JPH10100063A - 研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パタンの粗密度に依存せず高い精度で平坦面
に研磨する。 【解決手段】 ウエハ３を保持するステージ１１と、ウ
エハ３の寸法と同等もしくはこれより長い円柱状に形成
され広い幅を有し高速回転されるロータ１９とを備えて
いる。ステージ１１は、上下移動機構によって上昇され
ることによりウエハ３の表面をロータ１９の周面に設け
た研磨パッド１８に所定圧にて押し付ける。ロータ１９
は、高速回転されながら水平移動されることにより研磨
パッド１８でウエハ表面を研磨する。このとき、研磨剤
ノズル２２によって研磨剤２１を供給し、純水ノズル２
４によって純水２３を供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路を
はじめとする各種個体デバイスの製造技術の内、プロセ
スで発生する基板表面の凹凸を略完全に平坦化するため
の機械的かつ化学的な研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路（ＬＳＩ）等の製造過程
において、回路パタンの形成によって種々の段差が形成
される。特に多層配線においては、配線層が３層以上に
なると段差量が加算されて大きな段差が残留し、その上
層の配線層のパタン形成が困難になるとともに、配線の
信頼性も著しく低下する。この段差を除去もしくは緩和
するために、エッチング技術やＳＯＧ（Ｓｅａ ｏｆ Ｇ
ａｔｅｓ）技術が適用されてきた。しかし、ＬＳＩの高
密度化に伴うパタンの微細化と、多層配線の層数の増加
によって上記の技術では完全に平坦化することが困難と
なることや、プロセスの煩雑さから新しい平坦化するた
めの技術の開発が望まれている。

【０００３】近年、これを解決する可能性の大きい機械
・化学研磨（ＣＭＰ）技術が開発され、既にＬＳＩ製造
工程に適用しているところもある。このＣＭＰ技術は、
図３に示すように研磨パッド１が貼り付けられた円板状
の定盤２を備え、表面にパタン形成に伴い段差が形成さ
れたウエハ３をリテーナリング６を有するトップリング
４に表面側を下にしてバッキングプレート５を介して取
付け、このトップリング４を回転させながらウエハ３を
研磨パッド１に押し付けるとともに定盤２を回転させ、
研磨パッド１とウエハ３との間に化学的な溶媒と機械的
な粒子を混合した研磨剤７を供給することによりウエハ
表面を研磨するものである。この技術を用い、段差の溝
部を埋め込むための十分な被膜を用意することによって
略完全な平坦化が図れる。特に、多層配線においては、
各配線層ごとに段差を除去してプロセスが構成できるこ
とから多層化しても段差は発生せず、配線の高信頼化が
達成できるとともに、パタン形成上の問題点（例えば凹
凸部分により焦点深度外になりパターンが解像しなかっ
たり接触すること）が回避される。これによって高集積
化されたＬＳＩデバイスを容易に実現できる。また、埋
め込み膜の形成とＣＭＰ技術のみで平坦化が実現するた
め、従来のいずれの平坦化技術よりも著しいプロセスの
簡略化が達成でき、デバイスの低コスト化が可能とな
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のＣＭＰ技術は、
略完全な平坦化を実現できるが、このためには一定の制
約条件が課せられる。この制約条件とは、ＬＳＩ等のデ
バイスチップ上に形成されたパタンの配置（研磨エリ
ア）が、全ての場所で均等に分布されていることであ
る。しかし、実際のＬＳＩ上の配線パタン等を均等に配
置することは、回路設計上きわめて困難であり、どうし
てもパタンの粗密が発生する。従来のＣＰＭ技術では構
造上、粗な部分の凸部にかかる単位面積当たりの荷重
が、密な部分に比べて大きくなるため、研磨速度が増大
し、結果として粗な部分と密な部分で研磨量が異なる。
これは表面レベル差が生じることを意味し、完全な平坦
化が実現されない。これを解決するには、パタンの粗な
部分に模擬（ダミー）パタンを設け、粗密の差を排除す
ることが有効であるが、パタン設計費の増大とデバイス
特性の低下を生じる問題があり、実用的ではない。

【０００５】一方、研磨パッドを高硬度化し、加圧時に
パッドの変形が生じないようにする技術も検討されてい
る。しかし、粗密度依存性を排除するほど高硬度化する
と、ウエハのうねりや反りの影響を受け基準面が一致し
なくなるため、均一性が得られなくなるとともに研磨面
上に傷が発生し易い。研磨条件としては、低圧力、高速
回転にしてパッドの変形を極力排除する手法も有効であ
るが、低圧力に関しては、パッドの高硬度化と同様に基
準面の不一致による均一性の低下がある。高速回転に関
しては、重量が重く、径の大きな研磨定盤を回転させて
いるため、回転ぶれや振動の発生を生じさせないように
するためには５０ｒｐｍ程度が限度であり、パタンの粗
密度依存性を排除するほどの高速回転は困難である。

【０００６】以上述べたように、パタンの粗密度依存性
を排除し、完全な平坦化を実現することはいずれの技術
を用いても困難であった。また従来のＣＭＰ技術は、研
磨面が研磨布と接しているため、研磨の進行状況が全く
観察できず、研磨異常を確認できないという問題もあっ
た。さらに、ウエハの大口径化（１０インチ以上）によ
って、研磨定盤が大型化するため、研磨パッドの大型化
に伴うパッド表面の不均一性の増大と高価格化が問題と
なるとともに、パッド表面に滴下する研磨剤が増加し高
価格化する。また、その廃液処理にも膨大な投資が必要
となる。

【０００７】本発明は、上記した従来の問題点を解決す
るためになされたもので、その目的とするところは、パ
タンの粗密度に依存されることなく良好な均一性を確保
した状態で研磨することができ、また小型軽量化を可能
にするとともに、研磨剤の消費量が少なく、研磨状況の
観察も可能で、しかも大口径のウエハに対しても適用可
能な研磨装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、半導体集積回路等の製造工程で発生するウエ
ハ等の基板上の段差を、機械的な研磨を行なう粒子と化
学的成分を有する溶媒との相互作用により研磨する研磨
装置において、前記基板を保持するステージと、軸線方
向の長さが基板寸法と同等もしくはこれより長い円柱状
または円筒状に形成されて外周面に基板表面に接触する
研磨パッドを有し高速回転されるロータとを備え、この
ロータまたは前記ステージのいずれか一方を他方に対し
て平行にロータの軸線方向と直交する方向に移動させて
基板表面を研磨することを特徴とする。また、本発明
は、研磨パッドを多孔質の合成樹脂で構成したことを特
徴とする。また、本発明は、ロータまたはステージのい
ずれか一方を垂直方向に移動させる機構を備えたことを
特徴とする。また、本発明は、ロータまたはステージの
いずれか一方をロータの軸線方向に移動させる機構を備
えたことを特徴とする。さらに、本発明は、ロータまた
はステージの少なくともいずれか一方に機械的かつ化学
的成分を含有する研磨剤を滴下させるノズルを備えたこ
とを特徴とする。

【０００９】本発明においては、基板寸法と同等もしく
はこれより長い円柱状または円筒状のロータを基板表面
に接触させて高速回転させるため、研磨パッドの変形を
生じさせないで基板の表面全体を研磨することができ
る。これによりパタンの粗の部分と密な部分の研磨速度
を同一にすることが可能である。また、ロータまたはス
テージをロータの軸線方向に移動させるため、均一な研
磨が可能である。また、大口径の基板に対してはロータ
の幅を広げることで対応できる。さらに、スループット
向上や複数の研磨条件で行なう場合は、ロータを複数個
用いれば対応できる。さらに、ロータまたはステージの
いずれか一方は上下動されるので、基板に対してロータ
を所定の加圧力で接触させることができる。この場合、
面状に加圧する場合は大きな加圧力を必要とするが、円
柱状または円筒状のロータは基板表面に対して線状に接
触するため、小さな加圧力ですみ、各構成部材の剛性を
低く設定できる。したがって、小型軽量化が可能であ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る研
磨装置の基本構成図である。同図において、研磨装置１
０は、ウエハ３がその被研磨面を上にして設置されるス
テージ１１を備えている。このステージ１１は、ウエハ
３を保持するためのバッキングプレート５と、研磨の面
内均一性を向上させるための均一化ブロック１３とを備
え、定盤１４の上面に設けた複数本の脚１５上に後述す
るロータ１９の軸線方向に移動自在に設置され、例えば
モータ等によって作動される公知の移動機構によってウ
エハ３の研磨時に前記軸線方向に移動されるように構成
されている。このようなステージ１１の移動は、例えば
ステージ１１を固定ステージ１１Ａと可動ステージ１１
Ｂとで構成し、固定ステージ１１Ａを脚１５上に固定
し、可動ステージ１１Ｂを駆動モータ等の駆動手段によ
って前記軸線方向に移動させるようにすればよい。定盤
１４は、床面に固定されている。脚１５は、図示しない
例えばエアシリンダ等等の公知の上下移動機構によって
上下動される。なお、図１においては、定盤１４の上面
に凹部１６を形成し、この凹部１６にステージ１１を摺
動自在に嵌合することによりステージ１１の横揺れを防
止する構成にしているが、平板な定盤であってもよい。
また、定盤１４の上面には、コンディショニングブロッ
ク１７を設けているが、これは後述する研磨パッド１８
として硬質のポリウレタン樹脂等を用いた場合、その表
面が研磨によって磨耗したとき、改質処理を行なうため
のもので、表面に３０〜５０μｍ程度のダイヤモンド粒
を５００個／ｍｍ² 程度付着させたものが好ましい。

【００１１】前記ステージ１１の上方には、ウエハ３の
表面を研磨する前記ロータ１９が配設されている。この
ロータ１９は、アルミニウム等の軽合金によって円柱状
（または円筒状）に形成されて外周面に前記研磨パッド
１８が貼り付けられ、支持体２０によって水平にかつ回
転自在に軸支されている。また、このロータ１９は、ウ
エハ３の寸法と同等かもしくはこれより長く形成され、
ウエハ３の研磨時に図示しない駆動装置によって高速回
転（１０００ｒｐｍ程度）されるように構成されてい
る。

【００１２】ロータ１９の支持体２０は、同じく図示を
省略した例えばモータ等によって作動される等の公知の
水平移動機構によって図において左右方向に水平移動さ
れるように構成されている。また、支持体２０には、研
磨時にウエハ３とロータ１９との間に研磨剤２１を供給
する研磨剤ノズル２２と、純水２３を供給する純水ノズ
ル２４が取付けられ、ロータ１９と同期して移動するよ
うになっている。

【００１３】研磨剤２１としては、本実施の形態に示す
絶縁膜系の研磨の場合は、機械的な研磨成分としてコロ
イダルシリカが、化学的な成分としてｐＨ１０〜１１の
アルカリ溶媒（例：ＫＯＨ，アンモニア等）の混合液が
用いられる。

【００１４】純水ノズル２４は、純水２３を噴射してウ
エハ３上に残留する研磨剤２１と被研磨かすをある程度
除去するとともに、ウエハ表面をウエットな状態に保持
するために用いられる。

【００１５】このような構造からなる研磨装置１０にお
いて、ウエハ３の表面を研磨するには、ウエハ３が設置
されたステージ１１を上昇させてウエハ３の表面を研磨
パッド１８に所定圧にて押し付ける。この状態でロータ
１９を図１において時計方向に高速回転させながら右方
に水平移動させる。また、ステージ１１をロータ１９の
軸線方向に移動させる。そして、研磨剤ノズル２２から
研磨剤２１を、純水ノズル２４から純水２３をウエハ表
面にそれぞれ供給することによりウエハ表面を研磨す
る。

【００１６】ロータ１９は、駆動モータによって直接回
転させるか、もしくは歯車やベルトを用いて間接的に回
転させることで行なう。ただし、研磨パッド１８とウエ
ハ３との相対移動速度が１ｍ／ｓｅｃ以上となるように
回転数とロータ径を設定することが望ましい。

【００１７】研磨パッド１８に関しては、硬質のポリウ
レタン樹脂のように多孔質表面の露出するものが研磨剤
２１を捕獲し易いため好ましいが、同様の特長を有する
合成樹脂であれば素材は問わない。研磨終了後、研磨パ
ッド１８の改質処理は、前記コンディショニングブロッ
ク１７に研磨パッド１８を接触させてロータ１９を回転
させることによって行われる。

【００１８】図２は図１で示した研磨装置により配線メ
タル上に形成した絶縁層の表面を研磨する様子を示す断
面図である。同図において、３０はウエハ表面を覆う下
地絶縁層、３１は配線メタル層、３２は埋め込み絶縁層
である。絶縁層３２の研磨は１μｍ程度である。この場
合、本実施の形態においては被研磨材料として絶縁層３
２を示したが、金属、半導体等のいずれの材料に対して
も研磨剤２１の組成を変更することで可能である。研磨
の進行状況については、研磨面が上を向いていることか
ら、研磨進行中であっても観察することができる。例え
ば、絶縁膜３２の場合は、光学的な膜厚測定器により残
膜厚が測定でき、過不足のフィードバックが可能とな
る。また、金属の場合は、光学的な反射係数の変化で金
属の残留の有無を確認できる。当然のことではあるが、
目視でも観察可能である。

【００１９】本実施の形態においては、ＬＳＩ等が形成
されたウエハ（円形）を想定して説明したが、角形、不
定形の基板でも可能であり、当然その材質も問わない。
また、本実施の形態においては、ロータ１９を上にし、
ステージ１１を下にした構成を示したが、上下逆にした
り、あるいは適当な傾斜角で設置してもウエハ３の保持
が可能で、ウエハ３に対してロータ１９を圧接でき水平
に移動させることができれば、同様の効果が得られるこ
とはいうまでもない。さらに、ロータ１９の代わりにス
テージ１１を水平方向に移動させ、ロータ１９をウエハ
３に押し付けるようにしてもよい。さらに、上記した実
施の形態においては、ステージ１１をロータ１９の軸線
方向に移動させて研磨する例について説明したが、ロー
タ１９を軸線方向に移動させてもよい。このステージ１
１またはロータ１９の移動は、常にロータ１９の端部が
ウエハより外側に位置する状態の範囲内で往復移動する
ことが望ましい。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る研磨装
置は、半導体集積回路等の製造工程で発生するウエハ等
の基板上の段差を、機械的な研磨を行なう粒子と化学的
成分を有する溶媒との相互作用により研磨する研磨装置
において、前記基板を保持するステージと、軸線方向の
長さが基板寸法と同等もしくはこれより長い円柱状また
は円筒状に形成されて外周面に基板表面に接触する研磨
パッドを有し高速回転されるロータとを備え、このロー
タまたは前記ステージのいずれか一方を他方に対して平
行にロータの軸線方向と直交する方向に移動させて基板
表面を研磨するようにしているので、基板表面上の段差
の粗密度に依存せず研磨して平坦化させることができ
る。したがって、ＬＳＩ等の多層配線をはじめとする各
種パタンのレイアウトをデバイスの最適特性が得られる
ように設計することができ、設計の自由度を向上させる
ことができる。また、パタンの粗密度を一定にするため
のダミーパタンの形成も不要になることから、ダミーパ
タンの形成によるコストアップと特性低下を防止するこ
とができる。さらに、ロータの周面に設けられる研磨パ
ッドについては、その表面積を従来の回転定盤上に設置
する場合と比べて１／４以下とすることができ、著しい
コスト低減を図ることができる。さらに、将来の大型ウ
エハ（１０インチ以上）に対しても、ウエハ面積に比例
させて大きくさせる必要がなく、直径に比例して幅を広
げるだけでよいため、研磨パッドのコストの増加を抑制
できる。同様に、研磨剤の消費量に関しても、小さい研
磨パッドとウエハ上のみに研磨剤を供給すればよく、か
つその大半が研磨に寄与するため、研磨剤の使用量を抑
制でき、使用効率を著しく向上させることができる。研
磨表面に関しても、常に露出しているため、種々の評価
手段で直接研磨している面を観察することができること
から、研磨の過不足のフィードバックがその場で可能で
あり、安定した研磨プロセスを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る研磨装置の実施の形態を示す基
本構成図である。

【図２】 配線メタル上に形成した絶縁層の表面を研磨
する様子を示す断面図である。

【図３】 従来の研磨装置を示す図である。

【符号の説明】

１…研磨パッド、２…定盤、３…ウエハ、１１…ステー
ジ、１４…定盤、１８…研磨パッド、１９…ロータ、２
０…支持体、２１…研磨剤、２２…研磨剤ノズル、２３
…純水、２４…純水ノズル。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体集積回路等の製造工程で発生する
   ウエハ等の基板上の段差を、機械的な研磨を行なう粒子
   と化学的成分を有する溶媒との相互作用により研磨する
   研磨装置において、 前記基板を保持するステージと、軸線方向の長さが基板
   寸法と同等もしくはこれより長い円柱状または円筒状に
   形成されて外周面に基板表面に接触する研磨パッドを有
   し高速回転されるロータとを備え、このロータまたは前
   記ステージのいずれか一方を他方に対して平行にロータ
   の軸線方向と直交する方向に移動させて基板表面を研磨
   することを特徴とする研磨装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の研磨装置において、 研磨パッドを多孔質の合成樹脂で構成したことを特徴と
   する研磨装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の研磨装置におい
   て、 ロータまたはステージのいずれか一方を垂直方向に移動
   させる機構を備えたことを特徴とする研磨装置。
4. 【請求項４】 請求項１，２または３記載の研磨装置に
   おいて、 ロータまたはステージのいずれか一方をロータの軸線方
   向に移動させる機構を備えたことを特徴とする研磨装
   置。
5. 【請求項５】 請求項１，２または３記載の研磨装置に
   おいて、 ロータまたはステージの少なくともいずれか一方に機械
   的かつ化学的成分を含有する研磨剤を滴下させるノズル
   を備えたことを特徴とする研磨装置。