JPH09298174A - 研磨方法及びそれを用いた研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 化学的機械的研磨で誘電体層を積層したウエ
ハの表面の平坦化を図る際の研磨終了点を適切に判断
し、良好に平坦化された半導体デバイスが得られる研磨
方法及びそれを用いた研磨装置を得ること。 【解決手段】 基板面に設けた膜層の表面を研磨手段で
双方を相対的に駆動させて研磨する研磨方法において、
該膜層の複数位置での表面情報を検出して、該膜層の表
面形状を求める表面形状測定工程、該膜層の複数位置で
の膜厚を検出して該膜層の膜厚分布を求める膜厚分布測
定工程、該膜層の表面形状及び膜厚分布が予め設定した
許容範囲内にあるか否かを判定する判定工程、該判定工
程での判定結果に基づいて研磨を続行又は停止する研磨
制御工程とを有すること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体デバイス製造
工程等において、誘電体層等を積層したウエハ等基板の
表面を化学的機械的に研磨して平坦化する際の研磨方法
及びそれを用いた研磨装置に関し、例えばシリコン基板
上に塗布した絶縁膜層（膜層）の研磨工程の研磨終了点
を精度良く検出して、絶縁膜層の膜厚を所定範囲にする
とともに絶縁膜層の表面形状の平坦化加工を効率的に行
なうことによって高集積度の半導体デバイスを得るリソ
グラフィー工程において好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積化に伴っ
て、回路パターンの微細化とともにデバイス構造の３次
元化が進んでいる。半導体デバイスの高集積化を図るた
めに投影光学系の開口数を大きくするとそれに伴って投
影光学系の焦点深度が浅くなり配線や誘電体を積層した
ウエハ等基板の表面の凹凸を最少限とし、焦点深度の確
保が必要となっている。更に多層化の進展に伴い、表面
の凹凸は配線パターンの成膜を難しくし、局所的にパタ
ーンの細りによる信頼性の低下を招く。このため、配線
や誘電体層を積層したウエハ等基板の表面を研磨して段
差部や凹凸部を取り除いて表面を平坦化し、平坦化した
表面上へフォトレジストを塗布して、投影露光して高解
像力化を図ることが重要になっている。

【０００３】又、シリコン基板上に設ける絶縁膜層を研
磨して、均一な厚さの膜層にすることは層間容量のバラ
ツキや、ビアホールの深さを一定とするための重要な要
件となっている。

【０００４】従来より配線や誘電体層を積層したウエハ
等基板の表面の凹凸部や段差部を除去して平坦化する平
坦化技術として化学的機械的研磨方法が提案されてい
る。

【０００５】化学的機械的研磨では、研磨を効率化する
ために、研磨レートや研磨液中のスラリー濃度、研磨面
の温度等を適切に制御する必要がある。この制御に不備
があるとシリコン基板上に設けた絶縁膜が所定の膜厚に
ならず、平坦化できずに前述の焦点深度の確保不可や配
線の信頼性低下を起こしたり、又絶縁膜と電極配線部分
の研磨速度差によるディッシング現象やシンニング現象
が発生したり、ビアホール間のショート等も発生させる
ことになってくる。

【０００６】この為、誘電体等を積層したウエハ等基板
の表面を研磨して平坦化するとき、研磨終了点を適切に
判断して下層の材料を除去することなく表面を平坦化す
ることが重要となってくる。

【０００７】例えば研磨対象となる誘電体等を積層した
ウエハ等基板の表面層の膜厚と表面形状分布をその場で
同時にモニターしながら、表面全面や局所的な平坦化の
レベルを把握し、研磨終了の最適位置を判断する終了点
検出方法が化学的機械的研磨において重要になってい
る。研磨終了点の検出方法としては、例えば研磨量を研
磨時間より求める方法や研磨抵抗の変化を研磨定盤駆動
モーターの電流変化より求める方法等がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】化学的機械的研磨によ
る誘電体等を積層したウエハ等基板の表面の平坦化にお
ける研磨の終了点の検出方法として研磨量を研磨時間よ
り求める方法は、研磨加工面への押圧力、研磨パッドの
摩耗度、研磨液中のスラリー濃度、研磨加工面の温度等
の条件を一定に制御する必要がある為、終了点を精度よ
く検出するのが難しい。

【０００９】又、研磨抵抗の変化を研磨定盤駆動モータ
ーの電流変化から検出する方法は、信号波形とノイズを
高精度に分離する必要がある為、終了点を精度よく検出
するのが難しいこと及び研磨加工面の場所的な研磨状況
は、検出できない。

【００１０】一方、誘電体等を積層したウエハ等基板の
表面の研磨工程では該表面が投影光学系の焦点深度内に
入るように表面を平坦化することと、表面の絶縁膜層の
厚さが所定範囲内となるようにすることが層間容量のバ
ラツキを防止するとともにビアホールの深さを一定とす
る為に必要となってくる。

【００１１】本発明は誘電体等を積層したウエハ等基板
の表面を化学的機械的研磨により平坦化する際に、該表
面に設けられている絶縁膜層の表面形状と膜厚分布を検
出し、これらの値を用いることによって研磨工程の終了
点を的確に判断することによって半導体プロセスでの表
面を効率良く平坦化し、高集積度の半導体デバイスを製
造するのに好適な研磨方法及びそれを用いた研磨装置の
提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の研磨方法は、 (1-1) 基板面に設けた膜層の表面を研磨手段で双方を相
対的に駆動させて研磨する研磨方法において、該膜層の
複数位置での表面情報を検出して、該膜層の表面形状を
求める表面形状測定工程、該膜層の複数位置での膜厚を
検出して該膜層の膜厚分布を求める膜厚分布測定工程、
該膜層の表面形状及び膜厚分布が予め設定した許容範囲
内にあるか否かを判定する判定工程、該判定工程での判
定結果に基づいて研磨を続行又は停止する研磨制御工程
とを有することを特徴としている。

【００１３】特に、 (1-1-1) 前記研磨制御工程では前記判定工程によって前
記膜層の表面形状と膜厚分布の双方が許容範囲内にある
と判定したときに研磨を停止していること。

【００１４】(1-1-2) 前記研磨制御工程では前記判定工
程によって前記膜層の表面形状が許容範囲外であって、
該膜層の最小膜厚が基準値以下であると判定したときに
研磨を停止していること。

【００１５】(1-1-3) 前記表面形状測定工程による測定
と前記膜厚分布測定工程による測定が同時に行なわれて
いること。

【００１６】(1-1-4) 前記表面形状測定工程と前記膜厚
分布測定工程では前記膜層の同一箇所を測定しているこ
と。等を特徴としている。

【００１７】本発明の研磨装置は、 (2-1) 基板面に設けた膜層の表面を研磨手段で双方を相
対的に駆動させて研磨する研磨装置において、該膜層の
表面情報を検出する検出手段、該膜層の研磨表面に対し
て該研磨手段又は該検出手段の何れか一方を選択的に切
り替えて対向配置する切り替え手段とを有していること
を特徴としている。

【００１８】特に、 (2-1-1) 前記検出手段は前記膜層の表面情報を複数位置
で、同時に検出していること。

【００１９】(2-1-2) 前記研磨手段は前記膜層の表面の
一部分を研磨する複数の部分研磨工具を有しているこ
と。

【００２０】(2-1-3) 前記検出手段は前記膜層の複数位
置での表面位置情報と膜厚を測定していること。

【００２１】(2-1-4) 前記検出手段は前記膜層の表面か
ら基準面までの距離を検出するとともに該膜層の膜厚を
測定する距離測定手段を有していること。

【００２２】(2-1-5) 前記検出手段は前記膜層の膜厚を
測定する膜厚測定手段を有していること。

【００２３】(2-1-6) 前記検出手段からの信号より前記
膜層の表面形状と膜厚分布が予め設定した許容範囲内に
あるか否かを判定部で判定し、該判定部からの信号に基
づいて該膜層の研磨を続行又は停止するかを制御する制
御手段を有していること。等を特徴としている。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１，図２は各々本発明の実施形
態１の要部概略図である。図１，図２において１は化学
的機械的な研磨装置である。図１では被加工物１０１の
表面を研磨した後に研磨装置１の載置部分１０１ａをＸ
方向に移動させて点線で示すモニターユニットアレイ１
０２の位置に設定する様子を示している。

【００２５】図２は被加工物１０１の表面情報（表面形
状と膜厚分布）を固定のモニターユニットアレイ（検出
手段）１０２で検出し、該モニターユニットアレイ１０
２での検出結果に基づいて制御手段１０３で被加工物１
０１の研磨工程の終了点又は続行するか否かを制御する
場合を示している。

【００２６】図１，図２において点線で示す部材は仮想
の部材を示している。被加工物１０１はシリコン基板６
上に絶縁膜層（膜層）５を形成した構成より成ってお
り、基板保持具７に保持されている。

【００２７】本実施形態では後述する部分研磨工具４に
よってシリコン基板６上の絶縁膜層５を部分的に化学的
機械的研磨している。基板保持具７は被加工物１０１を
保持し、回転軸Ｃを中心に駆動手段（不図示）により角
速度ω１で回転している。同図では回転軸ＣをＺ軸に、
それと直交する平面をＸ，Ｙ平面としている。

【００２８】４（４ａ，４ｂ，４ｃ）は各々部分研磨工
具である。部分研磨工具（４ａ，４ｂ，４ｃ）は各々研
磨パッド（４ａ１，４ｂ１，４ｃ１）と該研磨パッド
（４ａ１，４ｂ１，４ｃ１）を保持する保持具（４ａ
２，４ｂ２，４ｃ２）とを有し、回転軸Ｃ′を中心に駆
動手段（不図示）により角速度ω２で回転している。同
図では３つの研磨パッド（４ａ１，４ｂ１，４ｃ１）に
よってシリコン基板６上の絶縁膜層５を部分研磨してい
る場合を示している。

【００２９】本実施形態では研磨パッド（４ａ１，４ｂ
１，４ｃ１）の研磨開口は被加工物１０１の被研磨面
（絶縁膜層）５よりも小さくなっている。これによって
部分研磨している。２１はエンコーダであり、回転軸Ｃ
の回転情報を検出している。モニターユニットアレイ１
０２は図３に示すように複数のセンサー１０２ａ１〜１
０２ａｎをＹ軸方向に１次元的に配列した構成より成
り、各センサーによりシリコン基板６上の絶縁膜層５の
表面形状や膜厚分布等の表面状態を検査している。

【００３０】本実施形態において絶縁膜層５の表面を研
磨するときは部分研磨工具４を回転軸Ｃ′を中心に回転
させると共に基板保持具７を回転軸Ｃを中心に回転さ
せ、双方を相対的に駆動させ、又必要に応じて双方のＸ
方向とＹ方向の相対的位置を変位させながらノズル（不
図示）から研磨材を含むスラリーを被加工物１０１面上
に流出させて、絶縁膜層５と研磨パッド（４ａ１，４ｂ
１，４ｃ１）との界面に均一に供給している。

【００３１】このとき絶縁膜層５と部分研磨工具４との
圧力、回転数の比率、及びスラリー供給量を適切に選択
して研磨している。これによってシリコン基板６上に形
成した絶縁膜層５を部分研磨工具４で部分研磨してその
表面の平坦化を図っている。

【００３２】そして予め設定した時間、部分研磨した後
に図２に示すように部分研磨工具４と被加工物１０１の
Ｚ方向の相対的位置を変えて、部分研磨工具４と被加工
物１０１とを分離し、基板保持具７を含む載置部分１０
１ａをＸ方向に移動させて、Ｙ軸方向に設置したモニタ
ーユニットアレイ１０２と対向配置する。

【００３３】次いでモニターユニットアレイ１０２によ
りシリコン基板６上の絶縁膜層５の複数位置での膜厚と
表面形状を被加工物１０１を回転させながら同時に測定
している。

【００３４】これによって絶縁膜層５の広い面積にわた
っての膜厚情報を効率的に検出している。又被加工物１
０１の回転とともに被加工物１０１をＹ方向にシフトさ
せている。このときのシフト量は各センサー間の非測定
領域が新たに測定できる程度の量となるようにしてい
る。これによってセンサーによる非測定領域が少なくな
るようにしている。

【００３５】モニターユニットアレイ１０２からの出力
信号に基づいて制御手段１０３により絶縁膜層５全体の
表面形状及び膜厚分布等の表面状態を求めている。この
とき制御手段１０３は絶縁膜層５の表面上の凹凸や段差
等の表面形状と膜厚分布の双方が予め設定した範囲内に
あるか否かを判定部で判断している。そして双方が予め
設定した範囲内にあるときは研磨の終了点であると判断
して研磨工程を停止する。又そうでないときは載置部分
１０１ａを元の位置に戻して再度研磨工程を続行するよ
うに制御している。

【００３６】そして制御手段１０３は研磨工程中に絶縁
膜層５の表面形状と膜厚分布の双方が予め設定した範囲
に入らないと判断したとき、（例えば研磨しすぎて薄く
なりすぎてしまったとき等）は研磨工程を停止するよう
にしている。このとき被加工物１０１を不良品と判断し
ている。

【００３７】以上のように本実施形態ではシリコン基板
６の絶縁膜層５を平坦化することによって投影露光する
際に絶縁膜層５の対象となる領域全体が投影光学系の焦
点深度内に入るようにしている。又絶縁膜層５の膜厚が
所定の範囲内となるようにして層間容量のバラツキを防
止すると共にビアホールの深さを統一している。

【００３８】図３（Ａ），（Ｂ）は各々本実施形態のモ
ニターユニットアレイ１０２の要部斜視図であり、図３
（Ｂ）は同図（Ａ）を底面側から見たときの様子を示し
ている。モニターユニットアレイ１０２は複数のセンサ
ー１０２ａ１，１０２ａ２，‥‥１０２ａｎを一次元方
向に配列した構成より成っている。

【００３９】このうち１つのセンサーユニットは図４に
示すようにシリコン基板６上の絶縁膜層５の膜厚を測定
する膜厚測定手段８と絶縁膜層５の表面形状を求める為
に基準面から研磨加工面（絶縁膜層５）までの距離を測
定する距離測定手段９とを有している。

【００４０】図３において１０２ｂはスクラブ材であ
り、モニターユニットアレイ１０２の測定側の面（底
面）に設けており、被加工面の表面状態を検査するとき
抵触しても被加工面を傷つけないようにしている。又ス
クラブ材１０２ｂは底面を囲むことによってスラリーの
排除効果を高めている。

【００４１】１２は純水供給用の給水ノズルであり、被
加工面（絶縁膜層）に純水を放出して、そこに付着して
いるスラリーやゴミ等を排除して、被加工物の表面状態
の高精度な検出を容易にしている。１３は純水排水用の
排水ノズルである。

【００４２】尚、本実施形態において被加工面上に純水
を放出する代わりにエアノズルを用いて空気を放出する
ようにしても良い。

【００４３】図５は図４の一部分の拡大摸式図であり、
１つのセンサーユニット１０２ａ１でシリコン基板６上
の絶縁膜層５の表面形状と膜厚を測定するときの光路を
示している。

【００４４】図５において１０は純水層で、研磨パッド
４の表面より数百μｍ程度低い位置を基準面１１ａ（ｚ
＝０）としてプリズム１１の平面部を一致させて配置
し、その平面部と絶縁膜層５によって挟まれる層に、給
水ノズル１２，排水ノズル１３によって純水を循環させ
ることにより生成している。ここで基準面１１ａは絶縁
膜層５の膜厚よりも十分長い位置となるようにしてい
る。

【００４５】次に１つのセンサー１０２ａ１に収納され
ている膜厚測定手段８と距離測定手段９の構成及びその
測定方法について図４，図５を用いて説明する。まず、
距離測定手段９によって絶縁膜層５の膜厚ｄ（ρ）を求
める方法について説明する。

【００４６】絶縁層膜５の膜厚と基準面（プリズム面）
から研磨加工面（絶縁膜層５の表面）までの距離を算出
する距離測定手段９は、可干渉距離を時間分割で変更で
きる光源（半導体レーザ）１７、その光源１７から射出
する光束を平行光に変換し、プリズム１１を介して測定
対象となる絶縁膜層５の２次元領域ρへ照射するレンズ
１８、そしてその２次元領域ρからの反射光束をプリズ
ム１１を介して撮像素子２０に発散光束として入射させ
るレンズ１９を有している。

【００４７】可干渉距離を時間分割で変更する手段とし
ての光源１７からの光束は発振中心波長λ₀ ＝７８０ｎ
ｍのシングルモードの半導体レーザを使用し、測定対象
となる各膜層の厚みに対して十分長い可干渉距離を有し
ている。

【００４８】光源１７を図示しない高周波重畳回路によ
りレーザ発振閾値を切り込む高周波電流でマルチモード
化し、可干渉距離が１０数μｍ以下程度と短くなるよう
な操作を行なう。このような可干渉距離を短くした光源
からの第１光束で各膜層を照射すると、図５に示すよう
に、プリズム１１の平面部と一致する基準面からの反射
光ａ、純水層１０／絶縁膜層５の境界面（絶縁膜層５の
表面）からの反射光ｂ、絶縁膜層５／シリコン基板６の
境界面からの反射光ｃの３つの反射光が発生する。

【００４９】光源からの光束の可干渉距離が短い為にこ
れらの３つの反射光ａ，ｂ，ｃのうち、光路長差の短い
反射光ｂ，ｃのみが干渉し、反射光ａは他の反射光と干
渉せず直流成分となる。この時の撮像素子１７上に形成
される干渉パターンの干渉強度Ｉ₁ （ρ）は次のように
表わされる。

【００５０】 Ｉ₁ （ρ）＝ｕa²＋ｕb²＋ｕc²＋２ｕb ｕc cos （σb −σc ）…（１） ここでｋは波数で２ｎ／λである。又σb -σc は、 σb −σc ＝ｋ×２×ｎ₁ ×ｄ（ρ）cos φ₁ である。ｋ，ｎ₁ ，φ₁ は既知であり、（１）式はｄ
（ρ）、即ち前述した絶縁膜層５の平均した膜厚を変数
として変化することになる。このｄ（ρ）については、
絶縁膜層５は通常膜厚を管理されてシリコン基板６上に
形成されるものなので、ｄ（ρ）の概略値を予め決める
ことができ、またｄ（ρ）に基づく干渉強度のデータテ
ーブル等を参考にしながら演算処理によりｄ（ρ）算出
している。

【００５１】一方、本実施形態の膜厚測定手段８は必要
に応じて用いられるものであり、分光反射率測定により
絶縁膜層５の２次元領域ρの平均膜厚ｄ（ρ）を測定し
ており、光源と分光器を含むユニット１４，ハーフミラ
ー１５，フォトマルチプライア（光電素子）１６を有し
ている。ユニット１４から波長が連続的に変化する単色
光が射出し、絶縁膜層５の表面と絶縁膜層５／シリコン
基板６の境界面で反射する。このとき反射した２光束は
干渉する。

【００５２】本実施形態ではこの２光束による干渉強度
の変化から絶縁膜層５の平均膜厚ｄ（ρ）を求めてい
る。今、干渉強度が最大，最小になるときの波長をλ
₁ ，λ₂、絶縁膜層５の屈折率をｎ₁ 、前述の境界面で
の反射角度をφ₁ とすると、２次元領域ρ内の微小領域
ｘにおける膜厚は、 ｄ（ｘ）＝１／［（４ｎ₁ cos φ₁ ）（１／λ₂ −１／λ₁ ）］‥‥（２） と表わされる。ここで２次元領域ρ内で複数箇所を測定
した膜厚の平均をｄ（ρ）とする。

【００５３】なおこの場合、純水層１０，プリズム１１
による干渉信号も発生するが、絶縁膜層５の膜厚が数μ
ｍ程度等に比べてこれらは十分大きな厚みを有するの
で、干渉信号の周波数が非常に高くなり、絶縁膜層５か
らの干渉信号と容易に分離することができる。

【００５４】尚、本実施形態において膜厚測定手段８は
前述した距離測定手段９で膜厚を測定すれば、特に設け
なくても良い。

【００５５】次に本実施形態において距離測定手段９に
より基準面から膜厚表面（研磨加工面）までの距離を求
め、膜層５の表面形状を求める場合について説明する。

【００５６】今、可干渉性光源１７として、発振中心波
長λ₀ ＝７８０ｎｍのシングルモードの半導体レーザか
ら測定対象となる各膜層の厚みに対して十分長い可干渉
距離の第２光束で各膜層を照射する。そうすると図５に
示すようにプリズム１１の平面部と一致する基準面から
の反射光ａ、純水層１０／絶縁膜層５の境界面（絶縁膜
層５の表面）からの反射光ｂ、絶縁膜層５／シリコン基
板６の境界面からの反射光ｃが発生し、これら３つの反
射光は互いに干渉して撮像素子１７上に干渉強度Ｉ₂
（ρ）の干渉パターンを形成する。

【００５７】各反射光ａ，ｂ，ｃを各々ａ＝ｕa ｅ^{i σ a}
，ｂ＝ｕb ｅ^{i σ b} ，ｃ＝ｕc ｅ^{i σ c} とすると、その
干渉強度Ｉ₂ （ρ）は次のように表わされる。

【００５８】 Ｉ₂ （ρ）＝ｕa²＋ｕb²＋ｕc²＋２ｕa ｕb cos （σa −σb ） ＋２ｕa ｕc cos （σa −σc ） ＋２ｕb ｕc cos （σb −σc ）‥‥（３） この時間分割により得られた２つの干渉強度の差をとる
と（４）式のようになる。

【００５９】 Ｉ₂ （ρ）−Ｉ₁ （ρ）＝２ｕa ｕb cos （σa −σb ） ＋２ｕa ｕc cos （σa −σc ）‥‥（４） ここで純水層１０の厚み、即ち基準面と研磨加工面まで
の距離をｄ（ρ）′、純水層１０の屈折率をｎ₀ 、前述
の純水層１０／絶縁膜層５の境界面での反射角度をφ
₀ 、プリズム１１の材質の屈折率をＮ、光源１４の発振
スペクトルの中心波長をλ、ｋ＝２π／λとすると、 σa −σb ＝ｋ［２ｎ₀ ｄ（ρ）′cos φ₀ ］ また、 σa −σc ＝ｋ［２ｎ₀ ｄ（ρ）′cos φ₀ ＋２ｎ₁ ｄ
（ρ）cos φ₁ ] となる。

【００６０】ここでｎ₀ ，ｎ₁ ，φ₀ ，φ₁ と（３）式
からｄ（ρ）は既知なので、２つの干渉強度の差を示す
（４）式は、ｄ（ρ）′、即ち前述した基準面と研磨加
工面までの距離を変数として変化することになる。この
ｄ（ρ）′を演算処理により算出することによって研磨
加工面の表面形状を算出している。

【００６１】本実施形態ではこのような方法、及び装置
により求められる研磨加工面の膜厚分布と表面形状測定
値を測定毎に記憶部に記憶し、最終的に目標とする膜厚
分布との差分を比較している。この差分が所定の値の範
囲にない場合は、差分値や表面形状測定値より研磨レー
トや研磨液中のスラリー濃度、研磨面の温度、研磨圧力
分布等を適切に補正して平坦化が不適正な部分の研磨が
効率よく促進されるように制御している。

【００６２】この差分の比較作業を複数回繰り返した
後、この差分が所定の値の範囲になった場合に研磨加工
を終了する。以上説明した化学的機械的研磨による平坦
化加工の終了点検出のフローを図６に示す。

【００６３】尚本実施形態では、光源の可干渉距離を異
ならせる手段としてシングルモード半導体レーザ１７を
高周波重畳回路によりマルチモード化し時間分割するこ
とで前述のＩ₁ （ρ），Ｉ₂ （ρ）の測定を行うように
しているが、可干渉距離の異なる２つの光源を空間的に
分離して配置し、それぞれに対応する撮像素子を２つ設
けて前述のＩ₁ （ρ），Ｉ₂ （ρ）の測定を行うように
しても良い。

【００６４】また、基準面と研磨加工面までの距離を測
定する距離測定手段９において照射光束の入射角度を０
°（ｚ軸と平行）にし、絶縁膜層５の膜厚を測定する膜
厚測定手段８と光路を一部共通にする配置にしても良
い。

【００６５】図７は本発明の実施形態２の要部概略図で
ある。同図において図１で示した要素と同一要素には同
符号を付している。本実施形態は図１の実施形態に比べ
て基板保持具７側の載置部分１０１ａを固定とし、セン
サーユニットアレイ１０２をｘ方向に可動としている点
が異なっており、その他の構成は同じである。

【００６６】本実施形態では、所定の研磨時間経過後に
部分研磨工具４をｚ軸方向に移動させて部分研磨工具４
が移動したことによって形成された空間内の被加工物１
０１面上にセンサーユニットアレイ１０２を移動させ
て、これによって被加工物１０１の複数位置で表面状態
を求めており、これによって実施形態１と同様の効果を
得ている。

【００６７】図８は本発明の実施形態３の要部概略図で
ある。同図において図１で示した要素と同一要素には同
符号を付している。

【００６８】本実施形態では図１の実施形態１に比べて
研磨パッド４ａ１の研磨開口が被加工物１０１としての
シリコン基板６に設けた絶縁膜層５よりも大きくなって
おり、絶縁膜層５を全体研磨している点が異なってお
り、その他の基本構成は同じである。

【００６９】同図において８１は研磨定盤であり、研磨
パッド４ａ１を保護している。１０３は保持部材であ
り、基板保持具７と、それに保持された被加工物１０１
とを有している。

【００７０】本実施形態では所定の研磨時間経過後に保
持部材１０３をｚ方向に距離ｈだけ移動させて基板保持
具７と研磨パッド４ａ１を分離した後、保持部材１０３
をｘ方向に移動させて固定のモニターユニットアレイ１
０２に対向配置させている。そしてモニターユニットア
レイ１０２によってシリコン基板６に塗布した絶縁膜層
５の表面状態を実施形態１と同様の方法で求めている。
その他の構成は実施形態１と同じである。

【００７１】図９は本発明の実施形態４の要部概略図で
ある。同図において図８で示した要素と同一要素には同
符号を付している。本実施形態は図８の実施形態３に比
べて基板保持具７側の保持部材１０３をｚ方向のみに移
動可能とし、又モニターユニットアレイ１０２をｘ方向
に移動可能としている。

【００７２】そして保持部材１０３をｚ方向に距離ｈだ
け移動させたことによって形成された空間内にモニター
ユニットアレイ１０２を移動させて、被加工物１０１の
複数位置で表面状態を求めている。この他の構成は実施
形態１と同じである。

【００７３】図１０は本発明の実施形態５の要部概略図
である。同図において、図１で示した要素と同一要素に
は同符号を付している。

【００７４】本実施形態は図１の実施形態１に比べてセ
ンサーユニットアレイ１０２を部分研磨工具４ａ，４ｂ
の研磨動作に邪魔にならない領域に配置して研磨工程中
の任意の時刻で被加工物１０１の複数位置での表面状態
を求めることができるようにしている点が異なってお
り、その他の構成は同じである。

【００７５】本実施形態では研磨動作中に被加工物１０
１の表面状態を求めることによって研磨工程の終了点
を、より正確，迅速に求めることができるという効果を
得ている。

【００７６】以上は絶縁膜について説明しましたが、半
導体プロセスでの化学的機械的研磨の応用としてコンタ
クトやビアホールでのタングステン成膜後、或は配線成
膜後等の研磨においても金属膜の薄層での膜厚分布，表
面形状，更には金属膜が除去され、絶縁膜での膜厚分
布、表面形状測定による研磨方法及び研磨装置にも適用
可能である。

【００７７】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、誘電体を
積層したウエハでの表面を化学的機械的研磨により平坦
化する際に、該表面に設けられている絶縁膜層の表面形
状と膜厚分布を検出し、これらの値を用いることによっ
て研磨工程の終了点を的確に判断することによって誘電
体を積層したウエハプロセスでの表面を効率良く平坦化
し、高集積度の半導体デバイスを製造するのに好適な研
磨方法及びそれを用いた研磨装置を達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の要部概略図

【図２】本発明の実施形態１の要部概略図

【図３】図１のモニターユニットアレイの概略図

【図４】本発明に係るセンサーの要部概略図

【図５】図４の一部分の拡大説明図

【図６】本発明の実施形態１の動作のフローチャート

【図７】本発明の実施形態２の要部概略図

【図８】本発明の実施形態３の要部概略図

【図９】本発明の実施形態４の要部概略図

【図１０】本発明の実施形態５の要部概略図

【符号の説明】

１ 研磨装置 ４ 部分研磨工具 ４ａ１，４ｂ１，４ｃ１ 研磨パッド ５ 絶縁膜層 ６ シリコン基板 ７ 基板保持具 ８ 膜厚測定手段 ９ 距離測定手段 １１ プリズム １２ 給水ノズル １３ 排水ノズル １４ 光源部 １５ ハーフミラー ２１ エンコーダ １７ 光源 １８，１９ レンズ ２０ 撮像素子 ８１ 研磨定盤 １０２ 検出手段

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板面に設けた膜層の表面を研磨手段で
   双方を相対的に駆動させて研磨する研磨方法において、
   該膜層の複数位置での表面情報を検出して、該膜層の表
   面形状を求める表面形状測定工程、該膜層の複数位置で
   の膜厚を検出して該膜層の膜厚分布を求める膜厚分布測
   定工程、該膜層の表面形状及び膜厚分布が予め設定した
   許容範囲内にあるか否かを判定する判定工程、該判定工
   程での判定結果に基づいて研磨を続行又は停止する研磨
   制御工程とを有することを特徴とする研磨方法。
2. 【請求項２】 前記研磨制御工程では前記判定工程によ
   って前記膜層の表面形状と膜厚分布の双方が許容範囲内
   にあると判定したときに研磨を停止していることを特徴
   とする請求項１の研磨方法。
3. 【請求項３】 前記研磨制御工程では前記判定工程によ
   って前記膜層の表面形状が許容範囲外であって、該膜層
   の最小膜厚が基準値以下であると判定したときに研磨を
   停止していることを特徴とする請求項１の研磨方法。
4. 【請求項４】 前記表面形状測定工程による測定と前記
   膜厚分布測定工程による測定が同時に行なわれているこ
   とを特徴とする請求項１，２又は３の研磨方法。
5. 【請求項５】 前記表面形状測定工程と前記膜厚分布測
   定工程では前記膜層の同一箇所を測定していることを特
   徴とする請求項１，２，３又は４の研磨方法。
6. 【請求項６】 基板面に設けた膜層の表面を研磨手段で
   双方を相対的に駆動させて研磨する研磨装置において、
   該膜層の表面情報を検出する検出手段、該膜層の研磨表
   面に対して該研磨手段又は該検出手段の何れか一方を選
   択的に切り替えて対向配置する切り替え手段とを有して
   いることを特徴とする研磨装置。
7. 【請求項７】 前記検出手段は前記膜層の表面情報を複
   数位置で、同時に検出していることを特徴とする請求項
   ６の研磨装置。
8. 【請求項８】 前記研磨手段は前記膜層の表面の一部分
   を研磨する複数の部分研磨工具を有していることを特徴
   とする請求項６又は７の研磨装置。
9. 【請求項９】 前記検出手段は前記膜層の複数位置での
   表面位置情報と膜厚を測定していることを特徴とする請
   求項６又は７の研磨装置。
10. 【請求項１０】 前記検出手段は前記膜層の表面から基
    準面までの距離を検出するとともに該膜層の膜厚を測定
    する距離測定手段を有していることを特徴とする請求項
    ６の研磨装置。
11. 【請求項１１】 前記検出手段は前記膜層の膜厚を測定
    する膜厚測定手段を有していることを特徴とする請求項
    １０の研磨装置。
12. 【請求項１２】 前記検出手段からの信号より前記膜層
    の表面形状と膜厚分布が予め設定した許容範囲内にある
    か否かを判定部で判定し、該判定部からの信号に基づい
    て該膜層の研磨を続行又は停止するかを制御する制御手
    段を有していることを特徴とする請求項６又は７の研磨
    装置。