JPH09321000A - 研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コストが増大し高価となる。 【解決手段】 上面に研磨布１９が粘着され所定の回転
数で回転する回転円盤１８と、回転円盤１８の上方にウ
エハ２２を保持して配設され研磨布１９上にウエハ２２
の研磨層の表面を押圧して回転する第１の研磨ヘッド２
０と、回転円盤１８の上方にベアシリコンウエハ２７を
保持して配設され研磨布１９上にベアシリコンウエハ２
７の表面を押圧して回転する第２の研磨ヘッド２５とを
備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体集積回路
の製造工程の一つである配線工程におけるウエハの研磨
加工を行う研磨装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年のシリコン集積回路は、素子の平面
方向の微細化は進んでいるが、高さ方向にはあまり進ん
でいないのが特徴である。このため半導体素子は立体的
になり、チップサイズあるいはウエハサイズでの絶対段
差が大きくなっている。すなわち、メモリではキャパシ
タの容量を稼ぎつつ微細化するために、メモリセル部分
は立体的となり周辺回路とは大きな段差が生じている。
又、ロジックＩＣでは高性能化、高速化のために配線は
多層化し、配線の疎な部分と密な部分で大きな段差が生
じている。そして、これらの段差が転写時に大きな問題
となる。

【０００３】転写技術において、高解像力化に伴って問
題となってきたのが焦点深度の浅さである。レンズの大
口径化や短波長化により焦点深度は急激に浅くなり、半
導体素子の立体化とともに微細化に対する障害となって
いる。これ以上の微細化を進めるならば、焦点深度が浅
くとも転写が可能なように、絶対段差を低減する平坦化
技術をプロセスに取り入れなければならない。なお、従
来から用いられているＳＯＧ、ＢＰＳＧリフロー等の層
間絶縁膜の平坦化技術は、局所的（数μｍの範囲）な平
坦化技術であり、チップサイズあるいはウエハサイズで
の絶対段差を低減することはできない。そして、この絶
対段差を低減できるのは化学機械研磨法だけである。

【０００４】図７はこの種の化学機械研磨法が適用され
た研磨装置の概略構成を示す正面図である。図におい
て、１は上面に研磨布２が粘着され所定の回転数で回転
する回転円盤、３はこの回転円盤１の上方に配設され、
例えばポリウレタン、不織布等でなるバッキング材４が
研磨布２と対向する面に粘着され回転する研磨ヘッド、
５は真空吸着力あるいは水の表面張力によって研磨され
る面が下になるようにバッキング材４に保持されるウエ
ハ、６は研磨剤７を研磨部に供給するノズルである。

【０００５】次に、上記のように構成される研磨装置に
よる研磨加工が介在する配線工程を図８に基づいて説明
する。まず、シリコン基板８上にフィールド酸化膜９お
よびチャネルストッパ領域１０を形成した後、ゲート酸
化膜１１を形成すると、図８（ａ）が得られる。次い
で、フィールド酸化膜９上に多結晶シリコン１２を堆積
し、下層配線層となるソース・ドレイン領域１３を形成
すると、図８（ｂ）が得られる。さらに、これらの表面
にシリコン酸化膜１４を堆積し、多結晶シリコン１２を
接続するためのコンタクトホールを開け、第１のメタル
配線層１５を被着しパターン化すると、図８（ｃ）が得
られる。

【０００６】続いて、これらの表面に膜厚のシリコン酸
化膜１６を堆積すると、図８（ｄ）が得られる。そし
て、この状態で図７に示すようにシリコン酸化膜１６が
下になるように研磨ヘッド３のバッキング材４に保持さ
せ、回転円盤１および研磨ヘッド３をそれぞれ所定の回
転数で回転させるとともに、ノズル６から研磨剤７を供
給しながらシリコン酸化膜１６の表面を研磨布２上に押
圧して研磨を行い、図８（ｅ）が得られる。最後に、コ
ンタクトホールを開け、第２のメタル配線層１７を施
し、図８（ｆ）が得られる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の化学機械研磨は
以上のように実施されるが、研磨後の絶縁膜の平坦性を
向上させるには、ウエハ５を研磨布２に押圧する研磨圧
力をできるだけ小さくするのが望ましい。しかしなが
ら、研磨圧力を低く設定すると研磨速度が低下し、研磨
能力を低下させるだけでなく、平坦化に必要な研磨量を
確保するための研磨時間が長くなり、研磨剤７の消費量
も多くなるため、コストが増大し高価になるという問題
点があった。

【０００８】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、研磨時間を短縮してコストの低
減を図り、安価な製品を得ることが可能な研磨装置を提
供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
る研磨装置は、絶縁膜を施して形成されるウエハの研磨
層の表面を、シリコン部材と共に研磨布上に押し付け相
対運動をさせながら研磨層を研磨して平坦化させるよう
にしたものである。

【００１０】又、この発明の請求項２に係る研磨装置
は、請求項１において、上面に研磨布が粘着され所定の
回転数で回転する回転円盤と、回転円盤の上方にウエハ
を保持して配設され研磨布上にウエハの研磨層の表面を
押圧して回転する第１の研磨ヘッドと、回転円盤の上方
にベアシリコンウエハを保持して配設され研磨布上にベ
アシリコンウエハの表面を押圧して回転する第２の研磨
ヘッドとを備えたものである。

【００１１】又、この発明の請求項３に係る研磨装置
は、請求項２において、第２の研磨ヘッドを複数配設し
たものである。

【００１２】又、この発明の請求項４に係る研磨装置
は、請求項２または３において、第２の研磨ヘッドの押
圧力を可変にしたものである。

【００１３】又、この発明の請求項５に係る研磨装置
は、請求項４において、第２の研磨ヘッドの押圧力を３
〜７ｐｓｉに設定したものである。

【００１４】又、この発明の請求項６に係る研磨装置
は、請求項１において、上面に研磨布が粘着され所定の
回転数で回転する回転円盤と、回転円盤の上方にウエハ
を保持して配設され研磨布上にウエハの研磨層の表面を
押圧して回転する第１の研磨ヘッドと、回転円盤の上方
にシリコンインゴットを保持して配設され研磨布上にシ
リコンインゴットの表面を押圧する第２の研磨ヘッドと
を備えたものである。

【００１５】又、この発明の請求項７に係る研磨装置
は、請求項１において、上面に研磨布が粘着され所定の
回転数で回転する回転円盤と、回転円盤の上方にウエハ
を保持して配設され研磨布上にウエハの研磨層の表面を
押圧して回転する研磨ヘッドと、研磨ヘッドのウエハを
保持する面にウエハを囲繞するように配設されウエハの
位置および研磨量を規制しシリコン部材でなるガイドリ
ングとを備えたものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１における
研磨装置の概略構成を示す正面図である。図において、
１８は上面に研磨布１９が粘着され所定の回転数で回転
する回転円盤、２０はこの回転円盤１８の上方に配設さ
れ、例えばポリウレタン、不織布等でなるバッキング材
２１が研磨布１９と対向する面に粘着され所定の回転数
で回転する第１の研磨ヘッドである。

【００１７】２２は絶縁膜を施して形成される研磨層
（図示せず）の表面が下になるように、真空吸着力ある
いは水の表面張力によってバッキング材２１に保持され
るウエハ、２３は研磨剤２４を研磨部に供給するノズ
ル、２５は第１の研磨ヘッド２０と同様に回転円盤１８
の上方に配設され、バッキング材２６が研磨布１９と対
向する面に粘着され所定の回転数で回転する第２の研磨
ヘッド、２７は真空吸着力あるいは水の表面張力によっ
てバッキング材２６に保持されるベアシリコンウエハ、
２８は第１および第２の研磨ヘッド２０、２５を所定の
回転数で回転させるカルセルである。

【００１８】上記のように構成された実施の形態１にお
ける研磨装置において、回転円盤１８の回転数を２５ｒ
ｐｍ、第１および第２の研磨ヘッド２０、２５の回転数
を１５ｒｐｍ、カルセル２８の回転数を１０ｒｐｍ、第
１および第２の研磨ヘッド２０、２５の押圧力、すなわ
ち研磨圧力を３ｐｓｉ、研磨剤２４の流量を３００ｍｌ
／ｍｉｎにそれぞれ設定して研磨を行った。そして、研
磨の結果、第１の研磨ヘッド２０単独の場合の絶縁膜の
研磨速度が６７０オングストローム／ｍｉｎであるのに
対して、絶縁膜の研磨速度が７４０オングストローム／
ｍｉｎと約１０％上昇していることが確認された。これ
は、第２の研磨ヘッド２５に保持されたベアシリコンウ
エハ２７により、研磨布１９の表面が目立てをされるこ
とと、ベアシリコンウエハ２７との摩擦により研磨布１
９の表面の温度が上昇することによるものと考えられ
る。

【００１９】このように上記実施の形態１によれば、第
１の研磨ヘッド２０にウエハ２２を、第２の研磨ヘッド
２５にベアシリコンウエハ２７をそれぞれ保持して、ウ
エハ２２およびベアシリコンウエハ２７を同時に研磨す
るようにしているので、絶縁膜の研磨速度が上記したよ
うな理由により約１０％大きくなり、平坦化に要する時
間が短縮されるとともに、これに伴って研磨剤２４の使
用量も節約することができるため、コストの低減を図っ
て安価な製品を得ることが可能になる。

【００２０】実施の形態２．図２はこの発明の実施の形
態２における研磨装置の概略構成を示す平面図である。
図から明らかなように本実施の形態２においては、上記
実施の形態１における第１の研磨ヘッド２０を５台、第
２の研磨ヘッド２５を１台配置し、ウエハ２２およびベ
アシリコンウエハ２７をそれぞれ保持させて、回転円盤
１８の回転数を２５ｒｐｍ、第１および第２の研磨ヘッ
ド２０、２５の回転数を１５ｒｐｍ、カルセル２８の回
転数を１０ｒｐｍ、第１および第２の研磨ヘッド２０、
２５の押圧力、すなわち研磨圧力を３ｐｓｉ、研磨剤２
４の流量を３００ｍｌ／ｍｉｎにそれぞれ設定して研磨
を行った。

【００２１】そして、以下、第１の研磨ヘッド２０の台
数を４→３→２→１の順に変えるとともに、これに伴っ
て第２の研磨ヘッド２５の台数を２→３→４→５の順に
変えて、上記と同様の条件で研磨を行い研磨速度をそれ
ぞれ測定した。その結果、図３から明らかなように、第
２の研磨ヘッド２５の台数、すなわち、ベアシリコンウ
エハ２７の枚数を増加させると、研磨速度も大きくなり
ベアシリコンウエハ２７が５枚の場合で約１．４倍にな
っている。これは、上記実施の形態１において説明した
ベアシリコンウエハ２７による目立ての効果、およびベ
アシリコンウエハ２７との摩擦による研磨布１９表面の
温度上昇が、さらに顕著に表れたものと考えられる。

【００２２】このように上記実施の形態２によれば、第
２の研磨ヘッド２５の台数を変化、すなわち、ベアシリ
コンウエハ２７の枚数を複数にして研磨するようにして
いるので、絶縁膜の研磨速度が上記実施の形態１の場合
と比較して更に大きくなり、平坦化に要する時間が短縮
されるとともに、これに伴って研磨剤２４の使用量も節
約することができるため、更にコストの低減を図って安
価な製品を得ることが可能になる。

【００２３】実施の形態３．本実施の形態３における研
磨装置は上記実施の形態１における装置と構成は同様な
ので、新たなる図示は省略して図１に基づき説明する。
すなわち、図１に示すように構成された研磨装置におい
て、上記実施の形態１の場合と同様に回転円盤１８の回
転数を２５ｒｐｍ、第１および第２の研磨ヘッド２０、
２５の回転数を１５ｒｐｍ、カルセル２８の回転数を１
０ｒｐｍ、第１の研磨ヘッド２０の押圧力を３ｐｓｉ、
研磨剤２４の流量を３００ｍｌ／ｍｉｎにそれぞれ設定
するとともに、第２の研磨ヘッド２５の押圧力は０〜７
ｐｓｉに変化させて研磨を行った。

【００２４】そして、第２の回転ヘッド２５の押圧力の
変化に対する研磨速度を測定し図４に示すような結果を
得た。そして、この結果によれば、第２の研磨ヘッド２
５の押圧力、すなわち、ベアシリコンウエハ２７の研磨
圧力を順次上げていくと、研磨速度は例えば研磨圧力が
３ｐｓｉの場合で約１０％、７ｐｓｉの場合で約２０％
というように段々大きくなっていくのが確認される。し
かしながら、研磨圧力が７ｐｓｉを越えると、研磨速度
は依然として大きくなるが平坦性が悪くなるため、平坦
性を加味すると研磨圧力３〜７ｐｓｉが最適な条件と考
えられる。

【００２５】このように上記実施の形態３によれば、第
２の研磨ヘッド２５の押圧力、すなわち、ベアシリコン
ウエハ２７の研磨圧力を変化させ、研磨圧力を３〜７ｐ
ｓｉの範囲に設定するようにしているので、平坦性を低
下させることなく、平坦化に要する時間が短縮されると
ともに、これに伴って研磨剤２４の使用量も節約するこ
とができるため、コストの低減を図って安価な製品を得
ることが可能になる。

【００２６】実施の形態４．図５はこの発明の実施の形
態４における研磨装置の概略構成を示す正面図である。
図において、回転円盤１８、研磨布１９、第１の研磨ヘ
ッド２０、バッキング材２１、ウエハ２２、ノズル２３
および研磨剤２４は上記実施の形態１におけるものと同
様である。２９は回転円盤１８の上方に配設され円盤状
に切り出されたシリコンインゴット３０を保持し、シリ
コンインゴット３０の表面を研磨布１９上に押圧する第
２の研磨ヘッドである。

【００２７】上記のように構成された実施の形態４にお
ける研磨装置において、第２の研磨ヘッド２９によるシ
リコンインゴット３０の研磨布１９への押圧力を、第１
の研磨ヘッド２０の押圧力３ｐｓｉと同程度に設定する
とともに、その他の条件は上記実施の形態１の場合と同
様にして研磨を行った結果、研磨速度は第２の研磨ヘッ
ド２９によるシリコンインゴット３０の研磨がない場合
と比較して約１０％大きくなることが確認された。

【００２８】このように上記実施の形態４によれば、第
１の研磨ヘッド２０にウエハ２２を、第２の研磨ヘッド
２９にシリコンインゴット３０をそれぞれ保持して、ウ
エハ２２およびシリコンインゴット３０を同時に研磨す
るようにしているので、絶縁膜の研磨速度が約１０％大
きくなり、平坦化に要する時間が短縮されるとともに、
これに伴って研磨剤２４の使用量も節約することができ
るため、コストの低減を図って安価な製品を得ることが
可能になる。

【００２９】実施の形態５．図６はこの発明の実施の形
態５における研磨装置の概略構成を示す正面図である。
図において、回転円盤１８、研磨布１９、第１の研磨ヘ
ッド２０、バッキング材２１、ウエハ２２、ノズル２３
および研磨剤２４は上記実施の形態１におけるものと同
様である。３１は研磨中にウエハ２２がはずれないよう
にするため、およびウエハエッジでの研磨量を調整して
面内均一性を向上させるために、第１の研磨ヘッド２０
の回転円盤１８と対向する面に取り付けられた環状のガ
イドリングで、シリコン材で形成されている。

【００３０】上記のように構成された実施の形態５にお
ける研磨装置において、シリコン材で形成されたガイド
リング３１を介して第１の研磨ヘッド２０により、ウエ
ハ２２を研磨布１９上に押圧して研磨を行った結果、研
磨速度は元来セラミック系の材料で形成されたガイドリ
ングを介して研磨を行う場合と比較し、約２０％大きく
なることが確認された。これは、シリコン材で形成され
たガイドリング３１が、上記各実施例におけるベアシリ
コンウエハ２７およびシリコンインゴット３０と同様、
研磨布１９表面の目立ておよび温度上昇をさせる役目を
果たしたことによるものと考えられる。

【００３１】このように上記実施の形態５によれば、元
来セラミック系の材料で形成されたガイドリングを、シ
リコン部材で形成されたガイドリング３１に置き換え、
このガイドリング３１とともにウエハ２２を研磨するよ
うにしているので、絶縁膜の研磨速度が約２０％大きく
なり、平坦化に要する時間が短縮されるとともに、これ
に伴って研磨剤２４の使用量も節約することができるた
め、コストの低減を図って安価な製品を得ることが可能
になる。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、この発明の請求項１によ
れば、絶縁膜を施して形成されるウエハの研磨層の表面
を、シリコン部材と共に研磨布上に押し付け相対運動を
させながら研磨層を研磨して平坦化させるようにしたの
で、研磨時間を短縮してコストの低減を図り、安価な製
品を得ることが可能な研磨装置を提供することができ
る。

【００３３】又、この発明の請求項２によれば、請求項
１において、上面に研磨布が粘着され所定の回転数で回
転する回転円盤と、回転円盤の上方にウエハを保持して
配設され研磨布上にウエハの研磨層の表面を押圧して回
転する第１の研磨ヘッドと、回転円盤の上方にベアシリ
コンウエハを保持して配設され研磨布上にベアシリコン
ウエハの表面を押圧して回転する第２の研磨ヘッドとを
備えたので、研磨時間を短縮してコストの低減を図り、
安価な製品を得ることが可能な研磨装置を提供すること
ができる。

【００３４】又、この発明の請求項３によれば、請求項
２において、第２の研磨ヘッドを複数配設したので、研
磨時間をより短縮してコストの低減を図り、安価な製品
を得ることが可能な研磨装置を提供することができる。

【００３５】又、この発明の請求項４によれば、請求項
２または３において、第２の研磨ヘッドの押圧力を可変
にしたので、研磨時間をより短縮してコストの低減を図
り、安価な製品を得ることが可能な研磨装置を提供する
ことができる。

【００３６】又、この発明の請求項５によれば、請求項
４において、第２の研磨ヘッドの押圧力を３〜７ｐｓｉ
に設定したので、研磨時間をさらに短縮してコストの低
減を図り、安価な製品を得ることが可能な研磨装置を提
供することができる。

【００３７】又、この発明の請求項６によれば、請求項
１において、上面に研磨布が粘着され所定の回転数で回
転する回転円盤と、回転円盤の上方にウエハを保持して
配設され研磨布上にウエハの研磨層の表面を押圧して回
転する第１の研磨ヘッドと、回転円盤の上方にシリコン
インゴットを保持して配設され研磨布上にシリコンイン
ゴットの表面を押圧する第２の研磨ヘッドとを備えたの
で、研磨時間を短縮してコストの低減を図り、安価な製
品を得ることが可能な研磨装置を提供することができ
る。

【００３８】又、この発明の請求項７によれば、請求項
１において、上面に研磨布が粘着され所定の回転数で回
転する回転円盤と、回転円盤の上方にウエハを保持して
配設され研磨布上にウエハの研磨層の表面を押圧して回
転する研磨ヘッドと、研磨ヘッドのウエハを保持する面
にウエハを囲繞するように配設されウエハの位置および
研磨量を規制しシリコン部材でなるガイドリングとを備
えたので、研磨時間を短縮してコストの低減を図り、安
価な製品を得ることが可能な研磨装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１における研磨装置の
概略構成を示す正面図である。

【図２】 この発明の実施の形態２における研磨装置の
概略構成を示す平面図である。

【図３】 図２における研磨装置のベアシリコン枚数−
研磨速度の関係を示す特性図である。

【図４】 この発明の実施の形態３における研磨装置の
ベアシリコンウエハ圧力−研磨速度の関係を示す特性図
である。

【図５】 この発明の実施の形態４における研磨装置の
概略構成を示す正面図である。

【図６】 この発明の実施の形態５における研磨装置の
概略構成を示す正面図である。

【図７】 従来の研磨装置の概略構成を示す正面図であ
る。

【図８】 図７における研磨装置による研磨加工が介在
する配線工程を示す断面図である。

【符号の説明】

１８ 回転円盤、１９ 研磨布、２０ 第１の研磨ヘッ
ド、２２ ウエハ、２５，２９ 第２の研磨ヘッド、２
７ ベアシリコンウエハ、３０ シリコンインゴット、
３１ ガイドリング。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁膜を施して形成されるウエハの研磨
   層の表面を、シリコン部材と共に研磨布上に押し付け相
   対運動をさせながら上記研磨層を研磨して平坦化させる
   ことを特徴とする研磨装置。
2. 【請求項２】 上面に研磨布が粘着され所定の回転数で
   回転する回転円盤と、上記回転円盤の上方にウエハを保
   持して配設され上記研磨布上に上記ウエハの研磨層の表
   面を押圧して回転する第１の研磨ヘッドと、上記回転円
   盤の上方にベアシリコンウエハを保持して配設され上記
   研磨布上に上記ベアシリコンウエハの表面を押圧して回
   転する第２の研磨ヘッドとを備えたことを特徴とする請
   求項１記載の研磨装置。
3. 【請求項３】 第２の研磨ヘッドは複数配設されている
   ことを特徴とする請求項２記載の研磨装置。
4. 【請求項４】 第２の研磨ヘッドの押圧力は可変である
   ことを特徴とする請求項２または３記載の研磨装置。
5. 【請求項５】 第２の研磨ヘッドの押圧力は３〜７ｐｓ
   ｉに設定されていることを特徴とする請求項４記載の研
   磨装置。
6. 【請求項６】 上面に研磨布が粘着され所定の回転数で
   回転する回転円盤と、上記回転円盤の上方にウエハを保
   持して配設され上記研磨布上に上記ウエハの研磨層の表
   面を押圧して回転する第１の研磨ヘッドと、上記回転円
   盤の上方にシリコンインゴットを保持して配設され上記
   研磨布上に上記シリコンインゴットの表面を押圧する第
   ２の研磨ヘッドとを備えたことを特徴とする請求項１記
   載の研磨装置。
7. 【請求項７】 上面に研磨布が粘着され所定の回転数で
   回転する回転円盤と、上記回転円盤の上方にウエハを保
   持して配設され上記研磨布上に上記ウエハの研磨層の表
   面を押圧して回転する研磨ヘッドと、上記研磨ヘッドの
   上記ウエハを保持する面に上記ウエハを囲繞するように
   配設され上記ウエハの位置および研磨量を規制しシリコ
   ン部材でなるガイドリングとを備えたことを特徴とする
   請求項１記載の研磨装置。