JP2001110763A

JP2001110763A - 半導体ウェハ平坦化加工方法および平坦化加工装置

Info

Publication number: JP2001110763A
Application number: JP28768299A
Authority: JP
Inventors: Kan Yasui; 感安井; Souichi Katagiri; 創一片桐; Masahiko Sato; 雅彦佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2001-04-20
Anticipated expiration: 2019-10-08
Also published as: JP3847500B2

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体集積回路の製造工程で用いられるウェハ
の表面パターンの平坦化技術に関して、高い加工能率を
維持したまま、ウェハ面内、特にウェハ周辺部での加工
量の均一性を向上させる。【解決手段】独立な方向に運動可能な複数の研磨加工具
を、ウェハに対して同時に作用させ、生じる摩擦力をウ
ェハ面内で相殺させながら加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路の
製造工程で用いる研磨加工を用いたウェハ表面パターン
の平坦化技術において、加工効率の高さとウェハ全面に
わたる加工量の均一性を両立するための平坦化加工方法
および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程は多くのプロセス処理工
程からなるが、まず本発明が適用される工程の一例であ
る配線工程について図２、図３を用いて説明する。

【０００３】図２（ａ）は一層目の配線が形成されてい
るウェハの断面図を示している。トランジスタ部が形成
されているウェハ基板１の表面には絶縁膜２が形成され
ており、その上にアルミニウム等の配線層３が設けられ
ている。トランジスタとの接合をとるために絶縁膜２に
ホールが開けられているので、配線層のその部分３’は
多少へこんでいる。図２（ｂ）に示す二層目の配線工程
では、一層目の上に絶縁膜４、金属アルミ層５を形成
し、さらに、このアルミ層を配線パターン化するために
露光用ホトレジスト層６を付着する。次に図２（ｃ）に
示すようにステッパ７を用いて回路パターンを上記ホト
レジスト６上に露光転写する。この場合、ホトレジスト
層６の表面の凹部と凸部８では同時に焦点が合わないこ
とになり、解像不良という重大な障害となる。

【０００４】上記の不具合を解消するため、次に述べる
ような基板表面の平坦化処理が行われる。図３（ａ）の
一層目の処理工程の次に、図３（ｂ）に示すように、絶
縁層４を形成後、図中９のレベルまで平坦となるように
後述する方法によって研磨加工し、図３（ｃ）の状態を
得る。その後金属アルミ層５とホトレジスト層６を形成
し、図３（ｄ）のようにステッパで露光する。この状態
ではレジスト表面が平坦であるので前記解像不良の問題
は生じない。

【０００５】図４に、上記絶縁膜パターンを平坦化する
ため従来一般的に用いられているＣＭＰ（化学機械研
磨）加工法を示す。研磨パッド１１を定盤上１２に貼り
付けて回転させておく。この研磨パッドとしては、例え
ば発砲ウレタン樹脂を薄いシート状にスライスして形成
したもので、その材質や微細な表面構造を種々選択して
使い分ける。他方、加工すべきウェハ１は弾性のあるバ
ッキングパッド１３を介してウェハホルダ１４に固定す
る。このウェハホルダ１４を回転させながら研磨パッド
１１表面に荷重し、さらに研磨パッド１１の上に研磨ス
ラリ１５を供給することによりウェハ表面の絶縁膜４の
凸部が研磨除去され、平坦化される。

【０００６】また国際公開番号ＷＯ９７／１０６１３号
公報に示されるウェハ平坦化加工技術として、砥石を用
いた平坦化技術がある。図５に、砥石を用いた平坦化加
工方法を示す。基本的な装置の構成は研磨パッドを用い
るＣＭＰ（化学機械研磨）研磨技術と同様であるが、研
磨パッドの代わりに回転する定盤１２上に酸化セリウム
等からなる砥粒を含む砥石１０を取り付ける点が異な
る。また加工液１８としてフュームドシリカ等の代わり
に、砥粒を含まない純水を供給するだけでも加工が可能
である。この砥石を研磨加工具として用いる方法は、パ
ターン段差を平坦化する能力に優れており、従来難しか
った数mm幅以上のパターンを完全に平坦化することが可
能である。砥粒の利用効率が低く高価な研磨スラリの代
わりに、砥粒の利用効率の高い砥石を用いることでコス
トも低下する。

【０００７】図６には、ウェハホルダ１４の断面図を示
す。ウェハホルダ１４は、ウェハを保持しつつ加工具に
対して均一な圧力でウェハを押し付けられるように種々
の構造が工夫され採用されている。その構造に多少の違
いはあるものの、上記ＣＭＰ技術および砥石を用いた平
坦化技術において同様に用いられ、ウェハ面内で均一な
加工量を得るためには最も重要な要素である。大別する
と、剛体に貼り付けた多孔質で弾性のあるバッキングパ
ッドを用いる方式と、図６に示したウェハの背面を空気
や水のような流体で加圧する方式とに分けられる。図６
のホルダは、流体として空気を流入口２８からチャンバ
ー２７に出入りさせ、弾性のあるメンブレン２６を介し
てウェハ１に均一な圧力を加える。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】デバイスパターンの平
坦化工程で製品の歩留まりを低下させる原因として、ウ
ェハ面内で加工量の均一性の不足が挙げられる。

【０００９】ウェハ表面に多数形成されたチップ毎に、
平坦化のために除去する膜厚は同じであることが望まし
い。除去膜厚のバラツキ幅は、ウェハ上の所定の点数に
ついて加工前後の膜厚差を測定して求める。通常は、測
定データの標準偏差（σ）または最大値と最小値の幅
を、平均の除去膜厚に対するパーセンテージで表し、ウ
ェハ面内均一性と呼ぶ。１σで５％以下、好ましくは３
％以下の面内均一性が量産においては必要となる。以下
に示すように、ウェハ端部も含めてこれを達成すること
は難しい。

【００１０】図７に、例としてウェハ面内での除去膜厚
分布を示す。横軸はウェハ直径位置、縦軸は除去膜厚を
表す。図のように、除去膜厚はウェハのエッジ部分で異
常を示しやすい。これはエッジではウェハにかかる力が
原理的に不連続となるためで、この研磨量異常を完全に
無くすことは困難である。このため通常は、エッジ部分
からある程度の領域を除いたことを示した上で、面内均
一性を算出している。従来、このエッジ除外部分（エッ
ジエクスクルージョン）はウェハ端から５mm、よい条件
でも３mm程度が必要で、ウェハ周辺チップの歩留まり低
下の要因となっていた。

【００１１】歩留まり向上のためにはさらに均一性を向
上する必要があるが、以下のような理由からその向上が
困難になりつつある。

【００１２】まず第１に、平坦化性能とのトレードオフ
による影響がある。一般に、均一性を向上するためには
研磨パッドや砥石といった加工工具の弾性率を低下させ
る方法が、確実に効果を得られる。弾性率の低下によっ
て、ウェハと加工工具に凹凸があっても両者がほぼ近い
圧力で接触するためである。しかし、弾性率が低下する
とウェハ表面パターンの凹部も凸部も均等に接触、除去
するようになり、パターンを平坦化する本来の機能も低
下する。平坦化性能と均一性は、原理的にトレードオフ
の関係にある。近年、高い平坦化性能を必要とする浅溝
素子分離技術の導入や、大パターンを含むメモリとロジ
ックを混載するシステムＬＳＩの需要増から、より高い
平坦化性能が必要になりつつある。このためより弾性率
の高い、均一性に劣る加工工具が使用される傾向にあ
る。このことが、今後の均一性の向上を困難にする要因
の一つである。

【００１３】次に、加工の高効率化による影響がある。
一般に、スループットを増加させるため、なるべく平坦
化加工の効率がよい、すなわち研磨レートが高い条件で
加工を行うことが望ましい。研磨パッドや砥石を用いた
研磨加工では、研磨レートは加工圧力と摺動速度（ウェ
ハと加工具の相対速度）に近似的に比例する。この内、
摺動速度の増加は、ウェハと加工具との間でハイドロプ
レーニング様の状態が発生する速度が限界で、これ以上
では研磨レートは上昇しないばかりか、低下する場合も
ある。加工圧力の増加は有効であるが、摩擦力の増加を
伴うために、ウェハエッジでの加工量分布の異常を招き
やすい。ウェハ表面と加工具との間の摩擦力が増加する
と、ウェハの裏面を吸着、保持しているバッキングパッ
ドが摩擦力に十分対抗できなくなり、ウェハ端部が、外
周部のリテーナリングに強く接触するようになる。この
ように、ウェハ裏面の接触部が、摩擦に対してウェハを
保持する力の不足分を、ウェハを囲むリテーナリングが
担うことでウェハの脱落を防いでいる。加工圧力を増加
し、リテーナリングとウェハ外周が強く接触するように
なればなるほど、ウェハエッジには内部と異なる力が働
き、エッジでの加工量分布が異常となる。こうして加工
の高効率化が、均一性の低下に結びついていく。

【００１４】さらに、ウェハサイズのトレンドとの関係
がある。ウェハのサイズは、チップ当たりの製造コスト
低減のため、年々大型化している。現在は直径が１５０
mmから２００mmが主流であるが、近い将来に３００mmが
導入される予定である。ウェハが大型化すると、エッジ
での均一性を保つことはより難しくなる。その理由は、
ウェハと加工工具間に働く摩擦力の大きさがウェハの面
積に比例することに対し、リテーナリングがウェハエッ
ジを支える力はウェハの周長に比例するためである。ウ
ェハの面積と周長の比はウェハ径によって変わり、大型
のウェハでは面積に比例する摩擦力がより優勢となる。
このためウェハエッジを支えるリテーナリングの負担は
より増大し、ウェハエッジでの加工量分布の異常は、よ
り深刻な問題となる。

【００１５】以上で示した、平坦化性能の向上、加工の
高効率化、ウェハサイズの増大の影響により、ウェハ面
内均一性の向上は、より解決の難しい課題となってい
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、従来は主としてウェハホルダ構造の改良が行われ
てきたが、もはや限界に近づいている。この課題を解決
するためには、原理的に均一性悪化の原因となっている
摩擦力をウェハ外周で支える仕組みを取り除けばよい。
そのためには、ウェハに対して、同時に独立な方向に運
動可能な複数の加工具を作用させ、生じる摩擦力をウェ
ハ面内で相殺させればよい。これにより、ウェハ外周部
が摩擦力を受ける割合が低下し、ウェハ面内での加工量
分布の均一性向上が可能になる。

【００１７】

【発明の実施の形態】（実施例１）以下、本発明の第１
の実施例を説明する。装置の全体図を図８に示す。装置
は、研磨加工具１６と、研磨加工具が接着され回転運動
を行う研磨定盤１２、ウェハホルダ１４、ウェハホルダ
を動かすアーム１７、加工液供給部２０からなる。ウェ
ハホルダ１４はアームに内蔵された図示しないモーター
により回転運動を行う。アーム１７はモーター３９によ
って旋回する。研磨定盤１２は、モーター３６により回
転する。ツルーイングユニット３５は、回転するダイヤ
モンド砥石等の研削加工具を備え、研磨加工具１６の表
面形状を適宜修正する。ブラシアーム２２に支持、揺動
されるブラシ２１は、研磨加工具表面のコンディショニ
ングを行う。ウェハ１は、ウェハロード・アンロード部
３７から移載ロボット３８によりウェハホルダ１４へ受
け渡しされる。

【００１８】図１に、研磨加工具１６と主要な部分から
なる基本的構成を示す。ウェハホルダ１４は直径２００
mmのウェハ１の表面を下に向けてウェハを保持する。加
工中のウェハ１は、ウェハホルダ１４により裏面を均等
に加圧されて研磨加工具１６に押し当てられる。

【００１９】図９は研磨加工具１６を上から見た図で、
研磨加工具１６およびウェハホルダ１４の運動方向を図
示する。研磨加工具１６は、同心円状に配置した３つの
リング形状の砥石３０からなる。隣り合う砥石は、同一
の角速度で互いに逆方向に回転する。各々の砥石とウェ
ハ表面間には摩擦力が発生するが、隣接する砥石同士が
逆向きに回転し、ウェハとの摩擦力もそれぞれ逆方向と
なるため、ウェハ全体では大部分の摩擦力が相殺され
る。従って、ウェハ裏面とウェハホルダの間には大きな
摩擦力は働かず、ウェハ周辺の加工量分布の異常が抑制
できる。

【００２０】加工中、ウェハ１は砥石３０の回転数２０
rpmに対して６０rpmの回転数で強制的に回転させた。こ
のときのウェハと砥石間の相対速度は、図１０のＢに示
すように、研磨レートが速度に強く依存しない領域にあ
る。このため、３つの内、１つのリング砥石はウェハと
逆方向に回転し相対速度は砥石の外周ほど速くなるが、
そのための加工量分布の不均一さは無視できるほど小さ
い。また、リング砥石の数は３つに限らず、複数であれ
ば摩擦力を相殺するため効果が得られる。研磨加工具
（ここではリング砥石）が等幅の場合、ウェハに同時に
作用する研磨加工具の数は奇数である方が、ウェハの回
転モーメントが最小となるために好ましい。

【００２１】図１１には、従来方式による加工量分布の
プロファイルと、本実施例による加工量分布のプロファ
イルを並べて示した。図の横軸は、ウェハ直径位置で、
縦軸は加工量を表す。図１１（ａ）の従来方式の結果か
らは、摩擦力を受け止めるウェハの最外周の加工量が異
常に多いことがわかる。また、外周より２０mm内側にも
その影響がおよび、加工量の異常な極大が見られる。こ
れに対して、図１１（ｂ）の本発明の場合は、摩擦力を
ウェハ面内でキャンセルしたために、最外周および２０
mm内側の何れにおいても異常な過研磨が抑制できてい
る。

【００２２】なお、ここでは研磨加工具として平均粒径
０．３μmの高純度酸化セリウム砥粒を熱硬化性の樹脂
でバインドした砥石を用いた。ウェハ上の加工対象膜は
層間絶縁膜に用いるＳｉＯ₂膜（ｐ−ＴＥＯＳ膜）であ
る。砥石を用いる場合、加工液としては砥粒を含まない
純水のみで加工が可能である。あるいは加工液として、
加工を促進する添加剤を純水に加えてもよい。また、砥
粒を含むスラリを用いても加工が可能である。

【００２３】研磨加工具としてここでは砥石を用いた
が、発泡ポリウレタン等の樹脂からなる研磨パッドを用
い、加工液にシリカ（ＳｉＯ₂）または酸化セリウム、
アルミナ等の微細砥粒を含むスラリを用いてもよい。こ
の場合には加工量の均一性がさらに向上可能となる。

【００２４】（実施例２）次に、本発明の第２の実施例
として、研磨加工具にベルト状研磨パッドを用いた例を
示す。図１２は装置の基本的構成で、ベルト状研磨パッ
ド２３と、ベルトを駆動するドラム２４、ウェハホルダ
１４、ウェハホルダを揺動するアーム（図示せず）、加
工液供給ユニット２０からなる。ウェハホルダ１４は、
ウェハを保持し均等に加圧するとともに、回転運動を行
う。ウェハホルダ１４は、ベルトの運動方向と垂直に揺
動する。基本的なウェハホルダ１４の構造と機能は、図
６に示した上記第１の実施例と同様である。ベルト研磨
パッド２３上には、加工液供給部からシリカ砥粒（ＩＬ
Ｄ１３００、ロデール製）を含むスラリ１５を滴下し
た。研磨パッドは、一般的な発泡ポリウレタン製のＩＣ
１０００（ロデール製）を用いた。

【００２５】半導体ウェハのベルト式研磨装置は特開平
８−５２６５２に公開されている。ベルト式は回転式に
比べて相対速度を高くとれるため、研磨レートの高速化
と平坦化性能の向上が可能で、装置サイズもコンパクト
であるという特徴を持つ。しかし、回転式と同様に従来
技術の項で示した理由により、摩擦力をウェハ外周で受
け止めざるを得ず、これに起因するウェハ端の加工量分
布の異常が課題であった。

【００２６】本発明を適用して改良したベルト状研磨パ
ッドの運動方向を、図１２に３本の矢印で示した。ベル
ト状研磨パッド２３は３つのベルト状研磨パッドから構
成され、互いに隣り合うベルトは逆方向に運動する。押
し付けられたウェハ１に働く摩擦力はそれぞれ逆方向と
なるために、ウェハ面内で大部分が相殺する。その結
果、ウェハ全体にかかる摩擦力の総和は小さくなり、ウ
ェハエッジがホルダに過剰に押し付けられて発生するウ
ェハ端部の過研磨が防止できる。ベルトの数は、摩擦力
の方向を逆向きにするためだけであれば、最低２本でよ
いが、その場合には左右の摩擦力によってウェハを回転
させるモーメントが働く。その結果、ウェハからウェハ
ホルダに対してねじれの力が働き、ウェハに均一な加圧
力を加えることが難しくなる。よって、ベルトの本数は
３本以上が望ましい。それぞれ等幅のベルトを用いる場
合には、同時に奇数本のベルトをウェハに作用させると
回転モーメントがキャンセルできるため好ましい。

【００２７】ここでは研磨加工具にベルト式の研磨パッ
ドを用いたが、研磨パッドの代わりに、砥石を用いるこ
とも可能である。例えば、特開平１０−３３５２７６に
示される様に、樹脂シート上に一片が５〜２０mmのセグ
メントに分割した砥石を敷き詰めた砥石シートを用い
て、これをベルト状に加工して使用すれば、スラリが不
要で、かつ平坦化性能がよい加工が可能になる。

【００２８】（実施例３）次に、本発明の第３の実施例
として、研磨加工具に同時に作用する複数の回転砥石を
用いた例を示す。装置の基本的構成は第１の実施例と類
似であるため省略する。第１の実施例と異なる点は、研
磨加工具が、図１３に示す各々独立に回転可能な複数の
砥石３１からなることである。

【００２９】各々の砥石は、第１の実施例と同様の酸化
セリウム砥粒を樹脂でバインドした砥石を用いた。ここ
では加工対象膜がｐ−ＴＥＯＳ膜（ＳｉＯ₂）であるた
め、酸化セリウム砥粒を用いた。小型砥石３１の直径は
１５０mmと９０mmであり、ウェハ径２００mmよりも小さ
い。これら小型砥石は、中心軸が回転定盤上に固定され
ており、各々、公転する回転定盤１２の上で自転する。

【００３０】ウェハ１はウェハホルダ１４に保持されて
自転する。ここで、定盤、小型砥石、ウェハホルダの３
者の回転数の組み合わせは、ウェハと砥石間の相対速度
がほぼ等しくなるような組み合わせを選んだ。実用に適
した組み合わせには２種類ある。

【００３１】１つは、定盤と小型砥石を逆向きに、絶対
値が同じかほぼ等しい回転数で回転させ、ウェハは両者
に比べ遥かに遅い回転数とする組み合わせである。例え
ば、定盤の回転数が２０rpm、小型砥石は何れも逆回転
で２３rpm、ウェハホルダは３rpmの回転数とすればよ
い。

【００３２】２つめの組み合わせは、ウェハホルダと小
型砥石を同じ向きでほぼ等しい回転数とし、定盤を遥か
に遅い回転数とする組み合わせである。例えば、定盤の
回転数が３rpm、小型砥石とウェハホルダは同じ向きに
それぞれ６０rpm、７０rpmの回転数とすればよい。

【００３３】何れの例においても、各砥石とウェハの相
対速度は至る所で数％以下の誤差でほぼ等しくなる。２
者の回転数が完全に一致すると、理論上は相対速度が至
るところ等しくなるため好ましいといえるが、局所的に
は砥石の同じ部分が常にウェハの同じ部分に接する軌跡
を通る可能性があり、砥石自体の不均一や溝の影響によ
る不均一が強調され、好ましくない。これを解決するに
は、両者の回転数を５〜２５％程度ずらせばよい。また
残りの１つを他より遥かに遅く、または速く回転させる
ことも効果がある。

【００３４】加えて、回転数が、図１０のＡに示す研磨
レートと相対速度がほぼ比例する領域ではなく、Ｂに示
す回転数（相対速度）の変化に対して研磨レートの変化
が緩やかな領域にあれば、たとえウェハ面内で相対速度
に差があっても、研磨レートへの速度依存が緩和されて
いる分だけ加工量分布に与える影響が小さくなり、実用
上は無視できる。

【００３５】以上の理由により、ウェハ上の加工量分布
はウェハ内部でもエッジにおいても均一となる。なお、
定盤、小型砥石、ウェハホルダの回転数の組み合わせは
上記の数値のみに限らず、ウェハと加工具との相対速度
の分布を考えて、研磨レートがウェハ全面でほぼ一定と
なる他の回転数の組み合わせを用いてもよい。

【００３６】ここで、上記第１から第３の実施例におい
て研磨加工具に砥石を用いた場合、砥石としては酸化セ
リウム砥粒を樹脂でバインドしたものとしたが、砥粒は
酸化セリウム（ＣｅＯ₂）に限らず、シリカ（Ｓｉ
Ｏ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニア（Ｚｒ
Ｏ₂）、チタニア（ＴｉＯ₂）などの酸化物砥粒および、
シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）な
どの炭化物、窒化物砥粒、ＢａＣＯ₃などの無機塩類、
ポリスチレン粒子などのポリマー砥粒を用いてもよい。
あらかじめ砥粒を含有する砥石を用いると、加工液とし
てスラリに代えて、純水、または純水に添加剤を加えた
液体だけでも加工が可能となる。

【００３７】また第１から第３の実施例において、研磨
加工具に砥石ではなく、砥粒を含まない発泡ポリウレタ
ン等の樹脂からなる研磨パッドを用いた場合は、加工液
として上記の砥粒を液体中に分散させ、必要に応じて界
面活性剤などの添加剤を加えたスラリを用いてもよい。

【００３８】以下では、本発明が特に有効となる場合に
ついて述べる。図６にはウェハホルダの構造が示されて
いる。このウェハホルダは、ウェハ裏面を空気圧で押す
構造になっており、これによりウェハに垂直な方向には
全面均等に圧力が加わる。一方、加工中のウェハ１は研
磨加工具とウェハの間に働く摩擦力があるため、ウェハ
に平行な方向にも力が加わっている。

【００３９】この摩擦力に対抗してウェハをホルダ内に
留めておく力は、ウェハ裏面とウェハホルダ間に働く摩
擦力と、ウェハ端を外周から支えるリテーナリング２５
の抗力である。さらに詳しく見ると、ウェハ裏面とウェ
ハホルダ間に働く摩擦力は、図６のウェハホルダに代表
される流体加圧方式のホルダでは、表面の弾性体メンブ
レン２６を張っている外周部が支えている。

【００４０】結局、ウェハと研磨加工具間の摩擦力とつ
りあう力は、ウェハホルダ外周の弾性体メンブレン支持
部にかかる力と、リテーナリングがウェハ外周を支える
抗力の和になる。ここでウェハが大径化すると、摩擦力
の総和はウェハの面積、すなわち半径の２乗に比例して
増加するが、それを支える弾性メンブレンの支持力とリ
テーナリングの抗力はウェハ外周の長さ、すなわち半径
の１乗にしか比例しないため、外周の弾性メンブレン支
持部とリテーナリングが受ける単位長さあたりの力は、
ウェハ径の増加に比例して増加する。よってウェハ大径
化に伴い、ホルダ外周の弾性メンブレン支持部にはより
強い力が働き変形し易くなる。ウェハエッジは、弾性メ
ンブレンの異常変形と、リテーナリングとの接触により
強い力がかかり易くなる。結果として、ウェハの大径化
は、エッジ加工量分布の異常をより促進する。

【００４１】図１４には、ウェハ径と加工量の均一性
（最大最小差を平均値の２倍で割った値）の関係を、従
来技術および本発明（実施例１）について示した。従来
技術では、ウェハが大径化するに従い、ウェハエッジで
の加工量分布異常により均一性の値が悪化し、特にウェ
ハ径が２００mmを超えた場合に悪化が顕著である。これ
に対して本発明を適用することにより格別の効果が得ら
れることがわかる。

【００４２】次に図１５には、加工圧力を横軸に取り、
従来技術および本発明（実施例１）において同様のウェ
ハホルダを用いた場合の加工量の均一性を示した。従来
技術では、加工圧力を１５０ｇ／ｃｍ²以上に増加する
と、摩擦力も増加するために、上述の理由から均一性が
悪化していた。これに対して本発明を適用すると、より
高い加工圧力においても均一な加工を行うことができ
た。結果として、より高い研磨レートを得られた。

【００４３】図１６には、ウェハ表面と研磨加工具との
間の摩擦係数を横軸に取り、従来技術および本発明（実
施例１）において同様のウェハホルダを用いた場合の加
工量の均一性を示した。摩擦係数は、ウェハホルダ１４
を支えるアーム１７に歪みゲージを取り付け、その出力
から求めた摩擦力と、設定荷重の値より知ることができ
る。摩擦係数は、主に研磨パッドや砥石がドレッシング
直後のフレッシュな状態か、ウェハ加工に用い既に摩耗
・不活性化した状態かどうか、溝の形状、あるいは砥粒
の種類の違い等、種々のパラメーターに左右される。概
して研磨レートが高い状態ほど、摩擦係数も高い。

【００４４】図１６からわかるように、摩擦係数が０．
４を超えると次第に均一性が悪化し、従来技術では０．
５を超えると、ウェハエッジの異常研磨が量産に適用で
きない状態まで悪化していた。これに対し、本発明を適
用した場合、摩擦係数０．６においても実用的な均一性
が得られた。

【００４５】次に、加工に用いる砥粒が酸化セリウムで
ある場合に、本発明を適用して効果が得られた例につい
て説明する。研磨加工具としては、ＣＭＰにおいて一般
的な研磨パッドＩＣ１４００（ロデール製）を用いた。
スラリとして、シリカ砥粒のＩＬＤ１３００（ロデール
製）と、酸化セリウム砥粒（平均粒径０．３μm）を純
水に分散させたスラリを比較した。研磨装置は実施例１
のものを用いた。

【００４６】従来方式として、図１の装置において全て
の研磨パッドを同一方向のみに回転させた場合、シリカ
砥粒のスラリではウェハ面内均一性（最大最小値の差を
平均の２倍で割った値）は３〜６％（１０枚加工）の範
囲にあった。これに対し、酸化セリウム砥粒のスラリを
用いると、ウェハエッジで異常研磨が発生し、同一条件
でウェハ面内均一性は７〜２０％へ悪化した。これに対
して本発明の方法して、隣り合うリング状研磨パッドを
互いに逆向きに回転させたところ、酸化セリウム研磨に
おいてもウェハ面内均一性３〜８％を得ることができ
た。また、研磨レートはシリカスラリ７０nm／minに対
し、酸化セリウムでは２００nm／minに増加した。

【００４７】さらに上記の装置を適用した半導体装置の
製造工程について、図１７を用いて説明する。図１７
は、ウェハ基板にトランジスタ等を形成する前の、素子
分離工程である。図１７（ａ）は、ウェハ基板１に浅溝
５０をドライエッチングにより形成した段階である。後
に素子を形成するアクティブ領域５３は、窒化膜５１に
より保護している。この後、ウェハ全面に二酸化珪素の
絶縁膜２を堆積し、浅溝５０に絶縁膜２を埋め込んだ状
態が図１７（ｂ）である。ここで上記本発明の装置を適
用し、図１７（ｂ）中の５４の位置まで平坦化し、浅溝
５０部分以外の余分な絶縁膜２を除去すると、図１７
（ｃ）の状態になる。その後、窒化膜５１を除去し、素
子形成領域５３にトランジスタ５２等の素子を形成した
状態が図１７（ｄ）である。浅溝５０中の絶縁膜２の表
面は、その後形成する素子の性能を損なわないために高
度な平坦性と無欠陥性が要求される。また、各チップ毎
に研磨、除去する絶縁膜２の厚みのバラツキも±数十nm
程度と許容範囲が狭く、ウェハ面内での加工量には高い
均一性が要求される。本発明はこのような工程に実施し
て優れた効果を発揮するものである。

【００４８】この他、従来技術の項で説明した配線層間
の絶縁膜の平坦化工程、あるいは特開昭６４−５５８４
５に開示されている埋め込み導電膜の形成（ダマシン
法）においても、同じ理由から本発明を適用することで
上記と同様の効果が得られる。

【００４９】

【発明の効果】本発明を適用することにより、半導体ウ
ェハ表面に形成されたデバイスパターンの平坦化工程に
おいて、ウェハと研磨加工具間に働く摩擦力の一部また
は全てを、ウェハ面内で相殺することができる。摩擦力
が相殺可能であるために、以下のような効果が得られ
る。

【００５０】まず、摩擦力に起因するウェハエッジでの
加工量分布の異常が解消され、ウェハ面内の均一性が向
上する。その結果、製品歩留まりが向上し、低コストな
半導体装置の製造が可能となる。また、平坦化能力や研
磨レートに優れるが、加工量の均一性が悪化しやすい砥
石および高硬度の研磨パッドを適用してもなお均一性に
優れる加工を行うことができる。

【００５１】また、従来より高い摩擦力が発生しても、
高い均一性は保たれるため、以下の効果が得られる。ま
ず、周辺に異常な力がかかりやすい直径２００mm以上の
大径のウェハを用いても、ウェハ周辺の加工量分布異常
を抑制できる。これはウェハホルダ等に特別な工夫なし
に実現可能のため、低コスト化が可能である。また、高
い摩擦力が直接装置にかからないため、装置剛性の余裕
が増し、装置を小型、軽量化できる。クリーンルームに
は高い設置コストがかかるため、装置小型化、軽量化は
半導体装置の製造コスト低減に大きく貢献する。

【００５２】加工対象の膜がＢＰＳＧ膜、ｐ−ＴＥＯＳ
膜、熱酸化膜などのＳｉＯ₂膜である場合には、特開平
１１−１８１４０３号に開示されるように、研磨砥粒と
して酸化セリウムを用いることで、他の砥粒に比べ速い
研磨レートが得られる。その反面、研磨加工具とＳｉＯ
₂膜との摩擦力が非常に大きいために、均一性の悪化、
研磨装置への過負荷、異音発生等、種々の問題が発生す
るが、本発明を適用すれば、摩擦力に起因する問題を取
り除くことが可能であり、酸化セリウムの高研磨レー
ト、低欠陥発生という特徴を保ったまま、高い摩擦力に
よる均一性の悪化、装置の過負荷、異音発生などを低減
できる。なお、酸化セリウム砥粒を用いる実施形態は、
スラリとして研磨パッドと併用しても、あるいは砥粒を
含有する砥石として用いても、上記の効果が得られる。

【００５３】さらに、ウェハ加工圧力を高くできること
と、研磨レートが高い酸化セリウム砥粒を容易に使用で
きるため、スループットを向上させられる。

【００５４】また、ウェハを保持するウェハホルダに
は、摩擦力による大きな負荷がかからないため、ウェハ
ホルダと付随するバッキングパッド、リテーナ等の消耗
部品を長寿命化できる。

【００５５】加工対象膜が銅、または銅を主成分とする
金属膜の場合においては、加工液が酸化剤、エッチング
剤、防食剤を含み、研磨加工に占める化学的効果の割合
が大きい。このため、ウェハと研磨加工具との摩擦も大
きく、これによる加工量のウェハ面内均一性の悪化や、
装置負荷の増大による異音・振動発生等の問題が生じや
すい。この場合にも、本発明を適用することで摩擦力の
影響を低減し、より均一な加工を行うことが可能にな
り、半導体装置の高性能化、低コスト化が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の基本的装置構成を示す斜視
図。

【図２】平坦化加工を行わない場合の配線工程を説明す
る断面図。

【図３】平坦化加工を行う場合の配線工程を説明する断
面図。

【図４】化学機械研磨装置の基本構成を示す正面図。

【図５】砥石を用いた平坦化加工装置の基本構成を示す
斜視図。

【図６】流体加圧式ウェハホルダの断面図。

【図７】ウェハ面内での除去膜厚分布の例を示したグラ
フ。

【図８】本発明の実施例１の装置の全体構成を示す斜視
図。

【図９】同心円状に配置した研磨加工具の形状および運
動方向の説明図。

【図１０】ウェハ−砥石間の相対速度と研磨レートの関
係を示した図。

【図１１】本発明の実施例と従来例での加工量分布のプ
ロファイルを示したグラフ。

【図１２】ベルト状研磨パッドを用いた実施例の基本構
成を示す斜視図。

【図１３】本発明の実施例において用いた各々独立に回
転可能な複数の砥石からなる研磨加工具の平面図。

【図１４】本発明の実施例と従来例でのウェハ径と加工
量の均一性の関係を示した図。

【図１５】本発明の実施例と従来例での加工圧力と加工
量の均一性の関係を示した図。

【図１６】本発明の実施例と従来例での摩擦係数と加工
量の均一性の関係を示した図。

【図１７】半導体製造プロセスの素子分離工程を説明す
る断面図。

【符号の説明】

１…ウェハ基板、２，４…絶縁膜、３…配線層、５…金
属アルミ層、６…ホトレジスト層、７…ステッパ、８…
レジスト層の凸部、９…平坦化の目標レベル、１０…砥
石、１１…研磨パッド、１２…研磨定盤、１３…バッキ
ングパッド、１４…ウェハホルダ、１５…研磨スラリ、
１６…研磨加工具、１７…アーム、１８…加工液、２０
…加工液供給部、２１…ブラシ、２２…ブラシアーム、
２３…ベルト状研磨パッド、２４…ドラム、２５…リテ
ーナ、２６…メンブレン、２７…チャンバー、２８…流
体口、３０…リング状砥石、３１…小径砥石、３５…ツ
ルーイングユニット、３６…定盤駆動モーター、３７…
ウェハロード・アンロード部、３８…移載ロボット、３
９…アーム旋回モーター、５０…浅溝、５１…窒化膜、
５２…トランジスタ、５３…素子形成領域、５４…埋め
込み絶縁膜の平坦化レベル

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ２４Ｂ 37/00 Ｂ２４Ｂ 37/00 Ｂ 37/04 37/04 Ｂ (72)発明者佐藤雅彦東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所内Ｆターム(参考） 3C058 AA04 AA05 AA07 AA09 AA11 AA12 AA18 AA19 AB01 AB03 AC04 BA02 BA05 CB01 CB03 CB10 DA02 DA17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体装置の製造工程で、表面にパターン
を形成した半導体ウェハに研磨加工具を押し付け相対運
動させ平坦化する工程において、上記ウェハを保持する
ウェハ保持具と、上記ウェハ面内に同時かつ独立に運動
可能な２つまたはそれ以上の研磨加工具を用い、上記ウ
ェハに同時に押し付ける上記研磨加工具のうち、少なく
とも一つは他と相対運動の方向が異なることを特徴とす
る半導体ウェハの平坦化加工方法。
【請求項２】上記請求項１の研磨加工具として、円形ま
たはリング形状の、２つまたはそれ以上の研磨加工具を
同心円状に配置することを特徴とする半導体ウェハの平
坦化加工方法。
【請求項３】上記請求項１の研磨加工具として、２つま
たはそれ以上のベルト状または平板状の研磨加工具を配
置することを特徴とする半導体ウェハの平坦化加工方
法。
【請求項４】上記請求項１の研磨加工具として、２つま
たはそれ以上の独立に回転可能な研磨加工具を配置する
ことを特徴とする半導体ウェハの平坦化加工方法。
【請求項５】上記研磨加工具として、砥粒とこれら砥粒
を結合するための物質からなる砥石を用いることを特徴
とする上記請求項１から請求項４記載の半導体ウェハ平
坦化加工方法。
【請求項６】上記ウェハについて、その直径が２００mm
以上であることを特徴とする上記請求項１から請求項５
記載の半導体ウェハ平坦化加工方法。
【請求項７】上記ウェハへの加工圧力が１５０ｇ／ｃｍ
²以上であることを特徴とする上記請求項１から請求項
６記載の半導体ウェハ平坦化加工方法。
【請求項８】上記ウェハと上記研磨加工具の間に働く摩
擦力の摩擦係数が０．５以上であることを特徴とする上
記請求項１から請求項７記載の半導体ウェハ平坦化加工
方法。
【請求項９】上記研磨加工具として、酸化セリウム砥粒
を含む砥石を用いることを特徴とする上記請求項１から
請求項８記載の半導体ウェハ平坦化加工方法。
【請求項１０】上記研磨加工具として、研磨パッドを用
い、上記研磨パッド上に供給する加工液が酸化セリウム
砥粒を含むことを特徴とする上記請求項１から請求項８
記載の半導体ウェハ平坦化加工方法。
【請求項１１】表面にパターンを形成した半導体ウェハ
に研磨加工具を押し付け相対運動させ平坦化する装置に
おいて、上記ウェハを保持するウェハ保持具と、上記ウ
ェハ面内に同時かつ独立に運動可能な２つまたはそれ以
上の研磨加工具を備え、上記ウェハに同時に押し付ける
上記研磨加工具のうち、少なくとも一つは他と相対運動
の方向が異なることを特徴とする半導体ウェハの平坦化
加工装置。
【請求項１２】上記請求項１１の研磨加工具として、円
形またはリング形状の、２つまたはそれ以上の研磨加工
具を同心円状に配置することを特徴とする半導体ウェハ
の平坦化加工装置。
【請求項１３】上記請求項１１の研磨加工具として、２
つまたはそれ以上のベルト状または平板状の研磨加工具
を配置することを特徴とする半導体ウェハの平坦化加工
装置。
【請求項１４】上記請求項１１の研磨加工具として、２
つまたはそれ以上の回転可能な研磨加工具を配置するこ
とを特徴とする半導体ウェハの平坦化加工装置。
【請求項１５】上記研磨加工具として、砥粒とこれら砥
粒を結合するための物質からなる砥石を用いることを特
徴とする上記請求項１１から請求項１４記載の半導体ウ
ェハ平坦化加工装置。