JPH07124862A - ウエーハ研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ウエーハに周辺ダレなどが発生することな
く、容易に表面基準研磨を行うことができる研磨装置を
提供する。 【構成】 保持リング１の下端面に真空吸着板であるウ
エーハ保持板２と、この保持板の下面にテンプレート３
とを取りつけてウエーハ保持部材４とし、これを伸縮性
の筒状部材５と、可撓性の高い支持部材８とによりハウ
ジング６に吊設するとともに、ハウジング６内に密閉室
７を形成し、この密閉室をコンプレッサに連絡する。保
持板２は硬質プラスチック製の薄板による可撓性板体と
し、その吸着孔をフレキシブルホース１４により真空ポ
ンプに連絡する。保持板は、圧縮空気の圧力に応じて３
次元的に自由に変位し、ウエーハＷの背面全体にわたっ
て均一の圧力分布下で、かつウエーハのグローバルな凹
凸に順応した形態で撓んでウエーハを研磨することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ウエーハ研磨装置に関
し、詳しくは、半導体デバイスの平坦度を向上させるプ
ラナリゼーション加工技術への応用に適した研磨装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの高集積化、大規模化の
進展に伴い、配線の微細化や配線の多層化がますます重
要となってきている。配線が微細化すると、端面が急峻
化せざるを得なくなり、上に堆積させる絶縁膜あるいは
配線の被覆性が低下する。また、配線を多層化すると、
下の配線あるいは絶縁膜の凹凸が積み重なるため、表面
の凹凸は激しくなり、その表面に配線を形成しようとし
ても、ステッパーの焦点が合わなくなり、配線の加工精
度が低下する。いずれも、配線の断線を招きやすく、半
導体デバイスの信頼性を低下させる。

【０００３】この問題を解決すべく、各種の平坦化技術
が開発されてきた。例えば、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ等、ガラ
ス膜をＣＶＤで形成した後、８００〜１１００℃に加熱
し、粘性流動させて平坦化を図るガラスフロー法があ
る。この方法はプロセスは簡単であるが、高温に加熱す
るため、Ａｌ配線は使えない等、配線材料が限定される
欠点がある。これ以外にも、種々の方法が開発されてい
るが、いずれも一長一短があり、決め手となる技術がな
い。

【０００４】近年、この状況を打破するため、ウエーハ
の研磨技術を応用した平坦化方法の開発がなされつつあ
る。すなわち、半導体デバイスの製造過程において、そ
の平坦度を向上させるプラナリゼーション加工技術、具
体的にはウエーハ上の配線に対応して発生したシリコン
酸化膜の突起部分を平坦化する手段として、上記ウエー
ハの研磨技術を応用しようとするものである。従来、こ
のウエーハ研磨技術は、ウエーハ全面での厚さを均等化
することを目的とし、ウエーハの肉厚大の部分を優先的
に除去する方向で開発されて来たからである。

【０００５】しかしながら、半導体デバイス製造のため
のプラナリゼーション加工技術においては、その加工過
程にあるウエーハ（以下、ウエーハＷと記載する）の断
面形状が、図６に示されるウエーハＷの厚肉部分と薄肉
部分と差があっても、その表面酸化膜の研磨量を同一と
して、断面形状が図７に示されるウエーハＷに研磨する
技術、いわゆる表面基準研磨技術の開発が必要とされて
いる。

【０００６】この研磨技術は、具体的には図６に示すウ
エーハ５１上の酸化膜５２（層間絶縁膜）における段差
すなわち酸化膜突起５３を除去するとともに、酸化膜５
２の厚さを均一に維持するものである。なお、図６，７
において５４は素子、５５は配線である。また、これら
の図では説明の便宜上、ウエーハＷのグローバルな凹凸
を誇張して示してある（図５についても同様である）。

【０００７】ところで、ウエーハ研磨時における、その
表面層の除去量は、研磨圧力に強く依存する。従って上
記表面基準研磨技術においては図４，５に示すように、
ウエーハＷ表面の研磨圧力分布Ｄを均一にし（等分布荷
重）、これによりウエーハの周辺ダレ（図示せず）等の
不具合の発生を防止することが極めて重要である。この
ため、特開平５−６９３１０号公報等に、ウエーハの背
面をウエーハ保持板に当接させてこれを保持し、該ウエ
ーハ保持板の背面側に加圧流体を供給することによりウ
エーハを研磨定盤に圧接させて鏡面研磨する研磨装置に
ついて種々の提案がなされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
研磨装置では、研磨圧力分布の均一化は考慮されている
ものの、回避困難な研磨機の組立精度不良、部品加工精
度不良等、あるいはウエーハ保持板の機能が不完全のた
め、研磨圧力分布の均等化が不十分であるという問題が
あった。

【０００９】本発明は、上記の点に鑑みなされたもの
で、その目的は、ウエーハの周辺ダレや周辺突起の発生
を伴うことなく、容易に表面基準研磨を行うことができ
る研磨装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のウエー
ハ研磨装置は、ウエーハの背面をウエーハ保持板に当接
させてこれを保持し、該ウエーハ保持板の背面側に加圧
流体を供給することにより、ウエーハを研磨布面に圧接
させて研磨する装置において、一端部を開口した円筒状
の胴部、およびその内周部にリング状突起を設けたハウ
ジングと、円環状の保持リングの下端面にウエーハ保持
板を同心状に配設し、該ウエーハ保持板の下面側にウエ
ーハを包囲するテンプレートを設けたウエーハ保持部材
とを備え、前記ハウジングのリング状突起と、前記ウエ
ーハ保持部材の保持リングとを、伸縮性の筒状部材を介
して連結することによって密閉室を構成すると共に、前
記保持リングを高撓性の支持部材を介して、前記ハウジ
ングの胴部に連結し、前記密閉室を、加圧流体の供給源
に連絡してなることを特徴とする。

【００１１】請求項２に記載のウエーハ研磨装置は、請
求項１において前記ウエーハ保持板を可撓性のある硬質
薄板で構成し、該ウエーハ保持板におけるウエーハ保持
領域周辺の環状部分の撓性を、ウエーハ保持領域の撓性
より高くして、前記環状部分を可動領域としたことを特
徴とする。

【００１２】請求項３に記載のウエーハ研磨装置は、請
求項１において前記密閉室の断面形状および寸法を、ウ
エーハ保持部材側、ハウジング側の双方において、ウエ
ーハの断面形状および寸法にほぼ一致させたことを特徴
とする。ーハ研磨装置。

【００１３】前記可撓性のウエーハ保持板を構成する硬
質薄板としては、例えば、硬質プラスチック、硬質ゴ
ム、金属等の薄板が用いられる。硬質プラスチックとし
ては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂のような熱硬化性
樹脂、ポエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフ
タレート、ポリイミド、ポリスルフォン等の耐熱性の硬
質樹脂等が好適に用いられ、これらはガラス繊維、炭素
繊維、合成繊維、あるいはこれらの織布、不織布等で補
強したものであってもよい。硬質プラスチック、硬質ゴ
ムの場合（上記繊維等で補強した場合を含む）の板厚
は、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍとするのが、板体としての
可撓性を確保すうえで好ましい。金属としては、ステン
レス鋼に代表される鋼が好適に使用されるが、この場
合、板体としての可撓性を確保するために０．０５ｍｍ
〜０．２ｍｍの厚さとするのが好ましい。

【００１４】

【作用】本発明のウエーハ研磨装置（図１，４を参照）
においては、ウエーハＷをウエーハ保持板２に保持し、
研磨定盤４２に設けた研磨布４１の直上に位置させ、加
圧流体供給源から密閉室７に例えば適宜圧力の圧縮空気
を供給すれば、加圧によるウエーハ保持部材４の変位に
よってウエーハＷが研磨布４１に所定圧力で圧接するの
で、以下通常の要領で研磨を行うことができる。この場
合、ウエーハ保持部材４は伸縮性の筒状部材５および、
高撓性支持部材８によりハウジング６に吊設されている
ので、回避困難な数μｍ〜数十μｍオーダの研磨機の組
立精度不良、部品加工精度不良、または使用による熱的
・機械的変形などが吸収され、研磨布４１へのウエーハ
Ｗの圧接が確実に行える。

【００１５】また、ウエーハＷは、可撓性のウエーハ保
持板２に保持され、該保持板２の背面が圧縮空気で押圧
されているためウエーハのそりは修正され、かつウエー
ハの肉厚バラツキに応じてウエーハ保持板２自体も変形
するので、ウエーハの表面を研磨布４１に密着させるこ
とができる。すなわち、ウエーハ保持板２は、図４，５
に示すようにウエーハＷの背面全体にわたって均一の研
磨圧力分布下で、かつ研磨圧がかかる領域がウエーハ背
面外に広がることなく、しかもウエーハ保持板２がウエ
ーハＷのグローバルな凹凸に順応した形態に撓んで研磨
が行われる。ウエーハ保持部材４では、ウエーハ保持板
２の外周部を剛性の高い保持リング１に固定し、ウエー
ハ保持板２におけるウエーハ保持領域２ａ外側の可動領
域２ｂ（図１〜３を参照）の可撓性を、ウエーハ保持領
域２ａより高めてあるので、高撓性の支持部材８に働く
保持力に起因して発生する該支持部材８のゆがみ、変形
をウエーハ保持領域２ａに伝播させることなくウエーハ
の保持ができる。

【００１６】また、支持部材８に働く保持力に起因して
保持リング１に作用する垂直方向の分力および保持リン
グ１の自重は、ウエーハを囲むテンプレート３で受ける
ので、ウエーハ保持領域２ａに作用する力は空気圧力の
みとすることができ、ウエーハ表面の押圧力を均等に保
つことができる。

【００１７】さらに、圧縮空気で密閉室７内を加圧した
際の力の釣合を、密閉室７のハウジング６側断面積がウ
エーハ保持部材４側すなわちウエーハの断面積より大き
い場合を例として考えると、密閉室７内の空気圧力は均
一であるので、ハウジング側からウエーハ保持部材４側
に作用する力は、空気によりウエーハをウエーハ背面側
から研磨布４１に押し付ける力より大きいため、両者の
差は保持リングを経てテンプレートへ、同時にウエーハ
保持板からウエーハへと伝達される。すると、テンプレ
ートに加わる荷重が大きくなりすぎ、研磨布の劣化を発
生させるだけでなく、ウエーハ表面への研磨剤の供給を
妨害すると同時に、ウエーハ保持板へ伝えられた荷重は
ウエーハ接触圧力の不均一を惹起する。なお、ハウジン
グ側の断面積が保持部材側の断面積より小さい場合に
も、同様な不都合を引き起こす。しかし、本発明のよう
に両者の断面積および断面形状を同じにすると（請求項
３）、ウエーハに作用する力は、ウエーハ背面に作用す
る空気圧力のみとなるため、研磨圧力をウエーハ面内で
均一にすることができる。これらの作用により、ウエー
ハ面内の研磨圧力は均等となるため、研磨時のウエーハ
除去量も均等となり、表面基準研磨が可能となる。

【００１８】

【実施例】次に、本発明を図面に示す実施例により、更
に具体的に説明する。 実施例１ 図１は研磨装置の要部断面図、図２はウエーハ保持板の
平面図、図３はその断面図である。図１に示すように、
ウエーハの吸着・回転装置２１を、研磨布４１を設けた
研磨定盤４２の直上に昇降可能に設けてウエーハ研磨装
置を構成する。吸着・回転装置２１では、流路１１およ
び１２を形成した回転軸１３の先端部に、一端部を開口
した円筒状の胴部６ａと、その内周部にリング状突起６
ｂとを設けたハウジング６に下記構成のウエーハ保持部
材４を設ける。

【００１９】すなわち、円環状の保持リング１の下端面
に真空吸着板であるウエーハ保持板（以下、保持板と略
記する）２と、保持板２の下面に円環状のテンプレート
３とを設けてウエーハ保持部材４とし、このウエーハ保
持部材４の保持リング１の内周面を、伸縮性の筒状部材
５により前記リング状突起６ｂの内周面にシール状態で
連結し、密閉室７を形成する。また、保持リング１は、
複数の高撓性金属細棒を放射状に配置したものからなる
か、または円環状で高撓性のゴム、プラスチック、金属
等の薄板からなる支持部材８を介して前記胴部６ａの下
方部に連結する。こうすることで、ウエーハ保持部材４
をハウジング６に吊設した形態として、３次元的に変位
可能なものとする。

【００２０】前記流路１１は配管および開閉弁を介して
真空ポンプ（いずれも図示せず）に連絡し、図２，３に
示すように保持板２の真空吸着孔（以下、吸着孔と略記
する）３１は下記のようにコネクタ１６、フレキシブル
ホース１４およびコネクタ１５を介して前記流路１１に
連絡する。また前記流路１２は配管および開閉弁を介し
てコンプレッサ（いずれも図示せず）に連絡し、密閉室
７に圧縮空気を供給可能とする。

【００２１】保持板２に形成する多数の吸着孔３１は、
この場合、保持板２の中心部に一つと、これを中心とす
る同心円上にそれぞれ複数貫通形成する。また、片面に
長溝３２を形成した薄肉、小幅で軟質の棒状ゴム（また
は帯状ゴム）３３を保持板２の背面すなわち、ウエーハ
吸着面と反対側の面に接着することにより、全ての吸着
孔をシールするとともに、中心部の吸着孔３１ｃをその
他の吸着孔３１の全てと連通させ、更に中心部の吸着孔
３１ｃに前記コネクタ１６を突設する。一方、図１に示
すように、前記流路１１の開口端部に前記コネクタ１５
を突設し、このコネクタ１５と前記コネクタ１６の間に
ゴムホース等の前記フレキシブルホース１４を取りつけ
る。

【００２２】保持板２はその全体を硬質プラスチック、
硬質ゴムまたは金属製の薄板で構成して可撓性を付与し
たものとするが、保持板２がウエーハ背面に当接する部
分であるウエーハ保持領域２ａ、および保持リング１へ
の固定部分をこれらの材料で形成し、残りの部分すなわ
ち圧縮空気の圧力を受ける部分のうちウエーハ保持領域
２ａを除く円環状部分（図１〜３を参照）である可動領
域２ｂの可撓性を、ウエーハ保持領域２ａよりも高くす
ることが好ましい。図１〜３においてｍは前記ウエーハ
保持領域２ａと可動領域２ｂを区分する境界線を、ｎは
可動領域２ｂとその外側の保持リング１への固定部分を
区分する境界線をそれぞれ示す。また、可動領域２ｂの
幅が広いとウエーハ面に作用する力の不均等を招くの
で、できるだけ狭くしたうえで可撓性を高くすることが
好ましい。

【００２３】保持板２を構成する前記硬質プラスチック
製の薄板としては、曲げ弾性率または引張り弾性率が５
０００ｋｆ／ｃｍ² 以上の熱硬化性樹脂または耐熱性の
熱可塑性樹脂であって、肉厚０．１〜１．０ｍｍのもの
が用いられる。硬質ゴム製の薄板としては、エボナイト
またはこれと同等の硬度を有する、肉厚０．１〜１．８
ｍｍのものが用いられる。また、前記更に、金属製の薄
板としては、ステンレスチール製で肉厚０．０５〜０．
２０ｍｍのものが使用できる。

【００２４】前記可動領域２ｂは、できるだけ狭く保つ
のが好ましい。また、可動領域２ｂの可撓性をウエーハ
保持領域２ａより高くするためには、例えば可動領域２
ｂの肉厚をウエーハ保持領域２ａより薄くすればよく、
これにより可動領域２ｂを容易に形成することができ
る。前記伸縮性の筒状部材５としては、例えば軟質ゴム
シート、または合成繊維で強化した軟質ゴムシートが用
いられる。また、前記高撓性の支持部材８としては、前
述のように放射状に配置した金属細棒、またはゴム、プ
ラスチックもしくは金属製の薄板が用いられる。さら
に、密閉室７の形状・寸法を、ウエーハ保持部材４側お
よびハウジング６側において、ウエーハの形状・寸法と
ほぼ合致させるのが好ましい。

【００２５】つぎに、上記研磨装置の作用について図１
〜６を参照して説明する。まず、前記真空ポンプを作動
して、断面構造が図５に示されるウエーハＷを保持板２
に吸着する。保持板２の全体を硬質プラスチック等で構
成した場合には、ウエーハＷはテンプレート３の内周面
との間に適宜間隔をあけて吸着すればよく、吸着位置は
特に限定されないが、保持板２にウエーハ保持領域２ａ
と、これより可撓性の高い可動領域２ｂとを形成した場
合には、ウエーハＷの外周端をウエーハ保持領域２ａの
外周端と合致させることが重要である。次いで、前記コ
ンプレッサの作動により所定圧の圧縮空気を密閉室７に
供給しして保持板２の背面を加圧し、ウエーハ保持部材
４を変位させてウエーハＷを研磨定盤４２の研磨布４１
に圧接させ、通常の方法で研磨を行う。

【００２６】この研磨装置では、ウエーハ保持部材４を
伸縮性および高撓性の部材（５，８）によりハウジング
６に吊設し、保持板２の吸着孔３１同士を連通させるた
めの部材として棒状ゴム３３を用いて保持板２の可撓性
が損なわれないようにし、ウエーハ保持部材４に加わる
荷重を、保持板２の下面に設けたテンプレート３で受け
るようにし、保持板２のウエーハ保持領域２ａを可撓性
のものにするとともに、吸着孔３１を真空用流路１１に
連通させる部材としてフレキシブルホース１４を設けた
ので、ウエーハ保持部材４は図４に示すように圧縮空気
の圧力に応じて自在に変位し、保持板２からの加圧によ
って、図５に示すように、ウエーハＷ表面の酸化膜５２
の全面が研磨布４１表面に接触した状態となり、保持板
２はウエーハＷ背面のグローバルな凹凸に順応した形態
に撓み、ウエーハＷ背面の研磨圧力分布Ｄはその全体に
わたって均一となる。

【００２７】この結果、図６における配線５５配設部に
対応する酸化膜突起５３を優先的に、かつ研磨過多によ
る周辺ダレや、研磨不足による周辺突起が発生すること
なくウエーハの研磨面全体にわたり研磨量を一定にして
研磨除去することができ、図７に示すように、酸化膜５
２の膜厚が均一なウエーハＷを得ることができる。

【００２８】なお、保持板２にウエーハ保持領域２ａ
と、これより可撓性の高い可動領域２ｂとを形成し、ウ
エーハＷの外周端をウエーハ保持領域２ａの外周端と合
致させて研磨した場合には、保持板２の全体を均一な可
撓性の硬質プラスチック等で構成した場合に比べて、ウ
エーハ外周端の研磨圧力を他の部分における研磨圧力と
同一に制御しやすくなるので、酸化膜５２の膜厚がより
均一な研磨ウエーハを得ることができる。また、ウエー
ハ保持板として、上記実施例における真空吸着式の保持
板２に代えて、バッキングパッド固定方式の保持板（ノ
ンワックス法）を適用することもできる。この場合、ウ
エーハ保持板の下面外周部に環状のテンプレートを定着
する。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明で明かなように、本発明のウ
エーハ研磨装置によれば、保持板はウエーハ保持部材と
一体的に、加圧流体の圧力に応じて３次元的に自由に変
位するとともに、ウエーハＷの背面全体にわたって均一
の研磨圧力分布下で、かつウエーハのグローバルな凹凸
に順応した形態に撓んでウエーハを研磨することができ
るので、周辺ダレや周辺突起の伴わない研磨ウエーハを
得ることができ、性能の優れた表面基準研磨装置を提供
することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の要部を示す断面図である。

【図２】図１実施例における保持板の平面図である。

【図３】図２の断面図である。

【図４】図１実施例の作用を説明する断面図である。

【図５】図１実施例の作用を説明する断面図であって、
図４の一部を拡大して模式的に示したものである。

【図６】研磨前ウエーハの断面図である。

【図７】研磨後ウエーハの断面図である。

【符号の説明】

１ 保持リング ２ ウエーハ保持板 ２ａ ウエーハ保持領域 ２ｂ 可動領域 ３ テンプレート ４ ウエーハ保持部材 ５ 筒状部材 ６ ハウジング ６ａ 胴部 ６ｂ リング状突起 ７ 密閉室 ８ 支持部材 １１，１２ 流路 １３ 回転軸 １４ フレキシブルホース １５，１６ コネクタ ２１ 吸着・回転装置 ３１ 真空吸着孔 ３２ 長溝 ３３ 棒状ゴム ４１ 研磨布 ４２ 研磨定盤 ５１ ウエーハ ５２ 酸化膜 ５３ 酸化膜突起 ５４ 素子 ５５ 配線 Ｄ 研磨圧力分布 Ｗ （半導体デバイスを製造する工程中の）ウエーハ ｍ，ｎ 境界線

フロントページの続き (72)発明者 鈴木 文夫 福島県西白河郡西郷村大字小田倉字大平 150番地 信越半導体株式会社半導体白河 研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウエーハの背面をウエーハ保持板に当接
   させてこれを保持し、該ウエーハ保持板の背面側に加圧
   流体を供給することにより、ウエーハを研磨布面に圧接
   させて研磨する装置において、 一端部を開口した円筒状の胴部、およびその内周部にリ
   ング状突起を設けたハウジングと、 円環状の保持リングの下端面にウエーハ保持板を同心状
   に配設し、該ウエーハ保持板の下面側にウエーハを包囲
   するテンプレートを設けたウエーハ保持部材とを備え、 前記ハウジングのリング状突起と、前記ウエーハ保持部
   材の保持リングとを、伸縮性の筒状部材を介して連結す
   ることによって密閉室を構成すると共に、前記保持リン
   グを高撓性の支持部材を介して、前記ハウジングの胴部
   に連結し、 前記密閉室を、加圧流体の供給源に連絡してなることを
   特徴とするウエーハ研磨装置。
2. 【請求項２】 前記ウエーハ保持板は、可撓性のある硬
   質薄板で構成し、該ウエーハ保持板におけるウエーハ保
   持領域周辺の環状部分の撓性を、ウエーハ保持領域の撓
   性より高くして、前記環状部分を可動領域としたことを
   特徴とする請求項１に記載のウエーハ研磨装置。
3. 【請求項３】 前記密閉室の断面形状および寸法を、ウ
   エーハ保持部材側、ハウジング側の双方において、ウエ
   ーハの断面形状および寸法にほぼ一致させたことを特徴
   とする請求項１に記載のウエーハ研磨装置。