JP3702023B2 - 研磨パッドのためのプリコンディショナおよびその使用方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的には半導体処理に関し、かつより特定的には機械的研磨のための構造および半導体基板を平坦化するために該構造を使用する方法の分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の半導体処理は一般的に半導体基板上に製作された種々の装置を結合するために精巧に作られたメタリゼイション相互接続のシステムを使用する。通常、アルミニウムまたは何らかの他の金属が被着されかつ次にパターニングされてシリコン基板の表面に沿った相互接続経路を形成する。大部分の処理においては、誘電体または絶縁層が次にこの第１の金属層の上に被着される。ビア開口が前記誘電体層を通ってエッチングされかつ第２の金属層が次に被着される。第２の金属層は前記誘電体層を覆いかつ前記ビアを充填して下に横たわる第１の金属層と電気的コンタクトを形成する。誘電体層の目的は金属層の間の絶縁を提供することである。従って、もし第３の金属層が必要であれば、電気的絶縁を提供するために前記第２の金属層の上に第２の誘電体層が被着されなければならない。
【０００３】
前記異なる被着誘電体層はしばしば高さが下に横たわる金属ラインに対応する適合（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）層である。従って、おのおのの誘電体層の上面は望ましくないものと思われる一連の平坦でない高さの変動によって特徴付けられる。前記誘電体層の表面を平坦化するために技術的に種々の方法が提供されている。１つのそのような方法は誘電体層の表面に沿って突出する段差部を除去するために研磨仕上げを使用する。この方法では、シリコン基板がスラリ（ｓｌｕｒｒｙ）または研磨剤（ａｂｒａｓｉｖｅ）で被覆された研磨パッドで覆われたテーブル上に表面を下にして置かれる。基板およびテーブルは次にお互いに対して相対的に回転され基板上の突出部を除去する。基板表面を平坦化するこのプロセスは一般に化学機械研磨（ＣＭＰ）と称される。
【０００４】
ＣＭＰのために高いかつ安定な研磨速度または研磨率を達成しかつ維持する上での１つの要因は、引き続く研磨作業のためにパッド表面が適切な状態に準備される技術であるパッドの調節またはコンディショニング（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）である。研磨パッドを調節するために種々の方法が利用できる。１つの方法はスラリを基板表面とパッドとの間に導くために研磨パッド表面に円周方向のみぞを切り込む。これらのみぞは研磨するに先立ちフライス盤（ｍｉｌｌｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ）、旋盤（ｌａｔｈｅ）、または圧搾機（ｐｒｅｓｓ）によって形成される。この方法に伴う問題はみぞを形成する尾根部分（ｒｉｄｇｅｓ）が研磨サイクルの反復の後にすりへることである。平滑化された研磨面は基板表面の下のスラリの放出の低減を招く。パッド荒さのこの時間による低下により、低い不安定なかつ予測できない研磨速度を生じる。
【０００５】
関連する方法では、単に研磨パッドに前もって形成した、円周方向の三角形のみぞを設ける。そして研磨工程の間に、振動するスタイラス上のダイヤモンドチップが研磨パッドに付加的な放射状のみぞを切り込みさらにパッドおよび基板表面の間にスラリを導く。この方法は前に述べた方法と同じ欠点を有し、それは円周方向のみぞが最終的に磨損し、かつパッドに切り込まれている放射状のみぞが研磨の間にパッドの寿命を低下させるからである。
【０００６】
第３の別の方法はウェーハを研磨する前に研磨パッドを調節するためダイヤモンドのコンディショニングディスクを使用する。この方法は最終的にダイヤモンドが前記コンディショニングディスクから失われかつスラリと混合されるという欠点を有する。スラリの解き放たれたダイヤモンド微粒はウェーハの研磨された面にかき傷を付けることがある。また、ダイヤモンドのコンディショニングディスクはいったん表面からダイヤモンドが失われると、最終的に捨てられなければならない。他の不都合は、この方法はまた研磨パッド面の層を除去することによって研磨パッドの面をすりへらすことである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上に述べたこれらすべての方法は誘電体層を研磨するための知られた方法である。金属層を研磨する必要がある場合には異なるチャレンジが存在する。金属層は、例えば、ビアを満たすために１つの層が被着された場合に研磨する必要がある。いったんビアが充填されれば、次の装置の製造処理工程の前に余分の金属が研磨除去される。前に述べた方法は金属の研磨に対してはうまく機能しない。１つの理由はそれらすべてが金属研磨の要件と適合しない方法で研磨パッドをすりへらすことである。パッド表面は研磨パッドの絶えざる再調節（ｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）なしには一様な研磨面を生成しない。さらに、研磨面を劇的にすりへらすことはパッドの有用な寿命を低減し、かつしばしば交換されなければならず、研磨サイクルの遅延を生じさせかつ処理のコストを追加する。さらに、前記ダイヤモンドディスクの方法は基板上の金属がスラリ中のダイヤモンドにより研磨スラリと反応するため腐食の問題を引き起こす。
【０００８】
金属の研磨のために検討された１つの方法はプリコンディショニング工程として研磨パッドの表面を粗くするためブラシを使用することを含む。この方法はいくつかの欠点を有する。第１に、ブラシを形成する毛（ｂｒｉｓｔｌｅｓ）に累積した残留物は洗浄するのが困難である。第２に、ブラシの毛は処理中に折れる傾向があり、スラリにおける望ましくない事態に通じる。さらに、ブラシは前記毛が折れない場合でも急速にすりへり、この解決方法を極めて実際的でないものにする。
【０００９】
金属を首尾よく研磨する１つの方法は研磨パッドのためのプリコンディショニング工程としてダミーまたはブランケットのウェーハを使用することである。この方法は研磨装置においてタングステンの頭部面層を有するブランクのシリコンウェーハを使用して引き続く実際の研磨作業のための研磨パッドの面を準備する。研磨速度および研磨面の一様性は安定した研磨速度が達成されるまでおのおののブランケットのウェーハの後に監視される。その次にのみ研磨される必要がある実際のウェーハが処理されるべき研磨装置の上に置かれる。この方法は時間を浪費し、それは研磨パット面が金属研磨のために用意ができるまでにほぼ１０のブランケットウェーハが必要なためである。このプリコンディショニング工程は完了するのにほぼ４０〜５０分必要であり、かつ新しい研磨パットが導入されたときかつまた研磨パッドが短い時間の間、ほぼ１５分間の間、アイドル状態に留まった場合には常に反復されなければならない。
【００１０】
従って、不均一な研磨面を生じさせるスラリのポケットを避けるために研磨のための飽和した（ｓａｔｕｒａｔｅｄ）かつ安定な面を迅速に達成する方法が望まれる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、１つの実施形態では、半導体ウェーハの引き続く研磨のためにパッドの表面を準備するため研磨パッドのためのプリコンディショニング用プレートを提供する。本発明は金属研磨に使用するのに十分適しており、それは前記プリコンディショニング用プレートの材料はスラリと反応してウェーハ上に腐食の問題を生じることはないためである。前記プリコンディショニング用プレートはその表面上に少なくとも３つの交差する放射状の尾根部（ｒｉｄｇｅｓ）を有しかつ堅いプラスチック材料から作られる。前記プリコンディショニング用プレートは実際の研磨の前に研磨パッドの面に対して回転され一様かつ安定な研磨面を提供する。前記プリコンディショニング用プレートは研磨パッドをすりへらしあるいは磨損することはなく、かつそれは研磨パッドにみぞを形成することもない。さらに、前記プリコンディショニング用プレートは再使用可能である。プリコンディショニング用プレートを使用することによってパッドの調節時間（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｔｉｍｅ）をほぼ９０％低減し、これは実質的にサイクルタイムを低減する。これらおよび他の特徴、および利点は、図面とともに以下の詳細な説明を参照することによってより明瞭に理解できるであろう。
【００１２】
また、各図面は必ずしも一定の比率で描かれておらず、かつ特に示されていない本発明の他の実施形態もあり得ることを指摘するのが重要である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１においては、本発明の第１の実施形態としてプリコンディショニング用プレート１０の平面図が示されている。該プリコンディショニング用プレート１０はその頭部面上に３つの交差する放射状の尾根部１４を有する円形のディスクとして示されている。円周方向の尾根部に対して、放射状の尾根部が使用される１つの理由はプリコンディショニング工程の間に（この図には示されていない）研磨パッドの面にわたり一様にスラリを分配するためである。一様な分配が望まれるから、交差する放射状尾根部１４はディスク１２の面をほぼ等しいセクタに分割することが好ましい。引き続く研磨作業のために研磨パッドを効率的にコンディショニングするために少なくとも３つの尾根部が必要であるものと考えられる。しかしながら、プリコンディショニング用プレート１０は決してたった３つの交差する尾根部を持つことに限定されるものではなく、より多くの数の尾根部も使用することができる。後により詳細に説明する、実際の実施化は３つより多くの放射状交差尾根部を使用した。図１の２−２線に沿った図２の断面図は尾根部１４をより詳細に示している。
【００１４】
図２に示されるように、尾根部１４は「三角形の」形状を有する。おのおのの尾根部は頭部において平らにされておりプリコンディショニング工程の間に研磨パッド面（図示せず）の磨損を防止するために鋭いエッジを除去している。さらに、尾根部の頭部はプリコンディショニング工程の間に尾根部の一部が壊れまたは欠ける機会を低減するために平坦にされている。尾根部の頭部において正確にある量の材料を除去することは重要ではない。重要なことは頭部が実質的に平坦化されて鋭いエッジを除去するが研磨パッド面を準備する上でプリコンディショニング用プレートの効率を低下させるほど先端があまりにも多く鈍らないことである。図２から分かるように、三角形の尾根部１４は交差する傾斜面によって形成される。これらの尾根の面または側壁はほぼ３０°〜６０°の範囲の傾斜角を有する。尾根部はプレート１２の厚さが３〜１２ｍｍである場合１．５〜５ｍｍの範囲の推奨される高さを有する。プレートの厚さは実際には使用される材料の剛性（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）の関数であり、その理由は加工処理の間プレートを平坦にかつ堅く固定して保持する必要があるためである。実際的な観点から、より薄いプレート上では低い高さの尾根部が良好に機能し、一方より高い尾根部はより厚いプレートとの組合わせで良好に機能することができる。
【００１５】
前記プリコンディショニング用プレートはスラリとの何らかの反応を防止するため化学的に中性かつ不活性の材料から形成されるべきである。研磨に使用されるスラリは、１〜２のｐＨを有し、非常に腐食的であり、従って前記材料はこれらのタイプの条件に耐えることができるべきである。さらに、前記材料は取扱いのためにおよび前記プレート上の尾根部が引き続く研磨作業のために研磨パッドの面を粗くするプリコンディショニング工程のために十分に堅いプレートを形成するため、機械加工に適し、耐久性があり、かつ堅くすべきである。プリコンディショニング用プレートに適した材料はポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｉｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ：ＰＶＤＦ）およびポリメチルメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ：ＰＭＭＡ）である。ポリビニルクロライド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｅｓ）およびポリカーボネイト（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅｓ）のような、他のプラスチック材料も適切である。さらに、プリコンディショニング用プレートの上の尾根部はプレートそれ自体のバルクと同じ材料であるという要件はないが、多分プリコンディショニング用ディスク全体を同じ材料で形成するのが最も好ましいであろう。その場合、尾根部は機械加工され、レーザエッチングされあるいはさもなければバルクのディスクから他の方法で形成してプリコンディショニング用プレート１０を作成することができる。
【００１６】
図３は、本発明のプリコンディショニング用プレートの他の実施形態を示す。前に述べたように、尾根部の数は３つの交差する放射状の尾根部に限定されるものではなく、より大きな数とすることができる。実際の実施化においては、ディスクを８つのセクタに分割する８つの交差する放射状尾根部１４′がＰＶＤＦから作成された。偶数個の尾根部によって形成される対称のパターンは決して制限的なものと考えるべきではなく、奇数個の尾根部も使用できる。実施化においては、前記プレートは直径が９インチ（２２９ｍｍ）および厚さが０．１２５インチ（３．１８ｍｍ）であった。前記尾根部はほぼ３．１８ｍｍの厚さであった。パッドの表面にわたりスラリを均等に導くために十分に高い尾根部を持つことが望ましい。さらに、尾根部の間の一様に平坦な面はスラリがディスク面上のポケットに捕捉されることを防止する。尾根部は４５°の側壁角度を持つよう形成され、かつ尾根部の頭部は研磨パッドにみぞを形成することを防止しかつ尾根部の頭部の壊れ／欠けを防止するために鋭いエッジを除去するため面取りされた。ＰＶＤＦから作成されたプリコンディショニング用プレート１０′は研磨パッドそれ自体に何らかの形式のみぞを形成または切り込まないことに注目することが重要である。プレート上の尾根部は単に一様なかつ安定な研磨速度を達成するため研磨パッド面を調整する働きをなすにすぎない。
【００１７】
図４は、頭部面図で、本発明のプリコンディショニング用プレート１０のための使用方法を示す研磨装置２０の概略図である。プリコンディショニング用プレート１０はエンドイフェクタ（ｅｎｄ ｅｆｆｅｃｔｏｒ）駆動装置２２のフェース面に取り付けられている。この駆動装置２２はプリコンディショニング用プレート１０を、プリコンディショニングを必要とする研磨パッドである、１次研磨パッド２４の表面の一部の上に位置させる。実際には、プリコンディショニング工程はハーモニック・コンディショニングとして説明され、この場合研磨パッド２４上の同じポイントが再発生の予測可能性（ｒｅｏｃｃｕｒｒｉｎｇ ｐｒｅｄｉｃｔａｂｉｌｉｔｙ）をもってプリコンディショニング用プレート１０上の同じポイントを通過し、これはプリコンディショニング用プレート１０が研磨パッド２４より小さくするのが望ましい理由である。プリコンディショニング用プレート１０の使用方法においては、該プレート１０はウェーハを研磨する前にほぼ５分間研磨パッド２４に対して回転される。回転速度は機器に応じて制御可能である。実施化に際しての実際の速度は５分間に対し２８ｒｐｍであった。プリコンディショニング工程の回転速度はこれらに制限されるものではなく、その理由はそれは容易に変更できるからである。この単純かつ迅速なプリコンディショニング工程の後に、研磨パッド２４は準備されかつ実際の半導体ウェーハの研磨の用意ができる。もしパッドの磨損が生じなければ１つの研磨パッドは多数のウェーハのために使用できる。本方法は研磨パッドをすりへらすことはないから、ほぼ２００のウェーハを単一の研磨パッドごとに研磨することができる。おのおのの新しい研磨パッドについて、５分間のプリコンディショニング走行が必要とされる。
【００１８】
５分間のプリコンディショニング工程の後に、研磨されるべき半導体基板２７を担持する研磨アーム２６がコンディショニングされた研磨パッド２４の上に配置される。半導体基板２７は次に、典型的にはタングステン層に対して３〜５分間である、特定量の時間の間、基板の表面から余分の金属が除去されるまで、研磨パッドに対して回転される。最初の研磨工程の後に、基板２７は最終研磨パッド２８によって最終研磨が行われるのが普通である。この最終研磨パッド２８は今日の処理技術においてはプリコンディショニングを必要としないことが見いだされている。いったん１次研磨パッドが、実際の研磨作業の前に、初期的にプリコンディショニングされると、半導体ウェーハの研磨の間に再びコンディショニングする必要はない。しかしながら、処理を監視しかつ研磨の除去レートが安定になっていることを保証するため製造プロセスの間に、それぞれのシフトごとに一度のように、周期的に研磨パッドをコンディショニングするのが望ましいかもしれない。この方法でも技術的に現在存在する方法に対して実質的に低減されたサイクルタイムの処理を可能にする。
【００１９】
本発明に対する主要な利点はプリコンディショニングにおけるサイクルタイムの低減である。図５は本発明のプリコンディショニング用プレートで達成される除去速度３４および研磨パッドをコンディショニングするためにブランケットウェーハが使用されている従来技術の方法で達成される除去速度３６を比較したグラフ３２である。研磨パッドの除去速度は研磨作業のためのパッドの用意ができていることの尺度であり、ウェーハの実際の研磨が行われる前に一様な速度が必要とされる。図から明らかなように、除去速度３４は本発明を使用することによって達成されている。最初の走行シーケンスは研磨パッドを準備するためにプリコンディショニング用プレートを使用する。すべてのその後の走行シーケンスは除去速度が一様でありかつ安定であり、従って実際上、第２の走行シーケンスから研磨パッドが置き換えられるまで、実際のウェーハが研磨できることを示している。ブランケットまたはダミーのウェーハがパッドをコンディショニングするために使用される従来技術の方法の尺度である除去速度３６と比較されたい。安定な研磨速度が達成される前にほぼ１０個のブランケットウェーハが使用されなければならない。従って、本発明を使用することにより、使用されるそれぞれの研磨パッドに対してほぼ４０〜４５分節約できる。
【００２０】
【発明の効果】
以上の説明および図示は本発明に関連する数多くの利点を示している。特に、本発明は従来技術に対して数多くの利点を有することが明らかになった。それは単純でありしかも非常に効率的である。プレートのために使用されるプラスチック材料は金属スラリまたは半導体ウェーハ上のいずれの金属とも反応しないから腐食がなくなる。実際の実施化によりプリコンディショニング用プレートの磨損または汚染が生じないことが示され、それはプラスチック材料が非反応性でありかつ安定であるためである。さらに、ダイヤモンド粒子が使用されないから、ダイヤモンドが取れてかつスラリと反応することがなく、あるいは研磨パッドまたはプリコンディショニング用プレートの表面上に残留物を残すこともない。さらに、ブランケットウェーハからの残留物の集積もなくなり、それは研磨のための一様な面を得るためにブランケットウェーハが必要とされないからである。本発明の他の主要な利点はそれが極めてコスト効率がよいことである。前記プリコンディショニング用プレートは低価格の材料を使用して機械工場で容易に製作され、かつ単一のプレートが長い期間にわたる研磨のために再使用できる。同じプレートをそれぞれのプリコンディショニングサイクルの後に洗浄しかつ次に次の新しい研磨パッドのために再使用することができる。
【００２１】
従って、本発明によれば、前に述べた必要性および利点に完全に適合する研磨パッドのためのプリコンディショニング用プレートおよび該プレートを使用する方法が提供されたことが明らかである。本発明はその特定の実施形態に関して説明されかつ図示されたが、本発明はこれらの示された実施形態に限定されるものではない。当業者は本発明の精神から離れることなく修正および変更を行うことができることを認識するであろう。例えば、前記プレートは円形でない形状とすることもできる。さらに、プリコンディショニング用プレート上の尾根部の数および寸法、ならびにプレートそれ自体の寸法は説明されたものから変えることができる。さらに、スラリの種類は本発明を使用して達成できる所望の除去速度を変更するために変えることができる。また、プリコンディショニング工程の回転速度も変えることができる。従って、本発明は添付の特許請求の範囲に入るすべてのそのような変形および修正を含むものと考える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わるプリコンディショニング用プレートを示す頭部面図である。
【図２】図１のプリコンディショニング用プレートを２−２線に沿って見た断面図である。
【図３】本発明の別の実施形態を示す頭部面図である。
【図４】本発明のプリコンディショニング用プレートの使用方法を示すための研磨装置の概略的頭部面図である。
【図５】本発明のプリコンディショニング用プレートおよび従来技術の方法で達成される除去速度を比較するグラフである。
【符号の説明】
１０，１０′ プリコンディショニング用プレート
１２，１２′ 円形ディスク
１４，１４′ 尾根部
２０ 研磨装置
２２ エンドイフェクタ駆動装置
２４ １次研磨パッド
２６ 研磨アーム
２７ 半導体基板
２８ 最終研磨パッド

Claims (5)

1. 研磨システム上の機械的な研磨パッドのためのプリコンディショナ（１０）であって、
   表面上に少なくとも３つの交差する尾根部（１４）を有するプレート（１２）であって、前記少なくとも３つの交差する尾根部は前記プレートの中心から外側に放射状に延び、前記プレートは堅いかつ化学的に中性のポリマから構成されるもの、
   を具備することを特徴とする研磨システム上の機械的な研磨パッドのためのプリコンディショナ（１０）。
2. 前記プレートはポリフッ化ビニリデンおよびポリメチルメタクリレートからなるグループから選択された材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載のプリコンディショナ。
3. 半導体ウェーハを研磨する方法であって、
   研磨パッド（２４）を準備する段階、
   表面上に少なくとも３つの交差する尾根部（１４）を有するプリコンディショナ（１０）を準備する段階であって、前記少なくとも３つの交差する尾根部は前記プリコンディショナの中心から外側に半径方向に延びており、前記プリコンディショナは堅いかつ化学的に中性なポリマで構成されている、段階、
   前記プリコンディショナを使用して前記研磨パッドをコンディショニングする段階、
   半導体ウェーハ（２７）を準備する段階、そして
   前記研磨パッドが前記プリコンディショナによってコンディショニングされた後、前記研磨パッドによって前記半導体ウェーハを研磨する段階、
   を具備することを特徴とする半導体ウェーハを研磨する方法。
4. 半導体ウェーハを研磨する方法であって、
   研磨パッド（２４）を準備する段階、
   表面上に少なくとも３つの交差する放射状の尾根部（１４）を有するプリコンディショナ（１０）を提供する段階であって、前記少なくとも３つの交差する放射状の尾根部は前記プリコンディショナの面を複数のセクタに対称に分割し、前記プリコンディショナは堅いかつ化学的に中性のポリマから構成されている、段階、
   前記プリコンディショナを、前記プリコンディショナの前記表面を前記研磨パッド隣接させて、前記研磨パッド（２４）の上に整列させる段階、
   前記研磨パッドに対して、前記研磨パッドの表面上に前記プリコンディショナを回転させて、プリコンディショニングされた研磨パッドを形成する段階、
   半導体ウェーハ（２７）を該半導体ウェーハ（２７）の表面が前記プリコンディショニングされた研磨パッドに隣接するよう、前記プリコンディショニングされた研磨パッドの上に、配置する段階、そして
   前記プリコンディショニングされた研磨パッドに対して、前記半導体ウェーハを回転させて前記半導体ウェーハの表面を平坦化する段階、
   を具備することを特徴とする半導体ウェーハを研磨する方法。
5. 前記半導体ウェーハの表面はその表面上に形成された金属層を有することを特徴とする請求項４に記載の方法。

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