JP3331790B2 - 化学的機械研磨装置及び化学的機械研磨法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウエハ等の基板
表面を、化学研磨と機械研磨による組合せ研磨によって
平坦化する際に用いて好適な化学的機械研磨（ＣＭＰ）
装置及び化学的機械研磨法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの高密度化に伴い、回路
基板の配線技術は、ますます微細化、多層化の方向に進
んでいる。しかし、こうした高集積化の進展は、デバイ
スそのものの信頼性を低下させる要因にもなる。その理
由としては、配線の微細化と多層化の進展によって層間
絶縁膜の段差は大きく且つ急峻となり、その上に形成さ
れる配線の加工精度、信頼性が著しく低下してしまうこ
とが挙げられる。このため、アルミ配線の段差被覆性
（ステップカバレージ）を大幅に改善できない現在、層
間絶縁膜の平坦度を向上させることが急務となってい
る。この点については、リソグラフィーでの短波長化に
伴う焦点深度の低下の面からも重要になりつつある。層
間絶縁膜の形成及び平坦化技術としては、塗布法、リフ
ロー法、エンチング法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法など、種々
の技術が開示されているが、上記の微細化、多層化した
配線層に適用した場合は、配線間隔が広いときの平坦度
不足や配線間隔における層間膜でのボイド発生などによ
り、配線間における接続不良等の改善が重要なテーマと
なってきている。そこで、こうした不都合を解消する手
段として、近年では、シリコンウエハの鏡面研磨（ミラ
ーポリッシュ）を応用した化学的機械研磨（略してＣＭ
Ｐ）法が提案され、この方法は現在、ウエハ表面をグロ
ーバルに平坦化できる技術として有望視されている。

【０００３】図７は従来の化学的機械研磨装置の構成を
示す側面概略図である。従来の化学的機械研磨装置は、
回転可能な研磨テーブル３１と、この研磨テーブル３１
の表面に張設された研磨布３２と、研磨テーブル３１に
対向する状態で回転可能に設けられた基板保持部３３
と、研磨布３２に研磨剤（スラリー）３４を供給する供
給ノズル３５とを備えている。被加工物となる基板３６
は基板保持部３３の下端面に保持されており、研磨テー
ブル３１と基板保持部３３とをそれぞれ回転させた状態
で、図示せぬ研磨圧力調整器によりテーブル上の研磨布
３２に押し付けられる。これにより、基板３６の下面
（被加工面）は、研磨剤３４中のアルカリによる化学的
研磨作用とシリカによる機械的研磨作用の双方によって
平坦に研磨される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の化学的機械研磨装置においては、研磨布３２の消耗に
よって研磨速度の低下や平坦度の劣化が発生するため、
定期的に研磨布３２のクリーニングを行って布表面の目
詰まりを落としたり、研磨布３２そのものを交換する必
要があった。そのため、こうしたメンテナンス作業に時
間がかかり、装置の処理能力が低下するという問題があ
った。また、研磨布３２の摩耗進行により、同じ条件で
研磨しても、個々の基板毎に研磨状態がばらつくという
問題もあった。本発明は、上記問題を解決するためにな
されたもので、その目的とするところは、研磨布の消耗
に伴う時間的な損失を極力おさえることができるととも
に、基板相互の研磨状態の均一化を図ることができる化
学的機械研磨装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされたもので、表面が平坦に形成された
研磨テーブルと、研磨テーブルの表面に張設されてなる
帯状の研磨布と、研磨布に研磨剤を供給する研磨剤供給
手段と、研磨テーブルに対向する状態で回転可能に支持
された基板保持部を有し、その基板保持部にて被加工基
板を保持しつつ基板の被加工面を研磨布を介して研磨テ
ーブルの表面に圧接させる基板保持機構と、基板保持部
に保持された被加工基板に対してその径方向に研磨布を
移動させる研磨布移動手段とを備え、この研磨布移動手
段は、研磨テーブルの表面を経由して研磨布を長手方向
に移動させる研磨布送り機構を有し、この研磨布送り機
構は、研磨テーブルの一方側で研磨布を供給する繰り出
しローラと当該繰り出しローラと反対側で研磨布を巻き
取る巻き取りローラを有するとともに、研磨テーブルの
表面に研磨布を面的に密着させるべく繰り出しローラと
巻き取りローラを研磨テーブルの表面高さよりも低位に
配置した構成となっている。また本発明は、平坦に形成
された研磨テーブルに対向する状態で回転可能に支持さ
れた基板保持部に被加工基板を保持し、研磨テーブルの
表面に張設されてなる研磨布に研磨剤を供給し、基板保
持部に保持された被加工基板を回転して行う化学的機械
研磨法において、研磨布を帯状とし、この帯状の研磨布
を繰り出す繰り出しローラと当該研磨布を巻き取る巻き
取りローラを研磨テーブルの表面高さよりも低位に配置
して研磨テーブルの表面に研磨布を面的に密着させると
ともに、基板保持部に保持された被加工基板に対してそ
の径方向に研磨布を移動させるものである。

【０００６】

【作用】本発明の化学的機械研磨装置及び化学的機械研
磨法においては、基板保持部にて保持された被加工基板
に対し、その径方向に研磨布を移動させることにより、
その移動距離分だけ研磨布の交換周期が長くなり、研磨
布の交換による時間的な損失を軽減することが可能とな
る。また、上述のように研磨布を移動させることによ
り、個々の被加工基板に対して常に新しい布面を供給す
ることができるため、基板相互の研磨状態の均一化も図
られる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら詳細に説明する。図１は本発明に係わる化学的機
械研磨装置の第１実施例の構成を示す側面概略図であ
り、図２はその平面概略図である。図１及び図２におい
て、１は研磨定磐と呼ばれる研磨テーブルであり、この
研磨テーブル１の表面（上面）は、研磨加工時の基準面
となることから、非常に高い平坦度をもって形成されて
いる。研磨テーブル１の上方には、回転軸２にて回転可
能に支持された基板保持部３が設けられている。この基
板保持部３は、その下端面にて例えばワックスによる貼
着力あるいは真空引きによる吸着力等をもって被加工基
板（以下、単に基板と称す）４を保持するもので、図示
のごとく研磨テーブル１に対向する状態で配置されてい
る。さらに研磨テーブル１の上方には、研磨剤（一般的
にはアルカリ液中にシリカを分散させてなるスラリー）
５を供給するための供給ノズル６が設置されている。供
給ノズル６の基端部は研磨剤供給ユニット７に接続され
ており、この研磨剤供給ユニット７から送り出された研
磨剤５が供給ノズル６の先端部より吐出する構造になっ
ている。

【０００８】ここで本第１実施例の装置構成において
は、平坦に形成された研磨テーブル１の表面に、帯状を
なす研磨布８が張設されている。さらに、研磨テーブル
１の一方（図中左側）には繰り出しローラ９が配置さ
れ、その反対側（図中右側）には巻き取りローラ１０が
配置されている。このうち、繰り出しローラ９は図中Ｒ
１方向に回転しつつ、テーブル表面に未使用状態の研磨
布８を供給するもので、巻き取りプーリ１０は図中Ｒ２
方向に回転しつつ、テーブル表面を経由した使用済みの
研磨布８を巻き取るものである。つまり、研磨布８の各
端部はローラ９、１０にそれぞれ留め付けられており、
各々のローラ９、１０が図中Ｒ１、Ｒ２方向に回転する
ことで、研磨布８が研磨テーブル１の表面を経由して長
手方向Ａに移動するようになっている。

【０００９】また、繰り出しローラ９と巻き取りローラ
１０とは、研磨テーブル１の表面（上面）に研磨布８が
密着するように、研磨テーブル１から延出した研磨布８
のはみ出し部分を下方に引っ張るべく、研磨テーブル１
の表面（上面）高さよりも低位に配置されている。そし
て、テーブル上における研磨布８の張力は、例えば、巻
き取りローラ１０側の駆動系の回転トルクを、繰り出し
ローラ９側のそれよりも大きく設定することで、ローラ
回転時のトルク差により常に一定の大きさで得られるよ
うになっている。

【００１０】続いて、本第１実施例の研磨装置の動作に
ついて説明する。先ず、研磨テーブル１に対向する状態
で基板保持部３の下端面に基板４が保持されると、研磨
剤供給ユニット７から送り出された研磨剤５が供給ノズ
ル６の先端部から滴下され、この滴下された研磨剤５
が、テーブル上に張設された研磨布８の表面に供給され
る。次いで、回転軸２の回転とともに、基板保持部３に
て保持された基板４が回転し、そのまま図示せぬ研磨圧
力調整器の加圧力をもって基板４の被加工面（下面）が
研磨布８を介して研磨テーブル１の表面に圧接される。
これにより、基板４の被加工面は、研磨剤５中のアルカ
リによる化学的研磨作用とシリカによる機械的研磨作用
の双方によって研磨される。

【００１１】こうして一枚目の基板４に対する研磨作業
が終了すると、基板保持部３がテーブル上方に退避し、
研磨済みの基板４が取り出されたのち、２枚目の基板
（未処理基板）４が基板保持部３に保持される。その
間、研磨テーブル１上では、繰り出しローラ９と巻き取
りローラ１０の回転によって研磨布８が所定距離だけ長
手方向Ａに移動し、これによって繰り出しローラ９側か
らテーブル表面に研磨布８の新たな布面が供給されると
ともに、一枚目の基板４を研磨する際に使用した研磨布
８の布面が巻き取りローラ１０側に巻き取られる。した
がって、二枚目の基板４についても、一枚目と同様に新
たな布面をもって研磨することができる。

【００１２】以降は、個々の基板４を研磨する毎に、研
磨布８を長手方向Ａに移動させるようにすれば、全ての
基板４について、常に新たな布面をもって研磨を行うこ
とができる。また、基板４の径方向に研磨布８を移動可
能としたことにより、その長手方向Ａにおける移動距離
分だけ研磨布８の交換周期を長くすることができるた
め、研磨布８の交換に伴う時間的な損失を大幅に軽減す
ることが可能となる。

【００１３】なお、上記第１実施例においては、帯状を
なす研磨布８を用いて、その長手方向Ａに研磨布８を移
動させるようにしたが、本発明はこれに限定されること
なく、研磨テーブル１に張設された研磨布８を、例えば
図示せぬスライドガイドユニットによって研磨テーブル
１と一体に移動させたり、研磨布８を張架する図示せぬ
研磨布支持ユニットと一体に移動させ得る構成でもよ
く、特に研磨布８の形状等に限定されるものではない。

【００１４】また、上記第１実施例においては、一枚分
の基板４の研磨が終了した段階で研磨布８を移動させる
ようにしたが、これ以外にも例えば、研磨最中に一定の
送り速度で連続的に研磨布８を移動させるようにしても
よい。ちなみに、単一基板内での研磨の均一性を考慮す
ると、基板一枚当たりの研磨布８の移動量としては、基
板半径分以上の送り量に設定した方が好ましい。

【００１５】図３は本発明に化学的機械研磨装置の第２
実施例の構成を示す側面概略図である。図３において、
１は研磨テーブル、２は回転軸、３は基板４を保持する
基板保持部、６は研磨剤５を供給する供給ノズル、７は
研磨剤５の供給源となる研磨剤供給ユニットであり、こ
れらの構成については上記第１実施例と同様である。

【００１６】本第２実施例においては、帯状をなす研磨
布８の各端部が互いに接続され、且つ研磨布送り機構を
構成するローラ群（後述）により研磨テーブル１の表面
を経由してループ状に張設されている。ローラ群は、研
磨テーブル１の一方（図中左側）に配設された繰り出し
ローラ１１と、その反対側（図中右側）に配設された巻
き取りローラ１２と、研磨テーブル１の下方に配設され
た３個の従動ローラ１３ａ〜１３ｃとから構成されてい
る。このローラ群の中では、例えば巻き取りローラ１２
が原動ローラとなっており、その回転駆動力が研磨布８
を介して他のローラ１１、１３ａ〜１３ｃに伝達される
ことにより、全てのローラが回転するようになってい
る。また、３個の従動ローラ１３ａ〜１３ｃのうちのい
ずれか一個、例えば一番下の従動ローラ１３ｃはバネ等
の付勢手段あるいは自重によって常に下方に付勢されて
おり、この付勢力をもって研磨布８に常時一定の張力が
付与されている。

【００１７】さらに本第２実施例の構成においては、研
磨布８のループ途中、例えば巻き取りローラ１２と従動
ローラ１３ｂとの間に再生部１４が設けられている。こ
の再生部１４は、研磨布８の布表面の研磨機能を再生さ
せるべく、例えば研磨によって摩耗した布表面に目直し
（目たて）処理を施して、布表面の目つぶれや目づまり
を解消し、布表面の研磨機能を元通りに回復させるもの
である。なお、再生部１４の設置箇所については、研磨
布８のループ途中であれば、いずれのローラ間に設置し
てもよい。

【００１８】本第２実施例の装置動作では、一枚目の基
板４の研磨が終了すると、研磨テーブル１上では、巻き
取りローラ１２の回転駆動とともに繰り出しローラ１１
や従動ローラ１３ａ〜１３ｃが回転することで、研磨布
８が所定距離だけ長手方向Ａに移動し、これによって繰
り出しローラ１１側からテーブル表面に新たな布面が供
給される。したがって、ループ状に張設された研磨布８
の長さ（ループ長）分だけ研磨布８の交換周期を長くす
ることができ、上記第１実施例と同様に研磨布８の交換
に伴う時間的な損失が軽減される。なお、研磨布８の移
動タイミングについては、上記第１実施例と同様に基板
一枚を研磨する毎に移動させても、また研磨最中に連続
的に移動させてもよい。

【００１９】さらに本第２実施例においては、巻き取り
ローラ１２側に送り出された使用済みの布部分を再生部
１４に取り込み、そこで目直し処理等を施して布表面の
研磨機能を回復させることができるため、一度使用した
布表面を繰り出しローラ１１側から再び研磨テーブル１
の表面に供給することができる。その結果、研磨布８の
ループ長にその再生回数を掛けた分だけ、研磨布８の交
換周期を長くすることができるため、研磨布８の交換に
伴う時間的な損失はきわめて小さいものとなる。

【００２０】図４は本発明に係わる化学的機械研磨装置
の第３実施例の構成を示す側面概略図であり、図５はそ
のＰ−Ｐ断面図である。図４及び図５において、１は研
磨テーブル、３は基板保持部、４は基板、５は研磨剤、
８は研磨布、９は繰り出しローラ、１０は巻き取りロー
ラである。この第３実施例において、基板４を保持する
基板保持部３が、研磨圧力を付与する図示せぬ駆動部に
直結された第１の回転軸１５と、上記第１実施例及び第
２実施例と同様に基板保持部３を回転させる第２の回転
軸１６と、これらの回転軸１５、１６を連結する連結部
材１７とによって支持されている。

【００２１】第１の回転軸１５の下端部は連結部材１７
の基端部に固定状態で取り付けられており、第２の回転
軸１６の上端部は連結部材１７の先端部に例えばベアリ
ング等を介して回動自在に取り付けられている。また連
結部材１７は、研磨テーブル１表面の面方向に対して平
行に配置されている。つまり、第１の回転軸１５と第２
の回転軸１６とは、上記面方向に対して互いに軸芯位置
がずれた状態で、連結部材１７により連結されている。

【００２２】この構成によれば、第１の回転軸１５を回
転駆動させると、これに固定された連結部材１７が第１
の回転軸１５を支点に回転運動するようになるため、基
板保持部３は第２の回転軸１６の回転駆動により回転
（自転）しつつ、第１の回転軸１５を中心に遊星運動
（公転）するようになる。これにより、実際に基板４を
研磨する際には、その被研磨面と研磨布８との相対的な
線速度を被加工面全域にわたって同じにできるため、先
の実施例のように基板相互間の研磨均一性だけでなく、
単一基板に対してもその被加工面全域にわたり均一な研
磨速度をもって研磨を行うことが可能となる。

【００２３】加えて本第３実施例においては、図６に示
すように、研磨布８の表面に複数の研磨剤透過孔８ａが
穿設されている。個々の研磨剤透過孔８ａは、平面的に
は互いに一定の間隔をおいて配置されており、研磨布８
の厚み方向に対しては貫通した状態で設けられている。
なお、研磨剤透過孔８ａの孔径や配置状態等について
は、所望する研磨仕上げ精度や研磨布８の厚み、さらに
は研磨剤５の粘性等に応じて任意に設定することができ
る。

【００２４】さらに、研磨テーブル１の内部には複数系
統（図例では２系統）の研磨剤供給路１８、１９が形成
されている。一方の研磨剤供給路（以下、第１の供給路
と称す）１８は、第１の研磨剤供給ユニット２０から送
出される研磨剤５を研磨布８に供給するもので、他方の
研磨剤供給路（以下、第２の供給路と称す）は、第２の
研磨剤供給ユニット２１から送出される研磨剤５を研磨
布８に供給するものである。このうち、第１の供給路１
８は、基板４の中心エリアを研磨剤５の供給ターゲット
としたもので、研磨布８の長手方向と直交する幅方向の
中央部分でテーブル表面に開口し、また第２の供給路１
９は、基板４の周辺エリアを研磨剤５の供給ターゲット
としたもので、第１の供給路１８よりも端部寄りの位置
でテーブル表面に開口している。

【００２５】この構成によれば、研磨テーブル１側から
研磨剤透過孔８ａを通して研磨布８の表面に研磨剤５を
供給することができるため、基板４の周縁部だけでなく
基板中央部分にも確実に研磨剤５を供給することが可能
となる。また、複数の研磨剤供給系を有することによ
り、基板４の中央部分と周縁部分とで研磨剤５の供給量
を個別に制御できるようになるため、基板４の被加工面
の状態に応じて単一基板内でのエリア毎の研磨速度を精
度良く制御することが可能となる。

【００２６】なお、本第３実施例に付加された構成（２
軸構造、研磨剤供給系の構造等）については、先の第２
実施例と同様に研磨布８をループ状に張設したり、その
ループ途中に布表面の研磨機能を再生させる再生部１４
を設けたものにも適用できることは言うまでもない。

【００２７】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
基板保持部にて保持された被加工基板に対して、その径
方向に研磨布を移動させることにより、その移動距離分
だけ、研磨に使用される研磨布の表面積を広く確保する
ことができる。これにより、研磨布一枚あたりの被加工
基板の処理枚数が大幅に増えるため、従来よりも研磨布
の交換周期が長くなり、研磨布の交換による時間的な損
失を軽減することが可能となる。また、被加工基板の径
方向に研磨布を移動させることで、個々の被加工基板に
対して常に新しい布面を供給することができるため、研
磨処理能力の向上とともに基板相互の研磨状態の均一化
も図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる化学的機械研磨装置の第１実施
例の構成を示す側面概略図である。

【図２】本発明に係わる化学的機械研磨装置の第１実施
例の構成を示す平面概略図である。

【図３】本発明に係わる化学的機械研磨装置の第２実施
例の構成を示す側面概略図である。

【図４】本発明に係わる化学的機械研磨装置の第３実施
例の構成を示す側面概略図である。

【図５】図４のＰ−Ｐ断面図である。

【図６】第３実施例における研磨布の構造を示す要部拡
大図である。

【図７】従来の化学的機械研磨装置の構成を示す側面概
略図である。

【符号の説明】

１ 研磨テーブル ３ 基板保持部 ４ 基板 ５ 研磨剤 ６ 供給ノズル ７ 研磨剤供給ユニット ８ 研磨布 ８ａ 研磨剤透過孔 ９，１１ 繰り出しローラ（研磨布送り機構） １０，１２ 巻き取りローラ（研磨布送り機構） １３ａ〜１３ｃ 従動ローラ（研磨布送り機構） １４ 再生部 １５ 第１の回転軸 １６ 第２の回転軸 １７ 連結部材 １８，１９ 研磨剤供給路 ２０ 第１の研磨剤供給ユニット ２１ 第２の研磨剤供給ユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/304

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面が平坦に形成された研磨テーブル
   と、 前記研磨テーブルの表面に張設されてなる帯状の研磨布
   と、 前記研磨布に研磨剤を供給する研磨剤供給手段と、 前記研磨テーブルに対向する状態で回転可能に支持され
   た基板保持部を有し、該基板保持部にて被加工基板を保
   持しつつ該基板の被加工面を前記研磨布を介して前記研
   磨テーブルの表面に圧接させる基板保持機構と、 前記基板保持部に保持された被加工基板に対してその径
   方向に前記研磨布を移動させる研磨布移動手段とを備
   え、 前記研磨布移動手段は、前記研磨テーブルの表面を経由
   して前記研磨布を長手方向に移動させる研磨布送り機構
   を有し、 前記研磨布送り機構は、前記研磨テーブルの一方側で前
   記研磨布を供給する繰り出しローラと当該繰り出しロー
   ラと反対側で前記研磨布を巻き取る巻き取りローラを有
   するとともに、前記研磨テーブルの表面に前記研磨布を
   面的に密着させるべく前記繰り出しローラと前記巻き取
   りローラを前記研磨テーブルの表面高さよりも低位に配
   置してなる ことを特徴とする化学的機械研磨装置。
2. 【請求項２】 前記巻き取りローラの回転トルクを前記
   繰り出しローラの回転トルクよりも大きく設定してなる
   ことを特徴とする請求項１記載の化学的機械研磨装置。
3. 【請求項３】 前記研磨布がループ状に張設されたこと
   を特徴とする請求項１記載の化学的機械研磨装置。
4. 【請求項４】 前記研磨布のループ途中に、その布表面
   の研磨機能を再生させるための再生部が設けられたこと
   を特徴とする請求項３記載の化学的機械研磨装置。
5. 【請求項５】 前記基板保持機構は、研磨圧力を付与す
   る駆動部と、その駆動部に直結された第１の回転軸と、
   前記基板保持部を回転させる第２の回転軸と、前記第１
   の回転軸と前記第２の回転軸とを前記研磨テーブル表面
   の面方向に対して互いに軸芯位置がずれた状態で連結す
   る連結部材とを有することを特徴とする請求項１，２，
   ３又は４記載の化学的機械研磨装置。
6. 【請求項６】 前記研磨布は複数の研磨剤透過孔を有す
   るとともに、 前記研磨剤供給手段は、前記研磨テーブル側から前記研
   磨剤透過孔を介して前記研磨布の表面に研磨剤を供給す
   ることを特徴とする請求項５記載の化学的機械研磨装
   置。
7. 【請求項７】 前記研磨剤供給手段は、複数の研磨剤供
   給系を有するとともに、前記研磨剤供給系の各々の研磨
   剤供給僚を制御可能であることを特徴とする請求項６記
   載の化学的機械研磨装置。
8. 【請求項８】 平坦に形成された研磨テーブルに対向す
   る状態で回転可能に支持された基板保持部に被加工基板
   を保持し、 前記研磨テーブルの表面に張設されてなる研磨布に研磨
   剤を供給し、 前記基板保持部に保持された被加工基板を回転して行う
   化学的機械研磨法において、前記研磨布を帯状とし、この帯状の研磨布を繰り出す繰
   り出しローラと当該研磨布を巻き取る巻き取りローラを
   前記研磨テーブルの表面高さよりも低位に配置して前記
   研磨テーブルの表面に前記研磨布を面的に密着させると
   ともに、 前記基板保持部に保持された被加工基板に対し
   てその径方向に前記研磨布を移動させることを特徴とす
   る化学的機械研磨法。