JP2007044872A - 窓漏れの少ない透明窓を有するケミカルメカニカルポリシング装置用ポリシングパッド - Google Patents

Abstract

【課題】ケミカルメカニカルポリシング装置に用いられるポリシングパッドのスラリー漏れの防止に対する効果的な解決法を提供する。
【解決手段】ケミカルメカニカルポリシング装置用のポリシングパッドおよびこのポリシングパッドの作製方法を提供する。このポリシングパッドは、上層６６および下層６０、上層上の研磨面、ならびに２層間に挟まれた材料からなる透明シート６４を備えている。ケミカルメカニカルポリシングプロセスからのスラリーは、不浸透性の透明シートを浸透してポリシングパッドの下層に至ることはできなくなる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、全体として半導体の製造に関し、特に、ケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）において用いられるポリシングパッドに透明な窓を形成する方法に関する。

最新の半導体集積回路（ＩＣ）を製造する工程においては、予め形成した層および構造体の上に各種材料の層および構造体を形成する必要がある。しかしながら、前の形成物は、隆起部、高さの不均一な領域、トラフ、トレンチおよび／または他の表面凹凸によってインプロセスウェーハの上面トポグラフィを極めて不規則な状態にすることが多い。このような凹凸は、次の層の形成時に問題を引き起こす。例えば、前に形成した層の上に小さな幾何学形状を有するフォトリソグラフィパターンを印刷する場合、非常に浅い焦点深度が必要とされる。従って、平坦な表面を有することが必須になる。そうでなければ、パターンの一部に焦点が合い、他の部分には焦点が合わなくなる。実際、２５×２５ｍｍダイにわたる表面ばらつきが、１０００オングストローム（Å）未満のオーダであることが好ましい。更に、各主要な処理ステップにおいて凹凸がレベリングされなければ、ウェーハの表面トポグラフィが一層不規則になり、処理を更に行う間に層が積み重ねられるにつれて更なる問題を生じさせることがある。ダイの種類および付随する幾何学形状の大きさによっては、表面凹凸が不十分な歩留りとデバイス性能につながる可能性がある。従って、ＩＣ構造体のある種の平坦化、あるいはレベリングを行うことが望ましい。実際、最も高密度のＩＣ製造技術では、製造プロセスにおける重要な点において平坦化ウェーハ表面を形成するためのいくつかの方法が使用されている。

半導体ウェーハの平坦化またはトポグラフィー除去を達成する一つの方法は、ケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）プロセスである。一般的に、ケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）プロセスは、制御された圧力のもとで回転研磨プラテンにウェーハを当てて保持および／または回転させる操作を含んでいる。図１に示されるように、典型的なＣＭＰ装置１０は、研磨プラテン１６に当てて半導体ウェーハ１４を保持する研磨ヘッド１２を含む。研磨プラテン１６は、パッド１８によって覆われている。このパッド１８は、通常、プラテンの表面と接続するバッキング層２０およびウェーハ１４を研磨するためにケミカルポリシングスラリーと共に用いられる被覆層２２をもつ。しかしながら、いくつかのパッドは、被覆層のみをもち、バッキング層をもたない。被覆層２２は、通常、ブローンポリウレタンパッド（例えば、Rodel IC1000）や溝付き表面を有するポリウレタンシート（例えば、Rodel OXP3000）である。パッド材料は、研磨材および化学薬剤の双方を含むケミカルポリシングスラリーによって湿潤される。一つの典型的なケミカルスラリーは、ＫＯＨ（水酸化カリウム）およびヒュームドシリカ粒子を含む。プラテンは、通常、中心軸２４を中心として回転する。更に、研磨ヘッドは、通常は中心軸２６を中心として回転し、また、並進アーム２８によってプラテン１６の表面を横切るように移動する。図１にはただ一つの研磨ヘッドしか示されていないが、ＣＭＰ装置は、通常、研磨プラテンの周囲に離間して配置された２個以上のヘッドを有する。

ＣＭＰプロセス中に遭遇する具体的な問題は、ある部分が所望の平坦度または相対厚さまで平坦化されたことを判断する際に起こる。一般に、望ましい表面特性または平面状態に達した時点を調べる必要がある。これは、様々な方法で行われる。初期のうちは、ＣＭＰプロセス中にウェーハの特性を監視することはできなかった。通常、ウェーハは、ＣＭＰ装置から取り外され、他の場所で検査された。ウェーハが望ましい状態になっていなかった場合には、再びウェーハをＣＭＰ装置に設置し直し、再研磨しなければならなかった。これは、時間の浪費であり、労力のかかる方法であった。また、その検査法は、過度の量の物質が除去され、その部分が使用不可にすることがわかった。従って、望ましい表面特性または厚さに達した時点をＣＭＰプロセス中にin-situに調べることを可能にする装置に関する技術が必要とされた。

ＣＭＰプロセス中にin-situで終点を検出するために、いくつかの装置および方法が開発された。例えば、超音波と共に使用する装置および方法や、機械的抵抗、電気的インピーダンス、またはウェーハ表面温度などの変化の検知と共に使用する装置および方法が用いられてきた。これらの装置および方法は、厚さの変化を監視することによって、ウェーハの厚さまたはウェーハの層の厚さを求め、プロセスの終点を定めることに依存している。ウェーハの表面層が薄くされている場合は、厚さの変化を用いることで表面層が所望の深さを有する時点を検出する。また、不規則な表面を有するパターニング済ウェーハを平坦化する場合は、厚さの変化を監視し、表面凹凸のおおよその深さを知ることによって、終点を検出する。厚さの変化と凹凸の深さが等しくなったとき、ＣＭＰプロセスは終了する。これらの装置および方法は、意図される用途においてかなり良く機能するが、終点をより正確に検出するシステムがなお求められている。

本発明は、ケミカルメカニカルポリシング装置用のポリシングパッドを提供する。このポリシングパッドは、研磨面および底面を有する研磨層と、研磨面から底面まで研磨層を貫通して延びる開口と透明シートを備えている。この開口は、研磨層に形成され、研磨面から底面まで研磨層を貫通して延びている。開口をシールして研磨層から底面への流体漏れを防ぐために、研磨層の下方に透明シートが配置される。

開口をシールして流体漏れを防ぐように研磨面の下方に透明シートを配置することにより、本発明は、レーザ光を大きく回折させることなくパッド上に位置するウェーハの研磨状態を検出するように、パッドが取り付けられるプラテンの内部または下方で、レーザ干渉計を使用できるようにする。透明シートは、比較的安価で軽量な方法でこの機能を果たす。

前述の要望は、本発明の他の態様によっても満たすことができる。この態様は、ポリシングパッド中に開口を形成するステップを備えている。この開口は、ポリシングパッドの研磨面からポリシングパッドの底面まで延びている。ポリシングパッドの研磨面の下方には、開口をシールしてポリシングパッドの研磨面から底面への流体漏れを防ぐ位置に透明シートが固定されている。特定の態様では、この透明シートは、上面と底面の間で開口を横断して延在するように配置される。

上面と底面の間で開口を横断するように透明シートを配置する潜在的な利点の１つは、ポリシングパッドの上面および底面間の流体の流れに対するバリヤが提供されることである。透明シートは、レーザ光を実質的に散乱するであろう位置へのスラリー流を防ぐように機能する。

本発明の上記および他の特徴、態様および利点は、添付の図面と併せた本発明の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明は、ポリシングプロセスの終点を検出するためにケミカルメカニカルポリシング装置においてレーザ干渉計と共に用いられる窓を有するポリシングパッドに伴う問題を克服する。本発明によって対処される問題のうち、ポリシングパッドの研磨面からパッド下面の穴への化学機械研磨スラリーの漏れが防止される。上層と下層の間に挟まれた透明シートは、研磨面からのスラリーのフロー経路を遮断する障壁として働く。穴をスラリーのない状態に維持することにより、スラリーの存在によるレーザ光の散乱と減衰が回避される。

図２は、本発明の一実施形態によって修正されたＣＭＰ装置の一部を示している。穴３０は、プラテン１６とその上に位置するプラテンパッド１８内に形成される。この穴３０は、ヘッド１２の並進位置にかかわらず、プラテンの回転の一部の間に研磨ヘッド１２によって固定されたウェーハ１４が見えるように配置される。レーザ干渉計３２は、プラテン１６の下方において、穴３０がウェーハ１４の付近にある間、レーザ干渉計３２によって投射されるレーザビーム３４がプラテン１６内の穴３０を通過し、上に位置するウェーハ１４の表面に当たることを可能にする位置に固定される。

図２の装置とともに使用可能なポリシングパッドの窓部分の実現可能な構成を図３に示す。ポリシングパッド４０は、下層４２と上層４４を含んでいる。下層４２は、Rodel製のSUBA-IVのようなフェルトポリウレタンから形成することができる。上層４４は、Rodel IC 1000材料のようなブローンポリウレタンパッド、すなわち微小球で充填されたパッドから構成されていてもよい。感圧接着剤４６の薄層によって、上層４４と下層４２が一体に固定される。

図３に示されるポリシングパッド４０を組み立てるため、無傷の下層４２（即ち、層４２内に開口が形成されていない）の上面は、感圧接着剤４６で覆われている。次に、無傷の上層４４が下層４２および感圧接着剤に押し付けられる。あるいは、上層４４は、上層４４が感圧接着剤４６に押し付けられる前に既に開口４８を含んでいてもよい。

上層４４を下層４２上に配置した後、下層４２内に開口５０が形成される。この開口５０の形成によって開口５０中の感圧接着剤４６が除去されるので、ポリシングパッド４０を貫通する開放チャネルが存在することになる。上層４４内の開口４８は、下層４２内の開口５０より広い。これによって、感圧接着剤４６で被覆された棚部５２がつくられる。透明窓ブロック５４を形成しているポリウレタン窓は、棚部５２上の感圧接着剤に押し付けることができる。透明窓ブロック５４は、上層４４内の第１開口４８を完全に充填する。レーザ干渉計からのレーザ光は、第１開口５０を通り、上層４４の開口４８内に置かれた透明窓ブロック５４を通ってウェーハ上に向かうことができる。

図３に示されるポリシングパッドは図２のケミカルメカニカルポリシング装置と共に用いることができるが、開口５０へのスラリー漏れの弊害を被る可能性がある。接着剤４６は第１開口５０に広がらないことから、これは接着剤４６の使用と無関係に起こる。スラリーの流れは、図３の矢印で示された経路５６を進むことができる。スラリーは、ブローンポリウレタンによって形成され、従ってあまり吸収性の高くない上層４４と透明窓ブロック５４との間の経路５６を進むことができる。スラリーは、棚部５２上の経路ならびに接着剤および透明窓ブロック５４間に形成されたチャネルに沿って進む。この後、スラリーは、開口５０へ逃げて、下層４２を湿潤させることがある。下層４２は、フェルトポリウレタンからつくられているので比較的吸収力がある。ポリシング中の下層４２の圧縮性により、パッドに対して下向きの圧力が印加および緩和され、スラリーの流量を増加させる局部ポンプ作用が生じる。前述のように、開口５０内に液体が存在すると、レーザ干渉計からのレーザ光が減衰しかつレーザ光が散乱する。

本発明は、図３の実施形態のように構成されたポリシングパッドの使用によって生じた問題の一部を克服する。図４は、ポリシングパッドの下層を示す断面図である。下層６０は開口６２を有している。この開口は、例えば、以前の無傷下層６０から開口を切ることにより形成される。下層６０は、工業上、一般的に使用されるSUBA-IVのようなフェルトポリウレタンでもよい。

図５は、透明シート６４が下層６０の上面に配置された後の下層６０を示す断面図である。透明シート６４は、ミネソタ州セントポールの３Ｍから入手可能な品番４４２の両面テープのように、その両面に感圧接着剤を有している。例えば、透明シート６４の厚さは、約０．００５インチ以下であることが好ましい。透明シート６４は、下層６０の全面を被覆してもよく、あるいは開口６２の全体や開口６２の周囲の領域の一部にだけ延在してもよい。透明シート６４は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはマイラーのような材料からつくられ、化学機械研磨スラリーに対して不浸透性であるので、下層６０のフェルトポリウレタンに到達しようとするスラリーに対するバリヤを形成することができる。

図６に示されるように、Rodel IC 1000などのブローンポリウレタンから構成される上層６６は、透明シート６４上の接着剤に押し付けられる。上層６６は、透明シート６４に上層６６を押し付ける前に形成された開口６７を既に含んでいる。従って、層６０、６４、６６を押し付けて一体にしたあとは、これらの層のいずれにも開口は切り込まれない。これにより、透明シート６４が開口６２および下層６０の上で無傷の状態を保つことができるようになる。

図７は、透明窓ブロック６８が上層６６の開口６７に押し込まれた後のポリシングパッドを示す断面図である。透明窓ブロック６８は、上層６６と同様の材料から形成され、上層のパラメータと合致していてもよく（例えば、透明キャストポリウレタン）、透明シート６４上の接着剤によって所定の位置に保持される。

透明シート６４は、スラリーの下層６０への浸透を防ぐ障壁として働く。スラリーがとる経路７０は、透明窓ブロック６８と上層６６との間の境界面にしかない。スラリーは、ポリシングパッドの第１内面７２と透明シート６４との間を進むことができる。従って、わずかな量のスラリーが透明窓ブロック６８と透明シート６４の間に存在してもよい。しかしながら、透明窓ブロック６８と透明シート６４の間に入ることができるスラリー量は、レーザ干渉計からのレーザ光の減衰または散乱に対して認識できる影響を及ぼさない。透明シート６４は、下層６０の上面によって形成されたポリシングパッドの第２内面７４にスラリーが到達することを防止する。

図７の構造を形成する際の問題の１つは、下層６０内の開口６２と上層６６内の開口６７との位置合わせである。この問題のために、図３に示されるポリシングパッドは、下層４２と上層４４が押し付けられて一体にされた後にのみ切り出された開口４８、５０を有している。上層および下層４２、４４が一体に押し付けられた後に開口を切り出すと、ＰＥＴまたはマイラーの透明シートなど、バリヤ材料からなる境界シートが開口内で無傷の状態を保てなくなる。上層および下層４２、４４が一体に押し付けられた後に開口を切断する理由の１つは、これらの開口を上層および下層４２、４４が一体に押し付けられる前に切り出すと上の開口４８と下の開口５０を位置合わせすることが問題になるからである。この問題を克服し、これらの層を一体に押し付ける前に開口を個々の層で切り出せるようにし、これによってバリヤ材料からなる境界シートの使用を可能にするために、本発明は、上層および下層６０、６６上に位置合わせ表示を設ける。

図８ａ〜図８ｃは、組立の種々の段階における本発明のポリシングパッドを示している。図８ａでは、下層６０の平面図が示される。開口６２は、既に下層６０中に切り込まれている。レジストレーションノッチ８０、または下層６０の外周上の線のような他のレジストレーションマークが下層６０に設けられている。位置合わせノッチ８０は、研磨性能に悪影響を及ぼさないように小さなサイズ（１／２″ダイ以下）とすることができる。

図８ｂは、ＰＥＴやマイラーなどの透明シート６４が下層６０の上面に配置された後のポリシングパッドを示す平面図である。ノッチ８０、窓６２および下層６０は、図８ｂでは透明シート６４の下にあるので、想像線で示されている。

図８ｃは、上層６６が位置合わせされ、透明シート６４上の接着剤に押し付けられた後のポリシングパッドを示す平面図である。上層６６の開口６７は、上層６６が透明シート６４に押し付けられる前に切り出されている。上層６６は、また、下層６０のレジストレーションマーク８０と位置合わせされるレジストレーションノッチ８２または他のレジストレーションマークを含んでいる。組立中、層６０、６６のレジストレーションマーク８０、８２は、上層６６を透明シート６４に押し付ける前に位置合わせされる。アライメントマーク８０、８２が完全に合わせられると、開口６２、６７および層６０、６６が適切に位置合わせされる。上記の方法では、上層および下層６６、６０の組立中に開口の位置合わせを行うことにより、ＰＥＴまたはマイラーからなる透明シートなどの境界バリヤが開口内で境界状態を維持することができ、流体が下層６０の開口に入らないようにすることができる。

本発明は、ポリシングパッド上の半導体ウェーハの表面状態を検出するためにレーザ干渉計を使うケミカルメカニカルポリシング装置に用いられるポリシングパッドの漏れ防止に対する効果的な解決法を提供する。この解決法は、比較的費用がかからず、また、レーザ光を回折および減衰させることができるスラリーの量を減少させることによりレーザ干渉分析法または測定法の性能を向上させる。

本発明を詳細に説明および図示してきたが、これは図示および説明のために過ぎず、限定的なものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ制限される。

従来技術によって構成されたケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）装置の側面図である。 本発明によって構成された終点検出を伴うケミカルメカニカルポリシング装置の側面図である。 図２のケミカルメカニカルポリシング装置で使用可能なポリシングパッドの窓部分の概略断面図である。 最初の準備段階後における本発明の実施形態にしたがって構成されたポリシングパッドの下層の概略断面図である。 透明シートが下層の上面に配置された後の本発明の実施形態に係る図４のポリシングパッドの断面図である。 ポリシングパッドの上層が透明シートの上に配置された後の本発明の実施形態に係るポリシングパッドの窓の断面図である。 ポリシングパッドの上層の開口において透明窓ブロックを取り付けた後の図６の窓装置の断面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態に係るポリシングパッドの下層の平面図であり、（ｂ）は、図５の断面に示されたように透明シートが下層の上面に配置された後の図８（ａ）のポリシングパッドの平面図であり、（ｃ）は、図６の断面に示されるように、上層が透明シート上に配置された後の図８（ｂ）のポリシングパッドの平面図である。

符号の説明

１０…ＣＭＰ装置、１２…研磨ヘッド、１４…ウェーハ、１６…プラテン、１８…プラテンパッド、２０…バッキング層、２２…被覆層、２４…中心軸、２６…中心軸、２８…並進アーム、３０…穴、３２…レーザ干渉計、３４…レーザビーム、４０…ポリシングパッド、４２…下層、４４…上層、４６…感圧接着剤、４８…開口、５０…開口、５２…棚部、５４…透明窓ブロック、５６…通路、６０…下層、６２…開口、６４…透明シート、６６…上層、６７…開口、６８…透明窓ブロック、７０…通路、７２…第１内面、７４…第２内面、８０…レジストレーションノッチ、８２…レジストレーションノッチ。

Claims (23)

1. ケミカルメカニカルポリシング装置用のポリシングパッドであって、
   研磨面および底面を有する研磨層と、
   前記研磨層に形成され、前記研磨面から前記底面まで前記研磨層を貫通して延びる開口と、
   前記開口をシールして前記研磨層の前記底面からの流体漏れを防ぐように前記研磨層の下方に配置された透明シートと、
   を備え、
   前記透明シートは前記研磨層より薄いことを特徴とするポリシングパッド。
2. 前記透明シートが当該ポリシングパッド内において前記研磨面と前記底面との間に配置され、前記開口全体を横断して延在している、請求項１記載のポリシングパッド。
3. 前記研磨面と前記底面が実質的に平坦で相互に平行であり、前記透明シートが前記研磨面および前記底面に平行な面内にある、請求項２記載のポリシングパッド。
4. 前記研磨面と前記底面が実質的に平坦で相互に平行であり、前記透明シートが前記研磨面および前記底面に平行な面内にある、請求項１記載のポリシングパッド。
5. 前記透明シートが化学機械研磨スラリーに対して実質的に非反応性の材料から形成されている、請求項４記載のポリシングパッド。
6. 前記材料がＰＥＴまたはマイラーを含んでいる、請求項５記載のポリシングパッド。
7. 前記透明シートの上方において前記開口内に配置され、前記透明シートから前記研磨面に向かって延在する窓を更に備え、前記窓が透明なブロック材料を備えている、請求項１記載のポリシングパッド。
8. 前記透明シートの厚さは、０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）以下である、請求項１記載のポリシングパッド。
9. ポリシングパッドの形成方法であって、
   研磨層内に前記研磨層の研磨面から前記研磨層の底面まで延びる開口を形成するステップと、
   前記ポリシングパッドの前記研磨層の下方において、前記開口をシールして前記ポリシングパッドの前記研磨層における前記研磨層からの前記底面への流体漏れを防ぐ位置に透明シートを固定するステップと、
   を備え、
   前記透明シートは前記研磨層より薄いことを特徴とするポリシングパッドの形成方法。
10. 透明シートを固定する前記ステップが、前記開口内において前記上面と前記底面の間に前記透明シートを配置するステップを含んでいる、請求項９記載の方法。
11. 前記透明シートがＰＥＴまたはマイラーを含んでいる、請求項１０記載の方法。
12. 前記ポリシングパッドが、前記ポリシングパッドの前記研磨面を形成する第１平坦面および前記ポリシングパッドの第１内面を形成する第２平坦面を有する上層と、前記ポリシングパッドの底面を形成する第１平坦面および前記ポリシングパッドの第２内面を形成する第２平坦面を有する下層と、を含んでいる、請求項１１記載の方法。
13. 透明シートを配置する前記ステップが、前記透明シートを前記下層の第２内面上に取り付けるステップを含んでいる、請求項１２記載の方法。
14. ポリシングパッド内に開口を形成する前記ステップが、前記下層内に開口を形成するステップおよび前記上層内に開口を形成するステップを含んでいる、請求項１３記載の方法。
15. 前記透明シートが前記ポリシングパッドの第２内面の実質的に全体にわたって延在している、請求項１４記載の方法。
16. 前記上層内の前記開口中に透明な窓ブロックを取り付けるステップを更に備える請求項１５記載の方法。
17. 前記上層内の前記開口が前記下層内の前記開口より大きく、前記ポリシングパッドの前記第１内面に接する前記透明シートの表面が感圧接着剤で被覆されており、透明窓ブロックを取り付ける前記ステップが、前記上層内の前記開口中における前記透明シート上の前記感圧接着剤に前記ブロックを押し付けるステップを含んでいる、請求項１６記載の方法。
18. 前記透明窓ブロックが透明ポリウレタンを含み、前記上層がブローンポリウレタンを含み、前記下層がフェルトポリウレタンを含んでいる、請求項１７記載の方法。
19. 前記透明シートの厚さは、０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）以下である、請求項９記載の方法。
20. 研磨面および底面を有する不透明な研磨材と、
    前記不透明研磨材内に形成され、前記研磨面から前記底面に至る透明窓と、
    前記底面の下方に配置され、前記透明窓を覆う透明シートと、
    を備え、
    前記透明シートが前記不透明研磨材よりも薄いことを特徴とするポリシングパッド。
21. 前記透明シートの下方に配置されたバッキング層を更に備える請求項２０記載のポリシングパッド。
22. 前記バッキング層内に形成され、前記研磨層内の前記透明窓と位置合わせされた開口を更に備える請求項２１記載のポリシングパッド。
23. 前記透明シートの厚さは、０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）以下である、請求項２０記載のポリシングパッド。

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