JP4538805B2

JP4538805B2 - 研磨装置、これを用いた半導体デバイス製造方法およびこの方法により製造される半導体デバイス

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Publication number: JP4538805B2
Application number: JP2005177266A
Authority: JP
Inventors: 智之保多; 覚真田; 浩新井
Original assignee: Nikon Corp
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Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2025-06-17
Also published as: JP2006346821A

Description

本発明は、半導体ウェハなどの研磨対象物の表面を平坦化する研磨装置に関する。さらに、この研磨装置を用いた半導体デバイス製造方法および半導体デバイスに関する。

従来、半導体ウェハなどの研磨対象物の表面を平坦化する研磨装置として、ウェハをその被研磨面が露出する状態で保持するウェハ保持装置（対象物保持装置）と、このウェハ保持装置に保持されたウェハの被研磨面と対向する研磨パッドが貼り付けられた研磨部材とを備え、これら双方を回転させた状態で研磨パッドをウェハの被研磨面に押し付け、且つ研磨部材を両者の接触面内方向に揺動させてウェハを研磨する構成のものが知られている。また、このような機械的研磨に加え、研磨パッドとウェハとの接触面に研磨剤（研磨液）を供給して研磨剤の化学的作用により上記研磨を促進させる化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing；ＣＭＰ）を行うＣＭＰ装置も知られている。

この種の研磨装置として、例えば、ウェハよりも径が小さい研磨パッドを用いる研磨装置や、ウェハよりも径が大きい研磨パッドを用いる（コンベンショナルの）研磨装置が知られている。ウェハよりも径が小さい研磨パッドを用いる研磨装置では、例えば、ウェハチャックにウェハがその被研磨面を上方に向けて（フェイスアップ状態で）真空吸着され、ウェハチャックとともに回転駆動される。このウェハの上方にこれと対向して研磨ヘッドが配設されており、研磨ヘッドは、ウェハの被研磨面と接触する研磨パッドを貼り付けた研磨部材と、これを柔軟に支えるドライブプレートおよびゴムシート（ダイヤフラム）と、これらに空気圧を加えるための圧力室を構成するための内部空間が形成されたヘッドハウジングとを有して構成される。

ヘッドハウジングの下端外周においてドライブプレートおよびゴムシートの外周が接合され、ドライブプレートおよびゴムシートが内周部において研磨部材と結合されており、ヘッドハウジングの内部空間がこれらドライブプレートおよびゴムシートにより覆われて圧力室が形成されている。この結果、研磨部材はドライブプレートを介してヘッドハウジングに支持され、且つゴムシートを介して圧力室内の空気圧を均一に受ける。そして、ヘッドハウジングが回転駆動されるとドライブプレートを介して研磨部材に回転駆動力が伝達されて全体が回転されるようになっている。

このような構成の研磨装置を用いたウェハの研磨加工は、研磨パッドを回転させながらウェハチャックに回転保持されたウェハの被研磨面に当接させて行われ、このとき、研磨パッドは回転しながらウェハに対して水平方向へ往復運動をすることで、ウェハの全表面が均一に研磨加工される。またこのとき、ウェハに対する研磨圧力が研磨ヘッドの位置に拘わらず一定に保たれており（例えば、特許文献１を参照）、これによりウェハの全表面がより均一に研磨加工される。
特許第２９６８７８４号公報

しかしながら、研磨ヘッドの位置によってウェハに対する研磨パッド（研磨部材）の相対速度が変化する場合があり、その結果、研磨剤の流量が変化する等して、研磨ヘッドの位置によって研磨圧力が一定でも研磨による除去速度が一定にならない場合があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、研磨ヘッドの位置に応じて研磨圧力を任意の大きさに変化させることができる研磨装置を提供することを目的とする。また、この研磨装置を用いた半導体デバイス製造方法および半導体デバイスを提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る研磨装置は、研磨対象物を保持する対象物保
持装置と、研磨対象物を研磨可能な研磨部材を保持する研磨ヘッドとを備え、研磨部材の
研磨面を研磨対象物の被研磨面に当接させながら研磨部材を被研磨面内で相対移動させる
とともに、研磨対象物を研磨部材に対して相対回転させて研磨対象物の研磨を行うように
構成された研磨装置において、研磨ヘッドの水平面内での位置を検出する位置検出部と、
位置検出部に検出された研磨ヘッドの水平面内での位置に応じて研磨部材に加える研磨荷
重を変化させる制御を行う制御部とを備え、研磨面が被研磨面に接触する接触面積と研磨
部材及び研磨対象物の中心間距離との関係を直線近似させて得られる直線近似式、並びに
上記直線近似式に対して中心間距離が大きくなるにつれて接触面積の値を漸減させて得ら
れる直線の式を作成し、この直線の式を用いて研磨ヘッドの水平面内の位置に応じて研磨
荷重を算出し、制御部は、算出した研磨荷重が研磨部材に加わるように研磨荷重を研磨ヘ
ッドの位置に応じて変化させる制御を行うように構成される。

なお、上述の研磨装置において、制御部が、非連続的に研磨荷重を変化させるように構
成されることが好ましい。

また、上述の研磨装置において、制御部が、位置検出部に検出された研磨ヘッドの位置
からその検出時より所定時間後における研磨ヘッドの位置を算出し、算出した所定時間後
における研磨ヘッドの位置に基づいて研磨荷重を変化させるように構成されることが好ま
しい。

また、本発明に係る半導体デバイス製造方法は、研磨対象物は半導体ウェハであり、本発明に係る研磨装置を用いて半導体ウェハの表面を平坦化する工程を有することを特徴とする。

さらに、本発明に係る半導体デバイスは、本発明に係る半導体デバイス製造方法により製造されたことを特徴とする。

本発明によれば、研磨ヘッドの位置に応じて研磨圧力を任意の大きさに変化させることができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る研磨装置の代表例である第１実施形態に係るＣＭＰ装置（化学的機械的研磨装置）を図１に示している。このＣＭＰ装置１は、研磨対象物たるウェハ２０をその上面側に着脱自在に吸着保持可能なウェハ保持テーブル（対象物保持装置）２５と、このウェハ保持テーブル２５の上方位置に設けられ、ウェハ保持テーブル２５上に保持されたウェハ２０の被研磨面２１と対向する研磨パッド６０が取り付けられた研磨部材４０を保持してなる研磨ヘッド３０とを備えて構成されている。このＣＭＰ装置１では、研磨パッド６０の寸法（直径）はウェハ２０の寸法（直径）よりも小さく（すなわち研磨パッド６０はウェハ２０よりも小径であり）、研磨パッド６０をウェハ２０に接触させた状態で双方を相対移動させることにより、ウェハ２０の被研磨面（上面）２１全体を研磨できるようになっている。

ウェハ保持テーブル２５は、ウェハ２０とほぼ同じ直径を有する円盤状の回転テーブルであり、上下方向に延びた回転軸２４の上端に取り付けられてほぼ水平姿勢に保持されている。ウェハ保持テーブル２５の上面には図示しない真空チャックが設けられており、これによりウェハ２０をウェハ保持テーブル２５の上面側に着脱自在に吸着保持できるようになっている。回転軸２４は、図示しない電動モータを有して構成されるウェハ回転機構２３（図１参照）を用いて垂直軸まわりに回転駆動されるようになっており、これによりウェハ保持テーブル２５を水平面内で回転させることができる。

研磨ヘッド３０は上下に延びるスピンドル２９の下端部に取り付けられている。このスピンドル２９は、図示しない電動モータを有して構成される研磨ヘッド回転機構２８（図１参照）を用いて垂直軸まわりに回転駆動されるようになっており、これにより研磨ヘッド３０全体を回転させて研磨パッド６０を水平面内で回転させることができる。また、スピンドル２９は、複数の図示しない電動モータを有して構成される研磨ヘッド移動機構２７（図１参照）を用いて三次元的に平行移動可能に構成されており、これにより、研磨ヘッド３０を垂直姿勢のまま三次元的、すなわち、上下、左右および前後方向に平行移動させることができる。

研磨ヘッド３０は、図２及び図３に示すように、スピンドル２９の下端部にボルトＢ５により結合される円盤部材３１ａ及びこの円盤部材３１ａの下面外周にボルトＢ１により結合された円筒部材３１ｂからなるヘッドハウジング３１と、円筒部材３１ｂの下端部にボルトＢ２により固定される保持リング３２と、これら円筒部材３１ｂと保持リング３２とにより外周部が狭持される円盤状のドライブプレート１０およびダイヤフラム３５と、ダイヤフラム３５の下面側に位置して取り付けられる上述の研磨部材４０とを有して構成される。この構成から分かるように、ヘッドハウジング３１内には、下面側に開口を有する円筒状の空間が形成され、この空間が後述するようにダイヤフラム３５により覆われて圧力室Ｈが形成される。なお、研磨部材４０はヘッドハウジング３１の開口を通過するように配設される。

ドライブプレート１０はオーステナイト系ステンレス板等の弾性変形可能な金属板から作られ、中央に円形孔１１を形成した円盤に、同心円状に並んだ多数の開孔を形成して作られている。ダイヤフラム３５は所定厚さの（比較的薄い）ゴムシートをドライブプレート１０と同一径の円盤状に形成して作られている。ダイヤフラム３５の中央にはドライブプレート１０の円形孔１１と同一径の円形孔３５ａが形成されている。ドライブプレート１０およびダイヤフラム３５は、上下に重ねられた状態で、その外周部が上述のようにヘッドハウジング３１と保持リング３２とに狭持されて略水平に固定される。

研磨部材４０は、ダイヤフラム３５の下面側に取り付けられる円盤状の基準プレート４１と、この基準プレート４１の下面に真空吸着により着脱自在に取り付けられる研磨工具５０とを有して構成される。基準プレート４１の中央部上面側にはドライブプレート１０及びダイヤフラム３５の円形孔１１，３５ａよりも若干小さい半径を有する円盤状の中心部材４４がボルトＢ３により固定されており、この中心部材４４に芯合わせをされたドライブプレート１０およびダイヤフラム３５の内周部が、基準プレート４１とこの基準プレート４１の上面側にボルトＢ４により固定されるリング部材４５との間に狭持される。

このように、基準プレート４１（すなわち、研磨部材４０）は、弾性を有するドライブプレート１０およびダイヤフラム３５を用いてヘッドハウジング３１に上下移動可能に取り付けられ、スピンドル２９の回転駆動力がドライブプレート１０を介して基準プレート４１に伝達される。また、ドライブプレート１０に重なって取り付けられるダイヤフラム３５がヘッドハウジング３１の内部空間を下面側から密封状態で覆い、圧力室Ｈを形成する。なお、基準プレート４１の外周部から外方に張り出したフランジ４１ａの外径は保持リング３２の内周部から内方に張り出したフランジ３２ａの内径よりも大きく形成されており、基準プレート４１が保持リング３２から抜け出ることがないようになっている。

研磨工具５０は上記基準プレート４１とほぼ同じ外径を有する円盤状のパッドプレート５１と、このパッドプレート５１の下面である研磨パッド取付面５１ａに取り付けられたドーナツ形円盤状の研磨パッド（研磨布）６０とから構成される。ここで、研磨パッド６０は研磨により劣化していく消耗品であるため、上記研磨パッド取付面５１ａに着脱可能に取り付け可能にして（例えば接着剤による）、交換作業を容易にしている。なお、研磨パッド６０の下面には研磨面６１が形成される。

図２に示すように、基準プレート４１の内部には下面側に複数の吸着開口を有する空気吸入路７１が形成されており、この空気吸入路７１は中心部材４４側にも延びてヘッドハウジング３１の内部空間（圧力室Ｈ）側に開口している。この開口部にはスピンドル２９の中央に貫通形成されたエア供給路８０内を延びた吸入管７２が接続されており、基準プレート４１の下面側にパッドプレート５１を位置させた状態でこの吸入管７２から空気を吸入することにより、パッドプレート５１を基準プレート４１に吸着取り付けできるようになっている。ここで、パッドプレート５１は基準プレート４１との間に設けられたセンターピンＰ１と位置決めピンＰ２とにより芯出しと回転方向の位置決めとがなされる。

また、エア供給路８０内には研磨剤供給装置８７（図１を参照）と繋がる研磨剤供給管８１が延びており、スピンドル２９と中心部材４４との間に位置する接続具８２を介して中心部材４４を貫通して設けられた流路８３、センターピンＰ１内を貫通する流路８４、パッドプレート５１内に形成された流路８５および流路８６と繋がっている。

さらに、図１に示すように、エア供給路８０は電空レギュレータ８８を介してエア供給源８９に繋がっており、エア供給源８９から供給されるエア圧により圧力室Ｈ内の圧力を所望の圧力に調整設定できるようになっている。なお、図１においては、研磨ヘッド３０およびスピンドル２９を説明のため簡略化して示すとともに、他の構成要素を模式的に示している。

制御部９０は、ウェハ回転機構２３にウェハ回転信号を出力し、研磨ヘッド回転機構２８にヘッド回転信号を出力し、研磨ヘッド移動機構２７にヘッド移動信号を出力し、研磨剤供給装置８７に研磨剤供給信号を出力し、そして電空レギュレータ８８にエア供給信号を出力するように構成される。また、制御部９０には、位置検出部９１からの位置検出信号が入力される。位置検出部９１は、スピンドル２９の近傍に取り付けられており、研磨ヘッド３０の水平面内での位置（後述する中心間距離ｘ）を検出してその検出信号を制御部９０に出力するように構成される。

このような構成のＣＭＰ装置１を用いてウェハ２０の研磨を行うには、まず、ウェハ保持テーブル２５の上面に研磨対象となるウェハ２０が吸着取り付けされ（このときウェハ２０の中心はウェハ保持テーブル２５の回転中心に一致させる）、制御部９０から出力されるウェハ回転信号によりウェハ回転機構２３が作動しウェハ保持テーブル２５が回転駆動される。次に、制御部９０が研磨ヘッド移動機構２７にヘッド移動信号を出力することで（研磨ヘッド移動機構２７により）研磨ヘッド３０がウェハ２０の上方に位置し、研磨ヘッド回転機構２８にヘッド回転信号を出力することで（研磨ヘッド回転機構２８により）スピンドル２９および研磨ヘッド３０が回転する。続いて、制御部９０が研磨ヘッド移動機構２７にヘッド移動信号を出力することで（研磨ヘッド移動機構２７により）研磨ヘッド３０が下方へ移動し、研磨パッド６０の下面（研磨面６１）がウェハ２０の上面（被研磨面２１）に接する。

次に、制御部９０が電空レギュレータ８８にエア供給信号を出力することで（電空レギュレータ８８を介して）エア供給源８９から圧力室Ｈ内に所定のエア圧が供給され、圧力室Ｈ内のエア圧を受けて研磨部材４０、すなわち研磨パッド６０が所定の研磨荷重でウェハ２０を押圧する（すなわち、研磨部材４０に所定の研磨荷重が加えられる）。そして、制御部９０が研磨ヘッド移動機構２７にヘッド移動信号を出力することで（研磨ヘッド移動機構２７により）研磨ヘッド３０が略水平面内（ウェハ２０と研磨パッド６０との接触面の面内方向）で揺動する。このとき同時に、制御部９０が研磨剤供給装置８７に研磨剤供給信号を出力することで研磨剤供給装置８７より研磨剤（シリカ粒を含んだ液状のスラリー）が圧送され、研磨パッド６０の下面側に研磨剤が供給される。これにより、ウェハ２０の被研磨面２１は、研磨剤の供給を受けつつウェハ２０自身の回転運動と研磨ヘッド３０の（すなわち研磨パッド６０の）回転及び揺動運動とにより研磨される。

ところで、本実施形態において、ウェハ２０に作用する研磨圧力の制御は、研磨パッド６０（研磨部材４０）に加える研磨荷重を制御部９０が制御することで実現される。研磨荷重は、研磨圧力に研磨パッド６０とウェハ２０との接触面積（すなわち、研磨面６１と被研磨面２１との接触面積）を乗じた値となる。そのため、研磨圧力を制御するためには、研磨ヘッド３０の任意の位置における研磨パッド６０とウェハ２０との接触面積Ｓ（ｘ）を算出する必要がある。

接触面積Ｓ（ｘ）は、図４に示されるようなパラメータを用いて、（１）式で表される。なお、研磨ヘッド３０の（水平面内での）位置は、研磨パッド６０とウェハ２０との中心間距離ｘに等しいものと仮定する。また、研磨パッド６０はドーナツ形円盤状であり、ウェハ２０は円盤状であるものと仮定している。

ここで、研磨パッド６０の外周部（パッド外周より内側の部分）の接触面積Ｓ_ｏ（ｘ）は、０≦ｘ≦Ｒ−ｒ_ｏのとき、（２）式で表され、Ｒ−ｒ_ｏ＜ｘ≦Ｒ＋ｒ_ｏのとき、（３）式で表される。

また、研磨パッド６０の内周部（パッド内周より内側の部分）の接触面積Ｓ_ｉ（ｘ）は、０≦ｘ≦Ｒ−ｒ_ｉのとき、（４）式で表され、Ｒ−ｒ_ｉ＜ｘ≦Ｒ＋ｒ_ｉのとき、（５）式で表される。

（１）〜（５）式を用いて算出した接触面積Ｓ（ｘ）と研磨ヘッド３０の位置（中心間距離ｘ）との関係は、図５のように示される。なお、ウェハ２０の直径は３００ｍｍ、研磨パッド６０の外周の直径は２６６ｍｍ、研磨パッド６０の内周の直径は８４ｍｍであり、図５では、研磨ヘッド３０の位置に応じて変化する接触面積Ｓ（ｘ）と研磨パッド６０の研磨面６１の面積との比（面積比）を縦軸としている。

そして、研磨パッド６０（研磨部材４０）に加える研磨荷重Ｆ（ｘ）の計算式は、（６）式および（７）式で表される。なお、Ｓ_ＰＡＤは研磨パッド６０の研磨面６１の面積であり、Ｒ（ｘ）はＳ_ＰＡＤに対するＳ（ｘ）の面積比であり、Ｐ（ｘ）は研磨ヘッド３０の位置（中心間距離ｘ）に応じて設定（定義）された研磨圧力である。

これからわかるように、研磨荷重Ｆ（ｘ）は、予め研磨ヘッド３０の位置（中心間距離ｘ）に応じて設定された研磨圧力Ｐ（ｘ）の値に、研磨ヘッド３０の位置に応じて算出された接触面積Ｓ（ｘ）の値を乗じることにより算出することができる。

続いて、研磨圧力Ｐ（ｘ）を設定（定義）する方法について説明する。研磨圧力Ｐ（ｘ）を設定する方法として、「代表となる研磨圧力の値」と、「研磨ヘッド３０の位置によって研磨圧力がどのように変化するのかを示すパラメータ」とを設定する方法がある。なお、図５は、接触面積Ｓ（ｘ）と研磨面６１の面積との面積比を厳密に計算したグラフであるが、このグラフを直線近似式で近似させた例を図６に示す。

図６では、研磨ヘッド３０の位置（中心間距離ｘ）を、全面当たり領域、近距離領域、遠距離領域の３つの領域に分割し、各領域毎に面積比をそれぞれ直線近似式で近似している。そして、図６においては、３つの領域における直線のパラメータ、すなわち各直線の傾きと切片が、それぞれ研磨圧力Ｐ（ｘ）を設定（定義）するための「研磨ヘッド３０の位置によって研磨圧力がどのように変化するのかを示すパラメータ」として使用することができる。なお、本実施形態においては３つの領域に分割しているが、これに限られるものではなく、例えば２つでも５つでもよい。

このような直線近似式を利用して研磨圧力Ｐ（ｘ）を設定（定義）するには、まず、「代表となる研磨圧力の値」として、研磨ヘッド３０がウェハ２０の中心部に位置するときの研磨圧力を設定（定義）する。次に、直線近似式を用いて研磨ヘッド３０の位置に応じた接触面積（面積比）を計算する。このとき、直線近似式のパラメータを実際の接触面積（面積比）から求められる直線近似式と異なるようにすることで、結果的に、研磨圧力Ｐ（ｘ）を研磨ヘッド３０の位置（中心間距離ｘ）に応じて「代表となる研磨圧力の値」から変化させることが可能になる。

例えば、直線近似式を用いて、図７に示すような近似直線Ｌ１が得られたとする。このとき、近似直線Ｌ１を構成する直線近似式（面積比Ｒ（ｘ）と中心間距離ｘとの関係）は、０≦ｘ≦ｘ_１１のとき、（８）式で表され、ｘ_１１＜ｘ≦ｘ_１２のとき、（９）式で表され、ｘ＞ｘ_１２のとき、（１０）式で表されるとする。

図７に示すような近似直線Ｌ１が得られた場合において、研磨圧力Ｐ（ｘ）を設定（定義）するには、まず、図７に示すように、中心間距離ｘが大きくなるにつれて、すなわち、研磨ヘッド３０の位置がウェハ２０の中心から外側へ向かうにつれて近似直線Ｌ１に対する減少幅が大きくなる直線Ｌ２を作成する。このとき、直線Ｌ２を構成する直線の式（面積比Ｒ（ｘ）と中心間距離ｘとの関係）は、０≦ｘ≦ｘ_１１のとき、（１１）式で表され、ｘ_１１＜ｘ≦ｘ_１２のとき、（１２）式で表され、ｘ＞ｘ_１２のとき、（１３）式で表されることが可能になる。

そして、制御部９０は、（８）〜（１０）式ではなく、（１１）〜（１３）式を用いて（６）式から研磨荷重Ｆ（ｘ）を算出し、算出した研磨荷重Ｆ（ｘ）が研磨パッド６０（研磨部材４０）に加わるように、電空レギュレータ８８にエア供給信号を出力する。なおこのとき、研磨圧力Ｐ（ｘ）は、「代表となる研磨圧力の値」、すなわち、研磨ヘッド３０がウェハ２０の中心部に位置するときの研磨圧力（研磨圧力Ｐ（ｘ）は一定）にする。

そうすると、図８に示すように、（８）〜（１０）式を用いて算出した研磨荷重Ｆ（ｘ）を研磨パッド６０（研磨部材４０）に加えた場合の研磨圧力は、中心間距離ｘに拘わらず、「代表となる研磨圧力の値」、すなわち、研磨ヘッド３０がウェハ２０の中心部に位置するときの研磨圧力で一定となるが、（１１）〜（１３）式を用いて算出した研磨荷重Ｆ（ｘ）を研磨パッド６０に加えた場合の研磨圧力は、ウェハ２０の中心部における研磨圧力から中心間距離ｘが大きくなるにつれて連続的に（直線的に）減少する。これは、直線Ｌ２で表される面積比（接触面積）が、中心間距離ｘが大きくなるにつれて近似直線Ｌ１で表される面積比（接触面積）より小さくなるからであり、結果として、研磨圧力Ｐ（ｘ）を中心間距離ｘが大きくなるにつれて（すなわち、研磨ヘッド３０の位置がウェハ２０の中心から外側へ向かうにつれて）連続的に減少するように設定することが可能になる。

そのため、例えば、ウェハ２０および研磨パッド６０（研磨ヘッド３０）の回転数が一定のためウェハ２０の中心から外側へ向かうにつれて研磨パッド６０の相対速度が増加し、それに応じて研磨圧力を小さくする必要がある場合でも、研磨圧力Ｐ（ｘ）を中心間距離ｘが大きくなるにつれて（すなわち、研磨ヘッド３０の位置がウェハ２０の中心から外側へ向かうにつれて）連続的に減少するように設定することができ、このような場合でもウェハ２０をより均一に研磨することが可能になる。

このようにして、（１１）〜（１３）式で表される直線の式の傾きと切片（Ａ₁₁、Ｂ₁₁等）を、それぞれ研磨圧力Ｐ（ｘ）を設定（定義）するための「研磨ヘッド３０の位置によって研磨圧力がどのように変化するのかを示すパラメータ」として使用することができる。なお、図１の二点鎖線で示すように、作業者がパラメータ設定部９２を操作して（１１）〜（１３）式で表される直線の式のパラメータ（Ａ₁₁、Ｂ₁₁等）を制御部９０に入力することにより、研磨圧力の分布を任意の大きさに容易に設定することが可能になる。

この結果、第１実施形態のＣＭＰ装置１によれば、制御部９０が、ウェハ２０に作用する研磨圧力が設定した研磨圧力となるように研磨荷重を研磨ヘッド３０の位置（中心間距離ｘ）に応じて変化させる制御を行うことになり、研磨ヘッド３０の位置に応じて研磨圧力を任意の大きさに変化させることができる。そのため、ウェハ２０をより均一に研磨することが可能になる。

本実施形態においては、研磨ヘッド３０の位置に対応した研磨面６１と被研磨面２１との接触面積を研磨ヘッド３０の位置から近似的に算出可能な近似式（（８）〜（１０）式）を利用して、研磨ヘッド３０の位置に対応した研磨圧力Ｐ（ｘ）が設定されるように構成されるため、作業者が研磨圧力Ｐ（ｘ）の設定を容易に行うことができる。

また、本実施形態においては、直線近似式（（８）〜（１０）式）のパラメータを変化させてなる直線の式（（１１）〜（１３）式）を利用して、研磨ヘッド３０の位置に対応した研磨圧力Ｐ（ｘ）が設定されるように構成されており、このようにすれば、直線の式のパラメータである直線の傾きと切片を変化させるだけで、設定（定義）すべき研磨圧力Ｐ（ｘ）を変化させることが可能となり、作業者が研磨圧力Ｐ（ｘ）の設定をより容易に行うことができる。

なお、上述の第１実施形態において、近似式（（８）〜（１０）式）を利用して、研磨ヘッド３０の位置に対応した研磨圧力Ｐ（ｘ）を設定するように構成されているが、これに限られるものではない。例えば、ウェハ２０の内側（中心部：ｘ＝ｘ_in）における研磨圧力をＰ_inとするとともに、ウェハ２０の外側（ｘ＝ｘ_out）における研磨圧力をＰ_outとし、図９に示すように、Ｐ_inとＰ_outとを結ぶ直線の式をもとに、研磨圧力Ｐ（ｘ）を設定（定義）するようにしてもよい。このとき、研磨圧力Ｐ（ｘ）は（１４）式で表される。

この場合、「研磨ヘッド３０の位置によって研磨圧力がどのように変化するのかを示すパラメータ」として、ｘ_in、ｘ_out、Ｐ_in、およびＰ_outが用いられる。また、ｘ_in、ｘ_out、Ｐ_in、およびＰ_outをまとめて、研磨圧力Ｐ（ｘ）を（１５）式のような直線の式で表し、その直線の傾きＣと切片Ｄをパラメータとして用いることも考えられる。なお、Ｐ（ｘ）を１本の直線で表したが、Ｐ（ｘ）を定義する関数は複数の直線であってもよく、また任意の曲線でも構わない。

また、上述の第１実施形態において、直線近似式（（８）〜（１０）式）のパラメータを変化させてなる直線の式（（１１）〜（１３）式）を利用して、研磨ヘッド３０の位置に対応した研磨圧力Ｐ（ｘ）を設定するように構成されているが、これに限られるものではなく、例えば、２次曲線のような多次曲線を用いた近似式を利用して、研磨圧力を設定するようにしてもよい。

さらに、上述の第１実施形態において、面積比Ｒ（ｘ）を近似的に算出可能な近似式（（８）〜（１０）式）を利用して、研磨ヘッド３０の位置に対応した研磨圧力Ｐ（ｘ）を設定するように構成されているが、これに限られるものではなく、接触面積Ｓ（ｘ）を近似的に算出可能な近似式を利用可能なことは勿論である。

また、上述の第１実施形態において、研磨圧力Ｐ（ｘ）は、研磨ヘッド３０の位置がウェハ２０の中心から外側へ向かうにつれて連続的に減少するように設定されているが、これに限られるものではなく、ウェハ２０の中心から外側へ向かうにつれて連続的に増加するように設定されてもよい。このようにすれば、例えば、ウェハ２０の厚さが外側部分で厚くなっており、ウェハ２０の外側部分で研磨圧力を大きくする必要がある場合でも、ウェハ２０をより均一に研磨することが可能になる。

次に、ＣＭＰ装置の第２実施形態について図１０を参照しながら説明する。第２実施形態のＣＭＰ装置１０１は、上述した第１実施形態のＣＭＰ装置１に対して制御部９０の装置構成のみ異なり、他の装置構成は同様であるため同一部位に同一番号を付して重複説明を省略する。

第２実施形態の制御部１９０は、ウェハ回転機構２３にウェハ回転信号を出力し、研磨ヘッド回転機構２８にヘッド回転信号を出力し、研磨ヘッド移動機構２７にヘッド移動信号を出力し、研磨剤供給装置８７に研磨剤供給信号を出力し、そして電空レギュレータ８８にエア供給信号を出力するように構成される。また、制御部１９０には、位置検出部９１からの位置検出信号と、インターフェース部１９２からの操作信号とが入力され、さらに、研磨圧力Ｐ（ｘ）のデータテーブル１９３が電気的に接続されている。

このような第２実施形態のＣＭＰ装置１０１を用いても、第１実施形態のＣＭＰ装置１と同様にしてウェハ２０の研磨を行うことができる。また、ウェハ２０に作用する研磨圧力の制御は、研磨パッド６０（研磨部材４０）に加える研磨荷重を制御部１９０が制御することで実現される。そして、第２実施形態においては、研磨圧力Ｐ（ｘ）を、研磨ヘッド３０の位置（中心間距離ｘ）によって個別に設定（定義）している。

中心間距離ｘの領域を５分割し、分割した各領域毎に、ある一定の研磨圧力Ｐ₀〜Ｐ₄を設定（定義）した例を図１２に示す。図１２において、研磨圧力Ｐ（ｘ）は、次のように表される。

０≦ｘ＜ｘ₀のとき、Ｐ（ｘ）＝Ｐ₀
ｘ₀≦ｘ＜ｘ₁のとき、Ｐ（ｘ）＝Ｐ₁
ｘ₁≦ｘ＜ｘ₂のとき、Ｐ（ｘ）＝Ｐ₂
ｘ₂≦ｘ＜ｘ₃のとき、Ｐ（ｘ）＝Ｐ₃
ｘ₃≦ｘのとき、Ｐ（ｘ）＝Ｐ₄

なお、分割した各領域毎の研磨圧力Ｐ（ｘ）は、データテーブル１９３に記録されている。そして、制御部１９０は、データテーブル１９３に記録された研磨圧力Ｐ（ｘ）を用いて、（６）式および（７）式から研磨ヘッド３０の位置（中心間距離ｘ）に応じた研磨荷重Ｆ（ｘ）を算出し、算出した研磨荷重Ｆ（ｘ）が研磨パッド６０（研磨部材４０）に加わるように、電空レギュレータ８８にエア供給信号を出力する。

この結果、第２実施形態のＣＭＰ装置１０１によれば、制御部１９０が、ウェハ２０に作用する研磨圧力がデータテーブル１９３に記録された研磨圧力となるように、研磨荷重を研磨ヘッドの位置に（中心間距離ｘ）応じて変化させる制御を行うため、研磨ヘッド３０の位置に応じて研磨圧力を任意の大きさに変化させることができる。そのため、第１実施形態のＣＭＰ装置１と同様に、ウェハ２０をより均一に研磨することが可能になる。

また、データテーブル１９３に記録される研磨圧力Ｐ（ｘ）は、作業者がインターフェース部１９２を設定操作することで自由に設定することができるようになっている。図１１に示すように、インターフェース部１９２は、ＣＭＰ装置１０１の所定箇所に配設されるパネル部１９５と、パネル部１９５に設けられた操作部１９６および表示部１９９とを有して構成される。

操作部１９６は、パネル部１９５に対し上下方向にスライド移動可能に取り付けられた５つの操作ツマミ１９７ａ〜１９７ｅを主体に構成され、この５つの操作ツマミ１９７ａ〜１９７ｅをスライド移動させることにより、各領域毎の研磨圧力Ｐ（ｘ）を増減させることができるようになっている。すなわち、各操作ツマミ１９７ａ〜１９７ｅはそれぞれ、左側から、０≦ｘ＜ｘ₀、ｘ₀≦ｘ＜ｘ₁、ｘ₁≦ｘ＜ｘ₂、ｘ₂≦ｘ＜ｘ₃、そしてｘ₃≦ｘにおける研磨圧力Ｐ（ｘ）を増減させることができるようになっている。

例えば、図１２に示す例においては、操作ツマミ１９７ａによってＰ（ｘ）＝Ｐ₀に設定され、操作ツマミ１９７ｂによってＰ（ｘ）＝Ｐ₁に設定され、操作ツマミ１９７ｃによってＰ（ｘ）＝Ｐ₂に設定され、操作ツマミ１９７ｄによってＰ（ｘ）＝Ｐ₃に設定され、そして、操作ツマミ１９７ｅによってＰ（ｘ）＝Ｐ₄に設定される。そして、各操作ツマミ１９７ａ〜１９７ｅの設定操作による操作信号は、制御部１９０を介してデータテーブル１９３に記録されるようになっている。なお、パネル部１９５における各操作ツマミ１９７ａ〜１９７ｅの側方には、目盛１９８が複数刻まれている。

表示部１９９は、例えば液晶表示装置等から構成され、各操作ツマミ１９７ａ〜１９７ｅの操作により設定された領域毎の研磨圧力Ｐ（ｘ）が、この表示部１９９に棒グラフ状に表示されるようになっている。このようなインターフェース部１９２を用いることにより、作業者が表示部１９９を参照しながら各領域毎の研磨圧力Ｐ（ｘ）を視覚的に設定することができ、研磨圧力Ｐ（ｘ）の設定を容易に行うことができる。

なお、上述の第２実施形態において、中心間距離ｘの領域を５分割しているが、これに限られるものではなく、２分割でも８分割でも構わない。また、分割した各領域において、研磨圧力Ｐ（ｘ）は一定でなくてもよい。さらに、分割した各領域の境界部で研磨圧力Ｐ（ｘ）が不連続となっているが、これに限られるものではなく、図１３に示すように、研磨圧力Ｐ（ｘ）が各領域の境界部で連続となるようにしてもよい。

また、上述の各実施形態において、図１および図１０に示すように、研磨パッド６０の下方においてウェハ保持テーブル２５によりウェハ２０が保持される研磨装置について説明したが、これに限られるものではなく、本発明は、研磨パッドの上方において（ウェハ保持装置などにより）ウェハが保持される構成の研磨装置にも用いることができる。

さらに、上述の各実施形態において、制御部９０（１９０）が、例えば、電空レギュレータ８８に対するエア供給信号の出力を所定時間毎に行うことにより、研磨荷重を非連続的に変化させるようにしてもよい。このようにすれば、制御部９０（ＣＰＵ等の）負荷を低減させることができる。

ここで、研磨部材４０に対し非連続的な階段状に研磨荷重を加えたときに、実際にウェハ２０に作用する研磨荷重をロードセル（図示せず）で測定した結果を図１４に示す。なお、制御部による信号の出力間隔（サンプリング間隔）は０．２秒である。図１４においては、上述の各実施形態で述べた方法を用いて、ある時間Ｔにおいて出力したい研磨圧力（例えば、データテーブル１９３に記録された研磨圧力Ｐ（ｘ））に、時間Ｔでの研磨ヘッド３０の位置から算出した研磨パッド６０とウェハ２０との接触面積Ｓ（ｘ）を乗じて、研磨荷重を算出している。しかしながら、図１４に示すように、演算処理時間等に起因して、目標とする研磨荷重と実際にウェハ２０に作用する研磨荷重との間には時間遅れが発生している。

そこで、このような場合、制御部９０（１９０）が、位置検出部９１に検出された研磨ヘッド３０の位置からその検出時より所定時間後における研磨ヘッド３０の位置を算出し、算出した所定時間後における研磨ヘッド３０の位置に基づいて研磨荷重を変化させるように制御することが好ましい。具体的には、例えば時間遅れをΔＴとすると、時間Ｔにおいて出力したい研磨圧力に、時間Ｔ＋ΔＴでの研磨ヘッド３０の位置から算出した接触面積Ｓ（ｘ）を乗じて研磨荷重を算出する。これにより、時間遅れΔＴを勘案した研磨荷重を出力できるため、図１５に示すように、目標とする研磨荷重と実際にウェハ２０に作用する研磨荷重とを一致させることができる。

さらに、上述の各実施形態において、エアの圧力を利用して研磨部材４０に研磨荷重を加えるように構成されているが、これに限られるものではなく、例えば、磁力を利用して研磨部材に研磨荷重を加えるようにしてもよい。また例えば、図１６に示すように、エアの圧力と磁力を組み合わせて研磨部材に研磨荷重を加えるようにしてもよい。

図１６に示すＣＭＰ装置では、研磨ヘッド２３０に構成される研磨部材２４０に、電力の供給を受けて作動する電磁アクチュエータ２５０が連結して設けられている。研磨ヘッド２３０は、第１実施形態の研磨ヘッド３０と同様の構成であり、ヘッドハウジング２３１や、ドライブプレート２１０、研磨部材２４０等が設けられ、ヘッドハウジング２３１の内部に圧力室Ｈ２が形成されるようになっている。電磁アクチュエータ２５０は、研磨部材２４０の外周部に連結された張出部材２５１と、張出部材２５１の外縁部から上方に延びる２つの円筒部からなる磁石保持フレーム２５２，２５３に設けられた円環状の永久磁石２５４，２５５と、円筒状のコイル保持フレーム２５７の下端部に巻き付けられて両永久磁石２５４，２５５の間隙部に位置するコイル２５８とを有して構成される。

ここで、両永久磁石２５４，２５５は各々上下に分極しているが、上下それぞれ異なる極同士が対向している（外側の永久磁石２５４は上側がＳ極、下側がＮ極であり、内側の永久磁石２５５は上側がＮ極、下側がＳ極）。このため両永久磁石２５４，２５５の上下部には、向きの異なる２種の磁界が研磨部材２４０の半径方向を向いて生じた状態となっている。そして、コイル２５８に所定の電流を流すことにより、両永久磁石２５４，２５５の間隙部で生じたローレンツ力（電磁力）を利用して、研磨部材２４０を下方に押し下げる力を発生させることができるようになっている。

このような構成の電磁アクチュエータ２５０を利用して、研磨部材２４０が電磁アクチュエータ２５０に発生する電磁力を受けてウェハに押し付けられている場合には、電磁アクチュエータ２５０に供給する電流を調節することにより研磨荷重を制御し、研磨部材２４０がエア圧および電磁アクチュエータ２５０に発生する電磁力を受けてウェハに押し付けられている場合には、エア圧および電磁アクチュエータ２５０に供給する電流を調節することにより研磨荷重を制御する。このようにすれば、押し付け力の主要部分（低周波成分）を応答の遅いエア圧により調整し、押し付け力の変動部分（高周波成分）を応答の速い電磁アクチュエータ２５０により調整することで、研磨荷重の制御を効率よく行うことができる。

続いて、本発明に係る半導体デバイスの製造方法の実施例について説明する。図１７は半導体デバイスの製造プロセスを示すフローチャートである。半導体製造プロセスをスタートすると、まずステップＳ２００で次に挙げるステップＳ２０１〜Ｓ２０４の中から適切な処理工程を選択し、いずれかのステップに進む。

ここで、ステップＳ２０１はウェハの表面を酸化させる酸化工程である。ステップＳ２０２はＣＶＤ等によりウェハ表面に絶縁膜や誘電体膜を形成するＣＶＤ工程である。ステップＳ２０３はウェハに電極を蒸着等により形成する電極形成工程である。ステップＳ２０４はウェハにイオンを打ち込むイオン打ち込み工程である。

ＣＶＤ工程（Ｓ２０２）もしくは電極形成工程（Ｓ２０３）の後で、ステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５はＣＭＰ工程である。ＣＭＰ工程では本発明による研磨装置により、層間絶縁膜の平坦化や半導体デバイス表面の金属膜の研磨、誘電体膜の研磨等が行われ、ダマシン（damascene）プロセスが適用されることもある。

ＣＭＰ工程（Ｓ２０５）もしくは酸化工程（Ｓ２０１）の後でステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６はフォトリソグラフィ工程である。この工程ではウェハへのレジストの塗布、露光装置を用いた露光によるウェハへの回路パターンの焼き付け、露光したウェハの現像が行われる。さらに、次のステップＳ２０７は現像したレジスト像以外の部分をエッチングにより削り、その後レジスト剥離が行われ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くエッチング工程である。

次に、ステップＳ２０８で必要な全工程が完了したかを判断し、完了していなければステップＳ２００に戻り、先のステップを繰り返してウェハ上に回路パターンが形成される。ステップＳ２０８で全工程が完了したと判断されればエンドとなる。

本発明による半導体デバイス製造方法では、ＣＭＰ工程において本発明にかかる研磨装置を用いているため、より高い均一性および平坦性を有するウェハを得ることができ、ウェハの加工精度および歩留まりが向上する。これにより、従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コストで半導体デバイスを製造することができるという効果がある。なお、上記半導体デバイス製造プロセス以外の半導体デバイス製造プロセスのＣＭＰ工程に本発明による研磨装置を用いても良い。また、本発明による半導体デバイス製造方法により製造された半導体デバイスは、歩留まりが高く低コストの半導体デバイスとなる。

本発明に係る研磨装置の一例である第１実施形態のＣＭＰ装置を示す正面図である。ＣＭＰ装置に構成される研磨ヘッドの正断面図である。研磨ヘッドの分解斜視図である。ウェハと研磨パッドとの位置関係を示す模式図である。研磨ヘッドの位置（中心間距離）と接触面積（面積比）との関係を示すグラフである。図５で示されるグラフに対して直線近似を行った状態を示す説明図である。近似直線による研磨ヘッドの位置（中心間距離）と接触面積（面積比）との関係を示すグラフである。第１実施形態における研磨ヘッドの位置（中心間距離）と研磨圧力との関係を示すグラフである。第１実施形態の変形例における研磨ヘッドの位置（中心間距離）と研磨圧力との関係を示すグラフである。第２実施形態のＣＭＰ装置を示す正面図である。インターフェース部の正面図である。第２実施形態における研磨ヘッドの位置（中心間距離）と研磨圧力との関係を示すグラフである。第２実施形態の変形例における研磨ヘッドの位置（中心間距離）と研磨圧力との関係を示すグラフである。本発明を適用しない場合の時間と研磨荷重との関係を示すグラフである。本発明を適用した場合の時間と研磨荷重との関係を示すグラフである。ＣＭＰ装置の変形例を示す正面図である。本発明に係る半導体デバイスの製造プロセスを示すフローチャートである。

符号の説明

１ＣＭＰ装置（研磨装置）
２０ウェハ（研磨対象物）２１被研磨面
２５ウェハ保持テーブル（対象物保持装置）
３０研磨ヘッド４０研磨部材
６０研磨パッド６１研磨面
９０制御部９１位置検出部
１０１ＣＭＰ装置（第２実施形態）
１９０制御部１９２インターフェース部
１９３データテーブル

Claims

研磨対象物を保持する対象物保持装置と、前記研磨対象物を研磨可能な研磨部材を保持
する研磨ヘッドとを備え、前記研磨部材の研磨面を前記研磨対象物の被研磨面に当接させ
前記研磨部材を前記被研磨面内で相対移動させるとともに、前記研磨対象物を前記研磨部
材に対して相対回転させて前記研磨対象物の研磨を行うように構成された研磨装置におい
て、
前記研磨ヘッドの水平面内での位置を検出する位置検出部と、
前記位置検出部に検出された前記研磨ヘッドの水平面内での位置に応じて前記研磨部材
に加える研磨荷重を変化させる制御を行う制御部とを備え、
前記研磨面が前記被研磨面に接触する接触面積と前記研磨部材及び前記研磨対象物の中
心間距離との関係を直線近似させて得られる直線近似式、並びに前記直線近似式に対して
前記中心間距離が大きくなるにつれて前記接触面積の値を漸減させて得られる直線の式を
作成し、前記直線の式を用いて前記研磨ヘッドの水平面内の位置に応じて研磨荷重を算出
し、
前記制御部は、前記算出した研磨荷重が前記研磨部材に加わるように前記研磨荷重を前
記研磨ヘッドの位置に応じて変化させる制御を行うように構成されることを特徴とする研
磨装置。
前記制御部が、非連続的に前記研磨荷重を変化させるように構成されることを特徴とす
る請求項１に記載の研磨装置。
前記制御部が、前記位置検出部に検出された前記研磨ヘッドの位置からその検出時より
所定時間後における前記研磨ヘッドの位置を算出し、算出した前記所定時間後における前
記研磨ヘッドの位置に基づいて前記研磨荷重を変化させるように構成されることを特徴と
する請求項１または２に記載の研磨装置。
前記研磨対象物は半導体ウェハであり、
請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の研磨装置を用いて前記半導体ウェハ
の表面を平坦化する工程を有することを特徴とする半導体デバイス製造方法。
請求項４に記載の半導体デバイス製造方法により製造されたことを特徴とする半導体デ
バイス。