JP2000024914A - 半導体ウエハの研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】表面が平坦でない半導体ウエハでも均一な研磨
ができる半導体ウエハの研磨装置の構造を提供するこ
と。 【解決手段】ウエハ保持機構を上向きにして回転させ、
研磨機構をウエハより小さくしてウエハに押し当てて回
転させ、研磨機構がウエハ保持機構の上部を移動し、研
磨機構がウエハのうねりに追従できるように自由に傾く
ことができる機構を研磨機構に取り付けることにより達
成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ表面
の平坦化を行うために研磨を行う半導体ウエハの研磨装
置に係り、特に半導体ウエハ表面内の研磨量を均一にで
きる半導体ウエハの研磨装置の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの高集積化が進む中で、
回路の配線が微細化している。その結果、光リソグラフ
ィの焦点深度が浅くなるので、デバイスの表面を平坦に
加工することが必須になっている。さらに配線の多層化
が進められており、この場合もデバイス表面の平坦化が
必要である。そこで、半導体ウエハの表面を平坦にする
一つの手段として化学的機械的に半導体ウエハ表面を研
磨するケミカルメカニカルポリッシングという加工方法
が開発されている。本明細書では以下この加工法をＣＭ
Ｐと呼ぶ。

【０００３】従来のＣＭＰを行うための半導体ウエハ研
磨装置の概要を図９に示す。研磨円盤１８に貼られた研
磨布１９にウエハ保持円盤１７に保持された半導体ウエ
ハ１が接触している。ウエハ保持円盤１７と研磨円盤１
８はどちらも回転しており、研磨液供給パイプ９から流
出する研磨液１０（通常はスラリーと呼ばれる研磨砥粒
を含む研磨液）により半導体ウエハ１の表面が研磨さ
れ、平坦に加工される。

【０００４】この加工で最も重要なことは、半導体ウエ
ハ内の研磨量を均一にすることである。しかし、半導体
ウエハは図１０に示すように成膜時に反りが生じる。１
ａはウエハの回路形成面であり、１ｂは研磨により平坦
化を行いたい突起部分である。このまま図９の装置で図
１１のように研磨を行うと、ウエハの外周のみが研磨さ
れることになり、中心部分は研磨されない。以上のこと
を回避するため、図１２に示すように半導体ウエハの裏
面を圧力２０により加圧して研磨面を研磨円盤に押し付
ける構造が特開平9−141550 号公報に開示されている。
また、特開平9−92710号公報では、図１３に示すよう
に、高精度に平面加工されている多孔質円盤２１を介し
て半導体ウエハを吸着し、研磨面の平面度を保つ構造が
開示されている。

【０００５】しかし、上記の方法では、半導体ウエハの
全体的な反りはなくすことができるが、図１２，図１３
に示すように局所的なうねりまで取り去ることはできな
い。従来構造の研磨装置では、この局所的なうねりに対
しては、図１４に示すように研磨円盤に貼り付けた研磨
布の変形で対応している。ところがこの方法では、研磨
布が変形した部分の圧力が大きくなるので半導体ウエハ
の研磨量が増大する。その結果、図１５のＡ部に示すよ
うに、研磨部分の幅が広い場合は両端が大きく研磨さ
れ、かまぼこ型になってしまったり、Ｂ部に示すように
面積の小さい凸部の研磨量が大きくなってしまう場合が
ある。さらにＣ部の狭ピッチの凸部では、両端の研磨量
が大きくなり、Ｄ部のウエハ外周部の研磨量が増大す
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、表
面が平坦でない半導体ウエハをＣＭＰで研磨する場合
に、研磨量が不均一になるという欠点があった。特に最
近は半導体ウエハが大型化し、直径が３００mmのものも
ある。このような大型のウエハでは、成膜時に生じる反
りとうねりが従来にも増して大きくなるので、均一な研
磨がますます困難になる。

【０００７】本発明の目的は、表面が平坦でない半導体
ウエハでも均一な研磨ができる半導体ウエハの研磨装置
の構造を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】均一な研磨を行うための
一つの手段は、半導体ウエハの平坦度を向上させること
である。しかし、ＣＭＰによる研磨量はナノメートルか
らミクロンメートルの寸法の範囲であり、この精度まで
半導体ウエハの平坦度を向上させるのは不可能である。
これは、半導体回路を形成する材料と基板であるシリコ
ン単結晶の物性値が異なっているので、真性応力や熱応
力による変形が避けられないためである。このために従
来は半導体ウエハのうねりに追従できる柔らかい研磨布
が用いられてきたわけであるが、前述のような研磨の不
均一が避けられなかった。もし従来の研磨布に相当する
部分に固い材料を用いた場合は、図１５のような局所的
な不均一は回避できるが、全体的な不均一が研磨布を用
いた場合に比べて増加し、これも半導体ウエハ面内にお
ける研磨量の不均一を回避することができない。

【０００９】上記目的は、半導体ウエハを保持する機構
と、半導体ウエハの表面を研磨する機構と、研磨液を供
給する機構から半導体ウエハの研磨装置を構成し、ウエ
ハ保持機構を上向きにして回転させ、研磨機構を半導体
ウエハに予め設定した荷重で上部から押し当てて回転さ
せ、研磨機構がウエハ保持機構の上部を移動し、研磨部
材の半導体ウエハと接触する面が半導体ウエハのうねり
に追従できるように自由に傾くことができる機構を半導
体ウエハを研磨する機構に取り付けることにより達成さ
れる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について図
を用いて説明する。

【００１１】図１は本発明の第１実施例を示す半導体ウ
エハ研磨装置の斜視図であり、図２はその断面図であ
る。本実施例では、回転するウエハ保持機構２の上に半
導体ウエハ１が保持され、研磨部材４を装着した研磨機
構３がウエハ１に接触している。研磨部材４の寸法（直
径）は半導体ウエハ１の直径の１／２以下である。研磨
機構３は回転機構６により回転し、加圧機構７により加
圧されている。

【００１２】また、研磨機構３は継手５により回転を伝
えられるが、継手５は図２に示すように回転軸に直交す
る軸に関する回転に対して自由であるので、ウエハ１の
反りやうねりに対して追従でき、その結果常に均等な圧
力で研磨することができる。

【００１３】研磨機構３は、移動レール８に導かれてウ
エハ保持機構２の上部を移動し、ウエハ１を研磨する。
さらにウエハ１の上部には研磨液供給パイプ９が設けら
れており、研磨液１０が注ぎ込まれる。なお、図では省
略したが、本装置では各機構の支持部材，研磨液の回収
装置，電源供給経路，信号伝達経路などが必然的に付随
する。

【００１４】本実施例による半導体ウエハ研磨装置で
は、研磨部材４の半導体ウエハ１と接触する面が半導体
ウエハ１のうねりに追従できるように自由に傾くことが
できる機構５が設けられ、しかも研磨機構が３が半導体
ウエハ１の上部を自由に移動することができるので、半
導体ウエハ１にかかる圧力が均一になる。その結果、従
来の技術の項で述べた研磨量の片寄りがなくなり、均一
な研磨ができる。

【００１５】研磨量Ｖ（研磨される厚さ）は次の式で表
わされる。

【００１６】

【数１】

【００１７】ここで、ｐは研磨圧力、ｖは研磨部材と半
導体ウエハの相対速度であり、ｔｅは研磨時間である。
ｋはＷｍ，Ｓｍ，ｐＨ，ｄｐ，Ｒｐなどで決まる定数で
あり、Ｗｍはウエハ表面の材質、Ｓｍは砥粒あるいは砥
石の材質、ｐＨは研磨液のｐＨ，ｄｐは砥粒あるいは砥
石の粒径、Ｒｐは研磨部材の状態（目詰まりの状態な
ど）である。すなわち、研磨量は研磨圧力と相対速度に
比例し、比例定数は種々の研磨条件で決まる。

【００１８】これらの変数のうち、Ｗｍ，Ｓｍ，ｐＨ，
ｄｐ，Ｒｐは研磨時間内では一定であるので、研磨時間
ｔｅと研磨圧力ｐ，相対速度ｖを制御することにより任
意の位置での研磨量を所定の値にすることができる。本
実施例による半導体ウエハ研磨装置では、研磨機構３の
回転速度とウエハ保持機構２の回転速度を調整すること
により自由に相対速度ｖを設定することができ、さらに
研磨圧力ｐは加圧機構７により独立に設定することが可
能である。従って、ウエハ全面において研磨量を均一に
することが可能であり、本発明の目的が達成される。

【００１９】相対速度の設定方法の一つとして、研磨機
構の回転速度をウエハ保持機構の回転速度よりも十分に
小さくし、研磨圧力を一定にすれば、（数１）式の積分
内の値が位置によらず一定になるので、研磨量を一定に
することができる。

【００２０】本発明の第２実施例の断面図を図３に示
す。本実施例では、研磨部材４の寸法が第１実施例より
小さい。従って、半導体ウエハのうねりが大きい場合に
も研磨圧力を一定にすることができる。

【００２１】本発明の第３実施例による半導体ウエハの
研磨装置の研磨液の供給方法を示すグラフを図４に示
す。（数１）式で示したように、研磨量Ｖはウエハ表面
の材質Ｗｍと研磨液のｐＨで変化する。例えば、ｐＨが
７より小さい酸性の研磨液を用いると、ウエハ表面材質
が金属の場合は研磨量が大きいが、酸化膜の場合は研磨
量は小さい。ｐＨが７より大きいアルカリ性の研磨液を
用いると、この関係が逆になる。半導体デバイスの金属
薄膜と酸化膜はミクロンオーダの寸法で構成されている
ので、研磨圧力や相対速度を調整して両方の膜の研磨量
を一定にすることは不可能である。

【００２２】そこで本実施例では、時間ｔ１までは材料
ａに対する研磨速度が大きい研磨液Ａを用い、時間ｔ１
から時間ｔ２までは材料ｂに対する研磨速度が大きい研
磨液Ｂを用いる。ｔ１とｔ２を調整することにより研磨
終了時の研磨量を同じにすることができる。

【００２３】本発明の第４実施例による半導体ウエハの
研磨装置の斜視図を図５に示す。本実施例では、洗浄液
供給パイプ１１を設け、洗浄液１２をウエハ１に流す。
この洗浄の目的は、研磨液を洗い流すのではなく、半導
体ウエハ１の研磨粉，研磨部材から脱落した砥粒などの
研磨屑を除去することにある。これらの研磨屑が残留す
ると、半導体ウエハ１に線状の傷が生じたり、研磨が不
均一になる場合がある。なお、本実施例では、図５に示
すように、洗浄液供給パイプ１１は研磨機構３の下流直
後、研磨液供給パイプ９は研磨機構３の上流直前に設置
することが望ましい。研磨機構３は半導体ウエハ１上を
移動するので、洗浄液供給パイプ１１と研磨液供給パイ
プ９はこれに同期して移動する機構が必要である。

【００２４】本発明の第５実施例による半導体ウエハの
研磨装置の斜視図を図６に示す。従来の半導体ウエハの
研磨装置では、終点検知と言う問題があった。これは、
設定した研磨量だけ研磨が進行したことを検知し、研磨
作業を終了させることである。この方法の一つとして、
半導体ウエハの研磨摩擦抵抗の変化を測定する方法が特
開平8−197417号公報，特開平9−70753号公報，特開平9
−131663号公報、研磨円盤に穴を開け、この穴を通して
光学的に研磨量を測定する方法が特開平9−7985号公
報，特開平9−36072号公報に開示されている。またウエ
ハを研磨円盤の外側にずらし、下側から光学的に研磨量
を測定する方法が特開平8−174411 号公報に開示されて
いる。

【００２５】本発明による半導体ウエハの研磨装置で
は、半導体ウエハが上向きに露出しているので、表面の
さまざまな情報を通常の方法で直接計測することが容易
にできる。本実施例では、半導体ウエハ１の上部に光学
式の膜厚計１３を設置した。これにより研磨が設定値に
達したかどうか簡単に知ることができる。もし研磨液や
洗浄液が測定の妨げになる場合には、圧縮空気供給パイ
プ１５を設け、高速気流１６により測定箇所だけ液を吹
き飛ばす方法が有効である。

【００２６】このほか、研磨加工の精度を上げるために
は、半導体ウエハ１表面の情報を測定することが有効で
あり、膜厚計の設置の他にも温度測定、ビデオカメラに
よる監視などを行うことができる。

【００２７】本発明の第６実施例による半導体ウエハの
研磨装置の制御ブロック図を図７に示す。本実施例で
は、第５実施例による半導体ウエハの研磨装置で得られ
た半導体ウエハ表面の膜厚，温度などの情報を制御装置
にフィードバックし、（数１）式を用いて研磨機構の位
置，回転速数，ウエハの回転数，研磨液の流量を調整
し、精度良く目的値に達するよう研磨条件の制御を行
う。

【００２８】本発明の第７実施例による半導体ウエハの
研磨装置の斜視図を図８に示す。本実施例では、複数組
の研磨機構を設けた。この研磨機構を同時に用いること
により、研磨作業に要する時間（終点時間）を短縮する
ことができる。さらに、それぞれの研磨部材３の材質を
異なるものにすることにより、研磨作業の合理化を図る
ことができる。例えば、研磨部材３，３′，３″の粗さ
をこの順に細かくし、荒削り，中削り，仕上げ削りの順
に１組ずつ用いることにより、研磨時間をさらに短縮す
ることができる。

【００２９】以上、７件の実施例について説明したが、
本発明の研磨部材と研磨液の組み合わせは、従来のＣＭ
Ｐ装置と同様に軟質の研磨布とスラリー（研磨砥粒を含
む研磨液）であってもよい。しかし、この組み合わせ
は、図１５に示した局部的な研磨の不均一が生じやすい
ので、このような場合には、研磨部材に硬質の砥石を用
い、研磨液にはｐＨなどを調整した液体のみを用いる。
砥石の砥粒の脱落による半導体ウエハの傷が避けられな
い場合には、本発明の第４実施例に示したように、洗浄
液を供給し、脱落した砥粒を研磨装置の外部に排除する
方法が有効である。

【００３０】本発明のもう一つの効果に研磨装置の寸法
を大幅に小さくできることがあげられる。従来の研磨装
置では、図９に示すようにウエハ直径の数倍の直径の円
盤を回転させる必要があった。

【００３１】しかし、本発明の研磨装置では、逆に研磨
部材の寸法がウエハより小さいので、最大の回転直径は
ウエハ直径に等しく、従って装置の寸法も数分の１に小
さくできる。しかし、研磨部材の寸法がウエハより小さ
い研磨装置に関しては、特開平7−276225号公報，特開
平9−155733号公報に開示されており、装置の小型化に
関しては本発明にとっては付随な効果であり、主たる目
的は発明が解決しようとする課題の項に記したとおりで
ある。

【００３２】

【発明の効果】本発明による半導体ウエハ研磨装置で
は、ウエハを上向きにして回転させ、ウエハより小さい
研磨機構を予め設定した荷重でウエハに押し当てて回転
させ、研磨機構がウエハの上部を移動し、研磨部材が半
導体ウエハのうねりに追従できるように自由に傾くこと
ができる機構が取り付けられているので、表面が平坦で
ない半導体ウエハでも均一な研磨を行うことができると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による半導体ウエハの研磨
装置の斜視図。

【図２】本発明の第１実施例による半導体ウエハの研磨
装置の断面図。

【図３】本発明の第２実施例による半導体ウエハの研磨
装置の断面図。

【図４】本発明の第３実施例による半導体ウエハの研磨
装置の研磨液の供給方法を示すグラフ。

【図５】本発明の第４実施例による半導体ウエハの研磨
装置の斜視図。

【図６】本発明の第５実施例による半導体ウエハの研磨
装置の斜視図。

【図７】本発明の第６実施例による半導体ウエハの研磨
装置の制御ブロック図。

【図８】本発明の第７実施例による半導体ウエハの研磨
装置の斜視図。

【図９】従来の半導体ウエハの研磨装置の斜視図。

【図１０】反りを生じた半導体ウエハの断面図。

【図１１】反りを生じた半導体ウエハを従来の半導体ウ
エハの研磨装置で研磨する場合の断面図。

【図１２】加圧力で半導体ウエハの反りを矯正した状態
を示す断面図。

【図１３】吸着により半導体ウエハの反りを矯正した状
態を示す断面図。

【図１４】うねりのある半導体ウエハを従来の研磨装置
で研磨している状態を示す断面図。

【図１５】従来の研磨装置で生じた研磨の不均一状態を
示す断面図。

【符号の説明】 １…ウエハ、１ａ…回路形成面、１ｂ…突起部、１ｃ…
ウエハの反り、１ｄ…目標研磨面、２…ウエハ保持機
構、３…研磨機構、４…研磨部材、５…継手、６…回転
機構、７…加圧機構、８…移動レール、９…研磨液供給
パイプ、１０…研磨液、１１…洗浄液供給パイプ、１２
…洗浄液、１３…膜厚計、１４…測定光、１５…圧縮空
気パイプ、１６…高速気流、１７…ウエハ保持円盤、１
８…研磨円盤、１９…研磨布、２０…圧力、２１…多孔
質円盤。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体ウエハを保持する機構と、半導体ウ
   エハの表面を研磨する機構と、研磨液を供給する機構か
   らなる半導体ウエハの研磨装置において、前記ウエハ保
   持機構が前記研磨機構の下部にあり、研磨機構の半導体
   ウエハに接触する研磨部材の寸法が、ウエハ保持機構が
   保持できる最大の半導体ウエハの直径の１／２以下であ
   り、ウエハ保持機構が回転し、研磨機構に取り付けられ
   た前記研磨部材が回転し、研磨機構がウエハ保持機構の
   上部を移動し、研磨部材を予め設定した荷重で半導体ウ
   エハ表面に押し付け、研磨部材の半導体ウエハと接触す
   る面が半導体ウエハのうねりに追従できるように自由に
   傾くことができる機構を、半導体ウエハを研磨する機構
   に取り付けたことを特徴とする半導体ウエハの研磨装
   置。