(57)【要約】化学機械的研磨中における半導体ウェハ（１００）の終了点を判断する方法を開示する。この方法は研磨される第一の層（１０６）の上に第二の層（１０８）成膜し、第一の層（１０６）の物理的特性が第二の層（１０８）の物理的特性と異なる工程からなる。このため、ウェハ（１００）は化学機械的研磨により研磨される。各層の物理的特性が異なるため、物理的特性の変化が検出され、終了点は検出された変化に基づいて判断される。さらに、化学機械的研磨される半導体ウェハを開示する。
2004515059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハの化学機械的研磨における終了点を判断する方法であって、
研磨される第一の層の上に第二の層を成膜し、該第一の層の物理特性と該第二の層の物理特性が異なる工程と、
第二の層を研磨する工程と、
第一の層に研磨が到達した際に、第二の層の表面の物理的特性の変化を検出する工程と、
検出された変化に基づく終了点を判断する工程からなる方法。
【請求項２】
研磨により第二の層を除去する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
変化の検出とほぼ同時に終了点を判断する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
変化の検出後規定した時間間隔が終了する際に終了点を判断する請求項１に記載の方法。
【請求項５】
研磨中に時間間隔の長さを判断し、変化の検出後規定した時間間隔が終了する際に終了点が判断される請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第二の層を成膜する工程の後、第二の層の上に第三の層を成膜し、該第二の層の物理的特性と該第三の層の物理的特性が異なる追加工程からなる請求項１に記載の方法。
【請求項７】
物理的特性が光学的特性である請求項１に記載の方法。
【請求項８】
物理的特性が摩擦特性である請求項１に記載の方法。
【請求項９】
第一の層と第二の層が同じ研磨速度を有する請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
第一の層と第二の層が異なる研磨速度を有する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
第一の層が酸化物を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
第二の層がポリシリコンを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
第二の層がシリコンニトリドを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
化学機械的研磨に使用する半導体ウェハであって、
基板と、
基板上に形成するデバイスのフィーチャと、
基板を覆う研磨される第一の層と、
第一の層の上に成膜した第二の層で、該第一の層の物理的特性は該第二の層の物理的特性と異なり、化学機械的研磨中の物理的特性の変化により終了点を示すことと、
からなる半導体ウェハ。
【請求項１５】
第二の層の上に第三の層を成膜し、該第二の層の物理的特性と該第三の物理的特性が異なる請求項１４に記載の半導体ウェハ。
【請求項１６】
物理的特性が光学的特性である請求項１４に記載の半導体ウェハ。
【請求項１７】
物理的特性が摩擦特性である請求項１４に記載の半導体ウェハ。
【請求項１８】
第一の層と第二の層が同じ摩擦速度を有する請求項１４に記載の半導体ウェハ。
【請求項１９】
第一の層と第二の層が異なる摩擦速度を有する請求項１４に記載の半導体ウェハ。
【請求項２０】
第一の層が酸化物を含む請求項１４に記載の半導体ウェハ。
【請求項２１】
第二の層がポリシリコンを含む請求項１４に記載の半導体ウェハ。
【請求項２２】
第二の層がシリコンニトリドを含む請求項１４に記載の半導体ウェハ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は半導体ウェハの化学機械的研磨中の終了点を判断する方法に関するものであり、より詳細には、追加層を伴う半導体ウェハに基づき終了点を判断する方法に関するものである。さらに、本発明は化学機械的研磨工程に使用される半導体ウェハに関するものであり、より詳細には、終了点の判断の手がかりになる追加層を備える半導体ウェハに関するものである。
【０００２】
発明の背景
化学機械的な研磨、即ち平坦化（“ＣＭＰ”）工程は、例えばマイクロ電子デバイスの生産において、半導体ウェハ上の平坦な表面の形成に使用される。
図１は従来の研磨装置１０の概略図を示す。研磨装置は研磨盤上に研磨パッド１４を備える。ウェハ１６はウェハキャリア１８により支持される。研磨盤１２はドライブアセンブリ２０により支持される。図１の従来の研磨装置１０の操作中では、ウェハ１６は研磨スラリーが供給される研磨パッド１４上に配置される。ウェハキャリア１８及び／又ドライブアセンブリ２０の回転及び／又併進運動のため、ウェハ１６と研磨パッド１４は相対的に移動する。研磨パッド１４の表面と交わるウェハ１６の表面の動きにより、研磨パッド１４とスラリーはウェハ１６から物質を除去する。
【０００３】
化学機械的研磨により研磨された層の厚さを所定の範囲以内に抑えることは非常に重要である。さらに、ウェハの表面を均一かつ平坦にする必要がある。工程中のウェハの機能的な反応に影響を与えるため、正確な厚さが重要である。例えば、リソグラフィによりウェハ上にパターンを形成するには平坦な表面が必要である。リソグラフィ工程のために光を特定の幅に正確に焦点を合せられる時のみ、適切なパターンが形成される。しかし、平坦な表面でなければ信頼性のある焦点合せは不可能である。
【０００４】
研磨工程において正確に終了点を判断するためのいくつかの方法が提案されている。例えば、ある層を除去する際、ウェハ表面の光学的外観の変更を利用する方法が提案されている。また、摩擦の状態の変化を終了点の指標として利用することも提案されている。しかし、これら全ての方法に関して共通の問題がある。例えば、ウェハ表面の状態の平均値だけしか得られないため、光学的外観によるモニタリングは難しい。例えば、スキャニングオペレーションにより、特に、ウェハの表面上の構造が小型化している場合などでは、このような平均値では対応できない場合がある。層が除去されたとしても、光学的外観がまったく変化しないことも起こり得る。同様の問題が摩擦による終了点の判断でも起こり得る。
【０００５】
別の終了点の判断法が米国特許第６０５７６０２号にて開示されている。この開示では、終了点における必要な厚さの追加層を成膜して、その後研磨される材料とすることを提案している。追加層では研磨速度が非常に低い。そのため追加層に到達すると、研磨は“自動的に”停止する。しかし、この方法の欠点として、例えばトポグラフィーのため、非平坦状の追加層を十分に平坦化ができない場合がある。これはリソグラフィ法をウェハに実施する際、上記の問題を引き起こしてしまう。
【０００６】
上記したように、従来のＣＭＰ工程中の終了点の判断法は除去される材料から研磨により露出される材料への移行を検出する。従って、従来の方法は、例えば、層間絶縁（ＩＬＤ）酸化研磨など、物質の移行がない場合においては適用できない。本発明の目的は上記の問題を解決し、信頼性の高い終了点の判断を可能にし、精密な研磨を可能にする方法と半導体ウェハとを提供することにある。
【０００７】
好ましい実施例の詳細な説明
本発明に基づき、半導体ウェハ１００，２００の化学機械的研磨中の終了点を判断する方法は、研磨される第一の層（例、層１０６，２０６）上に第二の層（例、層１０８，２０８）を成膜し、該第一の層の物理的特性と該第二の層の物理的特性は異なる工程と、化学機械的研磨によりウェハの第二の層を研磨する工程と、化学機械的研磨中の物理的特性の変化（例えば、研磨が第一の層に到達した時）を検出する工程と、検出した変化に基づき終了点を判断する工程からなる。
【０００８】
さらに本発明に基づく化学機械的研磨工程に使用する半導体ウェハを適供する。該半導体ウェハは基板と、基板上に形成されたデバイスのフィーチャと、基板を覆う研磨される第一の層と、第一の層の上に成膜された第二の層とからなり、第一の層の物理的特性は第二の層の物理的特性と異なり、（第二の層と第一の層間を移行する際）化学機械的研磨中に物理特性が変化する。
【０００９】
本発明に基づく正確な終了点の判断法は、終了点の判断に従来の使用された材料の移行がない場合でもまた可能である。“犠牲”層は研磨されるべき層の上に成膜するため、終了点は研磨される層全域のいかなる位置でも選択できる。
【００１０】
図２は本発明に基づく半導体ウェハ１００の横断面部の一部を示す。ウェハ１００は基板１０２と基板１０２の上に配置された複数の層からなる。基盤１０２上の層の例としてデバイスのフィーチャを表す金属層１０４がある。金属層１０４上のパターンはリソグラフィ工程やプラズマエッチプロセシングにより形成されている。絶縁層である酸化層１０６は基板１０２や金属１０４を覆い成膜されている。酸化層１０６は非均一な金属層１０４のために非平坦な表面となる。酸化層の上の最上層１０８が、例えば、ポリシリコンにより構成され提供される。
【００１１】
酸化層１０６内に引かれている点線１１０は研磨工程後の酸化層の望ましい残存厚を示している。
酸化膜１０６、望ましくは高密度プラズマによる酸化物（ＨＤＰＯ）、の成膜後、酸化膜の表面は図２に示すような表面形態を有する。
【００１２】
酸化物を平坦化するためには、（層１０８を使用しない場合）通常、酸化層１０６を比較的厚く形成し、次に化学機械的研磨工程により除去することで可能となる。従って、酸化層の厚さに対応するために、研磨工程は非平坦構造を除去する十分な時間が必要である。しかし、このような方法を使用すると、特に金属層１０４を覆う残存酸化厚が必要なため、研磨のための正確な終了点を見つけることは不可能である。
【００１３】
従って、本発明は比較的薄い酸化膜を成膜することを提案する。このような比較的薄い酸化層１０６上に、最上層１０８を成膜する。最上層１０８は酸化層１０６とは異なる物理特性を備える。そのため最上層１０８を化学機械的研磨中に酸化層１０６への移行が検出可能である。
【００１４】
仮に残存厚１１０が酸化層１０６の表面の直下にある場合、物理的特性の変化、例えば、反射性など光学的特性や摩擦特性などを検出した直後に、研磨工程は停止する。
【００１５】
望ましい残存厚１１０が比較的大量にある酸化層１０６の表面の下にある場合、物理的特性の変化が検出された後、一定の時間間隔がすぎると、化学機械的研磨工程が停止される。
【００１６】
従って、研磨装置などの変化を考慮することにより、層１０８を研磨中にこのような時間間隔の長さを判断することがとりわけ効果的である。
この場合では最上層１０８は酸化層１０６と同様の研磨速度を備えることが望ましい。第一に、終了点判断法用の時間間隔が研磨工程内で正確に判断できるためである。第二に、境界領域内で両方の材料の同時研磨が生じる際、異なる研磨速度のため新しい表面形態を発生させ得るからである。
【００１７】
しかし、特別な場合、例えば、仮に研磨速度自体を終了点を判断する基礎の物理特性として使用した場合、酸化層１０６と異なる研磨速度の最上層用の材料を選択することがまた効果的である。
【００１８】
いずれにせよ、研磨後、ウェハに基板１０２と、デバイスのフィーチャ１０４と、残存厚１１０の酸化層１０６が残る。
図３は本発明に基づく追加半導体ウェハ２００の横断面部の一部を示す。図３に示すウェハ２００の下部の層は図２に示すウェハ１００の下部の層と同様である。従って、基板２０２、デバイスのフィーチャ２０４、非平坦表面を持つ酸化層２０６からなる。酸化層２０６上に比較的薄い第二層２０８がある。層２０８の上に他の材料の追加層２１２が成膜される。酸化層２０６の望ましい厚さは、図２と同様に、点線２１０で示されている。
【００１９】
この場合も、酸化層２０６が基板２０２を覆い、金属層２０４上に成膜しているという状態から始め、望ましい厚２１０へ研磨する方法を記述する。第一に、シリコンニトリドなど、特有の物理的特性を伴う層２０８を酸化層２０６上に成膜する。このようなシリコンニトリド層２０８上に追加層２１２を最上層として成膜する。最上層は例えばポリシリコン層や追加酸化層であり得る。ウェハ２００全体に化学機械的研磨が行われる。最上層２１２は層２０８と異なる物理特性を持つ。例えば、酸化物から形成した最上層２１２と、シリコンニトリドから形成した層２０８との組合せの場合は摩擦特性に関して違いが有る。層２０８が研磨され、物理的特性の変化が検出されるまで最上層２１２は除去される。そして、層２０８と望ましい厚２１０との間の距離に応じて、研磨工程は変化が検出されると（例えば、ほとんど同時に）すぐに停止でき、又はある時間間隔（予定された）後にすぐに停止できる。このように時間間隔を上部層の研磨中に判断することは効果的である。その結果、最上層２１２と層２０８は完全に除去され、層２０２，２０４，２０６からなる望ましい厚２１０を伴うウェハが提供される。
【００２０】
従って、表面の品質と層の厚さに関して非常に正確なデバイスの製造を可能にする方法と半導体ウェハを開示した。
この製造工程は信頼性と費用対効果が高い、特に層の全てがそのまま成膜されるため、つまり“犠牲”層の成膜は従来の製造設備で実行することができる。
【００２１】
本発明は特定の構造、デバイス、方法に関して説明している。当業者はこれらの例だけに制限されないこと、添付した請求項に基づき適切に定義されていることを本開示に基づき理解する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術に基づく研磨機を示す部分断面図。
【図２】本発明に基づくウェハを示す部分断面図。
【図３】本発明に基づく追加ウェハを示す部分断面図。
【国際公開パンフレット】
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2004515059.tif 000009
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2004515059.tif 000012
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2004515059.tif 000014
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2004515059.tif 000016
2004515059.tif 000017
2004515059.tif 000018
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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2004515059.tif 000021
2004515059.tif 000022