JPH09293699A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH09293699A
JPH09293699A JP8129135A JP12913596A JPH09293699A JP H09293699 A JPH09293699 A JP H09293699A JP 8129135 A JP8129135 A JP 8129135A JP 12913596 A JP12913596 A JP 12913596A JP H09293699 A JPH09293699 A JP H09293699A
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semiconductor wafer
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弘之 小島
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信博 小西
Yuichiro Taguma
祐一郎 田熊
Shinichiro Mitani
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    • H01L21/32115—Planarisation
    • H01L21/3212—Planarisation by chemical mechanical polishing [CMP]

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被研磨面を均一に化学的機械研磨する。 【解決手段】 パターン付きウエハ研磨装置１０はワー
ク１を保持して研磨材面１５に擦り付けるヘッド２１を
備えている。通気口２４を有するヘッド本体２２には通
気孔３３を有する加圧板３２が保持され、加圧板３２の
通気口２４と反対側端面には通気孔３３を塞ぐ弾性膜３
４が当接されている。パターン付きウエハはワーク１と
してヘッド２１に保持され加圧板３２で機械的に押され
ながら通気口２４からのエア２７の圧力による作用力で
弾性膜３４を介して押され、パターニング側主面である
被研磨面７が研磨材面１５で化学的機械研磨される。 【効果】 被研磨面は加圧板の押し力で研磨材面に押し
付けられて研磨されるが、研磨時に被研磨面に作用する
不規則で複雑な歪み力はエア圧力の作用力で補正される
ため、被研磨面の研磨量は均一になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
技術、特に、パターニングされた半導体ウエハ（以下、
ウエハという。）のパターニング側主面を化学的機械研
磨（Ｃｈｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈ
ｉｎｇ）する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、パターニングされたウエハ（以
下、パターン付きウエハという。）のパターニング側主
面の凹凸を化学的機械研磨によって平坦化する半導体装
置の製造方法が提案されている。パターン付きウエハの
パターニング側主面の凹凸を化学的機械研磨によって平
坦化する技術は、パターニング前のウエハの主面の凹凸
を化学的機械研磨によって平坦化する技術と比較して次
のような問題点がある。第１の問題点は、研磨量（加工
によって除去される量に相当する。）が極端に少ない点
である。例えば、パターニング前のウエハにおける研磨
量が数十μｍであるのに対して、パターン付きウエハに
おける研磨量は０．５μｍ程度である。第２の問題点
は、パターン付きウエハの被研磨面であるパターニング
側主面の平面度がパターニング前のウエハの被研磨面の
それに比べて遙かに曖昧である点である。これらの問題
点を考慮すると、パターン付きウエハのパターニング側
主面の凹凸を全面にわたって均一に化学的機械研磨する
ことは困難である。
【０００３】この困難さを克服するパターン付きウエハ
の化学的機械研磨技術を述べてある例として、日本国特
許庁公開特許公報特開平５−７４７４９号公報、特開平
６−１５５６３号公報、特開平５−６９３１０号公報、
がある。これらの例によって開示された技術はいずれ
も、圧力流体が密封された弾性体によってパターン付き
ウエハを押すことにより、パターニング側主面の被研磨
面を研磨材面に全体にわたって均一に擦り付けることを
原理としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記原
理を利用した従来のパターン付きウエハの化学的機械研
磨技術においては、研磨量均一性（後述する。）につい
て０．１μｍ以下の精度を確保することができないとい
う問題点があることが、本発明者によって明らかにされ
た。
【０００５】本発明の目的は、パターン付きウエハの被
研磨面を高い精度をもって均一に研磨することができる
半導体装置の製造技術を提供することにある。
【０００６】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、次の通り
である。
【０００８】すなわち、半導体ウエハのパターニング側
主面の表面を化学的機械研磨するに当り、通気路を有す
る加圧板が通気口を有するウエハ保持ヘッド本体に保持
され、かつ、前記加圧板の前記通気口側と反対側の主面
に弾性膜が当てがわれているウエハ保持ヘッドが予め用
意される。化学的機械研磨する前記半導体ウエハは前記
ウエハ保持ヘッドにより前記パターニング側主面と反対
側の主面を前記弾性膜に当てがわれた状態で保持され
る。保持された前記半導体ウエハは前記加圧板によって
機械的に押されながら前記通気口に供給された気体の圧
力による作用力によって押された状態で、前記パターニ
ング側主面の表面を研磨クロスに擦り付けられて化学的
機械研磨される。
【０００９】前記した手段によれば、被研磨面は加圧板
の押し力によって研磨クロスに押し付けられて化学的機
械研磨されるが、この際、被研磨面に作用する不規則で
複雑な歪力は気体の圧力による作用力によって自己整合
的に補正されるため、被研磨面の研磨量は全面にわたっ
て均一になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態である
半導体装置の製造方法に使用されるパターン付きウエハ
研磨装置を示す一部省略一部切断正面図である。図２は
そのヘッドを示す一部省略分解斜視図である。図３以降
は本発明の一実施形態である半導体装置の製造方法を説
明する各説明図である。
【００１１】本実施形態において、本発明に係る半導体
装置の製造方法には図１に示されているパターン付きウ
エハ研磨装置が使用される。図１に示されているパター
ン付きウエハ研磨装置１０は、ワークをヘッドによって
保持してワークの被研磨面を研磨クロスに研磨材を供給
しながら擦り付けて化学的機械研磨する化学的機械研磨
装置を使用して構成されている。
【００１２】ここで、本発明に係る半導体装置の製造方
法の対象であり、パターン付きウエハ研磨装置１０のワ
ークである図３に示されているパターン付きウエハ（以
下、ワークという。）１について簡単に説明する。図３
に示されているワーク１は外周の一部にオリエンテーシ
ョンフラット（以下、オリフラという。）３が直線形状
に切設されたウエハ（以下、サブストレートという。）
２を備えている。サブストレート２のパターニング側主
面（以下、表側面という。）における表層領域には半導
体素子の一例であるメモリーＭが作り込まれているとと
もに、表面上には金属膜の一例である配線層膜から形成
された配線４および絶縁膜の一例である層間絶縁膜５が
それぞれ被着されている。そして、配線４は厚さを有す
る線分によって形成されているため、その上に被着され
た層間絶縁膜５の表側面には凹凸部６が下層の配線４の
凹凸に倣って形成されている。そこで、本実施形態にお
いては、この層間絶縁膜５の表側面部の一部をパターン
付きウエハ研磨装置１０によって化学的機械研磨して除
去することにより、層間絶縁膜５が平坦化される。した
がって、層間絶縁膜５の表側面はパターン付きウエハ研
磨装置１０によって研磨される被研磨面７を形成する。
【００１３】パターン付きウエハ研磨装置１０は研磨工
具とヘッドとを備えている。研磨工具１１はワーク１の
直径よりも充分に大きい半径を有する円盤形状に形成さ
れたベースプレート１２を備えており、ベースプレート
１２は水平面内において回転自在に支持されている。ベ
ースプレート１２の下面の中心には垂直方向に配された
回転軸１３が固定されており、ベースプレート１２は回
転軸１３によって回転駆動されるように構成されてい
る。ベースプレート１２の上面には研磨クロス（布）１
４が全体にわたって均一に貼着されている。研磨クロス
１４は表面上にポア構造を有する合成樹脂のクロス
（布）にコロイダルシリカ等の微細な砥粒が抱え込まれ
た研磨材であり、表側面によって研磨材面１５が形成さ
れている。研磨クロス１４による研磨作業に際しては、
エッチング液（スラリと称される研磨溶液。以下、スラ
リという。）が用いられることにより、機械的な研磨
（ポリシング）に加えてそのポリシング効果を高めるメ
カノケミカルポリシング（ｍｅｃｈａｎｏｃｈｅｍｉｃ
ａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が実施される。したがっ
て、研磨工具１１の中心線の略真上にはスラリ１７を供
給するためのスラリ供給ノズル１６が配管されている。
【００１４】ヘッド２１はワーク１の直径よりも若干大
きい直径を有する円盤形状に形成された本体２２を備え
ており、本体２２の下面には円形で一定深さの保持穴２
３が同心円に配されて没設されている。保持穴２３の大
きさはワーク１の大きさよりも若干大きめに形成されて
いる。保持穴２３の中心には通気口２４が開設されてお
り、通気口２４には通気路２５が接続されている。通気
路２５の他端がエアポンプ２６に接続されることによ
り、通気路２５は通気口２４に正圧気体としてのエア２
７を供給する正圧供給路２８を構成している。また、通
気路２５の他端が真空ポンプ２９に接続されることによ
り、通気路２５は通気口２４に負圧を供給する負圧供給
路３０を構成している。したがって、通気路２５は正圧
供給路２８と負圧供給路３０を兼ねている。正圧供給路
２８と負圧供給路３０との途中には切換弁３１が介設さ
れており、正圧供給路２８と負圧供給路３０とは切換弁
３１によって切り換えられる。
【００１５】ヘッド本体２２の下端面には厚さ方向に貫
通した通気孔３３を複数本開設された加圧板３２が当接
されており、加圧板３２は保持穴２３の開口を閉塞して
いる。加圧板３２の外周辺部はヘッド本体２２に後記す
るボルトによって締結されている。加圧板３２は剛性を
有する材料が使用されて、保持穴２３の内径よりも大き
くヘッド本体２２の外径よりも小さい外径の円盤形状に
形成されている。剛性の高い加圧板３２はヘッド本体２
２の下端面に当接されているため、その下面はヘッド２
１の下降によってワーク１を機械的に押す。複数本の通
気孔３３は加圧板３２の中央部において均等に分布する
ように配置されている。通気孔３３は加圧板３２によっ
て仕切りられた保持穴２３の上下空間を連通させる通気
路を構成している。したがって、通気孔３３群は保持穴
２３の内部において通気口２４側と反対側との間で正圧
および負圧を流通させる。
【００１６】加圧板３２の下端面には弾性膜３４が当接
されており、弾性膜３４は全ての通気孔３３の下端開口
を閉塞している。弾性膜３４の外周辺部はヘッド本体２
２に後記するボルトによって締結されている。弾性膜３
４は厚さが約２５０μｍのポリ・エチレン・テレフタレ
ートのフィルムによって形成されている。弾性膜３４の
中央部には厚さ方向に貫通した透孔３５が複数本開設さ
れており、複数本の透孔３５はワーク１を真空吸着し得
るように適当に配置されている。
【００１７】弾性膜３４の下面には保持穴２３の内径と
略等しい外径を有する円盤形状のバッキングパッド３６
が、同心に配されて接着材層（図示せず）によって接着
されている。バッキングパッド３６はポリ・ウレタンの
発泡体によって形成されており、発泡体の多孔質かつ多
孔群によってワーク１と接する面に柔軟性の高い層が全
体にわたって均一に構成されている。バッキングパッド
３６の中央部には厚さ方向に貫通した透孔３７が複数本
開設されており、複数本の透孔３７は弾性膜３４の各透
孔３５とそれぞれ対向するように配置されている。
【００１８】弾性膜３４の下面における外周辺部には円
形リング形状のガイドリング３８が当接されており、ガ
イドリング３８は複数本のボルト３９により加圧板３２
および弾性膜３４と共にヘッド本体２２に締結されてい
る。ガイドリング３８はワーク１の被研磨面７の硬度よ
りも充分に低い硬度を有する樹脂が使用されて、外径が
ヘッド本体２２の外径と等しく内径が保持穴２３の内径
と略等しい円形リング形状に形成されている。ガイドリ
ング３８はワーク１をその被研磨面７を下端から下方に
露出させた状態で、研磨作業中にワーク１が外側に飛び
出すのを阻止しつつ保持する。バッキングパッド３６は
ガイドリング３８の中空部内に嵌入されている。
【００１９】ヘッド２１は通気口２４を中心にして水平
面内において回転自在に支承されている。ヘッド２１は
回転駆動装置（図示せず）によって回転駆動される。ヘ
ッド２１は研磨工具１１が設備されたステーションとワ
ーク１が１枚ずつ払い出されるローディングステーショ
ン（図示せず）との間を移送装置（図示せず）によって
往復移動される。ヘッド２１は研磨作業に際して極僅か
に下降される。
【００２０】次に、本発明の一実施形態である半導体装
置の製造方法を多層配線が形成される場合を例にして、
図４を参照して説明する。
【００２１】図４（ａ）に示されているように、サブス
トレート２の表側面には多層配線における第１絶縁膜５
ａが形成される。続いて、第１絶縁膜５ａの上には第１
配線４ａが金属被膜被着処理やリソグラフィー処理およ
びエッチング処理によってパターニングされる。なお、
第１配線４ａにはポリシリコンやポリサイド等によって
形成されるワード線等も含まれる。
【００２２】次いで、図４（ｂ）に示されているよう
に、ウエハ２の第１絶縁膜５ａの上にはＳｉＯ2 やＳｉ
3 Ｎ4 等によって形成された第２絶縁膜５ｂが、ＣＶＤ
法等によって被着される。第２絶縁膜５ｂは第１配線４
ａを被覆する。第２絶縁膜５ｂの表面側には第１配線４
ａの厚み分に相当する凸部が形成されるため、被研磨面
７には不特定多数の凹凸部６が形成された状態になる。
この状態のウエハがワーク１として、本実施形態に係る
半導体装置の製造方法における平坦化工程を実施するパ
ターン付きウエハ研磨装置１０に供給される。
【００２３】パターン付きウエハ研磨装置１０に供給さ
れたワーク１は、図１に示されているように被研磨面７
側を下向きに配された状態でヘッド２１のガイドリング
３８内に挿入される。ワーク１がガイドリング３８内に
挿入されると、切換弁３１が切り換えられて負圧供給路
３０を通じて負圧が通気口２４に供給される。負圧は加
圧板３２の通気孔３３、弾性膜３４の透孔３５およびバ
ッキングパッド３６の透孔３７を通じて、ワーク１の被
研磨面７と反対側の主面（以下、裏側面という。）８に
印加されるため、ワーク１はヘッド２１に真空吸着され
る。ワーク１を真空吸着したヘッド２１は移送装置によ
って研磨工具１１の真上に移送された後に下降される。
ヘッド２１の下降によってワーク１の被研磨面７が研磨
クロス１４の研磨材面１５に当接すると、切換弁３１が
切り換えられて正圧供給路２８を通じてエア２７が通気
口２４に供給される。
【００２４】続いて、スラリ１７が研磨材面１５にスラ
リ供給ノズル１６から供給されながら、研磨工具１１お
よびヘッド２１がそれぞれ回転される。以降、ヘッド２
１は極僅かずつ下降される。ヘッド２１の下降により、
ワーク１はバッキングパッド３６および弾性膜３４を介
して加圧板３２によって垂直方向に付勢される。同時
に、正圧供給路２８から通気口２４に供給されたエア２
７が加圧板３２の通気孔３３を通じて加圧板３２の下面
側に供給されているため、ワーク１はエア２７の圧力に
よる作用力によっても垂直方向に付勢される。したがっ
て、ワーク１の被研磨面７は研磨クロス１４の研磨材面
１５に加圧板３２による機械的な力とエア２７の圧力に
よる作用力とによって同時に付勢された状態で、研磨材
面１５に擦られる。同時に、スラリ１７が研磨材面１５
にスラリ供給ノズル１６から供給されているため、機械
的な研磨（ポリシング）に加えてそのポリシング効果を
高められた化学的機械研磨が実施される。
【００２５】ワーク１が研磨材面１５に加圧板３２によ
る機械的な力とエア２７の圧力による作用力とによって
同時に付勢された状態で、被研磨面７は研磨材面１５お
よびスラリ１７によって化学的機械研磨されるため、被
研磨面７の研磨材面１５による研磨量は全体にわたって
均一になる。化学的機械研磨中、ワーク１は加圧板３２
の機械的な押し力によって押されるが、この際、被研磨
面７に研磨材面１５側から作用する不規則で複雑な歪力
は、エア２７の圧力による作用力によって自己整合的に
補正されるため、被研磨面７の研磨量は全面にわたって
均一になる。
【００２６】被研磨面７を構成する第２絶縁膜５ｂの表
面部は全体にわたって均等に研磨されるため、凹凸部６
が全体にわたって除去されるとともに、全体にわたって
均一な厚さを呈する第２絶縁膜５ｂが形成され、きわめ
て良好な平坦化が実現される。化学的機械研磨におい
て、ワーク１の被研磨面７である第２絶縁膜５ｂに形成
された凹凸部６の凸部は先に除去されて行き、第２絶縁
膜５ｂの表面は次第に平坦化されて行く。この際、被研
磨面７は全体にわたって均一に研磨されるため、第２絶
縁膜５ｂの被研磨面７に位置する厚さは全体にわたって
均一に減少される。そして、第２絶縁膜５ｂは全体にわ
たって均一に被着されていたのであるから、研磨量が全
体にわたって均一であるならば、その研磨後の第２絶縁
膜５ｂの被研磨面７に位置する厚さは全体にわたって均
一になる。したがって、パターン付きウエハ研磨装置１
０による研磨量を第２絶縁膜５ｂの研磨前の厚さ、第１
配線４ａの厚さおよび凹凸部６の関係によって適度に設
定することにより、第１配線４ａを研磨することなく第
２絶縁膜５ｂを平坦化することができる。
【００２７】設定した研磨量の化学的機械研磨が終了し
た状態で、ワーク１の被研磨面７である第２絶縁膜５ｂ
の表面は、図４（ｃ）に示されているようにきわめて高
精度に平坦化され、かつ、第１配線４ａの真上には第２
絶縁膜５ｂが予め設定された層厚をもって残された状態
になっている。
【００２８】この状態のワーク１はパターン付きウエハ
研磨装置１０からアンローディング装置によってウエハ
カセットに収納され、後続の洗浄工程を経た後、ホール
形成工程に送られる。ホール形成工程において、ワーク
１の第２絶縁膜５ｂにおける所定の第１配線４ａの真上
にはスルーホール４ｃが図４（ｄ）に示されているよう
に開設される。
【００２９】続いて、第２配線形成工程において、第２
絶縁膜５ｂの上には第２配線４ｂが金属被膜被着処理や
リソグラフィー処理およびエッチング処理によって、図
６（ｅ）に示されているようにパターニングされる。こ
の際、第２絶縁膜５ｂの表面は高精度に平坦化されてい
るため、第２配線４ｂはきわめて高精度にパターニング
される。第２配線４ｂのパターニングに際して、第２絶
縁膜５ｂの上に被着される金属被膜の一部が第２絶縁膜
５ｂに開設されたスルーホール４ｃに充填する。スルー
ホール４ｃに充填した金属部によりスルーホール導体４
ｄが形成される。パターニングされた第２配線４ｂの所
定部分は第１配線４ａにスルーホール導体４ｄによって
電気的に接続された状態になる。
【００３０】以降、前記した絶縁膜形成工程、平坦化工
程、ホール形成工程および配線形成工程が繰り返される
ことにより、図３（ｂ）に示されている多層配線が形成
される。この際、先の工程で形成された層の絶縁膜およ
び配線が次の工程で下層の絶縁膜および下層の配線に相
当することになる。なお、ホールはスルーホールに限ら
ず、コンタクトホールの場合も含む。また、ホールは第
１層の配線を第２層の配線に接続させるに限らず、第１
層の配線を第３層や第４層の配線に接続させる場合もあ
る。
【００３１】ここで、加圧板３２による機械的な押し力
とエア２７の圧力による作用力との関係が化学的機械研
磨に及ぼす影響を図５および図６について説明する。
【００３２】図５は加圧板３２による機械的な押し力と
エア２７の圧力による作用力との関係が化学的機械研磨
の研磨量均一性および平均研磨速度に及ぼす影響を示す
グラフである。このグラフは、直径８インチのシリコン
ウエハに形成されたシリコン酸化膜がパターン付きウエ
ハ研磨装置１０によって化学的機械研磨されて得られ
た。また、このグラフは、加圧板３２による機械的な押
し力とエア２７の圧力による作用力との関係を順次変更
して得られた。図５において、横軸には加圧板による機
械的圧力（ヘッド２１に加えた荷重をシリコンウエハの
面積で除した値）に対するエア圧力の比（以下、圧力比
という。）Ｓが取られており、縦軸にはシリコンウエハ
面内の研磨量均一性Ｄ（左側）および平均研磨速度Ｒ
（右側）が取られている。研磨量均一性Ｄは百分率
（％）によって表されており、Ｄ＝（最大研磨量−最小
研磨量）／（最大研磨量＋最小研磨量）×１００、によ
って求められる。平均研磨速度Ｒは、各測定点の研磨速
度の総和を測定点数で除した値である。ちなみに、研磨
速度は単位時間当たりの研磨量であり、研磨量は化学的
機械研磨によって除去されたシリコン酸化膜の膜厚寸法
である。図５の曲線Ａは圧力比−研磨量均一性特性曲線
を示しており、曲線Ｂは圧力比−平均研磨速度曲線を示
している。
【００３３】図５によって次のことが究明された。研磨
量均一性Ｄは、圧力比Ｓが約０．７〜１．５の範囲で良
好になる。平均研磨速度Ｒは、Ｓ＝１までは増大し、Ｓ
≧１で飽和傾向になる。平均研磨速度ＲがＳ≧１で飽和
傾向になる理由は、研磨量均一性が低下するためであ
る。研磨量均一性が低下する理由は、圧力比Ｓが過大に
なると、弾性膜３４が加圧板３２との当接面から完全に
浮いた状態（離れた状態）になり、浮いた弾性膜３４が
化学的機械研磨中の摺動摩擦力によって変形される。そ
の変形応力によってエア圧力によるシリコンウエハに対
する作用力が不均等になるため、研磨量均一性が低下す
る。
【００３４】以上の究明に基づき、本発明者は次のこと
を考察した。化学的機械研磨による研磨量均一性は、加
圧板３２による機械的な押し力によって殆ど制御され
る。弾性膜３４が加圧板３２に接触している状態におい
ては、エア２７の圧力による作用力は加圧板３２の機械
的な押し力による研磨量均一性の制御の変動を改善する
方向に補正する。しかし、弾性膜３４が加圧板３２から
完全に浮いた状態においては、エア２７の圧力による作
用力は加圧板３２の機械的な押し力による研磨量均一性
の制御の変動を補正しなくなる。
【００３５】ところで、前述した圧力流体が密封された
弾性体によってパターン付きウエハを化学的機械研磨す
る従来の技術が研磨量均一性について０．１μｍ以下の
精度を確保することができない理由は、前記考察に基づ
いて次の通りと推定される。圧力流体が密封された弾性
体がパターン付きウエハを押す状態は、弾性膜３４が加
圧板３２から離れてウエハを押している状態と同一であ
る。したがって、弾性体は化学的機械研磨中の摺動摩擦
力によって変形される。この弾性体の変形応力は弾性体
に密封された圧力による均等な作用力を不均等にさせる
ため、研磨量の均一性は低下する。
【００３６】図６はシリコンウエハの径方向における研
磨速度分布を示すグラフである。図６において、横軸に
はシリコンウエハの位置Ｐが取られており、縦軸には研
磨速度Ｖが取られている。図６（ａ）は図５のａによっ
て示された圧力比Ｓの条件で化学的機械研磨した場合の
グラフを示している。図６（ｂ）は図５のｂによって示
された圧力比Ｓの条件で化学的機械研磨した場合のグラ
フを示している。図６（ｃ）は図５のｃによって示され
た圧力比Ｓの条件で化学的機械研磨した場合のグラフを
示している。
【００３７】図６（ａ）によれば、シリコン酸化膜はウ
エハの中央部に比べて周辺部において早く研磨されたこ
とが分かる。図６（ｂ）によれば、シリコン酸化膜はウ
エハの中央部から周辺部にかけて全体的に均一に研磨さ
れたことが分かる。図６（ｃ）によれば、シリコン酸化
膜はウエハの周辺部に比べて中央部において遅く研磨さ
れ、かつ、その分布が複雑になっていることが分かる。
この結果、圧力比Ｓ＝１に設定した条件で化学的機械研
磨が実施されると、研磨速度分布が全体にわたって均一
になる。
【００３８】本実施形態に係る半導体装置の製造方法に
よれば、上層の絶縁膜の表面に下層の配線によって形成
された凹凸を化学的機械研磨によって平坦化するに際し
て、被研磨面である上層の絶縁膜を全体にわたって均一
に、しかも、高精度の均一性をもって平坦化することが
できるため、研磨不足または研磨過多が局所的に発生す
るのを防止することができる。その結果、半導体装置の
多層配線の微細化や高密度化を促進させることができ
る。
【００３９】次に、本発明の実施形態２である半導体装
置の製造方法をシャロウ・トレンチ・アイソレーション
（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏ
ｎ。以下、ＳＴＩという。）法が適用される場合を例に
して、図７を参照して説明する。
【００４０】ＳＴＩ法が実施される際に、図７（ａ）に
示されているように、サブストレート２の表側面には素
子分離溝４２がＳｉ3 Ｎ4 膜をパターニングされて形成
されたマスク４１を利用してドライエッチング法によっ
て掘られる。素子分離溝４２の深さｄは、約０．２〜
０．３μｍと極めて浅い。
【００４１】次に、図７（ｂ）に示されているように、
サブストレート２の上にはＳｉＯ2膜によって構成され
た絶縁膜４３がＣＶＤ法等によって全体に均一に被着さ
れる。絶縁膜４３の一部は素子分離溝４２の内部に充填
することにより、絶縁物充填部４４を形成する。絶縁物
充填部４４が形成されることにより、絶縁膜４３の表面
側には素子分離溝４２の深さに対応する凹部が形成され
る。その結果、絶縁膜４３の表面４５には無数の凹凸部
４６が形成された状態になる。この状態のウエハがワー
ク１として、本実施形態に係る半導体装置の製造方法に
おける素子分離部形成工程を実施するパターン付きウエ
ハ研磨装置１０に供給される。
【００４２】パターン付きウエハ研磨装置１０に供給さ
れたワーク１は図４について説明した場合と同様にし
て、絶縁膜４３の表面（以下、被研磨面という。）４５
を化学的機械研磨される。すなわち、ワーク１の被研磨
面４５は研磨クロス１４の研磨材面１５に加圧板３２に
よる機械的な力とエア２７の圧力による作用力とによっ
て同時に付勢された状態で、研磨材面１５に擦られて化
学的機械研磨される。被研磨面４５は研磨材面１５に加
圧板３２による機械的な力とエア２７の圧力による作用
力とによって同時に付勢された状態で研磨材面１５に擦
られるため、被研磨面４５の研磨材面１５による研磨量
は全体にわたって均一になる（図１参照）。つまり、被
研磨面４５を構成する絶縁膜４３の表面部は全体にわた
って均等に研磨される。その結果、図７（ｃ）に示され
ているように、サブストレート２の表面には絶縁膜４３
の下層のマスク４１の表面が全面にわたって均一に露出
した状態になる。
【００４３】ところで、絶縁膜４３の被研磨面４５が不
均一に化学的機械研磨された場合には、図７（ｄ）に示
されているように、サブストレート２の表面まで研磨さ
れた研磨過多部４３ａと、マスク４１の上に絶縁膜４３
が残った研磨不足部４３ｂとが部分的かつ不規則に発生
した状態になる。研磨過多部４３ａの素子分離溝４２の
深さｄは浅くなるため、研磨過多部４３ａにおける素子
分離（アイソレーション）特性は低下する。他方、研磨
不足部４３ｂの絶縁膜４３は次のマスク除去工程におけ
るマスク４１のドライエッチング法による除去を妨害す
るため、サブストレート２の表面にマスク４１が残存し
た部分が局所的に発生してしまう。つまり、研磨不足部
４３ｂがあると、ドライエッチング法によってマスク４
１を完全かつ均一に除去することができない。
【００４４】サブストレート２の表面に露出したマスク
４１は、ドライエッチング法によって除去される。ドラ
イエッチング法によってマスク４１が除去される際に、
化学的機械研磨によって絶縁膜４３を除去されたマスク
４１は、全面にわたって均一に露出した状態になってい
るため、マスク４１は図７（ｅ）に示されているように
全体にわたって完全かつ均一に除去される。マスク４１
が除去された後のサブストレート２の表層部には、絶縁
物充填部４４によって素子分離部４７が形成され、素子
分離部４７によって囲まれた部分によって素子形成部４
８が形成される。
【００４５】その後、サブストレート２の表面における
素子分離部４７によって囲まれた素子形成部４８の表面
には、ゲート酸化膜４９が熱酸化法によって図７（ｆ）
に示されているように極薄く形成される。ゲート酸化膜
４９の形成に際して、マスク４１がサブストレート２の
表面上に残存していると、ゲート酸化膜４９の膜厚精度
等は低下する。しかし、マスク４１が完全に除去されて
いると、ゲート酸化膜４９の膜厚は全体にわたって均一
かつ高精度に形成される。また、素子形成部４８の表面
は極めて均一に平坦化されているため、ゲート酸化膜４
９の膜圧は全体にわたって均一かつ高精度に形成され
る。
【００４６】次いで、図７（ｇ）に示されているよう
に、素子形成部４８におけるゲート酸化膜４９の下側に
は不純物拡散層５０がイオン打ち込み法によって形成さ
れ、ゲート酸化膜４９の上にはゲート電極５１が形成さ
れる。この際、サブストレート２の表面は極めて高い均
一性をもって平坦化されているため、不純物拡散層５０
およびゲート電極５１はサブストレート２の全面にわた
って高い均一性をもって、かつ、高い精度をもって形成
される。
【００４７】以上説明した本実施形態２に係る半導体装
置の製造方法によれば、ＳＴＩ法による素子分離部が化
学的機械研磨によって形成される際に、素子分離部を構
成するための絶縁膜の表層部を全体にわたって高精度の
均一性をもって完全に除去することができるため、絶縁
膜に対する研磨不足または研磨過多が局所的に発生する
のを防止することができる。その結果、ＳＴＩ法による
素子分離部やゲート酸化膜、不純物拡散層およびゲート
電極の精度を高めることができ、しいては半導体装置の
微細化や高密度化をより一層促進させることができる。
【００４８】なお、素子分離溝４２の幅ｗを０．２５μ
ｍ、その深さｄを０．３５μｍ、絶縁膜４３の膜厚ｔを
０．５μｍとした試料の絶縁膜４３の被研磨面４５を、
前記構成に係るパターン付きウエハ研磨装置１０によっ
て０．１５μｍだけ化学的機械研磨したところ、試料の
外周から３ｍｍを除外した絶縁膜４３の全面における研
磨量偏差は、±２０ｎｍ以下、であった。すなわち、極
めて研磨量均一性の良好な結果を得られることが検証さ
れた。
【００４９】図８はパターン付きウエハ研磨装置の実施
形態２を示すヘッドの一部省略分解斜視図である。図９
はその作用を説明するための説明図である。
【００５０】図８に示されているヘッド２１Ａが図１お
よび図２に示されたヘッド２１と異なる点は、ワーク周
辺部の研磨速度が速くなるのを抑制するためのバッキン
グパッド（以下、研磨速度分布制御パッドという。）３
６Ａが使用されている点である。すなわち、研磨速度分
布制御パッド３６Ａの周辺部には、平均圧縮弾性率Ｅを
部分的に調整するための調整孔４０が複数個開設されて
いる。研磨速度分布制御パッド３６Ａの周辺部における
平均圧縮弾性率Ｅは、中央部のそれよりも調整孔４０が
開設された分だけ低下している。研磨速度分布制御パッ
ド３６Ａの周辺部における平均圧縮弾性率Ｅは、調整孔
４０の大きさおよび配置間隔の選択によって任意に調整
することができる。
【００５１】次に、研磨速度分布制御パッド３６Ａの作
用を図９によって説明する。ところで、パターン付きウ
エハ研磨装置においてワークが自転されていると、ワー
クの周辺部における摺動速度は中心部の摺動速度よりも
速くなるため、被研磨面の研磨速度は周辺部において速
くなる。図９（ａ）はワーク１であるパターン付きウエ
ハのペレット９の配置を示している。図９（ａ）におい
て、斜線を付して示した周辺部のペレット９ａは研磨速
度の速い周辺部領域９ｂに部分的に懸かるため、ペレッ
ト９ａ内の研磨量が不均一になる。その結果、周辺部の
ペレット９ａのパターニングは不完全になり、周辺部の
ペレット９ａは不良品になる。被研磨面の周辺部の研磨
速度が速くなるのは、前述したパターン付きウエハ研磨
装置１０においても同様である。これは図６（ｂ）の研
磨速度分布を示すグラフによっても理解することができ
る。
【００５２】本実施形態２においては、図１および図２
に示されたバッキングパッド３６の代わりに、図８に示
されているように研磨速度分布制御パッド３６Ａが使用
されているため、被研磨面の周辺部の研磨速度が速くな
る現象が防止される。研磨速度分布制御パッド３６Ａの
周辺部の平均圧縮弾性率Ｅは調整孔４０の開設によって
低下されているため、研磨速度分布制御パッド３６Ａの
周辺部のワーク１に対する弾発力は弱くなる。研磨速度
分布制御パッド３６Ａの弾発力が弱くなった分だけ、被
研磨面７の周辺部が研磨速度分布制御パッド３６Ａの弾
発力によって研磨材面１５に押し付けられる力が弱くな
るため、被研磨面７が研磨材面１５によって化学的機械
研磨される研磨速度は抑制される。その結果、図９
（ａ）に示された周辺部のペレット９ａの研磨量は均一
になるため、周辺部のペレット９ａのパターニングは完
全になり、周辺部のペレット９ａは良品になる。つま
り、ワーク一枚当たりの製造歩留りが向上し、ペレット
の実効取得数が増加する。
【００５３】図９（ｂ）は研磨速度分布制御パッドの周
辺部における平均圧縮弾性率が研磨速度均一性に及ぼす
影響を示すグラフである。このグラフは、直径８インチ
の研磨速度分布制御パッド３６Ａの外周から５ｍｍの範
囲に直径１ｍｍの調整孔４０を個数を変更して開けるこ
とにより、平均圧縮弾性率が順次変更調整されて得られ
た。図９（ｂ）において、横軸には平均圧縮弾性率Ｅが
取られている。ここで、平均圧縮弾性率Ｅは研磨速度分
布制御パッドの初期弾性率に対する周辺部の平均圧縮弾
性率の百分率によって表されている。縦軸には研磨速度
均一性ｒが取られている。ここで、研磨速度均一性ｒは
被研磨面における中心部の平均研磨速度に対する周辺部
の平均研磨速度の比によって表されている。
【００５４】図９（ｂ）により次のことが究明された。
研磨速度分布制御パッドの外周部の平均圧縮弾性率Ｅを
初期弾性率の約７５％に設定することにより、被研磨面
の外周部における研磨速度均一性ｒを最小に抑制するこ
とができる。なお、研磨速度分布制御パッドの周辺部に
おける平均圧縮弾性率Ｅの最適値は、ワークの大きさや
厚さ、被研磨面の性質や硬さ、機械的圧力、エア圧力等
の化学的機械研磨の諸条件に応じて変わる。研磨速度分
布制御パッドの平均圧縮弾性率Ｅは研磨速度分布制御パ
ッドに調整孔を開けることによって調整するに限らず、
研磨速度分布制御パッドの外周部を削除する方法や、外
周部に切り込みを入れる方法等によっても調整すること
ができる。
【００５５】図１０はパターン付きウエハ研磨装置の実
施形態３を示す一部省略一部切断正面図である。
【００５６】本実施形態３が前記実施形態１と異なる点
は、バッキングパッドが省略された点である。ワーク１
は弾性膜３４に直接接触した状態で、加圧板３２によっ
て機械的に押され、かつ、弾性膜３４に加わるエア圧力
による作用力によって付勢される。したがって、ワーク
１の被研磨面は前記実施形態１と同様な作用により全体
にわたって均一に化学的機械研磨される。
【００５７】図１１はパターン付きウエハ研磨装置の実
施形態４を示す一部省略一部切断正面図である。
【００５８】本実施形態４が前記実施形態１と異なる点
は、真空吸着のための弾性膜の透孔およびバッキングパ
ッドの透孔が省略され、負圧供給路が省略された点であ
る。省略された構成要素はワーク１の真空吸着保持に使
用されるため、化学的機械研磨における被研磨面の均一
性の向上効果には影響しない。したがって、前記実施形
態１と同様な作用効果が奏される。
【００５９】以上本発明者によってなされた発明を実施
形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形
態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範
囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００６０】加圧板に開設する通気孔は複数本に限ら
ず、１本でもよい。また、通気路は加圧板の上下空間を
連通させればよいため、通気路は加圧板を多孔質剛性板
で形成することによっても構成することができる。
【００６１】加圧板および弾性膜のヘッド本体への固定
手段は締結手段に限らず、接着手段等を使用してもよ
い。
【００６２】弾性膜を介してワークを付勢する気体とし
てはエアを使用するに限らず、窒素等の気体を使用して
もよい。
【００６３】ヘッドを上側に研磨工具を下側に配置する
に限らず、ヘッドを下側に研磨工具を上側に配置しても
よい。また、ヘッド側を下降させるように構成するに限
らず、研磨工具側を上昇させるように構成してもよい。
さらに、ヘッドと研磨工具とは上下方向に不動とし、ワ
ークの被研磨面と研磨工具の研磨材面とを相対的に水平
方向に移動させて単に擦り合わせるように構成してもよ
い。
【００６４】バッキングパッドはゴムまたは樹脂、発泡
樹脂によって構成するに限らず、フェルトやガラスウー
ル等の適度な弾力性を有する材料によって構成すること
ができる。
【００６５】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、次
の通りである。
【００６６】化学的機械研磨時にワークに作用する不規
則で複雑な歪みに自己整合的に対応してワークに対する
押し力を補正することにより、ワークの被研磨面を全体
にわたって均一に、しかも、高い均一精度をもって化学
的機械研磨することができるため、高精度のパターニン
グを確保することができる。その結果、超微細で高集積
度の半導体装置を製造する方法を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である半導体装置の製造方
法に使用されるパターン付きウエハ研磨装置を示す一部
省略一部切断正面図である。
【図２】そのヘッドを示す一部省略分解斜視図である。
【図３】ワークを示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）
は拡大部分断面図である。
【図４】本発明の一実施形態である半導体装置の製造方
法を説明するための各拡大部分断面図を示しており、
（ａ）は第１配線形成工程、（ｂ）は第２絶縁膜形成工
程、（ｃ）は平坦化工程、（ｄ）はホール形成工程、
（ｅ）は第２配線形成工程を示している。
【図５】加圧板による機械的な押し力とエア圧力による
作用力との関係が化学的機械研磨の研磨量均一性および
平均研磨速度に及ぼす影響を示すグラフである。
【図６】研磨速度分布を示すグラフであり、（ａ）は図
５のａによって示された圧力比の条件で化学的機械研磨
した場合のグラフ、（ｂ）は図５のｂによって示された
圧力比Ｓの条件で化学的機械研磨した場合のグラフ、
（ｃ）は図５のｃによって示された圧力比Ｓの条件で化
学的機械研磨した場合のグラフを示している。
【図７】本発明の他の実施形態である半導体装置の製造
方法をＳＴＩ法に適用した場合を示す各拡大部分断面図
であり、（ａ）は素子分離溝形成工程、（ｂ）は絶縁膜
形成工程、（ｃ）は絶縁膜除去工程、（ｄ）は絶縁膜除
去が不均一になった状態の絶縁膜除去工程、（ｅ）はマ
スク除去工程、（ｆ）はゲート酸化膜形成工程、（ｇ）
は不純物拡散およびゲート電極形成工程を示している。
【図８】パターン付きウエハ研磨装置の実施形態２を示
すヘッドの一部省略分解斜視図である。
【図９】その作用を説明するための説明図であり、
（ａ）はパターン付きウエハのペレットの配置を示す平
面図、（ｂ）は研磨速度分布制御パッドの周辺部におけ
る平均圧縮弾性率が研磨速度均一性に及ぼす影響を示す
グラフである。
【図１０】パターン付きウエハ研磨装置の実施形態３を
示す一部省略一部切断正面図である。
【図１１】パターン付きウエハ研磨装置の実施形態４を
示す一部省略一部切断正面図である。
【符合の説明】
１…ワーク（半導体ウエハ）、２…サブストレート（ウ
エハ）、３…オリエンテーションフラット（オリフ
ラ）、４…配線、４ａ…第１配線、４ｂ…第２配線、４
ｃ…スルーホール、４ｄ…スルーホール導体、５…層間
絶縁膜（絶縁膜）、５ａ…第１絶縁膜、５ｂ…第２絶縁
膜、６…凹凸部、７…被研磨面、８…裏側面、９…ペレ
ット、９ａ…周辺部のペレット、９ｂ…研磨速度の速い
周辺部領域、１０…パターン付きウエハ研磨装置（ＣＭ
Ｐ）、１１…研磨工具、１２…ベースプレート、１３…
回転軸、１４…研磨クロス、１５…研磨材面、１６…ス
ラリ供給ノズル、１７…スラリ、２１…ヘッド、２２…
ヘッド本体、２３…保持穴、２４…通気口（気体流通
口）、２５…通気路（流体圧供給路）、２６…エアポン
プ、２７…エア（気体）、２８…正圧供給路、２９…真
空ポンプ、３０…負圧供給路、３１…切換弁、３２…加
圧板、３３…通気孔（通気路）、３４…弾性膜、３５…
透孔、３６…バッキングパッド、３６Ａ…研磨速度分布
制御パッド、３７…透孔、３８…ガイドリング、３９…
ボルト、４０…調整孔、４１…マスク、４２…素子分離
溝、４３…絶縁膜、４３ａ…研磨過多部、４３ｂ…研磨
不足部、４４…絶縁物充填部、４５…絶縁膜の表面（被
研磨面）、４６…凹凸部、４７…素子分離部、４８…素
子形成部、４９…ゲート酸化膜、５０…不純物拡散層、
５１…ゲート電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小西 信博 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日立 製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者 田熊 祐一郎 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日立 製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者 三谷 真一郎 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日立 製作所デバイス開発センタ内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パターニングされた半導体ウエハのパタ
    ーニング側主面の表面に対する化学的機械研磨による半
    導体装置の製造方法は以下の工程を備えている、（ａ）
    半導体装置を形成するためのパターンが半導体ウエハ
    の少なくとも一主面に形成されるパターニング工程、
    （ｂ） 通気路を有する加圧板が通気口を有するウエハ
    保持ヘッド本体に保持され、かつ、前記加圧板の前記通
    気口側と反対側の主面に弾性膜が当てがわれているウエ
    ハ保持ヘッドが予め用意され、前記半導体ウエハが前記
    ウエハ保持ヘッドにより前記パターニング側主面と反対
    側の主面を前記弾性膜に当接された状態で保持され、保
    持された前記半導体ウエハが前記加圧板によって機械的
    に押されながら前記通気口に供給された気体の圧力によ
    る作用力によって押された状態で、前記パターニング側
    主面の表面が研磨クロスに擦り付けられる化学的機械研
    磨工程。
  2. 【請求項２】 前記加圧板および前記弾性膜の外周辺部
    が、前記半導体ウエハの飛び出しを防止するためのガイ
    ドリングによってヘッド本体に固定されていることを特
    徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記加圧板による前記半導体ウエハへの
    単位面積当たりの荷重に対する前記気体圧力の比が、
    ０．５〜１．５に設定されることを特徴とする請求項１
    に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記弾性膜に前記半導体ウエハを真空吸
    着するための透孔が開けられていることを特徴とする請
    求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記弾性膜と前記半導体ウエハとの間に
    弾性を有するバッキングパッドが挟まれることを特徴と
    する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記バッキングパッドの弾性力の強さは
    前記半導体ウエハに対向する部位によって異なることを
    特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項７】 半導体ウエハの多層配線の表面を平坦に
    するための化学的機械研磨による半導体装置の製造方法
    は以下の工程を備えている、（ａ） 半導体ウエハに形
    成された第１絶縁膜の上に第１配線が形成される第１配
    線形成工程、（ｂ） 前記第１絶縁膜および前記第１配
    線の上に第２絶縁膜を形成される第２絶縁膜形成工程、
    （ｃ） 通気路を有する加圧板が通気口を有するウエハ
    保持ヘッド本体に保持され、かつ、前記加圧板の前記通
    気口側と反対側の主面に弾性膜が当てがわれているウエ
    ハ保持ヘッドが予め用意され、前記半導体ウエハが前記
    ウエハ保持ヘッドにより前記第２絶縁膜形成側主面と反
    対側の主面を前記弾性膜に当接された状態で保持され、
    保持された前記半導体ウエハが前記加圧板によって機械
    的に押されながら前記通気口に供給された気体の圧力に
    よる作用力によって押された状態で、前記第２絶縁膜の
    表面が研磨クロスに擦り付けられて平坦化される平坦化
    工程、（ｄ） 平坦化された第２絶縁膜にスルーホール
    またはコンタクトホールが形成されるホール形成工程、
    （ｅ） ホールが形成された前記第２絶縁膜の上に第２
    配線が形成される第２配線形成工程。
  8. 【請求項８】 パターニングされた半導体ウエハのパタ
    ーニング側主面の表層部が化学的機械研磨により除去さ
    れる半導体装置の製造方法は以下の工程を備えている、
    （ａ） 前記パターニング側主面に素子分離溝が形成さ
    れる素子分離溝形成工程、（ｂ） 前記パターニング側
    主面の上に絶縁膜が被着されて前記素子分離溝内に絶縁
    物充填部が形成される絶縁膜被着工程、（ｃ） 通気路
    を有する加圧板が通気口を有するウエハ保持ヘッド本体
    に保持され、かつ、前記加圧板の前記通気口側と反対側
    の主面に弾性膜が当てがわれているウエハ保持ヘッドが
    予め用意され、前記半導体ウエハが前記ウエハ保持ヘッ
    ドにより前記パターニング側主面と反対側の主面を前記
    弾性膜に当接された状態で保持され、保持された前記半
    導体ウエハが前記加圧板によって機械的に押されながら
    前記通気口に供給された気体の圧力による作用力によっ
    て押された状態で、前記絶縁膜の表面が研磨クロスに擦
    り付けられて化学的機械研磨され、前記絶縁物充填部に
    よって素子分離部が形成される素子分離部形成工程、
    （ｄ） 前記パターニング側主面における前記素子分離
    部に囲まれた素子形成部の上にゲートが形成されるゲー
    ト形成工程。
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