JP3965969B2 - 研磨装置、研磨方法、半導体デバイス及び半導体デバイス製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロセスウエハなどの被研磨物の研磨に用いられる研磨装置及び研磨方法、この研磨装置を用いた半導体デバイス製造方法、及び、半導体デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の高集積化、微細化に伴って、半導体製造プロセスの工程は、増加し、複雑になってきている。これに伴い、半導体デバイスの表面は必ずしも平坦ではなくなってきている。半導体デバイスの表面おける段差の存在は、配線の段切れ、局所的な抵抗の増大などを招き、断線や電気容量の低下などをもたらす。また、絶縁膜では耐電圧劣化やリークの発生などにもつながる。
【０００３】
一方、半導体集積回路の高集積化、微細化に伴って、光リソグラフィに用いられる半導体露光装置の光源波長は短くなり、半導体露光装置の投影レンズの開口数、いわゆるＮＡは大きくなってきている。これにより、半導体露光装置の投影レンズの焦点深度は、実質的に浅くなってきている。焦点深度が浅くなることに対応するためには、今まで以上に半導体デバイスの表面の平坦化が要求されている。
【０００４】
プロセスウエハなどの被研磨物の研磨技術として、大きな（ダイサイズレベルでの）エリアの効率的な平坦化技術として注目を集めているのが、化学的機械的研磨である。これは、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing又はPlanarization）と呼ばれる研磨工程である。ＣＭＰは、物理的研磨に、化学的な作用を併用して、プロセスウエハの表面層を除いていく工程で、グローバル平坦化及び、電極形成のための重要な技術である。具体的には、酸、アルカリ、酸化剤などの研磨物の可溶性溶媒中に、研磨粒（シリカ、アルミナ、酸化セリウムなどが一般的）を分散させたスラリーと呼ばれる研磨剤を用い、更に、研磨パッドで、ウエハ表面を加圧し、相対運動で摩擦することにより研磨を進行させる。
【０００５】
従来から、ＣＭＰでは、ウエハの径よりかなり大きい径を持つ研磨パッドを用いる大径パッド方式と、ウエハ径と略同じかそれより小さい径を持つ研磨パッドを用いる小径パッド方式とが知られているが、いずれの方式の場合も、単一の研磨パッドが用いられていた。大径パッド方式では、研磨パッドがウエハより大きいため、装置全体としてフットプリントが大きく、装置が大型化する。これに対し、小径パッド方式では、研磨パッドがウエハと略同じかそれより小さいため、フットプリントが小さく、装置の小型化が可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
プロセスウエハの表面に形成された膜には、通常、ウエハの半径方向に沿ってグローバルに分布する数百〜数千Åの厚さムラがある。通常は、ウエハを回転させつつ成膜するため、表面の膜の厚さムラは、ウエハの中心からの距離（半径上の位置）に応じて波打つようにグローバルに生ずる。このような表面の膜の厚さムラの様子の一例を、図７に模式的に示す。図７は、表面に膜２を形成したウエハ１の、直径に沿った断面を模式的に示す図である。図７中、Ｏはウエハ１の中心を示す。
【０００７】
しかしながら、本発明者の研究の結果、従来のＣＭＰでは、大径パッド方式及び小径パッド方式のいずれの場合も、単一の研磨パッドが用いられていたので、前述したようなウエハ表面の膜厚ムラに拘わらずにウエハ表面を均一に平坦化しかつ効率良く短時間にウエハ表面を所望の量まで研磨し、しかも装置の小型化を図ることは、非常に困難であることが、判明した。この点について、図８乃至図１０を参照して説明する。
【０００８】
図８は、従来の大径パッド方式による研磨中のウエハ１と研磨パッド３との関係を模式的に示す概略平面図である。この方式では、ウエハ１が研磨パッド３より小さく、ウエハ１の全面が常に研磨パッド３に接触しているため、ウエハ１の一部の領域を他の領域に対して優先的に研磨することが極めて困難である。したがって、ウエハ１の表面の膜厚の厚い領域を他の領域に対して優先的に研磨することができず、ウエハ１の表面の膜厚ムラを解消してウエハ１の表面を均一に平坦化することが非常に困難である。このため、例えば、半導体デバイスの表面の金属膜の研磨によるダマシン（damascene）の形成の際などには、ウエハ表面の膜厚ムラにより初期的に膜厚が薄い領域において、オーバーポリッシングの時間が長くなり、エロージョンやディシングが大きくなってしまう。また、前述したように、大径パッド方式の場合、装置が大型化せざるを得ない。
【０００９】
図９は、従来の小径パッド方式による研磨中のウエハ１と研磨パッド４との関係を模式的に示す概略平面図である。図９に示す例では、ウエハ１に比べてかなり小さい研磨パッド４が用いられ、ウエハ１及び研磨パッド４がそれぞれ回転されるとともに、研磨パッド４が図中の左右方向に所定の幅で往復動（揺動）されている。このような小径パッド方式では、ウエハ１に比べてかなり小さい研磨パッド４が用いられているので、ウエハ１の一部の領域を他の領域に対して優先的に研磨することができる。例えば、図９に示す研磨パッド４の位置（ウエハ１の周辺側の位置）を研磨パッド４の揺動の中心として、比較的狭い幅で揺動させると、ウエハ１の周辺側の領域を他の領域に対して優先的に研磨することができる。したがって、ウエハ１の表面の膜厚の厚い領域を他の領域に対して優先的に研磨することができ、ウエハ１の表面の膜厚ムラを解消してウエハ１の表面を均一に平坦化することができるはずである。
【００１０】
ところが、図９に示すような小径パッド方式では、研磨速度の点で問題が生ずる。すなわち、ウエハ１の回転速度と研磨パッド４の回転速度とが同等の場合、ウエハ１の周辺側の領域を他の領域に対して優先的に研磨する場合には、ウエハ１と研磨パッド４との間に大きな相対速度が得られるため、比較的高速に研磨することができる。しかし、ウエハ１の中心部の領域を他の領域に対して優先的に研磨する場合には、ウエハ１と研磨パッド４との間の相対速度が著しく低下し、研磨速度が非常に低下し、実際上ほとんど研磨することができない。
【００１１】
そこで、図１０に示すような小径パッド方式が考えられる。図１０は、他の小径パッド方式による研磨中のウエハ１と研磨パッド５との関係を模式的に示す概略平面図である。この方式では、ウエハ１とほぼ同じ外径を持ち幅が比較的狭い円環の研磨パッド５が用いられ、ウエハ１及び研磨パッド５がそれぞれ回転されるとともに、研磨パッド５が図中の左右方向に所定の幅で往復動（揺動）されている。この方式では、研磨パッド５はその径が比較的大きくその幅が比較的狭いので、ウエハ１の一部の領域を他の領域に対して優先的に研磨することができ、しかも、ウエハ１の周辺の領域を優先的に研磨する場合のみならず、ウエハ１の中心部の領域を優先的に研磨する場合にも、研磨速度を高めることができる。例えば、研磨パッド５の揺動の中心位置を図１０（ａ）に示すような位置にすれば、ウエハ１の中心部の領域を優先的に研磨することができ、研磨パッド５の揺動の中心位置を図１０（ｂ）に示すような位置にすれば、ウエハ１の中心部と周辺との間の中間の領域を優先的に研磨することができ、研磨パッド５の揺動の中心位置を図１０（ｃ）に示すような位置にすれば、ウエハ１の周辺の領域を優先的に研磨することができ、いずれの場合であっても、ウエハ１と研磨パッド５との間の相対速度が高くなって研磨速度が高まる。したがって、図１０に示す方式によれば、前述したようなウエハ表面の膜厚ムラに拘わらずにウエハ表面を均一に平坦化することができる。
【００１２】
しかし、図１０に示すような方式では、研磨パッド５の揺動の中心位置を図１０（ａ）に示す位置から図１０（ｃ）に示す位置まで移動させなければならないので、研磨パッド５の左右方向の移動可能な距離を大きくする必要がある。このため、本質的に装置を小型化することができる小径パッド方式であるにも拘わらず、装置をさほど小型化することができない。また、研磨パッド５では中抜きの領域が大きいことから、ウエハ１と研磨パッド５との接触面積が狭くなるので、ウエハ１の全領域を所望の量まで研磨しようとする場合、効率良く研磨することができず、研磨時間が長くなってしまう。また、研磨パッド５の研磨面がウエハ１の被研磨面から部分的にはみ出した状態で研磨するため、研磨パッド５の回転軸を傾ける力が働くので、ウエハ１の周辺部がダレてしまう。
【００１３】
以上説明した事情は、プロセスウエハ以外の被研磨物の研磨についても、同様である。
【００１４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ウエハ表面の膜厚ムラなどの被研磨物の被研磨面の初期的なグローバルな凹凸に拘わらずに、被研磨面の表面を均一に平坦化することができるとともに、効率良く短時間に被研磨面を所望の量まで研磨することができ、しかも装置の小型化を図ることができる、研磨装置及び研磨方法を提供することを目的とする。
【００１５】
また、本発明は、従来の半導体デバイス製造方法に比べて、歩留りが向上し低コストで半導体デバイスを製造することができる半導体デバイス製造方法、及び低コストの半導体デバイスを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の第１の態様による研磨装置は、複数の研磨パッドのうちの少なくとも１つの研磨パッドの研磨面と、被研磨物との間に、荷重を加えつつ、前記少なくとも１つの研磨パッドと前記被研磨物とを相対移動させることにより、前記被研磨物を研磨する研磨装置であって、（ａ）互いに相対的に所定軸線方向に移動可能に設けられ、前記所定軸線方向の前記被研磨物側に各パッド取り付け面を有する複数のパッド取り付け部と、前記複数の研磨パッドと前記被研磨物との間の荷重状態を設定する荷重設定部と、を備え、（ｂ）前記各パッド取り付け部の前記各パッド取り付け面は、前記被研磨物側から見たとき、互いに重なることなく前記所定軸線方向に略平行な中心軸線に対して同心状の領域を形成し、（ｃ）前記各パッド取り付け部の前記各パッド取り付け面には、前記複数の研磨パッドのうちの１つ以上の研磨パッドがそれぞれ取り付けられ、（ｄ）前記被研磨物側から見た前記複数の研磨パッドの研磨面の全体的な大きさが、前記被研磨物の被研磨面の大きさと略々同じかあるいはそれより小さく、（ｅ）前記荷重設定部は、前記複数のパッド取り付け部の各々に取り付けられた各研磨パッドと前記被研磨物との間の各荷重状態を、各研磨パッド間で独立して、設定するものである。
【００１７】
本発明の第２の態様による研磨装置は、前記第１の態様において、前記複数のパッド取り付け部を前記中心軸線の回りに回転駆動する第１の駆動機構と、前記被研磨物を保持する保持部と、該保持部を前記中心軸線と略平行な軸線の回りに回転駆動する第２の駆動機構と、を備えたものである。
【００１８】
本発明の第３の態様による研磨装置は、前記第２の態様において、前記複数のパッド取り付け部を前記中心軸線と略直交する方向へ往復駆動する第３の駆動機構を、備えたものである。
【００１９】
本発明の第４の態様による研磨装置は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記複数のパッド取り付け部は、前記中心軸線の回りに共回りするように互いに係合されたものである。
【００２０】
本発明の第５の態様による研磨装置は、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記荷重設定部は、（ａ）前記複数のパッド取り付け部のうちの、互いに隣り合う前記パッド取り付け面を有する少なくとも一対のパッド取り付け部の間に、形成された流体室と、（ｂ）前記流体室に連通した流体路と、（ｃ）前記流体路を介して流体を出入りさせることにより前記流体室内を負圧にした第１の状態及び前記流体路を介して前記流体室内を正圧にした第２の状態のいずれかに設定し得る流体室設定部とを、含むものである。そして、前記流体室は、前記第１の状態の時に前記一対のパッド取り付け部のうちの一方が他方に対して前記中心軸線方向の前記被研磨物と反対側へ移動するとともに、前記第２の状態の時に前記一対のパッド取り付け部のうちの前記一方が前記他方に対して前記中心軸線方向の前記被研磨物側へ移動するように、形成される。
【００２１】
本発明の第６の態様による研磨装置は、前記第１乃至第５のいずれかの態様において、前記荷重設定部を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記被研磨物の被研磨面の一部の領域を他の領域に対して優先的に研磨する場合に、前記複数のパッド取り付け部のうちの少なくとも１つのパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他の少なくとも１つのパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が実質的に加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御するものである。
【００２２】
本発明の第７の態様による研磨装置は、前記第６の態様において、前記制御部は、前記被研磨物の被研磨面の中心側の領域を他の領域に対して優先的に研磨する場合に、前記複数のパッド取り付け部のうちの、周辺側に位置するパッド取り付け面を有するパッド取り付け部に、取り付けられた前記研磨パッドと、前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他のパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が実質的に加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御するものである。
【００２３】
本発明の第８の態様による研磨装置は、前記第６又は第７の態様において、前記制御部は、前記被研磨物の被研磨面の周辺側の領域を他の領域に対して優先的に研磨する場合に、前記複数のパッド取り付け部のうちの、前記中心軸線側に位置するパッド取り付け面を有するパッド取り付け部に、取り付けられた前記研磨パッドと、前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他のパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が実質的に加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御するものである。
【００２４】
本発明の第９の態様による研磨装置は、前記第６乃至第８のいずれかの態様において、前記制御部は、前記被研磨物の被研磨面の全領域を全体的に研磨する場合に、前記複数のパッド取り付け部のうちのいずれのパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間にも、荷重が加わった状態となるように、前記荷重設定部を制御するものである。
【００２５】
本発明の第１０の態様による研磨方法は、前記第１乃至第５のいずれかの態様による研磨装置を用いて、前記被研磨物を研磨する研磨方法であって、前記複数のパッド取り付け部のうちの少なくとも１つのパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他の少なくとも１つのパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が実質的に加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御して、前記被研磨物の被研磨面の一部の領域を他の領域に対して優先的に研磨する優先研磨段階を、備えたものである。
【００２６】
本発明の第１１の態様による研磨方法は、前記第１０の態様において、前記優先研磨段階は、前記複数のパッド取り付け部のうちの、周辺側に位置するパッド取り付け面を有するパッド取り付け部に、取り付けられた前記研磨パッドと、前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他のパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が実質的に加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御して、前記被研磨物の被研磨面の中心側の領域を他の領域に対して優先的に研磨する段階を、含むものである。
【００２７】
本発明の第１２の態様による研磨方法は、前記第１０又は第１１の態様において、前記優先研磨段階は、前記複数のパッド取り付け部のうちの、前記中心軸線側に位置するパッド取り付け面を有するパッド取り付け部に、取り付けられた前記研磨パッドと、前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他のパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が実質的に加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御して、前記被研磨物の被研磨面の周辺側の領域を他の領域に対して優先的に研磨する段階を、含むものである。
【００２８】
本発明の第１３の態様による研磨方法は、前記第１０乃至第１２のいずれかの態様において、前記複数のパッド取り付け部のうちのいずれのパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間にも、荷重が加わった状態となるように、前記荷重設定部を制御して、前記被研磨物の被研磨面の全領域を全体的に研磨する段階を、備えたものである。
【００２９】
本発明の第１４の態様による半導体デバイス製造方法は、前記第１乃至第９のいずれかの態様による研磨装置を用いて半導体ウエハの表面を平坦化する工程を有するものである。
【００３０】
本発明の第１５の態様による半導体デバイスは、前記第１４の態様による半導体デバイス製造方法により製造されるものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による研磨装置、研磨方法、半導体デバイス及び半導体デバイス製造方法について、図面を参照して説明する。
【００３２】
なお、後述する実施の形態による研磨装置は、被研磨物としてのプロセスウエハに対して化学的機械的研磨を行ういわゆるＣＭＰ研磨装置として構成されている。もっとも、本発明では被研磨物はプロセスウエハに限定されるものではないし、また、本発明は、化学的機械的研磨以外の種々の研磨についても適用することができる。
【００３３】
［第１の実施の形態］
【００３４】
図１は、本発明の第１の実施の形態による研磨装置を示す概略構成図である。図２は、図１中のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図３は、図１中のＢ−Ｂ’矢視図である。
【００３５】
本実施の形態による研磨装置は、図１に示すように、研磨ヘッド１１と、研磨ステーション（研磨ゾーン）に配置されて、この研磨ステーションに位置した研磨ヘッド１１の下側にウエハ１を保持するウエハホルダ１２と、ウエハ１と研磨ヘッド１１との間に研磨剤（スラリー）を供給する研磨剤供給部（図示せず）と、を備えている。
【００３６】
研磨ヘッド１１は、３つのパッド取り付け部１３，１４，１５と、これらにそれぞれ取り付けられた３つの研磨パッド１６，１７，１８とを有している。
【００３７】
パッド取り付け部１３は、円筒体１９と、円筒体１９の上部開口を閉塞するように、ねじ２１にてパッキン（図示せず）を介して気密に円筒体１９に固定された円板２０と、を有している。本実施の形態では、円筒体１９の下面がパッド取り付け面となっており、ここには全面に渡って、円環形状の研磨パッド１６が、接着剤又は両面接着テープなどによって取り付けられている。円筒体１９の中心軸線Ｊは、ウエハ１の面の法線と略一致している。
【００３８】
本実施の形態では、パッド取り付け部１３は研磨ヘッド本体として兼用され、軸部２２が、パッド取り付け部１３の円板２０に、円筒体１９の中心軸線Ｊと同軸をなすように固着されている。軸部２２は、アクチュエータとして電動モータを用いた図示しない回転駆動機構に機械的に接続され、この回転駆動機構によって、パッド取り付け部１３は、矢印Ｃで示すように、中心軸線Ｊの回りに回転できるようになっている。このように、中心軸線Ｊは回転中心軸線となっている。また、軸部２２は、アクチュエータとして電動モータを用いた図示しない直線駆動機構に機械的に接続され、この直線駆動機構によって、矢印Ｄで示すように、中心軸線Ｊと略直交する方向に往復動できるようになっている。さらに、軸部２２は、アクチュエータとして電動モータを用いた図示しない直線駆動機構に機械的に接続され、この直線駆動機構によって、矢印Ｅで示すように、中心軸線Ｊの方向に上下動できるようになっている。この上下動のための直線駆動機構は、研磨パッド１６をウエハ１に押し付けて研磨パッド１６とウエハ１との間に荷重をかける加圧機構を兼ねている。
【００３９】
パッド取り付け部１４は、パッド取り付け部１３と同様に、円筒体２３と、円筒体２３の上部開口を閉塞するように、ねじ２５にてパッキン（図示せず）を介して気密に円筒体２３に固定された円板２４と、を有している。円筒体２３の下面がパッド取り付け面となっており、ここには全面に渡って、円環形状の研磨パッド１７が、接着剤又は両面接着テープなどによって取り付けられている。パッド取り付け部１４の円筒体２３及び円板２４の外周面が、パッド取り付け部１３の円筒体１９の内周面に嵌合されている。円板２０の下面と円板２４の上面との間には、第１の空気室２６が形成されている。円板２４の外周部には、第１の空気室２６の気密性を保つためのＯリング２７が設けられている。
【００４０】
図２に示すように、円筒体２３の外周面に形成されたキー２３ａが、円筒体１９の内周面に形成され中心軸線Ｊに略平行な方向に延びたキー溝１９ａに係合している。これにより、パッド取り付け部１４は、パッド取り付け部１３に対して中心軸線Ｊの方向に上下動し得るが、中心軸線Ｊの回りにパッド取り付け部１３と共回りするようになっている。なお、キー２３ａ及びキー溝１９ａは、Ｏリング２７の付近には形成されていない。キー溝１９ａは円筒体１９の下面までは達しておらず、キー２３ａの下端がキー溝１９ａの下端に当接することにより、パッド取り付け部１４がパッド取り付け部１３から抜け落ちないようになっている。キー溝１９ａ及びキー２３ａの上下方向の位置や長さ等は、キー２３ａをキー溝１９ａの下方に移動させてキー溝１９ａの下限に達したときに、研磨パッド１７とウエハ１との間に荷重をかけた状態で研磨パッド１６とウエハ１との間に少なくとも所定の隙間を確保できるように、また、キー２３ａをキー溝１９ａの上方に移動させてキー溝１９ａの上限に達したときに、研磨パッド１６とウエハ１との間に荷重をかけた状態で研磨パッド１７とウエハ１との間に少なくとも所定の隙間を確保できるように、設定されている。
【００４１】
パッド取り付け部１５は、円板で構成されている。図１に示すように、パッド取り付け部１５の下面がパッド取り付け面となっており、ここには全面に渡って、円形の研磨パッド１８が、接着剤又は両面接着テープなどによって取り付けられている。パッド取り付け部１５の外周面が、パッド取り付け部１４の円筒体２３の内周面に嵌合されている。パッド取り付け部１４の円板２４の下面とパッド取り付け部１５の上面との間には、第２の空気室２８が形成されている。パッド取り付け部１５の外周部には、第２の空気室２８の気密性を保つためのＯリング２９が設けられている。
【００４２】
図２に示すように、パッド取り付け部１５の外周面に形成されたキー１５ａが、円筒体２３の内周面に形成され中心軸線Ｊに略平行な方向に延びたキー溝２３ｂに係合している。これにより、パッド取り付け部１５は、パッド取り付け部１４に対して中心軸線Ｊの方向に上下動し得るが、中心軸線Ｊの回りにパッド取り付け部１４と共回りするようになっている。なお、キー１５ａ及びキー溝２３ｂは、Ｏリング２９の付近には形成されていない。キー溝２３ｂは円筒体２３の下面まで達しておらず、キー１５ａの下端がキー溝２３ｂの下端に当接することにより、パッド取り付け部１５がパッド取り付け部１４から抜け落ちないようになっている。キー溝２３ｂ及びキー１５ａの上下方向の位置や長さ等は、キー１５ａをキー溝２３ｂの下方に移動させてキー溝２３ｂの下限に達したときに、研磨パッド１８とウエハ１との間に荷重をかけた状態で研磨パッド１７とウエハ１との間に少なくとも所定の隙間を確保できるように、また、キー１５ａをキー溝２３ｂの上方に移動させてキー溝２３ｂの上限に達したときに、研磨パッド１７とウエハ１との間に荷重をかけた状態で研磨パッド１８とウエハ１との間に少なくとも所定の隙間を確保できるように、設定されている。
【００４３】
本実施の形態では、以上説明した構造によって、図３からもわかるように、３つのパッド取り付け部１３，１４，１５のパッド取り付け面（円筒体１９，２３の下面及びパッド取り付け部１５の下面）は、ウエハ１側から見たとき、互いに重なることなく回転中心軸線Ｊに対して同心状の領域を形成している。本実施の形態では、前述したように、研磨パッド１６，１７，１８がパッド取り付け部１３，１４，１５のパッド取り付け面の全面に渡ってそれぞれ形成されているが、本発明は、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、研磨パッド１６を複数に分割したような複数の研磨パッドを、互いに若干隙間があくように、パッド取り付け部１３のパッド取り付け面に取り付けてもよい。
【００４４】
研磨パッド１６，１７，１８は、互いに材質も溝構造等も同一であってもよいし、少なくとも１つのパッドが他の少なくとも１つのパッドとは材質又は溝構造等が異なっていてもよい。
【００４５】
また、本実施の形態では、図３に示すように、ウエハ１側から見た研磨パッド１６，１７，１８の研磨面の全体的な分布領域の径（研磨パッド１６の外径）が、ウエハ１の径より若干小さくなっている。
【００４６】
再び図１を参照すると、パッド取り付け部１３の円板２０には、第１の空気室２６に連通した貫通孔２０ａが形成されている。貫通孔２０ａは、空気室２６に連通する第１の流体路の一部を構成している。この第１の流体路は、軸部２２の内部流路や配管等を含み、圧力調整器３１及び電磁開閉弁３３を介して、圧縮空気を供給するコンプレッサ３７に接続されている。また、この第１の流体路は、電磁開閉弁３５を介して真空ポンプ３８に接続されている。
【００４７】
本実施の形態では、前述した要素３１，３３，３７，３５，３８が、前記第１の流体路を介して第１の空気室２６内の空気を吸引した第１の状態（負圧状態）及び前記第１の流体路を介して第１の空気室２６内に圧縮空気を供給した第２の状態（正圧状態）のいずれかに設定し得る第１の空気室設定部を、構成している。第１の空気室２６が前述した位置に形成されているので、開閉弁３３を閉じるとともに開閉弁３５を開いて前記第１の状態にすると、パッド取り付け部１４が上方へ移動し、研磨パッド１７とウエハ１との間に荷重が加わらない状態となる。また、開閉弁３３を開くとともに開閉弁３５を閉じて前記第２の状態にすると、パッド取り付け部１４が下方へ移動し、研磨パッド１７とウエハ１との間に荷重が加わった状態となる。
【００４８】
パッド取り付け部１４の円板２４には、第２の空気室２８に連通した貫通孔２４ａが形成されている。パッド取り付け部１３の円板２０に形成された貫通孔２０ｂには管部材３９が挿通され、管部材３９の外壁が貫通孔２０ｂの内壁に気密に固着されている。貫通孔２０ｂから突出した管部材３９の下端側の部分が、貫通孔２４ａ内に挿通され、管部材３９と貫通孔２４ａとが連通している。貫通孔２４ａの内壁部には、空気室２６，２８間を気密に保つためのＯリング４０が設けられている。貫通孔２４ａの一部及び管部材３９は、第２の空気室２８に連通する第２の流体路の一部を構成している。この第２の流体路は、配管等を含み、圧力調整器３２及び電磁開閉弁３４を介して、コンプレッサ３７に接続されている。また、この第２の流体路は、電磁開閉弁３６を介して真空ポンプ３８に接続されている。
【００４９】
本実施の形態では、前述した要素３２，３４，３７，３６，３８が、前記第２の流体路を介して第２の空気室２８内の空気を吸引した第１の状態（負圧状態）及び前記第２の流体路を介して第１の空気室２８内に圧縮空気を供給した第２の状態（正圧状態）のいずれかに設定し得る第２の空気室設定部を、構成している。第２の空気室２８が前述した位置に形成されているので、開閉弁３４を閉じるとともに開閉弁３６を開いて前記第１の状態にすると、パッド取り付け部１５が上方へ移動し、研磨パッド１８とウエハ１との間に荷重が加わらない状態となる。また、開閉弁３４を開くとともに開閉弁３６を閉じて前記第２の状態にすると、パッド取り付け部１５が下方へ移動し、研磨パッド１８とウエハ１との間に荷重が加わった状態となる。
【００５０】
本実施の形態では、前述した加圧機構を兼ねる上下動のための直線駆動機構、前記第１及び第２の流体路、並びに、前記第１及び第２の空気室設定部が、各研磨パッド１６，１７，１８とウエハ１との間の各荷重状態を、当該研磨パッド以外の研磨パッドの荷重状態と独立して設定する、荷重設定部を構成している。
【００５１】
ウエハホルダ１２は、アクチュエータとして電動モータを用いた図示しない回転駆動機構によって、図１中の矢印Ｆに示すように、中心軸線Ｊと略平行な軸線Ｋの回りに回転できるようになっている。
【００５２】
本実施の形態による研磨装置は、前述した各部のモータ及び電磁開閉弁３３〜３６等を制御する、ＣＰＵ等で構成された制御部５０を、更に備えている。ウエハ１の研磨時に、制御部５０による制御下で、研磨ヘッド１１は、矢印Ｃの方向に回転しながら矢印Ｄの方向に揺動つつ、研磨ヘッド１１の研磨パッド１６，１７，１８のうちの少なくとも１つがウエハホルダ１２上のウエハ１の上面に直線駆動機構により所定の圧力（荷重）で押し付けられる。ウエハホルダ１２を矢印Ｆの方向に回転させてウエハ１も回転させ、ウエハ１と研磨ヘッド１１の押し付けられた研磨パッドとの間で相対運動を行わせる。この状態で、研磨剤が研磨剤供給部（不図示）からウエハ１と当該研磨パッドとの間に供給され、その間で拡散し、ウエハ１の被研磨面を研磨する。すなわち、研磨ヘッド１１の当該研磨パッドとウエハ１の相対運動による機械的研磨と、研磨剤の化学的作用が相乗的に作用して良好な研磨が行われる。
【００５３】
このような研磨時における制御部５０による、研磨パッド１６，１７，１８とウエハ１との間の荷重の制御の例について、図５を参照して説明する。図５は、研磨パッド１６，１７，１８のうちのウエハ１との間に荷重がかけられている研磨パッドと、ウエハ１との関係を模式的に示す概略平面図である。今、図４に示すように、ウエハ１の被研磨面の領域を、中心側の領域１ａ、周辺側の領域１ｃ及び領域１ａ，１ｃ間の中間の領域１ｂの、３つに分けて、考える。なお、図５では、符号１ａ，１ｂ，１ｃは省略している。
【００５４】
ウエハ１の中心側の領域１ａを他の領域１ｂ，１ｃに対して優先的に研磨する場合には、制御部５０は、前述した加圧機構を兼ねる上下動のための直線駆動機構を制御してパッド取り付け部１３を下降させることにより、周辺側の研磨パッド１６とウエハ１との間に荷重をかける。同時に、制御部５０は、開閉弁３３を閉じるとともに開閉弁３５を開いてパッド取り付け部１４を上昇させ、中間の研磨パッド１７とウエハ１との間に荷重をかけない。更に同時に、制御部５０は、開閉弁３４を閉じるとともに開閉弁３６を開いてパッド取り付け部１５を上昇させ、中心側の研磨パッド１８とウエハ１との間に荷重をかけない。これにより、図５（ａ）に示す状態となる。このとき、制御部５０は、研磨ヘッド１１の矢印Ｄで示す方向の揺動の中心を図５（ａ）に示す位置に設定し、その揺動の幅を領域１ａに応じて設定する。以上の動作により、図５（ａ）からもわかるように、ウエハ１の中心側の領域１ａの研磨速度が他の領域１ｂ，１ｃの研磨速度に比べて速くなり、領域１ａが領域１ｂ，１ｃに対して優先的に研磨される。
【００５５】
ウエハ１の中間の領域１ｂを他の領域１ａ，１ｃに対して優先的に研磨する場合には、制御部５０は、前述した加圧機構を兼ねる上下動のための直線駆動機構を制御して、周辺側の研磨パッド１６とウエハ１との間に所定の隙間があく位置にパッド取り付け部１３を上昇させることにより、周辺側の研磨パッド１６とウエハ１との間に荷重をかけない。同時に、制御部５０は、開閉弁３３を開くとともに開閉弁３５を閉じてパッド取り付け部１４を下降させ、中間の研磨パッド１７とウエハ１との間に荷重をかける。更に同時に、制御部５０は、開閉弁３４を閉じるとともに開閉弁３６を開いてパッド取り付け部１５を上昇させ、中心側の研磨パッド１８とウエハ１との間に荷重をかけない。これにより、図５（ｂ）に示す状態となる。このとき、制御部５０は、研磨ヘッド１１の矢印Ｄで示す方向の揺動の中心を図５（ｂ）に示す位置に設定し、その揺動の幅を領域１ｂに応じて設定する。以上の動作により、図５（ｂ）からもわかるように、ウエハ１の中間の領域１ｂが領域１ａ，１ｃに対して優先的に研磨される。
【００５６】
ウエハ１の周辺側の領域１ｃを他の領域１ａ，１ｂに対して優先的に研磨する場合には、制御部５０は、前述した加圧機構を兼ねる上下動のための直線駆動機構を制御して、周辺側の研磨パッド１６とウエハ１との間に所定の隙間があく位置にパッド取り付け部１３を上昇させることにより、周辺側の研磨パッド１６とウエハ１との間に荷重をかけない。同時に、制御部５０は、開閉弁３３を閉じるとともに開閉弁３５を開いてパッド取り付け部１４を上昇させ、中間の研磨パッド１７とウエハ１との間に荷重をかけない。更に同時に、制御部５０は、開閉弁３４を開くとともに開閉弁３６を閉じてパッド取り付け部１５を下降させ、中心側の研磨パッド１８とウエハ１との間に荷重をかける。これにより、図５（ｃ）に示す状態となる。このとき、制御部５０は、研磨ヘッド１１の矢印Ｄで示す方向の揺動の中心を図５（ｃ）に示す位置に設定し、その揺動の幅を領域１ｃに応じて設定する。以上の動作により、図５（ｃ）からもわかるように、ウエハ１の周辺側の領域１ｃが領域１ａ，１ｂに対して優先的に研磨される。
【００５７】
また、詳細な説明は省略するが、パッド取り付け部１３の上昇・下降及び開閉弁３３〜３６の開閉を適宜制御することにより、研磨パッド１６，１７，１８のうちの任意の２つ研磨パッドとウエハ１との間に荷重をかけるとともに、残りの１つの研磨パッドとウエハ１との間に荷重をかけないことも可能である。これにより、ウエハ１の領域１ａ，１ｂ，１ｃのうちの任意の２つの領域を残りの１つの領域に対して優先的に研磨することができる。
【００５８】
以上の説明では、ウエハ１の被研磨面を３つの領域１ａ，１ｂ，１ｃに分けて考えたが、研磨パッド１０の揺動中心の位置の設定及び揺動幅の設定と前述した荷重制御とを適宜に組み合わせることにより、ウエハ１の被研磨面の適宜の部分的な領域を他の領域に対して優先的に研磨することができる。
【００５９】
ウエハ１の被研磨面を全体的に研磨する場合には、例えば、制御部５０は、パッド取り付け部１３を下降させ、開閉弁３３，３４を開くとともに開閉弁３５，３６を閉じてパッド取り付け部１４，１５を下降させ、全ての研磨パッド１６，１７，１８とウエハ１との間に荷重をかける。これにより、ウエハ１の被研磨面を効率良く全体的に研磨することができる。
【００６０】
実際には、制御部５０は、ウエハ１の表面の膜厚分布に応じて、前述した部分的な領域の優先的な研磨と全体的な研磨とを組み合わせるように、制御する。例えば、まず、前述したような荷重制御によりウエハ１の表面の膜厚が厚い領域を優先的に研磨し、ウエハ１の表面の膜厚を均一にする。これにより、例えば、図７中の破線１００で示す位置までウエハ１が研磨される。その後、制御部５０は、前述した全体的な研磨を行う荷重制御により、ウエハ１の被研磨面の全体的な研磨を行う。このような２段階研磨を行うことにより、例えば、半導体デバイスの表面の金属膜の研磨によるダマシン（damascene）の形成の際などに、エロージョンやディシングを低減することができる。
【００６１】
本実施の形態によれば、前述したように、ウエハ１の一部の領域を他の領域に対して優先的に研磨することができる。そして、図５からわかるように、いずれの領域を優先的に研磨する場合にも、荷重をかけた研磨パッドとウエハとの間に大きな相対速度が得られるため、比較的高速に研磨することができる。したがって、ウエハ表面の膜厚ムラに拘わらずにウエハ表面を均一に平坦化することができる。
【００６２】
また、本実施の形態によれば、前述したように、ウエハ１側から見た研磨パッド１６，１７，１８の研磨面の全体的な分布領域の径（研磨パッド１６の外径）が、ウエハ１の径より若干小さくなっているので、従来の小径パッド方式と同様に、フットプリントが小さく、装置の小型化が可能である。のみならず、本実施の形態によれば、図５からわかるように、ウエハ１のいずれの領域１ａ，１ｂ，１ｃを優先的に研磨する場合であっても、研磨ヘッド１１の揺動中心はほとんど変えなくてすむ。したがって、前述した図１０に示すような方式に比べて、装置を小型化することができる。
【００６３】
さらに、本実施の形態によれば、ウエハ１の全領域を所望の量まで研磨しようとする場合、全ての研磨パッド１６，１７，１８とウエハ１との間に荷重をかけて、研磨パッドとウエハ１との接触面積を広くすることができるので、効率良く研磨することができ、研磨時間を短縮することができる。
【００６４】
このように、本実施の形態によれば、ウエハ１の表面の膜厚ムラなどのウエハ１の被研磨面の初期的なグローバルな凹凸に拘わらずに、ウエハ１の被研磨面の表面を均一に平坦化することができるとともに、効率良く短時間に被研磨面を所望の量まで研磨することができ、しかも装置の小型化を図ることができる。
【００６５】
また、本発明では、複数のパッド取り付け部をそれぞれ独立して回転駆動できるように構成することも可能であるが、本実施の形態では、前述したようにパッド取り付け部１３，１４，１５が共回りするように係合されているので、構造がが簡単となりコストダウンを図ることができる。
【００６６】
本実施の形態による研磨装置は、例えば、次のように変形することができる。第１の変形例として、研磨パッド１６を取り除き、パッド取り付け部１３を単に研磨ヘッド本体としてのみ用いてもよい。第２の変形例として、パッド取り付け部１５及び研磨パッド１８を取り除いてもよい。第３の変形例として、前述した第１の実施の形態は流体として空気を用いた例であったが、空気に代えて水やその他の任意の流体を用いてもよい。
【００６７】
また、本実施の形態の同心状のパッド取り付け面として略同心円状のものを示したが、同心状であれさえすれば、対称軸を持たない形状でも良い。より好ましい形状は、同心状でありかつ四角形などの多角形状等で２本以上の対称軸を持つ形状であり、最も好ましくは円板と円環形状から構成される同心円状のものである。
【００６８】
［第２の実施の形態］
【００６９】
図６は、半導体デバイス製造プロセスを示すフローチャートである。半導体デバイス製造プロセスをスタートして、まずステップＳ２００で、次に挙げるステップＳ２０１〜Ｓ２０４の中から適切な処理工程を選択する。選択に従って、ステップＳ２０１〜Ｓ２０４のいずれかに進む。
【００７０】
ステップＳ２０１はシリコンウエハの表面を酸化させる酸化工程である。ステップＳ２０２はＣＶＤ等によりシリコンウエハ表面に絶縁膜を形成するＣＶＤ工程である。ステップＳ２０３はシリコンウエハ上に電極膜を蒸着等の工程で形成する電極形成工程である。ステップＳ２０４はシリコンウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込み工程である。
【００７１】
ＣＶＤ工程もしくは電極形成工程の後で、ステップＳ２０９に進み、ＣＭＰ工程を行うかどうかを判断する。行わない場合はステップＳ２０６に進むが、行う場合はステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５はＣＭＰ工程であり、この工程では、本発明に係る研磨装置を用いて、層間絶縁膜の平坦化や、半導体デバイスの表面の金属膜の研磨によるダマシン（damascene）の形成等が行われる。
【００７２】
ＣＭＰ工程または酸化工程の後でステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６はフォトリソ工程である。フォトリソ工程では、シリコンウエハへのレジストの塗布、露光装置を用いた露光によるシリコンウエハへの回路パターンの焼き付け、露光したシリコンウエハの現像が行われる。さらに次のステップＳ２０７は、現像したレジスト像以外の部分をエッチングにより削り、その後レジスト剥離を行い、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くエッチング工程である。
【００７３】
次にステップＳ２０８で必要な全工程が完了したかを判断し、完了していなければステップＳ２００に戻り、先のステップを繰り返して、シリコンウエハ上に回路パターンが形成される。ステップＳ２０８で全工程が完了したと判断されればエンドとなる。
【００７４】
本発明に係る半導体デバイス製造方法では、ＣＭＰ工程において本発明に係る研磨装置を用いているため、ＣＭＰ工程での歩留まりが向上し、従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コストで半導体デバイスを製造することができるという効果がある。
【００７５】
なお、前記の半導体デバイス製造プロセス以外の半導体デバイス製造プロセスのＣＭＰ工程に本発明に係る研磨装置を用いても良い。
【００７６】
本発明に係る半導体デバイスは、本発明に係る半導体デバイス製造方法により製造される。これにより、従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コストで半導体デバイスを製造することができ、半導体デバイスの製造原価を低下することができるという効果がある。
【００７７】
以上、本発明の各実施の形態及び変形例について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ウエハ表面の膜厚ムラなどの被研磨物の被研磨面の初期的なグローバルな凹凸に拘わらずに、被研磨面の表面を均一に平坦化することができるとともに、効率良く短時間に被研磨面を所望の量まで研磨することができ、しかも装置の小型化を図ることができる、研磨装置及び研磨方法を提供することができる。
【００７９】
また、本発明によれば、従来の半導体デバイス製造方法に比べて、歩留りが向上し低コストで半導体デバイスを製造することができる半導体デバイス製造方法、及び低コストの半導体デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による研磨装置を示す概略構成図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図３】図１中のＢ−Ｂ’矢視図である。
【図４】ウエハの被研磨面の各領域を示す図である。
【図５】ウエハとの間に荷重がかけられている研磨パッドとウエハとの関係を模式的に示す概略平面図である。
【図６】半導体デバイス製造プロセスを示すフローチャートである。
【図７】表面に膜を形成したウエハの、直径に沿った断面を模式的に示す図である。
【図８】従来の大径パッド方式による研磨中のウエハと研磨パッドとの関係を模式的に示す概略平面図である。
【図９】従来の小径パッド方式による研磨中のウエハと研磨パッドとの関係を模式的に示す概略平面図である。
【図１０】他の方式による研磨中のウエハと研磨パッドとの関係を模式的に示す概略平面図である。
【符号の説明】
１ プロセスウエハ
２ 膜
１１ 研磨ヘッド
１２ ウエハホルダ
１３，１４，１５ パッド取り付け部
１６，１７，１８ 研磨パッド
２６，２８ 空気室
３３〜３６ 電磁開閉弁
３７ コンプレッサ
３８ 真空ポンプ
５０ 制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロセスウエハなどの被研磨物の研磨に用いられる研磨装置及び研磨方法、この研磨装置を用いた半導体デバイス製造方法、及び、半導体デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の高集積化、微細化に伴って、半導体製造プロセスの工程は、増加し、複雑になってきている。これに伴い、半導体デバイスの表面は必ずしも平坦ではなくなってきている。半導体デバイスの表面おける段差の存在は、配線の段切れ、局所的な抵抗の増大などを招き、断線や電気容量の低下などをもたらす。また、絶縁膜では耐電圧劣化やリークの発生などにもつながる。
【０００３】
一方、半導体集積回路の高集積化、微細化に伴って、光リソグラフィに用いられる半導体露光装置の光源波長は短くなり、半導体露光装置の投影レンズの開口数、いわゆるＮＡは大きくなってきている。これにより、半導体露光装置の投影レンズの焦点深度は、実質的に浅くなってきている。焦点深度が浅くなることに対応するためには、今まで以上に半導体デバイスの表面の平坦化が要求されている。
【０００４】
プロセスウエハなどの被研磨物の研磨技術として、大きな（ダイサイズレベルでの）エリアの効率的な平坦化技術として注目を集めているのが、化学的機械的研磨である。これは、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing又はPlanarization）と呼ばれる研磨工程である。ＣＭＰは、物理的研磨に、化学的な作用を併用して、プロセスウエハの表面層を除いていく工程で、グローバル平坦化及び、電極形成のための重要な技術である。具体的には、酸、アルカリ、酸化剤などの研磨物の可溶性溶媒中に、研磨粒（シリカ、アルミナ、酸化セリウムなどが一般的）を分散させたスラリーと呼ばれる研磨剤を用い、更に、研磨パッドで、ウエハ表面を加圧し、相対運動で摩擦することにより研磨を進行させる。
【０００５】
従来から、ＣＭＰでは、ウエハの径よりかなり大きい径を持つ研磨パッドを用いる大径パッド方式と、ウエハ径と略同じかそれより小さい径を持つ研磨パッドを用いる小径パッド方式とが知られているが、いずれの方式の場合も、単一の研磨パッドが用いられていた。大径パッド方式では、研磨パッドがウエハより大きいため、装置全体としてフットプリントが大きく、装置が大型化する。これに対し、小径パッド方式では、研磨パッドがウエハと略同じかそれより小さいため、フットプリントが小さく、装置の小型化が可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
プロセスウエハの表面に形成された膜には、通常、ウエハの半径方向に沿ってグローバルに分布する数百〜数千Åの厚さムラがある。通常は、ウエハを回転させつつ成膜するため、表面の膜の厚さムラは、ウエハの中心からの距離（半径上の位置）に応じて波打つようにグローバルに生ずる。このような表面の膜の厚さムラの様子の一例を、図７に模式的に示す。図７は、表面に膜２を形成したウエハ１の、直径に沿った断面を模式的に示す図である。図７中、Ｏはウエハ１の中心を示す。
【０００７】
しかしながら、本発明者の研究の結果、従来のＣＭＰでは、大径パッド方式及び小径パッド方式のいずれの場合も、単一の研磨パッドが用いられていたので、前述したようなウエハ表面の膜厚ムラに拘わらずにウエハ表面を均一に平坦化しかつ効率良く短時間にウエハ表面を所望の量まで研磨し、しかも装置の小型化を図ることは、非常に困難であることが、判明した。この点について、図８乃至図１０を参照して説明する。
【０００８】
図８は、従来の大径パッド方式による研磨中のウエハ１と研磨パッド３との関係を模式的に示す概略平面図である。この方式では、ウエハ１が研磨パッド３より小さく、ウエハ１の全面が常に研磨パッド３に接触しているため、ウエハ１の一部の領域を他の領域に対して優先的に研磨することが極めて困難である。したがって、ウエハ１の表面の膜厚の厚い領域を他の領域に対して優先的に研磨することができず、ウエハ１の表面の膜厚ムラを解消してウエハ１の表面を均一に平坦化することが非常に困難である。このため、例えば、半導体デバイスの表面の金属膜の研磨によるダマシン（damascene）の形成の際などには、ウエハ表面の膜厚ムラにより初期的に膜厚が薄い領域において、オーバーポリッシングの時間が長くなり、エロージョンやディシングが大きくなってしまう。また、前述したように、大径パッド方式の場合、装置が大型化せざるを得ない。
【０００９】
図９は、従来の小径パッド方式による研磨中のウエハ１と研磨パッド４との関係を模式的に示す概略平面図である。図９に示す例では、ウエハ１に比べてかなり小さい研磨パッド４が用いられ、ウエハ１及び研磨パッド４がそれぞれ回転されるとともに、研磨パッド４が図中の左右方向に所定の幅で往復動（揺動）されている。このような小径パッド方式では、ウエハ１に比べてかなり小さい研磨パッド４が用いられているので、ウエハ１の一部の領域を他の領域に対して優先的に研磨することができる。例えば、図９に示す研磨パッド４の位置（ウエハ１の周辺側の位置）を研磨パッド４の揺動の中心として、比較的狭い幅で揺動させると、ウエハ１の周辺側の領域を他の領域に対して優先的に研磨することができる。したがって、ウエハ１の表面の膜厚の厚い領域を他の領域に対して優先的に研磨することができ、ウエハ１の表面の膜厚ムラを解消してウエハ１の表面を均一に平坦化することができるはずである。
【００１０】
ところが、図９に示すような小径パッド方式では、研磨速度の点で問題が生ずる。すなわち、ウエハ１の回転速度と研磨パッド４の回転速度とが同等の場合、ウエハ１の周辺側の領域を他の領域に対して優先的に研磨する場合には、ウエハ１と研磨パッド４との間に大きな相対速度が得られるため、比較的高速に研磨することができる。しかし、ウエハ１の中心部の領域を他の領域に対して優先的に研磨する場合には、ウエハ１と研磨パッド４との間の相対速度が著しく低下し、研磨速度が非常に低下し、実際上ほとんど研磨することができない。
【００１１】
そこで、図１０に示すような小径パッド方式が考えられる。図１０は、他の小径パッド方式による研磨中のウエハ１と研磨パッド５との関係を模式的に示す概略平面図である。この方式では、ウエハ１とほぼ同じ外径を持ち幅が比較的狭い円環の研磨パッド５が用いられ、ウエハ１及び研磨パッド５がそれぞれ回転されるとともに、研磨パッド５が図中の左右方向に所定の幅で往復動（揺動）されている。この方式では、研磨パッド５はその径が比較的大きくその幅が比較的狭いので、ウエハ１の一部の領域を他の領域に対して優先的に研磨することができ、しかも、ウエハ１の周辺の領域を優先的に研磨する場合のみならず、ウエハ１の中心部の領域を優先的に研磨する場合にも、研磨速度を高めることができる。例えば、研磨パッド５の揺動の中心位置を図１０（ａ）に示すような位置にすれば、ウエハ１の中心部の領域を優先的に研磨することができ、研磨パッド５の揺動の中心位置を図１０（ｂ）に示すような位置にすれば、ウエハ１の中心部と周辺との間の中間の領域を優先的に研磨することができ、研磨パッド５の揺動の中心位置を図１０（ｃ）に示すような位置にすれば、ウエハ１の周辺の領域を優先的に研磨することができ、いずれの場合であっても、ウエハ１と研磨パッド５との間の相対速度が高くなって研磨速度が高まる。したがって、図１０に示す方式によれば、前述したようなウエハ表面の膜厚ムラに拘わらずにウエハ表面を均一に平坦化することができる。
【００１２】
しかし、図１０に示すような方式では、研磨パッド５の揺動の中心位置を図１０（ａ）に示す位置から図１０（ｃ）に示す位置まで移動させなければならないので、研磨パッド５の左右方向の移動可能な距離を大きくする必要がある。このため、本質的に装置を小型化することができる小径パッド方式であるにも拘わらず、装置をさほど小型化することができない。また、研磨パッド５では中抜きの領域が大きいことから、ウエハ１と研磨パッド５との接触面積が狭くなるので、ウエハ１の全領域を所望の量まで研磨しようとする場合、効率良く研磨することができず、研磨時間が長くなってしまう。また、研磨パッド５の研磨面がウエハ１の被研磨面から部分的にはみ出した状態で研磨するため、研磨パッド５の回転軸を傾ける力が働くので、ウエハ１の周辺部がダレてしまう。
【００１３】
以上説明した事情は、プロセスウエハ以外の被研磨物の研磨についても、同様である。
【００１４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ウエハ表面の膜厚ムラなどの被研磨物の被研磨面の初期的なグローバルな凹凸に拘わらずに、被研磨面の表面を均一に平坦化することができるとともに、効率良く短時間に被研磨面を所望の量まで研磨することができ、しかも装置の小型化を図ることができる、研磨装置及び研磨方法を提供することを目的とする。
【００１５】
また、本発明は、従来の半導体デバイス製造方法に比べて、歩留りが向上し低コストで半導体デバイスを製造することができる半導体デバイス製造方法、及び低コストの半導体デバイスを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の第１の態様による研磨装置は、複数の研磨パッドのうちの少なくとも１つの研磨パッドの研磨面と、被研磨物との間に、荷重を加えつつ、前記少なくとも１つの研磨パッドと前記被研磨物とを相対移動させることにより、前記被研磨物を研磨する研磨装置であって、（ａ）互いに相対的に所定軸線方向に移動可能に設けられ、前記所定軸線方向の前記被研磨物側に各パッド取り付け面を有する複数のパッド取り付け部と、前記複数の研磨パッドと前記被研磨物との間の荷重状態を設定する荷重設定部と、を備え、（ｂ）前記各パッド取り付け部の前記各パッド取り付け面は、前記被研磨物側から見たとき、互いに重なることなく前記所定軸線方向に略平行な中心軸線に対して同心状の領域を形成し、（ｃ）前記各パッド取り付け部の前記各パッド取り付け面には、前記複数の研磨パッドのうちの１つ以上の研磨パッドがそれぞれ取り付けられ、（ｄ）前記被研磨物側から見た前記複数の研磨パッドの研磨面の全体的な大きさが、前記被研磨物の被研磨面の大きさと略々同じかあるいはそれより小さく、（ｅ）前記荷重設定部は、前記複数のパッド取り付け部の各々に取り付けられた各研磨パッドと前記被研磨物との間の各荷重状態を、各研磨パッド間で独立して、設定するものである。
【００１７】
本発明の第２の態様による研磨装置は、前記第１の態様において、前記複数のパッド取り付け部を前記中心軸線の回りに回転駆動する第１の駆動機構と、前記被研磨物を保持する保持部と、該保持部を前記中心軸線と略平行な軸線の回りに回転駆動する第２の駆動機構と、を備えたものである。
【００１８】
本発明の第３の態様による研磨装置は、前記第２の態様において、前記複数のパッド取り付け部を前記中心軸線と略直交する方向へ往復駆動する第３の駆動機構を、備えたものである。
【００１９】
本発明の第４の態様による研磨装置は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記複数のパッド取り付け部は、前記中心軸線の回りに共回りするように互いに係合されたものである。
【００２０】
本発明の第５の態様による研磨装置は、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記荷重設定部は、（ａ）前記複数のパッド取り付け部のうちの、互いに隣り合う前記パッド取り付け面を有する少なくとも一対のパッド取り付け部の間に、形成された流体室と、（ｂ）前記流体室に連通した流体路と、（ｃ）前記流体路を介して流体を出入りさせることにより前記流体室内を負圧にした第１の状態及び前記流体路を介して前記流体室内を正圧にした第２の状態のいずれかに設定し得る流体室設定部とを、含むものである。そして、前記流体室は、前記第１の状態の時に前記一対のパッド取り付け部のうちの一方が他方に対して前記中心軸線方向の前記被研磨物と反対側へ移動するとともに、前記第２の状態の時に前記一対のパッド取り付け部のうちの前記一方が前記他方に対して前記中心軸線方向の前記被研磨物側へ移動するように、形成される。
【００２１】
本発明の第６の態様による研磨装置は、前記第１乃至第５のいずれかの態様において、前記荷重設定部を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記被研磨物の被研磨面の一部の領域を他の領域に対して優先的に研磨する場合に、前記複数のパッド取り付け部のうちの少なくとも１つのパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他の少なくとも１つのパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が実質的に加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御するものである。
【００２２】
本発明の第７の態様による研磨装置は、前記第６の態様において、前記制御部は、前記被研磨物の被研磨面の中心側の領域を他の領域に対して優先的に研磨する場合に、前記複数のパッド取り付け部のうちの、周辺側に位置するパッド取り付け面を有するパッド取り付け部に、取り付けられた前記研磨パッドと、前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他のパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が実質的に加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御するものである。
【００２３】
本発明の第８の態様による研磨装置は、前記第６又は第７の態様において、前記制御部は、前記被研磨物の被研磨面の周辺側の領域を他の領域に対して優先的に研磨する場合に、前記複数のパッド取り付け部のうちの、前記中心軸線側に位置するパッド取り付け面を有するパッド取り付け部に、取り付けられた前記研磨パッドと、前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他のパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が実質的に加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御するものである。
【００２４】
本発明の第９の態様による研磨装置は、前記第６乃至第８のいずれかの態様において、前記制御部は、前記被研磨物の被研磨面の全領域を全体的に研磨する場合に、前記複数のパッド取り付け部のうちのいずれのパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間にも、荷重が加わった状態となるように、前記荷重設定部を制御するものである。
【００２５】
本発明の第１０の態様による研磨方法は、前記第１乃至第５のいずれかの態様による研磨装置を用いて、前記被研磨物を研磨する研磨方法であって、前記複数のパッド取り付け部のうちの少なくとも１つのパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他の少なくとも１つのパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が実質的に加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御して、前記被研磨物の被研磨面の一部の領域を他の領域に対して優先的に研磨する優先研磨段階を、備えたものである。
【００２６】
本発明の第１１の態様による研磨方法は、前記第１０の態様において、前記優先研磨段階は、前記複数のパッド取り付け部のうちの、周辺側に位置するパッド取り付け面を有するパッド取り付け部に、取り付けられた前記研磨パッドと、前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他のパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が実質的に加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御して、前記被研磨物の被研磨面の中心側の領域を他の領域に対して優先的に研磨する段階を、含むものである。
【００２７】
本発明の第１２の態様による研磨方法は、前記第１０又は第１１の態様において、前記優先研磨段階は、前記複数のパッド取り付け部のうちの、前記中心軸線側に位置するパッド取り付け面を有するパッド取り付け部に、取り付けられた前記研磨パッドと、前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他のパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が実質的に加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御して、前記被研磨物の被研磨面の周辺側の領域を他の領域に対して優先的に研磨する段階を、含むものである。
【００２８】
本発明の第１３の態様による研磨方法は、前記第１０乃至第１２のいずれかの態様において、前記複数のパッド取り付け部のうちのいずれのパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間にも、荷重が加わった状態となるように、前記荷重設定部を制御して、前記被研磨物の被研磨面の全領域を全体的に研磨する段階を、備えたものである。
【００２９】
本発明の第１４の態様による半導体デバイス製造方法は、前記第１乃至第９のいずれかの態様による研磨装置を用いて半導体ウエハの表面を平坦化する工程を有するものである。
【００３０】
本発明の第１５の態様による半導体デバイスは、前記第１４の態様による半導体デバイス製造方法により製造されるものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による研磨装置、研磨方法、半導体デバイス及び半導体デバイス製造方法について、図面を参照して説明する。
【００３２】
なお、後述する実施の形態による研磨装置は、被研磨物としてのプロセスウエハに対して化学的機械的研磨を行ういわゆるＣＭＰ研磨装置として構成されている。もっとも、本発明では被研磨物はプロセスウエハに限定されるものではないし、また、本発明は、化学的機械的研磨以外の種々の研磨についても適用することができる。
【００３３】
［第１の実施の形態］
【００３４】
図１は、本発明の第１の実施の形態による研磨装置を示す概略構成図である。図２は、図１中のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図３は、図１中のＢ−Ｂ’矢視図である。
【００３５】
本実施の形態による研磨装置は、図１に示すように、研磨ヘッド１１と、研磨ステーション（研磨ゾーン）に配置されて、この研磨ステーションに位置した研磨ヘッド１１の下側にウエハ１を保持するウエハホルダ１２と、ウエハ１と研磨ヘッド１１との間に研磨剤（スラリー）を供給する研磨剤供給部（図示せず）と、を備えている。
【００３６】
研磨ヘッド１１は、３つのパッド取り付け部１３，１４，１５と、これらにそれぞれ取り付けられた３つの研磨パッド１６，１７，１８とを有している。
【００３７】
パッド取り付け部１３は、円筒体１９と、円筒体１９の上部開口を閉塞するように、ねじ２１にてパッキン（図示せず）を介して気密に円筒体１９に固定された円板２０と、を有している。本実施の形態では、円筒体１９の下面がパッド取り付け面となっており、ここには全面に渡って、円環形状の研磨パッド１６が、接着剤又は両面接着テープなどによって取り付けられている。円筒体１９の中心軸線Ｊは、ウエハ１の面の法線と略一致している。
【００３８】
本実施の形態では、パッド取り付け部１３は研磨ヘッド本体として兼用され、軸部２２が、パッド取り付け部１３の円板２０に、円筒体１９の中心軸線Ｊと同軸をなすように固着されている。軸部２２は、アクチュエータとして電動モータを用いた図示しない回転駆動機構に機械的に接続され、この回転駆動機構によって、パッド取り付け部１３は、矢印Ｃで示すように、中心軸線Ｊの回りに回転できるようになっている。このように、中心軸線Ｊは回転中心軸線となっている。また、軸部２２は、アクチュエータとして電動モータを用いた図示しない直線駆動機構に機械的に接続され、この直線駆動機構によって、矢印Ｄで示すように、中心軸線Ｊと略直交する方向に往復動できるようになっている。さらに、軸部２２は、アクチュエータとして電動モータを用いた図示しない直線駆動機構に機械的に接続され、この直線駆動機構によって、矢印Ｅで示すように、中心軸線Ｊの方向に上下動できるようになっている。この上下動のための直線駆動機構は、研磨パッド１６をウエハ１に押し付けて研磨パッド１６とウエハ１との間に荷重をかける加圧機構を兼ねている。
【００３９】
パッド取り付け部１４は、パッド取り付け部１３と同様に、円筒体２３と、円筒体２３の上部開口を閉塞するように、ねじ２５にてパッキン（図示せず）を介して気密に円筒体２３に固定された円板２４と、を有している。円筒体２３の下面がパッド取り付け面となっており、ここには全面に渡って、円環形状の研磨パッド１７が、接着剤又は両面接着テープなどによって取り付けられている。パッド取り付け部１４の円筒体２３及び円板２４の外周面が、パッド取り付け部１３の円筒体１９の内周面に嵌合されている。円板２０の下面と円板２４の上面との間には、第１の空気室２６が形成されている。円板２４の外周部には、第１の空気室２６の気密性を保つためのＯリング２７が設けられている。
【００４０】
図２に示すように、円筒体２３の外周面に形成されたキー２３ａが、円筒体１９の内周面に形成され中心軸線Ｊに略平行な方向に延びたキー溝１９ａに係合している。これにより、パッド取り付け部１４は、パッド取り付け部１３に対して中心軸線Ｊの方向に上下動し得るが、中心軸線Ｊの回りにパッド取り付け部１３と共回りするようになっている。なお、キー２３ａ及びキー溝１９ａは、Ｏリング２７の付近には形成されていない。キー溝１９ａは円筒体１９の下面までは達しておらず、キー２３ａの下端がキー溝１９ａの下端に当接することにより、パッド取り付け部１４がパッド取り付け部１３から抜け落ちないようになっている。キー溝１９ａ及びキー２３ａの上下方向の位置や長さ等は、キー２３ａをキー溝１９ａの下方に移動させてキー溝１９ａの下限に達したときに、研磨パッド１７とウエハ１との間に荷重をかけた状態で研磨パッド１６とウエハ１との間に少なくとも所定の隙間を確保できるように、また、キー２３ａをキー溝１９ａの上方に移動させてキー溝１９ａの上限に達したときに、研磨パッド１６とウエハ１との間に荷重をかけた状態で研磨パッド１７とウエハ１との間に少なくとも所定の隙間を確保できるように、設定されている。
【００４１】
パッド取り付け部１５は、円板で構成されている。図１に示すように、パッド取り付け部１５の下面がパッド取り付け面となっており、ここには全面に渡って、円形の研磨パッド１８が、接着剤又は両面接着テープなどによって取り付けられている。パッド取り付け部１５の外周面が、パッド取り付け部１４の円筒体２３の内周面に嵌合されている。パッド取り付け部１４の円板２４の下面とパッド取り付け部１５の上面との間には、第２の空気室２８が形成されている。パッド取り付け部１５の外周部には、第２の空気室２８の気密性を保つためのＯリング２９が設けられている。
【００４２】
図２に示すように、パッド取り付け部１５の外周面に形成されたキー１５ａが、円筒体２３の内周面に形成され中心軸線Ｊに略平行な方向に延びたキー溝２３ｂに係合している。これにより、パッド取り付け部１５は、パッド取り付け部１４に対して中心軸線Ｊの方向に上下動し得るが、中心軸線Ｊの回りにパッド取り付け部１４と共回りするようになっている。なお、キー１５ａ及びキー溝２３ｂは、Ｏリング２９の付近には形成されていない。キー溝２３ｂは円筒体２３の下面まで達しておらず、キー１５ａの下端がキー溝２３ｂの下端に当接することにより、パッド取り付け部１５がパッド取り付け部１４から抜け落ちないようになっている。キー溝２３ｂ及びキー１５ａの上下方向の位置や長さ等は、キー１５ａをキー溝２３ｂの下方に移動させてキー溝２３ｂの下限に達したときに、研磨パッド１８とウエハ１との間に荷重をかけた状態で研磨パッド１７とウエハ１との間に少なくとも所定の隙間を確保できるように、また、キー１５ａをキー溝２３ｂの上方に移動させてキー溝２３ｂの上限に達したときに、研磨パッド１７とウエハ１との間に荷重をかけた状態で研磨パッド１８とウエハ１との間に少なくとも所定の隙間を確保できるように、設定されている。
【００４３】
本実施の形態では、以上説明した構造によって、図３からもわかるように、３つのパッド取り付け部１３，１４，１５のパッド取り付け面（円筒体１９，２３の下面及びパッド取り付け部１５の下面）は、ウエハ１側から見たとき、互いに重なることなく回転中心軸線Ｊに対して同心状の領域を形成している。本実施の形態では、前述したように、研磨パッド１６，１７，１８がパッド取り付け部１３，１４，１５のパッド取り付け面の全面に渡ってそれぞれ形成されているが、本発明は、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、研磨パッド１６を複数に分割したような複数の研磨パッドを、互いに若干隙間があくように、パッド取り付け部１３のパッド取り付け面に取り付けてもよい。
【００４４】
研磨パッド１６，１７，１８は、互いに材質も溝構造等も同一であってもよいし、少なくとも１つのパッドが他の少なくとも１つのパッドとは材質又は溝構造等が異なっていてもよい。
【００４５】
また、本実施の形態では、図３に示すように、ウエハ１側から見た研磨パッド１６，１７，１８の研磨面の全体的な分布領域の径（研磨パッド１６の外径）が、ウエハ１の径より若干小さくなっている。
【００４６】
再び図１を参照すると、パッド取り付け部１３の円板２０には、第１の空気室２６に連通した貫通孔２０ａが形成されている。貫通孔２０ａは、空気室２６に連通する第１の流体路の一部を構成している。この第１の流体路は、軸部２２の内部流路や配管等を含み、圧力調整器３１及び電磁開閉弁３３を介して、圧縮空気を供給するコンプレッサ３７に接続されている。また、この第１の流体路は、電磁開閉弁３５を介して真空ポンプ３８に接続されている。
【００４７】
本実施の形態では、前述した要素３１，３３，３７，３５，３８が、前記第１の流体路を介して第１の空気室２６内の空気を吸引した第１の状態（負圧状態）及び前記第１の流体路を介して第１の空気室２６内に圧縮空気を供給した第２の状態（正圧状態）のいずれかに設定し得る第１の空気室設定部を、構成している。第１の空気室２６が前述した位置に形成されているので、開閉弁３３を閉じるとともに開閉弁３５を開いて前記第１の状態にすると、パッド取り付け部１４が上方へ移動し、研磨パッド１７とウエハ１との間に荷重が加わらない状態となる。また、開閉弁３３を開くとともに開閉弁３５を閉じて前記第２の状態にすると、パッド取り付け部１４が下方へ移動し、研磨パッド１７とウエハ１との間に荷重が加わった状態となる。
【００４８】
パッド取り付け部１４の円板２４には、第２の空気室２８に連通した貫通孔２４ａが形成されている。パッド取り付け部１３の円板２０に形成された貫通孔２０ｂには管部材３９が挿通され、管部材３９の外壁が貫通孔２０ｂの内壁に気密に固着されている。貫通孔２０ｂから突出した管部材３９の下端側の部分が、貫通孔２４ａ内に挿通され、管部材３９と貫通孔２４ａとが連通している。貫通孔２４ａの内壁部には、空気室２６，２８間を気密に保つためのＯリング４０が設けられている。貫通孔２４ａの一部及び管部材３９は、第２の空気室２８に連通する第２の流体路の一部を構成している。この第２の流体路は、配管等を含み、圧力調整器３２及び電磁開閉弁３４を介して、コンプレッサ３７に接続されている。また、この第２の流体路は、電磁開閉弁３６を介して真空ポンプ３８に接続されている。
【００４９】
本実施の形態では、前述した要素３２，３４，３７，３６，３８が、前記第２の流体路を介して第２の空気室２８内の空気を吸引した第１の状態（負圧状態）及び前記第２の流体路を介して第１の空気室２８内に圧縮空気を供給した第２の状態（正圧状態）のいずれかに設定し得る第２の空気室設定部を、構成している。第２の空気室２８が前述した位置に形成されているので、開閉弁３４を閉じるとともに開閉弁３６を開いて前記第１の状態にすると、パッド取り付け部１５が上方へ移動し、研磨パッド１８とウエハ１との間に荷重が加わらない状態となる。また、開閉弁３４を開くとともに開閉弁３６を閉じて前記第２の状態にすると、パッド取り付け部１５が下方へ移動し、研磨パッド１８とウエハ１との間に荷重が加わった状態となる。
【００５０】
本実施の形態では、前述した加圧機構を兼ねる上下動のための直線駆動機構、前記第１及び第２の流体路、並びに、前記第１及び第２の空気室設定部が、各研磨パッド１６，１７，１８とウエハ１との間の各荷重状態を、当該研磨パッド以外の研磨パッドの荷重状態と独立して設定する、荷重設定部を構成している。
【００５１】
ウエハホルダ１２は、アクチュエータとして電動モータを用いた図示しない回転駆動機構によって、図１中の矢印Ｆに示すように、中心軸線Ｊと略平行な軸線Ｋの回りに回転できるようになっている。
【００５２】
本実施の形態による研磨装置は、前述した各部のモータ及び電磁開閉弁３３〜３６等を制御する、ＣＰＵ等で構成された制御部５０を、更に備えている。ウエハ１の研磨時に、制御部５０による制御下で、研磨ヘッド１１は、矢印Ｃの方向に回転しながら矢印Ｄの方向に揺動つつ、研磨ヘッド１１の研磨パッド１６，１７，１８のうちの少なくとも１つがウエハホルダ１２上のウエハ１の上面に直線駆動機構により所定の圧力（荷重）で押し付けられる。ウエハホルダ１２を矢印Ｆの方向に回転させてウエハ１も回転させ、ウエハ１と研磨ヘッド１１の押し付けられた研磨パッドとの間で相対運動を行わせる。この状態で、研磨剤が研磨剤供給部（不図示）からウエハ１と当該研磨パッドとの間に供給され、その間で拡散し、ウエハ１の被研磨面を研磨する。すなわち、研磨ヘッド１１の当該研磨パッドとウエハ１の相対運動による機械的研磨と、研磨剤の化学的作用が相乗的に作用して良好な研磨が行われる。
【００５３】
このような研磨時における制御部５０による、研磨パッド１６，１７，１８とウエハ１との間の荷重の制御の例について、図５を参照して説明する。図５は、研磨パッド１６，１７，１８のうちのウエハ１との間に荷重がかけられている研磨パッドと、ウエハ１との関係を模式的に示す概略平面図である。今、図４に示すように、ウエハ１の被研磨面の領域を、中心側の領域１ａ、周辺側の領域１ｃ及び領域１ａ，１ｃ間の中間の領域１ｂの、３つに分けて、考える。なお、図５では、符号１ａ，１ｂ，１ｃは省略している。
【００５４】
ウエハ１の中心側の領域１ａを他の領域１ｂ，１ｃに対して優先的に研磨する場合には、制御部５０は、前述した加圧機構を兼ねる上下動のための直線駆動機構を制御してパッド取り付け部１３を下降させることにより、周辺側の研磨パッド１６とウエハ１との間に荷重をかける。同時に、制御部５０は、開閉弁３３を閉じるとともに開閉弁３５を開いてパッド取り付け部１４を上昇させ、中間の研磨パッド１７とウエハ１との間に荷重をかけない。更に同時に、制御部５０は、開閉弁３４を閉じるとともに開閉弁３６を開いてパッド取り付け部１５を上昇させ、中心側の研磨パッド１８とウエハ１との間に荷重をかけない。これにより、図５（ａ）に示す状態となる。このとき、制御部５０は、研磨ヘッド１１の矢印Ｄで示す方向の揺動の中心を図５（ａ）に示す位置に設定し、その揺動の幅を領域１ａに応じて設定する。以上の動作により、図５（ａ）からもわかるように、ウエハ１の中心側の領域１ａの研磨速度が他の領域１ｂ，１ｃの研磨速度に比べて速くなり、領域１ａが領域１ｂ，１ｃに対して優先的に研磨される。
【００５５】
ウエハ１の中間の領域１ｂを他の領域１ａ，１ｃに対して優先的に研磨する場合には、制御部５０は、前述した加圧機構を兼ねる上下動のための直線駆動機構を制御して、周辺側の研磨パッド１６とウエハ１との間に所定の隙間があく位置にパッド取り付け部１３を上昇させることにより、周辺側の研磨パッド１６とウエハ１との間に荷重をかけない。同時に、制御部５０は、開閉弁３３を開くとともに開閉弁３５を閉じてパッド取り付け部１４を下降させ、中間の研磨パッド１７とウエハ１との間に荷重をかける。更に同時に、制御部５０は、開閉弁３４を閉じるとともに開閉弁３６を開いてパッド取り付け部１５を上昇させ、中心側の研磨パッド１８とウエハ１との間に荷重をかけない。これにより、図５（ｂ）に示す状態となる。このとき、制御部５０は、研磨ヘッド１１の矢印Ｄで示す方向の揺動の中心を図５（ｂ）に示す位置に設定し、その揺動の幅を領域１ｂに応じて設定する。以上の動作により、図５（ｂ）からもわかるように、ウエハ１の中間の領域１ｂが領域１ａ，１ｃに対して優先的に研磨される。
【００５６】
ウエハ１の周辺側の領域１ｃを他の領域１ａ，１ｂに対して優先的に研磨する場合には、制御部５０は、前述した加圧機構を兼ねる上下動のための直線駆動機構を制御して、周辺側の研磨パッド１６とウエハ１との間に所定の隙間があく位置にパッド取り付け部１３を上昇させることにより、周辺側の研磨パッド１６とウエハ１との間に荷重をかけない。同時に、制御部５０は、開閉弁３３を閉じるとともに開閉弁３５を開いてパッド取り付け部１４を上昇させ、中間の研磨パッド１７とウエハ１との間に荷重をかけない。更に同時に、制御部５０は、開閉弁３４を開くとともに開閉弁３６を閉じてパッド取り付け部１５を下降させ、中心側の研磨パッド１８とウエハ１との間に荷重をかける。これにより、図５（ｃ）に示す状態となる。このとき、制御部５０は、研磨ヘッド１１の矢印Ｄで示す方向の揺動の中心を図５（ｃ）に示す位置に設定し、その揺動の幅を領域１ｃに応じて設定する。以上の動作により、図５（ｃ）からもわかるように、ウエハ１の周辺側の領域１ｃが領域１ａ，１ｂに対して優先的に研磨される。
【００５７】
また、詳細な説明は省略するが、パッド取り付け部１３の上昇・下降及び開閉弁３３〜３６の開閉を適宜制御することにより、研磨パッド１６，１７，１８のうちの任意の２つ研磨パッドとウエハ１との間に荷重をかけるとともに、残りの１つの研磨パッドとウエハ１との間に荷重をかけないことも可能である。これにより、ウエハ１の領域１ａ，１ｂ，１ｃのうちの任意の２つの領域を残りの１つの領域に対して優先的に研磨することができる。
【００５８】
以上の説明では、ウエハ１の被研磨面を３つの領域１ａ，１ｂ，１ｃに分けて考えたが、研磨パッド１０の揺動中心の位置の設定及び揺動幅の設定と前述した荷重制御とを適宜に組み合わせることにより、ウエハ１の被研磨面の適宜の部分的な領域を他の領域に対して優先的に研磨することができる。
【００５９】
ウエハ１の被研磨面を全体的に研磨する場合には、例えば、制御部５０は、パッド取り付け部１３を下降させ、開閉弁３３，３４を開くとともに開閉弁３５，３６を閉じてパッド取り付け部１４，１５を下降させ、全ての研磨パッド１６，１７，１８とウエハ１との間に荷重をかける。これにより、ウエハ１の被研磨面を効率良く全体的に研磨することができる。
【００６０】
実際には、制御部５０は、ウエハ１の表面の膜厚分布に応じて、前述した部分的な領域の優先的な研磨と全体的な研磨とを組み合わせるように、制御する。例えば、まず、前述したような荷重制御によりウエハ１の表面の膜厚が厚い領域を優先的に研磨し、ウエハ１の表面の膜厚を均一にする。これにより、例えば、図７中の破線１００で示す位置までウエハ１が研磨される。その後、制御部５０は、前述した全体的な研磨を行う荷重制御により、ウエハ１の被研磨面の全体的な研磨を行う。このような２段階研磨を行うことにより、例えば、半導体デバイスの表面の金属膜の研磨によるダマシン（damascene）の形成の際などに、エロージョンやディシングを低減することができる。
【００６１】
本実施の形態によれば、前述したように、ウエハ１の一部の領域を他の領域に対して優先的に研磨することができる。そして、図５からわかるように、いずれの領域を優先的に研磨する場合にも、荷重をかけた研磨パッドとウエハとの間に大きな相対速度が得られるため、比較的高速に研磨することができる。したがって、ウエハ表面の膜厚ムラに拘わらずにウエハ表面を均一に平坦化することができる。
【００６２】
また、本実施の形態によれば、前述したように、ウエハ１側から見た研磨パッド１６，１７，１８の研磨面の全体的な分布領域の径（研磨パッド１６の外径）が、ウエハ１の径より若干小さくなっているので、従来の小径パッド方式と同様に、フットプリントが小さく、装置の小型化が可能である。のみならず、本実施の形態によれば、図５からわかるように、ウエハ１のいずれの領域１ａ，１ｂ，１ｃを優先的に研磨する場合であっても、研磨ヘッド１１の揺動中心はほとんど変えなくてすむ。したがって、前述した図１０に示すような方式に比べて、装置を小型化することができる。
【００６３】
さらに、本実施の形態によれば、ウエハ１の全領域を所望の量まで研磨しようとする場合、全ての研磨パッド１６，１７，１８とウエハ１との間に荷重をかけて、研磨パッドとウエハ１との接触面積を広くすることができるので、効率良く研磨することができ、研磨時間を短縮することができる。
【００６４】
このように、本実施の形態によれば、ウエハ１の表面の膜厚ムラなどのウエハ１の被研磨面の初期的なグローバルな凹凸に拘わらずに、ウエハ１の被研磨面の表面を均一に平坦化することができるとともに、効率良く短時間に被研磨面を所望の量まで研磨することができ、しかも装置の小型化を図ることができる。
【００６５】
また、本発明では、複数のパッド取り付け部をそれぞれ独立して回転駆動できるように構成することも可能であるが、本実施の形態では、前述したようにパッド取り付け部１３，１４，１５が共回りするように係合されているので、構造がが簡単となりコストダウンを図ることができる。
【００６６】
本実施の形態による研磨装置は、例えば、次のように変形することができる。第１の変形例として、研磨パッド１６を取り除き、パッド取り付け部１３を単に研磨ヘッド本体としてのみ用いてもよい。第２の変形例として、パッド取り付け部１５及び研磨パッド１８を取り除いてもよい。第３の変形例として、前述した第１の実施の形態は流体として空気を用いた例であったが、空気に代えて水やその他の任意の流体を用いてもよい。
【００６７】
また、本実施の形態の同心状のパッド取り付け面として略同心円状のものを示したが、同心状であれさえすれば、対称軸を持たない形状でも良い。より好ましい形状は、同心状でありかつ四角形などの多角形状等で２本以上の対称軸を持つ形状であり、最も好ましくは円板と円環形状から構成される同心円状のものである。
【００６８】
［第２の実施の形態］
【００６９】
図６は、半導体デバイス製造プロセスを示すフローチャートである。半導体デバイス製造プロセスをスタートして、まずステップＳ２００で、次に挙げるステップＳ２０１〜Ｓ２０４の中から適切な処理工程を選択する。選択に従って、ステップＳ２０１〜Ｓ２０４のいずれかに進む。
【００７０】
ステップＳ２０１はシリコンウエハの表面を酸化させる酸化工程である。ステップＳ２０２はＣＶＤ等によりシリコンウエハ表面に絶縁膜を形成するＣＶＤ工程である。ステップＳ２０３はシリコンウエハ上に電極膜を蒸着等の工程で形成する電極形成工程である。ステップＳ２０４はシリコンウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込み工程である。
【００７１】
ＣＶＤ工程もしくは電極形成工程の後で、ステップＳ２０９に進み、ＣＭＰ工程を行うかどうかを判断する。行わない場合はステップＳ２０６に進むが、行う場合はステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５はＣＭＰ工程であり、この工程では、本発明に係る研磨装置を用いて、層間絶縁膜の平坦化や、半導体デバイスの表面の金属膜の研磨によるダマシン（damascene）の形成等が行われる。
【００７２】
ＣＭＰ工程または酸化工程の後でステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６はフォトリソ工程である。フォトリソ工程では、シリコンウエハへのレジストの塗布、露光装置を用いた露光によるシリコンウエハへの回路パターンの焼き付け、露光したシリコンウエハの現像が行われる。さらに次のステップＳ２０７は、現像したレジスト像以外の部分をエッチングにより削り、その後レジスト剥離を行い、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くエッチング工程である。
【００７３】
次にステップＳ２０８で必要な全工程が完了したかを判断し、完了していなければステップＳ２００に戻り、先のステップを繰り返して、シリコンウエハ上に回路パターンが形成される。ステップＳ２０８で全工程が完了したと判断されればエンドとなる。
【００７４】
本発明に係る半導体デバイス製造方法では、ＣＭＰ工程において本発明に係る研磨装置を用いているため、ＣＭＰ工程での歩留まりが向上し、従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コストで半導体デバイスを製造することができるという効果がある。
【００７５】
なお、前記の半導体デバイス製造プロセス以外の半導体デバイス製造プロセスのＣＭＰ工程に本発明に係る研磨装置を用いても良い。
【００７６】
本発明に係る半導体デバイスは、本発明に係る半導体デバイス製造方法により製造される。これにより、従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コストで半導体デバイスを製造することができ、半導体デバイスの製造原価を低下することができるという効果がある。
【００７７】
以上、本発明の各実施の形態及び変形例について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ウエハ表面の膜厚ムラなどの被研磨物の被研磨面の初期的なグローバルな凹凸に拘わらずに、被研磨面の表面を均一に平坦化することができるとともに、効率良く短時間に被研磨面を所望の量まで研磨することができ、しかも装置の小型化を図ることができる、研磨装置及び研磨方法を提供することができる。
【００７９】
また、本発明によれば、従来の半導体デバイス製造方法に比べて、歩留りが向上し低コストで半導体デバイスを製造することができる半導体デバイス製造方法、及び低コストの半導体デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による研磨装置を示す概略構成図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図３】図１中のＢ−Ｂ’矢視図である。
【図４】ウエハの被研磨面の各領域を示す図である。
【図５】ウエハとの間に荷重がかけられている研磨パッドとウエハとの関係を模式的に示す概略平面図である。
【図６】半導体デバイス製造プロセスを示すフローチャートである。
【図７】表面に膜を形成したウエハの、直径に沿った断面を模式的に示す図である。
【図８】従来の大径パッド方式による研磨中のウエハと研磨パッドとの関係を模式的に示す概略平面図である。
【図９】従来の小径パッド方式による研磨中のウエハと研磨パッドとの関係を模式的に示す概略平面図である。
【図１０】他の方式による研磨中のウエハと研磨パッドとの関係を模式的に示す概略平面図である。
【符号の説明】
１ プロセスウエハ
２ 膜
１１ 研磨ヘッド
１２ ウエハホルダ
１３，１４，１５ パッド取り付け部
１６，１７，１８ 研磨パッド
２６，２８ 空気室
３３〜３６ 電磁開閉弁
３７ コンプレッサ
３８ 真空ポンプ
５０ 制御部
Claims (12)
- 複数の研磨パッドのうちの少なくとも１つの研磨パッドの研磨面と、被研磨物との間に、荷重を加えつつ、前記少なくとも１つの研磨パッドと前記被研磨物とを相対移動させることにより、前記被研磨物を研磨する研磨装置であって、
互いに相対的に所定軸線方向に移動可能に設けられ、前記所定軸線方向の前記被研磨物側に各パッド取り付け面を有する複数のパッド取り付け部と、
前記複数の研磨パッドと前記被研磨物との間の荷重状態を設定する荷重設定部と、
前記荷重設定部を制御する制御部と、
を備え、
前記各パッド取り付け部の前記各パッド取り付け面は、前記被研磨物側から見たとき、互いに重なることなく前記所定軸線方向に略平行な中心軸線に対して同心状の領域を形成し、
前記各パッド取り付け部の前記各パッド取り付け面には、前記複数の研磨パッドのうちの１つ以上の研磨パッドがそれぞれ取り付けられ、
前記被研磨物側から見た前記複数の研磨パッドの研磨面の全体的な大きさが、前記被研磨物の被研磨面の大きさと略々同じかあるいはそれより小さく、
前記荷重設定部は、前記複数のパッド取り付け部の各々に取り付けられた各研磨パッドと前記被研磨物との間の各荷重状態を、各研磨パッド間で独立して、設定し、
前記制御部は、前記被研磨物の被研磨面の一部の領域を他の領域に対して優先的に研磨する場合に、前記複数のパッド取り付け部のうちの少なくとも１つのパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他の少なくとも１つのパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御することを特徴とする研磨装置。 - 前記複数のパッド取り付け部を前記中心軸線の回りに回転駆動する第１の駆動機構と、前記被研磨物を保持する保持部と、該保持部を前記中心軸線と略平行な軸線の回りに回転駆動する第２の駆動機構と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
- 前記複数のパッド取り付け部を前記中心軸線と略直交する方向へ往復駆動する第３の駆動機構であって、前記第１及び第２の駆動機構とは独立した第３の駆動機構を、備えたことを特徴とする請求項２記載の研磨装置。
- 前記複数のパッド取り付け部の互いに対向する面にキーとキー溝が設けられ、前記複数のパッド取り付け部が前記中心軸線の回りに共回りするように、前記キーと前記キー溝が互いに係合されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の研磨装置。
- 前記荷重設定部は、（ａ）前記複数のパッド取り付け部のうちの、互いに隣り合う前記パッド取り付け面を有する少なくとも一対のパッド取り付け部の間に、形成された流体室と、（ｂ）前記流体室に連通した流体路と、（ｃ）前記流体路を介して流体を出入りさせることにより前記流体室内を負圧にした第１の状態及び前記流体路を介して前記流体室内を正圧にした第２の状態のいずれかに設定し得る流体室設定部とを、含み、
前記流体室は、前記第１の状態の時に前記一対のパッド取り付け部のうちの一方が他方に対して前記中心軸線方向の前記被研磨物と反対側へ移動するとともに、前記第２の状態の時に前記一対のパッド取り付け部のうちの前記一方が前記他方に対して前記中心軸線方向の前記被研磨物側へ移動するように、形成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の研磨装置。 - 前記制御部は、前記被研磨物の被研磨面の中心側の領域を他の領域に対して優先的に研磨する場合に、前記複数のパッド取り付け部のうちの、周辺側に位置するパッド取り付け面を有するパッド取り付け部に、取り付けられた前記研磨パッドと、前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他のパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の研磨装置。
- 前記制御部は、前記被研磨物の被研磨面の周辺側の領域を他の領域に対して優先的に研磨する場合に、前記複数のパッド取り付け部のうちの、前記中心軸線側に位置するパッド取り付け面を有するパッド取り付け部に、取り付けられた前記研磨パッドと、前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他のパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに研磨装置。
- 複数の研磨パッドのうちの少なくとも１つの研磨パッドの研磨面と、被研磨物との間に、荷重を加えつつ、前記少なくとも１つの研磨パッドと前記被研磨物とを相対移動させることにより、前記被研磨物を研磨する研磨装置であって、互いに相対的に所定軸線方向に移動可能に設けられ、前記所定軸線方向の前記被研磨物側に各パッド取り付け面を有する複数のパッド取り付け部と、前記複数の研磨パッドと前記被研磨物との間の荷重状態を設定する荷重設定部と、を備え、前記各パッド取り付け部の前記各パッド取り付け面は、前記被研磨物側から見たとき、互いに重なることなく前記所定軸線方向に略平行な中心軸線に対して同心状の領域を形成し、前記各パッド取り付け部の前記各パッド取り付け面には、前記複数の研磨パッドのうちの１つ以上の研磨パッドがそれぞれ取り付けられ、前記被研磨物側から見た前記複数の研磨パッドの研磨面の全体的な大きさが、前記被研磨物の被研磨面の大きさと略々同じかあるいはそれより小さく、前記荷重設定部は、前記複数のパッド取り付け部の各々に取り付けられた各研磨パッドと前記被研磨物との間の各荷重状態を、各研磨パッド間で独立して、設定する研磨装置を用いて、前記被研磨物を研磨する研磨方法であって、
前記複数のパッド取り付け部のうちの少なくとも１つのパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他の少なくとも１つのパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御して、前記被研磨物の被研磨面の一部の領域を他の領域に対して優先的に研磨する優先研磨段階を、備えたことを特徴とする研磨方法。 - 前記優先研磨段階は、前記複数のパッド取り付け部のうちの、周辺側に位置するパッド取り付け面を有するパッド取り付け部に、取り付けられた前記研磨パッドと、前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他のパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御して、前記被研磨物の被研磨面の中心側の領域を他の領域に対して優先的に研磨する段階を、含むことを特徴とする請求項８記載の研磨方法。
- 前記優先研磨段階は、前記複数のパッド取り付け部のうちの、前記中心軸線側に位置するパッド取り付け面を有するパッド取り付け部に、取り付けられた前記研磨パッドと、前記被研磨物との間に、荷重が加わった状態となるとともに、前記複数のパッド取り付け部のうちの他のパッド取り付け部に取り付けられた前記研磨パッドと前記被研磨物との間に、荷重が加わらない状態となるように、前記荷重設定部を制御して、前記被研磨物の被研磨面の周辺側の領域を他の領域に対して優先的に研磨する段階を、含むことを特徴とする請求項８記載の研磨方法。
- 請求項１乃至７のいずれかに記載の研磨装置を用いて半導体ウエハの表面を平坦化する工程を有することを特徴とする半導体デバイス製造方法。
- 請求項１１記載の半導体デバイス製造方法により製造されることを特徴とする半導体デバイス。
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