JPH1080858A - ウェハの化学機械研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】研磨プロセス中に研磨布の表面に接近可能であ
り、ウェハの表面にわたって均一な研削を可能とするウ
ェハの化学機械研磨装置を提供する。 【解決手段】研磨体２を備えた回転円板１と、研磨液の
供給装置９と、ウェハ３の保持装置４とを備えたウェハ
の化学機械研磨装置において、円板１の軸２１がウェハ
３の表面に対して平行に延びている。円板１の円筒状縁
部面に、ウェハ３内に一定断面１７、２０を持つトレン
チが形成されるように研磨体２が取り付けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、研磨体を備えた
回転円板と、研磨液の供給装置と、ウェハの保持装置と
を備えたウェハの化学機械研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】化学機械研磨（ＣＭＰ）は１６メガワッ
トＤＲＡＭの製造において初めて大規模に使用され、そ
れ以来益々重要性の増大する方法として実証されてい
る。この方法は例えばトレンチ、トレンチ絶縁や金属導
電路を作るために並びに金属間誘電体（ＩＭＤ）を平坦
化するために使用される。トレンチ絶縁の一例はいわゆ
る平形トレンチ絶縁（ＳＴＩ）である。化学機械研磨の
上述の全ての使用例において、しばしば１つのウェハに
わたって或いはまたウェハからウェハごとに研削量に大
きなバラツキが生ずるという点でなお問題があることが
判明している。

【０００３】同様な問題は、ＳＯＩ（シリコン・オン・
インシュレータ）ウェハをウェハボンディング法により
作る場合にもある。この方法では、その表面にそれぞれ
１つのシリコン酸化膜を持っている２つのシリコンウェ
ハが、これらのシリコン酸化膜を介して互いに「接着」
され、それにより全体としてその中央に２つのシリコン
酸化膜からなる酸化膜を持った半導体素体が形成され
る。次にウェハの１つを研削して、最終的に酸化膜の上
に薄いシリコン層を作る。この研磨プロセス自体も、充
分には一様ではないので、シリコンの薄層の厚さを充分
に小さなバラツキ範囲内に保証することはできない。

【０００４】研磨プロセスの一様性を高めるために、最
近はいわゆるＰＡＣＥ法が使用されている（例えば「マ
イクロエレクトロニック・エンジニアリング（Ｍｉｃｒ
ｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）」
第２２巻、第３０１頁、１９９３年参照）。この方法で
は先ず最初の粗い研磨工程を行い、その後に残ったウェ
ハの厚みをウェハ上にわたるプロフィルとして測定す
る。次に直径が３乃至３０ｍｍの比較的小さくコンピュ
ータによる測定層厚データを基に制御されるプラズマエ
ッチング装置をウェハに適用して、ウェハの上全体にわ
たって望ましい最終の層厚が得られるようにする。この
方法によれば層厚のバラツキは１０ｎｍ以下にされる。

【０００５】従来のＣＭＰでは、研磨布或いはいわゆる
「パッド」を備えた円板状の回転研磨体が使用され、こ
の研磨体の半径の範囲においてその表面と同一の平面に
あるウェハを研磨している。

【０００６】マイクロ化学機械研磨（μＣＭＰ）もまた
上記のコンピュータ制御原理を使用する。即ち、最初の
従来のＣＭＰ工程で先ず除去すべき材料の大部分を速や
かに研削した後、ウェハ上の残った層厚が測定される。
このためにウェハ上の各チップには自動測定機が近づく
特別の測定エリアが設けられる。ウェハ上の全ての位置
で測定が可能な場合には、簡単に定められた所定の点が
制御される。測定エリアもしくは所定の測定点は、その
場合、測定エリアもしくは所定の測定点の間の層厚が実
質的に測定エリアもしくは所定の測定点の間の内挿によ
り与えられるように密に配置されていなければならな
い。次にウェハは、瞬間的に常にウェハの比較的狭い範
囲にのみ接触する特殊なμＣＭＰ装置で研磨される。

【０００７】その場合、研磨量を層厚の測定データに応
じて変えるためには、少なくとも３つのパラメータが適
当である。即ち、研磨体の回転数、研磨体のウェハへの
押圧力及びウェハ表面における研磨体の移動速度であ
る。

【０００８】円形のウェハの場合例えば螺旋状の研磨体
軌道が使用される。その場合研磨体はウェハの中央に置
かれ、その後螺旋状にウェハの縁部まで動かされる。そ
の場合、軌道は多かれ少なかれ重なる。このような螺旋
状の軌道は特に容易に実現される。ウェハの保持装置も
しくはウェハチャックをゆっくり回転し、一方研磨体は
ウェハの中心点から外に向かって直線運動させればよ
い。これに代わってウェハを直線軌道で動かすことも考
えられる。また、複数の研磨体を同時に１つのウェハに
使用して、加工時間を短縮することもできる。その場
合、各研磨体には個々に回転数及び／又は押圧力及び／
又は移動速度が設定される。場合によっては研削量を変
えるため回転数を変えることが有効であるかも知れな
い。

【０００９】従来のμＣＭＰ装置は以前から公知のＣＭ
Ｐ装置と同様に、ウェハ表面に対して垂直に延びる軸を
持った研磨体を使用している。換言すれば、従来の全て
のウェハの化学研磨装置はウェハ表面に対して垂直に回
転軸が設けられている研磨体を備えている。しかしウェ
ハ表面の小さな部分を研磨するためには、ウェハ表面に
対して垂直な研磨体回転軸を持った従来の構成を使用
し、しかも単に比較的小さい研磨体を使用することは好
ましくない。

【００１０】というのは、ポリウレタン発泡材或いは繊
維材からなる研磨体の研磨布或いはパッドの表面が、研
磨プロセスの間、ウェハの表面から離れていないので、
研磨液もしくはいわゆる「スラリー」で研磨布或いはパ
ッドの表面を染ませることができないからである。

【００１１】同じ理由から、研磨布を研磨プロセスの間
に研削体で特別に粗面化するため加工することは困難で
ある。これは同様に、研磨布の表面に近づくことができ
る場合にのみ可能であるからである。いわゆる「パッド
・コンディショニング」を行うこともまた困難である。

【００１２】結局、ウェハ表面に対して垂直な回転軸を
持つ研磨円板がウェハの表面上を動かされるときには、
Ｗ形状の研削プロフィルが生じ、しかもこのプロフィル
は急勾配の側面を持っている。Ｗ形状の研削プロフィル
の発生は、円板の縁部では研磨布とウェハとの間の接触
時間が僅かしかなく、他方円板の中央では理論的回転数
は「０」であることに起因する。このようなＷ形状の研
削プロフィルは、均一な研削を達成するためには適当で
ない。例えばこのようなＷ形状の研削プロフィルを持つ
２つのトレンチが互いに平行に作られると、その急峻な
傾斜側面によりトレンチ相互の相対位置における各誤差
が特に重なり合う範囲において大きな研削のバラツキに
なる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、従っ
て、研磨布の表面に研磨プロセスの間も接近可能であ
り、ウェハの表面にわたって均一な研削を可能とするウ
ェハの化学機械研磨装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この課題は、この発明に
よれば、請求項１の前段に記載の装置において円板の軸
がウェハの表面に対して平行に延び、円板の円筒状の縁
部面に、ウェハに一定の断面を持つトレンチが作られる
ように研磨体が取り付けられることにより解決される。

【００１５】即ちこの発明による装置においては、研磨
体の軸がウェハの表面に対して平行に延びている。その
場合研磨体は、円板の縁部にもしくはいわゆる「円筒外
套面」に設けられ、従って研磨体はウェハの表面と円板
の周面の１つの位置で接触している。さらに、可動手段
により研磨体の軸及びウェハが少なくともウェハの表面
に対して平行な１つの方向に可動であるようにされてい
る。その場合円板とウェハとの間の送りは、例えば研磨
体の軸に対して垂直に調整される。

【００１６】化学機械研磨装置をこのように構成するこ
とにより特に以下の利点がある。

【００１７】即ち、研磨布は研磨プロセスの間ウェハの
表面との接触位置を除いては接触していないので、連続
的に研磨液で濡らして取り扱うことができる。

【００１８】研削トレンチのプロフィルは大幅に調整さ
れ、例えば三角形状のプロフィル或いは平行四辺形状の
プロフィルを持つ研削トレンチを容易に得ることができ
る。これについては以下になお詳しく説明する。

【００１９】この発明による装置においては研磨布の運
動はウェハに対して相対的に常に一方向に行われる。従
来の装置においてはウェハが回転し、その結果平均して
全ての方向がほぼ同一にしばしば現れる。それにも係わ
らずこの発明による装置においては研磨布とウェハとの
間の運動は一方向だけでも危険ではない。研削される層
の大部分は前もって従来の方法で削り取られるからであ
る。また、ウェハを何回も異なる方向に加工することも
可能である。

【００２０】さらに、研磨方向が固定されていること
は、多くの場合研磨布の汚染によって生ずるような化学
機械研磨によるかき傷を自動検出する際にも好都合であ
る。即ちこのかき傷は一定の方向にできるので、容易に
自動的に相応のプロセスで対処することができる。

【００２１】この発明による装置は、研削の制御性が正
確な他にその構成が非常にコンパクトであるという長所
を持っている。数平方メートルの立地面積を持つ従来の
装置に較べて、この発明による装置はその大きさが小型
の卓上旋盤に匹敵する。

【００２２】従って保持装置となるウェハ・クランプ装
置は弾力的に、横方向サポートと縦方向サポートとから
なる支持装置に載置される。

【００２３】それ故、この発明による装置の原理的構造
は、水平スピンドルと、横方向サポートと、縦方向サポ
ートとを備えた旋盤のそれと比較可能である。横方向サ
ポートと縦方向サポートとはそれぞれ電動駆動装置を持
つ。さらに円板には電子的回転数制御装置が設けられ
る。

【００２４】比較的簡単な構造と比較的僅かな必要立地
面積の結果、従来の研磨方法による第一の処理工程を断
念して、それに代わってこの発明による装置を同一円板
の研削に２回、即ち第一の工程では回転数を比較的粗く
制御し、第二の工程で回転数を精密制御するようにして
使用することもできる。

【００２５】研磨布の取替えは円板を交換することによ
り簡単に行うことができる。その場合、円板には装置の
スループットを減少させることなく、新しい研磨布が取
り付けられる。

【００２６】三角形状のプロフィルを持つトレンチを形
成するためには、それぞれ平行四辺形の輪郭を持ちその
平行四辺形の狭い方の側辺の垂線が対角線上の頂点を通
るような２つの研磨体部分からなる研磨体が円板の縁部
面に取り付けられる。このような三角形状のプロフィル
を持つ研削トレンチは、このような研削トレンチの２つ
が重なり、その２つのトレンチの間隔が１つのトレンチ
の半分であるときに、理論的に完全に均一な研削が行わ
れるから特に望ましいものである。この三角形状のプロ
フィルは、研削が時間に殆ど完全に比例して行われ、一
方研磨体の一定の点がウェハと接触していることにより
生ずる。

【００２７】台形状の断面を持つトレンチを形成するた
めには、それぞれ平行四辺形の輪郭を持ちその平行四辺
形の狭い方の側辺の垂線が対向側の狭い側辺を通るよう
な２つの研磨体部分からなる研磨体が円板の縁部面に取
り付けられる。

【００２８】勿論三角形状或いは台形状のプロフィルよ
り複雑なプロフィルを作ることもできる。

【００２９】円板の直径は約１０ｃｍ、他方円板の縁部
の幅は、即ち「円筒」の高さは約１ｃｍである。

【００３０】従来の装置の場合と同様に、研磨体はポリ
ウレタン発泡材或いは繊維材から作ることができる。

【００３１】

【実施例】以下に図面について本発明を詳細に説明す
る。

【００３２】図１において１は研磨円板を示し、その縁
部に研磨体として研磨布２が取り付けられている。この
研磨布２はポリウレタン発泡材或いは繊維材からなる。
研磨布２によりウェハ３が加工され、ウェハ３に研削ト
レンチを形成する。ウェハ３は図示されてない支持装置
により台４の上に固定され、この台は矢印５の方向に送
られる。台４は弾力性を持ちかつ高さ調節機構を備えて
平行に案内する装置６を備えている。この装置６を備え
た台４は横方向サポート７及び縦方向サポート８の上に
支持されている。円板１の軸２１は、ウェハ３の表面に
対して、従来のように垂直ではなく、平行に延びてい
る。

【００３３】ウェハ３の表面の加工中に研磨布２は研磨
液で染まされ、処理もしくは粗面化されなければならな
い。図１から直ちに分かるように、研磨布２の表面はウ
ェハ３の表面と接触している位置を除いて自由に近づけ
るので、研磨液は容易に供給され、研磨布２も処理もし
くは粗面化される。このことは矢印９により概略的に示
されている。

【００３４】図２は円板１の斜視図で、その縁部もしく
は円筒状の外套面には研磨体が研磨布２の形で取り付け
られている。円板１は約１０ｃｍの直径と、約１ｃｍの
高さもしくは幅を持っている。

【００３５】図２に示された円板１は三角形状のプロフ
ィルを持つ研削トレンチを形成するために適している。
これについては図３で詳しく説明する。

【００３６】既に初めに述べたように、研削は時間に対
して殆ど近似的に比例して行われるが、他方研磨布２の
特定の一点はウェハ３の表面に接触している。図３は平
行四辺形の２つの研磨布１２及び２２が、図２に示され
るように、円板１の縁部面に取りつけられる前の状態を
上から見た図である。破線１３は両平行四辺形のそれぞ
れ２つの対角線上の頂点を通り、完全に両平行四辺形内
にある。即ち、この破線の範囲では研磨布はその平行四
辺形部分１２及び２２が常にウェハの表面に接触してい
る。換言すれば、この位置において最大の研削が行われ
る。破線１４と１５の範囲では研磨布２とウェハ３の表
面の間は点接触しかしていない。従ってこの部分の研削
量は最小である。破線１６は平行四辺形部分１２及び２
２を僅かにしか通っていないから、この部分では比較的
僅かな研削が行われる。

【００３７】それ故、全体としては、図３の実施例に応
じて形成された研磨布では三角形状のプロフィル１７を
持った研削トレンチが形成される。

【００３８】図４は、２つの平行四辺形部分１８、１９
からなり、台形状の断面を持つプロフィル２０を形成す
る研磨布２を円板１に張り付けた例を示す。２つの破線
１３は最大の研削量を持つ範囲の縁を表している。一方
破線１４、１５は研磨体とウェハ３との間の点接触によ
る研削の始まりを表している。

【００３９】図５のダイアグラムは、既存の厚さとこの
発明による装置により測定された厚さの変動との平衡を
図解している。図示の厚さプロフィル１０は、半分のト
レンチ幅１３の間隔の２つの測定点１１の間で厚さがこ
れらの測定点の間の直線的内挿により与えられ、これら
の測定点で厚さの測定が行われるときに平衡される。図
５においてトレンチｎ、ｎ＋２、・・に対する研削量は
実線曲線１７によって、トレンチｎ＋１、ｎ＋３、・・
に対する研削量は破線曲線２３で表されている。その場
合、トレンチの中央での研削量は、矢印２４によって示
すように、測定点１１におけるそれぞれの測定値２６に
よって制御される。全体の量はそれぞれの曲線１７及び
２３に応じた研削量の和となり、曲線２５によって示さ
れている。この総研削量（曲線２５）を既存の厚さプロ
フィル１０から引くと、実質上平坦な表面を持つ最終プ
ロフィル２７が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による化学機械研磨装置の概略構成の
側面図。

【図２】三角形状のプロフィルを持つ研削トレンチを作
るための、研磨体を備えた円板の斜視図。

【図３】三角形状のプロフィルを持つ研削トレンチを作
るための研磨体の展開図。

【図４】台形状のプロフィルを持つ研削トレンチを作る
ための研磨体の展開図。

【図５】測定値制御された研削量により既存の厚さのバ
ラツキの平衡を説明するダイアグラム。

【符号の説明】

１ 研磨円板 ２ 研磨布 ３ ウェハ ４ 台 ７ 横方向サポート ８ 縦方向サポート ９ 研磨液の供給装置 １２、２２ 平行四辺形の研磨布部分 １８、１９ 平行四辺形の研磨布部分 ２１ 円板の軸

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】研磨体（２）を備えた回転円板（１）と、
   研磨液の供給装置（９）と、ウェハ（３）の保持装置
   （４）とを備え、円板（１）の軸（２１）がウェハ
   （３）の表面に対して平行に延びており、円板（１）の
   円筒状縁部面に、ウェハ（３）に一定の断面（１７、２
   ０）を持つトレンチが形成されるように研磨体（２）が
   取り付けられていることを特徴とするウェハの化学機械
   研磨装置。
2. 【請求項２】保持装置としてのウェハクランプ装置が弾
   力的に支え装置（６、７、８）に支持されていることを
   特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】支え装置が横方向サポート（７）と縦方向
   サポート（８）とからなることを特徴とする請求項２に
   記載の装置。
4. 【請求項４】研磨液の供給装置が研磨体（２）に常に研
   磨液を補給できるようにしたことを特徴とする請求項１
   乃至３の１つに記載の装置。
5. 【請求項５】三角形状のプロフィル（１７）を持つトレ
   ンチを形成するために、それぞれ平行四辺形状の輪郭を
   持ちその平行四辺形の狭い方の側辺の垂線が対角線上の
   頂点を通るような２つの研磨体部分（１２、２２）から
   なる研磨体（２）が円板（１）の縁部面に取り付けられ
   ていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の
   装置。
6. 【請求項６】台形状のプロフィル（２０）を持つトレン
   チを形成するために、それぞれ平行四辺形状の輪郭を持
   ちその平行四辺形の狭い方の側辺の垂線が対向側の狭い
   側辺を通るような２つの研磨体部分（１８、１９）から
   なる研磨体（２）が円板（１）の縁部面に取り付けられ
   ていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の
   装置。
7. 【請求項７】円板（１）の直径が約１０ｃｍ、円板
   （１）の縁部幅が約１ｃｍであることを特徴とする請求
   項１乃至６の１つに記載の装置。
8. 【請求項８】研磨体（２）がポリウレタン発泡材或いは
   繊維材からなることを特徴とする請求項１乃至７の１つ
   に記載の装置。