JP2007266547A - Ｃｍｐ装置及びｃｍｐ装置の研磨パッドコンディショニング処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】研磨パッド交換後の立上げ時間を短縮しつつ、研磨パッドの寿命延長を図ることが可能なＣＭＰ装置及びＣＭＰ装置の研磨パッドコンディショニング処理方法を提供する。
【解決手段】ウェハ研磨用の研磨パッドの表面をコンディショニング処理するためのコンディショナー３を備えたＣＭＰ装置であって、研磨パッドに対する研削レートが所定の閾値以上の第１のコンディショナーディスク３Ａと、研磨パッドに対する研削レートが前記閾値未満の第２のコンディショナーディスク３Ｂとの２種類のコンディショナーディスクを備え、前記コンディショナーが、研磨パッドのコンディショニング処理を行う際に、前記２種類のコンディショナーディスクのいずれかを任意に選択し、コンディショニング処理可能に構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置製造に係り、半導体装置基板（以下、「ウエハ」とも記す。）表面をＣＭＰ（化学的機械的研磨）により平坦化するためのＣＭＰ装置及びこのＣＭＰ装置に装着される研磨パッドのコンディショニング処理方法に関する。

半導体装置の微細化及び高集積化に伴い、配線においてもいっそうの微細化、多層化が進んでいる。多層化の際、ウエハ上に配線層や絶縁膜を積層すると表面が凹凸になる。このような凹凸のある表面上にフォトリソグラフィ技術でパターンを形成する場合、焦点深度の低下により配線間隔が狭くなったり、コンタクトホールの径が小さくなるなどのパターン不良が発生する場合がある。このような問題を解決するために、層間膜の平坦化を目的とした化学的機械的研磨、いわゆるＣＭＰ （Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術が不可欠となる。

このＣＭＰを行うためのＣＭＰ装置は、一般的に、ウエハを研磨する研磨パッドを貼り付けるためのプラテンと、プラテンに貼り付けられた研磨パッドにウエハ上面の被平坦化処理層を押し当てる機構を有する研磨ヘッドと、プラテンに貼り付けられた研磨パッドの表面を研磨できる状態に整えるコンディショナーと、層間膜を削る研磨剤のスラリーを吐出するスラリーアームとを備える。また、前記スラリーアームには、研磨パッドの溝に詰まった研磨屑を洗い流すための高圧純水吐出機構も備えられる。

前記研磨パッドとしては、一般的に特殊ポリウレタン発泡体研磨布が用いられる。この研磨パッド表面には、複数の溝が切られている。溝パターンには、ＸＹ方向の格子状、同心円状がある。前記溝パターンの寸法としては、幅：１．５〜２．５ｍｍ、溝ピッチ：１３．５〜１６．５ｍｍのものが一般的に用いられる。

前記コンディショナーには、一般的にＳＵＳ台金にダイヤモンド砥粒をＮｉ電着したディスク（以下、「コンディショナーディスク」という。）が取り付けられる。このコンディショナーディスクを研磨パッドの表面に押し当てスイープさせることで研磨パッドの表面を研磨できる状態に整える。また、前記研磨剤のスラリーには、一般的にヒュームドシリカが用いられ、その粒子サイズは、０．０１μｍから１０μｍ、ｐＨは、約１１のアルカリ性のものが用いられる。

次に、一般的なＣＭＰ研磨プロセスを説明する。研磨を行う被平坦化処理層を表にしたウエハが装着された研磨ヘッドと研磨パッドが貼り付けられたプラテンとをそれぞれある回転数で回転させながらウエハと研磨パッドとを接触させる。このとき、研磨剤のスラリーを研磨パッド表面に吐出させながら、研磨ヘッドを所定の圧力で研磨パッドに押し付けて、ウエハ上面の被平坦化処理層を一定量研磨する。研磨処理中もしくは研磨処理後に、研磨パッドの表面をコンディショナーディスクで複数回スイープさせることで、研磨パッドの表面を研磨可能な状態に整える。研磨終了後は、研磨パッドの溝に詰まった研磨屑をスラリーアームに備えられる高圧純水吐出機構から吐出される高圧純水で洗い流す。

前記研磨パッドは、研磨処理中に削られるため、溝が無くなると急激な研磨レート低下を招く。このため、所定のウエハ枚数を処理したところで交換される。研磨パッド交換後は、新品の研磨パッドの表面をコンディショナーディスクで数十分以上スイープさせて、表面状態を研磨可能な状態にする。このコンディショナーディスクもまた、研磨処理中に削られ、ウエハ処理枚数に比例して研磨パッドを研削する能力も低下するため、所定のウエハ処理枚数に達した時点で交換される（例えば、非特許文献１参照）。
前田和夫著、「はじめての半導体プロセス」、工業調査会、2000年12月、ｐ．152〜164

上述のようにコンディショナーディスクの研削能力は、ウエハの処理枚数に比例して低下してくる。研磨パッド交換後に、研削能力の低下したコンディショナーディスクにより、研磨パッドの表面状態を研磨可能な状態にしようとすると多大な時間を要してしまうという問題がある。例えば、交換周期に近いコンディショナーディスクの研削能力は、新品のコンディショナーディスクの半分以下である。その為、研磨パッド交換後、研磨可能な状態にするのに、新品のコンディショナーディスクの２倍以上の時間を要してしまい、装置の停止時間が長くなり、生産性を低下させる原因となっていた。

一方、研磨パッド交換後に、コンディショナーディスクも毎回新品を取り付けるようにすれば、新品の研磨パッド表面を研磨可能な状態にする時間は短くできる。しかし、研磨パッド交換後の研磨処理において、ウエハを１枚処理する毎に行う研磨パッドのコンディショニングの際に、研削能力の高いコンディショナーディスクによるコンディショニングでは研磨パッドを必要以上に多く削ることとなり、研磨パッドの寿命が短くなる。このような運用では、消耗品であるコンディショナーディスクと研磨パッドの使用量増による生産コスト増、さらには、パッド交換頻度増により生産性が低下するという問題があった。

そこで本発明は、研磨パッド交換後の立上げ時間を短縮しつつ、研磨パッドの寿命延長を図ることが可能なＣＭＰ装置及びＣＭＰ装置の研磨パッドコンディショニング処理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような特徴を有する。
［１］ウエハ研磨用の研磨パッドの表面をコンディショニング処理するためのコンディショナーを備えたＣＭＰ装置であって、
研磨パッドに対する研削レートが所定の閾値以上の第１のコンディショナーディスクと、研磨パッドに対する研削レートが前記閾値未満の第２のコンディショナーディスクとの２種類のコンディショナーディスクを備え、
前記コンディショナーが、研磨パッドのコンディショニング処理を行う際に、前記２種類のコンディショナーディスクのいずれかを任意に選択し、コンディショニング処理可能に構成されていることを特徴とするＣＭＰ装置。
［２］ウエハ研磨用の研磨パッドの表面をコンディショニング処理するためのコンディショナーを備えたＣＭＰ装置における研磨パッドのコンディショニング処理方法であって、
研磨パッド交換後のコンディショニング処理を、研磨パッドに対する研削レートが所定の閾値以上の第１のコンディショナーディスクで行い、
前記研磨パッド交換後のコンディショニング処理以外における研磨パッドのコンディショニング処理を、研磨パッドに対する研削レートが前記閾値未満の第２のコンディショナーディスクにより行うことを特徴とするＣＭＰ装置における研磨パッドのコンディショニング処理方法。

本発明によれば、研磨パッド交換後の立上げ時間を短縮しつつ、研磨パッドの寿命延長を図ることが可能なＣＭＰ装置及びＣＭＰ装置の研磨パッドコンディショニング処理方法が提供される。

以下、本発明を実施するための最良の形態の一例を説明する。

図１は、本発明に係るＣＭＰ装置の構成の一例を示す概略図である。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は側面図である。図１に示すように、本発明に係るＣＭＰ装置は、ウエハ８を研磨する研磨パッド６を貼り付けるためのプラテン１と、プラテン１に貼り付けられた研磨パッド６にウエハ上面の被平坦化処理層を押し当てる機構を有する研磨ヘッド２と、プラテン１に貼り付けられた研磨パッド６の表面を研磨できる状態にコンディショニング処理するためのコンディショナー３と、層間膜を削る研磨剤のスラリーを吐出するスラリーアーム４とを備える。なお、前記スラリーアーム４には、研磨パッドの溝に詰まった研磨屑を洗い流すための高圧純水吐出機構５も備えられる。

また、本発明に係るＣＭＰ装置は、研磨パッド６に対する研削レートが所定の閾値以上の第１のコンディショナーディスク３Ａと、研磨パッド６に対する研削レートが前記閾値未満の第２のコンディショナーディスク３Ｂとの２種類のコンディショナーディスクを備える。そして、前記コンディショナー３は、前記２種類のコンディショナーディスクの内のいずれか一方を任意に選択し、装着できるように構成されており、研磨パッド６のコンディショニング処理を行う際に、前記２種類のコンディショナーディスクの内のいずれか一方によりコンディショニング処理を行う。

前記所定の閾値は、交換直後の研磨パッドを研磨可能な状態にコンディショニング処理するのに要する時間が長くなり過ぎず、かつ、研磨パッド交換後の研磨処理において、ウエハを１枚処理する毎に行う研磨パッドのコンディショニング処理の際に研磨パッドを必要以上に削り過ぎないような研削レートが選択される。前記閾値の具体的な値としては、例えば、４０〜８０μｍ／ｈｒの範囲から選択することが好ましい。

前記第１のコンディショナーディスク３Ａと第２のコンディショナーディスク３Ｂとは、例えば、図１（ａ）に示すように、それぞれ１枚ずつをＣＭＰ装置上に設けられたディスクバス７上に載置しておく。そして、研磨パッド６のコンディショニング処理を行う際に、前記２種類のコンディショナーディスク３Ａまたは３Ｂの内のいずれか一方を選択し、コンディショナー３の一端側に装着し、研磨パッド６のコンディショニング処理を行う。

前記コンディショナーディスク３Ａ及び３Ｂは、例えば、真空吸着することでコンディショナー３の一端側に回転自在に装着される。なお、前記コンディショナーディスク３Ａ，３Ｂのコンディショナー３の一端側への装着は、着脱が可能な方法であれば真空吸着法に限られず、種々の方法を用いることができる。なお、図１（ａ）には、前記コンディショナーディスク３Ａ及び３Ｂを、それぞれ１枚ずつディスクバス７上に載置した場合を示しているが、それぞれを複数枚ずつ載置しておき、任意のディスクを選択可能な構成とすることも可能である。また、前記コンディショナー３のディスクを取り付ける一端側を、例えば回転式のヘッドとしておき、このヘッドに前記２種類のコンディショナーディスク３Ａ及び３Ｂのそれぞれを１枚ずつ以上取り付けておき、それらの内のいずれかをヘッドを回転させることで選択できるような構成とすることもできる。

前記コンディショナーディスク３Ａ及び３Ｂとしては、ＳＵＳの台金にダイヤモンド砥粒をＮｉ電着したディスクを用いて、例えば、前記第１のコンディショナーディスク３Ａとして全面電着型のコンディショナーディスクを用い、前記第２のコンディショナーディスク３Ｂとしてスポット電着型のコンディショナーディスクを、各々用いることもできる。前記全面電着型とするかスポット電着型とするか、或いは、前記ダイヤモンド砥粒の種類等を調整することによって、研磨パッド６に対するコンディショナーディスクの研削レートを任意に調整可能である。

このような装置構成において本発明に係る研磨パッドのコンディショニング処理方法は、研磨パッド６交換直後のコンディショニング処理のみを研磨パッド６に対する研削レートが所定の閾値以上の第１のコンディショナーディスク３Ａで行い、前記研磨パッド交換後のコンディショニング処理以外における研磨パッドのコンディショニング処理を、研磨パッド６に対する研削レートが前記閾値未満の第２のコンディショナーディスク３Ｂにより行うことを特徴とするものである。

交換直後の未使用の研磨パッド６の表面は、略球形状をしたポリウレタン樹脂の発泡がフィラーで充填され、上記略球形状をした発泡の一部がフィラーから露出した状態にある。従って、研磨パッド６の表面を研磨可能な状態とするためには、上記発泡を含む層（以下、発泡層と記す。）を、研磨パッド６に対する研削レートの高いコンディショナーディスク３Ａを用いて、ある程度長時間、コンディショニング処理することが必要である。すなわち、研磨パッド６の表面の発泡層をコンディショナーディスクで平面的に削ることにより、発泡層の表面近傍に位置する略球形状の発泡を破り、上記破られた発泡によって形成される略円形の穴の周囲を、ささくれ立った状態にする必要がある。

それに対し、研磨パッド６の交換直後以外におけるその他の研磨パッド６のコンディショニング処理、例えば、ウエハを１枚処理する毎に行う研磨パッド６のコンディショニング処理の際には、研磨パッド６表面の削り屑等を除去し、次のウエハの処理を可能な状態とするのみでよい。そのため、研磨パッド６を必要以上に削り過ぎないように、研磨パッド６に対する研削レートの低いコンディショナーディスク３Ｂによる比較的短時間のコンディショニング処理を行う。これにより、研磨パッド６交換後の立上げ時間を短縮しつつ、研磨パッド６の寿命延長を図ることが可能となる。

ここで、前記研磨パッド６に対する研削レートの所定の閾値は、上述したように、交換直後の研磨パッドを研磨可能な状態にするのに要する時間が長くなり過ぎず、かつ、研磨パッド交換後の研磨処理において、ウエハを１枚処理する毎に行う研磨パッドのコンディショニング処理の際に研磨パッドを必要以上に削り過ぎないような研削レートが選択される。前記閾値の具体的な値としては、例えば、４０〜８０μｍ／ｈｒの範囲から選択することが好ましい。

以下、本発明に係るＣＭＰ装置を用いた研磨パッド６のコンディショニング処理方法の一例を説明する。

図２は、研磨パッド６交換直後のコンディショニング処理方法の一例を説明するための説明図である。図２（ａ）は、コンディショナー３が研磨パッド６上まで動くときの説明図である。ここで、研磨パッド６は、図中イ方向に約９３ｒｐｍで回転する。研磨パッド６が回転すると同時に、スラリーアーム４から一定量の純水が吐出される。コンディショナー３は、ディスクバス７上のコンディショナーディスク３Ａを装着し、研磨パッド６の図中Ｃ１地点まで移動する。

図２（ｂ）は、研磨パッド６の表面状態を研磨可能な状態にするときのコンディショナー３の動き（以下、これを「コンディショナーブレイクイン」と記す。）の説明図である。図中Ｃ１地点でコンディショナーディスク３Ａは、図中ロ方向に約９５ｒｐｍで回転する。指定した回転数に到達後、コンディショナーディスク３Ａは、約１２ｐｓｉの圧力で研磨パッド６に押し付けられる。研磨パッド６の表面を研磨可能な状態にするために、コンディショナーディスク３Ａを装着したコンディショナー３は、図中Ｃ１地点とＣ２地点でスイープ動作を繰り返す。スイープ時間は約１０秒／回で、合計約１０００秒とした。

図２（ｃ）は、前記コンディショナーブレイクイン動作が完了した時の説明図である。指定した時間のスイープ動作終了後、コンディショナー３はコンディショナーディスク３Ａを上昇させ、その回転が停止した後、ディスクバス７に移動し、コンディショナーディスク３Ｂに換装する。なお、指定時間経過後、研磨パッド６とスラリーアーム４からの純水吐出も停止する。

図３は、ウエハを１枚処理する毎に行うＣＭＰプロセスでのコンディショニング処理方法の一例を説明するための説明図である。まず、図３（ａ）は、コンディショナー３が研磨パッド６上まで動くときの説明図である。ここで、研磨パッド６は、図中イ方向に約９３ｒｐｍで回転する。研磨パッド６が回転すると同時に、スラリーアーム４から約２００ｃｃ／ｍｉｎのスラリーが吐出される。研磨ヘッド２は図中ハ方向に約８７ｒｐｍで回転し、指定した回転数に到達後、約９．５ｐｓｉの圧力でウエハ８を研磨パッド６に押し付ける。この時、ウエハ８は研磨ヘッド２に真空吸着されている。コンディショナー３は、ディスクバス７上のコンディショナーディスク３Ｂを装着し、研磨パッド６が回転すると同時に研磨パッド６の図中Ｃ１地点まで移動する。

図３（ｂ）は、ウエハの研磨開始後の説明図である。スラリーアーム４から吐出されたスラリーが研磨パッド６の溝を伝わって全面に広がった後、研磨ヘッド２はウエハ８裏面から約４．５ｐｓｉの圧力を印加して、ウエハ上面の被平坦化処理層を研磨パッド６に押し当て研磨が開始される。コンディショナーディスク３Ｂは図中Ｃ１地点で、図中ロ方向に約９５ｒｐｍで回転し、ウエハの研磨開始と同時に、約５ｐｓｉの圧力で研磨パッド６に押し付けられる。コンディショナーディスク３Ｂは、研磨パッド６に対し約５ｐｓｉの圧力を印加しながら、図中Ｃ１地点とＣ２地点でスイープ動作を繰り返す。スイープ時間は約１０秒／回で、合計約５０秒とした。

図３（ｃ）は、ウエハの研磨終了後の説明図である。指定した時間のスイープ動作終了後、コンディショナー３は、コンディショナーディスク３Ｂを上昇させ、その回転が停止した後、ディスクバス７の位置に移動する。研磨ヘッド２はウエハ８裏面を真空吸着したまま、研磨パッド６から離れる。スラリーアーム４から一定量の純水を吐出させ、研磨パッド６の溝に詰まった研磨屑を取り除く。純水の吐出時間は、約２５秒である。

図３（ｄ）は、ウエハ搬送待ちの装置状態の説明図である。前記純水洗浄の終了後、研磨パッド６と研磨ヘッド２の回転を停止する。ここで、次に研磨するウエハを真空吸着させた研磨ヘッド２が移動してくる。図３（ａ）から同じ動作を繰り返し、研磨プロセスを行う。

図１に示す構成の本発明に係るＣＭＰ装置におけるコンディショナーディスク３Ａと３Ｂの合計の累積使用時間と研磨パッド使用時間の関係を図４（ａ）に示す。また、従来のＣＭＰ装置におけるコンディショナーディスクの累積使用時間と研磨パッド使用時間の関係を図４（ｂ）に示す。なお、従来のＣＭＰ装置におけるコンディショニング条件は、コンディショナーディスク３Ａを用いて、上記と同様の条件で行った。

本発明に係るＣＭＰ装置では、第１のコンディショナーディスク３Ａとして、研磨パッドに対する研削レートが８０μｍ／ｈｒのものを使用し、第２のコンディショナーディスク３Ｂとして、研磨パッドに対する研削レートが４０μｍ／ｈｒのものを使用した。この条件下では、研磨パッド交換の目安は、研磨パッドの溝が完全に無くなる前、もしくは、製品処理を開始する前のＴＥＯＳ膜の条件出しで、研磨パッドの研磨レートが３２００Å／ｍｉｎ以下となった場合とした。

図４（ａ）及び（ｂ）の比較から、ほぼ同じコンディショナーディスク使用時間で、従来のＣＭＰ装置のパッド交換回数が５回であったのに対して、本発明に係るＣＭＰ装置の研磨パッド交換回数は２回となり、生産コスト削減を可能とした。また、従来のＣＭＰ装置は、研磨パッド交換後から製品処理再開までの平均時間が１５３．３分／回であったが、本発明に係るＣＭＰ装置の平均時間は９３．３分／回であり、研磨パッド交換後の立上げ時間を大幅に短縮できた。また、従来のＣＭＰ装置の１回のパッド交換における停止時間は、７６６．５分であったのに対し、本発明に係るＣＭＰ装置は停止時間が１８６．６分となり、約７５％短縮された。

また、図１に示す構成の本発明に係るＣＭＰ装置におけるＴＥＯＳ膜研磨レート推移の結果を図５（ａ）に示す。また、従来のＣＭＰ装置におけるＴＥＯＳ膜研磨レート推移の結果を図５（ｂ）に示す。

図５（ａ）及び（ｂ）の比較から、従来のＣＭＰ装置ではコンディショナーの使用時間内でＴＥＯＳ膜の研磨レートが４０５０Å／ｍｉｎから３３００Å／ｍｉｎの間でバラツキがあるのに対し、本発明に係るＣＭＰ装置は、ほぼ３５００Å／ｍｉｎの付近で研磨レートが安定しており、研磨処理の安定性も確認された。

本発明に係るＣＭＰ装置の構成の一例を示す概略図である。 本発明に係る研磨パッド交換直後のコンディショニング処理方法の一例を説明するための説明図である。 本発明に係るウエハを１枚処理する毎に行うＣＭＰプロセスでのコンディショニング処理方法の一例を説明するための説明図である。 実施例における本発明に係るＣＭＰ装置と従来のＣＭＰ装置におけるコンディショナーディスクの累積使用時間と研磨パッド使用時間の関係を示す図である。 実施例における本発明に係るＣＭＰ装置と従来のＣＭＰ装置におけるＴＥＯＳ膜研磨レート推移の結果を示す図である。

符号の説明

１ プラテン
２ 研磨ヘッド
３ コンディショナー
４ スラリーアーム
５ 高圧純水吐出機構
６ 研磨パッド
７ ディスクバス
８ 半導体装置基板（ウエハ）

Claims (2)

1. ウエハ研磨用の研磨パッドの表面をコンディショニング処理するためのコンディショナーを備えたＣＭＰ装置であって、
   研磨パッドに対する研削レートが所定の閾値以上の第１のコンディショナーディスクと、研磨パッドに対する研削レートが前記閾値未満の第２のコンディショナーディスクとの２種類のコンディショナーディスクを備え、
   前記コンディショナーが、研磨パッドのコンディショニング処理を行う際に、前記２種類のコンディショナーディスクのいずれかを任意に選択し、コンディショニング処理可能に構成されていることを特徴とするＣＭＰ装置。
2. ウエハ研磨用の研磨パッドの表面をコンディショニング処理するためのコンディショナーを備えたＣＭＰ装置における研磨パッドのコンディショニング処理方法であって、
   研磨パッド交換後のコンディショニング処理を、研磨パッドに対する研削レートが所定の閾値以上の第１のコンディショナーディスクで行い、
   前記研磨パッド交換後のコンディショニング処理以外における研磨パッドのコンディショニング処理を、研磨パッドに対する研削レートが前記閾値未満の第２のコンディショナーディスクにより行うことを特徴とするＣＭＰ装置における研磨パッドのコンディショニング処理方法。

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