JP2006289506A - 保持ヘッド、研磨装置および研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 大口径ウェハの研磨においても、仕上がり研磨面の平坦性を向上させることができる保持ヘッド、研磨装置および研磨方法を実現する。
【解決手段】 本発明の保持ヘッド、研磨装置および研磨方法は、研磨パッドを有する研磨テーブルとウェハ１４とを相対的に動かし、研磨剤を供給しながらウェハ１４の研磨面１５を研磨パッドに接触させることにより研磨面１５に研磨処理を施す研磨装置の保持ヘッド１１と、研磨面１５に対向するウェハ１４の裏面近傍の保持ヘッド１１内部に設けられた空洞Ａ〜空洞Ｃを満たす温水１２ａ〜１２ｃと、研磨面１５における温度プロファイルが所望の形状になるよう温水１２ａ〜１２ｃの温度を制御する温度制御装置１２を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＬＳＩチップ製造プロセスで用いられる保持ヘッド、研磨装置および研磨方法に関する。

近年、ＬＳＩの高集積化、高性能化のためにＣＭＰ（ Chemical-Mechanical Polishing ）技術が注目されている。ＣＭＰは、研磨剤と被研磨体（ウェハ）との間の化学的作用と、研磨剤中の研磨粒子の機械的作用とを複合化させた研磨技術であり、ウェハの研磨面に形成される変質層が小さく、研磨速度が速いという特徴を有している。このため、ＣＭＰ技術は、半導体装置製造プロセス、特に、多層配線形成工程における層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、埋め込み金属配線形成などにおいて必須の技術となっている。そして、上記の特徴をさらに進展させるため、ＣＭＰに使用される研磨装置には、これまで様々な工夫（例えば、特許文献１および特許文献２を参照。）が加えられてきている。

しかしながら、ＣＭＰで用いられる従来の保持ヘッド、研磨装置および研磨方法では、特に大口径ウェハの研磨において、仕上がりの研磨面が半径方向に湾曲するという問題があった。すなわち、研磨装置における研磨パッドなど、そのハードウェア上の特性、あるいは、研磨剤の被研磨物質（例えば、ウェハ表面に堆積させた被膜など。）に対する特性などに起因して研磨に偏りが生じ、結果として仕上がり研磨面が凸状もしくは凹状、さらには、研磨面が半径方向に波打つＭ状もしくはＷ状に湾曲するという問題があった。また、ＣＭＰ工程前の成膜工程などで装置の特性に起因して加工に偏りが生じ、絶縁膜などの厚さが研磨装置の許容範囲を超えてバラついている場合には、所望の平坦化を達成できないという問題もあった。これらの問題は、ウェハの大口径化とともに顕在化したものであり、現在の３００ｍｍウェハでは、ＬＳＩチップの歩留まりにとって無視できない問題となってきている。

ＬＳＩチップの製造コストを考慮すれば、ウェハがさらに大口径化することは必死であり、この仕上がり研磨面の湾曲は、今後ますます重大な問題になっていくと推察される。
特開平８−２１６０２３号公報 特開平８−２５５７７３号公報

本発明は、大口径ウェハの研磨においても、仕上がり研磨面の平坦性を向上させることができる保持ヘッド、研磨装置および研磨方法を提供する。

本発明の一態様によれば、研磨パッドを有する研磨テーブルと被研磨体とを相対的に動かし、研磨剤を供給しながら前記被研磨体の研磨面を前記研磨パッドに接触させることにより前記研磨面に研磨処理を施す研磨装置の保持ヘッドであって、前記研磨面に対向する前記被研磨体の裏面近傍に熱源を有し、前記熱源は、前記研磨面における温度プロファイルが所望の形状になるよう発熱量もしくは吸熱量が制御されることを特徴とする保持ヘッドが提供される。

本発明の別の一態様によれば、研磨パッドが取り付けられた研磨テーブルと、被研磨体の研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持し、前記研磨面に対向する前記被研磨体の裏面近傍に熱源を有する保持手段と、前記研磨面と前記研磨パッドの表面が互いに摺動するように前記研磨テーブルと前記保持手段を相対的に動かす手段と、前記研磨面に研磨剤を供給する手段と、前記研磨面における温度プロファイルが所望の形状になるよう前記熱源の発熱量もしくは吸熱量を制御する温度制御手段を有することを特徴とする研磨装置が提供される。

本発明の別の一態様によれば、研磨パッドを有する研磨テーブルと被研磨体を保持する保持手段とを相対的に動かし、研磨剤を供給しながら前記被研磨体の研磨面を前記研磨パッドに接触させることにより前記研磨面に研磨処理を施す研磨方法であって、前記研磨面に対向する前記被研磨体の裏面近傍の前記保持手段に設けられた熱源により、前記研磨面の温度プロファイルを所望の形状に設定することを特徴とする研磨方法が提供される。

本発明によれば、被研磨体の研磨面における温度プロファイルを所望の形状に制御できるので、仕上がり研磨面の平坦性を大幅に向上させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の実施例１に係わる保持ヘッド１１を示す断面図である。ここでは、主に、ウェハ１４（被研磨体）の研磨面１５における温度プロファイル制御で用いられる熱源とその熱源制御にかかわる部分を示した。

本発明の実施例１に係わる保持ヘッド１１は、同心円状の３つの空洞Ａ〜空洞Ｃ、空洞Ａ〜空洞Ｃをそれぞれ満たす温水１２ａ〜１２ｃを備えている。

空洞Ａ〜空洞Ｃは、ウェハ１４が装着される保持ヘッド１１の底面１６（以下、「接触面１６」という。）近傍の保持ヘッド１１内部に設けられている。保持ヘッド１１の上部には、図１に示したように、温水１２ａ〜１２ｃの供給または排出を行うための供給口が設けられており、これら供給口から空洞Ａ〜空洞Ｃの上部へスルーホールが形成されている。

空洞Ａは、ウェハ１４中心部に対応するように円筒形に設けられている。そして、空洞Ａに繋がる供給口には温水１２ａが供給されている。

空洞Ｂは、空洞Ａを取り巻くようにリング状に設けられている。そして、空洞Ｂに繋がる供給口には温水１２ｂが供給されている。

空洞Ｃは、空洞Ｂをさらに取り巻くようにウェハ１４周縁部に対応してリング状に設けられている。そして、空洞Ｃに繋がる供給口には温水１２ｃが供給されている。

温水１２ａ〜１２ｃは、温度制御装置１３によって、それぞれ所定の温度に制御され、空洞Ａ〜空洞Ｃへ熱源として供給される。これにより、保持ヘッド１１の接触面１６における温度プロファイルは所望の形状に保持され、接触面１６を介してウェハ１４の裏面へ熱が供給、またはウェハ１４の裏面から熱が吸収される。

図１に点線で示した矢印は、空洞Ａ〜空洞Ｃの熱が接触面１６を介してウェハ１４へ伝わる様子を模式的に表したものである。

図２は、本発明の実施例１に係わる保持ヘッド１１の接触面１６における温度プロファイルの一例を示すグラフである。ここでは、接触面１６の直径での垂直断面を示した。図２の縦軸は接触面１６での温度を表し、横軸は接触面１６上での位置を表している。

図中、破線で囲んだ部分は、その部分の温度がそれぞれ空洞Ａ〜空洞Ｃによって主に制御されていることを示している。すなわち、温度制御装置１３は、温水１２ａ〜１２ｃの温度を、温水１２ａ＞温水１２ｂ＞温水１２ｃ、となるよう制御している。

空洞Ａ〜空洞Ｃの底部を構成する材料は熱伝導率が比較的高いので、図２に示したように、温度プロファイルは凸状のなめらかな曲線になる。

空洞Ａ〜空洞Ｃはウェハ１４の裏面と熱的に導通しており、温水１２ａ〜１２ｃの循環により温度制御装置１３からの熱量の供給も十分あるので、ウェハ１４の研磨面１５における温度プロファイルも図２の形状に維持される。

３次元の温度プロファイルは、図２に示した接触面中心を回転軸として回転させた凸状の曲面になる。したがって、この温度プロファイルでウェハ１４を研磨した場合、中心部ほど温度による研磨が促進される。

これは、温度以外の、例えば、機械的な摩耗などによる研磨がウェハ１４周縁部ほど早い場合に、それをキャンセルして仕上がりの研磨面１５を平坦化するために有効な温度プロファイルである。

ここで、重要なことは、温度制御装置１３によって温水１２ａ〜１２ｃの温度がそれぞれ独立に制御されていることである。これにより、研磨面１５が凸状に偏る場合だけでなく、凹状、Ｍ状、またはＷ状に偏るような場合にも柔軟に対応できる。

図３は、本発明の実施例１に係わる研磨装置を示すイメージ図である。ここでは、主に、ウェハ１４の研磨と研磨面１５の温度プロファイル制御にかかわる部分を示した。

本発明の実施例１に係わる研磨装置は、ウェハ１４を保持する保持ヘッド１１、熱源となる温水１２、温水１２を制御する温度制御装置１３、研磨パッド２２、研磨テーブル２３、および研磨剤２５を供給する研磨剤供給ノズル２４を備えている。

研磨パッド２２は円形で研磨テーブル２３の上面を覆うように設けられ、そのほぼ中央上方に吐出口が位置するように研磨剤供給ノズル２４が設けられている。

保持ヘッド１１は図１で示した構造を持ち、上述したように、接触面１６の温度プロファイルは、例えば、図２に示したような形状に制御されている。そして、保持ヘッド１１は装着されたウェハ１４の研磨面１５が研磨パッド２２と接触するように配置され、研磨面１５には研磨剤供給ノズル２４から吐出された研磨剤２５が供給されている。

本発明の実施例１に係わる研磨装置による研磨方法は、図１に示した保持ヘッド１１を用いて、ウェハ１４の研磨面１５における温度プロファイルを所望の形状に設定する制御工程と、図３に矢印で示したように、ウェハ１４を装着した保持ヘッド１１および研磨パッド２２を回転させ、研磨剤２５を研磨面１５に供給しつつ互いに摺動させて研磨処理を施す研磨工程で構成されている。

上記実施例１によれば、ウェハ１４の研磨面１５における温度プロファイルを所望の形状に制御できるので、研磨面１５における仕上がりの平坦性を大幅に向上させることができる。

上述の実施例１では、熱源は空洞Ａ〜空洞Ｃに供給される温水１２であるとしたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、冷水、温風、または冷風など、温度制御装置１３でその温度を制御可能な流体であれば、原理的には使用可能である。

図４は、本発明の実施例２に係わる保持ヘッド４１を示す断面図である。ここでは、図の煩雑さを避けるためにウェハ１４（被研磨体）の断面を示していない。以下、ウェハ１４および研磨面１５は実施例１と同じ符号を用いる。ウェハ１４が保持ヘッド４１に装着される位置および方法は、実施例１と同様である。

また、図４では、主に、ウェハ１４の研磨面１５における温度プロファイル制御で用いられる熱源とその熱源制御にかかわる部分を示した。

本発明の実施例２に係わる保持ヘッド４１は、同心円状の３つの空洞Ａ〜空洞Ｃ、空洞Ａ〜空洞Ｃをそれぞれ満たす純水４２ａ〜４２ｃ、絶縁物で覆われたヒーター４３ｄ〜４３ｈ、およびヒーター４３ｄ〜４３ｈへそれぞれ電流を供給する電源配線４４ｄ〜４４ｈを備えている。

空洞Ａ〜空洞Ｃは、ウェハ１４が装着される保持ヘッド４１の底面４６（以下、「接触面４６」という。）近傍の保持ヘッド４１内部に設けられている。そして、空洞Ａ〜空洞Ｃは、それぞれ純水４２ａ〜４２ｃで満たされている。

ヒーター４３ｄおよび４３ｈは、空洞Ｃの純水４２ｃ中に設けられ、それぞれに電流を供給するために温度制御装置４５からの電源配線４４ｄおよび４４ｈが接続されている。

ヒーター４３ｅおよび４３ｇは、空洞Ｂの純水４２ｂ中に設けられ、それぞれに電流を供給するために温度制御装置４５からの電源配線４４ｅおよび４４ｇが接続されている。

ヒーター４３ｆは、空洞Ａの純水４２ａ中に設けられ、電流を供給するために温度制御装置４５からの電源配線４４ｆが接続されている。

空洞Ａ〜空洞Ｃの形状は、実施例１と同様なので説明は省略する。

純水４２ａ〜４２ｃは、熱源としてのヒーター４３ｄ〜４３ｈから接触面４６への熱伝達媒体である。

ヒーター４３ｄ〜４３ｈは、温度制御装置４５から供給される電流によってその発熱量が制御され、それぞれの純水４２ａ〜４２ｃを所定の温度に設定する。

これにより、保持ヘッド４１の接触面４６における温度プロファイルは所望の形状に保持され、接触面４６を介してウェハ１４の裏面へ熱が供給、またはウェハ１４の裏面から熱が吸収される。

図４に点線で示した矢印は、空洞Ａ〜空洞Ｃの熱が接触面４６を介してウェハ１４へ伝わる様子を模式的に表したものである。

電源配線４４ｄ〜４４ｈは、図４に示したように、保持ヘッド４１上部から外部に引き出され、温度制御装置４５に接続されている。図４には示していないが、研磨処理中は保持ヘッド４１を回転させる必要があるので、保持ヘッド４１への電源配線４４ｄ〜４４ｈの接続にはロータリージョイント（図示していない。）が用いられている。

上述した構成の保持ヘッド４１により制御される研磨面１５の温度プロファイルは、実施例１と同様なので説明は省略する。

また、上述した構成の保持ヘッド４１を用いた本発明の実施例２に係わる研磨装置および研磨方法は、実施例１と同様なので詳しい説明は省略する。

実施例１との違いは、保持ヘッド１１の替わりに保持ヘッド４１を用いていることと、温度制御装置４５によって電流制御されたヒーター４３ｄ〜４３ｈが空洞Ａ〜空洞Ｃ内に満たされた純水４２ａ〜４２ｃを温度制御していることである。

上記実施例２によれば、実施例１と同様に、研磨面１５における仕上がりの平坦性を大幅に向上させることができる。

さらに、上記実施例２では、純水４２ａ〜４２ｃを循環させる必要がないので、保持ヘッド４１および温度制御装置４５を実施例１に比べコンパクトに設計することができる。

上述の実施例２では、空洞Ａ〜空洞Ｃに満たされた純水４２ａ〜４２ｃを熱の伝達媒体として用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、ヒーター４３ｄ〜４３ｈの熱を接触面４６へ拡散させることのできる媒体であれば、原理的には使用可能である。

図５は、本発明の実施例３に係わる保持ヘッド５１を示す断面図である。ここでは、図の煩雑さを避けるためにウェハ１４（被研磨体）の断面を示していない。以下、ウェハ１４および研磨面１５は実施例１と同じ符号を用いる。ウェハ１４が保持ヘッド５１に装着される位置および方法は、実施例１と同様である。

また、図５では、主に、ウェハ１４の研磨面１５における温度プロファイル制御で用いられる熱源とその熱源制御にかかわる部分を示した。

本発明の実施例３に係わる保持ヘッド５１は、同心円状の３つの空洞Ａ〜空洞Ｃ、空洞Ａ〜空洞Ｃにそれぞれ設けられたホットプレート５２ｄ〜５２ｈ、およびホットプレート５２ｄ〜５２ｈへそれぞれ電流を供給する電源配線５３ｄ〜５３ｈを備えている。

空洞Ａ〜空洞Ｃは、ウェハ１４が装着される保持ヘッド５１の底面５５（以下、「接触面５５」という。）近傍の保持ヘッド５１内部に設けられている。そして、空洞Ａ〜空洞Ｃの底部にはホットプレート５２ｄ〜５２ｈが設けられている。

ホットプレート５２ｄおよび５２ｈは、空洞Ｃに設けられ、それぞれに電流を供給するために温度制御装置５４からの電源配線５３ｄおよび５３ｈが接続されている。

ホットプレート５２ｅおよび５２ｇは、空洞Ｂに設けられ、それぞれに電流を供給するために温度制御装置５４からの電源配線５３ｅおよび５３ｇが接続されている。

ホットプレート５２ｆは、空洞Ａに設けられ、電流を供給するために温度制御装置５４からの電源配線５３ｆが接続されている。

空洞Ａ〜空洞Ｃの形状は、実施例１と同様なので説明は省略する。

ホットプレート５２ｄおよび５２ｈは、それぞれ、空洞Ｃに収まるような馬蹄形であり、互いに対向するよう配置されている。

ホットプレート５２ｅおよび５２ｇは、それぞれ、空洞Ｂに収まるような馬蹄形であり、互いに対向するよう配置されている。ホットプレート５２ｆは、円筒形である。

ホットプレート５２ｄ〜５２ｈは、温度制御装置５４から供給される電流によってその発熱量が制御される。

これにより、保持ヘッド５１の接触面５５における温度プロファイルは所望の形状に保持され、接触面５５を介してウェハ１４の裏面へ熱が供給、またはウェハ１４の裏面から熱が吸収される。

図５に点線で示した矢印は、ホットプレート５２ｄ〜５２ｈの熱が接触面５５を介してウェハ１４へ伝わる様子を模式的に表したものである。

電源配線５３ｄ〜５３ｈは、実施例２と同様に、ロータリージョイント（図示していない。）を用いて温度制御装置５４へ接続されている。

上述した構成の保持ヘッド５１により制御される研磨面１５の温度プロファイルは、実施例１と同様なので説明は省略する。

また、上述した構成の保持ヘッド５１を用いた本発明の実施例３に係わる研磨装置および研磨方法は、実施例１と同様なので詳しい説明は省略する。

実施例１との違いは、保持ヘッド１１の替わりに保持ヘッド５１を用いていることと、温度制御装置５４によって電流制御されたホットプレート５２ｄ〜５２ｈが接触面５５の温度プロファイルを制御していることである。

上記実施例３によれば、実施例１と同様に、研磨面１５における仕上がりの平坦性を大幅に向上させることができる。

さらに、上記実施例３では、熱源もしくは熱伝達媒体としての純水を用いないので、保持ヘッド５１および温度制御装置５４を実施例１に比べコンパクトに設計でき、かつ、実施例２に比べても保持ヘッド５１の取り扱いおよびメンテナンスの利便性が向上する。

上述の実施例３では、ホットプレート５２ｄ、５２ｅ、５２ｇ、および５２ｈは馬蹄形であるとしたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、円周に沿って略方形のホットプレートを多数配置するようにしても良い。

さらに、上述の実施例１〜３の説明では、空洞Ａ〜空洞Ｃは同心円状に設けられているとしたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、１方向に依存する偏りに合わせて、略直方体の空洞を互いに平行に配置するように構成することもできる。

さらに、上述の実施例１〜３の説明では、空洞は３つであるとしたが、本発明はこれに限られるものではない。

本発明の実施例１に係わる保持ヘッドを示す断面図。 本発明の実施例１に係わる保持ヘッドの接触面における温度プロファイルの一例を示すグラフ。 本発明の実施例１に係わる研磨装置を示すイメージ図。 本発明の実施例２に係わる保持ヘッドを示す断面図。 本発明の実施例３に係わる保持ヘッドを示す断面図。

符号の説明

Ａ、Ｂ、Ｃ 空洞
１１、４１、５１ 保持ヘッド
１２ａ〜１２ｃ 温水
１３、４５、５４ 温度制御装置
１４ ウェハ
１５ 研磨面
１６、４６、５５ 接触面
２２ 研磨パッド
２３ 研磨テーブル
２４ 研磨剤供給ノズル
２５ 研磨剤
４２ａ〜４２ｃ 純水
４３ｄ〜４３ｈ ヒーター
４４ｄ〜４４ｈ、５３ｄ〜５３ｈ 電源配線
５２ｄ〜５２ｈ ホットプレート

Claims (5)

1. 研磨パッドを有する研磨テーブルと被研磨体とを相対的に動かし、研磨剤を供給しながら前記被研磨体の研磨面を前記研磨パッドに接触させることにより前記研磨面に研磨処理を施す研磨装置の保持ヘッドであって、
   前記研磨面に対向する前記被研磨体の裏面近傍に熱源を有し、
   前記熱源は、前記研磨面における温度プロファイルが所望の形状になるよう発熱量もしくは吸熱量が制御されることを特徴とする保持ヘッド。
2. 前記熱源は、
   前記被研磨体の前記裏面近傍に設けられた空洞を満たす流体を備え、
   前記流体の温度が制御されることにより、前記研磨面の温度プロファイルが所望の形状になるよう制御されることを特徴とする請求項１に記載の保持ヘッド。
3. 前記熱源は、
   電流により発熱する発熱体を備え、
   前記発熱体を流れる電流が制御されることにより、前記研磨面の温度プロファイルが所望の形状になるよう制御されることを特徴とする請求項１に記載の保持ヘッド。
4. 研磨パッドが取り付けられた研磨テーブルと、
   被研磨体の研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持し、前記研磨面に対向する前記被研磨体の裏面近傍に熱源を有する保持手段と、
   前記研磨面と前記研磨パッドの表面が互いに摺動するように前記研磨テーブルと前記保持手段を相対的に動かす手段と、
   前記研磨面に研磨剤を供給する手段と、
   前記研磨面における温度プロファイルが所望の形状になるよう前記熱源の発熱量もしくは吸熱量を制御する温度制御手段を有することを特徴とする研磨装置。
5. 研磨パッドを有する研磨テーブルと被研磨体を保持する保持手段とを相対的に動かし、研磨剤を供給しながら前記被研磨体の研磨面を前記研磨パッドに接触させることにより前記研磨面に研磨処理を施す研磨方法であって、
   前記研磨面に対向する前記被研磨体の裏面近傍の前記保持手段に設けられた熱源により、前記研磨面の温度プロファイルを所望の形状に設定することを特徴とする研磨方法。
   
   
   

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