JPH08162432A - 半導体基板の研磨方法及び研磨装置並びに研磨されたウエハ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ウエハ表面をステッパによる露光やエッチン
グに対して必要な平坦性をもつ形状に研磨する。 【構成】 ウエハ６はウエハ支持台１０の上面に支持さ
れ、研磨中はウエハ６の位置が固定される。研磨ヘッド
１１の先端面には研磨パッド１ａが設けられ、研磨ヘッ
ド１１により１回の研磨で研磨される領域１３は、ウエ
ハ６の表面を等しい面積の複数の領域に分割したものの
１つであり、研磨パッド１ａのサイズはその１つの領域
１３を研磨するのに必要な数ｍｍ〜数ｃｍの大きさであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体集積回路装置を製
造するウエハプロセスの途中段階において、配線を形成
する際に基板ウエハ表面に生ずる凹凸を平坦にする化学
機械的研磨（ＣＭＰ； Chemical Mechanical Polishin
g）研磨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】半導体集積回路装置はシリコン基板ウエ
ハに拡散層を形成したり、導電膜を形成してパターン化
したり、絶縁膜を形成したりする工程を何段階にも繰り
返して半導体素子をシリコン基板ウエハに作り込んでい
く。半導体集積回路装置が高集積化するに伴い、ウエハ
表面に生じる段差が大きな問題となっている。半導体素
子を製造するためにシリコンウエハ上に様々な薄膜を積
層し、その不要な部分をエッチングなどの方法で削り取
ることにより回路を形成しているが、その際エッチング
のマスクとして用いられるレジストパターンは、主に水
銀ランプのｇ線やｉ線を用いた縮小投影露光装置を用い
てリソグラフィー技術により形成されている。積層数が
増えて段差が大きくなってくると、縮小投影露光装置の
焦点深度が不足することから、リソグラフィーによるレ
ジストパターンの形成が困難になってくる。

【０００３】そこで、レジスト層を形成する面を平坦に
するために、途中の工程でウエハ表面を研磨して平坦化
するＣＭＰ技術が注目されている。ＣＭＰ技術を適用し
た方法の一例は、凹凸のあるウエハ表面に絶縁膜を形成
し、その絶縁膜表面を平坦化するために研磨剤としてコ
ロイダルシリカと水酸化カリウムの混合液からなる研磨
液（以下スラリーという）を用い、機械的な研磨と化学
的な作用を同時に行なわせてウエハ表面の凹凸を取り除
く方法である。

【０００４】ＣＭＰ技術のための研磨装置としては図１
に示されるものが用いられている。上面に研磨パッド１
を有する円盤状の研磨プレート２が水平面内で回転し、
ウエハ６を保持したウエハ支持台５がウエハ６の被研磨
面を研磨パッド１に押しつけながら回転し、スラリーが
スラリー供給部４から供給口３を経て研磨パッド１上に
滴下される。研磨パッド１上に滴下されたスラリーはウ
エハ６の周辺を通ってウエハ６と研磨パッド１の間に供
給されながら研磨が行なわれていく。

【０００５】図１の研磨装置を用いてＣＭＰ研磨を行な
うと、ウエハが大型化するに伴い、ウエハ中心部と周辺
部での相対的な運動量や、ウエハを押しつける圧力の不
均一、ウエハ中心部と周辺部でのスラリー供給量の差な
どに起因して研磨のされ方が不均一になってしまい、ウ
エハ表面が凹状又は凸状の形状になる問題が生じてい
る。

【０００６】そこで、ウエハ全体での凹凸形状に対する
対策として、研磨パッドの所要個所に穴をあけ、そこか
らスラリーを供給することにより、ウエハの被研磨面全
面にスラリーが均等に供給されるようにした研磨装置が
提案されている（特開平５−１３３８９号公報（以下、
第１引用文献という）参照）。

【０００７】一方、ウエハにはうねりが存在する。そこ
で、研磨パッドを改良して、緩衝層として作用する弾性
材料の第１の層と、その上に設けられて支持層として作
用する剛性材料の第２の層と、さらにその上に設けられ
てスラリーを運ぶ第３の層とを組み合わせた複合研磨パ
ッドが提案されている（特開平５−２１２６６９号公報
（以下、第２引用文献という）参照）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図２にはウエハ表面の
断面を、高さや凹凸を発生させる構造物の大きさを強調
して模式的に示している。（Ａ）は研磨前の断面形状で
あり、基板９上に配線構造８により形成された段差を厚
いシリコン酸化膜７で被っているが、その酸化膜表面に
は凹凸が生じている。

【０００９】図２（Ｂ）は、第１引用文献に示されてい
るように、スラリーをウエハ全面に均等に供給してウエ
ハ全面が単一平面になるように平坦に研磨した状態を表
したものである。この研磨方法では酸化膜表面は全体と
して平坦になっているが、ウエハ自身にうねりがあるた
め、酸化膜７の膜厚に薄い部分と厚い部分が生じてい
る。このような状態になると、縮小投影露光によるレジ
ストパターンの形成は容易になるが、その後のエッチン
グにおいては様々な厚さの酸化膜７を均一にエッチング
することが必要となり、好ましくない。

【００１０】図２（Ｃ）は、第２引用文献に示されてい
るような複合研磨パッドを用いて、ウエハ表面のうねり
に沿うように研磨した状態を表したものである。ウエハ
のうねりに合わせて研磨することにより、エッチングに
対してもレジストパターン形成のためのステッパによる
露光に対しても好ましい断面形状となる。しかし、研磨
する酸化膜の膜質やウエハのうねりの量に変化が生じた
場合は、それに合わせた構造の複合研磨パッドが必要に
なり、研磨パッドが劣化して固さが変化すれば研磨後の
ウエハ表面の状態も変化してしまうため、研磨パッドの
管理が問題になってくる。

【００１１】また、ウエハ全面を研磨パッドに押しつけ
て全面を一度に研磨する従来の研磨装置（引用文献１，
２のものはいずれもこれに属する）では、ウエハがさら
に大型化していくとそれに対応して大型の研磨パッドが
必要になるため、スラリーの均等な供給や多層構造をも
った均質な複合研磨パッドの製造はますます困難になっ
ていく。

【００１２】本発明は、大型化するウエハをスラリー供
給の不均等性の問題やウエハのうねりに基づく問題を解
決し、ステッパによる露光やエッチングに対して必要な
平坦性をもつ形状にウエハ表面を研磨できる方法とその
ための研磨装置を提供することを目的とするものであ
る。また本発明は、そのような方法及び装置を用いて研
磨され、露光やエッチングに対して良好な表面平坦性を
備えたウエハ自体を提供することを目的とするものであ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】ウエハ表面を平坦化する
目的は、主にレジストパターンを形成するためにマスク
パターンを通して行なうステッパによる露光工程におい
て、焦点深度が不足するためである。このとき、１回に
露光を行なう領域は１５〜２０ｍｍ角程度であり、露光
装置はこの１回の露光ごとに露光される領域が水平にな
るようにウエハの傾きを調整している。したがって、露
光工程にとっては１回に露光を行なう１５〜２０ｍ角程
度の領域が露光パターンの焦点深度に対して十分なくら
いに平坦であればよく、ウエハ全体を同じ高さに揃えて
平坦にする必要はない。

【００１４】エッチングに対してはうねりに合わせた研
磨を行ない、研磨後の絶縁膜の膜厚をなるべく一定にし
ておく必要がある。しかしながら、１回に露光を行なう
程度の領域であれば、ウエハ全体のうねりに起因する大
きな周期の凹凸はエッチングで問題となるほどの大きさ
ではない。

【００１５】このことから、本発明ではウエハを数ｍｍ
〜数ｃｍの領域に分割し、各領域で平坦性が維持される
ように、領域ごとに研磨を行なうようにする。そのため
に、本発明では、凹凸をもつウエハ表面に絶縁膜を形成
した後、ウエハ表面を複数の領域に分割し、それぞれの
領域に対して研磨パッドをウエハ表面に垂直に接触さ
せ、ウエハ表面と研磨パッドとの間に荷重をかけ、両者
間にスラリーを供給しながらウエハと研磨パッドの少な
くとも一方を回転させて研磨を行なう。

【００１６】この研磨方法を実施する研磨装置は、半導
体基板ウエハをその被研磨面が上向きになるように、か
つ回転しないようにして水平方向に支持するウエハ支持
台と、ウエハと接触する先端面に直径が数ｍｍ〜数ｃｍ
の研磨パッドを有し回転する研磨ヘッドと、ウエハの表
面と研磨パッドとの間にスラリーを供給するスラリー供
給機構と、研磨パッドとウエハの間を加圧して接触させ
る加圧機構と、ウエハの表面領域を等しい面積の複数の
領域に分割してその１つの領域内を研磨ヘッドが水平面
内で移動して隈なく研磨するようにウエハ支持台又は研
磨ヘッドを移動させる第１の移動機構と、ウエハの表面
の１つの領域の研磨終了後、研磨ヘッドが次の領域へ移
動するようにウエハ支持台又は研磨ヘッドを移動させる
第２の移動機構とを備えている。

【００１７】研磨パッドが各領域のウエハ表面に垂直に
接触するようにウエハ支持台又は研磨ヘッドの傾きを調
整する傾斜機構をさらに備えていることが好ましい。好
ましい態様では、研磨ヘッドが複数個配置されており、
その複数の研磨ヘッドによる複数領域の研磨が同時に実
行され、第２の移動機構はそれらの複数の研磨ヘッドを
単位として次の領域へ移動させる。

【００１８】さらに好ましい態様では、ウエハ表面の被
研磨領域の研磨状態又は平坦度を測定する測定装置をさ
らに備え、研磨ヘッドの回転と移動を制御する制御装置
はその測定装置の出力を取り込み、研磨動作と被研磨領
域の研磨状態又は平坦度の測定とを交互に又は同時に行
なう。その測定装置の一例は、ウエハ表面の被研磨領域
にレーザ光を照射しその干渉からウエハ表面高さを検出
して研磨状態又は平坦度を測定するものである。その測
定装置の他の例は、ウエハ表面の被研磨領域に光を照射
しその反射光強度又はスペクトルの変化により研磨の終
了点を検出するものである。

【００１９】この研磨方法により研磨されて得られるウ
エハは、表面に絶縁膜が形成されており、その絶縁膜表
面が等しい面積の複数の領域に分割され、各領域がウエ
ハのうねりに応じた方向の平坦面になるように研磨され
ている。

【００２０】

【作用】スラリーと研磨パッドを用いた研磨を行なう場
合の研磨パッドのサイズを研磨面積に合わせて小さくす
ることができるので、研磨パッドとウエハの接触面積が
減少し、研磨パッドとウエハの間に供給されるスラリー
の均等性はウエハ全面を一度に研磨する場合に比べて大
きく向上させることができる。また、ウエハの中心と周
辺を分けて研磨するため、ウエハ全体が凹レンズ状にな
ったり凸レンズ状になったりすることも避けられる。

【００２１】小さい領域に分けてウエハのうねりに合わ
せた平坦化が行なえるので、それぞれの領域では下地の
膜厚をほぼ一定に保つことができる。したがって、下地
のエッチング時の問題も避けられる。また、ウエハがさ
らに大面積になっても小さなウエハと同様に研磨を行な
うことができる。

【００２２】

【実施例】図３は第１の実施例を表したものである。
（Ａ）は概略正面図、（Ｂ）はウエハと研磨パッドの関
係を示す平面図である。ウエハ６はウエハ支持台１０の
上面に支持され、研磨中は支持台１０が固定されること
によりウエハ６も位置が固定されている。研磨ヘッド１
１の先端面には研磨パッド１ａが設けられている。
（Ｂ）に示されるように、研磨ヘッド１１により１回の
研磨で研磨される領域１３は、ウエハ６の表面を等しい
面積の複数の領域に分割したものの１つであり、研磨パ
ッド１ａのサイズはその１つの領域１３を研磨するのに
必要な数ｍｍ〜数ｃｍの大きさに設定されている。１２
は研磨ヘッド１１の回転と移動を制御し、スラリーの供
給も制御する制御系である。

【００２３】研磨ヘッド１１は研磨パッド１ａをウエハ
６の表面に押しつけ、回転しながら水平方向に移動する
ことにより、ウエハ６の表面の１つの領域１３を隈なく
研磨する。スラリー供給口３からはウエハ６上にスラリ
ーが供給され、供給されたスラリーは研磨パッド１ａの
周辺を通って研磨パッド１ａとウエハ６の間に供給され
ていく。ウエハ６は平坦な支持台１０上に支持されてお
り、研磨中はウエハ６の移動を防ぐために、ウエハ６は
支持台６に密着させ、移動しないように吸着などの手段
により固定されていることが望ましい。

【００２４】ウエハ６上にはスラリー供給口３からスラ
リーが供給され、研磨ヘッド１１が回転しながらウエハ
６上を水平方向に移動することにより、１つの領域１３
を研磨して平坦化する。研磨ヘッド１１の動きはこのよ
うなものに限らず、１つの領域１３で必要な平坦性が得
られるのであればどのような動きをしても構わない。

【００２５】１つの領域が平坦化されたら研磨ヘッド１
１が次の領域に移動して同様に平坦化を行なう。研磨ヘ
ッド１１の移動には、ウエハ支持台１０が水平方向に移
動することによりウエハ６側を移動させる構造であって
もよく、研磨ヘッド１１が水平方向に移動する構造であ
ってもよい。スラリーはこの実施例では研磨ヘッド側に
向けて供給口から流し込む構造になっているが、研磨ヘ
ッド１１を中空の構造にし、研磨ヘッド１１の内側から
スラリーを供給するようにしてもよい。

【００２６】研磨を行なう際、研磨パッド１ａがウエハ
６に対して垂直に接触する必要があるが、これは研磨パ
ッド１ａの弾性を利用することによって実現することが
できるし、後の図６を参照して示す第４の実施例のよう
にウエハ６の被研磨面に対して研磨ヘッド１１を傾ける
傾斜機構を設けることによっても実現することができ
る。

【００２７】図２（Ｄ）はこのようにウエハ表面を複数
の領域に分割し、それぞれを平坦に研磨した後の状態を
示す断面図である。全体のうねりは残っており、露光が
一度に行なわれるそれぞれの領域１３の表面が平坦化さ
れているため、レジストパターンの形成時の露光装置の
焦点深度不足は解消される。また、うねりに合わせて研
磨が行なわれているので、それぞれの領域１３では研磨
後に残っている膜厚はほぼ一定になっている。

【００２８】図４は第２の実施例を表わす。（Ａ）は概
略正面図、（Ｂ）は研磨パッドとウエハの関係を示す概
略平面図、（Ｃ）は１つの研磨ヘッドを示す断面図であ
る。図３の実施例と比較すると、研磨ヘッド１１が複数
個（この場合３個）が配置され、その複数の研磨ヘッド
１１により複数の領域を同時に研磨する構造になってい
る点で図３の実施例と異なる。また、スラリーは（Ｃ）
に示されるように各研磨ヘッド１１の内側を通って供給
される。

【００２９】図４では、複数の領域が同時に研磨され、
それらの複数の領域の研磨が終了すると、その複数の研
磨ヘッド１１が単位として次の複数の被研磨領域へ移動
し、同様に研磨が続けられる。スラリーは特に研磨ヘッ
ド１１内を経て供給される構造に限らず、研磨ヘッド間
の隙間から供給するようにしてもよい。図４のように複
数の研磨ヘッドを同時に駆動することにより、広い面積
を短時間で研磨することができるようになる。

【００３０】図５は第３の実施例を表わす。（Ａ）は概
略正面図、（Ｂ）は研磨パッドとセンサを表わす概略平
面図である。本発明の研磨装置では、従来のようにウエ
ハ表面を一度に研磨する装置と異なり、研磨はウエハの
一部分ずつを順次研磨していくので、ウエハ６の表面の
うち研磨中の領域以外は露出している。したがって、露
出している部分でウエハ６の研磨状態を観察しながら研
磨を行なうことができる。図５の実施例ではレーザ光の
干渉を用いてウエハ６の表面高さを測定するセンサ１５
が研磨ヘッド１１の周囲に４個配置されている。

【００３１】センサ１５は例えば図５（Ｃ）に示される
ような構造になっており、光源１７から出た光はビーム
スプリッタ１８でウエハに照射される光と参照光として
ミラー１９に入射する光に分けられる。そしてウエハ６
からの反射光とミラー１９からの反射光は光強度センサ
２０素子上で干渉し、光強度センサ素子２０で測定され
る光強度はウエハの高さが光源１７からの光の波長の１
／２変化するごとに強弱１周期分の変化をする。

【００３２】この装置は、ウエハ６と制御ユニット１６
の高さは変化しないようにして、研磨ヘッド１１のみが
上下に動くようになっており、光強度センサ素子２０の
取りつけられた部分も制御ユニット１６と同様に高さは
変化しない。研磨を行なう前に、同一の点を４つのセン
サ１５で１回ずつ測定することでセンサ１５間の整合を
とり、移動中の研磨ヘッド１１の前方と後方になるセン
サ１５の光強度センサ素子２０での干渉光の強度変化か
ら研磨量を計算し、その検出値に基づいて研磨を行な
う。この場合、制御ユニット１６は研磨ヘッド１１の回
転及び移動、スラリー供給、並びにウエハ表面の高さの
測定を行なう。

【００３３】ウエハ６の表面に特定の層が露出したとき
に研磨を終了するような場合は、研磨される層と研磨の
終点とする層とで光の吸収率や反射率が異なることを利
用する。センサ１５としては、ウエハ６で反射された光
を光強度センサ素子で検出すればよいので、例えば、図
５（Ｃ）においてミラー１９を取り除いたような構成の
センサを用いることができる。

【００３４】図６は第４の実施例を表わす。この実施例
ではウエハの傾きにあわせて研磨ヘッド１１の傾きを調
整する機構がついている。図６に示されているのは研磨
ヘッド１１が取りつけられている制御部の構造である。
圧力コントローラ２１とシリンダ２２は研磨ヘッド１１
に上から圧力を加えるための加圧部である。液体又は窒
素などの気体でシリンダ２２を満たし、圧力コントロー
ラ２１からそれに加える圧力をコントロールすることで
研磨ヘッド１１に圧力をかけている。２３は研磨ヘッド
１１を回転させるためのモータである。２４は圧電素子
又は油圧シリンダ等、図中で上下方向に大きさが変化す
る素子である。その素子２４は研磨ヘッド１１の周辺に
複数個取りつけられており、制御ユニット２５によって
制御される。ウエハの傾きは図５に示した実施例３のセ
ンサ１５を用いて研磨を始める前に測定し、その情報を
もとに素子２４を制御して研磨ヘッド１１を傾ける。

【００３５】

【発明の効果】本発明では、ウエハ表面を複数の領域に
分割して研磨することにより、ウエハのうねりを残して
ウエハ表面を研磨できるので、半導体装置製造時のマス
クパターン露光工程に必要なレベルの平坦性をもち、か
つエッチング時にその対象となる膜厚が均一なウエハ表
面を得ることができる。また、ウエハが大きくなっても
研磨剤が均等に行き渡らない問題は生じない。複数の研
磨ヘッドを設けることにより研磨処理を短時間で行なえ
るようになる。ウエハ表面の被研磨領域の研磨状態又は
平坦度を測定する測定装置を設けて被研磨領域の研磨状
態又は平坦度を測定しながら研磨を行なうことにより、
研磨の終点を検出することが容易になり、片べりを避け
るのが容易になり、被研磨面の研磨精度が向上する。こ
のようにして得られたウエハは、半導体製造におけるマ
スクパターンの投影露光を容易に行なうことができ、エ
ッチングも容易になるため、高密度に集積された半導体
集積回路装置を製造するのが容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の研磨装置を示す概略斜視図である。

【図２】ウエハ断面を概略的に示す断面図であり、
（Ａ）は研磨前の状態、（Ｂ）はウエハ表面全体を均一
な高さに平坦化した状態、（Ｃ）はウエハのうねりに沿
って研磨した状態、（Ｄ）は本発明により複数に分割さ
れたウエハ表面をそれぞれ研磨した状態である。

【図３】第１の実施例を示す図であり、（Ａ）は概略正
面図、（Ｂ）はウエハと研磨パッドの関係を示す平面図
である。

【図４】第２の実施例を示す図であり、（Ａ）は概略正
面図、（Ｂ）はウエハと研磨パッドの関係を示す平面
図、（Ｃ）は１つの研磨ヘッドを示す断面図である。

【図５】第３の実施例を示す図であり、（Ａ）は概略正
面図、（Ｂ）は研磨パッドとセンサを示す概略平面図、
（Ｃ）はセンサを示す概略正面断面図である。

【図６】第４の実施例にいて、研磨ヘッドの傾きを調整
する機構を示す断面図である。

【符号の説明】

１ａ 研磨パッド ３ スラリー供給口 ６ ウエハ １０ ウエハ支持台 １１ 研磨ヘッド １２，１６ 制御系 １３ 一度に研磨を行なうウエハ表面の領域 １４ スラリー １５ センサ １７ センサの光源 １８ ビームスプリッタ １９ ミラー ２０ 光強度センサ素子 ２１ 研磨ヘッドの圧力コントローラ ２２ 研磨ヘッドに圧力を加えるためのシリンダ ２３ 研磨ヘッドを回転させるモータ ２４ 高さ調節のための素子 ２５ 高さ調節用コントローラ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 凹凸をもつ半導体基板ウエハ表面に絶縁
   膜を形成した後、そのウエハ表面と研磨パッドとの間に
   荷重をかけて接触させ、両者間に研磨液を供給しながら
   ウエハと研磨パッドの少なくとも一方を回転させて前記
   絶縁膜表面を平坦化する研磨方法において、 ウエハ表面を複数の領域に分割し、それぞれの領域に対
   して研磨パッドをウエハ表面に垂直に接触させて研磨を
   行なうことを特徴とする研磨方法。
2. 【請求項２】 半導体基板ウエハをその被研磨面が上向
   きになるように、かつ回転しないようにして水平方向に
   支持するウエハ支持台と、 ウエハと接触する先端面に直径が数ｍｍ〜数ｃｍの研磨
   パッドを有し回転する研磨ヘッドと、 ウエハの表面と研磨パッドとの間に研磨液を供給する研
   磨液供給機構と、 研磨パッドとウエハの間を加圧して接触させる加圧機構
   と、 ウエハの表面領域を等しい面積の複数の領域に分割して
   その１つの領域内を研磨ヘッドが水平面内で移動して隈
   なく研磨するようにウエハ支持台又は研磨ヘッドを移動
   させる第１の移動機構と、 ウエハの表面の１つの領域の研磨終了後、研磨ヘッドが
   次の領域へ移動するようにウエハ支持台又は研磨ヘッド
   を移動させる第２の移動機構と、を備えたことを特徴と
   する研磨装置。
3. 【請求項３】 研磨パッドが各領域のウエハ表面に垂直
   に接触するようにウエハ支持台又は研磨ヘッドの傾きを
   調整する傾斜機構をさらに備えている請求項２に記載の
   研磨装置。
4. 【請求項４】 研磨ヘッドが複数個配置されており、そ
   の複数の研磨ヘッドによる複数領域の研磨が同時に実行
   され、第２の移動機構はそれらの複数の研磨ヘッドを単
   位として次の領域へ移動させるものである請求項２に記
   載の研磨装置。
5. 【請求項５】 ウエハ表面の被研磨領域の研磨状態又は
   平坦度を測定する測定装置をさらに備え、研磨ヘッドの
   回転と移動を制御する制御装置はその測定装置の出力を
   取り込み、研磨動作と被研磨領域の研磨状態又は平坦度
   の測定とを交互に又は同時に行なう請求項２〜４に記載
   の研磨装置。
6. 【請求項６】 前記測定装置はウエハ表面の被研磨領域
   にレーザ光を照射しその干渉からウエハ表面高さを検出
   して研磨状態又は平坦度を測定するものである請求項５
   に記載の研磨装置。
7. 【請求項７】 前記測定装置はウエハ表面の被研磨領域
   に光を照射しその反射光強度又はスペクトルの変化によ
   り研磨の終了点を検出するものである請求項５に記載の
   研磨装置。
8. 【請求項８】 表面に絶縁膜が形成されており、その絶
   縁膜表面が等しい面積の複数の領域に分割され、各領域
   がウエハのうねりに応じた方向の平坦面になるように研
   磨されていることを特徴とする半導体基板ウエハ。