JPH08316179A - 半導体プロセスにおける平坦化方法及びその装置 - Google Patents

半導体プロセスにおける平坦化方法及びその装置

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JPH08316179A
JPH08316179A JP14814895A JP14814895A JPH08316179A JP H08316179 A JPH08316179 A JP H08316179A JP 14814895 A JP14814895 A JP 14814895A JP 14814895 A JP14814895 A JP 14814895A JP H08316179 A JPH08316179 A JP H08316179A
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polishing
substrate
film thickness
silicon wafer
circular
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JP14814895A
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Shuzo Sato
修三 佐藤
Yoshiaki Komuro
善昭 小室
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Sony Corp
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  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】化学的機械研磨による高精度の半導体プロセス
における平坦化方法及びその装置を提供する。 【構成】半導体基板表面上に配された金属配線あるいは
絶縁膜を化学機械研磨により平坦化する方法において、
前記金属配線あるいは絶縁膜の表面を研磨すると同時
に、前記半導体基板裏面を研磨しながら基板全体の厚さ
を測定制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体プロセスにおけ
る平坦化方法及びその装置に関するものであり、より詳
細には、半導体プロセス等に用いられるシリコン基板上
の絶縁膜あるいは層間絶縁膜等をグロ−バル平坦化する
方法及びその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】LSL等の半導体装置の製造プロセスに
おいて、金属多層配線の層間絶縁膜の平坦化及びプラグ
や内部配線にメタルの埋め込みをした後のAlやWの過
剰な部分を選択的に除去する等の技術として、CMP
(化学機械研磨)法が知られている。
【0003】図3に従来のCMP法を実施するためのC
MP装置を示す。図3に示すように、従来のCMP装置
では、同じ軌道上の円形のポリッシング装置を用いてい
る。被研磨側のシリコンウェハ−1はその研磨裏面1a
が真空チャッキングにより回転キャリア2に固定され、
その研磨面1bは、回転研磨定盤5に張り付けられたポ
リウレタン等のフェルトからなるポリッシングパッド
(研磨布)6に荷重Fにより押し当てられる。SiO2
あるいはSiのポリッシングの場合、コロイド状シリカ
のアルカリ性スラリ−8が化学機械研摩剤として用いら
れる。
【0004】このように従来のCMP装置では、シリコ
ンウェハ−1はその研磨裏面1aが真空チャッキングさ
れ、研磨面1bのみが研磨される片面研磨方式である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うに従来のCMP装置は、片面研磨方式であるため、以
下に示す問題を生ずる。
【0006】1)多段研磨工程時には、回転キャリア2
へのセッティングが複数回行なわれるため、シリコンウ
ェハ−1の裏面精度による研磨誤差が発生するとともに
累積する。
【0007】2)例えば、酸化膜の膜厚を測定する場
合、従来のCMP装置では酸化膜研磨の終点検出用の光
学系を搭載することが構造上困難である。
【0008】3)枚葉式処理であるため研磨レ−トのば
らつきが、ロット間,ロット内,等で大きい。
【0009】4)高研磨精度の平面が要求される定盤5
が自ら回転する構造であり、ポリッシングパッド6交換
等のメンテナンス性が悪い。
【0010】5)チャック面加圧が必要であるが、回転
体であるため均等加圧が困難である。
【0011】そこで本発明は、上述の課題を解決するた
めに高精度の半導体プロセスにおける平坦化方法及びそ
の装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め本発明に係る半導体プロセスにおける平坦化方法は、
半導体基板表面上に配された金属配線あるいは絶縁膜を
化学機械研磨により平坦化する方法において、前記金属
配線あるいは絶縁膜の表面を研磨すると同時に、前記半
導体基板裏面を研磨しながら基板全体の厚さを測定制御
することを特徴とする。
【0013】また、本発明に係る半導体プロセスにおけ
る平坦化装置は、基板の表面と裏面を研磨するための研
磨布をそれぞれ表面に互いに対向するように設け且つ同
軸上に配置された円形の第1定盤及び円形の第2定盤
と、前記円形の第1定盤と円形の第2定盤の間に前記基
板を配することが可能な少なくとも二つの円形キャリア
であって、自転及び公転が可能な円形キャリアと、前記
基板全体の厚さを測定することが可能な膜厚測定手段を
有することを特徴とする。
【0014】
【作用】本発明によれば、基板の表面側、すなわち、金
属配線あるいは絶縁膜が配された面側と、基板の裏面側
の両面を、その基板を回転させながら研磨でき、その研
磨中でも基板全体の厚さを測定することができるため、
基板表側の研磨レ−トと、基板裏側の研磨レ−トの比率
から基板表側の金属配線あるいは絶縁膜の膜厚を高精度
に検出でき、しかも高精度に平坦化することができる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図1は本発明に係る半導体プロセスにおける平坦
化装置の一実施例であるCMP方式の両面研磨機の加工
部を示す図であり、特に、図1(a)は部分模式断面
図、図1(b)は部分模式平面図である。本実施例では
両面研磨機を、酸化膜等の絶縁膜や金属配線を配したシ
リコンウェハ−の表裏両面を平坦化プロセスに適用した
ものである。
【0016】図1(a)及び図1(b)に示すように、
本例のCMP方式の両面研磨機は、研磨加工部と膜厚測
定部で構成されている。研磨加工部には、同軸上に固定
された円形の上定盤11と下定盤12の間に内歯車13
と外歯車14が配されており、内歯車13と外歯車14
の間に同一ディスク形状のキャリア15とキャリア16
がそれらの歯車13,14と歯合し、差動することによ
り自転・公転するように配されている。上定盤11には
スラリ−供給ノズル11aが設けられておりスラリ−が
矢印Aのように研磨部に供給される。内歯車13は、下
定盤12の中央を貫通する回転軸13aを介して一定方
向に回転し、外歯車14は、固定配置されている。この
回転軸13aは、後に説明する膜厚検出装置40と連動
するように構成されている。
【0017】キャリア15及び16にはそれぞれ4個の
同一形状の開口15a及び16aが等間隔に設けられて
いる。キャリア15の4個の開口15a内でしかも下定
盤12上には、平坦化すべき酸化膜等を有する基板とし
てのシリコンウェハ−17が設けられている。キャリア
16は、キャリア15と同一形状で同様の運動を行な
い、後に説明するパッド形状の摩耗による凹凸変形を平
面に保持するための修正輪として機能すると同時にパッ
ド表面の目詰まり等を除去する。
【0018】上定盤11と下定盤12のそれぞれ対向面
にはシリコンウェハ−17を研磨するための上パッド
(上面研磨布)18と下パッド(下面研磨布)19がそ
れぞれ貼り合わされている。すなわち、上パッド18は
キャリア15の自転・公転時にシリコンウェハ−17の
裏面(図では上面)を研磨し、下パッド19はキャリア
15の自転・公転時にシリコンウェハ−17の表面(図
では下面)を研磨する。本例では軟質のパッドを使用す
る。
【0019】円形の上定盤11の中心軸部には、ユニバ
−サルジョイント21を介して加圧機構(図示せず)が
設けられており、加圧力Fにより上定盤11が下向きに
付勢されシリコンウェハ−17を押しつけることができ
る。この加圧機構は、上述した中心軸13aと同様に次
に説明する膜厚測定部の膜厚検出装置40と連動するよ
うに構成されている。
【0020】膜厚測定部は、図2により詳細に示すよう
に、基板であるシリコンウェハ−17の裏面(図では上
面)であるSi側にSi側変位計30そして表面(図では
下面)である酸化膜側に酸化膜側変位計31が設けられ
ている。Si側変位計30と酸化膜側変位計31がそれ
ぞれSi面と酸化膜面に接触する面は円形面であり、そ
れぞれの面に加圧接触されている。シリコンウェハ−1
7の全体の膜厚は、Si側変位計30からの出力と酸化
膜側変位計31からの出力を膜厚検出装置40によって
その和の変化として捉えて測定される。
【0021】本例のように研磨される材料が酸化膜とシ
リコンでは、その研磨レ−トの比率がある一定の定数
(数倍〜数十倍)となるため、酸化膜厚さは基板の全体
厚さ測定分解能の研磨レ−ト比倍での測定が可能とな
る。すなわち、厚さ測定が容易なシリコンウェハ−17
の全体の厚さを、測定対象としたい酸化膜厚さのモニタ
−として利用することができる。
【0022】以下、上述した本実施例を用いてシリコン
ウェハ−を平坦化する方法を説明する。
【0023】先ず上定盤11を押し下げる加圧機構を解
除した状態で、キャリア15の4個の開口15a内の下
パッド19上に被平坦化すべき酸化膜側を下向きにした
シリコンウェハ−17を載置する。この時、キャリア1
6にはシリコンウェハ−を載置しない。次に、加圧機構
を作動させシリコンウェハ−17の両面に所定圧力がか
かった後、内歯車13を所定の回転数で回転させること
によってシリコンウェハ−の両面を同時に均等加圧状態
で化学機械研磨(CMP)する。この研磨中、上定盤1
1のスラリ−供給ノズル11aからスラリーが供給さ
れ、pH7〜11のコロイダルシリカ等により研磨がな
される。
【0024】一方、膜厚測定部においては、先ず、加圧
機構が作動して上定盤11に貼られた上パッド18及び
下定盤12に貼られた下パッド19によってシリコンウ
ェハ−17の両面に所定圧力がかかった時点で、Si側
変位計30と酸化膜側変位計31を介して膜厚検出装置
によりシリコンウェハ−17の初期膜厚を確認する。次
に、研磨を開始して、同様にSi側変位計30と酸化膜
側変位計31を介して膜厚検出装置によりシリコンウェ
ハ−17の膜厚を確認し、所定の膜厚になった時点で加
圧機構と、内歯車13を回転させる駆動機構(図示せ
ず)に信号を送り、それぞれの動作を停止する。この様
に膜厚を測定制御してCMPによるグロ−バル平坦化が
なされる。
【0025】本例では被処理材(ワ−ク)であるシリコ
ンウェハ−にチャック面を持たせることなく、研磨に寄
与するパッド面積が大きく、しかも軟質パッド面に倣っ
た両面研磨であるため、片面研磨のような裏面精度やチ
ャック面精度等の基準面の影響を受けにくく、膜厚均一
性が向上した。更に、多工程プロセスではこの方式を用
いる都度にその誤差が補正される。
【0026】なお段差(膜厚)減少のメカニズムは、以
下の式によって示される。
【0027】 T時間後の段差 δT=δ0・exp(-η・Vt・1/τ ・T) この式において δ0:初期段差 η:研磨の比例定数(レ−ト) Vt:パッドとワ−クの相対速度 τ:パッドの弾性変形定数 平坦化は上記の式に従ってなされることが知られてい
る。従ってこの式から、加工する面の段差,パッド硬さ
(表層),そして加工時間を選定することによって膜厚
を測定制御し、研磨終点判定が可能であれば平坦化は可
能である。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば両
面研磨とすることにより研磨圧力を平均化することがで
き、しかも裏面の影響を受けにくくすることができるの
で、研磨の均一性を向上させた平坦化が可能となる。ま
た定盤を固定することができるので、装置構成精度の維
持,メンテナンス性,厚さ測定装置等の追加配設が容易
になる。
【0029】また、全体の厚さを測定することにより例
えば、Si面研磨レ−ト/酸化膜研磨レ−ト比倍の分解
能により酸化膜厚のモニタ−が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の両面研磨機を示す図である。
【図2】実施例の膜厚測定部を示す断面図である。
【図3】従来のCMP法を実施するためのCMP装置を
示す図である。
【符号の説明】
1,17:シリコンウェハ−、 5:回転研磨定盤、
6:ポリッシングパッド、 11:上定盤、 12:下
定盤、 13:内歯車、 14:外歯車、30:Si側
変位計、 31:酸化膜側変位計、 40:膜厚測定装
置。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板表面上に配された金属配線ある
    いは絶縁膜を化学機械研磨により平坦化する方法におい
    て、 前記金属配線あるいは絶縁膜の表面を研磨すると同時
    に、前記半導体基板裏面を研磨しながら基板全体の厚さ
    を測定制御することを特徴とする半導体プロセスにおけ
    る平坦化方法。
  2. 【請求項2】基板の表面と裏面を研磨するための研磨布
    をそれぞれ表面に互いに対向するように設け且つ同軸上
    に配置された円形の第1定盤及び円形の第2定盤と、 前記円形の第1定盤と円形の第2定盤の間に前記基板を
    配することが可能な少なくとも二つの円形キャリアであ
    って、自転及び公転が可能な円形キャリアと、前記基板
    全体の厚さを測定することが可能な膜厚測定手段を有す
    ることを特徴とする半導体プロセスにおける平坦化装
    置。
  3. 【請求項3】前記円形キャリアが、前記円形の第1定盤
    及び円形の第2定盤と同軸上に配置された内歯車と外歯
    車に歯合することによって前記自転及び公転がなされる
    ことを特徴とする請求項2記載の半導体プロセスにおけ
    る平坦化装置。
  4. 【請求項4】前記膜厚測定手段が前記基板の表面側膜厚
    変位計と前記基板の裏面側膜厚変位計を備えることを特
    徴とする請求項2記載の半導体プロセスにおける平坦化
    装置。
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