JP2004505435A - Orbital polishing equipment - Google Patents
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Abstract
本発明は、ウエハの前面を平坦化する装置および方法である。本発明は、研磨パッド(207)を支持するための硬質プラテン(221)を含み、これはプラテンを軌道運動させる手段を有する支持台に接続されるか、または前記軌道運動させる手段に接続される。キャリア(215)は、個別に制御可能な複数の圧力領域(204,228)を有する前面基準キャリアであることが望ましく、支持台が硬質プラテンを軌道運動させる間、研磨パッド(207)に対してウエハを保持し、これに押圧するのに使用できる。平坦化工程は、4mm未満の半径で研磨パッドを軌道運動させるか、または400周回/分を超える速度で研磨パッドを軌道運動させることによって、あるいはその両方によって、さらに最適化できる。The present invention is an apparatus and a method for planarizing the front surface of a wafer. The invention includes a hard platen (221) for supporting the polishing pad (207), which is connected to a support having means for orbiting the platen, or connected to said means for orbiting. . The carrier (215) is preferably a front reference carrier having a plurality of individually controllable pressure zones (204, 228), wherein the carrier supports the polishing pad (207) while orbiting the hard platen. It can be used to hold and press a wafer. The planarization step can be further optimized by orbiting the polishing pad with a radius of less than 4 mm and / or orbiting the polishing pad at a rate of greater than 400 revolutions / minute.
Description
【0001】
(産業上の利用分野)
本発明は一般に、半導体の製造に関し、詳しくは、半導体の製造に使用される薄膜の平坦化と除去のための化学機械研磨(CMP)法および研磨装置の分野に関する。
【0002】
(従来の技術)
単結晶シリコンの平板なディスク、すなわち、ウエハは、半導体業界では、集積回路を製造する基礎となる基板材料である。半導体のウエハは通常、長い円筒形またはボウル状に単結晶シリコンを成長させ、ついで、この円筒から個々のウエハにスライスすることによって作製される。このスライシングによって、ウエハの両面は極めて粗くなる。上に集積回路が作製されるウエハの前面は、後にウエハに設けられる材料の各層と高信頼性の半導体接合を実現するために、極めて平板にしなければならない。また、集積回路の相互接続を構築する間に、ウエハに設けられる材料層(通常、導体の場合は金属、絶縁体は酸化物で作られる薄膜が堆積された層)は、均一な厚さに作製しなければならない。
【0003】
今日製造される集積回路は、半導体基板内に形成されるトランジスタやコンデンサなど、文字通り数百万個の能動素子からなる。集積回路は、能動素子を機能回路に接続するために、高度なメタライゼーション・システムに依存する。図1に、典型的な多層相互接続100を示す。MOSトランジスタ107などの能動素子は、シリコン基板の上またはウエル102の中に形成される。SiO2などの層間誘電体(ILD)104は、シリコン基板102の上に形成される。ILD104は、第1レベルのメタライゼーション、通常はアルミニウムを、基板102内に形成される能動素子から電気的に分離するために使用される。金属化接点106は、基板102内に形成される能動素子を、第1レベルのメタライゼーションの相互接続108と電気的に結合する。同様の方法で、金属ビア112は、第2レベルのメタライゼーションの相互接続114を、第1レベルのメタライゼーションの相互接続108と電気的に結合する。接点106およびビア112は通常、窒化チタン(TiN)などのバリア層金属118で周囲を囲まれたタングステン(W)などの金属116からなる。さらにILD/接点とメタライゼーション層を互いに積み重ねて、所望の相互接続を実現できる。
【0004】
平坦化は、平板なプレーナ表面を作るために、突起その他の欠陥を局所的にも全体的にも除去するプロセス、および/またはウエハ上の堆積薄膜層を均一な厚さにするために材料を除去することである。半導体のウエハは、平坦化または研磨されて、平滑かつ平板な仕上がりを達成した後に、集積回路または相互接続をウエハの上に作る工程段階を実施する。現代の複雑で高密度の多層相互接続を製造する労力のかなりの部分は、相互接続構造の個々の層の平坦化に費やされる。表面が平坦でないと、続くフォトリソグラフィ処理工程における光学的分解能が悪くなる。光学的分解能が悪いと、高密度の線をプリントする妨げになる。表面の形状が平坦でないことに伴うもう1つの問題に、後から形成するメタライゼーション層のステップ・カバレージがある。段差が大きすぎると、開路(オープンサーキット)が生じる深刻な問題がある。現代の高密度集積回路の製造には、平坦な相互接続表面層が必要とされるのである。このため、構造化されたウエハと未だ構造化されていないウエハの両方の平坦化を調節するためのCMPツールが開発されている。
【0005】
ウエハを平坦化するための従来のCMPツールでは、ウエハはシャフトに接続されたキャリアに保持される。シャフトは通常、ロードまたはアンロード・ステーションと、プラテン上に取り付けられた研磨パッドに近接する位置との間でウエハを搬送する機械的手段に接続される。ウエハを研磨パッドに押圧するために、ウエハ裏面に、キャリアを介して圧力がかけられる。このときスラリーを介在させるのが普通である。続いてシャフトおよび/またはプラテンに接続されたモータを用いて、ウエハおよび/または研磨パッドを相対移動させ、ウエハ前面から平坦な状態に材料を除去する。
【0006】
キャリアと研磨パッドとの相対運動が、平坦化工程では重要な要素である。半導体の製造工程では新しい要求条件や材料が使用されるため、キャリアと研磨パッドの動きの改善が引き続き求められる。平坦化工程の目標の1つは、ウエハの前面全体にわたり均一な速度で材料を除去することである。均一な速度で材料の除去を試みる1つの方法は、ウエハ前面のどのポイントにも、研磨パッドに対して、他のポイントと同じ相対運動をさせることである。オービタル・ツール(orbital tool)は、軌道全体にわたり研磨パッドの回転方向を継続的に維持しつつ、研磨パッドを、研磨パッドの中心からオフセットされた軸の周囲に軌道運動させるもので、この目標を達成するための1つの考えられる方法である。オービタル・ツールが望ましいのは、ウエハ前面上のどのポイントも、研磨パッドに対して他のポイントと同じ円運動を行わせることができるからである。
【0007】
従来のオービタル・ツールは、ダイヤフラムにより支持される研磨パッドを使用する。前面基準キャリア(front−reference carrier)は当該技術分野において、流体またはフレキシブルなダイヤフラム/隔膜によってウエハを支持するものとして知られる。前面基準キャリアは、裏面の形状とは無関係に、ウエハの裏面に均一に圧力をかけることができる。出願人は、前面基準キャリアを従来のオービタル・ツール、すなわち、ダイヤフラムによって支持された研磨パッドを有するものとともに使用すると、結果的に、平坦化工程の安定性が欠如することを発見した。安定性が欠如する理由は全部が解明されてはいないが、出願人は固定された基準面がないことが原因で起きた可能性があると考える。
【0008】
従来のオービタル・ツールに関するもう1つの問題点は、より速い速度で材料が除去されるウエハ前面の周辺領域では、バンド(帯)が残る傾向があることである。出願人は、このバンドの幅が通常、研磨プラテンの軌道直径と同じであることに注目した。このバンドは、研磨パッドの周辺部が保持リングにより若干コンディションが整えられる一方で、平坦化工程からの残留物が研磨パッドの中心に溜まることが原因で起こる可能性があると出願人は考える。この結果、残留物が溜まった研磨パッドに対応するウエハの中心は研磨速度が遅くなり、一方、研磨パッドのコンディションが整えられた周辺部に対応するウエハの周辺領域では研磨速度が早くなる。
【0009】
よって、ウエハの周辺部における不均一な材料除去によるバンドを最小化する一方、安定した加工をもたらす、ウエハ前面を高精度に平坦化するためのシステムが必要である。
【0010】
(発明の概要)
本発明は、ウエハの前面を平坦化する装置および方法である。本発明は、硬質プラテンを含み、すなわち、先行技術のように、研磨パッドを支持するために隔膜またはダイヤフラムを使用しない。このプラテンは、プラテンを軌道運動させる手段を有する支持台(supporting base)に接続されるか、または前記軌道運動させる手段に接続される。キャリアは、前面基準キャリアであることが望ましく、支持台がプラテンを軌道運動させる間、ウエハを保持し、研磨パッドに対して押し当てる。
【0011】
また、平坦化工程の間、ウエハを回転またはその他の運動をさせるため、軸を介して、キャリアをモータに接続することができる。さらに、ウエハ裏面に、複数の異なる圧力ゾーンを適用できるキャリアを使用することにより、平坦化工程に対し一層のフレキシビリティが得られる。軌道半径および/または軌道速度を調整することにより、種々のウエハ、およびウエハ上に堆積された薄膜について平坦化工程を最適化できる。従来の軌道半径よりも小さい半径で研磨パッドを軌道運動させる、または従来の軌道速度より速い速度で研磨パッドを軌道運動させること、好ましくは2つを組み合わせることにより、平坦化の結果を改善できることを出願人は見出した。
【0012】
本発明は、キャリア、好ましくは前面基準キャリア内にウエハを装てんして、実質的に硬質のプラテンに取り付けられた研磨パッドに近接してウエハを配置することによって、実施できる。ウエハは、研磨パッドに好ましくは4mm未満の半径、400軌道/分を超える速度で軌道運動させながら、ウエハを研磨パッドに対して押圧することによって、平坦化される。また、キャリアは、ウエハの前面上に形成されることが多いパターンを平滑化して除去するように回転させることができる。このほかに、キャリアを、時計方向と反時計方向に交互に、好ましくは360度未満の角度で回転させて、キャリアへの流体の供給を単純化することもできる。
【0013】
個別に制御可能な複数の圧力ゾーンを有する前面基準キャリアを使用する場合には、平坦化工程についてさらなる改善が得られる。ウエハ前面上の、除去する材料の多い領域または少ない領域に応じて、ウエハ裏面に当接させて加える圧力を増減できる。ウエハの平坦化工程は、研磨パッドからウエハを取り外すか、またはウエハと研磨パッドの間の相対的な動きを停止することによって終了できる。
【0014】
(好適な実施例の説明)
本発明を添付図面と併せて以下に説明する。図面において、同じ番号は同じ要素を表す。
【0015】
半導体基板とその上に形成される薄膜の研磨に使用される改良された研磨装置および研磨方法を説明する。以下に、多くの具体的詳細を述べて、出願人による本発明の最良の実施態様を明らかにし、当業者が本発明を作製かつ使用できるようにする。しかしながら、当業者には、本発明がこれらの具体的詳細なしでも実施可能なことが明らかであろう。場合によっては、本発明を不必要に曖昧にすることを避けるため、周知の機械および工程段階については特に詳しく述べない。
【0016】
図2を参照して、本発明を実施する装置について考察する。前面基準キャリア215は、平坦化工程の間、ウエハ216を保持して、研磨パッド207に対してウエハを押圧するのに使用できる。前面基準キャリアは、ウエハ216の裏面に突起がある場合でも、ウエハ216の裏面に実質的に均一の圧力を加える。このため、裏面基準キャリア(back−reference carrier)の突起に関わる問題、すなわち、これらの突起と反対側のウエハ前面のスポットに局所的に強い圧力が生じることが回避される。前面基準キャリアは通常、加圧流体(例:ろ過空気、脱イオン水など)、および/またはフレキシブル隔膜(flexible membrane)/ダイヤフラム203を使用して、ウエハ216の裏面に均一に圧力を加える。本発明を実施するのに使用できる前面基準キャリアの数例が、米国特許第5,423,716号(Strasbaugh),米国特許第5,449,316号(Strasbaugh),米国特許第5,635,083号(Breivogel等),米国特許第5,851,140号(Barns等),米国特許第6,012,964号(Arai等)および米国特許第6,024,630号(Shendon等)に開示され、これらはここに参考資料として包含される。
【0017】
キャリア215は、複数の領域204,228またはゾーンを有することができ、これらは通常互いに同心状であって、複数の均一な圧力領域を生じるように、個別に加圧できる。言い換えれば、各領域は互いに異なる圧力がかけられるが、各領域内の圧力は実質的に均一である。複数ゾーンキャリア215は、ウエハ216の前面のバルジ(膨らみ:bulge)を有する同心状の領域から余分な材料を迅速に除去するために好適に使用することができる。特に、複数ゾーン・キャリア215は、バルジと反対側のウエハ216の裏面に対して、より高い均一な圧力を加えることができる。同時に、ウエハ裏面の他の領域、たとえば、バルジ間の領域では、より低い均一な圧力をかけられる。本発明を実施するために使用できる複数ゾーン前面基準キャリアの例は、米国特許第5,941,758号(Mack),米国特許出願第09/540,476号および米国特許出願第08/504,686号に開示され、これらはすべてここに参考資料として包含される。
【0018】
図2は、本発明を実施するための装置とともに、個別に制御可能な均一圧力領域204,228を有する前面基準キャリア215の1つの実施例を示す。圧力源227は、マニホールド229を介して2つの圧力調整器223,224に圧力を供給できる。圧力調整器223,224は、コンピュータ制御されるのが望ましく、制御システム230と接続できる。圧力調整器223,224は、加圧流体をキャリアシャフト201内の対応する回転カップラ(図示せず)に送ることができる。回転カップラはついで、シャフト201内のチューブまたはチャネル225,226を通して、加圧流体を、キャリア215内の対応するチューブまたはチャネルに送ることができる。キャリア215内のチューブまたはチャネルはついで、加圧流体を、キャリア215内のプレナム(plenum)204,228に流通させ、ウエハ216の裏面上の対応する領域に加えられる圧力を制御する。プレナム204,228は、1つまたは複数のリング形状のバリヤ205によって分離されて、各プレナムが別個の内圧を有することができるようにする。このため、本発明のこの実施例では、制御システム230は、ウエハ216の裏面上の2つの領域204,228に加えられる圧力を個別に制御できる。ウエハ裏面上に所望の圧力をかけることを容易にするため、他にも種々のキャリアを使用できることを理解されたい。特に前面基準キャリア215について詳しく記載しており、本発明は前面基準キャリアを用いて実施することが望ましいが、本発明は種々の前面基準キャリアおよび裏面基準キャリアを使用しても実施可能である。
【0019】
キャリア215は、静止状態に保持するか、または種々の運動を行わせることができ、たとえば、研磨パッド上で線形運動、軌道運動、振動または回転運動させることができる。たとえば、キャリア215は、シャフト201を介して、モータ222により回転可能である。キャリア215が回転する場合には、約10から20rpmで回転することが望ましい。キャリア215を回転させることにより、研磨パッド207の軌道運動の周期性によって、ウエハ前面上に生じがちなパターンを平滑化または除去することが認められた。また、キャリア215を、時計方向と反時計方向に交互に回転させることができる。複数のチャンバを有する前面基準キャリアを使用する場合には、これは特に利点がある。どのチャンバも、動作するには追加の流体供給路(fluid communication path)が必要である。キャリア215が1つの方向にのみ回転する場合には、ロータリーカップリング(Rotary Coupling)など複雑な流体供給手段を必要とする。しかしながら、キャリア215が、時計方向と反時計方向に交互に回転する場合、さらに好ましくは360度まで回転しない場合には、従来のチューブなどの複雑性の低い流体供給手段を使用できる。
【0020】
平坦化工程の間、ウエハ216の前面は、一般にはスラリーが存在するなかで、硬質プラテン221に固定された研磨パッド207へと押圧される。研磨パッド207は、たとえば、IC1000、またはSuba IV研磨パッドによって支持されるIC1000でよい。両方の製品とも、アリゾナ州フェニックスに本社を置くRodel Inc.により製造かつ商業的に提供される。使用する具体的な研磨パッド207は、ウエハ216の特性に応じて変更できるが、通常はウレタン・ベースの材料からなる。図3に示すように、研磨パッド207は、スラリーを研磨パッド207の表面に供給するための穴322を具備することができる。スラリーは一般に、研磨する材料の種類に依存して異なる添加剤を入れたシリカ・ベースの溶液である。また、研磨パッド207は、研磨パッド207の表面全体にスラリーが行き渡るのを支援するために、溝(図示せず)を具備することもできる。
【0021】
図2に戻って参照して、プラテン221は、研磨パッド207を載置するために、実質的に平坦な表面を有する硬質材料から作製できる。本発明のプラテン221は、研磨パッドを支持するために加圧ダイヤフラムまたは隔膜を使用する先行技術のオービタル・ツールの従来型プラテンよりも、硬質にすべきである。たとえば、プラテン221は、アルミニウム,ステンレス鋼,セラミック,チタンまたはその他の硬質かつ好ましくは非腐食性の材料から構成される。
【0022】
平坦化工程の間、プラテン221は、支持台220により軌道運動することができる。図4aを参照して、研磨パッドの軌道運動について詳述する。研磨パッドは時間1,時間2,時間3および時間4において、それぞれ位置207a,207b,207c,207dに移動し、その結果、研磨パッド上の「X」は円400aを描いて移動する。研磨パッドは軌道運動時には回転しないことに注意されたい。軌道半径は円400aまたは研磨パッド上の1つの軌道運動ポイントにより描かれる他の円の半径と同じである。円400aにより示される軌道運動の大きさは、軌道運動を説明しやすくするために、通常所望される大きさよりも大きめである。
【0023】
図4bを参照して、ウエハ216を、複数の円運動400bとともに示す。円運動400bは、軌道運動中にウエハ216の前面上の各ポイントがたどる動きを表す。円運動400bを生じる軌道の半径は、円運動400aを生じる軌道の半径よりも大幅に小さい。軌道半径は、軌道運動を生じるために使用される機構によって制御でき、ここではその幾つかの例を考察する。
【0024】
米国特許第5,582,534号(Shendon)および米国特許第5,938,884号(Hoshizaki等)は、キャリアの軌道運動を生じるための幾つかの機構を開示する。軌道運動を生じるために開示されたこれらの機構の原理は、当業者をして、プラテン221を軌道運動させることができる支持台220を作製するために応用でき、ここに参考資料として包含される。
【0025】
図5は、プラテン211の軌道運動を生じさせるのに使用できる典型的な支持台220の断面図である。この支持台は概ね、米国特許第5,554,064号(Breivogel等)に開示され、ここに参考資料として包含される。支持台220は、地面にしっかりと固定できる剛体のフレーム502を具備する。固定フレーム502は、運動生成器502を支持し、そのバランスをとるために使用される。下方ベアリング506の外側リング504は、クランプによって固定フレーム502にしっかりと固定される。固定フレーム502は、下方ベアリング506の外側リング504が回転するのを防ぐ。円形で中空の硬質ステンレス鋼の本体により形成される波動生成器(wave generator)508は、下方ベアリング506の内側リング510に取り付けられる。波動生成器508はまた、上方ベアリング514の外側リング512に取り付けられる。波動生成器508は、上方ベアリング514を下方ベアリング506と平行に配置する。波動生成器508は、上方ベアリング514の中心軸515を、下方ベアリング506の中心軸517からオフセットする。アルミニウムの円形プラテン211は、上方ベアリング514の内側リング519に対して対称に配置されて、これにしっかりと固定される。研磨パッドまたは研磨パッド・アセンブリは、プラテン211の上面の外側端の周囲に形成されるリッジ(ridge)525にしっかりと固定できる。2つのピボット・ポイント520a,520bを有する自在継手518は、固定フレーム502と、プラテン211の下面とにしっかりと固定される。波動生成器508の下方部分は、中空かつ円筒形のドライブ・スプール(drive spool)522と硬く接続されて、これは、ついで、中空かつ円筒形のドライブ・プーリ523と接続される。ドライブ・プーリ523は、ベルト524によりモータ526と結合される。モータ526は、可変速度の3相2馬力ACモータとすることができる。
【0026】
プラテン211の軌道運動は、波動生成器508をスピンさせることによって生じる。波動生成器508は、可変速モータ526によって回転される。波動生成器508が回転するにつれ、上方ベアリング514の中心軸515が、下方ベアリング506の中心軸517の周囲を回る。上方ベアリング517の軌道半径は、上方ベアリング514の中心軸515と、下方ベアリング506の中心軸517とのオフセット(R)526に等しい。上方ベアリング514は、波動生成器508の回転に等しい速度で、下方ベアリング506の中心軸517の周囲を回転する。波動生成器508が回転するにつれ、上方ベアリング514の外側リング512が軌道運動すると同時に回転(スピン)することに注意されたい。自在継手518の機能は、プラテン211の回転またはスピンによるトルクを防ぐことである。自在継手518の2つのピボット・ポイント520a,520bにより、プラテン211は、回転方向を除く全方向に動くことができる。プラテン211を上方ベアリング514の内側リング519に接続し、かつ自在継手518をプラテン211と固定フレーム502とに接続することによって、内側リング519とプラテン211の回転運動が妨げられて、プラテン211は所望の軌道運動のみを行う。プラテン211の軌道速度は、波動生成器508の回転速度に等しく、プラテン211の軌道半径は、上方ベアリング514の中心515の、下方ベアリングの中心517からのオフセットに等しい。研磨パッドの軌道運動を容易にするために、他にも種々の周知の手段を使用できることを理解されたい。軌道運動を生じさせる具体的な方法を詳しく述べたが、本発明は、プラテン211上の研磨パッドを軌道運動させるための種々の技術を使用して実施できる。
【0027】
図2と図6とを参照して、本発明の典型的な動作方法を説明する。第1段階は、ウエハ216をキャリア215に装てんすることである(段階600)。裏面基準キャリア215も使用可能であるが、本発明では、前面基準キャリア215を使用すると、良好な結果が得られた。ウエハ216が、その前面に1つまたは複数の同心のバルジを有する場合には、個別に制御可能な複数の圧力領域を有する前面基準キャリア215を使用するのが適切である。個別に制御可能な圧力領域は、ウエハの凹部または低いポイントに当接してかけられる圧力よりも、バルジに当接するウエハ裏面に高い圧力をかけることができる。バルジの数と位置は、たとえば、その場(in situ)で測定を行うか、または前処理工程により生じた一般的なウエハの形状を知ることによって決定できる。
【0028】
ついで、ウエハ216を、硬質プラテン221に固定された研磨パッド207に近接して配置する(段階601)。ウエハ216を研磨パッド207に近接する位置に移動する機械的手段は、当該技術分野で知られており、本発明を不必要に曖昧にすることを避けるため言及しない。ウエハ216の裏面に加えられる圧力により、ウエハは研磨パッド207へと押圧される(段階604)。ウエハ216裏面に加えられる最適圧力は、ウエハ216の特性,研磨パッド207,スラリー,所望の除去速度およびその他の要素に依存して変化しうる。しかしながら、約3psiから約7psiの間の圧力が極めて良好な結果を生じた。ただし、本発明はこれより低いまたは高い圧力でも容易に使用し得る。
【0029】
ウエハ216が研磨パッド207に押し当てられる(段階604)とほぼ同時に、研磨パッド207は、軌道運動を開始することができ(段階602)、キャリアは回転を開始できる(段階603)。研磨パッド207は、400周回/分を超える速度で軌道運動することが望ましく、出願人は、軌道半径16mm、軌道速度約600回/分において、極めて良好な平坦化を得た。また、研磨パッドの軌道半径は、6mm未満にすることができ、出願人は、軌道回転周波数約6400周回/分、軌道半径約1.5mmにおいて、極めて良好な平坦化を得た。小さい軌道半径では一般に、ウエハ前面から材料を除去する所与の速度を保つために、軌道周期を高くする必要がある。キャリアは30rpmより低い速度で回転することができ、約10から約20rpmの間の速度が望ましい。キャリア215が、時計方向または反時計方向に、360度まで回転せずに、交互に回転する場合には、流体供給路225,226を簡素化できる。
【0030】
終点検出システムからの入力に基づき、または経験により割り出された具体的な平坦化工程で要する時間に基づき、ウエハ216を研磨パッド207から取り外し、平坦化工程を終了することができる。
【0031】
本発明を特定の実施例に関して説明してきたが、当業者であれば、本発明の意図および範囲を逸脱せずに、形態および細部に変更を加えられることがわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体の集積回路に使用される標準的な多層相互接続構造の断面図である。
【図2】ウエハを、硬質プラテンに取り付けられた研磨パッドに対して保持する前面基準キャリアの断面図である。
【図3】軌道運動する研磨パッドに近接するウエハの平面図である。
【図4a】研磨パッドの軌道運動中の4つの異なる時間における軌道運動する研磨パッドとともに示された、静止状態のウエハの平面図である。
【図4b】軌道運動のみによってウエハ前面のあらゆる点で経験される動きを示す、ウエハの前面の図である。
【図5】研磨パッドの軌道運動を生じさせる1つの考えられる機構の断面図である。
【図6】本発明を実施する1つの考えられる方法を示すフローチャートである。[0001]
(Industrial applications)
The present invention relates generally to semiconductor manufacturing, and more particularly to the field of chemical mechanical polishing (CMP) methods and polishing equipment for planarizing and removing thin films used in semiconductor manufacturing.
[0002]
(Conventional technology)
Flat disks, or wafers, of single crystal silicon are the substrate materials on which integrated circuits are made in the semiconductor industry. Semiconductor wafers are typically made by growing single crystal silicon in a long cylindrical or bowl shape, and then slicing the cylinder into individual wafers. Due to this slicing, both surfaces of the wafer become extremely rough. The front side of the wafer, on which the integrated circuits are fabricated, must be extremely flat to achieve a highly reliable semiconductor bond with each layer of material later provided on the wafer. Also, during the construction of integrated circuit interconnects, the material layers provided on the wafer (usually metal for conductors, and oxides for insulators) are deposited to a uniform thickness. Must be made.
[0003]
Integrated circuits manufactured today consist of literally millions of active elements, such as transistors and capacitors formed in a semiconductor substrate. Integrated circuits rely on advanced metallization systems to connect active devices to functional circuits. FIG. 1 illustrates a
[0004]
Planarization is a process that removes protrusions and other defects, both locally and globally, to create a planar planar surface, and / or removes material to achieve a uniform thickness of the deposited thin film layer on the wafer. It is to remove. After the semiconductor wafer has been planarized or polished to achieve a smooth and flat finish, the process steps for making integrated circuits or interconnects on the wafer are performed. A significant portion of the effort to manufacture modern complex, high density, multi-layer interconnects is spent on planarizing individual layers of the interconnect structure. If the surface is not flat, the optical resolution in the subsequent photolithography process will be poor. Poor optical resolution hinders printing of dense lines. Another problem associated with uneven surface shapes is the step coverage of subsequently formed metallization layers. If the step is too large, there is a serious problem that an open circuit (open circuit) occurs. The fabrication of modern high-density integrated circuits requires a flat interconnect surface layer. For this reason, CMP tools have been developed for adjusting the planarization of both structured and unstructured wafers.
[0005]
In a conventional CMP tool for planarizing a wafer, the wafer is held in a carrier connected to a shaft. The shaft is typically connected to mechanical means for transporting the wafer between a loading or unloading station and a location adjacent to a polishing pad mounted on a platen. Pressure is applied to the backside of the wafer via the carrier to press the wafer against the polishing pad. At this time, it is usual to interpose a slurry. Subsequently, using a motor connected to a shaft and / or a platen, the wafer and / or the polishing pad are relatively moved to remove the material from the front surface of the wafer in a flat state.
[0006]
The relative movement between the carrier and the polishing pad is an important factor in the planarization process. As new requirements and materials are used in semiconductor manufacturing processes, there is a continuing need to improve the movement of carriers and polishing pads. One of the goals of the planarization process is to remove material at a uniform rate over the entire front surface of the wafer. One method of attempting to remove material at a uniform rate is to have any point on the front side of the wafer move relative to the polishing pad relative to other points. The orbital tool orbits the orbital movement of the polishing pad about an axis offset from the center of the polishing pad while continuously maintaining the rotational direction of the polishing pad throughout the trajectory. One possible way to accomplish this. Orbital tools are desirable because any point on the front side of the wafer can cause the polishing pad to make the same circular motion as the other points.
[0007]
Conventional orbital tools use a polishing pad supported by a diaphragm. A front-reference carrier is known in the art as supporting a wafer with a fluid or flexible diaphragm / septum. The front reference carrier can uniformly apply pressure to the back surface of the wafer, regardless of the shape of the back surface. Applicants have discovered that the use of a front reference carrier with conventional orbital tools, i.e., having a polishing pad supported by a diaphragm, results in a lack of stability in the planarization process. Although the reasons for the lack of stability are not fully understood, applicant believes that it may have been caused by the lack of a fixed reference plane.
[0008]
Another problem with conventional orbital tools is that there is a tendency for bands to remain in the peripheral area on the front side of the wafer where material is being removed at a faster rate. Applicants have noted that the width of this band is typically the same as the orbit diameter of the polishing platen. Applicants believe that this band may be caused by the residue from the planarization process accumulating in the center of the polishing pad while the periphery of the polishing pad is slightly conditioned by the retaining ring. As a result, the polishing rate is reduced at the center of the wafer corresponding to the polishing pad in which the residue is accumulated, while the polishing rate is increased in the peripheral region of the wafer corresponding to the peripheral portion where the condition of the polishing pad is adjusted.
[0009]
Therefore, there is a need for a system for precisely flattening the front surface of a wafer that provides stable processing while minimizing bands due to uneven material removal at the periphery of the wafer.
[0010]
(Summary of the Invention)
The present invention is an apparatus and a method for planarizing the front surface of a wafer. The present invention includes a hard platen, ie, does not use a diaphragm or diaphragm to support the polishing pad as in the prior art. The platen is connected to a supporting base having means for orbiting the platen, or is connected to the means for orbiting the platen. The carrier is preferably a front reference carrier, which holds and presses the wafer against the polishing pad while the support orbits the platen.
[0011]
Also, the carrier can be connected to a motor via a shaft to rotate or otherwise move the wafer during the planarization process. Further, by using a carrier on the backside of the wafer that can apply a plurality of different pressure zones, more flexibility is obtained for the planarization process. By adjusting the orbit radius and / or orbit velocity, the planarization process can be optimized for various wafers and thin films deposited on the wafer. By orbiting the polishing pad with a radius smaller than the conventional orbital radius, or by orbiting the polishing pad at a speed higher than the conventional orbital speed, preferably by combining the two, the planarization result can be improved. Applicant has found.
[0012]
The invention can be practiced by loading the wafer in a carrier, preferably a front reference carrier, and placing the wafer in proximity to a polishing pad mounted on a substantially rigid platen. The wafer is planarized by pressing the wafer against the polishing pad while orbiting the polishing pad, preferably at a radius of less than 4 mm, at a speed greater than 400 orbits / minute. Also, the carrier can be rotated to smooth and remove patterns that are often formed on the front side of the wafer. Alternatively, the carrier can be rotated in a clockwise and counterclockwise direction, preferably at an angle of less than 360 degrees, to simplify the supply of fluid to the carrier.
[0013]
If a front reference carrier with a plurality of individually controllable pressure zones is used, a further improvement is obtained for the planarization process. The pressure applied in contact with the back surface of the wafer can be increased or decreased according to the region on the front surface of the wafer where the material to be removed is large or small. The wafer planarization process can be terminated by removing the wafer from the polishing pad or by stopping relative movement between the wafer and the polishing pad.
[0014]
(Description of the preferred embodiment)
The present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the drawings, like numbers represent like elements.
[0015]
An improved polishing apparatus and polishing method used for polishing a semiconductor substrate and a thin film formed thereon will be described. In the following, numerous specific details are set forth in order to elucidate the best mode of practice of the present invention by applicant, and enable any person skilled in the art to make and use the invention. However, it will be apparent to one skilled in the art that the present invention may be practiced without these specific details. In other instances, well known machines and process steps have not been described in detail in order to avoid unnecessarily obscuring the present invention.
[0016]
With reference to FIG. 2, consider an apparatus embodying the present invention. Front reference carrier 215 can be used to hold
[0017]
The carrier 215 can have a plurality of regions 204, 228 or zones, which are typically concentric with each other and can be individually pressurized to produce a plurality of uniform pressure regions. In other words, different pressures are applied to each area, but the pressure in each area is substantially uniform. The multi-zone carrier 215 can be advantageously used to quickly remove excess material from a concentric area having a bulge on the front side of the
[0018]
FIG. 2 shows one embodiment of a front reference carrier 215 having individually controllable uniform pressure regions 204, 228, together with an apparatus for implementing the present invention. The pressure source 227 can supply pressure to the two pressure regulators 223 and 224 via the manifold 229. The pressure regulators 223, 224 are preferably computer controlled and can be connected to the control system 230. Pressure regulators 223, 224 can deliver pressurized fluid to a corresponding rotating coupler (not shown) in carrier shaft 201. The rotating coupler can then direct pressurized fluid through tubes or channels 225, 226 in shaft 201 to corresponding tubes or channels in carrier 215. The tubes or channels in the carrier 215 then direct the pressurized fluid through the plenums 204, 228 in the carrier 215 to control the pressure applied to a corresponding area on the backside of the
[0019]
The carrier 215 can be held stationary or have various movements, for example, can have a linear, orbital, oscillating or rotational movement on a polishing pad. For example, the carrier 215 can be rotated by the motor 222 via the shaft 201. When the carrier 215 rotates, it is desirable to rotate at about 10 to 20 rpm. By rotating the carrier 215, it has been found that the periodicity of the orbital movement of the
[0020]
During the planarization process, the front side of the
[0021]
Referring back to FIG. 2, the platen 221 can be made from a hard material having a substantially flat surface for mounting the
[0022]
During the planarization process, the platen 221 can be orbited by the support 220. The orbital movement of the polishing pad will be described in detail with reference to FIG. The polishing pad moves to
[0023]
Referring to FIG. 4b,
[0024]
U.S. Patent No. 5,582,534 (Shendon) and U.S. Patent No. 5,938,884 (Hoshizaki et al.) Disclose several mechanisms for producing orbital motion of a carrier. The principles of these mechanisms disclosed to produce orbital motion can be applied by one of ordinary skill in the art to create a support 220 capable of orbiting the platen 221 and are hereby incorporated by reference. .
[0025]
FIG. 5 is a cross-sectional view of an exemplary support 220 that can be used to cause orbital movement of the platen 211. This support is generally disclosed in U.S. Pat. No. 5,554,064 (Breivogel et al.), Which is hereby incorporated by reference. The support base 220 includes a rigid frame 502 that can be firmly fixed to the ground. The fixed frame 502 is used to support and balance the motion generator 502. The outer ring 504 of the lower bearing 506 is firmly fixed to the fixed frame 502 by a clamp. The fixed frame 502 prevents the outer ring 504 of the lower bearing 506 from rotating. A wave generator 508 formed by a round, hollow, hard stainless steel body is attached to the inner ring 510 of the lower bearing 506. The wave generator 508 is also mounted on the outer ring 512 of the upper bearing 514. Wave generator 508 places upper bearing 514 parallel to lower bearing 506. Wave generator 508 offsets center axis 515 of upper bearing 514 from center axis 517 of lower bearing 506. The aluminum circular platen 211 is symmetrically disposed with respect to the inner ring 519 of the upper bearing 514 and is securely fixed thereto. The polishing pad or polishing pad assembly can be securely secured to a ridge 525 formed around the outer edge of the upper surface of the platen 211. A universal joint 518 having two pivot points 520a, 520b is fixedly secured to the fixed frame 502 and the lower surface of the platen 211. The lower portion of the wave generator 508 is rigidly connected to a hollow and cylindrical drive spool 522, which in turn is connected to a hollow and cylindrical drive pulley 523. Drive pulley 523 is coupled to motor 526 by belt 524. Motor 526 may be a variable speed three-phase two-horsepower AC motor.
[0026]
The orbital movement of the platen 211 is caused by spinning the wave generator 508. The wave generator 508 is rotated by a variable speed motor 526. As the wave generator 508 rotates, the center axis 515 of the upper bearing 514 rotates about the center axis 517 of the lower bearing 506. The orbit radius of the upper bearing 517 is equal to the offset (R) 526 between the center axis 515 of the upper bearing 514 and the center axis 517 of the lower bearing 506. The upper bearing 514 rotates about the central axis 517 of the lower bearing 506 at a speed equal to the rotation of the wave generator 508. Note that as wave generator 508 rotates, outer ring 512 of upper bearing 514 orbits and rotates (spins) at the same time. The function of the universal joint 518 is to prevent torque due to rotation or spin of the platen 211. The two pivot points 520a, 520b of the universal joint 518 allow the platen 211 to move in all directions except the direction of rotation. By connecting the platen 211 to the inner ring 519 of the upper bearing 514 and connecting the universal joint 518 to the platen 211 and the fixed frame 502, the rotational movement of the inner ring 519 and the platen 211 is hindered, and Orbital motion only. The orbital speed of the platen 211 is equal to the rotational speed of the wave generator 508, and the orbital radius of the platen 211 is equal to the offset of the center 515 of the upper bearing 514 from the center 517 of the lower bearing. It should be understood that various other known means may be used to facilitate the orbital movement of the polishing pad. Although specific methods of orbiting have been described in detail, the present invention can be implemented using various techniques for orbiting the polishing pad on platen 211.
[0027]
With reference to FIGS. 2 and 6, a typical operation method of the present invention will be described. The first step is to load the
[0028]
Next, the
[0029]
At about the same time that the
[0030]
The
[0031]
Although the present invention has been described with respect to particular embodiments, those skilled in the art will recognize that changes may be made in form and detail without departing from the spirit and scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a standard multilayer interconnect structure used in semiconductor integrated circuits.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a front reference carrier that holds a wafer against a polishing pad attached to a hard platen.
FIG. 3 is a plan view of a wafer in proximity to an orbiting polishing pad.
FIG. 4a is a plan view of a stationary wafer shown with the orbiting polishing pad at four different times during the orbiting of the polishing pad.
FIG. 4b is a front view of the wafer showing the motion experienced at every point on the front of the wafer by orbital motion only.
FIG. 5 is a cross-sectional view of one possible mechanism for causing orbital movement of the polishing pad.
FIG. 6 is a flowchart illustrating one possible method of implementing the present invention.
Claims (15)
a)硬質プラテン;
b)前記プラテンを軌道運動させるために、前記プラテンに接続された支持台;
c)前記プラテン上に取り付けられた研磨パッド;および
d)ウエハを保持し、前記研磨パッドに対して押圧するように構成されるキャリア;
を備える装置。An apparatus for planarizing a wafer, comprising:
a) a hard platen;
b) a support connected to the platen for orbiting the platen;
c) a polishing pad mounted on the platen; and d) a carrier configured to hold and press a wafer against the polishing pad;
An apparatus comprising:
a)前記キャリアに接続されたシャフト;および
b)前記シャフトおよび前記キャリアを回転させる、前記シャフトに接続されたモータ;
を備える請求項1記載の装置。The device further comprises:
a) a shaft connected to the carrier; and b) a motor connected to the shaft for rotating the shaft and the carrier;
The apparatus of claim 1 comprising:
a)ウエハをキャリアに装てんする段階;
b)前記ウエハを、硬質プラテンに取り付けられた研磨パッドに近接して配置する段階;
c)前記ウエハを前記研磨パッドに押圧する段階;
d)前記研磨パッドを軌道運動させる段階;および
e)前記ウエハを前記研磨パッドから取り外す段階;
を含む方法。A method for planarizing a wafer, comprising:
a) loading the wafer into the carrier;
b) placing the wafer in proximity to a polishing pad attached to a hard platen;
c) pressing the wafer against the polishing pad;
d) orbiting the polishing pad; and e) removing the wafer from the polishing pad;
A method that includes
a)前記ウエハを前記研磨パッドから取り外す前に、前記ウエハを回転させる段階;
を含む請求項8記載の方法。The method further includes:
a) rotating the wafer before removing the wafer from the polishing pad;
The method of claim 8, comprising:
a)前記ウエハを前記研磨パッドから取り外す前に、前記ウエハを時計方向と反時計方向に交互に回転させる段階;
を含む請求項8記載の方法。The method further includes:
a) rotating the wafer alternately clockwise and counterclockwise before removing the wafer from the polishing pad;
The method of claim 8, comprising:
前記ウエハの裏面の中心領域に対して第1圧力をかける段階;および前記中心領域に対して同心の周辺領域に前記第1圧力とは異なる第2圧力をかける段階;
を含む請求項8記載の方法。The pressing step further includes:
Applying a first pressure to a central area on the back side of the wafer; and applying a second pressure different from the first pressure to a peripheral area concentric with the central area;
The method of claim 8, comprising:
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