JP2004172296A - 半導体ウェーハの研磨方法及びその研磨パッド - Google Patents

Abstract

【課題】ベルト研磨方式の研磨装置を用いて所望の平坦性を得られるようにする。
【解決手段】互いの回転軸が平行に配置された２つのローラ１０に懸けられたベルト状の定盤１１の表面には、例えば４枚のポリウレタンからなるシート状の研磨パッド１２が貼り付けられている。該研磨パッド１２は、そのいずれもが溝部１２ａの延伸方向を定盤１１の走行方向と合わせると共に、該定盤１１の走行方向に隣接する研磨パッド１２同士を、互いに間隔をおき且つ互いの溝部１２ａが揃わないように貼り付ける。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、半導体ウェーハの研磨方法及び研磨パッドに関し、特に半導体ウェーハに対する化学的機械的研磨装置に用いる複数の溝部を有する研磨パッド及びそれを用いた半導体ウェーハの研磨方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の微細化は著しく、この微細化を実現するために、半導体装置の製造方法についても種々の新しい技術が開発されている。特に、金属配線材料と絶縁材料とからなる配線層を幾層にも積層する多層配線技術は、半導体装置の微細化及び高機能化に大きく貢献できる反面、同時に数多くの技術的な課題を有している。
【０００３】
その課題の１つに、各配線層における平坦性の確保が上げられる。例えば、各配線層の表面に平坦性が確保されずに凹凸が残った状態では、微細化の鍵となるフォトリソグラフィ工程においてフォーカスずれが発生し、配線パターンの形成が不可能となる。この課題を解決するために、近年、半導体ウェーハの表面を化学的機械的に研磨して平坦化するケミカルメカニカルポリッシュ（ＣＭＰ）法が多用されるようになってきている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
以下、従来のターンテーブル方式ではなく、いわゆるベルト研磨方式のＣＭＰ装置について図面を参照しながら説明する。
【０００５】
図８（ａ）は従来のベルト研磨方式のＣＭＰ装置における研磨機構部の構成を概略的に示している。
【０００６】
図８（ａ）に示すように、基材が発泡ポリウレタンからなる複数のシート状の研磨パッド１０１がベルト状の定盤１０２に貼り付けられており、ノズル１０３から研磨パッド１０１上にスラリ１０４を供給しながら定盤１０２を走行させ、、キャリア１０５に吸着した半導体ウェーハ１０６の表面をキャリア１０５に回転を加えながら押し当てることにより、半導体ウェーハ１０３を研磨する。また、研磨パッド１０１の表面を活性化させる（毛羽立たせる）ために、シリンダ１０７の下面に装着したドレッサ１０８を研磨パッド１０１に押し当てて、定盤１０２の走行方向に対して垂直な方向に随時移動させる。
【０００７】
図８（ｂ）は定盤１０２に貼り付ける前の状態の１枚の研磨パッド１０１を示している。図８（ｂ）に示すように、研磨パッド１０１の表面（研磨面）には直線状で且つ平行に並ぶ複数の溝部１０１ａが形成されている。これらの溝部１０１ａは、半導体ウェーハ１０６を研磨する際に、スラリ１０４を半導体ウェーハ１０１の表面（被研磨面）上に効率良く供給するために設けられており、定盤１０２の走行方向に対して平行に且つ直線状に形成されている。
【０００８】
複数の研磨パッド１０１を定盤１０２の表面に貼り付ける際には、定盤１０２の進行方向に隣接するパッド同士の間にわずかに間隔を空けるようにする。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−５８２１９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明者らは、従来のベルト研磨方式のＣＭＰ装置において以下のような２つの問題点を認めている。
【００１１】
第１の問題点は、図９（ａ）に示すように、それぞれが複数の溝部１０１ａを有する複数の研磨パッド１０１をベルト状の定盤１０２の表面に、進行方向に隣接する研磨パッド１０１同士の溝部１０１ａの位置を一致させるように貼り付ける場合に生じる。
【００１２】
図８（ａ）に示したＣＭＰ装置においては、半導体ウェーハ１０３の研磨を行なう際に、研磨パッド１０１を貼り付けた定盤１０２は、ノズル１０３から遠ざかる方向に所定の速度で走行する。すなわち、研磨パッド１０１の溝部１０１ａは、半導体ウェーハ１０６に対して一定の位置を保ちながら移動する。
【００１３】
一方、半導体ウェーハ１０６を吸着するキャリア１０５は所定の位置で自転するため、半導体ウェーハ１０６の中央部と研磨パッド１０１の中央部分の溝部１０１ａとの位置が一致した場合には、図９（ｂ）に示すように、半導体ウェーハ１０６の被研磨面の中央部に研磨パッド１０１の研磨面と触れない部分が発生する。
【００１４】
また、半導体ウェーハ１０６の研磨パッド１０１による研磨速度は、半導体ウェーハ１０６の被研磨面の中心に近づくにつれて遅くなるため、図１０（ａ）のウェーハポジションと膜厚との関係を示すグラフから分かるように、半導体ウェーハ１０６における被研磨面の中央部の膜厚が周縁部の膜厚よりも大きくなるという、複数の研磨パッド１０１の隔溝部が１０１ａが直線状に連続して配置されたことに起因する膜厚のばらつきが発生する。すなわち、研磨後の半導体ウェーハ１０６の被研磨面には、図１０（ｂ）に示すように、半導体ウェーハ１０６の中心に向かって同心円状にその周囲よりも膜厚が大きい部分が発生するため、半導体ウェーハ１０６の被研磨面に所望の平坦性を得ることができない。この膜厚のばらつきは、前述したように、半導体装置の微細化の鍵となるフォトリソグラフィ工程において、フォーカスずれを発生させるため、配線パターンの形成が不可能となる。
【００１５】
次に、第２の問題点を説明する。
【００１６】
第２の問題点は、図８（ｂ）に示すように、研磨パッド１０１の研磨面に設けられた複数の溝部１０１ａが、研磨パッド１０１の端部にまで設けられていないことにより生じる。このように、溝部１０１ａが研磨パッド１０１の研磨面の端部にまで設けられていないことから、図１１（ａ）の断面図に示すように、ドレッサ１０８の接触面積は、研磨パッド１０１の内側部分Ａがその端部Ｂと比べて小さくなる。これにより、研磨パッド１０１の内側部分Ａにおいては、ドレッサ１０８による単位面積当たりの圧力が端部Ｂと比べて大きくなるため、ドレッサ１０８の圧力差によって、研磨パッド１０１の内側部分Ａの研磨面はその端部Ｂよりも多く削られてしまうので、研磨パッド１０１の内側部分Ａの厚さは端部Ｂと比べて薄くなる。その結果、図１２（ａ）に示すように、研磨パッド１０１はドレッサ１０８によって活性化されるたびにその端部Ｂよりも内側部分Ａが薄くなってしまい、その進行方向に対して垂直な方向の断面形状は凹状となる。このような断面凹状となった研磨パッド１０１を用いて研磨された半導体ウェーハ１０６は、図１２（ｂ）のウェーハポジションと膜厚との関係を示すグラフから分かるように、その周縁部が中央部よりも大きく削られてしまうことになり、所望の平坦性を得ることができない。
【００１７】
前記従来の問題を解決するため、本発明は、ベルト研磨方式の研磨装置を用いて所望の平坦性を得られるようにすることを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体ウェーハの研磨方法を、複数の研磨パッドを定盤に貼り付ける際に、進行方向に互いに隣接する研磨パッドにおける溝部同士を揃えない構成とする。また、本発明は、半導体ウェーハの研磨パッドの複数の溝部をその進行方向に対して垂直な方向の端部にまで設ける構成とする。
【００１９】
具体的に、本発明に係る半導体ウェーハの研磨方法は、それぞれがその表面に進行方向に延びる複数の溝部を有する複数の研磨パッドを貼り付けた定盤を連続的に走行させることにより半導体ウェーハを研磨し、定盤の表面に複数の研磨パッドを貼り付ける工程と、定盤を走行させると共に半導体ウェーハを研磨パッドの表面に押し当てながら研磨する工程とを備え、研磨パッドを貼り付ける工程は、各研磨パッドを定盤の走行方向に隣接する研磨パッドの溝部同士が揃わないように貼り付ける。
【００２０】
本発明の半導体ウェーハの研磨方法によると、各研磨パッドを定盤の表面に貼り付ける際に、該定盤の走行方向に隣接する研磨パッドの溝部同士が揃わないように貼り付けるため、研磨中に半導体ウェーハを自転させたとしても、半導体ウェーハの被研磨面と接触する溝部の位置が、貼り付けられた一の研磨パッドから他の研磨パッドに移動するたびに変化する。従って、半導体ウェーハの被研磨面には、同心円状にその周囲よりも膜厚が大きくなるという第１の問題点が解消されるので、所望の平坦性を得ることができる。
【００２１】
本発明の半導体ウェーハの研磨方法において、研磨パッドを貼り付ける工程は、進行方向に隣接する各研磨パッドにおける溝部同士を所定の間隔でずらせて貼り付けることが好ましい。
【００２２】
本発明の半導体ウェーハの研磨方法において、半導体ウェーハの研磨工程は、研磨パッドの表面に研磨材を含むスラリを流しながら半導体ウェーハを研磨することが好ましい。
【００２３】
本発明に係る第１の半導体ウェーハの研磨パッドは、ベルト状の定盤の表面に貼り付ける半導体ウェーハの研磨パッドを対象とし、研磨パッドの表面には、研磨パッドの進行方向に延びる複数の溝部がその進行方向に対して垂直な方向側の端部にまで形成されている。
【００２４】
第１の半導体ウェーハの研磨パッドによると、研磨パッドの表面には、研磨パッドの進行方向に延びる複数の溝部がその進行方向に対して垂直な方向側の端部にまで形成されているため、研磨中にドレッサによる研磨パッドの活性化を行なったとしても、ドレッサと研磨パッドとの接触面積が研磨パッドの端部と内側部分とで異ならなくなる。このため、ドレッサによる単位面積当たりの圧力が端部と内側部分とで同等となるので、活性化を続行したとしても、研磨パッドの進行方向に対して垂直な方向の断面形状が凹状とはならなくなる。その結果、半導体ウェーハの被研磨面の端部のみがより大きく削られるという第２の問題点が解消されるので、所望の平坦性を得ることができる。
【００２５】
本発明に係る第２の半導体ウェーハの研磨パッドは、ベルト状の定盤の表面に貼り付ける半導体ウェーハの研磨パッドを対象とし、研磨パッドの表面には、研磨パッドの進行方向に延びる複数の溝部がその進行方向に対して斜めとなるように形成されている。
【００２６】
第２の半導体ウェーハの研磨パッドによると、研磨パッドの表面には、研磨パッドの進行方向に延びる複数の溝部がその進行方向に対して斜めとなるように形成されているため、研磨中に半導体ウェーハを自転させたとしても、半導体ウェーハの被研磨面と接触する溝部の位置が、一の研磨パッドにおいてもそれが進行するたびに移動して変化する。従って、半導体ウェーハの被研磨面には、同心円状にその周囲よりも膜厚が大きくなるという第１の問題点が解消されるので、所望の平坦性を得ることができる。
【００２７】
本発明の第１又は第２の半導体ウェーハの研磨パッドにおいて、複数の溝部は互いの間隔が均等となるように形成されていることが好ましい。このようにすると、研磨時における半導体ウェーハの被研磨面と研磨パッドの研磨面との接触時間を均一にすることができるため、研磨後の半導体ウェーハの被研磨面はより一層平坦化される。
【００２８】
また、本発明の第１又は第２の半導体ウェーハの研磨パッドにおいて、研磨パッドは発泡ポリウレタンからなることが好ましい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３０】
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るベルト研磨方式のＣＭＰ装置における研磨機構部の構成を概略的に示している。
【００３１】
図１（ａ）に示すように、互いの回転軸が平行に配置された２つのローラ（プーリ）１０に懸けられたベルト状の定盤１１の表面上には、例えば基材がポリウレタンからなる４枚のシート状の研磨パッド１２が貼り付けられている。ここで、研磨パッド１２の基材として用いるポリウレタンは独立発泡ポリウレタンが好ましい。
【００３２】
キャリア１３に吸着された半導体ウェーハ２０を研磨するには、定盤１１を所定の方向に走行させ、研磨パッド１２の表面（研磨面）上にノズル１４から研磨材を含むスラリ１５を供給し、半導体ウェーハ２０の表面（被研磨面）を研磨パッド１２の表面に回転を加えながら押し当てる。また、研磨パッド１２の表面を活性化させるために、シリンダ１６の下面に装着したドレッサ１７を研磨パッド１２に押し当てて、定盤１１の走行方向に対して垂直な方向に随時移動させる。
【００３３】
図１（ｂ）の拡大平面図に示すように、第１の実施形態に係る研磨パッド１２は、そのいずれもが溝部１２ａの延伸方向を定盤１１の走行方向と合わせると共に、該定盤１１の走行方向に隣接する研磨パッド１２同士は、互いに間隔をおき且つ互いの溝部１２ａが揃わないように貼り付けられている。なお、この溝部１２ａは、スラリ１５を半導体ウェーハ２０の表面上に効率良く供給するために設けられている。
【００３４】
このように、進行方向に互いに隣接する各研磨パッド１２は、互いの溝部１２ａ同士が揃わないように貼り付けられているため、図２（ａ）に示すように、研磨開始直後において半導体ウェーハ２０の中心位置が、一の研磨パッド１２に形成された実線で示す溝部１２ａによって研磨されない状態となったとしても、該一の研磨パッド１２に続く他の研磨パッド１２に形成された破線で示す溝部１２ａの位置は一の研磨パッド１２の溝部１２ａとずれているため、半導体ウェーハ２０が自転していても、研磨パッド１２の研磨面は、半導体ウェーハ２０の被研磨面と確実に接触するので、半導体ウェーハ２０の被研磨面の中央部の未研磨部分をなくすことがができる。
【００３５】
なお、ベルト状の定盤１１に貼り付ける研磨パッド１２の枚数には制限はないが、第１の実施形態においては、４枚の研磨パッド１２のそれぞれの隣接間で各溝部１２ａの幅の２分の１のピッチでずらせながら貼り付けている。このようにすると、半導体ウェーハ２０における研磨パッド１２の溝部１２ａによって研磨されない時間をも均等化できるため、図２（ｂ）に示すように、半導体ウェーハ２０の中央部の未研磨部分がなくなって、半導体ウェーハ２０の被研磨面を全面にわたって均一に研磨することができる。
【００３６】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３７】
図３は本発明の第２の実施形態に係るベルト研磨方式のＣＭＰ装置に用いる研磨パッドを示している。
【００３８】
図３に示すように、第２の実施形態に係る研磨パッド１２には、その研磨面に設けられ、進行方向に互いに平行に延びる複数の溝部１２ａが、研磨パッド１２の進行方向に対して垂直な方向の端部にまで形成されている。
【００３９】
これにより、半導体ウェーハを研磨する際には、図４（ａ）の断面図に示すように、研磨パッド１２の研磨面におけるドレッサ１７との接触面積が、研磨パッド１２の内側部分Ａとその端部Ｂとで均一化されるため、ドレッサ１７による活性化が研磨パッド１２の研磨面の全面にわたって均一に行なえる。その結果、活性化時に研磨パッド１２の内側部分Ａのみがドレッサ１７によって大きく削られることがなくなるので、図２（ｂ）に示すように、半導体ウェーハの周縁部の膜厚が中央部よりも薄くなることがなく、半導体ウェーハの被研磨面の全面にわたって均一に研磨を行なうことができる。
【００４０】
なお、図４（ｂ）に示すように、その進行方向に隣接する研磨パッド１２を、その溝部１２ａ同士が揃わないように貼り付けることにより、第１の実施形態と同様に、半導体ウェーハの中央部の膜厚がその周囲よりも厚くなることをも防止することができる。
【００４１】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００４２】
図５（ａ）は本発明の第３の実施形態に係るベルト研磨方式のＣＭＰ装置に用いる研磨パッドを示している。
【００４３】
図５（ａ）に示すように、第３の実施形態に係る研磨パッド１２は、その進行方向に互いに平行に延びる複数の溝部１２ｂに、研磨パッド１２の進行方向に対して所定の角度θを持たせている。所定の角度θは、ノズルから研磨パッド１２上に吐出されるスラリを半導体ウェーハにまで効率良く供給するという溝部本来の機能を損なわない程度とし、例えば１°〜１５°程度が好ましい。研磨パッド１２における複数の溝部１２ｂを形成する範囲は、該研磨パッド１２の進行方向に対して垂直な方向の端部にまで形成する。また、複数の研磨パッド１２を定盤１１の表面に貼り付ける場合には、図５（ｂ）の拡大平面図に示すように、進行方向に互いに隣接する研磨パッド１２同士の間に隙間を設けるようにする。
【００４４】
このように、第３の実施形態に係る研磨パッド１２を用いて半導体ウェーハの研磨を行なうと、図６のウェーハ中央部のポジションと膜厚との関係を示すグラフから分かるように、半導体ウェーハの中央部分に研磨されていない部分がなくなると共に、半導体ウェーハに周縁部が薄くなることもなくなり、従って、半導体ウェーハにはその被研磨の全面にわたって均一な膜厚を得ることができる。
【００４５】
（第３の実施形態の一変形例）
図７に示すように、複数の研磨パッド１２を定盤１１の表面に貼り付ける場合には、一の研磨パッド１２における溝部１２ｂの進行方向からずれる方向と、それと隣接する他の研磨パッド１２における溝部１２ｂの進行方向からずれる方向とを交互に入れ換えて、溝部１２ｂを千鳥状に配置すると、半導体ウェーハの被研磨面の平坦性がより向上する。
【００４６】
【発明の効果】
本発明に係る半導体ウェーハの研磨方法によると、研磨中に半導体ウェーハを自転させたとしても、半導体ウェーハの被研磨面と接触する溝部の位置が、貼り付けられた一の研磨パッドから他の研磨パッドに移動するたびに変化するため、半導体ウェーハの被研磨面に同心円状にその周囲よりも膜厚が大きくなるという膜厚のばらつきが解消されるので、所望の平坦性を得ることができる。
【００４７】
本発明に係る半導体ウェーハの研磨パッドによると、研磨中にドレッサによる研磨パッドの活性化を行なったとしても、ドレッサと研磨パッドとの接触面積が研磨パッドの端部と内側部分とで異ならなくなるため、研磨パッドの進行方向に対して垂直な方向の断面形状が凹状にならなくなる。その結果、半導体ウェーハの被研磨面の端部のみがより大きく削られるという膜厚のばらつきがなくなるので、所望の平坦性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体ウェーハの研磨方法を実現するベルト研磨方式のＣＭＰ装置を示し、（ａ）は研磨機構部を示す概略的な斜視図であり、（ｂ）は研磨パッドの定盤に貼り付けられた状態を示す部分的な平面図である。
【図２】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体ウェーハの研磨方法であって、研磨パッドが半導体ウェーハと接触する様子を示す断面図である。
（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体ウェーハの研磨方法によるウェーハのポジションと膜厚との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るベルト研磨方式のＣＭＰ装置に用いる研磨パッドを示す斜視図である。
【図４】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体ウェーハの研磨パッドがドレッサと接触する様子を示す断面図である。
（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体ウェーハの研磨パッドを示す部分的な平面図である。
【図５】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体ウェーハの研磨パッドの定盤上に貼り付けられた状態を示す部分的な斜視図である。
（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体ウェーハの研磨パッドの定盤上に貼り付けられた状態を示す部分的な平面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る半導体ウェーハの研磨方法によるウェーハのポジションと膜厚との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第３の実施形態の一変形例に係る半導体ウェーハの研磨パッドの定盤上に貼り付けられた状態を示す部分的な平面図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は従来のベルト研磨方式のＣＭＰ装置を示し、（ａ）は研磨機構部を示す概略的な斜視図であり、（ｂ）は研磨パッドを示す斜視図である。
【図９】（ａ）は従来のベルト研磨方式のＣＭＰ装置における研磨パッドの定盤上に貼り付けられた状態を示す部分的な平面図である。
（ｂ）は従来のベルト研磨方式のＣＭＰ装置における研磨パッドの半導体ウェーハと接触する様子を示す断面図である。
【図１０】（ａ）は従来のベルト研磨方式のＣＭＰ装置における研磨パッドを用いた場合のウェーハのポジションと膜厚との関係を示すグラフである。
（ｂ）は従来のベルト研磨方式のＣＭＰ装置における研磨パッドを用いた場合の半導体ウェーハの被研磨面を示す平面図である。
【図１１】（ａ）は従来のベルト研磨方式のＣＭＰ装置における研磨パッドのドレッサと接触する様子を示す断面図であり、（ｂ）はドレッサによる活性化処理を継続して行なった場合を示す断面図である。
【図１２】（ａ）は従来のベルト研磨方式のＣＭＰ装置における研磨パッドにドレッサによる活性化を継続して行なった場合の研磨パッドと半導体ウェーハとの断面図である。
（ｂ）は従来のベルト研磨方式のＣＭＰ装置における研磨パッドにドレッサによる活性化を継続して行なった場合のウェーハのポジションと膜厚との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ ローラ（プーリ）
１１ 定盤
１２ 研磨パッド
１２ａ 溝部
１２ｂ 溝部
１３ キャリア
１４ ノズル
１５ スラリ
１６ シリンダ
１７ ドレッサ
２０ 半導体ウェーハ

Claims (7)

1. それぞれがその表面に進行方向に延びる複数の溝部を有する複数の研磨パッドを貼り付けた定盤を連続的に走行させることにより半導体ウェーハを研磨する半導体ウェーハの研磨方法であって、
   前記定盤の表面に前記複数の研磨パッドを貼り付ける工程と、
   前記定盤を走行させると共に前記半導体ウェーハを前記研磨パッドの表面に押し当てながら研磨する工程とを備え、
   前記研磨パッドを貼り付ける工程は、前記各研磨パッドを前記定盤の走行方向に隣接する研磨パッドの溝部同士が揃わないように貼り付けることを特徴とする半導体ウェーハの研磨方法。
2. 前記研磨パッドを貼り付ける工程は、前記進行方向に隣接する各研磨パッドにおける前記溝部同士を所定の間隔でずらせて貼り付けることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハの研磨方法。
3. 前記半導体ウェーハの研磨工程は、前記研磨パッドの表面に研磨材を含むスラリを流しながら前記半導体ウェーハを研磨することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体ウェーハの研磨方法。
4. ベルト状の定盤の表面に貼り付ける半導体ウェーハの研磨パッドであって、
   前記研磨パッドの表面には、前記研磨パッドの進行方向に延びる複数の溝部が、前記進行方向に対して垂直な方向側の端部にまで形成されていることを特徴とする半導体ウェーハの研磨パッド。
5. ベルト状の定盤の表面に貼り付ける半導体ウェーハの研磨パッドであって、
   前記研磨パッドの表面には、前記研磨パッドの進行方向に延びる複数の溝部が、前記進行方向に対して斜めとなるように形成されていることを特徴とする半導体ウェーハの研磨パッド。
6. 前記複数の溝部は、互いの間隔が均等となるように形成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体ウェーハの研磨パッド。
7. 前記研磨パッドは発泡ポリウレタンからなることを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体ウェーハの研磨パッド。

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