(57)【要約】【解決すべき課題】うねりのある被研削体の表面をうねりに沿ってコンピュータ制御せずうねりに沿って研削できる簡便な研削装置、および研削方法を提供すること。【解決手段】（１）回転スピンドル、（２）回転スピンドルの下面に設けられているディスクホルダー、（３）ディスクホルダーに取りつけられ（ｉ）端部が曲面状に形成されている弾性パッド、（ii）弾性パッドに付着され、エラストマー製弾性板の直径よりわずかに大きい直径の円盤状の可撓性プラスチックシート、（iii）該プラスチックシートの下面に貼着され、プラスチックシートの直径より小さい直径の研削砥粒層を含むシート砥石からなる多層体を含む研削装置。【選択図】図７
2005342837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）回転スピンドル、（２）回転スピンドルの下面に設けられているディスクホルダー、（３）ディスクホルダーに取りつけられ（ｉ）端部が曲面状に形成されている弾性パッド、（ii）弾性パッドに付着され、エラストマー製弾性板の直径よりわずかに大きい直径の円盤状の可撓性プラスチックシート、（iii）該プラスチックシートの下面に貼着され、プラスチックシートの直径より小さい直径の研削砥粒層を含むシート砥石からなる多層体を含む研削装置。
【請求項２】
シート砥石が、プラスチックシートの中央部に、シートと略等しい厚さになるよう埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の研削装置。
【請求項３】
（１）回転スピンドル、（２）回転スピンドルの下面に設けられているディスクホルダー、（３）ディスクホルダーに取りつけられ（ｉ）端部が曲面状に形成されている弾性パッド、（ii）弾性パッドに付着され、エラストマー製弾性板の直径よりわずかに大きい直径の円盤状のプラスチックシート、（iii）プラスチックシートの下面に貼着され、プラスチックシートの直径より小さい直径の研削砥粒層を含む多層研削体からなる研削装置の多層研削体を高速回転させて該多層研削体面と被研削体面との間に、研削液を介在させつつ被研削体上を走査させて被研削体の極表層のみを研削することを特徴とする研削方法。
【請求項４】
研削液が、酸化剤と金属錯化剤とを有することを特徴とする請求項３に記載の研削方法。
【請求項５】
被研削体が、多層配線形成プロセス途中の絶縁膜の平坦化または金属配線膜の平坦化が必要な半導体ウエハであることを特徴とする請求項３〜４に記載の研削方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の表面の研削加工方法、およびその加工方法に用いられる研削加工装置に関する。本発明は、特に半導体装置の製造プロセスにおける半導体多層配線回路基板表面の平坦化処理に適した研削装置、及び研削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高密度半導体集積回路素子（ＬＳＩ）の形成プロセスの過程で絶縁膜や金属膜のパターン形成等によってＬＳＩウエハ表面は複雑な凹凸が生じる。ＬＳＩの高集積化に伴いこの凹凸を持ったＬＳＩウエハ表面上の凹凸はより微細化される。この高集積化を実現するため、露光光源が短波長化され、その結果、リソグラフィプロセスにおける焦点深度の浅化、製造プロセスの高度化のため半導体回路基板表面の平坦化処理はますます重要になってきている。
【０００３】
このＬＳＩウエハ表面を平滑にする方法としては、従来は、研磨剤を含有する研削液を供給しつつ研磨弾性パッドを研磨定盤に押し付けながら摺動し、凹凸を研磨により平坦化するCMP法が採用されている。
【０００４】
半導体ウエハ自体も集積回路が形成されている部分とそうでない部分、例えば切断部分で数ｍｍ〜２０ｍｍの単位のピッチでうねっており、更にウエハの表面側のみに回路が形成されることから膜応力の不均一によりウエハに反りが発生することが多かった。
【０００５】
この反った状態のウエハ表面の凹凸を前記CMPで平坦化研磨する場合、表面側にそった部分はCMPの研磨圧力が高く、谷状にそった部分の圧力は低くなるので、研磨圧力の高い部分が早く平坦化が進み、圧力の低い部分まで平坦化を進めると、先に平坦化された圧力の高い部分は必要な残膜厚が薄くなりすぎたり、消滅してしまうという大きな問題が発生する。
【０００６】
上記問題を解決するために、第一の問題に対してはCMPに際して硬軟２層のパッドを使用している。即ち、被加工面に接触するのは硬い層でその硬い層の背面に軟質層が配置されている。これにより表面側にそった部分と谷状にそった部分に対する研磨圧力差を緩和するものである。しかし、この方法では圧力差は十分に緩和出来ず、大型ウエハの全面を均一に平坦化出来ないという問題があった。
【０００７】
また、回路パターンでは１μｍ前後の微細なパターンの集積した領域と数十から数百μｍの大型パターンが形成された領域が混在することがよくある。これらの混在した面を同時に平坦化すると微細パターン領域が大型パターン領域よりも先に平坦化され、最終的に大型パターン領域の平坦化は進まなくなるなどの問題が発生していた。この問題、パターンの大小や粗密な領域における平坦化速さの差を緩和する有効な解決策は見出されていないのが実情である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、うねりのある被研削体の表面をうねりに沿って均一に平滑化研削ができる研削装置、および研削方法を提供することを目的としている。本発明の他の目的は、うねりのある被研削体の表面をコンピュータ制御せずうねりに沿って研削できる簡便な装置、及び研削方法を提供することを目的としている。本発明の他の目的は、被研削材にスクラッチ等の傷が発生しにくい研削装置、および研削方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明は、（１）回転スピンドル、（２）回転スピンドルの下面に設けられているディスクホルダー、（３）ディスクホルダーに取りつけられ（ｉ）端部が曲面状に形成されている弾性パッド、（ii）弾性パッドに付着され、エラストマー製弾性板の直径よりわずかに大きい直径の円盤状の可撓性プラスチックシート、（iii）該プラスチックシートの下面に貼着され、プラスチックシートの直径より小さい直径の研削砥粒層を含むシート砥石からなる多層体を含む研削装置である。
【００１０】
シート砥石は、プラスチックシートの中央部に、シートと略等しい厚さになるよう埋め込まれていることが好ましい。
【００１１】
別の面から見ると、本発明は、（１）回転スピンドル、（２）回転スピンドルの下面に設けられているディスクホルダー、（３）ディスクホルダーに取りつけられ（ｉ）端部が曲面状に形成されている弾性パッド、（ii）弾性パッドに付着され、エラストマー製弾性板の直径よりわずかに大きい直径の円盤状のプラスチックシート、（iii）プラスチックシートの下面に貼着され、プラスチックシートの直径より小さい直径のシート砥石層を含む多層研削体からなる研削装置の多層研削体を高速回転させて該多層研削体面と被研削体面との間に酸化剤と金属錯化剤とを有する研削液を介在させつつ被研削体上を走査させて被研削体の極表層のみを研削することを特徴とする研削方法である。
【００１２】
研削液は、酸化剤と金属錯化剤とを有することが好ましい。
【００１３】
被研削体は、多層配線形成プロセス途中の絶縁膜の平坦化または金属配線膜の平坦化が必要な半導体ウエハであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の研削装置、研削方法によってこれまで行われていなかったうねりのある被研削体の表面をうねりに沿って均一に平滑化研削ができるようになった。また、うねりのある被研削体の表面をコンピュータ制御せずうねりに沿って研削できる簡便な装置、及び研削方法を提供することが出来る。本発明の方法によれば特に銅等の金属配線が設けられた半導体ウエハの研削を効率よく行なうことができる。また、本発明の研削方法で研削しておくと、後の仕上げ工程であるＣＭＰ作業において大型パターン部が研削していない場合に比べて迅速化できるため、微細パターンや大型パターンの混在した集積回路の多層配線ウエハの全面を均一に平坦化出来るという利点がある。本発明の研削装置、および研削方法ではシート砥石のエッジがウエハ面に接触しないため、被研削材にスクラッチ等の傷が発生しにくいという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の装置の一実施例について説明する。図１は本発明の研削装置の要部の一例を示した概略図である。図１において、１はホイールスピンドル、２は、スピンドル軸、３はディスクホルダー、４は弾性パッド、５はプラスチックシート、６はシート砥石である。
【００１６】
スピンドルはモータ等によって駆動され回転する。スピンドルの傾斜角度、回転速度、ウエハ固定盤への押し付け圧力を調節できるようになっていることが好ましい。
【００１７】
ディスクホルダー３は、多層研削体を保持する役割をする円盤状の部品で、スピンドル１に取り付けられ、スピンドル軸２とともに回転する。ディスクホルダーの直径は、弾性パッド４と同等であることが好ましい。
【００１８】
弾性パッド４は、弾力性に富んだ材料で構成されており、多層研削体を被研削体に並行に配置する役割を有する。この弾性パッドに用いられる素材としては、エラストマー、あるいはエラストマーの発泡体を使用することができる。エラストマーとしては、具体的には、ウレタン樹脂、エチレン・プロピレンゴム、ポリブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ネオプレンゴム、クロロプレンゴム、ポリエステルエラストマー、シリコンゴム等を挙ることができる。これらのうちではポリウレタン、中でも発泡ポリウレタンが弾力性と耐久性が優れているため、好ましい。
【００１９】
ポリウレタン発泡体は、公知の注型法、連続発泡成形法等によって製造することができる。必要に応じて得られた発泡体成形物をスライスして弾性パッドとする。
【００２０】
弾性パッド４は図１に示したように端部が曲面をなす凸状の形状であることが好ましい。本発明の研削装置では、パッドの大きさは、直径が通常１０〜１００ｍｍ、好ましくは２０〜５０ｍｍの範囲にあることが望ましい。また、厚さは、通常１〜５０ｍｍ、好ましくは５〜２０ｍｍの範囲にあることが望ましい。
【００２１】
弾性パッド４は、ディスクホルダー３に、接着剤を介して固着されている。接着剤は、弾性パッドが古くなった際交換が可能なように、エラストマー系重合体と粘着付与剤とを主成分とする感熱性、または感圧性接着剤が好ましい。
【００２２】
弾性パッド４の下面にはプラスチックシート５が固着されている。プラスチックシートの材質としては、耐摩耗性、耐熱性が優れており、フイルム成形が可能な材料、例えばポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリエーテルサルホン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド等の一種または２種以上などを用いることができる。これらの中では、耐摩耗性、耐熱性が優れ、シート砥石のバインダーが接着しやすいポリイミドフイルムが好ましい。
【００２３】
プラスチックシートの厚さは、被研削材の凹凸に追従してたわむことが出来るように可撓性を有する厚さであることが必要で、例えば、１０〜１０００μｍ、特に５０〜５００μｍの範囲にあることが好ましい。
【００２４】
プラスチックシートは、好ましくは円板状の形状をしており、その直径は弾性パッドの直径より大きいことが必要である。また、プラスチックシートと弾性パッドとは中央部のみが固着されており、端部は互いに遊離している。このような形状とすることにより、研削操作時にプラスチックシートが研削液によるハイドロダイナミック効果で半導体ウエハ上にウエハ面に対して均等な間隔で自動的に位置することができる。
【００２５】
本発明の研削装置では、上記プラスチックシートの下面に研削砥粒とバインダーとからなるシート砥石層６が固着されている。バインダーと研削砥粒とは、例えば、適当な溶媒に溶解させたものをシート表面に塗布することによりシート砥石層を形成させることができる。
【００２６】
本発明で用いることのできる研削砥粒としては、例えば、ダイヤモンド、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ＣＢＮ、炭化ケイ素、炭化チタン、酸化アルミニウム、酸化鉄、ジルコニア、ガーネット、エメリー等を挙げることができる。
【００２７】
研削砥粒とバイダーとからなるシート砥石層６は、プラスチックシート５より小さい直径であることが必要で、このような形状とすることによりシート砥石のエッジがウエハ面にいきなり接触し、切削することを防ぐことができる。
【００２８】
シート砥石層６は、図１のようにプラスチックシート５の下面に層として設けられていてもよいが、図７に示したように、プラスチックシート５の下面中央部に窪みを設け、その窪みにシート砥石を層として埋め込み、かつプラスチックシートの外周部とシート砥石埋め込み部の厚さとを略等しくすることが好ましい。このような形状を作ることによって、ウエハ面に対する接触面がプラスチックシートとシート砥石面が連続した面として作用することになり、砥石のエッジがウエハ面に接触する危険性が少なくすることができる。
【００２９】
図２に、本発明の装置の全体図の一例を示す。図２は、本発明の装置の全体図の一例を示した概略図である。本発明の研削装置は、図２に示したように上記ホイールスピンドル１２、研削ホイール１１、多層研削体の他に、更にホイールスピンドル／研削ホイールを移動させるための２軸ステージ１４、ウエハを固定するウエハホルダー、ウエハホルダーを回転させるためのロータリーテーブル１５、スピンドルやウエアホルダーを回転させるための駆動モータ等を具備している。
【００３０】
次に、本発明の研削方法について説明する。図３は、本発明の研削方法を説明するための概略図である。図３において、２２は、回転スピンドル、２３はディスクホルダー、２４は弾性パッド、２５はプラスチックシート、２６はシート砥石、２７は研削液、２８はウエハ、２９はウエハ固定盤である。
【００３１】
半導体ウエハを研削する方法について手順を追って説明すると、まずウエハ２８をウエハ固定盤２９に固定する。一方、弾性パッド２４／プラスチックシート２５／シート砥石２６からなる多層研削体を、接着剤で、あるいは真空吸引することによりディスクホルダー２３に固定しておく。回転スピンドル軸をウエハ面に対して垂直方向から数度傾斜させて、プラスチックシートの外周から数ミリがウエハ面に対向、接触し、シート砥石の外周端がウエハ面に接触するように設定する。
【００３２】
ウエハ固定盤２９を回転させることによりウエハを回転させる。一方、スピンドルを回転させることにより研削体を回転させる。多層研削体をウエハに押し付けながらウエハ上を走査・摺動させることによりウエハの極表面のみが研削される。
【００３３】
本発明の研削方法では、半導体ウエハ、多層研削体の間に研削液を供給しながら行う。この研削工程において研削液を供給することにより、多層研削体のプラスチックシートは、研削液によるハイドロプレーニング現象により被研磨体である半導体ウエハ面より研削液の粘度、プラスチックシートとウエハ間の相対速度、対向面積に応じて一定の隙間を自動的に形成することになり、従ってウエハ面のうねりに沿って変形し、かつ半導体ウエハと多層研削体との間に研削液が介在することにより半導体ウエハとプラスチックシートとの間隔は等しい距離に保持される。この結果、シート砥石の砥粒層は半導体ウエハ表面に均等の間隔でかつ均等の圧力で接することになり、その結果、半導体ウエハは表面のうねりに沿って均一に研削される。
【００３４】
シート砥石のエッジがウエハ面に接触する場合は局部研削応力によりウエハ面を深く傷つけてしまう、スクラッチが発生する可能性が大きいが、本発明の研削方法によればシート砥石のエッジがウエハ面に接触しないでプラスチックシートの変形に応じてシート砥石もウエハ面側にわずかに凸状にそるので、シート砥石のゆるやかな曲率を持つ凸状部でのみ研削することできる。本発明の多層研削体の構成はこのことをハイドロダイナミックの効果により自動的に実現する構成としている。
【００３５】
上記本発明の研削方法で使用される研削液は、被研削膜がウエハ上のCu膜もしくは金属膜である場合は、好ましくは、酸化剤と金属錯化剤を含む水性液である。このうち酸化剤は半導体ウエハ上に配設された金属配線の表面を瞬間的に酸化させて金属酸化物とし、脆化させて砥粒による研削により除去されやすくする。一方、金属錯化剤は研削された界面が更に酸化されないよう金属表面を保護する役割をする。
【００３６】
本発明の研削方法で研削液の１成分として用いることのできる酸化剤としては、例えば、過酸化水素、過マンガン酸カリウム、三酸化二マンガン、酸化クロム、酸化セリウム等を挙げることができる。これらのうちでは、過酸化水が、酸化能力が高く、かつすぐに分解されて水に変わり、残渣を残さず、研削された材料に悪影響を与えないため、最も好ましい。研削液中の酸化剤の配合量は、０．１〜２０重量％、特に１〜５重量％の範囲とすることが好ましい。
【００３７】
本発明の研削方法で用いる研削液は、好ましくは金属不活性化剤を含有する。このような金属不活性化剤としては、ベンゾトリアゾール、ジアルキルチオリン酸亜鉛類、ジアルキルセレン等を挙げることができる。これらのうちではコスト、環境への影響等からベンゾトリアゾールが最も好ましい。研削液中の金属不活性剤の配合量は、０．１〜１０重量％、特に０．５〜２重量％の範囲とすることが好ましい。
【００３８】
本発明で用いる研削液は研削剤を含有していてもよい。このような研削剤としては、コロイダルシリカ、アルミナ−シリカ研削液、アルミナ研削液、セリウム研削液、キナルジン酸研削液等を挙げることができる。研磨剤は、１０重量％までの濃度で含有することができる。
【００３９】
本発明の研削方法の好ましい態様によれば、酸化剤、特に過酸化水素を含有した研削液をウエハ等の金属面に供給することにより、金属表面が酸化されて金属酸化物を形成することにより、研削装置による研削操作により半導体の部分と同等に均一に研削される。
【００４０】
本発明の研削方法で研削、粗平坦化された半導体ウエハは、ついで、通常ＣＭＰ技術、すなわち、ケミカル・メカニカル・ポリシングにより研磨され最終的にサブミクロンオーダーの粗さの面に平坦化させる。
【実施例】
【００４１】
次ぎに実施例を挙げて本発明につき更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら制約されるものではない。なお、ウエハの表面粗さ、および段差は精密段差計（KLATencor社製  Alpha−Step
500）、３Ｄトポグラフは、光干渉表面形状測定器（Veeco社製WYKO NT-3300）により測定した。
【００４２】
（実施例１）
（装置）
図７に示した装置を用いた。
ディスクホルダー直径：３０ｍｍ
パッド材質：発泡ポリウレタン
直径：３０ｍｍ
厚さ：５ｍｍ
プラスチックシート材質：ポリイミド
直径：４５ｍｍ
厚さ：０．１ｍｍ
砥粒層材質：ダイヤモンド＋ポリイミド樹脂
ダイヤモンドの平均粒径：５μｍ
直径：３０ｍｍ
厚さ：０．1ｍｍ
スピンドル回転速度：１０００ｒｐｍ
角度：進行方向に対して２度傾斜
押付圧力：１００grf／cm２
【００４３】
（被研削体）
ウエハ材質：シリコン
表面：２μｍ厚のシリコン酸化膜と銅配線が形成されている
溝深さ：１μｍ    
直径：１５０ｍｍ
回転速度：２０ｒｐｍ
移動速度：７５ｍｍ／分  
【００４４】
（研削液）
過酸化水素：３０ｍｌ／Ｌ
ベンゾトリアゾール：１０  ｇ／Ｌ        
供給量：１００ml/分
【００４５】
研削結果を図４に、研削された試料表面の３Dトポグラフを図５に示す。膜厚２０００ｎｍに対して粗さのオーダーが±８０ｎｍ前後であり、極表面だけを均一に研削できていることが明らかである。図５より、凹部は研削されず凸部の平坦部のみが均一に研削されていることが分かる。
【００４６】
図６に、研削有無によるCMP後の平坦化特性を示す。凸部が研削状痕で粗されていることによって、粗い凸部が表面積が大きく、研磨歪も残留しているのでＣＭＰ時に凹部よりも研磨選択比が高く、平坦化効率が促進されることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の研削装置、及び研削方法は、多層配線が形成されたシリコン、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等の超ＬＳＩウエハ、精密金型、レンズ、液晶パネル、フォトマスク、磁気ディスク、その他機械的研削を要する被研削物の研削に好ましく使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は本発明の研削装置の一例を示した概略図である。
【図２】図２は、本発明の装置の全体図の一例を示した概略図である。
【図３】図３は、本発明の研削方法を説明するための概略図である。
【図４】図４は、本発明の実施例における研削結果を示したグラフである。
【図５】図５は、本発明の実施例における研削結果を示した３Dトポグラフである。
【図６】図６は、本発明の実施例における研削の有無によるCMP後の平坦化特性を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明の研削装置の他の１例を示した概要図である。
【符号の説明】
【００４９】
１：ホイールスピンドル 
２：スピンドル軸
３：ディスクホルダー
４：弾性パッド
５：プラスチックシート
６：シート砥石
１１：研磨ホイール
１２： ホイールスピンドル
１３：ウエハ
１４：２軸ステージ
１５：ロータリーテーブル
２２：回転スピンドル
２３：ディスクホルダー
２４：弾性パッド
２５：プラスチックシート
２６：シート砥石
２７：研削液
２８：ウエハ
２９：ウエハ固定盤
【図１】
2005342837.tif 000003
【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】
2005342837.tif 000008
【図７】
2005342837.tif 000009