JPH1148130A - 研磨布及びその製造方法、半導体ウェーハの化学機械研磨装置及び化学機械研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 砥石による研磨ヘッド面の研削を不要とし、
被研磨体を高精度の平坦面に研磨する。 【解決手段】 回転定盤１５に取り付けられ、研磨ヘッ
ド面１６ａがスラリー２０の供給を受けながら回転定盤
１８に装着された段差を有する被研磨体１の主面を摺擦
して化学機械的な研磨を行って平坦面とする。研磨布１
６は、研磨ヘッド面１６ａが素材樹脂に架橋剤を添加し
てなる樹脂によって成形されるとともに、低弾性率部２
９と高弾性率部３０とが分布形成されてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スラリーの供給を
受けながら段差を有する被研磨体の主面を摺擦研磨して
平坦化する化学機械研磨装置に用いられる研磨布及びこ
の研磨布の製造方法並びに被研磨体である半導体ウェー
ハの層間絶縁層或いは配線層の表面を平坦化する半導体
ウェーハの化学機械研磨装置及び化学機械研磨方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置は、例えばシリコン基板上に
チップ部品を搭載するとともにＡｌやＣｕ等の金属層に
フォトグラフィックス−エッチング技術によって所定の
配線パターンを形成しかつこれら配線パターンを絶縁層
によって被覆してなる。半導体装置においては、所定容
量におけるチップ面積を小さくすることによってその大
容量化・高密度化が図られており、このために配線パタ
ーンの微細化、多層化の技術が極めて重要となってい
る。

【０００３】半導体装置は、配線パターンの微細化、多
層化によって絶縁層の主面に生じる大きくかつ急峻な段
差に起因して信頼性が低下するといった問題がある。す
なわち、半導体装置においては、シリコン基板或いは層
間絶縁層上にそれぞれ配線パターンが形成されるが、配
線パターンが形成された部位に対応する絶縁層が盛り上
がってその表面に段差が生じる。半導体装置は、現状に
おいて配線パターンを構成する金属層が段差を跨って絶
縁層上に精密に被覆形成されることが困難である、すな
わち段差被覆性の向上を図ることが困難である。したが
って、半導体装置においては、配線パターンがこれら段
差部において断線するいわゆる段差切れがしばしば発生
する。半導体装置は、この配線パターンの段差切れによ
ってその信頼性が低下するといった問題があった。

【０００４】したがって、半導体装置においては、その
製造工程において、絶縁層等の主面の平坦化工程が極め
て重要であり、従来種々の平坦化技術が適用されて層間
絶縁層等の平坦化が行われている。絶縁層等の平坦化技
術としては、例えば塩基性溶液中でシリコン酸化物の微
粒子を混合したスラリーを供給しながら研磨布によって
被研磨体の主面を研磨するようにした化学機械研磨法が
提案されている。この化学機械研磨法を用いた半導体装
置の研磨方法については、例えば特開平７−２２１０５
４号「研磨方法」或いは月刊Semiconductor World１９
９４年２月号等によって詳細に紹介されている。

【０００５】すなわち、化学機械研磨法を用いた半導体
装置の研磨方法は、研磨布を取り付けた第１の回転定盤
に対して半導体ウェーハを装着した第２の回転定盤が回
転動作しながら接近動作されることにより、研磨布が半
導体ウェーハの主面を摺擦する。研磨布には、通常粒径
１０ｎｍ程度の酸化シリコン微粒子等の金属酸化微粒子
を水酸化カリウム水溶液に分散させてなるスラリーが研
磨面に供給される。半導体ウェーハには、基板の主面上
に絶縁層を構成するシリコン酸化膜と配線層を構成する
Ａｌ金属層とが積層形成される。半導体ウェーハは、Ａ
ｌ金属層にフォトリソグラフィー及び反応イオンエッチ
ング処理を施してＡｌ配線パターンが形成される。さら
に、半導体ウェーハには、Ａｌ配線パターンを被覆して
層間絶縁層を構成するシリコン酸化膜が積層形成され
る。このシリコン酸化膜は、各Ａｌ配線パターンに対応
する部位が盛り上がるために、上述した化学機械研磨法
によって平坦化される。半導体ウェーハには、平坦化さ
れた層間絶縁層上に同様の方法によって第２層のＡｌ配
線パターンと層間絶縁層とが順次形成される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した化
学機械研磨法は、一般に研磨布がポリウレタン樹脂を用
いて成形され、この研磨布の表面形状によって半導体ウ
ェーハの研磨速度及び被研磨面の均一性が大きく影響さ
れるといった特徴がある。化学機械研磨法においては、
研磨布の表面粗度が小さくなるとこの研磨布と半導体ウ
ェーハの被研磨面との間にスラリーが均一に供給され
ず、被研磨面の均一性が低下するといった問題点があ
る。研磨布は、被研磨面の均一性を保持するためにその
研磨ヘッド面の表面粗度が平均表面粗さ（Ｒａ）で１０
μｍ程度を必要とする。

【０００７】しかしながら、従来の化学機械研磨法によ
る半導体ウェーハの研磨方法では、半導体ウェーハの研
磨動作を重ねることによって研磨布の表面粗度が平均表
面粗さ（Ｒａ）で５μｍ程度までに低下し、供給される
スラリーが研磨面の全体に供給されない状態となる。し
たがって、従来の化学機械研磨方法においては、研磨布
による研磨速度が半導体ウェーハの中心部において遅く
なり、均一な平坦面を形成することができないといった
問題が生じる。

【０００８】このため、従来の化学機械研磨法による半
導体ウェーハの研磨方法では、例えばダイヤモンド粒が
含有された砥石を用いて研磨布の研磨ヘッド面を適宜研
削することによって、所定の平均表面粗さに保持する管
理が行われていた。この研磨布の研削方法としては、例
えば所定枚数の半導体ウェーハの研磨作業が終了した時
点でその都度研削を行う方法や、半導体ウェーハを研磨
しながら同時に研削を行う方法とが提案されている。

【０００９】研磨終了後に行う方法は、一連の研磨作業
が中断されるとともに研削作業或いは再開研磨作業のた
めの段取り時間も必要となり全体の作業効率が悪くなる
とともに、研磨布を研削した直後と所定枚数を研磨した
状態での研磨布の表面粗さの差により被研磨面の均一性
が高精度に保持し得ないといった問題があった。また、
同時研削方法は、研磨布の表面粗さが一定に保持される
ことから研磨速度或いは半導体ウェーハを均一に研磨す
ることができるといった特徴を有する。しかしながら、
かかる同時研削方法においては、研磨布を常に研削する
砥石の管理が極めて面倒であり、これによって生産性が
低下するといった問題があった。

【００１０】ところで、化学機械研磨法に用いられる研
磨布については、研磨時の変形量と磨耗量とに関して
Ｈ．Ｊｅｏｎｇ他によって研究報告がなされている。
（H.Jeong.Proc.,MPC Conf.,1994,p104-105「A NEW PLA
NARIZATION BY MECANICAL & CHEMICAL POLISHING TECHN
IQUE INSENSITIVE TO PATTERN TOPOGRAPHY FOR VLSI WA
FERS」）同研究報告に詳細に説明されているが、化学機
械研磨法に用いられる研磨布は、研磨を行うことにより
変形が発生するが、「研磨時の変形量は、弾性率の逆数
に比例する。研磨時の磨耗量は、弾性係数の逆数に比例
する。」といった特徴を有している。すなわち、研磨布
は、弾性率が大きい場合には磨耗量が大きくまた弾性率
が小さい場合には磨耗量が小さいといった特性を有して
いる。

【００１１】したがって、本発明は、化学機械研磨装置
に用いられる研磨布において、上述した弾性率特性に着
目して砥石による研磨工程を行うことなく研磨面の表面
粗さが充分に保持されることによって段差を有する被研
磨体の主面を高精度の平坦面に研磨するようにした研磨
布及びその製造方法を提供することを目的に提案された
ものである。

【００１２】また、本発明は、砥石による研磨工程を不
要として研磨面の表面粗さが充分に保持された研磨布を
用いて段差を有する半導体ウェーハの主面を高精度の平
坦面に研磨するようにした半導体ウェーハの化学機械研
磨装置及び研磨方法を提供することを目的に提案された
ものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成する本発
明にかかる研磨布は、回転定盤に取り付けられ、研磨ヘ
ッド面がスラリーの供給を受けながら被研磨体の主面を
摺擦することによりその研磨を行う化学機械研磨装置に
用いられる。研磨布は、素材樹脂に架橋剤を添加してな
る樹脂によって成形されるとともに、研磨ヘッド面に高
弾性率部と低弾性率部とが分布形成されて構成される。
また、研磨布は、素材樹脂に照射感応型樹脂が用いら
れ、この照射感応型樹脂に電子線や紫外線等の照射エネ
ルギーが部分的に照射されることによって研磨ヘッド面
に高弾性率部と低弾性率部とが分布形成されて構成され
る。

【００１４】以上のように構成された本発明にかかる研
磨布によれば、化学機械研磨装置に備えられてスラリー
を供給されながら被研磨体の主面を摺擦研磨した場合
に、研磨ヘッド面に分布形成された高弾性率部と低弾性
率部とに磨耗量の差異が生じることからこの研磨ヘッド
面の表面粗さが適度に保持される。したがって、研磨布
は、研磨作業を継続した場合においても砥石による研磨
ヘッド面の研削工程を施すことなくその中心部にスラリ
ーが充分に供給されるようになり、段差を有する被研磨
体の主面を高精度の平坦面に研磨する。

【００１５】また、上述した目的を達成する本発明にか
かる研磨布の製造方法は、回転定盤に取り付けられ、研
磨ヘッド面がスラリーの供給を受けながら被研磨体の主
面を摺擦することによりその研磨を行う化学機械研磨装
置に用いられる。研磨布は、素材樹脂に架橋剤を添加し
てなる樹脂によって研磨ヘッド面に樹脂層を形成する樹
脂層形成工程と、樹脂層の研磨ヘッド面に高弾性率部と
低弾性率部とを分布形成する研磨ヘッド面形成工程とを
有して製造される。また、研磨布は、素材樹脂に照射感
応型樹脂が用いられ、樹脂層にマスキングを施すマスキ
ング工程と、樹脂層に電子線や紫外線等の照射エネルギ
ーを部分的に照射する照射工程を施すことによって研磨
ヘッド面に高弾性率部と低弾性率部とが分布形成され
る。

【００１６】本発明にかかる研磨布の製造方法によれ
ば、研磨ヘッド面に高弾性率部と低弾性率部とが分布形
成された研磨布が極めて簡易に製造される。この研磨布
は、化学機械研磨装置に備えられてスラリーを供給され
ながら段差を有する被研磨体の主面を摺擦研磨した場合
に、高弾性率部と低弾性率部とに磨耗量の差異が生じて
研磨ヘッド面の表面粗さが適度に保持されるようにな
る。したがって、研磨布の製造方法は、研磨作業を継続
した場合においても砥石による研磨ヘッド面の研削工程
を施すことなくその中心部にスラリーが充分に供給され
るようになり、被研磨体の主面を高精度の平坦面に研磨
する研磨布を製造することにより、生産性の向上を図
る。

【００１７】さらに、上述した目的を達成する本発明に
かかる半導体ウェーハの化学機械研磨装置は、主面に研
磨布が取り付けられるとともに駆動手段によって回転駆
動される第１の回転定盤と、研磨布にスラリーを供給す
るスラリー供給手段と、第１の回転定盤に対して接離自
在に対向配置されるとともに駆動源によって回転駆動さ
れ、主面に被研磨体となる半導体ウェーハが装着される
第２の回転定盤とを備えてなり、研磨布が、素材樹脂に
架橋剤を添加してなる樹脂によって成形されるとともに
研磨ヘッド面に高弾性率部と低弾性率部とが分布形成さ
れてなる。また、研磨布は、素材樹脂に照射感応型樹脂
が用いられ、電子線や紫外線等の照射エネルギーが部分
的に照射されることによって研磨ヘッド面に高弾性率部
と低弾性率部とが分布形成されてなる。

【００１８】さらに、半導体ウェーハの化学機械研磨装
置は、基板上に形成された配線層を絶縁する絶縁層が少
なくともホウ素、砒素又は燐含有シリコン酸化膜、フッ
素含有シリコン酸化膜等のシリコン酸化膜によって形成
された半導体ウェーハの主面を研磨布によって平坦面に
研磨する。さらにまた、半導体ウェーハの化学機械研磨
装置は、基板上に層間絶縁層を介して配線層が多層に形
成され、これら配線層が少なくともＴｉＮ，Ｗ，Ａｌ又
はＣｕが含有された金属膜によって形成された半導体ウ
ェーハの主面を研磨布によって平坦面に研磨する。

【００１９】以上のように構成された本発明にかかる半
導体ウェーハの化学機械研磨装置によれば、回転動作す
る第１の回転定盤に対して第２の回転定盤が回転動作し
ながら接近動作されることにより、スラリー供給手段か
らスラリーの供給を受けながら研磨布が段差を有する半
導体ウェーハの主面を摺擦研磨する。そして、半導体ウ
ェーハの化学機械研磨装置は、研磨布の研磨ヘッド面
が、研磨動作に伴って分布形成した高弾性率部と低弾性
率部との磨耗量の差異によりその表面粗さを適度に保持
されてその中心部にスラリーが充分に供給される。半導
体ウェーハの化学機械研磨装置は、これによって砥石に
よる研磨ヘッド面の研削工程を不要とし、被研磨体の主
面を高精度の平坦面に研磨する。

【００２０】さらにまた、上述した目的を達成する本発
明にかかる半導体ウェーハの化学機械研磨方法は、素材
樹脂に架橋剤を添加してなる樹脂によって成形された研
磨布が主面に取り付けられた第１の回転定盤と、この第
１の回転定盤に対して接離自在に対向配置された第２の
回転定盤と、研磨布にスラリーを供給するスラリー供給
手段とを備えてなる半導体ウェーハ化学機械研磨装置が
用いられる。半導体ウェーハの化学機械研磨方法は、第
２の回転定盤の主面に半導体ウェーハを装着するウェー
ハ装着工程と、第１の回転定盤を回転動作させた状態で
スラリー供給手段から研磨布にスラリーを供給するスラ
リー供給工程と、第２の回転定盤を回転動作させた状態
で第１の回転定盤に対して接近動作させて研磨布を半導
体ウェーハの主面に押し付けて摺擦研磨する研磨工程
と、平坦面に研磨された半導体ウェーハの研磨面からス
ラリーを除去するスラリー除去工程とを有してなる。

【００２１】本発明にかかる半導体ウェーハの化学機械
研磨方法によれば、研磨布の研磨ヘッド面が研磨動作に
伴って分布形成した高弾性率部と低弾性率部との磨耗量
の差異によりその表面粗さを適度に保持されることか
ら、その中心部にスラリーが充分に供給され、砥石によ
る研磨ヘッド面の研削工程を行うことなく被研磨体の主
面を高精度の平坦面に研磨する。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。実施の形態として示
す化学機械研磨プロセスは、シリコン基板上にチップ部
品を搭載するとともにＡｌやＣｕ等の金属層にフォトグ
ラフィックス−エッチング技術によって所定の配線パタ
ーンを形成しかつこれら配線パターンを絶縁層によって
被覆してなる半導体装置の製造プロセスに採用される。
図１は、シリコン基板からなる半導体ウェーハ１上に絶
縁層と金属パターン層とを積層形成してなる半導体装置
の製造プロセスにおいて層間絶縁層の主面を化学機械研
磨プロセスによって平坦化する場合を示す。

【００２３】半導体ウェーハ１には、同図（ａ）に示す
ように、その主面上に全域に亘って下層絶縁層２が成膜
形成されるとともに、この下層絶縁層２上に適宜の第１
層金属パターン層３が形成されてなる。下層絶縁層２
は、例えばシリコン酸化膜や、少なくともホウ素、砒素
又は燐含有シリコン酸化膜、フッ素含有酸化膜等によっ
て成膜形成されてなる。また、金属層は、少なくともＴ
ｉＮ、Ｗ、Ａｌ又はＣｕを含有してなる金属膜によって
成膜形成されてなる。金属パターン層３は、下層絶縁層
２上に金属層を成膜形成した後に、この金属層にフォト
リソグラフィー及び反応イオンエッチング処理を施して
不要な金属層を除去することによって所定の配線パター
ンが形成されてなる。

【００２４】さらに、半導体ウェーハ１には、同図
（Ｂ）に示すように、金属パターン層３の主面全体を被
覆するようにして層間絶縁層４を構成するシリコン酸化
膜層が成膜形成される。層間絶縁層４は、原料ガス（Ｔ
ＥＯＳ）＝８００ｓｃｃｍ、Ｏ２＝６００ｓｃｃｍ、圧
力＝１３３０ｐａ、温度＝４００°Ｃ、ＲＦ出力＝７０
０ｗの成膜条件によって成膜形成される。層間絶縁層４
は、半導体ウェーハ１の主面上に所定の厚みを有する金
属パターン層３が部分的に形成されていることによっ
て、同図に示すようにこれら金属パターン層３に対応す
る部位が凸部４ａとなるとともにその他の部位が凹部４
ｂとなって段差を有する主面を構成する。このため、半
導体ウェーハ１には、同図（Ｃ）に示すように詳細を後
述する化学機械研磨プロセスが施されてその主面が高精
度の平坦面に形成される。

【００２５】勿論、層間絶縁層４は、凹部４ｂが金属パ
ターン層３の表面より表層に位置するようにして研磨さ
れた状態においても金属パターン層３の表面を確実に被
覆してその絶縁を保持するに足る所定の厚みを有して形
成される。半導体ウェーハ１には、平坦化された主面上
に同様の方法によって同図鎖線で示すように第２層の金
属層５が形成される。この第２層金属層５は、平坦化さ
れた層間絶縁層４に形成されることによって浮き上がり
等の現象が生じることなく、この層間絶縁層４Ａ上に平
坦性を保持してしっかりと積層形成される。第２層金属
層５には、フォトリソグラフィー及び反応イオンエッチ
ング処理が施されて第２層金属パターン層が形成され、
さらに層間絶縁層によって被覆される。

【００２６】一方、図２は、半導体ウェーハ１上に絶縁
層と金属パターン層とを積層形成してなる半導体装置の
製造プロセスにおいて層間絶縁層４とともにビアコンタ
クト部８の主面を化学機械研磨プロセスによって平坦化
する場合を示す。この半導体装置の製造プロセスも、上
述した半導体装置の製造プロセスと基本プロセスを同様
とする。半導体ウェーハ１には、同図（Ａ）に示すよう
に、その主面上に適宜の第１層金属パターン層３が形成
されてなる。

【００２７】第１層金属パターン層３は、半導体ウェー
ハ１上に金属膜層を成膜形成した後に、この金属膜層に
フォトリソグラフィー及び反応イオンエッチング処理を
施して不要な部位を除去することによって所定の配線パ
ターンが形成されてなる。勿論、半導体ウェーハ１に
は、上述した半導体装置の製造プロセスと同様に下層絶
縁層２を成膜形成するようにしてもよい。

【００２８】さらに、半導体ウェーハ１には、同図
（Ｂ）に示すように、第１金属パターン層３の主面全体
を被覆するようにして層間絶縁層４を構成するシリコン
酸化膜層が成膜形成される。層間絶縁層４は、半導体ウ
ェーハ１の主面上に所定の厚みを有する第１層金属パタ
ーン層３が部分的に形成されていることによって、同図
に示すようにこれら第１層金属パターン層３に対応する
部位が凸部４ａとなるとともにその他の部位が凹部４ｂ
となって段差を有する主面を構成する。このため、半導
体ウェーハ１には、同図（Ｃ）に示すように詳細を後述
する化学機械研磨プロセスが施されてその主面が平坦面
に形成される。

【００２９】また、層間絶縁層４には、第１層金属パタ
ーン層３と上層金属パターン層とをスルーホール接続す
るために、エッチング処理を施して所定の第１層金属パ
ターン層３を露呈させるビアホール６や図示しないコン
タクト溝等が形成される。そして、層間絶縁層４には、
スバッタ法及びＣＶＤ法によって、同図（Ｄ）に示すよ
うにビアホール６やコンタクト溝に充填されるとともに
主面を被覆するタングステンからなる金属膜層７が成膜
形成される。勿論、金属膜層７については、少なくとも
ＴｉＮ、Ｗ、Ａｌ又はＣｕを含有してなる金属膜によっ
て成膜形成するようにしてもよい。

【００３０】そして、この金属膜層７は、詳細を後述す
る化学機械研磨プロセスが施されてることによって層間
絶縁層４の主面から研磨除去される。層間絶縁層４に
は、同図（Ｅ）に示すように、コンタクト溝やビアホー
ル６に充填されてビアコンタクト８を構成する金属膜層
７の一部が埋め込み形成される。層間絶縁層４及びビア
コンタクト８は、化学機械研磨プロセスが施されること
により全体として高精度の平坦面を構成する。半導体ウ
ェーハ１には、平坦化された主面上に同様の方法によっ
て図示しない第２層の金属膜層が形成される。

【００３１】この第２層金属膜層は、平坦化された層間
絶縁層４及びビアコンタクト８上に形成されることによ
って浮き上がり等の現象が生じることなく、半導体ウェ
ーハ１に平坦性を保持してしっかりと積層形成される。
第２層金属膜層は、ビアコンタクト８を介して第１層金
属パターン層３と電気的に接続される。第２層金属層に
は、フォトリソグラフィー及び反応イオンエッチング処
理が施されて第２層金属パターン層が形成され、さらに
層間絶縁層によって被覆される。第２層金属膜層は、高
精度に平坦化された層間絶縁層４及びビアコンタクト８
上に形成されることから、いわゆる段差切れ等の不都合
が生じることは無い。

【００３２】上述した化学機械研磨プロセスには、図３
に示す化学機械研磨装置１０が用いられる。化学機械研
磨装置１０は、研磨部１１と、半導体ウェーハ１が装着
される被研磨部１２と、スラリー供給部１３とから構成
される。研磨部１１は、図示しない駆動機構によって回
転駆動される回転軸１４と、この回転軸１４に取り付け
られて回転駆動される第１の回転定盤１５と、この第１
の回転定盤１５の主面（ヘッド面）に取り付けられた詳
細を後述する研磨布１６等の部材によって構成される。
研磨部１１は、第１の回転定盤１５が回転軸１４を介し
て同図矢印で示すように反時計方向に回転駆動されて、
研磨布１６がこの第１の回転定盤１５と一体的に回転す
る。研磨布１６には、後述するようにその主面（研磨ヘ
ッド面）１６ａに半導体ウェーハ１が押し付けられる。

【００３３】被研磨部１２は、研磨部１１に対向して配
設され、図示しない駆動機構によって回転駆動される回
転軸１７と、この回転軸１７に取り付けられて回転駆動
される第２の回転定盤１８等の部材によって構成されて
いる。第２の回転定盤１８は、研磨部１１の第１の回転
定盤１５よりも小径とされており、図示しない真空吸着
機構が付設されることによってその主面に半導体ウェー
ハ１を吸着保持する。また、被研磨部１２は、詳細を省
略するエアーシリンダ機構１９を備え、同図矢印で示す
ように第２の回転定盤１８を第１の回転定盤１５に対し
て接離動作させる。

【００３４】スラリー供給部１３は、スラリー２０が充
填された貯蔵部２１と、この貯蔵部２１から一定量のス
ラリー２０を第１の回転定盤１５に取り付けられた研磨
布１６の研磨ヘッド面１６ａ上に供給する供給管２２等
の部材によって構成されている。スラリー２０は、例え
ば粒径１０ｎｍ程度の酸化シリコン微粒子や酸化セリウ
ム微粒子等の金属酸化微粒子を水酸化カリウム水溶液に
分散させてなる。スラリー２０は、供給管２２を介して
回転する研磨布１６の研磨ヘッド面１６ａの全面に亘っ
て均一に拡散供給される。スラリー２０は、層間絶縁層
４の構成成分との親和性及び化学性とによってこの層間
絶縁層４を化学的に研磨する。

【００３５】以上のように構成された化学機械研磨装置
１０は、半導体ウェーハ１を第１の回転定盤１５に装着
する半導体ウェーハ装着工程−研磨布１６にスラリー２
０を供給するスラリー供給工程−第１の回転定盤１５と
第２の回転定盤１８とを回転駆動させるとともに半導体
ウェーハ１を研磨布１６に押し付けて層間絶縁層４の主
面を研磨する研磨工程−半導体ウェーハ１の研磨面から
スラリー２０を除去するスラリー除去工程とを主たる工
程として、半導体ウェーハ１の化学機械研磨を行う。化
学機械研磨装置１０は、被研磨部１２の第２の回転定盤
１８の主面に、例えば下層絶縁層２上に第１層金属パタ
ーン層３が形成されるとともに層間絶縁層４が成膜形成
されることによって段差主面を有する半導体ウェーハ１
が吸着保持される。

【００３６】化学機械研磨装置１０は、この状態で第２
の回転定盤１８と研磨部１１の第１の回転定盤１５とが
回転駆動されるとともに、エアーシリンダ機構１９によ
って第２の回転定盤１８が第１の回転定盤１５に対して
接近動作される。化学機械研磨装置１０は、これによっ
て第１の回転定盤１５に取り付けられた研磨布１６の研
磨ヘッド面１６ａに対して、第２の回転定盤１８に吸着
保持された半導体ウェーハ１の層間絶縁層４が押し付け
られる。研磨布１６は、第１の回転定盤１５と第２の回
転定盤１８とが回転駆動されていることによって、層間
絶縁層４の段差主面を平均速度でかつ均一に摺擦研磨す
る。この場合、研磨布１６には、その研磨ヘッド面１６
ａに供給管２２からスラリー２０が供給される。

【００３７】研磨布１６の半導体ウェーハ１への押付力
は、エアーシリンダ機構１９による第２の回転定盤１８
の第１の回転定盤１５に対する押付力によって制御され
る。化学機械研磨装置１０は、研磨布１６が所定の押付
力を以って回転する半導体ウェーハ１を摺擦して研磨す
ることによる機械的な研磨と、研磨剤であるスラリー２
の構成成分と被研磨体である層間絶縁層４の構成成分と
の親和性及び化学性とによる化学的な研磨との相乗効果
とによって、層間絶縁層４の段差主面を高精度の平坦面
に研磨する。

【００３８】化学機械研磨装置１０は、上述した工程に
より層間絶縁層４が高精度の平坦面に研磨されると、エ
アーシリンダ機構１９が動作されて第１の回転定盤１５
に対して第２の回転定盤１８が離間動作されるとともに
スラリー２０の供給も停止される。化学機械研磨装置１
０は、第２の回転定盤１８が停止された状態で、その主
面から研磨加工が行われた半導体ウェーハ１が取り出さ
れる。半導体ウェーハ１は、その研磨面に供給されたス
ラリー２０がＨＦ水溶液を用いて除去される。

【００３９】化学機械研磨装置１０に用いられる研磨布
１６は、詳細を後述するようにその研磨ヘッド面１６ａ
が特殊な構成とされている。研磨布１６は、半導体ウェ
ーハ１の研磨を継続した場合においても所定の平均表面
粗さが保持されて、この半導体ウェーハ１の中心部まで
スラリー２０が拡散供給されて層間絶縁層４を高精度の
平坦面に研磨する。

【００４０】研磨布１６は、ポリウレタン樹脂を素材樹
脂として、グリセリンと架橋剤を添加してなる材料樹脂
によって成形される。ポリウレタン樹脂は、基材のポリ
オールに、硬化剤として４，４−メチレンジフェニルジ
イソシアネート、鎖長延長剤としてエチレングリコール
を添加してなる。また、基材のポリオールは、ジオール
成分としてエチレングリコール、ジカルボン酸としてア
ジピン酸を用いて生成される。架橋剤は、末端がアクリ
ル変成されたヘキサメチレンジイソシアネートからな
る。

【００４１】研磨布１６は、上述した材料樹脂を用い
て、図５に示すように素材研磨布成形工程−マスキング
工程−紫外線照射工程を経て製造される。すなわち、研
磨布１６は、材料樹脂によって図５（Ａ）に示す素材研
磨布２３が成形される。この素材研磨布２３は、上述し
た化学機械研磨装置１０の第２の回転定盤１８の主面に
取り付けられるに足る外径を有している。素材研磨布２
３には、同図（Ｂ）に示すようにその主面に遮光マスク
２４が接合される。遮光マスク２４には、遮光部２５に
直径５μｍの多数個の透孔からなる透光部２６がそれぞ
れ均等な間隔で全面に形成されてなる。

【００４２】素材研磨布２３には、マスキングされた状
態で同図（Ｃ）に示すように紫外線光源２７から紫外線
２８が照射される。紫外線２８は、遮光マスク２４の作
用によって、遮光部２５において遮られるとともに透光
部２６を透過して素材研磨布２３を照射する。素材研磨
布２３は、同図（Ｃ）に示すように、遮光部２５に対応
する部位が材料樹脂の特性を保持した低弾性率層２９を
構成する。また、素材研磨布２３は、透光部２６に対応
位置する部位に紫外線２８が照射されることによって架
橋反応が生じ、厚み方向の高弾性率層３０が形成され
る。

【００４３】研磨布１６は、以上のようにして製造され
ることによって、図４に示すように研磨ヘッド面１６ａ
に低弾性率層２９と直径５μｍの高弾性率層３０とが均
等に分布形成されて構成される。研磨布１６は、化学機
械研磨装置１０に備えられて上述した半導体ウェーハ１
の層間絶縁層４の段差主面を研磨することによって、低
弾性率層２９に対して高弾性率層３０がより多く磨耗す
る。したがって、研磨布１６は、この低弾性率層２９と
高弾性率層３０との磨耗量の差異によって、その研磨ヘ
ッド面１６ａの平均表面粗さ（Ｒａ）が１０μｍに保持
される。

【００４４】研磨布１６は、このように研磨ヘッド面１
６ａが所定の平均表面粗さに保持されて層間絶縁層４の
段差主面を研磨することから、スラリー２０が安定した
状態で中心部まで供給されて層間絶縁層４を高精度の平
坦面に研磨する。研磨布１６は、研磨ヘッド面１６ａに
低弾性率層２９と高弾性率層３０とを分布形成したこと
によって、この研磨ヘッド面１６ａを途中でダイヤモン
ド研削することなく１００枚以上の半導体ウェーハ１の
連続研磨を可能とする。

【００４５】ところで、上述した研磨布１６は、研磨ヘ
ッド面１６ａが単層によって構成されたが、本発明はか
かる研磨布に限定されるものではない。研磨布として
は、研磨に際して半導体ウェーハの返り現象を抑制する
軟質研磨布と研磨面の平坦性を保持する高硬度研磨布と
を組合せしてなる２層研磨布が汎用されている。したが
って、本発明の第２の実施の形態として説明する研磨布
は、かかる２層研磨布を構成し、例えば市販のロデール
社製軟質研磨布Ｓｕｂａ４の主面上に所定の組成を有す
る材料樹脂によって研磨ヘッド面１６ａを成形すること
によって形成された素材研磨布が用いられる。

【００４６】材料樹脂は、ポリウレタン樹脂を素材樹脂
として、グリセリンと架橋剤を添加してなる。ポリウレ
タン樹脂は、ポリオールに、硬化剤として４，４−メチ
レンジフェニルジイソシアネート、鎖長延長剤としてエ
チレングリコールを添加してなる。また、ポリオール
は、基材に１，４−ブタンジオールが用いられるととも
にジカルボン酸にテレフタル酸が用いられて生成され
る。架橋剤は、末端がアクリル変成されたヘキサメチレ
ンジイソシアネートからなる。

【００４７】素材研磨布には、上述したマスキング工程
−電子線照射工程が施されることによって、軟質研磨布
上に低弾性率層２９と高弾性率層３０とが均一に分布形
成されてなる。素材研磨布には、マスキングが施されて
いない部位に電子線が照射されることによって樹脂層に
架橋反応が生じ、低弾性率層２９と高弾性率層３０とが
分布形成される。このようにして製造された２層研磨布
は、化学機械研磨装置１０に備えられて上述した半導体
ウェーハ１の層間絶縁層４の段差主面を研磨することに
よって低弾性率層２９と高弾性率層３０との磨耗量の差
異によって、その研磨ヘッド面１６ａの平均表面粗さ
（Ｒａ）が９μｍに保持される。２層研磨布は、研磨ヘ
ッド面１６ａを途中でダイヤモンド研削することなく１
２０枚以上の半導体ウェーハ１の連続研磨を可能とす
る。

【００４８】なお、上述した化学機械研磨装置１０にお
いては、第２の回転定盤１８に半導体ウェーハ１を真空
吸着するようにしたが、例えば複数個のレバーによる機
械的保持機構によって装着する等の種々の構造を採用し
てもよいことは勿論である。また、被研磨体である半導
体装置については、トレンチアイソレーションにおける
埋め込み絶縁膜や配線パターンを対象としてもよく、そ
の他の構成の半導体装置であってもよい。

【００４９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明にか
かる研磨布によれば、研磨ヘッド面に高弾性率部と低弾
性率部とが分布形成されて構成されることにより、被研
磨体を摺擦研磨する場合に、これら高弾性率部と低弾性
率部との磨耗量の差異によって研磨ヘッド面の表面粗さ
が適度に保持され、研磨作業を継続した場合においても
砥石による研磨ヘッド面の研削工程を施すことなく被研
磨体の主面を高精度の平坦面に研磨する。したがって、
研磨布は、高精度の半導体装置を効率的に製造するよう
にする。

【００５０】また、本発明にかかる研磨布の製造方法に
よれば、研磨ヘッド面に高弾性率部と低弾性率部とが分
布形成され、被研磨体を摺擦研磨する場合に、これら高
弾性率部と低弾性率部との磨耗量の差異によって研磨ヘ
ッド面の表面粗さが適度に保持され、研磨作業を継続し
た場合においても砥石による研磨ヘッド面の研削工程を
施すことなく被研磨体の主面を高精度の平坦面に研磨す
る研磨布が効率的に製造される。

【００５１】さらに、本発明にかかる半導体ウェーハの
化学機械研磨装置によれば、被研磨体を摺擦研磨するこ
とにより研磨ヘッド面に形成された高弾性率部と低弾性
率部とがその磨耗量に差異を生じて表面粗さが適度に保
持される研磨布を備えることから、研磨作業を継続した
場合においても砥石による研磨ヘッド面の研削工程を不
要とし、高精度の平坦面を有して配線パターンの段切れ
といった不都合の無い半導体ウェーハが効率的に製造さ
れる。

【００５２】さらにまた、本発明にかかる半導体ウェー
ハの化学機械研磨方法によれば、被研磨体を摺擦研磨す
ることにより研磨ヘッド面に形成された高弾性率部と低
弾性率部とがその磨耗量に差異を生じて表面粗さが適度
に保持される研磨布によって半導体ウェーハの化学機械
研磨を行うことから、砥石による研磨布の研磨ヘッド面
の研削工程が不要として連続研磨の実施が可能となり、
高精度の平坦面を有して配線パターンの段切れといった
不都合の無い半導体ウェーハが効率的に製造される。

【図面の簡単な説明】

【図１】層間絶縁層の研磨工程説明図である。

【図２】配線層の研磨工程説明図である。

【図３】化学機械研磨装置の構成説明図である。

【図４】研磨布の要部縦断面図である。

【図５】研磨布の製造工程説明図である。

【符号の説明】

１ 半導体ウェーハ、２ 下層絶縁層、３ 金属パター
ン層、４ 層間絶縁層、５ 第２層金属膜層、６ ビア
ホール、７ 金属膜層、８ ビアコンタクト、１０ 化
学機械研磨装置、１１ 研磨部、１２ 被研磨部、１３
スラリー供給部、１５ 第１の回転定盤、１６ 研磨
布、１６ａ 研磨ヘッド面、１８ 第２の回転定盤、１
９ エアーシリンダ機構、２０ スラリー、２３ 素材
研磨布、２４ 遮光マスク、２５ 遮光部、２６ 透光
部、２７ 紫外線光源、２８ 紫外線、２９ 低弾性率
層、３０高弾性率層

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転定盤に取り付けられ、研磨ヘッド面
   がスラリーの供給を受けながら被研磨体の主面を摺擦す
   ることによりその研磨を行う化学機械研磨装置に用いら
   れる研磨布において、 素材樹脂に架橋剤を添加してなる樹脂によって成形され
   るとともに、上記研磨ヘッド面に高弾性率部と低弾性率
   部とが分布形成されて構成されたことを特徴とする研磨
   布。
2. 【請求項２】 上記素材樹脂には、照射感応型樹脂が用
   いられ、電子線や紫外線等の照射エネルギーが部分的に
   照射されることによって上記研磨ヘッド面に上記高弾性
   率部と低弾性率部とが分布形成されたことを特徴とする
   請求項１に記載の研磨布。
3. 【請求項３】 上記研磨ヘッド面は、上記素材樹脂によ
   って軟質研磨布の研磨ヘッド面に形成されることによっ
   て２層研磨布を構成することを特徴とする請求項１に記
   載の研磨布。
4. 【請求項４】 回転定盤に取り付けられ、研磨ヘッド面
   がスラリーの供給を受けながら被研磨体の主面を摺擦す
   ることによりその研磨を行う化学機械研磨装置に用いら
   れる研磨布の製造方法において、 素材樹脂に架橋剤を添加してなる樹脂によって上記研磨
   ヘッド面に樹脂層を形成する樹脂層形成工程と、 上記樹脂層の研磨ヘッド面に高弾性率部と低弾性率部と
   を分布形成する研磨ヘッド面形成工程とを有することを
   特徴とする研磨布の製造方法。
5. 【請求項５】 上記素材樹脂には、照射感応型樹脂が用
   いられ、 上記樹脂層にマスキングを施すマスキング工程と、マス
   キングされた上記樹脂層に電子線や紫外線等の照射エネ
   ルギーを部分的に照射する照射工程とを施すことによっ
   て、上記研磨ヘッド面に上記高弾性率部と低弾性率部と
   を分布形成することを特徴とする請求項４に記載の研磨
   布の製造方法。
6. 【請求項６】 上記樹脂層形成工程は、上記素材樹脂に
   よって軟質研磨布の研磨ヘッド面に樹脂層を形成する工
   程であることを特徴とする請求項４に記載の研磨布の製
   造方法。
7. 【請求項７】 主面に研磨布が取り付けられるとともに
   駆動手段によって回転駆動される第１の回転定盤と、 上記研磨布にスラリーを供給するスラリー供給手段と、 上記第１の回転定盤に対して接離自在に対向配置される
   とともに駆動源によって回転駆動され、主面に被研磨体
   となる半導体ウェーハが装着される第２の回転定盤とを
   備え、 上記研磨布は、素材樹脂に架橋剤を添加してなる樹脂に
   よって成形されるとともに研磨ヘッド面に高弾性率部と
   低弾性率部とが分布形成されてなり、 回転動作する上記第１の回転定盤に対して上記第２の回
   転定盤が回転動作しながら接近動作されることにより、
   上記半導体ウェーハの主面を摺擦研磨して平坦面とする
   ことを特徴とする半導体ウェーハの化学機械研磨装置。
8. 【請求項８】 上記研磨布は、上記素材樹脂に照射感応
   型樹脂が用いられ、電子線や紫外線等の照射エネルギー
   が部分的に照射されることによって上記研磨ヘッド面に
   上記高弾性率部と低弾性率部とが分布形成されてなるこ
   とを特徴とする請求項７に記載の半導体ウェーハの化学
   機械研磨装置。
9. 【請求項９】 上記半導体ウェーハは、基板上に形成さ
   れた配線層を絶縁する絶縁層が、少なくともホウ素、砒
   素又は燐含有シリコン酸化膜、フッ素含有シリコン酸化
   膜等のシリコン酸化膜によって形成され、 上記研磨布によってその主面を平坦面に研磨されること
   を特徴とする請求項７に記載の半導体ウェーハの化学機
   械研磨装置。
10. 【請求項１０】 上記半導体ウェーハは、基板上に層間
    絶縁層を介して配線層が多層に形成され、これら配線層
    が少なくともＴｉＮ，Ｗ，Ａｌ又はＣｕが含有された金
    属膜によって形成され、 上記研磨布によってその主面を平坦面に研磨されること
    を特徴とする請求項９に記載の半導体ウェーハの化学機
    械研磨装置。
11. 【請求項１１】 素材樹脂に架橋剤を添加してなる樹脂
    によって成形された研磨布が主面に取り付けられた第１
    の回転定盤と、この第１の回転定盤に対して接離自在に
    対向配置された第２の回転定盤と、上記研磨布にスラリ
    ーを供給するスラリー供給手段とを備えてなる半導体ウ
    ェーハ化学機械研磨装置が用いられ、 上記第２の回転定盤の主面に半導体ウェーハを装着する
    ウェーハ装着工程と、 上記第１の回転定盤を回転動作させた状態で上記スラリ
    ー供給手段から上記研磨布にスラリーを供給するスラリ
    ー供給工程と、 上記第２の回転定盤を回転動作させた状態で上記第１の
    回転定盤に対して接近動作させて上記研磨布を上記半導
    体ウェーハの主面に押し付けて摺擦研磨する研磨工程
    と、 平坦面に研磨された上記半導体ウェーハの研磨面から上
    記スラリーを除去するスラリー除去工程ととを経て上記
    研磨布によって上記半導体ウェーハの主面を平坦面に摺
    擦研磨することを特徴とする半導体ウェーハの化学機械
    研磨方法。
12. 【請求項１２】 上記半導体ウェーハは、少なくともホ
    ウ素、砒素又は燐含有シリコン酸化膜、フッ素含有シリ
    コン酸化膜等のシリコン酸化膜によって形成され基板上
    に形成される配線層間を絶縁する各層間絶縁層が上記研
    磨布によってその主面を平坦面に研磨された後、この層
    間絶縁層上に上層配線層が形成されることを特徴とする
    請求項１０に記載の半導体ウェーハの化学機械研磨方
    法。
13. 【請求項１３】 上記半導体ウェーハは、少なくともＴ
    ｉＮ，Ｗ，Ａｌ又はＣｕが含有された金属膜からなり基
    板或いは絶縁層上に形成された配線層が上記研磨布によ
    ってその主面を平坦面に研磨された後、この配線層上に
    絶縁層が形成されることを特徴とする請求項１０に記載
    の半導体ウェーハの化学機械研磨方法。