JP2011083836A - Polishing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置の製造に用いられるCMP装置などの研磨装置に関するものである。特に、CMP装置の研磨ヘッドに配設されているリテーナリングに関する。なお、CMPはChemical Mechanical Polishing (化学的機械的研磨)の略称であり、ウェハ表面を研磨し平坦にする技術である。 The present invention relates to a polishing apparatus such as a CMP apparatus used for manufacturing a semiconductor device. In particular, the present invention relates to a retainer ring disposed in a polishing head of a CMP apparatus. Note that CMP is an abbreviation for Chemical Mechanical Polishing and is a technique for polishing and flattening the wafer surface.
CMP装置では、ウェハなどの基板の裏面を上にして研磨ヘッドに吸着させ、研磨すべき基板のおもて面を、下方に位置する研磨パッドに押し付けて研磨する。こうしたCMP装置には、基板がずれないように研磨ヘッドの周縁に、基板を囲むリテーナリングが設けられている。 In a CMP apparatus, the back surface of a substrate such as a wafer is attracted to a polishing head, and the front surface of the substrate to be polished is pressed against a polishing pad positioned below and polished. In such a CMP apparatus, a retainer ring surrounding the substrate is provided on the periphery of the polishing head so that the substrate does not shift.
図10の(a)〜(c)は、従来のリテーナリングを備えた研磨ヘッドの断面模式図であり、該研磨ヘッドによるウェハチャックからウェハ離脱までの動作を示している。図11は従来のリテーナリングの断面構造を表したものである。 FIGS. 10A to 10C are schematic sectional views of a polishing head equipped with a conventional retainer ring, and show operations from the wafer chuck to the wafer separation by the polishing head. FIG. 11 shows a cross-sectional structure of a conventional retainer ring.
図10(a)に示すように、研磨ヘッド101の、ウェハ102を吸着する面101aの周縁に、リテーナリング104が固定されている。従来のCMP装置の動作については、先ず、研磨ヘッド101の面101aにおけるリテーナリング104の内側領域に、ウェハ102を吸着する(図10(b))。その後、研磨ヘッド101が研磨パッド103の上に移動して、ウェハ102を研磨パッド103の上面に押し付ける(図10(c))。このとき、研磨ヘッド101の面101aとウェハ102との間に形成される空間に高圧エアーを供給して、ウェハ102を研磨パッド上面に押し付けている。そして、研磨パッド103が回転するとともに、研磨パッド103の上面にウェハ102を押し当てている研磨ヘッド101も回転して、ウェハ102が研磨される。
As shown in FIG. 10A, the
このような従来の研磨ヘッドでは、リテーナリング104は、硬質材料からなる単層の構造である(図11参照)。したがって、リテーナリング104の内周端部とウェハ102の外周端部との距離の変更は不可能であり、ウェハ研磨時にリテーナリング104とウェハ102の間に隙間ができる。また一般的に、研磨パッド103はポリウレタンを用いて構成されている為に弾性を有している。これらの要因により、図12に示すように、リテーナリング104が研磨パッド103の表面に押し付けられているときにリテーナリング104の内周縁近傍の研磨パッド部分103aが上記の隙間の中へ盛り上がり、ウェハ102の外周縁102aに研磨パッド103が過度に接触する。その結果、ウェハ外周が過剰に研磨され、ウェハ面内における研磨量の均一性(以下、面内均一性と呼ぶ)が低下する。
In such a conventional polishing head, the
近年、半導体素子の微細化により、上記の隙間に起因する研磨ばらつきが製造歩留まりを低下させる問題が顕在化してきた。例えば、OxCMPではウェハエッジ部における研磨の均一性の低下、メタルCMPではウェハエッジ部における研磨の均一性の低下とともにウェハエッジ部のエロージョンやリセスが大きくなるという問題がある。 In recent years, with the miniaturization of semiconductor elements, the problem that polishing variation due to the above-described gap reduces the manufacturing yield has become apparent. For example, in OxCMP, there is a problem that the uniformity of polishing at the wafer edge portion is lowered, and in the metal CMP, the erosion and recess of the wafer edge portion are increased as the uniformity of polishing at the wafer edge portion is lowered.
特許文献1及び2には、リテーナリングの内側に、リテーナリングとウェハとの隙間を埋めるような部材を配置し、このような部材によってウェハの周縁近傍を研磨パッド上面へ効果的に押圧する技術が開示されている。また、特許文献3及び4には、リテーナリング内周部とウェハ外周部との間に、異なる内径を有する複数のリング体を配置し、各リング体の研磨パッド表面に対する押圧力を個別に調整することで、ウェハ外周縁の過剰研磨を防止しようとする技術が開示されている。
In
しかし、これらの文献に開示された発明では、研磨ヘッドにウェハを吸着させる必要があることからリテーナリングとウェハの間の隙間を完全に無くすことはできない。もしリテーナリングとウェハの間の隙間を無い状態にすると、研磨ヘッドにウェハを吸着させるときに、リテーナリングの内側範囲にウェハが入るように多くの時間と高度な位置制御が必要になり、ウェハ吸着は容易ではない。また、研磨後のウェハを研磨ヘッドから離脱させにくい装置になってしまう。 However, in the inventions disclosed in these documents, the gap between the retainer ring and the wafer cannot be completely eliminated because it is necessary to attract the wafer to the polishing head. If there is no gap between the retainer ring and the wafer, a lot of time and advanced position control are required so that the wafer enters the inner area of the retainer ring when the wafer is attracted to the polishing head. Adsorption is not easy. In addition, it becomes an apparatus that makes it difficult to remove the polished wafer from the polishing head.
したがって、リテーナリングとウェハの間の隙間を変更しない引用文献1〜4の発明では、上記の隙間に起因する研磨ばらつきの問題は完全には解決されない。
Therefore, in the inventions of the cited
本発明は、上述したようなリテーナリングとウェハの間の隙間をウェハ研磨段階で無くして面内均一性を向上させようとするものである。 The present invention seeks to improve the in-plane uniformity by eliminating the gap between the retainer ring and the wafer as described above at the wafer polishing stage.
本発明の一の態様によれば、ウェハの研磨に使用される研磨パッドと、該ウェハを吸着保持可能であってウェハを該研磨パッドに押し付けて研磨する研磨ヘッドと、研磨ヘッドの、ウェハを吸着する面の外周に配置されたリテーナリングと、を備えた研磨装置に係わるものである。そして、上記の課題を解決すべく、本発明によるリテーナリングは、前記基板を吸着するための領域を内側に持ち、内周部が径縮及び拡径する方向に可動するリング状部材を含むことを特徴とする。 According to one aspect of the present invention, a polishing pad used for polishing a wafer, a polishing head capable of adsorbing and holding the wafer and pressing the wafer against the polishing pad for polishing, and a polishing head comprising: The present invention relates to a polishing apparatus including a retainer ring disposed on an outer periphery of a surface to be adsorbed. And in order to solve said subject, the retainer ring by this invention has the area | region for adsorb | sucking the said board | substrate inside, and contains the ring-shaped member which can move in the direction where an inner peripheral part shrinks and expands. It is characterized by.
上記のように構成された研磨装置では、リング状部材の内側領域にウェハを吸着し該ウェハを研磨パッドに押し付けるとき、リング状部材を拡径する方向に可動させると、リング状部材がウェハ側へ移動してウェハ外周端に接触するので、ウェハの外周とリテーナリングの内周との間の隙間を減少させることができる。このことにより、ウェハの最外周への研磨パッド部分の盛り上がりが小さくなり、ウェハ全面を均等に研磨パッドに押し付けることができる。結果、ウェハエッジ部の過剰研磨が減少し、面内均一性が向上する。ウェハエッジ部のエロージョンやリセスも小さくすることができる。 In the polishing apparatus configured as described above, when the wafer is attracted to the inner region of the ring-shaped member and the wafer is pressed against the polishing pad, the ring-shaped member is moved to the wafer side by moving the ring-shaped member in the direction of expanding the diameter. Since the wafer moves to contact the outer peripheral edge of the wafer, the gap between the outer periphery of the wafer and the inner periphery of the retainer ring can be reduced. As a result, the rising of the polishing pad portion to the outermost periphery of the wafer is reduced, and the entire surface of the wafer can be evenly pressed against the polishing pad. As a result, excessive polishing of the wafer edge portion is reduced, and in-plane uniformity is improved. The erosion and recess of the wafer edge portion can also be reduced.
さらに、研磨ヘッドにウェハを吸着保持するときや研磨ヘッドからウェハを離脱するときは、リング状部材を径縮する方向に可動するとウェハの外周とリテーナリングの内周との間の隙間が広がるため、ウェハの吸着および離脱は容易である。 Furthermore, when the wafer is attracted and held on the polishing head or when the wafer is detached from the polishing head, the gap between the outer periphery of the wafer and the inner periphery of the retainer ring is widened when the ring-shaped member is moved in the direction of reducing the diameter. The wafer can be easily sucked and detached.
本発明によれば、面内均一性の向上、並びにウェハエッジ部のエロージョンやリセスの低減が可能となる。 According to the present invention, it is possible to improve the in-plane uniformity and reduce the erosion and recess of the wafer edge portion.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施例のCMP装置は、図1に示すように、研磨砥粒によりウェハ研磨を行う研磨部Aと、研磨砥粒、削りカスおよび金属汚染の除去を行う洗浄部Bと、ウェハを乾燥する乾燥部Cと、これらの各部に亘ってウェハを搬送するための搬送部Dと、を含んで構成されている。また、研磨部Aに供給する未研磨のウェハを収容し、かつ、乾燥部Cを経て装置から排出されるウェハを収容するFOUP(Front-Opening Unified Pod)15を接続する機構も備えている。 As shown in FIG. 1, the CMP apparatus of this embodiment dries a wafer, a polishing unit A that polishes a wafer with polishing abrasive grains, a cleaning unit B that removes polishing abrasive grains, scraps and metal contamination, and a wafer. A drying unit C and a transfer unit D for transferring a wafer across these units are included. Further, a mechanism is also provided for connecting a FOUP (Front-Opening Unified Pod) 15 that accommodates an unpolished wafer to be supplied to the polishing unit A and accommodates a wafer discharged from the apparatus via the drying unit C.
研磨部Aでは図2に示すように、ウェハのおもて面が接触させられ、矢印の方向に回転しながらウェハの研磨を行う研磨パッド1と、ウェハ研磨の際にウェハの裏面側を吸着して保持し研磨パッド1へウェハのおもて面を押し付けながら矢印の方向に回転するトップリング2(すなわち研磨ヘッド)と、研磨パッド1の目立てを行うドレッサー3と、研磨砥粒を流下するノズル4と、が用意されている。研磨パッド1は研磨面にポリウレタンを用いられている。
In the polishing section A, as shown in FIG. 2, the front surface of the wafer is brought into contact with the
トップリング2の構成を詳述すると、図3に示すように、トップリング2の、ウェハ5を吸着する面2aの周縁に、リテーナリング6が固定されている。リテーナリング6は、研磨時のウェハがトップリング2の外周から外へ飛び出すことを防止する。さらに面2aには、ウェハ5を研磨パッド1へ押し付ける圧力を調整する、メンブレンシートを含んで成る研磨圧力調整部7や、ウェハを吸着するための吸着部8が設けられている。
The configuration of the
また洗浄部Bでは、図4に示すように、ウェハ5を傷つけることなく支持して矢印の方向に回転する支持体9と、支持体9に支持されたウェハ5に洗浄薬液および純水をかけるためのノズル10と、物理洗浄を行うロールブラシ等の洗浄ブラシ11と、が用意されている。
In the cleaning section B, as shown in FIG. 4, the support 9 that supports the
さらに乾燥部Cでは、図5に示すように、ウェハ5を傷つけることなく支持して矢印の方向に回転する支持体18が用意され、これによってスピンドライ乾燥が可能となっている。
Further, in the drying section C, as shown in FIG. 5, a
以上に述べた本実施例のCMP装置で研磨を実施するには、まず、トップリング2によってウェハ5を吸着する。その後、トップリング2は研磨パッド1上に移動し、吸着していたウェハ5を研磨パッド1に接触するように下降する。そして、トップリング2は回転しながら、研磨パッド1の表面にウェハ5のおもて面を押し付けて研磨する。研磨後、トップリング2はウェハ5を再度吸着し、搬送部Dにウェハ5を移動し、ウェハ5は洗浄部Bに搬送される。その後、ロールブラシを使ったスクラブ洗浄と併せてノズル10での薬液洗浄をウェハ5に実施して、ウェハ5の表面と裏面を洗浄する。最後にウェハ5が乾燥部Cに移動し、スピンドライ乾燥が行われてCMP処理終了となる。
In order to perform polishing by the CMP apparatus of the present embodiment described above, the
本願発明は、図1〜図5に例示したCMP装置のトップリング2のリテーナリング6が、内径の異なる3つのリング状部材を同心円状に配置して組み合わせられた構造であることを特徴とする。この構造のリテーナリング6をCMP装置に用いることで、ウェハ全面を均一に研磨パッドに押し付けることができ、ウェハエッジ部の過剰研磨が低減し、面内均一性が向上する。
The present invention is characterized in that the retainer ring 6 of the
以下、本発明によるリテーナリング6については詳しく説明する。 Hereinafter, the retainer ring 6 according to the present invention will be described in detail.
図6は本発明のCMP装置に適用されたリテーナリング6の模式的断面図である。図7はリテーナリング6を上から見た図である。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the retainer ring 6 applied to the CMP apparatus of the present invention. FIG. 7 is a view of the retainer ring 6 as viewed from above.
図6(a)に示すように、リテーナリング6は、硬質材料(例えばポリフェニレンスルファイド)からなる第1のリング状部材6aと、第1のリング状部材6aの内周に接合された弾性材料(例えばシリコンゴム)からなる第2のリング状部材6bと、第2のリング状部材6bの内周に接合された硬質材料(例えばポリフェニレンスルファイド)からなる第3のリング状部材6cと、から構成される。また、第2のリング状部材6bには空洞12が空いており、図6(b)に示すように、空洞12の中にエアーを供給することにより、第2のリング状部材6bが膨らむ構造となっている。このエアー供給時機は、トップリング2に吸着保持されたウェハ5を研磨パッド1に押し付けたときである。ウェハ5をトップリング2に吸着させたりトップリング2から離脱させたりするときには空洞12からエアーを抜いておく。
As shown in FIG. 6A, the retainer ring 6 includes a first ring-shaped
なお、弾性材料の第2のリング状部材6bの下面は、研磨パッド1の摩擦にて削れることがないように硬質材料のリング状部材6a,6bの下面と同じ高さに配置されていないことが好ましい。すなわち、研磨パッド1にリテーナリング6を押し付けたときにリバウンドした研磨パッド部分が接触しないような高さに第2のリング状部材6bの下面が位置していることが好ましい。
In addition, the lower surface of the second ring-shaped
また、図7に示すように、第3のリング状部材6cの周方向の等間隔な8箇所において溝13が切られて、第3のリング状部材6cが8分割されている。さらに、8箇所の溝13のうちの1つについては、第3のリング状部材6cだけではなく、第2のリング状部材6bも分断している(図中の符号L参照)。したがって、分割された第3のリング状部材6cは、第2のリング状部材6bの動きに応じて径縮及び拡径する方向に可動する。
Moreover, as shown in FIG. 7, the groove |
このような構造のリテーナリング6では、第2のリング状部材6bを膨らませることにより、第2のリング状部材6bの内側にある第3のリング状部材6cが径縮方向に移動できるので、ウェハ5の外周とリテーナリング6の内周との間の隙間を埋めることができる。このことにより、ウェハ5の最外周への研磨パッド部分の盛り上がりが小さくなり、ウェハ全面を均等に研磨パッドに押し付けることができる。結果、ウェハエッジ部の過剰研磨が減少し、面内均一性が向上する。ウェハエッジ部のエロージョンやリセスも小さくすることができる。
In the retainer ring 6 having such a structure, since the third ring-shaped
なお、上記の隙間を埋めるときのウェハのずれに起因してウェハ割れが発生するのを防止するため、図7に示すように第3のリング状部材6cの内側面に少なくとも一つの凸部14が配設されていることが好ましい。図7の例では第3のリング状部材6cを構成する8つの部分のうち一つ置きの部分に、それぞれ凸部14が設けられている。
In order to prevent the wafer from cracking due to the wafer shift when filling the gap, at least one
図8は、ウェハ5と共にトップリング2のリテーナリング6が研磨パッド1に押し当っている状態を表した模式的断面図である。この図に示すように、第1のリング状部材6aおよび第3のリング状部材6cの内部には磁性体16a,16bがそれぞれ入っている。磁性体16a,16bはそれぞれ磁極が異なる例えば永久磁石である。したがって、トップリング2に設けられたエアー供給口17より第2のリング状部材6bの空洞12にエアーを供給すると、第2のリング状部材6bが矢印方向に膨らんで第3のリング状部材6cをウェハ5側へ移動させ、第1のリング状部材6aの磁性体16aと第3のリング状部材6cの磁性体16bとが磁気吸引力に抗して離れる。一方、エアー供給口17から空洞12内のエアーを吸引すると、第2のリング状部材6bが縮んで第1のリング状部材6aの磁性体16aと第3のリング状部材6cの磁性体16bとが磁気吸引力により最接近する。このような磁性体16a,16bの作用により、ウェハ5とリテーナリング6との距離をウェハチャック時と同じ距離に確実に戻すことができる。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a state in which the retainer ring 6 of the
また、凸部14(図7に示した4箇所の凸部14)の外側面には、ウェハを傷つけないように保護膜(例えばシリコンゴム)17が付着している。このため、ウェハ5を傷つけることなく第3のリング状部材6cをウェハ5の外周端に当接することができる。また、図8の状態においては、ウェハ5とリテーナリング6の間の隙間が減少する。この結果、図8中に符号Eで示す箇所のように、研磨パッド1のリバウンド(すなわちリテーナリング6の押し付けに起因した研磨パッド部分の盛り上がり)が小さくなることが分かる。
Further, a protective film (for example, silicon rubber) 17 is attached to the outer surface of the convex portion 14 (four
次に、本発明によるリテーナリング6を備えたトップリング2によるウェハチャックからウェハ離脱までの動作を説明する。このような動作の様子を図9に示す。
Next, the operation from the wafer chuck to the wafer detachment by the
図9を参照すると、トップリング2の面2aにおけるリテーナリング6の内側領域(研磨圧力調整部7)に、ウェハ5を吸着する(図9(a)、図9(b)参照)。その後、トップリング2が研磨パッド1の上に移動して、ウェハ5を研磨パッド1の上面に押し付ける(図9(c)参照)。このとき、トップリング2の面2とウェハ5との間に設けられた研磨圧力調整部7に高圧エアーを供給して、ウェハ5のおもて面を研磨パッド1の上面に押し付けている。
Referring to FIG. 9, the
さらに、不図示の制御装置の指令でリテーナリング6の第2のリング状部材6bの空洞12にエアー供給口17からエアーが供給されて、第2のリング状部材6bが膨らむ。これにより、第3のリング状部材6cがウェハ5側に移動し、第3のリング状部材6cの内周部の凸部14とウェハ5の外周端とが接触してウェハ5が固定される(図9(d)参照)。そのため、リテーナリング6とウェハ5との間の隙間が少なくなり、ウェハ5のおもて面全体に均等に圧力を掛けることができる。このような状態において、研磨パッド1が回転するとともに、研磨パッド1の上面にウェハ5を押し当てているトップリング2も回転して、ウェハ5が研磨される。この結果、従来技術ではウェハエッジの研磨圧力を調整しても改善困難であったエッジ部の過剰研磨が解消され、面内均一性が向上する。
Further, air is supplied from the
研磨後は上記制御装置の指令でエアー供給口17から空洞12内のエアーを吸引することで、第2のリング状部材6bが縮んで第1のリング状部材6aと第3のリング状部材6cの磁性体16a,16bが磁気吸引力により最接近し、ウェハ5とリテーナリング6との間がウェハ吸着時と同等の距離に開く(図9(e)参照)。その後、ウェハ5が脱離される。
After polishing, the air in the
以上本発明の実施例について図面をもとに説明したが、本発明の技術思想を逸脱しない範囲において、図示した構造、形に限定することなく、上記実施例を適宜変更して実施することは可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, it is not limited to the illustrated structure and shape without departing from the technical idea of the present invention, and the above embodiments may be appropriately modified and implemented. Is possible.
A 研磨部
B 洗浄部
C 乾燥部
D 搬送部
1 研磨パッド
2 トップリング(研磨ヘッド)
2a 面
3 ドレッサー
4 ノズル
5 ウェハ
6 リテーナリング
6a 第1のリング状部材
6b 第2のリング状部材
6c 第3のリング状部材
7 研磨圧力調整部
8 吸着部
9、18 支持体
10 ノズル
11 洗浄ブラシ
12 空洞
13 溝
14 凸部
15 FOUP
16a、16b 磁性体
17 エアー供給口
A Polishing part B Cleaning part C Drying part
16a, 16b
Claims (7)
前記リテーナリングは、前記基板を吸着するための領域を内側に持ち、内周部が径縮及び拡径する方向に可動するリング状部材を含むことを特徴とする研磨装置。 A polishing pad used for polishing a substrate, a polishing head capable of holding the substrate by suction and polishing the substrate by pressing the substrate against the polishing pad, and an outer periphery of the surface of the polishing head that sucks the substrate A polishing apparatus comprising:
2. The polishing apparatus according to claim 1, wherein the retainer ring includes a ring-shaped member having a region for adsorbing the substrate on the inner side and movable in a direction in which an inner peripheral portion is reduced in diameter and increased in diameter.
前記リテーナリングは、
前記面に固定された第1のリング状部材と、
前記第1のリング状部材の内周に接合された膨張及び収縮可能な第2のリング状部材と、
前記第2のリング状部材の内周に接合され、前記第2のリング状部材の動きに応じて径縮及び拡径する方向に可動する第3のリング状部材であって、該弟3のリング状部材の内側に前記基板を吸着する領域を持つ第3のリング状部材と、
を備えることを特徴とする研磨装置。 A polishing pad used for polishing a substrate, a polishing head capable of holding the substrate by suction and polishing the substrate by pressing the substrate against the polishing pad, and an outer periphery of the surface of the polishing head that sucks the substrate A polishing device comprising:
The retainer ring is
A first ring-shaped member fixed to the surface;
A second ring-shaped member capable of expanding and contracting joined to the inner periphery of the first ring-shaped member;
A third ring-shaped member joined to the inner periphery of the second ring-shaped member and movable in a direction of diameter reduction and diameter expansion according to the movement of the second ring-shaped member; A third ring-shaped member having a region for adsorbing the substrate inside the ring-shaped member;
A polishing apparatus comprising:
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JP2017028068A (en) * | 2015-07-21 | 2017-02-02 | 株式会社東芝 | Polishing device and semiconductor manufacturing method |
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