JPH10180618A - Ｃｍｐ装置の研磨パッドの調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の研磨パッドの調整は、パッド面に単一的
な表面荒れを形成していたため、半導体装置のデバイス
面の凸凹に押し付けられたパッド面が削られ、平坦性が
なくなり、表面荒れに研磨の能力の差が生じていた。 【解決手段】本発明は、研磨する半導体基板のデバイス
面の膜厚分布を研磨前に測定し、その膜厚分布に対応し
て、硬度が異なる複数のダイヤモンド砥石を用いて、パ
ッド面内を区分して表面荒れの粗さをそれぞれ調整し、
パッド面内での研磨量を変化させることにより、研磨パ
ッドの平坦性を維持させ、研磨される半導体基板のデバ
イス面の平坦化するＣＭＰ装置の研磨パッドの調整方法
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスの
製造工程において、半導体基板表面の平坦化を行う化学
的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishin
g）技術に係り、特にＣＭＰ装置における研磨パッドの
調整方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、処理時間の高速化や微細化の要求
に伴い半導体デバイスの回路素子は積み上げられて多層
化し、配線層も多層化されている。

【０００３】このような回路素子等の多層化は、半導体
基板上で回路素子を形成した領域と未形成の領域との間
に段差を生じさせ、さらに積み上げる毎にそれらの段差
が加算される。この結果、上層側では、フォトリソグラ
フィ工程のマスク露光の際に、焦点深度を越えたり、エ
ッチング困難な場合が生じる。さらに、例えばビアホー
ルにメタル配線を形成した場合、段差によりビアホール
の深さに違いが生じ、ビアホール抵抗のばらつきの原因
にもなっている。

【０００４】そこで、各層に回路素子を形成する際に、
半導体基板表面の平坦化を図る技術が求められていた。

【０００５】従来の平坦化技術としては、エッチバック
技術やＳＯＧ（Spin On Glass）技術が知られている。
これらの技術は、段差近傍のローカルな平坦化には有用
であった。しかし、半導体デバイスの多層化や大型化が
進むと半導体基板全体を平坦化する技術が必要である。

【０００６】エッチバック技術による平坦化は、オーバ
ーエッチングの管理が難しく、半導体基板のデバイス面
全体を平坦化させるには、容易でなかった。さらに、層
間絶縁膜のような同一材料が全表面を覆った面を平坦化
するには問題がないが、例えばＣｕ等を含有する配線の
ようにエッチングされにくい部材を使用した配線等が含
まれる構成であれば、エッチングにより平坦化すること
は難しい。

【０００７】また、ＳＯＧ技術においては、ＳＯＧ膜を
スピンコーティングして塗布し、段差の平坦化を実現し
ていたが、ＳＯＧ膜自体のクラック耐性が乏しく、半導
体基板全体を平坦化させる膜厚までは形成できない問題
があり、さらに塗布により平坦化させるためには、回路
素子の表面形状や配置に工夫を施さねばなかった。この
ため、多層化された回路素子や多層化配線には、十分な
平坦化を提供できる技術ではなくなった。

【０００８】そこで新たな平坦化技術として、インゴッ
トからスライスカットされたシリコンウエハの平面研磨
を行うポリッシング研磨技術と化学研磨技術の特徴を併
せ持たせ、半導体デバイスの平坦化に応用したＣＭＰ技
術が注目されている。

【０００９】このＣＭＰ技術は、図４に示すように、ポ
リッシング研磨における研磨剤として、アルミナやシリ
カ等の研磨粒子に過酸化水素水等の化学物質を併せた研
磨剤（スラリー液）２１を用いて、定盤２２上に軟質若
しくは、粘弾性を有する材料からなる研磨パッド２３を
取り付け、化学反応を伴う機械研磨によりデバイス面側
を微細に研磨して段差を無くし、表面を平坦化するもの
である。

【００１０】この構成において、揺動可能なテーブル２
４に裏面側から吸着固定された半導体基板２５は、その
デバイス面２５ａを対向し回転する研磨パッド２３に押
しつけられ、研磨剤２１が添加されて研磨され、デバイ
ス面が平坦化される。このＣＭＰ技術は、研磨レートが
小さいため微細な研磨が可能であり、研磨された面に加
工変質を極めてわずかしか与えない特徴がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前述したＣＭＰ技術に
おいて、研磨に用いられる研磨パッドの表面は、砥石例
えば、ダイヤモンド砥石で削られ、適当な表面荒れが設
けられている。この研磨パッドの表面荒れにより、デバ
イス面上に積層形成された絶縁膜又は金属膜を研磨を行
っているが、ダイヤモンド砥石自らの表面も削られるた
め、表面荒れが削り取られて研磨能力が劣化する。

【００１２】そこで、研磨パッドは、予め定めた処理回
数（削った量）毎に、その表面を再度、ダイヤモンド砥
石で削り直し、適当な表面荒れが保たれるように調整を
行っている。

【００１３】通常、研磨前のデバイス面は、いわゆる a
s depoの状態にあり、その膜厚分布は下地の平坦さによ
る影響と、成膜装置の特性に依存する面内膜厚分布の凸
凹形状があり、ＣＭＰ技術において研磨パッドによる研
磨を行った場合、研磨後の研磨パッドもこの凸凹形状に
依存して平坦な表面の状態が変化する。つまり、膜なり
に削れていくのである。

【００１４】例えば、図５に示すようなデバイス面で
は、凸形状の部分２５ｂに押しつけられた研磨パッド部
分２３ｂは多く削れ、表面荒れの部分も削り取られる。
また、凹形状の部分２５ｃを押し付けられた研磨パッド
部分２３ｃはあまり削れないため、表面荒れの部分も残
っている。

【００１５】この削れ具合の差により、研磨後の研磨パ
ッド表面は、偏った凸凹形状に変化し、且つ研磨パッド
内で研磨の能力の差が生じている。従って、このように
表面形状が変化していく研磨パッドで、引き続きデバイ
ス面を研磨すると、半導体基板の表面も平坦にならない
場合が生じる。

【００１６】また従来の研磨パッドの調整は、研磨パッ
ド表面の平坦化維持を考慮したものではなく、単一的な
表面荒れを形成すること目的としているため、研磨パッ
ドの表面全体を１つのダイヤモンド砥石で均一的に削る
だけであった。

【００１７】よって、研磨パッドの表面荒れの均一性を
持たせる管理を厳しくして、研磨パッドのパッド面の平
坦性を維持させ、研磨された半導体基板のデバイス面の
平坦化を維持させるために、研磨パッドの交換回数や調
整回数が多くなり、作業効率の低下を招き、結果的にコ
ストアップとなる。

【００１８】そこで本発明は、半導体基板のデバイス面
の膜厚分布に応じて、研磨パッドのパッド面内を区分し
て表面荒れの粗さをそれぞれ調整し、研磨面の平坦性と
研磨された半導体基板のデバイス面の平坦化を維持させ
るＣＭＰ研磨パッドの調整方法を提供することを目的と
する。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、半導体基板の回路素子を形成するデバイス
面を平坦化する化学的機械研磨（ＣＭＰ）装置に用いる
研磨パッドの研磨を行うパッド面の調整方法において、
前記研磨パッドのパッド面を押し付ける研磨前のデバイ
ス面の膜厚分布に応じて、該パッド面内を区分して、硬
度の異なる複数の砥石で、該パッド面の表面荒れを異な
る粗さにそれぞれ調整するＣＭＰ装置の研磨パッドの調
整方法を提供する。

【００２０】以上のようなＣＭＰ研磨パッドの調整方法
は、研磨前の半導体基板のデバイス面の膜厚分布に対応
して、硬度が異なる複数の砥石により、デバイス面の膜
の研磨量に比例して、そのデバイス面に押し付けられる
パッド面の表面荒れが粗くなるように研磨して、パッド
面内での研磨量を変化させることにより、研磨される半
導体基板のデバイス面の平坦化を維持する。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について詳細に説明する。

【００２２】まず、本発明によるＣＭＰの研磨パッドの
調整方法の概要について説明する。図２（ａ）には、半
導体基板上に回路素子を形成するための絶縁膜や金属膜
をＣＶＤ（Chemical Vaper Deposition）装置やスパッ
タリング装置を用いて半導体基板上に形成した場合の膜
厚分布の一例を示す。

【００２３】この半導体基板１のデバイス面上に堆積さ
れた堆積膜２の膜厚分布の形状は、同心円状で、半導体
基板１の中心で厚く、エッヂ方向に向かい一旦薄くなる
が、次第に厚くなり、再度エッヂで薄くなる。すなわ
ち、ドーナツ形状の凹みを有した形状である。

【００２４】このような膜厚分布を持つ半導体基板をＣ
ＭＰ技術により平坦化させる場合、図２（ｂ）に示すよ
うに、斜線で示すＡ領域及びＣ領域の膜厚が近似し、仮
に膜厚ｍに平坦化するものとすると、Ａ領域及びＣ領域
は、研磨量を多くし、Ｂ領域は、研磨量を少なくするこ
とにより、効率的に平坦化できる。

【００２５】従って、半導体基板１のデバイス面に押し
付けられ研磨を行う研磨パッドのパッド面（研磨面）
は、膜厚分布と逆の削れ具合の調整が必要となる。つま
り後述する図１（ｃ）に示すように、堆積膜の厚いＡ領
域及びＣ領域に押し付けられるパッド面部分６及びパッ
ド面部分８は、表面荒れを粗くして研磨レートを上げる
ように調整し、堆積膜が薄く研磨量が少ないＢ領域に押
し付けられるパッド面部分７は、その表面荒れを研磨パ
ッド部分６に比べて、粗くせずに研磨レートを下げるよ
うに調整する。

【００２６】このような調整を行うためには研磨パッド
のパッド面内を区分して、それぞれの表面荒れの粗さに
調整する必要がある。

【００２７】図１（ａ），（ｂ）に示すように、図２
（ｂ）に示したような膜厚分布に対応する、少なくとも
硬度が異なる２つのダイヤモンド砥石４、５を研磨パッ
ド３の動径方向Ｏに配置して、研磨パッドのパッド面３
ａの表面荒れを調整する。少なくともダイヤモンド砥石
４は移動可能に備えられている。

【００２８】この膜厚分布は、予め成膜装置毎に膜厚分
布の形状に関するデータを取って、パーソナルコンピュ
ータ等に記録させておき、研磨の際に読み出して利用し
てもよいし、その都度、半導体基板のデバイス面の膜厚
分布を計測してもよい。

【００２９】本実施形態では、図２（ｂ）に示した堆積
膜の膜厚分布を例とすると、研磨パッド３は、図１
（ｃ）に示すように半導体基板１のＡ領域及びＣ領域を
研磨する外周部のパッド面部分６及び中心部のパッド面
部分８が、Ｂ領域を研磨する内周部のパッド面部分７よ
りも研磨量が多くなるように、表面荒れの粗さを調整す
る必要がある。

【００３０】その調整方法は、ダイヤモンド砥石５に比
べて、研磨量が減る硬度のダイヤモンド砥石４を装着し
てパッド面３ａに押し付け、研磨パッド３を回転させ
て、パッド面３ａに表面荒れを形成する。

【００３１】本実施形態の研磨パッドの調整方法によれ
ば、ＣＭＰ装置に装着して、半導体基板のデバイス面を
平坦化する研磨パッド内の表面荒れの粗さを、デバイス
面の膜厚分布（研磨すべき量）に基づき、研磨量の多い
部分ほど粗くなるように調整することにより、パッド面
の平坦化を維持し、且つ同じ膜厚分布の傾向を持つデバ
イス面を研磨する処理回数（研磨量）を増やすことがで
きる。

【００３２】また、表面荒れの粗さは、研磨量が研磨剤
や研磨機構及び研磨を行う堆積膜の材質や成膜方法によ
り異なるため、経験的に求めて決定する。

【００３３】次に図３を参照して、本発明による第２の
実施形態としてのＣＭＰ研磨パッドの調整方法について
説明する。

【００３４】前述した第１の実施形態では、硬度が異な
る２つのダイヤモンド砥石により、研磨パッドを調整し
たため、２種類の粗さの表面荒れが形成されたが、図２
（ｂ）に示した堆積膜２の膜厚分布で、例えば、Ｃ領域
の膜厚がＡ領域の膜厚より、さらに厚かった場合には、
Ｃ領域の堆積膜の研磨量をＡ領域よりも多くする必要が
ある。そこで、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、硬度
が異なる３つのダイヤモンド砥石１１，１２，１３を研
磨パッド３の動径方向に配置し、研磨パッド３の表面荒
れの調整を行う。このダイヤモンド砥石１１，１２，１
３の取り付け機構においては、砥石の交換や研磨パッド
に対する研磨位置の移動が可能な構成になっているもの
とする。

【００３５】この調整は、図３（ｃ）に示すような半導
体基板１の膜厚分布において、堆積膜２を膜厚ｎに平坦
化する際に、Ｃ’領域の研磨量ｑがＡ’領域の研磨量ｐ
よりも２倍程度ある場合など、半導体基板の外周側と中
心部の膜厚に差があり、前述した第１の実施形態による
硬度が２種類のダイヤモンド砥石では、十分な平坦化が
実現されない膜厚分布に好適する。このような調整にお
いて、砥石の配置は、ダイヤモンド砥石１２、ダイヤモ
ンド砥石１１、ダイヤモンド砥石１３の順に研磨量が多
くなる硬度ものを配置する。

【００３６】以上のことから本実施形態は、第１の実施
形態に比べて、パッド面内の表面荒れの粗さをさらに微
調整でき、研磨する堆積膜の膜厚分布に依らず、平坦化
が実現でき、第１の実施形態と同様な効果が得られる。

【００３７】本実施形態では、硬度が異なる２若しくは
３個のダイヤモンド砥石を用いて説明したが、これらに
限定されるものではなく、半導体基板の径やデバイス面
の膜厚分布、膜の材質により、自由に硬度の選択と配置
をしてもよく、また、砥石側を回転させてパッド面を押
し付け研磨してもよい。

【００３８】尚、従来、ＣＭＰ装置の研磨機構では研磨
パッドだけでなく、研磨を施す半導体基板側も回転さ
せ、且つ半導体基板支持体を動径方向に揺動する研磨機
構もあり、半導体基板のエッヂ側周辺部は、研磨パッド
の外周側と内周側とで研磨されるが半導体基板中心部は
揺動中心近くで研磨されている。このような研磨機構で
は、半導体基板の外周側が中心部分よりも、研磨量が多
くなっていたが、本実施形態の調整方法を利用して、研
磨パッドの表面荒れを調整し、中心部分の研磨量を多く
することにより、この間題を解決できる。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、半
導体基板のデバイス面の膜厚分布に応じて、研磨パッド
のパッド面内を区分して表面荒れの粗さをそれぞれ調整
し、研磨面の平坦性と研磨された半導体基板のデバイス
面の平坦化を維持させるＣＭＰ研磨パッドの調整方法を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１の実施形態としてのＣＭＰ研
磨パッドの調整方法を実施するための研磨パッドと砥石
の配置の構成例を示す図である。

【図２】成膜装置を用いて形成した時の堆積膜の膜厚分
布の一例を示す図である。

【図３】本発明による第２の実施形態としてのＣＭＰ研
磨パッドの調整方法を実施するための研磨パッドと砥石
の配置の構成例を示す図である。

【図４】ＣＭＰ装置の概略的な構成を示す図である。

【図５】従来の半導体基板と研磨パッドの研磨状態を説
明するための図である。

【符号の説明】

１…半導体基板 ２…堆積膜 ３…研磨パッド ３ａ…パッド面 ４，５…ダイヤモンド砥石 ６，７，８…研磨パッド部分

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板の回路素子を形成するデバイ
   ス面を平坦化する化学的機械研磨（ＣＭＰ）装置に用い
   る研磨パッドの研磨を行うパッド面の調整方法におい
   て、 前記研磨パッドのパッド面を研磨前のデバイス面の膜厚
   分布に応じて、該パッド面内を区分して、硬度の異なる
   複数の砥石で、該パッド面の表面荒れを異なる粗さにそ
   れぞれ調整することを特徴とするＣＭＰ装置の研磨パッ
   ドの調整方法。
2. 【請求項２】 前記ＣＭＰ装置の研磨パッドの調整方法
   において、 前記デバイス面が平坦化されるまでの研磨量に比例し
   て、そのデバイス面部分に押し付けるパッド面部分の表
   面荒れが粗くなるように調整することを特徴とする請求
   項１記載のＣＭＰ装置の研磨パッドの調整方法。
3. 【請求項３】 前記ＣＭＰ装置の研磨パッドの調整方法
   において、 硬度が異なる砥石を回転する研磨パッドの動径方向にそ
   れぞれ配置して、前記パッド面に押し付け、パッド面を
   区分してそれぞれ研磨し、異なる粗さの表面荒れに調整
   することを特徴とする請求項１記載のＣＭＰ装置の研磨
   パッドの調整方法。