(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研磨材料に於ける被研磨面と同一材質の平坦表面をもつ試用被研磨材料を研磨して研磨速度を測定し且つその測定値Ｖを研磨制御装置に入力する工程と、
表面に凸部をもった被研磨材料に第一の研磨を施して研磨ヘッドの振動強度の時間微分値が零になった時点で第一の研磨を停止し残り段差が最も大きい部分の残り段差を測定し且つその測定値ＤR2を前記研磨制御装置に入力する工程と、
前記研磨速度の測定値Ｖと前記残り段差の測定値ＤR2とから第二の研磨を施す為の追加研磨時間Ｔ＝ＤR2／Ｖを算出する工程と、
表面に凸部をもった実用被研磨材料について研磨ヘッドの振動強度の時間微分値が零になるまで第一の研磨を施すと共に引き続いてＴ＝ＤR2／Ｖで定められる追加研磨時間分の第二の研磨を施す工程
が含まれてなることを特徴とする研磨方法。
【請求項２】
第一の研磨が完了した後に広い面積の凸部に挟まれた狭い凹部の深さを測定して残り段差の測定値を得ること
を特徴とする請求項１記載の研磨方法。
【請求項３】
被研磨材料の研磨を行う前に研磨布のドレッシングを行う工程
が含まれてなることを特徴とする請求項１或いは２記載の研磨方法。
【請求項４】
予め定めた数の実用被研磨材料の研磨を行なう前に定期的に実用被研磨材料に於ける被研磨面と同一材質の平坦表面をもつ試用被研磨材料を研磨し研磨速度を測定して研磨速度測定値Ｖを更新する工程
が含まれてなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１記載の研磨方法。
【請求項５】
硬い研磨布で第一の研磨を行なってから柔らかい研磨布で第二の研磨を行なう工程
が含まれてなることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１記載の研磨方法。
【請求項６】
被研磨材料に於ける被研磨面と同一材質の平坦表面をもつ試用被研磨材料を研磨して得られる研磨速度の測定値Ｖを取り込む機能と、
表面に凸部をもった被研磨材料に第一の研磨を施して研磨ヘッドの振動強度の時間微分値が零になった時点で第一の研磨を停止し残り段差が最も大きい部分の残り段差を測定して得られる測定値ＤR2を取り込む機能と、
前記研磨速度の測定値Ｖと前記残り段差の測定値ＤR2とから第二の研磨を施す為の追加研磨時間Ｔ＝ＤR2／Ｖを算出する機能と、
表面に凸部をもった実用被研磨材料について研磨ヘッドの振動強度の時間微分値が零になるまで第一の研磨を施す制御を行なうと共に引き続いてＴ＝ＤR2／Ｖで表される追加研磨時間分の第二の研磨を施す制御を行なう機能と
を備えてなることを特徴とする研磨制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体装置を作り込むウエハの表面を平坦に研磨する場合、ウエハごとの研磨ばらつきを抑え、又、工程を自動化するのに好適な研磨方法及び研磨時間制御装置に関する。
【０００２】
現在、メモリなどの半導体装置は、年々、高集積化されつつあり、従って、配線の多層化が進み、これを可能にする為、化学機械研磨（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）技術を利用する層間絶縁膜平坦化が行なわれている。
【０００３】
このＣＭＰ技術を実施する場合、作業時間の短縮適正化、及び、コスト低減などの面から、研磨の終点検出及び工程の自動化が重要であるとされ、従って、それについて的確な手段の開発が必要であり、本発明に依れば、そのような要求に応える一手段を提供することができる。
【０００４】
【従来の技術】
一般に、凸部が在る被研磨体、例えばウエハを平坦に研磨する場合、ウエハと研磨布との間で発生する振動を測定して、研磨の終点を検出する方法が知られている。
【０００５】
図５は従来の技術に於ける原理について解説する為のウエハ要部の断面と対応する振動波形を表す説明図である。
【０００６】
図に於いて、（Ａ）はウエハに於ける凸部が大きい状態、（Ｂ）はウエハに於ける凸部が研磨されて小さくなった状態、（Ｃ）はウエハが平坦になった状態をそれぞれ表し、また、４はウエハ、４Ａは凸部を示している。尚、図中、白抜きの四角形は配線を表している。
【０００７】
図から明らかなように、ウエハ４に於ける凸部４Ａが研磨除去されるにつれて振動強度が減衰し、表面が平坦になると振動強度は一定値となる。
【０００８】
即ち、特定の周波数の振動強度の時間変化（微分値）を観測して、これが零になった時点を研磨の終点とするものである。
【０００９】
図６は図５について説明した原理に基づく研磨装置を表す要部切断側面図である（要すれば、「特開平６−３４２７７８号公報」、又は、「特願平８−８１７４９号」、などを参照）。
【００１０】
図に於いて、１は回転軸、２は研磨体、３は研磨布、４はウエハ、５は吸着パッド、６はガイド、７は研磨ヘッド（セラミック・プレート）、８は加速度センサ（圧電素子）、９はゴム部材、１０は保持具、１１は重錘、１２は周波数分析装置をそれぞれ示している。
【００１１】
図から判るように、図示の研磨装置では、ウエハ４を保持する研磨ヘッド７に加速度センサ８を取り付け、研磨ヘッド７の振動を測定し、平坦化研磨の終点を検出するようになっている。
【００１２】
具体的には、特定の周波数の振動強度の時間変化（微分値）を観測して、これが零になった時点を研磨の終点とし、研磨停止信号を研磨装置の駆動制御部に送出して停止する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図７は凸部の形状を説明する為のウエハを表す要部切断側面図であり、（Ａ）は研磨前の要部切断側面、（Ｂ）は研磨後の要部切断側面を示し、図５に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００１４】
前記従来の研磨方法及び装置に於いては、図７（Ａ）に見られるように、被研磨体の表面全体、即ち、ウエハ４の表面全体で凸部４Ａの断面形状が同じであるような場合、前記と全く同じようにして終点の検出及び研磨の停止を行なえば、図７（Ｂ）に見られるような平坦化が可能である。
【００１５】
然しながら、現実には、凸部４Ａの断面形状が全て同じになることは殆ど有り得ず、生成される場所に依って、断面形状を異にするのが普通である。
【００１６】
図８は凸部の形状を説明する為のウエハを表す要部切断側面図であり、（Ａ）は研磨前の要部切断側面、（Ｂ）は研磨後の要部切断側面を示し、図５並びに図７に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００１７】
図８（Ａ）に於いて、記号４Ａ或いは４Ｂで指示してあるように凸部の断面形状が場所に依って異なっているウエハ４にあっては、前記従来の技術を適用して検出した終点で研磨を停止した場合、広い面積の凸部４Ｂに挟まれた狭い凹部である深い谷部４Ｃは、図８（Ｂ）に見られるように、平坦にならずに残ってしまう。
【００１８】
従って、前記の場合、完全に滑らかな表面に得る為には、終点を検出した後、更に追加の研磨をすることが必要なのであるが、この追加の研磨を行なう時間を適切に制御することは困難である為、未だ解決されていない状態である。
【００１９】
本発明は、研磨ヘッドの振動を測定して研磨の終点を検出する技術を改善し、平坦化研磨に於ける理想的な終点を検出して研磨を停止できるようにする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理を解説する為の半導体装置を表す要部切断側面図であり、図の左下隅に見られるスケールから明らかなように、図は、横方向に対して、縦方向を１０００倍に拡大して表してある。
【００２１】
図に於いて、２１はシリコン半導体基板、２２Ａ及び２２Ｂはテトラエチル・オキシシリケート（Ｓｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）4 ：ＴＥＯＳ）で形成した絶縁膜、２３はアルミニウム（Ａｌ）からなる配線、２４Ａ・・・・２４Ｅは凸部、２５Ａは谷部、ＢＥは研磨前の面、ＡＥ1 は研磨後の面、ＡＥ2 は追加研磨後の面、Ｄ0 は初期段差、Ｄ1 は広いえぐれ段差、ＤR1及びＤR2は残り段差、Ｓ１乃至Ｓ４は厚さをそれぞれ示している。尚、配線２３に於ける実線の１本々が例えば図５に於ける白抜きの四角形に対応する。
【００２２】
図示の半導体装置に於いては、シリコン半導体基板２１上に厚さＳ１＝０．６〔μｍ〕のＴＥＯＳ絶縁膜２２Ａを形成し、その上に厚さＳ２＝０．８〔μｍ〕のアルミニウム配線２３を形成し、全面を厚さ２〔μｍ〕、即ち、Ｓ２＋Ｓ３のＴＥＯＳ絶縁膜２２Ｂで覆ったものである。
【００２３】
このようにすると、アルミニウム配線２３が存在する領域には、絶縁膜２２Ｂからなる凸部２４Ａ・・・・２４Ｅが生成されて面ＢＥとして表されている状態になり、従って、それ等凸部２４Ａ・・・・２４Ｅに起因する初期段差Ｄ0 は、アルミニウム配線２３の厚さと略同じく０．８〔μｍ〕である。
【００２４】
このような状態に在る面ＢＥを平坦化する研磨を行なって、振動測定に依る終点で研磨を停止すると、研磨前に０．８〔μｍ〕であった初期段差Ｄ0 は、ウエハ面内の殆どの部分で残り段差ＤR1が０．０５〔μｍ〕以下となるように平坦化される。尚、この場合、広いえぐれ段差Ｄ1 は０．２〔μｍ〕程度である。
【００２５】
然しながら、広い面積の凸部２４Ａ及び２４Ｂに挟まれた狭い凹部である谷部２５Ａでは、研磨布が入り込まない為、０．２〔μｍ〕以上の残り段差ＤR2を生じてしまい、このままで次の工程に進んだ場合、露光時のピントずれ、或いは、上層配線の断線や短絡などの問題を生起することになるので、追加研磨を行なって谷部２５Ａを除去しなければならず、従って、その追加研磨時間を設定する必要がある。
【００２６】
ところが、終点検出時に於ける谷部２５Ａの残り段差ＤR2は凹凸の側面パターンに依って異なり、また、研磨速度も凹凸の側面パターンに依って異なることが判っているので、追加研磨時間は凹凸の側面パターン毎に変えなければならず、しかも、研磨速度は研磨する度に僅かずつ変化する為、その点も含めて考慮することが必要である。
【００２７】
さて、振動測定に依った場合の平坦化研磨の終点とは、前記したように、振動強度が時間的に一定になった場合であり（要すれば、「特願平７−１０２５７４号」、を参照）、これは、研磨速度が平坦面を研磨する場合と同一になったことを意味する。
【００２８】
従って、終点を検出した以降は、凸部と同一材料の平坦面に於ける研磨速度から追加研磨時間を決めれば良いことになり、そして、研磨する膜厚は、谷部２５Ａに於ける残り段差ＤR2に対応している。
【００２９】
終点検出時に於ける谷部２５Ａの残り段差ＤR2は、凹凸の側面パターンに依って一義的に決まるので、終点検出時の谷部２５Ａの深さ、即ち、残り段差ＤR2と平坦面の研磨速度Ｖとを予め測定しておき、追加研磨時間Ｔを
Ｔ＝ＤR2／Ｖ
として追加研磨すれば、図１に追加研磨後の面ＡＥ2 として表されているような過不足がない理想的な平坦化表面が得られる。
【００３０】
追加研磨を行なった場合、図１に矢印Ｃで示した領域のような広いえぐれ部分では、段差Ｄ1 が更に深くなってしまうが、矢印Ａで示した位置と矢印Ｃで示した位置での高低差、即ち、グローバル段差は、例えばポリウレタンからなる研磨布の硬軟を選択するなどの研磨条件で低減することができる。
【００３１】
前記したところから、本発明に依る研磨方法及び研磨制御装置では、先ず、方法の発明に於いて、
（１）
被研磨材料（例えばシリコン半導体基板２１上の絶縁膜２２Ｂ：図１参照）に於ける被研磨面と同一材質の平坦表面をもつ試用被研磨材料（例えば図２に於ける平坦表面の研磨を参照）を研磨して研磨速度を測定し且つその測定値Ｖを研磨制御装置に入力する工程と、表面に凸部（例えば凸部２４Ａ・・・・２４Ｅ：図１参照）をもった被研磨材料（例えば図２に於ける１枚目のウェハを参照）に第一の研磨を施して研磨ヘッド（例えば研磨ヘッド７：図６参照）の振動強度の時間微分値が零になった時点で第一の研磨を停止し残り段差が最も大きい部分（例えば広い面積の凸部２４Ａ及び２４Ｂで挟まれた狭い凹部である谷部２５Ａ：図１参照）の残り段差（例えば残り段差ＤR2：図１参照）を測定し且つその測定値ＤR2を前記研磨制御装置に入力する工程と、前記研磨速度の測定値Ｖと前記残り段差の測定値ＤR2とから第二の研磨（例えば図２の追加研磨を参照）を施す為の追加研磨時間Ｔ＝ＤR2／Ｖを算出する工程と、表面に凸部をもった実用被研磨材料（例えば二枚目以降の各ウェハ：図２参照）について研磨ヘッドの振動強度の時間微分値が零になるまで第一の研磨を施すと共に引き続いてＴ＝ＤR2／Ｖで定められる追加研磨時間分の第二の研磨を施す工程が含まれてなることを特徴とするか、又は、
（２）
前記（１）に於いて、第一の研磨が完了した後に広い面積の凸部に挟まれた狭い凹部の深さを測定して残り段差の測定値を得ることを特徴とするか、又は、
（３）
前記（１）或いは（２）に於いて、被研磨材料の研磨を行う前に研磨布のドレッシングを行う工程が含まれてなることを特徴とするか、又は、
（４）
前記（１）乃至（３）の何れか１に於いて、予め定めた数の実用被研磨材料の研磨を行なう前に定期的に実用被研磨材料に於ける被研磨面と同一材質の平坦表面をもつ試用被研磨材料を研磨し研磨速度を測定して研磨速度測定値Ｖを更新する工程が含まれてなることを特徴とするか、又は、
（５）
前記（１）乃至（４）の何れか１に於いて、硬い研磨布で第一の研磨を行なってから柔らかい研磨布で第二の研磨を行なう工程が含まれてなることを特徴とする。次に、物の発明に於いて、
（６）
被研磨材料に於ける被研磨面と同一材質の平坦表面をもつ試用被研磨材料を研磨して得られる研磨速度の測定値Ｖを取り込む機能と、表面に凸部をもった被研磨材料に第一の研磨を施して研磨ヘッドの振動強度の時間微分値が零になった時点で第一の研磨を停止し残り段差が最も大きい部分の残り段差を測定して得られる測定値ＤR2を取り込む機能と、前記研磨速度の測定値Ｖと前記残り段差の測定値ＤR2とから第二の研磨を施す為の追加研磨時間Ｔ＝ＤR2／Ｖを算出する機能と、表面に凸部をもった実用被研磨材料について研磨ヘッドの振動強度の時間微分値が零になるまで第一の研磨を施す制御を行なうと共に引き続いてＴ＝ＤR2／Ｖで表される追加研磨時間分の第二の研磨を施す制御を行なう機能とを備えてなることを特徴とする。
【００３７】
前記手段を採ることに依り、振動測定に依る終点検出の特質を活かし、的確な追加研磨時間の設定を行なうことができるので、平坦化研磨に於ける眞の終点を容易に知ることができるので、過剰な追加研磨、或いは、研磨工程の無駄が無くなり、自動化も容易であって、所要時間の短縮やコストの低減が可能である。
【００３８】
【発明の実施の形態】
図２は本発明に於ける実施の態様を説明する為のアルゴリズム（研磨のシーケンス）を表す説明図である。
【００３９】
段差のパターン、即ち、図１に於ける凸部２４Ａ及び２４Ｂ、谷部２５Ａなどが変わるごとに、図２に見られる手順で研磨を行なう。
【００４０】
（１）
研磨装置に試用ウエハをセットし、先ず、研磨布のドレッシングを行なってから、試用ウエハの平坦表面を任意時間研磨して研磨速度Ｖを決定し、研磨制御装置に入力する。尚、研磨布のドレッシングは、研磨を開始する前に必ず実施することであるから、以下の説明では、省略する。
【００４１】
（２）
一枚目のウエハについて、研磨を行ない、振動測定の終点で研磨停止する。この研磨停止に至るまでの研磨時間については、ウエハ毎に凹凸の生成状態が異なることに起因し、若干の相違がある。
【００４２】
（３）
段差計を用い、最も深い段差が残っている谷部２５Ａの測定を行ない、残り段差ＤR2の値、即ち、追加研磨膜厚を決定する。
【００４３】
（４）
研磨制御装置に追加研磨すべき膜厚（残り段差ＤR2）の値を入力する。
【００４４】
（５）
研磨制御装置に於いては、さきに入力されている平坦表面研磨時の研磨速度Ｖと前記入力された残り段差ＤR2とから、追加研磨時間Ｔを算出する。
【００４５】
（６）
二枚目以降のウエハについて、実用ウエハとして研磨を行なう。この場合、振動測定の終点から、連続して、前記算出された追加研磨時間Ｔだけ追加研磨を行なう。
【００４６】
（７）
所定枚数のウエハ、図ではｎ枚目のウエハについて研磨が終わった段階で、再び、試用ウエハの平坦表面を任意時間研磨して研磨速度Ｖを求めて追加研磨時間を算出し、その新たに設定された追加研磨時間を適用してｎ＋１枚目以降の研磨を行なう。尚、研磨速度Ｖの測定は定期的に実施し、追加研磨時間を更新する。
【００４７】
図３は図２について説明したアルゴリズムに従って研磨を行なった結果を表す線図であり、横軸には種々な状態に在る試料を、また、縦軸には谷部に於ける段差をそれぞれ採ってある。
【００４８】
図には、研磨前の試料ａに於ける段差、振動測定に依る終点で研磨を停止した試料ｂに於ける段差、振動測定に依る終点で研磨を停止してから引き続いて本発明に依る追加研磨を施した試料ｃに於ける段差をそれぞれ示している。
【００４９】
図から判るように、研磨前の試料ａに於ける段差は０．８〔μｍ〕であり、その試料ａに従来の技術を適用して研磨した場合、試料ｂに見られるように段差は０．２〔μｍ〕となり、その後、引き続いて本発明の追加研磨を行なった場合、試料ｃに見られるように段差は０．０１〔μｍ〕以下となって、谷部の段差は０に等しく、この本発明に依る追加研磨は、研磨不足になったり、また、研磨過剰になることもない。
【００５０】
ところで、前記実施の形態では、振動測定に依る終点で研磨を停止してから、谷部の残り段差ＤR2（図１参照）を段差計に依って測定しているのであるが、これは、研磨前に於ける広い面積の凸部の幅、及び、同じく凸部に挟まれた狭い凹部である谷部の幅を基にして経験的に求めることができる。
【００５１】
図４は谷部の残り段差を研磨前の凸部の幅と谷部の幅から経験的に求める手段を解説する為の説明図である。
【００５２】
図に於いて、（Ａ）はモデルとなるパターン形状、（Ｂ）は谷部の残り段差、Ｗ1 は凸部の幅、Ｗ2 は谷部の幅をそれぞれ示している。
【００５３】
図４を用いて谷部の残り段差ＤR2を求めるには、まず、凸部の幅Ｗ1 及び谷部の幅Ｗ2 を測定し、Ｗ1 ／Ｗ2 を求め、研磨布の条件、研磨圧力を考慮し、それ等を図４（Ｂ）に当て嵌めて、振動測定に依る終点で研磨を停止した際の残り段差を読み取れば良い。尚、残り段差は、研磨前の初期段差Ｄ0 （図１参照）には依存しない。
【００５４】
本発明に於いて、平坦表面を研磨して研磨速度を測定する時期は、研磨速度が時々刻々変化することから、研磨枚数が２０枚乃至１００枚の範囲内で適宜選択すると良い。
【００５５】
また、特別な研磨剤、例えば二酸化マンガンを含む研磨剤を用いた場合、ドレスフリーの研磨条件では、研磨速度が殆ど変化しないので、平坦表面の研磨速度を測定する時期を延ばすことができ、例えば１００枚を越えて３００枚程度の研磨を行なった後でも充分である。
【００５６】
更にまた、振動測定に依る終点に至るまで研磨する第一の研磨は、硬い研磨布を用いて急速に行ない、そして、追加研磨は、柔らかい研磨布を用いて行なうなどは任意である。
【００５７】
【発明の効果】
本発明に依る研磨方法及び研磨制御装置に於いては、被研磨材料と同一材質の平坦表面をもつ試用被研磨材料を研磨して得た研磨速度Ｖを研磨制御装置に入力し、表面に凸部をもった被研磨材料に第一の研磨を施して研磨ヘッドの振動強度の時間微分値が零になった時点で第一の研磨を停止し最も深い残り段差ＤR2を得て研磨制御装置に入力し、研磨速度Ｖと残り段差ＤR2とから第二の研磨を施す為の追加研磨時間Ｔ＝ＤR2／Ｖを算出し、表面に凸部をもった実用被研磨材料について研磨ヘッドの振動強度の時間微分値が零になるまで第一の研磨を施すと共に引き続いてＴ＝ＤR2／Ｖで定められる追加研磨時間分の第二の研磨を施すようにしている。
【００５８】
前記構成を採ることに依り、振動測定に依る終点検出の特質を活かし、的確な追加研磨時間の設定を行なうことができるので、平坦化研磨に於ける眞の終点を容易に知ることができるので、過剰な追加研磨、或いは、研磨工程の無駄が無くなり、自動化も容易であって、所要時間の短縮やコストの低減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を解説する為の半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図２】本発明に於ける実施の態様を説明する為のアルゴリズム（研磨のシーケンス）を表す説明図である。
【図３】図２について説明したアルゴリズムに従って研磨を行なった結果を表す線図である。
【図４】谷部の残り段差を研磨前の凸部の幅と谷部の幅から経験的に求める手段を解説する為の説明図である。
【図５】従来の技術に於ける原理について解説する為のウエハ要部の断面と対応する振動波形を表す説明図である。
【図６】図５について説明した原理に基づく研磨装置を表す要部切断側面図である。
【図７】凸部の形状を説明する為のウエハを表す要部切断側面図である。
【図８】凸部の形状を説明する為のウエハを表す要部切断側面図である。
【符号の説明】
１  回転軸
２  研磨体
３  研磨布
４  ウエハ
５  吸着パッド
６  ガイド
７  研磨ヘッド（セラミック・プレート）
８  加速度センサ（圧電素子）
９  ゴム部材
１０  保持具
１１  重錘
１２  周波数分析装置
２１  シリコン半導体基板
２２Ａ及び２２Ｂ  ＴＥＯＳで形成した絶縁膜
２３  Ａｌからなる配線
２４Ａ・・・・２４Ｅ  凸部
２５Ａ  谷部
ＢＥ  研磨前の面
ＡＥ1   研磨後の面
ＡＥ2   追加研磨後の面
Ｄ0   初期段差
Ｄ1   広いえぐれ段差
ＤR1及びＤR2  残り段差
Ｓ１乃至Ｓ４  厚さ
【図１】
0003747389.tif 000002
【図２】
0003747389.tif 000003
【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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