JP2010183037A

JP2010183037A - 半導体製造装置

Info

Publication number: JP2010183037A
Application number: JP2009027809A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Kitakura; 智憲北倉; Keiji Fujita; 敬次藤田; Masaru Fukushima; 大福島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2010-08-19
Also published as: US20100203806A1

Abstract

【課題】本発明によれば、被研磨基板の研磨量の面内バラツキを抑制する半導体製造装置を提供する。
【解決手段】研磨パッドを保持した定盤と、前記研磨パッドに被処理基板面を押し当てる押圧機構を有する研磨ヘッドと、前記定盤の半径方向に複数個設けられ、互いに独立に温度を調整可能な温度調整部と、を有し、前記定盤及び前記研磨ヘッドをそれぞれ回転させ、前記被処理基板面を研磨する際に前記温度調整部の温度を変更することにより前記被処理基板面の半径方向の一部領域を選択的に温度調整することが可能であることを特徴とする半導体製造装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置、特にＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）技術を用いた半導体製造装置に関する。

半導体装置の製造プロセスの１つとして、被研磨基板表面を均一に平坦化するために、化学的機械的研磨（以下、ＣＭＰ処理と称す。）処理が行われている。

このＣＭＰ処理は、一般的に研磨パッドを保持した定盤を回転させながら、この研磨パッドに研磨液を供給するとともに、半導体基板を保持した研磨ヘッドを回転させながらその半導体基板を研磨パッドに押し当ることによって行われる。具体的には、研磨パッドとの物理的な摩擦による効果と、研磨液との化学的な作用による効果とによって半導体基板が研磨される。

しかし、ＣＭＰ工程において被研磨基板面内の研磨量にバラツキが生じることが知られている。この問題を解決するために、研磨ヘッドに具備されたエアーバック圧力を被研磨基板面内の所定の領域（以下、ゾーンと称す。）毎に変化させることで被研磨基板面内の研磨量バラツキ低減を行っている。

エアーバックでのバラツキ制御を行うことにより、ある程度のバラツキの改善は可能ではあるが、ゾーンとゾーンの間の領域の研磨量制御、研磨処理が進行するのに伴った研磨パッドの経時的な磨耗・劣化による研磨液の保持力の低下、またそれに伴って被研磨基板面の温度も変化していくため被研磨基板面内の研磨速度を常に一定に制御することは難しい。

そこで、被研磨基板面内の研磨速度の安定化に向けて、研磨剤や研磨パッド、ダイヤモンドドレッサー等の材料方面からのアプローチのみならず、ＣＭＰ装置の構成や処理制御の観点からのアプローチが検討されている。

例えば、特許文献１には、所定の領域上の基板温度が調節可能な回転テーブル上に基板を載置し、被研磨基板面の一部の領域に研磨パッドを押し当てるＣＭＰ装置が開示されている。しかし、被研磨基板面の一部の領域に研磨パッドを押し当てる方法では被研磨基板面全体を均一に研磨することが困難であり、さらに研磨した後の微小研磨片が被研磨基板面に残り、均一な被研磨面の形成を阻害してしまう等の問題があった。

特開平１０−１５８０９

本発明は、被研磨基板の研磨量の面内バラツキを抑制する半導体製造装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様による半導体製造装置は、研磨パッドを保持した定盤と、前記研磨パッドに被処理基板面を押し当てる押圧機構を有する研磨ヘッドと、前記定盤の半径方向に複数個設けられ、互いに独立に温度を調整可能な温度調整部と、を有し、前記定盤及び前記研磨ヘッドをそれぞれ回転させ、前記被処理基板面を研磨する際に前記温度調整部の温度を変更することにより前記被処理基板面の円周方向の温度を調整することが可能であることを特徴とする。

本発明によれば、被研磨基板の研磨量の面内バラツキを抑制する半導体製造装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係るＣＭＰ装置を模式的に示した概略図である。本発明の第１の実施形態に係るＣＭＰ装置の定盤３の概略を示した斜視図である。被処理基板面の温度と研磨速度との関係を表すグラフである。定盤３が５０ｒｐｍ、研磨ヘッド６が５５ｒｐｍで回転した時の被処理基板面の研磨速度を示している。本発明の第１の実施形態に係る被処理基板面の領域分けを表す図面である。温度調整部上の研磨パッドが被処理基板面と接触する領域の被処理基板上の軌跡を表している。本発明の第１の実施形態に係るＣＭＰ装置の定盤３の概略を示した斜視図である。本発明の第２の実施形態に係るＣＭＰ装置の概略を示した斜視図である。本発明の第２の実施形態に係るＣＭＰ装置の定盤３の概略を示した斜視図である。本発明の第２の実施形態に係るＣＭＰ装置の温度制御部１１の一例を表すブロック図を示す。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るＣＭＰ装置の概略を示した斜視図である。図１に示すＣＭＰ装置１は、回転軸２を中心として回転可能な定盤３の上、基板を物理的な摩擦力によって研磨をする研磨パッド４が貼着されている。研磨パッド４と対向した位置には被処理基板５を保持し、被処理基板５の被処理面を研磨パッド４に押し当てることが可能な研磨ヘッド６が備えられており、研磨ヘッドは鉛直方向及び水平方向に移動可能である。

また、研磨パッド上には研磨パッド４上に研磨液７（スラリー）を供給する研磨剤供給管８が設けられている。この研磨液７との化学的な反応及び研磨パッド４との物理的な摩擦力によって、被処理基板５が研磨され平坦化される。

図２は、本発明の第１の実施形態に係るＣＭＰ装置の定盤３の概略を示した斜視図である。図２に示すように、本実施形態では定盤３の表面に、ペルティエ素子が実装された複数の温度調整部９が設けられていることを特徴としている。温度調整部９は、定盤３中心から円周に向かう定盤３の半径方向に複数個設けられている。本実施形態では、便宜的に５つの温度調整部８が設けられた場合について説明するが、温度調整部９の数はこれに限定されず、仕様に応じて適宜変更可能である。本実施形態では、温度調整部９を定盤３の中心部から順にそれぞれ９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ、９Ｅと設定する。

定盤３に埋め込まれた温度調整部９の温度制御により、研磨パッド４の裏面から温度を伝達させ、研磨パッド４表面の温度制御を行う。ペルティエ素子が実装された温度調整部８は小さい形状のものが好ましい。その理由は、被処理基板５面に対する温度制御領域をより正確に制御できるためである。また、定盤３上の研磨パッド４は温度伝達が容易な物質であることが好ましい。

次に、本発明の第１の実施形態に係るＣＭＰ装置の具体的な動作について説明を行う。まず、定盤３を回転させると共に、研磨パッド４上に研磨剤供給管８から研磨液７を供給する。研磨液７を供給しながら研磨ヘッド６を下降させることにより被処理基板面を研磨パッド４に押し当て、被処理基板面を研磨する。被処理基板磨面を研磨パッド４の押し当てる方法は、シリンダーによる加圧方式やエアー加圧方式等を適宜採用することができる。

図３は、被処理基板面の温度と研磨速度との関係を表すグラフである。図３に示すように、被処理基板面の温度によって研磨速度が異なることが分かる。特に、被処理基板面の温度が３５℃〜５０℃の領域において、研磨速度が高く、高スループットが望めることから、この温度領域に調整することが好ましい。

図４は、定盤３が５０ｒｐｍ、研磨ヘッド６が５５ｒｐｍで回転した時の被処理基板面の研磨速度を示している。図３の横軸は被処理基板面の面内座標を表しており、横軸中央が被処理基板面の中心に対応している。例えば、図４に示すように、被処理基板中央付近の中央領域では研磨速度が速く、逆に被処理基板外周付近の外周領域では研磨速度が遅くなっている。前記した領域による研磨速度の違いを解消するために、研磨速度の速い中央領域の被処理基板面の温度を下げ、研磨速度の遅い外周領域の被処理基板面の温度を上げることにより被処理基板５のゾーン毎の研磨バラツキを抑制することが考えられる。本実施形態では、図５に示すように、被処理基板５の中心から半径方向に複数設けられ、共通の中心を持つそれぞれの領域をゾーンと称する。本実施形態では、被処理基板５の中心部から順にそれぞれゾーンａ、ゾーンｂ、ゾーンｃ、ゾーンｄ、ゾーンｅとしている。

本実施形態では、ペルティエ素子が実装された温度調整部９の個々の温度を調整することによって被処理基板面内ゾーン毎の研磨バラツキの抑制を実現している。図６（ａ）は温度調整部９Ａ上の研磨パッドが被処理基板面と接触する領域の被処理基板上の軌跡を表している。同様に、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）、図６（ｅ）はそれぞれ温度調整部９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ、９Ｅ上の研磨パッドが被処理基板面と接触する領域の被処理基板上の軌跡を表している。従って図６において、軌跡が密集している領域ほど温度調整部８の影響を強く受けるため、この領域の温度を選択的に制御することが可能となる。

図３に示す状態の場合には、ゾーンａに対応する温度調整部９Ｃの温度を下げ、ゾーンｅに対応する温度調整部９Ａ及び９Ｅの温度を上げれば、被処理基板面をバラツキなく研磨することができる。なお、温度調整部９上の研磨パッドが被処理基板面と接触する領域の被処理基板上の軌跡は、被処理基板５を研磨パッド４に押し当てる位置によって異なる、すなわち研磨ヘッド６の位置によって異なるため、図６に記載した軌跡に限定されない。研磨ヘッド６の位置により適宜調整することが可能である。

温度調整部９は、図７に示すように、基盤３の中心を対称に反対側の位置にも設けても構わない。基盤３の中心と対称の位置にある温度調整部どうしは同一の軌跡を描くため、温度調整部が１つの場合と比較してより効率良く温度調整を行うことが可能となる。

また、本実施形態の温度調節部９は、温度を上昇させる手段とともに温度を下降させる冷却手段も有していることを特徴としている。これは前述した研磨速度が速い領域の研磨速度を低下させる役割に加えて、被処理基板５の研磨を行う過程において、研磨パッド４と被処理基板５との摩擦により発生した摩擦熱の影響を抑え、研磨バラツキを抑制する効果も有している。

また、温度調整部９の温度調整の補助として研磨液７の流量によって被処理基板面の温度を低下させても構わない。この場合、研磨液７の流量を大きくすることにより被処理基板面の温度を低下させることができる。研磨液７による被処理基板面の温度調整は被処理基板面を一括して行うことが可能である。

加えて、本実施形態ではゾーン毎の研磨バラツキを抑制するために温度調節部による温度制御を行ったが、これに加えて研磨ヘッド６に備えられたエアーバックによる圧力調整を用いることによりさらに正確にゾーン毎の研磨速度を調整することが出来る。

本実施形態では、定盤３の表面に、ペルティエ素子が実装された複数の温度調整部９が設けられており、温度調整部をそれぞれ独立に制御することにより、被処理基板面の任意のゾーンの研磨速度を調整することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態は前述した第１の実施形態に加えて基盤に温度測定部を有していることが第１の実施形態と異なる。また、温度測定部からの情報を基に温度調整部を制御する温度制御部をさらに有している。それ以外の部分については、前記した第１の実施形態と同様であるので、重複する部分には同じ符号を用い説明は省略する。

図８は、本発明の第２の実施形態に係るＣＭＰ装置の概略を示した斜視図である。図８に示すＣＭＰ装置１０は、第１の実施形態のＣＭＰ装置１に温度制御部１１をさらに備えていることを特徴としている。

図９は、本発明の第２の実施形態に係るＣＭＰ装置の定盤１２の概略を示した斜視図である。図２に示すように、本実施形態では定盤１２の表面に、ペルティエ素子が実装された複数の温度調整部９及び複数の温度測定部１３が設けられていることを特徴としている。温度調整部９は、第１の実施形態と同様に定盤１２中心から円周に向かう定盤１２の半径方向に複数個設けられている。また、温度測定部１３は温度調整部９と同じ数だけ設けられており、それぞれが温度調整部と対応している。温度測定部１３は、例えば、赤外線放射式温度測定器等からなり、温度測定部１３上の研磨パッド４及び研磨パッド４と接触している被処理基板面の温度を測定することができる。

図９には一例として温度測定部１３が基盤１２の中心を対称に反対側の位置に設けられている場合を表している。温度測定部１３は基盤１２の中心を対称に反対側の位置に設けられている必要はなく、基盤１２の中心に対し対応する温度調整部９と同一円周上にあれば構わない。図９において温度測定部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅはそれぞれ温度調整部９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ、９Ｅと対応している。

温度測定部１３を、基盤１２の中心に対し対応する温度調整部９と同一円周上に設けることによって、被処理基板面に対し対応する温度調整部９と同一の軌跡を描くことになる。そのため、それぞれの温度測定部に対応する温度調整部が被処理基板面に与える影響をリアルタイムに測定することが可能となる。温度測定部１３は被処理基板面の温度を自動測定し、温度制御部１１へ送信する。

図１０に温度制御部１１の一例を表すブロック図を示す。本実施形態にかかる温度制御部１１は、温度測定部１３で測定された温度データを一時的に格納するメモリ部１４と、前記温度データを基に各温度調整部９への信号の強度を決定する制御部１５と、制御部１５からの信号強度に基づき各温度調整部９への供給電圧を調整する電圧変換部１６とから構成されている。

次に、本発明の第２の実施形態に係るＣＭＰ装置の具体的な動作について説明を行う。まず、定盤１２を回転させると共に、研磨パッド４上に研磨剤供給管８から研磨液７を供給する。研磨液７を供給しながら研磨ヘッド６を下降させることにより被処理基板面を研磨パッド４に押し当て、被処理基板面を研磨する。被処理基板磨面を研磨パッド４の押し当てる方法は、シリンダーによる加圧方式やエアー加圧方式等を適宜採用することができる。

この時、予め設定された初期条件に基づいて各温度調整部９の温度を調整し、研磨を行う。各温度調整部９の温度を調整しながら各温度測定部１３によって被処理基板面の温度測定を行う。ここで、温度測定部１３と温度調整部９とを定盤１２の中心に対する同一円周上に設けておくことにより、温度調整を行っているゾーンの温度情報を正確に把握することができ、より精密に温度制御を行うことができるため望ましい。

各温度測定部１３により測定された温度データはリアルタイムで温度制御部１１へ送信される。温度制御部１１は各温度測定部から得られた温度データを基に被処理基板面の温度が均一になるように各温度調整部への信号強度を調整し、各温度調整部へ信号を送信する。これにより、被処理基板面の温度がより均一になり、被処理基板面の研磨速度を均一に保つことが可能になる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施することができる。

１、１０ＣＭＰ装置
２回転軸
３、１２定盤
４研磨パッド
５被処理基板
６研磨ヘッド
７研磨液
８研磨液供給部
９温度調整部
１１温度制御部
１３温度測定部
１４メモリ部
１５制御部
１６電圧変換部

Claims

研磨パッドを保持した定盤と、
前記研磨パッドに被処理基板面を押し当てる押圧機構を有する研磨ヘッドと、
前記定盤の半径方向に複数個設けられ、互いに独立に温度を調整可能な温度調整部と、を有し、
前記定盤及び前記研磨ヘッドをそれぞれ回転させ、前記被処理基板面を研磨する際に前記温度調整部の温度を変更することにより前記被処理基板面の半径方向の一部領域を選択的に温度調整することが可能であることを特徴とする半導体製造装置。
前記定盤は、さらに前記被処理基板面の温度を測定可能な温度測定部を有し、前記温度測定部により測定された情報に基づいて、前記温度調節部の温度を調節することを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
前記温度測定部は、複数の前記温度調整部に対して前記基盤の中心に対する同一円周上にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項２記載の半導体製造装置。
前記半導体製造装置は、前記複数の温度測定部により測定された情報に基づいて、前記被処理基板面の温度が均一となるように前記複数の温度調整部の温度を決定する温度制御部をさらに備えることを特徴とする請求項２乃至３記載の半導体製造装置。
前記押圧機構により、さらに前記被処理基板面の半径方向の一部領域に加えられる圧力を選択的に調整する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４記載の半導体製造装置。