JP2008028232A - 半導体基板研磨装置および半導体基板研磨方法、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度に安定して平坦化を行うことが可能で、資材低減（スラリ節約）および省スペース化を図る。
【解決手段】 水平方向に対して傾斜した回転軸心を有する研磨盤１と、この研磨盤１の表面に設けられた研磨パッド１ａと、研磨盤１上に設けられた研磨パッド１ａの部分を研磨パッド１ａ上を開口した状態で収容する研磨処理容器２と、半導体基板３０を保持すると共に研磨時に回転しながら半導体基板３０を研磨パッド１ａの表面に押圧する加圧ヘッド３と、スラリ４１を研磨パッド１ａの上端部表面上に供給する研磨液供給手段４と、研磨処理と同時に使用済み研磨液（スラリ４１）を沈降槽７４と濾過フィルタ７６を介して循環再生可能な研磨液循環再生手段７とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜などをＣＭＰ法などにより研磨する際に用いられる半導体基板研磨装置およびこれを用いた半導体基板研磨方法、この半導体基板研磨装置を用いた半導体装置の製造方法に関する。

従来より半導体素子に対する高集積化要求が進展するに伴って、半導体基板上に形成される回路配線パターンの高密度化および多層化が進んでおり、半導体基板上に回路配線パターンを形成する際に露光面となる半導体基板の平坦度が高精度に要求されている。

そこで、半導体基板の高精度な平坦化を実現する手段として、化学的機械研磨法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：以下、ＣＭＰ法という）が広く用いられている。このＣＭＰ法は、ＬＳＩ製造工程、特に多層配線形成工程における層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成および埋め込み配線形成などにおいて頻繁に利用される技術である。

従来、ＣＭＰ法では、研磨剤を含む研磨液（以下、スラリという）と被研磨膜との間に化学反応を起こさせ、形成された反応層を機械的な荷重印加によって除去することによって被研磨膜を平坦化している。即ち、ＣＭＰ法は、化学反応作用と機械研磨作用とを併用して、半導体基板（ウェハ）の表面に形成された被研磨膜を研磨して平坦化するものである。

この研磨液には、例えば、コロイド状ＳｉＯ_２、酸化セリウムＣｅＯ_２、アルミナＡｌ_２Ｏ_３の微細粒子（数十ｎｍ〜数ｎｍ）などの研磨剤が含有され、さらに、添加薬剤としてＫＯＨ、ＮＨ_４ＯＨ、有機酸、アミン類などのｐＨ調整剤なども添加されている。

従来の一般的なＣＭＰ装置では、例えば非特許文献１に記載されているような従来の水平型ＣＭＰ装置によって、被研磨半導体基板が水平に保持されてその表面研磨が行われている。これを図５を用いて詳細に説明する。

図５は、従来の水平型ＣＭＰ装置の概略構成例を模式的に示す縦断面図である。

図５において、従来の水平型ＣＭＰ装置２０は、表面（上面）にポリウレタンなどからなる研磨パッド２１ａが設けられた研磨盤２１と、被研磨物である半導体基板３０を基板保持部２２ａで保持しながら回転および揺動を可能とする加圧ヘッド２２と、研磨パッド２１の表面の目立てを行って研磨性能の安定化を図る図示しないドレッサーと、研磨パッド２１の中央部に研磨液２３ａを供給可能とする研磨液供給手段２３と、研磨部材の乾燥を防止する図示しない水噴射機構と、加圧ヘッド２２を回転可能とする第１回転駆動手段２４と、加圧ヘッド２２に固定された半導体基板３０を研磨パッド２１ａ上に押圧可能とする加圧手段２５と、この研磨盤２１およびその上の研磨パッド２１ａを回転可能とする第２回転駆動手段２６とを備えている。

半導体基板３０、研磨盤２１および加圧ヘッド２２は、共に水平に配置されている。この加圧ヘッド２２は、第１回転駆動手段２４によって回転しながら加圧手段２５によって半導体基板３０を研磨パッド２１ａの表面上に押圧する。

一方、研磨盤２１は、第２回転駆動手段２６によって回転する。この研磨中には、研磨液（スラリ）２３ａは、研磨パッド２１ａの中央付近に研磨剤供給手段２３のノズルから滴下され、研磨盤２１と加圧ヘッド２２の回転による遠心力および加圧ヘッド２２の公転移動によって研磨パッド２１ａ上をその外周側に移動する。

近年では、半導体基板の大型化に伴って、省スペース化や研磨の高精度化を図るために、例えば特許文献１に開示されているような縦型のＣＭＰ装置も提案されている。

しかしながら、この縦型のＣＭＰ装置は、研磨液を安定導入することが困難であることなどから実現には至っていない。
株式会社工業調査会１９９３年６月１日発行「電子材料１９９３年６月号」４１〜６２頁 特開平８−２５０４５７号公報

上記半導体製造プロセスに用いられる従来の水平型ＣＭＰ装置では、図５に示したように、研磨盤２１、加圧ヘッド２２、ドレッサー、研磨液供給手段２３および水噴射機構などを備えており、さらに、専用洗浄装置なども併設されるため、設置面積的に大きなスペースが必要とされる。

また、研磨中に、研磨盤２１の研磨パッド２１ａの中央付近に研磨液供給手段２３のノズルからスラリ（研磨液）２３ａが滴下され、半導体基板３０、研磨盤２１および加圧ヘッド２２共に水平に配置されており、スラリ２３ａは研磨盤２１の研磨パッド２１ａと加圧ヘッド２２との回転による遠心力および加圧ヘッド２２の公転移動によって研磨パッド２１ａ上を外周側に伝播するのみであるため、スラリ２３ａが研磨パッド２１ａ上の特定箇所に停滞し易い。

このように、スラリ２３ａが研磨パッド２１ａ上の特定箇所に停滞することは、研磨時に発生する研磨屑が、水平に置かれた研磨パッド２１ａ上に滞留し易く、その研磨屑が半導体基板３０の被研磨面の欠陥、スクラッチおよび研磨の不均一性といった悪影響を生じさせる原因になっている。

一方、この従来のＣＭＰ装置において、スラリ２３ａの廃液を再利用したいという要請がある。研磨に用いられたスラリ２３ａには、研磨剤（砥粒）の微粒子が凝集肥大化しているものの、砥粒１粒ずつの粒径としては、研磨前の数ｎｍ〜数１００ｎｍが維持されており、研磨可能な状態である。一方で、粒径５μｍ以上の粗大粒子が少なからず含まれており、この粗大粒子が被研磨面にスクラッチを発生させる原因となっている。よって、半導体基板の研磨に用いられたＣＭＰスラリ廃液から被研磨材、研磨パッド材およびそれらと凝集した研磨剤からなる粗大粒子を充分に減らし、研磨液を再度利用可能とする場合であっても廃液中の粗大粒子が原因となるスクラッチ発生を防ぐ必要がある。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、半導体基板上に形成される層間絶縁膜などを平坦化する際の研磨安定性を向上させて被研磨面の欠陥、スクラッチおよび面内不均一性の悪化を防ぐと共に装置の小型化を図り、さらに、研磨液の使用量削減が可能で研磨液を再度利用する場合でも廃液中の粗大粒子が原因となるスクラッチ発生を防ぐことができる半導体基板研磨装置およびこれを用いた半導体基板研磨方法、この半導体基板研磨装置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する。

本発明の半導体基板研磨装置は、水平方向に対して傾斜した回転軸心の回りに回転可能とする研磨盤と、該研磨盤の表面に設けられた研磨パッドと、半導体基板を保持すると共に研磨時に回転しながら該半導体基板を該研磨パッドの表面に押圧して研磨可能とする加圧ヘッドと、研磨液を該研磨パッドの上端部表面に供給可能とする研磨液供給手段とを備え、該研磨液を該研磨パッドの表面上に沿って重力により下方へ流動させながら該半導体基板を研磨処理するものであり、そのことにより上記目的が達成される。また、本発明の半導体基板研磨装置は、水平方向に対して傾斜した回転軸心の回りに回転可能とする研磨盤と、該研磨盤の表面に設けられた研磨パッドと、該研磨パッドの表面を露出させるように該研磨盤を回転可能に収容して保持する研磨処理容器と、半導体基板を保持すると共に研磨時に回転しながら該半導体基板を該研磨パッドの表面に押圧して研磨可能とする加圧ヘッドと、研磨液を該研磨パッドの上端部表面に供給可能とする研磨液供給手段とを備え、該研磨液を該研磨パッドの表面上に沿って重力により下方へ流動させながら該半導体基板を研磨処理するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における研磨処理を化学的機械研磨により行う。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置において、前記研磨盤の回転軸心の傾斜角度θは、水平方向に対して鉛直方向側に３０°以上６０°以下である。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置において、前記研磨盤の回転軸心の傾斜角度θは、水平方向に対して鉛直方向側に４０°以上５０°以下である。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置において、前記研磨液供給手段から供給される研磨液を前記研磨パッド上に停滞することなく、重力により５００ｃｃ／ｍｉｎ以上３０００以下で安定供給する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置において、前記研磨処理に使用された研磨液中から所定粒径以上の粗大粒子を除去して該研磨液を再生し、再生された研磨液を前記研磨パッド上に再度供給するための研磨液再生循環手段をさらに備えた。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における研摩液再生循環手段は、前記研磨液中から前記粗大粒子からなる研摩屑を沈降させて除去する沈降槽を有する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における沈降槽は、使用した研磨液を回収するための受入口と、該研磨液を排出除去する排出口および、該研磨液を再利用するための取出口との間に設置されている。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における沈降槽は、該槽入口から該槽出口に至る該研磨液の流れの下方側に、前記粗大粒子を自重で該研磨液の流れから下方向に導いて分離する一または複数の遮蔽部材が設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における遮蔽部材は、鉛直方向に配置され、面に沿った方向が研磨液の流れの方向に垂直または傾斜する一または複数枚の遮蔽板で構成されている。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における遮蔽部材は、複数の円筒を束ねた密集構造である。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における円筒の内径は、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における沈降槽は、沈降した研摩屑を排出除去可能とする沈殿物洗浄除去機能を有している。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置において、前記沈降槽の底面外周囲の側壁に洗浄栓が設けられ、該洗浄栓から流入する洗浄水の圧力により、該底面上に沈殿した沈殿物を、該洗浄栓に対向する側壁側に設けられた排出口から排出除去可能とする。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置において、前記沈降槽の底面外周囲の側壁に洗浄栓が設けられ、該洗浄栓から流入する洗浄水の圧力により、該底面上に沈殿した沈殿物を、該洗浄栓に対向する側壁側に設けられた排出口から排出除去可能とし、
該洗浄栓から該排出口に至る沈殿物洗浄除去スペースが前記遮蔽部材の配置スペースの下方位置に設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における研摩液再生循環手段は、所定粒径以上の粗大粒子を除去するための濾過フィルタ手段を有する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における研摩液再生循環手段は、前記沈降槽の下流側に所定粒径以上の粗大粒子を除去するための濾過フィルタ手段をさらに有する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における濾過フィルタ手段は、濾過材の孔構造が入口側で粗く、出口側で細かく、かつ、該入口側から該出口側へ向かうにつれて連続的にまたは段階的に細かくなったデプス型フィルタである。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における研磨液再生循環手段は、前記研磨液中の粗大粒子数を固形分濃度２０ｗｔ％換算で ０個／ｍｌ以上５０００個／ｍｌ以下に除去可能とする。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における研磨液再生循環手段は、前記研磨液中の粗大粒子数を固形分濃度２０ｗｔ％換算で１００個／ｍｌ以上３０００個／ｍｌ以下に除去可能とする。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における研磨液再生循環手段は、前記研磨液中の粗大粒子数を固形分濃度２０ｗｔ％換算で１００個／ｍｌ以上１０００個／ｍｌ以下に除去可能とする。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における研磨液供給手段は、供給される新たな研磨液および、前記研磨液再生循環手段を経た研磨液のうちの少なくともいずれかの研磨液を前記研磨パッドの上流側表面上に供給可能とする。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置において、前記研磨液供給手段の研磨液供給口の手前側に、不足した研磨液の補給および再生研磨液の一時貯蔵を可能とする調整槽が設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における研磨液供給手段は、研磨液を貯蔵するタンクと、該タンク内の研磨液を研磨液供給ラインを通して前記研磨パッドの上端部に供給するノズルと、該研磨液供給ラインと該タンクとの間に設けられた開閉バルブとを有する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における研磨液供給手段は、研磨液を貯蔵するタンクと、該タンク内の研磨液を研磨液供給ラインを通して前記研磨パッドの上端部に供給するノズルと、該研磨液供給ラインと該タンクとの間に設けられた開閉バルブとを有し、前記調整槽は、該開閉バルブと該研磨液供給ラインとの間に設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置におけるノズルは、前記半導体基板のサイズに応じた幅広の供給口を有している。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置において、前記ノズルと前記研磨液供給ライン間に切換バルブが設けられ、該切換バルブは、該ノズルに接続されている流路を前記研磨液供給ラインと洗浄液供給ラインとのいずれかに切り換え可能としている。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置において、洗浄液により、前記加圧ヘッドおよび前記研磨パッドを洗浄可能とする洗浄手段をさらに備えている。また、洗浄液により、前記加圧ヘッド、前記研磨処理容器および前記研磨パッドを洗浄可能とする洗浄手段をさらに備えている。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における洗浄手段は、洗浄液を前記研磨パッドの上端部に供給される。また、洗浄手段は、前記研磨処理容器の上端部から洗浄液を前記研磨パッドの上端部に供給される。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置において、前記研磨盤の回転軸心と前記加圧ヘッドの回転軸心とが一致するように互いに配置されている。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置において、前記研磨盤を回転させる研磨盤回転駆動系と、前記加圧ヘッドを回転させる加圧ヘッド回転駆動系と、該研磨盤回転駆動系および該加圧ヘッド回転駆動系を駆動制御する研磨制御部とをさらに有する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における研磨制御部は、前記研磨盤と前記加圧ヘッドとのうちの少なくともいずれかを回転駆動可能とする。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置において、前記研磨パッドの表面を露出させるように前記研磨盤を回転可能に収容して保持する研磨処理容器を更に有し、該研磨処理容器は、該研磨盤を回転可能に嵌め込む孔付凹部を有する底壁と、該底壁の外周に沿って設けられた周囲壁と、該周囲壁の上端部に沿って前記研磨パッドの外周部上方側に突出した内フランジとを有しており、該加圧ヘッドと前記研磨パッドおよび該研磨盤が内部に収まる程度の大きさに構成されている。また、この研磨処理容器は、前記研磨盤を回転可能に嵌め込む孔付凹部を有する底壁と、該底壁の外周に沿って設けられた周囲壁と、該周囲壁の上端部に沿って前記研磨パッドの外周部上方側に突出した内フランジとを有しており、前記加圧ヘッドと前記研磨パッドおよび前記研磨盤が内部に収まる程度の大きさに構成されている。

さらに、好ましくは、本発明の半導体基板研磨装置における遮蔽部材は、前記研磨液の槽底部から槽上部側への逆流を防止するために下側部分が鉛直方向に対して傾斜している。

本発明の半導体基板研磨方法は、本発明の上記半導体基板研磨装置を用いて、前記研磨パッドの外周部上方から供給した研磨液を該研磨パッドの表面上に沿って重力により下方側へ流動させながら前記半導体基板を回転させつつ該研磨パッド側に押圧して研磨する工程と、研磨に使用された研磨液中から研磨屑を除去して研磨液を再生し、再生した研磨液を該研磨パッド上に供給する工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の半導体装置の製造方法は、本発明の上記半導体基板研磨装置を用いて、半導体装置が作り込まれた半導体基板の表面層を研磨する表面層研磨工程を有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法において、前記表面層研磨工程により平坦化された表面層上に所定の回路配線パターンを形成する多層配線形成工程を更に有する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法における表面層研磨工程は、前記研磨パッドの外周部上方から供給した研磨液を該研磨パッドの表面上に沿って重力により下方側へ流動させながら前記半導体基板を回転させつつ該研磨パッド側に押圧して研磨する工程と、研磨に使用された研磨液中から研磨屑を除去して研磨液を再生し、再生した研磨液を該研磨パッド上に供給する工程とを有する。

上記構成により、以下、本発明の作用について説明する。

本発明にあっては、表面に研磨パッドが設けられた研磨盤が水平方向に対して傾斜した回転軸心を有している。研磨時には、研磨液供給手段によって、傾斜した研磨パッドの外周部上方から研磨液（スラリ）を供給し、研磨液を研磨パッドの表面に沿って重力により下方側へ流動させながら、半導体基板を回転させて研磨パッドで研磨する。

研磨パッドの表面に沿って下方へ流れ込む研磨液中に被加工物である半導体基板が浸された状態で研磨を行なうため、研磨に使用された研磨屑を含む研磨液は、研磨パッドと半導体基板の被研磨面との間に留まることなく速やかに流れ落ち易く、常に新しい研磨液によって半導体基板の被研磨面の研磨を行うことが可能となる。

近年、要請される省資源・省エネルギー環境下において、この研磨状態を維持するためには、研磨液の再利用および循環機構が必要不可欠である。

本発明にあっては、沈降槽や濾過フィルタを用いた研磨液再生循環手段によって、被研磨面上のスクラッチ発生原因となる粗大粒子を除去する。

研磨液の供給排出を伴う研磨液再生循環手段としては、使用済み研磨液から粗大粒子を除去するための沈降槽および濾過フィルタを設ける。沈降槽には、粗大粒子を自重で液本体（研磨液の流れ）から分離する遮蔽部材としての遮蔽板を少なくとも３重に設けて、沈降量に応じた数の遮蔽部材で槽内を槽上部（研磨液が流れるスペース）と槽底部とを遮蔽した後、槽底部の洗浄栓から流入する洗浄液の水の圧力により沈殿物を排出口（排出管）から排出洗浄する。沈降槽で充分に分離することが不可能な粗大粒子は濾過フィルタを用いて除去することが可能となる。濾過フィルタとしては、例えば、濾過材の孔構造が入口側で粗く、出口側で細かく、かつ、入口側から出口側へ向かうにつれて連続的に又は段階的に細かくなるように設計されているデプス型のフィルタを用いることが好ましい。

再生スラリの使用範囲は、粗大粒子数が、固形分濃度２０ｗｔ％換算で０個／ｍｌ以上５０００個／ｍｌ以下、より好ましくは１００個／ｍｌ以上３０００個／ｍｌ以下、さらにより好ましくは１００個／ｍｌ以上１０００個／ｍｌ以下である。この粒子数範囲内では、半導体基板の被研磨面に対して粗大粒子が原因となる欠陥およびスクラッチが発生せず、高精度に安定して研磨することが可能となる。このとき、研磨は、水平型の半導体基板研磨装置に比べて高速流動する研磨液中にて行われるので、半導体基板の被研磨面の温度も安定する。ＣＭＰ法により研磨する場合は、化学反応の安定化を図ることが可能となり、高精度の平坦化に好適である。また、研磨液は、重力によって自然に下方へ流れ、加圧パッドおよび研磨盤の回転によって半導体基板および研磨パッドが回転するため、研磨液が均等に研磨面に送り込まれ、かつ、安定的な研磨を行なうことが可能となる。仮に、研磨液が凝集された凝集粒子が研磨パッド上に落ちても、直ぐに研磨液と共に流されるため、研磨パッドの汚染を防ぎ、さらに、研磨時に乾燥防止用の水を供給する必要もない。

さらに、本発明にあっては、研磨装置が傾斜型（斜め）であるため、設置面積が従来の水平型ＣＭＰ装置に比べて省スペースで済む。さらに、加圧ヘッドの水平方向への揺動動作（公転移動）が不要であるため、設置上および動作上で必要とされる空間が縮小される。特に、３００ｍｍ以上に進みつつある半導体基板の大型化にも省スペースの点で寄与することが可能となる。

さらに、従来必要であった加圧ヘッドの揺動機構やアームノズルも不要であり、装置構成が簡素化され、被研磨物である半導体基板のサイズに対して研磨盤および研磨パッドも小型化することができ、装置作製にかかるコストも低減することが可能となる。

さらに、研磨後の装置洗浄の際は、水平型ＣＭＰ設置と異なり、研磨処理容器の上部から洗浄液を導入すれば、流れ下る洗浄水により効率的に洗浄され、研磨液再生循環手段内の洗浄と共に、クリーンな状態を維持し易い。

以上により、本発明によれば、表面に研磨パッドが設けられた研磨盤が水平方向に対して傾斜した回転軸心を有しており、研磨時には、研磨液供給手段によって、傾斜した研磨パッドの外周部上方から研磨液を供給し、研磨液を研磨パッドの表面に沿って重力により下方へ流動させながら半導体基板を研磨するため、常に新しい研磨液によって研磨を行うことが可能となり、被研磨面の欠陥、スクラッチおよび研磨の不均一性などを生じさせることなく、高精度に安定して半導体基板を研磨することができる。

さらに、研磨装置が傾斜型（斜め）であるため、設置面積を従来の水平型ＣＭＰ装置に比べて省スペース化することが可能となり、加圧ヘッドの揺動機構やアームノズルなどの装置構成を必要としないため、製造コストも低減化することができる。

さらに、沈降槽や濾過フィルタを用いた研磨液再生循環手段によって、被研磨面上のスクラッチ発生原因となる粗大粒子を除去することにより、研磨液を再度利用する場合でも廃液中の粗大粒子が原因となるスクラッチ発生を防ぐことが可能となり、研磨液の使用量を削減することができる。

さらに、研磨後の装置洗浄の際にも、研磨処理容器の上部から洗浄液を導入することにより、研磨液再生循環手段内を洗浄すると共に、研磨処理容器をクリーンな状態に保持することができる。

以下に、本発明の半導体基板研磨装置の実施形態およびこれを用いた本発明の半導体基板研磨方法の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の半導体基板研磨装置は、水平方向に対して傾斜した回転軸心を有する研磨盤と、研磨盤の表面に設けられた研磨パッドと、研磨パッドの表面を露出させるように研磨盤を回転可能に保持する研磨処理容器と、半導体基板を保持すると共に研磨時に回転しながら半導体基板を研磨パッドの表面に押圧する加圧ヘッドと、導入される新たな研磨液または研磨液再生循環手段を経て沈殿濾過された研磨液を研磨パッドの表面に供給する研磨液供給手段とを備えている。研磨時には、研磨液供給手段によって研磨パッドの外周部上方から研磨液を供給して、研磨液を研磨パッドの表面に沿って重力により下方へ流動させながら研磨するように構成されている。

上記研磨処理容器は、半導体基板を保持して回転する加圧ヘッドおよび研磨パッドを有する研磨盤が収まる程度の大きさに形成されており、研磨液（スラリ）の流動を促すために水平な設置面に対して傾斜して設置されている。それに伴って、支持機構、加圧ヘッド（研磨ヘッド）、研磨盤、およびそれらを制御する駆動系等も適宜傾斜して設けられ、装置全体の安定化が図られている。

また、上記研磨液供給手段によって研磨パッドの外周部上方から研磨液を流入させ、研磨処理容器内の研磨パッド上で研磨液を重力によって上方から下方へ流動させて、流動する研磨液中に半導体基板を浸漬した状態で、半導体基板の被研磨膜（表面層）を研磨することができる。

本発明の半導体基板研磨装置は、特に、化学的機械研磨法（ＣＭＰ法）により半導体基板の表面を研磨するために適しており、この場合、研磨液としてはＣＭＰ法により一般的に用いられているものを使用することができる。

研磨液中における研磨剤の実用的な含有割合、すなわち研磨液（スラリ）の実用的な濃度は、例えば５％程度であるが、スラリの濃度はこれに限定されるものではなく、被研磨膜の種類やその研磨量などに応じて適宜変更可能である。砥粒成分である研磨剤は、主なものとして、Ａｌ₂Ｏ₃（アルミナ）、ＳｉＯ₂（フュームドシリカあるいはコロイダルシリカ）、ＣｅＯ_２（セリア）、ＭｎＯ_２（酸化マンガン）などが挙げられる。スラリの使用可能期間は、例えば、目安として製造から６ヶ月程度であるが、その種類や濃度によって様々に設定される。特に、本発明では、スラリが研磨面に停滞する時間が短く、速い流動置換が行なわれるため、研磨屑の研磨液中濃度が、従来の水平型ＣＭＰ装置よりも低く抑えられる。

本発明において、研磨対象である半導体基板には、ＳｉやＧｅ等からなる半導体基板以外にも、化合物半導体基板およびＳＯＩ基板なども包含し、さらに、このような半導体基板にはトランジスタ、メモリ、キャパシタ、抵抗等の半導体素子および金属配線、金属プラグ等の回路配線等が設けられ、かつ、これらの半導体素子および回路配線を被覆する層間絶縁膜等が積層されたものであってもよい。本発明の半導体基板研磨装置は、例えば、ＬＳＩ、ＵＬＳＩ等の半導体集積回路を製造する工程において、多層配線形成時における層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、埋め込み配線形成等に好適に使用される。

本発明において、研磨パッド上に研磨液が停滞することなく、重力により速い流速（例えば５００ｃｃ／ｍｉｎ〜３０００ｃｃ／ｍｉｎ程度）で、かつ、安定して研磨液を流しながら研磨するためには、研磨盤の回転軸心の傾斜角度θは、水平方向に対して鉛直方向側に３０°〜６０°が好ましく、さらに好ましくは、水平方向に対して鉛直方向側４０°〜５０°がより好ましい。研磨盤の回転軸の傾斜角度θを３０〜６０°に設定することにより、研磨によって生ずる研磨屑が研磨液にて研磨パッド上から効率よく流され、より高精度に安定して研磨を行なうことができる。この傾斜角度θは、後述する図１の垂直方向（鉛直方向）からの水平方向側の傾斜角度φ＝９０°−θである。

本発明の半導体基板研磨装置は、さらに、研磨処理に使用された研磨液中から大粒径の研磨屑を除去して再生し、再生された研磨液を再度研磨パッド上に供給するための研磨液再生循環手段を備えている。このように構成することにより、研磨液の消費量を低減して研磨処理の低コスト化と省資源化を図ることができる。

上記研摩液再生循環手段は、主として研摩屑からなる所定粒径以上の粗大粒子を除去するための沈降槽と、この沈降槽により十分に除去することができなかった所定粒径以上の粗大粒子を除去する濾過フィルターとを備えている。

下記表１に、未使用の研磨パッドに含有されている物質とその比重の例を示す。

表１に示す研磨液では、ＳｉＯ₂の比重が２．６５、Ｃ_２ｕＯの比重が６．１５、ＣｅＯ_２の比重が７．１３、ＭｎＯ_２の比重が５．０２、Ａｌ₂Ｏ₃の比重が３．９、ステンレススチール（ＳＵＳ）の比重が７．９であり、ポリウレタンの比重が１．０５〜１．３１である。

さらに、本発明の半導体基板研磨装置は、加圧ヘッド、研磨処理容器および研磨パッドを洗浄する洗浄手段をさらに備えてもよい。

上記洗浄手段によって、研磨処理容器の上部から洗浄液を導入することによって、研磨処理後に装置各部位から研磨屑を含む研磨液を自動的に洗浄することが可能となり、効率良く次の被研磨物（半導体基板）を研磨処理することができる。

この場合、研磨処理容器を、研磨パッドの外周部側に突出した内フランジを有する構成とすることによって、研磨時および洗浄時に研磨液および洗浄液が外部に飛び散ることを抑制して、研磨装置の設置環境を清浄に維持することができる。

以下に、本発明のさらに具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体基板研磨装置の概略構成例を示す縦断面図である。

図１において、本実施形態の半導体基板研磨装置１０は、水平方向に対して傾斜した回転軸心Ｃ１を有する研磨盤１と、この研磨盤１の表面に設けられた研磨パッド１ａと、この研磨パッド１ａの表面を露出させるように研磨盤１を回転可能に保持する研磨処理容器２と、被研磨物である半導体基板３０を保持すると共に研磨時に半導体基板３０と共に回転しながら半導体基板３０を研磨パッド１ａの表面上に押圧するための加圧ヘッド３と、スラリ（研磨液）４１を研磨パッド１ａの表面上の上端部分に供給可能とする研磨液供給手段４とを備えている。

また、この半導体基板研磨装置１０は、研磨盤１を回転軸心Ｃ１の周りに回転させるための研磨盤回転駆動系５と、加圧ヘッド３を回転軸心Ｃ２の周りに回転させるための加圧ヘッド回転駆動系６と、使用後に含まれる研磨屑をスラリ（研磨液）４１中から除去して、再生したスラリ４１を調整槽７１を経て研磨処理容器２内に循環供給可能とする研磨液再生循環手段７と、研磨処理後の研磨処理容器２、研磨パッド１ａおよび加圧ヘッド３を洗浄するための洗浄手段８と、研磨盤回転駆動系５および加圧ヘッド回転駆動系６を制御する研磨制御部９と、この半導体基板３０の研磨完了を検知する図示しないエンドポイントシステムとを備えている。

研磨盤１は、その大径部が研磨処理容器２の上記孔付き凹部に嵌め込まれて回転可能に保持されており、その大径部に連設された小径部が研磨処理容器２の孔から下方に突出して例えばモータなどの研磨盤回転駆動系６の回転軸に接続されている。また、研磨盤回転駆動系６の本体は、研磨処理容器２を支持する図示しないフレームやその他の固定部材によって支持されている。この研磨盤１の回転軸心Ｃ１と加圧ヘッド３の回転軸心Ｃ２とは、略一致するように配置されている。

研磨処理容器２は、研磨盤１を回転可能に嵌め込む孔付凹部を有する底壁２１と、この底壁２１の外周に沿って設けられた周囲壁２２と、この周囲壁２２の上端部に沿って研磨パッド１ａの外周部側上方に向かって内側へ突出して設けられたドーナツ板状の内フランジ２３とを有している。

この研磨処理容器２は、スラリ４１の滞留を防ぐために１枚の半導体基板３０の研磨が行われる程度の極力小さな容積で形成されており、加圧ヘッド３および研磨盤１が内部に収まる程度の大きさに形成されている。また、この研磨処理容器２は、研磨盤１の回転軸心Ｃ１が水平線に対して３０°〜６０°の傾斜角度θ（例えば４５°）となるように、図示しないフレームや支持部材などの設置面固定部材によって傾けられた状態で設置されている。

加圧ヘッド３は、斜め下方に開口してその内部に半導体基板３０を収容すると共に半導体基板３０を保持する基板保持部を有しており、この基板保持部の裏側中央部分から斜め上方に突出して例えばモータなどの加圧ヘッド回転駆動系６の回転軸に接続されている。

加圧ヘッド回転駆動系６は、例えばモータからなり、その回転軸が加圧ヘッド３の回転盤に接続されていると共に、その本体が図示しない加圧ヘッド移動手段によって支持されている。この加圧ヘッド移動手段は、加圧ヘッド３を回転軸心Ｃ２の方向、揺動方向、水平方向および上下方向に移動可能とするものであり、これには例えばロボットアームなどを用いることができる。この図示しない加圧ヘッド移動手段によって、研磨前の半導体基板３０の積載位置に加圧ヘッド３を移動させ、加圧ヘッド３によって吸着した半導体基板３０を傾けて研磨処理容器２内へ搬入して、研磨時に加圧ヘッド３を研磨盤１の研磨パッド１ａの表面側へ押圧することができるようになっている。また、研磨後は逆の動作により半導体基板３０を研磨処理容器２内から搬出することができるようになっている。

研磨液供給手段４は、スラリ４１を貯蔵するタンク４２と、研磨処理容器２の上部の周囲壁２２を貫通して設けられ、タンク４２内のスラリ４１を調整槽７１から研磨液供給ライン４３を通して研磨パッド１ａの上部に吐出するためのノズル４４と、調整槽７１とタンク４２間に設けられ、タンク４２から調整槽７１へのスラリ４１の供給を行ったり停止したりする開閉バルブ４５とを備えている。

ノズル４４は、研磨パッド１ａの表面上を均一にスラリ４１が流れるように、例えば口幅が横（水平方向）に広がった形状とされている。また、ノズル４４と研磨液供給ライン４３の間には第１切換バルブ４６が設けられており、ノズル４４に接続されている流路を研磨液供給ライン４３側と後述の洗浄液供給ライン８１側との間で選択的に切り換え可能としている。

研磨液再生循環手段７は、研磨液供給ライン４３とタンク４２との間に設置された調整槽７１と、研磨処理容器２の下部に設けられた吸出口７２と、この吸出口７２に接続可能とされ、調整槽７１に連通している循環ライン７３と、この循環ライン７３の途中に設けられた沈降槽７４およびポンプ７５と、調整槽７１の入口または近傍位置で循環ライン７３の末端部に接続された濾過フィルタ７６とを備えている。

循環ライン７３の吸出口７２側には第２切換バルブ７７が設けられており、吸出口７２に接続される流路を循環ライン７３側と洗浄液供給ライン８２側との間で選択的に切り換え可能としている。

ここで、沈降槽７４は、循環ライン７３の研磨液供給口７３ａと排出口（ドレイン）７８との間の配管中に設置されており、大粒径粒子を沈降除去する沈殿物洗浄除去機能を有している。この沈降槽７４について図２を用いて詳細に説明する。

図２は、図１の研磨液再生循環手段内に設置される沈降槽の概略構成例を示す縦断面図である。

図２に示すように、沈降槽７４は、粗大粒子を自重によって液流れの本体から分離するために槽内を仕切る仕切りとして遮蔽板７４１が少なくとも３枚設けられている。遮蔽板７４１は、槽底部から上方（槽上部の液流れの本体部分）への逆流を防止するために下方部分が鉛直方向から傾斜している。沈降量に応じた枚数の遮蔽板７４１により槽内が槽上部と槽底部間で遮蔽された後、洗浄栓７４２から流入される水（洗浄液）によって沈殿物が排出弁７４３を介して排出口（排出管）７８から水と共に排出されるようになっている。なお、この遮蔽板７４１は、円筒形の筒を束ねた構造としてもよい。この場合には、各円筒内直径を５ｍｍ〜３０ｍｍ程度として、密集配置することが好ましい。この場合にも、逆流を防止するために下方部分が鉛直方向から傾斜している。スラリ（研磨液）４１は、スラリー流路入口７４４（槽入口）から沈降槽７４内に流入し、スラリー流路出口７４５（槽出口）から流出する液流れの本体から研磨屑が自重で下方に落ち、研磨屑が沈殿物として洗浄液により除去されることになる。

即ち、沈降槽７４は、槽入口から槽出口に至る研磨液４１の流れの下方側に、粗大を自重で研磨液４１の流れから下方向に導いて分離する一または複数の遮蔽部材７４１（ここでは４枚）が設けられている。

この沈降槽７４により除去できない研磨屑を除去するために濾過フィルタ７６が設けられている。

図１に示す濾過フィルタ７６は、濾過材の孔構造が入口側で粗く、出口側で細かく、かつ、入口側から出口側へ向かうにつれて連続的にまたは段階的に細かくなるように設計されたデプス型フィルタを用いることが好ましい。濾過フィルタ７６に対して、沈降槽７４はプレフィルタの役割を果たしており、フィルタ寿命の延長に貢献する。

この研磨液再生循環手段７によって、研磨液は、粗大粒子数が固形分濃度２０ｗｔ％換算で１０個／ｍｌ以上（理想的には０個／ｍｌ以上）５０００個／ｍｌ以下に、より好ましくは１００個／ｍｌ以上３０００個／ｍｌ以下、さらにより好ましくは１００個／ｍｌ以上１０００個／ｍｌ以下に除去される。５０００個／ｍｌ以下であれば再生研磨液として使用できる。

このように、研磨液再生循環手段７が設けられた半導体研磨装置１０には、研磨液供給ライン４３の手前側に調整槽７１が設けられており、研磨液再生により不足した研磨液の補給および再生された研磨液の一時貯蔵に利用されている。

洗浄手段８は、研磨液供給手段４の第１切換バルブ４６に接続された洗浄液供給ライン８１と、洗浄液供給ライン８１および第１切換バルブ４６を通してノズル４４に洗浄液８３（例えば水）を供給する洗浄液送出部８４と、第２切換バルブ７７に接続された洗浄液排出ライン８２とを備えている。

洗浄液送出部８４は、洗浄液８３の供給源であり、例えば洗浄液貯蔵タンクまたはＤＩＷ供給タンクである。洗浄液送出部８４は、高さによる圧力に加えて、洗浄液８３をノズル４４に圧送するポンプを有していてもよい。なお、洗浄液排出ライン８２の他端部は、図示しない洗浄液回収槽または処理槽に接続されている。

研磨制御部９は、研磨時に研磨盤回転駆動系５および加圧ヘッド回転駆動系６により研磨盤１および加圧ヘッド３の回転、停止を所定のタイミングで行なうように駆動制御するものである。これに加えて、研磨制御部９は、研磨液再生循環や研磨液調整の駆動制御をも含み、研磨処理から洗浄処理に至るまでの一連の工程を制御する。

上記構成により、本実施形態の半導体基板研磨装置１０を用いた半導体基板研磨方法の一例について、図３および図４を用いて詳細に説明する。

本発明の半導体基板研磨方法は、例えば図３に示すような半導体基板３０上に半導体集積回路を製造する工程において、凹凸表面を有するＢＰＳＧ膜３７をＣＭＰ法により研磨して平坦化する場合などに用いることができる。

研磨対象の半導体基板３０の縦断面積層構造の一例について図３を参照して説明する。

図３は、本実施形態の半導体基板研磨方法によって研磨される半導体基板３０の積層構成例を示す縦断面図である。

図３において、半導体基板３０は、シリコン基板３１の表面に所定の間隔を開けてトランジスタのソース／ドレイン領域３２が設けられ、これらの間の基板部上にゲート絶縁膜３３を介してゲート電極３４が設けられている。このゲート電極３４の側壁には、ＨＴＯ膜などからなるサイドウォールスペーサ３５が設けられ、ソース／ドレイン領域３２表面にはサリサイド膜３６が形成されている。この基板部上に、ＢＰＳＧ膜３７からなる層間絶縁膜が設けられている。

なお、本発明の半導体基板研磨方法は、ＢＰＳＧ膜３７の研磨に限らず、半導体集積回路の製造工程で用いられるＣＭＰ工程、例えば、ＳＴＩ、ポリＳｉ、層間絶縁膜、Ｃｕ配線などの形成工程などあらゆるＣＭＰ工程に適用可能である。

このような図３に示す半導体基板３０のＢＰＳＧ膜３７を、図１の半導体基板研磨装置１０を用いて研磨する場合について説明する。

まず、図１に示すように、研磨液供給手段４のタンク４２から開閉バルブ４５を介して、適切な濃度に調製されたスラリ（研磨液）４１を調整槽７１に供給し、さらに、調整槽７１から研磨液供給ライン４３さらにノズル４４を経て研磨処理容器２内の研磨パッド１ａ上にスラリ４１を流入し、かつ、研磨液再生循環手段７のポンプ７５を駆動させる。

このとき、第１切換バルブ４６は研磨液供給ライン４３側に切り換えられた状態になっており、第２切換バルブ７７は循環ライン７３側に切り換えられた状態になっている。

これにより、研磨パッド１ａの外周部上方からスラリ４１が供給されて、スラリ４１は研磨パッド１ａの表面に沿って重力により下方側へ流れて行く。

研磨処理容器２内に供給されたスラリ４１は、研磨パッド１ａの表面全面に広がって流れ落ち、さらに、研磨処理容器２の下部の吸出口７２から第２切換バルブ７７を経て研磨液再生循環手段７の循環ライン７３内に導かれる。

このようにして、循環ライン７３内に流入したスラリ４１は、沈降槽７４を経た後、ポンプ７５により流されて濾過フィルタ７６を通過して、調整槽７１に一時貯蔵された後、ノズル４４から研磨処理容器２内の研磨パッド１ａの表面上に再度流入する。

この準備段階において、スラリ４１を、研磨処理容器２、沈降槽７４さらに濾過フィルタ７６を備えた循環ライン７３内でポンプ７５の圧力により循環させることによって、安定した温度およびスラリ特性を得ることができる。

研磨処理時には、表面に被研磨膜（例えばＢＰＳＧ膜３７）を有する半導体基板３０が保持された加圧ヘッド３を研磨盤１の研磨パッド１ａに向けて接近させ、研磨盤１および加圧ヘッド３を同じ方向または逆方向に回転させて、研磨処理容器２内を流動するスラリ４１中に加圧ヘッド３ごと半導体基板３０を浸漬させて、研磨処理を行う。なお、研磨盤１と加圧ヘッド３の何れか一方を停止させて研磨処理を行ってもよい。このとき、研磨液再生循環手段７によって、研磨に使用されたスラリ４１中から研磨屑が除去されて再生され、再生されたスラリが研磨パッド１ａ上に循環供給される。

この研磨処理においては、加圧ヘッド３のガイドリングの溝（半導体基板３０を均等に吸着させるため）を通って、半導体基板３０の被研磨面と研磨パッド１ａとの間にスラリ４１が流入され、スラリ４１の流れに半導体基板３０の被研磨面が押し付けられながら回転して研磨が行われる。

したがって、常に研磨屑の含量が少ないスラリ４１を用いて研磨が行なわれ、半導体基板３０の被研磨面に対して安定し、かつ、ラフネスが低減された高精度な平坦化を行うことが、再生して循環したスラリ４１を用いて可能となる。このようにして、スラリ４１が再利用されるため、コスト低減および省資源に大きく貢献することができる。

その後、図示しないエンドポイントシステムにより研磨終了が検知されると、研磨盤１および加圧ヘッド３の回転駆動と研磨盤１の研磨パッド１ａ上へのスラリ４１の供給を停止させて、研磨工程が終了する。この時点での基板部の縦断面状態を図４に示している。

図４は、図３のＢＰＳＧ膜３７を研磨処理して平坦化した事例を示す縦断面図である。

図４に示すように、連続して形成された複数のトランジスタが内部に設けられた基板部上の層間絶縁膜（例えばＢＰＳＧ膜３７）を平坦化している。

その後、加圧ヘッド３を移動させて、表面層（例えばＢＰＳＧ膜３７）が平坦化された半導体基板３０ａを研磨処理容器２から搬出し、この半導体基板３０ａを所定の設置場所に移動させる。

さらに、空になった加圧ヘッド３を研磨処理容器２内に戻して、第１切換バルブ４６および第２切換バルブ７７を洗浄ライン側に切り換えて、洗浄手段８の洗浄液送出部８４から洗浄液供給ライン８１、さらにノズル４４を通して水などの洗浄液を処理容器２内の研磨パッド１ａ上に噴出させる。

このように、水などの洗浄液のノズル４４からの噴出によって、研磨処理容器２の内面、研磨パッド１ａの表面、加圧ヘッド３のガードリング周辺およびその他の各部材を洗浄し、準備段階を含む研磨から洗浄までの一連のサイクルが終了する。なお、本発明の半導体基板研磨装置１０において、上記工程１サイクルの動作は、研磨制御部９によって全て駆動制御してもよい。

したがって、上記本発明の半導体基板研磨装置１０（本発明の半導体基板研磨方法）を用いて本発明の例えばトランジスタ回路や固定撮像素子などの半導体装置の製造方法について簡単に説明する。

研磨パッド１ａの外周部上方から供給した研磨液４１を研磨パッド１ａの表面上に沿って重力により下方側へ流動させながら半導体基板３０を回転させつつ研磨パッド１ａ側に押圧して研磨する工程と、研磨に使用された研磨液４１中から研磨屑を除去して研磨液４１を再生し、再生した研磨液を研磨パッド１ａ上に供給する工程とを有し、半導体装置が内部に作り込まれた半導体基板３０の表面層を研磨して平坦化する表面層研磨工程と、
この表面層研磨工程により平坦化された半導体基板３０ａの表面層上に、半導体装置にコンタクトホールを介してそれぞれ接続された所定の回路配線パターンを形成する多層配線形成工程とを有している。

以上により、本実施形態の半導体基板研磨装置１０にあっては、水平方向に対して傾斜した回転軸心を有する研磨盤１と、この研磨盤１の表面に設けられた研磨パッド１ａと、研磨盤１上に設けられた研磨パッド１ａの部分を研磨パッド１ａ上を開口した状態で収容する研磨処理容器２と、半導体基板３０を保持すると共に研磨時に回転しながら半導体基板３０を研磨パッド１ａの表面に押圧する加圧ヘッド３と、スラリ４１を研磨パッド１ａの上端部表面上に供給する研磨液供給手段４と、研磨処理と同時に使用済み研磨液（スラリ４１）を沈降槽７４と濾過フィルタ７６を介して循環再生可能な研磨液循環再生手段７とを備えている。

この構成によって、表面側に研磨パッド１ａが設けられた研磨盤１が水平方向に対して傾斜（ここでは角度４５度）した回転軸心Ｃを有しており、研磨時には、研磨液供給手段４によって、傾斜した研磨パッド１ａの外周部上方に位置するノズル４４からスラリ４１を供給し、スラリ４１を研磨パッド１ａの表面に沿って重力により下方へ流動させながら、半導体基板３０を回転させつつ研磨パッド１ａの表面に押し付けて半導体基板３０の表面（表面層）を研磨する。この研磨処理に使ったスラリ４１は、沈降槽７４および濾過フィルタ７６を通って研磨屑などが取り除かれているため、常に新しいスラリ４１（研磨液）によって研磨を行うことが可能となり、被研磨面の欠陥、スクラッチおよび研磨の不均一性などを生じさせることなく、高精度に安定して半導体基板を研磨することができる。

また、半導体基板研磨装置１０は、傾斜型（斜め）であるため、設置面積を従来の水平型ＣＭＰ装置に比べて省スペース化することが可能となり、加圧ヘッド３の揺動機構やアームノズルなどの装置構成を必要とせず、製造コストも低減化することができる。

さらに、沈降槽７４や濾過フィルタ７６を用いた研磨液再生循環手段７によって、被研磨面上のスクラッチ発生原因となる粗大粒子を除去することにより、スラリ４１を再度利用する場合であっても廃液中の粗大粒子が原因となるスクラッチ発生を防ぐことが可能となり、スラリ４１の使用量を大幅に削減することができる。

さらに、研磨後の装置洗浄の際にも、研磨処理容器２の上部から洗浄液４３を導入することにより、研磨液再生循環手段７内を洗浄すると共に、研磨処理容器２をクリーンな状態に保持することができる。

なお、上記実施形態では、特に説明しなかったが、要は、水平方向に対して傾斜した回転軸心の回りに回転可能とする研磨盤１と、研磨盤５の表面に設けられた研磨パッド１ａと、半導体基板３０を保持すると共に研磨時に回転しながら半導体基板３０を研磨パッド１ａの表面に押圧して研磨可能とする加圧ヘッド３と、研磨液４１を研磨パッド１ａの上端部表面に供給可能とする研磨液供給手段４とを備え、研磨液４１を研磨パッド１ａの表面上に沿って重力により下方へ流動させながら半導体基板３０の表面層を研磨処理するように構成されていれば、半導体基板３０上に形成される層間絶縁膜などの表面層を平坦化する際の研磨安定性を向上させて被研磨面の欠陥、スクラッチおよび研磨の不均一性を防ぐと共に装置の小型化を図り、さらに、研磨液４１の使用量削減が可能で研磨液を再度利用する場合でも廃液中の粗大粒子が原因となるスクラッチ発生を防ぐことができる本発明の目的を達成することができる。

以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、半導体基板の研磨処理、特に、半導体集積回路の製造工程におけるＣＭＰ工程に好適に用いられる半導体基板研磨装置および半導体基板研磨方法において、研磨液供給手段によって、傾斜した研磨パッドの外周部上方から研磨液を供給し、研磨液を研磨パッドの表面に沿って重力により下方へ流動させながら半導体基板を研磨するため、常に新しい研磨液によって研磨を行うことが可能となり、被研磨面の欠陥、スクラッチおよび研磨の不均一性などを生じさせることなく、高精度に安定して半導体基板を研磨することができる。

さらに、研磨装置が傾斜型（斜め）であるため、設置面積を従来の水平型ＣＭＰ装置に比べて省スペース化することが可能となり、加圧ヘッドの揺動機構やアームノズルなどの装置構成を必要としないため、製造コストも低減化することができる。

さらに、沈降槽や濾過フィルタを用いた研磨液再生循環手段によって、被研磨面上のスクラッチ発生原因となる粗大粒子を除去することにより、研磨液を再度利用する場合でも廃液中の粗大粒子が原因となるスクラッチ発生を防ぐことが可能となり、研磨液の使用量を削減することができる。

さらに、研磨後の装置洗浄の際にも、研磨処理容器の上部から洗浄液を導入することにより、研磨液再生循環手段内を洗浄すると共に、研磨処理容器をクリーンな状態に保持することができる。

本発明の実施形態に係る半導体基板研磨装置の概略構成例を示す縦断面図である。 図１の研磨液再生循環手段内に設置される沈降槽の概略構成例を模式的に示す縦断面図である。 本発明の実施形態に係る半導体基板研磨方法によって研磨される半導体基板部の構成例を示す縦断面図である。 図３のＢＰＳＧ膜を研磨して平坦化した状態を示す半導体基板部の断面図である。 従来の水平型ＣＭＰ装置の概略構成例を模式的に示す縦断面図である。

符号の説明

１ 研磨盤
１ａ 研磨パッド
２ 研磨処理容器
２１ 底壁
２２ 研磨処理容器の周囲壁
２３ 研磨処理容器の内フランジ
３ 加圧ヘッド
４ 研磨液供給手段
４１ スラリ（研磨液）
４２ タンク
４３ 研磨液供給ライン
４４ ノズル
４５ 開閉バルブ
４６ 第１切換バルブ
５ 研磨盤回転駆動系
６ 加圧ヘッド回転駆動系
７ 研磨液再生循環手段
７１ 調整槽
７２ 吸出口
７３ 循環ライン
７４ 沈降槽
７４１ 遮蔽板
７４２ 洗浄栓
７４３ 排出弁
７４４ スラリ流路入口
７４５ スラリ流路出口
７５ ポンプ
７６ 濾過フィルタ
７７ 第２切換バルブ
７８ 排出口（ドレイン）
８ 洗浄手段
８１ 洗浄液供給ライン
８２ 洗浄液排出ライン
８３ 洗浄液（水）
８４ 洗浄液送出部
９ 研磨制御部
１０ 半導体基板研磨装置
３０、３０ａ 半導体基板
３１ Ｓｉ基板
３２ ソース／ドレイン領域
３３ ゲート絶縁膜
３４ ゲート電極
３５ サイドウォール
３６ サリサイド
３７ ＢＰＳＧ膜（表面層）

Claims (38)

1. 水平方向に対して傾斜した回転軸心の回りに回転可能とする研磨盤と、
   該研磨盤の表面に設けられた研磨パッドと、
   半導体基板を保持すると共に研磨時に回転しながら該半導体基板を該研磨パッドの表面に押圧して研磨可能とする加圧ヘッドと、
   研磨液を該研磨パッドの上端部表面に供給可能とする研磨液供給手段とを備え、
   該研磨液を該研磨パッドの表面上に沿って重力により下方へ流動させながら該半導体基板を研磨処理する半導体基板研磨装置。
2. 前記研磨処理を化学的機械研磨により行う請求項１に記載の半導体基板研磨装置。
3. 前記研磨盤の回転軸心の傾斜角度θは、水平方向に対して鉛直方向側に３０°以上６０°以下である請求項１または２に記載の半導体基板研磨装置。
4. 前記研磨盤の回転軸心の傾斜角度θは、水平方向に対して鉛直方向側に４０°以上５０°以下である請求項１または２に記載の半導体基板研磨装置。
5. 前記研磨液供給手段から供給される研磨液を前記研磨パッド上に停滞することなく、重力により５００ｃｃ／ｍｉｎ以上３０００以下で安定供給する請求項１〜４のいずれかに記載の半導体基板研磨装置。
6. 研磨処理に使用された研磨液中から所定粒径以上の粗大粒子を除去して該研磨液を再生し、再生された研磨液を前記研磨パッド上に再度供給するための研磨液再生循環手段をさらに備えた請求項１〜５のいずれかに記載の半導体基板研磨装置。
7. 前記研摩液再生循環手段は、前記研磨液中から前記粗大粒子からなる研摩屑を沈降させて除去する沈降槽を有する請求項６に記載の半導体基板研磨装置。
8. 前記沈降槽は、使用した研磨液を回収するための受入口と、該研磨液を排出除去する排出口および、該研磨液を再利用するための取出口との間に設置されている請求項７に記載の半導体基板研磨装置。
9. 前記沈降槽は、該槽入口から該槽出口に至る該研磨液の流れの下方側に、前記粗大粒子を自重で該研磨液の流れから下方向に導いて分離する一または複数の遮蔽部材が設けられている請求項７に記載の半導体基板研磨装置。
10. 前記遮蔽部材は、鉛直方向に配置され、面に沿った方向が研磨液の流れの方向に垂直または傾斜する一または複数枚の遮蔽板で構成されている請求項９に記載の半導体基板研磨装置。
11. 前記遮蔽部材は、複数の円筒を束ねた密集構造である請求項９に記載の半導体基板研磨装置。
12. 前記円筒の内径は、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下である請求項１１に記載の半導体基板研磨装置。
13. 前記沈降槽は、沈降した研摩屑を排出除去可能とする沈殿物洗浄除去機能を有している請求項７に記載の半導体基板研磨装置。
14. 前記沈降槽の底面外周囲の側壁に洗浄栓が設けられ、該洗浄栓から流入する洗浄水の圧力により、該底面上に沈殿した沈殿物を、該洗浄栓に対向する側壁側に設けられた排出口から排出除去可能とする請求項７または１３に記載の半導体基板研磨装置。
15. 前記沈降槽の底面外周囲の側壁に洗浄栓が設けられ、該洗浄栓から流入する洗浄水の圧力により、該底面上に沈殿した沈殿物を、該洗浄栓に対向する側壁側に設けられた排出口から排出除去可能とし、
    該洗浄栓から該排出口に至る沈殿物洗浄除去スペースが前記遮蔽部材の配置スペースの下方位置に設けられている請求項９に記載の半導体基板研磨装置。
16. 前記研摩液再生循環手段は、所定粒径以上の粗大粒子を除去するための濾過フィルタ手段を有する請求項６に記載の半導体基板研磨装置。
17. 前記研摩液再生循環手段は、前記沈降槽の下流側に所定粒径以上の粗大粒子を除去するための濾過フィルタ手段をさらに有する請求項７〜１５のいずれかに記載の半導体基板研磨装置。
18. 前記濾過フィルタ手段は、濾過材の孔構造が入口側で粗く、出口側で細かく、かつ、該入口側から該出口側へ向かうにつれて連続的にまたは段階的に細かくなったデプス型フィルタである請求項１６または１７に記載の半導体基板研磨装置。
19. 前記研磨液再生循環手段は、前記研磨液中の粗大粒子数を固形分濃度２０ｗｔ％換算で ０個／ｍｌ以上５０００個／ｍｌ以下に除去可能とする請求項６、７、１６および１７のいずれかに記載の半導体基板研磨装置。
20. 前記研磨液再生循環手段は、前記研磨液中の粗大粒子数を固形分濃度２０ｗｔ％換算で１００個／ｍｌ以上３０００個／ｍｌ以下に除去可能とする請求項６、７、１６および１７のいずれかに記載の半導体基板研磨装置。
21. 前記研磨液再生循環手段は、前記研磨液中の粗大粒子数を固形分濃度２０ｗｔ％換算で１００個／ｍｌ以上１０００個／ｍｌ以下に除去可能とする請求項６、７、１６および１７のいずれかに記載の半導体基板研磨装置。
22. 前記研磨液供給手段は、供給される新たな研磨液および、前記研磨液再生循環手段を経た研磨液のうちの少なくともいずれかの研磨液を前記研磨パッドの上流側表面上に供給可能とする請求項６、７、１６および１７のいずれかに記載の半導体基板研磨装置。
23. 前記研磨液供給手段の研磨液供給口の手前側に、不足した研磨液の補給および再生研磨液の一時貯蔵を可能とする調整槽が設けられている請求項２２に記載の半導体基板研磨装置。
24. 前記研磨液供給手段は、研磨液を貯蔵するタンクと、該タンク内の研磨液を研磨液供給ラインを通して前記研磨パッドの上端部に供給するノズルと、該研磨液供給ラインと該タンクとの間に設けられた開閉バルブとを有する請求項１または５に記載の半導体基板研磨装置。
25. 前記研磨液供給手段は、研磨液を貯蔵するタンクと、該タンク内の研磨液を研磨液供給ラインを通して前記研磨パッドの上端部に供給するノズルと、該研磨液供給ラインと該タンクとの間に設けられた開閉バルブとを有し、前記調整槽は、該開閉バルブと該研磨液供給ラインとの間に設けられている請求項２３に記載の半導体基板研磨装置。
26. 前記ノズルは、前記半導体基板のサイズに応じた幅広の供給口を有している請求項２４または２５に記載の半導体基板研磨装置。
27. 前記ノズルと前記研磨液供給ライン間に切換バルブが設けられ、該切換バルブは、該ノズルに接続されている流路を前記研磨液供給ラインと洗浄液供給ラインとのいずれかに切り換え可能としている請求項２４〜２６のいずれかに記載の半導体基板研磨装置。
28. 洗浄液により、前記加圧ヘッドおよび前記研磨パッドを洗浄可能とする洗浄手段をさらに備えている請求項１または２７に記載の半導体基板研磨装置。
29. 前記洗浄手段は、洗浄液を前記研磨パッドの上端部に供給される請求項２８に記載の半導体基板研磨装置。
30. 前記研磨盤の回転軸心と前記加圧ヘッドの回転軸心とが一致するように互いに配置されている請求項１に記載の半導体基板研磨装置。
31. 前記研磨盤を回転させる研磨盤回転駆動系と、前記加圧ヘッドを回転させる加圧ヘッド回転駆動系と、該研磨盤回転駆動系および該加圧ヘッド回転駆動系を駆動制御する研磨制御部とをさらに有する請求項１または３０に記載の半導体基板研磨装置。
32. 前記研磨制御部は、前記研磨盤と前記加圧ヘッドとのうちの少なくともいずれかを回転駆動可能とする請求項３１に記載の半導体基板研磨装置。
33. 前記研磨パッドの表面を露出させるように前記研磨盤を回転可能に収容して保持する研磨処理容器を更に有し、該研磨処理容器は、該研磨盤を回転可能に嵌め込む孔付凹部を有する底壁と、該底壁の外周に沿って設けられた周囲壁と、該周囲壁の上端部に沿って前記研磨パッドの外周部上方側に突出した内フランジとを有しており、該加圧ヘッドと前記研磨パッドおよび該研磨盤が内部に収まる程度の大きさに構成されている請求項１に記載の半導体基板研磨装置。
34. 前記遮蔽部材は、前記研磨液の槽底部から槽上部側への逆流を防止するために下側部分が鉛直方向に対して傾斜している請求項９〜１１のいずれかに記載の半導体基板研磨装置。
35. 請求項１〜３４のいずれかに記載の半導体基板研磨装置を用いて、
    前記研磨パッドの外周部上方から供給した研磨液を該研磨パッドの表面上に沿って重力により下方側へ流動させながら前記半導体基板を回転させつつ該研磨パッド側に押圧して研磨する工程と、
    研磨に使用された研磨液中から研磨屑を除去して研磨液を再生し、再生した研磨液を該研磨パッド上に供給する工程とを有する半導体基板研磨方法。
36. 請求項１〜３４のいずれかに記載の半導体基板研磨装置を用いて、
    半導体装置が作り込まれた半導体基板の表面層を研磨する表面層研磨工程を有する半導体装置の製造方法。
37. 前記表面層研磨工程により平坦化された表面層上に所定の回路配線パターンを形成する多層配線形成工程を更に有する請求項３６に記載の半導体装置の製造方法。
38. 前記表面層研磨工程は、
    前記研磨パッドの外周部上方から供給した研磨液を該研磨パッドの表面上に沿って重力により下方側へ流動させながら前記半導体基板を回転させつつ該研磨パッド側に押圧して研磨する工程と、
    研磨に使用された研磨液中から研磨屑を除去して研磨液を再生し、再生した研磨液を該研磨パッド上に供給する工程とを有する請求項３６または３７に記載の半導体装置の製造方法。