JP2005177897A - 研磨方法および研磨装置と半導体装置製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コスト上昇を抑えつつウエハの研磨レートを均一化させて容易にウエハの平面状態を均一化させる。
【解決手段】 研磨パッド２の中心部に溝２ａが形成されていない領域Ｂが設けられており、その外側に溝２ａが形成されている領域Ａが設けられている。ウエハ３の外周部をリテーナリング４ａにて取り囲んで保持し、研磨レートが高くなる傾向のある、外周部のリテーナリング４ａに近接する部分の一部が、溝２ａが形成されていない領域Ｂに対向するように配置する。そこで、ウエハ３を研磨パッド２に押し付けつつ、ウエハ３と研磨パッド２を同方向に回転させる。そして、溝２ａが形成されていない領域Ｂの外側に、スラリー供給手段７からスラリーを供給する。溝２ａが形成されていない領域Ｂには、スラリーが殆ど供給されないので研磨レートが低くなり、ウエハ３全体で研磨レートが均一化される。
【選択図】図１

Description

本発明は研磨方法および研磨装置と半導体装置製造方法に関する。

シリコンなどからなるウエハを含む半導体装置を製造する際に、ウエハを平坦化するために、例えばリフロー法や、ＳＯＧ（Spin on Glass）法などの塗布法や、エッチバック法を行うと、広い領域に亘って平坦化することが困難である。このことは、半導体装置を製造する上での大きな制約を生じる。そこで近年では、ウエハの表面を機械的な作用と化学的な作用の組み合わせにより研磨するＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法が主流になっている。

このようなＣＭＰ法とそれに用いられる研磨装置が、特許文献１や特許文献２に開示されている。例えば、特許文献１に記載されている研磨装置では、回転可能な円形のテーブル上に研磨パッド（研磨布）が貼られており、研磨パッドに対向するようにウエハ（被研磨物）を保持して回転および移動させるキャリアが設けられている。

ウエハの研磨は、研磨パッドとウエハを同方向に回転させつつウエハを研磨パッドに押しつけ、さらにキャリアを回転方向に対して交差する方向（例えば半径方向）に往復揺動させることによって行われる。より具体的には、ポリウレタンなどからなる研磨パッドに溝や穴が形成されており、研磨パッド上には研磨剤（スラリー）が供給される。スラリーは溝内を通って研磨パッドの各部に運ばれるとともに、穴内に保持され、このスラリーがウエハの表面全体を研磨する。特許文献１に開示されている発明では、研磨パッドの溝によって、ウエハが研磨パッドに密着した状態で負圧が発生して離れにくくなる現象を防ぐことができる。また、各溝の間隔（密度）や各穴の間隔（密度）を調整することによって、研磨パッドの十分な強度を確保している。

特許文献２に開示されている研磨パッドも、特許文献１と実質的に同様な研磨装置において用いられるものである。そして、特許文献２の研磨パッドは、スラリーの移動を可能にする溝が形成されている領域と、スラリーを保持する穴が形成されている領域とがそれぞれ独立して設けられている。具体的には、研磨パッドの内周部と外周部に、溝が形成されている領域を配置し、この内周部と外周部の間に、穴が形成されている領域を配置している。溝が形成されている領域には穴は形成されておらず、穴が形成されている領域には溝は形成されていない。穴が形成されている領域は、溝が形成されている領域に比べて高い研磨レートで研磨可能である。これは、溝内を移動するスラリーよりも、穴内に固定的に保持されているスラリーの方がウエハの表面をより強く研磨するからである。そして、特許文献２では、回転に伴う移動が少ないウエハの中心部を、穴が形成されている領域で高い研磨レートで研磨することによって、ウエハ全体の研磨状態の均一化が図れる。

また、特許文献２の第２の実施例では、研磨パッドの内周部と外周部に、穴が低密度に形成されている領域を配置し、この内周部と外周部の間に、穴が高密度に形成されている領域を配置している。穴が高密度に形成されている領域は、穴が低密度に形成されている領域に比べて、保持されるスラリーの量が多いため、高い研磨レートで研磨可能である。従って、前記した構成と同様に研磨状態の均一化が図れる。

特許文献３の図１〜４には、研磨パッドの主平面に形成されているスラリー移送用の溝の凹部の幅が均一でない構成が開示されている。この構成では、研磨パッドの内周側の溝の凹部の幅を狭く、外周側の溝の凹部の幅を広く形成することによって、研磨パッド全体のスラリー供給量をできるだけ均一にしている。
特許第３０４２５９３号公報 特開平８−２２９８０５号公報 特開２００３−２６０６５７号公報 特許第３３２４６４３号公報 特許第３００６５６８号公報

図１５に示すように、研磨すべきウエハ１０１を保持するキャリアは、信頼性高くウエハ１０１を保持するために、通常、ウエハ１０１の外周部を取り囲むリテーナリング１０２ａを有している。このリテーナリング１０２ａは、ウエハ１０１を、スラリー１０８が供給される研磨パッド１０３に圧接させて研磨する際に、研磨パッド１０３の表面に接触することが多い。その際、リテーナリング１０２ａが薄い布状の研磨パッド１０３に圧接した状態で、ウエハ１０１および研磨パッド１０３の回転や揺動が行われるため、図１５（ｂ）に示すように、リテーナリング１０２ａが圧接する位置の周囲で、研磨パッド１０３が浮き上がる（跳ね返る）ような状態になる。２点鎖線で示すウエハ１０１に押さえつけられるため、実際には研磨パッド１０３が図１５（ｂ）に示すほど極端には変形しないとしても、ウエハ１０１と研磨パッド１０３の当接する圧力がリテーナリング１０２ａの周囲、すなわちウエハ１０１の外周部で高くなる傾向がある。その結果、図１６に示すように、ウエハ１０１の中心部に比べて外周部において研磨レートが高くなる。例えば、直径２００ｍｍ程度のウエハ１０１において、外周縁から１０ｍｍ程度の領域は中心部よりも研磨レートが１０〜１５％くらい高くなる。具体的には、中心部の研磨レートが２００ｎｍ／ｍｉｎで、外周部の研磨レートが２２０〜２３０ｎｍ／ｍｉｎになることがある。

特許文献１に記載の発明では、ウエハ全体の研磨レートを一様に上下させることはできるが、図１５，１６に示すようにウエハ中に研磨レートの高い部分と低い部分が生じて平面状態が不均一になることは防げない。

特許文献２に記載の発明では、研磨パッドに、他の領域よりも高い研磨レートが得られる領域（穴が形成されている領域）が設けられており、この領域を利用してウエハの中心部を研磨するため、研磨レートが均一化でき、平面状態の均一化ができる。

しかし、特許文献２の構成では、従来使用されていたもの（例えば市販されているもの）とは全く異なる新規な研磨パッドを作成する必要がある。しかもこの研磨パッドは、製造が面倒であり製造コストが高いという問題がある。すなわち、１枚の研磨パッドに対して、溝を形成するための工程、例えばナイフ状の工具を研磨パッドに押し付けた状態で研磨パッドを回転させる工程と、穴を形成するための工程、例えば針状の工具を研磨パッドに突き刺す工程とが必要である。このように、１枚の研磨パッドに溝と穴を形成するために、少なくとも２つの異なる作業を行わなければならない。

また、穴が形成されている領域の大きさがウエハの大きさに応じて決定されるため、大きさの異なるウエハの研磨に対して広く適用できないおそれがある。この点について以下に説明する。

そもそも、特許文献２では、ウエハの中心付近は移動範囲が狭いため研磨レートが低下する傾向があることに着目している。しかし、前記したように、ウエハの外周部において、リテーナリングの圧接に伴ってリテーナリングの周辺で研磨パッドが変形しようとして研磨レートが高くなるという、特許文献２では着目していなかった別種の問題が生じている（図１５，１６参照）。この問題とは、前記したように、従来はウエハの外周縁から１０ｍｍ程度の範囲（外周部）は研磨レートが高くなり、それ以外の部分（中心部）では研磨レートが低くなる傾向である。

仮に、特許文献２の構成を応用して、研磨パッドの、ウエハの中心部（外周縁から１０ｍｍ程度の範囲を除く部分）を、穴が形成されている領域によって研磨すると、研磨状態の均一化が図れるように考えられる。ただしその場合、直径が小さいウエハを研磨する場合と直径が大きいウエハを研磨する場合では、穴が形成されている領域で研磨すべき範囲が異なるので、当然、穴が形成されている領域の大きさを変えることが望まれる。簡単に説明すると、例えば、図１７（ａ）に示すように直径２００ｍｍのウエハ１０４を研磨する場合には、直径１８０ｍｍ程度の部分１０４ａを研磨パッド１０５の穴が形成されている領域１０５ａで研磨し、図１７（ｂ）に示すように直径３００ｍｍのウエハ１０６を研磨する場合には、直径２８０ｍｍ程度の部分１０６ａを研磨パッド１０７の穴が形成されている領域１０７ａで研磨する必要がある。従って、図１７（ａ），（ｂ）に示すように、ウエハ１０４，１０６の大きさに対応して、穴が形成されている領域１０５ａ，１０７ａの大きさを変えることが望まれる。これは、図１５（ｂ）に示すようにリテーナリングの周囲で研磨パッドが浮き上がる（跳ね返る）現象は、ウエハの大きさにかかわらずほぼ一定の範囲に生じると考えられるからである。

なお、図１７（ａ），（ｂ）では、ウエハ１０４，１０６の揺動範囲がほぼ一定であると仮定されている。大きなウエハ１０６を研磨する場合にはその揺動範囲を大きくすることによって、研磨パッド１０７の穴が形成されている領域１０７ａを小さくすることも考えられる。しかしその場合、ウエハ１０４，１０６の大きさに応じてその揺動範囲をその都度大幅に変更する必要があり、構造および研磨工程が複雑になるとともに、装置全体が大型化し、製造コストが高くなると言う問題が生じる。

このように、特許文献２の構成を応用して、図１５，１６に示すような研磨レートの不均一を解消しようとする場合、１つの研磨パッドで異なる大きさのウエハに広く適応することは極めて困難である。従って、ウエハの大きさに応じた適切な大きさの、穴が形成されている領域を有する研磨パッドをその都度用意して用いる必要がある。特許文献２の発明によると、従来にない新規な構成の研磨パッドを、研磨すべきウエハの大きさに合わせてその都度作成する必要があり、ウエハの生産コストの上昇を招く。

また、特許文献２のように穴が形成された領域を有する研磨パッドでは、局部的な乾燥による目詰まりが発生し、スクラッチが生じる可能性がある。

特許文献３に記載の発明では、研磨パッドの主平面上のスラリーの供給量を均一化しようとしているが、前記したように被研磨物であるウエハに研磨レートが高くなる傾向のある部分が存在することについては、全く考慮していない。従って、特許文献３に記載されているようにスラリーの研磨量を均一にしたとしても、実際のウエハの研磨状態の均一化には寄与し得ない可能性が高い。すなわち、スラリーの供給量を制御することしか考慮しておらず、被研磨物であるウエハの研磨レートの傾向は考慮していない特許文献３では、実際の研磨作業において必ずしも実効があるとは言えない。

そこで本発明の目的は、特にリテーナリング等のリング状保持部材に保持されているウエハ等の被研磨物の外周部の研磨レートが高くなることに着目し、実際の研磨作業時に研磨レートを均一化させて被研磨物の平面状態の均一化を図ることができ、しかも従来から存在するタイプの研磨パッドを用いて、様々な大きさの被研磨物に広く対応することができる研磨方法および研磨装置と、半導体装置製造方法を提供することにある。

本発明の被研磨物の研磨方法は、研磨パッドの主平面と被研磨物の研磨面とを圧接する工程と、研磨パッドおよび被研磨物を圧接した状態で両者の相対的な位置を連続的に変動させる工程と、研磨パッドと被研磨物との間に研磨剤を供給する工程とを有し、被研磨物に接する研磨剤の量が、研磨パッドの主平面と被研磨物の研磨面とが接する領域内で分布を有することを特徴とする。なお、研磨パッド上で研磨剤が分布を有する。この方法によると、研磨剤が少ない領域では研磨レートが小さくなるため、簡単かつ低コストで研磨レートの均一化が図れる。

研磨パッドを中心軸を中心として回転させ、研磨剤が分布を有する領域上で被研磨物を揺動させることが好ましい。

研磨パッド上において、研磨剤を滴下する位置よりも中心側で研磨剤の量が少なく、該位置よりも外周側で研磨剤の量が多い。これは、研磨時には研磨パッドが回転すると、遠心力によって、研磨剤が滴下位置よりも中心側に移動することは殆どないからである。

研磨パッドには溝が形成されており、研磨パッド上において、溝の密度が低い領域で研磨剤の量が少なく、溝の密度が高い領域で研磨剤の量が多い。これは、溝の密度の低い領域には研磨剤があまり移送されて来ないからである。

研磨パッドの中心領域で溝の密度が低く、周辺領域で溝の密度が高くてもよい。また、研磨パッドの中心領域には溝が形成されていなくてもよい。

研磨パッドには溝が形成されており、研磨パッド上において、溝の幅が狭い領域で研磨剤の量が少なく、溝の凹部の幅が広い領域で研磨剤の量が多くてもよい。研磨パッドの中心領域では溝の凹部の幅が狭く、周辺領域では溝の凹部の幅が広くてもよい。

被研磨物中の研磨面上において研磨レートが高くなる傾向のある部分の少なくとも一部を、研磨パッドの主平面上において研磨剤の量が少ない領域に位置するようにして、研磨パッドの主平面と被研磨物の研磨面とを圧接する工程を有することが好ましい。それによって研磨レートの均一化が達成できる。すなわち、本発明では、単純に研磨剤の供給量を均一化するのではなく、被研磨物の研磨レートの傾向を考慮した上で、むしろ研磨剤の供給量に分布を持たせることによって、実際の研磨工程における研磨レートの均一化を可能にするものである。

被研磨物の外周部をリング状保持部材にて取り囲んで保持し、被研磨物の研磨レートが高くなる傾向のある部分は、外周部のリング状保持部材に近接する部分であってもよい。

また、本発明の他の被研磨物の研磨方法は、研磨パッドの主平面と被研磨物の研磨面とを圧接する工程と、研磨パッドおよび被研磨物を圧接した状態で両者の相対的な位置を連続的に変動させる工程と、研磨パッドと被研磨物との間に研磨剤を供給する工程とを有し、被研磨物の外周部をリング状保持部材にて保持し、リング状保持部材の一部が研磨パッドの外側にはみ出すように配置した上で、研磨パッドと被研磨物とを圧接することを特徴とする。この方法によると、リング状保持部材が研磨パッドに圧接することによる研磨パッドの変形を小さく抑えることができ、その部分における研磨レートの上昇を抑制できる。

本発明の研磨パッドは、回転する被研磨物と圧接させ、かつ回転させながら被研磨物との間に研磨剤を供給して、被研磨物を研磨するためのものであり、研磨パッドの一部には溝が形成されており、溝の密度が研磨パッド面内で均一でないことを特徴とする。

研磨パッドの溝の密度は、被研磨物の研磨レートが高い領域では低く、被研磨物の研磨レートが低い領域では高くてもよい。また、研磨パッドの溝の凹部の幅は、被研磨物の研磨レートが高い領域では狭く、被研磨物の研磨レートが低い領域では広くてもよい。そして、溝の密度が研磨パッドの中心領域で低い、または溝の凹部の幅が研磨パッドの中心領域で狭い。あるいは、研磨パッドの中心領域には溝が形成されていない。

溝は同心円状であってもよい。

本発明の研磨装置は、前記したいずれかの構成の研磨パッドを有する。

さらに、研磨パッドと、研磨パッドを回転させる研磨パッド駆動手段と、研磨パッド上の所定位置に研磨剤を供給する研磨剤供給手段と、被研磨物を研磨パッドに圧接した状態で回転させる被研磨物駆動手段とを有する。

研磨パッド駆動手段および被研磨物駆動手段は、被研磨物の研磨面上において研磨レートが高くなる傾向のある部分の少なくとも一部を、研磨パッドの主平面上において研磨剤の量が少ない領域に位置するようにして、研磨パッドの主平面と被研磨物の研磨面とを圧接する機構を備えていることが好ましい。

被研磨物駆動手段は、被研磨物の外周部を取り囲んで保持するリング状保持部材を有し、被研磨物の研磨レートが高くなる傾向のある部分は、外周部のリング状保持部材に近接する部分である。

本発明の他の研磨装置は、研磨パッドと、研磨パッドを回転させる研磨パッド駆動手段と、被研磨物の外周部を取り囲んで保持するリング状保持部材を有し、リング状保持部材の一部が研磨パッドの外側にはみ出すように保持して、被研磨物を回転させながら研磨パッドに圧接させる被研磨物駆動手段とを有する。

本発明の半導体装置製造方法は、イオン注入技術を利用してウエハ中に導電領域を作り込む作り込み工程と、成膜技術を利用して、ウエハの一部を構成する絶縁層および／または導電層を成膜する成膜工程と、リソグラフィ技術を利用してウエハを所定の形状に加工する加工工程と、ウエハを被研磨物として行う、前記したいずれかの研磨方法の各工程とを有することを特徴とする。

また、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜表面を研磨することにより絶縁膜表面を平坦化する研磨工程とを有する半導体の製造方法において、研磨工程は、前記したいずれかの研磨方法を用いてもよい。

また、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜に溝を形成する工程と、溝内および絶縁膜上に導電膜を形成する工程と、少なくとも絶縁膜上に形成された導電膜の一部を研磨することにより、絶縁膜表面および導電膜表面により構成される表面を平坦化する研磨工程とを有する半導体の製造方法において、研磨工程は、前記したいずれかの研磨方法を用いてもよい。

これらの半導体製造方法によると、ウエハの平坦化処理の信頼性が高いため、所望の性能を有する半導体装置を精度よく製造することが可能である。

被研磨物には、部分的に研磨レートが高くなる傾向がある部分が存在することが多いが、本発明によると、そのような部分の研磨レートを下げて、被研磨物全体で研磨レートを均一化することができる。それによって、被研磨物の平坦度が高くなる。しかも、製造コストの上昇や研磨装置および研磨工程の複雑化を招くことは殆どない。

特に、被研磨物がリング状保持部材によって保持される場合、リング状保持部材に近接する位置における研磨レートの上昇を効果的に抑制することができる。

そして、この研磨方法を応用して半導体装置を製造すると、所望の特性を有する半導体装置が容易に精度よく製造できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
まず、図１に示す研磨装置について説明する。この研磨装置の基本構成は、従来のものと実質的に同じである。すなわち、回転可能なテーブル１上に研磨パッド（研磨布）２が貼られており、研磨パッド２に対向するようにウエハ（被研磨物）３を保持するキャリア４が設けられている。また、研磨パッド２上に研磨剤（スラリー）８（図１１参照）を滴下可能なスラリー供給装置７が設けられている。一例としては、テーブル１は直径５００ｍｍ程度の円形であり、模式的に示すテーブル駆動装置５によって回転可能である。このテーブル１およびテーブル駆動装置５を総称して研磨パッド駆動手段という。キャリア４は、ウエハ３の外周部を取り囲むリテーナリング（リング状保持部材）４ａと、リテーナリング４ａを保持するリテーナベース４ｂと、ウエハ３を押さえるキャリアヘッド４ｃと、これらが一体化して回転する際の回転駆動軸であるスピンドル４ｄからなる。スピンドル４ｄには、キャリア４全体を一体的に回転および移動可能であり、かつリテーナリング４ａおよびウエハ３を研磨パッド２に圧接させるために加圧可能なキャリア駆動装置６が接続されている。このキャリア４およびキャリア駆動装置６を総称して被研磨物駆動手段という。本実施形態では、研磨すべきウエハ３は直径２００ｍｍ程度の円形である。

次に、本実施形態の研磨パッド２について図１（ｂ）を参照して説明する。研磨パッド２は、ポリウレタン等からなり、テーブル１と同様に直径５００ｍｍ程度の円形である。研磨パッド２の研磨面（ウエハに当接する主平面）には、溝２ａが形成されている領域Ａと、溝２ａが形成されていない領域Ｂが設けられている。詳細には、円形の研磨パッド２の回転中心部（例えば直径５０ｍｍ程度の円形領域）に溝２ａが形成されていない領域Ｂが設けられ、その外側に溝２ａが形成されている領域Ａが設けられている。本実施形態では、領域Ａに形成されている溝２ａは複数の同心円状であり、その深さは０．３〜１．０ｍｍ程度である。

このウエハ研磨装置によるウエハ３の研磨について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。

まず、ウエハ３の外周部をリテーナリング４ａにて取り囲んで保持し、ウエハ３およびリテーナリング４ａを、前記したように、溝２ａが形成されていない領域Ｂ、すなわち、他の領域Ａに比べて研磨レートが低くなるようにスラリー８が供給されにくい領域を有する研磨パッド２上の所定の位置に配置する（ステップＳ１）。詳しくは、ウエハ３の外周部（研磨レートが高くなる傾向のある部分）の一部が、溝２ａが形成されていない領域Ｂに対向するような位置に、ウエハ３およびリテーナリング４ａを保持し、研磨パッド２に圧接させる（ステップＳ２）。そして、テーブル１およびテーブル駆動装置５によって研磨パッド２を回転させるとともに、キャリア４およびキャリア駆動装置６によってウエハ３を回転させる（ステップＳ３）。

具体的には、リテーナリング４ａおよびウエハ３を研磨パッド２に例えば０．５〜１０．０ｐｓｉの圧力で押し付けながら、テーブル１および研磨パッド２と、リテーナリング４ａおよびウエハ３を、同方向（例えば反時計方向）に、例えば２０〜２００ｒｐｍ（一例としては１００ｒｐｍ）で等速回転させる。なお、このとき、キャリア駆動装置６によって、リテーナリング４ａおよびウエハ３は、回転方向に対して交差する方向（例えば半径方向）に往復揺動させられる。揺動範囲は５〜５０ｍｍ程度（一例としては１０ｍｍ）であり、その周期は５秒〜１分（一例としては１０秒）である。

そして、研磨パッド２上にスラリー８を滴下する（ステップＳ４）。このとき、スラリー供給装置７は、滴下口７ａ（図１（ａ）参照）が、研磨パッド２の溝２ａが形成されていない領域Ｂの外側に位置している。従って、シリカやアルミナや酸化セリウム等からなるスラリー８は、溝２ａが形成されている領域Ｂに滴下される。

こうして、図１に示すように、ウエハ３の外周部、すなわち前記したようにリテーナリング４ａの周辺で研磨レートが高くなる部分（例えば外周縁から１０ｍｍ程度の範囲）が、円形の研磨パッド２の回転中心部の溝２ａが形成されていない領域Ｂに位置するようにして、研磨動作を行う。リテーナリング４ａおよびウエハ３が往復揺動することによって、ウエハ３は研磨パッド２に対して相対的に移動し続けるが、研磨動作中に平均的に見て、前記した通りウエハ３の外周部（例えば外周縁から１０ｍｍ程度の範囲）が、溝が形成されていない領域Ｂに当接することが好ましい。

このようにしてウエハ３の研磨を行うと、スラリー８は研磨パッド２の溝２ａ内を移動するとともに、遠心力によって研磨パッド２の内側から外側へ移動する。ウエハ３はこのスラリー８によって研磨されていく。ただし、溝２ａが形成されていない領域Ｂは、スラリー滴下位置よりも内側にあり、溝２ａが存在せず、かつスラリー８は遠心力に逆らうことができないため、スラリーがこの領域Ｂに供給されることはない。従って、溝２ａが形成されている領域Ａと、溝２ａが形成されていない領域Ｂとで、スラリー８の量が分布を有する（スラリー８の量が多い部分とスラリー８の量が少ない部分とが存在する）。それに伴って、溝２ａが形成されていない領域（スラリー８の量が少ない領域）Ｂで研磨されるウエハ３の研磨レートは、溝２ａが形成されている領域（スラリー８の量が多い領域）Ａによる研磨レートに比べて低くなる。

本実施形態では、前記した通り、ウエハ３の外周部が、溝が形成されていない領域Ｂに当接する状態で研磨されるため、ウエハ３の中心部に比べて研磨レートが低くなる。研磨中にはウエハ３は回転しつつ揺動するため、常に溝が形成されていない領域Ｂによって研磨される部分は存在せず、ウエハ３の１回転中に一度、周期的に溝が形成されていない領域Ｂに当接するだけである。しかし、１枚のウエハ３に対して３０秒〜３分程度行われる研磨動作を経て、総合的には、リテーナリング４ａに近接するウエハ３の外周部の研磨レートが、中心部の研磨レートと同程度まで低くなる。これによって、図１５（ｂ）に示すような研磨パッドの（浮き上がり）跳ね返りによる研磨レートの上昇が相殺される。最終的には、図３に示すように、外周部の研磨レートを中心部の研磨レートの±５％くらいに抑えることが可能である。例えば、中心部の研磨レートが２００ｎｍ／ｍｉｎで、外周部の研磨レートが１９０〜２１０ｎｍ／ｍｉｎ程度になる。このように本実施形態によると、ウエハ３の研磨レートが均一化され、平坦度が向上する。なお、研磨レートとは、圧接圧力、回転数、スラリー８の密度等の条件を一定にしたときに観察される単位時間当たりの被研磨物の研磨速度である。

本実施形態のように中心部に溝のない研磨パッドが使われている例は、従来から存在する。例えば、米国のロデル（Rodel）社製の研磨パッドの中に、中心部に溝がなく外周部のみに溝が形成されているものがある。しかし、中心部の溝が形成されていない領域は、研磨パッドの取り扱いを容易にすることや製造工程を簡略化することを意図して設けられたものであり、研磨には利用されていなかった。このような研磨パッドにおいて、中心部の溝のない領域を積極的に研磨作業に利用して研磨レートの調整を行うという本発明の技術的思想は、従来全く存在しなかった。言い換えると、本発明は、従来から用いられていた研磨パッドを利用して、ウエハの製造コストを上げることなく、研磨レートの均一化およびウエハの平坦度の向上を図れるという格別の効果を奏し得る研磨装置および研磨方法を提供するものである。

なお、本発明における被研磨物はシリコン基板に限られず、ガラス基板等であってもよく、本発明は、半導体基板であるウエハ以外にも、例えばレンズの研磨等にも用いられ得る。

また、前記したようなリテーナリング４ａの使用に伴う研磨レートの不均一に限らず、あらゆる要因による研磨レートの不均一に対して本発明は有効であり、被研磨物内で研磨レートが不均一になる個所がどこであっても構わない。

スラリー８等の研磨剤は、前記したように研磨パッド上に滴下される構成に限らず、例えば研磨パッド内部から供給されるような構成にすることもできる。

本発明は、研磨パッドが被研磨物よりも小さい場合にも有効であり、また、研磨パッドがローラ状に水平移動するなど回転以外の運動をすることによって研磨が行われる場合にも有効である。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について図４を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同様の部分については同一の符号を付与し説明を省略する。

第１の実施形態では、研磨パッド２の中心部に溝２ａが形成されていない領域Ｂが設けられ、スラリー滴下位置が、溝２ａが形成されていない領域Ｂよりも外側に配置されている。しかし本実施形態では、スラリー滴下位置は特に限定されていない。スラリー８は遠心力によって研磨パッド２の内側から外側へ移動し、逆に内側に向かって移動することはあり得ないので、図４に示すように、スラリー供給装置７が、溝２ａが形成されていない領域Ｂの内側まで延びており、この領域Ｂ内にスラリー８が滴下される構成であっても、スラリー８は溝２ａが形成されていない領域Ｂ内にとどまることはできず、溝２ａが形成されている領域Ａに遠心力によって速やかに移動する。その結果、本実施形態も、第１の実施形態と実質的に同様の効果を奏することができる。また、前記した通り、ウエハ３は、回転および揺動するため、溝２ａが形成されていない領域Ｂに当接する部分が厳密に規定される訳ではなく、総合的に見て研磨レートの均一化を図るものであるため、スラリー滴下位置の多少のずれは許容できる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について図５を参照して説明する。なお、第１，２の実施形態と同様の部分については同一の符号を付与し説明を省略する。

第１の実施形態では、溝２ａが形成されていない領域Ｂが研磨パッド２の中心部に設けられている。しかし本実施形態では、研磨パッドの全面に溝２ａが形成されている。ただし、スラリー滴下位置を、第１の実施形態と同様に中心部から所望の距離だけ外側、すなわち研磨レートを下げることが望ましい領域よりも外側に配置されている。ウエハ３の中心部に溝２ａが存在していても、スラリー８は遠心力によって研磨パッド２の内側から外側へ移動し、逆に内側に向かって移動することはあり得ない。従って、スラリー滴下位置よりも中心側では、溝２ａは存在してもその溝２ａ内に移動してくるスラリー８は殆ど存在しない。その結果、本実施形態も、第１，２の実施形態と同様な効果を得ることができる。なお、本実施形態では、第１の実施形態とは異なる形態の研磨パッド２を用いて研磨レートの均一化が図れるため、本発明を様々な形態の研磨パッド２に適用できることが判る。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態について図６を参照して説明する。なお、第１〜３の実施形態と同様の部分については同一の符号を付与し説明を省略する。

第１の実施形態では、溝２ａが形成されていない領域Ｂが研磨パッド２の中心部に設けられている。しかし本実施形態では、研磨パッド２の外周部に、溝２ａが形成されていない領域Ｂが設けられており、その内周部（中心部）は溝２ａが形成されている領域Ａになっている。そして、ウエハ３の外周部、すなわちリテーナリング４ａの周辺で研磨レートが高くなる部分（例えば外周縁から１０ｍｍ程度の範囲）の一部が、円形の研磨パッド２の外周部の溝２ａが形成されていない領域Ｂに対向するように、リテーナリング４ａおよびウエハ３を配置して、研磨動作を行う。リテーナリング４ａおよびウエハ３が往復揺動することによって、ウエハ３は研磨パッド２に対して相対的に移動し続けるが、研磨動作中に平均的に見て、前記した通りウエハ３の外周部（例えば外周縁から１０ｍｍ程度の範囲）が、溝が形成されていない領域Ｂに当接することが好ましい。スラリー８の移送路となる溝２ａが形成されていないため、この領域Ｂにはスラリー８は殆ど移動して来ず、研磨レートが低くなる。従って、本実施形態も、第１〜３の実施形態と同様な効果を得ることができる。

なお、以上説明した第１〜４の実施形態は、ウエハ３の外周部（例えば外縁部から１０ｍｍの範囲）において研磨レートが高くなる傾向があることについて考慮したものであるが、これに限定されるものではない。すなわち、ウエハ３中の他の部分において部分的に研磨レートが高くなる現象が生じた場合にも、本発明を適用することができる。もちろん、研磨レートが高くなる原因は、リテーナリング４ａ周辺での研磨パッド２の浮き上がり（跳ね返り）に限定されるものではない。そして、ウエハ３中の研磨レートが高くなる部位に応じて、第１〜３の実施形態のように研磨パッド２の中心部に研磨レートの低くなる領域が設けられた構成と、第４の実施形態のように研磨パッド２の外周部に研磨レートの低くなる領域が設けられた構成とを任意に選択することができる。

また、前記した第１〜４の実施形態では、溝２ａは同心円状であるが、溝２ａの形状は特に限定されない。溝２ａは、格子状や螺旋状や、全く任意な形状に形成されていてもよい。さらに、前記した第１，２，４の実施形態では、研磨パッド２に、溝２ａが形成されていない領域Ｂが設けられているが、他の領域Ａよりも研磨レートが低くなるようにスラリーが供給されにくい状態になっていれば、少数の溝２ａが低密度に形成されていても構わない。

例えば、図７，８に示すように、溝２ａが高密度に形成されている領域Ａ’と、溝２ａが低密度に形成されている領域Ｂ’を利用して、第１の実施形態と同様に研磨を行い、同様の効果を得ることができる。なお、各領域Ａ，Ａ’，Ｂ，Ｂ’の外形は必ずしも円形である必要はない。この説明および図面中では、便宜上、溝２ａが高密度に形成されている領域Ａ’と溝２ａが低密度に形成されている領域Ｂ’とが明確に区別されているように記載しているが、溝２ａの密度が連続的に変化しており高密度の領域Ａ’と低密度の領域Ｂ’とに単純に２つに分けられない構成であってもよい。

また、研磨パッド２に、溝２ａの凹部の幅が広い領域Ａ”と溝２ａの凹部の幅が狭い領域Ｂ”とが設けられた構成にすることもできる。例えば、図９に示すように、研磨パッド２の外周部に研磨パッド２の中心部に溝２ａの凹部の幅が狭い領域Ｂ”が設けられ、研磨パッド２の外周部に溝２ａの凹部の幅が広い領域Ａ”が設けられた構成にすることもできる。この場合、溝２ａの凹部の幅が広い領域Ａ”には比較的多量のスラリー８が供給され、溝２ａの凹部の幅が狭い領域Ｂ”には少量のスラリー８が供給される。このようなスラリー８の分布を利用して、第１の実施形態と同様に研磨を行い、同様の効果を得ることができる。もちろん、各領域Ａ”，Ｂ”の外形は必ずしも円形である必要はなく、溝２ａは同心円状に限られるものでもない。なお、この説明および図面中では、便宜上溝２ａの凹部の幅が広い領域Ａ”と溝２ａの凹部の幅が狭い領域Ｂ”とが明確に区別されているように記載しているが、溝２ａの凹部の幅が連続的に変化しており幅の狭い領域Ａ”と幅の狭い領域Ｂ”とに単純に２つに分けられない構成であってもよい。

［第５の実施形態］
次に、本発明の第５の実施形態について、図１０〜１２を参照して説明する。なお、第１〜４の実施形態と同様の部分については同一の符号を付与し説明を省略する。

前記したように第１〜４の実施形態では、ウエハ３の外周部をスラリー８がほとんど存在しない状態で研磨することによって研磨レートを下げ、結果的に研磨レートの均一化を図っている。これに対し、本実施形態では、図１５（ｂ）に示すようにリテーナリングが研磨パッドに圧接して研磨パッドが浮き上がる（跳ね返る）ことを、部分的に防止するものである。

本実施形態について具体的に説明する。第２の実施形態と同様に、研磨パッド２の全面に溝２ａが形成されている。そして、図１０，１１に示すように、ウエハ３の外周部が研磨パッド２の外縁部に位置し、リテーナリング４ａが部分的に研磨パッド２の外側にはみ出す状態にする。図１２に示すように、ウエハ３の外周部をリテーナリング４ａにて保持し、リテーナリング４ａの一部が研磨パッド２の外側にはみ出すように配置する（ステップＳ５）。その状態で、前記した各実施形態と同様に、ウエハ３を研磨パッド２に圧接させて（ステップＳ２）、研磨パッド２を回転させるとともに、ウエハ３を回転させる（ステップＳ３）。そして、研磨パッド２上にスラリー８を滴下して（ステップＳ４）、研磨を行う。

この際、リテーナリング４ａが研磨パッド２からはみ出している部分では、図１１に示すように、研磨パッド２の浮き上がり（跳ね返り）が従来よりも小さく抑えられ、研磨レートの上昇を防げる。もちろん、リテーナリング４ａおよびウエハ３が回転し、かつ往復揺動することによって、リテーナリング４ａは研磨パッド２に対して相対的に移動し続けるため、リテーナリング４ａの同一個所が常に研磨パッド２の外側にはみ出して研磨レートが低くなっているわけではない。しかし、１枚のウエハ３に対して３０秒〜３分程度行われる研磨動作を経て、総合的には、リテーナリング４ａに近接するウエハ３の外周部の研磨レートが、中心部と同程度まで低くなる。最終的には、図３に示す例と同様に、外周部の研磨レートを中心部の研磨レートの±５％くらいに抑えられる。例えば、中心部の研磨レートが２００ｍｍ／ｍｉｎで、外周部の研磨レートが１９０〜２１０ｍｍ／ｍｉｎ程度になる。このように、本実施形態によっても第１〜４の実施形態と同様に、ウエハ３の研磨レートが均一化され、平坦度が向上する。

本実施形態では、研磨パッドを含め研磨装置の基本構成自体は、従来の装置と同じであるが、研磨時のキャリア４の位置のみを変えることによって、研磨レートの均一化が図れる。

［半導体製造方法］
次に、本発明のウエハ研磨方法を利用して半導体装置を製造する方法について、図１３〜１４を参照して簡単に説明する。

まず、図１３（ａ）に示すように、シリコンなどからなる基板（ウエハ本体）１１に対して、公知のリソグラフィ技術を用いてトレンチ（溝）を形成し（第１の加工工程）、トレンチを形成した表面上に酸化膜１２を成膜する（第１の成膜工程）。その後、前記した第１〜第５の実施形態に例示される本発明の研磨方法を用いてこの表面を研磨すること（第１の研磨工程）によって、図１３（ｂ）に示すように溝型の素子分離部であるＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）１３を形成する。続いて、公知のイオン注入技術およびリソグラフィ技術を利用して、図１３（ｃ）に示すように、基板の１対のＳＴＩ１３に挟まれている部分にウェル１４、ソース領域１５、ドレイン領域１６を形成し、さらにこの表面上にゲート電極１７を形成してトランジスタを構成する（作り込み工程）。そして、その上にＢＰＳＧ（Boro-Phospho Silicate Glass）膜１８を成膜する（第２の成膜工程）。それから、図１３（ｄ）に示すように、前記した本発明の研磨方法を実施してＢＰＳＧ膜１８の表面を平坦化する（第２の研磨工程）。図１３（ｅ）に示すように、公知のリソグラフィ技術を利用して、ＢＰＳＧ膜１８中にコンタクトホールを形成し（第２の加工工程）、ＢＰＳＧ膜１８上を覆うとともにコンタクトホール内を埋めるようにタングステン膜１９を成膜する（第３の成膜工程）。それから、本発明の研磨方法を実施して、図１３（ｆ）に示すように、コンタクトホール内のタングステンを残して、ＢＰＳＧ膜１８の表面上のタングステン膜１９を除去する（第３の研磨工程）。こうして、ソース領域１５、ドレイン領域１６、ゲート電極１７にそれぞれ接続されているコンタクト１９ａを外部に露出させる。

その後、公知のリソグラフィ技術を利用して、図１４（ａ）に示すように、層間絶縁膜２０を成膜し（第４の成膜工程）、その層間絶縁膜２０に溝を形成し（第３の加工工程）、バリア層２１および金属配線膜２２を成膜する（第５，６の成膜工程）。それから、図１４（ｂ）に示すように、本発明の研磨方法により金属配線膜２２およびバリア層２１を研磨する（第４の研磨工程）。さらに、図１４（ｃ）〜１４（ｄ）に示すように、絶縁膜２３を成膜し（第７の成膜工程）、本発明の研磨方法を実施して平坦化する（第５の研磨工程）。このようにして半導体装置が製造される。なお、この後に、公知のリソグラフィ技術および成膜技術と本発明の研磨方法を利用して、さらに配線層やビアの形成を繰り返してもよい。

全ての研磨工程が、前記した本発明の研磨方法によって行われると、非常に高精度に半導体装置が製造できる。ただし、研磨工程のうちの少なくとも１回が本発明の研磨方法で行われるだけであっても効果がある。なお、研磨工程以外の各工程は、従来から公知の方法で行われてもよく、半導体装置の各層の材料や構成は公知であるため、それらについての詳細な説明は省略する。また、前記した各工程は適宜省略したり変更してもよい。

（ａ）は本発明の第１の実施形態の研磨装置の概略側面図、（ｂ）はその要部平面図である。 本発明の第１の実施形態の研磨方法のフローチャートである。 本発明の第１の実施形態によるウエハの位置と研磨レートの関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態の研磨装置の要部平面図である。 本発明の第３の実施形態の研磨装置の要部平面図である。 本発明の第４の実施形態の研磨装置の要部平面図である。 本発明の第１の実施形態の研磨装置の変形例の要部平面図である。 本発明の第１の実施形態の研磨装置の他の変形例の要部平面図である。 本発明の第１の実施形態の研磨装置のさらに他の変形例の要部平面図である。 （ａ）は本発明の第５の実施形態の研磨装置の概略側面図、（ｂ）はその要部平面図である。 図１０に示す研磨装置の要部拡大図である。 本発明の第５の実施形態の研磨方法のフローチャートである。 本発明の半導体装置製造方法の前半の工程を示す概略断面図である。 図１３に示す工程に続く後半の工程を示す概略断面図である。 （ａ）は従来の研磨装置の要部概略側面図、（ｂ）はその拡大図である。 図１５に示す従来の研磨装置によるウエハの位置と研磨レートの関係を示すグラフである。 （ａ）は従来の小型のウエハを研磨するための研磨装置の例を示す要部平面図、（ｂ）は従来の大型のウエハを研磨するための研磨装置の例を示す要部平面図である。

符号の説明

１ テーブル
２ 研磨パッド
２ａ 溝
３ ウエハ
４ キャリア
４ａ リテーナリング
４ｂ リテーナベース
４ｃ キャリアヘッド
４ｄ スピンドル
５ テーブル駆動装置
６ キャリア駆動装置
７ スラリー供給装置
７ａ 滴下口
８ スラリー（研磨剤）
Ａ 溝が形成されている領域
Ｂ 溝が形成されていない領域
Ａ’ 溝が高密度に形成されている領域
Ｂ’ 溝が低密度に形成されている領域
Ａ” 溝の凹部の幅が広い領域
Ｂ” 溝の凹部の幅が狭い領域

Claims (27)

1. 研磨パッドの主平面と被研磨物の研磨面とを圧接する工程と、
   前記研磨パッドおよび前記被研磨物を圧接した状態で両者の相対的な位置を連続的に変動させる工程と、
   前記研磨パッドと前記被研磨物との間に研磨剤を供給する工程とを有する被研磨物の研磨方法において、
   前記被研磨物に接する前記研磨剤の量が、前記研磨パッドの主平面と前記被研磨物の研磨面とが接する領域内で分布を有することを特徴とする研磨方法。
2. 前記研磨パッド上で前記研磨剤が分布を有することを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
3. 前記研磨パッドを中心軸を中心として回転させ、前記研磨剤が分布を有する領域上で前記被研磨物を揺動させることを特徴とする請求項２に記載の研磨方法。
4. 前記研磨パッド上において、前記研磨剤を滴下する位置よりも中心側で前記研磨剤の量が少なく、該位置よりも外周側で前記研磨剤の量が多いことを特徴とする請求項３に記載の研磨方法。
5. 前記研磨パッドには溝が形成されており、前記研磨パッド上において、前記溝の密度が低い領域で前記研磨剤の量が少なく、前記溝の密度が高い領域で前記研磨剤の量が多いことを特徴とする請求項３に記載の研磨方法。
6. 前記研磨パッドの中心領域で前記溝の密度が低く、周辺領域で前記溝の密度が高いことを特徴とする請求項５に記載の研磨方法。
7. 前記研磨パッドの中心領域には前記溝が形成されていないことを特徴とする請求項５に記載の研磨方法。
8. 前記研磨パッドには溝が形成されており、前記研磨パッド上において、前記溝の凹部の幅が狭い領域で前記研磨剤の量が少なく、前記溝の凹部の幅が広い領域で前記研磨剤の量が多いことを特徴とする請求項３に記載の研磨方法。
9. 前記研磨パッドの中心領域では前記溝の凹部の幅が狭く、周辺領域では前記溝の凹部の幅が広いことを特徴とする請求項８に記載の研磨方法。
10. 前記被研磨物中の研磨面上において研磨レートが高くなる傾向のある部分の少なくとも一部を、前記研磨パッドの主平面上において前記研磨剤の量が少ない領域に位置するようにして、前記研磨パッドの主平面と前記被研磨物の研磨面とを圧接する工程を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の研磨方法。
11. 前記被研磨物の外周部をリング状保持部材にて取り囲んで保持し、
    前記被研磨物の前記研磨レートが高くなる傾向のある部分は、外周部の前記リング状保持部材に近接する部分であることを特徴とする請求項１０に記載の研磨方法。
12. 研磨パッドの主平面と被研磨物の研磨面とを圧接する工程と、
    前記研磨パッドおよび前記被研磨物を圧接した状態で両者の相対的な位置を連続的に変動させる工程と、
    前記研磨パッドと前記被研磨物との間に研磨剤を供給する工程とを有する被研磨物の研磨方法において、
    前記被研磨物の外周部をリング状保持部材にて保持し、前記リング状保持部材の一部が前記研磨パッドの外側にはみ出すように配置した上で、前記研磨パッドと前記被研磨物とを圧接することを特徴とする研磨方法。
13. 回転する被研磨物と圧接させ、かつ回転させながら前記被研磨物との間に研磨剤を供給して、前記被研磨物を研磨するための研磨パッドにおいて、
    前記研磨パッドの一部には溝が形成されており、前記溝の密度が前記研磨パッドの主平面上で分布を有することを特徴とする研磨パッド。
14. 前記研磨パッドの前記溝の密度は、前記被研磨物の研磨レートが高い領域では低く、前記被研磨物の研磨レートが低い領域では高いことを特徴とする請求項１３に記載の研磨パッド。
15. 前記研磨パッドの前記溝の凹部の幅は、前記被研磨物の研磨レートが高い領域では狭く、前記被研磨物の研磨レートが低い領域では広いことを特徴とする請求項１３に記載の研磨パッド。
16. 前記溝の密度が前記研磨パッドの中心領域で低いことを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の研磨パッド。
17. 前記溝の凹部の幅が前記研磨パッドの中心領域で狭いことを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の研磨パッド。
18. 前記研磨パッドの中心領域には前記溝が形成されていないことを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の研磨パッド。
19. 前記溝は同心円状である請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の研磨パッド。
20. 請求項１３〜１９のいずれか１項に記載の研磨パッドを有する研磨装置。
21. 前記研磨パッドと、
    前記研磨パッドを回転させる研磨パッド駆動手段と、
    前記研磨パッド上の所定位置に研磨剤を供給する研磨剤供給手段と、
    前記被研磨物を前記研磨パッドに圧接した状態で回転させる被研磨物駆動手段とを有することを特徴とする請求項２０に記載の研磨装置。
22. 前記研磨パッド駆動手段および前記被研磨物駆動手段は、前記被研磨物の研磨面上において研磨レートが高くなる傾向のある部分の少なくとも一部を、前記研磨パッドの主平面上において前記研磨剤の量が少ない領域に位置するようにして、前記研磨パッドの主平面と前記被研磨物の研磨面とを圧接する機構を備えていることを特徴とする請求項２１に記載の研磨装置。
23. 前記被研磨物駆動手段は、前記被研磨物の外周部を取り囲んで保持するリング状保持部材を有し、
    前記被研磨物の前記研磨レートが高くなる傾向のある部分は、外周部の前記リング状保持部材に近接する部分であることを特徴とする請求項２２に記載の研磨装置。
24. 研磨パッドと、
    前記研磨パッドを回転させる研磨パッド駆動手段と、
    被研磨物の外周部を取り囲んで保持するリング状保持部材を有し、前記リング状保持部材の少なくとも一部が前記研磨パッドの外側にはみ出すように保持して、前記被研磨物を回転させながら前記研磨パッドに圧接させる被研磨物駆動手段とを有することを特徴とする研磨装置。
25. イオン注入技術を利用してウエハ中に導電領域を作り込む作り込み工程と、
    成膜技術を利用して、前記ウエハの一部を構成する絶縁層および／または導電層を成膜する成膜工程と、
    リソグラフィ技術を利用して前記ウエハを所定の形状に加工する加工工程と、
    前記ウエハを被研磨物として行う、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の研磨方法の各工程とを有することを特徴とする半導体装置製造方法。
26. 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜表面を研磨することにより前記絶縁膜表面を平坦化する研磨工程とを有する半導体の製造方法において、
    前記研磨工程は、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の研磨方法を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
27. 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に溝を形成する工程と、前記溝内および前記絶縁膜上に導電膜を形成する工程と、少なくとも前記絶縁膜上に形成された前記導電膜の一部を研磨することにより、前記絶縁膜表面および前記導電膜表面により構成される表面を平坦化する研磨工程とを有する半導体の製造方法において、
    前記研磨工程は、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の研磨方法を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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