JPH1070097A

JPH1070097A - 半導体基板の平坦化方法

Info

Publication number: JPH1070097A
Application number: JP9953497A
Authority: JP
Inventors: Raijyo Chin; 來助陳
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 1996-07-25
Filing date: 1997-03-12
Publication date: 1998-03-10
Also published as: TW311243B

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体基板の化学的／機械的研磨（ＣＭＰ）
の際に、研磨装置からの粒子を除去することなく、層の
除去された厚さをモニタできるようにする。【解決手段】研磨パッド１９を、その上にレゾルバ２
１から約１０〜３０℃の研磨スラリを供給しつつ回転
し、かつキャリア１１を保持された半導体基板１２を研
磨パッドに圧接しつつ回転して、半導体基板の平坦化を
行う。研磨パッド又は半導体基板の所定の位置における
温度を赤外線検出装置２２を用いて測定し、該温度を研
磨時間の経過に関連させてコンピュータ・メモリ２５に
記憶する。そして、研磨時間に関連して記憶された温度
を時間で積分し、該積分値と、ＣＭＰ除去化学物質と下
側のパターン密度とに関する積分係数とを用いて計算し
て、研磨時間の関数として除去された層の厚さを求め
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、化学的／機械的研
磨（ＣＭＰ）において、層から除去された厚さをモニタ
する装置及び方法に関する。更に詳しくは、本発明は、
研磨装置からの粒子を除去することを必要とせずに、Ｃ
ＭＰの期間中に層から除去された厚さを、その場所でモ
ニタする方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】化学的／機械的研磨（ＣＭＰ）は、半導
体基板上に被着される面の上に滑らかなトポグラフィを
与えるために開発されてきた。デバイスの回路を含む基
板上に金属の導線が形成されることにより、粗いトポグ
ラフィが生じる。金属の導線は、離散的なデバイスを相
互接続し集積回路を形成する機能を有する。金属の導線
は更に、絶縁材料から成る薄膜によって、次の相互接続
レベルから絶縁され、絶縁層を通過するよう形成された
ホール（孔）を介して、連続的な導電性の相互接続層の
間の電気的接続が提供されている。このような配線プロ
セスにおいては、絶縁層は滑らかな表面トポグラフィを
有することが望ましいが、その理由は、粗い表面に対し
ては、層をリソグラフィ技術を用いて画像化しパターニ
ングすることが困難であるからである。ＣＭＰは、ま
た、半導体基板の表面から、異なる材料層を除去するの
にも用いることができる。例えば、誘電性材料の層にバ
イア・ホールを形成し、メタライゼーション（金属）層
がブランケット被着された後で、ＣＭＰを用いて平坦
（プレーナ）な金属スタッドが作られる。

【０００３】簡単にいえば、ＣＭＰプロセスは、半導体
材料から成る薄い平らなウエハを、化学的条件、圧力条
件、温度条件を制御した上で、湿った研磨表面に接する
ように保持して回転させることを含んでいる。アルミナ
又はシリカなどの研磨剤を含む化学的スラリが、研磨用
の材料として用いられる。更に、この化学的スラリは、
処理の間にウエハの様々な表面をエッチングするために
選択された化学物質を含んでいる。研磨の間に、材料の
機械的及び化学的除去を組み合わせることによって、研
磨表面を極めて高度に平坦化することができる。このプ
ロセスにおいては、基礎にある材料を過剰に除去するこ
となく、滑らかな表面を与えるのに十分な程度の量の材
料を除去することが、重要である。従って、研磨プロセ
スの間に除去される材料の厚さをモニタする、すなわ
ち、研磨プロセスの間に基板上に残存する材料の厚さを
モニタすることが、重要である。

【０００４】従来は、材料の除去は、ＣＭＰプロセスを
中断し、ウエハを研磨装置から取り外して、膜の厚さ及
び表面のトポグラフィの一方または両方を確認する技術
を用いてウエハ表面を物理的に検査することによって、
モニタされてきた。この作業を行うと、追加的なウエハ
洗浄ステップや、労働集約的な検査及び測定が必要にな
り、研磨装置におけるスループットが低下する。ウエハ
は、仕様に合致しない場合には、更に研磨を行うため
に、再度、研磨装置に戻さなければならない。材料の除
去が過剰であると、ウエハは仕様には合致せず、標準に
達しないことになる。この終了点（エンドポイント）及
び厚さのモニタ方法は、時間を要し、信頼性がなく、費
用が掛かる。従って、ＣＭＰの期間中の終了点の検出及
び厚さのモニタリングの改良が、以下に挙げる特許に示
されるように、これまで種々なされてきている。

【０００５】William J. Cote への"Method for Determ
ining Planarization Endpoint during Chemical-Mecha
nical Polishing"と題する米国特許第５２３４８６９号
（１９９３年８月１０日特許登録）には、モート（moa
t）によって包囲されたモニタ構造が記載されている。
このモートのために、研磨による除去は、モートが包囲
していない領域においてよりも、モニタ構造において、
より高速に進行する。モニタ構造の頂部が露出し、その
結果として、モートが包囲していない金属パターンの上
に平坦化された絶縁層が生じる。視覚的に検査を行い、
モニタ構造の頂部の露出を判断する。また、金属のモニ
タ構造の頂部と研磨パッドとの間の電気的接続を検出す
ることによって、モニタリングが電気的に行われる。Ch
ris C. Yu他への"Chemical-Mechanical Planarization
(CMP) of a Semiconductor Wafer Using Acoustical W
aves for In-situ End Point Detection"と題する米国
特許第５２４０５５２号（１９９３年８月３１日特許登
録）に記載の発明では、ＣＭＰの期間中にウエハに音波
を放射し、反射された波形を解析することにより、平坦
化プロセスを制御している。

【０００６】William J. Cote他への"Endpoint Detect
ion Apparatus and Method for Chemical-Mechanical P
olishing"と題する米国特許第５３０９４３８号（１９
９４年３月３日特許登録）には、基板を回転させるモー
タに設定された回転速度を維持するのに必要な電力をモ
ニタすることによる、エンドポイント検出方法が記載さ
れている。エンドポイントが検出可能であるのは、基板
を回転させるモータにおいて予め設定された回転速度を
維持するのに必要な電力は、研磨困難な層が一旦除去さ
れると、著しく低下するからである。Naftali E. Lusti
g他による"In-situ Endpoint Detection Method and A
pparatus for Chemical-Mechanical Polishing Using L
ow Amplitude Input Voltage"と題する米国特許第５３
３７０１５号（１９９４年８月９日特許登録）では、研
磨パッドの中に組み入れられた電極と、高周波の低電圧
信号と、検出手段とが、研磨されている誘電層の厚さを
測定する方法において、用いられている。

【０００７】Daniel A. Koos 他による"Optical End Po
int Detection Methods in Semiconductor Planarizing
Polishing Process"と題する米国特許第５４１３９４
１号（１９９５年５月９日）には、レーザ光を研磨され
ている基板に照射し、反射した光を測定することによ
る、研磨のエンドポイント（終了点）検出方法が記載さ
れている。反射した光の強度が、研磨された表面の平坦
性の尺度となる。Gurtej S. Sandhu他による"Method f
or Controlling a Semiconductor (CMP)Process by Mea
suring a Surface Temperature and Developing a Ther
mal Image of the Wafer"と題する米国特許第５１９６
３５３号には、研磨プロセスの間の半導体ウエハの表面
温度を測定するために、赤外線放射検出を用いることが
記載されている。研磨プロセスの期間中のウエハ表面に
おける温度の突然の変化を、エンドポイントを検出する
のに用いている。本発明は、ＣＭＰの期間中に、研磨装
置からの粒子を除去することなく、層の除去された厚さ
を、その場でモニタする新規な方法及び装置に関するも
のである。

【０００８】

【発明の概要】本発明の目的は、基板の表面の化学的及
び機械的平坦化（ＣＭＰ）のための改善された新たな装
置及び方法を提供することであり、該装置及び方法にお
いては、除去された層の厚さは、時間の経過に伴う研磨
プロセスの温度をモニタし、かつ研磨時間を横軸にとっ
た研磨温度の変化を表す曲線を積分することから、除去
された層の厚さを計算することによって、導出される。
本発明の別の目的は、化学的及び機械的平坦化（ＣＭ
Ｐ）のための新たな改善された方法を提供することであ
り、この方法では、除去された層の厚さは、その場で、
研磨パッドの温度を測定し、研磨時間の経過に伴う研磨
パッドの温度をモニタし、研磨時間を横軸にとった研磨
パッドの温度変化を表す曲線を積分することによって、
除去された層の厚さを計算することから、導出される。

【０００９】本発明の更に別の目的は、化学的及び機械
的平坦化（ＣＭＰ）のための新たな改善された方法を提
供することであり、この方法では、除去プロセスの均一
性が、複数の場所で基板の温度を検出し、研磨時間を横
軸にとったそれぞれの場所での温度変化を表す曲線を個
別に積分し、それぞれの場所において除去された層の厚
さを導出することによって、その場でモニタされる。例
示的な実施例では、本発明の方法を実行する装置は、半
導体ウエハを化学的及び機械的に平坦化（ＣＭＰ）する
ためのウエハ・キャリア及び回転研磨プラテンと、回転
研磨パッドと、化学的及び機械的研磨スラリの温度を制
御する手段と、化学的及び機械的研磨スラリを研磨パッ
ドの上に与える手段と、回転研磨パッドの温度をモニタ
する赤外線検出デバイスと、研磨時間の経過に伴う研磨
パッドの温度をコンピュータ・メモリに記憶する手段
と、ＣＭＰ除去化学物質と下側のパターン密度とに対す
る積分係数をコンピュータ・メモリに記憶する手段と、
記憶された研磨時間の経過に伴う温度変化データを積分
し、記憶された積分係数を適用することによって、研磨
時間の経過に伴って除去された層の厚さを計算する手段
と、を含んでいる。

【００１０】第２の実施例では、本発明の方法を実行す
る装置は、半導体ウエハを化学的及び機械的に平坦化
（ＣＭＰ）するためのウエハ・キャリア及び回転研磨プ
ラテンと、回転研磨パッドと、化学的及び機械的研磨ス
ラリの温度を制御する手段と、化学的及び機械的研磨ス
ラリを研磨パッドの上に提供する手段と、半導体基板上
の複数の場所における半導体基板の温度を測定する手段
と、半導体基板上の複数の位置それぞれにおける研磨時
間の経過に伴う温度をコンピュータ・メモリに記憶する
手段と、ＣＭＰ除去化学物質と下側のパターン密度とに
対する積分係数をコンピュータ・メモリに記憶する手段
と、それぞれの場所における記憶された研磨時間の経過
に伴う温度変化データを研磨時間で積分し、かつ記憶さ
れた積分係数を適用することによって、半導体基板上の
複数の場所それぞれに関して、研磨時間の経過に伴って
除去された層の厚さを計算する手段と、を含んでいる。

【００１１】

【発明の実施の態様】半導体基板の表面を平坦化（プレ
ーナに）する新たな改善されたＣＭＰ装置及び方法を、
以下で詳細に説明する。この装置及び方法では、化学的
及び機械的研磨（ＣＭＰ）を用いるが、研磨装置から生
じる粒子の除去を必要とせずに、ＣＭＰの間に層から除
去された厚さを、その場でモニタできることになる。こ
の方法は、半導体デバイス及び導体相互接続配線（ワイ
ヤリング）パターン上に、ＣＶＤ（化学的蒸着法）、Ｌ
ＰＣＶＤ（低圧化学的蒸着法）、又はＰＥ−ＣＶＤ（プ
ラズマ強化化学的蒸着法）によって被着された酸化シリ
コンや窒化シリコンなどの絶縁体の表面や、スピン・オ
ン及びリフロー被着手段によって被着されたガラスなど
の絶縁層を、平坦化するのに用いることができる。

【００１２】図１Ａ及びＢは、本発明の方法に従って用
いられる化学的及び機械的平坦化（ＣＭＰ）装置の概略
図である。図１Ａには、ＣＭＰ装置１０の概略が断面図
で示されている。ＣＭＰ装置１０は、半導体ウエハ１２
を保持するウエハ・キャリア１１を含んでいる。ウエハ
・キャリア１１は、駆動モータ１４によって軸Ａ１の回
りを矢印１３が示す方向に連続的に回転するよう、設置
されている。ウエハ・キャリア１１は、矢印１５で力が
半導体ウエハ１２に作用するように、取り付けられてい
る。ＣＭＰ装置１０はまた、研磨プラテン１６を含み、
これは、駆動モータ１８によって軸Ａ２の回りを矢印１
７が示す方向に連続的に回転するように、設置されてい
る。研磨パッド１９は、吹き付け（blown）ポリウレタ
ンなどの材料から形成されており、研磨プラテンに設置
される。研磨スラリ（slurry)は、塩基性又は酸性のど
ちらかの溶液内にシリカやアルミナなどの研磨粒子が浮
遊している研磨流体を含み、温度制御された貯蔵装置
（reservoir）２１から、管（コンジット：conduit）２
０を通って、研磨パッド１９上に供給される。赤外線放
射検出デバイス２２が、×で指定された領域２３から放
射される赤外線放射を検出するように、設置される。領
域２３は、図１Ｂに示すように、研磨パッド１９の連続
的回転によって、研磨パッド１９の上に環状のリング２
４をトレースする。領域２３の位置は、研磨パッド１９
の回転の間は、研磨パッド１９の半導体ウエハ１２を研
磨する部分の内部にある。コンピュータ・メモリ２５
が、ＣＭＰプロセスの間の、研磨時間に関連して変化す
る研磨パッドの温度に関するデータを記憶する。また、
コンピュータ・メモリ２５には、個々のＣＭＰの化学的
性質と下にあるパターン密度とに特有の積分係数２６が
記憶されている。

【００１３】本発明の第２の実施例では、半導体基板上
の複数の場所（位置）で半導体基板の温度を測定する手
段が、図２のＡ及びＢにその概略が図解されているよう
に、提供される。図２Ａでは、ウエハ・キャリア３０
は、それ自身の内部に、複数の温度センサ３１Ａ、３１
Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅが埋め込まれている。この
例では５つのセンサが示されているが、センサの数と位
置とは、プロセスの必要性に応じて調整できる。温度セ
ンサは、熱電対デバイス、又は、温度を測定するその他
のデバイスであり、例えば、フルロ・オプティック（fl
uro-optic）温度モニタや赤外線温度測定デバイスなど
である。温度センサ３１Ａ〜３１Ｅは、複数の場所で半
導体基板３２の背面側の温度をモニタするように、配置
されている。図２Ａの断面図と図２Ｂの上方図とに、５
つの温度センサの例示的なアレーの概略が示されてい
る。コンピュータ・メモリ３３は、ＣＭＰプロセスの間
の、研磨時間の経過に伴う半導体基板上のそれぞれの場
所の温度に関するデータを記憶する。また、コンピュー
タ・メモリ３３には、半導体基板３２上の個別のＣＭＰ
の化学的性質と下にあるパターン密度とに特有の積分係
数３４が記憶される。次に、研磨インターフェース（界
面）における温度変化の測定から、除去された層の厚さ
を導出する方法を、詳細に説明する。１次近似において
は、研磨インターフェースにおいて結果的に生じる温度
変化は、以下で示すように、インターフェースにおける
熱伝導に起因する。

【００１４】すなわち、熱伝導が温度変化よりもはるか
に大きい場合には、［入ってくる熱エネルギの変化率］
−［出ていく熱エネルギの変化率］＋［熱エネルギ発生
の変化率］＝０である。また、ΔＴを温度変化、ｈを熱
容量、Ｑを［機械的な熱流率（flux）］＋［化学的な熱
流率］とすると、Ｑ＝ｈΔＴであるから、Ｑ＝Ｑ_M＋Ｑ_C である。Ｑ_M＝δＱ_Cとすると、Ｑ＝Ｑ_M＋Ｑ_C＝（１＋δ）Ｑ_C である。ここで、Ｒをスラリと層との反応率、Ｈ_Cを化
学反応の潜熱とすると、Ｑ_C＝ＲｘＨ_C である。次に、ｋを反応速度定数とし、ｄＬを時間ｄｔ
の間に反応した厚さであるとすると、Ｒ＝化学反応速度＝ｋ・ｄＬ／ｄｔである。よって、Ｑ＝（１＋δ）Ｑ_C＝（１＋δ）ｋ・ｄＬ／ｄｔ≡ｈΔ
Ｔとなる。したがって、比例定数をＡと書くと、Ａ・ｄＬ
／ｄｔ≡ｈΔＴだから、ｄＬ／ｄｔ≡ｈΔＴ／Ａとなる。この式の両辺を、０からｔまで積分すると、次
の式が得られる。

【数１】従って、除去された厚さは、温度変化の時間に関する積
分に比例する。

【００１５】次に、除去された材料の厚さをその場でモ
ニタする本発明による方法を、半導体基板上に被着され
た複合的な誘電層を、ＣＭＰを用いて平坦化する例を用
いて、説明することにする。図３及び図４には、ＰＥ-
ＴＥＯＳ／ＳＯＧ／ＰＥ-ＴＥＯＳから成る複合的な誘
電性の被覆層がその上に被着されメタライゼーションが
なされたＭＯＳＦＥＴデバイスを含む、半導体ウエハの
化学的及び機械的平坦化（ＣＭＰ）が示されている。Ｐ
Ｅ-ＴＥＯＳは、半導体産業においては一般的な絶縁体
であり、テトラエチルオルソシリケートからの酸化シリ
コンのプラズマ強化成長を表す。ＳＯＧは、スピン・オ
ン・グラスを表すが、これもまた、半導体産業において
は一般的なものである。典型的なＮＦＥＴ（Ｎ形の電界
効果トランジスタ）デバイスは、図３に示されるよう
に、Ｐ形で＜１００＞の配向を有する単結晶シリコンか
ら成る半導体ウエハ１２、厚いフィールド酸化物領域４
０（ＦＯＸ）、ポリシリコン・ゲート４１、ゲート酸化
物４２、ソース及びドレイン領域４３、側壁スペーサ４
４、酸化シリコン４５及び窒化シリコン４６から成るＬ
ＰＣＶＤ（低圧化学的蒸着）、インターレベル接続プラ
グ４７、導電性相互接続パターン４８、第１のＰＥ-Ｔ
ＥＯＳ層４９、ＳＯＧ層５０、そして、第２のＰＥ-Ｔ
ＥＯＳ層５１を含んでいる。第１のＰＥ-ＴＥＯＳ層４
９は、約２００〜４００℃の間の温度で、テトラエチル
オルソシリケートからのプラズマ強化蒸着法を用いて、
約２０００〜５０００オングストローム（Å）の間の厚
さで被着される。ＳＯＧ層５０は、スピン・オン・グラ
スの２〜４層を与え、次に、約２５０〜４５０℃の間の
温度でリフローを行うことから構成され、その結果とし
て、約２０００〜１００００オングストロームの厚さが
生じる。第２のＰＥ-ＴＥＯＳ層５１は、約２００〜４
００℃の間の温度で、テトラエチルオルソシリケートか
らのプラズマ強化蒸着法を用いて、約２０００〜５００
０オングストローム（Å）の間の厚さで被着される。表
面トポグラフィ５２の平坦化が、図３に示されている
が、図１Ａ及び図１Ｂに概略が示されている装置におい
て、化学的及び機械的研磨（ＣＭＰ）を用いて行われ、
その結果、図４に示されるように、ほぼ平坦な誘電層表
面５３が得られる。

【００１６】次に、図３に示されている表面トポグラフ
ィ５２の除去された誘電層の厚さをＣＭＰの期間中にそ
の場で測定する方法を、詳細に説明する。図１Ａ及び図
１Ｂを参照すると、貯蔵装置２１に含まれＨ₂Ｏの中の
シリカとＮＨ４ＯＨから構成される研磨スラリが、約１
０〜３０℃の温度範囲に制御され、管２０を通って与え
られて、研磨パッド１９に供給される。赤外線放射検出
デバイス２２が、研磨パッド１９上の領域２３の温度を
測定する。半導体ウエハ１２は、研磨装置１０の中に、
第２のＰＥ-ＴＥＯＳ層５１が表面を研磨パッド１９に
接するように下向きに置かれる。研磨プラテン・モータ
１８は、その速度を、約１０〜７０ｒｐｍに設定し、ウ
エハ・キャリア駆動モータ１４は、約１０〜７０ｒｐｍ
の間の速度で回転するように設定される。ウエハ・キャ
リア１１は、力１５を加えることによって、約１〜１０
ｐｓｉの圧力をウエハと研磨パッドとの間に加えるよう
に設定されている。ＣＭＰプロセスの間には、コンピュ
ータ・メモリ２５が、研磨時間の経過に伴う研磨パッド
の温度に関するデータを記憶する。例えば、温度測定デ
バイスから出力される電圧は、標準的なＩＥＥＥ-４８
８インターフェースとＡ／Ｄ（アナログ・デジタル）コ
ンバータを介して、コンピュータ・メモリに結合され
る。デジタル・データは、市販されている温度と電圧と
の相関関係に関するデータベースを用いて、温度に変換
される。また、コンピュータ・メモリ２５には、半導体
基板１２上でのＣＭＰの化学的性質と下側のパターン密
度とに特有の積分係数２６が記憶されている。

【００１７】図５には、図３に示した半導体基板の表面
５２を化学的及び機械的研磨を用いて平坦化する際の、
時間の経過に伴う、赤外線検出された研磨パッド温度の
振る舞いが示されている。図３及び図５に示されている
ように、第２のＰＥ-ＴＥＯＳ層５１がまず研磨され始
めると、研磨パッドの温度は６０で示されるように増加
する。これは、パッドのファイバと研磨スラリの中の研
磨粒子とＰＥ-ＴＥＯＳ層との間の摩擦によるものであ
る。ＰＥ-ＴＥＯＳ層の研磨の間は、研磨パッドの温度
は、６１で示されるように、ほぼ一定のレベルに留ま
る。研磨がより困難な材料であるＳＯＧ層に研磨パッド
が接触すると、パッドのファイバと研磨スラリの中の研
磨粒子と研磨される表面との間の摩擦は増加し、６３で
示すように、研磨パッドの温度は上昇する。最後に、研
磨パッドの温度は、６４で示されるように、より高いレ
ベルで一定になる。これは、パッドのファイバと研磨ス
ラリの中の研磨粒子とＳＯＧ層５０との間の摩擦がより
大きくなることによるものである。

【００１８】第１ステップの近似では、時間の経過に伴
って除去された層の厚さは、図６に示されるように、研
磨パッド温度の変化を、研磨時間に関してコンピュータ
積分することによって得られる。斜線の面積７０は、研
磨パッドの温度変化の、研磨時間に関する積分を表す。
この第１ステップの近似では、この面積７０、すなわ
ち、研磨時間を横軸にとって研磨パッドの温度変化を表
した曲線の下側の積分された面積は、７１で示される研
磨時刻Ｐｒにおける除去された厚さの測定値となる。

【００１８】図７は、特定のＣＭＰ除去化学物質と下側
のパターン密度とに対する記憶された積分係数を応用し
て、除去された層の厚さの第２ステップの近似を導く様
子を示している。８１によって示されている領域Ａで
は、積分された面積Ａに、ＰＥ-ＴＥＯＳに対する研磨
除去化学物質に関連する記憶されている係数α₁を、乗
算する。８２で示されている領域Ｂでは、積分された面
積Ｂに、記憶されている係数ε及びα₂を、乗算する。
記憶されている係数εは、下側の構造のパターン密度に
関連し、記憶されている係数α₂は、ＳＯＧに対する研
磨除去化学物質に関連する。８３によって示されている
領域Ｃでは、積分された面積Ｃに、ＳＯＧに対する研磨
除去化学物質に関連する記憶されている係数α₂を、乗
算する。除去された層の厚さは、式８０によって示され
るように、積分された面積に記憶されている積分係数を
適応したものの和から、得られる。

【００１９】相互接続パターンの上に被着された複合的
な誘電層を含む４つの半導体基板を研磨する際の実験結
果を論じることによって、本発明の方法を、更に説明す
る。次の表１は、実験のパラメータをリストアップして
いる。

【表１】

【００２０】記憶されている係数α₁は、スラリと底部
の誘電層とに対する研磨の化学的性質と、基板の当初の
トポグラフィ又は滑らかさに関連する。記憶されている
係数εは、基礎にある構造に起因するパターン密度と表
面トポグラフィとに関連する。記憶されている係数α₂
は、スラリとＳＯＧの第２の層とに対する研磨の化学的
性質と、ＳＯＧの第２の層の当初のトポグラフィ又は滑
らかさに関連する。基板Ｗ１９は、公称の条件に対応し
ており、すべての係数は１である。基板Ｗ２３は、他の
基板よりも、当初のトポグラフィが少ないが、これは、
ＳＯＧの４つの層が、第２の層として与えられたからで
ある。このために、基板２３に対しては、係数εを減少
させることが必要となり、ε＝０．５となっている。基
板Ｗ２１及びＷ２０は、係数ε＝１であるが、これは、
基板Ｗ１９と当初のトポグラフィが同一であることによ
るものである。基板Ｗ２１は基板Ｗ１９と同じ研磨スラ
リＳＣ１１２を用い、基板Ｗ２１の当初のトポグラフィ
は基板Ｗ１９と同じであるから、基板Ｗ２１に対するα
係数は、α₁＝１、α₂＝１である。しかし、スラリＳＳ
-１２は、酸化シリコンに対しては、スラリＳＣ１１２
よりもＣＭＰ研磨速度が大きい。従って、基板Ｗ２０及
びＷ２３に対するα係数は、ＣＭＰ研磨速度への当初の
トポグラフィの影響だけでなく、この事実を反映しなけ
ればならない。基板Ｗ２０は、基板Ｗ１９と同じ当初の
トポグラフィを有し、スラリＳＳ-１２における酸化シ
リコンに対するより大きなＣＭＰ研磨速度に対応しα₁
＝１．４３、α₂＝１．５０であるα係数を有する。基
板Ｗ１９と比較すると基板Ｗ２３の方が当初のトポグラ
フィが小さいことに対するα係数の調整の結果、基板Ｗ
２３に対するα係数は、α₁＝０．７１、α₂＝０．７１
である。

【００２１】図８は、この実験における４つの基板それ
ぞれに関して、除去された誘電層の厚さを示している。
これは、研磨パッドの温度変化を研磨時間に関して積分
し、４つの基板のそれぞれに関して、特定のＣＭＰ除去
化学物質と下側のパターン密度とに対する積分係数を適
用して、得られたものである。以上では、本発明を特定
のものとして示し、かつ好適実施例に即して説明した
が、当業者には、本発明の技術思想及び範囲から離れず
に、形態及び細部に関し、種々の変更が可能であること
は、理解されるはずである。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａは、本発明の方法に従って用いられる研磨装
置の断面の概略図である。Ｂは、Ａに図解された装置を
上方から見た図である。

【図２】Ａは、複数の温度測定デバイスがその中に埋め
込まれたウエハ・キャリアの概略図である。Ｂは、Ａに
図解されたウエハ・キャリアを上方から見た図である。

【図３】半導体基板上の複合的な誘電層の表面の平坦化
を示すための断面概略図である。

【図４】図３と同じく、半導体基板上の複合的な誘電層
の表面の平坦化を示すための断面概略図である。

【図５】半導体基板の複合的な誘電層の表面を化学的及
び機械的研磨を用いて平坦化する際の、赤外線検出され
た研磨パッドの温度の振る舞いを、時間の経過に従って
示している図である。

【図６】研磨時間を横軸として研磨パッド温度の曲線
と、該曲線の下側の面積を求めるために研磨パッド温度
の変化を研磨時間に関して積分したものとを示している
図である。

【図７】特定のＣＭＰ除去化学物質と下側のパターン密
度に関する記憶された積分係数の応用と、除去された厚
さの導出とを示している図である。

【図８】研磨パッド温度の変化を研磨時間に関して積分
して導出された、除去された厚さの例と、特定のＣＭＰ
除去化学物質と下側のパターン密度とに関する積分係数
の応用とを示している図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の化学的／機械的な平坦化
（ＣＭＰ）方法において、研磨スラリが存在する回転研磨パッドに対向している回
転プラテン上に半導体基板を保持することによって、該
半導体基板を平坦化するステップと、研磨スラリの温度を、約１０〜３０℃の温度範囲に制御
するステップと、温度制御された研磨スラリを、回転研磨パッド上に配置
するステップと、半導体基板の表面を研磨している回転研磨パッドの所定
の位置において、該回転研磨パッドの温度を赤外線検出
手段を用いて、測定するステップと、研磨パッドの温度を、研磨時間の経過に関連させてコン
ピュータ・メモリに記憶するステップと、ＣＭＰ除去化学物質と下側のパターン密度との積分係数
を、コンピュータ・メモリに記憶するステップと、研磨時間の経過に関連させて記憶された温度変化を時間
に関して積分し、かつ記憶された積分係数を適用するこ
とによって、研磨時間に関連する除去された層の厚さを
計算するステップとを含んでいることを特徴とする方
法。
【請求項２】請求項１記載の方法において、研磨スラ
リは、Ｈ₂Ｏ中にシリカとＮＨ₄ＯＨとを含んでいること
を特徴とする方法。
【請求項３】請求項１記載の方法において、回転研磨
パッドの温度は、約１０〜８０℃の範囲の温度において
測定されることを特徴とする方法。
【請求項４】半導体基板の化学的／機械的な平坦化
（ＣＭＰ）方法において、研磨スラリが存在する回転研磨パッドに対向している回
転プラテン上に半導体基板を保持することによって、該
半導体基板を平坦化するステップと、研磨スラリの温度を、約１０〜３０℃の温度範囲に制御
するステップと、温度制御された研磨スラリを、回転研磨パッド上に配置
するステップと、半導体基板の複数の位置において、該半導体基板の温度
を測定するステップと、半導体基板の複数の位置における温度データをそれぞ
れ、研磨時間に関連させてコンピュータ・メモリに記憶
するステップと、ＣＭＰ除去化学物質と下側のパターン密度とに関する積
分係数を、コンピュータ・メモリに記憶するステップ
と、研磨時間に関連させて記憶された温度変化のデータを時
間に関して積分し、かつ記憶された積分係数を適用する
ことによって、半導体基板の複数の位置それぞれにおけ
る、研磨時間データに関連する除去された層の厚さを計
算するステップとを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項５】請求項４記載の方法において、研磨スラ
リは、Ｈ₂Ｏ中にシリカとＮＨ₄ＯＨとを含んでいること
を特徴とする方法。
【請求項６】請求項４記載の方法において、半導体基
板の温度は、その半導体基板上の少なくとも１つの位置
で測定されることを特徴とする方法。
【請求項７】請求項４記載の方法において、半導体基
板の温度は、約１０〜８０℃の範囲の温度において測定
されることを特徴とする方法
【請求項８】構造を含む半導体基板上に、誘電性材料
からなる平坦化された層を製造する方法において、構造を、半導体基板上に提供するステップと、構造を含む半導体基板上に、誘電性材料から成る層を被
着させるステップと、誘電性材料から成る層を平坦化するステップであって、
研磨スラリが存在する回転研磨パッドに対向する回転プ
ラテン上に半導体基板を保持し、かつプラテンと研磨パ
ッドとの間に圧力を加えることによって、平坦化するス
テップと、研磨スラリの温度を、約１０〜３０℃の温度範囲に制御
するステップと、温度制御された研磨スラリを、回転研磨パッド上に配置
するステップと、誘電性材料からなる層の表面を研磨している回転研磨パ
ッドの温度を、該研磨パッドのある位置で、赤外線検出
手段を用いて測定するステップと、研磨パッドの温度を、研磨時間の経過に関連させてコン
ピュータ・メモリに記憶するステップと、ＣＭＰ除去化学物質と下側のパターン密度とに関する積
分係数を、コンピュータ・メモリに記憶するステップ
と、研磨時間に関連して記憶された温度変化のデータを時間
に関して積分し、かつ記憶された積分係数を適用するこ
とにより、除去された層の厚さを、研磨時間の経過に関
連して計算するステップとを含んでいることを特徴とす
る方法。
【請求項９】請求項８記載の方法において、構造は能
動デバイスであることを特徴とする方法。
【請求項１０】請求項８記載の方法において、構造
は、導電性材料からなる相互接続パターンであることを
特徴とする方法。
【請求項１１】請求項８記載の方法において、構造
は、能動デバイスと導電性材料から成る相互接続パター
ンとの両方を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】請求項９記載の方法において、能動デ
バイスは、Ｎ型又はＰ型のＭＯＳＦＥＴデバイスである
ことを特徴とする方法。
【請求項１３】請求項１０記載の方法において、導電
性材料から成る相互接続パターンは、約４０００〜１０
０００オングストローム（Å）の間の厚さを有するアル
ミニウムであることを特徴とする方法。
【請求項１４】請求項８記載の方法において、誘電性
材料からなる層は、ＰＥＣＶＤを用い、約２００〜４０
０℃の温度で、約２０００〜５０００オングストローム
の厚さで被着された酸化シリコンであることを特徴とす
る方法。
【請求項１５】請求項８記載の方法において、研磨ス
ラリは、約１０〜３０℃の温度範囲に制御された、Ｈ₂
Ｏ中のシリカとＮＨ₄ＯＨとを含むことを特徴とする方
法。
【請求項１６】請求項８記載の方法において、回転研
磨パッドは、約１０〜７０ｒｐｍの範囲で回転すること
を特徴とする方法。
【請求項１７】請求項８記載の方法において、回転プ
ラテンは、約１０〜７０ｒｐｍの範囲で回転することを
特徴とする方法。
【請求項１８】請求項８記載の方法において、プラテ
ンと研磨パッドとの間に加えられる圧力は、約１〜１０
ｐｓｉの範囲にあることを特徴とする方法。
【請求項１９】構造を含む半導体基板上に、誘電性材
料からなる平坦化された層を製造する方法において、構造を、半導体基板上に提供するステップと、構造を含む半導体基板上に、誘電性材料からなる層を被
着させるステップと、誘電性材料からなる層を平坦化するステップであって、
研磨スラリが存在する回転研磨パッドに対向する回転プ
ラテン上に半導体基板を保持し、回転プラテンと回転パ
ッドとの間に圧力を加えることによって、平坦化するス
テップと、研磨スラリの温度を、約１０〜３０℃の温度範囲に制御
するステップと、温度制御された研磨スラリを、回転研磨パッド上に配置
するステップと、半導体基板の温度を、その半導体基板上の複数の位置で
測定するステップと、半導体基板上の複数の位置それぞれにおける温度のデー
タを、研磨時間の経過に関連させてコンピュータ・メモ
リに記憶するステップと、ＣＭＰ除去化学物質と下側のパターン密度とに関連する
積分係数を、コンピュータ・メモリに記憶するステップ
と、半導体基板上の複数の位置それぞれにおける除去された
層の厚さを、それぞれの位置ごとに研磨時間の経過に関
連して記憶された温度変化のデータを時間に関して積分
し、かつ記憶された積分係数を適用することによって、
研磨時間に関連して計算するステップとを含んでいるこ
とを特徴とする方法。
【請求項２０】請求項１９記載の方法において、構造
は能動デバイスであることを特徴とする方法。
【請求項２１】請求項１９記載の方法において、構造
は、導電性材料からなる相互接続パターンであることを
特徴とする方法。
【請求項２２】請求項１９記載の方法において、構造
は、能動デバイスと導電性材料から成る相互接続パター
ンとの両方を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項２３】請求項２０記載の方法において、能動
デバイスは、Ｎ型又はＰ型のＭＯＳＦＥＴデバイスであ
ることを特徴とする方法。
【請求項２４】請求項２１記載の方法において、導電
性材料からなる相互接続パターンは、約４０００〜１０
０００オングストロームの厚さを有するアルミニウムで
あることを特徴とする方法。
【請求項２５】請求項１９記載の方法において、誘電
性材料からなる層は、ＰＥＣＶＤを用い、約２００〜４
００℃の温度で、約２０００〜５０００オングストロー
ムの厚さで被着された酸化シリコンであることを特徴と
する方法。
【請求項２６】請求項１９記載の方法において、研磨
スラリは、約１０〜３０℃の温度範囲に制御されたＨ₂
Ｏ中のシリカとＮＨ₄ＯＨとを含んでいることを特徴と
する方法。
【請求項２７】請求項１９記載の方法において、回転
研磨パッドは、約１０〜７０ｒｐｍの範囲で回転するこ
とを特徴とする方法。
【請求項２８】請求項１９記載の方法において、回転
プラテンは、約１０〜７０ｒｐｍの範囲で回転すること
を特徴とする方法。
【請求項２９】請求項１９記載の方法において、回転
プラテンと研磨パッドとの間に加えられる圧力は、約１
〜１０ｐｓｉの範囲にあることを特徴とする方法。