JPH10223576A - 膜平坦化方法および膜平坦化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】スループットの向上が図られ、例えばデバイス
素子の薄型化に有効な、半導体基板上に形成された膜の
膜平坦化方法および膜平坦化装置を提供する。 【解決手段】半導体基板に形成された絶縁膜を、砥石３
６を有する第１の研磨器２１で研磨し、その後研磨布４
３を有する第２の研磨器２２で研磨する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板上に形
成された膜を平坦化する膜平坦化方法および膜平坦化装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造技術の進歩により、近年ます
ますデバイス素子の集積度が向上し、それにつれデバイ
ス素子の微細化構造が要求されるようになった。また集
積度の向上とともに半導体装置も多層構造となり、半導
体装置の各製造プロセスも特に層間絶縁膜のグローバル
な平坦化の重要性が増大してきている。

【０００３】近年、半導体基板上に形成される層間絶縁
膜等の膜を平坦化する技術として、ＣＭＰ（Chemical M
echanical Polishing ）法が注目されている。このＣＭ
Ｐ法は、半導体基板上に形成された膜の表面を研磨布で
研磨して平坦化するものである。この研磨布には研磨剤
の入った研磨液が供給され、その研磨布に半導体基板を
擦り合せて、膜表面が平坦化される。

【０００４】この方法は、その実用性について、膜表面
に研磨剤の入った研磨液を流すため、膜が形成された半
導体基板が汚染される可能性があるものの、従来の膜平
坦化方法と比較して高精度に平坦化することができるた
め、利用価値は大きい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】研磨布で膜の研磨を行
なうと、研磨された膜は図９に示すようになる。図９
は、平坦化のため半導体基板上に形成された膜を研磨し
た状態を示す図である。半導体基板５１の表面には、配
線５２と、この配線５２を覆うように絶縁膜５３とが形
成されている。この絶縁膜５３の表面５４を半導体基板
５１の表面に対し平行に研磨する場合、研磨布を半導体
基板の表面に対し平行になるように絶縁膜５３に密着さ
せても、この研磨布自体が柔軟性を有しているため、研
磨布を絶縁膜に密着させたときに、この研磨布が絶縁膜
５３の表面５４の形状に倣うように密着してしまい、こ
のような状態で絶縁膜５３の研磨を行なうと、絶縁膜５
３の研磨された面は、図９の点線で示すように、研磨す
る前の絶縁膜５３の表面５４に倣ってしまうため、斜め
に研磨される部分（図９に示すＡの部分）が生じてしま
い、半導体基板の平坦化が困難になる。

【０００６】このように、絶縁膜が研磨されることを防
止する方法として、研磨布に代えて砥石を採用すること
が考えられる。砥石は研磨布よりも硬度が大きいため、
研磨布を絶縁膜５３に密着させた場合と比較して、砥石
が絶縁膜５３の表面５４の形状に倣うように密着するこ
とが防止され、砥石で絶縁膜を研磨すると、絶縁膜５３
の研磨された面は半導体基板５１の表面に対しほぼ平行
な面になる。

【０００７】ところが、砥石は研磨布と比較して硬度が
大きいため、このように硬度の大きいもので研磨する
と、絶縁膜５３の研磨された面は、図９の一点鎖線で示
すように細かい凹凸が形成された面が生じてしまい、平
坦性はよいが、研磨の均一性は落ちる。また、同一の研
磨布を用いて膜の研磨を多数回行うと、研磨布の表面の
毛が寝てしまうため、研磨布の、研磨液を流し出す部分
が塞がれてしまい、膜の表面に研磨液が流れにくくな
り、膜の研磨を効率よく行なうことが難しくなる。従っ
て、膜の研磨を効率よく行なうためには、研摩布の表面
をドレッシングし、研磨布の毛を立たせなければならな
いが、このようなドレッシングを行なう回数が多くなっ
てくると、膜が研磨される半導体基板のスループットの
低下が起こるということも懸念される。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑み、スループット
の向上が図られ、半導体基板上に形成された膜の研磨の
平坦性と均一性の優れた膜の膜平坦化方法および膜平坦
化装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の膜平坦化方法は、半導体基板上に形成された膜を平
坦化する膜平坦化方法において、上記半導体基板に形成
された膜を砥石で粗仕上げの研磨をし、次いでこの膜を
研磨布で精密仕上げの研磨をすることを特徴とする。

【００１０】図１〜図３は、本発明の膜平坦化方法の説
明図である。図１は、配線１１が形成された半導体基板
１２上に絶縁膜１３を形成した状態を示す図である。図
１に示す絶縁膜１３の表面１４に対し砥石の表面を平行
にした状態で絶縁膜１３を研磨すると、絶縁膜１３の研
磨された面は、図２に示すように細かい凹凸が形成され
た面１５になるが、その研磨された面全体としては、半
導体基板１２の表面１４に対しほぼ平行な面になる。こ
のように研磨された面は、その面の隣り合う凸部の間隔
が狭いため、この面１５に、砥石よりも柔らかい研磨布
を密着させても、研磨布は面１５の凹部には密着しにく
い。従って、面１５を研磨布で研磨すると、図３に示す
ように半導体基板１２の表面に対しほぼ平行であって、
かつ平坦な面１６が得られる。

【００１１】また、砥石で研磨した後研磨布で研磨する
ため、従来の場合と比較して、研磨布で研磨する時間が
短くなり、研磨布のドレッシング回数を減らすことがで
きる。従って、スループットの向上にもつながる。ここ
で、本発明の膜平坦化方法が、上記砥石で上記膜を研磨
するにあたり、この膜の硬度の１／３倍以上の硬度を有
する砥石で上記膜を研磨することが好ましい。

【００１２】研磨する膜の硬度の１／３倍以上の硬度を
有する砥石で研磨を行なうと、短時間で効率よく膜の研
磨を行なうことができる。また、本発明の膜平坦化方法
が、上記砥石で前記半導体基板に形成された膜を研磨す
るにあたり、この半導体基板全面に平行に倣うようにこ
の砥石が密着した状態でこの砥石を動かすことも好まし
い。

【００１３】また、本発明の膜平均化方法が上記砥石で
上記半導体基板を研磨するにあたり、アルミナないし二
酸化ケイ素を含有する砥石で上記膜を研磨することが好
ましい。アルミナないし二酸化ケイ素を含有する砥石に
よる研磨は、従来の研磨布のみによる研磨と比較して、
砥石の硬度が高いため短時間で効率よく膜の研磨を行な
うことができる。

【００１４】また、上記目的を達成する本発明の膜平坦
化装置は、半導体基板上に形成された膜を平坦化する膜
平坦化装置において、上記半導体基板に形成された膜を
研磨する砥石と、この膜を研磨する研磨布と、この膜
が、上記砥石で研磨された後上記研磨布で研磨されるよ
うに研磨の順序を制御する研磨制御器をと備えたことを
特徴とする。

【００１５】ここで本発明の膜平坦化装置が、研磨され
る膜の硬度の１／３倍以上の硬度を有する砥石を備える
ことが効果的である。また、本発明の膜平坦化装置が、
上記半導体基板に形成された膜の研磨される部分に上記
砥石が密着するように、この砥石の位置を調節する砥石
位置調整用部材を備えることが好ましい。

【００１６】また、本発明の膜平坦化装置が、アルミナ
ないし二酸化ケイ素を含有する砥石を備えることが好ま
しい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。図４は、本発明の一実施形態の膜形成装置を
示す上面図、図５はその側面図である。この膜平坦化装
置の説明にあたっては、必要に応じて図１〜図３を参照
しながら説明する。

【００１８】図４、図５に示す膜平坦化装置２０は第１
の研磨器２１と、第２の研磨器２２とを備えており、こ
の膜平坦化装置２０は、２つの研磨器で膜の研磨を行な
い膜を平坦化する装置である。また、この膜平坦化装置
２０は、膜が形成された半導体基板を、第１の研磨器２
１と第２の研磨器２２とに搬送するアーム２３を備えて
いる。このアーム２３は、互いに直列に回転ジョイント
２４で連結された２本のリンク２５，２６の一方のリン
ク２５の先端に半導体基板を挟むハンド２７が連結され
て構成されており、リンク２６の先端は、図５に示すよ
うに回転ジョイント２８でアーム支持台２９に連結され
ている。リンク２６は回転ジョイント２８を中心にして
回転し、リンク２５およびリンク２６は、相対的に回転
ジョイント２４を中心に回転する。このようにリンク２
５，２６が回転することにより、ハンド２７が、図４が
示される紙面内を自在に移動する。

【００１９】また、膜平坦化装置２０はセンダー３０を
備えている。このセンダー３０は、図１に示すような膜
が形成された半導体基板が多数枚収納されたカセット３
１を有しており、このカセット３１はエレベータ３２に
より、図４が示される紙面に対し垂直方向に移動する。
またこの膜平坦化装置２０は、研磨制御器（図示せず）
を備えており、エレベータ３２によりカセット３１が上
下移動し、カセット３１に収納されている半導体基板が
アーム２３が受渡し可能なレベル位置に到達すると、カ
セット３１の移動が停止し、研磨制御器の命令により、
アーム２３のハンド２７で半導体基板がカセット３１か
ら取り出され、この半導体基板が第１の研磨器２１に搬
送される。

【００２０】図６は、図４，図５に示される第１の研磨
器を示す側面図である。第１の研磨器２１はヘッド３３
を備えている。このヘッド３３にはヘッド支持軸３４が
取り付けられており、モータ（図示せず）によりヘッド
支持軸３４が回転すると、ヘッド３３はヘッド支持軸３
４を中心として回転する。また、ヘッド支持軸３４は、
図６に示すｘ方向に移動し、この移動に伴いヘッド３３
もｘ方向に移動する。このヘッド３３の表面には吸盤が
取り付けられており、図４、図５に示すアーム２３によ
りカセット３１から半導体基板が取り出されると、アー
ム２３によりその半導体基板の裏面がヘッド３３の表面
の吸盤に取り付けられて、図６に示すように半導体基板
３５がヘッド３３に固定され、その後ヘッド３３は半導
体基板３５が砥石３６に密着するように移動する。

【００２１】また、第１の研磨器２１は、ポンプ３７を
備えており、研磨剤が入った研磨液がこのポンプ３７に
よりアキュームレータ３８に送り出される。アキューム
レータ３８に研磨液がたまった後、球面座３９をのせて
いる球面座台４０に向けて研磨液が流れる。球面座台４
０に向けて流れる研磨液の流量は圧力調整弁４１により
調整される。球面座台４０には、研磨液が流れ込む液路
４０ａが形成されており、研磨液は、この液の液圧によ
りこの液路４０ａを流れて、球面座台４０の表面４０ｂ
に流れ出る。この表面４０ｂは湾曲形状にくぼんでお
り、そのくぼんだ部分に球面座３９がのせられている。
この球面座３９には、この球面座３９の底面と上面とに
貫通する流路３９ａが形成されており、球面座台４０の
表面４０ｂに流れ出た研磨液は球面座３９に形成されて
いる液路３９ａを流れて球面座３９の上面に流れ出る。
球面座台４０と球面座３９との間にはＶパッキン４２が
挟められており、このＶパッキン４２は研磨液のもれを
防止している。

【００２２】また、球面座３９には、砥石３６が置かれ
ている。図７は、その砥石を示す斜視図、図８は、砥石
の裏面を示す図である。砥石３６は、軟性樹脂に研磨剤
として作用するアルミナ粉末を混入したものを円板形状
に成形して製造されたものであり、砥石３６の表面には
網の目状に溝３６ａが形成されている。また砥石３６に
は、図８に示すように溝３６ａと砥石３６の裏面とを貫
通する多数の液路３６ｂが形成されている。球面座３９
の上面に研磨液が流れ出ると、砥石３６の裏面から研磨
液の液圧により研磨液が流路３６ｂを流れて砥石３６の
表面に流れ出る。

【００２３】このように構成された第１の研磨器２１で
は、図６に示すように半導体基板３５が砥石３６に密着
しヘッド３３が回転するとともに、砥石３６の表面に研
磨液が流れ出るようにすると、この研磨液と砥石３６と
により、半導体基板に形成された膜が研磨される。研磨
時に発生する研磨屑は、砥石３６の表面に形成された溝
３６ａに逃げていくため、砥石３６の表面に研磨屑がた
まることが防止され、効率よく膜の研磨が行なわれる。

【００２４】また、第１の研磨器２１では、球面台座４
０の表面４０ｂに流れ出た研磨液の液圧により、球面座
３９が、半導体基板全面に平行に倣うように砥石３６が
密着した状態でこの砥石３６を動かしている。つまり、
球面座３９が、砥石３６と半導体基板とが密着するよう
に砥石３６の位置を調整する砥石位置調整用部材の役割
を担うため、効率よく膜の研磨が行なわれる。

【００２５】上記のようにして第１の研磨器２１で半導
体基板の膜の研磨が行なわれる。また、第１の研磨器２
１には、ヘッド３３を回転させるモータの回転数を検出
するセンサ（図示せず）を備えており、このセンサによ
り、モータの回転数が、図２に示すように、細かい凹凸
はあるものの半導体基板表面に対しほぼ平行に絶縁膜が
研磨された時の回転数に到達したと判断されると、第１
の研磨器２１による研磨は終了し、研磨制御器の命令に
より、アーム２３でヘッド３３に固定された半導体基板
３５が、図４，図５に示す第２の研磨器２２に搬送され
る。

【００２６】第２の研磨器２２は、図５に示すように研
磨布４３、研磨布４３が取り付けられた、水平に回転す
る研磨布台４４、ヘッド４５、ヘッド支持軸４６、およ
び研磨液供給器（図示せず）とを備えている。この研磨
液供給器は、研磨布４３の表面に研磨剤が入った研磨液
が流れ出るように、研磨布４３の内部に研磨液を供給す
るものであり、ヘッド４５およびヘッド支持軸４６は、
それぞれ第１の研磨制御器２１が備えているヘッド３３
およびヘッド支持軸３４と同一構造である。アーム２３
で第２の研磨器２２に搬送された半導体基板は、図５に
示すようにヘッド４５に固定される。その後このヘッド
４５に固定された半導体基板４７は、この半導体基板４
７が研磨布４３に密着するように移動する。またアーム
２３は、半導体基板をヘッド４５に固定すると、カセッ
ト３１から別の半導体基板を取り出し、この半導体基板
を第１の研磨器２１に搬送する。

【００２７】このように構成された第２の研磨器２２で
は、図５に示すように半導体基板４７が研磨布４３に密
着しヘッド４５が回転するとともに、研磨布４３の表面
に研磨液が流れ出るようにすると、この研磨液と研磨布
４３とにより、半導体基板に形成された膜が研磨され
る。また、第２の研磨器２２には、ヘッド４５を回転さ
せるモータの回転数を検出するセンサ（図示せず）を備
えており、このセンサにより、モータの回転数が、図３
に示すように、絶縁膜が平坦に研磨された時の回転数に
到達したと判断されると、第２の研磨器２２による研磨
は終了する。第２の研磨器２２による研磨が終了する
と、アーム２３によりヘッド４５から半導体基板が取り
外され、図４に示すレシーバ４８に搬送される。このレ
シーバ４８は、カセット４９を有しており、このカセッ
ト４９はエレベータ５０により、図４が示される紙面に
対し垂直方向に移動する。アーム２３によりレシーバ４
８に搬送された半導体基板は、カセット４９に収納され
る。

【００２８】この第２の研磨器２２では、ヘッド４５と
研磨布台４４とがいずれも回転することによって半導体
基板に形成された膜が研磨され、図３に示すように研磨
された面は、半導体基板表面にほぼ平行であって、きわ
めて平坦である。このように膜平坦化装置２０では、膜
を、砥石３６で研磨した後研磨布４３で研磨するため、
半導体基板表面にほぼ平行であって、きわめて平坦に膜
を研磨することができる。従って、デバイス素子の薄型
化を実現でき、１枚の半導体チップに多数のデバイス素
子を高密度に形成することができる。

【００２９】尚、図４，図５に示す膜平坦化装置２０で
は、砥石として、アルミナを含有した砥石を用いている
が、アルミナの代わりに、例えば二酸化ケイ素を含有し
た砥石を用いてもよい。また、図４，図５に示す膜平坦
化装置２０では、球面座により、砥石が半導体基板に密
着した状態に保たれているが、このような球面座を備え
なくても、砥石で膜を研磨し、その後研磨布で膜を研磨
することにより、研磨布のみで研磨する場合よりも平坦
な面が得られる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の膜平坦化
方法ないし膜平坦化装置によれば、平坦性よく膜を研磨
することができる。また、砥石で研磨した後研磨布で研
磨するため、従来の場合と比較して、研磨布のドレッシ
ング回数を減らすことができ、スループットの大幅な向
上が見込めるとともに、研磨布の寿命も延びるという効
果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】配線パターンを覆うように絶縁膜が形成された
半導体基板を示す図である。

【図２】図１に示す絶縁膜を砥石で研磨した状態を示す
図である。

【図３】図２に示す絶縁膜を砥石で研磨した状態を示す
図である。

【図４】本発明の一実施形態の膜形成装置を示す上面図
である。

【図５】本発明の一実施形態の膜形成装置を示す側面図
である。

【図６】図４，図５に示される第１の研磨器を示す側面
図である。

【図７】砥石の斜視図である。

【図８】砥石の裏面を示す図である。

【図９】半導体基板上に形成された絶縁膜の研磨後の状
態を示す図である。

【符号の説明】

１１ 配線 １２，３５，４７ 半導体基板 １３ 絶縁膜 １４，４０ｂ 表面 １５，１６ 面 ２１ 第１の研磨器 ２２ 第２の研磨器 ２３ アーム ２４，２８ 回転ジョイント ２５，２６ リンク ２７ ハンド ２９ アーム支持台 ３０ センダー ３１，４９ カセット ３２，５０ エレベータ ３３，４５ ヘッド ３４，４６ ヘッド支持軸 ３６ 砥石 ３７ ポンプ ３８ アキュームレータ ３９ 球面座 ３９ａ，４０ａ 液路 ４０ 球面座台 ４１ 圧力調整弁 ４２ Ｖパッキン ４３ 研磨布 ４４ 研磨布台 ４８ レシーバ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に形成された膜を平坦化す
   る膜平坦化方法において、 前記半導体基板に形成された膜を砥石で研磨し、 次いで該膜を研磨布で研磨することを特徴とする膜平坦
   化方法。
2. 【請求項２】 前記砥石で前記半導体基板に形成された
   膜を研磨するにあたり、該膜の硬度の１／３倍以上の硬
   度を有する砥石で該膜を研磨することを特徴とする請求
   項１記載の膜平坦化方法。
3. 【請求項３】 前記砥石で前記半導体基板に形成された
   膜を研磨するにあたり、該半導体基板全面に平行に倣う
   ように該砥石が密着した状態で該砥石を動かすことを特
   徴とする請求項１または２記載の膜平坦化方法。
4. 【請求項４】 前記砥石で前記半導体基板に形成された
   膜を研磨するにあたり、アルミナないし二酸化ケイ素を
   含有する砥石で前記膜を研磨することを特徴とする請求
   項１から３のうちいずれか１項記載の膜平坦化方法。
5. 【請求項５】 半導体基板上に形成された膜を平坦化す
   る膜平坦化装置において、 前記半導体基板に形成された膜を研磨する砥石と、 該膜を研磨する研磨布と、 該膜が、前記砥石で研磨された後前記研磨布で研磨され
   るように研磨の順序を制御する研磨制御器をと備えたこ
   とを特徴とする膜平坦化装置。
6. 【請求項６】 前記砥石が、該膜の硬度の１／３倍以上
   の硬度を有するものであることを特徴とする請求項５記
   載の膜平坦化装置。
7. 【請求項７】 前記半導体基板に形成された膜の研磨さ
   れる部分に前記砥石が密着するように、該砥石の位置を
   調節する砥石位置調整用部材を備えたことを特徴とする
   請求項５または６記載の膜平坦化装置。
8. 【請求項８】 前記砥石が、アルミナないし二酸化ケイ
   素を含有するものであることを特徴とする請求項５から
   ７のうちいずれか１項記載の膜平坦化装置。