JPH10112449A

JPH10112449A - 研磨方法および研磨装置

Info

Publication number: JPH10112449A
Application number: JP26595796A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Mitani; 真一郎三谷; Yuichiro Taguma; 祐一郎田熊; Hidefumi Ito; 秀文伊藤; Nobuhiro Konishi; 信博小西; Takeshi Kimura; 剛木村; Minoru Noguchi; 稔野口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-10-07
Filing date: 1996-10-07
Publication date: 1998-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】ＣＭＰ後の残膜厚を高精度に制御するととも
にＣＭＰ工程の処理能力を向上させる。【解決手段】研磨モータ１ａによって回転駆動される
共通の研磨定盤１の研磨パッド２上に、被研磨面に凹凸
のあるウェハ４の研磨を行う研磨ヘッド３と、モニタ用
の平坦な石英板６ａを研磨するモニタヘッド６を配置
し、モニタヘッド６には、石英板６ａの厚さ変化を計測
する膜厚計測部６ｂが備えられ、研磨制御部２０は、ウ
ェハ４と石英板６ａを同時研磨する際に、モニタヘッド
６の側の平坦な石英板６ａの研磨量が、ウェハ４の被研
磨面の物質の種別に対応した所定の既定値に到達した時
点を、ウェハ４の研磨加工の終点と判定して研磨モータ
１ａを停止させる。研磨ヘッド３とモニタヘッド６にお
けるウェハ４および石英板６ａの研磨パッド２に対する
押圧操作は背面側からの共通の流体圧による与圧によっ
て行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨技術に関し、
特に、半導体集積回路装置の製造工程における半導体ウ
ェハのＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing)加工等
に適用して有効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、株式会社工業調査会、平成８
年５月１日発行、「電子材料」１９９６年５月号Ｐ２２
〜Ｐ２７、等の文献にも記載されているように、半導体
集積回路装置の製造プロセスでは、多層配線構造の下地
絶縁膜の平坦化や、ダマシン法等による配線パターンの
埋め込み形成における余剰配線膜の平坦化除去等の工程
で、ＣＭＰ加工を用いることが知られている。

【０００３】ところで、このようなＣＭＰによる平坦化
では初期膜を厚く形成し、所定の残膜を残す事により平
坦化を実現する。研磨後の残膜厚のバラツキは初期膜厚
のバラツキと研磨量のバラツキが相乗される。このた
め、残膜厚を高精度に制御することが難しい。

【０００４】一方、ＣＭＰの平坦化の終点検出技術が色
々検討されている。しかし、実用になる終点検出技術は
まだ確立していない。これは、ＣＭＰの研磨速度が下地
段差パターン密度に大きく依存するためであり、原理的
に難しい。また、一般にＣＭＰの研磨速度は経時的にも
変化するのでＣＭＰの残膜を高精度に制御することが難
しい。たとえば、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が、振動と終点との相関
関係がかならずしも明瞭ではなく、正確な終点検出は原
理的に困難なことが予想される。

【０００５】このため、現実に行われているＣＭＰ作業
では高精度なＣＭＰ後の残膜を得るため色々の作業手順
の工夫が行われている。これらの工夫はノウハウに属す
るため一般的な方法が明らかになっていない。一例とし
て、例えば、下記のような方法がある。

【０００６】品種および工程毎にＣＭＰ前の膜厚規格
中心値（t ＿initial)をＣＭＰ後の残膜（t ＿final)に
するための平坦膜換算の研磨量（RemovalSpec)を予め求
めておく。

【０００７】平坦膜のダミーウエハを研磨して研磨時
間と研磨量から平坦膜の研磨速度（Rate) を求める。

【０００８】製品の初期膜厚（t ＿initial)を測定し
製品研磨の研磨時間（RemovalTime)を、例えば次の式
（１）にて決める。

【０００９】 RemovalTime= (RemovalSpec+ (t ＿initial-t ＿initialSpec)) ／Rate…（１）式（１）にて得られた研磨時間（RemovalTime)だけ製
品の研磨を行い、研磨後の残膜を測定する。

【００１０】研磨後の残膜が製造規格に入っていない
場合、追加研磨を行う。

【００１１】以上の方法により、比較的高精度の残膜を
得ることができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来の〜の方法では、ダミーウェハを製品ウェハと
は別個に研磨してデータを収拾する等の複雑な作業手順
がその都度必要であり、ＣＭＰ工程の処理能力（スルー
プット）を大きく損なうことが懸念される、という技術
的課題がある。

【００１３】本発明の目的は、単純な作業手順で高精度
の研磨終点制御を実現することが可能な研磨技術を提供
することにある。

【００１４】本発明の他の目的は、単純な作業手順で高
スループットを実現することが可能な研磨技術を提供す
ることにある。

【００１５】本発明の他の目的は、研磨定盤の構造を複
雑化することなく、高精度の研磨終点制御および高スル
ープットを実現することが可能な研磨技術を提供するこ
とにある。

【００１６】本発明の他の目的は、ＣＭＰ工程における
高精度の残膜寸法制御を実現することが可能な研磨技術
を提供することにある。

【００１７】本発明の他の目的は、ＣＭＰ工程の処理能
力を向上させることが可能な研磨技術を提供することに
ある。

【００１８】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。

【００１９】

【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簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００２０】本発明の研磨方法では、被研磨面に凹凸の
ある第１の研磨対象物と、被研磨面がほぼ平坦なモニタ
用の第２の研磨対象物とを共通の研磨定盤に対して相対
的に摺動させることによって同時に研磨加工し、第２の
研磨対象物における研磨量に基づいて、第１の研磨対象
物における研磨加工の終点を判定する。

【００２１】例えばＣＭＰ工程に適用した場合、作業手
順を下記のようにする。

【００２２】品種および工程毎にＣＭＰ前の製品であ
る第１の研磨対象物の膜厚規格中心値（t-initial)をＣ
ＭＰ後の残膜（t-final)にするための平坦膜換算（モニ
タ用の第２の研磨対象物）の研磨量を予め求めておく。

【００２３】製品である第１の研磨対象物の初期膜厚
を測定して、第２の研磨対象物における平坦膜換算の研
磨量を決める。

【００２４】第１および第２の研磨対象物を同時に研
磨し、モニタ用の第２の研磨対象物が所定の研磨量にな
る時点まで自動で研磨を行う。

【００２５】本発明は上記のような単純な作業手順を可
能にする以下のような研磨装置を提供する。

【００２６】本発明では、製品である第１の研磨対象物
自体の平坦化の終点検出でなく、製品と同時に研磨され
るモニタ用の第２の研磨対象物の平坦膜換算の研磨量を
研磨と同時に検出する機構を設ける。

【００２７】すなわち、研磨ヘッド（第１の研磨ヘッ
ド）と共通の研磨定盤上にモニタ用研磨ヘッド（第２の
研磨ヘッド）を設けて、研磨速度と研磨量をモニタす
る。

【００２８】研磨ヘッドとモニタ用研磨ヘッドにおける
研磨対象物の研磨定盤に対する押圧操作は、共通の流体
圧源から供給される流体圧によって行う。

【００２９】モニタ用研磨ヘッド内の被研磨物（第２の
研磨対象物）の膜厚の変化を研磨定盤上の研磨パッドと
は反対の面（第２の研磨対象物の背面側）から光干渉法
で研磨と同時に計測して研磨速度と研磨量を求める。研
磨定盤表面の研磨パッドには光の反射率の低い材料を用
いる。

【００３０】上記した本発明の研磨装置は以下のように
作用する。

【００３１】表面に凹凸のある研磨対象物等のＣＭＰ等
の研磨における総研磨量は下地の段差パターンによらず
一定になる。これはＰｒｅｓｔｏｎの経験則として知ら
れている。すなわち、図１０に例示されるように、同一
条件下では、研磨ヘッドにおける凹凸のある第１の研磨
対象物の研磨領域の総研磨量（図中のハッチング部分の
体積）は、モニタ用の第２の研磨対象物の同体積の平坦
な表面の研磨量と等価である。

【００３２】このため、平坦膜換算の研磨量と製品であ
る第１の研磨対象物の初期膜の厚さが判れば残膜を一定
に制御することができる。

【００３３】研磨速度ＶＰは、研磨パッドと被研磨物
の摺動速度ＶＦ、圧力Ｐ、研磨パッドの表面状態・
研磨スラリの状態Ｓ、により左右される。すなわち、研
磨速度ＶＰは、一例として次の式（２）で表される。

【００３４】ＶＰ ∝ Ｋ × Ｐ × ＶＦ × Ｓ …（２）ただし、Ｋは比例定数である。

【００３５】共通の研磨定盤の上に、当該研磨定盤の回
転中心から同一半径上に研磨ヘッドおよびモニタ用ヘッ
ドを設けることにより、研磨用ヘッドとモニタ用ヘッド
ののＶＦとのＳを全く同じにすることができる。

【００３６】また、同じ圧力流体を研磨ヘッドとモニタ
用研磨ヘッドに供給する事によりのＰを両者で全く同
じにすることができ、研磨圧力による研磨ヘッドとモニ
タ用研磨ヘッド間の研磨速度差がなくなる。

【００３７】この結果、製品の研磨ヘッドの研磨速度
（積分すれば研磨量になる）とモニタ用研磨ヘッドの研
磨速度が良い相関関係を示す。すなわち、研磨ヘッドの
研磨速度をモニタ用研磨ヘッドに忠実に反映させること
ができる。

【００３８】光干渉法は一般に薄膜の膜厚を高精度に測
定できる。研磨面側から検査光を入射させる場合、回転
する研磨定盤に検査光を入射させるための穴を開ける必
要がある。定盤の構造上の複雑さのほかに、研磨定盤の
穴がモニタ用ヘッドの直下に来る瞬間のみ膜厚の測定が
可能であり、十分な膜厚計測の精度を得にくい。

【００３９】本発明では、モニタ用の第２の研磨ヘッド
においては、モニタ用の第２の研磨対象物の研磨面の反
対側から、すなわちモニタ用の研磨対象物の背面側から
検査光を入射して計測することにより、上述の技術的課
題を解決できる。

【００４０】また、光干渉法では薄膜の表面と裏面で反
射する検査光の干渉を計測する。研磨定盤が回転するた
め、研磨パッドからの反射光がゆらぐ。本発明では、検
査光に対して光反射率の低い素材にて研磨パッドを構成
することで、高精度の膜厚計測が可能になる。

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。

【００４２】図１は、本発明の研磨方法が実施される研
磨装置の一実施の形態を例示した概念図であり、図２
は、その構成の一部を取り出して示す概念図、図３は、
その構成の一部を取り出して示す断面図である。

【００４３】本実施の形態では、一例として、Ｓ_iＯ₂
等を主成分とする半導体集積回路の多層配線層間膜の平
坦化に用いるＣＭＰ装置に適用した場合を例に採って説
明する。

【００４４】図１に例示されるように、本実施の形態の
研磨装置では、研磨パッド２が被着された共通の研磨定
盤１の上には、製品であるウェハ４の研磨を行う研磨ヘ
ッド３と、モニタヘッド６と、スラリ５を研磨パッド２
に滴下して供給するノズル５ａとが設けられている。研
磨定盤１は、研磨モータ１ａによって回転駆動される。
また、研磨ヘッド３およびモニタヘッド６は、図示しな
い回転駆動機構によって自転する構成となっている。

【００４５】モニタヘッド６には研磨量を研磨と同時に
計測するために厚さ0.５〜2.０ｍｍの石英板６ａが装着
されている。また、モニタヘッド６内に干渉法で石英板
６ａの厚さを計測する膜厚計測部６ｂが内蔵されてい
る。計測された情報は、後述の図７に例示されるような
構成を有し、研磨モータ１ａの回転を制御する研磨制御
部２０に入力される。

【００４６】本実施の形態では、研磨と同時に石英板６
ａの膜厚の変化を測定することで研磨速度が判り、研磨
速度を時間積分することで、モニタヘッド６の石英板６
ａの平坦膜の研磨量を得ることができる。前述の式
（２）に例示したように、研磨速度ＶＰは、研磨定盤
１上の研磨パッド２と研磨ヘッド３内の被研磨物である
ウェハ４との摺動速度ＶＦ、研磨圧力Ｐ、スラリ５
の供給量や研磨パッド２の表面状態（Ｓ）に依存する。
モニタヘッド６および研磨ヘッド３を共通の研磨定盤１
上の同じ回転半径位置に置くことにより、両者間でと
を全く同じにすることができる。このため、モニタヘ
ッド６内の石英板６ａの研磨速度は研磨ヘッド３内のウ
ェハ４の研磨速度を忠実に再現できる。

【００４７】一方、図１１および図１２に例示されるよ
うに、研磨前のウェハ４は表面に段差があるが、研磨後
には平坦化される。図１１では、配線パターン４ａの凹
凸を反映した絶縁膜４ｂの平坦化の場合を示し、図１２
では、溝４ｄが刻設された絶縁膜４ｃの表面に導体膜４
ｅを全面に被着し、この導体膜４ｅを平坦に研磨除去す
ることにより、溝４ｄの内部に導体パターン４ｆを残存
形成する場合を示している。このため、ウェハ４の品種
と工程毎に初期膜厚が規格中心値（ｔＮｉ）の場合、研
磨の残膜厚を規格中心値（ｔＮ）にするための「平坦膜
換算研磨量基準（ｔＲ）」を予め求めておく。そして、
実際の研磨に際しては製品の初期膜厚（ａ）を測定し、
製品（ウェハ４）の研磨量を、次の式（３）に例示され
るように、「製品の平坦膜換算研磨量（ΔＺ）」＝「平坦膜換算研磨量基準（ｔＲ）」＋（製品の初期膜厚（ａ）−初期膜厚規格中心（ｔＮｉ））…（３）のように設定して、モニタヘッド６の石英板６ａの研磨
量が「製品の平坦膜換算研磨量（ΔＺ）」になるまで研
磨を行うことにより、再現性良く規格中心値（ｔＮ）の
残膜厚を得ることができる。

【００４８】たとえば、初期膜厚の規格中心値（ｔＮ
ｉ）が2.２μｍで、規格中心値（ｔＮ）が0.５μｍの残
膜厚を得る場合の「平坦膜換算研磨量基準（ｔＲ）」が
1.０μｍであるとき、実際のウェハ４（製品）の初期膜
厚（ａ）の測定値が2.０μｍであった場合には、製品の平坦膜換算研磨量（ΔＺ）＝1.０−（2.２−2.０）＝0.８（μｍ）を、研磨制御部２０に設定値１０ｅとして指示し、モニ
タヘッド６の石英板６ａの研磨量がΔＺ＝0.８μｍにな
った時点を、研磨ヘッド３のウェハ４の側における研磨
加工の終点と判定する。

【００４９】図２は本実施の形態のＣＭＰ装置における
研磨ヘッド３とモニタヘッド６への研磨圧力の供給方法
の一例を示しており、図３は、研磨ヘッド３とモニタヘ
ッド６の各々の構造の一例を示す断面図である。

【００５０】図２において、７は圧力調整装置であり、
一次側の高圧空気７ａと圧力設定信号７ｂを受けて、圧
力設定値の空気圧を二次側に出力する構造になってい
る。二次側の調整された圧力の空気が研磨ヘッド３とモ
ニタヘッド６に供給される。

【００５１】研磨ヘッド３とモニタヘッド６の各々で
は、圧力調整装置７から供給される空気圧を、それぞれ
可撓性膜３ａおよび可撓性膜６ｃを介して、ウェハ４お
よび石英板６ａの各々の背面に伝達することで、均一な
面圧にて、ウェハ４および石英板６ａの各々が研磨定盤
１の研磨パッド２に押圧される構造となっている。

【００５２】従来のＣＭＰ装置では研磨の圧力が機械的
な加圧であるので、研磨ヘッド３とモニタヘッド６の研
磨圧力を全く同じに保つことができない。しかし、図２
のように、研磨圧力を加圧流体で発生する構造とし、研
磨ヘッド３とモニタヘッド６に共通の圧力源である圧力
調整装置７から加圧流体を供給することで、両者の研磨
圧力を常に同じにすることができる。すなわち、図１お
よび図２、図３の構成のＣＭＰ装置の構造により、前述
の式（２）における研磨圧力Ｐが、研磨ヘッド３とモ
ニタヘッド６で共通となる。従って、研磨ヘッド３とモ
ニタヘッド６間の研磨速度を原理的に常に同じにするこ
とができ、モニタヘッド６の研磨速度で研磨ヘッド３の
研磨速度を高精度で計測が可能となる。

【００５３】図４は図１、図２および図３の構造のＣＭ
Ｐ装置で研磨ヘッド３とモニタヘッド６の研磨速度を比
較した図である。研磨速度自体は±１０％程度の範囲で
変動しているが、研磨ヘッド３とモニタヘッド６間の研
磨速度の差は±１％以内である。図１、図２および図３
の本実施の形態の機構を用いることにより、高精度で研
磨速度をモニタできることを示している。この例の研磨
ヘッド３内の被研磨膜は、前述のように一例としてプラ
ズマＣＶＤで形成したＳ_iＯ₂膜であり、モニタヘッド
６内のモニタ用被研磨物は石英板６ａである。石英板６
ａはＳ_iＯ₂のプラズマＣＶＤ膜と物性的に殆ど同じ組
成であり、ＣＭＰに対しても殆ど同じ研磨速度を示すの
で採用したが、被研磨物とモニタ用被研磨物が異質の物
質であっても、後述の図９等に例示されるように、両者
のＣＭＰに対する研磨速度比を予め求めておけばよいこ
とは言うまでもない。

【００５４】図５はモニタヘッド６内に設ける干渉型の
膜厚計測部６ｂの構造の一例を示す概念図である。ま
た、図６はモニタ用の石英板６ａの膜厚計測の原理の一
例を示す概念図、図７は、研磨制御部２０に設けられた
膜厚モニタの信号処理部の構成の一例を示すブロック図
である。

【００５５】まず、図５を用いて本実施の形態の干渉型
膜厚計の構造を説明する。

【００５６】膜厚計測部６ｂはレーザ光源部分と受光部
分よりなっており、レーザ光源８ａから出る単色光はス
リット８ｂを通り石英板６ａに入射する。石英板６ａか
ら反射したレーザ光９ａはスリット８ｃを通り受光素子
８ｄで捕捉され、反射光量を測定する構造になってい
る。反射光は石英板６ａによる干渉効果により石英板６
ａの膜厚に依存して強度が変わる。このため、反射光の
強度を測定することで石英板６ａの膜厚をモニタでき
る。

【００５７】図６を用いて石英板６ａの膜厚測定の原理
を説明する。レーザ光源８ａから入射したレーザ光９ａ
は石英板６ａの裏面で反射する成分９ｂ、石英板６ａの
表面（研磨面）で反射する成分９ｃ、および研磨パッド
２の表面で反射する成分９ｄに別れる。一部分は石英板
６ａの表面と研磨パッド２の表面間に存在するＨ₂Ｏを
主成分とするスラリ５からも反射されるが、一般的にス
ラリ５の層が薄いのでこの成分は小さい。干渉効果は石
英板６ａの裏面で反射する成分９ｂと表面で反射する成
分９ｃ間で生じる。９ｂと９ｃの光路差が１／２波長に
なるたびに９ｂと９ｃが打ち消し合う。このため、研磨
の進行とともに反射光の強度が変わる。しかし、本実施
の形態のような光干渉法による膜厚検出では、研磨パッ
ド２の表面で反射する成分９ｄが干渉する目的の成分９
ｂ，９ｃに重なるという技術的課題がある。研磨パッド
２の表面には凹凸があるため、研磨パッド２から反射さ
れる成分９ｄも時間的に変動する。そこで、本実施の形
態では、図５に例示されるスリット８ｂ，８ｃにより、
研磨パッド２で反射する成分９ｄを低減する効果を得て
いる。また、特に図示しないが、研磨パッド２にレーザ
光９ａに対して反射率の低い、たとえば黒色の材料を用
いることで、研磨パッド２で反射する成分９ｄに起因す
るノイズを低減させる。

【００５８】図７で、研磨制御部２０における反射光の
信号処理方法の一例を説明する。まず、受光素子８ｄか
ら到来する検出信号８ｅをローパスフィルタ１０ａに通
す。研磨パッド２は研磨定盤１とともに自転するので研
磨パッド２で反射する成分９ｄは高周波成分となる。こ
のため、研磨パッド２で反射する成分９ｄをカットする
ことができる。次にローパスフィルタ１０ａの出力信号
を演算処理部１０ｂに入れる。演算処理部１０ｂでは反
射光のピークとピークの時間間隔Δｔを抽出し研磨速度
を計算する。Δｔの間の平均的な研磨速度は、λＳｉｎ
（θ）／（２Δｔ）で得られる。

【００５９】たとえば、研磨定盤１の回転数が毎分２０
回転で、平坦膜換算でほぼ１μｍの研磨が可能な場合に
おいて、レーザ光９ａとして波長λ＝５０００Åの単色
光を用いる場合、λ／２＝２５００Åであり、さらに石
英板６ａの屈折率ｎ≒1.５を考慮すると、石英板６ａ内
における実効的なλ／２は、２５００Å／1.５≒１５０
０Åとなり、ほぼ１５００Å毎に、すなわち、１μｍの
膜厚を３分間で研磨する速度では、ほぼΔｔ≒２７秒毎
に反射光のピークが検出されるので、十分なモニタ精度
が得られる。

【００６０】次に、研磨速度は積分器１０ｃに入る。積
分器１０ｃにおいて研磨速度を積分し、累積の研磨量を
求める。この累積研磨量をコンパレータ１０ｄに入力し
研磨量の設定値１０ｅ（製品の平坦膜換算研磨量（Δ
Ｚ））を比較する。コンパレータ１０ｄは累積研磨量を
研磨量の設定値１０ｅと比較し、累積研磨量が研磨量の
設定値１０ｅに等しくなった時、研磨を停止する停止信
号１０ｆを出力して研磨を終了させる。

【００６１】なお、本実施の形態の場合には、図９に例
示されるような終点判定制御テーブル２１を、研磨制御
部２０に設けている。すなわち、終点判定制御テーブル
２１には、モニタ用の石英板６ａと、研磨ヘッド３のウ
ェハ４における被研磨膜の材質とが異なる場合の換算値
（設定値１０ｅ）が、各ウェハ４の被研磨膜の各材質毎
に設定されており、同一のモニタ用の石英板６ａにて、
材質の異なる複数の被研磨膜の終点判定を可能にしてい
る。図９の例では、ウェハ４の被研磨膜が石英板６ａと
同等の酸化シリコン（Ｓ_iＯ₂)の場合には設定値１０ｅ
としてｔ１が設定され、それと異なるタングステン、ア
ルミニウム、銅等の場合には、それぞれ、換算値ｔ２，
ｔ３，ｔ４が設定される。

【００６２】一般に光学干渉法で膜厚を測定する場合、
光源として白色光を用い、薄膜の分光特性から膜厚を算
出する方法をとることが一般的であり、この方法を用い
て石英板６ａの膜厚を計測してもよい。この場合には、
白色光に含まれる複数種の波長の光の干渉現象を観測し
て比較することで膜厚の絶対値を測定することが可能で
あるが、構造が複雑になるという欠点がある。そこで、
本実施の形態では、モニタヘッド６の中に膜厚モニタ
（図５）を内蔵するため、装置構造が簡単で済む単色光
を用いた。また、研磨と同時に膜厚を高速に測定する必
要があることや研磨パッド２で反射する成分９ｄの影響
を除くためにフィルタを必要とすることから、高速で膜
厚測定が可能な単色光の光源を用いる膜厚計測法が有利
である。

【００６３】なお、研磨ヘッド３およびモニタヘッド６
のサイズはかならずしも等しい必要はなく、研磨定盤１
に対する単位面積当たりの押圧力が研磨ヘッド３のウェ
ハ４とモニタヘッド６の石英板６ａとで等しいように制
御するだけでよい。

【００６４】また、研磨ヘッド３およびモニタヘッド６
を共通の研磨定盤１の同一回転半径位置に配置する必要
はなく、研磨ヘッド３の回転半径Ｒと、モニタヘッド６
の回転半径ｒの比によって、研磨速度、すなわち製品の
平坦膜換算研磨量（ΔＺ）を（ｒ／Ｒ）倍して補正する
ことも可能である。

【００６５】これらのことを踏まえた研磨装置の変形例
を図８に例示する。この図８は、研磨装置の変形例を示
す平面図であり、研磨定盤１の同一半径位置（半径Ｒ）
には、各々がウェハ４を保持した複数の研磨ヘッド３が
配置され、その間に、研磨ヘッド３よりもサイズの小さ
いモニタヘッド６が、研磨ヘッド３よりも内側の半径位
置（半径ｒ＜Ｒ）に配置されている。また、複数の研磨
ヘッド３の間には、研磨定盤１の半径方向に往復動して
当該研磨定盤１の研磨パッド２に目立て動作を行う目立
てヘッド４０が配置されている。この場合には、前述の
ように、研磨ヘッド３の回転半径Ｒと、モニタヘッド６
の回転半径ｒの比によって、研磨速度、すなわち製品の
平坦膜換算研磨量（ΔＺ）を（ｒ／Ｒ）倍して補正す
る。

【００６６】この場合には、１回の研磨工程におけるモ
ニタヘッド６の石英板６ａの研磨量が少なくなるので、
モニタ用の１枚の石英板６ａを繰り返し使用することで
寿命が長くなり、原価低減に寄与できる。また、サイズ
の小さなモニタヘッド６を、研磨定盤１上における複数
の研磨ヘッド３の配置に邪魔にならない任意の位置に配
置することで、一つの研磨定盤１に装着できる研磨ヘッ
ド３の数を増やすことができ、研磨装置単位でのスルー
プットを向上させることができる。

【００６７】なお、研磨ヘッド３と、モニタヘッド６に
おけるウェハ４および石英板６ａの押圧力は、必ずしも
等しくする必要はなく、たとえば、図２に例示された構
成において、圧力調整装置７からモニタヘッド６に至る
与圧流体の経路に図示しない圧調整機構を介在させるこ
とによって、モニタヘッド６の側の圧を低くし、研磨速
度を、研磨ヘッド３の側の圧との比率に応じて補正する
ようにしてもよい。この場合にも、モニタヘッド６にお
けるモニタ用の石英板６ａの研磨速度を小さくして１回
の研磨工程当たりの消耗量を低減でき、寿命を向上させ
ることが可能となる。

【００６８】以上説明したように、本実施の形態の研磨
方法および装置によれば、モニタヘッド６の側における
平坦な石英板６ａの研磨量の観察によって、研磨ヘッド
３の側のウェハ４の研磨量（残膜厚）を精密に制御でき
るという効果が得られる。特に、半導体装置の製造プロ
セスにおけるウェハのＣＭＰ工程に適用した場合には、
残膜厚の精密な制御によって歩止まりを向上させること
ができる。

【００６９】また、研磨の作業の手順を単純化でき、研
磨工程の処理能力を大幅に向上できる。特に、半導体装
置の製造プロセスにおけるウェハのＣＭＰ工程に適用し
た場合には、ＣＭＰ工程のスループットが向上し、半導
体装置の原価低減に寄与できる。

【００７０】また、モニタ用のレーザ光９ａを、モニタ
ヘッド６における石英板６ａの背面側から入射させる構
成とすることにより、研磨定盤１の側にレーザ光９ａの
照射および検出のための透孔を穿設する等の煩雑な加工
が不要になり、研磨装置の製造原価を削減することがで
きる。

【００７１】さらに、研磨定盤１上の研磨パッド２をモ
ニタ用のレーザ光９ａの反射率の低い素材で構成するこ
とにより、研磨パッド２で反射する成分９ｄの光量を抑
制してモニタ用の石英板６ａの研磨速度のモニタ精度を
向上させることができる。

【００７２】以上本発明者によってなされた発明を実施
の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施
の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。

【００７３】たとえば、第１の研磨対象物としては、上
述の実施の形態において例示したウェハに限らず、研磨
量の精密な制御を必要とする任意の研磨対象物に広く適
用できる。

【００７４】

【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、
以下のとおりである。

【００７５】本発明の研磨方法によれば、単純な作業手
順で高精度の研磨終点制御を実現することができる、と
いう効果が得られる。

【００７６】また、本発明の研磨方法によれば、単純な
作業手順で高スループットを実現することができる、と
いう効果が得られる。

【００７７】また、本発明の研磨方法によれば、研磨定
盤の構造を複雑化することなく、高精度の研磨終点制御
および高スループットを実現することができる、という
効果が得られる。

【００７８】また、本発明の研磨方法によれば、ＣＭＰ
工程における高精度の残膜寸法制御を実現することがで
きる、という効果が得られる。

【００７９】また、本発明の研磨方法によれば、ＣＭＰ
工程の処理能力を向上させることができる、という効果
が得られる。

【００８０】本発明の研磨装置によれば、単純な作業手
順で高精度の研磨終点制御を実現することができる、と
いう効果が得られる。

【００８１】また、本発明の研磨装置によれば、単純な
作業手順で高スループットを実現することができる、と
いう効果が得られる。

【００８２】また、本発明の研磨装置によれば、研磨定
盤の構造を複雑化することなく、高精度の研磨終点制御
および高スループットを実現することができる、という
効果が得られる。

【００８３】また、本発明の研磨装置によれば、ＣＭＰ
工程における高精度の残膜寸法制御を実現することがで
きる、という効果が得られる。

【００８４】また、本発明の研磨装置によれば、ＣＭＰ
工程の処理能力を向上させることができる、という効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の研磨方法が実施される研磨装置の一実
施の形態を例示した概念図である。

【図２】本発明の研磨方法が実施される研磨装置の構成
の一部を取り出して示す概念図である。

【図３】本発明の研磨方法が実施される研磨装置の構成
の一部を取り出して示す断面図である。

【図４】本発明の研磨方法が実施される研磨装置におい
て研磨ヘッドとモニタヘッドの研磨速度を比較した結果
の一例を示す線図である。

【図５】本発明の研磨方法が実施される研磨装置におい
て、モニタヘッド内に設ける干渉型の膜厚計測部の構造
の一例を示す概念図である。

【図６】本発明の研磨方法が実施される研磨装置のモニ
タヘッドにおける石英板の膜厚計測の原理の一例を示す
概念図である。

【図７】本発明の研磨方法が実施される研磨装置の研磨
制御部に設けられた膜厚モニタの信号処理部の構成の一
例を示すブロック図である。

【図８】本発明の研磨方法が実施される研磨装置の変形
例を示す平面図である。

【図９】本発明の研磨方法が実施される研磨装置にて用
いられる終点判定制御テーブルの一例を示す概念図であ
る。

【図１０】本発明の研磨方法が実施される研磨装置にお
ける動作原理の一例を示す概念図である。

【図１１】本発明の研磨方法が実施される研磨装置にて
研磨されるウェハの表面の凹凸パターンの一例を示す断
面図である。

【図１２】本発明の研磨方法が実施される研磨装置にて
研磨されるウェハの表面の凹凸パターンの一例を示す断
面図である。

【符号の説明】

１研磨定盤１ａ研磨モータ２研磨パッド３研磨ヘッド（第１の研磨ヘッド）３ａ可撓性膜４ウェハ（第１の研磨対象物）４ａ配線パターン４ｂ絶縁膜４ｃ絶縁膜４ｄ溝４ｅ導体膜４ｆ導体パターン５スラリ５ａノズル６モニタヘッド（第２の研磨ヘッド）６ａ石英板（第２の研磨対象物）６ｂ膜厚計測部（計測手段）６ｃ可撓性膜７圧力調整装置（流体圧源）７ａ高圧空気７ｂ圧力設定信号８ａレーザ光源８ｂスリット８ｃスリット８ｄ受光素子９ａレーザ光（検査光）９ｂ石英板６ａの裏面で反射する成分９ｃ石英板６ａの表面（研磨面）で反射する成分９ｄ研磨パッド２で反射する成分１０ａローパスフィルタ１０ｂ演算処理部１０ｃ積分器１０ｄコンパレータ１０ｅ設定値（閾値）１０ｆ停止信号２０研磨制御部（研磨制御手段）２１終点判定制御テーブル４０目立てヘッド

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者木村剛東京都青梅市今井2326番地株式会社日立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者野口稔神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被研磨面に凹凸のある第１の研磨対象物
と、被研磨面がほぼ平坦なモニタ用の第２の研磨対象物
とを共通の研磨定盤に対して相対的に摺動させることに
よって同時に研磨加工し、前記第２の研磨対象物におけ
る研磨量に基づいて、前記第１の研磨対象物における前
記研磨加工の終点を判定することを特徴とする研磨方
法。
【請求項２】請求項１記載の研磨方法において、研磨
中における前記第２の研磨対象物における研磨量を実時
間で計測し、前記研磨量が所定の閾値に到達した時点を
前記第１の研磨対象物における前記研磨加工の終点と判
定することを特徴とする研磨方法。
【請求項３】請求項２記載の研磨方法において、前記
被研磨面の材質の異なる複数種の前記第１の研磨対象物
の各々毎に前記閾値を持ち、共通の前記第２の研磨対象
物を用いて、複数種の前記第１の研磨対象物における研
磨加工の終点判定を行うことを特徴とする研磨方法。
【請求項４】請求項２記載の研磨方法において、前記
第２の研磨対象物の前記被研磨面の反対側から検査光を
入射させ、前記第２の研磨対象物を経由した前記検査光
の光量を計測する光干渉法によって前記第２の研磨対象
物の研磨加工中における厚さ寸法の変化を計測すること
により、前記第２の研磨対象物の前記研磨量を得ること
を特徴とする研磨方法。
【請求項５】研磨定盤と、前記研磨定盤に対して被研磨面に凹凸のある第１の研磨
対象物を相対的に摺動させることによって前記第１の研
磨対象物の研磨加工を行う第１の研磨ヘッドと、前記研磨定盤に対して被研磨面がほぼ平坦なモニタ用の
第２の研磨対象物を相対的に摺動させることによって前
記第２の研磨対象物の研磨加工を行う第２の研磨ヘッド
と、前記第１および第２の研磨ヘッドによる前記研磨加工中
における前記第２の研磨対象物の厚さ寸法を計測する計
測手段と、前記計測手段から得られる前記第２の研磨対象物の前記
厚さ寸法の変化に基づいて、前記第１の研磨対象物にお
ける前記研磨加工の終点を判定する研磨制御手段と、を含むことを特徴とする研磨装置。
【請求項６】請求項５記載の研磨装置において、前記
第１および第２の研磨ヘッドは、共通の流体圧源に接続
され、前記流体圧源から供給される流体圧によって、前
記第１および第２の研磨対象物の前記研磨定盤に対する
前記研磨加工中の押圧操作が行われるようにしたことを
特徴とする研磨装置。
【請求項７】請求項５記載の研磨装置において、前記
計測手段は、前記研磨定盤との間に前記第２の研磨対象
物を挟む位置に配置され、前記第２の研磨対象物の被研
磨面の反対側から検査光を入射させる光源と、前記第２
の研磨対象物を経由した前記検査光の光量を検出する光
検出手段とを含み、光干渉法を用いて前記第２の研磨対
象物の厚さ寸法の変化を計測するようにしたことを特徴
とする研磨装置。
【請求項８】請求項７記載の研磨装置において、前記
研磨定盤の表面には、前記第１および第２の研磨対象物
に摺接する研磨パッドが設けられ、前記研磨パッドは、
前記検査光の反射率の小さな物性を有することを特徴と
する研磨装置。
【請求項９】請求項５記載の研磨装置において、前記
研磨制御手段は、前記計測手段から得られる前記第２の
研磨対象物の前記厚さ寸法の変化に基づいて前記第２の
研磨対象物の研磨量を取得し、前記研磨量を所定の閾値
と比較することによって前記第１の研磨対象物の研磨加
工の終点を判定するとともに、前記第１の研磨対象物に
おける前記被研磨面の材質毎に前記閾値を記憶する記憶
手段を持ち、共通の前記第２の研磨対象物を用いて前記
被研磨面の材質の異なる複数種の前記第１の研磨対象物
の研磨加工の終点を判定することを特徴とする研磨装
置。
【請求項１０】請求項５，６，７，８または９記載の
研磨装置において、前記第１の研磨対象物は、半導体集
積回路装置の製造工程における半導体ウェハであり、前
記半導体ウェハに対する化学的機械的研磨（ＣＭＰ）加
工を行うことを特徴とする研磨装置。