JP2008507855A - 研磨パッドをコンディショニングする方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

半導体基板上の薄膜を研磨する方法及び装置が記載される。研磨パッド(20)を回転させ、研磨すべきウェハ(18)を回転する研磨パッド上に配置する。研磨パッド(20)は、ウェハと研磨パッド(20)との間にスラリーを流すとともにウェハから(18)過剰な材料を除去する溝を有することで、ウェハの表面の効率的な研磨を可能にする。研磨パッド(20)は、ウェハ(18)の研磨によって平滑になるため、効果を回復するためにコンディショニングしなければならない。複数のダイヤモンドを有するコンディショニングアセンブリが設けられる。ダイヤモンド(70)は、ダイヤモンド(70)に強度を与える所定の角度を有する。これにより、ダイヤモンド(70)の欠損率を低下させながら、研磨パッドを効果的にコンディショニングするにあたり最適な回転速度及び下向きの力を得ることができる。

Description

本発明は、包括的には半導体ウェハの研磨装置に関し、より詳細には、半導体ウェハの研磨パッド用のコンディショニングアセンブリに関する。
半導体チップは、半導体ウェハ基板上に連続した層を形成することによって製造される。凹凸形成が、膜に起伏を生じさせる可能性がある。この起伏は、さらなる加工を可能にするために平坦化しなければならない。
層は、通常、当該技術分野で「化学機械研磨」(CMP)として知られるプロセスで研磨される。CMPは、概して、研磨すべき層がウェハと研磨パッドとの間の境界面にあるようにして、ウェハを研磨パッド上に配置するステップを含む。次に、ウェハと研磨パッドとを互いに対して移動させる。スラリーが研磨パッド上に導入される。研磨パッドは、テクスチャ加工された表面を有するため、ウェハと研磨パッドとの互いに対する移動がスラリーと組み合わさることで、層が徐々に研磨されるようになる。
一定数のウェハを研磨した後、最終的にスラリー及びウェハの材料が研磨パッド上に蓄積するため、研磨パッドが平滑になる。研磨パッドが平滑になると、ウェハの表面に対する効果が低下することで、研磨率が低下するか又はウェハの表面が不均一に研磨されるようになる。したがって、研磨パッドのコンディショニングを行わなければならない。
続いて、スラリーを再分配するために、研磨パッドをコンディショニングする。コンディショニングアセンブリを研磨パッドの表面上で移動させて、下向きの力で研磨パッドの表面に接触させる。研磨パッドのコンディショニングは、研磨パッドに溝を形成し、研磨パッドを粗面化して過剰な材料の効果的な除去を可能にし、研磨パッドの研磨特徴を回復させる。
本発明を、添付図面を参照して一例として説明する。
半導体基板上の薄膜を研磨する方法及び装置を説明する。研磨パッドを回転させて、研磨すべきウェハを回転する研磨パッド上に配置する。研磨パッドは、ウェハと研磨パッドとの間にスラリーを流すとともにウェハから過剰な材料を除去する溝を有することで、ウェハの表面の効率的な研磨を可能にする。研磨パッドは、ウェハの研磨により平滑になるため、効果を回復するためにコンディショニングしなければならない。複数のダイヤモンドを有するコンディショニングアセンブリが設けられる。ダイヤモンドは、ダイヤモンドに強度を与える所定の角度を有する。これにより、ダイヤモンドの欠損率を低下させながら、研磨パッドを効果的にコンディショニングするにあたり最適な回転速度及び下向きの力を得ることができる。
1.研磨システム
添付図面の図1は、ウェハ18を研磨中の研磨装置10を示す。研磨装置10は、研磨支援システム12、供給ユニット14、及びウェハ18用のウェハ支持アセンブリ16を含む。
研磨支援システム12は、研磨パッド20、テーブル22、回転ソケット24、駆動軸26、及び電動機28を含む。研磨パッド20は、テーブル22によって支持され、駆動軸26を介して回転ソケット24に接続される。回転ソケット24は、電動機28によって電力供給される。
供給ユニット14は、管32及びスラリー36を保持する槽34を含む。管32は、槽34に接続され、研磨支援システム12の上に延びる。スラリー36は、ウェハ18の研磨中に槽34から研磨パッド20に送り出される。
ウェハ支持アセンブリ16は、保持ブロック38、回転軸40、方向アーム42、接続アーム44、回転ユニット46、及び電動機48を含む。保持ブロック38は、ウェハ18を固定し、回転軸40によって方向アーム42に接続される。方向アーム42は、接続アーム44を介して回転ユニット46に接続され、回転ユニット46は、電動機48によって電力供給される。
図2は、ウェハ18が研磨パッド20の表面に接触しているときの研磨装置10を示す。研磨パッド20は駆動軸26に接続され、駆動軸26は、回転ソケット24を介して電動機28によって電力供給される。スラリー36は、槽34を介して管32から研磨パッド20上に供給される。ウェハ18は、研磨パッド20及びスラリー36に接触する。ウェハ18は、保持ブロック38によって支持され、回転軸40によって回転させられ、回転軸40は方向アーム42に接続される。ウェハ18は、回転する研磨パッドの上で圧力F1を加えられながら回転し、スラリー36を用いてウェハの表面が研磨される。
2.コンディショニングシステム
研磨支援システム12が一定数のウェハ18を研磨した後、研磨パッド20の効果は低下する。したがって、研磨パッド20は、ウェハ18を研磨するのに効果的であり続けるためにコンディショニングすることが推奨される。研磨パッド20は、ウェハ18の研磨前、研磨間、又は研磨後に、コンディショニングシステムによってコンディショニングすることができる。
図3は、研磨パッド20のコンディショニングの際の研磨装置10を示す。研磨装置10は、本明細書で前述した研磨支援システム12及び供給ユニット14に加えて、コンディショニングユニット50をさらに含む。
コンディショニングユニット50は、コンディショニングアセンブリ52、回転軸54、方向アーム56、接続アーム58、回転ユニット60、及び電動機62を含む。コンディショニングアセンブリ52は、回転軸54によって方向アーム56に接続される。回転ユニット60は、接続アーム58によって方向アーム56に接続され、電動機62によって電力供給される。
図4A及び図4Bは、コンディショニングアセンブリ52の構成要素をより詳細に示す。コンディショニングアセンブリ52は、ベース部64及び複数のダイヤモンド70を含む。図4Aは、ダイヤモンド70が八面体である一実施形態を示し、図4Bに示す別の実施形態では、ダイヤモンド70は立方体である。
八面体ダイヤモンド70は、8個の面、12個の辺、及び6個の頂点から成る。一実施形態では、外角A1は60°で、和は1440°であり、内角は90°の直角A2を形成する。正方形ダイヤモンドは、直角A2を形成する6個の面から成り、同様に12個の辺及び6個の頂点を含み、外角の和は2160°となる。
ダイヤモンドタイプの実施形態は、ダイヤモンドの強度及び耐久性を決めるのに必要な角度を提供する。得られる品質は、最適な加工条件を用いて研磨パッド20を効果的にコンディショニングするのに必要な品質である。既存のダイヤモンドコンディショニングパッドは、欠損しやすい鋸歯又は三角形タイプのダイヤモンドを用いる。その破片は、研磨パッド20に食い込み、その後ウェハの表面を傷付ける。欠損は、コンディショニングに一貫性のない結果を与え、ウェハ18の研磨に悪影響を及ぼす。
ベース部64は、第1の面66及び第2の面68を含む。第1の面66は、回転軸54と接続して、コンディショニングアセンブリ52の回転を支援する。第2の面68は、複数のダイヤモンド70を埋め込むことを可能にしてコンディショニングに最適な分布及び突出を促す、3M Corp.製の接着マトリックス材料を有する。ダイヤモンドは、ベースから50〜90マイクロメートル(ミクロン)突出し、一実施形態では、ダイヤモンド70は、80マイクロメートル(ミクロン)の距離D1だけ突出する。一実施形態では、ダイヤモンド70の56パーセントが接着剤68に無秩序に埋め込まれ、これは、44%を突出させたままであればダイヤモンドのいずれの角を突出させてもよいことを意味し、スラリー36とウェハ18との接触を高めるために研磨パッド20内に最適な溝が形成される。
ダイヤモンド70の突出距離D1は、研磨パッド20に最適な深さの溝を形成することによって、研磨パッドを効果的にコンディショニングするものである。この特徴は、形状の完全性と、最適な加工条件に耐えて欠陥のない環境を維持するその能力とによって可能となる。既存の調整不可能なコンディショナは、ダイヤモンドの完全性が加工条件の影響に耐えずに欠陥を引き起こすため、研磨パッドへの貫入を少なくする。既存の調整可能なねじタイプのダイヤモンドコンディショナは、三角形のダイヤモンドをねじ付き鋼シャンクに固定するものであり、ダイヤモンドの完全性も低下するため、最適な深さを得ることができない。
ダイヤモンド70は、幅160〜210マイクロメートル(ミクロン)であり、一実施形態では180マイクロメートル(ミクロン)である。一実施形態では、面積当たりのダイヤモンド70は、少なくとも50個/平方センチメートルである。マトリックス接着材料に埋め込まれるダイヤモンド70の数は、150〜900個の範囲に及ぶ。一実施形態では、より効果的な範囲である450〜900個のダイヤモンドが埋め込まれる。別の実施形態では、約600個のダイヤモンドが直径2.54cm(1インチ)のディスクに均一な分布で、一実施形態では700マイクロメートル(ミクロン)の距離D2ずつ離れて埋め込まれて、面積当たりのダイヤモンドを200個/平方センチメートルにする。
既存の調整可能なねじタイプのコンディショナは、4〜5個の調整可能なダイヤモンドを含むが、これでは研磨パッド20を効果的にコンディショニングするのに必要な適切な適用範囲が得られない。ダイヤモンドが少ないことは、研磨パッドに形成される溝が少ないことと同じである。ウェハを効果的に研磨するためには、スラリーがウェハ表面に接触しなければならないため、溝が少ないほどスラリーがウェハに接触する可能性が低くなり、研磨を妨げる。
既存の調整不可能な埋め込みコンディショナは、直径10.16〜15.24cm(4〜6インチ)のディスクに少なくとも3000個の鋸歯タイプのダイヤモンドを用いる。研磨パッドに多数の溝が形成されるものの、ディスクのこの大きな直径は、表面の平面度が不十分であり、研磨パッドに残っている研磨軌跡にわたる表面変化を辿ることができないため、依然として不適切である。このコンディショナは、他の部分がコンディショニングされないまま特定の部分をコンディショニングする傾向があるため、ウェハ研磨の効果を低下させる。大径のディスクとともに、3.175〜4.536kg(7〜10ポンド)という大きな力も用いられるが、この力の大きさは、一般に用いられる鋸歯タイプのダイヤモンドを欠損させて、同じくウェハ研磨の効果を低下させる。
図5Aは、コンディショニングアセンブリ52が研磨パッド20の表面に接触しているときの研磨装置10を示す。研磨パッド20は、駆動軸26に接続され、回転ソケット24によって回転させられる。回転ソケットは、電動機28によって電力供給され、研磨パッド20を回転させる。研磨中、スラリー36が槽34を介して管32から研磨パッド20上に供給される。コンディショニングアセンブリ52は、下向きの圧力F2を加えられて研磨パッド20に接触し、回転軸54によって回転させられる。
次に図5Bを参照する。研磨パッド20が回転すると、方向アーム56は接続アーム58と方向アームとの接続部の中心点を中心に枢動して、コンディショニングアセンブリ52に研磨パッド20を拭わせる。保持ブロック38は、ウェハ18を収容し、方向アーム42及び回転ユニット46によって支持される。スラリー36は、ウェハ18を研磨するときに堆積される。
図6は、コンディショニング中の研磨パッド20の掻き取りをより詳細に示す。ベース部の第2の面68に埋め込まれたダイヤモンド70は、スラリー36及び研磨パッド20に接触する。ダイヤモンド70は、50〜90マイクロメートル(ミクロン)の深さを有する溝を形成することによって、スラリー34及び研磨パッド20のコンディショニングを行う。一実施形態では、溝の深さは80マイクロメートル(ミクロン)である。溝は、研磨パッド20とウェハ18との間にスラリー36を流すとともに過剰な材料の除去を可能にすることによって、研磨を助ける。
3.加工条件
コンディショニングアセンブリ52の第2の面68上の複数のダイヤモンド70は、研磨パッド20の表面に溝を形成することによって研磨パッド20の表面をコンディショニングし、これは、ウェハ18と研磨パッド20との間にスラリー36を流すとともにウェハからの過剰な材料の除去を可能にすることによって、研磨パッド20がウェハ18を効果的に研磨して、ウェハ18の表面を効果的に平坦化することができるようにする。
コンディショナの回転中のダイヤモンドの欠損及びその破片は、研磨パッド20に埋まり、その後研磨されたウェハの表面を傷付けることが知られている。コンディショニングアセンブリ52のダイヤモンド70は、ダイヤモンドの完全性を最適化する角度を含む。埋め込まれたダイヤモンドの八面体又は立方体の形状によって、最適な毎分回転数、ダイヤモンド分布、突出、及び研磨パッド20への力F2の生成が得られ、これを研磨パッド20対コンディショニングアセンブリ52の最適な比と組み合わせることで、欠損率が低下し、研磨パッド20のコンディショニング及びその後のウェハ18の研磨がより効果的に行われるようになる。
図7は、研磨パッドの効果的なコンディショニングを行うための最適な加工パラメータを示す。一実施形態では、コンディショニングアセンブリは、1.27〜8.81cm(0.5〜1.5インチ)の範囲の直径を有することで研磨パッドとのパッド/コンディショナ比を1:13〜1:40に維持し、150〜900個の一般的範囲の埋め込みダイヤモンド及び0.453〜2.722kg(1〜6ポンド)の下向きの力F2に対応して、100〜750回転/分の一般的範囲で回転させられる。別の実施形態では、より効果的なパッド/コンディショナ比は1:16〜1:26であり、450〜900個というより効果的な範囲の埋め込みダイヤモンドに対応して、300〜700回転/分の範囲が得られる。別の実施形態では、コンディショニングは、1:20のパッド/コンディショナ比を維持する直径2.54cm(1インチ)のディスクに600個の埋め込みダイヤモンドを分布させて、研磨パッド20に0.533kg(1.175ポンド)の下向きの力Fを加えて、したがって0.167kg(0.37ポンド)/平方インチの力を加えて、500回転/分で回転させることによって行われる。
既存の調整不可能なコンディショナは、概して、直径10.16〜15.24cm(4〜6インチ)であるため研磨パッドに対する比は1:3〜1:4となり、30〜50回転/分で回転し、3000個のダイヤモンドを含み、3.175〜4.536kg(7〜10ポンド)の力を加えるが、いくつかの理由により研磨パッドのコンディショニングには不十分である。
コンディショニング対研磨パッドの比は、表面の平面度が不十分であり、研磨パッドに残っている研磨軌跡にわたる表面変化を辿ることができないため、不適切であることが分かっており、これは、ウェハの研磨に悪影響を及ぼす特徴である大きな不均一性をもたらす。用いられるダイヤモンドのタイプは、欠損しやすいものであるため、加工条件を適用すると、欠陥が生じてウェハの研磨の効果を低下させる可能性がある。現在、当該技術分野は、コンディショナに加えられるダイヤモンドの数及び力を増やす傾向にある。
既存の調整可能なねじタイプのコンディショナは、概して、直径が小さく、2000回転/分の速度で回転し、鋼シャンクに固定される3〜5個の調整可能なダイヤモンドチップを含む。力の大きさは、概して、調整不可能なコンディショナの力の大きさよりもはるかに小さいが、同じ問題の多くを引き起こす。
既存の調整可能なねじタイプのコンディショナによって研磨パッドに形成される溝の量及び深さは、ウェハとスラリーとの間の境界面を減らすため、研磨の効果を低下させる。溝を形成するダイヤモンドは、そのサイズ及び構成要素がディスクに嵌まることができる能力が原因で非常に少なく、製造が困難でもある。ダイヤモンドは、ねじタイプの鋼シャンクによって調整することができるが、ダイヤモンドの脆さ及びサイズにより所望の深さを得ることができない。2000回転/分及び0.453kg(1ポンド)の力では、ダイヤモンド欠損率は変わらず、ウェハ研磨の効果を低下させる。
コンディショニングパッドは、CMPウェハ加工中に研磨パッド表面を一新して、均一なパッド表面を維持する。研磨パッドのコンディショニングは、最適なパッド表面粗度及び多孔性を維持するのに役立ち、ウェハ表面へのスラリーの移送及びCMP残渣の除去を確実なものにする。コンディショニングを行わないと、パッド表面は「つるつるになり」、酸化物の除去が急速に低下してウェハの研磨を妨げることになる。
いくつかのパラメータがCMPプロセスに影響を及ぼし、効果のないコンディショニングの問題が残る。ダイヤモンドの特徴は、最も重要であり、最適な加工条件を実現する能力を提供する。ねじ付き鋼シャンクにダイヤモンドを固定するのではなく埋め込むことで、コンディショナは所望の面積当たりのダイヤモンド及び突起を得ることができる。立方体又は八面体形ダイヤモンドの完全性により、ダイヤモンドは、既存のコンディショナで用いられる鋸歯タイプのダイヤモンドで見られるような加工均一化の制限要因にはならなくなり、完全且つ均一にコンディショニングするのに最適な下向きの力及び毎分回転数が可能になる。最後に、ディスクサイズが小さいため、表面の平面度を維持するとともに研磨パッドの表面変化を辿ることができることで、研磨パッドが均一にコンディショニングされるため、研磨出力が増大する。
特定の例示的な実施形態を説明するとともに添付図面に示したが、このような実施形態は単なる例示であって本発明を限定するものではなく、当業者には変更形態が思い浮かぶであろうから、本発明は図示及び説明した特定の構造及び構成に限定されないことを理解されたい。
研磨支援システムを有する研磨装置の図である。 ウェハを研磨している使用中の研磨装置の図である。 コンディショニングユニットを有する研磨装置の図である。 コンディショニングアセンブリ及びその中の複数のダイヤモンドを詳細に示す側断面図である。 コンディショニングアセンブリ及びその中の複数のダイヤモンドを詳細に示す側断面図である。 研磨パッドをコンディショニングしている使用中の研磨装置の側面図である。 図5Aの研磨装置の上面図である。 研磨パッドのコンディショニングを詳細に示す断面図である。 最適な加工パラメータのグラフである。

Claims (30)

  1. 半導体ウェハの研磨用のコンディショニングアセンブリであって、
    第1の面及び第2の面を有するベースと、
    90°の角度から成る、第2の面上の複数のダイヤモンドと
    を備える、半導体ウェハの研磨用のコンディショニングアセンブリ。
  2. 前記ベースは、1.27〜3.81cm(0.5〜1.5インチ)の直径を有する、請求項1に記載の半導体ウェハの研磨用のコンディショニングアセンブリ。
  3. 150〜900個のダイヤモンドを含む、請求項1に記載の半導体ウェハの研磨用のコンディショニングアセンブリ。
  4. 約600個のダイヤモンドを含む、請求項3に記載の半導体ウェハの研磨用のコンディショニングアセンブリ。
  5. 前記ダイヤモンドは八面体である、請求項1に記載の半導体ウェハの研磨用のコンディショニングアセンブリ。
  6. 前記ダイヤモンドは前記ベースに埋め込まれる、請求項1に記載の半導体ウェハの研磨用のコンディショニングアセンブリ。
  7. 前記ダイヤモンドは前記ベースから50〜90マイクロメートル(ミクロン)突出する、請求項6に記載の半導体ウェハの研磨用のコンディショニングアセンブリ。
  8. 前記ダイヤモンドは前記ベースから80マイクロメートル(ミクロン)突出する、請求項7に記載の半導体ウェハの研磨用のコンディショニングアセンブリ。
  9. 前記ダイヤモンドは幅160〜210マイクロメートル(ミクロン)である、請求項1に記載の半導体ウェハの研磨用のコンディショニングアセンブリ。
  10. 前記ダイヤモンドは幅180マイクロメートル(ミクロン)である、請求項9に記載の半導体ウェハの研磨用のコンディショニングアセンブリ。
  11. 各ダイヤモンド間の間隔は少なくとも700マイクロメートルである、請求項1に記載の半導体ウェハの研磨用のコンディショニングアセンブリ。
  12. 面積当たりの前記ダイヤモンドは、少なくとも50個/平方センチメートルである、請求項1に記載の半導体ウェハの研磨用のコンディショニングアセンブリ。
  13. 方法であって、
    半導体ウェハの表面上で研磨パッドの研磨表面を移動させることによって、該半導体ウェハの表面を研磨すること、及び
    複数のダイヤモンドが表面に埋め込まれたディスクを少なくとも100rpmの速度で回転させて、前記ダイヤモンドが前記研磨表面の掻き取りを行うようにすることによって、前記研磨パッドをコンディショニングすること
    を含む、方法。
  14. 前記ディスクは300rpmの速度で回転させられる、請求項13に記載の方法。
  15. 前記ディスクは750rpm未満の速度で回転させられる、請求項13に記載の方法。
  16. 前記ディスクは700rpm未満の速度で回転させられる、請求項15に記載の方法。
  17. 前記ダイヤモンドは、90°の角度から成る立方体である、請求項13に記載の方法。
  18. 前記ダイヤモンドは八面体である、請求項13に記載の方法。
  19. 前記ディスク上には少なくとも450個のダイヤモンドがある、請求項13に記載の方法。
  20. 面積当たりの前記ダイヤモンドは、約200個/平方センチメートルである、請求項13に記載の方法。
  21. 前記研磨パッドは、前記ディスクに0.453〜2.722kg(1〜6ポンド)の下向きの力を加えることによってコンディショニングされる、請求項13に記載の方法。
  22. 前記研磨パッドは、約0.533kg(1.175ポンド)の下向きの力を加えることによってコンディショニングされる、請求項21に記載の方法。
  23. 前記ダイヤモンドによって形成される前記溝の深さは50〜90マイクロメートル(ミクロン)である、請求項13に記載の方法。
  24. 方法であって、
    半導体ウェハの表面上で研磨パッドの研磨表面を移動させることによって、該半導体ウェハの表面を研磨すること、及び
    少なくとも150個のダイヤモンドを有するディスクを少なくとも100rpmの速度で回転させて、前記ダイヤモンドが前記研磨表面の掻き取りを行うようにすることによって、前記研磨パッドをコンディショニングすること
    を含む、方法。
  25. 前記ディスクは約500rpmの速度で回転させられる、請求項24に記載の方法。
  26. 前記ディスク上には900個未満のダイヤモンドがある、請求項24に記載の方法。
  27. 方法であって、
    半導体ウェハの表面上で研磨パッドの研磨表面を移動させることによって、該半導体ウェハの表面を研磨することであって、前記研磨パッドは第1の直径を有する、研磨すること、及び
    少なくとも150個のダイヤモンドを有するディスクを回転させて、前記ダイヤモンドが前記研磨表面の掻き取りを行うようにすることによって、前記研磨パッドをコンディショニングすることであって、前記ディスクは第2の直径を有し、前記第1の直径対前記第2の直径の比は1:13〜1:40である、コンディショニングすること
    を含む、方法。
  28. 前記第1の直径及び前記第2の直径は1:16〜1:26の比を有する、請求項27に記載の方法。
  29. 前記第1の直径対前記第2の直径は約1:20の比を有する、請求項28に記載の方法。
  30. 前記ダイヤモンドによって形成される前記溝は約80マイクロメートル(ミクロン)の深さである、請求項27に記載の方法。
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