JP2001244222A - 基板の化学機械研磨装置、半導体デバイス製造方法、および半導体デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小径研磨パッドで大きい径の基板を化学機械
研磨する際の得られる加工基板の平坦性の向上。 【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絶縁膜面を上向きにしてチャックに
保持し、該基板に対して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
研磨剤を介して押圧し、該基板を保持するチャックと研
磨パッドを摺動させつつ、かつ、該研磨パッドを基板上
で水平方向に往復揺動して基板表面の金属膜または絶縁
膜の少なくとも一部を除去するのに用いる化学機械研磨
装置であって、前記チャックに保持された基板表面の延
長水平面上には研磨パッドが基板上で揺動して基板外周
よりはみ出した研磨パッド部分の表面を支えるガイド部
材がチャックとは独立して設けられていることを特徴と
する基板の化学機械研磨装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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装置に関する。本発明の化学機械研
磨装置は、基板の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 I
nsulator）のＰ−ＴＥＯＳ層の除去等に有用である。

【０００２】また、本発明は、半導体デバイス製造方
法、および半導体デバイスに関するものである。

【０００３】

【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剤（スラリー）を供給しな
がらチャックに保持された基板を圧接し、パッドと基板
を同一方向または逆方向に回転摺動させつつ、かつ、研
磨パッドを基板上で一方向に往復移動（揺動）させて基
板を化学機械研磨（ＣＭＰ研磨）する化学機械研磨装置
は知られている（特開平１０−３０３１５２号、特開平
１１−１５６７１１号、特許第２９６８７８４号、英国
公開特許第２３３１９４８号公報等）。

【０００４】図１１から図１４にその化学機械研磨装置
を示す。図１１は、化学機械研磨装置の一例を示す斜視
図、図１２は研磨パッドの移送機構を示す斜視図、図１
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１４は研磨ヘッドの断面図である。

【０００５】図１１、図１２および図１３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、３
ｃ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。７
ｄ，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１
２ａ，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。

【０００６】１３はアンロ−デ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、１７
はウエハ洗浄機構である。

【０００７】図１４に示す研磨ヘッド２において、ヘッ
ド２は固定用基板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を介して固定用基
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、その圧力によって固定用基板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。

【０００８】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。

【０００９】前記の化学機械研磨装置１を用いて絶縁層
の上に金属膜を有するウエハ（基板）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。

【００１０】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。

【００１１】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、２００〜８００
ｒｐｍ、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
〜１０００ｒｐｍ、基板にかかる圧力は１．２〜３ｐｓ
ｉである。

【００１２】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（図
１５参照）。

【００１３】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でパッド表面に付着した砥粒、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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。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加工を一段で行うこともあるし、
粗研磨、中仕上研磨、仕上研磨と三段階に分け、よりス
ル−プット時間を短縮することも行われる。三段階のＣ
ＭＰ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、ｓ２を第
一研磨ゾ−ン、ｓ３を第二研磨ゾ−ン、ｓ４を第三研磨
ゾ−ンとする（後述する図１に示すＣＭＰ装置の例）。

【００１９】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
リー）を変えることもある。このような基板の金属膜面
または絶縁層面（両者が混在する面も含む）を上向きに
してチャックテ−ブルに保持し、該基板に対して軸芯を
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（研磨剤）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
パッドを往復揺動させて基板表面の金属膜または絶縁膜
の少なくとも一部を除去する化学機械研磨において、研
磨パッドの往復揺動時に研磨パッドが往復揺動して基板
の外周からはみ出した際は、このはみ出した研磨パッド
部分を支えるものがないためスピンドル軸がわずかに傾
斜しやすく、ＣＭＰ研磨された基板の外周近傍の内側部
分に厚みのある山部分が形成され、ＣＭＰ研磨基板の不
均一性が生じる欠点がある。

【００２０】よって、特許第３００７６７８号公報に記
載されるスピンドル軸傾斜機構を装置に具備させて補正
を行ってもよいが、装置コストが高くなるとともに、装
置全体が大型化し、設置面積が広くなる欠点がある。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、基板径に対
して小径の研磨パッドを用い、研磨パッドを揺動させな
がら基板をＣＭＰ研磨する化学機械研磨装置において、
不均一性をなくした加工基板を与える化学機械研磨装置
を提供することを目的とする。

【００２２】また、本発明は、ＣＭＰ工程でのウエハの
平坦度を向上させることによって、歩留まりを向上させ
ることができ、それにより、従来の半導体デバイス製造
方法に比べて低コストで半導体デバイスを製造すること
ができる半導体デバイス製造方法、および低コストの半
導体デバイスを提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１は、基
板の金属膜面または絶縁膜面を上向きにしてチャックに
前記基板を保持し、前記基板表面に対して軸芯を鉛直方
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
た研磨パッド面を研磨剤を介して押圧し、前記基板を保
持する前記チャックと前記研磨パッドを摺動させつつ、
かつ、前記研磨パッドを前記基板上で水平方向に往復揺
動して前記基板表面の前記金属膜または前記絶縁膜の少
なくとも一部を除去するのに用いる化学機械研磨装置で
あって、前記チャックに保持された前記基板表面の延長
水平面上には、前記研磨パッドが前記基板上で揺動して
前記基板外周よりはみ出した前記研磨パッド部分の表面
を支えるガイド部材が、前記チャックとは独立して設け
られていることを特徴とする基板の化学機械研磨装置を
提供するものである。

【００２４】基板外周よりはみ出した研磨パッド部分の
表面がガイド部材で支えられるので研磨パッド面が傾斜
するのが防止され、厚み分布の良好な加工基板が得られ
る。また、ガイド部材は回転するチャックとは独立して
固定して設けられるので、その表面積を小さくすること
ができ、ガイド部材による研磨パッドの磨耗を少なくで
きる。

【００２５】本発明の請求項２は、請求項１に記載の基
板の化学機械研磨装置において、前記チャックは、軸芯
の同心円上に等間隔位置に設けられたインデックステ−
ブルを刳り貫いた穴に４基それぞれ独立して回転自在に
設けられ、前記ガイド部材は前記チャックの外周の１／
４から１／２を囲む大きさの円弧状であり、かつ、前記
各チャック毎に前記研磨パッドが揺動する方向に前記イ
ンデックステ−ブルに固定して設けられ、かつ、前記各
チャック毎に設けられる前記ガイド部材は、前記インデ
ックステ−ブルの軸芯に対して１８０度回転の点対称位
置に設けられることを特徴とする。

【００２６】インデックステ−ブル方式の化学機械研磨
装置とすることにより、基板の加工のスル−プット時間
を短縮できる。本発明の請求項３は、基板の金属膜面ま
たは絶縁膜面を上向きにしてチャックに前記基板を保持
し、前記基板表面に対して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
を研磨剤を介して押圧し、前記基板を保持する前記チャ
ックと前記研磨パッドを摺動させつつ、かつ、前記研磨
パッドを前記基板上で水平方向に往復揺動して前記基板
表面の前記金属膜または前記絶縁膜の少なくとも一部を
除去するのに用いる化学機械研磨装置であって、前記チ
ャックに保持された前記基板表面の延長水平面上には、
前記研磨パッドが前記基板上で揺動して前記基板外周よ
りはみ出した前記研磨パッド部分の表面を支えるガイド
部材が、前記チャックの外周に沿って前記チャックと一
体となるように設けられていることを特徴とする基板の
化学機械研磨装置を提供するものである。

【００２７】基板外周よりはみ出した研磨パッド部分の
表面がガイド部材で支えられるので研磨パッド面が傾斜
するのが防止され、厚み分布の良好な加工基板が得られ
る。本発明の請求項４は、請求項３に記載の基板の化学
機械研磨装置において、前記チャックは、軸芯の同心円
上に等間隔位置に設けられたインデックステ−ブルを刳
り貫いた穴にｎ基（ｎ≧２）それぞれ独立して回転自在
に設けられていることを特徴とする。

【００２８】インデックステ−ブル方式の化学機械研磨
装置とすることにより、基板の加工のスル−プット時間
を短縮できる。本発明の請求項５は、請求項１、３、４
のいずれかに記載の基板の化学機械研磨装置において、
前記ガイド部材がリング状であることを特徴とする。

【００２９】ガイド部材がチャックとともに回転する場
合でも、基板外周よりはみ出した研磨パッド部分の表面
が常にリング状のガイド部材で支えられるので研磨パッ
ド面が傾斜するのが防止され、厚み分布の良好な加工基
板が得られる本発明の請求項６は、請求項１から５のい
ずれかに記載の基板の化学機械研磨装置において、研磨
パッドの外径ｒは基板の直径Ｒの１／２〜３／４であ
り、研磨パッドの往復揺動幅は２０〜６０ｍｍであるこ
とを特徴とする。

【００３０】研磨パッド径を基板径より小さくすること
により研磨パッドの揺動速度、揺動加速度の変化回数を
大きくすることができる。また、ＣＭＰ研磨中、基板の
金属層、絶縁層の研磨状態が目視できるとともに、レ−
ザ−センサで基板の厚みを測定したり、カラ−識別セン
サ、カラ−識別カメラで研磨状態を観察することがで
き、研磨終点検出を容易とすることができる。

【００３１】本発明の請求項７は、請求項１から６のい
ずれかに記載の基板の化学機械研磨装置において、前記
ガイド部材は、研磨パッドが当接するその表面に幅０．
５〜３ｍｍ、深さ０．３〜３ｍｍの円弧状溝がピッチ間
隔１〜５ｍｍ毎に多数設けられていることを特徴とす
る。

【００３２】ガイド部材に研磨パッドとは当接しない溝
を設けることにより研磨パッドのガイド部材による磨耗
程度を減少させることができる。本発明の請求項８は、
請求項１から７のいずれかに記載の基板の化学機械研磨
装置において、前記ガイド部材の下面に前記研磨剤を排
出する溝が形成されていることを特徴とする。

【００３３】研磨屑や不要になった古い研磨剤が排出用
の溝から排出されるので、研磨速度を安定させることが
できる。本発明の請求項９は、請求項１から８のいずれ
かに記載の基板の化学機械研磨装置において、前記ガイ
ド部材の内周部と前記チャックとの間に前記基板を搬送
する搬送ロボットの爪が入る空所が設けられていること
を特徴とする。

【００３４】基板の外周を把持する爪を有する搬送ロボ
ットを基板の搬送に使用することができる。本発明の請
求項１０は、請求項１から８のいずれかに記載の基板の
化学機械研磨装置において、前記ガイド部材の内周部に
前記基板を搬送する搬送ロボットの爪が入る空所が形成
されていることを特徴とする。

【００３５】基板の外周を把持する爪を有する搬送ロボ
ットを基板の搬送に使用することができる。本発明の請
求項１１は、本発明の請求項１から１０のいずれかの基
板の化学機械研磨装置が用いられて半導体ウエハの表面
を平坦化する工程を有することを特徴とする半導体デバ
イス製造方法を提供するものである。

【００３６】本発明の請求項１から１０のいずれかの基
板の化学機械研磨装置を用いるため、ＣＭＰ工程でのウ
エハの平坦度が優れているのでＣＭＰ工程での歩留まり
が向上する。これにより、従来の半導体デバイス製造方
法に比べて低コストで半導体デバイスを製造することが
できるという利点が得られる。

【００３７】本発明の請求項１２は、請求項１１に記載
の半導体デバイス製造方法により製造されることを特徴
とする半導体デバイスを提供するものである。低コスト
で半導体デバイスを提供することができる。

【００３８】

【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。本発明の第１の実施形態による基板の化学
機械研磨装置を図１から図４を用いて説明する。

【００３９】図１は、化学機械研磨装置のチャックを４
基備えたインデックステ−ブルの平面図、図２は図１に
おけるＩ−Ｉ断面図、図３は図１におけるＩＩ−ＩＩ方
向から見たガイド部材の部分側面図、図４はガイド部材
の平面図である。

【００４０】図１において、インデックステ−ブル１２
は、基板ロ−ディング／アンロ−ディングゾ−ンｓ１、
第一研磨ゾ−ンｓ２、第二研磨ゾ−ンｓ３、第三研磨ゾ
−ンｓ４に指示され、９０度ずつ間歇的に回転する構造
となっている。

【００４１】基板を保持するチャック１２ａ，１２ｂ，
１２ｃ，１２ｄは、インデックステ−ブル１２の軸芯の
同心円上に等間隔位置に設けられ、インデックステ−ブ
ルを刳り貫いた穴１２ｆに４基それぞれ独立して回転自
在に設けられる。

【００４２】ガイド部材３０はチャックの外周の１／４
から１／２を囲む大きさの円弧状であり、かつ、各チャ
ック１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ毎に研磨パッド４
が揺動する方向にインデックステ−ブル１２（図２参
照）に固定して設けられ、かつ、各チャック毎に設けら
れるガイド部材３０，３０，３０，３０は、インデック
ステ−ブルの軸芯に対して１８０度回転の点対照位置に
設けられる。

【００４３】ガイド部材３０は研磨パッドの揺動方向
（図１で矢印方向）のチャック外周に設けられる。イン
デックステ−ブル１２が９０度づつ回転されるため、各
ゾ−ンｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４で研磨パッドの揺動方向
にガイド部材３０が存在されるためにガイド部材３０，
３０，３０，３０は、インデックステ−ブルの軸芯に対
して１８０度回転の点対称位置に設けられる。ガイド部
材３０は図１に示すように３０ａ，３０ｂに二分割して
もよい。

【００４４】ガイド部材３０の表面高さは、チャック上
の基板の表面高さと同一か、基板の表面高さから研磨さ
れて除かれる層の厚み分（層の種類により異なるが通常
は１〜１０μｍ）を差し引いた高さである。

【００４５】搬送ロボット１０の第三ア−ム１０ｃ、吸
着パッド１０ｄは図１では仮想線で示され、ア−ム１０
ｃは軸芯Ｏで回転できるように構成されている。ガイド
部材３０ａの空所３０ｃには搬送ロボットの爪１０ｅが
挿入できる。

【００４６】図２において、４０はセラミックポ−ラス
チャック１２ａの固定台、４１はセラミックポ−ラスチ
ャック１２ａを減圧したり加圧する空気の供給管、およ
び洗浄液の供給管を兼用する管である。

【００４７】ガイド部材３０の表面は、表面粗さが０．
１μｍ以下の平坦であってもよいし、図４に示すように
幅０．５〜３ｍｍ、深さ０．３〜３ｍｍの円弧状溝３０
ｄ，３０ｄ，３０ｄがピッチ間隔１〜５ｍｍ毎に多数設
けられているものであってもよい。ガイド部材はアルミ
ニウム、ポリ弗化エチレン、セラミックス等を素材とし
て形成される。

【００４８】研磨パッド素材としては、硬質発泡ウレタ
ンシ−ト、ポリ弗化エチレンシ−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。

【００４９】パッド形状としては、円板状、ド−ナッツ
状、楕円状のものが用いられ、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
て使用される。好ましくは、図５に示す円環状研磨パッ
ドがよい。この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１５〜７５％、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、０．５５〜０．７５倍で
ある。

【００５０】研磨剤は、（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）。

【００５１】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
ー）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（Ｏｌｉｎ Ａｒｃｈ）社
等より入手できる。

【００５２】化学機械研磨装置を用いて基板を化学機械
研磨する際の研磨パッドの揺動距離（Ｌ）は、２００ｍ
ｍ径の基板のときは２０〜５０ｍｍ、３００ｍｍ径の基
板のときは２０〜６０ｍｍが好ましい。

【００５３】研磨パッドの揺動は、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径の基板で、外径１５０ｍｍ
の円環状パッドのときは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）を往復揺動させる。

【００５４】研磨パッドの往復揺動は、研磨パッド外周
が基板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、基板中心点部では研磨パッドの揺動速度をゆっ
くりとし、基板外周部では研磨パッドの揺動速度を速く
してディッシングが均一に行なわれるように、かつ、揺
動速度を基板の径が２００ｍｍのときはｎ回（５から３
０回）に分けて暫時増減させる変化を行なうのが好まし
い。

【００５５】基板の径が３００ｍｍのときは、揺動幅
（Ｌ）を２０〜６０ｍｍ、揺動速度を５〜５０回に分け
て暫時増減させる変化を行なう。例えば、２００ｍｍ径
の基板で、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＝Ｐ
ｏ）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６に示すように９回変える。

【００５６】図６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。

【００５７】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。

【００５８】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，Ｐ
６，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、２００ｍｍ／分、１００ｍｍ／分、５００ｍｍ／
分、１０００ｍｍ／分、２０００ｍｍ／分、３０００ｍ
ｍ／分、４００ｍｍ／分、０ｍｍ／分）に変えられなが
ら戻される。

【００５９】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、
径、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。

【００６０】次に本発明の第２の実施形態による基板の
化学機械研磨装置を図７から図９を用いて説明する。第
２の実施形態は、第１の実施形態とはガイド部材の構成
が異なり、その他は第１の実施形態と同じであるので、
同様の部分についての説明は省略する。

【００６１】図７は第１の実施形態の図２（図１におけ
るＩ−Ｉ断面図）に相当する図、図８は第１の実施形態
の図３（図１におけるＩＩ−ＩＩ方向から見たガイド部
材の部分側面図）に相当する図、図９はガイド部材の平
面図である。

【００６２】第２の実施の形態において、ガイド部材５
０はリング状の形状をしていて、チャック１２ａと同軸
にチャック１２ａの外周に沿って配置されている。ガイ
ド部材５０は、ガイド部材取付台５１にボルトで固定さ
れていて、ガイド部材取付台５１は、固定台４０にボル
トで固定されていて、これらにより、ガイド部材５０
は、チャック１２ａと一体となるように設けられてい
る。ガイド部材取付台５１は、チャック１２ａの回転機
構部等に研磨剤が入り込まないようにインデックステー
ブル１２の開口部に対して覆い被さるような形状となっ
ている。

【００６３】第２の実施形態ではガイド部材５０はチャ
ック１２ａと一体となるように設けられているため、研
磨時に基板とガイド部材５０は一緒に回転するので、ガ
イド部材５０は図３のように部分的に設けるのではな
く、基板の外周を全体的に取り巻くようにリング形状で
あることが好ましい。これにより、回転によりチャック
１２ａの位置が変化してもガイド部材５０は常に基板か
らはみ出した研磨パッドを支持することができる。

【００６４】また、ガイド部材５０、ガイド部材取付台
５１、およびチャック１２ａに囲まれた領域に溜まった
研磨剤を排出するために、ガイド部材５０のガイド部材
取付台５１と接している面（ガイド部材５０の下面）に
は研磨剤を排出する溝５２が４カ所に形成されている。

【００６５】また、ガイド部材５１は研磨時に基板から
はみ出した研磨体を支持する効果が十分に引き出せるよ
うに、基板の外周位置に対してぎりぎりの位置にあるこ
とが好ましいが、同時に搬送ロボットの爪が侵入できる
空所が存在することが必要である。よって、少なくとも
搬送ロボットの爪の侵入に必要な空所を有することが必
要である。このため、搬送ロボットの爪の侵入に必要な
空所を基板の外周とガイド部材の内周部との間に確保し
た寸法にしておくか、もしくは図４の３０ｃのようにガ
イド部材の内周部の一部を切り欠いて爪の侵入に必要な
空所を設けておくことが好ましい。

【００６６】また、第２の実施の形態のガイド部材５０
の表面高さは、第１の実施の形態のガイド部材３０と同
様に、チャック上の基板の表面高さと同一か、基板の表
面高さから研磨されて除かれる層の厚み分（層の種類に
より異なるが通常は１〜１０μｍ）を差し引いた高さで
ある。

【００６７】次に本発明の第３の実施の形態による半導
体デバイス製造方法を図１０を用いて説明する。図１０
は、半導体デバイス製造プロセスを示すフローチャート
である。半導体デバイス製造プロセスをスタートして、
まずステップＳ２００で、次に挙げるステップＳ２０１
〜Ｓ２０４の中から適切な処理工程を選択する。選択に
従って、ステップＳ２０１〜Ｓ２０４のいずれかに進
む。

【００６８】ステップＳ２０１はウエハの表面を酸化さ
せる酸化工程である。ステップＳ２０２はＣＶＤ等によ
りウエハ表面に絶縁膜を形成するＣＶＤ工程である。ス
テップＳ２０３はウエハ上に電極を蒸着等の工程で形成
する電極形成工程である。ステップＳ２０４はウエハに
イオンを打ち込むイオン打ち込み工程である。

【００６９】ＣＶＤ工程もしくは電極形成工程の後で、
ステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５はＣＭＰ工
程である。ＣＭＰ工程では本発明による研磨装置によ
り、層間絶縁膜の平坦化や、半導体デバイスの表面の金
属膜の研磨によるダマシン（damascene）の形成等が行
われる。

【００７０】ＣＭＰ工程もしくは酸化工程の後でステッ
プＳ２０６に進む。ステップＳ２０６はフォトリソ工程
である。フォトリソ工程では、ウエハへのレジストの塗
布、露光装置を用いた露光によるウエハへの回路パター
ンの焼き付け、露光したウエハの現像が行われる。更に
次のステップＳ２０７は現像したレジスト像以外の部分
をエッチングにより削り、その後レジスト剥離が行わ
れ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除
くエッチング工程である。

【００７１】次にステップＳ２０８で必要な全工程が完
了したかを判断し、完了していなければステップＳ２０
０に戻り、先のステップを繰り返して、ウエハ上に回路
パターンが形成される。ステップＳ２０８で全工程が完
了したと判断されればエンドとなる。

【００７２】本発明による半導体デバイス製造方法で
は、ＣＭＰ工程において本発明による化学機械研磨装置
を用いているため、ＣＭＰ工程でのウエハの平坦度が優
れているのでＣＭＰ工程での歩留まりが向上する。これ
により、従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コス
トで半導体デバイスを製造することができるという効果
がある。

【００７３】なお、上記の半導体デバイス製造プロセス
以外の半導体デバイス製造プロセスのＣＭＰ工程に本発
明による研磨装置を用いても良い。本発明に係る半導体
デバイスは、本発明に係る半導体デバイス製造方法によ
り製造される。これにより、従来の半導体デバイス製造
方法に比べて低コストで半導体デバイスを製造すること
ができ、半導体デバイスの製造原価を低下することがで
きるという効果がある。

【００７４】

【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
すインデックステ−ブル、チャック、ガイド部材および
３ヘッドの研磨パッドを備える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２０
０ｒｐｍ、研磨パッドの回転数を時計方向４００ｒｐ
ｍ、基板にかかる研磨パッドの圧力を２．８ｐｓｉ（２
００ｇ／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６に示すよう１揺動幅（Ｌ）内で９回変化させて６
０秒間化学機械研磨を行なった。

【００７５】銅除去速度は７３４０オングストロ−ム／
分、不均一性は２．６％であった。 比較例１ 化学機械研磨装置として図１１に示すＣＭＰ装置（ガイ
ド部材なし）を用いて、２００ｍｍ径の酸化珪素絶縁膜
上に銅膜を設けたシリコン基板の化学機械研磨を行なっ
た。ガイド部材がない点を除いたその他の条件は、実施
例１と同じにした。

【００７６】銅除去速度は３５４０オングストロ−ム／
分、不均一性は７．８％であった。

【００７７】

【発明の効果】本発明の化学機械研磨装置では、研磨パ
ッド揺動時に基板外周より外れた研磨パッド部分がガイ
ド部材により支持されるので、研磨パッド面の傾きが抑
制され、平坦性（Ｎｏｎ−Ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）の優
れた加工基板を得ることができる。

【００７８】さらに、本発明によれば、研磨の歩留まり
を向上させることができ、それにより従来の半導体デバ
イス製造方法に比べて低コストで半導体デバイスを製造
することができる半導体デバイス製造方法、及び低コス
トの半導体デバイスを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態のＣＭＰ装置のイ
ンデックステ−ブルとチャックとガイド部材の位置関係
を示す平面図である。

【図２】 本発明の第１の実施の形態の図１におけるＩ
−Ｉ部分断面図である。

【図３】 本発明の第１の実施の形態の図１におけるＩ
Ｉ−ＩＩ方面より見たガイド部材の側面図である。

【図４】 本発明の第１の実施の形態のガイド部材の平
面図である。

【図５】 研磨パッドの斜視図である。

【図６】 研磨パッドの揺動速度変化パタ−ンを示す図
である。

【図７】 本発明の第２の実施の形態の図１におけるＩ
−Ｉ部分断面図である。

【図８】 本発明の第２の実施の形態の図１におけるＩ
Ｉ−ＩＩ方面より見たガイド部材の側面図である。

【図９】 本発明の第２の実施の形態のガイド部材の平
面図である。

【図１０】 本発明の第３の実施の形態の半導体デバイ
ス製造プロセスを示すフローチャートである。

【図１１】 公知のＣＭＰ装置の斜視図である。

【図１２】 研磨装置の斜視図である。

【図１３】 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１４】 研磨ヘッドの断面図である。

【図１５】 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。

【符号の説明】

１ 化学機械研磨装置 ｗ 基板 Ｌ 揺動幅 ２ 研磨ヘッド ３ スピンドル軸 ４ 研磨パッド ７ 研磨ヘッド移送機構 ８ 研磨ヘッド昇降機構 １２ インデックステ−ブル １２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ チャック ３０、５０ ガイド部材 ５１ ガイド部材取付台 ５２ 研磨剤を排出する溝

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の金属膜面または絶縁膜面を上向き
   にしてチャックに前記基板を保持し、前記基板表面に対
   して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研磨剤を介して押圧
   し、前記基板を保持する前記チャックと前記研磨パッド
   を摺動させつつ、かつ、前記研磨パッドを前記基板上で
   水平方向に往復揺動して前記基板表面の前記金属膜また
   は前記絶縁膜の少なくとも一部を除去するのに用いる化
   学機械研磨装置であって、 前記チャックに保持された前記基板表面の延長水平面上
   には、前記研磨パッドが前記基板上で揺動して前記基板
   外周よりはみ出した前記研磨パッド部分の表面を支える
   ガイド部材が、前記チャックとは独立して設けられてい
   ることを特徴とする基板の化学機械研磨装置。
2. 【請求項２】 前記チャックは、軸芯の同心円上に等間
   隔位置に設けられたインデックステ−ブルを刳り貫いた
   穴に４基それぞれ独立して回転自在に設けられ、前記ガ
   イド部材は前記チャックの外周の１／４から１／２を囲
   む大きさの円弧状であり、かつ、前記各チャック毎に前
   記研磨パッドが揺動する方向に前記インデックステ−ブ
   ルに固定して設けられ、かつ、前記各チャック毎に設け
   られる前記ガイド部材は、前記インデックステ−ブルの
   軸芯に対して１８０度回転の点対称位置に設けられるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の基板の化学機械研磨装
   置。
3. 【請求項３】 基板の金属膜面または絶縁膜面を上向き
   にしてチャックに前記基板を保持し、前記基板表面に対
   して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研磨剤を介して押圧
   し、前記基板を保持する前記チャックと前記研磨パッド
   を摺動させつつ、かつ、前記研磨パッドを前記基板上で
   水平方向に往復揺動して前記基板表面の前記金属膜また
   は前記絶縁膜の少なくとも一部を除去するのに用いる化
   学機械研磨装置であって、 前記チャックに保持された前記基板表面の延長水平面上
   には、前記研磨パッドが前記基板上で揺動して前記基板
   外周よりはみ出した前記研磨パッド部分の表面を支える
   ガイド部材が、前記チャックの外周に沿って前記チャッ
   クと一体となるように設けられていることを特徴とする
   基板の化学機械研磨装置。
4. 【請求項４】 前記チャックは、軸芯の同心円上に等間
   隔位置に設けられたインデックステ−ブルを刳り貫いた
   穴にｎ基（ｎ≧２）それぞれ独立して回転自在に設けら
   れていることを特徴とする請求項３に記載の基板の化学
   機械研磨装置。
5. 【請求項５】 前記ガイド部材がリング状であることを
   特徴とする請求項１、３、４のいずれかに記載の基板の
   化学機械研磨装置。
6. 【請求項６】 前記研磨パッドの外径ｒは、前記基板の
   直径Ｒの１／２〜３／４であり、前記研磨パッドの往復
   揺動幅は、２０〜６０ｍｍであることを特徴とする請求
   項１から５のいずれかに記載の基板の化学機械研磨装
   置。
7. 【請求項７】 前記ガイド部材は、前記研磨パッドが当
   接するその表面に幅０．５〜３ｍｍ、深さ０．３〜３ｍ
   ｍの円弧状溝または円状溝がピッチ間隔１〜５ｍｍ毎に
   多数設けられていることを特徴とする請求項１から６の
   いずれかに記載の基板の化学機械研磨装置。
8. 【請求項８】 前記ガイド部材の下面に前記研磨剤を排
   出する溝が形成されていることを特徴とする請求項１か
   ら７のいずれかに記載の基板の化学機械研磨装置。
9. 【請求項９】 前記ガイド部材の内周部と前記チャック
   との間に前記基板を搬送する搬送ロボットの爪が入る空
   所が設けられていることを特徴とする請求項１から８の
   いずれかに記載の基板の化学機械研磨装置。
10. 【請求項１０】 前記ガイド部材の内周部に前記基板を
    搬送する搬送ロボットの爪が入る空所が形成されている
    ことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の基
    板の化学機械研磨装置。
11. 【請求項１１】 請求項１から１０のいずれかに記載の
    基板の化学機械研磨装置が用いられて半導体ウエハの表
    面を平坦化する工程を有することを特徴とする半導体デ
    バイス製造方法。
12. 【請求項１２】 請求項１１に記載の半導体デバイス製
    造方法により製造されることを特徴とする半導体デバイ
    ス。