JPH1015810A

JPH1015810A - 化学機械研磨方法および装置

Info

Publication number: JPH1015810A
Application number: JP19390796A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Miyazaki; 恭一宮崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-07-04
Filing date: 1996-07-04
Publication date: 1998-01-20

Abstract

(57)【要約】【課題】円錐研磨パッドを用いて、被加工物の被研磨
面との研磨当接部を直線状とし、研磨スラリーを効率良
く供給でき、被加工物の被研磨面を高精度に均一な研磨
を行なうことを可能にする。【解決手段】研磨ヘッド２に取り付けられた円錐研磨
パッド５を比較的大径の基板Ｗの被研磨面に当接させ
て、両者の研磨当接部Ｃを直線状となし、この研磨当接
部Ｃに供給ノズル３から研磨スラリーを供給しながら、
研磨ヘッド２および基板Ｗをそれぞれの軸芯の回りに回
転させて、化学機械研磨を行なう。また、研磨ヘッド２
と基板Ｗの回転速度の比率をＲｗ／Ｒｐと設定すると、
両者の研磨相対速度を当接部Ｃ全体にわたって一定にす
ることができ、被研磨面を均一に高精度な研磨を行なう
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウエハ等の基板を
高精度に研磨するための化学機械研磨方法および研磨装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスにおいては、超微細化や
高段差化が進み、これに伴なって、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｉ
ｎＰ等の半導体ウエハ、あるいは表面上に複数の島状の
半導体領域が形成された石英やガラス基板等が用いら
れ、これらはいずれもフォトリソグラフィによりパター
ニングされた配線や絶縁領域を形成するために、高精度
の平坦面が要求されるものであり、その表面には絶縁膜
または金属膜或いはそれらが混在した面となっている。
そしてこれらのウエハ等の基板を高精度に平坦化するた
めの加工手段としては、化学機械研磨（ＣＭＰ）方式が
知られている。

【０００３】化学機械研磨（ＣＭＰ）を実施する装置と
しては、図６に示すような装置が用いられている。この
種の化学機械研磨装置は、比較的大径の研磨パッド１０
２が取り付けられた回転テーブル１０１と、被加工物で
あるウエハ等の基板１０４を下面に着脱自在に保持する
被加工物保持体１０３と、研磨パッド上に研磨スラリー
（研磨剤）１０７を供給する研磨スラリー供給ノズル１
０６とを備え、基板１０４を研磨パッド１０２に当接さ
せて、所定の加工圧を与えるように研磨パッド１０２に
押し付けた状態で、回転テーブル１０１を回転させると
ともに、被加工物保持体１０３をも回転や直線運動を行
なわせ、さらに同時に研磨パッド１０２と基板１０４と
の間に研磨スラリーを供給しつつ化学機械研磨を行なう
ように構成されている。

【０００４】また近年、図７に示すような部分的化学機
械研磨装置も開発されており、この化学機械研磨装置
は、比較的大径のウエハ等の基板２０２を着脱自在に保
持する回転テーブル２０１と、基板２０２に比して小径
の研磨パッド２０４を取り付けた研磨ヘッド２０３と、
回転テーブル２０１に保持された基板２０２上に研磨ス
ラリー（研磨剤）２０７を供給する研磨スラリー供給ノ
ズル２０６とを備え、研磨パッド２０４を基板２０２に
当接させて、所定の加工圧を与えるように研磨パッド２
０４を押し付けた状態で、回転テーブル２０１を高速で
回転させるとともに、研磨ヘッド２０３を回転や直線運
動を行なわせ、さらに同時に基板２０２と研磨パッド２
０４との間に研磨スラリーを供給しつつ化学機械研磨を
行なうように構成されている。

【０００５】そして、化学機械研磨（ＣＭＰ）に使用さ
れる研磨スラリーとしては、微粒子を含む液体が用いら
れ、微粒子としては、シリカ（ＳｉＯ₂ ）、アルミナ
（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、酸化マンガン（ＭｎＯ₂ ）、酸化セリ
ウム（ＣｅＯ）等があり、液体としては、ＮａＯＨ、Ｋ
ＯＨ、Ｈ₂ Ｏ₂ 等が用いられており、これらの研磨スラ
リーは、基板の研磨表面に応じて適宜選択されて使用さ
れ、例えば、半導体表面の研磨においては、シリカ分散
水酸化ナトリウム溶液が用いられ、シリコン表面がＮａ
ＯＨと反応して反応生成物であるＮａ₂ ＳｉＯ₃ 層を作
り、これをシリカと研磨パッドによる機械的研磨により
除去し、新たなシリコン表面を露出させることで反応を
進行させることによって、半導体表面を高精度に平坦化
するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、化学機械研
磨においては、その研磨量Ｐは研磨時間と圧力と相対速
度に関連するものであり、すなわち、研磨量Ｐは次の式
で示されることが知られている。

【０００７】Ｐ＝ｋ・ｐ・ｖ・ｔ ……………（１）但し、ｋ：加工条件により定まる定数ｐ：加工圧ｖ：相対速度ｔ：加工時間したがって、加工圧や相対速度を確実に制御することに
より、ウエハ等の基板を均一な面形状や均一な膜厚に研
磨することができるところであるが、上述のような研磨
装置においては、回転テーブルを中心軸線を軸として回
転させているために、回転テーブルの中心部とその外周
部付近では速度差が大きく、そのために回転テーブルに
対向した被加工物保持体や研磨ヘッドを自転および公転
させるとともに被加工物保持体や研磨ヘッドに直線運動
を付与するなどして、被加工物である基板表面と研磨パ
ッドの全ての当接面において相対速度を一定に制御する
ように種々の工夫がなされている。しかし、上述した装
置においては、複雑な機構や構造を必要とし、また基板
表面と研磨パッドの当接面全ての相対速度を一定に制御
することは困難であった。

【０００８】また、化学機械研磨方式においては、研磨
パッドと被加工物である基板表面との当接面に前述した
ような研磨スラリーを供給することが重要な事項である
けれども、上述した化学機械研磨装置においては、研磨
スラリーは、供給ノズルを通して回転テーブルに取り付
けられた研磨パッドあるいは基板上であって研磨パッド
と基板の当接面の外部に供給されている。したがって、
研磨スラリーは研磨パッドあるいは基板の回転に伴ない
拡散し、その供給された一部の研磨スラリーが基板と研
磨パッドの間の当接面に潜り込み、この当接面に潜り込
んだ研磨スラリーのみが化学機械研磨作用に寄与してい
る。このように、上述した化学機械研磨装置における研
磨スラリーの供給方式では、研磨スラリーは供給された
量のうち、研磨パッドと基板の当接面に潜り込んだ一部
のみが化学機械研磨作用に寄与するものであり、しかも
研磨パッドと基板の当接面に潜り込んだ研磨スラリーも
基板や研磨パッドの下を直ちに通過してしまい、また基
板と研磨パッドの当接面の中心部分に研磨スラリーが充
分に行きわたらずに当接面の中心部分の研磨が不充分と
なる等、研磨スラリーの一様な供給が効率的にされない
という問題点があった。

【０００９】そこで、本発明は、上記の技術の有する未
解決の課題に鑑みてなされたものであって、研磨スラリ
ーを効率良く供給することができるようになし、そして
簡単な構造により基板表面と研磨パッドとの接触部分の
相対速度を一定として、基板表面を均一に高精度な研磨
を行なうことができる化学機械研磨方法および研磨装置
を実現することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の化学機械研磨方法は、研磨ヘッドに取り付
けられた円錐研磨パッドを被加工物の被研磨面に所定の
加工圧を与えた状態で当接させ、前記円錐研磨パッドと
被研磨面の直線状の当接部に研磨スラリーを供給しつ
つ、前記円錐研磨パッドの回転と前記被加工物の回転に
より研磨を行なうことを特徴とする。

【００１１】そして、本発明の化学機械研磨方法は、円
錐研磨パッドの回転速度（角速度）を、前記円錐研磨パ
ッドと被研磨面の直線状の当接部の全ての部位における
相対速度が同一となるように設定することが好ましい。

【００１２】また、本発明の化学機械研磨方法は、円錐
研磨パッドの稜線の長さを被加工物の半径の長さに等し
くすることができ、あるいは、円錐研磨パッドの稜線の
長さを被加工物の半径の長さより短いものとし、前記円
錐研磨パッドを直線往復運動させて研磨を行なうことも
できる。

【００１３】さらに、本発明の化学機械研磨方法は、研
磨スラリーを円錐研磨パッドと被研磨面の直線状の当接
部に向けて直接供給することもできる。

【００１４】そして、本発明の化学機械研磨装置は、被
加工物を着脱自在に保持して回転する回転テーブルと、
円錐研磨パッドを前記回転テーブルに対向して有し、回
転可能に軸支された研磨ヘッドと、前記回転テーブルに
保持された被加工物の上に研磨スラリーを供給する供給
ノズルとからなり、前記円錐研磨パッドを被加工物の被
研磨面に所定の加工圧を与えた状態で直線状に当接さ
せ、前記供給ノズルから研磨スラリーを供給しつつ、前
記回転テーブルおよび前記研磨ヘッドの回転により研磨
を行なうようになしたことを特徴とする。

【００１５】また、本発明の化学機械研磨装置は、円錐
研磨パッドの回転速度（角速度）を、前記円錐研磨パッ
ドと被研磨面の直線状の当接部の全ての部位における相
対速度が同一となるように設定することが好ましい。

【００１６】また、本発明の化学機械研磨装置は、円錐
研磨パッドの稜線の長さを被加工物の半径の長さに等し
くすることができ、あるいは、円錐研磨パッドの稜線の
長さを被加工物の半径の長さより短いものとし、前記円
錐研磨パッドを直線往復運動しうるように構成すること
もできる。

【００１７】さらに、本発明の化学機械研磨装置は、研
磨スラリーを円錐研磨パッドと被研磨面の直線状の当接
部に向けて直接供給しうるように供給ノズル列を前記当
接部に接近して配置することもできる。

【００１８】

【作用】本発明の化学機械研磨方法および装置によれ
ば、円錐研磨パッドを被加工物の被研磨面に当接させ
て、研磨当接部を直線となし、円錐研磨パッドと被加工
物の両者を回転駆動させることによって化学機械研磨を
行なうものであって、研磨スラリーを当接部全体にわた
って充分に供給することができ、簡単な構造により高精
度な研磨を可能とする。

【００１９】さらに、円錐研磨パッドの稜線（母線）の
長さを被加工物の被研磨面の半径の長さに等しくし、円
錐研磨パッドと被研磨面の回転速度比（角速度比）を調
整することにより両者の加工相対速度を当接部全体にわ
たって一定とすることができるために、被研磨面全体に
おいて均一な研磨を高精度に行なうことができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明するに、本発明の化学機械研磨装置は、図１に
示すように、比較的大径のウエハ等の基板Ｗを着脱自在
に保持して回転する回転テーブル１と、この回転テーブ
ル１の上方で回転テーブル１に対向して配設され、回転
可能に軸支された研磨ヘッド２と、回転テーブル１に保
持された基板Ｗの上に研磨スラリー（研磨剤）を供給す
るためのスラリータンク４に連通された供給ノズル３と
を備えている。研磨ヘッド２は、円柱体２ａと円柱体２
ａを底面とする円錐体２ｂとからなり、円錐研磨パッド
５が円錐形状に形成される。そして、研磨ヘッド２の回
転軸芯は回転テーブル１の表面に対して円錐体２ｂの頂
角の１／２の角度に傾斜した姿勢で支持され、研磨ヘッ
ド２は、図１および図２に示すように、軸支された状態
で研磨ヘッドの中心軸芯の回りに図示しない回転駆動手
段により高速で回転駆動される。したがって、円錐研磨
パッド５の回転テーブル１上の基板Ｗに対する当接は、
図１および図２に示すように、直線状の線接触でなされ
る。

【００２１】次に、被加工物である基板Ｗと円錐研磨パ
ッド５の直線状の当接部Ｃにおけるそれぞれの速度分布
を検討するに、回転テーブル１の半径、すなわち基板Ｗ
の半径をＲｗ、その角速度をＮｗとし、研磨ヘッド２の
半径をＲｐ、角速度をＮｐとして、基板Ｗと円錐研磨パ
ッド５の回転方向を図１および図２に示すように設定す
ると、基板Ｗの表面周速度に関しては、図３の（ａ）、
（ｃ）および（ｅ）に示すように、基板Ｗの中心（すな
わち、回転テーブル１の中心）からの距離に比例して増
大し、基板Ｗの最外周部ではＮｗ×Ｒｗの最大速度とな
る。一方、円錐研磨パッド５の表面周速度は、同じく図
３の（ａ）等に示すように、円錐体２ｂの頂点部（すな
わち、基板Ｗの最外周部に対応する部位）において０で
あり、円錐体２ｂの回転中心からの距離に比例して増大
し、基板Ｗの中心に対応する部位で最大速度Ｎｐ×Ｒｐ
となる。したがって、例えば、研磨ヘッド２の角速度Ｎ
ｐをＮｐ＝Ｎｗ×Ｒｗ／Ｒｐと設定すると、研磨パッドと基板のそれぞれの速度分布
は図３の（ａ）に示すようになる。そして、この状態に
おける両者の速度分布を合成して、両者の相対速度をみ
ると、図３の（ｂ）に示すように、基板の半径方向の当
接部のどの部分においても相対速度は一定になる。

【００２２】したがって、研磨ヘッド２を上記のような
構成とすることによって、ウエハ等の基板Ｗの研磨を次
のように行なうことができる。研磨ヘッド２は、その回
転軸芯が回転テーブル１に対して円錐体２ｂの頂角の１
／２の角度に傾斜した状態で支持されており、その円錐
研磨パッド５を回転テーブル１に保持された基板Ｗに対
して所定の加工圧を付与して当接させ、回転テーブル１
を回転させるとともに、研磨円錐パッド５を図示しない
回転駆動手段により傾斜した回転軸芯の回りに回転さ
せ、同時にスラリータンク４に連通した供給ノズル３か
ら研磨スラリーを供給しつつ化学機械研磨を行なう。円
錐研磨パッド５と基板Ｗとの当接部Ｃが直線状であるた
めに、供給ノズル３から供給される研磨スラリーは両者
の当接部Ｃに充分に供給することができ、安定した研磨
を行なうことができる。

【００２３】そして、円錐研磨パッド５の稜線（母線）
の長さを基板の半径Ｒｗと同じ長さに設定し、かつ研磨
ヘッド２の角速度ＮｐをＮｐ＝Ｎｗ×Ｒｗ／Ｒｐとなる
ように設定することによって、円錐研磨パッド５と基板
Ｗとの当接部Ｃは図１および図２に示すように直線状
で、かつ両者の当接部Ｃの相対速度は前記したように基
板の半径方向の当接部の全ての位置において一定とな
り、上記の式（１）にみられるように、加工圧ｐおよび
加工時間ｔを一定に保持すれば、その研磨量Ｐは常に一
定となる。したがって、研磨スラリーが両者の当接部に
充分に供給されるとともに、研磨ヘッド２を回転テーブ
ル１の半径方向に特に移動させることなく、図１に示し
た位置に固定した状態で回転させるという簡単な構造に
より、均一でかつ安定した研磨を行なうことができる。

【００２４】さらに、研磨スラリーの供給に関して、本
発明においては、円錐研磨パッド５と基板Ｗとの当接部
Ｃが直線状であるために、図１に示した研磨スラリーの
供給方式であっても、前述したように、研磨スラリーを
両者の当接部Ｃに充分に供給することができ、安定した
研磨を行なうことができるものであるけれども、円錐研
磨パッド５と基板Ｗとの当接部Ｃが一定の位置で直線状
であることから、図４に示すように、円錐研磨パッド５
と基板Ｗとの直線状当接部Ｃに対向して複数の供給ノズ
ルを並列させた供給ノズル列３ａを直線状当接部Ｃに接
近して配置し、研磨スラリーを直線状当接部Ｃに向けて
直接吹き出すように供給することができる。このように
することにより、研磨スラリーの供給は直線状当接部Ｃ
において安定し、研磨も安定して進行させることが可能
となる。

【００２５】また、先の実施例においては、基板の角速
度Ｎｗと研磨ヘッドの角速度ＮｐをＮｐ＝Ｎｗ×Ｒｗ／
Ｒｐと設定しているけれども、基板の角速度および研磨
ヘッドの角速度をそれぞれ調節し、両者の角速度比（回
転速度比）を適宜設定することによって、両者の相対速
度を変化させることができ、種々の態様の研磨が可能と
なる。例えば、両者の速度分布を図３の（ｃ）に示すよ
うにＮｗ・Ｒｗ＞Ｎｐ・Ｒｐとすると、両者の相対速度
は図３の（ｄ）に示すようになり、この関係で研磨を行
なうと、基板の外周端部が中央部よりも多く研磨され、
全体として中央凸の表面にすることができ、さらに両者
の速度分布を図３の（ｅ）に示すようにＮｗ・Ｒｗ＜Ｎ
ｐ・Ｒｐとすると、両者の相対速度は図３の（ｆ）に示
すようになり、基板の中央部が外周端部よりも多く研磨
され、全体として中央凹の表面にすることも可能であ
る。

【００２６】また、図１および図２に示した実施例にお
いては、研磨ヘッド２の円錐研磨パッド５の稜線（母
線）の長さを研磨すべき被加工物である基板Ｗの半径Ｒ
ｗに等しくしてあるけれども、図５に示すように、研磨
ヘッド２の円錐研磨パッド５の稜線の長さを研磨すべき
基板Ｗの半径Ｒｗよりも小さく設定して、研磨ヘッド２
を回転軸芯の回りに回転させるとともに、回転テーブル
１の半径方向に沿って、すなわち円錐研磨パッド５と基
板Ｗとの直線状の当接部Ｃに沿って、直線往復運動をさ
せることによって、研磨レートを安定させることも可能
である。

【００２７】

【発明の効果】本発明は上述のとおり構成されているの
で、円錐研磨パッドを被加工物の被研磨面に当接させる
ことによって、直線状の当接部が得られ、研磨スラリー
を当接部全体にわたって充分に供給することができ、安
定した研磨を行なうことができるとともに、円錐研磨パ
ッドと被加工物の両者の回転駆動によって研磨を行なう
ことができるために、機構が簡単となり、格別複雑な機
構や構造を必要としない。また、円錐研磨パッドと被加
工物の回転速度の比率（角速度比）を適宜設定すること
により、所望の被研磨面に研磨することができ、両者の
相対速度を回転速度の比率（角速度比）の設定により直
線状当接部全体にわたって一定とすることができるため
に簡単な構成で均一な研磨を高精度に達成でき、さらに
円錐研磨パッドの稜線の長さを被加工物の被研磨面の半
径の長さに等しくすることにより、円錐研磨パッドと被
加工物の回転駆動のみによって被研磨面全体を均一に研
磨することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる円錐研磨パッドを備えた化学機
械研磨装置の模式斜視図である。

【図２】本発明にかかる円錐研磨パッドを備えた化学機
械研磨装置の模式正面図である。

【図３】円錐研磨パッドと被加工物との当接部における
それぞれの速度分布および当接部における相対速度を示
す図表である。

【図４】本発明にかかる化学機械研磨装置におけるスラ
リー供給方式の別の態様を示す模式斜視図である。

【図５】本発明にかかる化学機械研磨装置の他の実施例
を示す模式正面図である。

【図６】従来の化学機械研磨装置の一例を示す模式斜視
図である。

【図７】化学機械研磨装置の一例を示す模式斜視図であ
る。

【符号の説明】

Ｗ基板Ｃ当接部１回転テーブル２研磨ヘッド２ｂ円錐体３供給ノズル３ａ供給ノズル列５円錐研磨パッド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨ヘッドに取り付けられた円錐研磨パ
ッドを被加工物の被研磨面に所定の加工圧を与えた状態
で当接させ、前記円錐研磨パッドと被研磨面の直線状の
当接部に研磨スラリーを供給しつつ、前記円錐研磨パッ
ドの回転と前記被加工物の回転により研磨を行なうこと
を特徴とする化学機械研磨方法。
【請求項２】円錐研磨パッドの回転速度を、前記円錐
研磨パッドと被研磨面の直線状の当接部の全ての部位に
おける相対速度が同一となるように設定したことを特徴
とする請求項１記載の化学機械研磨方法。
【請求項３】円錐研磨パッドの稜線の長さを被加工物
の半径の長さに等しくしたことを特徴とする請求項１ま
たは２記載の化学機械研磨方法。
【請求項４】円錐研磨パッドの稜線の長さを被加工物
の半径の長さより短いものとし、前記円錐研磨パッドを
直線往復運動させて研磨を行なうことを特徴とする請求
項１または２記載の化学機械研磨方法。
【請求項５】研磨スラリーを円錐研磨パッドと被研磨
面の直線状の当接部に向けて直接供給することを特徴と
する請求項１ないし４のいずれか１項記載の化学機械研
磨方法。
【請求項６】被加工物を着脱自在に保持して回転する
回転テーブルと、円錐研磨パッドを前記回転テーブルに
対向して有し、回転可能に軸支された研磨ヘッドと、前
記回転テーブルに保持された被加工物の上に研磨スラリ
ーを供給する供給ノズルとからなり、前記円錐研磨パッ
ドを被加工物の被研磨面に所定の加工圧を与えた状態で
直線状に当接させ、前記供給ノズルから研磨スラリーを
供給しつつ、前記回転テーブルおよび前記研磨ヘッドの
回転により研磨を行なうようになしたことを特徴とする
化学機械研磨装置。
【請求項７】円錐研磨パッドの回転速度を、前記円錐
研磨パッドと被研磨面の直線状の当接部の全ての部位に
おける相対速度が同一となるように設定したことを特徴
とする請求項６記載の化学機械研磨装置。
【請求項８】円錐研磨パッドの稜線の長さを被加工物
の半径の長さに等しくしたことを特徴とする請求項６ま
たは７記載の化学機械研磨装置。
【請求項９】円錐研磨パッドの稜線の長さを被加工物
の半径の長さより短いものとし、前記円錐研磨パッドを
直線往復運動しうるように構成したことを特徴とする請
求項６または７記載の化学機械研磨装置。
【請求項１０】研磨スラリーを円錐研磨パッドと被研
磨面の直線状の当接部に向けて直接供給しうるように供
給ノズル列を前記当接部に接近して配置したことを特徴
とする請求項６ないし９のいずれか１項記載の化学機械
研磨装置。