．３リットル／分の条件で研磨を行う。なお、ここで記載している研磨圧力とは、半導体ウェーハ２２にかかる平均的な圧力であり、複数ゾーンを有する研磨ヘッドの場合、ゾーンに応じた圧力を設定する必要がある。
【００４７】
第２の研磨ステップでは、銅膜５６の残膜厚が研磨の進行とともにほとんど無い或いは無くなるため、渦電流検出器３０によって膜厚分布をモニタすることはできない。このため、第２の研磨ステップの研磨プロファイルは、予め測定しておくことが望ましい。
【００４８】
図７に、第２の研磨ステップにおける研磨レートプロファイルの一例を示す。この研磨レートプロファイルでは、ウェーハ外周の研磨レートが速い傾向がある（エッジファースト）。なお、第２の研磨ステップにおける研磨プロファイルは、使用する研磨部材や条件に依存するため、図７のプロファイルに限定されるものではない。
【００４９】
第２の研磨ステップにおける研磨レートプロファイルが予め分かっていれば、第１の研磨ステップでの研磨プロファイルとして、第２の研磨ステップにおける研磨レートプロファイルを打ち消すような研磨プロファイルを選択することにより、第２の研磨ステップが終了したときの残膜分布を面内均一に設定することができる。例えば、第２の研磨ステップにおける研磨レートプロファイルが図７に示すようなエッジファーストの傾向にある場合、第１の研磨ステップにおいては図６（ｂ）に示すようなフラットな研磨残膜プロファイルよりもウェーハエッジが若干厚くなる図６（ａ）に示すような研磨残膜プロファイルを適用する。これにより、第２の研磨ステップ終了後に、よりフラットな研磨特性を得ることができる。
【００５０】
この意味で、第１の研磨ステップにおける研磨条件とその条件を用いて研磨を行うことにより得られる研磨プロファイルとの関係を示すデータベースを記憶装置４６に蓄積しておき、その中から好適な研磨残膜プロファイルを選択して第１の研磨ステップを行うことは、フラットな研磨特性を得るうえで極めて有効である。
【００５１】
第２の研磨ステップは、配線溝５２が形成されていない領域のバリアメタル層５６が露出した段階で終了する。第２の研磨ステップの終点検出は、半導体ウェーハ２２上の銅膜５６の有無を光式終点検出器により容易に検知することができる。この際、必要に応じてオーバー研磨量を設定する。
【００５２】
第２の研磨ステップが終了したら、アーム支持体１４を回転し、研磨ヘッド１６ａに支持されている半導体ウェーハ２２を研磨プラテン１２ｃ上まで搬送し、研磨プラテン１２ｃにおいて第３の研磨ステップを行う。
【００５３】
第３の研磨ステップでは、図４（ｄ）に示すように、配線溝５２が形成されていない領域の層間絶縁膜５０が露出するまでバリアメタル層５４の研磨を行い、配線溝５２内以外のバリアメタル層５４を除去する。これにより、配線溝５２内に埋め込まれ、バリアメタル層５４及び銅膜５６よりなる配線層５８を形成する。
【００５４】
第３の研磨ステップは、研磨パッドとして例えばニッタハース社製の「ＩＣ１４００」を、スラリーとして例えば日立化成社製の「ＨＳ−Ｔ８０５−Ｈ」を用い、例えば、研磨ヘッド圧力を２１０ｇ重／ｃｍ２、研磨ヘッド回転数を６０回転／分、研磨プラテンの回転数を７０回転／分、スラリーの供給量を０．２リットル／分の条件で研磨を行う。なお、ここで記載している研磨圧力とは、半導体ウェーハ２２にかかる平均的な圧力であり、複数ゾーンを有する研磨ヘッドの場合、ゾーンに応じた圧力を設定する必要がある。
【００５５】
第３の研磨ステップは、配線溝５２が形成されていない領域の層間絶縁膜５０が露出した段階で終了する。第３の研磨ステップの終点検出は、半導体ウェーハ２２上のバリアメタル層５４の有無を光式終点検出器により容易に検知することができる。この際、必要に応じてオーバー研磨量を設定する。
【００５６】
第３の研磨ステップが終了したら、半導体ウェーハ２２を研磨装置１０内から取り出し、洗浄及び乾燥を行い、一連の研磨工程を終了する。
【００５７】
上述したように、第１の研磨ステップにおける研磨残膜プロファイルを、第２の研磨ステップの研磨レートプロファイルに応じて設定することで、研磨処理後の配線層５８の高さの面内分布を大幅に向上することができる。配線層５８の高さは半導体製造装置上で測定することは難しいため、一般的には配線層５８の沈み込み量（ディッシング量）で置き換えることができる（図８参照）。
【００５８】
図９は研磨処理後における配線層のディッシング量の面内分布を示すグラフである。図中、実線が本実施形態による研磨方法を適用した場合の配線層のディッシング量の面内分布（本発明）であり、点線が第１の研磨ステップでフラットな研磨残膜プロファイルとなる条件を適用した場合における配線層のディッシング量の面内分布（比較例）である。
【００５９】
図９に示すように、第２の研磨ステップの研磨レートプロファイルを考慮して第１の研磨ステップの条件を決定した本発明の研磨方法の方が、第１の研磨ステップとしてフラットな残膜研磨プロファイルとなる条件を適用した場合よりも配線層のディッシング量の面内分布が均一になっていることが分かる。
【００６０】
複数枚の半導体ウェーハ２２を連続して処理する場合には、同じ研磨条件設定で研磨を行っていても、処理枚数の増加に従って研磨プロファイルが徐々に変化することがある。
【００６１】
そこで、第３の研磨ステップの終了後、定期的に或いは必要に応じて、半導体ウェーハ２２表面の段差分布（例えばディッシング量及びその面内分布）を測定することが望ましい。段差分布の測定は、接触式の段差測定装置やＡＦＭ等で行うことができる。
【００６２】
測定した段差分布が所望の研磨プロファイルと異なる場合には、以後の半導体ウェーハ２２の研磨条件にフィードバックする。
【００６３】
第１の研磨ステップでは、残膜分布を測定してフィードバック制御しながら研磨を行っている。また、第２の研磨ステップは薄いバリアメタル層５４を除去するためのステップであり、研磨プロファイルのズレやディッシングへの影響は小さいと考えられる。このため、第３の研磨ステップ終了後に発生する研磨プロファイルのズレは、主として第２の研磨ステップで生じているものと考えられる。そこで、予め測定しておいた第２の研磨ステップの研磨レートプロファイルに、測定した段差分布の影響を加味して、第１の研磨ステップで選択する研磨プロファイルを変更する。
【００６４】
例えば、段差分布の測定において、半導体ウェーハ２２の周辺部におけるディッシング量が中心部におけるディッシング量よりも大きかった場合には、第１の研磨ステップにおける研磨残膜プロファイルとして、周辺部の残膜がより厚くなる研磨残膜プロファイルを選択し、以後の半導体ウェーハ２２の研磨を継続する。
【００６５】
これにより、複数枚の半導体ウェーハ２２を連続して処理を行う場合にも、安定した研磨プロファイルで研磨処理を継続することができる。
【００６６】
このように、本実施形態によれば、複数の研磨ステップで埋め込み配線層を形成する際に、残膜厚分布のモニタが困難な第２の研磨ステップにおける研磨プロファイルを予め測定しておき、残膜厚分布のモニタが可能な第１の研磨ステップの際に、第２の研磨ステップにおける研磨プロファイルを考慮した研磨プロファイルを選択して研磨を行うので、配線層の高さの面内分布を大幅に向上することができる。これにより、形成する配線層の抵抗値の面内ばらつきを低減することができ、半導体装置の歩留まりを向上することができる。
【００６７】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による研磨装置及び研磨方法について図１０乃至図１６を用いて説明する。なお、図１乃至図９に示す第１実施形態による研磨装置及び研磨方法と同様の構成には同一に符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
【００６８】
図１０は本実施形態による研磨装置の全体構成を示す概略平面図、図１１及び図１２は本実施形態による研磨方法を示す工程断面図、図１３は第２の研磨ステップにおける研磨プラテンの駆動電流と研磨時間との関係を示すグラフ、図１４は第２の研磨ステップにおける研磨レートプロファイルの例を示すグラフ、図１５は第３の研磨ステップにおける研磨プラテンの駆動電流と研磨時間との関係を示すグラフ、図１６は素子分離膜のディッシング量のウェーハ面内分布を示すグラフである。
【００６９】
はじめに、本実施形態による研磨装置の構造について図１０を用いて説明する。
【００７０】
本実施形態による研磨装置の基本的な構成は、図１乃至図３に示す第１実施形態による研磨装置と同様である。本実施形態による研磨装置の主たる特徴は、渦電流検出器の代わりに光学式エンドポイント検出器が設けられていることにある。
【００７１】
すなわち、図１０に示すように、研磨ヘッド１６下の研磨プラテン１２内には、研磨中の半導体ウェーハ２２の表面状態を観察する光学式エンドポイント検出器４２が埋設されている。光学式エンドポイント検出器４２は光学式エンドポイントモニタ４４に接続されており、光学式エンドポイント検出器４２により検出された信号に基づいて、研磨の終点を検出できるようになっている。また、光学式エンドポイントモニタ４４は、ヘッド圧力制御ユニット３８に接続されており、光学式エンドポイント検出器４２により検出された信号に基づいて、半導体ウェーハ２２の研磨圧力を制御できるようにもなっている。
【００７２】
光学式エンドポイント検出器４２は、例えば赤色レーザや白色光を半導体ウェーハ２２に照射し、その反射光の波長をモニタするものであり、絶縁膜の残膜厚及びその分布をモニタすることができる。測定用の光は、研磨パッド１２に開けた穴を通過して半導体ウェーハ２２に照射することができる。
【００７３】
次に、本実施形態による研磨方法について図５並びに図１１乃至図１６を用いて説明する。本実施形態では、絶縁膜の研磨方法、特にＳＴＩ法により素子分離膜を形成する際の研磨方法について説明する。
【００７４】
まず、研磨対象の半導体ウェーハ２２を用意する。研磨対象のウェーハ２２は、例えば図１１（ａ）乃至図１１（ｄ）に示す半導体装置の製造方法により形成する。
【００７５】
シリコン基板６０上に、例えば熱酸化法により、例えば膜厚１０ｎｍ程度のシリコン酸化膜６２を形成する。
【００７６】
次いで、シリコン酸化膜６２上に、例えばＣＶＤ法により、例えば膜厚９０ｎｍのシリコン窒化膜６４を形成する（図１１（ａ））。
【００７７】
次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、シリコン窒化膜６４及びシリコン酸化膜６２をパターニングし、素子分離膜の形成予定領域のシリコン窒化膜６４及びシリコン酸化膜６２に開口部６６を形成する（図１１（ｂ））。
【００７８】
次いで、開口部６６が形成されたシリコン窒化膜６４をマスクとして、シリコン基板１０を異方性エッチングし、開口部６６の形成領域のシリコン基板１０に、シリコン窒化膜６４の表面からの深さが例えば３００ｎｍ程度の素子分離溝６８を形成する（図１１（ｃ））。
【００７９】
次いで、例えば熱酸化法により、素子分離溝６８の内壁に例えばシリコン酸化膜よりなるライナー膜（図示せず）を形成後、例えば高密度プラズマＣＶＤ法により、例えば膜厚４５０ｎｍのシリコン酸化膜７０を堆積する。これにより、素子分離溝６８内をシリコン酸化膜７０によって埋め込む。シリコン酸化膜７０の表面には、素子分離溝６８を反映した段差が形成される。
【００８０】
こうして、研磨対象の半導体ウェーハ２２を得る（図１１（ｄ））。
【００８１】
このように形成した半導体ウェーハ２２を、図１に示す研磨装置を用いて研磨する。ＳＴＩ法により素子分離膜を形成する際のＣＭＰ工程では、第１の研磨ステップでシリコン酸化膜７０の荒削りを行い、第２の研磨ステップでシリコン酸化膜７０の平坦化を行い、第３の研磨ステップで仕上げの研磨を行う。このような研磨に用いる研磨装置としては、例えばアプライドマテリアルズ社製の「Ｒｅｆｌｅｘｉｏｎ  ＬＫ」などが挙げられる。
【００８２】
３ステップで研磨を行う場合、図１に示す研磨装置の研磨プラテン１２ａ，１２ｂ，１２ｂを、それぞれのステップに割り当てることにより、複数の半導体ウェーハ２２を連続して処理することが可能である。ここでは、シリコン酸化膜７０の荒削りするための第１の研磨ステップを研磨プラテン１２ａで行い、シリコン酸化膜７０を平坦化するための第２の研磨ステップを研磨プラテン１２ｂで行い、仕上げのための第３の研磨ステップを研磨プラテン１２ｃで行うものとする。
【００８３】
まず、研磨対象の半導体ウェーハ２２を、研磨装置１０内に搬送する。ここでは、図１の研磨装置１０において、第１の研磨ステップにおいて用いる研磨プラテン１２ａ上に、研磨ヘッド１６ａによって研磨対象の半導体ウェーハ２２が搬送されたものとする。
【００８４】
第１の研磨ステップでは、図１２（ａ）に示すように、シリコン窒化膜６４上におけるシリコン酸化膜７０の膜厚が例えば１５０ｎｍ程度になるまで、シリコン酸化膜７０の研磨を行う。なお、第１の研磨ステップでのシリコン酸化膜７０の残膜厚は、必ずしも１５０ｎｍである必要はない。
【００８５】
第１の研磨ステップは、研磨パッドとして例えばニッタハース社製の「ＩＣ１５１０」を、スラリーとして例えばカボット（Cabot）社製の「ＳＥＭＩ ＳＰＲＥＳ ２５」を用い、例えば、研磨ヘッド圧力を２１０ｇ重／ｃｍ２、研磨ヘッド回転数を９８回転／分、研磨プラテンの回転数を１００回転／分、スラリーの供給量を０．２リットル／分の条件で研磨を行う。なお、この研磨条件における高密度プラズマＣＶＤ法により形成したシリコン酸化膜の研磨レートは、３００ｎｍ／ｍｉｍ程度であった。
【００８６】
第１の研磨ステップの具体的なフローチャートについて、図５を用いて説明する。
【００８７】
まず、研磨処理に先立ち、研磨プラテン１２ａを用いた場合の、研磨条件とその条件を用いて研磨を行うことにより得られる研磨プロファイルとの感銘を示すデータベースを記憶装置４６に入力しておく（ステップＳ１１）。研磨残膜プロファイルとしては、第１実施形態の場合と同様、例えば、図６（ａ）に示すようなウェーハエッジが厚くなるタイプ、図６（ｂ）に示すようなフラットなタイプ、図６（ｃ）に示すようなウェーハエッジが薄くなるタイプなどが挙げられる。研磨残膜プロファイルは、図６に示すようなプロファイルのほか、必要に応じて任意に設定することができる。
【００８８】
ステップＳ１１におけるデータベースの入力作業は、一旦行えば、研磨装置４６にデータが蓄積されているため、常に必要ではない。研磨条件と研磨残膜プロファイルとの関係について新たなデータが必要となったときに、そのデータを適宜入力するようにすればよい。入力は、数値を入力するようにしてもよいし、ペンタイプの入力装置で手書き入力するようにしてもよい。また、この際にプロファイルの制御幅（研磨残膜の膜厚レンジ）を値で入力してもよい。
【００８９】
次いで、ステップＳ１１で入力したデータベースから、第１の研磨ステップで得ようとする所望の研磨残膜プロファイルを選択する（ステップＳ１２）。研磨残膜プロファイルの選択は、コンピュータによって記憶装置４６のデータベースから自動的に選び出すようにしてもよいし、オペレータ自身が選び出すようにしてもよい。なお、第１の研磨ステップにおいて研磨残膜プロファイルを選択する理由については、後述する。
【００９０】
次いで、選択した研磨残膜プロファイルに関係づけられた研磨条件を用いて、半導体ウェーハ２２の研磨を開始する（ステップＳ１３）。なお、データベースに好適な研磨残膜プロファイルが存在しない場合には、既存のデータベースから類推して新たな研磨条件を算出するようにしてもよい。例えば、好適な研磨残膜プロファイルが、データベース上の２つの研磨残膜プロファイルの間に位置するような場合には、データベース上の２つの研磨残膜プロファイルを得るための研磨条件の間の条件を算出することができる。或いは、新たに研磨条件を入力するようにしてもよい。半導体ウェーハ２２の研磨中は、光学式エンドポイント検出器４２及び光学式エンドポイントモニタ４４によりシリコン酸化膜７０の残膜厚及びその分布をモニタする（ステップＳ１４）。
【００９１】
そして、モニタしたシリコン酸化膜７０の残膜厚が狙いの膜厚でない場合には、研磨処理を継続する。また、モニタしたプロファイルが狙い通りでない場合には、狙い通りのプロファイルが得られるようにヘッド圧力を制御して（ステップＳ１６）、研磨処理を継続する。ヘッド圧力は、研磨ヘッド１６内の圧力チャンバー３６ａ〜３６ｅの圧力を制御することにより行う。
【００９２】
例えば、選択した研磨残膜プロファイルに対して、半導体ウェーハ２２の周辺部の残膜厚が中央部の残膜厚よりも相対的に厚い場合には、半導体ウェーハ２２の周辺部側のゾーンに対応する圧力チャンバーの圧力の設定値が相対的に増加するように、圧力チャンバー３６ａ〜３６ｅの圧力を制御する。また、選択した研磨残膜プロファイルに対して、半導体ウェーハ２２の周辺部の残膜厚が中央部の残膜厚よりも相対的に薄い場合には、半導体ウェーハ２２の周辺部側のゾーンに対応する圧力チャンバーの圧力の設定値が相対的に減少するように、圧力チャンバー３６ａ〜３６ｅの圧力を制御する。
【００９３】
モニタしたシリコン酸化膜７０の残膜厚が狙いの膜厚（例えば１５０ｎｍ）に達したら、研磨プラテン１２ａにおける第１の研磨ステップを終了する（ステップＳ１７）。
【００９４】
第１の研磨ステップが終了したら、アーム支持体１４を回転し、研磨ヘッド１６ａに支持されている半導体ウェーハ２２を研磨プラテン１２ｂ上まで搬送し、研磨プラテン１２ｂにおいて第２の研磨ステップを行う。
【００９５】
第２の研磨ステップでは、図１２（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜７０の表面の凹凸が概ね除去されるまで、シリコン酸化膜７０の研磨を行う。
【００９６】
第２の研磨ステップは、研磨パッドとして例えばニッタハース社製の「ＩＣ１５１０」を、スラリーとして例えばＤＡナノマテリアル社製の「ＳＴＩ２１００ ＲＡ１１」を用い、例えば、研磨ヘッド圧力を２８０ｇ重／ｃｍ２、研磨ヘッド回転数を１１８回転／分、研磨プラテンの回転数を１２０回転／分、スラリーの供給量を０．２リットル／分の条件で研磨を行う。上記のようなスラリーを用いることにより、圧力がかかる部分を重点的に研磨することが可能となり、研磨圧力が集中する凸部が研磨され、ある程度平坦になると研磨がほとんど進行しなくなる。なお、この研磨条件における高密度プラズマＣＶＤ法により形成したシリコン酸化膜の研磨レートは、２０ｎｍ／ｍｉｍ程度であった。
【００９７】
第２の研磨ステップの終点は、研磨プラテン１２の回転トルク（電圧或いは電流で代用）をモニタすることにより検出することができる。
【００９８】
図１３は第２の研磨ステップにおける研磨プラテンの駆動電流と研磨時間との関係を示すグラフである。図１３に示すように、研磨プラテンの駆動電流は、研磨初期には徐々に増加するが、ある研磨時間以上になるとほぼ一定になる。これは、研磨に従って徐々に研磨パッド２０に対するシリコン酸化膜７０の接触面積が増えていき、概ね平坦化されるとそれ以上は接触面積が増えずトルクが一定になるからである。したがって、図１３に示すような測定を行うことにより、研磨プラテンの駆動電流がほぼ一定になる時点を、第２の研磨ステップにおける研磨の終点と判定することができる。この際、必要に応じてオーバー研磨量を設定することができる。
【００９９】
第２の研磨ステップが終了した時点でのシリコン窒化膜６４上におけるシリコン酸化膜７０の膜厚は、例えば１００ｎｍ程度となる。
【０１００】
第２の研磨ステップで行う研磨、すなわち、シリコン酸化膜７０の表面が平坦化されたら研磨がほとんど進行しないプロセスの場合、例えば図１４に示すように、研磨レートプロファイルはエッジファーストとなりやすい。このため、第１の研磨ステップでフラットな研磨残膜プロファイルを得るための研磨条件を適用したのでは、第２の研磨ステップ終了後における研磨の面内均一性を実現することができない。
【０１０１】
第２の研磨ステップにおける研磨レートプロファイルが予め分かっていれば、第１の研磨ステップでの研磨プロファイルとして、第２の研磨ステップにおける研磨レートプロファイルを打ち消すような研磨プロファイルを選択することにより、第２の研磨ステップが終了したときの残膜分布を面内均一に設定することができる。例えば、第２の研磨ステップが図１４に示すようなエッジファーストの傾向にある場合、第１の研磨ステップにおいては図６（ｂ）に示すようなフラットな研磨プロファイルよりもウェーハエッジが若干厚くなる図６（ａ）に示すような研磨プロファイルを適用する。これにより、第２の研磨ステップ終了後に、よりフラットな研磨特性を得ることができる。
【０１０２】
この意味で、第１の研磨ステップにおける研磨条件とその条件を用いて研磨を行うことにより得られる研磨プロファイルとの関係を示すデータベースを記憶装置４６に蓄積しておき、その中から好適な研磨残膜プロファイルを選択して第１の研磨ステップを行うことは、フラットな研磨特性を得るうえで極めて有効である。
【０１０３】
第２の研磨ステップが終了したら、アーム支持体１４を回転し、研磨ヘッド１６ａに支持されている半導体ウェーハ２２を研磨プラテン１２ｃ上まで搬送し、研磨プラテン１２ｃにおいて第３の研磨ステップを行う。
【０１０４】
第３の研磨ステップでは、図１２（ｄ）に示すように、シリコン窒化膜６４上のシリコン酸化膜７０が除去されるまで研磨を行う。これにより、素子分離溝６８に埋め込まれたシリコン酸化膜７０よりなる素子分離膜７２を形成する。
【０１０５】
第３の研磨ステップは、研磨パッドとして例えばニッタハース社製の「ＩＣ１５１０」を、スラリーとして例えばＤＡナノマテリアル社製の「ＳＴＩ２１００ ＲＡ１１」と超純水とを１：３の割合で調合したものを用い、例えば、研磨ヘッド圧力を２１０ｇ重／ｃｍ２、研磨ヘッド回転数を１１８回転／分、研磨プラテンの回転数を１２０回転／分、スラリーの供給量を０．２リットル／分の条件で研磨を行う。平坦化すると研磨がほとんど進行しなくなるスラリーを純水で希釈することで、研磨を阻害する添加剤も希釈され、効果が薄くなる。そのため、上記のようなスラリーを用いることにより、シリコン酸化膜７０をある程度研磨することが可能となる。なお、この研磨条件における高密度プラズマＣＶＤ法により形成したシリコン酸化膜の研磨レートは、１００ｎｍ／ｍｉｍ程度であった。
【０１０６】
第３の研磨ステップの終点は、第２の研磨ステップの場合と同様、研磨プラテン１２の回転トルク（電圧或いは電流で代用）をモニタすることにより検出することができる。
【０１０７】
図１５は第３の研磨ステップにおける研磨プラテンの駆動電流と研磨時間との関係を示すグラフである。図１５に示すように、研磨プラテンの駆動電流は、研磨初期には徐々に増加するが、ある研磨時間以上になるとほぼ一定になる。したがって、図１５に示すような測定を行うことにより、研磨プラテンの駆動電流がほぼ一定になる時点を、第３の研磨ステップにおける研磨の終点と判定することができる。この際、必要に応じてオーバー研磨量を設定することができる。
【０１０８】
第３の研磨ステップが終了したら、半導体ウェーハ２２を研磨装置１０内から取り出し、洗浄及び乾燥を行い、一連の研磨工程を終了する。
【０１０９】
上述したように、第１の研磨ステップにおける研磨残膜プロファイルを、第２の研磨ステップの研磨レートプロファイルに応じて設定することで、研磨処理後の素子分離膜７２の高さの面内分布を大幅に向上することができる。素子分離膜７２の高さは半導体製造装置上で測定することは難しいため、一般的に素子分離膜７２の沈み込み量（ディッシング量）で置き換えることができる。
【０１１０】
図１６は研磨処理後における素子分離膜のディッシング量の面内分布を示すグラフである。図中、実線が本実施形態による研磨方法を適用した場合の配線層のディッシング量の面内分布（本発明）であり、点線が第１の研磨ステップでフラットな研磨残膜プロファイルとなる条件を適用した場合における素子分離膜のディッシング量の面内分布（比較例）である。
【０１１１】
図１６に示すように、第２の研磨ステップの研磨レートプロファイルを考慮して第１の研磨ステップの条件を決定した本発明の研磨方法の方が、第１の研磨ステップとしてフラットな残膜研磨プロファイルとなる条件を適用した場合よりも素子分離膜のディッシング量の面内分布が均一になっていることが分かる。
【０１１２】
複数枚の半導体ウェーハ２２を連続して処理する場合、同じ研磨条件設定で研磨を行っていても、処理枚数の増加に従って研磨プロファイルが徐々に変化することがある。
【０１１３】
そこで、第３の研磨ステップの終了後、定期的に或いは必要に応じて、半導体ウェーハ２２表面の段差分布（例えばディッシング量及びその面内分布）を測定することが望ましい。段差分布の測定には、接触式の段差測定装置やＡＦＭ等で行うことができる。
【０１１４】
測定した段差分布が所望の研磨プロファイルと異なる場合には、以後の半導体ウェーハ２２の研磨条件にフィードバックする。
【０１１５】
例えば、段差分布の測定において、半導体ウェーハ２２の周辺部におけるディッシング量が中心部におけるディッシング量よりも大きかった場合には、第１の研磨ステップにおける研磨残膜プロファイルとして、周辺部の残膜がより厚くなる研磨残膜プロファイルを選択し、以後の半導体ウェーハ２２の研磨を継続する。
【０１１６】
これにより、複数枚の半導体ウェーハ２２を連続して処理を行う場合にも、安定した研磨プロファイルで研磨処理を継続することができる。
【０１１７】
このように、本実施形態によれば、ＳＴＩ法により複数の研磨ステップで素子分離膜を形成する際に、フラットな研磨特性を得にくい第２の研磨ステップにおける研磨プロファイルを予め測定しておき、第１の研磨ステップの際に、第２の研磨ステップにおける研磨プロファイルを考慮した研磨プロファイルを選択して研磨を行うので、素子分離膜の高さの面内分布を大幅に向上することができる。これにより、形成する素子分離膜厚の面内ばらつきを低減することができ、半導体装置の歩留まりを向上することができる。
【０１１８】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【０１１９】
例えば、上記第１実施形態では、銅を主体とした配線層を形成する場合を例にして本発明を説明したが、タングステン、アルミニウムなどの他の金属材料を用いた配線層を形成する場合にも、本発明を適用することができる。
【０１２０】
また、上記第２実施形態では、ＳＴＩ法により素子分離膜を形成する場合を例にして本発明を説明したが、絶縁膜の研磨を行う他の工程、例えば層間絶縁膜の平坦化工程に本発明を適用してもよい。
【０１２１】
以上詳述したように、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。
【０１２２】
（付記１）  基板上に形成された被研磨膜を途中まで研磨する第１の研磨工程と、前記被研磨膜を更に研磨する第２の研磨工程とを有する研磨方法であって、
第１基板の前記第２の研磨工程後における前記被研磨膜の膜厚面内分布を示す第１膜厚プロファイルを測定し、
第２基板の前記第１の研磨工程を、前記第１膜厚プロファイルとは膜厚の大小関係が逆の関係にある第２膜厚プロファイルを得るよう行う
ことを特徴とする研磨方法。
【０１２３】
（付記２）  付記１記載の研磨方法において、
前記第１膜厚プロファイルを測定するステップでは、前記第１膜厚プロファイルと所定プロファイルとの乖離量を求め、
前記第１の研磨工程における研磨条件は前記乖離量に基づいて決定される
ことを特徴とする研磨方法。
【０１２４】
（付記３）  付記１又は２記載の研磨方法において、
前記第１の研磨工程における複数の研磨条件とその条件により得られる膜厚プロファイル群とを関連づけるデータベースを予め用意しておき、
前記第１の研磨工程においては、前記測定された前記第１膜厚プロファイルに基づいて、前記データベースに含まれる前記プロファイル群から特定の膜厚プロファイルを抽出し、前記特定の膜厚プロファイルに対応する研磨条件を用いて研磨を行う
ことを特徴とする研磨方法。
【０１２５】
（付記４）  付記１乃至３のいずれか１項に記載の研磨方法において、
前記第１の研磨工程では、前記被研磨膜の膜厚分布をモニタしながら研磨を行い、前記特定の膜厚プロファイルに近づくように研磨条件を逐次制御する
ことを特徴とする研磨方法。
【０１２６】
（付記５）  付記４記載の研磨方法において、
前記基板を保持する研磨ヘッドとして複数の圧力ゾーンを有する研磨ヘッドを用い、前記圧力ゾーンの圧力を制御することにより、前記研磨条件の逐次制御を行う
ことを特徴とする研磨方法。
【０１２７】
（付記６）  付記４又は５記載の研磨方法において、
前記被研磨膜は、金属膜であり、
前記被研磨膜の膜厚分布は、研磨の際に前記被研磨膜に発生する渦電流によりモニタする
ことを特徴とする研磨方法。
【０１２８】
（付記７）  付記４又は５記載の研磨方法において、
前記研磨膜は、絶縁膜であり、
前記被研磨膜の膜厚分布は、光学式検知機を用いてモニタする
ことを特徴とする研磨方法。
【０１２９】
（付記８）  基板上に形成された被研磨膜を複数の研磨ステップで研磨する研磨装置であって、
研磨プラテンと、
前記研磨プラテンに対向するように配置され、複数の圧力ゾーンを有する研磨ヘッドと、
被研磨膜が形成された基板を研磨する際に、前記被研磨膜の膜厚の分布を測定する膜厚モニタと、
前記基板を研磨する際に、前記膜厚モニタの測定結果に基づいて前記研磨ヘッドの複数の前記圧力ゾーンに加わる圧力をフィードバック制御する制御機構と、
前記研磨プラテンにおける複数の研磨条件とその条件により得られる膜厚プロファイル群とを関連づけるデータベースを記憶する記憶装置と、
第１の研磨ステップによる研磨と第２の研磨ステップによる研磨とを組み合わせて前記被研磨膜を研磨する際に、第１基板の前記第２の研磨ステップ後における第１膜厚プロファイルを記憶し、第２基板の前記第１のステップにおいて、前記第１膜厚プロファイルとは膜厚の大小関係が逆の関係にある特定の膜厚プロファイルを前記膜厚プロファイル群から選択する研磨条件決定機構と
を有することを特徴とする研磨装置。
【０１３０】
（付記９）  半導体基板上に、絶縁膜を形成する第１の工程と、
前記絶縁膜に、配線溝を形成する第２の工程と、
前記配線溝が形成された前記絶縁膜上に、バリアメタル層を形成する第３の工程と、
前記バリアメタル層上に、金属膜を形成する第４の工程と、
前記配線溝が形成されていない領域に形成された前記金属膜を研磨により途中まで除去する第５の工程と、
前記配線溝が形成されていない領域の前記バリアメタル層が露出するまで前記金属膜を研磨により除去する第６の工程と、
前記配線溝が形成されていない領域の前記絶縁膜が露出するまで前記バリアメタル層を研磨により除去する第７の工程とを有し、
前記第６の工程後における膜厚面内分布を示す第１膜厚プロファイルを予め測定しておき、
前記第５の工程では、前記第１膜厚プロファイルとは膜厚の大小関係が逆の関係にある第２膜厚プロファイルを得るための研磨条件を用いて研磨を行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１３１】
（付記１０）  付記記載の半導体装置の製造方法において、
前記第５の工程、前記第６の工程及び前記第７の工程では、それぞれ異なる研磨プラテンを用いる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１３２】
（付記１１）  半導体基板に、素子分離溝を形成する第１の工程と、
前記素子分離溝が形成された前記半導体基板上に、絶縁膜を形成する第２の工程と、
前記素子分離溝が形成されていない領域の前記絶縁膜を研磨により途中まで除去する第３の工程と、
前記絶縁膜の表面が平坦化されるまで前記絶縁膜を研磨により除去する第４の工程と、
前記素子分離溝が形成されていない領域の前記絶縁膜が除去されるまで前記絶縁膜を研磨により除去する第５の工程とを有し、
前記第４の工程後における膜厚面内分布を示す第１膜厚プロファイルを予め測定しておき、
前記第３の工程では、前記第１膜厚プロファイルとは膜厚の大小関係が逆の関係にある第２膜厚プロファイルを得るための研磨条件を用いて研磨を行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１３３】
（付記１２）  付記記載の半導体装置の製造方法において、
前記第３の工程、前記第４の工程及び前記第５の工程では、それぞれ異なる研磨プラテンを用いる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】本発明の第１実施形態による研磨装置の全体構成を示す概略平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による研磨装置の具体的な構造を示す概略断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態による研磨装置の研磨ヘッドの構造を示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態による研磨方法を示す工程断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態による研磨方法の第１の研磨ステップを説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第１実施形態による研磨方法の第１の研磨ステップにおける研磨残膜プロファイルの例を示すグラフである。
【図７】本発明の第１実施形態による研磨方法の第２の研磨ステップにおける研磨レートプロファイルの例を示すグラフである。
【図８】配線層のディッシング量を説明する図である。
【図９】本発明の第１実施形態による研磨方法により形成した配線層のディッシング量のウェーハ面内分布を示すグラフである。
【図１０】本発明の第２実施形態による研磨装置の構造を示す概略断面図である。
【図１１】本発明の第２実施形態による研磨方法を示す工程断面図（その１）である。
【図１２】本発明の第２実施形態による研磨方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１３】本発明の第２実施形態による研磨方法の第２の研磨ステップにおける研磨プラテンの駆動電流と研磨時間との関係を示すグラフである。
【図１４】本発明の第２実施形態による研磨方法の第２の研磨ステップにおける研磨レートプロファイルの例を示すグラフである。
【図１５】本発明の第２実施形態による研磨方法の第３の研磨ステップにおける研磨プラテンの駆動電流と研磨時間との関係を示すグラフである。
【図１６】本発明の第２実施形態による研磨方法により形成した配線層のディッシング量のウェーハ面内分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１３５】
１０…研磨装置
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…研磨プラテン
１４…アーム支持体
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ…アーム
１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ…研磨ヘッド
１８，４０…軸
２０…研磨パッド
２２…半導体ウェーハ
２４…スラリー
２６…スラリー供給ノズル
２８…目立て装置
３０…渦電流検出器
３２…渦電流モニタ
３４…リテーナリング
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅ…圧力チャンバー
３８…ヘッド圧力制御ユニット
４２…光学式エンドポイント検出器
４４…光学式エンドポイントモニタ
５０…層間絶縁膜
５２…配線溝
５４…バリアメタル層
５６…銅膜
５８…配線層
６０…シリコン基板
６２，７０…シリコン酸化膜
６４…シリコン窒化膜
６６…開口部
６８…素子分離溝
７２…素子分離膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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