JPH10277922A - 化学的機械研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 研磨パッドのたるみを防止することができ、
またドレッシングを合理化することができる化学的機械
研磨装置を提供すること。 【解決手段】 段差を有する被処理基板表面を研磨パッ
ド２に押圧して、化学的機械研磨により平坦化を行う際
に、前記研磨パッド２のたるみ１５０を防止するための
補助部材２００を、前記研磨パッド２の研磨面側であっ
て、前記研磨パッド２に対する前記被処理基板の相対的
進行方向の前方に設ける。さらには、前記研磨パッド２
の研磨面に対向する前記たるみ防止補助部材２００の面
を、粗面に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置の製
造に際して、層間絶縁膜を形成した後に化学的機械研磨
を行う化学的機械研磨装置に関するものである。

【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）
は低下してきている。この改善はレジストの性能改善に
待たなければならないが、このレジスト性能の改善より
微細化要求の方が先行しているのが現状である。そこ
で、デバイス構造の高低差をできるだけ低減する事でこ
の焦点深度の不足を補い、微細なパターンを焦点ズレさ
せず確実に解像させる方法が検討されている。

【０００３】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、シリコンウェーハの鏡面加工を応用し
た化学的機械研磨方法が採用されている。図１０は、こ
の化学的機械研磨を行う為の従来の化学的機械研磨装置
の一例を示す概略図である。この化学的機械研磨装置
は、回転する研磨プレート３の回転軸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、ダイ
ア１０２等を金属板に電着形成した研磨パッド２の表面
を目立てする為のドレッサー１０１と、層間絶縁膜が形
成された被処理基板４（以下、ウェーハと称する）をバ
ッキングフィルム１１を介して保持するキャリア５と、
研磨スラリー１０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ー供給装置７とから概ね構成されて
いる。

【０００４】そして、研磨パッド２をドレッサー１０１
によりドレッシング（目立て）した後に、研磨プレート
３の回転軸１及びキャリア５の回転軸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ー１０を
供給しながら、研磨圧力９の調整機構によりウェーハ４
を研磨パッド２上に押圧させてウェーハ４の研磨を行う
ものである。ところで、この様な化学的機械研磨装置で
は、ウェーハ４の層間絶縁膜にマイクロスクラッチが生
じる事及び研磨レートのバラツキや研磨量の面内バラツ
キが大きい事が問題となっている。

【０００５】マイクロスクラッチの発生を防止するに
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１０１のダイア１０２、層間
絶縁膜、ウェーハ４の破片屑や研磨済みの研磨スラリー
１０等（以降、これらを総称して不純物と称する）を研
磨パッド２の外方へ排出する必要がある。そこで、上述
した従来の化学的機械研磨装置においては、研磨作業中
に研磨スラリー１０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ー１０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と
っている。

【０００６】また、研磨レートのバラツキや研磨量の面
内バラツキを小さくする為には、化学的機械研磨の原理
を考慮する必要がある。即ち、ドレッサー１０１により
研磨パッド２の表面に無数の傷が付けられて浅い目立て
層１００が形成されるので、この目立て層１００に研磨
スラリー１０が入り込んで保持される。この状態でウェ
ーハ４を回転させると、研磨パッド２に押圧されたウェ
ーハ４の研磨面に研磨スラリー１０が十分供給され、こ
れによりウェーハ４が研磨されるという原理を考慮し
て、研磨パッド２の目立て層１００の深さや密度が十分
となる様にドレッサー１０１によるドレッシングを行う
という対策をとっている。さらに、これに加えてウェー
ハ４の研磨面に研磨スラリー１０が確実に届く様にする
という対策もとっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の化学的機械研磨装置では、上記問題に加えて新
たな問題がクローズアップされてきている。即ち、研磨
パッド２にウェーハ４を押し付けて研磨パッド２を回転
する事で研磨を行っているときに、図５（ｂ）、（ｃ）
に示すような研磨パッド２のたるみ１５０が発生して皺
が生ずる場合がある。研磨パッド２の回転に伴ってウェ
ーハ４を保持したキャリア５は相対的に研磨パッド２の
回転方向とは逆回転方向に進行するが、キャリア５は研
磨パッド２に研磨圧力９で押し付けられている為に、研
磨パッド２のたるみ１５０がキャリア５の進行方向前方
に発生するのである。

【０００８】この研磨パッド２のたるみ１５０はウェー
ハ４に潜り込もうとする為、この部分で研磨圧が高くな
り、研磨レートの面内分布が悪化する問題を引き起こ
す。さらに、この研磨パッド２のたるみ１５０に乗り上
げる形で研磨を行う可能性があり、研磨量の面内バラツ
キが発生するという問題も引き起こす。また、研磨によ
り層間段差のグローバルな平坦化を達成する為には、研
磨パッド２の見かけ上の硬度を高くし、研磨パッド２の
平坦性をより高くする事が重要である事が知られている
が、この点からも研磨パッド２のたるみ１５０をなく
し、研磨パッド２をピンと張った状態にして研磨する事
が求められている。

【０００９】そこで、これらの問題を解決すべく、図１
１に示す様なキャリア５のまわりの研磨パッド２をピン
と張る為にキャリア５を取り囲むリング２１０を備えた
化学的機械研磨装置が知られている。しかし、この化学
的機械研磨装置装置では、研磨スラリー１０がリング２
１０に邪魔されてウェーハ４に届く研磨スラリー１０の
量が少なくなり、研磨レートの面内分布の悪化やこれに
よる新たな研磨バラツキを発生させる事となり、完全な
解決には至っていなかった。一方、従来の化学的機械研
磨装置装置では、ドレッサー１０１の設置面積が必要な
分だけスペース増になると共に、ドレッサー１０１によ
るドレッシング中は研磨が行えないというデューティ・
レイシオの問題があった。

【００１０】この発明は、上述した事情から成されたも
のであり、研磨パッドのたるみを防止することができ、
またドレッシングを合理化することができる化学的機械
研磨装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、この発明に
よれば、段差を有する被処理基板表面を研磨パッドに押
圧して、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、前記研磨パッドのたるみを防止する
ための補助部材を、前記研磨パッドの研磨面側であっ
て、前記研磨パッドに対する前記被処理基板の相対的進
行方向の前方に設けることにより達成される。さらに
は、前記研磨パッドの研磨面に対向する前記たるみ防止
補助部材の面を、粗面に形成することにより達成され
る。

【００１２】上記構成によれば、たるみ防止補助部材を
研磨パッドに押しつけることにより、研磨パッドはたる
み防止補助部材と被処理基板との間で引っ張られること
になるので、研磨パッドを常にピンと張った状態に維持
することができ、研磨パッドのたるみを防止することが
できる。また、同時に研磨パッドはドレッシングされる
ことになるので、ドレッシングを合理化することができ
る

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述
べる実施形態は、この発明の好適な具体例であるから、
技術的に好ましい種々の限定が付されているが、この発
明の範囲は、以下の説明において、特にこの発明を限定
する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるもの
ではない。

【００１４】第１の実施の形態 図１は、この発明の化学的機械研磨装置の第１の実施形
態の主要部を示す概略斜視図、図２は、その第１の実施
形態の全体構成を示す概略平面図、図３は、そのＡ−
Ａ’線断面側面図である。尚、図中の構成要素で従来の
技術と同様の構成を成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。この化学的機械研磨装置２
０は、キャリア５の相対的進行方向前方の研磨パッド２
のたるみのみ除去すれば良い事に着目したものであり、
そのたるみを防止するための補助部材である図１に示す
様なウェーハ４のほぼ半周分を取り囲むことができる径
を有する半円筒形状のたるみ防止板２００を備えてい
る。

【００１５】図２及び図３に示す様に、このたるみ防止
板２００は、その内周面側がキャリア５の外周面を向く
ようにして、研磨パッド２の研磨面側のキャリア５の相
対的進行方向前方であってウェーハ４から例えば５ｍｍ
から２０ｍｍ程度離れた場所に配置され、化学的機械研
磨装置２０の上方に存在する枠体に圧力調整手段を介し
て固定されている。そして、たるみ防止板２００の下端
面２００ａは、研磨パッド２の研磨圧力９と単位面積当
たり同一の圧力調整手段による圧力９１により研磨パッ
ド２上に押し付けられている。

【００１６】ここで、たるみ防止板２００の形状は、ウ
ェーハ４を完全には取り囲まない形状、例えば完全な円
筒形状でなければ特に限定されるものではなく、例えば
折れ曲がった平板形状等のウェーハ４のほぼ半周分を取
り囲むことができる形状であれば良い。また、たるみ防
止板２００とウェーハ４との上記距離は一例であり、キ
ャリア５の相対的進行方向前方であれば、特にこの範囲
に限定されるものではない。さらに、たるみ防止板２０
０の材質は、金属、硬質ゴム又はこれらの材料の組み合
わせが用いられる。

【００１７】このような構成により、図２及び図３に示
す様に研磨パッド２のたるみ１５０はこのたるみ防止板
２００の前方に押し出され、ウェーハ４に於いては平坦
度の高い研磨パッド２で研磨が可能になり、もってウェ
ーハ４の研磨面の均一性を改善する事が可能となり、同
時に研磨のグローバルな平坦性の改善も可能となる。ま
た、このたるみ防止板２００はウェーハ４のまわりを完
全に囲み込まない為、研磨スラリー供給装置７のノズル
６をたるみ防止板２００とウェーハ４の間に配置するこ
とができ、このノズル６から研磨スラリー１０をウェー
ハ４と研磨パッド２の間に十分に供給する事ができる。
さらに、研磨スラリー１０が研磨プレート３の外方に散
逸せず、ウェーハ４と研磨パッド２の間に有効に供給さ
れる為、高価な研磨スラリー１０の節約になり、製造コ
ストの低減にも有効である。

【００１８】第２の実施の形態 図４は、この発明の化学的機械研磨装置の第２の実施形
態の主要部を示す概略斜視図、図５は、その第２の実施
形態の全体構成を示す概略平面図である。尚、図中の構
成要素で第１の実施形態と同様の構成を成しているもの
については、同一の参照符号を付すものとする。この化
学的機械研磨装置２１は、第１の実施形態で示したたる
み防止板２００の先端を複数個に分割したたるみ防止板
２０１を備えている。これにより、研磨パッド２の目立
て層１００がたるみ防止板２０１により削られる事が少
なくなり、かつ、研磨済みの研磨スラリー１０のウェー
ハ４の外方への排出が容易となり、より研磨レートを安
定化させる事が可能となる。

【００１９】第３の実施の形態 図６は、この発明の化学的機械研磨装置の第３の実施形
態の主要部を示す概略斜視図、図７は、その第３の実施
形態の全体構成を示す概略平面図である。尚、図中の構
成要素で第１の実施形態と同様の構成を成しているもの
については、同一の参照符号を付すものとする。この化
学的機械研磨装置３０は、キャリア５の相対的進行方向
前方の研磨パッド２のたるみを防止するための補助部材
である図６に示す様なウェーハ４のほぼ半周分を取り囲
むことができる径を有する半円環形状の固定板３００ｂ
及びこの固定板３００ｂの一面で円周に沿って一列に所
定の間隔で一端が固定されている複数の棒材３００ｃで
成るたるみ防止棒３００を備えている。

【００２０】図７に示す様に、このたるみ防止棒３００
は、その内周面側がキャリア５の外周面を向くようにし
て、研磨パッド２の研磨面側のキャリア５の相対的進行
方向前方であってウェーハ４から例えば５ｍｍから２０
ｍｍ程度離れた場所に配置され、化学的機械研磨装置３
０の上方に存在する枠体に圧力調整手段を介して固定さ
れている。そして、たるみ防止棒３００の下端面３００
ａは、研磨パッド２の研磨圧力９と単位面積当たり同一
の圧力調整手段による圧力により研磨パッド２上に押し
つけられている。

【００２１】ここで、たるみ防止棒３００の固定板３０
０ｂの形状は、ウェーハ４を完全には取り囲まない形
状、例えば完全な円環形状でなければ特に限定されるも
のではなく、例えば折れ曲がった板形状等のウェーハ４
のほぼ半周分を取り囲むことができる形状であれば良
い。また、たるみ防止棒３００とウェーハ４との上記距
離は一例であり、キャリア５の相対的進行方向前方であ
れば、特にこの範囲に限定されるものではない。さら
に、たるみ防止棒３００の材質は、金属、硬質ゴム又は
これらの材料の組み合わせが用いられる。

【００２２】このような構成により、図７に示す様に研
磨パッド２のたるみ１５０はこのたるみ防止棒３００の
前方に押し出され、ウェーハ４に於いては平坦度の高い
研磨パッド２で研磨が可能になり、もってウェーハ４の
研磨面の均一性を改善する事が可能となり、同時に研磨
のグローバルな平坦性の改善も可能となる。また、この
たるみ防止棒３００はウェーハ４のまわりを完全に囲み
込まない為、研磨スラリー供給装置７のノズル６をたる
み防止棒３００とウェーハ４の間に配置することがで
き、このノズル６から研磨スラリー１０をウェーハ４と
研磨パッド２の間に十分に供給する事ができる。

【００２３】さらに、研磨スラリー１０が研磨プレート
３の外方に散逸せず、ウェーハ４と研磨パッド２の間に
有効に供給される為、高価な研磨スラリー１０の節約に
なり、製造コストの低減にも有効である。そして、たる
み防止棒３００の棒材３００ｃは所定間隔で配置されて
いる為、研磨パッド２の目立て層１００が削られる事が
少なくなり、かつ、研磨済みの研磨スラリー１０のウェ
ーハ４の外方への排出が容易となり、より研磨レートを
安定化させる事が可能となる。

【００２４】第４の実施の形態 図８は、この発明の化学的機械研磨装置の第４の実施形
態の主要部を示す概略斜視図、図９は、その第４の実施
形態の全体構成を示す概略平面図である。尚、図中の構
成要素で第３の実施形態と同様の構成を成しているもの
については、同一の参照符号を付すものとする。この化
学的機械研磨装置３１は、第３の実施形態で示したたる
み防止棒３００の棒材３００ｃを２列に配置した棒材３
０１ｃを有するたるみ防止棒３０１を備えている。これ
により、研磨パッド２の目立て層１００がたるみ防止棒
３０１の棒材３０１ｃにより削られる事が少なくなり、
かつ、研磨済みのスラリー１０のウェーハ４の外方への
排出が容易となり、より研磨レートを安定化させる事が
可能となる。尚、この実施形態では棒材３００ｃを２列
に配置した例を示したが、これに限定されるものではな
く、任意の複数列で配置しても良い。そして、研磨パッ
ド２に対するたるみ防止棒３００の相対的進行方向の棒
材３０１ｃの密度を、相対的に高くなるように構成すれ
ば、より効果的となる。

【００２５】以上の各実施形態によれば、研磨面の均一
性の改善及び研磨のグローバルな平坦性の改善が可能と
なる。また、たるみ防止補助部材はウェーハの外周を完
全に覆わない為、研磨スラリーの供給及び使用済みの研
磨スラリーの排出が容易となる。さらに、たるみ防止補
助部材とウェーハの間に研磨スラリーを供給することが
できる為、無駄なくウェーハの研磨に供給されることに
なり、研磨スラリーの有効利用が可能となる。

【００２６】第５の実施の形態 上述した第１から第４の実施形態では、キャリア５の相
対的進行方向前方の研磨パッド２のたるみを防止するた
めの補助部材について説明したが、各実施形態の補助部
材を用いてたるみ防止のみならず研磨パッド２のドレッ
シングも可能な補助部材とすることができる。即ち、第
１の実施形態のたるみ防止板２００の下端面２００ａ、
第２の実施形態のたるみ防止板２０１の下端面２０１
ａ、第３の実施形態のたるみ防止棒３００の各棒材３０
０ｂの下端面３００ａ及び第４の実施形態のたるみ防止
棒３０１の各棒材３０１ｂの下端面３０１ａを、それぞ
れ粗面とする。

【００２７】これにより、各下端面２００ａ、２０１
ａ、３００ａ及び３０１ａは、圧力調整手段による圧力
９１により研磨パッド２上に押しつけられ、かつ摺動し
ているので、研磨パッド２のたるみが防止されると同時
に研磨パッド２の目立て層１００はドレッシングされる
ことになる。このような構成によれば、従来のドレッサ
ー１０１は不要となるので、装置自体の小型化が可能に
なると共に、研磨パッド２は自動的にドレッシングされ
るので、研磨工程の連続化が可能となり、生産性を向上
させることができる。

【００２８】第６の実施の形態 さらに、第５の実施形態の補助部材を用いて研磨パッド
２の目立て層１００のドレッシング精度をより高めるこ
とができる。即ち、第１の実施形態のたるみ防止板２０
０、第２の実施形態のたるみ防止板２０１、第３の実施
形態のたるみ防止棒３００及び第４の実施形態のたるみ
防止棒３０１を、それぞれキャリア５のまわりを所定角
度で揺動させるようにする。また、第３の実施形態のた
るみ防止棒３００及び第４の実施形態のたるみ防止棒３
０１の場合は、上記揺動に加えて、あるいは単独で各棒
材３００ｃ、３０１ｃを、各棒材３００ｃ、３０１ｃの
軸を中心として回転させる。これにより、各下端面２０
０ａ、２０１ａ、３００ａ及び３０１ａは、圧力調整手
段による圧力９１により研磨パッド２上に押しつけら
れ、かつ各下端面２００ａ、２０１ａ、３００ａ及び３
０１ａと研磨パッド２が相互に摺動しているので、研磨
パッド２のたるみが防止されると同時に研磨パッド２の
目立て層１００は精度良くドレッシングされることにな
る。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、研磨
パッドのたるみを防止することができ、またドレッシン
グを合理化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の化学的機械研磨装置の第１の実施形
態の主要部を示す概略斜視図。

【図２】この発明の化学的機械研磨装置の第１の実施形
態の全体構成を示す概略平面図。

【図３】図２のＡ−Ａ’線断面側面図。

【図４】この発明の化学的機械研磨装置の第２の実施形
態の主要部を示す概略斜視図。

【図５】この発明の化学的機械研磨装置の第２の実施形
態の全体構成を示す概略平面図。

【図６】この発明の化学的機械研磨装置の第３の実施形
態の主要部を示す概略斜視図。

【図７】この発明の化学的機械研磨装置の第３の実施形
態の全体構成を示す概略平面図。

【図８】この発明の化学的機械研磨装置の第４の実施形
態の主要部を示す概略斜視図。

【図９】この発明の化学的機械研磨装置の第４の実施形
態の全体構成を示す概略平面図。

【図１０】従来の化学的機械研磨装置の一例を示す概略
図。

【図１１】従来の他の化学的機械研磨装置の一例を示す
概略平面図。

【符号の説明】

１・・・回転軸、２・・・研磨パッド、３・・・研磨プ
レート、４・・・ウェーハ（被処理基板）、５・・・キ
ャリア、６・・・ノズル、７・・・研磨スラリー供給装
置、８・・・回転軸、９・・・研磨圧力、１０・・・研
磨スラリー、１１・・・バッキングフィルム、２０、２
１、３０、３１・・・化学的機械研磨装置、９１・・・
圧力、１００・・・目立て層、１０１・・・ドレッサ
ー、１０２・・・ダイア、１５０・・・たるみ、２０
０、２０１・・・たるみ防止板、３００、３０１・・・
たるみ防止棒、２００ａ、２０１ａ、３００ａ、３０１
ａ・・・下端面、２１０・・・リング

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
   ドに押圧して、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、 前記研磨パッドのたるみを防止するための補助部材が、
   前記研磨パッドの研磨面側であって、前記研磨パッドに
   対する前記被処理基板の相対的進行方向の前方に設けら
   れていることを特徴とする化学的機械研磨装置。
2. 【請求項２】 前記研磨パッドの研磨面に対向する前記
   たるみ防止補助部材の面が、粗面に形成されている請求
   項１に記載の化学的機械研磨装置。
3. 【請求項３】 前記たるみ防止補助部材が、前記被処理
   基板を囲むように形成されている請求項１に記載の化学
   的機械研磨装置。
4. 【請求項４】 前記たるみ防止補助部材が、金属、硬質
   ゴム又はこれらの材料の組み合わせで構成されている請
   求項１に記載の化学的機械研磨装置。
5. 【請求項５】 前記たるみ防止補助部材が、前記被処理
   基板の略中心部を軸として揺動するように構成されてい
   る請求項１に記載の化学的機械研磨装置。
6. 【請求項６】 スラリーを供給するノズルが、前記被処
   理基板と前記たるみ防止補助部材の間に配置されている
   請求項１に記載の化学的機械研磨装置。
7. 【請求項７】 前記たるみ防止補助部材が、板状に構成
   されている請求項１に記載の化学的機械研磨装置。
8. 【請求項８】 前記たるみ防止板の先端が、複数に分割
   されている請求項７に記載の化学的機械研磨装置。
9. 【請求項９】 前記たるみ防止補助部材が、複数の棒状
   に構成されている請求項１に記載の化学的機械研磨装
   置。
10. 【請求項１０】 前記研磨パッドに対する前記たるみ防
    止棒の相対的進行方向の棒の密度が、相対的に高くなる
    ように構成されている請求項９に記載の化学的機械研磨
    装置。
11. 【請求項１１】 前記たるみ防止棒が、その軸を中心と
    して回動するように構成されている請求項９に記載の化
    学的機械研磨装置。