JP2006351928A - Polishing method and polishing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体製造プロセスで、ウエハ上に形成された層の表面を化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing: CMP)する研磨方法及び研磨装置に関する。 The present invention relates to a polishing method and a polishing apparatus for performing chemical mechanical polishing (CMP) on a surface of a layer formed on a wafer in a semiconductor manufacturing process.
近年、半導体製造プロセスにおいては、研磨装置(CMP装置)を使用してプロセスの途中のウエハの表面を化学機械研磨(CMP)することが行われており、特許文献1及び2などに説明されている。まず、従来のCMP装置の概略構成を簡単に説明する。
In recent years, in a semiconductor manufacturing process, the surface of a wafer in the middle of a process is subjected to chemical mechanical polishing (CMP) using a polishing apparatus (CMP apparatus), which is described in
CMP装置では、研磨パッドを貼り付けたプラテンを回転させ、研磨パッドに研磨剤(スラリー)を供給しながら、ウエハ保持機構に保持されたウエハを回転しながら研磨パッドに押し付けて研磨を行う。CMPでは、ウエハの表面に形成された酸化膜や金属膜の層を研磨する。 In the CMP apparatus, polishing is performed by rotating the platen to which the polishing pad is attached and supplying the polishing agent (slurry) to the polishing pad while pressing the wafer held by the wafer holding mechanism against the polishing pad. In CMP, an oxide film or a metal film layer formed on the surface of a wafer is polished.
図1は、CMP装置の概略構成図である。図1に示すように、研磨パッド13を貼り付けたプラテン11を回転軸12の回りに回転し、研磨パッド13上にスラリー供給器16からスラリー17を供給しながら、その上にウエハ保持機構14に保持したウエハ10を回転させながら押し付ける。ウエハ保持機構14は、回転軸15の回りに回転する。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a CMP apparatus. As shown in FIG. 1, the
研磨パッド13は研磨に伴って薄くなるため、ある程度の厚さになると新品の研磨パッド13に交換される。新品の研磨パッド13は、スラリーを保持する表面の凹凸状態やスラリーとのなじみが不十分であるため、そのままでは安定した高品質の研磨を行うことができない。そこで、新品の研磨パッド13に置き換えた時には、図1のドレッシング装置20により、研磨パッド13の表面をドレッシング処理する。ドレッシング装置20は、回転軸22の回りに回転する円板21を有し、円板21の表面23は、ダイヤモンド砥粒を含む金属で作られており、部分的にダイヤモンド砥粒が突き出した凹凸を有する。回転するドレッシング装置20を表面23を、研磨パッド13の表面全体に押し付けて、研磨パッド13の表面をドレッシングする。ドレッシングの後、複数枚の予備ウエハを研磨し、研磨パッドの表面がスラリーに対してなじむようにした後、通常の研磨動作が行える状態になる。また、研磨パッドは、使用に従って表面が目詰まりすることがあり、そのような場合にもドレッシング処理が行われる。
Since the
上記のように、研磨パッドは使用に従って表面が目詰まりして十分な研磨が行えない状態になるが、十分な研磨が行えない状態になるまでの期間、すなわち研磨できる期間をいかに延ばすかが、コスト低減及びスループット向上の上から重要な問題である。 As described above, the surface of the polishing pad is clogged according to use, and sufficient polishing cannot be performed, but how long the period until polishing can be performed, that is, how long the polishing period can be extended, This is an important problem in terms of cost reduction and throughput improvement.
十分な研磨が行えない状態では、単位時間当たりに除去される厚さが減少すると共に、ウエハ上の位置に対する研磨の均一性が低下するという問題が生じる。研磨により単位時間当たりに除去される厚さは、研磨レート(nm/分)と呼ばれる。研磨レートが低下すると、研磨に要する時間が長くなり、スループットが低下するという問題を生じる。 In the state where sufficient polishing cannot be performed, the thickness removed per unit time decreases, and the uniformity of polishing with respect to the position on the wafer decreases. The thickness removed per unit time by polishing is called the polishing rate (nm / min). When the polishing rate decreases, the time required for polishing becomes longer, resulting in a problem that the throughput decreases.
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、研磨レート及び研磨の均一性の低下が小さい研磨方法及び研磨装置の実現も目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is also to realize a polishing method and a polishing apparatus in which a decrease in polishing rate and polishing uniformity is small.
上記目的を実現するため、本発明の研磨方法及び研磨装置は、表面に酸化膜材料を有するウエハを研磨する時に、表面がシリコンで形成されたシリコン部材を回転する研磨パッドに接触させることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the polishing method and polishing apparatus of the present invention are characterized in that when polishing a wafer having an oxide film material on the surface, a silicon member having a surface made of silicon is brought into contact with a rotating polishing pad. And
研磨パッドの表面状態は、研磨レート(研磨速度)及び研磨の均一性に大きく影響する重要な要素であるが、研磨のメカニズムは十分に解明されていないのが現状である。 The surface state of the polishing pad is an important factor that greatly affects the polishing rate (polishing rate) and polishing uniformity, but the polishing mechanism has not been fully elucidated.
本願発明者は、表面に酸化膜材料を有するウエハを研磨する時に、表面がシリコンで形成されたシリコン部材を回転する研磨パッドに接触させることにより研磨パッドの表面状態が回復して研磨レートの低下を小さくできることを発見した。 When polishing a wafer having an oxide film material on the surface, the inventor of the present application recovers the surface state of the polishing pad by bringing a silicon member having a surface made of silicon into contact with the rotating polishing pad, thereby reducing the polishing rate. I found that I can make it smaller.
図2は、研磨パッドを立ち上げた状態Aで、ドレッシングをオフにして、表面にシリコン酸化膜(SiO2膜)を有するウエハを30分間研磨して5分ごとに研磨レートを測定し、その後研磨パッドにシリコンウエハを接触させて5分ごとにシリコン酸化膜を有するウエハを研磨して研磨レートを測定した時の研磨レートの変化を示す図である。図2に示すように、状態AからCまでシリコン酸化膜を有するウエハを研磨する間、研磨レートは低下する。これはこの間に研磨パッドの目詰まりが発生していると考えられる。研磨パッドに目詰まりが発生した状態Cから、研磨パッドへのシリコンウエハの接触を開始すると、ドレッシングを行わないのにもかかわらず研磨レートが増加することが分かる。これは研磨パッドにシリコンウエハを接触させることにより研磨パッドの表面が化学的に影響を受けたためと考えられる。言い換えれば、研磨パッドの表面状態は、機械的な作用により変化するだけでなく、化学的な作用により変化するといえる。 FIG. 2 shows a state in which the polishing pad is raised, dressing is turned off, a wafer having a silicon oxide film (SiO 2 film) on the surface is polished for 30 minutes, and the polishing rate is measured every 5 minutes. It is a figure which shows the change of a polishing rate when a silicon wafer is made to contact a polishing pad and the polishing rate is measured by polishing a wafer having a silicon oxide film every 5 minutes. As shown in FIG. 2, while polishing a wafer having a silicon oxide film from state A to C, the polishing rate decreases. This is considered that the polishing pad is clogged during this period. From the state C where the polishing pad is clogged, when the contact of the silicon wafer to the polishing pad is started, it can be seen that the polishing rate increases even though dressing is not performed. This is presumably because the surface of the polishing pad was chemically affected by bringing the silicon wafer into contact with the polishing pad. In other words, it can be said that the surface state of the polishing pad is changed not only by a mechanical action but also by a chemical action.
図3は、図2でAからDで示した時の研磨パッドの表面をFT−IR(フーリエ赤外分光法)で測定した結果を示す。状態Aから状態Cへの研磨パッドの目詰まり過程においては、1710cm-1のC=O(カルボニル)伸縮振動ピークや1540 cm-1付近の−NH変角振動のピークが減少し、1250 cm-1の−COC(=O)−(エステル)結合、1080cm-1のSi−O結合のピークが増大した。シリコンウエハを研磨した後は、定性的なスペクトルは大きく変化しないが、C=O伸縮ピークやNiH変角ピークが一部回復していることが確認できる。 FIG. 3 shows the results of measuring the surface of the polishing pad as indicated by A to D in FIG. 2 by FT-IR (Fourier Infrared Spectroscopy). In the clogging process of the polishing pad from the state A to state C, C = O (carbonyl) -NH peak of bending vibration of the stretching vibration peak and around 1540 cm -1 in 1710 cm -1 is reduced, 1250 cm - 1 -COC (= O) - (ester) bond, a peak of Si-O bonds of 1080 cm -1 is increased. After polishing the silicon wafer, the qualitative spectrum does not change greatly, but it can be confirmed that the C = O stretching peak and the NiH deflection peak are partially recovered.
以上のような実験結果から、次のように考察される。 From the above experimental results, it is considered as follows.
一般に、シリコン(Si)基板上に形成されたシリコン酸化膜のようなシリコンオキサイド系の材料を研磨する時には、シリカ系のスラリーが使用される。一方で、研磨パッドはポリウレタンで形成される。ポリウレタンは一般的に微小な相分離をした状態で存在する。一つはハードセグメントと呼ばれ、他方はソフトセグメントと呼ばれる。ハードセグメントは、極性分子が存在し、極性分子同士が凝集して整列した構造をとることが知られている。この極性分子として、ウレタン基やウレア基がある。これらの極性分子は水素結合しやすく、通常は互いの極性分子同士が凝集している。 In general, a silica-based slurry is used when polishing a silicon oxide-based material such as a silicon oxide film formed on a silicon (Si) substrate. On the other hand, the polishing pad is made of polyurethane. Polyurethane generally exists in a state of minute phase separation. One is called a hard segment and the other is called a soft segment. It is known that the hard segment has a structure in which polar molecules are present and the polar molecules are aggregated and aligned. Examples of the polar molecule include a urethane group and a urea group. These polar molecules are easy to hydrogen bond, and usually polar molecules are aggregated with each other.
一方、研磨の際に使用されるスラリー内の水は、典型的な極性分子である。水も大きい極性を持つため、他の極性を持つ分子と水素結合により吸着する性質を持つ。ドレッシングを行いながら研磨を行うことにより、研磨レートが上昇して安定化する状態は、この研磨パッドの極性分子同士が結合していた状態において、極性分子の間に水が割り込むことで、水と研磨パッド極性分子間で水素結合し、水分子に他の水分子が引き寄せられて、結果的になじんだ状態になる。すなわち、研磨パッドが立ち上がって、いわゆる研磨パッドがなじんだ状態になるためには、研磨パッド内の極性分子の存在とスラリー内の水の存在が必要不可欠である。この研磨パッドの極性分子に吸着するのは、かならずしも水ではない。前述のシリカ系のスラリー中に含まれるシラノールといわれる反応性の高い官能基が研磨パッドの極性分子に吸着されて、研磨パッドの極性分子を消費することが確認されたといえる。 On the other hand, the water in the slurry used for polishing is a typical polar molecule. Since water also has a large polarity, it has the property of adsorbing with other polar molecules by hydrogen bonds. By polishing while performing dressing, the state in which the polishing rate increases and stabilizes is such that when the polar molecules of this polishing pad are bonded to each other, water enters between the polar molecules, Hydrogen bonding occurs between the polishing pad polar molecules, and other water molecules are attracted to the water molecules, resulting in a familiar state. In other words, the presence of polar molecules in the polishing pad and the presence of water in the slurry are indispensable in order for the polishing pad to stand up and become a state in which the so-called polishing pad becomes familiar. It is not necessarily water that adsorbs to the polar molecules of this polishing pad. It can be said that it was confirmed that a highly reactive functional group called silanol contained in the aforementioned silica-based slurry was adsorbed by the polar molecules of the polishing pad and consumed the polar molecules of the polishing pad.
一般に、シリカ系のスラリーは、シラノール(SiOH)を多く含む場合がある。しかし、新しくシリコンオキサイドを研磨する場合には、このシラノールはかえって研磨を抑制する因子となる。シリコンオキサイドの研磨で起きる化学反応は次式で示される。 In general, a silica-based slurry may contain a large amount of silanol (SiOH). However, when a new silicon oxide is polished, the silanol is a factor that suppresses the polishing. The chemical reaction that occurs in the polishing of silicon oxide is expressed by the following equation.
シリコンオキサイドは引張応力下で水が浸透し、圧縮応力下でシロキサン結合が水和して、結果的にシラノールが形成される。シラノールが多くある場合、上記の化学式の右方向への反応は律速される。そのため、シリコン酸化膜を研磨する場合、シラノールが多いスラリーでは、シラノールは研磨の進行を妨害するのみならず、余剰シラノールが研磨パッドの極性分子と結合するため、研磨パッドのスラリーのなじみが低下し、その結果、研磨レートが劇的に低下する。 Silicon oxide penetrates water under tensile stress and hydrates siloxane bonds under compressive stress, resulting in the formation of silanol. When there is a lot of silanol, the reaction in the right direction of the above chemical formula is limited. Therefore, when polishing a silicon oxide film, in a slurry containing a large amount of silanol, silanol not only obstructs the progress of polishing, but also surplus silanol binds to the polar molecules of the polishing pad, which reduces the familiarity of the slurry of the polishing pad. As a result, the polishing rate decreases dramatically.
一方、研磨パッドにシリコン(Si)ウエハを接触させる場合については、以下のようになる。 On the other hand, the case of bringing a silicon (Si) wafer into contact with the polishing pad is as follows.
研磨パッドにシリコン(Si)ウエハを接触させると、上記と逆の反応が起きる。シリコンは、水中、特にアルカリ性溶液中では表面に水酸基を有する。この水酸基を有するシリコン表面はシラノールと反応してシロキサン結合を形成し、除去されていく。この反応式は、次式の通りである。 When a silicon (Si) wafer is brought into contact with the polishing pad, a reaction opposite to the above occurs. Silicon has a hydroxyl group on its surface in water, particularly in an alkaline solution. The silicon surface having a hydroxyl group reacts with silanol to form a siloxane bond and is removed. This reaction formula is as follows.
これにより、シラノールは、研磨パッドにシリコンを接触させた時にSi原子と結び付いてシロキサン結合を形成し、効率的に除去されていく。研磨パッドへのシリコンの接触においては、シラノールは研磨を促進する因子となる。また、酸化膜研磨途中にシリコンを接触させると、付近に存在する余剰シラノールと反応しながら研磨が進行するため、研磨抑制因子のシラノールを効果的に除去することができる。 Thus, silanol is efficiently removed by combining with Si atoms when silicon is brought into contact with the polishing pad to form a siloxane bond. In contact of silicon with the polishing pad, silanol is a factor that promotes polishing. Further, when silicon is brought into contact with the oxide film during polishing, polishing proceeds while reacting with surplus silanol present in the vicinity, so that the silanol as a polishing inhibiting factor can be effectively removed.
シリコン酸化膜研磨では、シラノールを含むシリカスラリーを使用すると、研磨レートの低下が、通常の物理的な目詰まりのみならず、化学的な研磨パッド表面改質による研磨レートの低下を招く。その結果、シリコン酸化膜研磨で目詰まりを防ぐためのドレッシング工程を怠ると、劇的に研磨レートが低下する。特に、シリコン酸化膜を研磨する時には、研磨の最中においても劇的に研磨レートが低下するため、研磨の最中にも研磨パッドをドレッシングするIn-situドレッシング技術が一般的になっている。しかし、この研磨パッドのドレッシングも絶えず安定的に行われる保証はない。ドレッシングが断続的である場合などには、時としてドレッシングが不十分になり、研磨レートが突如として落ち込むことが起こり得る。更に、ドレッシング時にドレッサの砥粒が脱落してウエハにスクラッチなどの不具合を発生したり、目詰まりの原因の一つである研磨屑やドレッシングによって発生した研磨パッドのドレッシング屑によりウエハにスクラッチなどの不具合を発生するので、ドレッシングはできるだけ行わないことが望ましい。 In silicon oxide film polishing, when a silica slurry containing silanol is used, the polishing rate is lowered not only by normal physical clogging but also by the chemical polishing pad surface modification. As a result, if the dressing process for preventing clogging is neglected in the silicon oxide film polishing, the polishing rate is drastically lowered. In particular, when a silicon oxide film is polished, the polishing rate is drastically lowered even during polishing, and therefore, an in-situ dressing technique for dressing a polishing pad during polishing is common. However, there is no guarantee that the dressing of the polishing pad will always be performed stably. When the dressing is intermittent, the dressing may sometimes be insufficient and the polishing rate may suddenly drop. In addition, the dresser's abrasive grains may fall off during dressing, causing problems such as scratches on the wafer, or polishing scraps that are one of the causes of clogging and dressing scraps on the polishing pad generated by dressing. It is desirable to avoid dressing as much as possible because it will cause defects.
また、研磨量の分布に関しては、シリコン酸化膜を研磨する場合、シラノールが多いスラリーを使用すると、ウエハ中心の研磨レートが低い、センタースローと呼ばれる分布になりやすい。この理由は以下のように考えられる。 As for the distribution of the polishing amount, when a silicon oxide film is polished, if a slurry containing a large amount of silanol is used, the distribution at the center of the wafer is low and the distribution called a center throw tends to occur. The reason is considered as follows.
図1に示したような従来のロータリー式研磨機の場合、研磨パッドの各半径位置において、研磨パッド一周あたりにウエハを横切る距離が長い部分は、ウエハ中心付近を通過する半径部分であり、研磨パッドの中心と外周の中間部分に対応する。研磨パッドの中で、ウエハを横切る距離が長い部分ほど、研磨によるシラノールと研磨パッドの極性分子との結合が効率的に行われることになる。したがって、その研磨パッドの部分が寄与する研磨能率は他の部分と比較して大きく低下することになる。 In the case of the conventional rotary polishing machine as shown in FIG. 1, at each radial position of the polishing pad, a portion where the distance across the wafer per circumference of the polishing pad is long is a radial portion passing near the center of the wafer. Corresponds to the middle part of the pad center and outer periphery. The longer the distance across the wafer in the polishing pad, the more efficiently the silanol and polar molecules of the polishing pad are bonded by polishing. Therefore, the polishing efficiency contributed by the portion of the polishing pad is greatly reduced as compared with other portions.
以上のような原理によれば、研磨パッド中心と外周部分の中間位置(研磨パッドの半径の1/2の半径部分)が最もシラノールと研磨パッドの極性分子が結合していると考えられるので研磨能率は最も低くなり、研磨パッドの外周部もしくは中心部にいくほど、研磨パッドの極性分子はシラノールと結合していない状態になる。この状態でシリコン酸化膜を研磨した場合、ウエハの中心が他の部分よりも研磨レートが低いセンタースローの分布になる。センタースローの分布が顕著になり、中心と他の部分の差が大きくなると、研磨の均一性を大きく悪化させ、研磨性能の許容範囲を超えることになる。 According to the principle as described above, since it is considered that the silanol and the polar molecule of the polishing pad are bonded most at the intermediate position between the polishing pad center and the outer peripheral part (radius part of the radius of the polishing pad). The efficiency becomes the lowest, and the polar molecules of the polishing pad are not bonded to the silanol as it goes to the outer periphery or the center of the polishing pad. When the silicon oxide film is polished in this state, the center of the wafer has a center throw distribution with a lower polishing rate than other portions. If the distribution of the center throw becomes remarkable and the difference between the center and other portions becomes large, the uniformity of polishing is greatly deteriorated, and the allowable range of polishing performance is exceeded.
このような研磨レートが急速に低下する現象や研磨量の分布の差が大きくなりセンタースローになる挙動は、ドレッシングが安定的に行えれば低下させることが可能であり、それにより研磨パッドの表面状態も安定する。しかし、ドレッシングは研磨パッドの表面を物理的にも除去するので、ドレッシングを行うと研磨パッドの厚さが急激に減少するため、ドレッシングを頻繁に行うことはできない。上記のように、研磨パッド側における表面改質が極めて急速に進行するため、頻繁に行えないドレッシングでは対処できない。 Such a phenomenon that the polishing rate rapidly decreases and the difference in the distribution of the polishing amount that becomes center slow can be reduced if dressing can be performed stably, thereby reducing the surface of the polishing pad. The state is also stable. However, since the dressing physically removes the surface of the polishing pad, the dressing cannot be performed frequently because the thickness of the polishing pad is drastically reduced. As described above, since the surface modification on the polishing pad side proceeds very rapidly, dressing that cannot be performed frequently cannot be dealt with.
本発明では、研磨パッドにシリコンを接触させることにより、研磨レートが急速に低下する現象や研磨量の分布の差が大きくなりセンタースローになる挙動を抑制する。 In the present invention, by bringing silicon into contact with the polishing pad, the phenomenon that the polishing rate rapidly decreases and the difference in the distribution of the polishing amount becomes large, and the behavior that becomes the center throw is suppressed.
これまで説明したように、研磨パッドにシリコンを接触させることにより、研磨パッド表面の目詰まりが解消されるので、本発明のように、シリコンを研磨することにより、研磨レートの低下及び研磨量の分布の差の増大を抑制できる。 As explained so far, by bringing silicon into contact with the polishing pad, clogging of the surface of the polishing pad is eliminated, so polishing the silicon as in the present invention reduces the polishing rate and reduces the polishing amount. An increase in the difference in distribution can be suppressed.
研磨パッドにシリコンを接触させるには各種の構成があり得る。 There can be various configurations for bringing silicon into contact with the polishing pad.
第1の構成は、表面に酸化膜材料を有するウエハを研磨中に、表面がシリコンで形成されたシリコン部材を、回転する研磨パッドに接触させる構成である。この構成では、研磨パッドの表面は、酸化膜を研磨すると同時に、表面にシリコンが接触しており、酸化膜材料を研磨している時には研磨パッドの表面状態が悪化するが、シリコンが接触している部分では研磨パッドの表面状態が回復する。 The first configuration is a configuration in which a silicon member having a surface made of silicon is brought into contact with a rotating polishing pad during polishing of a wafer having an oxide film material on the surface. In this configuration, the surface of the polishing pad is polished with the oxide film, and at the same time, the silicon is in contact with the surface. When the oxide film material is being polished, the surface condition of the polishing pad is deteriorated, but the silicon is in contact with the surface. The surface state of the polishing pad is recovered at the portion where the polishing pad is present.
図1に示すように、研磨対象のウエハを接触させる部分は研磨パッドのうちの一部分であり、研磨パッドの他の部分にシリコン部材を接触させることも可能であるが、例えば、研磨対象のウエハの回りにリング状のシリコン部材を配置することも可能である。 As shown in FIG. 1, the portion that contacts the wafer to be polished is a part of the polishing pad, and the silicon member can be in contact with the other portion of the polishing pad. It is also possible to dispose a ring-shaped silicon member around.
研磨対象のウエハと異なる位置にシリコン部材を設ける時には、シリコン部材を研磨対象のウエハと同一の表面形状を有するシリコンウエハを使用することができる。この場合、研磨パッドの回転中心からシリコンウエハの中心までの距離を、研磨パッドの回転中心から研磨対象のウエハの中心までの距離と同じにすることが望ましい。これにより、研磨対象のウエハを研磨することにより悪化する研磨パッドの部分と、研磨パッドにシリコンウエハを接触させることにより改善する研磨パッドの部分とが一致する。 When the silicon member is provided at a position different from the wafer to be polished, a silicon wafer having the same surface shape as the wafer to be polished can be used. In this case, it is desirable that the distance from the center of rotation of the polishing pad to the center of the silicon wafer is the same as the distance from the center of rotation of the polishing pad to the center of the wafer to be polished. As a result, the portion of the polishing pad that is deteriorated by polishing the wafer to be polished matches the portion of the polishing pad that is improved by bringing the silicon wafer into contact with the polishing pad.
また、CMP装置では研磨対象のウエハの回りにリング状のリテーナリングが設けられるが、シリコン部材を研磨対象のウエハの回りにリング状に設ける時には、リテーナリングの表面にシリコン部材を形成する。 In the CMP apparatus, a ring-shaped retainer ring is provided around the wafer to be polished. When the silicon member is provided in a ring shape around the wafer to be polished, the silicon member is formed on the surface of the retainer ring.
第2の構成は、表面に酸化膜材料を有する研磨対象ウエハを何枚か研磨するごとに、研磨パッドに表面がシリコンで形成されたシリコンウエハを接触させる。これであれば、従来のCMP装置をそのまま使用できる。この場合、膜厚計を使用して研磨対象ウエハの研磨前後の膜厚の分布を測定し、測定した研磨前後の膜厚の分布から研磨量の分布を算出し、算出した研磨量の分布の差が所定量を超えた時には、研磨パッドにシリコンウエハを接触させる。算出した研磨量の分布の差が所定量を超えた時には、アラームを発生するようにしてもよい。 In the second configuration, every time a number of polishing target wafers having an oxide film material on the surface are polished, a silicon wafer having a surface made of silicon is brought into contact with the polishing pad. In this case, a conventional CMP apparatus can be used as it is. In this case, the thickness distribution before and after polishing of the wafer to be polished is measured using a film thickness meter, the distribution of the polishing amount is calculated from the measured thickness distribution before and after polishing, and the calculated polishing amount distribution is calculated. When the difference exceeds a predetermined amount, the silicon wafer is brought into contact with the polishing pad. An alarm may be generated when the calculated difference in polishing amount distribution exceeds a predetermined amount.
本発明によれば、研磨方法及び研磨装置において、研磨レート及び研磨の均一性の低下を抑制でき、スループットが向上するだけでなく、研磨パッドをドレッシングする頻度が低下するので、研磨パッドの損耗が低減でき、ランニングコストを低減できる。 According to the present invention, in the polishing method and the polishing apparatus, it is possible to suppress a decrease in the polishing rate and the uniformity of polishing, and not only the throughput is improved, but also the frequency of dressing the polishing pad is decreased, so that the polishing pad is worn out. The running cost can be reduced.
図4は、本発明の第1実施例のCMP装置の概略構成を示す図であり、(A)は上面図であり、(B)は側面図である。第1実施例のCMP装置は、図1に示したような従来のCMP装置において、シリコン部材31を研磨パッド13に接触するように設けたものである。従来のCMP装置については、特許文献1及び2などに記載されているように広く知られているので、ここでは説明を省略する。
4A and 4B are diagrams showing a schematic configuration of the CMP apparatus according to the first embodiment of the present invention, in which FIG. 4A is a top view and FIG. 4B is a side view. The CMP apparatus of the first embodiment is a conventional CMP apparatus as shown in FIG. 1 in which a
図4に示すように、プラテン11及び研磨パッド13は回転軸12の回りを50rpmの回転速度で回転する。ウエハ10は、直径約200mmのシリコン基板上にシリコン酸化膜を形成したウエハで、ウエハ保持部材14に保持され、27.6kPa(4psi)の圧力で研磨パッドに押し付けられ、50rpmの回転速度で回転する。1枚のウエハ10は2分で研磨が終了する。
As shown in FIG. 4, the
図示のように、ウエハ保持部材14は回転する研磨パッド13の右側の部分に配置され、シリコン部材30は、研磨パッド13の左側の部分で、ウエハ10と同じ圧力で研磨パッド13に押し付けられる。シリコン部材30は、鉄製の基材31の表面にシリコン材32を貼り付けたもので、基材31の表面にシリコン層を形成して作ることも可能である。シリコン部材30は、研磨パッド13と接触する表面の形状が棒状で、研磨パッドの中心から放射方向に配置される。なお、シリコン部材30を設ける位置は図の位置に限定されず、研磨パッドの中心から放射方向に配置されるのであれば、どの位置でもよい。また、ウエハ10はウエハ保持部材14を移動して取り外されるが、その時にはシリコン部材30も研磨パッド13の上から退避される。図1に示したドレッシング装置20は、シリコン部材30が退避した状態で研磨パッド13をドレッシングする。
As shown in the figure, the
第1実施例のCMP装置では、研磨対象のウエハ10を研磨している時には、常時シリコン部材30が研磨パッドの表面に接触するので、研磨対象のウエハ10を研磨することにより悪化した研磨パッドの表面状態は、研磨パッドがシリコン部材30のところまで回転してシリコン材32に接触することにより回復される。
In the CMP apparatus of the first embodiment, when the
図5は、本発明の第2実施例のCMP装置の概略構成を示す図である。第2実施例のCMP装置は、従来のCMP装置で、研磨対象のウエハ10を保持して回転するウエハ保持部材14とは別に、ウエハ保持部材と同じ構成の部材を設けて研磨パッド13にシリコンウエハ33を接触させるように構成する。
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a CMP apparatus according to the second embodiment of the present invention. The CMP apparatus of the second embodiment is a conventional CMP apparatus. In addition to the
図5に示すように、研磨パッド13の回転中心からシリコンウエハ33の回転中心までの距離は、研磨パッド13の回転中心から研磨対象のウエハ10の回転中心までの距離と等しくなるように配置される。研磨パッド13の表面が1回転する間に研磨対象のウエハ10に接触する長さは、研磨対象のウエハ10の中心が位置する半径部分がもっとも長く、それより両側に離れるにしたがって短くなる。第2実施例のCMP装置では、シリコンウエハ33は研磨対象のウエハ10と同じ半径位置に配置されるので、研磨パッド13の表面の各部は、1回転する間に研磨対象のウエハ10に接触する長さと同じ長さだけシリコンウエハ33と接触する。したがって、研磨対象のウエハ10に接触する長さが長い研磨パッドの部分は、接触する長さが短い部分より表面状態が悪化するが、接触する長さが長い部分ほどシリコンウエハ33に長く接触するのでその分より回復することになる。これにより、研磨パッド表面の改質のバラツキを小さくできる。
As shown in FIG. 5, the distance from the rotation center of the
図6は、本発明の第3実施例のCMP装置の概略構成を示す図であり、(A)は側断面図であり、(B)はウエハ10を保持した状態を下側から見た図である。CMP装置では、ウエハを押し付けられた研磨パッドの部分は周囲に対して若干沈む。そのため研磨パッドが回転してウエハのエッジから下側に潜り込む時にウエハを振動させて研磨、特に研磨の均一性を悪化させるという問題を生じる。そこで、特許文献1及び2などに記載されているように、保持したウエハ10の回りを囲むようにリテーナリング41を設け、リテーナリング41で研磨パッドの表面を押して、ウエハ10の周囲の研磨パッドの高さがウエハ10の下面と同じ高さになるようにしている。
6A and 6B are diagrams showing a schematic configuration of a CMP apparatus according to a third embodiment of the present invention, in which FIG. 6A is a side sectional view and FIG. 6B is a view of a state where a
第3実施例のCMP装置では、鉄製のリテーナリング41の研磨パッド13と接触する表面にシリコン層42を形成している。これにより、研磨対象のウエハ10を研磨している時には、常時リテーナリング41のシリコン層42に研磨パッドが接触するので、研磨対象のウエハ10を研磨することにより悪化した研磨パッドの表面状態は、研磨パッドがシリコン層42に接触することにより回復される。
In the CMP apparatus of the third embodiment, a
図7は、本発明の第4実施例のCMP装置50の概略構成を示す図である。第4実施例のCMP装置は、2台のCMP部51A及び51Bと、ウエハを搬送するウエハ搬送機構52と、研磨対象のウエハ10を供給して、研磨後のウエハを回収するウエハロード・アンロード部53と、シリコンウエハ60を供給及び回収するシリコンウエハロード・アンロード部54と、研磨対象のウエハ10のシリコン酸化膜の膜厚を測定する膜厚測定部55とを有する。各CMP部は従来のCMP装置と同じ構成を有し、CMP部51Aは一次研磨用又は粗研磨用であり、CMP部51Bは仕上げ(又は二次)研磨用又は精密研磨用である。ウエハ搬送機構52は、ウエハロード・アンロード部53と膜厚測定部55とCMP部51A及び51Bとの間で、研磨対象のウエハ10を搬送すると共に、シリコンウエハロード・アンロード部54とCMP部51A及び51Bとの間でシリコンウエハ60を搬送する。膜厚測定部55に設けられるシリコン酸化膜の膜厚を測定する装置は、特許文面2に記載されているように広く使用されており、どのような装置でもよい。ウエハロード・アンロード部53及びシリコンウエハロード・アンロード部54は、複数枚のウエハを収容するカセットを有する。なお、図示していないが、CMP装置50の制御を行う制御部が設けられている。
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a
図8は、第4実施例のCMP装置50での研磨動作を示すフローチャートである。ステップ101で、ウエハ搬送機構52はウエハロード・アンロード部53から研磨対象の酸化膜ウエハ10を取り出し、膜厚測定部55に搬送する。ステップ102で、ウエハ10のシリコン酸化膜の膜厚を測定する。膜厚の測定は、ウエハの複数箇所で行われ、膜厚の分布が測定される。ステップ103で、ウエハ搬送機構52は膜厚測定部55から一次研磨用CMP部51Aに研磨対象ウエハを搬送する。一次研磨が行われた後、ウエハ搬送機構52は一次研磨用CMP部51Aから仕上げ研磨用CMP部51Bに研磨対象ウエハを搬送して仕上げ研磨が行われる。
FIG. 8 is a flowchart showing the polishing operation in the
仕上げ研磨が行われた後、ステップ104で、ウエハ搬送機構52は仕上げ研磨用CMP部51Bから膜厚測定部55に研磨後の研磨対象ウエハを搬送し、研磨後のウエハ10のシリコン酸化膜の膜厚を測定する。ここでも、膜厚の分布が測定される。ステップ105では、ウエハ搬送機構52は膜厚測定部55からウエハロード・アンロード部53に研磨対象ウエハを搬送する。
After the final polishing is performed, in
ステップ106では、ステップ102と104で測定した研磨対象ウエハの研磨の前後のシリコン酸化膜の膜厚の変化から研磨量の分布を算出する。ステップ107では、ステップ106で算出した研磨量の分布が許容範囲内であるかを判定する。ここでは、研磨対象ウエハの各部の研磨量が許容範囲内であるかを判定する。したがって、研磨量の絶対値が許容範囲内であるかを判定されると共に、位置による研磨量の差が許容範囲内であるかが判定される。
In
ステップ107で、研磨量の分布が許容範囲内であると判定された時には、ステップ101に戻る。
If it is determined in
ステップ107で、研磨量の分布が許容範囲外であると判定された時には、ステップ109に進む。ステップ109では、ウエハ搬送機構52は、シリコンウエハロード・アンロード部54からシリコンウエハ60を取り出し、一次研磨用CMP部51A及び仕上げ研磨用CMP部51Bの両方にシリコンウエハ60を搬送する。したがって、ウエハ搬送機構52は2枚のシリコンウエハ60を搬送することになる。ステップ110で、一次研磨用CMP部51A及び仕上げ研磨用CMP部51Bの両方でそれぞれシリコンウエハ60を所定時間研磨する。ステップ111では、ウエハ搬送機構52は、一次研磨用CMP部51A及び仕上げ研磨用CMP部51Bからシリコンウエハロード・アンロード部54に接触の終了したシリコンウエハ60を搬送する。シリコンウエハ60は厚さが所定の厚さになるまで何度でも使用できる。ステップ111の後、ステップ101に戻る。
If it is determined in
図9は、第4実施例の研磨動作の変形例を示すフローチャートである。図8のフローチャートでは、ステップ107で研磨量の分布が許容範囲外であると判定された時にはステップ109に進んだが、ステップ107の次にステップ121に進んでオペレータにアラームを出力し、オペレータの指示に応じてステップ109に進むようにしてもよい。これにより、オペレータにシリコンウエハを研磨パッドに接触させる必要があることを知らせて、注意を喚起できる。もし、アラームが頻繁に発生する場合には、研磨パッドにシリコンウエハを接触させるだけでは対処できない事態、例えばドレッシングが必要な事態が発生したことをオペレータが認識できる。
FIG. 9 is a flowchart showing a modification of the polishing operation of the fourth embodiment. In the flowchart of FIG. 8, when it is determined in
以上説明したように、本発明は主として半導体装置を形成する半導体製造プロセスへの適用を意図しているが、表面に酸化膜が形成されたウエハを研磨する場合であれば、どのようなウエハにも適用できる。 As described above, the present invention is mainly intended to be applied to a semiconductor manufacturing process for forming a semiconductor device. However, if a wafer having an oxide film formed on the surface is to be polished, any wafer can be used. Is also applicable.
10 ウエハ
11 プラテン
13 研磨パッド
14 ウエハ保持部材
17 スラリー
30 シリコン部材
32 シリコン材
33 シリコンウエハ
DESCRIPTION OF
Claims (11)
研磨中に、表面がシリコンで形成されたシリコン部材を、回転する前記研磨パッドに接触させることを特徴とする研磨方法。 In a polishing method for polishing by bringing a wafer having an oxide film material into contact with a polishing pad attached to the surface of a rotating platen,
A polishing method, wherein a silicon member having a surface made of silicon is brought into contact with the rotating polishing pad during polishing.
研磨対象ウエハの研磨が終了した後、次の研磨対象ウエハを研磨する前に、前記研磨パッドに表面がシリコンで形成されたシリコンウエハを接触させることを特徴とする研磨方法。 In a polishing method for polishing by bringing a wafer to be polished having an oxide film material on its surface into contact with a polishing pad attached to the surface of a rotating platen,
A polishing method comprising contacting a silicon wafer having a surface made of silicon with the polishing pad after polishing of the wafer to be polished and before polishing the next wafer to be polished.
測定した研磨前後の膜厚の分布から研磨量の分布を算出し、
算出した研磨量の分布の差が所定量を超えた時には、前記研磨パッドに前記シリコンウエハを接触させる請求項5に記載の研磨方法。 Measure the film thickness distribution before and after polishing of the wafer to be polished,
Calculate the polishing amount distribution from the measured film thickness distribution before and after polishing,
The polishing method according to claim 5, wherein the silicon wafer is brought into contact with the polishing pad when the difference in the calculated distribution of polishing amounts exceeds a predetermined amount.
ウエハを前記研磨パッドに押し付けるように回転可能に保持するウエハ保持機構とを備える研磨装置において、
表面がシリコンで形成されたシリコン部材を、回転する前記研磨パッドに押し付けるシリコン部材保持手段を備えることを特徴とする研磨装置。 A rotatable platen with a polishing pad affixed to the surface;
In a polishing apparatus comprising a wafer holding mechanism that rotatably holds a wafer so as to press the wafer against the polishing pad,
A polishing apparatus comprising: a silicon member holding unit that presses a silicon member having a surface formed of silicon against the rotating polishing pad.
ウエハを前記研磨パッドに押し付けるように回転可能に保持するウエハ保持機構とを備える研磨装置において、
前記ウエハ保持機構は、前記ウエハの周囲に設けられ、表面が前記研磨パッドを押し付けるリテーナリングを備え、
前記リテーナリングの表面はシリコンで形成されていることを特徴とする研磨装置。 A rotatable platen with a polishing pad affixed to the surface;
In a polishing apparatus comprising a wafer holding mechanism that rotatably holds a wafer so as to press the wafer against the polishing pad,
The wafer holding mechanism is provided around the wafer, and includes a retainer ring whose surface presses the polishing pad,
A polishing apparatus, wherein a surface of the retainer ring is made of silicon.
表面に酸化膜材料を有する前記研磨対象ウエハを供給及び排出する研磨対象ウエハロード・アンロード部と、
表面がシリコンで形成されたシリコンウエハを供給及び排出する研磨ウエハロード・アンロード部と、
前記研磨対象ウエハの表面の酸化膜材料の膜厚を検出する膜厚計とを備え、
前記研磨対象ウエハの研磨前後の膜厚の分布を前記膜厚計で測定して研磨量の分布を算出し、算出した研磨量の分布の差が所定量を超えた時には、前記研磨パッドに前記シリコンウエハを接触させることを特徴とする研磨装置。 At least one polishing apparatus comprising: a rotatable platen with a polishing pad affixed to a surface; and a wafer holding mechanism that rotatably holds the wafer against the polishing pad;
A polishing target wafer load / unload unit for supplying and discharging the polishing target wafer having an oxide film material on the surface;
A polishing wafer load / unload unit for supplying and discharging a silicon wafer having a surface formed of silicon, and
A film thickness meter for detecting the film thickness of the oxide film material on the surface of the wafer to be polished;
The distribution of film thickness before and after polishing of the wafer to be polished is measured with the film thickness meter to calculate the distribution of polishing amount, and when the calculated difference in polishing amount distribution exceeds a predetermined amount, the polishing pad A polishing apparatus for contacting a silicon wafer.
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