JP2006237600A - 加圧膜及び保持リングアクチュエータを有するウェーハキャリア - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェーハの化学的機械研磨において、ウェーハの表面全体にわたって均一に研磨可能なウェーハキャリアを提供する。
【解決手段】ウェーハキャリアは、ウェーハ３の背後に設置される圧力制御型ソフト膜２９と、該ソフト膜の外周部に設けられた保持リング２５と、保持リング内部に設けられ、当該保持リングの研磨パッドへの押し付け力を制御する保持リングアクチュエータ２６と、前記ソフト膜の背後に設けられ、ソフト膜との界面に窪みを有するピストンプレート２８とから構成される。保持リングを研磨パッド上に押しつけつつ、ソフト膜とピストンプレートの間に加圧流体を供給しながら化学機械研磨を行うことで、ウェーハのエッジに対する力の量が制御され、ウェーハエッジを含めたウェーハ表面全体の均一研磨が可能になる。
【選択図】図２

Description

下記の発明は、ウェーハキャリアの分野に関し、特にシリコンウェーハの化学的機械研磨で使用されるウェーハキャリアに関するものである。

コンピュータチップなどの集積回路は、シリコンウェーハの表面に回路の層を構築して製造される。その製造過程においては、極度に高度のウェーハ平坦性と層平坦性が要求される。化学的機械研磨(ＣＭＰ)は、装置製造過程においてウェーハ及びウェーハ上に構築された層を必要な平坦度へ平坦化するために使用されるプロセスである。

ＣＭＰは、ウェーハを研磨パッドで研磨し、それにパッドへ注出されるスラリの化学的物理的作用を組み合わせてウェーハを研磨するプロセスである。ウェーハはウェーハキャリアにより保持され、ウェーハの裏面はウェーハキャリアに対向し、ウェーハの表面は研磨パッドに対向する。研磨パッドは、通常ウェーハキャリアの下方に配置されたプラテン上に保持される。研磨パッドがウェーハの表面を研磨するために、ウェーハキャリア及びプラテンの両者は回転される。所望の種類と量の研磨を達成するために、選択された薬品と研磨剤がパッドに注出される。（従って、ＣＭＰは、化学的軟化剤と、ウェーハ又はウェーハ層から物質を除去する物理的な下方向の力との組み合わせで達成されるのである。）。下方向の力は本出願ではスピンドル力と呼ばれるものであるが、それはウェーハキャリアでは保持リング力とウェーハ力に分割される。

ＣＭＰプロセスを使用して、ウェーハ又はウェーハ層の表面から物質の薄い層が除去される。該層は、ウェーハ上に成長した、あるいはウェーハ上に堆積された酸化物層、又はウェーハ上に堆積された金属層である。物質の薄い層の除去は、ウェーハ上の表面変動を低減せしめるために行われる。従って、該プロセス完了後は、ウェーハ及びウェーハ上に構築された各層は非常に平坦及び/又は均一となる。通常、更なる層を追加し、化学的機械平坦化プロセスを繰り返して、ウェーハ表面上に完全な集積回路チップが構築される。

ＣＭＰには、様々なウェーハキャリア構成が使用される。斯かるウェーハキャリア構成のひとつは、ハードバック構成である。ハードバック構成では、シリコンウェーハの裏面に対してピストンやバックプレートなどの剛直面をＣＭＰ中に使用して、シリコンウェーハの表面を研磨パッドの表面に押し付ける。このような種類のキャリアを使用するならば、ウェーハの表面が研磨パッドの表面に整合せず、その結果、平坦化不均一性が生じる。斯かるハードバックウェーハキャリアの設計は、一般的に比較的高い研磨圧力を使用するものである。これらの比較的高い圧力は効果的にウェーハを変形せしめ、研磨パッドの表面形状に一致せしめる。ウェーハ表面歪曲が発生すると、高箇所は低箇所と同時に研磨され、その結果ある程度の均一性が生じるが、平坦化不良となる。すなわち、ウェーハのある領域から物質が過剰に除去され、他の領域からは物質が過少に除去される。ウェーハ歪曲に加えて、比較的高い圧力によりシリコンウェーハのエッジに沿って物質が過剰に除去されることになる。物質除去が過剰であると、ウェーハ全体あるいはウェーハが部分的に使用不能となる。

他のウェーハキャリア構成では、ウェーハは膜その他の柔らかい材料で研磨パッドに押し付けられる。膜キャリアの使用では、ウェーハの歪曲が発生しない傾向がある。より低い研磨圧力が使用でき、ある程度の全体的研磨均一性及び良好な平坦化の両方が達成できるようにウェーハの表面の整合が歪曲なしに達成される。ウェーハ上の金型間(from die to die)の類似した特徴に対する研磨率は同一であるので、少なくとも一部分はより良好な平坦化均一性が達成される。

ＣＭＰでは多種類のソフトバックのウェーハキャリア構成が使用されるが、それらの使用は完全には満足なものでない。あるキャリアの設計では、ウェーハの表面全体に対して加圧空気の層を使用して平坦化中にウェーハを押し付ける試みが為された。斯かる手法はウェーハキャリアに対してソフトバックを提供するものであるが、残念ながら、それはウェーハエッジの不均一性の問題解決のためにウェーハのエッジにおいての圧力の独立調整を可能とせず、ウェーハの中央よりの領域での調整も可能としないのである。

エッジ研磨効果を補正し、あるいはそれを補償するために、保持リングの近辺のウェーハから除去される物質の量が変わるように保持リングの形状を調整し、保持リング圧力に変更を加える試みが為された。通常、ウェーハのエッジからより多くの物質が除去され、その結果研磨過剰が生じる。この研磨過剰を補正するために、保持リング圧力は、ウェーハ裏面圧力よりやや低く調整され、従ってその領域中の研磨パッドは保持リングによって多少圧縮され、保持リングから数ミリメートル以内では除去される物質の量がより少なくなる。しかし、これらの試みは完全には満足なものでない。その理由は、保持リング圧力に基づき、ウェーハの外周の平坦化圧力はただ間接的に調整可能であるからである。保持リング補償効果の実質的距離をウェーハエッジへ任意の距離に延長することは不可能であった。また所望の結果を得るために、保持リング圧力に対し、保持リング圧力を独立して調整することも、端圧力を調整することも、裏面ウェーハ圧力を調整することも不可能であった。

ウェーハ半導体基板上の構造層の不均一研磨を補償するために、優良な平坦化、端平坦化効果の制御、及びウェーハ材料除去特性を提供する、膜圧力と保持リング圧力の両方の独立した制御が可能な膜支持(membrane backed)を有するウェーハキャリアの必要性が存在するのである。

下記記載の方法と装置は、エッジ効果を多大に低減せしめ、その表面全体にわたってウェーハを均一に研磨できるように適応されたウェーハキャリアを提供するものである。ウェーハの背後に圧力制御型ソフト膜と、保持リングアクチュエータを有する保持リングと、加圧されるエッジ制御ブラダ(bladder)又は弾性リングとを有するウェーハキャリアがＣＭＰに使用される。

ソフト膜の背後の圧力、保持リングアクチュエータ内の圧力、及びエッジ制御ブラダ内の圧力は相互独立して制御される。これにより、ウェーハキャリアはウェーハ表面の不均一性、保持リングの変化、及びエッジ効果に対応できるのである。

図1は、化学的機械平坦化（ＣＭＰ）を行う装置1を示す。１つまたは複数の研磨ヘッド又はウェーハキャリア2が、研磨パッド4の上に吊下されたウェーハ3（ウェーハキャリアの下のそれらの位置を示すために点線で示される）を保持している。このようにして、ウェーハキャリア2はウェーハ3を固定して保持する手段を有する。ウェーハキャリア2は、移動アーム5から吊下されている。研磨パッド4は、プラテン6上に配置されており、プラテンは矢印7の方向に回転する。ウェーハキャリア2は、矢印9の方向に、それぞれのスピンドル8を中心に回転する。また、ウェーハキャリア2は、移動スピンドル10により研磨パッド4の表面の上で前後移動され、前記スピンドルは矢印20で示されるように移動する。研磨プロセスで使用されるスラリは、スラリ注入管21を通して研磨パッド4の表面に注入される。前記管21は、吊下アーム22上又はそれを貫通して配置されている。（他のＣＭＰ装置では、1枚のウェーハ3を保持する１個のウェーハキャリア2が使用されるか、複数のウェーハ3を保持する複数のウェーハキャリア2が使用されてもよい。また、他の装置では、各キャリアを保持するために別個の移動アームが使用されてもよい）。

ウェーハキャリアの断面図を図2に示す。ウェーハキャリア2は次のものを含む。すなわち、スピンドル8に連結可能な上部プレート23、上部プレート23に連結したハウジング24、ハウジング24に連結したジンバルプレート27、ジンバルプレート27に連結した保持リング25、保持リング25内に配置された保持リングアクチュエータ26、ジンバルプレート27に連結し垂直方向に一自由度(one degree of freedom)を有するピストンプレート28、及び圧力制御ソフト膜29である。該膜29は、合成ゴム又は他の柔軟な材料で形成されることができる。ピストンプレート28は、ハウジング24及び保持リング25のそれぞれの内径内に配置されている。加圧流体が供給されると、加圧流体は、ピストンプレート28の下面30の窪み領域へ経路を通って流動する。該流体は液体又は気体であってもよい。加圧流体は、ソフト膜29をピストンプレート28の下面30から離れる方向に下向きに押す（同時に、加圧流体はピストンプレート28を上向きに押す）。

ソフト膜29は、ウェーハ3の裏面の周辺部分で水平に伸び、ピストンプレート28の側面と保持リング25及びジンバルプレート27との間を垂直に伸びる。膜29の延伸部は、ジンバルプレート27に備えられた環状空間31に突出する。これにより、圧力制御ソフト膜29はウェーハ及びピストンプレートと共に移動するが、研磨中は、ジンバルプレート27及び保持リング25の動きとは独立して移動する。ソフト膜内の圧力は、ウェーハの裏面32に対して下向きの力を与えるように、そしてウェーハの表面33から物質が除去される速度がウェーハの表面全体にわたって均一であることを保証するために、制御コンピュータにより調整される。

ウェーハキャリア2の保持リングアクチュエータ26は独立制御され、保持リング25の背後に付与される力の量に影響を与える。保持リングアクチュエータ26は保持リング25内に備えられている。加圧されると、アクチュエータは保持リングに対して伸びて、保持リングにより研磨パッドに加えられる力の量をウェーハキャリア2の残りの部分と比較して増加せしめる。保持リング25は、保持リングアクチュエータ26内の圧力を増大・減少せしめるように、ジンバルプレート27に取り付けられている。保持リングアクチュエータ内の圧力の変化は、保持リングにより研磨パッドに対して作用する力の量に影響を与える。制御コンピュータを使用して、保持リングアクチュエータ26内の圧力は、膨張可能な膜29の圧力及びエッジ制御ブラダ37の圧力とは独立して制御される。保持リング25の底面から物質が除去されるにつれ、保持リング25を下向きに押すように、保持リングアクチュエータ26内の圧力が使用される。

研磨により、物質が保持リングの底面より除去され、特に複数の研磨実行にわたって除去される。キャリア2の使用中、ソフト膜圧力、保持リングアクチュエータ圧力、及びエッジ制御ブラダ圧力は全て独立して制御される。これにより、オペレータはＣＭＰツールを使用しながらウェーハ表面の不均一性、保持リングの高さの変動、及びエッジ効果に対応できる。従って、保持リングの底面から物質が除去されるとき、ウェーハの表面33は保持リングの底面と実質的に同一面であり続ける。保持リングアクチュエータ26及びその中の流体により、保持リング25はウェーハ3及び膨張可能膜29とは独立して移動できる。

図3に、圧力制御ソフト膜、保持リングアクチュエータ付きの保持リング、及びエッジ制御ブラダを有するウェーハキャリア2の断面図を示す。ソフト膜及び保持リングアクチュエータ26付きのウェーハキャリアには、ピストンプレート28と圧力制御ソフト膜29の背後の保持リング26との間の管状のフープブラダ37が設けられてもよい。（フープブラダ37はエッジ効果を制御するために使用される故に、ブラダはエッジ制御ブラダ37と呼ばれる）。使用中、エッジ制御ブラダ37内の圧力は、保持リングアクチュエータ26内の圧力及び膨張可能な膜29内の圧力の両方から独立して、制御コンピュータにより制御される。エッジ制御ブラダ37内の圧力は、ブラダ37がウェーハ3のエッジに沿って加える力の量を増加するか減少せしめるために制御される。ウェーハのエッジは、ウェーハの表面面積の外円周5%であると考えられる。中心低速プロセスの場合、エッジ制御ブラダ37内の圧力は、エッジ制御ブラダ37の領域中のウェーハ3に対して加えられる力の量がウェーハ3の残りの部分に対して加えられる力の量よりも少ないように制御される。（ウェーハ3に対する下向きの力は、ソフト膜29により加えられる下向きの力によって加えられ、ソフト膜29の背後の圧力は、エッジ制御ブラダ37内の圧力とは独立して調整される。）。ウェーハ3の中心部と比較して少ない力がウェーハ3のエッジに加えられるので、エッジ効果が減少する。また、必要に応じて、エッジ制御ブラダ37を使用してウェーハのエッジにより多くの力を加えることもできる。

ソフト膜29及びウェーハ3のエッジは、キャリア2と相対的に上下に移動し、その結果ウェーハ3のエッジに加えられる力は、ウェーハ3の残りの部分に加えられる力と相対的に変化せしめることができる。従って、エッジ制御ブラダ37内の圧力及びソフト膜29の背後の圧力は、研磨により物質が除去される速度がウェーハ3の表面全体に渡って均一であるように制御できる。

エッジ制御ブラダ37及びソフト膜29はまた、ウェーハキャリア2及びウェーハ3を含むキャリア装置の振動を減少せしめる。エッジ制御ブラダ37内及びソフト膜29の背後で使用される流体は、ダンパとして機能する。エッジ制御ブラダ37内及びソフト膜29の背後の圧力は、キャリア装置での振動の量を軽減するために調整できる。

ウェーハキャリアの別の実施形態では、エッジ制御ブラダ37の能動的制御は提供されていない。能動エッジ制御の代わりに、予め決定された圧力に加圧された流体で充填した受動管状ブラダが使用される。別の方法として、弾性材料からなる実質的中実リングもウェーハキャリアにおいて使用できる。受動管状ブラダ又は弾性材料からなるリングは、ピストンプレート28と膨張可能膜29の背後の保持リングとの間に配置されている。ウェーハの表面からの物質除去の均一速度を保証し、ウェーハ3のエッジへ加えられる力を調整するために、ブラダ内の圧力や材料の弾性が選択される。

図4に、ウェーハキャリア2の詳細図を示す。ウェーハ3をピストンプレート28、ハウジング24及びジンバルプレート27から分離せしめながら研磨中に圧力をウェーハ3に分布せしめるソフト膜29を図示する。膜29の延伸部が管状空間31に突出する様子を示す。保持リング25も示す。保持リングアクチュエータ26は、保持リング25をジンバルプレート27及びハウジング24から分離しながら調整可能な圧力を保持リング25に伝達する。保持リング25内に曲面を有するランド46は、予めつぶれた状態にある保持リングがリングの最大限の移動とデッドバンド(dead-band)の最小化を可能にしつつ、アクチュエータ26と保持リング25との間の面積関係を保つ。研磨パッドと、研磨パッドと接触している保持リング25の領域間の面積関係を維持するために、保持リング25に矩形ノッチ(squaring notch)47が組み込まれている。ジンバルプレート27及びハウジング24に対する保持リング25の縦方向動作は、保持リング内のスロット48により可能となっている。

このように、それらが開発された環境を参照して装置と方法の好適な実施形態を記載したが、それらは本発明の原理の説明にすぎない。本発明の思想及び添付の特許請求の範囲から逸脱せずに、他の実施形態や構成も考案可能である。

図1は、化学的機械平坦化を行う装置である。 図2は、圧力制御ソフト膜及び保持リングアクチュエータを有するウェーハキャリアの断面図である。 図3は、圧力制御ソフト膜、圧力制御保持リングアクチュエータ、及びエッジ制御ブラダを有するウェーハキャリアの断面図である。 図4は、圧力制御ソフト膜、圧力制御保持リングアクチュエータ、及びエッジ制御ブラダを有するウェーハキャリアの詳細図である。

符号の説明

1 ＣＭＰ装置
2 ウェーハキャリア又は研磨ヘッド
3 ウェーハ
4 研磨パッド
5 移動アーム
6 プラテン
7 プラテン回転アーム
8 スピンドル
10 移動スピンドル
20 移動矢印
21 スラリ注入管
22 サスペンション・アーム
23 上部プレート
24 ハウジング
25 保持リング
26 保持リングアクチュエータ
27 ジンバルプレート
28 ピストンプレート
29 ソフト膜又は膨張可能な膜
30 ピストンプレートの下面
31 環状空間
32 ウェーハの裏面
33 ウェーハの表面
36 ウェーハキャリア軸
37 エッジ制御ブラダ
46 保持リング内のランド
47 矩形ノッチ
48 スロット

Claims (16)

1. プレートを有するハウジングと、
   １つの内径と前記ハウジングの前記プレートに連結されたこととを特徴とし、内部に配置された溝を有する保持リングと、
   前記溝内に配置され、前記溝のサイズ及び寸法に実質的に適合するようなサイズと寸法を有し、かつ、加圧されることができる保持リングアクチュエータと、
   ウェーハキャリアのピストンプレートの底面にわたって延伸し、前記保持リングの内径内に配置され、かつ、加圧されることができるソフト膜と、
   を備えたウェーハキャリア。
2. 前記ウェーハキャリア内に配置されたエッジ制御ブラダをさらに備え、前記ブラダは、前記ブラダ内の圧力変化が、前記ウェーハキャリアによって保持されているウェーハのエッジに加えられる力を変化させるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のウェーハキャリア。
3. 前記ウェーハキャリア内に配置された弾性材料ブラダのリングをさらに備え、前記リングは、前記弾性材料ブラダが前記ウェーハキャリアによって保持されているウェーハの前記エッジに力を加えるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のウェーハキャリア。
4. 前記保持リングに加えられる圧力を変化せしめるように前記保持リングアクチュエータ圧力を変化できることを特徴とする請求項１に記載のウェーハキャリア。
5. 前記保持リングに加えられる圧力を変化せしめるように前記保持リングアクチュエータ圧力を変化できることを特徴とする請求項２に記載のウェーハキャリア。
6. 前記保持リングに加えられる圧力を変化せしめるように前記保持リングアクチュエータ圧力を変化できることを特徴とする請求項３に記載のウェーハキャリア。
7. 前記ウェーハキャリアによって保持されているウェーハの裏面に力を加えるために前記ソフト膜が加圧されることを特徴とする請求項１に記載のウェーハキャリア。
8. 前記ウェーハキャリアによって保持されているウェーハの裏面に力を加えるために前記ソフト膜が加圧されることを特徴とする請求項２に記載のウェーハキャリア。
9. 前記ウェーハキャリアによって保持されているウェーハの裏面に力を加えるために前記ソフト膜が加圧されることを特徴とする請求項３に記載のウェーハキャリア。
10. 前記保持リングアクチュエータ内の圧力及び前記ソフト膜の背後の圧力が独立して制御されることを特徴とする請求項１に記載のウェーハキャリア。
11. 前記保持リングアクチュエータ内の圧力及び前記ソフト膜の背後の圧力が独立して制御されることを特徴とする請求項３に記載のウェーハキャリア
12. 前記保持リングアクチュエータ内の圧力、前記膨張可能ソフト膜の背後の圧力、及び前記エッジ制御ブラダ内の圧力が独立して制御されることを特徴とする請求項２に記載のウェーハキャリア。
13. ウェーハ平坦化の方法であって、
    プレートを有するハウジングと、
    １つの内径と前記ハウジングの前記プレートに連結されたこととを特徴とし、内部に配置された溝を有する保持リングと、
    前記溝内に配置され、前記溝のサイズ及び寸法に実質的に適合するようなサイズと寸法を有し、かつ、加圧されることができる保持リングアクチュエータと、
    ウェーハキャリアのピストンプレートの底面にわたって延伸し、前記保持リングの内径内に配置され、かつ、加圧されることができるソフト膜と、を備えたウェーハキャリアを準備し、
    ＣＭＰ中にウェーハに対して下向きの圧力を加えるために前記ウェーハキャリアの前記ソフト膜を加圧し、
    研磨パッドに対して作用する前記保持リングの力を調整するために前記保持リングアクチュエータを加圧する、ことを特徴とする方法。
14. 前記ウェーハキャリアによって保持されている前記ウェーハのエッジに加えられる力を変化せしめるために、前記ウェーハキャリアに配置されたエッジ制御ブラダを加圧することをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記ソフト膜の背後の圧力及び前記保持リングアクチュエータ内の圧力を独立して制御することをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記ソフト膜の背後の圧力、前記保持リングアクチュエータ内の圧力、及び前記エッジ制御ブラダ内の圧力を独立して制御することをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。

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