JP2833552B2 - ウェハ研磨方法および研磨装置 - Google Patents

ウェハ研磨方法および研磨装置

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JP2833552B2 JP29494695A JP29494695A JP2833552B2 JP 2833552 B2 JP2833552 B2 JP 2833552B2 JP 29494695 A JP29494695 A JP 29494695A JP 29494695 A JP29494695 A JP 29494695A JP 2833552 B2 JP2833552 B2 JP 2833552B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ウェハの研磨方法
およびその装置に関し、特に、研磨剤を用いてウェハ表
面を研磨する化学的機械研磨（ＣＭＰ；Chemical Mecha
nical Polishing）法と称される研磨方法およびその装
置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体装置の大規模化、多機能化
および微細化の傾向により、基板表面の凹凸が著しくな
ってきている。段差の大きい半導体基板上では、ステッ
プカバッジが悪化し、またフォトリソグラフィ工程での
精度が低下することから歩留りが低下し、信頼性の高い
製品が得られ難くなる。そこで、基板（ウェハ）表面、
特に層間絶縁膜表面を平滑化、平坦化することが求めら
れるようになり、そのための技術が各種提案され、実用
化されている。その一つに研磨剤を用いて基板表面を研
磨する化学的機械研磨法がある。
【０００３】図７は、この種従来の研磨装置の断面図で
ある。同図に示されるように、研磨パッド１が貼り付け
られた研磨テーブル２上に、研磨テーブル中央部上方に
配置された研磨剤供給ノズル４より研磨剤３を流しなが
ら、基板保持部５に装着された基板を研磨テーブルに押
し付ける。研磨剤の供給は研磨開始の１５秒前より行
い、研磨中は供給し続ける。研磨剤の流量は２００ｃｃ
／分である。研磨剤としては、高純度の０．０１μｍ径
の酸化シリコン、すなわちシリカ粉末をアルカリ液に混
入して作成したアルカリ性コロイダルシリカスラリが用
いられる。
【０００４】基板保持部５の構造は、図８に示すよう
に、基板保持部の本体を構成するステージ部９に、研磨
中に基板を保持するためのリテーナーリング８を固着
し、その内部に裏面パッド１０を貼り付けたものであ
る。また、ステージ部９および裏面パッド１０には、基
板７を真空吸着あるいは裏面より加圧するための裏面加
圧／真空吸着用孔１１が開孔されている。研磨中にはこ
の穴より加圧し、基板中央部の研磨レートの落ち込みを
補っている。研磨テーブルおよび基板保持部は２０ｒｐ
ｍで同一方向に回転しており、荷重を７ＰＳＩ（pound
square inch ）（４９２ｇ／ｃｍ2 ）加えることによ
り、基板表面の絶縁膜が研磨され、凹凸が平坦化され
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の研磨方法では、研磨剤が研磨テーブルの回転により
研磨テーブル外に流出してしまう。研磨剤が不足すると
研磨速度が低下するだけでなく、基板表面にキズが発生
しやすくなったり、基板の研磨パッドの摩擦力が増大す
ることにより基板が基板保持部から飛び出す等の問題が
起きる。このため、研磨中は一定量以上の研磨剤を流し
続ける必要があるが、このことがランニングコストを上
昇させる原因となっている。
【０００６】研磨剤の流出を防ぐ方法として、図９に示
すように研磨テーブルの周縁にフェンス１２を設ける方
法が考えられる。しかし、この方法では、研磨剤が滞留
してしまうので、研磨枚数が多くなると研磨剤が劣化し
ていき、研磨特性が変化してしまう。この対策として、
研磨終了毎に研磨剤を入れ替える方式も考えられる。例
えば、図１０に示すように、フェンスが上下する開閉機
構１３を設けて研磨剤の排出を行う方法などが考えられ
るが、機構が複雑となり、処理時間も長くなってしま
う。
【０００７】また、前述したように、層間絶縁膜の研磨
平坦化が広く行われ始めているが、こうした目的の研磨
は基板（ウェハ自体）の鏡面研磨以上に研磨量の制御が
重要となる。すなわち、鏡面研磨の場合には表面の微小
な凹凸が問題であり、仕上げ精度はオングストロームオ
ーダーの精密さが要求されるものの、研磨量自体はミク
ロンオーダーの制御で事足りる。これに対し、層間絶縁
膜の平坦化の場合には研磨量により層間絶縁膜の厚さが
決定されるため、０．１ミクロン以下のオーダーで制御
する必要がある。このため、研磨量の面内均一性にも高
い精度が要求され、各種の研磨のパラメーターを最適化
する必要がある。理論的にはテーブルと基板の回転数を
同じにすれば基板面内の相対速度は全て等しくなり、均
等な荷重を与えることにより基板内で均一な研磨を実現
できるはずである。
【０００８】しかし現実にはこれだけでは十分な均一性
を得るとはできない。基板と研磨パッドの間に存在する
研磨剤の量の分布も研磨量の面内分布に影響を与えるた
めである。基板と研磨パッド間の研磨剤は基板によって
掃き出されることにより、基板中央部で研磨剤が不足す
る傾向になりがちである。これにより基板中央部の研磨
レートが低下するので、基板中央部の荷重を相対的に高
める目的で前述した基板裏面の空気加圧方式等がとられ
ている。すなわち、研磨剤の不足による研磨レートの低
下を荷重により補おうという考えである。しかし、基板
中央部で研磨剤が不足する傾向は研磨パッドの表面状態
や基板の表面状態等によっても変化するため、基板面内
で荷重に分布を持たせるようにした方法では安定した均
一性を得ることは難しい。
【０００９】本発明は、このような状況に鑑みてなされ
たものであって、その目的は、第１に、研磨剤の流失を
少なくしてＣＭＰのランニングコストを低減することで
あり、第２に、研磨剤が基板面に均等に分配されるよう
にして、研磨量の面内均一化を図ることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による研磨方法は、回転する研磨テーブル上
に研磨剤を流しながら、かつ、研磨テーブルの外方から
気体を吹き付けることにより研磨剤の流失を抑制しつつ
ウェハを研磨テーブルに押し付けることによりウェハ表
面を研磨する方法であって、研磨剤流量および吹き付け
る気体の強さを調整することにより研磨テーブル上の研
磨剤の分布を制御することを特徴としている。
【００１１】また、上記の目的を達成するための本発明
によるウェハ研磨装置は、回転手段を備えた研磨テーブ
ルと、研磨テーブル上へ研磨剤を供給する研磨剤供給手
段と、回転手段および上下動機構を有する、ウェハを前
記研磨テーブルに対向するように保持することのできる
ウェハ保持手段と、前記研磨テーブルの外方よりその内
側に向かって気体を吹き付ける気体吹き付け手段と、を
有するものであって、前記気体吹き付け手段は、吹き付
け気体量制御手段および／または気体吹き付け角度制御
手段を備えていることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て以下の実施例に基づいて説明する。図１は、本発明に
よる研磨装置の第１の実施例を示す断面図であり、図２
は平面図である。本実施例の研磨装置は、従来装置と同
様に、研磨パッド１が貼付された研磨テーブル２、研磨
テーブル中央部上方に配置された、研磨剤３を供給する
ための研磨剤供給ノズル４、基板保持部５を備え、さら
に研磨テーブル周辺に４つの気体吹き出しノズル６を有
している。
【００１３】次に、この研磨装置を用いた研磨方法の第
１の実施例について説明する。２０ｒｐｍで研磨テーブ
ル２を上から見て反時計方向に回転させながら、研磨開
始１５秒前から２００ｃｃ／分の流量で研磨剤を供給す
る。これは研磨剤を研磨テーブル上にいきわたらせるた
めである。基板を保持した基板保持部５を研磨テーブル
２と同一方向に回転させながら降下させ研磨を開始す
る。研磨開始と同時に気体吹き出しノズル６より空気を
吹き出し、同時に研磨剤供給量を５０ｃｃ／分に落と
す。気体の吹き付けにより研磨剤のテーブル外への流出
が抑えられるので、テーブル上の研磨剤の量は従来例と
ほぼ等しい。
【００１４】図３はこのときのテーブル上の研磨剤の分
布を模式的に示した図である。研磨剤のテーブル上の高
さ分布は強調して示してある。４分間の研磨を行うと仮
定すると、従来例では８５０ｃｃ必要であった研磨剤の
量が本実施例では２５０ｃｃに低減できる。なお、この
実施例では、従来例の場合と同様に、研磨中の基板の裏
面加圧が必要である。
【００１５】次に、図１、図２の示す研磨装置を用いた
研磨方法の第２の実施例について説明する。２０ｒｐｍ
で研磨テーブルを回転させながら、研磨開始１５秒前か
ら２００ｃｃ／分の流量で研磨剤を供給する。研磨開始
と同時に気体吹き出しノズル６より空気を吹き出し、同
時に研磨剤供給量を５０ｃｃ／分に落とす。このときの
空気の吹き出しの強さを第１の実施例の２倍とする。図
４はこのときのテーブル上の研磨剤の分布を模式的に示
した図である。研磨剤が供給されにくい基板中央部の分
布を多くしており、中央部まで十分な量の研磨剤が供給
されるので、研磨中の基板の裏面から加圧する必要がな
い。
【００１６】図５は、本発明による研磨装置の第２の実
施例を示す平面図である。本実施例の先の実施例と相違
する点は、第１の実施例では４本であった吹き出しノズ
ルを１２本と増設した点である。これにより、研磨パッ
ド上の研磨剤の分布を円に近い形状にすることができ、
研磨の安定性を向上させることができる。
【００１７】図６は、本発明による研磨装置の第３の実
施例を示す平面図である。本実施例では、他の実施例で
は４本以上あった吹き出しノズルが１本だけとなってい
る。本実施例では、吹き出しノズルを１個だけとしても
これを基板保持部の直前に設けることにより、より単純
な構造で第１の実施例に近い効果を期待することができ
る。また、本実施例では、研磨剤供給ノズルによる研磨
剤の供給位置が基板保持部の手前中央寄りに移されてい
る。これにより研磨剤をより効果的に被研磨基板に集中
することができる。
【００１８】上記実施例では、気体吹き出しノズルから
吹き出される気体の形状については特に説明はしなかっ
たが、吹き出しノズルの先端部形状は一般的には円形で
あるため気体吹き出しノズルからの気体の吹き出し形状
は吹き出しノズルを頂点とする円錐状となっている。こ
こで、気体吹き出し形状の広がりを調節することによ
り、吹き付けの効果を変化させることができる。さら
に、吹き出しノズルの開口部形状を扁平にすることによ
り、吹き出し形状を円錐を上下につぶした形状とするこ
とができる。これによって、さらに吹き付け効果を増す
ことができる。また、吹き出しノズル毎にノズルの角度
を調整できるようにして、研磨テーブル上での研磨剤分
布の最適化を図るようにしてもよい。
【００１９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による研磨
方法および装置は、研磨テーブル上にその周辺部より気
体を吹き付けるものであるので、研磨剤のテーブル外へ
の流出を抑制することができ、研磨剤供給量を低減する
ことができる。したがって、本発明によれば、基板研磨
工程におけるランニングコストを著しく低減することが
できる。また、研磨剤のテーブル上の分布を制御するこ
とができ、これにより研磨剤が供給されにくい基板中央
部に多くの研磨剤を分布させることにより、基板の裏面
加圧等の基板内の荷重分布を変化させるという不安定な
手法を用いることなく研磨の均一性を確保することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による研磨装置の第１の実施例を示す断
面図。
【図２】本発明による研磨装置の第１の実施例を示す平
面図。
【図３】本発明による研磨方法の第１の実施例を説明す
るための断面図。
【図４】本発明による研磨方法の第２の実施例を説明す
るための断面図。
【図５】本発明による研磨装置の第２の実施例を示す平
面図。
【図６】本発明による研磨装置の第３の実施例を示す平
面図。
【図７】従来の研磨装置の断面図。
【図８】従来の研磨装置の基板保持部の断面図。
【図９】従来の研磨装置の改良案を示す断面図。
【図１０】従来の研磨装置の他の改良案を示す断面図。
【符号の説明】
１ 研磨パッド ２ 研磨テーブル ３ 研磨剤 ４ 研磨剤供給ノズル ５ 基板保持部 ６ 気体吹き出しノズル ７ 基板（ウェハ） ８ リテーナーリング ９ ステージ部 １０ 裏面パッド １１ 裏面加圧／真空吸着用孔 １２ フェンス １３ フェンス開閉機構

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回転する研磨テーブル上に研磨剤を流し
    ながら、かつ、研磨テーブルの外方から気体を吹き付け
    ることにより研磨剤の流失を抑制しつつウェハを研磨テ
    ーブルに押し付けることによりウェハ表面を研磨する研
    磨方法において、研磨剤流量および吹き付ける気体の強
    さを調整することにより研磨テーブル上の研磨剤の分布
    を制御することを特徴とするウェハ研磨方法。
  2. 【請求項２】 回転する研磨テーブル上に研磨剤を流し
    ながら、かつ、研磨テーブルの外方から気体を吹き付け
    ることにより研磨剤の流失を抑制しつつウェハを研磨テ
    ーブルに押し付けることによりウェハ表面を研磨する研
    磨方法において、ウェハを研磨テーブルに押し付けるに
    先立って気体を吹き付けることなく研磨剤を流してお
    き、ウェハを研磨テーブルに押し付けるのとほぼ同時に
    気体を吹き付け始めることを特徴とするウェハ研磨方
    法。
  3. 【請求項３】 回転手段を備えた研磨テーブルと、研磨
    テーブル上へ研磨剤を供給する研磨剤供給手段と、回転
    手段および上下動機構を有する、ウェハを前記研磨テー
    ブルに対向するように保持することのできるウェハ保持
    手段と、前記研磨テーブルの外方よりその内側に向かっ
    て気体を吹き付ける気体吹き付け手段と、を有するウェ
    ハ研磨装置において、前記気体吹き付け手段は、吹き付
    け気体量制御手段および／または気体吹き付け角度制御
    手段を備えていることを特徴とするウェハ研磨装置。
  4. 【請求項４】 回転手段を備えた研磨テーブルと、研磨
    テーブル上へ研磨剤を供給する研磨剤供給手段と、回転
    手段および上下動機構を有する、ウェハを前記研磨テー
    ブルに対向するように保持することのできるウェハ保持
    手段と、前記研磨テーブルの外方よりその内側に向かっ
    て気体を吹き付ける気体吹き付け手段と、を有するウェ
    ハ研磨装置において、前記気体吹き付け手段の吹き出し
    口先端部が扁平な形状に加工されていることを特徴とす
    るウェハ研磨装置。
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