JP3345536B2 - 化学的・機械的な研磨加工方法及びその装置並びに半導体基板の製造方法 - Google Patents

化学的・機械的な研磨加工方法及びその装置並びに半導体基板の製造方法

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JP3345536B2
JP3345536B2 JP31019195A JP31019195A JP3345536B2 JP 3345536 B2 JP3345536 B2 JP 3345536B2 JP 31019195 A JP31019195 A JP 31019195A JP 31019195 A JP31019195 A JP 31019195A JP 3345536 B2 JP3345536 B2 JP 3345536B2
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  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路等
を製造するための基板上に形成される絶縁膜、金属膜等
の表面を平坦に化学的・機械的な研磨加工する研磨加工
方法及びその装置並びに半導体集積回路等を有する半導
体基板を製造する半導体基板の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、半導体集積回路等を有する半導
体基板を製造する際の平坦化技術としては、従来、プラ
ズマ酸化膜(P−SiO2)を形成し、その表面の微小
凹凸を無くすべく表面上に液体状のガラスを塗布、加熱
することによって塗布絶縁膜(SOG)を形成し、絶縁
膜の膜厚を減少させるためにエッチバックを行うことの
組合せによって行われてきた。しかしこの平坦化技術に
おいては、大きな段差は残ってしまうことになる。更
に、配線幅の減少に伴って、段差被覆性の向上の必要性
から、Bias−ECRCVD技術及びリフロー効果を
有する有機ソース(TEOS)などの開発が行われてき
た。しかしながら、超高集積化に伴う配線幅の減少に対
して十分段差被覆性の向上が図れることが得られない状
況であった。他方、半導体チップ、セラミックパッケー
ジ、多層セラミックパッケージ及び他の電子部品の表面
を平坦に研磨する化学的・機械的な研磨(CMP:Chem
icalMechanical Polishing)技術について、米国特許第
4954142号の明細書及び図面において知られてい
る。この従来技術は、研磨定盤上に支持され、研磨剤を
塗布した研磨布に上記電子部品の表面を押付けて化学的
・機械的な研磨加工するCMP(Chemical Mechanical
Polishing)である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術(CM
P)では、化学的・機械的な研磨加工中の被加工物の変
形に伴う、研磨圧力の変動に対する配慮がなされていな
いため、被加工物の表面内の絶縁膜等の研磨量を制御で
きず、絶縁膜等の厚さを均一にできないという課題を有
していた。
【0004】本発明の目的は、上記課題を解決すべく、
基板上に形成された絶縁膜等の厚さを均一に研磨加工を
実現できるようにした化学的・機械的な研磨加工方法及
びその装置を提供することにある。また本発明の目的
は、半導体基板上における層間絶縁膜の表面に微小凹凸
がなく、しかも大きな段差を有しない平坦な化学的・機
械的な研磨加工を施してその上に例えば0.35μm以
下の極微細配線を形成できるようにした化学的・機械的
な研磨加工方法及びその装置を提供することにある。ま
た本発明の目的は、配線幅が、例えば0.35μm以下
の極微細配線を有する多層配線層を形成した半導体基板
を簡略化して製造できるようにした半導体基板の製造方
法を提供することになる。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、基板面内の複数の2次元領域の各々にお
ける研磨圧力を制御して上記基板面に対して化学的・機
械的な研磨加工を行うことを特徴とする化学的・機械的
な研磨加工方法である。また本発明は、基板面内の複数
の2次元領域の各々における研磨圧力の分布をインプロ
セスで測定し、この測定された2次元領域の各々におけ
る研磨圧力の分布に応じて2次元領域の各々における研
磨圧力を制御して上記基板面の化学的・機械的な研磨加
工を行うことを特徴とする化学的・機械的な研磨加工方
法である。また本発明は、基板面内の複数の2次元領域
の各々における研磨圧力を制御して上記基板上の絶縁膜
表面の化学的・機械的な研磨加工を行うことを特徴とす
る化学的・機械的な研磨加工方法である。
【0006】また本発明は、基板面内の複数の2次元領
域の各々における研磨圧力の分布をインプロセスで測定
し、この測定された2次元領域の各々における研磨圧力
の分布に応じて2次元領域の各々における研磨圧力を制
御して上記基板上の絶縁膜表面の化学的・機械的な研磨
加工を行うことを特徴とする化学的・機械的な研磨加工
方法である。また本発明は、基板面内の複数の2次元領
域の各々における研磨圧力を制御して上記基板上の金属
膜表面の化学的・機械的な研磨加工を行うことを特徴と
する化学的・機械的な研磨加工方法である。また本発明
は、基板面内の複数の2次元領域の各々における研磨圧
力の分布をインプロセスで測定し、この測定された2次
元領域の各々における研磨圧力の分布に応じて2次元領
域の各々における研磨圧力を制御して上記基板上の金属
膜表面の化学的・機械的な研磨加工を行うことを特徴と
する化学的・機械的な研磨加工方法である。
【0007】また本発明は、基板面内の複数の2次元領
域の各々における研磨圧力を制御して上記基板上の絶縁
膜表面の研磨量ばらつきを±5%以下で、該絶縁膜表面
の凹凸を0.2μm以下で化学的・機械的な研磨加工を
行うことを特徴とする化学的・機械的な研磨加工方法で
ある。また本発明は、基板面内の複数の2次元領域の各
々における研磨圧力の分布をインプロセスで測定し、こ
の測定された2次元領域の各々における研磨圧力の分布
に応じて2次元領域の各々における研磨圧力を制御して
上記基板上の絶縁膜表面の研磨量ばらつきを±5%以下
で、該絶縁膜表面の凹凸を0.2μm以下で化学的・機
械的な研磨加工を行うことを特徴とする化学的・機械的
な研磨加工方法である。また本発明は、上記化学的・機
械的な研磨加工方法において、上記2次元領域は、実質
的に同心状の領域であることを特徴とする。
【0008】また本発明は、基板上の下層配線上に層間
絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程と、該層間絶縁膜
形成工程で形成された層間絶縁膜上の複数の2次元領域
の各々における研磨圧力を制御して上記層間絶縁膜表面
の化学的・機械的な研磨加工を行って平坦化する化学的
・機械的な研磨加工工程と、該化学的・機械的な研磨加
工工程で平坦された上記層間絶縁膜上に所望の上層配線
を形成する上層配線形成工程とを有することを特徴とす
る半導体基板の製造方法である。また本発明は、基板上
の下層配線上に層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工
程と、該層間絶縁膜形成工程で形成された層間絶縁膜上
の複数の2次元領域の各々における研磨圧力を制御して
上記層間絶縁膜表面に対して化学的・機械的な研磨加工
を行って平坦化する化学的・機械的な研磨加工工程と、
該化学的・機械的な研磨加工工程で平坦化された層間絶
縁膜に対してコンタクトホールを形成するコンタクトホ
ール形成工程と、該コンタクトホール形成工程で形成さ
れたコンタクトホールに導電材を埋め込んでコンタクト
スタッドを形成するコンタクトスタッド形成工程と、該
コンタクトスタッド形成工程の後、上記層間絶縁膜上に
所望の上層配線を形成する上層配線形成工程とを有する
ことを特徴とする半導体基板の製造方法である。
【0009】また本発明は、基板上の下層配線上に層間
絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程と、該層間絶縁膜
形成工程で形成された層間絶縁膜上の複数の2次元領域
の各々における研磨圧力を制御して上記層間絶縁膜表面
の化学的・機械的な研磨加工を行う化学的・機械的な研
磨加工工程と、該化学的・機械的な研磨加工工程で平坦
された上記層間絶縁膜上にSiO2膜をCVDによって
形成するSiO2膜形成工程と、該SiO2膜形成工程で
形成されたSiO2膜上に上層配線を形成する上層配線
形成工程とを有することを特徴とする半導体基板の製造
方法である。また本発明は、基板の裏面から付与する流
体圧力を制御して上記基板面内の複数の2次元領域の各
々における研磨圧力を制御する制御手段を備え、上記基
板の表面を平坦に化学的・機械的な研磨加工を施すよう
に構成したことを特徴とする化学的・機械的な研磨加工
装置である。
【0010】また本発明は、基板面内における複数の2
次元領域の各々における研磨圧力の分布をインプロセス
で測定する測定手段と、該測定手段で測定された2次元
領域の各々における研磨圧力の分布に応じて上記基板の
裏面から付与する流体圧力を制御して上記2次元領域の
各々における研磨圧力を制御する制御手段とを備え、上
記基板の表面を化学的・機械的な研磨加工を施すように
構成したことを特徴とする化学的・機械的な研磨加工装
置である。以上説明したように本発明によれば、例えば
半導体装置における層間絶縁膜の厚さを均一にすること
ができるので、半導体装置の高信頼度と高集積化を実現
することができる。即ち、半導体集積回路は多層配線層
を形成するため、下層配線と上層配線の間に層間絶縁層
が存在し、この層間絶縁膜の表面を、たとえば研磨量ば
らつきを±5%以下の精度で、しかも微小凹凸を0.2
μm以下を実現することができ、その結果層間絶縁膜の
上に均一な厚さの配線膜を形成でき、しかも露光におけ
る焦点マージンが拡大して容易に配線幅が0.35μm
以下の配線を形成することができる。また研磨前に層間
絶縁膜の表面に存在した1μm程度の段差を、研磨後に
0.1μm以下の微小凹凸にすることができ、その結果
該層間絶縁層の表面に配線幅が0.25μm以下の配線
を容易に形成することができる。
【0011】また本発明によれば、層間絶縁層に形成さ
れたコンタクトホールにタングステン等の導電体をコン
タクトスタンドとして選択CVDで形成する際、上記層
間絶縁膜上の微小な欠陥を核として成長したタングステ
ン等の導電膜が完全に除去することができ、層間絶縁膜
上に高信頼度を有する配線を形成することができる効果
を奏する。また本発明によれば、絶縁膜または金属膜の
表面において高い平坦度を得ることができるので、例え
ば露光工程において焦点ずれを防止して精度の高い解像
度の露光を実現し、高集積化を達成することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を用いて説明する。本発明に係る化学的・機械的な研磨
加工装置の一実施形態を示す全体構成および研磨加工要
領を、図1を参照して説明する。図1は化学的・機械的
な研磨加工装置の概念図である。図1において、被加工
物1(ウエハ(半導体基板)等の基板)は、チャック2
に取り付けられている。研磨定盤4の上に、平坦化を良
くするために酸とかアルカリに強く耐摩耗性に優れた例
えば硬質発泡ポリウレタン系の研磨パッド5が取り付け
られている。研磨パッド5の上に、アルカリを含む溶液
にSiO2の砥粒を入れたコロイダルシリカや、酸を含
む溶液にアルミナや酸化セリウムの砥粒を入れた研磨液
6が供給される。研磨定盤4に設置された荷重センサ7
は信号線a8、スリップリング9及び信号線b10を介
して制御装置11に接続している。圧力制御弁14は、
信号線c12を介して制御装置11に接続している。流
体13は、流量制御弁14、流体供給管15及びロータ
リージョイント16を介してチャック2に供給される。
モータ3は信号線d17を介して制御装置11に接続し
ている。2は、モータ3によって回転可動なチャックで
ある。
【0013】化学的・機械的な研磨加工は、図1に示す
ように回転する研磨パッド5上に研磨液6を供給しなが
ら、チャック2で支持した被加工物1を研磨パッド5の
上に接触させ、さらにモータ3によって回転するチャッ
ク2に研磨荷重を加えて矢印43で示すように研磨定盤
4の半径方向に研磨定盤4との間で相対的に往復移動し
ながら、上記研磨液6に含まれる例えばアルカリ溶液と
の化学反応による化学的研磨と、SiO2等の砥粒とに
よる機械的な研磨との併用による化学的・機械的な研磨
加工(CMP:Chemical Mechanical Polishing)が被
加工物(例えばウエハ等の半導体基板における絶縁膜の
表面)1に対して行われる。即ち、被加工物1が、半導
体基板における絶縁膜(例えばプラズマTEOS膜等)
である場合、回転する研磨パッド5上に研磨液6を供給
しながら、チャック2で支持した半導体基板における絶
縁膜を研磨パッド5の上に接触させ、さらにモータ3に
よって回転するチャック2に研磨荷重を加えて矢印43
で示すように研磨定盤4の半径方向に研磨定盤4との間
で相対的に往復移動させると、絶縁膜の表面は上記研磨
液6に含まれるアルカリ溶液との間で化学的反応が行わ
れながら上記研磨液6に含まれるSiO2等の砥粒とに
よって機械的な研磨が行われて化学的・機械的な研磨加
工が進行し、微小凹凸が0.01μm以下の平坦化され
た、研磨量のばらつきが±5%以下の所望の膜厚を有す
る層間絶縁膜を得ることができる。なお金属膜に対する
化学的・機械的な研磨加工の場合には、研磨液6として
はアルカリを含む溶液にSiO2の砥粒を入れたコロイ
ダルシリカや、酸を含む溶液にアルミナや酸化セリウム
等の砥粒を入れたものが用いられる。
【0014】そして化学的・機械的な研磨加工中にチャ
ック2と一緒に被加工物1が矢印43で示すごとく研磨
定磐4の半径方向に相対的に往復移動して荷重センサ7
が設置された箇所に到達して荷重センサ7に接触するこ
とになる。このように被加工物1が荷重センサ7と接触
した状態になると荷重センサ7から荷重が検出されて荷
重信号が信号線8を介してスリップリング9に入力され
る。スリップリング9から出力された荷重信号は、信号
線10を介して制御装置11に入力される。制御装置1
1は、荷重センサ7から検出された荷重の値を、キーボ
ード等の入力手段40によって入力された既知の値であ
る荷重センサ7の面積で除することにより、被加工物1
の面内の研磨圧力の分布P1ないしPnを算出する。求
めた研磨圧力の分布P1ないしPnが均一になるよう
に、流体13の圧力を流体制御弁14で制御したのち、
各領域1〜nに対応して設けられた流体供給管15によ
ってロータリージョイント16を介してチャック2に各
領域に対応させて設けられた流体供給口20に導入し、
流体13を被加工物1の裏面の各領域1〜nに供給す
る。なお、荷重センサ7が被加工物1の上を通過する間
に、制御装置11から信号線17を介してモータ3に停
止信号を送り、チャック2の回転を停止して被加工物
(ウエハ等の基板)1の面内の圧力を測定してもよい。
また41は、制御装置11に設けられたディスプレイ等
の表示手段であり、荷重センサ7から検出される荷重の
値、算出された研磨圧力の分布P1ないしPn、および
流体制御弁14で制御される各領域に対応した流体供給
口20への流体圧力等を表示するものである。この表示
手段41には、平均的な研磨圧力Paveに応じて算出
される研磨時間を表示したり、研磨の終点を表示するこ
ともできる。42は、制御装置11に設けられた記憶装
置であり、後述する各種データを記憶するものである。
制御用のプログラムを制御装置11内のメモリに記憶さ
せておく代わりに、記憶装置42に記憶させても良い。
【0015】次にチャック2による研磨圧力制御につい
て図2を用いて説明する。図2(a)はチャック2の断
面構造図であり、図2(b)はチャック2による研磨圧
力を制御する領域を説明するための平面図である。チャ
ック2において、18は研磨加工中に被加工物(ウエハ
等の基板)1がチャック2から外れることを防止する基
板押え、19は研磨加工中に被加工物(ウエハ等の基
板)1を支持する弾性体で形成された支持体、20は流
体供給口、21は流体排気口である。22は研磨圧力を
制御する2次元領域である円環帯状領域1、23は2次
元領域である円環帯状領域2、24は2次元領域である
円環帯状領域nを示す。なお、これらの領域は、円環で
なくても正多角形からなる帯状領域であってもよい。こ
れらの領域1ないし領域nは、実質的にほぼ同心状に配
置されている。圧力Ps1ないしPsnの流体が流体供
給口20に供給され、被加工物1の裏面に圧力P1ない
しPnの流体が供給される。研磨圧力を制御する領域と
領域との間には、それぞれ流体排気口21が設けられ
て、これにより流体供給口20によりそれぞれの領域に
供給された流体が他の領域に流入することを防止するこ
とができる。即ち、流体供給口20によってそれぞれの
領域に供給された流体は被加工物(ウエハ等の基板)1
の裏面に対して押圧して研磨圧力を付与すると共に、領
域の内周及び外周に設けられた流体排気口21から排気
されて流れることになる。なお、最外周には、流体排気
口21が形成されていなくても、流体供給口20によっ
て領域nに供給された流体は被加工物1の外周と基板押
え18との間の隙間から逃げて流すことができる。
【0016】図3は、被加工物1の支持部の断面拡大図
である。支持体19には各領域に対応させて流体供給口
20につながった穴26および環状の窪み25と流体排
気口21につながった環状の溝27とが設けられてお
り、流体供給口20から各領域に導入された供給圧力P
s1ないしPsnの流体は、穴26を通って被加工物1
の裏面と弾性体である支持体19のと間の環状の窪み2
5に供給され、各領域において被加工物(ウエハ等の基
板)1に対して押圧力P1ないしPnを付与して研磨圧
力P1’ないしPn’を得ると共に、被加工物(ウエハ
等の基板)1の裏面に供給された流体は、各領域に対応
して設けられた環状の窪み25の内周及び外周に形成さ
れた突出部28と被加工物1の裏面との間に形成される
極微小な間隙を通して環状の溝27内に流れ、流体排気
口21から排気されることになる。
【0017】ここで、流体供給口20の面積aは、次に
示す(数1)式により決められる値である。 a=πd2/4 ・・・(数1) 但し、dは流体供給口20の直径である。またオリフィ
スの流出速度係数φは、流体の断熱指数κから次に示す
(数2)から決められる値である。但し、gは重力加速
度である。
【0018】
【数2】
【0019】従って、被加工物(ウエハ等の基板)1の
裏面の各領域に供給された流体の圧力Po(P1ないし
Pnの各々)は、各領域に流体供給口20から供給され
る流体の供給圧力Ps(Ps1ないしPsnの各々)と
の間に次に示す(数3)式の関係を有する。
【0020】
【数3】
【0021】但し、Paは大気圧、μは流体の粘性係
数、γaは大気圧・常温における流体の比重量、Coは
オリフィスの流量係数、Rはガス定数、Toは流体の温
度、2Roは各領域の内周と外周とに設けられた流体排
気口21の間の距離、2Riは液体供給口20に接続さ
れた支持体19に形成された穴26の径、hは環状の窪
み25の最大深さである。これら各種データを入力手段
40に用いて入力して例えば記憶装置42に記憶させて
おくことにより、制御装置11は、上記(数3)式に基
づいて、流量制御弁14によって制御する各領域に流体
供給口20から供給される流体の供給圧力Ps(Ps1
ないしPsnの各々)を算出することができる。
【0022】上記(数3)式から明らかなように、各領
域に流体供給口20から供給される流体の供給圧力Ps
(Ps1ないしPsnの各々)が大きくなれば、被加工
物(ウエハ等の基板)1の裏面の各領域に供給された流
体の圧力Po(P1ないしPnの各々)も大きくなり、
上記各領域の流体の供給圧力Psの値を流量制御弁14
によって制御することにより、上記各領域に供給された
流体の圧力Po(被加工物1の各領域に付与される押付
け力)の値を制御することができる。弾性体19と被加
工物(ウエハ等の基板)1の間の各領域に供給された流
体の圧力は、図中に示すように同心円状の独立した圧力
P1ないしPnとなり、各領域に流体供給口20から供
給される流体の供給圧力の分布Ps1ないしPsnを流
量制御弁14によって制御することによって研磨圧力の
分布P1ないしPnを制御することができる。この場
合、研磨中に、弾性体19と被加工物1の間の各領域に
供給された流体の圧力P1ないしPnの値に応じた研磨
圧力が被加工物1の各領域に対して付与されることにな
る。
【0023】図4は、図1で示した荷重センサ7の詳細
図である。29は研磨パッド5の裏面に接触するように
取り付けられた、荷重センサ7の接触子である。研磨加
工中に被加工物(ウエハ(半導体基板)等の基板)1が
荷重センサ7の上を通過すると、研磨パッド5が変形し
て接触子29の位置が変位し、研磨圧力に応じた電圧信
号が信号線8を介して出力される。次に、研磨圧力の測
定方法と研磨圧力の制御方法を以下に述べる。図5は、
被加工物1(ウエハ)の面内における研磨圧力の分布の
説明図である。30は荷重センサ7の軌跡、31は研磨
圧力の分布である。化学的・機械的な研磨加工中に、荷
重センサ7の軌跡30が被加工物1の中心を通過する場
合の研磨圧力の分布を被加工物1の端部点Aから端部点
A’まで測定し、領域1ないし領域nにおいて測定され
た研磨圧力をそれぞれ研磨圧力P1’ないしPn’とす
る。次に、領域の数をnとしたとき、研磨圧力P1’な
いしPn’の平均値Paveは次に示す(数4)式の関
係から制御装置11において算出することができる。
【0024】 Pave=(P1’+P2’+・・・+Pn’)/n・・・(数4) 制御装置11は、例えば、領域1において荷重センサ7
で測定された研磨圧力P1’が研磨圧力の測定値の平均
値Paveよりも小さい場合には、圧力制御弁14を調
節(制御)して、領域nに供給する流体の供給圧力Ps
1を増加させ、被加工物(ウエハ等の基板)1の裏面に
供給する流体の圧力P1を増加させたのち、再びP1’
とPaveを測定し、P1’とPaveとを比較してP
1’がPaveよりも小さい場合には、さらにPs1を
増加させ、P1’がPaveよりも大きい場合には、P
s1を減少させることにより、P1’とPaveが等し
くした。同様にして、制御装置11は、圧力制御弁14
を制御して各領域2ないしnに供給する流体の供給圧力
Ps2ないしPsnを制御して荷重センサ7で測定され
るP2’ないしPn’をPaveと等しくした。なお、
荷重センサ7で各領域1ないしnについて測定される研
磨圧力P1’ないしPn’と上記説明した被加工物(ウ
エハ等の基板)1の裏面の各領域1ないしnに供給され
た流体の圧力P1ないしPnとの間は比例関係にあるた
め、制御装置11は、荷重センサ7で各領域1ないしn
について測定される研磨圧力P1’ないしPn’から上
記(数3)式等に基づいて、圧力制御弁14で制御する
各領域1ないしnに供給する流体の供給圧力Ps1ない
しPsnを算出することができる。
【0025】
【実施例】次に本発明に係る化学的・機械的な研磨加工
を半導体基板上に形成されたプラズマTEOS膜(1.
5μm堆積)からなる層間絶縁膜に適用した場合につい
て説明する。主な化学的・機械的な研磨加工条件は、研
磨圧力:30〜40kPa、研磨液6:アルカリ溶液か
らなるコロイダルシリカ(粒径約30nm)、研磨パッ
ド5:硬質発泡ポリウレタン系(硬度約60度)厚さ
0.95mm、半導体基板の支持体19には、チャック
表面に形成した厚さ約0.5mmのスウェードタイプの
弾性体を用いた。弾性体19に形成した穴26の直径は
2mm、流体供給口と流体排気口の直径は0.8mmと
した。次に示す(表1)は、層間絶縁膜に対する化学的
・機械的な研磨加工において、研磨圧力の制御なし(チ
ャックの支持体に半導体基板を固定した)の場合の比較
例と本発明に係る研磨圧力分布を制御する場合の実施例
とを研磨後の絶縁膜厚さと研磨量ばらつきとについて比
較したものである。
【0026】
【表1】
【0027】(表1)中、比較1ないし比較3は、研磨
圧力の制御なし(チャックの支持体に半導体基板を固定
した)の場合の比較例としての実験結果を示す。比較1
と3は、プラズマTEOS膜(1.5μm堆積)に対し
て残膜厚さが0.5μmまで化学的・機械的な研磨加工
を施したところ、研磨量のばらつきが±8%、±7%で
あったことを示す。比較2は、プラズマTEOS膜
(1.5μm堆積)に対して残膜厚さが0.45μmま
で化学的・機械的な研磨加工を施したところ、研磨量の
ばらつきが±12%であったことを示す。(表1)中、
実施1ないし3は、本発明に係る研磨圧力分布を制御す
る場合の実施例としての実験結果を示す。実施1は研磨
圧力分布の制御が不良で、プラズマTEOS膜(1.5
μm堆積)に対して残膜厚さが0.45μmまで化学的
・機械的な研磨加工を施したところ、研磨量のばらつき
が±6%であったことを示す。実施2と3は研磨圧力分
布の制御が良好で、プラズマTEOS膜(1.5μm堆
積)に対して残膜厚さが0.5μmまで化学的・機械的
な研磨加工を施したところ、研磨量のばらつきが±5%
以下の±2%、±3%であったことを示す。化学的・機
械的な研磨加工特性は、研磨後の絶縁膜の研磨量のばら
つきによって評価した。評価は光干渉式の薄膜厚さ計を
用いて半導体基板(ウエハ)面内49箇所の絶縁膜の厚
さを測定した。そして、絶縁膜の厚さの最大値をTma
x、最小値をTmin、平均値をTaveとしたとき、
膜厚ばらつきVを、次に示す(数5)から算出した。
【0028】 V=±100(Tmax−Tmin)/2Tave (数5) これらの各実験結果を示す(表1)から分かるように、
比較例に比べて本発明の如く研磨圧力分布を制御するこ
とによって層間絶縁膜の膜厚さばらつきを低減できる効
果が得られたことを確認することができた。さらに、本
発明の如く研磨圧力分布を制御することによって研磨前
に絶縁膜の表面に存在した1μmの段差を、研磨後に
0.1μm以下にすることができた。この値は、この層
間絶縁膜上に0.25μm以下の配線幅を有する配線を
形成することを可能にする値である。 次に、本発明に
係る研磨圧力分布を制御して行う化学的・機械的な研磨
加工方法を適用して、6インチのシリコン基板上に2層
のアルミ配線構造を持つ半導体装置を製造した実施例に
ついて、図6を用いて説明する。
【0029】即ち、61は半導体基板(6インチのシリ
コン基板)上に半導体素子を形成した後に1層目のアル
ミ配線を形成する工程である。62は工程61で形成さ
れた1層目のアルミ配線上にプラズマTEOS膜(層間
絶縁膜)をCVDにより1.5μm程度の厚さに堆積
(成膜)する工程である。63は工程62で成膜された
例えば1.5μm厚さのプラズマTEOS膜の表面を、
前記本発明の実施の形態で説明したとおり、研磨圧力分
布を制御して化学的・機械的な研磨加工を行って表面を
平坦化する工程である。この工程63で1μm研磨加工
した結果、プラズマTEOS膜の厚さ分布を光干渉式の
薄膜厚さ測定器を用いて測定したところ、厚さが0.5
μm±0.02μm(膜厚さのばらつきが±4%)であ
ることを確認した。このとき、プラズマTEOS膜を堆
積した後にプラズマTEOS膜の表面に存在した1μm
の段差について、触針式の段差測定器による測定とウエ
ハの断面のSEM観察を行い、段差が1μmから0.1
μm以下に低減されたことを確認した。また、接触式の
表面粗さ測定器及び原子間力顕微鏡を用いて、研磨した
プラズマTEOS膜の表面粗さを測定し、プラズマTE
OS膜の表面粗さが0.2ないし0.3nmRmaxで
あることを確認した。
【0030】64は研磨したプラズマTEOS膜の表面
に厚さ0.1μmのSiO2膜をCVDで堆積(成膜)
する工程である。65は工程64で表面が平坦化され、
所望の膜厚に研磨されたプラズマTEOS膜に対して下
層アルミ配線と電気的接続をとるためのコンタクトホー
ルをエッチングによって形成する工程である。66は工
程65で形成されたコンタクトホールにタングステン等
からなる導電体のコンタクトビアを形成する工程であ
る。67は工程64で成膜されたSiO2膜の表面に幅
0.25μmのアルミ上層配線を形成する工程である。
以上説明した工程61〜67によって6インチのシリコ
ン基板上に2層のアルミ配線構造を持つ半導体装置を製
造することができる。このように半導体装置を製造し、
コンタクトビア抵抗及び配線抵抗を測定した結果、コン
タクト抵抗不良及び配線不良がないことが分かり、信頼
性の高い半導体装置を製造することができた。
【0031】次に本発明に係る研磨圧力分布を制御して
行う化学的・機械的な研磨加工方法を適用して、半導体
基板上に2層の配線構造を持つ半導体装置を製造した実
施例について、図7を用いて説明する。即ち、71は半
導体基板上に下層配線を形成する工程である。72は工
程71で形成された下層配線上に例えばプラズマTEO
S膜をCVDにより1.5μm程度の厚さに堆積(成
膜)する工程である。73は工程72で成膜された例え
ば1.5μm厚さのプラズマTEOS膜(層間絶縁膜)
の表面を、前記本発明の実施の形態で説明したとおり、
研磨圧力分布を制御して化学的・機械的な研磨加工を行
って表面を平坦化する工程である。この工程73で1μ
m研磨加工した結果、図6に示す実施例と同様に、厚さ
が0.5μm±0.02μm(膜厚さのばらつきが±4
%)で膜厚さのばらつきを±5%以下にして、段差(微
小凹凸)を0.1μm以下に低減させて平坦化すること
ができる。プラズマTEOS膜の表面粗さを0.2ない
し0.3nmRmaxにすることができる。
【0032】74は工程73で表面が平坦化され、所望
の膜厚に研磨されたプラズマTEOS膜に対して下層配
線と電気的接続をとるためのコンタクトホールをエッチ
ングによって形成する工程である。75は工程74で形
成されたコンタクトホールに対して選択CVDによりタ
ングステン等からなる導電体のコンタクトスタッドを形
成する工程である。76は工程63と同様に研磨圧力分
布を制御して化学的・機械的な研磨加工を行って表面に
成長したタングステン等の金属膜を除去する工程であ
る。77はプラズマTEOS膜(層間絶縁膜)の表面に
上層配線を形成する工程である。以上説明した工程71
〜77によって半導体基板上に多層配線構造を持つ半導
体装置を製造することができる。このように半導体装置
を製造し、コンタクトスタッド抵抗及び配線抵抗を測定
した結果、コンタクト抵抗不良及び配線不良がないこと
が分かり、信頼性の高い半導体装置を製造することがで
きる。
【0033】また本発明は、薄膜多層配線基板を製造す
るのに適用することができる。
【0034】
【発明の効果】本発明によれば、化学的・機械的な研磨
加工において、研磨中に基板面内の研磨圧力の分布を制
御して、絶縁膜や金属膜などの厚さを均一に、しかも平
坦に(例えば膜厚さのばらつきを±5%以下で、しかも
微小凹凸を0.2μm以下)加工できるため、例えば半
導体装置の高信頼化及び高集積化を図ることができる効
果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る化学的・機械的な研磨加工装置の
一実施の形態を示す概念図である。
【図2】図1に示す被加工物を支持するチャック部の説
明図であリ、(a)はチャックの断面を示す構造図、
(b)はチャックによる研磨圧力を制御する領域を説明
するための平面図である。
【図3】図2に示す被加工物の支持するチャック部の拡
大断面図である。
【図4】本発明に係る研磨定盤上に設置された研磨圧力
を検出する荷重センサを示す断面図である。
【図5】本発明に係る荷重センサで研磨圧力分布を測定
する方法を説明するための図である。
【図6】本発明に係る半導体装置を製造するための一実
施例である工程フローを示す図である。
【図7】本発明に係る半導体装置を製造するための他の
一実施例である工程フローを示す図である。
【符号の説明】
1…被加工物(ウエハ等の基板)、2…チャック、3…
モータ、4…研磨定盤 5…研磨パッド、6…研磨液、7…荷重センサ、9…ス
リップリング 11…制御装置、13…流体、14…圧力制御弁、15
…流体供給管 16…ロータリージョイント、18…ウエハ押え、19
…支持体(弾性体) 20…流体供給口、21…流体排気口、22…領域1、
23…領域2 24…領域n、25…環状の窪み、27…環状の溝、2
9…接触子 30…荷重センサの軌跡、31…研磨圧力の分布、40
…入力手段 41…表示手段、42…記憶装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−196456(JP,A) 特開 平5−42475(JP,A) 特開 平7−130686(JP,A) 特開 平5−206091(JP,A) 特開 平7−254579(JP,A) 特開 平5−259134(JP,A) 特開 平9−76152(JP,A) (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】研磨定盤を公転させた状態でチャックを自
    転させながら、上記チャックの支持面に設けられた弾性
    体である支持体における複数の同心円状領域の各々に設
    けられた穴を通して基板裏面の上記同心円状領域の各々
    に供給する正圧流体の圧力を制御して上記同心円状領域
    の各々において上記基板裏面に対して上記弾性体である
    支持体を環状に窪ませるように上記正圧流体を流すこと
    により上記研磨定盤に対する上記基板表面上の上記複
    数の同心円状領域に亘る研磨圧力分布を制御して上記研
    磨定盤上に供給される研磨液により上記基板表面に対し
    て化学的・機械的な研磨加工を行うことを特徴とする化
    学的・機械的な研磨加工方法。
  2. 【請求項2】研磨定盤を公転させた状態でチャックを自
    転させながら、上記研磨定盤の表面に設置した圧力セン
    サにより基板表面の研磨圧力分布をインプロセスで計測
    し、この計測された研磨圧力分布に応じて上記チャック
    の支持面に設けられた弾性体である支持体における複数
    の同心円状領域の各々に設けられた穴を通して基板裏面
    上記同心円状領域の各々に供給する正圧流体の圧力を
    制御して上記同心円状領域の各々において上記基板裏面
    に対して上記弾性体である支持体を環状に窪ませるよう
    に上記正圧流体を流すことにより、上記研磨定盤に対す
    る上記基板表面上の上記複数の同心円状領域に亘る研磨
    圧力分布を制御して上記研磨定盤上に供給される研磨液
    により上記基板表面に対して化学的・機械的な研磨加工
    を行うことを特徴とする化学的・機械的な研磨加工方
    法。
  3. 【請求項3】上記基板裏面における上記支持体の各同心
    円状領域の環状の窪みに供給された正圧流体を、上記支
    持体における各同心円状領域の環状の窪みの内周および
    外周に形成された突起部と上記基板裏面との隙間を通し
    て上記支持体における上記各同心円状領域間に形成され
    た環状の溝へと排気して流すことを特徴とする請求項1
    または2記載の化学的・機械的な研磨加工方法。
  4. 【請求項4】基板上の下層配線上に層間絶縁膜を形成す
    る層間絶縁膜形成工程と、 研磨定盤を公転させた状態でチャックを自転させなが
    ら、上記研磨定盤の表面に設置した圧力センサにより基
    板表面の研磨圧力分布をインプロセスで計測し、この計
    測された研磨圧力分布に応じて上記チャックの支持面に
    設けられた弾性体である支持体における複数の同心円状
    領域の各々に設けられた穴を通して基板裏面の上記同心
    円状領域の各々に供給する正圧流体の圧力を制御して上
    記同心円状領域の各々において上記基板裏面に対して上
    記弾性体である支持体を環状に窪ませるように上記正圧
    流体を流すことにより上記研磨定盤に対する上記基板
    表面上の上記複数の同心円状領域に亘る研磨圧力分布を
    制御して上記研磨定盤上に供給される研磨液により上記
    層間絶縁膜形成工程で形成された上記基板表面上の層間
    絶縁膜に対して化学的・機械的な研磨加工を行って平坦
    化する化学的・機械的な研磨加工工程と、 該化学的・機械的な研磨加工工程で平坦化された上記層
    間絶縁膜上に所望の上層配線を形成する上層配線形成工
    程とを有することを特徴とする半導体基板の製造方法。
  5. 【請求項5】基板上の下層配線上に層間絶縁膜を形成す
    る層間絶縁膜形成工程と、 研磨定盤を公転させた状態でチャックを自転させなが
    ら、上記研磨定盤の表面に設置した圧力センサにより基
    板表面の研磨圧力分布をインプロセスで計測し、この計
    測された研磨圧力分布に応じて上記チャックの支持面に
    設けられた弾性体である支持体における複数の同心円状
    領域の各々に設けられた穴を通して基板裏面の上記同心
    円状領域の各々に供給する正圧流体の圧力を制御して上
    記同心円状領域の各々において上記基板裏面に対して上
    記弾性体である支持体を環状に窪ませるように上記正圧
    流体を流すことにより上記研磨定盤に対する上記基板
    表面上の上記複数の同心円状領域に亘る研磨圧力分布を
    制御して上記研磨定盤上に供給される研磨液により上記
    層間絶縁膜形成工程で形成された上記基板表面上の層間
    絶縁膜に対して化学的・機械的な研磨加工を行って平坦
    化する化学的・機械的な研磨加工工程と、 該化学的・機械的な研磨加工工程で平坦化された上記層
    間絶縁膜に対してコンタクトホールを形成するコンタク
    トホール形成工程と、 該コンタクトホール形成工程で形成されたコンタクトホ
    ールに導電材を埋め込んでコンタクトスタッドを形成す
    るコンタクトスタッド形成工程と、 該コンタクトスタッド形成工程の後、上記層間絶縁膜上
    に所望の上層配線を形成する上層配線形成工程とを有す
    ることを特徴とする半導体基板の製造方法。
  6. 【請求項6】基板上の下層配線上に層間絶縁膜を形成す
    る層間絶縁膜形成工程と、 研磨定盤を公転させた状態でチャックを自転させなが
    ら、上記研磨定盤の表面に設置した圧力センサにより基
    板表面の研磨圧力分布をインプロセスで計測し、この計
    測された研磨圧力分布に応じて上記チャックの支持面に
    設けられた弾性体である支持体における複数の同心円状
    領域の各々に設けられた穴を通して基板裏面の上記同心
    円状領域の各々に供給する正圧流体の圧力を制御して上
    記同心円状領域の各々において上記基板裏面に対して上
    記弾性体である支持体を環状に窪ませるように上記正圧
    流体を流すことにより上記研磨定盤に対する上記基板
    表面上の上記複数の同心円状領域に亘る研磨圧力分布を
    制御して上記研磨定盤上に供給される研磨液により上記
    層間絶縁膜形成工程で形成された上記基板表面上の層間
    絶縁膜に対して化学的・機械的な研磨加工を行って平坦
    化する化学的・機械的な研磨加工工程と、 該化学的・機械的な研磨加工工程で平坦化された層間絶
    縁膜上にSiO2膜をCVDによって形成するSiO2
    形成工程と、 該SiO2膜形成工程で形成されたSiO2膜上に上層配
    線を形成する上層配線工程とを有することを特徴とする
    半導体基板の製造方法。
  7. 【請求項7】公転する研磨定盤と、上記研磨定盤に対し
    て自転するチャックと、 上記チャックの支持面に設けられた弾性体である支持体
    における複数の同心円状領域の各々に設けられた穴を
    して基板裏面の上記同心円状領域の各々に正圧流体を供
    給する供給手段と、 該供給手段で上記穴を通して上記基板裏面の同心円状領
    域の各々に供給する正圧流体の圧力を制御して上記同心
    円状領域の各々において上記基板裏面に対して 上記弾性
    体である支持体を環状に窪ませるように上記正圧流体を
    流すことにより上記研磨定盤に対する上記基板表面上
    の上記複数の同心円状領域に亘る研磨圧力分布を制御す
    る制御手段とを備え、 上記研磨定盤上に供給される研磨液により上記基板表面
    に対して化学的・機械的な研磨加工を行うように構成し
    たことを特徴とする化学的・機械的な研磨加工装置。
  8. 【請求項8】公転する研磨定盤と、 上記研磨定盤に対して自転するチャックと、 上記チャックの支持面に設けられた弾性体である支持体
    における複数の同心円状領域の各々に設けられた穴を
    して基板裏面の上記同心円状領域の各々に正圧流体を供
    給する供給手段と、 上記研磨定盤の表面に設置され、上記基板表面の研磨圧
    力分布をインプロセスで計測する圧力センサと、 該圧力センサで計測された基板表面の研磨圧力分布に応
    じて上記供給手段で上記穴を通して上記基板裏面の同心
    円状領域の各々に供給する正圧流体の圧力を制御して上
    記同心円状領域の各々において上記基板裏面に対して上
    記弾性体である支持体を環状に窪ませるように上記正圧
    流体を流すことにより上記研磨定盤に対する上記基板
    表面上の上記複数の同心円状領域に亘る研磨圧力分布を
    制御する制御手段とを備え、 上記研磨定盤上に供給される研磨液により上記基板表面
    に対して化学的・機械的な研磨加工を行うように構成し
    たことを特徴とする化学的・機械的な研磨加工装置。
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