JP2004221566A - ポリシングヘッド及び化学機械的研磨装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ポリシングヘッド及び化学機械的研磨装置を提供する。
【解決手段】 化学機械的研磨装置に使用されるポリシングヘッド200は、底面に配置されるメンブレイン支持体210と、各々独立的に加圧される複数の領域を有する加圧部、ならびに加圧部を複数の領域に区切るため、前記領域の間の境界部から上部に延長された区画部を有し、メンブレイン支持体210に固定されるメンブレイン230と、前記区画部を固定し、メンブレイン支持体210に形成されたガイド溝内でメンブレイン230の加圧部と共に移動するスライドリング240を備える。ウェーハを領域に応じて他の圧力に加圧する場合にも、メンブレイン230を各領域に区切る区画部は固定されたスライドリング240がメンブレイン230の加圧部と共に移動するので、ウェーハと接するメンブレイン230の下部面が平たくなり、これによって、研磨均一度を向上させることができる。
【選択図】 図3

Description

本発明は半導体素子を製造するための装置に関するものであり、さらに詳細には、半導体ウェーハの表面を研磨する化学機械的研磨装置及びこれに使用されるポリシングヘッドに関するものである。
半導体素子製造工程はウェーハ上に薄膜層を形成する蒸着工程とその薄膜層上に微細の回路パターンを形成するためのエッチング工程とを含む。ウェーハ上に求められる回路パターンが形成されるまでこれら工程は繰り返され、回路パターンが形成された後に、ウェーハの表面には非常に多い屈曲が生じる。最近、半導体素子は高集積化に従ってその構造が多層化され、ウェーハ表面の屈曲の数とこれらの間の段差は増加している。しかし、ウェーハ表面の非平坦化はフォトリソグラフィ工程でディポカースなどの問題を発生するので、ウェーハの表面を平坦化するため、周期的にウェーハを研磨しなければならない。
ウェーハの表面を平坦化するための多様な表面平坦化技術がある。このうち狭い領域だけではなく、広い領域の平坦化においても優れた平坦度を得ることができる化学機械的研磨装置が主に使用される。
化学機械的研磨装置はタングステンや酸化物などで覆われたウェーハの表面を機械的摩擦により研磨すると同時に化学的研磨剤により研磨する装置として、非常に微細な研磨を可能にする。機械的研磨は回転する研磨用板である研磨パッドにウェーハを加圧及び回転させることによって、研磨パッドとウェーハ表面間の摩擦によりウェーハ表面を研磨するものであり、化学的研磨は研磨パッドとウェーハとの間に供給されるスラリという研磨剤によりウェーハ表面を研磨するものである。
このような化学機械的研磨装置を利用する平坦化装置として次のものが公知である。例えば、ウェーハは研磨面が研磨パッドと対向するようにポリシングヘッドに装着され、ウェーハの研磨面は回転する研磨パッド上に置かれる。ポリシングヘッドは調節可能な圧力をウェーハの後面に提供してウェーハを研磨パッド上に加圧する。このようなポリシングヘッドはウェーハを加圧するメンブレインとウェーハが工程進行中ポリシングヘッドから逸脱することを防止するためのリテイナリングとを備える。ポリシングヘッド内にはメンブレインを膨張させるため空気が流入するチャンバが形成される。ウェーハに加えられるロードはチャンバに流入する空気量により調節される(特許文献1及び特許文献2参照)。
たまに、ウェーハを領域別に別の圧力を加えることが必要である。このために、ポリシングヘッドはメンブレインを領域別に各々膨張させるため複数のチャンバを有する。しかし、一般的な場合、メンブレインを複数の領域に仕切るために領域間境界部から上部に延長された部分がメンブレインを支持する部分に固定されている。したがって、チャンバ内に空気が流入する時に、メンブレインの領域間境界部を除いた残りの部分のみ膨張する。これにより、ウェーハと接するメンブレインの下部面が折れ曲がり、メンブレインの折れ曲がった部分の下に配置されるウェーハ部分で研磨均一度が悪くなる。
米国特許第5,423,716号明細書 米国特許第6,361,419号明細書
本発明の目的は、メンブレインがその領域に従って各々別の圧力に加圧される時に、ウェーハと接するメンブレインの下部面が折れ曲がることを最小化することができるポリシングヘッド及び化学機械的研磨装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、メンブレインがその領域に従って別の圧力に加圧される時に、ウェーハに加えられる圧力の分布が緩慢になるようにするポリシングヘッド及び化学機械的研磨装置を提供することにある。
上述の目的を達成するために、本発明の化学機械的研磨装置は、プラテン、前記プラテン上に配置される研磨パッド、ならびに前記研磨パッドに半導体基板を加圧して前記半導体基板を研磨するポリシングヘッドを備える。前記ポリシングヘッドは底面に配置されるメンブレイン支持体、各々独立的に加圧される複数の領域を有する加圧部と前記加圧部を前記複数の領域に仕切るため前記複数の領域の間の境界部から上部に延長された区画部とを有し、前記メンブレイン支持体に固定されるメンブレイン、ならびに前記区画部を固定し、前記メンブレイン支持体に形成されたガイド溝内で前記メンブレインの加圧部と共に移動するスライド部を有する。
前記スライド部の底面は前記メンブレインが縮まる時に、前記ガイド溝の開放された下部面と同一の平面を形成する、または前記ガイド溝内に配置され、前記メンブレインが最大に膨張した時に前記メンブレインの加圧部が前記メンブレイン支持体から離隔された距離より高い高さを有することが望ましい。また、前記スライド部の底面は前記メンブレインの加圧部から一定の距離離隔されていることが望ましい。
前記ポリシングヘッドは前記スライド部が前記ガイド溝内で円滑に移動するように、前記ガイド溝の内壁と前記スライド部との間に配置されるバッファ部をさらに有する。前記バッファ部はテフロン(登録商標)などのポリテトラフルオロエチレンを材質にして形成され、または前記ガイド溝の内壁にグリースをコーティングして形成される。
前記スライド部は前記区画部が挿入される溝を有し、前記溝はその内部に挿入された前記メンブレインの区画部が逸脱することを防止するため、下部と、前記下部から延長され前記下部より広い断面積を有する上部とからなる。しかし、これと異なり、前記区画部は固定ピンにより前記ガイド溝に固定することができる。
本発明によると、ウェーハを領域に従って別の圧力に加圧する場合にも、メンブレインを各領域に仕切る区画部が固定されたスライドリングがメンブレインと共に移動するので、ウェーハと接するメンブレインの下部面が平たくなり、これによって、研磨均一度を向上させることができる効果がある。
以下、本発明の実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。前記図面において、同一の機能を実行する構成要素に対しては同一の参照番号が併記されている。
本発明の実施例は様々な形態に変形でき、本発明の範囲が以下で説明する実施例により限定されることとして解釈されなければならない。以下の実施例は当業界で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面での要素の形状はより明確な説明のために誇張されたものである。
図1は、本発明の望ましい一実施例による化学機械的研磨(chemical mechanical polishing:以下、CMP)装置1を示す斜視図である。図1を参照すると、CMP装置1はベース(base)10、プラテン(platen)110、研磨パッド(polishing pad)120、パッドコンディショナ(pad conditioner)140、スラリ供給アーム(slurry supply arm)130及びポリシングヘッドアセンブリ(polishing head assembly)20を含む。
研磨パッド120は所定の厚さを有する平板として、ウェーハと直接接触してウェーハを機械的に研磨する部分であり、粗い表面を有する。研磨パッド120はプラテン110上に設けられ、プラテン110により支持され、工程進行中プラテン110と共に回転することができる。プラテン110を所定の速度に回転させるため、ベース10内に駆動モータ(図示しない)を配置することができる。研磨パッド120の一側には研磨パッド120の研磨条件を維持するためのパッドコンディショナ140と研磨パッド120の表面にスラリを供給するスラリ供給アーム130とが配置される。
研磨パッド120の上部にはポリシングヘッドアセンブリ20が配置される。ポリシングヘッドアセンブリ20はウェーハの研磨面が研磨パッド120に向くようにウェーハを吸着固定し、工程進行中に研磨パッド120に対してウェーハWを加圧するポリシングヘッド(polishing head)200と駆動軸(driving shaft)202、ならびにポリシングヘッド200を駆動軸に対して研磨パッド120の回転方向と反対方向に回転させる駆動モータ(driving motor)204を有する。
図2と図3は各々図1のポリシングヘッド200を示す斜視図と断面図である。図2と図3を参照すると、ポリシングヘッド200はメンブレイン支持体(membrane supporter)210、リテイナリング(retainer ring)220、メンブレイン(membrane)230、第1チャンバ(first chamber)252、第2チャンバ(second chamber)254、第1流体供給ライン(firtst fluid supply line)262、第2流体供給ライン(second fluid supply line)264及びスライドリング(slide ring)240を備える。
メンブレイン支持体210はメンブレイン230を支持するための部分であり、支持プラテン212とクランプリング(clamp ring)214を含む。支持プラテン212とクランプリング214との間にはウェーハのエッジ部W2を加圧するための空気が流入する第1チャンバ252が形成される。クランプリング214の中央にはロード270が挿入され、ロード270と支持プラテン212との間にはウェーハWのウェーハW2を加圧するための空気が流入する第2チャンバ254が形成される。ポリシングヘッド200内には第1チャンバ252と第2チャンバ254に各々提供される空気の移動通路である第1流体供給ライン262と第2流体供給ライン264が形成され、第1流体供給ライン262と第2流体供給ライン264には各々真空ポンプ(図示しない)が連結される。
支持プラテン212は第1チャンバ252と第2チャンバ254の下に各々形成された第1ホール216と第2ホール217を有する。第1チャンバ252と第2チャンバ254に流入した空気は各々第1ホール216と第2ホール217を通じてメンブレイン230を加圧してメンブレイン230を膨張させる。支持プラテン212の第1ホール216と第2ホールとの間にはガイド溝(guide groove)(図11の290)が形成される。ガイド溝290は後述するスライドリング240が挿入される部分であって、支持プラテン212にのみ形成され、または支持プラテン212から延長されてクランプリング214まで形成される。
リテイナリング220は工程進行中メンブレイン230に吸着されたウェーハWがポリシングヘッド200から逸脱することを防止するためのものであって、支持プラテン212から所定の距離離隔され、メンブレイン230に吸着されたウェーハWを囲むように配置される。リテイナリング220の上部にはリテイナリング220を加圧するための空気が流入する第3チャンバ256とこれら空気の移動通路である第3流体供給ライン266とが形成される。
メンブレイン230は円形の薄いゴム膜でウェーハを吸着または加圧する部分である。メンブレイン230の断面を示す図4を参照すると、メンブレイン230は加圧部(pressure portion)232、第1固定部(first fixing portion)234、第2固定部236及び区画部(patition portion)238を有する。
メンブレインの加圧部232は支持プラテン212の下に配置され、ウェーハWの後面と直接的に面接触してウェーハWを加圧する部分で水平面を有する。メンブレインの加圧部232は各々別の圧力に加圧される第1領域232aと第2領域232bを有する。第1領域232aは第1チャンバ252に流入する空気により膨張することによって、ウェーハのエッジ部W1を加圧する部分であり、第2領域232bは第2チャンバ254に流入する空気により膨張することによって、ウェーハの中心部W2を加圧する部分である。
メンブレイン230の第1固定部234は支持プラテン212の側面と上部面のエッジを囲むように加圧部232の最外郭部分で延長された部分であり、支持プラテン212の上部に配置されるクランプリング214により固定される。第2固定部236はメンブレイン230の中央に真空ホール239を形成するため、加圧部232の中央から上部に延長された部分であり、ロード270に固定される。ポリシングヘッド200内の真空ホール239の上部にはウェーハWの吸着のための真空ライン268が形成され、真空ライン268は真空ポンプ(図示しない)と連結される。
メンブレインの区画部238は加圧部の第1領域232aと第2領域232bが各々別の入力により加圧されるように、加圧部232を二つの領域に区切る部分である。メンブレインの区画部238は第1領域232aと第2領域232bとの間の境界になる部分から上部に延長された部分である。メンブレイン230の区画部238はスライドリング240により固定される。スライドリング240はガイド溝290に挿入された部分であって、後に説明する。
上述の構造によりメンブレインの第1領域232aは第1チャンバ252に流入した空気により膨張してウェーハのエッジ部W1を加圧し、第1チャンバ252から真空ポンプにより空気が流出することによって縮まる。メンブレインの第2領域232bは第2チャンバに流入した空気により膨張してウェーハWの中心部W2を加圧し、第2チャンバ254から真空ポンプにより空気が流出することによって縮まる。
図5は、本実施例のスライドリング240を説明するため、図3の‘A’部分を拡大した図面であり、図6はスライドリング240の他の構成を示す図面である。
図5を参照すると、スライドリング240はメンブレイン230の区画部238が挿入される溝246を有する。スライドリング240に形成された溝230は下部246aと、下部246aから延長され下部246aより広い断面積を有するように形成された上部246bとからなる。メンブレイン230の区画部238は溝の下部246a及び上部246bに各々対応する幅を有する下部238aと上部238bからなる。上述の構造によりメンブレイン230の区画部238はスライドリング240に固定される。しかし、これと異なり、図6に示したように、スライドリング240の溝246とメンブレイン230の区画部238とは全部同一の幅を有するように形成され、メンブレインの区画部238は固定ピン249によりスライドリング240に固定される。望ましくは、前記メンブレイン230の区画部238は上述の下部232aと上部232bを有するスライドリングの溝246に挿入された状態で固定ピン246により固定される。スライドリング240はSUS(ステンレス鋼)を材質にして作ることができるが、その重さを減らすために、テフロン(登録商標)などのポリテトラフルオロエチレンを材質にして作られることが望ましい。
スライドリング240はその底面242がメンブレインの加圧部232から一定の距離離隔されるように配置される。これはスライドリングの底面242がメンブレインの加圧部と密着して接触した状態に配置されると、メンブレイン230が縮まる時に、メンブレイン230がスライドリングの底面242に掻かれるなど損傷される可能性があるためである。
また、スライドリング240はその底面242が支持プラテンの下部面213、すなわち、ガイド溝290の開放された下部面と同一の平面上に配置され、またはその底面242がガイド溝290内に挿入されるように配置される。スライドリング240の底面242がガイド溝290の外に突き出ると、メンブレイン230が縮まる時に、メンブレイン230がスライドリング240の突き出た部分により掻かれるなど損傷される可能性があるためである。
スライドリング240は図7に示したように、その断面が円形で形成され、または図8、図9及び図10に示したように、正多角形で形成される。正多角形で形成される場合に、角部分はラウンドされることが望ましい。
図11と図12は各々メンブレイン230の膨張の状態と収縮の状態を示す。メンブレイン230が膨張されれば、スライドリング240はガイド溝290に沿って下に移動し、徐々にガイド溝290から一部分逸脱する。メンブレイン230が縮まると、スライドリング240はガイド溝290に沿って上に移動し、ガイド溝290内に完全に挿入される。メンブレイン230が膨張する時に、スライドリング240がガイド溝290から完全に逸脱することを防止するために、スライドリング240はメンブレイン230が最大な膨張する時に加圧部232が支持プラテン212から離隔された距離より高い高さを有する。ガイド溝290の内側とスライドリング240との間にはバッファ部280が挿入される。バッファ部280はガイド溝290内でスライドリング240が柔らかに移動することができるように、ガイド溝290の内壁にグリースによってコーティングされた膜として形成されるか、テフロン(登録商標)などのポリテトラフルオロエチレンを材質にして作られた後に、ガイド溝290の内壁に付着して形成することができる。しかし、これと異なり、スライドリング240がSUS(ステンレス鋼)を材質にして作られた場合に、バッファ部280はスライドリング240の外周面にグリースによってコーティングされた膜として形成される。
図13は一般的なポリシングヘッド200でメンブレイン230が膨張した状態を示す図面であり、図14はメンブレインの第1領域232aに比べて第2領域232bに高い圧力が加えられる場合の、一般的なポリシングヘッド200と本実施例のポリシングヘッド200とのウェーハWの位置による除去率を示すグラフである。
図13に示したように、メンブレインの区画部238が直接支持プラテン212とクランプリング214により固定された一般的なポリシングヘッドではメンブレインの区画部238が固定されているので、メンブレインの第1領域232aと第2領域232bが膨張する時に、領域間の境界部は共に膨張しない。したがって、ウェーハWと接するメンブレイン230の加圧部232は折れ曲がった部分を有するようになり、これによって、ウェーハWに均一の圧力を提供することができないようになる。図14で、一般的なポリシングヘッドを使用した時のデータある点線で表示された部分を見ると、メンブレインの第1領域232aと第2領域232bとの間の境界部と接するウェーハの中心部W2とエッジ部W1との間に該当する部分は研磨率が大きく減少することが分かる。しかし、本実施例では、図12に示したように、加圧部の第1領域232aと第2領域232bが膨張する時に、メンブレイン230の区画部238が固定されたスライドリング240が下に移動するので、境界部で屈曲が生じることを最小化することができる。図14で、本実施例のポリシングヘッドを使用する時のデータである実線に表示された部分を見ると、ウェーハWの中心部W2とエッジ部W1との間の部分で除去率が全体的に緩慢な曲線になることが分かる。
本実施例では、メンブレイン230が二つの領域に区切られ、これによって、一つのスライドリングが設けられることを例としてあげて説明したが、メンブレインがこれよりさらに多い数の領域に区切られた場合には、複数のスライドリングが設けられる。
本発明の一実施例による化学機械的研磨装置を示す斜視図である。 本発明の一実施例によるポリシングヘッドを示す斜視図である。 本発明の一実施例によるポリシングヘッドを示す断面図である。 本発明の一実施例によるポリシングヘッドのメンブレインとウェーハとを示す断面図である。 図3のA部分を示す拡大断面図であって、本発明の一実施例によるポリシングヘッドのメンブレインの区画部をスライドリングに固定するための一構成を示す断面図である。 本発明の一実施例によるポリシングヘッドのメンブレインの区画部をスライドリングに固定するための他の一構成を示す断面図である。 本発明の一実施例によるポリシングヘッドのスライドリングを示す断面図である。 本発明の一実施例によるポリシングヘッドのスライドリングを示す断面図である。 本発明の一実施例によるポリシングヘッドのスライドリングを示す断面図である。 本発明の一実施例によるポリシングヘッドのスライドリングを示す断面図である。 本発明の一実施例によるポリシングヘッドのメンブレインの膨張の状態を示す模式図である。 本発明の一実施例によるポリシングヘッドのメンブレインの収縮の状態を示す模式図でる。 一般的なポリシングヘッドでメンブレインの区画部がメンブレイン支持体に固定された状態を示す模式図である。 本発明の一実施例によるポリシングヘッドと一般的なポリシングヘッドとを使用して研磨工程を進行する時のウェーハの各部分別除去率を示すグラフである。
符号の説明
110 プラテン、120 研磨パッド、200 ポリシングヘッド、210 メンブレイン支持体、212 支持プラテン、213 下部面、214 クランプリング、220 リテイナリング、230 メンブレイン、232 加圧部、232a 第1領域、232b 第2領域、234 第1固定部、236 第2固定部、238 区画部、240 スライドリング、252 第1チャンバ、254 第2チャンバ、280 バッファ部、290 ガイド溝、W ウェーハ

Claims (17)

  1. 半導体基板を化学機械的に研磨するための装置に使用されるポリシングヘッドにおいて、
    底面に配置されるメンブレイン支持体と、
    各々独立的に加圧される複数の領域を有する加圧部、ならびに前記加圧部を前記複数の領域に仕切るため前記複数の領域の間の境界部から上部に延長された区画部を有し、前記メンブレイン支持体に固定されるメンブレインと、
    前記区画部を固定し、前記メンブレイン支持体に形成されたガイド溝の内部で前記メンブレインの加圧部と共に移動するスライド部と、
    を備えることを特徴とするポリシングヘッド。
  2. 前記スライド部の底面は、前記メンブレインが縮まる時に、前記ガイド溝の開放された下部面と同一の平面を形成する、またはガイド溝内に配置されることを特徴とする請求項1に記載のポリシングヘッド。
  3. 前記スライド部は、工程進行中前記ガイド溝から完全に逸脱することを防止するため、前記メンブレインが最大に膨張した時に前記メンブレインの加圧部が前記メンブレイン支持体から離隔された距離より高い高さを有することを特徴とする請求項2に記載のポリシングヘッド。
  4. 前記スライド部はその底面が前記メンブレインの加圧部から一定の距離離隔されていることを特徴とする請求項1に記載のポリシングヘッド。
  5. 前記スライド部がガイド溝内で円滑に移動するように、前記メンブレイン支持体の前記ガイド溝の内壁と前記スライド部との間に配置されるバッファ部をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のポリシングヘッド。
  6. 前記バッファ部はポリテトラフルオロエチレンを材質にして形成されることを特徴とする請求項5に記載のポリシングヘッド。
  7. 前記バッファ部は前記ガイド溝の内壁にグリースをコーティングして形成されることを特徴とする請求項5に記載のポリシングヘッド。
  8. 前記スライド部は前記区画部が挿入される溝を有し、
    前記溝はその内部に挿入された前記メンブレインの区画部が逸脱することを防止するために、下部と、前記下部から延長され前記下部より広い断面積を有する上部とからなることを特徴とする請求項1に記載のポリシングヘッド。
  9. 前記スライド部は前記区画部が挿入される溝を有し、
    前記メンブレインの区画部は固定ピンにより前記スライド部に固定されることを特徴とする請求項1に記載のポリシングヘッド。
  10. 前記スライド部はポリテトラフルオロエチレンを材質にして形成されることを特徴とする請求項1に記載のポリシングヘッド。
  11. 前記スライド部はリングタイプで形成されることを特徴とする請求項1に記載のポリシングヘッド。
  12. 前記メンブレインは真空により前記半導体基板を吸着するため中央に形成されたホールを有することを特徴とする請求項1に記載のポリシングヘッド。
  13. 化学機械的研磨装置において、
    プラテンと、プラテン上に配置される研磨パッドと、前記研磨パッドに半導体基板を加圧して前記半導体基板を研磨するポリシングヘッドとを備え、
    前記ポリシングヘッドは、
    前記ポリシングヘッドの底面に配置されるメンブレイン支持体と、
    各々独立的に加圧される複数の領域を有する加圧部、ならびに前記加圧部を複数の領域に仕切るため前記複数の領域の間の境界部から上部に延長された区画部を有し、前記メンブレイン支持体に固定されるメンブレインと、
    前記区画部を固定し、前記メンブレイン支持体に形成されたガイド溝の内部で前記メンブレインの加圧部と共に移動するスライドリングとを有することを特徴とする化学機械的研磨装置。
  14. 前記スライドリングの底面は、前記メンブレインが縮まる時に、前記ガイド溝の開放された下部面と同一の平面を形成する、またはガイド溝内に配置されることを特徴とする請求項13に記載の化学機械的研磨装置。
  15. 前記スライドリングは、前記メンブレインが最大に膨張した時に前記メンブレインの加圧部が前記メンブレイン支持体から離隔された距離より高い高さを有することを特徴とする請求項14に記載の化学機械的研磨装置。
  16. 前記ポリシングヘッドは、前記スライドリングが前記ガイド溝内で円滑に移動するように、前記メンブレイン支持体の前記ガイド溝と前記スライドリングとの間に配置されポリテトラフルオロエチレンを材質にしたバッファ部をさらに有することを特徴とする請求項15に記載の化学機械的研磨装置。
  17. 前記スライドリングは前記メンブレインの区画部が挿入される溝を有し、
    前記溝はその内部に挿入された前記メンブレインの区画部が逸脱することを防止するため、下部と、前記下部から延長され前記下部より広い断面積を有する上部とからなることを特徴とする請求項15に記載の化学機械的研磨装置。
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