JPWO2004105113A1 - Ｃｍｐ研磨用研磨体、ｃｍｐ研磨装置、ｃｍｐ研磨方法、及び半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

ウエハ外周面が過剰に研磨されることを防止できるＣＭＰ研磨方法に用いるのに好適なＣＭＰ研磨用研磨体であって、このＣＭＰ研磨用研磨体は、研磨パッド、硬質弾性部材、軟質弾性部材をこの順に張り合わせて形成され、前記軟質弾性部材の厚さが、前記研磨パッドの厚さの１／２以下とされている。

Description

本発明は、ＣＭＰ研磨用研磨体、ＣＭＰ研磨装置、及びＳｉ基板表面に形成されたＳｉＯ_２の表面を、ＣＭＰ研磨により研磨することにより平坦化する方法、及びこの方法を用いた半導体デバイスの製造方法に関するものである。

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。表面にお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。
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。
具体的に示すと、半導体製造プロセスにおいては、図６に示すような平坦化技術が必須になってきている。図６は、半導体製造プロセスにおける平坦化技術の概念図であり、半導体デバイスの断面図である。図６において、１１はシリコンウェハ、１２はＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜、１３はＡｌからなる金属膜、１４は半導体デバイスである。
図６（ａ）は半導体デバイスの表面の層間絶縁膜１２を平坦化する例である。図６（ｂ）は半導体デバイスの表面の金属膜１３を研磨し、いわゆるダマシン（ｄａｍａｓｃｅｎｅ）を形成する例である。このような半導体デバイスの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またはＣｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ、以下ではＣＭＰと称す）技術が広く行われている。現在、ＣＭＰ技術はシリコンウェハの全面を平坦化できる唯一の方法である。
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７に示すようなＣＭＰ装置を用いて行われている。１５は研磨対象物であるウエハ１６を保持しながら回転を与えるヘッド部であり回転駆動機構１７を有している。このヘッド部１５に対面して研磨パッド１８が貼り付けられた回転プラテン１９及びその回転駆動機構２０があり、これら研磨パッド１８、回転プラテン１９、回転駆動機構２０は、回転式揺動アーム２１により揺動を与えられると共に、上下方向に駆動される。なお、実際には、研磨パッド１８と他の部材が組み合わされて、図７に示す研磨パッド１８の代わりに用いられることがあり、このようなものを、本明細書及び請求の範囲では「研磨体」と称している。
このようなＣＭＰ研磨装置を使用して研磨を行う際には、ウエハ１６及び研磨パッド１８を高速回転させ、回転式揺動アーム２１を図示されていない上下駆動機構により下降させて、研磨パッド１８によりウエハ１６を加圧する。そして、研磨パッド１８とウエハ１６間に研磨剤であるスラリーを供給する。さらに、回転式揺動アーム２１を、図示されていない揺動駆動機構により破線矢印で示す如く揺動する。すると、研磨パッド１８とウエハ１６の相対回転及び揺動により、ウエハ１６の研磨が行われ、表面が平坦化される。すなわち、研磨パッド１８とウエハ１６の相対運動による機械的研磨と、スラリーによる化学的研磨の相乗作用により、良好な研磨が行われる。
ところで、ブランク状態のウエハと異なり、内部に半導体集積回路が形成されたウエハの表面は、平坦ではなく、とくにチップが形成されている部分と形成されていない部分では段差があるのが普通である。よって、このようなウエハを研磨する場合には、回路形成に伴って必然的に生じる大きな周期の凹凸（うねり）に倣って、すなわち凹凸（うねり）に沿って一様に研磨（これを、「ウェハ・グローバル・リムーバル均一性」と呼んでいる）を行いながら、局所的な凹凸を無くする（これを、「ローカル・パターン平坦性」と呼んでいる）ことが求められている。
このような「ウェハ・グローバル・リムーバル均一性」と「ローカル・パターン平坦性」の両者を満足させる研磨体として、研磨パッドと、硬質弾性部材と、軟質部材をこの順に積層して構成されたものが知られている（国際公開ＷＯ０３／００９３６２号公報）。このような研磨体においては、研磨パッドと軟質部材の間に硬質弾性部材が挟み込まれているので、その作用により「ウェハ・グローバル・リムーバル均一性」と「ローカル・パターン平坦性」の両者を満足させることができる。
上述のように、研磨パッドと、硬質弾性部材と、軟質部材をこの順に積層して構成された３層構造を有する研磨体を使用すれば、ウエハの、回路パターンが形成された有効エリアを平坦に研磨することができる。この有効エリアは、ウエハの外周から３ｍｍより内側の部分とされている。すなわち、外周から３ｍｍ以内の部分には回路パターンが形成されておらず、この部分を平坦に研磨する必要はない。
しかしながら、従来知られている研磨方法を用いた場合、この外周部分においては、その内側の部分より研磨レートが大きくなるため、ＳｉＯ_２部分が完全に研磨されて無くなってしまい、その下層に存在するＳｉがむき出しになるという問題点がある。Ｓｉがむき出しになると、ゴミ等が付着しやすくなり、付着したゴミ等が研磨面に入って研磨面を汚染したり、傷つけたりする等の問題点が発生する。
このため、従来技術においては、ウエハの外周を囲むようにリテーナリングを配置し、ウエハ外周面をリテーナリングで保護することにより、ウエハ外周面が過剰に研磨されるのを防止していた。しかしながら、このようなリテーナリングは消耗品であり、その分コストがかかるのみならず、リテーナリングの高さ調整が困難であるという問題点があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、リテーナリングを用いる等の特別な方法をとらなくても、ウエハ外周面が過剰に研磨されることを防止できるＣＭＰ研磨方法、このＣＭＰ研磨方法に用いるのに好適なＣＭＰ研磨用研磨体、ＣＭＰ研磨装置、及びこのＣＭＰ研磨方法を使用した半導体デバイスの製造方法を提供することを課題とする。
前記目的を達成するための第１の発明は、研磨パッド、硬質弾性部材、軟質弾性部材をこの順に張り合わせて形成され、前記軟質弾性部材の厚さが、前記研磨パッドの厚さの１／２以下とされていることを特徴とするＣＭＰ研磨用研磨体である。
前記目的を達成するための第２の発明は、前記第１の発明であって、前記軟質弾性部材の厚さが、０．２ｍｍ≦Ｔ≦０．５ｍｍであることを特徴とするものである。
前記目的を達成するための第３の発明は、研磨パッド、硬質弾性部材、軟質弾性部材をこの順に張り合わせて形成され、前記軟質弾性部材の厚さが、０．２ｍｍ≦Ｔ≦０．５ｍｍであることを特徴とするＣＭＰ研磨用研磨体である。
前記目的を達成するための第４の発明は、基板を研磨体に接触させながら相対移動させることにより研磨を行うＣＭＰ研磨装置であって、前記研磨体として、前記第１の発明から第３の発明のうちいずれかのＣＭＰ研磨用研磨体を用いていることを特徴とするＣＭＰ研磨装置である。
前記目的を達成するための第５の発明は、Ｓｉ基板表面に形成されたＳｉＯ_２の表面を、ＣＭＰ研磨により研磨することにより平坦化する方法であって、前記第１の発明から第３の発明のうちいずれかのＣＭＰ研磨用研磨体を使用して研磨を行うことを特徴とするＣＭＰ研磨方法である。
前記目的を達成するための第６の発明は、前記第５の発明であるＣＭＰ研磨方法によりウエハを研磨する工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法である。
前記目的を達成するための第７の発明は、Ｓｉ基板表面に形成されたＳｉＯ_２の表面を、ＣＭＰ研磨により研磨することにより平坦化する方法であって、研磨圧力を１ｐｓｉ以下として研磨を行うことを特徴とするＣＭＰ研磨方法である。
前記目的を達成するための第８の発明は、前記第７の発明であって、前記ＣＭＰ研磨に用いられる研磨体が、研磨パッドと、硬質弾性部材と、軟質弾性部材をこの順に積層してなる３層構造を有することを特徴とするものである。
前記目的を達成するための第９の発明は、前記第７の発明又は第８の発明のＣＭＰ研磨方法によりウエハを研磨する工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法である。

図１は、３層構造を有する研磨体の概要を示す図である。
図２は、発泡ポリウレタンの厚さ（ｍｍ）をパラメータにした、ウエハ上の各位置における研磨レートを示す図である。
図３は、研磨圧力（研磨体をウエハに押し付ける圧力）をパラメータにした、ウエハ上の各位置における研磨レートを示す図である。
図４は、研磨圧力と定常部での研磨レートとの関係を示す図である。
図５は本発明の実施の形態の一例である半導体デバイス製造プロセスを示すフローチャートである。
図６は、半導体製造プロセスにおける平坦化技術の概念図である。
図７は、ＣＭＰ研磨に使用されるＣＭＰ装置の概要を示す図である。

以下、本発明の実施例について、図を参照しながら説明する。

株式会社ニコン社製ＣＭＰ研磨装置（商品名ＮＰＳ３３０１（ＮＰＳは登録商標））を使用し、８インチウエハ上に形成されたＳｉＯ_２膜を研磨する際に、ウエハのエッジ部とその内側の部分における研磨レートがどの程度違うかを調査した。研磨体としては、図１に示すように、厚さ１．２５ｍｍのローデル社製研磨パッドＩＣ１０００（商品名）に厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ板を貼り合わせ、さらにその上に厚さ０．２０ｍｍ、０．５ｍｍ、１．２５ｍｍの発泡ポリウレタンを貼り合わせて、前記ＳＵＳ板をサンドイッチ状にしたものを使用した。なお、この研磨体は、外径が１７０ｍｍであり、中央部に直径６０ｍｍの穴が形成されたドーナツ状の研磨体である。
研磨体の回転数を３０１ｒｐｍ、ウエハの回転数を−１０１ｒｐｍ（研磨体と逆回転）とした。又、研磨体の揺動開始位置は、ウエハの回転中心から２２ｍｍの位置とし、揺動ストロークは４５ｍｍ、揺動速度は４０ｍｍ／ｓｅｃとした。スラリーは、キャボット社製のＳＳ２５（商品名）を使用し、１００ｍｌ／ｍｉｎの割合で供給した。研磨圧力（研磨体をウエハに押し付ける圧力）は２．０ｐｓｉとした。
図２に、発泡ポリウレタンの厚さをパラメータにした、ウエハ上の各位置における研磨レートを示す。図２において、横軸はウエハ上の位置（ウエハ中心からの距離［ｍｍ］）であり、縦軸はＳｉＯ_２の研磨レート（Ａ（オグストローム）／ｍｉｎ）である。
図２から分かるように、発泡ポリウレタンの厚さが研磨パッドＩＣ１０００の厚さと等しい１．２５ｍｍの場合には、ウエハの外周から３ｍｍまでの位置における研磨レートが急激に増加している。これにより、前述のように、ＳｉＯ_２が完全に無くなってしまい、Ｓｉが露出するという問題が発生する。
しかし、発泡ポリウレタンの厚さが０．５ｍｍとなると、ウエハの外周から３ｍｍまでの位置における研磨レートが低下し始め、発泡ポリウレタンの厚さが０．２ｍｍよりさらに薄くなると、逆にウエハエッジ部での研磨レートはその内側に比べて低下する傾向が見られる。ウエハエッジ部で研磨レートが低下しても、その部分にはパターンが形成されていないので問題がない。
図２に示される傾向から、軟質弾性部材である発泡ポリウレタンの厚さが研磨パッドの厚さの１／２以下となれば、ウエハの外周から３ｍｍまでの位置における急激な研磨レートの増加は見られなくなると推定できる。
また、軟質弾性部材である発泡ポリウレタンの厚さが０．５ｍｍ以下となれば、ウエハの外周から３ｍｍまでの位置における急激な研磨レートの増加は見られなくなると推定できる。
以上のことより、Ｓｉ基板表面に形成されたＳｉＯ_２の表面を、ＣＭＰ研磨により研磨することにより平坦化する際に、研磨パッド、硬質弾性部材、軟質弾性部材をこの順に張り合わせて形成される研磨体であって、前記軟質弾性部材の厚さが、前記研磨パッドの厚さの１／２以下とされている研磨体、又は軟質弾性部材である発泡ポリウレタンの厚さが０．５ｍｍ以下である研磨体を使用して研磨を行えば、ウエハエッジ部での研磨レートの増加に起因してＳｉが露出するという問題を解消でき、かつ、ウエハ面内の研磨レートに影響を与えないことが分かった。

株式会社ニコン社製ＣＭＰ研磨装置（商品名ＮＰＳ３３０１（ＮＰＳは登録商標））を使用し、１２インチウエハ上に形成されたＳｉＯ_２膜を研磨する際に、ウエハのエッジ部とその内側の部分における研磨レートがどの程度違うかを調査した。研磨体としては、厚さ１．２５ｍｍのローデル社製研磨パッドＩＣ１０００（商品名）に厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ板を貼り合わせ、さらにその上に厚さ１．２５ｍｍの発泡ポリウレタンを貼り合わせて、前記ＳＵＳ板をサンドイッチ状にしたものを使用した。なお、この研磨体は、外径が２６６ｍｍであり、中央部に直径８４ｍｍの穴が形成されたドーナツ状の研磨体である。なお、研磨時にはリテーナリングを使用していない。
研磨体の回転数を１８１ｒｐｍ、ウエハの回転数を−２０１ｒｐｍ（研磨体と逆回転）とした。又、研磨体の揺動開始位置は、ウエハの回転中心から２７．５ｍｍの位置とし、揺動ストロークは８５ｍｍ、揺動速度は４０ｍｍ／ｓｅｃとした。スラリーは、キャボット社製のＳＳ２５（商品名）を使用し、１５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で供給した。
図３に、研磨圧力（研磨体をウエハに押し付ける圧力）をパラメータにした、ウエハ上の各位置における研磨レートを示す。図３において、横軸はウエハ上の位置（ウエハ中心からの距離［ｍｍ］）であり、縦軸はＳｉＯ_２の研磨レート（Ａ（オグストローム）／ｍｉｎ）である。
図３から分かるように、研磨圧力が２ｐｓｉ、３ｐｓｉのときには、ウエハの外周から３ｍｍまでの位置における研磨レートが急激に増加している。これにより、前述のように、ＳｉＯ_２が完全に無くなってしまい、Ｓｉが露出するという問題が発生する。
しかし、研磨圧力を１ｐｓｉまで低下させると、ウエハエッジ部での急激な研磨レートの増加は見られなくなり、研磨圧力が０．５ｐｓｉ、０．１ｐｓｉとさらに低下すると、逆にウエハエッジ部での研磨レートはその内側に比べて低下する傾向が見られる。ウエハエッジ部で研磨レートが低下しても、その部分にはパターンが形成されていないので問題がない。
しかしながら、研磨圧力を低下させると、定常部での研磨レートが低下し、実用に耐えなくなる恐れがある。よって、研磨圧力と定常部での研磨レートとの関係を、前述の条件と同じ条件の下で調査した。その結果を図４に示す。図４において横軸は研磨圧力（ｐｓｉ）であり、縦軸はＳｉＯ_２の平均研磨レート（Ａ（オグストローム）／ｍｉｎ）である。図２に示すように、０．１ｐｓｉ〜３．０ｐｓｉの間では、研磨レートはほぼ直線的に低下するが、研磨レートと研磨圧力との関係は、一般にＰｒｅｓｔｏｎの式として知られている比例関係とは異なり、０．１ｐｓｉの場合でも、ウエハと研磨体の高速回転（平均相対速度３．０［ｍ／ｓｅｃ］）のため、１０００［Ａ／ｍｉｎ］を超えていることが分かる。これは十分に実用に耐える研磨レートである。
以上のことより、Ｓｉ基板表面に形成されたＳｉＯ_２の表面を、ＣＭＰ研磨により研磨することにより平坦化する際に、研磨圧力を１ｐｓｉ以下として研磨を行えば、ウエハエッジ部での研磨レートの増加により、Ｓｉが露出するという問題を解消でき、かつ、十分に実用に耐える研磨レートが得られることが分かった。
（発明の実施の形態）
図５は、本発明の実施の形態の一例である半導体デバイス製造プロセスを示すフローチャートである。半導体デバイス製造プロセスをスタートして、まずステップＳ１００で、次に挙げるステップＳ１０１〜Ｓ１０４の中から適切な処理工程を選択する。選択に従って、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４のいずれかに進む。
ステップＳ１０１はシリコンウェハの表面を酸化させる酸化工程である。ステップＳ１０２はＣＶＤ等によりシリコンウェハ表面に絶縁膜を形成するＣＶＤ工程である。ステップＳ１０３はシリコンウェハ上に電極を蒸着等の工程で形成する電極形成工程である。ステップ１０４はシリコンウェハにイオンを打ち込むイオン打ち込み工程である。
ＣＶＤ工程もしくは電極形成工程の後で、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５でＣＭＰ工程を実施するかどうか判断し、実施する場合はＳ１０６のＣＭＰ工程に進む。ＣＭＰ工程を行わない場合は、Ｓ１０６をバイパスする。ＣＭＰ工程では本発明に係る研磨装置により、層間絶縁膜の平坦化や、半導体デバイスの表面の金属膜の研磨によるダマシン（ｄａｍａｓｃｅｎｅ）の形成等が行われる。
ＣＭＰ工程もしくは酸化工程の後でステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７はフォトリソ工程である。フォトリソ工程では、シリコンウェハへのレジストの塗布、露光装置を用いた露光によるシリコンウェハへの回路パターンの焼き付け、露光したシリコンウェハの現像が行われる。さらに次のステップＳ１０８は現像したレジスト像以外の部分をエッチングにより削り、その後レジスト剥離が行われ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くエッチング工程である。
次にステップＳ１０９で必要な全工程が完了したかを判断し、完了していなければステップＳ１００に戻り、先のステップを繰り返して、シリコンウェハ上に回路パターンが形成される。ステップＳ１０９で全工程が完了したと判断されれば工程を終了する。
本発明の実施の形態であるＣＭＰ研磨装置は、本発明の研磨体を使用している以外は、図７に示した従来のＣＭＰ研磨装置と変わるところがないので、その説明を省略する。

Claims (9)

1. 研磨パッド、硬質弾性部材、軟質弾性部材をこの順に張り合わせて形成され、前記軟質弾性部材の厚さが、前記研磨パッドの厚さの１／２以下とされていることを特徴とするＣＭＰ研磨用研磨体。
2. 前記軟質弾性部材の厚さが、０．２ｍｍ≦Ｔ≦０．５ｍｍであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のＣＭＰ研磨用研磨体。
3. 研磨パッド、硬質弾性部材、軟質弾性部材をこの順に張り合わせて形成され、前記軟質弾性部材の厚さが、０．２ｍｍ≦Ｔ≦０．５ｍｍであることを特徴とするＣＭＰ研磨用研磨体。
4. 基板を研磨体に接触させながら相対移動させることにより研磨を行うＣＭＰ研磨装置であって、前記研磨体として、請求の範囲第１項から第３項のうちいずれか１項に記載のＣＭＰ研磨用研磨体を用いていることを特徴とするＣＭＰ研磨装置。
5. Ｓｉ基板表面に形成されたＳｉＯ_２の表面を、ＣＭＰ研磨により研磨することにより平坦化する方法であって、請求の範囲第１項から第３項のうちいずれか１項に記載のＣＭＰ研磨用研磨体を使用して研磨を行うことを特徴とするＣＭＰ研磨方法。
6. 請求の範囲第５項に記載のＣＭＰ研磨方法によりウエハを研磨する工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
7. Ｓｉ基板表面に形成されたＳｉＯ_２の表面を、ＣＭＰ研磨により研磨することにより平坦化する方法であって、研磨圧力を１ｐｓｉ以下として研磨を行うことを特徴とするＣＭＰ研磨方法。
8. 前記ＣＭＰ研磨に用いられる研磨体が、研磨パッドと、硬質弾性部材と、軟質弾性部材をこの順に積層してなる３層構造を有することを特徴とする請求の範囲第７項に記載のＣＭＰ研磨方法。
9. 請求の範囲第７項又は第８項に記載のＣＭＰ研磨方法によりウエハを研磨する工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。

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