JPH10337666A - 化学的機械研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スラリ中の大径凝集研磨粒子を効果的に除去
しながら、装置の安定稼働を維持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】 スラリ供給装置７側の配管１９ａとノズ
ル８側の配管１９ｂとの間に、密閉箱型容器２６で成る
沈降ボックス２０を設ける。沈降ボックス２０の底部は
配管１９ａ、１９ｂよりも下方に位置させることによ
り、トラップすなわち落とし穴の原理で、配管１９ａの
下壁面に沿って流れる研磨粒子の大径凝集粒子を内部に
沈降させる。これにより、ノズル８から被処理基板５へ
供給されるスラリから大径凝集粒子を効果的に除去する
ことができ、被処理基板に対するマイクロスクラッチの
発生の原因を大幅に低減することができる。また、沈降
ボックス２０のメンテナンスも頻繁に行う必要ななく、
装置の安定稼働を維持することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
工程において被処理基板の層間絶縁膜等の段差を平坦化
するのに用いられる化学的機械研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＬＳＩの高集積化に伴い、積層配
線構造のデバイスの層間を平坦化するのに、化学反応と
機械的研磨とを併用した化学的機械研磨方法、いわゆる
ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐ
ｏｌｉｓｈｉｎｇ）法が用いられている。この化学的機
械研磨方法は、被処理基板表面の各種段差を一括して平
坦化することができる方法として有望視されている。

【０００３】図４はこの種の従来技術として特開平８−
２５５７７４号公報に記載された化学的機械研磨装置を
示す概略断面図である。鉛直方向に配設された回転軸１
の上端部には研磨定盤として、上面に研磨布３を有した
定盤２が設けられている。半導体基板の一表面上に配線
層や層間絶縁膜等が形成されて成る被処理基板５は、回
転軸１０を備えるマウント板６に吸着されてその被処理
面を研磨布３と対向するように配置される。そして、研
磨剤であるスラリ４をスラリ供給装置７から配管９及び
ノズル８を介して研磨布３に供給し、定盤２及びマウン
ト板６の最適な回転数の下、被処理基板５を所定の圧力
で研磨布３に押し付けて研磨するように構成されてい
る。なお、図においてスラリ４は概略的に示されてい
る。

【０００４】スラリは被処理基板に応じて適用され、例
えば酸化珪素系の層間絶縁膜を研磨する場合には研磨粒
子としてシリカ（ＳｉＯ₂ ）微粒子を分散させたＫＯＨ
（水酸化カリウム）水溶液等の塩基性スラリが用いられ
る。更に詳しく説明すると、このシリカの一次粒子は２
０〜３０ｎｍの大きさであるが、この粒度では上述した
被処理基板５の研磨を行うには不十分であるので、ＫＯ
Ｈを調整剤として用いることにより一次粒子を連ならせ
て０．１μｍ程度の大きさの二次粒子とし、これでもっ
て主な研磨作用を行わせるようにしている。図５はシリ
カ粒子の水素結合を模式的に示すもので、シリカ一次粒
子Ｐａの表面に存在する例えば２．４〜３．２×１０⁴
個／ｃｍ² の水酸基がスラリ中の水分子と水素結合する
ことにより二次粒子Ｐを生成する様子を示している。こ
の二次粒子Ｐの粒度は、研磨を行う上で重要なパラメー
タであり、上述したようにＫＯＨ濃度によって調整され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら実際は、
スラリには粒度が１μｍを越えるシリカの大径凝集粒子
が含まれている。これは、配管やスラリ供給タンクの液
面以上に付着したスラリが乾燥し、更に脱水縮合反応に
よりシロキサン結合して粒度が増大して再びスラリ内に
混入するのが原因である。このとき、この１μｍ以上の
シリカ凝集粒子で研磨を行うと基板５の表面にマイクロ
スクラッチを発生させ、層間膜下の配線に傷をつけ不良
にしてしまうという問題がある。

【０００６】これを防ぐために、従来より配管９（図４
参照）の内部にフィルタを取り付けて１μｍ以上のシリ
カの大径凝集粒子を取り除くといった対応策が採られて
いる。しかしながら、フィルタの目づまりのため、この
フィルタのメンテナンス及び交換が必要となり、その間
における装置のダウンタイムとコストが発生するという
新たな問題を引き起こす。

【０００７】そこで本発明は上述の問題に鑑みてなさ
れ、スラリ中の大径凝集粒子を効果的に除去しながら、
装置の安定稼働を維持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課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、スラリ供給装
置とノズルの間を連絡する配管の一部の下面に、研磨粒
子の大径凝集粒子を沈降させるトラップを設け、配管の
下壁面に沿って流れる研磨粒子の大径凝集粒子を落とし
穴である上記トラップに沈降させることによってスラリ
から研磨粒子の大径凝集粒子を除去し、所定の粒度以下
の研磨粒子を有するスラリを研磨定盤に供給するように
している。したがって、被処理基板へ品質的なダメージ
を与えのを大幅に低減することができる。また、メンテ
ナンスに必要な交換部品を抑制しながら、装置を安定に
稼働させることができると共にスループットの向上を図
ることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１０】図１は本発明の実施の形態による化学的機
械研磨装置を示し、全体として１５で示される。なお図
４と対応する部分については同一の符号を付すものと
し、その詳細な説明は省略する。

【００１１】本実施の形態では、被処理基板５として表
面に酸化珪素系で成る層間絶縁膜を形成した半導体基板
（ウェーハ）を適用し、この層間絶縁膜を研磨するスラ
リ４としてＫＯＨ水溶液にシリカ（ＳｉＯ₂ ）の微粒子
を分散させた、上述の塩基性スラリを適用している。シ
リカ粒子は１．１６前後の比重を有し、その一次粒子Ｐ
ａや二次粒子Ｐ（図５参照）の場合は水中で分散され沈
降しにくいが、それよりも大きな粒度をもつ凝集粒子と
なると、水中で分散しにくくなり沈降しやすくなる。

【００１２】そこで本実施の形態では、スラリ供給装置
７とノズル８を連絡する配管１９の途中に、図２に示す
ような沈降ボックス２０を設けている。沈降ボックス２
０は密閉箱型容器２６で成り、対向する両側壁面上部
に、上流側であるスラリ供給装置７側の配管１９ａ及び
下流側であるノズル８側の配管１９ｂがそれぞれ接続さ
れ、その底部をこれら配管１９ａ及び１９ｂよりも下方
に位置させている。すなわち、沈降ボックス２０でもっ
て配管１９の下面に設けたトラップ（落とし穴）を形成
し、ここにシリカの大径凝集粒子を沈降させるようにし
ている。また、沈降した凝集粒子が沈降ボックス２０内
のスラリの流動による影響で再び上昇するのを防止すべ
く、断面円弧状の上昇防止板２４ａ及び２４ｂを設けて
いる。

【００１３】また、沈降ボックス２０の底部には開閉バ
ルブ２３を備えた排出管１８を接続し、定期メンテナン
スにおいて内部に沈降させたシリカの凝集粒子を排出孔
２５を介して外部へ排出することが可能なようになって
いる。さらに配管１９ａ、１９ｂにもそれぞれ開閉バル
ブ２１、２２を設けている。

【００１４】次にこの作用について説明する。配管１９
ａ及び１９ｂの開閉バルブ２１、２２は共に開状態にあ
り、排出管１８の開閉バルブ２３は閉状態にある。スラ
リ供給装置７から供給されるスラリは配管１９ａ、沈降
ボックス２０及び配管１９ｂを介してノズル８に至る。
この沈降ボックス２０内において、スラリ中の１μｍ以
上の大きな粒度をもつシリカの凝集粒子は、上昇防止板
２４ａの上面に沿って沈降ボックス２０の底部に沈降す
る。上昇防止板２４ａ、２４ｂはまた、沈降ボックス２
０内のスラリの流動によって沈降したシリカ凝集粒子が
上昇するのを防止する。さらに下流側の上昇防止板２４
ｂによってスラリの流路抵抗を低減するようにしてい
る。以上のようにして、スラリに含まれる大きな粒度を
有したシリカの凝集粒子が除去される。

【００１５】図１を参照して、ノズル８から定盤２の研
磨布３にスラリ４が所定の流量で供給される。被処理基
板５は、所定の圧力で研磨布３に押し付けられながら定
盤２およびマウント板６の最適な回転数の下で研磨され
る。所定時間の研磨作用の後、被処理基板５の表面は平
坦化される。

【００１６】沈降ボックス２０内に沈降したシリカの大
径凝集粒子は、装置の定期的なメンテナンス時に外部へ
排出される。これは配管１９ａ及び１９ｂの開閉バルブ
２１、２２を閉状態にし排出管１８の開閉バルブ２３を
開状態とすることにより行われる。そして、装置の再稼
働時には開閉バルブ２１、２２を開状態に、開閉バルブ
２３を閉状態にそれぞれ切り換えられ、上述と同様な作
用が行われる。

【００１７】したがって本実施の形態によれば、スラリ
供給装置７とノズル８の間の配管途中に設けた沈降ボッ
クス２０によって、スラリ４に混入した１μｍ以上の粒
度をもつシリカ凝集粒子を効果的に除去することがで
き、よって被処理基板５の表面にマイクロスクラッチを
発生させるのを大幅に低減することができる。また、従
来のようにフィルタの目づまりによる交換作業を行う必
要がないので、装置のダウンタイムを抑制して装置の安
定稼働が得られ、スループットを大幅に向上させること
ができる。

【００１８】更に本実施の形態によれば、スラリ供給装
置７とノズル８の間の配管途中に、上述した沈降ボック
ス２０を設けただけの簡単な装置構成で上述した効果を
得ることができ、しかも、沈降ボックス２０のメンテナ
ンス時間も最小限で行うことができる。

【００１９】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、勿論、本発明はこれに限られることなく、本発明
の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

【００２０】例えば以上の実施の形態では、沈降ボック
ス２０の上昇防止板２４ａ、２４ｂを共に断面円弧状に
形成したが、図３に示すように上流側の上昇防止板３４
ａの端部のみを断面円弧状に形成し下流側の上昇防止板
３４ｂを配管１９ａ、１９ｂの延在方向に沿って形成さ
せた沈降ボックス３０として構成することも可能であ
る。また、沈降ボックス３０の底部両側に図示するよう
な斜面３７ａ及び３７ｂを形成するようにすれば、沈降
した凝集粒子を内部に残存させることなく外部へ確実に
排出することができる。

【００２１】また以上の実施の形態では、凝集粒子を沈
降させるトラップとして、密閉箱型容器２６の両側壁面
上部に配管１９ａ及び１９ｂを接続した沈降ボックス２
０を設けたが、これに限らず、単に配管１９の下壁部に
沿って開口を形成し、この開口の下部に凝集粒子を収容
する沈降箱あるいは沈降袋などを取り付けるようにして
もよい。

【００２２】また以上の実施の形態では、研磨粒子とし
てシリカ（ＳｉＯ₂ ）粒子を適用したが、これに限ら
ず、アルミニウムやタングステンなどの金属層の平坦化
に用いられるアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）粒子等の他の研磨
粒子を適用することも可能である。この場合、硝酸第二
鉄やＨ₂ Ｏ₂ ／ＫＯＨ系等の他の溶媒が用いられるが、
これによっても本発明は適用可能である。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の化学的機械
研磨装置によれば、スラリ中の大径凝集研磨粒子を簡単
な構成で効果的に除去することができ、これにより被処
理基板へ品質的ダメージを与えるのを大幅に低減するこ
とができる。また、装置の安定稼働を実現してスループ
ットを向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による化学的機械研磨装置
の構成を示す概略断面図である。

【図２】本発明に係るトラップである沈降ボックスの全
体を示す部分破断斜視図である。

【図３】同変形例を示す部分破断側面図である。

【図４】従来の化学的機械研磨装置の構成を示す概略断
面図である。

【図５】スラリ中のシリカ粒子の水素結合を示す模式図
である。

【符号の説明】

１………回転軸、２………定盤、３………研磨布、４…
……スラリ、５………被処理基板、７………スラリ供給
装置、８………ノズル、１５………化学的機械研磨装
置、１８………排出管、１９………配管、２０………沈
降ボックス、２１、２２、２３………開閉バルブ、２４
ａ、２４ｂ………上昇防止板。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉛直方向に配設される回転軸と、この回
   転軸の上端に設けられる研磨定盤と、ノズルを介して研
   磨粒子を分散させたスラリを前記研磨定盤上に供給する
   スラリ供給装置とを備え、前記研磨定盤上に被処理基板
   の表面を押し付けて前記表面を研磨する化学的機械研磨
   装置において、 前記スラリ供給装置と前記ノズルの間を連絡する配管の
   一部の下面に、前記研磨粒子の大径凝集粒子を沈降させ
   るトラップを設けたことを特徴とする化学的機械研磨装
   置。
2. 【請求項２】 前記トラップは密閉箱型容器で成り、そ
   の底部が前記配管よりも下方に位置することを特徴とす
   る請求項１に記載の化学的機械研磨装置。
3. 【請求項３】 前記トラップの内部には、沈降した前記
   大径凝集粒子が上昇するのを防止する上昇防止板が設け
   られることを特徴とする請求項２に記載の化学的機械研
   磨装置。
4. 【請求項４】 前記トラップの底部に沈降した前記大径
   凝集粒子を外部へ排出する排出管を接続し、 この排出管と、前記トラップに関し前記スラリ供給装置
   側および前記ノズル側のそれぞれの配管とに、開閉バル
   ブを設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のい
   ずれかに記載の化学的機械研磨装置。