(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターニングされた凹凸を有する半導体ウエハのパターニング側主面の表面を化学的機械研磨により平坦化する半導体装置の製造方法において、
通気口を有するウエハ保持ヘッド本体に通気路を有する加圧板を保持し、かつ、前記加圧板の前記通気口側と反対側の主面に前記加圧板の通気路を塞ぐように弾性膜が当てがわれたウエハ保持ヘッドを予め用意し、前記半導体ウエハの前記パターニング側主面と反対側の主面を前記ウエハ保持ヘッドの前記弾性膜に当接させた状態で保持し、前記半導体ウエハの前記パターニング側主面と反対側の主面を前記加圧板によって機械的に押しながら、同時に前記通気口に供給された気体圧力を前記通気路を通して前記弾性膜に加えることにより、機械的圧力と気体圧力との両方を前記反対側の主面に加えながら、前記パターニング側主面の表面を研磨クロスに擦り付けて平坦化することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体ウエハに形成された多層配線構造の凹凸を有する表面を平坦にする半導体装置の製造方法において、
（ａ）  半導体ウエハに形成された第１絶縁膜の上に第１層配線を形成する第１層配線形成工程、
（ｂ）  前記第１絶縁膜および前記第１層配線の上に第２絶縁膜を形成する第２絶縁膜形成工程、
（ｃ）  通気口を有するウエハ保持ヘッド本体に通気路を有する加圧板を保持し、かつ、前記加圧板の前記通気口側と反対側の主面に前記加圧板の通気路を塞ぐように弾性膜が当てがわれたウエハ保持ヘッドを予め用意し、前記半導体ウエハの前記パターニング側主面と反対側の主面を前記ウエハ保持ヘッドの前記弾性膜に当接させた状態で保持し、前記半導体ウエハの前記パターニング側主面と反対側の主面を前記加圧板によって機械的に押しながら、同時に前記通気口に供給された気体圧力を前記通気路を通して前記弾性膜に加えることにより、機械的圧力と気体圧力との両方を前記反対側の主面に加えながら、前記第２絶縁膜の表面を研磨クロスに擦り付けて平坦化する平坦化工程、
（ｄ）平坦化された第２絶縁膜にスルーホールまたはコンタクトホールを形成する接続孔形成工程、
（ｅ）  前記接続孔が形成された前記第２絶縁膜の上に第２配線層を形成する第２配線層形成工程、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
半導体ウエハのサブストレート上に半導体素子を形成する半導体装置の製造方法において、
（ａ）  前記サブストレート主面上に素子分離用の溝を形成する素子分離溝の形成工程、
（ｂ）  前記サブストレート上に形成された素子分離溝の内部および前記素子分離溝の外部の前記サブストレート主面上に絶縁膜を被着して前記素子分離溝内に絶縁物充填部を形成する絶縁膜被着工程、
（ｃ）  通気口を有するウエハ保持ヘッド本体に通気路を有する加圧板を保持し、かつ、前記加圧板の前記通気口側と反対側の主面に前記加圧板の通気路を塞ぐように弾性膜が当てがわれたウエハ保持ヘッドを予め用意し、前記半導体ウエハの前記パターニング側主面と反対側の主面を前記ウエハ保持ヘッドの前記弾性膜に当接させた状態で保持し、前記半導体ウエハの前記パターニング側主面と反対側の主面を前記加圧板によって機械的に押しながら、同時に前記通気口に供給された気体圧力を前記通気路を通して前記弾性膜に加えることにより、機械的圧力と気体圧力との両方を前記反対側の主面に加えながら、前記絶縁膜の表面を研磨クロスに擦り付けて化学的機械研磨により平坦化することにより、前記絶縁物充填部によって素子分離部を形成する素子分離部形成工程、
（ｄ）  前記サブストレート上主面における前記素子分離部に囲まれた素子形成部の上にゲートを形成するゲート形成工程、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
半導体ウエハに埋め込み配線形成を行う半導体装置の製造方法において、
（ａ）  半導体ウエハ上に第１絶縁膜を形成する第１絶縁膜形成工程、
（ｂ）  前記第１絶縁膜にリセスを形成するように前記第１絶縁膜を選択的にエッチングすることにより前記第１絶縁膜に第１のパターンを形成する第１パターン形成工程、
（ｃ）  前記第１パターンのリセス部分および前記リセスの外側の前記第１絶縁膜上に第１の導電膜を形成する工程、
（ｄ）  通気口を有するウエハ保持ヘッド本体に通気路を有する加圧板を保持し、かつ、前記加圧板の前記通気口側と反対側の主面に前記加圧板の通気路を塞ぐように弾性膜が当てがわれたウエハ保持ヘッドを予め用意し、前記半導体ウエハの前記パターニング側主面と反対側の主面を前記ウエハ保持ヘッドの前記弾性膜に当接させた状態で保持し、前記半導体ウエハの前記パターニング側主面と反対側の主面を前記加圧板によって機械的に押しながら、同時に前記通気口に供給された気体圧力を前記通気路を通して前記弾性膜に加えることにより、機械的圧力と気体圧力との両方を前記反対側の主面に加えながら、前記第１の導電膜の表面を研磨クロスに擦り付けて平坦化することにより、前記リセス内に前記第１の導電膜を残す平坦化工程、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記加圧板により前記半導体ウエハへ加圧する単位面積当たりの荷重をＡとし、前記気体圧力により前記弾性膜から前記半導体ウエハへ加圧する単位面積当たりの荷重をＢとしたとき、Ｂ／Ａの比が、０．５〜１．５に設定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半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記弾性膜に前記半導体ウエハを真空吸着するための透孔が開けられてい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半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記弾性膜と前記半導体ウエハとの間に弾性を有するバッキングパッドを挟む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半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造技術、特に、パターニングされた半導体ウエハ（以下、ウエハという。）のパターニング側主面を化学的機械研磨（Ｃｈｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、パターニングされたウエハ（以下、パターン付きウエハという。）のパターニング側主面の凹凸を化学的機械研磨によって平坦化する半導体装置の製造方法が提案されている。パターン付きウエハのパターニング側主面の凹凸を化学的機械研磨によって平坦化する技術は、パターニング前のウエハの主面の凹凸を化学的機械研磨によって平坦化する技術と比較して次のような問題点がある。第１の問題点は、研磨量（加工によって除去される量に相当する。）が極端に少ない点である。例えば、パターニング前のウエハにおける研磨量が数十μｍであるのに対して、パターン付きウエハにおける研磨量は０．５μｍ程度である。第２の問題点は、パターン付きウエハの被研磨面であるパターニング側主面の平面度がパターニング前のウエハの被研磨面のそれに比べて遙かに曖昧である点である。これらの問題点を考慮すると、パターン付きウエハのパターニング側主面の凹凸を全面にわたって均一に化学的機械研磨することは困難である。
【０００３】
この困難さを克服するパターン付きウエハの化学的機械研磨技術を述べてある例として、日本国特許庁公開特許公報特開平５−７４７４９号公報、特開平６−１５５６３号公報、特開平５−６９３１０号公報、がある。これらの例によって開示された技術はいずれも、圧力流体が密封された弾性体によってパターン付きウエハを押すことにより、パターニング側主面の被研磨面を研磨材面に全体にわたって均一に擦り付けることを原理としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記原理を利用した従来のパターン付きウエハの化学的機械研磨技術においては、研磨量均一性（後述する。）について０．１μｍ以下の精度を確保することができないという問題点があることが、本発明者によって明らかにされた。
【０００５】
本発明の目的は、パターン付きウエハの被研磨面を高い精度をもって均一に研磨することができる半導体装置の製造技術を提供することにある。
【０００６】
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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
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説明すれば、次の通りである。
【０００８】
すなわち、半導体ウエハのパターニング側主面の表面を化学的機械研磨するに当り、通気路を有する加圧板が通気口を有するウエハ保持ヘッド本体に保持され、かつ、前記加圧板の前記通気口側と反対側の主面に弾性膜が当てがわれているウエハ保持ヘッドが予め用意される。化学的機械研磨する前記半導体ウエハは前記ウエハ保持ヘッドにより前記パターニング側主面と反対側の主面を前記弾性膜に当てがわれた状態で保持される。保持された前記半導体ウエハは前記加圧板によって機械的に押されながら前記通気口に供給された気体の圧力による作用力によって押された状態で、前記パターニング側主面の表面を研磨クロスに擦り付けられて化学的機械研磨される。
【０００９】
前記した手段によれば、被研磨面は加圧板の押し力によって研磨クロスに押し付けられて化学的機械研磨されるが、この際、被研磨面に作用する不規則で複雑な歪力は気体の圧力による作用力によって自己整合的に補正されるため、被研磨面の研磨量は全面にわたって均一になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態である半導体装置の製造方法に使用されるパターン付きウエハ研磨装置を示す一部省略一部切断正面図である。図２はそのヘッドを示す一部省略分解斜視図である。図３以降は本発明の一実施形態である半導体装置の製造方法を説明する各説明図である。
【００１１】
本実施形態において、本発明に係る半導体装置の製造方法には図１に示されているパターン付きウエハ研磨装置が使用される。図１に示されているパターン付きウエハ研磨装置１０は、ワークをヘッドによって保持してワークの被研磨面を研磨クロスに研磨材を供給しながら擦り付けて化学的機械研磨する化学的機械研磨装置を使用して構成されている。
【００１２】
ここで、本発明に係る半導体装置の製造方法の対象であり、パターン付きウエハ研磨装置１０のワークである図３に示されているパターン付きウエハ（以下、ワークという。）１について簡単に説明する。図３に示されているワーク１は外周の一部にオリエンテーションフラット（以下、オリフラという。）３が直線形状に切設されたウエハ（以下、サブストレートという。）２を備えている。サブストレート２のパターニング側主面（以下、表側面という。）における表層領域には半導体素子の一例であるメモリーＭが作り込まれているとともに、表面上には金属膜の一例である配線層膜から形成された配線４および絶縁膜の一例である層間絶縁膜５がそれぞれ被着されている。そして、配線４は厚さを有する線分によって形成されているため、その上に被着された層間絶縁膜５の表側面には凹凸部６が下層の配線４の凹凸に倣って形成されている。そこで、本実施形態においては、この層間絶縁膜５の表側面部の一部をパターン付きウエハ研磨装置１０によって化学的機械研磨して除去することにより、層間絶縁膜５が平坦化される。したがって、層間絶縁膜５の表側面はパターン付きウエハ研磨装置１０によって研磨される被研磨面７を形成する。
【００１３】
パターン付きウエハ研磨装置１０は研磨工具とヘッドとを備えている。研磨工具１１はワーク１の直径よりも充分に大きい半径を有する円盤形状に形成されたベースプレート１２を備えており、ベースプレート１２は水平面内において回転自在に支持されている。ベースプレート１２の下面の中心には垂直方向に配された回転軸１３が固定されており、ベースプレート１２は回転軸１３によって回転駆動されるように構成されている。ベースプレート１２の上面には研磨クロス（布）１４が全体にわたって均一に貼着されている。研磨クロス１４は表面上にポア構造を有する合成樹脂のクロス（布）にコロイダルシリカ等の微細な砥粒が抱え込まれた研磨材であり、表側面によって研磨材面１５が形成されている。研磨クロス１４による研磨作業に際しては、エッチング液（スラリと称される研磨溶液。以下、スラリという。）が用いられることにより、機械的な研磨（ポリシング）に加えてそのポリシング効果を高めるメカノケミカルポリシング（ｍｅｃｈａｎｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が実施される。したがって、研磨工具１１の中心線の略真上にはスラリ１７を供給するためのスラリ供給ノズル１６が配管されている。
【００１４】
ヘッド２１はワーク１の直径よりも若干大きい直径を有する円盤形状に形成された本体２２を備えており、本体２２の下面には円形で一定深さの保持穴２３が同心円に配されて没設されている。保持穴２３の大きさはワーク１の大きさよりも若干大きめに形成されている。保持穴２３の中心には通気口２４が開設されており、通気口２４には通気路２５が接続されている。通気路２５の他端がエアポンプ２６に接続されることにより、通気路２５は通気口２４に正圧気体としてのエア２７を供給する正圧供給路２８を構成している。また、通気路２５の他端が真空ポンプ２９に接続されることにより、通気路２５は通気口２４に負圧を供給する負圧供給路３０を構成している。したがって、通気路２５は正圧供給路２８と負圧供給路３０を兼ねている。正圧供給路２８と負圧供給路３０との途中には切換弁３１が介設されており、正圧供給路２８と負圧供給路３０とは切換弁３１によって切り換えられる。
【００１５】
ヘッド本体２２の下端面には厚さ方向に貫通した通気孔３３を複数本開設された加圧板３２が当接されており、加圧板３２は保持穴２３の開口を閉塞している。加圧板３２の外周辺部はヘッド本体２２に後記するボルトによって締結されている。加圧板３２は剛性を有する材料が使用されて、保持穴２３の内径よりも大きくヘッド本体２２の外径よりも小さい外径の円盤形状に形成されている。剛性の高い加圧板３２はヘッド本体２２の下端面に当接されているため、その下面はヘッド２１の下降によってワーク１を機械的に押す。複数本の通気孔３３は加圧板３２の中央部において均等に分布するように配置されている。通気孔３３は加圧板３２によって仕切りられた保持穴２３の上下空間を連通させる通気路を構成している。したがって、通気孔３３群は保持穴２３の内部において通気口２４側と反対側との間で正圧および負圧を流通させる。
【００１６】
加圧板３２の下端面には弾性膜３４が当接されており、弾性膜３４は全ての通気孔３３の下端開口を閉塞している。弾性膜３４の外周辺部はヘッド本体２２に後記するボルトによって締結されている。弾性膜３４は厚さが約２５０μｍのポリ・エチレン・テレフタレートのフィルムによって形成されている。弾性膜３４の中央部には厚さ方向に貫通した透孔３５が複数本開設されており、複数本の透孔３５はワーク１を真空吸着し得るように適当に配置されている。
【００１７】
弾性膜３４の下面には保持穴２３の内径と略等しい外径を有する円盤形状のバッキングパッド３６が、同心に配されて接着材層（図示せず）によって接着されている。バッキングパッド３６はポリ・ウレタンの発泡体によって形成されており、発泡体の多孔質かつ多孔群によってワーク１と接する面に柔軟性の高い層が全体にわたって均一に構成されている。バッキングパッド３６の中央部には厚さ方向に貫通した透孔３７が複数本開設されており、複数本の透孔３７は弾性膜３４の各透孔３５とそれぞれ対向するように配置されている。
【００１８】
弾性膜３４の下面における外周辺部には円形リング形状のガイドリング３８が当接されており、ガイドリング３８は複数本のボルト３９により加圧板３２および弾性膜３４と共にヘッド本体２２に締結されている。ガイドリング３８はワーク１の被研磨面７の硬度よりも充分に低い硬度を有する樹脂が使用されて、外径がヘッド本体２２の外径と等しく内径が保持穴２３の内径と略等しい円形リング形状に形成されている。ガイドリング３８はワーク１をその被研磨面７を下端から下方に露出させた状態で、研磨作業中にワーク１が外側に飛び出すのを阻止しつつ保持する。バッキングパッド３６はガイドリング３８の中空部内に嵌入されている。
【００１９】
ヘッド２１は通気口２４を中心にして水平面内において回転自在に支承されている。ヘッド２１は回転駆動装置（図示せず）によって回転駆動される。ヘッド２１は研磨工具１１が設備されたステーションとワーク１が１枚ずつ払い出されるローディングステーション（図示せず）との間を移送装置（図示せず）によって往復移動される。ヘッド２１は研磨作業に際して極僅かに下降される。
【００２０】
次に、本発明の一実施形態である半導体装置の製造方法を多層配線が形成される場合を例にして、図４を参照して説明する。
【００２１】
図４（ａ）に示されているように、サブストレート２の表側面には多層配線における第１絶縁膜５ａが形成される。続いて、第１絶縁膜５ａの上には第１配線４ａが金属被膜被着処理やリソグラフィー処理およびエッチング処理によってパターニングされる。なお、第１配線４ａにはポリシリコンやポリサイド等によって形成されるワード線等も含まれる。
【００２２】
次いで、図４（ｂ）に示されているように、ウエハ２の第１絶縁膜５ａの上にはＳｉＯ２  やＳｉ３  Ｎ４  等によって形成された第２絶縁膜５ｂが、ＣＶＤ法等によって被着される。第２絶縁膜５ｂは第１配線４ａを被覆する。第２絶縁膜５ｂの表面側には第１配線４ａの厚み分に相当する凸部が形成されるため、被研磨面７には不特定多数の凹凸部６が形成された状態になる。この状態のウエハがワーク１として、本実施形態に係る半導体装置の製造方法における平坦化工程を実施するパターン付きウエハ研磨装置１０に供給される。
【００２３】
パターン付きウエハ研磨装置１０に供給されたワーク１は、図１に示されているように被研磨面７側を下向きに配された状態でヘッド２１のガイドリング３８内に挿入される。ワーク１がガイドリング３８内に挿入されると、切換弁３１が切り換えられて負圧供給路３０を通じて負圧が通気口２４に供給される。負圧は加圧板３２の通気孔３３、弾性膜３４の透孔３５およびバッキングパッド３６の透孔３７を通じて、ワーク１の被研磨面７と反対側の主面（以下、裏側面という。）８に印加されるため、ワーク１はヘッド２１に真空吸着される。ワーク１を真空吸着したヘッド２１は移送装置によって研磨工具１１の真上に移送された後に下降される。ヘッド２１の下降によってワーク１の被研磨面７が研磨クロス１４の研磨材面１５に当接すると、切換弁３１が切り換えられて正圧供給路２８を通じてエア２７が通気口２４に供給される。
【００２４】
続いて、スラリ１７が研磨材面１５にスラリ供給ノズル１６から供給されながら、研磨工具１１およびヘッド２１がそれぞれ回転される。以降、ヘッド２１は極僅かずつ下降される。ヘッド２１の下降により、ワーク１はバッキングパッド３６および弾性膜３４を介して加圧板３２によって垂直方向に付勢される。同時に、正圧供給路２８から通気口２４に供給されたエア２７が加圧板３２の通気孔３３を通じて加圧板３２の下面側に供給されているため、ワーク１はエア２７の圧力による作用力によっても垂直方向に付勢される。したがって、ワーク１の被研磨面７は研磨クロス１４の研磨材面１５に加圧板３２による機械的な力とエア２７の圧力による作用力とによって同時に付勢された状態で、研磨材面１５に擦られる。同時に、スラリ１７が研磨材面１５にスラリ供給ノズル１６から供給されているため、機械的な研磨（ポリシング）に加えてそのポリシング効果を高められた化学的機械研磨が実施される。
【００２５】
ワーク１が研磨材面１５に加圧板３２による機械的な力とエア２７の圧力による作用力とによって同時に付勢された状態で、被研磨面７は研磨材面１５およびスラリ１７によって化学的機械研磨されるため、被研磨面７の研磨材面１５による研磨量は全体にわたって均一になる。化学的機械研磨中、ワーク１は加圧板３２の機械的な押し力によって押されるが、この際、被研磨面７に研磨材面１５側から作用する不規則で複雑な歪力は、エア２７の圧力による作用力によって自己整合的に補正されるため、被研磨面７の研磨量は全面にわたって均一になる。
【００２６】
被研磨面７を構成する第２絶縁膜５ｂの表面部は全体にわたって均等に研磨されるため、凹凸部６が全体にわたって除去されるとともに、全体にわたって均一な厚さを呈する第２絶縁膜５ｂが形成され、きわめて良好な平坦化が実現される。化学的機械研磨において、ワーク１の被研磨面７である第２絶縁膜５ｂに形成された凹凸部６の凸部は先に除去されて行き、第２絶縁膜５ｂの表面は次第に平坦化されて行く。この際、被研磨面７は全体にわたって均一に研磨されるため、第２絶縁膜５ｂの被研磨面７に位置する厚さは全体にわたって均一に減少される。そして、第２絶縁膜５ｂは全体にわたって均一に被着されていたのであるから、研磨量が全体にわたって均一であるならば、その研磨後の第２絶縁膜５ｂの被研磨面７に位置する厚さは全体にわたって均一になる。したがって、パターン付きウエハ研磨装置１０による研磨量を第２絶縁膜５ｂの研磨前の厚さ、第１配線４ａの厚さおよび凹凸部６の関係によって適度に設定することにより、第１配線４ａを研磨することなく第２絶縁膜５ｂを平坦化することができる。
【００２７】
設定した研磨量の化学的機械研磨が終了した状態で、ワーク１の被研磨面７である第２絶縁膜５ｂの表面は、図４（ｃ）に示されているようにきわめて高精度に平坦化され、かつ、第１配線４ａの真上には第２絶縁膜５ｂが予め設定された層厚をもって残された状態になっている。
【００２８】
この状態のワーク１はパターン付きウエハ研磨装置１０からアンローディング装置によってウエハカセットに収納され、後続の洗浄工程を経た後、ホール形成工程に送られる。ホール形成工程において、ワーク１の第２絶縁膜５ｂにおける所定の第１配線４ａの真上にはスルーホール４ｃが図４（ｄ）に示されているように開設される。
【００２９】
続いて、第２配線形成工程において、第２絶縁膜５ｂの上には第２配線４ｂが金属被膜被着処理やリソグラフィー処理およびエッチング処理によって、図６（ｅ）に示されているようにパターニングされる。この際、第２絶縁膜５ｂの表面は高精度に平坦化されているため、第２配線４ｂはきわめて高精度にパターニングされる。第２配線４ｂのパターニングに際して、第２絶縁膜５ｂの上に被着される金属被膜の一部が第２絶縁膜５ｂに開設されたスルーホール４ｃに充填する。スルーホール４ｃに充填した金属部によりスルーホール導体４ｄが形成される。パターニングされた第２配線４ｂの所定部分は第１配線４ａにスルーホール導体４ｄによって電気的に接続された状態になる。
【００３０】
以降、前記した絶縁膜形成工程、平坦化工程、ホール形成工程および配線形成工程が繰り返されることにより、図３（ｂ）に示されている多層配線が形成される。この際、先の工程で形成された層の絶縁膜および配線が次の工程で下層の絶縁膜および下層の配線に相当することになる。なお、ホールはスルーホールに限らず、コンタクトホールの場合も含む。また、ホールは第１層の配線を第２層の配線に接続させるに限らず、第１層の配線を第３層や第４層の配線に接続させる場合もある。
【００３１】
ここで、加圧板３２による機械的な押し力とエア２７の圧力による作用力との関係が化学的機械研磨に及ぼす影響を図５および図６について説明する。
【００３２】
図５は加圧板３２による機械的な押し力とエア２７の圧力による作用力との関係が化学的機械研磨の研磨量均一性および平均研磨速度に及ぼす影響を示すグラフである。このグラフは、直径８インチのシリコンウエハに形成されたシリコン酸化膜がパターン付きウエハ研磨装置１０によって化学的機械研磨されて得られた。また、このグラフは、加圧板３２による機械的な押し力とエア２７の圧力による作用力との関係を順次変更して得られた。図５において、横軸には加圧板による機械的圧力（ヘッド２１に加えた荷重をシリコンウエハの面積で除した値）に対するエア圧力の比（以下、圧力比という。）Ｓが取られており、縦軸にはシリコンウエハ面内の研磨量均一性Ｄ（左側）および平均研磨速度Ｒ（右側）が取られている。研磨量均一性Ｄは百分率（％）によって表されており、Ｄ＝（最大研磨量−最小研磨量）／（最大研磨量＋最小研磨量）×１００、によって求められる。平均研磨速度Ｒは、各測定点の研磨速度の総和を測定点数で除した値である。ちなみに、研磨速度は単位時間当たりの研磨量であり、研磨量は化学的機械研磨によって除去されたシリコン酸化膜の膜厚寸法である。図５の曲線Ａは圧力比−研磨量均一性特性曲線を示しており、曲線Ｂは圧力比−平均研磨速度曲線を示している。
【００３３】
図５によって次のことが究明された。研磨量均一性Ｄは、圧力比Ｓが約０．７〜１．５の範囲で良好になる。平均研磨速度Ｒは、Ｓ＝１までは増大し、Ｓ≧１で飽和傾向になる。平均研磨速度ＲがＳ≧１で飽和傾向になる理由は、研磨量均一性が低下するためである。研磨量均一性が低下する理由は、圧力比Ｓが過大になると、弾性膜３４が加圧板３２との当接面から完全に浮いた状態（離れた状態）になり、浮いた弾性膜３４が化学的機械研磨中の摺動摩擦力によって変形される。その変形応力によってエア圧力によるシリコンウエハに対する作用力が不均等になるため、研磨量均一性が低下する。
【００３４】
以上の究明に基づき、本発明者は次のことを考察した。化学的機械研磨による研磨量均一性は、加圧板３２による機械的な押し力によって殆ど制御される。弾性膜３４が加圧板３２に接触している状態においては、エア２７の圧力による作用力は加圧板３２の機械的な押し力による研磨量均一性の制御の変動を改善する方向に補正する。しかし、弾性膜３４が加圧板３２から完全に浮いた状態においては、エア２７の圧力による作用力は加圧板３２の機械的な押し力による研磨量均一性の制御の変動を補正しなくなる。
【００３５】
ところで、前述した圧力流体が密封された弾性体によってパターン付きウエハを化学的機械研磨する従来の技術が研磨量均一性について０．１μｍ以下の精度を確保することができない理由は、前記考察に基づいて次の通りと推定される。圧力流体が密封された弾性体がパターン付きウエハを押す状態は、弾性膜３４が加圧板３２から離れてウエハを押している状態と同一である。したがって、弾性体は化学的機械研磨中の摺動摩擦力によって変形される。この弾性体の変形応力は弾性体に密封された圧力による均等な作用力を不均等にさせるため、研磨量の均一性は低下する。
【００３６】
図６はシリコンウエハの径方向における研磨速度分布を示すグラフである。図６において、横軸にはシリコンウエハの位置Ｐが取られており、縦軸には研磨速度Ｖが取られている。図６（ａ）は図５のａによって示された圧力比Ｓの条件で化学的機械研磨した場合のグラフを示している。図６（ｂ）は図５のｂによって示された圧力比Ｓの条件で化学的機械研磨した場合のグラフを示している。図６（ｃ）は図５のｃによって示された圧力比Ｓの条件で化学的機械研磨した場合のグラフを示している。
【００３７】
図６（ａ）によれば、シリコン酸化膜はウエハの中央部に比べて周辺部において早く研磨されたことが分かる。図６（ｂ）によれば、シリコン酸化膜はウエハの中央部から周辺部にかけて全体的に均一に研磨されたことが分かる。図６（ｃ）によれば、シリコン酸化膜はウエハの周辺部に比べて中央部において遅く研磨され、かつ、その分布が複雑になっていることが分かる。この結果、圧力比Ｓ＝１に設定した条件で化学的機械研磨が実施されると、研磨速度分布が全体にわたって均一になる。
【００３８】
本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、上層の絶縁膜の表面に下層の配線によって形成された凹凸を化学的機械研磨によって平坦化するに際して、被研磨面である上層の絶縁膜を全体にわたって均一に、しかも、高精度の均一性をもって平坦化することができるため、研磨不足または研磨過多が局所的に発生するのを防止することができる。その結果、半導体装置の多層配線の微細化や高密度化を促進させることができる。
【００３９】
次に、本発明の実施形態２である半導体装置の製造方法をシャロウ・トレンチ・アイソレーション（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ。以下、ＳＴＩという。）法が適用される場合を例にして、図７を参照して説明する。
【００４０】
ＳＴＩ法が実施される際に、図７（ａ）に示されているように、サブストレート２の表側面には素子分離溝４２がＳｉ３  Ｎ４  膜をパターニングされて形成されたマスク４１を利用してドライエッチング法によって掘られる。素子分離溝４２の深さｄは、約０．２〜０．３μｍと極めて浅い。
【００４１】
次に、図７（ｂ）に示されているように、サブストレート２の上にはＳｉＯ２  膜によって構成された絶縁膜４３がＣＶＤ法等によって全体に均一に被着される。絶縁膜４３の一部は素子分離溝４２の内部に充填することにより、絶縁物充填部４４を形成する。絶縁物充填部４４が形成されることにより、絶縁膜４３の表面側には素子分離溝４２の深さに対応する凹部が形成される。その結果、絶縁膜４３の表面４５には無数の凹凸部４６が形成された状態になる。この状態のウエハがワーク１として、本実施形態に係る半導体装置の製造方法における素子分離部形成工程を実施するパターン付きウエハ研磨装置１０に供給される。
【００４２】
パターン付きウエハ研磨装置１０に供給されたワーク１は図４について説明した場合と同様にして、絶縁膜４３の表面（以下、被研磨面という。）４５を化学的機械研磨される。すなわち、ワーク１の被研磨面４５は研磨クロス１４の研磨材面１５に加圧板３２による機械的な力とエア２７の圧力による作用力とによって同時に付勢された状態で、研磨材面１５に擦られて化学的機械研磨される。被研磨面４５は研磨材面１５に加圧板３２による機械的な力とエア２７の圧力による作用力とによって同時に付勢された状態で研磨材面１５に擦られるため、被研磨面４５の研磨材面１５による研磨量は全体にわたって均一になる（図１参照）。つまり、被研磨面４５を構成する絶縁膜４３の表面部は全体にわたって均等に研磨される。その結果、図７（ｃ）に示されているように、サブストレート２の表面には絶縁膜４３の下層のマスク４１の表面が全面にわたって均一に露出した状態になる。
【００４３】
ところで、絶縁膜４３の被研磨面４５が不均一に化学的機械研磨された場合には、図７（ｄ）に示されているように、サブストレート２の表面まで研磨された研磨過多部４３ａと、マスク４１の上に絶縁膜４３が残った研磨不足部４３ｂとが部分的かつ不規則に発生した状態になる。研磨過多部４３ａの素子分離溝４２の深さｄは浅くなるため、研磨過多部４３ａにおける素子分離（アイソレーション）特性は低下する。他方、研磨不足部４３ｂの絶縁膜４３は次のマスク除去工程におけるマスク４１のドライエッチング法による除去を妨害するため、サブストレート２の表面にマスク４１が残存した部分が局所的に発生してしまう。つまり、研磨不足部４３ｂがあると、ドライエッチング法によってマスク４１を完全かつ均一に除去することができない。
【００４４】
サブストレート２の表面に露出したマスク４１は、ドライエッチング法によって除去される。ドライエッチング法によってマスク４１が除去される際に、化学的機械研磨によって絶縁膜４３を除去されたマスク４１は、全面にわたって均一に露出した状態になっているため、マスク４１は図７（ｅ）に示されているように全体にわたって完全かつ均一に除去される。マスク４１が除去された後のサブストレート２の表層部には、絶縁物充填部４４によって素子分離部４７が形成され、素子分離部４７によって囲まれた部分によって素子形成部４８が形成される。
【００４５】
その後、サブストレート２の表面における素子分離部４７によって囲まれた素子形成部４８の表面には、ゲート酸化膜４９が熱酸化法によって図７（ｆ）に示されているように極薄く形成される。ゲート酸化膜４９の形成に際して、マスク４１がサブストレート２の表面上に残存していると、ゲート酸化膜４９の膜厚精度等は低下する。しかし、マスク４１が完全に除去されていると、ゲート酸化膜４９の膜厚は全体にわたって均一かつ高精度に形成される。また、素子形成部４８の表面は極めて均一に平坦化されているため、ゲート酸化膜４９の膜圧は全体にわたって均一かつ高精度に形成される。
【００４６】
次いで、図７（ｇ）に示されているように、素子形成部４８におけるゲート酸化膜４９の下側には不純物拡散層５０がイオン打ち込み法によって形成され、ゲート酸化膜４９の上にはゲート電極５１が形成される。この際、サブストレート２の表面は極めて高い均一性をもって平坦化されているため、不純物拡散層５０およびゲート電極５１はサブストレート２の全面にわたって高い均一性をもって、かつ、高い精度をもって形成される。
【００４７】
以上説明した本実施形態２に係る半導体装置の製造方法によれば、ＳＴＩ法による素子分離部が化学的機械研磨によって形成される際に、素子分離部を構成するための絶縁膜の表層部を全体にわたって高精度の均一性をもって完全に除去することができるため、絶縁膜に対する研磨不足または研磨過多が局所的に発生するのを防止することができる。その結果、ＳＴＩ法による素子分離部やゲート酸化膜、不純物拡散層およびゲート電極の精度を高めることができ、しいては半導体装置の微細化や高密度化をより一層促進させることができる。
【００４８】
なお、素子分離溝４２の幅ｗを０．２５μｍ、その深さｄを０．３５μｍ、絶縁膜４３の膜厚ｔを０．５μｍとした試料の絶縁膜４３の被研磨面４５を、前記構成に係るパターン付きウエハ研磨装置１０によって０．１５μｍだけ化学的機械研磨したところ、試料の外周から３ｍｍを除外した絶縁膜４３の全面における研磨量偏差は、±２０ｎｍ以下、であった。すなわち、極めて研磨量均一性の良好な結果を得られることが検証された。
【００４９】
図８はパターン付きウエハ研磨装置の実施形態２を示すヘッドの一部省略分解斜視図である。図９はその作用を説明するための説明図である。
【００５０】
図８に示されているヘッド２１Ａが図１および図２に示されたヘッド２１と異なる点は、ワーク周辺部の研磨速度が速くなるのを抑制するためのバッキングパッド（以下、研磨速度分布制御パッドという。）３６Ａが使用されている点である。すなわち、研磨速度分布制御パッド３６Ａの周辺部には、平均圧縮弾性率Ｅを部分的に調整するための調整孔４０が複数個開設されている。研磨速度分布制御パッド３６Ａの周辺部における平均圧縮弾性率Ｅは、中央部のそれよりも調整孔４０が開設された分だけ低下している。研磨速度分布制御パッド３６Ａの周辺部における平均圧縮弾性率Ｅは、調整孔４０の大きさおよび配置間隔の選択によって任意に調整することができる。
【００５１】
次に、研磨速度分布制御パッド３６Ａの作用を図９によって説明する。ところで、パターン付きウエハ研磨装置においてワークが自転されていると、ワークの周辺部における摺動速度は中心部の摺動速度よりも速くなるため、被研磨面の研磨速度は周辺部において速くなる。図９（ａ）はワーク１であるパターン付きウエハのペレット９の配置を示している。図９（ａ）において、斜線を付して示した周辺部のペレット９ａは研磨速度の速い周辺部領域９ｂに部分的に懸かるため、ペレット９ａ内の研磨量が不均一になる。その結果、周辺部のペレット９ａのパターニングは不完全になり、周辺部のペレット９ａは不良品になる。被研磨面の周辺部の研磨速度が速くなるのは、前述したパターン付きウエハ研磨装置１０においても同様である。これは図６（ｂ）の研磨速度分布を示すグラフによっても理解することができる。
【００５２】
本実施形態２においては、図１および図２に示されたバッキングパッド３６の代わりに、図８に示されているように研磨速度分布制御パッド３６Ａが使用されているため、被研磨面の周辺部の研磨速度が速くなる現象が防止される。研磨速度分布制御パッド３６Ａの周辺部の平均圧縮弾性率Ｅは調整孔４０の開設によって低下されているため、研磨速度分布制御パッド３６Ａの周辺部のワーク１に対する弾発力は弱くなる。研磨速度分布制御パッド３６Ａの弾発力が弱くなった分だけ、被研磨面７の周辺部が研磨速度分布制御パッド３６Ａの弾発力によって研磨材面１５に押し付けられる力が弱くなるため、被研磨面７が研磨材面１５によって化学的機械研磨される研磨速度は抑制される。その結果、図９（ａ）に示された周辺部のペレット９ａの研磨量は均一になるため、周辺部のペレット９ａのパターニングは完全になり、周辺部のペレット９ａは良品になる。つまり、ワーク一枚当たりの製造歩留りが向上し、ペレットの実効取得数が増加する。
【００５３】
図９（ｂ）は研磨速度分布制御パッドの周辺部における平均圧縮弾性率が研磨速度均一性に及ぼす影響を示すグラフである。このグラフは、直径８インチの研磨速度分布制御パッド３６Ａの外周から５ｍｍの範囲に直径１ｍｍの調整孔４０を個数を変更して開けることにより、平均圧縮弾性率が順次変更調整されて得られた。図９（ｂ）において、横軸には平均圧縮弾性率Ｅが取られている。ここで、平均圧縮弾性率Ｅは研磨速度分布制御パッドの初期弾性率に対する周辺部の平均圧縮弾性率の百分率によって表されている。縦軸には研磨速度均一性ｒが取られている。ここで、研磨速度均一性ｒは被研磨面における中心部の平均研磨速度に対する周辺部の平均研磨速度の比によって表されている。
【００５４】
図９（ｂ）により次のことが究明された。研磨速度分布制御パッドの外周部の平均圧縮弾性率Ｅを初期弾性率の約７５％に設定することにより、被研磨面の外周部における研磨速度均一性ｒを最小に抑制することができる。なお、研磨速度分布制御パッドの周辺部における平均圧縮弾性率Ｅの最適値は、ワークの大きさや厚さ、被研磨面の性質や硬さ、機械的圧力、エア圧力等の化学的機械研磨の諸条件に応じて変わる。研磨速度分布制御パッドの平均圧縮弾性率Ｅは研磨速度分布制御パッドに調整孔を開けることによって調整するに限らず、研磨速度分布制御パッドの外周部を削除する方法や、外周部に切り込みを入れる方法等によっても調整することができる。
【００５５】
図１０はパターン付きウエハ研磨装置の実施形態３を示す一部省略一部切断正面図である。
【００５６】
本実施形態３が前記実施形態１と異なる点は、バッキングパッドが省略された点である。ワーク１は弾性膜３４に直接接触した状態で、加圧板３２によって機械的に押され、かつ、弾性膜３４に加わるエア圧力による作用力によって付勢される。したがって、ワーク１の被研磨面は前記実施形態１と同様な作用により全体にわたって均一に化学的機械研磨される。
【００５７】
図１１はパターン付きウエハ研磨装置の実施形態４を示す一部省略一部切断正面図である。
【００５８】
本実施形態４が前記実施形態１と異なる点は、真空吸着のための弾性膜の透孔およびバッキングパッドの透孔が省略され、負圧供給路が省略された点である。省略された構成要素はワーク１の真空吸着保持に使用されるため、化学的機械研磨における被研磨面の均一性の向上効果には影響しない。したがって、前記実施形態１と同様な作用効果が奏される。
【００５９】
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施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。
【００６０】
加圧板に開設する通気孔は複数本に限らず、１本でもよい。また、通気路は加圧板の上下空間を連通させればよいため、通気路は加圧板を多孔質剛性板で形成することによっても構成することができる。
【００６１】
加圧板および弾性膜のヘッド本体への固定手段は締結手段に限らず、接着手段等を使用してもよい。
【００６２】
弾性膜を介してワークを付勢する気体としてはエアを使用するに限らず、窒素等の気体を使用してもよい。
【００６３】
ヘッドを上側に研磨工具を下側に配置するに限らず、ヘッドを下側に研磨工具を上側に配置してもよい。また、ヘッド側を下降させるように構成するに限らず、研磨工具側を上昇させるように構成してもよい。さらに、ヘッドと研磨工具とは上下方向に不動とし、ワークの被研磨面と研磨工具の研磨材面とを相対的に水平方向に移動させて単に擦り合わせるように構成してもよい。
【００６４】
バッキングパッドはゴムまたは樹脂、発泡樹脂によって構成するに限らず、フェルトやガラスウール等の適度な弾力性を有する材料によって構成することができる。
【００６５】
【発明の効果】
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、次の通りである。
【００６６】
化学的機械研磨時にワークに作用する不規則で複雑な歪みに自己整合的に対応してワークに対する押し力を補正することにより、ワークの被研磨面を全体にわたって均一に、しかも、高い均一精度をもって化学的機械研磨することができるため、高精度のパターニングを確保することができる。その結果、超微細で高集積度の半導体装置を製造する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である半導体装置の製造方法に使用されるパターン付きウエハ研磨装置を示す一部省略一部切断正面図である。
【図２】そのヘッドを示す一部省略分解斜視図である。
【図３】ワークを示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は拡大部分断面図である。
【図４】本発明の一実施形態である半導体装置の製造方法を説明するための各拡大部分断面図を示しており、（ａ）は第１配線形成工程、（ｂ）は第２絶縁膜形成工程、（ｃ）は平坦化工程、（ｄ）はホール形成工程、（ｅ）は第２配線形成工程を示している。
【図５】加圧板による機械的な押し力とエア圧力による作用力との関係が化学的機械研磨の研磨量均一性および平均研磨速度に及ぼす影響を示すグラフである。
【図６】研磨速度分布を示すグラフであり、（ａ）は図５のａによって示された圧力比の条件で化学的機械研磨した場合のグラフ、（ｂ）は図５のｂによって示された圧力比Ｓの条件で化学的機械研磨した場合のグラフ、（ｃ）は図５のｃによって示された圧力比Ｓの条件で化学的機械研磨した場合のグラフを示している。
【図７】本発明の他の実施形態である半導体装置の製造方法をＳＴＩ法に適用した場合を示す各拡大部分断面図であり、（ａ）は素子分離溝形成工程、（ｂ）は絶縁膜形成工程、（ｃ）は絶縁膜除去工程、（ｄ）は絶縁膜除去が不均一になった状態の絶縁膜除去工程、（ｅ）はマスク除去工程、（ｆ）はゲート酸化膜形成工程、（ｇ）は不純物拡散およびゲート電極形成工程を示している。
【図８】パターン付きウエハ研磨装置の実施形態２を示すヘッドの一部省略分解斜視図である。
【図９】その作用を説明するための説明図であり、（ａ）はパターン付きウエハのペレットの配置を示す平面図、（ｂ）は研磨速度分布制御パッドの周辺部における平均圧縮弾性率が研磨速度均一性に及ぼす影響を示すグラフである。
【図１０】パターン付きウエハ研磨装置の実施形態３を示す一部省略一部切断正面図である。
【図１１】パターン付きウエハ研磨装置の実施形態４を示す一部省略一部切断正面図である。
【符合の説明】
１…ワーク（半導体ウエハ）、２…サブストレート（ウエハ）、３…オリエンテーションフラット（オリフラ）、４…配線、４ａ…第１配線、４ｂ…第２配線、４ｃ…スルーホール、４ｄ…スルーホール導体、５…層間絶縁膜（絶縁膜）、５ａ…第１絶縁膜、５ｂ…第２絶縁膜、６…凹凸部、７…被研磨面、８…裏側面、９…ペレット、９ａ…周辺部のペレット、９ｂ…研磨速度の速い周辺部領域、１０…パターン付きウエハ研磨装置（ＣＭＰ）、１１…研磨工具、１２…ベースプレート、１３…回転軸、１４…研磨クロス、１５…研磨材面、１６…スラリ供給ノズル、１７…スラリ、２１…ヘッド、２２…ヘッド本体、２３…保持穴、２４…通気口（気体流通口）、２５…通気路（流体圧供給路）、２６…エアポンプ、２７…エア（気体）、２８…正圧供給路、２９…真空ポンプ、３０…負圧供給路、３１…切換弁、３２…加圧板、３３…通気孔（通気路）、３４…弾性膜、３５…透孔、３６…バッキングパッド、３６Ａ…研磨速度分布制御パッド、３７…透孔、３８…ガイドリング、３９…ボルト、４０…調整孔、４１…マスク、４２…素子分離溝、４３…絶縁膜、４３ａ…研磨過多部、４３ｂ…研磨不足部、４４…絶縁物充填部、４５…絶縁膜の表面（被研磨面）、４６…凹凸部、４７…素子分離部、４８…素子形成部、４９…ゲート酸化膜、５０…不純物拡散層、５１…ゲート電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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