JP2003188131A

JP2003188131A - 研磨方法

Info

Publication number: JP2003188131A
Application number: JP2001383076A
Authority: JP
Inventors: Norio Okuya; 憲男奥谷; Masashi Hamanaka; 雅司濱中; Mitsunari Satake; 光成佐竹; Katsuki Shingu; 克喜新宮; Shoji Nakatani; 祥二中谷; Naomi Nishiki; 直巳西木
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-12-17
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2003-07-04

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】基板に形成された膜の表面を被研磨面とし、
被研磨面に凹凸が形成されているワークのより正確な研
磨速度を求めるとともに、当該ワークの研磨時間をより
適切に設定する。【解決手段】基板に形成された膜の表面を被研磨面と
し、被研磨面に凹凸８が形成されているワーク２０１を
研磨パッド２０２に押し付けながら、研磨パッドをワー
クに対して相対運動させることにより被研磨面を研磨す
る研磨方法において、ワークＡの前に研磨されたワーク
ａの研磨速度を、研磨時間、研磨前後の膜厚の変化量、
および研磨前後の被研磨面の形状の変化量に基づいて決
定し、ワークＡの研磨時間を、ワークａの研磨速度、ワ
ークＡの初期膜厚および目標残膜厚、ならびにワークＡ
について予測される研磨前後の被研磨面の形状の変化量
に基づいて決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板の表面に形成
された膜の表面を被研磨面とするワークの研磨方法に関
する。本発明は特に、半導体デバイス（半導体集積回路
装置）の製造工程で採用されるＣＭＰ（化学的機械研
磨）に適用される。

【０００２】

【従来の技術】近年、ワークの表面を研磨により平坦化
する技術は、多種多様な分野において利用されている。
その一例としてＩＣおよびＬＳＩ等の半導体デバイスの
製造工程における研磨加工を挙げることができる。

【０００３】半導体デバイスの製造過程において、研磨
加工は、例えば、配線およびトランジスタ等の素子の上
に層間絶縁膜が形成された基板（この基板を半導体デバ
イス用基板とも呼ぶ）の表面（即ち、層間絶縁膜の露出
表面）を平坦化するために実施される。配線は、アルミ
ニウムまたは銅等の導電材料を用いてエッチング等によ
り形成される。層間絶縁膜は配線等の上にＣＶＤ等によ
り積層される。層間絶縁膜の平坦化は、表面の凹凸段差
を露光工程における焦点深度よりも小さくするために実
施される。半導体デバイスには、配線等と層間絶縁膜が
交互に積層された多層構造のものがある。かかる構造の
半導体デバイスの製造工程においては、各層間絶縁膜の
露出表面が平坦化される。

【０００４】層間絶縁膜の研磨手法として、最近では、
層間絶縁膜と研磨剤の化学反応を伴うケミカルメカニカ
ルポリッシング（化学的機械研磨；ＣＭＰ）法が採用さ
れつつある。ＣＭＰ法によれば層間絶縁膜の表面全体を
極めて平滑にできる。

【０００５】また、半導体デバイスの製造工程において
は、金属材料を基板等に形成された溝に埋め込んだ後、
研磨加工して、溝部外にある余剰金属を除去するととも
に表面を平坦化することにより配線パターンを形成する
ことも行われている。このようにして配線パターンを形
成する方法は、ダマシン法と呼ばれる。ダマシン法にお
いても余剰金属の除去にＣＭＰ法が利用される。

【０００６】このように、ＣＭＰに代表される研磨加工
は半導体デバイスの製造過程において種々の工程で実施
されている。そして、半導体デバイスの分野において
は、ＣＭＰによって、より平坦な表面を、より効率的に
得ようとするための試みがなされている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ＣＭＰにより層間絶縁
膜を平坦化する工程においては、研磨後の層間絶縁膜の
厚さが所定の厚さとなるまで、層間絶縁膜を研磨する。
層間絶縁膜の厚さは、一般に、ウエハの表面から層間絶
縁膜の露出表面までの距離で表される。多層構造の半導
体デバイス用基板において、２層目から上の層間絶縁膜
の厚さは、その下の層間絶縁膜の表面（ウエハから最も
遠い面）から当該層間絶縁膜の露出表面までの距離で表
される。層間絶縁膜の厚さはまた、一般に、ウエハ（ま
たはその下の層間絶縁膜）の表面と層間絶縁膜の露出表
面との間に配線および素子等が存在しない部分にて測定
される。また、研磨（加工）前の膜の厚さは、初期膜厚
とも呼ばれ、研磨（加工）後の膜の厚さは残膜厚とも呼
ばれる。

【０００８】ＣＭＰの実施に際しては、残膜厚が所定の
範囲内にあるように、ワークを研磨する必要がある。残
膜厚が所定範囲内にないと、例えば層間絶縁膜の表面に
大きな段差が残り、後の工程に好ましくない影響を及ぼ
す。したがって、ＣＭＰにおいては、ワークが所望の量
だけ研磨され、残膜厚が目標の厚さとなるように、研磨
終点を正しく検出することが要求される。

【０００９】そこで、ＣＭＰ法による平坦化加工におい
て、加工中計測法による研磨終点検出技術が種々検討さ
れている。例えば、特開平６−３４２７７８号公報に
は、研磨時の機械的な振動をモニタして研磨終点を判定
しようとする技術が開示されている。しかし、振動と終
点との相関関係が必ずしも明瞭ではないため、当該公報
に記載の方法で正確な終点を検出することは原理的に困
難であると考えられる。別法として、温度測定およびト
ルク測定等による研磨終点の検出が提案されている。こ
れらは、研磨終点において材料が変化する加工には適し
ている。しかし、研磨前後で被研磨面の材料が変化しな
い平坦化加工（例えば配線等の上に形成された層間絶縁
膜の平坦化）に、これらの研磨終点検出技術を適用する
ことは困難である。このように、正確な研磨終点を検出
することは難しく、加工中計測法による研磨終点技術は
未だ確立していないのが実情である。

【００１０】そのため、研磨終点は、一般に研磨時間
（加工時間）で管理される。具体的には、研磨すべきワ
ークの研磨速度を予め実験的に求め、研磨速度から所望
の研磨量（即ち、厚さ）を除去するのに必要な研磨時間
（以下、所要研磨時間ともいう）を算出し、算出した研
磨時間に従って平坦化加工を実施し、それにより研磨終
点を制御している。ここで、研磨速度とは、単位時間あ
たりに除去されるワークの厚さに相当し、表面除去速度
または研磨レートと称されることもある。研磨速度は、
半導体デバイス用基板の層間絶縁膜を研磨する場合に
は、単位時間あたりに除去される層間絶縁膜の厚さに相
当する。

【００１１】以下、半導体デバイス用基板の層間絶縁膜
をＣＭＰ法により研磨するときの研磨時間の決定方法の
一例を図面を参照して説明する。

【００１２】図８に半導体デバイス用基板の一例の平面
図を、図９にその断面の一部を拡大して模式的に示す。
半導体デバイス用基板（１）は、直径８インチまたは１
２インチの円盤形態である。半導体デバイス用基板
（１）は１枚の基板に５０〜１０００個のセル（100）
を有し、最終的に各セル（100）は分割されて半導体デ
バイスを形成する。図示した半導体デバイス用基板
（１）は、半導体ウエハ（２）の上に配線等（４）が形
成され、配線等（４）の上に層間絶縁膜（６）が形成さ
れたものである。この基板（１）においては、層間絶縁
膜（６）の表面が被研磨面となる。被研磨面は、配線の
パターン等に起因して形成された凹凸を有する。凹凸の
凸部（８）はその下に配線等（４）が位置する部分であ
る。図９において、研磨前の層間絶縁膜の露出表面は実
線（12）で示され、研磨後の層間絶縁膜の露出表面は実
線（14）で示される。

【００１３】さらに、図１０に半導体デバイス用基板を
ＣＭＰ法により研磨する研磨装置の一例を示す。図１０
に示す研磨装置において、研磨パッド（202）はステン
レススチールベルト（204）に接着され、ワーク（201）
はホルダ（206）に装着されている。ワーク（201）の裏
面（被研磨面とは反対の面）には、エアー（図示せず）
の圧力が加えられ、それによりワーク（201）が研磨パ
ッド（202）に押し付けられている。ステンレススチー
ルベルト（204）の裏面にもエアーにより圧力が加えら
れ、それにより研磨パッド（202）がワーク（201）に押
し付けられている。このように、ワーク（201）と研磨
パッド（202）が互いに押し付けられた状態にて、ベル
ト駆動ドラム（208）を回転させてスチールベルト（20
4）を走行させるとともに、研磨パッド（202）の表面に
スラリー（図示せず）を供給しながら、ＣＭＰ法による
研磨を実施する。このとき、ホルダー（206）を中心軸
（ｋ）を回転軸として回転（自転）させることにより、
ワーク（201）の被研磨面において、研磨パッド（202）
の走行方向と直交する方向で研磨ムラが発生することを
抑制できる。研磨パッド（202）が走行している間に、
ベルト駆動ドラム（208）上に配置されたドレッサー（2
10）により、研磨パッド（202）のフォーミング、即ち
ドレッシングが行われる。

【００１４】研磨時間の決定に際しては、最初に、製品
となる半導体デバイスの層間絶縁膜と同じ材料を使用し
て、いわゆるベタ膜のワーク（配線等が形成されていな
い半導体ウエハに平坦な層間絶縁膜を形成したワーク）
を作製し、このベタ膜のワークを、実際の研磨に用いら
れる所定条件下で所定時間研磨したときの研磨量（膜厚
の変化量）を求める。求めた研磨量を研磨時間で除すこ
とにより、研磨速度（ＰＲ）が求められる。

【００１５】次に、製品となる半導体デバイス用基板に
おいて、研磨により除去すべき層間絶縁膜の量（研磨
量）を決定する。まず、層間絶縁膜の初期膜厚ｔｉを測
定する。一般に、層間絶縁膜の厚さは、その下に配線等
が存在しない凹部にて光学的な方法で測定される。半導
体デバイス用基板の層間絶縁膜の膜厚測定部（10）は、
膜厚測定ポイントとして各セルごとに予め設けられてい
る。膜厚は、例えばオプティプローブで測定される。な
お、凸部（８）の層間絶縁膜の厚さは、配線が存在する
ために光学的な方法で測定することは困難である。

【００１６】次に、研磨後の膜厚規格中心値をｔｓを決
定する。ｔｓは、所定の厚さの層間絶縁膜が配線の上に
残るように決定される。それから、残膜厚ｔｆをｔｓと
するために必要な研磨量を求める。その際、留意すべき
ことは、図９に示すように、所定の残膜を得るために必
要な研磨量（即ち、研磨される厚さ）が膜厚測定部（1
0）と凹凸の凸部（８）とでは異なることである。即
ち、凸部（８）においては、図９に示す凸部（８）の部
分の突出高さ（ｄ）にほぼ相当する量だけ、膜厚測定部
（10）より多く層間絶縁膜を研磨する必要がある。した
がって、研磨すべき層間絶縁膜の量（厚さ）は、初期膜
厚から膜厚規格中心値を差し引いた（ｔｉ−ｔｓ）に、
凸部に相当する量を加えた量となる。

【００１７】一般に、余分に研磨すべき量は、配線
（４）の高さ（ｄ）に相当すると仮定される。また、一
般に、凸部が除去される間の研磨速度はベタ膜のワーク
で測定した研磨速度ＰＲよりも大きい。即ち、高さ
（ｄ）の凸部を除去するのに必要な研磨時間は、ベタ膜
のワークから同じ厚さ（ｄ）の層間絶縁膜を除去するの
に必要な時間よりも短い。そこで、凸部（８）がウエハ
（２）上でその高さよりも薄い平坦な膜を形成している
と仮定し、この仮定した平坦な膜の厚さを（ｔｉ−ｔ
ｓ）に加えて研磨すべき層間絶縁膜の量を決定し、その
研磨すべき量に基づいて研磨時間を求めることが行われ
ている。

【００１８】上述のように凸部により形成されたと仮定
される平坦な膜の厚さをＲｓとし、これと先に求めた研
磨速度ＰＲとから、研磨時間Ｔは、下記の式（ａ）：

【数７】Ｔ＝（Ｒｓ＋（ｔｉ−ｔｓ））／ＰＲ ...（ａ）に従って決定される。

【００１９】上式（ａ）において、Ｒｓは凸部の高さよ
りも小さい値をとるから、これをＰＲで除した値は、凸
部の高さをＰＲで除した値よりも小さい。即ち、式
（ａ）において、Ｒｓは、ある高さを有する凸部の除去
に必要な研磨時間が、その高さと同じ厚さのベタ膜を除
去するのに必要な研磨時間よりも短いことを反映させる
ために用いられる項である。換言すれば、Ｒｓは、凸部
が除去される間の研磨速度がベタ膜のワークのそれより
も大きいことについての補正項とも呼べるものである。
Ｒｓは、例えば、配線等（４）の高さ（ｄ）等に基づい
て経験的に求めることが多い。

【００２０】しかし、このようにして研磨時間を決定し
ても、残膜厚が膜厚規格中心値からずれることがある。
その理由の１つとして、Ｒｓが余分に研磨すべき層間絶
縁膜の量を正確に示していないことが挙げられる。

【００２１】さらに別の理由として、研磨パッドの目詰
まり、摩耗および変形等による研磨速度の低下が挙げら
れる。研磨パッドの目詰まり等は、研磨パッドの使用時
間が長くなるほどひどくなり、それに伴って研磨速度も
低下する。したがって、例えば、１ロット（１ロットは
一般に２５〜５０枚）中のワークを同じ研磨パッドで連
続的に研磨すると、後で加工されるワークにおいては研
磨不足が生じやすい。

【００２２】半導体デバイスの製造現場においては、こ
れらの原因により研磨速度が変化することを考慮して、
上記の式（ａ）で求められた研磨時間にさらに補正を加
えることが行われている。具体的には、例えば、１つの
ロットの中で後で研磨されるワークの研磨時間がより長
くなるような補正、あるいは配線のパターン密度に応じ
て研磨時間が長く又は短くなるような補正が加えられて
いる。しかし、かかる補正は、一般に、多くの時間を要
する作業であり、場合によっては多くのテストワークを
必要とする。このことはＣＭＰ工程の処理能力（スルー
プット）の低下および製品コストの上昇を招いている。

【００２３】このように、製造現場において採用されて
いる研磨時間の決定手法は、ＣＭＰ工程のスループット
およびコスト、ならびに研磨終点の制御の精度の点で、
なお改善を要するものである。そこで、本発明者らは、
より簡易な作業手順で、より高い精度で残膜厚を制御し
得る手法について検討した。その結果、凹凸が形成され
た被研磨面を有するワークの研磨速度をより正確に決定
する手法を見出し、これに基づいて研磨時間を決定する
ことにより、精度良く研磨を実施できることを見出し、
本発明を案出するに至った。

【００２４】

【課題を解決するための手段】第１の要旨において、本
発明は、基板に形成された膜の表面を被研磨面とし、被
研磨面に凹凸が形成されているワークを研磨パッドに押
し付けながら、研磨パッドをワークに対して相対運動さ
せることにより被研磨面を研磨する研磨方法であって、
研磨すべきワークの研磨条件を、研磨したワークの研磨
速度を用いて決定する研磨方法において、研磨したワー
クの研磨速度を、研磨時間、研磨前と研磨後の膜厚の変
化量、および研磨前と研磨後の被研磨面の形状の変化量
に基づいて決定することを特徴とする研磨方法を提供す
る。

【００２５】本発明の研磨方法において、研磨されるワ
ークは被研磨面に凹凸を有する。この凹凸は、その段差
量（即ち、凸部の頂面と凹部の底面との間の距離）が５
０〜５００nm程度のものである。この凹凸は、例えば、
ワークが半導体デバイス用基板である場合において、ウ
エハ上に形成された配線に起因して形成されるものであ
る。

【００２６】本発明の研磨方法は、研磨したワークの研
磨速度を、研磨時間、研磨前と研磨後の膜厚の変化量、
および研磨前と研磨後の被研磨面の形状の変化量に基づ
いて決定することを特徴とする。「研磨したワーク」と
は、これから研磨すべきワークの前に研磨した別のワー
ク、又は後述するように、これから所定量だけ研磨すべ
きワークを一部（即ち、所定量よりも少ない量だけ）研
磨したワークを指す。本発明の研磨方法は、既に研磨さ
れたワークについて研磨速度を求めた後、求めたこの研
磨速度を利用して、これから研磨すべきワークの研磨条
件を決定し、その研磨条件に従ってワークを研磨する研
磨方法である。

【００２７】膜厚は、研磨によりその一部が除去されて
平坦化される膜の厚さをいい、基板の表面から膜の露出
表面（即ち、被研磨面）までの距離に相当する。多層配
線構造の半導体デバイス用基板のように、膜が複数層形
成されている場合、２層目から上の膜の厚さは、その下
に位置する膜の表面（基板から最も遠い面）から当該膜
の露出表面までの距離で表される。膜厚は、ワークの被
研磨面の凹部から選択される膜厚測定部にて測定され
る。膜厚測定部は、その底面（即ち、凹部を形成する被
研磨面に平行な面）の寸法が比較的大きい（例えば５０
〜１００μｍ□である）凹部から選択される。膜厚測定
部は１つのワークにおいて１または複数選択してよい。
ワークが半導体デバイス用基板である場合、前述のよう
に膜厚は膜厚測定ポイントとして予め設けられた膜厚測
定部にて測定される。

【００２８】研磨前と研磨後の被研磨面の形状の変化量
は、研磨前後の被研磨面の三次元的な輪郭の変化に基づ
いて求められる量である。この変化量は、本発明におい
ては凹凸の凸部全体または一部の体積の変化量に相当す
る。

【００２９】この研磨方法においては、研磨前後の膜厚
の変化量、および実際に研磨される被研磨面の研磨前後
の形状の変化量に基づいて、既に研磨したワークの研磨
速度が決定される。それにより、従来、研磨速度を求め
ることが困難であった凹凸を有するワークの研磨速度
を、より精度良く決定することが可能となる。

【００３０】さらに、本発明は、第１の要旨の１つの態
様として、研磨前の膜の領域を、厚さ方向で、２つの部
分、即ち、研磨により凹凸の段差が最終的に緩和される
までの部分であるパターン部と、膜全体が均一に研磨さ
れる部分である平坦部とに区分し、研磨時間および研磨
前と研磨後の膜厚の変化量に基づいて、平坦部の研磨速
度を決定し、研磨時間および研磨前と研磨後の被研磨面
の形状の変化量に基づいて、パターン部の研磨速度を決
定し、平坦部の研磨速度とパターン部の研磨速度の和を
研磨速度とする研磨方法を提供する。

【００３１】この態様においては、研磨前のワークの膜
がパターン部および平坦部の２つの部分から構成される
と想定したモデルを導入する。このモデルにおいて、パ
ターン部および平坦部は互いに影響を及ぼすことなく、
独立して研磨される。このようなモデルの導入は、研磨
パッドが２つの異なる作用を及ぼしながらワークを研磨
する、即ち、研磨パッドが、固定砥粒のような剛体とし
て作用するとともに、軟質体として作用しながら、ワー
クを研磨すると考えることにより、可能となる。

【００３２】ここで、研磨パッドが剛体として作用して
ワークを研磨するとは、ワークに存在する凹凸の段差を
専ら無くすように、ワークを研磨することをいう。一
方、研磨パッドが軟質体として作用してワークを研磨す
るとは、ワークに存在する凹凸に追随しながら、凹凸の
段差を変化させることなく、ワークを研磨することをい
う。凹凸を有する膜の表面を被研磨面として研磨すると
き、研磨パッドは、これらの２つの作用を同時に及ぼし
ながらワークを研磨する。なお、研磨パッドは、ワーク
が例えば半導体デバイス用基板のようにうねり（即ち、
グローバルな凹凸）を有する場合には、ワークのうねり
に追随する性質を有する。この追随性は、研磨パッドが
剛体として作用する場合および軟質体として作用する場
合のいずれにおいても発揮される。したがって、研磨速
度の決定に際し、この追随性を考慮しなくても問題は生
じない。

【００３３】この態様で導入されるモデルにおいて、パ
ターン部は、研磨パッドが剛体として作用して凹凸の凸
部だけが先に除去されるように研磨が進行すると仮定し
たときに、研磨により凹凸の段差が最終的に緩和される
までに、研磨によって除去される部分である。凹凸の段
差が最終的に緩和されるとは、研磨によって凹凸の段差
量が最大限緩和されることをいう。凹凸の段差量が緩和
されるとは、凹凸の段差量が小さくなることをいう。凹
凸の段差量が最大限に緩和されるとは、研磨を続けても
凹凸の段差量がそれ以上実質的に小さくならないことを
いう。凹凸の段差量が最大限に緩和される場合には、例
えば凹凸の段差量が実質的に０になる場合も含まれる。

【００３４】平坦部は、研磨により膜の厚さが膜の全面
にわたって均一に減少していく領域をいう。平坦部は、
パターン部の下に位置する。平坦部は、凹凸を有する場
合でも、その凹凸の段差が維持されたまま研磨される。
平坦部は、ベタ膜のワークを構成する平坦な膜に相当す
るといえる。

【００３５】この態様においては、平坦部の研磨速度を
研磨時間と研磨前と研磨後の膜厚の変化量に基づいて決
定し、パターン部の研磨速度を研磨時間と研磨前と研磨
後の被研磨面の形状の変化量に基づいて決定し、２つの
研磨速度の和をワークの研磨速度として決定する。この
ようにしてワークの研磨速度を決定することは、研磨パ
ッドの２つの作用による研磨が、ワークの被研磨面の位
置および研磨時間の長短に拘らず、即ち、空間的および
時間的に相互に影響を及ぼすことなく、互いに独立して
並行的に進行するという仮定に基づく。本発明者らは、
このように仮定しても問題のないことを見出した。即
ち、本発明者らは、基板に形成された膜の領域のうち、
研磨パッドが剛体として作用することにより研磨される
部分をパターン部とし、研磨パッドが軟質体として作用
することにより研磨される部分を平坦部として区分し、
各部分の研磨速度を求め、それらの和をワークの研磨速
度とすることによって、精度良く研磨速度を決定できる
ことを見出した。

【００３６】さらには、平坦部の研磨速度とパターン部
の研磨速度の和は、常に一定であると考えてよいことが
判明した。例えば、ワークの研磨速度を求めるために、
研磨時間を６０秒に設定し、全研磨時間の一部（例えば
２０〜３０秒の１０秒間）に着目したときに、当該１０
秒間に生じた膜厚の変化量および被研磨面の形状の変化
量からそれぞれ求めた平坦部の研磨速度およびパターン
部の研磨速度の和は、全研磨時間（即ち６０秒間）に生
じた膜厚の変化量および被研磨面の形状の変化量からそ
れぞれ求めた平坦部の研磨速度およびパターン部の研磨
速度の和に等しい。

【００３７】平坦部の研磨速度およびパターン部の研磨
速度の和が一定であるのは、研磨時間の長さに応じて、
全体の研磨速度に占める平坦部の研磨速度およびパター
ン部の研磨速度の割合が変化するためであると考えてよ
い。例えば、未研磨のワークを研磨して研磨速度を決定
する場合を想定する。この場合において、研磨開始から
の時間が短いとき、研磨パッドは専ら剛体として作用し
て凹凸の段差を緩和し、平坦部を殆ど研磨しない。即
ち、研磨時間を短く設定して研磨速度を求めると、全体
の研磨速度に占めるパターン部の研磨速度の割合が大き
くなり、平坦部の研磨速度の割合は小さくなる。但し、
研磨開始からの時間が短いときでも、ワークが軟質体と
して全く作用しないわけではなく、平坦部も若干研磨さ
れることに留意すべきである。このことは、特に化学反
応を伴うＣＭＰにおいて当てはまる。研磨開始から時間
が経過するにつれて、ワークは軟質体としての作用をよ
り示すようになる。即ち、研磨速度の決定に際して研磨
時間を長く設定するほど、全体の研磨速度において平坦
部の研磨速度の占める割合が大きくなり、パターン部の
研磨速度の占める割合は小さくなる。

【００３８】上記第１の要旨に係る発明において、研磨
前と研磨後の被研磨面の形状の変化量は、具体的には、
研磨前の膜の領域を、厚さ方向で、研磨により凹凸の段
差が最終的に緩和されるまでの部分であるパターン部
と、膜全体が均一に研磨される部分である平坦部の２つ
の部分に区分し、ワークの被研磨面の少なくとも一部分
を形状測定部として選択したときに、凹凸の段差が最終
的に緩和されるまでに形状測定部において研磨により除
去される膜の体積、即ちパターン部の体積（この体積は
「パターン部除去体積」とも称される）を形状測定部全
体の面積で除した値ｔｐとすることができる。

【００３９】「パターン部」および「平坦部」の意味は
先に説明したとおりである。形状測定部は、ワークの被
研磨面から代表的に選択される領域であって、パターン
部および平坦部を含む。上述のように、パターン部は凹
凸を有し、パターン部の厚さ（または突出高さ、即ち、
パターン部と平坦部との境界からパターン部の表面まで
の厚さ方向の距離）は形状測定部において一定でない。
したがって、形状測定部におけるパターン部除去体積
（即ち、研磨により除去されるパターン部の体積）を形
状測定部の面積で除した値ｔｐは、形状測定部に含まれ
るパターン部全体の体積に等しい体積を有し、かつ形状
測定部の面積と同じ面積を有する凹凸のない平坦な膜を
有するワーク（ベタ膜のワーク）から、そのような膜を
除去したとみなしたときの除去量（除去された厚さ）に
相当する。即ち、ｔｐは、パターン部の凹凸を形状測定
部全体にわたって均すことにより形成される膜（この膜
はパターン部の体積に等しい体積を有する）の厚さに相
当する。

【００４０】本発明において、ｔｐを採用する理由は次
のとおりである。一般に、研磨パッドと凸部との間に生
じる圧力は、ベタ膜と研磨パッドとの間に生じる圧力よ
りも大きく、そのため、高さｄの凸部の研磨速度は同じ
厚さｄのベタ膜のそれよりも大きくなる。ｔｐは、形状
測定部において、凹凸の凸部がその高さよりも薄い平坦
な膜を形成していると仮定した項であり、高さｄの凸部
を除去するのに必要な研磨時間が、同じ厚さｄのベタ膜
を除去するのに必要な研磨時間よりも短いことを、研磨
速度の決定において反映させるために用いられる。

【００４１】以下の説明を含む本明細書において、ｔｐ
はパターン部除去体積等価膜厚とも呼ぶ。「パターン部
除去体積等価膜厚」という用語は、本明細書において、
パターン部全部の体積を形状測定部の面積で除したもの
を指すために用いるが、後述のように、パターン部の一
部の体積を形状測定部の面積で除したものもまたパター
ン部除去体積等価膜厚と呼ぶ場合がある。

【００４２】形状測定部は、ｔｐを決定するために、所
定の面積を有する部分として意図的に選択される領域で
ある。形状測定部をより広い面積を有するように選択す
ると、被研磨面の形状変化をより正確に把握することが
できる。また、形状測定部としては、凹凸の凸部の占め
る割合が他の部分と比較して小さすぎる又は大きすぎる
部分ではなく、凹凸の凸部の占める割合が平均的である
部分（即ち、ワークの代表的な部分）を選択することが
好ましい。

【００４３】前述したように、膜厚は凹部で測定される
から、膜厚の変化量のみに基づいて正確な研磨量を求め
ることはできない。本発明の研磨方法においては、膜厚
の変化量に加えてパターン部除去体積等価膜厚が求めら
れるため、ワークから実際に除去される膜の量（即ち、
研磨量）がより正確に求められ、また、求めた研磨量
（厚さ）を当該研磨量を達成するために要した時間で除
すことにより、より正確な研磨速度が決定される。

【００４４】第１の要旨に係る本発明の研磨方法におい
て、研磨したワークの研磨速度ＰＲは具体的には、ワー
クの被研磨面の少なくとも一部分であって、かつ凹凸を
含む部分を形状測定部として選択し、また、ワークの被
研磨面の凹部から膜厚測定部を選択し、ワークを研磨時
間Ｔだけ研磨し、膜厚測定部で予め測定される初期膜厚
ｔｉと、研磨後に測定される残膜厚ｔｆの差を、研磨前
と研磨後の膜厚の変化量とし、形状測定部のパターン部
除去体積を形状測定部の面積で除した値ｔｐを、研磨前
と研磨後の被研磨面の形状の変化量とし、下記の式：

【数８】ＰＲ＝（ｔｉ−ｔｆ＋ｔｐ）／Ｔ（式中、ＰＲはワークの研磨速度を示す）に基づいて決
定される。

【００４５】また、第１の要旨に係る本発明の研磨方法
の１つの態様において、研磨したワークの研磨速度ＰＲ
は、ワークの被研磨面の少なくとも一部分であって、か
つ凹凸を含む部分を形状測定部として選択し、また、ワ
ークの被研磨面の凹部から膜厚測定部を選択し、ワーク
を研磨時間Ｔだけ研磨し、膜厚測定部で予め測定される
初期膜厚ｔｉと、研磨後に測定される残膜厚ｔｆの差
を、研磨前と研磨後の膜厚の変化量とし、形状測定部の
パターン部除去体積を形状測定部の面積で除した値ｔｐ
を、研磨前と研磨後の被研磨面の形状の変化量とし、平
坦部の研磨速度ＰＲeを下記の式：

【数９】ＰＲe＝（ｔｉ−ｔｆ）／Ｔに基づいて決定し、パターン部の研磨速度ＰＲpを下記
の式：

【数１０】ＰＲp＝ｔｐ／Ｔに基づいて決定し、式ＰＲ＝ＰＲe＋ＰＲp（式中、ＰＲ
はワークの研磨速度を示す）に基づいて決定される。

【００４６】前述のように、第１の要旨に係る本発明の
研磨方法は、既に研磨されたワークについて研磨速度を
求めた後、求めたこの研磨速度を利用して、これから研
磨すべきワークの研磨条件を決定し、その研磨条件に従
ってワークを研磨する研磨方法である。ワークの研磨条
件は、ワークに対する研磨パッドの相対速度（図１０に
示す装置においてはワークの回転数）、ワークを研磨パ
ッドに押し付けるときの圧力（研磨圧力）、研磨液の温
度および研磨時間等である。これらのうち、研磨パッド
の相対速度および研磨圧力は研磨速度を決める主な因子
であり、研磨圧力および／または研磨パッドの相対速度
が大きいほど、研磨速度は大きくなる。

【００４７】したがって、本発明の研磨方法には、例え
ば、１）研磨パッドの回転数、研磨圧力、および研磨液の温
度等、研磨時間以外の研磨条件が予め設定されている場
合に、既に研磨したワークの研磨速度をこれから研磨す
べきワークの研磨速度と仮定して、これから研磨すべき
ワークの研磨時間を決定する研磨方法、ならびに２）既に研磨したワークの研磨速度をこれから研磨すべ
きワークの研磨速度と仮定して、研磨圧力および／また
は研磨パッドの相対速度を適宜選択することにより、こ
れから研磨すべきワークの研磨速度を所望の速度とする
研磨方法が含まれる。本発明の研磨方法は、上記１）の
研磨方法であることが好ましく、以下にその研磨方法を
第２の要旨に係る発明として説明する。

【００４８】第２の要旨において、本発明は、基板に形
成された膜の表面を被研磨面とし、被研磨面に凹凸が形
成されているワークを研磨パッドに押し付けながら、研
磨パッドをワークに対して相対運動させることにより被
研磨面を研磨する研磨方法において、ワークＡの前に研
磨されたワークａの研磨速度を、研磨時間、研磨前と研
磨後の膜厚の変化量、および研磨前と研磨後の被研磨面
の形状の変化量に基づいて決定し、ワークＡの研磨時間
を、ワークａの研磨速度、ワークＡの初期膜厚および目
標残膜厚、ならびにワークＡについて予測される研磨前
と研磨後の被研磨面の形状の変化量に基づいて決定する
ことを特徴とする研磨方法を提供する。

【００４９】この研磨方法において、ワークＡの研磨時
間を決定するために用いられる研磨速度は、ワークＡを
研磨する前に研磨したワークａの研磨速度である。ワー
クａの研磨速度は、ワークＡを研磨する前、好ましくは
直前に研磨されたワークであり、このワークａの研磨速
度は研磨装置の状態（研磨パッドの摩耗および変形等）
を反映した研磨速度を与える。また、ワークＡの研磨時
間の決定には、初期膜厚および目標残膜厚に加えて、実
際に研磨されるワークＡについて予測される研磨前と研
磨後の被研磨面の形状の変化量が用いられる。それによ
り、被研磨面に凹凸が形成されている膜について、研磨
すべき量をより正確に決定できる。したがって、この研
磨方法によれば、所望の残膜厚を得るのに必要な研磨時
間がより正確に求められ、ワークの残膜厚をより高い精
度で制御することが可能となる。

【００５０】この研磨方法において、ワークＡについて
予測される研磨前と研磨後の被研磨面の形状の変化量
は、研磨前の膜の領域を、厚さ方向で、２つの部分、即
ち、研磨により凹凸の段差が最終的に緩和されるまでの
部分であるパターン部と、膜全体が均一に研磨される部
分である平坦部とに区分し、また、ワークＡの被研磨面
の少なくとも一部分であって、かつ凹凸を含む部分を形
状測定部として選択したときに、ワークＡの形状測定部
において予測されるパターン部除去体積を形状測定部の
面積で除した値ｕｐ_Aとすることが好ましい。ワークＡ
の形状測定部において予測されるパターン部除去体積
は、例えば、ワークＡの前に研磨されたワークａの研磨
後の形状と、ワークＡの研磨前の形状とから求めること
ができる。

【００５１】ｕｐ_Aは、ワークＡについて予測されるパ
ターン部除去体積等価膜厚といえる。パターン部除去体
積等価膜厚の意味は先に説明したとおりである。ここで
は、研磨前に「予測される」パターン部除去体積等価膜
厚を「ｕｐ」で表し、ワークを実際に研磨することによ
って求める「実際の」パターン部除去体積等価膜厚（ｔ
ｐ）との混同を避けている。

【００５２】ｕｐは、ワークＡを実際に研磨した後で求
められる被研磨面の形状の変化量（実測値）により近い
ものとなる。したがって、ｕｐは、従来、配線等の高さ
等に基づいて経験的に求められていた補正項Ｒｓと比較
して、除去すべき凸部の量をより正確に与える。

【００５３】第２の要旨において提供される研磨方法に
おいて、ワークＡの研磨時間は、具体的には次のように
して決定される。まず、ワークＡの前に研磨されたワー
クａの研磨速度ＰＲ_aを上記第１の要旨に係る本発明の
研磨方法において用いられる研磨速度決定方法に従って
決定し、ワークＡの被研磨面の少なくとも一部であっ
て、かつ凹凸を含む部分を形状測定部として選択し、ま
た、ワークＡの被研磨面の凹部から膜厚測定部を選択
し、ワークＡの形状測定部において予測されるパターン
部除去体積を形状測定部の面積で除した値ｕｐ_Aを、ワ
ークＡについて予測される研磨前と研磨後の被研磨面の
形状の変化量とし、ワークＡの研磨時間Ｔ_Aを、下記の
式：

【数１１】Ｔ_A＝（ｔｉ_A−ｔｓ_A＋ｕｐ_A）／ＰＲ_a （式中、ｔｉ_Aおよびｔｓ_AはそれぞれワークＡの膜厚測
定部における初期膜厚および目標残膜厚を示す）に基づ
いて決定する。

【００５４】ワークａの研磨速度ＰＲ_aは、具体的に
は、ワークａの被研磨面の少なくとも一部であって、か
つ凹凸を含む部分を形状測定部として選択し、また、ワ
ークａの被研磨面の凹部から膜厚測定部を選択し、ワー
クａを研磨時間Ｔ_aだけ研磨し、ワークａの膜厚測定部
で予め測定される初期膜厚ｔｉ_aと、研磨後に測定され
る残膜厚ｔｆ_aの差を、ワークａの研磨前と研磨後の膜
厚の変化量とし、ワークａの形状測定部のパターン部除
去体積を形状測定部の面積で除した値ｔｐ_aを、ワーク
ａの研磨前と研磨後の被研磨面の形状の変化量とし、下
記の式：

【数１２】ＰＲ_a＝（ｔｉ_a−ｔｆ_a＋ｔｐ_a）／Ｔ_a に基づいて決定される。

【００５５】あるいは、ワークａの研磨速度ＰＲ_aは、
ワークａの被研磨面の少なくとも一部であって、かつ凹
凸を含む部分を形状測定部として選択し、また、ワーク
ａの被研磨面の凹部から膜厚測定部を選択し、ワークａ
を研磨時間Ｔ_aだけ研磨し、ワークａの膜厚測定部で予
め測定される初期膜厚ｔｉ_aと、研磨後に測定される残
膜厚ｔｆ_aの差を、ワークａの研磨前と研磨後の膜厚の
変化量とし、ワークａの形状測定部のパターン部除去体
積を形状測定部の面積で除した値ｔｐ_aを、ワークａの
研磨前と研磨後の被研磨面の形状の変化量とし、平坦部
の研磨速度ＰＲe_aを下記の式：

【数１３】ＰＲe_a＝（ｔｉ_a−ｔｆ_a）／Ｔ_a に基づいて決定し、パターン部の研磨速度ＰＲp_aを下記
の式：

【数１４】ＰＲp_a＝ｔｐ_a／Ｔ_a に基づいて決定し、ＰＲe_aおよびＰＲp_aから、式ＰＲ_a
＝ＰＲe_a＋ＰＲp_aに基づいて決定される。

【００５６】第２の要旨において提供される研磨方法に
おいて、ワークａはワークＡの前に研磨されたものであ
れば、いつ研磨されたものであってよい。例えば、１つ
の研磨装置において１つのロットのワークを連続的に研
磨する場合、各ワークの研磨速度を求め、求めた研磨速
度に基づいて次のワークの研磨時間を順次決定してよ
い。あるいは、研磨速度は一定枚数ごと（例えば５枚ご
と、または１０枚ごと）に決定してよい。例えば、１枚
目のワークの研磨速度を求め、この研磨速度に基づいて
２〜１１枚目のワークの研磨時間を決定し、次に１１枚
目のワークの研磨速度を求め、この研磨速度に基づいて
１２〜２１枚目のワークの研磨時間を決定してよい。ワ
ークａの研磨後の被研磨面の形状に基づいて、ワークＡ
について予測される研磨前と研磨後の形状の変化量（例
えばｕｐ_A）を求め、これをワークＡの研磨時間の決定
に利用する場合も同様である。

【００５７】あるいは、１ロットの最後のワークをワー
クａとして、これの研磨速度を決定し、次のロットに含
まれる全てのワークをワークＡとして、ワークａの研磨
速度に基づいてワークＡの研磨時間を決定してよい。ワ
ークａの研磨後の被研磨面の形状に基づいて、ワークＡ
について予測される研磨前と研磨後の形状の変化量（例
えばｕｐ_A）を求め、これをワークＡの研磨時間の決定
に利用する場合も同様である。

【００５８】ワークａとワークＡの間に研磨されるワー
クの数が少ないほど、より高い精度で残膜厚を制御でき
る。前述のように、研磨速度は研磨装置の状態（例えば
研磨パッドの摩耗および変形）の影響を受けるため、ワ
ークａの研磨速度がワークＡを研磨する直前に測定した
ものであれば、当該速度はワークＡの研磨時における研
磨装置の状態がより正確に反映されたものとなる。

【００５９】本発明の研磨方法は、配線等の素子の上に
形成された層間絶縁膜の露出表面を被研磨面とする半導
体デバイス用基板の研磨に好ましく適用される。したが
って、本発明の研磨方法は、半導体デバイスの製造工程
に含まれる研磨工程（平坦化工程）に好ましく適用され
る。本発明の研磨方法はまた、ＣＭＰに好ましく適用さ
れる。

【００６０】

【発明の実施の形態】本発明の一態様として、半導体デ
バイス用基板をワークとして研磨する研磨方法を以下に
説明する。本発明の研磨方法で研磨される半導体デバイ
ス用基板を、図１および図２に示す。図１は先に説明し
た図８と同様のものであり、図１において図８で使用し
た符号と同じ符号は同じ要素を示す。図１には、さらに
膜厚が測定される５つのセル（100ａ〜100ｅ）を示して
いる。図２は、半導体デバイス用基板の断面を示す。図
２において図９で使用した符号と同じ符号は同じ要素を
示す。図２には、後述するパターン部初期段差量（Ｈ
ｉ）およびパターン部残存段差量（Ｈｆ）をさらに示
し、層間絶縁膜（６）内の一点鎖線によって層間絶縁膜
（６）のパターン部（６ａ）と平坦部（６ｂ）との境界
を示している。この半導体デバイス用基板もまた、図１
０に示す研磨装置で研磨される。

【００６１】最初に、本発明の研磨方法においてワーク
の研磨速度を決定する手順を説明する。まず、研磨速度
を求めようとするワークａの初期膜厚ｔｉ_aを、測定分
解能が１nmである膜厚測定器（例えばオプティプロー
ブ）を用いて測定する。初期膜厚は、１枚のワークにお
いて複数の膜厚測定部にて測定した初期膜厚の平均値と
することが好ましい。初期膜厚は、例えば図１に示す５
箇所のセル（100ａ〜100ｅ）に設けられた膜厚測定部に
て測定される。

【００６２】次に、ワークの被研磨面の形状測定部の形
状を測定する。形状測定部は適当な面積を有するように
選択される。ここでは１つのセル（約７ｍｍ□）を形状
測定部として選択する。別の態様においては、セルの一
部または複数のセルを合わせた領域を、１つの形状測定
部として選択してよい。

【００６３】形状測定部の形状は、例えば、原子間力顕
微鏡（Atomic Force Microscope；ＡＦＭ）を用いて測
定される。使用できるＡＦＭは、例えば、日立製作所社
製の「ＷＡ２００」である。形状測定部の形状は、ＡＦ
Ｍの平面２Ｄ分解能を１０μｍ、縦分解能を１nmに設定
して、図３に示すようなＡＦＭ３Ｄ画像が得られるよう
に測定する。

【００６４】得られたＡＦＭ３Ｄ画像から、凹凸の段差
量を求める。凹凸の段差量とは、凸部（８）の頂面（８
ａ）とそれに隣接する凹部の底面（８ｂ）との間の距離
をいう。研磨前の形状測定部において段差量の異なる凹
凸が存在する場合、最も大きい段差量を求める。このよ
うにして求めた段差量は、パターン部初期段差量と呼
ぶ。一般に、図２に示すような半導体デバイス用基板に
おいて、パターン部初期段差量は膜厚測定部（10）の底
面（10ａ）と凸部（８）の頂面（８ａ）との間の距離に
相当し、図２において符号Ｈｉで示される距離に相当す
る。パターン部初期段差量もまた、初期膜厚と同様に複
数箇所（図１に示す５箇所のセル（100ａ〜100ｅ））に
て測定した形状から求めた平均値とすることが好まし
い。

【００６５】図２に示すように、半導体デバイス用基板
において、例えば配線等が密に形成された部分の上に
は、段差量が数〜数十nmの微細な凹凸（１６）が形成さ
れることがある。図２において、微細な凹凸（１６）は
１つの大きな凸部（８）の頂面に形成されているともい
える。この微細な凹凸（１６）は研磨の初期段階で平坦
化されるため、研磨速度を決定するに際し、その段差量
の変化は無視することができる。

【００６６】次に、ワークａを研磨時間Ｔ_aだけ研磨
し、研磨後の膜厚（即ち、残膜厚）ｔｆ_aおよび研磨後
の被研磨面の形状を測定する。残膜厚ｔｆ_aは初期膜厚
ｔｉ_aと同様にして測定する。研磨後の被研磨面の形状
は、後述のパターン部残存段差量を求めるために測定す
る。

【００６７】一般に、半導体デバイス用基板を研磨によ
り平坦化するとき、凹凸は完全に平坦化されず、数〜数
十nmの段差が残ったまま平坦化が進行する。そのため、
半導体デバイス用基板は完全に平坦化されず、段差が残
る。この最終的に残る段差の高さをパターン部残存段差
量と呼ぶ。パターン部残存段差量は図２においてＨｆで
示される距離に相当する。

【００６８】図２に示すような半導体デバイス用基板に
おいて、パターン部のみが先に除去されてから平坦部が
除去されるように研磨が進行すると仮定すれば、凸部
（８）が研磨されて、凹凸の段差量がパターン部残存段
差量（Ｈｆ）に等しくなったときに、パターン部が除去
された状態（図中の一点鎖線で示される）となる。その
後、研磨される部分は膜の厚さが膜の全面にわたって均
一に減少していく。即ち、図２の層間絶縁膜（６）内の
一点鎖線はパターン部（６ａ）と平坦部（６ｂ）との境
界に相当するといえる。

【００６９】上記の仮定は理解を容易にするためのもの
であり、前述のように、実際の研磨は平坦部とパターン
部が同時に研磨されるように進行する。但し、前述のよ
うに平坦部における研磨とパターン部における研磨は互
いに独立しており、平坦部における研磨の進行は、凹凸
の段差量の緩和に影響を及ぼさない。平坦部が研磨され
ると、それに伴って、凸部の頂面および凹部の底面の位
置（レベル）が同じだけ変化するからである。したがっ
て、図２に示すワークにおいてパターン部と平坦部とが
同時に研磨されるとしても、図２に示すパターン部と平
坦部との境界の位置（レベル）は変わらない。パターン
部と平坦部との境界は、研磨後の凹部の底面の包絡面
を、研磨前の凹部の底面の包絡面に仮想的に一致させる
まで平行移動させたときの、研磨後の被研磨面の表面で
あるともいえる。

【００７０】次に、パターン部除去体積およびパターン
部除去体積等価膜厚ｔｐを求める方法を説明する。パタ
ーン部除去体積は、形状測定部の等高線面積を所定の段
差増分（例えば１０nm）ごとに、パターン部残存段差量
からパターン部初期段差量まで（即ち、図２において層
間絶縁膜の表面から一点鎖線に至るまで）求め、求めた
等高線面積と段差増分の積の和を算出することにより求
められる。ここで、形状測定部の等高線面積とは、基板
表面に平行な面であって基準点（例えば基板の表面）か
ら所定距離だけ離れた面に沿って形状測定部を切断した
ときの切断面の面積をいう。

【００７１】したがって、パターン部除去体積は、段差
増分をｄｈとしたときに下記の式（１）：

【数１５】により求められる。

【００７２】先に例示したＡＦＭ「ＷＡ−２００」によ
れば、研磨前の形状測定部のＡＦＭ３Ｄ画像から、凹凸
の段差量がパターン部初期段差量およびパターン部残存
段差量であるときの被研磨面の形状を、２次元うねり補
正処理および画像解析処理コマンドで求めることができ
る。等高線面積は、図３に示すような３Ｄ画像を、高さ
情報を画像の濃淡に置き換えた２Ｄ画像に変換したの
ち、画像解析処理および二値化処理コマンドにより図４
に示すような二値画像を得、二値画像において白く表示
される部分の面積をデジタイジングすることにより求め
られる。二値画像は段差増分ごとに得る。

【００７３】ＡＦＭ３Ｄ画像から二値画像を得る具体的
な手順は次のとおりである。一般に、半導体デバイス用
基板に形成された膜に存在する凹凸は、うねりを有する
面、即ち傾斜した曲面上に存在する場合が多い。そこ
で、３Ｄ画像から２Ｄ画像に変換するに際しては、凹凸
の凸部の頂面の包絡面を平面化してＡＦＭ測定基準面と
ワークの被研磨面を一致させるために、ＡＦＭの画像処
理ソフトを用いて２次元傾斜補正および２次元うねり補
正処理を施す必要がある。これらの補正により、傾斜を
有する曲面が平面化される。

【００７４】２Ｄ画像の濃淡データは、一旦高さデータ
に変換する。この変換したデータを処理して、ほぼノイ
ズ除去できる量（凹凸の最も高い部分から１０nm）だけ
凹部側によったオフセット面について等高線面積が求め
られるようにする。さらに、処理したデータを濃淡デー
タに再変換し、濃淡値に基づいて画像処理ソフトで二値
化処理し、図４に示すような二値画像を得る。二値化処
理は、適当な画像処理ソフト（例えば市販の「プリント
ショップ」等）を利用して実施する。

【００７５】パターン部除去体積等価膜厚ｔｐは、形状
測定部のパターン部除去体積を形状測定部の面積で除す
ことにより求められる。したがって、パターン部除去体
積等価膜厚ｔｐは、下記の式（２）に従って算出され
る。

【数１６】

【００７６】上記の等高線面積は、研磨中、研磨パッド
とワークとが接触する部分の面積と考えることもでき
る。また、等高線面積を形状測定部の面積で除した値
は、研磨パッドとワークが接触する面積の割合、即ち、
研磨パッドにより実際に研磨される面積の割合を示す研
磨面積率と考えることができる。したがって、上記の式
（１）および式（２）をまとめて、パターン除去体積等
価膜厚ｔｐを下記の式（３）に従って算出することもで
きる。

【数１７】

【００７７】上記のようにして求めた、初期膜厚ｔ
ｉ_a、残膜厚ｔｆ_a、およびパターン部除去体積等価膜厚
ｔｐ_aから、ワークａの研磨速度ＰＲ_aは下記の式
（４）：

【数１８】ＰＲ_a＝（ｔｉ_a−ｔｆ_a＋ｔｐ_a）／Ｔ_a ．．．（４）に従って求めることができる。

【００７８】上記の式において、（ｔｉ_a−ｔｆ_a）／Ｔ
_aを平坦部の研磨速度ＰＲe_aとし、ｔｐ_a）／Ｔ_aをパタ
ーン部の研磨速度ＰＲp_aとすれば、ワークａの研磨速度
は、下記の式（５）：

【数１９】ＰＲ_a＝ＰＲe_a＋ＰＲp_a ．．．（５）のように、平坦部の研磨速度とパターン部の研磨速度の
和として求めることができる。

【００７９】研磨速度を決定するに際し、パターン部全
部を完全に除去しないで、即ち、パターン部の凹凸の段
差量がパターン部残存段差量よりも大きい状態にて、研
磨を止めて研磨速度を決定してもよい。その場合、式
（１）または式（３）において、パターン部残存段差量
に代えて、研磨後のパターン部の凹凸の段差量（この段
差量を「研磨後パターン部段差量」とも呼ぶ）を代入す
るとよい。そのようにして求められる値もまた、研磨パ
ッドが剛体として作用することにより除去されたパター
ン部を、形状測定部全体にわたって均すことにより形成
される膜（この膜は除去されたパターン部の体積に等し
い体積を有する）の厚さに相当し、パターン部除去体積
等価膜厚と呼べる。

【００８０】あるいは、式（１）および式（２）または
式（３）に従ってパターン部除去体積等価膜厚ｔｐを求
める代わりに、形状測定部における研磨前の凹凸の凸部
の体積を形状測定部の面積で除した値ｔｑから、形状測
定部における研磨後の凹凸の凸部の体積を形状測定部の
面積で除した値ｔｒを引いて得た値ｔqrを求め、これを
ｔｐに代えて用いてよい。ここで、凹凸の凸部の体積
は、凹部（微細な凹凸の凹部を除く）の底面を連続的に
つないだ包絡面（一般には膜厚測定部の表面）よりも上
側に位置する膜の体積に相当する。

【００８１】研磨前の凹凸の凸部の体積は、下記の式
（６）に従って求められる。

【数２０】

【００８２】式（６）は、上記の式（１）において、パ
ターン部初期段差量を研磨前の凹凸の段差量とし、パタ
ーン部残存段差量を０としたものに相当する。研磨前の
凹凸の段差量および等高線面積はＡＦＭを用いて求め
る。ｔｑは、式（６）に従って求めた研磨前の凹凸の凸
部の体積を形状測定部の面積で除すことにより求められ
る。このように求められるｔｑは、研磨前の凸部を形状
測定部全体にわたって均すことにより形成される膜の厚
さに相当し、研磨前の凸部体積等価膜厚とも呼べる。ｔ
ｑは、ｔｐと同様に、等高線面積を形状測定部の面積で
除した研磨面積率を用いて、下記の式（７）に従って求
めることもできる。

【数２１】

【００８３】研磨後の凹凸の凸部の体積は、下記の式
（８）に従って求められる。

【数２２】

【００８４】式（８）は、上記の式（１）において、パ
ターン部初期段差量を研磨後の凹凸の段差量とし、パタ
ーン部残存段差量を０としたものに相当する。研磨後の
凹凸の段差量および等高線面積はＡＦＭを用いて求め
る。ｔｒは、式（８）に従って求めた研磨後の凹凸の凸
部の体積を形状測定部の面積で除すことにより求められ
る。このように求められるｔｒは、研磨後の凸部を形状
測定部全体にわたって均すことにより形成される膜の厚
さに相当し、研磨後の凸部体積等価膜厚とも呼べる。ｔ
ｒは、ｔｐと同様に、等高線面積を形状測定部の面積で
除した研磨面積率を用いて、下記の式（９）に従って求
めることもできる。

【００８５】

【数２３】

【００８６】このようにして得たｔｑからｔｒを引いて
求めたｔqrは、研磨パッドが剛体として作用することに
より除去されたパターン部を形状測定部全体にわたって
均すことにより形成される膜（この膜の体積は除去され
たパターン部の体積に等しい体積を有する）の厚さに相
当する。なお、上記の式（６）または式（７）におい
て、研磨前の凹凸の段差量がパターン部初期段差量であ
り、かつ式（８）または式（９）において研磨後の凹凸
の段差量がパターン部残存段差量であれば、ｔqrは式
（１）および式（２）または式（３）に従って求めるパ
ターン部除去体積等価膜厚に等しくなる。

【００８７】上記においては、パターン部除去体積膜厚
を求めるためにＡＦＭを使用する方法を説明した。別の
態様においては、ウエハ上に形成される配線およびデバ
イス等の設計に用いたＣＡＤデータを使用してパターン
部除去体積等価膜厚を求めてよい。以下、ＣＡＤデータ
を使用してパターン部除去体積等価膜厚を求める方法を
説明する。

【００８８】ＣＡＤデータによれば、ウエハの上に形成
された配線等の寸法（幅、長さ、高さ等）および配線等
の形成パターン（密度を含む）がわかる。図５に示すよ
うに、配線等（４）の上に層間絶縁膜（６）（例えばＢ
ＰＳＧ膜）を形成したとき、通常、層間絶縁膜の凸部の
寸法は配線等の寸法とは一致しない。一般に、層間絶縁
膜の凹凸の等高線面積は、いずれのレベルの面において
も、配線等の頂面の面積をすべて合わせた面積より大き
くなる傾向にある。即ち、ワークの研磨面積率は、配線
等がワークの表面積に占める割合（パターン密度）より
大きくなる。そのため、ＣＡＤデータを用いてパターン
部除去体積等価膜厚等を求めるには、研磨面積率がパタ
ーン密度と比較して、どの程度大きくなるかを決定する
必要がある。

【００８９】研磨面積率とパターン密度との関係は次の
ようにして求める。まず、ＣＡＤデータが既知であるワ
ークについて、研磨開始時における研磨面積率（初期研
磨面積率とも呼ぶ）および研磨終了時における研磨面積
率（残存研磨面積率とも呼ぶ）をそれぞれ、ＡＦＭで測
定した３Ｄデータを使用して求める。初期研磨面積率
は、凹凸の段差量がパターン部初期段差量であるときの
研磨面積率であり、残存研磨面積率は凹凸の段差量がパ
ターン部残存段差量であるときの研磨面積率である。次
に、ＣＡＤソフトの演算機能であるエキスパンド機能を
使用して、ワークの被研磨面と平行な二次元方向におい
て配線等の寸法を所定量ずつエキスパンドし、エキスパ
ンドした配線等のパターン密度を求める演算処理を行
う。この処理を、パターン密度が初期研磨面積率に等し
くなるまで繰り返し、初期研磨面積率を得るためのエキ
スパンド量を求める。同様にして、残存研磨面積率を得
るためのエキスパンド量を求める。図５において、初期
研磨面積率を得るためのエキスパンド量はＥｉで示さ
れ、残存研磨面積率を得るためのエキスパンド量はＥｆ
で示されている。別法として、エキスパンド量は、ワー
クの断面を電子顕微鏡等で観察することにより求めてよ
い。

【００９０】このようにして求めたエキスパンド量はそ
れぞれ、配線等の高さおよび膜厚が略同じであれば、配
線等のパターンが異なるワークにも適用できる。したが
って、求めたエキスパンド量を使用して、別のワークの
ＣＡＤデータについてエキスパンド演算処理を実施すれ
ば、ＡＦＭ測定によらずに、当該別のワークの初期研磨
面積率および残存研磨面積率を求めることができる。

【００９１】続いて、求めたワークの初期研磨面積率お
よび残存研磨面積率から、パターン部除去体積等価膜厚
を求める手順を示す。パターン部除去体積等価膜厚を求
めるために、本発明者らは、研磨面積率とパターン部の
凹凸の段差量との関係が図６に示すグラフで表されるモ
デルを導入した。このモデルは、パターン部の凹凸の段
差量が研磨前（即ち、研磨開始時）の凹凸の段差量（即
ち、パターン部初期段差量）Ｈｉの略半分になるまで、
研磨面積率が初期研磨面積率に等しい状態で研磨され、
その後、研磨面積率が線形的に増加するように研磨され
るとしたモデルである。図６のグラフから、このモデル
において、研磨前の凹凸の段差量がＨｉである場合に、
研磨面積率を求めるために選択した領域（即ち、形状測
定部）全体にわたって凹凸の凸部を均すことにより形成
される膜の厚さｔｃは下記の式（１０）により求められ
ることが理解されよう。

【数２４】ｔｃ＝Ｈｉ×｛初期研磨面積率＋（残存研磨面積率−初期研磨面積率）×０．５ ×０．５｝＝Ｈｉ×｛０．７５×初期研磨面積率＋０．２５×残存研磨面積率｝・・・（１０）

【００９２】式（１０）のＨｉにパターン部初期段差量
を代入すれば、パターン部残存段差量が０であると仮定
したときのパターン部除去体積等価膜厚を得ることがで
きる。これをそのまま当該ワークのパターン部除去体積
等価膜厚ｔｐとして、研磨速度を求めるために使用して
よい。あるいは、式（１０）のＨｉにパターン部初期段
差量を代入して得た値から、式（１０）のＨｉに研磨後
の凹凸の段差量（即ち、パターン部残存段差量）を代入
して得た値を引いて得た値を、パターン部除去体積等価
膜厚ｔｐとして研磨速度を求めるために使用してよい。

【００９３】

【００９４】ＣＡＤデータをエキスパンド演算処理して
求めるパターン部除去体積等価膜厚は、研磨前および研
磨後の被研磨面の形状を実際に測定して求めるものでは
なく、一種の推定値である。かかる推定値に基づいて決
定した研磨速度は、ＡＦＭを用いて実際に測定した研磨
前および研磨後の被研磨面の形状に基づいて決定した研
磨速度と比較して、精度の点において劣る傾向にある。
しかしながら、ＡＦＭによる被研磨面の形状測定は多く
の時間を要するのに対し、ＣＡＤによれば短時間で簡易
にパターン部除去体積等価膜厚を求めることができると
いう利点があり、その点においてＣＡＤの利用は有利で
ある。

【００９５】以上において説明した研磨速度の決定手法
を利用して、あるワークの研磨時間を決定する方法を次
に説明する。ここでは、１つのロットに含まれる５０枚
の半導体デバイス用基板（Ｗ₁〜Ｗ₅₀）をワークとして
順次研磨する方法を説明する。

【００９６】最初にロットの１枚目のワークＷ₁の研磨
時間を決定し、研磨後の膜厚等から研磨速度を決定す
る。１枚目のワークＷ₁を研磨する場合、同じロット内
に先に研磨されたワークは存在しない。そこで、ワーク
Ｗ₁の研磨時間は、例えば、ワークＷ₁の前に研磨したベ
タ膜のワークの研磨速度を用いて決定される。以下にそ
の手順を説明する。

【００９７】まず、１枚目のワークＷ₁の初期膜厚ｔｉ₁
を測定する。膜厚の測定方法は、先に研磨速度の決定方
法に関連して説明したとおりであるから、ここではその
詳細な説明を省略する。

【００９８】次に、ワークＷ₁の形状測定部の被研磨面
の形状を測定する。形状測定部は、先に研磨速度の決定
方法に関連して説明したように、１つのセル（約７ｍｍ
□）であってよく、その被研磨面の形状はＡＦＭを用い
て測定される。先に研磨速度の決定方法に関連して説明
したように、研磨前の形状測定部の被研磨面の形状を測
定することにより、パターン部初期段差量を求める。形
状測定部の被研磨面の形状は、先に研磨速度の決定方法
に関連して説明した方法に従って測定できるから、その
詳細な説明はここでは省略する。

【００９９】本発明の研磨方法においては、研磨時間を
決定するためにパターン部除去体積等価膜厚を求めるこ
とが好ましい。パターン部除去体積等価膜厚は、先に研
磨速度の決定方法に関連して説明したように、パターン
部初期段差量とパターン部残存段差量とから求めること
ができる。しかしながら、あるワークのパターン部残存
段差量は、実際に研磨しなければ知ることができず、研
磨前のワークから求めることはできない。そのため、ワ
ークの研磨時間を決定するためにはパターン部残存段差
量を予測する必要がある。

【０１００】１つのロットの１枚目のワークについて
は、２枚目以降のワークと異なり、同じロット内の先に
研磨したワークの被研磨面の形状等からパターン部残存
段差量を予測することができない。そこで、過去に同じ
研磨装置で同一種類の半導体デバイス用基板を研磨した
ときに測定したパターン部残存段差量を、１枚目のワー
クについて予測されるパターン部残存段差量としてよ
い。あるいは、この半導体デバイス用基板と同じものを
テストワークとして用意し、これを研磨して求めたパタ
ーン部残存段差量を１枚目のワークについて予測される
パターン部残存段差量としてよい。

【０１０１】研磨前の被研磨面の形状から求めたパター
ン部初期段差量と、予測されるパターン部残存段差量と
から、上記の式（１）および（２）、または式（３）に
従ってワークＷ₁のパターン部除去体積等価膜厚を求め
る。この時点で求められるワークＷ₁のパターン部除去
体積等価膜厚は、別のワークから予測されるパターン部
残存段差量に基づいて求められた値であるから、ワーク
Ｗ₁について「予測される」パターン部除去体積等価膜
厚に相当する。即ち、ここで求めた値は、ｕｐ ₁として
表すべきものである。

【０１０２】ワークの研磨時間Ｔ、ワークの研磨速度Ｐ
Ｒ、初期膜厚ｔｉ、残膜厚ｔｆ、およびパターン部除去
体積等価膜厚ｔｐの間には、下記の関係式（１１）：

【数２５】が成立する。したがって、上記の式（１１）のｔｉ、ｔ
ｆおよびｔｐに、ワークＷ₁の初期膜厚ｔｉ₁、目標残膜
厚（膜厚規格中心値）ｔｓ₁および予測されるパターン
部除去体積等価膜厚ｕｐ₁をそれぞれ代入し、さらに研
磨速度ＰＲとしてベタ膜のワークから求めた研磨速度Ｐ
Ｒ_bを代入すれば、所要研磨時間Ｔ₁が求められる。ワー
クＷ₁は、この研磨時間Ｔ₁の間、研磨される。

【０１０３】ワークＷ₁の研磨が終了した後、ワークＷ₁
の研磨速度を求める。その手順は次のとおりである。ま
ず、研磨後のワークＷ₁の残膜厚ｔｆ₁および形状測定部
の被研磨面の形状をそれぞれ測定する。研磨後の形状測
定部の被研磨面の形状は、ワークＷ₁における実際のパ
ターン部残存段差量を求めるために測定する。研磨前に
測定したパターン部初期段差量と実際のパターン部残存
段差量とから、式（１）および式（２）、または式
（３）に従って、ワークＷ₁における実際のパターン部
除去体積等価膜厚ｔｐ₁が求められる。

【０１０４】これらの研磨後に求めた値を下記の式（１
２）：

【数２６】に代入すれば、ワークＷ₁の研磨速度ＰＲ₁が求められ
る。

【０１０５】上記の式（１２）において、（ｔｉ−ｔ
ｆ）／Ｔを平坦部の研磨速度ＰＲeとし、ｔｐ／Ｔをパ
ターン部の研磨速度ＰＲpとすれば、ワークＷ₁の研磨速
度は、下記の式：

【数２７】ＰＲ＝ＰＲe＋ＰＲp のように、平坦部の研磨速度とパターン部の研磨速度の
和で表すことができる。

【０１０６】次に、ワークＷ₂の研磨時間Ｔ₂を決定す
る。ワークＷ₂の研磨時間Ｔ₂も、上記の式（１１）のｔ
ｉおよびｔｆに、ワークＷ₂の初期膜厚ｔｉ₂および目標
残膜厚ｔｓ₂を代入し、ｔｐにワークＷ₂について予測さ
れるパターン部除去体積等価膜厚ｕｐ₂を代入し、ＰＲ
にワークＷ₁の研磨速度ＰＲ₁を代入することにより求め
られる。ワークＷ₂の初期膜厚ｔｉ₂は、ワークＷ₁の初
期膜厚ｔｉ₁と同様に膜厚測定部にて測定される。ワー
クＷ₂のｕｐ₂を求めるためのパターン部残存段差量（予
測されるパターン部残存段差量）は、研磨後に測定した
ワークＷ₁の形状測定部の被研磨面の形状から求める。

【０１０７】ワークＷ₂の研磨が終了した後、研磨後の
残膜厚ｔｆ₂および形状測定部の被研磨面の形状を測定
し、ワークＷ₁と同様にして、ワークＷ₂の研磨速度ＰＲ
₂を決定する。以後、同様の手順で、後のワークＷ₃〜Ｗ
₅₀の研磨時間および研磨速度を決定し、各ワークを研磨
する。この研磨方法において、ワークＷ_nの研磨時間
は、ワークＷ_n-1の研磨速度およびパターン部残存段差
量がフィードバックされて求められるともいえる。

【０１０８】この研磨方法のフローを図７に示す。図７
は、ワークＷ_nを研磨するときのフローに相当する。図
７における２つの式は、研磨前および研磨後に成立する
モデル式に相当する。ワークＷ_nの研磨時間は、研磨前
モデル式に基づいて決定される。求めた研磨時間だけワ
ークＷ_nを研磨した後、膜厚および被研磨面の形状が測
定されて、ワークＷ_nの研磨速度が研磨後モデル式に基
づいて決定される。ワークＷ_nの研磨速度および研磨後
の被研磨面の形状は、フィードバックされて、次のワー
クＷ_n+1の研磨時間の決定に用いられる。

【０１０９】以上において説明した研磨方法は本発明の
一態様にすぎない。別の態様においては、ワークＷ₁の
研磨時間を決定するために、ベタ膜のワークに代えて、
ウエハの上に形成された配線等の上にワークＷ₁の膜の
材料と同じ材料から成る膜が形成されたワークを使用し
てよい。そのようなワークは、配線等に起因する凹凸を
有するから、その研磨速度は上記の式（１２）に従って
求める。なお、本発明者らが比較検討したところ、その
ようなワークの研磨速度はベタ膜のワークの研磨速度と
実質的に同一となることが判った。即ち、膜の材料が同
じであるワークの研磨速度は、パターンの有無およびパ
ターンの密度によらず、研磨装置によって決定されるこ
とが判った。

【０１１０】さらに別の態様において、ワークの研磨速
度は所定枚数ごとに求めてよい。例えば、ワークＷ₁、
Ｗ₁₁、Ｗ₂₁、Ｗ₃₁、Ｗ₄₁の研磨速度を求めて、ワークＷ
₂〜Ｗ ₁₀の研磨時間をワークＷ₁の研磨速度に基づいて決
定し、ワークＷ₁₂〜Ｗ₂₀の研磨時間をワークＷ₁₁の研磨
速度に基づいて決定し、ワークＷ₂₂〜Ｗ₃₀の研磨時間を
ワークＷ₂₁の研磨速度に基づいて決定し、ワークＷ₃₂〜
Ｗ₄₀の研磨時間をワークＷ₃₁の研磨速度に基づいて決定
し、ワークＷ₄₂〜Ｗ₅₀の研磨時間をワークＷ₄₁の研磨速
度にに基づいて決定してよい。

【０１１１】さらにまた別の態様においては、予測され
るパターン部除去体積等価膜厚ｕｐに代えて、研磨前の
形状測定部における研磨前の凹凸の凸部の体積を形状測
定部の面積で除した値ｔｑから、形状測定部において予
測される研磨後の凹凸の凸部の体積を形状測定部の面積
で除した値ｕｒを引いて得た値ｕqrを用いてよい。ｔｑ
の求め方は先に研磨速度の決定方法に関連して説明した
とおりである。ｕｒを求めるには、まず、研磨時間を求
める対象となるワークの形状測定部において、研磨後の
凹凸の段差量を予測する必要がある。研磨後の凹凸の段
差量は、前述のように、研磨時間を求める対象となるワ
ークの前に研磨したワークの被研磨面の形状から予測さ
れる。ｕｒは、この予測した研磨後の凹凸の段差量を、
先に示した式（８）または式（９）の研磨後の凹凸の段
差量に代入することにより求められる。

【０１１２】さらにまた別の態様においては、予測され
るパターン部除去体積等価膜厚ｕｐを、ＣＡＤを利用し
て求めてよい。ＣＡＤを利用してパターン部除去体積等
価膜厚を求める方法は、研磨速度の決定方法に関連して
説明したとおりであるから、ここではその詳細な説明を
省略する。

【０１１３】さらにまた別の態様においては、１枚目の
ワークＷ₁の前に別のワークを研磨することなく、ワー
クＷ₁を適当な時間Ｔ₁”だけ研磨することにより、その
研磨速度ＰＲ₁を求めてよい。ＰＲ₁は、具体的には、研
磨後の残膜厚ｔｆ₁’を測定するとともに、研磨後の被
研磨面の形状をＡＦＭで測定して、これと研磨前の被研
磨面の形状から、Ｔ₁”だけ研磨したときのパターン部
除去体積等価膜厚ｔｐ₁’を式（１）および式（２）ま
たは式（３）から求め、式（１２）のＴ、ｔｉ、ｔｆお
よびｔｐに、Ｔ₁”、ｔｆ₁’、ｔｉ₁’およびｔｐ₁’を
それぞれ代入することにより求める。Ｔ₁”は残膜厚ｔ
ｆ₁’が目標残膜厚ｔｓ₁になるのに要する時間よりも短
くなるように選択される。ｔｆ₁’がｔｓ₁よりも小さく
なると、そのワークは不良品となり、製品となり得な
い。

【０１１４】研磨速度ＰＲ₁を決定した後、残膜厚ｔ
ｆ₁’を目標残膜厚とするために、ワークＡを追加的に
研磨する必要がある。追加の研磨時間Ｔ₁’は、求めた
研磨速度ＰＲ₁、追加の研磨前の膜厚ｔｆ₁’、目標残膜
厚ｔｓ₁、および追加の研磨前のワークＡの形状測定部
において予測した追加の研磨により除去されるパターン
部の体積を形状測定部の面積で除した値ｕｐ₁’を、上
記の式（１１）のｔｉ、ｔｆおよびｔｐに代入すること
により求めるとよい。研磨速度を決定するためにＴ ₁”
だけ研磨した後のワークにおいてパターン部が完全に除
去されていると、ｕｐ₁’は０となる。

【０１１５】このようにしてＰＲ₁を求め、求めたＰＲ₁
に基づいて１枚目のワークの研磨時間を決定すれば、他
のワーク（例えばベタ膜のワーク）を用いる必要がない
ため、研磨に要する全体の時間および費用を節約でき
る。ロットの１枚目のワークを用いて研磨速度を決定
し、これを用いて研磨時間を決定する研磨方法は、特に
研磨装置の状態が大きく変化した後（例えば、研磨パッ
ドを交換した直後）に、ワークの研磨時間を決定する場
合に有用である。

【０１１６】このようにしてＰＲ₁を求める場合にも、
ｕｐ₁’はＣＡＤを利用して求めてよい。また、ｕｐ₁’
に代えて、ワークＷ₁を追加的に研磨する前の形状測定
部における凹凸の凸部の体積を形状測定部の面積で除し
た値ｔｑ₁’から、形状測定部において予測される追加
研磨後の凹凸の凸部の体積を形状測定部の面積で除した
値ｕｒ₁’を引いて得た値ｕqr₁’を用いてよい。

【０１１７】本発明の研磨方法を実施するに際し、膜厚
を測定することが難しい場合には、膜厚測定部における
研磨前および研磨後のワーク全体の厚さを測定し、これ
らの差を膜厚の変化量としてよい。

【０１１８】形状測定部において凹凸パターンが異なる
少なくとも２箇所の位置（スポットまたはライン）にお
ける凹凸の段差緩和量とパターン部除去体積との関係が
予めわかっている場合には、そのような少なくとも２箇
所の位置における研磨前後の凹凸の段差緩和量を測定す
るだけで、パターン部除去体積を求めることができる。
一般に、ＡＦＭ等を用いた被研磨面の形状測定は多くの
時間を要するため、ＡＦＭ等により測定する部分をより
小さくすれば（例えばスポットまたはラインとすれ
ば）、より効率良く研磨を実施できる。凹凸パターンが
異なる少なくとも２箇所の位置としては、例えば、研磨
後の段差緩和量が互いに異なる凹凸を含む位置が選択さ
れる。

【０１１９】

【発明の効果】本発明の研磨方法においては、被研磨面
に凹凸が形成されているワークの研磨前および研磨後の
ワークの被研磨面の形状をＡＦＭ等で測定し、測定した
形状を利用して、研磨速度および研磨時間を決定する。
実際に研磨されるワークの被研磨面の形状は、除去され
るパターン部の膜の量をより正確に与えるから、これに
基づいて求めた研磨速度はより正確である。また、実際
に研磨されるワークの被研磨面の形状に基づいて研磨時
間を決定し、この時間だけ研磨を実施すれば、残膜厚を
目標残膜厚により近くすることができ、研磨過剰または
研磨不足が抑制される。

【０１２０】さらに、本発明の研磨方法によれば、研磨
時間の決定に際して、ワークの研磨速度および被研磨面
の形状がロットまたは所定枚数のワークごとにフィード
バックされるから、現在の研磨装置の状態がより反映さ
れた最新の情報に基づいて研磨時間が適切に決定され
る。

【０１２１】したがって、本発明の研磨方法を含む半導
体デバイスの製造方法に従って半導体デバイスを製造す
ると、製造効率が高くなるとともに、研磨不良に起因す
る不良品の発生が有効に抑制される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の研磨方法で研磨される半導体デバイ
ス用基板の一例の平面図である。

【図２】本発明の研磨方法で研磨される半導体デバイ
ス用基板の一例の平面図である。

【図３】ＡＦＭで測定した被研磨面の形状を示す３Ｄ
画像である。

【図４】等高線面積を求めるための二値画像である。

【図５】半導体デバイス用基板の配線等の上に形成さ
れた層間絶縁膜を拡大して示す断面図である。

【図６】１つのモデルにおける研磨面積率とパターン
部の凹凸の段差量の関係を示すグラフである。

【図７】本発明の研磨方法のフロー図である。

【図８】従来の研磨方法で研磨される半導体デバイス
用基板の一例の平面図である。

【図９】従来の研磨方法で研磨される半導体デバイス
用基板の一例の断面図である。

【図１０】半導体デバイス用基板をＣＭＰ法により研
磨する研磨装置の一例の模式図である。

【符号の説明】

１...デバイス用基板、２...半導体ウエハ、４...配線
等、６...層間絶縁膜、８...凸部、８ａ...凸部の頂
面、８ｂ...凹部の底面、10...膜厚測定部、12...研磨
前の層間絶縁膜の露出表面、14...研磨後の層間絶縁膜
の露出表面、16...微細な凹凸、100...セル、201...ワ
ーク、202...研磨パッド、204...ステンレススチールベ
ルト、206...ホルダ、208...ベルト駆動ドラム、210...
ドレッサー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐竹光成大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者新宮克喜大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者中谷祥二大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者西木直巳大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 3C034 BB91 CA01 CB01 DD01 DD10 3C049 AA07 AC02 BA02 BA04 BA09 BB09 BC02 CA01 CB03 3C058 AA07 AC02 BA02 BA04 BA09 BB09 BC02 CA01 CB03 DA12 DA13 DA17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に形成された膜の表面を被研磨面と
し、被研磨面に凹凸が形成されているワークを研磨パッ
ドに押し付けながら、研磨パッドをワークに対して相対
運動させることにより被研磨面を研磨する研磨方法であ
って、研磨すべきワークの研磨条件を、研磨したワーク
の研磨速度を用いて決定する研磨方法において、研磨し
たワークの研磨速度を、研磨時間、研磨前と研磨後の膜
厚の変化量、および研磨前と研磨後の被研磨面の形状の
変化量に基づいて決定することを特徴とする研磨方法。
【請求項２】研磨前の膜の領域を、厚さ方向で、２つ
の部分、即ち、研磨により凹凸の段差が最終的に緩和さ
れるまでの部分であるパターン部と、膜全体が均一に研
磨される部分である平坦部とに区分し、ワークの被研磨面の少なくとも一部分であって、かつ凹
凸を含む部分を形状測定部として選択し、形状測定部において研磨により除去されるパターン部の
体積であるパターン部除去体積を形状測定部の面積で除
した値ｔｐを、研磨前と研磨後の被研磨面の形状の変化
量とする請求項１に記載の研磨方法。
【請求項３】研磨前の膜の領域を、厚さ方向で、２つ
の部分、即ち、研磨により凹凸の段差が最終的に緩和さ
れるまでの部分であるパターン部と、膜全体が均一に研
磨される部分である平坦部とに区分し、研磨時間および研磨前と研磨後の膜厚の変化量に基づい
て、平坦部の研磨速度を決定し、研磨時間および研磨前と研磨後の被研磨面の形状の変化
量に基づいて、パターン部の研磨速度を決定し、平坦部の研磨速度とパターン部の研磨速度の和を研磨速
度とする請求項１に記載の研磨方法。
【請求項４】ワークの被研磨面の少なくとも一部分で
あって、かつ凹凸を含む部分を形状測定部として選択
し、形状測定部において研磨により除去されるパターン部の
体積であるパターン部除去体積を形状測定部の面積で除
した値ｔｐを、研磨前と研磨後の被研磨面の形状の変化
量とする請求項３に記載の研磨方法。
【請求項５】ワークの被研磨面の少なくとも一部分で
あって、かつ凹凸を含む部分を形状測定部として選択
し、また、ワークの被研磨面の凹部から膜厚測定部を選
択し、ワークを研磨時間Ｔだけ研磨し、膜厚測定部で予め測定される初期膜厚ｔｉと、研磨後に
測定される残膜厚ｔｆの差を、研磨前と研磨後の膜厚の
変化量とし、形状測定部のパターン部除去体積を形状測定部の面積で
除した値ｔｐを、研磨前と研磨後の被研磨面の形状の変
化量とし、研磨したワークの研磨速度ＰＲを下記の式：【数１】ＰＲ＝（ｔｉ−ｔｆ＋ｔｐ）／Ｔに基づいて決定する請求項２に記載の研磨方法。
【請求項６】ワークの被研磨面の少なくとも一部分で
あって、かつ凹凸を含む部分を形状測定部として選択
し、また、ワークの被研磨面の凹部から膜厚測定部を選
択し、ワークを研磨時間Ｔだけ研磨し、膜厚測定部で予め測定される初期膜厚ｔｉと、研磨後に
測定される残膜厚ｔｆの差を、研磨前と研磨後の膜厚の
変化量とし、形状測定部のパターン部除去体積を形状測定部の面積で
除した値ｔｐを、研磨前と研磨後の被研磨面の形状の変
化量とし、平坦部の研磨速度ＰＲeを下記の式：【数２】ＰＲe＝（ｔｉ−ｔｆ）／Ｔに基づいて決定し、パターン部の研磨速度ＰＲ_pを下記の式：【数３】ＰＲp＝ｔｐ／Ｔに基づいて決定し、研磨したワークの研磨速度ＰＲをＰＲ＝ＰＲe＋ＰＲpと
して求める請求項４に記載の研磨方法。
【請求項７】ｔｐに代えて、形状測定部における研磨
前の凹凸の凸部の体積を形状測定部の面積で除した値ｔ
ｑから、形状測定部における研磨後の凹凸の凸部の体積
を形状測定部の面積で除した値ｔｒを引いて得た値ｔqr
を用いる請求項２、４、５または６のいずれか１項に記
載の研磨方法。
【請求項８】選択した形状測定部において凹凸パター
ンが異なる少なくとも２箇所の位置を選択し、各位置の
凹凸の段差緩和量から、パターン部除去体積を算出する
請求項２、４、５または６のいずれか１項に記載の研磨
方法。
【請求項９】凹凸パターンが異なる少なくとも２箇所
の位置が、段差緩和量が互いに異なる凹凸を含む位置で
ある請求項８に記載の研磨方法。
【請求項１０】基板に形成された膜の表面を被研磨面
とし、被研磨面に凹凸が形成されているワークを研磨パ
ッドに押し付けながら、研磨パッドをワークに対して相
対運動させることにより被研磨面を研磨する研磨方法に
おいて、ワークＡの前に研磨されたワークａの研磨速度を、研磨
時間、研磨前と研磨後の膜厚の変化量、および研磨前と
研磨後の被研磨面の形状の変化量に基づいて決定し、ワークＡの研磨時間を、ワークａの研磨速度、ワークＡ
の初期膜厚および目標残膜厚、ならびにワークＡについ
て予測される研磨前と研磨後の被研磨面の形状の変化量
に基づいて決定することを特徴とする研磨方法。
【請求項１１】ワークＡの研磨前の膜の領域を、厚さ
方向で、２つの部分、即ち、研磨により凹凸の段差が最
終的に緩和されるまでの部分であるパターン部と、膜全
体が均一に研磨される部分である平坦部とに区分し、ワークＡの被研磨面の少なくとも一部分であって、かつ
凹凸を含む部分を形状測定部として選択し、ワークＡの形状測定部において研磨により除去されるパ
ターン部の体積であるパターン部除去体積を予測し、予
測したパターン部除去体積を形状測定部の面積で除した
値ｕｐ_Aを、ワークＡについて予測される研磨前と研磨
後の被研磨面の形状の変化量とする請求項１０に記載の
研磨方法。
【請求項１２】ワークａの研磨速度ＰＲ_aを請求項１
〜９のいずれか１項に記載の方法に従って求め、ワークＡの被研磨面の凹部から膜厚測定部を選択し、ワークＡの研磨時間Ｔ_Aを、下記の式：【数４】Ｔ_A＝（ｔｉ_A−ｔｓ_A＋ｕｐ_A）／ＰＲ_a （式中、ｔｉ_Aおよびｔｓ_AはそれぞれワークＡの膜厚測
定部における初期膜厚および目標残膜厚を、ｕｐ_Aはワ
ークＡの形状測定部において予測したパターン部除去体
積を形状測定部の面積で除した値を示す）に基づいて決
定する請求項１１に記載の研磨方法。
【請求項１３】ｕｐ_Aに代えて、ワークＡの形状測定
部における研磨前の凹凸の凸部の体積を形状測定部の面
積で除した値ｔｑ_Aから、形状測定部において予測され
る研磨後の凹凸の凸部の体積を形状測定部の面積で除し
た値ｕｒ_Aを引いて得た値ｕqr_Aを用いる請求項１１また
は請求項１２のいずれか１項に記載の研磨方法。
【請求項１４】ワークＡの前に研磨されたワークａの
研磨後の被研磨面の形状と、ワークＡの研磨前の被研磨
面の形状とから、ワークＡの研磨前と研磨後の被研磨面
の形状の変化量を予測する請求項１０〜１３のいずれか
１項に記載の研磨方法。
【請求項１５】ワークＡの被研磨面の凹部から膜厚測
定部を選択し、ワークａの研磨速度に代えてワークＡの研磨速度ＰＲ_A
を、ワークＡの残膜厚が目標残膜厚よりも大きくなるよ
うに設定した研磨時間だけ研磨することにより、請求項
１〜９のいずれか１項に記載の方法に従って求め、研磨速度を決定するために研磨した後のワークＡの膜厚
を目標残膜厚とするために追加的に研磨する研磨時間Ｔ
_A’を、【数５】Ｔ_A’＝（ｔｉ_A’−ｔｓ_A＋ｕｐ_A’）／ＰＲ_A （式中、ｔｉ_A’は追加的に研磨する前のワークＡの膜
厚測定部における膜厚を、ｔｓ_AはワークＡの目標残膜
厚を、ｕｐ_A’はワークＡの形状測定部において予測し
た追加的に研磨することにより除去されるパターン部の
体積を形状測定部の面積で除した値を示す）に基づいて
決定する請求項１１に記載の研磨方法。
【請求項１６】ｕｐ_A’に代えて、ワークＡの形状測
定部における追加的に研磨する前の凹凸の凸部の体積を
形状測定部の面積で除した値ｔｑ_A’から、形状測定部
において予測される追加的に研磨した後の凹凸の凸部の
体積を形状測定部の面積で除した値ｕｒ_A’を引いて得
た値ｕqr_A’を用いる請求項１５に記載の研磨方法。
【請求項１７】研磨前と研磨後の被研磨面の形状の変
化量を原子間力顕微鏡を用いて求める又は予測する請求
項１〜１６のいずれか１項に記載の研磨方法。
【請求項１８】研磨前と研磨後の被研磨面の形状の変
化量をＣＡＤを用いたデータ処理により求める又は予測
する請求項１〜１６のいずれか１項に記載の研磨方法。
【請求項１９】ＣＡＤを用いたデータ処理により、研
磨開始時においてワークと研磨パッドとが接触する面積
の割合である初期研磨面積率と、研磨終了時においてワ
ークと研磨パッドとが接触する面積の割合である残存研
磨面積率を求め、下記の式（Ｉ）：【数６】ｔｃ＝Ｈｉ×（０．７５×初期研磨面積率＋０．２５×残存研磨面積率）...（Ｉ）のＨｉに研磨前の凹凸の段差量を代入して求めた値を、
研磨前と研磨後の被研磨面の形状の変化量とする請求項
１８に記載の研磨方法。
【請求項２０】式（Ｉ）のＨｉに研磨前の凹凸の段差
量を代入して求めた値から、式（Ｉ）のＨｉに研磨後の
凹凸の段差量を代入して求めた値を引いて得た値を、研
磨前と研磨後の被研磨面の形状の変化量とする請求項１
９に記載の研磨方法。
【請求項２１】ワークが半導体デバイス用基板であ
り、層間絶縁膜の表面を被研磨面とする請求項１〜２０
のいずれか１項に記載の研磨方法。
【請求項２２】ワークが化学的機械研磨（ＣＭＰ）に
より研磨される請求項２１に記載の研磨方法。