JP3601937B2 - Surface flattening method and surface flattening device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面平坦化方法および表面平坦化装置に関し、詳しくは、各種半導体装置の製造において、表面上に各種パターンが形成された半導体ウエハの表面平坦化に特に好適な、表面平坦化方法およびそれに用いる表面平坦化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体製造工程は多くのプロセス処理工程からなるが、極めて集積密度の高い微細な半導体装置を形成するために、表面の平坦化が特に重要になってきた。その一例として、配線の形成工程を図2を用いて説明する。
【0003】
図2(a)は、第1層の配線が形成された状態を示し、トランジスタ(図示せず)が形成されている基板1の表面上には絶縁膜2およびアルミニウム等からなる配線層3が設けられている。配線層3は、絶縁膜2に形成された開口部を介してトランジスタと接続されるため、接続部における配線層3の表面3’は若干へこんでいる。
【0004】
そのため、図2(b)に示したように、第2層の配線を形成するために、第2の絶縁膜4、アルミニウム膜5およびホトレジスト膜6を順次積層して形成すると、ホトレジスト膜6の表面は平坦にならず、凹凸が生ずる。
【0005】
次に、図2(c)に示したように、ステッパ7を用いて所定の回路パターンを上記ホトレジスト膜6上に露光して回路パターンを転写すると、ホトレジスト膜6の表面が平坦ではなく凹凸が存在し、しかも周知のように、ステッパの焦点深度は深くないため、ホトレジスト膜6の凹部と凸部8に同時に焦点を合わせることができず、解像ボケという重大な障害が生ずる。
【0006】
このような障害を防止するため、図2(a)に示した工程の次に、図2(d)に示したように、絶縁膜4を全面に形成した後、この絶縁膜4をレベル9まで研摩して表面を平坦化し、図2(e)に示した形状にする。
【0007】
次に、アルミニウム膜5とホトレジスト膜6を形成し、図2(f)に示したようにステッパ7を用いて露光する。このようにすれば、レジスト膜6の表面が平坦であるため、表面の凹凸による上記解像ボケの問題が生じる恐れはない。
【0008】
このような研摩によって表面を平坦化させる方法は、例えば米国特許第4944836号や特公平5−30052号に記載されている。
【0009】
表面を平坦化するための研摩法としては、化学機械研摩法(以下、CMP法と記す)と呼ばれる方法が一般に行なわれている。この方法は、図3に示したように、研摩パッド11を定盤12上に貼り付け、加工すべきウエハ1を弾性を有するバッキングパッド13を介してウエハホルダ14に固定して、定盤12を回転させ、研摩パッド11の上に研摩スラリ15を供給するとともに、上記ウエハホルダ14を回転させながら研摩パッド11の表面に荷重する方法である。
【0010】
これにより、ウエハ1表面の絶縁膜4の凸部は研摩されて除去され、表面は平坦化される。上記研摩パッド11としては、例えば発泡ウレタン樹脂を薄いシート状にスライスしたものが使用され、また、上記研摩スラリ15としては、例えば、二酸化珪素等の絶縁膜を研摩する場合は、微細で高純度なシリカ粒子を水酸化カリウムやアンモニア等のアルカリ水溶液に懸濁させたフュームドシリカが、一般に用いられている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
半導体デバイスの製造においては、他の分野におけるよりも、平坦化に要求される精度が著しく高いばかりでなく、平坦化終了後に残った膜の厚さの誤差も、±0.1μm程度以下と、極めて低くすることが要求される。しかし、図4(a)に示したように、ウエハホルダ上に保持された加工すべきウエハ1には、表面の凹凸に加えて、横方向に数mmサイズ以上のスケールでうねりが存在する。このようなうねりが存在するウエハ1の表面を、柔軟性を有さない研摩パッド11を用いて研摩し、表面を完全に平坦化すると、図4(a)に示したように、ウエハ1のうねりによって局所的に著しく研摩されて、ウエハ1の厚さが著しく不均一になってしまう。
【0012】
これを避けるため、研摩パッド11としてはある程度柔らかいものが用いられている。この場合は、図4(b)に示したように、ウエハ1の凹凸およびうねりに研摩パッド11が追従し、ウエハ1の表面の凸部および凹部のいずれにも研摩パッド11が接触するので、局所的な研摩ムラが防止される。しかし、ウエハ1の凸部および凹部のいずれにも研摩パッド11が一様に接触して、凸部と凹部が一様に研摩されるため、本来の目的であった凸部のみを選択的に除去して平坦化する能力が低下してしまう。
【0013】
一方、柔らかい研摩パッドを用いた従来の標準的なCMP法によって、サイズが異なるパターンが形成されているウエハを研摩すると、小サイズのパターンの方が大サイズのパターンより速く研摩され、数mm角以上の大きなパターンによる段差を完全に平坦化することは困難であった。しかし、例えばDRAMのメモリマット部には、数mm角から時には10mm角程度の大きさのパターンによる段差が存在しており、さらに大サイズのパターンの平坦化が必要である。
【0014】
上記段差平坦化能力と研摩量均一性のトレードオフを改善する方法として、特開平5−212669には研摩パッドをセグメントに分割し、下層に弾性支持層を設ける方法が提案されている。セグメントに分割された研摩パッドは、下層である弾性支持層の変形によってウエハ加工面の凹凸に追従するため、段差平坦化能力の高さと研摩量均一性の良さが両立するとしている。
【0015】
この方法は、硬質な研摩パッドが使用されるため段差平坦化能力は向上するが、遊離砥粒(研摩スラリ)が使用されるため、転動した遊離砥粒によってパターンの凹部までが削り込まれてしまう。さらに、荷重が加わっているセグメントと無負荷のセグメントの間に生じた段差によってウエハに傷がつく、研摩中にウエハが離脱する、ウエハ周辺部の研摩量が他の部分より多くなる、各セグメントが同じサイズであるためウエハ中央部の液供給が相対的に不足して研摩量の均一性が低下する、アルカリ性または酸性のスラリを使用するので下層の弾性支持層として使用できる材質が限定される、上層の研摩パッドと下層の支持層との接着強度が劣化する支持層として弾性率が適当な多孔性の物質を用いた場合、乾燥したスラリが気孔中に残留し特性の劣化、パーティクル汚染の原因となる、スラリと弾性支持層の干渉が悪影響をもたらす、など多くの問題があった。
【0016】
さらにスラリを使用する方法は、砥粒の利用効率が低いためコストが高い、スラリ中の砥粒は保管によって凝集あるいは沈殿して特性が変化する可能性があるので、スラリの取り扱いには気を使う必要がある、雰囲気中にパーティクルを飛散させる原因となるので、半導体製造のクリーンルーム中での使用には本来適していないなど多くの問題がある。
【0017】
そのため、例えばDRAM等のように大サイズパターンを含む半導体集積回路の形成、あるいは極めて高い平坦化能力と均一性を要求される浅溝素子分離工程などに、従来の平坦化方法を適用するのは困難であった。
【0018】
本発明の目的は、上記従来の問題を解決し、ウエハ表面に形成されているパターンのサイズには関係なく、ウエハ全面を均一に高い精度で研摩して平坦化することができる、低コストの表面平坦化方法およびこれに用いる表面平坦化装置を提供することである。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の表面平坦化方法は、表面上に所望のパターンが形成されてあるウエハをウエハホルダに保持するとともに、砥石を当該砥石より弾性率が低い砥石保持層上に保持し、上記ウエハと上記砥石を互いに対向させ所定の圧力で互いに接触させて、上記ウエハと上記砥石の少なくとも一方を面方向に動かすことによって、上記パターンを研磨することを特徴とする。
【0020】
すなわち、本発明では、弾性率が砥石より低い砥石支持層の上に支持された砥石によって研摩が行われ、遊離砥粒(研摩スラリ)は用いられない。砥石および砥石とは弾性率が異なる砥石支持層を組み合わせて使用することにより、固定砥粒(砥石)による平坦化能力が高く、研摩量の均一性も良好な研摩が行われる。しかも、研摩スラリを使用しないので、低コストであるばかりでく、研摩スラリの使用にともなう種々な上記障害が発生することはない。
【0021】
本発明において、上記研摩を、(1)上記ウエハを当該ウエハの表面に垂直な方向の軸を第1の回転軸として回転させるとともに、上記砥石を上記第1の回転軸と平行でかつ上記第1の回転軸から所定の距離だけ離間した軸を第2の回転軸として回転させることによって行なう、(2)上記ウエハを上記砥石上において円運動(公転)させることによって行なう、および(3)上記砥石を直線方向に動かすことによって行なうことができる。
【0022】
上記方法(1)は最も実用的な方法であり、上記第1および第2の回転軸の回転数は広い範囲で調節できる。上記方法(2)は、通常は砥石層を回転せずに静止して行なわれるが、砥石層をゆるやかに回転(自転)させてもよく研摩ムラの防止に有効である。ウエハは公転のみでもよいが、自転させてもよい。上記方法(3)の場合、ウエハは回転せずに静止させたままでもよいが、ウエハを自転させれば、研摩ムラの防止に有効である。
【0023】
上記砥石保持層の上に、上記砥石保持層より厚さが薄く弾性率が大きい結合層を設け、この結合層の上に上記砥石を保持することができる。このようにすると、上記砥石支持層の過度の変形が防止され、特に砥石を複数のセグメントに分離したり、あるいは溝によってウエハとの接触部を複数の区画に区分した場合に、顕著な効果が得られる。
【0024】
上記砥石保持層の弾性率は上記砥石の弾性率の1/10程度であることが好ましく、例えば、上記砥石の弾性率を1kg/mm2〜500kg/mm2、上記砥石保持層の弾性率を0.1kg/mm2〜50kg/mm2とすれば、実用上好ましい結果が得られる。
【0025】
上記砥石を複数のセグメントに分離するか、あるいは上記砥石に複数の溝を形成し、この溝の底部以外の部分を複数の区画に区分すると、ウエハ表面の凹凸やうねりに対する追従性が向上し、研摩量の均一性が向上する。さらに、上記砥石の半径方向における上記セグメント若しくは区画の大きさを、上記砥石の半径方向に沿って変化させ、上記ウエハの中心部が接する部分を最も小さくすると、ウエハ中央部への水の供給を増加させることができ、それによって研摩量の均一性および研摩速度が向上する。
【0026】
上記研摩は上記砥石上に水を供給しながら行なうことができる。従来のCMP法とは異なり、研摩スラリではなく水が使用できるので、研摩スラリの使用にともなう多くの障害が防止され、実用上極めて有利である。
【0027】
研摩を行う際の、ウエハと砥石の間に印加される圧力を30g/cm2〜500g/cm2とすれば、好ましい結果が得られる。
【0028】
本発明の表面平坦化方法は、表面に配線パターンなど各種パターンが形成されている半導体ウエハの表面平坦化に特に有用である。
【0029】
さらに、本発明の表面平坦化装置は、ウエハを保持するためのウエハホルダと、当該ウエルホルダの表面に垂直な方向の軸を第1の回転軸として上記ウエハホルダを回転させる手段と、研摩定盤の上に形成された、保持すべき砥石より弾性率が低い砥石支持層と、上記第1の回転軸と平行でかつ上記第1の回転軸から所定の距離だけ離間した軸を第2の回転軸として上記研摩定盤を回転させる手段と、上記砥石支持層上に支持された上記砥石と上記ウエハを所定の圧力で互いに接触させる手段を少なくとも具備することを特徴とする。
【0030】
上記砥石保持層の弾性率は上記砥石の弾性率の1/10程度であることが好ましく、上記砥石の弾性率を1kg/mm2〜500kg/mm2、上記砥石保持層の弾性率を0.1kg/mm2〜50kg/mm2とすれば実用上好ましい結果が得らる。また、上記砥石支持層を接着テープを介して上記研摩定盤上に接着すれば、交換作業が容易である。
【0031】
上記砥石保持層の上に当該砥石保持層より厚さが薄く弾性率が大きい結合層を設け、上記砥石を上記結合層の上に保持することができる。これにより、ウエハ表面の凹凸やうねりに起因する砥石支持層の過度の変形が防止される。
【0032】
上記砥石を複数のセグメントに分離するか、あるいは上記砥石に複数の溝を形成し、この溝の底部以外の部分を複数の区画に区分するようにしてもよい。これにより、ウエハ表面の凹凸やうねりに対する研摩の追従性が向上し、研摩量の均一性が向上する。この場合、上記砥石の半径方向における上記セグメント若しくは区画の大きさを、同一ではなく、上記砥石の半径方向に沿って変化させ、上記ウエハの中心部と接する部分が最も小さいようにすれば、ウエハ中央部への水の供給量が増加し、研摩量の不均一の低減および研摩速度の向上に有用である。
【0033】
上記セグメント若しくは区画を、一辺が5mm〜50mmである正方形、または当該正方形と同等の面積を持つ所望の形状とすれば、実用上好ましい結果が得られる。
【0034】
上記砥石としては、砥粒と当該砥粒を固着する固着材からなるものを使用することができ、上記砥粒および固着剤としては、たとえば酸化セリウムおよびフェノール樹脂などを、それぞれ使用することができる。
【0035】
また、上記ウエハの外周部には、上記ウエハとは独立して圧力を印加できるリテーナーリングを設けることができ、これによりウエハの外周部における研摩速度を適宜調節することができる。
【0036】
【発明の実施の形態】
本発明において、砥石としては、微細(たとえば平均粒径1μm以下)で、不純物含有量が少ない酸化セリウムなどの砥粒を、フェノール樹脂などの固着剤によって結合させて形成したものを用いることができ、砥石支持層としては、ポリウレタン樹脂やポリウレタン含侵不織布などを使用できる。上記のように、砥石および砥石支持層の弾性率は、それぞれ1〜500kg/mm2および0.1〜50kg/mm2とすれば好ましい結果が得られる。砥石および砥石支持層の厚さは、たとえばそれぞれ3mmおよび1mm程度にすることができる。
【0037】
研摩を行う際における加工液の供給量は100〜1000ml/分程度であり、加工液としては純水を用いることができる。ウエハホルダおよび研摩定盤は同一方向に回転され、回転数はそれぞれ20〜50rpm程度である。
【0038】
砥石を、複数のセグメントに分割するか、あるいは複数の溝を形成してウエハとの接触部を複数の区画に区分すれば、研摩ムラの低減および研摩量の均一性の点で実用上有利である。ただし、充分薄く、かつ軟らかい砥石を使用すれば、砥石をこのようにセグメントに分割したり、溝によって区分したりすることなしに、研摩を行うことも可能である。
【0039】
セグメントあるいは区画の形状としては、種々な形状が可能であり、例えば図10(a)に示す格子状、図10(b)、(c)にそれぞれ示した丸形および六角形など、多くの形のセグメントや区画を用いることができる。
【0040】
【実施例】
〈実施例1〉
図5を用いて本発明の第1の実施例を説明する。図5から明らかなように、本実施例の表面平坦化装置は、研摩定盤12、この研摩定盤12上に取り付けられた研摩加工具16、研摩すべきウエハ1を保持するウエハホルダ14および研摩の際に水等の加工液15を供給する液供給ユニット20を具備している。
【0041】
上記研摩加工具16は、図1に示したように、砥石21、砥石支持層22、接着層23から構成され、接着層23によって上記研摩定盤12に接着される。研摩定盤12の大きさはウエハの大きさによって異なり、ウエハ径が6インチの場合には研摩定盤の直径は500mm程度である。
【0042】
ウエハ1を保持したウエハホルダ14に圧力Wを上方から加えて、ウエハ1を研摩加工具16に押しつけ、ウエハホルダ14と研摩定盤12を同時に回転させることによって、ウエハ1の研摩が行われる。この際、液供給ユニット20から、毎分100〜1000ml程度の加工液15が研摩加工具16上に供給される。ウエハホルダ14を研摩加工具に押しつける力Wは、典型的には30〜500g/cm2であり、研摩速度(1分間あたりの研摩量)はこの力Wにほぼ比例する。ウエハホルダ14と研摩定盤12は同一方向に回転させた。両者の回転数をほぼ同一にすることが、均一な研摩を行うためには好ましい。回転数の値は典型的には20〜50rpmである。
【0043】
上記研摩加工具16の最上部に設けられ、ウエハ1に直接々触する砥石21としては、微細な酸化セリウム砥粒を樹脂によって結合したものを用いることができる。この砥石は、図6(a)および図6(b)に示したように、気孔26を含んだ構造を有している。使用した樹脂の種類および用途によって、気孔26の形は図6(a)のように連続的である場合と、図6(b)のように独立した場合があるが、いずれの場合も、砥石21中の不純物ができるだけ少ないことが望ましい。本実施例においては、平均粒径が1μm以下と微細な酸化セリウム砥粒を、フェノール樹脂によって結合させたものを砥石21として用いた。
【0044】
砥石21の下層として設けられる砥石支持層22としては、厚さが均一で所望の弾性率が得られる素材が望ましく、例えば、ポリウレタン樹脂あるいはポリウレタン含浸不織布などを用いることができる。本実施例ではポリウレタン樹脂を使用したが、この場合の砥石支持層22の弾性率は約10kg/mm2であり、砥石21の弾性率約100kg/mm2に比べ約一桁小さい。砥石21の弾性率が高いほど平坦化能力が高いが、あまり高すぎると研摩キズ発生などの原因になるので好ましくない。弾性率が500kg/mm2以下であれば研摩キズの発生を回避できることがわかった。しかし、砥石21の弾性率が1kg/mm2以下では必要な平坦化能力が得られないので、研摩キズと平坦化能力の点からは、砥石21の弾性率は1〜500kg/mm2の範囲内にするのが好ましい。
【0045】
一方、砥石支持層22の弾性率が低いほど、ウエハ1面内の研摩量ムラが低減するが、あまり低すぎると、研摩加工具16の寿命低下、平坦化能力低下などの問題が発生する。実用的な平坦化能力を得るためには、砥石支持層22の弾性率を0.1kg/mm2以上にすることが必要であり、研摩量の均一性を1σで5%以下とするためには、50kg/mm2以下とする必要があった。砥石支持層22の弾性率を砥石21の弾性率の1/10程度にすると、研摩量均一性と平坦化能力が両立することがわかった。
【0046】
本実施例では、砥石21の厚さは約3mm、砥石支持層22の厚さは1mmとした。砥石21と砥石支持層22は接着剤によって互いに接着され、砥石支持層22と研摩定盤12との接着には、交換作業を容易にするため、粘着テープ23を用いた。
【0047】
砥石21は、加工液の排出性および研摩量の均一性向上のため、本実施例では、一辺が15mmの正方形であるセグメントに分割した。各セグメントのサイズは、平坦化すべきウエハ上のチップサイズが1辺5mmから15mm程度であることなどを考慮して15mmとした。
【0048】
この研摩装置を用いて、p−TEOS膜(SiO2膜)が全面に均一に形成されてあるシリコン・ウエハを、加工液として純水のみを使用して研摩し、各ウエハ直径方向の位置における研摩量を測定した。研摩量の測定は光干渉式の膜厚計を用いて行い、ウエハのオリエンテーションフラットに沿って直径上の15点について、研摩前と研摩後における膜厚をそれぞれ測定し、両者の差から研摩量を求めた。比較のため、単層砥石のみからなる研摩加工具を用いて、同様の研摩および測定を行った。
【0049】
単層砥石のみからなり、上記砥石支持層を有さない研摩加工具を用いた場合の結果を図7(a)に示し、本実施例によって得られた結果を図7(b)に示した。図7(a)およびで図7(b)から明らかなように、砥石21の下に弾性率が低い砥石支持層22を設けた本実施例の場合、ウエハ面内における研摩量の分布は、単層砥石のみを用いた場合よりはるかに均一であり、研摩量の変動がはるかに少ないことが確認された。なお、上記ウエハとしては直径は6インチのシリコン・ウエハを使用し、研摩工程における印加圧力は240g/cm2、相対速度は53cm/s、研摩時間は3分間とした。
【0050】
〈実施例2〉
本発明の第2の実施例を、図8を用いて説明する。
【0051】
図8から明らかなように、本実施例においては、砥石21と砥石支持層22の間に、結合層24が設けられている。この結合層24の役割は、柔らかい砥石支持層22が研摩の際に必要以上に変形することを防ぐことにある。砥石21がセグメント化されている場合には、研摩時の荷重によって各砥石21が縦方向に変位して、各セグメント間に階段状の段差が生じ、研摩キズ、ウエハ離脱およびウエハ外周部の研摩量過多などの発生原因になる。
【0052】
そのため、本実施例では、薄くて引っ張り方向の力に対して伸びが少ないPET(ポリエチレン・テレフタレート)フィルムなどからなる結合層24を、砥石21と砥石支持層22の間に介在させて、砥石21の縦変更の変位を抑制した。他の点は上記第1の実施例と同様である。これにより、荷重が印加されるセグメントと無負荷のセグメントの境界が不連続にならずに、スムーズに連結され、上記研摩キズなどの障害はさらに減少した。
【0053】
なお、本実施例では、上記結合層24として厚さ100μmのPETフィルムを用いた。しかし、この結合層24は、必ずしもフィルム状物質である必要はなく、セグメント状の各砥石21の縦方向における変位を抑制できるもの、例えば紐状物質を編み合わせたものや、金属、樹脂などの線からなるメッシュ状の層でも良い。また砥石21と砥石支持層22の間に介在させるのではなく、例えば紐状物質からなる結合層を各砥石21間のみに配置したり、あるいは適当な弾性を有する材料を各砥石21の間に介在させて、隣接する各砥石21を互いに結合しても良い。
【0054】
〈実施例3〉
本発明の第3の実施例を図9を用いて説明する。
【0055】
図9から明らかなように、本実施例においては、砥石21のセグメントを上記第1および第2の実施例のように完全には分離させず、溝の底部を残して結合部25とした。このような構造とすることによって、上記第2の実施例において設けた結合層24の役割を、砥石21の各セグメント間の結合部25が果たし、特別な結合層を砥石21の下に設けることなしに、実施例2と同様の効果が得られた。
【0056】
〈実施例4〉
本実施例は、図11に示したように、セグメント21の大きさに分布を持たせ、ウエハ1の中央部と接する部分ほど、セグメント21のサイズが小さくなるようにした例である。ウエハ1の中央部は研摩中に水膜が形成され易いため、このようにセグメント21の直径方向におけるサイズを小さくして溝の割合を増加させた。また溝の割合を増やすことによってウエハ1の中央部への水の供給量を増やすことができた。これにより水膜形成と水供給不足に起因する研摩量ムラが低減された。また、研摩時の定盤の回転数をより高くすることができるので、研摩速度を大きくすることができた。
【0057】
〈実施例5〉
砥石がセグメントに分割されている場合、相対的に柔らかい砥石支持層に支えられている各セグメントの高さは、それぞれ独立に変化する。そのため加工中にウエハに接して押されているセグメントと、ウエハに接触せずウエハからの力が加わらないセグメントの間には、必然的に段差が生じる。このセグメント間の段差によってウエハエッジ周辺だけが特に速く研摩されたり、逆に研摩され難くなるなどの研摩量異常が生ずる場合がある。
【0058】
本実施例は、このような障害を防止した例であり、図12に示したように、ウエハホルダ14外周のリテーナーリング27の圧力W1を、ウエハ1の圧力W2とは独立に印加できるようにした。ウエハ1の外周部が特に速く研摩される場合には、リテーナーリング27の圧力W1を大きくし、反対に、ウエハ1の外周部が遅く研摩される場合には、リテーナーリング27の圧力W1を下げればよい。
〈実施例6〉
本実施例は、本発明を半導体装置の製造工程のうちの浅溝素子分離工程に適用した例である。
【0059】
図13(a)に示したように、素子を形成すべき領域32に素子形成部保護用の窒化珪素膜33を形成した後、シリコン基板30の表面に周知のホトエッチングを用いて素子分離用の溝31を形成した。
【0060】
次に、図13(b)に示したように、周知のCVD法を用いてSiO2膜34を全面に形成した。さらに、上記実施例1に示した方法を用いて、破線35の位置まで研摩を行なって、上記SiO2膜34を溝内のみに残し、他の部分は除去して、図13(c)に示した構造を形成した。
【0061】
上記絶縁膜34の研摩を、従来のCMP法を用いて行なうと、溝内の絶縁膜34の表面が、凹形状になって平坦にならないディッシングと呼ばれる現象が起きる。ディッシングが起こると所望の素子特性が得られないが、本実施例によれば、このようなディッシングを起こすことなしに、表面が平坦な浅溝素子分離を行うことができた。
【0062】
〈実施例7〉
本実施例は、本発明の砥石支持層上に支持された砥石を、ウエおよび砥石の回転軸が床面に対して水平方向を向き、ウエハと砥石が床面に垂直な面内で運動する形式の研摩装置に適用した例であり、図14を用いて説明する。
【0063】
図14に示したように、2枚のウエハ1はウエハホルダ14の両面上にそれぞれ保持され、砥石21によってウエハホルダ14をを挾み込むように配置され、ウエハ1の研摩が行なわれる。なお図示は省略されているが、砥石21と定盤12の間には、上記実施例1の場合と同様に、砥石支持層22と接着層23が設けられている。
【0064】
砥石21の直径はウエハ1の直径の1倍以上であるのが好ましく、液供給ウニット20からの加工液(純水)の供給が、砥石21の表面上の溝から行なう場合は、砥石21の直径はウエハ1の直径の2倍以下でよい。本実施例は、回転する研摩面が床面に対して垂直であるため、装置が小型化できるという特長がある。
〈実施例8〉
本実施例は、上記砥石21(図1に示したように、砥石支持層22および接着層23の上に形成されている)を用いて平坦性の高い研摩を行なった後に、研摩パッドとスラリを用いた周知の研摩加工を行なった例である。
【0065】
本実施例によれば、最終的な表面粗さが向上するとともに、残存する異物量を低減することができ、例えばBPSG膜のように、比較的軟らかい膜の加工に特に有用である。なお、研摩パッドとスラリによる加工量が過大であると、平坦性が低下するため、加工量は厚さとしてほぼ0.1μm以下にするのが好ましい。
〈実施例9〉
本実施例は、上記砥石21(図1に示したように、砥石支持層22および接着層23の上に形成されている)に、砥粒を含むスラリを併用して研摩を行なった例であり、研摩速度をさらに向上することができる。
【0066】
砥石上にスラリとしてヒュームドシリカを添加した場合の、シリカの濃度と研摩速度の関係を求めて、砥石のみを使用した場合およびフュームドシリカスラリと研摩パッドを用いた場合を比較し、得られた結果を図15に示した。
【0067】
図15から明らかなように、研摩圧が100g/cmと低く、かつ、研摩面の粗さを重視して、研摩速度が低い砥石を使用したため、砥石のみを用いた場合の研摩速度は5nm/分と低かった。
【0068】
しかし、通常用いられる濃度12%のフュームドシリカスラリを上記砥石21と併用すると、研摩速度は100nm/分に達し、スラリを稀釈して濃度を1.2%に低くしても、研摩速度は40nm/分であった。一方、砥石を使用せず、スラリと研摩パッドのみで研摩を行なった場合の研摩速度は、スラリ濃度12%のときは40nm/分、1.2%のときはほぼ0であり、砥石と研摩スラリの併用が、研摩速度の向上に有用であることが確認された。
【0069】
【発明の効果】
上記説明から明らかなように、本発明によれば、遊離砥粒を用いた従来の方法では困難であった、数mmを超える大きなパターンであっても、良好な平坦化とウエハ面内での充分均一な研摩量を両立させることがが可能になった。また、アルカリ性や酸性のスラリを使用せずに純水だけでの加工ができるため、装置や加工具を劣化させることなしに長期間安定な加工が可能になるばかりでなく、コストの低下などが実現された。さらに、リソグラフィーのフォーカスマージンが小さくなり、従来よりも微細な半導体集積回路の製造が低コストで可能になった。また、従来は困難であった素子分離工程における研摩を、ディッシングを起こすことなしに行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例を示す図、
【図2】ウエハ表面の平坦化工程を説明するための工程図、
【図3】CMP法を説明するための図、
【図4】研摩ムラの発生を説明するための図、
【図5】本発明の構成を説明するための図、
【図6】砥石の気孔形状を示す図、
【図7】本発明の効果の一例を示す図、
【図8】第2の実施例を示す図、
【図9】第3の実施例を示す図、
【図10】セグメントの形状の例を示す図、
【図11】第4の実施例を示す図、
【図12】第5の実施例を示す図、
【図13】第6の実施例を示す工程図、
【図14】第7の実施例を示す図、
【図15】第9の実施例を示す図。
【符号の説明】
1…ウエハ、2、4…絶縁膜、3…配線層、5…アルミニウム層、6…ホトレジスト層、7…ステッパ、8…凹部、9…平坦化の目標レベル、11…研摩パッド、12…定盤、13…バッキングパッド、14…ウエハホルダ、15…加工液、16…研摩加工具、20…液供給ユニット、21…砥石、22…砥石支持層、23…接着層、24…結合層、25…結合部、26…気孔、27…リテーナーリング、30…シリコン基板、31…素子分離用の溝、32…素子形成領域、33…窒化珪素膜、34…SiO2膜、35…除去すべき位置を示す破線。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface flattening method and a surface flattening apparatus, and in particular, in the manufacture of various semiconductor devices, particularly suitable for flattening the surface of a semiconductor wafer having various patterns formed on its surface, The present invention relates to a surface flattening device used for the same.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor manufacturing process includes many process steps. In order to form a fine semiconductor device with extremely high integration density, planarization of a surface has become particularly important. As an example, a wiring forming process will be described with reference to FIG.
[0003]
FIG. 2A shows a state in which a first-layer wiring is formed. An
[0004]
Therefore, as shown in FIG. 2B, when the second
[0005]
Next, as shown in FIG. 2C, when a predetermined circuit pattern is exposed on the
[0006]
In order to prevent such a failure, after the process shown in FIG. 2A, the
[0007]
Next, an
[0008]
Methods for flattening the surface by such polishing are described in, for example, U.S. Pat. No. 4,944,836 and Japanese Patent Publication No. 5-30052.
[0009]
As a polishing method for planarizing the surface, a method called a chemical mechanical polishing method (hereinafter, referred to as a CMP method) is generally performed. In this method, as shown in FIG. 3, a
[0010]
As a result, the projections of the
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In the manufacture of semiconductor devices, not only is the precision required for planarization significantly higher than in other fields, but also the error in the thickness of the film remaining after completion of planarization is about ± 0.1 μm or less, Extremely low is required. However, as shown in FIG. 4A, the
[0012]
To avoid this, a somewhat
[0013]
On the other hand, when a wafer on which patterns having different sizes are formed is polished by a conventional standard CMP method using a soft polishing pad, a small-sized pattern is polished faster than a large-sized pattern, and several mm square. It has been difficult to completely flatten the steps due to the above large pattern. However, for example, in a memory mat portion of a DRAM, there is a step due to a pattern having a size of several mm square to about 10 mm square, and it is necessary to flatten a large-sized pattern.
[0014]
As a method for improving the trade-off between the step flattening ability and the polishing amount uniformity, Japanese Patent Laid-Open No. 5-212669 proposes a method in which a polishing pad is divided into segments and an elastic support layer is provided as a lower layer. The polishing pad divided into segments follows irregularities on the processed surface of the wafer by deformation of an elastic support layer as a lower layer, so that a high leveling capability of the step and a high uniformity of the polishing amount are compatible.
[0015]
In this method, a hard polishing pad is used, so that the step flattening ability is improved. However, since free abrasive grains (polishing slurry) are used, even the concave portions of the pattern are cut by the rolling free abrasive grains. Would. In addition, each step causes damage to the wafer due to a step formed between a loaded segment and an unloaded segment, the wafer is detached during polishing, and the amount of polishing at the periphery of the wafer is larger than other portions. Are of the same size, the supply of liquid in the center of the wafer is relatively short, and the uniformity of the polishing amount is reduced. The use of an alkaline or acidic slurry limits the materials that can be used as the lower elastic support layer. If a porous material with an appropriate elastic modulus is used as a support layer that deteriorates the adhesive strength between the upper polishing pad and the lower support layer, a dried slurry remains in the pores, deteriorating the properties and preventing particle contamination. There have been many problems such as the cause, interference between the slurry and the elastic support layer has a bad effect.
[0016]
In addition, the method using slurry is expensive because the efficiency of use of the abrasive grains is low.Abrasive grains in the slurry may aggregate or precipitate due to storage and their properties may change, so care must be taken when handling the slurry. There are many problems such as particles that need to be used and are scattered in the atmosphere, and are not originally suitable for use in a semiconductor manufacturing clean room.
[0017]
Therefore, it is difficult to apply the conventional planarization method to, for example, the formation of a semiconductor integrated circuit including a large-sized pattern such as a DRAM or the like, or the shallow trench isolation process requiring extremely high planarization capability and uniformity. It was difficult.
[0018]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and to uniformly polish and flatten the entire surface of a wafer with high accuracy, regardless of the size of a pattern formed on the wafer surface, and to reduce the cost. An object of the present invention is to provide a surface flattening method and a surface flattening apparatus used for the same.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the surface flattening method of the present invention holds a wafer having a desired pattern formed on its surface in a wafer holder, and holds a grindstone on a grindstone holding layer having a lower elastic modulus than the grindstone. The pattern is polished by bringing the wafer and the grindstone into contact with each other at a predetermined pressure and moving at least one of the wafer and the grindstone in a plane direction.
[0020]
That is, in the present invention, polishing is performed by a grindstone supported on a grindstone support layer having a lower elastic modulus than a grindstone, and free abrasive grains (polishing slurry) are not used. By using a grindstone and a grindstone support layer having a different elasticity from the grindstone in combination, the polishing with a high flattening ability by the fixed abrasive (grindstone) and the uniformity of the polishing amount can be performed. In addition, since the polishing slurry is not used, the cost is low, and the above-mentioned various obstacles caused by the use of the polishing slurry do not occur.
[0021]
In the present invention, the polishing is performed by: (1) rotating the wafer with an axis in a direction perpendicular to the surface of the wafer as a first rotation axis, and rotating the grindstone in parallel with the first rotation axis and the second rotation axis; The rotation is performed by rotating an axis that is separated from the first rotation axis by a predetermined distance as a second rotation axis, (2) the wafer is caused to perform a circular motion (revolution) on the grinding wheel, and (3) the rotation is performed. This can be done by moving the grindstone in a linear direction.
[0022]
The above method (1) is the most practical method, and the rotation speeds of the first and second rotating shafts can be adjusted in a wide range. The above method (2) is usually performed stationary without rotating the grindstone layer, but the grindstone layer may be rotated slowly (self-rotation), which is effective for preventing uneven polishing. The wafer may rotate only or may rotate. In the case of the above method (3), the wafer may be kept stationary without rotating, but if the wafer is rotated, it is effective to prevent polishing unevenness.
[0023]
A bonding layer having a smaller thickness and a higher elastic modulus than the grinding wheel holding layer is provided on the grinding wheel holding layer, and the grinding wheel can be held on the bonding layer. In this way, excessive deformation of the grinding wheel support layer is prevented, and a remarkable effect is obtained particularly when the grinding wheel is divided into a plurality of segments or a contact portion with the wafer is divided into a plurality of sections by grooves. can get.
[0024]
The elastic modulus of the grinding wheel holding layer is preferably about 1/10 of the elastic modulus of the grinding stone. For example, the elastic modulus of the grinding stone is 1 kg / mm. 2 ~ 500kg / mm 2 The elastic modulus of the grinding wheel holding layer is 0.1 kg / mm. 2 ~ 50kg / mm 2 Then, a practically preferable result is obtained.
[0025]
Separate the grindstone into a plurality of segments, or form a plurality of grooves in the grindstone, and divide a portion other than the bottom of the groove into a plurality of sections to improve the followability to unevenness and undulation of the wafer surface, The uniformity of the polishing amount is improved. Further, when the size of the segment or section in the radial direction of the whetstone is changed along the radial direction of the whetstone, and the portion where the center of the wafer comes into contact is minimized, the supply of water to the center of the wafer is reduced. Can be increased, thereby improving the uniformity of the polishing amount and the polishing speed.
[0026]
The polishing can be performed while supplying water onto the grinding wheel. Unlike the conventional CMP method, water can be used instead of the polishing slurry, so that many obstacles due to the use of the polishing slurry are prevented, which is extremely advantageous in practical use.
[0027]
The pressure applied between the wafer and the grindstone during polishing is 30 g / cm. 2 ~ 500g / cm 2 Then, favorable results can be obtained.
[0028]
The surface flattening method of the present invention is particularly useful for flattening the surface of a semiconductor wafer having various patterns such as wiring patterns formed on the surface.
[0029]
Further, the surface flattening apparatus of the present invention comprises a wafer holder for holding a wafer, means for rotating the wafer holder with an axis perpendicular to the surface of the well holder as a first rotation axis, and a polishing platen. A whetstone support layer having a lower elastic modulus than the whetstone to be held, and an axis parallel to the first rotation axis and separated from the first rotation axis by a predetermined distance as a second rotation axis Means for rotating the polishing platen, the grindstone supported on the grindstone support layer and the wafer To It is characterized by comprising at least means for contacting each other at a predetermined pressure.
[0030]
The elastic modulus of the grinding wheel holding layer is preferably about 1/10 of the elastic modulus of the grinding stone, and the elastic modulus of the grinding stone is 1 kg / mm. 2 ~ 500kg / mm 2 The elastic modulus of the grinding wheel holding layer is 0.1 kg / mm. 2 ~ 50kg / mm 2 In this case, a practically preferable result is obtained. If the grinding wheel support layer is adhered to the polishing platen via an adhesive tape, the replacement operation is easy.
[0031]
A bonding layer having a smaller thickness and a higher elastic modulus than the grinding wheel holding layer is provided on the grinding wheel holding layer, and the grinding wheel can be held on the bonding layer. This prevents excessive deformation of the grinding wheel support layer due to unevenness and undulation on the wafer surface.
[0032]
The grindstone may be divided into a plurality of segments, or a plurality of grooves may be formed in the grindstone, and a portion other than the bottom of the groove may be divided into a plurality of sections. As a result, the ability of polishing to follow irregularities and undulations on the wafer surface is improved, and the uniformity of the polishing amount is improved. In this case, the size of the segment or section in the radial direction of the grinding wheel is not the same, but is changed along the radial direction of the grinding wheel so that the portion in contact with the center of the wafer is minimized. The amount of water supplied to the center is increased, which is useful for reducing the unevenness of the polishing amount and increasing the polishing speed.
[0033]
Practically favorable results can be obtained by forming the segment or section into a square having a side of 5 mm to 50 mm or a desired shape having an area equivalent to the square.
[0034]
As the grindstone, those composed of abrasive grains and a fixing material for fixing the abrasive grains can be used. As the abrasive grains and the fixing agent, for example, cerium oxide and phenol resin can be used, respectively. .
[0035]
In addition, a retainer ring to which pressure can be applied independently of the wafer can be provided on the outer peripheral portion of the wafer, whereby the polishing rate at the outer peripheral portion of the wafer can be appropriately adjusted.
[0036]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the present invention, a grinding stone formed by bonding abrasive grains such as cerium oxide, which is fine (for example, having an average particle diameter of 1 μm or less) and has a low impurity content, with a fixing agent such as a phenol resin can be used as the grinding stone. As the grindstone support layer, a polyurethane resin or a polyurethane impregnated nonwoven fabric can be used. As described above, the elastic moduli of the grindstone and the grindstone support layer are respectively 1 to 500 kg / mm. 2 And 0.1 to 50 kg / mm 2 Then, a favorable result can be obtained. The thickness of the grindstone and the grindstone support layer can be, for example, about 3 mm and about 1 mm, respectively.
[0037]
The supply amount of the working fluid during polishing is about 100 to 1000 ml / min, and pure water can be used as the working fluid. The wafer holder and the polishing plate are rotated in the same direction, and the rotation speed is about 20 to 50 rpm, respectively.
[0038]
If the whetstone is divided into a plurality of segments or a plurality of grooves are formed to divide the contact portion with the wafer into a plurality of sections, it is practically advantageous in terms of reduction of polishing unevenness and uniformity of polishing amount. is there. However, if a sufficiently thin and soft grindstone is used, it is possible to perform polishing without dividing the grindstone into segments or dividing by a groove.
[0039]
Various shapes are possible for the shape of the segment or section, and for example, many shapes such as a lattice shape shown in FIG. 10A and a round shape and a hexagon shape shown in FIGS. 10B and 10C, respectively. Segments or sections can be used.
[0040]
【Example】
<Example 1>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As apparent from FIG. 5, the surface flattening apparatus of this embodiment includes a polishing
[0041]
As shown in FIG. 1, the polishing tool 16 includes a
[0042]
The wafer W is polished by applying a pressure W from above to the
[0043]
As the
[0044]
As the
[0045]
On the other hand, as the elastic modulus of the grinding
[0046]
In this embodiment, the thickness of the
[0047]
In this embodiment, the
[0048]
Using this polishing apparatus, a p-TEOS film (SiO 2 The silicon wafer having the film uniformly formed on the entire surface was polished using only pure water as a processing liquid, and the polishing amount at each wafer diameter direction was measured. The polishing amount was measured using an optical interference type film thickness meter. The film thickness before and after polishing was measured at 15 points on the diameter along the orientation flat of the wafer, and the polishing amount was determined from the difference between the two. I asked. For comparison, the same polishing and measurement were performed using a polishing tool consisting only of a single-layer grinding wheel.
[0049]
FIG. 7 (a) shows the results obtained when a polishing tool made of only a single-layer whetstone and having no whetstone support layer was used, and FIG. 7 (b) shows the results obtained in this example. . As is clear from FIG. 7A and FIG. 7B, in the case of the present embodiment in which the
[0050]
<Example 2>
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0051]
As is clear from FIG. 8, in the present embodiment, a
[0052]
Therefore, in the present embodiment, a
[0053]
In this example, a PET film having a thickness of 100 μm was used as the
[0054]
<Example 3>
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0055]
As is apparent from FIG. 9, in the present embodiment, the segments of the
[0056]
<Example 4>
In the present embodiment, as shown in FIG. 11, the size of the
[0057]
<Example 5>
When the grindstone is divided into segments, the height of each segment supported by the relatively soft grindstone support layer varies independently. Therefore, a step is inevitably generated between the segment pressed in contact with the wafer during processing and the segment not contacting the wafer and receiving no force from the wafer. Due to the step between the segments, an abnormal amount of polishing may occur such that only the periphery of the wafer edge is polished particularly quickly, or conversely, it is difficult to polish.
[0058]
The present embodiment is an example in which such an obstacle is prevented. As shown in FIG. 12, the pressure W1 of the
<Example 6>
This embodiment is an example in which the present invention is applied to a shallow groove element isolation step in a semiconductor device manufacturing process.
[0059]
As shown in FIG. 13A, after a
[0060]
Next, as shown in FIG. 13 (b),
[0061]
When the polishing of the insulating
[0062]
<Example 7>
In the present embodiment, the grinding wheel supported on the grinding wheel support layer of the present invention, the rotation axis of the wafer and the grinding wheel is oriented in the horizontal direction with respect to the floor surface, and the wafer and the grinding wheel move in a plane perpendicular to the floor surface. This is an example in which the present invention is applied to a polishing apparatus of a type, and will be described with reference to FIG.
[0063]
As shown in FIG. 14, the two
[0064]
The diameter of the
<Example 8>
In the present embodiment, after polishing with high flatness is performed using the grinding wheel 21 (formed on the grinding
[0065]
According to this embodiment, the final surface roughness can be improved, and the amount of remaining foreign substances can be reduced. This is particularly useful for processing a relatively soft film such as a BPSG film. If the processing amount by the polishing pad and the slurry is excessive, the flatness is reduced. Therefore, the processing amount is preferably set to be approximately 0.1 μm or less in thickness.
<Example 9>
The present embodiment is an example in which polishing is performed using the above-described grindstone 21 (formed on the
[0066]
In the case where fumed silica was added as a slurry on the whetstone, the relationship between the concentration of silica and the polishing speed was determined, and a comparison was made between the case using only the whetstone and the case using the fumed silica slurry and the polishing pad. The results are shown in FIG.
[0067]
As is clear from FIG. 15, since the polishing pressure was as low as 100 g / cm, and the polishing speed was low with emphasis on the roughness of the polished surface, the polishing speed when only the polishing stone was used was 5 nm / cm. Min and low.
[0068]
However, when a commonly used fumed silica slurry having a concentration of 12% is used in combination with the grinding
[0069]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, even with a large pattern exceeding several mm, which was difficult with the conventional method using loose abrasives, good flattening and in-plane wafers were achieved. It has become possible to achieve a sufficiently uniform polishing amount. In addition, since processing can be performed using pure water alone without using an alkaline or acidic slurry, stable processing can be performed for a long period of time without deteriorating equipment and processing tools, as well as cost reduction. It was realized. Furthermore, the focus margin of lithography has become smaller, and it has become possible to manufacture a finer semiconductor integrated circuit at lower cost than before. In addition, polishing in the element isolation step, which has been difficult in the past, can be performed without causing dishing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment,
FIG. 2 is a process chart for explaining a wafer surface flattening process;
FIG. 3 is a diagram for explaining a CMP method.
FIG. 4 is a diagram for explaining occurrence of polishing unevenness;
FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration of the present invention;
FIG. 6 is a diagram showing a pore shape of a grindstone;
FIG. 7 is a diagram showing an example of the effect of the present invention;
FIG. 8 is a diagram showing a second embodiment,
FIG. 9 is a diagram showing a third embodiment;
FIG. 10 is a diagram showing an example of the shape of a segment;
FIG. 11 is a diagram showing a fourth embodiment;
FIG. 12 is a diagram showing a fifth embodiment;
FIG. 13 is a process chart showing a sixth embodiment,
FIG. 14 is a diagram showing a seventh embodiment;
FIG. 15 is a diagram showing a ninth embodiment.
[Explanation of symbols]
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