JPH06252112A - 研磨の終点検出方法およびその研磨装置ならびにそれを利用した半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】研磨時の終点を検出することおよび層間絶縁膜
の完全平坦化を安定に達成することを目的とする。 【構成】シリコン基板５上の絶縁膜６の上に形成した配
線パターン７の上にシリコン酸化膜８を堆積した後に、
シリコン窒化膜１０を堆積し、さらにシリコン酸化膜８
を所望の残し膜厚よりも厚めに堆積する。この後に、シ
リコン酸化膜８とシリコン窒化膜１０との研磨速度の差
により生じるモーター電流または回転数の変化を終点と
して検出する研磨装置を用いて研磨する。シリコン窒化
膜１０が露出した時点で、第１の終点信号が検出され、
さらにシリコン窒化膜１０の下層のシリコン酸化膜８が
露出した時点で、第２の終点信号が検出され、これが研
磨の終点信号となり、平坦化が終了する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は研磨の終点検出方法およ
びその研磨装置ならびにそれを利用した半導体装置の製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体の多層配線形成工程での層
間膜平坦化を研磨処理によって行う方法が注目されてい
る（日経マイクロデバイス１９９２年８月号４９〜５０
ページ参照）。

【０００３】以下図面を参照しながら、上記した従来の
研磨平坦化工程の一例について説明する。図９は従来の
研磨装置の概略図である。図９において、１は研磨パッ
ド、２は研磨パッド側回転子、３は被研磨物、４は被研
磨物側回転子であり、研磨パッド１と研磨パッド側回転
子２、被研磨物３と被研磨物側回転子４はそれぞれ接着
またはその他の方法で固着されている。

【０００４】以上のように構成された研磨装置におい
て、前記被研磨物３と研磨パッド１とをある一定の圧力
で接触させて、被研磨物３と研磨パッド１との間に研磨
剤、または研磨剤を含む液体を供給し、研磨パッド側回
転子２と被研磨物側回転子４とを異なる回転数でそれぞ
れ回転させることにより、被研磨物３が研磨剤により削
られ、平坦化される。特に研磨剤とともに供給される液
体が被研磨物３をエッチングする性質を有する場合に
は、これを化学機械研磨（ＣＭＰ）という。図１０は従
来の研磨処理時の処理回数と研磨速度の変化および加工
後の膜厚バラツキとの関係を示す図である。

【０００５】図１１（ａ）は前記層間膜平坦化工程を研
磨処理を用いて行った場合の工程説明図である。図１１
（ａ）において、５は半導体基板であるシリコン基板、
６は絶縁層、７は第１の配線、８はシリコン酸化膜、９
は第２の配線、αはシリコン酸化膜８に形成される絶対
段差である。ここで、研磨処理を行うと、図１１（ａ）
のように、配線７の存在する場所と存在しない場所との
絶対段差αが無くなるため、完全平坦化が実現でき、配
線９の信頼性、歩留りを向上でき、かつ４層以上の多層
配線が実現でき、素子の微細化、高速化が図れる。従来
の塗布法、エッチバック法では絶対段差αは完全に無く
ならないため、４層以上の配線を形成すると、段差がフ
ォトリソグラフィーのフォーカスマージンを越え、フォ
トリソグラフィーによる微細配線のパターン形成が困難
になる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな研磨装置構成では、研磨の終点を検出することがで
きず、一定の厚みだけ被研磨物を研磨する場合には、あ
らかじめ研磨速度を調べた上で、算出された研磨時間の
間、研磨を行う方法が採られている。このため、処理回
数が増加するにつれて、研磨剤が研磨パッドに取り込ま
れて目詰まりを起こし研磨速度が低下するため、低下分
を予測して研磨時間を修正するか、もしくは研磨パッド
の目詰まりを処理毎に取り除くかの処理が一般的に行わ
れていた。この場合、図１０に示すように、研磨後の膜
厚が処理毎にばらつき、特に数μｍの膜を研磨して、１
μｍ程度残すような処理を行う場合には、ばらつきの度
合が大きく、研磨処理を実用化しにくいという問題点を
有していた。

【０００７】また、図１１（ｂ）に示すように、被研磨
物の下に被研磨物よりも研磨速度の遅い物質たとえばシ
リコン窒化膜１０を配し、研磨のストッパーにする方法
を採れば、十分な時間研磨を行うことにより、膜厚のば
らつきは抑えられるが、処理毎の研磨時間を予測しなけ
ればならないこと、もしくは研磨時間を毎処理毎に過剰
に取るため生産性が低下するという問題点が残る。

【０００８】本発明は上記問題点に鑑み、研磨処理によ
る研磨後の膜厚ばらつきを低減するための研磨の終点検
出方法を提供するものである。また、上記の終点方法を
用いた研磨装置を使用することにより膜厚のばらつき、
絶対段差の低減を図る半導体装置の製造方法も併せ提供
するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の研磨の終点検出方法は、被研磨物の研磨時
に、前記被研磨物とこの被研磨物とは研磨速度の異なる
第２の被研磨物との界面で、前記被研磨物を装着した回
転子のモーター電流またはモーター回転数、あるいは被
研磨物の回転子面内での位置が変化することを利用し、
その変化信号を終点信号として検出するようにしたもの
である。

【００１０】また、本発明の研磨装置は、被研磨物を装
着する回転子のモーター電流の検出器およびこのモータ
ー電流の時間微分器と、モーター電流値の変化量または
その時間微分値の変化量を検出しモーターの回転を制御
するモーター制御部を備えたものであり、さらに、前記
モーター電流の代わりに、モーター回転数を検出するよ
うにし、さらには、モーター電流の代わりに、被研磨物
の回転子面内での位置偏差を検出するようにしたもので
ある。

【００１１】また、前記研磨装置を使用した本発明の半
導体装置の製造方法は、第１の配線パターンを形成した
半導体基板上に、第１の絶縁膜と前記絶縁膜とは研磨速
度の異なる第２の絶縁膜とを積層に堆積する工程と、こ
れら絶縁膜を平坦化する工程と、前記積層絶縁膜上にス
ルーホールを開口する工程と、第２の配線パターンを前
記積層絶縁膜上に形成する工程とを備え、前記平坦化工
程は、被研磨物である半導体基板上の研磨速度の異なる
第１および第２の絶縁膜の界面を、前記半導体基板を装
着した回転子のモーター電流値またはモーター回転数の
変化量、あるいは半導体基板の回転子面内での位置の変
化、もしくはそれぞれの時間微分値の変化量により検出
して、研磨の終点検出を行い、平坦化する工程により構
成したものである。

【００１２】

【作用】本発明の研磨の終点検出方法は上記した構成に
よって、被研磨物と第２の被研磨物との界面まで研磨し
た時点で、被研磨物を装着した回転子の受ける抵抗変
化、あるいは抵抗の時間変化を終点として検出すること
により、膜厚ばらつきを抑えることができる。

【００１３】また、半導体装置の製造方法では上記した
終点検出器を備えた研磨装置を用い、第１および第２の
絶縁膜の界面を検出して、研磨の終点検出を行い、研磨
平坦化を行うことにより、膜厚ばらつき、絶対段差の低
減を実現することができる。

【００１４】

【実施例】以下本発明の一実施例の研磨の終点検出方法
およびそれを利用した半導体装置の製造方法について、
図面を参照しながら説明する。 （実施例１）図１は本発明の第１の実施例における終点
検出器を備えた研磨装置の構成図である。１１は被研磨
物側のモーター電流検出器、１２はこのモーター電流検
出器１１で検出された信号の時間微分器で、これらによ
り終点検出器１３が構成されている。１４はモーター電
流検出器１１または時間微分器１２の終点検出信号によ
り研磨パッド側モーター１５を速度制御するモーター制
御部、１６は前記終点検出信号により被研磨物側モータ
ー１７を速度制御するモーター制御部である。

【００１５】以上のように構成された研磨装置につい
て、以下図２を用いてその動作を説明する。図２（ａ）
（ｂ）は被研磨物の研磨される過程およびそのときの被
研磨物側モーター１７の電流の変化を示す図である。図
２（ａ）において、第２の被研磨物１９の上に積層され
た第１の被研磨物１８が研磨され、第２の被研磨物１９
が研磨され始めるときに、研磨速度の相違から回転子が
抵抗を受け、モーター１７のモーター電流値に変化を生
じる。この変化が検知され得る程度に大きい場合には、
変化分を終点信号として被研磨物装着側および研磨パッ
ド装着側モーター１７，１５のモーター制御部１６，１
４が検知し、モーター１７，１５の回転を停止させる。
あらかじめ、終点検出してからの研磨時間を制御部に入
力していれば、終点検出後、指定された時間で回転を停
止させる。また、電流の変化分が信号として検知しきれ
ない場合には、それらの変化が第１の被研磨物１８と第
２の被研磨物１９との界面において、ごく短い時間で起
こることを利用して、電流の時間微分を取り、微分値の
変化量が一定量を超えた時点で終点信号として検出す
る。なお、図１では被研磨物側のモーター電流を検出し
たが、モーターの回転数を検出する構成であってもかま
わない。

【００１６】以上のように本実施例によれば、被研磨物
装着側のモーター電流の変化量、または変化の時間微分
値の変化量を検出する検出器を設けることにより、研磨
の終点を検出することができる。

【００１７】（実施例２）図３は本発明の第２の実施例
における終点検出器を備えた研磨装置の構成図である。
図３において、終点検出器２３は被研磨物位置検出器２
１と時間微分器２２からなっている。第１の実施例で
は、被研磨物の装着された側のモーター電流、または回
転数を検出する構成になっていたが、本実施例では被研
磨物３の回転子面内での位置を被研磨物位置検出器２１
を用いて検出している。

【００１８】この効果について第１の実施例との比較を
図４を用いて行う。図４において、被研磨物として半導
体基板を挙げている。被研磨物３を回転子に装着する場
合には、ゴム系の接着剤または発泡ウレタン２４を用い
て固着する方法が良く用いられるが、接着剤の弾性が高
い場合には、接着剤が研磨速度の違いによる研磨抵抗を
吸収してしまい、モーター電流や回転数に変化を生じ
ず、終点が検出できない恐れがある。しかし、そのよう
な場合には同図７（ｂ）に示すように、回転子４に対し
て基板５の位置が回転方向とは反対方向にずれている。
よって、このずれ量を検出することにより研磨抵抗の発
生が検出でき、結果として終点検出が可能となる。ま
た、前記のずれが被研磨物が変化する瞬間のみに起こる
場合には、第１の実施例と同様にずれ量の時間微分値の
変化量を終点信号として検出する構成にする。

【００１９】以上のように構成された研磨装置におい
て、ずれ量の検出方法例を図５を用いて説明する。ま
ず、第１の方法として、図５（ａ）に示すように、装着
時に回転子と被研磨物とを弾性が接着剤と近い物質を用
いた棒よりなる被研磨物位置検出用弾性体２５で接続
し、そのひずみ量を検出する方法が挙げられる。次に、
第２の方法として、図５（ｂ）に示すように、半導体基
板のようにウエハーの一端が切り欠いてあるような場合
には、切り欠かれた角の所を目標にして、回転子側に被
研磨物位置検知用探針２６を設ける方法が挙げられる。

【００２０】（実施例３）次に、本発明の半導体装置の
製造方法について図面を参照しながら説明する。図６
（ａ）（ｂ）は層間絶縁膜の平坦化工程を示した工程図
である。図６（ａ）において、シリコン基板５上に、絶
縁層６を形成した後に、アルミ膜を堆積し、フォトリソ
グラフィーとドライエッチングとを用いて第１の配線パ
ターン７を形成する。この上にシリコン酸化膜８を堆積
した後に、シリコン窒化膜１０を堆積し、さらにシリコ
ン酸化膜８を所望の残し膜厚より膜厚めに堆積する。こ
の後に、（実施例１）または（実施例２）に記載した研
磨装置を用いて研磨する。シリコン窒化膜１０が露出し
た時点で、第１の終点信号が検出され、さらにシリコン
窒化膜１０の下層のシリコン酸化膜８が露出した時点
で、第２の終点信号が検出され、これが研磨の終点信号
となり、平坦化が終了する。この後に、フォトリソグラ
フィーとドライエッチングとを用いて、スルーホールを
形成し、第２の配線パターン９を形成する。上記のよう
に、層間絶縁膜を３層に積層して堆積することにより、
所望の残し膜厚を確保し、かつ研磨の終点を確実に検知
することができ、平坦性を向上させることが可能とな
る。

【００２１】なお、層間絶縁膜は図６（ｂ）に示すよう
に２層構造であっても構わず、その場合には研磨平坦化
した後に、所望の膜厚になるようにシリコン酸化膜を堆
積し、層間絶縁膜を形成することとなる。

【００２２】（実施例４） （実施例３）に示したように、層間絶縁膜を３層構造に
して形成し研磨平坦化を行った場合、２層目の絶縁膜の
研磨速度が１、３層目の絶縁膜の研磨速度よりも遅い場
合には、２層目の絶縁膜を研磨する際に、２層目の絶縁
膜と同面内にある上層の絶縁膜が過剰に研磨され、絶対
段差が減少しない可能性がある。特にＣＭＰにより研磨
平坦化を行う際には上記の傾向が強く現れると考えられ
る。このような場合に、図７に示すような構成を有する
研磨装置を用いて研磨平坦化を行うことにより、上記し
たような絶対段差が減少しない現象を抑えることが可能
となる。以下図面を用いて、上記した内容を説明する。

【００２３】図７は研磨装置の構成と動作を説明する
図、図８はそれを用いて層間絶縁膜を研磨平坦化する工
程の工程図である。図７（ａ）、図８（ａ）において、
上層のシリコン酸化膜８を研磨する場合には、溶融シリ
カなどの研磨剤を含む水酸化カリウム水溶液で構成され
た研磨液のみが供給装置３０から供給され、リン酸を含
むエッチング液の供給装置３１は稼働していない。次
に、図７（ｂ）、図８（ｂ）において、下層のシリコン
窒化膜１０が露出し、第１の終点が検出された時点で、
終点検出器３２よりエッチング液供給装置３１を稼働さ
せる信号が伝送され、エッチング液を供給する。この液
は前記のように、リン酸を含んでいるため、シリコン窒
化膜１０の研磨速度が増加する。このとき、エッチング
液の供給量はシリコン窒化膜１０とシリコン酸化膜８の
研磨速度が同じになるように調節されている。さらに、
図７（ｃ）、図８（ｃ）において、シリコン窒化膜１０
の研磨が終了し、シリコン酸化膜８が露出した時点で第
２の終点が検出され、この信号に同期して終点検出器３
２よりエッチング液供給装置３１の稼働停止命令が伝送
される。さらに所望の残し膜厚になるようにシリコン酸
化膜８が研磨され、平坦化が終了する。この後に、図８
（ｄ）に示すように、スルーホールを開口し、さらに第
２の配線パターン９を形成する。上記構成の研磨装置を
用いて、層間膜の研磨平坦化を行うことにより、３層構
造をもつ層間絶縁膜を完全平坦化することが可能とな
る。

【００２４】なお層間絶縁膜材料として、シリコン酸化
膜とシリコン窒化膜とを用いたが、研磨速度の互いに異
なる絶縁膜であれば構わない。また、本実施例では、シ
リコン基板５の上に直接絶縁層６を形成したが、絶縁層
６を形成する前に、半導体素子および配線が形成されて
いる構造であってもよいことはもちろんである。また、
配線材料としてアルミ金属膜を用いても、他の金属膜、
合金膜、積層金属膜、またはリンやヒ素をドープしたポ
リシリコン膜を用いてもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、被研磨物
を装着する回転子のモーター電流か回転数、または被研
磨物の回転子面内での位置偏差の検出器およびそれらの
時間微分器と、前記の被検出量の変化量、またはそれら
の時間微分値の変化量を終点信号として検出するモータ
ー制御部とを備えた研磨装置を使用し、被研磨物とこの
被研磨物とは研磨速度の異なる第２の被研磨物を前記被
研磨物の間、または底面に設けることにより、被研磨物
の研磨終点を検出するので、加工精度を高精度に保つこ
とができる。また、半導体装置の製造方法において、こ
のような構成の研磨装置を用いて、層間絶縁膜を研磨平
坦化することにより、完全平坦化が安定して達成でき、
配線の細り、段切れを防止し、配線の信頼性を向上させ
ることが可能とな。また、４層以上の多層配線も構成す
ることができ、素子の微細化、高速化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における研磨装置の構成
図

【図２】本発明の第１の実施例における研磨速度の異な
る２つの物質を連続して研磨した場合の回転子モーター
電流の変化を示した模式図

【図３】本発明の第２の実施例における研磨装置の構成
図

【図４】本発明の第２の実施例における被研磨物を回転
子に固着した場合の模式図および研磨速度の異なる２種
の被研磨物を連続して研磨を行った場合の被研磨物と回
転子の相対位置変化を示した模式図

【図５】本発明の第２の実施例における被研磨物と回転
子との相対位置変化の検出方法の一例を説明する模式図

【図６】本発明の第３の実施例における研磨による層間
絶縁膜平坦化工程の工程説明図

【図７】本発明の第４の実施例における研磨装置の構成
および機能説明図

【図８】本発明の第４の実施例における研磨装置の機能
に対応する層間絶縁膜平坦化工程の工程説明図

【図９】従来の研磨装置の概略図

【図１０】従来の研磨処理時の処理回数と研磨速度の低
下および加工バラツキとの関係図

【図１１】従来の研磨による層間膜平坦化の工程説明図

【符号の説明】

１ 研磨パッド ２ 研磨パッド側回転子 ３ 被研磨物 ４ 被研磨物側回転子 ５ 半導体基板またはシリコン基板 ６ 絶縁層 ７ 第１の配線 ８ 第１の絶縁膜またはシリコン酸化膜 ９ 第２の配線 １０ 第２の絶縁膜またはシリコン窒化膜 １１ 被研磨物側モーター電流検出器 １２ モーター電流の時間微分器 １３ 終点検出器 １４ 研磨パッド側モーター制御部 １５ 研磨パッド側モーター １６ 被研磨物側モーター制御部 １７ 被研磨物側モーター １８ 第１の被研磨物 １９ 第２の被研磨物 ２１ 被研磨物位置検出器 ２２ 時間微分器 ２３ 終点検出器 ２４ ゴム系接着剤または発泡ウレタン ２５ 被研磨物位置検出用弾性体 ２６ 被研磨物位置検出用探針 ３０ 研磨液供給装置 ３１ エッチング液供給装置 ３２ 終点検出器

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被研磨物の研磨時に、この被研磨物とは
   研磨速度の異なる第２の被研磨物との界面で、被研磨物
   を装着した回転子のモーター電流またはモーター回転
   数、あるいは被研磨物の回転子面内での位置が変化する
   ことを利用し、その変化信号を終点信号として検出する
   ことを特徴とする研磨の終点検出方法。
2. 【請求項２】 被研磨物と研磨速度の異なる第２の被研
   磨物を、被研磨物の間、またはその底面に設けたことを
   特徴とする請求項１記載の研磨の終点検出方法。
3. 【請求項３】 被研磨物を装着する回転子のモーター電
   流の検出器およびこのモーター電流の時間微分器と、モ
   ーター電流値の変化量またはその時間微分値の変化量を
   検出し、モーター速度を制御するモーター制御部とを備
   え、研磨の終点検出を行うように構成したことを特徴と
   する研磨装置。
4. 【請求項４】 モーター電流の代わりに、モーター回転
   数を検出することを特徴とする研磨装置。
5. 【請求項５】 モーター電流の代わりに、被研磨物の回
   転子面内での位置偏差を検出することを特徴とする研磨
   装置。
6. 【請求項６】 被研磨物とは研磨速度の異なる第２の被
   研磨物を優先的にエッチングする溶液を供給する装置を
   備え、前記第２の被研磨物上に積層された被研磨物の研
   磨が終了し、第２の被研磨物が露出した時点で、前記エ
   ッチング溶液を供給し、第２の被研磨物の研磨が終了し
   た時点で、エッチング溶液の供給を停止する手段を備え
   たことを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載
   の研磨装置。
7. 【請求項７】 第１の配線パターンを形成した半導体基
   板上に、第１の絶縁膜と前記絶縁膜とは研磨速度の異な
   る第２の絶縁膜とを積層に堆積する工程と、これら絶縁
   膜を平坦化する工程と、前記積層絶縁膜上にスルーホー
   ルを開口する工程と、第２の配線パターンを前記積層絶
   縁膜上に形成する工程とを備え、前記平坦化工程は、被
   研磨物である半導体基板上の研磨速度の異なる第１およ
   び第２の絶縁膜の界面を、前記半導体基板を装着した回
   転子のモーター電流値またはモーター回転数の変化量、
   あるいは半導体基板の回転子面内での位置の変化、もし
   くはそれぞれの時間微分値の変化量により検出して、研
   磨の終点検出を行い、平坦化することを特徴とする半導
   体装置の製造方法。
8. 【請求項８】 第１の絶縁膜の間に第２の絶縁膜を形成
   し、研磨により前記絶縁膜を平坦化する際に、第２の絶
   縁膜上の第１の絶縁膜が研磨され、終点を検出する信号
   が出されるのに同期して、研磨剤を含む研磨液中に前記
   第１の絶縁膜よりも前記第２の絶縁膜を優先的にエッチ
   ングする溶液を供給し、前記第２の絶縁膜が研磨され、
   終点を検出する信号が出されるのに同期して、前記溶液
   の供給を停止することを特徴とする請求項７記載の半導
   体装置の製造方法。