JP6381503B2 - 研磨装置、研磨方法および半導体製造方法 - Google Patents

Description

本発明による実施形態は、研磨装置、研磨方法および半導体製造方法に関する。

近年、半導体装置の製造においては、微細化が物理的な限界を迎えつつある。このため、チップの高密度化を図る新たな手法として、半導体装置の三次元化が進展している。例えば、ロジック半導体としては、ＦｉｎＦＥＴ構造、半導体メモリとしては、３Ｄメモリ構造の開発が進められている。

しかしながら、半導体装置の三次元化においては、プロセスへの負担が大幅に増大するといった問題がある。

例えば、ウェハを平坦化するＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)工程では、研磨量が従来より大幅に増大し、研磨量が増大することでＣＭＰ工程の所要時間も増大してしまう。また、ウェハの処理枚数が増大すると、研磨パッドの研磨面の状態が次第に変化し、研磨速度が変化する場合がある。例えば、研磨パッドの使用当初においては、研磨パッドに残留する砥粒の量は少ない。しかし、ウェハの処理枚数が増大すると、研磨パッドに残留する砥粒の量が増大するため、研磨速度が上昇する。

このため、ＣＭＰ工程においては、平坦性を確保しながら研磨速度を向上させ、かつ、研磨速度を安定させることが求められる。

特許第４１６２００１号公報

平坦性を確保しながら研磨速度を向上させ、かつ、研磨速度を安定させることができる研磨装置、研磨方法および半導体製造方法を提供する。

本実施形態の研磨装置は、研磨部と、保持部と、供給部とを備える。研磨部は、半導体基板または半導体基板上の被研磨膜を研磨する。保持部は、半導体基板を保持し、半導体基板または被研磨膜を研磨部に押し当てて半導体基板または被研磨膜を研磨部に擦る。供給部は、研磨部の内部に挿入され研磨液を研磨部の内部に供給するノズルを有する。

第１の実施形態を示す研磨装置１の概略平面図である。 図１の側面図である。 図１の研磨装置１の円柱部１３１およびノズル１３２の概略断面図である。 第１の実施形態を示す研磨方法の概略断面図である。 第２の実施形態を示す研磨装置１の概略平面図である。 図５の研磨装置１のドレッサ１４の断面図である。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態として、ノズルが円柱部から突出した研磨装置の実施形態を説明する。図１は、第１の実施形態を示す研磨装置１の概略平面図である。図２は、図１の側面図である。図３は、図１の研磨装置１の円柱部１３１およびノズル１３２の概略断面図である。

図１に示すように、研磨装置１は、研磨部１１と、保持部１２と、供給部１３と、ドレッサ１４とを備える。

研磨部１１は、例えば、半導体基板２上の被研磨膜２１（図２参照）を研磨する樹脂製の研磨パッドである。研磨部１１は、被研磨膜２１を研磨する円形の研磨面１１１を有している。研磨部１１は、研磨面１１１の中心を軸に矢印Ａ１方向に回転可能である。研磨部１１は、図２に示す駆動源Ｄ１（モータ等）の駆動力によって回転しながら被研磨膜２１を研磨する。

なお、研磨部１１は、半導体基板２の裏面を直接研磨してもよい。また、研磨部１１は、例えば、発泡ポリウレタン等によって形成されていることで、内部に気孔（微小空洞）を有していてもよい。気孔を有することで、研磨液の研磨粒子（砥粒）を保持し易くなる。ここで、研磨液は、被研磨膜２１や半導体基板２の研磨に用いられる液体（溶液）であり、研磨粒子を含む。研磨液は、スラリーともいわれる。

保持部１２は、例えば、半導体基板２を吸着して保持するプラテン（治具）である。保持部１２は、円形の半導体基板２の全体を保持し得るように、半導体基板２より大径の円板形状を有する。図２に示すように、保持部１２は、半導体基板２の裏面を保持するとともに、半導体基板２の表面（被研磨膜２１）を研磨部１１に向ける。そして、保持部１２は、研磨液が供給された研磨部１１に被研磨膜２１を押し当てて擦ることで、被研磨膜２１を研磨する。より具体的には、保持部１２は、駆動源Ｄ２（モータ等）の駆動力によって矢印Ａ２方向に回転しながら被研磨膜２１を研磨する。また、保持部１２は、不図示の押圧装置によって下方向ｄ１に押圧されることで、研磨部１１に研磨圧力を作用させる。

供給部１３は、研磨部１１に研磨液を供給するために、円柱部１３１と、円柱部１３１の表面１３１１の互いに異なる位置から突出した複数のノズル１３２とを備える。円柱部１３１とノズル１３２とは、同一の材料（例えば、ステンレス鋼などの金属や樹脂等）によって一体的かつ同時に形成されてもよく、また、異なる材料で形成された後に互いに接合されてもよい。

図１に示すように、円柱部１３１は、研磨部１１の中央部と端部との間に位置し、円柱部１３１の中心軸は研磨部１１の径方向ｄ２に沿っている。円柱部１３１は、保持部１２と干渉しないように保持部１２に対して周方向にずれた位置に配置される。

円柱部１３１の中心軸方向の寸法は、半導体基板２の直径以上である。また、円柱部１３１の位置は、保持部１２に保持された半導体基板２に対して研磨部１１の周方向において対応している。また、複数のノズル１３２は、円柱部１３１の表面１３１１に、中心軸方向の全範囲にわたって配置され、かつ、周方向において連続して配置されている。このような円柱部１３１およびノズル１３２の構成によれば、後述のように円柱部１３１と研磨部１１とを回転させることで、半導体基板２の研磨に供される研磨部１１の全域（以下、単に研磨部１１の全域ともいう）にわたって、研磨液を効率的に供給できる。

図２に示すように、円柱部１３１は、駆動源Ｄ３（モータ等）の駆動力によって中心軸回り（矢印Ａ３方向）に回転可能である。円柱部１３２は、研磨部１１の内部にノズル１３１を挿入しながら、研磨部１１の回転に伴って研磨面１１１上で回転する。

図３に示すように、円柱部１３１の内部には、ノズル１３２に連通する空洞１３１２が設けられている。空洞１３１２には、研磨液の供給源Ｓ（図２参照）から、配管Ｐを通して研磨液が供給される。円柱部１３１は、空洞１３１２に供給された研磨液を各ノズル１３２に供給する。なお、円柱部１３１の回転を確保するために、配管Ｐと円柱部１３１とは、ロータリジョイント等で接続されてもよい。

ノズル１３２は、円柱部１３１から供給された研磨液を研磨部１１に供給する。具体的には、ノズル１３２は、円柱部１３１と一体的に回転して、研磨部１１の内部に挿入される位置（すなわち、円柱部１３１の下端部）に移動される。研磨部１１の内部に挿入されたノズル１３２は、空洞１３１２から供給された研磨液を、研磨部１１の内部に供給する。より具体的には、ノズル１３２は、研磨部１１に切り込み１１２（図４参照）を形成し、切り込み１１２において研磨部１１の内部に研磨液を吐出する。

ドレッサ１４は、例えば、研磨部１１が研磨液で目詰まりするのを防止するために、研磨部１１に切り込みを入れる。ドレッサ１４は、研磨部１１に接する下端面に、研磨部１１に切り込みを入れるための不図示の砥粒を備える。砥粒は、例えばダイヤモンドである。ドレッサ１４は、不図示の駆動源（モータ等）の駆動力によって研磨部１１上で回転しながら研磨部１１に切り込みを入れる。ドレッサ１４の回転軸は、研磨部１１の回転軸に平行でよい。

もし、研磨部１１の回転（遠心力）によって研磨液を研磨部１１に塗布する場合、研磨液は、研磨部１１の研磨面１１１に広がるが、研磨部１１の内部には殆ど入り込まない。この場合、研磨液の研磨粒子を研磨部１１に十分に保持する（留める）ことが難しいので、被研磨膜２１を迅速かつ平坦に研磨することは困難である。たとえ、研磨部１１に溝や窪みを設けたとしても、溝や窪みの個数には限界があるので、研磨部１１の全域にわたって研磨粒子を万遍なく保持するには不十分である。また、たとえ、ドレッサ１４で研磨部１１に切り込みを形成したとしても、研磨粒子を十分に保持することは困難である。なぜならば、研磨部１１は、樹脂等によって弾性を有するように形成されているので、研磨粒子が入り込む前に切り込みが狭くなる又は塞がってしまうからである。

これに対して、本実施形態においては、ノズル１３２で切り込み１１２を形成したときに、切り込み１１２の内部においてノズル１３２で研磨液を吐出できるので、研磨部１１の内部に研磨粒子を確実に供給できる。これにより、研磨部１１に十分な数（量）の研磨粒子を保持できるので、被研磨膜２１を迅速かつ平坦に研磨できる。また、半導体基板２の処理枚数に頼らずとも研磨部１１の使用当初から速い研磨速度を確保できるので、研磨速度を安定させることができる。

次に、図１の研磨装置１を適用した研磨方法の実施形態について、図４を更に参照して説明する。図４は、第１の実施形態を示す研磨方法の概略断面図である。

先ず、円柱部１３１は、不図示の円柱部１３１の移動機構によって研磨部１１上に位置されて、円柱部１３１の下端位置のノズル１３２を研磨部１１の内部に挿入させる。このとき、円柱部１３１は、不図示の移動機構や押圧装置によって、下方向ｄ１（図２参照）に押圧されてもよい。

次に、図２に示すように、研磨部１１は、駆動源Ｄ１によって矢印Ａ１方向に回転し、円柱部１３１は、駆動源Ｄ２によって矢印Ａ２方向に回転する。これにより、円柱部１３１は、研磨部１１の回転に伴ってノズル１３２を研磨部１１内に挿入しながら回転する。このとき、円柱部１３１の空洞１３１２（図３参照）には、供給源Ｓ（図２参照）から研磨液が供給され、供給された研磨液は、更にノズル１３２に供給される。

図４に示すように、研磨部１１に挿入されたノズル１３２は、挿入によって形成した切り込み１１２の下端部において、空洞１３１２から供給された研磨液（図４の符号Ｌ）を研磨部１１の内部に吐出する。これにより、研磨液を研磨部１１の内部に確実に供給することができる。

また、研磨部１１および円柱部１３１の双方が回転しているので、ノズル１３２による研磨部１１内への研磨液の供給を、研磨部１１の全域にわたって万遍なく行うことができる。

また、気孔を有する材質の研磨部１１を用いる場合、ノズル１３２から気孔に研磨液を吐出することで、気孔に研磨粒子を留めることができるので、より多数の研磨粒子を保持できる。気孔を有する研磨部１１を用いる場合、ノズル１３２の先端部（吐出口）を気孔に届かせるために、例えば、ノズル１３２の先端部を１〜２００μｍの深さまで挿入してもよい。また、１本のノズル１３２当たりの研磨液の流量は特に限定されないが、例えば、１ｍｌ／ｍｉｎ以下であってもよい。この場合、ノズル１３２の本数を１００本と仮定すると、合計で１００ｍｌ／ｍｉｎを超えない流量で研磨液を供給できるので、研磨液の流量を抑えることができる。

また、ノズル１３２は、切り込み１１２の外部においても研磨液を吐出してよい。切り込み１１２の外部において吐出した研磨液は、研磨面１１１に供給できる。

次に、保持部１２は、研磨液が供給された研磨部１１に、被研磨膜２１を押し当てたまま回転することで、被研磨膜２１を研磨する。このとき、研磨部１１には十分な数の研磨粒子が保持されているので、被研磨膜２１を迅速かつ平坦に研磨できる。

したがって、本実施形態によれば、ノズル１３２によって研磨部１１に切り込み１１２を形成したときに、切り込み１１２において研磨部１１の内部に研磨液を確実に供給できるので、十分な数の研磨粒子を研磨部１１に保持できる。これにより、保持部１２は、十分な数の研磨粒子を用いて、被研磨膜２１を迅速、平坦かつ安定した研磨速度で研磨できる。すなわち、本実施形態によれば、平坦性を確保しつつ研磨速度を向上させることができ、かつ、研磨速度を安定させることができる。

本実施形態の研磨装置１は、例えば、三次元積層型メモリなどの三次元型半導体装置の製造プロセスにおいて、絶縁膜（酸化膜）等の平坦化に適用してよい。本実施形態の研磨装置１を三次元型半導体装置の製造プロセスに適用することで、三次元型半導体装置の品質を維持しながら製造効率を向上させることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として、ノズルをドレッサに設ける実施形態について説明する。なお、第２の実施形態の説明にあたって、第１の実施形態と同様の構成部については、同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図５は、第２の実施形態を示す研磨装置１の概略平面図である。図６は、図５の研磨装置１のドレッサの断面図である。

第２の実施形態の供給部１３は、第１の実施形態のようにドレッサ１４から独立した構成とは異なり、ドレッサ１４と組み合わされている（一体である）。すなわち、供給部１３は、ドレッサ１４としても機能する。

具体的には、図６に示すように、ドレッサ１４は、第１の実施形態で説明した砥粒に替えて、ノズル１３２を備える。また、ドレッサ１４の内部には、ノズル１３２に連通された空洞１４１が設けられている。空洞１４１は、配管Ｐを介して研磨液の供給源Ｓに接続されている。したがって、ドレッサ１４は、供給源Ｓから空洞１４１に供給された研磨液を、ノズル１３２で吐出できる。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、ノズル１３２により、研磨部１１に切り込み１１２を形成するとともに、切り込み１１２において研磨部１１の内部に研磨液を供給できる。したがって、第２の実施形態においても、平坦性を確保しながら研磨速度を向上させることができ、かつ、研磨速度を安定させることができる。また、ノズル１３２とドレッサ１４とを一体化することで、部品点数およびコストを削減できる。

なお、第１の実施形態において、円柱部１３１を駆動源Ｄ３で駆動する替わりに、円柱部１３１を回転自在に支持してもよい。この場合、円柱部１３１を研磨部１１に押圧しながら研磨部１１を回転させれば、研磨部１１の回転に従動して円柱部１３１を回転させることができる。したがって、図１の構成と同様に、円柱部１３１は、ノズル１３２を研磨部１１に挿入しながら回転することができ、研磨部１１の全域にわたって研磨液を供給できる。また、駆動源Ｄ３を省略できるので、コストを削減できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 研磨装置
１１ 研磨部
１２ 保持部
１３ 供給部
２ 半導体基板
２１ 被研磨膜

Claims (9)

1. 半導体基板または半導体基板上の被研磨膜を研磨する研磨部と、
   前記半導体基板を保持し、該半導体基板または前記被研磨膜を前記研磨部に押し当てて前記半導体基板または前記被研磨膜を該研磨部に擦る保持部と、
   前記研磨部の内部に挿入され研磨液を前記研磨部の内部に供給するノズルを有する供給部とを備え、
   前記ノズルは、先端部に前記研磨液の吐出口が設けられ、前記研磨部に切り込みを形成し、該切り込みの下端部において前記吐出口から前記研磨部の内部に前記研磨液を吐出する、研磨装置。
2. 前記ノズルは、前記研磨部に切り込みを形成したときに、該切り込みにおいて前記研磨部の内部に前記研磨液を吐出する、請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記供給部は、前記ノズルを複数備える、請求項１または２に記載の研磨装置。
4. 前記研磨部は、円形の研磨面を有し、該研磨面の中心を軸に回転可能であり、
   前記供給部は、前記研磨部の回転に伴って前記研磨面上で回転する円柱部を含み、
   前記ノズルは、前記円柱部の表面から突出している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の研磨装置。
5. 前記円柱部は、前記ノズルに連通する空洞を内部に有し、該空洞を介して前記ノズルへ前記研磨液を供給する、請求項４に記載の研磨装置。
6. 前記円柱部は、前記研磨部の中央部と前記研磨部の端部との間に位置し、前記研磨部の回転に伴って前記ノズルを前記研磨部内に挿入しながら回転する、請求項４または５に記載の研磨装置。
7. 前記ノズルは、ドレッサに設けられた、請求項１〜３のいずれか１項に記載の研磨装置。
8. 半導体基板または半導体基板上の被研磨膜を研磨する研磨部の内部に、先端部に研磨液の吐出口が設けられたノズルを挿入して前記研磨部に切り込みを形成し、該切り込みの下端部において前記吐出口から前記研磨部の内部に前記研磨液を供給し、
   前記研磨液が供給された前記研磨部に、前記半導体基板または前記被研磨膜を押し当てて擦る、研磨方法。
9. 半導体基板または半導体基板上の被研磨膜を研磨する研磨部の内部に、先端部に研磨液の吐出口が設けられたノズルを挿入して前記研磨部に切り込みを形成し、該切り込みの下端部において前記吐出口から前記研磨部の内部に研磨液を供給し、
   前記研磨液が供給された前記研磨部に、前記半導体基板または前記被研磨膜を押し当てて擦る、半導体製造方法。

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