JP2001358104A

JP2001358104A - 研磨装置

Info

Publication number: JP2001358104A
Application number: JP2001124790A
Authority: JP
Inventors: Masako Kodera; 雅子小寺; Hiroyuki Yano; 博之矢野; Atsushi Shigeta; 厚重田; Hiromi Yajima; 比呂海矢島; Riichiro Aoki; 利一郎青木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-10-20
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2001-12-26

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体装置表面の凹部や凸部の存在にもかか
わらず高精度な平坦化を可能とする研磨装置を提供す
る。【構成】ターンテーブル５０２上の研摩面５０４に供
給される研磨剤５０５により、半導体ウェーハ２０１を
研摩する。ターンテーブル５０２、ウェーハ支持部５０
１を回転するシャフト５１７，５１８にはシャフト５１
７，５１８の歪みを検知する、歪みゲージなどによる歪
みセンサ５５１，５５２が設置されている。さらにシャ
フト５１７，５１８はベルト５１９，５２０を介し、モ
ーター５１１，５１２に連結されている。モーター５１
１，５１２による駆動力により、研摩面５０４とウェー
ハ間２０１の摩擦により生じた負荷はシャフト５１７，
５１８に歪みを与える。歪みゲージ等を用いた歪みセン
サ５５１，５５２はこの歪み量を電気信号に変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置とそ
の製造方法および研磨方法ならびに研磨装置および研磨
装置の研磨面の再生方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置の製造工程等におい
て、絶縁膜等を平坦化するための研磨工程では研磨剤と
してコロイダルシリカが一般的に用いられていた。

【０００３】コロイダルシリカのシリカ粒子は、通常ケ
イ酸ナトリウムを原料として用い、これを水溶液中で数
十ｎｍのシリカ粒子に成長させたものが用いられてい
る。

【０００４】研磨剤として用いる場合には通常これを水
に懸濁させたものに、シリカ粒子を平均に分散させるた
めの水素イオン濃度の調整と研磨速度の増大という二つ
の目的により、ＫＯＨやＮａＯＨが添加されている。

【０００５】例えば、このような研磨剤として不二見研
磨剤工業株式会社（ＦｕｊｉｍｉＣｏｒｐｏｒａｔｉｏ
ｎ）のコンポール８０（ｃｏｍｐｏｌ−８０）という製
品があるが、このようにアルカリ金属を含む研磨剤を用
いてシリコン酸化膜等を研磨すると、研磨剤中のアルカ
リ金属がシリコン酸化膜あるいは半導体素子中に拡散
し、ＭＯＳデバイスにおいてしきい値電圧を変動させる
など半導体装置の信頼性を著しく低下させることになっ
てしまうという問題がある。

【０００６】このためポリッシュ工程の前に、半導体素
子への不純物拡散を防ぐ保護膜を被ポリッシュ膜の下に
あらかじめ成膜しておくなどの予防策が必要であり、半
導体プロセスが複雑になっていた。

【０００７】以下各製造工程における半導体装置の断面
図を参照して従来の製造方法を説明する。

【０００８】図１（ａ）において１は半導体装置の基
板、２は電極等の微細パターンである。

【０００９】微細パターン上に保護膜を形成するには図
１（ｂ）のように、まず半導体装置表面全面に保護膜３
を成膜し、次にレジスト４をその上に塗布し、リソグラ
フィ法でレジスト４をパターニングする。

【００１０】さらにレジストをマスクとして保護膜を選
択的に除去してレジストを剥離すると、図１（ｃ）に示
すように保護膜がパターニングされる。

【００１１】この図１（ｄ）のように絶縁膜５を成膜し
てから、その表面をポリッシング法で研磨して平坦化す
ると図１（ｅ）に示す平坦な表面が得られる。

【００１２】しかしながら、このように保護膜形成のた
めに図１（ａ）、図１（ｂ）および図１（ｃ）の工程が
よけいに必要であり、プロセスが複雑であった。

【００１３】別のコロイダルシリカ系の研磨剤として、
シリカ粒子を四塩化ケイ酸を熱分解したり有機シランを
加水分解したりして成長させ、アンモニアやアミンで水
素イオン濃度の調整を行った。アルカリ金属を含まない
研磨剤もあるが、この様な研磨剤では、シリコン酸化膜
等の研磨速度は著しく遅く、シリコン酸化膜等の研磨に
は実用できないという問題があった。

【００１４】また、従来よりフォトマスク用ガラスの表
面研磨においては、一次研磨として酸化アルミニウム懸
濁液でガラス表面を研磨し、仕上げ研磨として平均粒径
数μｍの酸化セリウム粒子を含む懸濁液で研磨するとい
う方法がとられている。

【００１５】しかしながら、通常、半導体装置の製造工
程においては、絶縁膜の研磨量は高々数μｍ程度で、こ
の様な２段階以上の研磨は好ましくない。

【００１６】さらに、半導体装置の製造工程において
は、通常、基板表面に数百ｎｍから数千ｎｍ程度の段差
層（導電層）が形成された基板表面に絶縁膜を被覆す
る。

【００１７】この際段差層内の段差形状は絶縁膜の表面
形状に反映される。

【００１８】さらに、絶縁膜の表面段差を研磨により平
坦化しなければならないが、しかしながら、実際には平
均粒径数μｍの酸化セリウム粒子で、数百ｎｍから数千
ｎｍ程度の段差を平坦化しながら研磨することができる
かどうか、また、絶縁膜表面に傷を発生させることなく
研磨することが可能かどうか、さらにコロイダルシリカ
を用いた場合におけるような絶縁膜へのアルカリ金属汚
染があるかどうかについては、全く知られておらず、フ
ォトマスク用ガラスの研磨に対する上記方法を半導体装
置の製造工程中の研磨工程に対して適用することなどは
全く考慮されていなかった。

【００１９】上述の如く、半導体装置の製造工程等にお
いて、研磨剤としてコロイダルシリカを用いた従来の研
磨工程においては、アルカリ金属による汚染や研磨速度
が遅いなどの問題があった。

【００２０】またモフォトマスク用ガラスの表面研磨に
おいて、酸化セリウム粒子が含まれた懸濁液を用いる方
法があるが、絶縁膜表面に傷を発生することなく、数百
ｎｍから数千ｎｍ程度の段差を平坦化しながら研磨でき
るかどうか、また、アルカリ金属汚染があるかどうかに
ついては、全く知られておらず、上記方法を半導体装置
の製造工程における研磨工程に対して適用することなど
は全く考慮されていなかった。

【００２１】研磨による従来の代表的な平坦化技術を図
２（ａ）ないし図２（ｃ）の工程断面図を用いて説明す
ると、まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉ半導体基板
１上にＳｉＯ₂膜１２を形成し、この後、ＳｉＯ₂膜１
２上に厚さ１．１μｍの金属配線１３を形成する。

【００２２】次に図２（ｂ）に示すように、全面にＳｉ
Ｏ₂膜１４を堆積する。このとき、金属配線１３のパタ
ーンに対応してＳｉＯ₂膜１４の表面に凹凸が生じる。
次いでＳｉＯ₂膜１４の表面を研磨し、ＳｉＯ₂膜１４
の表面の凹凸を除去する。このＳｉＯ₂膜１４の研磨は
図３に示す研磨装置を用いて行なう。

【００２３】すなわち、図２（ｂ）のように構成された
Ｓｉ基板１を保持体５０１にセットし、このＳｉ基板１
をターンテーブル５０２上で回転させる。ターンテーブ
ル５０２上には、研磨剤供給パイプ５０３が設けられて
おり、これにより、研磨の間、研磨剤５０５が供給され
続けられるようになっている。

【００２４】そして、Ｓｉ基板１の研磨面とターンテー
ブル５０２との間には研磨用不織布すなわち研磨用クロ
ス５０４が設けられており、この研磨用クロス５０４と
研磨剤の粒子とによって、基板表面の凹凸が削られる。

【００２５】なお、ここでは、荷重体５０１には４０ｋ
ｆｇの荷重が加わっており、１００ｒｐｍの速さで回転
させている。また、ターンテーブル１００は１００ｒｐ
ｍの速さで回転させている。

【００２６】しかしながら、この種の方法では、図２
（ｃ）に示すように、ＳｉＯ₂膜１４の表面のもともと
の凹凸は緩和されるが、金属配線４３間のＳｉＯ₂膜１
４が若干くぼみ、いわゆる、ディッシングが発生する。

【００２７】この様子を詳細に調べた結果を図４に示
す。この評価は金属配線１３の幅が５００μｍで、金属
配線４３のピッチ間が１０００μｍの場合のものであ
る。図中、横軸は図２（ｃ）の工程における研磨時間
（秒）を示している。縦軸はＳｉＯ ₂膜１２の表面から
ＳｉＯ₂膜１４の表面までの距離を示している。

【００２８】研磨を行なう前は、金属配線１３がある部
分（凸部）のＳｉＯ₂膜１２の表面からＳｉＯ₂膜１４
の表面までの距離（図中の実線）と、金属配線１３がな
い部分（凹部）のＳｉＯ₂膜１２の表面からＳｉＯ₂膜
１４の表面までの距離（図中の点線）との差は、金属配
線１３の膜厚と同じ１．１μｍである。

【００２９】研磨が進むと、凸部のＳｉＯ₂膜１４の研
磨速度が凹部のそれより速いため、凸部におけるＳｉＯ
₂膜１２・ＳｉＯ₂膜１４間の距離と凸部におけるそれ
との差は縮まっていく。ここで、凸部のＳｉＯ₂膜１４
の研磨速度が凹部のそれより速い理由は、凸部のＳｉＯ
₂膜１４に荷重が集中するためである。

【００３０】しかしながら、凸部におけるＳｉＯ₂膜１
２・ＳｉＯ₂膜１４間の距離と凹部におけるそれとの差
が縮まっていく速度は非常に遅く、研磨を約７０秒間行
ない、凸部のＳｉＯ₂膜１４を約１．０μｍ研磨で除去
した場合、凹部のＳｉＯ₂膜１４も約０．６５μｍ研磨
で除去され、結果として、凸部におけるＳｉＯ₂膜１２
・ＳｉＯ₂膜１４間の距離と凹部におけるそれとの差は
約０．３５μｍとなる。

【００３１】この方法により、ＳｉＯ₂膜１４の表面を
完全に平坦化するには、研磨量を増やせば良い。すなわ
ち、ＳｉＯ₂膜１４を厚く形成して研磨を行なえば良
い。

【００３２】しかし、この方法では、研磨時間が非常に
長くなり、このような研磨時間の長時間化は生産コスト
の上昇の原因となる。更に、研磨速度の被研磨基体面内
のばらつきは、研磨量に比例して拡大するため、上記の
如きに研磨量を増やすのは望ましくない。

【００３３】上記方法に伴う凹部のディッシングを防止
するには、例えば、窒化シリコンなどの膜を凹部の研磨
ストッパーとして設けることにより、凹部のＳｉＯ₂膜
１４の研磨を抑制し、凸部のＳｉＯ₂膜１４の膜厚と凹
部のそれとの差が縮まる速度を速くすれば良い。

【００３４】この方法を図５（ａ）ないし図５（ｄ）工
程断面図を用いて説明すると、まず、図５（ａ）に示す
ように、先の方法と同様に、Ｓｉ基板１上にＳｉＯ₂膜
１２、金属配線１３（厚さ１．１μｍ）を形成する。

【００３５】次に図５（ｂ）に示すように、金属配線１
３が隠れるように全面ＳｉＯ₂膜１４を堆積する。

【００３６】次に図５（ｃ）に示すように、ＳｉＯ₂膜
１４上に窒化シリコン膜１５を堆積した後、この窒化シ
リコン膜１５をパターニングして、金属配線１３がない
凹部のＳｉＯ₂膜１４上にのみに窒化シリコン膜１５を
選択的に残置する。

【００３７】この後、先の方法と同様に、図３に示す研
磨装置を用いて、ＳｉＯ₂膜６４の表面を研磨する。

【００３８】この方法によれば、図５（ｄ）に示すよう
に、ＳｉＯ₂膜１４の表面のもともとの凹凸を緩和でき
ると共に、凹部のディッシングの発生も防止できる。し
かしながら、金属配線１３間のＳｉＯ₂膜１４が若干出
っ張り、研磨後のＳｉＯ₂膜６４の形状は、研磨前の形
状と凹凸が反転したものとなる。

【００３９】この様子を詳細に調べた結果を図６に示
す。この評価は金属配線１３の幅が５００μｍで、金属
配線１３のピッチ間が１０００μｍの場合のものであ
る。図中、横軸は図５（ｄ）の工程における研磨時間
（秒）を示している。縦軸はＳｉＯ ₂膜１２の表面から
ＳｉＯ₂膜１４の表面までの距離を示している。

【００４０】研磨を行なう前は、金属配線１３がある部
分（凸部）のＳｉＯ₂膜１２の表面からＳｉＯ₂膜１３
の表面までの距離（図中の実線）と、金属配線１３がな
い部分（凹部）のＳｉＯ₂膜１２の表面からＳｉＯ₂膜
１４の表面までの距離（図中の点線）とは、ともに金属
配線１３の膜厚と同じ１．１μｍである。

【００４１】研磨を開始すると、凸部のＳｉＯ₂膜１４
の研磨速度が凹部のそれより速いため、凸部におけるＳ
ｉＯ₂膜１２とＳｉＯ₂膜１４との間の距離と凹部にお
けるそれとの差は縮まっていく。ここで、凸部のＳｉＯ
₂膜１４の研磨速度が凹部のそれより速い理由は、凹凸
を有するものを研磨すると、凸部に荷重が集中するから
である。

【００４２】更に、この方法では、凹部にストッパー膜
としての窒化シリコン膜１５を設けているため、凹部の
ＳｉＯ₂膜１４の研磨速度は凸部のそれに比べて非常に
遅く、凸部のＳｉＯ₂膜１４の研磨速度により凸部にお
けるＳｉＯ₂膜１２とＳｉＯ ₂膜１４間との距離と凹部
におけるそれとの差が縮まっていく。

【００４３】そして、研磨開始後、約７０秒で凹部にお
けるＳｉＯ₂膜１２とＳｉＯ₂膜１４間との距離と凹部
におけるそれとの差がほぼ０になり、ＳｉＯ₂膜１４の
表面が平坦になる。しかしながら、ＳｉＯ₂膜１４の表
面が平坦になっても、この後も研磨が続くため、窒化シ
リコン膜１５で被覆されていない部分、つまり、凸部の
ＳｉＯ₂膜１４は研磨されて薄くなっていく。

【００４４】この結果、凸部におけるＳｉＯ₂膜１２と
ＳｉＯ₂膜１４間との距離は凹部におけるそれよりも小
さくなり、研磨後のＳｉＯ₂膜１４の形状は、研磨前の
形状と凹凸が反転したものとなる。

【００４５】このようなＳｉＯ₂膜１４の形状の反転を
防止するには、ＳｉＯ₂膜１４の表面が平坦になる時点
で、窒化シリコン膜１４が消失するように、窒化シリコ
ン膜１５の膜厚を最適化すれば良いが、最適な膜厚範囲
が狭く、実用性に欠けるという問題がある。更に、この
方法では必須な工程であるところの、窒化シリコン膜１
５などのストッパー膜を形成し、これをパターニングす
るという工程は、複雑でコストがかかるという難点もあ
る。

【００４６】上述の如く、従来の研磨による絶縁膜の平
坦化方法では、凹部にディッシグが生じ、完全な平坦化
が困難であるという問題があった。

【００４７】そこで、ディッシングの発生を抑制するた
めに、凹部に窒化シリコン膜などのストッパー膜を選択
的に設けて研磨を行なうという方法が試みられた。

【００４８】しかし、この方法にあっては、研磨により
絶縁膜の平坦化が達成された直後に、ストッパー膜がな
い凸部の絶縁膜にディッシングが生じるため、この場合
も、完全な平坦化が困難であるという問題があった。

【００４９】図７（ａ）および図７（ｂ）は、半導体装
置の従来の他の製造方法における平坦化工程を示す図で
ある。

【００５０】図７（ａ）に示すように、半導体基板ある
いは下地基板１上に多層配線、半導体多結晶層、キャパ
シタ、電極等の微細パターン３２を選択的に形成し、該
パターン間に凹部３３、３４を形成する。

【００５１】凹部３３は、隣接した微細パターン間に生
じた凹部であり、凹部３４は、凹部３３に比べて開口幅
が大きい凹部である。

【００５２】微細パターン３２を有する半導体基板１上
に絶縁膜３５を形成する。更に、この絶縁膜３５にレジ
スト３６を塗布する。

【００５３】隣接した微細パターン間に生じた凹部３３
上方に塗布されたレジスト３６の膜厚は、凹部３３に比
べて開口幅が大きい凹部３４上方に塗布されたレジスト
３６の膜厚に比べ相対的に薄くなっている。

【００５４】次に図７（ｂ）に示すように、このレジス
ト３６表面を例えばＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎ
Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりエッチバックし絶縁膜３５を
露出させる。ここで、３５ａは、隣接した微細パターン
間に生じた凹部３３上方に形成された絶縁膜３５であ
り、３５ｂは、凹部３４上方に形成された絶縁膜３５で
ある。

【００５５】絶縁膜３５の表面形状は、凹部３３上方
の、レジスト３６の膜厚が薄くなっていた部分では、エ
ッチバックにおける絶縁膜３５のエッチングが早く進む
ので、絶縁膜３５全体としては表面にかなりの凹凸すな
わち高低差が生じることになる。

【００５６】また、図７（ａ）および図７（ｂ）は、半
導体装置の他の平坦化工程、特に多層工程以前の平坦化
を示す図である。

【００５７】図８（ａ）に示すように、半導体基板１上
にキャパシタあるいは電極としての例えばポリシリコン
高融点金属シリサイド層４２を選択的に形成する。ここ
で、ポリシリコン高融点金属シリサイド層４２間のスペ
ースが狭い部分の凹部４３と広い部分の凹部４４が存在
することになる。

【００５８】更に、このポリシリコン高融点金属シリサ
イド層４２を有する半導体基板４１上に絶縁膜４５を形
成する。例えば、この絶縁膜４５がＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ
ｎＰｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓＳｉｌｉｃｏｎＧｌａｓ
ｓ）膜とする。

【００５９】次に図８（ｂ）に示すように、このＢＰＳ
Ｇ膜をリン拡散メルトによりリフローさせる。すると、
ポリシリコン高融点金属シリサイド層４２間のスペース
が広い部分の凹部４４のＢＰＳＧ膜４５はスペースが狭
い部分の凹部４３のＢＰＳＧ膜４５よりも表面高さが低
くなり、絶縁膜４５全体としては表面にかなりの凹凸す
なわち高低差が生じることになる。

【００６０】このような平坦化工程を含む製造方法にお
いては、半導体基板上に電極、キャパシタ、配線などの
凸部段差構造や、トレンチ、コンタクトホールなどの凹
部段差構造を設けることが非常に多い。この段差構造上
に例えば絶縁膜を設けて、この絶縁膜をエッチバックや
リフローすることによって、これらの段差を平坦化して
いる。

【００６１】しかしながら、このエッチバックやリフロ
ーといった方法では、凹部の幅がさまざまであるため、
絶縁膜表面の高さを完全に等しくすることができない。
すなわち、絶縁膜を完全に平坦化することができない。

【００６２】表面に凹凸が残ることは、この後の後工程
にさまざまな悪影響を与える。

【００６３】例えば、表面に凹凸が残る膜上に配線材料
を形成し、この配線材料のパターニングを行う。する
と、パターンの露光の際に、焦点が合致せず、その結
果、形成された配線の形成が乱れ、精度良くパターニン
グできない。

【００６４】近年のサブミクロンデバイスでは、集積度
が上がってチップ内で中心部分と周辺部分の高低差が広
がってきており、配線幅も非常に狭くなっている。この
ような状況では、脱表面の凹凸はパターン形状の乱れを
生じるだけでなく電気特性にも悪影響を及ぼすことにな
る。

【００６５】また、エッチバックとしては、ＲＩＥを用
いるので、異方性エッチング特有の、開口部のサイズや
パターン占有率の違いによるエッチングレートや形状の
ローディング効果が生じ、エッチングの制御性に欠け
る。

【００６６】これらの結果として、配線の断線、あるい
は配線間のショート等の不良が起こり、配線の歩留まり
や信頼性を低下させるという問題があった。

【００６７】図９（ａ）ないし図９（ｃ）は、絶縁膜の
平坦化に関する従来の他の研磨工程を示す断面図であ
る。

【００６８】まず図９（ａ）に示すようにＳｉ半導体基
板１上にＳｉＯ₂膜５２を堆積する。この後、このＳｉ
Ｏ₂膜５２上に下層配線５３を形成する。

【００６９】次に、図９（ｂ）に示すように下層配線５
３等の全面にＳｉＯ₂膜５４を堆積した後、図９（ｃ）
に示すようにこのＳｉＯ₂膜５４の一部を研磨法により
除去する。

【００７０】ここで、研磨の工程は、図９（ｂ）に示す
ＳｉＯ₂膜５４表面の凹凸を取り除き、ＳｉＯ₂膜５４
表面を平坦にするためのものである。

【００７１】しかしながら、図９（ｃ）に示すように、
ＳｉＯ₂膜５４表面の一部を平坦にすることは比較的容
易であるものの、ＳｉＯ₂膜５４表面の全体に渡って平
坦にすることは容易ではない。ＳｉＯ₂膜５４の削れ量
はＳｉ基板５１面内の位置によって異なるからである。
この場合、削り量を制御することも容易ではない。

【００７２】そこで、窒化シリコン膜等を研磨のストッ
パーとして用いて、削り量を制御する方法が考えられ
る。この方法を図１０（ａ）ないし図１０（ｄ）に示
す。

【００７３】この方法は、図１０（ａ）に示すように、
まず、Ｓｉ基板１上にＳｉＯ₂膜６２を堆積する。この
後、このＳｉＯ₂膜６２上に下層配線６３を形成する。

【００７４】次に、図１０（ｂ）に示すように下層配線
６３上にストッパーとなる窒化シリコン膜６４を堆積し
た後、図１０（ｃ）に示すように、窒化シリコン膜６４
上にＳｉＯ₂膜６５を堆積する。そして、図１０（ｄ）
に示すように、ＳｉＯ₂膜６５の一部を研磨法により除
去する。

【００７５】しかしながら、図１０（ｄ）に示すよう
に、研磨の程度はＳｉ基板５２面内の位置によって異な
る。研磨がストッパーとしての窒化シリコン膜６４で止
まっているところもある一方、Ｓｉ基板５２面内の位置
によっては、窒化シリコン膜６４さえもが研磨によって
消失し、下層配線６３が研磨されているところも発生し
ている。

【００７６】また、図１１（ａ）ないし図１１（ｃ）お
よび図１２（ａ）ないし図１２（ｅ）は、それぞれ薄膜
半導体素子の従来の製造工程に関するものであり、シリ
コンの基板を研磨によって薄膜化する工程を示すもので
ある。

【００７７】図１１（ａ）に示すように、まず、Ｓｉ基
板１上にＳｉＯ₂膜７２を形成する。

【００７８】次に図１１（ｂ）に示すように別のＳｉ基
板７３をＳｉ基板１上にＳｉＯ₂膜７２を介して張り付
けた後、図１１（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板７３を研
磨により薄膜化する。

【００７９】このとき、シリコン薄膜７３の膜厚は図１
１（ｃ）に示すようにＳｉ基板１の面内の位置によって
大きく異なり、位置によってはシリコン薄膜７３が消失
してしまっている。

【００８０】そこで、この場合、ＳｉＯ₂膜等を研磨の
ストッパーとして用いる方法により、削り量を制御する
方法が考えられる。その方法を、図１２（ａ）ないし１
２（ｅ）に示す。

【００８１】図１２（ａ）に示すように、まず、Ｓｉ基
板１上にＳｉＯ₂膜８２を形成する。

【００８２】次に図１２（ｂ）に示すように別のＳｉ基
板８３をストッパーとしてＳｉ基板１上にＳｉＯ₂膜８
２を介して張り付ける。この後、図１２（ｃ）に示すよ
うに、Ｓｉ基板８３にＳｉＯ₂膜８２表面に到着する穴
を開孔する。これに続いて図１２（ｄ）に示すように、
この開孔部に選択的に所望の厚さのＳｉＯ₂膜８４を堆
積した後、図１２（ｅ）に示す如く、Ｓｉ基板８３の一
部を研磨法により除去する。

【００８３】この場合、図１２（ｅ）に示すように、研
磨の程度はＳｉ基板１の面内の位置によって異なる。Ｓ
ｉＯ₂膜８４で研磨が止まっているところもあるが、Ｓ
ｉ基板１の面内の位置によっては、ＳｉＯ₂膜８４が研
磨によって消失し、結果としてシリコン薄膜８３が消失
してしまっている。

【００８４】このように、従来の半導体装置の製造方法
において、次のような問題があった。

【００８５】すなわち、一つの大きな問題としては、研
磨量の制御が難しいということである。ここでいう研磨
量の制御とは、絶対的な研磨速度の制御と研磨速度の面
内の均一性の制御とであり、これらの二つを制御できな
ければ、実用できる技術とはなり得ない。そこで、研磨
量を制御する方法として、研磨のストッパーとして窒化
シリコン膜やＳｉＯ₂膜を用いる方法も考えられてい
る。

【００８６】しかしながら、窒化シリコン膜やＳｉＯ₂
膜を研磨のストッパーとして用いる場合は、被研磨物と
ストッパーとの研磨速度の選択比を十分には取ることが
できず、このため、製造には実用しがたいという問題が
ある。さらに、被研磨物とストッパーとの研磨速度の選
択比は、研磨剤の種類によって大きく異なる。例えば、
研磨剤中の水酸化ナトリウムが多く入っていれば、Ｓｉ
Ｏ₂膜の研磨速度は速くなる。このため、研磨剤の種類
によってストッパー材料を選択しなければならないとい
う問題がある。

【００８７】上述のように、従来の半導体の製造方法に
おける研磨工程においては、研磨量の制御が難しく、実
用できないという問題があった。

【００８８】半導体装置の従来の製造方法における研磨
工程では、また研磨量の制御は、製品を研磨する前にテ
ストピースを研磨し、テストピースで得られた研磨速度
をもとに製品の研磨時間を設定して研磨するという方法
がとられている。

【００８９】しかしながら、研磨速度は、図１８に示す
ように、時間と共に刻々と変化し、テストピースで得ら
れた研磨速度は、必ずしも製品を研磨しているときの研
磨速度と同じではない。

【００９０】このような研磨速度の経時変化は、研磨布
の研磨剤の保持量や保持状態により大きく変わり、コン
トロールするのが非常に難しい。

【００９１】そこで、テストピースで得られた研磨速度
を少しでも製品を研磨しているときの研磨速度と近くす
るために、テストピースの数を増やすことで対応してい
るが、これは、テストピースの材料費の高騰や生産設備
の稼働率の低下など、生産コストの上昇につながり、研
磨工程を実用するにあたっての障害になっている。

【００９２】また、別の方法としては、製品をあらかじ
め少な目に研磨し、この削り量を測定し、再びこの製品
を研磨するという繰り返しにより、研磨量をコントロー
ルするという方法もとられている。

【００９３】しかし、この方法では、テストピースの経
費は余りかからないが、手間がかかり、生産設備の稼働
率も低くなってしまう。

【００９４】さらに、半導体装置の製造工程での研磨量
は高々１μｍ程度であり、このような少ない研磨量で
は、前記方法では研磨量のコントロールの精度もあまり
良くない。

【００９５】半導体装置の従来の製造方法においては、
このように、研磨量の制御が難しいという問題がある。

【００９６】そこで、テストピースにより研磨速度を確
認する方法や、１枚の製品の削り量を確認しながら数回
にわけて研磨する方法がとられているが、手間がかか
り、さらに生産コストも上昇する。また、コントロール
の精度も十分でない。

【００９７】またさらに、従来の研磨方法においては、
USP.Pat.No.5,036,015「 Method ofEndpoint detection
during chemical / Mechanicul Planarization of Semi
condnctor Wafers 」に見られるように、平坦化装置の
ターンテーブルを電気モーターで駆動し、保持装置に保
持されたウェーハとターンテーブル上の研磨用クロスと
の間の摩擦の変化を該電気モーターを流れる電流値の変
化として検知している。

【００９８】そして酸化珪素膜を平坦化する際には、あ
らかじめ酸化珪素膜の下により硬い材料層を設けて、研
磨面が酸化珪素膜の研磨による除去を完了し、硬い材料
層に到達し摩擦が大きく増大した時点で平坦化の終了と
している。

【００９９】＜従来技術の問題点＞この従来方法の問題
点を図１４ないし図１６を参照しながら説明する。

【０１００】図１４は従来の研磨装置の概要を示し、タ
ーンテーブル５０２の研磨用クロス５０４と保持具５０
１に保持された半導体ウェーハ１の間の摩擦の変化をモ
ーター５１１，５１２にそれぞれ接続された電流計５１
３，５１４によって検出される電流の変化として検知し
ている。

【０１０１】モーター５１１，５１２に流れる電流は駆
動電源５１５，５１６の電圧に対し図１１５に示すよう
に２次関数状に変化し、駆動電圧の変化により検知量が
影響を受ける。

【０１０２】また、図１６に示す様に、モーター電流は
研磨の行われていない無負荷状態においても無負荷電流
Ｉｏが流れるため、摩擦状態を適格に示すことは困難で
ある。

【０１０３】さらに、研磨装置には図１４に示す様にモ
ーター５１１，５１２の高調波等によるターンテーブル
５０２および保持装置のそれぞれのシャフト５１７，５
１８への脈動を防止するため、シャフト５１７，５１８
間をベルト５１９，５２０により連結し、機械的脈動の
研磨面への悪影響を防止しているが、ベルト５１９，５
２０とシャフト５１７，５１８間は駆動中、滑りを生じ
易く、この滑りにより、モーター５１１，５１２への負
荷状態が変動し、電流値は研磨状態を反映しにくくな
る。

【０１０４】ところでまた、従来の他の研磨方法におい
ては、ターンテーブルの回転数および被研磨物にかかる
荷重から研磨速度を算出し、この研磨速度と要求される
研磨量とから研磨時間を設定している。

【０１０５】すなわち、駆動モーターにより回転自在に
形成されたターンテーブル上には研磨用クロスとして不
織布が設けられており、この不織布の上方には被研磨物
を保持する保持部が設けられている。この保持部は駆動
モーターにより回動自在に形成されてる。

【０１０６】上記構成において、先ず、前記保持部に被
研磨物である半導体基板すなわち半導体ウェーハが前記
テーブルの上面と対向する位置に取り付けられる。この
ウェーハは、シリコン基板上に第１の絶縁膜を介して配
線が設けられ、この配線および第１の絶縁膜の上には第
２の絶縁膜が設けられたものである。

【０１０７】次に、前記保持部およびテーブルは駆動モ
ーターによってそれぞれ所定の回転数により回転され
る。この後、前記テーブルとともに回転している不織布
上には研磨剤が供給される。

【０１０８】次に、前記保持部は下方に移動され、前記
ウェーハは不織布に接触される。この際、前記ウェーハ
には所定の荷重がかけられている。

【０１０９】この後、前記保持部はテーブルの表面と平
行な方向に移動され、ウェーハは所定の時間だけ研磨さ
れる。これにより、前記ウェーハにおける第２の絶縁膜
２は凹凸が削られ平坦にされる。

【０１１０】次に、前記保持部において、ウェーハが交
換される。この後、上述したような工程が繰り返され
る。

【０１１１】所定の時間、研磨装置を使用した後、前記
不織布のコンデションを良くするため、この不織布には
ブラシによりドレッシングが施される。次に上述したよ
うな工程、即ち研磨、ドレッシングが繰り返された後、
前記不織布は交換される。

【０１１２】ところで、上記従来の研磨方法では、設定
された研磨条件、即ち回転数および荷重から研磨速度を
計算し、この研磨速度と必要な研磨量とから研磨時間を
設定している。

【０１１３】すなわち、前記回転数および荷重それぞれ
を変えなければ、前記研磨速度も一定であるとして計算
されている。

【０１１４】しかし、前記回転数および荷重それぞれの
設定を変えなくても、研磨の際のウェーハと不織布との
摩擦が研磨時間の経過とともに変化することによって、
研磨速度も変化する。

【０１１５】図１７は、不織布の総使用時間と研磨速度
との関係を示す図である。不織布の総使用時間が５０分
以内の段階は使用初期段階とされており、不織布の総使
用時間が５０分以上の段階は稼働段階とされている。

【０１１６】図１７によれば、稼働段階においても、不
織布の総使用時間が経過するにつれて研磨速度も変化し
ている。

【０１１７】この原因としては、不織布の総使用時間が
増加するにつれて、不織布に研磨剤が目詰まりしたり、
不織布自身が研磨されること、即ち不織布が磨耗される
ことにより、不織布の表面状態が変化することが考えら
れる。

【０１１８】つまり、前記不織布の表面において、研磨
剤の供給、排出機能が低下し、被研磨物における研磨効
率が変化する。

【０１１９】すなわち、不織布の表面組織は図１３に示
すように無数の繊維間空間があり、この空間内に研磨剤
粒子５０５が保持される。そして研磨時に、保持された
研磨剤がウェーハに排出すなわち供給される。しかしな
がら、この供給排出機能は不織布の磨耗により低下す
る。このため、研磨速度の経時変化を引き起こす。

【０１２０】また、不織布の表面状態がさらに悪くなる
と、被研磨物における研磨面にキズが発生したり、前記
研磨面における平坦性の低下が生じることがある。

【０１２１】前記不織布に研磨剤が目詰まりすることに
対しては、適切な時期に不織布をブラシ等によりドレッ
シングすることが考えられる。前記不織布が磨耗するこ
とに対してドレッシングは有効であるが、ドレッシング
で回復、再生しない場合は、不織布の寿命であるから、
適切な時期に不織布を交換する必要がある。

【０１２２】しかしながら、従来の研磨方法では、前記
ドレッシングの時期は作業者の経験等により判断し、前
記不織布の交換の時期については、単位時間当りの研磨
量を測定することによって研磨速度を計算し、この研磨
速度から判断している。

【０１２３】このため、ドレッシングの時期および不織
布の交換の時期は適切なものではなかった。この結果、
被研磨物における研磨速度を一定に保つことができず、
被研磨物における研磨量を正確に制御することができな
かった。

【０１２４】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、半導
体装置の従来の製造方法においては、研磨粒子からアル
カリ金属などの不純物が半導体装置内部に拡散するのを
防ぐために、ポリッシュ工程の前に、半導体素子への不
純物拡散を防ぐ保護膜を被ポリッシュ膜の下にあらかじ
め成膜しておくなどの予防策が必要であり、半導体プロ
セスを複雑化させていたり、あるいは製造工程中に形成
される絶縁膜表面の凹凸のためにパターン形状の乱れが
生じ、配線の断線、あるいは配線間のショート等の不良
が起こり、配線の歩留まりや信頼性を低下させるという
問題点があった。

【０１２５】また従来の研磨方法では、研磨量の制御は
あらかじめテストピースを研磨し、その得られた研磨速
度をもとに製品の研磨時間を設定して研磨している。ま
た前記ドレッシングの時期は作業者の経験等により判断
し、前記不織布の交換の時期については、単位時間当り
の研磨量を測定することによって研磨速度を計算し、こ
の研磨速度から判断している。このため、ドレッシング
の時期および不織布の交換の時期は適切なものではなか
った。この結果、被研磨物における研磨速度を一定に保
つことができず、被研磨物における研磨量を正確に制御
することができなかった。

【０１２６】この発明は、不純物による汚染なしに簡便
に得られあるいは膜表面の凹凸によるパターン形状の乱
れを最小限にする半導体装置およびその製造方法、なら
びに被研磨物における研磨量を正確に制御し得る研磨装
置および研磨方法、さらには研磨面の品質を維持するこ
とのできる研磨面の再生方法を提供することを目的とす
る。

【０１２７】

【課題を解決するための手段】この発明の研磨装置は、
半導体ウェーハを研磨して平坦化する手段と、前記半導
体ウェーハと研磨剤の保持された定盤との間に生じる摩
擦に基き前記半導体ウェーハの研磨速度を算出する手段
と、この研磨速度からウェーハ研磨面上の研摩負荷量絶
対値を前記研磨面の回転シャフトの歪み量に基いて検出
する手段とを具備することを特徴とする。

【０１２８】

【作用】上記の発明の研磨装置では、半導体ウェーハと
研磨剤の保持された定盤との間に生じる摩擦に基き半導
体ウェーハの研磨速度を算出し、さらに算出した研磨速
度からウェーハ研磨面上の研摩負荷量絶対値を研磨面の
回転シャフトの歪み量に基いて検出している。研磨面の
回転シャフトの歪み量に基いて検出された研摩負荷量絶
対値を用いて、研磨面を駆動するモーターの停止等の制
御を行うことにより、高精度な平坦化を実現している。
回転シャフトの歪み量は歪みセンサにより電気信号に変
換してもよい。

【０１２９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
詳細に説明する。

【０１３０】図１９には本発明の実施例に係わる層間絶
縁膜平坦化の工程断面図が示されている。

【０１３１】図１９（ａ）に示す如く、表面に素子（不
図示）が形成されたＳｉ基板２０１上に、厚さ１μｍの
ＳｉＯ₂膜２０２を形成する。次いで、このＳｉＯ₂膜
２０２上に厚さ５００ｎｍのポリシリコン膜２０３を形
成する。

【０１３２】次に、図１９（ｂ）に示す如く、ポリシリ
コン膜２０３上に厚さ１．５μｍのフォトレジスト（感
光性樹脂層）を塗布し、マスクパターン（図示せず）を
用いてこのフォトレジスト層を露光し現像を行うことに
より、フォトレジストパターン２０４を形成する。

【０１３３】次に、図１９（ｃ）に示す如く、このフォ
トレジストパターン２０４をマスクとして、ＣＦ₄ガス
を使用したＲＩＥ法によりポリシリコン膜２０３をパタ
ーニングする。

【０１３４】次に、図１９（ｄ）に示す如く、ＣＦ₄と
Ｏ₂の混合ガスをマイクロ波放電させフォトレジストを
灰化処理するダウンフロータイプの灰化処理装置によ
り、フォトレジストパターン２０４を剥離する。

【０１３５】次に図１に示す如く、全面に層間絶縁膜と
して厚さ１μｍのＳｉＯ₂膜２０５を形成する。ここ
で、ＳｉＯ₂膜２０５の表面にはポリシリコン配線２０
３に対応して段差が生じた。

【０１３６】次に、図１９（ｆ）に示す如く、ＳｉＯ₂
膜２０５を研磨した。研磨は、図３に概略的に示すよう
な装置を用いた。図３に示されるように、ターンテーブ
ル５０２上の研磨用クロス５０４の中心に研磨剤供給パ
イプ５０３の先端が位置しており、ターンテーブル５０
２は前記中心を通る軸のまわりに１００ｒｐｍで矢印の
方向に回転するとともに、前記先端から研磨剤が研磨用
クロス５０４上に供給される。また、ウェーハ１は荷重
４０ｋｇｆで研磨用クロス５０４上に押し付けられると
共に、１００ｒｐｍで矢印の方向に回転せしめられる。
研磨剤は、バストネサイトを粉砕、焼成してなる平均粒
径１．２μｍ、最大粒径４．０μｍの酸化セリウムを含
む粉体を水に懸濁させたものであり、その組成は、酸化
セリウム５０ｗｔ％、その他の希土類金属の酸化物３７
ｗｔ％程度のものである。本実施例で用いた酸化セリウ
ムを含む粉体の組成を表１に示す。

【０１３７】

【表１】

【０１３８】酸化セリウムを含む研磨剤で研磨した後の
絶縁膜表面は、平坦化がされていた。また、微分干渉型
顕微鏡で絶縁膜表面を観察して、傷は観察されなかっ
た。

【０１３９】工程で、平均粒径２．５μｍ、最大粒径１
２．０μｍの酸化セリウムを含む粉体１ｗｔ％を水に懸
濁させた研磨剤を用いた場合にも、研磨した後の絶縁膜
表面は平坦化がなされていたが、微分干渉型顕微鏡で絶
縁膜表面を観察すると、１０ｃｍ²あたり４個の傷が観
察された。

【０１４０】また、平均粒径２．５μｍ、最大粒径１
２．０μｍの酸化セリウムを含む粉体で、上記したよう
に粉砕後焼成を行った粉末１ｗｔ％を水に懸濁させた研
磨剤を用いた場合には、微分干渉型顕微鏡で絶縁膜表面
を観察すると、１０ｃｍ²あたりの傷の数は１個であっ
た。

【０１４１】この結果より、酸化セリウムを含む研磨剤
で研磨することにより、絶縁膜表面の平坦化が可能であ
る事、酸化セリウムを含む研磨剤は、粒径が小さいも
の、好ましくは最大粒径４μｍ以下のものが傷の発生を
抑えられる事、さらに同じ粒径の研磨剤においても焼成
条件を選択し粒子の硬さを軟らかくすることにより傷の
発生を抑えられる事がわかる。

【０１４２】次に、表２にシリコンを熱酸化した膜厚１
μｍのシリコン酸化膜およびリンとホウ素を高濃度に含
む膜厚１μｍのシリコン酸化膜（以下ＢＰＳＧと呼ぶ）
それぞれを平均粒径２．５μｍ、最大粒径１２．０μｍ
の酸化セリウムを含む粉体１ｗｔ％を水に懸濁させた研
磨剤を用いて０．５μｍ研磨した後の、原子吸光法によ
る不純物分析の結果を示す。参考のため、コンポール８
０で研磨した場合の結果も示す。

【０１４３】

【表２】

【０１４４】表２から明らかなように、コンポール８０
で研磨した場合には、シリコン熱酸化膜ではＲｅｆ．の
研磨を行っていないものの値（文献に記載されている通
常の値）に比べ１桁程度ナトリウムのレベルが高くなっ
ており、ＢＰＳＧ膜においては２桁以上もナトリウムの
レベルが高くなっている。

【０１４５】これに対し、酸化セリウムを含む研磨剤で
研磨したものでは、シリコン熱酸化膜、ＢＰＳＧ膜、共
にナトリウムのレベルは、Ｒｅｆ．の研磨を行っていな
いものの値（文献に記載されている通常の値）と同等な
いしはほぼ同等で、他の元素についても同等ないしはほ
ぼ同等であった。また、Ｃｅについては１×１０¹⁰ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ²以下であった。酸化セリウムを含む研磨
剤は、先に述べたようにバストネサイトを粉砕、焼成し
たもので、特にアルカリ金属等を取り除く事は行ってい
ないが、それでも絶縁層へのアルカリ金属汚染は観察さ
れず、バストネサイトを原料とする研磨剤でも半導体装
置の製造に支障ない事が分かる。

【０１４６】次に、表３にシリコンを熱酸化シリコン酸
化膜、シリコン窒化膜、およびＢＰＳＧ膜それぞれを平
均粒径２．５μｍ、最大粒径１２．０μｍの酸化セリウ
ムを含む粉体１ｗｔ％を水に懸濁させた研磨剤を用いて
研磨した際の研磨速度を示す。参考のため、コンポール
８０および粒径１２ｎｍのシリコン粒子５ｗｔ％を水に
懸濁させたもの、さらにこれにアンモニアを１０ｗｔ％
加えたもの、および水酸化ナトリウムを０．２ｗｔ％加
えたものも合わせて示す。

【０１４７】

【表３】

【０１４８】表３に示されるように、熱酸化したシリコ
ン酸化膜の場合、コンポール８０の研磨速度は１１０ｎ
ｍ／ｍｉｎ程度である。また、粒径１２ｎｍシリカ粒子
５ｗｔ％を水に懸濁させただけのものでは、研磨速度は
６ｎｍ／ｍｉｎと非常に小さい。これに、水酸化ナトリ
ウムを０．２ｗｔ％加えたものでは研磨速度は５０ｎｍ
／ｍｉｎ、アンモニアを１０ｗｔ％加えたものでは１８
ｎｍ／ｍｉｎとそれぞれ増大するが、アンモニアの効果
は水酸化ナトリウムの効果に比べて小さい。さらにま
た、コンポール８０でシリコン窒化膜、ＢＰＳＧ膜を研
磨した時の研磨速度はそれぞれ４０ｎｍ／ｍｉｎ、２０
０ｎｍ／ｍｉｎである。

【０１４９】例えば５００ｎｍの熱酸化したシリコン酸
化膜を研磨によって除去する場合、コンポール８０では
約５分、粒径１２ｎｍのシリカ粒子５ｗｔ％を水に懸濁
させたものに水酸化ナトリウムを０．２ｗｔ％加えたも
のでは約１０分であるが、アンモニアを１０ｗｔ％加え
たものでは３０分程度もかかり実用できるものではな
い。

【０１５０】これに対し、平均粒径２．５μｍ、最大粒
径１２．０μｍの酸化セリウムを含む粉体１ｗｔ％を水
に懸濁させた研磨剤で研磨した場合には、シリコン酸化
膜の研磨速度が１０００ｎｍ／ｍｉｎ、シリコン窒化膜
の研磨速度が３００ｎｍ／ｍｉｎ、ＢＰＳＧ膜の研磨速
度が１２００β至１３００ｎｍ／ｍｉｎと非常に早く、
５００ｎｍの膜を研磨によって除去するのにそれぞれ
０．５分、２分程度と生産への実用に有効な速度が得ら
れる。

【０１５１】本実施例では、研磨剤はバストネサイトを
粉砕、焼成してなる酸化セリウムを含む粉体を水に懸濁
させたもので、その組成は、酸化セリウム５０ｗｔ％、
その他の希土類金属の酸化物３７ｗｔ％程度のものを水
に懸濁させたものについて述べたが、酸化セリウムを含
む研磨剤は原料、製法、懸濁液の濃度など変更可能であ
る。また、研磨する絶縁膜についてはシリコン熱酸化膜
を中心に述べたが、化学的気相成長法で形成したシリコ
ン酸化膜、窒化膜など他の絶縁膜、さらに、絶縁膜の一
部に導体膜が形成されているものにおいても有効であ
る。

【０１５２】上記実施例によれば、酸化セリウムを含む
研磨剤を用いることにより、シリコン酸化膜やシリコン
窒化膜等の絶縁膜を高速で研磨することができる。ま
た、研磨の際に上記絶縁膜の内部にアルカリ金属汚染を
引き起こす事もない。さらに、絶縁膜表面に傷を発生さ
せることなく段差を平坦化しながら研磨することが可能
である。従って、半導体装置の製造において従来の問題
点を解消した、絶縁膜の研磨工程を実用化する事が容易
になる。

【０１５３】図２０（ａ）ないし図２０（ｃ）に本発明
の他の実施例を示す。図２０（ａ）ないし図２０（ｃ）
は製造途中の半導体装置の断面図であり、ここで図２０
（ｂ）に示すように、半導体基板２０１に形成された半
導体素子２１０を含む基板主表面全面上に絶縁膜２１２
を成膜してから、その表面を図３に示すような研磨装置
によりポリッシング法で平坦化すると図２０（ｃ）のよ
うに平坦な表面が得られる。ポリッシング法で使用する
研磨剤として、主成分がＣｅＯ₂とＨ₂Ｏであり、主成
分以外の不純物としてＮａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｋ，Ｃａ，Ｔ
ｉ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｗ，Ｐｂ，Ｔｈ，Ｕの各
元素の濃度が１００ｐｐｍ以下であるものを用いる。各
元素の濃度はＩＣＰ質量分析法により測定した。

【０１５４】上記実施例におけるように、不純物をほと
んど含まない高純度の研磨剤を用いることにより、ウェ
ーハがポリッシュ中に研磨剤に触れたりポリッシュ後に
研磨剤がウェーハ表面に残ったりしても、研磨剤に含ま
れる不純物による半導体装置の汚染を防ぐことができ
る。表４に本発明の方法及び従来の方法でポリッシュし
たシリコン酸化膜を原始吸光分析法により測定したとき
の汚染状態を示す。表４から明らかなように、本発明に
よればＫ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｎｉについては検出限界以下の
汚染状態であり、Ｎａ，Ｃａ，Ｆｅについてもそれぞれ
２．３，０．９，３．４ａｔｏｍｓ／ｃｍ²であり、従
来方法に比べて極めて汚染度が低いことがわかる。

【０１５５】このように上記実施例の方法では半導体素
子への汚染の心配もほとんどないので、半導体素子上に
保護膜を形成する必要もなく、半導体装置の製造工程も
簡便になり、生産性も向上する。

【０１５６】

【表４】

【０１５７】本発明の他の実施例に係る層関絶縁膜の平
坦化方法を、図２１（ａ）ないし図２１（ｅ）の工程断
面図を参照しながら説明する。

【０１５８】まず、図２１（ａ）に示すように、所望の
半導体素子（不図示）が形成されたＳｉ基板２０１上に
下地としてのＳｉＯ₂膜２０２を堆積する。

【０１５９】次に図２１（ｂ）に示すように、このＳｉ
Ｏ₂膜２０２上に厚さ１．１μｍのＡｌ配線２０６を形
成する。

【０１６０】次に図２１（ｃ）に示すように、Ａｌ配線
２０６が形成された基板表面の全面にＳｉＯ₂膜２０７
を約１．２μｍの厚さに堆積する。

【０１６１】次に図２１（ｄ）に示すように、ＳｉＯ₂
膜２０７上に、このＳｉＯ₂膜２０７よりも研磨速度が
遅い膜として、ポリシリコン膜２０８（研磨補助膜）を
約０．１μｍの厚さに堆積する。

【０１６２】この後、図３に示された研磨装置を用いて
ポリシリコン膜２０８、ＳｉＯ₂膜２０７を研磨し、Ｓ
ｉＯ₂膜２０７の表面の凹凸を除去する。研磨材として
は、例えば、１ｗｔ％の酸化セリウム懸濁液を使用す
る。

【０１６３】このような研磨工程により、図２１（ｅ）
に示すように、ＳｉＯ₂膜２０７を完全に平坦化でき
た。

【０１６４】この様子を詳細に調べた結果を図２２に示
す。この評価はＡｌ配線２０６の幅が５００μｍで、Ａ
ｌ配線２０６のピッチ間が１０００μｍの場合のもので
ある。図中、横軸は図２１（ｅ）の工程における研磨時
間（秒）を示している。縦軸はＳｉＯ₂膜２０２の表面
からＳｉＯ₂膜２０７の表面までの距離を示している。

【０１６５】研磨を行なう前は、Ａｌ配線２０６がある
部分（凸部）のＳｉＯ₂膜２０２の表面からＳｉＯ₂膜
２０７の表面までの距離（図中の実線）と、Ａｌ配線２
０６がない部分（凹部）のＳｉＯ₂膜２０２の表面から
ＳｉＯ₂膜２０７の表面までの距離（図中の点線）と
は、ともにＡｌ配線２０６の膜厚と同じ１．１μｍであ
る。

【０１６６】研磨を行なうと、まず、凸部のポリシリコ
ン膜２０８が除去されていき、研磨時間が約３０秒のと
ころで、凸部ポリシリコン膜２０８が完全に除去され、
凸部のＳｉＯ₂膜２０７が露出する。凸部のポリシリコ
ン膜２０８が優先的に除去されるのは、凸部にかかる荷
重のほうが凹部のそれより大きいからである。

【０１６７】凸部のポリシリコン膜２０８が削減する
と、次には凸部のＳｉＯ₂膜２０７が研磨によって除去
されていく、この間、凹部のポリシリコン膜２０８は少
しずつ研磨によって除去されていく。しかし、凹部にか
かる荷重は凸部のそれに比べて小さいため、凸部のＳｉ
Ｏ₂膜２０７が研磨によって除去されている間も、凹部
にはポリシリコン膜２０８が残存し続ける。

【０１６８】凸部のＳｉＯ₂膜２０７が研磨によって除
去されていくにしたがって、ＳｉＯ ₂膜２０７の表面の
凹凸が緩和されていく。そして、研磨時間が約１００秒
のところで、凹部のポリシリコン膜２０８はほぼ完全に
消滅すると共に、ＳｉＯ₂膜２０７の表面がほぼ完全に
平坦になった。従って、ディッシングが生じること無
く、必要最低限の削り量でＳｉＯ₂膜２０７の平坦化が
達成される。

【０１６９】そして、研磨時間が約１００秒を経過した
後は、平坦になったＳｉＯ₂膜２０７を研磨することに
なるので、再び凹凸が現れることはない。

【０１７０】以上述べたように本実施例の研磨による平
坦化方法によれば、ＳｉＯ₂膜２０７上に、これよりも
研磨速度の遅いポリシリコン膜２０８を設けて研磨を行
なっているので、必要最低限の削り量でＳｉＯ₂膜２０
７の平坦化が行なえる。更に、ＳｉＯ₂膜２０７の平坦
化が達成された後さらに研磨を続けても、ＳｉＯ₂膜２
０７に凹凸が生じることはない。

【０１７１】また、本実施例では、ポリシリコン膜２０
８の膜厚を０．１μｍとしたが、凹部のポリシリコン膜
２０８は、凸部のポリシリコン膜２０８に対応して研磨
されるため、ポリシリコン膜２０８の膜厚のマージンは
広いものとなる。実際に、膜厚が０．０８μｍ，０．１
５μｍのポリシリコン膜を用いても同様な結果が得られ
た。

【０１７２】このように本実施例の平坦化方法は、ポリ
シリコン膜２０８の膜厚のマージンが大きく、しかも、
従来のように、窒化シリコン膜などのストッパ膜を形成
して、これをパターニングするという、複雑でコストが
かかる工程が不要なので、実用性の高いものとなる。

【０１７３】また、本発明者等の研究によれば、配線幅
／ピッチ間隔に関係なく、被加工膜としてのＳｉＯ₂膜
は、図２２と同様な経時変化を示すことが分かった。

【０１７４】図２３ないし図２７には、それぞれ、配線
幅／ピッチ間隔が、２，５０，１００，２００，５００
の場合についての、凸部における下地としてのＳｉＯ₂
膜の表面から被加工膜としてのＳｉＯ₂膜の表面までの
距離、および凹部のおける下地としてのＳｉＯ₂膜の表
面から被加工膜としてのＳｉＯ₂膜の表面までの距離が
示されている。

【０１７５】これら図２３ないし図２７から、どの配線
幅／ピッチ間隔の場合でも、研磨の初期段階では凹部の
被加工膜としてのＳｉＯ₂膜は研磨されず、研磨開始か
ら一定時間後に凹部および凸部の被加工膜としてのＳｉ
Ｏ₂膜がほぼ等しい速度で研磨されていくことが分か
る。

【０１７６】また、本発明者等の研究によれば、図２１
（ｄ）の如きの構造の場合、Ａｌ配線２０６（Ａｌ配線
とは限らない、つまり、被加工膜の凹凸部の原因となる
下地膜）の厚さｘが、０．５≦ｘ≦１．５の範囲であれ
ば、ポリシリコン膜２０８（ポリシリコン膜とは限らな
い、つまり、被加工膜よりも研磨速度の遅い膜）の厚さ
およびその研磨速度をそれぞれＡおよびａ、更にＳｉＯ
₂膜２０７（ＳｉＯ ₂膜とは限らない、つまり、被加工
膜）の研磨速度をｂとした場合に、１００ａ≦ｂ≦２５
０ａの条件で良好な結果が得られることが分かった。

【０１７７】すなわち、下地膜の厚さが、０．５≦ｘ≦
１．５の範囲の場合、上記条件で研磨を行なえば、被加
工膜の膜厚に関係なく、被加工膜を完全に平坦に研磨で
きることが分かった。

【０１７８】なお、本発明の場合、被加工膜上の研磨速
度の遅い膜（研磨補助膜）は、その研磨速度が被加工膜
のそれよりも遅くなければいけないので、次のような点
に留意する必要がある。

【０１７９】すなわち、被加工膜の研磨速度が研磨補助
膜のそれより速くなるように荷重体の荷重をＷに設定し
ても、研磨の最中に荷重が小さいほうに変動すると、被
加工膜ａの研磨速度が研磨補助膜ｂのそれよりも遅くな
る恐れがある。このため、荷重の値に係わらず、常に被
加工膜ａの研磨速度が研磨補助膜ｂのそれより速くなる
ようにすることが重要である。

【０１８０】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施例では、被加工膜と
してＳｉＯ₂膜、被加工膜よりも研磨速度の遅い膜とし
てポリシリコン膜を用いた場合について説明したが、こ
れら膜が他のものであっても良いし、更に、研磨剤も酸
化セリウムに限定されるものではない。

【０１８１】表５には、研磨剤（１ｗｔ％の酸化セリウ
ム懸濁液、ＳｉＯ₂粒子を分散させたコロイダルシリ
カ）と被加工膜（アンドープのＳｉＯ₂膜、ＳｉＮ膜、
ポリシリコン膜、炭素膜、ＢとＰとを含むＳｉＯ₂膜）
との研磨速度関係が示されている。

【０１８２】

【表５】

【０１８３】この表５から、研磨剤、被加工膜として、
それぞれ、酸化セリウム懸濁液、ＳｉＯ₂膜（アンドー
プ）を用いた場合には、研磨速度の遅い膜として、ポリ
シリコン膜の他、窒化シリコン膜の炭素膜などを用いる
ことができることが分かる。

【０１８４】また、研磨剤、被加工膜として、それぞ
れ、コロイダルシリカ、ＳｉＯ₂膜（アンドープ）を用
いた場合にも、窒化シリコン膜や炭素膜などを用いるこ
とができることが分かる。

【０１８５】また、上記実施例では、被加工膜が絶縁膜
の場合について説明したが、本発明は、金属膜にも適用
できる。この場合、例えば、表面に溝を有するＳｉＯ₂
膜の全面に被加工膜としてのＷ膜、研磨速度の遅い膜と
してのＣｕ膜を順次堆積してＷ膜、Ｃｕ膜を研磨する。
この場合、Ｃｕ膜はＷ膜に比べて十分に研磨され難いの
で、研磨剤の種類は広い範囲のものとなる。また、本発
明は、Ｓｉ基板以外の半導体基板や半絶縁体基板にも適
用できる。

【０１８６】以上詳述したようにこの実施例によれば、
凹凸部を有する被加工膜上に、研磨速度が被加工膜のそ
れより遅い研磨補助膜を形成した後に、被加工膜、研磨
補助膜の研磨を行なうことにより、ディッシングや工程
数の増加を招くこと無く、被加工膜を平坦化できる。

【０１８７】この発明のさらに他の実施例を図２８およ
び図２９（ａ）ないし図２９（ｃ）を参照し、詳細に説
明する。

【０１８８】図２８は、この発明の実施例にかかる半導
体装置の断面図を示すものであり、図２９（ａ）ないし
図２９（ｃ）はその製造工程での断面を示しているもの
である。

【０１８９】図２９（ａ）に示すように、半導体基板あ
るいは下地基板２０１上に例えば前記半導体基板２０１
の表面を熱酸化して、例えば熱酸化膜２０２を形成す
る。更に、この熱酸化膜２０２上にポリシリコン等から
なる導電膜２０３を形成する。更にこの導電膜２０３上
に選択的にレジスト２０４を形成し、このレジスト２０
４をマスクとして前記熱酸化膜２０２及び導電膜２０
３、必要ならば半導体基板２０１を選択的に除去して凹
部２１５，２１６としてのトレンチを形成する。凹部２
１５は、近接した微細パターン２０４間に生じた凹部で
あり、凹部２１６は、凹部２１５に比べて開口幅が大き
い凹部である。次に図２９（ｂ）に示すように、この凹
部２１５，２１６を含む導電膜２０３上に周知のＣＶＤ
法により絶縁膜を形成する。この絶縁膜２１７は、少な
くとも、凹部２１５，２１６の高さ以上に形成する、こ
の後、ケミカルメカニカルポリッシュ法を用いて絶縁膜
２１７の表面から研磨を始める。具体的にいえば、ウェ
ーハを下向きにセットしてバフ布を縛りつけたターンテ
ーブル上に乗せて、ターンテーブルを回転させ、例えば
酸化セリウム微粒子を含む研磨剤を用いて絶縁膜２１７
を研磨する。あるいは、ウェーハを上向きにセットした
り、あるいはウェーハをキャリアに収納し両面研磨した
りする。図２９（ｃ）に示すように、この時、導電膜２
０３であるポリシリコンが研磨時のストッパーとして働
き、導電膜２０３で研磨速度が遅くなるので、この時点
でポリッシング工程をストップし、全ての凹部２１５，
２１６を完全に平坦化される。

【０１９０】また、導電膜２０３としては、表面部分が
研磨時のストッパーとして働く効果を持つものであれ
ば、別材質、例えばシリサイド膜、Ｃ（カーボン）、ア
モルファスシリコン、チタンナイトライドでも、またそ
の積層構造であっても良い。

【０１９１】更に、一般には、研磨剤として、コロイダ
ルシリカが広く使われており、これはシリカ粒子を安定
に分散させておくためにＰＨ（水素イオン濃度）を１０
付近の弱アルカリ性に調整してあり、ＰＨが変わると絶
縁膜に対する十分な研磨速度が得られない。一方、この
実施例においては、酸化セリウムを含む研磨剤を用いる
ので、ＰＨが７付近の中性領域においても、絶縁膜に対
する十分な研磨速度が得られる。更に、中性領域の研磨
剤であれば、ストッパーとなる導電膜等にピンホールが
あり、その下部にアルミニウム配線のような腐食に弱い
材料があったとしても、その材料を溶出させるようなこ
ともない。

【０１９２】また、以下に示す表６は、研磨物としての
酸化膜の研磨速度を１としたときの各膜の研磨速度の酸
化膜に対する選択比を示したものである。

【０１９３】

【表６】

【０１９４】上記表１により、絶縁膜が特に酸化膜であ
る場合、この酸化膜を研磨する際は、ストッパーとして
の導電膜が選択比が５．７のポリシリコンが適してい
る。また、ストッパーとしては誘電膜でないものである
なら、選択比が２．６のシリコン窒化膜でも適する。し
かし、選択比が５以上であるポリシリコンが特に望まし
い。

【０１９５】また、絶縁膜が特にシリコン窒化膜である
場合、このシリコン窒化膜の研磨速度を１としたときの
ポリシリコンの研磨速度のシリコン窒化膜に対する選択
比は２．２程度となる。従って、シリコン窒化膜を研磨
する際は、ストッパーとしてポリシリコンは適する。

【０１９６】また、ストッパーとして働く効果を持つ導
電膜は、研磨物に対する選択比が大きいほど良く、特に
選択比が５以上の材質であれば更に望ましい。

【０１９７】このように、導電膜下が熱酸化膜であって
も、酸化セリウムを含んだ研磨剤における絶縁膜のケミ
カルメカニカルポリッシュは適する。

【０１９８】この発明のさらに他の実施例を図３０
（ａ）ないし図３０（ｃ）を参照にし、詳細に説明す
る。図３０（ａ）ないし３０（ｃ）はこの発明の実施例
における半導体装置の平坦化工程を示す図である。

【０１９９】図３０（ａ）示すように、半導体基板ある
いは下地基板２０１上に配線材料２２２を形成し、更に
この配線材料２２２上にポリシリコン等の導電膜２０３
を積層形成する。更にこの導電膜２０３上に選択的にレ
ジスト２０４を形成し、このレジスト２０４をマスクと
して前記導電膜２０３及び配線材料２２２を選択的に除
去して、凹部２１５，２１６を形成する。凹部２１５
は、近接した微細パターン間に生じた凹部であり、凹部
２１６は、凹部２１５に比べて開口幅が大きい凹部であ
る。次に図３０（ｂ）に示すように、この凹部２１５，
２１６を含む導電膜２０３上に周知のＣＶＤ法により絶
縁膜２１７を形成する。この絶縁膜２１７は、少なくと
も、凹部２１５，２１６の高さ以上に形成する。この
後、ケミカルメカニカルポリッシュ法を用いて絶縁膜２
１７の表面から研磨を始める。具体的にいえば、ウェー
ハを下向きにセットしてバフ布を縛りつけたターンテー
ブル上に乗せてターンテーブルを回転させ、例えば酸化
セリウム微粒子を含む研磨剤を用いて絶縁膜２１７を研
磨する。あるいは、ウェーハを上向きにセットしたり、
あるいはウェーハをキャリアに収納し両面研磨したりす
る。図３０（ｃ）に示すように、この時、導電膜２０３
であるポリシリコンが研磨時のストッパーとして働き、
導電膜２０３で研磨速度が遅くなるので、この時点でポ
リッシング工程をストップし、全ての凹部２１５，２１
６を完全に平坦化される。

【０２００】このように、導電膜下が配線材料であって
も、酸化セリウムを含んだ研磨剤における絶縁膜のケミ
カルメカニカルポリッシュは適する。

【０２０１】この発明の他の実施例を図３１（ａ）およ
び図３１（ｂ）を参照にし、詳細に説明する。図３１
（ａ）および３１（ｂ）は他の実施例における半導体装
置の平坦化工程を示す図である。

【０２０２】図３１（ａ）に示すように、半導体基板あ
るいは下地基板２０１上に選択的に配線部２２２を形成
し、更にこの配線部２２２を含む半導体基板２０１上に
絶縁膜２２３、導電膜２２４を積層させる。更にこの絶
縁膜２２３及び導電膜２２４を選択的に除去して凹部２
２５を形成し、配線部２２２表面を露出させる。更に、
配線部２２２を有する導電膜２２４上にアルミニウム等
の配線材２２５を凹部２２５の深さ以上に形成させる。
この後、ケミカルメカニカルポリッシュ法を用いて配線
材２２６の表面から研磨を始める。具体的にいえば、ウ
ェーハを下向きにセットしてバフ布を縛りつけたターン
テーブル上に乗せてターンテーブルを回転させ、例えば
酸化セリウム微粒子を含む研磨剤を用いて配線材２２６
を研磨する。あるいは、ウェーハを上向きにセットした
り、あるいはウェーハをキャリアに収納し両面研磨した
りする。図３２（ｂ）に示すように、この時、導電膜２
２４が研磨時のストッパーとして働き、導電膜２２４と
配線材２２６は完全に平坦化される。すなわち凹部２２
５の内部だけに配線材２２６が残存し、埋め込みが配線
を形成することができる。

【０２０３】導電膜２２４は、ストッパーとしての機能
を有するポリシリコン等が望ましい。

【０２０４】この実施例では、絶縁膜２２３上に導電膜
２２４を積層して、導電膜２２４をストッパーとして研
磨させたが、少なくとも、絶縁膜２２３の表面部分すな
わち研磨される部分がストッパーとして働く効果を持つ
ものであれば、導電膜２２４を形成する必要はない。

【０２０５】以上のように、配線材をもケミカルメカニ
カルポリッシュ法で研磨することができる。

【０２０６】この発明のさらに他の実施例を図３２
（ａ）ないし図３２（ｃ）を参照にし、詳細に説明す
る。

【０２０７】図３２（ａ）ないし図３２（ｃ）はさらに
他の実施例における半導体装置の平坦化工程を示す図で
ある。

【０２０８】図３２（ａ）に示すように、半導体基板あ
るいは下地基板２０１上に配線、半導体多結晶層、キャ
パシタ、電極等の凸状段差層すなわちパターン２３１を
形成する。更に、パターン２３１を有する半導体基板２
０１上に第一の絶縁膜２３２を形成し平坦化する。この
第一の絶縁膜２３２上に選択的に配線部２３４を形成す
る。この配線部２３４を含む第一の絶縁膜２３２上に第
二の絶縁膜２３３となる予定のアモルファスシリコン２
３３Ａを堆積する。この後、アモルファスシリコン２３
３Ａ上に第三の絶縁膜２３５を少なくとも配線部２３４
の高さ以上に形成する。この後、ケミカルメカニカルポ
リッシュ法を用いて第三の絶縁膜２３５の表面から研磨
を始める。具体的にいえば、ウェーハを下向きにセット
してバフ布を縛りつけたターンテーブル上に乗せてター
ンテーブルを回転させ、例えば酸化セリウム微粒子を含
む研磨剤を用いて第三の絶縁膜２３５を研磨する。ある
いは、ウェーハを上向きにセットしたり、あるいはウェ
ーハをキャリアに収納し両面研磨したりする。図３２
（ｂ）に示すように、この時、第二の絶縁膜２３３とな
る予定のアモルファスシリコン２３３Ａが研磨時のスト
ッパーとして働き、アモルファスシリコン２３３Ａと第
三の絶縁膜２３５は完全に平坦化される。ただし、この
ままでは、アモルファスシリコン２３３Ａは導電性であ
るため、これを絶縁性にするために、図３２（ｃ）に示
すように、研磨後、後酸化して絶縁性の第二の絶縁膜２
３３に突出させる。

【０２０９】前記アモルファスシリコンは、４００℃以
下の低温で成膜できる。そのため、この第二の絶縁膜２
３３下部に配線部２３４として、アルミニウム配線等の
配線が存在する場合でも、配線形成後に成膜可能であ
り、８００℃程度の高温で成膜するポリシリコン膜を使
えない多層工程への応用に適している。また、配線部２
３４上のストッパーとして第二の絶縁膜２３３の形成工
程の簡単である。

【０２１０】また、多層工程以外にも配線部２３４の代
わりに、ポリシリコン配線や電極が存在する場合では、
ポリシリコン配線や電極を覆って形成された絶縁膜を平
坦化する際、ストッパーを特段に形成する必要はなく、
ポリシリコン配線や電極自身をストッパーとして利用で
き、非常にプロセスが簡単になる。

【０２１１】上記実施例における半導体装置の平坦化工
程では、エッチバックやリフロー等により半導体装置の
平坦化を行わないので、凹部や凸部の寸法によらず平坦
化が可能であり、更に、酸化セリウムを含んだ中性領域
の研磨剤で研磨するので、研磨の下部層の腐食の心配が
なく、絶縁膜の凸部から研磨しはじめ表面全体を平坦化
することができる。

【０２１２】また、研磨を止めたい任意の場所にストッ
パーとしての絶縁膜等を成膜することにより、精度良く
平坦化を制御することができる。このため、平坦化後に
研磨表面に凹凸を残さずほぼ完全な平坦化を達成でき、
後工程のパターニング等も良好に行うことができる。例
えば、後工程での配線パターニングの際に、表面の凹凸
に起因する露光時の焦点深度の差から生ずる配線の細り
等の不都合がなくなる。特に、電極のすぐ上の絶縁膜に
適用すれば、電極周辺の構造が今後ますます複雑化した
り段差が大きくなっても、後工程に与える悪影響をなく
すことができる。そのため、層間配線、層間絶縁膜形成
が従来よりも良好にでき、より微細化される将来の配線
形成にも十分対応できる。

【０２１３】また、絶縁膜だけでなく配線材の研磨にも
適用することができ、たいへん応用範囲が広がる。

【０２１４】また、製造コストの削減、製品歩留まりア
ップといった効果も期待できる。

【０２１５】また、ストッパーとして、導電性のポリシ
リコンや高抵抗のアモルファスシリコン、また各種シリ
サイド膜等が使用できるので、プロセスに応じてそれら
の適当なものを選ぶことができることも大きなメリット
である。

【０２１６】以上述べたように、中性領域においても凹
部や凸部の寸法によらず絶対的な平坦化が可能であり、
高い歩留まり、高信頼性の半導体装置を得ることができ
る。

【０２１７】図３３（ａ）ないし図３３（ｊ）を参照し
て本発明のさらに他の実施例を説明する。図３３（ａ）
ないし図３３（ｊ）は、層間絶縁膜を平坦化する工程に
関する工程断面図を示す。

【０２１８】まず図３３（ａ）に示すように、表面に半
導体素子（不図示）が形成されるＳｉ基板２０１上に、
厚さ１μｍのＳｉＯ₂膜２０２を形成する。次いで、こ
のＳｉＯ₂膜２０２上に厚さ５００ｎｍのポリシリコン
膜２０３を形成する。

【０２１９】次に、図３３（ｂ）に示すように、ポリシ
リコン膜２０３上に研磨のストッパーとなる厚さ１００
ｎｍの炭素膜２４４を形成する。この炭素膜２４４は、
Ａｒ雰囲気中でグラファイト板をターゲットとしたＤＣ
マグネトロンスパッタリング法を用いて形成する。この
炭素膜２４４を形成する条件は、圧力４ｍＴｏｒｒ、投
入電力３．５Ｗ／ｃｍ²、Ａｒ流量４０ＳＣＣＭであ
る。なお、この炭素膜２４４の構造をエックス線回折を
用いて調べたところ、構造は非晶質若しくは微結晶であ
った。また、四探針法による膜の比抵抗の測定では、
０．７５Ωｃｍという値が得られた。

【０２２０】次に、図３３（ｃ）に示すように、炭素膜
２４４上に厚さ１．５μｍのフォトレジスト（感光性樹
脂層）２４５を塗布する。次に、マスクパターン（図示
せず）を用いてこのフォトレジスト２４５を露光した
後、現像を行って露光された炭素膜２４４の部分を除去
し、フォトレジストパターン２４５を形成する。

【０２２１】次に、図３３（ｄ）に示すように、このフ
ォトレジストパターン２４５をマスクとして、Ｏ₂ガス
を使用したＲＩＥ法により炭素膜をパターニングする。
次に、図３３（ｅ）に示すように、ＣＦ₄ガスを使用し
たＲＩＥ法によりポリシリコン膜２０３をパターニング
する。

【０２２２】次に、図３３（ｆ）に示すように、ＣＦ₄
とＯ₂の混合ガスをマイクロ波放電させた下流でフォト
レジストを灰化処理するダウンフロータイプの灰化処理
装置によりフォトレジストパターン２４５を剥離した
後、図３３（ｇ）に示すように、全面に層間絶縁膜とし
て厚さ１μｍのＳｉＯ₂膜２４６を形成する。ここで、
ＳｉＯ₂膜２４６の表面にはポリシリコン配線２０３に
対応して凹凸の段差が生じている。すなわち、ポリシリ
コン配線２０３の上部のＳｉＯ₂膜２４６と隣のポリシ
リコン配線２０３の上部のＳｉＯ₂膜２４６との間に谷
間状の段差が形成されている。この段差は以下の工程で
平坦化されるべきものである。

【０２２３】次に、ＳｉＯ₂膜２４６を研磨する。この
結果を図３３（ｈ）に示す。この研磨は、図３に模式図
を示すような装置を用いて行われる。

【０２２４】図３において、ターンテーブル５０２の上
面の中心部には、研磨供給パイプ５０３を回して研磨剤
が供給される。ターンテーブル５０２は約１００ｒｐｍ
で回転させられる。ターンテーブル５０２の上面には研
磨用クロス５０４が形成され、研磨されるウェーハ１が
載置されている。ウェーハ１は、約１００ｒｐｍで回転
する荷重体５０１によって上方から約４０ｋｇｆの荷重
で押し付けられている。

【０２２５】研磨剤は、粒径８０ｎｍのＳｉＯ₂粒子を
水に懸濁させたものである。ＳｉＯ ₂粒子の量は２０ｗ
ｔ％であり、また、水溶液の水素イオン濃度は水酸化ナ
トリウムを加えることによりｐＨ１２．０に調整してあ
る。

【０２２６】図３３（ｈ）に示すように、このようにし
て研磨されたＳｉＯ₂膜２４６表面および炭素膜２４４
は、平坦になっていることが確認された。また、ＳｉＯ
₂膜２４４の研磨において、６インチウェーハどの位置
においても、炭素膜２４４の下層のポリシリコン配線２
０３が研磨されることなく、研磨は炭素膜２４４の一部
が残った状態で停止していた。

【０２２７】この後、図３３（ｉ）に示すようにバレル
型のＯ₂プラズマ灰化装置により炭素膜２４４を剥離す
る。次に、層間絶縁膜として厚さ１μｍのＳｉＯ₂膜２
４７を形成することにより、図３３（ｊ）に示すような
平坦な層間絶縁膜のＳｉＯ₂膜２４７が完成する。図３
３（ｊ）において層間絶縁膜のＳｉＯ₂膜２４７は、図
９（ｃ）で示した従来の例と異なり、図３３（ｉ）の工
程で剥離された炭素膜２４４の厚さの分に対応する凹凸
を除けば、６インチウェーハの全体に渡ってほぼ平坦に
形成されていることがわかる。

【０２２８】本実施例の構成によれば、研磨の工程の前
にポリシリコン膜２０３を介してストッパーとしての炭
素膜２４４を形成する工程を設けたので、被研磨物であ
るポリシリコン膜２０３、ＳｉＯ₂膜２４６とストッパ
ーとしての炭素膜２４４との研磨速度の選択比を非常に
大きく取ることができ、炭素膜２４４の一部が残存する
状態で研磨を停止することができる。この結果、研磨量
の制御を容易に行うことができ、層間絶縁膜のＳｉＯ₂
膜２４７をウェーハの全体に渡ってほぼ平坦に形成する
ことができる。

【０２２９】次に、図３４（ａ）ないし図３４（ｉ）を
参照して本発明の他の実施例を説明する。本実施例は薄
膜半導体素子に於けるシリコンの薄膜化に関する。

【０２３０】図３４（ａ）に示すように、まず、Ｓｉ基
板２０１上に８００ｎｍのＳｉＯ₂膜２０２を形成す
る。

【０２３１】次に、図３４（ｂ）に示すように、別のＳ
ｉ基板２５１をＳｉ基板２０１上にＳｉＯ₂膜２０２を
介して８００℃に加熱し張り付ける。

【０２３２】次に、図３４（ｃ）に示すように、Ｓｉ基
板２５１にＳｉＯ₂膜２０２表面に到達する穴を開孔す
る。

【０２３３】次に、図３４（ｄ）に示すように。Ｓｉ基
板２５１表面にストッパーとしての炭素膜２４４を、Ａ
ｒ雰囲気中でグラファイト板をターゲットとしたＤＣマ
グネトロンスパッタリング法を用いて１００ｎｍの厚さ
に形成する。

【０２３４】次に、図３４（ｅ）に示すように、炭素膜
２４４上に厚さ１．５μｍのフォトレジスト（感光性樹
脂層）を塗布し、マスクパターン（図示せず）を用いて
このフォトレジストを露光する。次に、現像を行って露
光された炭素膜２４４の部分を除去し、Ｓｉ基板２５１
に開孔した穴部分にのみフォトレジストの残るフォトレ
ジストパターン２４５を形成する。

【０２３５】次に、図３４（ｆ）に示すように、このフ
ォトレジストパターン２４５をマスクとしてＯ₂ガスを
使用したＲＩＥ法により炭素膜２４４をパターニングす
る。次に、図３４（ｇ）に示すように、ＣＦ₄とＯ₂の
混合ガスをマイクロ波放電させた下流でフォトレジスト
を灰化処理するダウンフロータイプの灰化処理装置によ
り、フォトレジストパターン２４５を剥離する。

【０２３６】次に、Ｓｉ基板２５１を研磨する。この結
果を図３４（ｈ）に示す。この研磨は、図３に模式図を
示すような装置を用いて行われる。研磨剤は、粒径８０
ｎｍのＳｉＯ₂粒子を水に懸濁させたもので、ＳｉＯ₂
粒子の量は２０ｗｔ％であり、また、水溶液の水素イオ
ン濃度は水酸化ナトリウムを加えることによりｐＨ１
２．０に調整してある。

【０２３７】図３４（ｈ）に示すように、このようにし
て研磨されたＳｉ基板２５１表面は、平坦になっている
ことが確認された。また、Ｓｉ基板２５１の研磨におい
て、６インチウェーハどの位置においても、炭素膜２４
４の下層のＳｉＯ₂膜２０２が研磨されることなく、研
磨は炭素膜２４４の一部が残存する状態で停止してい
た。また、Ｓｉ基板２５１の膜厚は炭素膜２４４と同じ
１００ｎｍ程度であった。

【０２３８】この後、図３４（ｉ）に示すようにバレル
型のＯ₂プラズマ灰化装置により炭素膜２４４を剥離す
ることにより、薄膜半導体素子に於けるシリコンの薄膜
化が完了する。

【０２３９】本実施例の構成によれば、研磨の工程の前
にＳｉ基板２５１およびＳｉＯ₂膜２０２を介してスト
ッパーとしての炭素膜２４４を形成する工程を設けたの
で、被研磨物であるＳｉ基板２５１とストッパーとして
の炭素膜２４４との研磨速度の選択比を非常に大きく取
ることができ、炭素膜２４４の一部が残存する状態で研
磨を停止することができる。この結果、研磨量の制御を
容易に行うことができ、薄膜半導体素子に於けるシリコ
ンの薄膜化を高精度に行うことができる。

【０２４０】ここで、種々の研磨剤を用いた場合の種々
の膜の研磨速度を、表７に示す。

【０２４１】

【表７】

【０２４２】なお、図３３および図３４を参照してのべ
た上記実施例では、非研磨膜としてＳｉＯ₂膜とＳｉに
ついて述べ、また、研磨剤としては粒径８０ｎｍのＳｉ
Ｏ₂粒子を水に懸濁させ、水酸化ナトリウムを加えるこ
とによりｐＨ１２．０に調整したものを中心に述べた。
しかし、本発明はこれに限定されず、炭素膜と被研磨物
との研磨速度の選択比が取れる限りは被研磨物は他の材
料であってもよく、研磨剤も、他の粒子、他の水素イオ
ン濃度、他の薬剤を用いたものでも良い。例えば表７に
示したようにＣｅＯ₂懸濁液を研磨剤として使用しても
よい。

【０２４３】以上説明したように、本発明によれば、被
加工層を研磨する工程の前に、研磨速度が非常に遅い炭
素膜を研磨のストッパーとして形成する工程を有するの
で、被研磨物とストッパーとの研磨速度の選択比を非常
に大きく取ることができ、この結果、研磨量の制御を容
易に行うことができる。さらに、炭素膜は種々の化学薬
品に対して非常に安定であるので、研磨剤の種類によら
ず使用することができる。

【０２４４】したがって、被加工層としての被加工膜の
下層、内部、上層、或いは隣接部等の少なくとも一部に
ストッパーとなる炭素膜を形成して被加工層の研磨を行
うことにより、研磨剤の種類によらず被研磨物との研磨
の選択比が大きくとれるため、研磨量の制御が容易にな
り、化学的不安定性等の実用にあたっての障害が解消さ
れる。

【０２４５】以下、本発明による他実施例を図面３５を
参照しながら詳細に説明する。

【０２４６】図３５は、本発明に用いた研磨装置の模式
図である。

【０２４７】ターンテーブル５０２の上面には研磨クロ
ス５０４が貼られ、研磨クロス５０４中央には研磨剤供
給パイプ５０３を介して研磨剤５０５が供給される。

【０２４８】研磨剤は、１ｗｔ％酸化セリウム懸濁液を
用いた。

【０２４９】研磨されるウェーハ１は、直径１５０ｍｍ
で荷重体５０１に保持され、ウェーハ２０１表面には被
加工層として１μｍのＳｉＯ₂膜がＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌＶａｐｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によ
り成膜されている。また図中では省略したが、この装置
には荷重体５０１を２台設け、２枚のウェーハ１同時に
処理するようにしてもよい。

【０２５０】ターンテーブル５０２は、モーター５１１
によって駆動されており、モーター５１１にはモーター
に流れる電流を測定する電流計５１３が接続されてい
る。また、電流計５１３で測定された電流値は、演算器
５４１で仕事量に換算され、仕事量の積算値が一定にな
つたところで、研磨を停止させる信号を発する。

【０２５１】図３５に示す装置を用いて、研磨速度の経
時変化、およびそのときにモーターに流れる電流量を示
したのが、図３６である。

【０２５２】研磨速度は、時間と共に増大する傾向にあ
るが、所々で変動しているのが観察され、全体では３０
％も研磨速度が変化している。また、研磨速度の変化に
対応した形で、モーターに流れる電流量も変化している
のがわかる。

【０２５３】図３７は、モーターに流れる電流と研磨速
度の調べたものである。

【０２５４】図３７より、モーターに流れる電流と研磨
速度の間に、１対１の相関があることが確認された。こ
れより、モーターに流れる電流を測定することにより研
磨速度を知ることができ、この研磨速度を時間で積分し
てゆくと、その時間までの研磨量を知ることができる。

【０２５５】さらに、モーターに流れる電流値を被加工
層と研磨剤の保持された定盤との間の摩擦に変換し、整
理したのが図３８である。

【０２５６】図３８より、被加工層と研磨剤の保持され
た定盤との間の摩擦は、研磨速度とほぼ比例関係にあ
る。

【０２５７】また、図３９は、ターンテーブル５０２お
よび荷重体５０１の回転速度を変化させた場合の研磨速
度を調べたものである。

【０２５８】図３９より、ターンテーブル５０２および
荷重体５０１の回転速度と研磨速度の間には比例関係が
あることが確認された。

【０２５９】また、当然のことながら、研磨時間と研磨
量の間には比例関係がなりたつことが別の実験により確
認されている。

【０２６０】そうすると、図３８における摩擦に、ター
ンテーブル５０２と荷重体５０１の相対速度を乗じ、時
間で積分した、被加工層と研磨剤の保持された定盤との
間でされる仕事量は、研磨速度を時間で積分した研磨量
と比例関係にあるということがいえる。

【０２６１】実際、図３５に示す装置を用いて、被加工
層と研磨剤の保持された定盤との間でされる仕事量を４
５０００Ｊに設定し、０．６０μｍのＳｉＯ₂膜を研磨
で除去しようとしたが、１２０枚のウェーハを処理し
て、研磨量は０．５９μｍから０．６２μｍで、ばらつ
きは５％以下であった。

【０２６２】また、フッ素を含むＳｉＯ₂膜やホウ素と
リンを含むＳｉＯ₂膜についても検討を行ったが、フッ
素を含むＳｉＯ₂膜の場合には、上記実施例の場合と全
く同じ結果が、ホウ素とリンを含むＳｉＯ₂膜の場合に
は、単位仕事量での研磨量が上記実施例の場合よりも３
割程度速い結果が得られた。

【０２６３】本発明の構成によれば、被加工層であるＳ
ｉＯ₂膜と研磨剤である酸化セリウムが保持された定盤
の間でされる仕事量を積算し、この積算された仕事量
が、所定量となった時点で研磨を終了させることによ
り、ＳｉＯ₂膜の研磨量を精度良く制御する事ができ
た。

【０２６４】なお、上記実施例では、被加工層としてＳ
ｉＯ₂膜、研磨剤として酸化セリウムを用いた場合につ
いて述べたが、被加工層や研磨剤は他の材料でも良い。

【０２６５】研磨装置の構造も実施例に述べたものに限
られるものではない。

【０２６６】また、実施例では、被加工層であるＳｉＯ
₂膜と研磨剤である酸化セリウムが保持された定盤の間
でされる仕事量の間に比例関係がある場合について述べ
たが、完全な比例関係がなくても、被加工層と研磨剤の
保持された定盤の間の摩擦が、研磨速度と１対１に対応
していれば、研磨量は研磨中に知ることができる。

【０２６７】さらに、前述したように、被加工層と研磨
剤の保持された定盤の間の摩擦と研磨速度が比例関係に
ない場合でも、被加工層と研磨剤の保持された定盤の間
の摩擦あるいはモーターに流れる電流と研磨速度の間
に、１対１の相関があれば、これより、摩擦あるいはモ
ーターに流れる電流を測定することにより研磨速度を知
ることができ、この研磨速度を時間で積分してゆくと、
その時間までの研磨量を知ることができる。

【０２６８】以上説明したように、この実施例によれ
ば、半導体基板に形成された被加工層を研磨する半導体
装置の製造方法において、被加工層と研磨剤の保持され
た定盤との間の摩擦を研磨中に測定し、この摩擦をもと
に被加工層の研磨速度を算出すれば、この研磨速度を時
間で積分してゆくことにより、その時点までの研磨量を
知ることができ、研磨量を精度良く制御することができ
る。

【０２６９】以下に本発明の他の実施例について、図４
０、図４１、図４２および図４３を参照しながら説明す
る。

【０２７０】図４０は、本発明平坦化装置の斜視図でタ
ーンテーブル５０２上の研摩面５０４に供給される研磨
剤５０５により、半導体ウェーハ２０１を研摩する。タ
ーンテーブル５０２下とウェーハ支持部５０１を回転す
るシャフト５１７，５１８にはシャフト５１７，５１８
の歪みを検知する、歪みゲージなどによる歪みセンサ５
５１，５５２が設置されている。さらにシャフト５１
７，５１８はベルト５１９，５２０を介し、モーター５
１１，５１２に連結されている。モーター５１１，５１
２による駆動力により、研摩面５０４とウェーハ間２０
１の摩擦により生じた負荷はシャフト５１７，５１８に
歪みを与え、歪みゲージ等を用いた歪みセンサ５５１，
５５２はこの歪み量を電気信号に変換される。図４１に
示す様に研摩による負荷とシャフトの歪み及びこれらに
よる電気信号は直線の関係となる。このことにより、歪
みセンサ５５１，５５２より出力された信号は、研摩面
５０４とウェーハ２０１の表面の状態を適格に伝えてい
る。よって図４２に示す様な、ウェーハ２０１面上の配
線層２１０と絶縁層２１２で構成された凸凹面を研摩す
る際に本実施例では被研摩部分である絶縁層２１２の研
摩面積を確実に検知し、図４３に示すような被研摩面１
４が完全平坦化された際の情報を伝えることができる。

【０２７１】本発明の他の実施例として歪みセンサはタ
ーンテーブル５０２側、ウェーハ保持装置側のいづれか
一方の側に設置されても良くまたモーター５１１，５１
２はベルト５１９，５２０介さずそれぞれ直結されても
よい。他に被研摩部分は絶縁層２１２のみに限らず配線
層２１０までをも被研摩部分としても良い。

【０２７２】本実施例により、下記の効果が有る。

【０２７３】平坦化装置のターンテーブル５０２、ウェ
ーハ支持装置を回転するシャフトに歪みセンサ５５１，
５５２を取り付けるだけの簡単な操作により、１）より高精度な完全平坦化が実現できる。

【０２７４】２）絶縁層の完全平坦化が研摩の配線への
到達する前に、情報として検知されるため、配線層への
影響が無く、配線層の信頼性が高い。

【０２７５】３）上記２）と同じ理由により配線層の断
線等が防止することができ高い歩留りが得られる。

【０２７６】４）被研摩層の下に研摩停止のための硬い
材料層の設置が不要となり、余分なプロセスが無くな
り、半導体集積回路の生産性向上、コストダウンが実現
できる。

【０２７７】さらに硬い材料層の存在不要により、平坦
化後の絶縁層のさらなる積層が不要である。

【０２７８】以下、図面を参照してこの発明のさらに他
の一実施例について説明する。

【０２７９】図４４は、この発明の実施例による研磨装
置における研磨部を示す概略図である。ターンテーブル
５０２は、図示せぬ第１の駆動モーター（図４０で５１
１であらわす）により回転可能に形成されている。前記
テーブル５０２上には研磨用クロスである研磨用不織布
５０４が設けられており、この不織布上には図示せぬ研
磨剤供給ノズル（図４０で５０３）が設けられている。
前記不織布の上方にはウェーハを保持する保持部５０１
が設けられており、この保持部５０１における下面、即
ち前記テーブル５０２の上面に対向する面には摩擦測定
用ウェーハ６０１が保持されている。前記保持部５０１
の上面にはその回転軸の一端が設けられており、この回
転軸を介して図示せぬ第２の駆動モーター（図４０で５
１２）により前記保持部５０１は回転可能に形成されて
いる。前記テーブル５０２および保持部５０１それぞれ
の回転については、前記第１および第２の駆動モーター
を介して制御部６１１により制御されている。この制御
部６１１は、図４５に示すように、研磨条件の設定部、
Ｆ／Ｆ₀（後述）の演算部および研磨条件の再設定部か
ら構成されている。

【０２８０】上記構成において、先ず、摩擦を測定する
ための被研磨物、例えば摩擦測定用半導体ウェーハ６０
１が準備される。この摩擦測定用ウェーハ６０１は、シ
リコン基板の表面上にシリコン酸化膜が形成され、この
シリコン酸化膜はパターニングされてないとともに充分
に厚く形成されたものである。前記摩擦測定用ウェーハ
６０１は前記保持部５０１における下面に取り付けられ
る。前記第１の駆動モーターによりテーブル５０２は回
転され、前記第２の駆動モーターにより保持部５０１は
回転される。この際の回転数は第１の回転数される。こ
の第１の回転数とは、摩擦測定用ウェーハ６０１に対す
るテーブル５０２とともに回転している前記不織布の相
対速度に対応する。

【０２８１】この後、前記研磨剤供給ノズルから研磨剤
５０５、例えば酸化セリウムの懸濁液５０５が図示のよ
うに前記不織布５０４の上に供給される。この不織布は
酸化セリウムの懸濁液５０５を保持し、スムーズに排出
する機能を持っている。次に、前記保持部５０１が移動
制御手段（図示せず）により下方に移動されることによ
り、前記摩擦測定用ウェーハ６０１はテーブル５０２上
の不織布に接触される。このとき、前記摩擦測定用ウェ
ーハ６０１には第１の荷重がかけられている。この後、
前記保持部５０１はテーブル５０２の上面と平行な方
向、即ち水平方向に移動され、前記摩擦測定用ウェーハ
６０１は第１の研磨時間だけ研磨される。すなわち、前
記摩擦測定用ウェーハ６０１は上記の第１の研磨条件、
つまり第１の荷重、第１の研磨時間、第１の回転数によ
り研磨される。

【０２８２】前記研磨の際、図４５に示す制御部６１１
における研磨条件の設定部において、前記第１、第２の
駆動モーターに流れる電流値が測定される。この電流値
は稼働段階において測定されたものである。この稼働段
階とは、前記不織布の使用初期段階を除いたものをい
う。つまり、不織布の使用初期段階では、不織布におい
て研磨剤５０５の目詰まりが著しく進むことにより、不
織布と被研磨物との接触面の摩擦が急激に上昇し、この
後、前記摩擦の変化が少なくなり、安定した状態とな
る。この状態が稼働段階である。

【０２８３】次に、前記電流値および前記不織布と摩擦
測定用ウェーハ６０１との接触面における摩擦Ｆ₀の間
には所定の関係があり、この電流値から前記摩擦Ｆ₀は
所定の演算により計算される。次に、この摩擦Ｆ₀と摩
擦測定用ウェーハ６０１が研磨される研磨速度との間に
は所定の関係があり、この摩擦Ｆ₀から研磨速度が所定
の演算により計算される。すなわち、前記電流値と前記
研磨速度との間には図４６に示すような相関関係が成り
立つため、この電流値から研磨速度を算出することがで
きる。

【０２８４】図４６は、駆動モーター電流値と研磨速度
との関係を示す図である。表面上にシリコン酸化膜が形
成された摩擦測定用ウェーハ６０１が準備され、この摩
擦測定用ウェーハ６０１が上記のように研磨される。こ
の際の前記第１および第２の駆動モーターに流れる電流
値およびこの電流値における研磨速度それぞれが測定さ
れた。図４６の曲線は、前記電流値と研磨速度との関係
を示す特性曲線である。これから、電流値と研磨速度と
の間には相関関係があること、即ち１対１の対応関係が
あることがわかる。

【０２８５】この後、前記テーブル５０２および保持部
材５０１それぞれの回転が停止され、前記保持部材５０
１において、摩擦測定用ウェーハ６０１から半導体装置
製造用ウェーハ６０２に交換される。次に、前記研磨速
度に基づいて半導体装置製造用ウェーハ６０２上のシリ
コン酸化膜を研磨する第２の研磨条件、即ち第２の荷
重、第２の研磨時間、第２の回転数が設定される。この
後、前記第１および第２の駆動モーターそれぞれにより
テーブル５０２および保持部材５０１は第２の回転数で
回転され、前記半導体装置製造用ウェーハ６０２には第
２の荷重がかけられる。これにより、前記半導体装置製
造用ウェーハ６０２は第２の研磨時間だけ研磨される。

【０２８６】次に、前記第２の研磨条件により半導体装
置製造用ウェーハ６０２が複数枚研磨されることによっ
て、前記不織布が所定の時間使用された後、前記テーブ
ル５０２および保持部５０１それぞれの回転が停止され
る。次に、前記保持部５０１において、半導体装置製造
用ウェーハ６０２から前記摩擦測定用ウェーハ６０１に
交換させる。この後、前記第１および第２の駆動モータ
ーそれぞれによりテーブル５０２および保持部５０１は
第１の回転数で回転され、前記摩擦測定用ウェーハ６０
１には第１の荷重がかけられる。これにより、前記摩擦
測定用ウェーハ６０１は第１の研磨時間だけ研磨され
る。

【０２８７】前記研磨の際、図４５に示す制御部６１１
におけるＦ／Ｆ₀の演算部において、前記第１、第２の
駆動モーターに流れる電流値が測定される。この電流値
から前記摩擦測定用ウェーハ６０１と不織布との接触面
における摩擦Ｆは所定の演算により計算され、この摩擦
Ｆおよび前記摩擦Ｆ₀によりＦ／Ｆ₀の値が算出され
る。

【０２８８】この後、前記Ｆ／Ｆ₀の値が０．９より大
きく、１．１より小さい場合は、図４５に示す制御部６
１１における研磨条件の再設定部において、研磨量を一
定に保つため、前記第２の研磨条件による研磨速度と同
じ研磨速度となるように、第３の研磨条件、即ち第３の
荷重、第３の研磨時間、第３の回転数が前記Ｆ／Ｆ₀の
値から計算される。次に、前記テーブル５０２および保
持部５０１それぞれの回転が停止される。次に、前記保
持部５０１において、摩擦測定用ウェーハ６０１から半
導体装置製造用ウェーハ６０２に交換される。この際、
前記第３の研磨条件に再設定される。すなわち、前記第
１および第２の駆動モーターそれぞれによりテーブル５
０２および保持部５０１は第３の回転数で回転され、前
記半導体装置製造用ウェーハ６０２には第３の荷重がか
けられる。これにより、前記半導体装置製造用ウェーハ
６０１は第３の時間だけ研磨される。

【０２８９】また、前記Ｆ／Ｆ₀の値が０．９以下また
は１．１以上の場合は、前記不織布を再生させるための
処理、例えば不織布にドレッシング、シーズニング、洗
浄等が施される。このドレッシングとは、ブラシにより
不織布上に溜っている余分な研磨剤５０５、即ち不織布
に目詰まりしている研磨剤５０５を除去することをい
う。このドレッシングにより前記不織布のコンディショ
ンを良くすることができる。次に、前記摩擦測定用ウェ
ーハ６０１は第１の条件により研磨される。この研磨の
際、図４５に示すＦ／Ｆ₀の演算部において、上述した
ようにＦ／Ｆ₀の値が算出される。

【０２９０】この後、前記Ｆ／Ｆ₀の値が０．９以下ま
たは１．１以上の場合は、前記不織布を再生させるため
の処理が再び施される。前記Ｆ／Ｆ₀の値が０．９より
大きく、１．１より小さい場合は、図４５に示す研磨条
件の再設定部において、研磨量を一定に保つため、前記
第２の研磨条件による研磨速度と同じ研磨速度となるよ
うに、第３の研磨条件が前記Ｆ／Ｆ₀の値から計算され
る。次に、前記テーブル５０２および保持部５０１それ
ぞれの回転が停止される。次に、前記保持部５０１にお
いて、摩擦測定用ウェーハ６０１から半導体装置製造用
ウェーハ６０２に交換される。この後、前記第３の研磨
条件に再設定される。

【０２９１】次に、前記第３の研磨条件により半導体装
置製造用ウェーハ６０２が複数枚研磨されることによっ
て、前記不織布が所定の時間使用された後、前記テーブ
ル５０２および保持部５０１それぞれの回転が停止され
る。この後、前記保持部５０１において、半導体装置製
造用ウェーハ６０２から前記摩擦測定用ウェーハ６０１
に交換され、この摩擦測定用ウェーハ６０１は第１の研
磨条件により研磨される。

【０２９２】前記研磨の際、図４５に示すＦ／Ｆ₀の演
算部において、上述したようにＦ／Ｆ₀の値が算出され
る。この後、上記のように、前記Ｆ／Ｆ₀の値から、不
織布を再生させるための処理が施されるか、または、研
磨条件が再設定されるかが決められる。

【０２９３】この後、上記のような工程が繰り返され
る。また、前記不織布を再生させるための処理を施して
も、Ｆ／Ｆ₀の値が０．９以下または１．１以上である
場合は、前記不織布が寿命であると考えられる。このた
め、前記不織布は交換される。

【０２９４】図４７は、不織布の総使用時間と研磨速度
および研磨量それぞれとの関係を示す図である。すなわ
ち、上記実施例において、摩擦測定用ウェーハ６０１と
不織布との接触面の摩擦が、研磨中に第１、第２の駆動
モーターに流れる電流値を測定することにより、モニタ
ーされた結果である。つまり、不織布の総使用時間の経
過における前記駆動モーターの電流値が測定され、この
電流値から摩擦測定用ウェーハ６０１と不織布との接触
面の摩擦が計算され、この摩擦から研磨速度が計算され
たものである。図４７の実線曲線は、不織布の総使用時
間と研磨速度との関係を示すものである。点線曲線は、
不織布の総使用時間と研磨量との関係を示すものであ
る。不織布の総使用時間が５０分以内の段階は使用初期
段階とされており、不織布の総使用時間が５０分以上の
段階は稼働段階とされている。

【０２９５】これに対して、図４８は、従来の研磨方法
により研磨された場合の不織布の総使用時間と駆動モー
ター電流値および研磨速度それぞれとの関係を示す図で
ある。点線曲線は、不織布の総使用時間と駆動モーター
電流値との関係を示すものである。実線曲線は、不織布
の総使用時間と研磨速度との関係を示すものである。

【０２９６】上記図４７、図４８から、従来の研磨方法
では稼働段階に入っても研磨速度を一定に保持すること
ができないが、この発明の研磨方法を用いれば、稼働段
階においては研磨速度をほぼ一定に保持できることがわ
かる。これとともに、稼働段階においては研磨量を一定
に保持できることがわかる。

【０２９７】上記実施例によれば、制御部１４における
Ｆ／Ｆ₀の演算部において、定期的に前記第１、第２の
駆動モーターに流れる電流値を測定し、この電流値から
前記摩擦測定用ウェーハ６０１と不織布との接触面にお
ける摩擦Ｆを所定の演算により計算し、この摩擦Ｆによ
りＦ／Ｆ₀の値を算出する。このＦ／Ｆ₀の値により前
記不織布の表面状態を評価することができる。前記表面
状態が悪い場合、即ちＦ／Ｆ₀の値が０．９以下または
１．１以上の場合は、前記不織布を再生させるための処
理、即ちドレッシング、シーズニング、洗浄等を施すこ
とにより、不織布に必要以上に目詰まりしている研磨剤
５０５を除去することができる。この結果、前記不織布
の表面状態を良くすることができる。この後、再び前記
表面状態におけるＦ／Ｆ₀の値を求め、このＦ／Ｆ₀の
値から前記表面状態に合わせた研磨条件を再設定してい
る。また、前記表面状態が良い場合、即ちＦ／Ｆ₀の値
が０．９より大きく、１．１より小さい場合は、このＦ
／Ｆ₀の値から研磨条件を再設定している。また、前記
表面状態が悪いため、不織布にドレッシング、シーズニ
ング、洗浄等を施しても表面状態が良くならない場合
は、この不織布は寿命であるから交換している。したが
って、前記Ｆ／Ｆ₀の値から不織布の表面状態を評価し
て適切なドレッシング時期および不織布の寿命の時期を
判断することができる。このため、被研磨物における研
磨速度を一定に保つことができる。この結果、半導体装
置製造用ウェーハにおける研磨量を精度良く制御するこ
とができる。

【０２９８】また、半導体装置製造用ウェーハを研磨す
る際、材質の異なる下層が表面に露出する前に平坦化を
終了させたい場合には、この発明の研磨方法は特に有効
である。

【０２９９】尚、この発明の研磨装置および研磨方法は
上記の実施例に限定されることなく、図４６に示すよう
な摩擦に対応する駆動モーター電流値と研磨速度との関
係を知ることにより、研磨剤、被研磨物それぞれ種々変
更可能である。例えば、研磨剤にコロイダルシリカを用
いることも可能であり、被研磨物にポリシリコンを用い
ることも可能である。

【０３００】さらに、摩擦を知る手段は駆動モーターの
電流値によるもののほかの方法でもよい。

【０３０１】また、上記実施例では、テーブル５０２の
上に不織布を設けているが、研磨剤が保持された物であ
れば、前記不織布の替わりに他の物を用いることも可能
である。

【０３０２】また、定期的に摩擦測定用ウェーハ６０１
を研磨している際の第１、第２の駆動モーターに流れる
電流値を測定し、この電流値の変化により、不織布を再
生されるための処理を施す時期および不織布を交換する
時期を判断しているが、摩擦測定用ウェーハ６０１を用
いることなく、半導体装置製造用ウェーハ６０２を研磨
している際の第１、第２の駆動モーターに流れる電流値
を常に測定し、この電流値の変化により、不織布を再生
させるための処理を施す時期および不織布を交換する時
期を判断することも可能である。

【０３０３】以上説明したようにこの実施例によれば、
研磨面および被研磨面の間の第１の摩擦を測定し、所定
時間経過後の第２の摩擦を測定し、前記第１の摩擦と前
記第２の摩擦との比の値を算出している。したがって、
被研磨物における研磨量を正確に制御することができ
る。

【０３０４】以下、図４９ないし図５１を参照して本発
明の一実施例について説明する。

【０３０５】図４９は、研磨装置による研磨を示す模式
図である。研磨面を有する研磨パッド５０４が常盤５０
２上に設けられ、この研磨面に対向する位置に被研磨物
であるウェーハ２０１を保持する保持部５０１が設けら
れている。また、この保持部５０１近傍には液供給ノズ
ル５０３が設けられており、この液供給ノズル５０３よ
り研磨剤５０５が供給される仕組みとなっている。

【０３０６】上記構成の研磨装置においては、まず、こ
の保持部５０１における下面、すなわち研磨パッド５０
４の上面に対向する面に被研磨物２０１、例えばシリコ
ン酸化膜を表面に有するウェーハが保持される。そし
て、研磨剤５０５、例えば酸化セリウムの懸濁液が液供
給ノズル５０３より研磨パッド５０４上に供給される。
その後ウェーハと研磨面の間に圧力をかけ、ウェーハと
研磨面とを摺動させることによりウェーハが研磨され
る。

【０３０７】図５０は、本発明の実施例における研磨面
の再生処理を示す模式図である。所定の時間ウェーハを
研磨した後には、研磨面の再生処理として液供給ノズル
５０３より界面活性剤７０１、例えばポリカルボン酸系
の陰イオン性界面活性剤が研磨パッド５０４上に供給さ
れ、さらに物理的手段、例えば先端にブラシ７０２を有
する清浄装置７０３により研磨パッド表面を擦ることに
よって研磨面に目詰まりした研磨剤５０５が除去され
る。その後、液供給ノズル５０３より純水７０４が研磨
パッド５０４上に供給され、界面活性剤７０１が除去さ
れる。

【０３０８】そして、この後は上記の工程が繰り返され
る。

【０３０９】図５１は、本発明による研磨速度の経時変
化を示す図である。上記の研磨面の再生方法、すなわち
従来のブラシ７０２等による再生手段に加えて、界面活
性剤７０１を研磨パッド５０４上に供給する手段を用い
ることにより、研磨剤５０５の除去効果を非常に高くす
ることができる。したがって、従来方法では防ぐことが
できなかった研磨剤５０５の目詰まりに起因する研磨面
の表面状態の変化を抑えることができるため、これに起
因する研磨面のもつ研磨剤５０５の保持能力の劣化を抑
えることができる。その結果、図１３に示すように、従
来技術では生じていたところの研磨速度の経時変化を抑
えることができる。

【０３１０】尚、この発明の研磨面の再生方法は、上記
の実施例に限定されることなく、再生のための手段の一
つとして、界面活性剤７０１を使用する手段が含まれて
いればよい。すなわち、界面活性剤７０１を使用する手
段以外の再生のための手段については限定せず、上記実
施例に示した純水により界面活性剤７０１を除去する手
段の有無についても限定しないとともに、界面活性剤７
０１を除去する場合も純水７０４に限定しない。さら
に、研磨面の再生を行う時期についても限定しない。例
えば、被研磨物の研磨と研磨面の再生を同時に行っても
よい。

【０３１１】また、界面活性剤７０１については、ポリ
カルボン酸系の陰イオン性界面活性剤に限定せず、界面
活性剤７０１を構成する親油基、親水基、対イオンのそ
れぞれを種々変更可能である。さらに、研磨剤５０５お
よび被研磨物２０１については、それぞれ限定しない。

【０３１２】以上詳述したように、本発明の方法によれ
ば、研磨面に目詰まりした研磨剤を容易に除去すること
ができるようになる。その結果、研磨剤の目詰まりに起
因する研磨面の劣化を防ぐことができるため、研磨速度
の経時変化を抑えることができるとともに被研磨物表面
へのキズの発生や平坦性の低下を防ぐことができる。し
たがって、被研磨面の品質を一定に維持できる。また、
研磨パッドの長寿命化によりランニングコストを低減で
きる。さらに、研磨パッドの逐次の交換を熟練者の常時
観察に頼ることがなくなる。

【０３１３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被加工層の研磨量の制御を高精度に行うことができ、そ
れにより精度の高い平坦化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体装置の従来の製造工程を示す図、

【図２】従来の他の製造工程を示す図、

【図３】従来の研磨装置の概略図、

【図４】図３の研磨装置による研磨時間と研磨距離との
関係を示す図、

【図５】従来の他の製造工程を示す図、

【図６】研磨時間と研磨距離との関係を示す図、

【図７】従来の他の製造工程を示す図、

【図８】従来のさらに他の製造工程を示す図、

【図９】従来のさらに他の製造工程を示す図、

【図１０】従来のさらに他の製造工程を示す図、

【図１１】従来のさらに他の製造工程を示す図、

【図１２】従来のさらに他の製造工程を示す図、

【図１３】研磨剤を含んだ研磨面の断面図、

【図１４】従来の研磨装置の概略図、

【図１５】図１４の研磨装置における電源電圧とモータ
ー電流との関係を示す図、

【図１６】図１４の研磨装置における負荷とモーター電
流との関係を示す図、

【図１７】研磨用クロスの総使用時間と研磨速度との関
係を示す図、

【図１８】研磨時間と研磨速度との関係を示す図、

【図１９】この発明の実施例にかかる半導体装置の製造
工程を示す図、

【図２０】この発明の実施例にかかる他の半導体装置の
製造工程を示す図、

【図２１】この発明の実施例にかかる他の半導体装置の
製造工程を示す図、

【図２２】研磨時間と研磨距離との関係を示す図、

【図２３】研磨時間と研磨距離との関係を示す図、

【図２４】研磨時間と研磨距離との関係を示す図、

【図２５】研磨時間と研磨距離との関係を示す図、

【図２６】研磨時間と研磨距離との関係を示す図、

【図２７】研磨時間と研磨距離との関係を示す図、

【図２８】この発明の実施例にかかる半導体装置の断面
図、

【図２９】図２９の半導体装置の製造工程を示す図、

【図３０】この発明の他の実施例にかかる半導体装置の
製造工程を示す図、

【図３１】この発明の他の実施例にかかる半導体装置の
製造工程を示す図、

【図３２】この発明の他の実施例にかかる半導体装置の
製造工程を示す図、

【図３３】この発明の他の実施例にかかる半導体装置の
製造工程を示す図、

【図３４】この発明の他の実施例にかかる半導体装置の
製造工程を示す図、

【図３５】この発明の実施例にかかる研磨装置を示す
図、

【図３６】研磨時間と研磨速度との関係を示す図、

【図３７】モーター電流と研磨速度との関係を示す図、

【図３８】ターンテーブルと被加工層との間の摩擦と研
磨速度との関係を示す図、

【図３９】ターンテーブルおよび保持部の回転速度と研
磨速度との関係を示す図、

【図４０】この発明の実施例にかかる研磨装置を示す
図、

【図４１】図４０に示す研磨装置における負荷と歪みと
の関係を示す図、

【図４２】この発明の実施例にかかる半導体装置の製造
工程を示す断面図、

【図４３】この発明の実施例にかかる半導体装置の製造
工程を示す断面図、

【図４４】この発明の実施例にかかる研磨装置の研磨部
の概略図、

【図４５】図４４の研磨装置の制御部の制御フローを示
す図、

【図４６】モーター電流と研磨速度との関係を示す図、

【図４７】この発明の実施例の研磨方法における、研磨
用クロスの総使用時間と研磨速度および研磨量それぞれ
との関係を示す図、

【図４８】従来の研磨方法における、研磨用クロスの総
使用時間とモーター電流および研磨速度それぞれとの関
係を示す図、

【図４９】研磨工程にある研磨装置の概略図、

【図５０】研磨面の再生処理工程にある研磨装置の概略
図、

【図５１】研磨用クロスの総使用時間と研磨速度との関
係を示す図。

【符号の説明】

１，２０１…Ｓｉ基板、２０２…ＳｉＯ₂膜、２０３…
ポリシリコン膜、２０４…フォトレジストパターン、２
０５…ＳｉＯ₂膜、２０６…Ａｌ配線、２０７…ＳｉＯ
₂膜、２０８…ポリシリコン膜、２１０…配線層、２１
５，２１６…凹部、２１７…絶縁膜、２２２…配線部、
２２３…絶縁膜、２２４…導電膜、２２５…凹部、２２
６…配線材、２３１…パターン、２３２…第一の絶縁
膜、２３３…第二の絶縁膜、２３３Ａ…アモルファスシ
リコン、２３４…配線部、２３５…第三の絶縁膜、２４
４…炭素膜、２４５…フォトレジストパターン、２４６
…ＳｉＯ₂膜、２４７…ＳｉＯ₂膜、２５１…Ｓｉ基
板、５０１…保持部、５０２…ターンテーブル、５０３
…研磨剤供給パイプ、５０４…研磨用クロス（研磨
面）、５０５…研磨剤、５１１，５１２…モーター、５
１７，５１８…シャフト５１９，５２０…ベルト、５４
１…演算部、５５１，５５２…歪みセンサ、６０１…摩
擦測定用ウェーハ、６０２…半導体装置製造用ウェー
ハ、６１１…制御部。

フロントページの続き (72)発明者重田厚神奈川県川崎市幸区堀川町72番地株式会社東芝堀川町工場内 (72)発明者矢島比呂海神奈川県川崎市幸区堀川町72番地株式会社東芝堀川町工場内 (72)発明者青木利一郎神奈川県川崎市幸区堀川町72番地株式会社東芝堀川町工場内Ｆターム(参考） 3C058 AA07 BA04 BA06 BB02 CB01 DA17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体ウェーハを研磨して平坦化する手
段と、前記半導体ウェーハと研磨剤の保持された定盤と
の間に生じる摩擦に基き前記半導体ウェーハの研磨速度
を算出する手段と、この研磨速度からウェーハ研磨面上
の研摩負荷量絶対値を前記研磨面の回転シャフトの歪み
量に基いて検出する手段とを具備することを特徴とする
研磨装置。
【請求項２】前記回転シャフトの歪み量は歪みセンサ
により電気信号に変換されることを特徴とする、請求項
１記載の研磨装置。