JP2004063888A - 化学機械研磨装置用のスラリ供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】化学機械研磨による半導体ウェハの研磨プロファイルの向上に寄与するスラリ供給装置を提供すること。
【解決手段】本発明は、半導体ウェハ２０を保持する研磨ヘッド１８と、研磨ヘッドにより保持されたウェハを研磨する研磨パッド２４とを有するＣＭＰ装置１０において用いられるスラリ供給装置３４において、スラリを移送するスラリ移送ライン３６と、スラリ移送ラインに接続され、スラリを研磨パッドに供給するノズル４０とを備え、ノズルが研磨パッドに対して位置調整可能となっていることを特徴とする。この構成では、ノズルの位置を調整して研磨パッドに対するスラリの供給位置の調整も自在に行うことができる。その結果として、研磨プロファイルの変更、向上が可能となる。
【選択図】　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの製造等に用いられる化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ。以下「ＣＭＰ」という）装置に関し、特に、ＣＭＰ装置における研磨パッドの表面に特殊な研磨液、いわゆるスラリを供給するためのスラリ供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造の分野においては、近年の半導体デバイスの微細化や多層化、或いは銅を配線材料として用いた半導体デバイスの実用化等に伴い、ウェハ表面の凹凸を平坦化する装置としてＣＭＰ装置の重要性が著しく増大している。
【０００３】
従来一般のＣＭＰ装置は、例えば特開平１０−３３７６５８号公報や特開平１１−７０４６４号公報に開示されているように、装置本体部に回転可能に設けられたプラテンと称される回転台と、プラテンの上面に貼り付けられた研磨パッドと、下面にて半導体ウェハを保持する研磨ヘッドと、研磨ヘッドを回転可能に取り付けるスピンドルとを備えている。
【０００４】
研磨パッドには、スラリ供給装置によりスラリが供給されるようになっている。従来のスラリ供給装置は、基端部がプラテンの外側にて装置本体部に支持され先端部が研磨パッドの中心部近傍の上方に配置されるアームを有している。アームの内部には、装置本体部の内部又は外部に設置されたスラリ供給源からのスラリを移送するためのスラリ移送管が配設されている。スラリ供給管の先端ノズルはアームの先端部の下面に固定されている。従って、スラリ移送管を通って送られてくるスラリは研磨パッドの中心部近傍の所定位置に供給される。
【０００５】
このようなＣＭＰ装置を用いて半導体ウェハの表面を研磨する場合、プラテン上の研磨パッドにスラリ供給装置によりスラリを供給しながら、プラテンを回転させると共に、研磨ヘッドにより保持された半導体ウェハを研磨パッドに接触させて研磨ヘッドを回転させる。また、研磨ヘッドを研磨パッド上で直線的に往復動（スイープ）させる。これにより、ウェハの表面は化学的に且つ機械的に研磨されるのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来のＣＭＰ装置においては、研磨対象となる膜の種類やスラリの種類に応じて、プラテン、すなわち研磨パッドの回転速度や、研磨ヘッドの回転速度、スイープ速度等を調整して最適化を図っているが、限界があり、更に研磨プロファイルを向上させるための手段が求められている。本発明の目的は、かかる要請に応えることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記目的を達成するために種々実験や検討を行ったところ、研磨パッドに対するスラリの供給位置を変えることで、研磨プロファイルに違いが生じることを見出した。図１は、その一例であり、スラリの供給位置を変えたこと以外は同一の条件で半導体ウェハ上の銅膜をＣＭＰプロセスにより研磨した場合の結果を表したグラフである。この図から理解される通り、一方の実験（◆のプロット）では半導体ウェハの外縁部での研磨量が中央部での研磨量に比して大幅に低下しているが、他方の実験（△のプロット）では半導体ウェハの外縁部での研磨量も中央部の研磨量と同程度となっている。また、面内均一性も△のプロットで示す実験結果の方が良いことがわかる。このように、スラリの供給位置によって研磨結果に影響があることを本発明者は見出した。
【０００８】
そこで、上記知見に基づき、本発明は、半導体ウェハ等の基板を保持する研磨ヘッドと、研磨ヘッドにより保持された基板を研磨する研磨パッドとを有するＣＭＰ装置において用いられるスラリ供給装置において、スラリを移送するスラリ移送ラインと、スラリ移送ラインに接続され、スラリを研磨パッドに供給するノズルとを備え、ノズルが研磨パッドに対して位置調整可能となっていることを特徴としている。
【０００９】
かかる構成のスラリ供給装置では、ノズルの位置調整が可能であり、よって研磨パッドに対するスラリの供給位置の調整も自在に行うことができる。その結果として、研磨プロファイルの変更を容易化すると共に、ＣＭＰ装置の研磨性能の向上等にも寄与する。
【００１０】
また、本発明によるスラリ供給装置は、研磨パッドに隣接するＣＭＰ装置の部分にて基端部が固定され且つ先端部が研磨パッドの上方の所定位置に配置され、スラリ移送ラインを保持するアームと、アームに移動可能に取り付けられ、ノズルを支持するノズル支持体と、ノズル支持体をアームに対して固定する固定手段とを更に備えることを特徴としている。
【００１１】
このようなアームは、従来のスラリ供給装置におけるアームと同等のものであり、通常時には所定位置で固定されて使用される。従って、従来のＣＭＰ装置における他の構成要素の配置レイアウトを変更することなく、本発明のスラリ供給装置を適用することが可能となる。
【００１２】
更に、アームには、研磨パッドの表面状態を維持するためのリンス液を移送するリンス液移送ラインと、リンス移送ラインに接続され研磨パッドにリンス液を供給するノズルとが設けられていることが好ましい。リンス液は、研磨パッド上の凝固スラリや異物を除去するために、研磨パッド上で回転及びスイープするコンディショナヘッドと共に用いられが、研磨パッド上の特定位置に供給されることが必要となる。従って、通常時には不動とされるアームにリンス液移送ライン及びノズルを設けることが有効となるのである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１４】
図２は、本発明に係るＣＭＰ装置１０の外観を概略的に示す斜視分解図である。図２に示すように、ＣＭＰ装置１０の本体部１２は、上面に研磨テーブル１４を有し、この研磨テーブル１４上には、複数（図示実施形態では３つ）の研磨ステーション１６と、後述の研磨ヘッド１８に対して半導体ウェハ（基板）２０の受渡しを行う移送ステーション２２とが形成されている。研磨ステーション１６と移送ステーション２２とは正方配列で配置されている。
【００１５】
各研磨ステーション１６は、研磨パッド２４が装着される回転可能なプラテン２６を含んでいる。プラテン２６及び研磨パッド２４は装置本体部１２の内部に配置されたモータにより回転駆動される。
【００１６】
また、各研磨ステーション１６は、研磨パッド２４の状態を良好に維持するためのコンディショナ２８を備えている。コンディショナ２８は、プラテン２６の側方にて研磨テーブル１４に基端部が回転可能に支持された揺動アーム３０と、この揺動アーム３０の先端部に回転可能に取り付けられたコンディショナヘッド３２とを有している。コンディショナ２８は、純水、その他のリンス液を回転中の研磨パッド２４上に供給しながら、コンディショナヘッド３２を研磨パッド２４に当接させた状態で回転させつつ、揺動アーム３０を揺動させることで、研磨パッド２４上の凝固スラリや異物を除去することができる。
【００１７】
更に、各研磨ステーション１６には、図３〜図５にも示す通り、半導体ウェハ２０の表面を化学的に且つ機械的に研磨するために用いられる研磨液、いわゆるスラリを研磨パッド２４に供給するためのスラリ供給装置３４が設けられている。スラリは、例えば酸化物研磨用の脱イオン水のような反応剤及び例えば二酸化ケイ素のような研磨粒子等を含んでいる。スラリ供給装置３４は、装置本体部１２内に配置されているスラリ供給源（例えば、スラリ貯蔵タンク及び圧送用のポンプ）と、そこから送られてくるスラリを移送するスラリ移送管（スラリ移送ライン）３６と、スラリ移送管３６を保持し、且つ基端部がプラテン２６の側方にて研磨テーブル１４に取り付けられたアーム３８とを有している。スラリ移送管３６に接続されたスラリ吐出用のノズル４０は、研磨パッド２４の中心部近傍の上方に配置されている。このスラリ供給装置３４については、以下で更に詳細に説明する。
【００１８】
装置本体部１２の上方には、水平断面が略十字形のスピンドル４２が配置されている。スピンドル４２の中心部は、装置本体部１２の中心部から垂直方向上方に延びる支持シャフト４４により支持されている。スピンドル４２は、装置本体部１２内のモータによって支持シャフト４４を中心として回転駆動されるようになっており、また上下動可能ともなっている。
【００１９】
スピンドル４２の外方に延びる４つの突出部にはそれぞれ、垂直方向下方に延びる回転シャフト４６が設けられており、各回転シャフト４６の下端には研磨ヘッド１８が取り付けられている。研磨ヘッド１８は、半導体ウェハ２０を下面にて保持して研磨パッド２４に当接させるものである。回転シャフト４６はスピンドル４２に内蔵のモータによって回転駆動される。更に、回転シャフト４６は、図示しない往復動機構により、スピンドル４２の中心軸線から放射方向に延びる線に沿って往復動可能となっている。
【００２０】
スピンドル４２を回転させることで、４つの研磨ヘッド１８のうち３つをそれぞれ研磨パッド２４上に配置することができる。その際、残りの１つは移送ステーション２２に対して配置され、当該研磨ヘッド１８に移送ステーション２２から半導体ウェハ２０を移動させ、或いは逆に、当該研磨ヘッド１８から移送ステーション２２に半導体ウェハ２０を移すことができる。
【００２１】
研磨を行う場合、研磨パッド１８に対し、コンディショナ２８の揺動アーム３０及びコンディショナヘッド３２、スラリ供給装置３４のアーム３６並びに研磨ヘッド１８は、図３に示す位置関係に置かれる。この位置関係において、研磨パッド１８を回転させて、スラリ供給装置３４によりスラリを研磨パッド１８上の中心部近傍に供給すると、スラリは遠心力により外方に広がっていく（図３の斜線部分参照）。研磨パッド１８の回転中心にスラリを流下させることも考えられるが、スラリがどの方向に広がるか不定となってしまうため、図３に示すように僅かに偏心した位置にスラリは供給される。研磨ヘッド１８はスラリが十分に広がった位置にあり、そこで当該研磨ヘッド１８を回転させ且つ直線的に往復動させることで、研磨ヘッド１８の下面にて保持された半導体ウェハ２０は、化学的に且つ機械的に研磨される。
【００２２】
ここで、スラリ供給装置３４について更に詳細に説明する。
【００２３】
スラリ供給装置３４は、前述したように、スラリ移送管３６を保持するアーム３８を備えている。アーム３８は、上板部４８、下板部５０及び側板部５２，５３により構成された中空の長尺物である。このアーム３８の基端部の下面から支持シャフト５４が延びており、研磨テーブル１４に回転自在に取り付けられている。従って、アーム３８は支持シャフト５４を中心にして水平方向に揺動可能となっているが、研磨時や、研磨と研磨との間の待機時を含む通常時には、図３の実線で示す位置に固定され、メンテナンス時等の特別な場合に限り、プラテン２６の外側に揺動される。通常時におけるアーム３８の位置は、研磨パッド２４、揺動アーム３０及びコンディショナヘッド３２等のＣＭＰ装置１０の他の構成要素と干渉しない位置とされる。また、アーム３８内には、コンディショナ２８を用いる場合にリンス液を研磨パッド２４に供給するためのリンス液移送ライン５６が形成されることが好ましいという関係上、アーム３８は通常時、所定の位置に固定される。これは、研磨パッド２４に対するコンディショナ２８による調整プロセスが、例えば１枚の半導体ウェハ２０の研磨が終了した後、次の半導体ウェハ２０の研磨を行う前に行うことが多く、その間、リンス液移送ライン５６に連通するノズル５８からリンス液を研磨パッド２４に供給するため、アーム３８を移動させることができないという理由による。
【００２４】
アーム３８の内部には、スラリ供給源（図示しない）から延びるスラリ移送管３６が配設されている。図示実施形態では、２種のスラリの使用が可能なように、２本のスラリ移送管３６が設けられている。スラリ移送管３６は可撓性のものが好ましい。スラリ移送管３６はアーム３８の先端部まで延び、ノズル４０に接続されている。
【００２５】
ノズル４０は、アーム３８に対して位置調整が可能となっている。具体的には、ノズル４０はアーム３８の先端部に回転可能に取り付けられたノブ（ノズル支持体）６０に固定されており、ノブ６０の回転中心を中心とした円形軌道にて位置を変更することが可能となっている。
【００２６】
ノブ６０は、アーム３８の先端部において、上板部４８及び側板部５２，５３よりも突出している下板部５０の突出部分に載置される。ノブ６０は略円筒形であり、上板部６２、側板部６４及び下板部６６からなる。下板部６６の中央部には、ノブ６０の中心軸線と同軸に貫通孔６８が形成されている。この貫通孔６８を画している下板部６６の内縁には複数の歯７０が形成されている。アーム３８における下板部５０の突出部分の上面からは、円筒形の支持部７２が突設されており、この支持部７２がノブ６０の貫通孔６８に嵌挿されるようになっている。支持部７２の上端には外向きフランジ７４が設けられており、このフランジ７４によりノブ６０の抜止めがなされている。また、支持部７２の下部にはノブ６０の歯７０と噛合する複数の歯７６が設けられている。従って、ノブ６０がアーム３８の下板部５０に載置された状態では、ノブ６０の歯７０と支持部５０の歯７６との噛合いによってノブ６０は一定の位置に固定された状態となる。一方、ノブ６０を引き上げると、支持部５０の歯７６からノブ６０の歯７０が分離するため、ノブ６０を自由に回転させることができる。
【００２７】
ノブ６０の側板部６４には開口７８が形成されており、この開口７８に対向する部分にノズル４０が固定されている。スラリ移送管３６は開口７８に通され、ノズル４０に接続されている。ノズル４０は、吐出口が下向きとなるＬ字管であり、スラリ移送管３６により移送されてきたスラリをその直下位置に流下させることができる。スラリ移送管３６は可撓性であるため、ノブ６０を回してノズル４０の位置を変えても、その動きに円滑に追従することができるが、ノブ６０の側板部６４の外面にストッパ８０を突設し、アーム３８の側板部５２，５３の先端と係合可能として、ノブ６０の回転可能範囲を限定することが好ましい。
【００２８】
このような構成においては、ノブ６０を持ち上げることで回してノズル４０の位置を調整することができるので、研磨パッド２４に対するスラリの供給位置を適宜変更することが可能である。図１を参照して説明した通り、スラリの供給位置に応じて研磨結果が異なる。よって、本発明によるスラリ供給装置３４を用いることで、最適な研磨が可能となるスラリ供給位置を容易に見出すことができる。
【００２９】
なお、ノブ６０の上板部６２の上面にマーク８２を設け、アーム３８の上板部４８先端の上面に目盛り８４を設けておくことで、ノズル４０の位置、すなわちスラリ供給位置を容易に認識することが可能となる。
【００３０】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。
【００３１】
例えば、上記実施形態では、手動にてノブ６０を回すことによりスラリの供給位置を調整することとしているが、モータ等の駆動装置によりノブ６０を回転駆動させることもできる。かかる場合、例えば研磨ヘッド１８の動作と同期させてノブ６０を動かしてスラリ供給位置を移動させることができる。
【００３２】
また、上記実施形態では、ノブ６０を介してノズルを移動させているが、ノズル自体を動作させるようにすることも考えられる。
【００３３】
更に、スラリ移送管３６を廃して、アーム３８内に流路（スラリ移送ライン）を形成してもよい。
【００３４】
更にまた、ノブ６０を固定するための固定手段も歯７０，７６によるものに限られない。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ＣＭＰ装置の研磨パッドに対するスラリの供給位置が可変となる。従って、スラリやその他の研磨条件に応じてスラリの供給位置を適宜変えて、最適な研磨結果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スラリ供給位置により研磨プロファイルに違いが生じることを示すグラフである。
【図２】本発明によるスラリ供給装置が適用可能なＣＭＰ装置を概略的に示す斜視分解図であり、装置本体部については斜め上方から見た状態、スピンドルについては斜め下方から見た状態で示した図である。
【図３】研磨パッドに対するスラリ供給装置、研磨ヘッド及びコンディショナの配置を概略的に示す平面図である。
【図４】本発明によるスラリ供給装置のアームの先端部を詳細に示す一部切欠き側面図である。
【図５】本発明によるスラリ供給装置のアームの先端部を詳細に示す一部切欠き平面図である。
【符号の説明】
１０…ＣＭＰ装置、１２…装置本体部、１８…研磨ヘッド、２０…半導体ウェハ（基板）、２４…研磨パッド、２６…プラテン、２８…コンディショナ、３０…揺動アーム、３２…コンディショナヘッド、３４…スラリ供給装置、３６…スラリ移送管（スラリ移送ライン）、３８…アーム、４０…ノズル、４２…スピンドル、５６…リンス液移送ライン、５８…ノズル、６０…ノブ（ノズル支持体）、７０…歯（固定手段）、７２…支持部、７６…歯（固定手段）。

Claims (3)

1. 基板を保持する研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドにより保持された基板を研磨する研磨パッドとを有する化学機械研磨装置において用いられるスラリ供給装置であって、
   スラリを移送するスラリ移送ラインと、
   前記スラリ移送ラインに接続され、スラリを前記研磨パッドに供給するノズルと、
   を備え、前記ノズルが前記研磨パッドに対して位置調整可能となっていることを特徴とする化学機械研磨装置用のスラリ供給装置。
2. 前記研磨パッドに隣接する前記化学機械研磨装置の部分にて基端部が固定され且つ先端部が前記研磨パッドの上方の所定位置に配置され、前記スラリ移送ラインを保持するアームと、
   前記アームに移動可能に取り付けられ、前記ノズルを支持するノズル支持体と、
   前記ノズル支持体を前記アームに対して固定する固定手段と、
   を更に備える請求項１に記載の化学機械研磨装置用のスラリ供給装置。
3. 前記アームには、前記研磨パッドの表面状態を維持するためのリンス液を移送するリンス液移送ラインと、前記リンス移送ラインに接続され前記研磨パッドにリンス液を供給するノズルとが設けられている請求項１又は２に記載の化学機械研磨装置用のスラリ供給装置。

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