JPH10335276A

JPH10335276A - 表面平坦化方法および表面平坦化装置

Info

Publication number: JPH10335276A
Application number: JP13642997A
Authority: JP
Inventors: Kan Yasui; 感安井; Shigeo Moriyama; 茂夫森山; 創一 ▲片▼桐; Souichi Katagiri; Katsuhiko Yamaguchi; 克彦山口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-05-27
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 1998-12-18
Anticipated expiration: 2017-05-27
Also published as: JP3601937B2

Abstract

(57)【要約】【課題】パターンサイズに依存せず、平坦化力および研
摩量均一性が優れ、研摩スラリの使用が不要な表面平坦
化方法および表面平坦化装置を提供する。【解決手段】砥石より弾性率の低い砥石支持層上に砥石
を保持して、ウエハ表面を研摩する。砥石は複数のセグ
メントに分割するか、あるいは溝によって複数の区域に
区分できる。【効果】大きなパターンの平坦化とウエハ面内での均一
な研摩が、研摩スラリを使用することなしに実現され
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、表面平坦化方法お
よび表面平坦化装置に関し、詳しくは、各種半導体装置
の製造において、表面上に各種パターンが形成された半
導体ウエハの表面平坦化に特に好適な、表面平坦化方法
およびそれに用いる表面平坦化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程は多くのプロセス処理工
程からなるが、極めて集積密度の高い微細な半導体装置
を形成するために、表面の平坦化が特に重要になってき
た。その一例として、配線の形成工程を図２を用いて説
明する。

【０００３】図２（ａ）は、第１層の配線が形成された
状態を示し、トランジスタ（図示せず）が形成されてい
る基板１の表面上には絶縁膜２およびアルミニウム等か
らなる配線層３が設けられている。配線層３は、絶縁膜
２に形成された開口部を介してトランジスタと接続され
るため、接続部における配線層３の表面３’は若干へこ
んでいる。

【０００４】そのため、図２（ｂ）に示したように、第
２層の配線を形成するために、第２の絶縁膜４、アルミ
ニウム膜５およびホトレジスト膜６を順次積層して形成
すると、ホトレジスト膜６の表面は平坦にならず、凹凸
が生ずる。

【０００５】次に、図２（ｃ）に示したように、ステッ
パ７を用いて所定の回路パターンを上記ホトレジスト膜
６上に露光して回路パターンを転写すると、ホトレジス
ト膜６の表面が平坦ではなく凹凸が存在し、しかも周知
のように、ステッパの焦点深度は深くないため、ホトレ
ジスト膜６の凹部と凸部８に同時に焦点を合わせること
ができず、解像ボケという重大な障害が生ずる。

【０００６】このような障害を防止するため、図２
（ａ）に示した工程の次に、図２（ｄ）に示したよう
に、絶縁膜４を全面に形成した後、この絶縁膜４をレベ
ル９まで研摩して表面を平坦化し、図２（ｅ）に示した
形状にする。

【０００７】次に、アルミニウム膜５とホトレジスト膜
６を形成し、図２（ｆ）に示したようにステッパ７を用
いて露光する。このようにすれば、レジスト膜６の表面
が平坦であるため、表面の凹凸による上記解像ボケの問
題が生じる恐れはない。

【０００８】このような研摩によって表面を平坦化させ
る方法は、例えば米国特許第４９４４８３６号や特公平
５−３００５２号に記載されている。

【０００９】表面を平坦化するための研摩法としては、
化学機械研摩法（以下、ＣＭＰ法と記す）と呼ばれる方
法が一般に行なわれている。この方法は、図３に示した
ように、研摩パッド１１を定盤１２上に貼り付け、加工
すべきウエハ１を弾性を有するバッキングパッド１３を
介してウエハホルダ１４に固定して、定盤１２を回転さ
せ、研摩パッド１１の上に研摩スラリ１５を供給すると
ともに、上記ウエハホルダ１４を回転させながら研摩パ
ッド１１の表面に荷重する方法である。

【００１０】これにより、ウエハ１表面の絶縁膜４の凸
部は研摩されて除去され、表面は平坦化される。上記研
摩パッド１１としては、例えば発泡ウレタン樹脂を薄い
シート状にスライスしたものが使用され、また、上記研
摩スラリ１５としては、例えば、二酸化珪素等の絶縁膜
を研摩する場合は、微細で高純度なシリカ粒子を水酸化
カリウムやアンモニア等のアルカリ水溶液に懸濁させた
フュームドシリカが、一般に用いられている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】半導体デバイスの製造
においては、他の分野におけるよりも、平坦化に要求さ
れる精度が著しく高いばかりでなく、平坦化終了後に残
った膜の厚さの誤差も、±０．１μｍ程度以下と、極め
て低くすることが要求される。しかし、図４（ａ）に示
したように、ウエハホルダ上に保持された加工すべきウ
エハ１には、表面の凹凸に加えて、横方向に数ｍｍサイ
ズ以上のスケールでうねりが存在する。このようなうね
りが存在するウエハ１の表面を、柔軟性を有さない研摩
パッド１１を用いて研摩し、表面を完全に平坦化する
と、図４（ａ）に示したように、ウエハ１のうねりによ
って局所的に著しく研摩されて、ウエハ１の厚さが著し
く不均一になってしまう。

【００１２】これを避けるため、研摩パッド１１として
はある程度柔らかいものが用いられている。この場合
は、図３（ｂ）に示したように、ウエハ１の凹凸および
うねりに研摩パッド１１が追従し、ウエハ１の表面の凸
部および凹部のいずれにも研摩パッド１１が接触するの
で、局所的な研摩ムラが防止される。しかし、ウエハ１
の凸部および凹部のいずれにも研摩パッド１１が一様に
接触して、凸部と凹部が一様に研摩されるため、本来の
目的であった凸部のみを選択的に除去して平坦化する能
力が低下してしまう。

【００１３】一方、柔らかい研摩パッドを用いた従来の
標準的なＣＭＰ法によって、サイズが異なるパターンが
形成されているウエハを研摩すると、小サイズのパター
ンの方が大サイズのパターンより速く研摩され、数ｍｍ
角以上の大きなパターンによる段差を完全に平坦化する
ことは困難であった。しかし、例えばＤＲＡＭのメモリ
マット部には、数ｍｍ角から時には１０ｍｍ角程度の大
きさのパターンによる段差が存在しており、さらに大サ
イズのパターンの平坦化が必要である。

【００１４】上記段差平坦化能力と研摩量均一性のトレ
ードオフを改善する方法として、特開平５−２１２６６
９には研摩パッドをセグメントに分割し、下層に弾性支
持層を設ける方法が提案されている。セグメントに分割
された研摩パッドは、下層である弾性支持層の変形によ
ってウエハ加工面の凹凸に追従するため、段差平坦化能
力の高さと研摩量均一性の良さが両立するとしている。

【００１５】この方法は、硬質な研摩パッドが使用され
るため段差平坦化能力は向上するが、遊離砥粒（研摩ス
ラリ）が使用されるため、転動した遊離砥粒によってパ
ターンの凹部までが削り込まれてしまう。さらに、荷重
が加わっているセグメントと無負荷のセグメントの間に
生じた段差によってウエハに傷がつく、研摩中にウエハ
が離脱する、ウエハ周辺部の研摩量が他の部分より多く
なる、各セグメントが同じサイズであるためウエハ中央
部の液供給が相対的に不足して研摩量の均一性が低下す
る、アルカリ性または酸性のスラリを使用するので下層
の弾性支持層として使用できる材質が限定される、上層
の研摩パッドと下層の支持層との接着強度が劣化する支
持層として弾性率が適当な多孔性の物質を用いた場合、
乾燥したスラリが気孔中に残留し特性の劣化、パーティ
クル汚染の原因となる、スラリと弾性支持層の干渉が悪
影響をもたらす、など多くの問題があった。

【００１６】さらにスラリを使用する方法は、砥粒の利
用効率が低いためコストが高い、スラリ中の砥粒は保管
によって凝集あるいは沈殿して特性が変化する可能性が
あるので、スラリの取り扱いには気を使う必要がある、
雰囲気中にパーティクルを飛散させる原因となるので、
半導体製造のクリーンルーム中での使用には本来適して
いないなど多くの問題がある。

【００１７】そのため、例えばＤＲＡＭ等のように大サ
イズパターンを含む半導体集積回路の形成、あるいは極
めて高い平坦化能力と均一性を要求される浅溝素子分離
工程などに、従来の平坦化方法を適用するのは困難であ
った。

【００１８】本発明の目的は、上記従来の問題を解決
し、ウエハ表面に形成されているパターンのサイズには
関係なく、ウエハ全面を均一に高い精度で研摩して平坦
化することができる、低コストの表面平坦化方法および
これに用いる表面平坦化装置を提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の表面平坦化方法は、表面上に所望のパターン
が形成されてあるウエハをウエハホルダに保持するとと
もに、砥石を当該砥石より弾性率が低い砥石保持層上に
保持し、上記ウエハと上記砥石を互いに対向させ所定の
圧力で互いに接触させて、上記ウエハと上記砥石の少な
くとも一方を面方向に動かすことによって、上記パター
ンを研磨することを特徴とする。

【００２０】すなわち、本発明では、弾性率が砥石より
低い砥石支持層の上に支持された砥石によって研摩が行
われ、遊離砥粒（研摩スラリ）は用いられない。砥石お
よび砥石とは弾性率が異なる砥石支持層を組み合わせて
使用することにより、固定砥粒（砥石）による平坦化能
力が高く、研摩量の均一性も良好な研摩が行われる。し
かも、研摩スラリを使用しないので、低コストであるば
かりでく、研摩スラリの使用にともなう種々な上記障害
が発生することはない。

【００２１】本発明において、上記研摩を、（１）上記
ウエハを当該ウエハの表面に垂直な方向の軸を第１の回
転軸として回転させるとともに、上記砥石を上記第１の
回転軸と平行でかつ上記第１の回転軸から所定の距離だ
け離間した軸を第２の回転軸として回転させることによ
って行なう、（２）上記ウエハを上記砥石上において円
運動（公転）させることによって行なう、および（３）
上記砥石を直線方向に動かすことによって行なうことが
できる。

【００２２】上記方法（１）は最も実用的な方法であ
り、上記第１および第２の回転軸の回転数は広い範囲で
調節できる。上記方法（２）は、通常は砥石層を回転せ
ずに静止して行なわれるが、砥石層をゆるやかに回転
（自転）させてもよく研摩ムラの防止に有効である。ウ
エハは公転のみでもよいが、自転させてもよい。上記方
法（３）の場合、ウエハは回転せずに静止させたままで
もよいが、ウエハを自転させれば、研摩ムラの防止に有
効である。

【００２３】上記砥石保持層の上に、上記砥石保持層よ
り厚さが薄く弾性率が大きい結合層を設け、この結合層
の上に上記砥石を保持することができる。このようにす
ると、上記砥石支持層の過度の変形が防止され、特に砥
石を複数のセグメントに分離したり、あるいは溝によっ
てウエハとの接触部を複数の区画に区分した場合に、顕
著な効果が得られる。

【００２４】上記砥石保持層の弾性率は上記砥石の弾性
率の１／１０程度であることが好ましく、例えば、上記
砥石の弾性率を１ｋｇ／ｍｍ²〜５００ｋｇ／ｍｍ²、上
記砥石保持層の弾性率を０．１ｋｇ／ｍｍ²〜５０ｋｇ
／ｍｍ²とすれば、実用上好ましい結果が得られる。

【００２５】上記砥石を複数のセグメントに分離する
か、あるいは上記砥石に複数の溝を形成し、この溝の底
部以外の部分を複数の区画に区分すると、ウエハ表面の
凹凸やうねりに対する追従性が向上し、研摩量の均一性
が向上する。さらに、上記砥石の半径方向における上記
セグメント若しくは区画の大きさを、上記砥石の半径方
向に沿って変化させ、上記ウエハの中心部が接する部分
を最も小さくすると、ウエハ中央部への水の供給を増加
させることができ、それによって研摩量の均一性および
研摩速度が向上する。

【００２６】上記研摩は上記砥石上に水を供給しながら
行なうことができる。従来のＣＭＰ法とは異なり、研摩
スラリではなく水が使用できるので、研摩スラリの使用
にともなう多くの障害が防止され、実用上極めて有利で
ある。

【００２７】研摩を行う際の、ウエハと砥石の間に印加
される圧力を３０ｇ／ｃｍ²〜５００ｇ／ｃｍ²とすれ
ば、好ましい結果が得られる。

【００２８】本発明の表面平坦化方法は、表面に配線パ
ターンなど各種パターンが形成されている半導体ウエハ
の表面平坦化に特に有用である。

【００２９】さらに、本発明の表面平坦化装置は、ウエ
ハを保持するためのウエハホルダと、当該ウエルホルダ
の表面に垂直な方向の軸を第１の回転軸として上記ウエ
ハホルダを回転させる手段と、研摩定盤の上に形成され
た、保持すべき砥石より弾性率が低い砥石支持層と、上
記第１の回転軸と平行でかつ上記第１の回転軸から所定
の距離だけ離間した軸を第２の回転軸として上記研摩定
盤を回転させる手段と、上記砥石支持層上に支持された
上記砥石と上記ウエハをを所定の圧力で互いに接触させ
る手段を少なくとも具備することを特徴とする。

【００３０】上記砥石保持層の弾性率は上記砥石の弾性
率の１／１０程度であることが好ましく、上記砥石の弾
性率を１ｋｇ／ｍｍ²〜５００ｋｇ／ｍｍ²、上記砥石保
持層の弾性率を０．１ｋｇ／ｍｍ²〜５０ｋｇ／ｍｍ²と
すれば実用上好ましい結果が得らる。また、上記砥石支
持層を接着テープを介して上記研摩定盤上に接着すれ
ば、交換作業が容易である。

【００３１】上記砥石保持層の上に当該砥石保持層より
厚さが薄く弾性率が大きい結合層を設け、上記砥石を上
記結合層の上に保持することができる。これにより、ウ
エハ表面の凹凸やうねりに起因する砥石支持層の過度の
変形が防止される。

【００３２】上記砥石を複数のセグメントに分離する
か、あるいは上記砥石に複数の溝を形成し、この溝の底
部以外の部分を複数の区画に区分するようにしてもよ
い。これにより、ウエハ表面の凹凸やうねりに対する研
摩の追従性が向上し、研摩量の均一性が向上する。この
場合、上記砥石の半径方向における上記セグメント若し
くは区画の大きさを、同一ではなく、上記砥石の半径方
向に沿って変化させ、上記ウエハの中心部と接する部分
が最も小さいようにすれば、ウエハ中央部への水の供給
量が増加し、研摩量の不均一の低減および研摩速度の向
上に有用である。

【００３３】上記セグメント若しくは区画を、一辺が５
ｍｍ〜５０ｍｍである正方形、または当該正方形と同等
の面積を持つ所望の形状とすれば、実用上好ましい結果
が得られる。

【００３４】上記砥石としては、砥粒と当該砥粒を固着
する固着材からなるものを使用することができ、上記砥
粒および固着剤としては、たとえば酸化セリウムおよび
フェノール樹脂などを、それぞれ使用することができ
る。

【００３５】また、上記ウエハの外周部には、上記ウエ
ハとは独立して圧力を印加できるリテーナーリングを設
けることができ、これによりウエハの外周部における研
摩速度を適宜調節することができる。

【００３６】

【発明の実施の形態】本発明において、砥石としては、
微細（たとえば平均粒径１μｍ以下）で、不純物含有量
が少ない酸化セリウムなどの砥粒を、フェノール樹脂な
どの固着剤によって結合させて形成したものを用いるこ
とができ、砥石支持層としては、ポリウレタン樹脂やポ
リウレタン含侵不織布などを使用できる。上記のよう
に、砥石および砥石支持層の弾性率は、それぞれ１〜５
００ｋｇ／ｍｍ²および０．１〜５０ｋｇ／ｍｍ²とすれ
ば好ましい結果が得られる。砥石および砥石支持層の厚
さは、たとえばそれぞれ３ｍｍおよび１ｍｍ程度にする
ことができる。

【００３７】研摩を行う際における加工液の供給量は１
００〜１０００ｍｌ／分程度であり、加工液としては純
水を用いることができる。ウエハホルダおよび研摩定盤
は同一方向に回転され、回転数はそれぞれ２０〜５０ｒ
ｐｍ程度である。

【００３８】砥石を、複数のセグメントに分割するか、
あるいは複数の溝を形成してウエハとの接触部を複数の
区画に区分すれば、研摩ムラの低減および研摩量の均一
性の点で実用上有利である。ただし、充分薄く、かつ軟
らかい砥石を使用すれば、砥石をこのようにセグメント
に分割したり、溝によって区分したりすることなしに、
研摩を行うことも可能である。

【００３９】セグメントあるいは区画の形状としては、
種々な形状が可能であり、例えば図１０（ａ）に示す格
子状、図１０（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示した丸形およ
び六角形など、多くの形のセグメントや区画を用いるこ
とができる。

【００４０】

【実施例】

〈実施例１〉図５を用いて本発明の第１の実施例を説明
する。図５から明らかなように、本実施例の表面平坦化
装置は、研摩定盤１２、この研摩定盤１２上に取り付け
られた研摩加工具１６、研摩すべきウエハ１を保持する
ウエハホルダ１４および研摩の際に水等の加工液１５を
供給する液供給ユニット２０を具備している。

【００４１】上記研摩加工具１６は、図１に示したよう
に、砥石２１、砥石支持層２２、接着層２３から構成さ
れ、接着層２３によって上記研摩定盤１２に接着され
る。研摩定盤１２の大きさはウエハの大きさによって異
なり、ウエハ径が６インチの場合には研摩定盤の直径は
５００ｍｍ程度である。

【００４２】ウエハ１を保持したウエハホルダ１４に圧
力Ｗを上方から加えて、ウエハ１を研摩加工具１６に押
しつけ、ウエハホルダ１４と研摩定盤１２を同時に回転
させることによって、ウエハ１の研摩が行われる。この
際、液供給ユニット２０から、毎分１００〜１０００ｍ
ｌ程度の加工液１５が研摩加工具１６上に供給される。
ウエハホルダ１４を研摩加工具に押しつける力Ｗは、典
型的には３０〜５００ｇ／ｃｍ²であり、研摩速度（１
分間あたりの研摩量）はこの力Ｗにほぼ比例する。ウエ
ハホルダ１４と研摩定盤１２は同一方向に回転させた。
両者の回転数をほぼ同一にすることが、均一な研摩を行
うためには好ましい。回転数の値は典型的には２０〜５
０ｒｐｍである。

【００４３】上記研摩加工具１６の最上部に設けられ、
ウエハ１に直接々触する砥石２１としては、微細な酸化
セリウム砥粒を樹脂によって結合したものを用いること
ができる。この砥石は、図６（ａ）および図６（ｂ）に
示したように、気孔２６を含んだ構造を有している。使
用した樹脂の種類および用途によって、気孔２６の形は
図６（ａ）のように連続的である場合と、図６（ｂ）の
ように独立した場合があるが、いずれの場合も、砥石２
１中の不純物ができるだけ少ないことが望ましい。本実
施例においては、平均粒径が１μｍ以下と微細な酸化セ
リウム砥粒を、フェノール樹脂によって結合させたもの
を砥石２１として用いた。

【００４４】砥石２１の下層として設けられる砥石支持
層２２としては、厚さが均一で所望の弾性率が得られる
素材が望ましく、例えば、ポリウレタン樹脂あるいはポ
リウレタン含浸不織布などを用いることができる。本実
施例ではポリウレタン樹脂を使用したが、この場合の砥
石支持層２２の弾性率は約１０ｋｇ／ｍｍ²であり、砥
石２１の弾性率約１００ｋｇ／ｍｍ²に比べ約一桁小さ
い。砥石２１の弾性率が高いほど平坦化能力が高いが、
あまり高すぎると研摩キズ発生などの原因になるので好
ましくない。弾性率が５００ｋｇ／ｍｍ²以下であれば
研摩キズの発生を回避できることがわかった。しかし、
砥石２１の弾性率が１ｋｇ／ｍｍ²以下では必要な平坦
化能力が得られないので、研摩キズと平坦化能力の点か
らは、砥石２１の弾性率は１〜５００ｋｇ／ｍｍ²の範
囲内にするのが好ましい。

【００４５】一方、砥石支持層２２の弾性率が低いほ
ど、ウエハ１面内の研摩量ムラが低減するが、あまり低
すぎると、研摩加工具１６の寿命低下、平坦化能力低下
などの問題が発生する。実用的な平坦化能力を得るため
には、砥石支持層２２の弾性率を０．１ｋｇ／ｍｍ²以
上にすることが必要であり、研摩量の均一性を１σで５
％以下とするためには、５０ｋｇ／ｍｍ²以下とする必
要があった。砥石支持層２２の弾性率を砥石２１の弾性
率の１／１０程度にすると、研摩量均一性と平坦化能力
が両立することがわかった。

【００４６】本実施例では、砥石２１の厚さは約３ｍ
ｍ、砥石支持層２２の厚さは１ｍｍとした。砥石２１と
砥石支持層２２は接着剤によって互いに接着され、砥石
支持層２２と研摩定盤１２との接着には、交換作業を容
易にするため、粘着テープ２３を用いた。

【００４７】砥石２１は、加工液の排出性および研摩量
の均一性向上のため、本実施例では、一辺が１５ｍｍの
正方形であるセグメントに分割した。各セグメントのサ
イズは、平坦化すべきウエハ上のチップサイズが１辺５
ｍｍから１５ｍｍ程度であることなどを考慮して１５ｍ
ｍとした。

【００４８】この研摩装置を用いて、ｐ−ＴＥＯＳ膜
（ＳｉＯ₂膜）が全面に均一に形成されてあるシリコン
・ウエハを、加工液として純水のみを使用して研摩し、
各ウエハ直径方向の位置における研摩量を測定した。研
摩量の測定は光干渉式の膜厚計を用いて行い、ウエハの
オリエンテーションフラットに沿って直径上の１５点に
ついて、研摩前と研摩後における膜厚をそれぞれ測定
し、両者の差から研摩量を求めた。比較のため、単層砥
石のみからなる研摩加工具を用いて、同様の研摩および
測定を行った。

【００４９】単層砥石のみからなり、上記砥石支持層を
有さない研摩加工具を用いた場合の結果を図７（ａ）に
示し、本実施例によって得られた結果を図７（ｂ）に示
した。図７（ａ）およびで図７（ｂ）から明らかなよう
に、砥石２１の下に弾性率が低い砥石支持層２２を設け
た本実施例の場合、ウエハ面内における研摩量の分布
は、単層砥石のみを用いた場合よりはるかに均一であ
り、研摩量の変動がはるかに少ないことが確認された。
なお、上記ウエハとしては直径は６インチのシリコン・
ウエハを使用し、研摩工程における印加圧力は２４０ｇ
／ｃｍ²、相対速度は５３ｃｍ／ｓ、研摩時間は３分間
とした。

【００５０】〈実施例２〉本発明の第２の実施例を、図
８を用いて説明する。

【００５１】図８から明らかなように、本実施例におい
ては、砥石２１と砥石支持層２２の間に、結合層２４が
設けられている。この結合層２４の役割は、柔らかい砥
石支持層２２が研摩の際に必要以上に変形することを防
ぐことにある。砥石２１がセグメント化されている場合
には、研摩時の荷重によって各砥石２１が縦方向に変位
して、各セグメント間に階段状の段差が生じ、研摩キ
ズ、ウエハ離脱およびウエハ外周部の研摩量過多などの
発生原因になる。

【００５２】そのため、本実施例では、薄くて引っ張り
方向の力に対して伸びが少ないＰＥＴ（ポリエチレン・
テレフタレート）フィルムなどからなる結合層２４を、
砥石２１と砥石支持層２２の間に介在させて、砥石２１
の縦変更の変位を抑制した。他の点は上記第１の実施例
と同様である。これにより、荷重が印加されるセグメン
トと無負荷のセグメントの境界が不連続にならずに、ス
ムーズに連結され、上記研摩キズなどの障害はさらに減
少した。

【００５３】なお、本実施例では、上記結合層２４とし
て厚さ１００μｍのＰＥＴフィルムを用いた。しかし、
この結合層２４は、必ずしもフィルム状物質である必要
はなく、セグメント状の各砥石２１の縦方向における変
位を抑制できるもの、例えば紐状物質を編み合わせたも
のや、金属、樹脂などの線からなるメッシュ状の層でも
良い。また砥石２１と砥石支持層２２の間に介在させる
のではなく、例えば紐状物質からなる結合層を各砥石２
１間のみに配置したり、あるいは適当な弾性を有する材
料を各砥石２１の間に介在させて、隣接する各砥石２１
を互いに結合しても良い。

【００５４】〈実施例３〉本発明の第３の実施例を図９
を用いて説明する。

【００５５】図９から明らかなように、本実施例におい
ては、砥石２１のセグメントを上記第１および第２の実
施例のように完全には分離させず、溝の底部を残して結
合部２５とした。このような構造とすることによって、
上記第２の実施例において設けた結合層２４の役割を、
砥石２１の各セグメント間の結合部２５が果たし、特別
な結合層を砥石２１の下に設けることなしに、実施例２
と同様の効果が得られた。

【００５６】〈実施例４〉本実施例は、図１１に示した
ように、セグメント２１の大きさに分布を持たせ、ウエ
ハ１の中央部と接する部分ほど、セグメント２１のサイ
ズが小さくなるようにした例である。ウエハ１の中央部
は研摩中に水膜が形成され易いため、このようにセグメ
ント２１の直径方向におけるサイズを小さくして溝の割
合を増加させた。また溝の割合を増やすことによってウ
エハ１の中央部への水の供給量を増やすことができた。
これにより水膜形成と水供給不足に起因する研摩量ムラ
が低減された。また、研摩時の定盤の回転数をより高く
することができるので、研摩速度を大きくすることがで
きた。

【００５７】〈実施例５〉砥石がセグメントに分割され
ている場合、相対的に柔らかい砥石支持層に支えられて
いる各セグメントの高さは、それぞれ独立に変化する。
そのため加工中にウエハに接して押されているセグメン
トと、ウエハに接触せずウエハからの力が加わらないセ
グメントの間には、必然的に段差が生じる。このセグメ
ント間の段差によってウエハエッジ周辺だけが特に速く
研摩されたり、逆に研摩され難くなるなどの研摩量異常
が生ずる場合がある。

【００５８】本実施例は、このような障害を防止した例
であり、図１２に示したように、ウエハホルダ１４外周
のリテーナーリング２７の圧力Ｗ１を、ウエハ１の圧力
Ｗ２とは独立に印加できるようにした。ウエハ１の外周
部が特に速く研摩される場合には、リテーナーリング２
７の圧力Ｗ１を大きくし、反対に、ウエハ１の外周部が
遅く研摩される場合には、リテーナーリング２７の圧力
Ｗ１を下げればよい。〈実施例６〉本実施例は、本発明を半導体装置の製造工
程のうちの浅溝素子分離工程に適用した例である。

【００５９】図１３（ａ）に示したように、素子を形成
すべき領域３２に素子形成部保護用の窒化珪素膜３３を
形成した後、シリコン基板３０の表面に周知のホトエッ
チングを用いて素子分離用の溝３１を形成した。

【００６０】次に、図１３（ｂ）に示したように、周知
のＣＶＤ法を用いてＳｉＯ₂膜３４を全面に形成した。
さらに、上記実施例１に示した方法を用いて、破線３５
の位置まで研摩を行なって、上記ＳｉＯ₂膜３４を溝内
のみに残し、他の部分は除去して、図１３（ｃ）に示し
た構造を形成した。

【００６１】上記絶縁膜３４の研摩を、従来のＣＭＰ法
を用いて行なうと、溝内の絶縁膜３４の表面が、凹形状
になって平坦にならないディッシングと呼ばれる現象が
起きる。ディッシングが起こると所望の素子特性が得ら
れないが、本実施例によれば、このようなディッシング
を起こすことなしに、表面が平坦な浅溝素子分離を行う
ことができた。

【００６２】〈実施例７〉本実施例は、本発明の砥石支
持層上に支持された砥石を、ウエおよび砥石の回転軸が
床面に対して水平方向を向き、ウエハと砥石が床面に垂
直な面内で運動する形式の研摩装置に適用した例であ
り、図１４を用いて説明する。

【００６３】図１４に示したように、２枚のウエハ１は
ウエハホルダ１４の両面上にそれぞれ保持され、砥石２
１によってウエハホルダ１４をを挾み込むように配置さ
れ、ウエハ１の研摩が行なわれる。なお図示は省略され
ているが、砥石２１と定盤１２の間には、上記実施例１
の場合と同様に、砥石支持層２２と接着層２３が設けら
れている。

【００６４】砥石２１の直径はウエハ１の直径の１倍以
上であるのが好ましく、液供給ウニット２０からの加工
液（純水）の供給が、砥石２１の表面上の溝から行なう
場合は、砥石２１の直径はウエハ１の直径の２倍以下で
よい。本実施例は、回転する研摩面が床面に対して垂直
であるため、装置が小型化できるという特長がある。〈実施例８〉本実施例は、上記砥石２１（図１に示した
ように、砥石支持層２２および接着層２３の上に形成さ
れている）を用いて平坦性の高い研摩を行なった後に、
研摩パッドとスラリを用いた周知の研摩加工を行なった
例である。

【００６５】本実施例によれば、最終的な表面粗さが向
上するとともに、残存する異物量を低減することがで
き、例えばＢＰＳＧ膜のように、比較的軟らかい膜の加
工に特に有用である。なお、研摩パッドとスラリによる
加工量が過大であると、平坦性が低下するため、加工量
は厚さとしてほぼ０．１μｍ以下にするのが好ましい。〈実施例９〉本実施例は、上記砥石２１（図１に示した
ように、砥石支持層２２および接着層２３の上に形成さ
れている）に、砥粒を含むスラリを併用して研摩を行な
った例であり、研摩速度をさらに向上することができ
る。

【００６６】砥石上にスラリとしてヒュームドシリカを
添加した場合の、シリカの濃度と研摩速度の関係を求め
て、砥石のみを使用した場合およびフュームドシリカス
ラリと研摩パッドを用いた場合を比較し、得られた結果
を図１５に示した。

【００６７】図１５から明らかなように、研摩圧が１０
０ｇ／ｃｍと低く、かつ、研摩面の粗さを重視して、研
摩速度が低い砥石を使用したため、砥石のみを用いた場
合の研摩速度は５ｎｍ／分と低かった。

【００６８】しかし、通常用いられる濃度１２％のフュ
ームドシリカスラリを上記砥石２１と併用すると、研摩
速度は１００ｎｍ／分に達し、スラリを稀釈して濃度を
１．２％に低くしても、研摩速度は４０ｎｍ／分であっ
た。一方、砥石を使用せず、スラリと研摩パッドのみで
研摩を行なった場合の研摩速度は、スラリ濃度１２％の
ときは４０ｎｍ／分、１．２％のときはほぼ０であり、
砥石と研摩スラリの併用が、研摩速度の向上に有用であ
ることが確認された。

【００６９】

【発明の効果】上記説明から明らかなように、本発明に
よれば、遊離砥粒を用いた従来の方法では困難であっ
た、数ｍｍを超える大きなパターンであっても、良好な
平坦化とウエハ面内での充分均一な研摩量を両立させる
ことがが可能になった。また、アルカリ性や酸性のスラ
リを使用せずに純水だけでの加工ができるため、装置や
加工具を劣化させることなしに長期間安定な加工が可能
になるばかりでなく、コストの低下などが実現された。
さらに、リソグラフィーのフォーカスマージンが小さく
なり、従来よりも微細な半導体集積回路の製造が低コス
トで可能になった。また、従来は困難であった素子分離
工程における研摩を、ディッシングを起こすことなしに
行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例を示す図、

【図２】ウエハ表面の平坦化工程を説明するための工程
図、

【図３】ＣＭＰ法を説明するための図、

【図４】研摩ムラの発生を説明するための図、

【図５】本発明の構成を説明するための図、

【図６】砥石の気孔形状を示す図、

【図７】本発明の効果の一例を示す図、

【図８】第２の実施例を示す図、

【図９】第３の実施例を示す図、

【図１０】セグメントの形状の例を示す図、

【図１１】第４の実施例を示す図、

【図１２】第５の実施例を示す図、

【図１３】第６の実施例を示す工程図、

【図１４】第７の実施例を示す図、

【図１５】第９の実施例を示す図。

【符号の説明】

１…ウエハ、２、４…絶縁膜、３…配線層、５…アルミ
ニウム層、６…ホトレジスト層、７…ステッパ、８…凹
部、９…平坦化の目標レベル、１１…研摩パッド、１２
…定盤、１３…バッキングパッド、１４…ウエハホル
ダ、１５…加工液、１６…研摩加工具、２０…液供給ユ
ニット、２１…砥石、２２…砥石支持層、２３…接着
層、２４…結合層、２５…結合部、２６…気孔、２７…
リテーナーリング、３０…シリコン基板、３１…素子分
離用の溝、３２…素子形成領域、３３…窒化珪素膜、３
４…ＳｉＯ₂膜、３５…除去すべき位置を示す破線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山口克彦東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面上に所望のパターンが形成されてある
ウエハをウエハホルダに保持するとともに、砥石を当該
砥石より弾性率が低い砥石保持層上に保持し、上記ウエ
ハと上記砥石を対向して所定の圧力で互いに接触させ
て、上記ウエハおよび上記砥石の少なくとも一方を面方
向に動かすことにより、上記パターンを研磨することを
特徴とする表面平坦化方法。
【請求項２】上記研摩は、上記ウエハを当該ウエハの表
面に垂直な方向の軸を第１の回転軸として回転させると
ともに、上記砥石を上記第１の回転軸と平行でかつ上記
第１の回転軸から所定の距離だけ離間した軸を第２の回
転軸として回転させることによって行なわれることを特
徴とする請求項１に記載の表面平坦化方法。
【請求項３】上記研摩は、上記ウエハを上記砥石上にお
いて円運動させることによって行なわれることを特徴と
する請求項１に記載の表面平坦化方法。
【請求項４】上記研摩は、上記砥石を直線方向に動かす
ことによって行なわれることを特徴とする請求項１に記
載の表面平坦化方法。
【請求項５】上記砥石は、上記砥石保持層の上に設けら
れた上記砥石保持層より厚さが薄く弾性率が大きい結合
層の上に保持されることを特徴とする請求項１から４の
いずれか一に記載の表面平坦化方法。
【請求項６】上記砥石の弾性率は１ｋｇ／ｍｍ²〜５０
０ｋｇ／ｍｍ²であり、上記砥石保持層の弾性率が０．
１ｋｇ／ｍｍ²〜５０ｋｇ／ｍｍ²であることを特徴とす
る請求項１から５のいずれか一に記載の表面平坦化方
法。
【請求項７】上記砥石は複数のセグメントに分離されて
いるか、若しくは上記砥石に形成された複数の溝によっ
て当該溝の底部以外の部分が複数の区画に区分されてい
ることを特徴とする請求項１から６のいずれか一に記載
の表面平坦化方法。
【請求項８】上記砥石の半径方向における上記セグメン
ト若しくは区画の大きさは、上記砥石の半径方向に沿っ
て変化し、上記ウエハの中心部が接する部分で最も小さ
いことを特徴とする請求項７に記載の表面平坦化方法。
【請求項９】上記研摩は上記砥石上に水を供給しながら
行なわれることを特徴とする請求項１から８のいずれか
一に記載の表面平坦化方法。
【請求項１０】上記圧力は３０ｇ／ｃｍ²〜５００ｇ／
ｃｍ²であることを特徴とする請求項１から９のいすれ
か一に記載の表面平坦化方法。
【請求項１１】上記ウエハは半導体ウエハであることを
特徴とする請求項１から１０のいずれか一に記載の表面
平坦化方法。
【請求項１２】ウエハを保持するためのウエハホルダ
と、当該ウエルホルダの表面に垂直な方向の軸を第１の
回転軸として上記ウエハホルダを回転させる手段と、研
摩定盤の上に形成された、保持すべき砥石より弾性率が
低い砥石支持層と、上記第１の回転軸と平行でかつ上記
第１の回転軸から所定の距離だけ離間した軸を第２の回
転軸として上記研摩定盤を回転させる手段と、上記砥石
支持層上に支持された上記砥石と上記ウエハホルダに保
持された上記ウエハをを所定の圧力で互いに接触させる
手段を少なくとも具備することを特徴とする表面平坦化
装置。
【請求項１３】上記砥石の弾性率は１ｋｇ／ｍｍ²〜５
００ｋｇ／ｍｍ²であり、上記砥石保持層の弾性率は
０．１ｋｇ／ｍｍ²〜５０ｋｇ／ｍｍ²であることを特徴
とする請求項１２に記載の表面平坦化装置。
【請求項１４】上記砥石支持層は接着テープを介して上
記研摩定盤上に接着されていることを特徴とする請求項
１２若しくは１３に記載の表面平坦化装置。
【請求項１５】上記砥石保持層の上には当該砥石保持層
より厚さが薄く弾性率が大きい結合層が設けられ、上記
砥石は上記結合層の上に保持されることを特徴とする請
求項１２から１４のいずれか一に記載の表面平坦化装
置。
【請求項１６】上記砥石は複数のセグメントに分離され
ているか、若しくは上記砥石に形成された複数の溝によ
って当該溝の底部以外の部分が複数の区画に区分されて
いることを特徴とする請求項１２から１５のいずれか一
に記載の表面平坦化装置。
【請求項１７】上記砥石の半径方向における上記セグメ
ント若しくは区画の大きさは、上記砥石の半径方向に沿
って変化し、上記ウエハの中心部が接する部分で最も小
さいことを特徴とする請求項１６に記載の表面平坦化装
置。
【請求項１８】上記セグメント若しくは区画が、一辺が
５ｍｍ〜５０ｍｍである正方形、または所望の形状を有
し面積が上記正方形とほぼ等しいものであることを特徴
とする請求項１６若しくは１７に記載の表面平坦化装
置。
【請求項１９】上記砥石は、砥粒と当該砥粒を固着する
固着材からなることを特徴とする請求項１２から１８の
いずれか一に記載の表面平坦化装置。
【請求項２０】上記ウエハの外周部には、上記ウエハと
は独立して圧力を印加できるリテーナーリングが設けら
れていることを特徴とする請求項１２から１９のいずれ
か一に記載の表面平坦化装置。