JP2005159011A - 研磨装置、リテーナーリングおよび半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 リテーナーリングでホルディングされる研磨対象物の外周部の研磨均一性を向上させる。
【解決手段】 研磨クロス２との接触面が、ウェハＷの研磨面の材料と同一であるか、またはウェハＷの研磨面の材料を主成分とするようにして、リテーナーリング４を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は研磨装置、リテーナーリングおよび半導体装置の製造方法に関し、特に、ＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学的機械的研磨）に適用して好適なものである。

近年の半導体装置では、配線層や絶縁層などの成膜後の表面を平坦化して、フォトリソグラフィー工程における焦点合わせを精度よく行うために、ＣＭＰが用いられている。
そして、半導体ウェハのＣＭＰを行う場合、例えば、特許文献１に開示されているように、研磨テーブル上で半導体ウェハの周囲をホルディングさせるために、リテーナーリング（ガイドリングとも言う。）が用いられている。

ここで、従来のリテーナーリングの材質としては、磨耗を減らすために、ＰＰＳ（ポリフェニルサルファイト）などの樹脂が用いられていた。
特許第２９１７９９２号公報

しかしながら、リテーナーリングを樹脂で構成する方法では、研磨対象となる半導体ウェハとリテーナーリングとの間での研磨速度が異なるため、半導体ウェハの外周部の研磨均一性が劣化するという問題があった。
そこで、本発明の目的は、研磨対象物の外周部の研磨均一性を向上させることが可能な研磨装置、リテーナーリングおよび半導体装置の製造方法を提供することである。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る研磨装置によれば、研磨テーブルと、前記研磨テーブル上に貼り付けられた研磨クロスと、前記研磨テーブルを回転させる回転手段と、前記研磨テーブル上にスラリを供給するスラリ供給手段と、前記研磨クロスとの接触面が、ウェハの研磨面の材料と同一であるか、またはウェハの研磨面の材料を主成分として構成され、前記研磨テーブル上で前記ウェハの周囲をガイドするリテーナーリングと、前記研磨テーブル上で前記ウェハを前記リテーナーリングとともに押さえる研磨ヘッドとを備えることを特徴とする。

これにより、研磨対象となるウェハの研磨面とリテーナーリングの接触面との間の研磨速度を一致させるか、または近づけることが可能となる。このため、ウェハの外周部の研磨均一性を向上させることが可能となるとともに、ウェハの研磨面の材料と異なる異物の発生を低減させることを可能として、研磨異常を抑制することができる。
また、本発明の一態様に係る研磨装置によれば、研磨テーブルと、前記研磨テーブル上に貼り付けられた研磨クロスと、前記研磨テーブルを回転させる回転手段と、前記研磨テーブル上にスラリを供給するスラリ供給手段と、磨耗リングを支持する支持リングが積層されたリテーナーリングと、前記支持リングに形成された開口部と、前記開口部を通して前記磨耗リングに入射された超音波の反射波を検出する超音波センサと、前記研磨テーブル上で前記ウェハを前記リテーナーリングとともに押さえる研磨ヘッドとを備えることを特徴とする。

これにより、ウェハを研磨しながら、磨耗リングの磨耗度を容易に管理することが可能となる。このため、磨耗度の激しいリテーナーリングを用いてウェハが研磨されることを防止することが可能となり、ウェハの研磨異常を抑制することができる。
また、本発明の一態様に係るリテーナーリングによれば、研磨クロスとの接触面が、研磨対象の研磨面の材料と同一であるか、または研磨対象の研磨面の材料を主成分とすることを特徴とする。

これにより、ウェハの外周部の研磨均一性を向上させることが可能となるとともに、ウェハの研磨面の材料と異なる異物の発生を低減させることが可能となり、研磨異常を抑制することができる。
また、本発明の一態様に係るリテーナーリングによれば、前記研磨クロスとの接触面は、無機物、金属または半導体から構成されるか、無機物、金属または半導体を主成分とすることを特徴とする。

これにより、ウェハの研磨面とリテーナーリングの接触面との間の研磨速度を一致させるか、または近づけることを可能としつつ、絶縁層または配線層が形成されたウェハを研磨することができ、ウェハの外周部の研磨均一性を向上させることが可能となる。
また、本発明の一態様に係るリテーナーリングによれば、研磨クロスと接触する磨耗リングと、前記磨耗リング上に積層され、前記磨耗リングを支持する支持リングと、前記磨耗リングおよび前記支持リングの外周部にそれぞれ設けられた段差と、前記段差を挟み込むことで、前記磨耗リングを前記支持リングに固定するクランプとを備えることを特徴とする。

これにより、粘着テープまたは接着剤を用いることなく、磨耗リングを支持リングに固定することが可能となり、異物の発生を抑制しつつ、磨耗リングを補強することができる。
また、本発明の一態様に係るリテーナーリングによれば、研磨クロスと接触する磨耗リングと、前記磨耗リング上に積層され、前記磨耗リングを支持する支持リングと、前記支持リングに形成され、前記支持リングを介して前記磨耗リングに超音波を入射させる開口部とを備えることを特徴とする。

これにより、複雑な機構を用いることなく、磨耗リングの磨耗度を容易に管理することが可能となり、ウェハの研磨異常を抑制することができる。
また、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法によれば、研磨クロスが貼り付けられた研磨テーブル上にウェハを配置する工程と、前記研磨クロスとの接触面が、ウェハの研磨面の材料と同一であるか、またはウェハの研磨面の材料を主成分として構成されたリテーナーリングを用いることにより、前記ウェハの周囲をガイドする工程と、前記リテーナーリングで前記ウェハの周囲をガイドしながら、前記ウェハの研磨面を研磨する工程とを備えることを特徴とする。

これにより、ウェハの外周部の研磨均一性を向上させることが可能となるとともに、ウェハの研磨面の材料と異なる異物の発生を低減させることが可能となり、ウェハの研磨異常を抑制することができる。
また、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法によれば、研磨クロスが貼り付けられた研磨テーブル上にウェハを配置する工程と、磨耗リングを支持する支持リングが積層されたリテーナーリングを用いることにより、前記ウェハの周囲をガイドする工程と、前記支持リングに形成された開口部を通して前記磨耗リングに入射された超音波の反射波を検出しながら、前記ウェハの研磨面を研磨する工程とを備えることを特徴とする。

これにより、ウェハを研磨しながら、磨耗度の激しいリテーナーリングの交換時期を容易に判別することが可能となり、ウェハの研磨異常を抑制しつつ、ウェハを研磨することができる。

以下、本発明の実施形態に係る研磨装置およびリテーナーリングについて図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る研磨装置の概略構成を示す断面図である。
図１において、研磨テーブル（プラテンとも言う。）１は回転軸３に結合され、回転軸３を中心として回転できるようにされるとともに、研磨テーブル１上には研磨クロス（研磨パッドとも言う。）２が貼り付けられている。

また、研磨クロス２が貼り付けられた研磨テーブル１上には、ウェハＷの周囲をガイドするリテーナーリング４が設けられるとともに、ウェハＷおよびリテーナーリング４を研磨クロス２上に押さえ付ける研磨ヘッド５が設けられている。なお、研磨対象となるウェハＷとしては、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、多結晶シリコンなどの配線層、シリコン酸化膜やシリコン窒素膜などの絶縁層などが形成された半導体ウェハやガラスウェハなどを挙げることができる。

ここで、リテーナーリング４の底面には溝が放射状に形成されている。また、リテーナーリング４における研磨クロス２との接触面が、ウェハＷの研磨面の材料と同一であるか、またはウェハＷの研磨面の材料を主成分とすることができる。また、研磨ヘッド５とウェハＷとの間には、ウェハＷの押圧を調整するメンブレン７が挿入されている。なお、メンブレン７は、例えば、ゴムなどで構成することができる。

そして、研磨ヘッド５は、スピンドル６に結合され、ウェハＷおよびリテーナーリング４を研磨クロス２上に押さえ付けながら、スピンドル６の回りを回転できるように構成されている。また、研磨テーブル１上方には、研磨剤スラリ９を研磨クロス２上に吐出させるノズル８が設けられている。
そして、ウェハＷを研磨する場合、研磨テーブル１上に研磨クロス２を貼り付け、研磨クロス２上に研磨剤スラリ９を吐出させる。そして、研磨ヘッド５により、リテーナーリング４およびウェハＷを研磨クロス２上に押さえ付け、ウェハＷの周囲をリテーナーリング４でガイドしながら、研磨テーブル１および研磨ヘッド５を回転させる。

ここで、ウェハＷおよびリテーナーリング４を研磨クロス２上に押し付けると、ウェハＷおよびリテーナーリング４の押圧で研磨クロス２が圧縮され、ウェハＷおよびリテーナーリング４の端部での沈み込みが発生する。このため、ウェハＷおよびリテーナーリング４を研磨クロス２上に押し付ける場合、ウェハＷの押圧よりもリテーナーリング４の押圧の方が大きくなるように、メンブレン７の厚みや材質などを調整する。これにより、ウェハＷの位置に比べてリテーナーリング４の位置での研磨クロス２の圧縮量を大きくすることができ、研磨クロス２の沈み込み１０をリテーナーリング４の端部で発生させることを可能として、ウェハＷの端部での研磨クロス２の沈み込みを防止することが可能となる。このため、研磨クロス２がウェハＷ全面に均一に当たるようにすることが可能となり、ウェハＷの研磨の均一性を向上させることが可能となる。

また、ウェハＷを研磨テーブル１上に押し付ける場合、リテーナーリング４の底面も研磨テーブル１上に押し付けられ、リテーナーリング４の底面も削り取られる。そして、研磨テーブル１上に供給された研磨剤スラリ９やウェハＷの削り屑などは、リテーナーリング４の底面に設けられた溝を介してリテーナーリング４の内周面側に出し入れすることができる。

ここで、リテーナーリング４における研磨クロス２との接触面を、ウェハＷの研磨面の材料と同一とするか、またはウェハＷの研磨面の材料を主成分として構成することにより、ウェハＷの研磨面とリテーナーリング４の接触面との間の研磨速度を一致させるか、または近づけることが可能となる。このため、ウェハＷの外周部の研磨均一性を向上させることが可能となるとともに、ウェハＷの研磨面の材料と異なる異物の発生を低減させることが可能となり、ウェハＷの研磨異常を抑制することができる。

図２（ａ）は、図１のリテーナーリングの概略構成を示す斜視図である。
図２において、リテーナーリング４は、例えば、磨耗リング１１ｂを支持する支持リング１１ａと、支持リング１１ａ上に積層された磨耗リング１１ｂとを備えることができる。なお、磨耗リング１１ｂを支持リング１１ａに固定する場合、例えば、両面テープまたは接着剤などを用いることができる。ここで、支持リング１１ａの材質としては、例えば、ステンレスなどを用いることができる。また、磨耗リング１１ｂは、研磨クロス２による磨耗を受けながら、ウェハＷを内側でガイドするもので、ウェハＷの研磨面の材料と同一であるか、またはウェハＷの研磨面の材料を主成分として構成することができる。例えば、磨耗リング１１ｂとして、石英、ガラスやセラミックスなどの無機物、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗなどの金属、またはＳｉ、ＧａＡＳ、ＩｎＰなどの半導体などを用いることができる。そして、磨耗リング１１ｂの底面には溝１２が放射状に形成されている。

そして、ウェハＷを研磨する場合、ウェハＷの周囲をリテーナーリング１１でガイドしながら、ウェハＷおよびリテーナーリング１１を研磨テーブ１上で回転させる。ここで、リテーナーリング１１の底面は、ウェハＷとともに研磨テーブル１上に押し付けられ、研磨テーブル１上に供給されたスラリ９や研磨屑などは、溝１２を介してリテーナーリング１１の内周面側に出し入れすることができる。

図３は、本発明の第２実施形態に係るリテーナーリングの概略構成を示す断面図である。
図３において、研磨クロス２１上には、ウェハＷが配置されるとともに、ウェハＷの周囲をガイドするリテーナーリング２２が配置されている。
ここで、リテーナーリング２２は、例えば、磨耗リング２３ｂを支持する支持リング２３ａと、支持リング２３ａ上に積層された磨耗リング２３ｂとを備えることができる。そして、磨耗リング２３ｂおよび支持リング２３ａの外周部には段差が設けられ、この段差を挟み込むことにより、支持リング２３ａと磨耗リング２３ｂとを互いに繋ぎ止めるクランプ２５が設けられている。

また、支持リング２３ａには、支持リング２３ａを介して磨耗リング２３ｂに超音波を入射させる開口部２４が形成されている。そして、支持リング２３ａ上には、開口部２４を通して磨耗リング２３ｂに入射された超音波の反射波を検出する超音波センサ２６が配置されている。
そして、開口部２４を通して磨耗リング２３ｂに入射させ、磨耗リング２３ｂの露出面および磨耗リング２３ｂと研磨クロス２１との界面からの反射波を超音波センサ２６にて検出することにより、磨耗リング２３ｂの膜厚を測定することができる。

図４は、図３の磨耗リング２３ｂの膜厚測定方法を示す図である。
図４において、開口部２４を通して磨耗リング２３ｂに入射させると、超音波が磨耗リング２３ｂの露出面で反射する。このため、支持リング２３ａの厚み方向の往復時間ｔ１だけ遅延した反射波Ｐ１を超音波センサ２６にて検出することができる。
また、開口部２４を通して磨耗リング２３ｂに入射された超音波は、磨耗リング２３ｂと研磨クロス２１との界面で反射する。このため、支持リング２３ａおよび磨耗リング２３ｂの厚み方向の往復時間ｔ２だけ遅延した反射波Ｐ２を超音波センサ２６にて検出することができる。

ここで、磨耗リング２３ｂの磨耗が進むと、磨耗リング２３ｂの膜厚が薄くなる。このため、支持リング２３ａおよび磨耗リング２３ｂの厚み方向の往復時間ｔ３が、磨耗リング２３ｂの磨耗がない場合の往復時間ｔ２よりも短くなり、反射波Ｐ２よりも遅延時間の短い反射波Ｐ３を超音波センサ２６にて検出することができる。そして、超音波センサ２６にて検出された反射波Ｐ２、Ｐ３の遅延時間を比較することにより、磨耗リング２３ｂの膜厚を計測することができる。

ここで、磨耗リング２３ｂをガラスなどの無機物で構成することにより、磨耗リング２３ｂをＰＰＳなどの樹脂で構成した場合に比べて、磨耗リング２３ｂと研磨クロス２１との界面で反射した反射波Ｐ２、Ｐ３の反射強度を大きくすることができ、測定精度を向上させることが可能となる。

第１実施形態に係る研磨装置の概略構成を示す断面図。 図１のリテーナーリングの概略構成を示す斜視図。 第２実施形態に係るリテーナーリングの概略構成を示す断面図。 図３のリテーナーリングの膜厚測定方法を示す図。

符号の説明

１ 研磨テーブル、２、２１ 研磨クロス、３ 回転軸、４、２２ リテーナーリング、５ 研磨ヘッド、６ スピンドル、７ メンブレン、８ ノズル、９ 研磨剤スラリ、１０ 沈み込み部、Ｗ ウェハ、１１ａ、２３ａ 支持リング、１１ｂ、２３ｂ 磨耗リング、１２ 溝、２４ 開口部、２５ クランプ、２６ 超音波センサ、Ｐ１〜Ｐ３ 反射波

Claims (8)

1. 研磨テーブルと、
   前記研磨テーブル上に貼り付けられた研磨クロスと、
   前記研磨テーブルを回転させる回転手段と、
   前記研磨テーブル上にスラリを供給するスラリ供給手段と、
   前記研磨クロスとの接触面が、ウェハの研磨面の材料と同一であるか、またはウェハの研磨面の材料を主成分として構成され、前記研磨テーブル上で前記ウェハの周囲をガイドするリテーナーリングと、
   前記研磨テーブル上で前記ウェハを前記リテーナーリングとともに押さえる研磨ヘッドとを備えることを特徴とする研磨装置。
2. 研磨テーブルと、
   前記研磨テーブル上に貼り付けられた研磨クロスと、
   前記研磨テーブルを回転させる回転手段と、
   前記研磨テーブル上にスラリを供給するスラリ供給手段と、
   磨耗リングを支持する支持リングが積層されたリテーナーリングと、
   前記支持リングに形成された開口部と、
   前記開口部を通して前記磨耗リングに入射された超音波の反射波を検出する超音波センサと、
   前記研磨テーブル上で前記ウェハを前記リテーナーリングとともに押さえる研磨ヘッドとを備えることを特徴とする研磨装置。
3. 研磨クロスとの接触面が、研磨対象の研磨面の材料と同一であるか、または研磨対象の研磨面の材料を主成分とすることを特徴とするリテーナーリング。
4. 前記研磨クロスとの接触面は、無機物、金属または半導体から構成されるか、無機物、金属または半導体を主成分とすることを特徴とする請求項３記載のリテーナーリング。
5. 研磨クロスと接触する磨耗リングと、
   前記磨耗リング上に積層され、前記磨耗リングを支持する支持リングと、
   前記磨耗リングおよび前記支持リングの外周部にそれぞれ設けられた段差と、
   前記段差を挟み込むことで、前記磨耗リングを前記支持リングに固定するクランプとを備えることを特徴とするリテーナーリング。
6. 研磨クロスと接触する磨耗リングと、
   前記磨耗リング上に積層され、前記磨耗リングを支持する支持リングと、
   前記支持リングに形成され、前記支持リングを介して前記磨耗リングに超音波を入射させる開口部とを備えることを特徴とするリテーナーリング。
7. 研磨クロスが貼り付けられた研磨テーブル上にウェハを配置する工程と、
   前記研磨クロスとの接触面が、ウェハの研磨面の材料と同一であるか、またはウェハの研磨面の材料を主成分として構成されたリテーナーリングを用いることにより、前記ウェハの周囲をガイドする工程と、
   前記リテーナーリングで前記ウェハの周囲をガイドしながら、前記ウェハの研磨面を研磨する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 研磨クロスが貼り付けられた研磨テーブル上にウェハを配置する工程と、
   磨耗リングを支持する支持リングが積層されたリテーナーリングを用いることにより、前記ウェハの周囲をガイドする工程と、
   前記支持リングに形成された開口部を通して前記磨耗リングに入射された超音波の反射波を検出しながら、前記ウェハの研磨面を研磨する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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