JP4689241B2 - スラリー利用度を高める溝を有する研磨パッド - Google Patents

Description

本発明は一般に、ケミカルメカニカルポリッシングの分野に関する。より具体的には、本発明は、スラリー利用度を高める溝を有する研磨パッドに関する。

集積回路及び他の電子素子の製造においては、導体、半導体及び絶縁材料の多数の層を半導体ウェーハの表面に付着させたり同表面から除去したりする。導体、半導体及び絶縁材料の薄い層は、多数の付着技術によって付着させることができる。最新のウェーハ加工で一般的な付着技術は、スパッタリングとも知られる物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、プラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）及び電気化学的めっき法を含む。一般的な除去技術は、とりわけ、湿式及び乾式の等方性及び異方性のエッチングを含む。

材料層が逐次に付着され、除去されるにつれ、ウェーハの一番上の表面が非平坦になる。後続の半導体加工（たとえばメタライゼーション）はウェーハが平坦面を有することを要するため、ウェーハは平坦化されなければならない。望ましくない表面凹凸及び表面欠陥、たとえば粗面、凝集した材料、結晶格子の損傷、スクラッチ及び汚染された層もしくは材料を除去する際にはプラナリゼーションが有用である。

ケミカルメカニカルプラナリゼーション又はケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）は、半導体ウェーハのような加工物を平坦化するために使用される一般的な技術である。従来のＣＭＰでは、ウェーハキャリヤ又は研磨ヘッドがキャリヤアセンブリに取り付けられる。研磨ヘッドがウェーハを保持し、ウェーハを、ＣＭＰ装置中で研磨パッドの研磨層と接する状態に配置する。キャリヤアセンブリは、制御可能な圧力をウェーハと研磨パッドとの間に供給する。それと同時に、スラリー又は他の研磨媒体が研磨パッド上に流され、ウェーハと研磨層との隙間に流れ込む。研磨を有効にするためには、研磨パッド及びウェーハを互いに対して動かす、通常は回転させる。このようにして、ウェーハ表面は、研磨層及び表面上のスラリーの化学的かつ機械的作用によって研磨され、平坦化される。

研磨層を設計する際に考慮すべき重要な点は、とりわけ、研磨層の面におけるスラリーの分散、研磨領域への新鮮なスラリーの流れ、研磨領域からの使用済みスラリーの流れ及び実質的に使用されないまま研磨ゾーンを通過するスラリーの量を含む。これらの考慮すべき点に対処する一つの方法は、研磨層に溝を設けることである。何年にもわたり、多くの異なる溝パターン及び形状が具現化されてきた。従来技術の溝パターンは、とりわけ、放射状、同心円状、デカルト格子状及びらせん状を含む。従来技術の溝形状は、すべての溝の深さが均一である形状及び溝の深さが溝ごとに異なる形状を含む。

ＣＭＰ実施者の間では、匹敵しうる材料除去速度を達成する場合に特定の溝パターンが他のパターンよりも結果的に高いスラリー消費を生じさせるということが一般に認知されている。研磨層の外周に接続しない円形の溝は、パッド回転の力の下でスラリーが最短経路でパッド円周に達することを可能にする放射状の溝よりもスラリー消費が少ない傾向にある。研磨層の外周までに種々の長さの流路を提供するデカルト格子状の溝は中間的な立場をとる。

従来技術において、スラリー消費を減らし、研磨層上でのスラリー利用度を最大にしようとする種々の溝パターンが開示されている。たとえば、Nakajimaへの米国特許第６，１５９，０８８号は、一般にスラリーをパッドの中央部及び外周部の両方からウェーハトラックに向けて押しやる溝を有する研磨パッドを開示している。一つの実施態様では、各溝は、パッドの中心から放射状にウェーハトラックの縦中心線まで延びる第一の部分を有する。各溝の第二の部分は、第一の部分の中心線末端からパッドの外周まで、ほぼパッド回転の方向に延びる。１対の溝突起が、各溝の中、第一及び第二の部分の交差によって形成される叉（crotch）に存在する。これらの突起が、パッドが回転するとき叉に集まるスラリーがウェーハトラック内の研磨面へと容易に流れることを可能にする。Nakajimaの溝形状は、第一の部分に流れ込む新鮮なスラリーを、第二の部分に流れ込む「古い」スラリーと混合させ、ウェーハトラックに送ることを可能にする。スラリー消費を減らし、スラリー利用度を最大限にすると考えられてきた溝の他の例は、たとえば、パッド回転の力の下でスラリーを研磨層の中心に向けて押し出すと考えられるらせん状の溝、有効流動抵抗及び液体がパッドを通過するのに要する時間を増大させるジグザグ又はカーブした溝ならびにパッド回転の力の下でデカルト格子状の溝の長くまっすぐな通路よりも良好に液体を滞留させる相互接続した短い経路のネットワークを含む。

最高水準の計算流体力学的シミュレーションをはじめとする今日までのＣＭＰの研究及びモデル化が、一定の深さ又は徐々に変化する深さを有する溝のネットワークにおいて、各溝の最深部のスラリーがウェーハの下を接触しないで流れるため、有意量の研磨スラリーがウェーハと接しないおそれがあることを明らかにした。溝は、スラリーを確実に運ぶために最小限の深さで設けなければならないが、従来の研磨層においては、スラリーが研磨に加わることなく流れる途切れのない流路が加工物の下に存在するため、研磨層の表面が損耗するにつれ、研磨層に供給される利用されていないスラリーの一部で過度の深さが生じる。したがって、研磨層に供給されるスラリーの十分に利用されない量を減らし、結果的にスラリーの浪費を減らすようなやり方で設けられた溝を有する研磨層が要望される。

本発明の一つの態様で、半導体基材の表面を研磨するのに有用な研磨パッドであって、（ａ）加工物の表面を研磨するように配置された研磨領域を有する研磨層、及び（ｂ）研磨層に位置する複数の溝を含み、各溝が、（ｉ）少なくとも部分的に研磨領域の中に延び、（ii）研磨溶液の一部を受けるように配置されており、複数の溝の少なくともいくつかが、それぞれ、その溝の中の研磨溶液を混合するように配置されている複数の混合構造を含むものである研磨パッドを提供する。

本発明のもう一つの態様で、半導体基材をケミカルメカニカルポリッシングする方法であって、（ａ）研磨溶液を、研磨領域を有し、複数の溝を含む研磨層を含み、各溝が、（ｉ）上部及び下部を有し、（ii）少なくとも部分的に研磨ゾーンの中に延び、（iii）研磨溶液の一部を受け、複数の溝の少なくともいくつかが、それぞれ、その溝の中の研磨溶液を混合するように作用的に配置されている複数の混合構造を含むものである研磨パッドに供給する工程、（ｂ）研磨領域で半導体基材を研磨層と係合させる工程、及び（ｃ）研磨パッドを半導体基材に対して回転させて、複数の混合構造の少なくともいくつかと相互作用する流れを複数の溝それぞれに付与して、その溝の下部に位置する研磨溶液をその溝の上部に位置する研磨溶液と混合させる工程を含む方法を提供する。

本発明のもう一つの態様で、半導体基材の表面を研磨するために研磨溶液とともに使用するための研磨システムであって、（ａ）（ｉ）半導体基材の表面を研磨するように配置された研磨領域を有する研磨層、及び（ii）研磨層に位置する複数の溝を含み、各溝が、（Ａ）少なくとも部分的に研磨ゾーンの中に延び、（Ｂ）研磨溶液の一部を受けるように配置されており、複数の溝の少なくともいくつかが、それぞれ、その溝の中の溶液を混合するように配置されている複数の混合構造を含むものである研磨パッド、ならびに（ｂ）研磨溶液を研磨パッドに送るための研磨溶液送出しシステムを含む研磨システムを提供する。

図面を参照すると、図１は、符号１００によって指定される本発明のケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）システムを示す。ＣＭＰシステム１００は、半導体基材、たとえば半導体ウェーハ１２０又は他の加工物、たとえばとりわけガラス、シリコンウェーハ及び磁気情報記憶ディスクの研磨の際に研磨パッドに適用されるスラリー１１６又は他の液状研磨媒体の利用度を高めるように配置された複数の溝１１２を含む研磨層１０８を有する研磨パッド１０４を含む。便宜上、以後の記載では「ウェーハ」を使用する。しかし、当業者は、ウェーハ以外の加工物が本発明の範囲に入るということを理解するであろう。以下、研磨パッド１０４及びその独自の特徴を詳細に説明する。

ＣＭＰシステム１００は、プラテンドライバ１２８によって軸１２６を中心に回転可能である研磨プラテン１２４を含むことができる。プラテン１２４は、研磨パッド１０４が取り付けられる上面１３２を有することができる。軸１４０を中心に回転可能であるウェーハキャリヤ１３６を研磨層１０８の上方に支持することができる。ウェーハキャリヤ１３６は、ウェーハ１２０と係合する下面１４４を有することができる。ウェーハ１２０は、研磨層１０８と対面し、研磨中に平坦化される表面１４８を有する。ウェーハキャリヤ１３６は、ウェーハ１２０を回転させ、ウェーハ表面１４８を研磨層１０８に押し付けるためのダウンフォースＦを提供して、研磨中にウェーハ表面と研磨層との間に所望の圧力が存在するように適合されたキャリヤ支持アセンブリ１５２によって支持することができる。

ＣＭＰシステム１００はまた、研磨層１０８にスラリー１１６を供給するためのスラリー供給システム１５６を含むことができる。スラリー供給システム１５６は、スラリー１１６を保持するタンク１６０、たとえば温度制御式タンクを含むことができる。導管１６４がスラリー１１６をタンク１６０から研磨パッド１０４に隣接する位置まで運ぶことができ、その位置でスラリーが研磨層１０８の上に小出しされる。流量制御弁１６８を使用して研磨パッド１０４へのスラリー１１６の小出しを制御してもよい。

ＣＭＰシステム１００は、装填、研磨及び取り出し作業の間に種々のシステム構成部品、たとえばとりわけスラリー供給システム１５６の流量制御弁１６８、プラテンドライバ１２８及びキャリヤ支持アセンブリ１５２を制御するためのシステム制御装置１７２を備えることができる。典型的な実施態様では、システム制御装置１７２は、プロセッサ１７６、プロセッサに接続されたメモリ１８０ならびにプロセッサ、メモリ及びシステム制御装置の他の構成部品の動作を支援するための支援回路１８４を含む。

研磨作業中、システム制御装置１７２がプラテン１２４及び研磨パッド１０４を回転させ、スラリー供給システム１５６を起動してスラリー１１６を回転中の研磨パッド上に小出しさせる。スラリーは、研磨層１０８上に、ウェーハ１２０及び研磨パッド１０４の下の隙間を含めて一面に広がる。システム制御装置１７２はまた、ウェーハ表面１４８が研磨層１０８に対して動くように、ウェーハキャリヤ１３６を、選択した速度、たとえば０rpm〜１５０rpmで回転させる。システム制御装置１７２はさらに、ウェーハ１２０と研磨パッド１０４との間に所望の圧力、たとえば０psi〜１５psiの圧力を誘発するため、ウェーハキャリヤ１３６を制御してダウンフォースＦを提供する。システム制御装置１７２はさらに、通常は０〜１５０rpmの速度で回転させられる研磨プラテン１２４の回転速度を制御する。

図２は、図１の研磨パッド１０４として使用することもできるし、同様なパッドを使用する他の研磨システムで使用することもできる典型的な研磨パッド２００を示す。研磨パッド２００は、研磨中にウェーハ（図示せず）の表面に対面する研磨領域２０８を含む研磨層２０４を含む。図示する実施態様では、研磨パッド２００は、ウェーハ１２０が（そのものが回転する）プラテン１２４に対して固定位置で回転させられる図１のＣＭＰシステム１００での使用のために設計されている。したがって、研磨領域２０８は環状形であり、その幅Ｗが対応するウェーハ、たとえば図１のウェーハ１２０の直径に等しい。ウェーハが、回転させられるだけでなく、研磨層２０４に対して平行な方向に振動させられる実施態様では、研磨領域は２０８は同じく環状形であるが、幅Ｗは、振動範囲を考慮して、ウェーハの直径よりも大きくなる。他の実施態様では、研磨領域２０８は、研磨層２０４全体に延びてもよい。

研磨層２０４は、とりわけ研磨領域内でのスラリー滞留時間を増すためのような理由で、研磨領域２０８でのスラリー（図示せず）の分散及び流れを高めるための複数の溝２１２を含む。図示する実施態様では、溝２１２は、全体的にカーブした形であり、研磨層の中央部２１６からほぼ放射状に外に延びているということもできる。溝２１２はこのように示されているが、当業者は、本発明の基礎にある概念は、研磨層２０４内でいかなる形状及びパターンを画定する溝を使用してもよいということを容易に認めるであろう。たとえば、溝２１２は、先に背景技術部分で論じた他の形状、すなわち、いくつか挙げると、放射状、円形、デカルト格子状及びらせん状のいずれであってもよい。

研磨パッド２００は、いかなる従来の構造又は他のタイプの構造であってもよい。たとえば、研磨パッド２００は、とりわけ微孔質ポリウレタンでできていることができ、場合によっては、研磨中にパッドに対して適切な支持を提供するため、可撓性又は剛性の裏地（図示せず）を含むこともできる。溝２１２は、パッドを製造するために使用される材料に適したいかなる加工によって研磨パッド２００中に形成してもよい。たとえば、溝２１２は、とりわけ、研磨パッド２００と一体に成形してもよいし、パッドを形成したのちパッド中に切削してもよい。当業者は、本発明にしたがって研磨パッド２００を製造する方法を理解するであろう。

図３Ａは、図２の研磨パッド２００の溝２１２の一つの縦断面図を示す。溝２１２は、溝の長手に沿って位置して溝の底２２４を画定する（さらに陰影模様によって示す）複数の混合構造２２０を含む。一般に、混合構造２２０は、溝の下部２４０におけるスラリー２３６の流れを、この流れの層流化を阻止するのに十分なだけ乱す一連の山部２２８（又は、以下に述べるように台地状部）と谷部２３２を画定する。混合構造２２０が適切な形状及び大きさであるとき、この乱流は、溝２１２の上部２４４のスラリー２３６と溝の下部２４０のスラリーとの混合をいくらか生じさせる。

混合構造２２０が存在しないならば、先に背景技術部分で論じたように、溝２１２の上部２４４のスラリー２３６は活発に研磨に加わるが、溝の下部２４０のスラリーは通常、研磨パッド２００の回転による遠心力の作用及び研磨パッド２００とウェーハ、たとえば図１のウェーハ１２０との相対動により、活発に研磨に加わることなく研磨領域２０８（図２）を通り抜ける。しかし、混合構造２２０が存在すると、それによって誘発される乱流が、溝２１２の上部２４４及び下部２４０からのスラリー２３６を互いに混合させる。すなわち、乱流が、上部２４４からの「使用済み」スラリー２３６と、下部２４０からの「新鮮な」スラリーとを混合させて、より新鮮なスラリーが活発に研磨に加わる機会を与え、ウェーハ表面に隣接するスラリー中の活性化学種の結果的な定常状態濃度がより高くなるようにする。図３Ｂに示すように、溝２１２は、図示するように研磨層の表面２５２に対して垂直であることもできるし、同表面と９０°以外の角度を形成することもできる離間した壁２４８を含む。また、図３Ｂに示すように、溝２１２は、表面２５２に対して実質的に平行であるか、同表面と非ゼロ角を形成することができる底を有することができる。

再び図３Ａを参照すると、混合構造２２０は、溝２１２の公称深さＤに対して画定することができる。公称深さＤとは、研磨層２０８の表面２５２と、各谷部２３２の最下点を隣接する各谷部の最下点と接続することによって得られる線との間の垂直距離である。図３Ａの例では、すべての谷部２３２の最下点が研磨層２０８の表面２５２から同じ距離にあることが見てとれる。その結果、公称深さＤは、溝２１２の長手に沿って均一である。しかし、図３Ｃに示すように、溝２１２′の公称深さＤは、使用される混合構造２２０′の形状に依存して異なることができる。図３Ｄは、均一な大きさ及びピッチの複数の混合構造２２０″の存在で、いかに公称深さＤが溝２１２″の長手に沿って線形に変化するかを示す。当業者は、多様な大きさ及び形状の混合構造の選択及び使用に依存して公称深さＤが異なる多くの方法を容易に認めるであろう。

混合構造、たとえば図３Ａの混合構造２２０は一般に、公称深さＤに対するその高さＨ（図３Ａ）が一定の範囲に入り、溝２１２沿いの混合構造のピッチＰが一定範囲内にある場合にもっとも効果的である。これらの範囲は、混合構造２２０の形状及び得られる谷部２３２に応じて異なる。多くの形状が可能であるため、正確な範囲を提供することは現実的ではなく、むしろ、一般的な設計原理を提供することが現実的である。一般に、混合構造２２０の高さＨは、少なくともいくらかの混合を生じさせるのに十分な大きさでなければならないが、谷部２３２が非常に深くなって流れがそこで分断され、滞るような大きさであってはならない。混合構造２２０のピッチＰは、谷部２３２が流れを被るのに十分な大きさでなければならず、かつ、新鮮なスラリーと使用済みスラリーとの混合が弱すぎず、溝２１２の有意な長さに沿って起こるのに十分な小ささでなければならない。混合構造２２０が溝２１２の底２２４に図３Ａに示すような正弦波状の周期的な断面形状を提供する一つの実施態様では、良好な混合能力を生じさせると予想される混合構造２２０の高さＨ及びピッチＰは、高さに関しては公称深さＤの１０％〜５０％、好ましくは１５％〜３０％であり、ピッチＰに関しては公称深さＤの１〜４倍である。当業者は、これらの範囲が例を示すに過ぎず、他の範囲を除外するものではないことを理解するであろう。

加えて、混合構造２２０は周期的で互い同一であるように示されているが、そうある必要はないことが記される。むしろ、混合構造２２０のピッチＰ、高さＨ、形状又はそれらの組み合わせは異なることができる。さらには、混合構造２２０は通常、溝２１２の長手全体に沿って設けられるが、スラリー２３６の混合がもっとも望まれる一以上の特定領域だけに設けてもよい。たとえば、混合構造２２０は、研磨層２０４の研磨領域２０８だけに存在してもよい。同様に、研磨パッド２００上のすべての溝２１２に混合構造２２０を設けることができるが、そうする必要はない。望むならば、図２の研磨パッド２００の溝２１２の特定の溝だけに混合構造２２０を設けてもよい。たとえば、図２の溝２１２に関して、とりわけ、１本置きの溝又は２本置きの溝に混合構造２２０を設けなくてもよい。

図４Ａ〜４Ｇは、研磨パッド、たとえば図１及び２の研磨パッド１０４及び２００それぞれの溝の中の混合構造に使用することができる代替形状の見本を示す。図４Ａでは、各混合構造３００は三角形であり、略Ｖ字形の谷部３０４を形成している。図４Ｂは、溝４０８の底４０４に対して同一でない上傾斜及び下傾斜のパターンを付与する斜め鋸歯状の混合構造４００を示す。図４Ｃは、交互に位置する二つの高い部分を有する丘状の混合構造５００、５２０を示す。図４Ｄの混合構造６００は、扇形の谷部６０４を画定する形状である。図４Ｅの混合構造７００はそれぞれアーチ形の上面７０４を有している。図４Ｆの混合構造８００は、ほぼ台形であって台地状部８０４を画定している。図４Ｇは、いくぶん不規則性を有する形状の混合構造９００を示す。本発明の混合構造に使用することができる種々の形状に関して、山部から谷部への移行が急峻ではなく滑らかであることが、必要ではないとしても望ましい。同様に、谷部の底での移行が急峻ではなく滑らかであることが、必要ではないとしても望ましい。

図５Ａ〜５Ｃは、本発明の研磨パッドの溝、たとえば図１及び２の研磨パッドの溝１１２、２１２それぞれの中の混合構造、特に、溝の長手方向に変化するだけでなく、溝の断面方向にも変化する高さＨを有する混合構造に使用することができるさらなる代替形状の見本を示す。図５Ａは、（溝９４６の両側面が溝の底に当たる）二つの同一形状９４２、９４４を溝の長手方向に互いにずらし、対応する点どうしを直線９４８によって接続した場合に得られる混合構造９４０を示す。図５Ｂは、二つの同一形状９５２、９５４を溝９５６の深さ方向に互いにずらし、対応する点どうしを直線９５８によって接続した場合に得られる混合構造９５０を示す。図５Ｃは、溝９６６の対向面を占める二つの別々の組の構造９６２、９６４として形成されて、一般に溝の断面形状が高さ方向に不連続部を有するようにした混合構造９６０を示す。

本発明のケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）システムの一部概略一部斜視図である。 図１のＣＭＰシステムで使用するのに適した本発明の研磨パッドの平面図である。 溝の一つの縦中心線から見た、溝の中に設けられた複数の混合構造を示す、図２の研磨パッドの拡大断面図である。 図３Ａの３Ｂ−３Ｂ線から見た、図２の研磨パッドの断面図である。 溝の中に設けられた複数の代替混合構造を含む溝の拡大縦断面図である。 複数の混合構造及び溝の長手に沿って線形に変化する公称深さを含む溝の拡大縦断面図である。 種々の代替混合構造を示す、本発明の研磨パッド溝の斜視図である。 種々の代替混合構造を示す、本発明の研磨パッド溝の斜視図である。 種々の代替混合構造を示す、本発明の研磨パッド溝の斜視図である。 種々の代替混合構造を示す、本発明の研磨パッド溝の斜視図である。 種々の代替混合構造を示す、本発明の研磨パッド溝の斜視図である。 種々の代替混合構造を示す、本発明の研磨パッド溝の斜視図である。 種々の代替混合構造を示す、本発明の研磨パッド溝の斜視図である。 より複雑な種々の混合構造を示す、本発明の研磨パッド溝の斜視図及び対応する断面図である。 より複雑な種々の混合構造を示す、本発明の研磨パッド溝の斜視図及び対応する断面図である。 より複雑な種々の混合構造を示す、本発明の研磨パッド溝の斜視図及び対応する断面図である。

Claims (4)

1. 半導体基材の表面を研磨するのに有用な研磨パッドであって、
   （ａ）加工物の表面を研磨するように配置された研磨領域を有する研磨層、及び
   （ｂ）前記研磨層に位置する複数の溝を含み、各溝が、
   （ｉ）少なくとも部分的に前記研磨領域の中に延び、及び深さＤを有し、
   （ii）研磨溶液の一部を受けるように配置されており、
   前記複数の溝の少なくともいくつかが、それぞれ、その溝の中の前記研磨溶液を混合するように配置されている複数の混合構造を含み、混合構造が高さＨ及びピッチＰを有し、複数の混合構造が一連の山部と谷部とを含むものであり、前記複数の混合構造のそれぞれが、それぞれの溝の前記深さＤの１０％〜５０％に等しい高さＨを有する研磨パッド。
2. 前記複数の溝の各対応する溝の中の前記複数の混合構造それぞれが周期的ピッチを有する、請求項１記載の研磨パッド。
3. 前記複数の溝の各対応する溝の中の前記複数の混合構造それぞれが互いに同じ形状を有する、請求項２記載の研磨パッド。
4. 前記複数の混合構造それぞれを含む前記複数の溝の各溝が、前記深さＤないし前記深さＤの４倍に等しい周期的ピッチを有する、請求項１記載の研磨パッド。

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