JP3937294B2

JP3937294B2 - 研磨装置

Info

Publication number: JP3937294B2
Application number: JP2001304986A
Authority: JP
Inventors: 寛子中村; 健一大類
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2021-10-01
Also published as: JP2003103456A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ；Chemical Mechanical Polishing ）法に用いられる研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製造プロセスにおけるデバイス多層化に伴い、リソグラフィー工程における焦点深度（ＤＯＦ；Deepness of Focus ）が不足してきている。この問題を解消するため、工程削減とデバイス平坦化対策の一環として、ＣＭＰ法が採用されている。
【０００３】
ＣＭＰ法は、従来のシリコン研磨の要領でデバイス表面と研磨パッド（研磨布）との間にスラリー状の研磨剤を介在させ、更に圧力および回転力を加えて機械的（物理的）に研磨しつつ化学反応作用を伴わせ、削りかすおよび反応物を除去しながら研磨を進行する方法である。そして、これらのパラメータを制御することにより、目的とする平坦化を実現している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このＣＭＰ法に用いられる装置では、装置自体の機械的精度（例えば垂直度あるいは平面度）、または、研磨パッド，研磨剤，研磨パッドの目詰まりを防ぐためのパッドコンディショナー，あるいはデバイスウェーハと研磨ヘッドとの間に装着されるパッキング材などの消耗材のばらつきなどにより研磨特性が悪化するという問題がある。特に、消耗材は、納入時の静物性は所望のスペックを満たしているが、実際の研磨プロセスで使用される場合には、わずかな静物性の違いが顕著に研磨特性に反映され、安定した研磨特性が得られない要因の一つとなっている。
【０００５】
このような消耗材の一例として、例えば図８に示したように、研磨ヘッドに装着されたウェーハの飛出しを防止するための環状保持部材（以下，リテーナリングという）がある。リテーナリング１１１は、例えばポリイミド系の樹脂またはセラミックなどの硬質な材料により構成されており、ウェーハの周縁を囲むように研磨ヘッドに取り付けられる。
【０００６】
図９は、このリテーナリング１１１を用いて構成された研磨ヘッドの一例を表している。このリテーナリング１１１は、研磨ヘッド１１２の周縁部に、例えばバッキングパッド１１４Ｂを介して取り付けられている。研磨ヘッド１１２には例えば窒素（Ｎ₂）／空気系による吸着機構１１３が設けられており、この吸着機構１１３によりウェーハＷがバッキングパッド１１４Ａを介して研磨ヘッド１１２に吸着されている。なお、この研磨ヘッド１１２は、ウェーハＷを装着したときにウェーハ面高さＨＷよりもリテーナ面高さＨＲの方が大きくなるリテーナ接地タイプの研磨ヘッドである。
【０００７】
図１０は、研磨ヘッド１１２によりウェーハＷの研磨を行っている際のウェーハＷの周縁（エッジ）部の状態を表すものである。研磨ヘッド１１２を高速回転させつつ、ウェーハＷにストレスを与えない程度の圧力で研磨パッド１１５に圧接させて、研磨剤１１６によりウェーハＷを研磨する。このとき、硬質なリテーナリング１１１の押圧力により例えば不織布などからなる比較的軟質な研磨パッド１１５が弾性的に変形する。すなわち、まず、リテーナリング１１１が接触した位置に、凹部１１５Ａが生じる。続いて、凹部１１５Ａの周辺に急激な反発力（リバウンド）が生じ、これにより凸部１１５Ｂが形成される。この凸部１１５Ｂでは弾性回復応力が集中するので、研磨レートが大幅に上昇し、研磨量が不均一になる。
【０００８】
このように、リテーナリング１１１の押圧力に対する研磨パッド１１５の弾性的なうねり（反発力）は、ウェーハＷに対する抗力の不均一を生じ、研磨量の不均一の原因となる。研磨量の不均一は、図１１に示したように、特にウェーハＷの周縁部（ウェーハＷの中心から遠い部分）において顕著であり、周縁部の過剰研磨を促進する。過剰研磨は、その部分に係るデバイスの不良をもたらし、ウェーハＷ内の収率を低下させ、ひいては歩留り向上の妨げとなっている。
【０００９】
上記のような問題は、図１２に示したリテーナリング１２１の場合にも生じている。このリテーナリング１２１を有する研磨ヘッド１２２は、ウェーハＷを装着したときにリテーナ面高さＨＲよりもウェーハ面高さＨＷの方が大きくなるウェーハ接地タイプの研磨ヘッドである。研磨ヘッド１２２は、例えば窒素／空気系による吸着機構１２３とダイヤフラム１２３Ａとが設けられており、この吸着機構１２３およびダイヤフラム１２３ＡによりウェーハＷがバッキングパッド１２４を介して研磨ヘッド１２２に吸着されている。
【００１０】
この研磨ヘッド１２２を用いてウェーハＷの研磨を行うと、図１３に示したように、研磨パッド１１５がウェーハＷのべベル部ＷＢに直接接触し、べベル部ＷＢの研磨量が研磨パッド１１５の静物性に左右される。したがって、べベル部ＷＢの研磨量の変動が一層大きくなる傾向があり、研磨量の均一性が悪化する。
【００１１】
従来、例えば図１４に示したように、研磨パッドに接触する面１３１Ａに放射状の複数の溝１３７を形成したリテーナリング１３１が開発されている。しかし、この放射状の複数の溝１３７の目的は主に研磨液（スラリー）を研磨ヘッドと研磨パッドとの間に回り込ませることにある。したがって、このようなリテーナリング１３１によっては、研磨パッドの弾性的なうねり（反発力）による研磨量の不均一を解消することはできない。
【００１２】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、リナーテリングまたはウェーハの押圧力に対する研磨パッドの弾性回復応力の集中によるウェーハの過剰研磨を防ぎ、ウェーハ研磨量の均一性を向上させることができる研磨装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による研磨装置は、表面に研磨剤を担持する研磨パッドと、被研磨物対象の半導体ウェーハを保持し、研磨パッドに対して相対的に回転しつつ半導体ウェーハを研磨する研磨ヘッドと、この研磨ヘッドに一体化され、回転時における半導体ウェーハの飛出しを防止するとともに、研磨パッドに対向する面に同心円形状の複数の環状溝を有する環状保持部材とを備え、環状溝の幅は環状保持部材の外側の端側に近づくにつれて広くなる構成を有するものである。環状溝の相互の間隔は環状保持部材の外側の端縁に近づくにつれて広くすることが望ましい。
【００１５】
本発明による研磨装置では、半導体ウェーハまたは環状保持部材の押圧力によって研磨パッドに反発力が同心円状に生ずるが、この反発力は環状保持部材に設けられた複数条の環状溝に吸収される。これらの環状溝の幅は環状保持部材の外側に近づくにつれて広くなっているので、研磨パッドに生じた反発力は半導体ウェーハから離れた位置で多く吸収される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図５は、本発明の一実施の形態に係る研磨装置全体の概略構成を表すものである。この研磨装置１０は、半導体装置製造プロセスにおいて層間絶縁膜や金属配線層の平坦化に用いられるものである。研磨装置１０は円盤状の研磨板２０を有し、この研磨板２０は矢印Ｒ方向に回転可能となっている。研磨板２０の上面には、例えば吸湿性繊維の不織布からなる研磨パッド１５が設置されている。研磨パッド１５の表面には、スラリーノズル２５から一定流量で研磨剤が滴下され、研磨剤は研磨板２０の回転により研磨パッド１５の表面に拡散される。一方、研磨ヘッド１２には、研磨パッド１５に対向する面にはウェーハが吸着され、ウェーハの周縁を囲むようにリテーナリング（環状保持部材）１１が設置されている。この研磨ヘッド１２は、圧力および回転力を加えつつウェーハを研磨パッド１５に圧接させることによりウェーハを研磨するようになっている。この研磨装置１０では、ウェーハ研磨と同時に、パッドコンディショナー２６も押圧力および回転力によって研磨パッド１５を研削しており、これにより研磨パッド１５の目詰まりが抑制される。
【００１８】
リテーナリング１１の研磨パッド１５に対向する面１１Ａには、図１（Ａ）に示したように、同心円状の複数、例えば３条の環状溝４１，４２，４３が設けられている。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の３０で示した部分を拡大して表したものである。環状溝４１，４２，４３は、リテーナリング１１の外側の端縁１１Ｂに近い環状溝ほど幅が広くなっている。すなわち、環状溝４１，４２，４３の幅Ｗ₄₁，Ｗ₄₂，Ｗ₄₃は、Ｗ₄₁＜Ｗ₄₂＜Ｗ₄₃の関係を満たしている。
【００１９】
また、これらの環状溝４１，４２，４３は、リテーナリング１１の外側の端縁１１Ｂに近づくにつれて間隔が広くなるように形成されている。すなわち、図１（Ｂ）において、間隔Ｐ₄₁，Ｐ₄₂，Ｐ₄₃，Ｐ₄₄は、Ｐ₄₁＜Ｐ₄₂＜Ｐ₄₃＜Ｐ₄₄の関係を満たしている。
【００２０】
図２は、リテーナリング１１の研磨ヘッド１２に対向する面１１Ｃから見た平面構造、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面構造をそれぞれ表している。環状溝４１〜４３それぞれの断面形状は矩形となっている。また、リテーナリング１１の研磨パッド１５に対向する面１１Ａはテーパが付けられており、外側の端縁１１Ｂから内側の端縁１１Ｄにかけて細くなる円錐台形の斜面に対応するテーパを有している。リテーナリング１１の研磨パッド１５に対向する面１１Ａが水平面に対してなす角θは、例えば１°〜３°の範囲であることが好ましい。
【００２１】
図４は、このリテーナリング１１がウェーハＷの周縁を囲むように研磨ヘッド１２に装着され、研磨パッド１５に圧接した状態を表している。ウェーハＷは、例えば窒素／空気系による吸着機構１３によりバッキングパッド１４を介して研磨ヘッド１２に吸着されている。研磨パッド１５の表面には研磨剤１６が拡散されている。
【００２２】
この研磨ヘッド１２を研磨パッド１５に圧接させると、リテーナリング１１の研磨パッド１５に対向する面１１Ａは上述のように円錐台の斜面となっているので、リテーナリング１１の外側の端縁１１Ｂ近傍において最も押圧力が強くなる。したがって、研磨パッド１５には、リテーナリング１１の外側の端縁１１Ｂ近傍に対応する位置に凹部１５Ａが生じる。この押圧力に対する弾性的なうねり（反発力）は、同心円状に形成された複数の環状溝４３，４２，４１に対応して凸部１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄに分散されて生じ、これらの環状溝４１〜４３により吸収される。したがって、ウェーハＷのべベル部ＷＢにはリテーナリング１１の押圧力に対する反発力が集中することはない。
【００２３】
図６は、本実施の形態のリテーナリング１１を用いた場合および従来のリテーナリングを用いた場合のウェーハＷの研磨量を対比して表したものである。従来のリテーナリングを用いた場合には、細線グラフ６１で示したように、ウェーハＷの周縁部（ウェーハＷの中心から遠い部分）において研磨量に顕著な不均一が生じている。これに対してリテーナリング１１を用いた場合には、太線グラフ６２に示したように、ウェーハＷの周縁部における研磨量の不均一が解消され、ウェーハＷ面内の均一性が向上している。
【００２４】
さらに、本実施の形態では、リテーナリング１１の内側の端縁下端部１１Ｄには、図３に示したように丸みが付けられている。これにより、図４に示したように、リテーナリング１１の内側の端縁下端部１１ＤがウェーハＷのべベル部ＷＢに直接接触することがなくなる。
【００２５】
このように本実施の形態によれば、リテーナリング１１の研磨パッド１５に対向する面１１Ａに同心円状の複数の環状溝４１，４２，４３を設けたので、リテーナリング１１による押圧力に対する研磨パッド１５の反発力はリテーナリング１１の複数の環状溝４１〜４３によって吸収され、ウェーハＷのべベル部ＷＢに対して過剰な弾性回復応力の集中を生じる虞がなくなる。したがって、ウェーハＷの研磨量の均一性が向上する。また、リソグラフィー工程においてウェーハＷの周縁部のＤＯＦマージンが確保されるので、デバイスの特性を破綻させることなく歩留りを向上させることが可能となり、チップの収率および利益率が高まる。
【００２６】
また、本実施の形態によれば、これらの環状溝４１〜４３は、リテーナリング１１の外側の端縁１１Ｂに近い環状溝ほど幅が広く、間隔も広くなるように形成されているので、ウェーハＷから離れた位置で反発力をより多く吸収することができる。
【００２７】
さらに、本実施の形態によれば、リテーナリング１１の内側の端縁下端部１１Ｄに丸みを有し、リテーナリング１１の内側の端縁１１ＤがウェーハＷのべベル部ＷＢに直接接触することがなくなるので、研磨パッド１５の静物性によるべベル部ＷＢの過剰研磨の虞がない。
【００２８】
加えてさらに、本実施の形態によれば、リテーナリング１１の研磨パッド１５に対向する面１１Ａはテーパが付けられており、外側の端縁１１Ｂから内側の端縁１１Ｄにかけて細くなる円錐台の斜面となっているので、ウェーハＷのべベル部ＷＢから離れた位置でリテーナリング１１の押圧力が最も強くなることになり、ウェーハＷのべベル部ＷＢに対する反発力の影響をより小さくすることができる。
【００２９】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、同心円状の３条の環状溝４１〜４３を形成するようにしたが、環状溝の数は３条以上であってもよいし、また２条以下でもよい。また、本発明は、上述のようなリテーナ接地タイプに限らず、図７に示したようなウェーハ接地タイプにも適用可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１ないし４のいずれか１項に記載の研磨装置によれば、環状保持部材の研磨パッドに対向する面に同心円形状の複数の環状溝を設け、これらの環状溝の幅を外側の端縁に近づくにつれて広くするようにしたので、環状保持部材または被研磨物対象の半導体ウェーハによる押圧力に対する研磨パッドの反発力は環状保持部材の複数の環状溝によって半導体ウェーハからは離れた位置で多く吸収され、半導体ウェーハの特にベベル部に対して過剰な弾性回復応力の集中を生じる虞がなくなる。したがって、半導体ウェーハの研磨量の均一性が向上する。また、リソグラフィー工程において半導体ウェーハの周縁部のＤＯＦマージンが確保されるので、デバイスの特性を破綻させることなく歩留りを向上させることが可能となり、チップの収率および利益率が高まる。
【００３１】
特に、請求項２記載の研磨装置によれば、複数の環状溝は環状保持部材の外側の端縁に近づくにつれて間隔が広くなるように形成されているので、被研磨物対象の半導体ウェーハから離れた位置で反発力をより多く吸収することができる。
【００３２】
また、特に、請求項３記載の研磨装置によれば、環状保持部材の内側の端縁に丸みを設けるようにしたので、環状保持部材の内側の端縁が被研磨物対象の半導体ウェーハのベベル部に直接接触することがなくなり、研磨パッドの静物性によるベベル部の過剰研磨の虞がない。
【００３３】
加えて特に、請求項４記載の研磨装置によれば、環状保持部材の研磨パッドに対向する面を、外側の端縁から内側の端縁にかけて細くなる円錐台の斜面とするようにしたので、被研磨物対象の半導体ウェーハのベベル部から離れた位置で環状保持部材の押圧力が最も強くなることになり、半導体ウェーハのベベル部に対する反発力の影響をより小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る研磨装置に用いられるリテーナリングを研磨パッドに対向する面の側から見た平面図である。
【図２】図１に示したリテーナリングの研磨ヘッドに取り付けられる面の側から見た平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】図１に示したリテーナリングを用いた研磨ヘッドの一例による研磨を説明するための一部拡大断面図である。
【図５】図１に示したリテーナリングを用いた研磨装置の概略構成を表す斜視図である。
【図６】図１に示したリテーナリングを用いた場合の研磨量を従来のリテーナリングを用いた場合と対比して表すグラフである。
【図７】研磨ヘッドの他の構成例を表す一部拡大断面図である。
【図８】従来のリテーナリングの一例を表す斜視図である。
【図９】従来のリテーナリングを用いた研磨ヘッドの一構成例を表す断面図である。
【図１０】図９に示した研磨ヘッドによる研磨を説明するための断面図である。
【図１１】図９に示した研磨ヘッドによる研磨量を表すグラフである。
【図１２】従来のリテーナリングを用いた研磨ヘッドの他の構成例を表す断面図である。
【図１３】図１２に示した研磨ヘッドによる研磨を説明するための断面図である。
【図１４】従来のリテーナリングの他の例を表す斜視図である。
【符号の説明】
１０…研磨装置、１１，２１…リテーナリング、１２，２２…研磨ヘッド、１３，２３…吸着機構、１４Ａ，１４Ｂ，２４…バッキングパッド、１５…研磨パッド、１６…研磨剤、２０…研磨板、２５…スラリーノズル、２６…パッドコンディショナー、４１，４２，４３…環状溝，Ｗ…ウェーハ，ＷＢ…べベル部

Claims

表面に研磨剤を担持する研磨パッドと、
被研磨物対象の半導体ウェーハを保持し、前記研磨パッドに対して相対的に回転しつつ前記半導体ウェーハを研磨する研磨ヘッドと、
この研磨ヘッドに一体化され、回転時における半導体ウェーハの飛出しを防止するとともに、前記研磨パッドに対向する面に同心円形状の複数の環状溝を有する環状保持部材とを備え、
前記複数の環状溝の幅は前記環状保持部材の外側の端縁に近づくにつれて広くなる
ことを特徴とする研磨装置。
前記複数の環状溝の相互の間隔は、前記環状保持部材の外側の端縁に近づくにつれて広くなる
ことを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
前記環状保持部材の少なくとも内側の端縁に丸みを有する
ことを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
前記環状保持部材の前記研磨パッドに対向する面は、外側の端縁から内側の端縁にかけて細くなる円錐台の斜面の形状をなす
ことを特徴とする請求項１記載の研磨装置。