JPH1187284A - 半導体ウェハ研磨装置及び研磨方法 - Google Patents

半導体ウェハ研磨装置及び研磨方法

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JPH1187284A
JPH1187284A JP23949697A JP23949697A JPH1187284A JP H1187284 A JPH1187284 A JP H1187284A JP 23949697 A JP23949697 A JP 23949697A JP 23949697 A JP23949697 A JP 23949697A JP H1187284 A JPH1187284 A JP H1187284A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウェハの表面へ研磨傷をつけず、かつ
安定した研磨特性で半導体ウェハを研磨できる半導体ウ
ェハ研磨装置を提供する。 【解決手段】 半導体ウェハ研磨装置に、研磨スラリー
２Ａを貯留するためのスラリー供給タンク１と、スラリ
ー供給配管４を経由してスラリー吐出口５に研磨スラリ
ー２Ａを圧送するためのスラリー送出ポンプ３と、スラ
リー供給配管４に超音波を伝搬させるための超音波伝搬
装置２０と、スラリー吐出口５から吐出された研磨スラ
リー２Ｂが塗布されるための研磨布７と、半導体ウェハ
９を保持し、研磨スラリー２Ｂが塗布された研磨布７の
表面に該半導体ウェハ９の表面を圧接し、かつ該研磨布
７に対して該半導体ウェハ９を相対運動させるためのウ
ェハキャリア８と、研磨布７の表面から流出したスラリ
ー排液を排出するためのスラリー排液配管１１とを備え
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、半導体ウェハや該
半導体ウェハ上へ形成された半導体集積回路を製造する
際の平坦化工程における、化学的機械研磨を行うための
半導体ウェハ研磨装置及び研磨方法に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体ウェハの製造工程において
発生するウェハ表面の凹凸や、半導体集積回路の製造工
程において発生する回路パターンの凹凸を平坦化するた
めに、化学的機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａ
ｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；以下、ＣＭＰと記
す）が用いられる。ＣＭＰを用いた従来の半導体ウェハ
研磨装置を、図７を参照して説明する。図７は、従来の
半導体ウェハ研磨装置の構成図である。スラリー供給タ
ンク１は、研磨砥粒を溶液中に含む遊離砥粒型研磨液で
ある研磨スラリー２Ａを貯留する。該貯留された研磨ス
ラリー２Ａは、スラリー送出ポンプ３によりスラリー供
給配管４を経由して圧送され、スラリー吐出口５から吐
出される。該吐出された研磨スラリー２Ｂは、研磨定盤
６の平滑面へ貼られた研磨布７の表面に塗布される。ウ
ェハキャリア８によって保持された半導体ウェハ９の表
面を研磨布７の表面に圧接し、かつウェハキャリア８と
研磨定盤６との間において回転、並進等の相対運動を行
う。このことにより、半導体ウェハ９の表面が研磨され
る。研磨中に研磨布７の表面から排出された、研磨スラ
リーを含むスラリー排液は、スラリー排液受け１０によ
って集められ、スラリー排液配管１１によって排出され
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成によれば、研磨スラリーが有する研磨砥粒が大
きくなるという問題が発生する。研磨スラリーが有する
研磨砥粒は、一定のｐＨのもとではその表面が同一の極
性に帯電するので、静電斥力により砥粒同士が反発して
研磨スラリー中で一様に分散浮遊する。ところが、圧送
時における研磨スラリー２Ａとスラリー供給配管４の内
壁との摩擦、研磨時における研磨スラリー２Ｂと研磨布
７の表面との摩擦、研磨布７の水洗時における急激なｐ
Ｈの変化等によって、研磨砥粒の表面における帯電状態
が変化する。該変化後の帯電状態によって、研磨砥粒同
士に静電引力が作用する場合には、該研磨砥粒同士が凝
集することにより粒子径が増大することがある。
【０００４】このような研磨砥粒の凝集を、図７〜図１
０を参照して説明する。図８は、図７のスラリー供給タ
ンク１に投入された研磨スラリー２Ａが有する、研磨砥
粒の粒子径分布、すなわち初期分布を示す分布図であ
る。該研磨スラリー２Ａは、市販のコロイダル・シリカ
を研磨砥粒とする。図９は、図７のスラリー吐出口５か
ら採取した研磨スラリー２Ｂが有する、研磨砥粒の粒子
径分布を示す分布図である。図１０は、図７の半導体ウ
ェハ研磨装置によって複数枚の酸化膜付シリコンウェハ
を研磨した後に、研磨布７の表面に残留した研磨砥粒の
粒子径分布を示す分布図である。図８〜図１０に示され
た粒子径分布から、以下のことが見出された。すなわ
ち、図８及び図９からは、スラリー供給タンク１からス
ラリー供給配管４を経由して吐出された研磨スラリー２
Ｂは、初期分布よりも大きい粒子径の側へ分布する研磨
砥粒を含むことが見出された。このことは、スラリー供
給配管４の内部を流れる間に、研磨砥粒の凝集が発生し
始めることを示す。また、図９及び図１０からは、吐出
された研磨スラリー２Ｂにおける粒子径の分布に比較し
て、研磨布７の表面に残留した研磨砥粒はさらに大きい
粒子径の側へ分布する研磨砥粒を含むこと、及び該大き
い粒子径を有する研磨砥粒の数が増加していることが見
出された。このことは、研磨中において、新たに凝集が
発生し、かつ、研磨前に発生した凝集も含めてそれらの
凝集が進行することを示す。
【０００５】ＣＭＰ工程において、凝集によって大きく
なった研磨砥粒は、研磨レート等の研磨特性を不安定に
させるだけではなく、研磨対象である半導体ウェハ９の
表面に研磨傷を発生させる。該研磨傷は、ＣＭＰ工程後
の回路パターン形成工程におけるパターン不良の原因に
なるので、半導体ウェハや半導体集積回路の歩留り低下
をもたらす。 本発明は、上記従来の問題に鑑み、研磨スラリーが有す
る研磨砥粒が大きくなった場合において、半導体ウェハ
表面へ傷をつけず、かつ所望の研磨特性を維持する半導
体ウェハ研磨装置及び研磨方法を提供することを目的と
する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、半導体ウェハ研磨装置を、スラリー吐
出口へ研磨スラリーを供給するためのスラリー供給配管
と、該スラリー吐出口から吐出された研磨スラリーが塗
布された状態で半導体ウェハを研磨するための研磨布
と、半導体ウェハを保持し、かつ研磨スラリーが塗布さ
れた研磨布の表面に該保持された半導体ウェハの表面を
押し付けて該半導体ウェハを運動させるためのウェハキ
ャリアと、研磨布の表面から流出したスラリー排液を排
出するためのスラリー排液配管と、スラリー供給配管か
らスラリー排液配管に至るまでの経路において該経路に
超音波振動を伝搬させるための１つ又は複数の超音波伝
搬装置とを備えた構成としたものである。
【０００７】上記の構成により、供給経路、排出経路若
しくは研磨布表面における研磨スラリー中、又は研磨布
表面に、凝集して粒子径が大きくなった研磨砥粒が存在
する場合において、超音波振動を用いて該研磨砥粒を再
分散することによって、粒子径が小さい研磨砥粒にする
ことができる。
【０００８】また、本発明は、半導体ウェハ研磨方法
を、研磨布の表面に研磨スラリーを塗布する塗布工程
と、研磨布の研磨スラリーが塗布された表面に半導体ウ
ェハの表面を押し付け、かつ該半導体ウェハを運動させ
てその表面を研磨する研磨工程と、該研磨工程中、研磨
工程前又は研磨工程後のうち少なくとも１つの時点で、
研磨布への供給から排出に至る経路のうち少なくとも１
個所において、該経路に超音波振動を伝搬させる振動工
程とを備えた構成としたものである。
【０００９】上記の構成により、供給経路、排出経路若
しくは研磨布表面における研磨スラリー中、又は研磨布
表面に、凝集して粒子径が大きくなった研磨砥粒が存在
する場合において、研磨工程中又は次の研磨工程前に、
超音波振動を用いて該研磨砥粒を再分散することによっ
て、粒子径が小さい研磨砥粒にすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明に係る半導体ウェハ研磨装
置及び研磨方法の第１の実施形態を、図１と図２とを参
照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る半導体
ウェハ研磨装置の構成図である。従来の半導体ウェハ研
磨装置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１において、模式的に示された超音
波伝搬装置２０は、スラリー供給配管４の一部へ設けら
れた超音波伝搬手段である。超音波伝搬装置２０は、超
音波を発生させ、かつ、スラリー供給配管４を介して、
該スラリー供給配管４の内部を圧送される研磨スラリー
２Ａに該発生された超音波を伝搬させる。
【００１１】図２は、図１の超音波伝搬装置２０の構成
図である。図２において、スラリー供給配管４は、水槽
３０へ満たされた純水３１の中を通過するように配管さ
れる。超音波振動子４０は、超音波を発生させる。該発
生された超音波は、水槽３０と純水３１とスラリー供給
配管４とを順次介して、該スラリー供給配管４の内部を
圧送される研磨スラリー２Ａに伝搬される。スラリー流
量が２００ｍＬ／分、超音波パワーが１００Ｗである場
合において、水槽３０におけるスラリー供給配管４の中
を研磨スラリー２Ａが約１分で通過するように、該スラ
リー供給配管４の配管容積を調整した。このことによ
り、研磨スラリー２Ａが有する凝集した研磨砥粒を再分
散する効果が得られた。なお、以上の説明においては、
水槽３０と純水３１とを介して超音波をスラリー供給配
管４に伝搬させた。これに限らず、例えばスラリー供給
配管４へ超音波振動子４０を直接設置してもよい。
【００１２】以上説明したように、第１の実施形態によ
れば、スラリー供給配管４の内部を圧送される研磨スラ
リー２Ａに超音波を伝搬させる。このことによって、研
磨スラリー２Ａが有する凝集した研磨砥粒は、スラリー
吐出口５から吐出されるまでに充分再分散されるので、
研磨前において該研磨砥粒の粒子径が小さくなる。した
がって、半導体ウェハ９の表面へ研磨傷がつくことを抑
制でき、かつ研磨レート等の研磨特性を安定化できる。
【００１３】本発明に係る半導体ウェハ研磨装置及び研
磨方法の第２の実施形態を、図３と図４とを参照して説
明する。図３は、第２の実施形態に係る半導体ウェハ研
磨装置の構成図である。従来の半導体ウェハ研磨装置と
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３において、模式的に示された超音波伝搬装
置２１は、研磨布７の表面へ設けられた超音波伝搬手段
である。超音波伝搬装置２１は、超音波を発生させ、か
つ、研磨布７の表面に該発生された超音波を伝搬させ
る。
【００１４】図４は、図３の超音波伝搬装置２１の構成
図である。図４において、超音波振動子４１は、超音波
を発生させる。該発生された超音波は、研磨スラリー２
Ｂが塗布された、又は純水によって湿らされた研磨布７
に伝搬される。超音波振動子４１へ１００Ｗ程度の超音
波パワーを印加した場合において、該超音波振動子４１
を、研磨布７の表面に研磨スラリー２Ｂを吐出するのと
同時に作用させても、研磨布７を純水などで洗浄するの
と同時に作用させても、凝集した研磨砥粒を再分散させ
る効果が認められた。また、図４に示すように、超音波
振動子４１が研磨布７の表面を一定の速度で掃引する構
成にすることによって、凝集した研磨砥粒をより効果的
に再分散できる。なお、以上の説明においては、研磨ス
ラリー２Ｂが塗布された、又は純水によって湿らされた
研磨布７の表面に、超音波を直接伝搬させた。これに限
らず、例えば、超音波振動子を設けたノズルから研磨ス
ラリー又は純水を噴出させ、該噴出された研磨スラリー
又は純水を介して研磨布７の表面に超音波を伝搬させて
もよい。
【００１５】以上説明したように、第２の実施形態によ
れば、超音波を研磨布７の表面に伝搬させる。このこと
により、該研磨布７の表面に塗布された研磨スラリー２
Ｂが有する凝集した研磨砥粒、又は該研磨布７の表面に
残留する凝集した研磨砥粒は効果的に再分散されるの
で、研磨前、研磨中又は研磨後において該研磨砥粒の粒
子径が小さくなる。したがって、半導体ウェハ９の表面
へ研磨傷がつくことを抑制でき、かつ研磨レート等の研
磨特性を安定化できる。
【００１６】本発明に係る半導体ウェハ研磨装置及び研
磨方法の第３の実施形態を、図５と図６とを参照して説
明する。図５は、第３の実施形態に係る半導体ウェハ研
磨装置の構成図である。従来の半導体ウェハ研磨装置と
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５において、模式的に示された超音波伝搬装
置２２は、スラリー排液配管１１の一部へ設けられた超
音波伝搬手段である。排出用バルブ１２は、スラリー排
液配管１１を流れる、研磨スラリー２Ｂを含むスラリー
排液の経路を、排出経路と回収経路とのいずれかに切り
換えるためのバルブである。回収用バルブ１３，１４
は、スラリー回収配管１５とスラリー回収ポンプ１６と
を介してスラリー排液をスラリー送出ポンプ３に還流さ
せるか、又は該還流を遮断するかのいずれかに切り換え
るためのバルブである。スラリー回収ポンプ１６は、回
収用バルブ１３を介して供給されたスラリー排液を、回
収用バルブ１４を介してスラリー送出ポンプ３に圧送す
るためのポンプである。送出用バルブ１７は、スラリー
供給タンク１に貯留された研磨スラリー２Ａを、スラリ
ー送出ポンプ３へ供給するか、又は遮断するかのいずれ
かに切り換えるためのバルブである。
【００１７】図５の半導体ウェハ研磨装置の動作を説明
する。超音波伝搬装置２２は、超音波を発生させ、か
つ、スラリー排液配管１１を介して、該スラリー排液配
管１１の内部を流れるスラリー排液に該発生された超音
波を伝搬させる。排出用バルブ１２と送出用バルブ１７
とを閉じ、かつ、回収用バルブ１３，１４を開くことに
より、スラリー排液配管１１からスラリー送出ポンプ３
への回収経路であるスラリー回収配管１５が開通する。
該開通されたスラリー回収配管１５において、スラリー
回収ポンプ１６は、研磨スラリー２Ｂを含むスラリー排
液を圧送してスラリー送出ポンプ３に供給する。なお、
以上の説明においては、回収された研磨スラリーはスラ
リー回収配管１５を介して直接スラリー送出ポンプ３に
供給された。これに限らず、例えば、スラリー回収配管
１５の一部へ研磨スラリーを溜めるための貯留槽を設け
てもよい。
【００１８】図６は、図５の超音波伝搬装置２２の構成
図である。図６において、スラリー排液配管１１は、水
槽５０へ満たされた純水５１の中を通過するように配管
される。超音波振動子４２は、超音波を発生させる。該
発生された超音波は、水槽５０と純水５１とスラリー排
液配管１１とを順次介して、該スラリー排液配管１１の
内部を流れるスラリー排液に伝搬される。スラリー流量
が２００ｍＬ／分、超音波パワーが１００Ｗである場合
において、水槽５０におけるスラリー排液配管１１の中
をスラリー排液が約１分で通過するように、該スラリー
排液配管１１の配管容積を調整した。このことにより、
スラリー排液が有する凝集した研磨砥粒を再分散する効
果が得られた。
【００１９】以上説明したように、第３の実施形態によ
れば、研磨スラリー２Ｂを含むスラリー排液に超音波を
伝搬させた後に、スラリー回収配管１５を経由して該ス
ラリー排液をスラリー送出ポンプ３に供給する。このこ
とにより、スラリー排液が有する凝集した研磨砥粒は研
磨後において充分に再分散されて、かつ、該スラリー排
液を研磨に再利用できる。したがって、半導体ウェハ９
の表面へ研磨傷がつくことを抑制でき、研磨レート等の
研磨特性を安定化でき、かつ、スラリー排液を有効に利
用して研磨スラリーの消費量と排出量とを削減できる。
【００２０】なお、これまで説明した第１〜第３の実施
形態は、例えばシリコンよりなる半導体ウェハの製造工
程においても、該半導体ウェハの上へ形成される半導体
集積回路の製造工程においても使用できる。また、第１
〜第３の実施形態を適宜組み合わせて使用できることは
いうまでもない。
【００２１】
【発明の効果】本発明によれば、半導体ウェハ研磨装置
におけるスラリー供給配管からスラリー排液配管に至る
研磨スラリーの経路において、該経路に超音波を伝搬さ
せるための超音波伝搬装置を設け、研磨前、研磨中又は
研磨後において、該経路に超音波を伝搬させる。このこ
とにより、該経路における研磨スラリーが有する、又は
研磨布表面へ存在する、凝集によって大きい粒子径を持
つ研磨砥粒を再分散できる。したがって、凝集によって
大きくなった研磨砥粒が半導体ウェハ表面に研磨傷をつ
けることを抑制でき、かつ、研磨レート等の研磨特性を
安定化できる。
【００２２】また、本発明によれば、スラリー排液に超
音波を伝播させた後、該スラリー排液を研磨スラリーと
して再利用する。このことにより、スラリー排液が有す
る、凝集によって大きい粒子径を持つ研磨砥粒を再分散
した後に、該スラリー排液を研磨スラリーとして再利用
できる。したがって、半導体ウェハの表面へ研磨傷がつ
くことを抑制でき、研磨レート等の研磨特性を安定化で
き、かつ、研磨スラリーの消費量と排出量とを削減でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体ウェハ研
磨装置の構成図である。
【図２】図１の超音波伝搬装置の構成図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る半導体ウェハ研
磨装置の構成図である。
【図４】図３の超音波伝搬装置の構成図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る半導体ウェハ研
磨装置の構成図である。
【図６】図５の超音波伝搬装置の構成図である。
【図７】従来の半導体ウェハ研磨装置の構成図である。
【図８】図７の半導体ウェハ研磨装置のスラリー供給タ
ンクに投入された研磨スラリーが有する、研磨砥粒の粒
子径分布図である。
【図９】図７の半導体ウェハ研磨装置のスラリー吐出口
から採取した研磨スラリーが有する、研磨砥粒の粒子径
分布図である。
【図１０】図７の半導体ウェハ研磨装置によって複数枚
の酸化膜付シリコンウェハを研磨した後に、研磨布の表
面に残留した研磨砥粒の粒子径分布図である。
【符号の説明】
１ スラリー供給タンク ２Ａ，２Ｂ 研磨スラリー ３ スラリー送出ポンプ ４ スラリー供給配管 ５ スラリー吐出口 ６ 研磨定盤 ７ 研磨布 ８ ウェハキャリア ９ 半導体ウェハ １０ スラリー排液受け １１ スラリー排液配管 １２ 排出用バルブ １３，１４ 回収用バルブ １５ スラリー回収配管 １６ スラリー回収ポンプ １７ 送出用バルブ ２０，２１，２２ 超音波伝搬装置 ３０，５０ 水槽 ３１，５１ 純水 ４０，４１，４２ 超音波振動子（超音波振動装置）

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 研磨砥粒を含む研磨スラリーを使用して
    半導体ウェハを研磨するための半導体ウェハ研磨装置で
    あって、 スラリー吐出口へ前記研磨スラリーを供給するためのス
    ラリー供給配管と、 前記スラリー吐出口から吐出された研磨スラリーが塗布
    された状態で前記半導体ウェハを研磨するための研磨布
    と、 前記半導体ウェハを保持し、前記研磨布の前記研磨スラ
    リーが塗布された表面に該保持された半導体ウェハの表
    面を押し付け、かつ該半導体ウェハが該研磨布に対して
    相対速度を有するように該半導体ウェハを運動させるた
    めのウェハキャリアと、 前記研磨布の表面から流出した研磨スラリーを含むスラ
    リー排液を排出するためのスラリー排液配管と、 前記スラリー供給配管から前記スラリー排液配管に至る
    までの経路において、該経路に超音波振動を伝搬させる
    ための１つ又は複数の超音波伝搬装置とを備えたことを
    特徴とする半導体ウェハ研磨装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体ウェハ研磨装置で
    あって、 前記超音波伝搬装置は、前記スラリー供給配管に超音波
    を伝搬させるための超音波振動装置を備えたことを特徴
    とする半導体ウェハ研磨装置。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の半導体ウェハ研磨装置で
    あって、 前記超音波伝搬装置は、前記研磨布の表面に超音波を伝
    搬させるための超音波振動装置を備えたことを特徴とす
    る半導体ウェハ研磨装置。
  4. 【請求項４】 請求項１記載の半導体ウェハ研磨装置で
    あって、 前記スラリー排液の少なくとも一部を、前記スラリー供
    給配管に還流させるためのスラリー回収配管を更に備え
    たことを特徴とする半導体ウェハ研磨装置。
  5. 【請求項５】 請求項４記載の半導体ウェハ研磨装置で
    あって、 前記超音波伝搬装置は、前記スラリー排液配管に超音波
    を伝搬させるための超音波振動装置を備えたことを特徴
    とする半導体ウェハ研磨装置。
  6. 【請求項６】 研磨砥粒を含む研磨スラリーを使用して
    半導体ウェハを研磨する半導体ウェハ研磨方法であっ
    て、 研磨布の表面に前記研磨スラリーを塗布する塗布工程
    と、 前記研磨布の前記研磨スラリーが塗布された表面に前記
    半導体ウェハの表面を押し付け、かつ該半導体ウェハが
    該研磨布に対して相対速度を有するように該半導体ウェ
    ハを運動させて該半導体ウェハの表面を研磨する研磨工
    程と、 前記研磨工程中、研磨工程前又は研磨工程後のうち少な
    くとも１つの時点で、前記研磨布への供給から排出に至
    る前記研磨スラリーの経路のうち少なくとも１個所にお
    いて、該経路に超音波振動を伝搬させる振動工程とを備
    えたことを特徴とする半導体ウェハ研磨方法。
  7. 【請求項７】 請求項６記載の半導体ウェハ研磨方法で
    あって、 前記振動工程は、前記研磨工程中の一部又はすべての期
    間において、前記研磨布の前記研磨スラリーが塗布され
    た表面に超音波振動を伝搬させることを特徴とする半導
    体ウェハ研磨方法。
  8. 【請求項８】 請求項６記載の半導体ウェハ研磨方法で
    あって、 前記振動工程は、前記研磨工程が終了した後次の半導体
    ウェハに対する研磨工程が開始されるまでの一部又はす
    べての期間において、前記研磨布の表面に超音波振動を
    伝搬させることを特徴とする半導体ウェハ研磨方法。
  9. 【請求項９】 請求項６記載の半導体ウェハ研磨方法で
    あって、 前記研磨布から排出された研磨スラリーを含むスラリー
    排液の少なくとも一部を、該研磨布への供給側へ還流さ
    せる工程を更に備えたことを特徴とする半導体ウェハ研
    磨方法。
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