(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹凸を有する半導体ウエハを覆って形成された被膜を加工して表面を平坦化する半導体ウエハの加工方法において、
前記半導体ウエハは、前記半導体ウエハの直径の１倍を越え、２倍以下の直径を有する加工面上で、かつ前記加工面内部領域で加工され、前記半導体ウエハと前記加工面は水平面に対して垂直な位置に保持され、前記半導体ウエハは、前記被膜が露出するようにウエハホルダ両面に２枚保持され、前記２枚の前記被膜が同一の加工工程で平坦化されることを特徴とする半導体ウエハの加工方法。
【請求項２】
前記加工は、研磨であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の半導体ウエハの加工方法。
【請求項３】
前記加工は、研削であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の半導体ウエハの加工方法。
【請求項４】
前記半導体ウエハの回転軸位置は、前記加工面の回転軸位置に対して揺動させることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の半導体ウエハの加工方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は半導体集積回路装置の製造方法に関し、特に凹凸を有する半導体ウエハを覆って形成された被膜の平坦化に好適な加工方法に関する。
背景技術
半導体装置は、半導体ウエハ内部への活性不純物の導入や、ウエハ表面への各種膜の形成、エッチング等の処理を経て製造される。近年、半導体装置の微細化高集積化に伴い、製造工程の途中での加工基板表面内での高低差が大きくなる傾向にある。そのため、各工程での加工基板表面の平坦化が重要な技術になってきている。半導体装置の製造方法において、凹凸を有する半導体ウエハ上に形成された被膜を平坦化する工程の一例として、配線工程について第１図（ａ）〜第１図（ｆ）を用いて説明する。
第１図（ａ）は、アルミニウム等からなる第１の配線層３が絶縁膜２を介して形成されているウエハ基板１の断面図を示している。なお、図示はしていないがウエハ基板１表面にはトランジスタ部が形成されている。第１の配線層３とトランジスタとの接続部では絶縁膜２に開口部が設けられているので、その部分３’における配線層は窪みを有する。第１図（ｂ）は二層目の配線工程終了後のウエハ断面図を示している。第１の配線層３の上に絶縁膜４、第２の配線層となるアルミニウム膜５を順次形成し、さらに、このアルミニウム膜５を所望のパターンを有する配線層とするために、露光用ホトレジスト膜６を塗布する。次に第１図（ｃ）に示すようにステッパ７を用いて回路パターンを上記ホトレジスト膜６に露光する。この際、ホトレジスト膜６の表面の凹部と凸部８での段差が露光装置の焦点深度より大きいと、凹部と凸部では同時に焦点が合わないことになり、解像ボケという重大な障害となる。
上記の不具合を解消するため、次に述べるような基板表面の平坦化処理が行われる。第１図（ａ）の処理工程の次に、第１図（ｄ）に示すように、絶縁膜４を形成後、第１図（ｄ）の９で示されるレベルまで平坦となるように後述する方法によって研磨加工し、第１図（ｅ）の状態を得る。その後第２の配線層となるアルミニウム膜５とホトレジスト膜６を形成し、第１図（ｆ）に示すようにステッパ７で露光する。この状態ではレジスト膜表面が平坦であるので前記解像ボケの問題は生じない。
第２図に、上記絶縁膜４を平坦化するため従来一般的に用いられている化学機械研磨（ＣＭＰ）加工法を示す。研磨パッド１１を定盤１２上に貼り付けて回転させておく。この研磨パッド１１としては、例えば発砲ウレタン樹脂を薄いシート状にスライスして形成したものであり、被加工物の種類や仕上げたい表面粗さの程度によってその材質や微細な表面構造を種々選択して使い分ける。他方、加工すべきウエハ１は弾性のあるバッキングパッド１３を介してウエハホルダ１４に固定する。このウエハホルダ１４を回転させながら研磨パッド１１表面に荷重し、さらに研磨パッド１１の上に研磨スラリ１５を供給することによりウエハ表面の絶縁膜４の凸部が研磨除去され、平坦化される。
二酸化珪素等の絶縁膜を研磨する場合、一般的に研磨スラリとしてはフュームドシリカが用いられる。フュームドシリカは直径３０ｎｍ程度の微細なシリカ粒子を水酸化カリウム等のアルカリ水溶液に懸濁させたものであり、アルカリによる化学作用が加わるため、砥粒のみによる機械的研磨に比べ飛躍的に高い加工能率と加工ダメージの少ない平滑面を得られる特徴がある。このように、研磨パッドと被加工物の間に研磨スラリを供給しながら加工する方法は遊離砥粒研磨技術として良く知られている。
第３図に、砥石を用いた平坦化加工法を示す。基本的な装置の構成は研磨パッドを用いる遊離砥粒研磨技術と同様であるが、研磨パッドの代わりに回転する定盤上に砥石１６を取り付ける。また研磨液としてフュームドシリカ等の代わりに、砥粒を含まない水を供給するだけでも加工が可能である。なお、半導体装置の製造工程の途中で砥石を用いた技術は、本発明者らが独自に検討しているものであり、公知技術ではない。
研磨加工具として研磨パッドまたは砥石の何れを用いた場合でも、実際の半導体製造工程では次に述べる欠点がある。まず、研磨加工装置の加工能率が低く、時間当たりのウエハ処理枚数（スループット）が低いことが挙げられる。平均的な処理能力を持つ従来のＣＭＰ装置ではその能力は２０枚／時程度であり、他の工程に使われる半導体製造装置に比べて低い。このため、製造ラインにＣＭＰ装置を導入するにあたり、低いスループットを補うために数多くの装置台数が必要になり、その結果生産コストが増大する。スループットを増大させるために、被研磨体を上下に固定し、それぞれの被研磨体の露出面を上下に設けた研磨布で同時に研磨する技術が、特開昭５６ー１３４１７０号や特開昭６０ー２５６４９号に開示されている。しかしながら、これらの装置は単一材料の研磨用であり、凹凸を有する基板上に形成された被膜の研磨については配慮されていなかった。なお、ここでは、１００ｎｍ以上の段差がある場合について凹凸があるという。
現状のＣＭＰプロセスの制御性が悪いことも、半導体の製造工程においては問題である。プロセスの基本的なパラメーターである研磨レートや、加工量の面内均一性・ウエハ間均一性の値は装置の稼働時間中に変動しやすく、所定の範囲に制御することは容易ではない。これは研磨加工に用いる研磨パッドあるいは砥石の表面が加工に伴い変形・劣化していくことが主な原因である。このため研磨パッドあるいは砥石は、所定枚数のウエハを処理するごとにドレッシングとよばれる加工面の再生処理を行っている。ドレッシングは通常ダイヤモンド砥粒を保持したリングあるいはディスク形の器具を研磨加工具に押し当てることによって行われ、加工具の表面が再び加工液を保持しやすい状態に再生される。ドレッシングによって研磨レートの回復は可能であるが、一方、ドレッシング処理を重ねると研磨加工具自身が磨耗して全体的に変形し、今度はウエハ面内での加工量の均一性が保たれなくなる。これはドレッシング器具の構造上、ドレッシング器具より大きな研磨パッド或いは砥石の全面に渡って均一なドレッシング処理を行うことが難しいためである。現状では、このように研磨レートの維持と加工具自身の平坦性の維持を両立させることが容易でないという問題がある。
研磨加工量をウエハ面内で均一に制御することが難しい原因は、上記ドレッシング技術以外に、加工液の供給量にムラがあることも挙げられる。現状加工に用いられる加工液は加工中は被加工物であるウエハの外部から供給されるため、ウエハ外周部と中央部ではその供給量に差が出来る。今後ウエハは大口径化の傾向にあるが、その場合加工液の供給量ムラはさらに増大し、加工量のウエハ面内均一性の確保はさらに難しくなる。また、ウエハ表面パターンの平坦化効率向上のために、研磨パッド等の加工具の硬さ・弾性率はより大きいものが採用されていく傾向にあるが、一般に平坦加工率の良い硬い加工具は面内均一性を悪化させるという傾向があり、これも加工量のウエハ面内均一性確保を難しくしている。ウエハ上のデバイス平坦化ＣＭＰが他の研磨加工と比べて特に難しい点は、ウエハ上のパターンサイズレベルでは凸部のみを選択的に平坦化しつつ、チップサイズレベルでは凹部となっているチップも凸部となっているチップもウエハ全面で均一に加工するという相反する要求を満たす必要があることである。
またもう一つの問題点として、装置専有面積の増大が挙げられる。半導体ウエハは、ウエハ一枚あたりのチップ数を増すことで生産コストが下げられるために、その口径が大型化する傾向にある。現在、半導体製造工場でのウエハ径は直径が２００ｍｍ規格のものが主流であるが、今後、３００ｍｍサイズのウエハを標準とする流れにある。これに対して第２図、第３図に示す従来の研磨加工装置では、ウエハサイズに比例した大きさの加工具（ウエハ直径の２倍から３倍程度）を水平に設置する必要があるため、将来的に３００ｍｍあるいはそれ以上のサイズのウエハに対応しようとすると、装置の専有床面積が大きくなりすぎてしまい実用的でないという問題点がある。床占有面積を低減する構成として、研磨面を垂直に配置する従来技術が特開昭５４ー８１５９１号や特開平４ー６９１６１号に開示されている。しかしながら、これらの装置は単一材料の研磨用であり、凹凸を有する基板上に形成された被膜の研磨については配慮されていなかった。
本発明の目的は、上記従来技術の欠点を克服すべく、半導体集積回路の製造過程で用いられる研磨加工法によるウエハ表面パターンの平坦化技術に関して、制御性良く高能率、安定に高品質な平坦化を行い、大口径ウエハにも適した加工方法を提供することにある。
発明の開示
制御性良く安定に平坦化を行うという上記目的は、高品質なドレッシングが容易で加工具の平坦性を維持しやすい、直径がウエハ径の２倍以下であるような小径の研磨加工具を用いた加工法により達成することができる。この場合、ウエハ全体が研磨加工具の研磨面内に配置されるようにウエハを研磨することにより、微細な凹凸を有するウエハ上に形成された被膜の割れを生じることなく、研磨量をより高精度に制御できる。また、加工能率が低いという課題は、一つのウエハホルダの両面にウエハを保持し同時に平坦化加工を行う加工方法によって解決される。さらに、高品質な平坦化加工を行うために、従来の水平に設置された研磨加工具を使用する装置に代えて、研磨加工具およびウエハホルダの加工面を垂直に配置し、ウエハの大きさに応じて加工液を研磨加工具の加工面からも供給することで、加工屑の排出を促進し、加工液を加工具全面の行き渡らせウエハ全面において均一な加工を行うことが可能となる。
上記の様に本発明によれば、半導体ウエハの研磨加工において、ウエハ径をｄ、加工具の加工面の直径をＤとすると、ｄ＜Ｄ＜２ｄの範囲の小径加工具を採用したことで、加工具の平坦度維持が容易になり、研磨加工量のウエハ面内およびウエハ間での均一性を確保しつつ研磨レートの安定化が達成される。なお、研磨装置における加工具はウエハの大きさに応じて交換可能な構成としてもよい。また、ウエハホルダの両面を用いて複数のウエハに対して同時に加工を行うため、装置のスループットが向上し、さらに加工具が砥石の場合には相対する砥石を擦り合わせるドレッシングによりドレッシングツール無しに砥石加工面の高度な平坦度維持が可能になる。さらに、加工具とウエハを垂直に配置したことにより、加工具上の異物や研磨屑が速やかに排除され、研磨傷のない加工が可能になると共に、加工具表面からの研磨液供給と併せて、ウエハ中央部までの均一な加工液供給が可能となり、加工量のウエハ面内均一性が向上する。
小径研磨加工具を用いたり、縦置き配置構造とすることにより、装置の専有床面積を小さくできる。このため、半導体工場の限られたスペース効率の向上に寄与し、ウエハ製造のコストダウンにつながる。また被加工物であるウエハの面積が大型化した場合にも、原理上、大型化したウエハ面積に比例して装置床面積が増大しない。また、このため将来のウエハ大口径化に適しており、直径３００ｍｍといった大口径ウエハへも、装置の基本構造を変更することなく対応可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）〜第１図（ｆ）はウエハ表面の平坦化工程を示すための半導体装置の要部断面図、第２図は化学機械研磨法を説明するための研磨装置の要部断面図、第３図は砥石を用いた研磨装置要部の斜視図、第４図は本発明に係る一実施例の研磨装置要部の斜視図、第５図は研磨加工具とウエハの位置関係を説明するための図、第６図は研磨加工具とウエハ間の相対速度式の導出を説明するための図、第７図は本発明に係る一実施例を示す研磨装置の要部斜視図、第８図は本発明に係る一実施例におけるウエハホルダ部分の断面図、第９図は本発明に係る他の実施例を示す研磨装置の要部斜視図、第１０図（ａ）〜（ｅ）は半導体メモリの製造工程を示す断面図、第１１図は半導体メモリの平面図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。第４図は本発明に係る研磨装置要部の斜視図を示す。装置はウエハホルダ１７、対になる研磨定盤１８、および研磨定盤上に接着された研磨パッド又は砥石である研磨加工具１９、１９’から成り、ウエハホルダ１７および研磨定盤１８はモーターにより外部から駆動され、床面に垂直な面内で回転運動を行う。第４図では簡単のためウエハホルダ１７を支持、駆動するアーム及びモーターは省略してある。２枚のウエハ１、１’はウエハホルダ１７により保持され、各々研磨加工具１９、１９’に押し当てられ、ウエハ、加工具共に同一方向の回転運動を行う。この様な運動を行うとき、研磨加工具に対するウエハ上の点の相対速度はウエハ上至る所で等しくなり、加工されるウエハ面は全面一様に研磨、平坦化される。この理由については後述する。
研磨時の加工液は加工液供給ユニット２１によりウエハの上方から供給される。また第４図には示さないが、ウエハの大きさに応じて研磨加工具１９，１９’の加工面上に設けられた溝からも加工液を供給する。溝は格子状とするのが好ましく、格子のピッチは１０ｍｍ〜２０ｍｍが好ましい。
半導体ウエハの直径が２００mmを越える場合には、上記溝からも加工液を供給した。ウエハの大きさに応じて溝からの加工液の供給量を可能とすることにより、より高精度の研磨が可能となる。その他，ウエハを保持するウエハホルダ１７においてウエハの周囲を取り囲むように設けられているリテーナーリングに加工液供給ユニットを組み込むこともできる。何れの方法にせよこの加工液は，本装置の構造上研磨時に重力により強制的に研磨面より排除されるために常に新しい加工液が供給されやすく、研磨加工具の目詰まりを低減し、研磨傷の原因となる研磨屑や異物を速やかに排除する。また、加工具表面から加工液を供給しているため、従来加工液の行き届きにくかったウエハ中央部付近にも加工液が十分に供給される。また、上記溝または穴から研磨後に純水を流すことにより、加工液を速やかに排除できる。
ここで、実施例においては研磨加工具１９の直径は被加工物であるウエハ１、１’の直径の１．８倍程度であり、このような小径研磨加工具を採用することで、加工具の平坦性を維持するためのドレッシング処理が容易になる。研磨加工具を小型化したことに伴い加工具とウエハの回転軸位置が接近し、そのままでは加工具とウエハ間の相対速度が低下し、ひいては研磨加工の能率が低下する。これに対しても、加工具とウエハホルダの回転数を増加させることで対応できる。
図５を用いて、砥石定盤の直径をウエハ径の２倍以下とした場合でも均一に研磨されることを、加工具−ウエハの相対速度と互いの回転軸位置との関係により説明する。互いに等しい回転数ωで回転する研磨加工具とウエハが図５のように偏心した配置にある場合、ある点でのお互いの間の相対速度の絶対値Ｖは、ウエハ上の至る所でＶ＝Ｒ×ωで表される。ここでＲはウエハの回転軸と、研磨加工具の回転軸との距離である。この式の導出法は図６に簡単に示した。この関係は、ウエハ面が研磨加工具の中心点に重なる場合も、あるいはそうでない場合にも成り立つ。このことから、研磨加工具の小径化により減少したＲの影響を補償するためには、Ｒの減少の割合に等しい割合で回転数ωを増加すればよい。即ち、半導体ウエハ及び加工具の回転数は、半導体ウエハの回転中心と加工具の加工面のの回転中心との距離により決定される。但し、それらの回転数には、１０％〜２０％の差があってもよい。実施例の場合，このウエハ中心点と研磨加工具中心点との距離Ｒは一般的な装置に比べ１／３から１／４程度の大きさであるため，それを補うには回転数ωを例えば１５０ｒｐｍ程度とすればよい。
図７は実施例について、ウエハホルダ１７を支持、駆動するアーム２２及び洗浄ユニット２３を含めた概略図を示す。アーム２２はその両端にそれぞれウエハホルダ１７が取り付けられており、片方のウエハホルダが砥石に挟まれ研磨されている間、残るもう片方のウエハホルダ１７’はウエハ洗浄ユニット２３側に配置されウエハ洗浄作業を行う。また、アーム２２は、研磨時にウエハホルダ１７が加工具１９から大きく逸脱しない範囲で揺動を行うことで、研磨加工の均一性を向上させることが出来る。
図８にはウエハホルダ１７についての詳細図を示す。ウエハホルダ１７には、研磨中に研磨工具の回転数とほぼ等しい回転数で該ウエハホルダを回転させるためのダイレクトドライブ型モーター２４が取り付けられている。バッキングパッド１３とこれを貼り付けてある多孔質基板２５には通気性があり、通気孔２６を介して真空吸着装置あるいは空気加圧装置と接続され、この空気圧を制御することで、ウエハのバッキングパッドへの吸着・剥離を自由に行うことが出来る。
なお、上記実施例においては２つの研磨加工具の回転軸が同一直線上に存在するような配置にて研磨加工を行っているが、必ずしも２つの研磨加工具の回転軸が一致する必要はなく、図９に示すようにこれらの回転軸同士をずらした配置で加工を行っても良い。但し、この場合にも、ウエハ１、１‘は加工具１９、１９’の加工面の領域内に配置されている。
次に、第１０図（ａ）〜（ｅ）に１つのトランジスタと１つのキャパシタからなるメモリセルを本発明を用いて製造したときの製造工程の一例を示す。なお、第１１図は当該メモリセルの平面図を示し、第１０図（ａ）〜（ｅ）は第１１図のＡ−Ａ’断面を示したものである。ここで、１１０はソース領域、１２０はドレイン領域、１１１、１２１はそれぞれの領域への接続部、２１０はキャパシタ下部電極、２３０はキャパシタ上部電極、１０６はビット線、１４１はゲート電極を示す。
第１０図（ａ）は、ｐ型シリコン基板１０１上に選択酸化法を用いて、メモリセル間を電気的に分離するために厚さ８００ｎｍのシリコン酸化膜からなる素子分離膜１０２及びスイッチング用ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜を形成した後の基板断面図である。その後、ＭＯＳトランジスタの閾値電圧制御のために、ボロンをイオン打ち込みし、更に化学気相成長法（以下ＣＶＤ法と略記）でゲート電極１４１となる多結晶シリコン膜を３００ｎｍの厚さ堆積する。次に第１０図（ｂ）に示すように、ＭＯＳトランジスタのゲート電極１４１およびゲート絶縁膜１３０を周知のホトエッチングにより形成する。多結晶シリコン膜には導電性を持たせるためにリンを添加する。その後、砒素をイオン打ち込みしＭＯＳトランジスタのソース領域１１０、ドレイン領域１２０を形成する。
次に第１０図（ｃ）に示したように、基板表面に層間絶縁膜となるＰＳＧ（リンガラス）膜１０３をＣＶＤ法で５００ｎｍの厚さ堆積後、約２００ｎｍの平坦化研磨を行う。なお、このときの研磨は、基板表面が露出するように２枚の基板を１つのホルダーに固定し、基板の直径の約１．３倍の直径の研磨面を有する加工具を用いて行った。
その後、ＰＳＧ膜に接続孔１１１を設け、ビット線１０６を形成する（第１１図）。
次に、第１０図（ｄ）に示したように層間絶縁膜となるＰＳＧ膜１０４をＣＶＤ法で５００ｎｍの厚さ堆積後、上記と同様に平坦化研磨を行い、更にホトエッチングにより接続孔１２１を形成する。
その後、キャパシタ下部電極２１０となる多結晶シリコン膜をＣＶＤ法により形成し、所望の形状に加工する。この多結晶シリコン膜にも導電性を持たせるためにリンを添加する。次に、その上にキャパシタ絶縁膜２２０およびキャパシタ電極２３０を形成する（第１０図（ｅ））。
上記方法によりメモリセルの表面を従来に比べて高速にかつ高精度に平坦化することができ、微細で信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
なお、本発明に係る研磨法は上記工程に限らず、例えば、配線工程における絶縁膜や金属膜の加工にも用いることができる。
また、実施例においては一組の研磨加工具に１つのウエハホルダを組み合わせたが、複数のウエハホルダを用いることも、あるいは１つのホルダに２枚以上のウエハを保持しながらの加工も可能である。
産業上の利用可能性
本発明は、凹凸を有する半導体ウエハ表面に形成された被膜を能率良く平坦化できるので半導体装置の製造に適用できる。
【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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