JP4709818B2 - 温度制御研磨ヘッドを有する化学機械研磨システム - Google Patents

Description

本発明は集積回路製造装置に関し、特に化学機械研磨装置に関する。

集積回路を製造するときは、一般に化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈ：ＣＭＰ）を行う。一般に、化学機械研磨は、半導体ウェーハの平坦化に使用される。化学機械研磨は、物理的な力と化学的な力との相乗効果を利用し、ウェーハを研磨する。研磨パッド上にウェーハを載置し、ウェーハの背面に負荷力を加える。研磨パッドは、ウェーハに対して設置する。研磨パッドとウェーハとは、砥粒及び反応性化学薬品の両方を含むスラリーがその間を通る時に、互いに逆回転する。化学機械研磨は、ウェーハのグローバルな平坦化を効果的に行うことができる。

しかしながら、様々な要因により均一な研磨を行うことは困難であった。例えば、スラリーが研磨パッドの上部又は底部から供給されると、ウェーハの各領域の研磨率が不均一となった。例えば、スラリーが上部から供給される場合、一般にウェーハの化学機械研磨速度は、中心部よりも縁部の方が速かった。反対に、スラリーが底部から供給される場合、一般にウェーハの化学機械研磨速度は、縁部よりも中心部の方が速かった。研磨率の不均一性を低減させるために、ウェーハの異なる位置に加えられる圧力は調整する必要がある。つまり、化学機械研磨速度の低い領域がある場合、その領域に高い圧力を加えて低い化学機械研磨速度を補償する。この高い圧力により、化学機械研磨速度を増大させ、スループットを向上させることができる。

しかし、圧力により化学機械研磨速度を補償する方法には限界があった。圧力は、一般に単一膜を介して加えられるため、ウェーハの一領域に圧力が加えられると、不可避的に近傍領域の圧力も高くなる。そのため、補償効果が低減してしまうことがあった。さらに、ウェーハに加えられる高い圧力は、ウェーハを不必要に複雑にすることがあった。そのため、ウェーハを不必要に複雑にせずに、化学機械研磨の速度及び／又は化学機械研磨の均一性を向上させることのできる化学機械研磨システムが望まれていた。

本発明の目的は、研磨速度を増大させて研磨の均一性を向上させる温度制御研磨ヘッドを有する化学機械研磨システムを提供することにある。

（１） ウェーハの研磨に用いる化学機械研磨システムであって、研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドに接続され、熱媒体が充填された内管と、前記内管に接続された媒体加熱装置と、前記内管に接続された圧力制御装置と、前記研磨ヘッドの中に位置し、前記内管に接続されたローディング室と、前記ローディング室の一辺に形成され、熱伝導性を有する薄膜と、空液変換装置と、を備え、前記薄膜の熱伝導率は、０．２Ｗ／（ｍ×Ｋ）よりも大きく、前記空液変換装置は、前記内管に接続され、前記内管は、前記空液変換装置により前記ローディング室に接続された第１の部分と、前記圧力制御装置に接続された第２の部分とに分けられ、前記第１の部分は液体が充填され、前記第２の部分は空気が充填されるか又は真空状態にされ、前記媒体加熱装置は、前記第１の部分に接続されることを特徴とする化学機械研磨システム。

（２） 前記空液変換装置は、弾性薄膜を有する圧力室を含み、前記圧力室は、前記弾性薄膜により２つの部分に分けられる（１）に記載の化学機械研磨システム。

（３） 前記研磨ヘッドに位置し、前記熱媒体が充填された付加的ローディング室と、前記付加的ローディング室及び前記圧力制御装置に接続された付加的内管と、前記付加的内管に接続された付加的媒体加熱装置と、をさらに備える（１）に記載の化学機械研磨システム。

（４） ウェーハの研磨に用いる化学機械研磨システムであって、研磨ヘッドと、複数の内管と、前記研磨ヘッドの中に位置して各々が分離され、前記内管に各々接続された複数のローディング室と、前記ローディング室に隣接した薄膜と、前記内管に各々接続された複数の媒体加熱装置と、前記内管に接続された圧力制御装置と、前記内管に各々接続され、前記ローディング室を液体で充填する複数の空液変換装置と、を備え、前記薄膜の熱伝導率は、０．２Ｗ／（ｍ×Ｋ）よりも大きく、前記空液変換装置の各々は、圧力室と、該圧力室を第１の部分及び第２の部分に分ける弾性薄膜とを含み、前記第１の部分は、前記液体が充填され、前記ローディング室に各々接続され、前記第２の部分は、前記圧力制御装置に接続され、前記媒体加熱装置が前記第１の部分に接続されることを特徴とする化学機械研磨システム。

本発明の温度制御研磨ヘッドを有する化学機械研磨システムは、研磨速度を増大させて研磨の均一性を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。

図１を参照する。図１は、本発明の一実施形態による化学機械研磨システムを示す。この化学機械研磨システムは、研磨ヘッド２、薄膜４、ウェーハ６及び研磨パッド８を含む。研磨パッド８は、研磨工程中にウェーハ６と接触する。研磨パッド８は、定盤１０に付着されている。化学機械研磨工程では、研磨ヘッド２が研磨パッド８の中心部と縁部との間を前後に移動するときに、研磨パッド８が一定の速度で回転する。ウェーハ６の研磨は、研磨ヘッド２及び研磨パッド８を移動させることにより行う。

研磨ヘッド２は、研磨ヘッド２の外縁に取り付けられたリング状の保持リング１２を含む。化学機械研磨工程を行う際、ウェーハ６は、保持リング１２により閉じ込められ、研磨ヘッド２とともに移動する。薄膜４は、柔軟性弾性材料からなる円形シートであり、薄膜４の縁部は、保持リング１２の内側面に沿って延伸されている。薄膜４は、内管１６に接続されたローディング室１４下に配置される。

化学機械研磨システムは、ローディング室１４の圧力を制御する圧力制御装置１８をさらに含む。化学機械研磨工程において、圧力制御装置１８は、内管１６を介して空気などの圧力媒体をローディング室１４へ供給する。説明全体において、圧力媒体は、付加機能のための熱媒体として読み替えてもよい。薄膜４は弾性を備えるため、ローディング室１４の中の気圧が薄膜４を介してウェーハ６に下向きの力を加える。研磨が完了すると、ローディング室１４から空気が吸い出され、薄膜４が上向きに移動する。その結果、ウェーハ６には、その上方に真空が形成されて上向きの力が発生し、ウェーハ６とスラリーとの間の表面張力に対抗する。これにより、ウェーハ６は持ち上げられる。

本発明の好適な一実施形態において、圧力媒体は、ローディング室１４へ吸い入れられる前に予熱される。第１実施形態では、媒体加熱装置２０が圧力制御装置１８に接続されている。第２実施形態では、媒体加熱装置２０が圧力制御装置１８と一体化されている。第３実施形態では、媒体加熱装置２０に内管１６が取り付けられている。好適には、ローディング室１４の中の加熱空気が薄膜４を加熱し、ウェーハ６をさらに加熱する。当業者であれば分かるように、化学機械研磨工程には、化学的反応及び機械的動作が含まれ、化学的反応の速度は温度に対して敏感である。一般に、化学的反応は高温により加速されるため、化学機械研磨速度を増大させる。ウェーハ６の温度が上昇すると、化学機械研磨工程のスループットは向上する。

薄膜４は、ウェーハ６への熱伝導を有効に行うため、熱伝導率を高くしなければならない。この薄膜４の熱伝導率は約０．２Ｗ／（ｍ×Ｋ）よりも大きいことが好ましく、約２０Ｗ／（ｍ×Ｋ）よりも大きければなお好ましい。本実施形態の薄膜４は、ＣｏｏｌＰｏｌｙ（Ｃｏｏｌ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ、Ｉｎｃ．の登録商標）のＥシリーズの材料からなる。ＣｏｏｌＰｏｌｙ材料の熱伝導率は、純鉄の熱伝導率と同程度であり、約１．０Ｗ（ｍ×Ｋ）〜約１００Ｗ（ｍ×Ｋ）である。

図２を参照する。図２に示すように、もう一つの実施形態の研磨ヘッド２は、膜を含まず、ウェーハ６の背面にバックフィルム２４が付着されている。バックフィルム２４は、複数の開口２５を含む。ローディング室１４は、開口２５によりウェーハ６の背面へ予熱空気を供給したり、ウェーハ６の背面から予熱空気を吸い出したりできる。同様に、ローディング室１４は、圧力制御装置１８及び媒体加熱装置２０（図示せず）に接続された内管１６に接続されている。

図１を参照する。図１に示すように、ローディング室１４を１つだけ形成する。他の実施形態では、図３に示すように、ローディング室１４を２つ以上形成してもよい。ローディング室１４は、同心で配置されることが好ましい。ローディング室１４の各々は、圧力制御装置１８に接続された１つの内管１６に接続される。異なるローディング室１４へ温度の異なる空気を提供するために、内管１６の各々は、個別に所望の温度へ空気を加熱する媒体加熱装置２０へそれぞれ接続される。ローディング室１４が同心で配置されているため、ウェーハ６上の同心領域（ウェーハ６の中心からの距離が同じ領域）は、同じ温度へ加熱されるが、非同心領域は、異なる温度に加熱されてもよい。例えば、ウェーハ６の縁部に近接したローディング室１４は、その他の内管よりも高温の空気が提供されるため、ウェーハの縁部の化学機械研磨速度は増大する。内管１６は、共通の媒体加熱装置２０に接続してもよいが、この場合、ローディング室１４の各々へ吸い入れられる空気の温度は個別に制御できなくなる。

図４を参照する。図４に示すように、他の実施形態では、内管１６に媒体加熱装置２０が取り付けられ、内管１６の中の空気がインライン加熱（ｉｎｌｉｎｅ−ｈｅａｔｅｄ）される。図２に示す実施形態と同様に、媒体加熱装置２０は、内管１６の中の各々の空気を様々な温度に加熱できる。一実施形態では、空気を有効に加熱するために、インライン媒体加熱装置２０をなるべく研磨ヘッド２の近くに設置する。

空気は、熱容量が小さいため、ウェーハ６に供給される熱には限界があった。そのため、本発明の他の実施形態では、水、油など、熱容量が大きい材料をローディング室１４の中の熱／圧力媒体として利用してもよい。図５は、液体を熱媒体及び圧力媒体として使用するときの状態を示す模式図である。本実施形態において、内管１６の各々は、空液変換装置２６及びインライン媒体加熱装置２０に取り付けられる。ローディング室１４は、水、油などの液体で充填される。ローディング室１４は、内管１６に接続されているため、空液変換装置２６とローディング室１４の各々との間の内管１６の一部は液体で充填される。液体の熱伝導率は、約２Ｗ／（ｍ×Ｋ）よりも高いことが好ましい。媒体加熱装置２０は、内管１６の液体部分へ取り付けられることが好ましい。化学機械研磨工程において、インライン媒体加熱装置２０により供給される熱は、液体媒体を介してウェーハ６へ継続的に伝導される。

空液変換装置２６と圧力制御装置１８との間の内管１６の一部は、圧力制御装置１８により供給される空気が充填される。空液変換装置２６は、圧力制御装置１８により供給された圧力を液体まで伝達する。図６Ａから図６Ｃは、一実施形態による空液変換装置２６を示す。空液変換装置２６は、一方の端部が内管１６の一部を介して圧力制御装置１８へ接続され、他方の端部が内管１６の残りの部分を介してローディング室１４へ接続された圧力室３０を含む。弾性薄膜３２は、圧力室３０を２つの完全に独立した部分に分けて隔離する。図６Ａに示すように、弾性薄膜３２の左側の圧力が弾性薄膜３２の右側の圧力に等しい場合、弾性薄膜３２は中間に位置する。圧力制御装置１８が気圧を増大させると、弾性薄膜３２は、液体側に圧される（図６Ｂ参照）。圧力制御装置１８が内管１６から空気を吸い出すと、弾性薄膜３２が空気側に圧される（図６Ｃ参照）。図６Ａから図６Ｃの３つの実施例に示すように、弾性薄膜３２の両側の圧力は、平衡になると実質上同じとなる。そのため、圧力制御装置１８により制御される圧力は、ローディング室１４へ完全に加えられる。

研磨ヘッド２が様々な形に設計されても、ウェーハへの加熱及び温度制御を行う概念は依然として利用できる。図７は、もう一つの実施形態によるローディング室１４が弾性ブラダ３４により代替された状態の研磨ヘッド２を示す。上述の実施形態で説明したのと同様に、弾性ブラダ３４の中にある空気又は液体の圧力は、圧力制御装置１８により制御することが好ましい。弾性ブラダ３４の膨張又は収縮を行うことにより、上向き又は下向きの力を加えることができる。弾性ブラダ３４は熱伝導を有するため、その中にある加熱された空気又は液体は、下方の薄膜４及びウェーハ６へ熱を有効に伝導させることができる。もう一つの実施形態では、薄膜４を省略し、弾性ブラダ３４により圧力を直接加え、ウェーハ６へ熱を伝導させてもよい。

本発明の実施形態では、研磨速度を加速させるために、ウェーハを加熱する方法を提供する。さらに、研磨されたウェーハの異なる部分の温度を制御できるため、本実施形態は、ウェーハの異なる部分に異なる圧力を加える機械的な方法と異なり、研磨速度を化学的に調整する方法を提供できる。これにより本実施形態の方法は、研磨をより均一に行うことができる。

当該分野の技術を熟知する者が理解できるように、本発明の好適な実施の形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の思想と範囲を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。

本発明の一実施形態に係る研磨ヘッドが空気により加熱される研磨システムを示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るバックフィルムを介してウェーハの背面へ空気を吸い入れたり、ウェーハの背面から空気を吸い出したりする研磨ヘッドの一部を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る研磨ヘッドが複数のローディング室を有する研磨システムを示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るインライン媒体加熱装置を含む研磨システムを示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る液体を熱媒体として用い、空液変換装置が液体圧力へ気圧を伝達する研磨システムを示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る空液変換装置を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る空液変換装置を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る空液変換装置を示す模式図である。 本発明のもう一つの実施形態に係るウェーハ上に加える圧力を制御するブラダを有する研磨システムを示す模式図である。

符号の説明

２ 研磨ヘッド
４ 薄膜
６ ウェーハ
８ 研磨パッド
１０ 定盤
１２ 保持リング
１４ ローディング室
１６ 内管
１８ 圧力制御装置
２０ 媒体加熱装置
２４ バックフィルム
２５ 開口
２６ 空液変換装置
３０ 圧力室
３２ 弾性薄膜
３４ 弾性ブラダ

Claims (4)

1. ウェーハの研磨に用いる化学機械研磨システムであって、
   研磨ヘッドと、
   前記研磨ヘッドに接続され、熱媒体が充填された内管と、
   前記内管に接続された媒体加熱装置と、
   前記内管に接続された圧力制御装置と、
   前記研磨ヘッドの中に位置し、前記内管に接続されたローディング室と、
   前記ローディング室の一辺に形成され、熱伝導性を有する薄膜と、
   空液変換装置と、を備え、
   前記薄膜の熱伝導率は、０．２Ｗ／（ｍ×Ｋ）よりも大きく、
   前記空液変換装置は、前記内管に接続され、
   前記内管は、前記空液変換装置により前記ローディング室に接続された第１の部分と、前記圧力制御装置に接続された第２の部分とに分けられ、前記第１の部分は液体が充填され、前記第２の部分は空気が充填されるか又は真空状態にされ、
   前記媒体加熱装置は、前記第１の部分に接続されることを特徴とする化学機械研磨システム。
2. 前記空液変換装置は、弾性薄膜を有する圧力室を含み、
   前記圧力室は、前記弾性薄膜により２つの部分に分けられることを特徴とする請求項１に記載の化学機械研磨システム。
3. 前記研磨ヘッドに位置し、前記熱媒体が充填された付加的ローディング室と、
   前記付加的ローディング室及び前記圧力制御装置に接続された付加的内管と、
   前記付加的内管に接続された付加的媒体加熱装置と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の化学機械研磨システム。
4. ウェーハの研磨に用いる化学機械研磨システムであって、
   研磨ヘッドと、
   複数の内管と、
   前記研磨ヘッドの中に位置して各々が分離され、前記内管に各々接続された複数のローディング室と、
   前記ローディング室に隣接した薄膜と、
   前記内管に各々接続された複数の媒体加熱装置と、
   前記内管に接続された圧力制御装置と、
   前記内管に各々接続され、前記ローディング室を液体で充填する複数の空液変換装置と、を備え、
   前記薄膜の熱伝導率は、０．２Ｗ／（ｍ×Ｋ）よりも大きく、
   前記空液変換装置の各々は、圧力室と、該圧力室を第１の部分及び第２の部分に分ける弾性薄膜とを含み、
   前記第１の部分は、前記液体が充填され、前記ローディング室に各々接続され、
   前記第２の部分は、前記圧力制御装置に接続され、前記媒体加熱装置が前記第１の部分に接続されることを特徴とする化学機械研磨システム。

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