(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨体（２）を備えた回転円板（１）と、研磨液の供給装置（９）と、ウェハ（３）の保持装置（４）とを備え、円板（１）の軸（２１）がウェハ（３）の表面に対して平行に延びており、円板（１）の円筒状縁部面に、ウェハ（３）に三角形の断面（１７、２０）を持つトレンチが形成されるように研磨体（２）が取り付けられているウェハの化学機械研磨装置において
前記研磨体（２）が研磨布からなっていて、それぞれ平行四辺形状の輪郭を持ちその平行四辺形の一方の狭い方の側辺の頂点をとおる垂線が対向側の他方の短い方の側辺の対角線上の頂点を通るような２つの研磨体部分（１２、２２）を有し、前記円板（１）の縁部面に取り付けられており、かつ
該布に研磨時研磨液の供給装置が常に研磨液を補給することを特徴とする装置。
【請求項２】
研磨体（２）を備えた回転円板（１）と、研磨液の供給装置（９）と、ウェハ（３）の保持装置（４）とを備え、円板（１）の軸（２１）がウェハ（３）の表面に対して平行に延びており、円板（１）の円筒状縁部面に、ウェハ（３）に台形の断面（１７、２０）を持つトレンチが形成されるように研磨体（２）が取り付けられているウェハの化学機械研磨装置において、
前記研磨体（２）が研磨布からなっていて、それぞれ平行四辺形状の輪郭を持ちその平行四辺形の一方の狭い方の側辺の頂点をとおる垂線が対向側の他方の短い方の側辺を通るような２つの研磨体部分（１８、１９）を有し、前記円板（１）の縁部面に取り付けられており、かつ
該布に研磨時研磨液の供給装置が常に研磨液を補給することを特徴とする装置。
【請求項３】
保持装置としてのウェハクランプ装置が弾力的に支え装置（６、７、８）に支持されていることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
支え装置が横方向サポート（７）と縦方向サポート（８）とからなることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
円板（１）の直径が約１０ｃｍ、円板（１）の縁部幅が約１ｃｍであることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の装置。
【請求項６】
研磨布（２）がポリウレタン発泡材或いは繊維材からなることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、研磨体を備えた回転円板と、研磨液の供給装置と、ウェハの保持装置とを備えたウェハの化学機械研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学機械研磨（ＣＭＰ）は１６メガワットＤＲＡＭの製造において初めて大規模に使用され、それ以来益々重要性の増大する方法として実証されている。この方法は例えばトレンチ、トレンチ絶縁や金属導電路を作るために並びに金属間誘電体（ＩＭＤ）を平坦化するために使用される。トレンチ絶縁の一例はいわゆる平形トレンチ絶縁（ＳＴＩ）である。化学機械研磨の上述の全ての使用例において、しばしば１つのウェハにわたって或いはまたウェハからウェハごとに研削量に大きなバラツキが生ずるという点でなお問題があることが判明している。
【０００３】
同様な問題は、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）ウェハをウェハボンディング法により作る場合にもある。この方法では、その表面にそれぞれ１つのシリコン酸化膜を持っている２つのシリコンウェハが、これらのシリコン酸化膜を介して互いに「接着」され、それにより全体としてその中央に２つのシリコン酸化膜からなる酸化膜を持った半導体素体が形成される。次にウェハの１つを研削して、最終的に酸化膜の上に薄いシリコン層を作る。この研磨プロセス自体も、充分には一様ではないので、シリコンの薄層の厚さを充分に小さなバラツキ範囲内に保証することはできない。
【０００４】
研磨プロセスの一様性を高めるために、最近はいわゆるＰＡＣＥ法が使用されている（例えば「マイクロエレクトロニック・エンジニアリング（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）」第２２巻、第３０１頁、１９９３年参照）。この方法では先ず最初の粗い研磨工程を行い、その後に残ったウェハの厚みをウェハ上にわたるプロフィルとして測定する。次に直径が３乃至３０ｍｍの比較的小さくコンピュータによる測定層厚データを基に制御されるプラズマエッチング装置をウェハに適用して、ウェハの上全体にわたって望ましい最終の層厚が得られるようにする。この方法によれば層厚のバラツキは１０ｎｍ以下にされる。
【０００５】
従来のＣＭＰでは、研磨布或いはいわゆる「パッド」を備えた円板状の回転研磨体が使用され、この研磨体の半径の範囲においてその表面と同一の平面にあるウェハを研磨している。
【０００６】
マイクロ化学機械研磨（μＣＭＰ）もまた上記のコンピュータ制御原理を使用する。即ち、最初の従来のＣＭＰ工程で先ず除去すべき材料の大部分を速やかに研削した後、ウェハ上の残った層厚が測定される。このためにウェハ上の各チップには自動測定機が近づく特別の測定エリアが設けられる。ウェハ上の全ての位置で測定が可能な場合には、簡単に定められた所定の点が制御される。測定エリアもしくは所定の測定点は、その場合、測定エリアもしくは所定の測定点の間の層厚が実質的に測定エリアもしくは所定の測定点の間の内挿により与えられるように密に配置されていなければならない。次にウェハは、瞬間的に常にウェハの比較的狭い範囲にのみ接触する特殊なμＣＭＰ装置で研磨される。
【０００７】
その場合、研磨量を層厚の測定データに応じて変えるためには、少なくとも３つのパラメータが適当である。即ち、研磨体の回転数、研磨体のウェハへの押圧力及びウェハ表面における研磨体の移動速度である。
【０００８】
円形のウェハの場合例えば螺旋状の研磨体軌道が使用される。その場合研磨体はウェハの中央に置かれ、その後螺旋状にウェハの縁部まで動かされる。その場合、軌道は多かれ少なかれ重なる。このような螺旋状の軌道は特に容易に実現される。ウェハの保持装置もしくはウェハチャックをゆっくり回転し、一方研磨体はウェハの中心点から外に向かって直線運動させればよい。これに代わってウェハを直線軌道で動かすことも考えられる。また、複数の研磨体を同時に１つのウェハに使用して、加工時間を短縮することもできる。その場合、各研磨体には個々に回転数及び／又は押圧力及び／又は移動速度が設定される。場合によっては研削量を変えるため回転数を変えることが有効であるかも知れない。
【０００９】
従来のμＣＭＰ装置は以前から公知のＣＭＰ装置と同様に、ウェハ表面に対して垂直に延びる軸を持った研磨体を使用している。換言すれば、従来の全てのウェハの化学研磨装置はウェハ表面に対して垂直に回転軸が設けられている研磨体を備えている。しかしウェハ表面の小さな部分を研磨するためには、ウェハ表面に対して垂直な研磨体回転軸を持った従来の構成を使用し、しかも単に比較的小さい研磨体を使用することは好ましくない。
【００１０】
というのは、ポリウレタン発泡材或いは繊維材からなる研磨体の研磨布或いはパッドの表面が、研磨プロセスの間、ウェハの表面から離れていないので、研磨液もしくはいわゆる「スラリー」で研磨布或いはパッドの表面を染ませることができないからである。
【００１１】
同じ理由から、研磨布を研磨プロセスの間に研削体で特別に粗面化するため加工することは困難である。これは同様に、研磨布の表面に近づくことができる場合にのみ可能であるからである。いわゆる「パッド・コンディショニング」を行うこともまた困難である。
【００１２】
結局、ウェハ表面に対して垂直な回転軸を持つ研磨円板がウェハの表面上を動かされるときには、Ｗ形状の研削プロフィルが生じ、しかもこのプロフィルは急勾配の側面を持っている。Ｗ形状の研削プロフィルの発生は、円板の縁部では研磨布とウェハとの間の接触時間が僅かしかなく、他方円板の中央では理論的回転数は「０」であることに起因する。このようなＷ形状の研削プロフィルは、均一な研削を達成するためには適当でない。例えばこのようなＷ形状の研削プロフィルを持つ２つのトレンチが互いに平行に作られると、その急峻な傾斜側面によりトレンチ相互の相対位置における各誤差が特に重なり合う範囲において大きな研削のバラツキになる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、従って、研磨布の表面に研磨プロセスの間も接近可能であり、ウェハの表面にわたって均一な研削を可能とするウェハの化学機械研磨装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この課題は、この発明によれば、請求項１の前段に記載の装置において円板の軸がウェハの表面に対して平行に延び、円板の円筒状の縁部面に、ウェハに一定の断面を持つトレンチが作られるように研磨体が取り付けられることにより解決される。
【００１５】
即ちこの発明による装置においては、研磨体の軸がウェハの表面に対して平行に延びている。その場合研磨体は、円板の縁部にもしくはいわゆる「円筒外套面」に設けられ、従って研磨体はウェハの表面と円板の周面の１つの位置で接触している。さらに、可動手段により研磨体の軸及びウェハが少なくともウェハの表面に対して平行な１つの方向に可動であるようにされている。その場合円板とウェハとの間の送りは、例えば研磨体の軸に対して垂直に調整される。
【００１６】
化学機械研磨装置をこのように構成することにより特に以下の利点がある。
【００１７】
即ち、研磨布は研磨プロセスの間ウェハの表面との接触位置を除いては接触していないので、連続的に研磨液で濡らして取り扱うことができる。
【００１８】
研削トレンチのプロフィルは大幅に調整され、例えば三角形状のプロフィル或いは平行四辺形状のプロフィルを持つ研削トレンチを容易に得ることができる。これについては以下になお詳しく説明する。
【００１９】
この発明による装置においては研磨布の運動はウェハに対して相対的に常に一方向に行われる。従来の装置においてはウェハが回転し、その結果平均して全ての方向がほぼ同一にしばしば現れる。それにも係わらずこの発明による装置においては研磨布とウェハとの間の運動は一方向だけでも危険ではない。研削される層の大部分は前もって従来の方法で削り取られるからである。また、ウェハを何回も異なる方向に加工することも可能である。
【００２０】
さらに、研磨方向が固定されていることは、多くの場合研磨布の汚染によって生ずるような化学機械研磨によるかき傷を自動検出する際にも好都合である。即ちこのかき傷は一定の方向にできるので、容易に自動的に相応のプロセスで対処することができる。
【００２１】
この発明による装置は、研削の制御性が正確な他にその構成が非常にコンパクトであるという長所を持っている。数平方メートルの立地面積を持つ従来の装置に較べて、この発明による装置はその大きさが小型の卓上旋盤に匹敵する。
【００２２】
従って保持装置となるウェハ・クランプ装置は弾力的に、横方向サポートと縦方向サポートとからなる支持装置に載置される。
【００２３】
それ故、この発明による装置の原理的構造は、水平スピンドルと、横方向サポートと、縦方向サポートとを備えた旋盤のそれと比較可能である。横方向サポートと縦方向サポートとはそれぞれ電動駆動装置を持つ。さらに円板には電子的回転数制御装置が設けられる。
【００２４】
比較的簡単な構造と比較的僅かな必要立地面積の結果、従来の研磨方法による第一の処理工程を断念して、それに代わってこの発明による装置を同一円板の研削に２回、即ち第一の工程では回転数を比較的粗く制御し、第二の工程で回転数を精密制御するようにして使用することもできる。
【００２５】
研磨布の取替えは円板を交換することにより簡単に行うことができる。その場合、円板には装置のスループットを減少させることなく、新しい研磨布が取り付けられる。
【００２６】
三角形状のプロフィルを持つトレンチを形成するためには、それぞれ平行四辺形の輪郭を持ちその平行四辺形の狭い方の側辺の垂線が対角線上の頂点を通るような２つの研磨体部分からなる研磨体が円板の縁部面に取り付けられる。このような三角形状のプロフィルを持つ研削トレンチは、このような研削トレンチの２つが重なり、その２つのトレンチの間隔が１つのトレンチの半分であるときに、理論的に完全に均一な研削が行われるから特に望ましいものである。この三角形状のプロフィルは、研削が時間に殆ど完全に比例して行われ、一方研磨体の一定の点がウェハと接触していることにより生ずる。
【００２７】
台形状の断面を持つトレンチを形成するためには、それぞれ平行四辺形の輪郭を持ちその平行四辺形の狭い方の側辺の垂線が対向側の狭い側辺を通るような２つの研磨体部分からなる研磨体が円板の縁部面に取り付けられる。
【００２８】
勿論三角形状或いは台形状のプロフィルより複雑なプロフィルを作ることもできる。
【００２９】
円板の直径は約１０ｃｍ、他方円板の縁部の幅は、即ち「円筒」の高さは約１ｃｍである。
【００３０】
従来の装置の場合と同様に、研磨体はポリウレタン発泡材或いは繊維材から作ることができる。
【００３１】
【実施例】
以下に図面について本発明を詳細に説明する。
【００３２】
図１において１は研磨円板を示し、その縁部に研磨体として研磨布２が取り付けられている。この研磨布２はポリウレタン発泡材或いは繊維材からなる。研磨布２によりウェハ３が加工され、ウェハ３に研削トレンチを形成する。ウェハ３は図示されてない支持装置により台４の上に固定され、この台は矢印５の方向に送られる。台４は弾力性を持ちかつ高さ調節機構を備えて平行に案内する装置６を備えている。この装置６を備えた台４は横方向サポート７及び縦方向サポート８の上に支持されている。円板１の軸２１は、ウェハ３の表面に対して、従来のように垂直ではなく、平行に延びている。
【００３３】
ウェハ３の表面の加工中に研磨布２は研磨液で染まされ、処理もしくは粗面化されなければならない。図１から直ちに分かるように、研磨布２の表面はウェハ３の表面と接触している位置を除いて自由に近づけるので、研磨液は容易に供給され、研磨布２も処理もしくは粗面化される。このことは矢印９により概略的に示されている。
【００３４】
図２は円板１の斜視図で、その縁部もしくは円筒状の外套面には研磨体が研磨布２の形で取り付けられている。円板１は約１０ｃｍの直径と、約１ｃｍの高さもしくは幅を持っている。
【００３５】
図２に示された円板１は三角形状のプロフィルを持つ研削トレンチを形成するために適している。これについては図３で詳しく説明する。
【００３６】
既に初めに述べたように、研削は時間に対して殆ど近似的に比例して行われるが、他方研磨布２の特定の一点はウェハ３の表面に接触している。図３は平行四辺形の２つの研磨布１２及び２２が、図２に示されるように、円板１の縁部面に取りつけられる前の状態を上から見た図である。破線１３は両平行四辺形のそれぞれ２つの対角線上の頂点を通り、完全に両平行四辺形内にある。即ち、この破線の範囲では研磨布はその平行四辺形部分１２及び２２が常にウェハの表面に接触している。換言すれば、この位置において最大の研削が行われる。破線１４と１５の範囲では研磨布２とウェハ３の表面の間は点接触しかしていない。従ってこの部分の研削量は最小である。破線１６は平行四辺形部分１２及び２２を僅かにしか通っていないから、この部分では比較的僅かな研削が行われる。
【００３７】
それ故、全体としては、図３の実施例に応じて形成された研磨布では三角形状のプロフィル１７を持った研削トレンチが形成される。
【００３８】
図４は、２つの平行四辺形部分１８、１９からなり、台形状の断面を持つプロフィル２０を形成する研磨布２を円板１に張り付けた例を示す。２つの破線１３は最大の研削量を持つ範囲の縁を表している。一方破線１４、１５は研磨体とウェハ３との間の点接触による研削の始まりを表している。
【００３９】
図５のダイアグラムは、既存の厚さとこの発明による装置により測定された厚さの変動との平衡を図解している。図示の厚さプロフィル１０は、半分のトレンチ幅１３の間隔の２つの測定点１１の間で厚さがこれらの測定点の間の直線的内挿により与えられ、これらの測定点で厚さの測定が行われるときに平衡される。図５においてトレンチｎ、ｎ＋２、・・に対する研削量は実線曲線１７によって、トレンチｎ＋１、ｎ＋３、・・に対する研削量は破線曲線２３で表されている。その場合、トレンチの中央での研削量は、矢印２４によって示すように、測定点１１におけるそれぞれの測定値２６によって制御される。全体の量はそれぞれの曲線１７及び２３に応じた研削量の和となり、曲線２５によって示されている。この総研削量（曲線２５）を既存の厚さプロフィル１０から引くと、実質上平坦な表面を持つ最終プロフィル２７が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による化学機械研磨装置の概略構成の側面図。
【図２】三角形状のプロフィルを持つ研削トレンチを作るための、研磨体を備えた円板の斜視図。
【図３】三角形状のプロフィルを持つ研削トレンチを作るための研磨体の展開図。
【図４】台形状のプロフィルを持つ研削トレンチを作るための研磨体の展開図。
【図５】測定値制御された研削量により既存の厚さのバラツキの平衡を説明するダイアグラム。
【符号の説明】
１              研磨円板
２              研磨布
３              ウェハ
４              台
７              横方向サポート
８              縦方向サポート
９              研磨液の供給装置
１２、２２        平行四辺形の研磨布部分
１８、１９        平行四辺形の研磨布部分
２１              円板の軸
【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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