JP2001287158A

JP2001287158A - 研磨部材、研磨装置、調整方法、測定方法、半導体デバイス製造方法、及び半導体デバイス

Info

Publication number: JP2001287158A
Application number: JP2000090428A
Authority: JP
Inventors: Akira Ishikawa; 彰石川; Tatsuya Chiga; 達也千賀; Kajiro Ushio; 嘉次郎潮; Akira Miyaji; 章宮地
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2001-10-16

Abstract

(57)【要約】【課題】ＣＭＰ装置に於いて、残膜厚をその場測定
する際に、光学的測定のために研磨部材に測定用の窓を
設ける場合、研磨パッドは一般的に透明でないため、窓
とする部分に研磨部材とは材質が異なる透明材料を配置
する必要がある。この材料は、研磨部材の材料とは機械
物性が一般的に異なるため、研磨速度の違い、研磨の不
均一、傷を発生させる原因となる危険が高かった。【解決手段】研磨部材と研磨対象物との間に研磨液を介
在させた状態で、研磨部材と研磨対象物を相対移動させ
ることにより、研磨対象物を研磨する研磨装置に用いら
れる研磨部材に於いて、研磨部材に研磨対象物の研磨面
を光学的に測定するための測定用の窓板を嵌めこみ、非
加重時に於ける前記研磨部材の最表面と前記窓板の前記
最表面側の面との間隔を前記研磨部材の圧縮変形量より
大きく、更に測定光に対する透過率を１０％以上に調整
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨部材及び研磨
装置、特にULSIなどの半導体デバイスを製造するプロセ
スにおいて実施される半導体デバイスの平坦化研磨のた
めのＣＭＰ装置に用いるのに好適な研磨部材、研磨装
置、調整方法、測定方法、及び半導体デバイス製造方
法、半導体デバイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の高集積化、微細化に伴
って半導体製造プロセスの工程が増加し複雑になってき
ている。これに伴い、半導体デバイスの表面は必ずしも
平坦ではなくなってきている。表面に於ける段差の存在
は配線の段切れ、局所的な抵抗の増大などを招き、断線
や電気容量の低下をもたらす。また、絶縁膜では耐電圧
劣化やリークの発生にもつながる。

【０００３】一方、半導体集積回路の高集積化、微細化
に伴って光リソグラフィの光源波長は短くなり、開口数
いわゆるNAが大きくなってきていることに伴い、半導体
露光装置の焦点深度が実質的に浅くなってきている。焦
点深度が浅くなることに対応するためには、今まで以上
にデバイス表面の平坦化が要求されている。このような
半導体表面を平坦化する方法としては、化学的機械的研
磨（Chemical Mechanical Polishing又はChemical Mech
anical Planarization 、これよりCMPと呼ぶ）技術が有
望な方法と考えられている。

【０００４】ＣＭＰは図５に示すような装置を用いて行
われている。図５で１はＣＭＰ装置、１０は研磨体、３
は研磨対象物保持部（研磨ヘッド）、４は研磨対象物
（ウェハ）、５は研磨剤供給部、６は研磨剤である。研
磨体１０は、定盤７の上に研磨パッド２を貼り付けたも
のである。研磨パッド２としては、発泡ポリウレタンよ
りなるシート状のもの、あるいは表面に溝構造を有した
無発泡樹脂よりなるものが使用されている。研磨ヘッド
３は適当な手段により回転運動（１００）し、また研磨
体１０は適当な手段により回転運動（１０１）する。こ
の過程でウェハ４は、研磨剤６と研磨パッド２の作用に
より被研磨面が研磨される。

【０００５】現在、ＣＭＰの研磨の終点は、数十枚のダ
ミーサンプルの研磨を行い、洗浄工程を経た後、エリプ
ソメータ、等による膜厚計測によって算出された研磨速
度を基にして時間管理で決定されている。しかし、時間
管理の方法は、研磨パッドの表面状態の変化、研磨剤の
変化、温度変化などさまざまの不安定要素により、研磨
速度が常に一定で安定している訳ではないため、常に最
適な終点を得る方法として不十分である。更に時間管理
の方法は、研磨速度を求めるために数十枚ものダミーサ
ンプルを用いた研磨作業を必要とすることから、この研
磨作業がコストアップ要因となるため、半導体デバイス
の製造プロセスの安定化や生産コスト低減のためには好
ましくない。

【０００６】このため、研磨量や残り膜厚を研磨しなが
ら測定し研磨の終点を決定する、in- situ測定が盛んに
検討されており、その中でも、光を用いた膜厚測定方式
は精度の点で有望な方法として注目されている。

【０００７】研磨量や、ウェハ表面の状態を光学的にin
- situ測定する場合、研磨パッドに設けた測定用の窓を
通して、ウェハの表面を観測する方法が一般的であり、
この技術はＵＳＰ５４３３６５１に開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上の光学的測定のた
めに研磨パッドに測定用の窓を設ける場合、研磨パッド
は一般的に透明でないため、窓とする部分に研磨パッド
とは材質が異なる透明材料を配置する必要がある。この
材料は、研磨パッドの材料とは機械物性が一般的に異な
るため、研磨速度の違い、研磨の不均一、傷を発生させ
る原因となる危険が高い。

【０００９】また、研磨パッドに穿った孔をそのまま測
定窓とした場合、スラリーや洗浄などに用いられる水が
そこから漏れてくるため、測定系に影響を与えないよう
にする煩雑な機構を必要とし、装置が煩雑になる問題が
ある。

【００１０】また、窓と研磨対象物との間の研磨剤の厚
さが一定せずに、研磨膜厚又は研磨終点の測定に於い
て、測定を誤ることがあるという問題がある。

【００１１】また、窓の研磨対象物側の表面及び裏面
で、研磨膜厚又は研磨終点の測定に用いる測定光が反射
し、研磨膜厚又は研磨終点の測定に於いて、測定を誤る
ことがあるという問題がある。

【００１２】本発明は上記問題を解決するためになされ
たもので、研磨に不安定性を与えない、また煩雑な機構
が不要な測定窓を有する研磨部材、研磨装置、調整方
法、及び測定方法を提供することを目的としている。

【００１３】また、本発明は、研磨工程のコストダウン
を図るとともに研磨状況を精度良く検出することによっ
て工程効率化を図り、それにより従来の半導体デバイス
製造方法に比べて低コストで半導体デバイスを製造する
ことができる半導体デバイス製造方法、及び低コストの
半導体デバイスを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決する為
に、本発明は第一に「研磨対象物を保持する研磨ヘッド
と研磨部材とを具え、前記研磨部材と前記研磨対象物と
の間に研磨剤を介在させた状態で、前記研磨部材と前記
研磨対象物を相対移動させることにより、前記研磨対象
物を研磨する研磨装置に用いられる前記研磨部材に於い
て、前記研磨部材が、前記研磨対象物の被研磨面を光学
的に測定する測定光を通すための測定窓部を具えること
を特徴とする研磨部材（請求項１）」を提供する。

【００１５】第二に「前記測定窓部が、前記研磨部材に
穿たれた孔と前記孔に嵌め込まれた少なくとも測定光に
対して透明な窓板から構成されることを特徴とする請求
項１記載の研磨部材（請求項２）」を提供する。

【００１６】第三に「非加重時に於ける前記研磨部材の
最表面(研磨対象物と接触する面)と前記窓板の前記最表
面側の面（以下上面と呼ぶ）との間隔が研磨荷重時に於
ける前記研磨部材の圧縮変形量よりも大きく調整され、
更に研磨荷重時に於ける前記間隔に前記研磨剤が充たさ
れた状態で、測定光に対する透過率が、前記間隔と前記
透明窓とを合わせて１０％以上に調整されていることを
特徴とする請求項２記載の研磨部材（請求項３）」を提
供する。

【００１７】第四に「研磨対象物を保持する研磨ヘッド
と研磨部材とを具え、前記研磨部材と前記研磨対象物と
の間に研磨剤を介在させた状態で、前記研磨部材と前記
研磨対象物を相対移動させることにより、前記研磨対象
物を研磨する研磨装置に用いられる前記研磨部材に於い
て、前記研磨部材が、前記研磨対象物の研磨面を光学的
に測定する光を通すために少なくとも測定光に対して透
明な材料から成ることを特徴とする研磨部材（請求項
４）」を提供する。

【００１８】第五に「前記研磨部材の最表面（研磨対象
物と接触する面）と前記窓板の前記最表面側の面との間
隔Ｇが、０μm＜Ｇ≦４００μmであることを特徴とする
請求項２記載の研磨部材（請求項５）」を提供する。

【００１９】第六に「前記研磨部材の最表面（研磨対象
物と接触する面）と前記窓板の前記最表面側の面との間
隔Ｇが、１０μm≦Ｇ≦２００μmであることを特徴とす
る請求項２記載の研磨部材（請求項６）」を提供する。

【００２０】第七に「前記窓板の透過率は、２２％以上
であることを特徴とする請求項２記載の研磨部材（請求
項７）」を提供する。

【００２１】第八に「前記窓板は、くさび形であること
を特徴とする請求項２、３、５、６、７何れか１項記載
の研磨部材（請求項８）」を提供する。

【００２２】第九に「前記窓板の下部に、くさび形の透
明板がさらに設置されていることを特徴とする請求項８
記載の研磨部材（請求項９）」を提供する。

【００２３】第十に「前記測定窓部の少なくとも１面に
凹凸がランダムに形成されていることを特徴とする請求
項１、２、３、５、６、７何れか１項記載の研磨部材
（請求項１０）」を提供する。

【００２４】第十一に「前記測定窓部のうちの前記凹凸
が形成されている面の反射率は、２％以下であることを
特徴とする請求項１０記載の研磨部材（請求項１１）」
を提供する。

【００２５】第十二に「前記測定窓部の少なくとも研磨
対象物側の表面が強化のためにハードコーティングされ
ていることを特徴とする請求項１〜１１何れか１項記載
の研磨部材（請求項１２）」を提供する。

【００２６】第十三に「前記測定窓部の少なくとも１面
に反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項
１〜１２何れか１項記載の研磨部材（請求項１３）」を
提供する。

【００２７】第十四に「請求項１〜１３何れか１項記載
の研磨部材と研磨対象物を保持する研磨ヘッドと終点検
出機構とを具え、前記研磨部材と前記研磨対象物との間
に研磨剤を介在させた状態で、前記研磨部材と前記研磨
対象物を相対移動させることにより、前記研磨対象物を
研磨し、且つ前記研磨中に測定光を前記研磨部材を通し
て被研磨面に照射することによって光学的に研磨状態ま
たは研磨膜厚が測定可能とされている研磨装置（請求項
１４）」を提供する。

【００２８】第十五に「前記終点検出機構から出射する
前記測定光は、前記研磨部材を通過し、前記研磨部材と
前記研磨対象物との間の前記研磨剤を通過し、前記研磨
対象物の前記被研磨面で反射し、前記研磨部材と前記研
磨対象物との間の前記研磨剤を再び通過し、前記研磨部
材を再び通過し、前記終点検出機構へ戻り、前記終点検
出機構から出射する前記測定光の強度に対する前記終点
検出機構へ戻る光の強度の比が１％以上であることを特
徴とする請求項１４記載の研磨装置（請求項１５）」を
提供する。

【００２９】第十六に「前記終点検出機構から出射する
前記測定光は、前記研磨部材を通過し、前記研磨部材と
前記研磨対象物との間の前記研磨剤を通過し、前記研磨
対象物の前記被研磨面で反射し、前記研磨部材と前記研
磨対象物との間の前記研磨剤を再び通過し、前記研磨部
材を再び通過し、前記終点検出機構へ戻り、前記終点検
出機構から出射する前記測定光の強度に対する前記終点
検出機構へ戻る光の強度の比が５％以上であることを特
徴とする請求項１４記載の研磨装置（請求項１６）」を
提供する。

【００３０】第十七に「請求項１０、１１何れか１項記
載の研磨部材と研磨対象物を保持する研磨ヘッドと終点
検出機構とを具え、前記研磨部材と前記研磨対象物との
間に研磨剤を介在させた状態で、前記研磨部材と前記研
磨対象物を相対移動させることにより、前記研磨対象物
を研磨し、且つ前記研磨中に測定光を前記研磨部材を通
して被研磨面に照射することによって光学的に研磨状態
または研磨膜厚が測定可能とされている研磨装置におい
て、前記窓板の少なくとも１面に形成されている凹凸
は、前記測定光の波長より大きい段差を有することを特
徴とする研磨装置（請求項１７）」を提供する。

【００３１】第十八に「請求項１４〜１７何れか１項記
載の研磨装置に於ける前記研磨部材の最表面（研磨対象
物と接触する面）と前記窓板の前記最表面側の面との間
隔の調整方法に於いて、前記終点検出機構で測定した信
号に基づいて、前記研磨部材の最表面と前記窓板の前記
最表面側の面との間隔を調整する段階を有することを特
徴とする調整方法（請求項１８）」を提供する。

【００３２】第十九に「請求項１４〜１７何れか１項記
載の研磨装置による研磨膜厚又は研磨終点の測定方法に
於いて、前記終点検出機構で測定した信号と予め測定し
記憶されている信号とを比較する段階と、前記終点検出
機構で測定した信号と予め測定し記憶されている信号と
が等しい時に前記終点検出機構で測定した信号を研磨膜
厚又は研磨終点の測定に用いない段階とを有することを
特徴とする測定方法（請求項１９）」を提供する。

【００３３】第二十に「請求項１４〜１７何れか１項記
載の研磨装置を用いて半導体ウエハの表面を平坦化する
工程を有することを特徴とする半導体デバイス製造方法
（請求項２０）」を提供する。

【００３４】第二十一に「請求項２０に記載の半導体デ
バイス製造方法により製造されることを特徴とする半導
体デバイス（請求項２１）」を提供する。

【００３５】

【発明の実施の形態】図１、図３、図８は、各々本発明
の実施形態の研磨パッドと研磨装置を説明するための図
であるが、本発明はこの図に限定されるものではない。

【００３６】図１にて、２は研磨パッド、１４は透明窓
板である。透明窓板１４は、研磨パッド２に孔が穿たれ
た後にその孔に嵌め込まれている。ここで、透明窓板の
上面と研磨パッドの加工面である最表面との間には間隔
１３が取られている。研磨に際して、図３に示すように
ウェハ４を保持した研磨ヘッド３が研磨パッド上に加重
機構（図示されず）により加重され、間隔１３は圧縮さ
れる。この際、間隔１３は一定で、且つ、基準値以上の
寸法が保たれていることが好ましい。

【００３７】研磨パッドとしては、発泡ウレタン製の軟
質研磨パッドは余り好ましくない。

【００３８】その理由は、一般に多用されている発泡ウ
レタン製の軟質研磨パッドは、研磨時の加重による研磨
パッドの圧縮変形量が大きいことから、非加重・非圧縮
時の間隔１３を大きくしなければならないのみならず、
加重・研磨時のウェハまたは研磨ヘッドのリテーナリン
グの不規則な振動等の動的な力に対する撓み量が大きい
ため、最大に撓んだときに於いてもウェハの被研磨面ま
たは研磨ヘッドのリテーナリングが窓板の上面に接触し
て傷が付くことを防がなければならないからである。そ
のため、研磨の加重・圧縮時に於ける間隔１３を比較的
大きく取る必要があり、この間隔１３が作る空間にスラ
リーが入り込み、測定光はこの間隔１３を透過しなけれ
ばならないので、測定光の窓板と間隔１３の両方に対す
る光透過率が低減する問題がある。

【００３９】以上の観点から、研磨パッドとしては圧縮
変形量の小さな硬質研磨パッドが好ましい。研磨の加重
に対する圧縮変形量が小さいため非加重・非圧縮時の間
隔１３を小さく保てるのみならず、研磨の加重時に於い
ても研磨時のウェハまたは研磨ヘッドのリテーナリング
の不規則な振動等の動的な力に対する撓み量が小さいた
め、加重・圧縮時の間隔１３を小さくできるからであ
る。加重・圧縮時の間隔１３を狭くできれば測定光に対
する透過率が増大し、研磨状態の高精度且つ安定な測定
のために好ましい。研磨パッドの材料としては、エポキ
シ樹脂、アクリル樹脂、ＡＢＣ樹脂、塩化ビニル樹脂、
ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、フッ素樹脂
の群から選ばれた一つ以上の材料が好ましい。

【００４０】窓板材としては石英ガラス、アクリル樹
脂、塩化ビニール樹脂、ポリカーボネート、ポリエステ
ルなどの透明プラスチック等の材料群から選ばれた一つ
以上の材料が好ましく用いられる。

【００４１】窓板の厚さは研磨パッドの厚さに応じて変
える必要がある。測定光に対する窓板１４と間隔１３の
光透過率は、加重・圧縮時の間隔１３及びスラリー濃度
及び窓板の厚さ・材質に依存する。

【００４２】研磨状態の高精度且つ安定な測定のため
に、窓板１４の透過率は、２２％以上であることが好ま
しい。

【００４３】測定光の窓板１４と間隔１３の両方に対す
る透過率は加重・圧縮時に１０％以上であることが好ま
しいが、光源の強度が強い場合または、センサーの感度
が高い場合は１０％未満であっても測定は可能である。

【００４４】測定光に対する該透過率は、窓板材が透明
材料から選ばれれば、加重・圧縮時に間隔１３に入り込
んだスラリーの濃度とスラリー層の厚みに実質的に依存
する。

【００４５】間隔１３の値は、スラリー濃度に依存する
が、一般的なスラリーの濃度にたいしては、０より大き
く４００μｍ以下であることが好ましく、１０〜２００
μｍが一層好ましい。この間隔１３の値は、一般に、発
泡ウレタン製の軟質研磨パッドに対して大きく、非発泡
性の硬質研磨パッドに対して小さい。

【００４６】更に、上記間隔１３は研磨時の加重を考慮
してウェハまたは研磨ヘッドのリテーナリングに接触し
ないように決められているにもかかわらず、稀には研磨
時の不規則な振動のため、窓板がウェハまたは研磨ヘッ
ドのリテーナリングに突発的に接触して傷が付くことが
あるため、これを防ぐために窓板の少なくともウェハ側
の表面にハードコーティングすることが好ましい。例え
ば、アクリル樹脂の場合には、シリコン系の有機樹脂で
ハードコーティングする方法が好ましく行われる。

【００４７】以上説明した研磨パッドは、研磨パッドの
材料自体が測定光に対して不透明な場合に好ましく適用
できる。研磨パッドの材料が測定光に対して透明な研磨
パッドに対してはこの測定窓部が不要となることは勿論
である。

【００４８】本実施形態の研磨パッドは、図１で示され
た形態のものをそのままの形で図３の研磨装置の定盤７
に固定して用いても良いし、アルミプレートのような定
盤に流し込んだ形で定盤７に固定して用いても良いし、
他の適当な異なる材料の１層以上の材料で裏打ちしたも
のを定盤７に固定して用いても良い。

【００４９】以上のように図３の研磨装置は、定盤７に
固定された研磨パッドの上記のような好ましい機能によ
り、研磨中に、終点検出装置１５、１６が研磨状態を好
ましく測定することができる。

【００５０】さらに、終点検出機構である終点検出装置
１５から出射する測定光１７の強度、及び窓板１４を通
過し、窓板１４と研磨対象物４との間の研磨剤を通過
し、研磨対象物４の被研磨面で反射し、窓板１４と研磨
対象物４との間の研磨剤を再び通過し、窓板１４を再び
通過し、終点検出装置１５へ戻る光の強度の関係は、終
点検出装置１５から出射する測定光１７の強度に対する
終点検出装置１５へ戻る光の強度の比が１％以上である
ことが好ましく、５％以上であることが一層好ましい。
これにより、終点検出装置１５へ戻る光の強度が低下し
ないため、終点検出装置１５による研磨状態の高精度且
つ安定な測定ができる。

【００５１】図８（ａ）、（ｂ）は、図１及び図３に示
した本発明の実施形態の変形例である。図８（ａ）、
（ｂ）において、図１及び図３と同じ構成要素について
は同じ番号を付している。

【００５２】図８（ａ）において、窓板３０は、くさび
形をしている。窓板３０のウェハ側の表面３０ａは、ウ
ェハ４の研磨面とほぼ平行であり、窓板３０の裏面（ウ
ェハと反対側の面）３０ｂは、ウェハ４の研磨面に対し
て傾いている。終点検出装置１５は、測定光１７がウェ
ハ４の研磨面に対してほぼ垂直に入射するように設置さ
れている。

【００５３】図８（ａ）においては、終点検出装置１５
から出射した測定光１７のうちの窓板３０の裏面３０ｂ
で反射する光１７ａは、終点検出装置１５へは戻らない
ため、終点検出装置１５による研磨状態の高精度且つ安
定な測定ができる。

【００５４】図８（ｂ）は、図８（ａ）の変形例であ
り、図８（ａ）の構成にくさび形の透明板３１が更に設
置されている。図８（ｂ）においては、測定光１７は、
くさび形の透明板３１及びくさび形の窓板３０を通過す
るため、ウェハの研磨面に入射する光の方向がウェハの
研磨面へほぼ垂直に入射し、且つ終点検出装置１５から
出射する検出光１７の方向もウェハの研磨面に対してほ
ぼ垂直になる。これにより、終点検出装置１５をウェハ
の研磨面に対して、傾けて設置しなくて良いので、終点
検出装置１５の設置の手間を省くことができる。

【００５５】なお、図８（ｂ）において、くさび形の透
明板３１は、研磨パッド２と終点検出装置１５との間に
設置されているが、くさび形の透明板３１は研磨パッド
２の孔に設置しても良いし、終点検出装置１５内に設置
しても良い。

【００５６】また、本発明の実施形態の研磨パッドの窓
板の裏面及び／もしくはウェハ側の表面で測定光が反射
して測定光の光量が低下したり、終点検出装置１５へ戻
ったりして、研磨膜厚又は研磨終点の測定に於いて、測
定を誤ることがある。これを防ぐために窓板のウェハ側
の表面及び／もしくは裏面に反射防止膜を形成すること
が好ましい。反射防止膜としては、例えば、MgF₂等の単
層反射防止膜、もしくはMgF₂、CeF₃、Al₂O₃、SiO₂、Sb₂
O₃等のうちの２以上の膜を積層した多層反射防止膜等が
用いられる。

【００５７】また、本発明の実施形態の研磨パッドの窓
板の裏面及び／もしくはウェハ側の表面で測定光が反射
して終点検出装置１５へ戻り、研磨膜厚又は研磨終点の
測定に於いて、測定を誤ることがある。これを防ぐため
に窓板のウェハ側の表面及び／もしくは裏面に凹凸をラ
ンダムに形成することが好ましい。これにより、凹凸が
形成されている面での測定光の反射が低減する。このよ
うな凹凸を形成する方法としては、窓板が樹脂の場合
は、サンドブラストで凹凸を形成する方法、砥石もしく
はサンドペーパーで凹凸を形成する方法、樹脂の硬化時
に凹凸が形成されているスタンパを含む金型を用いる方
法等があり、窓板がガラスの場合は、サンドブラストで
凹凸を形成する方法、砥石もしくはサンドペーパーで凹
凸を形成する方法、化学的なエッチングにより凹凸を形
成する方法等がある。

【００５８】そして、終点検出装置１５への戻り光を低
減させるため、凹凸の段差は、測定光の波長より大きい
段差であることが好ましい。また、終点検出装置１５へ
の戻り光を低減させるため、凹凸が形成されている窓板
の面での反射率は、２％以下であることが好ましい。

【００５９】次に本発明の実施形態の調整方法について
説明する。本発明の実施形態の調整方法は、前記研磨装
置に於ける研磨部材２の最表面（研磨対象物と接触する
面）と窓板１４の研磨部材２の最表面側の面との間隔の
調整方法に関するものである。終点検出装置１５として
は反射分光特性（反射分光スペクトル）から研磨膜厚又
は研磨終点を測定する装置を用いる。終点検出装置１５
で測定された反射分光スペクトルは、終点検出器の信号
処理装置１６に於いてシミュレーション等で得られた参
照スペクトルと比較され、研磨膜厚又は研磨終点が測定
される。

【００６０】窓板１４の研磨部材２の最表面側の面と研
磨部材の最表面との間隔が広すぎる場合、前記間隔に存
在する研磨剤による光の損失が多すぎるため、終点検出
装置１５に於いて微弱な信号しか得られないので、研磨
膜厚又は研磨終点を良好に測定することができない。一
方、前記間隔が狭すぎる場合、その間隔に存在する研磨
剤の層の干渉による信号が終点検出装置１５の信号に加
わるため、研磨膜厚又は研磨終点を良好に測定すること
ができない。

【００６１】このため、本発明の実施形態の調整方法
は、終点検出装置１５で測定した信号を見ながら、研磨
膜厚又は研磨終点を良好に測定することができる信号が
終点検出装置１５で測定できるように、研磨部材２の最
表面（研磨対象物と接触する面）と窓板１４の最表面側
の面との間隔を調整する、つまり終点検出装置１５で測
定した信号に基づいて、研磨部材２の最表面と窓板１４
の最表面側の面との間隔を調整する段階を有する。

【００６２】次に本発明の実施形態の測定方法について
説明する。本発明の実施形態の測定方法は、前記研磨装
置に於ける研磨膜厚又は研磨終点の測定方法に関するも
のである。終点検出装置１５としては反射分光特性（反
射分光スペクトル）から研磨膜厚又は研磨終点を測定す
る装置を用いる。

【００６３】研磨中に窓と研磨対象物との間の研磨剤の
厚さが一定せずに、研磨膜厚又は研磨終点の測定に於い
て不適当な信号が得られることがある。不適当な信号と
は、例えば、本発明の実施形態の調整方法に於いて説明
した、研磨剤による損失が多すぎる場合の微弱な信号、
及び窓板１４の研磨部材２の最表面側の面と研磨部材の
最表面との間隔に存在する研磨剤の層の干渉による信号
が加わった信号である。

【００６４】このため、本発明の実施形態の測定方法
は、本発明の実施形態の調整方法の調整時等に得られた
不適当な信号等を予め測定した信号として記憶装置（不
図示）に記憶させておき、研磨中に、終点検出装置１５
で測定した信号と記憶装置に記憶されている前記信号と
を比較する段階を有する。さらに、本発明の実施形態の
測定方法は、終点検出装置１５で測定した信号と記憶装
置に記憶されている前記信号とが等しい時に、終点検出
装置１５で測定した信号を研磨膜厚又は研磨終点検出に
用いない段階を有する。これにより、窓と研磨対象物と
の間の研磨剤の厚さが一定せず不安定になるような場合
でも、研磨膜厚又は研磨終点の測定に於いて、測定を誤
ることがなくなる。

【００６５】図７は半導体デバイス製造プロセスを示す
フローチャートである。半導体デバイス製造プロセスを
スタートして、まずステップS200で、次に挙げるステッ
プS201〜S204の中から適切な処理工程を選択する。選択
に従って、ステップS201〜S204のいずれかに進む。

【００６６】ステップS201はシリコンウエハの表面を酸
化させる酸化工程である。ステップS202はCVD等により
シリコンウエハ表面に絶縁膜を形成するCVD工程であ
る。ステップS203はシリコンウエハ上に電極を蒸着等の
工程で形成する電極形成工程である。ステップS204はシ
リコンウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込み工程で
ある。

【００６７】CVD工程もしくは電極形成工程の後で、ス
テップS205に進む。ステップS205はCMP工程である。CMP
工程では本発明に係る研磨装置により、層間絶縁膜の平
坦化や、半導体デバイスの表面の金属膜の研磨によるダ
マシン（damascene）の形成等が行われる。

【００６８】CMP工程もしくは酸化工程の後でステップS
206に進む。ステップS206はフォトリソ工程である。フ
ォトリソ工程では、シリコンウエハへのレジストの塗
布、露光装置を用いた露光によるシリコンウエハへの回
路パターンの焼き付け、露光したシリコンウエハの現像
が行われる。さらに次のステップS207は現像したレジス
ト像以外の部分をエッチングにより削り、その後レジス
ト剥離が行われ、エッチングが済んで不要となったレジ
ストを取り除くエッチング工程である。

【００６９】次にステップS208で必要な全工程が完了し
たかを判断し、完了していなければステップS200に戻
り、先のステップを繰り返して、シリコンウエハ上に回
路パターンが形成される。ステップS208で全工程が完了
したと判断されればエンドとなる。

【００７０】本発明に係る半導体デバイス製造方法で
は、CMP工程に於いて本発明に係る研磨装置を用いてい
るため、CMP工程での研磨終点の測定精度又は膜厚の測
定精度が向上することにより、CMP工程での歩留まりが
向上する。これにより、従来の半導体デバイス製造方法
に比べて低コストで半導体デバイスを製造することがで
きるという効果がある。

【００７１】なお、上記の半導体デバイス製造プロセス
以外の半導体デバイス製造プロセスのCMP工程に本発明
に係る研磨装置を用いても良い。

【００７２】本発明に係る半導体デバイスは、本発明に
係る半導体デバイス製造方法により製造される。これに
より、従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コスト
で半導体デバイスを製造することができ、半導体デバイ
スの製造原価を低下させることができるという効果があ
る。

【００７３】

【実施例】［実施例１］図２は実施例１の研磨パッドを
示す断面図である。

【００７４】エポキシ主剤エピコート８２８、エピコー
ト８７１(共に油化シェルエポキシ社製)と硬化剤ジアミ
ノジフェニルメタンを重量比２．６：３．９：１で混
合、攪拌し、観測用窓部としての孔部分の型を有するφ
800ｍｍのアルミプレート上にこれを流し込み、150℃で
8時間硬化させて成型した。

【００７５】次いで、切削加工で、上記エポキシ樹脂表
面にピッチ0.5mm、深さ0.3mmの螺旋状Ｖ溝(Ｖ角度60°)
と、ピッチ15mm、幅2mm、深さ0.5mm格子状角溝を形成し
た。この研磨パッドのＶ溝(Ｖ角度60°)の断面を図６に
示す。

【００７６】この研磨パッドの樹脂部の厚みは２ｍｍで
あり、圧縮変形量は１０kgf/cm²（９．８×１０⁵Ｐａ）
の荷重に対して２μmであった。

【００７７】窓板１４材としてアクリル材を選び、公知
のエポキシシランの部分共加水分解物にコロイダルシリ
カを分散させたハードコーティング液を塗布し、加熱硬
化して厚さ約１μｍのハードコートを形成した。図２に
示すようこの窓板１４のハードコート側を研磨パッドの
最上層側に向け、間隔１３が加重・圧縮時に１００μｍ
になるように、成型された研磨パッドの孔部にはめ込み
固定した。スラリー(Cabot社SS25を2倍希釈)が間隔１３
に充たされた時の測定光に対する窓板１４と間隔１３の
両方に対する透過率は89%であった。［実施例２］図３
は本実施例の研磨装置である。図３で１０は研磨体、３
は研磨ヘッド、４はウェハ、５は研磨剤供給部、６は研
磨剤である。研磨体１０は、定盤７の上に研磨パッド２
を貼り付けたものであり、研磨パッド２としては、実施
例１で示したものを用いる。定盤７の窓板１４に対応す
る位置には、測定光が通過するための貫通孔が穿ってあ
る。１５は膜厚測定器、１６は信号処理装置である。

【００７８】本研磨装置は以下のように動作する。ウェ
ハ４を保持した研磨ヘッド３は加重機構（図示されず）
により研磨パッド２に加圧され、適当な手段により回転
運動（図示されず）と揺動運動（図示されず）をし、ま
た研磨体１０は適当な手段により回転運動（図示され
ず）する。この過程でウェハ４は、研磨剤６と研磨パッ
ド２の作用により被研磨面が研磨される。研磨中、定盤
７の下に設けられた膜厚測定器から測定光１７が定盤７
の孔、研磨パッドの窓板を通ってウェハの被研磨面に照
射され、その反射信号光は、再び同じ光路を通って膜厚
測定器１５の光検出器にて受光され、その出力信号が信
号処理装置１６で処理され、研磨状態が測定される。

【００７９】以上の研磨装置の研磨ヘッドに熱酸化膜が
1μm形成された6インチシリコンウェハを保持して、以
下の条件で研磨を行った。

【００８０】研磨ヘッド回転数:50rpm 定盤回転数:20rpm 荷重:460g/cm²（４．５×１０⁴Ｐａ）揺動幅:30mm 揺動速度:15ストローク／分研磨時間:3分使用スラリーSS25を2倍に希釈スラリー流量:200ml/分研磨中に図４に示すように観測用の窓板を通して残り膜
厚を光学的にその場測定することにより100nm／分の研
磨速度が観察され、繰り返し測定の結果、測定の安定性
が確認された。

【００８１】また、測定窓による研磨の不均一や傷の発
生の悪影響はなかった。

【００８２】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、研
磨の不均一や傷を生ずることなく、研磨量や、研磨対象
物の表面の状態を光学的にin-situで安定的に且つ高精
度で測定できる簡便な研磨部材及び研磨装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の測定窓部を具えた研磨パッ
ドの概略断面図である。

【図２】本実施例１の測定窓部を具えた研磨パッドの概
略断面図である。

【図３】本実施例１の研磨パッドと、終点検出装置（膜
厚測定器と信号処理装置）を具えた研磨装置の概念図で
ある。

【図４】本発明で得られた研磨による残り膜厚変化のそ
の場測定（in-situ）によるデータ例である。

【図５】従来のＣＭＰ装置の概念図である。

【図６】本実施例１の研磨パッドの溝形状の断面図であ
る。

【図７】半導体デバイス製造プロセスを示すフローチャ
ートである。

【図８】本発明の実施形態の測定窓部を具えた研磨パッ
ドの概略断面図である。

【符号の説明】

１ＣＭＰ装置２研磨部材（研磨パッド）３研磨対象物保持部(研磨ヘッド) ４研磨対象物(ウェハ) ５研磨剤供給部６研磨剤（スラリー）７定盤１０研磨体１１定盤（アルミプレート）１２研磨パッド１３研磨パッドの最表面と窓板上面との間隔１４透明窓板１５膜厚測定器・・終点検出装置１６信号処理装置・・終点検出装置１７測定光２５研磨パッドの最表面２６研磨パッドの溝３０くさび形の窓材３１くさび形の透明板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮地章東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内Ｆターム(参考） 2F065 AA30 BB03 BB16 CC19 HH13 JJ01 JJ09 LL00 LL49 PP13 3C058 AA09 AA12 AC02 AC04 BA01 BA07 BA09 CB10 DA12 DA17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨対象物を保持する研磨ヘッドと研磨部
材とを具え、前記研磨部材と前記研磨対象物との間に研
磨剤を介在させた状態で、前記研磨部材と前記研磨対象
物を相対移動させることにより、前記研磨対象物を研磨
する研磨装置に用いられる前記研磨部材に於いて、前記
研磨部材が、前記研磨対象物の被研磨面を光学的に測定
する測定光を通すための測定窓部を具えることを特徴と
する研磨部材。
【請求項２】前記測定窓部が、前記研磨部材に穿たれた
孔と前記孔に嵌め込まれた少なくとも測定光に対して透
明な窓板から構成されることを特徴とする請求項１記載
の研磨部材。
【請求項３】非加重時に於ける前記研磨部材の最表面
(研磨対象物と接触する面)と前記窓板の前記最表面側の
面（以下上面と呼ぶ）との間隔が研磨荷重時に於ける前
記研磨部材の圧縮変形量よりも大きく調整され、更に研
磨荷重時に於ける前記間隔に前記研磨剤が充たされた状
態で、測定光に対する透過率が、前記間隔と前記透明窓
とを合わせて１０％以上に調整されていることを特徴と
する請求項２記載の研磨部材。
【請求項４】研磨対象物を保持する研磨ヘッドと研磨部
材とを具え、前記研磨部材と前記研磨対象物との間に研
磨剤を介在させた状態で、前記研磨部材と前記研磨対象
物を相対移動させることにより、前記研磨対象物を研磨
する研磨装置に用いられる前記研磨部材に於いて、前記
研磨部材が、前記研磨対象物の研磨面を光学的に測定す
る光を通すために少なくとも測定光に対して透明な材料
から成ることを特徴とする研磨部材。
【請求項５】前記研磨部材の最表面（研磨対象物と接触
する面）と前記窓板の前記最表面側の面との間隔Ｇが、
０μm＜Ｇ≦４００μmであることを特徴とする請求項２
記載の研磨部材。
【請求項６】前記研磨部材の最表面（研磨対象物と接触
する面）と前記窓板の前記最表面側の面との間隔Ｇが、
１０μm≦Ｇ≦２００μmであることを特徴とする請求項
２記載の研磨部材。
【請求項７】前記窓板の透過率は、２２％以上であるこ
とを特徴とする請求項２記載の研磨部材。
【請求項８】前記窓板は、くさび形であることを特徴と
する請求項２、３、５、６、７何れか１項記載の研磨部
材。
【請求項９】前記窓板の下部に、くさび形の透明板がさ
らに設置されていることを特徴とする請求項８記載の研
磨部材。
【請求項１０】前記測定窓部の少なくとも１面に凹凸が
ランダムに形成されていることを特徴とする請求項１、
２、３、５、６、７何れか１項記載の研磨部材。
【請求項１１】前記測定窓部のうちの前記凹凸が形成さ
れている面の反射率は、２％以下であることを特徴とす
る請求項１０記載の研磨部材。
【請求項１２】前記測定窓部の少なくとも研磨対象物側
の表面が強化のためにハードコーティングされているこ
とを特徴とする請求項１〜１１何れか１項記載の研磨部
材。
【請求項１３】前記測定窓部の少なくとも１面に反射防
止膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜１２
何れか１項記載の研磨部材。
【請求項１４】請求項１〜１３何れか１項記載の研磨部
材と研磨対象物を保持する研磨ヘッドと終点検出機構と
を具え、前記研磨部材と前記研磨対象物との間に研磨剤
を介在させた状態で、前記研磨部材と前記研磨対象物を
相対移動させることにより、前記研磨対象物を研磨し、
且つ前記研磨中に測定光を前記研磨部材を通して被研磨
面に照射することによって光学的に研磨状態または研磨
膜厚が測定可能とされている研磨装置。
【請求項１５】前記終点検出機構から出射する前記測定
光は、前記研磨部材を通過し、前記研磨部材と前記研磨
対象物との間の前記研磨剤を通過し、前記研磨対象物の
前記被研磨面で反射し、前記研磨部材と前記研磨対象物
との間の前記研磨剤を再び通過し、前記研磨部材を再び
通過し、前記終点検出機構へ戻り、前記終点検出機構から出射する前記測定光の強度に対す
る前記終点検出機構へ戻る光の強度の比が１％以上であ
ることを特徴とする請求項１４記載の研磨装置。
【請求項１６】前記終点検出機構から出射する前記測定
光は、前記研磨部材を通過し、前記研磨部材と前記研磨
対象物との間の前記研磨剤を通過し、前記研磨対象物の
前記被研磨面で反射し、前記研磨部材と前記研磨対象物
との間の前記研磨剤を再び通過し、前記研磨部材を再び
通過し、前記終点検出機構へ戻り、前記終点検出機構から出射する前記測定光の強度に対す
る前記終点検出機構へ戻る光の強度の比が５％以上であ
ることを特徴とする請求項１４記載の研磨装置。
【請求項１７】請求項１０、１１何れか１項記載の研磨
部材と研磨対象物を保持する研磨ヘッドと終点検出機構
とを具え、前記研磨部材と前記研磨対象物との間に研磨
剤を介在させた状態で、前記研磨部材と前記研磨対象物
を相対移動させることにより、前記研磨対象物を研磨
し、且つ前記研磨中に測定光を前記研磨部材を通して被
研磨面に照射することによって光学的に研磨状態または
研磨膜厚が測定可能とされている研磨装置において、前記窓板の少なくとも１面に形成されている凹凸は、前
記測定光の波長より大きい段差を有することを特徴とす
る研磨装置。
【請求項１８】請求項１４〜１７何れか１項記載の研磨
装置に於ける前記研磨部材の最表面（研磨対象物と接触
する面）と前記窓板の前記最表面側の面との間隔の調整
方法に於いて、前記終点検出機構で測定した信号に基づいて、前記研磨
部材の最表面と前記窓板の前記最表面側の面との間隔を
調整する段階を有することを特徴とする調整方法。
【請求項１９】請求項１４〜１７何れか１項記載の研磨
装置による研磨膜厚又は研磨終点の測定方法に於いて、前記終点検出機構で測定した信号と予め測定し記憶され
ている信号とを比較する段階と、前記終点検出機構で測定した信号と予め測定し記憶され
ている信号とが等しい時に前記終点検出機構で測定した
信号を研磨膜厚又は研磨終点の測定に用いない段階とを
有することを特徴とする測定方法。
【請求項２０】請求項１４〜１７何れか１項記載の研磨
装置を用いて半導体ウエハの表面を平坦化する工程を有
することを特徴とする半導体デバイス製造方法。
【請求項２１】請求項２０に記載の半導体デバイス製造
方法により製造されることを特徴とする半導体デバイ
ス。