JP3047904B1

JP3047904B1 - 研磨装置

Info

Publication number: JP3047904B1
Application number: JP2676899A
Authority: JP
Inventors: 朋岳森田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-02-03
Filing date: 1999-02-03
Publication date: 2000-06-05
Anticipated expiration: 2019-02-03
Also published as: JP2000218513A

Abstract

【要約】【課題】１個の研磨テーブルが設けられた研磨装置を
使用して、研磨パッドを交換することなく研磨パッドの
弾性特性を変化させることができる研磨装置を提供す
る。【解決手段】研磨テーブル１の上面に研磨パッド２が
その縁部を固定部材３により流体が漏れないように固定
されている。また、研磨対象のウェハ６を保持すると共
にウェハ６を研磨パッド２に押し付けることができるウ
ェハ保持部７が設けられている。研磨テーブル１には複
数の流通孔５が設けられており、この流通孔５にはポン
プに接続されたパイプが設けられており、研磨パッド２
と研磨テーブル１とに囲まれた空間にポンプからパイプ
及び流通孔５を介して任意の量又は圧力の圧力流体４を
供給することができるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の研磨装
置に関し、特に、化学的機械研磨法に好適な研磨装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の製造工程における層間
膜等の平坦化プロセスにＣＭＰ（化学的機械研磨：Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉ
ｎｇ）法の技術が使用される場合が多くなっている。半
導体集積回路のデザインルールの縮小化に伴い、微細な
パターンを形成するためには、従来の光露光技術では短
波長化により露光マージンが小さくなり半導体集積回路
上面の段差の影響を受けやすくなるため、半導体集積回
路の完全平坦化の技術が必要になるためである。図３は
従来の第１の研磨装置を示す模式図である。また、図４
はウェハを示す図であって、（ａ）は研磨前の状態を示
す断面図、（ｂ）は研磨後の状態を示す断面図である。

【０００３】図３に示すように、従来の第１の研磨装置
においては、剛体からなり鉛直軸中心に回転可能な研磨
テーブル１の上面に、例えば、発砲ポリウレタンからな
る研磨パッド２が固定されている。また、研磨対象のウ
ェハ６を保持すると共に鉛直軸中心に回転しながらウェ
ハ６を研磨パッド２に押し付けることができるウェハ保
持部７が設けられている。また、研磨パッド２の上方に
研磨剤８を滴下する研磨剤供給管１８が設けられてい
る。

【０００４】また、図４（ａ）に示すように、研磨前の
ウェハは半導体基板１４上に選択的に配線１５が形成さ
れその全面に層間絶縁膜１６が形成されたものであり、
層間絶縁膜１６の上面においては、配線１５が形成され
た部分に対応する領域に凸部１０が形成され、配線１５
が形成されない部分に対応する領域に凹部１１が形成さ
れている。

【０００５】このように構成された従来の第１の研磨装
置においては、研磨テーブル１と共に回転する研磨パッ
ド２の上面に研磨剤供給管１８から研磨剤８が滴下され
る。そして、ウェハ６を保持したウェハ保持部７が回転
しながらウェハ６を研磨パッド２に押し付ける。これに
より、図４（ａ）に示すウェハの上面の凸部１０及び凹
部１１が研磨される。このとき、凹部１１より凸部１０
に高い圧力が加わるため、凹部１１より凸部１０の方が
研磨される量が多く、やがて、図４（ｂ）に示すよう
に、層間絶縁膜１６の上面の凸部１０と凹部１１との段
差がなくなり、平坦化される。

【０００６】しかしながら、ウェハ面内における研磨レ
ート（パターンが形成されていないウェハを一定時間研
磨したときの研磨量を研磨時間で割った単位時間当たり
の研磨量、研磨速度ともいう）は、ウェハ面内の位置に
より異なり、単位時間当たりの研磨量が多い領域と少な
い領域とが生じる。なお、夫々の領域を研磨レートが速
い領域及び研磨レートが遅い領域という。研磨条件にも
よるが、具体的にはウェハの中央部が研磨レートが遅い
領域であり、ウェハの外周部は研磨レートが速い領域で
ある。

【０００７】また、パターンが形成されていないウェハ
を研磨したときのウェハ面内における研磨最大量と研磨
最小量との差、即ち、研磨レートが速い領域と遅い領域
との間に生じる研磨量の差を研磨量のバラツキという。
ウェハ上に残留する絶縁層間膜の厚さのバラツキを小さ
くするために、ウェハ面内の研磨量のバラツキが小さい
ことが望ましい。この研磨量のバラツキを小さくするた
めに、研磨テーブルと研磨パッドとの間に軟質の下層パ
ッドが設けられた研磨装置がある（特開平８−１３２３
４２号公報）。図５は従来の第２の研磨装置を示す断面
図であり、図６は従来の第２の研磨装置を使用したとき
の研磨量のバラツキ量を示すグラフ図である。また、図
７（ａ）乃至（ｃ）はウェハの研磨過程を示す断面図で
あり、図８は従来の第２の研磨装置を使用したときの凸
部の段差の大きさを示すグラフ図である。

【０００８】図５に示すように、従来の第２の研磨装置
においては、研磨テーブル１と研磨パッド２との間に研
磨パッド２より軟質の下層パッド９が設けられている。
それ以外の構成は従来の第１の研磨装置と同様であり、
説明を省略する。

【０００９】このように構成された従来の第２の研磨装
置を使用して、ウェハ６の研磨を行う場合、研磨パッド
２の表面の変形量は研磨パッド２の弾性変形量と下層パ
ッドの変形量との和になる。このため、研磨パッド２の
表面の変形量が大きくなり、反り等のウェハ６全体の変
形に対して研磨パッド２の表面が追随することができる
ため、図６に示すように、ウェハ面内の研磨量のバラツ
キ量を小さく研磨することができる。なお、グラフ横軸
に示す「研磨量」とは、パターンが形成されていないウ
ェハを研磨するために研磨装置に設定する値であり、以
下、換算研磨量という。例えば、６０００Åの換算研磨
量でパターンが形成されていないウェハを研磨すると研
磨量は６０００Åとなり、一方、表面に凹凸が形成され
たウェハを研磨する場合は、その凸部に圧力が多く加わ
るため、凸部は６０００Å以上（例えば、８０００Å）
研磨される。これ以降のグラフ図の横軸に示す「研磨
量」とは全て前述した換算研磨量を示す。

【００１０】しかしながら、図７（ａ）乃至（ｃ）に示
すように、ウェハ上面に面積の大きい凸部１２及び凸部
１３が形成されたウェハに対して、従来の第２の研磨装
置を使用して研磨を行なうと、研磨パッド２の表面の変
形量が大きくウェハの表面の微細な形状に追随するた
め、凸部１２が研磨されると共に、凹部１３も相当量研
磨される。このため、図８に示すように、例えば、８０
００Åの段差を有するウェハに対し、８０００Åの換算
研磨を行なうと、研磨処理後のウェハ表面には、例え
ば、４０００Å程度の段差が残る。

【００１１】一方、同様に、研磨速度（研磨レート）の
均一性を向上させることを目的とした研磨装置として、
特開平９−９７７７２に開示された研磨装置（以下、従
来の第３の研磨装置という）がある。この従来の第３の
研磨装置は、回転可能なＳＵＳ製定盤と研磨パッドとの
間に内部に空気等の圧力流体を入れた多数の微小袋（エ
アーセル）が設けられており、研磨パッド表面の変形量
を部分的に制御できるものである。しかしながら、従来
の第３の研磨装置においては、凸部のような平坦化した
い箇所が広いと共に、凹部のようなあまり研磨をする必
要がない領域が広いウェハに対して研磨を行なうと、研
磨処理後のウェハ表面に段差が残る。この段差残りを防
止するためには、上述したような平坦化されないウェハ
の設計を避ける必要があり、ウェハの設計自由度が低く
なる。

【００１２】上述したような従来の第２の研磨装置及び
第３の研磨装置における問題点を解決するためには、図
９に示す下層パッドが設けられていない研磨装置を使用
することができる。図９は、下層パッドが設けられてい
ない研磨装置を示す断面図であり、図１０は、図９に示
す研磨装置を使用したときの凸部の段差の大きさを示す
グラフ図である。図１１は図９に示す研磨装置を使用し
たときの研磨量のバラツキ量を示すグラフ図である。

【００１３】図９に示す研磨装置においては、研磨パッ
ド２が剛体からなる研磨テーブル１に密着するように構
成されているため、研磨パッド２の表面の変形量が小さ
い。このため、研磨パッド２の表面はウェハの表面の微
細な形状に追随しないため、従来の第２の研磨装置及び
第３の研磨装置と異なり、大面積の凹部１３が研磨され
る量が十分に小さくなり、ウェハ表面に段差が残ること
を防止することができる。このため、図１０に示すよう
に、少ない換算研磨量で凸部の段差をなくすことができ
る。

【００１４】一方、図１１に示すように、反り等のウェ
ハ６全体の変形に対して研磨パッド２の表面が追随でき
ないため、研磨量のバラツキ量は下層パッドが設けられ
た従来の第２の研磨装置と比較して大きくなる。例え
ば、研磨レートが遅い領域に形成された段差がなくなる
まで、６０００Åの換算研磨を行った場合、研磨量のバ
ラツキ量は２０００Åを超える。

【００１５】上述したことから、先ず、ウェハを下層パ
ッドが設けられていない研磨装置で研磨を行い、ウェハ
面内のバラツキ量が許容される範囲内で段差を小さくし
て、次に、下層バッドが設けられた研磨装置で研磨を行
なうことにより、ウェハ面内のバラツキ量が小さい状態
で更に段差を小さくする方法、即ち、弾性特性の異なる
研磨パッドを使用して（使い分けて）研磨する方法が考
えられる。図１２は下層パッドが設けられていない研磨
装置及び下層パッドが設けられた研磨装置の両方を使用
したときの凸部の段差の大きさを示すグラフ図である。
図１３は下層パッドが設けられていない研磨装置及び下
層パッドが設けられた研磨装置の両方を使用したときの
研磨量のバラツキ量を示すグラフ図である。

【００１６】例えば、先ず、ウェハを下層パッドが設け
られていない研磨装置で２０００Åの換算研磨を行った
後、下層バッドが設けられた研磨装置で研磨を行なう
と、図１２に示すように、８０００Åの段差を有する大
面積の凸部及び凹部が形成されたウェハに対しても、８
０００Åの換算研磨量で段差をなくすことができると共
に、図１３に示すように、下層パッドが設けられていな
い研磨装置のみを使用した場合（図１１参照）と比較し
て、研磨量のバラツキ量を小さくすることができる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た方法においては、弾性特性が夫々異なる研磨パッドを
必要とするので、１台の研磨装置を使用する場合、弾性
特性の異なる研磨パッドを交換して対応することになる
（弾性特性は研磨パッド自体の硬さを変更するか、又は
下層パッドの使用の有無を選択することにより変更する
ことができる）が、研磨パッドの交換に手間がかかると
いう問題点がある。

【００１８】一方、２台の研磨装置を使用する場合、装
置設置に要する面積は２台分必要であるという問題点が
ある。複数の研磨テーブルが設けられた研磨装置を使用
して対応することもできるが、この場合も装置設置に要
する面積は１台分より広く好ましくない。

【００１９】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、１個の研磨テーブルが設けられた研磨装置
を使用して、研磨パッドを交換することなく研磨パッド
の弾性特性を変化させることができる研磨装置を提供す
ることを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る研磨装置
は、研磨テーブル上に設けられた研磨パッドの表面と半
導体ウェハの表面とを接触させながら相対運動させるこ
とにより前記半導体ウェハの表面の平坦化を行なう研磨
装置において、前記研磨パッドの周縁部を除く部分と前
記研磨テーブルとの間の全域に空間を形成するように前
記研磨パッドの縁部と前記研磨テーブルとを密着させる
手段と、前記空間内に圧力流体を供給する流体供給手段
と、を有することを特徴とする。

【００２１】前記研磨テーブルに流通孔が形成されてお
り、この流通孔を介して前記流体が前記空間内に供給さ
れる構成にすることができる。また、前記研磨パッドの
縁部と前記研磨テーブルとを密着させる手段は前記研磨
パッドの縁部と前記研磨テーブルとを握持して固定する
握持部材とすることができる。

【００２２】更に、前記研磨テーブルの前記流通孔を介
して前記研磨パッドを前記研磨テーブルに向けて直接吸
引し前記研磨パッドを前記研磨テーブルに密着させる吸
引手段が設けられていると好ましい。

【００２３】更にまた、前記研磨テーブルは鉛直軸中心
に回転可能に設けられていてもよく、前記半導体ウェハ
を保持し鉛直軸中心に回転可能なウェハ保持部が設けら
れていてもよい。

【００２４】本発明においては、流体供給手段を使用し
て研磨パッドと研磨テーブルと間の空間内に圧力流体を
供給することができる。このため、研磨パッドの表面と
半導体ウェハの表面とを接触させながら相対運動させる
ことにより半導体ウェハの表面の平坦化を行なう場合に
おいて、圧力流体の供給量又は供給圧力を変化させるこ
とにより、研磨パッドの表面における弾性特性を変化さ
せることができる。従って、弾性特性の異なる研磨パッ
ドに交換したり研磨パッドと研磨テーブルとの間に他の
パッドを設けるといった手間をかけることなく、先ず、
研磨パッドの表面の変形量が小さい状態で研磨を行な
い、次に、研磨パッドの表面の変形量が大きい状態で研
磨を行なうことができる。このため、先ず、段差をなく
すように研磨し、次に、バラツキを小さくして研磨する
ことにより、半導体ウェハの表面に段差を残すことなく
平坦化することができる。

【００２５】また、研磨テーブルの流通孔を介して研磨
パッドを研磨テーブルに向けて吸引し研磨パッドを研磨
テーブルに密着させる吸引手段が設けられていると、こ
の吸引手段により研磨パッドを研磨テーブルに密着させ
ることができ、これにより、研磨パッドの弾性特性を研
磨パッドの表面が最も変形し難い状態にすることができ
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例に係る研磨
装置について、添付の図面を参照して具体的に説明す
る。図１は本発明の実施例に係る研磨装置を示す断面図
である。図２は本発明の実施例に係る研磨装置を示す図
であって、（ａ）は圧力流体が供給された状態を示す断
面図、（ｂ）は研磨パッドが研磨テーブルに密着した状
態を示す断面図である。図１及び２に示すように、本実
施例の研磨装置においては、剛体からなり鉛直軸中心に
回転可能な研磨テーブル１の上面に研磨パッド２が設け
られている。この研磨パッド２の縁部と研磨テーブル１
とは固定部材３により握持されて流体が漏れないように
固定されている。即ち、研磨テーブル１と研磨パッド２
とに囲まれた空間に流体が供給された場合において、研
磨パッド２の縁部から流体が漏れることがないようにな
っている。また、研磨対象のウェハ６を保持すると共に
鉛直軸中心に回転しながらウェハ６を研磨パッド２に押
し付けることができるウェハ保持部７が設けられてい
る。また、研磨パッド２の上方に研磨剤を滴下する研磨
剤供給管（いずれも図示せず）が設けられている。

【００２７】更に、図２（ａ）に示すように、研磨テー
ブル１には複数の流通孔５が設けられており、この流通
孔５にはポンプに接続されたパイプ（いずれも図示せ
ず）が設けられており、研磨パッド２と研磨テーブル１
とに囲まれた空間にポンプからパイプ及び流通孔５を介
して任意の量又は圧力の圧力流体４を供給することがで
きるようになっている。また、図２（ｂ）に示すよう
に、流通孔５及びパイプを介して圧力流体４を抜き取
り、更に研磨パッド２を研磨テーブル１に向けて吸引し
その上面に密着させることができるようになっている。

【００２８】このように構成された本実施例の研磨装置
においては、先ず、図２（ｂ）に示すように、ポンプを
使用して研磨パッド２を研磨テーブル１に向けて直接吸
引し、研磨パッド２を研磨テーブル１に密着させる。こ
れにより、研磨パッド２の表面の変形量が最も小さくな
るように弾性特性を変化させることができる。この状態
の研磨装置を使用してウェハ６の研磨を行なう。具体的
には研磨テーブル１と共に回転する研磨パッド２の上面
に研磨剤供給管から研磨剤が滴下される。そして、ウェ
ハ６を保持したウェハ保持部７が回転しながらウェハ６
を研磨パッド２に押し付ける。これにより、ウェハ６の
表面が研磨される。このとき、研磨パッド２の表面の変
形量は研磨パッド２自体の弾性変形量であり小さいた
め、ウェハ６の表面の凸部及び凹部の面積が大きい場合
においても、段差をなくすことができる。

【００２９】次に、研磨パッド２と研磨テーブル１との
間の空間にポンプにより流通孔５を介して圧力流体４が
供給される。これにより、研磨パッド２の表面の変形量
が大きくなるように弾性特性を変化させることができ
る。この状態の研磨装置を使用してウェハ６の研磨を行
なう。これにより、同様にウェハ６の表面が研磨される
が、研磨パッド２の表面の変形量は研磨パッド２自体の
弾性変形量と圧力流体４の変形量との和であり大きいた
め、研磨量のバラツキを小さくすることができる。な
お、圧力流体４の供給量及び供給圧力を変化させること
により、研磨パッド２の表面の変形量は変化する。即
ち、研磨パッド２の弾性特性は変化する。

【００３０】このように、本実施例においては、１個の
研磨テーブル１が設けられた研磨装置を使用して、研磨
パッド２を交換することなく研磨パッド２の弾性特性を
変化させることができる。このため、先ず、段差をなく
すように研磨して、次に、バラツキを小さくして研磨す
ることにより、ウェハ６の表面に段差を残すことなく平
坦化することができる。

【００３１】なお、本実施例においては、研磨パッド２
を研磨テーブル１に密着させることにより研磨パッド２
の表面の変形量を小さくしてウェハの研磨を行なってい
るが、本発明においては、これに限らず、研磨パッド２
を研磨テーブル１に密着させることなく、圧力流体４の
供給量又は供給圧力を小さくすることにより、研磨パッ
ド２の表面の変形量を小さくしてウェハの研磨を行なっ
てもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
弾性特性の異なる研磨パッドに交換したり研磨パッドと
研磨テーブルとの間に他のパッドを設けるといった手間
をかけることなく、研磨パッドの弾性特性を変化させる
ことができる。これにより、先ず、研磨パッドの表面の
変形量が小さい状態で研磨を行ない、次に、研磨パッド
の表面の変形量が大きい状態で研磨を行なうことによ
り、半導体ウェハの表面に段差を残すことなく平坦化す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る研磨装置を示す断面図で
ある。

【図２】本発明の実施例に係る研磨装置を示す図であっ
て、（ａ）は圧力流体が供給された状態を示す断面図、
（ｂ）は研磨パッドが研磨テーブルに密着した状態を示
す断面図である。

【図３】従来の第１の研磨装置を示す模式図である。

【図４】ウェハを示す図であって、（ａ）は研磨前の状
態を示す断面図、（ｂ）は研磨後の状態を示す断面図で
ある。

【図５】従来の第２の研磨装置を示す断面図である。

【図６】従来の第２の研磨装置を使用したときの研磨量
のバラツキ量を示すグラフ図である。

【図７】（ａ）乃至（ｃ）はウェハの研磨過程を示す断
面図である。

【図８】従来の第２の研磨装置を使用したときの凸部の
段差の大きさを示すグラフ図である。

【図９】下層パッドが設けられていない研磨装置を示す
断面図である。

【図１０】図９に示す研磨装置を使用したときの凸部の
段差の大きさを示すグラフ図である。

【図１１】図９に示す研磨装置を使用したときの研磨量
のバラツキ量を示すグラフ図である。

【図１２】下層パッドが設けられていない研磨装置及び
下層パッドが設けられた研磨装置の両方を使用したとき
の凸部の段差の大きさを示すグラフ図である。

【図１３】下層パッドが設けられていない研磨装置及び
下層パッドが設けられた研磨装置の両方を使用したとき
の研磨量のバラツキ量を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１；研磨テーブル２；研磨パッド３；固定部材４；圧力流体５；供給孔６；ウェハ７；ウェハ保持部８；研磨剤９；下層パッド１０；凸部１１；凹部１２；大面積の凸部１３；大面積の凹部１４；半導体基板１５；配線１６；層間絶縁膜１８；研磨剤供給管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−259520（ＪＰ，Ａ) 特開平10−6209（ＪＰ，Ａ) 特開平11−77516（ＪＰ，Ａ) 特開平10−58315（ＪＰ，Ａ) 特開平９−97772（ＪＰ，Ａ) 特開平６−333891（ＪＰ，Ａ) 特開平５−74749（ＪＰ，Ａ) 実開平３−93064（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B24B 37/00 H01L 21/304 622

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨テーブル上に設けられた研磨パッド
の表面と半導体ウェハの表面とを接触させながら相対運
動させることにより前記半導体ウェハの表面の平坦化を
行なう研磨装置において、前記研磨パッドの周縁部を除
く部分と前記研磨テーブルとの間の全域に空間を形成す
るように前記研磨パッドの縁部と前記研磨テーブルとを
密着させる手段と、前記空間内に圧力流体を供給する流
体供給手段と、を有することを特徴とする研磨装置。
【請求項２】前記研磨テーブルに流通孔が形成されて
おり、この流通孔を介して前記流体が前記空間内に供給
されることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】前記研磨パッドの縁部と前記研磨テーブ
ルとを密着させる手段は前記研磨パッドの縁部と前記研
磨テーブルとを握持して固定する握持部材であることを
特徴とする請求項１又は２に記載の研磨装置。
【請求項４】前記研磨テーブルの前記流通孔を介して
前記研磨パッドを前記研磨テーブルに向けて直接吸引し
前記研磨パッドを前記研磨テーブルに密着させる吸引手
段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか
１項に記載の研磨装置。
【請求項５】前記研磨テーブルは鉛直軸中心に回転可
能に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の
いずれか１項に記載の研磨装置。
【請求項６】前記半導体ウェハを保持し鉛直軸中心に
回転可能なウェハ保持部が設けられていることを特徴と
する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の研磨装置。