JPH08216023A

JPH08216023A - 研磨装置

Info

Publication number: JPH08216023A
Application number: JP3109495A
Authority: JP
Inventors: Renpei Nakada; 錬平中田; Hisafumi Kaneko; 尚史金子; Yasutaka Sasaki; 泰孝佐々木; Nobuo Hayasaka; 伸夫早坂
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-02-20
Filing date: 1995-02-20
Publication date: 1996-08-27
Anticipated expiration: 2021-06-21
Also published as: JP3788810B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、研磨プロセスを安定化させる研磨装
置および安定して研磨を行うことができる研磨方法を提
供することを目的とする。【構成】研磨パッドが取り付けられた研磨定盤と、前記
被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるよう
に前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを具備
し、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動
かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であっ
て、前記被研磨体保持手段は、前記被研磨体に流体を供
給する流体供給手段および流体を前記被研磨体保持手段
から排出する流体排出手段を有し、前記流体供給手段お
よび前記流体排出手段が流体を循環させるように構成さ
れており、循環する流体により前記被研磨体を前記研磨
パッドに押圧すると共に前記被研磨体の温度を制御する
ことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＬＳＩの多層化された
金属配線構造の形成に必要となる層間絶縁膜の平坦化、
金属プラグ形成、および埋め込み金属配線の形成に用い
られる研磨装置および研磨方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＬＳＩの高集積化、高性能化のた
めに様々な微細加工技術が研究、開発されている。この
研究・開発において、化学的機械的研磨方法（ケミカル
メカニカルポリッシング、以下ＣＭＰと省略する）が注
目されている。ＣＭＰは、研磨剤と被研磨体との間の化
学的作用と、研磨剤中の研磨粒子の機械的作用とを複合
化させた研磨技術であり、被研磨面に形成される変質層
が小さく、研磨速度が速いという特徴を有することか
ら、半導体装置製造プロセス、特に、多層配線形成工程
における層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、埋め込
み金属配線形成において必須の技術となっている。

【０００３】以下、現在ＣＭＰに一般的に用いられてい
る研磨装置および研磨方法について説明する。従来か
ら、研磨装置には、シリコン基板の鏡面研磨等に用いら
れている研磨装置をＬＳＩプロセスに適用できるよう
に、例えば、基板の洗浄装置、研磨粒子がクリーンルー
ム内に飛散しないようにする気流制御装置、スループッ
トを向上させるための搬送機構を備えたものが使用され
ている。

【０００４】図１は研磨装置を示す概略図である。図中
１は被研磨体保持手段であるトップリングを示す。この
トップリング１は図示しないモータ等の駆動機構に接続
されており、この駆動機構により上下方向に移動可能で
あり、また回転可能になっている。また、トップリング
１には、トップリング１に荷重Ｗを付加するエアシリン
ダ機構（図示せず）が設けられている。トップリング１
には、真空チャックによりゴム等の弾性部材３を介して
被研磨体２が保持されている。トップリング１の下方に
は、研磨定盤４が配置されており、研磨定盤４の上面に
は、弾性を有する研磨パッド５が貼着されている。この
研磨定盤４は駆動機構（図示せず）により回転可能にな
っており、冷却水を循環させる冷却機構が設けられてい
る。また、研磨定盤４よりも上方には、研磨剤６を研磨
パッド５上に供給する研磨剤供給管７が設置されてい
る。なお、研磨パッド５の材料としては、一般的に弾性
がある不織布、発泡ポリウレタン等が用いられている。

【０００５】上記構成を有する研磨装置において、被研
磨体２をトップリング１で保持し、駆動機構によりトッ
プリング１および研磨定盤４を回転させ、トップリング
１を下方に降下させて、弾性部材３を介して被研磨体２
を研磨パッド５に一定の荷重Ｗで押し付ける。この状態
で研磨剤供給管７の吐出部８から研磨剤６を研磨パッド
５上に供給することにより研磨が行われる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た研磨装置および研磨方法を層間絶縁膜の平坦化、金属
プラグ形成、埋め込み金属配線形成等のＬＳＩプロセス
に適用する場合、被研磨体の面内均一性、平面精度等が
不充分である。また、装置管理に費やす時間が長く、非
効率的である。

【０００７】例えば、上述した構造のトップリング、研
磨パッドでは、研磨中に発生する摩擦熱を良好に逃がす
ことができず、被研磨体の温度が上昇してディッシング
（埋め込み金属配線形成の際の溝中の金属配線の厚さ減
少）やシニング（層間絶縁膜の平坦化の際の層間絶縁膜
の過剰な削り込み）が生じる問題がある。特に、ＣＭＰ
は、研磨において化学的作用を利用しているので摩擦熱
により被研磨体の温度が上昇すると研磨速度が非常に速
くなり、ディシング、シニングの発生が顕著になり、研
磨プロセスを制御することができなくなる恐れがある。
特に、被研磨体を連続して多数研磨した場合、摩擦熱が
蓄積するために研磨速度の変化、ディッシング量、シニ
ング量が大きくなる。このように研磨プロセスにおい
て、ディッシングやシニングが起こると、被研磨体の面
内均一性が悪くなり、研磨にバラツキが生じる。これに
より、歩留りが悪くなる。

【０００８】一方、上述したような弾性を有する研磨パ
ッドにおいては、研磨の際に弾性変形を起こし、被研磨
体にディッシングやシニングが生じることがある。ま
た、弾性を有する研磨パッドでは、研磨剤中の研磨粒子
の保持にバラツキが生じ、これにより研磨速度にバラツ
キが生じる。したがって、被研磨体の面内均一性が悪く
なり、研磨にバラツキが生じ、歩留りが悪くなる。

【０００９】近年、硬質プラスチック等を用いた比較的
硬い材料からなる研磨パッドを使用することが検討され
ているが、この研磨パッドでは、弾性変形が小さいため
に被研磨体の厚さのバラツキを許容できず、被研磨体の
厚さ分布のバラツキが被研磨体の面内荷重分布のバラツ
キに直結し、研磨速度の面内均一性をさらに悪化させる
問題がある。さらに、この研磨パッドは、比較的硬いの
で、研磨粒子を充分に保持することができず、研磨速度
が非常に遅くなる問題がある。また、この研磨パッドに
使用される硬質プラスチックは、熱伝導率が非常に低
く、硬度が高いので、摩擦熱の放熱や被研磨体の傷付き
の防止の点においても不利である。

【００１０】一方、研磨プロセスにおける終点は、研磨
パッドの状態で変わるので、多数の被研磨体を研磨する
間に終点検出が非常に難しくなる。したがって、被研磨
体間で研磨のバラツキが起こるという問題がある。この
ような場合に、研磨プロセスの終点を正確に検出できる
方法や研磨パッドの交換時期を確認する方法等が望まれ
る。

【００１１】上述した問題があると、多数の被研磨体に
対する研磨プロセスを安定化させることができない。

【００１２】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、研磨プロセスを安定化させる研磨装置および安定
して研磨を行うことができる研磨方法を提供することを
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段および作用】本発明の第１
の発明は、研磨パッドが取り付けられた研磨定盤と、前
記被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるよ
うに前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを具備
し、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動
かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であっ
て、前記被研磨体保持手段は、前記被研磨体に流体を供
給する流体供給手段および流体を前記被研磨体保持手段
から排出する流体排出手段を有し、前記流体供給手段お
よび前記流体排出手段が流体を循環させるように構成さ
れており、循環する流体により前記被研磨体の温度を制
御することを特徴とする研磨装置を提供する。

【００１４】第１の発明において、被研磨体保持手段
は、被研磨体保持手段からの流体の漏洩を防止するシー
ル部材を備えていることが好ましい。第１の発明におい
て、流体を循環させるように構成された流体供給手段お
よび流体排出手段としては、例えば、被研磨体保持手段
の被研磨体収容部と連通した流体供給管および流体排出
管が挙げられる。

【００１５】第１の発明によれば、流体供給手段から供
給された流体が被研磨体を均一に押圧することにより、
被研磨体を研磨パッドに均一に押圧することができ、こ
れにより、研磨における被研磨体の面内均一性が向上す
る。さらに、流体を循環させることにより、研磨中に被
研磨体を冷却することができ、被研磨体の温度を制御
（温度維持）することができる。これにより、研磨速度
を安定化させることができる。

【００１６】本発明の第２の発明は、研磨パッドが取り
付けられた研磨定盤と、前記被研磨体の被研磨面を前記
研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する
被研磨体保持手段とを備え、前記研磨定盤と前記被研磨
体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処理
を施す研磨装置であって、前記研磨パッドに押圧されて
接触するダミー被研磨体と、前記研磨パッドと前記ダミ
ー被研磨体を相対的に動かすように前記ダミー被研磨体
を支持する支持手段と、前記支持手段に加わる負荷もし
くは前記支持手段に通電される電流を監視する監視手段
とを具備することを特徴とする研磨装置を提供する。

【００１７】また、本発明の第２の発明は、研磨パッド
が取り付けられた研磨定盤と、前記被研磨体の被研磨面
を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保
持する被研磨体保持手段とを備え、前記研磨定盤と前記
被研磨体保持手段を相対的に動かして研磨剤により前記
被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、前記研磨
パッドの劣化状況を監視する手段と、前記研磨剤の温
度、前記研磨剤のｐＨ、前記被研磨体を前記研磨パッド
上に押圧する際の押圧力、または前記研磨定盤もしくは
前記被研磨体保持手段の相対的運動における負荷を監視
する手段と、前記研磨パッドの劣化状況に対応する研磨
速度の情報と、監視された前記研磨剤の温度、前記研磨
剤のｐＨ、前記被研磨体を前記研磨パッド上に押圧する
際の押圧力、または前記研磨定盤もしくは前記被研磨体
保持手段の相対的運動における負荷の情報とを用いて演
算を行う演算手段と、前記演算手段により得られた情報
に基づいて研磨処理を制御する制御手段とを具備するこ
とを特徴とする研磨装置を提供する。

【００１８】第２の発明の研磨装置において、ダミー被
研磨体の材料としては、被研磨体と同種の材料であるこ
とが好ましい。例えば、層間絶縁膜の平坦化の場合に
は、ダミー被研磨体の材料として層間絶縁膜と同一の材
料であるＳｉＯ₂あるいはポリイミド等の高分子材料を
用いることができる。また、層間絶縁膜の材料が硼素
（Ｂ）あるいは弗素（Ｆ）等を不純物として含むＳｉＯ
₂の場合には、ダミー被研磨体の材料として同一の材料
または溶融石英等を用いことができる。一方、埋め込み
金属配線形成の場合には、ダミー被研磨体の材料として
金属配線材料と同一の金属、その金属を主成分とする合
金、金属配線材料と層間絶縁膜材料との化合物や混合
物、あるいは金属配線材料とほぼ同一の硬度を有する他
の金属材料等を用いることができる。なお、ダミー被研
磨体の材料は、被研磨体の材料を主成分としなくてもよ
く、実際に研磨パッドの劣化を検知するために適切な材
質であり、しかも被研磨体の研磨速度と研磨パッド等の
冶具の監視値とを関連づけられるものであればよい。

【００１９】このダミー被研磨体に加える荷重および回
転数は、研磨パッドの状況変化が詳細に把握できる条件
を選択する。したがって、被研磨体を保持する被研磨体
保持手段に加える荷重および回転数と同じに設定する必
要はない。また、ダミー被研磨体の大きさも被研磨体と
同じに設定する必要はなく、研磨パッドの状況変化がト
ルクや通電電流の変化により詳細に把握することができ
れば特に制限はないが、ダミー被研磨体の研磨により研
磨パッドが劣化しないように、できるだけ被研磨体より
も小さいことが望ましい。

【００２０】第２の発明において、ダミー被研磨体の監
視は、被研磨体が研磨パッドと実際に接触する部分で行
われる必要があり、被研磨体保持手段が揺動するタイプ
の場合には、この揺動範囲内で研磨中常時監視してもよ
く、被研磨体の交換時に定期的に行ってもよい。この監
視は、ダミー被研磨体を回転させる回転手段に加わる負
荷（荷重）もしくは回転手段に通電される電流について
行う。なお、ダミー被研磨体を支持しながら回転させる
回転手段としては、被研磨体保持手段に採用される機構
等を用いることができる。また、回転手段に加わる負荷
（荷重）や回転手段に通電される電流を監視する監視手
段としては、ロードセルや通常の電流計等を挙げること
ができる。

【００２１】このようなダミー被研磨体を用いた監視機
構を設けることにより、研磨パッドの劣化による被研磨
体保持手段あるいは研磨定盤のトルクの変動が、実際の
研磨終点に起因するものであるか、研磨パッドの劣化に
起因するものであるかを正確に知ることができ、研磨終
点の検知を容易にすることができる。これにより、製品
の歩留りを向上させることができ、研磨パッドの交換時
期あるいはドレッシング時期を正確に決定することがで
きる。

【００２２】また、第２の発明の研磨装置において、研
磨剤の温度、研磨剤のｐＨ、被研磨体を研磨パッド上に
押圧する際の押圧力、または定盤もしくは被研磨体保持
手段の回転における負荷を監視し、その値があらかじめ
設定された値を超えたときに被研磨体の研磨を終了させ
る場合には、例えば研磨定盤や被研磨体保持手段の駆動
機構や被研磨体保持手段に負荷を加える機構と電気的に
接続された制御手段を設け、監視された研磨剤の温度・
ｐＨ、押圧力、または回転負荷の情報に基づいて研磨を
制御する。研磨を制御する場合、研磨パッドあるいは研
磨剤の温度、研磨剤のｐＨ、押圧力、または回転負荷と
研磨速度との間の関係をあらかじめ求めておき、時間積
分の形で研磨終点までの値を演算し、この値と、研磨パ
ッドあるいは研磨剤の温度、研磨剤のｐＨ、押圧力、ま
たは回転負荷が変化したときまでの時間とを比較して被
研磨体が所望の厚さまで研磨されたかどうかを判断す
る。このような制御をすることにより、正確な研磨終点
を決定することができ、歩留りを向上させることができ
る。

【００２３】さらに、上記制御においては、ダミー被研
磨体を用いた監視機構を組み合わせて行ってもよい。す
なわち、あらかじめ研磨パッドの劣化による被研磨体保
持手段あるいは研磨定盤のトルクの変動と研磨速度との
関係を求めておき、研磨パッドの劣化の状況を考慮しな
がら上記制御を行ってもよい。このようにすることによ
り、安定した研磨を実現すると共に、非常に正確な終点
検出が可能となり、ＣＭＰにおける製品の歩留りを向上
させることができる。

【００２４】なお、本発明の第１および第２の発明にお
いては、研磨パッドは、弾性を有するいわゆる軟質研磨
パッドを用いてもよく、硬質プラスチック等からなるい
わゆる硬質研磨パッドを用いてもよい。

【００２５】本発明の第３の発明は、研磨パッドが取り
付けられた研磨定盤と、前記被研磨体の被研磨面を前記
研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する
被研磨体保持手段とを具備し、前記研磨定盤と前記被研
磨体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処
理を施す研磨装置であって、前記研磨パッド中もしくが
前記研磨パッドと前記研磨定盤との間に流体を通流させ
る流体通流手段を有し、前記流体により前記研磨パッド
の温度を制御することを特徴とする研磨装置を提供す
る。

【００２６】第３の発明において、流体通流手段として
は、流体を循環させるように構成された流体供給手段お
よび流体排出手段、例えば、研磨パッドに設けられた流
体供給管および流体排出管が挙げられる。

【００２７】このような研磨パッドとしては、上下に貫
通する孔あるいは溝により流体供給管および流体排出管
を形成する一体成形型研磨パッド、または溝を有する複
数の分割された部材を有し、溝部を組み合わせることに
より流体供給管および流体排出管を形成する分割型研磨
パッド等を用いることができる。

【００２８】第３の発明においては、研磨パッドと研磨
定盤との間および研磨パッド内の少なくとも１箇所に研
磨パッドの材料よりも高い熱伝導率を有する材料からな
る部材を介在させることが好ましい。

【００２９】第３の発明によれば、研磨パッド内に流体
を循環させることにより、研磨中に研磨パッドを冷却す
ることができ、被研磨体の温度を制御（温度維持）する
ことができる。これにより、研磨速度を安定化させるこ
とができる。また、研磨パッドの材料よりも高い熱伝導
率を有する材料からなる部材を介在させることにより、
研磨による摩擦熱を良好に研磨定盤に逃がすことがで
き、ディッシングの抑制、研磨速度の安定化を促進する
ことができる。

【００３０】本発明の第４の発明は、研磨パッドが取り
付けられた研磨定盤と、前記被研磨体の被研磨面を前記
研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する
被研磨体保持手段とを具備し、前記研磨定盤と前記被研
磨体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処
理を施す研磨装置であって、前記研磨パッドの研磨面に
は凹凸が加工形成されており、そのエッジ部が曲面で構
成されることを特徴とする研磨装置を提供する。

【００３１】第４の発明において、被研磨体と接触する
エッジ部が曲面で構成されるとは、完全に曲面である必
要はなく、被研磨体に傷をつけるような鋭角部を有しな
いことを意味する。

【００３２】また、研磨パッドは、研磨剤中に含まれる
研磨粒子の平均粒径よりも大きな不純物を含まないこと
が好ましい。これは、研磨パッドに研磨粒子の平均粒径
よりも大きな不純物が含まれていると、被研磨体表面に
傷が発生するからである。また、研磨パッドは、研磨の
前に金属除去処理が施されていることが好ましい。この
金属除去処理は、被研磨体表面に傷を生じる原因となる
金属片の除去のために行うものであり、例えば塩酸／過
酸化水素水溶液による処理が挙げられる。

【００３３】また、研磨パッドは、貫通孔を有してお
り、貫通孔を通して研磨面に研磨剤を供給する構成を有
していてもよい。このような構成にすることにより、研
磨剤を冷却媒体としても用いることができるので、装置
構造を簡単にすることができる。さらに、研磨パッドの
研磨面は、研磨面側が比較的硬いもの（例えば硬質プラ
スチック）であり、非研磨面側が比較的軟らかいもの
（例えばゴム等の弾性体）である二層構造である複数の
独立した部材から構成されていることが好ましい。この
ような構成にすることにより、研磨パッドの研磨面が被
研磨体の動きに良く追従し、研磨速度の面内不均一性を
小さくすることができる。

【００３４】第４の発明によれば、研磨パッドの研磨面
が被研磨体と接触するエッジ部が曲面である凹凸部を有
するので、曲面であるエッジ部が被研磨体に傷をつける
ことを防止し、しかも凹部により研磨粒子を保持して研
磨速度の低下を防止する。

【００３５】また、第４の発明においては、研磨パッド
が、研磨剤中に含まれる研磨粒子の平均粒径よりも大き
な不純物を含まないこと、研磨パッドが、研磨の前に金
属除去処理が施されていることにより、被研磨体に傷を
つけることをさらに防止することができる。

【００３６】また、第４の発明においては、研磨パッド
が、貫通孔を有しており、貫通孔を通して研磨面に研磨
剤を供給する構成を有していることにより、研磨速度を
向上させることができる。さらに、研磨パッドの研磨面
が、研磨面側が比較的硬く、非研磨面側が比較的軟らか
い二層構造である複数の独立した部材から構成されてい
ることにより、研磨面に存在する突起部分による異常研
磨を抑制して、研磨速度の不均一性を小さくすることが
できる。

【００３７】本発明の第５の発明は、研磨パッドが取り
付けられた研磨定盤と、前記被研磨体の被研磨面を前記
研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する
被研磨体保持手段とを備え、前記研磨定盤と前記被研磨
体保持手段を相対的に動かして研磨剤を供給することに
より前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、
少なくとも前記被研磨体の前記被研磨面が前記研磨剤に
より被覆された状態に保持されるように前記研磨剤を収
容する研磨剤収容手段を具備することを特徴とする研磨
装置を提供する。

【００３８】第５の発明において、被研磨体の被研磨面
が研磨剤により被覆された状態とは、少なくとも被研磨
体の被研磨面が研磨剤中にあることを意味する。

【００３９】第５の発明によれば、被研磨体を研磨剤中
で研磨することにより、研磨パッドに研磨粒子を保持す
ることができ、研磨速度を向上させることができる。

【００４０】ここで、本発明の第１〜第５の発明におい
て、被研磨体保持手段としては、いわゆるトップリング
と呼ばれる回転体等を用いることができる。研磨剤供給
手段としては、研磨剤供給タンクから研磨剤供給管を介
して研磨剤を輸送する機構等を挙げることができる。あ
るいは、研磨剤を保持した砥石を研磨定盤として用いる
こともできる。被研磨体としては、シリコン基板、ＴＦ
Ｔ−ＬＣＤ用のガラス基板、ＧａＡｓ等の化合物半導体
からなる基板等を用いることができる。

【００４１】本発明の第１〜第５の発明においては、研
磨パッドは、少なくとも１ＧＰａのヤング率を有する高
分子材料により形成されており、内部に気泡あるいは空
孔を含まないもの（気孔径が１０μｍ以下の気泡であれ
ば含んでいてもよい）であることが好ましい。

【００４２】このような材料としては、例えばウレタン
ゴム、フッ素ゴム、クロロプレンゴム等の硬質ゴム；Ｐ
ＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テト
ラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合
体）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロ
アルコキシエチレン共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフル
オロエチレン−エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリ
クロロトリフルオロエチレン）、ＰＶｄＦ（ポリフッ化
ビニリデン）等のフッ素樹脂；ポリ塩化ビニル、ＰＶｄ
Ｃ（ポリ塩化ビニリデン）、ＰＶＡＣ（ポリ酢酸ビニ
ル）、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等のビニル系樹
脂；ポリアミド；ポリアセタール；ポリフェニレンオキ
シド；ポリカーボネート；アイオノマー；ポリウレタ
ン；ポリエステルエラストマー；ポリスチレン；ポリエ
チレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂；ポリ
−４−メチルペンテン；ポリメタクリレート；酢酸セル
ロース等を用いることができる。また、前記樹脂材料
は、安定剤、可塑剤等の通常の添加剤が加えられていて
もよい。

【００４３】また、本発明の第１〜第５の発明におい
て、いわゆる硬質研磨パッドは研磨剤を保持した砥石
（研磨粒子をフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を結合材
として固めて焼結してなるもの）であってもよい。これ
は、ヤング率が高いので、砥石としても同様な効果が実
現できるからである。

【００４４】本発明の第１〜第５の発明において、研磨
パッドは、被研磨体保持手段を許容する溝部を有するこ
とが好ましい。このような構成にすることにより、研磨
パッドの凹部に研磨粒子を供給することが可能になり、
安定した研磨速度を提供できる。

【００４５】本発明の第１〜第５の発明においては、研
磨定盤と被研磨体保持手段を相対的に動かして研磨処理
を行う。したがって、研磨処理の際に、研磨定盤と被研
磨体保持手段を共に動かしてもよく、研磨定盤と被研磨
体保持手段のいずれか一方を固定し、他方のみを動かし
てもよい。また、研磨定盤および／または被研磨体保持
手段を動かす場合、回転運動させてもよく、揺動運動さ
せてもよい。特に、回転運動させる場合には、その軌道
は円でもよく、楕円のような偏心した円でもよい。

【００４６】なお、本発明の第１〜第５の発明は、適宜
組み合わせて実施することができる。

【００４７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して具体
的に説明する。実施例の説明において、図１に示す研磨
装置と同様の概略構成についてはその説明を省略する。

【００４８】（実施例１）本実施例は、本発明の第１の
発明にかかる実施例である。

【００４９】図２（Ａ）は本発明の第１の発明に係る研
磨装置のトップリングを示す断面図であり、図２（Ｂ）
は図２（Ａ）のトップリングの被研磨体保持面側から見
た平面図である。図中１１はＳＵＳ製のトップリングを
示す。トップリング１１は、トップリングを昇降させる
駆動機構、トップリング１１に荷重を加えるエアシリン
ダ機構と連結した回転軸部１１ａと、被研磨体を保持す
る保持部１１ｂとから主に構成されている。なお、回転
軸部１１ａと保持部１１ｂは一体的に形成されている。
保持部１１ｂの内部には、空隙部１２が設けられてお
り、冷却水や冷却ガスを供給する冷媒供給管１３および
トップリング内を流れた流体を排出する冷媒排出管１４
と連通している。保持部１１ｂには、被研磨体を収容す
る収容部１５が設けられており、収容部の底面には、空
隙部１２と連通する連通孔１６が形成されている。この
連通孔１６は、図２（Ｂ）に示すように、収容部１５の
底面の中央部において３方に延出した形状である被研磨
体加圧用の長孔１６ａと、長孔１６ａを取り囲むように
形成された冷媒循環用の複数の丸孔１６ｂとから構成さ
れている。また、図３に示すように、収容部１５と被研
磨体１７との間から冷媒が漏洩しないようにゴム製のシ
ールリング１８を設けてもよい。

【００５０】冷媒は、トップリング２１、真空源２２、
温度調整機（チラー）２３、冷媒圧源２４（ポンプ）、
および圧力調整機２５を図４（Ａ）に示すように連結す
ることにより循環させる。なお、トップリング２１、真
空源２２、温度調整機（チラー）２３、冷媒圧源２４
（ポンプ）、および圧力調整機２５を図４（Ｂ）に示す
ように連結してもよい。

【００５１】次に、上記トップリングを有する研磨装置
を用いてＣｕの埋め込み配線を形成する方法について説
明する。

【００５２】試料としては、図５（Ａ）に示すように、
シリコン基板３１上に厚さ１μｍのシリコン酸化膜３２
を形成し、このシリコン酸化膜３２の表面に幅０．４〜
１００μｍ、深さ０．４μｍの配線用の溝３３を通常の
フォトリソグラフィー工程および反応性イオンエッチン
グ工程により形成した後、直流マグネトロンスパッタリ
ング法により厚さ６００ｎｍのＣｕ膜３４を形成してな
るものを用いた。

【００５３】まず、トップリングの冷媒供給管１４から
収容部１５を減圧することにより、被研磨体１７である
上記試料をトップリング１１に保持させた後、トップリ
ング１１と研磨定盤を互いに回転させた。次いで、トッ
プリング１１を降下させて研磨パッド上に試料を接触さ
せた。

【００５４】次いで、温度調整機（図示せず）により１
４℃±１℃に温度制御された水を冷媒供給管１３から注
入し、同時にトップリング内を流れた水を冷媒排出管１
４から排出して図４（Ａ）または図４（Ｂ）に示す順で
水を循環させた。さらに、冷媒排出管１４に設けた圧力
調整弁（図示せず）を調整して、半導体ウエハを２８０
ｇｆ／ｃｍ²の面荷重Ｗで研磨パッドに押圧した。この
とき、トップリングの収容部１５の底面に形成された長
孔１６ａは、３方に延出した形状であるので半導体ウエ
ハを面内において均等に押圧することができる。このよ
うにして研磨を開始する。このとき、水がトップリング
を押し上げる圧力よりも、トップリングに加える荷重を
高くしておくことにより、トップリングから漏れる水を
少なくすることができる。この研磨においては、半導体
ウエハの表面温度を１４℃±３℃に制御することができ
る。この状態で研磨剤を供給することにより研磨を行っ
た。

【００５５】なお、研磨パッドは、硬質樹脂（熱伝導率
が０．０８〜０．３４であるポリ塩化ビニル）製であ
り、研磨面には深さ１ｍｍ、幅２ｍｍの溝が格子状に設
けられたものを用いた。また、研磨剤には、グリシン／
過酸化水素／ベンゾトリアゾール水溶液とコロイダルシ
リカとを混合したものを用いた。研磨定盤は、その内部
に冷媒を循環させる機構が設けられており、冷媒（水）
を循環させることにより１４℃±１℃に維持した。ま
た、研磨パッドも冷却できるように冷却機構を設けた。

【００５６】上記のように研磨を行った試料は、図５
（Ｂ）に示すように、１００μｍ幅の広い凹部でのＣｕ
のディッシング量が５０ｎｍに抑制できた。一方、比較
のため、トップリングに冷媒を循環させないで上記試料
を研磨した場合、図５（Ｃ）に示すように、１００μｍ
幅の広い凹部でのＣｕのディッシング量が３００ｎｍ
（ｄ）であった。

【００５７】図６は、本発明の第１の発明に係る研磨装
置を用いて上記試料を研磨した時のディッシング量を配
線幅依存性および研磨速度の面内均一性（最大速度−最
小速度）／（最大速度＋最小速度）を示すグラフであ
る。図６から分かるように、トップリングの温度制御を
行うことにより、ディッシング量が抑制でき、研磨速度
の面内均一性が向上する。トップリングの温度制御に加
えて研磨パッドの温度制御を行うことにより、さらに、
ディッシング量が抑制でき、研磨速度の面内均一性が向
上する。このように、本発明の第１の発明によれば、研
磨速度の経時変化がなく安定したＣＭＰが可能となる。

【００５８】本実施例においては被研磨体としてＣｕを
用いているが、少量の不純物が含まれているＣｕや、Ｃ
ｕ以外の金属、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｗやこれらの合金、
またはシリコン酸化物、Ｂ、Ｐ、Ｆ等の不純物を含むシ
リコン酸化物を被研磨体として使用しても同様に優れた
効果が得られた。また、研磨粒子として、コロイダルシ
リカ以外の研磨粒子、例えばアルミナ、酸化セリウム等
を用いても上記と同様の効果が得られた。また、研磨パ
ッドの代わりに、シリカ粒子、アルミナ粒子、酸化セリ
ウム粒子を保持した砥石を用いても同様の効果が得られ
た。

【００５９】また、本実施例においてはトップリングの
収容部で直接被研磨体を保持しているが、上記収容部の
底面に弾性体を介して被研磨体を保持するようにしても
よい。さらに、本実施例においては被研磨体を真空チャ
ックを用いてトップリングに保持させているが、ワック
ス等を用いて被研磨体を接着して保持してもよい。ま
た、本実施例においてはトップリング内にポンプにより
冷媒を循環させているが、トップリング内に温度制御機
構を設けることにより、冷媒を循環させる機構を省略す
ることもできる。

【００６０】さらに、本実施例においては、トップリン
グと研磨パッドを互いに回転させて研磨を行っている
が、図７に示すように、被研磨体４１を真空チャック４
２を用いて温度制御機構４３を有する研磨定盤４４に固
定し、冷媒を循環させる機構を有するトップリング４５
で研磨パッドを保持してトップリング４５だけを回転、
移動させて被研磨体を研磨してもよい。

【００６１】（実施例２）実施例２および３は、本発明
の第２の発明にかかる実施例である。

【００６２】図８は本発明の第２の発明に係る研磨装置
を示す概略図である。図中５１は回転可能な研磨定盤を
示す。研磨定盤５１上には研磨パッド５２が取り付けら
れている。この研磨定盤５１の上方には、被研磨体５３
を支持したトップリング５４が配置されている。このト
ップリング５４には、トップリング５４を昇降させ、回
転させるモータ等の駆動手段５９が接続されている。ま
た、トップリング５４には、研磨の際に荷重Ｗ₁が加え
られて被研磨体５３を研磨パッド５２上に押圧するよう
に構成されている。

【００６３】また、トップリング５４の側方であって研
磨定盤５１の上方には、ダミー被研磨体であるＣｕ塊５
５が配置されている。このＣｕ塊５５には、Ｃｕ塊５５
を昇降させ、回転させるモータ等の駆動手段５８が接続
されている。また、Ｃｕ塊５５には、研磨の際に荷重Ｗ
₂が加えられてＣｕ塊５５を研磨パッド５２上に押圧す
るように構成されている。なお、この駆動手段５８に
は、回転トルクを監視できるトルクモニタ５６および駆
動手段５８に通電される電流を監視できる電流モニタ５
７が内蔵されている。さらに、研磨剤を研磨パッド５２
上に供給するための研磨剤供給管６０が配置されてい
る。

【００６４】上記構成を有する研磨装置において、シリ
コン基板上にスパッタリングにより成膜した厚さ８００
０オングストロームのＣｕ膜を用いて、Ｃｕ膜を研磨し
ながら研磨パッドの状態に応じたトルク変動および通電
電流変動とＣｕ膜の研磨速度との関係を詳細に調べた。
なお、Ｃｕ膜の研磨は、以下の条件で行った。

【００６５】研磨圧力：３００ｇ／ｃｍ² トップリング回転数：６０ｒｐｍ研磨定盤回転数：６０ｒｐｍ研磨温度：２５℃ 研磨剤供給量：５０ｃｃ／分また、研磨剤としては、グリシン０．２ｇ、過酸化水素
（３５％）４０ｍｌ、純水１１０ｍｌ、コロイダルシリ
カ（平均粒径３０ｎｍ）８．８ｇを混合してなるものを
用いた。研磨パッドとしては、ＳＵＢＡ８００（ロデー
ル社製、商品名）を用いた。

【００６６】一方、Ｃｕ塊５５にＷ₂として３００ｇ／
ｃｍ²の荷重を加え、回転数を一定に保つために必要な
電流値（トルク）を測定した。また、図９に示すよう
に、研磨定盤５１上の研磨パッド５２にＣｕ塊５５をＷ
₃として３００ｇ／ｃｍ²の荷重を加えて、研磨定盤５
１の回転のほぼ接線方向に摺動できるようにし、このＣ
ｕ塊５５に研磨中に作用する動摩擦力を摩擦力モニタ６
１により測定した。なお、Ｃｕ塊としては、直径５ｃ
ｍ、厚さ３ｃｍのものを用いた。この電流値（トルク）
および動摩擦力を研磨パッドの状態を監視する基準とし
た。

【００６７】この研磨条件でのＣｕ膜の研磨速度は約３
５０オングストローム／分であった。一つのシリコン基
板につき１０分間研磨を行った後、シリコン基板を取り
替えて上記と同様にＣｕ膜の研磨を続けた。研磨パッド
の劣化による電流値（トルク）および動摩擦力の変化に
基づく研磨速度の変化が生じた時に、必要により研磨パ
ッドの回転ブラシによるドレッシングを行った。

【００６８】図１０は、研磨回数に対する、研磨パッド
の劣化の検知のために監視した電流値（トルク）および
動摩擦力、並びに研磨後のＣｕの残った膜厚から求めた
研磨速度の関係を示すグラフである。また、図１１は、
これらの測定結果から求めた電流値（トルク）とＣｕ膜
の研磨速度との関係を示すグラフである。図１０および
図１１から分かるように、Ｃｕ膜の加工に起因する研磨
パッドの劣化により電流値（トルク）および動摩擦力は
低下する。また、この電流値（トルク）および動摩擦力
の低下と共にＣｕ膜の研磨速度も低下し、しかも研磨パ
ッドの劣化に伴ってＣｕ膜の研磨速度のバラツキが大き
くなる。

【００６９】（実施例３）上記関係をＣｕ膜の研磨の際
に利用してＣｕ膜に対する研磨の終点を検出する場合に
ついて説明する。なお、本実施例におけるＣｕ膜の研磨
条件は実施例２における条件と同じである。

【００７０】Ｃｕ膜の研磨中において、電流値（トル
ク）および動摩擦力の測定値をコンピュータで１秒ごと
にサンプリングし、図１１に示す電流値（トルク）ある
いは動摩擦力と研磨速度との関係を用いて、サンプリン
グ時間内に研磨されたＣｕ膜の量を計算（積分）するこ
とにより、Ｃｕ膜の研磨されている膜厚を推定した。こ
の推定値が加工目標値である４０００オングストローム
を超えた時に研磨終点として研磨を停止した。その後、
シリコン基板上に残存したＣｕ膜の膜厚から得られた実
際の加工膜厚を求めて加工目標値と比較した。この場
合、シリコン基板中の研磨速度にはバラツキがあるた
め、シリコン基板上の特定の点で評価した。

【００７１】図１２は、上記の結果により得られた、研
磨回数に対する、研磨パッドの劣化の検知のために監視
した電流値および最終Ｃｕ膜加工厚の関係を示すグラフ
であり、図１２から分かるように、上記制御を行うこと
により、高い精度でＣｕ膜を研磨できる。また、上記制
御を行うことにより、研磨パッドの劣化による研磨速度
の変化が研磨中に生じても、研磨終点を充分に予測する
ことができる。さらに、第２の発明による監視機構を他
の終点検出方法と併用することにより、より高い精度で
終点を検出することが可能になる。

【００７２】（実施例４）実施例４および５は、本発明
の第３の発明にかかる実施例である。

【００７３】図１３は、本発明の第３の発明に係る研磨
装置の研磨定盤部分を示す概略図である。図中７１は回
転可能なＳＵＳ製の研磨定盤を示す。研磨定盤７１上に
は硬質プラスチック（ポリ塩化ビニル：熱伝導率０．０
８〜０．３４）からなる直径約６０ｃｍの円盤状の研磨
パッド７２が取り付けられている。研磨パッド７２の研
磨面には、深さ１ｍｍ、幅２ｍｍの複数の溝７３が格子
状に形成されている。また、研磨定盤７１および研磨パ
ッド７２には、冷媒循環路７４が内挿されており、冷却
水等の冷媒（流体）を循環させることにより、研磨パッ
ドの温度調節（温度維持）が可能となっている。この研
磨定盤７１に対して、被研磨体を保持したトップリング
を下降させることにより被研磨体が研磨パッド７２上に
押圧される。

【００７４】上記構成を有する研磨装置を用いて、Ｃｕ
埋め込み配線におけるＣＭＰを行った。研磨剤として
は、グリシン、過酸化水素、ベンゾトリアゾール水溶
液、およびコロイダルシリカを混合してなるものを用い
た。研磨中、研磨パッド７２および研磨定盤７１は、冷
媒循環路７４に冷却水を通流させることにより１４℃±
１℃に保った。その結果、Ｃｕ配線のディッシングは、
図１７に示すような研磨定盤のみを冷却し、研磨パッド
を冷却しない従来の研磨装置と比較して大幅に改善され
た。具体的には、図１９に示すように、１０μｍ幅配線
のディッシングは、従来の約１５０ｎｍに対して約２５
ｎｍまで減少した。

【００７５】第３の発明に係る研磨装置としては、図１
４〜図１６に示すような構成であってもよい。すなわ
ち、図１４に示すように、冷媒循環路７４が少なくとも
研磨定盤７１と研磨パッド７２との間の界面部分に設け
られていてもよい。また、図１５および図１６に示すよ
うに、研磨パッド７２と研磨定盤７１との間に高い熱伝
導率を有する材料からなる部材７５を介在させてもよ
い。例えば、図１５に示すように、研磨パッド７２が表
面に露出するようにして部材７５に研磨パッド７２を埋
設してくよく、図１６に示すように、研磨パッド７２に
研磨定盤７１に達するスリットを設け、そこに部材７５
を嵌め込んでもよい。少なくとも、研磨中に研磨剤と接
するような構造になっていることが望ましい。これによ
り、熱伝導性を向上させて、研磨面を効率よく温度制御
することができる。

【００７６】この場合、高い熱伝導率を有する材料とし
ては、研磨パッド７２として用いる材料、例えばウレタ
ンゴム、フッ素ゴム、テフロン、ダイフロン、ポリ塩化
ビニル、ポリアミド等よりも高い熱伝導率を有する材料
であればよく、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、鉄、ステン
レス、グラファイト、非晶質カーボン、アルミナ、石
英、ガラス等を用いることができる。また、部材７５
は、研磨パッド７２として用いる材料よりも高い熱伝導
率を有する液体（例えば、純水：熱伝導率約０．６前
後）を含有したものでもよく、このような液体を含有し
やすい多孔性物質やスポンジ状の物で構成してもよい。

【００７７】本実施例においては、被研磨体としてＣｕ
膜を用いているが、少量の不純物を含んでいるＣｕ膜
や、Ｃｕ以外の金属、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｗ等からなる
膜やこれらを主成分とした膜、あるいはＴＥＯＳガスを
原料として形成されたプラズマＣＶＤ膜、ＢＰＳＧ膜、
フッ素添加ＳｉＯ₂膜、熱酸化膜等のシリコン酸化膜を
用いてもよい。

【００７８】また、本実施例においては、研磨パッド７
２としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤
を供給しながら研磨処理を行っているが、少なくとも１
ＧＰａ以上のヤング率を有していれば、研磨パッド７２
の代わり、いわゆる砥石を用いても上記と同様な効果が
得られることが分かった。具体的には、研磨パッドとし
て、平均粒径３０ｎｍのシリカ粒子をフェノール樹脂
（熱硬化性樹脂）を結合材として固めて焼結してなるも
のを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリ
アゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研
磨を行ったところ、ディッシングの抑制において、ポリ
塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得
られた。

【００７９】（実施例５）図１８は、本発明の第３の発
明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図である。
この回転可能なＳＵＳ製の研磨定盤７１においては、研
磨剤を収容する部分が設けられており、その収容部の底
面上に研磨面に深さ１ｍｍ、幅２ｍｍの複数の溝部７３
を有する研磨パッド７２が載置されている。研磨パッド
７２は、硬質プラスチック（ポリ塩化ビニル：熱伝導率
０．０８〜０．３４）からなり、直径約６０ｃｍの円盤
状である。また、研磨パッド７２の少なくとも研磨面に
は、研磨剤７８により特性が劣化しないようにテフロン
コーティングが施されている。さらに収容部には、被研
磨体が研磨の際に研磨剤に浸漬されるように研磨剤７８
が貯留されている。また、研磨剤供給管７６が収容部の
研磨パッド７２近傍まで延出しており、研磨剤排出管７
７が収容部中央の上方に延出している。この研磨剤供給
管７６および研磨剤排出管７７により研磨剤７８を循環
する構成となっている。この研磨定盤７１に対して、被
研磨体を保持したトップリングを下降させることにより
被研磨体が研磨剤７８に浸漬され、さらに研磨パッド７
２上に押圧される。

【００８０】上記構成を有する研磨装置を用いて、Ｃｕ
埋め込み配線におけるＣＭＰを行った。研磨剤として
は、グリシン、過酸化水素、ベンゾトリアゾール水溶
液、およびコロイダルシリカを混合してなるものを用い
た。研磨中、研磨パッド７２および研磨定盤７１は、研
磨剤供給管７６および研磨剤排出管７７に冷却した研磨
剤７８を通流させて収容部に貯留された研磨剤７８を循
環させることにより１４℃±１℃に保った。その結果、
Ｃｕ配線のディッシングは、図１７に示すような研磨定
盤のみを冷却し、研磨パッドを冷却しない従来の研磨装
置と比較して大幅に改善された。具体的には、１０μｍ
幅配線のディッシングは、従来の約１５０ｎｍに対して
約２５ｎｍまで減少した。

【００８１】また、本実施例においては、研磨パッド７
２としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤
を供給しながら研磨処理を行っているが、少なくとも１
ＧＰａ以上のヤング率を有していれば、研磨パッド７２
の代わり、いわゆる砥石を用いても上記と同様な効果が
得られることが分かった。具体的には、研磨パッドとし
て、平均粒径３０ｎｍのシリカ粒子をフェノール樹脂
（熱硬化性樹脂）を結合材として固めて焼結してなるも
のを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリ
アゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研
磨を行ったところ、ディッシングの抑制において、ポリ
塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得
られた。

【００８２】（実施例６）実施例６〜１０、比較例１〜
３は、本発明の第４の発明にかかるものである。

【００８３】本実施例は、実施例４における図１３の研
磨定盤部において、研磨パッドの凹凸に関するものであ
る。硬質プラスチックからなる研磨パッド８１は、図２
０に示すように、複数の溝部８４を有しており、研磨面
８２と溝部８４の側壁面が曲面で連結されている、すな
わち研磨面８２を構成する凸部が曲面である。このよう
な形状は、Ｒ形状を有するエンドミルを用いた切削加工
により形成した。

【００８４】このように、研磨面に鋭角部を有しない研
磨パッドを備えた研磨装置を用いて、Ｃｕ埋め込み配線
におけるＣＭＰを行った。研磨剤としては、グリシン、
過酸化水素、ベンゾトリアゾール水溶液、およびコロイ
ダルシリカを混合してなるものを用いた。研磨中、研磨
パッドおよび研磨定盤は、冷媒循環路に冷却水を通流さ
せることにより１４℃±１℃に保った。その結果、Ｃｕ
配線の被研磨面には、深さ２０ｎｍ以上の傷はまったく
確認されなかった。

【００８５】また、本実施例においては、研磨パッド７
２としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤
を供給しながら研磨処理を行っているが、研磨パッドと
して、平均粒径３０ｎｍのシリカ粒子をフェノール樹脂
（熱硬化性樹脂）を結合材として固めて焼結してなるも
のを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリ
アゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研
磨を行ったところ、ディッシングの抑制において、ポリ
塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得
られた。

【００８６】（比較例１）図２０に示す研磨パッドの代
わりに、幅１ｍｍ、深さ１ｍｍの断面矩形状の溝をピッ
チ１ｃｍで形成した塩化ビニル製研磨パッドを用いるこ
と以外は実施例６と同様にしてＣｕ埋め込み配線におけ
るＣＭＰを行った。その結果、Ｃｕ配線の被研磨面に
は、深さ１μｍ以上の傷が確認された。

【００８７】（実施例７）研磨パッドとして、粒径０．
７μｍ以上の不純物をほとんど含まないポリ塩化ビニル
製研磨パッドを用いて、ＴＥＯＳガスを原料としたプラ
ズマＣＶＤ法により形成したシリコン酸化膜における平
坦化ＣＭＰを行った。研磨剤としては、平均粒径０．７
μｍの酸化セリウム粒子を１重量％含む水溶液を用い
た。その結果、シリコン酸化膜上には、深さあるいは幅
０．１μｍ以上の傷はまったく確認されなかった。

【００８８】また、本実施例においては、研磨パッド７
２としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤
を供給しながら研磨処理を行っているが、研磨パッドと
して、平均粒径６００ｎｍの酸化セリウム粒子をフェノ
ール樹脂（熱硬化性樹脂）を結合材として固めて焼結し
てなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベ
ンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給し
ながら研磨を行ったところ、傷の抑制において、ポリ塩
化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得ら
れた。

【００８９】（比較例２）実施例７で使用したポリ塩化
ビニル製研磨パッドの代わりに、粒径０．７μｍ以上の
不純物を含む研磨パッドを用いること以外は実施例７と
同様にしてシリコン酸化膜における平坦化ＣＭＰを行っ
た。その結果、シリコン酸化膜上に研磨粒子の平均粒径
以上の深さあるいは幅の傷が多数確認された。

【００９０】（実施例８）研磨パッドとして、塩酸／過
酸化水素混合水溶液処理による金属除去処理を施したポ
リ塩化ビニル製研磨パッドを用いて、ＴＥＯＳガスを原
料としたプラズマＣＶＤ法により形成したシリコン酸化
膜における平坦化ＣＭＰを行った。研磨剤としては、平
均粒径０．７μｍの酸化セリウム粒子を１重量％含む水
溶液を用いた。その結果、シリコン酸化膜上には、深さ
０．１μｍ以上の傷は確認されなかった。

【００９１】また、本実施例においては、研磨パッド７
２としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤
を供給しながら研磨処理を行っているが、研磨パッドと
して、平均粒径６００ｎｍの酸化セリウム粒子をフェノ
ール樹脂（熱硬化性樹脂）を結合材として固めて焼結し
てなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベ
ンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給し
ながら研磨を行ったところ、傷の抑制において、ポリ塩
化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得ら
れた。

【００９２】（比較例３）実施例８で使用したポリ塩化
ビニル製研磨パッドの代わりに、金属除去処理を施さな
い研磨パッドを用いること以外は実施例８と同様にして
シリコン酸化膜における平坦化ＣＭＰを行った。その結
果、シリコン酸化膜上に研磨粒子の平均粒径以上の深さ
あるいは幅の傷が多数確認された。

【００９３】（実施例９）図２１は、本発明の第４の発
明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図である。
図中９１は回転可能なＳＵＳ製の研磨定盤を示す。研磨
定盤７１上には硬質プラスチック（ポリ塩化ビニル：熱
伝導率０．０８〜０．３４）からなる直径約６０ｃｍの
円盤状の研磨パッド９２が取り付けられている。研磨パ
ッド９２の研磨面には、深さ１ｍｍ、幅２ｍｍの複数の
溝９３が格子状に形成されている。また、研磨定盤９１
および研磨パッド９２の界面には、冷媒循環路９４が内
挿されており、冷却水等の冷媒（流体）を循環させるこ
とにより、研磨パッドの温度調節（温度維持）が可能と
なっている。また、研磨定盤９１および研磨パッド９２
には互いに連通する排出口９３ａが設けられており、研
磨パッド９２の排出口９３ａは外部に開口している。こ
の排出口９３ａにより、冷媒循環路９４を通流する冷媒
の一部を循環させ、一部を研磨パッド９２上に排出する
ことができるように構成されている。

【００９４】この研磨定盤９１に対して、被研磨体を保
持したトップリングを下降させることにより被研磨体が
研磨パッド９２上に押圧される。

【００９５】上記研磨装置を用いて、Ｃｕ埋め込み配線
におけるＣＭＰを行った。研磨剤としては、グリシン、
過酸化水素、ベンゾトリアゾール水溶液、およびコロイ
ダルシリカを混合してなるものを用いた。この研磨剤を
冷却することにより冷媒として用い、これを冷媒循環路
９４に通流させることにより１４℃±１℃に保った。さ
らに、研磨剤の一部を排出口９３ａから研磨パッド９２
上に排出させた。その結果、研磨速度は、約５００ｎｍ
／分でＣＭＰに充分な速度となり、Ｃｕ配線の被研磨面
には、深さ２０ｎｍ以上の傷はまったく確認されなかっ
た。

【００９６】また、本実施例においては、研磨パッド９
２としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤
を供給しながら研磨処理を行っているが、少なくとも１
ＧＰａ以上のヤング率を有していれば、研磨パッド９２
の代わり、いわゆる砥石を用いても上記と同様な効果が
得られることが分かった。具体的には、研磨パッドとし
て、平均粒径３０ｎｍのシリカ粒子をフェノール樹脂
（熱硬化性樹脂）を結合材として固めて焼結してなるも
のを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリ
アゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研
磨を行ったところ、研磨速度および傷の抑制において、
ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果
が得られた。

【００９７】（実施例１０）研磨パッドとして、研磨面
としてポリ塩化ビニルからなる層と、その研磨定盤側に
ゴム、織布、不織布等からなる弾性材料からなる層とを
積層してなる複数の独立した部分からなる研磨パッドを
用いて、Ｃｕ埋め込み配線におけるＣＭＰを行った。研
磨剤としては、グリシン、過酸化水素、ベンゾトリアゾ
ール水溶液、および平均粒径７０μｍのコロイダルシリ
カを混合してなるものを用いた。その結果、研磨速度は
約５０ｎｍ／分でＣＭＰとして充分な速度であった。ま
た、研磨面の突起部分に起因する被研磨面の局部的な異
常研磨は確認されなかった。

【００９８】上記実施例においては、被研磨体としてＣ
ｕ膜を用いているが、少量の不純物を含んでいるＣｕ膜
や、Ｃｕ以外の金属、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｗ等からなる
膜やこれらを主成分とした膜、あるいはＴＥＯＳガスを
原料として形成されたプラズマＣＶＤ膜、ＢＰＳＧ膜、
フッ素添加ＳｉＯ₂膜、熱酸化膜等のシリコン酸化膜を
用いてもよい。

【００９９】また、本実施例においては、研磨パッド９
２としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤
を供給しながら研磨処理を行っているが、少なくとも１
ＧＰａ以上のヤング率を有していれば、研磨パッド９２
の代わり、いわゆる砥石を用いても上記と同様な効果が
得られることが分かった。具体的には、研磨パッドとし
て、平均粒径３０ｎｍのシリカ粒子をフェノール樹脂
（熱硬化性樹脂）を結合材として固めて焼結してなるも
のを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリ
アゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研
磨を行ったところ、ディッシングの抑制において、ポリ
塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得
られた。

【０１００】（実施例１１）実施例１１は、本発明の第
５の発明にかかる実施例である。

【０１０１】図２２（Ａ）は本発明の第５の発明に係る
研磨装置を示す概略図であり、図２２（Ｂ）は図２２
（Ａ）に示す研磨装置の平面図である。図中１０１はＳ
ＵＳ製のトップリングを示す。トップリング１０１は、
トップリングを昇降させる駆動機構（図示せず）、トッ
プリング１０１に流体により荷重を加えるシリンダ機構
と連結されている。このシリンダ機構により被研磨体１
０２を研磨パッド１０３に押圧するようになっている。

【０１０２】研磨パッド１０３は、ポリ塩化ビニル製で
あり、ＳＵＳ製の研磨定盤１０４上にに貼着されてい
る。この研磨パッド１０３の表面には、被研磨体１０２
を収容する深さ３ｍｍ、幅１５．２ｃｍの同心円状の第
１の溝１０５が形成されており、さらに第１の溝の底
面、すなわち被研磨体との接触面には、深さ１ｍｍ、幅
２ｍｍの格子状の第２の溝２５が形成されている。

【０１０３】次に、上記トップリングを有する研磨装置
を用いてＣｕの埋め込み配線を形成する方法について説
明する。

【０１０４】試料としては、シリコン基板上に形成した
シリコン酸化膜に溝（幅０．４〜１００μｍ、深さ０．
４μｍ）を形成し、その上にスパッタリングにより厚さ
６００ｎｍのＣｕ膜を形成してなるものを用いた。

【０１０５】まず、トップリング１０１が備えている真
空チャック機構（図示せず）により被研磨体１０２をト
ップリング１０１に保持させた後、トップリング１０１
と研磨定盤１０４とを互いに回転させた。次いで、トッ
プリング１０１を降下させて研磨パッド１０３上に試料
を接触させ、シリンダ機構により２８０ｇｆ／ｃｍ²の
面荷重（図中の矢印）をトップリング１０１に加えて、
試料を研磨パッドに押圧した。

【０１０６】この状態で研磨剤を供給することにより研
磨を行った。このとき、被研磨体の被研磨面は研磨剤中
に存在した状態であった。研磨が終了した後、トップリ
ング１０１および研磨定盤１０４の回転を停止し、被研
磨体１０２を研磨パッド１０３から剥がした後、被研磨
体１０２を洗浄した。

【０１０７】なお、研磨剤には、グリシン、過酸化水
素、ベンゾトリアゾール水溶液、コロイダルシリカとを
混合し、その温度を１４℃±１℃に制御したものを用い
た。

【０１０８】上記のように研磨を行った試料は、１００
μｍ幅の広い凹部でのＣｕのディッシング量が５０ｎｍ
に抑制できた。また、研磨速度は、３０００オングスト
ローム／分であり、ＣＭＰとして充分な速度であった。
一方、比較のため、第１の溝１０５を設けない研磨パッ
ド１０２を用いて上記試料を研磨した場合、Ｃｕのディ
ッシング量は抑制されたが、研磨速度としては満足でき
るものではなかった。

【０１０９】また、第５の発明の研磨装置では、被研磨
体を落し込む第１の溝１０５として深さ３ｍｍの溝を形
成しているが、溝の深さは被研磨体の研磨面が研磨剤中
に存在するならば深くて浅くても問題はない。また、図
２３（Ａ）および（Ｂ）に示すように、第１の溝１０５
を被研磨体１０２を支持したトップリング１０１を収容
するように形成した場合でも上記と同様な効果が得られ
た。

【０１１０】さらに、第５の発明においては、図２４に
示すように、トップリング１０１、研磨パッド１０３を
有する研磨定盤１０４の周囲にポリ塩化ビニル製の研磨
剤受け１０９を設け、被研磨体１０２および研磨パッド
１０３が研磨剤１０７に浸漬する構造としてもよく、あ
るいは、図２５に示すように、研磨パッド１０３の外周
端部に研磨剤受け１０９を設け、被研磨体１０２および
研磨パッド１０３が研磨剤１０７に浸漬する構造として
もよい。ただし、これらの構造の場合、研磨剤１０７の
循環効率が図２２および図２３に示す構造に比べて遅い
ので、研磨剤１０７の温度変化や研磨剤１０７の凝集に
よる二次粒子の形成に起因する研磨速度の変化が生じる
場合がある。これを防止するために、研磨剤１０７の温
度調整する温度調整装置１１０や二次粒子を除去するフ
ィルター１１１を設けて、研磨剤１０７を循環させるこ
とが好ましい。

【０１１１】本実施例においては被研磨体としてＣｕを
用いているが、少量の不純物が含まれているＣｕや、Ｃ
ｕ以外の金属、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｗやこれらの合金、
またはシリコン酸化物、Ｂ、Ｐ、Ｆ等の不純物を含むシ
リコン酸化物を被研磨体として使用しても同様に優れた
効果が得られた。また、研磨粒子として、コロイダルシ
リカ以外の研磨粒子、例えばアルミナ、酸化セリウム等
を用いても上記と同様の効果が得られた。また、研磨パ
ッドの代わりに、シリカ粒子、アルミナ粒子、酸化セリ
ウム粒子を保持した砥石を用いても同様の効果が得られ
た。

【０１１２】また、本実施例においては、研磨パッド１
０３としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨
剤を供給しながら研磨処理を行っているが、少なくとも
１ＧＰａ以上のヤング率を有していれば、研磨パッド１
０３の代わり、いわゆる砥石を用いても上記と同様な効
果が得られることが分かった。具体的には、研磨パッド
として、平均粒径３０ｎｍのシリカ粒子をフェノール樹
脂（熱硬化性樹脂）を結合材として固めて焼結してなる
ものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾト
リアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら
研磨を行ったところ、研磨速度およびディッシングの抑
制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合
と同等な効果が得られた。

【０１１３】

【発明の効果】以上説明した如く本発明の研磨装置は、
研磨の際に発生する摩擦熱によるディッシングの大幅な
抑制、研磨速度の面内均一性の向上、研磨速度の安定性
の向上が可能である。また、研磨中の被研磨体に対する
傷を極めて少なくすることができる。したがって、ＬＳ
Ｉの多層配線形成工程における層間絶縁膜の平坦化、金
属プラグ形成、埋め込み金属配線形成において、高い信
頼性で安定して研磨処理を行うことができる。

【０１１４】また、本発明の研磨装置は、研磨の際に発
生する摩擦熱によるディッシングの大幅な抑制、研磨速
度の面内均一性の向上、研磨速度の安定性の向上を可能
にすることができる。さらに、研磨パッドの張り替え時
期あるいはドレッシング時期を検知することができ、材
料の効率的な使用が可能となる。また、正確な研磨終点
を予測することが可能となり、半導体製造プロセスにお
ける加工の正確さを向上でき、さらに歩留りを著しく向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】研磨装置の概略構成を示す図。

【図２】（Ａ）は本発明の第１の発明に係る研磨装置の
トップリングの一例を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示
すトップリングの平面図。

【図３】本発明の第１の発明に係る研磨装置のトップリ
ングの他の例を示す断面図。

【図４】（Ａ）および（Ｂ）はトップリングの冷媒循環
を説明するための概略図。

【図５】（Ａ）および（Ｂ）は本発明の第１の発明に係
る研磨装置を用いてＣＭＰを行う工程を説明する断面
図、（Ｃ）は従来の研磨装置を用いてＣＭＰを行った場
合を説明する断面図。

【図６】ディッシング量と配線幅との関係を示すグラ
フ。

【図７】本発明の第１の発明に係る研磨装置のトップリ
ングの他の例を示す断面図。

【図８】本発明の第２の発明に係る研磨装置を示す概略
図。

【図９】図８に示す研磨装置の一部を示す概略図。

【図１０】研磨回数に対する、監視した電流値（トル
ク）および動摩擦力、並びに研磨速度の関係を示すグラ
フ。

【図１１】電流値（トルク）とＣｕ膜の研磨速度との関
係を示すグラフ。

【図１２】研磨回数に対する、監視した電流値および最
終Ｃｕ膜加工厚の関係を示すグラフ。

【図１３】本発明の第３の発明に係る研磨装置の研磨定
盤部分を示す概略図。

【図１４】本発明の第３の発明に係る研磨装置の研磨定
盤部分を示す概略図。

【図１５】本発明の第３の発明に係る研磨装置の研磨定
盤部分を示す概略図。

【図１６】本発明の第３の発明に係る研磨装置の研磨定
盤部分を示す概略図。

【図１７】従来の研磨装置の研磨定盤部分を示す概略
図。

【図１８】本発明の第３の発明に係る研磨装置の研磨定
盤部分を示す概略図。

【図１９】配線幅とディッシング量との関係を示すグラ
フ。

【図２０】本発明の第４の発明に係る研磨装置の研磨パ
ッド表面の状態を示す概略図。

【図２１】本発明の第４の発明に係る研磨装置の研磨定
盤部分を示す概略図。

【図２２】（Ａ）は本発明の第５の発明に係る研磨装置
を示す概略図、（Ｂ）は（Ａ）に示す研磨装置の平面
図。

【図２３】（Ａ）は本発明の第５の発明に係る研磨装置
を示す概略図、（Ｂ）は（Ａ）に示す研磨装置の平面
図。

【図２４】本発明の第５の発明に係る研磨装置を示す概
略図。

【図２５】本発明の第５の発明に係る研磨装置を示す概
略図。

【符号の説明】

１，１１，２１，４５，５４，１０１…トップリング、
２，１７，４１，５３，１０２…被研磨体、３…弾性部
材、４，４４，５１，７１，９１，１０４…研磨定盤、
５，５２，７２，８１，９２，１０３…研磨パッド、
６，１０７…研磨剤、７，６０…研磨剤供給管、８…吐
出部、１１ａ…回転軸部、１１ｂ…保持部、１２…空隙
部、１３…冷媒供給管、１４…冷媒排出管、１５…収容
部、１６…連通孔、１６ａ…長孔、１６ｂ…丸孔、１８
…シールリング、２２…真空源、２３…温度調整機、２
４…冷媒圧源、２５…圧力調整機、３１…シリコン基
板、３２…シリコン酸化膜、３３…配線用の溝、３４…
Ｃｕ膜、４２…真空チャック、４３…温度制御機構、５
５…Ｃｕ塊、５６…トルクモニタ、５７…電流モニタ、
５８，５９…駆動手段、６１…摩擦力モニタ、７３，９
３…溝、７４，９４…冷媒循環路、７５…部材、７６…
研磨剤供給管、７７…研磨剤排出管、７８…研磨剤、８
２…研磨面、８４…溝部、９３ａ…排出口、１０５…第
１の溝、１０６…第２の溝、１０９…研磨剤受け、１１
０…温度調整装置、１１１…フィルター。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者早坂伸夫神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨パッドが取り付けられた研磨定盤と、
前記被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させる
ように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを具
備し、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に
動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であっ
て、前記被研磨体保持手段は、前記被研磨体に流体を供給す
る流体供給手段および流体を前記被研磨体保持手段から
排出する流体排出手段を有し、前記流体供給手段および
前記流体排出手段が流体を循環させるように構成されて
おり、循環する流体により前記被研磨体の温度を制御す
ることを特徴とする研磨装置。
【請求項２】前記流体により前記被研磨体を前記研磨パ
ッドに押圧するように構成されている請求項１記載の研
磨装置。
【請求項３】前記被研磨体保持手段は、前記被研磨体保
持手段からの流体の漏洩を防止するシール部材を備えて
いる請求項１記載の研磨装置。
【請求項４】研磨パッドが取り付けられた研磨定盤と、
前記被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させる
ように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを備
え、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動
かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であっ
て、前記研磨パッドに押圧されて接触するダミー被研磨体
と、前記研磨パッドと前記ダミー被研磨体を相対的に動かす
ように前記ダミー被研磨体を支持する支持手段と、前記支持手段に加わる負荷もしくは前記支持手段に通電
される電流を監視する監視手段と、を具備することを特
徴とする研磨装置。
【請求項５】研磨パッドが取り付けられた研磨定盤と、
前記被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させる
ように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを備
え、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動
かして研磨剤により前記被研磨体に研磨処理を施す研磨
装置であって、前記研磨パッドの劣化状況を監視する手段と、前記研磨剤の温度、前記研磨剤のｐＨ、前記被研磨体を
前記研磨パッド上に押圧する際の押圧力、または前記研
磨定盤もしくは前記被研磨体保持手段の相対的運動にお
ける負荷を監視する手段と、前記研磨パッドの劣化状況に対応する研磨速度の情報
と、監視された前記研磨剤の温度、前記研磨剤のｐＨ、
前記被研磨体を前記研磨パッド上に押圧する際の押圧
力、または前記研磨定盤もしくは前記被研磨体保持手段
の相対的運動における負荷の情報とを用いて演算を行う
演算手段と、前記演算手段により得られた情報に基づいて研磨処理を
制御する制御手段と、を具備することを特徴とする研磨
装置。
【請求項６】研磨パッドが取り付けられた研磨定盤と、
前記被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させる
ように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを具
備し、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に
動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であっ
て、前記研磨パッド中もしくが前記研磨パッドと前記研磨定
盤との間に流体を通流させる流体通流手段を有し、前記
流体により前記研磨パッドの温度を制御することを特徴
とする研磨装置。
【請求項７】研磨パッドが取り付けられた研磨定盤と、
前記被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させる
ように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを具
備し、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に
動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であっ
て、前記研磨パッドの研磨面には凹凸が加工形成されてお
り、そのエッジ部が曲面で構成されることを特徴とする
研磨装置。
【請求項８】研磨パッドが取り付けられた研磨定盤と、
前記被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させる
ように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを備
え、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動
かして研磨剤を供給することにより前記被研磨体に研磨
処理を施す研磨装置であって、少なくとも前記被研磨体の前記被研磨面が前記研磨剤に
より被覆された状態に保持されるように前記研磨剤を収
容する研磨剤収容手段を具備することを特徴とする研磨
装置。
【請求項９】研磨パッドが取り付けられた研磨定盤と、
前記被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させる
ように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを具
備し、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に
動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であっ
て、前記研磨パッドは、前記被研磨体あるいは前記被研磨体
保持手段を収容する溝部を有することを特徴とする研磨
装置。
【請求項１０】前記研磨パッドは、少なくとも１ＧＰ
ａのヤング率を有する高分子材料により形成されてお
り、内部に気泡あるいは空孔を含まないものである請求
項１〜９のいずれか１項記載の研磨装置。
【請求項１１】前記研磨パッドが砥石である請求項１
〜９のいずれか１項記載の研磨装置。