(57)【要約】【課題】同心円状の凹凸を有するウエーハの研磨面を、通常の研磨装置を用いて修正し平坦化する。【解決手段】研磨パッド２を、プラテン１の回転軸１ａを回転対称軸とする回転対称パターンであって、回転対称軸１ａとウエーハ３の中心とを一致させて重ねたときパターンがウエーハ３の一部のみに重なるような形状とし、プラテン１の回転軸１ａとウエーハ３の回転軸４ａとを一致させて研磨する。研磨パッド２の形状を例えば、ウエーハ３より小さな内径の環状パターンとしてウエーハ３の外縁部を研磨する、ウエーハ３より小さな外径の環状パターンとしてウエーハ３を環状に研磨する、あるいは、ウエーハより小径の円形パターンとしてウエーハ３の中央部を研磨する。一部のみを同心円状に研磨するので、研磨面の凹凸が修正される。【選択図】図１
2007005482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転するプラテン上面に固定された研磨パッドの上面に、ウエーハの中心を通る回転軸廻りに回転可能に保持されたウエーハを押圧して研磨するウエーハの研磨工程を含む半導体装置の製造方法において、
該研磨パッドを、該プラテンの回転軸を回転対称軸とするパターンであって、該回転対称軸と該ウエーハの中心とを一致させて重ねたとき該パターンが該ウエーハの一部のみに重なるような該パターンに形成する工程と、
該プラテンの回転軸と該ウエーハの回転軸とを一致させて該ウエーハを研磨する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
該パターンは、該ウエーハより大きな外径と該ウエーハより小さな内径を有する環状パターンであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
該パターンは、該ウエーハより小さな外径を有する環状パターンであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
該パターンは、該ウエーハより小さな外径を有する円形パターンであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
該パターンは、輪郭線が曲折していることを特徴とする請求項１、２、３及び４記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はウエーハの研磨工程を含む半導体装置の製造方法に関し、とくにウエーハ表面に形成された薄膜を平坦化するために化学的機械研磨（ＣＭＰ）を用いる半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学的機械研磨（ＣＭＰ）は、半導体ウエーハの製造工程のみならず、半導体装置の製造工程中に、薄膜を平坦化して半導体素子構造を製作するために広く利用されている。しかし、従来のＣＭＰでは、以下に説明するように精密な平坦化は困難であった。
【０００３】
図３は従来の研磨方法の説明図であり、ＣＭＰを用いたウエーハの研磨状況を表している。なお、図３（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ平面図およびＡＢ断面図である。従来の研磨では、図３を参照して、垂直な回転軸１ａ廻りに水平面内で回転するプラテン１の上面に研磨パッド２を貼着し、この研磨パッド２上にウエーハ３下面を押圧して研磨する。ウエーハ３は、回転軸４ａ廻りに回動自在に枢着されたヘッド４の下面に保持され、ヘッド４によって研磨パット２上に押圧され研磨される。
【０００４】
ヘッド４は、プラテン１の回転軸１ａから離れた位置に保持され、あるいは、プラテン１上を揺動する。これにより、ウエーハ３下面と研磨パッド２との平均相対速度がウエーハ３全面で均一になり、ウエーハ２が平坦に研磨される。さらに、ウエーハ３は、ヘッド４と同心円状に保持されてヘッド４と共に自転しており、ウエーハ３の直径に沿い斜めに研磨されることが回避される。しかし、高い平坦度を実現するには、ヘッド４の位置及び揺動、ウエーハの自転、さらにはスラリーや研磨パッド等を研磨状況に応じて精密に制御しなければならず、実用的にはこれらの制御により十分な平坦度を得ることは非常に難しい。（平坦化のための制御の困難性について特許文献３参照。）。
【０００５】
図４は従来の研磨方法により製造されたウエーハ断面図であり、上述した図３に示す研磨方法により研磨されたウエーハの研磨面の断面形状を表している。上述したように、ウエーハ３は自転するので同心円状に研磨され、研磨面３ａは回転対称面となりやすい。例えば、図４（ａ）に示すように、ウエーハ３下面（研磨面３ａ）が凸面になる。逆に、図４（ｂ）に示すように、ウエーハ３下面が凹面になる。さらには、ウエーハ３下面の中央部で凹面を外周部で凸面を形成して、円環状の凸部を生ずることもある。
【０００６】
かかる研磨面の凹凸は、半導体素子構造のばらつきを大きくし、半導体装置の製造歩留りを低下させる要因になる。そこで、一旦研磨されたウエーハの研磨面の平坦度（表面の凹凸の分布）を測定し、凹部のみを部分的に研磨することで研磨面全面の平坦度を向上する研磨方法が考案された。
【０００７】
例えば、特開平１１−２６５８６０号公報には、凸部のみを部分的に研磨する方法が開示されている。この方法では、ＸＹテーブル上にウエーハを載置し、ウエーハ上面の平坦度を測定して凸部を検出する。その後、回転する小さな研磨パッドを凸部に押圧して、凸部のみを選択的に研磨する。これにより凸部が研磨され、研磨面の平坦度は向上する。（特許文献１参照。）。
【０００８】
また、特開平９−２６０３１６号公報には、ウエーハの押圧（背面の圧力）に面内分布を設けることで、凹部の研磨速度を高めて平坦度を向上する研磨方法が開示されている。この方法では、ウエーハの背面全面に微小な圧力印加素子（例えばピエゾ素子を用いて圧力を発生するアクチュエータ）を配置して、任意の圧力分布でウエーハを押圧する。そして、凹部の圧力を高くして研磨することで、研磨面全面を精密に平坦化することができる。
【特許文献１】特開平１１−２０５８６０号公報
【特許文献２】特開平９−２６０３１６号公報
【特許文献３】特開平１１−５８２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、従来の研磨方法において研磨条件を制御して精密な平坦面を得ることは、研磨条件が時間的に変化するため非常に困難であった。
【００１０】
この問題を解決するために考案された従来の方法では、一旦研磨されたウエーハ表面の平坦度を測定し、その後、凸部に小さな研磨パッドを押圧して凸部のみを部分的に研磨することで研磨面を修正し平坦度を向上する。しかし、この方法は、小さな研磨パッドをウエーハの研磨面内の任意の位置に移動するための機構が必要で、装置が複雑になるという問題がある。
【００１１】
また、ウエーハの背面圧力を凸部で高く凹部で低くして研磨し、精密な平面を得る従来の方法では、ウエーハの背面圧力分布を任意に発生するための機構が必要で、極めて精密な装置を要するという問題がある。
【００１２】
本発明は、回転するプラテンに固定された研磨パッドに自転可能に保持されたウエーハを押圧して研磨する通常の研磨装置を用いて研磨面の凹凸を修正し、ウエーハの研磨面を容易に平坦にすることができるウエーハの研磨方法を用いた半導体装置の製造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】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明では、研磨パッドの平面パターン形状を、プラテンの回転軸を回転対称軸とし、回転対称軸とウエーハの中心とを一致させて重ねたときパターンがウエーハの一部のみに重なるようなパターンに形成し、さらに、プラテンの回転軸とウエーハの回転軸とを一致させて研磨する。
【００１４】
上記の本発明に係る研磨パッドの平面形状は、プラテンの回転軸を回転対称軸とする回転対称パターンからなる。そして、ウエーハの中心と研磨パッドの回転対称軸とを一致させてウエーハと研磨パッドを重ねたとき、研磨パッドがウエーハの一部のみに重なるような研磨パッドの平面形状とする。即ち、ウエーハと研磨パッドを重ねたとき、研磨パッドはウエーハ全面には存在せず、研磨パッドが欠けた領域がウエーハ面内の一部分に生ずる、言い換えれば、ウエーハと研磨パッドとが重ならない部分がウエーハ面内に生ずるような平面形状とする。なお、ウエーハの外側に研磨パッドが延在することはある。
【００１５】
このような研磨パッドの平面形状の例として、ウエーハの直径より小径の孔を中心部に有するパターン、逆にウエーハの直径より小径のパターン、ウエーハの直径より外径が小さい円環状のパターンがある。また、連続したパターンに限られず、ウエーハの直径より小径の円に沿って多数の小さな研磨パッドを配置したパターンのようなものでもよい。
【００１６】
本発明では、かかる形状の研磨パッドの回転対称軸（プラテンの回転対称軸と一致している。）とウエーハの中心（ウエーハの自転回転軸が通る。）とを一致させ、研磨パッド及びウエーハを同一回転軸廻りに回転させて研磨する。
【００１７】
このような構成では、研磨パッドがウエーハに接触する長さ、及び、研磨パッドとウエーハ間の相対速度は、ウエーハの中心からの距離で決定される。その結果、研磨速度の分布は、ウエーハの中心から同心円状の分布となる。この同心円状の研磨速度分布は、研磨パッドの平面形状、あるいはウエーハの自転速度及び回転方向を制御することで容易に制御することができる。従って、ウエーハ表面の同心円状の凹凸は、同心円状の凸部で研磨速度が速くなるように研磨パッドの平面形状を形成することで、凸部を選択的に研磨することができる。これにより、同心円状の凹凸を有するウエーハ表面を修正して精密な平坦面とすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、同心円状の研磨速度分布が得られ、かつその分布を研磨パッドの平面形状の変更により容易に調整することができるので、同心円状の凹凸を有するウエーハの表面を修正して精密な平坦面とすることが容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は本発明の実施形態の説明図であり、ＣＭＰを用いたウエーハの研磨状況を表している。なお、図１（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ平面図およびＣＤ断面図である。図２は本発明の実施形態研磨パッド平面図であり、プラテン上に固定された研磨パッドの平面形状をウエーハと比較して表している。
【００２０】
本実施形態で用いられた研磨装置は、図１を参照して、垂直回転軸１ａ廻りに水平面内で回転するプラテン１と、下面にウエーハ３を保持し垂直回転軸４ａ廻りに回動自在に枢着されたヘッド４とを有する。プラテン１の上面には、研磨パッド２が貼着されて固定されている。また、研磨は、スラリーを研磨パッド２上に供給しつつ行なう化学的機械研磨（ＣＭＰ）である。これは既述の従来の研磨方法で使用された研磨装置と同様である。
【００２１】
本実施形態では、プラテン１の回転軸１ａとヘッド４の回転軸４ａとを一致させて研磨する。プラテン１は図外の回転駆動装置により一方向に回転駆動される。他方、ヘッド４はウエーハ３を研磨パッド２へ押圧し、図外の別の回転駆動装置又は回転減速装置により回転駆動又は回転を減速されてプラテン１と異なる回転速度で自転する。この自転は、研磨による研磨面形状の修正状況により、プラテン１と同方向又は逆方向の回転及び自転速度を適宜選択する。なお、ウエーハ３はヘッド４と同心円状に保持され、ウエーハ３はヘッド４に固定されてヘッド４の回転と共に回転軸４ａの廻りを自転する。
【００２２】
本実施形態の研磨に供したウエーハ３は、自転するヘッド４の回転軸４ａ（自転軸）をプラテン１上で揺動する既述の従来のＣＭＰを用いた研磨方法により研磨されたウエーハ３である。本実施形態に供した最初のウエーハ３は、図４（ｂ）に示すように、研磨面３ａは凹面に形成されていた。
【００２３】
上記最初のウエーハ３を修正研磨するための研磨パッド２は、図２（ａ）及び図１（ａ）を参照して、ウエーハ３より大径の外周２ａと小径の内周２ｂを有する円環状の平面形状（図１（ａ）及び図２中にハッチングでしめした形状。）を有し、プラテン１の回転軸１ａと同心円をなすようにプラテン１上に固定される。内周２ｂより中心部分は研磨パッド２が存在しない中空部２ｃとなっている。
【００２４】
かかる平面形状の研磨パッド２を用いて研磨すると、研磨パッド２の内周より外側のウエーハ３周縁部が研磨される一方、研磨パッド２の内周より中央部分（中空部２ｃに対応する部分）は研磨されないから、研磨面３ａの凹面が平坦面へと修正される。
【００２５】
この本実施形態において、研磨パッド２の中心部分を占める中空部２ｃに表出するプラテン１上面に、柔軟なパッド６、例えばバッフイング（ｂｕｆｆｉｎｇ）処理された柔らかなパッドを貼付することができる。これにより、ウエーハ３がプラテン１へ接触して損傷することを回避することができる。なお、この柔軟なパッド６は、ウエーハ３の損傷を防止することができるものであればよく、実質的に研磨に寄与する必要はない。
【００２６】
上述した凹面のウエーハ３を修正する本実施形態において、さらに、図２（ｄ）に示すように研磨パッド２の内周を蛇行させることができる。これにより、円環状の研磨パッド２の内周に沿って中央部と外側との研磨速度の急激な差異から生ずる段差を緩和し、段差のない滑らかな研磨面３ａとすることができる。
【００２７】
本実施形態の研磨に供した第２のウエーハ３は、図４（ａ）に示すように、研磨面３ａは凸面に形成されている。
【００２８】
上記第２のウエーハ３を修正研磨するための研磨パッド２は、図２（ｂ）を参照して、ウエーハ３より小径の外周２ａを有する円形（円板状）の平面形状（図２（ｂ）中にハッチングでしめした形状。）を有し、プラテン１の回転軸１ａと同心円をなすようにプラテン１上に固定される。外周２ａより外側には研磨パッド２が存在しない。
【００２９】
かかる研磨パッド２を用いた研磨では、研磨パッド２の外周２ａより内側が研磨され、外側は研磨されない。従って、凸面であった研磨面３ａが平坦面へと修正される。
【００３０】
なお、研磨パッド２の外周２ａの外側に柔軟なパッドを貼付して、ウエーハ３の損傷を回避することができる。また、図２（ｅ）に示すように、外周を蛇行させることで、外周２ａに沿って生ずる段差を回避し研磨面３ａを滑らかにすることができる。
【００３１】
本実施形態の研磨に供した第３のウエーハ３は、図４（ｃ）に示すように、研磨面３ａの中央部分では凹に、その周縁部分では凸に研磨されていた。即ち、ウエーハ３と同心の円環状の部分が凸になっている。
【００３２】
上記第３のウエーハ３を修正研磨するための研磨パッド２は、図２（ｃ）を参照して、ウエーハ３より小径の外周２ａ及び小径の内周２ｂを有する円環状の平面形状（図２（ｃ）中にハッチングで示した形状。）を有し、プラテン１の回転軸１ａと同心円をなすようにプラテン１上に固定される。
【００３３】
かかる研磨パッド２を用いた研磨では、円環状の研磨パッド２の部分、即ち内周２ｂと外周２ａの間が円環状に研磨される。従って、内周２ｂと外周２ａとをウエーハ３の円環状の凸部に合わせることで、円環状の凸部を選択的に研磨される。このため、ウエーハ３の研磨面３ａが修正されて平坦になる。
【００３４】
なお、研磨パッド２の外周２ａの外側に柔軟なパッドを貼付して、ウエーハ３の損傷を回避することができる。また、図１（ｅ）に示すように、外周を蛇行させることで、外周２ａに沿って生ずる段差を回避し研磨面３ａを滑らかにすることができる。
【００３５】
上述した本明細書には以下の付記記載の発明が開示されている。
（付記１）回転するプラテン上面に固定された研磨パッドの上面に、ウエーハの中心を通る回転軸廻りに回転可能に保持されたウエーハを押圧して研磨するウエーハの研磨工程を含む半導体装置の製造方法において、
該研磨パッドを、該プラテンの回転軸を回転対称軸とするパターンであって、該回転対称軸と該ウエーハの中心とを一致させて重ねたとき該パターンが該ウエーハの一部のみに重なるような該パターンに形成する工程と、
該プラテンの回転軸と該ウエーハの回転軸とを一致させて該ウエーハを研磨する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記２）該パターンは、該ウエーハより大きな外径と該ウエーハより小さな内径を有する円環状パターンであることを特徴とする付記１記載の半導体装置の製造方法。
（付記３）該パターンは、該ウエーハより小さな外径を有する円環状パターンであることを特徴とする付記１記載の半導体装置の製造方法。
（付記４）該パターンの内径内側にウエーハの表面を保護する柔軟なパッドを設けたことを特徴とする付記２又は３記載の半導体装置の製造方法。
（付記５）該パターンは、該ウエーハより小さな外径を有する円形パターンであることを特徴とする付記１記載の半導体装置の製造方法。
（付記６）該パターンは、輪郭線が曲折していることを特徴とする付記１、２、３、４及び５記載の半導体装置の製造方法。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明を半導体装置のＣＭＰ工程に適用することで非常に平坦な絶縁膜あるいは配線層を形成することができるので、精密な半導体装置を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態の説明図
【図２】本発明の実施形態研磨パッド平面図
【図３】従来の研磨方法の説明図
【図４】従来の研磨方法により製造されたウエーハ断面図
【符号の説明】
【００３８】
１  プラテン
１ａ、２ａ  回転軸
２  研磨パッド
２ａ  外周
２ｂ  内周
２ｃ  中空部
３  ウエーハ
３ａ  研磨面
４  ヘッド
４ａ  回転軸
６  柔軟なパッド
【図１】
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【図２】
2007005482.tif 000004
【図３】
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【図４】
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