JPH10553A - 化学的・機械的な研磨方法及びその装置並びに半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の課題は、半導体装置の高信頼化及び高
集積化を図ることができるようにした半導体装置の化学
的・機械的な研磨加工方法及びその装置並びに製造方法
を提供することにある。 【解決手段】本発明は、インプロセスで被加工物の外周
の研磨パッドを加圧して研磨圧力分布を改善し、また研
磨パッドを目たてて被加工物（層間絶縁膜など）の厚さ
を外周部まで一定にする化学的・機械的な研磨加工であ
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、半導体集積回路等
を有する半導体基板を製造するための基板上に形成され
る絶縁膜、金属膜等の表面を平坦に化学的・機械的な研
磨加工をする研磨加工方法及びその装置並びに半導体集
積回路等を有する半導体基板を製造する半導体基板の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】基板の外周部を平坦に研磨する化学的・
機械的な研磨加工をするＣＭＰ（Chemical Mechanical
Polishing）技術について、米国特許第4954142号の明細
書及び図面において知られている。この従来技術は、研
磨定盤上に支持され、研磨剤を塗布した研磨パッドに上
記電子部品の表面を押しつける際に、基板の外周部に設
置するリングを研磨パッドに押し付けて化学的・機械的
な研磨加工をするＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish
ing）である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術（ＣＭ
Ｐ）では、化学的・機械的な研磨加工中にリングが研磨
パッドを押し付けることによる、研磨パッドの摩滅に伴
う研磨能率の被加工物の表面内での変動に対する配慮が
なされていないため、被加工物上の表面内の絶縁膜等の
研磨量の分布を制御できず絶縁膜などの厚さを均一にで
きないという課題を有していた。

【０００４】また、被加工物とリングとの隙間での研磨
パッドの変形に対する配慮がなされていないため、被加
工物の外周部の研磨量の分布を制御できず絶縁膜などの
厚さを均一にできないという課題を有していた。

【０００５】また、化学的・機械的な研磨加工中にリン
グが研磨パッドを押し付けることによる、被加工物の表
面内での研磨圧力変動に対する配慮がなされていないた
め、被加工物上の表面内の絶縁膜等の研磨量の分布を制
御できず絶縁膜などの厚さを均一にできないという課題
を有していた。

【０００６】本発明の目的は、上記課題を解決すべく、
基板上に形成された絶縁膜の厚さを均一に研磨加工でき
るようにした化学的・機械的な研磨加工方法及びその装
置を提供することにある。

【０００７】また本発明の目的は、半導体基板上におけ
る層間絶縁膜の表面に微小凹凸がなく、しかも大きな段
差を有しない平坦な化学的・機械的な研磨加工を施して
その上にたとえば０．２５μm以下の極微細配線を形成
できるようにした化学的・機械的な研磨加工方法及びそ
の装置を提供することにある。

【０００８】また本発明の目的は、配線幅が、たとえば
０．２５μm以下の極微細配線を有する多層配線を形成
した半導体基板を簡略化して製造するようにした半導体
基板の製造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、基板の外周部分の研磨圧力を制御して上
記基板面に対して化学的・機械的な研磨加工を行うこと
を特徴とする化学的・機械的な研磨加工方法である。

【００１０】また、本発明は、基板の外周部分に隣接し
て設けた砥石を研磨パッドに押し付ける圧力を制御して
基板の外周部分の研磨圧力を制御して上記基板面に対し
て化学的・機械的な研磨加工を行うことを特徴とする化
学的・機械的な研磨加工方法である。

【００１１】また、本発明は、基板の外周部分に隣接し
て設けられ樹脂または弾性体等の縦弾性係数が基板より
小さい材料で構成されたリングを研磨パッドに押し付け
る圧力を制御して基板の外周部分の研磨圧力を制御し、
上記リングの外周に設置した砥石を研磨パッドに押し付
けて上記基板面に対して化学的・機械的な研磨加工を行
うことを特徴とする化学的・機械的な研磨加工方法であ
る。

【００１２】また、本発明は、基板の外周部分に隣接し
て設けた砥石を研磨パッドに押し付けて研磨パッドを目
立てて上記基板面に対して化学的・機械的な研磨加工を
行うことを特徴とする化学的・機械的な研磨加工方法で
ある。

【００１３】また、本発明は、基板の外周部分に隣接し
て設けた砥石及びリングに加える圧力を研磨圧力と独立
して設定して化学的・機械的な研磨加工を行うことを特
徴とする化学的・機械的な研磨加工方法である。

【００１４】以上説明したように、本発明によれば、た
とえば半導体装置における層間絶縁膜の厚さを均一にで
きるので、半導体装置の高信頼化と高集積化を実現する
ことができる。即ち、半導体集積回路は多層配線層を形
成するため、下層配線と上層配線の間に層間絶縁膜が存
在し、この層間絶縁膜の表面を、たとえば研磨量ばらつ
きを±３％以下の精度でしかも微小凹凸を０．１μm以
下を実現することができ、その結果層間絶縁膜の上に均
一な厚さの配線膜を形成でき、しかも露光における焦点
マージンが拡大して容易に配線幅が０．２５μm以下の
配線を形成することができる。

【００１５】また本発明によれば、層間絶縁膜に形成さ
れたコンタクトホールにタングステン等の導電体をコン
タクトスタッドとして選択ＣＶＤで形成する際、上記層
間絶縁膜上の微小の欠陥を核として成長したタングステ
ン等の導電膜が完全に除去することができ、層間絶縁膜
上に高信頼度を有する配線を形成することができる効果
がある。

【００１６】また本発明によれば、絶縁膜または金属膜
の表面において高い平坦度を得ることができるので、た
とえば露光工程において焦点ずれを防止して精度の高い
解像度の露光を実現し、高集積化を達成することができ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態について図面を
用いて説明する。

【００１８】本発明に係る化学的・機械的な研磨加工装
置の一実施形態を示す全体構成および研磨加工要領を、
図１を参照して説明する。図１は化学的・機械的な研磨
加工装置の概念図である。図１において、半導体基板１
（ウェーハ）は、チャック４に支持されたベース３上に
貼り付けた支持体２に取り付けられている。研磨定盤１
３の上に、平坦化を良くするために酸やアルカリに強く
耐摩耗性に優れた例えば硬質発泡ポリウレタン系の研磨
パッド１４が取り付けられている。研磨パッド１４の上
に、アルカリを含む溶液にＳｉＯ２の砥粒を入れたもの
や、酸を含む溶液にアルミナや酸化セリウムの砥粒を入
れた研磨剤１６が研磨剤供給管１５から供給される。

【００１９】化学的・機械的な研磨加工は、図１に示す
ように研磨機基部２５上に固定されたモータ２８によっ
て回転する研磨パッド１４の上に研磨剤供給管１５から
研磨剤１６を供給しながら、チャック４で支持した被加
工物１を研磨パッド１４に接触させ、さらにモータ２２
によって回転するチャック４に研磨荷重を加えて矢印３
３で示すように研磨定盤１３の半径方向に研磨定盤１３
との間で相対的に往復運動させると、絶縁膜の表面は上
記研磨剤１６に含まれるアルカリ溶液との間で化学反応
が行われながら上記研磨剤１６に含まれるＳｉＯ２等の
砥粒によって機械的な研磨が行われて化学的・機械的な
研磨加工が進行し、段差が０．１μm以下に平坦化され
た、絶縁膜厚さのばらつきが±３％以下の所望の膜厚を
有する層間絶縁膜を得ることができる。

【００２０】なお、金属膜に対する化学的・機械的な研
磨加工の場合には、研磨剤１６としてはアルカリを含む
溶液にＳｉＯ２の砥粒を入れたものや、酸を含む溶液に
アルミナや酸化セリウム等の砥粒を入れたものが用いら
れる。

【００２１】研磨機基部２５に取り付けられた、矢印３
３で示すように研磨定盤１３の半径方向に可動する往復
テーブル３０にベース２９が取り付けられている。該ベ
ース２９には、エアシリンダ２４が取り付けられてお
り、該エアシリンダ２４には、矢印２３で示すように研
磨定盤１３に垂直な方向に駆動可能なエアシリンダ軸２
３が取り付けられている。ベース２９にはエアシリンダ
２７が取り付けられており、矢印３２に示すように研磨
定盤１３の半径方向に可動し、対向する位置に設置した
ストッパ２６と共にベース２３を固定可能なストッパ２
６が取り付けられている。エアシリンダ軸２３に取り付
けられたチャック回転用モータ及び減速機２２には研磨
定盤１３と垂直な方向に回転可能なチャック回転軸２１
が取り付けられている。該チャック回転軸２１にはチャ
ック４が取り付けられている。チャック４に設けられた
窪みＡ５には袋Ａ６が設置されており、該袋Ａ６には剛
体３が取り付けられている。該剛体３には支持体２が貼
り付けられており、該支持体２には半導体基板１が支持
されている。スリップリング２０から気体を導入し気体
供給通路１７を介して袋Ａ６に供給される。また、チャ
ック４の窪みＡ５の外周に設けられた窪みＢ７には袋Ｂ
８が設置されており、該袋Ｂ８にはリング１１が取り付
けられている。スリップリング２０から気体を導入し気
体供給通路１８を介して袋Ｂ８に供給される。また、窪
み７の外周に設けられた窪みＣ９には袋Ｃ１０が設置さ
れており、該袋Ｃ１０には砥石１２が取り付けられてい
る。スリップリング２０から気体を導入し気体供給通路
１９を介して袋Ｃ１０に供給される。半導体基板１を支
持体２に取り付け、エアシリンダ軸２３を定盤１３の方
向に駆動し半導体基板１が研磨パッド１４に接した時点
でエアシリンダ軸２３の駆動を停止しストッパ２６をエ
アシリンダ２３の方向に駆動してエアシリンダ２３を固
定する。そして、袋Ａ６に気体を供給して半導体基板１
に研磨圧力を与える。また、袋Ｂに気体を供給してリン
グ１１によって研磨パッド１４を押圧する。また、袋Ｃ
に気体を供給して砥石１２によって研磨パッド１４を押
圧する。

【００２２】次に、チャック４によるウェーハ外周部の
研磨圧力分布制御と、ドレッシングについて図２を用い
て説明する。図２は、チャック４の外周部分の断面拡大
図である。チャック４において、１２Ａは砥石台、１２
Ｂは砥石台１２Ａに支持された砥石、１２Ｃは砥石１２
Ｂの表面に固定されている砥粒である。圧力ＰＡが剛体
３に加えられると、半導体基板１と研磨パッド１４との
間に生じる研磨圧力はＰＡとなる。圧力ＰＢがリング１
１に加えられると、リング１１と研磨パッド１４との間
に生じる圧力はＰｒとなる。圧力ＰＣがリング砥石台１
２Ａに加えられると、砥粒１２Ｃと研磨パッド１４との
間に生じる圧力はＰｄとなる。リング１１を圧力Ｐｒで
研磨パッド１４を押圧することにより、半導体基板１の
外周部の研磨パッド１４を定盤１３の方向に変形させる
ことになる。そして研磨パッドの１４の変形量を適切に
することにより、半導体基板１の外周部の研磨圧力を変
化させることができる。また、砥粒１２Ｃを圧力Ｐｄで
研磨パッド１４に押圧することにより、砥粒１２Ｃが研
磨パッド１４に切り込み、研磨パッド１４の表面が目立
てられることになる。

【００２３】図３は、研磨定盤１３上のチャック４の配
置図である。（ａ）は本発明のチャック４の配置図であ
る。（ｂ）は本発明を用いない場合のチャック４と砥石
の配置図を示す。本発明では、チャック４が周囲に砥石
１２を有しているため、目立て用のチャックを設置する
必要がなく、研磨パッド１４上に多くのチャック４を設
置することができ、一度に多くの半導体基板を研磨する
ことができる。しかし、本発明を用いない場合には砥石
を有する目立て用のチャックを研磨パッド１４上に設置
する必要があるため、本発明を用いた場合よりも研磨用
のチャックが１つ少なくなり、スループットが低下す
る。

【００２４】また、本発明に係る化学的・機械的な研磨
加工装置の他の一実施形態を示す全体構成および研磨加
工要領を、図４を参照して説明する。図４は化学的・機
械的な研磨加工装置の概念図である。図４において、半
導体基板１（ウエハ）は、チャック４に支持されたベー
ス３上に貼り付けた支持体２に取り付けられている。研
磨定盤１３の上に、平坦化を良くするために酸やアルカ
リに強く耐磨耗性に優れた例えば硬質発泡ポリウレタン
系の研磨パッド１４が取り付けられている。研磨パッド
１４の上に、アルカリを含む溶液にＳｉＯ２の砥粒を入
れたコロイダルシリカや、酸を含む溶液にアルミナや酸
化セリウムの砥粒を入れた研磨剤１６が研磨剤供給管１
５から供給される。

【００２５】化学的・機械的な研磨加工は、図４に示す
ように回転する研磨パッド１４の上に研磨剤供給管１５
から研磨剤１６を供給しながら、チャック４で支持した
被加工物１を研磨パッド１４に接触させ、さらに回転す
るチャック４に研磨荷重を加えて研磨定盤１３の半径方
向に研磨定盤１３との間で相対的に往復運動させると、
絶縁膜の表面は上記研磨剤１６に含まれるアルカリ溶液
との間で化学反応が行われながら上記研磨剤１６に含ま
れるＳｉＯ２等の砥粒によって機械的な研磨が行われて
化学的・機械的な研磨加工が進行し、段差が０．１μm
以下に平坦化された、絶縁膜厚さのばらつきが±３％以
下の所望の膜厚を有する層間絶縁膜を得ることができ
る。

【００２６】なお、金属膜に対する化学的・機械的な研
磨加工の場合には、研磨剤１６としてはアルカリを含む
溶液にＳｉＯ２の砥粒を入れたコロイダルシリカや、酸
を含む溶液にアルミナや酸化セリウム等の砥粒を入れた
ものが用いられる。

【００２７】回転可能なチャック４に設けられた窪みＡ
５には袋Ａ６が設置されており、該袋Ａ６には剛体３が
取り付けられている。該剛体３には支持体２が貼り付け
られており、該支持体２には半導体基板１が支持されて
いる。気体供給通路１７を介して袋Ａ６に気体が供給さ
れる。また、チャック４の窪みＡ５の外周に設けられた
窪みＤ３５には袋Ｄ３６が設置されており、該袋Ｄ３６
には砥石３７が取り付けられている。気体供給通路１４
を介して袋Ｄ３６に気体が供給される。半導体基板１を
支持体２に取り付け、袋Ａ６に気体を供給して半導体基
板１に研磨圧力を与える。また、袋Ｄ３６に気体を供給
して砥石３７によって研磨パッド１４を押圧すると同時
に研磨パッド１４の表面を目立てる。

【００２８】次に、チャック４によるウェーハ外周部の
研磨圧力分布制御と、ドレッシングについて図５を用い
て説明する。図２は、チャック４の外周部分の断面拡大
図である。チャック４において、３７Ａはベース、３７
Ｂは砥石台、３７Ｃは半導体基板１が研磨中にチャック
４から飛び出すことを防止するリング、３８は砥石台３
７Ｂの位置を調節するためのスペーサ、３９は砥石台３
７Ｂをベース３７Ａに固定するためのネジ、４０は砥石
台３７Ｂに固定された砥石、４１は砥石４０の表面に固
定されている砥粒である。圧力ＰＡが剛体３に加えられ
ると、半導体基板１と研磨パッド１４との間に生じる研
磨圧力はＰＡとなる。圧力ＰＤがリング１１に加えられ
ると、リング１１と研磨パッド１４との間に生じる圧力
はＰｒとなる。圧力ＰＣがリング砥石台１２Ａに加えら
れると、砥粒１２Ｃと研磨パッド１４との間に生じる圧
力はＰｄとなる。リング１１を圧力Ｐｒで研磨パッド１
４を押圧することにより、半導体基板１の外周部の研磨
パッド１４を定盤１３の方向に変形させることになる。
そして研磨パッドの１４の変形量を適切にすることによ
り、半導体基板１の外周部の研磨圧力を変化させること
ができる。また、砥粒１２Ｃを圧力Ｐｄで研磨パッド１
４に押圧することにより、砥粒１２Ｃが研磨パッド１４
に切り込み、研磨パッド１４の表面が目立てられること
になる。この場合、スペーサ３８の厚さｔを大きくする
と砥粒４１の突き出し量ｈが増加し、砥粒４１が研磨パ
ッド１４の表面を目立てる深さが増加する。

【００２９】次に本発明に係る化学的・機械的な研磨加
工を半導体基板上に形成されたプラズマＴＥＯＳ膜
（１．５μm堆積）からなる層間絶縁膜に適用した場合
について説明する。

【００３０】はじめに、図１に示す装置を用いた場合に
ついて説明する。主な化学的・機械的な研磨条件は、研
磨圧力３５kＰａ、半導体基板と研磨パッドの平均相対
速度：１９ｍ／ｍｉｎ、研磨剤１６：アルカリ溶液から
なるコロイダルシリカ（粒径約３０ｎｍ）、研磨パッド
１４：硬質発泡ポリウレタン系（硬度約６０度）厚さ約
１ｍｍ、半導体基板の支持体２には、ベース３の表面に
形成した厚さ約０．５ｍｍのスウェードタイプの弾性体
を用いた。砥粒１２Ｃには粒径約２５０μmのダイヤモ
ンド砥粒を用い、目立ての圧力Ｐｄは約７ｋＰａとし
た。

【００３１】リングの内径とウェーハの外径の差が小さ
いことが望ましいが、リングの内径とウェーハの外径の
差が０.１ｍｍの場合にはリングの内径とウェーハの外
径の公差のため、研磨中にリングに拘束されてウェーハ
が変形し、研磨量ばらつきが大きくなった。また、リン
グの内径とウェーハの外径の差が１ｍｍ以上の場合には
ウェーハがチャックの一方に偏り、偏荷重がかかるた
め、研磨量ばらつきが大きくなった。そこで、リングの
内径とウェーハの外径の差は０.１ｍｍないし１ｍｍが
適当である。本実施例ではリングの内径とウェーハの外
径の差を０.５ｍｍとした。

【００３２】また、リングで研磨パッドを加圧すると、
研磨パッドが変形してウェーハ外周部の研磨圧力のばら
つきを低減する効果があるため、リングの圧力Ｐｒがよ
り大きいことが望ましいが、リングの圧力Ｐｒが大きい
ほど研磨パッドの磨滅も大きくなる。そこで、本実施例
ではリング圧力Ｐｒを研磨圧力の２倍の７０ｋＰａとし
た。

【００３３】図６は、層間絶縁膜に対する化学的・機械
的な研磨加工において、本発明に係るウェーハ外周部の
研磨圧力分布を制御し、研磨中にウェーハ外周に設けた
砥石で研磨パッドをドレッシングする場合の実施例と、
ウェーハ外周部での研磨圧力の制御と研磨パッドのドレ
ッシングなしの場合の比較例とを研磨後の絶縁膜の外周
部での厚さ分布について比較したものである。

【００３４】図中、（ａ）は、ウェーハ外周部の研磨圧
力分布を制御し、研磨中にウェーハ外周に設けた砥石で
研磨パッドをドレッシングした場合の比較例としての実
験結果を示す。（ａ）は、プラズマＴＥＯＳ膜（１．５
μm堆積）に対して残膜厚さが０．５μmまで化学的・機
械的研磨加工を施したところ、ウェーハ半径が６０ｍｍ
から７３ｍｍまでの範囲で絶縁膜の厚さばらつきが±２
％であったことを示す。また、ウェーハ最外周部におい
て絶縁膜が残っており、基板が露出しないことを示す。

【００３５】図６中、（ｂ）は、ウェーハ外周部での研
磨圧力の制御と研磨パッドのドレッシングなしの場合の
実施例としての実験結果を示す。（ｂ）は、プラズマＴ
ＥＯＳ膜（１．５μm堆積）に対してウェーハ全体での
残膜厚さの平均値が０．４μmまで化学的・機械的研磨
加工を施したところ、ウェーハ半径が６０ｍｍから７０
ｍｍまでの範囲で絶縁膜の厚さばらつきが±６％であ
り、ウェーハ半径が６０ｍｍから７３ｍｍまでの範囲で
絶縁膜の厚さばらつきが±１４％であったことを示す。
また、ウェーハ最外周部半径７４ｍｍから７５ｍｍの範
囲で絶縁膜が残っておらず、基板が露出していることを
示す。

【００３６】図７は、層間絶縁膜に対する化学的・機械
的な研磨加工において、本発明に係るウェーハ外周部の
研磨圧力分布を制御し、研磨中にウェーハ外周に設けた
砥石で研磨パッドをドレッシングする場合の実施例と、
ウェーハ外周部での研磨圧力の制御と研磨パッドのドレ
ッシングなしの場合の比較例とを研磨後の絶縁膜の半径
方向での厚さ分布について比較したものである。

【００３７】図中、（ａ）は、ウェーハ外周部の研磨圧
力分布を制御し、研磨中にウェーハ外周に設けた砥石で
研磨パッドをドレッシングした場合の比較例としての実
験結果を示す。（ａ）は、プラズマＴＥＯＳ膜（１．５
μm堆積）に対して残膜厚さが０．５μmまで化学的・機
械的研磨加工を施したところ、ウェーハ半径が７０ｍｍ
及び７３ｍｍまでの範囲で絶縁膜の厚さばらつきが共に
±３％であったことを示す。また、ウェーハ最外周部に
おいて絶縁膜が残っており、基板が露出しないことを示
す。

【００３８】図７中、（ｂ）は、ウェーハ外周部での研
磨圧力の制御と研磨パッドのドレッシングなしの場合の
実施例としての実験結果を示す。（ｂ）は、プラズマＴ
ＥＯＳ膜（１．５μm堆積）に対して残膜厚さの平均値
が０．４μmまで化学的・機械的研磨加工を施したとこ
ろ、ウェーハ半径が７０ｍｍまでの範囲で絶縁膜の厚さ
ばらつきが±１５％であり、ウェーハ半径が７３ｍｍま
での範囲で絶縁膜の厚さばらつきが±１９％であったこ
とを示す。また、ウェーハ最外周部で絶縁膜が残ってお
らず、基板が露出していることを示す。

【００３９】化学的・機械的な研磨加工は、研磨後の絶
縁膜の研磨量ばらつきによって評価した。評価は光干渉
式の薄膜厚さ計を用いて半導体基板（ウエハ）の外周部
では１６箇所、直径方向では３１箇所の絶縁膜の厚さを
測定した。そして、絶縁膜の厚さの最大値をＴｍａｘ、
最小値をＴｍｉｎ、平均値をＴａｖｅとしたとき、膜厚
ばらつきＶを、次に示す（数１）から算出した。

【００４０】

【数１】

【００４１】これらの各実験結果を示す図７及び図８か
ら分かるように、比較例に比べて本発明のように基板の
外周部の研磨圧力を改善することによって、また、研磨
中に研磨パッドをドレッシングすることによって研磨前
に絶縁膜の表面に存在した１μmの段差を、研磨後に
０．１μm以下にすることができた。この値は、この層
間絶縁膜上に０．２５μm以下の配線幅を有する配線を
形成することを可能にする値である。

【００４２】次に、本発明に係る研磨パッドを加圧して
被加工物の外周の研磨圧力を改善し、研磨パッドのドレ
ッシングを行う化学的・機械的な研磨加工方法を適用し
て、６インチのシリコン基板上に２層のアルミ配線構造
を持つ半導体装置を製造した実施例について、図８を用
いて説明する。

【００４３】すなわち、４２は半導体基板（６インチの
シリコン基板）上に１層目のアルミ配線を形成する工程
である。４３は工程４２で形成された１層目のアルミ配
線上に例えばプラズマＴＥＯＳ膜（層間絶縁膜）をＣＶ
Ｄにより１．５μm程度の厚さに堆積（成膜）する工程
である。４４は工程４３で堆積された例えば１．５μm
厚さのプラズマＴＥＯＳ膜の表面を、前記本発明の実施
の形態で説明した通り、基板の外周部の研磨圧力を改善
して化学的・機械的な研磨加工を行って表面を平坦化す
る工程である。この工程４４で１μm研磨した結果、プ
ラズマＴＥＯＳ膜の厚さ分布を光干渉式の薄膜厚さ測定
器を用いて測定したところ、厚さが０．５μm±０．０
１３μm（膜厚さのばらつきが±２．６％）であること
を確認した。このとき、プラズマＴＥＯＳ膜を堆積した
後にプラズマＴＥＯＳ膜の表面に存在した１μmの段差
について、触針式の段差測定器による測定とウエハの断
面のＳＥＭ観察を行い、段差が１μmから０．１μm以下
に低減されたことを確認した。また、接触式の表面粗さ
計及び原子間力顕微鏡を用いて、研磨したプラズマＴＥ
ＯＳ膜の表面粗さを測定し、プラズマＴＥＯＳ膜の表面
粗さが０．２ないし０．３ｎｍＲｍａｘであることを確
認した。

【００４４】４５は研磨したプラズマＴＥＯＳ膜の表面
に厚さ０．１μmのＳｉＯ２膜をＣＶＤで堆積（成膜）
する工程である。４６は工程４５で堆積したＳｉＯ２膜
に対して下層アルミ配線と電気接続をとるためのコンタ
クトホールをエッチングによって形成する工程である。
４７は工程４６で形成されたコンタクトホールにタング
ステン等からなる導電体のコンタクトビアを形成する工
程である。４８は工程４５で成膜されたＳｉＯ２膜の表
面に幅０．２５μmのアルミ上層配線を形成する工程で
ある。

【００４５】以上説明した工程４２〜４８によって６イ
ンチのシリコン基板上に２層のアルミ配線構造を持つ半
導体装置を製造することができる。このように半導体装
置を製造し、コンタクトビア抵抗及び配線抵抗を測定し
た結果、コンタクト抵抗不良及び配線不良がないことが
分かり、信頼性の高い半導体装置を製造することができ
た。

【００４６】次に本発明に係る研磨パッドを加圧して被
加工物の外周の研磨圧力を改善し、研磨パッドのドレッ
シングを行う化学的・機械的な研磨加工方法を適用し
て、半導体基板上に２層の配線構造を持つ半導体装置を
製造した実施例について、図９を用いて説明する。

【００４７】すなわち、４９は半導体基板上に下層配線
を形成する工程である。５０は工程４９で形成された下
層配線上に例えばプラズマＴＥＯＳ膜をＣＶＤにより
１．５μm程度の厚さに堆積（成膜）する工程である。
５１は工程５０で堆積された例えば１．５μm程度の厚
さのＴＥＯＳ膜（層間絶縁膜）の表面を、前記本発明の
実施の形態で説明した通り、基板の外周部の研磨圧力を
改善して化学的・機械的な研磨加工を行って表面を平坦
化する行程である。この行程５１で１μm研磨加工した
結果、図６ないし図７に示す実施例と同様に、厚さが
０．５μm±０．０１３μm（膜厚さのばらつきが±２．
６％）で膜厚さのばらつきを±３％以下にして、段差
（微小凹凸）を０．１μm以下に低減させて平坦化する
ことができる。プラズマＴＥＯＳ膜の表面粗さを０．２
ないし０．３ｎｍＲｍａｘにすることができる。

【００４８】５２は５１で表面が平坦化され、所望の膜
厚に研磨されたプラズマＴＥＯＳ膜に対して下層配線と
電気的接続をとるためのコンタクトホールをエッチング
によって形成する工程である。５３は工程５２で形成さ
れたコンタクトホールに対して選択ＣＶＤによりタング
ステン等からなる導電体のコンタクトスタッドを形成す
る工程である。５４は工程４４と同様に基板の外周の研
磨圧力を改善し、研磨パッドを目立てて化学的・機械的
な研磨加工を行って表面に成長したタングステン等の金
属膜を除去する工程である。５５はプラズマＴＥＯＳ膜
（層間絶縁膜）の表面に上層配線を形成する工程であ
る。

【００４９】以上説明した工程４９〜５５によって半導
体基板上に多層配線構造を持つ半導体装置を製造するこ
とができる。このように半導体装置を製造し、コンタク
トスタッド抵抗及び配線抵抗を測定した結果、コンタク
ト不良及び配線不良がないことが分かり、信頼性の高い
半導体装置を製造することができる。

【００５０】また、半導体装置の製造プロセスの過程で
形成された絶縁膜は例えば図１０（ａ）のように同心円
状に分布することが多いため、図１０（ｂ）に示すよう
にチップ内のＣＭＰが行われていない絶縁膜の厚さを測
定し厚さの等高線を求めると、等高線の曲率はウェーハ
上の半径ｒを表すため、チップに切断された後でも、チ
ップ内の絶縁膜の厚さ分布を測定すればチップの作られ
た半径位置が分かる。例えば６インチウェーハではチッ
プが半径７０ｍｍよりも外周に作られている場合にも容
易に分かる。

【００５１】また、図４に示す装置を用いた研磨方法で
も上記と同様の研磨条件を用いた。砥粒の突き出し量ｈ
を４０μm以下とした場合には研磨パッドの目立てが十
分に行われなかった。また、ｈを５０μmより大きくし
た場合、絶縁膜表面の段差が十分に低減できなかった。
そこで、本実施例では砥粒の突き出し量ｈを５０μmと
した。その結果、図２に示す装置を用いた研磨方法と同
等の結果を得た。

【００５２】また本発明は、薄膜多層配線基板を製造す
るのに適用することができる。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、化学的・機械的な研磨
加工において、研磨中に基板の外周部の研磨圧力分布を
制御して、絶縁膜や金属膜などの厚さを均一に、しかも
平坦に（例えば、膜厚さのばらつきを±３％以下で、し
かも微小凹凸を０．１μm以下）加工できるため、例え
ば半導体装置の高信頼化及び高集積化を図ることができ
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る化学的・機械的な研磨加工装置の
一実施例の形態を示す概念図である。

【図２】図１に示す基板を支持するチャックの説明図で
ある。

【図３】図１に示す研磨定盤上の被加工物を支持するチ
ャック部の説明図であり、（ａ）は本発明を用いた場合
の研磨方法を説明するための図、（ｂ）は本発明を用い
ない場合の研磨方法を説明するための図である。

【図４】本発明に係る化学的・機械的な研磨加工装置の
他の一実施例の形態を示す概念図である。

【図５】図４に示す基板の外周部分を支持するチャック
の説明図である。

【図６】被加工物の外周部の研磨後の絶縁膜厚さを示す
図であり、（ａ）は本発明を用いた場合の研磨方法によ
る効果を説明するための図、（ｂ）は本発明を用いない
場合の研磨結果を説明するための図である。

【図７】被加工物の研磨後の面内の絶縁膜厚さの分布を
示す図であり、（ａ）は本発明を用いた場合の効果を本
発明の研磨方法による効果を説明するための図、（ｂ）
は本発明を用いない場合の研磨結果を説明するための図
である。

【図８】本発明に係る半導体装置を製造するための一実
施例である工程フローを示す図である。

【図９】本発明に係る半導体装置を製造するための他の
一実施例である工程フローを示す図である。

【図１０】本発明を用いた場合の研磨方法による効果を
説明するための図である。

【符号の説明】

１・・・半導体基板、２・・・支持体、３・・・剛体、
４・・・チャック本体、５・・・窪みＡ、６・・・袋
Ａ、７・・・窪みＢ、８・・・袋Ｂ、９・・・窪みＣ、
１０・・・袋Ｃ、１１・・・リング、１２・・・砥石、
１２Ａ・・・砥石台、１２Ｂ・・・砥石、１２Ｃ・・・
砥粒、１３・・・定盤、１４・・・研磨パッド、１５・
・・研磨剤供給管、１６・・・研磨剤、１７・・・気体
供給通路Ａ、１８・・・気体供給通路Ｂ、１９・・・気
体供給通路Ｃ、２０・・・スリップリング、２１・・・
チャック回転軸、２２・・・チャック回転用モータ及び
減速機、２３・・・エアシリンダ軸、２４・・・エアシ
リンダ、２５・・・研磨機基部、２６・・・ストッパ、
２７・・・エアシリンダ、２８・・・定盤回転モータ及
び減速機、２９・・・ベース、３０・・・往復テーブ
ル、３１・・・ベースの可動方向、３２・・・ストッパ
の可動方向、３３・・・往復テーブルの可動方向、３４
・・・砥石、３５・・・窪みＤ、３６・・・袋Ｄ、３７
・・・砥石、３７Ａ・・・ベース、３７Ｂ・・・砥石
台、３７Ｃ・・・リング、３８・・・スペーサ、３９・
・・ネジ、４０・・・砥石、４１・・・砥粒、４２・・
・下層配線を形成する工程、４３・・・ＴＥＯＳ膜をＣ
ＶＤで成膜する工程、４４・・・化学的・機械的な研磨
によりＴＥＯＳ膜を平坦化する工程、４５・・・コンタ
クトホールをエッチングにより形成する工程、４６・・
・ＴＥＯＳ膜の表面にＳｉＯ２膜を形成する工程、４７
・・・コンタクトビアを形成する工程、４８・・・上層
配線を形成する工程、４９・・・下層配線を形成する工
程、５０・・・層間絶縁膜を形成する工程、５１・・・
化学的・機械的な研磨により層間絶縁膜を平坦化する工
程、５２・・・コンタクトホールをエッチングにより形
成する工程、５３・・・選択ＣＶＤによりコンタクトス
タッドを形成する工程、５４・・・化学的・機械的な研
磨により層間絶縁膜上に成長した金属膜を除去する工
程、５５・・・上層配線を形成する工程

フロントページの続き (72)発明者 小島 弘之 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 漆原 真理子 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板の外周に隣接して設置した砥石を研磨
   パッド面に押圧し、前記基板上の絶縁膜表面に対して化
   学的・機械的な研磨加工を行うことを特徴とする化学的
   ・機械的な研磨加工方法。
2. 【請求項２】樹脂あるいは樹脂を含有する材料で基板と
   の接触部分を被覆した砥石を基板の外周に隣接して設置
   し、該砥石を研磨パッド面に押圧し、前記基板上の絶縁
   膜表面に対して化学的・機械的な研磨加工を行うことを
   特徴とする化学的・機械的な研磨加工方法。
3. 【請求項３】基板の外周に隣接して設置し、基板よりも
   縦弾性係数の小さい樹脂あるいは樹脂を含有する材料で
   構成されたリングを研磨パッド面に押圧し、リングの外
   周に隣接して設置した砥石を研磨パッドに押圧し、前記
   基板上の絶縁膜表面に対して化学的・機械的な研磨加工
   を行うことを特徴とする化学的・機械的な研磨加工方
   法。
4. 【請求項４】基板の外周に隣接して設置し、基板よりも
   縦弾性係数の小さい樹脂あるいは樹脂を含有する材料で
   構成されたリングを研磨パッド面に押圧し、リングの外
   周に隣接して設置した砥石を研磨パッドに押圧し、前記
   基板上の絶縁膜表面に対して化学的・機械的な研磨加工
   を行う場合に上記リングと砥石の研磨パッドへの押圧力
   と研磨圧力とを独立して設定することを特徴とする化学
   的・機械的な研磨加工方法。
5. 【請求項５】基板の外周に隣接して設置した砥石を研磨
   パッド面に押圧し、基板上の金属膜表面に対して化学的
   ・機械的な研磨加工を行うことを特徴とする化学的・機
   械的な研磨加工方法。
6. 【請求項６】基板の外周部における研磨圧力の分布を制
   御できる手段と研磨パッドの表面を目立てる手段を備
   え、上記基板上の絶縁膜表面の研磨量ばらつきを±３％
   以下で、該絶縁膜表面の凹凸を０．１μm以下に化学的
   ・機械的な研磨加工を行うことを特徴とする化学的・機
   械的な研磨加工方法。
7. 【請求項７】研磨定盤の上に固定し、基板を研磨する研
   磨パッドと、 研磨機に固定され、上下動可能な上下可動機構と、 該上下可動機構の先端に、基板を保持する基板保持機構
   と環状の砥石を基板に隣接して設置し該砥石を研磨パッ
   ドに加圧する砥石加圧機構とを有することを特徴とする
   化学的・機械的な研磨加工を行う研磨装置。
8. 【請求項８】請求項７記載の研磨装置において、 基板の加圧機構と砥石の加圧機構とを独立にしたことを
   特徴とする化学的・機械的な研磨加工を行う研磨装置。
9. 【請求項９】下層配線上に層間絶縁膜を形成する層間絶
   縁膜形成工程と、該層間絶縁膜形成工程で形成された層
   間絶縁膜の外周部分の研磨圧力を制御し、研磨パッドの
   表面を目立てて上記層間絶縁膜表面の化学的・機械的な
   研磨加工を行って平坦化する化学的・機械的な研磨加工
   工程と、該化学的・機械的な研磨加工工程で平坦化され
   た上記層間絶縁膜上に所望の上層配線を形成する上層配
   線形成工程を有することを特徴とする半導体基板の製造
   方法。
10. 【請求項１０】下層配線上に層間絶縁膜を形成する層間
    絶縁膜形成工程と、該層間絶縁膜形成工程で形成された
    層間絶縁膜の外周部分の研磨圧力を制御し、研磨パッド
    の表面を目立てて上記層間絶縁膜表面の化学的・機械的
    な研磨加工を行って平坦化する化学的・機械的な研磨加
    工工程と、該化学的・機械的な研磨加工工程で平坦化さ
    れた層間絶縁膜に対してコンタクトホールを形成するコ
    ンタクトホール形成工程と、該コンタクトホール形成工
    程で形成されたコンタクトホールに導電材を埋め込んで
    コンタクトスタッドを形成するコンタクトスタッド形成
    工程と、該コンタクトスタッド形成工程の後、上記層間
    絶縁膜上に所望の上層配線を形成する上層配線形成工程
    を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。
11. 【請求項１１】下層配線上に層間絶縁膜を形成する層間
    絶縁膜形成工程と、該層間絶縁膜形成工程で形成された
    層間絶縁膜の外周部分の研磨圧力を制御し、研磨パッド
    の表面を目立てて上記層間絶縁膜表面の化学的・機械的
    な研磨加工を行って平坦化する化学的・機械的な研磨加
    工工程と、該化学的・機械的な研磨加工工程で平坦化さ
    れた上記層間絶縁膜上ＳｉＯ２膜をＣＶＤによって形成
    するＳｉＯ２膜形成工程と、該ＳｉＯ２膜形成工程で形
    成されたＳｉＯ２膜上に上層配線を形成する上層配線形
    成工程とを有することを特徴とする半導体基板の製造方
    法。