JP3645528B2

JP3645528B2 - 研磨方法及び半導体装置の製造方法

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Publication number: JP3645528B2
Application number: JP2002031859A
Authority: JP
Inventors: 茂夫森山; 克彦山口; 喜夫本間; 直松原; 吉弘石田; 亮成河合
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 1995-09-13
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2015-09-13
Also published as: US6180020B1; WO1997010613A1; EP0874390B1; CN1197542A; EP0874390A1; JP2002305168A; EP0874390A4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨による基板表面パターンの平坦化技術に係り、特に半導体集積回路の製造過程で用いるための研磨方法及びそれを用いた半導体装置の製造方法に関する。
【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、まず本発明が適用される工程の一例である配線工程について図１（ａ）〜図１（ｆ）を用いて説明する。
【０００３】
図１（ａ）は一層目の配線が形成されているウェハの断面図を示している。トランジスタ部が形成されているウェハ基板１の表面には絶縁膜２が形成されており、その上にアルミニュウム等の配線層３が設けられている。トランジスタとの接合をとるために絶縁膜２にコンタクトホールが設けられているので、配線層のその部分３’は多少へこんでいる。図１（ｂ）に示す２層目の配線工程では、一層目の上に絶縁膜４、金属アルミ層５を形成し、さらに、このアルミ層を配線パターン化するため露光用ホトレジスト膜６を塗布する。次に、図１（ｃ）に示すようにステッパ７を用いて２層目の配線回路パターンを上記ホトレジスト膜６上に露光転写する。この場合、ホトレジスト膜６の表面が凹凸になっていると、図に示すようにホトレジスト膜表面の凹部と凸部８では同時に焦点が合わないことになり、解像不良という重大な障害となる。
【０００４】
上記不具合を解消するため、次に述べるような基板表面の平坦化処理が検討されている。図１（ａ）の処理工程の次に、図１（ｄ）に示すように、絶縁層４を形成後、図中９のレベルまで平坦となるように後述する方法によって研磨加工し、図１（ｅ）の状態を得る。その後金属アルミ層５とホトレジスト層６を形成し、図１（ｆ）のようにステッパ７で露光する。この状態ではレジスト表面が平坦であるので前記解像不良の問題は生じない。
【０００５】
図２に、上記絶縁膜パターンを平坦化するため従来一般的に用いられている化学機械研磨加工法を示す。研磨パッド１１を定盤上１２に貼りつけて回転しておく。この研磨パッドとしては、例えば発泡ウレタン樹脂を薄いシート状にスライスして成形したものが用いられ、被加工物の種類や仕上げたい表面粗さの程度によってその材質や微細な表面構造を種々選択して使いわける。他方、加工すべきウェハ１は弾性のある押さえパッド１３を介してウェハホルダ１４に固定する。このウェハホルダ１４を回転しながら研磨パッド１１表面に荷重し、さらに研磨パッド１１の上に研磨スラリー１５を供給することによりウェハ表面上の絶縁膜４の凸部が研磨除去され、平坦化される。
【０００６】
二酸化珪素等の絶縁膜を研磨する場合、一般的に研磨スラリとしてはコロイダルシリカが用いられる。コロイダルシリカは直径３０ｎｍ程度の微細なシリカ粒子を水酸化カリウム等のアルカリ水溶液に懸濁させたものであり、アルカリによる化学作用が加わるため、砥粒のみによる機械的研磨に比べ飛躍的に高い加工能率と加工ダメージの少ない平滑面を得られる特徴がある。このように、研磨パッドと被加工物の間に研磨スラリを提供しながら加工する方法は遊離砥粒研磨技術として良く知られている。
【０００７】
さて従来の遊離砥粒研磨加工によるウェハ平坦化技術には、大きく２つの解決困難な課題がある。その一つは、パターンの種類や段差の状態によっては十分に平坦化できない、というパターン寸法依存性の問題であり、もうひとつは、研磨工程で必要とされる過大な消耗品コストの問題である。以下、これらの問題について詳しく説明する。
【０００８】
一般的に、半導体ウェハ上のパターンは種々の寸法や段差を持つパターンから形成されている。例えば半導体メモリ素子を例にした場合、図３（ａ）に示すように、１つのチップは大きく４つのブロックに分割されている。この内、４つのブロック内部は微細なメモリセルが規則正しく密に形成されており、メモリマット部１６と呼ばれる。この４つのメモリマット部の境界部には上記メモリセルをアクセスするための周辺回路１７が形成されている。典型的なダイナミックメモリの場合、１つのチップ寸法は７ｍｍ×２０ｍｍ程度、周辺回路部１７の幅は１ｍｍ程度である。上記チップの断面Ａ−Ａ’をとると、図３（ｂ）に示すようにメモリマット部１６Ｈの平均高さは周辺回路部１７Ｌの平均高さより０.５〜１μｍ程度高い。このような段差パターン上に厚さ１〜２μｍ程度の絶縁膜４を成膜すると、その表面部の断面形状３１もほぼ下地パターンの段差形状を反映したものとなる。
【０００９】
本発明の目的とする平坦化工程では、上記ウェハ表面の絶縁膜４を一点鎖線３２のように平坦化したいのであるが、一般的にこの用途に多く用いられている発泡ポリウレタン樹脂製の軟質な研磨パッドを用いた場合には、研磨速度にパターン依存性が存在するためにこのようには平坦化されない。すなわち、図４に示すように、軟質な研磨パッド１１Ｌを用いた場合、研磨パッド表面形状は研磨荷重のために図中の実線３０のように変形する。寸法がミクロンオーダの微細パターンには荷重が集中するため短時間で平坦化研磨されるものの、ｍｍオーダの大きな寸法のパターンには分布荷重となって加わるため、研磨速度は遅くなる。その結果、研磨後の断面形状は、図中の破線３４のようになり、依然として高低差：ｄが残留したものとなってしまうのである。
【００１０】
平坦性を向上させるためには研磨パッドをより硬質にすれば良いが、この場合には後述する加工ダメージの問題と共に、ウェハ面内の加工むらの増大という新たな問題を生じる。この硬質パッド使用時に生じる加工むら増大の原因については、まだ学術的に解明されていないが、研磨パッド表面上に供給された砥粒が研磨パッド表面の微細構造部に捕捉されて被加工基板との間に入ってゆく確率が変動するなどの影響によるものと考えられている。半導体の配線工程の用途には±５％以下のむらであることが求められ、現状、研磨パッドの硬さの限界はヤング率：１０ｋｇ／ｍｍ^２程度が上限となっている。そのため、メモリ素子のようにミリメートルオーダからミクロンオーダまでの大小さまざまなパターンが混在している半導体素子では、十分な平坦化効果が期待できず、適用可能な対象としては、あまり寸法の大きなパターンを含まない半導体製品、例えば論理ＬＳＩなどに限られている。
【００１１】
硬質研磨パッドと軟質研磨パッドの中間的な特性をもつものとして、軟質パッドの一部に硬質な研磨ペレットを埋め込んだ研磨パッド技術が特開平６−２０８９８０に開示されているが、得られる研磨特性は中間の硬度をもつ研磨パッドとほぼ同等のものとなる。
【００１２】
上記従来の遊離砥粒研磨法による半導体ウェハの平坦化技術における第２の課題は、高価なランニングコストの低減にある。これは遊離砥粒研磨法における研磨スラリの利用効率の低さに起因している。すなわち、研磨傷を発生しない超平滑研磨のためにはコロイダルシリカなどの研磨スラリを数１００ｃｃ／分以上の割合で供給する必要があるが、その大半は実際の加工に寄与することなく排除されてしまう。半導体用の高純度スラリの価格は極めて高価であり、平坦化研磨プロセスコストの大半はこの研磨スラリにより決っており、その改善が強く要求されている。
【００１３】
上記以外の従来技術として、砥粒を金属粉末やレジン樹脂で結合して製作した高速回転用砥石を、研削定盤とする固定砥粒加工法が１st International ABTEC Conference（Ｓｅｏｕｌ，１１月１９９３年）の講演論文集Ｐ８０−Ｐ８５に記載されているが、加工面に微細なスクラッチがしばしば発生する欠点が知られている。さらに、このスクラッチの問題を解決するため、電気泳動法で製作した極めて小さな粒径を持つ微細砥粒砥石による平坦化技術が特開平６−３０２５６８に公開されているが、砥石自体が硬質となるので、研磨液や加工雰囲気等に含まれる塵埃等によるスクラッチの問題は依然として残る。
【００１４】
これまで説明したように、従来の遊離砥粒研磨による半導体ウェハの平坦化技術では、最小寸法がミクロンオーダの微細パターンとｍｍオーダの大寸法のパターンを同時に平坦に加工しうる条件が存在しないため、メモリＬＳＩのように、大小さまざまなパターンが混在する半導体集積回路の製造には適用が困難であった。また、研磨処理に必要なランニングコストが高いことが量産適用上の大きな欠点となっていた。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解消し、加工ダメージを発生することなく、寸法の大きなパターン部と微細なパターン部を同一平面に平坦化するための加工法、およびそのための装置を提供することにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、ランニングコストの低い加工方法とそのための加工装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、従来の研磨パッドと研磨スラリを用いた遊離砥石研磨加工に代え、弾性率（硬さ）をコントロールした研磨工具（砥石等）を用いる固定砥粒加工法とすることにより、達成できる。
【００１８】
さらに、硬質な研磨工具を用いた場合に生じやすい極微細なパターンの加工ダメージの問題の解消のためには、従来のように一回の加工だけで全てのパターンを平坦化するのではなく、加工ダメージを受けやすい微細なパターンのみを先に軟質な研磨工具を用いて平坦化加工し、その後に硬質な砥石や研磨パッドなどの研磨工具を用いて大きな加工力で高能率に大寸法パターンを平坦化加工することにより達成できる。
【００１９】
被加工物の物性に合わせて最適に選択された砥石の種類と加工条件による固定砥粒加工法であるので、硬質としても加工むらの発生を伴うことなくパターン依存性が少なく、かつ基板面内の加工速度むらの少ない平坦化加工を行なうことができる。また高価な研磨スラリを必要としないので、極めて低いランニングコストで加工することができる。また、加工後の洗浄も容易になる。
【００２０】
さらに、加工ダメージを受けやすい極微細パターンならびに欠落しやすい大寸法パターンのコーナ部を先に剛性の小さな軟質研磨パッドで研磨、除去、および丸めておき、その後に形状創成機能の高い硬質研磨パッドで平坦化加工すれば、パターン幅依存性のより少ない加工ダメージのない良質な加工面を得ることができる。
【００２１】
なおこれまでは半導体ウェハを適用対象とした実施例について説明したが、この他、薄膜映像デバイスや、その他のガラスやセラミックス等の基板の平坦化加工にも適用できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。本発明では、図２に示した研磨装置において、従来の研磨パッドの代わりに、硬度が最適に制御された特殊な砥石を用いることを特徴とする。先の従来技術にて説明したように、微細砥粒砥石を用いて半導体ウェハの表面平坦化を試みる技術はいくつかあるが、いずれの加工面に微細なスクラッチがしばしば発生する欠点を有しており、実用化できる段階にはいたっていない。
【００２３】
上記スクラッチの発生原因は、これまで主として砥粒が大き過ぎるためと考えられてきたが、発明者らの研究により、砥粒の大小よりも、むしろ砥石の弾性率が過大であることに起因していることが判明した。
【００２４】
しかるに本発明の特徴は、上記従来の緻密かつ硬質な砥石に代えて、図５に示すように、砥粒２１が軟らかな樹脂２２で粗に結合された極めて軟らかな砥石を用いることに特徴がある。具体的には、砥石の弾性率は５−５００ｋｇ／ｍｍ^２と、従来一般的な砥石に比べ１／１０から１／１００の硬さであり、逆に、従来、本発明の用途に用いられている硬質発泡ポリウレタン製などの硬質研磨パッドのかたさに比べれば、５倍から５０倍のかたさである。
【００２５】
このような軟らかい砥石の製作法の一例を以下に説明する。砥粒２１の種類としては、二酸化珪素、酸化セリウム、アルミナなどが好ましく、粒径は０.０１−１ミクロン程度のものがスクラッチを発生することなく良好な加工能率を得ることができる。これら砥粒を結合するための樹脂２２としては、フェノール系などの高純度有機系樹脂が本発明の用途には好ましい。上記砥粒を結合樹脂に混練後、適切な圧力を加えて固形化し、必要に応じて加熱硬化などの処理を加える。上記製法において結合樹脂の種類、および加圧圧力によってできあがる砥石の硬度を制御でき、本発明ではこれが５−５００ｋｇ／ｍｍ^２となるようにする。
【００２６】
次に、このようにして製作された砥石を用いての加工例を挙げる。粒径１μｍの酸化セリウムを弾性率：１００ｋｇ／ｍｍ^２となるようにフェノール系樹脂で結合して製作された砥石を用い、厚さ１ミクロンのニ酸化珪素膜を加工した場合、パターン幅が１０ｍｍから０.５ミクロンのすべての種類のパターンに対して、加工速度：０.３±０.０１μｍ／分以下、という極めて良好なパターン幅依存性、表面あらさ：２ｎｍＲａの良好な加工面を得ることができた。また、研磨パッドを硬質にした場合に問題となる。ウェハ面内の加工むらも見られなかった。これは従来の遊離砥粒による加工と異なり、本発明は固定砥粒で加工されるためと考えられる。
【００２７】
上記加工例では研磨液として純水を供給するだけであったが、当然のことながら、被加工物の種類によっては、従来の研磨技術で用いられているように、アルカリ性や酸性の液を供給しても良いことはあきらかである。なお、被加工物がニ酸化シリコンやシリコンの場合にはアルカリ性の液が、アルミニウムやタングステン等の金属の場合には酸性の液がよい。
【００２８】
また、より高度な表面あらさが必要とされる場合には、上記砥石を用いた研磨加工後に、軟質な研磨パッドを用いて仕上げれば良いことは明白である。
【００２９】
砥石の弾性率が上記の範囲をはずれると、良好には加工できない。すなわち、砥石の弾性率が５ｋｇ／ｍｍ^２より小さい場合には、パターン幅の小さいものだけが速く研磨されるという、パターン幅依存性が顕著になり、メモリ素子は平坦化できない。逆に砥石の弾性率が５００ｋｇ／ｍｍ^２より大きい場合には、いくら小さい砥粒径の砥石を用いても、スクラッチ発生の問題は依然として残される。すなわち、本発明で提案するところの、砥石の弾性率が５−２００ｋｇ／ｍｍ^２の場合に、半導体用途に適した加工を行なうことができた。
より好ましくは５０−１５０ｋｇ／ｍｍ^２である。
【００３０】
上記の砥石の条件下であっても、加工能率を高めようと過度な研磨荷重を与えると、研磨パターンの形状等によっては前記スクラッチとは異なる加工ダメージの問題が発生する。以下、この問題について説明する。
【００３１】
図６に示すように、硬質な砥石や研磨パッド１１Ｈを用いて研磨する場合、これら研磨工具の表面は段差パターンの凸部でのみ接触しながら加工することになる。この時に過度な研磨荷重を加えると、パターンの端部３５は加工摩擦力によるモーメントを受けて点線３６のように剥離、倒壊したり、パターン基部に微細なクラック３７が発生したりする。このクラック３７の到達深さは加工条件によって異なるが、しばしば所望の平坦化レベルより深く達し、半導体素子としての信頼性を損なう原因となる。このような微細パターンの損傷問題のため、従来、硬質研磨工具を用いての平坦化作業にあたっては小さな荷重でゆっくり行なわなければならず、極めて長い加工時間を要していた。
【００３２】
上記課題は、以下に説明する方法によって解決される。図７を用いて前記パターン損傷の原因、およびそれを防止するための本発明の基本概念を説明する。図７中の上段の２つの図はウェハ基板上の凸部パターンが硬質な研磨パッド１１Ｈに押しつけられている様子を、また下段の２つの図はそれぞれ、その場合にパターンに加わる応力分布を示している。研磨開始直後にはまだパターンの端部が角ばっているので、幅の広いパターン１０１の端部には集中応力１０２が加わり、その最大値は平均応力の１０倍以上に達する。また幅の狭いパターン１０３にも前記最大値に近い応力１０４が加わる。この状態で研磨パッドとウェハ基板の間に相対運動が与えられると、パターン各部には上記応力に比例した摩擦力が加えられることになり、パターン材料の機械強度よりこれら摩擦力の方が大きい場合には、パターン端部が剥離したり微細パターンが倒壊することになる。これがパターン損傷の発生原因である。
【００３３】
上記加工初期の応力集中に起因したパターン損傷の課題を解決するためには、あらかじめ応力集中の要因となるパターン角部、および微細なパターンを取り除いておけば良い。すなわち、図７（ｂ）に示すように、幅の広いパターンの角部１０５は丸めておき、また微細パターン１０６も高さを低減すると共に角を丸めておけば良い。このようなパターンに対する応力分布は同図下部のように集中することはないので、従来以上に硬質な研磨工具を用いても大きな研磨荷重を加えることができるようになる。その結果、パターン幅依存性が少ない加工を短時間で実現できるようにする。
【００３４】
上記基本概念を実現するためには、２つの研磨工程を経れば良い。以下、図８（ａ）〜図８（ｅ）を用て具体的な実施例について説明する。まず、第一の工程（図８（ａ），（ｂ））として、軟質な研磨パッド１１Ｌ（例えばロデールニッタ社製のＳＵＰＲＥＭＥ−ＲＮのようにパッド表面に微細な空胴部を設けたもの）と研磨スラリ（図示せず）を用い、被加工ウェハ表面３１を１分間程度研磨加工する。研磨スラリとしても、コロイダルシリカや酸化セリウム、アルミナなど、極く一般的なものを用いることができる。軟質パッド１１Ｌで研磨された結果、加工前に存在していたサブミクロンオーダの微細パターン部は、図８（ｃ）に示すように研磨されて消滅し、また大寸法パターンのコーナ部も丸められる。
【００３５】
次に第二の工程として、平坦化機能に優れる硬質な研磨工具１１Ｈ、例えば図５に示した構成からなる砥石を使用して３分間ほど研磨する。事前に損傷を受けやすい微細パターンは上記工程で撤去されているので、第一工程で用いた研磨工具より硬質な研磨工具を用いて研磨しても、微細パターン基部のクラックは発生せず、図８（ｅ）に示すようにダメージの無い平坦化加工を行なうことができる。
【００３６】
第２の研磨工程で用いる研磨工具は、高速かつ平坦に研磨できるものであれば何でも良く、研磨砥石以外に、通常の硬質発泡ポリウレタン樹脂系の研磨パッドとコロイダルシリカ等の極く一般的な組合せのポリッシング加工でも良い。
但し、弾性率が５〜５００ｋｇ／ｍｍ^２の砥石を用いることにより、クラックがなく、かつ平坦な研磨面を短時間で得ることができる。
【００３７】
上記のように、最初にやわらかい工具で破壊されやすいパターン部を除いておき、次に形状創成機能の高い高剛性かつ硬質な工具で平坦化加工することにより、実質的にダメージのない研磨面を得ることができる。これは、発明者らによる具体的な実験により、その効果が初めて見出されたものである。複数の研磨工程を経て最終加工面を得る手法は、例えば特開昭６４−４２８２３や特開平２−２６７９５０に開示されているように、従来から良く知られているが、これらはすべて、加工能率は高いものの加工ダメージの入り易い研磨工程を先に配置し、この工程で生じたダメージを後の平滑化工程で除去しようとするものである。このため、第一工程で用いる研磨パッドの硬度は第２工程で用いるパッドの硬度より高いものを用いていた。これに対し本発明では、最初に加工ダメージの原因となるものを除去しておこうとするものであり、技術的な本質はまったく異なるものである。
【００３８】
また、図１０（ａ）〜（ｅ）に１つのトランジスタと１つのキャパシタからなるメモリセルを本発明を用いて製造したときの工程の一例を示す。なお、図１０は図１１のＡ−Ａ’断面を示したものである。ここで、１１０はソース領域、１２０はドレイン領域、１１１、１２１はそれぞれの領域への接続部、２１０はキャパシタ下部電極、２３０はキャパシタ上部電極、１０６はビット線、１４１はゲート電極を示す。
【００３９】
図１０（ａ）は、ｐ型シリコン基板１０１上に選択酸化法を用いて、メモリセル間を電気的に分離するために厚さ８００ｎｍのシリコン酸化膜からなる素子分離膜１０２およびスイッチング用ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜を形成した後の基板断面図である。その後、ＭＯＳトランジスタの閾値電圧制御のために、ボロンをイオン打ち込みし、更に化学気相成長法（以下ＣＶＤ法と略記）でゲート電極１４１となる多結晶シリコン膜を３００ｎｍの厚さ堆積する。次に図１０（ｂ）に示すように、ＭＯＳトランジスタのゲート電極１４１およびゲート絶縁膜１３０を周知のホトエッチングにより形成する。多結晶シリコン膜には導電性を持たせるためリンを添加する。その後、砒素をイオン打ち込みしＭＯＳトランジスタのソース領域１１０、ドレイン領域１２０を形成する。
【００４０】
次に図１０（ｃ）に示したように基板表面に層間絶縁膜となるＰＳＧ（リンガラス）膜１０３をＣＶＤ法で５００ｎｍの厚さ堆積後、約２００ｎｍの平坦化研磨をおこなう。ＰＳＧ膜１０３の研磨に用いた砥石の弾性率は５０ｋｇ／ｍｍ^２である。
【００４１】
その後、ＰＳＧ膜に接続部１１１を設け、ビット線１０６を形成する（図１１）。
【００４２】
次に、図１０（ｄ）に示したように層間絶縁膜となるＰＳＧ膜１０４をＣＶＤ法で５００ｎｍの厚さ堆積後、平坦化研磨を行い、更にホトエッチングにより開口して接続部１２１を形成する。このＰＳＧ膜１０４の表面は、弾性率が５０ｋｇ／ｍｍ^２の砥石を用いて平坦化する。なお、従来の軟質研磨パッドでＰＳＧ膜を研磨後、弾性率が５０ｋｇ／ｍｍ^２の砥石で研磨することにより、よりダメージのない研磨を行うことができる。
【００４３】
その後、キャパシタ下部電極２１０となる多結晶シリコン膜をＣＶＤ法により形成し、所望の形状に加工する。この多結晶シリコン膜にも導電性を持たせるためにリンを添加する。次に、その上にキャパシタ絶縁膜２２０およびキャパシタ電極２３０を形成する（図１０（ｅ））。
【００４４】
上記方法によりメモリセルの表面を従来に比べより平坦にすることができ、微細で信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００４５】
次に、本発明を実施するに適した加工装置の構成を図９を用いて説明する。基本的には２プラテン、２ヘッド構成の研磨装置であるが、プテラン上の研磨工具とそれらの運転方法に特徴がある。前記の弾性率の低い砥石が上面に接着されている砥石定盤５１と、研磨パッドが上面に接着されている研磨定盤５２は、それぞれ２０ｒｐｍ程度の一定速度で回転している。被加工ウェハ５５はハンドリングロボット５４によってローダカセット５３から取り出され、直動キャリア５６上のロードリング５７上に載せられる。次に、上記直動キャリア５７が図中左方向に移動し、ロード／アンロードポジションに位置決めされると、研磨アームＡ５８が回転移動し、その先端に設けられているウェハ研磨ホルダ５９の下面に上記被加工ウェハ５５を真空吸着する。次に、研磨アームＡ５８はウェハ研磨ホルダ５９が研磨パッド定盤５２の上に位置するように回転する。ウェハ研磨ホルダ５９は下面に吸着している被加工ウェハ５５を研磨パッド５２上に押しつけながら回転し、研磨スラリ（図示せず）を供給しながら被加工ウェハ５５を１分間ほど研磨する。この研磨加工により、前述したように加工ダメージの原因となる被加工ウェハ５５表面上のサブミクロンオーダの微細パターン部は消滅し、また大寸法パターンのコーナ部も丸められる。
【００４６】
上記第一の研磨工程が終わると、次に、ウェハ研磨ホルダ５９が砥石定盤５１の上に位置するように研磨アームＡ５８が回転する。その後ウェハ研磨ホルダ５９は下面に吸着している被加工ウェハ５５を砥石定盤５１上に押しつけながら回転し、上記と同様に研磨スラリ（図示せず）を供給しながら被加工ウェハ５５を２分間ほどラッピングする。この第２研磨工程が終了すると、研磨アームＡ５８は再びウェハ研磨ホルダ５９が先の研磨定盤５２の上に位置するように回転し、前回と同様に被加工ウェハ５５を１分間ほど研磨する。このラッピング加工後の研磨は、ラッピング工程で生じるわずかなスクラッチ等を除去するためのものであり、ラッピング加工条件または要求される表面粗さのレベルによっては、当然のことながら省略することができる。
【００４７】
上記３工程の研磨によって加工は終了し、次に洗浄工程に入る。研磨アームＡ５８が回転し、今度はウェハ研磨ホルダ５９を回転ブラシ６０が設けられている洗浄ポジション上に位置付ける。回転ブラシ６０は回転しながらウェハ研磨ホルダ５９下面に吸着されている被加工ウェハ５５の加工面を水洗ブラシで洗浄する。洗浄が終了すると、直動キャリア５６が再び上記洗浄ポジション上まで移動し、ウェハ研磨ホルダ５９の真空吸着から開放された被加工ウェハを受け取る。
【００４８】
なお、ここでは回転ブラシを用いたが、その代りに超音波を与えたジェット水流による洗浄法を用いることができる。
その後、直動キャリア５６がロード／アンロードポジションまで戻ると、ウェハハンドリングロボット５４が加工済みのウェハを掴み、これをアンロードカセット６１に収納する。以上が研磨アームＡ５８の一周期分の動作である。同様に研磨アームＢ６２もこれと平行して動作する。当然のことながら、これは２つの研磨定盤を時分割して有効に利用するためである。研磨アームＢ６２の動作シーケンスは研磨アームＡ５８のシーケンスと全く同一であるが、半周期だけ位相が遅れたものとなっている。即ち、研磨アームＢ６２は上記第二の研磨工程の開始に合わせて動作を開始する。
【００４９】
上記実施例は研磨アームの数を２本とする場合に適した構成例であり、２本の研磨アームの回転軌跡が交差または接する位置を設け、ここに一組の洗浄ブラシやロード／アンロードのための直動キャリアの停止位置を設けることにより、２本の研磨アームでこれらの機能を兼用することができる構成となっている。
【００５０】
これまでは２本の研磨アームを設ける実施例について説明してきたが、構成を簡略化するために当然のことながらこれを一本とすることもできる。逆に装置のスループットを向上させるため、研磨アームの数を３本以上にしたり、１本の研磨アームに複数のウェハ研磨ホルダを取り付ける構成としても良い。さらに上記実施例では、研磨パッド用と砥石用にそれぞれ独立した２つの回転定盤を設けてあるが、これを１つの回転定盤とすることも可能である。すなわち、回転定盤の周辺部にはリング状の砥石を設け、その中央部に研磨パッドを設けるのである。その他にも、装置のフットプリント（設置のための投影面積）を小さくするために回転定盤を傾けた設計とすることも可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の研磨方法及び研磨装置によれば、研磨プロセスコストを抑制しつつ、パターン寸法依存性のより少ない加工ダメージのない良質な平坦化加工面を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ウェハ表面の平坦化工程の説明図。
【図２】化学機械研磨法を説明する図。
【図３】半導体メモリ素子の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）。
【図４】軟質な研磨パッドを用いて加工した場合の問題点を説明する図。
【図５】本発明で用いる砥石の構成を説明する図。
【図６】硬質な研磨パッドを用いて加工した場合の問題点を説明する図。
【図７】従来の研磨の状況（ａ）及び本発明の研磨の状況（ｂ）を説明するための図。
【図８】本発明の実施例を説明する図。
【図９】本発明の実施例に適した加工装置の構造例を示す図。
【図１０】半導体装置の製造工程を示す装置断面図。
【図１１】図１０（ｅ）に示した装置の平面図。
【符号の説明】
１…ウェハ基板／ウェハ、２…絶縁膜、３…配線層、４…絶縁膜、５…金属アルミ層、６…露光用ホトレジスト膜、７…ステッパ、８…、９…、１１…研磨パッド、１２…定盤、１３…押さえパッド、１４…ウェハホルダ、１５…研磨スラリ、１６…メモリマット部、１７…周辺回路部、２１…砥粒、２２…樹脂、３７…クラック、５１…砥石定盤、５２…研磨定盤／研磨パッド定盤、５３…ローダカセット、５４…ハンドリングロボット、５５…被加工ウェハ、５６…直動キャリヤ、５７…ロードリング、５８，６２…研磨アーム、５９，６３…ウェハ研磨ホルダ、６０…回転ブラシ、６１…アンロードカセット、１０１…ｐ型シリコン基板、１０２…素子分離膜、１０３，１０４…層間絶縁膜、１０６…ビット線、１１０…ソース領域、１１１，１２１…接続部、、１２０…ドレイン領域、１３０…ゲート絶縁膜、１４１…ゲート電極、２１０…キャパシタ下部電極、２２０…キャパシタ絶縁膜、２３０…キャパシタ上部電極。

Claims

凹凸パターンが形成されている基板の表面上に絶縁膜を形成する第１のステップと、上記絶縁膜の上面を研磨工具表面上に押しつけて相対運動させながら上記絶縁膜の上面を平坦化する第２のステップとを含む研磨方法において、
上記研磨工具として、砥粒とこれら砥粒を結合，保持するための有機樹脂材料から構成され、弾性率が５乃至５００ｋｇ／ｍｍ²の範囲の砥石を用い、上記第２のステップの研磨液として、純水を供給することを特徴とする研磨方法。
上記研磨工具を構成する砥粒が、二酸化珪素，酸化セリウム，アルミナの何れか、又はそれらの混合物であることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
上記研磨工具を構成する砥粒の平均粒径が１ミクロン以下の微細砥石であることを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載の研磨方法。
凹凸パターンが形成されている基板の表面上に薄膜を形成するステップと、上記基板の上記薄膜が形成されている面を研磨工具表面上に押しつけて相対運動させながら凹凸パターンを平坦化するステップとを含む研磨方法において、
上記研磨工具として、弾性率が５乃至５００ｋｇ／ｍｍ²の範囲の砥粒と結合樹脂とからなる砥石を用い、さらにその後ポリウレタン研磨パッドを用いることを特徴とする研磨方法。
上記砥粒は、二酸化珪素，酸化セリウム，アルミナの何れか、又はそれらの混合物であり、砥粒の平均粒径が１ミクロン以下であることを特徴とする請求項４に記載の研磨方法。
パターンが表面に形成されている被加工基板を研磨工具の表面上に押しつけて相対運動させながら少なくとも２種類以上の研磨工具を段階的に用いて加工する研磨方法において、
上記２種類の研磨工具のうち、最初に用いる第一の研磨工具の弾性率は第二の研磨工具の弾性率より小さく、上記第二の研磨工具の弾性率は５乃至５００ｋｇ／ｍｍ²の範囲の値であることを特徴とする研磨方法。
上記第一の研磨工具として、ポリウレタン樹脂製の研磨パッドを用い、上記第二の研磨工具として、砥粒とこれら砥粒を結合，保持するための物質から構成される研磨工具を用いることを特徴とする請求項６に記載の研磨方法。
上記第二の研磨工具を構成する砥粒の結合，保持のための物質は、有機樹脂材料であることを特徴とする請求項７に記載の研磨方法。
上記第二の研磨工具を構成する砥粒が二酸化珪素，酸化セリウム，酸化アルミナの何れか、又はそれらの混合物であり、構成する砥粒の平均粒径が１ミクロン以下であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の研磨方法。
半導体基板上に絶縁膜を形成する第１のステップと、
上記半導体基板の上記絶縁膜が形成されている面を、弾性率が５乃至５００ｋｇ／ｍｍ²の範囲の砥石からなる研磨工具を用いた研磨により平坦化する第２のステップと、
上記半導体基板の被研磨面を洗浄する第３のステップとを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
上記第３のステップにおいて、水洗ブラシで洗浄することを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
上記第３のステップにおいて、超音波を与えたジェット水流により洗浄することを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
上記砥石は、砥粒と有機樹脂材料の結合樹脂とからなることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
上記砥粒は、二酸化珪素，酸化セリウム，アルミナの何れか、又はそれらの混合物であり、上記砥粒の平均粒径が１ミクロン以下であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
半導体基板上に絶縁膜を形成する第１のステップと、
上記半導体基板の上記絶縁膜が形成されている面を、研磨工具として弾性率が５乃至５００ｋｇ／ｍｍ²の範囲の砥石を用い、純水を供給しながら研磨することにより平坦化する第２のステップとを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
上記砥石は、砥粒と有機樹脂材料の結合樹脂とからなることを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
上記砥粒は、二酸化珪素，酸化セリウム，アルミナの何れか、又はそれらの混合物であり、上記砥粒の平均粒径が１ミクロン以下であることを特徴とする請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。