JPH09285957A

JPH09285957A - 研磨材、それを用いた研磨方法および装置

Info

Publication number: JPH09285957A
Application number: JP9647396A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Ito; 秀文伊藤; Takashi Hashimoto; 尚橋本; Yusuke Nonaka; 裕介野中; Shinichiro Mitani; 真一郎三谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-04-18
Filing date: 1996-04-18
Publication date: 1997-11-04

Abstract

(57)【要約】【課題】化学的機械研磨において、異物の混入によっ
て発生する半導体ウエハのスクラッチを確実に防止す
る。【解決手段】化学的機械研磨に用いられる研磨材ＫＺ
に、研磨材ＫＺの主成分である研磨粒子９の他にスクラ
ッチを防止するポリウレタン樹脂などの樹脂粒子１０を
混入する。研磨時に異物１１が入り込んだ場合、異物１
１は樹脂粒子１０によって生じた空間に入り込み、半導
体ウエハＷの主面に接触しないのでスクラッチを防止で
きる。研磨粒子９は樹脂粒子１０や異物１１よりもより
微小であり、且つ軽量であるので研磨粒子９が樹脂粒子
１０の上方に移動し、樹脂粒子１０と半導体ウエハＷと
によって圧縮されて研磨が行われる。また、樹脂粒子１
０が研磨時に研磨パッド３上に堆積し、半導体ウエハＷ
が接触する研磨パッド３は常に活性化した表面となるの
で目立ても不要となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨材、それを用
いた研磨方法および装置に関し、特に、化学的機械研磨
におけるスクラッチの防止に適用して有効な技術に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の高信頼性多層配線を実現す
るための平坦化技術の一種として化学的機械研磨（ＣＭ
Ｐ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌ
ｉｓｈｉｎｇ）がある。

【０００３】本発明者が検討したところによれば、化学
的機械研磨を行う研磨装置は、化学研磨材が研磨を行う
表面に供給された研磨パッドを半導体ウエハに押しつ
け、機械的に削ることにより配線層間絶縁膜などの平坦
化を行っている。

【０００４】また、研磨装置には、ドレッサが設けられ
ており、このドレッサによって半導体ウエハの研磨によ
りダメージを受けた研磨パッドの表面を取り除く、いわ
ゆる、ドレッシングが行われており、ドレッシングによ
って研磨パッドが所定の厚さまですり減ると新しいパッ
ドの交換をしている。

【０００５】なお、この種の研磨装置について詳しく述
べてある例としては、１９９５年１２月４日、株式会社
工業調査会発行、大島雅志（編）、電子材料１２月号別
冊「超ＬＳＩ製造・試験装置ガイドブック＜１９９６年
版＞」Ｐ１９〜Ｐ２２があり、この文献には、化学的機
械研磨装置の現状や動向などが記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な研磨装置による研磨技術では、次のような問題点があ
ることが本発明者により見い出された。

【０００７】すなわち、研磨パッドと半導体ウエハとの
間に研磨材の粒子よりも大きな異物などが混入してしま
うと、半導体ウエハ表面にスクラッチが発生してしま
い、平坦性を損ねてしまうという問題がある。

【０００８】また、研磨パッドのドレッシングならびに
交換に時間を要するために研磨装置の稼働率が向上しな
いという問題もある。

【０００９】本発明の目的は、化学的機械研磨の異物の
混入によって発生する半導体ウエハのスクラッチを確実
に防止することのできる研磨材、それを用いた研磨方法
および装置を提供することにある。

【００１０】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００１２】すなわち、本発明の研磨材は、半導体ウエ
ハの化学的機械研磨に用いられる研磨材に、異物が擦れ
て発生するスクラッチを防止する前記研磨材の粒子より
も大きい径よりなるスクラッチ防止粒子を混入したもの
である。

【００１３】それにより、異物がスクラッチ防止粒子に
よって生じた隙間に入り込み、研磨時に生じる半導体ウ
エハへのスクラッチを防止することができる。

【００１４】また、本発明の研磨材は、前記スクラッチ
防止粒子が、半導体ウエハを研磨する研磨パッドと同じ
材質よりなるものである。

【００１５】それにより、研磨パッドの目立てが不要と
なり、装置を簡略化することができ、研磨材による研磨
パッドへのダメージも抑えることができるので研磨パッ
ドの交換サイクルを長期化させることができる。

【００１６】さらに、本発明の研磨材は、前記スクラッ
チ防止粒子が、半導体ウエハよりも柔らかい樹脂よりな
るものである。

【００１７】それにより、研磨パッドの目立てが不要と
なり、装置を簡略化することができ、研磨材による研磨
パッドへのダメージも抑えることができるので研磨パッ
ドの交換サイクルを長期化させることができる。

【００１８】また、本発明の研磨材は、前記スクラッチ
防止粒子が、ポリウレタン樹脂よりなるものである。

【００１９】それによっても、研磨パッドの目立てが不
要となり、装置を簡略化することができ、研磨材による
研磨パッドへのダメージも抑えることができるので研磨
パッドの交換サイクルを長期化でき、且つ異物による半
導体ウエハへのスクラッチを防止することができる。

【００２０】さらに、本発明の研磨方法は、半導体ウエ
ハを研磨する研磨パッド上に、半導体ウエハの研磨を行
う研磨粒子よりも大きく、半導体ウエハよりも柔らかい
粒子または研磨パッドと同じ材質からなる粒子が混入さ
れた研磨材を供給しながら該研磨パッド上で半導体ウエ
ハを研磨するものである。

【００２１】それにより、異物がスクラッチ防止粒子に
よって生じた隙間に入り込み、研磨時に生じる半導体ウ
エハへのスクラッチを防止することができる。

【００２２】また、本発明の研磨方法は、半導体ウエハ
の研磨を行う研磨パッドが貼り付けられる研磨定盤と同
じ材質からなり、主面にディンプルまたは溝が形成され
た研磨盤に、半導体ウエハの研磨を行う研磨粒子よりも
大きく、半導体ウエハよりも柔らかい粒子または研磨パ
ッドと同じ材質からなる粒子が混入された研磨材を供給
しながら該研磨盤上で半導体ウエハを研磨するものであ
る。

【００２３】それにより、半導体ウエハを研磨する研磨
パッドが不要となり、装置のコストダウンを行うことが
できる。

【００２４】さらに、本発明の研磨装置は、半導体ウエ
ハを研磨する研磨パッドが貼り付けられる研磨定盤上
に、研磨定盤と同じ材質からなり、ディンプルまたは溝
を形成した研磨盤を設け、当該研磨盤により半導体ウエ
ハを化学的機械研磨するものである。

【００２５】それにより、硬質の研磨盤上で研磨を行う
ので、研磨の平坦性を大幅に向上させることができ、半
導体ウエハを研磨する研磨パッドも不要となるので装置
のコストダウンを行うことができる。

【００２６】以上のことにより、研磨装置の稼働率を上
げることができ、製品の品質や生産性を向上させること
ができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００２８】（実施の形態１）図１は、本発明の実施の
形態１による化学的機械研磨装置の構成説明図、図２
は、本発明の実施の形態１による樹脂粒子を混入した研
磨材を用いた半導体ウエハ研磨時の要部を拡大した模式
説明図、図３は、本発明者が検討した化学的機械研磨装
置の半導体ウエハ研磨時における要部を拡大した模式説
明比較図、図４は、本発明の実施の形態１による樹脂粒
子を混入した研磨材に混入された樹脂粒子の研磨パッド
上への堆積を示した模式説明図である。

【００２９】本実施の形態１において、配線層間絶縁膜
などの平坦化を行う化学的機械研磨装置（研磨装置）１
は、中央部にセラミックなどからなる円盤状の定盤２が
設けられており、この定盤２の上面には、半導体ウエハ
Ｗの研磨を行う、同じく円盤状の、たとえば、ポリウレ
タン製の研磨パッド３が設けられている。

【００３０】また、定盤２の中心部には、モータなどの
駆動部と接続された円柱状の支持部４が設けられ、この
駆動部を駆動させることによって研磨パッド３が所定の
方向に回転を行うようになっている。

【００３１】次に、化学的機械研磨装置（以下、ＣＭＰ
装置という）１には、研磨パッド３の中心部における上
方に、研磨材ＫＺを供給する研磨材供給ノズル５が設け
られており、この研磨材供給ノズル５は、研磨材ＫＺが
貯蔵されている研磨材貯蔵用のタンクと接続され、タン
クからポンプなどによって研磨材供給ノズル５に研磨材
ＫＺが供給される。

【００３２】また、ＣＭＰ装置１は、半導体ウエハＷを
固定しながら研磨を行う研磨ヘッド部６が、研磨パッド
４の上方の所定の位置に設けられている。

【００３３】さらに、ＣＭＰ装置１には、研磨パッド４
の清掃を行う清掃用ヘッド部７が、同じく研磨パッド４
の上方に設けられており、この清掃用ヘッド部７は、研
磨ヘッド部６と対称に位置している。

【００３４】次に、研磨ヘッド部６は、固定する半導体
ウエハＷと同じ程度の直径からなる円形のバックパッド
６ａが設けられており、このバックパッド６ａには、た
とえば、半導体ウエハＷを真空チャックなどによって保
持するチャック機構が備えられている。

【００３５】また、バックパッド６ａの円周には、研磨
時に半導体ウエハＷのガイドを行うリング状のガイドリ
ング６ｂが設けられている。

【００３６】さらに、これらバックパッド６ａおよびガ
イドリング６ｂは、同じく円盤状のウエハキャリア６ｃ
に取り付けられている。そして、ウエハキャリア６ｃ
は、下部がセラミック製であり、上部がステンレス製の
構造となっており、バックパッド６ａ、ガイドリング６
ｂが取り付けられている部分が、セラミック製である。

【００３７】また、ウエハキャリア６ｃにおける上部の
ステンレス製の上面の中心部には、円柱状の支持部６ｄ
に一方の端部が接続されており、この支持部６ｄの他方
の端部にはモータおよびギアなどからなる駆動部が接続
されている。

【００３８】そして、この支持部６ｄの他方の端部に接
続された駆動部を駆動させることによって、支持部６ｄ
を上下方向、半径方向ならびに所定の方向の回転駆動を
させることができる。

【００３９】次に、清掃用ヘッド部７は、研磨パッド３
の清掃を行う、たとえば、ナイロン製のブラシである研
磨パッド用ブラシ７ａが下部に設けられている。また、
研磨パッド用ブラシ７ａの上面の中心部には、円柱状の
支持部７ｂの一方の端部が接続されており、この支持部
７ｂの他方の端部には、同じくモータおよびギアなどか
らなる駆動部が接続されている。

【００４０】そして、この支持部７ｂの他方の端部に接
続された駆動部を駆動させて、支持部７ｂを上下方向、
半径方向ならびに所定の方向の回転駆動をさせることが
できる。

【００４１】また、ＣＭＰ装置１には、研磨材ＫＺの飛
散を防止するために研磨パッド３を覆うようにして設け
られた筺体８が設けられている。

【００４２】次に、本実施の形態の作用について説明す
る。

【００４３】まず、所定の搬送系によって半導体ウエハ
Ｗが研磨パッド３の上方に位置している研磨ヘッド部６
まで搬送され、バックパッド６ａによりクランプされ
る。

【００４４】そして、研磨パッド３が、定盤２の底部に
設けられた前述した駆動部により所定の方向に回転を行
う。

【００４５】また、研磨パッド３の中心部に位置した研
磨材供給ノズル５からは、前述したポンプによって研磨
材ＫＺが回転している研磨パッド３に絶えず吐出され、
研磨パッド３の表面に均一に供給される。

【００４６】その後、研磨ヘッド部６における支持部６
ｄに設けられた駆動部を駆動させ、バックパッドに固定
された半導体ウエハＷを下降させて研磨を開始する。

【００４７】また、研磨中は、支持部６ｄに設けられた
駆動部によって、半導体ウエハＷを研磨パッド３に所定
の圧力で押しつけて所定の方向に回転させながら揺動運
動を行っている。

【００４８】さらに、研磨パッド３の硬さは、後述する
研磨材ＫＺによって半導体ウエハへのスクラッチを防止
できるので、通常よりも硬い硬質のパッドが使用されて
おり、研磨による平坦性を向上させている。

【００４９】ここで、半導体ウエハＷの研磨を行う研磨
材ＫＺについて説明する。

【００５０】この研磨材ＫＺは、図２に示すように、た
とえば、通常の研磨材ＫＺの主成分であるコロイダルシ
リカやアルミナなどの研磨粒子９の他にスクラッチを防
止するために樹脂粒子（スクラッチ防止粒子）１０が混
入されている。

【００５１】また、樹脂粒子１０は、研磨される半導体
ウエハＷと同等またはそれよりも柔らかく且つ突発的に
入り込むことが推定される異物１１の径よりも大きい径
の粒子、たとえば、ポリウレタン樹脂などを用いる。

【００５２】ここで、本発明者が検討した化学的機械研
磨装置の半導体ウエハＷ研磨時における比較例を図３に
示す。

【００５３】まず、樹脂粒子１０（図２）が混入されて
いない研磨材ＫＺ１を使用して半導体ウエハＷの研磨を
行う場合、異物１１が研磨材ＫＺ１中に入り込んでしま
うと、たとえば、研磨材ＫＺ１の主成分であるコロイダ
ルシリカやアルミナなどの研磨粒子９よりも大きい異物
１１であれば、この異物１１が半導体ウエハＷの主面に
接触することによってスクラッチが発生してしまうこと
になる。

【００５４】しかし、半導体ウエハＷの研磨時に異物１
１が入り込んでしまい、研磨パッド３上に存在しても、
図２に示すように、樹脂粒子１０を研磨材ＫＺに混入さ
せるると、樹脂粒子１０よりも異物１１が小さいために
樹脂粒子１０によって生じた空間に異物１１が入り込
み、半導体ウエハＷの主面への接触が防止されてスクラ
ッチが発生しないことになる。

【００５５】また、研磨粒子９は、樹脂粒子１０や異物
１１よりもより微小であり、且つ軽量であるので樹脂粒
子１０の上方に絶えず移動することにより、樹脂粒子１
０と半導体ウエハＷとによって圧縮されて半導体ウエハ
Ｗの研磨が行われることになる。

【００５６】さらに、樹脂粒子１０を混入した研磨材Ｋ
Ｚによって研磨を行うことにより、図４に示すように、
研磨中に樹脂粒子１０が研磨パッド３上に堆積し、半導
体ウエハＷが接触する研磨パッド３は常に活性化した表
面となり、研磨粒子９が効率よく保持されるようになる
のでドレッサによる目立てが不要となる。

【００５７】そして、半導体ウエハＷの研磨が終了する
と研磨ヘッド部６が所定の位置まで移動し、バックパッ
ド６ａにクランプされていた半導体ウエハＷが前述した
搬送系によって搬送され所定の位置に格納される。

【００５８】その後、定盤２の底部に設けられた前述し
た駆動部により所定の方向に回転させながら清掃用ヘッ
ド部７における支持部７ｂに設けられた駆動部を駆動さ
せ、研磨パッド用ブラシ７ａを下降させる。

【００５９】そして、支持部７ｂに設けられた駆動部に
よって、研磨パッド用ブラシ７ａを研磨パッド３に所定
の圧力で押しつけて所定の方向に回転させながら揺動運
動を行い、研磨パッド３の清掃を開始する。

【００６０】それにより、本実施の形態１においては、
研磨材ＫＺに樹脂粒子１０を混入させることによって、
研磨中に異物が入り込んでも異物によって半導体ウエハ
Ｗの主面に発生するスクラッチを防止することができ
る。

【００６１】また、スクラッチを防止できるのでより硬
い研磨パッド３を用いることができ、半導体ウエハＷの
平坦性を向上させることができる。

【００６２】さらに、樹脂粒子１０が研磨パッド３の表
面を活性化させるのでドレッサによる目立てが不要とな
り、コストを低減でき、装置の稼動率を上げることがで
きる。

【００６３】（実施の形態２）図５は、本発明の実施の
形態２による樹脂粒子を混入した研磨材を用いた半導体
ウエハ研磨時の要部を拡大した模式説明図である。

【００６４】本実施の形態２においては、ＣＭＰ装置１
（図１）に設けられたセラミックなどからなる円盤状の
定盤（研磨盤）２ａの主面全体に、たとえば、半球状の
ディンプル１２が形成されている。

【００６５】また、ここでは、定盤２ａの主面にディン
プル１２を形成したが、定盤２ａと同じ材質の、同じく
円盤状の円盤（研磨盤）を定盤２ａの主面に貼り合わ
せ、この円盤の主面に半球状のディンプルを形成するよ
うにしてもよい。

【００６６】そして、半導体ウエハＷの研磨時には、前
記実施の形態１と同様にポリウレタン樹脂などの樹脂粒
子１０を混入した研磨材ＫＺを用いて半導体ウエハＷの
研磨を行う。

【００６７】また、定盤２ａの主面全体に形成されたデ
ィンプル１２の深さは、樹脂粒子１０の半径程度であ
り、ディンプル１２の大きさは、樹脂粒子１０の直径よ
りも少し大きい程度で、１個のディンプル１２に対して
１個の粒子が入り込む程度に形成を行う。

【００６８】よって、研磨材ＫＺに混入している樹脂粒
子１０が研磨中に、ディンプル１２に入り込むことによ
って、定盤２ａの表面が荒く、すなわち、目立てをした
状態と同じになり、ディンプル１２に入り込んだ樹脂粒
子１０によって研磨材ＫＺ中の研磨粒子９が保持され
て、良好に半導体ウエハＷの研磨を行うことができる。

【００６９】それにより、本実施の形態２では、ディン
プル１２が形成された定盤２ａを用いることにより、研
磨パッドならびに研磨パッドを目立てするドレッサを不
要とできるので、装置を大幅にコストダウンすることが
できる。

【００７０】また、ドレッサや研磨パッドの交換が不要
となるので、装置の稼動率も大幅に向上させることがで
きる。

【００７１】以上、本発明者によってなされた発明を発
明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は
前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を
逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでも
ない。

【００７２】たとえば、前記実施の形態１，２では、研
磨材の混入する樹脂粒子をポリウレタン樹脂としたが、
研磨される半導体ウエハと同等またはそれよりも柔らか
く且つ突発的に入り込むことが推定される異物の径より
も大きい径の粒子からなる材料であれば良好に半導体ウ
エハを研磨することができる。

【００７３】さらに、前記実施の形態２においては、定
盤にディンプルを形成することによって定盤の表面を目
立てした状態と同じにしたが、定盤の表面の形状は、デ
ィンプルが定盤の表面に入り込み固定されるような形状
であればよく、たとえば、定盤に溝を形成し、この溝に
樹脂粒子を入り込ませることにより目立てを行った状態
と同じにしてもよい。

【００７４】また、この時、定盤に形成された溝の深さ
は、樹脂粒子の半径程度であり、溝の幅は、樹脂粒子の
直径よりも少し大きい程度に形成を行うようにすれば効
率よく樹脂粒子が入り込み定盤の表面を目立てを行った
状態と同じにすることができる。

【００７５】

【発明の効果】本願によって開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００７６】（１）本発明によれば、研磨時に生じる半
導体ウエハへのスクラッチを防止することができ、研磨
パッドへのダメージも抑えることができる。

【００７７】（２）また、本発明では、スクラッチ防止
粒子を研磨材に混入することにより、研磨パッドの目立
てが不要となり、装置のコストダウンおよび装置の稼働
率を上げることができる。

【００７８】（３）さらに、本発明においては、硬質の
研磨盤上で研磨を行うので、研磨の平坦性を大幅に向上
でき、半導体ウエハを研磨する研磨パッドも不要となる
ので装置のコストダウンを行うことができる。

【００７９】（４）また、本発明によれば、上記（１）
〜（３）により、半導体装置などの製品の品質や生産性
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１による化学的機械研磨装
置の構成説明図である。

【図２】本発明の実施の形態１による樹脂粒子を混入し
た研磨材を用いた半導体ウエハ研磨時の要部を拡大した
模式説明図である。

【図３】本発明者が検討した化学的機械研磨装置の半導
体ウエハ研磨時における要部を拡大した模式説明比較図
である。

【図４】本発明の実施の形態１による樹脂粒子を混入し
た研磨材に混入された樹脂粒子の研磨パッド上への堆積
を示した模式説明図である。

【図５】本発明の実施の形態２による樹脂粒子を混入し
た研磨材を用いた半導体ウエハ研磨時の要部を拡大した
模式説明図である。

【符号の説明】

１化学的機械研磨装置（研磨装置）２定盤２ａ定盤（研磨盤）３研磨パッド４支持部５研磨材供給ノズル６研磨ヘッド部６ａバックパッド６ｂガイドリング６ｃウエハキャリア６ｄ支持部７清掃用ヘッド部７ａ研磨パッド用ブラシ７ｂ支持部８筺体９研磨粒子１０樹脂粒子（スクラッチ防止粒子）１１異物１２ディンプルＫＺ研磨材Ｗ半導体ウエハＫＺ１研磨材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三谷真一郎東京都青梅市今井2326番地株式会社日立製作所デバイス開発センタ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体ウエハの化学的機械研磨に用いら
れる研磨材であって、前記半導体ウエハに異物が擦れて
発生するスクラッチを防止する前記研磨材の粒子よりも
大きい径よりなるスクラッチ防止粒子を混入したことを
特徴とする研磨材。
【請求項２】請求項１記載の研磨材において、前記ス
クラッチ防止粒子が、前記半導体ウエハを研磨する研磨
パッドと同じ材質よりなることを特徴とする研磨材。
【請求項３】請求項１記載の研磨材において、前記ス
クラッチ防止粒子が、前記半導体ウエハよりも柔らかい
樹脂よりなることを特徴とする研磨材。
【請求項４】請求項３記載の研磨材において、前記ス
クラッチ防止粒子が、ポリウレタン樹脂よりなることを
特徴とする研磨材。
【請求項５】半導体ウエハを化学的機械研磨する研磨
方法であって、前記半導体ウエハを研磨する研磨パッド
上に、前記半導体ウエハの研磨を行う研磨粒子よりも大
きく、前記半導体ウエハよりも柔らかい粒子または前記
研磨パッドと同じ材質からなる粒子が混入された研磨材
を供給しながら前記研磨パッド上で前記半導体ウエハを
研磨することを特徴とする研磨方法。
【請求項６】半導体ウエハを化学的機械研磨する研磨
方法であって、前記半導体ウエハの研磨を行う研磨パッ
ドが貼り付けられる研磨定盤と同じ材質からなり、主面
にディンプルまたは溝が形成された研磨盤に、前記半導
体ウエハの研磨を行う研磨粒子よりも大きく、前記半導
体ウエハよりも柔らかい粒子または前記研磨パッドと同
じ材質からなる粒子が混入された研磨材を供給しながら
前記研磨盤上で前記半導体ウエハを研磨することを特徴
とする研磨方法。
【請求項７】半導体ウエハを化学的機械研磨する研磨
装置であって、前記半導体ウエハを研磨する研磨パッド
が貼り付けられる研磨定盤上に、前記研磨定盤と同じ材
質からなり、ディンプルまたは溝を形成した研磨盤を設
け、前記研磨盤により前記半導体ウエハの研磨を行うこ
とを特徴とする研磨装置。