JP2006332585A - 研磨パッド及びこれを採用した化学的機械的研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板を化学的機械的研磨するための研磨パッド及びこれを採用した化学的機械的研磨装置を提供する。
【解決手段】研磨パッドの表面に同心円状に形成されている第１グルーブパターン４００と、該第１グルーブパターン４００と重なるように、前記研磨パッドの表面において前記同心円状の中央部から外側に向けて螺旋状に形成されている第２グルーブパターン４１０と、を備えてなり、前記第１グルーブパターン４００及び第２グルーブパターン４１０と重なるように、前記研磨パッドの表面において前記同心円状の中央部から四方に向けて放射状に延びる第３グルーブパターン４２０をさらに有する研磨パッド及びこれを採用した化学的機械的研磨装置を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体素子の製造過程に使用される研磨パッド及びこれを採用した化学的機械的研磨装置に関する。

化学的機械的研磨（ＣＭＰ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程とは、スラリー状に供給される研磨液の化学反応と研磨パッドによる機械的加工とが同時に行われる半導体素子製造工程中の平坦化工程のことをいう。この化学的機械的研磨工程は、表面平坦化のために従来から利用されてきたリフロー（ｒｅｆｌｏｗ）またはエッチバック（ｅｔｃｈ ｂａｃｋ）工程などに比べて、グローバル平坦化が得られるし、低温で行えるという利点がある。

特に、化学的機械的研磨工程は、平坦化工程として提案されたものだが、近来は自己整列コンタクト（ＳＡＣ）工程におけるビットラインコンタクトパッド及びストレッジノードコンタクトパッド形成のための導電膜の蝕刻工程にも利用される等その適用分野は広がりつつある。かかる化学的機械的研磨工程に使用される装置は、表面に研磨パッドを備えたプラテン（ｐｌａｔｅｎ）、ウエハ研磨の際に研磨パッドにスラリーを供給するスラリー供給装置、研磨パッドを含むプラテン上にウエハを押圧して保持する研磨ヘッド、及び研磨パッド面を再生するための研磨パッドコンディショナーから構成される。

このように構成される化学的機械的研磨装置によれば、ウエハが研磨ヘッドにより押圧された状態でプラテン上に配置された後に、スラリー供給装置から研磨パッドにスラリーが供給され、この状態で研磨ヘッドの回転によってウエハが回転すると同時にプラテンが回転しつつウエハの研磨が行われる。

一方、化学的機械的研磨では、特定部位の除去速度を調節することによってウエハを平坦化することができる。このため、プラテンに取り付けられた研磨パッドには、スラリーの流動を容易にするために所定の幅、深さ及び形状を有するグルーブ（ｇｒｏｏｖｅ）パターンが形成されており、これらグルーブパターンは、研磨作業過程で継続して供給されるスラリーの流動と分布関係及びウエハの研磨度合を決定づける重要要因とされる。

図１ａは、従来技術による化学的機械的研磨装置の研磨パッドを示す図である。また、図１ｂは、図１ａのＸ−Ｘ’線に沿った研磨パッドの断面を示す拡大図である。

一般の研磨パッド１００は、図１ａに示すように、上部面全体にかけて同心円（ｃｉｒｃｕｌａｒ）形態のグルーブパターン１１０が形成されており、このグルーブパターン１１０は、図１ｂに示す研磨パッド１００のＸ−Ｘ’線断面からわかるように、垂直形態（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔｙｐｅ）、すなわち研磨パッドの中心軸と０゜の角をなしている。

図２は、従来技術によって同心円状のグルーブパターンに沿って化学的機械的研磨工程を行う際に生じる問題点を説明するための図である。

研磨パッドでのグルーブパターンの役割は、化学的機械的研磨工程に必要な研磨剤と化合物などの供給を円滑にし、研磨過程中に供給されるスラリー及び研磨副産物を効率的に除去することである。しかしながら、図２に示すように、同心円状のグルーブパターン２１０によれば、スラリーが供給されるノズルの位置及び回転方向によって研磨パッド２００上に供給される新しいスラリーの分散均一度と反応副産物の分布均一度が研磨パッドの各領域別に異なってくる。しかも、スラリーの分散２２０が、研磨パッドの回転方向２３０と同方向に行われるため、研磨パッドの各領域別に新しい研磨剤の分布と研磨副産物の分布が不均一になる。その結果、研磨均一度及び研磨速度の低下が引き起こる問題が生じる。

そこで、研磨パッドのグルーブの形態を螺旋状にしたものも提案されたが、この場合にもまた、研磨剤と研磨副産物の分布が均一でないため、研磨均一度及び研磨速度が低下してしまう。

米国特許出願公開第２００５／０２１８５４８号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１０６８７８号明細書

本発明は上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、グルーブパターンを変化させることによって研磨均一度を向上させ、化学的機械的研磨工程の特性を改善させられる研磨パッド及びこれを採用した化学的機械的研磨装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る研磨パッドは、半導体基板を化学的機械的研磨するための研磨パッドであって、研磨パッドの表面に同心円状に形成されている第１グルーブパターンと、前記第１グルーブパターンと重なるように、前記研磨パッドの表面において前記同心円状の中央部から外側に向けて螺旋状に形成されている第２グルーブパターンと、を有することを特徴とする。

また、前記研磨パッドは、前記第１グルーブパターン及び第２グルーブパターンと重なるように、前記研磨パッドの表面において前記同心円状の中央部から四方に向けて放射状に延びる第３グルーブパターンをさらに有することができる。

好ましくは、前記第１ないし第３グルーブパターンは、研磨パッドの中心軸を基準にして正の傾度を有する。

前記正の傾度は、１５〜２５゜であると好ましい。

好ましくは、前記第１グルーブパターンの深さは、０．０１４〜０．０１６インチで、前記第１グルーブパターンの幅は、０．００９〜０．０１１インチで、第１グルーブパターンのピッチは、０．０５〜０．０７インチであると良い。

前記第２及び第３グルーブパターンは、第１グルーブパターンの２倍以上の幅と深さで形成されていることが好ましい。

好ましくは、第２及び第３グルーブパターンの進行方向は、前記プラテンの回転方向と反対方向である。

上記目的を達成するために、本発明に係る化学的機械的研磨装置は、回転自在に設けられるプラテンと、前記プラテン上に置かれる、請求項１乃至８のいずれか１項による研磨パッドと、前記研磨パッドを含むプラテン上にウエハを押圧して保持する研磨ヘッドと、前記研磨パッドにスラリーを供給するスラリー供給機構と、を備える。

本発明によれば、研磨パッド上に形成されるグルーブパターンが改善されるため、スラリーの分散が均一になり、研磨速度及び研磨均一度を向上させられる効果が得られる。

以下、添付の図面に基づき、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。もちろん、本発明は、下記の実施の形態に限定されず、様々に変形実施することができる。図面中、同一の構成要素には可能な限り同一の参照符号を付し、また、多くの層及び領域を明瞭にするためにその厚さを拡大して示すものとする。

図３は、本発明に適用される化学的機械的研磨装置を示す図である。

図３に示すように、本発明に適用される化学的機械的研磨装置は、回転軸３０５上に装着され、その上部に研磨パッド３１０を付着したプラテン（ｐｌａｔｅｎ）３００と、プラテン３００と向かい合う位置において他の回転軸３１５に取り付けられ、研磨処理するウエハ３２５を保持する研磨ヘッド３２０と、研磨パッド３１０の表面に研磨剤を含むスラリーを供給するスラリー供給機３３０と、を備えてなる。ここで、プラテン３００は、回転自在に設けられ、プラテン３００上に置かれた研磨パッド３１０は、研磨時にウエハ３２５に触れることによってウエハ３２５の表面を機械的に研磨する。研磨ヘッド３２０は、回転自在に設けられ、また、研磨時に研磨パッド３１０を含むプラテン３００上にウエハ３２５を押圧して保持する。また、スラリー供給機３３０は、プラテン３００の中心部側に配置され、ウエハ３２５の研磨時に化学的反応によりウエハ３２５の表面を研磨するスラリーを研磨パッド３１０に供給する。

次に、上記のように構成された化学的機械的研磨装置を用いた平坦化方法を説明する。

上部に研磨パッド３１０が設置されたプラテン３００を回転させ、プラテン３００と向かい合う位置において他の回転軸３１５に装着されて、研磨処理するウエハ３２５を保持する研磨ヘッド３２０を、プラテン３００と同方向に回転させる。このときに、研磨ヘッド３２０に一定の荷重を加えることによって、研磨ヘッド３２０に取り付けられたウエハ３２５を、プラテン３００に付着された研磨パッド３１０に密着させる。これと同時に、スラリー供給機構３３０を用いて、回転するウエハ３２５と研磨パッド３１０との間に液状のスラリーを供給する。こうすると、ウエハ３２５は、研磨パッド３１０及びスラリーによりそれぞれ機械的及び化学的に研磨され平坦化する。このときに、研磨パッド３１０にスラリーが均一に分布される分散度によって化学的機械的研磨工程の研磨特性が影響を受けることになる。また、このスラリーの分散度は、研磨パッド３１０に形成されたグルーブパターンの平面形状と断面形状により影響を受ける。したがって、本発明では下記のような研磨パッドを提案する。

図４及び図５はそれぞれ、本発明による化学的機械的研磨装置の研磨パッドの例を示す図である。また、図６は、本発明による化学的機械的研磨装置の研磨パッドに形成されるグルーブパターンを示す図である。

本発明による研磨パッドの一例では、図４に示すように、研磨パッドの表面に同心円状に形成されている第１グルーブパターン４００と、第１グルーブパターン４００と重なるように、研磨パッドの表面において同心円の中央部から螺旋状（ｓｐｉｒａｌ ｔｙｐｅ）に研磨パッドの外側まで続くように形成された第２グルーブパターン４１０と、が備えられる。

また、本発明による研磨パッドの他の例では、図５に示すように、研磨パッドの表面に同心円状に形成されている第１グルーブパターン４００と、第１グルーブパターン４００と重なるように、研磨パッドの表面において同心円の中央部から螺旋状（ｓｐｉｒａｌ ｔｙｐｅ）に研磨パッドの外側まで続くように形成された第２グルーブパターン４１０と、第１グルーブパターン４００及び第２グルーブパターン４１０と重なるように、研磨パッドの表面において同心円の中央部から四方に向けて放射状（ｒａｄｉａｌ ｔｙｐｅ）に延びる第３グルーブパターン４２０と、が備えられる。

ここで、第１乃至第３グルーブパターンは、図６に示すように、研磨パッドの中心軸Ｃを基準にして正（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）の傾度を有するように形成する。特に、本発明では、１５〜２５゜の傾度を有するように形成する。正の傾度とは、研磨パッドの中心軸Ｃを基準にして左右に０゜〜±９０゜の角度を意味し、負（ｎｅｇａｔｉｖｅ）の傾度とは、研磨パッドの中心軸Ｃを基準にして９０゜よりも大きい絶対値の角度を意味する。研磨パッドのグルーブパターンが正の傾度を有すると、遠心力により研磨に使用されたスラリー及び研磨副産物の除去効率が増大する。

また、第１グルーブパターンの深さＤは、０．０１４〜０．０１６インチに形成し、第１グルーブパターンの幅Ｗは、０．００９〜０．０１１インチに形成する。また、第１グルーブパターンのピッチＰは、０.０５〜０．０７インチに形成することが好ましい。そして、第２及び第３グルーブパターンは、幅と深さを第１グルーブパターンの２倍以上にすることによって、新しいスラリーの供給及び研磨副産物の除去効率を向上させる。

図７及び図８は、本発明による化学的機械的研磨装置の研磨パッドにおけるスラリーの分散度を説明するための図である。

回転中のプラテン上にスラリーを供給する場合、スラリーが研磨パッドに落ちる瞬間にスラリーに加えられる反作用力は、プラテンの回転方向と反対方向に加えられる。この場合、図７に示すように、螺旋状の第２グルーブパターン４１０及び放射状の第３グルーブパターン４２０が同心円状の第１グルーブパターン（図示せず）と重複するように形成されている研磨パッドにおいて、第２及び第３グルーブパターン４１０，４２０の回転方向６１０がプラテンの回転方向６００と同方向となっていると、供給されるスラリーが研磨パッドの中心部側に集まるため、スラリーの分散が広く行われない。

一方、図８に示すように、研磨パッドの表面に形成されている第２及び第３グルーブパターン４１０，４２０の回転方向７１０が、プラテンの回転方向７２０と反対方向となっていると、スラリーに加えられる反作用力により研磨パッド全体にわたってほぼ均一にスラリーの分散が行われるため、研磨速度が一層増加する。すなわち、螺旋状の第２グルーブパターン４１０と放射状の第３グルーブパターン４２０の回転方向がプラテンの回転方向と反対方向となっている場合に分散度及び研磨速度が最も大きくなる。図７及び図８において、参照符号６２０はスラリー供給機である。

以下、本発明による化学的機械的研磨装置の研磨パッドの効果を、実験値を挙げて説明する。

図９は、本発明による化学的機械的研磨装置の研磨パッドと従来技術による研磨パッドの研磨率を比較したグラフである。

図９を参照すると、同じ研磨圧力で同心円状の第１グルーブパターンだけを形成している研磨パッド８００に比べて、第１グルーブパターンと重なるように螺旋状の第２グルーブパターン及び放射状の第３グルーブパターンを形成している研磨パッド８１０，８２０において研磨速度がより高いということが分かる。特に、図８に示すように、第２グルーブパターンと第３グルーブパターンの回転方向がプラテンの回転方向と反対方向となっている研磨パッド８２０の研磨速度が最も高いということが分かる。

図１０は、本発明による化学的機械的研磨装置の研磨パッドにおいて、中心軸を基準にしてグルーブパターンの断面の傾度に従う研磨率を示すグラフである。

図１１は、本発明による化学的機械的研磨装置の研磨パッドにおいて、グルーブパターンの傾度に従う研磨圧力、スラリー流量及び研磨速度を示すグラフである。

図１０を参照すると、研磨パッドに形成されたグルーブパターンの断面が研磨パッドの中心軸を基準にして正の傾度を有し、かつ、研磨圧力が大きくなるほど研磨率が増加することが分かる（９００）。したがって、本発明では、研磨パッドに形成されるグルーブパターンを１５〜２５゜の正の傾度を有するように形成することが好ましい。図９において未説明である符号９１０，９２０はそれぞれ、研磨圧力を３０g/cm²、１２０g/cm²にし
た場合の研磨率を示すものである。また、このようなグルーブパターンの傾度によって研磨率が増加する効果は、図１１から分かるように、研磨圧力が大きくなるほどより増大し、かつ、供給されるスラリーの量が増加して供給代謝が円滑になるほど増大する（９３０）。図１１において未説明である符号９４０，９５０は、研磨パッドに形成されたグルーブパターンの傾度に従う研磨率を示すものである。また、従来の垂直形態のグルーブパターン（図１ｂ参照）の代わりに、正の傾度を有するグルーブパターン（図５参照）を形成することによって、研磨工程で供給されたスラリー及び研磨工程中に発生した副産物を迅速に除去し、常に新しいスラリーの供給を円滑にすることができる。

従来技術による化学的機械的研磨装置の研磨パッドを示す図である。 図１ａのＸ−Ｘ’線断面を示す拡大図である。 従来技術によって同心円状のグルーブパターンに沿って化学的機械的研磨工程を行う場合に生じる問題点を説明するための図である。 本発明の一実施の形態による化学的機械的研磨装置を示す図である。 本発明による化学的機械的研磨装置に適用される研磨パッドの一例を示す図である。 本発明による化学的機械的研磨装置に適用される研磨パッドの他の例を示す図である。 本発明による化学的機械的研磨装置に適用される研磨パッドのグルーブパターンを示す図である。 本発明による化学的機械的研磨装置の研磨パッドにおけるスラリーの分散度を説明するための図である。 本発明による化学的機械的研磨装置の研磨パッドにおけるスラリーの分散度を説明するための図である。 本発明による化学的機械的研磨装置の研磨パッドと従来技術による研磨パッドの研磨率を比較したグラフである。 本発明による化学的機械的研磨装置の研磨パッドにおいて中心軸を基準にしてグルーブパターンの断面の傾度に従う研磨率を示すグラフである。 本発明による化学的機械的研磨装置の研磨パッドにおいてグルーブパターンの傾度に従う研磨圧力、スラリー流量及び研磨速度を示す図である。

符号の説明

４００ 第１グルーブパターン、４１０ 第２グルーブパターン、４２０ 第３グルーブパターン。

Claims (10)

1. 半導体基板を化学的機械的研磨するための研磨パッドであって、
   研磨パッドの表面に同心円状に形成されている第１グルーブパターンと、
   前記第１グルーブパターンと重なるように、前記研磨パッドの表面において前記同心円状の中央部から外側に向けて螺旋状に形成されている第２グルーブパターンと、
   を有することを特徴とする研磨パッド。
2. 前記第１グルーブパターン及び第２グルーブパターンと重なるように、前記研磨パッドの表面において前記同心円状の中央部から四方に向けて放射状に延びる第３グルーブパターンをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド。
3. 前記第１ないし第３グルーブパターンは、研磨パッドの中心軸を基準にして正の傾度を有することを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド。
4. 前記正の傾度は、１５〜２５゜であることを特徴とする請求項３に記載の研磨パッド。
5. 前記第１グルーブパターンの深さは、０．０１４〜０．０１６インチであることを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド。
6. 前記第１グルーブパターンの幅は、０．００９〜０．０１１インチであることを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド。
7. 第１グルーブパターンのピッチは、０．０５〜０．０７インチであることを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド。
8. 第２及び第３グルーブパターンは、第１グルーブパターンの２倍以上の幅と深さで形成されていることを特徴とする請求項１及び２に記載の研磨パッド。
9. 回転自在に設けられるプラテンと、
   前記プラテン上に置かれる、請求項１乃至８のいずれか１項による研磨パッドと、
   前記研磨パッドを含むプラテン上にウエハを押圧して保持する研磨ヘッドと、
   前記研磨パッドにスラリーを供給するスラリー供給機構と、
   を備える化学的機械的研磨装置。
10. 前記研磨パッドの表面に形成されている第２及び第３グルーブパターンの進行方向 は、前記プラテンの回転方向と反対方向であることを特徴とする請求項９に記載の化学的機械的研磨装置。