JP2003179018A - Ｃｍｐ装置及びｃｍｐ装置による研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウェーハなどの薄板状被研磨物の表面
に凹凸段差があっても、高集積化及び高性能化に対応す
るレベルにまで表面を平坦化できるようにする。 【解決手段】 ウォータジェットノズルハウジング１９
の下部端面と半導体ウェーハ３上の凸部（図示せず）と
の間の距離Ｘを、スタントオフ値１５〜３０または１２
０〜１５０となるようにスライダ２０によって設定す
る。この位置で、半導体ウェーハ３の凸部上におけるウ
ォータジェット４４のキャビテーション現象が最も活発
となり、半導体ウェーハ３の凸部がウォータジェット４
４の最大噴射エネルギで研磨される。このようにして、
ウォータジェット４４によって半導体ウェーハ３の表面
層をほぼ平坦化した後に、通常のＣＭＰ処理によって半
導体ウェーハ３の表面層を均一に研磨することによっ
て、半導体ウェーハ３に凸部があっても高平坦化が実現
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スラリー状の研磨
剤をパッド表面に供給して薄板状被研磨物の表面を研磨
する化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Poli
sh）装置及びＣＭＰ装置による研磨方法に関するもので
あり、より詳細には、半導体ウェーハやＬＣＤ用ガラス
板などの薄板状被研磨物の表面凸部を集中的に研磨した
後に、被研磨面に化学機械的な研磨処理を施すＣＭＰ装
置及びＣＭＰ装置による研磨方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体ウェーハなどに表面研
磨を行うためにはＣＭＰ装置が広く利用されている。こ
のＣＭＰ装置は、ＫＯＨ水溶液などのアルカリ性溶液に
シリカやアルミナやセリアなどを懸濁した研磨液（以
下、スラリー状研磨剤と云う）を研磨パッドの表面に滴
下して、半導体ウェーハを研磨パッドに押し付けながら
相対運動させて化学機械的に半導体ウェーハの研磨を行
うものである。図１３は、従来のＣＭＰ装置における研
磨ユニットの概略構成を示す断面図である。同図におい
て、研磨ユニット１１は、回転機構を有する定盤１の上
に研磨パッド２が両面粘着テープなどで固定されてい
る。さらに、研磨パッド２の上部には、被研磨物である
半導体ウェーハ３を保持・押圧するための研磨ヘッド５
が設置されている。また、研磨ヘッド５の下面には、半
導体ウェーハ３を吸着保持するため及び緩衝材として吸
着フイルム１０が固着されている。さらに、研磨ヘッド
５と共に半導体ウェーハ３を回転させるときに半導体ウ
ェーハ３が研磨ヘッド５から飛び出さないようにするた
めに、研磨ヘッド５の外周部にはリテーナリング７が具
備されている。

【０００３】半導体ウェーハ３の研磨時には、研磨ヘッ
ド５及び定盤１をそれぞれ独立して回転させながら、研
磨ヘッド５をシリンダ６によって降下させる。そして、
半導体ウェーハ３が研磨パッド２に接した後に、さらに
加圧して半導体ウェーハ３を研磨加工する。さらに、研
磨加工時には、研磨剤供給ホース８によりスラリー状研
磨剤９を研磨パッド２上に供給する。スラリー状研磨剤
９はシリカ（ＳＩＯ₂）などの砥粒が懸濁された研磨溶
液である。したがって、この研磨溶液の化学機械的な研
磨作用によって半導体ウェーハ３の研磨を行う。このた
め、研磨屑や研磨溶液中のシリカの塊などによって荒れ
た研磨パッド２の表面をならすために、パッドコンディ
ショナ４が具備されている。パッドコンディショナ４
は、半導体ウェーハ３の研磨時や単独動作時において、
シリンダ６’によって研磨パッド２上を加圧・回転させ
ながら、研磨パッド２の表面に付着した研磨屑やシリカ
の塊などを除去してコンディショニングを行う。

【０００４】ところで、半導体ウェーハ３の高集積化及
び高性能化が進むにつれて、半導体ウェーハ３の製造加
工が微細化されて行く。例えば、半導体製造の露光工程
において、解像可能な最小線幅が細くなる程その焦点深
度が浅くなって解像がし難くなるので、その分、半導体
ウェーハ３の面粗度の高平坦化が要求される。そのた
め、近年のように、配線パターンの最小線幅が０.１８
μｍ程度にまで細くなると、ＣＭＰ処理によって半導体
ウェーハの下地膜を極めて高いレベルで平坦化して、露
光工程におけるパターンを高精度に解像する必要があ
る。したがって、ＣＭＰによる研磨によって所望の高平
坦化表面を得る方法として、ＣＭＰ装置のパラメータで
ある研磨ヘッド５の荷重や回転数、あるいは定盤１の回
転数などの最適化を図ったり、スラリー溶液の最適化を
図ったりしている。

【０００５】また、絶縁膜にＲＩＥ(Reactive Ion Etch
ing)を用いて溝を形成し、その上に金属膜を成膜して溝
以外の部分に成膜された金属膜を除去して溝配線を行う
工程においても、高精度なＣＭＰ処理を行う必要があ
る。さらに、浅い溝による素子分離（ＳＴＩ：Shallow
Trench Isolation）の形成や、層間配線接続用のタング
ステンプラグの形成などにおいても、高精度なＣＭＰ処
理による高平坦化が必要となる。そのため、前述と同様
な方法によって高精度なＣＭＰ処理を行う必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、現在の
半導体製造プロセスにおいて、ＣＭＰ処理は必要不可欠
な工程となってきている。しかしながら、高集積化及び
高性能化された次世代の半導体デバイスへ適用するため
には、現在のＣＭＰ処理技術ではまだ能力不足である。
例えば、半導体ウェーハの表面の平坦化技術において、
通常のＣＭＰ装置は、図１３に示すように、定盤１の上
に研磨パッド２を張り付け、半導体ウェーハ３と研磨パ
ッド２との間にスラリー状研磨剤９を流し込みながら半
導体ウェーハ３の表面を研磨パッド２に擦り付けながら
研磨を行っている。

【０００７】しかし、このようなＣＭＰによる研磨方法
では、半導体ウェーハ３で平坦化を行いたい部分のみな
らず、既に平坦化されている部分や平坦化が終了した部
分にも多少の押圧がかかるために研磨が進行してしま
う。そのため、幅広パターンの表面に形成されるディッ
シング部分に部分的に過研磨現象が発生したり、微細パ
ターンの表面に形成される凸部に部分的に研磨残りが発
生したりするおそれがある。したがって、ＣＭＰによる
研磨仕上げのみでは、半導体ウェーハ３の表面を高集積
化及び高性能化に対応するレベルに高平坦化することが
できない。

【０００８】図１４は、半導体ウェーハの表面にＣｕメ
ッキ膜を成膜した状態を示す断面図である。つまり、図
１４に示すように、Ｃｕメッキ膜７８は、層間絶縁膜７
２のある周辺部分に比べて、配線溝７３が狭い入り口部
分において膜厚が厚くなり、幅広配線溝７３ａの入り口
部分において膜厚が薄くなってしまう。なお、この図に
おいては、ＴａＮからなるバリアメタル７４の上面に形
成されたシードＰＶＤ層のＣｕ膜は、Ｃｕメッキ膜７８
と区別していないので表示されていない。また、図１４
のように、配線溝７３の入り口部分でＣｕメッキ膜７８
の膜厚現象が生じたり、幅広配線溝７３ａの入り口部分
で膜厚が薄くなる現象が生じることは、例えば、Robert
D. Mikkola et.al. Proc. IEEE IITC p117, 2000など
の文献に報告されている。

【０００９】通常、Ｃｕメッキ膜７８の埋め込み配線プ
ロセスにおいては、メッキ処理後に生じた余剰なＣｕメ
ッキ膜７８をＣＭＰ処理によって除去している。図１５
は、ＣＭＰ処理によって余剰なＣｕメッキ膜を除去した
ときの半導体ウェーハの断面図であり、（ａ）はＣＭＰ
処理後に膜厚の厚い部分に研磨残が生じた状態を示し、
（ｂ）はＣＭＰ処理後に膜厚の薄い部分にディッシング
現象が生じた状態を示ししている。つまり、図１４に示
すような余剰のＣｕメッキ膜７８をＣＭＰ処理によって
除去する場合、配線溝７３が狭い部分の上部において研
磨前のＣｕメッキ膜７８の膜厚が厚いと、図１５（ａ）
に示すように、Ｃｕメッキ膜７８の膜厚の厚かった部分
はＣＭＰ処理を行ってもＣｕ研磨残７８ａが発生するこ
とがある。また、図１４の幅広配線溝７３ａの上部のよ
うに、Ｃｕメッキ膜７８の膜厚が薄い部分は、ＣＭＰ処
理によるオーバーポリシュの時間が長くなるために、図
１５（ｂ）に示すように、幅広配線溝７３ａの部分が過
度に削り取られるディッシング（dishing）現象が発生
することがある。このようなディッシング現象が生じる
と配線抵抗が高くなってしまうなど、信頼性に不具合が
生じる。

【００１０】つまり、ＣＭＰによる研磨仕上げのみで
は、半導体ウェーハの表面を高集積化及び高性能化に対
応するレベルにまで高平坦化することはできない。した
がって、半導体ウェーハの製造歩留りが低下し、次世代
半導体の開発を遅らせる要因ともなる。さらに、高平坦
化を実現するために、従来の研磨方法では、被研磨膜の
凸部をステッパで露光してドライエッチングなどによっ
て凸部領域をえぐり貫いた後にＣＭＰ処理を行ったり、
凹部にダミーパターンを形成して凹凸段差を強制的に緩
和してからＣＭＰ処理を行ったりしている。しかし、こ
のような研磨方法では、半導体製造の処理工程が増えて
製造コストが高くなったり、半導体装置の開発コストを
高騰させる結果ともなる。

【００１１】本発明は、上述の課題に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、半導体ウェーハなどの
薄板状被研磨物の表面に凹凸段差があっても、表面膜を
高集積化及び高性能化に対応するレベルにまで高平坦化
することができるＣＭＰ装置及びＣＭＰ装置による研磨
方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のＣＭＰ装置は、薄板状被研磨物が研磨パッ
ドに対して相対移動するように載置され、スラリー状研
磨剤を研磨パッドの表面に供給して薄板状被研磨物の表
面を化学機械的な処理により研磨するＣＭＰ装置におい
て、洗浄水を高圧化してウォータジェットを発生させ、
そのウォータジェットを薄板状被研磨物の表面に噴射さ
せるウォータジェット噴射手段を備え、このウォータジ
ェット噴射手段が、薄板状被研磨物の化学機械的な研磨
に先立って、ウォータジェット中のキャビテーション現
象によって発生した気泡を薄板状被研磨物の表面凸部に
吐出し、その表面凸部を集中的に研磨することを特徴と
する。

【００１３】また、本発明のＣＭＰ装置は、薄板状被研
磨物の表面凸部は、ウォータジェットの連続流領域と液
塊領域の境界付近、または液塊領域と液滴領域の境界付
近の吐出流によって研磨されることを特徴とする。

【００１４】また、本発明のＣＭＰ装置は、ウォータジ
ェット噴射手段はウォータジェットを噴射するためのノ
ズルを備え、ノズルのウォータジェット吐出口から所定
の位置までの距離Ｘをノズルのウォータジェット吐出口
の直径ｄで除したスタンドオフ値（Ｖｘ＝Ｘ／ｄ）が、
１５以上３０以下の範囲、または１２０以上１５０以下
の範囲に入るように、薄板状被研磨物の表面凸部が配置
されていることを特徴とする。

【００１５】また、本発明のＣＭＰ装置は、ノズルのウ
ォータジェット吐出口の直径ｄは０.５ｍｍ以上２.５ｍ
ｍ以下の範囲にあることを特徴とする。

【００１６】また、本発明のＣＭＰ装置は、ノズルのウ
ォータジェット吐出口の吐出圧力は０.５ＭＰａ以上２
００ＭＰａ以下の範囲であることを特徴とする。

【００１７】また、本発明のＣＭＰ装置は、薄板状被研
磨物は半導体ウェーハであることを特徴とする。

【００１８】また、本発明のＣＭＰ装置は、薄板状被研
磨物は半導体ウェーハであり、半導体ウェーハの表面膜
が金属膜で形成されているときは、スタンドオフ値は１
５以上３０以下の範囲に設定され、半導体ウェーハの表
面膜がシリコン酸化膜で形成されているときは、スタン
ドオフ値は１２０以上１５０以下の範囲に設定されるこ
とを特徴とする。

【００１９】また、本発明のＣＭＰ装置は、半導体ウェ
ーハの表面膜には保護膜が塗布されており、この保護膜
は、半導体ウェーハの表面凸部を除く部分の表面膜をウ
ォータジェットの吐出流による研磨から保護することを
特徴とする。

【００２０】また、本発明のＣＭＰ装置は、保護膜は界
面活性剤であることを特徴とする。

【００２１】また、本発明のＣＭＰ装置は、薄板状被研
磨物の表面凸部は、光学式膜厚測定器で薄板状被研磨物
の膜厚を測定した後にＡＦＭ測定装置によって測定され
ることを特徴とする。

【００２２】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
は、薄板状被研磨物が研磨パッドに対して相対移動する
ように載置され、スラリー状研磨剤を研磨パッドの表面
に供給して、薄板状被研磨物の表面を化学機械的な処理
により研磨するＣＭＰ装置による研磨方法において、薄
板状被研磨物の表面膜の凹凸段差を測定する工程と、測
定された凹凸段差に応じてウォータジェットパラメータ
を決定する工程と、決定されたウォータジェットパラメ
ータに基づいて、洗浄水を高圧化したウォータジェット
を薄板状被研磨物の表面に噴射し、そのウォータジェッ
ト中のキャビテーション現象によって発生した気泡によ
って薄板状被研磨物の表面凸部を集中的に研磨する工程
と、研磨パッドの表面に薄板状被研磨物を押圧する工程
と、研磨パッドと薄板状被研磨物を相対移動させて、薄
板状被研磨物をＣＭＰ処理により研磨する工程とを含む
ことを特徴とする。

【００２３】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
においては、薄板状被研磨物の表面凸部は、ウォータジ
ェットの連続流領域と液塊領域の境界付近、または液塊
領域と液滴領域の境界付近の吐出流によって研磨される
ことを特徴とする。

【００２４】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
においては、ウォータジェットパラメータは、ウォータ
ジェットの吐出口から所定の位置までの距離Ｘをウォー
タジェット吐出口のノズルの直径ｄで除したスタンドオ
フ値（Ｖｘ＝Ｘ／ｄ）であり、このスタンドオフ値が、
１５以上３０以下の範囲、または１２０以上１５０以下
の範囲に入るように、薄板状被研磨物の表面凸部が配置
されていることを特徴とする。

【００２５】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
は、ノズルのウォータジェット吐出口の直径ｄは０.５
ｍｍ以上２.５ｍｍ以下の範囲にあることを特徴とす
る。

【００２６】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
は、ノズルのウォータジェット吐出口の吐出圧力は、
０.５ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の範囲であることを
特徴とする。

【００２７】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
においては、薄板状被研磨物は半導体ウェーハであるこ
とを特徴とする。

【００２８】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
は、薄板状被研磨物は半導体ウェーハであり、この半導
体ウェーハの表面膜が金属膜で形成されているときは、
スタンドオフ値は１５以上３０以下の範囲に設定され、
半導体ウェーハの表面膜がシリコン酸化膜で形成されて
いるときは、スタンドオフ値は１２０以上１５０以下の
範囲に設定されることを特徴とする。

【００２９】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
は、半導体ウェーハの表面膜には保護膜が塗布され、こ
の保護膜は、半導体ウェーハの表面凸部を除く部分の表
面膜をウォータジェットの吐出流による研磨から保護す
ることを特徴とする。

【００３０】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
は、保護膜は界面活性剤であることを特徴とする。

【００３１】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
においては、薄板状被研磨物の表面膜の凹凸段差は、光
学式膜厚測定器で薄板状被研磨物の膜厚を測定した後に
ＡＦＭ測定装置によって測定されることを特徴とする。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明にお
けるＣＭＰ装置の実施の形態を詳細に説明する。本発明
におけるＣＭＰ装置の特徴は、予め、噴射圧力が最大と
なる位置で半導体ウェーハの凸部にウォータジェットを
噴射して、半導体ウェーハの表面層をほぼ平坦化し、そ
の後に、通常のＣＭＰ処理による研磨により、高集積化
及び高性能化に対応するレベルにまで半導体ウェーハの
表面層を高平坦化することを特徴としている。なお、最
大エネルギのウォータジェットによって半導体ウェーハ
の表面層を研磨する技術は、例えば、特開平１０−１１
６８０８号公報などに報告されている。しかし、この技
術は、半導体ウェーハの表面全体をウォータジェットに
よって均一に研磨するものであって、半導体ウェーハの
凸部のみを集中的に研磨した後に、ＣＭＰ研磨によって
高平坦化を行う技術を示唆するものではない。

【００３３】図１は、本発明に関わるＣＭＰ装置の全体
構成を示す概念図である。図１において、ＣＭＰ装置を
大きく分類すると、実際に研磨処理を行う研磨ユニット
１１と、研磨ユニット１１で研磨時に使用するスラリー
状研磨剤（液状）を供給する研磨剤供給ユニット１２
と、研磨後に半導体ウェーハ等の被研磨物（以降は、半
導体ウェーハとする）を洗浄して乾燥させる洗浄ユニッ
ト１３と、洗浄ユニット１３で使用するＨＦまたはＮＨ
₃等の洗浄薬液を供給する薬液供給ユニット１４と、未
研磨の半導体ウェーハ（図示せず）をカセット１６から
研磨ユニット１１へ搬送し、さらに、研磨後の半導体ウ
ェーハを研磨ユニット１１から洗浄ユニット１３を経て
カセット１６へ搬送する搬送ユニット１５と、洗浄水に
よってウォータジェット用の高圧水を発生させる高圧水
発生機１８とによって構成されている。なお、研磨ユニ
ット１１内の構成は図１３に示す従来技術とほぼ同じで
あるが、ウォータジェット噴射手段１７が付設されてい
る点のみが従来技術と異なっている。

【００３４】図１に示すＣＭＰ装置において、ウォータ
ジェット噴射手段１７を除く動作は周知の技術であるの
で簡単に説明する。予め、研磨パッド２とパッドコンデ
ィショナ４を相互に回転させて、研磨パッド２の表面を
コンディショニングする。次に、搬送ユニット１５が、
カセット１６にある研磨前の半導体ウェーハ３を研磨パ
ッド２上に搬送して載置する。なお、この図では、研磨
パッド２上には半導体ウェーハ３は図示されていない。
そして、研磨ヘッド５が半導体ウェーハ３を研磨パッド
２に押圧して、研磨パッド２と研磨ヘッド５を相互に回
転する。このとき、研磨剤供給ユニット１２より、研磨
剤供給ホース８を介して、研磨パッド２の表面へスラリ
ー状研磨剤を供給し、半導体ウェーハ３の表面に対して
ＣＭＰ研磨処理を行う。ＣＭＰ研磨処理後の半導体ウェ
ーハ３は、搬送ユニット１５によって洗浄ユニット１３
に搬送され、薬液供給ユニット１４から供給された薬液
によって洗浄される。そして、洗浄された半導体ウェー
ハ３は、搬送ユニット１５によってカセット１６に搬送
される。

【００３５】ここで、研磨ユニット１１に設置されてい
るウォータジェット噴射手段１７について説明する。ウ
ォータジェット噴射手段１７は、半導体ウェーハが研磨
パッド２でＣＭＰ研磨される前に、半導体ウェーハを研
磨パッド２の上に載置し、その半導体ウェーハの表面へ
洗浄水を高圧で噴射し、いわゆるウォータジェットを噴
射して、半導体ウェーハの表面膜の凸部を集中的に研磨
する。ウォータジェットを噴射するためのウォータジェ
ット噴射手段１７は、詳細は後述するが、高圧水発生機
１８から供給された高圧水をウォータジェットにして半
導体ウェーハ上に噴射するウォータジェットノズルハウ
ジング１９と、このウォータジェットノズルハウジング
１９を半導体ウェーハの表面に対して上下移動させるス
ライダ２０とによって構成されている。

【００３６】図２は、本発明のＣＭＰ装置における高圧
水発生機の動作概念を示す模式図である。図２におい
て、高圧水発生機１８は、洗浄水を貯蔵するための水源
タンク２１と、この水源タンク２１から洗浄水を汲み上
げる給水ポンプ２２と、洗浄水を所定の経路で流す給水
配管２３ａ，２３ｂと、給水配管２３ａ，２３ｂの各所
に設けられていて洗浄水の逆流を防止する複数のチェッ
ク弁２４と、高圧油を生成する油圧生成部２５と、高圧
油の流路を切り替える切替弁２６と、高圧油の流路とな
る給油配管２７ａ，２７ｂと、高圧油の油圧によって洗
浄水を高圧化する増圧機２８と、高圧の洗浄水の水圧脈
動を緩和するアキュムレータ２９と、洗浄水の逆流を防
止する逆止弁３０とによって構成されている。

【００３７】また、油圧生成部２５は、油を貯蔵する油
貯蔵タンク３１と、油貯蔵タンク３１内の油を汲み上げ
て高圧油を生成する油圧ポンプ３２と、油圧生成部２５
で生成された高圧油を切替弁２６側へ供給する供給油路
３３と、増圧機２８で作動した後の油を切替弁２６側か
ら油貯蔵タンク３１へ排出する排出油路３４とによって
構成されている。一方、増圧機２８は、シリンダ３５内
に組み込まれたピストン３６と、ピストン３６から両側
に延びるピストンロッド３７ａ，３７ｂとによって構成
されており、油圧生成部２５から供給された高圧油の油
圧によって水源タンク２１から供給された洗浄水を高圧
化する。

【００３８】次に、図２に示す高圧水発生機１８の動作
について説明する。水源タンク２１から給水ポンプ２２
によって汲み上げられた洗浄水は、給水配管２３ａ，２
３ｂによって増圧機２８のポートＡ，ポートＢに供給さ
れる。一方、油圧生成部２５には油貯蔵タンク３１と油
圧ポンプ３２とが設けられており、油貯蔵タンク３１に
貯蔵された油は、油圧ポンプ３２のポンピング作用によ
って高圧油となって増圧機２８へ供給される。このと
き、油圧生成部２５で生成された高圧油の流路は、油圧
生成部２５と増圧機２８との間の給油配管２７ａ，２７
ｂの途中に設けられた切替弁２６によって流路が切換制
御される。つまり、切替弁２６の交互切換制御によっ
て、高圧油は、交互に、給油配管２７ａからポートＡ’
に供給されたり、給油配管２７ｂからポートＢ’に供給
されたりする。

【００３９】つまり、増圧機２８は、給水ポンプ２２か
ら供給された所定水圧の洗浄水を、油圧生成部２５から
供給された高圧油の油圧を利用して高圧水に変換するも
のである。例えば、供給油路３３から切替弁２６側に供
給された高圧油は、切替弁２６によって給油配管２７ａ
に供給されると、シリンダ３５内のポートＡ’が高圧油
で充填される。一方、シリンダ３５内のポートＢ’に充
填されていた作用済みの油は、給油配管２７ｂから切替
弁２６を通って排出油路３４から油貯蔵タンク３１に排
出される。したがって、ポートＡ’に充填された高圧油
の油圧作用によってピストン３６が図の右方に移動する
ので、ピストンロッド３７ｂの押圧によってポートＢ内
の洗浄水が高圧化されて、給水配管２３ｂより高圧の洗
浄水がアキュムレータ２９へ供給される。

【００４０】また、切替弁２６によって高圧油の流路が
切り替えられると、前述と反対の流路（供給配管２７
ｂ）によってポートＢ’が高圧油で充填されるので、ピ
ストン３６が図の左方に移動し、ピストンロッド３７ａ
の押圧によってポートＡ内の洗浄水が高圧化される。よ
って、給水配管２３ａより高圧の洗浄水がアキュムレー
タ２９へ供給される。もちろん、この油圧作用のとき、
ポートＡ’に充填されていた作用済みの油は、給油配管
２７ａから切替弁２６を通って排出油路３４から油貯蔵
タンク３１に排出される。つまり、切替弁２６による高
圧油の流路の交互切替作用よって、増圧機２８がシリン
ダ３５内に組み込まれたピストンロッド３７ａ，３７ｂ
を双方向に移動させることにより、高圧の洗浄水を発生
させてアキュムレータ２９に供給する仕組みになってい
る。

【００４１】また、増圧機２８の両端に接続された給水
配管２３ａ，２３ｂにはチェック弁２４が設けられてお
り、このチェックバルブ２４によって高圧の洗浄水が逆
流するのを阻止している。さらに、前述のように、油圧
ポンプ３２によって油貯蔵タンク３１から汲み上げられ
た高圧油は、切替弁２６の流路切替動作に従って、増圧
機２８のシリンダ３５のＡ’ポートとＢ’ポートに交互
に供給されるので、ＡポートとＢポートから交互に排出
される高圧の洗浄水は、脈動した高圧水となってアキュ
ムレータ２９に供給される。このため、増圧機２８によ
ってパルス状に増圧させた高圧水は、アキュムレータ２
９に取り込まれて高圧水の脈動が緩和された後、所定の
圧力に調整されて、ウォータジェットノズルハウジング
に送り込まれる。

【００４２】図３は、本発明のＣＭＰ装置におけるウォ
ータジェットノズルハウジングの外観図であり、（ａ）
は底面図であり、（ｂ）は（ａ）の側面図である。図３
において、ウォータジェットノズルハウジング１９は、
たとえば、ホルダ４２内にノズル４３が千鳥足状に１０
個配置された構成となっている。この１０個のノズル４
３の各ウォータジェット吐出口４３ａから、高圧の洗浄
水であるウォータジェットが、図１に示す研磨パッド２
の表面に載置された半導体ウェーハ上に噴射し、半導体
ウェーハの凸部を集中的に研磨する。

【００４３】次に、洗浄水のウォータジェットのメカニ
ズムについて詳細に説明する。図４は、ノズル４３のウ
ォータジェット吐出口４３ａから噴射するウォータジェ
ットの模式図である。つまり、この図は、ノズル４３の
ウォータジェット吐出口４３ａから噴射するウォータジ
ェットの噴射位置による液滴形状の変化を示している。
ウォータジェット吐出口４３ａのノズル径ｄとウォータ
ジェット吐出口４３ａから所定の位置までの距離Ｘとの
比（つまり、Ｖｘ＝Ｘ／ｄ）をスタンドオフ値と云い、
このスタンドオフ値によってウォータジェットは３つの
領域に分類される。

【００４４】すなわち、ウォータジェット吐出口４３ａ
からＶ₀点のスタンドオフ値が１０〜２０までの領域を
連続流領域、スタンドオフ値が１０〜２０（Ｖ₀点）か
ら１２０（Ｗ₀点）までの領域を液塊領域、スタンドオ
フ値が１２０（Ｗ₀点）以上の領域を液滴領域といい、
連続流領域と液塊領域の境界Ｖ₀、および液塊領域と液
滴領域の境界Ｗ₀で液滴の形状が変化する。ここで、２
つの境界Ｖ₀とＷ₀のそれぞれの少し射出側付近の
Ｖ₀’、Ｗ₀’において、ウォータジェットによって気泡
が発生するキャビテーション現象が最も活発となる。

【００４５】つまり、各領域境界Ｖ₀、Ｗ₀においてキャ
ビテーション現象が活発となる理由は、ウォータジェッ
トの各領域境界Ｖ₀，Ｗ₀では、例えば、連続流から液塊
へ遷移し、または液塊から液滴へ遷移するときに、気泡
が砕けて破壊エネルギが発生するからである。この破壊
エネルギがキャビテーション現象として最大となるの
が、各領域の境界Ｖ₀，Ｗ₀よりやや射出側のＶ₀’、
Ｗ₀’の位置である。なお、これらの位置でのスタンド
オフ値は、理想的には、それぞれ３０、１５０である。
したがって、これらの位置（Ｖ₀’、Ｗ₀’）が半導体ウ
ェーハ３の表面となるようにすれば、ウォータジェット
による最大の研磨効果が得られる。しかし、温度や湿度
などの環境条件やウォータジェット噴射手段の機構部分
のばらつきなどによって破壊エネルギが最大となるスタ
ンドオフ値が変動するので、キャビテーション現象によ
る破壊エネルギが最大となるスタンドオフ値は、１５〜
３０の範囲に選び、１２０〜１５０の範囲に選ぶことが
望ましい。

【００４６】なお、実験結果として、アルミニウム（Ａ
ｌ）によって成膜された表面膜の凸部をウォータジェッ
トにより研磨したところ、スタンドオフ値が１５〜３０
の付近で最大のウォータジェット噴射エネルギが発生し
て最適な研磨効果が得られた。また、シリコン酸化膜
（ＳｉＯ₂）膜の凸部をウォータジェットにより研磨し
たところ、スタンドオフ値が１２０〜１５０の付近で最
大のウォータジェット噴射エネルギが発生して最適な研
磨効果が得られた。これらの実験結果から、被研磨対象
物の種類によって、スタンドオフ値は、１５〜３０の範
囲および１２０〜１５０の範囲に選ベばよいという理論
結果が裏付けられた。

【００４７】また、ウォータジェットの吐出圧力があま
り高いと、半導体ウェーハ３に僅かな傷がある場合に
は、半導体ウェーハ３の傷部分がウォータジェットの圧
力によって割れるおそれがあるので、ウォータジェット
の吐出圧力は２００ＭＰａ以下にすることが望ましい。
したがって、実用的には、ウォータジェットの吐出圧力
は０.５〜２００ＭＰａの範囲とすることが好ましい。

【００４８】図５は、本発明のＣＭＰ装置において、ウ
ォータジェット噴射手段を配置した研磨ユニット部の詳
細構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図であ
る。図５において、研磨ユニット部の定盤１の近傍に
は、高圧水発生器１８とスライダ２０とウォータジェッ
トノズルハウジング１９とからなるウォータジェット噴
射手段１７が設置されている。そして、このウォータジ
ェットノズルハウジング１９は、ノズル孔を半導体ウェ
ーハ３に向けて、研磨パッド２の上方に配置されてい
る。これによって、研磨パッド２が回転することによ
り、ウォータジェット４４を半導体ウェーハ３の全面に
射出することができる。

【００４９】前述のように各スタントオフ値が１５〜３
０または１２０〜１５０となるように、図５（ｂ）に示
すウォータジェットノズルハウジング１９の下部端面に
あるウォータジェット吐出口から半導体ウェーハ３の最
大凸部の表面までの距離Ｘをスライダ２０によって調整
する。

【００５０】図６は、図５（ｂ）におけるウォータジェ
ットノズルハウジングのウォータジェット吐出口から半
導体ウェーハまでの距離を示す拡大図である。つまり、
ウォータジェットノズルハウジング１９の下部端面と半
導体ウェーハ３の凸部３ａの表面との間の距離Ｘが、ス
タンドオフ値で１５〜３０または１２０〜１５０となる
ようにすれば、半導体ウェーハ３の凸部３ａにおけるウ
ォータジェット４４のキャビテーション現象が最も活発
となり、半導体ウェーハ３の凸部３ａがウォータジェッ
トの最大エネルギで研磨される。一方、半導体ウェーハ
３の平坦部３ｂや凹部３ｃにおいては、ウォータジェッ
トノズルハウジング１９の下部端面と半導体ウェーハ３
の表面との間の距離が最大エネルギのスタンドオフ値を
外れているので、ウォータジェットの噴射エネルギは小
さくて表面は殆ど研磨されない。つまり、凸部３ａの部
分において被研磨膜の除去効率が最大となり、ウォータ
ジェットによって凸部３ａが集中的に研磨される。

【００５１】なお、スタンドオフ値が１５〜３０のとき
方が、１２０〜１５０のときよりもキャビテーション能
力が高く噴射エネルギは大きい。したがって、研磨対象
膜の硬度やヤング率（伸び弾性率）などによって、何れ
のスタンドオフ値を選ぶかを決定することが望ましい。
具体的には、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）やタン
グステン（Ｗ）などの金属膜のように、ヤング率（伸び
弾性率）の大きい材料で成膜された表面凸部を研磨する
ときは、スタンドオフ値が１５〜３０となるようにウォ
ータジェット吐出口から半導体ウェーハ３の最大凸部の
表面までの距離Ｘを決定する。また、酸化シリコン（Ｓ
ｉＯ₂）などのように、ヤング率（伸び弾性率）が小さ
くて硬い脆性材料の酸化膜で成膜された表面凸部を研磨
するときは、スタンドオフ値が１２０〜１５０となるよ
うにウォータジェット吐出口から半導体ウェーハの最大
凸部の表面までの距離Ｘを決定する。

【００５２】また、ＣＭＰ装置においては、ウォータジ
ェット吐出口のノズル径ｄは０.５ｍｍ〜２.５ｍｍの範
囲のものが種々用意されていて、ウォータジェット吐出
口は必要に応じたノズル径のものに簡単に取り換えられ
るようになっている。つまり、ノズル径はｄ＝０.５ｍ
ｍ〜２.５ｍｍの範囲で選べるので、前述のスタンドオ
フ値を１５〜３０とした場合は、ウォータジェットノズ
ルハウジング１９の下部端面と半導体ウェーハ３の間の
距離Ｘは、１０ｍｍ〜７５ｍｍの範囲に設定される。ま
た、スタンドオフ値を１２０〜１５０とした場合は、ウ
ォータジェットノズルハウジング１９の下部端面と半導
体ウェーハ３の間の距離Ｘは、６０ｍｍ〜３７５ｍｍの
範囲に設定される。

【００５３】図５（ｂ）および図６において、上述のよ
うなスタンドオフ値に対応させて、ウォータジェットノ
ズルハウジング１９の下部端面と半導体ウェーハ３の凸
部３ａの間の距離Ｘをスライダ２０によって設定した
後、研磨パッド２が貼り付けられている定盤１を低速で
回転しながら、半導体ウェーハ３にウォータジェット４
４を噴射する。このようにして、予め図６に示すような
半導体ウェーハ３の凸部３ａをウォータジェット４４に
よって集中的に研磨し、被研磨膜の表面がほぼ平坦化さ
れたら、次に、通常のＣＭＰ研磨を行って表面を高平坦
化する。

【００５４】ここで、図６におけるウォータジェットノ
ズルハウジング１９の下部端面と半導体ウェーハ３の凸
部３ａとの間の距離Ｘを決めるための、半導体ウェーハ
３の表面の凹凸段差の測定方法について説明する。ま
ず、光学式膜厚測定器により、半導体ウェーハ３上の膜
厚を裏面基準によって複数箇所に亘り測定する。さら
に、ＡＦＭ(Atomic Force Microscope：原子間力顕微
鏡)測定装置によって、半導体ウェーハ３の被研磨膜の
凹凸段差を表面基準で測定し、表面の凹凸形状を面情報
として取得する。これらの２つの測定データによって、
半導体ウェーハ３の被研磨膜の凹凸段差量を裏面基準で
取得することができる。つまり、半導体ウェーハ３の裏
面を基準として、最も凸量の大きい凸部３ａの高さを測
定することができる。したがって、特定された凸部３ａ
の高さに基づいて、図５（ｂ）におけるスライダ２０に
よってウォータジェットノズルハウジング１９をスライ
ドして最大エネルギのスタンドオフ値に対応する距離Ｘ
になるようにする。なお、光学式膜厚測定器は一般に利
用されている測定装置であるので、その説明は省略す
る。

【００５５】ここで、ＡＦＭ測定装置による半導体ウェ
ーハ表面の凹凸段差の測定方法について説明する。図７
は、半導体ウェーハの凹凸測定原理を説明するためのＡ
ＦＭ測定装置の模式図である。このＡＦＭ測定装置５１
は、半導体ウェーハ３を載置してＸＹ方向に広範囲で移
動できるＸＹステージチャック５２と、半導体ウェーハ
３の表面の凹凸部分をなぞるようにして接触する探針５
４と、探針５４に常に一定の力を加えると共にミラー５
５’を備えているカンチレバー５５と、光学顕微鏡５６
と、レーザ光線を発光して光学顕微鏡５６を通してカン
チレバー５５のミラー５５’へ照射するレーザ発振器５
７と、カンチレバー５５のミラー５５’から反射したレ
ーザ光線を受光して半導体ウェーハ３の凹凸量を検出す
る受光器５８と、凹凸量に基づいてＺ軸方向の移動量情
報（以下、Ｚ情報という）を出力するＺ制御器５９と、
ＸＹ軸方向の移動量情報（以下、Ｘ情報及びＹ情報とい
う）を出力するＸＹ制御器６０と、ＸＹＺ軸方向の移動
量情報（つまり、Ｘ情報、Ｙ情報、Ｚ情報）に基づいて
ＸＹＺ軸の相対的位置を演算するコンピュータ６１と、
コンピュータ６１からのデータに基づいて半導体ウェー
ハ３上の凹凸部分の画像を画面に表示する表示画面６２
と、ＸＹ制御器６０からのＸ情報及びＹ情報に基づいて
探針５４をＸＹ軸方向へ微動させるＸＹ微動機構６３
と、Ｚ制御器５９からのＺ情報に基づいて探針５４の押
圧が常に一定になるようにカンチレバーのテンションを
制御するＺ微動機構６４とによって構成されている。

【００５６】なお、ＸＹステージチャック５２は、ＸＹ
制御器６０からのＸ情報及びＹ情報に基づいて、例え
ば、直径８インチの半導体ウェーハ３の全面積を探針５
４がスキャンできるように、３０ｍｍ程度の広い範囲を
Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動できるようなワイドモード
機構になっている。また、ＸＹ微動機構６３は、ＸＹ制
御器６０からのＸ情報及びＹ情報に基づいて、例えば、
探針５を半導体ウェーハ３のチップ上で１０μｍ程度の
狭い範囲のＸ軸方向及びＹ軸方向を移動できるような微
動機構になっている。さらに、Ｚ微動機構６４は、探針
５４が半導体ウェーハ３の凸部に乗ったときも凹部に落
ち込んだときも、常に、数ｎＮの一定の力が半導体ウェ
ーハ３の表面に加わるように、Ｚ制御器５９からのＺ情
報に基づいてＺ軸方向を制御してカンチレバー５５のテ
ンションを調整している。

【００５７】次に、図７に示すＡＦＭ測定装置５１の動
作について説明する。先ず、Ｘ軸方向及びＹ軸方向へワ
イドに移動できるＸＹステージチャック５２上に、測定
用試料として半導体ウェーハ３を設置する。通常、半導
体ウェーハ３の凹凸段差測定可能なエリアは、１チップ
内の０.１μｍ角程度から半導体ウェーハ３の全面積の
３０ｍｍ角程度である。したがって、この範囲内におい
てＸＹ微動機構６３及びＸＹステージチャック５２をＸ
軸方向とＹ軸方向に移動させながら、半導体ウェーハ３
の表面を探針５４がスキヤンし、半導体ウェーハ３の表
面の凹凸段差を測定する。

【００５８】つまり、半導体ウェーハ３の表面に対して
探針５４に数ｎＮの接触力を加え、この接触力を一定に
して探針５４をＸ軸方向にスキャンさせる。そして、Ｘ
軸方向の１スキャンが終了したら、ＸＹステージチャッ
ク５２をＹ軸方向へ１ラインずらして、次のラインのＸ
軸上をスキャンさせる。このようなスキャンを半導体ウ
ェーハ３の全表面の測定が終了するまで行うことによっ
て、半導体ウェーハ３の全表面の凹凸段差を測定する。

【００５９】探針５４をＸ軸方向にスキャンさせると
き、半導体ウェーハ３の表面上の凹凸量に応じて探針５
４がＺ軸方向へ移動するので、探針５４のＺ軸方向への
移動量に応じた力がカンチレバー５５に加わってカンチ
レバー５５を変位させる。したがって、カンチレバー５
５に取り付けられたミラー５５’の傾きが変わる。一
方、レーザ発振器５７から、光学顕微鏡５６を介して、
カンチレバー５５のミラー５５’に対してレーザを照射
し、受光器５８に反射させている。よって、カンチレバ
ー５５が変位してミラー５５’の傾きが変わると、受光
器５８がレーザ光線を受光する位置が変わる。つまり、
受光器５８は、半導体ウェーハ３の表面上の凹凸の変化
に応じて、受光するレーザ光線の受光位置を追尾するの
で、受光器５８は半導体ウェーハ３の表面の凹凸量を検
出することができる。このようにして、受光器５８は、
半導体ウェーハ３の所定面からの相対的な高さを凹凸量
として検出している。

【００６０】したがって、受光器５８が受光したレーザ
光線の軌跡によって検出された半導体ウェーハ３の表面
における凹凸量の検出データは、受信器５８からＺ制御
器５９へ送信されてＺ軸移動量データ（つまり、Ｚ情
報）に変換されてコンピュータ６１に入力される。一
方、Ｘ軸方向にスキャンさせたときのＸ軸移動量データ
（つまり、Ｘ情報）は、ＸＹ制御機６０よりコンピュー
タ６１へ入力される。すなわち、コンピュータ６１は、
探針５４をスキャンしたＸ軸方向の１ラインについての
Ｚ軸移動量データ（Ｚ情報）を取り込み、Ｘ軸方向の１
ライン分の凹凸量として表示画面６２に画像ａのような
凹凸分布を表示させる。

【００６１】このようにして、半導体ウェーハ３のＸ軸
方向の１ライン分の凹凸量を測定して表示画面６２への
表示が終了したら、ＸＹ制御器６０の指令情報によって
ＸＹステージチャック５２をＹ軸方向に１ライン移動し
て、前述と同様にＸ軸方向の１ライン分の凹凸量を測定
してコンピュータ６１に取り込み、表示画面６２にＸ軸
方向の次の１ライン分の凹凸量データを画像ｂのように
表示させる。以下、同様にして、半導体ウェーハ３上の
凹凸段差の測定値を所望のＹ軸ラインの数だけ測定し、
半導体ウェーハ３の所望の範囲における表面の凹凸状態
を、表示画面６２に示すａ，ｂ，ｃ，ｄ画像の凹凸分布
のように表示させる。さらに、コンピュータ６１は、半
導体ウェーハ３の測定エリア内における凹凸段差量の最
大値を表示画面６２に表示させる。つまり、表示画面６
２に示すａ，ｂ，ｃ，ｄ画像の凹凸段差における凸部と
凹部の最大差を画面に表示させることができる。

【００６２】図８は、従来技術と本発明におけるＣＭＰ
処理の比較を示すフローチャートであり、（ａ）は従来
のフロー、（ｂ）は本発明のフローを示す。つまり、従
来の研磨方法で高平坦化を実現するためには、図８
（ａ）のフローに示すように、まず被研磨膜の表面をス
テッパによって露光し（ステップＳ１）、表面に凸部が
ある場合は、ドライエッチングなどによって凸部領域を
えぐり貫く（ステップＳ２）。一方、表面に凹部がある
場合は、その凹部にダミーパターンを形成して凹凸段差
を強制的に緩和する（ステップＳ３）。このようにし
て、予め被研磨膜の表面段差を緩和してから、通常のＣ
ＭＰ処理を行って表面を高平坦化する（ステップＳ
４）。しかし、このような研磨方法では、半導体製造の
処理工程が複雑になって製造コストが高くなったり、半
導体装置の開発コストを高騰させる結果ともなる。

【００６３】一方、本発明の研磨方法は、図８（ｂ）の
フローに示すように、まず、光学式膜厚測定器およびＡ
ＦＭによって被研磨膜の凹凸段差を測定し、最大凸部の
位置を特定すると共に半導体ウェーハの裏面から最大凸
部までの高さ情報を取得する（ステップＳ１１）。次
に、凹凸段差に応じて（つまり、最大凸部の高さに応じ
て）、ウォータジェットパラメータを決定する。すなわ
ち、ウォータジェットのノズル口から最大凸部の表面ま
での距離が最適なスタンドオフ値となるように、ウォー
タジェットノズルハウジングの位置を決定する（ステッ
プＳ１２）。

【００６４】さらに、被研磨膜の表面全体に界面活性剤
を塗布する。つまり、被研磨膜の凸部も平坦部分も凹部
も均一に界面活性剤を塗布する（ステップＳ１３）。こ
のようにすることによって、ウォータジェットの噴射エ
ネルギが最大値となる凸部の部分においては、界面活性
剤がはじき飛ばされて凸部が研磨されるが、平坦部分や
凹部においてはウォータジェットの噴射エネルギが小さ
いので、界面活性剤が保護膜となってウォータジェット
による研磨防止を一層向上させる。つまり、ウォータジ
ェットパラメータに基づいて凸部のみが集中的にウォー
タジェットで研磨される（ステップＳ１４）。

【００６５】なお、ステップＳ１３における界面活性剤
の塗布を行わないで、ウォータジェットパラメータを決
定した後に、ステップＳ１４において被研磨膜の表面に
直接ウォータジェットを噴射しても、凸部のみを集中的
に研磨することはできる。しかし、界面活性剤によって
平坦部分や凹部を保護することにより、凸部のみの集中
的な研磨効果は一層向上する。このようにして、凸部の
みをウォータジェットによって予備研磨して被研磨膜を
ほぼ平坦化した後、通常のＣＭＰ処理によって高平坦化
を行う（ステップＳ１５）。つまり、ウォータジェット
によって凸部のみを研磨してから、通常のＣＭＰ処理に
よって高平坦化を行えば、比較的簡単な工程で次世代対
応の半導体デバイスに対応できるレベルにまで高平坦化
を実現することができる。

【００６６】図９は、Ｃｕ電解メッキ処理を施した後の
成膜状態を示す半導体ウェーハの初期形状の断面図であ
る。同図に示すように、電解メッキ処理によってＣｕメ
ッキ膜７８を成膜すると、配線溝７３が狭い部分の上部
はＣｕメッキ膜７８の膜厚が厚くなり、幅広配線溝７３
ａの上部はオーバーポリシュの時間が長くなるためにデ
ィッシング（dishing）現象が発生する。つまり、電解
メッキ処理工程において、微細な配線溝７３にボイドや
シームの生じない状態で完全にＣｕメッキを埋め込みが
できるように、メッキ液に硫酸銅の添加剤を加えている
ため、メッキ処理後のＣｕメッキ膜７８の膜厚は配線溝
７３の密集した部分で厚くなり、配線溝７３のない部分
や幅広配線溝７３ａの部分では薄くなっている。

【００６７】図１０は、図９に示す半導体ウェーハの凸
部に対して集中的にウォータジェット研磨処理を施した
状態を示す断面図である。つまり、図９のようなＣｕメ
ッキ膜７８において、ウォータジェットの射出エネルギ
が凸部で最大となるようにしてウォータジェットを噴射
すれば、図１０に示すように、Ｃｕメッキ膜７８の凸部
のみが集中的に研磨され、Ｃｕメッキ膜７８はほぼ平坦
化される。

【００６８】図１１は、図１０のウォータジェット研磨
処理後に通常のＣＭＰ処理を施した状態を示す半導体ウ
ェーハの最終形状図である。つまり、図１０のようにウ
ォータジェット研磨処理を施した後にＣＭＰ処理を行う
と、Ｃｕメッキ膜７８の膜厚段差を減らした状態でＣＭ
Ｐ処理を行うことができるため、図１１のＣＭＰ処理後
の最終形状図に示すように、半導体ウェーハ表面のＣｕ
メッキ膜７８を完全に除去して表面を高平坦化すること
ができる。つまり、間隔が密な配線溝７３の部分も幅広
配線溝３ａの部分も、共に、Ｃｕメッキ膜７８の残膜は
完全になくなって表面が高平坦化され、配線溝７３や幅
広配線溝７３ａの内部に均一な金属配線７６が形成され
る。

【００６９】また、ＤＲＡＭ混載ロジックＬＳＩの製造
工程において、浅い溝による素子分離（ＳＴＩ：Shallo
w Trench Isolation）が形成されている半導体装置のＣ
ＭＰ処理工程の場合も、前述のＣｕメッキ膜の場合と同
様に、パターン依存によるチップ内の膜厚段差をウォー
タジェット研磨によってほぼ平坦化した後、ＣＭＰ処理
を施して高平坦化を行うことができる。

【００７０】図１２は、ＤＲＡＭ混載ロジックＬＳＩの
製造において表面処理を行う工程図であり、（ａ）は溝
加工工程、（ｂ）はＳｉＯ₂埋込工程、（ｃ）はウォー
タジェット処理工程、（ｄ）はＣＭＰによる平坦化工程
を示している。ＤＲＡＭ混載ロジックＬＳＩの表面平坦
化処理を行う場合、先ず、図１２（ａ）の溝加工工程に
示すように、溝加工を施したＳｉ基板８１の表面にＳｉ
Ｎ８３を形成した後に、エッチングによってＳｉ基板８
１に配線溝７３を加工する。そして、同図（ｂ）のＳｉ
Ｏ₂埋込工程に示すように、ＨＤＰ（High Density Plas
ma）の成膜装置によって表面及び配線溝７３の部分にＳ
ｉＯ₂膜８４を成膜する。さらに、同図（ｃ）のウォー
タジェット処理工程に示すように、ＳｉＯ₂膜３４の凸
部のみを集中的にウォータジェットにより研磨除去す
る。そして、同図（ｄ）のＣＭＰによる平坦化工程に示
すように、通常のＣＭＰ処理によってＳｉＯ₂膜８４の
残膜を研磨して表面の高平坦化を行う。すなわち、図１
２のＤＲＡＭ混載ロジックＬＳＩのＳＩＴ工程の場合
も、ＣＭＰ処理を行う前にＳｉＯ₂膜３４の凸部をウォ
ータジェットによって除去することにより表面の高平坦
化を行うことができる。

【００７１】以上述べた実施の形態は本発明を説明する
ための一例であり、本発明は、上記の実施の形態に限定
されるものではなく、発明の要旨の範囲で種々の変形が
可能である。例えば、上記の実施の形態では半導体ウェ
ーハのＣＭＰ処理について説明したが、これに限定され
るものではない。例えば、ＬＣＤやその他の半導体薄膜
を載置するガラス板などの薄板状被研磨物の表面を化学
機械研磨する場合についても、本発明のＣＭＰ装置を適
用して、ウォータジェットによって凸部を予備研磨すれ
ば、ＣＭＰ研磨処理によって高平坦化を行うことができ
るのはいうまでもない。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のＣＭＰ装
置によれば、通常のＣＭＰ処理では高平坦化が不可能な
程度の凹凸段差がある被研磨膜の凸部を、予め、ウォー
タジェットによって集中的に研磨して概ね平坦化してお
く。これによって、被研磨膜の体積が表面全域に亘って
ほぼ均等になり、基板内のパターン密度の違いによる表
面膜の凹凸段差が緩和される。このようにして、表面膜
の凹凸段差が緩和された状態で、表面に残った部分の残
膜を通常のＣＭＰによって研磨すれば、半導体装置の表
面層を高いレベルで平坦化することができる。よって、
配線溝に成膜されたＣｕメッキ膜などの金属配線を最適
状態に形成することができる。

【００７３】つまり、本発明のＣＭＰ装置によれば、半
導体基板に形成されたパターン密度の相違によって生じ
るＣｕメッキ膜の膜厚段差を、ウォータジェットによる
選択的な研磨によって解消することができる。これによ
って、Ｃｕメッキにより配線溝や接続孔の埋め込みを行
う際に、パターンの依存性を排除して表面のＣｕメッキ
膜をＣＭＰ処理によって高平坦化することができ、配線
溝に成膜されたＣｕメッキ膜のばらつきを低減し、信頼
性の高い金属配線を形成することができる。また、半導
体基板におけるＣｕメッキ膜の膜厚のばらつきを低減す
ることにより、半導体基板の配線溝へ埋め込み配線を形
成するときのＣＭＰ処理工程におけるプロセスマージン
を広くすることができる。もって、製造歩留りが向上し
て半導体装置の生産性の向上に大いに貢献することがで
きる。

【００７４】つまり、本発明のＣＭＰ装置によれば、Ｃ
ＭＰ処理の前工程でウォータジェットの噴射によって発
生するキャビテーション現象によって発生された高エネ
ルギ気泡を半導体ウェーハの表面に噴射するだけで、Ｃ
ＭＰ処理によって表面膜を極めて高いレベルで平坦化す
ることができる。例えば、ウォータジェット吐出口から
所定の位置までの距離Ｘをウォータジェット吐出口のノ
ズル径ｄで除した値であるスタンドオフ値を約１５〜３
０、または約１２０〜１５０に設定して、ウォータジェ
ットの衝突エネルギが最大値となるように、ウォータジ
ェット吐出口と半導体ウェーハとの間の距離を設定すれ
ば、半導体ウェーハの表面でのウォータジェットの衝突
エネルギは最大となり、ウォータジェットによって凸部
のみを集中的に研磨し、ＣＭＰ処理によって容易に表面
の高平坦化を行うことができる。なお、半導体ウェーハ
の表面全体に界面活性剤を塗布しておけば、ウォータジ
ェットによって凹部が削りとられない効果を一層向上さ
せることができる。

【００７５】以上のように、本発明のＣＭＰ装置によれ
ば、次世代の半導体開発の微細化に対応した高平坦化を
実現することができ、半導体開発の促進に大いに貢献す
ることができる。また、従来に比べて高平坦化を実現す
るための工程を削減することができるので、半導体装置
の低コスト化や生産時間の短縮化を図ることができ、半
導体の生産性が一段と向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に関わるＣＭＰ装置の全体構成を示す
概念図である。

【図２】 本発明のＣＭＰ装置における高圧水発生機の
動作概念を示す模式図である。

【図３】 本発明のＣＭＰ装置におけるウォータジェッ
トノズルハウジングの外観図であり、（ａ）は底面図で
あり、（ｂ）は（ａ）の側面図である。

【図４】 ノズルから噴射するウォータジェットの模式
図である。

【図５】 本発明のＣＭＰ装置において、ウォータジェ
ット噴射手段を配置した研磨ユニット部の構成図であ
り、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。

【図６】 図５（ｂ）におけるウォータジェットノズル
ハウジングのウォータジェット吐出口から半導体ウェー
ハまでの距離を示す拡大図である。

【図７】 半導体ウェーハの凹凸測定原理を説明するた
めのＡＦＭ測定装置の模式図である。

【図８】 従来技術と本発明におけるＣＭＰ処理の比較
を示すフローチャートであり、（ａ）は従来のフロー、
（ｂ）は本発明のフローを示す。

【図９】 Ｃｕ電解メッキ処理を施した後の成膜状態を
示す半導体ウェーハの初期形状の断面図である。

【図１０】 図９に示す半導体ウェーハの凸部に対して
集中的にウォータジェット研磨処理を施した状態を示す
断面図である。

【図１１】 図１０のウォータジェット研磨処理後に通
常のＣＭＰ処理を施した状態を示す半導体ウェーハの最
終形状図である。

【図１２】 ＤＲＡＭ混載ロジックＬＳＩの製造におい
て表面処理を行う工程図であり、（ａ）は溝加工工程、
（ｂ）はＳｉＯ₂埋込工程、（ｃ）はウォータジェット
処理工程、（ｄ）はＣＭＰによる平坦化工程を示す。

【図１３】 従来のＣＭＰ装置における研磨ユニットの
概略構成を示す断面図である。

【図１４】 半導体ウェーハの表面にＣｕメッキ膜を成
膜した状態を示す断面図である。

【図１５】ＣＭＰ処理によって余剰なＣｕメッキ膜を除
去したときの半導体ウェーハの断面図であり、（ａ）は
ＣＭＰ処理後に膜厚の厚い部分に研磨残が生じた状態を
示し、（ｂ）はＣＭＰ処理後に膜厚の薄い部分にディッ
シング現象が生じた状態を示す。

【符号の説明】

１…定盤、２…研磨パッド、３…半導体ウェーハ、３ａ
…凸部、３ｂ…平坦部、３ｃ…凹部、４…パッドコンデ
ィショナ、５…研磨ヘッド、６，６’…シリンダ、７…
リテーナリング、８…研磨剤供給ホース、９…スラリー
状研磨剤、１０…吸着フィルム、１１…研磨ユニット、
１２…研磨剤供給ユニット、１３…洗浄ユニット、１４
…薬液供給ユニット、１５…搬送ユニット、１６…カセ
ット、１７…ウォータジェット噴射手段、１８…高圧水
発生機、１９…ウォータジェットノズルハウジング、２
０…スライダ、２１…水源タンク、２２…給水ポンプ、
２３ａ，２３ｂ…給水配管、２４…チェック弁、２５…
油圧生成部、２６…切替弁、２７ａ，２７ｂ…給油配
管、２８…増圧機、２９…アキュムレータ、３０…逆止
弁、３１…油貯蔵タンク、３２…油圧ポンプ、３３…供
給油路、３４…排出油路、３５…シリンダ、３６…ピス
トン、３７ａ，３７ｂ…ピストンロッド、４２…ホル
ダ、４３…ノズル、４３ａ…ウォータジェット吐出口、
４４…ウォータジェット、５１…ＡＦＭ測定装置、５２
…ＸＹステージチャック、５４…探針、５５…カンチレ
バー、５５’…ミラー、５６…光学顕微鏡、５７…レー
ザ発振器、５８…受光器、５９…Ｚ制御器、６０…ＸＹ
制御機、６１…コンピュータ、６２…表示画面、６３…
ＸＹ微動機構、６４…Ｚ微動機構、７２…層間絶縁膜、
７３…配線溝、７３ａ…幅広配線溝、７４…バリアメタ
ル、７６…金属配線、７８…Ｃｕメッキ膜、７８ａ…Ｃ
ｕ研磨残、８１…Ｓｉ基板、８３…ＳｉＮ、８４…Ｓｉ
Ｏ₂膜

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄板状被研磨物が研磨パッドに対して相
   対移動するように載置され、スラリー状研磨剤を前記研
   磨パッドの表面に供給して、前記薄板状被研磨物の表面
   を化学機械的な処理により研磨するＣＭＰ装置におい
   て、 洗浄水を高圧化してウォータジェットを発生させ、その
   ウォータジェットを前記薄板状被研磨物の表面に噴射さ
   せるウォータジェット噴射手段を備え、 前記ウォータジェット噴射手段が、前記薄板状被研磨物
   の化学機械的な研磨に先立ち、ウォータジェット中のキ
   ャビテーション現象によって発生した気泡を該薄板状被
   研磨物の表面凸部に吐出し、その表面凸部を集中的に研
   磨することを特徴とするＣＭＰ装置。
2. 【請求項２】 前記薄板状被研磨物の表面凸部は、前記
   ウォータジェットの連続流領域と液塊領域の境界付近、
   または前記液塊領域と液滴領域の境界付近の吐出流によ
   って研磨されることを特徴とする請求項１に記載のＣＭ
   Ｐ装置。
3. 【請求項３】 前記ウォータジェット噴射手段はウォー
   タジェットを噴射するためのノズルを備え、 前記ノズルのウォータジェット吐出口から所定の位置ま
   での距離Ｘを前記ノズルのウォータジェット吐出口の直
   径ｄで除したスタンドオフ値（Ｖｘ＝Ｘ／ｄ）が、１５
   以上３０以下の範囲、または１２０以上１５０以下の範
   囲にはいるように、前記薄板状被研磨物の表面凸部が配
   置されていることを特徴とする請求項２に記載のＣＭＰ
   装置。
4. 【請求項４】 前記ノズルのウォータジェット吐出口の
   直径ｄは０.５ｍｍ以上２.５ｍｍ以下の範囲にあること
   を特徴とする請求項３に記載のＣＭＰ装置。
5. 【請求項５】 前記ノズルのウォータジェット吐出口の
   吐出圧力は、０.５ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の範囲
   であることを特徴とする請求項４に記載のＣＭＰ装置。
6. 【請求項６】 前記薄板状被研磨物は半導体ウェーハで
   あることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに
   記載のＣＭＰ装置。
7. 【請求項７】 前記薄板状被研磨物は半導体ウェーハで
   あり、 前記半導体ウェーハの表面膜が金属膜で形成されている
   ときは、前記スタンドオフ値は１５以上３０以下の範囲
   に設定され、 前記半導体ウェーハの表面膜がシリコン酸化膜で形成さ
   れているときは、前記スタンドオフ値は１２０以上１５
   ０以下の範囲に設定されることを特徴とする請求項３乃
   至請求項５の何れかに記載のＣＭＰ装置。
8. 【請求項８】 前記半導体ウェーハの表面膜には保護膜
   が塗布され、 前記保護膜は、前記半導体ウェーハの表面凸部を除く部
   分の表面膜を前記ウォータジェットの吐出流による研磨
   から保護することを特徴とする請求項７に記載のＣＭＰ
   装置。
9. 【請求項９】 前記保護膜は界面活性剤であることを特
   徴とする請求項８に記載のＣＭＰ装置。
10. 【請求項１０】 前記薄板状被研磨物の表面凸部は、光
    学式膜厚測定器で該薄板状被研磨物の膜厚を測定した後
    にＡＦＭ測定装置によって測定されることを特徴とする
    請求項１乃至請求項９の何れかに記載のＣＭＰ装置。
11. 【請求項１１】 薄板状被研磨物が研磨パッドに対して
    相対移動するように載置され、スラリー状研磨剤を前記
    研磨パッドの表面に供給して、前記薄板状被研磨物の表
    面を化学機械的な処理により研磨するＣＭＰ装置による
    研磨方法において、 前記薄板状被研磨物の表面膜の凹凸段差を測定する工程
    と、 測定された凹凸段差に応じてウォータジェットパラメー
    タを決定する工程と、 決定されたウォータジェットパラメータに基づいて、洗
    浄水を高圧化したウォータジェットを前記薄板状被研磨
    物の表面に噴射し、そのウォータジェット中のキャビテ
    ーション現象によって発生した気泡により該薄板状被研
    磨物の表面凸部を集中的に研磨する工程と、 前記研磨パッドの表面に前記薄板状被研磨物を押圧する
    工程と、 前記研磨パッドと前記薄板状被研磨物を相対移動させ
    て、該薄板状被研磨物をＣＭＰ処理により研磨する工程
    とを含むことを特徴とするＣＭＰ装置による研磨方法。
12. 【請求項１２】 前記薄板状被研磨物の表面凸部は、前
    記ウォータジェットの連続流領域と液塊領域の境界付
    近、または前記液塊領域と液滴領域の境界付近の吐出流
    によって研磨されることを特徴とする請求項１１に記載
    のＣＭＰ装置による研磨方法。
13. 【請求項１３】 前記ウォータジェットパラメータは、
    前記ウォータジェットの吐出口から所定の位置までの距
    離Ｘを前記ウォータジェット吐出口のノズルの直径ｄで
    除したスタンドオフ値（Ｖｘ＝Ｘ／ｄ）であり、 前記スタンドオフ値が、１５以上３０以下の範囲、また
    は１２０以上１５０以下の範囲にはいるように、前記薄
    板状被研磨物の表面凸部が配置されていることを特徴と
    する請求項１２に記載のＣＭＰ装置による研磨方法。
14. 【請求項１４】 前記ノズルのウォータジェット吐出口
    の直径ｄは０.５ｍｍ以上２.５ｍｍ以下の範囲にあるこ
    とを特徴とする請求項１３に記載のＣＭＰ装置による研
    磨方法。
15. 【請求項１５】 前記ノズルのウォータジェット吐出口
    の吐出圧力は、０.５ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の範
    囲であることを特徴とする請求項１４に記載のＣＭＰ装
    置による研磨方法。
16. 【請求項１６】 前記薄板状被研磨物は半導体ウェーハ
    であることを特徴とする請求項１１乃至請求項１５の何
    れかに記載のＣＭＰ装置による研磨方法。
17. 【請求項１７】 前記薄板状被研磨物は半導体ウェーハ
    であり、 前記半導体ウェーハの表面膜が金属膜で形成されている
    ときは、前記スタンドオフ値は１５以上３０以下の範囲
    に設定され、 前記半導体ウェーハの表面膜がシリコン酸化膜で形成さ
    れているときは、前記スタンドオフ値は１２０以上１５
    ０以下の範囲に設定されることを特徴とする請求項１３
    乃至請求項１５の何れかに記載のＣＭＰ装置による研磨
    方法。
18. 【請求項１８】 前記半導体ウェーハの表面膜には保護
    膜が塗布され、 前記保護膜は、前記半導体ウェーハの表面凸部を除く部
    分の表面膜を前記ウォータジェットの吐出流による研磨
    から保護することを特徴とする請求項１７に記載のＣＭ
    Ｐ装置による研磨方法。
19. 【請求項１９】 前記保護膜は界面活性剤であることを
    特徴とする請求項１８に記載のＣＭＰ装置による研磨方
    法。
20. 【請求項２０】 前記薄板状被研磨物の表面膜の凹凸段
    差は、光学式膜厚測定器で該薄板状被研磨物の膜厚を測
    定した後にＡＦＭ測定装置によって測定されることを特
    徴とする請求項１１乃至請求項１９の何れかに記載のＣ
    ＭＰ装置による研磨方法。