JP3030276B2 - 表面研磨方法およびその装置 - Google Patents

表面研磨方法およびその装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体シリコンの
スライスのような半導体ウェハの処理に関し、特に、高
度のウェハ平坦性を実現するために、化学機械平坦化プ
ロセスでウェハを研磨する、改良された方法および装置
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】集積回路の製造においては、ウェハ表面
の平坦化は、極めて重要である。フォトリソグラフィ・
プロセスは、解像度の限界に典型的に近づいており、お
よび集積回路を作製するのに用いられる電磁放射線また
は他の放射線を単一レベルで正確にフォーカスすること
ができ、したがってウェハの全表面に正確にイメージン
グできるように、ウェハ表面が極めて平坦であることは
重要である。波状，湾曲状，またはくさび状半導体ディ
スクは、例えば感光レジストがディスクの表面に設けら
れ、露光されるときに、画成が不十分となる。
【０００３】超高密度集積回路を作製するのに必要とさ
れる平坦度を実現するために、当業界では、典型的に化
学機械平坦化プロセスを採用している。一般に、化学機
械平坦化（ＣＭＰ）プロセスは、化学反応性研磨スラリ
ーで濡れた移動研磨面に対する半導体ウェハの押し付け
を含んでいる。スラリーは、通常、塩基性または酸性で
あり、一般的にアルミナまたはシリカ粒子を含んでい
る。研磨面は、典型的に、発泡（ｂｌｏｗｎ）ポリウレ
タンのような比較的柔らかい多孔性材料で作られた平坦
なパッドである。パッドは、通常、平坦なプラテン上に
取り付けられる。
【０００４】一般に、ウェハは、接着材のような取り付
け媒体によって、キャリヤ・プレート（またはウェハ・
キャリヤ）に固定される。ウェハは、押圧プレートによ
ってキャリヤを経て力荷重を加えられる。押圧プレート
は、回転するターンテーブル上に取り付けられた研磨パ
ッドに対し摩擦接触するようにウェハを押圧する。キャ
リヤおよび押圧プレートも、ターンテーブルからの駆動
摩擦、または押圧プレートに直接に取り付けられた回転
駆動手段によって回転する。典型的な研磨機械では、キ
ャリヤの動きは、次のようにプログラムされている。す
なわち、第１のステーションからウェハを得て、ウェハ
を研磨面に移送し、回転研磨面にわたってウェハを駆動
し、研磨面から第２のステーションへウェハを移送し、
第２のステーションでウェハを脱着する。ウェハを固着
および脱着する代表的な方法は、真空ヘッドを用いる方
法である。真空ヘッドは、堅固な穴あきプレートを有
し、穴あきプレート上にあるプレナムを真空にすること
によって、プレートにウェハが引きつけられる。
【０００５】研磨中、ウェハに荷重が加えられると、ウ
ェハにわたる研磨作用は、一様でなく、厚さにおける中
心−縁部の非均一性を生じさせ、ウェハの平坦性を低下
させる。研磨クロスの表面寿命は、研磨されたウェハの
平坦性に影響する要因でもある。ウェハ表面に発生する
摩擦熱は、研磨液の化学作用を増強し、研磨速度を増大
させる。しかし、摩擦熱が、ウェハの表面上を一様に伝
搬せず、典型的な研磨装置が、研磨作業の温度を制御す
るために冷却システムを用いなければ、摩擦熱は、平坦
性に問題を生じさせる。
【０００６】ＣＭＰ処理における平坦性を改良するため
に、従来技術では、多くの企みがなされてきた。米国特
許第４，２７０，３１６号明細書では、研磨されたディ
スクに異なる摩耗度を生じさせる圧力の不均一な伝達
は、柔らかい弾性インサートを設けることによって補償
されている。この弾性インサートは、押圧ピストンと、
研磨すべきディスクが接合されるキャリヤ・プレートの
背面との間に設けられている。米国特許第４，３１３，
２８４号明細書では、変形可能な薄いディスク・キャリ
ヤが、弾性デバイスを介して、回転可能な押圧プレート
に取り付けられて、キャリヤを、要求される研磨に基づ
いて、凹形状または凸形状に変形することができる。米
国特許第４，９１０，１５５号明細書では、ダムを研磨
プレート上に設けて、スラリーの研磨プールが、研磨パ
ッドを浸漬するようにしている。米国特許第４，９１
８，８６９号明細書では、押圧プレートに作用する圧縮
空気を使用して、ウェハ表面上の圧力を均一にすること
ができる。米国特許第５，０３６，６３０号明細書で
は、ウェハ・キャリヤは、研磨作業の際にウェハに所望
の凸または凹バイアスを与える異なる熱膨張係数を有す
る少なくとも２種類の材料よりなる。米国特許第５，４
２３，７１６号明細書では、ウェハ・キャリヤの裏あて
プレートの下面は、真空を選択的に与える多数の凹部領
域を有する。真空を与えて、弾性膜を凹部領域に吸い込
み、ウェハを引きつける。同じ装置を用いて、加圧流体
をウェハに与えて、ウェハに均一な下方圧力を加えるこ
とができる。米国特許第５，４８６，１２９号明細書で
は、ウェハ・キャリヤの押圧ヘッドは、ウェハ表面に対
する多数の加圧器を有している。研磨作業中にこれら加
圧器は、監視され、調整してウェハへの圧力を変えるこ
とができる。
【０００７】米国特許第５，２３２，８７５号明細書で
は、研磨パッドが、一定方向の軌道振動運動またはラン
ダム方向の振動運動しながら、パッド表面に平行な面内
で動く。
【０００８】上記各米国特許明細書の開示内容は、本明
細書の内容として含むものとする。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従来技術の問題および
欠点に留意して、本発明の目的は、半導体ウェハおよび
他のワークピースを研磨する改良された装置、例えばＣ
ＭＰ装置を提供することにある。
【００１０】本発明の他の目的は、ＣＭＰ装置のような
研磨処理を用いて、ワークピース、例えばウェハを研磨
する改良された方法を提供することにある。
【００１１】本発明のさらに他の目的は、ＣＭＰ装置お
よびＣＭＰ処理に用いるウェハ・キャリヤを提供し、Ｃ
ＭＰ装置の働きを強化し、研磨されたウェハの平坦性を
改善することにある。
【００１２】本発明のさらに他の目的は、本発明の改良
された方法および装置を用いて作製された、半導体ウェ
ハを含む平坦なワークピースを提供することにある。
【００１３】本発明の他の目的および利点は、以下の説
明から容易にわかるであろう。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様は、
半導体ウェハを化学機械研磨する装置である。この装置
は、回転可能なターンテーブル・アセンブリと、前記ア
センブリ上に支持される研磨パッドと、前記アセンブリ
上に設けられ、研磨の際に半導体ウェハを保持するよう
に構成された回転可能なキャリヤとを備える。前記半導
体ウェハは、前記キャリヤの下面に固定されて、前記キ
ャリヤと前記研磨パッドとの間に配置される。前記キャ
リヤの下面は、前記半導体ウェハの周縁部に接触する隆
起した環状領域、およびその環状領域に囲まれた平坦な
中央の凹部を有する。前記隆起した環状領域は、０．０
５〜０．１ｍｍの高さを有し、前記隆起した環状領域の
幅は、前記キャリヤの半径の５〜１５％である。前記半
導体ウェハを前記研磨パッドに接触させるために前記キ
ャリアの上面に力が加えられると、前記キャリアが、前
記半導体ウェハの表面にわたって変化する力を与えて、
前記半導体ウェハに平坦な研磨された表面を与える。本
発明を用いると、半導体ウェハは、その縁部の数ｍｍ内
まで実質的に平坦であることがわかった。
【００１５】本発明の第２の態様は、化学機械研磨装置
を用いて半導体ウェハを研磨する方法である。この方法
は、半導体ウェハを回転可能なキャリヤの下面に取り付
け、前記キャリアの上面に力が加えながら前記半導体ウ
ェハを回転研磨パッドに接触させて、前記半導体ウェハ
を研磨する、研磨装置を用いて半導体ウェハの表面を研
磨する方法である。本発明の方法において、前記キャリ
ヤの下面は、前記半導体ウェハの周縁部に接触する隆起
した環状領域、およびその環状領域に囲まれた平坦な中
央の凹部を有する。前記隆起した環状領域は、０．０５
〜０．１ｍｍの高さを有し、前記隆起した環状領域の幅
は、前記キャリヤの半径の５〜１５％である。前記半導
体ウェハを前記研磨パッドに接触させるために前記キャ
リアの上面に力が加えられると、前記キャリアが、前記
半導体ウェハの表面にわたって変化する力を与えて、前
記半導体ウェハに平坦な研磨された表面を与える。
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【発明の実施の形態】本発明の好適な実施例を、図１〜
図４を参照して説明する。これら図において、同一の参
照番号は、本発明の同様な要素について用いられてい
る。本発明の要素は、図において必ずしもスケール通り
に示されていない。
【００２１】図４は、半導体ウェハを研磨する従来のＣ
ＭＰ装置を示す。研磨装置１０は、研磨ホイール・アセ
ンブリ１１を有する。この研磨ホイール・アセンブリ
は、研磨テーブル１２を有し、このテーブルには、研磨
パッド１３が取り付けられている。研磨テーブル１２
は、適切なモータまたは駆動手段（図示せず）によっ
て、矢印１５で示される方向に、軸１４によって回転さ
れる。研磨パッドは、典型的に、ポリウレタンフォーム
であり、直径は約５５．８８ｃｍ（約２２インチ）、厚
さは約１．２７ｍｍ（約０．０５０インチ）である。
【００２２】ウェハ・キャリヤ・アセンブリ１７は、ウ
ェハ１６を保持するウェハ・キャリヤ１８を有してい
る。押圧プレート１９は、ウェハ・キャリヤ１８に固定
され、ウェハ・キャリヤおよびウェハに圧力を加える。
図示の例では、中空スピンドル２０が、押圧プレートに
結合され、適切なモータまたは駆動手段（図示せず）に
よって駆動され、矢印２１，２２，２３によって示され
る方向に、ウェハ・キャリヤ・アセンブリ１７を動か
す。矢印３１で示すように、圧力を、重み荷重によって
スピンドル２０に与えることができ、および／または圧
縮空気のような加圧流体を用いて、加圧流体をウェハ・
キャリヤ・アセンブリのスペース２４に供給することに
よって、ウェハ・キャリヤ１８の上面に圧力を加えるこ
とができる。力は、ウェハ・キャリヤおよびウェハの表
面上で実質的に均一である。
【００２３】研磨中、スラリー（図示せず）が、パッド
１３の表面に与えられ、ウェハ・キャリヤ・アセンブリ
１７により担持されるウェハと、研磨ホイール・アセン
ブリ１１の研磨パッド１３との間を流れる。ウェハ・キ
ャリヤ１７に加えられる圧力、および研磨ホイール・ア
センブリの表面上でのウェハ・キャリヤの回転および運
動によって、研磨パッド１３に接触するウェハ１６の表
面が研磨される。前述したように、過熱，ウェハの特定
の部分での増加したスラリー，ウェハの異なる部分での
異なる回転速度などのような多数の要因の故に、研磨さ
れたウェハは、典型的に非平坦であり、１つ以上の次の
特徴を有する。すなわち、ウェハの厚い外側縁部，チッ
プ内での荷重不均一性，ウェハ全体にわたる不均一性，
ウェハ間の一定でない研磨速度である。
【００２４】技術上よく知られているように、複数のウ
ェハおよび／または複数のウェハ・キャリヤを、研磨作
業中に、１つの研磨ターンテーブル上で同時に処理する
ことができる。
【００２５】図１には、本発明の好適な研磨装置１０お
よびウェハ・キャリヤ・アセンブリ１７が示されてい
る。研磨テーブル１２および研磨パッド１３を有する典
型的な研磨ホイール・アセンブリ１１を、用いることが
できる。矢印１５で示すように回転する回転軸１４は、
上述したように研磨されるウェハ１６に対して研磨ホイ
ールを動かす。
【００２６】ウェハ・キャリヤ・アセンブリ１７は、ウ
ェハ・キャリヤ１８によって、ウェハ１６を保持する。
ウェハ・キャリヤ１８の下面は、２６で示すように隆起
した周縁部を有している。押圧されない（無荷重位置）
ウェハ・キャリヤの中央部２７は、好ましくは、ウェハ
１６の上面には接触せず、ウェハはウェハ・キャリヤ１
８の周縁部２６でのみ接触する。ウェハ・キャリヤ１８
は、典型的に、保持リング３３を有している。このリン
グは、ウェハ１６を正しい位置に取り囲んで保持し、ウ
ェハがウェハ・キャリヤ・アセンブリ１７から外れるこ
とのないようにする。典型的に、ウェハ１６は、ウェハ
・キャリヤ１８の下面に、接合されるか、あるいは固定
される。
【００２７】ウェハ・キャリヤ１８は、押圧プレート１
９に取り付けられる。この押圧プレートは、ウェハ・キ
ャリヤ１８およびウェハ１６に圧力を加えるために用い
られる。押圧プレート・スピンドル２０は、ウェハ・キ
ャリヤ・アセンブリ・スペース２４と整合して、加圧流
体を与え、ウェハ・キャリヤ１８の上面に力を加える
（下方向の矢印３１で示されるように）。また、押圧プ
レート１９および／またはスピンドル２０に、外部荷重
を加えて、ウェハ・キャリヤ１８およびウェハ１６に圧
力を与えることができる。矢印３２は、ウェハ表面に加
えられる反対方向の力を示している。ウェハ・キャリヤ
・アセンブリは、また、軸２０の周りに回転するように
示されている。ウェハ・キャリヤ・アセンブリ１７は、
また、研磨パッド１３の表面にわたって、方向２１，２
２に動くことができる。
【００２８】図１に示す本発明のウェハ・キャリヤ１８
に関して、ウェハ・キャリヤは隆起した周縁部２６を有
することがわかる。この周縁部は、ウェハ・キャリヤ・
アセンブリ１７に力が加えられないときに、ウェハ１６
の上面に接触するウェハ・キャリヤの部分である。ウェ
ハ１６は、典型的に、接着材のような適切な手段によっ
て、ウェハ・キャリヤ１８に固定される。研磨装置１０
の作動中に、ウェハ・キャリヤ・アセンブリ１７に加え
られる力は、ウェハ・キャリヤ１８の周縁部（不均一な
表面）によって、ウェハの表面にわたって変化する。こ
の変化する力は、周縁部２６の高さおよび／または幅を
変えることによって、調整できる。研磨中に、ウェハ・
キャリヤ１８の周縁部２６は、ウェハ１６の表面に不均
等な研磨力を与え、ウェハ１６の表面に均一な研磨作用
を与えるものと仮定される。ウェハ・キャリヤ１８は、
典型的に、ステンレス鋼で作られ、約２．５４ｃｍ〜
３．８１ｃｍ（約１インチ〜１．５インチ）の厚さであ
り、ウェハ表面に作用する力による曲げ作用を好適に防
止する。隆起した周縁部２６は、好ましくは、約０．０
５ｍｍ〜０．１ｍｍ高さであるが、これよりも高くまた
は低くすることができ、周縁部の幅は、ウェハ・キャリ
ヤの半径の最大約３０％であり、好ましくは５〜１５％
である。例えば、２００ｍｍ直径のウェハおよびウェハ
・キャリヤに対しては、周縁部２６の幅は、約１０ｍｍ
であり、高さは０．０５ｍｍである。矢印３１で示す押
圧力は、通常、ウェハ・キャリヤ・アセンブリ１７に加
えられる。このようなウェハ・キャリヤ１８の使用は、
研磨されたウェハの平坦性を増大させることがわかっ
た。
【００２９】図２に、本発明の他の実施例を示す。研磨
装置１０は、研磨ホイール・アセンブリ１１と、ウェハ
・キャリヤ・アセンブリ１７とを有している。研磨ホイ
ール・アセンブリ１１は、研磨テーブル１２を有し、こ
のテーブル上には研磨パッド１３が設けられている。研
磨ホイール１２は、矢印１５によって示される方向に軸
１４の周りを回転する。ウェハ１６は、接着材による取
り付けによって、ウェハ・キャリヤ・アセンブリ１７に
固定され、あるいはウェハ・キャリヤ１８の下面に固定
される。ウェハ・キャリヤ１８は、その下面に固定され
たウェハ・キャリヤ裏あてフィルム２８を有することが
示されている。ウェハ・キャリヤ裏あてフィルム２８
は、周辺部２９と中央部３０とを有している。周辺部２
９および中央部３０は、異なる圧縮性を有しており、裏
あてフィルム２８を、接着材のような適切な手段によっ
て、ウェハ・キャリヤ１８に固定することができる。次
に、ウェハ１６を、接着材または他の手段によって、ウ
ェハ・キャリヤ裏あてフィルム２８の他の面に固定す
る。ウェハ・キャリヤ１８は、典型的に、保持リング３
３を有し、研磨作業中にウェハ・キャリヤ・アセンブリ
１７にウェハを保持する。ウェハ・キャリヤ裏あてフィ
ルム２８は、また、ウェハ・キャリヤと一体にすること
ができる。
【００３０】図４に示した従来のアセンブリに示されて
いるように、図１および図２に示される本発明の装置に
取り付けられるウェハは、研磨ホイール・アセンブリの
表面上を移動させられて、ウェハ１６の表面が研磨され
る。技術上周知のスラリーを用いて、研磨作用を増大さ
せる。
【００３１】図２に示すように、ウェハ・キャリヤ１８
は、ウェハ・キャリヤの下面に取り付けられた裏あてフ
ィルム２８を有している。裏あてフィルム２８は、中央
部３０とは異なる圧縮性を持つ周辺部２９を有してい
る。ウェハ・キャリヤ裏あてフィルムの周辺部２９が、
中央部３０よりも大きい圧縮性（単位荷重あたりさらに
圧縮できる）を有することが好ましい。より好適な実施
例では、中央部３０は、圧縮不可能であり、周辺部２９
は圧縮可能である。中央部について好ましい材料は、ポ
リウレタンフィルムのような圧縮できない材料である。
周辺部について好ましい材料は、圧縮できる材料であ
り、好ましくは圧縮性ポリウレタン（フォームまたはス
ポンジ状）である。
【００３２】裏あてフィルム２８の厚さは、好ましくは
均一であり、最大５ｍｍまで幅広く変えることができ、
約１〜２ｍｍが好ましく、例えば１．２〜１．５ｍｍで
ある。ウェハ・キャリヤの厚さは、約２．５４ｃｍ〜
３．８１ｃｍ（約１インチ〜１．５インチ）であり、典
型的にステンレス鋼で作られている。裏あてフィルム
は、ウェハ・キャリヤ面上の中央部を形成し、次に周辺
部を形成し、必要ならば周辺部をトリミングすることに
より作製される。図１に示すウェハ・キャリヤ構造１８
のように、図２に示すウェハ・キャリヤ構造は、ウェハ
の表面にわたって、変化した力を与える裏あてフィルム
構造により、研磨されたウェハ１６の増大した平坦性を
与える。
【００３３】図３は、裏あてフィルム２８の平面図を示
す。周辺部２９は、中央部３０よりも高い圧縮性を有し
ている。周辺部２９の幅（ｗ）は、大きく変えることが
でき、ウェハ・キャリヤ１８の半径の最大３０％、好ま
しくは約５〜１５％とすることができる。
【００３４】本発明を好適な実施例と共に説明したが、
その説明から当業者であれば、多くの変形，変更が可能
なことは明らかであろう。したがって、特許請求の範囲
に記載の請求項は、本発明の範囲内の変形，変更を含む
ことを意図している。
【００３５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のウェハ・キャリヤを備えたＣＭＰ研磨
アセンブリの断面図である。
【図２】本発明の他のウェハ・キャリヤを備えたＣＭＰ
研磨アセンブリの断面図である。
【図３】図２に示される本発明のウェハ・キャリヤ裏あ
てフィルムの平面図である。
【図４】半導体ウェハを研磨する従来の典型的なＣＭＰ
装置を示す図である。
【符号の説明】
１０ 研磨装置 １１ 研磨ホイール・アセンブリ １２ 研磨テーブル １３ 研磨パッド １６ ウェハ １７ ウェハ・キャリヤ・アセンブリ １８ ウェハ・キャリヤ １９ 押圧プレート ２０ 押圧プレート・スピンドル ２４ ウェハ・キャリヤ・スペース ２６ 周縁部 ２８ 裏あてフィルム ２９ 周辺部 ３０ 中央部 ３３ 保持リング
フロントページの続き (72)発明者 リチャード・ジェイ・レベル アメリカ合衆国 05446 バーモント州 コルチェスター ウォルコット スト リート ナンバー７ ２ (72)発明者 チャールズ・エイ・マッキニィ アメリカ合衆国 12921 ニューヨーク 州 シャジィ ルート ９ 98759 (72)発明者 ロック・ナデュウ アメリカ合衆国 05465 バーモント州 ジェリコ ピーオーボックス 287 (72)発明者 ティモシー・ジェイ・リカード、ジュニ ア アメリカ合衆国 05468 バーモント州 ミルトン アールアールナンバー３ ボックス 5124 (72)発明者 ポウル・エイチ・スミス、ジュニア アメリカ合衆国 05452−4352 バーモ ント州 エセックス ジャンクション カントリーサイド ドライブ ９ (72)発明者 ダグラス・ケイ・スタルトヴァント アメリカ合衆国 05452 バーモント州 エセックス ジャンクション ウェス ト ストリート 60 (72)発明者 マシュー・ティー・ティアシュ アメリカ合衆国 05452 バーモント州 エセックス ジャンクション ユニッ ト ナンバー４ ブリックヤード ロー ド 60 (56)参考文献 特開 昭56−9161（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−257901（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B24B 37/04 H01L 21/304

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体ウェハの表面を化学機械研磨する装
    置において、 回転可能なターンテーブル・アセンブリと、 前記アセンブリ上に支持される研磨パッドと、 前記アセンブリ上に設けられ、研磨の際に半導体ウェハ
    を保持するように構成された回転可能なキャリヤとを備
    え、 前記半導体ウェハは、前記キャリヤの下面に固定され
    て、前記キャリヤと前記研磨パッドとの間に配置され、 前記キャリヤの下面は、前記半導体ウェハの上面の周縁
    部に接触する隆起した環状領域、およびその環状領域に
    囲まれた平坦な中央の凹部を有し、前記隆起した環状領域は、０．０５〜０．１ｍｍの高さ
    を有し、 前記隆起した環状領域の幅は、前記キャリヤの半径の５
    〜１５％であり、 前記半導体ウェハを前記研磨パッドに接触させるために
    前記キャリアの上面に力が加えられると、前記キャリア
    が、前記半導体ウェハの表面にわたって変化する力を与
    えて、前記半導体ウェハに平坦な研磨された表面を与え
    ることを特徴とする研磨装置。
  2. 【請求項２】半導体ウェハを回転可能なキャリヤの下面
    に取り付け、前記キャリアの上面に力が加えながら前記
    半導体ウェハを回転研磨パッドに接触させて、前記半導
    体ウェハを研磨する、化学機械研磨装置を用いて半導体
    ウェハの表面を研磨する方法において、 前記キャリヤの下面は、前記半導体ウェハの上面の周縁
    部に接触する隆起した環状領域、およびその環状領域に
    囲まれた平坦な中央の凹部を有し、前記隆起した環状領
    域は、約０．０５〜０．１ｍｍの高さを有し、前記隆起
    した環状領域の幅は、前記キャリヤの半径の約５〜１５
    ％であり、前記半導体ウェハを前記研磨パッドに接触さ
    せるために前記キャリアの上面に力が加えられると、前
    記キャリアが、前記半導体ウェハの表面にわたって変化
    する力を与えて、前記半導体ウェハに平坦な研磨された
    表面を与えることを特徴とする表面研磨方法。
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