JPH11121410A

JPH11121410A - 半導体デバイス用研磨装置及び半導体デバイスの研磨方法

Info

Publication number: JPH11121410A
Application number: JP29315597A
Authority: JP
Inventors: Kuninori Shinada; 邦典品田; Toshio Kasai; 敏雄河西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-10-13
Filing date: 1997-10-13
Publication date: 1999-04-30

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体デバイスの形状劣化や加工変質層の発
生のない半導体デバイス研磨装置及び半導体デバイス研
磨方法を提供する。【解決手段】ダミーリング１４は、粗動Ｚテーブル１
１のエアシリンダによりポリシャ４押し当てられる。半
導体デバイス２６は、研磨開始前に同一のポリシャ面上
に位置するように、エアシリンダ２２で押し当てられ、
その状態でエアシリンダ２２がエアロックされて、半導
体デバイス２６の上下位置が固定される。研磨工程にお
いて、ダミーリング１４はほとんど研磨されず、半導体
デバイス２６のみが研磨される。よって、研磨の進行と
共に、最初はポリシャ４に接触していた半導体デバイス
２６は、徐々に非接触状態へと移行していく。非接触状
態の研磨においては、接触状態の研磨において発生した
半導体デバイス２６の最表層部の乱れがエッチングによ
り取り除かれる。

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
（ウェハ）を研磨する装置および半導体デバイスの研磨
方法に関し、特に、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Poli
shing）とよばれる研磨技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】次世代の半導体デバイスは、高集積化、
高速処理化を目的として、より一層の多層配線化の方向
に進んでいる。多層配線化に伴って、半導体デバイス表
面の凹凸が大きくなる傾向にある。一方、超微細加工技
術の発展に伴い、光リソグラフィには短波長の光源が用
いられるようになってきており、これに伴い光学系の焦
点深度は、ますます浅くなる傾向にある。焦点深度が浅
くなると、加工対象物表面での凹凸が問題となる。よっ
て、多層配線を有する半導体デバイスにあっては、光リ
ソグラフィによる処理を行う前に、その表面を研磨し、
凹凸を除去しておくことが必須事項となっている。

【０００３】表面の凹凸除去のための研磨の方法とし
て、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）技術が
注目されている。ＣＭＰは、研磨対象に合わせた砥粒と
アルカリや酸の化学液を混合した研磨剤を用いて、この
研磨剤を研磨対象である半導体デバイスとポリシャの間
に供給し、半導体デバイスとポリシャをこすり合せて、
機械的かつ化学的に研磨を行うものであり、短時間に凹
凸を低減することができる。研磨対象となる材料は、層
間絶縁膜では純シリカ系のガラス膜、メタル配線ではア
ルミニウム、銅、タングステン等である。

【０００４】ＣＭＰ用の装置としては、例えば図３に示
すようなものが知られている。図３において、３１は装
置のベース、３２は回転テーブル、３３はポリシャのベ
ース、３４はポリシャ、３５は回転テーブル用モータ、
３６は揺動用モータ、３７は研磨ヘッド、３８は半導体
デバイス回転用モータ、３９は研磨ホルダ、４０はリテ
ーナリング、４１はバックリング、４２は半導体デバイ
ス、４３は研磨液槽である。

【０００５】装置のベース３１上には回転テーブル３２
が回転自在に設けられ、回転テーブル３２にはポリシャ
のベース３３を介してポリシャ３４が設けられている。
回転テーブル３２は、回転テーブル用モータ３５により
回転される。一方、装置のベース３１上には、揺動用モ
ータ３６が設けられ、その回動により研磨ヘッド３７が
揺動するようになっている。研磨ヘッド３７の先端には
半導体デバイス回転用モータ３８が取り付けられ、その
回転により研磨ホルダ３９が回転するようになってい
る。研磨ホルダに３９は、リテーナリング４０とバック
リング４１が取り付けられている。

【０００６】研磨に際しては、リテーナリング４０中に
半導体デバイス４２を入れ、上からバックリング４１を
介して圧力をかけてポリシャ３４に押しつける。この状
態で、ポリシャ３４と半導体デバイス４２、リテーナリ
ング４０を回転させ、半導体デバイス４２、リテーナリ
ング４０を揺動させながら、研磨液をポリシャ３４の中
心部に供給し、ポリシャ３４と半導体デバイス４２の間
に流れ込ませて研磨を行う。ポリシャ３４上から流れ落
ちた研磨液は、研磨液槽４３中に溜められる。リテーナ
リング４０は、半導体デバイス４２の縁上がりや縁下が
りを抑制するために用いられるものである。

【０００７】研磨液槽４３とポリシャのベース３３に
は、ステンレスが用いられ、リテーナリング４０にはア
ルミナセラミックスが用いられる。

【０００８】図３に示す装置において、例えば純シリカ
系のガラス膜を研磨する場合、砥粒酸化シリコンとアル
カリ溶液（例えばＫＯＨ）を混合したＰＨ１０前後の研
磨液が一般的に用いられる。この研磨液を、ポリシャ３
４の中心部に５０〜500ml／min供給し、ポリシャ３４に
半導体デバイス４２とリテーナリング４０を高圧（200
ｇ／cm²以上）で押し当て、両者を同一方向に回転さ
せ、かつ半導体デバイス４２、リテーナリング４０に揺
動運動を与えて研磨を行う。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３に
示すような装置には以下のような問題点がある。第１の
問題点は、研磨液には酸やアルカリの多種類のものが用
いられるため、特に研磨液に直接触れるポリシャのベー
ス３３や研磨液槽４３が、全ての研磨液に対して耐える
ことができずに劣化してしまうことである。

【００１０】第２の問題点は、リテーナリング４０によ
り半導体デバイス４２の外周部の形状の劣化を抑制して
いるものの、半導体デバイス４２を高圧でポリシャ３４
に押し当てるため、ポリシャが弾性変形し、それによっ
て半導体デバイス４２の外周部３mm前後の形状が劣化し
てしまうことである。

【００１１】第３の問題点は、半導体デバイス４２を高
圧でポリシャ３４に押し当てることに伴い、加工表面層
に生地とは違う加工変質層（砥粒による微少傷を有する
部分）が発生してしまうことである。

【００１２】本発明は、これらの問題点を解決するため
になされたもので、半導体デバイスの形状劣化や加工変
質層の発生のない半導体デバイス研磨装置及び半導体デ
バイス研磨方法を提供することを課題とし、更にこれに
加えてポリシャのベースや研磨液槽が劣化しない半導体
デバイス研磨装置を提供することを課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、回転するポリシャの上に半導体デバイ
スを回転かつ揺動させながら押し付け、ポリシャと半導
体デバイスの間に研磨液を供給しながら半導体デバイス
の研磨を行う半導体デバイス用研磨装置であって、半導
体デバイスの外周を囲むダミーリングが設けられている
と共に、半導体デバイスの上下方向位置を調整する機構
が設けられており、前記ダミーリングは、半導体デバイ
スよりも研磨されにくい材料で形成されていることを特
徴とする半導体デバイス用研磨装置（請求項１）であ
る。

【００１４】この装置を用いて研磨を行う場合は、初め
にダミーリング下面位置と半導体デバイス表面位置を同
一にしてポリシャに押し付けて研磨を開始する。ダミー
リングの摩耗は半導体デバイスの摩耗に対して遅いの
で、半導体デバイスの方が先に摩耗する。一方、半導体
デバイスの上下方向位置を調整する機構によって、半導
体デバイスの位置は一定に保たれる。従って、研磨が進
むにつれて、半導体デバイス表面とポリシャ表面に隙間
ができてくる。よって、半導体デバイスは、研磨当初は
主としてポリシャとの接触および研磨液との機械的接触
によって研磨され、研磨が進むにつれて主として研磨液
による化学的研磨によって研磨される。即ち、研磨が進
むつれて半導体デバイスにかかる押し付け力は小さなも
のとなる。よって、ポリシャの変形がなくなり、半導体
デバイスは外周まで均一に研磨される。また、半導体デ
バイスの加工変質部は、化学的研磨により除去されるの
で、加工変質部の無い半導体デバイスが得られる。

【００１５】前記課題を解決するための第２の手段は、
前記第１の手段であって、ダミーリングがＣＶＤ（Chem
ical Vapor Deposit）によって形成されたＳｉＣからな
ることを特徴とするもの（請求項２）である。

【００１６】ＣＶＤによって形成されたＳｉＣは、組織
的に緻密であり、使用される全ての研磨液に対して耐食
性が優れるばかりでなく、耐摩耗性も良好である。よっ
て、ダミーリングの材料として非常に好適である。

【００１７】前記課題を解決するための第３の手段は、
前記第１または第２の手段であって、ポリシャを囲むよ
うに研磨液槽が設けられ、当該研磨液槽はフッ素樹脂で
形成されていることを特徴とするもの（請求項３）であ
る。

【００１８】フッ素樹脂は、使用される全ての研磨液に
対して耐食性が優れているので、研磨液槽の材料として
非常に好適である。

【００１９】前記課題を解決するための第４の手段は、
前記第１から第３の手段のうちのいずれかであって、ポ
リシャを支えるベースを有し、当該ベースがＣＶＤ（Ch
emical Vapor Deposit）によって形成されたＳｉＣから
なることを特徴とするもの（請求項４）である。

【００２０】ＣＶＤによって形成されたＳｉＣは、組織
的に緻密であり、使用される全ての研磨液に対して耐食
性が優れているので、ポリシャを支えるベースの材料と
して非常に好適である。

【００２１】前記課題を解決するための第５の手段は、
前記第１の手段から第４の手段のうちいずれかを使用す
る半導体デバイスの研磨方法であって、研磨開始時に半
導体デバイスの表面とダミーリング端面をポリシャに対
して同一面に合わせ、研磨が進行しても半導体デバイス
の位置を変化させない状態で研磨を行うことを特徴とす
る半導体デバイスの研磨方法（請求項５）である。

【００２２】この方法によれば、ダミーリングの摩耗は
半導体デバイスの摩耗に対して遅いので、半導体デバイ
スの方が先に摩耗する。一方、半導体デバイスの位置は
一定に保たれる。従って、研磨が進むにつれて、半導体
デバイス表面とポリシャ表面に隙間ができてくる。よっ
て、半導体デバイスは、研磨当初は主としてポリシャと
の接触および研磨液との機械的接触によって研磨され、
研磨が進むにつれて主として研磨液による化学的研磨に
よって研磨される。即ち、研磨が進むにつれて半導体デ
バイスにかかる押し付け力は小さなものとなる。よっ
て、ポリシャの変形がなくなり、半導体デバイスは外周
まで均一に研磨される。また、半導体デバイスの加工変
質部は、化学的研磨により除去されるので、加工変質部
の無い半導体デバイスが得られる。

【００２３】前記課題を解決するための第６の手段は、
前記第１の手段から第４の手段のうちいずれかを使用す
る半導体デバイスの研磨方法であって、半導体デバイス
をポリシャに接触させた状態での研磨と、半導体デバイ
スをポリシャに接触させない状態での研磨を交互に繰り
返し行い、最後には半導体デバイスをポリシャに接触さ
せない状態での研磨を行うことを特徴とする半導体デバ
イスの研磨方法（請求項６）である。

【００２４】半導体デバイスの上下方向位置を調整する
機構によって、半導体デバイスの位置を上下させ、半導
体デバイスをポリシャに接触させた状態での研磨と、半
導体デバイスをポリシャに接触させない状態での研磨を
交互に繰り返し行う。これにより、激しい凹凸がある場
合でも平坦に研磨することができ、最終的には非接触状
態での研磨を行うため、加工変質層がなく外周まで均一
に研磨された半導体デバイスが得られる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の例を
図を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態の一例
である装置の概要を示す図であり、図２はその要部であ
る研磨ヘッドの概要を示す図である。

【００２６】これらの図において、１は装置のベース、
２は回転テーブル、３はポリシャのベース、４はポリシ
ャ、５は回転テーブル用モータ、６は支持台、７はスラ
イド軸、８はボールネジ、９はボールネジ用モータ、１
０は揺動テーブル、１１は粗動Ｚテーブル、１２は研磨
ヘッド、１３はダミーリング支持台、１４はダミーリン
グ、１５ａ、１５ｂは研磨液槽、１６はＯリング、１７
は第１のハウジング、１８は半導体デバイス回転用モー
タ、１９ａ、１９ｂは第２のハウジング、２０はエアシ
リンダ支持台、２１はベアリング、２２はエアシリン
ダ、２３は半導体デバイス支持バー、２４は微動Ｚテー
ブル、２５はバックリング、２６は半導体デバイスであ
る。

【００２７】装置のベース１上には、回転テーブル２が
回転自在に設けられている。回転テーブル２にはポリシ
ャのベース３が取り付けられ、その上にポリシャ４が設
けられている。ポリシャのベース３は、ＣＶＤによって
製造されたＳｉＣから成り立っている。回転テーブル２
は回転テーブル用モータ５によって回転される。装置の
ベース１上には支持台６を介してスライド軸７、ボール
ネジ８、ボールネジ用モータ９が設けられている。スラ
イド軸７には揺動テーブル１０が摺動可能に摺接してお
り、ボールネジ用モータ９の回転によりボールネジ８が
回転されるのに伴って、図における左右方向に揺動す
る。

【００２８】揺動テーブル１０には粗動Ｚテーブル１１
が取り付けられており、粗動Ｚテーブル１１には研磨ヘ
ッド１２が取り付けられている。研磨ヘッド１２には、
ダミーリング支持台１３、ダミーリング１４等が取り付
けられている。粗動Ｚテーブル１１はエアシリンダを内
蔵しており、研磨ヘッド１２を上下させ、研磨ヘッド１
２に取り付けられているダミーリング１４をポリシャ４
に押し付けるものである。装置のベース１上には、フッ
素樹脂製の研磨液槽１５ａ、１５ｂが設置されている。
研磨液槽１５ｂは、フッ素樹脂製のＯリング１６を介し
てポリシャのベース３に固定されている。

【００２９】図２を用いて研磨ヘッド１２の詳細部を説
明する。第１のハウジング１７には、半導体デバイス回
転用モータ１８が取り付けられ、その回転軸に、第２の
ハウジング１９ａ、１９ｂ及びエアシリンダ支持台２０
が一体に取り付けられている。これら、第２のハウジン
グ１９ａ、１９ｂ及びエアシリンダ支持台２０は、第１
のハウジングにベアリング２１を介して支えられてお
り、半導体デバイス回転用モータ１８によって回転され
る。

【００３０】エアシリンダ支持台２０には、エアシリン
ダ２２が取り付けられており、そのロッドに半導体デバ
イス支持バー２３が固定されている。半導体デバイス支
持バー２３は微動Ｚテーブル２４を介して第２のハウジ
ング１９ｂに支えられており、エアシリンダ２２によっ
て上下方向に駆動される。その際、微動Ｚテーブル２４
が摺動部となる。半導体デバイス支持バー２３には、バ
ックリング２５が支持され、バックリング２５中に半導
体デバイス２６を入れて支持する。

【００３１】第２のハウジング１９ｂには、ダミーリン
グ支持台１３が固定され、ダミーリング支持台１３に、
ＣＶＤによって製造されたＳｉＣ製のダミーリングが貼
付されている。

【００３２】この研磨装置を用いて純シリカ系のガラス
膜がついた半導体デバイスを酸性フッ化アンモン研磨液
で研磨する例を以下に示す。

【００３３】ダミーリング１４は、粗動Ｚテーブル１１
のエアシリンダによりポリシャ４に100ｇ／cm²以下の圧
力で押し当てられる。半導体デバイス２６は、研磨開始
前に同一のポリシャ面上に位置するように、エアシリン
ダ２２で押し当てられ、その状態でエアシリンダ２２へ
の空気バルブを全て閉とすることにより、エアシリンダ
２２がエアロックされて、半導体デバイス２６の上下位
置が固定される。即ち、半導体デバイス２６とダミーリ
ング１４の相対位置が固定される。

【００３４】この状態で、酸性フッ化アンモン研磨液
を、ポリシャ４の中央近傍に５０ml／min以下の割合で
供給し、回転テーブル用モータ５と半導体デバイス回転
用モータ１８により、ポリシャ４と半導体デバイス２
６、ダミーリング１４に同一方向の回転を与え、かつボ
ールネジ用モータ９の回転によって研磨ヘッド１２を揺
動させることにより、半導体デバイス２６、ダミーリン
グ１４を揺動させる。

【００３５】半導体デバイス２６は、半導体デバイス２
６とポリシャ４間の摩擦作用と、酸性フッ化アンモンの
化学的な溶解作用との組み合わせにより研磨される。即
ち、半導体デバイス２６の凹凸部のうち、凸部はポリシ
ャ４から摩擦作用を受けて表層が乱され、この乱された
表層部分が酸性フッ化アンモンにより化学的に溶解され
る。これにより、半導体デバイス２６表面の平坦化が進
む。純シリカ系のガラス膜（ＳｉＯ₂）は、酸性フッ化
アンモン中のフッ酸（ＨＦ）と次の化学反応を起こして
溶解し、これにより表面が平坦化される。ＳｉＯ₂＋６ＨＦ→Ｈ₂ＳｉＦ₆＋２Ｈ₂Ｏ

【００３６】研磨工程において、ダミーリング１４はＣ
ＶＤで製造されたＳｉＣから成り立っているので、耐摩
耗性があり、かつ、ほとんど化学的に溶解しない。従っ
て、ダミーリング１４はほとんど研磨されず、半導体デ
バイス２６のみが研磨されることになる。エアシリンダ
２２がエアロックされ、半導体デバイス２６の位置は固
定しているので（ダミーリング１４の位置に対して相対
的に固定されているので）、研磨の進行と共に、最初は
ポリシャ４に接触していた半導体デバイス２６は、徐々
に非接触状態へと移行していく。接触状態における研磨
で、半導体デバイス２６の凹凸部のうち凸部が選択的に
除去され、非接触状態の研磨においては、接触状態の研
磨において発生した半導体デバイス２６の最表層部の乱
れがエッチングにより取り除かれる。

【００３７】半導体デバイス２６の表面の凹凸が激しい
場合には、エアシリンダ２２への空気の供給を制御する
ことにより、半導体デバイス２６とポリシャ４の関係
を、接触から非接触、さらに接触、非接触と変え、これ
を繰り返すことにより激しい凹凸でも平坦にすることが
できる。

【００３８】本実施の形態においては、ポリシャのベー
ス３がＣＶＤによって製造されたＳｉＣから成り立って
いるので、研磨液によって溶解されることがなく、耐久
性がある。また、研磨液槽１５ａ、１５ｂはフッ素樹脂
によって形成されているので、同じく研磨液によって溶
解されることがなく、耐久性がある。

【００３９】以上説明した実施の形態においては、半導
体デバイスの上下方向位置を調整する機構としてエアロ
ック付きのエアシリンダを用いたが、このエアシリンダ
のロッドの位置を検出する位置センサを取りつけ、この
位置が目標値となるように制御するサーボ機構を設けれ
ば、さらに精密に半導体デバイスの上下方向位置を調整
することができる。その他、エアロックの代わりにメカ
ニカルロック機構を付属させてもよい。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のうち請求
項１に係る発明においては、回転するポリシャの上に半
導体デバイスを回転かつ揺動させながら押し付け、ポリ
シャと半導体デバイスの間に研磨液を供給しながら半導
体デバイスの研磨を行う半導体デバイス用研磨装置にお
いて、半導体デバイスの外周を囲むダミーリングが設け
られていると共に、半導体デバイスの上下方向位置を調
整する機構が設けられており、前記ダミーリングは、半
導体デバイスよりも摩耗しにくい材料で形成されている
ので、半導体デバイスは外周まで均一に研磨され、か
つ、加工変質部の無い半導体デバイスが得られる。

【００４１】請求項２に係る発明においては、これに加
え、ダミーリングがＣＶＤによって形成されたＳｉＣか
らなるので、全ての研磨液に対して耐食性が優れるばか
りでなく、耐摩耗性も良好なダミーリングを有する装置
を得ることができる。

【００４２】請求項３に係る発明においては、これらに
加え、研磨液槽がフッ素樹脂で形成されているので、全
ての研磨液に対して耐食性の良好な研磨液槽を有する装
置を得ることができる。

【００４３】請求項４に係る発明においては、これらに
加え、ポリシャを支えるベースがＣＶＤによって形成さ
れたＳｉＣからなるので、全ての研磨液に対して耐食性
の良好なポリシャを支えるベースを有する装置を得るこ
とができる。

【００４４】請求項５に係る発明においては、研磨開始
時に半導体デバイスの表面とダミーリング端面をポリシ
ャに対して同一面に合わせ、研磨が進行しても半導体デ
バイスの位置を変化させない状態で研磨を行うので、半
導体デバイスは外周まで均一に研磨され、かつ、加工変
質部の無い半導体デバイスが得られる。

【００４５】請求項６に係る発明においては、半導体デ
バイスをポリシャに接触させた状態での研磨と、半導体
デバイスをポリシャに接触させない状態での研磨を交互
に繰り返し行い、最後には半導体デバイスをポリシャに
接触させない状態での研磨を行うので、激しい凹凸があ
る場合でも平坦に研磨することができ、加工変質層がな
く外周まで均一に研磨された半導体デバイスが得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例を示す概略図であ
る。

【図２】図１に示す装置の要部を示す図である。

【図３】従来のＣＭＰに使用する装置の例を示す概略図
である。

【符号の説明】

１装置のベース２回転テーブル３ポリシャのベース４ポリシャ５回転テーブル用モータ６支持台７スライド軸８ボールネジ９ボールネジ用モータ１０揺動テーブル１１粗動Ｚテーブル１２研磨ヘッド１３ダミーリング支持台１４ダミーリング１５ａ、１５ｂ研磨液槽１６Ｏリング１７第１のハウジング１８半導体デバイス回転用モータ１９ａ、１９ｂ第２のハウジング２０エアシリンダ支持台２１ベアリング２２エアシリンダ２３半導体デバイス支持バー２４微動Ｚテーブル２５バックリング２６半導体デバイス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転するポリシャの上に半導体デバイス
を回転かつ揺動させながら押し付け、ポリシャと半導体
デバイスの間に研磨液を供給しながら半導体デバイスの
研磨を行う半導体デバイス用研磨装置において、半導体
デバイスの外周を囲むダミーリングが設けられていると
共に、半導体デバイスの上下方向位置を調整する機構が
設けられており、前記ダミーリングは、半導体デバイス
よりも研磨されにくい材料で形成されていることを特徴
とする半導体デバイス用研磨装置。
【請求項２】前記ダミーリングがＣＶＤ（Chemical V
apor Deposit）によって形成されたＳｉＣからなること
を特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス用研磨装
置。
【請求項３】ポリシャを囲むように研磨液槽が設けら
れ、当該研磨液槽はフッ素樹脂で形成されていることを
特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体デバイ
ス用研磨装置。
【請求項４】ポリシャを支えるベースを有し、当該ベ
ースがＣＶＤ（Chemical Vapor Deposit）によって形成
されたＳｉＣからなることを特徴とする請求項１から請
求項３のうちいずれか１項に記載の半導体デバイス用研
磨装置。
【請求項５】請求項１から請求項４のうちいずれか１
項に記載する半導体デバイス用研磨装置を用いた半導体
デバイスの研磨方法であって、研磨開始時に半導体デバ
イスの表面とダミーリング端面をポリシャに対して同一
面に合わせ、研磨が進行しても半導体デバイスの位置を
変化させない状態で研磨を行うことを特徴とする半導体
デバイスの研磨方法。
【請求項６】請求項１から請求項４のうちいずれか１
項に記載する半導体デバイス用研磨装置を用いた半導体
デバイスの研磨方法であって、半導体デバイスをポリシ
ャに接触させた状態での研磨と、半導体デバイスをポリ
シャに接触させない状態での研磨を交互に繰り返し行
い、最後には半導体デバイスをポリシャに接触させない
状態での研磨を行うことを特徴とする半導体デバイスの
研磨方法。