JP2005123232A - 研磨装置及び研磨方法、並びに半導体装置の製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 プロセス性能を低下させることなく、スラリ使用量の削減を可能にする研磨方法及び研磨装置、並びに半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】 研磨布１０は、第１層１１、第２層１２を有し、第１層１１上にスラリが滴下されると、第１層１１の貫通孔１３を介して第２層１２に供給され、遠心力で周方向に拡散して一旦内部に蓄積される。研磨手段により押圧されると、蓄積されたスラリが第２層１２から染み出し、第１層１１の貫通孔１３を介して表面上に排出され、被研磨対象物の表面に均一に供給される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、研磨装置及び研磨方法、並びに研磨工程を含む半導体装置の製造方法に関する。

近年、半導体装置の製造分野においては、半導体素子の微細化、素子構造の高密度化に伴い、新しい製造装置が開発されている。

そのなかでも、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置は、例えばＤＲＡＭや高速ロジックＬＳＩにおけるＣＭＰプロセス、即ち埋め込み金属配線の形成工程や、埋め込み素子分離領域の形成工程等において、欠くことのできないものの一つとなっている。

ＣＭＰ装置を用いたプロセスでは、面内均一性等のプロセス性能の向上とともに、コストの大半を占めるスラリの使用量の削減が重要な課題となっている。

図１０に、従来の研磨技術において用いられていた研磨布１００を示す。

研磨布１００上にスラリが矢印１０２の方向に供給される。研磨布１００には殆どスラリを内部に蓄積する機能がないので、その表面上を矢印１０３のように放射状に飛散する。研磨布１００は、図示されていないターンテーブル上に両面接着テープにより配設されており、矢印１０１の方向に回転される。

図１１に、従来の研磨装置における研磨布１００及び被研磨対象物１１１の縦断面を示す。

上述したように、研磨布１００の表面上に供給されたスラリ１０２は、矢印１０３の方向に飛散する。被研磨対象物１１１は、研磨手段１１２によって回転されると共に押圧され、また研磨布１００との隙間にスラリ１０２が入り込むことで、研磨される。

この場合には、研磨布１００と被研磨対象物１１１との隙間にスラリ１０２が入り込む余地があり、被研磨対象物１１１の表面にスラリ１０２を均一に供給することは難しいが、研磨は可能であった。

また図１２には、従来の他の研磨装置における研磨布１００及び被研磨対象物１１１の縦断面を示す。

この場合は、矢印１１４で示された研磨手段１１３をリング状に押圧する圧力が高いため、研磨布１００と被研磨対象物１１１との間に隙間が殆ど存在せず、矢印１０３で示された方向にスラリ１０２が入り込むことが難しく、十分な研磨性能を得ることが困難である。

従来の一般的なスラリの供給法は、図１０で説明したように、図１１及び図１２に示されたいずれの研磨装置を用いた場合でも、ターンテーブル上に配設した研磨布１００上にスラリを滴下し、ターンテーブルの回転による遠心力で研磨布全体に供給する。このとき、供給されるスラリの大部分は、上述したように研磨布上で飛散するため、研磨に対して有効に働いているのは半分以下であり、その大半を無駄にしているのが現状である。よって、必要最小限のスラリを有効に働かすことができれば、スラリの使用量を削減することが可能と考えられる。

しかしながら、従来のスラリの供給法では、どうしてもスラリ滴下位置からの距離によってスラリの供給量にむらが生じる。このため、被研磨対象物１１１として半導体ウェーハの全面の研磨を行う場合、プロセス性能を保証するためには過剰なスラリを供給せざるを得ず、コストの増加を招いていた。

また、一般にスラリの使用量を削減すると、面内均一性の悪化、研磨速度の低下だけでなく、研磨面の平坦性を損なうエロージョンの拡大、あるいはスクラッチの増大等、様々なプロセス性能の低下を招く。

図１３に、スラリの流量に対する研磨速度及びエロージョンの関係を示す。このグラフから明らかなように、スラリの流量を減少させると研磨速度が低下すると共に、エロージョンの増大を招くこととなる。

これに対し、特許文献１に開示された技術では、研磨布の下方側、即ち研磨面と反対側の面からスラリを供給している。そして、スラリの供給量を削減するため、ターンテーブルを４分割してエリア制御を行い、ウェーハが通過する際に下側からウェーハに向かってスラリを供給している。

しかし、制御機構が複雑であり、またウェーハの表面全体に均一にスラリを供給することが困難であった。
特開平１０−9４9６５号公報。

上述したように、従来は簡易な構成により、過剰なスラリを供給することなくプロセス性能を保証することができず、コストの増加を招いていた。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、簡易な構成により、プロセス性能を低下させることなくスラリの使用量を削減することでコスト低減が可能な研磨方法及び研磨装置、並びに半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様による研磨装置は、
回転可能なターンテーブルと、
前記ターンテーブル上に配設された研磨布と、
前記研磨布の表面上にスラリを供給するスラリ供給管と、
前記研磨布の表面上に被研磨対象物を押圧して前記被研磨対象物を研磨する研磨手段とを備え、
前記研磨布は、供給された前記スラリを一旦内部に蓄積し、前記研磨手段により押圧されて蓄積した前記スラリを排出することで、前記被研磨対象物の表面に供給することを特徴とする。

本発明の一態様による研磨方法は、
ターンテーブル上に研磨布を配設して回転させる工程と、
前記研磨布の表面上にスラリを供給しつつ、研磨手段により被研磨対象物を前記研磨布の表面に押圧することによって前記被研磨対象物を研磨する工程とを備え、
前記研磨布の内部に前記スラリを一旦蓄積し、前記研磨手段により押圧されて前記スラリが排出されることで、前記被研磨対象物の表面に前記スラリを供給することを特徴とする。

また本発明の一態様による半導体装置の製造方法は、
被研磨対象物における基板表面上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記絶縁膜上に導電膜を堆積する工程と、
ターンテーブル上に研磨布を配設して回転させる工程と、
前記研磨布の表面上にスラリを供給しつつ、研磨手段により前記被研磨対象物を前記研磨布の表面に押圧することによって、前記被研磨対象物を研磨して、前記凹部の内部以外の前記導電膜を除去する工程とを備え、
前記導電膜を除去する工程では、前記研磨布の内部に前記スラリを一旦蓄積し、前記研磨手段により押圧されて蓄積した前記スラリが排出されることで、前記被研磨対象物の表面に前記スラリを供給することを特徴とする。

本発明の研磨装置及び研磨方法並びに半導体装置の製造方法によれば、プロセス性能を低下させることなく、スラリ使用量を削減することで、コスト低減が可能である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（１）実施の形態１
図１に、本実施の形態１による研磨装置において用いる研磨布１０の縦断面構造を示す。

この研磨布１０は、第１層１１及び第２層１２を有する。第１層１１は、図中上面から、第２層１２に接触している下面に貫通する複数の貫通孔１３を有する。第２層１２は、連続気泡を有する多孔質材料により形成されている。この第１層１１及び第２層１２は、例えばポリウレタン等のポリマ系材料が用いられて形成されている。

このような研磨布１０の表面上に、矢印１４の方向にスラリが滴下されると、第１層１１の貫通孔１３を経て第２層１２に供給される。第２層１２において、ターンテーブルの回転による遠心力でスラリが矢印１５で示された周方向に沿って拡散していき、一旦蓄積される。

この状態で、図２に示されたように、第１層１１の表面上に被研磨対象物２１が載置され、研磨手段２２が被研磨対象物２１に対して矢印２３の方向に押圧すると、第２層１２内に蓄積されたスラリが排出される。この結果、スラリが矢印１６の方向に第１層１１の貫通孔１３を経て排出され、第１層１１の表面と被研磨対象物２１との接触面に供給される。

図８に、研磨手段２２の構造の一例を示す。

研磨布１０上に被研磨対象物２１が載置されており、筐体２０１を有する研磨手段が被研磨対象物２１を押圧した状態で回転させる。筐体２０１には、被研磨対象物２１を保持するガイドリング２０５、被研磨対象物２１の裏面に接触する弾性シート２０４、弾性シート２０４を介して被研磨対象物２１の裏面に矢印２１１の方向に空気圧を印加して研磨の均一性を向上させるための中空部２０３を有し、また筐体２０１の内部には矢印２１２の方向に空気圧を印加して研磨に必要な加重を加える構造となっている。

また研磨手段２２の構造の他の例として、被研磨対象物２１へのより均一な圧力の印加を可能とした図９に示されるものを用いることもできる。

即ち、研磨布１０上に被研磨対象物２１が載置され、筐体２２１を有する研磨手段が被研磨対象物２１を押圧しつつ回転させる。筐体２２１には、被研磨対象物２１の裏面に接触する硬質ゴムから成るメンブレン２３５とチャッキングプレート２３４により形成され、矢印２３１の方向に空気圧を印加され研磨に必要な加重を与えるエアバック室２２２、矢印２３２の方向にチャッキングプレート２３４を押す空気圧を与える中空チャンバ室２２３、さらに、被研磨対象物２１を保持し、筐体２２１の内部に矢印２３３の方向に空気圧を印加されて被研磨対象物２１の外周から間隔を空けた位置でリング状に押圧するリテーナリング２２４が設けられている。

ここで、矢印２３１で示された圧力より、矢印２３３で示された圧力の方が高く、これにより研磨の均一性が向上する。

さらに図３には、本発明の実施の形態で用いることのできる研磨装置全体の概略構成を示す。

矢印４３の方向に回転するターンテーブル３１上に、研磨布１０が例えば両面接着テープ等により配設され、被研磨対象物２１として半導体ウェーハが載置されている。

スラリ供給管３３から研磨布１０上の略中心位置にスラリ３４が滴下され、研磨布１０内において遠心力が作用し周方向に拡散していき、研磨布１０のほぼ全面領域に行き渡った状態で一旦蓄積される。

研磨手段としてのトップリングヘッド２２が、被研磨対象物２１としての半導体ウェーハを研磨布１０に押圧した状態で矢印４２の方向に回転させる。また、ターンテーブル３１の中心位置に対してトップリングヘッド２２と対向する位置にドレッシングヘッド３２が設けられ、矢印４１で示されたようにトップリングヘッド２２と反対方向に回転し研磨布１０の目立てを行う。

本実施の形態１においては、トップリングヘッド２２により押圧されることで、研磨布１０内に一旦蓄積されたスラリ３４は、図中上面に向かって染み出し被研磨対象物２１との間に供給される。

これにより、従来と異なりスラリが研磨布１０上に飛散して無駄に消費することなく、かつ被研磨対象物２１との接触面に均一に供給することができる。また図９に示されたヘッドを用いて、リテーナリングが高い圧力で押圧された場合であっても、スラリは確実に被研磨対象物２１との接触面に供給される。

図４に、本発明の実施の形態による研磨装置を用いた場合における、スラリの流量に対する研磨速度及びエロージョンの関係を示す。図１３に示された従来の装置と異なり、スラリの流量にかかわらず研磨速度、エロージョンともほぼ一定を維持する。

従って本実施の形態によれば、簡易な構成により、プロセス性能を低下させることなくスラリの使用量を削減することで、コスト低減が実現される。

特に、半導体ウェーハのＣＭＰ工程では、研磨性能の向上のためスラリに非常に多くの添加剤が含有されている。そのためスラリは高価であり、使用量を削減することで大幅にコスト低減を図ることができる。

ここで、スラリが研磨布１０における第２層１２に直接滴下されてより迅速に周方向に拡散するように、図１に示されたように、研磨布１０の中心領域１３ａにおいて、第１層１１を円形状に取り除いてもよい。

研磨布１０における第１層１１は、例えば直径１０μｍ〜１０ｍｍの大きさの微細な穴が１〜１０００個／ｃｍ^２の密度で均一に分布しており、さらに図１に示されたように、直線状の貫通孔１３を有する多孔質材料で形成することが望ましい。

このような形状は、例えば多孔質材料を繊維状あるいはハニカム状に成形し、貫通孔１３がそれぞれ略平行になるように配置することで実現可能である。

また第２層１２は、例えば直径１０〜５００μｍの連続気泡を有するものであって、一般に用いられている硬質の発泡ポリウレタン樹脂等で成形することができる。しかしこの材料に限らず、スラリを蓄積し押圧されると排出させる作用を奏するものであればよく、例えばポリスチレン系、シリコーン系ポリマ等を用いてもよい。

次に、本実施の形態１による研磨装置を用いて、半導体装置の製造方法として、銅ダマシン配線を形成する方法について説明する。

図５に示されたように、半導体基板５１の表面部分に図示されていない素子がパターニング形成されている。その表面上に、例えば約３０００Åの膜厚で層間絶縁膜５２が形成されており、層間絶縁膜５２の表面には溝及びホールの少なくとも一方からなる凹部５５が形成されている。

凹部５５の内面を含む表面全体にライナーとしてＴａ／ＴａＮ層５３を例えば約３００Åの膜厚でスパッタリング形成する。

さらに表面全体を覆うように、銅膜５４をスパッタリング法及びめっき法を用いて例えば約７０００Åの膜厚で堆積する。

次に、図６に示されたように、銅膜５４及びＴａ／ＴａＮ層５３のうち、凹部５５の内面を埋め込んだ部分を除く不要な部分を、ＣＭＰ法により除去する。このＣＭＰ工程において、上記実施の形態１による研磨装置を用いる。

研磨条件は、例えば以下のように設定してもよい。

以下の２種類のスラリＡ、Ｂをそれぞれ５０ｃｃ／ｍｉｎの流量で研磨布上に供給する。

スラリＡ：ＣＭＳ７４０１＋ＣＭＳ７４５２の混合物（ＪＳＲ社（登録商標）製）
スラリＢ：ＢＴＳ−１２（弘田化学工業社（登録商標）製）
研磨荷重は４００ｇ／ｃｍ^２、キャリア／テーブル回転数は１００／１００ｒｐｍとする。

本実施の形態１による研磨装置を用いてＣＭＰ工程を行うことにより、必要最小限のスラリを用いて良好な研磨特性を得ることが可能である。

（２）実施の形態２
上記実施の形態１による研磨装置で用いられる研磨布１０は、第１層１１及び第２層１２を有する２層構造となっている。

これに対し、本実施の形態２による研磨装置では、図７に示された研磨布１０ａのように一体構造を有する。研磨布を除く装置全体の構成は、上記実施の形態１におけるものと同様であり、説明を省略する。

この研磨布１０ａにおいても、研磨布１０ａの表面上に滴下されたスラリが矢印１４の方向に内部に入り、ターンテーブルの回転による遠心力で矢印１５のように周方向に向かって拡散していき、一旦蓄積される。

研磨手段によって矢印２３の方向に押圧されて、スラリが矢印１６の方向に向かって染み出し、被研磨対象物２１の表面に排出される。

このような研磨布１０ａを用いる本実施の形態２の研磨装置を用いることによっても、上記実施の形態１と同様に、スラリが一旦研磨布１０ａ全体に浸透して蓄積された後、被研磨対象物２１の表面に対して均一に供給される。

さらに、本実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様に、図９に示されたヘッドを用いた場合も、研磨布と接触している被研磨対象物の研磨面に均一にスラリが供給されるので、リテーナリングの圧力にかかわらず、スラリが確実に被研磨対象物の表面に均一に供給される。

本実施の形態２による研磨装置を用いて、図６に示されたＣＭＰ処理を行う場合について述べる。

研磨条件は、例えば以下のように設定してもよい。

以下の１種類のスラリＣを、３００ｃｃ／ｍｉｎの流量で研磨布上に供給する。

スラリＣ：ＣＭＳ８３０１（ＪＳＲ社（登録商標）製）
研磨荷重は、２４０ｇ／ｃｍ^２、キャリア／テーブル回転数が５０／５１ｒｐｍとする。

上記実施の形態１と同様に、本実施の形態２によれば、研磨布全体に一旦スラリが蓄積された後、半導体基板の研磨面に均一に供給されるので、スラリが確実に研磨面に供給され良好な特性を得ることができる。

上述した実施の形態は何れも一例であって、本発明を限定するものではなく、本発明の技術的範囲内において様々に変形することが可能である。

例えば、ＣＭＰ工程において研磨する導電膜として、上記実施の形態では銅膜を用いてるが、これに限らず、例えばアルミニウム、タングステン、チタン、ニオブ、タンタル、銀、バナジウム、ルテニウム、プラチナ、シリコン、又はその酸化物、窒化物、ホウ化物、合金を少なくとも含むものであってもよい。

本発明の実施の形態１による研磨装置において用いる研磨布の断面構造を示す縦断面図。 同研磨布を用いて被研磨対象物に研磨を行うときのスラリの移動を示した縦断面図。 同研磨装置の全体の概略構成を示した斜視図。 同研磨装置を用いて研磨したときのスラリの流量に対する研磨速度及びエロージョンを示したグラフ。 同研磨装置を用いて半導体装置を製造するときにおける工程別の素子断面を示した縦断面図。 同研磨装置を用いて半導体装置を製造するときにおける工程別の素子断面を示した縦断面図。 本発明の実施の形態２による研磨装置において用いる研磨布の断面構造を示した断面図。 研磨装置に含まれる研磨手段（トップリングヘッド）の構造の一例を示した縦断面図。 研磨装置に含まれる研磨手段（トップリングヘッド）の構造の他の例を示した縦断面図。 従来の研磨装置において用いる研磨布にスラリを滴下した様子を示した斜視図。 従来の研磨装置を用いて研磨するときのスラリの移動を示した縦断面図。 従来の他の研磨装置を用いて研磨するときのスラリの移動を示した縦断面図。 従来の研磨装置を用いて研磨したときのスラリの流量に対する研磨速度及びエロージョンを示したグラフ。

符号の説明

１０ 研磨布
１１ 第１層
１２ 第２層
１３ 貫通孔
２１ 被研磨対象物
２２ トップリングヘッド（研磨手段）
３１ ターンテーブル
３２ ドレッシングヘッド（研磨手段）
３３ スラリ供給管
３４ スラリ

Claims (6)

1. 回転可能なターンテーブルと、
   前記ターンテーブル上に配設された研磨布と、
   前記研磨布の表面上にスラリを供給するスラリ供給管と、
   前記研磨布の表面に被研磨対象物を押圧して前記被研磨対象物を研磨する研磨手段と、
   を備え、
   前記研磨布は、供給された前記スラリを一旦内部に蓄積し、前記研磨手段により押圧されて蓄積した前記スラリを排出することで、前記被研磨対象物の表面に供給することを特徴とする研磨装置。
2. 前記研磨布は、前記ターンテーブルにより回転されることにより、供給された前記スラリをその内部で周方向に拡散させることを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
3. 前記研磨布は、第１層及び第２層を含む積層構造を有し、
   前記第１層は、一方の面から、前記第２層と接触する他方の面に貫通した複数の貫通孔を有し、
   前記第２層は、連続気泡を有する多孔質材料から成り、
   前記第１層は、前記一方の面に前記スラリが供給されると前記貫通孔を介して前記他方の面より前記第２層に前記スラリを与え、
   前記第２層は、前記貫通孔から与えられた前記スラリを一旦蓄積し、前記研磨手段により押圧されて前記スラリを排出し、
   排出された前記スラリが前記第１層の前記貫通孔から前記一方の面に染み出すことを特徴とする請求項１又は２記載の研磨装置。
4. ターンテーブル上に研磨布を配設して回転させる工程と、
   前記研磨布の表面上にスラリを供給しつつ、研磨手段により被研磨対象物を前記研磨布の表面に押圧することによって前記被研磨対象物を研磨する工程と、
   を備え、
   前記研磨布の内部に前記スラリを一旦蓄積し、前記研磨手段により押圧されて前記スラリが排出されることで、前記被研磨対象物の表面に前記スラリを供給することを特徴とする研磨方法。
5. 被研磨対象物における基板表面上に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
   前記凹部を埋め込むように、前記絶縁膜上に導電膜を堆積する工程と、
   ターンテーブル上に研磨布を配設して回転させる工程と、
   前記研磨布の表面上にスラリを供給しつつ、研磨手段により前記被研磨対象物を前記研磨布の表面に押圧することによって、前記被研磨対象物を研磨して前記凹部の内部以外の前記導電膜を除去する工程と、
   を備え、
   前記導電膜を除去する工程では、前記研磨布の内部に前記スラリを一旦蓄積し、前記研磨手段により押圧されて蓄積した前記スラリが排出されることで、前記被研磨対象物の表面に前記スラリを供給することを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 前記導電膜は、アルミニウム、銅、タングステン、チタン、ニオブ、タンタル、銀、バナジウム、ルテニウム、プラチナ、シリコン、又はその酸化物、窒化物、ホウ化物、合金を少なくとも含むことを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。

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