JP3612599B2

JP3612599B2 - 研磨方法およびその装置

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Publication number: JP3612599B2
Application number: JP20875494A
Authority: JP
Inventors: 哲男大川; 政泰藤沢
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 1994-09-01
Filing date: 1994-09-01
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2020-01-19
Also published as: JPH0878299A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体装置の基板上に形成した層間絶縁膜と金属配線の研磨加工において、研磨機上で研磨定盤及び研磨布の形状修正をする研磨方法およびその装置に係り、特に、半導体装置の露光面を平坦とするための、研磨方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置上に形成した層間絶縁膜と金属配線の研磨加工では、米国特許第４９４４８３６号に示されたように、研磨定盤上に支持され、研磨剤を塗布した研磨布にウェーハを押付けて加工する方法である。
【０００３】
従来の半導体装置の露光面の平坦化技術は、プラズマ酸化膜（Ｐ−ＳｉＯ２）、塗布絶縁膜（ＳＯＧ）とエッチバックの組合わせにより行われてきた。さらに、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。今後さらに配線幅を減少させるためには、ステッパの露光面の平坦化をさらに進める必要があり、各方面で層間絶縁膜や金属膜を研磨加工して平坦化するＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術を開発中であることが知られている。
【０００４】
また、従来ではコンタクトホールの穴埋めにアルミニウム合金のスパッタ技術が用いられていたが、配線のアスペクト比の増加に伴い、コンタクトホールのアスペクト比が増大し、アルミニウム合金のスパッタではコンタクトホールを完全に充填することが困難となったことから、ＣＶＤ技術による穴埋め技術が使用されるに至ったと推定される。ＣＶＤで安定した堆積膜が形成できるタングステン等を用いてＣＶＤ成膜の後、ＣＭＰで表面を平坦化して埋込み型の配線構造を形成することが研究されている。また、コンタクトスタッドを形成する技術としてタングステンの選択ＣＶＤ技術があるが、ＳｉＯ_２膜上の微小な欠陥を核としてタングステンが成長してしまうため、タングステンの選択性を完全に保つのが困難である。そこで、ＳｉＯ_２膜上に成長したタングステンをＣＭＰで除去する技術が必要になる。
【０００５】
ＣＭＰを半導体装置の製造プロセスに導入する場合の利点は、以下の通りである。
【０００６】
（ｉ）焦点マージンの拡大によって現在用いられているステッパの延命が期待できる。
【０００７】
（ｉｉ）配線の段差越えの高さが低減されることによって、ストレスマイグレーションに対する耐久性が向上する。
【０００８】
（ｉｉｉ）研磨による平坦化を前提とするため、層間膜材質の選択性が広がる。
【０００９】
（ｉｖ）平坦性が向上するため配線形成プロセスの開発性が向上する。
【００１０】
（ｖ）ＣＭＰによって配線パタン及びコンタクトスタッドの形成と平坦化が同時にでき、プロセスが簡略化できる。
【００１１】
以上の利点が考慮され、ＣＭＰ技術の開発が進められている。
【００１２】
また、例えば、電子計算機用のＬＳＩ実装基板に用いるセラミクス基板では、基板上にＬＳＩチップを接続するため、ＬＳＩチップ寸法に対応する基板表面のうねりを一般に約２０μｍ以下とすることが要求されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、研磨装置から排出される塵埃によりクリーンルーム内の他のプロセス、例えばＣＶＤ装置や洗浄装置等をパーティクルや金属イオンで汚染させないための配慮がなされていない。このため、半導体装置内にパーティクルや金属イオンが侵入し、半導体装置の動作不良を引起こすという問題点を有していた。
【００１４】
また、研磨中は研磨布表面の凹凸形状に起因して研磨圧力のばらつきが発生するが、この研磨圧力のばらつきによって生じる研磨量のばらつきに対する配慮がなされていない。このため、硬質発泡樹脂製の研磨布を用いる場合には、スウェード製及び不織布製の研磨布を用いる場合よりも、ウェーハ面内で研磨圧力のばらつきが増大し、研磨量制御を高精度にできないという問題があった。
【００１５】
さらに、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、ウェーハ面内で研磨量が均一にできないという問題点も有していた。
【００１６】
一方、ＣＭＰ技術を半導体装置の製造プロセスに導入する上では、次のような問題点を有している。
【００１７】
（ｉ）下層配線と上層配線の間に層間絶縁層を設ける必要があるため、配線上に形成した層間絶縁膜の表面を平坦化するために研磨加工する際、配線上の層間絶縁膜をたとえば±０．０５μｍの精度で研磨加工し、ＤＲＡＭのメモリーセルと周辺回路の間の段差を６４ＭｂＤＲＡＭでは０．４μｍ以下、１ＧｂＤＲＡＭでは０．１μｍ以下に低減する必要がある。
【００１８】
（ｉｉ）このため、研磨量分布の均一化、研磨能率の安定化、研磨量のモニタリング、研磨終点検出、研磨加工時の化学作用と機械作用のバランス制御を確実に行うことが必要である。
【００１９】
（ｉｉｉ）研磨量の安定化、研磨量のモニタリング、研磨終点検出が確実になされない場合には、配線構造に研磨加工に対する例えばＳｉ_３Ｎ_４のような高硬度のストッパ層を設ける必要があるが、かかるストッパー層を形成するプロセスを導入すれば製造コストが増大するという問題がある。
【００２０】
（ｉｖ）ウェーハ面内での研磨量の均一性を向上させるためには、ウェーハのチャッキング技術、研磨布剛性の最適化などの技術開発を進める必要がある。
【００２１】
（ｖ）さらに、ＣＭＰ技術の導入による、ウェーハの表面、裏面、配線と層間絶縁膜の界面、他のプロセスへの汚染対策を確実に行うことが必要である。
【００２２】
また、ウェーハ面内での研磨量の均一性が悪いことは、半導体装置を被加工物とした場合に以下のような問題が生じることを意味する。すなわち、研磨量の均一性が悪いと、絶縁膜の厚さのばらつきが大きくなるが、コンタクトホールを形成するプロセスでは、絶縁膜の厚さばらつきにかかわらず、等しい深さのコンタクトホールを形成するため、絶縁膜の厚さの小さい部分では下層配線がオーバーエッチングされ、反対に、絶縁膜厚さの大きい部分ではコンタクトホールが下層配線に届かないことが起こり得る。
【００２３】
本発明の目的は、研磨布の交換及び修正をクリーンルーム外で行うことにより、クリーンルーム内で発塵しない研磨装置及び研磨方法を提供することにある。
【００２４】
本発明の他の目的は、被加工物を洗浄後、他のプロセスへクリーンルームと隔離された状態で直接受渡しすることにより、クリーンルーム内で発塵しない研磨装置及び研磨方法を提供することにある。
【００２５】
本発明の他の目的は、研磨定盤及び研磨布の凹凸形状による研磨圧力の変動を解消することにより、研磨量の均一性を向上することができる研磨装置及び研磨方法を提供することにある。
【００２６】
本発明の他の目的は、適正量の研磨剤を供給することにより、研磨量の変動を低減する研磨方法を提供することにある。
【００２７】
本発明の他の目的は、被加工物の変形による研磨圧力の変動を解消することにより、被加工物の面内での研磨量の均一性を向上することができる研磨布を有する研磨装置及び研磨方法を提供することにある。
【００２８】
本発明の他の目的は、半導体装置を被加工物とした場合に、クリーンルームを汚染することなしに半導体装置の被加工面を平坦にすることで、欠陥がなくかつ集積度を向上させた、半導体装置を得ることができる研磨装置及び研磨方法を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を用いた。
【００３０】
第一の目的である研磨装置を達成するため、クリーンルームとの気密性を保つ研磨装置と、研磨装置内部とクリーンルーム内部を接続する通路と、研磨装置内部とクリーンルーム外部を接続する通路とにより研磨装置を構成した。また、研磨布の交換時と修正時には、研磨定盤を研磨機から外してクリーンルーム外に移動し、研磨布を交換し、修正したのち研磨機に取付ける方式とした。あるいは、研磨定盤を密閉容器に入れて外部に塵埃が出ないようにして研磨装置から出入れする方式とした。また、被加工物は研磨加工後に洗浄し、カセットに収納してクリーンルーム内に移動する方式とした。
【００３１】
第二の目的である研磨方法を達成するため、回転する研磨定盤に工具を切込み、さらに工具を研磨定盤の半径方向に移動することにより、研磨定盤の平面度を向上させ、さらに、該研磨定盤上に研磨布を固定し、該研磨布に前記工具を切込み、溝を形成したのち、工具を研磨定盤の半径方向に移動することにより、研磨布の平面度を向上させ、研磨圧力が常に一定になるように修正した研磨布を用いて研磨加工するようにした。
【００３２】
第三の目的である研磨装置を構成するため、研磨布の表面に溝を形成し、溝を介して被加工物と研磨布の間に適正量の研磨液を供給する方式とした。
【００３３】
第四の目的である研磨方法を達成するため、研磨布の裏面ブロック状の剛体で支持し、ブロック状の剛体を弾性体を介して研磨定盤に支持することにより、研磨圧力が常に一定になるようにして研磨加工するようにした。
【００３４】
【作用】
本発明では、被加工物を研磨加工後に洗浄し、カセットに収納し、クリーンルーム内の他のプロセス、例えばＣＶＤ装置や洗浄装置などとの受渡しを、クリーンルームと隔離された状態で直接的に行い、また、クリーンルームの外部で研磨布の交換及び修正をするため、クリーンルーム内を汚染せず、研磨装置からクリーンルーム内にパーティクルや金属イオンを出さないため、クリーンルーム内の前記他のプロセスを汚染することがない。
【００３５】
また、研磨定盤により研磨される被加工物の研磨量を均一にするため、研磨装置の研磨定盤及び研磨布を研磨装置上で切削修正して研磨布上の凹凸を除去しており、研磨圧力が一定になり、研磨量を均一にすることができる。また、研磨布に前記溝を形成することにより該溝を介して余分な研磨液が逃げて適正量の研磨液が供給されるので、研磨量を均一にすることができる。また、表面に溝を形成し、裏面を剛体で支持し、弾性体を介して剛体を研磨定盤に支持することにより、研磨量をさらに均一化することができる。
【００３６】
これにより、半導体装置等を被加工物とした場合、パーティクルや金属イオンによる欠陥を生ずることなく、高い平坦度を得ることができ、露光工程での焦点ずれを防止し、精度の高い解像度を得ることができるなど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。
【００３７】
【実施例】
本発明の研磨装置の全体構成および研磨加工要領を、図１および図２を参照して説明する。
図１は研磨装置の概念図、図２は研磨加工の概念図である。なお、図３は図２に対応する従来の研磨方法の説明図である。
【００３８】
図１において、１は研磨装置、２は研磨装置１を内設したクリーンルームである。研磨装置１には、気体供給管３、純水供給管４、研磨液供給管５が接続されるとともに、気体排出管６、廃液排出管７が接続されている。研磨装置１は、通路（クリーンパス）８を介してクリーンルーム２内に設置されたＣＶＤ装置などの他のプロセス装置９と接続され、他方、通路（クリーンパス）１０を介してクリーンルーム２の外部に設置されている研磨布の修正装置１１に接続されている。ここで、研磨装置１、気体供給管３、純水供給管４、研磨液供給管５、気体排出管６、廃液排出管７、通路８，１０、および他のプロセス装置９は、いずれもクリーンルーム２と隔離された状態になっている。
【００３９】
研磨加工は、まず、図示しない研磨定盤に研磨布を取付けた後、修正装置１１で前記研磨布を修正し、通路１０を介して研磨定盤を研磨布とともに研磨装置１へ取付ける。この場合、通路１０の中の気圧はクリーンルーム２の外部の気圧より大きいため、通路１０の内部はクリーンルーム２の外部の雰囲気により汚染されることがない。研磨加工に必要な気体と純水と研磨液は、それぞれ、クリーンルーム２の外部から気体供給管３、純水供給管４、研磨液供給管５を介して研磨装置１の内部へ導入されるので、クリーンルーム２の内部を汚染することはない。一方、研磨加工によって生じる排ガスと廃液は、それぞれ気体排出管６、廃液排出管７を介して研磨装置１内からクリーンルーム２の外部へ排出されるため、クリーンルーム２の内部を汚染することはない。
【００４０】
前記研磨布が磨耗した場合には、研磨装置１上で研磨布を修正し、このとき生じる廃液を廃液排出管７を介して研磨装置１内からクリーンルーム２の外部へ排出する。また、研磨布を交換する場合には、研磨装置１から研磨定盤を取外し、通路１０を介して研磨定盤をクリーンルーム２の外部に設置した研磨布の修正装置１１へ移動する。そして、研磨定盤から使用済みの研磨布を取外し、新たな研磨布を取付ける。新たな研磨布は修正された後、上記の方法で研磨定盤とともに研磨装置１に取付けられる。なお、研磨布の他の交換方法として、研磨布を取付けた状態で研磨定盤を密閉容器に入れ、外部に塵埃が出ないようにして研磨装置１から通路１０を介して出し入れするようにしてもよい。
【００４１】
被加工物（ウエーハ）は、カセットに収納された状態で他のプロセス装置９から通路８を介して研磨装置１に供給される。このとき、研磨装置１の内圧を通路８の内圧よりも小さくし、通路８が研磨装置１の雰囲気によって汚染されることを防止する。研磨加工された被加工物は、洗浄された後、カセットに収納されて通路８を介して他のプロセス装置９へ搬送される。このとき、研磨装置１の内圧を通路８の内圧よりも小さくし、通路８が研磨装置１の雰囲気によって汚染されることを防止する。また、該カセットを通路８から他のプロセス装置９へ移動する際は、通路８の内圧を他のプロセス装置９の内圧よりも小さくし、他のプロセス装置９の汚染を防止する。
【００４２】
図２において、１２は前記図１に示す研磨装置１における回転する主軸、１３は主軸１２上に着脱可能に支持されて一体に回転する研磨定盤、１４は研磨液、１５は回動可能なチャック、１６はチャック１５に保持された被加工物（ウエーハ）、１７は研磨定盤１３上に接着された研磨布である。
【００４３】
研磨加工は、図２に示すように回転する研磨布１７上に研磨液１４を供給しながら、チャック１５で支持した被加工物１６を研磨布１７の上に接触させ、さらにチャック１５に研磨荷重をかけて、被加工物１６の研磨加工を行う。
【００４４】
図３は、従来の研磨方法を示す図で、研磨定盤１３及び研磨布１７の表面を修正しない場合には、図３（ａ）に示すように、研磨定盤１３及び研磨布１７の表面に凹凸が存在する。この研磨定盤１３及び研磨布１７を用いて研磨加工を行うと、図３（ｂ）に示すように、被加工物１６と研磨布１７の表面の間に変位量Ｘが生じ、Ｘに応じた研磨荷重の変動が生じるため、被加工物１６の面内で研磨量を均一にすることができない不具合がある。
【００４５】
つぎに、図４を参照して前記図２に示す研磨液の厚さ分布を説明する。
図４は、研磨布上の研磨液の厚さ分布の模式図である。図４（ａ）に示すように、研磨布１７の表面に凹凸がなくフラットの場合は、研磨中、研磨液１４の逃げ場がないため、図４（ｂ）に示すように、研磨液１４の厚さが厚い部分と薄い部分とが生じる。このため、研磨液１４の厚さが厚い部分では薄い部分に比べて砥粒の引っかき作用が小さくなり、そのぶん研磨量が低下し、被加工物１６の面内で研磨量が均一にならない。この対策として本発明においては、図４（ｃ）に示すように研磨布１７の表面に研磨液１４の通路となる溝を形成し、該溝を経路として余分な研磨液１４が自由に研磨布１７上から逃げられるようにし、研磨布１７と被加工物１６との間の全面に常に適正量の研磨液１４を供給可能にして研磨量の変動を低減し、研磨量の均一性を向上させたものである。
【００４６】
図５は、研磨布に前記図４（ｃ）に示す溝を形成する方法の実施例を示す図である。図中、図２と同符号のものは同じものを示す。
図５（ａ）において、１８は直動テーブルで、主軸１２と直交する図示矢印方向に駆動可能になっている。１９は直動テーブル１８に取付けられた切込み台、２０は切込み台１９に支持された工具である。
【００４７】
前記溝形成に先立ち、工具２０を回転する研磨定盤１３に切込み、かつ研磨定盤１３の半径方向に送り、研磨定盤１３の上面が平面になるように切削修正を行う。
【００４８】
つぎに、図５（ｂ）に示すように、研磨定盤１３上に研磨布１７を取付けた後、研磨布１７に工具２０を切込み、研磨布１７の表面に溝２１を順次形成する。
【００４９】
さらに、図５（ｃ）に示すように、回転する研磨布１７に工具２０を切込み、かつ工具２０を研磨定盤１３の半径方向に送り、研磨布１７の表面を平面に加工する。この平面加工により溝２１を形成する際に生じるバリも除去することができる。
【００５０】
上記溝形成において、同心円の溝を加工する場合には、切込み台１９を固定して工具２０を研磨布１７に切込み、溝２１を形成した後、工具２０を上方に後退させて、切込み台１９を次の溝２１の位置まで半径方向に移動させ、上記工程を繰返すことにより、研磨布１７上に同心円状の溝２１を形成することができる。また、渦巻き状の溝２１を形成する場合には、工具２０を研磨布１７に切込んだ状態で切込み台１９を研磨布１７の半径方向に送ればよい。
【００５１】
図５（ｄ）は、前記図２に示すチャック１５を使用した例を示す図である。
取付け台２２は研磨装置のチャック１５に着脱可能に支持されており、取付け台２２の研磨布１７に相対する面には複数枚の摺動板２２ａが取付けられている。チャック１５を回転させると、取付け台２２は研磨布１７の上で回転運動する。取付け台２２の外周部には研磨布１７の方向に切込み可能な工具２０が取付けられている。工具２０を研磨布１７に切込んだ状態でチャック１５あるいは研磨定
盤１３を回転させると、研磨布１７上に溝２１が形成される。
【００５２】
ここで、サイクロイド状の溝を形成する場合には、工具２０を研磨布１７に切込んだ状態で、チャック１５及び研磨定盤１３を同じ方向に回転運動させればよい。また、同心円状の溝を形成するには、チャック１５の回転を停止した状態で工具２０を研磨布１７に切込み、研磨定盤１３を回転させて研磨布１７に円周状の溝２１を形成した後、工具２０を上方に後退させ、チャック１５を次の溝２１の位置まで半径方向に移動させて上記工程を繰り返せばよい。さらに、渦巻状の溝を形成するには、チャック１５の回転運動を停止した状態で工具２０を研磨布１７に切込み、その状態のままチャック１５を研磨布１７の半径方向に送ることにより形成することができる。
【００５３】
図５（ｅ）は、研磨定盤１３及び研磨布１７を、前記図１に示す研磨装置１に取付け、研磨装置１上で研磨布１７の修正を行う場合を示す図である。
チャック１５には砥石２３が取り付られている。研削液２４を供給しながら、回転する砥石２３を回転中の溝２１が形成された研磨布１７に押付け、研磨布１７を修正する。
【００５４】
図６は、前記図５に示す溝加工方法を用いて研磨布１７に溝加工を行った場合のパターン例を示す図である。図６（ａ）は同心円状のパターン、図６（ｂ）は渦巻き状のパターン、図６（ｃ）はサイクロイド状のパターン、図６（ｄ）は格子状のパターンを示す。図中、２１は形成された溝を示す。
【００５５】
図７は、研磨定盤１３および研磨布１７の切削修正説明図である。
図７（ａ）に示すように、裏面（図の左側面）を平面に加工した研磨定盤１３を旋盤のチャックで支持し、旋盤の主軸を回転させる。工具２０を研磨定盤１３に切込み、工具２０を研磨定盤１３の半径方向に送り、研磨定盤１３を切削修正する。このとき切削は、予め計算で求めた値、すなわち研磨定盤１３の最外周の厚さと中心の厚さとの差がＸとなるように、図の右側面の斜面に沿って行われる。つぎに、図７（ｂ）に示すように研磨定盤１３に研磨布１７を取付け、研磨定盤１３の場合と同様に工具２０を研磨布１７に切込み、工具２０を研磨布１７の半径方向に送って研磨布１７を切削修正する。このように切削修正された研磨定盤１３および研磨布１７は、図７（ｃ）に示すように研磨定盤１３を研磨装置１の回転軸１２にネジ２５を用いて水平状態に取付けた場合に、研磨定盤１３が点線で示す状態から前記Ｘだけ自重でたわみ、研磨定盤１３上の研磨布１７の表面を実線で示す平面に保つことができる。
【００５６】
図８は、研磨布１７の変形状態の説明図である。
図８（ａ）に示すようにＤＲＡＭの層間絶縁膜の研磨加工時に、研磨荷重として等分布荷重Ｗを加えると、研磨布１７は弾性変形して周辺回路の方向に凸の形状となる。図８（ｂ）は、研磨布１７の変形モデルを示す。ここで、研磨布１７のヤング率をＥ、断面２次モーメントをＩ、周辺回路の幅をＬ、研磨布１７に加える等分布荷重をＷとすると、研磨布１７の変形量の最大値Ｙｍａｘは、公式
【００５７】
【数１】

【００５８】
で示される。
【００５９】
図９，図１０および図１１は、従来の研磨布による研磨加工例の説明図で、図９はスウェード研磨布及び不織布研磨布を研磨定盤に取付けて研磨加工を行った例、図１０は硬質研磨布を研磨定盤に取付けて用いた例、図１１は硬質研磨布の倣い性を向上させる目的で、硬質研磨布をスウェード、不織布などの弾性体を介して研磨定盤に取付けて用いた例を示す図である。
【００６０】
図９において、２６は被加工物１６のメモリーセル、２７は周辺回路を示す。スウェード研磨布及び不織布研磨布１７は剛性が小さいために、図９（ａ）に示すように、メモリーセル２６と周辺回路２７の凹凸形状にならって変形させられ、図９（ｂ）点線で示すように、メモリーセル２６上の層間絶縁膜が研磨加工されると同時に、周辺回路２７上の層間絶縁膜も同様に研磨加工される。このため、メモリーセル２６と周辺回路２７の間の段差の低減効果が小さくなる不具合がある。たとえば、メモリーセル２６と周辺回路２７の間の段差が１．２μｍの場合、段差が０．４μｍになるまで研磨加工を行ったところ、メモリーセル２６上の絶縁膜の研磨量は１．２μｍ必要で、周辺回路２７の研磨量は０．４μｍであった。このとき、メモリーセル２６上では配線が露出した。この配線の露出を防止するために研磨量を小さくすると、充分な段差低減効果が得られない不具合点を有する。
【００６１】
図１０（ａ）において、硬質研磨布１７は、前記図９に示すスウェード及び不織布研磨布１７よりも剛性が大きいため、メモリーセル２６上の層間絶縁膜を選択的に研磨加工することが可能である。しかし、被加工物１６のそりに対する倣い性が小さいことから、研磨圧力が不均一になり、そのため図１０（ｂ）の点線で示すように研磨量が均一にならず、メモリーセル２６内及び被加工物１６の面内で絶縁膜の厚さを一定とすることができない。その結果、特に、メモリーセル２６の端部では配線が露出するような不具合点を有する。
【００６２】
図１１（ａ）において、２８は研磨定盤１３に取付けられたスウェードや不織布などからなる弾性体である。この例においては、メモリーセル２６上の層間絶縁膜を選択的に研磨加工することが可能であり、かつ被加工物１６の面内の研磨量の均一性は、前記図１０に示す硬質研磨布１７のみの場合よりも向上するが、硬質研磨布１７の裏面の弾性体２８により、硬質研磨布１７の剛性が低下して硬質研磨布１７の変形量が増加する。このため、図１１（ｂ）に示すようにメモリーセル２６の端部にだれを生じ、その結果、メモリーセル２６内での層間絶縁膜の厚さが不均一となる不具合点を有する。
【００６３】
図１２は、本発明の研磨布による研磨加工例の説明図である。
図１２（ａ）において、２９はセラミックス、ステンレス板などからなる剛体で、例えば前記図６（ｄ）に示す格子状パターンの溝２１を形成した硬質研磨布１７の裏面を支持するとともに、反対の面をゴム材などからなる弾性体２８を介して研磨定盤１３に取付けられている。かかる構成にすることにより研磨布１７の剛性を低下させることなく、各格子を独立して変形可能に運動させて被加工物１６に倣わせることができるため、研磨圧力を均一化させることが可能になり、図１２（ｂ）に示すようにメモリーセル２６上の層間絶縁膜を選択的かつ均一に研磨加工して研磨量の変動を低減し、かつ均一性を向上させることが可能になった。
【００６４】
図１３は、ＤＲＡＭにおいて、メモリーセル２６と周辺回路２７との間に段差を生じた場合の本発明の研磨要領の説明図で、前記図１２（ｂ）に対応する天地逆の拡大図である。
図１３において、３０は被加工物１６における金属配線、３１は金属配線３０上のメモリーセル２６に形成された層間絶縁膜である。この場合の研磨加工は、前記図１２（ａ）に示す構成に対応するように、厚さ１．３ｍｍの発泡ポリウレタン系樹脂製の硬質研磨布１７に幅３ｍｍ、深さ０．９ｍｍ、ピッチ１５ｍｍの格子状パターンの溝２１を形成し、該格子状パターンを形成した面の裏面を厚さ２ｍｍ×１２ｍｍ角のガラス板からなる剛体２９で支持し、厚さ０．７５ｍｍのブチル系発泡体からなる弾性体２８を介して研磨定盤１３に固定した。研磨剤には、平均粒径約３０ｎｍのコロイダルシリカを用い、研磨圧力を約４ｋＰａとした。金属配線３０上に厚さ１μｍの層間絶縁膜３１を形成したところ、該層間絶縁膜３１形成後のメモリーセル２６と周辺回路２７との間の段差は１．２μｍであった。ついで、メモリーセル２６上の層間絶縁膜３１を選択的に研磨加工し、その場合の研磨量を０．８μｍとして、メモリーセル２６と周辺回路２７との間の段差を０．４μｍに低減した。この研磨加工により、メモリーセル２６内の金属配線３０上に厚さ０．２±０．０５μｍの絶縁膜３１を残すことができた。
【００６５】
図１４は、本発明の研磨布の研磨定盤への取付け構成例を示す図である。
図１４（ａ）は、前記図１２（ａ）に示す構成と同じで、硬質研磨布１７に格子状パターンの溝２１を形成し、該格子状パターン面の裏面を剛体２９で支持し、弾性体２８を介して研磨定盤１３に取付けた例である。
【００６６】
図１４（ｂ）は、セル状に分割した剛体２９の裏面を弾性体２８で支持し、この両者を金具３２を介して研磨定盤１３に接着にて取付けておき、前記剛体２９上に格子状パターンの溝２１を形成した硬質研磨布１７を取付けた例である。本構成により硬質研磨布１７は、各格子ごとに独立して変形可能に運動することが可能になり、図示しない被加工物１６に倣わせることができるため、研磨圧力を均一化させて前記図１２に示す場合と同様の効果を奏せしめることが可能になる。なお、硬質研磨布１７を交換する場合には、硬質研磨布１７を剛体２９から分離すればよく、その場合、剛体２９は金具３２に支持されて、研磨定盤１３上に残る。
【００６７】
図１４（ｃ）は、セル状に分割した硬質研磨布１７の裏面を剛体２９で支持し、弾性体２８を介して研磨定盤１３に取付けた例である。この場合、硬質研磨布１７と剛体２９の界面、剛体２９と弾性体２８の界面、及び弾性体２８と研磨液１４が接触するのを防止するため、セルとセルとの間にパッシベーション膜３３を形成する。これは研磨加工中の硬質研磨布１７の挙動、すなわち、セル状に分割された個々の硬質研磨布１７の独立した自由な運動を妨げないようにするためである。なお、パッシベーション膜３３としては、シリコンゴムなどの弾性体を使用する。
【００６８】
図１５は、前記図１４（ｃ）に示す硬質研磨布１７の形成工程説明図である。まず、図１５（ａ）に示すように研磨定盤１３上に、弾性体２８、剛体２９、硬質研磨布１７の順に取付ける。次に、図１５（ｂ）に示すように、回転軸３４に取付けられた円盤状工具３５を弾性体２８の上面位置まで切込み、図１５（ｃ）に示すようなセル状に分割した硬質研磨布１７を形成する。
【００６９】
図１６は、本発明の研磨加工中の硬質研磨布の挙動説明図である。
ここで被加工物１６は、弾性体３６を介して研磨装置１のチャック１５に支持されている。一方、図示の研磨布側は、前記図１４（ａ）に示す構成である。チャック１５に研磨荷重を加え、研磨定盤１３を回転させると、被加工物１６は硬質研磨布１７および剛体２９とともに、弾性体３６、２８を介して変形する。この場合の変形状態は、セル状に分割された個々の硬質研磨布１７が独立して自由な運動を行うことが可能になっているため、図示のごとく被加工物１６と硬質研磨布１７との全面が互いに密着するように、硬質研磨布１７が被加工物１６に倣って変形する。この変形のため、研磨圧力を均一化させることが可能になり、研磨量の変動を低減させるとともに、均一性を向上させることが可能になる。なお、この硬質研磨布の挙動は、前記図１４（ｂ）、（ｃ）に示す構成の場合でも同じである。
【００７０】
表１は、本発明の研磨装置を使用してウエーハを研磨した場合の研磨量とそのばらつきの１例を示す比較表である。
【００７１】
【表１】

【００７２】
表中、比較１及び比較２は、溝２１を形成していない発泡ポリウレタン系の硬質研磨布を使用した比較例としての実験結果、実施１及び実施２は、発泡ポリウレタン系の硬質研磨布に格子状パターンの溝２１を形成した本発明の実施例としての実験結果、実施３は、前記図１４（ａ）に示す硬質研磨布を用いた本発明の実施例としての実験結果を示す。
【００７３】
研磨した層間絶縁膜は、ＢＰＳＧ膜（１μｍ堆積）を用いた。主な研磨条件は、研磨圧力：４ｋＰａ、研磨剤：コロイダルシリカ（粒径約３０ｎｍ）、研磨布：硬質発泡ポリウレタン系（硬度約６０度）で、厚さはいずれも０．８ｍｍある。そして、実施１および実施２の研磨布に形成した格子状パターンの溝２１は、幅２ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、ピッチ１５ｍｍである。また、実施３の研磨布に形成した格子状パターンの溝２１は、実施１および実施２の寸法と同様に、幅２ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、ピッチ１５ｍｍとし、剛体２９には厚さ２ｍｍ×１２ｍｍ角のガラス板、弾性体２８には厚さ０．７５ｍｍのブチル系発泡体を使用した。なお、ウェーハは、研磨装置のチャックに取付けたスウェードタイプの弾性体により水張り法で支持した。
【００７４】
研磨特性は研磨量のばらつきによって評価した。評価は（米）ｐｒｏｍｅｔｒｉｘ社製の薄膜厚さ計ＦＴ６５０を用いてウェーハ面内４９箇所の絶縁膜の厚さを測定し、研磨前の厚さと研磨後の厚さの差を研磨量とした。そして、研磨量の最大値をＲｍａｘ，最小値をＲｍｉｎ、平均値をＲａｖｅとしたとき、研磨量ばらつきＶを、
【００７５】
【数２】

【００７６】
と定義した。これらの各実験結果を示す表１から分かるように、溝２１を形成していない硬質研磨布を使用した比較１及び比較２に比べて、本発明の研磨布による研磨量のばらつき低減の効果を確認することができた。
【００７７】
さらに、前記図１３に示すメモリ−セル２６の幅が１０ｍｍ、周辺回路２７の幅が２ｍｍ、メモリ−セル２６と周辺回路２７との間の段差が１．２μｍの被加工物１６を、前記実例２の条件でメモリ−セル２６上の絶縁膜の厚さのばらつきを±０．０５μｍの精度で研磨加工し、前記段差を０．４μｍ以下に低減することができた。そしてさらに、研磨量を増加することにより前記段差を０．１μｍ以下にすることができた。この値は、１ＧｂＤＲＡＭに対応可能な値である。
【００７８】
図１７は、電子計算機用のＬＳＩ実装基板に用いるセラミックス基板を、本発明の研磨方法を使用して平坦化した例を示す図である。
図１７（ａ）の断面図に示すように、セラミックス基板３７の表面には緻密層３８が形成されており、緻密層３８の表面までコンタクトスタッド３９が形成されている。緻密層３８の表面の凹凸の振幅が大きい場合には、ＬＳＩとコンタクトスタッド３９に導通しない部分が生じる。そこで、緻密層３８を残しながら平坦化することが必要である。研磨剤には平均粒径約３０ｎｍのコロイダルシリカをＫＯＨ水溶液に混濁させたものを用い、研磨布１７の厚さは１．３ｍｍとした。研磨布のセラミックス基板３７表面への倣い性が悪い場合には、図１７（ｂ）に示すようにセラミックス基板３７全体に平坦化が及び、緻密層３８が研磨加工により存在しなくなる部分が生じる。そこで、前記図１６に示す研磨方法を使用して加工することにより、図１７（ｃ）に示すように、一定厚さの緻密層３８を残して平坦化することが可能になる。
【００７９】
図１８は、ＬＳＩ実装基板の表面の波長と振幅との関係を示す図で、基板表面のうねりを示す。
図１８において、ＡはＬＳＩチップの幅、ＢはＬＳＩ実装基板の幅、ＣはＬＳＩ実装基板の緻密層３８の厚さである。ＬＳＩチップとコンタクトスタッド３９とが導通不良を起こさないためには、ＬＳＩチップの幅に対応する波長ＯからＡに対応する振幅の平坦化が必要である。本発明の研磨布を用いない場合には、研磨布の基板表面形状への倣い性が不十分なために波長ＯからＢに対応する振幅の平坦化が行われ、前記図１７（ｂ）のように研磨量を緻密層３８の厚さＣ以上にする必要があり、緻密層３８がなくなる部分が生じる。そこで、本実施例では、ＬＳＩチップの幅Ａを２０ｍｍとした場合、研磨布１７のセグメントの幅を１３ｍｍに設定し、セラミックス基板表面の波長２０μｍ以下に対応する波長を２０μｍ以下に平坦化し、ＬＳＩチップとコンタクトスタッド３９との導通不良を防止した。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、被加工物を研磨加工後に洗浄し、カセットに収納し、クリーンルーム内の他のプロセスとの受渡しを行い、また、クリーンルームの外部で研磨布の交換及び修正をするため、クリーンルームを汚染せず、研磨装置からクリーンルーム内にパーティクルや金属イオンを出さないため、クリーンルーム内の他のプロセスを汚染することがない。
【００８１】
また、研磨定盤により研磨される被加工物の研磨量を均一にするため、研磨装置の研磨定盤及び研磨布を研磨装置上で切削修正して研磨布上の凹凸を除去しており、研磨圧力が一定になり、研磨量を均一にすることができる。また、上記したように研磨布に溝を形成することにより適正量の研磨液が供給されるので、研磨量を均一にすることができる。また、剛性を損なうことなく被加工物への倣い性を大きくした研磨布を用いることにより、研磨量をさらに均一化することができる。
【００８２】
これにより、半導体装置等を被加工物とした場合、パーティクルや金属イオンによる欠陥を生ずることなく、高い平坦度を得ることができ、露光工程での焦点ずれを防止し、精度の高い解像度を得ることができるなど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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の研磨装置の概念図である。
【図２】本発明の研磨加工の概念図である。
【図３】従来の研磨方法の説明図である。
【図４】本発明および従来の研磨布上の研磨液の厚さ分布の模式図である。
【図５】研磨布に図４（ｃ）に示す溝を形成する方法の実施例を示す図である。
【図６】図５に示す溝加工方法を用いて研磨布に溝加工を行った場合のパターン例を示す図である。
【図７】本発明の研磨定盤および研磨布の切削修正説明図である。
【図８】本発明の研磨布の変形状態の説明図である。
【図９】従来のスウェード研磨布及び不織布研磨布を研磨定盤に取付けて研磨加工を行った例を示す図である。
【図１０】従来の硬質研磨布を研磨定盤に取付けて用いた例を示す図である。
【図１１】従来の硬質研磨布をスウェード、不織布などの弾性体を介して研磨定盤に取付けて用いた例を示す図である。
【図１２】本発明の研磨布による研磨加工例の説明図である。
【図１３】メモリーセルと周辺回路との間に段差を生じた場合の本発明の研磨要領の説明図である。
【図１４】本発明の研磨布の研磨定盤への取付け構成例を示す図である。
【図１５】図１４（ｃ）に示す硬質研磨布１７の形成工程説明図である。
【図１６】本発明の研磨加工中の硬質研磨布の挙動説明図である。
【図１７】基板を本発明の研磨方法を使用して平坦化した例を示す図である。
【図１８】被加工物表面の波長と振幅の関係を示す図である。
【符号の説明】
１…研磨装置、２…クリーンルーム、３…気体供給管、４…純水供給管、５…研磨液供給管、６…気体排出管、７…廃液排出管、８，１０…通路（クリーンパス）、９…他のプロセス装置、１１…修正装置、１２…回転主軸、１３…研磨定盤、１４…研磨液、１５…チャック、１６…被加工物（ウエーハ）、１７…研磨布、１８…直動テーブル、１９…切込み台、２０…工具、２１…溝、２２…取付け台、２３…砥石、２４…研削液、２５…ネジ、２６…メモリーセル、２７…周辺回路、２８…弾性体、２９…剛体、３０…金属配線、３１…層間絶縁膜、３２…金具、３３…パッシベーション膜、３４…回転軸、３５…円盤状工具、３６…弾性体、３７…セラミックス基板、３８…緻密層、３９…コンタクトスタッド。

Claims

ウエーハ上に形成された層間絶縁膜等の研磨加工を行う研磨装置において、
（ｉ）気密性を保ってクリンルーム内に設置された研磨装置と、
（ｉｉ）該研磨装置とクリンルーム内の他のプロセス装置との間を接続し該両者間に被加工物を受渡しするためのクリンルームと隔離された通路と、
（ｉｉｉ）前記研磨装置とクリーンルーム外部とをつなぐクリンルームと隔離された通路と、
（ｉｖ）前記研磨装置にクリーンルームの外部から気体、純水、研磨液を供給するクリンルームと隔離された供給経路と、
（ｖ）前記研磨装置より排ガス、廃液、加工屑をクリンルーム外部へ排出するクリンルームと隔離された排出経路とを備えたことを特徴とする研磨装置。
前記クリンルーム内に設置された研磨装置が、回動可能な主軸と、該主軸上に着脱可能に支持されて主軸と一体に回転する研磨定盤と、被加工物を保持し前記研磨定盤に対して相対的に回転および移動可能なチャックと、前記研磨定盤上を移動し支持した工具により前記研磨定盤および該研磨定盤上に接着された研磨布を加工する切削修正手段とを備えてなる請求項１記載の研磨装置。
前記研磨定盤上に接着された研磨布が、セル状に分割され、該分割された研磨布の裏面を、ガラス、セラミックスまたは金属などの剛体で支持するとともに、該剛体の裏面を弾性体を介して研磨定盤上に接着支持してなる請求項２記載の研磨装置。
前記研磨定盤上に接着された研磨布が、表面に所定のパターンの研磨液通路用の溝が加工され、該溝加工された研磨布の裏面を、ガラス、セラミックスまたは金属などの剛体で支持するとともに、該剛体の裏面を弾性体を介して研磨定盤上に接着支持してなる請求項２記載の研磨装置。
前記クリンルーム内の他のプロセス装置、クリンルーム内に設置された研磨装置および該両者間を接続する通路が、その内圧を他のプロセス装置より通路、研磨装置の順に低くなるように、差を設けてなる請求項１記載の研磨装置。
ウエーハ上に形成された層間絶縁膜等の研磨加工を行う研磨方法において、
（ｉ）研磨装置を気密性を保ってクリンルーム内に設置し、
（ｉｉ）該研磨装置とクリンルーム内の他のプロセス装置との間の被加工物の受渡しをクリンルームと隔離された通路を介して行い、
（ｉｉｉ）前記研磨装置の研磨加工に使用する気体、純水、研磨液はクリーンルームの外部からクリンルームと隔離された供給経路を介して供給し、研磨加工により発生する排ガス、廃液、加工屑は前記研磨装置よりクリンルームと隔離された排出経路を介してクリンルーム外部へ排出し、
（ｉｖ）研磨布の交換及び修正を該研磨布を研磨定盤とともに前記研磨装置より取外してクリーンルーム外部とつなぐクリンルームと隔離された通路を介してクリーンルーム外部で行うことを特徴とする研磨方法。
前記被加工物の受渡しが、該被加工物を密閉容器に収納して行われる請求項６記載の研磨方法。
前記研磨布の交換及び修正が、研磨布を研磨定盤とともに研磨装置から取外したのち密閉容器に収めてクリーンルームの外部に出して行われ、研磨布の交換及び修正後、該研磨布と研磨定盤を洗浄し研磨布を研磨定盤とともに密閉容器に収めてクリーンルーム内に入れて研磨装置に取り付けられる請求項６記載の研磨方法。
前記クリンルーム内に設置された研磨装置における被加工物の研磨加工が、セル状に分割された研磨布の裏面を、ガラス、セラミックスまたは金属などの剛体で支持し、かつ該剛体の裏面を弾性体を介して研磨定盤上に接着支持し、前記研磨布の表面に、チャックに弾性体を介して支持された被加工物を押圧して行われる請求項６記載の研磨方法。
前記クリンルーム内に設置された研磨装置における被加工物の研磨加工が、表面に格子状パターンの溝を形成した研磨布の裏面を、ガラス、セラミックスまたは金属などの剛体で支持し、かつ該剛体の裏面を弾性体を介して研磨定盤上に接着支持し、前記研磨布の表面に、チャックに弾性体を介して支持された被加工物を押圧して行われる請求項６記載の研磨方法。