JP2005136406A - 化学的機械研磨システム - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体ウエハの化学的機械研磨(CMP)システムにおいて、プラテン(106)は、その中央部分の研磨パッドが簡単に除去でき、研磨中にそのエッジにおいてパットが持ち上げられるのを防ぐように構成されたＣＭＰシステムを提供すること。
【解決手段】 研磨パッドを受けるプラテンの表面は、環状部分(302)によって囲まれるほぼ円形の中央部分(300)を有する。中央部分(300)は、研磨パッドの内側部分をプラテン(106)に結合する減少された取り付け表面積を与えるように溝が付けられている。低い表面ぬれ係数を有する第２のフルオロポリマーが中央部分(300)に設けられる。高い表面ぬれ係数を有する第２のフルオロポリマーが環状部分(302)に設けられる。
【選択図】 図３（Ａ）

Description

本発明は、一般に、半導体ウエハの処理に関し、特に、化学的機械研磨システムに関する。

化学的機械研磨(chemical mechanical polishing: CMP)は、半導体ウエハの製造に広く用いられる半導体ウエハを平坦化する及び/又は研磨することである。名前が示しているように、プロセスに対して２つの要素がある：すなわち化学的及び機械的な研磨である。化学的研磨は、ウエハ上にある不完全さ及び不純物を取り除く化学的ステップを含む。機械的研磨は、ウエハを平坦にするために、研磨剤のある“研磨パッド”上でウエハを回転するステップを含む。一般に、ウエハは、ウエハキャリアに上側を下にして取り付けられ、プラテン上にある研磨パッド上で回転される。プラテンも回転される。一般に、化学薬品や研磨剤を含むスラリーがパッド上に導かれる。パッドに欠陥がなければないほど、ウエハに与える欠陥が少なく、パッドの寿命は長くなる。

多くのＣＭＰサイクルの過程で生じるかもしれない一つの問題は、プラテンのエッジの周りにあるプラテンのコーティングの層間剥離である。これによって、パッドがエッジに密着しにくくなり、エッジ部分でパッドが上方にはがれるようになり、ウエハに対して危険なものとなる。

他の問題は、パッドを取りかえることは思うほど簡単ではない。何故ならば、パッドがプラテンに密着して結合されると、ＣＭＰプロセス中にパッドに加えられる力によって、パッドが最初に存在した以上の強さでパッドに密着するからである。

本発明の実施例によれば、化学的機械研磨システムは、研磨パッドをプラテンに結合する第１の面を有するプラテンを含む。この第１の面は、ほぼ円形の中心部分とその周りを囲む環状部分を有する。ほぼ円形の中央部分は、ある面積を囲み、ほぼ円形の中央部分によって囲まれた面積より小さな取り付け表面積を有している。取り付け表面積は、研磨パッドの内側部分をプラテンに結合している。

本発明の他の実施例によると、化学的機械研磨システムは、ほぼ円形の中心部分とそれを囲む環状部分を含む第１の表面を有するプラテンを有する。ほぼ円形の中心部分は、低い表面ぬれ係数(wetting coefficient)を有する、そこから外方に設けられた第１のコーティングを有する。環状部分は、高い表面ぬれ係数を有する、そこから外方に設けられた第２のコーティングを有する。

本発明の実施例は、多くの技術的利点を提供する。本発明の実施例は、これら利点の全て、幾らかを有する。化学的機械研磨プロセス中に半導体ウエハの欠陥を減少することは、歩留まりを大きく改善する。一つの実施例において、ウエハに対する危険性を大きく減少する、研磨パッドがエッジにおいて持ち上がるのを防止するために、高い結合力がプラテンの周囲に維持される。更に、取りかえるためにプラテンの中央を横切って研磨パッドを剥がすために必要とされる力の量が減少される。これは、取りかえる時間をスピードアップするばかりでなく、パッドを取り除くのに必要な物理的な力を減少する。
他の技術的な利点は、図面、説明及び請求項から当業者に容易に明らかであろう。

本発明の実施例及びそれらの利点は、図１〜図３(B)を参照することによって最も良く理解されるであろう。同じ部分については同じ参照番号用いる。

図１は、本発明の一つの実施例による化学的機械研磨（CMP)システム１００の斜視図である。一般に、ＣＭＰシステム１００は、半導体ウエハ１０２の処理中に１つ以上の半導体ウエハ１０２を研磨及び/又は平坦化するために機能する。ＣＭＰシステム１００の一例は、アプライド社によって製造された"Mirra Mesa CMP"装置である；しかし、本発明の教示内で、他の適したＣＭＰシステムを利用することができる。図示された実施例において、ＣＭＰシステム１００は、プラテン１０６に結合された研磨パッド１０４、ウエハ１０２を操作するスピンドル１１０を有するウエハキャリア１０８、及び液体のスラリー１１６を研磨パッド１０４の上面に与えるためのスラリー・デリバリー・システム１１４を有する。

適当な金属、例えば、アルミニウム又はステンレススチールから形成されるプラテン１０６、及び研磨パッド１０４は、矢印１２８によって示されるように、ＣＭＰプロセス中に回転するように構成される。更に、ウエハキャリア１０８は、スピンドル１１０によって、一般に、矢印１３０によって示されるように、プラテン１０６と研磨パッド１０４の方向と逆の方向にウエハ１０２を回転する。したがって、双方が回転している間に、ウエハ１０２が研磨パッド１０４に押し付けられると、ウエハ１０２は研磨され及び/又は平坦化され、ウエハ１０２上にきれいで、平らな表面が得られる。

スラリー・デリバリー・システム１１４は、ＣＭＰプロセスを高めるためにあらゆる適当な方法で液状のスラリー１１６を研磨パッドに与える。液状のスラリー１１６は、ウエハ１０２上にある金属、酸化物、及び他の不純物を除去するか、あるいは少なくとも部分的に除去するためにウエハ１０２と相互作用する酸及び/または他の適当な化学薬品を含む。液状のスラリー１１６は、またＣＭＰプロセス中にウエハ１０２を削る小さな粒子のガラス及び/または他の適当な研磨用の物質を含むことができる。

多くのＣＭＰサイクルの課程中に生じるかもしれない一つの問題は、プラテン１０６の外方エッジの周りにある、プラテン１０６上のコーティング１０７の層間剥離である。これによって、研磨パッド１０４が外側エッジに密着しにくくなり、エッジ部分で研磨パッド１０４が上方にはがれるようになり、これはウエハに対して危険なものとなる。他の問題は、研磨パッド１０４の取替え中に起こるかもしれない。研磨パッド１０４がプラテン１０６に密着して結合された場合、ＣＭＰプロセス中に与えられる力によって、研磨パッド１０４が最初に存在した以上の強さでプラテン１０６に密着されるようになる。これは、研磨パッド１０４を取りかえる場合時間の浪費になるばかりでなく、研磨パッド１０４を取りかえる人を怪我させる可能性もある。図２(A)〜図３(B)と共に以下に説明されるように、本発明の幾つかの実施例は、これらの問題及び他の問題を解決するものである。

図２(A)及び図２(B)は、本発明の一つの実施例の教示によるプラテン１０６の断面及び平面図をそれぞれ示す。好適な実施例において、プラテン１０６は、ほぼ円形の中央部分２００と中央部分２００を囲む環状部分２０２を有する。中央部分２００は、そこから外方に設けられたコーティング２０４を有し、また環状部分２０２は、そこから外方に設けられたコーティング２０６を有する。本発明の実施例の教示によれば、コーティング２０４は低い表面ぬれ係数を有し、一方コーティング１０６は高い表面ぬれ係数を有する。

一例として、コーティング１０４の表面ぬれ係数は、コーティング１０６のそれのほぼ１/２である。これによって、中央部分２００に関連したコーティング２０４はコーティング２０４と研磨パッド１０４の間で小さな結合力が生じるために、コーティング２０４を取りかえる必要があるとき、従来のＣＰＵシステムにおけるよりも研磨パッド１０４の除去が容易になる。比較的高い結合力が依然としてコーティング２０６と研磨パッド１０４の外側環状部分との間に存在するけれども、コーティング２０４と研磨パッド１０４の中央部分間に比較的低い結合力を有することは、プラテン１０６から研磨パッド１０４を除去する時間及び努力を著しく減少する。コーティング２０６が高い表面ぬれ係数を有する一つの理由は、研磨パッド１０４は、研磨パッド１０４がプラテン１０６の外側環状部分に接着するように、研磨パッド１０４がその周辺で剥がれるのを防止することである。

コーティング２０４と２０６は、適当な厚さを有することができるが、一つの実施例では、コーティング２０４と２０６の厚さは、約１０ミル(mils)〜２０ミルの間である。双方のコーティング２０４と２０６は、あらゆる適当な方法でプラテン１０６に結合され、あらゆる適当な材料から形成することができる。一つの実施例では、コーティング２０４と２０６は、それぞれフルオロポリマー(fluoropolymer)から形成される。コーティング２０４と２０６のために、他の適当な材料、例えば、不活性ポリマーまたは非ポリマーコーティング又は化合物を利用することもできる。本発明の特定の実施例において、コーティング２０４は、Teflon(登録商標)から形成され、コーティング２０６は、Halar(登録商標)から形成される。他の特定の実施例では、アルミニウムがプラテン１０６のために用いられた場合、コーティング２０４は、General MagnaplateによるTufran(登録商標)コーティングから形成されても良い。一つの実施例では、環状部分２０２の幅２０８は、約１/２(１.２７センチ)〜約１インチ(２.５４センチ)の間である。しかし、幅２０８のために他の幅を用いることもできる。

従来のＣＰＭシステムにおけるプラテンは、エッジの周りの研磨パッドを持ち上げるようにする、そのエッジの周りの陽極酸化されたコーティングの剥離問題を有していたので、コーティング２０６のために用いられた材料が、コーティング２０６の剥離を避けるために液状のスラリー１１６に化学的に耐えることが必要である。これが、一つの実施例において、コーティング２０６のためにHalar(登録商標)が用いられる理由である。

図３(A)及び図３(B)は、本発明の他の実施例によるプラテン１０６の断面及び平面図をそれぞれ示す。この実施例において、プラテン１０６は、図２(A)及び図２(B)に示された実施例と同様に、ほぼ円形の中央部分３００と中央部分３００を囲む環状部分３０２を有する。しかし、図３(A)及び図３(B)に示された実施例において、中央部分３００は、中央部分３００によって囲まれた全面積より小さい、研磨パッド１０４をプラテン１０６に結合するために利用可能な取り付け表面積を有している。これにより、研磨パッドを中央部分３００内でプラテン１０６に結合するために利用可能な面積が減少するために、プラテン１０６と研磨パッド１０４間の結合力が減少する。

一つの実施例において、研磨パッド１０４をプラテン１０６に結合するために利用可能な中央部分３００の取り付け表面積は、中央分３００によって囲まれる全面積の約３０％〜約７０％の間である。特定の実施例では、取り付け表面積は、囲まれた面積の約５０％である。この面積の減少は、あらゆる適当な方法でプラテン１０６の上面に表面模様をつけることによって容易化される。

例えば、図３(A)を参照すると、複数の溝３０４がプラテン１０６の中央部分３００に形成されることができる。溝３０４の平面図は、溝３０４の形状に依存して参照番号３４０または３５０によって図３(B)に示される。参照番号３４０によって示されるように、溝３０４は、格子型形状を取ることができ、または参照番号３５０で示されるように、同心円型形状を取ることができる。溝３０４ための他の適当な形状として、例えば、平行形状、十字形状、スパイラル形状、及びランダム形状などが本発明によって考えられる。実施例において、溝３０４が研磨パッド１０４をプラテン１０６に結合するために利用可能な表面を減少するために用いられる場合、溝３０４は、適当な深さ、適当な幅、及び適当な中心ラインの間隔を有することができる。例えば、一つの実施例において、溝３０４の深さ３０８は約１５〜２０ミル、溝３０４の幅は約１mm、溝３０４間の中心ライン間隔は約１mmである。四角形の溝の代わりに溝３０４に対する他の適当な形状として、例えば、Ｕ字溝またはＶ字溝が本発明によって考えられる。

図３(B)を参照すると、中央部分３００のいろいろな表面模様が示されている。例えば、参照番号３６０を参照すると、中央部分３００は、適当なブラッシングプロセスを用いてプラテン１０６の上面上に形成されるブラッシがかけられた表面３６２として規定される。参照番号３７０によって示されるように、中央部分３００は、適当なプロセスを用いてプラテン１０６の上面に形成された窪みのある表面３７２によって規定されることができる。研磨パッド１０４をプラテン１０６に結合するために利用可能な取り付け面積を減少する他の適当な表面模様を付けるプロセスは、本発明によって考えられる。

図３(A)に戻って参照すると、プラテン１０６及び溝３０４の露出した全ての面積がコーティング３１４で覆われるような方法で、コーティング３１４が、プラテン１０６の上面から外方に設けられている。コーティング３１４は、あらゆる適当なコーティング、例えば、適当な方法でプラテン１０６の上面上に形成される適当なフルオロポリマーのコーティングまたは陽極酸化されたコーティングであることができる。

本発明の特定の実施例において、中央部分２００が環状部分２０４のコーティング２０６より低い表面ぬれ係数を有するコーティング２０４を有する、図２(A)及び図２(B)に示された本発明の教示は、研磨パッド１０４をプラテン１０６に結合するために利用可能な取り付け表面積が中央部分３００において減少している図３(A)及び図３(B)に示された本発明の教示に適用されることができる。

したがって、一つの実施例において、Teflonまたは他の適当なフルオロポリマーが、中央部分３００内のコーティング３１４の一部を有し、高い表面ぬれ係数を有するHalarまたは他の適当なフルオロポリマーが、環状部分３０２の周りのコーティング３１４の一部を有することができる。この方法で、上述された双方のアプローチ(問題を解決するのためにとった手段)の利点が組み合わされる。

したがって、ウエハの製造業者は、従来のＣＭＰシステムにおけると同程度の強さで研磨パッドに結合しないプラテン１０６の中央部分を有することによって、本発明のいろいろな実施例の教示によるプラテン１０６の利用から利益を得ることができる。結果的に、研磨パッドの取り換え中に研磨パッドをはがすのに僅かな力でよく、エッジにおけるはがれが実質的に無いかまたは減少するように、依然として研磨パッドとプラテン間で高い良好な結合を有する。これにより、ウエハの歩留まりが増加するのみでなく、研磨パッドの取り換え時間がスピードアップし、且つ研磨パッドの除去及び取り換え中の物理的な力、及び潜在的な怪我の危険性を減少する。

以上の記載に関連して以下の各項を開示する。
（１）化学的機械研磨システムであって、
研磨パッドをプラテンに結合する第１の表面を有するプラテンと、前記第１の表面は、ほぼ円形の中央部分と前記ほぼ円形の中央部分を囲む環状部分を有し、
前記ほぼ円形の中央部分は、ある面積を囲み、且つ前記ほぼ円形の中央部分によって囲まれた前記面積より小さい取り付け表面積を有し、前記取り付け表面積は、研磨パッドの内側部分をプラテンに結合することを特徴とする化学的機械研磨システム。

（２）前記ほぼ円形の中央部分は、前記第１の表面に形成された複数の溝によって規定されていることを特徴とする前記（１）項に記載の化学的機械研磨システム。

（３）前記ほぼ円形の中央部分は、窪みのあるまたはブラッシがかけられた模様の表面によって規定されていることを特徴とする前記（１）項に記載の化学的機械研磨システム。

（４）更に、前記ほぼ円形の中央部分に設けられた第１のコーティングと、
前記環状部分に設けられた第２のコーティングと、
を有し、前記第２のコーティングは、前記第１のコーティングより高い表面ぬれ係数を有することを特徴とする前記（１）項に記載の化学的機械研磨システム。

（５）前記第１及び第２のコーティングは、各々フルオロポリマーから形成されていることを特徴とする前記（４）項に記載の化学的機械研磨システム。

（６）前記第１のコーティングのぬれ係数は、前記第２のぬれ係数の約１/２であることを特徴とする前記（５）項に記載の化学的機械研磨システム。

（７）化学的機械研磨システムであって、
第１の表面を有するプラテンと、前記第１の表面は、ほぼ円形の中央部分と前記ほぼ円形の中央部分を囲む環状部分を有し、
前記ほぼ円形の中央部分は、前記ほぼ円形の中央部分上で外方に設けられた第１のコーティングを有し、
前記環状部分は、その上に設けられた第２のコーティングを有し、前記第２のコーティングは、前記第１のコーティングより高い表面ぬれ係数を有することを特徴とする化学的機械研磨システム。

（８）前記第１と第２のコーティングは、各々フルオロポリマー化ら形成され、前記第１のコーティングのぬれ係数は、前記第２のコーティングのぬれ係数の約１/２のであることを特徴とする前記（７）に記載の化学的機械システム。

（９）第１のコーティングは、Teflon材料から形成され、且つ前記第２のコーティングは、Halar材料から形成されていることを特徴とする請求項８に記載の化学的機械システム。

（10）半導体ウエハの化学的機械研磨(CMP)システムにおいて、プラテン(106)がその中央部分の研磨パッドが簡単に除去でき、研磨中にそのエッジにおいてパットが持ち上げられるのを防ぐように構成される。研磨パッドを受けるプラテンの表面は、環状部分(302)によって囲まれるほぼ円形の中央部分(300)を有する。中央部分(300)は、研磨パッドの内側部分をプラテン(106)に結合する減少された取り付け表面積を与えるように溝が付けられている。低い表面ぬれ係数を有する第２のフルオロポリマーが中央部分(300)に設けられる。高い表面ぬれ係数を有する第２のフルオロポリマーが環状部分(302)に設けられる。

本発明の実施例及びそれらの利点について所載に説明したけれども、当業者は、請求項に規定された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、いろいろな変形、追加及び省略を行なうことができるであろう。

本発明の一つの実施例による化学的機械研磨システムの斜視図である。 本発明の一つの実施例によるプラテンの断面図である。 図２（Ａ）のプラテンの平面図である。 本発明の他の実施例によるプラテンの断面図である。 図３（Ａ）のプラテンの平面図である。

Claims (1)

1. 化学的機械研磨システムであって、
   研磨パッドをプラテンに結合する第１の表面を有するプラテンと、前記第１の表面は、ほぼ円形の中央部分と前記ほぼ円形の中央部分を囲む環状部分を有し、
   前記ほぼ円形の中央部分は、ある面積を囲み、且つ前記ほぼ円形の中央部分によって囲まれた前記面積より小さい取り付け表面積を有し、前記取り付け表面積は、研磨パッドの内側部分をプラテンに結合することを特徴とする化学的機械研磨システム。

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