JPH09139369A - 半導体装置の製造方法およびそれに使用される研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 化学的機械研磨の終点を自動的かつ正確に判
定する。 【解決手段】 ウエハ２に下層配線と共に所定のピッチ
を有する終点判定用凹凸群を予め形成しておき、上層絶
縁膜の表面に下層配線で形成された凹凸群を化学的機械
研磨して上層絶縁膜の表面を平坦化するに際して、ウエ
ハ２の裏面の終点判定用凹凸群形成部に密着配置した圧
電素子３２により、研磨中に終点判定用凹凸群で誘起さ
れる固有の周波数の振動をモニタリングし、モニタリン
グした一対の振動の強度の減衰度同士の比に基づいて研
磨の終点を判定する。 【効果】 研磨の終点が正確に判定されるため、研磨不
足や研磨過多の発生を防止でき、ウエハの絶縁層表面等
に形成される凹凸群を化学的機械研磨により除去して表
面を平坦化する技術を実現させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
技術、特に、半導体ウエハ（以下、ウエハという。）の
主面に形成された不特定多数の凹凸群を研磨工具によっ
て研磨してウエハの主面を均一に平坦化する研磨技術に
関し、さらに詳しくは、その研磨の終点判定技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の高集積化に伴って配線の多
層化が進んだため、ウエハ主面に形成される凹凸の段差
は１〜数μｍの大きさになる。このため、パターン形成
時にはリソグラフィーの焦点深度が段差に対応すること
ができなくなり、加工精度が低下する。また、従来のス
パッタリング法によるメタル成膜ではカバレッジが悪く
なる。この解決策として、ウエハ主面の凹凸を化学的機
械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐ
ｏｌｉｓｈｉｎｇ。以下、ＣＭＰという。）により研磨
してウエハ主面を平坦化することが提案されている。

【０００３】このウエハ主面に形成された凹凸をＣＭＰ
によって研磨してウエハ主面を平坦化する平坦化技術に
おいては、ウエハ主面に形成された凹凸の段差は高々２
μｍ程度と極小であるため、制御すべき研磨量の精度は
０．１μｍ以下が要求される。この研磨量の制御方法と
しては、研磨時間と研磨量との関係を予め実測してお
き、この関係を使用して研磨時間を管理することによっ
て研磨量を制御する制御方法が一般的に採用されること
になる。

【０００４】なお、ＣＭＰにおいて振動をモニタリング
してＣＭＰの終点を判定する技術を述べてある例とし
て、特開平６−３４２７７８号公報がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記したＣＭＰによっ
てウエハ主面を平坦化するに際して研磨量を研磨時間の
管理によって制御する研磨量制御方法においては、研磨
時間と研磨量との関係が経時的に変動するため、研磨時
間と研磨量との関係を常に校正する必要があり、平坦化
工程が煩雑になるという問題点がある。すなわち、ＣＭ
Ｐによる研磨速度は研磨工具の表面状態がきわめて敏感
に影響する。そして、ＣＭＰが繰り返されるのに追従し
て研磨工具の表面状態が摩耗等によって劣化するため、
研磨速度は研磨作業時間の経過に伴って低下し、しか
も、その低下量は一律ではない。そのため、定期または
不定期に測定用のウエハを使用して研磨時間と研磨量と
の関係を実測し、その関係を補正する必要がある。ま
た、劣化した研磨工具はダイヤモンド砥石が使用されて
ドレッシングされる。このドレッシングされた研磨工具
による研磨速度は未知の状態になるため、ドレッシング
された都度、測定用のウエハを使用してドレッシングさ
れた研磨工具による研磨時間と研磨量との関係を実測
し、その関係を補正する必要がある。以上のような研磨
量管理の煩雑さを回避するために、ＣＭＰによるウエハ
主面の平坦化技術の採用に際しての研磨の終点を自動的
に判定する（Ｅｎｄ Ｐｏｉｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏ
ｎ）技術の開発が要望されている。

【０００６】本発明の目的は、この要望に応えることが
できるＣＭＰ技術および半導体装置の製造技術を提供す
ることにある。

【０００７】ここで、ＣＭＰによるウエハ平面の平坦化
技術の採用に際して、研磨中のウエハに加わる研磨抵抗
の変動を測定し、この測定結果に基づいて研磨の終点を
自動的に判定する終点判定技術が提案され得る。しか
し、研磨抵抗は研磨工具の表面状態によって激しく変動
し、しかも、研磨抵抗は研磨される凹凸の形状や配列密
度等の研磨される側の条件によっても激しく変動するた
め、研磨抵抗の測定によって正確な終点判定を得るには
解決すべき課題が多くある。

【０００８】本発明の第２の目的は、研磨される側であ
るウエハ主面の条件が種々異なっても研磨の終点を自動
的かつ正確に判定することができる研磨技術を提供する
ことにある。

【０００９】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、次の通り
である。

【００１１】すなわち、半導体ウエハの主面に形成され
た不特定多数の凹凸群を化学的機械研磨によって研磨し
て平坦化するに際して、半導体ウエハの一部に前記凹凸
群とは別の特定の周期を有する少なくとも一の凹凸群を
予め形成しておき、研磨中に、この凹凸群によって誘起
することが予め推定された周波数の振動を検出し、この
振動の強度の減衰度に基づいて研磨の終点を判定する。

【００１２】また、半導体ウエハの一部に互いに異なる
特定の周期を有する少なくとも一対の凹凸群を予め形成
しておき、化学的機械研磨に際して、両凹凸群によって
誘起することが予め推定された一対の周波数の強度の減
衰度同士の比に基づいて研磨の終点を判定する。

【００１３】半導体ウエハの主面に形成された凹凸群を
研磨工具としての研磨クロスによって研磨すると、半導
体ウエハおよび研磨クロスに一定の時間毎に同じ運動を
繰り返す機械的振動（以下、単に振動という。）が発生
し、この振動の周波数は研磨工具が凹凸群を摺動する速
度（以下、摺動速度という。）を凹凸群のピッチによっ
て除した値に依存するという現象が本発明者によって究
明された。振動が発生する理由は、凹凸群を研磨する際
に研磨クロスの表面は凹凸群の表面に追従してその厚み
方向に変形を繰り返し、半導体ウエハを振動させるため
である。また、発生した振動の周波数が凹凸群のピッチ
に依存する理由は、凹凸群を研磨する際に研磨クロスの
表面が凹凸群の表面に追従するためである。

【００１４】さらに、半導体ウエハの主面に形成された
凹凸群を研磨クロスによって研磨して行くと、振動の強
度（振幅）が次第に減衰して行くという現象も本発明者
によって究明された。振動の強度が次第に減衰して行く
理由は、研磨の進行に伴って凹凸群の段差が次第に小さ
くなって行くことにより、研磨クロスの表面が凹凸群の
表面に追従してその厚み方向に変形する度が次第に弱ま
って行くためである。そこで、半導体ウエハに予め形成
しておいた既知のピッチの凹凸群から研磨中に誘起され
る振動の周波数は、研磨に際しての研磨クロスの摺動速
度を一定に保つことよって予め求めておくことができ
る。

【００１５】前記した第１の手段において、半導体ウエ
ハの主面に形成された不特定多数の凹凸群を研磨クロス
によって研磨して半導体ウエハ主面を均一に平坦化する
に際して、不特定多数の凹凸群からは互いに異なる未知
の周波数を有する振動が不特定多数誘起される。しか
し、半導体ウエハに予め形成しておいた既知のピッチの
凹凸群から研磨中に誘起される振動の周波数は予め求め
られているため、不特定多数の振動の中から特定して検
出することができる。そして、この検出された特定の振
動を誘起する凹凸群はピッチが既知であるため、当初の
振幅の大きさを１とした場合の現在の振幅の大きさの度
合い（以下、減衰度という。）は予め求めておくことが
できるとともに、その減衰度と段差の減少度との関係を
も予め求めておくことができる。したがって、減衰度と
段差の減少度との関係から、減衰度について研磨の終点
を予め規定しておき、実際の半導体ウエハの研磨に際し
て、既知のピッチの凹凸群が誘起する特定周波数の振動
の振幅の減衰度が予め規定した終点に達した時点におい
て、研磨が自動的に終了されることになる。

【００１６】さらに、半導体ウエハの主面に形成された
凹凸群を研磨クロスによって研磨して行くと、振動の強
度（振幅）が次第に減衰して行き、その減衰度は周波数
の高い振動の方が大きくなるという現象が本発明者によ
って究明された。すなわち、前記した現象により周波数
の大きい振動を誘起する凹凸群のピッチは小さいことが
明らかになった。そして、ピッチの小さい凹凸群の段差
はピッチの大きい凹凸群の段差よりも小さい傾向があ
り、段差が小さい凹凸群の方が研磨によって早く平坦に
なり、段差の大きい凹凸群の方が研磨によって遅く平坦
になるため、周波数の大きい振動の方が振幅の減衰度が
顕著になる。

【００１７】そこで、前記した第２の手段のように、周
波数の異なる振動の減衰度同士の比を取ることにより、
単一周波数振動における減衰度によって終点を判定する
場合に比べて、振動強度の減衰度による終点判定の精度
を飛躍的に高めることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態である
研磨装置を示しており、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は
ブロック図である。図２以降は本発明の一実施形態であ
る半導体装置の製造方法のＣＭＰによる平坦化工程を説
明する各図である。

【００１９】本実施形態において、本発明に係る研磨装
置は、ウエハの表側面に被着された絶縁膜や金属膜をＣ
ＭＰすることによって絶縁膜や金属膜の表面に形成され
た凹凸を平坦化するのに使用可能な平坦化用研磨装置
（以下、単に研磨装置という。）として構成されてい
る。

【００２０】すなわち、本実施形態における研磨装置１
０のワーク１は図２に示されているように、外周の一部
にオリエンテーションフラット（以下、オリフラとい
う。）３が直線形状に切設されたウエハ２を備えてお
り、このウエハ２のサブストレートの表側領域には半導
体素子および配線が作り込まれている。図２（ｂ）にお
いて、ウエハ２のサブストレートの表側領域にはメモリ
ー４が作り込まれており、その上には層間絶縁膜５が複
数層に積層されているとともに、層間絶縁膜５の各層上
には金属膜６および配線７が所定のパターンをもってそ
れぞれ形成されている。金属膜６および配線７は厚さを
有する線分によって形成されているため、その上に被着
された層間絶縁膜５における各層の表側面には凹凸群８
が下層の金属膜６および配線７の凹凸に倣って形成され
ている。そこで、本実施形態においては、この層間絶縁
膜５における各層の表側面の表層部を研磨装置１０によ
ってＣＭＰして除去することにより、層間絶縁膜５が平
坦化される。したがって、層間絶縁膜５の表側面によっ
て被研磨面９が形成されることになる。

【００２１】この研磨装置１０は研磨工具とヘッドとを
備えている。研磨工具１１はワーク１の直径よりも充分
に大きい半径を有する円盤形状に形成されたベースプレ
ート１２を備えており、ベースプレート１２は水平面内
において回転自在に支持されている。ベースプレート１
２の下面の中心には垂直方向に配された回転軸１３が固
定されており、ベースプレート１２はこの回転軸１３に
よって回転駆動されるようになっている。ベースプレー
ト１２の上面には研磨クロス１４が全体にわたって均一
に貼着されている。研磨クロス１４は表面上にポア構造
を有する合成樹脂のクロスにコロイダルシリカ等の微細
な砥粒が抱え込まれた研磨材であり、その表側面によっ
て研磨材面１５が形成されている。ちなみに、この研磨
クロス１４による研磨に際しては、エッチング液が用い
られることにより、機械的な研磨（ポリシング）に加え
てそのポリシング効果を化学的に高めるＣＭＰが実施さ
れる。

【００２２】一方、ヘッド２１はワーク１をその被研磨
面９である層間絶縁膜５側を下向きにして露出させた状
態で保持し得るように構成されている。ヘッド２１はワ
ーク１の直径よりも若干大きい直径を有する円盤形状に
形成された本体２２を備えており、本体２２の下面には
円形で一定深さの保持穴２３が同心円に配されて没設さ
れている。保持穴２３の大きさはワーク１の大きさより
も若干大きめに形成されている。保持穴２３の中心には
流体流通口としての通気口２４が開設されており、通気
口２４には負圧供給路２５が接続されている。負圧供給
路２５は他端が真空ポンプ（図示せず）されることによ
って通気口２４に負圧を供給する負圧供給路を構成する
ようになっている。

【００２３】また、保持穴２３には剛性板２６が同軸的
に敷設されており、剛性板２６はアルミナ等の剛性が高
く熱膨張が少ないセラミックが使用されて円盤形状に形
成されている。したがって、剛性板２６は多孔質かつそ
の多孔群によって互いに連通する微細な通気路２７を無
数にかつ全体にわたって均一に構成するように成形され
ている。さらに、剛性板２６の下面にはパッド２８が敷
設されている。パッド２８は適度な弾力性を有する弾性
材料の一例であるゴムまたは樹脂が使用されて円板形状
に形成されている。パッド２８には剛性板２６側の空間
と反対側の空間とを連通させる連通路としての貫通孔２
９が多数本、全面にわたって均等に配されてパッド２８
の厚さ方向に貫通するようにそれぞれ開設されている。

【００２４】ヘッド本体２２の下端面には円形リング形
状に形成されたガイドリング３０が保持穴２３の開口縁
辺を取り囲むように取り付けられている。このガイドリ
ング３０はワーク１をその被研磨面９を下端から下方に
露出させた状態で、研磨作業中にワーク１が外側に飛び
出すのを阻止しつつ保持するように構成されている。

【００２５】以上のように構成されたヘッド２１は通気
口２４を中心にして水平面内において回転自在支承され
ているとともに、回転駆動装置（図示せず）によって回
転駆動されるように構成されている。また、ヘッド２１
は研磨工具１１が設備されたステーションとワーク１が
１枚ずつ払い出されるローディングステーション（図示
せず）との間を移送装置（図示せず）によって往復移動
されるように構成されている。さらに、ヘッド２１は研
磨作業に際して下方向に送られるように構成されてい
る。

【００２６】そして、本実施形態において、ヘッド２１
には研磨に際してワーク１にて発生する振動を検出する
振動検出手段としての圧電素子３２が配設されており、
この圧電素子３２はウエハ２における被研磨面９と反対
側の主面（以下、第２主面とする。）に直接接触してウ
エハ２の振動を精密かつ正確にモニタリングするように
なっている。すなわち、圧電素子３２はパッド２８に没
設された凹所３１内に埋め込まれて、その検出子側がウ
エハ２の第２主面に密着されている。また、圧電素子３
２は後述する終点判定用凹凸群形成部に対向するように
パッド２８に配置されている。圧電素子３２の出力端は
ヘッド２１の外部に配置された周波数分析器３３に電気
的に接続されており、モニタリングした振動を電気信号
の形態で周波数分析器３３に送信するようになってい
る。周波数分析器３３には終点判定装置３４が電気的に
接続されており、この終点判定装置３４は後述する作用
によってＣＭＰの終点を自動的に判定し、その判定信号
と研磨装置１０のコントローラ３５に指令するように構
成されている。

【００２７】以下、本発明の一実施形態である半導体装
置の製造方法におけるＣＭＰによる平坦化工程を主に、
前記構成に係る研磨装置１０を使用して層間絶縁膜に形
成された凹凸を平坦化する場合について説明する。

【００２８】図３（ａ）に示されているように、ＣＭＰ
による平坦化工程に投入される前に、ウエハ２の第１主
面に形成された下層絶縁膜５ａの上には多層構造の配線
７のうち下層配線７ａが金属被膜被着処理やリソグラフ
ィー処理およびエッチング処理によってパターニングさ
れて形成される。

【００２９】この際、本実施形態においては、ウエハ２
の第１主面における使用されない領域に予め設定された
終点判定用凹凸群形成部４０に、複数組（本実施形態で
は５組とする。）の終点判定用凹凸群４１、４２、４
３、４４、４５が下層配線７ａと共にパターニングされ
て形成される。なお、図３では、便宜上、第１終点判定
用凹凸群４１および下層配線７ａの一部のみが図示され
ている。図１（ａ）に示されているように、終点判定用
凹凸群形成部４０はウエハ２の主面における外周縁近傍
にあって、１個のペレットを形成する区画としては面積
が不充分な部位に設定される。

【００３０】また、図４に示されているように、各終点
判定用凹凸群は下層配線７ａに相当する凸部４６と、下
層配線７ａが無い空間部に相当する凹部４７とが多数
条、等ピッチおよび等幅で、互いに平行かつ両端を揃え
られて一列縦隊に整列されて構成されている。なお、各
終点判定用凹凸群の条数は整列方向の全長Ｌが５ｍｍ程
度になるように設定され、また、終点判定用凹凸群の整
列方向と直角の寸法すなわち終点判定用凹凸群の幅Ｗに
相当する凸部４６の長さは５ｍｍ程度に設定されてい
る。

【００３１】ここで、第１終点判定用凹凸群４１の配列
ピッチＰは０．０１ｍｍ（凸部４６の幅Ｗａは０．００
５ｍｍ、凹部４７の幅Ｗｂは０．００５ｍｍ）、第２終
点判定用凹凸群４２の配列ピッチＰは０．０５ｍｍ（同
０．０２５ｍｍ、０．０２５ｍｍ）、第３終点判定用凹
凸群４３の配列ピッチＰは０．１ｍｍ（同０．０５ｍ
ｍ、０．０５ｍｍ）、第４終点判定用凹凸群４４の配列
ピッチＰは０．５ｍｍ（同０．２５ｍｍ、０．２５ｍ
ｍ）、第５終点判定用凹凸群４５の配列ピッチＰは１．
０ｍｍ（同０．５ｍｍ、０．５ｍｍ）にそれぞれ設定さ
れている。

【００３２】その後、図３（ｂ）に示されているよう
に、ウエハ２の第１主面にはＳｉＯ₂やＳｉ₃ Ｎ₄ 等か
らなる上層絶縁膜５ｂがＣＶＤ法等によって下層配線７
ａおよび各終点判定用凹凸群４１、４２、４３、４４、
４５を被覆するように被着される。この上層絶縁膜５ｂ
の表面側には下層配線７ａおよび終点判定用凹凸群の厚
み分に相当する凸部が形成されるため、被研磨面９には
不特定多数の凹凸群８ａが形成された状態になる。

【００３３】この状態のウエハ２がワーク１として、平
坦工程を実施する研磨装置１０に供給される。そして、
研磨装置１０はこの状態のワーク１をヘッド２１によっ
て保持して、上層絶縁膜５ｂの表面を研磨工具に化学的
研磨材を供給しながら相対的に擦り付けることによりＣ
ＭＰし、上層絶縁膜５ｂの凹凸群８ａを平坦化する。

【００３４】ここで、研磨装置１０によるＣＭＰ方法を
説明する。ワーク１が被研磨面９側を下向きに配された
状態でヘッド２１のガイドリング３０内に挿入される
と、負圧供給路２５を通じて負圧が通気口２４に供給さ
れる。この負圧は剛性板２６の微細な通気路２７および
パッド２８の貫通孔２９群を通じてワーク１の第２主面
に印加されるため、ワーク１はヘッド２１に真空吸着保
持された状態になる。このようにしてワーク１を保持し
たヘッド２１は移送装置によって研磨工具１１の真上に
移送された後に下降される。

【００３５】続いて、研磨工具１１およびヘッド２１が
それぞれ回転されるとともに、ヘッド２１が下方に送ら
れワーク１に一定の機械的な押接力を加える。これによ
り、ヘッド２１に保持されたワーク１の被研磨面９が研
磨工具１１の研磨材面１５に押接されながら擦られるた
め、ワーク１の被研磨面９は研磨材面１５によって研磨
される。この研磨作業中、エッチング液（図示せず）が
研磨材面１５に供給されることにより、機械的な研磨
（ポリシング）に加えてそのポリシング効果を化学的に
高めるＣＭＰが実施される。

【００３６】このＣＭＰによって、ワーク１の被研磨面
９である上層絶縁膜５ｂに形成された凹凸群８ａの凸部
が先に除去されて行くため、上層絶縁膜５ｂの表面は次
第に平坦化されて行く。そして、上層絶縁膜５ｂが充分
にＣＭＰされて完全に平坦化された後もＣＭＰが過度に
続行されると、今度は上層絶縁膜５ｂの下に形成された
下層配線７ａがＣＭＰされ始めて必要以上に除去されて
しまう。逆に、上層絶縁膜５ｂのＣＭＰを早めに終了さ
せると、上層絶縁膜５ｂの凹凸群８ａの凹部が相対的に
過度に残された状態になるため、上層絶縁膜５ｂの表面
の平坦化が不充分になる。平坦化が不充分であると、上
層絶縁膜５ｂの上に形成される次の上層配線７ｂのパタ
ーニング工程の金属被膜被着処理やリソグラフィー処理
に支障が発生する。したがって、上層絶縁膜５ｂの凹凸
群８ａに対するＣＭＰの終点を正確に判定することが、
ＣＭＰによる平坦化技術を実現する上で非常に重要であ
る。本実施形態においては、後述する通り、ＣＭＰ中に
ワーク１から発生する振動群のうち複数の所定周波数振
動がモニタリングされて、モニタリングされた各振動の
減衰度の比によって終点が正確に判定される。

【００３７】そして、ＣＭＰの終点が判定されると、コ
ントローラ３５からの指令により、ヘッド２１はワーク
１の被研磨面９の研磨材面１５への押接を停止して、ワ
ーク１を所定のアンローディング装置（図示せず）に排
出する。以下のようにして、ＣＭＰ方法が終了した状態
で、ワーク１の被研磨面９である上層絶縁膜５ｂの表面
は図３（ｃ）に示されているようにきわめて高精度に平
坦化されており、かつ、下層配線７ａの真上には上層絶
縁膜５ｂが予め設定された層厚ｔをもって残された状態
になっている。

【００３８】この状態のワーク１は研磨装置１０からア
ンローディング装置によってスルーホール形成工程に送
られる。スルーホール形成工程において、図３（ｄ）に
示されているように、ワーク１の上層絶縁膜５ｂにおけ
る所定の下層配線７ａの真上にはスルーホール７ｃがそ
れぞれ開設される。この際、上層絶縁膜５ｂにおける終
点判定用凹凸群形成部４０にはスルーホールは開設され
ない。

【００３９】続いて、上層配線形成工程において、図３
（ｅ）に示されているように、上層絶縁膜５ｂの上には
上層配線７ｂが金属被膜被着処理やリソグラフィー処理
およびエッチング処理によってパターニングされる。こ
の際、上層絶縁膜５ｂの表面は高精度に平坦化されてい
るため、上層配線７ｂはきわめて高精度にパターニング
される。上層配線７ｂのパターニングに際して上層絶縁
膜５ｂの上に被着される金属被膜の一部が上層絶縁膜５
ｂに開設されているスルーホール７ｃに充填することに
より、スルーホール導体７ｄが形成される。そして、パ
ターニングされた上層配線７ｂの所定部分はスルーホー
ル導体７ｄによって下層配線７ａに電気的に接続された
状態になる。

【００４０】この上層配線形成工程において、図３
（ｅ）に示されているように、上層絶縁膜５ｂの上にお
ける使用されない領域に予め設定された終点判定用凹凸
群形成部４０に、複数組（本実施形態では５組とす
る。）の終点判定用凹凸群４１、４２、４３、４４、４
５が上層配線７ｂと共にパターニングされて形成され
る。これら終点判定用凹凸群４１、４２、４３、４４、
４５は上層絶縁膜５ｂの上に形成されたものと機能的に
同等である。

【００４１】以降、前記上層絶縁膜形成工程、本発明に
係る終点判定工程を含む平坦化工程、スルーホール形成
工程および上層配線形成工程が繰り返されることによ
り、図２（ｂ）に示されている層間絶縁膜５に多層の配
線７が形成されることになる。なお、この際、先の工程
で形成された上層絶縁膜および上層配線が次の工程で下
層絶縁膜および下層配線に相当することになるのは言う
までもない。

【００４２】次に、前述した平坦化工程におけるＣＭＰ
の終点判定工程を説明する。まず、凹凸群が形成された
被研磨面をＣＭＰすると、ワークに一定の時間毎に同じ
運動を繰り返す機械的振動（以下、単に振動という。）
が発生し、この振動の周波数は研磨材面が凹凸群を摺動
する速度（以下、摺動速度という。）を凹凸群のピッチ
によって除した値に依存するという現象が本発明者によ
って究明された。振動が発生する理由は、凹凸群を研磨
する際に研磨材面の表面は凹凸群の表面に追従してその
厚み方向に変形を繰り返し、ワークを振動させるためで
あると、考察される。また、発生した振動の周波数が凹
凸群のピッチに依存する理由は、凹凸群を研磨する際に
研磨材面の表面が凹凸群の凹凸に追従するためである
と、考察される。

【００４３】また、凹凸群が形成された被研磨面をＣＭ
Ｐして行くと、振動の強度（振幅）が次第に減衰して行
くという現象も本発明者によって究明された。振動の強
度が次第に減衰して行く理由は、ＣＭＰの進行に伴って
凹凸群の段差が次第に小さくなって行くことにより、研
磨材面の表面が凹凸に追従してその厚み方向に変形する
度合いが次第に弱まって行くためであると、考察され
る。そこで、ワークに予め形成しておいた既知のピッチ
の凹凸群からＣＭＰ中に誘起される振動の周波数は、Ｃ
ＭＰに際しての研磨材面の摺動速度を一定に保つことよ
って予め求めておくことができる。

【００４４】さらに、凹凸群が形成された被研磨面をＣ
ＭＰして行くと、振動の強度（振幅）が次第に減衰して
行き、その減衰度は周波数の大きい振動の方が大きくな
るという現象が本発明者によって究明された。すなわ
ち、前記した現象により周波数の大きい振動を誘起する
凹凸群のピッチは小さいことが明らかになった。そし
て、ピッチの小さい凹凸群の段差はピッチの大きい凹凸
群の段差よりも小さい傾向があり、段差が小さい凹凸群
の方が研磨によって早く平坦になり、段差の大きい凹凸
群の方が研磨によって遅く平坦になるため、周波数の大
きい振動の方が振幅の減衰度が顕著になる。

【００４５】ここで、これら現象を実証する実験につい
て説明する。図５は凹凸群のピッチと凹凸群の段差との
関係を説明するための各図であり、（ａ）はその関係線
図、（ｂ）および（ｃ）はその関係線図を得るための試
料の一例を示す各拡大部分断面図である。

【００４６】図５（ｂ）に示されている試料５１は、ウ
エハ２の第１主面に終点判定用凹凸群に相当する凹凸群
５３が小ピッチｐおよび小幅ｗをもって形成された第１
試料であり、図５（ｃ）に示されている試料５２はウエ
ハ２の第１主面に終点判定用凹凸部に相当する凹凸群５
４が大ピッチＰおよび大幅Ｗをもって形成された第２試
料５２である。両凹凸群５３、５４は図４に示されてい
る終点判定用凹凸群と同様に凸部および凹部が交互に配
列されて構成されており、凸部はタングステンが使用さ
れてシリコンウエハの上に突設され、凹部は隣合う凸部
同士間に相対的に没設されている。そして、第１試料５
１および第２試料５２におけるウエハ２の第１主面には
絶縁膜５５、５６が凹凸群５３、５４を被覆するように
被着されている。両絶縁膜５５、５６はウエハ２に回転
塗布された液状ガラス膜が熱処理されたシリコン酸化膜
によって成形されており、厚さが約２μｍに形成されて
いる。第１試料５１の絶縁膜５５および第２試料５２の
絶縁膜５６の表面には各凹凸群にに対応して小段差ｓの
凹凸群５７および大段差Ｓの凹凸群５８がそれぞれ形成
されている。図５（ｂ）および（ｃ）の比較から明らか
な通り、小ピッチｐおよび小幅ｗをもって形成された第
１試料５１の絶縁膜５５には小段差ｓの凹凸群５７が形
成され、大ピッチＰおよび大幅Ｗをもって形成された第
２試料５２の絶縁膜５６には小段差ｓの凹凸群５８が形
成される。

【００４７】そして、ウエハの第１主面に形成する凹凸
群５３、５４のピッチを種々に変更して絶縁膜５５、５
６の表面に形成された凹凸群５７、５８の段差の寸法を
測定して得られた関係線図が図５（ａ）の関係線図であ
る。

【００４８】図５（ａ）によれば、凹凸群のピッチが約
２０μｍまでは、ピッチが大きくなるにしたがって絶縁
膜の表面に形成された凹凸群の段差が直線的に大きくな
り、約２０μｍから約４０μｍの範囲ではピッチが大き
くなるにしたがって絶縁膜の表面に形成された凹凸群の
段差が徐々に大きくなることが理解される。

【００４９】次に、図６は研磨時間と凹凸群の段差の減
少量との関係を示す関係線図であり、図５に示されてい
る構成を有しピッチがそれぞれ相異された各試料の絶縁
膜をＣＭＰした実験によって得られた線図である。この
場合、ＣＭＰは前記構成に係る研磨装置１０が使用さ
れ、圧縮弾性率が１００ＭＰａ、厚みが１ｍｍの独立気
泡形発泡ポリウレタンを表面に貼り付けた研磨工具に試
料が押接されて擦られるとともに、酸化シリコン砥粒濃
度３％の水溶液が毎分１００ｃｃの割合で供給されて実
行された。また、押接圧力は５００ｇ／ｃｍ² 、凹凸群
が形成された位置における研磨材面の摺動速度は２５０
ｍｍ／秒である。試料は毎分１２回転で自転された。

【００５０】図６中、曲線Ａは凹凸群のピッチが０．１
ｍｍの場合、曲線Ｂは凹凸群のピッチが０．５ｍｍの場
合、曲線Ｃは凹凸群のピッチが１．０ｍｍの場合をそれ
ぞれ示している。各曲線Ａ、Ｂ、Ｃの比較から明らかな
通り、凹凸群のピッチが大きくなるにしたがって段差が
減少するのが遅くなることが理解される。つまり、ピッ
チの大きい凹凸群の上に形成された絶縁膜の表面程、平
坦化されるのが遅くなることが理解される。この原因
は、絶縁膜の凸部の研磨面積が大きくなるにしたがっ
て、実効的な研磨圧力が低下するためであると、考察さ
れる。

【００５１】次に、図７はＣＭＰ中に各凹凸群によって
それぞれ誘起される固有周波数振動の強度の減衰度と研
磨時間との関係を示す関係線図である。図７に示されて
いる各曲線は図５に示されている構成を有しピッチがそ
れぞれ相異された各試料の絶縁膜をＣＭＰした実験によ
って得られた曲線である。ＣＭＰは図６と同様に実施さ
れ、各振動は圧電素子３２によってモニタリングされ、
周波数は周波数分析器３３によって抽出された。

【００５２】図７中、曲線ｆ３は周波数が２．５ｋＨｚ
の振動の場合を示しており、前記した第３終点判定用凹
凸群４３に相当する凹凸群が形成された試料からの振動
の強度のＣＭＰに伴う減衰度が示されている。曲線ｆ４
は周波数が５００Ｈｚの振動の場合を示しており、前記
した第４終点判定用凹凸群４４に相当する凹凸群が形成
された試料からの振動の強度のＣＭＰに伴う減衰度が示
されている。曲線ｆ５は周波数が２５０Ｈｚの振動の場
合を示しており、前記した第５終点判定用凹凸群４４に
相当する凹凸群が形成された試料からの振動の強度のＣ
ＭＰに伴う減衰度が示されている。この図７によれば、
高い周波数の振動の方がＣＭＰに伴って早く減衰するこ
とが理解される。

【００５３】次に、図８はＣＭＰ中に各凹凸群によって
それぞれ誘起される固有周波数振動強度の減衰度を一対
の振動同士の比について研磨時間との関係で示した関係
線図である。図８に示されている各直線の基になる各周
波数振動の減衰度曲線は図７と同様の実験によって得ら
れた。

【００５４】図８中、直線ｆ２／ｆ１は、（周波数が５
ｋＨｚの振動強度の減衰度）／（周波数が２５ｋＨｚの
振動強度の減衰度）のＣＭＰによる経時変化を示してい
る。周波数５ｋＨｚの振動強度の減衰度は前記した第２
終点判定用凹凸群４２に相当する凹凸群が形成された試
料からの振動の強度のＣＭＰに伴う減衰度であり、周波
数２５ｋＨｚの振動強度の減衰度は前記した第１終点判
定用凹凸群４１に相当する凹凸群が形成された試料から
の振動の強度のＣＭＰに伴う減衰度である。以下、同様
に、直線ｆ３／ｆ２は、（周波数が２．５ｋＨｚの振動
強度の減衰度）／（周波数が５ｋＨｚの振動強度の減衰
度）のＣＭＰによる経時変化を示し、直線ｆ４／ｆ３
は、（周波数が５００Ｈｚの振動強度の減衰度）／（周
波数が２．５ｋＨｚの振動強度の減衰度）のＣＭＰによ
る経時変化を示し、直線ｆ５／ｆ４は、（周波数が２５
０Ｈｚの振動強度の減衰度）／（周波数が５００Ｈｚの
振動強度の減衰度）のＣＭＰによる経時変化を示してい
る。

【００５５】この図８によれば、高い周波数振動同士の
減衰度の比の直線の方が急激に立ち上がり、低い周波数
振動同士の減衰度の比の直線の方が立ち上がりが鈍いこ
とが理解される。

【００５６】図９の実線曲線Ｅ_4/3 は、図８の直線ｆ４
／ｆ３の値が「１０００」に達した時点をＣＭＰの終点
と判定してＣＭＰ作業を終了させた場合における凹凸段
差とピッチとの関係を示す曲線である。図９の実線曲線
Ｅ_4/3 によれば、ピッチが１ｍｍ以上の凹凸群において
凹凸段差は０．１μｍ以上残るが、ピッチが１ｍｍ未満
の凹凸群において凹凸段差は０．１μｍ未満になること
が理解される。

【００５７】図９の破線曲線Ｅ_2/1 は、図８の直線ｆ２
／ｆ１の値が「１０００」に達した時点をＣＭＰの終点
と判定してＣＭＰ作業を終了させた場合における凹凸段
差とピッチとの関係を示す曲線である。また、図９の鎖
線曲線Ｅ_3/2 は、図８の直線ｆ３／ｆ２の値が「１００
０」に達した時点をＣＭＰの終点と判定してＣＭＰ作業
を終了させた場合における凹凸段差とピッチとの関係を
示す曲線である。両曲線Ｅ_2/1 およびＥ_3/2 によれば、
凹凸段差が０．１ｍｍ以下になる範囲すなわち所望の平
坦性が得られるピッチの範囲が狭くなっていることが理
解される。

【００５８】以上の図５〜図９についての各凹凸群から
誘起される固有周波数振動のそれぞれの振動強度の減衰
度と各凹凸群のピッチとの関係より、ＣＭＰによって平
坦化すべき絶縁膜の凹凸群の原因になる配線の凹凸群の
ピッチに対応して誘起される振動の固有周波数を最適に
選定することにより、ＣＭＰによる平坦化工程における
終点判定を高精度に実行し得ることが実証された。

【００５９】この終点判定の固有振動数の選定に際し
て、図６に示されている通り、凹凸群のピッチが０．０
５ｍｍと狭小である場合にはＣＭＰによる平坦化が容易
に進むため、平坦化の終点判定にはむしろ、平坦になり
難い０．５ｍｍ以上のピッチを有する凹凸群を選定する
方が好ましい。ピッチが５ｍｍ以上の凹凸群の場合は逆
に平坦化の進行が緩やか過ぎるため、終点判定が困難に
なる。加えて、ピッチが５ｍｍ以上の凹凸群の場合は商
用電源周波数に近くなるため、固有周波数振動の分析が
困難になって測定感度の観点から不利となる。したがっ
て、通常使用される摺動速度のＣＭＰにおいて、終点判
定用凹凸群形成部４０に予め形成する終点判定用凹凸群
４１、４２、４３、４４、４５のピッチは、０．５ｍｍ
〜５ｍｍに設定することが望ましい。

【００６０】翻って、図３（ｃ）の平滑化工程における
本発明の一実施形態である終点判定工程を具体的に説明
する。ワーク１の被研削面である上層絶縁膜５ｂに形成
された凹凸群８ａがＣＭＰされている間、不特定多数の
凹凸群８ａからは互いに異なる未知の周波数を有する振
動が不特定多数誘起される。しかし、ワーク１の終点判
定用凹凸群形成部４０に予め形成された各所定のピッチ
の終点判定用凹凸群４１、４２、４３、４４、４５から
ＣＭＰ中に誘起される振動の周波数は予め求められてい
るため、不特定多数の振動の中から特定してモニタリン
グすることができる。すなわち、終点判定用凹凸群形成
部４０に対向して配置された圧電素子３２はそこから発
生する各固有周波数を有する振動をモニタリングして周
波数分析器３３にそれぞれ送信する。周波数分析器３３
は終点判定装置３４によって予め指定された周波数の振
動を分析して終点判定装置３４に送信する。

【００６１】予め、終点判定装置３４にはこのワーク１
の上層絶縁層５ｂのＣＭＰに際しての終点判定に最適な
一対の周波数振動として、周波数が５００Ｈｚの振動
（Ｆ４）と周波数が２．５ｋＨｚの振動（Ｆ３）が選定
されているとともに、両周波数振動強度の減衰度同士の
比（Ｆ４／Ｆ３）の終点判定値として、「１０００」が
選定されているものとする。したがって、周波数分析器
３３は終点判定装置３４によって指定された５００Ｈｚ
の振動および２．５ｋＨｚの振動を分析してその信号を
終点判定装置３４に時々刻々と入力させる。

【００６２】終点判定装置３４は５００Ｈｚの振動強度
の減衰度と２．５ｋＨｚの振動強度の減衰度との比（Ｆ
４／Ｆ３）を時々刻々とモニタリングして、その比の値
が「１０００」に達した時点でＣＭＰの終点判定信号を
発生する。終点判定信号は研磨装置１０におけるヘッド
２１の上下動を制御するコントローラ３５に送信され
る。この送信に応答するコントローラ３５の制御によっ
てヘッド２１は上昇されるため、ワーク１の上層絶縁膜
５ｂに対するＣＭＰは終了されることになる。

【００６３】ここで、図９の実線曲線Ｅ_4/3 に示されて
いる通り、５００Ｈｚの振動の減衰度と２．５ｋＨｚの
振動の減衰度との比（Ｆ４／Ｆ３）の値が「１０００」
に達した時点をＣＭＰの終点と判定してＣＭＰ作業を終
了させた場合におけるピッチが１ｍｍ未満の凹凸群にお
いて凹凸段差は０．１μｍ未満になるため、ワーク１の
上層絶縁膜５ｂの凹凸群８ａはＣＭＰによって段差を解
消された状態になり、上層絶縁膜５ｂはＣＭＰによって
平坦化されたことになる。

【００６４】以上の説明では、終点判定装置３４に５０
０Ｈｚの振動と２．５ｋＨｚの振動および終点判定値
「１０００」が選定されている場合を例示したが、ＣＭ
Ｐの実施対象に対応した最適な周波数振動および終点判
定値の組合せを多数記憶させておき、ＣＭＰの実施対象
毎に最適な組合せを自動的に選定するように構成するこ
とが望ましい。なお、周波数振動および終点判定値の組
合せは、一対の周波数振動とその強度の減衰度比の終点
判定値に限らず、単一の周波数振動とその強度の減衰度
の終点判定値であってもよい。

【００６５】前記実施形態によれば次の効果が得られ
る。 （１） 上層絶縁膜の表面に下層配線によって形成され
た凹凸群をＣＭＰして上層絶縁膜の表面を平坦化するに
際して、ＣＭＰの終点を自動的かつ正確に判定すること
により、平坦化不足および下層配線の損傷を防止するこ
とができるため、半導体装置の製造方法においてＣＭＰ
による上層絶縁膜の平坦化技術を実現させることがで
き、しいては半導体装置の微細化を促進させることがで
きる。

【００６６】（２） 研磨時間と研磨量との関係に依存
せずに終点判定することができるため、研磨時間と研磨
量との関係を常に校正する作業を廃止することができ、
平坦化工程を簡略化することができる。

【００６７】（３） 研磨抵抗に依存せずに終点判定す
ることができるため、研磨工具の表面状態や研磨される
凹凸の形状や配列密度等の研磨される側の条件に影響さ
れずに全ての被研磨面についての終点判定を自動的かつ
正確に実行することができる。

【００６８】図１０および図１１は本発明の他の実施形
態である半導体装置の製造方法におけるＣＭＰによる平
坦化工程を説明するための平面図および特性線図であ
る。

【００６９】本実施形態２が前記実施形態１と異なる点
は、前記実施形態１においてはワークに終点判定用凹凸
群が終点判定のために専用的に形成されるのに対して、
本実施形態２においてはワーク自体に形成された繰り返
しパターンの配線が終点判定用凹凸群として利用される
点である。

【００７０】ＭＯＳメモリーＬＳＩのワード線形成後が
示されている図１０において、ウエハ６０の上にＭＯＳ
トランジスタの能動素子６１が形成された後にワード線
６３が多数本、金属被膜被着処理やリソグラフィー処理
およびエッチング処理によってパターニングされて形成
されている。各ワード線６３の厚さは約０．３５μｍに
設定され、各ワード線間のピッチＰは１．５μｍに設定
されている。ウエハ６０の第１主面には約１μｍの厚さ
の絶縁膜６４がワード線６３群を被覆するように被着さ
れている。この絶縁膜６４の表面には各ワード線６３の
真上に凸部がそれぞれ形成されるため、絶縁膜６４の表
面には凹凸群６５が形成されることになる。そして、本
実施形態２においては、この絶縁膜６４の表面の凹凸群
６５がＣＭＰされて平坦化される。なお、ＣＭＰによる
平坦化工程において、絶縁膜６４は約０．５μｍだけＣ
ＭＰするのが望ましい。また、絶縁膜６４が平坦化され
た後に、絶縁膜６４のゲート電極６２に対向する部位が
リソグラフィー処理およびドライエッチング処理によっ
てスルーホール（図示せず）が開設され、このスルーホ
ールに対応してビット線（図示せず）がパターニングさ
れて形成される。

【００７１】次に、絶縁膜６４の平坦化工程における本
実施形態に係る終点判定工程について説明する。

【００７２】予め、ピッチ１．５μｍを有するワード線
６３に対応する絶縁膜６４の表面の凹凸群６５から誘起
される振動の周波数１６６．７ｋＨｚが求められて終点
判定装置３４（図１参照）に記憶される。絶縁膜６４に
対するＣＭＰによる平坦化工程において、凹凸群６５か
ら誘起された振動は圧電素子３２（図１参照）によって
モニタリングされ、周波数分析器３３（図１参照）に送
信される。周波数分析器３３は終点判定装置３４によっ
て指定された１６６．７ｋＨｚの振動を終点判定装置３
４に送信する。

【００７３】ここで、図１１は周波数が１６６．７ｋＨ
ｚの振動の減衰度の経時変化を示した特性線図であり、
図１１の特性曲線７０は概ね３つの領域に分けられる。
第１領域７１は段差の大きいＣＭＰ初期に相当する領域
であって、振動強度が大きく減衰度の変化が激しい領域
である。第２領域７２はＣＭＰが進んで段差の肩部がな
だらかになった領域であって、減衰度が比較的に大きく
直線的に変化する領域である。第３領域７３は段差が小
さくなって平坦化が殆ど進まない領域であって、減衰度
の変化が小さくなった領域である。

【００７４】この特性曲線７０を示す振動信号が周波数
分析器３３から送信されて来ると、終点判定装置３４は
第２領域７２における直線部分の外挿から得られる振動
強度が零になると想定される時点Ｔｅを演算して予測す
るとともに、その予測時点Ｔｅに達する迄の総研磨時間
を演算する。そして、この予め演算して求めた総研磨時
間が実際に到達した時点で、終点判定装置３４は終点判
定信号を出力する。なお、本実施形態２に係る終点判定
工程による平坦性の最高検出感度は、前記実施形態１に
係る終点判定工程による０．１μｍ以下に比べて低く、
０．１５μｍ〜０．２μｍであった。

【００７５】以上本発明者によってなされた発明を実施
形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形
態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範
囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

【００７６】例えば、終点判定用凹凸群形成部はウエハ
の周辺部に配設するに限らず、ウエハの中央部に配設し
てもよい。また、終点判定用凹凸群形成部はウエハのス
クライブライン等の不使用領域に配設してもよいし、使
用領域の一部を犠牲にして最もモニタリング感度が良好
になる位置配設してもよい。

【００７７】振動検出手段としては、圧電素子を使用す
るに限らず、ホトセンサや静電素子等を使用してもよ
い。また、振動検出手段はヘッド側に配設するに限ら
ず、研磨工具側に配設してもよい。

【００７８】ヘッドを上側に研磨工具を下側に配置する
に限らず、ヘッドを下側に研磨工具を上側に配置しても
よい。また、ヘッド側を動かすように構成するに限ら
ず、研磨工具側を動かすように構成してもよい。さら
に、ヘッドと研磨工具とはワークの被研磨面と研磨工具
の研磨材面とを相対的に移動させて擦り合わせるように
構成すればよい。要するに、研磨装置の具体的構成は前
記実施形態に限定されない。

【００７９】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、次
の通りである。

【００８０】上層絶縁膜の表面に下層配線によって形成
された凹凸群をＣＭＰして上層絶縁膜の表面を平坦化す
るに際して、ＣＭＰの終点を自動的かつ正確に判定する
ことにより、平坦化不足および下層配線の損傷を防止す
ることができるため、半導体装置の製造方法においてＣ
ＭＰによる上層絶縁膜の平坦化技術を実現させることが
でき、しいては半導体装置の微細化を促進させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である研磨装置を示してお
り、（ａ）は正面断面図、（ｂ）はブロック図である。

【図２】ワークを示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）
は拡大部分断面図である。

【図３】本発明の一実施形態である半導体装置の製造方
法における層間絶縁膜のＣＭＰによる平坦化を説明する
ための各拡大部分断面図を示しており、（ａ）は下層配
線形成工程、（ｂ）は上層絶縁膜形成工程、（ｃ）は平
坦化工程、（ｄ）はスルーホール形成工程、（ｅ）は上
層配線形成工程を示している。

【図４】その平坦化工程において使用される終点判定用
凹凸群を示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面断
面図である。

【図５】凹凸群のピッチと凹凸群の段差との関係を説明
するための各図であり、（ａ）はその関係線図、（ｂ）
および（ｃ）はその関係線図を説明するための試料の一
例を示す各拡大部分断面図である。

【図６】研磨時間と凹凸群の段差の減少量との関係を示
す関係線図である。

【図７】ＣＭＰ中に各凹凸群によってそれぞれ誘起され
る固有周波数振動の強度の減衰度と研磨時間との関係を
示す関係線図である。

【図８】ＣＭＰ中に各凹凸群によってそれぞれ誘起され
る固有周波数振動強度の減衰度を一対の振動同士の比に
ついて研磨時間との関係で示した関係線図である。

【図９】ＣＭＰ終了後の凹凸段差とピッチとの関係を示
す線図である。

【図１０】本発明の他の実施形態である半導体装置の製
造方法におけるＣＭＰによる平坦化工程を説明するため
の主要部の各部分図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は
正面断面図である。

【図１１】その終点判定工程を説明するための振動の減
衰度の経時変化を示した特性線図である。

【符合の説明】

１…ワーク、２…ウエハ、３…オリエンテーションフラ
ット（オリフラ）、４…メモリー、５…層間絶縁膜、５
ａ…下層絶縁膜、５ｂ…上層絶縁膜、６…金属膜、７…
配線、７ａ…下層配線、７ｂ…上層配線、７ｃ…スルー
ホール、７ｄ…スルーホール導体、８、８ａ…凹凸群、
９…被研磨面、８…裏側面、１０…研磨装置（平坦化用
研磨装置）、１１…研磨工具、１２…ベースプレート、
１３…回転軸、１４…研磨クロス、１５…研磨材面、２
１…ヘッド、２２…ヘッド本体、２３…保持穴、２４…
通気口、２５…負圧供給路、２６…剛性板、２７…微細
な通気路、２８…パッド、２９…貫通孔（連通路）、３
０…ガイドリング、３１…凹所、３２…圧電素子（振動
検出手段）、３３…周波数分析器、３４…終点判定装
置、３５…コントローラ、４０…終点判定用凹凸群形成
部、４１、４２、４３、４４、４５…終点判定用凹凸
群、４６…凸部、４７…凹部、５１…第１試料、５２…
第２試料、５３…小ピッチｐおよび小幅ｗの終点判定用
凹凸群、５４…大ピッチＰおよび大幅Ｗの終点判定用凹
凸群、５５、５６…絶縁膜、５７…小段差ｓの凹凸群、
５８…大段差Ｓの凹凸群、６０…ウエハ、６１…ＭＯＳ
トランジスタの能動素子、６２…ゲート電極、６３…ワ
ード線、６４…絶縁膜、６５…凹凸群、７０…振動強度
減衰度特性曲線、７１…第１領域、７２…第２領域、７
３…第３領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小西 信博 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日立 製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者 三谷 真一郎 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日立 製作所デバイス開発センタ内

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウエハの多層配線の表面を平坦に
   するための化学的機械研磨による半導体装置の製造方法
   は以下の工程を備えている。 （ａ） 半導体装置を形成するための半導体ウエハに形
   成された下層絶縁膜の上に下層配線を形成する下層配線
   形成工程。 （ｂ） 前記下層絶縁膜および下層配線の上に上層絶縁
   膜を形成する上層絶縁膜形成工程。 （ｃ） 前記上層絶縁膜が形成された半導体ウエハをヘ
   ッドによって保持して、上層絶縁膜の表面を研磨クロス
   に化学的研磨材を供給しながら相対的に擦り付けること
   により化学的機械研磨し、上層絶縁膜の凹凸を平坦化す
   る平坦化工程。 （ｄ） 前記化学的機械研磨に際して２以上の振動の変
   化をモニタリングすることによって化学的機械研磨の終
   点を判定する終点判定工程。 （ｅ） 平坦化された上層絶縁膜にスルーホールを形成
   するスルーホール形成工程。 （ｆ） スルーホールが形成された上層絶縁膜の上に次
   層の下層配線を形成する次層下層配線形成工程。
2. 【請求項２】 平坦化工程において研磨クロスの少なく
   とも２以上の振動の変化をモニタリングすることによっ
   て研磨の終点を判定することを特徴とする請求項１に記
   載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 平坦化工程において互いに異なる予め指
   定された周波数を有する２以上の振動をモニタリング
   し、各振動の強度の減衰度の比に基づいて研磨の終点を
   判定することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置
   の製造方法。
4. 【請求項４】 振動が半導体ウエハを保持するヘッド側
   でモニタリングされることを特徴とする請求項１に記載
   の半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】 振動が研磨クロス側でモニタリングされ
   ることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造
   方法。
6. 【請求項６】 半導体ウエハの主面に形成された凹凸群
   を化学的機械研磨して半導体ウエハの主面を平坦化する
   平坦化工程を備えている半導体装置の製造方法であっ
   て、 化学的機械研磨に際して研磨クロスの少なくとも２以上
   の振動をモニタリングすることによって研磨の終点を判
   定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 【請求項７】 化学的機械研磨によって誘起する振動の
   うち少なくとも一対の周波数の振動を指定してそれぞれ
   モニタリングし、両振動の強度の減衰度同士の比に基づ
   いて化学的機械研磨の終点を判定することを特徴とする
   請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 【請求項８】 不特定多数の凹凸群のうち少なくとも一
   対の凹凸群のピッチから振動の周波数を予測することに
   より、前記モニタリングすべき振動の周波数を指定する
   ことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方
   法。
9. 【請求項９】 半導体ウエハの多層配線の表面を平坦に
   するための化学的機械研磨による半導体装置の製造方法
   は以下の工程を備えている。 （ａ） 半導体装置を形成するための半導体ウエハに形
   成された下層絶縁膜の上に下層配線を形成するととも
   に、下層絶縁膜の上に下層配線とは別の周期を有する凹
   凸群を少なくとも一群形成する下層配線および終点判定
   用凹凸群形成工程。 （ｂ） 前記下層絶縁膜および下層配線の上に上層絶縁
   膜を形成する上層絶縁膜形成工程。 （ｃ） 前記上層絶縁膜が形成された半導体ウエハをヘ
   ッドによって保持して、上層絶縁膜の表面を研磨クロス
   に化学的研磨材を供給しながら相対的に擦り付けること
   により化学的機械研磨し、上層絶縁膜の凹凸を平坦化す
   る平坦化工程。 （ｄ） 前記化学的機械研磨に際して、前記下層配線お
   よび終点判定用凹凸群形成工程において形成された凹凸
   群によって誘起する振動をモニタリングすることによっ
   て化学的機械研磨の終点を判定する終点判定工程。 （ｅ） 平坦化された上層絶縁膜にスルーホールを形成
   するスルーホール形成工程。 （ｆ） スルーホールが形成された上層絶縁膜の上に次
   層の下層配線を形成する次層下層配線形成工程。
10. 【請求項１０】 半導体ウエハの主面の一部に互いに異
    なる既知の周期を有する少なくとも一対の凹凸群をそれ
    ぞれ形成しておき、前記研磨に際して、両凹凸群によっ
    て誘起する振動の強度の減衰度同士の比に基づいて化学
    的機械研磨の終点を判定することを特徴とする請求項９
    に記載の半導体装置の製造方法。
11. 【請求項１１】 既知の周期を有する凹凸群を半導体ウ
    エハの不使用領域に配置することを特徴とする請求項９
    に記載の半導体装置の製造方法。
12. 【請求項１２】 既知の周期の凹凸群のピッチが０．５
    ｍｍ〜５．０ｍｍに設定されていることを特徴とする請
    求項９に記載の半導体装置の製造方法。
13. 【請求項１３】 半導体ウエハの主面に形成された不特
    定多数の凹凸群を化学的機械研磨してこれら凹凸群を平
    坦化する平坦化工程を備えている半導体装置の製造方法
    であって、 前記平坦化工程以前に、半導体ウエハの主面の一部に前
    記凹凸群とは別の既知の周期を有する凹凸群を少なくと
    も一群形成しておき、前記化学的機械研磨に際して、こ
    の凹凸群によって誘起する振動をモニタリングし、この
    振動の強度の減衰度に基づいて化学的機械研磨の終点を
    判定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
14. 【請求項１４】 半導体ウエハの主面に形成された不特
    定多数の凹凸群を化学的機械研磨することによってこれ
    ら凹凸群を平坦化する研磨装置であって、 前記化学的機械研磨によって前記凹凸群から誘起する振
    動のうち少なくとも予め指定した周波数の振動をモニタ
    リングし、この振動の強度の減衰度に基づいて化学的機
    械研磨の終点を判定することを特徴とする研磨装置。