JP2003142436A

JP2003142436A - 研磨用スラリー供給装置及びその供給方法

Info

Publication number: JP2003142436A
Application number: JP2001334023A
Authority: JP
Inventors: Mitsugi Kishimoto; 貢岸本; Tomonari Shirotsu; 智成白津
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2003-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】化学機械研磨に供する必要最小限のスラリー
を、シリコンウェハの被研磨面の全体に均一に供給する
化学機械研磨用スラリー供給装置を提供する。【解決手段】研磨ヘッド１ａの近傍に、ターンテーブ
ル１５の径方向に並ぶ複数のノズル３を配置し、これら
複数のノズル３を、複数の独立経路４を経てスラリー供
給源に各々接続し、これら複数の独立経路４に、ノズル
３の個々の位置に対応するターンテーブル１５の周速度
に基づいてスラリーの供給量を制御する制御手段５を設
ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体の製造プロ
セスにおいてシリコンウェハを研磨する際に用いる研磨
用スラリー供給装置及びその供給方法に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】半導体の製造プロセス
における化学機械研磨（以下、Ｃhemical Ｍechanical
Ｐolishingを略してＣＭＰとする。）とは、薄い円盤状
のシリコンウェハを押圧・回転させて、スラリー中のケ
ミカル成分、砥粒（例えばアルミナ粉末やシリカパーテ
ィクル）及び研磨パッドファイバーによる相乗的な研磨
作用である。これは、シリコンウェハの一面に形成され
るメタル配線等の被覆層（チタン、酸化ケイ素の薄膜な
ど）を平滑にするために行なわれる。更に、半導体製造
工程において以下の研磨にも適用される。

【０００３】即ち、埋め込み配線形成は、トランジスタ
やメタル配線の被服層にコンタクトホールや配線用の溝
を形成し、そこにタングステンや銅などの金属を埋め込
み、この工程で前記コンタクトホールや溝からはみ出た
金属部分を研磨することである。これに略同じ工程とし
てプラグ形成がある。埋め込み素子分離は、シリコンウ
ェハーに穴を形成して、そこにＣＶＤ酸化膜を成長（堆
積）させ不要な部分を研磨することである。

【０００４】上記の研磨を実施するには、従来、図５及
び図６に示すような化学機械研磨装置２が用いられた。
この主な構成は、矢印Ｖｐ方向に回転するターンテーブ
ル１５の上面に、研磨パッド２ａを貼着し、研磨パッド
２ａに対面しターンテーブル１５の回転軸２ｂに対して
偏心した位置で矢印Ｖｃ方向に回転する研磨ヘッド１ａ
の下面にシリコンウェハ１４を取付けたことにある。研
磨ヘッド１ａと共にシリコンウェハ１４を下方へ押圧す
ることにより、シリコンウェハ１４を研磨パッド２ａに
押し付けて研磨する。この化学機械研磨装置２には、研
磨パッド２ａ上の研磨ヘッド１ａ近傍にスラリーを供給
するスラリー供給装置のスラリーノズル３ａが具備され
ている。

【０００５】図７に示すように、ステンレス製の研磨ヘ
ッド１ａの下面には、シリコンウェハ１４を水平姿勢で
没入可能な合成樹脂製のガイドリング１ｃと、このガイ
ドリング１ｃの内面に沿って設けたホールスルーのフィ
ルムパッキン（図示せず）とが設けられている。研磨ヘ
ッド１ａ及びその回転軸１ｂには、ガイドリング１ｃの
内面に連通する通風路１ｄが形成されている。

【０００６】上記のＣＭＰを行なうには、スラリーノズ
ル３ａから研磨パッド２ａ上にスラリーを供給しつつ、
研磨ヘッド１ａの回転軸１ｂを下方へ機械的に加圧す
る。同時に、通風路１ｄを経て圧縮窒素又は空気などの
気体でシリコンウェハ１４の上面を加圧することによ
り、シリコンウェハ１４を研磨パッド２ａに押し付け
る。この状態で、研磨ヘッド１ａを矢印Ｖｃ方向へ回転
させる。以上の工程が完了した時点で、通風路１ｄを経
て加圧した気体を負圧に切替えてシリコンウェハ１４を
研磨ヘッド１ａに吸着させる。更に、研磨ヘッド１ａを
上昇させると、シリコンウェハ１４は研磨パッド２ａか
ら離反するので、シリコンウェハ１４を、研磨ヘッド１
ａから取り外して次工程へ搬出することができる。

【０００７】図６に示した従来例のスラリーノズル３ａ
から研磨パッド２ａ上に流下したスラリーは、ターンテ
ーブル１５の回転に伴って研磨ヘッド１ａの下面まで移
動し、図７に示すように、シリコンウェハ１４と発泡ウ
レタンを毛羽立たせて成る研磨パッド２ａの表面との間
の入り組んだ凹凸部４ａに充満する。しかしながら、こ
のような凹凸部４ａに充満する（ＣＭＰに活用される）
スラリーは、スラリーノズル３ａから流下したスラリー
の総量に比較して僅かである。このため、残り殆どのス
ラリーは、研磨パッド２ａ上を通過するだけで、ターン
テーブル１５の下方へ無駄に排出されることになる。

【０００８】この原因は、スラリーノズル３ａからスラ
リーを研磨パッド２ａ上の略一点に流下することに起因
する。即ち、図８は、図６中の研磨ヘッド１ａのＡ０−
Ａ１部位におけるスラリーの膜厚（スラリーノズル３ａ
から流下した直後に研磨パッド２ａ上に滞留するスラリ
ーの厚み）の分布を示すものである。同図には、スラリ
ーノズル３ａの近傍を頂部とした略山形となる特徴が認
められる。これは、同図中の線分Ｂ−Ｂを越える部分に
相当する量のスラリーが、凹凸部４ａに至ることなく、
無駄に排出されることを示している。

【０００９】このようなスラリーの無駄な消費は、半導
体の製造コストを引上げる一因となっている。また、ス
ラリーを節約するためにスラリーノズル３ａから流下す
るスラリーの流量を減少させると、図６中のＡ０−Ａ１
部位における両端（スラリーノズル３ａから離れた部
分）にスラリーが充分には行き渡らないという問題が起
こる。

【００１０】そこで、本発明の目的は、ＣＭＰに供する
必要最小限のスラリーをシリコンウェハの被研磨面の全
体に均一に供給する研磨用スラリー供給装置及びその供
給方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の研磨用スラリー
供給装置は、上面に研磨パッドを貼着して回転軸のまわ
りに回転するターンテーブルと、研磨対象物をターンテ
ーブルの回転軸に対して偏心した回転軸のまわりに回転
させながら研磨パッドに押圧する研磨ヘッドとを含む研
磨装置の研磨パッド上にスラリーを供給するものであっ
て、ターンテーブルの上面に対して略並行に配列された
複数のノズルと、スラリー供給源から複数のノズルの各
々へスラリーを供給する複数の独立経路と、ターンテー
ブルの周速度に基づいて各々の独立経路へのスラリーの
供給量を制御する制御手段と、を含むものである。

【００１２】更に、本発明の研磨用スラリー供給装置
は、制御手段が、ターンテーブルの回転速度を検知する
速度検知手段と、独立経路毎にスラリーの流量を調整す
る流量調整弁とを含むものである。

【００１３】更に、本発明の研磨用スラリー供給装置
は、速度検知手段から送出される回転速度データに基づ
いて、流量調整弁の個々の開閉度を増減するものであ
る。

【００１４】更に、本発明の研磨用スラリー供給装置
は、ノズルが、末広ノズルである。

【００１５】更に、本発明の研磨用スラリー供給装置
は、複数のノズルの先端開口が、これらノズルの配列方
向へ延びるスリット状に形成されているものである。

【００１６】更に、本発明の研磨用スラリー供給装置
は、ノズルが、ブロック体の内部に複数の独立経路を形
成したマニホールドの側面に配列されたものである。

【００１７】更に、本発明の研磨用スラリー供給装置
は、マニホールドが、複数のノズルの配列方向に変位自
在に設けられているものである。

【００１８】更に、本発明の研磨用スラリー供給装置
は、ノズルが、独立経路毎に設けた切替え弁を介してス
ラリー供給源又は純水供給源に連通するものである。

【００１９】更に、本発明の研磨用スラリー供給装置
は、切替え弁が、流量調整弁の下流側に設けられたもの
である。

【００２０】更に、本発明の研磨用スラリー供給装置
は、流量調整弁を電動式ニードル弁としたものである。

【００２１】更に、本発明の研磨用スラリー供給方法
は、ターンテーブルの上面に研磨パッドを貼着して回転
軸のまわりに回転させ、研磨対象物をーンテーブルの回
転軸に対して偏心した回転軸のまわりに回転させながら
研磨パッドに押圧する研磨装置の研磨パッド上にスラリ
ーを供給するものであって、複数の独立経路により、タ
ーンテーブルの上面に対して略並行に配列された複数の
ノズルの各々へスラリーを供給するステップと、制御手
段により、ターンテーブルの周速度に基づいて各々の独
立経路へのスラリーの供給量を制御するステップと、を
含むものである。。

【００２２】更に、本発明の研磨用スラリー供給方法
は、制御手段により、ターンテーブルの回転速度に基づ
いて、研磨パッド上に供給するスラリーの総供給量を制
御するステップを含むものである。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１及び図２に示すように、本発
明の一実施の形態に係る研磨用スラリー供給装置１は、
化学機械研磨装置２の研磨パッド２ａ上にスラリーを供
給するものである。化学機械研磨装置２は、ターンテー
ブル１５の上面に、シリコンウェハ１４を研磨する研磨
パッド２ａを貼着し、研磨パッド２ａに対面して偏心回
転する研磨ヘッド１ａの下面に、シリコンウェハ１４を
保持するものである。

【００２４】その特徴とするところは、研磨ヘッド１ａ
の近傍に、ターンテーブル１５の径方向に略沿うように
配列された複数のノズル３を設け、これら複数のノズル
３を、複数の独立経路４を経てスラリー供給源（図示せ
ず）に各々接続し、これらの独立経路４に、ノズル３の
個々の位置に対応するターンテーブル１５の周速度に基
づいてスラリーの供給量を制御する制御手段５を設けた
ことにある。

【００２５】制御手段５は、ターンテーブル１５の回転
速度を検知する速度検知手段（図示せず）と、複数の独
立経路４毎に設けた流量調整弁７と、ターンテーブル１
５の回転速度データ及びノズル３の個々の位置データを
処理するマイクロコンピュータ１０とからなる。この構
成により、速度検知手段から送出される回転速度データ
に基づいて、流量調整弁７の個々の開閉度を増減でき
る。ノズル３の個々の位置に対応するターンテーブル１
５の周速度とは、上記の速度検知手段によってターンテ
ーブル１５の回転速度を計測し、この速度値を基にし
て、マイクロコンピュータ１０が、個々のノズル３のタ
ーンテーブル１５の回転中心からの距離に応じた周速度
を各々算出して得られるものである。

【００２６】以上の構成によれば、複数のノズル３毎に
ターンテーブル１５の周速度を考慮したスラリーの供給
量を設定できる。即ち、図３（ａ）はノズル３から流下
した直後のスラリーの膜厚の分布、図３（ｂ）はノズル
３から流下してシリコンウェハ１４に至る直前のスラリ
ーの膜厚の分布を各々示す。図中の線分Ａ０−Ａ１は、
その左端Ａ０がターンテーブル１５の径方向の外側で、
右端Ａ１がターンテーブル１５の径方向の内側に各々相
当する。

【００２７】同図から明らかなように、本実施例におい
ては、シリコンウェハ１４の中心付近のスラリーの供給
量をその外側よりも僅かに増大させているが、シリコン
ウェハ１４の被研磨面（下面）の全体に行き渡るスラリ
ーの量は略均一になっている。また、スラリーの膜厚
が、同図中の線分Ｂ−Ｂ以下に抑えられていることは、
無駄に排出されるスラリーが殆ど無く、必要最小限のス
ラリーの使用量によって効率良くＣＭＰが行なえること
を示している。

【００２８】これは、マイクロコンピュータ１０の指令
に基づき作動する流量調整弁７により、ターンテーブル
１５の径方向の最も外側寄りに位置するノズル３から供
給されるスラリーの流量に対して、ターンテーブル１５
の径方向の内側に近づく位置にあるノズル３から供給さ
れるスラリーの流量を、ターンテーブル１５の周速度に
対応して順次少なく設定できることによる。更に、この
制御は、各ノズル３から流下するスラリーの流量比に係
るものであるが、マイクロコンピュータ１０は、本実施
例で６本と設定した総てのノズル３から供給されるスラ
リーの総供給量を、回転速度データに基づいて増減する
ことができる。

【００２９】上記の速度検知手段は、ターンテーブル１
５の回転速度をマイクロコンピュータ１０が認識できる
ように、電気的な信号強度に変換できるものであればよ
く、これは自明の技術であるため図示を省略した。流量
調整弁７の構成についても、自明の技術のため具体的な
図示を省くが、前進位置で弁座に没入し後退位置で弁座
から離反するニードル状弁体を、電動機の回転により進
退するネジ機構に連結した電動式ニードル弁を適用する
のが望ましい。このような電動式ニードル弁は、マイク
ロコンピュータ１０から電気信号として送出される指令
を受けて、弁座とニードル弁の間隔で決まるスラリーの
流路面積を増減でき、これによって各ノズル３から流出
するスラリーの量を適時調節できる。

【００３０】ノズル３は、マニホールド１１の側面に配
列されている。詳しくは、図４に示すように、長方形の
ブロック体の端面に、深さを違えた複数（同図では６箇
所）の縦キリ孔１２を掘り込み形成し、これら縦キリ孔
１２の奥端に各々連通する複数の横キリ孔１３を、ブロ
ック体の側面に掘り込み形成している。更に、これら横
キリ孔１３の開口部１３ａにスカート状の口金１６を接
続している。マニホールド１１と口金１６の材質は、加
工が比較的容易な合成樹脂材、アルミニウム又は耐腐食
性に優れたステンレス等が好ましい。

【００３１】口金１６は、マニホールド１１側からその
反対側（ノズル３の先端）へ下降傾斜した端面形状のブ
ロック体からなる。この口金１６は、マニホールド１１
の横キリ孔１３の開口部１３ａに対面する位置と、その
反対側の下面とを貫いて６連の末広ノズル３を形成した
ものである。各ノズル３の先端開口１８は、ターンテー
ブル１５の径方向に略一致するノズル３の配列方向へ延
びる、スリット状に形成された一連の開口形状となって
いる。

【００３２】スリット状の先端開口１８を適用すること
により、従来のように略一点から流下したスラリーが自
重で流動してその表面が平らに馴らされるのを待つまで
もなく、各ノズル３から流下した直後のスラリーが平ら
な状態で研磨パッド２ａ上に至るため、その分、ノズル
３の先端開口１８から研磨ヘッド１ａまでの距離を短縮
することが可能になる。従って、ターンテーブル１５の
回転速度を比較的高速に設定した場合でも、ノズル３か
ら研磨パッド２ａ上に流下したスラリーが、遠心力の影
響を殆ど受けることなく、研磨ヘッド１ａまで到達でき
るという利点が得られる。

【００３３】マニホールド１１は、ターンテーブル１５
の上方に水平姿勢でブラケット等により支持され、ノズ
ル３の先端開口１８と研磨パッド２ａの表面との間に５
ｍｍ程の隙間が開くような高さに配置されている。マニ
ホールド１１とターンテーブル１５は互いに並行な姿勢
である。また、マニホールド１１を上記のブラケット等
にボルト締結しておけば、ボルトを緩める作業を行なう
だけで、マニホールド１１をターンテーブル１５の径方
向へ自在に変位できる。このため、既存の化学機械研磨
装置１に当該マニホールド１１を新たに取付ける場合
に、ノズル３の先端開口１８から流下したスラリーの総
てが研磨ヘッド１ａの全域に到達できるように、ターン
テーブル１５の円周上におけるマニホールド１１と研磨
ヘッド１ａとの位置を一致させることが容易である。

【００３４】独立経路４とは、マニホールド１１の縦キ
リ孔１２、横キリ孔１３及びマニホールド１１からスラ
リー供給源（図示せず）に至るまでの流路を含めたもの
である。図１中には２本の独立経路４のみ表している
が、ノズル３が３本以上ある場合には、ノズル３の本数
に等しい本数の独立経路４の設置が必須である。スラリ
ー供給源は、スラリーの貯留タンク等であり、スラリー
をダイヤフラムポンプ等を介して独立経路４へ強制的に
送出するものが望ましい。また、スラリー供給源と独立
経路４の間にはスラリー開閉バルブ８を介在して、スラ
リーの供給が必要な場合に両者間を連通し、それ以外の
場合に両者間を遮断するようにして、スラリーの不用意
な漏出又は純水が上記のスラリー供給源へ逆流するのを
防止することが望ましい。

【００３５】独立経路４毎に設けられた切替え弁６は、
上記のスラリー供給源又は純水供給源のいずれか一方を
選択してノズル３に連通させるものである。上記の純水
供給源は、ターンテーブル１５上を清掃する純水を供給
するパイプライン等である。純水を独立経路４を経て各
ノズル３に供給する場合には、純水の流量を調整する必
要は無いので、切替え弁６は流量調整弁７の下流側に設
けられている。このため、流量調整弁７の開閉度に関わ
り無く、純水の供給量を最大限に保つことができる。

【００３６】以上、本発明の実施の形態について、図面
に基づいて説明したが、本発明は、図示したものには限
定されない。例えば、本発明の研磨用スラリー供給装置
によって研磨される研磨対象物は、シリコンウェハ１４
に限定されるものではない。その他、本発明の技術的範
囲には、その主旨を逸脱しない範囲内で、当業者の知識
に基づき種々なる改良、修正又は変形を加えた態様の実
施形態も含まれる。また、本発明の作用又は効果を奏す
る範囲内で、本発明を構成する発明特定事項を他の技術
に置換した実施形態で実施しても良い。

【００３７】

【発明の効果】本発明の研磨用スラリー供給装置及びそ
の方法によれば、ＣＭＰに供する必要最小限のスラリー
をシリコンウェハの被研磨面の全体に均一に供給するこ
とができる。従って、半導体の製造過程におけるスラリ
ーの使用量を節減し、半導体の製造単価を低く抑えるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の研磨用スラリー供給装置の一実施の形
態の概略図。

【図２】本発明の研磨用スラリー供給装置の一実施の形
態の要部を示す側面図。

【図３】本発明の研磨用スラリー供給装置の一実施の形
態に適用したノズルから供給されたスラリーの膜厚を示
す分布図。

【図４】（ａ）は本発明の研磨用スラリー供給装置に適
用したノズル周辺の平面図、（ｂ）はその側面図。

【図５】従来例のノズルの使用状態を示す側面図。

【図６】従来例のノズルの使用状態を示す側面図。

【図７】化学機械研磨装置の腰部を示す破断図。

【図８】従来例のノズルから供給されたスラリーの膜厚
を示す分布図。

【符号の説明】

１：研磨用スラリー供給装置１ａ：研磨ヘッド２：研磨用スラリー供給装置２ａ：研磨パッド３：ノズル４：独立経路５：制御手段６：切替え弁７：流量調整弁１１：マニホールド１４：シリコンウェハ１５：ターンテーブル１６：口金１８：先端開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ２４Ｂ 57/02 Ｂ２４Ｂ 57/02 (72)発明者岸本貢滋賀県野洲郡野洲町大字市三宅800番地日本アイ・ビー・エム株式会社野洲事業所内 (72)発明者白津智成滋賀県野洲郡野洲町大字市三宅800番地日本アイ・ビー・エム株式会社野洲事業所内Ｆターム(参考） 3C047 FF08 GG02 GG19 3C058 AA07 AC02 AC04 CA01 DA12 4F033 AA14 BA04 BA06 CA05 DA01 EA05 GA07 GA11 JA01 LA12 LA13 4F042 AA01 AA07 BA05 BA11 CB08 CB19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上面に研磨パッドを貼着して回転軸のま
わりに回転するターンテーブルと、研磨対象物を前記タ
ーンテーブルの回転軸に対して偏心した回転軸のまわり
に回転させながら前記研磨パッドに押圧する研磨ヘッド
とを含む研磨装置の前記研磨パッド上にスラリーを供給
する研磨用スラリー供給装置であって、前記ターンテーブルの上面に対して略並行に配列された
複数のノズルと、スラリー供給源から前記複数のノズルの各々へスラリー
を供給する複数の独立経路と、前記ターンテーブルの周速度に基づいて各々の独立経路
へのスラリーの供給量を制御する制御手段と、を含む研磨用スラリー供給装置。
【請求項２】前記制御手段が、前記ターンテーブルの
回転速度を検知する速度検知手段と、前記独立経路毎に
スラリーの流量を調整する流量調整弁を含む請求項１記
載の研磨用スラリー供給装置。
【請求項３】前記速度検知手段から送出される回転速
度データに基づいて、前記流量調整弁の個々の開閉度を
増減する請求項１又は２記載の研磨用スラリー供給装
置。
【請求項４】前記ノズルが、末広ノズルである請求項
１乃至３記載の研磨用スラリー供給装置。
【請求項５】前記複数のノズルの先端開口が、これら
ノズルの配列方向へ延びるスリット状に形成されている
請求項１乃至４記載の研磨用スラリー供給装置。
【請求項６】前記ノズルが、ブロック体の内部に前記
複数の独立経路を形成したマニホールドの側面に配列さ
れた請求項１乃至５記載の研磨用スラリー供給装置。
【請求項７】前記マニホールドが、前記複数のノズル
の配列方向に変位自在に設けられている請求項６記載の
研磨用スラリー供給装置。
【請求項８】前記ノズルが、前記独立経路毎に設けた
切替え弁を介してスラリー供給源又は純水供給源に連通
する請求項１乃至７記載の研磨用スラリー供給装置。
【請求項９】前記切替え弁が、前記流量調整弁の下流
側に設けられた請求項１乃至８記載の研磨用スラリー供
給装置。
【請求項１０】前記流量調整弁が電動式ニードル弁で
ある請求項１乃至９記載の研磨用スラリー供給装置。
【請求項１１】ターンテーブルの上面に研磨パッドを
貼着して回転軸のまわりに回転させ、研磨対象物を前記
ーンテーブルの回転軸に対して偏心した回転軸のまわり
に回転させながら前記研磨パッドに押圧する研磨装置の
前記研磨パッド上にスラリーを供給する研磨用スラリー
供給方法であって、複数の独立経路により、前記ターンテーブルの上面に対
して略並行に配列された複数のノズルの各々へスラリー
を供給するステップと、制御手段により、前記ターンテーブルの周速度に基づい
て各々の独立経路へのスラリーの供給量を制御するステ
ップと、を含む研磨用スラリー供給方法。
【請求項１２】前記制御手段により、前記ターンテー
ブルの回転速度に基づいて、前記研磨パッド上に供給す
るスラリーの総供給量を制御するステップを含む請求項
１１記載の研磨用スラリー供給方法。