JP3745951B2 - 化学機械研磨方法および化学機械研磨装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造工程において、特に詳しくは多層配線を設ける工程において用いられる化学機械研磨方法および化学機械研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化に伴い、多層配線構造が用いられている。多層配線構造を実現する上で重要な技術として化学機械研磨（以下、「ＣＭＰ」という。）による平坦化工程が挙げられる。これは、フォトリソグラフィー法を用いて微細なパターンを形成する場合に下地となる絶縁性の層間膜の段差を緩和し、半導体装置の微細化と多層化とを両立する技術である。
【０００３】
下地パターンには、代表的なデュアルダマシン法等で形成される埋込配線と、導電膜の形成後にドライエッチングにより形成される非埋込配線とがある。アルミニウムやアルミニウム合金といったアルミニウムを含有する材料からなる配線（以下、「アルミニウム系配線」という。）は後者に属する。
【０００４】
アルミニウム系配線による多層構造は、最初にアルミニウム系配線による第一の配線層を形成し、その上に該配線層を被覆するように絶縁性の層間膜を形成し、更にこの層間膜をＣＭＰにより研磨して平坦化し、この平坦化された層間膜の上に第二の配線層を形成することによって（更に層間膜形成、ＣＭＰ、配線層形成を繰り返し行ってもよい）作製することができる。
【０００５】
次に図を用いてＣＭＰによる平坦化について説明する。図４は従来のＣＭＰによって層間膜を平坦化する工程を示している。図４（ａ）はＣＭＰによって平坦化される前の状態を示しており、下地パターン２１となるアルミニウム系配線がプラズマＴＥＯＳ膜等の絶縁性の層間膜２０で被覆された状態を示している。下地パターン２１は平坦な絶縁性の基板２２の上に形成されており、層間膜２０は下地パターン２１の上に絶縁性の材料を堆積させて形成されている。また、下地パターン２１が基板２０から突起して形成されているため、層間膜２０にはこれに対応した凸部２０ａが形成されている。上方から見たとき、この凸部２０ａは下地パターン２１よりも大きく、そのため層間膜２０の面積密度は下地パターン２１の面積密度よりも大きくなっている。
【０００６】
この凸部２０ａを有する層間膜２０に対し、図４（ｂ）に示すように凸部（２０ａ、２０ｂ）が消失し、膜厚が目標値となるまでＣＭＰによって研磨を行うことで、図４（ｃ）に示すような層間膜２０の平坦化が図られる。
【０００７】
ところで、一般に目標の膜厚までＣＭＰによって研磨を行う場合、凸部２０ａが占める割合に応じて凸部２０ａの研磨時間が変化するため、下地パターンのパターン密度に応じて研磨時間を設定する必要がある。例えば同じパターンのウエハを研磨する場合であれば、数枚のテスト研磨を行うことで予めそのパターンに最適な研磨時間を設定することができる。しかし、実際の量産の現場では種々のパターンを研磨する必要があるため、予めテスト研磨を行うことは非常に非効率的であるといえる。一方、残膜制御の精度を高めることができれば、テスト研磨を行わないで目標の膜厚とすることできる。そのため、研磨工程を二回に分割して残膜制御の精度を高めた（精度の高い研磨時間を求める）方法が採用されている。
【０００８】
図５は従来の研磨工程を二回に分割して研磨を行う場合のプロセスフローを示している。図５に示すように、最初にロット内の全ウエハに対し一律にある特定の時間研磨を行って、アルミニウム配線の上に形成された凸部を消失させる（１ｓｔ研磨：Ｓ５０）。凸部の消失後洗浄を行い（Ｓ５１）、残膜厚を測定する（Ｓ５２）。凸部の消失後はシートウエハ（平坦な層間膜が一面に形成されたウエハ）を研磨する研磨レートと同じレートで研磨されるため、測定された残膜厚から２ｎｄ研磨に必要な研磨時間を計算することができる。このようにして、残膜厚の値から研磨終了までの時間を計算した上で（Ｓ５２）、１ｓｔ研磨を終了したウエハのうち数枚（先行ウエハ）を研磨する（２ｎｄ先行研磨：Ｓ５３）。
【０００９】
次に、洗浄工程（Ｓ５４）の後、先行ウエハの残膜厚を測定し、２ｎｄ研磨時間の補正を行う（Ｓ５５）。補正を行った２ｎｄ研磨時間を未だ２ｎｄ研磨を行っていない他のウエハ（本体ウエハ）の研磨（２ｎｄ本体研磨：Ｓ５６）に適用する。研磨終了後、洗浄を行い（Ｓ５７）、任意のウエハを取り出して残膜の測定を行う（Ｓ５８）。残膜に異常がないことが確認されれば、ウエハは次行程に移行される。
【００１０】
このように、従来の二回研磨プロセスにおいては、１ｓｔ研磨は研磨時間を固定して層間膜の凸部が消失するまで行われ、次に１ｓｔ研磨後の層間膜の残膜厚が測定され、この測定値とパターンのないシートウエハの研磨レートとから必要な研磨時間が算出され、この算出された研磨時間に基づいて２ｎｄ研磨が行われる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の方法では、一層の層間膜を平坦化するのに一旦研磨を中断し、研磨を二回に分ける必要があるため、工程が複雑なものとなる。そのため、装置の能力限界から製造量の拡大が困難であるという問題や、製造コストの上昇、さらにスループットの低下などの問題が生じている。このため、一層の層間膜の平坦化は、研磨を中断することなく一回のＣＭＰによって行うことが望まれている。
【００１２】
また、特開平９―８０３８号公報には、平坦性のシミュレーションを行ってある時間研磨したあとのチップ内の段差を計算し、平坦性の評価を行う方法が記載されている。具体的には、あるチップを多数のセルに分割し、層間膜を形成した後の凸部占有率をセルごとに求め、その値をもとに、一定時間経過毎のセル間の高さの違いをシミュレートするというものである。この方法を利用すれば研磨工程後の残膜の厚みをシミュレートでき、よって、残膜の測定を行うことなく研磨時間を設定できるので研磨工程を分割することなく残膜厚を所望の値とできる。
【００１３】
しかしながら、特開平９―８０３８号公報に記載の方法では、研磨をある一定の時間で区切り、各区間の状態を常にフィードバックしてその時点での段差を予想するものであるため、複雑な計算が必要となる。そのため、この方法を利用しても所望の残膜厚に研磨するための研磨時間を求めるのは容易ではなく、複雑な計算を行うことなく研磨時間を求め得る方法が望まれている。
【００１４】
本発明の課題は、複雑な計算を用いることなく研磨時間を求め得ることができ、且つ、面積密度の異なる種々の下地パターンに対し一回の研磨工程で平坦化を行い得る化学機械研磨方法及び化学機械研磨装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者らは、下地パターンの面積密度により研磨開始から最終研磨までの時間（実際に研磨している時間を意味し、洗浄及び残膜測定等に要する時間は除く）が変動する点に着目し、このような変動が生じるのは、層間膜２０の凸部２０ａを研磨する際の研磨レートが層間膜２０の面積密度に依存するためであるとの考えに至った。また、凸部２０ａが消失し平坦化された後は、シートウエハを研磨するのと同じ研磨レートとなり、下地パターンに左右されず一定となるはずであるとの考えにも至った。
【００１６】
即ち、上述の図４で示したように、研磨の初期段階において研磨パッドが接触する部分は層間膜２０の凸部２０ａ（図４（ａ））、２０ｂ（図４（ｂ））のみであるが、凸部（２０ａ、２０ｂ）が消失した後は研磨パッドは層間膜２０の全表面と接触する。このことは、凸部（２０ａ、２０ｂ）を研磨する際の研磨レートは下地パターン２１の面積密度に依存するが、凸部（２０ａ、２０ｂ）の消失後の研磨レートは下地パターン２１に依存しないことを示している。
【００１７】
そこで、上記考えに基づき、本発明の発明者らは面積密度の異なる種々の下地パターン上に層間膜を形成し、この層間膜に対しＣＭＰによる研磨を行い、その際の研磨時間と層間膜の残膜厚との関係を調べた。結果を図６に示す。なお、ここでいう残膜厚とは下地パターン上面から層間膜上面までの厚みを測定して求めた値である。
【００１８】
図６は、研磨時間を横軸、残膜厚を縦軸にとって作成している。なお、このときの下地パターンとしてはアルミニウム系配線が用いられており、層間膜としてはプラズマＴＥＯＳ膜が用いられている。研磨対象としては（イ）、（ロ）、（ハ）の三つが用いられており、下地パターンの面積密度は（イ）、（ロ）、（ハ）の順に高くなっている。
【００１９】
図６に示されたグラフを検討すると、凸部が消失するまでは下地パターンの面積密度に依存して直線の傾き、即ち研磨レートは異なっている。しかし、凸部が消失した後は（イ）、（ロ）、（ハ）全てにおいて略同一の研磨レートとなっている。この凸部消失後の研磨レートは、シートウエハを研磨する際の研磨レート（ＳＲＲｓ）と同一のレートとなっている。
【００２０】
即ち、研磨時間は下地パターンの面積密度によりＴ（イ）〜Ｔ（ハ）の間で大きく変動するが、研磨レートは層間膜の凸部を研磨する際の研磨レート（ＳＲＲｐ）と、凸部が消失した後の研磨レート（ＳＲＲｓ）の大きく２つに分類できると言える。また、下地パターンに対して依存性を示すのは、ＳＲＲｐのみであって、ＳＲＲｓはパターン依存性がないと言える。更に、ＳＲＲｐとＳＲＲｓとの両方を求めることができれば、研磨開始から最終研磨までの時間を、研磨開始前に計算で求めることができると言える。従って、研磨工程を分割しないで（即ち従来のように凸部を消失させた後に残膜を測定するといった工程を経ないで）一回の研磨で研磨工程を終了させるには、層間膜の凸部を研磨する際の研磨レートＳＲＲｐを求めることが重要である。
【００２１】
しかし、ＳＲＲｓはシートウエハ上に形成された平坦な層間膜から容易に知ることができるのに対し、ＳＲＲｐは下地パターンの面積密度の関数となると考えられ、容易に知ることはできない。そのため、本発明の発明者らは更にＳＲＲｓからＳＲＲｐを求める計算方法についての検討を行った。
【００２２】
ＣＭＰの研磨レートに関するプレストンの経験則によれば、研磨レートは圧力と相対速度の積に比例することが知られている。これを応用すると「層間膜の凸部の研磨レートは層間膜が被覆する下地パターンの面積密度に反比例する」と考えることができる。更に図４で示したように、層間膜の凸部の面積は層間膜が堆積されている分だけ下地パターンの面積よりも大きくなっており、また凸部上部の端は断面形状が円弧状になっている。従って、層間膜の凸部の面積密度は補正項をｋとするとＤ（ｋ）と表わすことができる。また、ＳＲＲｐは下地パターンの面積密度Ｄの関数であるといえる。よって、式で表わすと下記式（５）が成り立つ。
ＳＲＲｐ（Ｄ）＝ＳＲＲｓ／Ｄ（ｋ） （５）
【００２３】
次に、境界条件として、下地パターンの面積密度Ｄが１００％の場合と０％の場合を考える。面積密度Ｄが１００％の場合には、層間膜の凸部はウエハ表面全体を覆う（ウエハ表面全体に平坦な層間膜が形成されている）ことになり、その研磨レートはシートウエハの研磨レートと等しくなる。即ち、ＳＲＲｐ＝ＳＲＲｓである。一方、下地パターンの面積密度Ｄが０％に近づくと、研磨開始から極めて短い時間で凸部が消失すると考えることができる。即ち、この場合の研磨レートは無限に大きいことを意味し、ＳＲＲｐ＝無限大となる。これらの境界条件を考慮すると、層間膜の凸部の面積密度Ｄ（ｋ）は、下地パターンの面積密度Ｄを底とする指数関数Ｄkで表わすことができる。従って、上記式（５）から下記式（２）が成り立つ。
ＳＲＲｐ＝ＳＲＲｓ／Ｄk （２）
なお、この場合の補正項ｋは後述するように実験データやロット処理のデータを用いてフィッティングにより求めることができる。
【００２４】
以上より、本発明に係る化学機械研磨方法の第一の態様は、基板上の下地パターンを被覆するよう形成され且つ該下地パターンに対応した凸部を有する層間膜を、予め算出された研磨開始から終了までの時間ｔの間研磨して平坦化する化学機械研磨方法であって、研磨開始から終了までの時間ｔの算出は、研磨開始から該凸部が消失するまでの研磨レートＳＲＲｐの値を、凸部が消失してから層間膜の厚みが目標とする厚みＴｔとなるまでの研磨レートＳＲＲｓに比例し且つ下地パターンの面積密度が底である指数関数に反比例する値と仮定し、上記研磨レートＳＲＲｐと上記研磨レートＳＲＲｓとに基づいて行われることを特徴としている。
【００２５】
このため、本発明の第一の態様を用いれば、層間膜の凸部を消失させるための研磨レートを容易に知ることができ、研磨開始から終了までの時間を簡単に算出できる。
【００２６】
また、本発明に係る化学機械研磨方法の第二の態様は、基板上の面積密度Ｄの下地パターンを被覆するよう形成され且つ該下地パターンに対応した凸部を有する層間膜を、予め算出された研磨開始から終了までの時間ｔの間研磨して平坦化する化学機械研磨方法であって、研磨開始から終了までの時間ｔの算出は、下記式（１）に基づき、下地パターン上面から層間膜の凸部上面までの厚みをＴｉ、層間膜の凸部以外の部分の上面から凸部上面までの厚みをＨｉ、目標とする平坦化後の下地パターン上面から層間膜上面までの厚みをＴｔ、下地パターン上面を基準とした層間膜の厚みがＴｉからＴｉ−Ｈｉとなるまでの研磨レートをＳＲＲｐ、該層間膜の厚みがＴｉ−ＨｉからＴｔとなるまでの研磨レートをＳＲＲｓとし、且つ、ＳＲＲｐを、研磨時間一定の場合の面積密度と研磨量との関係から算出した値をｋとして下記式（２）から求めて行われることを特徴としている。
ｔ＝Ｈｉ／ＳＲＲｐ＋（Ｔｉ−Ｈｉ−Ｔｔ）／ＳＲＲｓ （１）
ＳＲＲｐ＝ＳＲＲｓ／Ｄk （２）
【００２７】
この場合においても層間膜の凸部を消失させるための研磨時間を知ることができ、よって最終残膜精度の向上を図ることもできるので、残膜制御の精度をさらに高めることが可能となる。
【００２８】
上記第一の態様または第二の態様においては、下地パターンは、平坦な膜又は平坦な基板上に形成された非埋込配線であるのが好ましく、更にこの非埋込配線はアルミニウムを含有する材料またはポリシリコンで形成されているのが特に好ましい。
【００２９】
また、本発明に係る化学機械研磨方法の第三の態様は、上記第一の態様または第二の態様の化学機械研磨方法を用いて層間膜を研磨する工程と、研磨後における該層間膜の下地パターン上面から平坦化された層間膜上面までの厚みを測定する工程と、該測定された厚みと上記目標とする平坦化後の下地パターン上面から層間膜上面までの厚みＴｔとの差ΔＴｔを算出する工程と、前記差△Ｔｔを用いて下記式（３）または（４）により上記時間ｔを補正して時間ｔ２を算出する工程と、該層間膜が設けられた基板とは別の基板に設けられた凸部を有する層間膜を、時間ｔ２の間研磨して平坦化する工程とを少なくとも有することを特徴としている。
ｔ２＝ｔ＋△Ｔｔ／ＳＲＲｓ （測定値＞Ｔｔ） （３）
ｔ２＝ｔ−△Ｔｔ／ＳＲＲｓ （測定値＜Ｔｔ） （４）
【００３０】
このように本態様では、上記第一の態様を用いて研磨を行い、この研磨の結果を踏まえて更に別の対象に対して研磨を行うことができる。そのため、より一層精度の高い研磨時間を知ることができ、よって研磨後の残膜精度の更なる向上を図ることができる。
【００３１】
本発明に係る化学機械研磨装置は、基板上の下地パターンを被覆するよう形成され且つ該下地パターンに対応した凸部を有する層間膜を、予め算出された研磨開始から終了までの時間の間研磨して平坦化する化学機械研磨装置であって、研磨開始から該凸部が消失するまでの研磨レートＳＲＲｐの値を、凸部が消失してから層間膜の厚みが目標とする厚みＴｔとなるまでの研磨レートＳＲＲｓに比例し且つ下地パターンの面積密度が底である指数関数に反比例する値と仮定し、上記研磨レートＳＲＲｐと上記研磨レートＳＲＲｓとに基づいて研磨開始から終了までの時間を算出する演算手段を有することを特徴としている。
【００３２】
かかる構成により、本発明の化学機械研磨装置を用いれば、精度の高い研磨時間を算出でき、よって開始から終了までの間において途中で中断することのない一回の研磨で層間膜の平坦化を図ることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の化学機械研磨方法および化学機械研磨装置について図を用いて詳細に説明する。
【００３４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る化学機械研磨方法および本発明に係る化学機械研磨装置によって行われる研磨工程を示す断面図である。図１（ａ）は研磨が行われる前の層間膜３の状態を示している。図１（ｂ）、（ｃ）は研磨過程を示している。図１（ａ）の例では、平坦な絶縁性の基板２上に形成された面積密度Ｄの下地パターン１の上に、プラズマＴＥＯＳ膜等の絶縁性の層間膜３が形成されている。なお、本発明において下地パターン１は非埋込配線であるのが好ましく、非埋込配線はアルミニウムを含有する材料またはポリシリコンで形成されているのが好ましい。
【００３５】
本発明の実施の形態１に係る化学機械研磨方法においては、研磨開始から終了までの時間ｔを予め算出し、この時間の間、図１（ｂ）〜（ｃ）に示すように研磨を行うことによって層間膜３を平坦化し、更に層間膜の厚みを目標とする厚みＴｔとする。研磨開始から終了までの時間ｔは、開始から凸部３ａが消失するまでの研磨レートＳＲＲｐの値を、凸部３ａが消失してから層間膜３の厚みが目標とする厚みＴｔとなるまでの研磨レートＳＲＲｓに比例し且つ下地パターン１の面積密度Ｄが底である指数関数に反比例する値と仮定し、上記研磨レートＳＲＲｐと上記研磨レートＳＲＲｓとに基づいて算出することができる。
【００３６】
具体的には研磨開始から終了までの時間ｔは以下に示すように算出することができる。先ず、図１に示すように、下地パターン１上面から層間膜３の凸部３ａ上面までの厚み（層間膜３の初期厚）Ｔｉ、層間膜３の凸部３ａ以外の部分の上面から凸部３ａ上面までの厚み（凸部３ａの高さ）Ｈｉを求める。初期厚Ｔｉは予め測定しておくことで求めることができる。凸部３ａの高さＨｉは下地パターン１の厚みと同一又は略同一となるので、プロセス設計時に決められた値として求めることができる。Ｔｔは平坦化後の下地パターン１上面から層間膜３上面までの厚みであり、予め設定された目標値である。
【００３７】
また、開始から凸部３ａが消失するまで、即ち下地パターン１上面を基準とした層間膜３の厚みがＴｉからＴｉ−Ｈｉとなるまで（図１（ｂ）の状態となるまで）の研磨レートＳＲＲｐと、凸部３ａが消失してから層間膜３の厚みが目標とする厚みＴｔとなるまで、即ち層間膜３の厚みがＴｉ−ＨｉからＴｔとなるまで（図１（ｃ）の状態となるまで）の研磨レートＳＲＲｓとを求める。研磨レートＳＲＲｐは上述の式（２）から求めることができる。研磨レートＳＲＲｓは凸部が消失した状態で研磨する際の研磨レートであることから、装置設定（研磨圧力等）が同じ場合のシートウエハの研磨レートから求めることができる。例えば図６中に示した凸部消失後の研磨レートを用いることができる。
【００３８】
次に研磨レートごとの研磨に要する所用時間を求める。上述のように層間膜３の厚みがＴｉからＴｉ−Ｈｉとなるまでの間は研磨レートＳＲＲｐで研磨が行われるため、その所要時間はＨｉ／ＳＲＲｐとなる。一方、上述のように層間膜３の厚みがＴｉ−ＨｉからＴｔとなるまでの間は研磨レートＳＲＲｓで研磨が行われるため、その所用時間は（Ｔｉ−Ｈｉ−Ｔｔ）／ＳＲＲｓとなる。研磨開始から終了までの時間ｔはこれら所要時間の和であるから、下記式（１）となる。
ｔ＝Ｈｉ／ＳＲＲｐ＋（Ｔｉ−Ｈｉ−Ｔｔ）／ＳＲＲｓ （１）
また、ＳＲＲｐは上述したように式（２）から求めることができるので式（１）は下記に示す式（６）に変形できる。
ｔ＝（Ｈｉ・Ｄk＋Ｔｉ−Ｈｉ−Ｔｔ）／ＳＲＲｓ （６）
【００３９】
ここで、指数関数Ｄkの底である面積密度Ｄは、ウエハに設けられた全ての下地パターン１の上方からの投影面積の和を、ウエハ面積で割って求めた値、即ちチップ全体の面積に占める下地パターンの占有率である。具体的には回路設計に用いられるＣＡＤデータから求めることができる。
【００４０】
指数関数Ｄkの変数であるｋは、研磨時間一定の場合の面積密度と研磨量との関係から算出される。変数ｋの値の求め方について図２に基づいて説明する。図２は研磨時間が一定の場合の下地パターンの面積密度Ｄと研磨量との関係を示すグラフである。図２に示すグラフは、面積密度Ｄ（３０％〜６０％）の異なる複数の下地パターンそれぞれの上に層間膜を形成し、形成された各層間膜（Ｈｉ：約８００ｎｍ）ごとに、研磨時間を９０秒に設定してＣＭＰによる研磨を行って得られたものである。この９０秒という時間は層間膜の凸部が完全に消失するような時間である。なお、このときの研磨装置の設定条件は、荷重１４０ｋｇｆ、テーブル回転数６１ｒｐｍ、キャリア回転数４３ｒｐｍである。研磨液としてはアンモニア系酸化膜用スラリーが用いられている。
【００４１】
ここで研磨量とは研磨開始前の凸部上面から研磨終了時の層間膜上面までをいい、図１中のＴｉ−Ｔｔに相当する値である。研磨量をＸとすると式（６）は下記式（７）のように書き換えられる。
Ｘ＝Ｈｉ＋ｔ・ＳＲＲｓ−Ｈｉ・Ｄk （７）
【００４２】
上記式（７）にグラフから得られたＸとＤの値を代入し（例えばＸ＝８５０、Ｄ＝６０％）、更にＨｉの値とＳＲＲｓの値（４５０ｎｍ／ｓ）を代入することによりｋを求めることができる。具体的には図２の例ではｋ＝０．４６となる。なお、装置や研磨液等が変わるとグラフのカーブが変化し、ｋの値もそれに合わせて変化する。従って、装置や研磨液等の諸条件に合わせてｋを算出する必要がある。逆に、装置や研磨液が同じであれば常に同じ値を用いることができる。
【００４３】
従って、求められた各値を上記式（６）に代入すれば、研磨時間ｔを求めることができる。このように、本発明の実施の形態１に係る化学機械研磨方法によれば、凸部が消失するまでの研磨レートＳＲＲｐを容易に知ることができ、研磨時間ｔを簡単に算出できる。よって、連続した一回の研磨工程によって層間膜を平坦化して所望の厚みとでき、更に従来のように研磨工程を分割して行う必要はない。即ち、従来のように研磨工程の途中に残膜を測定する工程等の研磨を中断する工程を入れる必要はない。
【００４４】
また、本発明に係る化学機械研磨装置（以下「本装置」という。）では、上記の研磨時間ｔの演算を行う演算手段を有している。即ち、演算手段は、研磨開始から凸部３ａが消失するまでの研磨レートＳＲＲｐの値を、凸部３ａ消失から層間膜３の厚みが目標とする厚みＴｔとなるまでの研磨レートＳＲＲｓに比例し且つ下地パターン１の面積密度Ｄが底である指数関数に反比例する値と仮定し、研磨レートＳＲＲｐと研磨レートＳＲＲｓとに基づいて研磨開始から終了までの時間ｔを算出する機能を有している。更に、本発明において演算手段は上記式（１）に基づいて研磨開始から終了までの時間ｔを算出する機能をも有することができる。
【００４５】
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２に係る化学機械研磨方法について図を用いて説明する。図３は本発明の実施の形態２に係る化学機械研磨方法をプロセスフローによって示している。図３の例に示すように、最初に数枚のウエハを先行ウエハとして本発明の実施の形態１に係る化学機械研磨方法を用いて層間膜の研磨が行われる。具体的には、最初に層間膜の初期厚Ｔｉを測定し、これを基に研磨開始から終了までの時間（研磨時間）ｔが算出される（Ｓ３０）。その後、先行ウエハに対し、ＣＭＰによる研磨が研磨時間ｔだけ行われ（Ｓ３１）、更に洗浄が行われる（Ｓ３２）。
【００４６】
次に、この研磨終了後の先行ウエハに対し、層間膜の下地パターン上面から平坦化された層間膜上面までの厚み、即ち実際の残膜厚の測定が行われる（Ｓ３３）。更に、この測定結果と目標とする平坦化後の下地パターン上面から層間膜上面までの厚み（目標残膜厚）Ｔｔとの差ΔＴｔが算出される（Ｓ３４）。
【００４７】
その後、この算出された△Ｔｔを用いて、先行ウエハを研磨したときの研磨時間ｔを下記式（３）または（４）により補正して、残りのウエハ（以下「本体ウエハ」という。）の層間膜を研磨する場合の研磨時間ｔ２の算出が行われる（Ｓ３５）。
ｔ２＝ｔ＋△Ｔｔ／ＳＲＲｓ （測定値＞Ｔｔ） （３）
ｔ２＝ｔ−△Ｔｔ／ＳＲＲｓ （測定値＜Ｔｔ） （４）
【００４８】
次に、本体ウエハに対し研磨時間ｔ２の間研磨が行われる（Ｓ３６）。その後、洗浄を行い（Ｓ３７）、最後に任意の本体ウエハを取り出して残膜厚の測定を行い（Ｓ３８）、残膜厚が異常でないことを確かめてから次行程に移行する。
【００４９】
【発明の効果】
このように本発明に係る化学機械研磨方法または化学機械研磨装置を用いると、多品種の半導体装置を研磨する場合であっても、また、下地パターンが初めてのものであっても、その下地パターンの面積密度を予めＣＡＤデータなどから算出しておけば、層間膜の凸部を研磨する際の研磨レートを簡単に知ることができ、所望の残膜厚とするための研磨時間を算出できる。また、この算出された研磨時間の精度は高いものである。更に先行ウエハの研磨後の残膜厚を測定し、これをもとに研磨時間の補正を行えば、より精度の高い研磨時間を算出できる。即ち、本発明に係る化学機械研磨方法または化学機械研磨装置を用いれば、従来のように研磨工程を中断することなく一回の研磨で研磨を終了することができる。
【００５０】
従って、本発明を用いることで、製造コストの削減、スループットの向上を図ることができ、さらに装置の稼働率の向上をも図ることができる。また、本発明の化学機械研磨方法および化学機械研磨装置は種々の下地パターンに対応できるため、特に、少量多品種の生産が求められる半導体装置の製造工程において極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る化学機械研磨方法および化学機械研磨装置によって行われる研磨工程を示す断面図である。
【図２】研磨時間が一定の場合の下地パターンの面積密度Ｄと研磨量との関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る化学機械研磨方法をプロセスフローによって示す図である。
【図４】従来のＣＭＰによって層間膜を平坦化する工程を示す図である。
【図５】従来の研磨工程を二回に分割して研磨を行う場合のプロセスフローを示す図である。
【図６】面積密度の異なる下地パターン上に形成された層間膜を研磨した場合における研磨時間と層間膜の残膜厚との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 下地パターン
２ 絶縁膜
３ 層間膜
３ａ 層間膜の凸部
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造工程において、特に詳しくは多層配線を設ける工程において用いられる化学機械研磨方法および化学機械研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化に伴い、多層配線構造が用いられている。多層配線構造を実現する上で重要な技術として化学機械研磨（以下、「ＣＭＰ」という。）による平坦化工程が挙げられる。これは、フォトリソグラフィー法を用いて微細なパターンを形成する場合に下地となる絶縁性の層間膜の段差を緩和し、半導体装置の微細化と多層化とを両立する技術である。
【０００３】
下地パターンには、代表的なデュアルダマシン法等で形成される埋込配線と、導電膜の形成後にドライエッチングにより形成される非埋込配線とがある。アルミニウムやアルミニウム合金といったアルミニウムを含有する材料からなる配線（以下、「アルミニウム系配線」という。）は後者に属する。
【０００４】
アルミニウム系配線による多層構造は、最初にアルミニウム系配線による第一の配線層を形成し、その上に該配線層を被覆するように絶縁性の層間膜を形成し、更にこの層間膜をＣＭＰにより研磨して平坦化し、この平坦化された層間膜の上に第二の配線層を形成することによって（更に層間膜形成、ＣＭＰ、配線層形成を繰り返し行ってもよい）作製することができる。
【０００５】
次に図を用いてＣＭＰによる平坦化について説明する。図４は従来のＣＭＰによって層間膜を平坦化する工程を示している。図４（ａ）はＣＭＰによって平坦化される前の状態を示しており、下地パターン２１となるアルミニウム系配線がプラズマＴＥＯＳ膜等の絶縁性の層間膜２０で被覆された状態を示している。下地パターン２１は平坦な絶縁性の基板２２の上に形成されており、層間膜２０は下地パターン２１の上に絶縁性の材料を堆積させて形成されている。また、下地パターン２１が基板２０から突起して形成されているため、層間膜２０にはこれに対応した凸部２０ａが形成されている。上方から見たとき、この凸部２０ａは下地パターン２１よりも大きく、そのため層間膜２０の面積密度は下地パターン２１の面積密度よりも大きくなっている。
【０００６】
この凸部２０ａを有する層間膜２０に対し、図４（ｂ）に示すように凸部（２０ａ、２０ｂ）が消失し、膜厚が目標値となるまでＣＭＰによって研磨を行うことで、図４（ｃ）に示すような層間膜２０の平坦化が図られる。
【０００７】
ところで、一般に目標の膜厚までＣＭＰによって研磨を行う場合、凸部２０ａが占める割合に応じて凸部２０ａの研磨時間が変化するため、下地パターンのパターン密度に応じて研磨時間を設定する必要がある。例えば同じパターンのウエハを研磨する場合であれば、数枚のテスト研磨を行うことで予めそのパターンに最適な研磨時間を設定することができる。しかし、実際の量産の現場では種々のパターンを研磨する必要があるため、予めテスト研磨を行うことは非常に非効率的であるといえる。一方、残膜制御の精度を高めることができれば、テスト研磨を行わないで目標の膜厚とすることできる。そのため、研磨工程を二回に分割して残膜制御の精度を高めた（精度の高い研磨時間を求める）方法が採用されている。
【０００８】
図５は従来の研磨工程を二回に分割して研磨を行う場合のプロセスフローを示している。図５に示すように、最初にロット内の全ウエハに対し一律にある特定の時間研磨を行って、アルミニウム配線の上に形成された凸部を消失させる（１ｓｔ研磨：Ｓ５０）。凸部の消失後洗浄を行い（Ｓ５１）、残膜厚を測定する（Ｓ５２）。凸部の消失後はシートウエハ（平坦な層間膜が一面に形成されたウエハ）を研磨する研磨レートと同じレートで研磨されるため、測定された残膜厚から２ｎｄ研磨に必要な研磨時間を計算することができる。このようにして、残膜厚の値から研磨終了までの時間を計算した上で（Ｓ５２）、１ｓｔ研磨を終了したウエハのうち数枚（先行ウエハ）を研磨する（２ｎｄ先行研磨：Ｓ５３）。
【０００９】
次に、洗浄工程（Ｓ５４）の後、先行ウエハの残膜厚を測定し、２ｎｄ研磨時間の補正を行う（Ｓ５５）。補正を行った２ｎｄ研磨時間を未だ２ｎｄ研磨を行っていない他のウエハ（本体ウエハ）の研磨（２ｎｄ本体研磨：Ｓ５６）に適用する。研磨終了後、洗浄を行い（Ｓ５７）、任意のウエハを取り出して残膜の測定を行う（Ｓ５８）。残膜に異常がないことが確認されれば、ウエハは次行程に移行される。
【００１０】
このように、従来の二回研磨プロセスにおいては、１ｓｔ研磨は研磨時間を固定して層間膜の凸部が消失するまで行われ、次に１ｓｔ研磨後の層間膜の残膜厚が測定され、この測定値とパターンのないシートウエハの研磨レートとから必要な研磨時間が算出され、この算出された研磨時間に基づいて２ｎｄ研磨が行われる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の方法では、一層の層間膜を平坦化するのに一旦研磨を中断し、研磨を二回に分ける必要があるため、工程が複雑なものとなる。そのため、装置の能力限界から製造量の拡大が困難であるという問題や、製造コストの上昇、さらにスループットの低下などの問題が生じている。このため、一層の層間膜の平坦化は、研磨を中断することなく一回のＣＭＰによって行うことが望まれている。
【００１２】
また、特開平９―８０３８号公報には、平坦性のシミュレーションを行ってある時間研磨したあとのチップ内の段差を計算し、平坦性の評価を行う方法が記載されている。具体的には、あるチップを多数のセルに分割し、層間膜を形成した後の凸部占有率をセルごとに求め、その値をもとに、一定時間経過毎のセル間の高さの違いをシミュレートするというものである。この方法を利用すれば研磨工程後の残膜の厚みをシミュレートでき、よって、残膜の測定を行うことなく研磨時間を設定できるので研磨工程を分割することなく残膜厚を所望の値とできる。
【００１３】
しかしながら、特開平９―８０３８号公報に記載の方法では、研磨をある一定の時間で区切り、各区間の状態を常にフィードバックしてその時点での段差を予想するものであるため、複雑な計算が必要となる。そのため、この方法を利用しても所望の残膜厚に研磨するための研磨時間を求めるのは容易ではなく、複雑な計算を行うことなく研磨時間を求め得る方法が望まれている。
【００１４】
本発明の課題は、複雑な計算を用いることなく研磨時間を求め得ることができ、且つ、面積密度の異なる種々の下地パターンに対し一回の研磨工程で平坦化を行い得る化学機械研磨方法及び化学機械研磨装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者らは、下地パターンの面積密度により研磨開始から最終研磨までの時間（実際に研磨している時間を意味し、洗浄及び残膜測定等に要する時間は除く）が変動する点に着目し、このような変動が生じるのは、層間膜２０の凸部２０ａを研磨する際の研磨レートが層間膜２０の面積密度に依存するためであるとの考えに至った。また、凸部２０ａが消失し平坦化された後は、シートウエハを研磨するのと同じ研磨レートとなり、下地パターンに左右されず一定となるはずであるとの考えにも至った。
【００１６】
即ち、上述の図４で示したように、研磨の初期段階において研磨パッドが接触する部分は層間膜２０の凸部２０ａ（図４（ａ））、２０ｂ（図４（ｂ））のみであるが、凸部（２０ａ、２０ｂ）が消失した後は研磨パッドは層間膜２０の全表面と接触する。このことは、凸部（２０ａ、２０ｂ）を研磨する際の研磨レートは下地パターン２１の面積密度に依存するが、凸部（２０ａ、２０ｂ）の消失後の研磨レートは下地パターン２１に依存しないことを示している。
【００１７】
そこで、上記考えに基づき、本発明の発明者らは面積密度の異なる種々の下地パターン上に層間膜を形成し、この層間膜に対しＣＭＰによる研磨を行い、その際の研磨時間と層間膜の残膜厚との関係を調べた。結果を図６に示す。なお、ここでいう残膜厚とは下地パターン上面から層間膜上面までの厚みを測定して求めた値である。
【００１８】
図６は、研磨時間を横軸、残膜厚を縦軸にとって作成している。なお、このときの下地パターンとしてはアルミニウム系配線が用いられており、層間膜としてはプラズマＴＥＯＳ膜が用いられている。研磨対象としては（イ）、（ロ）、（ハ）の三つが用いられており、下地パターンの面積密度は（イ）、（ロ）、（ハ）の順に高くなっている。
【００１９】
図６に示されたグラフを検討すると、凸部が消失するまでは下地パターンの面積密度に依存して直線の傾き、即ち研磨レートは異なっている。しかし、凸部が消失した後は（イ）、（ロ）、（ハ）全てにおいて略同一の研磨レートとなっている。この凸部消失後の研磨レートは、シートウエハを研磨する際の研磨レート（ＳＲＲｓ）と同一のレートとなっている。
【００２０】
即ち、研磨時間は下地パターンの面積密度によりＴ（イ）〜Ｔ（ハ）の間で大きく変動するが、研磨レートは層間膜の凸部を研磨する際の研磨レート（ＳＲＲｐ）と、凸部が消失した後の研磨レート（ＳＲＲｓ）の大きく２つに分類できると言える。また、下地パターンに対して依存性を示すのは、ＳＲＲｐのみであって、ＳＲＲｓはパターン依存性がないと言える。更に、ＳＲＲｐとＳＲＲｓとの両方を求めることができれば、研磨開始から最終研磨までの時間を、研磨開始前に計算で求めることができると言える。従って、研磨工程を分割しないで（即ち従来のように凸部を消失させた後に残膜を測定するといった工程を経ないで）一回の研磨で研磨工程を終了させるには、層間膜の凸部を研磨する際の研磨レートＳＲＲｐを求めることが重要である。
【００２１】
しかし、ＳＲＲｓはシートウエハ上に形成された平坦な層間膜から容易に知ることができるのに対し、ＳＲＲｐは下地パターンの面積密度の関数となると考えられ、容易に知ることはできない。そのため、本発明の発明者らは更にＳＲＲｓからＳＲＲｐを求める計算方法についての検討を行った。
【００２２】
ＣＭＰの研磨レートに関するプレストンの経験則によれば、研磨レートは圧力と相対速度の積に比例することが知られている。これを応用すると「層間膜の凸部の研磨レートは層間膜が被覆する下地パターンの面積密度に反比例する」と考えることができる。更に図４で示したように、層間膜の凸部の面積は層間膜が堆積されている分だけ下地パターンの面積よりも大きくなっており、また凸部上部の端は断面形状が円弧状になっている。従って、層間膜の凸部の面積密度は補正項をｋとするとＤ（ｋ）と表わすことができる。また、ＳＲＲｐは下地パターンの面積密度Ｄの関数であるといえる。よって、式で表わすと下記式（５）が成り立つ。
ＳＲＲｐ（Ｄ）＝ＳＲＲｓ／Ｄ（ｋ） （５）
【００２３】
次に、境界条件として、下地パターンの面積密度Ｄが１００％の場合と０％の場合を考える。面積密度Ｄが１００％の場合には、層間膜の凸部はウエハ表面全体を覆う（ウエハ表面全体に平坦な層間膜が形成されている）ことになり、その研磨レートはシートウエハの研磨レートと等しくなる。即ち、ＳＲＲｐ＝ＳＲＲｓである。一方、下地パターンの面積密度Ｄが０％に近づくと、研磨開始から極めて短い時間で凸部が消失すると考えることができる。即ち、この場合の研磨レートは無限に大きいことを意味し、ＳＲＲｐ＝無限大となる。これらの境界条件を考慮すると、層間膜の凸部の面積密度Ｄ（ｋ）は、下地パターンの面積密度Ｄを底とする指数関数Ｄkで表わすことができる。従って、上記式（５）から下記式（２）が成り立つ。
ＳＲＲｐ＝ＳＲＲｓ／Ｄk （２）
なお、この場合の補正項ｋは後述するように実験データやロット処理のデータを用いてフィッティングにより求めることができる。
【００２４】
以上より、本発明に係る化学機械研磨方法の第一の態様は、基板上の下地パターンを被覆するよう形成され且つ該下地パターンに対応した凸部を有する層間膜を、予め算出された研磨開始から終了までの時間ｔの間研磨して平坦化する化学機械研磨方法であって、研磨開始から終了までの時間ｔの算出は、研磨開始から該凸部が消失するまでの研磨レートＳＲＲｐの値を、凸部が消失してから層間膜の厚みが目標とする厚みＴｔとなるまでの研磨レートＳＲＲｓに比例し且つ下地パターンの面積密度が底である指数関数に反比例する値と仮定し、上記研磨レートＳＲＲｐと上記研磨レートＳＲＲｓとに基づいて行われることを特徴としている。
【００２５】
このため、本発明の第一の態様を用いれば、層間膜の凸部を消失させるための研磨レートを容易に知ることができ、研磨開始から終了までの時間を簡単に算出できる。
【００２６】
また、本発明に係る化学機械研磨方法の第二の態様は、基板上の面積密度Ｄの下地パターンを被覆するよう形成され且つ該下地パターンに対応した凸部を有する層間膜を、予め算出された研磨開始から終了までの時間ｔの間研磨して平坦化する化学機械研磨方法であって、研磨開始から終了までの時間ｔの算出は、下記式（１）に基づき、下地パターン上面から層間膜の凸部上面までの厚みをＴｉ、層間膜の凸部以外の部分の上面から凸部上面までの厚みをＨｉ、目標とする平坦化後の下地パターン上面から層間膜上面までの厚みをＴｔ、下地パターン上面を基準とした層間膜の厚みがＴｉからＴｉ−Ｈｉとなるまでの研磨レートをＳＲＲｐ、該層間膜の厚みがＴｉ−ＨｉからＴｔとなるまでの研磨レートをＳＲＲｓとし、且つ、ＳＲＲｐを、研磨時間一定の場合の面積密度と研磨量との関係から算出した値をｋとして下記式（２）から求めて行われることを特徴としている。
ｔ＝Ｈｉ／ＳＲＲｐ＋（Ｔｉ−Ｈｉ−Ｔｔ）／ＳＲＲｓ （１）
ＳＲＲｐ＝ＳＲＲｓ／Ｄk （２）
【００２７】
この場合においても層間膜の凸部を消失させるための研磨時間を知ることができ、よって最終残膜精度の向上を図ることもできるので、残膜制御の精度をさらに高めることが可能となる。
【００２８】
上記第一の態様または第二の態様においては、下地パターンは、平坦な膜又は平坦な基板上に形成された非埋込配線であるのが好ましく、更にこの非埋込配線はアルミニウムを含有する材料またはポリシリコンで形成されているのが特に好ましい。
【００２９】
また、本発明に係る化学機械研磨方法の第三の態様は、上記第一の態様または第二の態様の化学機械研磨方法を用いて層間膜を研磨する工程と、研磨後における該層間膜の下地パターン上面から平坦化された層間膜上面までの厚みを測定する工程と、該測定された厚みと上記目標とする平坦化後の下地パターン上面から層間膜上面までの厚みＴｔとの差ΔＴｔを算出する工程と、前記差△Ｔｔを用いて下記式（３）または（４）により上記時間ｔを補正して時間ｔ２を算出する工程と、該層間膜が設けられた基板とは別の基板に設けられた凸部を有する層間膜を、時間ｔ２の間研磨して平坦化する工程とを少なくとも有することを特徴としている。
ｔ２＝ｔ＋△Ｔｔ／ＳＲＲｓ （測定値＞Ｔｔ） （３）
ｔ２＝ｔ−△Ｔｔ／ＳＲＲｓ （測定値＜Ｔｔ） （４）
【００３０】
このように本態様では、上記第一の態様を用いて研磨を行い、この研磨の結果を踏まえて更に別の対象に対して研磨を行うことができる。そのため、より一層精度の高い研磨時間を知ることができ、よって研磨後の残膜精度の更なる向上を図ることができる。
【００３１】
本発明に係る化学機械研磨装置は、基板上の下地パターンを被覆するよう形成され且つ該下地パターンに対応した凸部を有する層間膜を、予め算出された研磨開始から終了までの時間の間研磨して平坦化する化学機械研磨装置であって、研磨開始から該凸部が消失するまでの研磨レートＳＲＲｐの値を、凸部が消失してから層間膜の厚みが目標とする厚みＴｔとなるまでの研磨レートＳＲＲｓに比例し且つ下地パターンの面積密度が底である指数関数に反比例する値と仮定し、上記研磨レートＳＲＲｐと上記研磨レートＳＲＲｓとに基づいて研磨開始から終了までの時間を算出する演算手段を有することを特徴としている。
【００３２】
かかる構成により、本発明の化学機械研磨装置を用いれば、精度の高い研磨時間を算出でき、よって開始から終了までの間において途中で中断することのない一回の研磨で層間膜の平坦化を図ることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の化学機械研磨方法および化学機械研磨装置について図を用いて詳細に説明する。
【００３４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る化学機械研磨方法および本発明に係る化学機械研磨装置によって行われる研磨工程を示す断面図である。図１（ａ）は研磨が行われる前の層間膜３の状態を示している。図１（ｂ）、（ｃ）は研磨過程を示している。図１（ａ）の例では、平坦な絶縁性の基板２上に形成された面積密度Ｄの下地パターン１の上に、プラズマＴＥＯＳ膜等の絶縁性の層間膜３が形成されている。なお、本発明において下地パターン１は非埋込配線であるのが好ましく、非埋込配線はアルミニウムを含有する材料またはポリシリコンで形成されているのが好ましい。
【００３５】
本発明の実施の形態１に係る化学機械研磨方法においては、研磨開始から終了までの時間ｔを予め算出し、この時間の間、図１（ｂ）〜（ｃ）に示すように研磨を行うことによって層間膜３を平坦化し、更に層間膜の厚みを目標とする厚みＴｔとする。研磨開始から終了までの時間ｔは、開始から凸部３ａが消失するまでの研磨レートＳＲＲｐの値を、凸部３ａが消失してから層間膜３の厚みが目標とする厚みＴｔとなるまでの研磨レートＳＲＲｓに比例し且つ下地パターン１の面積密度Ｄが底である指数関数に反比例する値と仮定し、上記研磨レートＳＲＲｐと上記研磨レートＳＲＲｓとに基づいて算出することができる。
【００３６】
具体的には研磨開始から終了までの時間ｔは以下に示すように算出することができる。先ず、図１に示すように、下地パターン１上面から層間膜３の凸部３ａ上面までの厚み（層間膜３の初期厚）Ｔｉ、層間膜３の凸部３ａ以外の部分の上面から凸部３ａ上面までの厚み（凸部３ａの高さ）Ｈｉを求める。初期厚Ｔｉは予め測定しておくことで求めることができる。凸部３ａの高さＨｉは下地パターン１の厚みと同一又は略同一となるので、プロセス設計時に決められた値として求めることができる。Ｔｔは平坦化後の下地パターン１上面から層間膜３上面までの厚みであり、予め設定された目標値である。
【００３７】
また、開始から凸部３ａが消失するまで、即ち下地パターン１上面を基準とした層間膜３の厚みがＴｉからＴｉ−Ｈｉとなるまで（図１（ｂ）の状態となるまで）の研磨レートＳＲＲｐと、凸部３ａが消失してから層間膜３の厚みが目標とする厚みＴｔとなるまで、即ち層間膜３の厚みがＴｉ−ＨｉからＴｔとなるまで（図１（ｃ）の状態となるまで）の研磨レートＳＲＲｓとを求める。研磨レートＳＲＲｐは上述の式（２）から求めることができる。研磨レートＳＲＲｓは凸部が消失した状態で研磨する際の研磨レートであることから、装置設定（研磨圧力等）が同じ場合のシートウエハの研磨レートから求めることができる。例えば図６中に示した凸部消失後の研磨レートを用いることができる。
【００３８】
次に研磨レートごとの研磨に要する所用時間を求める。上述のように層間膜３の厚みがＴｉからＴｉ−Ｈｉとなるまでの間は研磨レートＳＲＲｐで研磨が行われるため、その所要時間はＨｉ／ＳＲＲｐとなる。一方、上述のように層間膜３の厚みがＴｉ−ＨｉからＴｔとなるまでの間は研磨レートＳＲＲｓで研磨が行われるため、その所用時間は（Ｔｉ−Ｈｉ−Ｔｔ）／ＳＲＲｓとなる。研磨開始から終了までの時間ｔはこれら所要時間の和であるから、下記式（１）となる。
ｔ＝Ｈｉ／ＳＲＲｐ＋（Ｔｉ−Ｈｉ−Ｔｔ）／ＳＲＲｓ （１）
また、ＳＲＲｐは上述したように式（２）から求めることができるので式（１）は下記に示す式（６）に変形できる。
ｔ＝（Ｈｉ・Ｄk＋Ｔｉ−Ｈｉ−Ｔｔ）／ＳＲＲｓ （６）
【００３９】
ここで、指数関数Ｄkの底である面積密度Ｄは、ウエハに設けられた全ての下地パターン１の上方からの投影面積の和を、ウエハ面積で割って求めた値、即ちチップ全体の面積に占める下地パターンの占有率である。具体的には回路設計に用いられるＣＡＤデータから求めることができる。
【００４０】
指数関数Ｄkの変数であるｋは、研磨時間一定の場合の面積密度と研磨量との関係から算出される。変数ｋの値の求め方について図２に基づいて説明する。図２は研磨時間が一定の場合の下地パターンの面積密度Ｄと研磨量との関係を示すグラフである。図２に示すグラフは、面積密度Ｄ（３０％〜６０％）の異なる複数の下地パターンそれぞれの上に層間膜を形成し、形成された各層間膜（Ｈｉ：約８００ｎｍ）ごとに、研磨時間を９０秒に設定してＣＭＰによる研磨を行って得られたものである。この９０秒という時間は層間膜の凸部が完全に消失するような時間である。なお、このときの研磨装置の設定条件は、荷重１４０ｋｇｆ、テーブル回転数６１ｒｐｍ、キャリア回転数４３ｒｐｍである。研磨液としてはアンモニア系酸化膜用スラリーが用いられている。
【００４１】
ここで研磨量とは研磨開始前の凸部上面から研磨終了時の層間膜上面までをいい、図１中のＴｉ−Ｔｔに相当する値である。研磨量をＸとすると式（６）は下記式（７）のように書き換えられる。
Ｘ＝Ｈｉ＋ｔ・ＳＲＲｓ−Ｈｉ・Ｄk （７）
【００４２】
上記式（７）にグラフから得られたＸとＤの値を代入し（例えばＸ＝８５０、Ｄ＝６０％）、更にＨｉの値とＳＲＲｓの値（４５０ｎｍ／ｓ）を代入することによりｋを求めることができる。具体的には図２の例ではｋ＝０．４６となる。なお、装置や研磨液等が変わるとグラフのカーブが変化し、ｋの値もそれに合わせて変化する。従って、装置や研磨液等の諸条件に合わせてｋを算出する必要がある。逆に、装置や研磨液が同じであれば常に同じ値を用いることができる。
【００４３】
従って、求められた各値を上記式（６）に代入すれば、研磨時間ｔを求めることができる。このように、本発明の実施の形態１に係る化学機械研磨方法によれば、凸部が消失するまでの研磨レートＳＲＲｐを容易に知ることができ、研磨時間ｔを簡単に算出できる。よって、連続した一回の研磨工程によって層間膜を平坦化して所望の厚みとでき、更に従来のように研磨工程を分割して行う必要はない。即ち、従来のように研磨工程の途中に残膜を測定する工程等の研磨を中断する工程を入れる必要はない。
【００４４】
また、本発明に係る化学機械研磨装置（以下「本装置」という。）では、上記の研磨時間ｔの演算を行う演算手段を有している。即ち、演算手段は、研磨開始から凸部３ａが消失するまでの研磨レートＳＲＲｐの値を、凸部３ａ消失から層間膜３の厚みが目標とする厚みＴｔとなるまでの研磨レートＳＲＲｓに比例し且つ下地パターン１の面積密度Ｄが底である指数関数に反比例する値と仮定し、研磨レートＳＲＲｐと研磨レートＳＲＲｓとに基づいて研磨開始から終了までの時間ｔを算出する機能を有している。更に、本発明において演算手段は上記式（１）に基づいて研磨開始から終了までの時間ｔを算出する機能をも有することができる。
【００４５】
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２に係る化学機械研磨方法について図を用いて説明する。図３は本発明の実施の形態２に係る化学機械研磨方法をプロセスフローによって示している。図３の例に示すように、最初に数枚のウエハを先行ウエハとして本発明の実施の形態１に係る化学機械研磨方法を用いて層間膜の研磨が行われる。具体的には、最初に層間膜の初期厚Ｔｉを測定し、これを基に研磨開始から終了までの時間（研磨時間）ｔが算出される（Ｓ３０）。その後、先行ウエハに対し、ＣＭＰによる研磨が研磨時間ｔだけ行われ（Ｓ３１）、更に洗浄が行われる（Ｓ３２）。
【００４６】
次に、この研磨終了後の先行ウエハに対し、層間膜の下地パターン上面から平坦化された層間膜上面までの厚み、即ち実際の残膜厚の測定が行われる（Ｓ３３）。更に、この測定結果と目標とする平坦化後の下地パターン上面から層間膜上面までの厚み（目標残膜厚）Ｔｔとの差ΔＴｔが算出される（Ｓ３４）。
【００４７】
その後、この算出された△Ｔｔを用いて、先行ウエハを研磨したときの研磨時間ｔを下記式（３）または（４）により補正して、残りのウエハ（以下「本体ウエハ」という。）の層間膜を研磨する場合の研磨時間ｔ２の算出が行われる（Ｓ３５）。
ｔ２＝ｔ＋△Ｔｔ／ＳＲＲｓ （測定値＞Ｔｔ） （３）
ｔ２＝ｔ−△Ｔｔ／ＳＲＲｓ （測定値＜Ｔｔ） （４）
【００４８】
次に、本体ウエハに対し研磨時間ｔ２の間研磨が行われる（Ｓ３６）。その後、洗浄を行い（Ｓ３７）、最後に任意の本体ウエハを取り出して残膜厚の測定を行い（Ｓ３８）、残膜厚が異常でないことを確かめてから次行程に移行する。
【００４９】
【発明の効果】
このように本発明に係る化学機械研磨方法または化学機械研磨装置を用いると、多品種の半導体装置を研磨する場合であっても、また、下地パターンが初めてのものであっても、その下地パターンの面積密度を予めＣＡＤデータなどから算出しておけば、層間膜の凸部を研磨する際の研磨レートを簡単に知ることができ、所望の残膜厚とするための研磨時間を算出できる。また、この算出された研磨時間の精度は高いものである。更に先行ウエハの研磨後の残膜厚を測定し、これをもとに研磨時間の補正を行えば、より精度の高い研磨時間を算出できる。即ち、本発明に係る化学機械研磨方法または化学機械研磨装置を用いれば、従来のように研磨工程を中断することなく一回の研磨で研磨を終了することができる。
【００５０】
従って、本発明を用いることで、製造コストの削減、スループットの向上を図ることができ、さらに装置の稼働率の向上をも図ることができる。また、本発明の化学機械研磨方法および化学機械研磨装置は種々の下地パターンに対応できるため、特に、少量多品種の生産が求められる半導体装置の製造工程において極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る化学機械研磨方法および化学機械研磨装置によって行われる研磨工程を示す断面図である。
【図２】研磨時間が一定の場合の下地パターンの面積密度Ｄと研磨量との関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る化学機械研磨方法をプロセスフローによって示す図である。
【図４】従来のＣＭＰによって層間膜を平坦化する工程を示す図である。
【図５】従来の研磨工程を二回に分割して研磨を行う場合のプロセスフローを示す図である。
【図６】面積密度の異なる下地パターン上に形成された層間膜を研磨した場合における研磨時間と層間膜の残膜厚との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 下地パターン
２ 絶縁膜
３ 層間膜
３ａ 層間膜の凸部
Claims (5)
- 基板上の面積密度Ｄの下地パターンを被覆するよう形成され且つ該下地パターンに対応した凸部を有する層間膜を、予め算出された研磨開始から終了までの時間ｔの間研磨して平坦化する化学機械研磨方法であって、
研磨開始から終了までの時間ｔの算出は、下記式（１）に基づき、下地パターン上面から層間膜の凸部上面までの厚みをＴｉ、層間膜の凸部以外の部分の上面から凸部上面までの厚みをＨｉ、目標とする平坦化後の下地パターン上面から層間膜上面までの厚みをＴｔ、下地パターン上面を基準とした層間膜の厚みがＴｉからＴｉ−Ｈｉとなるまでの研磨レートをＳＲＲｐ、該層間膜の厚みがＴｉ−ＨｉからＴｔとなるまでの研磨レートをＳＲＲｓとし、且つ、ＳＲＲｐを、研磨時間一定の場合の面積密度Ｄと研磨量との関係から算出した値をｋとして下記式（２）から求めて行われることを特徴とする化学機械研磨方法。
ｔ＝Ｈｉ／ＳＲＲｐ＋（Ｔｉ−Ｈｉ−Ｔｔ）／ＳＲＲｓ （１）
ＳＲＲｐ＝ＳＲＲｓ／Ｄk （２） - 下地パターンが、平坦な膜又は平坦な基板上に形成された非埋込配線である請求項１に記載の化学機械研磨方法。
- 非埋込配線が、アルミニウムを含有する材料またはポリシリコンで形成されている請求項２に記載の化学機械研磨方法。
- 上記請求項１〜３のいずれかに記載の化学機械研磨方法を用いて層間膜を研磨する工程と、
研磨後における該層間膜の下地パターン上面から平坦化された層間膜上面までの厚みを測定する工程と、
該測定された厚みと上記目標とする平坦化後の下地パターン上面から層間膜上面までの厚みＴｔとの差ΔＴｔを算出する工程と、
前記差△Ｔｔを用いて下記式（３）または（４）により上記時間ｔを補正して時間ｔ２を算出する工程と、
該層間膜が設けられた基板とは別の基板に設けられた凸部を有する層間膜を、時間ｔ２の間研磨して平坦化する工程とを少なくとも有することを特徴とする化学機械研磨方法。
ｔ２＝ｔ＋△Ｔｔ／ＳＲＲｓ （測定値＞Ｔｔ） （３）
ｔ２＝ｔ−△Ｔｔ／ＳＲＲｓ （測定値＜Ｔｔ） （４） - 基板上の面積密度Ｄの下地パターンを被覆するよう形成され且つ該下地パターンに対応した凸部を有する層間膜を、予め算出された研磨開始から終了までの時間ｔの間研磨して平坦化する化学機械研磨装置であって、
演算手段を有し、
前記演算手段は、下記式（１）に基づき、下地パターン上面から層間膜の凸部上面までの厚みをＴｉ、層間膜の凸部以外の部分の上面から凸部上面までの厚みをＨｉ、目標とする平坦化後の下地パターン上面から層間膜上面までの厚みをＴｔ、下地パターン上面を基準とした層間膜の厚みがＴｉからＴｉ−Ｈｉとなるまでの研磨レートをＳＲＲｐ、該層間膜の厚みがＴｉ−ＨｉからＴｔとなるまでの研磨レートをＳＲＲｓとし、且つ、ＳＲＲｐを、研磨時間一定の場合の面積密度Ｄと研磨量との関係から算出した値をｋとして下記式（２）から求めて、前記研磨開始から終了までの時間ｔを算出することを特徴とする化学機械研磨装置。
ｔ＝Ｈｉ／ＳＲＲｐ＋（Ｔｉ−Ｈｉ−Ｔｔ）／ＳＲＲｓ （１）
ＳＲＲｐ＝ＳＲＲｓ／Ｄ k （２）
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