(57)【要約】【課題】  表面の平坦性の優れた基板を形成する研磨装置を提供する。【解決手段】  研磨装置は、基板を固定するための固定手段と、基板の主表面を研磨するための研磨パッドと、基板が研磨パッドに押し当てられるときの押圧力を変更するための圧力変更装置５とを備える。さらに、研磨装置は、基板と研磨パッドとの摩擦係数を計測するための定盤側摩擦係数測定装置６および研磨ヘッド側摩擦係数測定装置７と、摩擦係数を基に押圧力を定めて圧力変更装置５を制御するための負荷制御計算機８とを備える。上記の摩擦係数測定装置は、少なくとも研磨開始から研磨終了まで摩擦係数を計測するように形成され、負荷制御計算機８は、少なくとも研磨終了まで圧力変更装置５を制御するように形成されている。【選択図】      図１
2005193342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を固定するための固定手段と、
前記基板の主表面を研磨するための研磨パッドと、
前記基板が前記研磨パッドに押し当てられるときの押圧力を変更するための圧力変更手段と、
前記基板と前記研磨パッドとの摩擦係数を計測するための摩擦係数計測手段と、
前記摩擦係数を基に前記押圧力を定めて、前記圧力変更手段を制御するための圧力指示手段と
を備え、
前記摩擦係数計測手段は、少なくとも研磨開始から研磨終了まで前記摩擦係数を計測するように形成され、
前記圧力指示手段は、少なくとも研磨終了まで前記圧力変更手段を制御するように形成された、研磨装置。
【請求項２】
前記圧力指示手段は、前記摩擦係数が目標値に近づくように、前記圧力変更手段を制御するように形成された、請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】
前記圧力指示手段は、前記押圧力を段階的に減少させるように形成された、請求項１に記載の研磨装置。
【請求項４】
表面に前記研磨パッドが配置された定盤と、
前記固定手段としての研磨ヘッドと
前記研磨ヘッドを回転させるための研磨ヘッド回転モータと
を備え、
前記摩擦係数計測手段は、前記研磨ヘッド回転モータの回転トルクと前記押圧力によって、前記摩擦係数を算出するように形成された、請求項１から３のいずれかに記載の研磨装置。
【請求項５】
表面に前記研磨パッドが配置された定盤と、
前記固定手段としての研磨ヘッドと
前記定盤を回転させるための定盤回転モータと
を備え、
前記摩擦係数計測手段は、前記定盤回転モータの回転トルクと前記押圧力によって、前記摩擦係数を算出するように形成された、請求項１から３のいずれかに記載の研磨装置。
【請求項６】
表面に前記研磨パッドが配置された定盤と、
前記固定手段としての研磨ヘッドと
前記定盤を回転させるための定盤回転モータと
を備え、
前記摩擦係数計測手段は、前記研磨ヘッドモータの回転トルク、前記定盤回転モータの回転トルク、および前記押圧力によって、前記摩擦係数を算出するように形成された、請求項１から３のいずれかに記載の研磨装置。
【請求項７】
研磨パッドで基板の表面を研磨する研磨方法であって、
研磨の開始から研磨の終了まで、前記基板と前記研磨パッドとの摩擦係数を計測して、前記摩擦係数に応じて前記研磨パッドに対する前記基板の押圧力を制御しながら行なう、研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨装置および研磨方法に関する。特に、平板状の基板の主表面を研磨する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの性能が向上するにつれ、微細なトランジスタおよびトランジスタを接続する配線電極が高密度で配置され、トランジスタの他に配線電極についても多層化されるようになってきた。多層配線の層間に形成される絶縁膜（たとえば酸化膜）は、これらの配線電極を覆うように形成されている。層間絶縁膜の表面に、不規則で粗密のある凹凸がある場合、リソグラフィ工程における露光時の焦点深度不足が発生する（たとえば、「日経マイクロデバイス」、日経ＢＰ社、１９９４年７月、ｐ．５０−５７参照）。このため、層間絶縁膜の表面の凹凸を平坦化することが必要であり、化学的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）による基板の平坦化が半導体デバイスの製造工程に採用されている。
【０００３】
ＣＭＰによる基板の表面を平坦化する技術の進歩に伴って、金属配線を形成するためのダマシンプロセスや、素子分離を行なうためのシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）における平坦化のプロセスにも、ＣＭＰの技術が適用されつつある。
【０００４】
ダマシンプロセスにおいては、層間絶縁膜の配線溝の中に形成されたタングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、または銅（Ｃｕ）などの金属配線に対して、余剰部分をＣＭＰで研磨して、金属配線の表面を平坦化することが検討されている。
【０００５】
また、ＳＴＩでは、ストッパ膜として窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）膜がパターニングされたシリコン（Ｓｉ）基板が形成され、シリコン基板に形成された溝の中に酸化膜が埋設される。この酸化膜の余剰部分をＣＭＰで研磨して、酸化膜の表面を平坦化することが検討されている。
【０００６】
現在の半導体デバイスの製造工程において、半導体基板の平坦化の際に用いられている研磨パッドは、半導体基板の表面に接触して研磨を行なう硬質の研磨層と、半導体基板の表面のうねりに追従するように形成された軟質のクッション層とを備える。現在では、この研磨層とクッション層とが貼り合わされた２層の研磨パッドが主流である。２層の研磨パッドの中でも、特に、米国ロデル社の研磨層（ＩＣ１０００）とクッション層（ＳＵＢＡ４００）とが貼り合わされた研磨パッドが一般的に用いられている。
【０００７】
半導体デバイスの製造工程においては、たとえば、特開２００２−７５９３２号公報に開示されているように、半導体基板の平坦化のために設定されている研磨圧力（研磨パッドに対して基板を押し付ける押圧力）を研磨の開始から研磨の終了まで一定に維持しながら行なう方法が、広く一般的に用いられている。
【０００８】
また、半導体基板の研磨を行なう際の終点は、たとえば、特開平１０−１７７９７６号公報に開示されているように、定盤を回転させるモータの回転トルクを計測することによって検知される方法が用いられている。この方法においては、各種のプロセスパラメータを監視し、そのパラメータの１つ以上が急激に変化したときを終点としている。具体的には、研磨パッドと基板との界面における摩擦係数は、スラリ組成、パッド形状、パッドに対する基板の負荷および基板の表面状態の関数であり、下地金属層を露出させるために絶縁層を研磨する場合には、その金属層が露出すると摩擦係数が変化することになる。この摩擦係数の変化に伴って、所望の研磨パッド速度を与えるために必要なトルクも変化する。この変化を監視することにより、終点を検出することができるというものである。
【０００９】
また、特表２００３−５２１８１７号公報には、半導体基板の研磨面の平坦化が達成される直前において、研磨パラメータを変更して研磨レートを下げ、より正確な終点の検知を行なう研磨装置が開示されている。この公報においては、コンピュータが、圧力機構に接続されてキャリアヘッドにより加えられる圧力を制御し、キャリアヘッド回転モータに接続されてキャリアヘッド回転レートを制御し、プラテンモータに接続されてプラテン回転レートを制御する。または、コンピュータが、スラリ分配装置に接続されて研磨パッドに供給するスラリ配合を制御する。研磨パラメータは、キャリアヘッド圧力、キャリアヘッド回転レートとプラテン回転レート、予想研磨終了時間および研磨パラメータ修正のための規定時間を含んでいる。基板の研磨の完了に近づくにつれ、コンピュータは研磨パラメータを修正して研磨レートを低下させる。研磨レートを低下させるため、キャリアヘッド圧力を低下させることができ、スラリ配合を変更してキャリアヘッド回転を低下させることができ、スラリ配合を変更して研磨速度の遅い研磨スラリを導入することができ、または、プラテン回転レートを低下させることができると開示されている。
【特許文献１】特開２００２−７５９３２号公報
【特許文献２】特開平１０−１７７９７６号公報
【特許文献３】特表２００３−５２１８１７号公報
【非特許文献１】「日経マイクロデバイス」、日経ＢＰ社、１９９４年７月、ｐ．５０−５７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の特許文献２に開示されている研磨装置においては、押圧力が一定で研磨が行なわれ、研磨が進展してモータの回転トルクが上昇したのちに研磨を終了させる。回転トルクが上昇したときは、配線金属は露出した状態である。この状態では、研磨パッドが半導体基板表面の凹凸のうち、凹部に接触している可能性が高く、配線金属が露出する前に発生していた半導体基板の凹部の研磨を防ぐことができないという問題があった。
【００１１】
また、特許文献３に記載されている研磨装置においては、研磨の終点を光学的に検知している。しかし、光学的な終点の検知によって、研磨の押圧力を低下させたときには、既に金属配線やストッパ膜が露出しているため、その後に研磨の押圧力を低下させて研磨を行なったとしても、ディッシング（溝の幅の広い部分での過剰研磨による窪み）やシンニング（溝が密集した配線部分での過剰研磨による窪み）を防ぐことができないという問題があった。すなわち、光学的な終点を検知した時点においては、既に研磨パッドは基板表面の凹部に接触している可能性が高く、この結果、ディッシングなどを防ぐことができないという問題があった。
【００１２】
現在、広く用いられている研磨開始から研磨終了まで一定の押圧力で研磨を行なう研磨装置においては、半導体基板の主表面全体の緩やかな段差（グローバル段差）または局所的なチップ内の段差が研磨前から小さいときには、半導体基板の主表面の凹凸のうち、凹部にも研磨パッドが接触するため、凸部だけでなく凹部も研磨してしまう。このため、チップ内の段差またはグローバル段差が解消されにくい。この結果、歩留まりが悪くなるという問題がある。実用に際しては、十分に平坦な表面が形成される前に、下地の金属配線などが研磨によって露出することを防ぐために、層間絶縁膜などが予め厚く形成されている。または、幅の広い凹部には、ダミー配線を形成して、凹部が研磨されることを防止するなどの措置が取られている。
【００１３】
しかし、層間絶縁膜などを厚く形成すると、層間絶縁膜を形成する時間および研磨に要する時間が長くなり、生産性が悪化するとともに、研磨工程のコスト高の原因となる。また、ダミー配線を形成する方法においては、配線の設計上の自由度が小さくなるという問題がある。さらに、ダマシンプロセスにおける金属配線の研磨や、ＳＴＩにおける酸化膜の研磨においては、ディッシングやシンニングを発生させるという問題があった。
【００１４】
本発明の目的は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、表面の平坦性の優れた基板を形成する研磨装置および研磨方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明に基づく研磨装置は、基板を固定するための固定手段と、上記基板の主表面を研磨するための研磨パッドと、上記基板が上記研磨パッドに押し当てられるときの押圧力を変更するための圧力変更手段と、上記基板と上記研磨パッドとの摩擦係数を計測するための摩擦係数計測手段と、上記摩擦係数を基に上記押圧力を定めて、上記圧力変更手段を制御するための圧力指示手段とを備える。上記摩擦係数計測手段は、少なくとも研磨開始から研磨終了まで上記摩擦係数を計測するように形成され、上記圧力指示手段は、少なくとも研磨終了まで上記圧力変更手段を制御するように形成されている。
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明に基づく研磨方法は、研磨パッドで基板の表面を研磨する研磨方法であって、研磨の開始から研磨の終了まで、上記基板と上記研磨パッドとの摩擦係数を計測して、上記摩擦係数に応じて上記研磨パッドに対する上記基板の押圧力を制御しながら行なう。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、表面の平坦性の優れた基板を形成する研磨装置および研磨方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施の形態１）
（構成）
図１から図５を参照して、本発明に基づく実施の形態１における研磨装置および研磨方法について説明する。
【００１９】
図１は、本実施の形態における第１の研磨装置の概略側面図である。研磨パッドは、平板状に形成された定盤１の主表面に配置されている。定盤１には、定盤１の主表面に垂直な回転軸で回転させるための定盤回転モータ２が接続されている。本実施の形態における定盤回転モータ２は、回転数が一定になるように形成されている。また、定盤１の主表面に対向するように、研磨ヘッド３が配置されている。研磨ヘッド３の主表面は、定盤１の主表面と平行になるように形成されている。
【００２０】
研磨の対象となるウェハなどの基板は、水張りなどの図示しない固定手段によって研磨ヘッド３に固定される。研磨ヘッド３には、主表面に垂直な回転軸で研磨ヘッド３を回転させるための研磨ヘッド回転モータ４が接続されている。本実施の形態における研磨ヘッド回転モータ４は、回転数が一定になるように形成されている。研磨ヘッド３には、研磨ヘッド３に対して圧力を付加し、定盤１に対して押圧するための圧力変更手段として圧力変更装置５が形成されている。すなわち、研磨ヘッド３は、主表面に垂直な回転軸で回転するとともに、定盤１に向かって、押圧されるように形成されている。
【００２１】
研磨ヘッド回転モータ４の回転トルクと圧力変更装置５による研磨ヘッド３の押圧力を計測して、研磨パッドと基板との間の摩擦係数を演算するための摩擦係数計測手段として研磨ヘッド側摩擦係数測定装置７が形成されている。一方で、定盤回転モータ２の回転トルクと圧力変更装置５による押圧力とを計測して、基板と研磨パッドとの間の摩擦係数を演算するための摩擦係数計測手段として定盤側摩擦係数測定装置６が形成されている。
【００２２】
研磨ヘッド３の押圧力を定めるための圧力指示手段として負荷制御計算機８が形成されている。負荷制御計算機８は、定盤側摩擦係数測定装置６および研磨ヘッド側摩擦係数測定装置７からの摩擦係数を受信するように形成されている。２つの摩擦係数測定装置は、負荷制御計算機８に接続され、連続的に送信が行なえるように形成されている。本実施の形態における負荷制御計算機８は、汎用コンピュータによって形成されている。
【００２３】
負荷制御計算機８は、得られた摩擦係数および摩擦係数の変化を用いて、連続的に研磨ヘッド３の押圧力を演算するように形成されている。また、負荷制御計算機８は、圧力変更装置５の制御を連続的に行なえるように形成されている。すなわち、本発明に基づく研磨装置は、基板と研磨パッドとの摩擦係数を連続的に測定して、基板が研磨パッドに押し当てられる押圧力を連続的に変更できるように形成されている。
【００２４】
摩擦係数計測手段としての定盤側摩擦係数測定装置６および研磨ヘッド側摩擦係数測定装置７は、研磨開始前から研磨終了時まで、連続的に摩擦係数を計測できるように形成されている。また、本実施の形態における圧力指示手段としての負荷制御計算機８は、研磨の開始から研磨の終了まで圧力変更手段を制御できるように形成されている。
【００２５】
図２に、本実施の形態における第２の研磨装置の概略側面図を示す。第２の研磨装置においては、第１の研磨装置における定盤側摩擦係数測定装置が形成されず、摩擦係数計測手段としては、研磨ヘッド側摩擦係数測定装置７を備えている。研磨パッドと基板との間の摩擦係数は、研磨ヘッド側摩擦係数測定装置７のみによって計測されるように形成されている。
【００２６】
負荷制御計算機９は、研磨ヘッド側摩擦係数測定装置７からの摩擦係数を連続的に受信して、研磨ヘッド３の押圧力を連続的に演算できるように形成されている。また、負荷制御計算機９は、連続的に圧力変更装置５を制御できるように形成されている。
【００２７】
研磨ヘッド側摩擦係数測定装置７は、圧力変更装置５の押圧力と、研磨ヘッド回転モータ４の回転トルクとを計測して摩擦係数を算出することは、第１の研磨装置と同様である。その他の構成については第１の研磨装置と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【００２８】
図３に、本実施の形態における第３の研磨装置の概略側面図を示す。第３の研磨装置においては、第１の研磨装置における研磨ヘッド側摩擦係数測定装置が形成されず、摩擦係数計測手段としては、定盤側摩擦係数測定装置６を備えている。研磨パッドと基板との間の摩擦係数は、定盤側摩擦係数測定装置６のみによって計測されるように形成されている。
【００２９】
負荷制御計算機１０は、定盤側摩擦係数測定装置６からの摩擦係数を連続的に受信して、研磨ヘッドの押圧力を演算できるように形成されている。負荷制御計算機１０は、連続的に圧力変更装置５を制御できるように形成されている。
【００３０】
定盤側摩擦係数測定装置６は、圧力変更装置５の押圧力と、定盤回転モータ２の回転トルクとを計測して摩擦係数を算出することは、第１の研磨装置と同様である。その他の構成については第１の研磨装置と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【００３１】
本実施の形態における負荷制御計算機８，９，１０は、入力する制御プログラムを変更することによって、圧力変更装置５の種々の制御が可能なように形成されている。本実施の形態においては、基板が研磨パッドに接触したときの摩擦係数を測定して、初期の摩擦係数が目標となるように圧力変更装置５の制御を行なうプログラムが用いられている。すなわち、本実施の形態における圧力指示手段は、研磨パッドに対する基板の押圧力が一定になるように圧力変更手段を制御するように形成されている。
【００３２】
本実施の形態における研磨装置は、研磨中に測定された摩擦係数が目標値を超えた場合に、基板の押圧力が大きくなるように圧力変更手段が制御され、摩擦係数が目標値を下回ったときには、研磨パッドに対する基板の押圧力が小さくなるように圧力変更手段が制御されるように形成されている。
【００３３】
（作用・効果、研磨方法）
はじめに、従来の技術と本発明の研磨装置および研磨方法との比較のために、図９から図１２を参照して、従来の技術に基づく研磨装置における機能について説明する。
【００３４】
図９に、従来の技術に基づく研磨装置における基板と研磨パッドとの間の摩擦係数の推移を示したグラフを示す。横軸が研磨を行なう時間であり、縦軸は、基板と研磨パッドとの間の摩擦係数を相対値で示したものである。図１０から図１２は、研磨を行なっているときのそれぞれの工程を説明する概略断面図である。研磨の対象となる基板は、絶縁膜の内部に複数の金属配線が形成されているものである。従来の技術における研磨装置においては、基板に対する研磨パッドの押圧力が一定になるように制御が行なわれている。
【００３５】
図１０に示すように、研磨を開始した直後には、研磨パッド１１が、基板の絶縁膜１２の主表面の凹凸のうち凸部１９に接触する。目標とする研磨位置は、目標平坦面６０である。図１０に示す研磨の初期段階においては、研磨パッド１１は、凸部１９のみに接触して、凹部には接触していない。このとき、図９の区間４０に示すように、基板と研磨パッドとの接触面積が増えるとともに摩擦係数は上昇する。基板と研磨パッドとが十分に接触した後に、絶縁膜１２の凸部１９のみが研磨される。凸部１９の研磨が進行するに従って、図９の区間４１に示すように基板と研磨パッドとの摩擦係数は減少する。
【００３６】
研磨が進行すると、図９の区間４２に示すように、摩擦係数は緩やかに減少する。図１１に示すように、絶縁膜１２の主表面の凸部１９の研磨が進行すると、凹部にも研磨パッドが接触するようになる。このように、絶縁膜１２の表面の凹部にも研磨パッド１１が接触して、基板表面の凹部も研磨されるようになる。
【００３７】
さらに、研磨が進行すると、金属配線１３が絶縁膜１２の表面に露出するようになる。このとき、研磨パッド１１と金属配線１３との摩擦係数は大きいため、図９の区間４３に示すように、摩擦係数が急激に大きくなる。従来の技術に基づく研磨装置においては、この金属配線の露出を検知することによって、研磨の終点を検知している。しかし、摩擦係数の上昇開始から研磨の終了までには、一定の時間を要するため、図１２に示すように、金属配線１３が形成されていない部分について、目標平坦面６０を超えて過剰な研磨が行なわれてしまい、絶縁膜１２の表面に窪んだ部分が形成されてしまっていた。
【００３８】
図１に示す本発明に基づく第１の研磨装置においては、研磨の対象となる基板は、研磨ヘッド３の主表面に固定される。一方で、研磨を行なうための研磨パッドは、定盤１の主表面に配置されている。研磨パッドおよび研磨されるべき基板は、それぞれの主表面が対向するように配置される。本実施の形態における研磨装置は、研磨ヘッド回転モータ４によって研磨ヘッド３が回転する。研磨ヘッド３は、取付けられた基板の主表面が回転面となるように回転する。また、研磨ヘッド３に接続された圧力変更装置５によって、研磨ヘッド３が定盤１に押し付けられる。研磨ヘッド３が押し付けられる押圧力は、圧力変更装置５で連続的に調整される。一方で、定盤１は、定盤回転モータ２によって、研磨ヘッド３に取付けられた基板との擦り合わせ面が回転面となるように回転する。
【００３９】
研磨ヘッド３に固定された基板は、押圧力が加えられる一方で研磨ヘッド３および定盤１に取付けられた研磨パッドが回転することによって表面が研磨される。
【００４０】
定盤側摩擦係数測定装置６および研磨ヘッド側摩擦係数測定装置７で計測された摩擦係数は、負荷制御計算機８に送信される。負荷制御計算機８は、計測された摩擦係数をもとにして、基板が研磨パッド３に押し付けられる圧力、すなわち研磨ヘッド３の押圧力を圧力変更装置５に送信する。圧力変更装置５は、送信された信号をもとに研磨ヘッド３の押圧力を変更する。２つの摩擦係数測定装置の摩擦係数の測定は、圧力変更中や圧力変更後も連続的に行なわれる。研磨パッド３の押圧力の変更は、連続的な負荷制御計算機８からの指示によって行なわれる。
【００４１】
このように、基板が研磨パッドに押し当てられるときの押圧力を変更するための圧力変更手段と、摩擦係数を計測するための摩擦係数計測手段と、摩擦係数計測手段によって得られた摩擦係数をもとに、上記の押圧力を定めて、圧力変更手段を制御するための圧力指示手段とを備えることによって、基板と研磨パッドとの接触状態を常に検知することができ、基板と研磨パッドとの接触状態を連続的に最適な状態にすることができる。この結果、表面の平坦性の優れた基板を形成する研磨装置を提供することができる。
【００４２】
また、本実施の形態における摩擦係数計測手段は、少なくとも研磨開始から研磨終了まで摩擦係数を計測できるように形成され、圧力指示手段は、少なくとも研磨終了まで圧力変更手段を制御するように形成されている。この構成を採用することにより、連続的に研磨を行なっている中期、さらに研磨の終期について、それぞれの状態における最適な研磨を行なうことができ、より平坦性の優れた研磨面を形成することができる研磨装置を提供することができる。研磨の初期においては、基板が徐々に研磨パッドに接触することによって、連続的に摩擦係数が上昇する区間があるため、この区間については、圧力指示手段による制御を行なってもよいし、一定の押圧力で研磨を行なってもよい。
【００４３】
図１に示す第１の研磨装置においては、摩擦係数計測手段は、研磨ヘッド回転モータの回転トルク、定盤回転モータの回転トルクおよび研磨パッドに基板を押圧する押圧力を測定することによって、摩擦係数を算出するように形成されている。この構成を採用することにより、基板と研磨パッドとの接触状態を連続的に、かつ詳細に検知することができ、研磨ヘッド回転モータの回転トルクのみでは明確でなかった研磨パッドに対する基板の最適な押圧力を調整しながら研磨を行なうことができる。
【００４４】
図２に示す第２の研磨装置においては、摩擦係数計測手段は、研磨ヘッド回転モータの回転トルクと研磨パッドに基板が押し付けられる押圧力を測定することによって、摩擦係数を算出するように形成されている。また、図３に示す第３の研磨装置においては、摩擦係数計測手段は、定盤回転モータの回転トルクと基板が研磨パッドに押し当てられるときの押圧力を測定することによって、摩擦係数を算出するように形成されている。これらの構成のうち、いずれかの構成を採用することにより、摩擦係数を連続的に計測することができ、研磨パッドの回転モータの回転トルクのみでは明確でなかった研磨パッドと基板との接触状態を正確に検知することができる。また、第１の研磨装置と比べて構成を簡単にすることができる。その他の作用および効果については、第１の研磨装置と同様であるので、説明は繰り返さない。
【００４５】
図４に、本実施の形態における研磨装置の摩擦係数の推移を説明するグラフを示す。横軸は経過時間であり、縦軸は基板と研磨パッドとの摩擦係数を相対値で示したものである。本実施の形態における研磨装置の圧力指示手段は、研磨パッドが基板に接触したときの摩擦係数を目標値と定めて、研磨中の摩擦係数がこの目標値に近づくように圧力変更手段を制御して基板の押圧力を調整している。本実施の形態における研磨の対象は、図１０に示したように、表面に絶縁膜が形成され、絶縁膜の内部に金属配線が形成されている基板である。
【００４６】
図４のグラフにおける区間２０は、基板が研磨パッドと接触する部分である。基板が研磨パッドと接触して得られた摩擦係数が目標値とされる。目標値は、圧力指示手段によって設定される。区間２０において、基板の押圧力が一定の場合には、摩擦係数が上昇する（図９参照）が、本実施の形態においては、この区間においても、上昇する摩擦係数を下げるように押圧力が調整されている。すなわち基板の押圧力を徐々に上げるような調整が行なわれている。区間２０における摩擦係数が上昇する区間に関しては、研磨パッドが基板に接触した直後から一定時間は押圧力を一定に保つように形成されていても構わない。
【００４７】
区間２１においては、基板表面の凹凸のうち凸部に接触して凸部が選択的に削られ、さらに、過剰な膜がある場合には、過剰な部分が研磨されている区間である。区間２１は、基板の押圧力が一定の場合には摩擦係数が徐々に下降するため、押圧力は徐々に下げられている状態である。
【００４８】
区間２２は、金属配線が露出した区間である。図４においては、金属配線が露出してもなお研磨を継続した場合の摩擦係数を示している。
【００４９】
図５に、本実施の形態における研磨装置の制御方法を説明するフローチャートを示す。図５は、図４において研磨の主要な区間である区間２１以降のフローチャートである。
【００５０】
区間２１では、摩擦係数を連続的に監視して、摩擦係数が低下しているかどうかの判定を行なう。摩擦係数が低下していれば、研磨パッドに対する基板の押圧力を下げるように制御される。
【００５１】
基板の研磨面の摩擦係数が低下していなければ、押圧力を維持して、摩擦係数が上昇したか否かを常時検知する。ここで、摩擦係数が上昇していなければ、すなわち、摩擦係数が同じか下降していれば、摩擦係数が低下しているか否かの判断基準に戻る。図４の区間２２に示すように、摩擦係数が上昇した場合には、研磨を終了する。
【００５２】
上記のように、研磨の開始から研磨の終了まで、基板と研磨パッドとの摩擦係数を計測して、摩擦係数に応じて研磨パッドに対する基板の押圧力を制御しながら研磨を行なうことによって、研磨の開始から研磨の終了まで、最適な押圧力で研磨を行なうことができる。この結果、表面の平坦性の優れた基板を形成することができる。
【００５３】
本実施の形態における研磨装置は、摩擦係数を連続的に監視できるため、たとえば、金属配線が露出し始めた段階から金属配線が完全に露出した段階までの連続的な把握も可能であり、必要に応じた研磨を行なうことができる。図５に示す制御において、絶縁膜に所定の厚みを残して研磨を終了する場合には、研磨の時間の上限値を設けるか、摩擦係数の下限値を設定するかによって研磨を終了する。さらに、図１２に示したように、目標平坦面６０を越えて、絶縁膜１２を研磨してしまうことを抑制でき、たとえば、目標平坦面６０で研磨を停止させることができる。
【００５４】
圧力指示手段が、摩擦係数が一定になるように圧力変更手段を制御するように形成されていることによって、研磨面の凹部への研磨パッドの接触を最小限に抑制することができ、過剰研磨の少ない平坦性の優れた研磨面を形成する研磨装置を提供することができる。ダマシンプロセスやＳＴＩにおける研磨についても、ディッシングやシンニングなどの窪みが少ない平坦性の高い表面を有する基板を形成することができる。
【００５５】
特に、本実施の形態における研磨中の摩擦係数の目標値は、研磨パッドと基板とが接触したときの高い値である。高い摩擦係数が維持されるように研磨を行なうことによって、研磨パッドに対する基板の押圧力を徐々に小さくすることができる。この結果、基板主表面の凹凸のうち、凸部のみを選択的に研磨することができ、表面の平坦性の高い基板を形成することができる。すなわち、連続的に研磨パッドに対する基板の押圧力を変化させることによって、基板表面における凹部の研磨をほぼ完全に防止することができる。
【００５６】
金属配線を含む絶縁膜を研磨する場合においては、研磨余裕を見込んだ厚さの絶縁膜を形成する必要はなく、絶縁膜の最小の堆積量（厚さ）を大幅に少なくすることができる。この結果、研磨に要する時間および絶縁膜の積層に要する時間の両方を短くすることができ、生産性が向上するとともに、安価な半導体装置を提供することができる。
【００５７】
上記の研磨装置の制御は、本実施の形態における第１の研磨装置、第２の研磨装置および第３の研磨装置の全ての研磨装置について適用することができる。
【００５８】
本実施の形態においては、定盤側摩擦係数測定装置または研磨ヘッド側摩擦係数測定装置にて摩擦係数を算出したが、特にこの形態に限られず、回転モータのトルクと押圧力を直接的に計算機に送信して、計算機において摩擦係数を算出しても構わない。
【００５９】
摩擦係数の目標値については、特に研磨開始時の値に限られず、任意の値を定めることができる。たとえば、予め負荷制御計算機に入力された摩擦係数の値を目標値としてもよい。また、研磨の途中に目標値を変更するように形成されていても構わない。目標値については、研磨の終期については、押圧力が小さくなるように高い摩擦係数で設定されることが好ましい。
【００６０】
また、本実施の形態においては、基板と研磨パッドとの間の押圧力を調整するための圧力変更手段として、研磨ヘッドに圧力変更装置が接続されていたが、特にこの形態に限られず、たとえば、定盤が移動するように圧力変更装置が接続されていてもよい。
【００６１】
本実施の形態においては、定盤および研磨ヘッドの回転数は、それぞれ一定になるように形成されているが、特にこの形態に限られず、定盤および研磨ヘッドの回転数が変更されるように形成されていても構わない。摩擦係数は、接触面の相対速度には依存しないため、定盤または研磨ヘッドの回転数が一定でなくても本発明を適用することができる。それぞれの回転数が可変であっても摩擦係数を正確に算出することができ、表面の平坦性の優れた基板を形成する研磨装置を提供することができる。
【００６２】
（実施の形態２）
（構成）
図６および図７を参照して、本発明に基づく実施の形態２における研磨装置について説明する。研磨装置の構成については、実施の形態１における第１の研磨装置から第３の研磨装置までのいずれの研磨装置でもよい。本実施の形態における研磨装置は、実施の形態１における研磨装置と比べて、圧力指示手段に含まれる圧力変更手段の制御方法が異なる。すなわち、研磨パッドに対する基板の押圧力の制御方法（負荷制御計算機に含まれる制御プログラム）が異なる。
【００６３】
図６は、本実施の形態における研磨装置の摩擦係数の推移を示したものである。横軸が研磨されている時間、縦軸が基板と研磨パッドとの間の摩擦係数を相対値で表わしたものである。本実施の形態における研磨の対象は、図１０に示したように、表面に絶縁膜が形成され、絶縁膜の内部に金属配線が形成されている基板である。
【００６４】
本実施の形態における圧力指示手段は、摩擦係数が下降して（図９参照）、その後にほぼ一定にならないように（または緩やかに下降しないように）、研磨パッドに対する基板の押圧力を段階的に減少させるように形成されている。
【００６５】
本実施の形態においては、研磨の開始から一定の押圧力で研磨が行なわれ、予め入力された摩擦係数の設定値になると、予め入力された一定の圧力のみ、基板の押圧力が低下されるように形成されている。低下された押圧力は、その押圧力を維持するように研磨が継続される。
【００６６】
その他の構成については、実施の形態１における研磨装置と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【００６７】
（作用・効果）
図６において、区間３０は、基板が研磨パッドに接触して摩擦係数が上昇する部分である。区間３１においては、基板の押圧力が一定になるような制御が行なわれ、摩擦係数が予め入力された圧力変更の設定値まで下がっている。摩擦係数がこの設定値になったときに、押圧力を低下させて摩擦係数を上昇させている。押圧力を低下させる時が区間３２の始まりである。区間３２では、低くなった押圧力を維持するように制御が行なわれる。
【００６８】
区間３３は、基板の内部に形成された金属配線が露出して、摩擦係数が上昇している部分である。基板の押圧力を変更する摩擦係数の設定値については、押圧力が高く維持されるような摩擦係数の値が選択される。すなわち、摩擦係数が下降して、その後にほぼ一定になる（または緩やかに下降する）ことを避けるように、高い値の摩擦係数が設定されている。
【００６９】
図７に、本実施の形態における研磨装置の制御方法のフローチャートを示す。図６における区間３０は、研磨パッドと基板とが接触して摩擦係数が上昇する区間であり、一定の押圧力で制御が行なわれるように形成されている。または、摩擦係数が小さくなるように制御が行なわれていても構わない。
【００７０】
図６における区間３１の時間Ｔ０〜時間Ｔ１までにおいては、基板と研磨パッドとの摩擦係数が計算される。研磨を行ないながら、得られた摩擦係数が圧力変更のための設定値よりも低い値であるか否かの判断が行なわれる。摩擦係数が、圧力変更のための設定値よりも大きければ、基板の押圧力を維持して基板の研磨が継続される。
【００７１】
摩擦係数が圧力変更のための設定値よりも小さい場合には、図６における区間３２に移行する。図７においては時間Ｔ１〜時間Ｔ２で示した部分に移行する。摩擦係数が設定値よりも低い場合には、研磨パッドに対する基板の押圧力が予め設定された量のみ下げられる。次に、基板の研磨面の摩擦係数を計算して摩擦係数が上昇しているかどうか判定を行なう。摩擦係数が上昇していなければ、同じ押圧力で研磨を続ける。図６の区間３３に示すように、摩擦係数が上昇した場合には、研磨を終了する。
【００７２】
図７には、研磨パッドに対する基板の押圧力の圧力変更を１回のみ行なう場合のフローチャートを示したが、特にこの形態に限られず、複数回の圧力変更を行なってもよい。この場合には、圧力変更のための設定値が複数入力され、設定値になるごとに押圧力を下げるように制御される。
【００７３】
圧力を変更するための摩擦係数の設定値については、基板の表面にパターンなどが形成されておらず、かつ平坦である部分を研磨しているときの摩擦係数を目安に設定されることが好ましい。また、１回の圧力変更において、変更する圧力の減少分は、それぞれの研磨装置や基板の種類によっても異なるが、たとえば、５〜１０ＭＰａ程度である。
【００７４】
このように、圧力指示手段が、摩擦係数が一定にならないように研磨パッドに対する基板の押圧力を段階的に減少できるように形成されていることによって、研磨の初期段階においては、基板の押圧力を高く設定することができ、その後に押圧力を徐々に低くすることができる。この結果、グローバル段差を速やかに解消することができ、さらに、ディッシングやシンニングを最小限に抑制することができる。この結果、研磨時間を短くすることができるとともに、平坦性の高い表面を有する基板を製造することができる。
【００７５】
研磨の終点の検知については、実施の形態１における研磨装置と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【００７６】
その他の作用および効果については、実施の形態１における研磨装置と同様であるので、ここでは説明は繰り返さない。
【００７７】
（実施の形態３）
（構成）
図８を参照して、本発明に基づく実施の形態３における研磨装置について説明する。研磨装置の構成については、実施の形態１における第１の研磨装置から第３の研磨装置までのいずれの研磨装置でもよい。本実施の形態における研磨装置は、実施の形態１における研磨装置と比べて、圧力指示手段に含まれる圧力変更手段の制御方法が異なる。すなわち、研磨パッドに対する基板の押圧力の制御方法（負荷制御計算機に含まれる制御プログラム）が異なる。
【００７８】
本実施の形態において、摩擦係数の目標値を定め、摩擦係数が目標値より低下していれば押圧力を下げるように制御を行なって、摩擦係数が高い値でほぼ一定になるように研磨を行なうことは、図４に示す実施の形態１における研磨装置と同様である。
【００７９】
本実施の形態における研磨装置は、研磨の終期において摩擦係数が上昇し始めても、摩擦係数が設定値になるまで研磨を継続するように形成されている。または、研磨時間が所定の時間に達するまで研磨を継続するように形成されている。圧力指示手段には、所望の研磨厚さに合うような設定値が入力されている。圧力指示手段は、摩擦係数が上昇しても、予め入力された設定値になるまで、押圧力を加える信号を発信するように形成されている。研磨を終了するときの摩擦係数または研磨時間は、予め研磨装置に入力されている。
【００８０】
その他の構成については、実施の形態１における研磨装置と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【００８１】
（作用・効果）
本実施の形態における研磨装置は、研磨パッドと基板との間の摩擦係数が高い状態を維持したまま研磨を継続することができる。本実施の形態における研磨装置では、絶縁酸化膜などの絶縁膜に覆われた金属配線を露出して、かつ、基板の主表面を平坦化する場合などに用いられる。
【００８２】
図８に、本実施の形態における研磨装置の制御方法を説明するフローチャートを示す。本実施の形態における研磨装置は、摩擦係数が上昇して、予め設定された設定値になるまで研磨が継続されるように形成されている。この構成を採用することにより、金属配線などが露出した後も、研磨を継続することができ、基板の表面を平坦化することができる。金属配線が露出した後の研磨量は、予め入力された摩擦係数の設定値によって定められる。または、予め入力された研磨所定時間が経過するまで研磨が継続される。
【００８３】
本発明に基づく研磨装置は、基板と研磨パッドとの間の摩擦係数を連続的に監視しているために、金属配線が露出した際に生ずる摩擦係数の上昇を容易かつ正確に検知することができる。したがって、基板の主表面の過剰研磨を抑制することができるとともに、表面の平坦性の優れた基板を形成することができる。また、摩擦係数が上昇し始めても、設定値まで研磨を続けるように圧力指示手段が形成されていることによって、配線金属が露出された後に、さらに、この表面を研磨することができる。
【００８４】
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】実施の形態１における第１の研磨装置の概略側面図である。
【図２】実施の形態１における第２の研磨装置の概略側面図である。
【図３】実施の形態１における第３の研磨装置の概略側面図である。
【図４】実施の形態１における研磨装置において、研磨を行なうときの摩擦係数の経時変化を示すグラフである。
【図５】実施の形態１における研磨装置の制御プログラムを説明するフローチャートである。
【図６】実施の形態２における研磨装置において、研磨を行なうときの摩擦係数の経時変化を示すグラフである。
【図７】実施の形態２における研磨装置の制御プログラムを説明するフローチャートである。
【図８】実施の形態３における研磨装置の制御プログラムを説明するフローチャートである。
【図９】従来の技術に基づく研磨装置において、研磨を行なうときの摩擦係数の経時変化を示すグラフである。
【図１０】従来の技術に基づく研磨装置で研磨を行なったときの第１工程を説明する概略断面図である。
【図１１】従来の技術に基づく研磨装置で研磨を行なったときの第２工程を説明する概略断面図である。
【図１２】従来の技術に基づく研磨装置で研磨を行なったときの第３工程を説明する概略断面図である。
【符号の説明】
【００８６】
１  定盤、２  定盤回転モータ、３  研磨ヘッド、４  研磨ヘッド回転モータ、５  圧力変更装置、６  定盤側摩擦係数測定装置、７  研磨ヘッド側摩擦係数測定装置、８，９，１０  負荷制御計算機、１１  研磨パッド、１２  絶縁膜、１３  金属配線、１９  凸部、２０，２１，２２，３０，３１，３２，３３，４０，４１，４２，４３  区間、６０  目標平坦面、Ｔ０〜Ｔ２  時間。
【図１】
2005193342.tif 000003
【図２】
2005193342.tif 000004
【図３】
2005193342.tif 000005
【図４】
2005193342.tif 000006
【図５】
2005193342.tif 000007
【図６】
2005193342.tif 000008
【図７】
2005193342.tif 000009
【図８】
2005193342.tif 000010
【図９】
2005193342.tif 000011
【図１０】
2005193342.tif 000012
【図１１】
2005193342.tif 000013
【図１２】
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