JPH04255218A - 平坦なウエーハを研磨する方法及びその装置　 - Google Patents

平坦なウエーハを研磨する方法及びその装置　

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JPH04255218A
JPH04255218A JP3196605A JP19660591A JPH04255218A JP H04255218 A JPH04255218 A JP H04255218A JP 3196605 A JP3196605 A JP 3196605A JP 19660591 A JP19660591 A JP 19660591A JP H04255218 A JPH04255218 A JP H04255218A
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polishing
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polishing platen
platen
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  • Constituent Portions Of Griding Lathes, Driving, Sensing And Control (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、集積回路の製造方法、
特に、半導体ウェーハを物理的に平面化し（ｐｌａｎａ
ｒｉｚａｔｉｏｎ）かつ終点（ｅｎｄｐｏｉｎｔ）を検
出するための新規な方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】集積回路（ＩＣ）の製造において、半導
体材料から成る薄くかつ平坦なウェーハのような部品の
側面を研磨することが必要であることが多い。一般に、
半導体ウェーハは研磨して、局部、結晶格子傷、掻き傷
、粗さ又は塵埃の付着粒子のような表面の欠陥を除去す
ることが出来る。この研磨工程は、物理的平面化と称さ
れることが多く、半導体素子の品質及び信頼性を向上さ
せるために利用される。この工程は通常、ウェーハ上に
各種の素子及び集積回路を形成する間に行われる。
【０００３】一般に、物理的な平面化方法は制御された
圧力又は温度状態下にて半導体材料の薄くかつ平坦なウ
ェーハを湿潤な研磨面に対して保持し又は回転させる段
階を含んでいる。アルミナ又はシリカ溶液のような研磨
スラリーが研磨剤として利用される。典型的に回転する
研磨ヘッドを利用して、制御した圧力下にてウェーハを
回転する研磨プラテンに対して保持する。かかる研磨プ
ラテンは、典型的に、吹込み成形ポリウレタンのような
比較的柔らかい湿潤な材料で覆われている。
【０００４】薄くかつ平坦な半導体ウェーハを研磨する
ためのかかる装置は、当該技術分野で周知である。例え
ば、ギル・ジュニア（Ｇｉｌｌ，　Ｊｒ．）への米国特
許第４，１９３，２２６号及び第４，８１１，５２２号
、及びウォルシュ（Ｗａｌｓｈ）への米国特許第３，８
４１，０３１号はかかる装置を開示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】かかる研磨装置の利用
に伴う特別な問題は、部品が所望の平坦さ又は相対的厚
さに研磨されたことを判断することである。過去、これ
は、典型的に、平面化工程の回転速度、下向き圧力及び
研磨時間を制御することによって行われていた。しかし
、最終段階として、部品は典型的に研磨装置から物理的
に除去し、当該技術分野で公知の方法によって物理的に
測定し、研磨した部品の寸法上及び平面に関する特性を
確認しなければならない。部品が仕様に適合しない場合
、該部品は研磨装置に戻し、２度目の平面化工程を行わ
れなければならない。これとは別に、部品を過度に研磨
して、余分な材料を除去し、その部品が標準に適合しな
いものとなる場合もある。
【０００６】更に、半導体ウェーハは、回転する半導体
ウェーハの外周部分と内側部分との間の相対的速度差に
起因して空間的に不均一な平面状態となる可能性もある
。例えば、半導体ウェーハの外周部分の動きが速ければ
速い程、内側部分が相対的に遅く動く場合よりも材料は
相対的に速い速度にて除去される。従来、この問題点は
概ね凸型形状の研磨ヘッドを使用し、半導体ディスクの
内側部分により大きい力が付与される一方、外周部分に
沿ってより小さい力が付与されるようにすることによっ
て解決しようとしていた。
【０００７】半導体ウェーハが研磨面に対して下向きに
保持され、半導体ディスクを除去しなかった場合、研磨
工程を監視するための手段が存在しないため、これら平
面化上の問題点は一層複雑になる。
【０００８】一般に、半導体ウェーハを物理的に平面化
する工程において、平面化工程の実行中、平面にしたウ
ェーハの終点を検出し又は監視し得ることが必要である
。本発明は、平面化工程中に実行可能である、半導体ウ
ェーハの終点を検出するための新規な方法及び装置に関
するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によれぱ、薄くか
つ平坦な半導体ウェーハを物理的に平面化しかつ終点を
検出するための新規な方法及び装置が提供される。本発
明の装置は、全体として、回転可能な研磨プラテン及び
研磨スラリーの形態とした研磨手段と、半導体ウェーハ
を担持し且かつ研磨プラテンの外周横断しかつ該外周を
経て動き得るように取り付けられ、研磨プラテンの上に
おける半導体ウェーハの全体よりも少ない部分をオーバ
ーハングさせ又は支持し得るようにした回転可能な研磨
ヘッドと、半導体ウェーハに形成された酸化物のような
平面化すべき材料の厚さを検出するレーザ干渉測定装置
の形態による終点検出手段とを備えている。
【００１０】該装置は、研磨プラテン上の研磨スラリー
を介して半導体ウェーハを回転させる段階と、半導体ウ
ェーハの一部を研磨プラテンの外周端縁上にオーバーハ
ングさせる段階と、液柱内に収容されたレーザ干渉計及
びレーザビームを使用して、ウェーハの酸化物被覆のよ
うな半導体ウェーハの一部分の厚さを検出する段階とを
備える方法により、半導体ウェーハ又はその一部の終点
を検出し得るようにされる。
【００１１】本発明の方法及び装置を利用する場合、半
導体ウェーハのような物理的に平面化すべき部品は研磨
ヘッド内に配置される。研磨ヘッドは研磨スラリー内で
回転可能に取り付けられ、略円形の研磨プラテンを横断
して動く。研磨プラテンを望ましくは研磨ヘッドと同一
方向に回転させることが出来る。研磨ヘッドは研磨プラ
テンの外周端縁を横断しかつ該外周端縁を経て動き、研
磨プラテンの外周端縁をオーバーハングさせ得るように
してある。
【００１２】半導体ウェーハを研磨プラテンの端縁を横
断してオーバーハングさせることにより、ウェーハの研
磨面が露出され、レーザ干渉測定装置のような終点検出
手段がウェーハ表面に向けられ終点を測定することを可
能にする。終点検出によりウェーハの酸化物（ケイ素化
合物等）のようなウェーハの一部分、又はウェーハ端縁
の厚さを検出することが可能となる。
【００１３】レーザ検出手段はパターン無し金型のよう
なウェーハ上のマーカと同期化させてバルスを発生させ
ることが望ましい。一例として、パターン無し金型はケ
イ素化合物被覆を有する金属薄膜を備えることが出来る
。レーザはパターン無し金型にて方向決めし、該点にお
けるケイ素化合物の厚さを検出することが出来る。ディ
ス上のその他の位置におけるその他の基準点を利用して
、ウェーハ全体の平均厚さを求めることが出来る。
【００１４】本発明のレーザ検出手段は、液柱内に保持
し、測定箇所にてウェーハから研磨スラリー等を除去し
て清浄にし、レーザビームに対する均一な液状基準媒介
を提供し得ることが望ましい。
【００１５】本発明のその他の目的、利点及び機能は以
下の説明から一層よく明らかになるであろう。
【００１６】
【実施例】先ず図１を参照すると、本発明による物理的
な平面化に適した半導体ウェーハ１０及び本発明の研磨
装置が図示されている。半導体ウェーハ１０は、薄くか
つ平坦であり略円形の形状をしており、微細な局部を備
えて形成されている。半導体ウェーハは、その上に複数
の個々の集積回路金型が形成されるシリコン又は酸化シ
リコンのような基板を含むことが出来る。これら個々の
金型は図１に十字形パターンにて略図で示されている。
【００１７】集積回路を形成するためには、金属薄膜接
点及び抵抗及び誘電性薄膜のような各種の薄膜をウェー
ハ基板上に付着させることが必要とされる。ウェーハ１
０の製造中、ウェーハ表面を物理的に平面化し、例えば
これら膜を画成するための平面化させた局部を提供する
ことが必要である。この平面化工程は多層成形及び金属
被覆処理に対する障壁を最小にする。更に、平面化工程
はウェーハ表面を平滑かつ平坦にし、さらには清浄にす
る。
【００１８】図５に断面図で示すように、ウェーハ１０
は、ある領域にてその上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）１
４の層（以下に酸化物と称する）が形成されるシリコン
基板１２を備えることが出来る。一般に、ウェーハ１０
を物理的に平面化することはウェーハ１０の酸化物層１
４を平面化する段階を含んでいる。ウェーハ１０は又、
シリコン基板１２上に形成して酸化物被覆１４で覆った
１又は２以上のタングステンのような金属膜のパターン
無し金型１６を含むことが出来る。
【００１９】次に、図２を参照すると、本発明により形
成された物理的な平面化及びび終点検出装置が全体とし
て符号２０で示されている。本発明の研磨装置２０は、
全体として、アルミナのような研磨性スラリー２４が適
用される回転する研磨プラテン２２の形態による研磨手
段と、図３に示すように、半導体ウェーハ１０を支持し
かつ回転する研磨プラテン２２の外端縁を横断しかつ該
外端縁を経て動き得るように取り付けられ、回転する研
磨プラテン２２の半導体ウェーハ１０の全体よりも小さ
い寸法の一部分をオーバーハングさせる回転可能な研磨
ヘッド２６と、半導体ウェーハ１０上に形成された酸化
物被覆１４等の厚さを検出するためのレーザ干渉測定装
置２８の形態による終点検出手段とを備えている。
【００２０】図６を参照すると、本発明の研磨装置２０
は次の段階を備える方法によりウェーハ１０上の酸化物
被覆１４等の厚さを検出し得るようにしてある。即ち、
研磨スラリー２４内のウェーハ１０を研磨プラテン２２
上にて回転させる段階、即ち、段階３０と、ウェーハ１
０の一部分を研磨プラテン２２の外周端縁上にオーバー
ハングさせる段階、即ち段階３２と、液柱内に収容され
たレーザビームを有するレーザ干渉測定装置２８を使用
してウェーハ１０の素材金型１６上の酸化被覆１４の厚
さを検出する段階、即ち、段階３４とを備えている。
【００２１】図２及び図３を参照すると、研磨手段は、
駆動モータ３６のような回転駆動手段に取り付けられた
研磨ヘッド２６を備えることが出来る。図３に示すよう
に、駆動モータ３６は研磨ヘッド２６に対して矢印３８
で示すような回転動作を付与する。研磨ヘッド２６は、
当該技術分野で公知であるように、ウェーハ１０を傷付
けずに該ウェーハ１０をその表面が研磨プラテン２２の
方向を向くように保持しかつ回転させ得る構造とされる
。更に、研磨ヘッド２６はウェーハ１０に対して矢印３
９（図２）で示すような制御された下向きの力を付与し
得るような構造とされる。
【００２２】回転及び上下運動に加えて、研磨ヘッド２
６は又図３に矢印４０、４２で示し及び図２に矢印４１
で示すように研磨プラテン２２を横断して何れかの方向
に横運動し得るように取り付けられている。更に、研磨
ヘッド２６は研磨プラテン２２に対して取り付けられ、
ウェーハ１０は研磨プラテン２２を横断して動きかつ研
磨プラテン２２の外周端縁に対してオーバーハングした
位置に保持される。これは図２に明確に示してある。こ
の配置状態により、及び本発明の実施に必須であるよう
に、ウェーハ１０は研磨プラテン２２の端縁を経て動き
、物理的な平面化工程中、研磨プラテン２２の外周又は
周端縁をオーバーハングさせることが出来る。
【００２３】かかるオーバーハングさせる配置により、
ウェーハ１０は動いて研磨プラテン２２に接触し及び離
反し、より速く動く外側部分とより遅く動く略円形のウ
ェーハ１０の内側部分との間の相対的速度差に起因する
不規則な研磨状態を補正することが出来る。更に、この
配置により、図２に示したウェーハ１０の表面の一部は
以下により詳細に説明するように、終点を検出するため
レーザ干渉計測定装置２８に露出される。
【００２４】図３に示すように、研磨プラテン２２は又
、研磨ヘッド２６と同一方向に回転可能なように取り付
けられる。この動作は図３に矢印４４、４６で示してあ
る。研磨プラテンの表面は吹込みポリウレタンのような
比較的柔らかい材料にて形成することが出来る。更に、
この表面は水のような潤滑剤にて湿潤な状態とすること
が出来る。
【００２５】図２に示すように、研磨性スラリー２４は
研磨プラテン２２の表面に向けられてウェーハ１０を研
磨するための研磨剤を提供する。スラリー２４はアルミ
ナ又はシリカのような研磨性材料溶液にて形成すること
が出来る。
【００２６】図２及び図４を参照すると、本発明の終点
検出手段が明確に示してある。本発明の実施例において
、該終点検出手段はレーザ干渉測定装置２８を備えてい
る。該干渉測定装置２８は測定の目的のため光の波長の
干渉を利用するものである。本発明の図示した実施例に
おいて、該干渉測定装置２８はウェーハ１０のパターン
無し金型１６の領域におけるウェーハ１０の酸化物層１
４の厚さを検出し得るように取り付けられている。これ
とは別に、レーザ干渉測定装置はウェーハ１０の端縁の
厚さ、又はウェーハ１０のその他の特徴を検出し得るよ
うに配置することも出来る。
【００２７】図３に示すように、レーザ干渉測定装置２
８はレーザ光ビーム４８、及びレーザ制御装置５４から
ウェーハ１０の露出面に近接して配置された適当な取り
付け手段（図示せず）まで伸長する光戻り導管５０を備
えている。本発明の図示した実施例にて明らかであるよ
うに、干渉測定装置２８はレーザ光４８のビーム又は放
射線をウェーハ１０のパターン無し金型１６上に配置さ
れた酸化物１４に向けかつ戻し、その点における酸化物
被覆１４の厚さを正確に測定する機能を果たす。これは
当業者に公知のレーザ技術により行うことが出来る。
【００２８】更に、図４に示すように、液体導管５２は
水のような液体をレーザビーム４８によってウェーハ１
０の測定点に誘導する。図４に示すように、液体媒体は
レーザ光ビーム４８を完全に囲繞し又は包み込む。この
液体５４はレーザ測定点にてウェーハ１０の表面を清浄
にし、レーザ測定を行うための一定の液体基準背景又は
媒体を提供する。
【００２９】このように、本発明の装置及び方法は、平
面化工程中、半導体ウェーハの表面の終点又は酸化物の
厚さを正確に検出する手段により半導体ウェーハを物理
的に平面化することを可能にするものである。上記の説
明から明らかであるように、これは所定の基準点（パタ
ーン無し金型）における酸化物の厚さを検出することに
より行われる。ウェーハ上のその他の基準点も利用する
ことが出来る。更に、その他の型式の測定装置又は多数
のレーザ測定装置及び／又は多数の基準点を利用して平
均厚さを求めることも出来る。
【００３０】本発明の方法は好適な実施例に関して説明
したが、当業者に明らかであるように特許請求の範囲に
記載した本発明の範囲から逸脱せずに一定の変形及び応
用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法及び装置による物理的な平面化に
適した薄くかつ平坦な半導体ウェーハの平面図である。
【図２】本発明により構成された終点検出機能を備える
物理的に平面化する装置の側面図である。
【図３】本発明により回転する研磨プラテンに対して構
成された研磨ヘッドの相対的回転動作及び位置決め状態
を示す略平面図である。
【図４】図２の線４−４に沿った断面図である。
【図５】図１の線５−５に沿った断面図である。
【図６】本発明の方法を示すフロー図である。
【符号の説明】
１０　　半導体ウェーハ　　　　　　　　　　　　　　
　　１２　　シリコン基板 １４　　酸化物被覆　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　１６　　パターン無し金型 ２０　　研磨装置　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　２２　　研磨プラテン ２４　　スラリー　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　２６　　研磨ヘッド ２８　　干渉測定装置　　　　　　　　　　　　　　　
　　　３６　　駆動モータ ４８　　レーザ光ビーム　　　　　　　　　　　　　　
　　５０　　光戻り導管

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　平坦なウェーハを研磨する方法にして
    、ａ．研磨プラテンの外周端縁を横断しかつ該外周端縁
    の上方を動き得るように取り付けられた回転可能な研磨
    ヘッド内にウェーハを保持する段階と、ｂ．研磨スラリ
    ー内のウェーハの一面を研磨プラテンを横断して回転さ
    せる段階と、ｃ．ウェーハの一部分を研磨プラテンの外
    周端縁を横断してオーバーハングさせ、ウェーハの一面
    を露出させる段階と、ｄ．終点検出手段を使用してウェ
    ーハの終点を検出する段階とを備えることを特徴とする
    方法。
  2. 【請求項２】　　請求項１に記載の方法にして、終点検
    出手段がレーザ干渉測定装置を備えることを特徴とする
    方法。
  3. 【請求項３】　　請求項２に記載の方法にして、レーザ
    干渉測定装置が、ウェーハ上のパターン無し金型上に取
    り付けられたウェーハの酸化物の厚さを検出し得るよう
    に配置されることを特徴とする方法。
  4. 【請求項４】　　請求項３に記載の方法にして、研磨プ
    ラテンが又研磨ヘッドと同一方向に回転するように回転
    可能に取り付けられることを特徴とする方法。
  5. 【請求項５】　　請求項３に記載の方法にして、ウェー
    ハ上の液柱を案内しウェーハを清浄にすると共に、レー
    ザに対する基準媒体を提供する段階を更に備えることを
    特徴とする方法。
  6. 【請求項６】　　酸化物表面を有する薄くかつ平坦な半
    導体ウェーハを研磨する方法にして、ａ．研磨プラテン
    の外周端縁を横断しかつ該外周端縁の上方を動き得るよ
    うに取り付けられた回転可能な研磨ヘッド内にウェーハ
    を保持する段階と、ｂ．研磨スラリー内のウェーハの一
    面を研磨プラテンを横断して回転させる段階と、ｃ．ウ
    ェーハの一部分を研磨プラテンの外周端縁を横断してオ
    ーバーハングさせ、ウェーハの一面を露出させる段階と
    、ｄ．水柱内に収容されかつウェーハ表面上のパターン
    無し金型にて方向決めされた検出レーザビームを有する
    レーザ検出手段を利用して、ウェーハの酸化物被覆の厚
    さを検出する段階とを備えることを特徴とする方法。
  7. 【請求項７】　　請求項６に記載の方法にして、研磨プ
    ラテンを研磨ヘッドと同一方向に回転させる段階を更に
    備えることを特徴とする方法。
  8. 【請求項８】　　請求項６に記載の方法にして、研磨ヘ
    ッドを研磨プラテンの外周端縁を横断して動かし、回転
    するウェーハの異なる部分間の速度差を補正する段階を
    更に備えることを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】　　請求項８に記載の方法にして、ウェー
    ハ、研磨ヘッド及び研磨プラテンの各々が略円形の形状
    であることを特徴とする方法。
  10. 【請求項１０】　　請求項８に記載の方法にして、パタ
    ーン無し金型がその上に酸化物被覆を有する金属膜を備
    えることを特徴とする方法。
  11. 【請求項１１】　　酸化物被覆を有する薄くかつ平坦な
    略円形の半導体ウェーハを研磨しかつ酸化物被覆の厚さ
    を検出する方法にして、ａ．半導体ウェーハを回転可能
    な研磨ヘッド内に保持する段階と、ｂ．研磨スラリー内
    の研磨ヘッドからの圧力によって半導体ウェーハを回転
    する研磨プラテンの上方にて回転させる段階と、ｃ．半
    導体ウェーハの一面の一部分を研磨プラテンの上方にて
    オーバーハングさせ、表面を露出させて半導体ウェーハ
    上の酸化物の終点を検出する段階と、ｄ．ウェーハ上の
    パターン無し金型にて液柱内に収容されたレーザビーム
    を方向決めし、レーザ干渉を利用してウェーハ上の酸化
    被覆物の厚さを検出する段階と、ｅ．ウェーハを研磨プ
    ラテンの外周端縁を横断して動かし、ウェーハをオーバ
    ーハングさせかつ略円形のウェーハの異なる部分間の速
    度差を補正する段階とを更に備えることを特徴とする方
    法。
  12. 【請求項１２】　　請求項１１に記載の方法にして、半
    導体ウェーハがケイ素化合物の表面を有するシリコンに
    て形成され、パターン無し金型が酸化物被覆を有するタ
    ングステン膜を備えることを特徴とする方法。
  13. 【請求項１３】　　薄くかつ平坦なウェーハを物理的に
    平面化する装置にして、ａ．研磨プラテン及び研磨性ス
    ラリーを含む研磨手段と、ｂ．ウェーハを保持すると共
    に、制御された圧力下、研磨プラテンを横断しかつ研磨
    プラテンの外周端縁を経てウェーハを回転させかつ動か
    し得るよう取り付けられた研磨ヘッドと、ｃ．液柱内に
    収容されたレーザビームを有し、ウェーハの露出面の終
    点を検出するレーザ干渉手段を含む終点検出手段とを備
    えることを特徴とする装置。
  14. 【請求項１４】　　請求項１３に記載の装置にして、研
    磨プラテンが前記研磨ヘッドと同一方向に回転されるこ
    とを特徴とする装置。
  15. 【請求項１５】　　請求項１４項に記載の装置にして、
    レーザ干渉測定装置が、レーザ光ビームと、光戻り導管
    と、ウェーハの露出面にて液体を方向決めし得るよう配
    置され、レーザ光ビームを囲繞し、ウェーハ表面を清浄
    にすると共に、レーザ光ビームに対する均一な基準媒体
    を提供する液体導管とを備えることを特徴とする装置。
  16. 【請求項１６】　　請求項１５に記載の装置にして、レ
    ーザ光ビームがウェーハ上のパターン無し金型にて方向
    決めされることを特徴とする装置。
  17. 【請求項１７】　　請求項１６に記載の装置にして、パ
    ターン無し金型がその上に形成された酸化物被覆を有す
    る金属膜を備えることを特徴とする装置。
  18. 【請求項１８】　　請求項１７に記載の装置にして、前
    記金属膜がタングステンであり、前記酸化物膜がケイ素
    化合物であることを特徴とする装置。
  19. 【請求項１９】　　薄くかつ平坦な半導体ウェーハを物
    理的に平面化する装置にして、ａ．回転する略円形の研
    磨プラテン及び研磨性スラリーを含む研磨手段と、ｂ．
    半導体ウェーハを保持すると共に、制御された圧力下、
    研磨プラテンの外周端縁を横断しウェーハを回転させか
    つ動かし、ウェーハの表面を露出させ得るように取り付
    けられた研磨ヘッドと、ｃ．ウェーハ表面のパターン無
    し金型にて方向決めされたレーザ光ビームを有するレー
    ザ干渉測定装置と、制御装置と、光戻り導管と、レーザ
    光ビームの周囲にあり、ウェーハ表面にて液体を方向決
    めして表面を清浄にすると共に、レーザ光ビームに対す
    る基準媒体を提供する液体導管とを含むレーザ干渉測定
    装置を有する終点検出手段とを備えることを特徴とする
    装置。
  20. 【請求項２０】　　請求項１９に記載の装置にして、前
    記パターン無し金型が酸化物にて被覆された金属膜を備
    えることを特徴とする装置。
  21. 【請求項２１】　　請求項１９に記載の装置にして、前
    記研磨プラテンが研磨ヘッドと同一方向に回転されるこ
    とを特徴とする装置。
  22. 【請求項２２】　　請求項２１に記載の装置にして、レ
    ーザ光ビームを囲繞する前記液体が水であることを特徴
    とする装置。
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