(57)【要約】【課題】大口径の加工面を有するウェーハを高い形状精度で研磨することができる研磨装置を提供する。【解決手段】本半導体ウェーハの研磨装置は、ヘッド本体の開口部に張設されてヘッド本体との間に外部と仕切られてなる加圧室を形成するとともに、内周部下面で半導体ウェーハを保持するほぼ円形のメンブレンとを有し、メンブレンを直接空気圧により加圧する空気の温度を制御する空気温度制御手段を備える。【選択図】  図１
2006332520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に研磨布を装着した回転可能な定盤と、前記研磨布上ヘスラリーを供給するスラリー供給管と、前記定盤に対向して配設され、前記定盤と対向する面に開口部が形成された円盤形状のヘッド本体と、前記開口部に張設されて前記ヘッド本体との間に外部と仕切られてなる加圧室を形成するメンブレンとを有し、前記メンブレンが気体圧力により前記定盤に向かう方向に押し出される半導体ウェーハの研磨装置において、前記加圧室に供給する気体の温度を制御する気体温度制御手段とを備えたことを特徴とする半導体ウェーハの研磨装置。
【請求項２】
前記加圧室は同心状に複数の加圧室に仕切られ、この加圧室毎に設置され前記加圧室内の前記メンブレン表面の温度を検出する温度センサーと、この温度センサーが検出した温度が一定となる様に、前記加圧室毎にそれぞれ供給される空気の温度を制御する空気温度制御手段が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハの研磨装置。
【請求項３】
前記加圧室に供給する気体間の温度差は、０℃より大きく、４℃以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体ウェーハの研磨装置。
【請求項４】
研磨布を回転させながら、この研磨布上にスラリーを滴下すると共に、ヘッド本体を回転させながら降下させることにより、ヘッド本体の開口部に張設されてヘッド本体との間に外部と仕切られてなる加圧室を形成するメンブレンおよびリング状部材により保持された半導体ウェーハを研磨布に押し付けて、半導体ウェーハを研磨する半導体ウェーハの研磨方法において、半導体ウェーハの研磨面近傍の温度を検出し、この温度に基づき、加圧室内に供給される気体の温度を制御するようにしたことを特徴とする半導体ウェーハの研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体ウェーハの研磨装置および半導体ウェーハの研磨方法に係り、特に化学的機械研磨（ＣＭＰ）法により表面の鏡面化を行う際に、半導体ウェーハをメンブレン等の弾性部材により保持して研磨する半導体ウェーハの研磨装置および半導体ウェーハの研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体ウェーハ（以下、単にウェーハという）の製造では、半導体デバイスが形成される面（活性層）を鏡面研磨する。近年、半導体デバイスの高集積化・高密度化に伴い、鏡面研磨後のウェーハの高平坦化、とりわけ活性層の高平坦化が望まれており、これに応えるため、ウェーハの表面を研磨する研磨装置の開発が進められている。
【０００３】
この研磨装置は、ウェーハを研磨布に押し付けると共に、ウェーハと研磨布間にスラリーを供給してウェーハの表面を研磨する。スラリーはその温度によって化学的要素（活性化）が変化し、これにより研磨量に差が生じるため、温度管理がなされて供給されている。すなわち、ウェーハの研磨効率が最大となる温度よりもスラリーの温度が高い場合には、エッチングが進行し、低い場合には研磨量が少なくなるので、スラリーはウェーハの研磨効率が最大となる温度に管理されて供給されている。この温度はスラリーの種類によって異なり、通常２５〜４０℃の範囲である。
【０００４】
従来、この研磨装置による研磨加工中における温度制御方法としては、例えば、特許文献１に記載されているように、回転盤上に装着された研磨布の温度を非接触で温度センサーにより検出し、この検出値に基づいて回転盤および、ウェーハ保持する加圧プレートを冷却し、研磨布の温度を一定に維持するとともに、異常温度状態を防止するものが知られている。
【０００５】
この特許文献１の方法は、研磨布の温度の制御を可能にしているが、ウェーハの加工面の研磨温度を均一にするという点については配慮されていなかった。そこで本発明者らは、鋭意研究を行った結果、ウェーハの加工面の研磨温度は、加工面の発熱、放熱のバランスによって、その外周部は冷却され、中央部の方が外周部よりも高温になることを見出し、これがウェーハの加工に重大な問題に発展することを突き止めた。
【０００６】
即ち、スラリーとしてはアルカリ性溶液が使用されるため、メカノケミカル反応が温度上昇とともに活性化されて、研磨能率は向上し、研磨量は多くなる。しかし、上述した従来の研磨装置によれば、ウェーハの中央部の方が外周部よりも高温になるので、中央部の研磨量が多くなり、ウェーハの加工面の形状は中央部が凹んだ凹形状になり、良好な形状精度が得られないという問題点があった。
【特許文献１】特開昭５６−１５７９４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、大口径の加工面を有するウェーハを高い形状精度で研磨することができる半導体ウェーハの研磨装置、半導体ウェーハの研磨方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するため、本発明に係る半導体ウェーハの研磨装置は、表面に研磨布を装着した回転可能な定盤と、前記研磨布上ヘスラリーを供給するスラリー供給管と、前記定盤に対向して配設され、前記定盤と対向する面に開口部が形成された円盤形状のヘッド本体と、前記開口部に張設されて前記ヘッド本体との間に外部と仕切られてなる加圧室を形成するメンブレンとを有し、前記メンブレンが気体圧力により前記定盤に向かう方向に押し出される半導体ウェーハの研磨装置において、前記加圧室に供給する気体の温度を制御する気体温度制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
加圧室に供給される気体は、空気でも良いし、温度による体積変化の少ない窒素ガスを使用するとさらに望ましい。
【００１０】
好適には、前記加圧室は同心状に複数の加圧室に仕切られ、この加圧室毎に設置され前記加圧室内の前記メンブレン表面の温度を検出する温度センサーと、この温度センサーが検出した温度が一定となる様に、前記加圧室毎にそれぞれ供給される空気の温度を制御する空気温度制御手段が設けられたことを特徴とする。
【００１１】
また、好適には、前記加圧室に供給する気体間の温度差は、０℃より大きく、４℃以下であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る半導体ウェーハの研磨方法は、研磨布を回転させながら、この研磨布上にスラリーを滴下すると共に、ヘッド本体を回転させながら降下させることにより、ヘッド本体の開口部に張設されてヘッド本体との間に外部と仕切られてなる加圧室を形成するメンブレンおよびリング状部材により保持された半導体ウェーハを研磨布に押し付けて、半導体ウェーハを研磨する半導体ウェーハの研磨方法において、半導体ウェーハの研磨面近傍の温度を検出し、この温度に基づき、加圧室内に供給される空気温度を制御するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る半導体ウェーハの研磨装置によれば、大口径の加工面を有するウェーハを高い形状精度で研磨することができる半導体ウェーハの研磨装置を提供することができる。
【００１４】
本発明に係る半導体ウェーハの研磨方法によれば、大口径の加工面を有するウェーハを高い形状精度で研磨することができる半導体ウェーハの研磨方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体ウェーハの研磨装置について添付図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施形態に係る半導体ウェーハの研磨装置の断面を示す概念図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００１７】
図１及び図２に示すように、本発明に係る半導体ウェーハの研磨装置１は、回転可能に設けられた定盤２を備え、この定盤２上には研磨布３が接着され、さらに、この研磨布３の上にはスラリー供給管４が設けられ、研磨布３にスラリー５を滴下させるようになっている。
【００１８】
また、研磨布３の上方には、下方に開口部６ａが形成されたほぼ円盤形状のヘッド本体６が回転可能に設けられており、開口部６ａの下面には例えば軟質のゴム材料からなるメンブレン（可撓膜）７が張設され、ヘッド本体６との間に外部と仕切られてなる加圧室８が形成されている。この加圧室８はリング形状の仕切膜９によって、中心部から外周部に向かって同心状に複数の加圧室８ａ、８ｂ、８ｃに仕切られている。なお、仕切膜９はメンブレン７の収縮動作に影響を与えない部材であることが好ましい。
【００１９】
さらに、メンブレン７の下面にはリング状部材１０が接着されており、ウェーハ１１はメンブレン７およびリング状部材１０により保持されるようになっている。加圧室８の内部でメンブレン７の上面には、半導体ウェーハの研磨面近傍の温度を検出する温度センサー１２ａ、１２ｂ、１２ｃが複数の加圧室８ａ、８ｂ、８ｃ毎に、メンブレン７の径方向に設けられている。
【００２０】
ヘッド本体６の外部には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを備えた温度制御装置１３が設けられ、また、加圧室８ａ、８ｂ、８ｃに各々連通し、例えばヒーター１４ａ１、１４ｂ１、１４ｃ１と、このヒーター１４ａ１、１４ｂ１、１４ｃ１を内装する空気温度制御タンク１４ａ２、１４ｂ２、１４ｃ２を備えた空気温度制御手段１４ａ、１４ｂ、１４ｃが設けられ、さらに、空気温度制御タンク１４ａ２、１４ｂ２、１４ｃ２の圧力を均一にするため、この各タンク１４ａ２、１４ｂ２、１４ｃ２に連通する圧力調整機構１５が設けられている。
【００２１】
さらに、温度制御装置１３は各温度センサー１２ａ、１２ｂ、１２ｃと接続され、各温度センサー１２ａ、１２ｂ、１２ｃにより検出された加圧室８ａ、８ｂ、８ｃの温度に基づき、ヒーター１４ａ１、１４ｂ１、１４ｃ１を制御して、例えばリーッビヒ管を用いた空気温度制御手段１４ａ、１４ｂ、１４ｃの空気温度を制御するようになっている。
【００２２】
従って、圧縮機１６から送られてくる空気温度を空気温度制御手段１４ａ、１４ｂ、１４ｃを介して制御し、加圧室８ａ、８ｂ、８ｃの温度を目標温度に設定して、ウェーハの面内温度を均一にできるようになっている。
【００２３】
次に本発明に係る半導体ウェーハの研磨装置を用いた半導体ウェーハの研磨方法について説明する。
【００２４】
図１に示すように、定盤２を回転させて、研磨布３を回転させながら、スラリー供給管４からスラリー５を研磨布３上に滴下すると共に、ヘッド本体６を定盤２と同方向に回転させながら降下させることにより、メンブレン７およびリング状部材１０により保持されたウェーハ１１を研磨布３に押し付ける。
【００２５】
図３の温度制御フローチャートに沿い、加圧室内に供給される空気温度の制御過程について説明すると、さらに、温度制御装置１３は予め目標温度Ｔ０が設定され（Ｓ１）、研磨加工中、温度センサー１２ａ、１２ｂ、１２ｃによって、加圧室８ａ、８ｂ、８ｃの温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が検出され（Ｓ２）、この温度信号は、温度制御装置１３へ送信される。
【００２６】
温度制御装置１３において、検出温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と目標温度Ｔ０とが比較され（Ｓ３）、検出温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が目標温度Ｔ０に対して所定範囲に入る場合（Ｙｅｓ）は、研磨が開始あるいは継続され（Ｓ４）、所定範囲を外れる場合（Ｎｏ）は、空気温度が制御される（Ｓ５）。
【００２７】
すなわち、検出温度の方が低い場合には、この温度制御装置１３から、該当する空気温度制御手段１４ａ、１４ｂ、１４ｃへ加熱信号が送信される。この加熱信号を受信した空気温度制御手段１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、該当するヒーター１４ａ１、１４ｂ１、１４ｃ１により圧力調整機構１５から送られてくる空気が加熱され、この高温となった空気によりウェーハ１１の温度の低い研磨個所が加熱される。
【００２８】
一方、検出温度の方が高い場合には、温度制御装置１３から、該当する空気温度制御手段１４ａ、１４ｂ、１４ｃへ冷却信号が送信される。この冷却信号を受信した空気温度制御手段１４ａ、１４ｂ、１４ｃでは、該当するヒーター１４ａ１、１４ｂ１、１４ｃ１を制御して空気温度が下げられ、この低温となった空気によりウェーハ１１の温度の高い研磨個所が冷却される。
【００２９】
上記のような研磨過程において、圧縮機１６から送られてくる空気は圧力調整機構１５を介して均一圧力で吹き出され、さらに、各空気温度制御手段１４ａ、１４ｂ、１４ｃを介して、加圧室８ａ、８ｂ、８ｃ毎に要求される空気温度に制御される。これにより、メンブレン７で空気圧はウェーハ１１に対して均等に付加され、また、空気の温度は加圧室８ａ、８ｂ、８ｃ毎に木目細かく制御されて、ウェーハ１１の加工面の温度が上記目標温度に維持され、ウェーハ１１の面内温度を均一になる様な方向に管理をすれば、ウェーハ１１に対する研磨速度が面内において均一になり、従って、ウェーハ１１の表面は高平坦になる。
【００３０】
また、上記研磨過程において、加圧室８ａよりも外周に近い加圧室８ｃの方がより熱を奪われて強く冷却される傾向があるが、そのため各温度センサー１２ａ、１２ｂ、１２ｃの温度を一定に保つためには、加圧室８ａに供給される空気の温度よりも加圧室間８ｃに供給される空気の温度を高く設定する。
【００３１】
なお、加圧室に供給する空気間の温度差（加圧室３に供給する空気の温度−加圧室１に供給する空気の温度）ΔＴは、０℃より大きく、４℃以下であるのが好ましく、特に３００ミリ以上の大口径直径のウェーハを取り扱う場合は、２℃以下であることがより好ましい。４℃を超えると、研磨量に偏りが生じ、均一なウェーハが得られない。
【００３２】
上述のように本実施形態に係る半導体ウェーハの研磨装置を用いた研磨によれば、加圧室内に供給される空気温度を制御することにより、大口径の加工面を有するウェーハを高い形状精度で研磨することができる。
【実施例】
【００３３】
図１に示す本発明の研磨装置を用いて、直径３００ｍｍ、厚さ７７５μｍのウェーハの片面研磨を行い、（１）ウェーハ中心からの距離とウェーハ厚さ変位との関係を調べた（実施例１）。（２）また、目標温度を変化させて各圧力分室の温度及び取り代分布変位差についても調べた（実施例２、実施例３）。なお、温度制御装置における目標温度は３５℃に設定した。
【００３４】
また、比較のために温度制御手段のない研磨装置を用いて、上記実施例１〜３と同様の試験を行った（従来例１、２）。
【００３５】
結果：（１）図４の実施例１と図５の従来例１を比較すると、従来例は圧力分布の影響を受け、ウェーハ中心部の研磨量が外周部に比べて高くなっており、研磨量を全加工面にわたって均一にすることは困難であることがわかる。これに対して、実施例はウェーハ中心部と外周部の研磨量はほぼ同じであり、研磨量が全加工面にわたって均一になっていることが確認できる。この結果は研磨加工中において、ウェーハの加工面の温度をほぼ均一に、さらに圧力分布も均一にすることができるので、大口径の加工面を有するウェーハでも、研磨量が全加工面にわたって均一になり、高い形状精度を得ることがわかる。
【００３６】
（２）表１に示すように各圧力分室の温度は、実施例２、３共目標温度に近い値を示す、また、取り代分布変位差が０．１μｍと極めて均一に研磨されることがわかった。これに対して従来例２は加圧室１（中心部）の温度が最も高く周辺部に行くほど低くなっており、加圧室１（中心部）と加圧室３（周辺部）では温度差が６℃あり、また、取り代分布変位差が１．０μｍと極めて大きく、研磨偏りが発生することがわかった。
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体ウェーハの研磨装置の断面を示す概念図。
【図２】図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図３】本発明の一実施形態に係る半導体ウェーハの研磨装置の温度制御フローチャート図。
【図４】本発明一実施形態に係る半導体ウェーハの研磨装置を用いた研磨試験の結果図。
【図５】従来の半導体ウェーハの研磨装置を用いた研磨試験の結果図。
【符号の説明】
【００３８】
１…研磨装置、２…定盤、３…研磨布、５…スラリー、６…ヘッド本体、６ａ…開口部、７…メンブレン、８…加圧室、９…仕切膜、１１…ウェーハ、１２…温度センサー、１３…温度制御装置、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…空気温度制御手段、１５…圧力調整機構。
【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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