JPH10109263A - 化学的機械研磨方法及び化学的機械研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 研磨スラリの使用量削減と、マイクロスクラ
ッチの防止及び研磨レートや面内研磨量の安定化を同時
に実現することが可能な化学的機械研磨方法及び化学的
機械研磨装置を提供する。 【解決手段】 研磨パッド２と、研磨パッド２をドレッ
シングするドレッシング用工具１０と、研磨スラリ供給
装置７とを具備し、段差を有するウェハ４を研磨パッド
２に押圧させて、化学的機械研磨により平坦化を行う化
学的機械研磨装置において、ドレッシング用工具１０
は、ローラ部材１２の外周面に、複数の長尺状のドレッ
サー１３と、弾性材料からなる複数の長尺状のへら１４
とを、交互に設けたものである。ドレッシング用工具１
０を研磨パッド２上に押圧回転させ、ドレッサー１３に
よる研磨パッド２をドレッシングする工程と、へら１４
による研磨パッド２上に残留する不純物を払い出す工程
とを、交互に施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学的機械研磨方
法及び化学的機械研磨装置に関し、特に、半導体装置の
製造工程中に行われる、層間絶縁膜等が形成された被処
理基板の平坦化に用いて好適な化学的機械方法及び化学
的機械研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年における半導体装置の設計ルールの
微細化に伴って、リソグラフィーの解像度を上げる努力
がなされているが、解像度を上げることにより焦点深
度、いわゆるＤＯＦ（Ｄｅｐｔｈ Ｏｆ Ｆｏｃｕｓ)
は、むしろ低下せざるを得ない状況となってきている。
このＤＯＦの改善はレジストの性能改善を待たなければ
ならないが、実際はレジストの改善より微細化要求の方
が先行しているのが現在の実状である。そこで、デバイ
ス構造の高低差をできるだけ平坦化しておくことでこの
焦点深度の不足を補い、微細なパターンを焦点ズレさせ
ずに確実に解像させる方法が検討されている。そこで、
デバイス構造の高低差を平坦化する方法として、最近で
は、シリコンウェハの鏡面化加工を応用した化学的機械
研磨方法が採用さている。

【０００３】図７はこの化学的機械研磨を行うための、
従来の化学的機械研磨装置を示す概略断面図である。こ
の装置は、回転する研磨プレート回転軸１に支承され、
表面に研磨パッド２が接着された研磨プレート３と、層
間絶縁膜等が形成された被処理基板４（以下、ウェハと
称する）を保持するキャリア５と、研磨スラリを研磨パ
ッド２上に供給するノズル６を有する研磨スラリ供給装
置７とから概ね構成されている。そして、研磨パッド２
を不図示のドレッサーによりドレッシング（研削）した
後に、研磨プレート回転軸１及びキャリア回転軸８を回
転させ、ノズル６から研磨パッド２の中央部に研磨スラ
リを供給しながら、研磨圧力調整機構９によりウェハ４
を研磨パッド２上に押圧させて、ウェハ４の研磨を行う
ものである。

【０００４】ところで、このような化学的機械研磨方法
では、ウェハの絶縁膜にマイクロスクラッチが生じるこ
と及び研磨レートのばらつきや研磨量の面内ばらつきが
大きいことが問題となっている。マイクロスクラッチの
発生については、研磨パッド２のドレッシング時に発生
する研磨パッド２の削り屑やドレッサーのダイヤ，層間
膜，ウェハ４の破片屑等が原因の一つと推定される。ま
た、研磨レートのばらつきや研磨量の面内ばらつきが大
となる原因は、一度研磨に寄与した古い研磨スラリの残
留が原因の一つと推定されており、これらの、研磨パッ
ドの削り屑やドレッサーのダイヤ，層間膜，ウェハの破
片屑や古い研磨スラリ等（以下、これらを総称して不純
物とも表記する）を研磨パッド２外へ排出する必要があ
る。

【０００５】そこで、上記した従来の化学的機械研磨装
置においては、研磨作業中研磨スラリを研磨パッド２の
中央部に間断なく十分に流し出し、不純物をこの研磨ス
ラリにより研磨パッド２外へ除去あるいは押し流すとい
う対策を採っていた。しかしながら、このような、不純
物を研磨スラリにより除去するという手法は、高価な研
磨スラリを多量に消費することとなり、化学的機械研磨
の低コスト化が困難であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明が解決
しようとする課題は、従来のような多量の研磨スラリ供
給によらずに、研磨パッド上に残留した不純物を効率よ
く確実に除去し、研磨スラリの使用量削減と、マイクロ
スクラッチの防止及び研磨レートや面内研磨量の安定化
を同時に実現することが可能な化学的機械研磨方法及び
化学的機械研磨装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の化学的機械研磨方法は、段差を有する被処
理基板表面を研磨パッドに押圧させて、化学的機械研磨
により平坦化を行う化学的機械研磨工程と、研磨パッド
をドレッシングするドレッシング工程とを有する化学的
機械研磨方法において、ドレッシング工程と、研磨パッ
ド上に残留する不純物を払い出す不純物除去工程とを、
交互に施すことを特徴とする。

【０００８】また、本発明の化学的機械研磨装置は、回
転駆動される研磨パッドと、研磨パッドをドレッシング
するドレッシング手段と、研磨パッド上に研磨スラリを
供給する研磨スラリ供給手段とを具備し、段差を有する
被処理基板表面を研磨パッドに押圧させて、化学的機械
研磨により平坦化を行う化学的機械研磨装置において、
ドレッシング手段は、ローラ部材の外周面に、複数の長
尺状のドレッサーと、弾性材料からなる複数の長尺状の
へらとを、交互に設けたものであることを特徴とする。

【０００９】なお、ここでいう不純物とは、研磨パッド
上に残留していると被処理基板の研磨に不具合を生じさ
せる、研磨パッドの削り屑やドレッサーのダイヤ，層間
膜，ウェハの破片屑や古い研磨スラリ等を指している。

【００１０】上記の化学的機械研磨方法及び化学的機械
研磨装置によれば、ローラ部材の外周面に、複数の長尺
状のドレッサーと、弾性材料からなる複数の長尺状のへ
らとを、交互に設けた構成のドレッシング手段により研
磨パッドのドレッシングを行うことにより、ドレッサー
による研磨パッドのドレッシング工程と、へらによる研
磨パッド上に残留した不純物を払い出す不純物除去工程
とが、交互に施されるので、不純物を研磨パッド外へ排
出することができ、被処理基板と研磨パッドの界面に常
に新鮮な研磨スラリを供給することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。なお、図中の構成要素で、従来の
技術と同様の構成をなしているものについては、同一の
参照符号を付すものとする。

【００１２】実施の形態例１ 図１は本発明の実施の形態例１に係る化学的機械研磨装
置を示す概略平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図
３はドレッシング用工具を示す外観斜視図である。

【００１３】まず、図１ないし図３を参照して、化学的
機械研磨装置の構成について説明する。この化学的機械
研磨装置は、回転する研磨プレート回転軸１に支承さ
れ、表面に研磨パッド２が接着された研磨プレート３
と、回転するキャリア回転軸８に支承されるとともに、
ウェハ４を保持するキャリア５と、研磨スラリを研磨パ
ッド２の上に供給するノズル６を有する研磨スラリ供給
装置７と、研磨パッド２の直径と略等しいか、直径より
若干大の長さを有しており、研磨パッド２の略中央に配
置されたドレッシング用工具１０とから概ね構成されて
いる。なお、キャリア回転軸８にはウェハ４を研磨パッ
ド２へ押圧させる研磨圧力調整機構９が接続されてい
る。研磨パッド２は、発泡ポリウレタン等を用いること
ができる。

【００１４】ドレッシング用工具１０は、図３に示すよ
うに、回転軸１１を有するローラ部材１２の外周面に、
支持部の先端にダイアモンド粒等の微小研削刃を持つ長
尺状のドレッサー１３と、同じく長尺状のへら１４と
を、交互に回転軸１１と平行に設けたものである。この
ドレッシング用工具１０は、ローラ部材１２にドレッサ
ー１３及びへら１４を植設するか、ローラ部材１２の外
周面にドレッサー１３及びへら１４を接着剤により接着
することにより作製される。また、ローラ部材１２と、
ドレッサー１３の支持部及びへら１４とを、同一材料で
削り出した後に、支持部の先端にダイアモンド粒等を接
着することにより作製してもよい。このドレッシング用
工具１０には、いずれも図示を省略した、加圧機構、回
転機構及び移動機構が接続されている。へら１４は、例
えば、薄い鋼等の弾性材料又はガラスで構成されるが、
へら１４の全体あるいは先端部は、研磨パッド２を変形
させるが削らない程度の硬度を有する硬質ゴム等で構成
することが望ましい。また、へら１４の先端はテーパ状
に形成する。これにより、ドレッサー１３により研磨パ
ッド２に形成された目立て層２ａの形状を損なわずに不
純物の排出が可能となる。

【００１５】図３では、ドレッサー１３とへら１４と
を、ローラ部材１２の外周面に１本ずつ交互に計６本設
けているが、ドレッサー１３とへら１４とを２対１、１
対２または２対２で組み合わせたものを１組として、こ
の組をローラ部材１２の外周面に任意の数設けてもよ
い。また、ドレッサー１３とへら１４とをローラ部材１
２の外周面に螺旋状に設けてもよい。この場合、研磨パ
ッド２のドレッシング時及びウェハ４の化学的機械研磨
時に研磨パッド２上に残留した不純物を、この螺旋に沿
って細長いローラ部材１２の一方、即ち研磨パッド２の
外周部に効率的に運び出すことが可能となる。

【００１６】研磨工程中、キャリア５に保持されたウェ
ハ４は、研磨パッド２上に配置されたドレッシング用工
具１０に対し、ドレッシング用工具１０の回転方向の上
流側の空き領域に位置させることが望ましい。これと反
対側の空き領域にてウェハ４を研磨することも可能だ
が、へら１４により払い出された不純物が混入する虞が
あり、好ましくない。

【００１７】ここで用いる研磨スラリ供給装置７のノズ
ル６は、研磨パッド２の半径方向に並ぶ複数の研磨スラ
リ供給口、または研磨パッド２の半径方向に伸びるスリ
ット状の研磨スラリ供給口を有するものであれば、研磨
均一性の点で有効である。

【００１８】次に、上記構成の化学的機械研磨装置の動
作について説明する。研磨プレート３に接着された研磨
パッド２は、研磨プレート回転軸１を中心に不図示の駆
動源により、例えば５０ｒｐｍの回転速度で回転してい
る。ドレッシング用工具１０は、研磨パッド２上に例え
ば、１０Ｋｇｆの押し付け力で押圧され、６０ｒｐｍの
回転速度で回転し、ドレッサー１３により研磨パッド２
上にざらざらの状態の目立て層２ａを形成する工程と、
その直後に、へら１４により研磨パッド２上に残留して
いる研磨パッド２の削り屑や古い研磨スラリ等の不純物
を払い出す工程を交互に行う。符号２０はへら１４によ
り払い出された不純物を示す。これにより、不純物の残
らないざらざら状態の目立て層２ａが形成される。

【００１９】上記ドレッシング中に、研磨スラリが研磨
スラリ供給装置７から送り出され、ノズル６より研磨パ
ッド２上に例えば毎分１００ｃｃの流量で噴出される。
研磨スラリ供給時には、ノズル６を揺動させ、研磨スラ
リを研磨パッド２上に均一に噴出すると、研磨均一性を
さらに改善することができる。符号１５は研磨パッド２
上に供給された研磨スラリを示す。ウェハ４は、研磨圧
力調整機構９により例えば、８ＰＳＩの圧力で研磨パッ
ド２へ押圧されており、キャリア回転軸８を、例えば５
０ｒｐｍの回転速度で回転させることにより、ウェハ４
の化学的機械研磨を行う。

【００２０】以上は、ドレッシングと同時にウェハ４の
研磨を行う同時ドレス方式の例であるが、ドレッシング
後にウェハの研磨を行うインターバルドレス方式を採用
してもよい。図４はインターバルドレス方式のドレッシ
ング時の状態を示す概略平面図である。まず、キャリア
５及びノズル６を研磨パッド２上から退避させた状態
で、ドレッシング用工具１０を研磨パッド２上に押圧回
転させながら矢印Ｘ方向に研磨パッド２の端まで移動さ
せ、研磨パッド２表面のドレッシング及び不純物除去を
行う。次に、ノズル６より研磨スラリを供給し、ウェハ
４を研磨パッド２に押圧回転させて化学的機械研磨を行
う。

【００２１】上記形態例によれば、研磨パッド２の削り
屑や一度研磨に寄与し砕けた研磨粒子を、ウェハ４の研
磨と同時あるいは事前に研磨パッド２上から取り除くこ
とができるため、研磨レートを低下させずに研磨が可能
である。また、ドレッサー１３で削り取られた研磨パッ
ド２の破片をウェハ４内に持ち込むことがないので、研
磨によってウェハ４にマイクロスクラッチを発生させる
ことを防止できる。

【００２２】実施の形態例２ 図５は実施の形態例２に係る化学的機械研磨装置を示す
概略平面図であり、図６は図５のＢ−Ｂ線断面図であ
る。

【００２３】この化学的機械研磨装置は、ドレッシング
用工具１６の長さが研磨パッド２の半径と略等しいか、
半径より若干大である点を除いて、上記した実施の形態
例１の化学的機械研磨装置と同様の構成であるため、重
複する部分の説明は省略する。図５に示すように、研磨
パッド２の半径と略同じ長さを有するドレッシング用工
具１６は、研磨パッド２の中央から半径方向に向けて配
置されており、いずれも図示を省略した加圧機構と回転
機構が接続されている。ウェハ４の研磨時には、研磨パ
ッド２上のドレッシング用工具１６に対し、ドレッシン
グ用工具１６の回転方向の上流側にウェハ４を位置させ
る。さらに、研磨パッド２上の他の領域、例えばドレッ
シング用工具１６の延長線上に他のウェハ４ａを位置さ
せてもよい。

【００２４】次に、この化学的機械研磨装置の動作につ
いて説明する。上記の実施の形態例１と同様に、研磨プ
レート回転軸１を駆動し、研磨パッド２を回転させる。
ドレッシング用工具１６は、研磨パッド２上に例えば、
１０Ｋｇｆの押し付け力で押圧され、６０ｒｐｍの回転
速度で回転し、ドレッサー１３により研磨パッド２上に
ざらざらの状態の目立て層２ａを形成する工程と、その
直後に、へら１４により研磨パッド２上に残留する不純
物を払い出すという工程とを交互に行う。これにより、
不純物の残らないざらざら状態の目立て層２ａが形成さ
れる。上記ドレッシング中に研磨スラリをノズル６から
噴出すると同時に、ウェハ４，４ａを研磨圧力調整機構
９により例えば、８ＰＳＩの圧力で研磨パッド２へ押圧
し、キャリア回転軸８を、例えば５０ｒｐｍの回転速度
で回転させることにより、ウェハ４，４ａの化学的機械
研磨を行う。

【００２５】以上は、ドレッシングと同時にウェハの研
磨を行う同時ドレス方式の例であるが、ドレッシング後
にウェハの研磨を行うインターバルドレス方式を採用し
てもよい。つまり、図５において、まずキャリア５及び
ノズル６を研磨パッド２上から退避させた状態で、ドレ
ッシング用工具１６を押圧回転させながら、研磨パッド
２を１回転以上回転させて研磨パッド２表面のドレッシ
ング及び不純物の除去を行う。次に、研磨パッド２を回
転させた状態で研磨スラリを供給し、ウェハ４を押圧回
転させて研磨を行う。

【００２６】この形態例によれば、ドッレシング用工具
１６の長さが研磨パッド２の半径と略等しいため、ウェ
ハの複数枚の同時研磨が可能である。また、実施の形態
例１と同様に、研磨パッド２の削り屑や一度研磨に寄与
し砕けた研磨粒子を取り除くことができる。

【００２７】なお、上記の形態例では、インターバルド
レス方式において、ウェハの研磨の前に研磨パッドのド
レッシングを行ったが、研磨の後にドレッシングを行っ
てもよい。また、本発明は、層間絶縁膜が形成された被
処理基板の平坦化に限定されるものではなく、他の金属
配線、ポリシリコン膜等の平坦化にも適用できる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、ドレッシング時に発生
した研磨パッドの削り屑を即座に確実に除去できるの
で、ウェハ研磨時に削り屑を持ち込むことにより発生す
るマイクロスクラッチの発生を防止できる。また、一度
研磨に寄与して砕けた研磨粒子やウェハの研磨破片も同
時に除去できるので、常に新鮮な研磨スラリでウェハを
研磨することができ、研磨レートや面内研磨量が安定化
する。同時に、供給された新鮮な研磨スラリが有効に研
磨に寄与するため、研磨レートの安定化及び高研磨レー
トがより少ないスラリ流量で可能となる。

【００２９】従って、研磨スラリの使用量を削減すると
同時に、高品質及び高生産性が可能な化学的機械研磨方
法及び化学的機械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】 本発明の実施の形態例１に係る化学的機械研
磨装置を示す概略平面図。

【図２】 図１のＡ−Ａ線断面図。

【図３】 図１のドレッシング用工具を示す外観斜視
図。

【図４】 インターバルドレス方式のドレッシング時の
状態を示す概略平面図。

【図５】 本発明の実施の形態例２に係る化学的機械研
磨装置を示す概略平面図。

【図６】 図５のＢ−Ｂ線断面図。

【図７】 従来の化学的機械研磨装置を示す概略断面
図。

【符号の説明】

１…研磨プレート回転軸、２…研磨パッド、２ａ…目立
て層、３…研磨プレート、４，４ａ…ウェハ、５…キャ
リア、６…ノズル、７…研磨スラリ供給装置、８…キャ
リア回転軸、９…研磨圧力調整機構、１０，１６…ドレ
ッシング用工具、１２…ローラ部材、１３…ドレッサ
ー、１４…へら、１５…研磨スラリ、２０…不純物

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 段差を有する被処理基板表面を研磨パッ
   ドに押圧させて、化学的機械研磨により平坦化を行う化
   学的機械研磨工程と、 前記研磨パッドをドレッシングするドレッシング工程と
   を有する化学的機械研磨方法において、 前記ドレッシング工程と、 前記研磨パッド上に残留する不純物を払い出す不純物除
   去工程とを、交互に施すことを特徴とする化学的機械研
   磨方法。
2. 【請求項２】 前記ドレッシング工程と前記不純物除去
   工程は、前記化学的機械研磨工程と同時に行うことを特
   徴とする請求項１記載の化学的機械研磨方法。
3. 【請求項３】 前記ドレッシング工程と前記不純物除去
   工程は、前記化学的機械研磨工程の前又は後に行うこと
   を特徴とする請求項１記載の化学的機械研磨方法。
4. 【請求項４】 回転駆動される研磨パッドと、 前記研磨パッドをドレッシングするドレッシング手段
   と、 前記研磨パッド上に研磨スラリを供給する研磨スラリ供
   給手段とを具備し、 段差を有する被処理基板表面を前記研磨パッドに押圧さ
   せて、化学的機械研磨により平坦化を行う化学的機械研
   磨装置において、 前記ドレッシング手段は、 ローラ部材の外周面に、複数の長尺状のドレッサーと、
   弾性材料からなる複数の長尺状のへらとを、交互に設け
   たものであることを特徴とする化学的機械研磨装置。
5. 【請求項５】 前記ドレッシング手段は、前記研磨パッ
   ドの直径以上の長さを有することを特徴とする請求項４
   記載の化学的機械研磨装置。
6. 【請求項６】 前記ドレッシング手段は、前記研磨パッ
   ドの半径以上の長さを有することを特徴とする請求項４
   記載の化学的機械研磨装置。
7. 【請求項７】 前記ドレッサーと前記へらとを、前記ロ
   ーラ部材の外周面に、前記ローラ部材の軸と平行に設け
   たことを特徴とする請求項４ないし６いずれか１項記載
   の化学的機械研磨装置。
8. 【請求項８】 前記ドレッサーと前記へらとを、前記ロ
   ーラ部材の外周面に、螺旋状に設けたことを特徴とする
   請求項４ないし６いずれか１項記載の化学的機械研磨装
   置。
9. 【請求項９】 前記へらの少なくとも先端部は、前記研
   磨パッドを削らない程度の硬度を有する材料からなるこ
   とを特徴とする請求項４ないし６いずれか１項記載の化
   学的機械研磨装置。
10. 【請求項１０】 前記へらの先端部を、テーパ状に形成
    したことを特徴とする請求項４ないし６いずれか１項記
    載の化学的機械研磨装置。
11. 【請求項１１】 前記研磨スラリ供給手段は、前記研磨
    パッドの半径方向に並ぶ複数の研磨スラリ供給口または
    前記研磨パッドの半径方向に伸びるスリット状の研磨ス
    ラリ供給口を有することを特徴とする請求項４記載の化
    学的機械研磨装置。