JP4608218B2 - 研磨装置及びこれを使用する研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、研磨装置及び研磨方法に関する。さらに詳しく説明すると、研磨工程が進行される時、被研磨物（例えば半導体基板）に加わる圧力がウエハー全面に至って均等に作用されるようにすることによって、被研磨物の研磨厚さの不均衡を防ぐようにする研磨装置及び研磨方法（ＰＯＬＩＳＨＩＮＧ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＴＨＥ ＰＯＬＩＳＨＩＮＧ ＭＥＴＨＯＤ ＵＳＩＮＧ ＴＨＥ ＳＡＭＥ）に関する。

半導体基板上に堆積している金属膜（Ｃｕ、Ｗ、Ａｌなど）を平坦化して、例えばＣｕダマシーンなどの金属埋め立て配線を形成する時、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学的機械的研磨）が利用されている。

そして、配線幅が異なる金属埋め立て配線を同時に形成する際に、幅が異なる複数の溝の上に金属膜を堆積させると金属膜の表面に凹凸（段差）が形成されることが知られている。

従来、この金属膜の段差を緩和するために、研磨パッドの硬度と研磨パッドの回転速度を制御して研磨（化学的機械的研磨）を行っている。

前記化学的機械的研磨工程では、回転している研磨パッドに半導体基板であるウエハーを摩擦させていろいろな膜質を研磨する。この時、研磨される量（食刻量）は研磨パッドとウエハーとの間の摩擦力の大きさによって変わる。

従って、その摩擦力の大きさを均一にするためのものとして日本公開特許公報（特開平８−１５５８３１号発明の名称：研磨装置及び研磨方法）に開示されている。

その構成を調べてみると、ウエハーチャックテーブルの内部に第１磁気発生体と、ターンテーブルの内部に第１磁気発生体が発生する磁気と対応して反発する磁気を発生させる第２磁気発生体をそれぞれ設置して、前記第１磁気発生体が発生する磁気と第２磁気発生体が発生する磁気によって発生する斥力によってウエハーチャックテーブル下面とターンテーブルの上面との間の間隔が平行に維持されるようにして均一な研磨膜を形成するようにしている。

次に、前述した摩擦力の大きさを決定する要素のうち、もう一つはウエハーの裏面でウエハー上に作用する圧力がある。

前記ウエハーの裏面に加わる圧力の大きさを調節するための装置として米国特許（特許番号５，８２２，２４３、発明の名称：動的コントロールを利用している半導体ウエハー研磨方法）に開示されている。

この発明は、モデュレーションユニットを有するキャリアーヘッドを含み、そのモデュレーションユニットは可溶性の下部プレートと多数の分割板からなる上部分割プレートで構成されている複数のキャパシターを含んでいる。

コントローラーモニターは、所定の静電容量に対して各上部分割プレートと下部プレートとの間の静電容量を比較し、測定された大きさと定められた静電容量とが異なる場合、コントローラーはそれぞれの上部分割プレートに適切な電圧を調節して定められた静電容量に合わせる。従って、ウエハー研磨作業を動的で、局部的に遂行できるようにしている。

また、従来ではウエハー裏面に加わる圧力の大きさを調節するためのものとして、Ｎ_２ガスまたは空気の圧力を変化させることに頼っていた。

図１は、そのようなウエハー裏面に加わる圧力の大きさを調節するための構成を示す図であり、図に示されたように上面に研磨布１をつけた回転するターンテーブル３と回転及び加圧可能なように設置されて研磨対象物であるウエハーＷを維持するキャリアーヘッド１０と、研磨布１に研磨液Ｓを供給する研磨液供給ノズル７を備えている。キャリアーヘッド１０は、シャフト１１に連結されている。

前記キャリアーヘッド１０は、研磨中に被研磨物（以下“ウエハー”と称する）９がキャリアーヘッド１０の下面から外れないようにするために円筒形状のガイドリング１３を外側の端の部分に備えており、ガイドリング１３はキャリアーヘッド１０に対して固定されていて、その下断面はキャリアーヘッド１０の維持面から突出するように形成されてウエハー９が維持面内に維持され、研磨中に研磨布１との摩擦力によってキャリアーヘッド１０の外に飛び出さないようになっている。

前記キャリアーヘッド１０の内部には、図２及び図３に示されたようにその内部にエアーが供給されるバレル部１５が備えられ、前記バレル部１５は同心円形態をなし所定の空間１５ａ、１５ｂ、１５ｃに区切って形成されている。

各区切られたバレル部１５ａ、１５ｂ、１５ｃには、多数のエアー供給口１６ａ、１６ｂ、１６ｃが突出され、前記エアー供給口１６ａ、１６ｂ、１６ｃに連結管１７ａ、１７ｂ、１７ｃを媒介としてエアー供給管１９ａ、１９ｂ、１９ｃがはめられ図には示されていないが、エアー供給装置からエアーが供給されるように構成されている。

前述したように構成されている従来の研磨装置は、ウエハー９をキャリアーヘッド１０下面に維持し、ターンテーブル３上の研磨布１にウエハー９をキャリアーヘッド１０によって加圧すると同時に、ターンテーブル３及びキャリアーヘッド１０を回転させて研磨布１とウエハー９を相対運動させて研磨する。この時、研磨液供給ノズル７から研磨布１上に研磨液Ｓを供給する。研磨液Ｓは例えばアルカリ溶液に微粒子からなる微粒子を懸濁させたものを使用し、アルカリ液による化学的研磨作用と、微粒子による機械的研磨作用の複合作用によりウエハー９を研磨する。

前記ウエハー９がキャリアーヘッド１０によって加圧される方法は、前記エアー供給管１９ａ、１９ｂ、１９ｃを通って供給されるエアーが前記バレル部１５の区切られた所定の空間１５ａ、１５ｂ、１５ｃからそれぞれ流入されて加圧されることによってウエハー９が押されるようになる。これによりウエハー９は、適正水準の接触力を維持して研磨工程を実施する。

しかし、前述したように構成された従来の研磨装置は、前記キャリアーヘッド１０の加圧力をエアー供給構造にしたためにいろいろな問題点を有する。

それについて説明すると、まず、エアー供給口１６ａ、１６ｂ、１６ｃ及びエアー供給管１９ａ、１９ｂ、１９ｃが連結部材１７ａ、１７ｂ、１７ｃを媒介として連結されることによってその連結部材１７ａ、１７ｂ、１７ｃと連結された部分を通じてエアーリーク（ａｉｒ ｌｅａｋ）が発生する可能性が高いという問題点がある
次に、二つ目の問題点は、エアー供給口（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ）の位置がバレル部１５の空間部１５ａ、１５ｂ、１５ｃの一側に偏る構造を有することによってエアー供給口１６ａ、１６ｂ、１６ｃ側に供給されたエアーは図３に示されたように矢印方法（時計、反時計方向）に沿って流動されて分布するようになるが、前記エアー供給口１６ａ、１６ｂ、１６ｃ側及びその反対側（Ａ、Ｂ、Ｃ表示部）に位置する部分との圧力差が発生してウエハー９を均一に加圧できなくなる。

前述したように均一な圧力分布が難しくなることによって研磨膜の厚さが不均一になる問題点がある。
特開平８−１５５８３１号公報 米国特許第５，８２２，２４３号明細書

従って、本発明は前述した問題点を解決するために案出されたものであり、本発明の目的は、被研磨物の裏面に加わる裏面圧力をウエハーの全体面にわたって均等に作用するようにさせ、被研磨物の研磨厚さを均一にする研磨装置及び研磨方法を提供する。

前述した目的を達成するために本発明は、その上面に研磨布が備えられ所定の方向に回転するターンテーブルと、前記ターンテーブル上の研磨布に被研磨物を加圧すると同時に所定の方向に回転して前記被研磨物を回転する前記研磨布と相対運動させて研磨を実施するキャリアーヘッドと、前記キャリアーヘッドの内部に設置されて第１磁気力を発生させる複数の第１磁気発生体と、前記キャリアーヘッドの内部で、前記第１磁気発生体に対応する位置に設置されて前記第１磁気発生体の前記第１磁気力に対応する斥力または引力を発生させる複数の第２磁気発生体とを備え、前記第１磁気発生体と前記第２磁気発生体とは、互いに所定距離分離隔されて互いに対向するように積層構造を成す、磁気加圧力調整手段とを有し、前記磁気加圧力調整手段は、前記相対運動によって研磨された前記被研磨物の研磨膜厚さを検出する研磨膜厚さ検出手段と、前記研磨膜厚さ検出手段によって検出された研磨膜の厚さと基準厚さを比較した結果により前記第２磁気発生体の極性及び磁力を調整する磁力調整手段と、を有することを特徴とする。

前記第１磁気発生体は永久磁石で構成され、前記第２磁気発生体は電磁石で構成される。

前記第１磁気発生体は前記キャリアーヘッドの下部に設置され、前記第２磁気発生体は前記第１磁気発生体の上部側に設置される。

前記第２磁気発生体は前記キャリアーヘッドの下部に設置され、前記第１磁気発生体は前記第２磁気発生体の上部に設置される。

前記第１磁気発生体は円形をなすセンター永久磁石と、前記センター永久磁石の外側に環形に配置されるミドル永久磁石と、前記ミドル永久磁石の外側に環形に配置されるエッジ永久磁石を備え、前記第２磁気発生体は円形を成すセンター電磁石と、前記センター電磁石の外側に環形に配置されるミドル電磁石と、前記ミドル電磁石の外側に環形に配置されるエッジ電磁石とを備える。

前記センター永久磁石、ミドル永久磁石、エッジ永久磁石のそれぞれの間、及び前記センター電磁石、ミドル電磁石、エッジ電磁石のそれぞれの間には絶縁膜が介在される。

前述したように本発明は、キャリアーヘッドの圧力を磁気加圧調整手段によって調整できるように構成され、被研磨物全体面にわたって加圧力が均一に分布し、均一な研磨膜を形成するというメリットがある。

以下、図面を参照して、本発明の一実施例による研磨装置の構成及び作用についてさらに詳しく説明する。

図４は本発明の一実施例による化学的機械的研磨装置のキャリアーヘッドの構成を示した図であり、図５は図４の５Ａ−５Ａの断面図であり、図６は図４の５Ｂ−５Ｂの断面図である。

図４に示したように、この研磨装置は、その上面に研磨布１０１が設けられた回転するターンテーブル１０３と、回転及び加圧できるように被研磨物１０２であるウエハーを維持させるキャリアーヘッド１０５がある。

前記キャリアーヘッド１０５は、その内部に第１磁気力を発生させる第１磁気発生体１１１と、前記第１磁気発生体１１１に対応する位置に設けられて前記第１磁気発生体１１１の前記第１磁気力に対応する引力及び斥力を発生させる第２磁気発生体１１５とを備える。

また、この研磨装置は、前記第１磁気発生体１１１及び第２磁気発生体１１２の引力及び斥力を調整することによって前記キャリアーヘッド１０５の加圧程度を調節する磁気加圧力調整手段１１０を備える。

前記第１磁気発生体１１１は、永久磁石にすることが望ましく、前記第２磁気発生体１１５は、その加わる電流の方向及び強さによって前記第１磁気発生体１１１に対応する斥力及び引力が発生されるとともにその強さが調整される電磁石にすることが望ましい。

ここで前記第１磁気発生体１１１は、図に示されたようにキャリアーヘッド１０５の下部に設け、前記第１磁気発生体１１１の上方側に第２磁気発生体１１５を配置することができる。また、反対に前記第２磁気発生体１１５を前記キャリアーヘッド１０５の下部に設け、前記第１磁気発生体１１１を前記第２磁気発生体１１５の上方側に配置してもよい。

しかし、第２磁気発生体１１５に電流が供給される電源連結ライン１１６が設けられることを勘案した場合、図４に示されたように、上方に配置することが望ましい。

前記第１磁気発生体１１１は、同心円形状に配置されるものであり（図６参照）、その構成は円形を成すセンター永久磁石１１１ａと、前記センター永久磁石１１１ａの外側に環形に配置されるミドル永久磁石１１１ｂ、さらにミドル永久磁石１１１ｂの外側に環形に配置されるエッジ永久磁石１１１ｃで構成される。

前記第２磁気発生体１１５は前記第１磁気発生体１１１に対応して形状であり（図５参照）、円形を成すセンター電磁石１１５ａと、前記センター電磁石１１５ａの外側に環形に配置されるミドル電磁石１１５ｂと、さらにミドル電磁石１１５ｂの外側に環形に配置されるエッジ電磁石１１５ｃで構成される。

前述したようにセンター永久磁石１１１ａ、ミドル永久磁石１１１ｂ、エッジ永久磁石１１１ｃ、及びセンター電磁石１１５ａ、ミドル電磁石１１５ｂ、エッジ電磁石１１５ｃで構成することにおいて、各磁石の間には、絶縁膜１１７を介在させてそれぞれの極性に影響を及ばないようにすることが望ましい。

次に、前述した構成に加え、図７で示されたように、磁気加圧力調整手段１１０は、被研磨物１０２の研磨膜厚さを感知する研磨膜厚さ検出手段１２１、１２１ｓと、前記研磨膜厚さ検出手段１２１によって検出された研磨膜厚さの結果値が入力され、基準厚さの値に対する差を比較判断して、その判断結果から第２磁気発生体１１５のセンター電磁石１１５ａ、ミドル電磁石１１５ｂ、エッジ電磁石１１５ｃの強さ及び極性を調整する磁力調整手段１２３を有することが望ましい。

前記センター電磁石１１５ａ、ミドル電磁石１１５ｂ、エッジ電磁石１１５ｃの極性は、電源１２５から供給される電流の方向を変えることで成り立ち、前記磁力の強さは前記電源１２５から供給される電流の量を調節することで成り立つ。

次に、前述したように構成された本発明の一実施例による研磨装置の動作原理について説明する。

まず、被研磨物１０２をキャリアーヘッド１１０の底面に図示されてない吸着手段によって固定させた後、研磨布１０１の上面と接触させる。

次に、前記電源１２５からそれぞれのセンター電磁石１１５ａ、ミドル電磁石１１５ｂ、エッジ電磁石１１５ｃに供給される電流の強さ及び電流の方向を調節して第１磁気発生体１１１を構成するセンター永久磁石１１１ａ、ミドル永久磁石１１１ｂ、エッジ永久磁石１１１ｃに対応する斥力または、引力を形成するとともに、その強さを調節して被研磨物１０２を所定の加圧力で押す。

その後、前記キャリアーヘッド１１０及びターンテーブル１０３を所定の方向に回転させて研磨工程を実施することになるが、そのような研磨工程によって研磨される被研磨物１０２の研磨膜厚さが研磨膜厚さ検出手段１２１によって検出される。

研磨膜厚さ検出手段１２１によって検出された厚さの結果が磁力調整手段１２３に伝達されて、基準厚さとの誤差値が算出される。その結果から磁力調整手段１２３が再び第２磁気発生体１１５のセンター電磁石１１５ａ、ミドル電磁石１１５ｂ、エッジ電磁石１１５ｃの極性及び磁力の強さを調整して被研磨物１０２に加わる加圧力を調整する。

以上のように、本発明の望ましい実施例を説明したが、当該技術分野の熟練した当業者は、前記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から外れない範囲内で、本発明を多様に修正及び変更させられることが理解できる。従って、本発明の範囲は、説明された実施例に局限されず、前述の特許請求範囲のみでなくこの特許請求範囲と均等なものも含め定められなければならない。

従来の化学的機械的研磨装置の構成を示す模式図である。 図１のキャリアーヘッドの構成を示す縦断面図である。 図２のキャリアーヘッドの横断面図である。 本発明の一実施例による化学的機械的研磨装置のキャリアーヘッドの構成を示した図である。 図４の５Ａ−５Ａの断面図である。 図４の５Ｂ−５Ｂの断面図である。 本発明の一実施例による化学的機械的研磨装置の磁気加圧力調整手段の構成を示したブロック図である。

符号の説明

１０１ 研磨布
１０２ 被研磨物
１０３ ターンテーブル
１０５ キャリアーヘッド
１１０ 磁気加圧力調整手段
１１１ 第１磁気発生体
１１１ａ センター永久磁石
１１１ｂ ミドル永久磁石
１１１ｃ エッジ永久磁石
１１５ 第２磁気発生体
１１５ａ センター電磁石
１１５ｂ ミドル電磁石
１１５ｃ エッジ電磁石
１２１ 研磨膜厚さ検出手段
１２３ 磁力調整手段
１２５ 電源

Claims (6)

1. その上面に研磨布が具備され所定の方向に回転するターンテーブルと、
   前記ターンテーブル上の研磨布に被研磨物を加圧すると同時に所定の方向に回転して前記被研磨物を回転する前記研磨布と相対運動させて研磨を実施するキャリアーヘッドと、
   前記キャリアーヘッドの内部に設けられて第１磁気力を発生させる複数の第１磁気発生体と、前記キャリアーヘッドの内部で、前記第１磁気発生体に対応する位置に設けられて、前記第１磁気発生体の前記第１磁気力に対応する斥力または引力を発生させる複数の第２磁気発生体とを備え、前記第１磁気発生体と前記第２磁気発生体とは、互いに所定距離分離隔されて互いに対向するように積層構造を成す、磁気加圧力調整手段と、を有し、
   前記磁気加圧力調整手段は、
   前記相対運動によって研磨された前記被研磨物の研磨膜厚さを検出する研磨膜厚さ検出手段と、
   前記研磨膜厚さ検出手段によって検出された研磨膜の厚さと基準厚さを比較した結果により前記第２磁気発生体の極性及び磁力を調整する磁力調整手段と、を有することを特徴とする研磨装置。
2. 前記第１磁気発生体は永久磁石であり、
   前記第２磁気発生体は電磁石でなっていることを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
3. 前記第１磁気発生体は、前記キャリアーヘッドの下部に設けられ、
   前記第２磁気発生体は、前記第１磁気発生体の上部側に設けられることを特徴とする請求項１または２記載の研磨装置。
4. 前記第２磁気発生体は、前記キャリアーヘッドの下部に設けられ、
   前記第１磁気発生体は、前記第２磁気発生体の上部に設けられることを特徴とする請求項１または２記載の研磨装置。
5. 前記第１磁気発生体は、円形を成すセンター永久磁石と、
   前記センター永久磁石の外側に環形に配置されるミドル永久磁石と、
   前記ミドル永久磁石の外側に環形に配置されるエッジ永久磁石と、
   を含み、
   前記第２磁気発生体は、円形を成すセンター電磁石と、
   前記センター電磁石の外側に環形に配置されるミドル電磁石と、
   前記ミドル電磁石の外側に環形に配置されるエッジ電磁石と、
   を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の研磨装置。
6. 前記センター永久磁石、ミドル永久磁石、エッジ永久磁石のそれぞれの間、及び前記センター電磁石、ミドル電磁石、エッジ電磁石のそれぞれの間には絶縁膜が介在されることを特徴とする請求項５記載の研磨装置。

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