JP2009111092A

JP2009111092A - 半導体装置の製造方法及び化学機械的研磨装置

Info

Publication number: JP2009111092A
Application number: JP2007280893A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ishikawa; 和弘石川
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2009-05-21

Abstract

【課題】Ｗ膜を適切に除去することができる半導体装置の製造方法及び化学機械的研磨装置を提供する。
【解決手段】リテーナリング１２の内径は、研磨対象である半導体基板１０の直径よりも大きく、また、研磨パッド１４に囲まれた領域の直径も半導体基板１０の直径よりも大きい。つまり、リテーナリング１２と半導体基板１０との間に、スラリーが通流する空間が確保されている。このため、半導体基板１０はリテーナリング１２の内側で遊動することができる。研磨の際には、ステージ２１及び研磨ヘッド１を回転させながら研磨パッド２２の表面に研磨剤を含有するスラリーを供給し、研磨ヘッド１を下降させて半導体基板１０の研磨面（被処理膜の表面）を研磨パッド２２に接触させる。この結果、半導体基板１０が、研磨ヘッド１の回転に伴って自転すると共に、研磨パッド２２に対して公転する。また、研磨ヘッド１を研磨パッド２２の半径方向に往復移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、タングステン膜等の研磨残りの抑制を図った半導体装置の製造方法及び化学機械的研磨装置に関する。

半導体装置を構成する導電性プラグとしてタングステン（Ｗ）製のプラグが多用されている。このタングステンプラグ（以下、Ｗプラグという。）の形成の際には、層間絶縁膜に形成された開口部内及び層間絶縁膜上にＷからなる膜（以下Ｗ膜という。）を形成し、その後、化学機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）技術により層間絶縁膜上のＷ膜を除去している。

ここで、従来のＣＭＰ装置について説明する。ＣＭＰ装置には、半導体基板を保持する研磨ヘッド、及び研磨パッドが貼り付けられたステージが設けられている。図１２は、従来のＣＭＰ装置を示す断面図である。図１２に示すように、研磨ヘッド１０１には、基部１１１が設けられており、この基部１１１の下面に、メンブレン１１３がリテーナリング１１２を用いて取り付けられている。図１３は、リテーナリング１１２と研磨対象である半導体基板１１０との関係を示す下面図である。図１２及び図１３に示すように、リテーナリング１１２の内径は、研磨対象である半導体基板１１０の直径と一致している。

半導体基板１１０を研磨する際には、リテーナリング１１２の内側に半導体基板１１０を取り付け、研磨ヘッド１０１を、回転可能なステージ１２１に貼り付けられた研磨パッド１２２上に移動させる。次いで、ステージ１２１及び研磨ヘッド１０１を回転させながら研磨パッド１２２の表面に研磨剤を含有するスラリーを供給し、研磨ヘッド１０１を下降させて半導体基板１１０の研磨面を研磨パッド１２２に接触させる。この結果、半導体基板１１０が、研磨ヘッド１０１の回転に伴って自転すると共に、研磨パッド１２２に対して公転する。また、メンブレン１１３の上方の空間に空気を供給することにより、半導体基板１１０と研磨パッド１２２との間の接触を確保する。

従来の半導体装置の製造方法では、上述のようなＣＭＰ装置を用いてＷ膜の研磨を行っている。しかし、半導体基板１１０の外周部においては、Ｗ膜が十分に除去されないことがある。この現象は、半導体基板が大口径化するに連れて顕著となっている。除去されなかったＷ膜はその後の工程において剥がれることがあり、これに伴ってパターニング不良が引き起こされ、歩留まりが低下してしまう。

そこで、Ｗ膜の形成時に、Ｗ膜の除去が十分とならない領域にガイドリングを用いてＷ膜が形成されないようにする方法がとられることがある。

しかしながら、ガイドリングが高価であるため、コストが上昇してしまう。また、ガイドリングの保守が必要となるため、そのために時間が費やされてしまう。この結果、スループットが低下してしまう。

特開２００１−３３４４５６号公報特開２００１−３４５２９８号公報特表２００３−５３３３５９号公報特開２００４−５２６５８５号公報特開２００３−２５２１７号公報特開２０００−６１８２４号公報

本発明の目的は、Ｗ膜を適切に除去することができる半導体装置の製造方法及び化学機械的研磨装置を提供することにある。

本願発明者は、上記課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。

本発明に係る半導体装置の製造方法では、半導体基板上に被処理膜を形成し、その後、前記半導体基板を保持して研磨パッド上を移動する研磨ヘッドの開口部内に前記半導体基板を取り付ける。そして、前記開口部の内面と前記半導体基板の間を経由して前記研磨パッド上に研磨材を供給し、前記被処理膜を研磨する。

本発明に係る装置は、被処理膜が形成された半導体基板を研磨する化学機械的研磨装置を対象とする。そして、この化学機械的研磨装置には、回転可能な支持台に貼り付けられた研磨パッドと、前記半導体基板を保持して前記研磨パッド上を移動する研磨ヘッドと、が設けられている。また、前記研磨ヘッドには、前記半導体基板を保持可能な開口部が設けられている。そして、前記開口部の内面と前記半導体基板の間から前記研磨パッド上に研磨材が供給される。

従来のＣＭＰ装置では、図１２及び図１３に示すように、半導体基板１１０の外周部が常にメンブレン１１３から研磨パッド１２２に押し付けられにくい状態となっている。これは、メンブレン１１３が球状に膨張しようとするからである。これに対し、本発明では、半導体基板と研磨パッドの開口部の内面との間に研磨材が通流する程度の空間を設けるため、半導体基板の外周部も研磨パッドに適切に押し付けられ、被処理膜の研磨が適切に行われる。

本発明によれば、半導体基板の外周部においても、タングステン膜等の被処理膜を適切に研磨して除去することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。

（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るＣＭＰ装置を示す断面図である。図１に示すように、第１の実施形態においては、研磨ヘッド１に基部１１が設けられており、この基部１１の下面にメンブレン１３がリテーナリング１２を用いて取り付けられている。基部１１は、ＣＭＰ装置の回転軸２３に連結されている。また、リテーナリング１２の内側面には円環状の研磨パッド１４が貼り付けられている。

ここで、リテーナリング１２と研磨対象である半導体基板１０との関係について説明する。図２は、リテーナリング１２と研磨対象である半導体基板１０との関係を示す下面図である。図１及び図２に示すように、リテーナリング１２の内径は、研磨対象である半導体基板１０の直径よりも大きく、また、研磨パッド１４に囲まれた領域の直径も半導体基板１０の直径よりも大きい。この差は５ｍｍ乃至１０ｍｍ程度である。つまり、本実施形態では、リテーナリング１２と半導体基板１０との間に、スラリーが通流する空間が確保されている。なお、半導体基板１０の表面には、Ｗ膜等の被処理膜（図示せず）が形成されているが、簡略化のため、半導体基板１０と被処理膜とを一体としたものも半導体基板１０ということがある。

次に、上述のＣＭＰ装置を用いた研磨方法について説明する。図３は、ＣＭＰ装置を用いた研磨方法を示す模式図である。先ず、リテーナリング１２の内側に、被処理膜が形成された半導体基板１０を取り付け、回転可能なステージ２１に貼り付けられた研磨パッド２２上に、半導体基板１０が取り付けられた研磨ヘッド１を移動させる。次いで、ステージ２１及び研磨ヘッド１を回転させながら研磨パッド２２の表面に研磨剤を含有するスラリーをスラリー供給部３１から供給し、研磨ヘッド１を下降させて半導体基板１０の研磨面（被処理膜の表面）を研磨パッド２２に接触させる。この結果、半導体基板１０が、回転軸２３の駆動による研磨ヘッド１の回転に伴って自転すると共に、研磨パッド２２に対して公転する。また、研磨ヘッド１を研磨パッド２２の半径方向に往復移動させる。また、メンブレン１３の上方の空間に空気を供給することにより、半導体基板１０と研磨パッド２２との間の接触を確保する。なお、研磨ヘッド１の移動方向は、研磨パッド２２の回転方向と交差する方向であれば、研磨パッド２２の半径方向に限定されない。

本実施形態では、上述のように、リテーナリング１２の内径は半導体基板１０の直径よりも大きく、また、研磨パッド１４に囲まれた領域の直径も半導体基板１０の直径よりも大きい。このため、半導体基板１０はリテーナリング１２の内側で遊動することができる。従って、研磨ヘッド１を研磨パッド２２の中心から離間する向きに移動させている時には、図４に示すように、半導体基板１０は、研磨パッド２２の中心寄りの位置で研磨パッド１４に接触する。逆に、研磨ヘッド１を研磨パッド２２の中心に向けて移動させている時には、図５に示すように、半導体基板１０は、研磨パッド２２の中心から離間した位置で研磨パッド１４に接触する。また、研磨ヘッド１を移動させていない時でも、研磨パッド２２の回転に伴って、半導体基板１０は、研磨パッド２２の回転方向の前方において研磨パッド１４に接触する。つまり、本実施形態では、半導体基板１０がリテーナリング１２の内側において偏って位置することとなる。このため、半導体基板１０の中心部だけでなく外周部も、半導体基板１０の自転に伴って、メンブレン１３によって研磨パッド２２に押さえ付けられやすい位置を繰り返し通過する。また、上述のように、リテーナリング１２と半導体基板１０との間にスラリーが通流する空間が存在するため、スラリーがこの空間を介して半導体基板１０の外周部の研磨面に供給されやすい。つまり、上記の空間を介して半導体基板１０の外側から被処理膜の表面に向けてスラリーが浸入してくる。従って、これらの協働作用によって半導体基板１０の外周部においても研磨面が適切に研磨される。

更に、本実施形態では、半導体基板１０が研磨パッド１４と接触しながら基部１１及びリテーナリング１２と同じ方向に自転する。但し、半導体基板１０は研磨パッド２２から摩擦力を受けるため、リテーナリング１２よりも低速で回転する。従って、半導体基板１０の端面が研磨パッド１４によって研磨される。このため、端面に異物が存在する場合でも、これを除去することができる。

このように、本実施形態によれば、半導体基板１０の研磨面を全体にわたって適切に研磨することができる。従って、ガイドリングの使用を回避することができる。また、半導体基板１０の端面の研磨を同時に行うことができる。

なお、端面の研磨の必要性が低い場合には、研磨パッド１４をリテーナリング１２の内側面に貼り付ける必要はない。逆に、端面の研磨速度を高める場合には、例えば、図６に示すように、リテーナリング１２及び研磨パッド１４の回転方向を基部１１の回転方向（半導体基板１０の回転方向）とは逆向きにすればよい。回転方向を逆向きにすることにより、速度差が大きくなるためである。回転方向を逆方向にするためには、例えば、モータ等の駆動装置を各々に対して個別に設ければよい。更に、被処理膜はＷ膜に限定されず、他の金属膜又は絶縁膜であってもよい。

次に、上述のようなＣＭＰ装置を用いて半導体装置を製造する方法について説明する。図７Ａ乃至図７Ｄは、半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。

先ず、図７Ａに示すように、半導体基板５１の表面にＳＴＩ法により素子分離絶縁膜５２を形成する。素子分離絶縁膜５２の形成に当たっては、半導体基板５１に溝を形成し、この溝内及び半導体基板５１上に絶縁膜を形成し、これを研磨する。この研磨の際に上述のＣＭＰ装置を用いて上述の処理を行う。素子分離絶縁膜５２の形成後に、ウェル５３を形成する。

ウェル５３の形成後に、図７Ｂに示すように、ゲート絶縁膜５４及びゲート電極５５を形成する。ゲート絶縁膜５４及びゲート電極５５の形成後に、不純物拡散層５６及びサイドウォール絶縁膜５７を形成する。このようにして、電界効果トランジスタが形成される。

電界効果トランジスタの形成後に、図７Ｃに示すように、この電界効果トランジスタを覆う層間絶縁膜５８を形成し、これに不純物拡散層５６まで達するコンタクトホール５９を形成する。コンタクトホール５９の形成後に、コンタクトホール５９内にコンタクトプラグ６０を形成する。コンタクトプラグ６０の形成の際には、先ず、コンタクトホール５９の側面上及び底面上、並びに層間絶縁膜５８上に薄いバリアメタル膜を形成する。次いで、バリアメタル膜上にＷ膜を形成する。その後、Ｗ膜及びバリアメタル膜を層間絶縁膜５８の表面が露出するまで研磨する。この研磨の際に、上述のＣＭＰ装置を用いて上述の処理を行う。

コンタクトプラグ６０の形成後に、図７Ｄに示すように、コンタクトプラグ６０に接続される配線６１を層間絶縁膜５８上に形成する。

その後、上層の配線、プラグ及び層間絶縁膜等を形成し、半導体装置を完成させる。プラグの形成に当たっては、コンタクトプラグ６０の形成と同様に、上述のＣＭＰ装置を用いて上述の処理を行う。

このような方法によれば、ガイドリングを用いずともＷ膜等の研磨漏れを抑制することができる。従って、パターニング不良の発生及び歩留まりの低下を抑制することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図８は、本発明の第２の実施形態に係るＣＭＰ装置を示す断面図である。図８に示すように、第２の実施形態においては、メンブレン１３にリテーナリング１２の内側面に倣う円環状で下向きの凸部１３ａが形成されている。凸部１３ａの幅はリテーナリング１２の半径と半導体基板１０の直径との差とほぼ一致しており、凸部１３ａによってリテーナリング１２と半導体基板１０との相対的な位置が固定される。なお、研磨パッド１４は設けられていない。

ここで、リテーナリング１２と研磨対象である半導体基板１０との関係について説明する。図９は、リテーナリング１２と研磨対象である半導体基板１０との関係を示す下面図である。図８及び図９に示すように、本実施形態でも、リテーナリング１２の内径は、研磨対象である半導体基板１０の直径よりも大きい。この差は５ｍｍ乃至１０ｍｍ程度である。つまり、本実施形態でも、リテーナリング１２と半導体基板１０との間に、スラリーが通流する空間が確保されている。他の構成は、第１の実施形態と同様である。

このように構成されたＣＭＰ装置では、上述のように、リテーナリング１２の内径は半導体基板１０の直径よりも大きい。しかし、メンブレン１３に凸部１３ａが形成されているため、第１の実施形態とは異なり、半導体基板１０はリテーナリング１２の内側で遊動することができず、半導体基板１０とリテーナリング１２との相対的な位置は固定されている。その一方で、凸部１３ａが形成されているために、メンブレン１３の凸部１３ａ及びその内側の部分によって、半導体基板１０の外周部が中心部と同程度に研磨パッド２２に押し付けられる。また、第１の実施形態と同様に、リテーナリング１２と半導体基板１０との間にスラリーが通流する空間が存在するため、スラリーがこの空間を介して半導体基板１０の外周部の研磨面に供給されやすい。従って、これらの協働作用によって半導体基板１０の外周部においても研磨面が適切に研磨される。

従って、第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様に、半導体基板１０の研磨面を全体にわたって適切に研磨することができる。従って、ガイドリングの使用を回避することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１０は、本発明の第３の実施形態に係るＣＭＰ装置を示す断面図である。図１０に示すように、第３の実施形態においては、リテーナリング１２の内側に、リテーナリング１２と半導体基板１０との相対的な位置を固定する円環状の位置固定材１５が取り付けられている。また、位置固定材１５の下面はリテーナリング１２の下面よりもメンブレン１３に近く位置している。なお、研磨パッド１４は設けられていない。

ここで、リテーナリング１２と研磨対象である半導体基板１０との関係について説明する。図１１は、リテーナリング１２と研磨対象である半導体基板１０との関係を示す下面図である。図１０及び図１１に示すように、本実施形態でも、リテーナリング１２の内径は、研磨対象である半導体基板１０の直径よりも大きい。この差は５ｍｍ乃至１０ｍｍ程度である。また、上述のように、位置固定材１５の下面がリテーナリング１２の下面よりもメンブレン１３に近く位置している。従って、本実施形態でも、リテーナリング１２と半導体基板１０との間に、スラリーが通流する空間が確保されている。他の構成は、第１の実施形態と同様である。

このように構成されたＣＭＰ装置では、半導体基板１０とリテーナリング１２との相対的な位置が固定されているものの、第１の実施形態と同様に、リテーナリング１２と半導体基板１０との間にスラリーが通流する空間が存在する。このため、スラリーがこの空間を介して半導体基板１０の外周部の研磨面に供給されやすい。従って、半導体基板１０の外周部においても研磨面が適切に研磨される。つまり、第３の実施形態では、半導体基板１０の外周部の研磨パッド２２への押し付けが第１及び第２の実施形態よりも弱くなるものの、確実にスラリーが供給されるため、半導体基板１０の外周部においても研磨面が適切に研磨されるのである。

従って、第３の実施形態によっても、半導体基板１０の研磨面を全体にわたって適切に研磨することができる。従って、ガイドリングの使用を回避することができる。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
半導体基板上に被処理膜を形成する工程と、
前記半導体基板を保持して研磨パッド上を移動する研磨ヘッドの開口部内に前記半導体基板を取り付ける工程と、
前記開口部の内面と前記半導体基板の間を経由して前記研磨パッド上に研磨材を供給し、前記被処理膜を研磨する工程と、
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）
前記研磨ヘッドが、
回転軸に連結された基部と、
内径が前記半導体基板の直径よりも大きい環状のリテーナリングと、
を備え、
前記半導体基板が前記基部の回転に伴って自転することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。

（付記３）
前記被処理膜を研磨する工程において、前記研磨ヘッドを前記研磨パッドの回転方向と交差する方向に移動させることを特徴とする付記１又は２に記載の半導体装置の製造方法。

（付記４）
前記リテーナリングの内側面に第２の研磨パッドが設けられていることを特徴とする付記２又は３に記載の半導体装置の製造方法。

（付記５）
前記被処理膜を研磨する工程において、前記リテーナリングの回転速度を前記半導体基板の回転速度と異ならせることを特徴とする付記４に記載の半導体装置の製造方法。

（付記６）
前記被処理膜を研磨する工程において、前記リテーナリングの回転方向を前記半導体基板の回転方向と逆方向とすることを特徴とする付記４に記載の半導体装置の製造方法。

（付記７）
前記開口部の内面と前記半導体基板の間に、前記半導体基板と前記リテーナリングとの相対的な位置を固定する部材が設けられていることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

（付記８）
前記部材は、メンブレンの一部であることを特徴とする付記７に記載の半導体装置の製造方法。

（付記９）
前記被処理膜は、金属からなる膜であることを特徴とする付記１乃至８のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１０）
被処理膜が形成された半導体基板を研磨する化学機械的研磨装置であって、
回転可能な支持台に貼り付けられた研磨パッドと、
前記半導体基板を保持して前記研磨パッド上を移動する研磨ヘッドと、
を有し、
前記研磨ヘッドは、前記半導体基板を保持可能な開口部を有し、
前記開口部の内面と前記半導体基板の間から前記研磨パッド上に研磨材が供給されることを特徴とする化学機械的研磨装置。

（付記１１）
前記研磨ヘッドは、
回転軸に連結された基部と、
内径が前記半導体基板の直径よりも大きい環状のリテーナリングと、
を備え、
前記リテーナリングの内側面に、前記前記半導体基板の側面と接触可能な第２の研磨パッドが設けられていることを特徴とする付記１０に記載の化学機械的研磨装置。

（付記１２）
前記研磨ヘッドは、
回転軸に連結された基部と、
内径が前記半導体基板の直径よりも大きい環状のリテーナリングと、
を備え、
前記リテーナリングの内面と前記半導体基板の間に、前記半導体基板と前記リテーナリングとの相対的な位置を固定する部材が設けられていることを特徴とする付記１０に記載の化学機械的研磨装置。

（付記１３）
前記部材は、メンブレンの一部であることを特徴とする付記１２に記載の化学機械的研磨装置。

本発明の第１の実施形態に係るＣＭＰ装置を示す断面図である。本発明の第１の実施形態におけるリテーナリング１２と研磨対象である半導体基板１０との関係を示す下面図である。ＣＭＰ装置を用いた研磨方法を示す模式図である。半導体基板１０の移動を示す模式図である。半導体基板１０の他の移動を示す模式図である。半導体基板１０及びリテーナリング１２の回転方向の関係を示す模式図である。本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図７Ａに引き続き、半導体装置の製造方法を示す断面図である。図７Ｂに引き続き、半導体装置の製造方法を示す断面図である。図７Ｃに引き続き、半導体装置の製造方法を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係るＣＭＰ装置を示す断面図である。本発明の第２の実施形態におけるリテーナリング１２と研磨対象である半導体基板１０との関係を示す下面図である。本発明の第３の実施形態に係るＣＭＰ装置を示す断面図である。本発明の第３の実施形態におけるリテーナリング１２と研磨対象である半導体基板１０との関係を示す下面図である。従来のＣＭＰ装置を示す断面図である。リテーナリング１１２と研磨対象である半導体基板１１０との関係を示す下面図である。

符号の説明

１：研磨ヘッド
１０：半導体基板
１１：基部
１２：リテーナリング
１３：メンブレン
１３ａ：凸部
１４：研磨パッド
１５：位置固定材
２１：ステージ
２２：研磨パッド
２３：回転軸

Claims

半導体基板上に被処理膜を形成する工程と、
前記半導体基板を保持して研磨パッド上を移動する研磨ヘッドの開口部内に前記半導体基板を取り付ける工程と、
前記開口部の内面と前記半導体基板の間を経由して前記研磨パッド上に研磨材を供給し、前記被処理膜を研磨する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記研磨ヘッドが、
回転軸に連結された基部と、
内径が前記半導体基板の直径よりも大きい環状のリテーナリングと、
を備え、
前記半導体基板が前記基部の回転に伴って自転することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記リテーナリングの内側面に第２の研磨パッドが設けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記開口部の内面と前記半導体基板の間に、前記半導体基板と前記リテーナリングとの相対的な位置を固定する部材が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
前記被処理膜は、金属からなる膜であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
被処理膜が形成された半導体基板を研磨する化学機械的研磨装置であって、
回転可能な支持台に貼り付けられた研磨パッドと、
前記半導体基板を保持して前記研磨パッド上を移動する研磨ヘッドと、
を有し、
前記研磨ヘッドは、前記半導体基板を保持可能な開口部を有し、
前記開口部の内面と前記半導体基板の間から前記研磨パッド上に研磨材が供給されることを特徴とする化学機械的研磨装置。
前記研磨ヘッドは、
回転軸に連結された基部と、
内径が前記半導体基板の直径よりも大きい環状のリテーナリングと、
を備え、
前記リテーナリングの内側面に、前記前記半導体基板の側面と接触可能な第２の研磨パッドが設けられていることを特徴とする請求項６に記載の化学機械的研磨装置。
前記研磨ヘッドは、
回転軸に連結された基部と、
内径が前記半導体基板の直径よりも大きい環状のリテーナリングと、
を備え、
前記リテーナリングの内面と前記半導体基板の間に、前記半導体基板と前記リテーナリングとの相対的な位置を固定する部材が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の化学機械的研磨装置。