JP2008173741A

JP2008173741A - 研磨装置

Info

Publication number: JP2008173741A
Application number: JP2007011157A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Saito; 俊哉斎藤
Original assignee: Elpida Memory Inc
Current assignee: Micron Memory Japan Ltd
Priority date: 2007-01-22
Filing date: 2007-01-22
Publication date: 2008-07-31
Also published as: US20080176486A1; US7662025B2

Abstract

【課題】ウエハの周縁近傍に対する押下げ圧力の低下を抑制し、これによって研磨レートの低下や不均一な研磨を抑制可能な研磨装置を提供する。
【解決手段】研磨ヘッド１３は、ウエハ１２を面内方向に保持するリテーナリング１６と、ウエハ１２を研磨パッド１１側に押圧するメンブレンシート１７と、リテーナリング１６及びメンブレンシート１７を支持するヘッド本体１４とを有する。リテーナリング１６は、研磨対象のウエハ１２の外径及び厚みよりもそれぞれ大きな内径及び厚みを有し、ヘッド本体１４によって研磨パッド１１側に押圧されるリング状の固定リテーナリング２０と、ウエハ１２の厚みとほぼ同じ厚みを有し、固定リテーナリング２０の内縁とウエハ１２の周縁との間に挟まれて、ウエハ１２の周縁を面内方向に保持する遊離リテーナリング２１とを備え、メンブレンシート１７は、ウエハ１２と遊離リテーナリング２１とを研磨パッド１１側に押圧する。
【選択図】図１

Description

本発明は、研磨装置に関し、更に詳しくは、半導体装置製造プロセスの化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）工程に好適に用いることが出来る研磨装置に関する。

近年、半導体装置の集積度が高まり、半導体装置内部の配線が多層化されている。配線が多層化された半導体装置では、膜表面の凹凸を、フォトリソグラフィ工程で用いられる光源の焦点深度の範囲内に形成する必要があり、膜の平坦化工程が重要である。このような平坦化工程の一環として、ＣＭＰ工程が採用されている。

図５にＣＭＰ工程で用いられる研磨装置の一例を示す。研磨装置１００は、円形の研磨面１１ａを有する研磨パッド１１を備え、研磨面１１ａ上には、ウエハ１２を挟んで、研磨ヘッド１３が対向して配置される。研磨ヘッド１３は、略円盤状のヘッド本体１４と、ヘッド本体１４下に配設されウエハ１２の背面に接するメンブレンシート１７と、メンブレンシート１７及びウエハ１２の周囲に配設されるリテーナリング１６とを備える。ヘッド本体１４の底部とメンブレンシート１７とによって閉空間１８が形成され、閉空間１８の内部に供給される高圧エアによって、ウエハ１２を研磨パッド１１側に押圧する。

リテーナリング１６は、上面がヘッド本体１４の底面に固定されると共に下面が研磨面１１ａに接する。図６は、リテーナリング１６とウエハ１２との相互間の位置関係を示す平面図である。リテーナリング１６は、リング状に形成され、その内縁がウエハ１２の周縁に接することによって、ウエハ１２を面内方向に保持する。

研磨に際して、研磨面１１ａの中心にスラリ（研磨剤）を供給しつつ、研磨パッド１１をその中心周りに回転させる。リテーナリング１６の内側にウエハ１２を保持しつつ、メンブレンシート１７がウエハ１２の背面を押圧することによって、ウエハ１２の主面を研磨面１１ａに押し付ける。この状態で、研磨ヘッド１３を、その中心周りに回転させると共に、研磨面１１ａの半径方向に往復運動させることによって、ウエハ１２の主面のＣＭＰ研磨を行う。

図５の研磨装置に類似の研磨装置及び研磨方法については、例えば特許文献１、２に記載されている。
特開２００４−１１９４９５号公報特開２００２−３６７９４１号公報

ところで、従来の研磨装置１００では、図５に示したように、メンブレンシート１７の周縁は、ウエハ１２の周縁上に位置する。しかし、この場合、研磨に際して閉空間１８内に高圧エアが供給されると、メンブレンシート１７が下向きに凸形状に変形することによって、図７の符号３１に示すように、メンブレンシート１７の周縁近傍が持ち上がり、その持ち上がった周縁近傍で押下げ圧力が低下する問題があった。

押下げ圧力の低下は、研磨レートの低下や不均一な研磨に繋がり、半導体装置製造の歩留り低下を招く。この問題に対して、出願人は、先願である特願２００６−１３６０２４号において、メンブレンシート１７の直径をウエハ１２よりも大きくすることで、研磨時に持ち上がるおそれがあるメンブレンシート１７の周縁近傍が、ウエハ１２に接しないようにすることを提案している。

本発明は、先願発明を更に改良し、ウエハの周縁近傍に対する押下げ圧力の低下を抑制し、これによって研磨レートの低下や不均一な研磨を抑制可能な研磨装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の研磨装置は、
ウエハを研磨する研磨パッドとウエハを保持する研磨ヘッドとを備え、該研磨ヘッドが、ウエハを面内方向に保持するリテーナリングと、ウエハを前記研磨パッド側に押圧するメンブレンシートと、前記リテーナリング及びメンブレンシートを支持するヘッド本体とを有する研磨装置において、
前記リテーナリングは、研磨対象のウエハの外径及び厚みよりもそれぞれ大きな内径及び厚みを有し、前記ヘッド本体によって前記研磨パッド側に押圧されるリング状の第１部材と、ウエハの厚みとほぼ同じ厚みを有し、前記第１部材の内縁とウエハの周縁との間に挟まれて、ウエハの周縁を面内方向に保持する第２部材とを備え、
前記メンブレンシートは、ウエハと前記第２部材とを前記研磨パッド側に押圧する、
ことを特徴とする。

本発明によれば、メンブレンシートが、研磨対象のウエハと、このウエハに隣接し同じ厚みを有する第２部材とを一様に押圧するため、ウエハの周縁近傍に対する押下げ圧力の低下を抑制できる。これによって、ウエハの周縁近傍における研磨レートの低下や不均一な研磨を抑制し、半導体装置製造の歩留りを向上できる。

本発明の好適な態様では、前記第２部材が前記第１部材とは別体に形成される。研磨に際して第２部分をウエハと一体化させ、ウエハと第２部分との間の位置ずれを抑制できる。従って、ウエハの周縁近傍に対する安定した研磨を行うことが出来る。この場合、前記第２部材が、リング状部材として、又は、それぞれがリング状部材の一部分を構成する複数の部材から構成されることによって、より効果的にウエハと一体化させることが出来る。

本発明の好適な態様では、ウエハの周縁近傍の前記メンブレンシートの部分をウエハ側に押圧する周辺押圧部を更に備える。メンブレンシートが、ウエハよりも大きな直径を有するため、周辺押圧部をウエハの周縁寄りに配設できる。これによって、周辺押圧部を用いて、ウエハの周縁近傍をより効果的に押圧できる。

以下に、添付図面を参照し、本発明の実施形態を更に詳しく説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る研磨装置の構成を示す断面図である。研磨装置１０は、半導体装置製造プロセスにおける酸化膜のＣＭＰ工程に用いる研磨装置であって、円形の研磨面１１ａを有しその中心周りに回転可能な研磨パッド１１を備える。研磨パッド１１はポリウレタンからなり、研磨面１１ａには研磨用の溝が形成されている。

研磨面１１ａ上には、図示しないスラリ供給管が、その先端の吐出口が研磨面１１ａの中央に位置するように支持される。研磨面１１ａ上には、また、ウエハ１２を挟んで、研磨ヘッド１３が対向して配置される。研磨ヘッド１３は、略円盤状のヘッド本体１４と、ヘッド本体１４下面の中央部に配設され、ウエハ１２を研磨パッド１１側に押圧する押圧部１５と、押圧部１５及びウエハ１２の周囲に配設され、ウエハ１２を面内方向に保持するリテーナリング１６とを備える。ヘッド本体１４は、例えば金属又は合金から成る。

押圧部１５は、ヘッド本体１４下の中央部に、ウエハ１２の背面に接するメンブレンシート１７を備える。メンブレンシート１７は、略Ｕ字状の断面形状を有し、上縁がヘッド本体１４の底面に固定され、ヘッド本体１４の底面との間で閉空間１８を形成する。閉空間１８は、高圧エアを供給可能な第１エア供給部に接続され、第１エア供給部を介して閉空間１８内の圧力を調節することによって、ウエハ１２の背面に対する押下げ圧力を調節できる。メンブレンシート１７の底面は、略円形の平らな押圧面１７ａを構成する。本実施形態では、押圧面１７ａは、ウエハ１２よりも大きな寸法を有し、押圧面１７ａの周縁は、ウエハ１２の周縁よりも外側に位置する。メンブレンシート１７は、例えばネオプレン^{（登録商標）}からなる。

閉空間１８の内部であってメンブレンシート１７上には、ウエハ１２の周縁に沿って周辺押圧部１９が配設されている。周辺押圧部１９は、リング状のチューブであって、高圧エアを供給可能な第２エア供給部に接続され、高圧エアの圧力を調節することによって、ウエハ１２の周縁近傍に対する押下げ圧力を調節できる。従って、ウエハ１２の周縁近傍には、第１エア供給部による圧力と、第２エア供給部による圧力との双方の圧力が加わる。

リテーナリング１６は、上面がヘッド本体１４の底面に固定されると共に下面が研磨面１１ａに接するリング状の固定リテーナリング２０と、固定リテーナリング２０の内側に固定リテーナリング２０等とは別体に形成された遊離リテーナリング２１とを有する。遊離リテーナリング２１は、ウエハ１２と略同等の厚みを有し、研磨面１１ａとメンブレンシートの押圧面１７ａとの間に挿入される。また、固定リテーナリング２０の内縁によって外縁の位置が規定され、内縁がウエハ１２の周縁に当接することによって、ウエハ１２を面内方向に保持する。

図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ遊離リテーナリング２１の形状を示す平面図及び断面図であり、図３は、固定リテーナリング２０、遊離リテーナリング２１、及び、ウエハ１２の相互間の位置関係を示す平面図である。図２において、遊離リテーナリング２１の厚みＹ_１は、ウエハ１２の厚みと略同等であって０．７７５ｍｍであり、幅Ｘ_１は２０ｍｍである。固定リテーナリング２０及び遊離リテーナリング２１は、例えばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ：Poly-phenylene Sulfide）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：Poly-ether-ether-ketone）からなる。

図４は、図１のＡ部を拡大して示す断面図である。周辺押圧部１９は、ウエハの平坦部１２ａとエッジ部１２ｂとの境界１２ｃ上に位置する。従来の研磨装置１００では、メンブレンシート１７の周縁はウエハ１２の周縁と同じ位置に設定されていたため、仮に周辺押圧部１９を配設したとしても、同図の符号３２に示すように、周辺押圧部１９をウエハ１２の周縁に近づけて配設することが出来ず、ウエハ１２の周縁近傍を効果的に押圧できなかった。これに対して、本実施形態の研磨装置１０では、メンブレンシート１７の周縁が、ウエハ１２の周縁よりも外側に位置するため、周辺押圧部１９を周縁寄りに配設し、ウエハ１２の周縁近傍を効果的に押圧できる。

図１に戻り、ウエハ１２の研磨に際しては、スラリ供給管から研磨面１１ａの中央に３００ml／minの流量でシリカ系のスラリを供給しつつ、研磨パッド１１を研磨面１１ａの中心周りに３０min^-1の回転数で回転させる。研磨面１１ａの中央に供給されたスラリは、研磨パッド１１の回転によって研磨面１１ａの全面に供給される。ウエハ１２は、研磨ヘッド１３の底面にフェイスダウンで吸着され、研磨パッド１１上に搬送される。

遊離リテーナリング２１の内側にウエハ１２を保持し、研磨パッド１１に対してヘッド本体１４を荷重Ｆ_１で機械的に押し付けた状態で、第１エア供給部を介して、ウエハ１２及び遊離リテーナリング２１の上面を荷重Ｆ_１よりも小さな荷重Ｆ_２で押圧する。この状態で、図４に示したように、メンブレンシート１７は、ウエハ１２の全面と、遊離リテーナリング２１の内縁からＸ_２＝５ｍｍの範囲とに押し付けられる。

また、周辺押圧部１９によって、ウエハ１２の周縁近傍を更に荷重Ｆ_３で押圧し、ウエハ１２の周縁近傍に対する押下げ圧力の調節を行う。荷重Ｆ_１は例えば７０Ｎに、荷重Ｆ_２は例えば５０Ｎにそれぞれ設定する。荷重Ｆ_３は、荷重Ｆ_２によって生じるウエハ１２周縁近傍の圧力ばらつきが無くなるように、例えば４５〜５５Ｎの範囲で調節し、押圧面１７ａにおける面内方向の圧力を均一にする。これによって、メンブレンシート１７は、遊離リテーナリング２１の略全面に押し付けられる。

上記の状態で、研磨ヘッド１３を、その中心軸を中心として２９min^-1の回転数で回転させると共に、研磨パッド１１の半径方向にその半径領域内で往復運動させることによって、ウエハ１２の主面のＣＭＰ研磨を行う。ウエハ１２は、予め設定された所定の時間だけ研磨した後、研磨装置１０と連動する洗浄装置上で洗浄を行い、回収する。引き続き、研磨装置１０上に別のウエハ１２を設置した後、同じ条件で研磨する。研磨に際して、押圧面１７ａがウエハ１２及び遊離リテーナリング２１の上面を一様に押圧し、ウエハ１２及び遊離リテーナリング２１が一体化した状態で保持される。

本実施形態では、メンブレンシート１７の周縁をウエハ１２の周縁よりも外側に位置させることによって、研磨時に持ち上がるおそれがあるメンブレンシート１７の周縁近傍がウエハ１２に接しないようにして、ウエハ１２の周縁近傍に対する押下げ圧力の低下を抑制できる。周辺押圧部１９を、ウエハの平坦部１２ａとエッジ部１２ｂとの境界１２ｃ上に配設することによって、ウエハ１２の周縁近傍を効果的に押圧できる。これらによって、ウエハ１２の周縁近傍における研磨レートの低下や不均一な研磨を抑制できると共に、周辺押圧部１９による押下げ圧力の制御性を高めることが出来る。

本実施形態では、また、遊離リテーナリング２１が固定リテーナリング２０とは別体に形成されることによって、研磨に際して遊離リテーナリング２１をウエハ１２と一体化させ、ウエハ１２と遊離リテーナリング２１との間の位置ずれを抑制できる。従って、ウエハ１２の周縁近傍に対する安定した研磨を行うことが出来る。

図５に示した従来の研磨装置１００、及び、実施形態の研磨装置１０を用いてウエハ１２の研磨を行った。従来の研磨装置１００では、図４の符号３２に示したように周辺押圧部１９を配設し、その中心を、ウエハ１２の周縁からＸ_３＝１５ｍｍの位置に整合させた。

その結果、実施形態の研磨装置１０では、従来の研磨装置１００に比して、ウエハ１２の周縁からＸ_３＝１５ｍｍの範囲で、研磨レートが上昇すると共に、その制御性が飛躍的に上昇した。ウエハ１２面内の研磨量のばらつきは、従来の研磨装置１００では±１０％であったのに対して、実施形態の研磨装置１０では±５％程度に低減した。これによって、実施形態の研磨装置１０で、ウエハ１２研磨の面内プロファイルを効果的に向上できることが確認できた。

なお、遊離リテーナリング２１は、固定リテーナリング２０によって保持される外縁と、ウエハ１２を保持する内縁とを有すれば、必ずしもリング状に形成する必要はないが、リング状に形成することによって、ウエハ１２とより効果的に一体化させることが出来る。また、遊離リテーナリングは、複数の部材で構成してもよい。更に、上記実施形態では、酸化膜のＣＭＰ工程に用いる研磨装置について記載したが、本発明は、金属膜のＣＭＰ工程など、種々のＣＭＰ工程に用いる研磨装置に適用できる。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明に係る研磨装置は、上記実施形態の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

本発明の一実施形態に係る研磨装置の構成を示す断面図である。図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１の遊離リテーナリングの形状を示す平面図及び断面図である。図１の固定リテーナリング、遊離リテーナリング、及び、ウエハの相互間の位置関係を示す平面図である。図１のＡ部を拡大して示す断面図である。従来の研磨装置の構成を示す断面図である。図５のリテーナリング及びウエハの相互間の位置関係をを示す平面図である。従来の研磨装置における問題点を示す断面図である。

符号の説明

１０：研磨装置
１１：研磨パッド
１１ａ：研磨パッドの研磨面
１２：ウエハ
１２ａ：ウエハの平坦部
１２ｂ：ウエハのエッジ部
１２ｃ：平坦部とエッジ部との境界
１３：研磨ヘッド
１４：ヘッド本体
１５：押圧部
１６：リテーナリング
１７：メンブレンシート
１８：閉空間
１９：周辺押圧部
２０：固定リテーナリング
２１：遊離リテーナリング

Claims

ウエハを研磨する研磨パッドとウエハを保持する研磨ヘッドとを備え、該研磨ヘッドが、ウエハを面内方向に保持するリテーナリングと、ウエハを前記研磨パッド側に押圧するメンブレンシートと、前記リテーナリング及びメンブレンシートを支持するヘッド本体とを有する研磨装置において、
前記リテーナリングは、研磨対象のウエハの外径及び厚みよりもそれぞれ大きな内径及び厚みを有し、前記ヘッド本体によって前記研磨パッド側に押圧されるリング状の第１部材と、ウエハの厚みとほぼ同じ厚みを有し、前記第１部材の内縁とウエハの周縁との間に挟まれて、ウエハの周縁を面内方向に保持する第２部材とを備え、
前記メンブレンシートは、ウエハと前記第２部材とを前記研磨パッド側に押圧する、
ことを特徴とする研磨装置。
前記第２部材が前記第１部材とは別体に形成される、請求項１に記載の研磨装置。
前記第２部材が、リング状部材として構成される、請求項２に記載の研磨装置。
前記第２部材が、それぞれがリング状部材の一部分を構成する複数の部材から構成される、請求項２に記載の研磨装置。
ウエハの周縁近傍の前記メンブレンシートの部分をウエハ側に押圧する周辺押圧部を更に備える、請求項１〜４の何れか一に記載の研磨装置。