JP2008238389A - Ｃｍｐパッドコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】研磨パッドの表面状態を常に最適な状態に保持し、研磨レートの低下を防ぐ。
【解決手段】円板状の基板１２の一面に、基板１２の中心１４から見て外側部分の領域と内側部分の領域とを隔離する環状溝１６を、同心円状に３本以上設け、環状溝１６で隔離された各環状領域の表面に固定されたダイヤモンド砥粒群は、内側の環状領域ほど粒径が大きいものにした。内側の環状領域ほど表面先鋭度の高いものにしてもよい。全ての環状領域は平坦な基準面４４上に存在するかあるいは、内側の環状領域ほど、ポリシングクロスから後退した平面上に存在するように構成するとよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハを研磨するためのＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置においてポリシングクロスのコンディショニングに使用するＣＭＰパッドコンディショナに関する。

半導体素子の高集積化と高性能化に伴い、層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、埋め込み配線形成などの多層配線工程で、ＣＭＰが必要不可欠な技術となっている。半導体ウエハのＣＭＰ工程では、研磨パッドの表面状態が研磨剤(スラリー)の保持状態や研磨作用の均一化に強く影響する。従って、研磨パッドの表面状態を常に最適な状態に保持する技術（パッドコンディショニング技術）の高度化、最適化が重要事項になっている。この用途には、例えば、金属砥粒等を固定した円板により構成されたコンディショナが開発されている（特許文献１参照）（特許文献２参照）。
特開２００３−２５２３０号公報 特開２００３−９４３３２号公報

既知の従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。
上記のようなコンディショナを使用したとき、時間の経過とともに研磨パッドの表面粗さが変化する現象が見られ、同時に、研磨レートの低下がみられる。これは生産性の低下につながる。従って、研磨機能をより安定に維持するＣＭＰパッドコンディショナの開発が望まれている。
上記の課題を解決するために、本発明は次のようなＣＭＰパッドコンディショナを提供することを目的とする。

以下の構成はそれぞれ上記の課題を解決するための手段である。
〈構成１〉
ＣＭＰ装置のポリシングクロスのコンディショニングに使用されるものであって、円板状の基板の一面に、上記基板の中心から見て外側部分の領域と内側部分の領域とを隔離する環状溝を、同心円状に３本以上設け、上記環状溝で隔離された各環状領域の表面に固定されたダイヤモンド砥粒群は、内側の環状領域ほど粒径が大きいことを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。

円板状の基板の中心から見て外側部分の領域と内側部分の領域とを環状溝で隔離して、環状溝で隔離された各環状領域の表面に固定されたダイヤモンド砥粒群を、内側の環状領域ほど粒径を大きくすると、ポリシングクロスの摩耗を最小にしつつ、その表面粗さを十分に粗いものに調整でき、高い研磨レートを維持できる。

〈構成２〉
ＣＭＰ装置のポリシングクロスのコンディショニングに使用されるものであって、円板状の基板の一面に、上記基板の中心から見て外側部分の領域と内側部分の領域とを隔離する環状溝を、同心円状に３本以上設け、上記環状溝で隔離された各環状領域の表面に固定されたダイヤモンド砥粒群は、それぞれ、内側の環状領域ほど表面精鋭度が高いものであることを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。

内側の環状領域ほど表面精鋭度を高くすると、内側の環状領域ほど粒径を大きくしたのと同様に、ポリシングクロスの摩耗を最小にしつつ、その表面粗さを十分に粗いものに調整できる。
〈構成３〉
ＣＭＰ装置のポリシングクロスのコンディショニングに使用されるものであって、円板状の基板の一面に、上記基板の中心から見て外側部分の領域と内側部分の領域とを隔離する環状溝を、同心円状に３本以上設け、上記環状溝で隔離された各環状領域の表面に固定されたダイヤモンド砥粒群は、内側の環状領域ほど粒径が小さいことを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。

ポリシングクロスの仕上がり時の表面粗さを比較的小さいものに仕上げるときに、外側部分の環状領域で速く新しい面を作り、内側の環状領域で細かく仕上げることができる。この構成により、ＣＭＰパッドコンディショナの長寿命化を図ることができる。
〈構成４〉
ＣＭＰ装置のポリシングクロスのコンディショニングに使用されるものであって、円板状の基板の一面に、上記基板の中心から見て外側部分の領域と内側部分の領域とを隔離する環状溝を、同心円状に３本以上設け、上記環状溝で隔離された各環状領域の表面に固定されたダイヤモンド砥粒群は、それぞれ、外側の環状領域ほど表面先鋭度が高いものであることを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。

内側の環状領域ほど粒径が小さいダイヤモンド砥粒群を配置したのと同様の効果がある。

〈構成５〉
構成１乃至４に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、上記全ての環状領域は平坦な基準面上に存在することを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。

全ての環状領域を平坦な基準面上に存在させると、ダイヤモンド砥粒を固定した円板状の基板は、作動時の押圧力で変形して、基板の中心から見て内側部分ほど強くポリシングクロスに押し当てられる。これにより、最も内側部分がポリシングクロスの仕上がり時の表面状態を決めることになる。

〈構成６〉
構成１または２に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、上記各環状領域は、内側の環状領域ほど、上記ポリシングクロスから後退した平面上に存在することを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。

内側の環状領域ほど、上記ポリシングクロスから後退した平面上に存在させるようにすると、構成１の場合よりも大きく作動時の押圧力で変形し、最も内側部分がポリシングクロスの仕上がり時の表面状態に大きく寄与する。

図１はＣＭＰパッドコンディショナを示す斜視図である。
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。この実施例のＣＭＰパッドコンディショナ１０は、円板状の基板１２の一面に、基板１２の中心１４から見て外側部分の領域と内側部分の領域とを隔離する環状溝１６を、同心円状に３本設けている。これらの環状溝１６により隔離されて、外側部分から順に、第１環状領域２０と第２環状領域２２と第３環状領域２３と円状領域１８とが形成されている。第１環状領域２０と第２環状領域２２と第３環状領域２３の表面には、それぞれ異なる粒径のダイヤモンド砥粒群を固定した。なお、粒径は、篩等による選別処理で決定できるいわゆるメッシュという単位で比較される。例えば、第１環状領域２０には粒径１００＃の第１砥粒群２４を接着剤で固定した。また、第２環状領域２２には粒径８０＃の第２砥粒群２６を接着剤で固定した。第３環状領域２３には粒径６０＃の第３砥粒群２７を接着剤で固定する。

なお、以下の実施例で使用するダイヤモンド砥粒群は、いずれも、ダイヤモンド・イノベーション・インターナショナル社製のもので、図１の（ｂ）に示すような特性のものである。

図２は、ＣＭＰ研磨装置２８の斜視図である。
図のＣＭＰ研磨装置２８は回転軸３０により回転するポリシングプレート３１を備えている。ポリシングプレート３１上にはポリシングクロス３２が張設されている。ポリシングクロス３２の上方には、回転軸３０とは逆方向に回転するスピンドル軸３４を配置する。スピンドル軸３４には、ポリシングクロス３２に対向させるように、チャック機構３６を固定している。このチャック機構３６には半導体ウエハ３８が支持される。半導体ウエハ３８はポリシングクロス３２に押しつけられる。ポリシングクロス３２にスラリーを滴下させながら、ポリシングクロス３２を用いて半導体ウエハ３８をケミカルメカニカルポリシング処理する。

ケミカルメカニカルポリシング処理の進行に伴い、ポリシングクロス３２の平坦度が低下し、目詰まりが生じると、研磨レートが低下する。そこで、ポリシングプレート３１の側方から突出させたアーム４０にＣＭＰパッドコンディショナ１０を取り付ける。ここで、矢印４２のようにアーム４０を駆動してＣＭＰパッドコンディショナ１０を往復運動させ、ポリシングクロス３２の全面のコンディショニングをする。このとき、ポリシングクロス３２に接する第１環状領域２０や第２環状領域２２や第３環状領域２３は所定の速度で回転し、固定したダイヤモンド砥粒群によりポリシングクロス３２表面をコンディショニングする。

次に、上記のようなコンディショナの機能について説明する。コンディショナの面に固定したダイヤモンド砥粒の粒径に着目したとき、粒径が大きいほどポリシングクロスの表面粗さが粗くなる。砥粒の粒径が大きいほどポリシングクロスを切削する速度が速く、粒径が小さいものに比べると、ポリシングクロスの仕上がり時の面粗さが粗くなる。もちろん、全てのダイヤモンド砥粒がほぼ同様の条件で製造されたものであるとした場合である。

ダイヤモンド砥粒の表面状態に着目したとき、先鋭度が高いほど切れ味がよい。この明細書では、ダイヤモンド砥粒の切削能力の程度を表すために、先鋭度という言葉を使用する。例えば、不純物が多いものは表面に不規則な凹凸が多く、表面先鋭度が高い砥粒が多い。同じ粒径の砥粒であっても、表面先鋭度が低いものより、表面先鋭度が高いもののほうが、ポリシングクロスを切削する速度が速く、相対的に、仕上がり後のポリシングクロスの表面粗さが粗くなる。

ポリシングクロスの表面を調整するときは、まず、粗れた面を一定量だけ切削して新しい面を出し、その後、目的とする表面粗さに仕上げ処理をする。従来は、全面に均一に同質のダイヤモンド砥粒を固定した一枚の円板でコンディショナを構成した。しかし、例えば、粒径が大きいダイヤモンド砥粒で粗れた面の調整をすると、新しい面を出すときにポリシングクロスを削り過ぎて、ポリシングクロスの消耗が激しくなるという問題がある。即ち、仕上げ処理以前にポリシングクロスを削りすぎてしまう。

ダイヤモンドコンディショナは、発泡ポリウレタン等の樹脂製円板の一面にダイヤモンド砥粒を接着剤で固定した構造をしている。これをポリシングクロスに押しつけてコンディショニングを開始すると、その押しつけ力で全体が若干湾曲する。即ち、ダイヤモンドコンディショナは押しつけ力により弾性変形する。円板の内周部分ほどポリシングクロスに強く押しつけられ外側部分は若干弱い力で押しつけられる。例えば、内周部分は外側部分より０．５ｍｍ程度深く沈むほどに湾曲する装置もある。なお、外側部分ほど、高速で回転して、最初に検索対象となるポリシングクロスに接する。ここで、実施例１ではダイヤモンドコンディショナの最外側部分、２相目、３相目と、順にダイヤモンド砥粒の粒径が大きくなるようにしておく。

こうした環境でコンディショニングを開始すると、始めに、高速回転する最外側部分の比較的粒径が小さいダイヤモンド砥粒群が、素早く、かつ、ポリシングクロスを削りすぎないようにして、粗れた面を切削し新しい面を出す。その後、順に円板の内側部分がポリシングクロスを目的とする面粗さに仕上げる。内側部分は外側部分よりも低速回転するので、ポリシングクロスを削りすぎないように仕上げることができる。このような作用をしながら、ダイヤモンドコンディショナはポリシングクロス上を移動していく。その結果、ボリシングクロスの消耗を抑制しながら、その面粗さを常にある程度粗い状態に維持し、研磨レートの低下を防止する。

なお、まったく溝の無い円板よりも、環状溝のある円板のほうが、作動時の押圧力で弾性変形し易い。２本の環状溝１６はダイヤモンド砥粒群の粒径の変化する部分で、円板を折れ曲がらせる。こうすると、最も内側部分がポリシングクロスの仕上がり面粗さを決める効果を高めることができる。第１環状領域２０で予備処理、第２環状領域２２で中間的な処理、第３環状領域２３で仕上げ処理という要領で、ポリシングクロスの面粗さを最適化する。これは、ＣＭＰ研磨装置のコンディショナに使用される円板の変形し易い特性と、それにより面粗さを決定されるポリシングクロスとの、双方の特有の性質を利用したもので、以下のように、きわめて高い効果が得られた。

一方、上記の例とは反対に、ポリシングクロスに強く押しつけられる内側部分ほど粒径の小さいものを使用すると、ＣＭＰパッドコンディショナの長寿命化を図れる。しかも、上記とは異なる用途で、微小傷やディッシングエロージョン等の欠陥を極少に抑制するＣＭＰ装置に適する構造になる。微小傷やディッシングエロージョン等の欠陥を抑制するには、ポリシングクロスの面粗さが十分に小さくなるようにコンディショニングをする必要がある。そこで、第１環状領域２０で予備処理、第２環状領域２２で中間的な処理、第３環状領域２３で仕上げ処理という工程は変わらない。予備処理では若干粒径の大きなものを使用して効率よく切削をする。最終的な仕上げには粒径の最も小さいダイヤモンド砥粒群を使用するので、ポリシングクロスの面粗さを適正値に設定できる。全て粒径の小さいダイヤモンド砥粒群を使用した場合に比べて効率よくコンディショニングができるので、ＣＭＰパッドコンディショナを長寿命化できる。

本発明のＣＭＰパッドコンディショナ１０の評価のために、図２に示すような装置を以下の条件で運転した。ポリシングプレート３１には外径３８０ｍｍのものを使用した。潤滑剤には純水を毎分１８ｍｌ供給した。ポリシングプレート３１の回転数を毎分５０回転とした。また、ＣＭＰパッドコンディショナ１０も毎分７０回転で回転させ、ＣＭＰパッドコンディショナ１０をポリシングクロス３２に対して２５Ｎの圧力で押しつけてコンディショニング機能を試験した。

図３は実施例１のＣＭＰパッドコンディショナの横断面図である。
図のように、第１環状領域２０には第１砥粒群２４が固定され第２環状領域２２には第２砥粒群２６が固定されている。さらに、第３環状領域２３には第３砥粒群２７が固定されている。ここで、第１環状領域に固定したダイヤモンド砥粒の粒径を１００＃とし、第２環状領域２２に固定したダイヤモンド砥粒の粒径を８０＃とし、第３環状領域２３のダイヤモンド砥粒の粒径を６０＃とした。これを採用した結果、ポリシングクロスの面粗さは、粒径６０＃のダイヤモンド砥粒によるものと同等であった。また、ポリシングクロスの削り過ぎを防止できた。

実施例１と同様に、第１環状領域２０には第１砥粒群２４が固定され第２環状領域２２には第２砥粒群２６が固定されている。さらに、第３環状領域２３には第３砥粒群２７が固定されている。各ダイヤモンド砥粒群は、いずれも粒径を６０＃とし、それぞれ、内側の環状領域ほど表面先鋭度が高いものとした。結晶性の良いダイヤモンド砥粒群は、不純物の多いダイヤモンド砥粒群と比較すると、表面に鋭利な突起が少ない。そこで、結晶性の良いダイヤモンド砥粒群を外側部分に配置した。これを採用した結果、ポリシングクロスの面粗さは、粒径６０＃のダイヤモンド砥粒によるものと同等であった。また、ポリシングクロスの削り過ぎも防止できた。

ここで、第１環状領域に固定したダイヤモンド砥粒の粒径を１００＃とし、第２環状領域２２に固定したダイヤモンド砥粒の粒径を２００＃とし、第３環状領域２３のダイヤモンド砥粒の粒径を３２５＃とした。これを採用した結果、ポリシングクロスの面粗さは、粒径３２５＃のダイヤモンド砥粒によるものと同等であった。

ここで、全ての環状領域に固定したダイヤモンド砥粒の粒径をいずれも２００＃とし、それぞれ、内側の環状領域ほど表面先鋭度が低いものとした。

実施例１と実施例２において、円板状の基板を実施例１と同様に構成するとともに、全ての環状領域は、図３に示すように、平坦な基準面４４上に存在するようにした。この構造は、円板の製造が最も容易であり、十分に上記の効果を発揮した。

図４は、実施例４のＣＭＰパッドコンディショナ１０の横断面図である。
上記の実施例では、全ての環状領域を平坦な基準面上に存在するようにしたが、この実施例では、各環状領域は、内側の環状領域ほど、前記ポリシングクロスから後退した平面上に存在するものにした。この構造は円板の加工がやや複雑になる。しかし、円板をポリシングクロスに押しつける圧力で円板が実施例３のものよりも大きく変形し、外側部分が最初にポリシングクロスを切削し、その後順番に内側部分で目的の面粗さに仕上げるという機能が顕著に表れた。

比較例１

第１環状領域と第２環状領域のみを設け、第１環状領域に固定したダイヤモンド砥粒の粒径を１００＃とし、第２環状領域２２に固定したダイヤモンド砥粒の粒径を８０＃とした。

比較例２

円盤状の環状領域に均一に固定したダイヤモンド砥粒の粒径を１００＃とした。

図５はポリシングクロスの表面粗さの変化を示す説明図である。
図のグラフの横軸は研磨時間、縦軸はポリシングクロスの表面粗さを示す。図のように、ポリシングクロスの表面粗さは、最も内側のダイヤモンド砥粒の粒径に寄与することが分かる。

図６は研磨レートの安定度を評価する試験結果説明図である。
図のグラフの横軸は研磨時間、縦軸は研磨レートを示す。図のＡは実施例１のＣＭＰパッドコンディショナ１０を使用した結果、ＢとＣはそれぞれ比較例１と比較例２のＭＰパッドコンディショナを使用した結果である。この図のように、比較例では研磨時間の経過とともに研磨レートが低下するが、実施例のものは１５時間を経過してもまだ使用可能な高い研磨レートを維持できることがわかった。実施例２も実施例１とほぼ同様の結果であった。

図７はポリシングクロスの表面粗さの断面状態実測データを示す。
１５時間研磨後のポリシングクロスの表面粗さを、比較例と実施例とで比べてみると、大きく差が出ている。即ち、長時間研磨をすると、比較例では表面粗さが３．８μｍ〜４．７μｍに低下し、これが研磨レートの低下を招いている。一方、実施例では表面粗さが６ミクロン程度を維持することができる。また、２相構造よりも３相構造のほうが顕著に効果が上がっている。１相目と３相目の決める面粗さに差があるとき、中間の２相目の役割がきわめて大きいということがわかる。

図８は顕微鏡写真による表面粗さの比較図である。
図のように、研磨開始後１時間後で、既にポリシングクロスの表面状態に大きな差が現れている。１５時間経過後では、実施例と比較例とに、明らかに表面粗さの差が際だつ。即ち、研磨レートに差が生じる原因が明確になった。

図９は、研磨時間と研磨速度との関係を示す説明図である。
図のグラフで、実施例１や２の構成と、比較例の構成とで、長時間研磨した後の状態でのポリシングクロスの表面粗さを確認できる。実施例１や２の構成では、最も内側のダイヤモンド砥粒の粒径により仕上がり時のポリシングクロスの表面粗さが決定されている。比較例２の２相構造でも同様である。実施例３や４の場合でも同様である。最も内側のダイヤモンド砥粒の粒径が最終的に仕上がり面粗さを決定する。

図１０はポリシングクロスの表面粗さと研磨される半導体基板のディッシングエロージョンとの関係を示す説明図である。この図に示すように、ポリシングクロスの表面粗さを小さくすると、ＣＭＰ研磨装置の性能を向上させることができる。このためには、上記の実施例３や４のように、最終仕上げに面粗さを小さくできるＣＭＰパッドコンディショナが適する。

実施例１のＣＭＰパッドコンディショナを示す斜視図である。 ＣＭＰ研磨装置２８の斜視図である。 実施例１のＣＭＰパッドコンディショナの横断面図である。 実施例４のＣＭＰパッドコンディショナの横断面図である。 研磨レートの安定度を評価する試験結果説明図である。 ポリシングクロスの表面粗さの変化を示す説明図である。 ポリシングクロスの表面粗さの断面状態実測データ説明図である。 顕微鏡写真による表面粗さの比較図である。 研磨時間と研磨速度との関係を示す説明図である。 ポリシングクロスの表面粗さと研磨される半導体基板のディッシングエロージョンとの関係を示す説明図である。

符号の説明

１０ ＣＭＰパッドコンディショナ
１２ 基板
１４ 中心
１６ 環状溝
１８ 円状領域
２０ 第１環状領域
２２ 第２環状領域
２３ 第３環状領域
２４ 第１砥粒群
２６ 第２砥粒群
２７ 第３砥粒群
２８ ＣＭＰ研磨装置
３０ 回転軸
３１ ポリシングプレート
３２ ポリシングクロス
３４ スピンドル軸
３６ チャック機構
３８ 半導体ウエハ
４０ アーム
４２ 矢印
４４ 基準面

Claims (6)

1. ＣＭＰ装置のポリシングクロスのコンディショニングに使用されるものであって、
   円板状の基板の一面に、前記基板の中心から見て外側部分の領域と内側部分の領域とを隔離する環状溝を、同心円状に３本以上設け、
   前記環状溝で隔離された各環状領域の表面に固定されたダイヤモンド砥粒群は、内側の環状領域ほど粒径が大きいことを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
2. ＣＭＰ装置のポリシングクロスのコンディショニングに使用されるものであって、
   円板状の基板の一面に、前記基板の中心から見て外側部分の領域と内側部分の領域とを隔離する環状溝を、同心円状に３本以上設け、
   前記環状溝で隔離された各環状領域の表面に固定されたダイヤモンド砥粒群は、それぞれ、内側の環状領域ほど表面先鋭度が高いものであることを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
3. ＣＭＰ装置のポリシングクロスのコンディショニングに使用されるものであって、
   円板状の基板の一面に、前記基板の中心から見て外側部分の領域と内側部分の領域とを隔離する環状溝を、同心円状に３本以上設け、
   前記環状溝で隔離された各環状領域の表面に固定されたダイヤモンド砥粒群は、内側の環状領域ほど粒径が小さいことを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
4. ＣＭＰ装置のポリシングクロスのコンディショニングに使用されるものであって、
   円板状の基板の一面に、前記基板の中心から見て外側部分の領域と内側部分の領域とを隔離する環状溝を、同心円状に３本以上設け、
   前記環状溝で隔離された各環状領域の表面に固定されたダイヤモンド砥粒群は、それぞれ、内側の環状領域ほど表面先鋭度が低いものであることを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
5. 請求項１乃至４に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、
   前記全ての環状領域は平坦な基準面上に存在することを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。
6. 請求項１乃至４に記載のＣＭＰパッドコンディショナにおいて、
   前記各環状領域は、内側の環状領域ほど、前記ポリシングクロスから後退した平面上に存在することを特徴とするＣＭＰパッドコンディショナ。

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