JPH08162430A - 半導体装置の製造方法及び研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】本発明は研磨装置のウエハ支持部のトップリン
グの外周に、ウエハの外周に沿って補完物を設ける。こ
の補完物の働きによりウエハ表面に形成された層間絶縁
膜の平坦化や素子分離層の平坦化を行うことにより、信
頼性の高い平坦化工程を行う。 【効果】本発明によれば、研磨速度がウエハ面内で均一
となる。またウエハの被研磨面で生じる残膜量の不均一
を防ぐことができる。このため信頼性高く半導体装置の
製造工程中の平坦化工程を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造方法及
び研磨装置、特に半導体基板を研磨により平坦化する研
磨工程を有する半導体装置の製造方法及び研磨装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年半導体素子の微細化や素子上に形成
される配線層の多層化、半導体基板の大口径化が進んで
いる。これに伴い半導体基板表面を平坦化し、微細化や
配線の多層化を促進する技術として、高度な平坦化技術
が要求されている。この平坦化技術の中でＣＭＰ（Chem
ical and Mechanical Polishing ）法はその効果やコス
トの面で有効な技術として研磨装置や研磨方法、研磨液
等の開発が進められている。ＣＭＰ法は、研磨液に化学
的に被研磨材（ウエハ等）をエッチングする能力を持た
せて化学的に研磨を行うと同時に、研磨液に含まれる微
細な粒子により機械的に被研磨材を研磨する方法であ
る。

【０００３】続いてＣＭＰ法に用いられる研磨装置の構
造について、図５を参照して説明する。研磨装置はウエ
ハ１０１を研磨する研磨台１０２と、ウエハ１０１を固
定するトップリング１０４を有するウエハ保持部１０
３、及び研磨液を供給する部分を有し、研磨台の表面上
にはウエハ１０１を研磨する貼られる研磨布１０６を有
している。研磨液を供給する部分はスラリーノズル１０
７と純水ノズル１０８を有している。またウエハ保持部
１０３はトップリング１０４に設けられた吸着孔１０９
よりウエハ１０１を吸引することにより、ウエハ１０１
をトップリング１０４に固定してウエハ１０１の搬送を
行う。また装置によってはトップリング１０４の側面に
はウエハ１０１の外周を取り囲むようにガイドリング１
０５を有しているものもある。

【０００４】上記装置を用いたウエハの平坦化工程は、
ウエハ保持部１０３と研磨台１０２がともに回転し、ト
ップリング１０４に吸着孔１０９によって吸引され固定
されたウエハ１０１が下降し、ウエハ表面を研磨布１０
６に接触させた後、ウエハ保持部により加圧することに
より行われる。この工程では化学的研磨のエッチング量
と、機械的研磨の加圧のバランスを最適化することが重
要である。

【０００５】例えばウエハに形成された半導体素子の配
線層を覆って形成された層間絶縁膜の平坦化や素子分離
層の平坦化においては、ウエハ表面上の絶縁膜や配線層
の残膜差が同一ウエハ面内で一般に下地の層間絶縁膜や
配線層の段差であることが望まれる。しかしながら従来
の研磨装置や研磨方法によるウエハの層間絶縁膜の平坦
化工程においては、上記の数値を達成するのは容易では
ない。これは従来の研磨方法や研磨装置に以下のような
問題点が存在するためである。

【０００６】すなわちウエハ支持部のトップリング表面
に設けた吸着孔によりウエハを吸着し、ウエハをトップ
リング表面に固定したままで研磨を行った場合、この吸
着孔に対応する部分のウエハの被研磨面で研磨台との間
の加圧力が変化し、ウエハの被研磨面において吸着孔に
対応した部分とその他のウエハ周囲の部分とで研磨量が
異なり、残膜量に差が生じる。

【０００７】この問題の対策としてウエハのトップリン
グ表面への吸着を行わずに研磨を行う方法もあるが、こ
の方法ではトップリングとウエハとの間に滑りが生じ、
トップリングの回転速度や回転数を制御してもウエハ自
体の回転速度や回転数を制御することが困難となり、正
確な研磨を行うことが困難となる。この場合仮に残膜量
が同一ウエハ面内で所望の値となったとしても、各ウエ
ハ毎ではその残膜量にばらつきが生じる可能性が高い。

【０００８】また上記のようにウエハをガイドリング部
に吸着するしないに関わらず、ウエハはオリエンテーシ
ョンフラット面（以下、オリフラ面と称する。）または
ノッチ部分を有しているため、オリフラ面やノッチ部付
近のウエハの被研磨面では、その他の面に比べ研磨液の
流れにむらが生じたり、ウエハにかかるウエハ支持部の
加圧力が不均一となるため、オリフラ面付近の被研磨面
で残膜量の差が生じることとなる。

【０００９】上記のように同一ウエハ面内で残膜量に差
が生じてしまうことによって、例えば層間絶縁膜の平坦
化では層間絶縁膜が研磨されすぎ、この層間絶縁膜の上
下に形成される配線層間で十分な耐圧を確保できなかっ
たり、素子分離層の平坦化ではウエハ上の多結晶シリコ
ン膜が研磨されすぎ、後の工程でウエハにダメージを与
えてしまうことになる。さらに各ウエハ毎で残膜量に差
が生じてしまうことによって、各ウエハ毎での特性の均
一化を図ることが困難となる。さらにこれら問題点は、
今後ウエハの大口径化に伴い更に顕著となることは必至
であり、上記問題点の早急な解決が望まれている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前述のように従来の研
磨装置や研磨方法においては、ウエハ支持部のトップリ
ング表面に設けた吸着孔によりウエハを吸着し、ウエハ
をトップリング表面に固定して研磨を行った場合、この
吸着孔に対応するウエハの表面で研磨台との間の加圧力
が変化し、同一ウエハ面内において残膜量に差が生じる
という問題点や、ウエハのトップドリングへの吸着を行
わずに研磨を行った場合でも、トップリングとウエハと
の間に滑りが生じ、ウエハ自体の回転速度を制御するこ
とは困難となる問題点が生じる。さらにウエハをトップ
リングに吸着するしないに関わらず、ウエハはオリフラ
面またはノッチ部を有しているため、オリフラ面やノッ
チ部付近で、その他の面に比べ研磨液が残留したりウエ
ハにかかるウエハ支持部の加圧力が不均一となるため残
膜量に差が生じるという問題点がある。

【００１１】この結果層間絶縁膜の平坦化工程において
は、層間絶縁膜が研磨されすぎる部分が生じ配線層間で
十分な耐圧を確保できなかったり、素子分離層の平坦化
工程においてはウエハ上の多結晶シリコン膜等が研磨さ
れすぎ、後の工程でウエハにダメージを与えてしまうこ
とがある。よって本発明においては上記の問題点を鑑
み、ＣＭＰ法による層間絶縁膜や配線層の平坦化技術の
改善し、ウエハの平坦化工程を信頼性高く行う研磨工程
を有する半導体装置の製造方法と、これに用いられる研
磨装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、従来用いられていた研磨装置のウエハ支持
部のトップリングの外周に、ウエハの外周に沿ってその
外周が円形となるような補完物を設ける。この補完物の
働きによりトップリングの吸着孔よりウエハを吸着を行
うことなく研磨し、ウエハの回転数や回転速度を正確に
制御できる構造とすると共に、研磨においてオリフラ面
やノッチ部付近に研磨液の流れのむらやウエハにかかる
ウエハ支持部の加圧力を均一となるようにする。また上
記構造の研磨装置を用いてウエハ表面に形成された層間
絶縁膜の平坦化や素子分離層の平坦化を行うことによ
り、信頼性の高い平坦化工程を行う。

【００１３】

【作用】本発明によれば、ウエハに存在するオリフラ面
やノッチ部による特異形状をガイドリングに設けるウエ
ハの外周に沿った、外周が円形の補完物により補完して
研磨を行うため、ウエハをガイドリングに吸着せずに研
磨を行うことができる。このため、吸着孔に対応した部
分でウエハの被研磨面の残膜差が生じるという問題点を
解決することができ、さらにウエハの回転数や回転速度
を正確に制御することができる。またガイドリングに設
ける補完物は、ウエハのオリフラ面やノッチ面等の研磨
において特異点となる部分を補完して、外周が円形の形
状で構成されるので、研磨液の流れのむらやウエハにか
かるウエハ支持部の加圧力を不均一となる等の問題点を
解決することができる。よってウエハ表面上に形成され
た層間絶縁膜や素子分離層等の平坦化工程においては、
ウエハ面内で残膜量を均一とすることができるので、耐
圧の低下、ウエハへのダメージ等を防ぐことができ信頼
性の高い平坦化工程を行うことができる。

【００１４】

【実施例】本発明の研磨装置の第一の実施例について図
面を参照して以下に説明する。まず本発明の研磨装置の
第一の実施例における、トップリングにウエハが載置さ
れた状態での表面図を図１（ａ）に、また垂直方向の断
面図（図１（ａ）における点線で示す部分の断面図）を
図１（ｂ）に示す。ウエハ支持部以外の研磨装置の各部
については、従来と同様の構造であるので説明は省略す
る。

【００１５】本発明の第一の実施例は図１（ａ）、
（ｂ）に示すように、ウエハ支持部のトップリング１１
の外周部分にガイドリング１２を有し、さらにこのガイ
ドリングの１２内壁の一部にウエハ１３がセットされた
状態でウエハのオリフラ面１５を補完する形状の部材
（以下、補完部材と称する。）１４を有している。この
ガイドリング１２の高さは従来のガイドリングと同様に
トップリング１１表面より０．２〜０．７ｍｍ程度であ
り、同様に補完部材１４の高さもトップリング１１表面
より０．２〜０．７ｍｍ程度とする。現状で用いられて
いるウエハの厚さは０．６〜０．７ｍｍ程度であるの
で、補完部材１４やガイドリング１２の高さはこれ以下
であることが望ましい。但し補完部材１４とガイドリン
グ１２の高さを同一とする必要はなく、補完部材１４の
高さはウエハ１３の研磨が終了した時点でのウエハ１３
の厚さ程度が最も望ましい。またガイドリング１２の内
径（半径）はウエハ１３の半径より１〜１．５ｍｍ程度
の余裕を持たせた構造とする。これはウエハ搬送時に容
易にウエハの着脱を行うためであると同時に、ウエハの
横方向に余分な力を与えないためである。

【００１６】また従来よりガイドリングの材質として
は、ＦｅとＮｉの合金であるステンレスの表面にポリ塩
化ビニルをコーティングして形成したものを用いている
が、本発明における補完部材もこれと同様の材質のもの
を用いる。さらにこの他、塩化ビニル、ポリカーボネイ
ト、ポリテトラフルオロエチレン、アクリルや耐熱樹脂
全般の材料について用いることができる。

【００１７】続いて本発明の研磨装置の第二の実施例に
おける、トップリング部分のウエハをセットした状態で
の表面図を図２（ａ）に、また垂直方向の断面図を図２
（ｂ）に示す。本発明の第二の実施例におけるトップリ
ングの構造は、ウエハ支持部２１の外周部分のガイドリ
ング２２の内壁の一部に、ウエハ２３がセットされた状
態でウエハ２３のノッチ部２５を補完する形状の部材
（以下、補完部材と称する。）２４を有している。

【００１８】通常用いられているウエハはウエハの結晶
面を判断するためと、露光やエッチングの際に位置合わ
せを行うためにオリフラ面を有している。しかし近年で
はウエハの形状も多様化し、図２に示すウエハ２３のよ
うにノッチ部２５と呼ばれる窪みを有するウエハが用い
られる場合がある。このノッチ部を有するウエハは主に
ＣＭＰ法を行う際にオリフラ面付近が研磨の特異点とな
るために、これを解決する目的で開発されたウエハであ
る。本発明の第二の実施例においては、このノッチ部を
さらに円形に補完するために図２に示すような構造のウ
エハ支持部を用いる。

【００１９】第二の実施例においても補完部材２４の高
さやガイドリング２２の高さは、第一の実施例と同様に
０．２〜０．７μｍ程度とする。またガイドリング２２
や補完部材２４の材質及びガイドリング２２の内径につ
いても第一の実施例と同様とする。

【００２０】上記第一及び第二の実施例に示した研磨装
置によれば、ガイドリングに設けた補完部材の働きによ
りガイドリングの吸着孔によりウエハを吸着する必要が
なく、またウエハはウエハ支持部に対応した回転数や回
転速度となる。よって吸着孔に対応した部分で、ウエハ
の被研磨面の残膜差が生じるという問題点を解決するこ
とができ、ウエハの回転数や回転速度を正確に制御する
ことができる。さらにウエハのオリフラ面やノッチ部等
の研磨において特異点となる部分を補完して外周が円形
の形状で構成されるので、研磨液の流れのむらやウエハ
にかかるウエハ支持部の加圧力を不均一となる等の問題
点を解決することができる。

【００２１】続いて上記に示した研磨装置を用いて半導
体装置の製造工程において平坦化工程を行う場合の実施
例を図面を参照して説明する。まず半導体装置の製造方
法として配線層上の層間絶縁膜の平坦化工程について示
す。第一の実施例は図３（ａ）に示すように、ウエハ５
１表面上に第一の層間絶縁膜５２を成膜し、次に第一の
層間絶縁膜５２表面上に、６０００オングストロームの
Ａｌ膜を成膜しこれをエッチングによりパターニングし
第一の配線層５３を形成する。

【００２２】続いて図３（ｂ）に示すように、第一の配
線層５３表面上と露出している第一の層間絶縁膜５２表
面上に、第二の絶縁層間膜５４として膜厚１００００オ
ングストロームのシリコン酸化膜を成膜する。この後、
本発明による研磨装置にウエハをセットし、これを動作
させＣＭＰ法により第二の層間層間膜の平坦化を行う。
平坦化工程が終了したウエハでは、トップリングに設
けられた補完物の働きにより働きにより、同一ウエハ面
内において残膜量の差が減少し、ウエハの各部において
共に、図３（ｃ）に示すように第一の配線層５３表面上
に第二の層間絶縁膜５４の膜厚がほぼ一定で残る構造を
得ることができる。

【００２３】続いて図３（ｄ）に示すように、第二の層
間絶縁膜５４表面上にＡｌ膜を成膜し第二の配線層５５
を形成する。第二の層間絶縁膜５４は第一の配線層５３
上に同一ウエハ面上で一定の膜厚で形成されているた
め、第一及び第二の配線層５３、５５間の所望の耐圧は
保たれる。従来の研磨装置による平坦化工程において
は、同一ウエハ面内において層間絶縁膜が研磨されす
ぎ、下層の配線層が露出してしまったり、部分的に層間
絶縁膜の膜厚が薄くなってしまう場合があった。そして
この層間絶縁膜の膜厚の薄さによって下層と上層の配線
層間の耐圧が十分に確保できない場合があった。しかし
ながら本発明による研磨装置及び製造方法によれば、こ
の問題点を解決することができる。

【００２４】次に製造方法の第二の実施例として半導体
装置の製造工程における、埋め込み素子分離層の平坦化
工程においてＣＭＰ法を適用する場合について図４を参
照して説明する。

【００２５】まず図４（ａ）に示すように、ウエハ６１
表面上に膜厚５００オングストロームの酸化膜６２を介
して、ＣＭＰ法のストッパー膜として膜厚２０００オン
グストロームの多結晶シリコン膜６３を成膜し、素子分
離層の形成予定領域上の多結晶シリコン膜６３、酸化膜
６２、ウエハ６１をエッチングし、深さ６０００オング
ストローム程度のトレンチ６４を形成する。

【００２６】続いて図４（ｂ）に示すように、埋め込み
材として膜厚１００００オングストロームの酸化膜６５
をトレンチ内及び多結晶シリコン膜６３表面上に成膜す
る。この後、本発明による研磨装置にウエハ６１をセッ
トし、これを動作させ酸化膜６５の平坦化を行う。

【００２７】平坦化工程が終了したウエハでは、トップ
リングに設けられた補完物の働きにより、同一ウエハ面
内において残膜量の差が減少し、ウエハの各部において
共に、図４（ｃ）に示すように酸化膜６２表面上に多結
晶シリコン膜６３が膜厚がほぼ一定で残る構造を得るこ
とができる。

【００２８】続いて図４（ｄ）に示すように、多結晶シ
リコン膜６３と酸化膜６２をエッチングにより除去し、
ウエハ６１の所定の領域に不純物を注入し不純物領域６
６を形成する。従来の研磨装置による平坦化工程におい
ては、同一ウエハ面内において酸化膜が研磨されすぎ、
多結晶シリコン膜が露出してしまったり、ウエハ表面ま
で研磨してしまう場合があった。そして多結晶シリコン
膜やウエハが露出してしまうことによって、後のエッチ
ング工程などでウエハまでがエッチングされる場合が生
じ、ウエハに転位等のダメージを与えてしまう場合があ
った。そしてこのウエハに生じる転位は、ジャンクショ
ンリーク電流を生じさせる原因となっていた。しかしな
がら本発明による研磨装置及び製造方法によれば、この
問題点を解決することができる。

【００２９】以上のように層間絶縁膜の平坦化工程にお
いて、本発明による研磨装置及び製造方法を用いること
で、層間絶縁膜が研磨されすぎたことによって生じる配
線層間の耐圧の低下や、ウエハへのダメージを与えるこ
とを防ぐことができ、信頼性高く平坦化工程を行うこと
ができる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、ウエハに存在するオリ
フラ面やノッチ部による特異形状をガイドリングに設け
るウエハの外周に沿った補完物により円形に補完し研磨
を行うため、研磨速度がウエハ面内で均一となる。また
研磨中にガイドリングにウエハを吸着する必要がなくな
るため、吸着孔に対応したウエハの被研磨面で生じる残
膜量の不均一を防ぐことができる。これにより例えば層
間絶縁膜の平坦化工程においては層間絶縁膜の残膜量の
不均一を防ぐことができ、十分な絶縁性を確保すること
ができる。また例えば埋め込み素子分離層の平坦化工程
においては、ウエハや多結晶シリコン膜が研磨されるこ
とがなくウエハにダメージを与えることを防ぐことがで
き、信頼性高く半導体装置の製造工程中の平坦化工程を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例による研磨装置の表面図
及び断面図。

【図２】本発明の第二の実施例による研磨装置の表面図
及び断面図。

【図３】本発明の製造方法の第一の実施例を説明する断
面図。

【図４】本発明の製造方法の第二の実施例を説明する断
面図。

【図５】従来の研磨装置の構造を示す外観図。

【符号の説明】

１１、２１ トップリング １２、２２ ガイドリング １３、２３、５１、６１、１０１ ウエハ １４、２４ 補完部材 １５ オリフラ面 ２５ ノッチ部 ５２ 第一の層間絶縁膜 ５３ 第一の配線層 ５４ 第二の絶縁層間膜 ５５ 第二の配線層 ６２、６５ 酸化膜 ６３ 多結晶シリコン膜 ６４ トレンチ ６６ 不純物領域 １０２ 研磨台 １０３ ウエハ保持部 １０４ トップリング １０５ ガイドリング １０６ 研磨布 １０７ スラリーノズル １０８ 純水ノズル １０９ 吸着孔

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に所定膜が形成された半導体基板を
   用意する工程と、前記半導体基板を研磨装置の基板保持
   部により保持させ前記所定膜を前記研磨装置の研磨部に
   対向させる工程と、前記研磨部により前記所定膜を研磨
   する工程とを有する半導体装置の製造方法において、 前記半導体基板を前記基板保持部に設けられた前記半導
   体基板の外周に沿った補完物により補完して前記所定膜
   を研磨する工程を有することを特徴とする半導体装置の
   製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体装置の製造方法に
   おいて、 前記半導体基板は前記基板保持部の回転に対応して回転
   することを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の半導体装置の製
   造方法において、 前記所定膜を研磨する工程は、研磨液による化学的研磨
   と前記研磨液と研磨台とによる機械的研磨とにより行わ
   れることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 半導体基板を保持する基板保持部と、前
   記半導体基板表面を研磨する研磨布と、前記基板保持部
   と前記研磨布とを相対的に回転摺動させる回転機構とを
   有する研磨装置において、 前記基板保持部は前記半導体基板の外周に沿って補完す
   る外周が円形の補完物を有することを特徴とする研磨装
   置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の研磨装置において、 前記補完物は前記半導体基板の円弧面に沿ったガイドリ
   ングと、前記半導体基板のオリエンテーションフラット
   面またはノッチ部に沿って前記ガイドリングと連続して
   前記補完物の外周が円形となる補完部とを有することを
   特徴とする研磨装置。
6. 【請求項６】 請求項４または５記載の研磨装置におい
   て、 前記半導体基板を前記基板保持部の回転に対応して回転
   するよう前記補完物により補完することを特徴とする研
   磨装置。
7. 【請求項７】 表面に所定膜が形成された半導体基板を
   用意する工程と、前記半導体基板を研磨装置の基板保持
   部の吸着孔により吸着することにより保持し前記所定膜
   を前記研磨装置の研磨部に接しさせる工程と、前記基板
   保持部と前記研磨部とを回転摺動させ前記所定膜を研磨
   する工程とを有する半導体装置の製造方法において、 前記所定膜を研磨する工程は、前記基板保持部に設けら
   れた前記半導体基板の外周に沿って補完する外周が円形
   の補完物により、前記半導体基板を前記基板保持部の回
   転に対応させて行われることを特徴とする半導体装置の
   製造方法。