(57)【要約】研磨対象物であるウエハ１１は研磨ヘッド１２により保持され、研磨ヘッド１２と共に回転する。研磨部材１３には、研磨体１４が接着剤や両面接着テープを用いた接着等により取り付けられている。研磨体１４は、（ｂ）に示すように、軟質部材１５、硬質弾性部材１６、研磨パッド１７が積層されて構成されている。硬質弾性部材１６は、研磨中にかけられる研磨荷重における変形量が、前記半導体集積回路の最大パターン相当間隔間において、前記ウエハに許容される段差より小さく、１チップに相当する間隔間において、前記ウエハに許容されるＴＴＶより大きくなるように構成されている。これにより、「ウエハ・グローバル・リムーバル均一性」と「ローカル・パターン平坦性」を共に満足させることができる。
2003009362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に半導体集積回路が形成されたウエハの研磨に用いられるＣＭＰ研磨装置用研磨体であって、研磨パッドと、硬質弾性部材と、軟質部材をこの順に積層してなり、前記硬質弾性部材は、研磨中にかけられる研磨荷重における変形量が、前記半導体集積回路の最大パターン相当間隔間において、前記ウエハに許容される段差より小さく、１チップに相当する間隔間において、前記ウエハに許容されるＴＴＶより大きくなるように構成されていることを特徴とする研磨体。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載の研磨体であって、前記硬質弾性部材が、研磨剤に溶解しない金属板で構成されていることを特徴とする研磨体。
【請求項３】
請求の範囲第２項に記載の研磨体であって、前記金属板がステンレス板であり、その厚さｈが、０．１ｍｍ＜ｈ＜０．９４ｍｍとされていることを特徴とする研磨体。
【請求項４】
内部に半導体集積回路が形成されたウエハの研磨に用いられるＣＭＰ研磨装置用研磨体であって、研磨パッドと、硬質弾性部材と、軟質部材をこの順に積層してなり、研磨中にかけられる研磨荷重における、これらの研磨パッドと、硬質弾性部材と、軟質部材を合わせた変形量が、前記半導体集積回路の最大パターン相当間隔間において、前記最大パターンの凹凸の高さより小さく、１チップに相当する間隔間において、前記ウエハに許容されるＴＴＶの５倍より大きくなるように構成されていることを特徴とする研磨体。
【請求項５】
請求の範囲第４項に記載の研磨体であって、前記硬質弾性部材が、研磨剤に溶解しない金属板で構成されていることを特徴とする研磨体。
【請求項６】
請求の範囲第５項に記載の研磨体であって、前記研磨パッドがウレタン発泡材、前記金属板がステンレス板であり、前記研磨パッドの厚さが０．１〜３ｍｍ、前記金属体の厚さが０．０５〜０．６ｍｍ、前記軟質部材の厚さが０．５〜２．５ｍｍであることを特徴とする研磨体。
【請求項７】
請求の範囲第１項から第６項のうちいずれか１項に記載の研磨体であって、前記軟質部材が、研磨中に荷重をかけられて回転する際に、破損しないような捩れ強度を有することを特徴とする研磨体。
【請求項８】
請求の範囲第１項から第７項のうちいずれか１項に記載の研磨体であって、前記硬質弾性部材と軟質部材は接着により固定され、前記硬質弾性部材と研磨パッドは、真空吸着により固定されるようにされていることを特徴とする研磨体。
【請求項９】
請求の範囲第１項から第７項のうちいずれか１項に記載の研磨体であって、前記硬質弾性部材と軟質部材は剥離強度が強い接着手段により固定され、前記硬質弾性部材と研磨パッドは、剥離強度が弱い接着手段により固定されていることを特徴とする研磨体。
【請求項１０】
内部に半導体集積回路が形成されたウエハの研磨に用いられるＣＭＰ研磨装置であって、請求の範囲第１項から第９項のうちいずれか１項に記載の研磨体を有することを特徴とするＣＭＰ研磨装置。
【請求項１１】
内部に半導体集積回路が形成されたウエハの研磨に用いられるＣＭＰ研磨装置であって、請求の範囲第８項又は第９項に記載の研磨体を有し、当該研磨パッドの寸法が、研磨されるウエハの寸法より小さく形成されていることを特徴とするＣＭＰ研磨装置。
【請求項１２】
内部に半導体集積回路が形成されたウエハの研磨に用いられるＣＭＰ研磨装置であって、請求の範囲第７項に記載の研磨体を有してなり、当該研磨パッドの寸法が、研磨されるウエハの寸法より小さく形成されていて、前記軟質部材の許容剪断応力が０．５ｋｇ／ｃｍ２より大きいことを特徴とするＣＭＰ研磨装置。
【請求項１３】
請求の範囲第１０項から第１２項のうちいずれか１項に記載のＣＭＰ研磨装置を使用して、ウエハの研磨を行う工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、内部に半導体集積回路が形成されたウエハの研磨に用いられるＣＭＰ研磨装置、それに用いられる研磨体及びこのＣＭＰ研磨装置を用いた半導体デバイスの製造方法に関するものである。
背景技術
半導体集積回路の高集積化、微細化に伴って、半導体製造プロセスの工程は、増加し複雑になってきている。これに伴い、半導体デバイスの表面は、必ずしも平坦ではなくなってきている。半導体デバイスの表面に於ける段差の存在は、配線の段切れ、局所的な抵抗の増大などを招き、断線や電気容量の低下をもたらす。また、絶縁膜では耐電圧劣化やリークの発生にもつながる。
一方、半導体集積回路の高集積化、微細化に伴って、光リソグラフィに用いられる半導体露光装置の光源波長は短くなり、半導体露光装置の投影レンズの開口数、いわゆるＮＡは大きくなってきている。これにより、半導体露光装置の投影レンズの焦点深度は、実質的に浅くなってきている。焦点深度が浅くなることに対応するためには、今まで以上に半導体デバイスの表面の平坦化が要求されている。
具体的に示すと、半導体製造プロセスにおいては、図９に示すような平坦化技術が必須になってきている。図９は、半導体製造プロセスにおける平坦化技術の概念図であり、半導体デバイスの断面図である。図９において、３１はシリコンウエハ、３２はＳｉＯ２からなる層間絶縁膜、３３はＣｕからなる金属膜、３４は半導体デバイスである。
図９（ａ）は半導体デバイスの表面の層間絶縁膜３２を平坦化する例である。図９（ｂ）は半導体デバイスの表面の金属膜３３を研磨し、いわゆるダマシン（ｄａｍａｓｃｅｎｅ）を形成する例である。このような半導体デバイスの表面を平坦化する方法としては、化学的機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ＰｏｌｉｓｈｉｎｇまたはＣｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ、以下ではＣＭＰと称す）技術が広く行われている。現在、ＣＭＰ技術はシリコンウエハの全面を平坦化できる唯一の方法である。
ＣＭＰはシリコンウエハの鏡面研磨法を基に発展しており、図１０に示すようなＣＭＰ装置を用いて行われている。図１０において、３５は研磨部材、３６は研磨対象物保持部（以下、研磨ヘッドと称することがある）、３７は研磨対象物であるシリコンウエハ、３８は研磨剤供給部、３９は研磨剤である。研磨部材３５は、研磨定盤４０の上に研磨パッド４１を張り付けたものである。研磨パッド４１としては、シート状の発泡ポリウレタンが多く用いられている。
研磨対象物３７は研磨ヘッド３６により保持され、回転されながら揺動して、研磨部材３５の研磨パッド４１に所定の圧力で押し付けられる。研磨部材３５も回転され、研磨対象物３７との間で相対運動が行われる。この状態で、研磨剤３９が研磨剤供給部３８から研磨パッド４１上に供給される。研磨剤３９は研磨パッド４１上で拡散し、研磨部材３５と研磨対象物３７の相対運動に伴って研磨パッド４１と研磨対象物３７の間に入り込み、研磨対象物３７の被研磨面を研磨する。即ち、研磨部材３５と研磨対象物３７の相対運動による機械的研磨と、研磨剤３９の化学的作用が相乗的に作用して良好な研磨が行われる。
ところで、ブランク状態のウエハと異なり、内部に半導体集積回路が形成されたウエハの表面は、平坦ではなく、とくにチップが形成されている部分と形成されていない部分では段差があるのが普通である。よって、このようなウエハを研磨する場合には、ウエハ基板自身の大きな周期の凹凸（うねり）に倣って、すなわち凹凸（うねり）に沿って一様（これを、「ウエハ・グローバル・リムーバル均一性」と呼んでいる）に研磨を行いながら、局所的な凹凸を無くする（これを、「ローカル・パターン平坦性」と呼んでいる）ことが求められている。
このような要請に対応するものとして、研磨パッドと軟質のパッドを張り合わせて研磨体を形成し、これを、図１０における研磨パッド４１の代わりに用いる方法が開発されている。すなわち、図１１に示すように、研磨パッド４２と、弾性率が低くかつ圧縮変形率の大きいパッド４３を貼り合わせて研磨体４４を形成し、それを研磨定盤４０に取り付ける。
このような状態で、図１０で説明したような研磨を行うと、ウエハ３７の大きなうねりに対しては研磨パッド４２を介して加わる力によってパッド４３が圧縮変形し、それに倣って研磨パッド４２も変形する。よって、ウエハ３７の表面のうねりに沿って研磨量を一定とした研磨を行うことができる。一方、局所的な凹凸に対しては、研磨パッド４２の変形が相対的に少ないので、このような凹凸は研磨により除去することができる。
近年、半導体集積回路の集積度が益々高くなり、それに伴い、０．１μｍ以下の配線ルールが用いられるようになってきている。また、システムＬＳＩを研磨する需要が増加しているが、システムＬＳＩにおいては、パターンの疎密度の分布が激しくなっている。このように、細かな配線ルールで決定されたパターンや、疎密度の分布が激しいパターンが内部に形成されたウエハを研磨する場合、前述のような研磨体を用いても、「ウエハ・グローバル・リムーバル均一性」と「ローカル・パターン平坦性」を共に満足させることが困難である。すなわち、これらのウエハにおいては局所的な凹凸が大きくなる傾向にあり、それに伴って、パッド４３が圧縮変形し、研磨パッド４２もそれに倣って変形する結果、「ローカル・パターン平坦性」を確保することが困難となる。
発明の開示
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、０．１μｍ以下の配線ルールを用いたパターン、疎密度の分布が激しいパターンが内部に形成されたウエハを研磨する場合でも、「ウエハ・グローバル・リムーバル均一性」と「ローカル・パターン平坦性」を共に満足させることができる研磨体及びそれを用いたＣＭＰ研磨装置、およびこのようなＣＭＰ装置を用いた半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するための第１の発明は、内部に半導体集積回路が形成されたウエハの研磨に用いられるＣＭＰ研磨装置用研磨体であって、研磨パッドと、硬質弾性部材と、軟質部材をこの順に積層してなり、前記硬質弾性部材は、研磨中にかけられる研磨荷重における変形量が、前記半導体集積回路の最大パターン相当間隔間において、前記ウエハに許容される段差より小さく、１チップに相当する間隔間において、前記ウエハに許容されるＴＴＶより大きくなるように構成されていることを特徴とする研磨体である。
ここで、ＴＴＶ（Ｔｏｔａｌ  Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ  Ｖａｒｉａｔｉｏｎ）とは、ウエハ全体での凹凸ことである。図１に半導体集積回路の最大パターン相当間隔間、１チップに相当する間隔を図示する。
図１（ａ）は研磨前のウエハの断面図を示すものであり、図において、１はウエハの基板、２は回路、配線等のパターン、３は層間絶縁層である。基板１の上に回路や配線のパターン２が形成され、その上に層間絶縁層３が形成されて、回路や配線のパターン２同士を絶縁している。半導体集積回路の最大パターン相当間隔間とは、１つのチップ内において、互いに最も離れた回路や配線のパターン２を覆う層間絶縁層３の凹部の距離ａに相当する間隔のことである。現在では、半導体集積回路の最大パターン相当間隔間は、ほぼ４ｍｍ程度である。
図１（ｂ）は、１枚のウエハを示す図であり、ウエハ１の上に複数のチップ５が形成されている。１チップに相当する間隔とは、チップの形状が正方形の場合その一辺ｂに相当する間隔のことであり、現在ではほぼ２０ｍｍ程度である。チップの形状が正方形でない場合、異なる寸法のチップが１枚のウエハ上に形成されている場合は、その辺の最大のものに相当する距離をいう。
また、硬質弾性部材とはヤング率が１００００ｋｇ／ｍｍ２以上の弾性部材のことであり典型的な例としては金属があげられる。軟質部材とは、１ｋｇ／ｃｍ２の圧力をかけたときの圧縮率が１０％以上の部材のことであり、典型的な例としては気泡を内包するクロロプレンゴムや、弾性不織布があげられる。
本手段においては、研磨パッドと軟質部材の間に硬質弾性部材が挟み込まれている。そして、この硬質弾性部材の、研磨中にかけられる研磨荷重における変形量が、前記半導体集積回路の最大パターン相当間隔間において、前記ウエハに許容される段差より小さくされている。従って、最大パターン相当間隔においては、硬質弾性部材が、許容される段差以上の変形を受けないので、「ローカル・パターン平坦性」が確保される。
一方、硬質弾性部材の、研磨中にかけられる研磨荷重における変形量が、１チップに相当する間隔間において、ウエハに許容されるＴＴＶより大きくなるようにされている。よって、１チップに相当する距離における段差には、硬質弾性部材が倣って変形することができ、それに応じて研磨パッドもこれらの段差に倣って変形するので、これらの段差に沿って一様な量の研磨を行うことができる。従って、「ウエハ・グローバル・リムーバル均一性」が確保される。
前記目的を達成するための第２の発明は、第１の発明の研磨体であって、前記硬質弾性部材が、研磨剤に溶解しない金属板で構成されていることを特徴とするものである。
前記第１の発明においては、前記硬質弾性部材の材質については特に規定していない。よって、たとえば硬質プラスチックや硬質ゴム等を用いることができる。しかしながら、硬質プラスチックや硬質ゴム等はヤング率が小さいため、前記第１の発明に用いようとするとその厚さを厚くしなければならない。厚さが厚くなると、その両表面の平行度が悪化する他、研磨中に発生する熱による温度むらに起因して熱膨張むらが起こり、それが平坦度を悪化させる原因となる。
本発明においては、前記硬質弾性部材を金属としているので、そのヤング率が高く、従って厚さを薄くすることができる。従って、両表面の平行度を良好に保つことができ、かつ熱膨張むらを小さくすることができるので、平坦度を良好に保つことができる。なお、金属の種類を研磨剤に溶解しないものに限定しているのは、金属が研磨剤に溶解すると、それが、ウエハに形成された半導体集積回路に悪影響を及ぼす場合があるからである。通常使用される研磨剤に溶解しない金属としては、ステンレス鋼、チタン等があげられる。
前記目的を達成するための第３の発明は、前記第２の発明である研磨体であって、前記金属板がステンレス板であり、その厚さｈが、０．１ｍｍ＜ｈ＜０．９４ｍｍとされていることを特徴とするものである。
本手段によれば、通常研磨されるウエハについて、前記第１の手段で述べた効果を奏することができると共に、前記第２の手段で述べた効果をも奏することができる。さらに、ステンレス板は入手しやすく、他の材料に対して安価である。
後に実施の形態の欄で説明するように、０．３５μｍの配線ルールでの許容段差を０．３５μｍ、ＴＴＶを５μｍと仮定し、０．１０μｍの配線ルールでの許容段差を０．１０μｍ、ＴＴＶを２μｍと仮定して、半導体集積回路の最大パターン相当間隔間を４ｍｍ、１チップに相当する間隔を２０ｍｍと仮定した場合に、１００ｇ／ｃｍ２〜７００ｇ／ｃｍ２の面圧において前記第１の発明が定める条件を満足するのは、ステンレスの厚さｈが０．１ｍｍ＜ｈ＜０．９４ｍｍの場合である。よって、本発明においては、ステンレスの厚さを上記のように限定する。
前記目的を達成するための第４の発明は、内部に半導体集積回路が形成されたウエハの研磨に用いられるＣＭＰ研磨装置用研磨体であって、研磨パッドと、硬質弾性部材と、軟質部材をこの順に積層してなり、研磨中にかけられる研磨荷重における、これらの研磨パッドと、硬質弾性部材と、軟質部材を合わせた変形量が、前記半導体集積回路の最大パターン相当間隔間において、前記最大パターンの凹凸の高さより小さく、１チップに相当する間隔間において、前記ウエハに許容されるＴＴＶの５倍より大きくなるように構成されていることを特徴とする研磨体である。
「最大パターンの凹凸の高さ」とは、図１（ａ）において、ａの部分に対応する凹部の深さのことである。
本手段においては、研磨パッドと軟質部材の間に硬質弾性部材が挟み込まれている。そして、研磨中にかけられる研磨荷重における、これらの研磨パッドと、硬質弾性部材と、軟質部材を合わせた変形量が、前記半導体集積回路の最大パターン相当間隔間において、前記最大パターンの凹凸の高さより小さくされている。従って、最大パターン相当間隔においては、研磨体は最大パターンの凹凸の高さ以上の変形を受けないので、研磨後のパターン間での段差は最大パターンの凹凸の高さ未満に抑えられる。よって、「ローカル・パターン平坦性」が確保される。
一方、研磨中にかけられる研磨荷重における、研磨パッドと、硬質弾性部材と、軟質部材を合わせた変形量が、１チップに相当する間隔間において、ウエハに許容されるＴＴＶの５倍より大きくなるようにされている。一般に、「ウエハ・グローバル・リムーバル均一性」を出す場合においては、研磨体の変形量が、必要とされるＴＴＶの５倍以上必要とされることが知られている。よって、研磨パッドと、硬質弾性部材と、軟質部材を合わせた変形量が、１チップに相当する間隔間において、ウエハに許容されるＴＴＶの５倍より大きくなるようにすることにより、１チップに相当する距離における段差がある場合には、研磨パッドもこれらの段差に倣って変形するので、これらの段差に沿って一様な量の研磨を行うことができる。従って、「ウエハ・グローバル・リムーバル均一性」が確保される。
前記目的を達成するための第５の発明は、前記第４の発明である研磨体であって、前記硬質弾性部材が、研磨剤に溶解しない金属板で構成されていることを特徴とする研磨体である。
前記第４の発明においては、前記硬質弾性部材の材質については特に規定していない。よって、たとえば硬質プラスチックや硬質ゴム等を用いることができる。しかしながら、硬質プラスチックや硬質ゴム等はヤング率が小さいため、前記第４の手段に用いようとするとその厚さを厚くしなければならない。厚さが厚くなると、その両表面の平行度が悪化する他、研磨中に発生する熱による温度むらに起因して熱膨張むらが起こり、それが平坦度を悪化させる原因となる。
本発明においては、前記硬質弾性部材を金属としているので、そのヤング率が高く、従って厚さを薄くすることができる。従って、両表面の平行度を良好に保つことができ、かつ熱膨張むらを小さくすることができるので、平坦度を良好に保つことができる。なお、金属の種類を研磨剤に溶解しないものに限定しているのは、金属が研磨剤に溶解すると、それが、ウエハに形成された半導体集積回路に悪影響を及ぼす場合があるからである。通常使用される研磨剤に溶解しない金属としては、ステンレス鋼、チタン等があげられる。
前記目的を達成するための第６の発明は、前記第５の発明である研磨体であって、前記研磨パッドがウレタン発泡材、前記金属板がステンレス板であり、前記研磨パッドの厚さが０．１〜３ｍｍ、前記金属体の厚さが０．０５〜０．６ｍｍ、前記軟質部材の厚さが０．５〜２．５ｍｍであることを特徴とするものである。
ウレタン発砲材は研磨パッドとして優れたものであり、ステンレス板は入手しやすく、他の材料に対して安価である。これらの材料を使用したとき、後に実施例の項で説明するように、研磨パッド、金属板、軟質部材の厚さを前述のようにすることにより、有利な条件で「ウエハ・グローバル・リムーバル均一性」と「ローカル・パターン平坦性」を共に満足させることができる
研磨パッドの厚さが０．１ｍｍ未満となると、通常研磨パッドに設けられているスラリー導通用の溝が無くなるので、本手段においては、研磨パッドの厚さを０．１ｍｍ以上に限定する。また、研磨パッドの厚さが３ｍｍを超えるようにしても、特に有利な点は生ぜず、金属板を挟まない研磨体との差があまり無くなるので、本手段においては、研磨パッドの厚さを３ｍｍ以下に限定する。
金属体の厚さが０．０５ｍｍ未満の場合、研磨パッドの厚さが薄くなるに従い、「ローカル・パターン平坦性」が悪化し、金属板を挟まない研磨体との差があまり無くなるので、本手段においては、金属体の厚さを０．０５ｍｍ以上に限定する。一方、金属体の厚さが０．６ｍｍを超えると、ＴＴＶが１μｍのウエハに対して、前記第４の発明の制限条件が実現できなくなるので、本手段においては、金属体の厚さを０．６ｍｍ以下に限定する。
軟質部材の厚さは、軟質部材が金属体の後面にあるためあまりウエハ・グローバル・リムーバル均一性」と「ローカル・パターン平坦性」に影響しないが、本発明における前記各数値限定を導き出すための実験（シミュレーション）を、０．５〜２．５ｍｍの範囲で行っているので、この範囲に限定する。
前記目的を達成するための第７の発明は、前記第１の発明から第６の発明のうちいずれかの研磨体であって、前記軟質部材が、研磨中に荷重をかけられて回転する際に、破損しないような捩れ強度を有することを特徴とするものである。
本発明においては、前記軟質部材が、研磨中に荷重をかけられて回転する際に、破損しないような捩れ強度を有するので、スムーズに研磨を行うことができる。
前記目的を達成するための第８の発明は、前記第１の発明から第７の発明のうちいずれかの研磨体であって、前記硬質弾性部材と軟質部材は接着により固定され、前記硬質弾性部材と研磨パッドは、真空吸着により固定されるようにされていることを特徴とするものである。
本発明においては、硬質弾性部材と研磨パッドが真空吸着により固定されるようになっているので、研磨パッドが摩耗した場合に、簡単に交換することができる。
前記目的を達成するための第９の発明は、前記第１の発明から第７の発明のうちいずれかの研磨体であって、前記硬質弾性部材と軟質部材は剥離強度が強い接着手段により固定され、前記硬質弾性部材と研磨パッドは、剥離強度が弱い接着手段により固定されていることを特徴とするものである。
本発明においては、前記硬質弾性部材と軟質部材は剥離強度が強い接着手段（接着剤、両面テープ等）により固定され、前記硬質弾性部材と研磨パッドは、剥離強度が弱い接着手段（接着剤、両面テープ等）により固定されているので、これらを剥離しようとすると、硬質弾性部材と軟質部材が接着状態のまま残った状態で、硬質弾性部材部材から研磨パッドを剥離することができる。よって、研磨パッドが摩耗した場合に、簡単に交換することができる。
前記目的を達成するための第１０の発明は、内部に半導体集積回路が形成されたウエハの研磨に用いられるＣＭＰ研磨装置であって、前記第１の発明から第９の発明のいずれかの研磨体を有することを特徴とするＣＭＰ研磨装置である。
本発明においては、第１の発明から第９の発明のいずれかの研磨体を使用しているので、それぞれの研磨体の説明で述べたような作用効果を奏することができる。
前記目的を達成するための第１１の発明は、内部に半導体集積回路が形成されたウエハの研磨に用いられるＣＭＰ研磨装置であって、前記第８の発明又は第９の発明の研磨体を有し、当該研磨パッドの寸法が、研磨されるウエハの寸法より小さく形成されていることを特徴とするＣＭＰ研磨装置である。
ＣＭＰ研磨装置は、研磨パッドの寸法が研磨されるウエハの寸法より大きいものと、小さなものの２種類がある。本発明においては、後者において前記第８の発明又は第９の発明の研磨体を使用している。従って、研磨体パッドの大きさが小さいので真空吸着が行いやすく、確実に研磨パッドを硬質弾性部材に固定することができる。また、このようなＣＭＰ装置においては、研磨パッドが小さいので頻繁に交換する必要がある。よって、研磨パッドの交換が容易な前記第８の発明又は第９の発明の研磨体を使用することにより、特に大きな効果が得られる。
前記目的を達成するための第１２の発明は、内部に半導体集積回路が形成されたウエハの研磨に用いられるＣＭＰ研磨装置であって、前記第７の発明の研磨体を有してなり、当該研磨パッドの寸法が、研磨されるウエハの寸法より小さく形成されていて、前記軟質部材の許容剪断応力が０．５ｋｇ／ｃｍ２より大きいことを特徴とするＣＭＰ研磨装置である。
発明者等の知見によれば、通常の、研磨パッドの寸法が、研磨されるウエハの寸法より小さく形成されたＣＭＰ研磨装置においては、前記軟質部材の許容剪断応力を０．５ｋｇ／ｃｍ２より大きくしておくことにより、前記軟質部材が、研磨中に荷重をかけられて回転する際に、破損しないような捩れ強度を有するようにすることができる。
前記目的を達成するための第１３の発明は、前記第１０の発明から第１２の発明のうちいずれかのＣＭＰ研磨装置を使用して、ウエハの研磨を行う工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法である。
本発明においては、内部に半導体デバイスが形成されたウエハの研磨に要求される「ウエハ・グローバル・リムーバル均一性」と「ローカル・パターン平坦性」を共に満足させながらウエハの研磨を行うことができる。よって、焦点深度の浅い半導体露光装置の使用が可能となって、微細なパターンを有する半導体デバイスを歩留良く製造することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明するが、この説明は、本発明の範囲を制限するものではない。
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図２（ａ）は、本発明の実施の形態の１例であるＣＭＰ研磨装置、及び研磨体の概要を示す図であり、図２（ｂ）は（ａ）におけるＡ部の拡大図である。この実施の形態においては、図１０に示した従来のＣＭＰ装置と異なり、ウエハよりも研磨パッドの大きさが小さくされている。
研磨対象物であるウエハ１１は研磨ヘッド１２により保持され、研磨ヘッド１２と共に回転する。研磨部材１３には、研磨体１４が接着剤や両面接着テープを用いた接着等により取り付けられている。研磨体１４は、（ｂ）に示すように、軟質部材１５、硬質弾性部材１６、研磨パッド１７が積層されて構成されている。この実施の形態においては、これら軟質部材１５、硬質弾性部材１６、研磨パッド１７は、接着剤、両面接着テープ等により接着されている。
研磨体１４は、研磨部材１３と共に回転すると同時に揺動し、これにより、研磨パッド１７がウエハ１１の全面を研磨する。このＣＭＰ装置においても、ウエハ１１と研磨パッド１７の間に研磨剤が供給されるが、図示を省略している。
硬質弾性部材１６としては、本実施の形態においてはステンレス鋼を用いている。そして、硬質弾性部材１６の研磨時の荷重による変形量が、半導体集積回路の最大パターン相当間隔間において、ウエハに許容される段差より小さく、１チップに相当する間隔間において、ウエハに許容されるＴＴＶより大きくなるようにその厚さを決めている。
硬質弾性部材１６を両端固定の長方形の梁として近似し、その長さをＬ、厚さをｈ、ヤング率をＥとし、面圧ｐが均等にかかったものとすると、周知の梁の計算により、その最大変形量ｗは、
ｗ＝ｐＬ４／（３２Ｅｈ３）
で表される。いま、最大パターン相当間隔値を４ｍｍ、１チップに相当する間隔値を２０ｍｍとし、デバイス配線ルール０．１μｍのとき、許容段差が０．１０μｍ、ＴＴＶが２μｍと仮定すると、Ｌ＝４ｍｍのときのｗが０．１μｍより小さく、Ｌ＝２０ｍｍのときのｗが２μｍより大きくなければならない。
面圧ｐを２００ｇ／ｍｍ２として、ステンレスのヤング率Ｅを２１０００ｋｇ／ｍｍ２とすると、上記を満足する厚さｈは、０．２０ｍｍ＜ｈ＜０．６２ｍｍとなる。ステンレスの代わりに、ヤング率Ｅが４００ｋｇ／ｍｍ２の硬質プラスチックを使用すると、厚さｈは０．７４ｍｍ＜ｈ＜２．３２ｍｍとなる。厚さが厚いと前述のように不都合な点が多くなるので、厚さが薄くて済む金属を硬質弾性部材として用いるのが好ましい。
表１に、ステンレスを硬質弾性部材１６として用いた場合における研磨時の面圧と厚みｈの制限条件の関係を示す。ただし、０．３５μｍ配線ルールのときの許容段差を０．３５μｍ、ＴＴＶを５μｍとしている。
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軟質部材１５としては、圧縮変形が大きく、かつ塑性変形が起こりにくいものが好ましく、たとえば内部に気泡を有するクロロプレンゴム等が使用できる。ただし、研磨中に荷重をかけられて回転する際に、破損しないような捩れ強度を有するようにすることが好ましい。
このようにすれば、１チップに相当するような大きなうねりに対しては研磨パッド１７が倣って、研磨量が一定の研磨を行い、配線パターンの最大間隔に相当する間隔のような局所的な凹凸に対しては研磨パッド７がほとんど変形しないので、「ウエハ・グローバル・リムーバル均一性」と「ローカル・パターン平坦性」を共に満足させることができる。
また、この実施の形態における別の考え方として、硬質弾性部材１６としては、本実施の形態においてはステンレス鋼を用い、そして、研磨パッド１７、硬質弾性部材１６、軟質部材１５を合わせたものの研磨時の荷重による変形量が、半導体集積回路の最大パターン相当間隔間において、最大パターンの凹凸の高さより小さく、１チップに相当する間隔間において、ウエハに許容されるＴＴＶの５倍より大きくなるように、それぞれの厚さを決めることができる。
軟質部材１５としては、圧縮変形が大きく、かつ塑性変形が起こりにくいものが好ましく、たとえば内部に気泡を有するクロロプレンゴムや、弾性不織布等が使用できる。ただし、研磨中に荷重をかけられて回転する際に、破損しないような捩れ強度を有するようにすることが好ましい。
このようにすれば、１チップに相当するような大きなうねりに対しては研磨パッド１７が倣って、研磨量が一定の研磨を行い、配線パターンの最大間隔に相当する間隔のような局所的な凹凸に対しては研磨体１４がほとんど変形しないので、「ウエハ・グローバル・リムーバル均一性」と「ローカル・パターン平坦性」を共に満足させることができる。
図２において、研磨パッドの形状が外径Ｄ、内径ｄの円環型である場合に、研磨中のウエハと研磨パッドの間の摩擦係数をｋとし、面圧ｐが研磨パッド全面に均一にかかったものとすると、周知の計算により軟質部材１５に加わる最大トルクＴと最大せん断応力τｍａｘは、
Ｔ＝ｋｐπ（Ｄ３−ｄ３）／１２
τｍａｘ＝１６ＤＴ／｛π（Ｄ４−ｄ４）｝
＝４ｋｐＤ（Ｄ３−ｄ３）／｛３（Ｄ４−ｄ４）｝
で表される。図２のＣＭＰ研磨装置に外径Ｄが１７０ｍｍ、内径ｄが６０ｍｍの研磨パッドを用い、摩擦係数ｋが０．３５である場合に面圧（研磨圧力）ｐ（ｋｇ／ｃｍ２）と最大せん断応力τｍａｘ（ｋｇ／ｃｍ２）の関係を計算で求めた結果を図３のグラフに示す。図３によれば、図２のようなＣＭＰ研磨装置では、軟質部材１５に許容されるせん断応力τｍａｘが０．５ｋｇ／ｃｍ２より大きければ、通常の研磨条件（研磨圧力１．０ｋｇ／ｃｍ２）以下において、軟質部材１５が破損しないような捩れ強度を有するようにすることができる。
図４に、本発明の他の実施の形態である研磨体の概要（断面図）を示す。図４において、図２に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略する。図４における実施の形態においても、その基本的な構成や、軟質部材１５、硬質弾性部材１６、研磨パッド１７の材質は図１に示したものと同じである。
図４に示す実施の形態においては、軟質部材１５が接着剤や両面接着テープにより研磨部材１３に接着されており、硬質弾性部材１６が接着剤や両面接着テープにより軟質部材１５に接着されているが、硬質弾性部材１６と研磨パッド１７は接着されていない。そして、研磨部材１３、軟質部材１５、硬質弾性部材１６を連通する穴１８が設けられており、研磨パッド１７を硬質弾性部材１６に押し当てた状態で、この穴１８内を真空に近い低圧とすることにより、研磨パッド１７が硬質弾性部材１６に真空吸着により固定される。
このようにしておけば、研磨パッド１７が摩耗して交換する場合に、真空状態を解除するだけで容易に研磨パッド１７を取り外すことができ、交換が容易である。特に、ウエハよりも寸法の小さい小径研磨パッドを使用する場合には、穴１８の個数が少なくて済むので、真空吸着機構を設けることが容易であり、有効である。さらに、小径パッドの場合、交換頻度が高くなるので、この面でも、図４のような構成にしておくことが有効である。
なお、軟質部材１５、硬質弾性部材１６、研磨パッド１７を接着剤や両面テープ等の接着手段によってのみ接着する場合であっても、研磨部材１３と軟質部材１５との間および軟質部材１５と硬質弾性部材１６との間に剥離強度が強い接着手段を用い、硬質弾性部材１６と研磨パッド１７との間に剥離強度が弱い接着手段を用いることにより、研磨パッド１７を硬質弾性部材１６から容易に剥離することができる。これにより、前記真空吸着機構を設けた実施の形態と同様に、摩耗した研磨パッド１７を容易に交換することができる。
なお、研磨部材１３と軟質部材１５との間および軟質部材１５と硬質弾性部材１６との間の接着層の１８０°剥離接着力は、１５００ｇ／２５ｍｍより大きく、硬質弾性部材１６と研磨パッド１７との間の接着層の１８０°剥離接着力は、１０００ｇ／２５ｍｍより小さいことが好ましい。
図５は、本発明の実施の形態の一例である半導体デバイス製造プロセスを示すフローチャートである。半導体デバイス製造プロセスをスタートして、まずステップＳ１００で、次に挙げるステップＳ１０１〜Ｓ１０４の中から適切な処理工程を選択する。選択に従って、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４のいずれかに進む。
ステップＳ１０１はシリコンウエハの表面を酸化させる酸化工程である。ステップＳ１０２はＣＶＤ等によりシリコンウエハ表面に絶縁膜を形成するＣＶＤ工程である。ステップＳ１０３はシリコンウエハ上に電極を蒸着等の工程で形成する電極形成工程である。ステップ１０４はシリコンウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込み工程である。
ＣＶＤ工程もしくは電極形成工程の後で、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５でＣＭＰ工程を実施するかどうか判断し、実施する場合はＳ１０６のＣＭＰ工程に進む。ＣＭＰ工程を行わない場合は、Ｓ１０６をバイパスする。ＣＭＰ工程では本発明に係る研磨装置により、層間絶縁膜の平坦化や、半導体デバイスの表面の金属膜の研磨によるダマシン（ｄａｍａｓｃｅｎｅ）の形成等が行われる。
ＣＭＰ工程もしくは酸化工程の後でステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７はフォトリソ工程である。フォトリソ工程では、シリコンウエハへのレジストの塗布、露光装置を用いた露光によるシリコンウエハへの回路パターンの焼き付け、露光したシリコンウエハの現像が行われる。さらに次のステップＳ１０８は現像したレジスト像以外の部分をエッチングにより削り、その後レジスト剥離が行われ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くエッチング工程である。
次にステップＳ１０９で必要な全工程が完了したかを判断し、完了していなければステップＳ１００に戻り、先のステップを繰り返して、シリコンウエハ上に回路パターンが形成される。ステップＳ１０９で全工程が完了したと判断されれば工程を終了する。
【実施例】
以下、本発明の研磨体の実施例と比較例について、その有限要素法に基づくシミュレーションの結果を説明する。図６（ａ）に、シミュレーションモデルとして使用した研磨体を示す。研磨体としては、直方体のものを想定し、図に示すように、Ａｌよりなる基台２１に、弾性不織布であるＳＵＢＡ２２を貼り付け、更にその上にステンレスであるＳＵＳ板２３を積層し、更にその上に発泡ウレタンであるＩＣ１０００２４を貼り付けたものとした。ＩＣ１０００が研磨パッドに、ＳＵＳが硬質弾性部材に、ＳＵＢＡが軟質部材に相当する。研磨面は一辺が２Ｌの正方形とし、このような研磨体を通常使用される２００ｇｆ／ｃｍ２の圧力で、研磨対象物に押し付けることを想定した。
研磨対象物には、研磨体の中央部に一辺がＬの正方形の穴が空いているとした。これと等価なシミュレーションを行うために、図６（ａ）において、ハッチングを施したＩＣ１０００の最表面部分は、ｚ方向のみの自由度を拘束し、その中央に設けられた一辺がＬの正方形部分だけが、ｚ方向にも変位可能（つまり、一辺がＬの架空の正方形の穴へめり込みが可能）なモデルとした。
そして、ＩＣ１０００、ＳＵＳ板、ＳＵＢＡの厚さを変化させて、図５（ｂ）に示すＩＣ１０００のめり込み量（パッドめり込み量）Δｈを計算した。なお、Ａｌの厚さは１５ｍｍで一定とし、「ウエハ・グローバル・リムーバル均一性」を評価する場合には、Ｌ＝２０ｍｍとした。これは、典型的なチップのパターン全体が凹部となっているような極端な場合を想定したものである。また、「ローカル・パターン平坦性」を評価する場合には、Ｌ＝４ｍｍとした。これは、想定される最大パターン間隔が４ｍｍ程度であるためである。
図７に、「ローカル・パターン平坦性」をシミュレーションした結果の１例を示す。図の横軸はＩＣ１０００の厚さ、縦軸はＩＣ１０００のめり込み量（パッドめり込み量）Δｈを示す。図中の曲線で、ａと示されているのは、ＳＵＳ板とＳＵＢＡを設けず、Ａｌ基台に直接ＩＣ１０００を貼り付けた場合（単層）のデータである。ｂと示されているのは、Ａｌ基台にＳＵＢＡを貼り付け、ＳＵＳ板を設けずに、ＳＵＢＡの上に直接ＩＣ１０００を貼り付けた場合（２層）のデータである。ｃ（ｘ）と示されているのは、Ａｌ基台にＳＵＢＡを貼り付け、その上に厚さｘｍｍのＳＵＳ板を貼り付け、更にその上にＩＣ１０００を貼り付けた場合（３層）のデータである。なお、ＳＵＢＡを設けた場合は、いずれもその厚さは１．２７ｍｍである。
また、Ｃ（０．９４）とａとでは、今回の計算の有効数字の範囲内では両者の差が認められず、従って図７のグラフ上でのＣ（０．９４）とａの両曲線が一致している。よって、この一致した曲線をａ＆Ｃ（０．９４）と表している。
「ローカル・パターン平坦性」は、パッドめり込み量が少ないほど良いとされる。単層の場合、非常に良好なデータが得られている反面、２層の場合には、パッドめり込み量が大きく、特にＩＣ１０００の厚さが薄くなると急激に大きくなるので好ましくない。３層の場合には、パッドめり込み量は、ＳＵＳ板の厚さが厚くなるに従って小さくなっている。
この図から、３層にした場合に明らかに２層の場合より良好なデータが得られる範囲として、ＳＵＳ板の厚さを０．０５ｍｍ以上とすることが好ましいことが分かる。また、３層にした場合、ＩＣ１０００の厚さが３ｍｍを超えると、パッドめり込み量は飽和することになるので、３ｍｍ以下とすることが好ましいことがわかる。
図８に、「ウエハ・グローバル・リムーバル均一性」をシミュレーションした結果の１例を示す。図の横軸、縦軸及び図中の曲線の説明の意味は図７におけるものと同じである。また、ＳＵＢＡを設けた場合は、いずれもその厚さは１．２７ｍｍである。
「ウエハ・グローバル・リムーバル均一性」においては、パッドのめり込み量が大きいことが好ましいとされ、一般には、ＴＴＶの５倍程度必要とされている。よって、現在考えられているＴＴＶとして１μｍを採用した場合、パッドのめり込み量が５μｍ以上あることが必要とされる。
前述のようにＩＣ１０００の厚さが３ｍｍ以下となる場合を考えると、単層の場合は明らかにこの基準を満たさず、３層にした場合でも、ＳＵＳ板の厚さが０．６ｍｍ以下でないと、ＩＣ１０００の厚さが薄くなった場合にこの基準を満たさなくなる。よって、ＳＵＳ板の厚さは０．６ｍｍ以下とすることが好ましい。
図７、図８のデータは、前述のようにＳＵＢＡの厚さを１．２７ｍｍとした時のものである。シミュレーションにおいては、ＳＵＢＡの厚さを０．５〜２．５ｍｍに亘って変化させたが、厚さの変化によるパッドのめり込み量変化は少なかった。これは、ＳＵＢＡは軟質材であるため、その厚さを変化させてもパッドめり込み量に与える影響が少ないためであると考えられる。
産業上の利用可能性
本発明の研磨体、ＣＭＰ研磨装置は、半導体デバイスの製造工程中において、半導体の回路パターンを有するウエハを研磨するのに使用することができる。また、本発明の半導体の製造方法は、微細なパターンを有する半導体デバイスを製造するために使用することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、半導体集積回路の最大パターン相当間隔間、１チップに相当する間隔を示す図である。
図２は、本発明の実施の形態の１例であるＣＭＰ研磨装置、及び研磨体の概要を示す図である。
図３は、本発明の１実施形態における軟質部材の面圧（研磨圧力）ｐと最大剪断応力τｍａｘの関係を示す図である
図４は、本発明の他の実施の形態である研磨体の概要（断面図）を示す図である。
図５は、本発明の実施の形態の一例である半導体デバイス製造プロセスを示すフローチャートである。
図６は、本発明の実施例と比較例におけるシミュレーションモデルに使用した研磨体の概要を示す図である。
図７は、「ローカル・パターン平坦性」をシミュレーションした結果の１例を示す図である。
図８は、「ウエハ・グローバル・リムーバル均一性」をシミュレーションした結果の１例を示す図である。
図９は、半導体製造プロセスにおける平坦化技術の概念図である。
図１０は、ＣＭＰ装置の概要を示す図である。
図１１は、研磨パッドと軟質のパッドを貼り合わせて研磨体を形成した例を示す図である。
【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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【国際調査報告】
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