JP3203254B2 - ポリウレタンパッドの工程特性値予測方法および装置 - Google Patents

ポリウレタンパッドの工程特性値予測方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体集積回路の製造における化学的機械的
平坦化処理（chemical mechanical planarization）（C
MP）の使用に関する。具体的には半導体ウェハのCMPに
使用されるポリウレタンパッドの性能特性値の予測に関
する。
集積回路の製造の際、半導体ウェハの表面を平坦化及
び／又は研磨することが望ましい場合がしばしば生ず
る。化学的機械的平坦化処理（CMP）は、これを行う一
方法である。一般にCMP法において、研磨スラリーの存
在下、研磨パッド上でウェハを回転若しくはランダム運
動させる。研磨パッドは典型的に、ポリウレタン材料か
らなる。
ウェハをパッドに押し付ける圧力、ウェハ及びパッド
の回転速度、スラリー含量、並びにパッドの特性は、物
質をウェハ表面から除去する速度、及び得られる表面の
均一性を決定する。
ウェハの平坦化又は研磨の所要時間を決定することは
困難であることが知られている。CMP法の終点を決定す
るために、平坦化される材料の厚さをその場で測定する
方法及び装置が、米国再発行特許第34,425号（Schult
z）に記載されている。
ウェハをパッドに押し付ける圧力、パッド上のウェハ
の回転速度又はランダム運動、及びスラリー組成の制御
方法は、当業者に周知である。ポリウレタンパッドの条
件及び性能特性を決定するのは、より困難である。ウェ
ハ表面を平坦化するパッドの能力はパッドごとに実質的
に異なり、かつ１つのパッドにおいても使用期間中に大
きく変化する。
CMP法でウェハを処理した後、次のウェハを処理する
ためにパッドのコンディショニングを行う。コンディシ
ョニング処理は、パッドが研磨するのを維持できる状態
まで回復するため、研磨パッド表面を制御下で削り取る
工程を有する。コンディショニング処理によってパッド
の状態を、次のウェハを有効に平坦化できる状態に回復
できるかどうかは、パッド自体及びコンディショニング
条件に左右される。数百枚のウェハを平坦化すると、コ
ンディショニングしてもパッドは研磨能力を回復しなく
なる。
新品及び使用中のポリウレタンパッドの性能特性を予
測することができれば、そのようなパッドの使用者にも
製造者にも大きな利益となる。
半導体ウェハの化学的機械的平坦化処理（CMP）のた
めに製造したポリウレタンパッド内のポリマー鎖の化学
結合を測定することを用いて、パッドの性能特性を予測
し、さらにポリウレタンパッドを製造するための工程条
件を調整することができる。
１ロットのパッドを製造した後、製造ロットのパッド
１個又はその一部を有機溶媒に浸漬してパッド材料を膨
潤させる。寸法の相対的な増大は、パッド内のポリマー
鎖の化学結合を反映していると考えられる。パッドの寸
法の増大は、パッドの性能特性値に影響する。統計的工
程管理法を用いて、パッド製造工程を最適化する。１つ
の製造ロットに含まれるパッドは、その数の多少にかか
わらず、すべて極めて近似した性能特性を持つような条
件下で製造されたものとみなさる。パッド特性の予測変
数の測定値は各パッドに適用可能な予測パッド特性値で
ある。性能特性値予測は、パッドの品質の尺度として用
いることができ、パッドの最終使用者に提供することも
できる。
パッド特性の測定は、ウェハの平坦化前に行うことが
できる。各ウェハを平坦化した後又はパッドの寿命期間
中定期的に、測定を行うこともできる。パッドを反復使
用すると、パッドの研磨／平坦化能力に影響を与える。
CMP法の際、ポリウレタンパッドは、しばしば高pH（9.0
〜13.0）及び高温（０〜90℃）の環境に曝される。その
ような状況に曝されたパッドにおいては、蛍光特性とパ
ッド性能との間に相関があることが見出された。使用済
パッドの今後の性能を予測するために、パッドの現場で
の蛍光測定を行う。パッドの蛍光特性値は、パッド内の
ポリマー鎖の化学結合の指標であると考えられ、これを
用いてコンディショニングがパッドに及ぼす効果を予測
する。次いで、予測されたコンディショニング効果を用
いてパッドの性能特性値を予測する。また、パッドの蛍
光特性値の測定は、摩耗したパッド又は性能不十分なパ
ッドをウェハ処理前に交換するためにも有効である。
本発明の特徴並びに目的及び利点は、添付の請求の範
囲、特定の態様の詳細な説明及び付随する図面によって
一層よく理解されるであろう。
図面中、図１は、CMPパッドの蛍光波長と強度とをプ
ロットしたものである。
図２は、CMPパッドの蛍光波長ピークを436ナノメータ
の強度で割った値と、ウェハ材料除去速度とをプロット
したものである。
図３は、パッド膨潤率とウェハ材料除去速度とをプロ
ットしたものである。
図４は、CMPパッドの蛍光特性をその場で測定する装
置の略図である。
図１は、代表的なポリウレタンCMPパッドをpH10.5の
溶液に、温度60℃で５時間曝露する前（PRE）と後（POS
T）の蛍光特性を示す。曝露後、スペクトルは短波長側
にシフトするが、そのシフト量はパッドによって異な
る。スペクトルには２本の特徴的な強度ピークが認めら
れる。一方は波長約436nmであり、かつ第２の極大ピー
クの波長はパッドによって異なる。本発明の好ましい態
様の一つにおいて、蛍光測定前にパッドを高pH及び高温
の環境に曝露し、特徴的な波長シフト後、測定を行う。
図２は、最高蛍光強度を波長436nmにおける強度で割
った値と、半導体デバイスウェハの平坦化速度とのプロ
ットを示す。このプロットは、CMPパッドの蛍光特性
と、半導体ウェハを平坦化するパッドの能力との関係を
示している。平坦化速度は、工程の安定性、加工ウェハ
の欠陥密度及び均一性にも関連する。パッドの性能特性
値を知れば、捨てるべき不良なパッドを使用前に発見す
ることができ、廃棄しなければならないウェハ材料の量
も低下する。
図３は、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（NMP）に24時
間浸漬した一部のCMPパッドの膨潤率と、そのパッドで
平坦化された半導体デバイスウェハの平坦化速度とをプ
ロットしたものである。24時間を越えての膨潤率の増加
は大きくないが、浸漬時間はこれより長くても短くても
よい。図示する膨潤の測定は、パッド面積の増加の測定
であるが、パッド体積、又は単にパッド材料の一片の長
さの測定を用いることもできる。膨潤率が大きいほど平
坦化速度が低下することを示している。MEK、MIBK、TH
F、キシレン、及びMeCl2のような、その他の有機溶媒を
用いても同様の結果が得られると考えられる。
図１、２及び３のプロットから、ポリウレタンパッド
特性値を測定することにより、パッドの平坦化特性値を
予測できることがわかる。この予測平坦化特性値によっ
て、CMP法における平坦化時間を決定することができ
る。また、CMPパッドの予測平坦化特性値は、CMPパッド
の製造における工程管理や品質管理にも利用できる。こ
のデータを具体的なCMP工程における平坦化特性の予測
値としてCMPパッドと共に顧客に送付することもでき
る。また本発明によるパッド特性値測定方法を用いて、
受入れ検査法を行うことができる。基準に満たないパッ
ドを使用前に発見し除去することができる。
図４は、CMP装置内のCMPパッドの蛍光特性をその場で
測定する方法を示す。パッド10は回転可能なプラテン20
に固定され、パッド表面の上方に光源30が設けられてい
る。光源はたとえば紫外線光源であり、パッドに向けら
れている。光源の波長は350nm以下であるのが好まし
い。コンディショニングの前及び／又は後に光源を用い
てパッドを蛍光発光させる。電磁線検出器又は光検出器
40が、パッド表面上方に設けられている。パッドからの
射出光は典型的に、波長200〜800nmの範囲にある。
電磁線の強度と波長の測定値を用いて、パッドを交換
すべきとき、ウェハ加工に使用したときパッドがどのよ
うに作動するかを決定する。パッド性能のこの予測を用
いて、終点における検出測定の必要性を減少させつつ、
安定したCMPの結果を確保するために、CMP工程パラメー
タを調整することができる。
本発明を具体的な好ましい態様によって説明したが、
当業者は下記の請求の範囲により定義される本発明の範
囲を逸脱することなく他の実施態様及び変形を用いるこ
とができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−260688（ＪＰ，Ａ) 実開 平７−5049（ＪＰ，Ｕ) 特表 昭62−503120（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B24B 37/00 G01N 21/64 H01L 21/304 622

Claims (23)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】化学的機械的平坦化処理に用いるポリマー
    パッドの性能特性値を予測する方法であって、ポリマー
    パッドを有機溶媒に浸漬する工程、該ポリマーパッドの
    寸法変化を測定する工程、及び該ポリマーパッドの寸法
    変化の測定値に基づいてポリマーパッドの性能特性値を
    予測する工程を有する、上記方法。
  2. 【請求項２】化学的機械的平坦化処理に用いるポリマー
    パッドの性能特性値を予測する方法であって、ポリマー
    パッドを紫外線光源で照射する工程、ポリマーパッドか
    らの射出光の対波長強度を測定してポリマーパッドの蛍
    光特性を測定する工程、及び該測定値に基づいてパッド
    の性能特性値を予測する工程を有する、上記方法。
  3. 【請求項３】ポリマーパッドが化学的機械的平坦化装置
    に装着されている状態で、蛍光特性の測定を行う請求項
    ２記載の方法。
  4. 【請求項４】測定工程が、ポリマーパッド内の化学結合
    の指標であるパラメータを測定することを含む請求項２
    記載の方法。
  5. 【請求項５】化学的機械的平坦化処理パッドの製造工程
    における工程パラメータを調整する方法であって、ポリ
    マーパッド内の化学結合の指標であるポリマーパッドの
    特性を測定する工程、及び引き続いて製造されるパッド
    において所望の特性値が達成されるように工程パラメー
    タを調整する工程を有する、上記方法。
  6. 【請求項６】予測工程が、最大蛍光強度と基準波長にお
    ける蛍光強度との強度比を決定することを含み、かつ該
    強度比と研磨速度との関係に基づいてポリマーパッドの
    見積もり研磨速度を確認することを含む、請求項２記載
    の方法。
  7. 【請求項７】強度比を決定することが、研磨スラリーを
    用いずにポリマー材料の最大蛍光強度を測定し、研磨ス
    ラリーを用いずにポリマー材料の436nmにおける蛍光強
    度を測定することを含む請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】測定工程前に、ポリマーパッドをpH9.0〜1
    3.0の溶液に曝露する工程をさらに有する請求項６記載
    の方法。
  9. 【請求項９】測定工程前に、ポリマーパッドをpH9.0〜1
    3.0の溶液及び０〜90℃の温度に曝露する工程をさらに
    有する請求項６記載の方法。
  10. 【請求項１０】測定工程前に、ポリマーパッドを60℃の
    温度でpHが10.5である溶液に曝露する工程をさらに有す
    る請求項６記載の方法。
  11. 【請求項１１】予測工程が、ポリマーパッドの寸法変化
    の測定値と研磨速度との関係に基づいてパッドの見積も
    り研磨速度を確認することを含む請求項１記載の方法。
  12. 【請求項１２】浸漬工程が、ポリマーパッドをＮ−メチ
    ル−２−ピロリドン含有溶液中に置くことを含む請求項
    11記載の方法。
  13. 【請求項１３】浸漬工程が、ポリマーパッドをＮ−メチ
    ル−２−ピロリドン含有溶液中に約24時間置くことを含
    む請求項12記載の方法。
  14. 【請求項１４】ポリマーパッド内の化学結合の指標であ
    るパラメータを測定して測定値を得る工程、及び測定値
    に依存する期間、ウェハをパッドで研磨する工程を有す
    る、ウェハの研磨方法。
  15. 【請求項１５】ウェハの研磨後、ポリマーパッドをコン
    ディショニングする工程をさらに有する請求項14記載の
    方法。
  16. 【請求項１６】集積回路の製造方法であって、ウェハ基
    板上に材料の層を形成する工程、及び該ウェハを化学的
    機械的平坦化処理装置に装着されているパッド内のポリ
    マー鎖の化学結合の測定に依存した期間、該化学的機械
    的平坦化処理装置で研磨する工程を有する、上記方法。
  17. 【請求項１７】測定前に、ポリマーパッドをpH9.0〜13.
    0の溶液に曝露する工程をさらに有する請求項14記載の
    方法。
  18. 【請求項１８】測定前に、ポリマーパッドを０〜90℃の
    温度に曝露する工程をさらに有する請求項14記載の方
    法。
  19. 【請求項１９】ポリマーパッドを照射する光源、及びポ
    リマーパッドのポリマーからの直接の射出光を測定する
    電磁線検出器を含む、ポリマーパッドの性能特性値を予
    測する装置。
  20. 【請求項２０】前記装置が紫外線光源である請求項19記
    載の装置。
  21. 【請求項２１】前記電磁線検出器が光検出器である請求
    項19記載の装置。
  22. 【請求項２２】ウェハの化学的機械的平坦化処理装置で
    あって、ポリマーパッドを固定する研磨用プラテン、及
    びポリマーパッドが研磨用プラテンに装着されている
    間、該ポリマーパッド内のポリマー鎖の化学結合を測定
    する測定器を有し、該測定器がポリマーパッドの蛍光特
    性測定手段を含む、上記装置。
  23. 【請求項２３】測定器が紫外線光源をさらに有する請求
    項22記載の装置。
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