JPH08139060A

JPH08139060A - 半導体装置の製造方法及び化学的機械研磨装置

Info

Publication number: JPH08139060A
Application number: JP29558294A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Fuse; 晃広布施
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1994-11-04
Filing date: 1994-11-04
Publication date: 1996-05-31

Abstract

(57)【要約】【目的】一連のプロセスからなる化学的機械研磨を用
いて接続孔に金属を埋め込むとともに、絶縁膜表面も平
坦化する。【構成】半導体基板１上に形成された金属配線２の上
に層間絶縁膜３を形成し、層間絶縁膜３に接続孔４を形
成した後、層間絶縁膜３上から金属膜６を形成する。化
学的機械研磨プロセスにより酸性研磨液を用いて金属膜
６を研磨する。この化学的機械研磨では研磨面に層間絶
縁膜３の表面が露出した時点を、キャリアヘッドの回転
トルクの変化やウエハの厚さ方向の導電率の変化から検
知し、その時点を終点として、そのまま金属膜の研磨を
ある量継続する。その後、金属膜用研磨液の供給を停止
し、それに代えて純水を研磨面に供給してリンスを行な
った後、絶縁膜用のアルカリ性研磨液に切り換えて層間
絶縁膜３を研磨し、その表面を平坦化する。このときの
研磨では接続孔４に埋め込まれた金属６が層間絶縁膜３
の研磨のストッパとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造方法と
それに用いる化学的機械研磨装置に関し、特にウエハプ
ロセスのうち多層配線を形成する工程で接続孔（コンタ
クトホールとヴィアホールの両方を含む）に金属を埋め
込むとともに、その接続孔が形成されている絶縁膜表面
を平坦にするプロセスに特徴を有する製造方法とそれに
用いる装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、半導体装置の微細化と集積化が進
むにつれて多層配線は必要不可欠な技術となってきてい
る。しかし、従来の技術の延長では、絶対段差が厳しく
なり、フォトリソグラフィのマージンが確保できなくな
ったり、層間絶縁膜や配線用金属膜のカバレッジが十分
に確保できないという問題が生じ、金属配線を形成する
絶縁膜表面を平坦化することが強く求められている。そ
こで、これらの問題を解決する１つの手法として、絶縁
膜の成膜プロセス側からのアプローチも行なわれている
が、その手法では部分的な平坦化は実現できるものの、
完全平坦化は極めて困難な状況である。

【０００３】最近積極的に検討されているのが化学的機
械研磨（Chemical Mechanical Polishing；ＣＭＰ）技
術である。この化学的機械研磨では従来の単純な機械研
磨技術に加えて、研磨対象物がシリコン酸化膜のような
絶縁物の場合にはアルカリ性に調製した研磨液（スラリ
ー）を使用し、研磨対象物が金属膜の場合には酸性に調
製した研磨液を用いる。このように、化学的機械研磨で
は研磨対象物に従って研磨液を選択することにより、化
学的な研磨も同時に行なわせて絶縁物と金属との間での
研磨速度の選択性を利用する。

【０００４】具体的に化学的機械研磨を利用した方法と
して、接続孔に金属を埋め込む技術が提案されている。
そこでは、絶縁膜に設けた接続孔に埋め込むための金属
膜を形成した後、絶縁膜よりも金属膜の研磨速度が大き
くなる研磨液を用いて金属膜を化学的機械研磨し、絶縁
膜をストッパとして金属膜を接続孔に埋め込むことが紹
介されている（「日経マイクロデバイス」誌、１９９２
年６月号、６６〜６７頁参照）。また、そこでは金属膜
パターンを形成し、それを被う絶縁膜を形成した後、絶
縁膜研磨用の研磨液を用いて金属膜をストッパとして絶
縁膜の研磨を行なうことも紹介されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の文献に紹介され
ているような化学的機械研磨では、絶縁膜形成後に絶縁
膜用の化学的機械研磨を行なうか、又は金属膜形成後に
金属膜用の化学的機械研磨を行なうというように、それ
ぞれ化学的機械研磨プロセスを行なうものである。その
ため、例えば金属膜を研磨して接続孔に金属を埋め込む
方法では、研磨後の絶縁膜表面の平坦性はその絶縁膜の
当初の平坦性に大きく依存し、金属膜形成前の絶縁膜表
面の凹凸が金属膜の化学的機械研磨後にも残ることにな
る。もし、接続孔に金属を埋め込み、かつ絶縁膜表面も
平坦にしようとすれば、金属膜形成前にいったん絶縁膜
を化学的機械研磨により平坦化した後、接続孔を形成
し、金属膜形成後に再び金属膜用の化学的機械研磨を行
なうというように、結果的に２度の化学的機械研磨を行
なう必要があり、工程数が増え、プロセスが複雑にな
り、製造コストの上昇を招くという問題がある。

【０００６】本発明は化学的機械研磨を用いて接続孔に
金属を埋め込むとともに絶縁膜表面も平坦化し、しかも
その化学的機械研磨を一連のプロセスにより行なえるよ
うにすることによって、工程数を減らし製造コストの上
昇を抑え、高い安定性と再現性をもって平坦化する方法
を提供することを目的とするものである。本発明はま
た、そのような方法を実施するのに適した化学的機械研
磨装置を提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では、半導体基板
ウエハ上に絶縁膜を形成し、その絶縁膜の所定の位置に
接続孔を形成した後、その絶縁膜上から金属膜を形成
し、ウエハの裏面側をキャリアヘッドにより保持し、ウ
エハの表面側を研磨パッドに押しつけながら回転させて
研磨を行なうが、その研磨は次の工程（Ａ）から（Ｃ）
を含む一連の化学的機械研磨である。（Ａ）ウエハ表面
と研磨パッドの間に、研磨材を含み金属に対する研磨速
度を高めるように調製された金属膜用研磨液を供給し
て、絶縁膜が露出し、接続孔以外の部分には金属膜が残
らないようになるまで金属膜を研磨する工程、（Ｂ）そ
の後、ウエハ表面と研磨パッドの間に供給するのを金属
膜用研磨液から水に切り換えて研磨面をリンスする工
程、（Ｃ）その後、ウエハ表面と研磨パッドの間に供給
するのを、水から、研磨材を含み絶縁物に対する研磨速
度を高めるように調製された絶縁膜用研磨液に切り換
え、接続孔に埋め込まれた金属膜をストッパとして絶縁
膜を研磨し、絶縁膜表面を平坦化する工程。金属膜用研
磨液は酸性に調製された酸性研磨液や金属の研磨を促進
する促進剤を添加した研磨液である。絶縁膜用研磨液は
アルカリ性に調製されたアルカリ性研磨液や絶縁物の研
磨を促進する促進剤を添加した研磨液である。

【０００８】好ましい態様では、金属膜を研磨する工程
（Ａ）では、キャリアヘッドの回転トルクから金属膜研
磨の終点を検知する。終点検知は回転トルクが所定の大
きさ以上に増大した時点、又はさらにその変化率が所定
の条件を満たした時点を検出して終点とし、その終点検
知後さらに所定量の研磨を続ける。他の好ましい態様で
は、金属膜を研磨する工程（Ａ）では、ウエハの表面側
と裏面側との間でのそのウエハの厚さ方向の導電率から
金属膜研磨の終点を検知する。終点検知は導電率が所定
の大きさ以下に低下した時点、又はさらにその変化率が
所定の条件を満たした時点を検出して終点とし、その終
点検知後さらに所定量の研磨を続ける。金属膜の好まし
い例としては、タングステン膜、アルミニウム膜もしく
はアルミニウム合金膜、又は銅膜を用いることができ
る。

【０００９】本発明の研磨装置は、上面が水平面とな
り、その水平面に研磨パッドを有し、水平面内で回転す
る研磨定盤と、ウエハ基板の裏面を保持し、そのウエハ
基板の表面を前記研磨パッドに押しあて、荷重をかけて
水平面内で回転させるヘッド機構と、ある研磨工程の終
点を検知する測定系と、研磨パッド上へ金属膜用研磨
液、絶縁膜用研磨液及び純水を切り換えて供給できる研
磨液供給部とを備えている。ある研磨工程の終点を検知
する測定系は、ヘッド機構の回転トルクを検出し、その
検出した回転トルクが予め設定された参照レベルに達し
た時点、もしくはさらに回転トルクの変化率が所定の条
件を満たした時点を検出して終点とする回転トルク測定
系、又はウエハ基板の厚さ方向の導電率を検出し、その
検出した導電率が予め設定された参照レベル以下に低下
した時点、もしくはさらに導電率の変化率が所定の条件
を満たした時点を検出してその研磨工程の終点とする導
電率測定系である。

【００１０】図１を参照して本発明の化学的機械研磨プ
ロセスの一例を説明する。（Ａ）半導体基板１上に形成された金属配線２の上に層
間絶縁膜３を形成する。（Ｂ）フォトグラフィ工程とエッチング工程により接続
孔４を形成する。（Ｃ）層間絶縁膜３上から金属膜６を形成する。このと
き、必要があれば金属膜の形成に先立って密着層５を形
成する。ここまでの工程は全て既知の工程である。

【００１１】（Ｄ）半導体基板１のウエハの裏面側を研
磨装置のキャリアヘッドにより保持し、ウエハの表面側
を研磨パッドに押しつけながら回転させて、化学的機械
研磨プロセスにより金属膜６（密着膜５が形成されてい
るときは密着膜５も金属膜６と同時に研磨する。以下に
おいても同じ。）を研磨する。この化学的機械研磨の研
磨液としては金属膜用に酸性に調製された研磨液を用い
る。

【００１２】研磨面に層間絶縁膜３の表面が露出した時
点を、キャリアヘッドの回転トルクの変化やウエハの厚
さ方向の導電率の変化から検知し、その時点を終点とす
る。終点では図に示されるように、層間絶縁膜３の表面
が金属配線２間で落ち込んだ部分にはまだ金属膜の一部
７が残った状態である。

【００１３】（Ｅ）研磨面に層間絶縁膜表面が露出した
後もそのまま金属膜の研磨をある量継続することによ
り、工程（Ｄ）で残っていた金属膜の一部７を完全に除
去する。しかし、この時点では層間絶縁膜３の表面の平
坦性はそれほど実現されていない。キャリアヘッドの回
転を続けながら、この時点で金属膜用の研磨液の供給を
停止し、それに代えて純水を研磨面に供給することによ
りリンスを行ない、研磨面での金属膜用の研磨液を純水
に置換する。

【００１４】（Ｆ）その後、純水の供給からアルカリ性
に調製された絶縁膜用の研磨液に切り換えて供給し、層
間絶縁膜を研磨して層間絶縁膜３の表面を平坦化する。
このときの研磨の終点検知は不要であり、接続孔４に埋
め込まれた金属６が層間絶縁膜３の研磨のストッパとな
る。そのため、この研磨プロセスの安定性や再現性は容
易に得られる。

【００１５】本発明の化学的機械研磨は研磨液の切換え
を含む一連の化学的機械研磨である。その特徴は次のよ
うに整理することができる。金属膜用の研磨液を用いて金属膜を研磨し、金属膜
の研磨の終点を検知し、金属膜研磨の終点検知後も所定
量の金属研磨を継続する。リンス工程を経て研磨液を絶縁膜用の研磨液に切り
換え、金属をストッパとして絶縁膜を研磨する。

【００１６】金属膜研磨の終点検知について説明する。
一般に、化学的機械研磨プロセスにおいてその終点検知
は、終点となる研磨面が被研磨物の領域内に現れた時点
を終点とするものであるが、キャリアヘッドと研磨定盤
との位置関係や容量など、連続的に変化する量をもとに
して検知しようとすると、検知精度や再現性に問題があ
る。しかし、本発明のように金属膜と絶縁膜の界面に研
磨の終点を求めるというように、異種材料間の界面に研
磨の終点を求める場合にはそのように問題はなく、比較
的容易に研磨の終点を求めることができる。特に、金属
膜と絶縁膜との界面の検出に関しては、キャリアヘッド
の回転トルクの変化量や半導体基板ウエハの導電率の変
化量は有効な情報となる。本発明ではこれらの情報をも
とに研磨の終点を求めることにより、プロセスの安定性
に優れ、再現性の良好な制御が可能となる。

【００１７】金属膜研磨の終点検知後もある量の研磨を
継続するのは以下の理由からである。一般に、層間絶縁
膜の段差被覆形状は下地の金属配線パターンを反映し、
配線パターン間上の層間絶縁膜の表面は落ち込んだ形と
なっている。層間絶縁膜の成膜プロセスに工夫を加える
ことにより、この落ち込んだ形状はいくらか解消するこ
とができる。これがいわゆる部分的平坦化と称されてい
るものであるが、完全平坦化は不可能である。そこで、
この状態の層間絶縁膜上に金属膜を形成し、化学的機械
研磨により金属膜の研磨を行ない、層間絶縁膜の一部が
露出した時点で研磨を中止すると、層間絶縁膜表面の落
ち込んだ領域上に形成された金属膜は研磨の終点時にお
いても一部が残った状態となる。この状態のまま半導体
装置の製造工程を続行すると、この残った一部の金属膜
が配線間のショートの原因になり、信頼性及び歩留まり
の低下を招く。そこで、本発明においては金属膜の終点
検知後も所定の量の研磨を継続することにより、層間絶
縁膜表面の落ち込み領域に残った一部の金属膜を除去す
る。その結果、本発明では層間絶縁膜の表面を敢えて平
坦にするための複雑な部分的平坦化プロセスは必要では
なく、層間絶縁膜の成膜工程の自由度を広げるのに寄与
する。

【００１８】金属膜研磨用の研磨液から純水に切り換え
るリンス工程は、金属膜用研磨液として酸性研磨液を使
用していた場合に、それからからいきなり絶縁膜用の研
磨液としてアルカリ性研磨液に切り換えると発熱したり
生成物が発生するので、それを防ぐのが主な目的であ
り、また、研磨の終点を明確にし、再現性を向上させる
のにも役立つ。絶縁膜用の研磨液を用いて層間絶縁膜を
研磨する場合、一般にはその終点検知が大きな課題であ
るが、本発明においては接続孔にすでに埋込みがなされ
ている金属をストッパとして研磨できるため、プロセス
の安定性や再現性が向上する。

【００１９】

【実施例】図２（Ａ）は本発明を実施するための化学的
機械研磨装置の第１の例を示したものである。２１は研
磨定盤であり、その上面が水平面となり、回転軸２２に
よって水平面内で回転する。その水平面の上面には研磨
パッド２３が貼りつけられている。被研磨物である半導
体ウエハ２４はその裏面側がキャリアヘッド２５によっ
て吸着されて保持される。キャリアヘッド２５にはウエ
ハ２４の表面を研磨パッド２３に押しつけるように荷重
がかけられ、ヘッド２５はモータ２６によって回転させ
られてウエハ２４の表面を研磨する。

【００２０】キャリアヘッド２５の回転軸にはキャリア
ヘッド２５の回転トルクを検出し、その検出した回転ト
ルクが予め設定された参照レベルに達したときをその研
磨工程の終点として検知する回転トルク測定系２７が設
けられている。回転トルク測定系２７は、キャリアヘッ
ド２５の回転軸に設けられキャリアヘッド２５の回転数
をエンコーダなどにより検出する回転モニタ３５と、回
転モニタ３５の検出信号を入力し、電源３７からモータ
２６に通ずる電流を負帰還制御してキャリアヘッド２５
の回転数を一定に保つ駆動制御部３６と、キャリアヘッ
ド２５の回転速度を一定に保つためにモータ２６へ通ず
る電流に対応したトルク信号Ｓ₁を例えば電圧値として
検出し、金属膜研磨の終点に対応した回転トルクの参照
信号レベルＬ₁と比較してバルブ駆動部３９を介して研
磨液の種類の切換えを行なわせる比較部３８ａとを含ん
でいる。

【００２１】研磨パッド２３上に研磨液を供給するため
に、金属膜用研磨液を供給する金属膜用研磨液供給装置
２８、リンス用の純水を供給するリンス液供給装置２
９、及び絶縁膜用研磨液を供給する絶縁膜用研磨液供給
装置３０が設けられており、それぞれの供給装置２８，
２９，３０はそれぞれの出口に設けられたバルブ３１，
３２，３３により選択されて供給されるようになってい
る。バルブ３１，３２，３３は比較部３８ａの出力に応
じてバルブ駆動部３９により開閉が制御される。

【００２２】図２（Ａ）の装置を用いて図１に示された
プロセスを実施する実施例を説明する。既知の技術によ
り層間絶縁膜にヴィアホールを開口したサンプルに対し
て、密着層としてリアクティブスパッタリング法を用い
てＴｉＮ膜を約５００Åの厚さに成膜した後、そのヴィ
アホールを埋め込むための金属としてＷＦ₆ガスを用い
たＣＶＤ法によりタングステン膜を約８０００Åの厚さ
に成膜した。このサンプルを図２（Ａ）の化学的機械研
磨装置のキャリアヘッド２５にセットした。

【００２３】バルブ３１を開けて金属膜用研磨液を金属
膜用研磨液供給装置２８から研磨パッド２３上に供給
し、タングステン膜の研磨を行なった。このときの条件
を以下に示す。研磨液流量：２５０ｍｌ／分定盤回転数：１８ｒｐｍキャリアヘッド回転数：７００ｒｐｍキャリアヘッド圧力：５ｐｓｉ

【００２４】キャリアヘッド２５の回転トルクを回転ト
ルク測定系２７でモニタしながら予め行なった予備実験
において、図２（Ｂ）に示されるような回転トルクの変
化曲線が得られた。矢印で示されるように回転トルクＳ
₁が参照信号レベルＬ₁まで増大する時点は、研磨面に現
れた層間絶縁膜の面積が一定になった時点であり、その
点を金属膜研磨の終点とし、その時点からさらに３分間
研磨を継続し、ここまでを金属膜の研磨工程とした。や
はり、同条件での予備実験の結果、この時点でのサンプ
ル表面の顕微鏡観察により、層間絶縁膜の落ち込み領域
にはタングステン膜が残っていないことを確認した。

【００２５】バルブ３１を閉じて金属膜用研磨液の供給
をやめ、金属膜の研磨を終了させるとともに、バルブ３
２を開けてリンス液供給装置２９から純水を３００ｍｌ
／分の流量で流してリンス工程を２分間行なった。リン
ス工程でもキャリアヘッド２５は回転させておく。

【００２６】次に、バルブ３２を閉じてリンス工程を終
了させるとともに、バルブ３３を開けて絶縁膜用研磨液
供給装置３０から絶縁膜用研磨液を供給し、絶縁膜の研
磨を行なった。絶縁膜の研磨の条件は以下に示す通りで
ある。研磨液流量：２００ｍｌ／分定盤回転数：１２ｒｐｍキャリアヘッド回転数：５００ｒｐｍキャリアヘッド圧力：８ｐｓｉ

【００２７】研磨時間を４分間、５分間、６分間と変化
させて層間絶縁膜を研磨し、その表面及び断面を観察し
たところ、４分間の研磨ですでに層間絶縁膜と接続孔に
埋め込まれたタングステンの表面がほぼ同一面になり、
平坦化が十分になされていた。６分間研磨した場合は、
タングステンの表面が少し落ち込む、いわゆるディッシ
ングが見られたが、その量は許容できるものであった。
また４分間、５分間、６分間の何れの研磨においても層
間絶縁膜の厚さは殆ど変わらなかった。このことから、
上記の絶縁膜研磨条件では層間絶縁膜の研磨に対してタ
ングステンがストッパとして有効に作用していることが
分かる。所定時間の絶縁膜研磨の後、バルブ３３を閉じ
て絶縁膜用研磨液の供給をやめ、絶縁膜の研磨を終了さ
せるとともに、バルブ３２を開けてリンス液供給装置２
９から純水を３００ｍｌ／分の流量で流してリンスを行
ない、研磨面から研磨液を除去する。

【００２８】（実施例２）図３（Ａ）は化学的機械研磨
装置の他の例を示したものである。図２（Ａ）の装置と
比較すると、金属膜研磨の終点を検知するための測定系
として、回転トルク測定系２７に代えて、ウエハ２４の
厚さ方向の導電率を検出し、その検出した導電率が予め
設定された参照レベル以下に低下したときをその研磨工
程の終点として検知する導電率測定系４０を設けている
点で主として異なる。モータ２６は電源部３７ａにより
一定速度で回転するように制御される。

【００２９】導電率測定系４０は、キャリアヘッド２５
から半導体ウエハ２４、研磨定盤２１を経てグラウンド
に電流を流す電源部４１と、電源部４１から流される電
流又は印加電圧から半導体ウエハ２４の導電率に対応し
た信号Ｓ₂を例えば電圧値として検出し、金属膜研磨の
終点に対応した導電率の参照信号レベルＬ₂と比較して
バルブ駆動部３９を介して研磨液の種類の切換えを行な
わせる比較部３８ｂとを含んでいる。研磨液を供給する
機構は図２（Ａ）のものと同じである。

【００３０】図３（Ａ）の装置を用いて図１に示された
プロセスを実施する実施例を説明する。既知の技術を用
いて層間絶縁膜にヴィアホールを開口したサンプルに対
して、密着層としてコリメートスパッタリング法を用い
てＴｉ膜を約５００Åの厚さに成膜した後、ヴィアホー
ルに埋め込む金属として純アルミニウムをターゲットと
するスパッタリング法によりアルミニウム膜を約９００
０Åの厚さに成膜し、その後真空中で約４５０℃に加熱
してリフローを行ない、ヴィアホールにアルミニウムを
埋め込んだ。

【００３１】このサンプルに対し、実施例１と同じ条件
でアルミニウムを研磨して平坦化を行なった。ただし、
このときのアルミニウム膜研磨の終点検知の手段として
は、図３（Ａ）に示す如く、導電率測定系４０によりサ
ンプルのウエハ２４の厚さ方向の導電率の変化を測定
し、その変化から終点を求めた。

【００３２】導電率の変化を測定した予備実験の結果、
図３（Ｂ）に示すような結果が得られた。図３（Ｂ）に
矢印で示されるように、導電率が参照信号レベルＬ₂ま
で低下した時点は研磨面に現れた層間絶縁膜の面積が一
定になった時点であり、その時点を金属膜研磨の終点と
し、その時点からさらに２分間研磨を継続し、ここまで
を金属膜の研磨工程とした。やはり、同条件での予備実
験の結果、この時点でのサンプル表面の顕微鏡観察によ
り層間絶縁膜の落ち込み領域にはアルミニウム膜が残っ
ていないことを確認した。

【００３３】その後、実施例１と同様の工程でリンス工
程と層間絶縁膜研磨を行なって十分な埋込み平坦化を実
現した。図２と図３に示した実施例における研磨液の切
り切換え動作を図４のタイムチャートにまとめて示す。
この動作はバルブ駆動部３９に格納されたプログラムに
したがって自動的に実行することができる。ヴィアホー
ルを埋め込むために、この実施例では純アルミニウム膜
を用いたが、ＡｌＳｉＣｕ（Ｓｉ１％、Ｃｕ０.５％）
などのようなアルミニウム合金を用いても同様の効果が
得られる。

【００３４】なお、上記の実施例１及び２において、金
属研磨の終点検知後も２〜３分間の金属研磨を継続して
いるが、金属研磨の終点検知の時点で層間絶縁膜の表面
上に金属が全く残らない程度の平坦性が得られるような
層間絶縁膜の形成プロセスを採用している場合には、金
属研磨の終点検知後の金属膜の研磨は必要ないことはい
うまでもない。

【００３５】（実施例３）図３（Ａ）の装置を用いて行
なった他の実施例を説明する。実施例２と同様に既知の
技術により層間絶縁膜にヴィアホールを開口したサンプ
ルに対して、まず下地メタル膜としてスパッタリング法
によりタングステン膜を約５００Åの厚さに成膜し、そ
の後ヴィアホールを埋め込む金属膜としてスパッタリン
グ法によりＣｕ膜を約８０００Åの厚さに成膜し、その
まま真空中で約４５０℃のアニールを２０分間行ない、
ヴィアホールにＣｕを埋め込んだ。このサンプルに対
し、実施例２と同様の条件でＣｕを研磨し、平坦化を行
なった。

【００３６】Ｃｕの研磨条件は次の通りである。研磨液流量：３００ｍｌ／分定盤回転数：１０ｒｐｍキャリアヘッド回転数：６００ｒｐｍキャリアヘッド圧力：５ｐｓｉ

【００３７】銅膜研磨の終点検知は実施例２と同様に導
電率測定系４０によるウエハ２４の厚さ方向の導電率の
変化から行なった。この実施例においても実施例２と同
様に終点からさらに２分間研磨を継続し、ここまでを金
属の研磨工程とした。やはり、同条件での予備実験の結
果、この時点でのサンプル表面の顕微鏡観察により、層
間絶縁膜の落ち込み領域には銅膜が残っていないことを
確認した。

【００３８】これ以降の工程は実施例１と同じ内容及び
条件であり、その結果十分な埋込み平坦化を実現した。
この実施例では銅の成膜手法としてスパッタリング法を
用いているが、接続孔への埋込みが十分になされるもの
であれば、別の手法、例えばＥＣＲ−ＣＶＤ法などを用
いても同様の結果が得られる。

【００３９】

【発明の効果】本発明の製造方法では金属膜研磨工程、
リンス工程及び層間絶縁膜研磨工程を一連の化学的機械
研磨プロセスで行なえるため、工程数を増加させること
なく、埋込み平坦化を実現することができる。そして、
金属膜研磨の工程において、金属膜研磨の終点検知後も
所定量の金属膜研磨を継続することにより、層間絶縁膜
表面の落ち込み領域に金属が残らないようにすることが
できて、上層金属配線間のショートなどの発生しない信
頼性の高い半導体装置を得ることができる。埋込み用金
属としてタングステンを用いると、タングステンは段差
被覆性に優れ、微細な溝や接続穴を確実に埋め込むこと
ができ、高い信頼性を得ることができる。また、埋込み
用金属としてアルミニウムやアルミニウム合金を使用す
れば、多層配線部分のコストが低下する。埋込み用金属
として銅を用いれば、銅は低抵抗材料であり、高速動作
に適した半導体装置を得ることができる。金属膜研磨の
終点を求めるのにキャリアヘッドの回転トルクの変化や
半導体基板ウエハの厚さ方向の導電率の変化を用いる
と、終点検知の安定性や再現性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法を示す工程断面図である。

【図２】（Ａ）は化学的機械研磨装置の一実施例を示す
概略構成図であり、（Ｂ）はその化学的機械研磨装置を
用いて金属膜を研磨する際の回転トルクの変化を示す図
である。

【図３】（Ａ）は化学的機械研磨装置の他の実施例を示
す概略構成図であり、（Ｂ）はその化学的機械研磨装置
を用いて金属膜を研磨する際の導電率の変化を示す図で
ある。

【図４】実施例の動作をまとめて示すタイムチャート図
である。

【符号の説明】

１半導体基板２金属配線３層間絶縁膜４接続孔５金属膜２１定盤２３研磨パッド２４ウエハ２５キャリアヘッド２７回転トルク測定系２８金属膜用研磨液供給装置２９リンス液供給装置３０絶縁膜用研磨液供給装置３１，３２，３３バルブ４０導電率測定系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板ウエハ上に絶縁膜を形成し、
その絶縁膜の所定の位置に接続孔を形成した後、その絶
縁膜上から金属膜を形成し、前記ウエハの裏面側をキャ
リアヘッドにより保持し、前記ウエハの表面側を研磨パ
ッドに押しつけながら回転させ、以下の工程（Ａ）から
（Ｃ）を含む一連の化学的機械研磨により前記金属膜を
接続孔に埋め込むことを特徴とする半導体装置の製造方
法。（Ａ）ウエハ表面と研磨パッドの間に、研磨材を含み金
属に対する研磨速度を高めるように調製された金属膜用
研磨液を供給して、絶縁膜が露出し、接続孔以外の部分
には金属膜が残らないようになるまで金属膜を研磨する
工程、（Ｂ）その後、ウエハ表面と研磨パッドの間に供
給するのを金属膜用研磨液から水に切り換えて研磨面を
リンスする工程、（Ｃ）その後、ウエハ表面と研磨パッ
ドの間に供給するのを、水から、研磨材を含み絶縁物に
対する研磨速度を高めるように調製された絶縁膜用研磨
液に切り換え、接続孔に埋め込まれた金属膜をストッパ
として絶縁膜を研磨し、絶縁膜表面を平坦化する工程。
【請求項２】金属膜を研磨する前記工程（Ａ）では、
キャリアヘッドの回転トルクの変化から金属膜研磨の終
点を検知し、その終点検知後さらに所定量の研磨を続け
る請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】金属膜を研磨する前記工程（Ａ）では、
前記ウエハの表面側と裏面側との間でのそのウエハの厚
さ方向の導電率の変化から金属膜研磨の終点を検知し、
その終点検知後さらに所定量の研磨を続ける請求項１に
記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記金属膜がタングステン膜である請求
項１〜３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】前記金属膜がアルミニウム膜又はアルミ
ニウム合金膜である請求項１〜３に記載の半導体装置の
製造方法。
【請求項６】前記金属膜が銅膜である請求項１〜３に
記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】上面が水平面となり、その水平面に研磨
パッドを有し、水平面内で回転する研磨定盤と、ウエハ基板の裏面を保持し、そのウエハ基板の表面を前
記研磨パッドに押しあて、荷重をかけて水平面内で回転
させるヘッド機構と、ヘッド機構の回転トルクを検出し、その検出した回転ト
ルクからその研磨工程の終点を検知する回転トルク測定
系と、研磨パッド上へ金属膜用研磨液、絶縁膜用研磨液及び純
水を切り換えて供給できる研磨液供給部と、を備えたこ
とを特徴とする研磨装置。
【請求項８】上面が水平面となり、その水平面に研磨
パッドを有し、水平面内で回転する研磨定盤と、ウエハ基板の裏面を保持し、そのウエハ基板の表面を前
記研磨パッドに押しあて、荷重をかけて水平面内で回転
させるヘッド機構と、ウエハ基板の厚さ方向の導電率を検出し、その検出した
導電率からその研磨工程の終点を検知する導電率測定系
と、研磨パッド上へ金属膜用研磨液、絶縁膜用研磨液及び純
水を切り換えて供給できる研磨液供給部と、を備えたこ
とを特徴とする研磨装置。