JP4190232B2 - 機械研磨を行う方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所要以上の膜厚の導電層を有する基板に機械研磨を行う方法に関連する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの集積化が進むにつれて、実装ウェファの高密度化も進んでいる。複数の配線層を重ねることによって高密度化を図る多層配線技術は、そのような要請に合致するものである。このような構造を作成する場合に、ウェファ又は基板を平坦化するための研磨がしばしば行われる。
【０００３】
図１は、多層配線構造を作成する際に行われる研磨の前後の状態を模式的に示す。図１（Ａ）に示されるように、研磨の対象となる構造は、シリコン基板１０と、シリコン基板１０上に選択的に設けられた導電層（１２，１４）と、シリコン基板１０および導電層（１２，１４）上に堆積された樹脂層１６を有する。導電層は、めっきシード層１２およびめっきにより形成された導電性ポスト１４より成る。図１（Ｂ）は、この構造に対して研磨を行った後の理想的な状態を示す。研磨を行うことによって、導電層（１２，１４）および樹脂層１６の膜厚が所望の膜厚に減少している。以後は図示されてはいないが、平坦化された面１８上に、めっき用のシード層およびレジスト層を順に全面に成膜し、レジストを所望の配線形態に応じてパターニングし、めっき処理を行うことによって第２の導電層が形成される。余分なレジストを除去して樹脂層を堆積すれば、図１（Ａ）と同様の構造の第２の配線層が形成される。
【０００４】
図２は、他の構造における研磨の前後の状態を模式的に示す。図２（Ａ）に示されるように、この研磨の対象となる構造は、例えば２５μｍの所定の半径を有するビア２０の形成された基板２２を有する。基板２２上には、所定の配線パターンが形成されるようにレジスト２６が設けられている。ビア２０には、めっきにより導電性材料が充填され、導電層２４が形成される。一般に、ビア２０を適切にめっき導電層２４で充填するには、導電性材料をビア２０の半径と同程度の厚さに基板２２に堆積する程度のめっき処理を行う必要がある。一方、ビア２０周囲のめっき導電層２４を配線層として使用する場合には、そのようにして形成されためっき導電層２４のままでは厚すぎる。そこで、図２（Ｂ）に示されるように、この構造を研磨して、基板２２上の導電層２４の膜厚を、例えば１０μｍの配線幅に合わせて研磨する必要がある。また、ビア２０の直径に比べて深さが深い場合（アスペクト比が大きい場合）も、ビアを充分に充填するためにめっき導電層を厚く形成するめっき処理の必要性が生じ得るので、この場合も研磨を行ってめっき導電層２４を薄化する必要がある。
【０００５】
このように、研磨（または平坦化）の行われる例示的な場合として図１，図２に示されるような状態があり得るが、研磨を行う場合には、研磨対象となる基板は実質的に平坦であることが望ましい。研磨の対象となる基板に、そりやうねりがあると、研磨量が場所によって相違し、平坦化が良好に行われなくなる虞があるからである。ところが、現実の基板には、熱膨張係数の相違する様々な材料が基板上に積層されることに起因して、例えば６インチ・ウェファの場合に数百μｍ程度のそりが生じる場合がある。このようなそりやうねりは、半導体ウェファが大インチ化すればする程顕著になり得る。
【０００６】
半導体の製造工程で一般に行われている研磨は、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）と呼ばれるものである。ＣＭＰでは、基板のそりに対していくつかの対策が行われている。簡易なものとしては、チャックに装着されたウェファ基板を研磨する際に、押圧しながら研磨を行うことによって、そりの影響を抑制することが挙げられる。また、タングステン（Ｗ）より成る研磨抑制層（ストッパ層）を研磨の対象となる基板に設け、研磨の終了後にストッパ層を除去するものがある。
【０００７】
図３は、そのようなストッパ層を設けた研磨前の構造例を示す。これは、図１（Ａ）の構造に加えて、ストッパ層３８を設けた構造に相当する。このようなストッパ層３８が設けられていない場合は、導電性ポスト１４に起因する突出した部分３２と、平坦な部分３４の研磨される速度（研磨レート）は、大きく異なるものではない。このようなウェファの中央部における突出した部分３２を充分に研磨しようとすると、ウェファのそりに起因して、その周辺部では突出した部分３２だけでなく平坦な部分３４までも研磨され、ウェファの中央部と端部とで不均一な平坦化が行われてしまうことが懸念される。これに対して、図３に示すような硬い金属のストッパ層３８が設けられていると、突出した部分３２の研磨レートは速いが、平坦な部分３４の研磨レートは遅くなる。このため、ウェファにそりがあったとしても、研磨レートの速い突出した部分３２の研磨が先に行われ、平坦な部分３２の研磨はほとんど進行しないようにすることが可能になる。中央部でも端部でも均一に突出分３２の研磨を完了することが可能になる。研磨が終了した後は、ストッパ層は除去され、図１（Ｂ）に示すような構造が得られる。ＣＭＰでは、このような手法および他の手法を利用して、そりを有する基板を良好に研磨することが可能である。
【０００８】
しかしながら、ＣＭＰは個々のウェファ基板を１つずつチャックに取り付けて行う必要があり、スループットが低く手間のかかる工程であり、コストの上昇を招きやすい。また、ＣＭＰでは、アルミナやシリカのようなスラリー粒子を使用するが、これらは使い捨ての材料であり、このこともコスト上昇に影響し得る。そもそもＣＭＰは、サブ・ミクロン・オーダーの微細加工を行い得る優れた研磨技術であるが、高々ミクロン・オーダーの加工精度で足りる実装レベルの量産に最適な研磨手法ではない。一方、ＣＭＰ以外の研磨方法として、回転するテープとの摩擦により研磨を行うテープ研磨や、表面に砥流をちりばめた回転体を押圧するバフロール研磨等が存在するが、これらの機械研磨の手法は、ウェファ基板のそりに対処しつつ研磨を行うことが困難である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本願課題は、研磨の対象となる基板にそりやうねりがあったとしても、良好に研磨を行うことが可能な安価な機械研磨方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による解決手段によれば、
所要以上の膜厚の導電層を有する基板に対して機械研磨を行う方法であって、前記基板を支持台に固定するステップであって、前記基板のそりを矯正するように、樹脂フィルムおよび前記支持台の間に前記基板を挟み込むところのステップと、
前記基板に対して機械研磨を行うことにより、前記導電層の膜厚を所要の厚さに減少させるステップ
より成ることを特徴とする方法が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図４は、本願実施例による研磨方法を説明するための各工程を示す。図４（Ａ）に示されるように、先ず、所要以上の膜厚のパターニング済みの導電層４２を有する基板４０と、研磨の対象となる基板４０を支持するための支持台４４とが用意されている。基板４０は、例えば半導体ウェファであり、例えば１００μｍに至るそりを有している。導電層４２は、例えば銅（Ｃｕ）の配線パターンより成り、例えば１０μｍの所要の膜厚以上の膜厚（２５μｍ）を有する。支持台４４は、例えば大理石の台より成る搬送可能な台またはテーブルである。基板１０を搭載するための支持台４４の搭載面４６は、研磨の対象となる基板１０より広く、そりやうねりを有しない実質的に平坦な面であることを要する。
【００１２】
図４（Ｂ）に示されるように、このそりを有する基板は、そりが矯正されるように支持台４４に固定される。ポリイミド・フィルム（東亜合成製 ＭＭＲ−Ｆ）のようなラミネート用の樹脂フィルム４８を、基板１０より大きく切断し、これを真空プレス機にてプレスすることにより、基板１０を支持台４４に密着させる。この場合において、１５０℃ないし２００℃の温度で樹脂フィルム４８を加熱して硬化させる。樹脂フィルムの加熱、真空プレスによるプレスおよび硬化によって、基板１０が支持台の搭載面４６に密着し、基板１０のそりが矯正される。ただし、この場合における「矯正」は、基板１０を永久的に変形させる程のものではなく、樹脂フィルム４８と支持台４４の間に基板１０が挟まれることによって、基板１０が一時的に平坦になる程度の作用をいう。したがって、樹脂フィルム４８は、基板１０のそりを矯正できる程度に丈夫な強度または膜厚を必要とする。また、支持台４４も、基板１０のそりになじまないような剛直な搭載面４６を有する必要がある。
【００１３】
図４（Ｃ）に示されように、平坦に矯正された基板１０に対して機械的研磨が行われる。基板１０は、少なくとも研磨の最中は平坦であるので、ＣＭＰ以外の簡易な機械的研磨を行うことが可能である。任意の機械的研磨を行うことが可能であるが、本実施例では、テープ研磨が行われている。これは、研磨シートが巻き付けられた回転するドラム５０を、研磨の対象物（４２，４８）に押し当てることによって研磨を行うものである。図示されているように、この研磨は、導電層４２の薄化と樹脂フィルム４８の薄化が同時に行われ、研磨後は導電層４２と樹脂フィルム４８の膜厚は実質的に等しくなっている。したがって、樹脂フィルム４８は、導電層４２の所要の膜厚に等しい厚さに薄化されたとしても、基板１０のそりを矯正しつつ支持台４４に固定することができる程度の強度を要する。
【００１４】
他の機械的研磨の手法としては、例えば、研磨砥粒が表面にちりばめられた回転体を押し当てることによって研磨を行うバフ・ロール研磨、タングステン・カーバイトやダイヤモンドのような切削用の刃を利用して研磨を行うバイト研磨等がある。これら任意の機械的研磨を行うことが可能である。
【００１５】
図４（Ｄ）は、機械的研磨が終了し、支持台４４に固定されていた基板１０を解放した様子を示す。この段階では、導電層４２が例えば１０μｍの所要の厚さに減少している。本実施例では、基板１０上に樹脂フィルム４８を残存させ、これを基板１０上の絶縁層として利用している点に留意を要する。このようにすると、導電層４２の研磨と絶縁層の形成とを同時に行うことができ、製造工程の簡素化に更に寄与することが可能になる。なお、樹脂フィルム４８を絶縁層としてせずに、研磨の終了後に剥離することも可能である。そのような場合は、樹脂フィルム４８として、ドライ・フィルム・レジストのような除去しやすい材料を利用することも可能である。
【００１６】
図５は、基板を固定する際の他の実施例を示す。図５（Ａ）に示されるように、基板１０を支持台４４に固定した際に、基板の端部に依然としてそりが残存している場合があり得る。このような場合に、研磨を進めてゆくと、研磨面が波線５２で示す位置に来たときに、樹脂フィルム４８が切断され、基板１０が支持台４４から解放され、基板１０のそりを矯正しつつ研磨することが困難になる。このような状況は、そりが残存していた場合だけでなく、基板の周辺部が他の部分よりも厚くなっている場合にもあり得る。
【００１７】
本実施例では、図５（Ｂ）に示されるように、基板１０の周辺部の内、斜線５４で示すような角の部分を、研磨に先立って除去しておくことによって、樹脂フィルム４８によるそりの矯正作用が失われることなく充分に発揮されるようにする。すなわち、基板１０を支持台４４に固定する前に、基板１０の周辺部に面取り加工を施しておく、または当初から面取り加工の施された基板を利用するのである。このように面取り加工が施されていれば、所望の研磨が終了する前にそりを矯正する作用が失われてしまうことを回避することが可能になる。なお、図５（Ａ）に示されるような不都合が、そりに起因する場合に、例えばウェファを複数に分割し、研磨の対象となる大きさを小さくすることも有益である。研磨の際に対処すべきそりの量が小さくなるからである。
【００１８】
本願実施例では、基板１０を支持台４４に固定するために、樹脂フィルム４８を加熱し押圧し硬化させた。しかしながら、そのような樹脂フィルム４８を利用せずに、基板１０と支持台４４の間に、冷却により硬化して接着作用を奏するが、加熱により溶解するような物質より成るワックスを介在させることも可能である。すなわち、基板１０および支持台４４の間に加熱したワックスを介在させ、そりを矯正するよう押圧しつつ冷却することによって硬化させて支持台に接着し、基板を平坦に維持する。この状態で研磨を行い、研磨が終了すると再び加熱して支持台４４から解放する。このようにすると、図５（Ａ）で懸念したような研磨に起因する矯正作用の低下の虞はないので、安心して研磨を行うことが可能になり、面取り加工も不要になるという利点がある。
【００１９】
以上説明したように、本願実施例によれば、基板のそりを矯正するように、樹脂フィルムおよび支持台の間に基板を挟み込むことによって、基板を支持台に固定し、基板が平坦に維持された状態で機械研磨を行う。このため、ＣＭＰ以外の簡易で安価な機械研磨を行うことによって、基板を良好に研磨することが可能になる。
【００２０】
以下、本発明が教示する手段を列挙する。
（付記１） 所要以上の膜厚の導電層を有する基板に対して機械研磨を行う方法であって、
前記基板を支持台に固定するステップであって、前記基板のそりを矯正するように、樹脂フィルムおよび前記支持台の間に前記基板を挟み込むところのステップと、
前記基板に対して機械研磨を行うことにより、前記導電層の膜厚を所要の厚さに減少させるステップ
より成ることを特徴とする方法。
（付記２） 付記１記載の方法において、更に、前記基板を支持台に固定するステップに先立って、前記基板周囲の少なくとも一部に面取り加工を施すステップより成ることを特徴とする方法。
（付記３） 付記１記載の方法において、前記基板を支持台に固定するステップが、前記樹脂フィルムを加熱して前記基板に押圧することによって、前記基板を固定するステップより成ることを特徴とする方法。
（付記４） 付記１記載の方法において、更に、前記機械研磨の後に、前記基板上の前記樹脂フィルムを残しつつ、前記基板を前記支持台から取り外すステップより成ることを特徴とする方法。
（付記５） 付記１記載の方法において、更に、前記機械研磨の後に、前記基板および前記支持台から前記樹脂フィルムを除去するステップより成ることを特徴とする方法。
（付記６） 付記１記載の方法において、樹脂フィルムおよび前記支持台の間に前記基板を挟み込む代わりに、前記基板および前記支持台の間に接着作用を有するワックスを介在させることを特徴とする方法。
（付記７） 付記１記載の方法において、前記機械研磨が、研磨面を有するテープが回転するローラの周囲で回転させられるテープ研磨であることを特徴とする方法。
（付記８） 付記１記載の方法において、前記機械研磨が、表面に研磨砥流がちりばめられた回転体を回転させることにより研磨を行うバフロール研磨であることを特徴とする方法。
（付記９） 付記１記載の方法において、前記機械研磨が、切削加工によるバイト研磨であることを特徴とする方法。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、研磨の対象となる基板にそりやうねりがあったとしても、良好に研磨を行うことが可能になる。
【００２２】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、研磨工程の前後の状態を示す概略断面図である。
【図２】図２は、他の研磨工程の前後の状態を示す概略断面図である。
【図３】図３は、他の研磨工程の研磨前の状態を示す概略断面図である。
【図４】図４は、本願実施例による研磨の各工程を示す概略断面図である。
【図５】図５は、他の実施例による基板端部の様子を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１０ 基板
１２ めっきシード層
１４ 導電性ポスト
１６ 樹脂層
２０ ビア
２２ 基板
２４ 導電層
２６ レジスト
３２ 突出した部分
３４ 平坦な部分
３８ タングステン・ストッパ層
４０ 基板
４２ 導電層
４４ 支持台
４６ 搭載面
４８ 樹脂フィルム
５０ 回転ドラム
５２ 研磨面
５４ 面取り部分

Claims (4)

1. 所要以上の膜厚の導電層を有する基板に対して機械研磨を行う方法であって、
   反りを有する前記基板を樹脂フィルム及び支持台の間に挟み、真空プレス機によるプレスを用いて、前記基板のそりを矯正するように前記基板を支持台に固定するステップと、
   前記基板に対して機械研磨を行うことにより、前記導電層の膜厚を所要の厚さに減少させるステップと
   を有することを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法において、更に、前記基板を支持台に固定するステップに先立って、前記基板周囲の少なくとも一部に面取り加工を施すステップを有することを特徴とする方法。
3. 請求項１記載の方法において、更に、前記機械研磨の後に、前記基板上の前記樹脂フィルムを残しつつ、前記基板を前記支持台から取り外すステップを有することを特徴とする方法。
4. 請求項１記載の方法において、更に、前記機械研磨の後に、前記基板および前記支持台から前記樹脂フィルムを除去するステップを有することを特徴とする方法。

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