JP2001351888A - デバイスウエハの研磨終点検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダマシン工程、キャパシタ材埋め
込み工程の際の基板の化学機械研磨終点時点の検出方法
の提供。 【解決手段】 研磨される基板の１層構成に指標
となる鉄薄膜層を設けたウエハ１を用い、化学機械研磨
の最初または途中から研磨剤スラリ−１３廃液を連続流
として回収し、この回収連続流に鉄イオンと反応する発
色試薬２２を連続して混合して連続流の検体２６とし、
この検体の色をカラ−識別センサ３００でデジタル値
（Ｉ_i）として読み取り、そのデジタル値（Ｉ_i）の値が
予め制御装置ＣＰＵに入力された化学機械研磨がなされ
た研磨終点時の研磨剤スラリ−廃液流検体のデジタル値
（Ｉ_o）に達したときを基板の化学機械研磨終点とす
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、シリコン基板上に
絶縁膜層を設け、ついでスパッタリングにより鉄薄膜層
を設けた後、パタ−ニング、エッチングして前記絶縁膜
層および鉄薄膜層の一部に両層に通じる開口部を設け、
前記絶縁膜層の表面にスパッタリングにより開口部を埋
めたタングステン層を設け、このタングステン層を有す
る基板を、前記基板のタングステン層と研磨布が貼付さ
れた研磨定盤との間に研磨剤スラリ−を介在させながら
前記タングステン層の一部および鉄薄膜層の全部を化学
機械研磨してシリコン基板と上層配線を接続するための
タングステン・コンタクトプラグ部を形成する際の研磨
終点を検出する方法に関する。本発明の他の１つは、シ
リコン基板上にポリシリコンのキャパシタ材埋め込み工
程時の研磨終点を検出する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、シリコン基板１０１上にＭＯＳ
ＦＥＴが形成された多層配線構造は、図１２に示される
（特開平１０−３０３１５２号）。多層配線は、例えば
図１２に示されるようにＭＯＳＦＥＴと上層配線を接続
するためのタングステンコンタクトプラグ部１０２、Ｃ
ＭＯＳ回路ブロック内を接続するアルミニウム・ロ−カ
ル配線部１０３、低誘電率有機膜に銅・グロ−バル配線
部よりなる。

【０００３】このデバイス基板において、まず、ＭＯＳ
ＦＥＴ間の素子分離には化学機械研磨方法を用い、シリ
コン基板１０１に形成された溝にシリコン酸化膜を埋め
込んだ平坦化素子分離構造が採用されている。さらに、
ＭＯＳＦＥＴ上にはＢＰＳＧ膜１０５を成長させるが、
このＢＰＳＧ膜も化学的機械研磨で平坦化されている。
この平坦化されたＢＰＳＧ膜１０５にはＭＯＳＦＥＴの
拡散層およびゲ−ト電極に到るコンタクトホ−ルが形成
されており、コロイダルシリカを酸化剤水溶液に分散さ
せた研磨剤スラリ−を用いてＷ−化学的機械研磨（Ｗ−
ＣＭＰ）してタングステン・コンタクトプラグが形成さ
れる。

【０００４】このタングステン・コンタクトプラグ上に
は、第一シリコン酸化膜１０６に形成された第一配線溝
にアルミニウムの埋め込まれた第一アルミニウム埋め込
み配線が形成されている。さらにその上層の第二シリコ
ン酸化膜１０７に形成された第一スル−ホ−ルと第二配
線溝に一括してアルミニウムの埋め込まれた第二アルミ
ニウム埋め込み配線が形成されている。これら埋め込み
アルミニウム配線は配線溝あるいは配線溝とスル−ホ−
ルとに高音スパッタ法でアルミニウムの埋め込み成膜を
行い、シリカ粒子やベ−マイト粒子を酸化剤水溶液に分
散させた研磨剤スラリ−を用いてＡｌ−ＣＭＰ法で埋め
込み平坦化を行う。

【０００５】さらに、第二シリコン酸化膜１０７上の低
誘電率有機膜１０８に形成された第二スル−ホ−ルと第
三配線溝に銅の埋め込まれた第三埋め込み銅配線と、だ
遺産スル−ホ−ルと第四配線溝に銅の埋め込まれた第四
埋め込み銅配線が形成されている。これら埋め込み銅配
線は、配線溝あるいは配線溝とスル−ホ−ルとにＭＯＣ
ＶＤ法で銅の埋め込み成膜を行い、シリカ粒子やベ−マ
イト粒子を酸化剤水溶液に分散させた研磨剤スラリ−を
用いてＣｕ−ＣＭＰ法で埋め込み平坦化を行う。

【０００６】このように、ＭＯＳＦＥＴの形成されたシ
リコン基板１０１上の多層配線の形成にはメタル−ＣＭ
Ｐ法を用いたＷ，Ａｌ，Ｔｉ，ＴｉＮ，ＷＳｉ_x，Ｔｉ
Ｓｉ_x等の金属埋め込み平坦化（Damascene，Dual Dama
scene工程）が何度も行われる。また、平坦化素子分離
形成やＢＰＳＧ層表面の表面平坦化にも酸化膜ＣＭＰ法
が採用されている。上記プラグ、埋め込み配線工程の他
に、図１３に示すキャパシタ材埋め込み工程でも基板の
表面平坦化が行われる（SEAJ Journal １９９８年８
月号、２９−３３頁およびＵＳＰ５９２２５１５号）。

【０００７】これら基板（ウエハ）の化学機械研磨にお
いて、人手を懸けない自動研磨の登場が市場より要望さ
れ、研磨終点を自動検出するＣＭＰ研磨装置が種々提案
されている。かかる研磨の終点検出方法としては、 研磨途中のウエハの肉厚を肉厚計で測定し、研磨量か
ら終点を決定する方法（特開昭６２−２５７７４２号、
特開平９−１９３００３号、特会平１０−１０６９８４
号、特開平１０−９８０１６号公報等）。 研磨途中のプラテン、チャック機構のモ−タ−の負荷
電流、電圧、抵抗変化から終点を決定する方法（特開昭
６１−１８８７０２号、特開平６−２５２１１２号、特
開平８−９９６２５号、特開平９−７０７５３号、特開
平１０−４４０３５号、同１０−１２８６５８号、同１
０−１７７９７６号等）。 研磨途中のプラテン、チャック機構のモ−タ−のトル
ク変化から研磨終点を決定する方法（特開平５−１３８
５２９号、同６−２１６０９５号、同８−１３９０６０
号、同８−１９７４１７号、同９−３６０７３号、同９
−２６２７４３号、同１０−２５６２０９号等）。 研磨途中のウエハにレ−ザ−光を当て、その反射率か
ら研磨終点を決定する方法（特開昭５７−１３８５７５
号、同６１−２１４９７０号、特開平４−２５５２１８
号、同５−３０９５５９号、同７−３２８９１６号、同
９−７９８５号，同１０−１６０４２０号等）。

【０００８】層間絶縁膜上に金属膜が形成されたデバ
イス基板を保持するチャックに対向してカラ−センサを
設置し、ＣＭ研磨された層間絶縁膜の色を検知して研磨
終点を決定する方法（特開平１１−７０４６７号）。等
々が提案されている。

【０００９】上記のウエハの肉厚測定は、ウエハの一
部分の肉厚を測定して行っており、ウエハ全体の肉厚分
布を測定するには時間を長く要するので、精度が出な
い。上記の電流、電圧、抵抗、あるいはのトルクか
ら決定する方法では直にウエハ研磨表面を観察するもの
ではないので、と同様平坦化の精度が低い。上記の
レ−ザ−光を利用する方法は、ウエハに直接レ−ザ−光
を照射し、その反射光の光量で終点を決定するため、チ
ャックに取り付けられているウエハにレ−ザ−光を照射
する必要があり、自動研磨装置のプラテンにレ−ザ−光
が通過できる空間を設ける必要があり、研磨装置が複雑
となる。のカラ−センサを用いる方法は、具体的にど
のように研磨終点を検出するか記載がなされていない
し、開示された図から推測するにカラ−センサ一台でデ
バイスウエハ全面を一瞬に観察することは困難であり、
現実性に欠ける。また、絶縁層のみの検出に使用できる
としてもタングステンプラグや金属配線等のダマシン工
程における金属の研磨終点検出の利用を提案するもので
はない。

【００１０】ＣＭＰ研磨される基板の拡径および配線構
造の多層構造化により配線やプラグ幅はますます狭くな
り、レ−ザ−光で直接基板上の金属層を検出することは
困難となっている。本発明者等は、デバイス構造に関係
のない鉄薄膜層をダマシン工程またはキャパシタ材埋め
込み工程において基板の層構成に設け、ＣＭＰ研磨時に
この鉄薄膜層の全てが除去され、研磨剤スラリ−廃液中
の鉄イオン濃度が最大となった時点を研磨終点とするこ
とを考え、その濃度検定方法を比色計、電導度滴定法、
蛍光Ｘ線分析方法等、種々検討したが、分析時間が研磨
（平坦化）時間を大きく上まわってしまい、実用化が困
難であると判定した。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、研磨剤
スラリ−廃液中に混入した指標の鉄がイオン（例えば３
価のＦｅイオン）となっていることを見い出し、これを
発色させて着色した研磨剤スラリ−廃液中の金属イオン
濃度に基づく物理量をカラ−識別センサのデジタル値と
して読み出し、この値と予め試験的に確認しておいた研
磨最適の終点時の着色した研磨剤スラリ−廃液のカラ−
識別センサのデジタル値と比較することにより on ti
me で終点研磨時点を検出できることを見出し本発明に
到達した。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項の１は、
シリコン基板上に絶縁膜層を設け、ついでスパッタリン
グにより鉄薄膜層を設けた後、パタ−ニング、エッチン
グして前記絶縁膜層および鉄薄膜層の一部に両層に通じ
る開口部を設け、前記絶縁膜層の表面にスパッタリング
により開口部を埋めたタングステン層を設け、このタン
グステン層を有する基板を、前記基板のタングステン層
と研磨布が貼付された研磨定盤との間に研磨剤スラリ−
を介在させながら前記タングステン層の一部および鉄薄
膜層の全部を化学機械研磨してシリコン基板と上層配線
を接続するためのタングステン・コンタクトプラグ部を
形成する際の研磨終点を検出する方法であって、研磨剤
スラリ−として固定砥粒を水に分散させた鉄イオン含有
量が０．０５ｐｐｍ以下の研磨剤スラリ−を用い、化学
機械研磨の最初または途中から研磨剤スラリ−廃液を連
続流として回収し、この回収連続流に発色試薬を連続し
て混合して連続流の検体とし、この検体の色をカラ−識
別センサでデジタル値（Ｉ_i）として読み取り、そのデ
ジタル値（Ｉ_i）の値が予め制御装置に入力された化学
機械研磨がなされた研磨終点時の研磨剤スラリ−廃液流
検体のデジタル値（Ｉ_o）に達したときを基板の化学機
械研磨終点とすることを特徴とする、研磨終点検出方法
を提供するものである。

【００１３】ダマシン工程における研磨終点時期を ｏ
ｎ ｔｉｍｅで検出可能となった。研磨剤スラリ−廃液
中には、研磨の進行の程度に応じて研磨剤スラリ−成分
の他に、金属層の研磨屑、絶縁層の屑、鉄屑が加わり、
廃液組成比が刻々と変化する。従って、研磨最良時の研
磨剤廃液中の鉄イオン含有量（Ｃ_o）に相関するカラ−
値（Ｉ_o）を予めの実験で求めておき、研磨実効中の研
磨剤スラリ−廃液中の該鉄イオンの含有量に相関するカ
ラ−値（Ｉ_i）をカラ−識別センサで追跡（モニタ−）
し、このカラ−値（Ｉｉ）が前記研磨終点時のカラ−値
（Ｉ_o）に一致したときを研磨終点とすることにより、
研磨加工基板のタングステンコンタクトプラグの面積が
他の層が占める面積に対する比が常に一定の状態で研磨
終了とされることになる。

【００１４】本発明の請求項２は、シリコン基板上に絶
縁層を設け、ついでスパッタリングにより鉄薄膜層を設
けた後、パタ−ニング、エッチングして前記絶縁層およ
び鉄薄膜層の一部に両層に通じる開口部を設け、前記絶
縁層の表面にＣＶＤ法により開口部を埋めたポリシリコ
ン層を設け、このポリシリコン層を有する基板を、前記
基板のポリシリコン層と研磨布が貼付された研磨定盤と
の間に研磨剤スラリ−を介在させながら前記ポリシリコ
ン層の一部および鉄薄膜層の全部を化学機械研磨してシ
リコン基板にポリシリコンのキャパシタ材を形成する際
の研磨終点を検出する方法であって、研磨剤スラリ−と
して固定砥粒を水に分散させた鉄イオン含有量が０．０
５ｐｐｍ以下の研磨剤スラリ−を用い、化学機械研磨の
最初または途中から研磨剤スラリ−廃液を連続流として
回収し、この回収連続流に発色試薬を連続して混合して
連続流の検体とし、この検体の色をカラ−識別センサで
デジタル値（Ｉ_i）として読み取り、そのデジタル値
（Ｉｉ）の値が予め制御装置に入力された化学機械研磨
がなされた研磨終点時の研磨剤スラリ−廃液流検体のデ
ジタル値（Ｉ_o）に達したときを基板の化学機械研磨終
点とすることを特徴とする、研磨終点検出方法を提供す
るものである。

【００１５】キャパシタ材埋め込み平坦化工程における
研磨終点時期を ｏｎ ｔｉｍｅで検出可能となった。

【００１６】本発明の請求項３は、前記基板の研磨終点
検出方法において、発色試薬として鉄イオンの存在下で
発色する発色剤および過酸化水素水を含有する液を用
い、カラ−識別センサでデジタル値（Ｉ_i）として検出
される値は、研磨剤スラリ−中の鉄イオンに起因して発
色した研磨剤スラリ−廃液流検体のカラ−値であること
を特徴とする。

【００１７】鉄イオンは極めて少量でも発色試薬により
着色するのでＣＭＰ研磨の基板スル−プット時間（通常
は２〜６分）内に廃液の着色が行なわれ、カラ−センサ
で終点を決定できる。また、酸化剤の過酸化水素水は安
価である。

【００１８】本発明の請求項４は、前記発色剤が、Ｎ，
Ｎ−ジアルキル−ｐ−フェニレンジアミン（但し、アル
キル基の炭素数は１〜２である。）またはその塩である
ことを特徴とする。

【００１９】数ある鉄イオンの着色剤の中でも、Ｎ，Ｎ
−ジアルキル−ｐ−フェニレンジアミンが酸化剤の存在
下で最も速く着色する。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明を更に
詳細に説明する。図１は、本発明の一態様を示す基板の
研磨終点検出フロ−図、図２はダマシン工程を示すフロ
−図、図３はキャパシタ材埋め込み工程を示すフロ−
図、図４は本発明の別の態様を示す基板の研磨終点検出
フロ−図、図５は化学機械研磨装置の平面図、図６はカ
ラ−識別センサの斜視図、図７はカラ−識別センサのア
ンプの制御部の平面図、図８はアンプの詳細を示す平面
図、図９はカラ−識別センサの出入力回路の接続図、図
１０はカラ−識別センサの出力回路図および図１１はカ
ラ−識別センサの入力回路図である。

【００２１】被研磨物の基板：被研磨物の基板の例１
は、シリコン基板上に絶縁膜層を設け、ついでスパッタ
リング（ＣＶＤ）により鉄薄膜層を設けた後、パタ−ニ
ング・エッチングして前記絶縁膜層および鉄薄膜層の一
部に両層に通じる開口部を設け、前記絶縁膜層の表面に
スパッタリング（ＣＶＤ）により開口部を埋めたタング
ステン層を設けた構造の基板でタングステンコンタクト
プラグを形成するダマシン工程あるいは金属配線とタン
グステンコンタクトプラグを形成するダブルダマシン工
程に用いる基板である。

【００２２】図２にダマシン工程を示す。化学機械研磨
される基板ｗは、例えば、シリコン基板１０１上に絶縁
膜層１０５を設け、ついでスパッタリングにより鉄薄膜
層１１０を設けた後（図２ａ）、パタ−ニング、エッチ
ングして前記絶縁膜層および鉄薄膜層の一部に両層に通
じる開口部１０９を設け（図２ｂ）、前記絶縁膜層の表
面にスパッタリングにより開口部を埋めたタングステン
層１０２を設けた基板(図２ｃ)で、化学機械研磨により
タングステン層１０２の一部と指標の鉄薄膜層１１０の
全てが除かれ、前記開口部がタングステンにより埋めら
れたプラグ１０２ａを形成する(図２ｄ)。

【００２３】鉄薄膜層は鉄単独でもよいし、鉄が１０重
量％以上含有されていれば他の金属を含んでいてもよ
い。例えばＮｉ−Ｆｅ、Ｍｎ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｎｉ
−Ｒｈ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂの組
み合わせである。鉄薄膜層の厚みは２０〜５０ナノメ−
タ−（ｎｍ）で充分である。

【００２４】被研磨物の基板の例２は、シリコン基板１
０１上に絶縁層（Dielectric Layer）１１１を設け、つ
いでスパッタリング（ＣＶＤ）により鉄薄膜層１１０を
設けた後、パタ−ニング・エッチングして前記絶縁層お
よび鉄薄膜層の一部に両層に通じる開口部１０９を設
け、前記絶縁層の表面にＣＶＤ法により開口部を埋めた
ポリシリコン層１０２を設けた構造の基板で、キャパシ
タ材埋め込み工程に用いる基板である。

【００２５】図３にキャパシタ材埋め込み工程を示す。
化学機械研磨される基板ｗは、例えば、シリコン基板１
０１上に絶縁層１０５を設け、ついでスパッタリングに
より鉄薄膜層１１０を設けた後（図３ａ）、パタ−ニン
グ、エッチングして前記絶縁層および鉄薄膜層の一部に
両層に通じる開口部１０９を設け（図３ｂ）、前記絶縁
層の表面にＣＶＤ法により開口部をポリシリコンで埋め
たポリシリコン層を表面に有する基板(図３ｃ)で、化学
機械研磨によりポリシリコン層１０２の一部と指標の鉄
鉄薄膜層１１０の全てが除かれ、前記開口部１０９がポ
リシリコンにより埋められた構造を形成する(図３ｄ)。

【００２６】ＣＭＰ研磨装置：化学機械研磨装置１０と
しては、例えば図１４に示すチャックテ−ブル１４にウ
エハ１をバキュ−ム吸着させ、該ウエハの上面側より研
磨布１５ａを貼りつけたプラテン１５を押圧し、プラテ
ンに研磨剤スラリ−１３を供給またはウエハ上面に研磨
剤スラリ−を供給しつつ、プラテンとウエハを回転させ
て研磨するＣＭＰ装置、あるいは図４、図５に示すウエ
ハ１をチャック１１に取り付け、研磨布１２ａを貼りつ
けたプラテン１２に押圧し、プラテンに研磨剤スラリ−
１３を供給しつつ、プラテンと半導体ウエハを回転させ
てウエハを研磨する化学的機械研磨（ＣＭＰ）装置、あ
るいはプラテンに代えて、樹脂、アルミニウム、錫、銅
製のラップ定盤１２を用いたラップ装置等が挙げられ
る。

【００２７】研磨剤スラリ−：ＣＭＰ研磨に用いる研磨
剤スラリ−は、固定砥粒を水に分散させた鉄イオン含有
量が０．０５ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｂ以下の研
磨剤スラリ−である。通常、市販のＣＭＰ研磨剤スラリ
−は、砥粒の種類、用いられた水の種類により異なるが
鉄イオンを１０〜２００ｐｐｍ含有している。また、研
磨速度を速めるため、酸化剤として硝酸鉄を３〜５重量
％含有させることもある（特開平８−１９７４１４
号）。このような市販品の鉄含有量が高い研磨剤スラリ
−を用いると、基板ｗの研磨により指標の鉄薄膜層から
削り出されてスラリ−中に混入する鉄イオンの量より
も、もともと研磨剤スラリ−中に含有されていた鉄イオ
ンの量が多く、研磨剤スラリ−廃液の色変化がもともと
研磨剤スラリ−中に含有されていた鉄によりなされ、研
磨終点前の検体のカラ−濃度が濃く、更に加わった鉄薄
膜層から削り出されてスラリ−中に混入した鉄イオンに
起因する研磨剤スラリ−廃液の色変化の度合いが小さ
く、研磨終点のカラ−値（Ｉ_o）を定めるのが難しい。
よって、研磨剤スラリ−の調製には、鉄イオン含有量が
無いかまたは含有量が極めて少ない砥粒、分散媒を用
い、かつ、調製機器、研磨剤供給機器も研磨剤スラリ−
を鉄、ステンレス等、鉄金属に非接触な状態で使用でき
る容器、配管、攪拌器、ポンプを用いることが重要であ
る。

【００２８】研磨剤スラリ−の成分は、被研磨物の組
成、構造、研磨量によって変わるが、例えば（ａ）平均
粒径が０．０５〜１μｍの砥粒 ０．１〜３５重量％、
（ｂ）酸化剤または酸 １〜２０重量％および（ｃ）脱
イオン水または蒸留水 ６０〜９０重量％、必要により
（ｄ）水溶性キレ−ト剤、ｐＨ調整剤アルカリなどを含
有する水性研磨剤スラリ−が使用できる（特開平８−１
９７４１４号、同１０−６７９８６号、同１０−２２６
７８４号、ＵＳＰ５２０９８１６、特表平８−５１０４
３７号）。砥粒としては、酸化アルミニウム、酸化セリ
ウム、酸化ケイ素（コロイダルシリカ、ヒュ−ムドシリ
カ等を含む）等が挙げられ、これら砥粒は平均粒径が
０．０１〜１．０μｍ、好ましくは０．３〜０．５μｍ
の粒子である。砥粒はできるだけ鉄を含有しないものが
よい。

【００２９】酸化剤としては、過酸化水素、水溶性硝酸
アルミニウム、硝酸ニッケル等が挙げられる。酸として
は、弗化水素酸、硫酸、塩酸、酢酸、フタル酸水素アン
モニウム、フタル酸水素カリウム、クエン酸、リンゴ酸
等が使用される。

【００３０】水溶性キレ−ト剤は、研磨速度の向上、得
られる基板の平坦性向上の目的でスラリ−中に添加され
る。かかる水溶性キレ−ト剤としては、エチレンジアミ
ンテトラアセチックアシッド（ＥＤＴＡ）、エチレンジ
アミンテトラ酢酸の２ナトリウム塩（ＥＤＴＡ−２）、
アミノスルホン酸−Ｎ，Ｎ−２酢酸アルカリ金属塩、
２，２−ジメチルプロパンビスオキサミドのアルカリ金
属塩、ジエチレントリアミンペンタ酢酸およびそのナト
リウム塩等が挙げられる。ｐＨ調整剤としてはトリエタ
ノ−ルアミン、モルフォリン、水酸化ナトリウム、アン
モニア、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドなどが
使用できる。

【００３１】研磨終点検知：ダマシン工程あるいはキャ
パシタ材工程により基板ｗを化学機械研磨して基板上に
平坦なタングステンプラグを露出、あるいはポリシリコ
ンキャパシタ材を埋設させるＣＭＰ研磨における研磨終
点検知は、ＣＭＰ研磨の最初または途中から研磨定盤上
または基板上の研磨剤スラリ−を連続流として回収し、
この回収連続流に発色試薬を連続して混合して連続流の
検体とし、この検体の色をカラ−識別センサでデジタル
値（Ｉ_i）として読み取り、そのデジタル値（Ｉ_i）の値
が予め試験により確認され、制御装置に最適研磨終点時
の研磨スラリ−廃液流検体のカラ−デジタル値として入
力されたデジタル値（Ｉ_o）の値に達したときを基板ｗ
のＣＭＰ研磨終点とする。

【００３２】排出されてくる鉄イオンを含有する研磨剤
スラリ−廃液に、鉄イオンの存在下に発色する試薬を、
必要により酸化剤、緩衝剤を加えて発色させ、発色した
液の色をカラ−識別センサで読み取りデジタル数値化す
る。すなわち、鉄イオンは触媒の作用をし、その濃度が
高いと発色の反応が速く進行し、研磨剤スラリ−廃液の
色彩が鉄イオン濃度の増加とともに変化するので、予め
実験によりＣＭＰ研磨終点時の研磨剤スラリ−廃液のカ
ラ−値（Ｉ_o）を求め、その値を制御装置ＣＰＵのＲＯ
Ｍに入力しておく。

【００３３】鉄イオンの存在下で発色する試薬として
は、Ｎ，Ｎ−ジメチル−ｐ−フェニレンジアミン、Ｎ，
Ｎ−ジエチル−ｐ−フェニレンジアミン、これらの塩
（塩酸塩、硫酸塩）、ｏ−フェナントロリン、チオシア
ンカリ、チオシアンナトリウム等が挙げられる。中でも
鉄イオンに対し感度の良好なＮ，Ｎ−ジメチル−ｐ−フ
ェニレンジアミン、Ｎ，Ｎ−ジエチル−ｐ−フェニレン
ジアミンまたはこれらの塩酸塩が好ましい。このＮ，Ｎ
−ジメチル−ｐ−フェニレンジアミンの発色は、ｐＨ
５．０以上、好ましくは５．５〜７がよく、緩衝剤が廃
液に加えられる。緩衝剤としては、酢酸と酢酸ナトリウ
ムの混合水溶液、燐酸と燐酸アンモニウムの混合水溶
液、硫酸と硫酸アンモニウムの混合水溶液等が挙げられ
る。Ｎ，Ｎ−ジメチル−ｐ−フェニレンジアミン水溶液
はそれ自身空気により酸化されやすいので、予め硫酸、
塩酸、燐酸、酢酸等の酸を加えてｐＨを酸性域にしてお
くか、緩衝剤を加えてｐＨを酸性域にしておくのが好ま
しい。

【００３４】さらに、発色剤水溶液は、ガラス瓶、ナイ
ロン／マレイン酸グラフトポリエチレン／ポリエチレン
積層中空容器、鹸化ＥＶＡ／マレイン酸グラフトポリエ
チレン／ポリエチレン積層中空容器、ポリエチレンテレ
フタレ−ト中空容器、ナイロン／マレイン酸グラフトポ
リプロピレン／ポリプロピレン積層中空容器、鹸化ＥＶ
Ａ／マレイン酸グラフトポリプロピレン／ポリプロピレ
ン積層中空容器等の酸素透過率が小さいガスバリヤ−性
樹脂容器内に入れて保管するのが好ましい。これらビ
ン、容器は光線透過率の低い黒色、茶色に着色されてい
るのが好ましい。ガラス瓶、中空樹脂容器内に発色剤水
溶液を充填後は窒素シ−ルし、瓶口、中空容器口をシ−
ル材で密閉し、保管するのが好ましい。

【００３５】シ−ル材としては、アルミニウム／エチレ
ン・酢酸ビニル共重合体積層シ−ル材、ポリエチレンテ
レフタレ−ト／酢酸ビニル共重合体重合体積層シ−ル材
などのガスバリヤ−性シ−ル材で密閉されるのが好まし
い。

【００３６】Ｎ，Ｎ−ジメチル−ｐ−フェニレンジアミ
ンの発色は酸化によるので、発色を短時間で行うために
酸化剤を加える。酸化剤としては、過酸化水素水が安価
で取り扱いが容易である。Ｎ，Ｎ−ジメチル−ｐ−フェ
ニレンジアミンの発色は、次式で示される。

【化１】

【００３７】該試薬の酸化により２つの誘導体が生じ
る。研磨時間の経過につれて触媒作用する鉄イオンが増
加し、反応が進行し、廃液の紫色が濃くなる。検体の研
磨剤スラリ−廃液の色は、鉄イオンが実質的に含有され
ていない白濁色から、鉄イオンの増加につれて淡いピン
ク色、淡い赤紫色、濃い赤紫色、濃い紫色へと鉄イオン
の酸化反応の進行により色が濃くなっていく。従って、
白濁色から、鉄イオンの増加につれて淡いピンク色、淡
い赤紫色と緩やかに色彩が変わっていくところで研磨終
点を検出することは容易であるが、鉄含有量が高い研磨
剤スラリ−を用いるときは、この色彩変化が急であり、
研磨終点検出前にかなり濃い赤紫色ないし濃い紫色とな
っているので研磨終点時前後のカラ−値の変化が小さ
く、終点検出が困難となる。

【００３８】検体の研磨剤スラリ−廃液のカラ−値（デ
ジタル値）として、カラ−識別センサで検体のカラ−を
識別始めた際の検体のカラ−値は９９９と設定され、予
め実験により求めたＣＭＰ研磨終点時の研磨剤スラリ−
廃液のカラ−値（Ｉ_o）をＲＯＭに入力する。例えば、
検体の研磨剤スラリ−廃液のカラ−値（デジタル値）と
して、カラ−識別センサで検体のカラ−を識別始めた際
のＦｅイオンが含有されていない白濁色の検体のデジタ
ル値が９９９に設定され、予め実験により求めたＣＭＰ
研磨終点時の研磨剤スラリ−廃液の淡い赤紫色のカラ−
値（Ｉ_o）が９７５とＲＯＭに入力される。

【００３９】なお、用いる研磨剤スラリ−中に鉄イオン
が入っているときも、当然、実験で研磨終点時の研磨剤
スラリ−廃液のカラ−値（Ｉ_o）を求め、入力するの
で、上記９７５の値に一致するとは限らない。当然ＣＭ
Ｐ研磨終点時の研磨剤スラリ−廃液色も濃い紫色の場合
もあり、デジタル値（Ｉ_o）が９５５となることもあ
る。 さらに、鉄薄膜層の組成、厚み、プラグ形成開口
部が占める面積によってもＣＭＰ研磨終点時の研磨剤ス
ラリ−廃液のカラ−値（Ｉ_o）は異なる。

【００４０】図４に該検出器機を取り付けた状態の化学
機械研磨装置の一例を示す。研磨剤スラリ−廃液１６
は、プラテンまたはチャックテ−ブルの回転の遠心力に
よりこれら外周の一端に設けた樋１７に集められ、ポン
プ１８ａにより管１９ａに供給され、管１９ｂにポンプ
１８ｂにより供給された緩衝剤水溶液２０と混合部２１
ａで混合されて先ず廃液のｐＨを５以上、好ましくは
５．５〜７．０に調整し、ついで、試薬の水溶液２２を
ポンプ１８ｃで管１９ｃに供給し、混合部２１ｂで前記
緩衝剤を含有する廃液と混合し、更に、過酸化水素水溶
液２３をポンプ１８ｄで管１９ｄに供給し、混合部２１
ｃで混合することにより検体液２４とされ、これを加熱
器２５，２５で４０〜８０℃に加熱し、ついで検出器機
のセル２６内を通過する際、カラ−識別センサ３００よ
り３色の光線が検体の研磨剤スラリ−廃液流に照射さ
れ、その反射光の色をデジタル数値（Ｉ_i）化し、予め
ＲＯＭに入力された最良の研磨時の研磨剤スラリ−廃液
流のデジタル数値（Ｉ_o）と比較され、両者の値が一致
するとＣＰＵから研磨終了の指令がＣＭＰ装置に出力さ
れ、ＣＭＰ装置のチャック機構または研磨定盤を昇降さ
せ、ついで回転を止めてウエハのＣＭＰ研磨を終了す
る。

【００４１】図１は、別の研磨終点検出装置を取り付け
た状態のＣＭＰ研磨装置の一例を示す。該研磨終点検出
装置は、研磨定盤１２上の研磨剤スラリ−１３廃液を回
収するスクレ−パ−２７、該スクレ−パ−に回収された
研磨剤スラリ−廃液を連続流として汲み上げ温度調整器
に送るロ−ラ−ポンプ２８、ロ−ラ−ポンプにより汲み
上げられた研磨剤スラリ−廃液流に連続的に発色試薬２
０，２２，２３を供給する試薬供給機構、温度調整器２
９を経由した発色試薬含有研磨剤スラリ−廃液流検体の
色をデジタル値として読み取るカラ−識別センサ３０
０、該カラ−識別センサで読み取ったデジタル値
（Ｉ_i）と、予め入力されたＣＭＰ研磨がなされた研磨
終点時の発色試薬含有研磨剤スラリ−廃液流検体のカラ
−識別センサで読み取ったデジタル値（Ｉｏ）とを対比
する機構と、前記測定値（Ｉ_i）が予め入力された
（Ｉ_o）の値に達したときに信号を発する機構、およ
び、その信号に基づきウエハのＣＭＰ研磨終了を指示す
る機構を有する。

【００４２】上記スクレ−パ−２７の昇降は、軸２７ａ
をシリンダ−（図示されてない）を用いて行なう。スク
レ−パ−２７の液体取入口２７ｂより研磨剤スラリ−廃
液はロ−ラ−ポンプ２８により吸み上げられ、管２７ｃ
を経由して発色試薬と混合され、４０〜８０℃の一定温
度の温度調整器２９に検体は連続流として導かれて発色
反応が促進され、発色した検体流の色をカラ−識別セン
サ３００で読み取る。

【００４３】カラ−識別センサ３００は、赤、緑、青の
３色光を検体に照射（投光）し、反射した光を光ファイ
バ−に集光して光の色成分を検出するもので、登録した
基準色にどれだけ近いかを一致度として０〜９９９で表
示するデジタル表示型カラ−識別センサであって、か
つ、予め実験により求められたＣＭＰ研磨終点の発色試
薬含有研磨剤スラリ−廃液流検体の色成分をカラ−識別
センサで読み取ったデジタル値（Ｉ_o）をカラ−識別セ
ンサに認識させ、この色成分が認識されるときはＯｎの
状態にＬＥＤ（赤）表示し、この色成分が認識されない
ときはｏｆｆの状態にＬＥＤ（緑）表示できるものであ
る。また、ＳＥＴボタンで感度設定後、薄膜の色むらや
汚れを許容したいときもデジタル値を見ながら調整でき
るものである。

【００４４】かかるデジタル表示型カラ−識別センサ３
００としては、キ−エンス（株）よりデジタルカラ−判
別センサＣＺ−４１、ＣＺ−４０（特開平６−２４１９
０４号）、およびアンプ３０１としてＣＺ−Ｖ１が販売
されている。これに更に赤、青、緑の受光量を各々１２
ｂｉｔでデ−タ化するＡ／Ｄコンバ−タＦＳ０１（商品
名）を内蔵させれば色成分の感度ばかりでなく、光量を
も合わせてデジタル表示可能となる。このセンサの応答
時間は３００μｓ／１ｍｓで、出力切替は記録（登録）
色と同色成分時は出力Ｏｎ、登録色と異色時は出力Ｏｆ
ｆのモ−ド、または登録色と同色時は出力Ｏｆｆ、登録
色と異色時は出力Ｏｎのモ−ドに切り替えることができ
る。よって、研磨終点決定ソフトのプログラムを、カラ
−識別センサのデジタル値がＩｏに達したときにＯｆｆ
（研磨終了）、達しないときにＯｎ（研磨続行）として
制御を行なうこともできる。

【００４５】図６にカラ−識別センサ３００の一例を示
す。カラ−識別センサは認識部であるアンプ３０１と光
をウエハ面に投光し、この反射光を集光する光ファイバ
ユニッド３１３と色成分を記録する記録部と、基準色の
色成分のデ−タを記録するＯＫデ−タ記録部、演算部、
および制御部を備える。アンプ３０１はＳＥＴボタン３
０２、ＬＥＤデジタル数値表示モニタ３０３、出力表示
灯３０４、ＭＯＤＥ切換スイッチ３０５、出力切換スイ
ッチ３０６、設定値調整キ−３０７、光ファイバ−３０
８、レンズ３０９緑センサ３１０、青センサ３１１、赤
センサ３１２、光ファイバ３１３ａ，３１３ｂが接続さ
れるコネクタ３１４ａ，３１４ｂ、シ−ケンス等の外部
機器が接続されるケ−ブル３１５を備える。

【００４６】また、アンプ本体は、図６、図７に示す制
御部３１６を有している。制御部（ＣＰＵ）は、ＯＫデ
−タ（Ｉｏ）記憶部のＲＯＭ、デ−タ書き換えのラッチ
回路部のＲＡＭから構成されるマイクロコンピュ−タで
ある。アンプにはＩ／Ｏポ−ト３１７を介してケ−ブル
３１５が接続されている。ケ−ブルにはシ−ケンサ等の
外部機器３１８が接続される。さらに制御部３１６には
Ａ／Ｄコンバ−タ３１９および増幅器（ＡＭＰ）３２０
を介して赤色検出用のＲセンサ３１２、緑色検出用のＧ
センサ３１１、青色検出用のＢセンサ３１０とが接続さ
れ、これらは図３に示すように一列に並置され、コネク
タ３１４ａに配置されている。コネクタ３１４ｂの延長
部にはハロゲンランプ３２１が設けられ、ドライバ３２
２により点灯駆動されるようになっている。

【００４７】前記アンプ３０１に接続される光ファイバ
−ユニット３１３は、被検出物（研削液薄膜）ｗに光を
照射し、その反射光を取り込むための検出端部３２３を
有しており、光ファイバ３１３ａ，３１３ｂに接続され
ている。光ファイバ３１３ｂは投光用であり、コネクタ
３１４ｂ内に配置されたハロゲンランプ３２１からの光
が導かれる。光ファイバ３１３ａは入光用である。図８
にアンプの制御部の詳細を、図９に入出力回路の接続図
を、図１０に出力回路を、図１１に入力回路を示す。

【００４８】図６に示すように、検出端部３２３を介し
てカラ−識別センサ３００から検体流に投光すると、検
体流から反射した光は検出端部３２３からコネクタを介
してセンサ３１０，３１１，３１２に入光し、色が０〜
９９９の間の値にデジタル表示される。後述する実施例
のＮ，Ｎ−ジメチル−ｐ−フェニレンジアミンの酸化に
よる発色を利用した鉄イオン着色の研磨終点時のＩ₀デ
ジタル値は９７５であった。

【００４９】

【実施例】以下、実施例により本発明を更に詳細に説明
する。 研磨剤スラリ−の調製：３３重量％濃度のコロイダルベ
−マイト １０００ｇ、フタル酸水素カリウム２２２
ｇ、イオン交換水 ３０００ｇ、ラウリルアルコ−ルポ
リオキシエチレンエ−テル ２ｇをホモジナイザ−で混
合し、研磨剤スラリ−（Ｆｅイオン濃度は０．００００
ｐｐｍ、Ｃｏイオン、Ｍｎイオン、およびＢｉイオンの
いずれも検出されなかった。）を調製した。

【００５０】基板ｗとして、図２ｃに示すシリコン基板
上にＳｉＯ₂絶縁膜層を設け、ついでスパッタリングに
より厚み２５ｎｍの鉄薄膜層を設けた後、パタ−ニング
・エッチングして前記ＳｉＯ₂層および鉄薄膜層の一部
に両層に通じる開口部を設け、前記ＳｉＯ₂絶縁膜層の
表面にスパッタリングにより開口部を埋めたタングステ
ン層（厚み）２３０ｎｍを設けた基板を用いた。 鉄濃度測定：上記基板ｗをチャック機構に基板面が吸着
されるように（タングステン層がプラテンに対向）取り
付け、一方、このチャック機構の下面に設けられたプラ
テンの研磨布面には前記研磨剤スラリ−を１２０ｍｌ／
分量滴下しつつ、基板のタングステン層面を押し当て
（圧力 ７ｐｓｉ）、プラテンの回転数を４５ｒｐｍ、
チャック機構の回転数を４５ｒｐｍとして研磨した。こ
の際の、研磨剤スラリ−廃液 １ｃｃ／分、緩衝剤水溶
液（酢酸０．２モルと酢酸ナトリウム０．２モルを純粋
に溶解して１リットルとした水溶液） １ｃｃ／分、
４重量％Ｎ，Ｎ−ジメチル−ｐ−フェニレンジアミン・
２塩酸塩水溶液（硫酸を５重量％含有） １ｃｃ／分お
よび１重量％過酸化水素水 １ｃｃ／分を用いての比色
分析（吸収波長５５０ｎｍ）による研磨剤スラリ−廃液
中の３価の鉄イオン濃度は０．６０ｐｐｍであった。ま
た、別法で分析した前記研磨剤スラリ−廃液中のＮｉ金
属の濃度は５．１ｐｐｍであった。

【００５１】研磨終点検知：図１に示す研磨装置１０の
プラテンの研磨布１２ａ上にＣＭＰ研磨開始直後、スク
レ−パ−２７を基板チャック機構の約３０ｍｍ近傍に下
降させ、該スクレ−パ−２７に研磨中の研磨剤スラリ−
廃液をロ−ラ−ポンプにより１ｃｃ／分の割合で管２７
ｃに供給し、また、緩衝剤水溶液、Ｎ，Ｎ−ジメチル−
ｐ−フェニレンジアミン水溶液および過酸化水素水溶液
の供給も１ｃｃ／分として管に供給して発色試薬が含有
された研磨剤スラリ−廃液検体流を調製し、この検体流
を８０℃の温水が外套を流れている温度調整機器２９で
あるリ−ビッヒ管の中央通路に導き、セル２６を通過す
る研磨剤スラリ−廃液の色をカラ−識別センサ３００で
読み取った。

【００５２】予めの実験で測定された研磨終了時のデジ
タル値（Ｉ_o）は９７５であった。研磨開始時のデジタ
ル値は９９９である。ＲＯＭに最良研磨時のカラ−デジ
タル値（Ｉ_o）を９７５と入力した。

【００５３】ＣＭＰ装置の操作モ−ドを手動から自動に
替え、Ｉ_iの値がＩ_oと一致した時（Ｉ_i＝Ｉ_o）を研磨終
点として連続して２０枚のダマシン形成用基板の自動Ｃ
ＭＰ研磨を行なった。研磨終了後、基板をグラシスクラ
ブ洗浄し、ついで、リンス洗浄したのち、スピン乾燥さ
せた。研磨終了後の基板のプラグ面はいずれも平坦であ
った。また、鉄薄膜層は基板面上に残存していなかっ
た。

【００５４】

【発明の効果】本発明のダマシン形成ウエハまたはキャ
パシタ材形成ウエハのＣＭＰ研磨終点検出方法は、研磨
終点検出の指標として研磨剤スラリ−廃液に含まれる鉄
イオン濃度を基準に行っているので、プラグやキャパシ
タの幅が狭くても精密に研磨終点を検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 基板の研磨終点検出の一態様を示すフロ−図
である。

【図２】 本発明のダマシン工程のフロ−図である。

【図３】 本発明のキャパシタ材工程のフロ−図であ
る。

【図４】 基板の研磨終点検出の別の態様を示すフロ−
図である。

【図５】 ＣＭＰ研磨装置の上面図である。

【図６】 カラ−識別センサの斜視図である。

【図７】 カラ−識別センサのアンプの制御部の平面図
である。

【図８】 アンプの制御部の詳細を示す平面図である。

【図９】 カラ−識別センサの出入力回路の接続図であ
る。

【図１０】 カラ−識別センサの出力回路図である。

【図１１】 カラ−識別センサの入力回路図である。

【図１２】 多層配線構造を有するＭＯＳＦＥＴ基板の
断面図である。

【図１３】 従来のキャパシタ材工程のフロ−図であ
る。

【図１４】 ＣＭＰ研磨装置の別例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

ｗ 基板 １０ ＣＭＰ研磨装置 １３ 研磨剤スラリ− １６ 研磨剤スラリ−廃液 ２４ 検体液 ２６ 検出器機のセル ３００ カラ−識別センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０９Ｋ 3/00 Ｃ０９Ｋ 3/00 Ｙ Ｇ０１Ｎ 31/00 Ｇ０１Ｎ 31/00 Ｔ 31/22 １２１ 31/22 １２１Ｎ Ｆターム(参考） 2G042 AA01 BC08 CA03 CB06 DA08 FA11 FB02 HA07 3C058 AA07 AA13 AC02 BA01 CB01 CB03 DA12 DA17

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン基板上に絶縁膜層を設け、つい
   でスパッタリングにより鉄薄膜層を設けた後、パタ−ニ
   ング、エッチングして前記絶縁膜層および鉄薄膜層の一
   部に両層に通じる開口部を設け、前記絶縁膜層の表面に
   スパッタリングにより開口部を埋めたタングステン層を
   設け、このタングステン層を有する基板を、前記基板の
   タングステン層と研磨布が貼付された研磨定盤との間に
   研磨剤スラリ−を介在させながら前記タングステン層の
   一部および鉄薄膜層の全部を化学機械研磨してシリコン
   基板と上層配線を接続するためのタングステン・コンタ
   クトプラグ部を形成する際の研磨終点を検出する方法で
   あって、 研磨剤スラリ−として固定砥粒を水に分散させた鉄イオ
   ン含有量が０．０５ｐｐｍ以下の研磨剤スラリ−を用
   い、化学機械研磨の最初または途中から研磨剤スラリ−
   廃液を連続流として回収し、この回収連続流に発色試薬
   を連続して混合して連続流の検体とし、この検体の色を
   カラ−識別センサでデジタル値（Ｉｉ）として読み取
   り、そのデジタル値（Ｉ_i）の値が予め制御装置に入力
   された化学機械研磨がなされた研磨終点時の研磨剤スラ
   リ−廃液流検体のデジタル値（Ｉ_o）に達したときを基
   板の化学機械研磨終点とすることを特徴とする、研磨終
   点検出方法。
2. 【請求項２】 シリコン基板上に絶縁層を設け、ついで
   スパッタリングにより鉄薄膜層を設けた後、パタ−ニン
   グ、エッチングして前記絶縁層および鉄薄膜層の一部に
   両層に通じる開口部を設け、前記絶縁層の表面にＣＶＤ
   法により開口部を埋めたポリシリコン層を設け、このポ
   リシリコン層を有する基板を、前記基板のポリシリコン
   層と研磨布が貼付された研磨定盤との間に研磨剤スラリ
   −を介在させながら前記ポリシリコン層の一部および鉄
   薄膜層の全部を化学機械研磨してシリコン基板にポリシ
   リコンのキャパシタ材を形成する際の研磨終点を検出す
   る方法であって、 研磨剤スラリ−として固定砥粒を水に分散させた鉄イオ
   ン含有量が０．０５ｐｐｍ以下の研磨剤スラリ−を用
   い、化学機械研磨の最初または途中から研磨剤スラリ−
   廃液を連続流として回収し、この回収連続流に発色試薬
   を連続して混合して連続流の検体とし、この検体の色を
   カラ−識別センサでデジタル値（Ｉｉ）として読み取
   り、そのデジタル値（Ｉ_i）の値が予め制御装置に入力
   された化学機械研磨がなされた研磨終点時の研磨剤スラ
   リ−廃液流検体のデジタル値（Ｉ_o）に達したときを基
   板の化学機械研磨終点とすることを特徴とする、研磨終
   点検出方法。
3. 【請求項３】 発色試薬は鉄イオンの存在下で発色する
   発色剤および過酸化水素水を含有し、カラ−識別センサ
   でデジタル値（Ｉ_i）として検出される値は、研磨剤ス
   ラリ−中の鉄イオンに起因して発色した研磨剤スラリ−
   廃液流検体のカラ−値であることを特徴とする、請求項
   １または２に記載の研磨終点検出方法。
4. 【請求項４】 発色剤が、Ｎ，Ｎ−ジアルキル−ｐ−フ
   ェニレンジアミン（但し、アルキル基の炭素数は１〜２
   である。）またはその塩であることを特徴とする、請求
   項１または２に記載の研磨終点検出方法。