JP2007027166A - 半導体装置の製造方法および半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体装置の製造における化学的機械的研磨工程で、リテーナリングの形状を変えることによりリテーナリングの交換寿命を延ばす。
【解決手段】 研磨ヘッド２０のベース取り付け部２３に、研磨当初から、外径側２６から内径側２７に向けて漸次板厚が厚くなるようにテーパを設けたリテーナリング２４を取り付ける。化学的機械的研磨が進行するにつれて、内径側２７が偏磨耗して外径側２６より薄くなるのを見越して上記テーパを設け、リテーナリング２４の交換寿命の延長を図った。
【選択図】 図２

Description

本発明は半導体装置の製造に関する技術であり、特に化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）における研磨工程でのリテーナリングの交換ライフの延長に有効な技術である。

以下に説明する技術は、本発明を完成するに際し、本発明者によって検討されたものであり、その概要は次のとおりである。

半導体装置の製造に際して、半導体ウエハを平坦に精度良く研磨する工程が必要となる。特に、近年の半導体装置に対する高集積化の要請においては、益々その高度な平坦化の実現が欠かせない。かかる平坦化の技術としては、化学的機械的研磨技術が利用されている。

かかる化学的機械的研磨では、ウエハ面内の研磨量の均一性が重要である。特に、半導体ウエハのエッジ部側における均一性の確保が問題となる。かかるエッジ部側における研磨量の均一性には、リテーナリング（リテーナとも言う）の表面形状が大きく影響している。半導体ウエハの研磨と一緒にリテーナリング表面も研磨されるため、半導体ウエハの保持に関するリテーナリングの凹凸が微妙に影響している。

すなわち、リテーナリングのリング下面における凹凸の起伏と逆の起伏が、半導体ウエハのエッジ部に現れることとなる。そのため、リテーナリングには平面度管理が求められ、定期的な交換が必要となる。

特許文献1には、傾き調整手段を設けることで、リテーナリングに適当な勾配を付ける構成が開示されている。傾き調整手段は、リテーナリングホルダに設けられるねじ孔と、かかるねじ孔に螺合する調整ボルトと、リテーナリングの上面に面一となるように調整ボルトの先端に当接する当て板等から構成されている。この傾き調整手段により、リテーナリングの下面の内周側端縁と外周側端縁との高低差を、例えは０．１ｍｍに調整することで、エッジ部の偏磨耗が効果的に防止できることが述べられている。
特開２００５−１１９９９号公報

ところが、上記傾き調整手段を設けた技術においては、以下の課題があることを本発明者は見出した。

すなわち、上記の如く傾き調整手段は、リテーナリングホルダに設けた複数のねじ孔に螺合する調整ねじにより調整する機構であるが、実際には細かな機構であるため、その調整が十分に行えない場合が多い。また、リテーナリングに設ける傾き調整を、どの時期にどの程度行えばよいかについては全く記載されておらず、リテーナリング下面の傾きの高低差に基づくリテーナリングの調整が０．１ｍｍであることが記載されているのみである。

上記構成では、使用するリテーナリングの交換寿命については特段触れられてはいないが、リテーナリングの偏磨耗を防止することでその交換寿命は伸びることが予想される。しかし、リテーナリングの偏磨耗を防止するため、傾き調整手段でその都度調整することは、作業が複雑となり現場では容易に採用し難い。

そこで、本発明者はもっと簡単な構成で、リテーナリングの交換寿命が延ばせないかと考えた。

リテーナリングは半導体ウエハの研磨枚数に伴い、磨耗変形することが分かっている。そのため、エッジ部の研磨レートが変化し、半導体ウエハの面内における研磨量分布に差がでることとなる。すなわち、リテーナリング表面の偏磨耗により、半導体ウエハに与えるリテーナリング近傍のパッドの面圧が変化し、結果として半導体ウエハのエッジ部の研磨レートが変動するというものである。

現状では、化学的機械的研磨装置のリテーナリングの交換寿命は、半導体ウエハ上の研磨量の均一性が悪化するのを判断基準として交換している。研磨量の均一性は、研磨枚数の増加に伴い変化するが、新品時はエッジ部の研磨レートは低く、交換時はその研磨レートが高くなる。そこで、交換時の研磨レートの高さがある値以上で、研磨量の均一性が規格外に外れる場合に、リテーナリングの交換が行われている。

研磨枚数の増加に伴いエッジ部の研磨レートが高くなる理由は、リテーナリングの厚さ、およびパッド接触面の形状に依存している。特に、リテーナリングのパッド接触面の形状は、研磨ヘッドの特性により、内側の方が外側よりも多く磨耗するため、その断面は、略ハの字形に偏磨耗することが分かった。すなわち、内側が外側よりも磨耗した略ハの字形に変形することより、エッジ部のパッド面圧力が高くなり、結果としてエッジ部の研磨レートが高くなりエッジファーストとなるのである。

そこで、研磨量分布の規格が許す範囲で、リテーナリングの形状を当初から変形させておくことで、その交換寿命の延長が図れないかと考えた。

本発明の目的は、半導体装置の製造に際して、化学的機械的研磨による研磨工程のリテーナリングの交換サイクルの延長を、リテーナリングの形状の観点から図ることにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、リテーナリングの形状を、内径側が外径側より早く偏磨耗することを当初から想定して、予め、研磨当初から外径側から内径側に向けて厚くなるようにテーパを形成して、その交換寿命の延長を図った。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明では、リテーナリングに当初から外径側から内径側に向けて漸次厚くなるテーパが設けられているため、リテーナリングの交換時期である内径側が外径側よりも磨耗するまでの時間が稼げる。結果として、リテーナリングの交換寿命の延長が図れる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

本発明は、半導体ウエハの化学的機械的研磨による研磨技術に関するもので、特に、化学的機械的研磨装置のリテーナリングの交換寿命の延長を図ることができるものである。

（実施の形態１）
先ず、本発明に係る半導体製造装置としての化学的機械的研磨装置について説明する。

図１は、化学的機械的研磨装置の概要を模式的に示す断面説明図である。図２（ａ）は化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを模式的に示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すリテーナリングのパッド側から見た平面図であり、（ｃ）は（ａ）の丸で囲んだリテーナリング部分の拡大図である。

化学的機械的研磨装置（ＣＭＰ装置）１０は、図１に示すように、モータ１１により回転させられる定盤１２に研磨パッド１３が設けられている。研磨パッド１３の表面に対して、モータ１４により回転する研磨ヘッド２０に半導体ウエハＷの研磨面が対面配置されている。

併せて、研磨パッド１３の上方にはノズル１５が設けられ、スラリーＳが研磨パッド１３の表面に供給されるようになっている。このようにして研磨パッド１３の表面に供給されたスラリーＳを用いて、研磨パッド１３の研磨面に対面配置された半導体ウエハＷの研磨面を互いに回転させながら半導体ウエハＷの研磨面の平坦化を行う。

研磨ヘッド２０は、図２（ａ）に示すように、ハウジングハブ２１、ハウジングプレート２２、ベース取り付け部２３、リテーナリング２４、ゴム膜等のような可撓膜２５等から構成されている。ハウジングハブ２１等には、モータ１４により回転する回転軸への取り付けが可能な取り付け孔１６が設けられている。かかる構成では、半導体ウエハＷは、可撓膜２５で構成されたマウント面２５ａに真空吸着され、併せてリテーナリング２４により研磨中に外れないように保持されている。

かかる状態で、半導体ウエハＷは、その研磨面が研磨パッド１３に押し付けられている。研磨パッド１３面から見たリテーナリング２４の様子を、図２（ｂ）に示した。

リテーナリング２４は、図２（ｃ）にその部分拡大図を示すように、外径側２６から内径側２７に向けて漸次板圧が厚くなるように形成されている。すなわち、リテーナリング２４は、これまでの平面フラットな形状とは異なり、パッド１３面に対して接触する面が、リテーナリング２４の外径側２６から内径側２７に向けて板厚が厚くなるようにテーパが設けられているのである。このように、本実施の形態で述べるリテーナリング２４は、当初から、外径側２６と内径側２７との厚みが異なるように形成されている。

図２（ｃ）に示す場合には、当初から、外径側２６の一番板厚が薄い個所と、内径側の一番板厚が厚い個所とは、例えば、５０μｍ以上、１００μｍ以下の高低差の勾配が設けられている。このようにパッド１３に面する側が、外径側２６より内径側２７の方が板厚が厚く形成されたリテーナリング２４が、ベース取り付け部２３に取り付けられている。

一方、ベース取り付け部２３のリテーナリング取り付け面２３ａは、テーパが設けられていない水平面に形成されている。そこで、リテーナリング２４のベース取り付け面２４ａも水平面に形成されているので、ベース取り付け部２３にリテーナリング２４を取り付けた状態では、パッド１３面に対して、外径側２６から内径側２７に向けて漸次板厚が厚くなるようにテーパが設けられることとなる。

リテーナリング２４のベース取り付け部２３への取り付け手段は、ベース取り付け部２３に確実に取り付けられ、且つ取り付け部がリテーナリング２４の表面２４ｂに出ないものであれば原則採用できる。例えば、接着剤を介して取り付けても、あるいはねじ止めのような機械的な手段を用いても一向に構わない。因みに、図２（ｃ）に示す場合には、接着剤を介して取り付けた例を示した。

かかる構成のリテーナリング２４は、例えば、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＰＥＴ、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ等の樹脂が使用できる。

また、外径側２６から内径側２７に向けて設けるテーパの勾配は、上記の如く、例えば、５０μｍ以上、１００μｍ以下に設定すればよい。本発明者の検討では、高低差が５０μｍ未満の場合には、テーパを付けた効果が確実に把握できず、誤差の範囲内に入る場合がある。また、高低差が１００μｍを越える場合には、研磨量の均一性という観点から、規格外となる場合も想定される。そこで、５０μｍ以上、１００μｍ以下に設定すれば、安定に研磨できることが確認され好ましいことが分かった。

かかる構成を採用することで、リテーナリング２４の交換寿命は、確実に延長させることができる。すなわち、図３（ａ）に示すように、当初は外径側２６から内径側２７に向けて漸次板厚が厚くなるように、例えば、５０μｍ〜１００μｍのテーパが設けられており、かかる構成で化学的機械的研磨が開始される。

図３（ａ）に示す状態で化学的機械的研磨が開始され、研磨開始後ある程度の時間が経過すると、図３（ｂ）に示すように化学的機械的研磨の傾向である内径側２７が外径側２６より偏磨耗され、リテーナリング２４の表面が平らになる瞬間が訪れる。すなわち、当初付けていた内径側２７の厚みが、研磨の進行と共に漸次解消され、ついにはフラットになるのである。

この状態は、これまでの平面フラットなリテーナリングを装着した状態と同じであり、リテーナリング２４の交換寿命は、図３（ａ）から（ｂ）に至るまでの時間延びたこととなる。

このようにして図３（ｂ）の状態になったリテーナリング２４は、さらに研磨を続けると、図３（ｃ）に示すように、外径側２６より内径側２７が偏磨耗し始める。例えば、偏磨耗の状況が、外径側２６の板厚が内径側２７よりも３０μｍ以上、５０μｍ未満であれば、まだ研磨量の均一性が規格内で確保され十分に使用できる状態である。いわゆる安定領域にある状態である。

その後、さらに研磨を続行すると、図３（ｄ）に示すように、偏磨耗が酷くなり、外径側２６の方が内径側２７よりも板厚が５０μｍ以上と厚くなる。かかる板厚に到達すると、研磨量の均一性が規格から外れることとなる。この時点で、リテーナリング２４の交換が行われる。すなわち、エッジ部の研磨レートが増大して、エッジファーストの状態となったとき、リテーナリング２４の交換寿命となるのである。

図４（ａ）〜（ｃ）には、これまでの化学的機械的研磨装置のリテーナリング３０の様子を示した。すなわち、図４（ａ）に示すように、リテーナリング３０の装着時には、リテーナリング３０の表面はフラットな状態である。かかる状態から化学的機械的研磨が開始され、図４（ｂ）に示すように、外径側２６側より内径側２７が偏磨耗する。その後、図４（ｃ）に示すように、内径側２７が５０μｍ以上偏磨耗した状態で、リテーナリング３０の交換が行われる。

尚、図３（ａ）〜（ｄ）、４（ａ）〜（ｃ）では、半導体ウエハＷのエッジ部側に、パッド１３面から受ける面圧が漸次研磨の進行するにつれて高くなる様子を、矢印ａで示している。矢印ａが太い程、面圧が高くなっている。

このようにこれまでのリテーナリング３０の交換時期は、当初の装着状態が平面フラットな状態からのスタートであったが、本発明では、偏磨耗を予め考慮してその分を上乗せした状態からのスタートであるため、その分交換寿命を延ばすことができるようになった。因みに、交換時期の判断はこれまで通りである。

かかる交換寿命の延長効果は、例えば、図５のウエハ中心から半径方向の研磨レートのプロファイルを見ても明らかである。これまでのリテーナリング３０の交換寿命を示す矢印より、リテーナリング２４（提案品）の交換寿命を示す矢印の方が長くなっていることが分かる。

次に上記リテーナリング２４の構成を有する化学的機械的研磨装置１０を用いて、半導体装置を製造する場合について説明する。

上記構成の化学的機械的研磨装置１０を用いた化学的機械的研磨工程は、プロセスのＳＴＩ（shallow trench isolation）の埋め込み絶縁膜の形成、層間絶縁膜の平坦化、Ｗプラグの形成、Ｃｕダマシンの形成等のメタルＣＭＰ等で利用される。このように半導体装置の製造プロセスでは、種々の場面で化学的機械的研磨は利用されているが、特に、酸化膜工程の研磨等の研磨時間が長く高い研磨レートが必要な工程で、本発明の交換寿命の延長効果が顕著に感得される。

そこで、以下の説明では、ＳＴＩの素子間分離絶縁膜の構成で用いるＳｉＯ_２の研磨工程を例に挙げて説明する。先ず、図６の半導体装置の製造方法を示すフロー図に示すように、ステップＳ１００で半導体ウエハのＳＴＩ溝形成工程が施される。すなわち、シリコンのウエハを洗浄後、酸化炉で高温スチームに晒し、所要の膜厚のＳｉＯ_２を形成する。その後、シランガスとアンモニアガスを用いて化学気相成長法（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）でシリコン窒化膜を形成する。

その後、シリコン窒化膜の上にフォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィー工程により、ＩＣの回路パターンが焼き付けられているレチクルを用いてレジストパターンを形成する。レジストパターンをマスクにして、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜とを順次ドライエッチングで除去し、シリコン基板表面にＳＴＩ溝を形成する。

その後、ステップＳ２００の埋め込み用絶縁酸化膜の形成工程に移る。先ず、酸素プラズマで残っているレジストをアッシングし、洗浄して除去し、さらに高温スチームで熱酸化してＳＴＩの内壁の表面にＳｉＯ_２を形成する。その後、シランガスと酸化ガスとを用いた化学気相成長法で、ＳＴＩ埋め込み用の厚い絶縁酸化膜を形成する。

ステップＳ３００で、ＳＴＩ埋め込み用の絶縁酸化膜を化学的機械的研磨により研磨し、平坦化する。研磨に使用する化学的機械的研磨装置１０においては、マウント面２５ａに真空吸着させた半導体ウエハＷが研磨中外れないようにするリテーナリング２４を、研磨当初から、外径側２６から内径側２７に向かって、板厚が漸次厚くテーパに形成されたものを使用する。

かかる状態で、図３（ａ）に示すように、化学的機械的研磨を開始する。所要の研磨枚数をこなす内に、図３（ｂ）に示すように、リテーナリング２４は偏磨耗して外径側２６より内径側２７が板厚が薄くなり、リテーナリング２４のパッド１３表面へ接触する面がフラットになる。さらに、研磨を続けると、図３（ｄ）に示すように、外径側２６より内径側２７が５０μｍも薄くなり、その時点でリテーナリング２４の交換を行う。外径側２６が内径側２７に向けて、板厚が漸次厚くなるようにテーパが形成されたリテーナリング２４に交換して、前記ＳＴＩの埋め込み用絶縁酸化膜の平坦化を続行する。

このように所要の枚数のＳＴＩの埋め込み用絶縁酸化膜の平坦化が終了した時点で、ステップＳ４００に示すように、半導体ウエハＷにさらなる所要の工程が施されて、半導体装置の製造が行われることとなる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、前記実施の形態１とは異なり、図７（ａ）に示すように、ベース取り付け部２３のリテーナリング取り付け面２３ａにテーパが設けられている。外径側２８から内径側２９に向けて、漸次厚みが増すようなテーパが設けられている。例えば、５０μｍ以上、１００μｍ以下の勾配を設けておけばよい。

一方、リテーナリング３１の構成は、これまでのものと同様に構成され、平面フラットに形成されている。かかる構成のリテーナリング３１を、リテーナリング取り付け面２３ａに接着剤を介して接着すると、リテーナリング３１の外径側２６から内径側２７に向けて漸次厚くなるテーパが設けられることとなる。例えは、５０μｍ以上、１００μｍ以下のテーパを容易に付けることができる。

リテーナリング３１のリテーナリング取り付け面２３ａへの取り付け手段は、上記接着剤によらず、ねじ止め等の機械的手段で取り付けても構わない。

かかる構成を採用すれば、消耗品としてのリテーナリング３１の構成は、これまでと同様に平面フラットな形状のままで済ませることができ、リテーナリング３１に関しては新たな型起こし等の対策が不要となる。

尚、ベース取り付け部２３のリテーナリング取り付け面２３ａに設けるテーパを、内径側２９の方が外径側２８より漸次薄くなるように構成することもできる。この場合には、リテーナリング３２の構成を、図７（ｂ）に示すように、内径側２７から外径側２６に向けて略凸形に形成しておけばよい。

（実施の形態３）
本実施の形態では、リテーナリング３３は、ベース取り付け部２３との間に、Ｏリング等の介在物を介して取り付けられている。図８に示すように、ベース取り付け部２３のリテーナリング取り付け面２３ａには、外径側２８と内径側２９とにそれぞれＯリング４１、４２のＯリング取り付け溝が設けられている。Ｏリング取り付け溝は、内径側２９の方が太く、外径側２８の方が細く形成されている。

一方、ベース取り付け部２３に取り付けるリテーナリング３３は、平面フラットに形成され、ベース取り付け面３３ａ側には、ベース取り付け部２３に設けたと同様のＯリング取り付け溝が設けられている。

かかる構成のＯリング取り付け溝は、Ｏリング４１、４２を介在させた場合に、ベース取り付け部２３とリテーナリング３３との間に、外径側２６より内径側２７の方が大きな隙間があくように構成されている。

このように太いＯリング４１を内径側２７に、細いＯリング４２を外径側２６に介在させて、ベース取り付け部２３とリテーナリング３３と接合すると、外径側２６から内径側２７に向けて漸次低くなるようにリテーナリング３３が斜めに取り付けられることとなる。リテーナリング３３の取り付けテーパを、Ｏリング４１、４２の太さを加減することで調整することができ、例えば、５０μｍ以上、１００μｍ以下に設定することもできる。

尚、ベース取り付け部２３とリテーナリング３３とを、上記のようにＯリング４１、４２を介して取り付けると、取り付け面へのスラリー侵入の防止効果も得られることが分かった。

また、上記構成ではＯリング４１、４２を介在物として採用したが、Ｏリング以外の介在物を介在させて、平面フラットなリテーナリングを外径側２６から内径側２７に向けて、漸次低くなるように斜めに取り付けても構わない。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、ベース取り付け部へのリテーナリングの取り付けに際して、前記実施の形態では、リテーナリング取り付け面とベース取り付け面とは双方が平面構成であったが、両者を互いにかみ合う段差を設けて面構成として、より確実に両者の固定が行えるようにしても構わない。

本発明は、半導体の製造技術で用いる化学的機械的研磨の分野で利用できる。

本発明の一実施の形態の化学的機械的研磨装置の一実施例の構成を模式的に示す説明図である。 （ａ）は化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを模式的に示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すリテーナリングのパッド側から見た平面図であり、（ｃ）は（ａ）の丸で囲んだリテーナリング部分の拡大図である。 （ａ）〜（ｄ）は、リテーナリングの装着時から交換時までの経緯を模式的に示す説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は、これまでのリテーナリングの装着時から交換時までの経緯を模式的に示す説明図である。 ウエハ中心から半径方向の研磨レートのプロファイルを示す説明図である。 本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法の一実施例を示すフロー図である。 （ａ）、（ｂ）はリテーナリング部分の変形例を示す部分断面図である。 リテーナリング部分の変形例を示す部分断面図である。

符号の説明

１０ 化学的機械的研磨装置
１１ モータ
１２ 定盤
１３ 研磨パッド
１４ モータ
１５ ノズル
１６ 取り付け孔
２０ 研磨ヘッド
２１ ハウジングハブ
２２ ハウジングプレート
２３ ベース取り付け部
２３ａ リテーナリング取り付け面
２４ リテーナリング
２４ａ ベース取り付け面
２４ｂ 表面
２５ 可撓膜
２５ａ マウント面
２６ 外径側
２７ 内径側
２８ 外径側
２９ 内径側
３０ リテーナリング
３１ リテーナリング
３２ リテーナリング
３３ リテーナリング
３３ａ ベース取り付け面
４１ Ｏリング
４２ Ｏリング
ａ 矢印
Ｓ スラリー
Ｓ１００ ステップ
Ｓ２００ ステップ
Ｓ３００ ステップ
Ｓ４００ ステップ

Claims (5)

1. 半導体ウエハの化学的機械的研磨による研磨工程を有する半導体装置の製造方法であって、
   前記研磨工程では、前記半導体ウエハの周縁に設けるリテーナリングは、新規なリテーナリング取り付け時点においてパッド面に対して、外径側から内径側に向けて厚く形成されており外径側の下面の高さが内径側の下面の高さより高く設定されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 半導体ウエハの化学的機械的研磨による研磨工程を有する半導体装置の製造方法であって、
   前記研磨工程では、前記半導体ウエハの周縁に設けるリテーナリングは、研磨当初からパッド面に対して、外径側から内径側に向けて、５０μｍ以上、１００μｍ以下の範囲で厚くなるようにテーパが設けられていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 半導体ウエハの化学的機械的研磨による研磨工程を有する半導体装置の製造方法であって、
   前記研磨工程では、前記半導体ウエハの周縁に設けるリテーナリングを取り付けるベース部のリテーナリング取り付け面には、研磨当初から、外径側から内径側に向けて漸次厚くなるテーパが設けられていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 半導体ウエハの化学的機械的研磨による研磨工程を有する半導体装置の製造方法であって、
   前記研磨工程では、前記半導体ウエハの周縁に設けるリテーナリングを取り付けるベース部に対して、内径側が外径側より厚い介在物を介して、前記リテーナリングが取り付けられていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 半導体ウエハを化学的機械的研磨により研磨する半導体製造装置であって、
   前記半導体製造装置では、前記半導体ウエハの周縁に設けるリテーナリングは、研磨当初からパッド面に対して、外径側から内径側に向けて漸次厚くなるテーパが設けられていることを特徴とする半導体製造装置。

Images