JP2007005482A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はウエーハの研磨工程を含む半導体装置の製造方法に関し、とくにウエーハ表面に形成された薄膜を平坦化するために化学的機械研磨(CMP)を用いる半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device including a wafer polishing step, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device using chemical mechanical polishing (CMP) to planarize a thin film formed on a wafer surface.
化学的機械研磨(CMP)は、半導体ウエーハの製造工程のみならず、半導体装置の製造工程中に、薄膜を平坦化して半導体素子構造を製作するために広く利用されている。しかし、従来のCMPでは、以下に説明するように精密な平坦化は困難であった。 Chemical mechanical polishing (CMP) is widely used not only for manufacturing a semiconductor wafer but also for manufacturing a semiconductor element structure by flattening a thin film during the manufacturing process of a semiconductor device. However, in the conventional CMP, precise planarization is difficult as described below.
図3は従来の研磨方法の説明図であり、CMPを用いたウエーハの研磨状況を表している。なお、図3(a)及び(b)はそれぞれ平面図およびAB断面図である。従来の研磨では、図3を参照して、垂直な回転軸1a廻りに水平面内で回転するプラテン1の上面に研磨パッド2を貼着し、この研磨パッド2上にウエーハ3下面を押圧して研磨する。ウエーハ3は、回転軸4a廻りに回動自在に枢着されたヘッド4の下面に保持され、ヘッド4によって研磨パット2上に押圧され研磨される。
FIG. 3 is an explanatory view of a conventional polishing method, and shows a polishing state of a wafer using CMP. 3A and 3B are a plan view and an AB cross-sectional view, respectively. In the conventional polishing, referring to FIG. 3, a
ヘッド4は、プラテン1の回転軸1aから離れた位置に保持され、あるいは、プラテン1上を揺動する。これにより、ウエーハ3下面と研磨パッド2との平均相対速度がウエーハ3全面で均一になり、ウエーハ2が平坦に研磨される。さらに、ウエーハ3は、ヘッド4と同心円状に保持されてヘッド4と共に自転しており、ウエーハ3の直径に沿い斜めに研磨されることが回避される。しかし、高い平坦度を実現するには、ヘッド4の位置及び揺動、ウエーハの自転、さらにはスラリーや研磨パッド等を研磨状況に応じて精密に制御しなければならず、実用的にはこれらの制御により十分な平坦度を得ることは非常に難しい。(平坦化のための制御の困難性について特許文献3参照。)。
The head 4 is held at a position away from the rotation axis 1 a of the platen 1 or swings on the platen 1. As a result, the average relative speed between the lower surface of the
図4は従来の研磨方法により製造されたウエーハ断面図であり、上述した図3に示す研磨方法により研磨されたウエーハの研磨面の断面形状を表している。上述したように、ウエーハ3は自転するので同心円状に研磨され、研磨面3aは回転対称面となりやすい。例えば、図4(a)に示すように、ウエーハ3下面(研磨面3a)が凸面になる。逆に、図4(b)に示すように、ウエーハ3下面が凹面になる。さらには、ウエーハ3下面の中央部で凹面を外周部で凸面を形成して、円環状の凸部を生ずることもある。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a wafer manufactured by a conventional polishing method, and shows the cross-sectional shape of the polished surface of the wafer polished by the polishing method shown in FIG. As described above, since the
かかる研磨面の凹凸は、半導体素子構造のばらつきを大きくし、半導体装置の製造歩留りを低下させる要因になる。そこで、一旦研磨されたウエーハの研磨面の平坦度(表面の凹凸の分布)を測定し、凹部のみを部分的に研磨することで研磨面全面の平坦度を向上する研磨方法が考案された。 Such irregularities on the polished surface increase the variation in the structure of the semiconductor element and cause a decrease in the manufacturing yield of the semiconductor device. Therefore, a polishing method has been devised that measures the flatness (distribution of unevenness on the surface) of the polished surface of the polished wafer and improves the flatness of the entire polished surface by partially polishing only the recesses.
例えば、特開平11−265860号公報には、凸部のみを部分的に研磨する方法が開示されている。この方法では、XYテーブル上にウエーハを載置し、ウエーハ上面の平坦度を測定して凸部を検出する。その後、回転する小さな研磨パッドを凸部に押圧して、凸部のみを選択的に研磨する。これにより凸部が研磨され、研磨面の平坦度は向上する。(特許文献1参照。)。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-265860 discloses a method of partially polishing only convex portions. In this method, a wafer is mounted on an XY table, and the convexity is detected by measuring the flatness of the upper surface of the wafer. Thereafter, a small polishing pad that rotates is pressed against the convex portion to selectively polish only the convex portion. Thereby, a convex part is grind | polished and the flatness of a grinding | polishing surface improves. (See Patent Document 1).
また、特開平9−260316号公報には、ウエーハの押圧(背面の圧力)に面内分布を設けることで、凹部の研磨速度を高めて平坦度を向上する研磨方法が開示されている。この方法では、ウエーハの背面全面に微小な圧力印加素子(例えばピエゾ素子を用いて圧力を発生するアクチュエータ)を配置して、任意の圧力分布でウエーハを押圧する。そして、凹部の圧力を高くして研磨することで、研磨面全面を精密に平坦化することができる。
上述したように、従来の研磨方法において研磨条件を制御して精密な平坦面を得ることは、研磨条件が時間的に変化するため非常に困難であった。 As described above, it is very difficult to obtain a precise flat surface by controlling the polishing conditions in the conventional polishing method because the polishing conditions change with time.
この問題を解決するために考案された従来の方法では、一旦研磨されたウエーハ表面の平坦度を測定し、その後、凸部に小さな研磨パッドを押圧して凸部のみを部分的に研磨することで研磨面を修正し平坦度を向上する。しかし、この方法は、小さな研磨パッドをウエーハの研磨面内の任意の位置に移動するための機構が必要で、装置が複雑になるという問題がある。 In the conventional method devised to solve this problem, the flatness of the polished wafer surface is measured, and then a small polishing pad is pressed against the convex part to partially polish only the convex part. To improve the flatness by modifying the polished surface. However, this method requires a mechanism for moving a small polishing pad to an arbitrary position within the polishing surface of the wafer, and there is a problem that the apparatus becomes complicated.
また、ウエーハの背面圧力を凸部で高く凹部で低くして研磨し、精密な平面を得る従来の方法では、ウエーハの背面圧力分布を任意に発生するための機構が必要で、極めて精密な装置を要するという問題がある。 In addition, the conventional method of obtaining a precise flat surface by polishing with the wafer back pressure raised at the convex part and lowered at the concave part requires a mechanism for arbitrarily generating the wafer back pressure distribution, and is an extremely precise device. There is a problem that requires.
本発明は、回転するプラテンに固定された研磨パッドに自転可能に保持されたウエーハを押圧して研磨する通常の研磨装置を用いて研磨面の凹凸を修正し、ウエーハの研磨面を容易に平坦にすることができるウエーハの研磨方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。 The present invention corrects irregularities of a polished surface using a normal polishing apparatus that presses and polishes a wafer held rotatably on a polishing pad fixed to a rotating platen, and makes the polished surface of the wafer flat easily. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device using a wafer polishing method that can be used.
上記課題を解決するために、本発明では、研磨パッドの平面パターン形状を、プラテンの回転軸を回転対称軸とし、回転対称軸とウエーハの中心とを一致させて重ねたときパターンがウエーハの一部のみに重なるようなパターンに形成し、さらに、プラテンの回転軸とウエーハの回転軸とを一致させて研磨する。 In order to solve the above problems, according to the present invention, when the planar pattern shape of the polishing pad is overlapped with the rotation axis of the platen as the rotational symmetry axis and the rotational symmetry axis and the center of the wafer coincided, the pattern is one of the wafers. A pattern is formed so as to overlap only the portion, and further, polishing is performed with the rotation axis of the platen and the rotation axis of the wafer aligned.
上記の本発明に係る研磨パッドの平面形状は、プラテンの回転軸を回転対称軸とする回転対称パターンからなる。そして、ウエーハの中心と研磨パッドの回転対称軸とを一致させてウエーハと研磨パッドを重ねたとき、研磨パッドがウエーハの一部のみに重なるような研磨パッドの平面形状とする。即ち、ウエーハと研磨パッドを重ねたとき、研磨パッドはウエーハ全面には存在せず、研磨パッドが欠けた領域がウエーハ面内の一部分に生ずる、言い換えれば、ウエーハと研磨パッドとが重ならない部分がウエーハ面内に生ずるような平面形状とする。なお、ウエーハの外側に研磨パッドが延在することはある。 The planar shape of the polishing pad according to the present invention is a rotationally symmetric pattern having the rotational axis of the platen as the rotational symmetry axis. Then, when the wafer and the polishing pad are overlapped with each other so that the center of the wafer coincides with the rotational symmetry axis of the polishing pad, the planar shape of the polishing pad is such that the polishing pad overlaps only a part of the wafer. That is, when the wafer and the polishing pad are overlapped, the polishing pad does not exist on the entire surface of the wafer, and a region where the polishing pad is missing occurs in a part of the wafer surface, in other words, there is a portion where the wafer and the polishing pad do not overlap. The planar shape is formed in the wafer plane. Note that the polishing pad may extend outside the wafer.
このような研磨パッドの平面形状の例として、ウエーハの直径より小径の孔を中心部に有するパターン、逆にウエーハの直径より小径のパターン、ウエーハの直径より外径が小さい円環状のパターンがある。また、連続したパターンに限られず、ウエーハの直径より小径の円に沿って多数の小さな研磨パッドを配置したパターンのようなものでもよい。 Examples of the planar shape of such a polishing pad include a pattern having a hole having a diameter smaller than the diameter of the wafer at the center, a pattern having a diameter smaller than the diameter of the wafer, and an annular pattern having an outer diameter smaller than the diameter of the wafer. . The pattern is not limited to a continuous pattern, and may be a pattern in which a large number of small polishing pads are arranged along a circle having a diameter smaller than the diameter of the wafer.
本発明では、かかる形状の研磨パッドの回転対称軸(プラテンの回転対称軸と一致している。)とウエーハの中心(ウエーハの自転回転軸が通る。)とを一致させ、研磨パッド及びウエーハを同一回転軸廻りに回転させて研磨する。 In the present invention, the rotational symmetry axis of the polishing pad having such a shape (corresponding to the rotational symmetry axis of the platen) and the center of the wafer (passing through the rotation axis of the wafer pass) are made to coincide with each other. Rotate around the same rotation axis for polishing.
このような構成では、研磨パッドがウエーハに接触する長さ、及び、研磨パッドとウエーハ間の相対速度は、ウエーハの中心からの距離で決定される。その結果、研磨速度の分布は、ウエーハの中心から同心円状の分布となる。この同心円状の研磨速度分布は、研磨パッドの平面形状、あるいはウエーハの自転速度及び回転方向を制御することで容易に制御することができる。従って、ウエーハ表面の同心円状の凹凸は、同心円状の凸部で研磨速度が速くなるように研磨パッドの平面形状を形成することで、凸部を選択的に研磨することができる。これにより、同心円状の凹凸を有するウエーハ表面を修正して精密な平坦面とすることができる。 In such a configuration, the length of the polishing pad contacting the wafer and the relative speed between the polishing pad and the wafer are determined by the distance from the center of the wafer. As a result, the distribution of the polishing rate becomes a concentric distribution from the center of the wafer. This concentric polishing speed distribution can be easily controlled by controlling the planar shape of the polishing pad or the rotation speed and rotation direction of the wafer. Therefore, the concentric irregularities on the wafer surface can be selectively polished by forming the planar shape of the polishing pad so that the polishing rate is increased at the concentric convex parts. As a result, the wafer surface having concentric concavities and convexities can be corrected to a precise flat surface.
本発明によれば、同心円状の研磨速度分布が得られ、かつその分布を研磨パッドの平面形状の変更により容易に調整することができるので、同心円状の凹凸を有するウエーハの表面を修正して精密な平坦面とすることが容易である。 According to the present invention, a concentric polishing rate distribution can be obtained, and the distribution can be easily adjusted by changing the planar shape of the polishing pad, so that the surface of the wafer having concentric unevenness is corrected. It is easy to make a precise flat surface.
図1は本発明の実施形態の説明図であり、CMPを用いたウエーハの研磨状況を表している。なお、図1(a)及び(b)はそれぞれ平面図およびCD断面図である。図2は本発明の実施形態研磨パッド平面図であり、プラテン上に固定された研磨パッドの平面形状をウエーハと比較して表している。 FIG. 1 is an explanatory diagram of an embodiment of the present invention, and shows a polishing state of a wafer using CMP. 1A and 1B are a plan view and a CD sectional view, respectively. FIG. 2 is a plan view of a polishing pad according to an embodiment of the present invention, and shows a planar shape of a polishing pad fixed on a platen in comparison with a wafer.
本実施形態で用いられた研磨装置は、図1を参照して、垂直回転軸1a廻りに水平面内で回転するプラテン1と、下面にウエーハ3を保持し垂直回転軸4a廻りに回動自在に枢着されたヘッド4とを有する。プラテン1の上面には、研磨パッド2が貼着されて固定されている。また、研磨は、スラリーを研磨パッド2上に供給しつつ行なう化学的機械研磨(CMP)である。これは既述の従来の研磨方法で使用された研磨装置と同様である。
Referring to FIG. 1, the polishing apparatus used in the present embodiment holds a platen 1 rotating in a horizontal plane around a vertical rotation axis 1a and a
本実施形態では、プラテン1の回転軸1aとヘッド4の回転軸4aとを一致させて研磨する。プラテン1は図外の回転駆動装置により一方向に回転駆動される。他方、ヘッド4はウエーハ3を研磨パッド2へ押圧し、図外の別の回転駆動装置又は回転減速装置により回転駆動又は回転を減速されてプラテン1と異なる回転速度で自転する。この自転は、研磨による研磨面形状の修正状況により、プラテン1と同方向又は逆方向の回転及び自転速度を適宜選択する。なお、ウエーハ3はヘッド4と同心円状に保持され、ウエーハ3はヘッド4に固定されてヘッド4の回転と共に回転軸4aの廻りを自転する。
In this embodiment, the rotating shaft 1a of the platen 1 and the rotating shaft 4a of the head 4 are aligned and polished. The platen 1 is rotationally driven in one direction by a rotational driving device (not shown). On the other hand, the head 4 presses the
本実施形態の研磨に供したウエーハ3は、自転するヘッド4の回転軸4a(自転軸)をプラテン1上で揺動する既述の従来のCMPを用いた研磨方法により研磨されたウエーハ3である。本実施形態に供した最初のウエーハ3は、図4(b)に示すように、研磨面3aは凹面に形成されていた。
The
上記最初のウエーハ3を修正研磨するための研磨パッド2は、図2(a)及び図1(a)を参照して、ウエーハ3より大径の外周2aと小径の内周2bを有する円環状の平面形状(図1(a)及び図2中にハッチングでしめした形状。)を有し、プラテン1の回転軸1aと同心円をなすようにプラテン1上に固定される。内周2bより中心部分は研磨パッド2が存在しない中空部2cとなっている。
A
かかる平面形状の研磨パッド2を用いて研磨すると、研磨パッド2の内周より外側のウエーハ3周縁部が研磨される一方、研磨パッド2の内周より中央部分(中空部2cに対応する部分)は研磨されないから、研磨面3aの凹面が平坦面へと修正される。
When polishing is performed using the
この本実施形態において、研磨パッド2の中心部分を占める中空部2cに表出するプラテン1上面に、柔軟なパッド6、例えばバッフイング(buffing)処理された柔らかなパッドを貼付することができる。これにより、ウエーハ3がプラテン1へ接触して損傷することを回避することができる。なお、この柔軟なパッド6は、ウエーハ3の損傷を防止することができるものであればよく、実質的に研磨に寄与する必要はない。
In this embodiment, a flexible pad 6, for example, a soft pad that has been buffed, can be attached to the upper surface of the platen 1 exposed in the
上述した凹面のウエーハ3を修正する本実施形態において、さらに、図2(d)に示すように研磨パッド2の内周を蛇行させることができる。これにより、円環状の研磨パッド2の内周に沿って中央部と外側との研磨速度の急激な差異から生ずる段差を緩和し、段差のない滑らかな研磨面3aとすることができる。
In the present embodiment for correcting the
本実施形態の研磨に供した第2のウエーハ3は、図4(a)に示すように、研磨面3aは凸面に形成されている。
As shown in FIG. 4A, the
上記第2のウエーハ3を修正研磨するための研磨パッド2は、図2(b)を参照して、ウエーハ3より小径の外周2aを有する円形(円板状)の平面形状(図2(b)中にハッチングでしめした形状。)を有し、プラテン1の回転軸1aと同心円をなすようにプラテン1上に固定される。外周2aより外側には研磨パッド2が存在しない。
A
かかる研磨パッド2を用いた研磨では、研磨パッド2の外周2aより内側が研磨され、外側は研磨されない。従って、凸面であった研磨面3aが平坦面へと修正される。
In the polishing using the
なお、研磨パッド2の外周2aの外側に柔軟なパッドを貼付して、ウエーハ3の損傷を回避することができる。また、図2(e)に示すように、外周を蛇行させることで、外周2aに沿って生ずる段差を回避し研磨面3aを滑らかにすることができる。
In addition, damage to the
本実施形態の研磨に供した第3のウエーハ3は、図4(c)に示すように、研磨面3aの中央部分では凹に、その周縁部分では凸に研磨されていた。即ち、ウエーハ3と同心の円環状の部分が凸になっている。
As shown in FIG. 4C, the
上記第3のウエーハ3を修正研磨するための研磨パッド2は、図2(c)を参照して、ウエーハ3より小径の外周2a及び小径の内周2bを有する円環状の平面形状(図2(c)中にハッチングで示した形状。)を有し、プラテン1の回転軸1aと同心円をなすようにプラテン1上に固定される。
A
かかる研磨パッド2を用いた研磨では、円環状の研磨パッド2の部分、即ち内周2bと外周2aの間が円環状に研磨される。従って、内周2bと外周2aとをウエーハ3の円環状の凸部に合わせることで、円環状の凸部を選択的に研磨される。このため、ウエーハ3の研磨面3aが修正されて平坦になる。
In the polishing using the
なお、研磨パッド2の外周2aの外側に柔軟なパッドを貼付して、ウエーハ3の損傷を回避することができる。また、図1(e)に示すように、外周を蛇行させることで、外周2aに沿って生ずる段差を回避し研磨面3aを滑らかにすることができる。
In addition, damage to the
上述した本明細書には以下の付記記載の発明が開示されている。
(付記1)回転するプラテン上面に固定された研磨パッドの上面に、ウエーハの中心を通る回転軸廻りに回転可能に保持されたウエーハを押圧して研磨するウエーハの研磨工程を含む半導体装置の製造方法において、
該研磨パッドを、該プラテンの回転軸を回転対称軸とするパターンであって、該回転対称軸と該ウエーハの中心とを一致させて重ねたとき該パターンが該ウエーハの一部のみに重なるような該パターンに形成する工程と、
該プラテンの回転軸と該ウエーハの回転軸とを一致させて該ウエーハを研磨する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記2)該パターンは、該ウエーハより大きな外径と該ウエーハより小さな内径を有する円環状パターンであることを特徴とする付記1記載の半導体装置の製造方法。
(付記3)該パターンは、該ウエーハより小さな外径を有する円環状パターンであることを特徴とする付記1記載の半導体装置の製造方法。
(付記4)該パターンの内径内側にウエーハの表面を保護する柔軟なパッドを設けたことを特徴とする付記2又は3記載の半導体装置の製造方法。
(付記5)該パターンは、該ウエーハより小さな外径を有する円形パターンであることを特徴とする付記1記載の半導体装置の製造方法。
(付記6)該パターンは、輪郭線が曲折していることを特徴とする付記1、2、3、4及び5記載の半導体装置の製造方法。
The present invention described above discloses the invention described in the following supplementary notes.
(Appendix 1) Manufacture of a semiconductor device including a wafer polishing step for polishing by pressing a wafer held rotatably around a rotation axis passing through the center of the wafer on the upper surface of a polishing pad fixed to the upper surface of the rotating platen In the method
The polishing pad is a pattern having a rotational axis of the platen as a rotational symmetry axis, and the pattern overlaps only a part of the wafer when the rotational symmetry axis and the center of the wafer are overlapped with each other. A step of forming the pattern,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of polishing the wafer by aligning the rotation axis of the platen with the rotation axis of the wafer.
(Supplementary note 2) The method of manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the pattern is an annular pattern having an outer diameter larger than the wafer and an inner diameter smaller than the wafer.
(Supplementary note 3) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the pattern is an annular pattern having an outer diameter smaller than that of the wafer.
(Additional remark 4) The manufacturing method of the semiconductor device of
(Supplementary note 5) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the pattern is a circular pattern having an outer diameter smaller than that of the wafer.
(Additional remark 6) The manufacturing method of the semiconductor device of
本発明を半導体装置のCMP工程に適用することで非常に平坦な絶縁膜あるいは配線層を形成することができるので、精密な半導体装置を容易に製造することができる。 By applying the present invention to the CMP process of a semiconductor device, a very flat insulating film or wiring layer can be formed, so that a precise semiconductor device can be easily manufactured.
1 プラテン
1a、2a 回転軸
2 研磨パッド
2a 外周
2b 内周
2c 中空部
3 ウエーハ
3a 研磨面
4 ヘッド
4a 回転軸
6 柔軟なパッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
該研磨パッドを、該プラテンの回転軸を回転対称軸とするパターンであって、該回転対称軸と該ウエーハの中心とを一致させて重ねたとき該パターンが該ウエーハの一部のみに重なるような該パターンに形成する工程と、
該プラテンの回転軸と該ウエーハの回転軸とを一致させて該ウエーハを研磨する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor device, including a wafer polishing step for pressing and polishing a wafer held rotatably around a rotation axis passing through the center of a wafer on an upper surface of a polishing pad fixed to an upper surface of a rotating platen.
The polishing pad is a pattern having a rotational axis of the platen as a rotational symmetry axis, and the pattern overlaps only a part of the wafer when the rotational symmetry axis and the center of the wafer are overlapped with each other. A step of forming the pattern,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of polishing the wafer by aligning the rotation axis of the platen with the rotation axis of the wafer.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20080902 |