JP3847500B2

JP3847500B2 - 半導体ウェハ平坦化加工方法および平坦化加工装置

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Publication number: JP3847500B2
Application number: JP28768299A
Authority: JP
Inventors: 感安井; 創一片桐; 雅彦佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2019-10-08
Also published as: JP2001110763A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路の製造工程で用いる研磨加工を用いたウェハ表面パターンの平坦化技術において、加工効率の高さとウェハ全面にわたる加工量の均一性を両立するための平坦化加工方法および装置に関する。
【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、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２、図３を用いて説明する。
【０００３】
図２（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にホールが開けられているので、配線層のその部分３’は多少へこんでいる。図２（ｂ）に示す二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に露光用ホトレジスト層６を付着する。次に図２（ｃ）に示すようにステッパ７を用いて回路パターンを上記ホトレジスト６上に露光転写する。この場合、ホトレジスト層６の表面の凹部と凸部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】
上記の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行われる。図３（ａ）の一層目の処理工程の次に、図３（ｂ）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３（ｃ）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３（ｄ）のようにステッパで露光する。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４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ＣＭＰ（化学機械研磨）加工法を示す。研磨パッド１１を定盤上１２に貼り付けて回転させておく。この研磨パッドとしては、例えば発砲ウレタン樹脂を薄いシート状にスライスして形成したもので、その材質や微細な表面構造を種々選択して使い分ける。他方、加工すべきウェハ１は弾性のあるバッキングパッド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を回転させながら研磨パッド１１表面に荷重し、さらに研磨パッド１１の上に研磨スラリ１５を供給することによりウェハ表面の絶縁膜４の凸部が研磨除去され、平坦化される。
【０００６】
また国際公開番号ＷＯ９７／１０６１３号公報に示されるウェハ平坦化加工技術として、砥石を用いた平坦化技術がある。図５に、砥石を用いた平坦化加工方法を示す。基本的な装置の構成は研磨パッドを用いるＣＭＰ（化学機械研磨）研磨技術と同様であるが、研磨パッドの代わりに回転する定盤１２上に酸化セリウム等からなる砥粒を含む砥石１０を取り付ける点が異なる。また加工液１８としてフュームドシリカ等の代わりに、砥粒を含まない純水を供給するだけでも加工が可能である。この砥石を研磨加工具として用いる方法は、パターン段差を平坦化する能力に優れており、従来難しかった数mm幅以上のパターンを完全に平坦化することが可能である。砥粒の利用効率が低く高価な研磨スラリの代わりに、砥粒の利用効率の高い砥石を用いることでコストも低下する。
【０００７】
図６には、ウェハホルダ１４の断面図を示す。ウェハホルダ１４は、ウェハを保持しつつ加工具に対して均一な圧力でウェハを押し付けられるように種々の構造が工夫され採用されている。その構造に多少の違いはあるものの、上記ＣＭＰ技術および砥石を用いた平坦化技術において同様に用いられ、ウェハ面内で均一な加工量を得るためには最も重要な要素である。大別すると、剛体に貼り付けた多孔質で弾性のあるバッキングパッドを用いる方式と、図６に示したウェハの背面を空気や水のような流体で加圧する方式とに分けられる。図６のホルダは、流体として空気を流入口２８からチャンバー２７に出入りさせ、弾性のあるメンブレン２６を介してウェハ１に均一な圧力を加える。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
デバイスパターンの平坦化工程で製品の歩留まりを低下させる原因として、ウェハ面内で加工量の均一性の不足が挙げられる。
【０００９】
ウェハ表面に多数形成されたチップ毎に、平坦化のために除去する膜厚は同じであることが望ましい。除去膜厚のバラツキ幅は、ウェハ上の所定の点数について加工前後の膜厚差を測定して求める。通常は、測定データの標準偏差（σ）または最大値と最小値の幅を、平均の除去膜厚に対するパーセンテージで表し、ウェハ面内均一性と呼ぶ。１σで５％以下、好ましくは３％以下の面内均一性が量産においては必要となる。以下に示すように、ウェハ端部も含めてこれを達成することは難しい。
【００１０】
図７に、例としてウェハ面内での除去膜厚分布を示す。横軸はウェハ直径位置、縦軸は除去膜厚を表す。図のように、除去膜厚はウェハのエッジ部分で異常を示しやすい。これはエッジではウェハにかかる力が原理的に不連続となるためで、この研磨量異常を完全に無くすことは困難である。このため通常は、エッジ部分からある程度の領域を除いたことを示した上で、面内均一性を算出している。従来、このエッジ除外部分（エッジエクスクルージョン）はウェハ端から５mm、よい条件でも３mm程度が必要で、ウェハ周辺チップの歩留まり低下の要因となっていた。
【００１１】
歩留まり向上のためにはさらに均一性を向上する必要があるが、以下のような理由からその向上が困難になりつつある。
【００１２】
まず第１に、平坦化性能とのトレードオフによる影響がある。一般に、均一性を向上するためには研磨パッドや砥石といった加工工具の弾性率を低下させる方法が、確実に効果を得られる。弾性率の低下によって、ウェハと加工工具に凹凸があっても両者がほぼ近い圧力で接触するためである。しかし、弾性率が低下するとウェハ表面パターンの凹部も凸部も均等に接触、除去するようになり、パターンを平坦化する本来の機能も低下する。平坦化性能と均一性は、原理的にトレードオフの関係にある。近年、高い平坦化性能を必要とする浅溝素子分離技術の導入や、大パターンを含むメモリとロジックを混載するシステムＬＳＩの需要増から、より高い平坦化性能が必要になりつつある。このためより弾性率の高い、均一性に劣る加工工具が使用される傾向にある。このことが、今後の均一性の向上を困難にする要因の一つである。
【００１３】
次に、加工の高効率化による影響がある。一般に、スループットを増加させるため、なるべく平坦化加工の効率がよい、すなわち研磨レートが高い条件で加工を行うことが望ましい。研磨パッドや砥石を用いた研磨加工では、研磨レートは加工圧力と摺動速度（ウェハと加工具の相対速度）に近似的に比例する。この内、摺動速度の増加は、ウェハと加工具との間でハイドロプレーニング様の状態が発生する速度が限界で、これ以上では研磨レートは上昇しないばかりか、低下する場合もある。加工圧力の増加は有効であるが、摩擦力の増加を伴うために、ウェハエッジでの加工量分布の異常を招きやすい。ウェハ表面と加工具との間の摩擦力が増加すると、ウェハの裏面を吸着、保持しているバッキングパッドが摩擦力に十分対抗できなくなり、ウェハ端部が、外周部のリテーナリングに強く接触するようになる。このように、ウェハ裏面の接触部が、摩擦に対してウェハを保持する力の不足分を、ウェハを囲むリテーナリングが担うことでウェハの脱落を防いでいる。加工圧力を増加し、リテーナリングとウェハ外周が強く接触するようになればなるほど、ウェハエッジには内部と異なる力が働き、エッジでの加工量分布が異常となる。こうして加工の高効率化が、均一性の低下に結びついていく。
【００１４】
さらに、ウェハサイズのトレンドとの関係がある。ウェハのサイズは、チップ当たりの製造コスト低減のため、年々大型化している。現在は直径が１５０mmから２００mmが主流であるが、近い将来に３００mmが導入される予定である。ウェハが大型化すると、エッジでの均一性を保つことはより難しくなる。その理由は、ウェハと加工工具間に働く摩擦力の大きさがウェハの面積に比例することに対し、リテーナリングがウェハエッジを支える力はウェハの周長に比例するためである。ウェハの面積と周長の比はウェハ径によって変わり、大型のウェハでは面積に比例する摩擦力がより優勢となる。このためウェハエッジを支えるリテーナリングの負担はより増大し、ウェハエッジでの加工量分布の異常は、より深刻な問題となる。
【００１５】
以上で示した、平坦化性能の向上、加工の高効率化、ウェハサイズの増大の影響により、ウェハ面内均一性の向上は、より解決の難しい課題となっている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、従来は主としてウェハホルダ構造の改良が行われてきたが、もはや限界に近づいている。この課題を解決するためには、原理的に均一性悪化の原因となっている摩擦力をウェハ外周で支える仕組みを取り除けばよい。そのためには、ウェハに対して、同時に独立な方向に運動可能な複数の加工具を作用させ、生じる摩擦力をウェハ面内で相殺させればよい。これにより、ウェハ外周部が摩擦力を受ける割合が低下し、ウェハ面内での加工量分布の均一性向上が可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下、本発明の第１の実施例を説明する。装置の全体図を図８に示す。装置は、研磨加工具１６と、研磨加工具が接着され回転運動を行う研磨定盤１２、ウェハホルダ１４、ウェハホルダを動かすアーム１７、加工液供給部２０からなる。ウェハホルダ１４はアームに内蔵された図示しないモーターにより回転運動を行う。アーム１７はモーター３９によって旋回する。研磨定盤１２は、モーター３６により回転する。ツルーイングユニット３５は、回転するダイヤモンド砥石等の研削加工具を備え、研磨加工具１６の表面形状を適宜修正する。ブラシアーム２２に支持、揺動されるブラシ２１は、研磨加工具表面のコンディショニングを行う。ウェハ１は、ウェハロード・アンロード部３７から移載ロボット３８によりウェハホルダ１４へ受け渡しされる。
【００１８】
図１に、研磨加工具１６と主要な部分からなる基本的構成を示す。ウェハホルダ１４は直径２００mmのウェハ１の表面を下に向けてウェハを保持する。加工中のウェハ１は、ウェハホルダ１４により裏面を均等に加圧されて研磨加工具１６に押し当てられる。
【００１９】
図９は研磨加工具１６を上から見た図で、研磨加工具１６およびウェハホルダ１４の運動方向を図示する。研磨加工具１６は、同心円状に配置した３つのリング形状の砥石３０からなる。隣り合う砥石は、同一の角速度で互いに逆方向に回転する。各々の砥石とウェハ表面間には摩擦力が発生するが、隣接する砥石同士が逆向きに回転し、ウェハとの摩擦力もそれぞれ逆方向となるため、ウェハ全体では大部分の摩擦力が相殺される。従って、ウェハ裏面とウェハホルダの間には大きな摩擦力は働かず、ウェハ周辺の加工量分布の異常が抑制できる。
【００２０】
加工中、ウェハ１は砥石３０の回転数２０rpmに対して６０rpmの回転数で強制的に回転させた。このときのウェハと砥石間の相対速度は、図１０のＢに示すように、研磨レートが速度に強く依存しない領域にある。このため、３つの内、１つのリング砥石はウェハと逆方向に回転し相対速度は砥石の外周ほど速くなるが、そのための加工量分布の不均一さは無視できるほど小さい。また、リング砥石の数は３つに限らず、複数であれば摩擦力を相殺するため効果が得られる。研磨加工具（ここではリング砥石）が等幅の場合、ウェハに同時に作用する研磨加工具の数は奇数である方が、ウェハの回転モーメントが最小となるために好ましい。
【００２１】
図１１には、従来方式による加工量分布のプロファイルと、本実施例による加工量分布のプロファイルを並べて示した。図の横軸は、ウェハ直径位置で、縦軸は加工量を表す。図１１（ａ）の従来方式の結果からは、摩擦力を受け止めるウェハの最外周の加工量が異常に多いことがわかる。また、外周より２０mm内側にもその影響がおよび、加工量の異常な極大が見られる。これに対して、図１１（ｂ）の本発明の場合は、摩擦力をウェハ面内でキャンセルしたために、最外周および２０mm内側の何れにおいても異常な過研磨が抑制できている。
【００２２】
なお、ここでは研磨加工具として平均粒径０．３μmの高純度酸化セリウム砥粒を熱硬化性の樹脂でバインドした砥石を用いた。ウェハ上の加工対象膜は層間絶縁膜に用いるＳｉＯ₂膜（ｐ−ＴＥＯＳ膜）である。砥石を用いる場合、加工液としては砥粒を含まない純水のみで加工が可能である。あるいは加工液として、加工を促進する添加剤を純水に加えてもよい。また、砥粒を含むスラリを用いても加工が可能である。
【００２３】
研磨加工具としてここでは砥石を用いたが、発泡ポリウレタン等の樹脂からなる研磨パッドを用い、加工液にシリカ（ＳｉＯ₂）または酸化セリウム、アルミナ等の微細砥粒を含むスラリを用いてもよい。この場合には加工量の均一性がさらに向上可能となる。
【００２４】
（実施例２）
次に、本発明の第２の実施例として、研磨加工具にベルト状研磨パッドを用いた例を示す。図１２は装置の基本的構成で、ベルト状研磨パッド２３と、ベルトを駆動するドラム２４、ウェハホルダ１４、ウェハホルダを揺動するアーム（図示せず）、加工液供給ユニット２０からなる。ウェハホルダ１４は、ウェハを保持し均等に加圧するとともに、回転運動を行う。ウェハホルダ１４は、ベルトの運動方向と垂直に揺動する。基本的なウェハホルダ１４の構造と機能は、図６に示した上記第１の実施例と同様である。ベルト研磨パッド２３上には、加工液供給部からシリカ砥粒（ＩＬＤ１３００、ロデール製）を含むスラリ１５を滴下した。研磨パッドは、一般的な発泡ポリウレタン製のＩＣ１０００（ロデール製）を用いた。
【００２５】
半導体ウェハのベルト式研磨装置は特開平８−５２６５２に公開されている。ベルト式は回転式に比べて相対速度を高くとれるため、研磨レートの高速化と平坦化性能の向上が可能で、装置サイズもコンパクトであるという特徴を持つ。しかし、回転式と同様に従来技術の項で示した理由により、摩擦力をウェハ外周で受け止めざるを得ず、これに起因するウェハ端の加工量分布の異常が課題であった。
【００２６】
本発明を適用して改良したベルト状研磨パッドの運動方向を、図１２に３本の矢印で示した。ベルト状研磨パッド２３は３つのベルト状研磨パッドから構成され、互いに隣り合うベルトは逆方向に運動する。押し付けられたウェハ１に働く摩擦力はそれぞれ逆方向となるために、ウェハ面内で大部分が相殺する。その結果、ウェハ全体にかかる摩擦力の総和は小さくなり、ウェハエッジがホルダに過剰に押し付けられて発生するウェハ端部の過研磨が防止できる。ベルトの数は、摩擦力の方向を逆向きにするためだけであれば、最低２本でよいが、その場合には左右の摩擦力によってウェハを回転させるモーメントが働く。その結果、ウェハからウェハホルダに対してねじれの力が働き、ウェハに均一な加圧力を加えることが難しくなる。よって、ベルトの本数は３本以上が望ましい。それぞれ等幅のベルトを用いる場合には、同時に奇数本のベルトをウェハに作用させると回転モーメントがキャンセルできるため好ましい。
【００２７】
ここでは研磨加工具にベルト式の研磨パッドを用いたが、研磨パッドの代わりに、砥石を用いることも可能である。例えば、特開平１０−３３５２７６に示される様に、樹脂シート上に一片が５〜２０mmのセグメントに分割した砥石を敷き詰めた砥石シートを用いて、これをベルト状に加工して使用すれば、スラリが不要で、かつ平坦化性能がよい加工が可能になる。
【００２８】
（実施例３）
次に、本発明の第３の実施例として、研磨加工具に同時に作用する複数の回転砥石を用いた例を示す。装置の基本的構成は第１の実施例と類似であるため省略する。第１の実施例と異なる点は、研磨加工具が、図１３に示す各々独立に回転可能な複数の砥石３１からなることである。
【００２９】
各々の砥石は、第１の実施例と同様の酸化セリウム砥粒を樹脂でバインドした砥石を用いた。ここでは加工対象膜がｐ−ＴＥＯＳ膜（ＳｉＯ₂）であるため、酸化セリウム砥粒を用いた。小型砥石３１の直径は１５０mmと９０mmであり、ウェハ径２００mmよりも小さい。これら小型砥石は、中心軸が回転定盤上に固定されており、各々、公転する回転定盤１２の上で自転する。
【００３０】
ウェハ１はウェハホルダ１４に保持されて自転する。ここで、定盤、小型砥石、ウェハホルダの３者の回転数の組み合わせは、ウェハと砥石間の相対速度がほぼ等しくなるような組み合わせを選んだ。実用に適した組み合わせには２種類ある。
【００３１】
１つは、定盤と小型砥石を逆向きに、絶対値が同じかほぼ等しい回転数で回転させ、ウェハは両者に比べ遥かに遅い回転数とする組み合わせである。例えば、定盤の回転数が２０rpm、小型砥石は何れも逆回転で２３rpm、ウェハホルダは３rpmの回転数とすればよい。
【００３２】
２つめの組み合わせは、ウェハホルダと小型砥石を同じ向きでほぼ等しい回転数とし、定盤を遥かに遅い回転数とする組み合わせである。例えば、定盤の回転数が３rpm、小型砥石とウェハホルダは同じ向きにそれぞれ６０rpm、７０rpmの回転数とすればよい。
【００３３】
何れの例においても、各砥石とウェハの相対速度は至る所で数％以下の誤差でほぼ等しくなる。２者の回転数が完全に一致すると、理論上は相対速度が至るところ等しくなるため好ましいといえるが、局所的には砥石の同じ部分が常にウェハの同じ部分に接する軌跡を通る可能性があり、砥石自体の不均一や溝の影響による不均一が強調され、好ましくない。これを解決するには、両者の回転数を５〜２５％程度ずらせばよい。また残りの１つを他より遥かに遅く、または速く回転させることも効果がある。
【００３４】
加えて、回転数が、図１０のＡに示す研磨レートと相対速度がほぼ比例する領域ではなく、Ｂに示す回転数（相対速度）の変化に対して研磨レートの変化が緩やかな領域にあれば、たとえウェハ面内で相対速度に差があっても、研磨レートへの速度依存が緩和されている分だけ加工量分布に与える影響が小さくなり、実用上は無視できる。
【００３５】
以上の理由により、ウェハ上の加工量分布はウェハ内部でもエッジにおいても均一となる。なお、定盤、小型砥石、ウェハホルダの回転数の組み合わせは上記の数値のみに限らず、ウェハと加工具との相対速度の分布を考えて、研磨レートがウェハ全面でほぼ一定となる他の回転数の組み合わせを用いてもよい。
【００３６】
ここで、上記第１から第３の実施例において研磨加工具に砥石を用いた場合、砥石としては酸化セリウム砥粒を樹脂でバインドしたものとしたが、砥粒は酸化セリウム（ＣｅＯ₂）に限らず、シリカ（ＳｉＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、チタニア（ＴｉＯ₂）などの酸化物砥粒および、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）などの炭化物、窒化物砥粒、ＢａＣＯ₃などの無機塩類、ポリスチレン粒子などのポリマー砥粒を用いてもよい。あらかじめ砥粒を含有する砥石を用いると、加工液としてスラリに代えて、純水、または純水に添加剤を加えた液体だけでも加工が可能となる。
【００３７】
また第１から第３の実施例において、研磨加工具に砥石ではなく、砥粒を含まない発泡ポリウレタン等の樹脂からなる研磨パッドを用いた場合は、加工液として上記の砥粒を液体中に分散させ、必要に応じて界面活性剤などの添加剤を加えたスラリを用いてもよい。
【００３８】
以下では、本発明が特に有効となる場合について述べる。図６にはウェハホルダの構造が示されている。このウェハホルダは、ウェハ裏面を空気圧で押す構造になっており、これによりウェハに垂直な方向には全面均等に圧力が加わる。一方、加工中のウェハ１は研磨加工具とウェハの間に働く摩擦力があるため、ウェハに平行な方向にも力が加わっている。
【００３９】
この摩擦力に対抗してウェハをホルダ内に留めておく力は、ウェハ裏面とウェハホルダ間に働く摩擦力と、ウェハ端を外周から支えるリテーナリング２５の抗力である。さらに詳しく見ると、ウェハ裏面とウェハホルダ間に働く摩擦力は、図６のウェハホルダに代表される流体加圧方式のホルダでは、表面の弾性体メンブレン２６を張っている外周部が支えている。
【００４０】
結局、ウェハと研磨加工具間の摩擦力とつりあう力は、ウェハホルダ外周の弾性体メンブレン支持部にかかる力と、リテーナリングがウェハ外周を支える抗力の和になる。ここでウェハが大径化すると、摩擦力の総和はウェハの面積、すなわち半径の２乗に比例して増加するが、それを支える弾性メンブレンの支持力とリテーナリングの抗力はウェハ外周の長さ、すなわち半径の１乗にしか比例しないため、外周の弾性メンブレン支持部とリテーナリングが受ける単位長さあたりの力は、ウェハ径の増加に比例して増加する。よってウェハ大径化に伴い、ホルダ外周の弾性メンブレン支持部にはより強い力が働き変形し易くなる。ウェハエッジは、弾性メンブレンの異常変形と、リテーナリングとの接触により強い力がかかり易くなる。結果として、ウェハの大径化は、エッジ加工量分布の異常をより促進する。
【００４１】
図１４には、ウェハ径と加工量の均一性（最大最小差を平均値の２倍で割った値）の関係を、従来技術および本発明（実施例１）について示した。従来技術では、ウェハが大径化するに従い、ウェハエッジでの加工量分布異常により均一性の値が悪化し、特にウェハ径が２００mmを超えた場合に悪化が顕著である。これに対して本発明を適用することにより格別の効果が得られることがわかる。
【００４２】
次に図１５には、加工圧力を横軸に取り、従来技術および本発明（実施例１）において同様のウェハホルダを用いた場合の加工量の均一性を示した。従来技術では、加工圧力を１５０ｇ／ｃｍ²以上に増加すると、摩擦力も増加するために、上述の理由から均一性が悪化していた。これに対して本発明を適用すると、より高い加工圧力においても均一な加工を行うことができた。結果として、より高い研磨レートを得られた。
【００４３】
図１６には、ウェハ表面と研磨加工具との間の摩擦係数を横軸に取り、従来技術および本発明（実施例１）において同様のウェハホルダを用いた場合の加工量の均一性を示した。摩擦係数は、ウェハホルダ１４を支えるアーム１７に歪みゲージを取り付け、その出力から求めた摩擦力と、設定荷重の値より知ることができる。摩擦係数は、主に研磨パッドや砥石がドレッシング直後のフレッシュな状態か、ウェハ加工に用い既に摩耗・不活性化した状態かどうか、溝の形状、あるいは砥粒の種類の違い等、種々のパラメーターに左右される。概して研磨レートが高い状態ほど、摩擦係数も高い。
【００４４】
図１６からわかるように、摩擦係数が０．４を超えると次第に均一性が悪化し、従来技術では０．５を超えると、ウェハエッジの異常研磨が量産に適用できない状態まで悪化していた。これに対し、本発明を適用した場合、摩擦係数０．６においても実用的な均一性が得られた。
【００４５】
次に、加工に用いる砥粒が酸化セリウムである場合に、本発明を適用して効果が得られた例について説明する。研磨加工具としては、ＣＭＰにおいて一般的な研磨パッドＩＣ１４００（ロデール製）を用いた。スラリとして、シリカ砥粒のＩＬＤ１３００（ロデール製）と、酸化セリウム砥粒（平均粒径０．３μm）を純水に分散させたスラリを比較した。研磨装置は実施例１のものを用いた。
【００４６】
従来方式として、図１の装置において全ての研磨パッドを同一方向のみに回転させた場合、シリカ砥粒のスラリではウェハ面内均一性（最大最小値の差を平均の２倍で割った値）は３〜６％（１０枚加工）の範囲にあった。これに対し、酸化セリウム砥粒のスラリを用いると、ウェハエッジで異常研磨が発生し、同一条件でウェハ面内均一性は７〜２０％へ悪化した。これに対して本発明の方法して、隣り合うリング状研磨パッドを互いに逆向きに回転させたところ、酸化セリウム研磨においてもウェハ面内均一性３〜８％を得ることができた。また、研磨レートはシリカスラリ７０nm／minに対し、酸化セリウムでは２００nm／minに増加した。
【００４７】
さらに上記の装置を適用した半導体装置の製造工程について、図１７を用いて説明する。図１７は、ウェハ基板にトランジスタ等を形成する前の、素子分離工程である。図１７（ａ）は、ウェハ基板１に浅溝５０をドライエッチングにより形成した段階である。後に素子を形成するアクティブ領域５３は、窒化膜５１により保護している。この後、ウェハ全面に二酸化珪素の絶縁膜２を堆積し、浅溝５０に絶縁膜２を埋め込んだ状態が図１７（ｂ）である。ここで上記本発明の装置を適用し、図１７（ｂ）中の５４の位置まで平坦化し、浅溝５０部分以外の余分な絶縁膜２を除去すると、図１７（ｃ）の状態になる。その後、窒化膜５１を除去し、素子形成領域５３にトランジスタ５２等の素子を形成した状態が図１７（ｄ）である。浅溝５０中の絶縁膜２の表面は、その後形成する素子の性能を損なわないために高度な平坦性と無欠陥性が要求される。また、各チップ毎に研磨、除去する絶縁膜２の厚みのバラツキも±数十nm程度と許容範囲が狭く、ウェハ面内での加工量には高い均一性が要求される。本発明はこのような工程に実施して優れた効果を発揮するものである。
【００４８】
この他、従来技術の項で説明した配線層間の絶縁膜の平坦化工程、あるいは特開昭６４−５５８４５に開示されている埋め込み導電膜の形成（ダマシン法）においても、同じ理由から本発明を適用することで上記と同様の効果が得られる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明を適用することにより、半導体ウェハ表面に形成されたデバイスパターンの平坦化工程において、ウェハと研磨加工具間に働く摩擦力の一部または全てを、ウェハ面内で相殺することができる。摩擦力が相殺可能であるために、以下のような効果が得られる。
【００５０】
まず、摩擦力に起因するウェハエッジでの加工量分布の異常が解消され、ウェハ面内の均一性が向上する。その結果、製品歩留まりが向上し、低コストな半導体装置の製造が可能となる。また、平坦化能力や研磨レートに優れるが、加工量の均一性が悪化しやすい砥石および高硬度の研磨パッドを適用してもなお均一性に優れる加工を行うことができる。
【００５１】
また、従来より高い摩擦力が発生しても、高い均一性は保たれるため、以下の効果が得られる。まず、周辺に異常な力がかかりやすい直径２００mm以上の大径のウェハを用いても、ウェハ周辺の加工量分布異常を抑制できる。これはウェハホルダ等に特別な工夫なしに実現可能のため、低コスト化が可能である。また、高い摩擦力が直接装置にかからないため、装置剛性の余裕が増し、装置を小型、軽量化できる。クリーンルームには高い設置コストがかかるため、装置小型化、軽量化は半導体装置の製造コスト低減に大きく貢献する。
【００５２】
加工対象の膜がＢＰＳＧ膜、ｐ−ＴＥＯＳ膜、熱酸化膜などのＳｉＯ₂膜である場合には、特開平１１−１８１４０３号に開示されるように、研磨砥粒として酸化セリウムを用いることで、他の砥粒に比べ速い研磨レートが得られる。その反面、研磨加工具とＳｉＯ₂膜との摩擦力が非常に大きいために、均一性の悪化、研磨装置への過負荷、異音発生等、種々の問題が発生するが、本発明を適用すれば、摩擦力に起因する問題を取り除くことが可能であり、酸化セリウムの高研磨レート、低欠陥発生という特徴を保ったまま、高い摩擦力による均一性の悪化、装置の過負荷、異音発生などを低減できる。なお、酸化セリウム砥粒を用いる実施形態は、スラリとして研磨パッドと併用しても、あるいは砥粒を含有する砥石として用いても、上記の効果が得られる。
【００５３】
さらに、ウェハ加工圧力を高くできることと、研磨レートが高い酸化セリウム砥粒を容易に使用できるため、スループットを向上させられる。
【００５４】
また、ウェハを保持するウェハホルダには、摩擦力による大きな負荷がかからないため、ウェハホルダと付随するバッキングパッド、リテーナ等の消耗部品を長寿命化できる。
【００５５】
加工対象膜が銅、または銅を主成分とする金属膜の場合においては、加工液が酸化剤、エッチング剤、防食剤を含み、研磨加工に占める化学的効果の割合が大きい。このため、ウェハと研磨加工具との摩擦も大きく、これによる加工量のウェハ面内均一性の悪化や、装置負荷の増大による異音・振動発生等の問題が生じやすい。この場合にも、本発明を適用することで摩擦力の影響を低減し、より均一な加工を行うことが可能になり、半導体装置の高性能化、低コスト化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の基本的装置構成を示す斜視図。
【図２】平坦化加工を行わない場合の配線工程を説明する断面図。
【図３】平坦化加工を行う場合の配線工程を説明する断面図。
【図４】化学機械研磨装置の基本構成を示す正面図。
【図５】砥石を用いた平坦化加工装置の基本構成を示す斜視図。
【図６】流体加圧式ウェハホルダの断面図。
【図７】ウェハ面内での除去膜厚分布の例を示したグラフ。
【図８】本発明の実施例１の装置の全体構成を示す斜視図。
【図９】同心円状に配置した研磨加工具の形状および運動方向の説明図。
【図１０】ウェハ−砥石間の相対速度と研磨レートの関係を示した図。
【図１１】本発明の実施例と従来例での加工量分布のプロファイルを示したグラフ。
【図１２】ベルト状研磨パッドを用いた実施例の基本構成を示す斜視図。
【図１３】本発明の実施例において用いた各々独立に回転可能な複数の砥石からなる研磨加工具の平面図。
【図１４】本発明の実施例と従来例でのウェハ径と加工量の均一性の関係を示した図。
【図１５】本発明の実施例と従来例での加工圧力と加工量の均一性の関係を示した図。
【図１６】本発明の実施例と従来例での摩擦係数と加工量の均一性の関係を示した図。
【図１７】半導体製造プロセスの素子分離工程を説明する断面図。
【符号の説明】
１…ウェハ基板、２，４…絶縁膜、３…配線層、５…金属アルミ層、６…ホトレジスト層、７…ステッパ、８…レジスト層の凸部、９…平坦化の目標レベル、１０…砥石、１１…研磨パッド、１２…研磨定盤、１３…バッキングパッド、１４…ウェハホルダ、１５…研磨スラリ、１６…研磨加工具、１７…アーム、１８…加工液、２０…加工液供給部、２１…ブラシ、２２…ブラシアーム、２３…ベルト状研磨パッド、２４…ドラム、２５…リテーナ、２６…メンブレン、２７…チャンバー、２８…流体口、３０…リング状砥石、３１…小径砥石、３５…ツルーイングユニット、３６…定盤駆動モーター、３７…ウェハロード・アンロード部、３８…移載ロボット、３９…アーム旋回モーター、５０…浅溝、５１…窒化膜、５２…トランジスタ、５３…素子形成領域、５４…埋め込み絶縁膜の平坦化レベル

Claims

半導体基板の表面にパターンを形成した半導体ウェハに研磨加工具を押し付け前記半導体ウェハと前記研磨加工具を相対運動させ平坦化する工程において、
上記半導体ウェハをウェハ保持具に保持し、
酸化セリウム砥粒と前記砥粒を結合するための物質からなる円形またはリング形状の複数の砥石が同心円状に配置されて構成された研磨加工具上に前記ウェハ保持具に保持されたウェハを押し当て、
当該複数の砥石を、角速度が同じで、かつ隣り合う砥石について互いに逆方向に回転させ、
上記半導体ウェハの表面には少なくとも２つ以上の上記同心円状の砥石が接触するようにして平坦化研磨を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
上記半導体ウェハについて、その直径が２００mm以上であることを特徴とする上記請求項１記載の半導体ウェハ平坦化加工方法。
上記半導体ウェハを研磨加工具へ押しつける圧力が１５０ｇ／ｃｍ²以上であることを特徴とする上記請求項１記載の半導体ウェハ平坦化加工方法。
表面にパターンを形成した半導体ウェハに研磨加工具を押し付け前記半導体ウェハと前記研磨加工具を相対運動させ、上記パターンを平坦化する装置において、
同心円状に配置され、酸化セリウム砥粒と前記砥粒を結合するための物質からなる円形またはリング形状の複数の砥石により構成される研磨加工具と、
当該複数の砥石が装着される研磨定盤と、
該研磨定盤を回転させるためのモーターと、
前記半導体ウェハを保持し、該保持された半導体ウェハが前記同心円状の砥石に対して少なくとも２つ以上接触するように、当該半導体ウェハを前記研磨加工具に押し当てる保持具とを備え、
前記複数の砥石は、互いに角速度が同じで、かつ隣り合う砥石が互いに逆方向に回転することを特徴とする半導体ウェハの平坦化加工装置。