JPH10193261A - 研磨装置およびそれを用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被研磨基板を均一に研磨でき、かつ構造が簡単
なＣＭＰ装置を実現すること。 【解決手段】表面に研磨パッド１６が設けられ、回転可
能な研磨定盤１７と、被処理基板１５をその被研磨面が
研磨パッド１６に対向するように保持し、回転可能なト
ップリング１１とを備えたＣＭＰ装置において、トップ
リング１１を回転可能なキャリア１２と、このキャリア
１２に固定されたコイルバネ１３を介してキャリア１２
に固定され、被処理基板１５を保持するためのガイドリ
ング１４とにより構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨装置およびそ
れを用いた半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュ−タ−や通信機器の重要
部分には、多数のトランジスタや抵抗等を電気回路を達
成するようにむすびつけ、１チップ上に集積化して形成
した大規模集積回路（ＬＳＩ）が多用されている。この
ため、機器全体の性能は、ＬＳＩ単体の性能と大きく結
び付いている。ＬＳＩ単体の性能向上は、集積度を高め
ること、つまり、素子の微細化により実現できる。

【０００３】このため、近年、様々な微細加工技術が研
究、開発されている。化学的機械研磨（ケミカルメカニ
カルポリッシング、以下ＣＭＰと略記）方法は、そのよ
うな厳しい微細化の要求を満たすために研究されている
技術の一つであり、これからの半導体製造プロセス、特
に多層配線形成における層間絶縁膜の平坦化、金属プラ
グ形成、埋め込み配線形成において必須の技術である。

【０００４】図４に、従来のＣＭＰ装置の模式図を示
す。図中、８１は回転可能なトップリングを示してお
り、このトップリング８１は、大きく分けて、被処理基
板を保持するＳＵＳ製のキャリヤ８２と被処理基板８４
の飛び出しを防止するガイドリング８３とから構成され
ている。

【０００５】より詳細には、被処理基板８４を保持する
真空チャック機構（不図示）、被処理基板８４を回転さ
せる回転機構（不図示）および被処理基板８４を研磨パ
ッドに押圧する機構（不図示）をさらに備えている。

【０００６】ガイドリング８３は粘着テープなどにより
キャリア８２に固定されている。ガイドリング８３の構
成材料としては、硬く、摩耗しにくい塩化ビニルなどの
樹脂が用いられている。

【０００７】トップリング８１の下方には、表面に研磨
パッド８５が貼付され、回転機構（不図示）により回転
可能な研磨定盤８６が設置されている。研磨パッド８５
の構成材料としては、樹脂含浸処理された不織布や発泡
ポリウレタンなどの弾性体が一般的に用いている。

【０００８】また、研磨パッド８５の中心部直上には、
研磨剤タンク（不図示）より研磨パッド８５の中心部に
研磨剤８７を供給するための研磨剤供給配管８８が設置
されている。

【０００９】次にこのように構成されたＣＭＰ装置を用
いた被処理基板８４の研磨方法について説明する。ま
ず、トップリング８１に設けられている真空チャック機
構（不図示）により被処理基板８４をその被研磨面が下
になるように保持する。次に被処理基板８４に研磨剤８
７を供給し、さらに研磨パッド８５を被処理基板８４に
押圧するとともに、研磨パッド８５と被処理基板８４と
を互いに回転させることにより、被処理基板８４を研磨
する。所定時間研磨した後、被処理基板８４を研磨パッ
ド８５から引き離して研磨が終了する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図５に、このようにし
て被処理基板８４を研磨した場合の研磨速度の面内分布
を示す。ここで、被処理基板８４には、表面に厚さ１．
０μｍのシリコン酸化膜が形成された８インチのシリコ
ン基板を用いた。研磨剤には、平均粒子径５０μｍのシ
リカ粒子を水に１０ｗｔ％分散させ、ＫＯＨを添加して
ｐＨを１０になるように調整したものを用いた。被処理
基板８４に掛かる荷重は、３００ｇ／ｃｍ² とした。被
処理基板２４および研磨パッド８５の回転数は５０ｒｐ
ｍとした。

【００１１】図より明らかなように、被処理基板８４の
外周数ｍｍの所の研磨速度は非常に不均一である。ま
た、被処理基板８４の外周部の研磨速度の経時変化は、
非常に大きかった。

【００１２】このような被処理基板８４の外周部で生じ
る研磨速度の不均一性は、一般に縁だれと言われ、硬い
研磨パッド８５の下に柔らかい樹脂を敷いた二層研磨パ
ッドを用いた場合や、ガイドリング８３が消耗した場合
に顕著に表れる。

【００１３】このような縁だれは、被処理基板８４がウ
ェハの場合に、外周チップの歩留まり低下の大きな原因
になる。すなわち、縁だれにより、外周チップの層間絶
縁膜や金属プラグや埋め込み配線等に不良が発生し、歩
留まりが低下する。

【００１４】上述した縁だれの原因は、研磨パッド８５
の弾性変形により、被処理基板８４の外周部に荷重の集
中領域と空白領域ができることにある、また、研磨速度
の経時変化は、ガイドリング８３の摩耗により上記荷重
の集中領域と空白領域の大きさや幅が変化することに原
因があると考えられる。

【００１５】そこで、このような被処理基板の外周部で
の荷重分布の不均一性を改善するために、ガイドリング
により被処理基板の外周部で生じる荷重の集中領域と空
白領域の改善する方法（小林他、１９９５年度砥粒加工
学会学術講演会講演文集、ｐ３０７他）が提案されてい
る。

【００１６】このようなＣＭＰ装置を用いれば、被処理
基板の外周部で生じる縁だれ、研磨速度の経時変化を大
幅に改善することができる。しかし、このＣＭＰ装置に
は以下のような問題があった。

【００１７】すなわち、構造が複雑であり、さらにガイ
ドリングが研磨パッドと密着するため、研磨剤の供給が
不均一になり、被処理基板の中心部の研磨速度が遅くな
るという問題があった。

【００１８】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、被研磨基板を均一に研
磨でき、かつ構造が簡単な研磨装置およびそれを用いた
半導体装置の製造方法を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】

［構成］上記目的を達成するために、本発明に係る研磨
装置（請求項１）は、表面に研磨パッドが設けられ、回
転可能な研磨定盤と、被研磨基板をその被研磨面が前記
研磨パッドに対向するように保持し、回転可能な基板保
持手段とを具備し、前記基板保持手段は、回転可能な基
体と、この基体に固定されたコイルバネを介して前記基
体に固定され、前記被研磨基板を保持するためのガイド
リングとから構成されていることを特徴とする。

【００２０】また、本発明に係る他の研磨装置（請求項
２）は、上記研磨装置（請求項１）において、前記ガイ
ドリングが、両面粘着テープまたはボルトにより前記コ
イルバネに固定されていることを特徴とする。

【００２１】また、本発明に係る他の研磨装置（請求項
３）は、上記研磨装置（請求項１）において、前記コイ
ルバネと前記基体との取り付け面、および前記コイルバ
ネと前記ガイドリングとの取り付け面が略平らであるこ
とを特徴とする。

【００２２】また、本発明に係る半導体装置の製造方法
（請求項４）は、表面に段差部が形成された半導体基板
上に、前記段差部の高さよりも厚い堆積膜を形成する工
程と、上記研磨装置（請求項１〜請求項３）により、前
記堆積膜の表面を研磨して平坦化する工程とを有するこ
とを特徴とするまた、本発明に係る半導体装置の製造方
法（請求項５）は、上記半導体装置の製造方法（請求項
４）において、前記堆積膜が、層間絶縁膜、または金属
プラグもしくは埋め込み配線としての導電膜であること
を特徴とする。

【００２３】［作用］本発明（請求項１〜請求項３）で
は、被研磨基板を保持するためのガイドリングをコイル
バネを介して基体に固定している。

【００２４】したがって、コイルバネの強い復元力およ
び高い剛性により、ガイドリングを均一に研磨パッドに
押圧でき、研磨パッドの弾性変形により生じる荷重分布
の不均一性を抑制できるようになる。

【００２５】また、コイルバネの弾性範囲は広いので、
ガイドリングの消耗により生じる荷重分布の不均一性も
抑制できるようになる。さらに、コイルバネを用いるこ
とにより、ガイドリングと基体との間に隙間ができ、研
磨剤を均一に供給できるようになる。

【００２６】これらの作用により、被研磨面の面内の研
磨速度が効果的に改善され、被研磨基板を均一に研磨で
きるようになる。また、コイルバネは簡単な構造なの
で、装置も簡単な構造となる。このように装置が簡単に
なることも研磨速度の均一化に貢献しているとが考えら
れる。

【００２７】したがって、本発明によれば、被研磨基板
を均一に研磨でき、かつ構造が簡単な研磨装置を実現で
きるようになる。また、このような研磨装置を用いるこ
とにより、大口径のウェハに、表面が平坦な層間絶縁膜
や金属プラグや埋め込み配線などを容易に形成できるよ
うになる（請求項４、請求項５）。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態（以下、実施形態という）を説明する。 （第１の実施形態）図１は、本発明の一実施形態に係る
ＣＭＰ装置の概略構成を示す模式図である。

【００２９】図中、１１は回転可能なトップリングを示
しており、このトップリング１１は、大きく分けて、被
処理基板１４を保持するＳＵＳ製のキャリヤ１２と、被
処理基板１４の飛び出しを防止するガイドリング１３と
から構成されている。

【００３０】このガイドリング１３は、図２に示すコイ
ルバネ１５を介してキャリヤ１２に固定されている。図
２の上は平面図、下は拡大図である。コイルバネ１５に
は、直径１ｍｍの鋼を内径１４ｍｍ、ガイドリング１３
およびキャリア１２に対する取り付け面を略平（１０ｍ
ｍ）らに加工したリング状のものを用いた。また、ガイ
ドリング１３の構成材料としては、硬く、摩耗しにくい
塩化ビニルなどの樹脂が用いた。

【００３１】トップリング１１は、さらに被処理基板１
４を保持する真空チャック機構（不図示）、被処理基板
１４を回転させる回転機構（不図示）および被処理基板
１４を研磨パッドに押圧する機構（不図示）を備えてい
る。

【００３２】トップリング１１の下方には、表面に研磨
パッド１６が貼付され、回転機構（不図示）により回転
可能な研磨定盤１７が設置されている。研磨パッド１６
の構成材料として、樹脂含浸処理された不織布や発泡ポ
リウレタンなどの弾性体が一般的に用いている。

【００３３】また、研磨パッド１６の中心部直上には、
研磨剤タンク（不図示）より研磨パッド１６の中心部に
研磨剤１８を供給するための研磨剤供給配管１９が設置
されている。

【００３４】次にこのように構成されたＣＭＰ装置を用
いた被処理基板１４の研磨方法について説明する。ま
ず、トップリング１１に設けられている真空チャック機
構（不図示）により被処理基板１４をその被研磨面が下
になるように保持する。次に被処理基板１４に研磨剤１
８を供給し、さらに研磨パッド１６を被処理基板１４に
押圧するとともに、研磨パッド１６と被処理基板１４と
を互いに回転させることにより、被処理基板１４を研磨
する。所定時間研磨した後、被処理基板１４を研磨パッ
ド１６から引き離して研磨が終了する。

【００３５】図３に、このようにして被処理基板１４を
研磨した場合の研磨速度の面内分布を示す。ここで、被
処理基板１４には、表面に厚さ１．０μｍのシリコン酸
化膜が形成された８インチのシリコン基板を用いた。研
磨剤には、平均粒子径５０μｍのシリカ粒子を水に１０
ｗｔ％分散させ、ＫＯＨを添加してｐＨを１０になるよ
うに調整したものを用いた。被処理基板１４に掛かる荷
重は、３００ｇ／ｃｍ² とした。被処理基板１４および
研磨パッド１６の回転数は５０ｒｐｍとした。

【００３６】図３から、本実施形態のＣＭＰ装置によれ
ば、外周部と中心部の不均一性を改善できることが分か
る。すなわち、従来のＣＭＰ装置を用いた場合の均一性
が１５％（最外周３ｍｍまでを除いてｘ，ｙ方向にそれ
ぞれ４９ポイント測定、１シグマ）であるのに対し、本
実施形態のＣＭＰ装置を用いた場合の均一性は７％（評
価方法は同上）である。また、ガイドリング１３が消耗
したときにおいても均一性に変化はなかった。

【００３７】このように本実施形態のガイドリング構造
を用いることにより、優れた均一性が得られた理由は以
下のように考えれる。まず、コイルバネ１５の強い復元
力および高い剛性により、ガイドリング１３を均一に研
磨パッド１６に押圧でき、研磨パッド１６の弾性変形に
より生じる荷重分布の不均一性を抑制できるからであ
る。

【００３８】特にコイルバネ１５の高い剛性は、板バ
ネ、スプリングバネでは無理な被処理基板１４の横方向
のずれの防止に貢献している。ここで、本実施形態で
は、コイルバネ１５とキャリア１２との取り付け面、コ
イルバネ１５とガイドリング１３との取り付け面は略平
らになっているので、コイルバネ１５の剛性を大幅に高
めることができる。

【００３９】また、コイルバネ１５の弾性範囲が広いの
で、ガイドリング１３の消耗により生じる荷重分布の不
均一性も抑制できるからである。さらに、コイルバネ１
５を用いることにより、ガイドリング１３とキャリヤ１
２との間に隙間でき、研磨剤を均一に供給できるからで
ある。

【００４０】これらの相乗効果により、被研磨面の面内
の研磨速度の均一性が効果的に改善され、被処理基板１
４を均一に研磨できるようになる。また、コイルバネ１
５は簡単な構造なので、装置も簡単な構造となる。この
ように装置が簡単になることも研磨速度の均一化に貢献
しているとが考えられる。

【００４１】このようなＣＭＰ装置は、大口径のウェハ
に、表面の平坦化が要求される層間絶縁膜や金属プラグ
や埋め込み配線やデュアルダマシンを形成する場合に特
に有効である。すなわち、外周チップの歩留まりの低下
を防止できるようになる。

【００４２】層間絶縁膜の場合には、表面に配線や電極
が形成され、段差部を有するシリコン基板上にＢＰＳＧ
等の絶縁膜を配線等の厚さよりも（段差部の高さより
も）厚く堆積した後、この絶縁膜の表面を本実施形態の
ＣＭＰ装置により平坦化する。

【００４３】また、金属プラグまたは埋め込み配線の場
合には、表面にスルーホールまたは配線溝が形成され、
段差部を有するシリコンウェハ上に金属膜等の導電膜を
スルーホールまたは配線溝の深さよりも（段差部の高さ
よりも）厚く堆積した後、この導電膜の表面を本実施形
態のＣＭＰ装置により平坦化する。

【００４４】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、被
研磨基板を保持するためのガイドリングをコイルバネを
介して基体に固定することにより、被研磨基板を均一に
研磨でき、かつ構造が簡単な研磨装置を実現できるよう
になる。また、このような研磨装置を用いることによ
り、大面積のウェハに、表面が平坦な層間絶縁膜や金属
プラグや埋め込み配線などを容易に形成できるようにな
る

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るＣＭＰ装置の概略構
成を示す模式図

【図２】コイルバネを示す図

【図３】図１の本発明のＣＭＰ装置を用いた場合の研磨
速度の面内分布を示す図

【図４】従来のＣＭＰ装置の概略構成を示す模式図

【図５】図４の従来のＣＭＰ装置を用いた場合の研磨速
度の面内分布を示す図

【符号の説明】 １１…トップリング １２…キャリヤ（基体） １４…ガイドリング １５…被処理基板（被研磨基板） １３…コイルバネ １６…研磨パッド １７…研磨定盤 １８…研磨剤 １９…研磨剤供給配管

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面に研磨パッドが設けられ、回転可能な
   研磨定盤と、 被研磨基板をその被研磨面が前記研磨パッドに対向する
   ように保持し、回転可能な基板保持手段とを具備してな
   り、 前記基板保持手段は、回転可能な基体と、この基体に固
   定されたコイルバネを介して前記基体に固定され、前記
   被研磨基板を保持するためのガイドリングとから構成さ
   れていることを特徴とする研磨装置。
2. 【請求項２】前記ガイドリングは、両面粘着テープまた
   はボルトにより前記コイルバネに固定されていることを
   特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 【請求項３】前記コイルバネと前記基体との取り付け
   面、および前記コイルバネと前記ガイドリングとの取り
   付け面は略平らであることを特徴とする請求項１に記載
   の研磨装置。
4. 【請求項４】表面に段差部が形成された半導体基板上
   に、前記段差部の高さよりも厚い堆積膜を形成する工程
   と、 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の研磨装置に
   より、前記堆積膜の表面を研磨して平坦化する工程とを
   有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】前記堆積膜は、層間絶縁膜、または金属プ
   ラグもしくは埋め込み配線としての導電膜であることを
   特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。