JP2006237035A - 研磨装置及び研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属配線膜を有するウェーハ表面のＣＭＰ法による平坦化研磨を行うにあたり、メタル系の発熱反応で金属膜表面の温度が上昇し、加工面の化学的反応速度にばらつきが生じることを抑制した研磨装置、及び研磨方法を提供すること。
【解決手段】下面にエアー噴出口２２Ａを有しエアー噴出口２２Ａから供給されるエアによって形成される圧力エアー層を介してウェーハに押圧力を付与するバックプレート２２と、ウェーハＷに接触してバックプレート２２から圧力エアー層を介して加えられる押圧力をウェーハＷに伝達する保護シート２４と、を有したウェーハキャリア２０の、エアー噴出口２２Ａから供給するエアの温度を所定の値に制御する恒温手段３０を設けた。
【選択図】 図３

Description

本発明は研磨装置及び研磨方法に関し、特に化学的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing ）によるウエーハの研磨装置及び研磨方法に関する。

近年、半導体技術の発展により、デザインルールの微細化、多層配線化が進み、またコスト低減を進める上においてウエーハの大口径化も進行してきている。そのため、従来のようにパターンを形成した層の上にそのまま次の層のパターンを形成しようとした場合、前の層の凹凸のために次の層では良好なパターンを形成することが難しく、欠陥などが生じやすかった。

そこで、パターンを形成した層の表面を平坦化し、その後で次の層のパターンを形成することが行われている。この場合、ＣＭＰ法によるウェーハの研磨装置が用いられている。

このＣＭＰ法によるウェーハの研磨装置として、表面に研磨パッドが貼付された円盤状の研磨定盤と、ウェーハの一面を保持してウェーハの他面を研磨パッドに当接させるウェーハキャリアとを有し、研磨定盤を回転させるとともにウェーハキャリアを回転させながらウェーハを研磨パッドに当接させ、研磨パッドとウェーハとの間に研磨剤であるスラリを供給しながらウェーハの他面を研磨するＣＭＰ装置が、一般に広く知られている。

ウェーハを保持するウェーハキャリアは、下面にエアー噴出口を有し該エアー噴出口から供給されるエアによって形成される圧力エアー層を介してウェーハに押圧力を付与するバックプレートと、ウェーハの径方向の移動を規制するとともに前記研磨パッドを押圧するリテーナリングと、ウェーハ吸着用の吸着口を有するとともにウェーハに接触して前記バックプレートから前記圧力エアー層を介して加えられる押圧力をウェーハに伝達する保護シートと、を有し、ウェーハの裏面がバックプレートの硬い面に直接接触して傷が付くのを防止したものが公知である（例えば、特許文献１参照。）。

このウェーハキャリアでは、バックプレートに加えられる押圧力がバックプレートから噴射されるエアの圧力による圧力エアー層及び保護シートを介してウェーハに伝えられ、ウェーハを研磨パッドに押圧する構造となっている。そのため、保護シートはウェーハを一様に押圧する必要があり、伸び難い性質を持ちながらも曲げやすい性質を持つ材質で形成されている。

保護シートにはウェーハ吸着用の吸着口が形成されており、ウェーハの搬送時にウェーハを吸着保持するために使用される。ウェーハを搬送する場合は、先ずウェーハをウェーハキャリアのリテーナリング内に相対的に位置付け、バックプレートのエアー吸引口からエアを吸引して保護シートの内側を減圧状態にする。 この保護シート内側の減圧雰囲気によりウェーハは保護シート表面に密着し、この状態で搬送される。研磨パッドの上面に搬送されたウェーハは、エアの吸引が解除され、バックプレートのエアー吸引口が今度はエアー噴射口に変わり、ウェーハは保護シートを介した押圧力を受けて研磨パッドに押圧され、研磨が開始される。
特開２０００−３１７８１９号公報

ところで、近年デザインルールの微細化のためＣｕ等のメタル配線が多用されているが、このような金属配線膜が形成されたウェーハ表面を研磨する場合、メタル系の発熱反応で金属膜表面の温度が上昇する。

一方、ＣＭＰ法は化学的作用と機械的作用とで加工対象物の表面を研磨するが、加工対象物である金属膜表面の温度が変化すると加工面の化学的反応速度にばらつきが生じてくる。そのため、加工面の化学的反応を一定にする必要がある。

しかし、従来の研磨装置及び研磨方法では、加工面の温度上昇に対してなんら考慮がなされていなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、金属配線膜を有するウェーハ表面のＣＭＰ法による平坦化研磨を行うにあたり、メタル系の発熱反応で金属膜表面の温度が上昇し、加工面の化学的反応速度にばらつきが生じることを抑制した研磨装置、及び研磨方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、スラリを供給しながら、ウェーハキャリアに保持されたウェーハを回転する研磨パッドに当接させて研磨する研磨装置において、前記ウェーハキャリアは、下面にエアー噴出口を有し該エアー噴出口から供給されるエアによって形成される圧力エアー層を介してウェーハに押圧力を付与するバックプレートと、ウェーハの径方向の移動を規制するとともに前記研磨パッドを押圧するリテーナリングと、ウェーハに接触して前記バックプレートから前記圧力エアー層を介して加えられる押圧力をウェーハに伝達する保護シートと、を有し、前記エアー噴出口から供給するエアの温度を所定の値に制御する恒温手段が設けられたことを特徴とし、また、前記ウェーハキャリアを有する研磨装置を用いて、前記ウェーハを研磨する研磨方法において、前記エアー噴出口から供給するエアの温度を所定の値に制御しながら研磨することを特徴とする。

本発明によれば、ウェーハに接触する保護シートとバックプレートとの間に圧力エアー層を形成する高圧エアが所定の温度に制御されるので、ウェーハの温度が一定に保たれ、加工面の化学的反応速度にばらつきが生じることがない。

また、本発明は、前記研磨方法において、前記エアの温度を室温以下の所定の値に制御することを特徴とする。これによれば、Ｃｕ等の金属配線膜が形成されたウェーハ表面を研磨する場合のメタル系の発熱反応で金属膜表面の温度が上昇し、加工面の化学的反応速度にばらつきが生じることが防止される。

以上説明したように、本発明に係る研磨装置及び研磨方法によれば、ウェーハに接触する保護シートとバックプレートとの間に供給する高圧エアの温度を所定の値に制御するので、加工面の温度変化を緩和することができる。

以下添付図面に従って本発明に係る研磨装置及び研磨方法の好ましい実施の形態について詳説する。尚、各図において同一部材には同一の番号または記号を付している。

図１は、 本発明に係るウェーハの研磨装置の一実施形態を示す断面図である。研磨装置１０では、同図に示すように、回転する研磨定盤１１の表面に研磨パッド１２が貼付されている。研磨パッド１２の上方にはウェーハキャリア２０が、ウェーハＷを保持しながら回転し、ウェーハＷを研磨パッド１２に当接させるように配置されている。この研磨定盤１１、研磨パッド１２、及びウェーハキャリア２０等で研磨部を構成している。

ウェーハキャリア２０は、キャリア本体２１、バックプレート２２、リテーナリング２３、保護シート２４（図２参照）、バックプレート用エアバッグ２８及びリテーナーリング用エアバッグ２９で構成されている。

バックプレート用エアバッグ２８は、ゴムシート２７とキャリア本体２１とで形成される空間で、エアーライン５０Ｃからエアが供給され、バックプレート２２を研磨パッド１２に向けて加圧する。また、リテーナーリング用エアバッグ２９は、ゴムシート２７とキャリア本体２１とで形成されるバックプレート用エアバッグ２８よりも外周側の空間で、エアーライン５０Ｄからエアが供給され、リテーナリング２３を研磨パッド１２に向けて押圧する。

図２は、ウェーハキャリア２０のウェーハＷの加圧機構部を表わす拡大断面図である。バックプレート２２の下面には外周部にエアー噴出口２２Ａ、２２Ａ、…が、中央部にはエアー噴出口２２Ｂ、２２Ｂ、…が形成されており、エアー噴出口２２Ａ、２２Ａ、…はレギュレータ５４を経由してメインエアー経路５５に、エアー噴出口２２Ｂ、２２Ｂ、…はレギュレータ５１を経由してサブエアー経路５２に接続されている。サブエアー経路５２は切替バルブ５６によって正圧ライン５３とレギュレータ５７を経由した負圧ライン５８又は大気開放ライン５９とに接続換えされる。

リテーナーリング２３はウエーハＷの径方向の動きを規制すると共に、研磨パッド１２を押圧してその表面を安定させる役目を果たしている。

保護シート２４は、周縁部でリテーナーリング２３に保持されており、ウェーハＷが硬いバックプレート２２に直接接触することを防止し、ウエーハＷに当接してバックプレート２２からのエアー圧をウエーハＷに伝達する。バックプレート２２から噴射されたエアは、バックプレート２２と保護シート２４との間に圧力エアー層を形成するとともに、バックプレート２２とリテーナーリング２３との隙間２３Ａから外部に排気される。

エアーライン５０Ｃから供給されたエアによって加圧されたバックプレート２２は、バックプレート２２と保護シート２４との間に形成された圧力エアー層及び保護シート２４を介してウエーハＷに加工圧を付与し、メインエアー経路５５によるエアの圧力とサブエアー経路５２によるエアの圧力とを夫々調整することによって、ウエーハＷの研磨形状が制御される。

正圧ライン５３、負圧ライン５８又は大気開放ライン５９との切替えや、メインエアー経路５５によるエアの圧力とサブエアー経路５２によるエアの圧力、及び負圧ライン５８による吸引圧力は、ＣＰＵ６０によって夫々最適に制御される。

保護シート２４には図示しないウェーハ吸着用の複数の吸着口が形成されており、ウェーハＷの搬送時にウェーハＷを吸着保持するために使用される。即ち、ウェーハＷの吸着時は切替バルブ５６がサブエアー経路５２を負圧ライン５８に切替え、複数の吸着口を経由してウェーハＷに吸引力を伝達する。

メインエアー経路５５には、エアの湿度を所定の値に制御する加湿手段とエアの温度を所定の値に制御する恒温手段とが組み込まれている。図３は、メインエアー経路５５に設けられた加湿手段７０、及び恒温手段を表している。加湿手段７０としては超音波加湿装置７０Ａが用いられ、恒温手段としてはエアーコントローラ３０が用いられている。

超音波加湿装置７０Ａは、図３に示すように、タンク７１、タンク７１の底部に取り付けられた超音波振動子７２、タンク７１の内部に設けられた湿度センサ７３、及びコントローラ７７からなっている。

タンク７１はバルブ７６を経由して純粋製造装置に接続され、タンク７１の内部には所定量の純水が常時収容されるように供給される。また、タンク７１はバルブ７４及びレギュレータ７５を経由して高圧エアー源に接続されるとともに、恒温手段であるエアーコントローラ３０に接続され、エアーコントローラ３０は研磨装置１０とエアーホースで接続されている。

超音波振動子７２の振動によってタンク７１内の純水は霧化され、純水の上部空間に充満する。タンク７１内に導入された高圧のドライエアはここで湿度調整されてエアーコントローラ３０に送られる。

タンク７１内の湿度は湿度センサ７３によって検出され、そのデータがコントローラ７７に送信される。コントローラ７７は受信したタンク７１内の湿度データによって超音波振動子７２の振動数又は振幅あるいはその両者を制御して、タンク７１内の湿度を所定の値に調整する。

エアーコントローラ３０の構成は一般的によく知られた構成であるので、説明は省略するが、加湿手段７０で所定の湿度に加湿された高圧エアは、ここで室温以下の温度に調節されて研磨装置１０に送り込まれる。

ウェーハキャリア２０は前述のように構成され、このウェーハキャリア２０で保持したウェーハＷを研磨定盤１１上の研磨パッド１２に押し付けて、研磨定盤１１とウェーハキャリア２０とをそれぞれ回転させながら、研磨パッド１２上にスラリを供給することにより、ウェーハＷが研磨される。

このとき、ウェーハキャリア２０のバックプレート２２と保護シート２４との間に圧力エアー層を形成するためにバックプレート２２から噴射されるエアは、バックプレート２２とリテーナーリング２３との隙間２３Ａから外部に排気されるが、このエアは加湿手段７０によって所定の湿度にコントロールされているので、保護シートやリテーナリング及びウェーハ等を乾燥させることがなく、スラリー等の固着凝集が緩和される。

また、このエアは室温以下の温度に調節されているので、保護シート２４を介してウェーハＷを室温以下に冷却し、ウェーハＷ表面に形成された金属膜の研磨時に発生するメタル系の発熱反応による金属膜の温度上昇を抑え、加工面の化学反応速度を一定に保つ。

以上説明したように、本発明によれば、供給する高圧エアを所定の湿度に制御するとともに、所定の温度に制御して用いるので、装置の各部及びウェーハＷの乾燥が抑制され、スラリー等の固着凝集が緩和されるとともに、ウェーハＷの温度が一定に保たれ、加工面の化学反応速度を一定に保つことができる。

なお、前述の実施の形態では加湿手段７０として、超音波加湿装置７０Ａを用いたが、その他の微噴霧式加湿装置、気化式加湿装置、蒸気式加湿装置等の既知の加湿装置を使用することができる。

また、恒温手段として一般的なエアーコントローラ３０を用いたが、エアを室温以下に冷却することが可能な冷却専用の手段を使用することもできる。

本発明の実施の形態に係る研磨装置の断面図 ウェーハキャリアのウェーハ押圧機構部を表わす拡大断面図 加湿手段及び恒温手段を表す構成図

符号の説明

１０…研磨装置、１２…研磨パッド、２０…ウェーハキャリア、２２…バックプレート、２２Ａ・２２Ｂ…エアー噴出口、２３…リテーナリング、２４…保護シート、３０…エアーコントローラ（恒温手段）、７０…加湿手段、７０Ａ…超音波加湿装置、Ｗ…ウェーハ

Claims (3)

1. スラリを供給しながら、ウェーハキャリアに保持されたウェーハを回転する研磨パッドに当接させて研磨する研磨装置において、
   前記ウェーハキャリアは、下面にエアー噴出口を有し該エアー噴出口から供給されるエアによって形成される圧力エアー層を介してウェーハに押圧力を付与するバックプレートと、ウェーハの径方向の移動を規制するとともに前記研磨パッドを押圧するリテーナリングと、ウェーハに接触して前記バックプレートから前記圧力エアー層を介して加えられる押圧力をウェーハに伝達する保護シートと、を有し、
   前記エアー噴出口から供給するエアの温度を所定の値に制御する恒温手段が設けられたことを特徴とする研磨装置。
2. スラリを供給しながら、ウェーハキャリアに保持されたウェーハを回転する研磨パッドに当接させて研磨する研磨装置であって、前記ウェーハキャリアは、下面にエアー噴出口を有し該エアー噴出口から供給されるエアによって形成される圧力エアー層を介してウェーハに押圧力を付与するバックプレートと、ウェーハの径方向の移動を規制するとともに前記研磨パッドを押圧するリテーナリングと、ウェーハに接触して前記バックプレートから前記圧力エアー層を介して加えられる押圧力をウェーハに伝達する保護シートと、を有する研磨装置を用いて、前記ウェーハを研磨する研磨方法において、
   前記エアー噴出口から供給するエアの温度を所定の値に制御しながら研磨することを特徴とする研磨方法。
3. 前記エアの温度を室温以下の所定の値に制御することを特徴とする請求項２に記載の研磨方法。

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