JPH10337651A - 化学的機械研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ドレッシング工程が不要で、マイクロスクラ
ッチ発生を抑制した平坦化処理の可能な研磨布を有する
化学的機械研磨装置を提供する。 【解決手段】 化学的機械研磨装置の主要部を、研磨布
１０１を設置する研磨定盤、被処理基板を保持する保持
基盤、研磨液供給部で構成し、研磨定盤に設置する上記
研磨布１０１の表面には、デルタ状に配列した、高さＨ
が約５００μｍ程度で間隔Ｐが約４００μｍ程度の円錐
台状の突起部１０２が多数形成された凹凸部１０１ａが
設けられている。 【効果】 この化学的機械研磨装置を平坦化処理工程に
用いた、高集積化した半導体装置の製造歩留が向上す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は化学的機械研磨装置
に関し、さらに詳しくは、研磨布に特徴を有する化学的
機械研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の高集積化に伴い、微
細加工技術に対する要望は益々高まっている。この微細
加工技術の基本となるフォトレジストの微細パターン形
成のために、高感度で高解像度のフォトレジストの開発
や、高解像度の露光装置の開発等が盛んに行われている
が、加工膜等の表面が平坦でないと、露光装置の焦点深
度やフォトレジストの性能との関係で、露光領域内のフ
ォトレジストの精度良い微細なパターニングが出来ない
という問題がある。上述のような微細加工上からの要望
だけでなく、平坦面でない下地に形成する配線等の加工
膜の段差被覆性（ステップカバレージ）の面でも、加工
膜の下地面等の平坦化技術が要望され、この有力な手段
として化学的機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍ
ｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法がある。

【０００３】上述したＣＭＰ法により加工面の平坦化を
行う装置が化学的機械研磨装置（ＣＭＰ装置）である。
ここで、従来のＣＭＰ装置およびその方法を、図４を参
照して説明する。まず、ＣＭＰ装置１の主要部は、図４
に示すように、回転軸１１により回転可能に支持され
た、研磨布１２の貼り付けられている研磨定盤１０と、
回転軸２１により回転可能に支持され、回転軸２１を介
して圧力が加えられる、被処理基板、例えば半導体ウェ
ハ２２を保持する保持基盤２０と、回転軸３１により回
転可能に支持され、回転軸３１を介して圧力が加えられ
る、研磨布１２を粗面化するドレッシング板３０および
研磨液供給部４０とで概略構成されている。

【０００４】研磨布１２が貼り付けられる研磨定盤１０
表面は、基準面となることから非常に高い平坦度をもっ
て形成されている。研磨布１２は、小さな気泡が内在し
ているポリウレタン等の硬質樹脂製の布である。半導体
ウェハ２２は、粘着力があるワックス、又はウェハパッ
キングフィルム等の貼り付け材で保持基盤２０下面に貼
り付けるか、真空吸着により保持基盤２０下面に貼り付
けられる。半導体ウェハ２２の研磨時には、研磨圧力調
整器（図示省略）より回転軸２１を介して圧力が加えら
れ、研磨定盤１０上の研磨布１２に押し付けられた状態
で研磨される。ドレッシング板３０下面には、硬いセラ
ミック又はダイヤ等の硬質粒子３２が固着されている。
このドレッシング板３０と研磨定盤１０を回転させ、ド
レッシング板３０に圧力を加えて研磨定盤１０上の研磨
布１２に押し付けた状態で、研磨布１２表面の粗面化
（ドレッシング）を行う。研磨液供給部４０は、アンモ
ニア水溶液等のアルカリ溶液に粒径が小さなシリカ粒子
等の研磨材粒子が分散している研磨液（スラリ）を供給
ノズル４１先端より、研磨定盤１０上の研磨布１２上に
吐出させるものである。

【０００５】次に、このＣＭＰ装置１による半導体ウェ
ハ２２の研磨動作を説明する。まず、研磨定盤１０上の
研磨布１２をドレッシングする。研磨布１２のドレッシ
ングは、研磨定盤１０を回転させ、ドレッシング板３０
を回転させながら下方に移動させ、研磨定盤１０上の研
磨布１２上に、所定の圧力を加えて押し付けることによ
り、研磨布１２表面をドレッシング板３０下面の硬質粒
子３２により削りキズを付ける。このドレッシングを所
定時間行うと、無数の削りキズにより、研磨布１２表面
には無数の小さな凹凸部１２ａができ、研磨布１２表面
が毛羽たった状態となる。研磨布１２表面を所定時間だ
けドレッシングした後、ドレッシング板３０を上方に引
き上げ、ドレッシング板３０および研磨定盤１０の回転
を停止する。

【０００６】次に、半導体ウェハ２２を、半導体ウェハ
２２の加工面を下にして、保持基盤２０下面に貼り付
け、研磨圧力調整器（図示省略）の圧力設定をする。次
に、研磨定盤１０を回転させ、研磨液供給部４０の供給
ノズル４１先端より研磨液を研磨定盤１０上の研磨布１
２の中央部に吐出させる。供給ノズル４１先端より吐出
した研磨液は、研磨定盤１０の回転による遠心力で、研
磨布１２全面に広がる。その後半導体ウェハ２２を貼り
付けた保持基盤２０を回転させながら、保持基盤２０を
下方に移動させて、研磨定盤１０上の研磨布１２上に、
半導体ウェハ２２の加工面を設定した圧力で押し付け
る。半導体ウェハ２２の加工面が研磨布１２に押し付け
られた状態で、研磨液が研磨布１２表面の凹凸部１２ａ
により半導体ウェハ２２の加工面に運ばれ、半導体ウェ
ハ２２の加工面を研磨して、加工面の平坦化を行う。半
導体ウェハ２２の加工面を所定量研磨した後、保持基盤
２０を上方に移動し、保持基盤２０や研磨定盤１０の回
転停止および研磨液の吐出停止を行う。その後保持基盤
２０下面より半導体ウェハ２２を引きはがす。

【０００７】その後は、上述した半導体ウェハ２２の保
持基盤２０への貼り付けから、半導体ウェハ２２の加工
面の平坦化工程を経て、保持基盤２０下面より半導体ウ
ェハ２２を引きはがすまでの工程を繰り返すことで、次
々と半導体ウェハ２２の加工面の平坦化処理を行う。多
数枚の半導体ウェハ２２の平坦化処理を行うと、研磨布
１２の凹凸部が磨耗して、研磨液を半導体ウェハ２２の
加工面へ供給する性能が落ち、加工面の平坦化速度低下
や平坦性の悪化となる。そのために、所定枚数の平坦化
処理を行った後には、上述したドレッシング板３０によ
る研磨布１２のドレッシング工程を行う。

【０００８】上述したＣＭＰ装置１による半導体ウェハ
２２の加工面の平坦化においては、半導体ウェハ２２の
加工面のマイクロスクラッチ発生を抑制するために、ド
レッシング時の研磨布１２の削り屑やドレッシング板３
０下面より剥離した硬質粒子３２および半導体ウェハ２
２の平坦化処理時に発生した、シリコンの破片等の大粒
子の研磨布１２面からの速やかな除去と同時に、研磨布
１２に押し付けられた半導体ウェハ２２の加工面へ新た
な研磨液の供給を行う必要があり、この為に多量の研磨
液を消費し、半導体装置の製造における生産コストを上
昇させるという問題がある。

【０００９】また、上述したＣＭＰ装置１による半導体
ウェハ２２の加工面の平坦化においては、上述した如
く、平坦化処理時の加工面の平坦性を悪化させないため
の研磨布１２のドレッシングを、所定枚数の半導体ウェ
ハ２２の平坦化処理後に行わなければならず、ＣＭＰ装
置１による平坦化処理の稼働率を落とすだけでなく、ド
レッシング板３０のドレッシング性能が除々に落ちてド
レッシング板３０の交換が必要となり、ドレッシング板
３０の交換に伴う作業数増加とコスト増加という問題も
ある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した化
学的機械研磨装置における問題点を解決することをその
目的とする。即ち本発明の課題は、ドレッシング工程が
不要で、マイクロスクラッチ発生を抑制した平坦化処理
の可能な研磨布を有す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】本発明の化学的機械研磨
装置は、上述の課題を解決するために提案するものであ
り、所定高さの突起部を所定間隔で多数配列した研磨布
を設置した研磨定盤と、被処理基板を保持する保持基盤
と、研磨液を供給する研磨液供給部とを有することを特
徴とするものである。

【００１２】本発明によれば、所定高さの突起部を所定
間隔で多数配列した研磨布を設置した研磨定盤と、被処
理基板を保持する保持基盤と、研磨液を供給する研磨液
供給部とを有して化学的機械研磨装置を構成することに
より、ドレッシング板による研磨布のドレッシング工程
を省くことができるので化学的機械研磨装置の稼働率を
向上させることができる。また、ドレッシング工程を不
要としたことで、ドレッシング時の研磨布の削り屑やド
レッシング板下面より剥離した硬質粒子等の大粒子によ
る被処理基板である半導体ウェハの加工面のマイクロス
クラッチの発生原因が除去でき、又被処理基板の平坦化
処理時に発生した、シリコンの破片等の研磨液中の大粒
子は、突起部周囲の底部に向かい、半導体ウェハの加工
面に接触し難くなっているので、上述した大粒子による
マイクロスクラッチの発生原因も低減できる。従って、
上述した化学的機械研磨装置を平坦化工程に用いて作製
する高集積化した半導体装置の製造歩留が向上する。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的実施の形態
例につき、添付図面を参照して説明する。なお従来技術
の説明で参照した図４中の構成部分と同様の構成部分に
は、同一の参照符号を付すものとする。

【００１４】本実施の形態例は、化学的機械研磨（ＣＭ
Ｐ）法により被処理基板の加工面の平坦化をする化学的
機械研磨装置（ＣＭＰ装置）に本発明を適用した例であ
り、これを図１〜図３を参照して説明する。まず、ＣＭ
Ｐ装置１００の主要部は、図１に示すように、回転軸１
１により回転可能に支持された、本発明の研磨布１０１
の取付けられている研磨定盤１０と、回転軸２１により
回転可能に支持され、回転軸２１を介して圧力が加えら
れる、被処理基板、例えば半導体ウェハ２２を保持する
保持基盤２０と、研磨液供給部４０とで概略構成されて
いる。なお、本実施の形態例のＣＭＰ装置１００では、
従来例のＣＭＰ装置１（図４参照）の構成要素部となっ
ていたドレッシング板３０を設けていない。

【００１５】次に、ＣＭＰ装置１００の各構成部分で従
来例のＣＭＰ装置１と同様な部分の機能等は、従来例と
同様なので説明を省略し、特徴部分の説明を詳述する。
本発明の研磨布１０１の構造は、図１に示すように、円
形の研磨定盤１０径と略等しい径の円形で、研磨布１０
１表面部には多数の突起部が形成された凹凸部１０１ａ
がある。

【００１６】次に、上述した研磨布１０１の詳細構造
を、図２を参照して説明する。ここで図２（ａ）は研磨
布１０１の一部を上面より見た概略平面図で、図２
（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ部における概略断面図で
ある。研磨布１０１は、例えば硬質の樹脂製であるポリ
ウレタン樹脂製で、厚みが例えば約３ｍｍ程度ある。研
磨布１０１の表面部には、所定高さ、所定間隔で多数配
列した突起部１０２による凹凸部１０１ａがある。な
お、研磨布１０１の硬度があまり大きくて、半導体ウェ
ハ２２のグローバル平坦性に問題がある時は、研磨布１
０１として、硬質の樹脂製布と軟質の樹脂製布とを貼り
合わせたものとしてもよい。凹凸部１０１ａの構造の具
体例としては、例えば突起部１０２の所定高さＨは約５
００μｍとし、突起部１０２の所定間隔Ｐを約４００μ
ｍとし、突起部１０２の形状は上部径Ｄ₁ は約１５０μ
ｍ、下部径Ｄ₂ は約１８０μｍの円錐台状の突起部１０
２とし、この突起部１０２がデルタ状に配列されてい
る。

【００１７】なお、上述した研磨布１０１の突起部１０
２の配列や形状は一例として示したもので、配列として
は、研磨定盤１０と保持基盤２０が相互に回転して平坦
化処理をするので、ほぼ均等な突起部１０２の配列なら
ば、格子状配列でもその他の配列でもよく、又形状とし
ては、楕円状の表面形状や長方形状等の表面形状でもよ
い。

【００１８】この研磨布１０１の成形方法は、通常の樹
脂成形方法、例えば上述した研磨布１０１の凹凸部１０
１ａを形成するための、真空引き可能な樹脂成形金型を
用い、まず樹脂成形金型の樹脂成形部を真空引きし、そ
の後この真空引きされた樹脂成形部に、加熱して液化し
たポリウレタン樹脂をインジェクトして形成する方法等
を用いる。

【００１９】次に、上述した研磨布１０１を用いたＣＭ
Ｐ装置１００による平坦化処理時の状態を、図３を参照
して説明する。平坦化処理時の研磨布１０１の突起部１
０２は、保持基盤２０に加わる圧力により、保持基盤２
０下面に貼り付けられた半導体ウェハ２２表面に接して
下方に押し付けられた状態となる。一方、研磨定盤１０
表面に貼り付けられた研磨布１０１が研磨定盤１０の回
転により移動し、保持基盤２０下面に貼り付けられた半
導体ウェハ２２が保持基盤２０の回転により移動するの
で、突起部１０２を基準にして見ると、半導体ウェハ２
２がｐ方向へと移動することになり、圧力の加わった半
導体ウェハ２２と突起部１０２表面との摩擦力により、
突起部１０２上部にはｐ方向へ向かう力が加わり、突起
部１０２はｐ方向へ多少曲がる。

【００２０】上述した突起部１０２の曲がるｐ方向は、
研磨布１０１内の突起部１０２の位置により変わり、又
同じ位置の突起部１０２でも研磨布１０１の移動と共に
変わるものもある。従って、突起部１０２の曲がりが大
きいような突起部１０２の構成では、頻繁な突起部１０
２の曲げ方向の変化や突起部１０２の磨耗面の位置変化
により突起部１０２の破損や研磨性能変動等を起こし、
研磨布１０１の耐久性が低下してしまう。このため、突
起部１０２があまり曲がらない形状、即ち半導体ウェハ
２２の圧力に拮抗できる、研磨布１０１面積と突起部１
０２表面の総面積の割合を有する突起部１０２表面積の
大きさとし、突起部１０２の高さを低くした形状とする
ことが望ましい。

【００２１】一方、突起部１０２の高さが低いと、突起
部１０２の磨耗で研磨液（スラリ）１０３の加工面への
供給能力が低下して研磨性能が維持できる研磨布１０１
の耐久性が低下する。また、突起部１０２の高さが低い
と、突起部１０２の周囲の研磨液１０３中のシリコンの
破片、小さな研磨粒子が何らかの要因で集合した大きな
粒子、研磨液１０３中の大きなダスト等の粒径が約１μ
ｍ以上ある大粒子が半導体ウェハ２２の加工面に接触し
易くなって、マイクロスクラッチ発生を引き起こす虞が
出てくる。上述した理由により、突起部１０２の所定高
さＨとしては、３０μｍ≦Ｈ≦２ｍｍの範囲、又突起部
１０２の所定間隔Ｐとしては、２０μｍ≦Ｐ≦２ｍｍの
範囲で、突起部１０２表面積としては所定間隔Ｐの範囲
内で出来るだけ大きいことが望ましい。そのため、研磨
布１０１の凹凸部１０１ａの構造の具体例としては、上
述した如く、例えば突起部１０２の所定深さＨを約５０
０μｍとし、突起部１０２の所定間隔Ｐを約４００μｍ
とし、突起部１０２の上部径を約１５０μｍ、下部径を
約１８０μｍとした円錐台状の突起部１０２とし、この
突起部１０２の配列をデルタ状とした。

【００２２】上述したような突起部１０２を持つ研磨布
１０１においては、半導体ウェハ２２が突起部１０２の
上方にある間、即ち保持基盤２０の真下に突起部１０２
がある間の突起部１０２周囲の研磨液１０３は、ＣＭＰ
が行われることによりアルカリ溶液濃度が低下するが、
突起部１０２が保持基盤２０の真下より離れると、研磨
液供給部４０より間断なく研磨布１０１の中央部に供給
される研磨液１０３で再補給される状態となる。そのた
め、研磨液１０３のアルカリ溶液の濃度低下が抑えられ
て、研磨速度の低下が抑えられる。

【００２３】また、突起部１０２の周囲の研磨液１０３
中に混入した粒径が約１μｍ以上ある大粒子は、重力に
より突起部１０２の周辺の底部に向かい、研磨液供給部
４０からの研磨液１０３の再補給時に、突起部１０２の
周辺の底部に沿って移動し、研磨布１０１の外部に放出
される。このため、半導体ウェハ２２の加工面と研磨布
１０１との間に入った大粒子により発生すると言われる
マイクロスクラッチの発生が低減される。

【００２４】次に、このＣＭＰ装置１００による半導体
ウェハの研磨動作を説明する。まず、半導体ウェハ２２
を、半導体ウェハ２２の加工面を下にして、保持基盤２
０下面に貼り付け、研磨圧力調整器（図示省略）の圧力
設定をする。次に、研磨定盤１０を回転させ、研磨液供
給部４０の供給ノズル４１先端より研磨液、例えばアン
モニア水溶液等のアルカリ溶液に粒径が小さなシリカ粒
子等の研磨粒子、例えば２０ｎｍ径程度の研磨粒子が分
散している研磨液（スラリ）１０３を、供給ノズル４１
先端より研磨定盤１０上の研磨布１０１上のほぼ中央に
吐出させる。供給ノズル４１先端より吐出した研磨液１
０３は、研磨定盤１０の回転による遠心力により、研磨
布１０１の中央より周辺部に向かって広がり、研磨布１
０１の突起部１０２の周囲を研磨液１０３で満たしなが
ら周辺部に向かい、周辺部より研磨布１０１の外部に放
出される。

【００２５】次に、半導体ウェハ２２を貼り付けた保持
基盤２０を回転させながら、保持基盤２０を下方に移動
させて、研磨定盤１０上の研磨布１０１上に、半導体ウ
ェハ２２の加工面を設定した圧力で押し付けることで、
半導体ウェハ２２の加工面の平坦化処理が開始される。
半導体ウェハ２２の加工面を所定量研磨した後、保持基
盤２０を上方に移動し、その後保持基盤２０や研磨定盤
１０の回転停止および研磨液１０３の吐出停止を行う。
更にその後、保持基盤２０下面より半導体ウェハ２２を
引きはがす。

【００２６】その後は、上述した工程を繰り返すこと
で、次々と半導体ウェハ２２の平坦化処理を行う。上述
した研磨布１０１を用いれば、突起部１０２の磨耗が進
んで突起部１０２の高さがかなり低くなるまで、研磨液
１０３が突起部１０２の周辺部に保持された状態となっ
て加工面への研磨液１０３の供給性が確保されるので、
多数枚の半導体ウェハ２２の平坦化処理を行っても、従
来例のＣＭＰ装置１のようなドレッシング板３０による
研磨布１２のドレッシングが不要となる。

【００２７】以上のように、上述したＣＭＰ装置１００
においては、研磨布１０１表面に所定高さの突起部１０
２を所定間隔で多数配列した凹凸部１０１ａを持つ研磨
布１０１を用いることで、従来例のＣＭＰ装置１のよう
なドレッシング板３０を用いるドレッシング工程を行わ
ずに、多数枚の半導体ウェハ２２の平坦化処理ができる
ので、ＣＭＰ装置１００の稼働率が向上する。また、上
述したＣＭＰ装置１００においては、ドレッシング工程
を不要としたとで、ドレッシング時の研磨布１０１の削
り屑やドレッシング板下面より剥離した硬質粒子等の大
粒子による半導体ウェハ２２の加工面のマイクロスクラ
ッチ発生原因が除去でき、又半導体ウェハ２２の平坦化
処理時に発生した、シリコンの破片等の突起部１０２周
囲の研磨液１０３中の大粒子は、突起部１０２周囲の底
部に向かい、半導体ウェハ２２の加工面に接触し難くな
っているので、上述した大粒子によるマイクロスクラッ
チ発生原因も低減できる。従って、マイクロスクラッチ
発生に起因する、例えば半導体ウェハ２２の層間絶縁膜
の絶縁耐圧悪化等で、平坦化を必要とする高集積化した
半導体装置の製造歩留が低下することを抑制することが
できる。

【００２８】以上、本発明を実施の形態例により説明し
たが、本発明はこの実施の形態例に何ら限定されるもの
ではない。例えば、本発明の実施の形態例では、ＣＭＰ
装置を半導体ウェハの加工面の平坦化処理に用いるとし
て説明したが、液晶表示装置のＴＦＴアクティブマトリ
クス基板等の平坦化に用いてもよい。また、本発明の実
施の形態例では、研磨布をポリウレタン樹脂製とした
が、他の硬質樹脂製、硬質ゴム製であってもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のＣＭＰ装置は、多数の突起部を設けた凹凸部を持つ研
磨布を用いることで、研磨布を粗面化するドレッシング
板を用いたドレッシング工程が不要となり、ＣＭＰ装置
の稼働率が向上する。また、本発明のＣＭＰ装置は、ド
レッシング工程を不要としたとで、ドレッシング時の研
磨布の削り屑やドレッシング板下面より剥離した硬質粒
子等の大粒子による半導体ウェハの加工面のマイクロス
クラッチ発生原因が除去でき、又半導体ウェハの平坦化
処理時に発生した、シリコンの破片等の突起部周囲の研
磨液中の大粒子は、突起部周囲の底部に向かい、半導体
ウェハの加工面に接触し難くなっているので、上述した
大粒子によるマイクロスクラッチ発生原因も低減でき
る。従って、このＣＭＰ装置を半導体ウェハの平坦化処
理工程に用いた、高集積化した半導体装置の製造歩留が
向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した実施の形態例のＣＭＰ装置の
概略断面図である。

【図２】本発明を適用した実施の形態例の研磨布の概略
図で、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は図（ａ）のＡ−Ａ
部における概略断面図である。

【図３】本発明を適用した実施の形態例のＣＭＰ装置に
よる平坦化処理時の状態を説明する、半導体ウェハの加
工面近傍の概略断面図である。

【図４】従来例のＣＭＰ装置の概略断面図である。

【符号の説明】

１，１００…ＣＭＰ装置、１１，２１，３１…回転軸、
１２，１０１…研磨布、１２ａ，１０１ａ…凹凸部、２
０…保持基盤、２２…半導体ウェハ、３０…ドレッシン
グ板、４０…研磨液供給部、４１…供給ノズル、１０２
…突起部、１０３…研磨液

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定高さの突起部を所定間隔で多数配列
   した研磨布を設置した研磨定盤と、 被処理基板を保持する保持基盤と、 研磨液を供給する研磨液供給部とを有することを特徴と
   する、化学的機械研磨装置。
2. 【請求項２】 前記研磨布の材質は、硬質の樹脂である
   ことを特徴とする、請求項１に記載の化学的機械研磨装
   置。
3. 【請求項３】 前記突起部の所定高さＨは、３０μｍ≦
   Ｈ≦２ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の
   化学的機械研磨装置。
4. 【請求項４】 前記突起部の所定間隔Ｐは、２０μｍ≦
   Ｐ≦２ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の
   化学的機械研磨装置。
5. 【請求項５】 前記研磨布の前記突起部は、前記研磨布
   表面にデルタ状に配列されていることを特徴とする、請
   求項１に記載の化学的機械研磨装置。