JP2001162520A

JP2001162520A - 研磨体、平坦化装置、半導体デバイス製造方法、および半導体デバイス

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Publication number: JP2001162520A
Application number: JP34505899A
Authority: JP
Inventors: Akira Ishikawa; 彰石川; Tatsuya Chiga; 達也千賀
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-12-03
Filing date: 1999-12-03
Publication date: 2001-06-19
Anticipated expiration: 2019-12-03
Also published as: JP3374814B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の平坦化装置は、研磨の際、研磨状態を
観察するために研磨体に設置されている窓が研磨対象物
と接触し、研磨対象物に傷を生じさせるだけでなく、研
磨対象物の破損を引き起こす可能性が高いという問題が
あった。本発明は、研磨の際、窓が研磨対象物を傷つけ
ることがない平坦化装置を提供することを目的としてい
る。【解決手段】本発明に係る平坦化装置は、研磨体に形
成された該開口部に設置されている窓を２枚以上の透明
材料が積層されている構造とすることにより、研磨対象
物と接触する透明材料に軟らかい材料を用いことができ
る。これにより、研磨の際、窓が研磨対象物を傷つける
ことがなくなる。

Description

【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ULSI等の半
導体デバイスを製造する方法において、半導体デバイス
の平坦化研磨に用いるのに好適な研磨部材、平坦化装
置、および半導体デバイス製造方法、半導体デバイスに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の高集積化、微細化に伴
って、半導体製造プロセスの工程は、増加し複雑になっ
てきている。これに伴い、半導体デバイスの表面は、必
ずしも平坦ではなくなってきている。半導体デバイスの
表面に於ける段差の存在は、配線の段切れ、局所的な抵
抗の増大等を招き、断線や電気容量の低下をもたらす。
また、絶縁膜では耐電圧劣化やリークの発生にもつなが
る。

【０００３】一方、半導体集積回路の高集積化、微細化
に伴って、光リソグラフィに用いられる半導体露光装置
の光源波長は、短くなり、半導体露光装置の投影レンズ
の開口数、いわゆるNAは、大きくなってきている。これ
により、半導体露光装置の投影レンズの焦点深度は、実
質的に浅くなってきている。焦点深度が浅くなることに
対応するためには、今まで以上に半導体デバイスの表面
の平坦化が要求されている。

【０００４】具体的に示すと、半導体プロセスにおいて
は図８（ａ）、（ｂ）に示すような平坦化技術が必須に
なってきている。シリコンウエハ21上に半導体デバイス
24、ＳｉＯ₂からなる層間絶縁膜22、Ａｌからなる金属
膜23が形成されている。図８（ａ）は半導体デバイスの
表面の層間絶縁膜22を平坦化する例である。図８（ｂ）
は半導体デバイスの表面の金属膜23を研磨し、いわゆる
ダマシン（damascene）を形成する例である。このよう
な半導体デバイス表面を平坦化する方法としては、化学
的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing又はChe
mical Mechanical Planarization、以下ではCMPと称
す）技術が広く行われている。現在、CMP技術はシリコ
ンウエハの全面を平坦化できる唯一の方法である。

【０００５】CMPはシリコンウエハの鏡面研磨法を基に
発展している。図９は、CMPに用いる従来の平坦化装置
の概略構成図である。平坦化装置は研磨部材131、研磨
対象物保持部（以下、研磨ヘッドと称す）132、および
研磨剤供給部134から構成されている。そして、研磨ヘ
ッド132には、研磨対象物であるシリコンウエハ133が取
り付けられ、研磨剤供給部134は、研磨剤（スラリー）1
35を供給する。研磨部材131は、定盤136の上に研磨体13
7を貼り付けたものである。

【０００６】シリコンウエハ133は研磨ヘッド132により
保持され、回転させながら揺動して、研磨部材131の研
磨体137に所定の圧力で押し付けられる。研磨部材131も
回転させ、シリコンウエハ133との間で相対運動を行わ
せる。この状態で、研磨剤135が研磨剤供給部134から研
磨体137上に供給され、研磨剤135は研磨体137上で拡散
し、研磨部材131とシリコンウエハ133の相対運動に伴っ
て研磨体137とシリコンウエハ133の間に入り込み、シリ
コンウエハ133の研磨面を研磨する。即ち、研磨部材131
とシリコンウエハ133の相対運動による機械的研磨と、
研磨剤135の化学的作用が相乗的に作用して良好な研磨
が行われる。

【０００７】シリコンウエハの研磨量と上述した研磨条
件の関係は、（式１）に示されるPreston式と呼ばれる
経験式により与えられる。

【０００８】 R＝k×P×V （式１）ここで、Rはシリコンウエハの研磨量、Pはシリコンウエ
ハを研磨体に押し付ける単位面積当たりの圧力、Vは研
磨部材とシリコンウエハの相対運動による相対線速度、
kは比例定数である。

【０００９】ところで、CMPにおいては、研磨体の温度
分布や、研磨剤の供給状態の場所的な違いにより、研磨
速度にバラツキが生じる。また、研磨体の表面状態の変
化により、処理枚数による研磨速度の低下や、研磨体の
個体差による研磨速度の違い等があるので、所定研磨量
を時間管理で行う終点判定は、困難である。

【００１０】このため、時間管理による終点判定に代わ
り、モータートルク、振動等をその場計測（in-situ計
測）しながら、終点を判定する方法が提案されている。
これらの方法は、研磨の対象となる材料が変化するCMP
（例えば、配線材料のCMP、ストッパー層のあるCMP）で
は、ある程度有効である。しかし、複雑なパターンを有
するシリコンウエハの場合には、研磨対象の材料の変化
が小さいため、終点を判定することが困難な場合があ
る。また、層間絶縁膜のCMPの場合、配線間容量を制御
する必要があるため、研磨終点ではなく、残り膜厚の管
理が要求されている。モータートルク、振動等をその場
計測（in-situ計測）し、終点を判定する方法で膜厚を
測定することは困難である。

【００１１】上記の問題を解決するため、最近では光学
測定、特に分光反射測定によるin-situ終点検出やin-si
tu膜厚計測が有効とされている。in-situ計測の構成
は、図９に示すように、定盤136および研磨体137に測定
用の開口部138を設け、開口部138を介し研磨状態を測定
する装置139により研磨対象物表面を観察する方法が一
般的である。図９には図示されていないが、一般に開口
部を塞ぐために透明な窓が研磨体137等に設置されてい
る。窓を設けることにより、研磨状態を測定する装置13
9からの測定光は、窓を通過するが、研磨剤135が開口部
138から研磨状態を測定する装置139へ漏れることを防ぐ
ことができる。

【００１２】研磨体としては、これまで発泡ポリウレタ
ンからなる、いわゆる研磨パッドが用いられてきた。し
かしながら、発泡ポリウレタンの研磨パッドは、研磨剤
が目詰まりを起こし、研磨特性が不安定になる。このた
め、発泡ポリウレタンの研磨パッドでは、安定した研磨
を行うためにはダイヤモンド砥石により研磨パッド表面
のドレッシングを行うのが一般的である。ドレッシング
は目詰まりした研磨剤を排除すると同時に、発泡ポリウ
レタンの研磨パッド表面を削り落とし、フレッシュな研
磨パッド面を作り出す処理である。そして、最近ではド
レッシング不要の無発泡研磨体も用いられてきている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般的
な透明材料であるガラスやアクリル等を研磨対象物と接
触する研磨体の表面に対して段差のない状態で研磨体の
開口部に窓として配置すると、研磨の際、窓が研磨対象
物であるシリコンウエハと接触し、シリコンウエハに傷
を生じさせるだけでなく、シリコンウエハの破損を引き
起こす可能性が高いという問題がある。さらに、窓とシ
リコンウエハが接触することにより、研磨が不均一にな
りやすいという問題がある。

【００１４】また、シリコンウエハに傷を生じさせない
場合でも、窓が傷つき、窓を通過する研磨状態を測定す
るための光の強度が損失して、研磨終点の検出精度や膜
厚の測定精度が低下し、最悪の場合は研磨終点の検出や
膜厚の測定ができなくなるという問題がある。

【００１５】また、研磨状態を測定するための光の強度
の損失を減らすために、窓のシリコンウエハ側の反対の
表面に反射防止膜を設けることが好ましい。しかし、軟
らかい材料で製造された窓に反射防止膜を形成した場
合、窓の曲げにより反射防止膜にクラックが入ったり、
窓のガラス転移温度が低いため温度変化により窓が伸び
縮みし反射防止膜にクラックが入ったりする。このた
め、窓が軟らかい材料で製造されている場合は、反射防
止膜の形成が困難であるという問題がある。

【００１６】また、シリコンウエハに傷を生じさせない
軟らかい透明材料、例えば、ポリウレタン、ナイロン、
軟質アクリル等を開口部に配置した場合、定盤の回転に
より、シリコンウエハの下に開口部が来たときに窓に加
わる圧力が変動し、設置された窓が変形を起こし光学的
に歪む。その歪みにより窓がレンズ等としての機能を有
するようになるため、研磨終点の検出や膜厚の測定が不
安定になるという問題がある。

【００１７】本発明は上記問題を解決するためになされ
たもので、シリコンウエハを傷つけることがなく、研磨
が不均一にならず、窓が傷つくことがなく、研磨終点の
検出精度や膜厚の測定精度が低下することがなく、およ
び窓の変形による研磨終点の検出の不安定さや膜厚の測
定の不安定さを生じることがない、開口部に窓が設置さ
れている研磨体および平坦化装置を提供することを目的
としている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】即ち上記課題を解決する
ため、本発明に係る研磨体は、定盤上に設置されている
研磨体と研磨対象物の間に研磨剤を介在させた状態で、
前記研磨体と前記研磨対象物の間に荷重を加え、且つ、
相対移動させることにより、前記研磨対象物を研磨する
平坦化装置に用いる研磨体において、開口部と、該開口
部に設置されている窓を有し、該窓は２枚以上の透明材
料が積層されている（請求項１）。

【００１９】前記研磨体によれば、開口部に設置されて
いる窓が２枚以上の透明材料で積層されているため、研
磨対象物側の透明材料の圧縮弾性率（硬さ）とその他の
透明材料の圧縮弾性率（硬さ）を変えることにより、１
枚の窓において研磨対象物側の表面の圧縮弾性率（硬
さ）と研磨対象物側の反対側の表面の圧縮弾性率（硬
さ）を異ならせることができる。これにより、窓の表面
の圧縮弾性率（硬さ）をそれぞれ好適な値にすることが
できる。

【００２０】また、前記窓は２枚の透明材料が積層さ
れ、該透明材料のうちの前記研磨対象物側の透明材料の
圧縮弾性率は、前記研磨対象物側の反対側の透明材料の
圧縮弾性率より小さいことが好ましい（請求項２）。こ
れにより、研磨対象物側の反対側の透明材料が圧縮弾性
率の大きい（硬い）材料になるので窓が変形することが
なくなり、窓の変形による研磨終点の検出の不安定さや
膜厚の測定の不安定さが生じなくなる。

【００２１】また、前記透明材料のうちの前記研磨対象
物側の透明材料の圧縮弾性率eは、2.9×10⁷Pa≦e≦1.47
×10⁹Paであり、且つ、研磨体の圧縮弾性率とほぼ同じ
であることが好ましい（請求項３）。これにより、研磨
対象物側の透明材料の圧縮弾性率が研磨体の圧縮弾性率
とほぼ同じ値を持つようになるため、窓が研磨対象物と
接触する際に研磨対象物を傷つけることは、なくなる。
さらに、研磨の不均一は、生じなくなる。

【００２２】また、前記研磨対象物と接触する研磨体の
表面に対して、前記窓の前記研磨対象物側の表面は、凹
んでいて、該凹み量dは0μm＜d≦400μmであることが好
ましい（請求項４）。これにより、窓と研磨対象物が接
触することがなくなるため、研磨対象物が傷つくことや
窓が傷つくことがなくなる。

【００２３】また、前記研磨対象物と接触する研磨体の
表面に対して、前記窓の前記研磨対象物側の表面は、凹
んでいて、該凹み量dは、0μm＜d≦研磨体の厚さの90％
の長さ、であり、且つ、前記窓の厚さtは、t≧研磨体の
厚さの10％の長さ、であることが好ましい（請求項
５）。これにより、窓と研磨対象物が接触することがな
くなるため、研磨対象物が傷つくことや窓が傷つくこと
がなくなる。さらに、窓の厚さが薄すぎないため、窓が
変形することがなくなり、窓の変形による研磨終点の検
出の不安定さや膜厚の測定の不安定さが生じなくなる。

【００２４】また、前記窓の透過率は、22％以上である
ことが好ましい（請求項６）。これにより、窓を通過す
る研磨状態を測定するための光の強度の減衰が少なくな
るので、研磨終点の検出精度や膜厚の測定精度が低下し
なくなる。

【００２５】前記窓の前記研磨対象物側の反対側の表面
に反射防止膜が形成されていることが好ましい（請求項
７）。これにより、窓を通過する研磨状態を測定するた
めの光の窓の表面での反射量が少なくなり、研磨状態を
測定するための光の強度の減衰が少なくなるので、研磨
終点の検出精度や膜厚の測定精度が低下しなくなる。

【００２６】さらに上記課題を解決するため、本発明に
係る平坦化装置は、定盤上に設置されている研磨体と研
磨対象物の間に研磨剤を介在させた状態で、前記研磨体
と前記研磨対象物の間に荷重を加え、且つ、相対移動さ
せることにより、前記研磨対象物を研磨する平坦化装置
において、前記定盤に形成された開口部と、前記研磨体
に形成された開口部と、前記研磨体に形成された該開口
部の少なくとも一部分を塞ぐように設置されている窓
と、該窓を介して前記研磨対象物の研磨面を光学的に観
察し、研磨状態を測定する装置を有し、前記研磨体に形
成された前記開口部と前記定盤に形成された前記開口部
は、重なっていて、前記窓は２枚以上の透明材料が積層
されている（請求項８）。

【００２７】前記平坦化装置によれば、開口部に設置さ
れている窓が２枚以上の透明材料で積層されているた
め、研磨対象物側の透明材料の圧縮弾性率（硬さ）とそ
の他の透明材料の圧縮弾性率（硬さ）を変えることによ
り、１枚の窓において研磨対象物側の表面の圧縮弾性率
（硬さ）と研磨対象物側の反対側の表面の圧縮弾性率
（硬さ）を異ならせることができる。これにより、窓の
表面の圧縮弾性率（硬さ）をそれぞれ好適な値にするこ
とができる。

【００２８】また、前記窓は２枚の透明材料が積層さ
れ、該透明材料のうちの前記研磨対象物側の透明材料の
圧縮弾性率は、前記研磨状態を測定する装置側の透明材
料の圧縮弾性率より小さいことが好ましい（請求項
９）。これにより、研磨状態を測定する装置側の透明材
料が圧縮弾性率の大きい（硬い）材料になるので窓が変
形することがなくなり、窓の変形による研磨終点の検出
の不安定さや膜厚の測定の不安定さが生じなくなる。

【００２９】前記透明材料のうちの前記研磨対象物側の
透明材料の圧縮弾性率eは、2.9×10 ⁷Pa≦e≦1.47×10⁹P
aであり、且つ、研磨体の圧縮弾性率とほぼ同じである
ことが好ましい（請求項１０）。これにより、研磨対象
物側の透明材料の圧縮弾性率が研磨体の圧縮弾性率とほ
ぼ同じ値を持つようになるため、窓が研磨対象物と接触
する際に研磨対象物を傷つけることがなくなる。さら
に、研磨の不均一は、生じなくなる。

【００３０】前記研磨対象物と接触する研磨体の表面に
対して、前記窓の前記研磨対象物側の表面は、凹んでい
て、該凹み量dは0μm＜d≦400μmであることが好ましい
（請求項１１）。これにより、窓と研磨対象物が接触す
ることがなくなるため、研磨対象物が傷つくことや窓が
傷つくことがなくなる。

【００３１】また、前記研磨対象物と接触する研磨体の
表面に対して、前記窓の前記研磨対象物側の表面は、凹
んでいて、該凹み量dは、0μm＜d≦研磨体の厚さの90％
の長さ、であり、且つ、前記窓の厚さtは、t≧研磨体の
厚さの10％の長さ、であることが好ましい（請求項１
２）。これにより、窓と研磨対象物が接触することがな
くなるため、研磨対象物が傷つくことや窓が傷つくこと
がなくなる。さらに、窓の厚さが薄すぎないため、窓が
変形することがなくなり、窓の変形による研磨終点の検
出の不安定さや膜厚の測定の不安定さが生じなくなる。

【００３２】また、前記研磨状態を測定する装置は、光
を出射し、前記研磨状態を測定する装置から出射した前
記光は、前記窓を通過し、前記窓と前記研磨対象物の間
の前記研磨剤を通過し、前記研磨対象物の研磨面で反射
し、前記窓と前記研磨対象物の間の前記研磨剤を再び通
過し、前記窓を再び通過し、前記研磨状態を測定する装
置へ戻り、前記研磨状態を測定する装置から出射する前
記光の強度に対する前記研磨状態を測定する装置へ戻る
光の強度の比が5％以上であることが好ましい（請求項
１３）。これにより、研磨状態を測定する装置へ戻る光
の強度が研磨状態を測定するのに十分な強度となるた
め、研磨状態を測定する装置による研磨終点の検出精度
や膜厚の測定精度が低下しなくなる。

【００３３】また、前記窓の前記研磨状態を測定する装
置側の表面に反射防止膜が形成されていることが好まし
い（請求項１４）。これにより、窓の表面での反射光量
が減り、研磨状態を測定する装置へ戻る光の強度の低下
が少なくなるため、研磨状態を測定する装置による研磨
終点の検出精度や膜厚の測定精度が低下しなくなる。

【００３４】さらに、本発明に係る半導体デバイス製造
方法は、本発明に係る平坦化装置を用いて半導体ウエハ
の表面を平坦化する工程を有する（請求項１５）。

【００３５】前記半導体デバイス製造方法によれば、半
導体ウエハの表面を平坦化する工程において本発明に係
る平坦化装置を用いているため、半導体ウエハの表面を
平坦化する工程での研磨終点の検出精度または膜厚の測
定精度が低下することがなくなる等により、半導体ウエ
ハの表面を平坦化する工程での歩留まりが向上する。こ
れにより、従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コ
ストで半導体デバイスを製造することができる。

【００３６】さらに、本発明に係る半導体デバイスは、
本発明に係る半導体デバイス製造方法により製造される
（請求項１６）。

【００３７】前記半導体デバイスによれば、本発明に係
る半導体デバイス製造方法により製造されているので、
従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コストで半導
体デバイスを製造することができ、半導体デバイスの製
造原価を低減させることができる。

【００３８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を用いて説明する。

【００３９】図１（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る研磨
体の実施の形態を示す図である。図１（ａ）は上面図で
あり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ｂ部分の断面図で
ある。

【００４０】上部透明材料13および下部透明材料14から
なる２枚の透明材料が積層されている窓が、研磨体（研
磨パッド）11に設けられた開口部12に設置されている。
上部透明材料13は研磨対象物側の透明材料であり、下部
透明材料14は研磨対象物側の反対側の透明材料である。

【００４１】上部透明材料13としては、ポリウレタン、
アクリル、ポリカーボネート、ポリスチレン、塩化ビニ
ル、ポリエチレンテレフタラート、ポリエステル、もし
くはエポキシ等の透明材料が用いられる。

【００４２】下部透明材料14としては、ガラス、アクリ
ル、ポリカーボネート、ポリスチレン、塩化ビニル、ポ
リエチレンテレフタラート、ポリエステル、もしくはエ
ポキシ等の透明材料が用いられる。

【００４３】本発明に係る研磨体の実施の形態では、窓
は２枚の透明材料が積層されているが、積層される透明
材料の枚数は、３枚以上であっても良い。

【００４４】研磨対象物側の透明材料である上部透明材
料13の圧縮弾性率は、研磨対象物側の反対側の透明材料
である下部研磨材料14の圧縮弾性率より小さいことが好
ましい。これにより、窓の下部研磨材料14は、硬いた
め、変形することがなく、窓の変形による研磨終点の検
出の不安定さや膜厚の測定の不安定さが生じなくなると
いう効果がある。

【００４５】さらに、窓の下部研磨材料14が硬いことに
より、下部研磨材料14の表面14aに反射防止膜を形成す
ることができる。反射防止膜が形成されていることによ
り、窓を通過する研磨状態を測定するための光が窓の表
面で反射することが少なくなり、光の強度の減衰が少な
くなるので、研磨終点の検出精度や膜厚の測定精度が低
下しなくなるという効果がある。よって、窓の研磨対象
物側の反対側の表面である下部研磨材料14の表面14aに
反射防止膜が形成されていることが好ましい。

【００４６】研磨対象物側の透明材料である上部透明材
料13の圧縮弾性率は、研磨体の圧縮弾性率と同程度であ
ることが好ましい。一般的な研磨体の圧縮弾性率は、2.
9×10⁷Pa以上、1.47×10⁹Pa以下である。このため、研
磨対象物側の透明材料である上部透明材料13の圧縮弾性
率eは、2.9×10⁷Pa≦e≦1.47×10⁹Paであることが好ま
しい。これにより、窓が研磨対象物と接触する際に研磨
対象物を傷つけることがなくなるという効果がある。

【００４７】また、研磨体11に設けられている開口部12
は、階段状の穴になっているが、開口部12は、１つの貫
通穴でも良い。

【００４８】図２は本発明に係る平坦化装置の実施の形
態を示す概略構成図である。本発明に係る平坦化装置
は、研磨部材31、研磨対象物保持部32（以下、研磨ヘッ
ドと称す）、および研磨剤供給部34から構成されてい
る。そして、研磨ヘッド32には、研磨対象物であるシリ
コンウエハ33が取り付けられ、研磨剤供給部34は、研磨
剤（スラリー）35を供給する。研磨部材31は、開口部38
を有する定盤36の上に前述した本発明に係る研磨体11を
設置したものであり、研磨体11は両面テープもしくは接
着剤により定盤36に貼り付けられている。開口部38を介
し研磨対象物であるシリコンウエハ33の研磨面を光学的
に観察し、研磨状態を測定する装置39も設置されてい
る。図２では研磨体11に設置されている窓を省略してい
る。定盤36に形成されている開口部38と研磨体11に形成
されている開口部（不図示）は、重なっている。このよ
うに、透明な窓を設けることにより、研磨状態を測定す
る装置39から出射する光17およびシリコンウエハ33の研
磨面で反射した光は、窓を通過するが、研磨剤35が開口
部38から漏れることを防ぐことができる。

【００４９】研磨対象物であるシリコンウエハ33は、研
磨ヘッド32により保持され、回転させながら揺動させら
れ、研磨部材31の研磨体11に所定の圧力で押し付けられ
る。研磨部材31も回転させ、シリコンウエハ33との間で
相対運動を行わせる。この状態で、研磨剤35が研磨剤供
給部34から研磨体11上に供給され、研磨剤35は研磨体11
上で拡散し、研磨部材31とシリコンウエハ33の相対運動
に伴って研磨体11とシリコンウエハ33の間に入り込み、
シリコンウエハ33の研磨面を研磨する。即ち、研磨部材
31とシリコンウエハ33の相対運動による機械的研磨と、
研磨剤35の化学的作用が相乗的に作用して良好な研磨が
行われる。

【００５０】研磨対象物であるシリコンウエハ33が接触
する研磨体11の表面に対して、窓の研磨対象物側の表面
が凹んでいることが好ましい。これにより、シリコンウ
エハと窓が接触することがなくなるため、シリコンウエ
ハが傷つくことや窓の表面が傷つくことがなくなる。こ
のように窓の表面が傷つくことがなくなることにより、
研磨状態を測定する装置39から出射する光17の減衰が増
えないため、研磨終点の検出精度および膜厚の測定精度
が低下することがなくなるという効果がある。

【００５１】ただし、前記凹み量が400μmを越える場合
は、凹み部分に溜まる研磨剤の量が多くなり、研磨剤が
散乱体となり研磨状態を測定する装置39から出射する光
17を減衰させるので、終点検出の精度および膜厚検出の
感度が低下してしまう。このため、凹み量dは0μm＜d≦
400μmであることが好ましい。

【００５２】また、窓の厚さが研磨体の厚さの10％未満
になると、窓の厚さが薄くなるため、窓が変形する恐れ
がある。このため、窓の厚さが研磨体の厚さの10％以上
となるように、該凹み量dは、0μm＜d≦研磨体の厚さの
90％の長さ、であり、且つ、前記窓の厚さtは、t≧研磨
体の厚さの10％の長さ、であることが好ましい。これに
より、窓の変形による研磨終点の検出の不安定さや膜厚
の測定の不安定さが生じなくなるという効果がある。

【００５３】また、窓の透過率は22％以上であることが
好ましい。これにより、窓を通過する研磨状態を測定す
るための光の強度の減衰が少なくなるので、研磨終点の
検出精度や膜厚の測定精度が低下しなくなるという効果
がある。

【００５４】さらに、研磨状態を測定する装置39から出
射する光17の強度、および研磨状態を測定する装置39か
ら出射し、窓を通過し、窓とシリコンウエハ33の間の研
磨剤35を通過し、シリコンウエハ33の研磨面で反射し、
窓とシリコンウエハ33の間の研磨剤35を再び通過し、窓
を再び通過し、研磨状態を測定する装置39へ戻る光の強
度の関係は、研磨状態を測定する装置39から出射する光
17の強度に対する前記装置へ戻る光の強度の比が5％以
上であることが好ましい。これにより、研磨状態を測定
する装置へ戻る光の強度が低下しないため、研磨状態を
測定する装置による研磨終点の検出精度や膜厚の測定精
度が低下しなくなるという効果がある。

【００５５】また、本発明の実施の形態では窓が研磨体
の開口部に直接設置されているが、窓は研磨体に直接設
置されていなくても良い。例えば、窓は研磨体の開口部
の一部分を塞ぐように直接もしくは治具を介して定盤に
設置されていても良い。

【００５６】図３は、半導体デバイス製造プロセスを示
すフローチャートである。半導体デバイス製造プロセス
をスタートして、まずステップS200で、次に挙げるステ
ップS201〜S204の中から適切な処理工程を選択する。選
択に従って、ステップS201〜S204のいずれかに進む。

【００５７】ステップS201はシリコンウエハの表面を酸
化させる酸化工程である。ステップS202はCVD等により
シリコンウエハ表面に絶縁膜を形成するCVD工程であ
る。ステップS203はシリコンウエハ上に電極を蒸着等の
工程で形成する電極形成工程である。ステップS204はシ
リコンウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込み工程で
ある。

【００５８】CVD工程もしくは電極形成工程の後で、ス
テップS205に進む。ステップS205はCMP工程である。CMP
工程では本発明に係る平坦化装置により、層間絶縁膜の
平坦化や、半導体デバイスの表面の金属膜の研磨による
ダマシン（damascene）の形成等が行われる。

【００５９】CMP工程もしくは酸化工程の後でステップS
206に進む。ステップS206はフォトリソ工程である。フ
ォトリソ工程では、シリコンウエハへのレジストの塗
布、露光装置を用いた露光によるシリコンウエハへの回
路パターンの焼き付け、露光したシリコンウエハの現像
が行われる。さらに次のステップS207は現像したレジス
ト像以外の部分をエッチングにより削り、その後レジス
ト剥離が行われ、エッチングが済んで不要となったレジ
ストを取り除くエッチング工程である。

【００６０】次にステップS208で必要な全工程が完了し
たかを判断し、完了していなければステップS200に戻
り、先のステップを繰り返して、シリコンウエハ上に回
路パターンが形成される。ステップS208で全工程が完了
したと判断されればエンドとなる。

【００６１】本発明に係る半導体デバイス製造方法で
は、CMP工程において本発明に係る平坦化装置を用いて
いるため、CMP工程での研磨終点の検出精度または膜厚
の測定精度が向上することにより、CMP工程での歩留ま
りが向上する。これにより、従来の半導体デバイス製造
方法に比べて低コストで半導体デバイスを製造すること
ができるという効果がある。

【００６２】なお、上記の半導体デバイス製造プロセス
以外の半導体デバイス製造プロセスのCMP工程に本発明
に係る平坦化装置を用いても良い。

【００６３】本発明に係る半導体デバイスは、本発明に
係る半導体デバイス製造方法により製造される。これに
より、従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コスト
で半導体デバイスを製造することができ、半導体デバイ
スの製造原価を低下することができるという効果があ
る。

【００６４】

【実施例】［実施例1］図４は実施例１の研磨体の断面
図である。反射防止膜が形成されたサイズ20mm×50mm、
厚さ0.5mmのアクリル板14の上に、同サイズで厚さ0.6mm
のポリウレタン13をUV接着剤で固定し、２層窓を作製す
る。この時、窓全体の形状はサイズ20mm×50mm、厚さ1.
15mmである。実施例１ではアクリル板14が下部透明材料
であり、ポリウレタン13が上部透明材料であり、反射防
止膜は、下部透明材料であるアクリル板14の表面14aに
形成されている。

【００６５】Rodel社の研磨体IC1000（符号11a）に20mm
×50mmの開口部、およびサブ研磨体SUBA400（符号11b）
に10mm×40mmの開口部を設け、各開口部の中心が一致す
るように積層し、２層の研磨体11を形成する。研磨体IC
1000の圧縮弾性率は、7.5×10⁷Pa、サブ研磨体SUBA400
の圧縮弾性率は、9.6×10⁶Paであり、アクリルの圧縮弾
性率は、0.29×10¹⁰Paであり、ポリウレタンの圧縮弾性
率は、7.5×10⁷Paである。次いで、先に作製した窓を研
磨体の開口部に厚さ0.1mmの両面テープを用いて貼り付
けることにより設置する。この時の研磨体の表面に対す
る窓の表面の凹み量は、10μm以下である。

【００６６】この後、定盤36に設置されている開口部38
を介して研磨対象物であるシリコンウエハ33の研磨面を
光学的に観察し研磨状態を測定する装置39を有する平坦
化装置（図２）に上記研磨体を取り付ける。厚さ1μmの
熱酸化膜が形成された6インチシリコンウエハの研磨
を、以下の条件で行い、シリコンウエハ上の酸化膜の残
留膜厚をin-situ計測する。

【００６７】研磨ヘッドの回転数：50rpm、研磨定盤の
回転数：50rpm、荷重（研磨対象物が研磨体に押し付け
られる圧力）：2.4×10⁴Pa、揺動：なし、研磨時間：90
秒、使用研磨剤：Cabot社製SS25をイオン交換水で２倍
に希釈、研磨剤流量：200ml／分。

【００６８】この時の平均研磨速度は、430nm/minであ
る。また、窓によるシリコンウエハへの傷や不均一な研
磨は、生じない。図５はin-situで計測したシリコンウ
エハ表面からの反射分光スペクトルのグラフであり、図
５のグラフの曲線のうち曲線（ａ）が実施例１の反射分
光スペクトルである。図５のグラフにおいて、横軸は波
長であり、縦軸は研磨剤の代わりにイオン交換水を介在
させた状態で、アルミが成膜されたシリコンウエハを研
磨体の窓の部分の上に配置した時の、研磨状態を測定す
る装置39へ戻る光の反射分光スペクトルを基準反射分光
スペクトルとし、その基準反射分光スペクトルに対する
計測した反射分光スペクトルの強度比である。シミュレ
ーションによる波形フィッティングから研磨状況（シリ
コンウエハ上の熱酸化膜の残留膜厚）の計測が可能であ
る。

【００６９】［実施例２］図６（ａ）〜（ｋ）は実施例
２で使用するin-situ計測するための窓を有する研磨体
の製造工程を示す断面図である。

【００７０】反射防止膜52が形成されたサイズ20mm×50
mm、厚さ1mmの石英ガラス板51を準備し（図６
（ａ））、石英ガラス板51の周辺に耐熱テープ53を巻
き、底面を石英ガラスとする容器を作製する（図６
（ｂ））。油化シェルエポキシ社製エピコート828とエ
ピコート871を重量比で4:6で混合し、これとエポキシ等
量のp-p’メチレンジアニリンを硬化剤として溶解混合
した樹脂54を、上記の容器に流し込み加熱硬化する（図
６（ｃ））。次いでエポキシ樹脂58を石英ガラスに対し
て平行にバイト59等で切削した後（図６（ｄ））、エポ
キシ樹脂54を研磨で鏡面加工し、下から順番に反射防止
膜／石英ガラス／エポキシ樹脂からなる窓55を得る（図
６（ｅ））。この時の、窓の厚さは1.6mmである。

【００７１】開口部56を有するアルミプレート57を準備
し、アルミプレート57の開口部、周辺に耐熱テープ53を
貼り（図６（ｇ））、窓55の作製時と同じ成分のエポキ
シ樹脂54を厚さ4mmとなるよう流し込み、加熱硬化する
（図６（ｈ））。この後、加工したエポキシ樹脂60を研
磨体とするため、周辺の耐熱テープを取り、機械切削に
より研磨体の表面に所定の溝パターンを形成する（図６
（ｉ））。次いで、上記窓の表面が、研磨体の表面と同
じ高さとなるようサイズに合わせて、開口部に階段状の
穴を開け（図６（ｊ））、両面テープで窓を固定する
（図６（ｋ））。この時の研磨体の表面に対する窓表面
の凹み量は、10μm以下であり、窓の表面と研磨体の表
面は、ほぼ同一の面になっている。

【００７２】実施例２ではアルミプレートとしては開口
部56を有するアルミプレートが用いられているが、開口
部を有しないアルミプレートを用い、図６（ｊ）の工程
で研磨体に開口部を設けるのと同時にアルミプレートに
開口部を設けても良い。

【００７３】実施例２では、石英ガラスが下部透明材
料、エポキシ樹脂が上部透明材料となっている。エポキ
シ樹脂の圧縮弾性率は、1.47×10⁹Pa、石英ガラスの圧
縮弾性率は、7.31×10¹⁰Paである。

【００７４】この後、定盤36に設置されている開口部38
を介して研磨対象物であるシリコンウエハ33の研磨面を
光学的に観察して、研磨状態を測定する装置39を有する
平坦化装置（図２）に上記研磨体を取り付ける。厚さ1
μmの熱酸化膜が形成された6インチシリコンウエハの研
磨を、以下の条件で行い、シリコンウエハ上の酸化膜の
残留膜厚をin-situ計測する。

【００７５】研磨ヘッドの回転数：50rpm、研磨定盤の
回転数：50rpm、荷重（研磨対象物が研磨体に押し付け
られる圧力）：2.4×10⁴Pa、揺動：なし、研磨時間：90
秒、使用研磨剤：Cabot社製SS25をイオン交換水で２倍
に希釈、研磨剤流量：200ml／分。

【００７６】この時の平均研磨速度は210nm/minであ
る。また、窓によるシリコンウエハへの傷や不均一な研
磨は、生じない。また、in-situ計測で得られたシリコ
ンウエハ表面からの反射分光スペクトルは図５の曲線
（ｂ）であり、シミュレーションによる波形フィッティ
ングから研磨状況（シリコンウエハ上の熱酸化膜の残留
膜厚）の計測が可能である。

【００７７】［比較例1］反射防止膜を施したサイズ20m
m×50mm、厚さ2mmのアクリルの窓を、実施例2と同様に
作製した研磨体の開口部に、窓の表面と研磨体表面が同
じ高さとなるように実施例2と同様に固定する。この時
の研磨体の表面に対する窓の表面の凹みは、10μm以下
である。

【００７８】この後、定盤36に設置されている開口部38
を介して研磨対象物であるシリコンウエハ33の研磨面を
光学的に観察して、研磨状態を測定する装置39を有する
平坦化装置（図２）に上記研磨体を取り付ける。厚さ1
μmの熱酸化膜が形成された6インチシリコンウエハの研
磨を、以下の条件で行い、シリコンウエハ上の酸化膜の
残留膜厚をin-situ計測する。

【００７９】研磨ヘッドの回転数：50rpm、研磨定盤の
回転数：50rpm、荷重（研磨対象物が研磨体に押し付け
られる圧力）：2.4×10⁴Pa、揺動：なし、研磨時間：90
秒、使用研磨剤：Cabot社製SS25をイオン交換水で２倍
に希釈、研磨剤流量：200ml／分。

【００８０】実施例１、２と同様にin-situ計測でシリ
コンウエハの表面からの反射分光スペクトルが得られ、
in-situで研磨状況（シリコンウエハ上熱酸化膜の残留
膜厚）の計測は可能であるが、研磨によりシリコンウエ
ハに傷が発生する。

【００８１】［比較例２］サイズ20mm×50mm、厚さ2mm
のポリウレタンの窓を、実施例2と同様に作製した研磨
体の開口部に、窓の表面と研磨体の表面が同じ高さとな
るように実施例2と同様に固定する。

【００８２】この後、定盤36に設置されている開口部38
を介して研磨対象物であるシリコンウエハ33の研磨面を
光学的に観察して研磨状態を測定する装置39を有する平
坦化装置（図２）に上記研磨体を取り付ける。厚さ1μm
の熱酸化膜が形成された6インチシリコンウエハの研磨
を、以下の条件で行い、開口部を用いてシリコンウエハ
の残留膜厚をin-situ計測する。

【００８３】研磨ヘッドの回転数：50rpm、研磨定盤の
回転数：50rpm、荷重（研磨対象物が研磨体に押し付け
られる圧力）：2.4×10⁴Pa、揺動：なし、研磨時間：90
秒、使用研磨剤：Cabot社製SS25をイオン交換水で２倍
に希釈、研磨剤流量：200ml／分。

【００８４】また、窓によるシリコンウエハへの傷や不
均一な研磨は、生じない。しかし、図７は比較例２によ
る反射分光スペクトルのグラフであり、ポリウレタンの
窓の変形により、計測される反射分光スペクトルの形状
が変形し、計測シミュレーションと一致せず膜厚測定が
困難である。

【００８５】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、開
口部に設置する窓を硬い透明材料と軟らかい透明材料を
２枚以上積層した構造とし、研磨対象物であるシリコン
ウエハ側の透明材料を軟らかい透明材料にすることで、
表面が研磨体の表面と同一面内にある窓を構成すること
により、窓によるシリコンウエハ上の傷の発生や、不均
一な研磨を生じることがなくなるという効果がある。ま
た、研磨剤による散乱に影響されないin-situでの研磨
状態の測定が可能になるという効果がある。また、窓の
変形がなくなるため、研磨終点の検出や膜厚の測定の不
安定さを生じることがないという効果がある。

【００８６】また、研磨対象物側の反対側の面に反射防
止膜を形成することにより、反射による光量の損失が減
少し、研磨状態を測定するための光の強度が損失するこ
とがなくなる。これにより、研磨終点の検出精度や膜厚
の測定精度が低下しないという効果がある。

【００８７】また、研磨対象物を研磨する研磨体の表面
に対して、窓の表面が凹んでいることにより、窓が傷つ
くことがなくなり、研磨状態を測定するための光の強度
が損失することがなくなる。これにより、研磨終点の検
出精度や膜厚の測定精度が低下しないという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る研磨体の実施の形態を示す図であ
る。図１（ａ）は上面図である。図１（ｂ）は図１
（ａ）Ａ−Ｂ部分の断面図である。

【図２】本発明に係る平坦化装置の実施の形態の概略構
成図である。

【図３】本発明に係る半導体デバイス製造方法のフロー
チャートである。

【図４】本発明の実施例１の研磨体の断面図である。

【図５】in-situ計測により求めた反射分光スペクトル
である。曲線（ａ）は実施例1、曲線（ｂ）は実施例２
における反射分光スペクトルである。

【図６】本発明に係る研磨体の製造工程を示す図であ
る。

【図７】in-situ計測により求めた比較例２の反射分光
スペクトルである。

【図８】半導体製造プロセスにおける平坦化技術の概念
図であり、半導体デバイスの断面図である。図８（ａ）
は半導体デバイスの表面の層間絶縁膜を平坦化する例で
ある。図８（ｂ）は半導体デバイスの表面の金属膜を研
磨し、いわゆるダマシン（damascene）を形成する例で
ある。

【図９】CMPに用いる従来の平坦化装置の概略構成図で
ある。

【符号の説明】

11、137・・・・研磨体 11a・・・・研磨体IC1000 11b・・・・研磨体SUBA400 12・・・・開口部 13・・・・上部透明材料 14・・・・下部透明材料 14a・・・・下部透明材料の表面 21・・・・シリコンウエハ 22・・・・絶縁膜（誘電体膜） 23・・・・金属配線 24・・・・半導体デバイス 31、131・・・・研磨部材 32、132・・・・研磨対象物保持部(研磨ヘッド) 33、133・・・・研磨対象物(シリコンウエハ) 34、134・・・・研磨剤供給部 35、135・・・・研磨剤(スラリー) 36、136・・・・定盤 38、138・・・・開口部 39、139・・・・研磨状態を測定する装置 51・・・・ガラス 52・・・・反射防止膜 53・・・・耐熱テープ 54、58、60・・・・エポキシ樹脂 55・・・・窓 56・・・・開口部 57・・・・アルミプレート 59・・・・バイト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】定盤上に設置されている研磨体と研磨対象
物の間に研磨剤を介在させた状態で、前記研磨体と前記
研磨対象物の間に荷重を加え、且つ、相対移動させるこ
とにより、前記研磨対象物を研磨する平坦化装置に用い
る研磨体において、開口部と、該開口部に設置されている窓を有し、該窓は２枚以上の透明材料が積層されていることを特徴
とする研磨体。
【請求項２】前記窓は２枚の透明材料が積層され、該透明材料のうちの前記研磨対象物側の透明材料の圧縮
弾性率は、前記研磨対象物側の反対側の透明材料の圧縮
弾性率より小さいことを特徴とする請求項1に記載の研
磨体。
【請求項３】前記透明材料のうちの前記研磨対象物側の
透明材料の圧縮弾性率eは、2.9×10 ⁷Pa≦e≦1.47×10⁹P
aであり、且つ、研磨体の圧縮弾性率とほぼ同じである
ことを特徴とする請求項1または２に記載の研磨体。
【請求項４】前記研磨対象物と接触する研磨体の表面に
対して、前記窓の前記研磨対象物側の表面は、凹んでい
て、該凹み量dは0μm＜d≦400μmであることを特徴とする請
求項1から３のいずれかに記載の研磨体。
【請求項５】前記研磨対象物と接触する研磨体の表面に
対して、前記窓の前記研磨対象物側の表面は、凹んでい
て、該凹み量dは、0μm＜d≦研磨体の厚さの90％の長さ、で
あり、且つ、前記窓の厚さtは、t≧研磨体の厚さの10％
の長さ、であることを特徴とする請求項1から３のいず
れかに記載の研磨体。
【請求項６】前記窓の透過率は、22％以上であることを
特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の研磨体。
【請求項７】前記窓の前記研磨対象物側の反対側の表面
に反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項
1から６のいずれかに記載の研磨体。
【請求項８】定盤上に設置されている研磨体と研磨対象
物の間に研磨剤を介在させた状態で、前記研磨体と前記
研磨対象物の間に荷重を加え、且つ、相対移動させるこ
とにより、前記研磨対象物を研磨する平坦化装置におい
て、前記定盤に形成された開口部と、前記研磨体に形成された開口部と、前記研磨体に設置されている、もしくは前記研磨体に形
成された該開口部の少なくとも一部分を塞ぐように前記
定盤に設置されている窓と、該窓を介して前記研磨対象物の研磨面を光学的に観察し
て、研磨状態を測定する装置を有し、前記研磨体に形成された前記開口部と前記定盤に形成さ
れた前記開口部は、重なっていて、前記窓は２枚以上の透明材料が積層されていることを特
徴とする平坦化装置。
【請求項９】前記窓は２枚の透明材料が積層され、該透明材料のうちの前記研磨対象物側の透明材料の圧縮
弾性率は、前記研磨状態を測定する装置側の透明材料の
圧縮弾性率より小さいことを特徴とする請求項８に記載
の平坦化装置。
【請求項１０】前記透明材料のうちの前記研磨対象物側
の透明材料の圧縮弾性率eは、2.9×10 ⁷Pa≦e≦1.47×10
⁹Paであり、且つ、研磨体の圧縮弾性率とほぼ同じであ
ることを特徴とする請求項８または９に記載の平坦化装
置。
【請求項１１】前記研磨対象物と接触する研磨体の表面
に対して、前記窓の前記研磨対象物側の表面は、凹んで
いて、該凹み量dは0μm＜d≦400μmであることを特徴とする請
求項８から１０のいずれかに記載の平坦化装置。
【請求項１２】前記研磨対象物と接触する研磨体の表面
に対して、前記窓の前記研磨対象物側の表面は、凹んで
いて、該凹み量dは、0μm＜d≦研磨体の厚さの90％の長さ、で
あり、且つ、前記窓の厚さtは、t≧研磨体の厚さの10％
の長さ、であることを特徴とする請求項８から１０のい
ずれかに記載の平坦化装置。
【請求項１３】前記研磨状態を測定する装置から出射す
る光は、前記窓を通過し、前記窓と前記研磨対象物の間
の前記研磨剤を通過し、前記研磨対象物の研磨面で反射
し、前記窓と前記研磨対象物の間の前記研磨剤を再び通
過し、前記窓を再び通過し、前記研磨状態を測定する装
置へ戻り、前記研磨状態を測定する装置から出射する前記光の強度
に対する前記研磨状態を測定する装置へ戻る光の強度の
比が5％以上であることを特徴とする請求項８から１２
のいずれかに記載の平坦化装置。
【請求項１４】前記窓の前記研磨状態を測定する装置側
の表面に反射防止膜が形成されていることを特徴とする
請求項８から１３のいずれかに記載の平坦化装置。
【請求項１５】請求項８から１４のいずれかに記載の平
坦化装置を用いて半導体ウエハの表面を平坦化する工程
を有することを特徴とする半導体デバイス製造方法。
【請求項１６】請求項１５に記載の半導体デバイス製造
方法により製造されることを特徴とする半導体デバイ
ス。