JP2933488B2 - 研磨方法および研磨装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は研磨方法とその装置に関
し、特に、半導体基板を化学・機械研磨方法（Ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎ
ｇ）で研磨する方法とそれに用いる研磨装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】配線層が立体的に配置された多層配線層
を有する半導体集積回路を形成するには、多層配線間の
層間絶縁膜（シリコン酸化膜）の表面を平坦にする必要
がある。すなわち、第１層目（最下層）のアルミ配線を
形成した後、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を成膜する
と、配線層の存在によりシリコン酸化膜表面に凹凸が生
じてしまう。フォトリソグラフィーおよびドライエッチ
ング工程で、この凹凸の存在する酸化膜上に第２のアル
ミ配線層を形成しようとすると、凹凸部でレジストパタ
ーニングの露光焦点が合わない、あるいは段差部にドラ
イエッチング残りが生じる等の不具合が生じる。このた
め、ポリッシングにより層間絶縁膜表面の凹凸を取り除
いて平坦にしている（特公平５−３００５２号公報）。
すなわち、回転研磨定盤上の研磨布に加工液を滴下し、
この研磨布にシリコン基板を押し当てることにより、層
間絶縁膜表面の凹凸部を取り除いている。シリコン酸化
膜のポリッシングは、酸化シリコンの化学的エッチング
作用と研磨剤粒子との摩擦による機械的作用により進行
し、加工液には通常、粒径４０nm程度のシリカ粒子（研
磨剤粒子）を、アンモニア水溶液に１０〜３０ｗｔ％程
度分散させた加工液が用いられている（特願平４−７５
３３８号）。

【０００３】このような層間絶縁膜表面のミクロンオー
ダーの凹凸を除去するための研磨では、加工を基板面内
で均一に進行させる上で、研磨装置の基板保持部の構造
が極めて重要である。例えば、基板保持部表面に微小な
凹凸が存在するだけで基板の加工均一性は劣化するし、
また基板保持部と基板裏面との間にミクロンオーダーの
微粒子があっても、局所的にその部分の層間膜の加工速
度を変化させる要因となる。さらに、基板保持部と基板
裏面との接触で、基板裏面に傷を生じさせたりする場合
もある。この様に、層間絶縁膜に限らず半導体を構成す
る薄膜（ポリシリコン膜や金属膜も含む）の表面を平坦
化するには、基板の保持方法が加工の優劣を決める。

【０００４】そこで、基板保持について注目した場合、
従来は次の（１）〜（４）の方法が知られている。 （１）基板表面にホットメルトワックス等の接着剤１４
を用いて基板１を基板保持ヘッド１３に固定した状態で
研磨する方法（図２（ａ））。 （２）基板保持ヘッドに直接基板１を真空チャックした
状態で基板を研磨する方法（図２（ｂ））。 （３）水を含ませるための裏面パッド１５とガイドリン
グ４とを基板保持ヘッド１３に張り、水の表面張力を利
用して基板１を保持した状態で研磨する方法（図２
（ｃ））。 （４）裏面パッド１５とガイドリング４とにより、水の
表面張力で基板を保持すると同時に、基板保持ヘッド１
３から空気１６（バッキングブレシャー）を印加して裏
面パッド１５の変形を押えながら研磨する方法（図２
（ｄ））。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、これらの従
来の基板保持方法には、以下に述べる課題があった。

【０００６】まず、接着剤１４を用いて基板の保持方法
（図２（ａ））は、研磨する基板裏面に接着剤１４を塗
布する工程や、基板から接着剤１４を洗浄除去する工程
が必要なため、層間絶縁膜の平坦化等量産性の要求され
る半導体の製造プロセスには適さない。

【０００７】基板真空チャック法（図２（ｂ））では、
研磨中に研磨剤粒子が基板裏面に吸い寄せられ回り込む
ため、基板１と基板保持ヘッド１３の間に入り込んだパ
ーティクルによって、研磨後の表面の平坦度が損なわれ
る。さらに、基板１と基板保持ヘッド１３が直接接触す
るため基板裏面に傷が発生する。

【０００８】一方、裏面パッド１５とガイドリング４を
接着した方法（図２（ｃ））では、使用時間が長くなる
と裏面パッド１５の変形が起こり、加工後の基板の平坦
度が損なわれ、結果的に加工の均一性が劣化してしま
う。さらに、研磨中ガイドリング４は基板から応力を受
けるが、接着剤４は一般的に耐水性が弱いためガイドリ
ング４が剥がれやすく、加工液としてアルカリ性スラリ
ーを用いた場合には特に顕著となる。

【０００９】また、基板保持ヘッド部および裏面パッド
に孔３を設け、搬送時には基板１を真空保持し、研磨中
には空圧１６で裏面パッド１５の変形を抑えながら研磨
を行う方法（図２（ｄ））では、基板の着脱の自動化が
図りやすい。しかしながら、研磨中の基板裏面が空気と
接触するため基板裏面が乾燥して、裏面に回り込んだ加
工液スラリーが固着してしまう。また、研磨中に空圧で
裏面パッド１５の変形を抑えるにしても、長時間の使用
で裏面パッドがすり減ることによる局所的な変形は避け
られない。

【００１０】本発明の目的は、かかる課題を解決するた
めの基板保持部の構造と研磨方法を提示することにあ
り、より詳しくは裏面パッドを用いない基板保持部の構
造と研磨方法に関する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、研磨中基板保
持部に形成された孔あるいは溝を介して、基板の吸着お
よびウェーハ裏面と保持部との間に液体供給して液膜を
形成させることを特徴とする研磨装置である。さらに、
液体を供給する孔あるいは溝が形成されている基板保持
部を用いている研磨装置であり、基板保持部の外周に基
板径よりもわずかに大きい内径を有するガイドリングが
はめ込まれて、かかるガイドリング底面と基板保持部と
の間に弾力性材料膜が挟まれていることで、ガイドリン
グが上下方向に微動しうる基板保持部を有する研磨装置
である。さらに、基板裏面に供給される液体を排出させ
るための溝が形成されているガイドリングが装着されて
いる基板保持部を有する研磨装置であり、さらに液膜を
形成する基板保持部の表面がシリコン単結晶、サファイ
ヤ、ダイヤモンドあるいは石英ガラス、アルミナ焼結
体、窒化シリコン焼結体である研磨装置である。

【００１２】また、基板保持部と基板裏面との間に液体
を供給することで、液膜を介在させた状態で研磨する研
磨方法である。

【００１３】

【作用】本発明による方法では、接着剤を用いて基板を
保持していないため、研磨する基板裏面に接着剤を塗布
する工程や、基板から接着剤を洗浄除去する工程が不要
になる。また、裏面パッドを用いていないため、裏面パ
ッドの変形による基板の平坦度が損なわれることはな
い。基板裏面に液膜を形成させる本発明による方法で
は、スラリーが乾燥・固着することはない。このため、
加工均一性が劣化することもない。

【００１４】さらに、ガイドリングをヘッドに直接接着
していないため、基板から応力を受けたとしても剥がれ
落ちてしまうことはない。ガイドリングとヘッドとの間
には弾力性材料が存在し、ガイドリングが微動できるの
で基板から瞬間的に大きな応力がかかったとしても、そ
の応力を緩和できガイドリングが破壊されることもな
い。

【００１５】また、研磨中ヘッドと基板裏面との間に液
膜が存在した状態で基板を研磨する方法であるため、基
板がガイドリング内で自由回転しやすい状態となってお
り、加工の基板面内均一性が向上する。

【００１６】

【実施例】図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明によるヘッド
を用いて基板を研磨する場合の実施例を示す。これは、
トランジスタ等（図示せず）の形成された単結晶シリコ
ン基板１上のＳｉＯ₂ 等の層間絶縁膜（図示せず）を研
磨する場合である。

【００１７】図１（ａ）に示すように、石英製基板保持
ヘッド（以下石英ヘッドまたは単にヘッドと略称）２に
形成された孔３によって、基板１はヘッド２に真空吸着
されている。ヘッド周辺には、基板の径よりもわずかに
大きいプラスティック製のガイドリング４が固定ネジ５
で取り付けられ、さらにガイドリング４と石英ヘッド２
との間には、弾力性材料として１mm〜５mm厚のシリコン
ゴム６が挟み込んである。なお、弾力性材料として天然
ゴムや合成ゴムを用いてもかまわない。ガイドリング固
定ネジ５は石英ヘッド内に埋め込まれ、石英ヘッド２を
固定してあるステンレス円盤７との間に空間があり、シ
リコンゴムの存在でガイドリングが上下方向に微動した
としても、固定ネジ５の頭がステンレス円盤７に触れな
いように工夫がなされている。この固定ネジ５は石英ヘ
ッド２の外周部に４ケ所取り付けられているが、この固
定ネジ５の本数に制限はない。このシリコンゴム６の存
在で、研磨中基板１から瞬間的な応力が作用したとして
も、ガイドリングが破壊されないように工夫がなされて
いるわけである。

【００１８】このような石英ヘッド２が固定されている
ステンレス円盤７はモーター（図示せず）に接続された
回転軸８を介して回転するわけであるが、基板保持ヘッ
ド面が回転定盤面に対して常に平行を保つためのジョイ
ント（図示せず）が、回転軸に取り付けてある。

【００１９】基板研磨する際には（図１（ｂ））、回転
軸８の取り付けられたステンレス円盤７を介して石英ヘ
ッド２を回転させ、研磨布９の張られた回転定盤１０に
押し付けるわけである。ヘッド２と回転定盤の回転数は
同じで１０〜５０ｒｐｍ、ヘッド２を定盤７に押し付け
る圧力は０．２〜０．５ｋｇ／cm² とした。

【００２０】ヘッド２が下がり基板１がポリウレタンの
研磨布９に触れるとほぼ同時に真空吸着が解除され、純
水１１が供給される。この純水供給により、基板１と石
英ヘッド２との間に流動液膜１２が形成される。基板１
はこの流動液膜１２の表面張力によってヘッドに保持さ
れている。

【００２１】研磨布には１０〜２０ｗｔ％のシリカ粒子
を分散させたスラリーが滴下されており、シリカ粒子と
層間絶縁膜との化学・機械的作用により研磨が進行して
ゆくわけであるが、流動液膜１２を形成するための純水
１１の供給量が多すぎると加工液が薄まり囲う速度が低
下してしまう。６インチ基板を研磨する場合、純水１１
の供給量は２〜２０ｍｌ／ｍｉｎ程度で適当であった
が、供給量は基板の大きさや通水用孔３の内径や個数に
依存する値である。孔３の形成位置について特に制限は
ないが、少なくともヘッド中心部に孔３が形成されてい
ることが望ましい。これは、基板中心部から液供給する
ことで、ヘッド部全面に流動液膜を均一形成させやすい
からである。孔の形状にも制限があるわけではなく、円
形あるいは１mm幅程度の溝でも良い。

【００２２】この流動液膜１２の存在で基板１と石英ヘ
ッド２間の摩擦がないため、基板１はガイドリング４内
で自由に回転できる。石英ヘッド２と回転定盤１０との
回転数が同一の場合、基板１はガイドリング４内で遊星
回転する。さらに、この流動液膜１２の存在により石英
ヘッド２から基板１へ均一に圧力が伝わるようになり、
加工均一性が向上する効果もある。また、流動液膜１２
は石英ヘッド２より供給される純水１１によって形成さ
れているため、常に基板中央部から基板外周部に向かっ
た流れがある。仮に基板１と石英ヘッド２との間に粒子
が存在したとしても、この流れに乗って固体粒子は基板
外部に排出される。このため、基板裏面に粒子が乾燥・
固着することはないし、この粒子の存在による加工均一
性が劣化することもない。このように、研磨中石英ヘッ
ド２から純水を供給して基板１と石英ヘッド２との間に
流動液膜１２を形成することは極めて肝要であり、流動
液膜１２の存在で基板の加工均一性が向上する。また常
に基板中央部から外周部に向かった流れがあるため加工
液が基板裏面に回り込むことはない。

【００２３】所定時間の研磨が終了して、ヘッド部への
荷重が減少するとほぼ同時に、純水１１の供給を停止
し、再び基板１を真空吸着させた状態で（図１
（ｃ））、石英ヘッド２を研磨布から離す。しかる後、
スラリーを除去するため、スポンジあるいは無塵布を用
いて研磨面をスクラブし（図示せず）、真空解放と圧搾
空気噴出により基板１を石英ヘッド２から搬送系へ送
る。

【００２４】なお、上述した実施例では基板を保持する
ヘッド材質として石英を用いた場合を示したが、石英以
外の無機材料、たとえばサファイヤ、アルミナ焼結体、
窒化珪素、シリコン単結晶でもよい。ステンレス等の金
属材料でもよいが、基板の金属汚染が懸念されるため推
奨できない。また、ガイドリング４の材質としては、ア
クリル、ポリスチレン、テフロンや塩化ビニール等の硬
質高分子が適している。ガイドリング４をアルミナ焼結
体等のセラミック、溶融石英やサファイヤやシリコンの
単結晶材で形成してもよいが、研磨中基板１との接触で
基板外周部が破損する恐れがあるため推奨できない。ま
た、ガイドリング４がステンレス等の金属材料では、基
板１あるいは研磨布９を金属汚染する可能性があり、特
にデバイスの形成された基板上の層間絶縁膜を研磨する
といった高純度研磨が必要な場合には適さない。ガイド
リング４表面には、流動液膜を排出するための深さ１mm
程度の溝を形成してもよい。また、基板厚さよりも薄い
ガイドリングをエポキシ等の接着剤で、直接ヘッドに固
定しても良いが、ガイドリングと基板との間の瞬間的に
大きな応力が作用した際に、基板が割れてしまう可能性
がある。特に、従来の基板を真空チャックする方法や裏
面パッドで固定する方法と比較して、本発明による方法
では研磨中にヘッドと基板間に流動液膜を存在させて基
板を動き易くさせ、すなわち基板が遊星回転できるよう
にしているため、基板とガイドリングとが接触する頻度
が多い。従って、ガイドリングをヘッドに接着剤で固定
する方法は推奨できない。

【００２５】さらに、上述した方法では流動液膜１２を
形成する液体として、純水を用いたが、少なくとも固体
微粒子を含まない液体ならば良く、シリカスラリーを凝
集させ大きな粒子にして加工を促進させる効果のある電
解質水溶液（林、特願平６−１７１８９号明細書）、た
とえばアンモニア塩でも良い。

【００２６】また、酢酸水溶液、希硝酸、希塩酸や希硫
酸等も弱酸性水溶液や希アンモニア水やアミン水溶液等
の弱アルカリ性水溶液でも良い。さらに、グリセリン等
の有機溶剤を用いても良い。

【００２７】また、図１の実施例では層間絶縁膜である
酸化膜を研磨したが、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、ポリシリコ
ン、エピ等で形成した単結晶Ｓｉ膜、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、
などのメタルでもよい。絶縁膜とメタル、絶縁膜とシリ
コンが混在する表面にも適用できる。なおＳｉ基板を研
磨する際にも有効である。

【００２８】

【発明の効果】本発明による研磨装置においては、基板
保持ヘッドと基板裏面との間に液体を供給して、基板裏
面に流動液膜を形成させることで、研磨中基板が自由に
回転しやすいようにして基板面内の加工均一性を飛躍的
に向上させると同時に、基板裏面への傷発生を抑制し、
さらに、加工液スラリーが基板裏面に回り込まないよう
にさせて、基板裏面のパーティクル汚染を防いでいる。
基板保持ヘッドの周辺にはガイドリングがはめ込まれて
いるが、そのガイドリング底面とヘッド部との間には弾
力性材料が敷設されてガイドリング自体が微動できる構
造となっている。研磨中基板とガイドリングが接触した
としても、瞬間的に大きな応力発生を抑制して基板が破
壊されないように配慮されている。また、研磨時以外に
おいては基板保持ヘッドの給水孔を真空引き用の孔とし
て用い、基板を真空チャックすることで基板の搬送を容
易ならしめ、さらに基板搬送／研磨／基板輸送からなる
一連の研磨工程の自動化を容易ならしめている。その結
果、基板研磨工程処理時間が短縮され、製造コストが低
減される。さらに、基板保持ヘッドを石英等の無機材料
で形成して基板の金属汚染を回避し、基板裏面に流動液
膜を形成させて加工液スラリーの基板裏面への回り込み
を回避させることで、基板裏面のパーティクル汚染を防
いでいる。このため、基板研磨工程後の基板洗浄工程が
容易になり、基板洗浄コストを抑えることができるとい
った効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による研磨装置の基板保持ヘッドおよび
かかる基板保持ヘッドを用いた基板研磨工程を説明する
断面模式図である。

【図２】従来の研磨装置による研磨方法を説明する模式
断面図である。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ 石英製基板保持ヘッド ３ 孔または溝 ４ ガイドリング ５ 固定ネジ ６ シリコンゴム ７ ステンレス円盤 ８ 回転軸 ９ 研磨布 １０ 回転定盤 １１ 純水 １２ 流動液膜 １３ 基板保持ヘッド １４ 接着剤 １５ 裏面パッド １６ 空気

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−142035（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−124844（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−33835（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−95862（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−24536（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−54333（ＪＰ，Ｕ)

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外周部にガイドリングが取り付けられて
   いる基板保持ヘッドに基板を直接保持し、この基板と、
   基板に対向する研磨定盤上に設けられた研磨布の間に加
   工液が供給されるようにして基板表面を研磨する基板の
   研磨方法において、少なくとも研磨中に前記基板保持ヘ
   ッドと基板裏面との間に液体を供給して流動液膜を介在
   させ、基板が前記ガイドリング内で自由に回転できる状
   態で研磨することを特徴とする基板の研磨方法。
2. 【請求項２】 基板保持ヘッドに基板を直接保持し、こ
   の基板と、基板に対向する研磨定盤上に設けられた研磨
   布の間に加工液が供給されるようにして基板表面を研磨
   する基板の研磨方法において、少なくとも研磨中に前記
   基板保持ヘッドと基板裏面との間に液体を供給して基板
   中央部から基板外周部に向かう流れを持つ流動液膜を介
   在させた状態で研磨することを特徴とする基板の研磨方
   法。
3. 【請求項３】 流動液膜として、固体成分を含まない純
   水、電解質水溶液あるいは有機溶剤を用いる請求項１ま
   たは２に記載の基板の研磨方法。
4. 【請求項４】 研磨方法として、化学・機械研磨を用い
   る請求項１、２または３に記載の基板の研磨方法。
5. 【請求項５】 基板保持ヘッドと、保持ヘッドに対向す
   る研磨定盤と、研磨定盤上に設けられた研磨布と、を有
   する研磨する装置において、基板搬送時には前記基板保
   持ヘッドに形成された孔あるいは溝を介して基板を前記
   ヘッドに真空吸着させ、基板研磨時には基板裏面と基板
   保持ヘッドとの間に液体を供給し、流動液膜を形成させ
   た状態で基板を研磨することを特徴とする研磨装置。
6. 【請求項６】 基板保持ヘッドの外周部に、基板径と同
   じ内径かあるいはわずかに大きい内径の堀込み部が形成
   され、かかる堀込み部に基板径よりもわずかに大きい内
   径を有するガイドリングがはめ込まれており、かつガイ
   ドリング底面と基板保持部との間に弾力性材料膜が挟ま
   れていることにより、ガイドリングが上下方向に微動で
   きることを特徴とする請求項５に記載の基板保持ヘッ
   ド。
7. 【請求項７】 少なくとも回転中心軸に液体を供給する
   孔あるいは溝が形成されている請求項６に記載された基
   板保持ヘッド。
8. 【請求項８】 少なくとも基板保持ヘッドの表面が、無
   機材料で構成されていることを特徴とする請求項６また
   は７で述べた基板保持ヘッド。
9. 【請求項９】 無機材料としてシリコン単結晶、サファ
   イヤ、ダイヤモンドあるいは石英、ガラス、アルミナ焼
   結体、窒化シリコン焼結体を用いる請求項８に記載した
   基板保持ヘッド。
10. 【請求項１０】 基板裏面に形成される流動液膜を排出
    するための溝がガイドリングに形成されている請求項
    ６、７、８または９に記載された基板保持ヘッド。