JP3616407B2 - 半導体基板を研磨する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体装置の分野に関し、さらに詳しくは、半導体基板を化学・機械的研磨する際に用いられる研磨パッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置を形成するために用いられる層数が増えるにつれて、半導体基板のプレーナ化（ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ） はますます重要になっている。非プレーナ半導体基板は多くの問題があり、ホトレジスト層のパターニングしにくいことや、膜被着時に膜内に空洞が形成されたり、エッチ工程中に層の除去が不完全で、「ストリンガ（ｓｔｒｉｎｇｅｒ）」と呼ばれる層の残留部分を残すなどの問題がある。多くのプレーナ方法が開発されており、その中に化学・機械的研磨方法がある。
【０００３】
図１および図２は、半導体基板を研磨するために用いられる化学・機械的研磨機の一部の図である。図１は、化学・機械的研磨機１０の断面図である。研磨機１０は、プラテン１１と、接着剤（図示せず）でこのプラテン１１に接着された研磨パッド１２とを有する。研磨パッド１２の上に基板ホールダ１３があり、各基板ホールダ１３は半導体基板１４を収容する。また、研磨機１０は、研磨スラリ（ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｓｌｕｒｒｙ）およびスラリ供給部とを含み、こられはともに図示されていない。研磨パッド１２は、多孔ポリウレタン材料からなってもよい。図２は、半導体基板１４および研磨パッド１２の相対的な運動を示す。一般に、研磨パッド１２および半導体基板１４は同一方向に回転する。図２は、研磨パッドおよび半導体基板が反時計方向に回転していることを示しているが、これらは時計方向に回転してもよい。回転が生じると、基板１４は研磨パッド１２の一部の上で前後に振動する。研磨中の基板１４と研磨パッド１２との間の圧力である研磨圧力は、約８ポンド／平方インチ（約５５キロパスカル）未満であることが一般的である。これ以上高い研磨圧力では、基板１４が研磨中に破損して、基板１４は破棄される。
【０００４】
研磨パッド１２は、研磨パッドの表面に複数の隆起（ａｓｐｅｒｉｔｙ）を有する。隆起とは、研磨パッドから突出する突起（ｐｅａｋ）のことであり、各隆起は隆起径および隆起高を有する。隆起径とは、隆起の端部における近似的な曲率半径であり、隆起高とは研磨パッドからの隆起の高さのことである。隆起は半径，高さおよび形状もさまざまであることが当業者に理解される。一般に複数の隆起は、研磨パッドの研磨面を定める。研磨パッドの表面上の形状変化は、研磨パッドの表面あらさ（ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ） を決定する。研磨パッドは、平均隆起径と、隆起高の標準偏差と、自乗平均表面あらさとによって特徴づけられる。前処理されていない従来の研磨パッドは、以降「フレッシュ・パッド（ｆｒｅｓｈ ｐａｄ） 」という。一般的なフレッシュ・パッドの平均隆起径は約３５ミクロンで、隆起高の標準偏差は約３５ミクロンで、自乗平均表面あらさは約３５ミクロンである。
【０００５】
図３は、半導体基板１４の一部と、研磨パッド１２の一部の図を含む。基板１４は、パターニング層３３を有する領域３４と、領域３４の一部を露出する開口部３９とを有する。領域３４は、半導体材料でも、図示されていない半導体材料に隣接する材料の層でもよい。研磨パッド１２は、一般に放物線状の形をした隆起３５を有する。隆起３５は、隆起径３６を有する。パターニング層３３は、領域３４をあまり研磨せずに、あるいは開口部３９の形状をあまり変えずに研磨されるのが一般的である。隆起３５が開口部３９と同一線上になると、隆起３５は領域３４の露出面まで延在する。プレーナ処理効率（ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は、プレーナ処理される層または領域の研磨率を、プレーナ処理されない別の層または領域の研磨率で除した値として定義される。図３において、プレーナ処理効率は、パターニング層３３の研磨率を領域３４の露出部の研磨率で除した値である。隆起３５と領域３４とが接触することにより、領域３４は機械的に研磨され、これは望ましくない。プレーナ処理効率は、隆起３５が領域３４の露出部と接触するため低下する。また、パターニング層３３のコーナは、隆起３５が開口部３９を出入りすると、隆起３５によって丸められる。開口部と開口部との間の距離は、コーナの丸めを考慮するため増加する必要がある。一般に、その結果、基板面積が無駄になり、望ましくない。
【０００６】
また、フレッシュ・パッドはわん状変形（ｄｉｓｈｉｎｇ） を発生することが考えられる。わん状変形とは、局所的な過剰研磨にすぎない。基板１４がパターニング層３３と開口部３９内とに第２層を有すると想定する。パターニング層３３にあるこの第２層（図示せず）の部分は除去され、一方開口部３９内の第２層の部分はそのまま残る。開口部３９内にある第２層の部分は、隆起３５が第２層の部分を掘り出すことがあるので、研磨中に除去されるのが一般的である。研磨後の開口部３９内の第２層の表面は、わん（ｄｉｓｈ）状となり、そのため「わん状変形」という。フレッシュ・パッドは、隆起３５と同様な隆起のため、わん状変形の問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
半導体基板を研磨するため、フレッシュ・パッドを用いる前に前処理する複数の前処理方法が利用できる。１つの方法では、比較的鋭い突起形状を有する荒い面の研削ツール（ａｂｒａｄｉｎｇ ｔｏｏｌ） を利用して、研磨パッドを前処理できる。このような形状を有する荒い面は、研磨パッド材料の一部を摩滅して、実際に平均隆起径を低減し、隆起高の標準偏差を増加し、自乗平均表面あらさを増加する。別の前処理方法では、フレッシュ・パッドはプレス機に入れられ、過熱される。一般に、加圧はパッドをしめる（ｄｅｎｓｉｆｙ） するために行われるが、パッドをしめることは研磨パッド全体におけるスラリの移動を抑制し、一般に望ましくない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来の研磨パッドに比べて、平均隆起径が大きく、隆起高の標準偏差が低く、自乗平均表面あらさが小さい研磨パッドを含む。また、本発明は、改良された研磨パッドで半導体基板を研磨する方法を含む。この改良された研磨パッドは、プレーナ処理効率が高く、コーナ丸めやわん状変形を発生する可能性が少ない。
【０００９】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面と以下の詳細な説明から明らかになろう。
【００１０】
【実施例】
本発明について図面で一例として説明し、これは制限するものではなく、図中の同様な参照番号は同様な要素を表す。
【００１１】
本発明は、プレーナ処理効率を向上させ、開口部に隣接するパターニング層のコーナ丸めを低減し、あるいはわん状変形を低減する研磨パッドを含む。研磨パッドは、一度に１枚またはそれ以上の基板を研磨できる研磨機で利用できる。多くの市販の研磨機は、同一研磨工程で１枚，２枚，５枚または６枚のウェハを研磨できる。明らかに、本発明はこれらの研磨機の１つに限定されない。半導体処理の改善の他に、本発明の１つの利点は、以下で詳細に説明するように、研磨パッドを容易に改良できることである。
【００１２】
図４は、研磨機１０，プラテン１１，研磨パッド１２および基板ホールダ１３の図を含む。物体４４は、基板ホールダ１３内に装着される。各物体４４は、基板１４と同様な形状を有する。物体４４は、比較的硬く、また研磨パッド１２と接触する際に滑らかな面を有する任意の材料である。本明細書では、滑らかな面とは、表面の自乗平均表面あらさが約３０ミクロン以下のことである。例えば、物体４４は、タングステン，チタン，ステンレス鋼などの金属と、二酸化シリコン，窒化シリコンなどの誘電体と、シリコン，ゲルマニウムなどの半導体とを含む。また、物体４４は、半導体基板に限定されない基板上に、前述の任意の材料の層を含んでもよい。例えば、基板は、１つまたはそれ以上の前述の材料で被覆されたアルミニウム合金でもよい。アルミニウム合金は、この合金の展性（ｍａｌｌｅａｂｉｌｉｔｙ）を小さくするマグネシウムまたはマンガンを含んでもよい。基板または物体４４がシリコン，二酸化シリコンなどの脆い材料からなる場合、この基板または物体の厚さは、機械的支持を改善し、かつ研磨パッドの改良中に物体４４が破損する可能性を低減するため、一般的な半導体基板よりも厚くされる。
【００１３】
研磨パッド１２は、図５に示すように物体４４によって改良される。この改良は、研磨と類似している。多くの改良パラメータは、研磨パラメータと同じである。研磨圧力とは異なり、改良圧力は少なくとも約１０ポンド／平方インチ（約６９キロパスカル）である。本明細書では、改良圧力とは改良中の物体４４と研磨パッドとの間の圧力のことである。物体４４は十分な機械的支持があるので、破損する大きな危険を冒さずに改良圧力に耐えられる。
【００１４】
改良中に、研磨パッド１２の隆起は機械的に変形され（化学的に変形されない）、図６に示すような改良研磨パッド６２を形成する。本明細書では、「変形（ｄｅｆｏｒｍｅｄ）」とは、永久的に変形されることを意味する。領域６２１は、研磨パッド６２の表面にあり、改良によって機械的に変形された隆起を有する。一般に、領域６２１は、研磨パッド６１の研磨領域に相当する。研磨領域とは、研磨中に半導体基板が露出される研磨パッドの部分のことである。この変形により、隆起は「より平坦」になり、自乗平均表面あらさを低くする。「より平坦」とは、隆起径が大きく、隆起高が短くなることを意味する。領域６２２は、改良によって実質的に影響を受けない研磨パッド６２の部分である。領域６２２は、改良前の研磨パッド１２とほぼ同じ密度を有する。従って、領域６２２の密度は、改良の前後で実質的に同じである。領域６２２におけるスラリの移動は、この領域の密度は改良によってあまり影響を受けないので、研磨パッド１２におけるスラリの移動とほぼ同じである。
【００１５】
改良研磨パッド６２の各領域６２１は、複数の隆起を有する。各領域６２１の平均隆起径は少なくとも４０ミクロンであり、隆起高の標準偏差は３０ミクロン以下であり、自乗平均表面あらさは３０ミクロン以下である。一実施例では、改良パッドの平均隆起径は約６０ミクロンであり、隆起高の標準偏差は約２５ミクロンであり、自乗平均表面あらさは約３５ミクロンである。明らかに、これらの具体的なパラメータの数値は本発明を限定するものではなく、１つのパラメータのセットを表しているにすぎない。平均隆起径の上限や、隆起高の標準偏差および自乗平均表面あらさに対する下限は未知である。
【００１６】
改良研磨パッド６２は、半導体基板を研磨するために用いられる。研磨機およびパラメータは、図１および図２で説明した研磨機およびパラメータと同様であるが、改良研磨パッド６２が研磨パッド１２の代わりに用いられることが異なる。研磨パッド６２を用いる研磨中に、研磨圧力は約８ポンド／平方インチ（約５５キロパスカル）よりも高くないのが一般的である。図７は、半導体基板１４の一部および改良研磨パッド６２の一部の図を含む。半導体基板１４は、領域３４に隣接した開口部３９のあるパターニング層３３を有する。領域３４は、半導体材料、または図示されていない半導体材料に隣接する材料の層でもよい。パターニング層３３および領域３４用の可能な材料はほとんど無限である。
【００１７】
改良研磨パッド６２は、領域６２１内にある中心点からの隆起径７６を有する隆起７５を有する領域６２１を含む。中心点は、領域６２１内になくてもよい。中心点は、隆起７５内，領域６２２内、または隆起７５の反対側の改良研磨パッド６２の面外にあってもよい。図３と図７とを比較すると、改良研磨パッドでは隆起高は低く、隆起径７６は大きい。隆起形状の変化は、前述の改良工程における隆起の機械的変形による。
【００１８】
図７からわかるように、改良パッドのプレーナ処理効率は、隆起７５が領域３４の露出部分と接触する可能性が低くなることにより、フレッシュ・パッドに比べて高い。領域３４を機械的に研磨することはない。また、改良研磨により、フレッシュ・パッドに比べて、開口部３９に隣接するパターニング層３３のコーナ丸めは小さくなる。図７には１つの隆起しか示されていないが、改良研磨パッド６２の表面は隆起７５と同様な複数の隆起を有する。
【００１９】
別の実施例では、改良研磨パッド６２は、コンタクトまたは穴プラグ（ｖｉａ ｐｌｕｇ）を形成する際にも利用できる。図８に示すように、基板１４は領域３４とパターニング層３３とを含む。この実施例では、領域３４は導電性であり、パターニング層３３は絶縁材料を含む。層８２は、領域３４と同じまたは異なる材料でもよい導電性材料である。層８２は、パターニング層３３と、パターニング層の開口部内とにある。基板１４は、図９に示すような研磨パッド６２によって研磨される。研磨パッド６２は、パターニング層３３の表面にある層８２の部分を除去し、開口部内にある層８２の部分を残す。改良研磨パッド６２によって生じるわん状変形量は、フレッシュ・パッドに比べて小さいと考えられる。さらに別の実施例では、２つの導電部材の間の開口部を埋めるために絶縁材料を利用してもよい。図８および図９において、領域３４および層８２は絶縁材料を含み、層３３は導電材料を含んでもよい。研磨後、絶縁層８２は層３３の導電部材の間の開口部を埋める。
【００２０】
本発明は多くの利点を提供する。パッドの改良は比較的簡単であり、容易に入手可能な材料を利用して実施できる。例えば、２００ミリメートル径のウェハを研磨する場合、約５ミリメートル厚で２００ミリメートル径の融解石英（ｆｕｚｅｄ ｑｕａｒｔｚ）板を利用して改良を行うことができる。これは一例にすぎず、制限するものではない。改良パラメータは、改良圧力が隆起を機械的に変形させるほど十分高いことを除けば、研磨パラメータと実質的に同じである。一般に、改良圧力は、少なくとも約１０ポンド／平方インチ（約６９キロパスカル）である。前述のように、改良研磨パッドは、パターニング層の開口部内に露出される材料を研磨したり、開口部の形状を大幅に変化させる可能性が少ない。また、この改良により、研磨パッドの自乗平均表面あらさは低減される。自乗平均表面あらさが小さくなることは、フレッシュ・パッドに比べてわん状変形を低減するのを助ける。本発明は、本明細書で説明した実施例や材料によって制限されない。本発明は、同一研磨工程中に任意の数の半導体基板を研磨できる研磨機で利用できる。さらに、研磨パッドの改良は研磨機に対して行う必要はない。研磨パッドは、滑らかで硬い表面を有するか、装着できる任意の装置を利用して改良できる。
【００２１】
以上、本発明について特定の実施例を参照して説明した。しかし、さまざまな修正や変更は、特許請求の範囲で説明する発明の広い精神や範囲から逸脱せずに可能なことが明らかである。従って、明細書および図面は、制限的な意味ではなく一例としてみなすべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】研磨中の研磨パッドおよび半導体基板の断面図（従来技術）である。
【図２】研磨中の研磨パッドおよび半導体基板の上面図（従来技術）である。
【図３】研磨パッドの一部および半導体基板の一部の断面図（従来技術）であり、研磨中のパターニング層の開口部内の隆起を示す。
【図４】本発明による研磨パッドおよび研磨パッドを改良するための物体の断面図である。
【図５】本発明による研磨パッドおよび研磨パッドを改良するための物体の上面図である。
【図６】本発明により形成された改良研磨パッドの断面図である。
【図７】改良研磨パッドの一部および半導体基板の一部の断面図であり、本発明による研磨中にパターニング層の開口部に隣接する隆起を示す。
【図８】開口部のあるパターニング層を有し、パターニング層と開口部内にある別の層を有する半導体基板の一部の断面図である。
【図９】本発明による研磨段階の最終段階付近における図８の改良研磨パッドおよび半導体基板の一部の断面図である。
【符号の説明】
１０ 研磨機
１１ プラテン
１２ 研磨パッド
１３ 基板ホールダ
３３ パターニング層
３４ 領域
３９ 開口部
４４ 物体
６２ 改良研磨パッド
７５ 隆起
７６ 隆起径
８２ （絶縁）層
６２１，６２２ 領域

Claims (3)

1. 半導体基板（１４）を研磨する方法であって：
   表面側に研磨領域（６２１）と非研磨領域（６２２）とを含む研磨パッド（６２）を有する研磨機（１０）に半導体基板（１４）を配置する段階であって、前記研磨パッド（６２）の前記研磨領域および非研磨領域の各々は、平均隆起径（７６）と隆起高の標準偏差とを有する複数の隆起（７５）を含み、かつ、前記研磨パッド（６２）の研磨領域が、少なくとも４０ミクロンの前記平均隆起径（７６）と３０ミクロン以下の前記隆起高の標準偏差または３０ミクロン以下の自乗平均表面あらさを含む特性を有し、前記非研磨領域は前記研磨領域の特性と異なる特性を有する、ところの段階；ならびに
   前記研磨パッドの前記研磨領域を利用して半導体基板（１４）を研磨する段階；
   を具備することを特徴とする方法。
2. 半導体基板（１４）を研磨する方法であって：
   研磨パッド（１２）の表面側に隣接して基板状の物体（４４）の表面を配置する段階であって、
   前記研磨パッド（１２）は、前記表面側に第１領域（６２１）と第２領域（６２２）とを含み、
   前記研磨パッドの前記第１領域（６２１）は平均隆起径（７６）および隆起高の標準偏差を有する複数の隆起（７５）を有し、前記第１領域（６２１）は前記物体（４４）の表面に隣接する、ところの段階；
   前記物体（４４）を前記研磨パッド（１２）に加圧し、改良研磨パッド（６２）を形成する段階であって、前記第２領域（６２２）ではなく前記第１領域（６２１）の特性が少なくとも４０ミクロンの平均隆起径（７６）と３０ミクロン以下の隆起高の標準偏差または３０ミクロン以下の自乗平均表面あらさとなるまで、前記加圧を続ける、ところの段階；ならびに
   前記改良研磨パッド（６２）の第１領域を利用して半導体基板（１４）を研磨する段階；
   を具備することを特徴とする方法。
3. 半導体基板を研磨する方法であって：
   表面側に第１領域と第２領域とを含む研磨パッドに隣接して基板状の物体（４４）の表面を配置する段階；
   前記物体（４４）を前記第２領域ではなく第１領域に対して加圧する段階であって、該加圧が前記第２領域ではなく第１領域を変形させ、かつ前記加圧が少なくとも約１０ポンド／平方インチの圧力で実行される、ところの段階；
   半導体基板を提供する段階であって、該半導体基板は該半導体基板上に形成されかつ開口部を有するパターン化された第１層および前記パターン化された第１層上かつ前記開口部内に第２層を有する、前記段階；ならびに
   前記研磨パッドを用いて前記半導体基板の前記第２層を研磨して、前記開口部外にある第２層部分を除去する段階であって、前記第２層が前記研磨パッドの第２領域ではなく第１領域上にあり、かつ約８ポンド／平方インチ以下の圧力をもって実行される、ところの段階；
   を具備することを特徴とする方法。

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