JPH06318583A - ウエハ表面の平坦化方法及びその方法に用いる化学的機械研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 化学的機械研磨によるウエハ表面の平坦化を
マスプロセスで行えるようにし、半導体製品の歩留りと
信頼性の向上及び生産性の向上を図る。 【構成】 配線１２の形成によって表面に段差を有する
ウエハ１の上面に終点検出成分を含む下層絶縁膜１３を
所定膜厚で形成し、さらに下層絶縁膜１３の上面に研磨
層１５を形成し、研磨剤を含むスラリーと研磨布とを用
いた化学的機械研磨法によって研磨層１５を研磨してウ
エハ１表面を平坦化する際に、研磨によって生じるスラ
リー廃液を研磨の進行に沿って随時分析し、研磨層１５
に対して下地層１３にのみ含まれる終点検出成分のスラ
リー廃液中への溶出を検出する。そして、上記終点検出
成分の溶出を検出した時点で研磨を終了する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ウエハ表面の平坦化方
法及びその方法に用いる化学的機械研磨装置に関し、特
には積層構造を形成する半導体装置の製造工程におい
て、段差を有するウエハの上面を絶縁膜で埋め込んで化
学的機械研磨によって平坦化する方法と、この方法に用
いる化学的機械研磨装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、デバイスの高集積化，高機能化に
伴い、デバイス構造の微細化と多層化が進展している。
このようなデバイス構造の複雑化によって、ウエハ上に
形成された素子表面の段差はますます高アスペクト化し
ている。上記高アスペクト比の段差は、リソグラフィー
の限界を狭めるばかりではなく、上層に形成する配線の
膜厚を部分的に薄くしたり、配線に局部的なストレスを
加えたりする。したがって、上記段差を絶縁膜で埋め込
み平坦化する技術は、リソグラフィーの限界を広げるだ
けではなく、半導体製品の歩留りと信頼性の向上を図る
上で重要になっている。

【０００３】上記平坦化技術には、ＳｉＯ₂ を含むゾル
をスピンコートする方法（以下ＳＯＧ：Spin On Glass
と記す）や、Ｏ₃-ＴＥＯＳ（オゾン−テトラエトキシシ
ラン：Ｓｉ（ＯＣ₂ Ｈ₅)₄ ）ガスを用いたＣＶＤ方法等
がある。上記方法では、シラン（ＳｉＨ₄ ）ガスのＣＶ
Ｄによって形成される絶縁膜と比較して、極めて段差被
覆性に優れた絶縁膜が形成される。

【０００４】しかし、上記の方法でも完全に表面が平坦
な絶縁膜を得ることは難しく、下地の段差のアスペクト
比が大きいほど、平坦化の効果を上げるための膜厚が厚
くなる。厚くなった絶縁膜に形成するヴィアホールはア
スペクト比が非常に大きくなり、導通を取ることが困難
になる。

【０００５】そこで、下地の段差の高アスペクト化で厚
くなった絶縁膜を、化学的機械研磨によって薄膜化する
と共に平坦化する技術が開発されつつある。

【０００６】この方法は、先ず、図５（１）に示すよう
に、例えば配線５０２の形成等によって段差の生じたウ
エハ５の上面に、図５（２）に示すように上記Ｏ₃-ＴＥ
ＯＳＣＶＤ法等によって段差被覆性に優れた絶縁膜５０
３を形成する。次いで、図５（３）に示すように、絶縁
膜５０３を上方から化学的機械研磨によって所定の膜厚
に達するまで研磨する。この化学的機械研磨は、回転研
磨盤に取り付けられた研磨布に直接ウエハ５の表面を接
触させ、研磨剤を含むスラリーを用いてウエハ５の表面
を研磨するもので、非常に良好な平坦性が得られる。そ
して、図５（４）に示すように、表面が平坦化した絶縁
膜５０３の上面に、上層配線膜５０４を成膜し、良好な
積層構造を得る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の方法に
は、以下のような課題があった。すなわち、化学的機械
研磨では、研磨した膜厚を直接測定する手段がない。し
たがって、例えば研磨時間等による膜厚の管理が必要と
なる。しかし、研磨時間を一定にしても、絶縁膜５０３
の表面の凹凸の具合，研磨布の劣化，スラリーの状態等
で研磨速度が大きく変わってしまう。このため、上記の
平坦化方法では研磨の不足や研磨過剰が生じる懸念があ
り、マスプロセスで用いることができなかった。

【０００８】そこで、本発明では上記の課題を解決する
ウエハ表面の平坦化方法及びその方法に用いる化学的機
械研磨装置を提供することによって、半導体製品の歩留
りと信頼性の向上を図ると共に、化学的機械研磨による
ウエハ表面の平坦化をマスプロセスで行えるようにし、
半導体製品の生産性の向上を図ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の第１のウエハ表面の平坦化方法は、配線の
形成によって表面に段差を有するウエハの上面に絶縁膜
からなる研磨層を形成し、研磨剤を含むスラリーと研磨
布とを用いた化学的機械研磨法によって上記研磨層を研
磨するウエハ表面の平坦化方法であり、次の手順を有す
る。先ず、上記研磨層を研磨すると共に、研磨によって
生じるスラリー廃液を研磨の進行に沿って随時分析し、
上記研磨層に対して当該研磨層の下地層にのみ含まれる
成分を終点検出成分として当該終点検出成分のスラリー
廃液中への溶出を検出する。そして、上記終点検出成分
の溶出を検出した時点で研磨を終了する。

【００１０】また、本発明の第２のウエハ表面の平坦化
方法は、上記第１の方法において上記研磨層の下地層
が、上記ウエハの上面に形成した終点検出成分を含有す
る下層絶縁膜かあるいは下層絶縁膜の上面に形成した終
点検出成分を含有する薄膜であることを特徴とする。

【００１１】そして、本発明の第３のウエハ表面の平坦
化方法は、上記第１の方法において上記スラリーが、当
該スラリー廃液中に溶出した上記終点検出成分と反応し
て呈色する試薬を含んでいることを特徴とする。

【００１２】さらに、上記第１または２のウエハ表面の
平坦化方法に用い、上記研磨布を上面に密着させた回転
研磨盤を有する化学的機械研磨装置において、上記回転
研磨盤の上面には、上記研磨布の外側でかつ当該回転研
磨盤の外周に沿って上記スラリー廃液を集液するための
集液溝が設けられていることを特徴とする。

【００１３】

【作用】上記第１のウエハ表面の平坦化方法で行う化学
的機械研磨では、スラリーの中に研磨層を構成する成分
が溶出する。そして、研磨が研磨層の下地層に達した場
合には、下地層に含まれる終点検出成分がスラリーの中
に溶出する。上記の方法では、研磨の進行に沿ってスラ
リー廃液の分析を行い、当該スラリー廃液中に溶出して
いる終点検出成分が検出された時点で研磨を終了する。
したがって、研磨によって平坦化したウエハの表面は、
研磨層の下地層の最上部が現れた状態になっている。

【００１４】上記第２のウエハ表面の平坦化方法では、
下層絶縁膜かあるいは下層絶縁膜の上面に形成された薄
膜が研磨によって表面に現れた時点を検知して研磨が停
止される。このため、研磨によって平坦化したウエハの
表面は、下層絶縁膜で被われた状態になっている。

【００１５】上記第３のウエハ表面の平坦化方法では、
研磨が下地層にまで達して下地層に含有されている終点
検出成分がスラリーの中に溶出すると、溶出した状態の
終点検出成分とスラリー中の試薬とが反応して呈色す
る。したがって、スラリー廃液中への終点検出成分の溶
出が検出される。

【００１６】また、本発明の化学的機械研磨装置では、
化学的機械研磨の進行に伴って発生するスラリー廃液
が、遠心力によって回転研磨盤に設けられた集液溝に集
液される。

【００１７】

【実施例】以下、本発明のウエハ表面の平坦化方法の実
施例を説明する。図１は、本発明の第１の実施例を説明
するウエハの要部断面図である。表面の平坦化を行うウ
エハ１は、図１（１）に示すように、例えばシリコン等
の半導体基板１１の上面に配線１２を形成している。こ
の配線１２によって、ウエハ１の表面には、高アスペク
ト比の段差が形成されている。

【００１８】上記のように段差が形成されたウエハ１の
表面を、以下の手順に従って平坦化する。先ず、図１
（２）に示すように、ウエハ１の上面に下層絶縁膜１３
を所定膜厚だけ堆積させる。下層絶縁膜１３は、例えば
Ｂ（ホウ素），Ｐ（リン），Ａｓ（砒素）等の終点検出
成分をＳｉＯ₂ に含ませたガラス層であり、例えば膜厚
が４０００ÅのＢを含むＢＰＳＧ膜をＣＶＤ法にて堆積
させたものである。

【００１９】次いで、下層絶縁膜１３の上面に上記終点
検出成分を含まない研磨層１５を形成する。研磨層１５
は、例えばＮＳＧ等のガラス層からなるものであり、段
差被覆性の優れたＳＯＧまたはＯ₃-ＴＥＯＳＣＶＤ法に
て堆積させる。この研磨層１５の膜厚は、ウエハ１の表
面に形成された段差部分が堆積した研磨層１５によって
充分に埋め込まれる厚さであり、例えば１６０００Åと
する。

【００２０】そして、上記ウエハ１を化学的機械研磨装
置にセットし、研磨剤を含むスラリーと研磨布とで研磨
層１５の上面から化学的機械研磨を行う。上記化学的機
械研磨においては、研磨によって発生するスラリー廃液
を研磨の進行に沿って随時分析し、スラリーの中に溶出
した上記終点検出成分の検出を行う。

【００２１】また、終点検出成分の検出は、研磨中に生
じるスラリー廃液を、例えば随時原子吸光分析装置に送
り込み、終点検出成分による吸光をモニターすることに
よって行う。

【００２２】そして、上記スラリー廃液の分析によっ
て、スラリーの中に溶出した終点検出成分を検出した場
合には、図１（３）に示すようにその時点を研磨の終点
と判断して研磨を終了する。

【００２３】上記の手順に従って、段差が形成されたウ
エハ１の表面を平坦化した場合、研磨層１５の研磨は化
学的機械研磨によって行われるため、研磨表面は良好な
平坦性が得られる。

【００２４】また、上記化学的機械研磨の進行に伴っ
て、スラリーの中には研磨層１５を構成する成分が溶出
する。そして、研磨が下層絶縁膜１３の最上部に達した
時点では、その下層絶縁膜１３に含まれる終点検出成分
がスラリーの中に溶出し始める。スラリーの中に溶出し
た終点検出成分は、研磨の進行に沿って随時行われてい
るスラリー廃液の分析で検出されるため、終点検出成分
が検出された時点で研磨が下層絶縁膜１３の最上部に達
したと判断される。そして、上記の時点で研磨が停止さ
れるので、ウエハ１は、配線１２の最上部に対して所定
膜厚の下層絶縁膜１５が形成された状態になっている。

【００２５】そして、上記のように平坦化され、下層絶
縁膜１３と研磨で残った研磨層１５の絶縁膜とで被われ
たウエハ１の表面に、例えば図１（４）に示すように上
層配線膜１７を成膜して積層構造を得る。

【００２６】次に、上記実施例１で研磨層１５の研磨に
用いる化学的機械研磨装置を図２に基づいて説明する。
図２は上記化学的機械研磨装置の回転研磨盤２の要部斜
視図である。回転研磨盤２は、盤の中心２１を軸にして
一方向に回転するものであり、上面に取り外し自在の研
磨布２２を密着させている。回転研磨盤２の上面には、
当該回転研磨盤２の周縁に沿ってスラリー廃液を集液す
るための集液溝２３が設けられている。

【００２７】そして、集液溝２３には、集液溝２３内の
スラリー廃液をくみ出すストロー状の集液器具２４があ
てがわれている。この集液器具２４の上部開口は、集液
溝２３の形状に沿った漏斗状に広く形成され、回転研磨
盤２の回転方向と向かい合う方向に開口している。ま
た、この集液器具２４の下端部にはアンプル２５を配置
しておく。

【００２８】上記化学的機械研磨装置では、研磨布２２
と研磨するウエハ１の研磨面とを直接接触させ、研磨剤
を含むスラリーを滴下しながら回転研磨盤２を回転させ
てウエハ１の研磨を行う。その際、スラリー廃液は、回
転研磨盤２の回転によって随時集液溝２３に集液され、
集液器具２４からくみ出されてアンプル２５内に溜ま
る。したがって、このアンプル２５に、例えば原子吸光
分析装置のサンプル採取ノズルを浸しておくことによっ
て、スラリー廃液を随時分析することができる。

【００２９】次に、本発明の第２の実施例を図３に基づ
いて説明する。図３（１）に示すように、平坦化を行う
ウエハ３の表面は、上記第１の実施例と同様に配線３２
の形成によって、高アスペクト比の段差が形成されてい
る。

【００３０】上記のように段差が形成されたウエハ３の
表面を、以下の手順に従って平坦化する。先ず、図３
（２）に示すように、ウエハ３の上面に下層絶縁膜３３
を所定膜厚だけ堆積させる。下層絶縁膜１３としては例
えばプラズマＣＶＤによるＮＳＧ膜を形成する。また、
下層絶縁膜３３の膜厚は例えば３０００Åとする。

【００３１】次いで、下層絶縁膜３３の上面に、例えば
Ｂ₂ Ｏ₃ ガラスまたはＢ₂ Ｏ₃ ガラスを多量に含むガラ
ス等で薄膜３４を形成する。そして、薄膜３４の上面
に、上記第１の実施例と同様に段差被覆性に優れた方法
にてウエハ３表面の段差が埋まるまで研磨層３５を堆積
させる。研磨層３５は、下層絶縁膜３３と同じ材質でも
良い。

【００３２】そして、上記第１の実施例で使用した化学
的機械研磨装置を用いて、第１の実施例と同様に上記ウ
エハ３の研磨層３５を化学的機械研磨によって研磨する
が、この場合研磨に用いるスラリーは中性のものを用い
る。上記研磨においては、上記第１の実施例と同様に研
磨の進行に沿って随時スラリー廃液を分析し、スラリー
の中に溶出するＢ₂ Ｏ₃ ガラスを終点検出成分として検
出する。

【００３３】上記Ｂ₂ Ｏ₃ ガラスは、研磨によってスラ
リーに溶出するとほう酸となるため、スラリー廃液が弱
酸性を呈する。したがって、上記図２で示したアンプル
２５中に、ＢＴＢ液等の中和滴定試薬を用意する。そし
て、スラリー廃液の滴下によってＢＴＢ液が黄色に呈色
した時点を研磨の終点と判断して研磨を終了する。

【００３４】上記の手順に従って段差が形成されたウエ
ハ３の表面を平坦化した場合、第１の実施例と同様に研
磨によって現れたウエハ３の表面は良好な平坦性が得ら
れる。また、上記第１の実施例と同様に、終点検出成分
が検出された時点で研磨が薄膜３４の最上部に達したと
判断され、この時点で研磨を停止するので、ウエハ３
は、配線３２の最上部に対して所定膜厚の下層絶縁膜３
５が形成された状態になっている。

【００３５】そして、上記のように平坦化されたウエハ
３の表面に、例えば図３（４）に示すように上層配線膜
３７を形成する。

【００３６】上記第２の実施例においては、配線３２を
Ｗ（タングステン）等の高融点金属で形成した場合、上
記平坦化の後にアニール処理を施す。これによって薄膜
３４を形成するＢ₂ Ｏ₃ ガラスが上下のＮＳＧ膜等から
なる絶縁膜に溶け込み、汚染等の懸念がなくなる。

【００３７】上記第２の実施例においては、薄膜３４は
Ｂ₂ Ｏ₃ ガラスまたはＢ₂ Ｏ₃ ガラスを多量に含むガラ
スに限るものではなく、例えばＡｌ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｎｉ
等の金属で形成し、終点検出成分をこれらの金属にして
も良い。この場合、終点検出成分の検出に使用する試薬
は，例えば薄膜３４に用いた金属とキレート化合物を形
成するキレート試薬等を用いる。これによって、研磨が
薄膜３４にまで進んだ時点でスラリーの中に溶出し始め
る金属と、上記試薬とがキレート化合物を形成し、キレ
ート錯体の形成による呈色を示すため研磨の終点が検出
される。

【００３８】但し、上記のように薄膜３４に金属材料を
用い、平坦化したウエハ３の上面に上層配線膜３７を形
成する場合には、研磨されずに絶縁膜中に残る薄膜３４
と、上層配線膜３７とで形成する上層配線との導通を極
力さける必要がある。

【００３９】次に、本発明の第３の実施例を図４に基づ
いて説明する。図４（１）に示すように、平坦化を行う
ウエハ４の表面は、上記第１及び第２の実施例と同様に
配線４２の形成によって高アスペクト比の段差が形成さ
れている。

【００４０】上記のように段差が形成されたウエハ４の
表面を、以下の手順に従って平坦化する。先ず、図４
（２）に示すように、ウエハ４の上面に研磨層４５を形
成する。この研磨層４５は、上記第１及び第２の実施例
と同様に段差被覆性に優れた方法にて形成したＮＳＧ等
の絶縁膜からなるものである。この研磨層４５の膜厚
は、ウエハ４の表面に形成された段差部分が充分に埋め
込まれる厚さとする。

【００４１】そして、上記第１の実施例で使用した化学
的機械研磨装置を用いて、第１及び第２の実施例と同様
に上記ウエハ４の研磨層４５を研磨し、スラリー廃液を
分析する。上記研磨においては、研磨層４５の下地層が
配線４２になるため、終点検出成分は配線４２を構成す
る材料から選ぶ。また、スラリーの中に溶出した終点検
出成分の検出は、上記第１の実施例で示した原子吸光分
析または上記第２の実施例で示した試薬との呈色反応に
よって行う。

【００４２】そして、上記スラリー廃液の分析によっ
て、スラリーの中に溶出した終点検出成分を検出した場
合には、図４（３）に示すようにその時点を研磨の終点
と判断して研磨を終了する。

【００４３】上記の手順に従って段差が形成されたウエ
ハ４の表面を平坦化した場合、第１及び第２の実施例と
同様に研磨によって現れたウエハ４の表面は良好な平坦
性が得られる。また、上記第１及び第２の実施例と同様
に、終点検出成分が検出された時点で研磨が配線４２の
最上部に達したと判断され、この時点で研磨を停止する
ので、ウエハ４は、配線４２の上面を露出し、隣合う配
線４２間に研磨されずに残った研磨層４５が埋め込まれ
ている状態になっている。

【００４４】上記のように平坦化されたウエハ４の表面
に、図４（４）に示すように上層絶縁膜４６を例えばＣ
ＶＤ法等によって５０００Å程度形成することによっ
て、ウエハ４の上面に所定膜厚を有しかつ平坦な絶縁膜
を得ることができる。そして、上記上層絶縁膜４６の上
面に、例えば図４（５）に示すように上層配線膜４７を
形成する。

【００４５】上記第２及び第３の実施例において、終点
検出成分の検出を呈色反応によって行う場合には、図２
に示したアンプル２５を吸光光度計に配置することによ
って、スラリー廃液中の終点検出成分を自動的に検出す
ることができる。

【００４６】さらに、上記第２及び第３の実施例におい
て、終点検出成分の検出を呈色反応によって行う場合に
は、研磨によってスラリーに溶出した終点検出成分と反
応して呈色する試薬を、当該スラリーの中に予め含有さ
せておいても良い。この場合、通常の化学的機械研磨装
置を用いて上記の方法にてウエハ表面の平坦化を行うこ
とができ、かつ終点検出成分の溶出が極めて迅速に検出
される。しかし、研磨布上にキレート化合物等が残留す
ると、次に平坦化を行うウエハにおいて研磨の終点検出
が困難になるため、研磨の都度研磨布の清浄化あるいは
研磨布の交換が必要である。

【００４７】また、上記第１から第２の実施例において
は、スラリー廃液中に溶出した終点検出成分の検出を原
子吸光あるいは試薬による呈色反応によって行う場合を
説明した。しかし、本発明はこれに限るものではない。

【００４８】尚、上記第１から第３の実施例によるウエ
ハ表面の平坦化方法は、化学的機械研磨によるウエハ表
面の研磨速度を管理するためにも有効である。この場
合、各ウエハの研磨毎に上記方法を行わずとも、１ロッ
トに１回あるいは１日に１回等の割合で上記の方法を行
い、研磨速度の変化を知ることが可能である。

【００４９】

【発明の効果】以上、実施例で詳細に説明したように、
本発明の請求項１記載のウエハ表面の平坦化方法によれ
ば、ウエハ表面の化学的機械研磨の際に発生するスラリ
ー廃液を分析することによって、研磨の過不足なくウエ
ハ表面に良い平坦性を得ることができる。また、本発明
の請求項２記載のウエハ表面の平坦化方法によれば、研
磨によって平坦化したウエハ表面を、所定膜厚の下層絶
縁膜で被われた状態にすることができる。したがって、
ウエハ上面に素子を形成する場合に、あらためて層間絶
縁膜を成膜する必要はない。さらに、請求項３記載のウ
エハ表面の平坦化方法によれば、予めスラリーに含まれ
ている試薬と、研磨によってスラリーの中に溶出した終
点検出成分との呈色反応によって、迅速に研磨の終点を
検知することができる。そして、本発明の化学的機械研
磨装置によれば、研磨の進行に伴って発生するスラリー
廃液が、回転研磨盤に設けられた集液溝に順次集液され
る。したがって、研磨の進行に沿って随時スラリー廃液
の分析を行うことができる。以上、本発明によって、半
導体製品の信頼性と歩留りの向上が期待されると共に、
化学的機械研磨によるウエハ表面の平坦化をマスプロセ
ルで行うことができるため生産性の向上が期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例を説明する断面模式図である。

【図２】化学的機械研磨装置の要部斜視図である。

【図３】第２の実施例を説明する断面模式図である。

【図４】第３の実施例を説明する断面模式図である。

【図５】従来例を説明する断面模式図である。

【符号の説明】

１，３，４ ウエハ １２，３２，４２ 配線 １３ 下層絶縁膜（下地層） １５，３５，４５ 研磨層 ３３ 下層絶縁膜 ３４ 薄膜（下地層）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 配線の形成によって表面に段差を有する
   ウエハの上面に絶縁膜からなる研磨層を形成し、研磨剤
   を含むスラリーと研磨布とを用いた化学的機械研磨法に
   よって前記研磨層を研磨するウエハ表面の平坦化方法で
   あって、 前記研磨層を研磨すると共に、研磨によって生じるスラ
   リー廃液を研磨の進行に沿って随時分析し、前記研磨層
   に対して当該研磨層の下地層にのみ含まれる成分を終点
   検出成分として当該終点検出成分のスラリー廃液中への
   溶出を検出する工程と、 前記終点検出成分のスラリー廃液への溶出を検出した時
   点で研磨を終了する工程とを有することを特徴とするウ
   エハ表面の平坦化方法。
2. 【請求項２】 前記請求項１記載のウエハ表面の平坦化
   方法において、前記研磨層の下地層は、前記ウエハの上
   面に形成した終点検出成分を含有する下層絶縁膜かある
   いは下層絶縁膜の上面に形成した終点検出成分を含有す
   る薄膜であることを特徴とするウエハ表面の平坦化方
   法。
3. 【請求項３】 前記請求項１記載のウエハ表面の平坦化
   方法において、前記スラリーは、当該スラリーの廃液中
   に溶出した前記終点検出成分と反応して呈色する試薬を
   含んでいることを特徴とするウエハ表面の平坦化方法。
4. 【請求項４】 上記請求項１または請求項２記載のウエ
   ハ表面の平坦化方法に用い、前記研磨布を上面に密着さ
   せた回転研磨盤を有する化学的機械研磨装置において、 前記回転研磨盤の上面には、前記研磨布の外側で且つ当
   該回転研磨盤の外周に沿って前記スラリー廃液を集液す
   るための集液溝が設けられていることを特徴とする化学
   的機械研磨装置。