JP2003001562A - ドレッサおよび研磨装置ならびに半導体ウエハの研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長寿命で安定したドレッシングを行うことの
できるドレッサと、それを用いた研磨装置およびそれに
より研磨された半導体ウエハを提供すること。 【解決手段】 ドレッサの研削層１６を複層の電着層１
８ａ、１８ｂにそれぞれ砥粒層１９ａ、１９ｂで形成
し、各砥粒層１９ａ、１９ｂは、最上層の電着層１８ｂ
からの突出量が異なるように形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハや液
晶表示用ガラス基板等を研磨する研磨装置に用いるドレ
ッサと、それを搭載した研磨装置および、その研磨装置
により半導体ウエハを研磨する研磨方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】化学的機械研磨（ＣＭＰ、Ｃｈｅｍｉｃ
ａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）装
置とは、近年の、システムＬＳＩ等の配線が多層化する
ことに伴い、配線や層間絶縁膜の平坦化に用いられるも
のである。

【０００３】ＣＭＰ装置は、例えば、図３に模式図を示
すように、ターンテーブル４２の上に発泡ポリウレタン
等の材料により形成された研磨パッド４４が貼着されて
保持されている。

【０００４】研磨パッド４４の上方には、回転する加圧
へッド４６が研磨パッド４４に向けて加圧可能に配置さ
れている。この加圧へッド４６の下面には、被研磨体で
ある例えば半導体ウエハ４８を被研磨面を下方（研磨パ
ッド４４と対向する方向）に向けて吸着保持している。
また、研磨パッド４４の上方で加圧ヘッド４６が配置さ
れている位置とは異なる位置に、回転するドレッサ５０
が研磨パッド４４に向けて加圧可能に配置されている。

【０００５】ドレッサ５０は、図４にドレッサの模式図
を示すように、このドレッサ５０の上層部のベース５１
はステンレス材（ＳＵＳ）により形成され、このベース
５１の下面に砥粒が電着された研削層５２が形成されて
いる。図５に研削層５２の模式図を示すように、研削層
５２はニッケルメッキによる電着層５３にダイヤモンド
砥粒５４が固着されて形成されている。ダイヤモンド砥
粒５４の粒径は１５０μｍ程度である。したがって、電
着層５３にダイヤモンド砥粒５４が固着された状態で
は、ダイヤモンド砥粒５４は電着層５３から４０μｍ程
度が突出した状態になり、この突出した部分のダイヤモ
ンド砥粒５４によりドレッシングを行う。なお、実際に
ドレッシングに用いられるダイヤモンド砥粒５４は、突
出した先端部から３０μｍ程度である。

【０００６】さらに研磨パッド４４の中央部の上方には
ノズル５５が配置されて、このノズル５５から研磨パッ
ド４４上の中央部に研磨組成物が滴下されて供給される
ようになっている。この研磨組成物は研磨パッド４４の
遠心力より、研磨パッド４４と半導体ウエハ４８との間
に流れ込んで、半導体ウエハ４８の研磨に用いられる。

【０００７】このようなＣＭＰ装置においては、半導体
ウエハ４８の研磨を行なう場合は、回転する加圧へッド
４６を、回転するターンテーブル４２上の研磨パッド４
４に向けて加圧することにより、半導体ウエハ４８を研
磨パッド４４に接触させ、互いに摺動させることにより
行なう。この半導体ウエハ４８の研磨時は、常にノズル
５５から滴下する研磨組成物が、研磨パッド４４と半導
体ウエハ４８との間に供給されるようになっている。

【０００８】また回転するドレッサ５０も、回転するタ
ーンテ−ブル４２上の研磨パッド４４に向けて加圧する
ことにより、ドレッサ５０を研磨パッド４４に接触させ
て、互いに摺動させる。このことによりドレッサ５０
が、研磨パッド４４の表面を研磨して削ることにより毛
羽立てて、新しい面を再生する。それにより、ドレッサ
５０が研磨パッド４４の表面をリフレッシュする。

【０００９】これらの研磨における研磨特性を表すパラ
メータは、通常、研磨均一性（％）、研磨レート（ｎｍ
／ｍｉｎ）が用いられる。

【００１０】研磨均一性の算出は、一般的に、半導体ウ
エハ４８上の複数ポイントの研磨した膜の前後差（ＭＡ
Ｘ値一ＭＩＮ値）を、平均値（ＡＶＥ値）の２倍の値で
割った値の百分率となる。すなわち、研磨均一性（％）
＝（ＭＡＸ値−ＭＩＮ値）×１００／（２×ＡＶＥ値）
となる。

【００１１】また、研磨レートの算出は、一般的に、複
数ポイントの研磨した膜の前後差の平均値（ＡＶＥ値）
を、研磨した時間（分）で割った値となる。すなわち、
研磨レ−ト（ｎｍ／ｍｉｎ）＝（ＡＶＥ値）／時間
（分）となる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】通常、半導体ウエハ等
の研磨装置では、研磨を安定させるには、研磨パッドの
表面の目詰まりを除去し、研磨パッド表面の表面粗さを
安定させることが重要であるため、半導体ウエハを１枚
研磨するごと、あるいは、数枚研磨する毎にドレッサを
用いて研磨パッドの表面にドレッシングをおこなってい
る。

【００１３】一方、ドレッサはドレッシングするごとに
ドレッサ表面に突出している砥粒が摩耗していくため、
研磨パッドの目詰まり除去効果が低下し、また表面粗さ
が変化するため、ドレッサはある一定の使用時間が過ぎ
ると新しいものと交換している。研磨パッドの目詰まり
除去効果が低下したり、表面粗さが不均一になってくる
と、半導体ウエハなどの被研磨体の研磨精度も悪くな
り、最終的には半導体装置の性能にも悪影響を及ぼすこ
とがある。また、通常、ドレッサの寿命は、その使用時
間が３００時間に達したときが寿命とされており、より
長寿命のドレッサが要望されている。

【００１４】本発明は、これらの事情に基づいてなされ
たもので、長寿命で安定したドレッシングを行うことの
できるドレッサと、それを用いた研磨装置およびそれに
より半導体ウエハを研磨する研磨方法を提供することを
目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、複数の砥粒が所定量突出する第１砥粒層
と、該第１砥粒層より突出量が大きい第２砥粒層を少な
くとも有することを特徴とするドレッサである。

【００１６】また請求項２の発明による手段によれば、
前記第１砥粒層の突出量は、前記第２砥粒層の突出量の
４０〜６０％であることを特徴とするドレッサである。

【００１７】また請求項３の発明による手段によれば、
前記第１砥粒層を構成する複数の砥粒の平均粒径は、前
記第２砥粒層を構成する複数の砥粒の平均粒径と同等或
いは大きいことを特徴とするドレッサである。

【００１８】また請求項４の発明による手段によれば、
前記第１砥粒層及び前記第２砥粒層を構成する砥粒は、
ダイヤモンド或いはＣＢＮ（Ｃｕｂｉｃ Ｂｒｏｎ Ｎ
ｉｔｒｉｄｅ）の少なくとも一方であることを特徴とす
るドレッサである。

【００１９】また請求項５の発明による手段によれば、
前記第１研磨層と前記第２研磨層との単体での研磨レー
トは、前期第１研磨層の方が高いことを特徴とするドレ
ッサである。

【００２０】また請求項６の発明による手段によれば、
研磨パッドを有する定盤と、前記研磨パッドに対して被
研磨体を対向して保持可能な加圧へツドと、前記研磨パ
ッド上に研磨組成物を供給する研磨組成物供給部と、複
数の砥粒が所定量突出する第１砥粒層と該第１砥粒層よ
り突出量が大きい第２砥粒層を少なくとも有し前記研磨
パッドをドレッシングするドレッサとを有することを特
徴とする研磨装置。

【００２１】また請求項７の発明による手段によれば、
研磨パッドを有する定盤に対して半導体ウエハの被研磨
面を対向するように保持する工程と、前記半導体ウエハ
の被研磨面と前記研磨パッドを所定圧で接触させると共
に前記被研磨面と前記研磨パッドを相対的に摺動させて
前記被研磨面を研磨する工程と、複数の砥粒が所定量突
出する第１砥粒層と該第１砥粒層より吐出量が大きい第
２砥粒層を少なくとも有するドレッサを前記研磨パッド
に対して相対的に摺動させて前記研磨パッドをドレッシ
ングする工程を有することを特徴とする半導体ウエハの
研磨方法である。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００２３】図１は、本発明の実施の形態を示すＣＭＰ
装置の研磨部の模式図である。ＣＭＰ装置の研磨部は、
被研磨体である半導体ウエハ１を保持するウエハキャリ
ア２を備えた加圧ヘッド３が、軸Ａ_１を中心に駆動モー
タＭ１により矢印４で示した方向に連続して回転するよ
うに取付けられている。加圧ヘッド３は、矢印５で示し
た力が半導体ウエハ１にかかるように形成されている。
また、加圧ヘッド３に対向して、軸Ａ_２を中心に定盤駆
動モータＭ２により矢印８で示した方向に連続して回転
するように取付けられたターンテーブル（定盤）９を備
えている。ターンテーブル９の表面にはインフレートあ
るいはポリウレタン等の材料から成る研磨パッド１０が
取付けられている。

【００２４】この研磨パッド１０の表面には塩基性また
は酸性の溶液中に懸濁されたシリカまたはアルミナ研磨
粒子等を含んだ研磨組成物（不図示）が、研磨液供給部
１１から供給される。

【００２５】また、加圧ヘッド３と並んでターンテーブ
ル９に対向してドレッサ１５が設けられている。ドレッ
サ１５は、台金１７に研削層１６が形成されている。研
削層１６は、後述する電着層１８に砥粒層１９であるダ
イヤモンド砥粒が分散して固着して形成されている。台
金１７は、軸Ａ_３を中心に駆動モータＭ３により矢印２
０で示した方向に連続して回転し、台金１７は、更に、
矢印２１で示した力が研削層１６を介して研磨パッド１
０に荷重としてかかるように設定されている図２は、研
削層１６の構成を示す模式構成図である。研削層１６
は、台金１７の表面にニッケルめっきによる厚さ２０μ
ｍの第１電着層１８ａが形成され、この第１電着層１８
ａの表面に厚さ１１０μｍの第２電着層１８ｂが重畳さ
れて形成されている。また、第２電着層１８ｂの内部に
はダイヤモンド砥粒２３（粒径は１５０μｍ程度）から
なる第１砥粒層１９ａと第２砥粒層１９ｂが相互にずれ
た位置に固着されて形成されている。また、第１砥粒層
１９ａは形成している各ダイヤモンド砥粒２３の一部が
第１電着層１８ａの内部まで侵入した状態で固着されて
いる。その結果、第２電着層１８ｂからのダイヤモンド
砥粒２３の突出量が第１砥粒層１９ａと第２砥粒層１９
ｂでは異なるように形成されている。

【００２６】この第２電着層１８ｂからのダイヤモンド
砥粒２３の突出量は、第１砥粒層１９ａの砥粒突出量の
４０〜６０％に形成されている。

【００２７】研削層１６の製造は、（１）炭素鋼で形成
された台金１７の表面に第１砥粒層１９ａになるダイヤ
モンド砥粒２３を設ける。（２）金属めっき液内に台金
１７を浸漬して、ニッケル層の内部にダイヤモンドパウ
ダの根元を侵入させて付着させ第１砥粒層１９ａを形成
する。（３）第１砥粒層１９ａの間に第１砥粒層１９ａ
に挟持されるように第２砥粒層１９ｂとなるダイヤモン
ド砥粒２３を複層に配置する。この場合、第２砥粒層１
９ｂの頂分が第１砥粒層１９ａの頂分よりも突出するよ
うになる。（４）金属めっき液内で第２電着層１８ｂを
形成して第１砥粒層１９ａと第２砥粒層１９ｂとを固定
する。

【００２８】これらのように研削層１６を構成すること
により、研磨パッド１０に最初に接触する第２砥粒層１
９ｂ（従来の１層構成の砥粒層と同じ）がドレッシング
を行い、従来のドレッサ交換ラインの手前で、第１砥粒
層１９ａに引き継ぎドレッシングを継続する。このドレ
ッシングの継続により、従来のドレッサ交換ラインを経
過しても引き続き安定してドレッシングを継続すること
ができる。したがって、効率良く新しい砥粒層（第１砥
粒層１９ａ）がドレッシングに寄与していく為、研磨パ
ッド１０の目詰まりが防止できて、研磨パッド１０によ
る研磨の安定性が保たれる。これは、従来のように、砥
粒突出量が初期に比べて７５％程度摩耗するとドレッサ
の能力が著しく低下するために交換していたのに比べる
と、大幅な寿命の延長であり、ドレッサの交換頻度を低
減できる。

【００２９】なお、研磨層を形成する電着層や砥粒層は
上述のように２層とは限らず、ｎ層を形成することがで
きる。その場合、それぞれの砥粒層の各砥粒の突出量は、
以下の関係にすればよい。

【００３０】第１層の砥粒突出量＝（０．４〜０．６）
＊第２層の砥粒突出量 第２層の砥粒突出量＝（０．４〜０．６）＊第３層の砥
粒突出量 第（ｎ−１）層の砥粒突出量＝（０．４〜０．６）＊第
ｎ層の砥粒突出量 また、ダイヤモンド砥粒の粒径については、第１砥粒層
の砥粒の大きさが、第２砥粒層の砥粒の粒径と同等か又
は大きい砥粒であることが良好なドレッシングを行える
ことを実験により確認した。

【００３１】つまり、各砥粒層の粒径については、 第１層の粒径≧第２層の粒径≧第３層の粒径…≧第ｎ層
の粒径 の関係が成立していればよい。

【００３２】これは、研磨パッドと砥粒との接触面積
は、砥粒が摩耗するにしたがって広がる。それに伴っ
て、ドレッサ圧力も低下していくために、従来のドレッ
サではドレッシングするにしたがってドレッサの能力の
低下が避けられなかった。

【００３３】一方、本実施の形態ではこれを低減するた
めに、後からドレッシングに寄与してくる砥粒の粒径を
大きくすることにより、砥粒摩耗にともなうドレッサの
能力低下を防止できる。

【００３４】また、各砥粒層の砥粒の材質は、同一の材
質を用いるか、または、２種類以上の材質を用いること
ができる。それらは、ダイヤモンドあるいはＣＢＮであ
り、発泡ウレタンや不繊布で形成された研磨パッドのド
レッシングに適している。

【００３５】砥粒層の砥粒に２種類以上の材質を用いる
場合は、第１砥粒層の砥粒による研磨パッドに対する削
れレートが、第２砥粒層の砥粒による研磨パッドに対す
る削れレートに比べて高い砥粒材質で構成することが好
ましい。例えば、第１砥粒層の砥粒の材質を研磨パッド
に対する削れレートが高いダイヤモンド、第２砥粒層の
砥粒の材質をダイヤモンドよりも研磨パッドに対する削
れレートが低いＣＢＮで構成する。それにより、常に安
定して研磨パッドに対する削れレートを得ることができ
る。

【００３６】砥粒の形状については、各砥粒層の砥粒の
形状を異なるようにすることもできる。その場合、例え
ば、第１砥粒層のダイヤモンド砥粒の形状は、その砥粒
製作において砥粒を大きく結晶成長させてから破壊、所
定の大きさに分級した砥粒を用いて、各砥粒の形状が異
形状（イレギュラー形状）のものである。一方、第２層
のダイヤモンド砥粒の形状は、その砥粒の製作において
砥粒を一定の大きさに結晶成長させて、各砥粒の形状が
６ないし８面体に近い形状（ブロッキー形状）のもの所
定の大きさに分級した砥粒を用いる。

【００３７】イレギュラー形状の砥粒は。ブロッキー形
状の砥粒に比べてドレッシング能力が高いそのため、第
１砥粒層の砥粒の形状をイレギュラー、第２砥粒層の砥
粒の形状をブロッキーで構成することにより、ドレッシ
ングにより効率良く研磨パッドの目詰まりを防止でき
て、研磨パッドでの研磨の安定性が保たれる。それらに
より研磨された半導体ウエハは、良好な平面性が維持さ
れて、その層間絶縁膜の凹凸を１００ｎｍ程度にするこ
とができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、長寿命で安定したドレ
ッシングを行うことのできるドレッサと、それを用いた
研磨装置が実現できる。

【００３９】また、その研磨装置で研磨された半導体ウ
エハには極めて平滑な層間絶縁膜を形成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態であるドレッサを用いたＣ
ＭＰ装置の研磨部の模式図。

【図２】本発明の実施の形態であるドレッサの研削層の
模式構成図。

【図３】ＣＭＰ装置の研磨部の模式図。

【図４】ドレッサの模式図。

【図５】従来のドレッサの研削層の模式構成図。

【符号の説明】

１…半導体ウエハ、２…ウエハキャリア、３…加圧ヘッ
ド、９…ターンテーブル、１０…研磨パッド、１５…ド
レッサ、１６…研削層、１７…ベース、１８…電着層、
１８ａ…第１電着層、１８ｂ…第２電着層、１９…砥粒
層、１９ａ…第１砥粒層、１９ｂ…第２砥粒層、２３…
ダイヤモンド砥粒

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の砥粒が所定量突出する第１砥粒層
   と、該第１砥粒層より突出量が大きい第２砥粒層を少な
   くとも有することを特徴とするドレッサ。
2. 【請求項２】 前記第１砥粒層の突出量は、前記第２砥
   粒層の突出量の４０〜６０％であることを特徴とする請
   求項１記載のドレッサ。
3. 【請求項３】 前記第１砥粒層を構成する複数の砥粒の
   平均粒径は、前記第２砥粒層を構成する複数の砥粒の平
   均粒径と同等或いは大きいことを特徴とする請求項１或
   いは請求項２のいずれかに記載のドレッサ。
4. 【請求項４】 前記第１砥粒層及び前記第２砥粒層を構
   成する砥粒は、ダイヤモンド或いはＣＢＮ（Ｃｕｂｉｃ
   Ｂｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）の少なくとも一方である
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記
   載のドレッサ。
5. 【請求項５】 前記第１研磨層と前記第２研磨層との単
   体での研磨レートは、前期第１研磨層の方が高いことを
   特徴とする請求項１或いは請求項２のいずれかに記載の
   ドレッサ。
6. 【請求項６】 研磨パッドを有する定盤と、前記研磨パ
   ッドに対して被研磨体を対向して保持可能な加圧へツド
   と、 前記研磨パッド上に研磨組成物を供給する研磨組成物供
   給部と、 複数の砥粒が所定量突出する第１砥粒層と該第１砥粒層
   より突出量が大きい第２砥粒層を少なくとも有し前記研
   磨パッドをドレッシングするドレッサとを有することを
   特徴とする研磨装置。
7. 【請求項７】 研磨パッドを有する定盤に対して半導体
   ウエハの被研磨面を対向するように保持する工程と、 前記半導体ウエハの被研磨面と前記研磨パッドを所定圧
   で接触させると共に前記被研磨面と前記研磨パッドを相
   対的に摺動させて前記被研磨面を研磨する工程と、 複数の砥粒が所定量突出する第１砥粒層と該第１砥粒層
   より吐出量が大きい第２砥粒層を少なくとも有するドレ
   ッサを前記研磨パッドに対して相対的に摺動させて前記
   研磨パッドをドレッシングする工程を有することを特徴
   とする半導体ウエハの研磨方法。