JP2000331967A - 半導体デバイス表面の平坦化研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】鏡面仕上げを施したシリコンウェーハの表面に
回路パターンを形成し、シリコンの酸化膜等で被覆した
半導体デバイス表面の平坦化（プラナリゼーション）を
行なうための研磨方法を提供する。 【構成】回転可能な定盤の表面に、小部分に分割された
セラミックスあるいは樹脂からなるポリッシャーの頂部
平坦部にて同一研磨作用面を形成し、該研磨作用面に半
導体デバイスを圧接し、砥粒微粒子を含む水系スラリー
を供給しつつ前記定盤および半導体デバイスの少なくと
も一方を回転して加工を行なうことを特徴とする半導体
デバイス表面の平坦化研磨方法である。同一研磨作用面
の面積は、定盤の有効作用面積の３０〜９０％である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、鏡面仕上げを施し
たシリコンウェーハの表面に回路パターンを形成し、シ
リコンの酸化膜で被覆した半導体デバイス表面の平坦化
（プラナリゼーション）を行なうための研磨方法に係る
ものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造は、酸化絶縁膜及
び金属膜の形成と、エッチバックと、平坦化との組み合
わせで行なうのが代表的な生産プロセスである。凹凸の
ある酸化膜の面、あるいは微細回路を形成する金属と酸
化膜とが共存する複合面に、精緻な寸法精度と平坦度を
形成するための研磨加工は、表面にポリッシングパッド
を貼付した定盤に工作物を押しあて、研磨材たる砥粒微
粉スラリーを定量的に供給しつつ定盤及び被加工体を押
圧回転運動させて、その作用で加工を行なうという方法
で行われる。

【０００３】上述の半導体デバイスの平坦化での研磨す
べき面は、層間絶縁膜である酸化珪素、ＳＴＩ用の酸化
珪素、金属膜用のタングステン、アルミニウム、銅など
で主として構成され、その他にポリシリコン、金属窒化
物あるいは珪素等も構成材料として挙げることができ
る。製造にあたってはこれ等の膜が層状に形成されてゆ
くので、平坦化にあたっては、それらの膜のみの層の研
磨あるいはこれ等が複雑に錯綜した面の研磨が必要とな
る。

【０００４】これ等の面の加工にはＣＭＰ（ケミカルメ
カニカルポリッシング）と称する研磨技法が行われ、ま
たＣＭＰ用の装置としては従来の超精密なポリッシング
装置が使用される。すなわち、合成樹脂発泡体や合成皮
革あるいは不織布などからなるポリッシングパッドを貼
付した回転定盤を持ったポリッシング加工機である。こ
こでいうＣＭＰ技法とは、例えばアルカリ等の持つ化学
的な除去力と、砥粒の持つ機械的な作用を組み合わせて
効果的な加工を行う手法を言うものであって、ウェーハ
面に形成された凹凸の多い酸化膜面のプラナリゼーショ
ンや、異種材料が混在して形成されている面のプラナリ
ゼーション等に広く応用されている。

【０００５】一般的なＣＭＰにおけるポリッシング加工
機は前述の通り、任意に回転可能な定盤面に合成樹脂発
泡体や合成皮革あるいは不織布などからなるポリッシン
グパッドを貼付したものであり、これにウェーハ等の被
加工体を押圧し、研磨用組成物の液を供給しながらポリ
ッシングを行なうのであって、加工対象となる被加工体
の性質に従って、ポリッシングパッド、ポリッシャある
いは研磨用組成物スラリーの種類を変更して対応して行
く。加工対象として半導体デバイスという極めて多様な
性質を持つものを考える場合、上述のポリッシングパッ
ド、ポリッシャあるいは研磨用組成物スラリーの種類も
極めて多様化されて来ている。

【０００６】半導体デバイスのＣＭＰによるプラナリゼ
ーションでの研磨すべき表面は、層間絶縁膜である酸化
珪素、ＳＴＩ用のシリカ、金属膜用のタングステン、ア
ルミニウム、銅およびその化合物、バリアメタルである
チタン、タンタル及びその窒化物などの他、ポリシリコ
ン、シリコン、金属窒化物等々の多様な素材から構成さ
れている。これらの性質、物性、特に硬度や被削性の異
なる素材から構成された面を効率よく、かつ高精度に加
工することが要求されている。

【０００７】従来より様々な研磨用組成物スラリーが半
導体デバイス基板表面の酸化膜や金属膜の除去用として
提案されている。例えば層間絶縁膜の除去には超微粒子
で高純度のシリカスラリーやセリアスラリーが好んで使
用され、また金属膜の除去にはアルミナ超微粒子スラリ
ーが選択的に使用され、それに硝酸鉄、過酸化水素など
が添加剤として併用されている。またポリッシングパッ
ドとしては、例えばポリエステル製の不織布をウレタン
樹脂加工したもので薄手で寸法精度に優れたものが多用
されている。

【０００８】これらの上述の従来のＣＭＰによるプラナ
リゼーションを、半導体デバイスのような複数の素材か
ら形成された面、例えば層間絶縁膜と金属膜とが共存す
るような面に対して行なった場合、極めて硬度の高い酸
化珪素の部分と比較的硬度の低いアルミニウム等の金属
が共存することとなる。この面を可撓性と柔軟性及び若
干のクッション性を有するポリッシングパッドを用いて
ポリッシング加工を行なった場合そのクッション性から
基板面に沈み込みが起きやすく、被加工体を構成する素
材の硬度、被削性の差による削り残し、あるいは硬度の
低い素材に対する過剰除去による凹み（ディッシン
グ）、更には外周部の面ダレ（ロールオフ）を起こし完
全な平坦化が困難であることが問題点として挙げられて
いた。

【０００９】かかる問題点を回避するために、ポリッシ
ングパッドの硬度を上げしかもより薄手にしてその柔軟
性、クッション性を低減せしめる試みも行なわれている
が、このような素材を使用するかぎり限度がある。さら
に、ポリッシャ自体の素材を変更し、例えば砥粒を固定
化した砥石をポリッシャとして用いる方法等が挙げられ
るがこの場合、固定砥粒による異常傷（スクラッチ）の
発生や目詰まり現象による加工力の急激な低下等が問題
点として挙げられ、実際の使用にはほど遠い状態であっ
た。特に加工力に優れたダイヤモンド砥石を使用した場
合、正常な研磨においても線状痕が残りそれが異常傷
（スクラッチ）の発生につながる傾向は顕著であった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、上述の
問題点に鑑み鋭意研究を行ない、柔軟性やクッション性
を持たない素材をポリッシャとして使用し、しかも研磨
作用面の形状を目詰り現象をやスラリーの巻き込みや研
磨屑の残存が起こりにくい形状とすることで、前述のデ
ィッシング、ロールオフあるいはスクラッチ等の好まし
からざる現象が起こるのを防止しうることを見出し本発
明方法を完成するに至ったものである。すなわち、本発
明の目的は形状精度よく半導体デバイス表面の平坦化
（プラナリゼーション）を行なう方法を提供することに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述の目的は、回転可能
な定盤の表面に、小部分に分割されたセラミックスある
いは樹脂からなるポリッシャーの頂部平坦部にて同一研
磨作用面を形成し、該研磨作用面に半導体デバイスを圧
接し、砥粒微粒子を含む水系スラリーあるいは水系ゾル
を供給しつつ前記定盤および半導体デバイスの少なくと
も一方を回転して加工を行なうことを特徴とする半導体
デバイス表面の平坦化研磨方法にて達成される。小部分
に分割されたセラミックスあるいは樹脂からなるポリッ
シャーの頂部平坦部にて形成される研磨作用面の面積
は、定盤の有効作用面積に対して３０〜９０％であるこ
とが好ましい。これを下回ると研磨作用面が少なく、効
率的研磨ができずまた研磨剤であるスラリーのロスも極
めて多くなる。さらに、研磨中にエッジが引掛ったりし
て正常な研磨ができなくなる。またこれを上回ると研磨
屑の排出が急に悪くなりスクラッチやその他の欠点が出
易くなる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の肝要は、研磨作用面を従
来の如くクッション性のある繊維素材等にて構成するの
ではなく、例えば小部分に分割されたセラミックスや硬
質の樹脂等で構成する点にある。これらの柔軟性、クッ
ション性のない素材を使用すれば、圧力をかけても基板
面の沈み込みは起こらず、前述のディッシング、ロール
オフ等の現象を起こすことはない。すなわち、基準面と
なる研磨作用面を正確に創成しておけば精度の高いプラ
ナリゼーションが可能となる。

【００１３】本発明で用いるセラミックスや硬質の樹脂
は、その表面は従来の繊維素材の如くミクロで複雑な形
状を持たず、かつクッション性もないため、砥粒の捕捉
性あるいは研磨屑等の捕捉性はなく、特に研磨屑や砥粒
の凝集したようなものを組織の中に捕らえることによっ
て、その研磨への悪影響を緩和するといった性能を具備
していない。従って、研磨作用面全面をこれらの素材で
形成した場合は、研磨屑等の排出が十分でなく、また逆
にスラリーの研磨面への回り込みが十分でなくなり、均
質な研磨ができず、面粗さや平坦度が不十分となる上、
研磨屑や砥粒の凝集塊によるスクラッチ等の欠点も出易
すくなる。

【００１４】上述の如き弊害を避けるために、本発明に
おいては研磨作用面を小部分に分割し適度な空隙を持っ
た研磨作用面を形成する。具体的にはその頂部平坦部が
小型円形のペレット状のものを多数定盤面に貼り付けて
均一研磨作用面を形成することが好ましいが、特に限定
を受けるものではなく、任意の形状をとることができ
る。また不定形の海島構造のものとしてもよい。更にそ
のような構造をとるために、定盤面全体をカバーするセ
ラミックスや硬質の樹脂板を取り付けた後、一般工具に
よる切削、溝切り、穿孔、レーザー加工更にはサンドブ
ラストやウォータージェット等の手段によって例えば溝
状の凹状部を形成させてもよい。

【００１５】研磨作用面を形成する小部分に分割された
ポリッシャーの頂部平坦部の形状は特に限定を受けるも
のではなく、またその分布についても特に限定を受ける
ものではないが、その作用面はできる限り均一で偏りの
少ないものであった方が好ましい。例えば、円形、楕円
形、多角形のペレット状ものを規則的に千鳥状に配列し
たり、あるいは格子状の溝を切ったような形状としても
よい。回転に伴い、例えば全くポリッシャが接触しない
部分等が発生しないように配列を行なうことが肝要であ
る。

【００１６】本発明におけるポリッシャの材質は、柔軟
性やクッション性のないセラミックスや硬質の樹脂であ
る。これらを用いることにより前述の通り、ポリッシン
グ加工時においても基板面に沈み込みは起こらず、従っ
てディッシングやロールオフを起こすことはない。ま
た、このような素材をポリッシャとして、上述のような
形状と配列で定盤上に配置すれば、スクラッチ等の欠点
も起こらない。

【００１７】ポリッシャを構成するセラミックスとして
は、特に限定を受けるものではないが、一般的にニュー
セラミックスと称せられるもの、即ち酸化アルミニウ
ム、酸化ジルコニウムあるいは炭化珪素等を原料とした
硬質なものを用いることができる。これらの素材を用い
たポリッシャは非常に硬度が高く、実際のポリッシャと
して使用した場合、摩耗等による変形等は起こり難く、
平坦化に対して良好であり、更に基板面の沈み込みがな
いため、ディッシングやロールオフといった問題に対し
て有効である。また、砥粒等の捕捉性と効率等を考慮す
ると微細気孔を持った多孔質のものであってもよい。

【００１８】また、ポリッシャを構成する樹脂として
は、特に限定を受けるものではなく、硬質の寸法安定性
のよいものであれば使用できるが、特に硬脆性の高い熱
硬化性の樹脂、例えばフェノール樹脂、メラミン樹脂、
ウレタン樹脂、シリケート樹脂、ポリカーボネート樹脂
あるいはその混合体、複合体をあげることができる。熱
可塑性樹脂も使用されるが、これらの熱硬化性樹脂を使
用した方が、他の熱可塑性樹脂を使用するよりも、熱あ
るいは薬剤、水等に対する寸法安定性がよく、変形によ
るポリッシング性の低下につながることもない。また、
摩耗等による変形等は起こり難く、平坦化に対して良好
であり、更に基板面の沈み込みがないため、ディッシン
グやロールオフといった問題に対して有効である。砥粒
等の捕捉性とポリッシング加工の効率等を考慮すると微
細気孔を持った多孔質のものであってもよい。

【００１９】本発明に使用する研磨用組成物としては、
砥粒微粒子を含む水系のスラリーが用いられる。ここで
いう砥粒微粒子とは、金属の酸化物、窒化物、炭化物等
の微粒子、具体的には酸化珪素、酸化アルミニウム、酸
化ジルコニウム、酸化マンガン、酸化セリウム、窒化珪
素あるいは炭化珪素等の微粒子であり、これらの水系分
散液のスラリーやゾル、あるいはコロイド状に分散した
水系のスラリーを使用することができる。また、この水
系のスラリーやゾルにはその使用時のポリッシング性能
の安定性を増すために、アルコール、多価アルコール等
の水溶性有機溶媒、硝酸、塩酸、燐酸、硫酸、酢酸、乳
酸等の酸類、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸
化リチウム等の塩基、アミン類、および塩類等を添加物
として少量加えることができる。さらに、その他の増粘
剤、界面活性剤、分散剤、洗浄剤、研磨屑再付着防止剤
等を加えることができる。

【００２０】

【実施例及び比較例】以下実施例をあげて本発明になる
装置および方法を具体的に説明するが、それにより特に
限定を受けるものではない。また、実施例において使用
したポリッシング加工装置はドクターラップ（マルトー
（株）製）である。

【００２１】実施例１ 直径６ｍｍの真円柱状のフェノール樹脂製のペレットを
定盤面に、貼り付けその頂部面積の総和が定盤面積の７
０％になるようにしたものを準備した。２５×２５ｍｍ
角のＳＴＩシリカ膜を付けたワークピースを上述の加工
機を用いて、定盤回転数１５０ＲＰＭ、キャリア回転数
２５０ＲＰＭ、加工圧力を２５０ｇ／ｃｍ²として、粒
子径１７０ｎｍの酸化珪素微粒子を８％含有する水系ス
ラリーを２０ｍｌ／ｍｉｎの流量で供給しつつポリッシ
ング加工をおこなった。その結果、ディッシングやロー
ルオフに対しては明らかに良好な結果が得られ、またス
クラッチ等の現象の発生もなく、加工速度も良好であっ
た。

【００２２】比較例１ フェノール樹脂製のペレットの頂部面積の総和が定盤面
積の２５％になるようにした他は全て実施例１と同じに
してポリッシング加工を行なった。その結果、加工速度
が不十分であり、平坦度も不十分であった。

【００２３】実施例２ アルミナ製の多孔質セラミックス板で定盤と同等の形状
を持つものを定盤に貼り付け、その上に格子状の溝を切
り、有効表面積を８５％とした。２５×２５ｍｍ角の酸
化珪素膜を付けたワークピースを上述の加工機を用い
て、定盤回転数１５０ＲＰＭ、キャリア回転数２５０Ｒ
ＰＭ、加工圧力２５０ｇ／ｃｍ²として、ＪＩＳで定め
る２０００番の酸化セリウム微粒子を１５％含有する水
系スラリーを２０ｍｌ/ｍｉｎの流量で供給しつつポリ
ッシング加工を行なった。その結果、ディッシングやロ
ールオフに対しては明らかに良好な結果が得られ、また
スクラッチ等の現象もなく、加工速度も良好であった。

【００２４】比較例２ 有効表面積を９５％とする以外は、実施例２と同等にし
て加工試験を行なった。その結果、ポリッシング面には
スクラッチの発生が多く認められた。

【００２５】

【発明の効果】上述の実施例、比較例から明らかな如
く、本発明の形状の研磨用定盤を用いることにより、従
来加工が困難でありかつ、ディッシングやロールオフと
いった欠点が出易かった半導体デバイス表面の平坦化研
磨方法において、十分な加工精度が得られディッシング
やロールオフ更にはスクラッチ等の欠点のない平坦化研
磨方法を達成することができるようになった。これによ
り、従来ネックとなっていた半導体デバイスの表面膜の
除去と平坦化が極めて効率的にできるようになり、業界
に寄与すること大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体デバイスの平坦化研磨装置の定
盤面の一実施例を示す表面図であり、小円柱形のペレッ
トが定盤全面に配列された例である。

【図２】本発明の半導体デバイスの平坦化研磨装置の定
盤面の一実施例を示す表面図であり、加工作用面に格子
状の溝が形成されている例である。

【符号の説明】

１：研磨作用面、 ２：ペレット、 ３：溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 健一 神奈川県綾瀬市早川2647 スピードファム 株式会社内 (72)発明者 杉山 美寿男 神奈川県綾瀬市早川2647 スピードファム 株式会社内 Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AA09 CB02 CB10 DA02 DA17

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転可能な定盤の表面に、小部分に分割さ
   れたセラミックスあるいは樹脂からなるポリッシャーの
   頂部平坦部にて同一研磨作用面を形成し、該研磨作用面
   に半導体デバイスを圧接し、砥粒微粒子を含む水系スラ
   リーあるいは水系ゾルを供給しつつ前記定盤および半導
   体デバイスの少なくとも一方を回転して加工を行なうこ
   とを特徴とする半導体デバイス表面の平坦化研磨方法。
2. 【請求項２】小部分に分割されたセラミックスあるいは
   樹脂からなるポリッシャーの頂部平坦部にて形成される
   同一研磨作用面の面積が、定盤の有効作用面積の３０〜
   ９０％であることを特徴とする請求項第１項記載の半導
   体デバイス表面の平坦化研磨方法。
3. 【請求項３】請求項第１項記載の半導体デバイス表面の
   平坦化研磨方法において、研磨作用面が複数個のペレッ
   ト状のセラミックスあるいは樹脂を定盤面に貼付したも
   のであることを特徴とする半導体デバイス表面の平坦化
   研磨方法。
4. 【請求項４】請求項第１項記載の半導体デバイス表面の
   平坦化研磨方法において、研磨作用面がセラミックス板
   あるいは樹脂板よりなるものであって、その表面に凹状
   部分が形成されたものであることを特徴とする半導体デ
   バイス表面の平坦化研磨方法。
5. 【請求項５】砥粒微粒子を含む水系スラリーあるいは水
   系ゾルが水溶性有機溶媒、無機及び／または有機性の
   酸、塩基および塩の少なくとも一つを含むものであるこ
   とを特徴とする請求項第１項記載の半導体デバイス表面
   の平坦化研磨方法。