JP2012157936A - 研磨パッド及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体装置の製造コストを削減できる研磨パッド及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】研磨パッド40は、第1のパッド部40aと、その周囲に配置される第2のパッド部40bとを有し、第1のパッド部40a及び第2のパッド部40bはそれぞれ個別に交換することができる。CMP装置に研磨パッド40(第1のパッド部40a及び第2のパッド部40b)を取り付けて半導体ウェハの研磨を実施し、総研磨時間が所定の時間に到達したら、第2のパッド部40bを交換用の第2のパッド部40cに交換する。
【選択図】図9
【解決手段】研磨パッド40は、第1のパッド部40aと、その周囲に配置される第2のパッド部40bとを有し、第1のパッド部40a及び第2のパッド部40bはそれぞれ個別に交換することができる。CMP装置に研磨パッド40(第1のパッド部40a及び第2のパッド部40b)を取り付けて半導体ウェハの研磨を実施し、総研磨時間が所定の時間に到達したら、第2のパッド部40bを交換用の第2のパッド部40cに交換する。
【選択図】図9
Description
本発明は、研磨パッド及び半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置を製造する際には、種々の工程でCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械研磨)装置が使用される。CMP装置は、研磨パッド(研磨布)を取り付けるプラテン(定盤)と、半導体ウェハ(以下、単に「ウェハ」という)を吸着して搬送する研磨ヘッドと、研磨パッドの上にスラリ(研磨剤)を滴下するスラリノズルとを有する。そして、研磨パッドの上にスラリを滴下しつつ、研磨パッドにウェハを押し当て、プラテン及び研磨ヘッドのいずれか一方又は両方を回転させてウェハの表面を研磨する。
ところで、CMPを長時間実施すると、研磨屑が付着するなどして研磨パッドの表面状態が変化し、均一な研磨ができなくなる。そのため、例えばCMPを一定の時間実施した後、研磨パッドの表面をコンディショナーと呼ばれる治具で削って表面状態を回復させている。この表面状態を回復する処理は、コンディショニングと呼ばれている。
コンディショニングは安定した研磨を実施するために重要な作業である。しかし、コンディショニングを頻繁に行うと研磨パッドの寿命が短くなり、半導体装置の製造コストが増加する。
以上から、半導体装置の製造コストを削減できる研磨パッド及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
開示の技術の一観点によれば、第1のパッド部と、前記第1のパッド部の周囲に配置され、前記第1のパッド部と分割可能な第2のパッド部とを有する研磨装置用研磨パッドが提供される。
前記一観点の研磨パッドは、摩耗したパッド部のみを交換することができる。これにより、研磨パッドの消費量を抑えることができ、半導体装置の製造コストが削減される。
以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。
図1は、一般的なCMP装置の構成を説明する図である。
一般的なCMP装置では、ベース2上に複数個(図1では3個)のプラテン10と、1個のロードカップ20とが設けられている。それらのプラテン10及びロードカップ20は、回転軸30aの周囲に配置されている。
各プラテン10の上には研磨パッドが装着される。また、各プラテン10の周囲には、先端にスラリ供給ノズルが設けられたスラリ供給アーム31と、コンディショニングディスク12が取り付けられたコンディショニングディスク駆動アーム32(コンディショナー)とがそれぞれ配置されている。
ロードカップ20の内側には、研磨前又は研磨終了後のウェハを一時的に保持するペデスタル(試料台)と、ウェハ及びペデスタルを洗浄するための水洗ノズル(図示せず)とが設けられている。
ベース2の上方には、回転軸30aに支持されて回転するヘッドユニット30が配置されている。このヘッドユニット30の下側には、プラテン10及びロードカップ20に対応した数(図1では4個)の研磨ヘッド14が設けられている。各研磨ヘッド14は、その回転軸14aの回転にともなって回転する。また、回転軸14aは、図1中に矢印で表した方向(ヘッドユニット30の回転半径方向)に往復運動する。
研磨ヘッド14の下側には薄膜状のゴムよりなるメンブレン16が設けられている。このメンブレン16を空気圧調整機構(図示せず)により駆動することで、研磨ヘッド14にウェハを吸着し、又は研磨ヘッド14からウェハを離脱させることができる。また、研磨ヘッド14にウェハを吸着した状態でヘッドユニット30が回転して、各プラテン10上にウェハが搬送される。
図2は、CMP装置の動作を説明する模式図である。この図2において、符号10aはプラテン10の回転軸、符号12aはコンディショニングディスク12の回転軸、符号13は研磨対象のウェハである。
この図2のように、プラテン10の上には研磨パッド11が装着される。また、前述のスラリ供給アーム31の先端部にはスラリ供給ノズル15が設けられている。このスラリ供給ノズル15はスラリ供給チューブ15aを介してスラリ供給装置(図示せず)に接続されており、スラリ供給ノズル15から研磨パッド11上にスラリが滴下される。
CMP装置によりウェハ13を研磨する場合、スラリ供給ノズル15からスラリを滴下する。そして、研磨ヘッド14によりウェハ13を保持し、プラテン10及び研磨ヘッド14を回転させながらウェハ13の研磨面を研磨パッド11に密着させる。
研磨パッド11上に滴下されたスラリは、プラテン10の回転により研磨パッド11とウェハ13との間に供給される。そして、研磨パッド11とスラリとにより、ウェハ13の表面が機械的及び化学的に研磨される。
ところで、研磨パッド11の表面には同心円状、螺旋状又は格子状等のパターンで溝が設けられている。研磨パッド11上に滴下されたスラリは、主に研磨パッド11の溝を介してウェハ13の表面に供給される。また、研磨に使用した後のスラリも、主に研磨パッド11の溝を介してウェハ13の表面から排出される。
研磨パッド11の表面の溝が消失すると、ウェハ13にスラリを十分に供給することができなくなる。これにより、研磨レートが低下したり、ウェハ13の全面を均一に研磨することができなくなる。また、研磨中に研磨ヘッド14からウェハ13が離脱(スリップアウト)する原因ともなる。従って、溝が消失する前に研磨パッド11を交換することが重要である。
図3は、横軸に研磨パッドの中心からの距離をとり、縦軸に研磨パッドの厚みをとって、総コンディショニング時間(コンディショニング時間の合計)と研磨パッドの面内方向の厚み分布(厚みプロファイル)との関係を調べた結果を表した図である。なお、以下の説明において研磨パッドの厚みとは、研磨パッドのうち研磨層の厚み(すなわち、下地層の厚みは含まない)をいうものとする。
この図3のように、コンディショニングを実施すると、研磨パッドの厚みは均一に減少するのではなく、ばらつきが発生する。すなわち、研磨パッドの中心部に比べて周辺部の厚みが大きく減少する。
コンディショニング条件を調整して、研磨パッドの厚み分布を調整することは可能である。しかし、研磨パッドの厚みが均一となるようにコンディショニング条件を調整することは容易ではなく、時間がかかるため、半導体装置の製造コストの増加の原因となる。また、所望の研磨レートとなるように、あえて研磨パッドの厚み分布を均一にしないこともある。
図4は、横軸に研磨パッドの中心からの距離をとり、縦軸に研磨パッドの厚みをとって、新品の研磨パッド及び外周部の溝が消失するまでコンディショニングを実施した研磨パッドの厚み分布(厚みプロファイル)を表した図である。なお、新品の研磨パッドの総コンディショニング時間は0分であり、外周部の溝が消失するまでコンディショニングを実施した研磨パッドの総コンディショニング時間は400分である。
この図4からわかるように、外周部の溝が消失するまでコンディショニングを実施しても、研磨パッドの中心部には十分な深さの溝が存在している。
図5は、横軸にウェハ中心からの距離をとり、縦軸に研磨レートをとって、総コンディショニング時間が1.8時間のとき、及び7時間のときのウェハ面内の研磨レートプロファイルを表した図である。
但し、ここでは、研磨試料として表面にTEOS(Tetra Ethoxy Silane)膜を形成した直径が300mmのウェハを使用し、総コンディショニング時間が1.8時間又は7時間経過した後に試料表面を120秒間CMPして研磨レートを算出している。また、ここでは下地層が不織布からなり、研磨層が発泡ウレタンからなる直径が77.5cmの研磨パッドを使用している。更に、コンディショニングディスクには、メッシュ100のダイヤモンドをNi(ニッケル)めっきによりステンレス製の座金の上にスポット(円状)に電着した市販品を使用している。更にまた、スラリとして、コロイダルシリカを純水に溶解し、有機酸と過酸化水素水とを加えたものを使用している。
研磨時の条件を下記表1に記載する。なお、表1中のリテイニングリングは研磨ヘッドの外周部に設けられたリテイニングリングに印加される圧力であり、ゾーン1〜3はウェハの中心からの距離により分割された3つの領域(ゾーン1〜3)にそれぞれ印加される圧力である。
すなわち、総コンディショニング時間が7時間のときは、1.8時間のときと比べてウェハ外周部の研磨レートが大きく低下しており、ウェハ中心から約125mmまでの領域の研磨レートも低下している。しかし、ウェハ中心から約130mmの位置の研磨レートは、1.8時間のときと殆ど同じである。
この図5の例では、総コンディショニング時間が1.8時間のときの研磨レートの標準偏差σは3.94%であり、研磨レートの最大値と最小値との差は14.1nm/minであった。また、総コンディショニング時間が7時間のときの研磨レートの標準偏差σは6.91%であり、研磨レートの最大値と最小値との差は28.4nm/minであった。
このとき使用した研磨パッドの厚みを測定することができなかったため、新しい研磨パッドを使用して、総コンディショニング時間が1.8時間及び約7時間(6.8時間)のときの研磨パッドの厚み分布(厚みプロファイル)を測定した。その結果を、図6に記載する。なお、研磨パッドの厚みを測定する際には、研磨パッドの研磨層(樹脂層)を下地層(不織布)から剥離し、研磨層の厚みをマイクロメーターにより測定した。また、コンディショニング条件を、下記表2に示す。
この図6と図5とから、総コンディショニング時間が6.8時間の場合に所望の研磨プロファイルが得られない原因は、主に研磨パッドの中心部と周辺部とで研磨パッドの厚みが大きく違うことにあると考えられる。
以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図7(a)は第1の実施形態に係る研磨パッドを説明する平面図、図7(b)は第1のパッド部と第2のパッド部とを分離した状態を表した平面図、図7(c)は同じくその研磨パッドの断面図である。
図7(a)は第1の実施形態に係る研磨パッドを説明する平面図、図7(b)は第1のパッド部と第2のパッド部とを分離した状態を表した平面図、図7(c)は同じくその研磨パッドの断面図である。
図7(a)〜(c)のように、本実施形態の研磨パッド40は、円形の第1のパッド部40aと、この第1のパッド部40aを囲んで配置するリング状の第2のパッド部40bとに分割されている。また、第1のパッド部40a及び第2のパッド部40bは、それぞれ下地層41aとその上に配置された研磨層41bとの2層構造を有する。下地層41aは例えば不織布又は軟質樹脂等より形成されており、研磨層41bは例えば硬質樹脂により形成されている。
研磨層41bの表面には例えば幅が約0.4mm、深さが約0.38mmの溝42が設けられている。図5(a),(b)では溝42が格子状に形成された例を記載しているが、同心円状又は螺旋状などのパターンで形成されていてもよい。また、研磨層41bには、溝に替えて又は溝とともに、直径が例えば1mm〜5mm程度の孔が設けられていてもよい。
例えば図4,図6の例では、長時間の使用により研磨パッドの周辺部の溝が消失しても、中心から約30cmの範囲では十分な深さの溝が残っている。この場合、本実施形態では、第1のパッド部40aの半径を30cmとし、第2のパッド部40bの内半径を30cm、外半径を38.75cmとする。そして、第2のパッド部40bの溝深さが少なくなると、第2のパッド部40bのみを交換する。これにより、研磨パッド40の寿命を延ばすことができる。
ところで、第2のパッド部40bのみを交換する場合、第1のパッド部40aは新品時よりも厚みが薄くなっている。従って、交換する第2のパッド部40bの厚みは、交換時の第1のパッド部40aの厚みと同じにすることが重要になる。
しかし、第2のパッド部40bを交換する際に第1のパッド部40aの厚みを測定し、その厚みに合わせて第2のパッド部40bの厚みを調整することは困難である。そこで、本実施形態では、予め総コンディショニング時間と溝深さとの関係を求めておき、その関係を利用して、第2のパッド部40bの交換時期と交換用第2のパッド部の厚みとを決めておく。
以下、その方法について、図8のフローチャート及び図9の説明図を参照して説明する。なお、ここでは、説明の便宜上、交換用の第2のパッド部を、符号40cで表す。
まず、ステップS11において、CMP装置(図1参照)のプラテン10の上に新品の研磨パッド40(第1のパッド部40a及び第2のパッド部40b)を装着(貼り付け)する(図9(a)参照)。ここでは、新品の研磨パッド40の厚みをAとする。
次に、ステップS12に移行して、実際にウェハを研磨するときの条件で、ウェハの研磨状態が悪くなるまでウェハの研磨(CMP)と研磨パッド40のコンディショニングとを実施する。そして、ステップS13において、ステップS12で実施したCMPのウェハ研磨状態から、第2のパッド部40bの交換時期Xを決定する。
次に、ステップS14に移行し、CMP装置のプラテン10の上に新品の研磨パッド40(第1のパッド部40a及び第2のパッド部40b)を装着する(図9(a)参照)。そして、ステップS15に移行し、実際にウェハを研磨するときの条件で交換時期Xになるまでウェハの研磨(CMP)と研磨パッド40のコンディショニングとを実施する。
その後、ステップS16に移行し、第1のパッド部40aを取り外してその厚みを測定し、その結果に応じて交換用第2のパッド部40cの厚みを決定する。ここでは、交換時期Xの第1のパッド部40aの厚みがBであったとする。この場合、交換用第2のパッド部40cの厚みをBとする。
次に、ステップS17に移行し、CMP装置のプラテン10の上に新品の研磨パッド40(第1のパッド部40a及び第2のパッド部40b)を装着する(図9(a)参照)。そして、ステップS18において、実施にウェハを研磨するときの条件で交換時期Xになるまでウェハの研磨(CMP)と研磨パッド40のコンディショニングとを実施する。
次に、ステップS19に移行し、第1のパッド部40aを残して第2のパッド部40bのみを取り外す(図9(b)参照)。そして、厚みがBの交換用第2のパッド部40cをCMP装置のプラテン10の上に装着する(図9(c)参照)。
次いで、ステップS20に移行し、ウェハの研磨状態が悪くなるまでウェハの研磨(CMP)と研磨パッド40のコンディショニングとを実施する。その後、ステップS21において、ステップS20で実施したCMPのウェハ研磨状態から、研磨パッド40(第1のパッド部40a及び交換用第2のパッド部40c)の交換時期Yを決定する。
このようにして第2のパッド40bの交換時期X、並びに第1のパッド部40a及び第2のパッド部40cの交換時期Yを決定したら、実際にウェハの研磨を実施する。
図10は、本実施形態に係る研磨パッドを用いた半導体装置の製造方法を説明するフローチャートである。ここでも、図9を随時参照して説明する。
まず、ステップS31において、CMP研磨装置のプラテン上に新品の研磨パッド40(第1のパッド部40a及び第2のパッド部40b)を装着する(図9(a)参照)。その後、ステップS32に移行し、ウェハの研磨(CMP)と研磨パッド40のコンディショニングとを実施する。
次のステップS33では、第2のパッド部40の交換時期Xに到達したか否かを判定する。この判定は、例えば計時装置(タイマー)を用いて総研磨時間を計時し、その結果により作業者が判定すればよい。総研磨時間が交換時期Xに到達したときに計時装置から警報が発生するようにしてもよい。
ステップS33において交換時期Xに到達していないと判定したとき(NOのとき)は、ステップS32に戻り、ウェハの研磨(CMP)と研磨パッド40のコンディショニングとを継続する。一方、ステップS33で交換時期Xに到達したと判定したとき(YESのとき)は、ステップS34に移行する。
ステップS34では、プラテンから第2のパッド部40bを取り外し(図9(b)参照)、その代わりに交換用の第2のパッド部40cを装着する(図9(c)参照)。その後、ステップS35に移行し、ウェハの研磨(CMP)と研磨パッド40のコンディショニングとを実施する。
次のステップS36では、第1のパッド部40a及び第2のパッド部40cの交換時期Yに到達したか否かを判定する。ステップS36で交換時期Yに到達していないと判定したとき(NOのとき)は、ステップS35に戻り、ウェハの研磨(CMP)と研磨パッド40のコンディショニングとを継続する。一方、ステップS36で交換時期Yに到達したと判定したとき(YESのとき)は、ステップS37に移行する。
ステップS37では、プラテン10から研磨パッド40(第1のパッド部40a及び第2のパッド部40c)を取り外す。そして、ステップS31に戻り、上述の処理を繰り返す。
図11〜図13に、研磨パッドの厚み分布の変化を示す。図11は新品時の研磨パッドの厚み分布、図12は交換時期Xに到達したときの研磨パッドの厚み分布、図13は第2のパッド部を交換した後の研磨パッドの厚み分布を表している。
この例では、新品時(図11)の研磨パッド40(第1のパッド部40a及び第2のパッド部40b)の厚みAは約1.32mmである。また、第2のパッド部40bを第2のパッド部40cに交換した後の研磨パッド40(第1のパッド部40a及び第2のパッド部40c)の厚みBは約1.04mmである。
本実施形態では、上述の如く研磨パッド40を、内側に配置される第1のパッド部40aと、外側に配置される第2のパッド部40bとに分割し、それぞれ個別に交換可能としているので、摩耗したパッド部のみを交換することができる。これにより、半導体装置の製造コストが削減される。また、廃棄される研磨パッドの量を抑えることができるので、環境に与える負荷が少ない。
なお、上述の実施形態では研磨パッド40を2つのパッド部(第1のパッド部及び第2のパッド部)に分割した場合について説明したが、研磨パッド40を3以上のパッド部に分割してもよい。
また、上述の実施形態では第2のパッド部を2回交換する毎に第1のパッド部を1回交換する場合について説明したが、例えば第2のパッド部を3回交換する毎に第1のパッド部を1回交換するようにしてもよい。この場合、厚みが相互に異なる3種類の第2のパッド部を用意することになる。
(第2の実施形態)
図14(a)は第2の実施形態に係る研磨パッドを説明する平面図、図14(b)は第1のパッド部と第2のパッド部とを分離した状態を表した平面図である。
図14(a)は第2の実施形態に係る研磨パッドを説明する平面図、図14(b)は第1のパッド部と第2のパッド部とを分離した状態を表した平面図である。
第1の実施形態では第1のパッド部40aが円形であり、第2のパッド部40b,40cがリング状の場合について説明した。これに対し、第2の実施形態では、図14(a),(b)のように、第1のパッド部40aの外周に凸部43aを設け、第2のパッド部40bの内周に凹部43bを設けている。
前述したように、通常、研磨パッドの表面には同心円状、螺旋状又は格子状等のパターンで溝が設けられており、本実施形態の研磨パッド40の表面にも溝が設けられている。溝のパターンが同心円の場合は、第2のパッド部40bを第1のパッド部40aの外側に配置する際に、角度(円周方向の回転角)を考慮する必要はない、しかし、溝のパターンが螺旋状又は格子状の場合は、第1のパッド部40aの溝と第2のパッド部40bの溝とを位置合わせすることが重要になる。
本実施形態の研磨パッド40は、図14(a),(b)のように第1のパッド部40a及び第2のパッド部40bにそれぞれ凹部43a及び凸部43bを設けている。このため、第2のパッド部40bの凹部43bに第1のパッド部40aの凸部43aを嵌め合わせることにより、第1のパッド部40aの溝と第2のパッド部40bの溝とを容易に位置合わせすることができる。
なお、本実施形態では、第1のパッド部40aに凸部43aを設け、第2のパッド部40bに凹部43bを設けているが、第1のパッド部40aに凹部を設け、第2のパッド部40bに凸部を設けてもよい。また、第1のパッド部40a及び第2のパッド部40bにそれぞれに凹部及び凸部の両方を設けてもよい。
2…ベース、10…プラテン、10a…回転軸、11…研磨パッド、12…コンディショニングディスク、12a…回転軸、13…ウェハ、14…研磨ヘッド、14a…回転軸、15…スラリ供給ノズル、15a…スラリ供給チューブ、16…メンブレン、20…ロードカップ、30…ヘッドユニット、30a…回転軸、31…スラリ供給アーム、32…コンディショニングディスク駆動アーム、40…研磨パッド、40a…第1のパッド部、40b…第2のパッド部、40c…交換用の第2のパッド部、41a…下地層、41b…研磨層、42…溝、43a…凸部、43b…凹部。
Claims (10)
- 第1のパッド部と、
前記第1のパッド部の周囲に配置され、前記第1のパッド部と分割可能な第2のパッド部と
を有することを特徴とする研磨装置用研磨パッド。 - 前記第1のパッド部は円形の形状を有し、
前記第2のパッド部はリング状の形状を有することを特徴とする請求項1に記載の研磨装置用研磨パッド。 - 前記第1のパッド部の周囲には凸部又は凹部が設けられており、前記第2のパッド部の内周側には前記第1のパッド部の凸部又は凹部に嵌合する凹部又は凸部が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の研磨装置用研磨パッド。
- 前記第1のパッド部及び前記第2のパッド部の表面には溝が設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の研磨装置用研磨パッド。
- 前記第1のパッド部及び前記第2のパッド部の表面には孔が設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の研磨装置用研磨パッド。
- 更に、前記第2のパッド部の周囲に配置され、前記第1のパッド部及び前記第2のパッド部と分割可能な1又は複数のパッド部を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の研磨装置用研磨パッド。
- 第1のパッド部と第2のパッド部とに分割可能な研磨パッドを使用し、該研磨パッドに半導体ウェハを押し当てて半導体ウェハの表面を研磨する工程と、
前記研磨パッドの表面をコンディショニングする工程と、
前記研磨パッドの第1のパッド部又は第2のパッド部のいずれかを交換する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記半導体ウェハの表面を研磨する工程では、前記研磨パッドの上にスラリを供給することを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2のパッド部は、総コンディショニング時間が所定の時間に到達したときに交換することを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 交換用の第2のパッド部の厚みは、前記第2のパッド部の交換時における第1のパッド部の厚みに応じて設定されていることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
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