JP3681226B2

JP3681226B2 - 研磨装置および研磨方法

Info

Publication number: JP3681226B2
Application number: JP20189696A
Authority: JP
Inventors: 康夫南川
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1996-07-31
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2016-07-31
Also published as: JPH1044026A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウエハなどのウエハ（板状物）の研磨装置および研磨方法に関し、特に半導体素子の製造工程で用いられるウエハの研磨に好適な研磨装置および研磨方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁膜の平坦化工程や金属配線の形成工程などの半導体素子の製造工程において、ウエハの表面を研磨する処理が施されるようになってきている。
【０００３】
ウエハ上に配線パターンを形成し、その上に全面にわたって絶縁膜を形成した場合、配線パターン上に位置する絶縁膜は上に凸状となるため絶縁膜に凹凸（ミクロ的な凹凸）が生じる。絶縁膜の平坦化工程は、この絶縁膜表面の凹凸を平坦にするものである。この凹凸を有する絶縁膜を研磨により平坦化する場合、ウエハ表面にはたわみがあるため、マクロ的にはウエハのたわみに沿いつつ、ミクロ的には表面が平坦になるように研磨を行うことが必要である。
【０００４】
例えば軟質の研磨パッドを使用すると、研磨パッドの弾性変形により絶縁膜表面のミクロな凹凸にまで研磨パッドが沿うため、凸部分のみならず凹部分まで研磨されてしまう。すなわち、ミクロ的な絶縁膜の平坦化が困難である。
【０００５】
一方、硬質の研磨パッドを使用すると、ウエハのたわみなどによるマクロ的に見た凸部分と接触し、この接触部分のみを研磨する。そのため、絶縁膜がマクロ的に見て均一な厚みに研磨されない。
【０００６】
マクロ的にはウエハ表面のたわみに沿いミクロ的には表面が平坦になるように研磨するという目的を達成するため、本出願人は研磨定盤と研磨パッドの間に弾性体を介在させた研磨装置を提案している（特開平５−２８５８２５号公報）。
【０００７】
図７（ａ）はこのウエハの研磨装置を示す模式的縦断面図であり、図７（ｂ）は試料台を示す模式的平面図である。研磨パッド１１と研磨定盤１３の間に、例えばゴム板などの弾性体１２が設けられている。研磨パッド１１は硬質であり、研磨パッドの表面は平坦である。ウエハＳは次のようにして研磨される。
【０００８】
研磨定盤を回転軸Ａ−Ａ’を中心としてこのまわりを回転（公転）させる。ウエハ載置部２２を回転軸Ｃ−Ｃ’を中心として回転（自転）させつつ、ウエハ載置部２２が設けられた試料台２１を回転軸Ｂ−Ｂ’を中心として回転（公転）させる。スラリ供給孔１７から研磨スラリを供給しながら、研磨定盤１３を下降させて、研磨パッド１１をウエハＳに押し当てる。ウエハＳは、ウエハ載置部２２の回転に合わせて自転しつつ、試料台２１の回転にあわせて公転しつつ、研磨パッド１１と研磨スラリにより研磨される。
【０００９】
この研磨装置によれば、研磨パッド１１と研磨定盤１３との間に弾性体１２を備えているので、研磨パッド１１はマクロ的にはウエハＳ表面の凹凸に沿い、また研磨パッド１１は硬質であるので、ウエハＳ表面のミクロ的な凹凸を研磨して平坦化できる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した研磨パッドを用いた研磨装置においても、研磨条件などによりウエハの外周部の方がウエハ中心部にくらべて研磨が速く進む傾向があった。
【００１１】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、ウエハを均一に研磨できる研磨装置および研磨方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の研磨装置は、試料台（ウエハ載置部）に保持されたウエハに、研磨定盤との間に弾性体を挟んで被着された研磨パッドを押し当て、ウエハと研磨パッドの間に研磨スラリを供給し、試料台（ウエハ載置部）および／または研磨パッドを回転させることによりウエハを研磨する研磨装置であって、前記弾性体は、平坦な円板状であり、研磨定盤と弾性体との間、および／または、弾性体と研磨パッドとの間に挟んであり、研磨の際の押圧により変形しない円形状の凸状体を備え、該凸状体は、ウエハの中央部に対応する部分の厚みがウエハの外周部に対応する部分の厚みに比べて大きくしてあることを特徴とする。
また、本発明の研磨装置は、研磨定盤との間にリング板状の弾性体を挟んで被着されたリング状の研磨パッドが対向する箇所で試料台に保持されたウエハに、該研磨パッドを押し当て、ウエハと研磨パッドの間に研磨スラリを供給し、試料台および研磨パッドを回転させると共にウエハを自転的に回転させることによりウエハを研磨する研磨装置であって、前記弾性体は、平坦であり、研磨定盤と弾性体との間、および／または、弾性体と研磨パッドとの間に挟んであり、研磨の際の押圧により変形しないリング状の凸状体を備え、該凸状体は、試料台および研磨パッドの回転によるウエハの中央部の軌跡に対応する部分の厚みが最も厚く、周縁部分の厚みが最も薄くしてあることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の研磨方法は、試料台に保持されたウエハに、研磨定盤との間に平坦な円板状の弾性体を挟んで被着された研磨パッドを押し当て、ウエハと研磨パッドの間に研磨スラリを供給し、試料台および／または研磨パッドを回転させることによりウエハを研磨する研磨方法であって、研磨定盤と弾性体との間、および／または、弾性体と研磨パッドとの間に、研磨の際の押圧により変形しない円形状であり、ウエハの中央部に対応する部分の厚みがウエハの外周部に対応する部分の厚みに比べて大きくしてある凸状体を挟み、該凸状体を挟むことで、ウエハの中央部に対応する部分をウエハの外周部に対応する部分に比べて凸状にした研磨パッドでウエハを研磨することを特徴とする。
さらに、本発明の研磨方法は、研磨定盤との間に平坦なリング板状の弾性体を挟んで被着されたリング状の研磨パッドが対向する箇所で試料台に保持されたウエハに、該研磨パッドを押し当て、ウエハと研磨パッドの間に研磨スラリを供給し、試料台および研磨パッドを回転させると共にウエハを自転的に回転させることによりウエハを研磨する研磨方法であって、研磨定盤と弾性体との間、および／または、弾性体と研磨パッドとの間に、研磨の際の押圧により変形しないリング状であり、試料台および研磨パッドの回転によるウエハの中央部の軌跡に対応する部分の厚みが最も厚く、周縁部分の厚みが最も薄くしてある凸状体を挟み、該凸状体を挟むことで、ウエハの中央部の軌跡に対応する部分を周縁部分に比べて凸状にした研磨パッドでウエハを研磨することを特徴とする。
【００１４】
本発明の研磨装置および研磨方法では、研磨パッドの主にウエハの中央部に押し当てられる部分が主にウエハの外周部に押し当てられる部分に比べて凸状となるように、研磨定盤と弾性体の間および／または弾性体と研磨パッドの間に凸状体が挿入されている。そのため、研磨パッドがウエハに押し当てられるとき、弾性体を介して押し当て圧力のウエハ面内での分布がウエハ中央部が強くウエハ外周部が弱くなるように調整されて、ウエハを均一に研磨することができる。
【００１５】
研磨パッドの押し当て圧力のウエハ面内での分布を効果的に制御するには、凸状体は研磨の際の押圧により変形しないものを用いることが好ましい。
【００１６】
研磨定盤と弾性体の間に凸状体を挿入する場合、凸状体の形状が弾性体を介して研磨パッドの表面に伝えられるので、研磨パッドの押し当て圧力のウエハ面内での分布を微妙に制御することができる。
【００１７】
また、弾性体と研磨パッドの間に凸状体を挿入する場合、凸状体の形状により、研磨パッドの押し当て圧力のウエハ面内での分布を大きく変化させることができる。ただし、この場合は、研磨パッドの押し当て圧力のウエハ面内での分布は凸状体の形状により大きく変化するので、凸状体の形状を厳格に制御することが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の研磨装置を示す模式的縦断面図である。図７に示す従来の研磨装置と、弾性体１２と研磨定盤１３との間に凸状リング３１を挟んでいる点が異なっている。
【００２０】
研磨パッド１１は、研磨定盤１３との間に凸状リング３１および弾性体１２を挟んで、研磨定盤１３に被着されている。研磨パッドの内周部分が内周リング１６およびボルト１７で固定され、その外周部分が外周部に取り付けられた外周リング１４およびボルト１５で固定されている。
【００２１】
研磨パッド１１としては、例えばポリウレタンをベースにした不織布や独立発泡体タイプのバルク材などが用いられる。弾性体１２としては、例えばシリコンゴムなどが用いられる。
【００２２】
図７に示す従来の研磨装置と同じく、研磨定盤１３は回転軸Ａ−Ａ’を中心として、試料台２１は回転軸Ｂ−Ｂ’を中心として、試料台２１上に設けられたウエハ載置部２２は回転軸Ｃ−Ｃ’を中心として回転可能に構成されている。研磨スラリはスラリ供給孔１８から供給される。
【００２３】
図２は、凸状リング３１を示す模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は縦断面図である。研磨定盤に押し当てられる面が平坦で、弾性体を挟んで研磨パッドに押し当てられる面、すなわちリングの幅方向の内側が凸状の曲面形状をしている。この凸状リング３１は、例えばポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）やアクリル樹脂などで作製される。
【００２４】
この凸状リング３１の形状は、主にウエハの外周部に対応する最も薄い部分に比べて、主にウエハ中央部に対応する最も厚い部分の厚みが２０〜５００μｍ程度厚くなるようにすれば良い。
【００２５】
本発明の研磨装置を用いて例えばシリコンウエハを研磨する方法について、図１に基づき説明する。
【００２６】
(1) ウエハ載置部２２にウエハＳを載置する。
【００２７】
(2) 研磨定盤１３は回転軸Ａ−Ａ'を中心として回転（公転）、試料台２１は回転軸Ｂ−Ｂ'を中心として回転（公転）、試料台２１上に設けられたウエハ載置部２２は回転軸Ｃ−Ｃ'を中心として研磨パッド１１を回転（自転）させる。
【００２８】
(3) スラリ供給孔１８から研磨スラリを供給しつつ、研磨定盤１３を降下させて、研磨パッド１１をウエハＳに所定の研磨負荷を与えつつ押し当てて、ウエハＳの上面を研磨する。
【００２９】
この研磨方法によれば、研磨パッドがウエハに押し当てられるとき、弾性体を介して押し当て圧力のウエハ面内での分布がウエハ中央部が強くウエハ外周部が弱くなるように調整されるため、ウエハを均一に研磨することができる。
【００３０】
なお、凸状リング３１は研磨定盤１３と弾性体１２の間のみならず、弾性体１２と研磨パッド１１の間あるいはその両方に挿入しても良い。
【００３１】
図３は、凸状リング３１の別の例を示す模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は縦断面図である。内外径は少しずつ異なるリング状の平板３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを重ねて凸状リング３１を構成している。
【００３２】
複数枚の板から凸状リング３１を構成することにより、研磨条件や研磨レートウエハ面内の分布などに合わせて、研磨パッドの表面の形状を適宜調整し、好ましい研磨レートの分布を得ることができる。
【００３３】
なお、平坦なリング状の板を組み合わせて凸状リング３１を構成する場合、リング状の板の１枚の厚さは１００μｍ以下とし数枚程度と組み合わせることが好ましい。
【００３４】
図４は、本発明の研磨装置の別の例を示す模式的縦断面図である。この研磨装置は枚様式の装置である。
【００３５】
研磨パッド１１は、研磨定盤１３との間に凸状板３２および弾性体１２を挟み、その外周部分が取り付けられた外周リング１４をボルト１５で固定して、研磨定盤１３に被着されている。図５は、凸状板３２を示す模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は縦断面図である。
【００３６】
図４に示す研磨装置では、研磨定盤１３は回転軸Ａ−Ａ’を中心として、試料台２１は回転軸Ｂ−Ｂ’を中心として回転させ、スラリ供給孔１８から研磨スラリを供給しつつ、研磨定盤１３を降下させて、研磨パッド１１をウエハＳに所定の研磨負荷を与えてつつ押し当てて、ウエハＳの上面を研磨する。
【００３７】
図１に示す研磨装置と同様、研磨パッドがウエハに押し当てられるとき、ウエハ中央部の押し当て圧力が強くウエハ外周部の押し当て圧力が弱くなるように調整されるため、ウエハを均一に研磨することができる。
【００３８】
【実施例】
本発明の実施例について説明する。本実施例で用いた研磨装置は図１に示した研磨装置である。
【００３９】
凸状リング３１はポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）で作製し図２に示した形状とした。
【００４０】
研磨パッド１１は、発泡ポリウレタン製とした。弾性体１２はシリコンゴムで作製し、リング状の平坦な形状とした。
【００４１】
この研磨装置による研磨レートのウエハ面内の均一性を評価した。この評価は、８インチシリコンウエハ上に形成された熱酸化膜を研磨し、研磨レートをウエハ面内の各点で測定する方法によった。研磨スラリは、シリカ（ＳｉＯ₂）をＫＯＨ水溶液に懸濁させたものである。なお、比較例として、凸状リング３１を挿入せず弾性体１２のみを間に挟んで研磨パッド１１を研磨定盤１３に被着した研磨装置について同様の評価を行った。
【００４２】
図６は、研磨レートのウエハ半径方向での分布のグラフである。（ａ）は本発明の研磨装置（本発明例）の結果を示すグラフであり、（ｂ）は比較例の結果を示すグラフである。縦軸は研磨レートの平均値で規格化したものである。本発明例では、半径方向に均一な研磨レートの分布を得た。これに対して、従来例では、中心で遅く周縁部で速い研磨レートの分布であった。
【００４３】
この結果より、主にウエハの中央部に押し当てられる部分が主にウエハの外周部に押し当てられる部分に比べて凸状となるように研磨パッドを被着することにより、研磨レートのウエハ面内の均一性を改善できることを確認した。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の研磨装置および研磨方法によれば、研磨条件などにあわせて研磨パッドの形状を調整し、ウエハを均一性良く研磨することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の研磨装置を示す模式的縦断面図である。
【図２】図１の凸状リング３１の１例を示す模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は縦断面図である。
【図３】凸状リング３１の別の例を示す模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は縦断面図である。
【図４】本発明の研磨装置の別の例を示す模式的縦断面図である。この研磨装置は枚様式の装置である。
【図５】図４の凸状板３２の１例を示す模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は縦断面図である。
【図６】研磨レートのウエハ半径方向での分布のグラフである。（ａ）は本発明の研磨装置（本発明例）の結果を示すグラフであり、（ｂ）は比較例の結果を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、このウエハの研磨装置を示す模式的縦断面図であり、（ｂ）は、試料台を示す模式的平面図である。
【符号の説明】
１１研磨パッド
１２弾性体
１３研磨定盤
１４外周リング
１５ボルト
１６内周リング
１７ボルト
１８スラリ供給孔
２１試料台
２２ウエハ載置部
３１凸状リング
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄリング状の平板
３２凸状板
Ｓウエハ

Claims

試料台に保持されたウエハに、研磨定盤との間に弾性体を挟んで被着された研磨パッドを押し当て、ウエハと研磨パッドの間に研磨スラリを供給し、試料台および／または研磨パッドを回転させることによりウエハを研磨する研磨装置であって、
前記弾性体は、平坦な円板状であり、
研磨定盤と弾性体との間、および／または、弾性体と研磨パッドとの間に挟んであり、研磨の際の押圧により変形しない円形状の凸状体を備え、
該凸状体は、ウエハの中央部に対応する部分の厚みがウエハの外周部に対応する部分の厚みに比べて大きくしてあることを特徴とする研磨装置。
研磨定盤との間にリング板状の弾性体を挟んで被着されたリング状の研磨パッドが対向する箇所で試料台に保持されたウエハに、該研磨パッドを押し当て、ウエハと研磨パッドの間に研磨スラリを供給し、試料台および研磨パッドを回転させると共にウエハを自転的に回転させることによりウエハを研磨する研磨装置であって、
前記弾性体は、平坦であり、
研磨定盤と弾性体との間、および／または、弾性体と研磨パッドとの間に挟んであり、研磨の際の押圧により変形しないリング状の凸状体を備え、
該凸状体は、試料台および研磨パッドの回転によるウエハの中央部の軌跡に対応する部分の厚みが最も厚く、周縁部分の厚みが最も薄くしてあることを特徴とする研磨装置。
試料台に保持されたウエハに、研磨定盤との間に平坦な円板状の弾性体を挟んで被着された研磨パッドを押し当て、ウエハと研磨パッドの間に研磨スラリを供給し、試料台および／または研磨パッドを回転させることによりウエハを研磨する研磨方法であって、
研磨定盤と弾性体との間、および／または、弾性体と研磨パッドとの間に、研磨の際の押圧により変形しない円形状であり、ウエハの中央部に対応する部分の厚みがウエハの外周部に対応する部分の厚みに比べて大きくしてある凸状体を挟み、
該凸状体を挟むことで、ウエハの中央部に対応する部分をウエハの外周部に対応する部分に比べて凸状にした研磨パッドでウエハを研磨することを特徴とする研磨方法。
研磨定盤との間に平坦なリング板状の弾性体を挟んで被着されたリング状の研磨パッドが対向する箇所で試料台に保持されたウエハに、該研磨パッドを押し当て、ウエハと研磨パッドの間に研磨スラリを供給し、試料台および研磨パッドを回転させると共にウエハを自転的に回転させることによりウエハを研磨する研磨方法であって、
研磨定盤と弾性体との間、および／または、弾性体と研磨パッドとの間に、研磨の際の押圧により変形しないリング状であり、試料台および研磨パッドの回転によるウエハの中央部の軌跡に対応する部分の厚みが最も厚く、周縁部分の厚みが最も薄くしてある凸状体を挟み、
該凸状体を挟むことで、ウエハの中央部の軌跡に対応する部分を周縁部分に比べて凸状にした研磨パッドでウエハを研磨することを特徴とする研磨方法。