JP2004063850A - Ｃｍｐ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェーハの全面をガスのみで直接加圧して研磨するＣＭＰ装置であって、ウェーハに加わるガス圧を調整することによって、ウェーハ全面を均一に研磨することができるＣＭＰ装置を提供する。
【解決手段】本発明のＣＭＰ装置１のウェーハキャリア７の内部には、ウェーハ６を支持するリテーナリング８と、ウェーハ６の各エリアにガスを供給するためのガス導入口９が設けられたガイド部１０と、ウェーハ６とガイド部１０で形成された空間を各エリア毎に仕切るための仕切部１１で構成される。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェーハの全面をガスのみで直接加圧して、半導体ウェーハ表面に形成された絶縁膜、金属膜の表面を化学的・機械的に研磨して平坦化するＣＭＰ装置に関し、特に、半導体ウェーハ面内における研磨の均一性を大きく向上させる機能を備えたＣＭＰ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＭＰ装置は、パターニングされた半導体ウェーハのパターニング側主面の凹凸を化学反応と機械的な研削により、平坦化する装置である。例えば、半導体ウェーハに配線層を形成した後、絶縁膜を堆積すると、絶縁膜は配線の形状を反映した凹凸（段差）ができる。この段差をＣＭＰ装置で平坦化することにより、何層もパターンを積み上げても、平坦な状態で露光できるのでパターンの解像が良くなる。そのため、研磨量あるいはマージンはサブミクロン単位であり、研磨後の表面平坦度は１００Å以下が求められる。
【０００３】
このような半導体ウェーハの平坦化に際しては、ウェーハの加圧方式が大きな影響を及ぼす。この加圧方式により分類した従来のＣＭＰ装置を図３（ａ）〜（ｃ）に示す。図３（ａ）〜（ｃ）において、３１は回転軸により回転駆動される定盤、３２は定盤３１上部に設けられた弾性を有する研磨パッド、３３は研磨対象のウェーハ、３４は研磨中のウェーハ３３のはずれを防止するリテーナリング、３５はウェーハ３３を保持して回転するウェーハキャリア、３６はウェーハ３３を支持する弾性体からなるウェーハパッド３６である。
【０００４】
図３（ａ）はウェーハ３３をガスで直接加圧する方式、図３（ｂ）はウェーハ３３を弾性体からなるウェーハパッド３６を介してガスで加圧する方式、図３（ｃ）はウェーハ３３を弾性体からなるウェーハパッド３６を介して真空吸着する方式である。
【０００５】
上述した方法の中で、より高精細な研磨を行うには図３（ａ）のウェーハ３３をガスで直接加圧する方式が適する。これは、図３（ｂ）、（ｃ）の方式では、いずれも弾性体からなるウェーハパッド３６を介してウェーハ３３を支持しているため、極めてわずかな研磨量を制御しようとした場合、ガス圧力や真空吸引力を小さく設定しても、ウェーハパッド３６で吸収されて、力がウェーハ３３には伝わり難いからである。これに対して図３（ａ）の方式では、ガス圧力が直接ウェーハ３３に伝わるので、より細かい加圧力の調整が可能であり、微少な研磨量が制御できる。
【０００６】
従来の半導体ウェーハの全面をガスのみで直接加圧して研磨するＣＭＰ装置について、図面を参照して説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、従来のＣＭＰ装置４１を示す側面図及びＡ部拡大断面図である。
【０００７】
ＣＭＰ装置４１は、回転軸により回転駆動される定盤４２と、定盤４２上部に設けられた弾性を有する研磨パッド４３と、研磨パッド４３に所定量ずつ研磨剤４４を供給する研磨剤供給管４５と、研磨対象のウェーハ４６を保持して回転するウェーハキャリア４７から構成される。また、ウェーハキャリア４７の内部には、ウェーハ４６が研磨中に外れることを防止するリテーナリング４８と、ウェーハ４５の裏面をガスにて加圧するためのガス供給管４９が設けられている。ガス供給管４９には、ガス圧を制御するレギュレータ等のガス圧制御部５０が接続されている。
【０００８】
このＣＭＰ装置４１を使用した研磨方法は、回転する定盤４２及び研磨パッド４３上に、研磨剤供給管４５より研磨剤４４を滴下しながら、ウェーハ４６をセットしたウェーハキャリア４７を研磨パッド４３の方向に下降させる。次に、ウェーハキャリア４７を回転させながら、研磨剤４４が供給されている研磨パッド４３上にウェーハ４６のパターンの形成されている表面を接触させ、さらにはウェーハ４６の裏面にガス供給管４９からガスが供給されて、そのガス圧によってウェーハ４６が研磨パッド４３に押し付けられて研磨が行われ、ウェーハ４６の表面が平坦化される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のＣＭＰ装置４１では、以下のような問題があった。研磨レートに影響する主な因子であるウェーハ４６の回転数や加圧力を制御しているにもかかわらず、実際にはウェーハ４６の外周部が、中心部よりも多く研磨されるという問題がある。これは、ウェーハ４６の中心部はガス圧によってのみ加圧されているが、外周部はガス圧とウェーハ４６を支持しているリテーナリング４８の両方からなる圧力を受けて加圧される。これにより、ウェーハ４６の外周部に、より大きな加圧力が加わって中心部よりも多く研磨されると考えられる。
【００１０】
また、従来のＣＭＰ装置４１では、ウェーハ４６の裏面に加圧のためにガス供給管４９が設けられているが、ウェーハ４６の全面にわたって均一にガスを供給するためのものであり、ウェーハ４６の中心部と外周部でガス圧を調整する機構を備えておらず、従って加圧力を調整しても、上述したウェーハ４６の内外周における研磨量の差を解消することができない。
【００１１】
本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたもので、半導体ウェーハの全面をガスのみで直接加圧して研磨するＣＭＰ装置であって、ウェーハに加わるガス圧を場所により異なるように調整することによって、ウェーハ全面を均一に研磨することができるＣＭＰ装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載のＣＭＰ装置は、半導体ウェーハの裏全面をエアーのみで直接加圧して研磨するＣＭＰ装置であって、前記半導体ウェーハの区分された加圧エリアにガスを供給するガイド部と、前記加圧エリアに供給するガスの圧力を制御するガス圧制御部を備えたことを特徴とする。この構成により、ウェーハの区分された加圧エリアにわたって、圧力を任意に調整したガスを供給できる。従って、ウェーハ中心部のガス圧を高く、外周部へいくほど低くなるように設定すれば、ウェーハ全面を均一に研磨することができる。
【００１３】
また、請求項２記載のＣＭＰ装置は、請求項１記載のＣＭＰ装置であって、前記加圧エリアが仕切部で仕切られていることを特徴とする。この構成により、ガイド部と仕切部とウェーハにより遮蔽された空間が形成され、この空間にガスを供給するときに、隣接した空間にガスが漏れて、ウェーハに加わる圧力が減少することがない。従って、設定したガス圧を正確にウェーハに加えることができ、より精度良く研磨量を調整することができる。
【００１４】
また、請求項３記載のＣＭＰ装置は、請求項１記載のＣＭＰ装置であって、前記加圧エリアに加わる圧力を検知する圧力センサと、前記圧力センサで検知した圧力値に応じて前記ガス圧制御部に信号を送るガス圧検知部を備えたことを特徴とする。この構成により、研磨中のウェーハに加わる圧力変動をモニタでき、圧力値を調整できるので、安定して研磨できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明のＣＭＰ装置について、図面を参照して説明する。図１（ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施の形態のＣＭＰ装置の主要部を示す断面図及びガイド部の平面図である。
【００１６】
図１（ａ）に示すように、本発明のＣＭＰ装置１は、回転軸により回転駆動される定盤２と、定盤２上部に設けられた弾性を有する研磨パッド３と、研磨パッド３に所定量ずつ研磨剤４を供給する研磨剤供給管５と、研磨対象のウェーハ６を保持して回転するウェーハキャリア７から構成される。また、ウェーハキャリア７の内部には、ウェーハ６を支持するリテーナリング８と、ウェーハ６の各エリアにガスを供給するためのガス導入口９が設けられたガイド部１０と、ウェーハ６とガイド部１０で形成された空間を各エリア毎に仕切るための仕切部１１で構成される。
【００１７】
仕切部１１は、ウェーハ６の裏面に接触しておらず、ウェーハ６直近傍の所定位置を有して、ガイド部１０に固定されている。これにより、ウェーハ６とガイド部１０と仕切部１１とで、加圧エリア１２が形成される。また、加圧エリア１２にガスを供給するために、複数のガス供給管１３が設けられている。また、ガス供給管１３には、ガス圧を制御するレギュレータ等のガス圧制御部１４が接続され、加圧エリア１２に供給するガスの圧力を独立に制御できるようになっている。また、図１（ｂ）に示すように、ガイド部１０にはガスを供給するためのガス導入口９が半径の異なる同心円状に配列され、ガス導入口９を区切るように仕切部１１が形成されている。
【００１８】
本発明のＣＭＰ装置１を使用した研磨方法は、回転する定盤２及び研磨パッド３上に、研磨剤供給管５より研磨剤４を滴下しながら、ウェーハ６をセットしたウェーハキャリア７を研磨パッド３の方向に下降させる。次に、ウェーハキャリア７を回転させながら、研磨剤４が供給されている研磨パッド３上にウェーハ６の表面を接触させ、さらにウェーハ６裏面の各加圧エリア１２に、複数のガス供給管１３から、ガス圧制御部１４で圧力調整したガスを供給して、そのガス圧によってウェーハ６を研磨パッド３に押し付けて研磨が行い、ウェーハ６の表面を平坦化する。
【００１９】
本発明のＣＭＰ装置１では、新たにガイド部１０と仕切部１１を設けて加圧エリア１２を区分しているので、加圧エリア１２にガスが供給されたときに、隣接したエリアに、大きくガスが漏れ込むことがなく、供給されるガスの圧力をウェーハ６に精度良く伝えることができる。従って、圧力のきめ細かい調整が容易となり、微少な研磨量であっても、ウェーハ６全面にわたって均一に研磨することができる。
【００２０】
また、ガス圧がウェーハ６全面に均一であれば、従来のように外周部が中心部よりもよく研磨される状態になるが、本発明のＣＭＰ装置１では、ウェーハ６に加わるガス圧を、中心部を高く、外周部へいくほど低くなるように設定しているので、中心部の研磨不足を解消して、結果としてウェーハ６全面を均一に研磨することができる。
【００２１】
図２は本発明の第２の実施の形態のＣＭＰ装置の主要部を示す断面図である。上述した第１の実施の形態と同じ部分については、同一符号を付して説明は省略する。
【００２２】
この図２に示す第２の実施の形態では、ウェーハ６に加わる圧力をモニタするために、ウェーハ６とガイド部１０と仕切部１１とで形成される加圧エリア１２に加わる圧力を検知する圧電素子等の圧力センサ２２と、圧力センサ２２で検知した圧力値に応じてガス圧制御部１４に制御信号を送るガス圧検知部２３を新たに備えている。
【００２３】
本実施例のＣＭＰ装置２１では、研磨中に圧力の変動が生じた場合でも、圧力センサ２２で圧力を検知し、ガス圧検知部２３にてその圧力値を所定値と比較して、変動していればガス圧制御部１４を操作して、ガスの圧力を補正するものである。これにより、研磨中に圧力の変動が生じた場合でも、ウェーハ６全面を均一に研磨できる。
【００２４】
上述したウェーハを加圧するガスの種類は、エアーやＮ_２、Ａｒ等の不活性ガスが好適する。また、半導体ウェーハは、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓのいずれでも良い。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＣＭＰ装置によれば、ウェーハの裏面に新たにガイド部と仕切部を設けて加圧エリアを形成し、ガス圧制御部にてガス圧を独立して制御できるようにしたので、ウェーハ内でガス圧を正確にコントロールでき、ウェーハ全面を均一に研磨することができる。また、制御性・再現性にも優れ、ウェーハ面内の製品特性を均一化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるＣＭＰ装置の要部断面図及びガイド部の平面図
【図２】本発明の第２の実施の形態によるＣＭＰ装置の要部断面図
【図３】従来のＣＭＰ装置の要部断面図
【図４】従来のＣＭＰ装置の要部側面図及びＡ部拡大断面図
【符号の説明】
１　ＣＭＰ装置
２　定盤
３　研磨パッド
４　研磨剤
５　研磨剤供給管
６　ウェーハ
７　ウェーハキャリア
８　リテーナリング
９　ガス導入口
１０　ガイド部
１１　仕切部
１２　加圧エリア
１３　ガス供給管
１４　ガス圧制御部
２１　ＣＭＰ装置
２２　圧力センサ
２３　ガス圧検知部
３１　定盤
３２　研磨パッド
３３　ウェーハ
３４　リテーナリング
３５　ウェーハキャリア
３６　ウェーハパッド
４１　ＣＭＰ装置
４２　定盤
４３　研磨パッド
４４　研磨剤
４５　研磨剤供給管
４６　ウェーハ
４７　ウェーハキャリア
４８　リテーナリング
４９　ガス供給管
５０　ガス圧制御部

Claims (3)

1. 半導体ウェーハの全面をガスのみで直接加圧して研磨するＣＭＰ装置であって、前記半導体ウェーハの区分された加圧エリアにガスを供給するガイド部と、前記加圧エリアに供給するガスの圧力を制御するガス圧制御部を備えたことを特徴とするＣＭＰ装置。
2. 前記加圧エリアが仕切部で仕切られていることを特徴とする請求項１記載のＣＭＰ装置。
3. 前記加圧エリアに加わる圧力を検知する圧力センサと、前記圧力センサで検知した圧力値に応じて前記ガス圧制御部に信号を送るガス圧検知部を備えたことを特徴とする請求項１記載のＣＭＰ装置。

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