JP2003332274A - 化学的機械研磨方法及び化学的機械研磨装置 - Google Patents
化学的機械研磨方法及び化学的機械研磨装置Info
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Abstract
が変化し、それが研磨レートの変化につながることを防
止する、電解研磨を付加した化学的機械研磨方法及びそ
の装置を提供すること。 【解決手段】研磨手段(研磨部)16を大気とは別組成
の雰囲気のチャンバ13内に密閉収容し、研磨手段(研
磨部)16の雰囲気を大気とは異なる組成の雰囲気にす
ると共に、ウエーハWと研磨パッド34aとの間に電圧
を印加して、電解作用を行わせながら前記ウエーハWを
研磨するように構成した。これにより研磨手段(研磨
部)16は酸素が極度に少ない雰囲気となり、ウエーハ
Wの表面が酸化されず研磨レートが安定するようにし
た。
Description
置に関し、 特に化学的機械研磨(CMP:Chemical Mec
hanical Polising)によるウエーハ研磨方法及び研磨装
置に関する。
ンルールの微細化、多層配線化が進み、またコスト低減
を進める上においてウエーハの大口径化も進行してきて
いる。このようなデザインルールの微細化により、リソ
グラフィー工程におけるステッパーの焦点深度が益々浅
くなり、ウエーハ表面の微細な凹凸によって規定の配線
幅が正確に得られなくなってきた。
が行われるようになってきた。この平坦化処理には化学
的機械研磨(CMP)装置が用いられている。これは微
細砥粒と薬剤の混入したスラリをかけながら、平坦化す
るウエーハの表面を回転する研磨布に押付けて、化学的
作用と機械的作用との複合作用でウエーハを研磨するも
ので、特にCu配線やWプラグ等の金属膜の平坦化に近
年検討されるようになってきた。このCu膜を除去する
CMPにおいて、研磨の除去効率の向上、及び表面粗さ
の低減などをねらいとして、研磨資料であるCu膜付ウ
エーハと研磨定盤との間に電圧を印加することによって
研磨する電解CMP装置も提案されている。
uやW等の導電性の研磨対象膜を有するウエーハでは、
表面状態が非常に活性であり、研磨時における表面の酸
化が研磨に支障をきたしていた。特に電解研磨により例
えばCuを選択的に研磨除去を行う場合、Cu表面の電
気伝導率が研磨レートに大きく影響するが、Cu表面に
酸化膜が形成されると電気伝導率が急激に落ち込み、印
加電圧に見合った研磨レートを得ることができなくな
る。これにより、安定した研磨レートを確保することが
困難になっていた。
ない場合と比較して表面の硬度が変化し、機械的な強度
が変化するため、研磨レートも変化していた。このよう
に、金属膜の表面酸化によって、電気伝導率のみならず
機械的な強度までが変化することから、電解作用を付加
したCMP装置において、安定した研磨レートを確保す
ることができないという問題があった。
たもので、研磨中にウエーハ表面が酸化されて電気伝導
率及び機械的強度が変化し、それが研磨レートの変化に
つながることを防止する、電解研磨を付加した化学的機
械研磨方法及びその装置を提供することを目的とする。
に、請求項1に記載の発明は、スラリを供給しながら、
表面に導電性膜が形成されたウエーハを研磨パッドに押
付けて、該表面を平坦化する化学的機械研磨方法におい
て、研磨部の雰囲気を大気とは異なる組成の雰囲気にす
ると共に、前記ウエーハと前記研磨パッドとの間に電圧
を印加して、電解作用を行わせながら前記ウエーハを研
磨することを特徴としている。
組成の雰囲気中で電解研磨を行うので、ウエーハの表面
が改変せず、安定した研磨レートの、電解研磨を付加し
た化学的機械研磨方法が得られる。
ながら、表面に導電性膜が形成されたウエーハを研磨パ
ッドに押付けて、該表面を平坦化する化学的機械研磨装
置において、前記ウエーハと前記研磨パッドとの間に電
圧を印加して電解研磨を行わせる電圧印加手段と、研磨
部の雰囲気を大気とは異なる組成の雰囲気にする雰囲気
改変手段と、を有し、前記大気とは異なる組成に改変さ
れた雰囲気中で電解研磨が行われるように構成されたこ
と、を特徴としている。
組成の雰囲気中で電解研磨を行うので、ウエーハの表面
が改変せず、安定した研磨レートの、電解研磨を付加し
た化学的機械研磨装置が得られる。
において、前記雰囲気改変手段は、研磨部を密閉収容す
るチャンバと、該チャンバ内の気体を吸引する吸引手段
と、該チャンバ内に大気とは別組成の気体を供給するガ
ス供給手段と、から構成されていることを特徴としてい
る。
は別組成の雰囲気のチャンバ内に密閉収容されているの
で、例えば酸素が極度に少ない雰囲気にした場合は、ウ
エーハの表面が酸化されず研磨レートが安定する。
において、前記雰囲気改変手段は、研磨部のウエーハに
向かって、局所的にガスを吹付けるノズルと、該ノズル
に大気とは別組成の気体を供給するガス供給手段と、か
らなることを特徴としている。
ハに向けて設けられたノズルから大気とは別組成のガス
を供給するだけで、研磨部近傍の雰囲気を改変できる簡
易な雰囲気改変手段を得ることができる。
において、前記雰囲気改変手段は、研磨部のウエーハを
覆うように設けられたガス拡散防止壁と、研磨部のウエ
ーハに向かって、局所的にガスを吹付けるノズルと、該
ノズルに大気とは別組成の気体を供給するガス供給手段
と、からなることを特徴としている。
散防止壁を設け、研磨部のウエーハに向けて設けられた
ノズルから大気とは別組成のガスを供給するだけで、研
磨部近傍の雰囲気を改変できる簡易でガス消費量の少な
い雰囲気改変手段を得ることができる。
において、前記チャンバは、ロードロック室と接続され
ていることを特徴としている。
容されているチャンバがロードロック室に連結されてい
るので、ウエーハの搬入搬出に際してチャンバ内に大気
が流入することが防止され、チャンバ内の雰囲気を大気
と異なる雰囲気に保つことができるので、ウエーハ表面
の導電性膜を効率よく電解研磨することができる。
る化学的機械研磨方法及び化学的機械研磨装置の好まし
い実施の形態について詳説する。尚各図において、同一
の部材については同一の番号又は記号を付している。
の一実施形態を示す平面図である。図1に示すように、
本実施の形態の化学的機械研磨装置10は、ウエーハ収
納部20、搬送手段14、研磨部である研磨手段16、
16、16、洗浄・乾燥手段18、膜厚測定手段26、
28、及び図示しない装置制御部で構成されている。
納部20A、ダミーウエーハ収納部20B、第1モニタ
ーウエーハ収納部20C、第2モニターウエーハ収納部
20Dとからなり、各収納部にはカセット24に格納さ
れたウエーハWが収納される。製品用ウエーハ収納部2
0Aは2個並んで設けられている。また第1モニターウ
エーハ収納部20Cはカセット24の下段を使用し、同
じカセット24の上段は第2モニターウエーハ収納部2
0Dになっている。
22とトランスファーロボット30及び搬送ユニット3
6A、36Bとから構成されている。インデックス用ロ
ボット22は、旋回自在かつ屈曲自在なアームを2本備
えており、図1の矢印Y方向に沿って移動自在に設けら
れている。このインデックス用ロボット22は、各ウエ
ーハ収納部に載置されたカセット24から研磨対象のウ
ェーハWを取り出してウエーハ待機位置26、28に搬
送するとともに、洗浄が終了したウェーハWを洗浄・乾
燥手段18から受け取ってカセット24に格納する。
かつ旋回自在なロード用アーム30Aとアンロード用ア
ーム30Bとを備えており、図1の矢印X方向に沿って
移動自在に設けられている。ここで、ロード用アーム3
0Aは、研磨前のウェーハWの搬送に使用され、その先
端部に備えられた図示しないパッドで研磨前のウェーハ
Wをウエーハ待機位置26、28から受け取り、搬送ユ
ニット36A、36Bに搬送する。
後のウェーハWの搬送に用いられ、その先端に備えられ
た図示しないパッドで研磨後のウェーハWを搬送ユニッ
ト36A、36Bから受け取り、洗浄・乾燥手段18へ
と搬送する。
図1の矢印Y方向に沿って移動自在に設けられ、夫々受
取り位置SA 、SB と受渡し位置TA 、TB の間を移動
する。受取り位置SA 、SB でトランスファーロボット
30のロード用アーム30Aから研磨対象のウェーハW
を受取り、受渡し位置TA 、TB に移動して研磨ヘッド
38A、38Bに受け渡す。また研磨後のウェーハWを
受渡し位置TA 、TBで受取り、受取り位置SA 、SB
に移動してトランスファーロボット30のアンロード用
アーム30Bに受け渡す。
別々の2個の受け台を持っており、この2個の受け台は
研磨前のウエーハW用と研磨後のウエーハW用とに使い
分けられる。洗浄・乾燥手段18の隣にはアンロードカ
セット32が設けられ、研磨後のウェーハを一時格納す
る場合に使用される。たとえば洗浄・乾燥手段18の運
転中止中に研磨後のウェーハWがトランスファーロボッ
ト30に搬送されて一時格納される。
研磨を行い、図1に示すように、研磨定盤34A、34
B、34C、研磨ヘッド38A、38B、スラリ供給ノ
ズル37A、37B、37C及びキャリア洗浄ユニット
40A、40Bを備えている。研磨定盤34A、34
B、34Cは、円盤状に形成されており、3台が並列し
て配置されている。各研磨定盤34A、34B、34C
の上面には、それぞれ研磨パッドが貼付されており、こ
の研磨パッド上にスラリ供給ノズル37A、37B、3
7Cからスラリが供給される。
B、34Cのうち左右の研磨定盤34A、34Bは第1
の研磨対象膜(例えばCu膜)の研磨に用いられ、中央
の研磨定盤34Cは第2の研磨対象膜(例えばТa膜)
の研磨に用いられる。両者の研磨においては、供給する
スラリの種類、研磨ヘッドの回転数や研磨定盤の回転
数、また、研磨ヘッドの押付力や研磨パッドの材質等が
変更されている。
Cの近傍には、それぞれドレッシング装置35A、35
B、35Cが設けられている。ドレッシング装置35
A、35B、35Cは、旋回自在なアームを備えてお
り、このアームの先端に設けられたドレッサによって研
磨定盤34A、34B、34C上の研磨パッドをドレッ
シングする。
れており、それぞれ図1の矢印X方向に沿って移動自在
に設けられている。
側断面図である。図2に基いて研磨手段16の詳細につ
いて更に説明する。研磨手段16は、研磨定盤34A、
研磨定盤34Aの上面に貼られた研磨パッド34a、研
磨ヘッド38A、ウエーハWと研磨パッド34aとの間
に電圧を印加する電圧印加手段としての直流電源11、
研磨パッド34aにスラリ37Sを供給するスラリ供給
ノズル37A、研磨ヘッド38Aのウエーハ保持面及び
研磨パッド34aの裏面に貼られた導電性フィルム11
A等から成っている。
って回転される。また、研磨ヘッド38Aも図示しない
モータによって回転されるとともに、下方に押圧されて
ウエーハWを研磨パッド34aに押付けるようになって
いる。また、研磨パッド34aには無数の小さな孔34
bが形成され、スラリ37Sが孔34b内に染み込んで
いる。
38Aのウエーハ保持面に貼られた導電性フィルム11
Aに接続され、陰極側が研磨パッド34aの裏面に貼ら
れた導電性フィルム11Aに接続されて、ウエーハWと
研磨パッド34aの裏面との間に電位差を発生させてい
る。
雰囲気改変手段12によって大気と異なる組成の雰囲気
に覆われている。この雰囲気改変手段12は、研磨手段
16を密閉収容するチャンバ13と、チャンバ13内の
気体を吸引して大気に開放する真空ポンプ(吸引手段)
15、チャンバ13内に大気と異なる組成のガスを供給
するガスボンベ17、17等から構成されている。真空
ポンプ15のチャンバ13側及び大気開放側には夫々バ
ルブ19が設けられている。また、ガスボンベ17、1
7にもバルブ19が設けられて、どちらも装置制御部に
よってその開閉が制御される。
ベやAr ガスボンベが用いられ、チャンバ13内は酸素
が極度に少ない雰囲気で充満されている。このため、ウ
エーハWの表面に形成された金属膜が酸化するのを防止
している。
磨ヘッド38Aで保持したウェーハWを研磨定盤34A
上の研磨パッド34aに押し付けて、研磨定盤34Aと
研磨ヘッド38Aとをそれぞれ回転させながら、研磨パ
ッド34a上にスラリ37Sを供給することにより、ウ
ェーハWが化学的機械研磨される。それと同時に直流電
源11から、ウエーハWの裏面から側面を経由して表面
エッジ付近に接触している導電性フィルム11Aを通し
てプラスの電位が付与され、研磨パッド34aの裏面に
貼られた導電性フィルム11Aにはマイナス電位が付与
されるので、ウエーハ表面の金属膜が電解研磨される。
他方側の研磨ヘッド38Bも同様に構成される。
B、34Cの間にはキャリア洗浄ユニット40A、40
Bが2台設置されており、それぞれ搬送ユニット36
A、36Bの所定の受渡位置TA 、TB に配置されてい
る。このキャリア洗浄ユニット40A、40Bは、研磨
終了後の研磨ヘッド38A、38Bのキャリアを洗浄す
る。
ェーハWを洗浄する。この洗浄・乾燥手段18は、洗浄
装置68Aと乾燥装置68Bとを備えている。洗浄装置
68Aは3個の洗浄槽を有し、アルカリ洗浄、酸洗浄、
及びリンスに用いられる。研磨手段16、16、16で
研磨されたウェーハWは、トランスファーロボット30
によって洗浄・乾燥手段18へと搬送され、この洗浄・
乾燥手段18の洗浄装置68Aで酸洗浄、アルカリ洗浄
及びリンスされた後、乾燥装置68Bで乾燥される。乾
燥されたウェーハWは、搬送手段14のインデックス用
ロボット22によって乾燥装置68Bから取り出され、
ウエーハ収納部20にセットされたカセット24の所定
の位置に格納される。
械研磨装置10は以上のように構成されているので、C
u配線やAl配線等の金属膜が形成されたウエーハWの
平坦加工において、金属膜の酸化が抑制されるので効率
のよい安定した平坦加工が行われる。
置10は、次のようにウェーハWを処理する。図3は、
化学的機械研磨装置10内のウエーハWの流れを示して
いる。
ず、カセット24に格納されたウェーハWがインデック
ス用ロボット22によって取り出され、膜厚測定手段2
6に搬送される。そして、この膜厚測定手段26でセン
タリングと必要に応じて膜厚測定が行われる。センタリ
ングされたウェーハWはトランスファーロボット30の
ロード用アーム30Aによって膜厚測定手段26から取
り出され、搬送ユニット36Aへと搬送される。搬送ユ
ニット36Aでは、あらかじめロード用受け台が所定の
受取位置SA に待機しており、この受取位置SA に位置
したロード用受け台にロード用アーム30Aからウェー
ハWが受け渡される。ウェーハWが受け渡されたロード
用受け台は、前進して所定の受渡位置TA へと移動す
る。この受渡位置TA の上方には、あらかじめ研磨ヘッ
ド38Aが待機しており、この研磨ヘッド38Aにロー
ド用受け台からウェーハWが受け渡される。
6を収容したチャンバ13に接続された真空ポンプ15
が稼動すると共に、真空ポンプ15のバルブ19、19
を開き、チャンバ13内の大気を吸引してチャンバ13
外に排出する。それと共に、ガスボンベ17、17のバ
ルブ19を開き、チャンバ13内にN2 とArの混合ガ
スをチャンバ13内に供給し、所定時間後にバルブ19
を閉じ、真空ポンプ15を停止する。
は、そのウェーハWを導電性フィルム11Aを介して吸
着保持して、所定の研磨位置PA へと移動する。そし
て、その位置で吸着を解除して、ウェーハWを研磨パッ
ド34a上に載置してウェーハWを研磨する。研磨は、
ウェーハWを研磨ヘッド38Aで研磨パッド34aに押
し付けながら、研磨定盤34Aと研磨ヘッド38Aの双
方を回転させ、その回転する研磨パッド34a上にスラ
リ供給ノズル37Aからスラリ37Sを供給する。それ
と同時に直流電源11により、電解研磨が開始される。
11Aを介して直流電源11の陰極に接続されている。
一方ウエーハWは、表面エッジ付近と導通する導電性フ
ィルム11Aを介して直流電源11の陽極に接続されて
いる。このため、ウエーハ表面と研磨パッド34aの裏
面との間に電位差が生じる。また、研磨パッド34aの
無数の孔34bにはスラリ37Sが染み込んでおり、ス
ラリ37Sは多くのイオンを含む導電性液体であるの
で、この電位差によって陽極であるウエーハ表面から電
解溶出が起こる。この電解溶出による除去作用と、スラ
リ37Sの化学成分による化学的な除去作用、及びスラ
リ37Sに含まれている研磨砥粒による機械的な除去作
用とが同時に進行し、ウエーハWの表面の第1の研磨対
象膜(例えばCu膜)が研磨される。
されて研磨定盤34A上から回収される。この後、第2
の研磨対象膜(例えばТa膜)を研磨する場合には、研
磨ヘッド38Aは、そのまま中央の研磨定盤34C上の
研磨位置PC へと移動する。そして、その中央の研磨定
盤34Cで研磨特性を変えて第2の研磨対象膜の研磨を
行う。この時も、酸素の極力少ない雰囲気で研磨され
る。一方、第1の研磨対象膜だけで研磨を終える場合
は、研磨ヘッド38Aは所定の受渡位置TA に移動す
る。そして、その受渡位置TA にあらかじめ位置した搬
送ユニット36Aのアンロード受け台にウェーハWを受
け渡す。
対象膜の研磨を行った場合も、研磨終了後は、研磨ヘッ
ド38Aが研磨位置PC から受渡位置TA へと移動して
アンロード受け台にウェーハWを受け渡す。
渡された搬送ユニット36Aのアンロード受け台は、後
退して所定の受取位置SA へと移動する。そして、この
受取位置SA に位置したアンロード受け台からトランス
ファーロボット30のアンロード用アーム30Bによっ
てウェーハWが取り出され、洗浄・乾燥手段18へと搬
送される。
Wは、洗浄装置68Aで酸洗浄、アルカリ洗浄及びリン
スされたのち、乾燥装置68Bで乾燥される。そして、
乾燥装置68Bで乾燥されたウェーハWは、搬送手段1
4のインデックス用ロボット22によって乾燥装置68
Bから取り出され、必要に応じて膜厚測定手段26に搬
送され、膜厚が測定された後再びインデックス用ロボッ
ト22によってウエーハ収納部20にセットされたカセ
ット24の所定の位置に格納される。以上一連の工程を
経て一枚のウェーハWの研磨が終了する。
ロードロック室50を接続させた実施形態を表わす側断
面図である。図4に示すように、チャンバ13にはロー
ドロック室50を介してウエーハWを搬入、搬出するよ
うになっている。ロードロック室50は、ゲートシャッ
タ51を介してチャンバ13に接続されている。このロ
ードロック室50にも真空ポンプ15が接続され、ガス
ボンベ17、17も接続されている。また、ウエーハW
を搬送する移送ロボット52がロードロック室50の内
部に設けられている。
合は、先ずロードロック室50の図示しない扉が開き、
ウエーハWが移送ロボットに載置され、扉が閉じる。次
に真空ポンプ15が稼動し、ロードロック室50側のバ
ルブ19が開きロードロック室50内のガスを排出する
と共に、ガスボンベ17、17のバルブを開いてガスを
供給し、所定時間後両バルブを閉じる。これでロードロ
ック室50内は酸素のないガスで充満される。次にゲー
トシャッタ51が開き、移送ロボット52によってウエ
ーハWがチャンバ13内に搬送される。この後移送ロボ
ット52がロードロック室50に戻り、ゲートシャッタ
51が閉じる。このようにチャンバ13内に大気を流入
させずにウエーハWの搬入、搬出を行うことができる。
施形態を示している。図5(a)は側断面図を、図5
(b)は平面図を表わしている。図5に示すように、こ
の簡易型の雰囲気改変手段12では、研磨ヘッド38A
の外周に近接して8本のノズル12A、12A、…が設
けられている。これらのノズル12A、12A、…は図
示しないガスボンベに接続され、例えばN2 ガスが加工
中のウエーハWに向けて噴射され、ウエーハWの周囲を
酸素の少ない雰囲気に保つ。尚、その他の図2に示した
実施形態と共通する部分の説明は省略する。この図5に
示す実施形態によれば、簡単な構成で加工部の雰囲気を
改変することができる。
示す側断面図である。図6の変形例では、研磨ヘッド3
8Aの外周を上部からガス拡散防止壁12Bが研磨ヘッ
ド38Aを覆うように設けられている。その他の図5と
同じ部分の説明は省略する。この図6に示す変形例によ
れば、ウエーハWに向けて噴射するガスの量が少なくて
済み、経済的である。
では、研磨部の雰囲気を大気と異なる組成のガス(例え
ばN2 ガスやArガス)に改変したが、これに限らず、
酸素含有量の少ない空気を供給してもよく、あるいは減
圧状態としてもよい。
気とは異なる組成の雰囲気中で電解研磨を行うので、ウ
エーハの表面に形成された金属膜の表面が改変せず、安
定した研磨レートの、電解研磨を付加した化学的機械研
磨方法及び研磨装置が得られる。
の全体平面図
の研磨手段を表わす断面図
平面図
面図
電源(電圧印加手段)、12…雰囲気改変手段、12A
…ノズル、12B…ガス拡散防止壁、13…チャンバ、
15…真空ポンプ(吸引手段)、16…研磨手段(研磨
部)、17…ガスボンベ(ガス供給手段)、34a…研
磨パッド、37S…スラリ、38A…研磨ヘッド、50
…ロードロック室
Claims (6)
- 【請求項1】スラリを供給しながら、表面に導電性膜が
形成されたウエーハを研磨パッドに押付けて、該表面を
平坦化する化学的機械研磨方法において、研磨部の雰囲
気を大気とは異なる組成の雰囲気にすると共に、 前記ウエーハと前記研磨パッドとの間に電圧を印加し
て、電解作用を行わせながら前記ウエーハを研磨するこ
とを特徴とする化学的機械研磨方法。 - 【請求項2】スラリを供給しながら、表面に導電性膜が
形成されたウエーハを研磨パッドに押付けて、該表面を
平坦化する化学的機械研磨装置において、前記ウエーハ
と前記研磨パッドとの間に電圧を印加して電解研磨を行
わせる電圧印加手段と、 研磨部の雰囲気を大気とは異なる組成の雰囲気にする雰
囲気改変手段と、 を有し、 前記大気とは異なる組成に改変された雰囲気中で電解研
磨が行われるように構成されたこと、を特徴とする化学
的機械研磨装置。 - 【請求項3】前記雰囲気改変手段は、 研磨部を密閉収容するチャンバと、 該チャンバ内の気体を吸引する吸引手段と、 該チャンバ内に大気とは別組成の気体を供給するガス供
給手段と、 から構成されていることを特徴とする請求項2に記載の
化学的機械研磨装置。 - 【請求項4】前記雰囲気改変手段は、 研磨部のウエーハに向かって、局所的にガスを吹付ける
ノズルと、 該ノズルに大気とは別組成の気体を供給するガス供給手
段と、からなることを特徴とする請求項2に記載の化学
的機械研磨装置。 - 【請求項5】前記雰囲気改変手段は、 研磨部のウエーハを覆うように設けられたガス拡散防止
壁と、 研磨部のウエーハに向かって、局所的にガスを吹付ける
ノズルと、 該ノズルに大気とは別組成の気体を供給するガス供給手
段と、からなることを特徴とする請求項2に記載の化学
的機械研磨装置。 - 【請求項6】前記チャンバは、ロードロック室と接続さ
れていることを特徴とする請求項3に記載の化学的機械
研磨装置。
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