JP2007152498A - 研磨装置、研磨方法、この研磨方法を用いた半導体デバイスの製造方法及びこの半導体デバイスの製造方法により製造された半導体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】研磨工程全体を通じて研磨圧力をほぼ一定に保つ。
【解決手段】ロードセル８１の上方位置に研磨ヘッド２０を位置させたうえで、ロードセルの荷重検出面と研磨ヘッド２０との間の距離を所定間隔に保ち、研磨パッド４２を上記荷重検出面に接触させて研磨ヘッドの圧力室内に高圧空気を供給させ、ロードセルにより検出される研磨ヘッドからの押付け荷重が目標値と一致したときの高圧空気の圧力を研磨時供給圧力ｐｐとして検出する第１の工程と、ウエハＷの上方位置に研磨ヘッドを位置させたうえで、ウエハＷの表面と研磨ヘッドとの間の距離を上記所定間隔に保ち、研磨パッドをウエハＷの表面に接触させて圧力室内に高圧空気を供給させ、圧力室内の圧力を第１の工程において検出した研磨時供給圧力ｐｐに保持した状態でウエハＷの研磨を行う第２の工程とを交互に行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、被研磨物の表面を平坦研磨する研磨装置及び研磨方法に関し、また、この研磨方法を用いた半導体デバイス製造方法、及びこの半導体デバイス製造方法により製造された半導体デバイスに関する。

半導体ウエハ等の被研磨物の表面を平坦研磨する装置としては、スピンドルの下端に保持された半導体ウエハを、回転定盤の上面に取付けた研磨パッドに上方から接触させ、ウエハと研磨パッドとの接触面に研磨液（シリカ粒を含んだスラリー）を供給しつつ、ウエハと研磨パッドとの双方を相対移動させてウエハ表面の研磨を行うＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）装置が知られている。このＣＭＰ装置では、回転定盤の上面に取付けられた研磨パッドの直径は、研磨されるウエハの直径よりも数倍大きく、複数枚のウエハを同時に研磨することができるようになっているのが一般的である。

また、上記構成とは逆に、スピンドルの下部に取付けられた研磨ヘッド下面の研磨パッドを、回転定盤の上面側に保持されたウエハに上方から接触させ、ウエハと研磨パッドとの間に上記スラリーを供給しつつ、ウエハと研磨パッドの双方を相対移動させてウエハ表面を研磨するタイプのＣＭＰ装置も知られている（下記の特許文献１参照）。このタイプのＣＭＰ装置では、研磨パッドの直径は研磨されるウエハの直径よりも小さく、研磨パッドをウエハ表面に対して満遍なく移動させることにより、ウエハの表面全体を研磨することができるようになっている。この研磨装置は研磨ヘッドに組込まれたドライブリングと呼ばれる可撓性のある（例えば金属製の）薄板部材の下部にプレート部材を有しており、研磨パッドはこのプレート部材の下面に取付けられている。そして、研磨ヘッドの内部空間とドライブリングとの間に形成された圧力室内に高圧空気（空気圧）を供給し、上記ドライブリングを弾性変形させてプレート部材を下方に押圧することにより、研磨パッドを被研磨物の表面に上方から押圧接触させ、その接触状態を保持しつつ、被研磨物と研磨パッドとを相対移動させて被研磨物の表面を研磨する構成となっている。
特開平１１−１５６７１１号公報

ところで、ウエハの平坦化に際しては、平坦性及び均一性に対する所定の要求が満たされる必要がある。ウエハ表面の平坦性及び均一性には研磨パッドの厚さが大きく影響し、研磨パッドの厚さが大きい場合と小さい場合とでその研磨特性が大きく異なることが知られている（上記特許文献２参照）。また、被研磨物の研磨における平坦性及び均一性には、研磨パッドの厚さのみならず、研磨圧力（ウエハの研磨中における研磨パッドとウエハとの接触圧力）等の要素も大きく関与する。このため、所望の研磨特性（平坦性、均一性及び研磨レート）を得るためには、研磨パッドの厚さや研磨圧力等の研磨条件を正確に把握・制御する必要がある。

しかしながら、上記のように研磨ヘッドにドライブリングが組込まれたタイプの研磨装置では、ウエハの研磨により研磨パッドの摩耗が進行した場合には、その分研磨パッドの厚さが減少し、ドライブリングの撓み状態は変化するため、圧力室内に供給する高圧空気の圧力を最適の研磨圧力が発揮されるように設定していたとしても、研磨の進行、すなわちドライブリングの撓み状態の変化とともに研磨圧力は最適の値から変化してしまっていた。このため特に、Low−K材のように極めて低い研磨圧力でしか研磨できない脆弱な材料からなる被研磨物に対しては、上記ドライブリングの撓みに起因する研磨圧力の変化は最終的な研磨状態に大きな影響（例えば材料自体の破壊）を与えるものであった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、研磨の進行に従って研磨パッドの厚さが減少しても、研磨工程全体を通じて研磨圧力をほぼ一定に保ち得る研磨装置及び研磨方法を提供することを目的としている。また本発明は、このような研磨方法を用いた半導体デバイスの製造方法及びこの半導体デバイスの製造方法により製造された半導体デバイスを提供することを目的としている。

このような目的を達成するため、本発明に係る研磨装置は、下方に開口した中空形状の保持体、保持体の下部に水平に取付けられた可撓性のある薄板部材、薄板部材の下面に取付けられたプレート部材及びプレート部材の下面に取付けられた研磨パッドを有して構成された研磨ヘッドと、保持体と薄板部材との間に形成された圧力室内に空気圧を供給する空気圧供給手段と、上方からの押付け荷重を検出する押付け荷重検出手段と、押付け荷重検出手段の上方位置に研磨ヘッドを位置させたうえで、押付け荷重検出手段の荷重検出面と研磨ヘッドとの間の距離を所定間隔に保ち、研磨パッドを押付け荷重検出手段の荷重検出面に接触させた状態で空気圧供給手段より圧力室内に空気圧を供給させ、押付け荷重検出手段により検出される研磨ヘッドからの押付け荷重が予め定めた目標値と一致したときの空気圧を研磨時供給圧力として検出する研磨時供給圧力検出手段と、被研磨物の上方位置に研磨ヘッドを位置させたうえで、被研磨物の表面と研磨ヘッドとの間の距離を上記所定間隔に保ち、研磨パッドを被研磨物の表面に接触させた状態で空気圧供給手段より圧力室内に空気圧を供給させ、圧力室内の圧力を研磨時供給圧力検出手段により検出された研磨時供給圧力に保持した状態で被研磨物と研磨ヘッドとを相対移動させて被研磨物の研磨を行う研磨実行手段と、研磨時供給圧力検出手段による研磨時供給圧力の検出と研磨実行手段による被研磨物の研磨とを交互に行わせる制御手段とを備える。ここで、上記押付け荷重検出手段の荷重検出面と被研磨物の表面とは同じ高さに位置していることが好ましい。

また、本発明に係る研磨方法は、下方に開口した中空形状の保持体、保持体の下部に水平に取付けられた可撓性のある薄板部材、薄板部材の下面に取付けられたプレート部材及びプレート部材の下面に取付けられた研磨パッドを有して構成された研磨ヘッドを備えた研磨装置を用いて被研磨物の研磨を行う研磨方法において、上方からの押付け荷重を検出する押付け荷重検出手段の上方位置に研磨ヘッドを位置させたうえで、押付け荷重検出手段の荷重検出面と研磨ヘッドとの間の距離を所定間隔に保ち、研磨パッドを押付け荷重検出手段の荷重検出面に接触させた状態で圧力室内に空気圧を供給させ、押付け荷重検出手段により検出される研磨ヘッドからの押付け荷重が予め定めた目標値と一致したときの空気圧を研磨時供給圧力として検出する第１の工程と、被研磨物の上方位置に研磨ヘッドを位置させたうえで、被研磨物の表面と研磨ヘッドとの間の距離を上記所定間隔に保ち、研磨パッドを被研磨物の表面に接触させた状態で圧力室内に空気圧を供給させ、圧力室内の圧力を第１の工程において検出した研磨時供給圧力に保持した状態で被研磨物と研磨ヘッドとを相対移動させて被研磨物の研磨を行う第２の工程とを有し、第１の工程と第２の工程とを交互に行うようになっている。

また、本発明に係る半導体デバイス製造方法は、上記被研磨物が半導体ウエハであり、上記本発明に係る研磨方法を用いて前記半導体ウエハの表面を平坦化する工程を有する。また、本発明に係る半導体デバイスは、上記本発明に係る半導体デバイス製造方法により製造される。

本発明に係る研磨装置及び研磨方法によれば、研磨工程全体を通じて研磨圧力（被研磨物の研磨中における研磨パッドと被研磨物との間の接触圧力）がほぼ一定となる最適な研磨状態で被研磨物の研磨を行うことが可能である。

また、本発明に係る半導体デバイス製造方法によれば、製造される半導体デバイスの歩留まりを向上させることができる。また、本発明に係る半導体デバイスによれば、平坦度の高い被研磨物が用いられることとなるので、配線の絶縁不良やショートなどの不具合の少ない、性能のよいデバイスとなる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は本発明に係る研磨方法を行うのに最適な研磨装置たるＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）装置１であり、本発明に係る研磨装置の一実施形態を示している。このＣＭＰ装置１は水平な基台２、基台２上に設けられて被研磨物たる半導体ウエハ（以下、単にウエハと称する）Ｗをその上面において保持する回転定盤５、研磨パッド４２を下面に有した研磨ヘッド２０及びこの研磨ヘッド２０を移動させる研磨ヘッド移動機構３を備えて構成されている。このＣＭＰ装置１では、研磨パッド４２の直径はウエハＷの直径よりも小さく、研磨パッド４２をウエハＷに上方から接触させた状態で双方を相対移動させることにより、ウエハＷの表面Ｓｆ全体を研磨できるようになっている。

回転定盤５は基台２上に設置されたテーブル支持部４から上方に延びて設けられた回転軸５ａの上端部に水平姿勢に取付けられている。回転軸５ａはテーブル支持部４に内蔵された第１電動モータＭ１を制御装置６０から回転駆動制御することによって上下軸回りに回転させることができ、これにより回転定盤５を水平面内で回転させることが可能である（図４参照）。回転定盤５の上面には真空吸着機構（図示せず）が設けられており、回転定盤５の上面にウエハＷを載置した状態で真空吸着機構内の空気を吸引することにより、回転定盤５の上面にウエハＷを吸着保持することができる。真空吸着機構における空気通路中には所定の負圧を検出したときにオンとなる圧力スイッチ７１が設けられており、制御装置６０はこの圧力スイッチ７１が出力したオン信号を受けて、回転定盤５にウエハＷが真空吸着保持されている状態を検知できるようになっている（図４参照）。

研磨ヘッド２０を移動させる研磨ヘッド移動機構３は、基台２上に設けられた第１ステージ６、この第１ステージ６から垂直上方に延びて設けられた垂直フレーム７、この垂直フレーム７上を移動自在に設けられた第２ステージ８、この第２ステージ８から水平に延びて設けられた水平フレーム９、この水平フレーム９上を移動自在に設けられた第３ステージ１０、基台２に対して第２ステージ８と第３ステージ１０を移動させる第２〜第４電動モータＭ２，Ｍ３，Ｍ４及び研磨ヘッド２０を第３ステージ１０に対して上下移動させる空気圧シリンダ１５等から構成されている。

垂直フレーム７は第１ステージ６に内蔵された第２電動モータＭ２を制御装置６０から回転駆動制御することによって上下軸まわりに回転作動させることができ、第２ステージ８は第２ステージ８に内蔵された第３電動モータＭ３を制御装置６０から回転駆動制御することによって垂直フレーム７に沿って上下方向に移動させることができ、第３ステージ１０は第３ステージ１０に内蔵された第４電動モータＭ４を制御装置６０から回転駆動制御することによって水平フレーム９に沿って移動させることができる（図４参照）。このため、上記電動モータＭ２，Ｍ３，Ｍ４の回転動作を組み合わせることにより、第３ステージ１０を基台２上方の任意の位置に移動させることが可能である。

図１及び図２に示すように、第３ステージ１０内に断面円筒状に設けられたスピンドル支持部１１には中空円筒状のスピンドル回転保持部材１４が上下方向に延びて設けられており、このスピンドル回転保持部材１４はスピンドル支持部１１との間に設けられたスラストベアリングＢＲ１によって昇降移動（上下方向移動）自在に保持されている。スピンドル回転保持部材１４内にはスピンドル１６が上下方向に延びて設けられており、スピンドル回転保持部材１４との間に設けられたラジアルベアリングＢＲ２によって上下軸まわり回転自在に保持されている。

研磨ヘッド２０はスピンドル１６の下端部に取付けられている。スピンドル１６は第３ステージ１０に内蔵された第５電動モータＭ５を制御装置６０から回転駆動制御することによって上下軸回りに回転させることができ（図４参照）、これにより研磨ヘッド２０全体を回転させて研磨パッド４２を水平面内で回転させることが可能である。

研磨ヘッド２０は図３に示すように、下方に開口した中空形状の研磨体保持体２１と、この研磨体保持体２１の下部に水平に取付けられた円盤状のドライブリング２６と、このドライブリング２６の下面にドライブリング２６と一定間隔をおいて設けられた円盤状のダイアフラム２７と、このダイアフラム２７の下面側に設けられた厚板円盤状の第１プレート２９と、この第１プレート２９の下面に吸着取付けされた研磨体４０とを有して構成されている。ここで、上記ドライブリング２６とダイアフラム２７とは、特許請求の範囲における薄板部材を構成している。

研磨体保持体２１はスピンドル１６の下部に取付けられた筒状部２２と、筒状部２２に螺子Ｎ１により結合されて下方に拡がる形状を有した傘状部２３と、傘状部２３の下部に螺子Ｎ２により結合されたストッパ部材保持リング２４と、このストッパ部材保持リング２４の下部に螺子Ｎ３により結合され、内周面の下部に内方に突出して延びて設けられたストッパ２５ａを有したリング状のストッパ部材２５とから構成されている。

ドライブリング２６は金属等の可撓性のある薄板部材からなっており、ダイアフラム２７はゴム等の弾性材料から構成されている。これらドライブリング２６とダイアフラム２７は、ストッパ部材保持リング２４と、ストッパ部材保持リング２４の下方に設けられた薄板状の金属板からなるリング状プレート２８との間に挟持されるようにして取付けられている。リング状プレート２８は螺子Ｎ４によりストッパ部材保持リング２４に結合されており、したがってドライブリング２６及びダイアフラム２７はそれぞれの外周縁が研磨体保持体２１に固定された状態となっている。

第１プレート２９は上面をダイアフラム２７の下面に接した状態で、螺子Ｎ５，Ｎ６により結合用プレート３０とともに共締めされている。このため第１プレート２９はドライブリング２６及びダイアフラム２７を介して研磨体保持体２１と連結された状態となっている。第１プレート２９の内部には下面に複数の吸着開口を有する空気吸入路２９ａが形成されており、この空気吸入路２９ａの一端側は結合用プレート３０内を延びて外部（結合用プレート３０の上方）に開口している。この開口部にはスピンドル１６の内部を上下方向に貫通形成された高圧空気供給路１６ａ内を上下方向に延びた空気吸入管１７の端部が接続されており、空気吸入管１７はＣＭＰ装置１の外部に延びて真空源５４に繋げられている。

研磨体４０は第１プレート２９とほぼ同じ外径を有する厚板円盤状の第２プレート４１と、この第２プレート４１の下面に取付けられた円盤状（或いはリング状）の研磨パッド４２とから構成される。研磨パッド４２はウエハＷの研磨等により次第に摩耗劣化していく消耗品であり、その交換作業を容易にするため、第２プレート４１の下面に接着剤や粘着テープ等により着脱自在に取付け可能になっている。なお、上記第２プレート４１と前述の第１プレート２９とは、特許請求の範囲におけるプレート部材を構成している。

真空源５４は制御装置６０よりその作動制御が可能であり（図４参照）、研磨体４０は、第１プレート２９の下面側に第２プレート４１を位置させた状態で制御装置６０から真空源５４の作動制御を行い、上記空気吸入管１７及び空気吸入路２９ａ内の空気を吸入することにより、第２プレート４１を第１プレート２９の下面に吸着取付けすることが可能である。なお、第２プレート４１はこれに取付けられる芯出しピン４３と位置決めピン４４とにより、第１プレート２９に対する芯出しと回転方向の位置決めとがなされるようになっている。

第１プレート２９は、研磨パッド４２がウエハＷの表面Ｓｆと接触していない状態では、研磨体保持体２１のストッパ２５ａに上方から当接した状態となる（図２（Ａ），（Ｂ）参照）。研磨体保持体２１と第１プレート２９とを結合しているドライブリング２６及びダイアフラム２７は可撓性があるため、第１プレート２９がストッパ２５ａに当接している状態では下方に撓んだ（変形した）状態となっているが、その変形量はドライブリング２６が塑性変形しない領域内に（弾性領域に）抑えられている。

第３ステージ１０内には空気圧シリンダ１５が上下方向に延びて設けられており、この空気圧シリンダ１５を構成するピストンロッド１５ａの下端部には前述のスピンドル１６が取付けられている。空気圧シリンダ１５は制御装置６０からの作動制御によって伸縮作動させる（ピストンロッド１５ａを上下移動させる）ことができ（図４参照）、これによりスピンドル１６を上下方向に移動させることが可能である。空気圧シリンダ１５は図２（Ａ）に示す収縮位置と図２（Ｂ）に示す伸長位置とのいずれか一方の位置のみをとることができ、空気圧シリンダ１５の伸長位置では、スピンドル回転保持部材１４は第３ステージ１０内部の下限ストッパ取付け部１２に取付けられた下限ストッパ１３（図２参照）に上方から当接し、それ以上の下方移動が規制されるようになっている。下限ストッパ１３は下限ストッパ取付け部１２に対する上下方向取付け位置を変化させることができ、本実施形態では、スピンドル回転保持部材１４が下限ストッパ１３に上方から当接した時点において研磨パッド４２が回転定盤５に保持されたウエハＷの表面Ｓｆに接触し、第１プレート２９はストッパ２５ａから上方に離間してドライブリング２６及びダイアフラム２７はともにやや下方に撓んだ姿勢となるように下限ストッパ１３の位置が予め調節されている。

研磨体保持体２１の傘状部２３の内壁とダイアフラム２７とにより形成される空間は研磨ヘッド２０の圧力室３１を構成しており、この圧力室３１はスピンドル１６の内部に形成された前述の高圧空気供給路１６ａと連通している。高圧空気供給路１６ａは図示しない管路を介して研磨ヘッド２０の外部に設けられた高圧空気供給装置５１（図３参照）と繋がっており、高圧空気供給装置５１は制御装置６０からの作動指令信号に基づいて作動し、高圧空気供給路１６ａを介して圧力室３１内に高圧空気（空気圧）を圧送供給するようになっている（図４参照）。圧力室３１内に高圧空気が供給されて圧力室３１内の圧力が高められると、研磨体４０にはドライブリング２６及びダイアフラム２７を介して下方への付勢力が作用するため、空気圧シリンダ１５が伸長位置にあり、研磨パッド４２がウエハＷの表面Ｓｆに接触している状態であれば、圧力室３１内の圧力の大きさを加減することによって、研磨パッド４２とウエハＷ（或いは後述するロードセル８１の荷重検出面８１ａ）との間の接触圧力を所望に調整することが可能である。なお、圧力室３１内に供給された高圧空気の圧力は、高圧空気供給装置５１と圧力室３１との間を繋ぐ図示しない管路中若しくは圧力室３１内に設けられた圧力検出器７２によって検出され、その検出情報は制御装置６０に送られるようになっている（図４参照）。

図３に示すように、スピンドル１６の内部に形成された高圧空気供給路１６ａ内には研磨ヘッド２０の外部に設けられた研磨液供給装置５２（図３参照）と繋がる研磨液供給管５３が延びており、研磨液供給管５３の端部は結合用プレート３０内を上下方向に貫通する研磨液流路３０ａの上部に接続されている。また、芯出しピン４３内には研磨液流路４３ａが上下方向に延びて設けられており、この研磨液流路４３ａは第２プレート４１内を延びてその下面に開口した研磨液流路４１ａに連通している。研磨液供給装置５２は制御装置６０からの作動指令信号に基づいて作動し、研磨液供給管５３内に研磨液を供給するが（図４参照）、その研磨液は更に研磨液流路３０ａ，４３ａ，４１ａ内を流れて研磨パッド４２の研磨面（下面）に流出するようになっている。

基台２上の回転定盤５に隣接した位置には、図１に示すように荷重検査台８０が設けられている。この荷重検査台８０にはロードセル８１（押付け荷重検出手段）がその上面に当たる荷重検出面（上面）８１ａを露出する姿勢で保持されており、荷重検出面８１ａに作用する上方からの押付け荷重を検出してその検出情報を制御装置６０に出力するようになっている（図４参照）。ここで、ロードセル８１の荷重検出面８１ａは研磨パッド４２の研磨面の全域をカバーできる大きさを有しており、研磨パッド４２をロードセル８１に接触させた状態では、その接触面積は研磨パッド４２の研磨面（下面）の面積に一致するようになっている。ここで、上記荷重検査台８０はロードセル８１を組込むための専用部品として設けられるものであってもよいが、既存の設備、例えば交換用の研磨体４０を載置しておく研磨体交換台（図示せず）等であってもよい。或いは、回転定盤５がその上下回転軸回りに複数のウエハＷを載置する部分を有している構成であるのであれば、そのうちの１つを利用してそこにロードセル８１を組込むようにしてもよい。

ここで、ロードセル８１の荷重検出面８１ａは、回転定盤５に保持されたウエハＷの表面Ｓｆと同じ高さになるように設定されている。一方、スピンドル回転保持部材１４の下方移動は常に下限ストッパ１３により制限されるため、研磨パッド４２がロードセル８１の荷重検出面８１ａに接触した状態における研磨ヘッド２０とロードセル８１の荷重検出面８１ａとの間の上下方向距離は、研磨パッド４２がウエハＷの表面Ｓｆに接触した状態における研磨ヘッド２０とウエハＷの表面Ｓｆとの間の上下方向距離と等しくなり、研磨パッド４２がロードセル８１の荷重検出面８１ａに接触した状態では、研磨パッド４２がウエハＷの表面Ｓｆに接触した状態と同じ量だけ、第１プレート２９はストッパ２５ａから上方に離間し、ドライブリング２６及びダイアフラム２７はともにやや下方に撓んだ姿勢となる。

このような構成のＣＭＰ装置１では、研磨工程全体を通じて研磨圧力がほぼ一定となる最適な研磨状態でウエハＷの
研磨を行うことが可能であり、以下に図５を用いてその研磨手順を説明する。

ＣＭＰ装置１を用いてウエハＷの研磨を行う前に、オペレータは先ず、研磨圧力の目標値（目標研磨圧力）ｐ₀を決定し、制御装置６０に設けられた入力装置６１（図４参照）からその値を入力する（ステップＳ１）。ここで研磨圧力とは、ウエハＷの研磨中における研磨パッド４２とウエハＷとの間の接触圧力のことである。制御装置６０は、入力された目標研磨圧力ｐ₀の値と研磨パッド４２の面積（研磨面の面積）Ｓとから、研磨中にウエハＷの表面に作用する研磨ヘッド２０からの押付け荷重（＝ｐ₀×Ｓ）を算出し、その値を押付け荷重の目標値Ｐとして、記憶部６２（図４参照）に記憶する（ステップＳ２）。また、オペレータは、上記目標研磨圧力ｐ₀の入力とともに、研磨しようとするウエハＷの総枚数及び後述するキャリブレーションを行う間隔を規定するウエハＷの枚数（インターバル枚数）の入力を上記入力装置６１より行う。

制御装置６０は上記のようにして研磨ヘッド２０からの押付け荷重の目標値Ｐを算出した後、第２電動モータＭ２、第３電動モータＭ３及び第４電動モータＭ４の回転作動制御を行って、研磨ヘッド２０をロードセル８１の上方に移動させる（ステップＳ３）。そして、空気圧シリンダ１５を伸長作動させて研磨パッド４２をロードセル８１の荷重検出面８１ａに上方から接触させた後（研磨パッド４２がロードセル８１の荷重検出面８１ａに接触した状態では、スピンドル回転保持部材１４は下限ストッパ１３に上方から当接している）、高圧空気供給装置５１の作動制御を行って圧力室３１内に高圧空気を供給する（ステップＳ４）。これにより圧力室３１内の圧力は高められ、研磨パッド４２はドライブリング２６、ダイアフラム２７、第１プレート２９及び第２プレート４１を介してロードセル８１の荷重検出面８１ａに押付けられる。

続いて制御装置６０は、高圧空気供給装置５１から圧力室３１内に供給される圧力を変化させつつ、ロードセル８１により検出される研磨ヘッド２０からの押付け荷重をモニターし、ロードセル８１により検出される研磨ヘッド２０からの押付け荷重がステップＳ２において算出・記憶した押付け荷重の目標値Ｐと一致したときの圧力室３１内の圧力を圧力検出器７２の出力から読取り（検出し）、その値を「研磨時供給圧力ｐｐ」として記憶部６２に記憶する（ステップＳ５）。ここで、制御装置６０と、研磨ヘッド移動機構３と、圧力検出器７２とは、特許請求の範囲における研磨時供給圧力検出手段に相当している。制御装置６０は、ロードセル８１により検出される研磨ヘッド２０からの押付け荷重が記憶部６２に記憶した押付け荷重の目標値Ｐに一致した後は、高圧空気供給装置５１の作動制御を行って圧力室３１内の空気を抜き、空気圧シリンダ１５を収縮作動させてスピンドル回転保持部材１４を上昇移動させ、研磨パッド４２をロードセル８１の荷重検出面８１ａから離間させる（ステップＳ６）。

制御装置６０は続いて、前述の圧力スイッチ７１からの出力に基づいて回転定盤５にウエハＷが保持されている状態を確認したうえで、第１電動モータＭ１を駆動して回転定盤５を水平面内で回転させるとともに、第２電動モータＭ２、第３電動モータＭ３及び第４電動モータＭ４の回転駆動制御を行って第３移動ステージ１０をウエハＷの上方に移動させる（ステップＳ７）。そして、第５電動モータＭ５によりスピンドル１６を駆動して研磨ヘッド２０の回転を開始するとともに空気圧シリンダ１５を伸長作動させて研磨パッド４２をウエハＷの表面Ｓｆに上方から接触させた後（研磨パッド４２がウエハＷの表面Ｓｆに接触した状態では、スピンドル回転保持部材１４は下限ストッパ１３に上方から当接している）、高圧空気供給装置５１の作動制御を行って圧力室３１内に高圧空気を供給する（ステップＳ８）。これにより圧力室３１内の圧力は高められ、研磨パッド４２は研磨時供給圧力ｐｐの検出時と同様、ドライブリング２６、ダイアフラム２７、第１プレート２９及び第２プレート４１を介してウエハＷの表面Ｓｆに押付けられる。

圧力室３１内の圧力が上昇し、圧力検出器７２により検出される圧力室３１内の圧力がステップＳ５において記憶部６２に記憶した研磨時供給圧力ｐｐの値に一致したら、制御装置６０は圧力室３１内への高圧空気の供給を停止し、圧力室３１内の圧力を研磨時供給圧力ｐｐに保持する（ステップＳ９）。このように圧力室３１内の圧力が研磨時供給圧力ｐｐに保持されたら、ウエハＷの実際の研磨を開始する。

ここで、ウエハＷの研磨開始時点における研磨パッド４２とウエハＷとの間の接触圧力を図６に基づいて考えると、前述のように、研磨開始時点、すなわち研磨パッド４２がウエハＷの表面Ｓｆに接触した状態における研磨ヘッド２０とウエハＷの表面Ｓｆと研磨ヘッド２０との間の上下方向距離と、研磨時供給圧力ｐｐの検出時、すなわち研磨パッド４２がロードセル８１の荷重検出面８１ａに接触した状態における研磨ヘッド２０とロードセル８１の荷重検出面８１ａとの間の上下方向距離とは同じであるので、研磨開始時点におけるドライブリング２６及びダイアフラム２７の撓み量Δｈ１と研磨時供給圧力ｐｐの検出時におけるドライブリング２６及びダイアフラム２７の撓み量Δｈ２とは同じである。従って、研磨開始時点においてドライブリング２６及びダイアフラム２７が研磨体４０を上方へ引き上げている力（復元力Ｆｄ１）は研磨時供給圧力ｐｐの検出時においてドライブリング２６及びダイアフラム２７が研磨パッド４２を含む研磨体を上方へ引き上げていた力（復元力Ｆｄ２）と同じである。一方、研磨開始時点における圧力室３１内の圧力は研磨時供給圧力ｐｐに一致しているので、研磨開始時点においてウエハＷが研磨ヘッド２０から受けている押付け力と研磨時供給圧力ｐｐの検出時においてロードセル８１が研磨ヘッド２０から受けていた押付け力とは同じであり、結果として、研磨開始時点における研磨パッド４２とウエハＷとの間の接触圧力は、オペレータがステップＳ１において決定（入力）した目標研磨圧力ｐ₀に一致することになり、上記ステップＳ９が終了した状態からウエハＷの研磨を行えば、予め決定した目標研磨圧力ｐ₀でウエハＷの研磨を行うことが可能となる。

制御装置６０は、第２電動モータＭ２及び第４電動モータＭ４の回転駆動制御を行って研磨ヘッド２０を水平面内（すなわち、ウエハＷと研磨パッド４２との接触面の面内方向）において揺動させることにより、ウエハＷの研磨を行う（ステップＳ１０）。このウエハＷの研磨中には、制御装置６０から研磨液供給装置５２の作動制御を行って、研磨パッド４２の下面側に研磨液（シリカ粒を含んだスラリー）が供給されるようにする。これによりウエハＷの表面Ｓｆは、研磨液の供給を受けつつ、ウエハＷ自身の回転運動と研磨ヘッド２０の（すなわち研磨パッド４２の）回転及び揺動運動とにより満遍なく研磨される。ここで、制御装置６０と、研磨ヘッド移動機構３と、研磨液供給装置５２とは、特許請求の範囲における研磨実行手段に相当している。なお、第１プレート２９は可撓性のあるドライブリング２６を介して取付けられているため面外方向への微小変形が可能であり、ＣＭＰ装置１各部の組み付け誤差等により、回転定盤５の回転軸５ａと研磨ヘッド２０の回転軸（スピンドル１６）との平行度が充分でなかった場合であっても、第１プレート２９及び第２プレート４１はこれに応じてフレキシブルに傾動（追従）するようになり、ウエハＷと研磨パッド４２との接触状態は良好に保たれる。

ウエハＷ１枚の研磨が終了すると、制御装置６０は空気圧シリンダ１５を収縮作動させてスピンドル回転保持部材１４を上昇移動させ、研磨パッド４２をウエハＷの表面Ｓｆから離間させる（ステップＳ１１）。そして、図示しないドレッサの上方に研磨ヘッド２０を移動させて、研磨パッド４２のドレスを行う（ステップＳ１２）。この研磨パッド４２のドレスは、研磨パッド４２の研磨面に付着したウエハＷの削りかすなどのごみを除去するとともに、研磨パッド４２の研磨面を平らにするために研磨パッド４２の表面を若干量削ぎ落とす工程であり、上記ドレッサは上方に削り面を有した回転工具からなる。

研磨パッド４２のドレスが終了したら、制御装置６０は予め設定しておいた（ステップＳ２において入力した）枚数のウエハＷの研磨が終了したか、すなわち全ての研磨工程が終了したか否かの判断を行う（ステップＳ１３）。ここで、予め設定しておいた枚数の研磨が終了した場合には研磨工程を終了し、予め設定しておいた枚数の研磨が終了していなかった場合には、続いて研磨時供給圧力ｐｐのキャリブレーションを行うか否かの判断を行う（ステップＳ１４）。研磨時供給圧力ｐｐのキャリブレーションを行うか否かは、例えば、予め設定しておいた（ステップＳ２において入力した）枚数（インターバル枚数）のウエハＷの研磨が終了したかどうかによって判断する。

ウエハＷの研磨工程が進むと研磨パッド４２の研磨面は摩耗し、また研磨パッド４２のドレスによって研磨面が削り取られて研磨パッド４２の厚さは次第に減少していく。研磨パッド４２を含む研磨体４０は前述のようにドライブリング２６及びダイアフラム２７を介して研磨体保持体２１と連結されているが、研磨パッド４２の厚さの減少に伴ってウエハＷの研磨中における研磨体４０の位置が下降すると、ドライブリング２６及びダイアフラム２７の下方変形量Δｈは増大し、ドライブリング２６及びダイアフラム２７が研磨体４０を上方へ引き上げようとする力（復元力Ｆ）は増大する（図７参照）。従ってウエハＷの研磨中、圧力室３１内の圧力を研磨時供給圧力ｐｐに保持していたとしても、ドライブリング２６及びダイアフラム２７の変形によって研磨圧力は目標研磨圧力ｐ₀から変化してしまう。研磨時供給圧力ｐｐのキャリブレーションはこのような不都合を防ぐために行うものであり、キャリブレーションを行うか否かの判断（ステップＳ１４）においてキャリブレーションを行わないと判断したときにはウエハＷを交換し（ステップＳ１５）、ステップＳ７に戻って研磨工程を続行する。一方、上記キャリブレーションを行うか否かの判断（ステップＳ１４）においてキャリブレーションを行うと判断したときには、ステップＳ３に戻って研磨時供給圧力ｐｐのキャリブレーション、すなわち新たな研磨時供給圧力ｐｐの検出を行う。

ステップＳ１４からステップＳ３に戻って研磨時供給圧力ｐｐのキャリブレーションを実行すると、ステップＳ５において前回とは異なる値の研磨時供給圧力ｐｐが検出されることになるが、制御装置６０はその新たに検出された研磨時供給圧力ｐｐを記憶部６２に記憶する（前回記憶した研磨時供給圧力ｐｐの値に上書きする）。そして、ステップＳ９に至ったとき、圧力室３１内の圧力がステップＳ５において新たに記憶した研磨時供給圧力ｐｐに保持されるようにする。こうすることにより、一定枚数（インターバル枚数）のウエハＷの研磨（及びドレス）が終了するごとに、研磨中に変化した研磨圧力を目標研磨圧力ｐ₀に修正する（戻す）ことができる。

このように本実施形態において示すＣＭＰ装置１及びこのＣＭＰ装置１により行うウエハＷの研磨方法では、研磨ヘッド２０からの押付け荷重を検出するロードセル８１の上方位置に研磨ヘッド２０を位置させたうえで、ロードセル８１の荷重検出面８１ａと研磨ヘッド２０との間の距離を所定間隔に保ち、研磨パッド４２をロードセル８１の荷重検出面８１ａに接触させた状態で圧力室３１内に高圧空気を供給させ、ロードセル８１により検出される研磨ヘッド２０からの押付け荷重が予め定めた目標値と一致したときの高圧空気の圧力を研磨時供給圧力ｐｐとして検出する第１の工程（ステップＳ３〜ステップＳ６）と、ウエハＷの上方位置に研磨ヘッド２０を位置させたうえで、ウエハＷの表面Ｓｆと研磨ヘッド２０との間の距離を上記所定間隔に保ち、研磨パッド４２をウエハＷの表面Ｓｆに接触させた状態で圧力室３１内に高圧空気を供給させ、圧力室３１内の圧力を第１の工程において検出した研磨時供給圧力ｐｐに保持した状態でウエハＷと研磨ヘッド２０とを相対移動させてウエハＷの研磨を行う第２の工程（ステップＳ７〜ステップＳ１２の繰り返し工程）とを有し、これら第１の工程と第２の工程とを制御装置６０から交互に行わせるようになっている。

本実施形態において示すＣＭＰ装置１及びこのＣＭＰ装置１により行うウエハＷの研磨方法では、上記のように、ウエハＷの研磨工程において、一定枚数のウエハＷの研磨が終了した時点で、研磨パッド４２の厚さ減少によって生ずるドライブリング２６及びダイアフラム２７の撓み量変化に伴う研磨圧力の変動を修正するキャリブレーションを行うようになっているので、研磨工程全体を通じて研磨圧力がほぼ一定となる最適な研磨状態でウエハＷの研磨を行うことが可能である。そして、そのキャリブレーションは、研磨体保持体２１とプレート部材（第１プレート２９及び第２プレート４１）とを繋ぐ薄板部材（ドライブリング２６及びダイアフラム２７）の変形をウエハＷの研磨時と全く同じ状況にし、研磨ヘッド２０から受ける押付け力を直接検出して行う方式を採っているので、研磨圧力を変動させる外乱成分の影響（例えば、圧力室３１内に配置されている空気吸入１７や研磨液供給管５３などが薄板部材に与える下方荷重は、そのときの姿勢によって変化する）を全く受けることがなく、目標とする研磨圧力を発生させ得る圧力室３１内への供給圧力（圧力室３１内へ供給すべき高圧空気の圧力）を正確に検知することが可能である。

次に、本発明に係る半導体デバイスの製造方法の実施形態について説明する。図８は本発明の一実施形態に係る半導体デバイスの製造方法のプロセスを示すフローチャートである。半導体製造プロセスをスタートすると、まずステップＳ２００で次に挙げるステップＳ２０１〜Ｓ２０４の中から適切な処理工程を選択し、いずれかのステップに進む。ここで、ステップＳ２０１は半導体ウエハ（以下、ウエハと称する）の表面を酸化させる酸化工程である。ステップＳ２０２はＣＶＤ等によりウエハ表面に絶縁膜や誘電体膜を形成するＣＶＤ工程である。ステップＳ２０３はウエハに電極を蒸着等により形成する電極形成工程である。ステップＳ２０４はウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込み工程である。

ＣＶＤ工程(Ｓ２０２)もしくは電極形成工程(Ｓ２０３)の後で、ステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５はＣＭＰ工程である。ＣＭＰ工程では本発明に係る上記研磨装置（ＣＭＰ装置１）により、層間絶縁膜の平坦化や半導体デバイス表面の金属膜の研磨、誘電体膜の研磨によるダマシン（damascene）の形成等が行われる。

ＣＭＰ工程(Ｓ２０５)もしくは酸化工程(Ｓ２０１)の後でステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６はフォトリソグラフィ工程である。この工程ではウエハへのレジストの塗布、露光装置を用いた露光によるウエハへの回路パターンの焼き付け、露光したウエハの現像が行われる。さらに、次のステップＳ２０７は現像したレジスト像以外の部分をエッチングにより削り、その後レジスト剥離が行われ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くエッチング工程である。

次に、ステップＳ２０８で必要な全工程が完了したかを判断し、完了していなければステップＳ２００に戻り、先のステップを繰り返してウエハ上に回路パターンが形成される。ステップＳ２０８で全工程が完了したと判断されればエンドとなる。

このように本発明に係る半導体デバイス製造方法では、上記ＣＭＰ工程において本発明に係る研磨装置を用い、ウエハを被研磨物として研磨する。これにより、研磨されたウエハから切り出せるチップ数が増大し、製造される半導体デバイスの歩留まりを向上させることができるので、従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コストで半導体デバイスを製造することが可能となる。なお、上記半導体デバイス製造プロセス以外の半導体デバイス製造プロセスのＣＭＰ工程に上記本発明に係る研磨装置（ＣＭＰ装置１）を用いても良い。また、本発明による半導体デバイス製造方法により製造された半導体デバイスは、高歩留まりで製造されるので低コストの半導体デバイスとなる。また、これらの半導体デバイスは平坦度の高いウエハをベースにしているので、配線の絶縁不良やショートなどの不具合の少ない、性能のよいデバイスとなる。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明の範囲は上述の実施形態に示したものに限定されない。例えば、上述の実施形態では、ロードセル８１の荷重検出面８１とウエハＷの表面Ｓｆとは同じ高さに位置していたが、ロードセル８１の荷重検出面８１とウエハＷの表面Ｓｆとは必ずしも同じ高さに位置していなくてもよい。しかし、このような構成を採る場合であっても、研磨時供給圧力ｐｐの検出時におけるロードセル８１の荷重検出面８１ａと研磨ヘッド２０との間の上下方向距離と、ウエハＷの研磨時におけるウエハＷの表面Ｓｆと研磨ヘッド２０との間の上下方向距離とは等しくする必要があるので、この点、上述の実施形態のように、ロードセル８１の荷重検出面８１とウエハＷの表面Ｓｆとが同じ高さに位置しているのであれば、研磨ヘッド２０の下限移動位置が一定になるようにするだけで、研磨時供給圧力ｐｐの検出時におけるロードセル８１の荷重検出面８１ａと研磨ヘッド２０との間の上下方向距離と、ウエハＷの研磨時におけるウエハＷの表面Ｓｆと研磨ヘッド２０との間の上下方向距離とを等しくすることができ、構成を非常に簡単なものとすることができる。

また、上述の実施形態に示したＣＭＰ装置１は、ドライブリング２６及びダイアフラム２７からなる薄板部材がウエハＷの研磨の全工程において下方に撓むように構成されたものであったが、薄板部材がウエハＷの研磨の全工程において上方に撓む構成としてもよい。この場合には、研磨パッド４２の厚さ減少に従って薄板部材の変形は小さくなっていき、撓みのない中立姿勢に近づくことになる（また、薄板部材は研磨体４０を下方に押し下げるように作用する）が、薄板部材が中立位置を超えて下方への撓みに反転することがないようにする必要がある。撓みが中立位置を超えて下方への撓みに反転すると、その反転する近傍領域では薄板部材の撓み変形量と薄板部材が研磨体４０に及ぼす荷重との関係が不規則になる可能性があり、ウエハＷの研磨状態に悪影響を与える恐れがあるからである。また、上述の実施形態では、本発明の研磨装置としてシリカ粒を含んだスラリーを供給しつつウエハの研磨を行うＣＭＰ装置を例に説明したが、本発明の研磨装置はこのようなＣＭＰ装置に限られず、ウエハの研磨装置全般に適用することが可能である。また、上述の実施形態では、本発明に係る研磨装置及び研磨方法により研磨される被研磨物は、上述の実施形態では半導体ウエハであるとしていたが、これは一例であり、被研磨物は半導体ウエハ以外のものであっても構わない。

また、上述の実施形態に示したＣＭＰ装置１は、高圧空気供給装置５１から圧力室３１内に高圧空気を供給する構成となっているが、高圧空気供給装置５１に加えて、真空ポンプを組み合わせて、それを圧力室３１内に空気圧を供給する空気圧供給装置とすることで、圧力室３１内に供給される空気圧を大気圧に対して負圧とすることも可能である。これにより、ＣＭＰ装置１の研磨圧力の範囲を広げることができる。

本発明に係る研磨装置の一実施形態であるＣＭＰ装置の構成を示す側面図である。 上記ＣＭＰ装置における研磨ヘッドの昇降機構の構成を示す図である。 上記ＣＭＰ装置における研磨ヘッドの拡大断面図である。 上記ＣＭＰ装置における制御系統を示すブロック図である。 上記ＣＭＰ装置における研磨工程の進行手順を示すフローである。 上記ＣＭＰ装置を構成するドライブリング及びダイアフラムの下方撓みを説明する研磨ヘッドの部分模式断面図であり、（Ａ）はウエハの研磨開始時に対応する図、（Ｂ）は研磨時供給圧力の検出時に対応する図である。 ドライブリング及びのダイアフラムの撓みΔｈと復元力Ｆｄとの関係を示すグラフである。 本発明に係る半導体デバイス製造方法の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ＣＭＰ装置
２０ 研磨ヘッド
２１ 研磨体保持体
２６ ドライブリング
２７ ダイアフラム
２９ 第１プレート
３１ 圧力室
４１ 第２プレート
４２ 研磨パッド
５１ 高圧空気供給装置
６０ 制御装置
７２ 圧力検出器
８１ ロードセル
Ｗ 半導体ウエハ

Claims (5)

1. 下方に開口した中空形状の保持体、前記保持体の下部に水平に取付けられた可撓性のある薄板部材、前記薄板部材の下面に取付けられたプレート部材及び前記プレート部材の下面に取付けられた研磨パッドを有して構成された研磨ヘッドと、
   前記保持体と前記薄板部材との間に形成された圧力室内に空気圧を供給する空気圧供給手段と、
   上方からの押付け荷重を検出する押付け荷重検出手段と、
   前記押付け荷重検出手段の上方位置に前記研磨ヘッドを位置させたうえで、前記押付け荷重検出手段の荷重検出面と前記研磨ヘッドとの間の距離を所定間隔に保ち、前記研磨パッドを前記押付け荷重検出手段の荷重検出面に接触させた状態で前記空気圧供給手段より前記圧力室内に空気圧を供給させ、前記押付け荷重検出手段により検出される前記研磨ヘッドからの押付け荷重が予め定めた目標値と一致したときの前記空気圧を研磨時供給圧力として検出する研磨時供給圧力検出手段と、
   前記被研磨物の上方位置に前記研磨ヘッドを位置させたうえで、前記被研磨物の表面と前記研磨ヘッドとの間の距離を前記所定間隔に保ち、前記研磨パッドを前記被研磨物の表面に接触させた状態で前記空気圧供給手段より前記圧力室内に空気圧を供給させ、前記圧力室内の圧力を前記研磨時供給圧力検出手段により検出された前記研磨時供給圧力に保持した状態で前記被研磨物と前記研磨ヘッドとを相対移動させて前記被研磨物の研磨を行う研磨実行手段と、
   前記研磨時供給圧力検出手段による前記研磨時供給圧力の検出と前記研磨実行手段による前記被研磨物の研磨とを交互に行わせる制御手段とを備えたことを特徴とする研磨装置。
2. 前記押付け荷重検出手段の前記荷重検出面と前記被研磨物の表面とは同じ高さに位置していることを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
3. 下方に開口した中空形状の保持体、前記保持体の下部に水平に取付けられた可撓性のある薄板部材、前記薄板部材の下面に取付けられたプレート部材及び前記プレート部材の下面に取付けられた研磨パッドを有して構成された研磨ヘッドを備えた研磨装置を用いて被研磨物の研磨を行う研磨方法において、
   上方からの押付け荷重を検出する押付け荷重検出手段の上方位置に前記研磨ヘッドを位置させたうえで、前記押付け荷重検出手段の荷重検出面と前記研磨ヘッドとの間の距離を所定間隔に保ち、前記研磨パッドを前記押付け荷重検出手段の前記荷重検出面に接触させた状態で前記圧力室内に空気圧を供給させ、前記押付け荷重検出手段により検出される前記研磨ヘッドからの押付け荷重が予め定めた目標値と一致したときの空気圧を研磨時供給圧力として検出する第１の工程と、
   前記被研磨物の上方位置に前記研磨ヘッドを位置させたうえで、前記被研磨物の表面と前記研磨ヘッドとの間の距離を前記所定間隔に保ち、前記研磨パッドを前記被研磨物の表面に接触させた状態で前記圧力室内に空気圧を供給させ、前記圧力室内の圧力を前記第１の工程において検出した前記研磨時供給圧力に保持した状態で前記被研磨物と前記研磨ヘッドとを相対移動させて前記被研磨物の研磨を行う第２の工程とを有し、
   前記第１の工程と前記第２の工程とを交互に行うことを特徴とする研磨方法。
4. 前記被研磨物が半導体ウエハであり、請求項３に記載の研磨方法を用いて前記半導体ウエハの表面を平坦化する工程を有したことを特徴とする半導体デバイス製造方法。
5. 請求項４に記載の半導体デバイス製造方法により製造されたことを特徴とする半導体デバイス。

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