(57)【要約】【課題】  ＣＭＰ研磨プロセスにおける、光の干渉を利用した終点検出に関して、基板に形成された膜の研磨量が少ない場合、目標膜厚が薄い場合でも終点検出が可能な研磨装置及び終点検出方法を提供する。【解決手段】  ウエハ３上に形成された膜の研磨後の狙い膜厚に応じて、レーザー干渉計１２を構成するコリメーター１３及び検出器１４の位置角度を変化させて、レーザービーム１６のウエハ３に対する入射角及び検出器１４が反射光を検出する検出角を干渉光信号のピークとなるように設定して、研磨の終点検出を可能にすることにより、膜の研磨量が小さい場合であっても研磨プロセス時に所望の膜厚で終点検出できることができる。【選択図】  図１
2005340679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の製造に際して半導体基板上の膜を所望の膜厚に研磨する研磨装置であって、
前記半導体基板を研磨する研磨手段と、
前記基板に単一波長のレーザービームを任意の角度で照射可能であるコリメーターと、
前記レーザービームの反射干渉光強度を入射角度に対応した検出角度で検出する検出器と
を有し、前記所望の膜厚になったときの前記反射干渉光強度がピークになるように前記コリメーターの照射角度を調整し、そのときの前記反射干渉光強度のピークを検出して前記所望の膜厚まで研磨されたことを確認することを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
半導体装置の製造に際して半導体基板上の膜を所望の膜厚に研磨する研磨装置であって、
前記半導体基板を研磨する研磨手段と、
前記基板にそれぞれ単一波長のレーザービームを照射し、前記レーザービームの反射干渉光強度を検出する複数のレーザー干渉計と
を有し、前記所望の膜厚になったときの前記反射干渉光強度がピークになるような波長のレーザービームを照射可能なレーザー干渉計を選択し、選択したレーザー干渉計にて前記反射干渉光強度のピークを検出して前記所望の膜厚まで研磨されたことを確認することを特徴とする研磨装置。
【請求項３】
研磨前の膜厚を測定する膜厚測定器と、
前記膜の屈折率および前記膜の研磨後設定膜厚を記憶する記憶部と
を有し、前記研磨前の膜厚および前記膜の屈折率ならびに前記研磨後設定膜厚に基づいて前記研磨後設定膜厚で前記反射干渉光強度がピークとなるレーザー干渉計を選択し、選択したレーザー干渉計にて前記反射干渉光強度のピークを検出して前記所望の膜厚まで研磨されたことを確認することを特徴とする請求項２記載の研磨装置。
【請求項４】
半導体装置の製造における半導体基板上の膜が所望の膜厚に研磨されたことを前記膜に照射したレーザービームの反射干渉光を観測することにより検出する研磨終点検出方法であって、
研磨された膜厚が前記所望の膜厚になったときに前記反射干渉光強度がピークとなる前記レーザービームの照射角度を設定する工程と、
前記照射角度で単一波長のレーザービームを照射する工程と、
前記反射干渉光強度を観測する工程と
を有し、前記反射干渉光強度がピークであることを検出して前記膜が所望の膜厚に研磨されたことを確認することを特徴とする研磨終点検出方法。
【請求項５】
半導体装置の製造における半導体基板上の膜が所望の膜厚に研磨されたことを複数備えたレーザー干渉計を用いて前記膜に照射したレーザービームの反射干渉光を観測することにより検出する研磨終点検出方法であって、
研磨された膜厚が前記所望の膜厚になったときに前記反射干渉光強度がピークとなる波長のレーザービームを照射するレーザー干渉計を選択する工程と、
前記レーザー干渉計よりレーザービームを照射する工程と、
前記反射干渉光強度を計測する工程と
を有し、前記反射干渉光強度がピークであることを検出して前記膜が所望の膜厚に研磨されたことを確認することを特徴とする研磨終点検出方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載の研磨終点検出方法を用いる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】
本発明は半導体装置の製造において、化学的機械研磨（以下ＣＭＰという）等を用いた研磨装置及び研磨終点検出方法ならびに半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路装置に組み込まれた半導体素子の微細化が急速に進んでおり、それに伴い表面を平坦化するＣＭＰ技術が使用されることが多くなってきている。ＣＭＰを用いると、ウエハ表面の局所的な段差を平坦化することができるが、ＣＭＰ装置の研磨パッドの磨耗、研磨パッドの砥粒や研磨くずによる目詰まりなどを除去し再生するドレッサーの劣化、研磨圧力および回転式ＣＭＰ装置の場合の研磨プラテン・研磨ヘッド回転数の変動、被研磨膜の堆積直後の膜厚変動により研磨レート、研磨時間が変動するという短所を有している。
【０００３】
そこで、ＣＭＰ装置では光の干渉を利用した終点検出技術が提案されている。
以下、図６を参照しながら、従来の光の干渉を利用して終点検出する研磨装置及び研磨終点検出方法について説明する。
【０００４】
図６は従来のＣＭＰ装置の構成図である。
図６に示すように、従来技術のＣＭＰ装置２９は、研磨プラテン３０に対してウエハ３１を保持するための研磨ヘッド３２を有している。研磨プラテン３０は、研磨パッド３３によって覆われている。この研磨パッド３３は典型的には裏張り層３４を有し、これは、ウエハ３１を研磨するために研磨スラリーと共に用いられるカバー層３５と研磨プラテン３０との間のインターフェースとなっている。研磨プラテン３０は、通常は自身の中心軸３６の回りに回転している。更に、通常は研磨ヘッド３２が自身の中心軸３７の回りに回転し、さらに平行移動アーム３８に支持され、回転しながら研磨プラテン３０の表面の端から端まで並行移動する。
【０００５】
研磨プラテン３０及び研磨パッド３３には、ホール３９が形成され、研磨ヘッド３２の研磨パッド３３上での平行移動的な動きに関係なく、研磨プラテン３０が回転している時間のある時間帯に研磨ヘッド３２によって保持されているウエハ３１の表面が見えるようにこのホール３９の位置が与えられる。レーザー干渉計４０は、研磨プラテン３０の下にあって、ホール３９がウエハ３１に近接したときには、レーザー干渉計４０によって投射されるレーザービーム４１が研磨プラテン３０及び研磨パッド３３のホール３９を通過してその上にあるウエハ３１の表面に入射するような位置に固定される。
【０００６】
ＣＭＰ装置２９は、動作中に、レーザー干渉計４０からのレーザービーム４１を用いてウエハの表面から除去された堆積膜材料の量を決定する。
このプロセスについて図７を参照して説明する。
【０００７】
図７は従来のＣＭＰ装置に搭載されたレーザー干渉計の構成を説明する図である。
図７において、レーザー及びコリメーター４２、ビームスプリッタ４３、及び検出器４５が、レーザー干渉計４０の要素として描かれている。レーザー及びコリメーター４２は、ビームスプリッタ４３の下側部に入射するコリメートされたレーザービーム４１を発生させる。レーザービーム４１の一部が、ビームスプリッタ４３及びクオーツインサート１９を通って進行していく。レーザービーム４１のこの部分が、クオーツインサート１９の下端に到達すれば、それは研磨スラリー２０を通って伝播し、ウエハ３の表面に入射する。ここで、２は研磨プラテン、５は研磨パッド、６は裏張り層、７はカバー層である。
【０００８】
図８は基板上に堆積された膜によるレーザービーム干渉を説明する図である。
図８に詳細に示されているように、ウエハ３（図７参照）は、シリコンとその上の絶縁膜層（例えばシリコン窒化膜２２）とを有する基板２３を有している。ウエハ３に入射するレーザービーム４１の一部は、シリコン窒化膜２２の表面で部分的に反射され、第一の反射ビーム４６を形成する。しかし、光の一部はシリコン窒化膜２２を通過して、その下の基板２３に入射する伝送ビーム４７を形成する。基板２３に到達する伝送ビーム４７から少なくとも一部の光がシリコン窒化膜２２へ反射し、第２の反射ビーム４８を形成する。第１の反射ビーム４６と第２の反射ビーム４８は、これらの位相の関係によって相互に干渉し、結合ビーム４４を形成するのである。第１の反射ビーム４６及び第２の反射ビーム４８の結合である結合ビーム４４は、図７に示すように、研磨スラリー２０とインサート１９を通って伝播し返し、ビームスプリッタ４３の上部分に達する。ビームスプリッタ４３は、結合ビーム４４の一部を、検出器４５の方へ向きを変える。
【０００９】
前述の第１の反射ビーム４６及び第２の反射ビーム４８は、図７及び図８に示されるように結合ビーム４４を形成し、検出器４５で検知される干渉を生じさせる。第１の反射ビーム４６及び第２の反射ビーム４８が相互に位相が合っている場合には、これらは検出器４５において最大値になる。これらのビームの位相が１８０°ずれている場合は、検出器４５において最小値となる。これらの反射ビーム間のその他の位相関係により、干渉信号が、検出器により検知される最大値と最小値のいずれかの値となる。この結果により、検出器４５からの信号出力は、シリコン窒化膜２２の厚さがＣＭＰ研磨中に減少されるにつれて周期的に変化する。
【００１０】
図９は従来の研磨装置における研磨時間と干渉光強度変化の関係をグラフ化した図であり、研磨時間（Ｘ−軸）に対する上記干渉信号サンプリング時間にわたる検出信号の強度を表わす振幅（Ｙ−軸）の積分を示している。このデータは、シリコン基板の上に形成されている絶縁膜層を有するウエハにＣＭＰの手順を実施しながら、図６の装置のレーザー干渉計出力をモニタすることにより、得られたものである。
【００１１】
図９の出力信号の各周期中に、酸化物層はある厚さだけ除去される。除去された厚さは、レーザービームの波長λ及び酸化物層の屈折率ｎに比例している。具体的には、被研磨膜の膜厚がλ／２ｎの整数倍のときに、検出信号が最大値をとり、（Ｎ＋１／２）倍のときに検出信号が最小値をとる。ここでλはレーザービームの自由空間波長、ｎは酸化物層の屈折率、Ｎは整数である。この最大値及び最小値は周知の信号処理の方法により簡単に検出可能であるため、研磨後の狙い膜厚から、この最大値もしくは最小値をとる時点での被研磨膜の膜厚を減じ、研磨速度で除することでその時点から狙い膜厚までの研磨時間を求め、研磨の終点を検出している。（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開平９−７９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、半導体集積回路装置の半導体素子パターンの微細化が進むにつれ、堆積膜厚はより薄くなり、ＣＭＰで平坦化のために研磨する研磨量が減ると、研磨前の初期膜厚から研磨後の狙い膜厚まで研磨する間に、従来のような方法では光の干渉による最大値もしくは最小値が現れず、所望の膜厚で研磨を終了させるための制御ができなくなるという問題が起こる。
【００１３】
具体的には、図１０の従来の溝型素子分離を有する半導体基板を例示する断面図に示すような構造を有する半導体装置の研磨工程において表れる。
図１０において、基板２３上にシリコン窒化膜２２が形成され、それをマスクとして基板に溝を形成し、素子分離絶縁膜２１の基板２３上に突出した部分をＣＭＰ研磨により除去して平坦化するのであるが、研磨の均一性を確保するために予め突出部の大部分を除去しておくので分離溝周辺のみに突起を生じている。
【００１４】
この状態の素子分離絶縁膜２１を平坦化するために、ＣＭＰ処理時においてストッパー膜として働くシリコン窒化膜２２（例えば膜厚１５０ｎｍ程度）を、例えば１００ｎｍの厚さまで研磨をする場合に、従来技術の研磨装置及び終点検出方法を用いた場合に、λ＝６７０ｎｍのレーザーを使用し、シリコン窒化膜の屈折率を２．０１とすると、検出信号はシリコン窒化膜膜厚１６７ｎｍで最大値を取り、８３ｎｍで最小値となるため、１００〜１５０ｎｍの間に検出信号の最大値、最小値は現れず、シリコン窒化膜厚１００ｎｍで研磨を終了させることが出来なくなる。
【００１５】
前記の問題点に鑑み、本発明は、膜の研磨量が小さい場合であっても研磨プロセス時に所望の膜厚で終点検出できることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記の目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の研磨装置は、半導体装置の製造に際して半導体基板上の膜を所望の膜厚に研磨する研磨装置であって、前記半導体基板を研磨する研磨手段と、前記基板に単一波長のレーザービームを任意の角度で照射可能であるコリメーターと、前記レーザービームの反射干渉光強度を入射角度に対応した検出角度で検出する検出器とを有し、前記所望の膜厚になったときの前記反射干渉光強度がピークになるように前記コリメーターの照射角度を調整し、そのときの前記反射干渉光強度のピークを検出して前記所望の膜厚まで研磨されたことを確認することを特徴とする。
【００１７】
請求項２記載の研磨装置は、半導体装置の製造に際して半導体基板上の膜を所望の膜厚に研磨する研磨装置であって、前記半導体基板を研磨する研磨手段と、前記基板にそれぞれ単一波長のレーザービームを照射し、前記レーザービームの反射干渉光強度を検出する複数のレーザー干渉計とを有し、前記所望の膜厚になったときの前記反射干渉光強度がピークになるような波長のレーザービームを照射可能なレーザー干渉計を選択し、選択したレーザー干渉計にて前記反射干渉光強度のピークを検出して前記所望の膜厚まで研磨されたことを確認することを特徴とする。
【００１８】
請求項３記載の研磨装置は、請求項２記載の研磨装置において、研磨前の膜厚を測定する膜厚測定器と、前記膜の屈折率および前記膜の研磨後設定膜厚を記憶する記憶部とを有し、前記研磨前の膜厚および前記膜の屈折率ならびに前記研磨後設定膜厚に基づいて前記研磨後設定膜厚で前記反射干渉光強度がピークとなるレーザー干渉計を選択し、選択したレーザー干渉計にて前記反射干渉光強度のピークを検出して前記所望の膜厚まで研磨されたことを確認することを特徴とする。
【００１９】
請求項４記載の研磨終点検出方法は、半導体装置の製造における半導体基板上の膜が所望の膜厚に研磨されたことを前記膜に照射したレーザービームの反射干渉光を観測することにより検出する研磨終点検出方法であって、研磨された膜厚が前記所望の膜厚になったときに前記反射干渉光強度がピークとなる前記レーザービームの照射角度を設定する工程と、前記照射角度で単一波長のレーザービームを照射する工程と、前記反射干渉光強度を観測する工程とを有し、前記反射干渉光強度がピークであることを検出して前記膜が所望の膜厚に研磨されたことを確認することを特徴とする。
【００２０】
請求項５記載の研磨終点検出方法は、半導体装置の製造における半導体基板上の膜が所望の膜厚に研磨されたことを複数備えたレーザー干渉計を用いて前記膜に照射したレーザービームの反射干渉光を観測することにより検出する研磨終点検出方法であって、研磨された膜厚が前記所望の膜厚になったときに前記反射干渉光強度がピークとなる波長のレーザービームを照射するレーザー干渉計を選択する工程と、前記レーザー干渉計よりレーザービームを照射する工程と、前記反射干渉光強度を計測する工程とを有し、前記反射干渉光強度がピークであることを検出して前記膜が所望の膜厚に研磨されたことを確認することを特徴とする。
【００２１】
請求項６記載の半導体装置の製造方法は、請求項４または請求項５に記載の研磨終点検出方法を用いることを特徴とする。
以上により、膜の研磨量が小さい場合であっても研磨プロセス時に所望の膜厚で終点検出することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る研磨装置及び研磨終点検出方法ならびに半導体装置の製造方法によると、研磨中の半導体基板に照射したレーザービームにおける基板上の膜による反射干渉光が所望の膜厚のときにピークとなるように、照射するレーザービームの照射角度を設定することにより、ＣＭＰなどの研磨法を用いて基板上に形成された膜を研磨するとき、必ず、所望の膜厚になったときの被研磨膜からの反射干渉光強度の最大あるいは最小のピークが得られるため膜の研磨量が小さい場合であっても所望の膜厚で終点検出することができる。
【００２３】
また、それぞれ異なる波長のレーザービームを照射する複数のレーザー干渉計を備え、研磨中の半導体基板に照射したレーザービームにおける基板上の膜による反射干渉光が所望の膜厚のときにピークとなる波長のレーザービームを照射するレーザー干渉計を選択してレーザービームを照射することにより、ＣＭＰなどの研磨法を用いて基板上に形成された膜を研磨するとき、必ず、所望の膜厚になったときの被研磨膜からの反射干渉光強度の最大あるいは最小のピークが得られるため膜の研磨量が小さい場合であっても所望の膜厚で終点検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１に係る研磨装置および研磨終点検出方法について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１は実施の形態１におけるＣＭＰ装置の構成を示す図であり、研磨プラテン２に対してウエハ３を保持するための研磨ヘッド４を有している。研磨プラテン２は、研磨パッド５によって覆われている。この研磨パッド５は典型的には裏張り層６を有し、これは、ウエハ３を研磨するために研磨スラリーと共に用いられるカバー層７と研磨プラテン２との間のインターフェースとなっている。研磨プラテン２は、通常は自身の中心軸８の回りに回転しながらウエハ３を研磨パッド５に行っての圧力で押圧して研磨が進行する。更に、通常は研磨ヘッド４が自身の中心軸９の回りに回転し、それは平行移動アーム１０に固定されて回転しながら研磨プラテン２の表面の端から端まで並行移動する。
【００２６】
研磨プラテン２及び研磨パッド５には、ホール１１が形成され、研磨ヘッド４の研磨パッド５上での平行移動的な動きに関係なく、研磨プラテン２が回転している時間のある一定の期間、研磨ヘッド４によって保持されているウエハ３の表面が見えるように、このホール１１の位置が与えられる。
【００２７】
レーザー干渉計１２は、コリメーター１３、検出器１４、リニアガイド１５から構成され、ホール１１がウエハ３に近接したときには、コリメーター１３によって投射されるレーザービーム１６が研磨プラテン２及び研磨パッド５のホール１１を通過してその上にあるウエハ３の表面に入射し、ウエハからの反射ビームが検出器１４に入射するような位置に置かれる。コリメーター１３はリニアガイド１５により平行移動が可能であり、かつ回転軸１７を中心に可動することでレーザービーム１６のウエハ３に対する入射角度を任意に設定することが可能である。検出器１４も同様に、リニアガイド１５と回転軸１８により、ウエハ３に対する角度を任意に設定することが可能である。
【００２８】
ＣＭＰ装置１は、研磨中に、レーザー干渉計１２からのレーザービーム１６を用いてウエハ３の表面から除去された堆積膜材料の量を決定する。
図２，図３を参照してこのプロセスを説明する。
【００２９】
図２は実施の形態１におけるＣＭＰ装置に搭載されたレーザー干渉計の構成を説明する図、図３は実施の形態１における基板上に堆積された膜によるレーザービーム干渉を説明する図である。
【００３０】
図２において、コリメーター１３、及び検出器１４が、レーザー干渉計１２の要素として描かれている。コリメーター１３は、コリメートされたレーザービーム１６を発生させる。レーザービーム１６の一部が、クオーツインサート１９を通って進行していく。レーザービーム１６のこの部分が、クオーツインサート１９の下端に達すれば、それは研磨スラリー２０を通って伝播し、ウエハ３の表面に入射する。図３に詳細に示されているように、ウエハ３は、シリコンとその上の絶縁膜層（以下、シリコン窒化膜２２を例として説明する）とを有する基板２３を有している。
【００３１】
ウエハ３に入射するレーザービーム１６の一部は、シリコン窒化膜２２の表面で部分的に反射され、第一の反射ビーム２４を形成する。しかし、光の一部はシリコン窒化膜２２を通過して、その下の基板２３に入射する伝送ビーム２５を形成する。基板２３に到達する伝送ビーム２５から少なくとも一部の光がシリコン窒化膜２２へ反射し、第２の反射ビーム２６を形成する。第１の反射ビーム２４と第２の反射ビーム２６は、これらの位相の関係によって相互干渉し、結合ビーム２７を形成する。前述の第１の反射ビーム２４及び第２の反射ビーム２６は、図２及び図３に示されるように結合ビーム２７を形成し、研磨スラリー２０とインサート１９を通って伝播し検出器１４で検知される干渉を生じさせる。
【００３２】
結合ビーム２７の強度Ｉは次式で表される。
Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２√（Ｉ１・Ｉ２）・ｃｏｓ（Φ）          （１）
ここで、Ｉ１、Ｉ２はそれぞれ第１の反射ビーム２４、第２の反射ビーム２６の強度、Φは第１の反射ビーム２４、第２の反射ビーム２６の位相差である。この位相の違いは、第１の反射ビーム２４と第２の反射ビーム２６の光路長の違いによるもので、以下の式で表される。
【００３３】
Φ＝２π・Ｄ／λ＝２π｛ｎ・（ＡＢ＋ＢＣ）−ＡＤ｝／λ          （２）
ここで、Ｄは第１の反射ビーム２４と第２の反射ビーム２６の光路差を、λはレーザービームの自由空間波長を、ｎはシリコン窒化膜２２の屈折率、ＡＢ、ＢＣ、ＡＤは図３における位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおける幾何学的距離を表す。式（２）はシリコン窒化膜２２の膜厚ｄ、屈折角αで表すと以下のようになる。
【００３４】
Φ＝２π・２・ｎ・ｄ・ｃｏｓα／λ          （３）
シリコン窒化膜２２を研磨すると膜厚ｄは減少し、結果としてΦの変化を生じさせる。例えばＤ＝Ｎλで、Ｎが整数の場合、Ｉは最大値になり、Ｎ＝１／２、３／２、．．．の時に強度Ｉは最小になる。すなわち
ｄ＝Ｎ・λ／（２・ｎ・ｃｏｓα）      （Ｎは整数）          （４）
のときに、Ｉは最大になり、
ｄ＝（２Ｌ＋１）λ／（４・ｎ・ｃｏｓα）      （Ｌは整数）          （５）
のときに、Ｉは最小になる。
【００３５】
よって、レーザービーム１６にλ＝６７０ｎｍの単波長レーザーを使用し、膜が窒化シリコン膜２２であって研磨後の目標膜厚が１００ｎｍにしたいとき、式（５）より、α＝１６°すなわちコリメーター１３をウエハ３に対して１６°傾けた状態でレーザービーム１６がウエハに入射する位置に設置し、検出器１４をウエハ２に対してα＝１６°に対応する角度だけ傾けて結合ビーム２７を検出する位置に設置し、研磨する。こうすることで、結合ビーム強度Ｉが最小の時膜厚ｄが１００ｎｍになることがわかるので、正確にＣＭＰ研磨の終点検出ができる。この光強度Ｉの最小値は周知の信号処理の方法により簡単に検出可能であり、この時点で研磨をやめることで狙いの膜厚に研磨をすることが可能となる。
【００３６】
なお、本実施の形態１では、レーザー干渉計１２のコリメーター１３および検出器１４の位置及び角度を変える方法として、リニアガイド１５と回転軸１７、１８を用いているが、図４の実施の形態１における起動機構を説明する図に示すような移動機構２８を有していてもかまわない。この装置においては、ＣＭＰ研磨機構部は図１の装置と同様であるが、レーザー干渉計の部分が異なっている。すなわちコリメーター１３および検出器１４はほぼホール１１の位置のウエハ３表面を中心とする円の曲面を有する移動機構上に設置されており、コリメーター１３および検出器１４はこの曲面上を自在に移動させることによってレーザービーム１６の上はウエハ３への入射角度を変えることが出来る。またレーザービーム１６のウエハへの入射角を変更させる、もしくは結合ビーム２７の進行方向を変更させるミラーを使用し、そのミラーの位置または角度をかえることで前記入射角または進行方向を変える機構など種々の機構が使用可能である。
【００３７】
また、本実施の形態１では、レーザービーム１６が透過する材料として、石英製であるクオーツインサート１９を用いているが、この材料をほたる石（ＣａＦ２、λ＝６５６．３ｎｍに対して屈折率  １．４３２５）、あるいは、光学ガラス（例えば、ＬａＫ３（λ＝６５６．３ｎｍに対して屈折率  １．６８９６）等の材料に変更することでも、検出信号がピークとなる膜厚を変更することができ、終点検出が可能となる。
【００３８】
また、本実施の形態では、シリコン窒化膜厚を１５０ｎｍ程度堆積し、研磨後膜厚１００ｎｍを狙った場合について説明したが、堆積膜厚、研磨後膜厚狙いがこれと異なる場合においても、屈折角度αを適当な値に設定することで、本実施の形態と同様に終点検出することが可能である。さらにＳＴＩ形成時の素子分離酸化膜平坦化の場合について説明しているが、配線層間膜の平坦化等のような他の膜構造、膜種においても同様に終点検出が可能であることはいうまでもない。
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２に係るＣＭＰ装置とそれを用いた研磨方法について、図面を参照しながら説明する。
【００３９】
図５は実施の形態２におけるＣＭＰ装置の構成を示す図である。
図５に示すように本発明のＣＭＰ装置４９は、研磨プラテン５０、研磨パッド５３、第一のレーザー干渉計６０、第二のレーザー干渉計６３以外は、図６に示す従来のＣＭＰ装置２９と同様な構造になっている。第一のレーザー干渉計６０及び、第二のレーザー干渉計６３は、研磨プラテン５０内に設置されている。研磨プラテン５０及び研磨パッド５３には、第一のホール５９及び第二のホール６２が形成されている。研磨ヘッド５２は中心軸５７を軸として回転し、平行移動アーム５８によって研磨パッド５３上を平行移動するが、その平行移動的な動きに関係なく、研磨プラテン５０が回転している時間の一部期間、研磨ヘッド５２によって保持されているウエハ５１の表面が見えるように、第一のホール５９及び第二のホール６２の位置が与えられる。
【００４０】
研磨中は、第一のレーザー干渉計６０及び、第二のレーザー干渉計６３は研磨プラテン５０内部に内蔵固定されているので、それぞれ研磨プラテン５０とともに研磨プラテンの中心軸５６を中心に回転し、第一のホール５９及び、第二のホール６２がウエハ５１を通るときに同期してレーザービーム６１をウエハ５１の表面に形成された研磨膜に照射させる。その際、第一のレーザー干渉計６０では、波長λ１（例えば６７０ｎｍ）のレーザーを発生させ、第二のレーザー干渉計６３では、波長λ２（例えば１１５０ｎｍ）のレーザーを発生させる。第一のレーザー干渉計６０で検出される検出信号は被研磨膜の膜厚がλ１／２ｎの整数倍のときに最大値をとり、（Ｎ＋１／２）倍のときに最小値をとるのに対して、第二のレーザー干渉計６３では、被研磨膜の膜厚がλ２／２ｎの整数倍のときに最大値をとり、（Ｎ＋１／２）倍のときに最小値を取る。すなわち、第一のレーザー干渉計６０と第二のレーザー干渉計６３で検出信号が最大あるいは最小ピークとなる被研磨膜の膜厚が異なるために、研磨量が少なく、いずれかのレーザー干渉計では検出信号がピークとなる前に所望の研磨量の研磨が終了するような場合でも、残りのレーザー干渉計で研磨の終了を意味するピークを検出することができる。この例では、被研磨膜（例えばシリコン窒化膜）の初期膜厚が１４０ｎｍであり、研磨後狙い膜厚が８０ｎｍである場合には、第一のレーザー干渉計６０で、ピークの検出が可能であるが、初期膜厚が１５０ｎｍである被研磨膜に対して、研磨後膜厚を１００ｎｍにしたい場合には、第一のレーザー干渉計６０では検出信号のピークが検出できない。このような場合でも、第二のレーザー干渉計６３を用いることで、ピークの検出が可能となる。このようにして被研磨膜の研磨量が小さい場合であっても研磨終点の検出が出来る。言うまでもなく第二のレーザー干渉計６３しか有しない場合には、初期膜厚が１４０ｎｍの被研磨膜に対して、研磨後狙い膜厚８０ｎｍとして研磨を行ないたい場合に、検出信号のピークを検出できないのは明らかである。
【００４１】
この研磨装置においては、インライン膜厚測定器と被研磨膜の屈折率ｎ及び研磨後狙い膜厚をデーターベースとして記憶部に持ち、被研磨膜の初期膜厚と屈折率ｎをインライン膜厚測定器により測定し、データーベース上の研磨後狙い膜厚の差をとり、研磨量を算出して、終点検出器で検出される干渉光の検出信号のピークが研磨中に現れるように構成して終点検出している。例えば、異なる波長を有するレーザー干渉計６０または６３のどちらかを終点検出用の干渉計として選択することにより終点検出システムを構築している。
【００４２】
このように、あらかじめ設けられた、異なる波長のレーザーを発生する複数のレーザー干渉計のうち、研磨量に応じて干渉波形がピークを迎えるレーザー干渉計を選択することにより、選択されたレーザー干渉計がピークとなる厚さを研磨の終点として検出できる。なお、本実施の形態２では、レーザー干渉計が同一研磨プラテンに２個搭載されている場合について説明したが、波長のそれぞれ異なるレーザー干渉計が２個以上であってもよい。３個以上ある場合はより正確にまたより小さい研磨量の終点検出可能となる。また、レーザーのウエハに対する入射角、及び反射光の検出角が固定であるレーザー干渉計について説明したが、レーザービームの入射角及び反射角が可変である終点検出器を組み合わせて使用してもよい。
【００４３】
以上述べた発明においては、標準６７０ｎｍの波長のレーザーを用いているが、もっと波長の短いレーザービームを用いてＣＭＰ研磨中の研磨膜の膜厚をモニタすることでも、干渉光の最大最小強度変化の周期が膜厚変化に対して短くなるから研磨量が少ない場合の終点検出は可能になる。さらに、分光エリプソメトリ等の方法で波長を可変にして膜厚を測定し、狙い膜厚の終点を検出して研磨を終了させることも可能である。ただし、膜厚算出（例えば分光エリプソメトリの場合には、反射率強度比Ψと位相差Δの測定値と計算値のフィッティング）に時間を要するため、膜厚測定から研磨を止めるまでの間の遅延時間が波長固定の場合に比べて長くなると考えられる。そのため、この遅延時間を考慮して研磨を止めるようなアルゴリズムを構築する必要があると考えられる。
【００４４】
また、本発明では、研磨プラテンが自身の中心軸の回りに回転する研磨装置について説明しているが、ベルト式の研磨プラテンを有する研磨装置においても同様に終点検出することが可能である。
【００４５】
また、上記説明では、ＣＭＰを用いて研磨を行った場合について説明しているが、その他の手法で研磨を行なう場合に用いてもかまわない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の研磨装置及び研磨終点検出方法ならびに半導体装置の製造方法は、膜の研磨量が小さい場合であっても研磨プロセス時に所望の膜厚で終点検出できることができ、半導体装置の製造において、化学的機械研磨等を用いた研磨装置及び研磨終点検出方法ならびに半導体装置の製造方法等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施の形態１におけるＣＭＰ装置の構成を示す図
【図２】実施の形態１におけるＣＭＰ装置に搭載されたレーザー干渉計の構成を説明する図
【図３】実施の形態１における基板上に堆積された膜によるレーザービーム干渉を説明する図
【図４】実施の形態１における起動機構を説明する図
【図５】実施の形態２におけるＣＭＰ装置の構成を示す図
【図６】従来のＣＭＰ装置の構成図
【図７】従来のＣＭＰ装置に搭載されたレーザー干渉計の構成を説明する図
【図８】基板上に堆積された膜によるレーザービーム干渉を説明する図
【図９】従来の研磨装置における研磨時間と干渉光強度変化の関係をグラフ化した図
【図１０】従来の溝型素子分離を有する半導体基板を例示する断面図
【符号の説明】
【００４８】
１    ＣＭＰ装置
２    研磨プラテン
３    ウエハ
４    研磨ヘッド
５    研磨パッド
６    裏張り層
７    カバー層
８    中心軸
９    中心軸
１０    平行移動アーム
１１    ホール
１２    レーザー干渉計
１３    コリメーター
１４    検出器
１５    リニアガイド
１６    レーザービーム
１７    回転軸
１８    回転軸
１９    クオーツインサート
２０    研磨スラリー
２１    素子分離絶縁膜
２２    シリコン窒化膜
２３    基板
２４    第１の反射ビーム
２５    伝送ビーム
２６    第２の反射ビーム
２７    結合ビーム
２８    移動機構
２９    ＣＭＰ装置
３０    研磨プラテン
３１    ウエハ
３２    研磨ヘッド
３３    研磨パッド
３４    裏張り層
３５    カバー層
３６    回転中心軸
３７    回転中心軸
３８    平行移動アーム
３９    ホール
４０    レーザー干渉計
４１    レーザービーム
４２    コリメーター
４３    ビームスプリッタ
４４    結合ビーム
４５    検出器
４６    第１の反射ビーム
４７    伝送ビーム
４８    第２の反射ビーム
４９    ＣＭＰ装置
５０    研磨プラテン
５１    ウエハ
５２    研磨ヘッド
５３    研磨パッド
５６    中心軸
５７    回転中心軸
５８    平行移動アーム
５９    第１のホール
６０    第１のレーザー干渉計
６１    レーザービーム
６２    第２のホール
６３    第２のレーザー干渉計
【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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