JP2001118816A

JP2001118816A - 化学機械研磨方法

Info

Publication number: JP2001118816A
Application number: JP29604299A
Authority: JP
Inventors: Eiichi Yamamoto; 栄一山本; Kiyoshi Tanaka; 潔田中; Mitsunori Kodama; 光則児玉; Naoki Sasaki; 直樹佐々木; Takahiko Mitsui; 貴彦三井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-10-19
Filing date: 1999-10-19
Publication date: 2001-04-27

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】ディシング、エロ−ジョンの抑制
される絶縁層の上に金属層が設けられた基板の化学機械
研磨方法の提供。【解決手段】金属膜またはデバイスを表面に有
する基板を金属膜面またはデバイス面を上向きにしてチ
ャックテ−ブルに保持し、該基板と軸芯を鉛直方向に有
するスピンドル軸に軸承された取付板に貼付された研磨
パッド面を遊離研磨砥粒を介して押圧し、該基板と研磨
パッドを摺動させつつ、かつ、該研磨パッドを基板上で
往復揺動して基板表面の金属膜またはデバイスの少なく
とも一部を除去する化学機械研磨方法であって、その揺
動速度の変化のパタ−ンは暫時増速し、最高速度になる
と暫時減速し、再度、暫時増速、ピ−ク速度、暫時減速
するパタ−ンで揺動速度の変更を行なうことを特徴とす
る、金属膜またはデバイスを表面に有する基板の化学機
械研磨方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディシング、エロ
−ジョンが抑制され、化学機械研磨された基板の厚み分
布の均一性が優れる基板を与えることができる化学機械
研磨方法に関する。本発明の化学機械研磨方法は、絶縁
層の上に形成された金属膜の除去、金属膜のパタ−ン模
様の上に絶縁層膜が施された基板表面の絶縁層膜の除
去、ＳＴＩ（Shallow Trench Insulator）のＰ−ＴＥ
ＯＳ層の除去に有用である。

【０００２】

【従来の技術】スピンドル軸に軸承された研磨パッドを
用い、該研磨パッド面に研磨材スラリ−を供給しながら
チャックに保持されたウエハを圧接し、パッドとウエハ
を同一方向または逆方向に回転させてウエハを研磨また
はＣＭＰ研磨する研磨装置は知られている（特開平６−
２１０２８号、特開平７−２６６２１９号、特開平８−
１９２３５３号、特開平８−２９３４７７号、特開平１
０−３０３１５２号、特開平１１−１５６７１１号、英
国公開特許第２３３１９４８号公報等）。

【０００３】パッド素材としては、硬質発泡ウレタンシ
−ト、ポリエステル繊維不織布、フェルト、ポリビニ−
ルアルコ−ル繊維不織布、ナイロン繊維不織布、これら
不織布上に発泡性ウレタン樹脂溶液を流延させ、ついで
発泡・硬化させたもの等が使用されている。従来、パッ
ド形状は、研磨される基板の形状と同じく円形であり、
厚み３〜７ｍｍのものがアルミニウム板やステンレス板
などの取付板に貼付されて使用されていた。

【０００４】かかる円形パッドを用いて金属膜を有する
基板をＣＭＰ研磨するには、例えば特開平１０−３０３
１５２号、特開平１１−１５６７１１号公報に示される
ように、金属膜を有する基板を金属膜面を上向きにして
チャックテ−ブルに保持し、該基板と軸芯を鉛直方向に
有するスピンドル軸に軸承された取付板に貼付された研
磨パッド面を遊離研磨砥粒を介して押圧し、該基板と研
磨パッドを摺動させ、かつ、研磨パッドを基板表面で基
板半径の２等分点を揺動開始点（Ｘ）とし、揺動幅を２
０〜５０ｍｍ、好ましくは２０〜３０ｍｍとし、揺動速
度０．１〜５ｃｍ／秒で左右方向に往復揺動させて基板
表面の金属膜の少なくとも一部を除去して化学機械研磨
を行っていた。

【０００５】この研磨パッドの径は、基板の径の略１／
２であり、研磨パッドを基板表面で２０〜５０ｍｍ左右
方向に往復揺動させるとともにパッドを１５０〜８００
ｒｐｍと高速で回転させて研磨し、２００ｍｍ径の基板
のＣＭＰ研磨に要求される高速加工、研磨基板の不均一
性（ｎｏｎ−ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ：σ＝１）５％以下
を満足するが、高速研磨ゆえに得られる基板のディッシ
ングが２００〜３２０ｎｍと大きく、エロ−ジョンも絶
縁層に対する金属膜の密度が高いと６０〜１００ｎｍと
大きく、デバイスウエハにおいてデバイス層が５〜１０
層と高集積化する用途においてはディッシングを６０ｎ
ｍ以下に、エロ−ジョンを８０ｎｍ以下とすることが市
場より要求されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、金属膜を有
する基板を金属膜面を上向きにしてチャックテ−ブルに
保持し、該基板と軸芯を鉛直方向に有するスピンドル軸
に軸承された取付板に貼付された研磨パッド面を遊離研
磨砥粒を介して押圧し、該基板と研磨パッドを摺動させ
て基板表面の金属膜の少なくとも一部を除去する化学機
械研磨装置において、上記市場要求（銅膜研磨基板の不
均一性（σ＝１）５％以下、デバイスウエハにおいてデ
ィッシングを６０ｎｍ以下に、エロ−ジョンを８０ｎｍ
以下）を満たす化学機械研磨方法を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の１は、金属膜ま
たはデバイスを表面に有する基板を金属膜面またはデバ
イス面を上向きにしてチャックテ−ブルに保持し、該基
板と軸芯を鉛直方向に有するスピンドル軸に軸承された
取付板に貼付された研磨パッド面を遊離研磨砥粒を介し
て押圧し、該基板と研磨パッドを摺動させつつ、かつ、
該研磨パッドを基板上で往復揺動して基板表面の金属膜
またはデバイスの少なくとも一部を除去する化学機械研
磨方法であって、前記研磨パッドの基板上での揺動は、
揺動開始点(基板の中心点に近い側)から揺動終点（基板
の中心点より遠い側）に向って研磨パッドの揺動速度を
ｎ回（但し、ｎは５以上、３０以下の整数である。）変
更しつつ行なうものであり、その揺動速度の変化のパタ
−ンは暫時増速し、最高速度になると暫時減速し、再
度、暫時増速、ピ−ク速度、暫時減速するパタ−ンで揺
動速度の変更を行なうことを特徴とする、金属膜または
デバイスを表面に有する基板の化学機械研磨方法を提供
するものである。

【０００８】基板研磨時に研磨パッドを左右方向に往復
揺動させながら、かつ、その揺動速度を５回以上変化さ
せて化学機械研磨することにより高速研磨加工において
もディッシングを６０ｎｍ以下に、エロ−ジョンを８０
ｎｍ以下と抑制することが可能となった。

【０００９】本発明の請求項２は、前記金属膜またはデ
バイスを表面に有する基板の化学機械研磨方法におい
て、研磨パッドの外径ｒは基板の直径Ｒの３／４であ
り、揺動開始点（Ｘｏ）を基板の半径の４等分点とし、
揺動距離をＬ（但し、Ｌは１／４Ｒ未満）とすると、揺
動速度が最高速度となる基板上の研磨パッドの中心位置
は、（Ｘ＋２Ｌ／９）から（Ｘ＋３Ｌ／９）に位置し、
次ぎのピ−ク速度は、（Ｘ＋８Ｌ／９）から（Ｘ＋Ｌ）
に位置することを特徴とする。

【００１０】研磨パッドの揺動させる際の、基板周辺か
らの研磨布（パッド）のはみ出しを考慮し、研磨パッド
の基板単位面積当たりにかかる研磨圧力を可能な限り一
定となるように調整する。

【００１１】本発明の請求項３は、前記化学機械研磨方
法において、前記研磨パッドとしてその形状が、円の中
央部をより小さい径の円を刳り貫いた環状体であり、環
状の研磨パッドの刳り貫かれた内径は、外径の１５〜７
５％の長さであることを特徴とする。

【００１２】基板が銅薄膜張り基板の加工において、厚
み不均一性（σ＝1）が３％以下と極めて平坦性に優れ
る加工基板を提供できる。

【００１３】本発明の請求項４は、Ｐ−ＴＥＯＳ膜を有
するＳＴＩ基板をＰ−ＴＥＯＳ膜面を上向きにしてチャ
ックテ−ブルに保持し、該基板と軸芯を鉛直方向に有す
るスピンドル軸に軸承された取付板に貼付された研磨パ
ッド面を遊離研磨砥粒を介して押圧し、該基板と研磨パ
ッドを摺動させつつ、かつ、該研磨パッドを基板上で往
復揺動して基板表面のＰ−ＴＥＯＳ膜の少なくとも一部
を除去する化学機械研磨方法であって、前記研磨パッド
のＳＴＩ基板上での揺動は、揺動開始点(基板の中心点
に近い側)から揺動終点（基板の中心点より遠い側）に
向って研磨パッドの揺動速度をｎ回（但し、ｎは５以
上、３０以下の整数である。）変更しつつ行なうもので
あり、その揺動速度の変化のパタ−ンは暫時増速し、最
高速度になると暫時減速し、再度、暫時増速、ピ−ク速
度、暫時減速するパタ−ンで揺動速度の変更を行なうこ
とを特徴とする、ＳＴＩ基板の化学機械研磨方法を提供
するものである。

【００１４】基板として、Ｐ−ＴＥＯＳ膜を有するＳＴ
Ｉ基板を用いても良い研磨加工結果が得られる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明を詳細
に説明する。図１は、化学機械研磨装置の一例を示す斜
視図、図２は研磨パッドの移送機構を示す斜視図、図３
は研磨パッドとコンディショニング装置の部分断面図、
図４は研磨ヘッドの断面図、図５は研磨パッドの斜視
図、図６は、基板上における研磨パッドの揺動距離を解
説する図、図７と図８は基板上における研磨パッドの揺
動速度のパタ−ンの例を示す図である。

【００１６】図１、図２および図３に示すインデックス
型化学機械研磨装置１において、２は研磨ヘッド、２ａ
は粗研磨用研磨ヘッド、２ｂは仕上研磨用ヘッド、３，
３は回転軸、３ａはモ−タ−、３ｂは歯車、３ｃはプ−
リ−、３ｄは歯車、４，４は研磨パッド、５，５はパッ
ドコンディショニング機構、５ａはドレッシングディス
ク，５ｂは噴射ノズル、５ｃは保護カバ−、６，６は回
転可能な洗浄ブラシ、７は研磨ヘッドの移送機構、７ａ
はレ−ル、７ｂは送りネジ、７ｃは送りネジに螺着させ
た移動体で研磨ヘッド２を具備させる。７ｄ，７ｅは歯
車、７ｆはモ−タ−、８はヘッドの昇降機構であるエヤ
−シリンダ−、９はウエハｗ収納カセット、１０はロ−
ディング搬送用ロボット、１１はウエハ仮置台、１２は
軸１２ｅを軸芯として同一円周上に等間隔に設けられた
回転可能な４基のウエハチャック機構１２ａ，１２ｂ，
１２ｃ，１２ｄを備えるインデックステ−ブルで、テ−
ブル１２はｓ１のウエハロ−ディングゾ−ン、ｓ２の粗
研磨ゾ−ン、ｓ３のウエハ仕上研磨ゾ−ン、ｓ４のウエ
ハアンロ−ディングゾ−ンに仕分けされている。

【００１７】１３はアンロ−デヂィング用搬送ロボッ
ト、１４ａはチャックドレサ−、１４ｂはチャック洗浄
機構、１５はウエハ仮置台、１６はベルトコンベア、１
７はウエハ洗浄機構である。

【００１８】図４に示す研磨ヘッド２において、ヘッド
２は基板２１の張り出し縁２１ａが加圧シリンダ−２０
のフランジ部分２０ａに支えられ、研磨パッド（環状研
磨布）４は研磨布取付板２２を介して基板２１に保持さ
れている。加圧シリンダ−２０内の加圧室２０ｂ内には
ダイヤフラム２３が張り渡され、スピンドル軸３内を通
じて加圧室２０ｂ内に圧縮空気が圧入され、その圧力に
よって基板２１は３次元（Ｘ，Ｙ，Ｚ）方向に揺動自在
に支えられ、パッド４はウエハ表面に対して平行に保も
たてられる。ヘッド２の中央に研磨液または洗浄液供給
パイプ２４が設けられ、パイプの先は研磨パッドの中央
刳り貫き部４ａを避けて研磨パッド環状体裏面に臨み、
環状体を経由して基板の金属層表面に研磨液またはエッ
チング液が供給される。

【００１９】図５に示す研磨パッド４において、ａは本
発明に用いられる円環状研磨パッド、ｂは本発明に用い
られる楕円環状研磨パッドである。環状研磨パッドの刳
り貫かれた内径ｌｉは、研磨パッド外径ｌｏの長さの１
５〜７５％、好ましくは３０〜５０％である。研磨され
る基板ｗの外径Ｒに対する研磨パッドの外径ｒは、円環
状パッドのときは０．５５〜０．７５倍、楕円環状パッ
ドのときは、短径が０．３５〜０．４０倍、長径が０．
５５〜０．９０倍である。パッド素材としては、硬質発
泡ウレタンシ−ト、ポリエステル繊維不織布、フェル
ト、ポリビニ−ルアルコ−ル繊維不織布、ナイロン繊維
不織布、これら不織布上に発泡性ウレタン樹脂溶液を流
延させ、ついで発泡・硬化させたもの等が使用される。
厚みは３〜７ｍｍである。また、これらの積層体も利用
できる。

【００２０】研磨剤液は、（ａ）コロイダルアルミナ、
フ−ムドシリカ、酸化セリウム、チタニア等の固型砥粒
を０．０１〜２０重量％、（ｂ）硝酸銅、クエン酸鉄、
過酸化マンガン、エチレンジアミンテトラ酢酸、ヘキサ
シアノ鉄、フッ化水素酸、フルオロチタン酸、ジペルサ
ルフェ−ト、フッ化アンモニウム、二フッ化水素アンモ
ニウム、過硫酸アンモニウム、過酸化水素、等の酸化剤
１〜１５重量％、（ｃ）界面活性剤０．３〜３重量％、
（ｄ）ｐＨ調整剤、（ｅ）防腐剤、などを含有するスラ
リ−が使用される（特開平６−３１３１６４号、特開平
８−１９７４１４号、特表平８−５１０４３７号、特開
平１０−６７９８６号、特開平１０−２２６７８４号
等）。銅、銅−チタン、銅−タングステン、チタン−ア
ルミニウム等の金属研磨に適した研磨剤スラリ−は、株
式会社フジミインコ−ポレ−テッド、ロデ−ル・ニッタ
株式会社、米国のキャボット社、米国ロデ−ル社、米国
オ−リンア−チ（ＯｌｉｎＡｒｃｈ）社等より入手
できる。

【００２１】前記の化学機械研磨装置を用いて絶縁層の
上に金属膜を有するウエハを研磨する工程は、次のよう
に行われる。１）ウエハｗ１は、搬送ロボット１０のア−ムによりカ
セット９より取り出され仮置台１１上に金属膜面を上向
きにして載せられ、ここで裏面を洗浄され、ついで搬送
ロボットによりインデックステ−ブル１２のウエハロ−
ディングゾ−ンｓ１に移送され、チャック機構１２ａに
より吸着される。

【００２２】２）インデックステ−ブル１２を９０度時
計回り方向に回動させてウエハｗ１を第１研磨ゾ−ンｓ
２に導き、スピンドル軸３を下降させてヘッド２ａに取
り付けられた研磨パッド４をウエハｗ１に押圧し、スピ
ンドル軸３とチャック機構の軸を回転させることにより
ウエハの化学機械研磨を行う。この間、新たなウエハｗ
２が仮置台の上に載せられ、ウエハロ−ディングゾ−ン
ｓ１に移送され、チャック機構１２ｂにより吸着され
る。ウエハのＣＭＰ加工時、スピンドル軸３の中空部に
設けた供給管２４より環状体４裏面に研磨剤液が１０〜
１００ｍｌ／分の割合で供給される。チャックテ−ブル
に吸着されたウエハの回転数は、２００〜８００ｒｐ
ｍ、好ましくは２００〜６００ｒｐｍ、研磨パッドの回
転数は４００〜３０００ｒｐｍ、好ましくは４００〜１
０００ｒｐｍ、基板にかかる圧力は１．２〜３ｐｓｉで
ある。

【００２３】ＣＭＰ加工中、研磨パッド４をボ−ルネジ
でウエハの中心点Ｏより左へ基板の半径の８分点ないし
２分点（２００ｍｍ径のウエハで、外径１５０ｍｍの研
磨パッドのときは４分点の２５ｍｍ前後）の位置を揺動
開始点（Ｘｏ）とし、この開始点位置より左方向（ウエ
ハ外周方向）に約１０〜５０ｍｍ幅、好ましくは２０〜
４０ｍｍのところを揺動終点（Ｘｅ）とし、この間の距
離（Ｌ）を左右方向（Ｘ軸方向）に往復揺動させる。研
磨パッドの往復揺動は、研磨パッド外周がウエハの中心
点と外周間に位置するときを基準の速さとすると、研磨
パッドがウエハ中心点部では揺動速度をゆっくりとし、
ウエハ外周部では揺動速度を速くしてディッシングが均
一に行なわれるように、かつ、揺動速度をｎ回に分けて
暫時増減させる変化を行なう。

【００２４】例えば、２００ｍｍ径のウエハで、揺動開
始点（Ｘｏ＝Ｐｏ）がウエハ中心点より左に２５ｍｍの
位置で揺動幅（Ｌ）が３６ｍｍ、に至るまでに速度変化
９回の場合、揺動開始点（Ｘｏ＝Ｐｏ）から揺動終点
（Ｘｅ＝Ｐ₉）までに移動する間に研磨パッドの揺動速
度を図７に示すように９回変える。

【００２５】図７においては、揺動開始点（Ｘｏ＝Ｐ
ｏ）での揺動速度は０ｍｍ／分、Ｐｏから第１変換点
（Ｐ１）に至るまでに、揺動速度を４００ｍｍ／分、Ｐ
１から第２変換点（Ｐ２）に至るまでは最高速度の３０
００ｍｍ／分となるように暫時増速し、Ｐ２から第３変
換点（Ｐ３）に至るまでは速度２０００ｍｍ／分、Ｐ３
から第４変換点（Ｐ４）に至るまでは速度１０００ｍｍ
／分、Ｐ４から第５変換点（Ｐ５）に至るまでは速度５
００ｍｍ／分、Ｐ５から第６変換点（Ｐ６）に至るまで
は速度１００ｍｍ／分と暫時減速し、Ｐ６から第７変換
点（Ｐ７）に至るまでは速度が増加に転じ２００ｍｍ／
分、Ｐ７から第８変換点（Ｐ８）に至るまでにピ−ク速
度の２０００ｍｍ／分に至り、ついでＰ８より揺動終始
点の第９変換点（Ｘｅ＝Ｐ９）に至る間では減速して第
９変換点（Ｐ９）での揺動速度が０ｍｍ／分となるよう
に揺動速度の変化を行なう。

【００２６】基板上のＰｏの位置は、基板中心点より２
５ｍｍ、Ｐ1は基板中心点より２９ｍｍ、Ｐ２は基板中
心点より３３ｍｍ、Ｐ３は基板中心点より３７ｍｍ、Ｐ
４は基板中心点より４１ｍｍ、Ｐ５は基板中心点より４
５ｍｍ、Ｐ６は基板中心点より４９ｍｍ、Ｐ７は基板中
心点より５３ｍｍ、Ｐ８は基板中心点より５７ｍｍおよ
び揺動終点のＰ９は基板中心点より６１ｍｍの位置であ
る。研磨パッドが揺動終点Ｐ９（Ｘｅ）に至り、揺動速
度が０ｍｍ／分となると、研磨パッドの揺動方向は基板
の中心点Ｏ方向に変えられ、Ｐ８，Ｐ７，Ｐ６，Ｐ５，
Ｐ４，Ｐ３，Ｐ２，Ｐ１、および揺動開始点Ｐｏへと各
位置における前記の揺動速度（２０００ｍｍ／分、２０
０ｍｍ／分、１００ｍｍ／分、５００ｍｍ／分、１００
０ｍｍ／分、２０００ｍｍ／分、３０００ｍｍ／分、４
００ｍｍ／分、０ｍｍ／分）に変えられながら戻され
る。従って、揺動速度の変化回数ｎを増加させれば図８
に示すようになだらかな曲線を描く。ただし、そのプロ
セスソフト、装置がコスト高となるので、揺動速度の変
化回数ｎは３０以下が好ましい。

【００２７】揺動速度、揺動速度変化回数、揺動終始点
位置、ピ−ク速度の出現回数は、用いる基板の種類、研
磨パッド外径などに依存する。但し、揺動速度の変化に
は、揺動速度を揺動開始点Ｐｏから揺動終点Ｐｎに向っ
て０ｍｍ／分、暫時増速から最高速度になると暫時減速
し、再度、暫時増速、ピ−ク速度、暫時減速し、０ｍｍ
／分とするパタ−ン傾向であることに統一される。第一
研磨ゾ−ンｓ２での化学機械研磨が所望時間行なわれる
と、スピンドル軸３を上昇させ、右方向に後退させ、パ
ッド洗浄機構５上に導き、ここで高圧ジェット水をノズ
ル５ｂより吹き付けながら回転ブラシ５で表パッド面に
付着した砥粒、金属研磨屑を取り除き、再び右方向に研
磨パッドを移送し、研磨ゾ−ンｓ２上に待機させる。

【００２８】３）インデックステ−ブルを時計回り方向
に９０度回動させ、研磨されたウエハｗ１を第二研磨ゾ
−ンｓ３に導き、スピンドル軸３を下降させてヘッド２
ｂに取り付けられた研磨パッド４を粗研磨されたウエハ
ｗ１に押圧し、スピンドル軸３とチャック機構の軸を回
転させることによりウエハの化学機械仕上研磨を行う。
仕上げ研磨終了後は、スピンドル軸３を上昇、右方向に
後退させ、ヘッド２ｂに取り付けられた研磨パッドを洗
浄機構５で洗浄し、再び右方向に移送し、第二研磨ゾ−
ンｓ３上に待機させる。この間、新たなウエハｗ３が仮
置台の上に載せられ、ウエハロ−ディングゾ−ンｓ１に
移送され、チャック機構１２ｃにより吸着される。ま
た、第一研磨ゾ−ンｓ２ではウエハｗ２の化学機械粗研
磨が実施される。

【００２９】４）インデックステ−ブル１２を時計回り
方向に９０度回動させ、研磨されたウエハｗ１をアンロ
−ディングゾ−ンｓ４に導く。ついで、アンロ−ディン
グ搬送ロボット１３で仕上研磨されたウエハを仮置台１
５へ搬送し、裏面を洗浄した後、更に搬送ロボット１３
でベルトコンベアを利用した移送機構へと導き、研磨さ
れたウエハのパタ−ン面に洗浄液をノズル１７より吹き
付け洗浄し、さらにウエハを次工程へと導く。この間、
新たなウエハｗ４が仮置台の上に載せられ、ウエハロ−
ディングゾ−ンｓ１に移送され、チャック機構１２ｄに
より吸着される。また、第一研磨ゾ−ンｓ２ではウエハ
ｗ３の化学機械粗研磨が、第二研磨ゾ−ンｓ３ではウエ
ハｗ２の化学機械仕上研磨が実施される。

【００３０】５）インデックステ−ブル１２を時計方向
に９０度回転させ、以下前記２）から４）の工程と同様
の操作を繰り返し、ウエハの化学機械研磨を行う。

【００３１】上記例において、化学機械研磨加工を第一
粗研磨と第二仕上研磨の二段に分けたのは、スル−プッ
ト時間を短縮するためであるが、ＣＭＰ加工を一段で行
ってもよいし、粗研磨、中仕上研磨、仕上研磨と三段階
に分け、よりスル−プット時間を短縮してもよい。三段
階のＣＭＰ加工工程をとるときは、ｓ１をウエハロ−デ
ィングとウエハアンロ−ディングの兼用ゾ−ンとし、ｓ
２を第一研磨ゾ−ン、ｓ３を第二研磨ゾ−ン、ｓ４を第
３研磨ゾ−ンとする。

【００３２】また、研磨パッド素材は、第一研磨パッド
と第二研磨パッドの素材を変えてもよい。研磨剤スラリ
−も変えられることもある。本発明の化学機械研磨方法
は、金属パタ−ンの上に絶縁層膜が形成された基板の絶
縁層膜の除去、ＳＴＩのＰ−ＴＥＯＳ膜層の除去にも勿
論利用できる。

【００３３】

【実施例】実施例１基板として２００ｍｍ径の酸化珪素絶縁膜上に銅膜を設
けたシリコン基板を、研磨剤としてフジミインコ−ポレ
−テッド社の第１ステップ用銅膜研磨用スラリ−（試作
品）を７５ｍｌ／分の量、研磨パッドとして米国ロデ−
ル社のポリウレタン樹脂を素材（商品名ＩＣ１０００）
とした外径１５０ｍｍの円板の中央部を５０ｍｍ径の円
を刳り貫いた円環状パッドを、研磨装置として図１に示
す自動化学機械研磨装置を用い、基板チャックテ−ブル
の回転数を逆時計方向２００ｒｐｍ、研磨パッドの回転
数を時計方向４００ｒｐｍ、基板にかかる研磨パッドの
圧力を２．８ｐｓｉ（２００ｇ／ｃｍ²）とし、左右揺
動幅を３６ｍｍ（揺動開始点は基板中心点より２６ｍｍ
外径側）とし、揺動速度を図７に示すよう１揺動幅
（Ｌ）内で９回変化させて６０秒間化学機械研磨を行な
った。銅除去速度は７２２６オングストロ−ム／分、不
均一性は３．２％であった。

【００３４】実施例２実施例１において、研磨パッドの揺動速度の変化回数を
１２回とし、その際の研磨速度を、揺動開始点Ｐ０で０
ｍｍ／分、Ｐ１で４００ｍｍ／分、Ｐ２で６００ｍｍ／
分、Ｐ３で３０００ｍｍ／分、Ｐ４で２５００ｍｍ／
分、Ｐ５で２０００ｍｍ／分、Ｐ６で１０００ｍｍ／
分、Ｐ７で５００ｍｍ／分、Ｐ８で６００ｍｍ／分、Ｐ
９で４００ｍｍ／分、Ｐ１０で２００ｍｍ／分、Ｐ１１
で５００ｍｍ／分、揺動終点Ｐ１２（Ｘｅ）で０ｍｍ／
分とする外は同様にして銅張基板を化学機械研磨した。
銅除去速度は７２３０オングストロ−ム／分、不均一性
は１．９％であった。

【００３５】実施例３基板として、２００ｍｍ径のシリコン基板の表面に１５
ｎｍの酸化珪素絶縁層、その上に２００ｎｍの窒化珪素
絶縁層、さらにその上に８００ｎｍのＰ−ＴＥＯＳ層、
その上に３０ｎｍのＴａ層、その上に１５０ｎｍのスパ
ッタリングＣｕ層、最外層に１．２μｍの電気メッキで
形成した銅膜層を設けた基板（トレンチ幅２５０μｍ、
トレンチ密度５０％）を用いた。

【００３６】研磨剤としてフジミインコ−ポレ−テッド
社の第１ステップ用銅膜研磨用スラリ−（試作品）を７
５ｍｌ／分の量、研磨パッドとして米国ロデ−ル社のポ
リウレタン樹脂を素材（商品名ＩＣ１０００）とした外
径１５０ｍｍの円板の中央部５０ｍｍ径を刳り貫いた円
環状パッドを、研磨装置として図１に示す自動化学機械
研磨装置の粗研磨ゾ−ンを用い、基板チャックテ−ブル
の回転数を逆時計方向２００ｒｐｍ、研磨パッドの回転
数を時計方向４００ｒｐｍ、基板にかかる研磨パッドの
圧力を２．８ｐｓｉ（２００ｇ／ｃｍ²）とし、左右揺
動幅を３６ｍｍ（揺動開始点は基板中心点より２６ｍｍ
外径側）とし、揺動速度を実施例２と同じように１揺動
幅内で１２回、揺動開始点Ｐ０で０ｍｍ／分、Ｐ１で４
００ｍｍ／分、Ｐ２で６００ｍｍ／分、Ｐ３で３０００
ｍｍ／分、Ｐ４で２５００ｍｍ／分、Ｐ５で２０００ｍ
ｍ／分、Ｐ６で１０００ｍｍ／分、Ｐ７で５００ｍｍ／
分、Ｐ８で６００ｍｍ／分、Ｐ９で４００ｍｍ／分、Ｐ
１０で２００ｍｍ／分、Ｐ１１で５００ｍｍ／分、揺動
終点Ｐ１２（Ｘｅ）で０ｍｍ／分と変化させて１１５秒
間、第１化学機械研磨を行なった。

【００３７】ついで、研磨剤スラリ−を米国オ−リン社
の第２研磨剤スラリ−Ｃｕ１０Ｋ（商品名）に変え、該
スラリ−を７５ｍｌ／分の量、研磨パッドとして米国ロ
デ−ル社のポリウレタン樹脂を素材（商品名ＩＣ１００
０）とした外径１５０ｍｍの円盤の中央部５０ｍｍ径を
刳り貫いた円環状パッドを、研磨装置として図１に示す
自動化学機械研磨装置の仕上研磨ゾ−ンを用い、基板チ
ャックテ−ブルの回転数を逆時計方向２００ｒｐｍ、研
磨パッドの回転数を時計方向４００ｒｐｍ、基板にかか
る研磨パッドの圧力を２．８ｐｓｉ（２００ｇ／ｃ
ｍ²）とし、左右揺動幅を３６ｍｍ（揺動開始点は基板
中心点より２６ｍｍ外径側）とし、揺動速度を実施例２
と同じように１揺動幅内で１２回、揺動開始点Ｐ０で０
ｍｍ／分、Ｐ１で４００ｍｍ／分、Ｐ２で６００ｍｍ／
分、Ｐ３で３０００ｍｍ／分、Ｐ４で２５００ｍｍ／
分、Ｐ５で２０００ｍｍ／分、Ｐ６で１０００ｍｍ／
分、Ｐ７で５００ｍｍ／分、Ｐ８で６００ｍｍ／分、Ｐ
９で４００ｍｍ／分、Ｐ１０で２００ｍｍ／分、Ｐ１１
で５００ｍｍ／分、揺動終点Ｐ１２（Ｘｅ）で０ｍｍ／
分と変化させて６０秒間、第２化学機械研磨を行なっ
た。ディッシングは１４．８ｎｍ、エロ−ジョンは１
０．６ｎｍであった。

【００３８】比較例１実施例１において、研磨パッドとしてポリウレタン樹脂
を素材とした外径１５０ｍｍの円板状パッドを用い、研
磨パッドの揺動を左右揺動幅５４ｍｍ（揺動開始点は基
板中心点より２７ｍｍ）とし、揺動速度を変えずに一定
速度３００ｍｍ／分で銅膜張り基板の化学機械研磨を行
なった。銅除去速度は３４６０オングストロ−ム／分、
不均一性は８．５％であった。

【００３９】比較例２実施例３において、研磨パッドとしてポリウレタン樹脂
を素材とした直径１５０ｍｍの円板状パッドを用い、か
つ、揺動速度を変えずに一定速度３００ｍｍ／分で化学
機械研磨を行なう外は同様にしてデバイス基板の化学機
械研磨を行なった。ディッシングは２４８ｎｍ、エロ−
ジョンは１５２ｎｍであった。なお、実施例において
は、研磨パッドの揺動開始を基板の中心点近傍側のＰｏ
側から行ったが、研磨パッドの揺動開始を基板の中心点
より遠い側のＰｎ側から行う場合や、揺動開始点Ｐｏと
揺動終点Ｐｎの位置の途中の位置から揺動を開始するこ
とも有り得る。それらの場合においても、それらの揺動
速度の変化パタ−ンが基板の中心点と研磨パッドの中心
点の位置関係において、揺動速度が図７や図８に示され
るＰｏの０ｍｍ／分から暫時増速し、最高速度になると
暫時減速し、再度、暫時増速、ピ−ク速度、暫時減速し
揺動終点Ｐｎで０ｍｍ／分とするパタ−ンであるときは
本発明の範囲内である。また、基板の種類によっては、
基板の揺動の最高揺動速度と、揺動終点近くのピ−ク揺
動速度が同一に設定されることもある。

【００４０】

【発明の効果】本発明の化学機械研磨方法に従い、絶縁
層上に金属膜が施された基板上を左右方向に揺動速度を
変化させて研磨パッドを揺動して化学機械研磨を行なう
ことにより均一に金属層、絶縁層の除去を行なうことが
できた。よって、ディッシング、エロ−ジョンが抑制さ
れ、平坦性（Ｎｏｎ−Ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）の優れた
加工基板を得ることができた

【図面の簡単な説明】

【図１】研磨装置の斜視図である。

【図２】研磨装置の斜視図である。

【図３】研磨ヘッドとコンディショニング機構との位
置関係を示す断面図である。

【図４】研磨ヘッドの断面図である。

【図５】研磨パッドの斜視図である。

【図６】基板と研磨パッドの揺動開始点の位置関係を
説明する図である。

【図７】研磨パッドの揺動速度変化パタ−ンを示す図
である。

【図８】研磨パッドの揺動速度変化パタ−ンを示す図
である。

【符号の説明】

１化学機械研磨装置ｗウエハＬ揺動幅Ｏ基板中心点Ｐｏ揺動開始点Ｐｎ揺動終点２研磨ヘッド３スピンドル軸４研磨パッド５コンディショニング機構５ａドレッシングディスク５ｂ噴射ノズル５ｃ保護カバ− ７研磨ヘッド移送機構８研磨ヘッド昇降機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐々木直樹神奈川県厚木市上依知3009番地株式会社岡本工作機械製作所半導体事業本部内 (72)発明者三井貴彦神奈川県厚木市上依知3009番地株式会社岡本工作機械製作所半導体事業本部内Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AA09 AA11 AB08 BB03 BC02 CB01 DA12 DA17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属膜またはデバイスを表面に有する基
板を金属膜面またはデバイス面を上向きにしてチャック
テ−ブルに保持し、該基板と軸芯を鉛直方向に有するス
ピンドル軸に軸承された取付板に貼付された研磨パッド
面を遊離研磨砥粒を介して押圧し、該基板と研磨パッド
を摺動させつつ、かつ、該研磨パッドを基板上で往復揺
動して基板表面の金属膜またはデバイスの少なくとも一
部を除去する化学機械研磨方法であって、前記研磨パッドの基板上での揺動は、揺動開始点(基板
の中心点に近い側)から揺動終点（基板の中心点より遠
い側）に向って研磨パッドの揺動速度をｎ回（但し、ｎ
は５以上、３０以下の整数である。）変更しつつ行なう
ものであり、その揺動速度の変化のパタ−ンは暫時増速
し、最高速度になると暫時減速し、再度、暫時増速、ピ
−ク速度、暫時減速するパタ−ンで揺動速度の変更を行
なうことを特徴とする、金属膜またはデバイスを表面に
有する基板の化学機械研磨方法。
【請求項２】研磨パッドの外径ｒは基板の直径Ｒの３
／４であり、揺動開始点（Ｘｏ）を基板の半径の４等分
点とし、揺動距離をＬ（但し、Ｌは１／４Ｒ未満）とす
ると、揺動速度が最高速度となる基板上の研磨パッドの
中心位置は、（Ｘ＋２Ｌ／９）から（Ｘ＋３Ｌ／９）に
位置し、次ぎのピ−ク速度は、（Ｘ＋８Ｌ／９）から
（Ｘ＋Ｌ）に位置することを特徴とする、請求項１に記
載の、金属膜またはデバイスを表面に有する基板の化学
機械研磨方法。
【請求項３】前記研磨パッドの形状は、円の中央部を
より小さい径の円を刳り貫いた環状体であり、環状の研
磨パッドの刳り貫かれた内径は、外径の１５〜７５％の
長さである、請求項１または２に記載の金属膜またはデ
バイスを表面に有する基板の化学機械研磨方法。
【請求項４】Ｐ−ＴＥＯＳ膜を有するＳＴＩ基板をＰ
−ＴＥＯＳ膜面を上向きにしてチャックテ−ブルに保持
し、該基板と軸芯を鉛直方向に有するスピンドル軸に軸
承された取付板に貼付された研磨パッド面を遊離研磨砥
粒を介して押圧し、該基板と研磨パッドを摺動させつ
つ、かつ、該研磨パッドを基板上で往復揺動して基板表
面のＰ−ＴＥＯＳ膜の少なくとも一部を除去する化学機
械研磨方法であって、前記研磨パッドのＳＴＩ基板上での揺動は、揺動開始点
(基板の中心点に近い側)から揺動終点（基板の中心点よ
り遠い側）に向って研磨パッドの揺動速度をｎ回（但
し、ｎは５以上、３０以下の整数である。）変更しつつ
行なうものであり、その揺動速度の変化のパタ−ンは暫
時増速し、最高速度になると暫時減速し、再度、暫時増
速、ピ−ク速度、暫時減速するパタ−ンで揺動速度の変
更を行なうことを特徴とする、ＳＴＩ基板の化学機械研
磨方法。