JP3897030B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、化学的機械研磨工程を有する半導体装置の製造方法に関する。特に本発明は、化学的機械研磨後の半導体基板の表面に残留する異物の量を少なくすることができる半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の製造方法において、シリコン基板上に形成された被研磨層（例えば層間絶縁膜）を化学的機械研磨（ＣＭＰ）により研磨する場合がある。
図４の各図は、被研磨層を化学的機械研磨する従来の工程を説明する図である。まず図４（Ａ）に示すように、キャリア１３０を用いてシリコン基板１００を、プラテン１１０上に固定された発泡ポリウレタン性の研磨パッド１２０の表面に押し当てる。このときの押付圧力は例えば３．０ｐｓｉである。また回転軸１１２を中心にプラテン１１０及び研磨パッド１２０を回転させると共に、回転軸１３８を中心にキャリア１３０を回転させる。そして研磨スラリー供給ノズル１２２から研磨スラリーを、研磨パッド１２０表面の回転中心付近に供給する。これによりシリコン基板１００上に形成された被研磨層は化学的機械研磨される。

このときダイヤモンド砥粒を有するコンディショナー１４０が研磨パッド１２０の表面に擦接し、研磨パッド１２０の表面に付着している研磨くずを除去すると共に、研磨パッド１２０の表面に微小な凹凸を形成して研磨が効率よく行われるようにする。なおコンディショナー１４０は自転すると同時に研磨パッド１２０の径方向に沿って往復移動することにより、前記した処理を行っている。

所定の厚さほど被研磨層を研磨したら、図４（Ｂ）に示すように研磨スラリーの供給を終了し、シリコン基板を洗浄して研磨スラリー及び研磨くずを除去する。具体的には研磨パッド１２０からコンディショナー１４０を離す。そしてプラテン１１０及びキャリア１３０を回転させたまま、純水供給ノズル１２４から純水を研磨パッド１２０表面の回転中心付近に供給する。このときの研磨パッド１２０に対するシリコン基板１００の押付圧力は、シリコン基板１００の被研磨層を研磨しないように、シリコン基板１００が研磨パッド１２０から浮かない程度にする（例えば０．５ｐｓｉ）。これに類似する技術は、例えば特許文献１に記載されている。
特開平７−１３０６９０号公報（図７、第１０段落乃至第１２段落）

研磨後の半導体基板（例えばシリコン基板）に研磨スラリーや研磨くず等の異物が残留していると、被研磨層の上に形成される層（例えば配線）が設計どおりに形成できなくなることがある。近年、半導体装置の構造が微細化しているが、微細化に伴って残留する異物の量も少なくする必要がある。上記した従来工程では、十分に異物を除去することはできなかった。
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、化学的機械研磨後の半導体基板の表面に残留する異物の量を少なくすることができる半導体装置の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、
研磨パッドの表面に研磨スラリーを供給し、かつ前記研磨パッドの表面を清掃するコンディショナーを前記研磨パッドの表面に接触させつつ、被研磨層を有する半導体基板を前記研磨パッドの表面に第１の押付力で接触させることにより、前記被研磨層を化学的機械研磨する工程と、
前記被研磨層を化学的機械研磨した後、前記第１の押付力より低い第２の押付力で前記半導体基板を前記研磨パッドに接触させた状態で、前記研磨パッドに洗浄液を供給しつつ前記コンディショナーを前記研磨パッドに接触させることにより前記研磨パッドを清掃する工程と、
前記第２の押付力より高い第３の押付力で前記半導体基板を清掃後の前記研磨パッドに接触させつつ、洗浄液を前記研磨パッドに供給することにより、前記半導体基板の表面を清掃する工程と、
前記第３の押付力より低い第４の押付力で前記半導体基板を清掃後の前記研磨パッドに接触させつつ、洗浄液を前記研磨パッドに供給することにより、前記半導体基板の表面を仕上げ清掃する工程と、
を具備する。

この半導体装置の製造方法によれば、半導体基板を化学的機械研磨した後、半導体基板を研磨パッドで清掃する前に、研磨パッドをコンディショナーで清掃している。このため清掃された研磨パッドで半導体基板を清掃することができるため、清掃後の半導体基板には研磨スラリーや研磨くず等の異物が残留しにくくなる。この効果は研磨回数を重ねるにつれて顕著になる。
また半導体基板の清掃工程を２段階に分け、第１段階では半導体基板を研磨パッドにある程度の強さで押付けて、第２段階では半導体基板を研磨パッドから浮かない程度の力で押さえるようにしている。このため半導体基板から異物をほとんど除去することができる。

半導体基板の表面を清掃する工程及び仕上げ清掃する工程それぞれにおいて、コンディショナーを研磨パッドから離間させるのが好ましい。また第３の押付力は第１の押付力より低くするのが好ましい。

本発明にかかる他の半導体装置の製造方法によれば、
研磨パッドの表面に研磨スラリーを供給しつつ、前記研磨パッドの表面を清掃するコンディショナー及び被研磨層を有する半導体基板を前記研磨パッドの表面に接触させることにより、前記被研磨層を化学的機械研磨する工程と、
前記被研磨層を化学的機械研磨した後、前記研磨パッドに洗浄液を供給しつつ前記コンディショナーを前記研磨パッドに接触させることにより前記研磨パッドを清掃する工程と、
清掃後の前記研磨パッドに洗浄液を供給しつつ前記半導体基板を接触させることにより、前記半導体基板の表面を清掃する工程と、
前記半導体基板の表面を清掃する工程より低い押付力で、前記半導体基板を前記研磨パッドに接触させることにより、前記半導体基板の表面を仕上げ清掃する工程と、
を具備する。

この半導体装置の製造方法によれば、清掃された研磨パッドで半導体基板を清掃することができるため、清掃後の半導体基板には研磨スラリーや研磨くず等の異物が残留しにくくなる。この効果は研磨回数を重ねるにつれて顕著になる。

本発明に係る他の半導体装置の製造方法は、
研磨パッドの表面に研磨スラリーを供給し、かつ前記研磨パッドの表面を清掃するコンディショナーを前記研磨パッドの表面に接触させつつ、被研磨層を有する半導体基板を前記研磨パッドの表面に第１の押付力で接触させることにより、前記被研磨層を化学的機械研磨する工程と、
前記被研磨層を化学的機械研磨した後、前記第１の押付力より低い第２の押付力で前記半導体基板を前傾研磨パッドに接触させた状態で、前記研磨パッドに洗浄液を供給しつつ前記コンディショナーを前記研磨パッドに接触させることにより前記研磨パッドを清掃する工程と、
前記第２の押付力に略等しい押付力で前記半導体基板を清掃後の前記研磨パッドに接触させつつ、洗浄液を前記研磨パッドに供給することにより、前記半導体基板の表面を清掃する工程と、
を具備する。

本発明に係る他の半導体装置の製造方法は、
研磨パッドの表面に研磨スラリーを供給しつつ、前記研磨パッドの表面を清掃するコンディショナー及び被研磨層を有する半導体基板を前記研磨パッドの表面に接触させることにより、前記被研磨層を化学的機械研磨する工程と、
前記被研磨層を化学的機械研磨した後、前記研磨パッドに洗浄液を供給しつつ前記コンディショナーを前記研磨パッドに接触させることにより前記研磨パッドを清掃する工程と、
前記半導体基板を清掃後の前記研磨パッドに接触させつつ洗浄液を前記研磨パッドに供給することにより、前記半導体基板の表面を清掃する工程と、
を具備する。

本発明に係る他の半導体装置の製造方法は、
複数の化学的機械研磨手段を用いて半導体基板上の被研磨層を段階的に研磨する工程を具備する半導体装置の製造方法であって、
前記複数の化学的機械研磨手段それぞれは、研磨パッド及び該研磨パッドの表面を清掃するコンディショナーを備え、
前記複数の化学的研磨手段それぞれを用いて前記被研磨層を研磨する工程それぞれは、
研磨パッドの表面に研磨スラリーを供給し、かつ前記研磨パッドの表面を清掃するコンディショナーを前記研磨パッドの表面に接触させつつ、被研磨層を有する半導体基板を前記研磨パッドの表面に第１の押付力で接触させることにより、前記被研磨層を化学的機械研磨する工程と、
前記被研磨層を化学的機械研磨した後、前記第１の押付力より低い第２の押付力で前記半導体基板を前記研磨パッドに接触させた状態で、前記研磨パッドに洗浄液を供給しつつ前記コンディショナーを前記研磨パッドに接触させることにより前記研磨パッドを清掃する工程と、
前記第２の押付力より高い第３の押付力で前記半導体基板を清掃後の前記研磨パッドに接触させつつ、洗浄液を前記研磨パッドに供給することにより、前記半導体基板の表面を清掃する工程と、
前記第３の押付力より低い第４の押付力で前記半導体基板を清掃後の前記研磨パッドに接触させつつ、洗浄液を前記研磨パッドに供給することにより、前記半導体基板の表面を仕上げ清掃する工程と、
を具備する。

この半導体装置の製造方法によれば、清掃された研磨パッドで半導体基板を清掃することができるため、清掃後の半導体基板には研磨スラリーや研磨くず等の異物が残留しにくくなる。この効果は研磨回数を重ねるにつれて顕著になる。
また複数の化学的機械研磨手段を用いて被研磨層を段階的に研磨するため、複数の化学的機械研磨手段それぞれにおける研磨ぐせが平均化され、研磨面をシリコンウェハ１の表面に対して平行に近づけることができる。

上記した半導体装置の製造方法において、被研磨層が層間絶縁膜である場合、その効果は顕著になる。

発明を実施するための形態

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、シリコンウェハ１の上に形成された層間絶縁膜が化学的機械研磨装置２によって化学的機械研磨される工程を含んでおり、図１は化学的機械研磨装置２による工程を説明する図である。図２は化学的機械研磨装置２が有するシリコンウェハ１用のキャリア３０の構成を示す断面概略図である。

まず図１（Ａ）に示すようにキャリア３０を用いて、シリコンウェハ１を回転させながら発泡ポリウレタン製の研磨パッド２０に押し付ける。研磨パッド２０はプラテン１０の上に固定されており、プラテン１０の回転軸１２を中心にプラテン１０と共に回転している。また研磨スラリー供給ノズル２２から研磨スラリーを、研磨パッド２０表面の回転中心付近に供給する。このときの供給量は例えば２００ｃｃ／ｍｉｎで供給する。これによりシリコンウェハ１上に形成された層間絶縁膜は研磨される。

なお研磨している間、ダイヤモンド砥粒を有するコンディショナー４０が自転しながら研磨パッド２０の表面に擦接する。このときコンディショナー４０は研磨パッドの回転中心から縁まで径方向に往復移動する。これにより研磨くずが研磨パッド２０の表面全面から除去され、また研磨パッド２０の表面全面に凹凸が形成されるため、研磨は効率よく行われるようになる。なお研磨している間、純水供給ノズル２４からは純水は供給されない。なおこの実施形態において研磨パッドの直径は２０インチであり、コンディショナー４０の直径は４．３インチである。

ここで図２を用いてキャリア３０の構成について説明する。キャリア３０は略円板状のベース部材３１を有している。基礎部３３の下面には、上下に可動なリテーナーリング３６がベース部材３１と同心に組み付けられている。リテーナーリング３６は、外径がベース部材３１と略同じであり、内径がシリコンウェハ１の直径よりわすかに大きくなっている。リテーナーリング３６の内側には、メンブレン保持部材３４がインナーチューブ３５を介して基礎部３３の下面に取り付けられている。メンブレン保持部材３４は略円板状の部材であり、その外径はリテーナーリング３６の内径よりわずかに小さい。メンブレン保持部材３４の下面は縁が窪んでいるが、この窪み３４ａを利用してメンブレン３２が組みつけられている。メンブレン３２とメンブレン保持部材３４の間の空間３２ａは気密になっており、この空間３２ａの内圧は可変になっている。またインナーチューブ３５の内圧も可変になっている。

シリコンウェハ１を取り上げるとき、キャリア３０は、シリコンウェハ１をメンブレン３２に接触させた状態で空間３２ａを減圧する。するとメンブレン３２がシリコンウェハ１を吸着するため、キャリア３０はシリコンウェハ１を取り上げられるようになる。
またシリコンウェハ１を研磨パッド２０に押し付けるとき、キャリア３０は空間３２ａを加圧する。するとメンブレン３２がシリコンウェハ１を下方すなわち研磨パッド２０に押し付ける。

シリコンウェハ１の研磨パッド２０への押付力は、空間３２ａの内圧によって主に調節されるが、インナーチューブ３５の内圧によっても調節可能であるし、リテーナーリング３６を研磨パッド２０に押し付けることによっても調節可能である。リテーナーリング３６によって押付力を上げる場合、リテーナーリング３６を研磨パッド２０に押し付ける。するとリテーナーリング３６の真下に位置する研磨パッド２０が周囲に押し出され、シリコンウェハ１の縁を上に押し上げる。
図１（Ａ）の状態において、メンブレン３２による押付力は３．０ｐｓｉであり、リテーナーリング３６の研磨パッド２０に対する押付力は４．９ｐｓｉである。またインナーチューブ３５の内部は排気している状態である。

研磨が終了したら、図１（Ｂ）に示すように研磨スラリの供給を終了し、純水供給ノズル２４から研磨パッド２０表面の回転中心近傍に洗浄液である純水を供給する。このときプラテン１０及び研磨パッド２０は回転したまま（例えば１２３ｒｐｍ）であり、コンディショナー４０は回転しながら研磨パッド２０の表面を擦接しつづける。研磨パッド２０に対するコンディショナー４０の押付力は、例えば５ｌｂｆすなわち０．２ｐｓｉである。またシリコンウェハ１は回転しながら研磨パッド２０に接しているが、そのときの押付力はシリコンウェハ１が研磨パッド２０から浮かない程度である。具体的には例えばメンブレン３２による押付力が０．５ｐｓｉ、リテーナーリング３６の研磨パッド２０に対する押付力が３．０ｐｓｉ、インナーチューブ３５の内圧が６．０ｐｓｉである。
図１（Ｂ）に示した処理は、例えば１０秒間ほど行われる。これにより、研磨パッド２０の表面から研磨スラリーや研磨くず等の異物が除去される。またシリコンウェハ１表面の異物も少し除去される。

次いで図１（Ｃ）に示すように研磨パッド２０からコンディショナー４０を離すとともに、研磨パッド２０に対するシリコンウェハ１の押付力を少し上げる。ただし研磨時の押付力よりは低くする。具体的にはメンブレン３２による押付力を２．０ｐｓｉにする。他の条件は、プラテン１０、研磨パッド２０及びシリコンウェハ１の回転数を含めて図１（Ｂ）に示した処理と同じである。
図１（Ｃ）に示した処理は例えば１０秒間ほど行われる。これによりシリコンウェハ１の表面に付着している研磨スラリーや研磨くず等の異物の多くが除去され、かつ残留する異物も除去されやすい状態になる。また図１（Ｂ）に示した処理により研磨パッド２０が清掃されているため、シリコンウェハ１の表面は効率よく清掃される。

次いで図１（Ｄ）に示すように研磨パッド２０に対するシリコンウェハ１の押付力を下げ、シリコンウェハ１が研磨パッド２０から浮かない程度にする。具体的にはメンブレン３２による押付力を０．５ｐｓｉにする。他の条件は、プラテン１０、研磨パッド２０及びシリコンウェハ１の回転数を含めて図１（Ｃ）と同じである。
図１（Ｄ）に示した処理は例えば１０秒間ほど行われる。これによりシリコンウェハ１の表面に仕上げ清掃が行われ、表面に残留していた研磨スラリーや研磨くず等の異物がほとんど除去される。

このように第１の実施形態によれば、シリコンウェハ１を化学的機械研磨した後、シリコンウェハ１を研磨パッド２０で清掃する前に、研磨パッド２０をコンディショナー４０で清掃している。このため清掃された研磨パッド２０でシリコンウェハ１を清掃することができるため、清掃後のシリコンウェハ１には研磨スラリーや研磨くず等の異物が残留しにくくなる。この効果は研磨回数を重ねるにつれて顕著になる。
またシリコンウェハ１の清掃工程を２段階に分け、第１段階ではシリコンウェハ１を研磨パッド２０にある程度の強さで押付けて、第２段階ではシリコンウェハ１を研磨パッド２０から浮かない程度の力で押さえるようにしている。このためシリコンウェハ１から異物をほとんど除去することができる。

図３は第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法で使用される化学的機械研磨装置の概念図である。本実施形態はシリコンウェハ１上の層間絶縁膜が化学的機械研磨される工程を有している。図３に示す化学的機械研磨装置は３つの化学的機械研磨手段２ａ，２ｂ，２ｃを有しているが、各化学的機械研磨手段２ａの構成及び動作は第１の実施形態に係る化学的機械研磨装置２と略同一である。本実施形態においてシリコンウェハ１上の層間絶縁膜は化学的機械研磨手段２ａ，２ｂ，２ｃそれぞれによって段階的に研磨される。すなわちシリコンウェハ１上の層間絶縁膜は化学的機械研磨手段２ａである程度研磨された後、化学的機械研磨手段２ｂで引き続き研磨される。そして仕上げに化学的機械研磨手段２ｃで研磨される。これにより、化学的機械研磨手段２ａ，２ｂ，２ｃそれぞれにおける研磨ぐせが平均化され、研磨面をシリコンウェハ１の表面に対して平行に近づけることができる。
本実施形態においても第１の実施形態と同一の効果を得ることができる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。
化学的機械研磨される被研磨層は層間絶縁膜に限定されるものではない。例えば層間絶縁膜上に形成された配線と、この層間絶縁膜の下に形成された配線とを接続するタングステンプラグを形成する場合に用いられてもよい。この場合の工程は以下の通りである。まず層間絶縁膜に接続孔を形成し、その後タングステン膜を層間絶縁膜上に形成する。このときタングステン膜の一部が接続孔に埋め込まれる。次いでタングステン膜を化学的機械研磨して層間絶縁膜上から除去する。これによりタングステンプラグが接続孔中に形成される。ここでタングステン膜を化学的機械研磨する工程に本発明が適用される。
またトレンチアイソレーション法においてトレンチに絶縁物を埋め込む際に研磨除去される絶縁膜（例えば酸化シリコン膜）であってもよい。この場合の工程は以下の通りである。まず半導体基板にトレンチを形成し、その後半導体基板上に絶縁膜を形成する。このとき絶縁膜の一部がトレンチに埋め込まれる。次いで絶縁膜を化学的機械研磨して半導体基板上から絶縁膜を除去する。これによりトレンチに絶縁膜が埋め込まれる。ここで絶縁膜を化学的機械研磨する工程に本発明が適用される。

また第１の実施形態において図１（Ｃ）に示した工程を省略してもよい。このときシリコンウェハ１を清掃する工程において、研磨パッド２０に対するシリコンウェハ１の押付力は研磨パッドを清掃する工程と同一であってもよい。この場合においても、従来方法と比べてシリコンウェハ１の表面から異物をよく除去することができる。
また第２の実施形態において化学的機械研磨手段の数は３つに限定されず、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

（Ａ）は本発明の第１の実施形態に用いられる化学的機械研磨装置２による工程を説明する図、（Ｂ）は（Ａ）の次の工程を説明する図、（Ｃ）は（Ｂ）の次の工程を説明する図、（Ｄ）は（Ｃ）の次の工程を説明する図。 化学的機械研磨装置２のキャリア３０を説明する断面外略図。 第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法で使用される化学的機械研磨装置の概念図。 （Ａ）は、被研磨層を化学的機械研磨する従来の工程を説明する図、（Ｂ）は（Ａ）の次の工程を説明する概念図。

符号の説明

１，１００…シリコンウェハ、２…化学的機械研磨装置、２ａ，２ｂ，２ｃ…化学的機械研磨手段、１０，１１０…プラテン、１２，１１２…回転軸、２０，１２０…研磨パッド、２２，１２２…研磨スラリー供給ノズル、２４，１２４…純水供給ノズル、３０，１３０…キャリア、３１…ベース部材、３２…メンブレン、３２ａ…空間、３３…基礎部、３４…メンブレン保持部材、３４ａ…窪み、３５…インナーチューブ、３６…リテーナーリング、４０，１４０…コンディショナー

Claims (3)

1. 研磨パッドの表面に研磨スラリーを供給し、かつ前記研磨パッドの表面を清掃するコンディショナーを前記研磨パッドの表面に接触させつつ、被研磨層を有する半導体基板を前記研磨パッドの表面に第１の押付力で接触させることにより、前記被研磨層を化学的機械研磨する工程と、
   前記被研磨層を化学的機械研磨した後、前記第１の押付力より低い第２の押付力で前記半導体基板を前記研磨パッドに接触させた状態で、前記研磨パッドに洗浄液を供給しつつ前記コンディショナーを前記研磨パッドに接触させることにより前記研磨パッドを清掃する工程と、
   前記第２の押付力より高い第３の押付力で前記半導体基板を清掃後の前記研磨パッドに接触させつつ、洗浄液を前記研磨パッドに供給することにより、前記半導体基板の表面を清掃する工程と、
   前記第３の押付力より低い第４の押付力で前記半導体基板を清掃後の前記研磨パッドに接触させつつ、洗浄液を前記研磨パッドに供給することにより、前記半導体基板の表面を仕上げ清掃する工程と、
   を具備する半導体装置の製造方法。
2. 研磨パッドの表面に研磨スラリーを供給しつつ、前記研磨パッドの表面を清掃するコンディショナー及び被研磨層を有する半導体基板を前記研磨パッドの表面に接触させることにより、前記被研磨層を化学的機械研磨する工程と、
   前記被研磨層を化学的機械研磨した後、前記研磨パッドに洗浄液を供給しつつ前記コンディショナーを前記研磨パッドに接触させることにより前記研磨パッドを清掃する工程と、
   清掃後の前記研磨パッドに洗浄液を供給しつつ前記半導体基板を接触させることにより、前記半導体基板の表面を清掃する工程と、
   前記半導体基板の表面を清掃する工程より低い押付力で、前記半導体基板を前記研磨パッドに接触させることにより、前記半導体基板の表面を仕上げ清掃する工程と、
   を具備する半導体装置の製造方法。
3. 研磨パッドの表面に研磨スラリーを供給し、かつ前記研磨パッドの表面を清掃するコンディショナーを前記研磨パッドの表面に接触させつつ、被研磨層を有する半導体基板を前記研磨パッドの表面に第１の押付力で接触させることにより、前記被研磨層を化学的機械研磨する工程と、
   前記被研磨層を化学的機械研磨した後、前記第１の押付力より低い第２の押付力で前記半導体基板を前傾研磨パッドに接触させた状態で、前記研磨パッドに洗浄液を供給しつつ前記コンディショナーを前記研磨パッドに接触させることにより前記研磨パッドを清掃する工程と、
   前記第２の押付力に略等しい押付力で前記半導体基板を清掃後の前記研磨パッドに接触させつつ、洗浄液を前記研磨パッドに供給することにより、前記半導体基板の表面を清掃する工程と、
   を具備する半導体装置の製造方法。

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