JP3923009B2 - ウェーハの研磨方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置の製造工程における研磨方法及びこの方法に利用される研磨装置に関し、特に、化学的機械的研磨(Chemical Mechanical Polish:CMP)装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図15及び図16は、従来のCMP装置を用いた研磨の様子を示し、図15が側面図、図16が平面図である。CMP装置の主要部は、それぞれウェーハ1a,1bを保持して回転する2組のキャリア2a、2bと、上面に研磨パッド3が固定された回転可能な定盤4とから構成される。キャリア2a,2bは、ウェーハ1a,1bを研磨パッド3に押しつけながら回転させる。また、CMP装置には、研磨パッド3上に研磨剤(スラリー)5を供給する供給ノズル6が設けられている。
【0003】
研磨時には、キャリア2a,2bを回転させながら圧力を加えてウェーハ1a,1bを研磨パッド3に押しつけ、定盤4を回転させる。同時に、研磨パッド3上に供給ノズル6から研磨スラリー5を供給する。これにより、ウェーハ1a,1bの表面は研磨パッド3と研磨スラリー5とにより化学的、機械的に研磨されて平坦化される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のCMP装置では、供給ノズル6が1カ所に固定して設けられているため、研磨スラリー5が研磨パッド3上に均一に広がらず、ウェーハの研磨量が不均一になるという問題がある。例えば図16に示したように定盤4が反時計回りに回転する場合、研磨スラリー5の供給位置に対して回転方向の上流に位置するキャリア2aの側には他方のキャリア2b側よりも多くの研磨スラリー5が供給され、キャリア2aに保持されるウェーハ1aの研磨量が他方のキャリア2bに保持されるウェーハ1bの研磨量より大きくなる。
【0005】
また、研磨スラリーの時間当たりの供給量(流量)は、研磨されるウェーハの工程により異なるが、比較的流量が大きい場合には、供給ノズル6から放出される研磨スラリーの流速が大きくなり、研磨スラリーが研磨パッド3上で跳ねてウェーハに供給されずに研磨パッド3の外側に飛び出してしまうという問題がある。
【0006】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、複数のウェーハを同時に研磨する場合に、ウェーハ間の研磨量を均一にすることができ、かつ、供給される研磨スラリーの流量が大きい場合にも、研磨スラリーをウェーハに対して適切に供給することができるCMP装置を提供することを課題
(目的)とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記事項に鑑みてなされたものであり、即ち、本発明は、第1の回転軸回りに回転駆動される定盤上に貼り付けられた研磨パッド上に、前記第1の回転軸から偏心した第2の回転軸回りに回転駆動されるキャリアによりウェーハを押し付け、前記定盤と前記キャリアとを駆動して前記ウェーハを研磨する工程と、ノズルを移動させながら前記研磨パッド上に研磨スラリーを供給する工程とを含むことを特徴とする。
【0008】
また、本発明におけるノズルの先端は、下向きに折り曲げられた形状としても良い。
【0009】
さらに、本発明におけるノズルの先端には複数の供給穴が形成されている構成としてもよい。
【0010】
また、本発明は、第1の回転軸回りに回転駆動される定盤上に貼り付けられた研磨パッド上に、前記第1の回転軸から偏心した第2の回転軸回りに回転駆動されるキャリアによりウェーハを押し付け、前記定盤と前記キャリアとを駆動して前記ウェーハを研磨する工程と、前記回転軸部分に設けられたスラリー溜まりに研磨スラリーを供給し、前記スラリー溜まりから前記研磨パッドへ研磨スラリーを放出する工程とを含むウェーハの研磨方法でもある。
【0011】
加えて、本発明におけるスラリー溜まりは、前記研磨パッドに設けられた穴であり、この穴から前記研磨パッドへ研磨スラリーを供給する構成とすると好ましい。
【0012】
また、本発明におけるスラリー溜まりは、前記研磨パッド及び前記定盤に設けられた穴であり、この穴から前記研磨パッドへ研磨スラリーを供給する構成としてもよい。
【0013】
さらに、本発明におけるスラリー溜まりは、前記第1の回転軸部分に設けられた容器であり、この容器から前記研磨パッドへ研磨スラリーを供給する構成とすることもできる。
【0014】
また、本発明にかかる化学的機械的研磨装置は、第1の回転軸回りに回転駆動される定盤と、定盤上に貼り付けられた研磨パッドと、第1の回転軸から偏心した第2の回転軸回りに回転駆動され、ウェーハを保持して研磨パッドに押しつけるキャリアと、研磨パッド上に研磨スラリーを供給する供給ノズルと、供給ノズルの先端位置を研磨パッドに対して相対的に調整する調整機構とを備えることを特徴とする。
【0015】
上記のように構成することにより、供給ノズルの先端を適宜移動して研磨スラリーの供給位置を調整することができ、研磨スラリーを研磨パッド上に均一に広げることができる。供給ノズルは、先端から多方向に研磨スラリーを放出するよう構成することができる。このとき調整機構は、供給ノズルの先端の上下方向の位置を調節可能とすることが望ましい。
【0016】
また、本発明にかかる化学的機械的研磨装置は、第1の回転軸回りに回転駆動される定盤と、定盤上に貼り付けられた研磨パッドと、第1の回転軸から偏心した第2の回転軸回りに回転駆動され、ウェーハを保持して研磨パッドに押しつけるキャリアと、研磨パッド上に研磨スラリーを供給する供給ノズルと、研磨パッドの中央部に配置され、供給ノズルから放出される研磨スラリーを一旦貯めてから周囲に放出させるスラリー溜まりとを備えることを特徴とする。
【0017】
スラリー溜まりは、研磨パッドに形成された単独の穴、若しくは研磨パッドに形成された第1の穴とこれに連通するよう定盤に形成された第2の穴とにより構成され、あるいは、研磨パッドに配置された容器として構成される。スラリー溜まりを容器により構成する場合には、研磨パッドに、あるいは研磨パッドと定盤とに、容器の一部を収納するための穴を形成し、容器の一部を穴に挿入して配置してもよい。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる化学的機械的研磨(CMP)装置の実施形態を3例説明する。
【0019】
図1は第1の実施形態にかかるCMP装置の主要部を示す側面図、図2は平面図である。このCMP装置の主要部は、第1の回転軸Ax1回りに回転駆動される定盤10と、定盤10上に貼り付けられた研磨パッド11と、第1の回転軸Ax1から偏心した第2の回転軸Ax2回りに回転駆動され、それぞれウェーハ12,12を保持して研磨パッド11に押しつける2組のキャリア20,20と、研磨パッド11上に研磨スラリー13を供給する供給ノズル30と、供給ノズルの先端位置を研磨パッド11に対して相対的に調整する調整機構40とを備える。
【0020】
キャリア20の中央には、図3に拡大して示したようにバッキングプレート21が固定され、このバッキングプレート21は、ウェーハ12の外径と等しい突出部分を有し、この突出部分の表面下側にバッキングフィルム22が貼付されている。
【0021】
ウェーハ12は、バッキングフィルム22に密着した状態でリテーナリング23を介してクランプリング24によりバッキングプレート21に共締めされている。すなわち、リテーナリング23は、バッキングプレート21の突出部とウェーハ12との外周を囲むように配置され、クランプリング24は、このリテーナリング23を外側から固定する機能を有する。
【0022】
なお、バッキングプレート21は、セラミック等の剛体であり、その下面は極めて高い平坦性を有する。また、バッキングフィルム22は、発泡ポリウレタン等の弾性体であり、ウェーハ12の密着性を高く保つと共に、研磨時の衝撃を吸収・分散させることにより、研磨の均一性を保つ機能を有する。
【0023】
調整機構40は、この例では供給ノズル30の先端位置を直交2軸方向に関して互いに独立してスライド調整可能な構成である。すなわち、調整機構40は、図4に拡大して示したように、互いに平行に配置された2本の固定レール41,41と、これらの固定レール間に架設されて固定レール41の延設方向xに沿ってスライド可能な移動枠42と、この固定枠42のスライド方向に直交する方向yにスライド可能に移動枠42に取り付けられた保持部材43とから構成される。供給ノズル30の先端は、保持部材43のほぼ中央を貫通して固定されており、移動枠42、保持部材43をスライド調整することにより、研磨パッド11上でのスラリーの供給位置をそのスライド範囲内で任意に調整することができる。
【0024】
第1の実施形態によれば、供給ノズル30の先端を研磨スラリーの供給量やウェーハの位置等に応じて適宜移動して研磨スラリーの供給位置を調整することにより、研磨スラリーを研磨パッド11上に均一に広げることができ、単一のウェーハ内での研磨量のバラツキ、および複数のウェーハ間での研磨速度の不均衡を共に小さく抑えることができる。
【0025】
例えば、研磨スラリーの時間当たりの供給量(流量)が比較的大きい場合には、供給ノズル30の先端を流量が少ない場合よりも後退させることにより、研磨パッド11上での研磨スラリーの供給位置を流速に拘わらず一定に保つことができる。
【0026】
図5は、第1の実施形態の第1の変形例を示す。この例では、先端部分のみを下向きに折り曲げた供給ノズル31が用いられている。図5の供給ノズル31も、上述した実施形態と同様の調整機構40に取り付けられる。ただし、図5の供給ノズル31を使用する場合には、研磨スラリーの流量が変化してもスラリーの供給位置を一定に保つことができるため、第1の実施形態の直線状の供給ノズル30と比較すると、ノズル位置を調整する必要性が少なくなる。
【0027】
また、図6は、第1の実施形態の第2の変形例を示す。この例では、多方向に研磨スラリーを放出するよう複数の供給穴32aが形成された供給ノズル32が用いられている。供給ノズル32は研磨スラリーを多方向に分散して放出するため、研磨スラリーの流量の違いは研磨スラリーが分散される範囲の広さに対応し、分散範囲の中心は殆ど変化しない。したがって、この場合、調整機構としては供給ノズル32の先端の上下方向の位置が調節できれば分散範囲の範囲を変更することができる。ただし、図6の変形例においても、第1の実施形態と同様の2方向に駆動可能な調整機構により供給ノズル32の位置を調整するようにしてもよい。この場合に、研磨パッド11に対する供給ノズル32の位置精度が緩和され、第1の実施形態におけるよりも低い精度で調整手段を制御することができる。
【0028】
図7は、第2の実施形態にかかるCMP装置の主要部を示す断面図、図8はその平面図である。第2の実施形態のCMP装置は、第1の回転軸Ax1回りに回転駆動される定盤10と、定盤10上に貼り付けられた研磨パッド11と、第1の回転軸Ax1から偏心した第2の回転軸Ax2,Ax2回りに回転駆動され、それぞれウェーハ12,12を保持して研磨パッド11に押しつける2組のキャリア20,20と、研磨パッド11上に研磨スラリー13を供給する供給ノズル30と、研磨パッド11の中央部に配置され、供給ノズル30から放出される研磨スラリーを一旦貯めてから周囲に放出させるスラリー溜まり50とを備えている。この例では、スラリー溜まり50は研磨パッド11を貫通する穴11aとして形成されており、穴あきの研磨パッド11を定盤10上に貼り付けることにより、定盤10の上面を底面、穴11aの周囲を側面とする円柱状の容器状の空間が形成され、これがスラリー溜まり50となる。
【0029】
定盤10、キャリア20等の構成は第1の実施形態と同一であるが、スラリー溜まり50が設けられている点、供給ノズル30が固定して設けられ、調整機構40が設けられていない点が第1の実施形態とは異なる。
【0030】
第1の実施形態では、研磨スラリーの流量が多くなると、研磨パッド11の表面で研磨スラリーが跳ね返り、研磨パッドの全面に一様に研磨スラリーを供給するのが困難になる可能性がある。この点、第2の実施形態では、研磨スラリーをスラリー溜まり50に貯めるため、流量が多くなっても研磨パッド11の表面での跳ね返りがなく、研磨パッドの全面に一様に研磨スラリーを供給することが可能となる。
【0031】
第2の実施形態の構成によれば、供給ノズル30から放出される研磨スラリーが一旦スラリー溜まり50に貯められ、容量を越えて供給された分がスラリー溜まり50から溢れて周囲に広がる。研磨スラリーの広がりは、供給ノズル30の方向によらずに一様であり、これにより研磨スラリーを研磨パッド11上に均一に広げることができ、単一のウェーハ内での研磨量のバラツキ、および複数のウェーハ間での研磨速度の不均衡を共に小さく抑えることができる。
【0032】
なお、研磨パッド11は消耗品であり、随時交換されるため、必要に応じて形成される穴のサイズを変更することにより、スラリー溜まり50の容量を容易に変更することができる。
【0033】
図9は、第2の実施形態の変形例を示す断面図である。変形例のCMP装置は、研磨パッド11に形成された第1の穴11aに連通するように、定盤10にも第2の穴10aが形成され、これら第1、第2の穴11a,10aにより研磨スラリーを貯めるためのスラリー溜まり51が形成されている。この構成によれば、スラリー溜まりの深さを第2の実施形態よりも深くすることができるため、供給ノズル30から放出される研磨スラリーの流量が多い場合にも、研磨スラリーの跳ね上がりを防ぐことができ、研磨スラリーの供給の一様性をより高めることができる。
【0034】
なお、スラリー溜まり51の容量を変更するためには、第1、第2の穴11a,10aのサイズを変更すればよい。ただし、研磨パッド11に形成された第1の穴11aのサイズは研磨パッド11の交換により変更することができるが、定盤10は交換できない。そこで、図9の変形例のCMP装置を用いる場合、定盤10に形成された第2の穴10aに必要に応じて円筒状の充填部材を挿入することにより、穴10aの内径を段階的に調整してスラリー溜まり51に貯まる研磨スラリーの容量を調整する。図10および図11は、第2の穴10aに第1、第2の充填部材60,61を挿入した状態を示す断面図、および平面図である。第1の充填部材60は、穴10aの内径にほぼ等しい外径を有し、中心に貫通穴が形成された円筒状の部材であり、第2の充填部材61は、第1の充填部材60の貫通穴に嵌合する外径を有し、中心に貫通穴が形成された円筒状の部材である。充填部材を用いない場合にはスラリー溜まり51の容量は最も大きくなり、第1の充填部材60のみを挿入した場合には中間容量、第1、第2の充填部材を共に挿入した場合には最小容量となる。
【0035】
図12は、第3の実施形態にかかるCMP装置の主要部を示す断面図、図13はその平面図である。第3の実施形態のCMP装置は、第2の実施形態の装置と同様、定盤10、研磨パッド11、2組のキャリア20,20、供給ノズル30、スラリー溜まり52とを備えている。この例では、スラリー溜まり52は研磨パッド11に配置された有底円筒状の容器70として構成される。
【0036】
容器70は、研磨パッド11の上面に取り付けられ、供給ノズル30から放出される研磨スラリーは一旦容器70に貯められ、その容量を越えて供給された分が容器70から溢れて周囲に拡がる。第2の実施形態と同様に、研磨スラリーの広がりは、供給ノズル30の方向によらずに一様であり、これにより研磨スラリーを研磨パッド11上に均一に広げることができ、単一のウェーハ内での研磨量のバラツキ、および複数のウェーハ間での研磨速度の不均衡を共に小さく抑えることができる。また、研磨パッド11や定盤10を加工する必要がなく、かつ、容器70の設置位置を研磨スラリーの流量等に応じて任意に選択できるため、自由度が高く、より多くの種類のCMP工程に対応することができる。
【0037】
図14は、上述した第3の実施形態の変形例であり、図9に示した第2の実施形態の変形例と組み合わせた構成である。すなわち、研磨パッド11と定盤10とには、互いに連通する第1、第2の穴11a,10aが形成されており、これらの穴に穴の深さより高い有底円筒状の容器71が挿入、固定されてスラリー溜まり53が構成されている。この構成によれば、穴11a,10aを直接スラリー溜まりとして利用するよりも、スラリー溜まりの深さを深くすることができ、研磨スラリーの流量が多い場合の跳ね上がりをより有効に防ぐことができる。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかるCMP装置によれば、供給ノズルの先端位置を研磨パッドに対して相対的に調整する調整機構を備えることにより、供給ノズルの先端を適宜移動して研磨スラリーの供給位置を調整することができ、研磨スラリーを研磨パッド上に均一に広げることができる。
【0039】
また、本発明によれば、請求項2の構成によれば、供給ノズルの先端から多方向に研磨スラリーを放出することができ、かつ、研磨スラリーの流量の違いは研磨スラリーが分散される範囲の広さに対応するため、調整機構としては供給ノズルの先端の上下方向の位置が調節できれば分散範囲の範囲を変更することができる。
【0040】
また、本発明にかかCMP装置によれば、研磨パッドの中央部に、供給ノズルから放出される研磨スラリーを一旦貯めてから周囲に放出させるスラリー溜まりを配置したため、研磨スラリーの流量が多くなっても研磨パッドの表面での跳ね返りがなく、研磨パッドの全面に一様に研磨スラリーを供給することが可能となる。
【0041】
スラリー溜まりとして研磨パッドに形成された単独の穴を利用する場合には、消耗品である研磨パッドのみの加工で対応できるため、従来の装置のほとんどの部分を流用することができる。
【0042】
また、スラリー溜まりを研磨パッドに形成された第1の穴とこれに連通するよう定盤に形成された第2の穴とにより構成する場合には、スラリー溜まりの深さを深くすることができるため、供給ノズルから放出される研磨スラリーの流量が多い場合にも、研磨スラリーの跳ね上がりを防ぐことができ、研磨スラリーの供給の一様性をより高めることができる。
【0043】
スラリー溜まりとして研磨パッドに配置された容器を用いる場合には、研磨パッドや定盤を加工する必要がなく、かつ、容器の設置位置を研磨スラリーの流量等に応じて任意に選択できるため、自由度が高く、より多くの種類のCMP工程に対応することができる。
【0044】
また、容器の一部を、研磨パッドに、あるいは研磨パッドと定盤と形成された穴に挿入して配置する場合には、穴を直接スラリー溜まりとして利用するよりも、スラリー溜まりの深さを深くすることができ、研磨スラリーの流量が多い場合の跳ね上がりをより有効に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態のCMP装置の主要部を示す側面図。
【図2】図1に示すCMP装置の平面図。
【図3】図1に示すCMP装置のキャリア部分の拡大断面図。
【図4】図1に示すCMP装置の調整機構部分の拡大図。
【図5】第1の実施形態の第1の変形例にかかるCMP装置の主要部を示す側面図。
【図6】第1の実施形態の第2の変形例を示す供給ノズルの側面図。
【図7】第2の実施形態のCMP装置の主要部を示す断面図。
【図8】図7に示すCMP装置の平面図。
【図9】第2の実施形態の変形例を示す断面図。
【図10】図9に示すCMP装置の定盤部分の断面図。
【図11】図9に示すCMP装置の定盤部分の平面図。
【図12】第3の実施形態にかかるCMP装置の主要部を示す断面図。
【図13】図12に示すCMP装置の平面図。
【図14】第3の実施形態の変形例を示すCMP装置の断面図。
【図15】従来のCMP装置の主要部を示す側面図。
【図16】図15に示すCMP装置の平面図。
【符号の説明】
10 定盤
11 研磨パッド
12 ウェーハ
20 キャリア
30,31,32 供給ノズル
40 調整機構
50 スラリー溜まり
70 容器

Claims (3)

  1. 第1の回転軸回りに回転駆動される定盤上に貼り付けられた研磨パッド上に、前記第1の回転軸から偏心した第2の回転軸回りに回転駆動されるキャリアによりウェーハを押し付け、前記定盤と前記キャリアとを駆動して前記ウェーハを研磨する工程と、
    前記研磨パッドの前記回転軸部分に設けられた穴であるスラリー溜まりに研磨スラリーを供給し、前記スラリー溜まりから前記研磨スラリーを溢れさせることにより前記研磨スラリーを前記研磨パッドへ放出する工程と、を含むことを特徴とするウェーハの研磨方法。
  2. 第1の回転軸回りに回転駆動される定盤上に貼り付けられた研磨パッド上に、前記第1の回転軸から偏心した第2の回転軸回りに回転駆動されるキャリアによりウェーハを押し付け、前記定盤と前記キャリアとを駆動して前記ウェーハを研磨する工程と、
    前記研磨パッドおよび前記定盤の前記回転軸部分に設けられた穴であるスラリー溜まりに研磨スラリーを供給し、前記スラリー溜まりから前記研磨スラリーを溢れさせることにより前記研磨スラリーを前記研磨パッドへ放出する工程と、を含むことを特徴とするウェーハの研磨方法。
  3. 第1の回転軸回りに回転駆動される定盤上に貼り付けられた研磨パッド上に、前記第1の回転軸から偏心した第2の回転軸回りに回転駆動されるキャリアによりウェーハを押し付け、前記定盤と前記キャリアとを駆動して前記ウェーハを研磨する工程と、
    前記回転軸部分に設けられた容器であるスラリー溜まりに研磨スラリーを供給し、前記スラリー溜まりから前記研磨スラリーを溢れさせることにより前記研磨スラリーを前記研磨パッドへ放出する工程と、を含むことを特徴とするウェーハの研磨方法。
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