JPH11129155A

JPH11129155A - Ｃｍｐ研磨装置

Info

Publication number: JPH11129155A
Application number: JP31289797A
Authority: JP
Inventors: Akira Ishikawa; 彰石川; Tatsuo Niwa; 達雄丹羽
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 1999-05-18

Abstract

(57)【要約】【課題】研磨の均一性を損ねることなく、大きな研磨
速度が得られるＣＭＰ研磨装置を提供する。【解決手段】振動発生装置１６が振動を発生し、その
振動が研磨体１１に伝えられる。振動発生装置１６は、
円盤状の研磨体１１の中心に設けられているので、研磨
体１１の振動は中心から発生し、周囲に拡散する。そし
て、研磨体１１の端部に設けられた振動吸収部１７に吸
収される。よって、研磨体１１の振動は中心から周囲へ
向かう進行波となる。研磨体１１の中心付近に供給され
た研磨剤１５は、この進行波に随伴して運ばれ、研磨体
１１と研磨対象物１３の間に入り込む。よって、研磨剤
を確実に研磨対象物の奥側にまで供給することができ、
研磨体と研磨対象物の相対速度を早くしたり、研磨対象
物を研磨体に押圧する圧力を大きくしたりしても、均一
な研磨が行われる。。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばＵＬＳＩ等
の半導体を製造するプロセスにおいて実施される半導体
デバイスの平坦化研磨に用いるのに好適なＣＭＰ研磨装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の高集積化、微細化に伴
って半導体製造プロセスの工程が増加し、複雑となって
きている。これに伴い、半導体デバイスの表面状態が必
ずしも平坦ではなくなってきている。表面に於ける段差
の存在は配線の段切れ、局所的な抵抗値の増大などを招
き、断線や電流容量の低下等をもたらす。又、絶縁膜で
は耐圧劣化やリークの発生にもつながる。

【０００３】一方、半導体集積回路の高集積化、微細化
に伴って光リソグラフィの光源波長は短くなり、開口数
いわゆるＮＡが大きくなってきていることに伴い、半導
体露光装置の焦点深度が実質的に浅くなってきている。
焦点深度が浅くなることに対応するためには、今まで以
上にデバイス表面の平坦化が要求される。

【０００４】具体的に示すと、半導体プロセスにおいて
は図９に示すような平坦化技術が必須になってきてい
る。図９において、２１はシリコンウェハ、２２はSiＯ
₂からなる層間絶縁膜、２３はAlからなる金属膜、２４
は半導体デバイスである。

【０００５】図９（ａ）は半導体表面が絶縁体でできて
おり、その表面の層間絶縁膜２２を平坦化する例であ
る。（ｂ）は金属膜２３の表面を研磨し、いわゆるダマ
シン（damascene）を形成する例である。このような半
導体表面を平坦化する方法としては、化学的機械的研磨
（Chemical Mechanical Polishing又はChemical Mechan
ical Planarization、これよりＣＭＰと呼ぶ）技術が有
望な方法と考えられている。

【０００６】ＣＭＰはシリコンウェハの鏡面研磨法を基
に発展しており、図１０に示すような装置を用いて行わ
れている。図１０において、１０はＣＭＰ研磨装置、１
１は研磨体、１２は研磨対象物保持部（ホルダ）、１３
は研磨対象物（ウェハ）、１４は研磨剤供給部、１５は
研磨剤である。研磨体１１は、定盤の上に研磨布を貼り
付けたものである。研磨布即ちポリシャとしては、発泡
ポリウレタンよりなるシート状のポリシャが多く用いら
れている。

【０００７】研磨対象物１３を研磨対象物保持部１２に
より保持し、回転させながら揺動して、研磨体１１の研
磨布に所定の圧力で押し付ける。研磨体１１も回転さ
せ、研磨対象物１３との間で相対運動を行わせる。この
状態で、研磨剤１５を研磨剤供給部１４から研磨体１１
上に供給する。研磨剤１５は、研磨体１１上で拡散し、
研磨体１１と研磨対象物１３の相対運動に伴って両者の
間に入り込み、研磨対象物１３の表面を研磨する。即
ち、研磨体１１と研磨対象物１３の相対運動による機械
的研磨と、研磨剤１５の化学的作用が相乗的に作用して
良好な研磨が行われる。

【０００８】ところで、研磨対象物の研磨量を求める式
として、式（１）で示されるPreston式が広く知られて
いる。［研磨量］＝ｋ・Ｖ・Ｐ・ｔ（１）ここに、ｋは定数、Ｖは研磨体１１と研磨対象物１３と
の相対速度、Ｐは研磨対象物１３を研磨体１１に押圧す
る圧力、ｔは時間である。

【０００９】これによれば、研磨速度は、相対速度、圧
力を増すことにより増加する。即ち、均一研磨の状態が
崩れない範囲で、相対速度と圧力は大きい方が望まし
い。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＣＭＰ研磨装置では、相対速度や圧力を増していくと、
研磨の均一性が低下し、大きな研磨速度が得られないと
いう問題がある。また、同じような問題は、研磨対象物
が大径化した場合にも起こる。

【００１１】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたもので、研磨の均一性を損ねることなく、大
きな研磨速度が得られるＣＭＰ研磨装置を提供すること
を課題とする。

【００１２】

【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、研磨体と研磨対象物との間に研磨剤を
介在させた状態で、研磨体と研磨対象物を相対移動させ
ることにより、研磨対象物を研磨する研磨装置におい
て、振動発生装置により研磨体、研磨対象物又はその両
方を振動させることを特徴とするＣＭＰ研磨装置（請求
項１）である。

【００１３】本発明者は鋭意研究の結果、従来の研磨装
置で相対速度と圧力を大きくすると研磨が不均一になる
のは、研磨剤が研磨体と研磨対象物の間に十分供給され
なくなるためであることを見い出した。即ち、研磨体と
研磨対象物の間への研磨剤の供給は、研磨体上に滴下さ
れた研磨剤が、研磨体と研磨対象物の相対移動の間に、
研磨体自身、又は研磨体に設けられた溝を通じ偶然に行
われる。このため、相対速度と圧力が大きくなると、研
磨体と研磨対象物との間に研磨剤が安定に供給できてい
ないことを見い出し、本発明の方法により研磨剤を研磨
体と研磨対象物の間に供給することを考えて本発明を成
すに至った。

【００１４】即ち、前記第１の手段においては、振動発
生装置により研磨体、研磨対象物又はその両方を振動さ
せる。すると、この振動自身の作用により、又は研磨体
と研磨対象物との相対運動とこの振動とが相乗的に作用
して、研磨剤が研磨体と研磨対象物の間に供給されやす
くなる。よって、研磨体と研磨対象物の相対速度を早く
したり、研磨対象物を研磨体に押圧する圧力を大きくし
たりしても、研磨剤は研磨体と研磨対象物の間にスムー
スに供給され、均一な研磨が行われる。

【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、研磨体、研磨対象物又はその
両方に加えられる振動が、進行波であることを特徴とす
るもの（請求項２）である。

【００１６】この手段によれば、進行波の進行に随伴し
て、研磨剤が研磨体と研磨対象物の間に引き込まれ、か
つ、研磨体と研磨対象物の奥まで運ばれる。よって、確
実に研磨体と研磨対象物の間に研磨剤を供給することが
でき、均一な研磨を行うことができる。

【００１７】前記課題を解決するための第３の手段は、
前記第１の手段又は第２の手段であって、振動発生装置
を、研磨体、研磨対象物保持部又はその両方の少なくと
も１ヶ所に設けたことを特徴とするもの（請求項３）で
ある。

【００１８】この手段によれば、振動発生装置で発生し
た振動は、研磨体、研磨対象物又はその両方に確実に伝
達し、これらに振動を与えることができる。

【００１９】前記課題を解決するための第４の手段は、
前記第１の手段から第３の手段のうちのいずれかであっ
て、振動吸収体を研磨体端部に設けたことを特徴とする
もの（請求項４）である。

【００２０】研磨体端部に設けられた振動吸収体によっ
て、研磨体端部における振動の反射が防止される。よっ
て、振動は定在波とならず進行波となり、前記第２の手
段で説明したような作用効果が得られる。

【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の手段のうちのいずれかであっ
て、研磨体に設けられた前記振動発生装置が、研磨対象
物の揺動に追随して揺動することを特徴とするもの（請
求項５）である。

【００２２】ＣＭＰ研磨装置においては、研磨対象物を
回転させると同時に揺動させて研磨を行うが、研磨体に
配置された振動発生装置を研磨対象物の揺動に追随させ
ることにより、振動発生源と研磨対象物との相対位置関
係が一定に維持されるので、研磨剤の供給を安定させる
ことができる。

【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５の手段のうちのいずれかであっ
て、振動発生装置に圧電体を用いたことを特徴とするも
の（請求項６）である。

【００２４】圧電体は、振動発生装置として入手しやす
く、広い範囲の周波数の振動を発生することができ、か
つ取り扱いも簡単であるので、振動発生装置として採用
することが特に好ましい。

【００２５】前記課題を解決するための第７の手段は、
前記第１の手段から第６の手段のうちのいずれかであっ
て、振動の周波数が１ＭHz以上であることを特徴とする
もの（請求項７）である。

【００２６】振動の周波数を１ＭHz以上とすることによ
り、振動の波長はウェハに形成されたパターンの幅と同
等になる。よって、パターンを均一に研磨することがで
きる。振動の波長は、ウェハに形成されたパターンの幅
より小さくなるように周波数を選定することが好まし
い。

【００２７】

【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１
例を示す概要図である。図１において、１０はＣＭＰ研
磨装置、１１は研磨体、１２は研磨対象物保持部（ホル
ダ）、１３は研磨対象物（ウェハ）、１４は研磨剤供給
部、１５は研磨剤、１６は圧電体からなる振動発生装
置、１７は振動吸収部である。図１の装置と図１０の装
置の違いは、図１の装置においては、研磨体１１に振動
発生装置１６、振動吸収部１７が設けられている点であ
る。

【００２８】即ち、図１の装置においても、研磨対象物
１３を研磨対象物保持部１２により保持し、回転させな
がら揺動して、研磨体１１の研磨布に所定の圧力で押し
付ける。研磨体１１も回転させ、研磨対象物１３との間
で相対運動を行わせる。この状態で、研磨剤１５を研磨
剤供給部１４から研磨体１１上に供給する。研磨剤１５
は、研磨体１１上で拡散する。ここまでは、図１０の装
置と同じである。

【００２９】図１の装置においては、振動発生装置１６
が高周波数（１ＭHz以上）で振動を発生し、その振動が
研磨体１１に伝えられる。振動発生装置１６は、円盤状
の研磨体１１の中心に設けられているので、研磨体１１
の振動は中心から発生し、周囲に拡散する。そして、研
磨体１１の端部に設けられた振動吸収部１７に吸収され
る。よって、研磨体１１の端部での振動の反射が起こら
ないか、起こってもごく僅かであるので、研磨体１１の
振動は中心から周囲へ向かう進行波となる。

【００３０】この様子を図２に示す。以下の図におい
て、前出の図に示された構成要素と同一の構成要素には
同一の符号を付してその説明を省略する。図２におい
て、１８は進行波を示す。

【００３１】研磨体１１の中心付近に供給された研磨剤
１５は、この進行波に随伴して運ばれ、研磨体１１と研
磨対象物１３の間に入り込む。この様子を図３に示す。
図３においては、左側から右側に研磨体１１の振動波が
進行しており、その谷部においては研磨対象物１３との
間に隙間ができて、この隙間に研磨剤１５が存在してい
る。そして、波動の進行と共に右側に移動する。このよ
うに、進行波を用いれば、研磨剤を確実に研磨対象物の
奥側にまで供給することができる。

【００３２】振動発生装置１６と振動吸収部１７の配置
の例を図４〜図７に示す。図４〜図７においては、説明
を簡単化するため研磨体１１を角形として示してある
が、研磨体１は角形である必要はない。

【００３３】図４は、研磨体１１の一方の端に長い振動
発生装置１６を設置し、他方の端に向かって平面波状の
進行波を発生させている例である。図５は、研磨体１１
の中心部に長い振動発生装置１６を設置し、両方の端に
向かって平面波状の進行波を発生させている例である。
図６は、研磨体１１の一方の端に円形の振動発生装置１
６を設置し、他方の端に向かって球面波状の進行波を発
生させている例である。図７は、研磨体１１の中心部に
円形の振動発生装置１６を設置し、周囲に向かって球面
波状の進行波を発生させている例である。

【００３４】以上の説明においては、振動を進行波とし
ている。進行波の方が、本発明の目的のためには好まし
いのであるが、定在波や進行波と定在波が混じったもの
でもある程度本発明の目的を達成することができる。即
ち、定在波の場合は、振動自身が研磨剤を運ぶという作
用はないが、研磨体と研磨対象物が相対運動をしている
ため、研磨体と研磨対象物が接触する部分が移動し、こ
れによって、研磨剤が研磨対象物の表面全体に供給され
るからである。

【００３５】また、以上の実施の形態においては、振動
発生装置の位置は固定しているが、研磨対象物の揺動に
追随して振動発生装置を移動させるようにしてもよい。
このようにすると、研磨対象物と振動発生装置の相対位
置を一定とすることができるので、研磨対象物がどの位
置にあっても、安定して研磨剤の供給を行うことができ
る。

【００３６】以上の説明においては、研磨体に振動を与
えているが、研磨対象物保持部に振動発生装置を設置
し、研磨対象物を振動させるようにしてもよいし、研磨
体と研磨対象物の両方を振動させるようにしてもよい。

【００３７】

【実施例】

（実施例１）本発明の有効性を実証するため、図８に示
すような装置で試験を行った。図８において、２５は石
英ガラス、２６はＣＣＤラインセンサである。研磨対象
物保持部１２の中心部に観察用の開口部を設け、その中
にＣＣＤラインセンサ２６を配置した。

【００３８】φ６００×３０ｔのステンレス板に、ポリ
ウレタンから成る研磨布を貼り研磨体１１を形成した。
研磨体１１端面には、振動の反射を防ぐためのシリコン
ゴムからなる反射防止部１７を、研磨体１１中央には圧
電体ＰＺＴを積層した振動発生装置１６を配した。φ２
００×１０ｔの石英ガラス２５を研磨対象物とし、研磨
対象物保持部１２に固定して次の条件で研磨加工を行っ
た。

【００３９】加工条件・研磨体回転数：２０〜１００ｒｐｍ・研磨ヘッド回転数：２０〜１００ｒｐｍ・揺動距離：３５ｍｍ・揺動回数：５往復／分・圧力：５０〜４００ｇ／ｃｍ² また、研磨剤１５として、発光物質を吸着させたシリカ
粉末を水に分散させ用いた。これは、発光を開口部を介
し上面よりＣＣＤラインセンサー２６で観測し、研磨剤
１５の供給状態を確認するためである。

【００４０】式（２）で定義した発光強度分布と振動の
有無、回転数、圧力の関係を表１に示す。発光強度分布＝（研磨対象物の中心の発光強度−エッジから５ｍｍの位置の発光強度）／（研磨対象物の中心の発光強度） … （２）

【００４１】

【表１】表１より、研磨体を超音波振動させた場合には、振動さ
せない場合に比べ、相対速度、圧力を増しても研磨対象
物の研磨面全体に均一に研磨剤を供給できることがわか
る。

【００４２】（実施例２）実施例１に使用したものと同
様の研磨体を用い、通常の研磨ヘッドにＳｉＯ₂が0.6ｎ
ｍ成膜されたシリコンウェハを固定し、次の条件で研磨
加工を行った。

【００４３】加工条件・研磨体回転数：２０〜１００ｒｐｍ・研磨ヘッド回転数：２０〜１００ｒｐｍ・揺動距離：３５ｍｍ・揺動回数：５往復／分・圧力：５０〜４００ｇ／ｃｍ² ・研磨剤：ＳｉＯ₂アルカリ水溶液・研磨時間：２分周辺５ｍｍを除き４９点の測定データから、式（３）で
求めた研磨均一性の結果を表２に示す。研磨均一性＝（最大値−最小値）／（２×平均値） … （３）

【００４４】

【表２】表２より、研磨体を超音波振動させた場合には、振動さ
せない場合に比べ、相対速度、圧力を増しても研磨対象
物を均一に研磨できることがわかる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る発
明は、研磨体と研磨対象物との間に研磨剤を介在させた
状態で、研磨体と研磨対象物を相対移動させることによ
り、研磨対象物を研磨する研磨装置において、振動発生
装置により研磨体、研磨対象物又はその両方を振動させ
ることを特徴とするＣＭＰ研磨装置であるので、研磨体
と研磨対象物の相対速度を早くしたり、研磨対象物を研
磨体に押圧する圧力を大きくしたりしても、研磨剤は研
磨体と研磨対象物の間にスムースに供給され、均一な研
磨が行われる。

【００４６】請求項２に係る発明においては、研磨体、
研磨対象物又はその両方に加えられる振動が、進行波で
あるので、研磨体と研磨対象物の間に確実に研磨剤を供
給することができ、均一な研磨を行うことができる。

【００４７】請求項３に係る発明においては、振動発生
装置が、研磨体、研磨対象物保持部又はその両方の少な
くとも１ヶ所に設けられているので、確実に研磨体、研
磨対象物に振動を与えることができる。

【００４８】請求項４に係る発明においては、振動吸収
体が研磨体端部に設けられているので、振動は定在波と
ならず進行波となり、研磨体と研磨対象物の間に確実に
研磨剤を供給することができ、均一な研磨を行うことが
できる。

【００４９】請求項５に係る発明においては、研磨体に
設けられた前記振動発生装置が、研磨対象物の揺動に追
随して揺動するので、振動発生源と研磨対象物との相対
関係が一定に維持され、研磨剤の供給を安定させること
ができる。

【００５０】請求項６に係る発明においては、振動発生
装置に圧電体を用いているので、入手しやすく、広い範
囲の周波数の振動を発生することができ、かつ取り扱い
も簡単である。

【００５１】請求項７に係る発明においては、振動の周
波数が１ＭHz以上であるので、振動の波長がウェハに形
成されたパターンの幅と同等になり、パターンを均一に
研磨することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の１例であるＣＭＰ研磨装
置の概略図である。

【図２】図１の要部と振動の伝達の様子を示す図であ
る。

【図３】本発明による研磨剤供給のメカニズムの例を示
す図である。

【図４】振動発生装置の取付の例を示す図である。

【図５】振動発生装置の取付の例を示す図である。

【図６】振動発生装置の取付の例を示す図である。

【図７】振動発生装置の取付の例を示す図である。

【図８】実施例に使用した装置の概要を示す図である。

【図９】半導体製造プロセスにおける平坦化プロセスの
例を示す概略図である。

【図１０】従来のＣＭＰ研磨装置の概略図である。

【符号の説明】

１０・・・研磨装置１１・・・研磨体１２・・・研磨対象物保持部（ホルダー）１３・・・研磨対象物（ウェハ）１４・・・研磨剤供給部１５・・・研磨剤１６・・・振動発生装置１７・・・振動吸収部１８・・・進行波２１・・・シリコンウェハ２２・・・層間絶縁膜（SiＯ₂）２３・・・金属膜（Al）２４・・・半導体デバイス２５・・・石英ガラス２６・・・ＣＣＤラインセンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨体と研磨対象物との間に研磨剤を介
在させた状態で、研磨体と研磨対象物を相対移動させる
ことにより、研磨対象物を研磨するＣＭＰ研磨装置にお
いて、振動発生装置により研磨体、研磨対象物又はその
両方を振動させることを特徴とするＣＭＰ研磨装置。
【請求項２】研磨体、研磨対象物又はその両方に加え
られる振動が、進行波であることを特徴とする請求項１
に記載のＣＭＰ研磨装置。
【請求項３】前記振動発生装置を、研磨体、研磨対象
物保持部又はその両方の少なくとも１ヶ所に設けたこと
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＣＭＰ研磨
装置。
【請求項４】振動吸収体を研磨体端部に設けたことを
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ＣＭＰ研磨装置。
【請求項５】研磨体に設けられた前記振動発生装置
が、研磨対象物の揺動に追随して揺動することを特徴と
する請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の
ＣＭＰ研磨装置。
【請求項６】前記振動発生装置に圧電体を用いたこと
を特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項
に記載のＣＭＰ研磨装置。
【請求項７】振動の周波数が、１ＭHz以上であること
を特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項
に記載のＣＭＰ研磨装置。