JP2000190222A - 研磨液供給装置 - Google Patents

研磨液供給装置

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JP2000190222A JP10365844A JP36584498A JP2000190222A JP 2000190222 A JP2000190222 A JP 2000190222A JP 10365844 A JP10365844 A JP 10365844A JP 36584498 A JP36584498 A JP 36584498A JP 2000190222 A JP2000190222 A JP 2000190222A
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polishing
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 化学的機械研磨装置内にpHセンサを有し、
研磨時に該pHセンサが研磨液のpHの測定を行い、p
Hの測定結果に応じて研磨液の供給量を制御する。 【解決手段】 化学的機械研磨装置に用いられる研磨液
供給装置において、研磨液タンク1は、いくつかの管1
1a、11b・・・とポンプ12a、12b・・・を介
して研磨液原液タンク13a、13b・・・に、管9と
ポンプ10を介して化学的機械研磨装置16に、および
管14とポンプ15を介して排液処理装置17にそれぞ
れ接続され、研磨液供給機構全体が外気から遮断された
構造を持ち、さらに、研磨液タンク1内に、研磨液2の
pHの測定手段5を設け、研磨液タンク1の外部のpH
の表示部6、制御部7へ接続することで、より研磨の信
頼性の管理を、容易にすることが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子の平坦
化に使用される半導体製造装置のひとつである化学的機
械研磨装置に用いられる研磨液供給装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の高集積化に伴って、その製
造過程におけるウエーハの平坦性は重要となってきてい
る。かかる平坦性を実現するため、化学的機械研磨(C
MP:chemical mechanical po
lish)装置を用いた平坦化法が用いられる。化学的
機械研磨法は、ポリシングパッドと研磨液(スラリー溶
液)に含まれる研磨剤による機械的研磨と、スラリー溶
液内の化学的エッチングとの相互作用により、化学的機
械的にウエーハを平坦化する方法である。
【0003】近年、あらかじめパターニングしておい
た、金属、誘電体、その他の材料上に、異なる膜種を埋
め込んでおき、それを化学的機械研磨することにより、
所望のパターンに異なる膜種が埋め込まれた構造を形成
する、いわゆるダマシン工程やトレンチ工程が広く用い
られている。
【0004】このような構造を形成するための化学的機
械研磨においては、研磨液の化学的特性が、異なる膜種
に対する研磨速度が適切なものとなるように、厳密に制
御されている必要がある。特にそのpHは、研磨速度に
密接に関わっているため重要である。
【0005】そのため、従来の化学的機械研磨装置およ
びこの装置に研磨液を供給する研磨液供給機構において
は、例えば特開平9−131660号公報や特開平7−
233933号公報に記載の方法により、研磨液の安定
化が図られている。
【0006】特開平9−131660号公報は図7に示
すように、研磨に用いる研磨液2を貯蔵する研磨液タン
ク1を、いくつかの管11a、11b・・・とポンプ1
2a、12b・・・を介して研磨液原液タンク13a、
13b・・・に、管9とポンプ10を介して化学的機械
研磨装置16に、および管14とポンプ15を介して排
液処理装置17に、それぞれ接続されている。研磨液タ
ンク1には、研磨液2の貯蔵量を測定する水位センサ
4、研磨液2を適宣撹拌できる撹拌装置8が配設され
る。制御部7は、上記水位センサ4と撹拌装置8に接続
されるとともに、化学的機械研磨装置16内の図示しな
いpHセンサにも接続される。該pHセンサはウエハを
吸着する図示しない吸着盤に配設されている。該研磨液
2は研磨液タンク1から化学的機械研磨装置16に供給
されるが、研磨時に該pHセンサが研磨液2のpHの測
定を行い、pHの測定結果に応じて研磨液の供給量を制
御する。
【0007】図8を用いて特開平7−233933号公
報を説明する。研磨液と添加液を混合する混合器101
と、該混合器101と接続される混合研磨液タンク10
2と、混合器101に制御バルブ107を介して添加液
を供給する添加液供給管106と、下端113、114
に空気吐出孔を有し下端113、114の高さHを異な
らせて研磨液タンク102に挿入された2本の検出管1
11、112と、2本の検出管111、112の上端に
それぞれ一定圧力の空気を供給する給気源115と、2
本の検出管111、112内の空気圧力の差圧を検出す
る差圧計118と、差圧計118の検出差圧が設定値1
20より大きい場合には制御バルブの107開度を大き
くし、差圧計118の検出差圧が設定値120より小さ
い場合には制御バルブ107の開度を小さくする制御装
置119とを備えている。該差圧計118の検出差圧に
より混合器101に供給する添加液を増減することで、
研磨液の濃度を制御する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
化学的機械研磨装置およびこの装置に研磨液を供給する
研磨液供給機構は、図7に示すように、管9、11と研
磨液タンク1の接続部分が外気を遮断する構造ではない
ため、研磨に用いるべく調整された研磨液2を貯蔵する
研磨液タンク1内の気体3と外気が遮断されず、外気が
研磨液タンク1内に浸入することとなる。また、図8に
示す従来技術では外気を研磨液タンク1に供給する構造
であるため、外気が研磨液タンク1内に浸入することと
なる。例えば、酸化セリウム(セリア)等を研磨剤とし
て含む研磨液のように、時間とともに研磨液供給機構の
タンク内でそのpHが変化するような研磨液の場合、古
い研磨液に新しい研磨原液を追加混合することで変化し
たpHを調整することは可能になるが、劣化した研磨特
性を改善することは困難である。
【0009】また、化学的機械研磨においては、2種以
上の膜に対する研磨速度の差を利用して所望の構造を得
るような場合、研磨に用いる際の研磨液のpHが7近傍
であると、時間経過とともにpHが中性点である7を越
え、各被研磨膜に対する研磨レートとその比が大きく変
動し、所望の研磨特性が全く得られなくなる、いわゆる
研磨液の寿命の問題がある。図2に示すように、研磨液
のpHが7を越えると窒化珪素膜の研磨速度32が大き
くなり、窒化珪素膜も研磨されることとなる。
【0010】このような研磨特性の不安定性のため、研
磨液タンク内に研磨液が長時間滞留することのないよ
う、研磨液タンクの容積を制限したり、研磨液の使用量
が少ない場合には、研磨液の寿命よりも相応に早い時期
に未使用の研磨液を廃棄せねばならなくなるという問題
がある。
【0011】本発明は、上記問題を解決すべくなされた
ものであって、その目的とするところは、研磨液のpH
の経時変化を抑え、化学的機械研磨の特性の安定性の向
上を図ることにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、化学的機械研磨装置において、研磨液を貯
蔵する研磨液タンクと、研磨液を化学的機械研磨装置へ
供給するにいたる供給経路をふくむ研磨液供給機構全体
が、外気から遮断された構造を持つことを特徴とする。
【0013】また、本発明の化学的機械研磨装置におい
て、研磨液が大気に曝されないようにするため、上記研
磨液供給機構全体は不活性ガスを充填し密封した形態を
とってもよい。
【0014】さらに、本発明の化学的機械研磨装置にお
いて、研磨液が大気に曝されないようにするため、上記
供給機構の研磨液タンクの容積を可変とし、研磨液タン
クの容積を研磨液の残量に常に等しくすることにより、
研磨液が全く気体に触れない形態をとればさらに効果的
である。
【0015】上記研磨液タンクは、研磨液タンク内の薬
液のpHを監視することが出来る測定手段を具備するこ
とを特徴とする。また、計測された上記pHを解析する
ことにより、研磨液の使用可能期間を正確に予測でき、
研磨に不適となった研磨液を廃棄し、かつ研磨に不適と
なるよりも相当早い時期の研磨液の廃棄を防止できるこ
とを特徴とする。
【0016】本発明の化学的機械研磨装置において、研
磨後の研磨液を回収したのち再生し、研磨液タンクへと
かえす再生系を有し、上記再生系をも含めた研磨液循環
系が外気から遮断された構造を具備していても良い。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面を参照して説明する。図1は本発明の実施例に係る
半導体製造装置の構成を示す図である。
【0018】すなわち、研磨に用いる研磨液2を貯蔵す
る研磨液タンク1は、いくつかの管11a、11b・・
・とポンプ12a、12b・・・を介して研磨液原液タ
ンク13a、13b・・・に、管9とポンプ10を介し
て化学的機械研磨装置16に、および管14とポンプ1
5を介して排液処理装置17に、それぞれ接続されてい
る。また、タンク1には研磨液2の貯蔵量を測定する水
位センサ4、研磨液2を適宜撹拌できる撹拌装置8が設
置される。
【0019】このような構成において、研磨液原液18
a、18b・・・は、あらかじめ定められた割合となる
ようポンプ12a、12b・・・を制御することによ
り、研磨液原液タンク13a、13b・・・から、管1
1a、11b・・・を通じて研磨液タンク1内の研磨液
2へと混合される。研磨液2は、研磨液タンク1内にお
いて撹拌装置8により適度に撹拌され、その液量は水位
センサ4により測定される。化学的機械研磨をおこなう
際には、研磨液2は、ポンプ10により、必要量が管9
を通じて化学的機械研磨装置16へ送られ、研磨がなさ
れる。また、研磨液2が不要となれば、ポンプ15によ
り、管14を通じて排液処理装置17へ排出される。
【0020】ここで、図2は研磨材として酸化セリウム
(セリア)を含む研磨液(以下セリア研磨液と略する)
を用いた場合の、研磨液のpHと、酸化珪素(SiO
2)膜および窒化珪素(Si3N4)膜の化学的機械研
磨の研磨速度(オングストローム/分)との関係の一例
を示すものである。
【0021】図2に示されるように、酸化珪素膜の研磨
速度31および窒化珪素膜の研磨速度32は、セリア研
磨液のpHに大きく依存する。化学的機械研磨において
は、2種以上の膜に対する研磨速度の差を利用し、所望
の構造を得ることができるが、この場合は、酸化珪素膜
と窒化珪素膜の研磨速度の差を利用する。従って、酸化
珪素膜の研磨速度の、窒化珪素膜の研磨速度に対する比
はできるだけ大きく、かつ、単位時間当たりの処理能力
を上げるため、酸化珪素膜の研磨速度をできるだけ大き
くする必要がある。このことと図2より、酸化珪素膜が
研磨されて窒素化珪素膜が研磨されにくい、セリア研磨
液のpHが7より少し小さい6.0〜6.5付近の弱酸
性領域が望ましい。しかし、pHが少しでも7を上回る
と窒化珪素膜の研磨速度が大きく変化し、酸化珪素膜の
みならず窒化珪素膜も研磨されることになる。このよう
に、研磨液のpHが7を越えると化学的機械研磨の特性
が大きく変化するため、pHが中性点である7を越えた
研磨液を研磨に用いることはできない。
【0022】図3は研磨液タンクでのセリア研磨液の貯
蔵状態に対する、セリア研磨液のpHの経時変化の一例
を示すものである。前項の条件を満たすため、研磨液調
合直後のpHは6.0〜6.2に調整してある。図3に
示されるように、研磨液タンク内が外気と遮断されてい
ない従来の場合(撹拌有り)41においては、数日内に
研磨液のpHが7を越えてしまう。これは撹拌をしない
場合42でも、10日程度でpHが7を越えてしまう。
一方、本発明の形態である、研磨液タンク1内の気体3
を外気と遮断した場合43はpHの変化はずっと小さ
く、25日経過後にもpHは6.4程度であることが示
されている。また、研磨原液タンク13a、b・・・に
ついても、タンク内が外気と遮断されていない場合に
は、調合直後の研磨液2のpHが同様に上昇する。
【0023】従って、特に研磨液タンク1をはじめと
し、研磨原液タンク13a、b・・・、管9、11a、
b・・・、ポンプ10、12a、b・・・、を含む供給
機構全体が、外気と遮断した構造を具備することによ
り、安定した化学的機械研磨特性を得ることができ、信
頼性の高い化学的機械研磨が可能となっている。 この
研磨液タンク1内に、研磨液2のpHの測定手段5を設
け、研磨液タンク1の外部のpHの表示部6、制御部7
へ接続することにより、より研磨の信頼性の管理を容易
にすることが可能である。
【0024】図4は、図3に対応して、pHの変化を、
研磨液2がその外部とやりとりを行った水酸化物イオン
[OH−]の量に換算したものである。なお、水酸化物
イオンのかわりに、水素イオン[H+]で換算してもや
りとりの方向が逆になるが、量は同じである。図4に示
されるように、同じ研磨液の貯蔵状態においては、ほぼ
一定の割合で水酸化物イオンがやりとりされている。つ
まり、貯蔵状態に対して固有の前記やりとりの割合が存
在する。
【0025】従って、前記pHの測定手段5により測定
した研磨液2のpHを制御部7で解析することにより研
磨液2のpH変化を予測し、例えば、pHが7を越え、
研磨特性が著しく変化するまでの期間である研磨液2の
使用可能期間を知ることが可能となる。図4に示される
ように、研磨特性がほぼ一定の割合で変化するため、使
用可能期間の制御が容易になる。研磨液2のpHが、化
学的機械研磨に使用不適となる値にまで変化した場合
は、ポンプ15を制御し、研磨液2を排出することによ
り、劣化した研磨液2を使用することなく化学的機械研
磨が可能となる。
【0026】さらに、調合後の研磨液2の研磨液タンク
1内での滞留可能期間が自明となるため、前述のように
研磨液2を排出する機会を減少させることができ、コス
ト低減が可能となる。通常、研磨液は前述のように研磨
液の劣化を嫌い、一律7日程度で研磨液を廃棄していた
が、研磨液供給機構に固有の前記使用可能期間まで研磨
液の使用が可能となる。
【0027】ここで、本発明の研磨液供給機構の、セリ
ア研磨液における、研磨液供給の実例を示す。研磨原液
混合直後の研磨液のpHは6.17に調整される。酸化
珪素膜の化学的機械研磨速度は215ナノメートル/
分、酸化珪素膜の研磨速度は1ナノメートル/分で、そ
の比(選択比)は215である。30日後の研磨液のp
Hは6.55、酸化珪素膜、窒化珪素膜の研磨速度はそ
れぞれ260ナノメートル/分、1ナノメートル/分、
選択比は260であり、安定した研磨特性が得られてい
る。また、使用可能期間は60日程度である。前述の様
に、7日程度で研磨液を廃棄することなく十分な安定性
を得た研磨を行うことが可能となっている。
【0028】(実施例2)このような研磨液供給機構の
別の実施例を図5に示す。すなわち、研磨液タンク1内
の気体20を含む、研磨液供給機構内の気体を、例えば
窒素やネオン等の不活性ガスに置換した構造を有する。
このような構造を実現するため、たとえば、不活性ガス
はボンベ21から、管22、調圧弁23、を介して研磨
液タンク1内へと充填され、管24、調圧弁25を介し
て外部へと排気されるようにしておけばよい。気体20
の圧力が一定以下になった場合に調圧弁23が開き、不
活性ガスが充填され、気体20の圧力が一定以上になっ
た場合に調圧弁25が開き、気体20を排気するように
しておけばよい。活性な気体成分に研磨液2が触れるこ
とが無くなり、研磨液2のpHの変化をさらに抑制する
ことが可能となり、より安定な化学的機械研磨特性が実
現される。
【0029】(実施例3)さらに別の実施形態として、
さらに、上記供給機構の研磨液タンクの容積を可変と
し、研磨液タンクの容積を研磨液の残量に常に等しくす
ることにより、研磨液が全く気体に触れない形態をとれ
ばさらに効果的である。このような構造の一例を、図6
に示す。即ち、研磨液タンク1には、可変式のピストン
19が落とし蓋の様に具備されており、研磨液2の容積
にあわせて移動することによって、研磨液2が気体に触
れない構造となっている。また、ピストン19の制御の
別の方法として、研磨液2の圧力を圧力センサ26で測
定し、制御部27にフィードバックし、研磨液の圧力2
が一定の範囲内となるようにピストン19を機械的に上
下させてもよい。図3、図4より、研磨液を気体に全く
曝さないようにした場合44には、最も研磨液のpH変
化が小さくなる。したがってこの構造により、さらに研
磨液のpH変化を小さくすることが可能となる。
【0030】以上のように、研磨液の供給安定には、実
施例1の形態においても十分効果的であるが、外気から
遮断することに加えタンク内でも研磨液2の研磨特性に
影響を与える気体に曝ない構造を持つ実施例2、さらに
は実施例3の形態とすることにより、順により高い効果
を得ることが可能となる。
【0031】この他、本発明は、前記実施の形態に限ら
れるものではなく、様々な形態が考えられるが、要は、
特性が経時変化する研磨液を供給する、研磨液供給機構
内の研磨液が外気に触れない構造になっていればよい。
【0032】
【発明の効果】以上、本発明の研磨液供給装置は、研磨
液供給機構内を外気から遮断することにより、研磨液の
pH変化を時間当たり1/5以下に抑制し、安定した化
学的機械研磨速度を持つ、高信頼度の研磨が可能であ
る。
【0033】また、本発明によれば、研磨液タンク内の
研磨液のpHを計測することにより、研磨液のpHがあ
らかじめ定めたスペックを超えて変化した状態で、化学
的機械研磨が行われることを防止できる。
【0034】さらに、本発明によれば、前述のpHを解
析することにより、研磨液のpH変化を予測でき、これ
により研磨液の滞留可能時間を正確に把握できるため、
従来、7日程度で廃棄されていた研磨液を、50日以上
滞留可能となり、廃棄する頻度を減らせるため、コスト
の低減がはかられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の構
成を示す図である。
【図2】研磨液のpHと研磨速度の関係を示す図であ
る。
【図3】様々な貯留形態における、研磨液のpHの時間
変化を示す図である。
【図4】様々な貯留形態における、研磨液と外気との間
でやりとりされた水酸化物イオン量と時間との関係を示
す図である。
【図5】本発明の、実施例2に係る半導体製造装置の構
成を示す図である。
【図6】本発明の、実施例3に係る半導体製造装置の構
成を示す図である。
【図7】従来の半導体製造装置の実施例を示す図であ
る。
【図8】従来の半導体製造装置の実施例を示す図であ
る。
【符号の説明】
1 研磨液タンク 2 研磨液 3 研磨液タンク内の気体 4 水位センサ 5 pHセンサ 6 pH表示部 7 制御部 8 撹拌装置 9、14、11a、11b 管 10、15、12a、12b ポンプ 13a、13b 研磨液原液タンク 16 化学的機械研磨装置(CMP) 17 排液処理装置 18a、18b 研磨液原液 19 ピストン 20 不活性ガス 21 不活性ガス供給元 22、24 管 23、25 調圧弁 26 圧力センサ 27 ピストン制御部

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 化学的機械研磨装置に用いられる研磨液
    供給装置において、研磨液を貯蔵する研磨液タンクと、
    研磨液を化学的機械研磨装置へ供給するにいたる供給経
    路をふくむ研磨液供給機構が、外気から遮断された構造
    を持つことを特徴とする研磨液供給装置。
  2. 【請求項2】 化学的機械研磨装置に用いられる研磨液
    供給装置において、研磨液タンクに貯蔵される研磨液
    が、研磨液タンク内外の気体に曝されない構造であるこ
    とを特徴とする研磨液供給装置。
  3. 【請求項3】 化学的機械研磨装置に用いられる研磨液
    供給装置において、研磨液を貯蔵する研磨液タンクと、
    研磨液を化学的機械研磨装置へ供給するにいたる供給経
    路をふくむ研磨液供給機構を、不活性ガスで充填された
    構造を持つことを特徴とする請求項2記載の研磨液供給
    装置。
  4. 【請求項4】 化学的機械研磨装置に用いられる研磨液
    供給装置において、研磨液を貯蔵する研磨液タンクの容
    積を、研磨液タンク内部の研磨液の容積と等しくなるよ
    うに変型可能な構造を持つことを特徴とする請求項2記
    載の研磨液供給装置。
  5. 【請求項5】 化学的機械研磨装置に用いられる研磨液
    供給装置において、研磨液タンクに該タンク内の研磨液
    のpHを監視する測定手段と、測定されたpHに基づい
    て研磨液の使用可能期間を制御する制御手段とを具備す
    ることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに
    記載の研磨液供給装置。
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