JP2013099814A

JP2013099814A - 研磨方法及び研磨装置

Info

Publication number: JP2013099814A
Application number: JP2011244581A
Authority: JP
Inventors: Masako Kodera; 寺雅子小; Yukiteru Matsui; 井之輝松
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2013-05-23
Also published as: US8740667B2; US20130115855A1

Abstract

【課題】研磨パッドやスラリーの冷却、及び研磨パッド表面のドレッシングを効率良く行う。
【解決手段】本実施形態によれば、研磨方法は、回転させた研磨パッド１３に、回転させた基板を押し当て、研磨パッド１３上にスラリーを供給する工程と、研磨パッド１３の表面温度を測定する工程と、前記表面温度が所定温度以上になった場合に、研磨パッド１３に向かって、狭窄部を有するノズル１５から過冷却液滴を含むジェット流を噴出させる工程と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、研磨方法及び研磨装置に関する。

ＬＳＩデバイス等の製造工程で薄膜や基板表面を平坦化する際、化学機械的研磨法（Chemical Mechanical Planarization法＝CMP法）が実用化されている。ＬＳＩデバイスの微細化と低コスト化に伴い、デバイス表面をより平坦、低欠陥かつ安価に加工するＣＭＰ技術が求められている。

ＣＭＰ法では研磨砥粒を含むスラリー（研磨剤）を用いるため、砥粒残渣などを原因として発生するスクラッチ（研磨傷）をゼロにすることができないという問題がある。ＣＭＰ法の改良に伴いスクラッチの数や大きさは抑制できるようになってきたが、ＬＳＩデバイスの微細化に伴い、将来は数ｎｍオーダーの構造物をダメージなく加工する必要がある。例えば、ＬＳＩ製造でのＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）工程においては、微細溝パターンを覆って全面に成膜したＳｉＯ_２膜をＣＭＰ法でダメージなく研磨除去し、溝内にのみＳｉＯ_２膜を埋め込むことが必要である。研磨後の表面にはトランジスタを形成するため、特にスクラッチを抑制することが求められる。

上記の問題に対し、より平坦性がよく、低欠陥かつ高生産性のＣＭＰ技術として、ＣＭＰ温度制御が知られている。従来のＣＭＰ温度制御では、ＣＭＰ中の研磨パッド表面に向かって空気を噴出させ、パッドの表面および表面のスラリーを冷却していた。しかし、この方法はエアブローによるスラリーの気化熱を利用した冷却であり、冷却能力が不十分であった。

一方、スクラッチ抑制のためには研磨パッド上の残渣や異物を除去してＣＭＰを行う必要がある。従来は、研磨と研磨の合間にダイヤモンドドレッサーを研磨パッド表面に押し付けて、純水等の洗浄液を流しながらパッド表面を１μｍ程度削り取って清掃する方法が用いられていた。この清掃はドレッシングと呼ばれている。ダイヤモンドドレッサーは、微細な工業用ダイヤモンドを多数表面に配置した円盤であり、ダイヤモンドの微粒子が脱落した場合、大きなスクラッチの原因となっていた。ＬＳＩの生産性の観点からはＣＭＰプロセス中にドレッシングができることが望ましいが、ダイヤモンド微粒子の脱落のおそれがあるため、研磨と研磨の合間にドレッシングが行われており、生産性向上の妨げとなっていた。

また、研磨パッドには発泡ポリウレタンが一般的に使われ、発泡の孔径は数十μｍである。発泡部は研磨パッド表面にも露出するので、深さ数十μｍの孔がパッド表面に無数に現れることになる。またスラリー保持性を高めるために深さ数百μｍの縦穴をパッド表面に多数開口する場合も多い。このように、パッド表面には深さ数十μｍから数百μｍの孔が多数存在する。ダイヤモンドドレッサーでは研磨パッドの表面は清掃できるものの、このような孔の深部に蓄積した研磨残渣や異物を除去することができず、孔から排出されてきた研磨残渣等がスクラッチを引き起こすおそれがあった。

特開２０００−２５４８５５号公報

本発明は、研磨パッドやスラリーの冷却、及び研磨パッド表面のドレッシングを効率良く行うことができる研磨方法及び研磨装置を提供することを目的とする。

本実施形態によれば、研磨方法は、回転させた研磨パッドに、回転させた基板を押し当て、前記研磨パッド上にスラリーを供給する工程と、前記研磨パッドの表面温度を測定する工程と、前記表面温度が所定温度以上になった場合に、前記研磨パッドに向かって、狭窄部を有するノズルから過冷却液滴を含むジェット流を噴出させる工程と、を備える。

ＣＭＰ処理中の研磨パッドの表面温度の時間変化の一例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る研磨装置の概略構成図である。ラバルノズルの概略構成図である。同実施形態に係る研磨方法を説明するフローチャートである。ラバルノズルの配置の一例を示す図である。ラバルノズルの配置の一例を示す図である。

本発明の実施形態の説明に先立ち、発明者らが本発明をなすに至った経緯について説明する。図１はＣＭＰ処理中の研磨パッドの表面温度の時間変化の一例を示している。図１に示すように、研磨テーブルやウェーハの回転を開始し、研磨処理を始めると、回転速度の上昇に伴い摩擦熱により表面温度が徐々に上昇する。例えば、表面温度は、研磨開始時の約２０℃から、２０秒後には約４０℃まで上昇する。その後、６０秒後には、表面温度は６０℃程度まで上昇する。研磨時に使用されるスラリーは、例えばＣｕＣＭＰスラリーの場合には錯体形成剤や酸化剤を含んでいる。これら錯体形成剤や酸化剤は、５０℃〜６０℃の高温域で分解し、スラリーが劣化する。スラリーが劣化すると、ウェーハ表面の平坦性が低下するため、表面温度が高温域に達する前に速やかに冷却し、スラリーの研磨性能に好適な４０℃程度に表面温度を維持することが求められる。

以下の実施形態においては、上記のような課題を解決することができる。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図２に本発明の実施形態に係る研磨装置の概略構成を示す。研磨装置１は、被研磨体保持手段であるトップリング１１と、研磨テーブル１２と、スラリー（研磨剤）を供給する供給ノズル１４と、ラバルノズル１５とを備えている。

トップリング１１には、トップリング１１に荷重を付加するエアシリンダ機構（図示せず）が設けられている。トップリング１１には、真空チャックによりゴム等の弾性部材（図示せず）を介して被研磨体であるウェーハ（基板）Ｗが保持されている。トップリング１１は図示しない駆動機構に接続されており、この駆動機構により上下方向に移動可能かつ回転可能になっている。

研磨テーブル１２は、トップリング１１の下方に配置されており、上面には研磨パッド１３が貼付されている。研磨テーブル１２は図示しない駆動機構により回転可能になっている。

供給ノズル（供給部）１４は、研磨テーブル１２の上方に設けられており、研磨パッド１３上にスラリーを供給する。

ラバルノズル１５は、過冷却液滴を含むジェット流を研磨パッド１３上に噴出し、研磨パッド１３の表面を冷却する。ラバルノズル１５は、図３に示すように、円筒形のノズルの途中部分にスロート部（狭窄部）が設けられた構造のノズルである。ラバルノズル１５を用いることで、液体を微粒化すると同時に断熱膨張による急冷効果により、氷粒子を含む固液二層の噴霧粒子群を形成することができる。

例えば、図３に示すように、コンプレッサ３１により圧縮された空気が除湿器３２で除湿され、エアタンク３３に貯気される。このエアタンク３３内の空気を、減圧弁により所定圧力に調整し、バルブを開放することにより、圧縮空気がラバルノズル１５に導入される。この圧縮空気は、圧力３００ｋＰａ以上、流量２００ＮＬ／ｍｉｎ以上が好ましい。また、ラバルノズル１５のスロート部の近傍に、少量の室温の水が供給される。例えば、バルブ３４により、水の流量は１００ｍｌ／ｍｉｎ以下に調整される。水は純水であることが好ましい。

ラバルノズル１５に供給される圧縮空気や水の流量は、図２に示すジェット流制御部２１により制御することができる。

ラバルノズル１５に供給された水は、高圧エアのジェット流により、多数の微小液滴となる。ラバルノズル１５は、スロート部より下流側においてノズル径が広がっているため、断熱膨張により微小な水滴が過冷却まで冷やされる。この過冷却液滴が研磨パッド１３上に到達すると凍結し、その融解熱と、さらには高圧エアによる気化熱によって、研磨パッド１３表面やスラリーを効率的に冷却することができる。

図２に示すように、研磨装置１は研磨パッド１３の表面温度を測定する温度センサ１６を備えている。温度センサ１６は例えば赤外放射温度計である。ジェット流制御部２１は、温度センサ１６の測定結果を取得し、研磨パッド１３の表面温度に基づいてラバルノズル１５からの過冷却液滴の噴出を制御する。

次に、このような研磨装置１を用いて被研磨体を研磨する方法を図４に示すフローチャートを用いて説明する。

（ステップＳ１０１）トップリング１１に被研磨体であるウェーハＷが保持される。
（ステップＳ１０２）駆動機構によりトップリング１１及び研磨テーブル１２を回転させる。また、トップリング１１を下方に降下させて、ウェーハＷを研磨パッド１３に一定の荷重で押し当てる。この状態で、供給ノズル１４からスラリーを研磨パッド１３上に供給することにより研磨が行われる。
（ステップＳ１０３）温度センサ１６を用いて研磨パッド１３の表面温度を測定する。表面温度は摩擦熱や意図的に付加した熱源により徐々に上昇する。表面温度が所定温度以上になった場合はステップＳ１０４へ進む。
ここで、所定温度とは、例えばスラリーが劣化する温度（スラリーに含まれる錯体形成剤や酸化剤等が熱分解する温度）であり、これはスラリーの成分によって変わる。
（ステップＳ１０４）ジェット流制御部２１がラバルノズル１５から研磨パッド１３へ過冷却液滴を噴出させる。
（ステップＳ１０５）研磨パッド１３の表面温度が所定温度未満まで下がった場合はステップＳ１０６へ進み、下がらなかった場合はステップＳ１０７へ進む。
（ステップＳ１０６）ジェット流制御部２１が、研磨パッド１３の表面温度が所定温度以上にならないよう、ラバルノズル１５に供給される高圧エアの流量を調整する。また、このとき、ジェット流制御部２１は、表面温度が下がり過ぎないように、ラバルノズル１５に供給される高圧エアの流量を調整する。温度が低過ぎるとスラリーの研磨性能が低下するためである。従って、ジェット流制御部２１は、研磨パッド１３の表面温度が所定範囲に収まるように、ラバルノズル１５に供給される高圧エアの流量を調整する。
（ステップＳ１０７）ジェット流制御部２１が、研磨パッド１３の表面温度が所定温度未満になるよう、ラバルノズル１５に供給される高圧エアの流量を大きくする。高圧エアの流量を大きくすることで、ラバルノズル１５から噴出される過冷却液滴の温度は低下する。

このように、本実施形態によれば、研磨パッド１３の表面温度が所定温度以上になった際に、研磨パッド１３に過冷却液滴を噴出することで、その融解熱と、高圧エアによる気化熱によって、研磨パッド１３表面やスラリーを迅速に冷却することができる。過冷却液滴を用いた冷却は、従来のエアブロー方式（スラリー気化熱のみによる冷却）と比較して、冷却速度が約６倍（冷却に要する時間が約１／６）であった。

従って、本実施形態に係る研磨方法及び研磨装置により、研磨パッドやスラリーの冷却を効率良く行うことができる。

上記実施形態では、研磨パッド１３の表面温度が所定温度以上となったときに過冷却液滴の噴出を行っていたが、トップリング１１及び研磨テーブル１２の回転速度と、研磨パッド１３の表面温度の経時変化との関係を予め調べておき、表面温度が所定温度まで上昇する時間が経過したか否かによって、過冷却液滴の噴出を行ってもよい。

図５に、研磨装置１のラバルノズル１５の配置例を示す。ラバルノズル１５は、研磨テーブル１２の中心から外周方向に向かって直線状に複数配置される。また、ラバルノズル１５は、トップリング１１の研磨テーブル１２回転方向下流側に隣接して設けることが好ましい。この領域は、研磨直後の領域であり、研磨パッド１３表面やスラリーが最も温度の高い領域となるためである。

また、図６に示すように、複数のラバルノズル１５を円状に配置してもよい。また、このとき、ラバルノズル１５は、研磨パッド１３のうち、トップリング１１に保持されるウェーハＷと接触する箇所に過冷却液滴が供給できるように配置されることが好ましい。

図２に示す研磨装置１は、研磨パッド１３のドレッシングに用いることもできる。ラバルノズル１５から噴出された過冷却液滴は、研磨パッド１３の表面で凍結する。過冷却液滴は、パッド表面に存在する数十μｍ以深の孔にも入り込んで凍結する。この時、過冷却液滴は、孔の内部に存在する残渣や異物も取り込んで凍結する。その後、エアの圧力などで凍結した液滴が排出される段階で、残渣や異物も一緒に孔外に排出される。

このような研磨装置１を用いたドレッシングは、ダイヤモンドドレッサーを用いないので、ダイヤモンド微粒子の脱落に伴う大きなスクラッチの発生のおそれがない。従って、ドレッシングを、１つの被研磨体の研磨と次の被研磨体の研磨との間に行う必要はなく、研磨処理中にもドレッシングを行うことができるため、生産性を向上させることができる。

このように本実施形態による研磨装置を用いることで、研磨パッド表面のドレッシングを効率良く行うことができる。

また、ラバルノズル１５に供給する水（純水）を、残渣を溶かす有機酸や界面活性剤の水溶液に代えることで、ドレッシングの性能をさらに向上させることができる。

なお、ウォータージェットによるドレッシングは、純水使用量が毎分数リットル以上と極めて大きい上に、このような大量の水をＣＭＰプロセス中に流すとスラリーが大幅に希釈されて研磨性能を低下させる。そのため、ウォータージェットによるドレッシングは研磨と研磨の合間に実施せざるを得ず、研磨装置１を用いた場合のように効率良くドレッシングを行うことはできない。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１研磨装置
１１トップリング
１２研磨テーブル
１３研磨パッド
１４供給ノズル
１５ラバルノズル
１６温度センサ
２１ジェット流制御部

Claims

回転させた研磨パッドに、回転させた基板を押し当て、前記研磨パッド上にスラリーを供給する工程と、
前記研磨パッドの表面温度を測定する工程と、
前記表面温度が所定温度以上になった場合に、前記研磨パッドに向かって、狭窄部を有するノズルから過冷却液滴を含むジェット流を噴出させる工程と、
を備える研磨方法。
前記表面温度が所定範囲内に収まるように前記ノズルに供給されるエアの流量を調整する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
前記所定温度は、前記スラリーに含まれる錯体形成剤又は酸化剤の熱分解温度によって決定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の研磨方法。
前記過冷却液滴は、前記研磨パッド上の残渣を溶かす有機酸又は界面活性剤を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の研磨方法。
基板を回転可能かつ上下移動可能に保持する保持部と、
前記保持部の下方に回転可能に設けられ、上面に研磨パッドが貼付された研磨テーブルと、
前記研磨パッド上にスラリーを供給する供給部と、
前記研磨パッドの表面温度を測定する温度センサと、
狭窄部を有し、前記温度センサにより測定された前記表面温度が所定温度以上になった場合に、前記研磨パッドに向かって過冷却液滴を含むジェット流を噴出させるノズルと、
を備える研磨装置。