JP2001113457A - 化学機械研磨方法および半導体集積回路装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウエハ上に堆積した絶縁膜や金属膜を
化学機械研磨する際のウエハ面内における研磨量の均一
性を向上させる。 【解決手段】 ウエハ１を保持する研磨ヘッド１０４と
ウエハ１との間に流体圧の印加によって伸長する弾性材
料からなる加圧用薄膜１１２を介在させ、この加圧用薄
膜１１２を介してウエハ１に流体圧を印加しながら、ウ
エハ１を研磨定盤１０２に押し付けて研磨を行う化学機
械研磨方法であり、加圧用薄膜１１２がウエハ１の主面
に対して垂直な方向に伸長する距離をδとしたとき、前
記距離δが次式 δ＝（ｋ・ｐ・ａ⁴ ）／（Ｅ・ｔ³ ） （式中、ｋは定数、ｐは薄膜に印加する流体圧、ａ、
Ｅ、ｔは薄膜の引張り弾性率、厚さおよび半径を表す）
となるように、流体圧を加圧用薄膜１１２に印加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路装
置の製造技術に関し、特に、半導体ウエハ上に堆積した
絶縁膜や金属膜の表面を平坦化する化学機械研磨（Chem
ical MechanicalPolishing ；ＣＭＰ）技術に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＬＳＩの高集積化、高性能化に伴
う新たな微細加工技術として、化学機械研磨法が導入さ
れている。この技術については、例えば米国特許Ｎｏ．
４９４４８３６号に開示されている。

【０００３】化学機械研磨法は、研磨パッドを貼り付け
た研磨定盤にウエハの主面を押し付けて摺動させ、ウエ
ハ上に堆積された絶縁膜や金属膜をスラリによって研磨
する技術である。この場合、絶縁膜や金属膜の表面段差
は高々２μm 程度と小さいため、制御すべき研磨量の精
度は０．１μm 以下であることが要求され、かつウエハ
の全面に亘って均一に研磨することが要求される。

【０００４】ウエハ上に堆積した絶縁膜や金属膜をウエ
ハの全面に亘って均一に研磨するためには、ウエハの主
面全体を研磨パッドに対して均一な圧力で押し付ける必
要がある。その方法として、例えば特開昭６３−１１４
８７４号公報に記載されているように、ウエハを保持す
る研磨ヘッドに剛性の高い板材（剛性板）を設け、この
剛性板を使ってウエハを研磨パッドに押し付ける方法が
提案されている。

【０００５】しかし、この方法では素子や配線の疎密な
どに起因してウエハの主面に局所的な段差が生じている
場合、ウエハの全面に均一な圧力を加えることが困難で
あり、ウエハ上の膜厚の厚い箇所に圧力が集中するため
に均一な研磨が行なえない。また、研磨中はウエハを自
公転および揺動させるため、ウエハの主面には様々な力
が加わる。そのため、研磨中に均一な研磨圧力を維持す
ることが難く、高い精度で均一な研磨量を得ることは困
難である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、研磨ヘ
ッドに剛性板を取り付けた化学機械研磨装置の上記欠点
を改善するために、剛性板とウエハとの間に伸縮性を有
する高分子弾性材料からなる薄膜を挟み、この薄膜を介
して圧縮空気の圧力をウエハに印加する、いわゆる空気
加圧方式を採用した研磨ヘッドの導入を検討している。

【０００７】しかし、上記のような空気加圧方式の研磨
ヘッドを採用した場合、高分子材料からなる薄膜の機械
的剛性や伸長量によって、特にウエハの外周部の研磨速
度が微妙に変動するという問題が生じる。また、ウエハ
の処理枚数が増えるに従って後述するリテーナ材料の摩
耗が進行するために、ウエハ面内における研磨量の均一
性が次第に低下するという問題が生じる。

【０００８】本発明の目的は、ウエハ上に堆積した絶縁
膜や金属膜を化学機械研磨する際に、ウエハ面内におけ
る研磨量の均一性を向上させることのできる技術を提供
することにある。

【０００９】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
次のとおりである。

【００１１】本発明の化学機械研磨法は、ウエハを保持
する研磨ヘッドと前記ウエハとの間に流体圧の印加によ
って伸長する弾性材料からなる薄膜を介在させ、前記薄
膜を介して前記ウエハに流体圧を印加しながら、前記ウ
エハを研磨定盤に押し付けて研磨を行う際、前記薄膜が
前記ウエハの主面に対して垂直な方向に伸長する距離を
δとしたときに、前記距離δが次式 δ＝（ｋ・ｐ・ａ⁴ ）／（Ｅ・ｔ³ ） （式中、ｋは定数、ｐは薄膜に印加する流体圧、ａ、
Ｅ、ｔは薄膜の引張り弾性率、厚さおよび半径を表す）
となるように、前記流体圧を前記薄膜に印加するもので
ある。

【００１２】ウエハを研磨定盤に押し付けて研磨する際
にウエハ面内に厚さの分布があると、厚い部分に厚み偏
差分に相当する余計な変形応力が加わる。通常、研磨速
度は加圧力に比例するため、上記のような変形応力が加
わるとウエハ面内に主圧力に対する応力偏差分の研磨量
分布が生ずる。厚さの分布がウエハの径方向に沿って単
調に変化しているような場合には、研磨ヘッドの支持機
構（球面継手やジャイロ機構）による倣い機能が働くた
め、研磨量の不均一性はある程度緩和される。しかし、
厚さの分布が不連続で局在しているような場合には、上
記した傲い機構では補正できず、研磨量の不均一として
残存することになる。

【００１３】また、ウエハ面内に厚さの分布ない場合で
も、研磨パッドとの摺動摩擦力によって研磨パッドの進
入側では圧縮応力が、研磨パッドの退避側では引張り応
力が加わるために研磨圧力の不均一性が生じ、大概の場
合、ウエハの外周部で過剰な研磨が行われ易くなる。実
際は、このような研磨現象に研磨定盤や研磨ヘッドの回
転、研磨ヘッドの揺動などの動作が加わるため、研磨中
のウエハに加わる研磨圧力の分布は極めて複雑となり、
かつ研磨中に絶えず変動する。

【００１４】本発明によれば、弾性材料からなる薄膜を
介してウエハに流体圧を印加することにより、ウエハ面
内の厚さ分布による変形応力が自動的に補正される。ま
た、ウエハの外周端近傍と接触する薄膜には変形による
反力が生じ、流体圧よりも小さな圧力しか加わらないた
め、前述したウエハの外周部での過剰な研磨が相殺され
る。これにより、ウエハ全面に亘って均等な圧力分布が
得られるため、ウエハ面内における研磨量の均一性が向
上する。このとき、ウエハの外周端近傍の薄膜に生じる
反力は、薄膜の伸長距離と機械的剛性とでほぼ決定され
るため、ウエハ外周端での研磨量を最適化するために
は、伸長距離および機械的剛性の最適値を見出す必要が
ある。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明す
るための全図において、同一の機能を有する部材には同
一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

【００１６】本発明の一実施の形態であるＭＯＳ−ＬＳ
Ｉの製造方法を図１〜図２０を用いて工程順に説明す
る。

【００１７】まず、図１に示すように、周知のＣＭＯＳ
プロセスに従い、単結晶シリコンからなる半導体基板
（以下、基板またはウエハという）１に素子分離溝２、
ｐ型ウエル３およびｎ型ウエル４を形成した後、ｐ型ウ
エル３にｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｎを形成し、ｎ型
ウエル４にｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｐを形成する。
ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｎは、主としてゲート酸化
膜５と、例えば多結晶シリコン膜、ＷＮ（窒化タングス
テン）膜およびＷ（タングステン）膜によって構成され
るゲート電極６と、ｎ型半導体領域（ソース、ドレイ
ン）７とからなる。また、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱ
ｐは、主としてゲート酸化膜５とゲート電極６とｎ型半
導体領域（ソース、ドレイン）とからなる。

【００１８】次に、基板１上にＣＶＤ法で堆積した酸化
シリコン膜９の表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）法によっ
て平坦化した後、酸化シリコン膜９をドライエッチング
することによって、ｎ型半導体領域（ソース、ドレイ
ン）７の上部にコンタクトホール１０を形成し、ｐ型半
導体領域（ソース、ドレイン）８の上部にコンタクトホ
ール１１を形成する。

【００１９】次に、酸化シリコン膜９の上部に第１層目
の配線１２〜１７を形成する。第１層目の配線１２〜１
７は、例えばコンタクトホール１０、１１の内部および
酸化シリコン膜９の上部にＣＶＤ法でＴｉＮ膜およびＷ
膜を堆積した後、これらの膜をドライエッチングするこ
とによって形成する。

【００２０】次に、図２に示すように、第１層目の配線
１２〜１７の上部に膜厚１００nm程度の窒化シリコン膜
１８、膜厚４００nm程度の酸化シリコン膜１９、膜厚１
００nm程度の窒化シリコン膜２０および膜厚４００nm程
度の酸化シリコン膜２１を順次堆積する。窒化シリコン
膜１８、２０は、例えばプラズマＣＶＤ法で堆積し、酸
化シリコン膜１９、２１は、例えばオゾンとテトラエト
キシシラン（ＴＥＯＳ）とをソースガスに用いたプラズ
マＣＶＤ法で堆積する。

【００２１】次に、図３に示すように、酸化シリコン膜
２１の上部に形成したフォトレジスト膜２２をマスクに
したドライエッチングにより、酸化シリコン膜２１と窒
化シリコン膜２０と酸化シリコン膜１９の一部とにスル
ーホール２３〜２６を形成する。スルーホール２３〜２
６の径は、例えば２５０nm以下である。

【００２２】次に、フォトレジスト膜２２を除去した
後、図４に示すように、スルーホール２３〜２６の内部
および酸化シリコン膜２１の上部に塗布型の反射防止膜
２７を形成し、続いて図５に示すように、反射防止膜２
７の上部に形成したフォトレジスト膜２８をマスクにし
て反射防止膜２７および酸化シリコン膜２１をドライエ
ッチングすることにより、スルーホール２３の上部に配
線溝３０を形成し、スルーホール２４、２５の上部に配
線溝３１を形成し、スルーホール２６の上部に配線溝３
２を形成する。このエッチングは、窒化シリコン膜２
０、１８をストッパに用い、スルーホール２３〜２６の
底部の酸化シリコン膜１９も同時にエッチングする。

【００２３】次に、図６に示すように、フォトレジスト
膜２８をマスクにしたドライエッチングにより、配線溝
３０〜３２の底部の窒化シリコン膜２０とスルーホール
２３〜２６の底部の窒化シリコン膜１８とを除去する。

【００２４】次に、フォトレジスト膜２８およびその下
部に残った反射防止膜２７を除去した後、図７に示すよ
うに、酸化シリコン膜２１の上部と配線溝３０〜３２お
よびスルーホール２３〜２６の内部とに、例えばＴａ
（タンタル）からなるバリア膜３３を形成する。このバ
リア膜３３は、次の工程で形成するＣｕ膜が酸化シリコ
ン膜２１中に拡散するのを防止し、かつＣｕ膜と酸化シ
リコン膜２１との接着性を向上させるために形成する。
バリア膜３３は、配線溝３０〜３２の下部に形成された
スルーホール２３〜２６の底部も覆わなければならない
ので、基板１との距離が２００ｍｍのロングスロー・ス
パッタリング法で堆積する。バリア膜３３の膜厚は、例
えば酸化シリコン膜２１の上部で５０nm程度、配線溝３
０〜３２の中央部付近で２０nm、スルーホール２３〜２
６の側壁で６nm程度である。バリア膜３３には、ＴｉＮ
（窒化チタン）などを使用することもできる。

【００２５】次に、図８に示すように、酸化シリコン膜
２１の上部と配線溝３０〜３２およびスルーホール２３
〜２６の内部とにＣｕのシード膜（第１金属膜）３４を
形成する。シード膜３４は、配線溝３０〜３２の下部に
形成されたスルーホール２３〜２６の底部も覆わなけれ
ばならないので、基板１との距離が２００ｍｍのロング
スロー・スパッタリング法で堆積する。シード膜３４の
膜厚は、例えば酸化シリコン膜２１の上部で１００nm程
度、配線溝３０〜３２およびスルーホール２３〜２６の
の内部で４nm程度である。

【００２６】次に、図９に示すように、酸化シリコン膜
２１の上部と配線溝３０〜３２およびスルーホール２３
〜２６の内部とに電気メッキ法で膜厚５００nm程度のＣ
ｕ膜（第２金属膜）３５を堆積する。

【００２７】次に、図１０に示すように、配線溝３０〜
３２およびスルーホール２３〜２６の外部のＣｕ膜３
５、シード膜３４およびバリア膜３３を化学機械研磨法
によって除去することにより、配線溝３０〜３２および
スルーホール２３〜２６の内部に埋め込みＣｕ配線３６
〜３８を形成する。

【００２８】図１１は、上記Ｃｕ膜３５の研磨に用いる
化学機械研磨装置の概略図である。この化学機械研磨装
置１００は、モータ１０１によって水平面内で回転駆動
する研磨定盤１０２を備えている。研磨定盤１０２の表
面には、多数の気孔を有する合成樹脂を均一に貼り付け
て形成した研磨パッド１０３が貼り付けてある。研磨定
盤１０２の上方には、ウエハ（基板）１を保持する研磨
ヘッド１０４、研磨パッド１０３の表面とウエハ１の被
研磨面との間に研磨スラリ１０６を供給するスラリ供給
管１０７および研磨パッド１０３の表面を整形（ドレッ
シング）するドレッサ１０８がそれぞれ設けられてい
る。

【００２９】研磨ヘッド１０４は、モータ１０５によっ
て水平面内で回転駆動し、かつ研磨定盤１０２の上方で
上下動するようになっている。この研磨ヘッド１０４
は、後述する剛性板１１１とウエハ１との間に設けら
れ、空気圧によって伸長する高分子弾性材料からなる加
圧用薄膜１１２を介して圧縮空気の圧力をウエハ１に印
加する空気加圧方式を採用している。

【００３０】スラリ供給管１０７から供給される研磨ス
ラリ１０６としては、例えばアルミナ、シリカなどの砥
粒と過酸化水素水または硝酸第二鉄水溶液などの酸化剤
とを主成分とし、これらを水に分散または溶解させたも
のが使用される。

【００３１】研磨パッド１０３の表面を整形（ドレッシ
ング）するドレッサ１０８は、モータ１０９により回転
駆動し、かつ研磨定盤１０２の上方で上下動するように
なっている。ドレッシング作業は、何枚かのウエハ１の
研磨作業が終了した後（バッチ処理）、または１枚のウ
エハ１の研磨作業が終了する毎に行われる（枚葉処
理）。例えばウエハ１が研磨ヘッド１０４によって研磨
パッド１０３に押し付けられ、所定の時間研磨が行われ
ると、研磨ヘッド１０４が上方に退避移動する。続いて
ドレッサ１０８が下降移動して研磨パッド１０３に押し
付けられ、その表面が所定の時間ドレッシングされた
後、ドレッサ１０８が上方に退避移動する。その後、他
のウエハ１が研磨ヘッド１０４に取り付けられ、上記研
磨工程が繰り返される。

【００３２】図１２は、上記研磨ヘッド１０４の近傍の
拡大図である。研磨ヘッド１０４の底面には、その厚み
方向に直径２ｍｍ程度の通気孔１１０が多数形成された
金属製の剛性板１１１が取り付けられている。剛性板１
１１の下面には加圧用薄膜１１２とウエハ保持用のバッ
キングパッド１１３とを介してウエハ１が保持されてい
る。また、ウエハ１の周囲には、研磨中にウエハ１が研
磨ヘッド１０４から外れるのを防ぐリテーナ１１４が設
けられている。加圧用薄膜１１２は、空気圧の印加によ
って伸長し、空気圧の印加を解除することによって元の
大きさに戻る高分子弾性材料、例えばポリエチレンテレ
フタレートからなる厚さ２５０nm程度のシートによって
構成されている。また、バッキングパッド１１３は、例
えばポリウレタン樹脂を含浸させたフェルトシートによ
って構成されている。

【００３３】研磨時にウエハ１に加わる圧力は、主とし
て研磨ヘッド１０４から剛性板１１１、加圧用薄膜１１
２およびバッキングパッド１１３を通じてウエハ１に伝
えられる。また、圧力補正用の圧縮空気は、研磨ヘッド
１０４の駆動軸１１５内に形成された気体供給管１１６
を通じて供給され、剛性板１１１に設けられた多数の通
気孔１１０を通って加圧用薄膜１１２の上面に達する。
加圧用薄膜１１２およびバッキングパッド１１３のそれ
ぞれの中央部分には、上記通気孔１１０の一部と通じる
複数の孔１１７、１１８が設けられている。これらの孔
１１７、１１８は、ウエハ１を研磨ヘッド１０４の下面
に装着する際の真空吸引孔として機能する。

【００３４】図１３に示すように、上記気体供給管１１
６から供給された圧縮空気が剛性板１１１の通気孔１１
０を通って加圧用薄膜１１２の上面に達すると、剛性板
１１１とウエハ１との間に介在する加圧用薄膜１１２
は、ウエハ１を研磨パッド１０３に押し付けるように距
離（δ）だけ伸長する。しかし、リテーナ１１４の内周
面からウエハ１の外周部近傍に至る領域の加圧用薄膜１
１２には主に曲げ変形による反力が生じるので、この領
域の加圧用薄膜１１２が距離（δ）だけ伸長することは
ない。従って、ウエハ１の外周部近傍にはそれよりも内
側の領域に比べて圧縮空気の圧力が掛かり難くなる。

【００３５】図１４（ａ）は、圧縮空気によってウエハ
１が研磨パッド１０３に押し付けられる圧力（研磨圧
力）の分布を実験結果に基づいて模式的に表したグラフ
である。図中の一点鎖線ａは、加圧用薄膜１１２を介し
てウエハ１に加わる圧力分布を示している。一方、図中
の太線ｂは、リテーナ１１４の内周面とウエハ１の外周
端（エッジ）とのギャップｇを１０ｍｍまで広げ、加圧
用薄膜１１２の前述した反力の影響がウエハ１に及ばな
いようにしたときの研磨速度分布を示している。このと
き、研磨パッド１０３の反力や、研磨摩擦に伴ってウエ
ハ１に生じる曲げモーメントなどの影響から、ウエハ１
の外周部で急峻な研磨速度の上昇が見られた。

【００３６】一般に、研磨速度と研磨圧力とはほぼ比例
関係にあることから、太線ｂは実効的な研磨圧力分布と
見なすことができる。図中の細線ｃは、上記一点鎖線ａ
と太線ｂとを足し合せたときの研磨圧力分布（＝研磨速
度分布）の仮想線図である。本発明によれば、均等圧力
におけるウエハ１の外周部の急峻な研磨速度上昇が加圧
用薄膜１１２の曲げ変形反力に伴う加圧力低下によって
相殺されるため、ウエハ１面内の研磨速度の均一性を大
幅に改善することができる。図１４（ｂ）は、２０ｃｍ
（８インチ）ウエハ上に堆積した酸化シリコン膜を本発
明方法によって研磨したときの研磨速度分布を測定した
ものである。図示のように、酸化膜の研磨においても、
図１３（ａ）の研磨速度均一化モデルが実証された。

【００３７】図１５は、２０ｃｍウエハ上に形成された
酸化シリコン膜の研磨速度の面内不均一性と、加圧用薄
膜１１２の伸長距離（δ）との関係を実験結果に基づい
て表したグラフである。研磨速度の不均一性は、ウエハ
１の外周端（エッジ）から３ｍｍ内側の部分の研磨速度
Ｒｏとウエハ１の中央部の研磨速度Ｒｉとから、（Ｒｏ
−Ｒｉ）／Ｒｉにより求めた。加圧用薄膜１１２には、
引張り弾性率Ｅ＝３２０００ｋｇ／ｃｍ² 、厚さ１５０
μｍのポリエチレンテレフタレートのシートを用い、圧
縮空気の圧力、すなわちウエハ１に加わる研磨圧力は
０．３５ｋｇ／ｃｍ² とした。また、リテーナ１１４の
内周面とウエハ１の外周端（エッジ）とのギャップｇは
１ｍｍとした。なお、距離（δ）の調整は、リテーナ１
１４の厚さ（高さ）を調整することによって行った。

【００３８】図示のように、研磨速度の不均一性は、距
離（δ）が大きくなるに従って前記図１４（ａ）の線ａ
に近づき、不均一性はマイナス側（研磨速度が低下する
側）に大きくなる。また、距離（δ）が小さくなるに従
って前記図１４（ａ）の線ｂに近づき、不均一性はプラ
ス側（研磨速度が増加する側）に大きくなる。この実験
では、伸長距離（δ）が１００μｍのとき不均一性がな
くなり、実効的に均一な研磨圧力分布が得られた。この
結果、距離（δ）を４０μｍ＜δ＜１６０μｍの範囲と
することによって、研磨速度の不均一性を±５％以下に
することができた。このように、加圧用薄膜１１２の伸
長距離（δ）を最適化することにより、ウエハ１の全面
に亘る均一な研磨を実現できることが判った。この最適
伸長距離（δｃ）は、加圧用薄膜１１２を構成する材料
の引張り弾性率（Ｅ）と厚さ（ｔ）、リテーナ１１４の
内周径（２ａ）および圧縮空気の圧力（ｐ）とに関係す
る。

【００３９】図１６は、Ｅ＝３２０００ｋｇ／ｃｍ² 、
２ａ＝１０ｃｍ、ｐ＝０．３５ｋｇ／ｃｍ² としたとき
のδｃとｔとの関係を調べたものであり、図中○印は実
験値を示している。図中の曲線はδｃ＝ｋ・ｐ・ａ⁴ ／
Ｅ・ｔ³ の計算値であり、ｋ＝４×１０^-7〜７×１０^-7
の範囲内で実験値がよく一致することが判った。なお、
研磨パッド１０３にはＩＣ１０００（米国ロデール社商
品名）、研磨スラリ１０６にはＳＳ２２５（米国キャボ
ット社商品名）、研磨試料にはＣＶＤ(Chemica1 Vapor
Deposition) 法で酸化シリコン膜を約１．２μｍ堆積し
た２０ｃｍ（８インチ）ウエハをそれぞれ用いた。研磨
圧力は３５０ｇ／ｃｍ² 、リテーナ１１４に加わる圧力
は４５０ｇ／ｃｍ² とした。

【００４０】図１７は、１２．５ｃｍ（５インチ）ウエ
ハを用い、図１６と同様にδｃとｔとの関係を調べた結
果を示している。図中の曲線は前記の式（δｃ＝ｋ・ｐ
・ａ⁴ ／Ｅ・ｔ³ ）のｋ値に２０ｃｍ（８インチ）ウエ
ハでの値（４×１０^-7〜７×１０^-7）に（５／８）² を
乗じた値を用いて計算したものであり、実測値とよく一
致することが判った。

【００４１】図１８は、２０ｃｍ（８インチ）ウエハ上
に堆積した酸化シリコン膜を本発明方法に従って研磨す
るときのウエハ１の外周端（エッジ）とリテーナ１１４
の内周面とのギャップｇ（図１３参照）を変化させたと
きのウエハ面内における研磨速度の不均一性を測定した
ものである。このとき、加圧用薄膜１１２には、前記引
張り弾性率Ｅ＝３２０００ｋｇ／ｃｍ² 、厚さ１５０μ
ｍのポリエチレンテレフタレートのシートを用い、圧縮
空気の圧力、すなわちウエハ１に加わる研磨圧力は０．
３５ｋｇ／ｃｍ² とした。また、リテーナ１１４の内周
面とウエハ１の外周端（エッジ）とのギャップｇは０．
２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で変化させた。

【００４２】上記ギャップｇが０．２ｍｍよりも小さく
なると、自動ウエハ搬送機でウエハカッセットから取り
出したウエハ１を研磨ヘッド１０４に装着する際に、搬
送機の位置決め誤差、研磨ヘッド１０４の位置決め誤
差、リテーナ１１４の内径寸法誤差、ウエハ１の外径寸
法誤差などによるウエハ１の装着ミスが頻発した。従っ
て、ギャップｇの最小値は０．２ｍｍ以上とすることが
望ましい。図示のように、ギャップｇが大きくなるに従
い、前記図１４（ａ）の太線ｂで示したウエハ１の外周
部での急峻な研磨速度の上昇が徐々に現れ始め、ウエハ
１の外周部よりも内側の領域で研磨速度のピークが発生
して研磨速度の不均一性が増大した。このとき、ウエハ
１の外周端から３ｍｍ内側の領域で研磨測度の不均一性
を５％以下とするためには、ギャップｇの最小値を５ｍ
ｍ以下とする必要があることが判った。

【００４３】前記の実験で判明したように、ウエハ１の
面内における研磨速度の不均一性は加圧用薄膜１１２の
伸長距離（δ）によって決定されることから、距離
（δ）を高精度に制御する必要がある。この距離（δ）
の精度はリテーナ１１４、バッキングパッド１１３およ
びウエハ１の厚み精度によってほぼ決定される。このう
ち、バッキングパッド１１３およびウエハ１の厚み精度
は初期の寸法精度によって決定されるが、リテーナ１１
４の厚さは研磨を繰り返す度に摩耗し、次第に減少す
る。そのため、研磨速度の均一性が次第に低下する問題
があり、この問題を軽減するためにリテーナ１１４の材
料として高耐摩耗性の材料を選択する必要があった。

【００４４】まず初めに、耐摩耗性の高い酸化シリコン
セラミックでリテーナ１１４を作成してウエハ１の研磨
を行ったところ、頻度は低いが研磨中にウエハ１がリテ
ーナ１１４の内周面に当り、ウエハ１の外周端が欠け
る、いわゆるチッピングが発生するという問題が生じ
た。

【００４５】図１９は、リテーナ１１４に用いた各種材
料の硬度と上記チッピングの発生数との関係を調べたグ
ラフである。なお、研磨条件は、圧縮空気の圧力を０．
３５ｋｇ／ｃｍ² とし、リテーナ１１４の内周面とウエ
ハ１の外周端とのギャップｇを３ｍｍとした他は、前記
図１８の実験と同一とした。

【００４６】図示のように、リテーナ材料の硬度が高く
なるに従ってチッピングが増大した。また、図示はして
いないが、圧縮空気の圧力が小さい程バッキングパッド
１１３とウエハ１との接触面が滑り易くなり、ウエハ１
の外周端がリテーナ１１４の内周面に当る頻度が高くな
るためにチッピングが増大する傾向が見られた。この結
果から、研磨条件に依らずチッピングの発生を無くすた
めには、リテーナ材料の硬度をウエハ１の硬度１／１０
以下にすることが望ましいことが判った。高分子材料の
硬度、引張り弾性率などの機械的剛性を示す材料定数と
摩耗速度との相関は小さく、密度と熱変形温度とに強い
相関があるという特異的な現象が見出された。

【００４７】図２０（ａ）は、高分子材料の密度と摩耗
速度との関係を調べた結果で、低密度材料ほど耐摩耗性
がよく、密度が１．２以下で耐摩耗性のよい材料が多く
存在することが判った。また、図２０（ｂ）は高分子材
料の密度とＡＳＴＭ(American Society of Testing Mat
erials) 試験法Ｄ６４８の荷重１．８１３ＭＰａにおけ
る熱変形温度（絶対温度表示）の積と摩耗速度との関係
を調べたものであり、この積が２００〜６００の範囲に
耐磨耗性の高い材料が集中することが明らかとなった。

【００４８】ちなみに、フッ素樹脂（ＰＤＶＦ）、ポリ
エーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、モノマーキャス
トナイロンおよび超高分子ポリエチレンの密度は、１．
７８、１．３２、１．１６、０．９５、密度×熱変形温
度は６５５、５５３、５２６、３１２、摩耗速度比は
１、０．２９、０．０４、０．０３であり、密度が１．
２以下という条件と密度×熱変形温度＝２００〜６００
という条件とが両立する後二者の材料が耐摩耗性に極め
て優れていることが明らかとなった。

【００４９】以上、本発明者によってなされた発明を発
明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は
前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を
逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでも
ない。

【００５０】前記実施の形態では、加圧用薄膜に圧縮空
気を印加する場合について説明したが、加圧用薄膜に圧
力を印加する媒体として、窒素などの不活性ガスや、研
磨スラリに加える酸性水溶液やアルカリ性水溶液などの
液体を用いることも可能である。

【００５１】また、前記実施の形態では、Ｃｕ膜を化学
機械研磨法で研磨してＣｕ配線を形成する場合について
説明したが、これに限定されるものではなく、例えば溝
を形成したウエハ上に絶縁膜を堆積した後、溝の外部の
絶縁膜を化学機械研磨法で研磨することによって素子分
離溝を形成する場合など、一般に、ウエハ上に堆積した
金属膜や絶縁膜をの表面を平坦化する化学機械研磨方法
に広く適用することができる。

【００５２】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以
下のとおりである。

【００５３】本発明によれば、半導体ウエハ上に堆積し
た絶縁膜や金属膜を化学機械研磨する際にウエハ面内に
おける研磨量の均一性を向上させることができるので、
半導体集積回路装置の製造歩留まりが向上し、ウエハ一
枚当たりのチップ取得率を増やすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態であるＭＯＳ−ＬＳＩの
製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図２】本発明の一実施の形態であるＭＯＳ−ＬＳＩの
製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図３】本発明の一実施の形態であるＭＯＳ−ＬＳＩの
製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図４】本発明の一実施の形態であるＭＯＳ−ＬＳＩの
製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図５】本発明の一実施の形態であるＭＯＳ−ＬＳＩの
製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図６】本発明の一実施の形態であるＭＯＳ−ＬＳＩの
製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図７】本発明の一実施の形態であるＭＯＳ−ＬＳＩの
製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図８】本発明の一実施の形態であるＭＯＳ−ＬＳＩの
製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図９】本発明の一実施の形態であるＭＯＳ−ＬＳＩの
製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図１０】本発明の一実施の形態であるＭＯＳ−ＬＳＩ
の製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図１１】本発明の一実施の形態で使用する化学機械研
磨装置の概略図である。

【図１２】図１１に示す化学機械研磨装置の研磨ヘッド
近傍を拡大して示す図である。

【図１３】図１１に示す化学機械研磨装置の研磨ヘッド
近傍をさらに拡大して示す図である。

【図１４】（ａ）は、圧縮空気によってウエハが研磨パ
ッドに押し付けられる圧力（研磨圧力）の分布を実験結
果に基づいて模式的に表したグラフ、（ｂ）は、ウエハ
上に堆積した酸化シリコン膜を研磨したときの研磨速度
分布を示すグラフである。

【図１５】ウエハ上に形成された酸化シリコン膜の研磨
速度の面内不均一性と、加圧用薄膜の伸長距離との関係
を示すグラフである。

【図１６】加圧用薄膜の伸長距離と厚さとの関係を示す
グラフである。

【図１７】加圧用薄膜の伸長距離と厚さとの関係を示す
グラフである。

【図１８】ウエハの外周端とリテーナの内周面とのギャ
ップとウエハ面内における研磨速度の不均一性との関係
を示すグラフである。

【図１９】リテーナに用いた各種材料の硬度とチッピン
グの発生数との関係を示すグラフである。

【図２０】（ａ）は、各種高分子材料の密度と摩耗速度
との関係を示すグラフ、（ｂ）は、各種高分子材料の
（熱変形温度×密度）の積と摩耗速度との関係を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１ 半導体基板（ウエハ） ２ 素子分離溝 ３ ｐ型ウエル ４ ｎ型ウエル ５ ゲート酸化膜 ６ ゲート電極 ７ ｎ型半導体領域（ソース、ドレイン） ８ ｐ型半導体領域（ソース、ドレイン） ９ 酸化シリコン膜 １０、１１ コンタクトホール １２〜１７ 配線 １８ 窒化シリコン膜 １９ 酸化シリコン膜 ２０ 窒化シリコン膜 ２１ 酸化シリコン膜 ２２ フォトレジスト膜 ２３〜２６ スルーホール ２７ 反射防止膜 ２８ フォトレジスト膜 ３０〜３２ 配線溝 ３３ バリア膜 ３４ シード膜（第１金属膜） ３５ Ｃｕ膜（第２金属膜） ３６〜３８ 埋め込みＣｕ配線 １００ 化学機械研磨装置 １０１ モータ １０２ 研磨定盤 １０３ 研磨パッド １０４ 研磨ヘッド １０５ モータ １０６ 研磨スラリ １０７ スラリ供給管 １０８ ドレッサ １０９ モータ １１０ 通気孔 １１１ 剛性板 １１２ 加圧用薄膜 １１３ バッキングパッド １１４ リテーナ １１５ 駆動軸 １１６ 気体供給管 １１７、１１８ 孔 Ｑｎ ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴ Ｑｐ ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 秀文 東京都青梅市新町六丁目16番地の３ 株式 会社日立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者 高田 頼生 東京都青梅市新町六丁目16番地の３ 株式 会社日立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者 根津 広樹 東京都青梅市新町六丁目16番地の３ 株式 会社日立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者 金友 正文 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 福島 喜久男 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 細田 保弘 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AB04 BA02 BB04 BC01 CB01 DA17

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウエハを保持する研磨ヘッドと前記ウエ
   ハとの間に流体圧の印加によって伸長する弾性材料から
   なる薄膜を介在させ、前記薄膜を介して前記ウエハに流
   体圧を印加しながら、前記ウエハを研磨定盤に押し付け
   て研磨を行う化学機械研磨方法であって、 前記薄膜が前記ウエハの主面に対して垂直な方向に伸長
   する距離をδとしたとき、前記距離δが次式 δ＝（ｋ・ｐ・ａ⁴ ）／（Ｅ・ｔ³ ） （式中、ｋは定数、ｐは薄膜に印加する流体圧、ａ、
   Ｅ、ｔは薄膜の引張り弾性率、厚さおよび半径を表す）
   となるように、前記流体圧を前記薄膜に印加することを
   特徴とする化学機械研磨方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の化学機械研磨方法におい
   て、前記薄膜の直径２ａが２０ｃｍのとき、前記式の定
   数ｋは４×１０^-7〜７×１０^-7であり、前記薄膜の直径
   ２ａが２０ｃｍ以外のとき、前記定数ｋは４×１０^-7〜
   ７×１０^-7に（２ａ／２０）² を乗じた値であることを
   特徴とする化学機械研磨方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の化学機械研磨方
   法において、前記研磨ヘッドに取り付けられたリテーナ
   の内周面と前記リテーナの内側に保持された前記ウエハ
   の外周端とのギャップを０．２ｍｍ以上〜５ｍｍ以下の
   範囲とすることを特徴とする化学機械研磨方法。
4. 【請求項４】 請求項３記載の化学機械研磨方法におい
   て、前記リテーナの硬度は、前記ウエハの硬度の１０分
   の１以下であることを特徴とする化学機械研磨方法。
5. 【請求項５】 請求項３記載の化学機械研磨方法におい
   て、前記リテーナは、密度が１．２以下の有機高分子材
   料からなることを特徴とする化学機械研磨方法。
6. 【請求項６】 請求項３記載の化学機械研磨方法におい
   て、前記リテーナは、ＡＳＴＭ試験法Ｄ６４８の荷重
   １．８１３ＭＰａにおける熱変形温度（絶対温度）と密
   度との積が２００〜６００の範囲にある有機高分子材料
   からなることを特徴とする化学機械研磨方法。
7. 【請求項７】 請求項３記載の化学機械研磨方法におい
   て、前記リテーナは、ナイロンまたはポリエチレンから
   なることを特徴とする化学機械研磨方法。
8. 【請求項８】 請求項１記載の化学機械研磨方法におい
   て、前記薄膜に、その厚さ方向に貫通する複数の孔を設
   けたことを特徴とする化学機械研磨方法。
9. 【請求項９】 請求項１記載の化学機械研磨方法を用い
   て前記ウエハの主面に形成された薄膜を研磨する工程を
   有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方
   法。