JP4817588B2 - ウェーハからリテーナリングを分離するための溝付きウェーハキャリヤ - Google Patents
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Description
【発明の背景】
1.発明の分野:
本発明は、化学的機械研磨による平坦化(CMP)に関し、特に、CMPによるウェーハ処理中のエッジ効果を減少させるウェーハキャリヤに関する。
【0002】
2.関連技術の説明:
半導体ウェーハからの半導体デバイスの製造では、一般には、特にウェーハの化学的機械研磨による平坦化(CMP)と、バフ研磨と、洗浄とが必要となる。現代の集積回路デバイスは、通常、多層構造の形をとる。基板レベルでは、例えば、トランジスタデバイスが形成される。次のレベルでは、相互接続金属線が、パターン形成され、トランジスタデバイスと電気的に接続され、所望の機能デバイスを形成する。周知のように、パターンが形成された導電性の特徴部は、例えば、二酸化ケイ素等の誘電材料により、互いに絶縁されている。金属化レベルと関連する誘電層が増えると、誘電材料を平坦化する必要性は増加する。平坦化しない場合、金属層を追加製造するのは、結晶表面の大きなばらつきから、更に困難になる。別の用途では、金属線パターンは、誘電材料により形成され、その後、金属を平坦化するCMP動作が実行され、余分な金属化部分が除去される。
【0003】
図1は、半導体ウェーハ102上で実行される化学的機械研磨による平坦化(CMP)プロセス100の概略図を示している。このプロセス100において、ウェーハ102は、CMPシステム104においてCMP処理を受ける。その後、半導体ウェーハ102は、ウェーハ洗浄システム106において洗浄される。半導体ウェーハ102は、次に、CMP後処理108へ進み、ここでウェーハ102には、追加層の蒸着と、スパッタリングと、フォトリソグラフィと、関連するエッチングとを含む一連の製造処理が行われる。
【0004】
CMPシステム104は、通常、ウェーハ102の結晶表面を処理および平坦化するシステムコンポーネントを含む。こうしたコンポーネントは、例えば、オービタルまたは回転研磨パッド、あるいはリニアベルト研磨パッドから構成することができる。このパッド自体は、通常、弾性高分子材料で作成される。ウェーハ102の結晶表面を平坦化するために、このパッドを運動させ、更にスラリ材料を加え、パッドの表面上に広げる。スラリが付いたパッドが所望の速度で移動し始めた後、ウェーハキャリヤに取り付けたウェーハ102を、パッドの表面下方に配置し、ウェーハの結晶表面を平坦化する。
【0005】
回転またはオービタルCMPシステムにおいて、研磨パッドは、回転する平面の表面上に位置し、スラリは、この研磨パッド上に導入される。オービタルツールでは、パッドの公転運動とウェーハキャリヤの回転とによって相対的な速度が決まり、スラリは、研磨パッドの多数の穴を通じて、ウェーハの下から導入される。こうした処理を通じて、所望のウェーハ表面が研磨され、滑らかで平坦な表面が提供される。ウェーハは、その後、ウェーハ洗浄システム106に送給され、洗浄される。
【0006】
CMPシステムの主要な目的の一つは、ウェーハ表面全体で、均一な除去速度分布を確保することである。周知のように、除去速度は、プレストンの式、つまり、
除去速度=Kp・PV
によって与えられ、ここで材料の除去速度は、負荷圧力Pと相対速度Vとの関数となる。Kpの項は、プレストン係数であり、スラリの組成と処理温度とパッド表面の状態とによって定まる定数である。
【0007】
残念なことに、従来のCMPシステムはエッジ効果の影響を受け、除去速度を不均一にし、この結果、ウェーハ表面全体の均一性も損なっていた。エッジ効果は、通常、CMP処理中のウェーハエッジと研磨パッドとの間の境界条件によって生じる。図2Aは、ウェーハ102の一部と研磨パッド204との間における従来のエッジ効果の静的モデルの断面を示している。この静的モデルでは、均一な圧力が、ベクトル106によって示すダウンフォースの形で、ウェーハ102上に加えられる。しかしながら、ベクトル112として示したようなダウンフォース106により、パッド204の変形が発生し、パッド204は、横方向(この方向は正常)のみならず、ウェーハ102のエッジ208近くでは大きな縦横方向の摂動区域を有することになる。したがって、この変形により、エッジ208近くでは低圧区域110が発生する。ウェーハ102のエッジ208は、ベクトル111によって示すように、高い圧力を発生させ、これにより、エッジ208近くに不均一な圧力エリアが生成される。
【0008】
交互に圧力区域が形成されることは、ウェーハ全体でみると、除去速度の不均一化につながる。図2Bは、ウェーハ102の一部と研磨パッド204との間におけるエッジ効果の動的モデルの断面を表している。リテーナリング116の一部は、ウェーハ102を所定の位置に保持し、ウェーハ102の移動を制御するウェーハキャリヤ(図示せず)にウェーハ102を保持する。この構成において、ウェーハ102は、ベクトルVrel によって示すように、研磨パッド204に対して動いている。パッド204は、一般に弾性がある。このため、ウェーハ102が相対速度Vrel でパッド204上を移動すると、これにより、パッド204の表面上では伸縮摂動が発生する。
【0009】
ウェーハ102の並進運動と伸縮摂動とにより、研磨パッド204の表面114では、従来の波生成理論に従って、縦横方向のパッド変形波が発生する。この変形波は、通常、広がったウェーハ表面の抑圧動作とパッド材料の速い速度とによる高速の弛緩波である。これにより、ウェーハ102のエッジ208近くでは、負荷及び圧力の局所的な再分布が発生する。例えば、パッド204の表面114上では、低圧区域120、122、及び124が形成され、ウェーハ102のエッジ208からの距離に対応して、徐々に圧力が高くなる。
【0010】
低圧区域120、122、および124のそれぞれは、局所的な最低および最高圧力領域によって区分けされ、こうした領域は、平坦化された結晶表面に起伏を発生させる。例えば、低圧区域120の局所的最低圧力領域126では、除去速度は低くなり、結果として、結晶表面には、局所的に平坦化されな領域が発生する。逆に、低圧区域120の局所的最大圧力領域128では、除去速度は高くなり、結果として、結晶表面には、局所的に過剰に平坦化された領域が発生する。したがって、ウェーハ102の全体的な平坦化効率は、大幅に悪化する。
【0011】
更に、従来のCMPシステムにおいて、発生した圧力波の先頭のピークは、ウェーハのエッジにおいてシーリング効果を生み出し、ウェーハの下へスラリが入り込むのを大幅に減少させる。図2Cは、ウェーハ102の一部と研磨パッド204との間におけるシーリング効果の断面図を示している。スラリは、最初に、研磨パッド204の表面114に提供される。ウェーハ102が研磨パッド204と相対的に速度Vrel で移動すると、ウェーハのエッジ208は、ベクトル152によって例示するように、高い圧力を発生させる。この高い圧力により、ウェーハ102のエッジ208にはスラリ150が溜まり、ウェーハ102下へのスラリの移送は制限される。加えて、エッジ208での高い負荷によって、研磨パッド204の微細孔及び溝からスラリが絞り出され、スラリが枯渇する状態が形成される可能性がある。結果として、ウェーハ表面の内側部分では、有効なCMP処理を行う上で十分な量のスラリが提供されない可能性がある。
【0012】
加えて、低圧区域は、表面の欠陥性を増加させる恐れがある再堆積プロセスを促す。詳しく説明すると、従来のCMPシステムでは、高圧によって促される体積低減型の反応に代表される溶解および表面改質反応を利用する。こうした反応において、圧力の低下は、反応を逆転させ、溶解した副産物が、ウェーハ表面で再堆積するという現象を発生させる。再堆積した材料は、通常、制御不能の組成を有し、他の微粒子をウェーハ表面に接着させる。これにより、ウェーハの洗浄は、大幅に困難になる。
【0013】
上述したことから、スラリシーリング効果を低減させつつCMP処理時にウェーハ上のエッジ効果を最小化し得るウェーハキャリヤが必要とされていた。
【0014】
【発明の概要】
概観すれば、本発明は、研磨すべきウェーハのエッジをマスキングすることで均一な除去速度をもたらすウェーハキャリヤを提供することにより、前記の要求を満たす。このウェーハキャリヤにより、リテーナリングおよびウェーハを、独立して研磨パッドの表面に整合させることが可能になり、有害なエッジ効果およびシーリング効果はほぼ排除される。本発明は、プロセス、装置、システム、デバイス、または方法を含め、様々な態様で実施し得ると理解されるべきである。以下、本発明のいくつかの発明としての実施形態を説明する。
【0015】
一実施形態において、本発明は、化学的機械研磨による平坦化装置で使用するウェーハキャリヤを提供する。このウェーハキャリヤは、真空チャックと、リテーナリングとを含む。この真空チャックは、研磨パッド上でウェーハの結晶表面を平坦化するために、ウェーハを保持し回転させるように構成される。この真空チャックは、ウェーハを保持する内側部材および外側部材と、更には両部材間を分離するための溝を含む。真空チャックの内側部材および外側部材は、研磨パッドの研磨面と交叉する方向で、独立して移動するように配設される。リテーナリングは、真空チャックの外側部材上に配設され、CMP処理中にウェーハを保持するように構成される。この構成において、分離したリテーナリングとウェーハとは、CMP処理中に、独立して移動し、研磨パッドの研磨面に整合するように配設される。
【0016】
別の実施形態において、化学的機械研磨による平坦化装置で使用するウェーハキャリヤが開示される。このウェーハキャリヤは、真空チャックと、リテーナリングとを含む。この真空チャックは、研磨パッド上でウェーハの結晶表面を平坦化するために、ウェーハを保持し回転させるように構成され、ウェーハを保持する内側部材と、外側部材とを含む。この真空チャックは、エラストマで、内側部材と外側部材とを分離するための溝を含む。真空チャックの内側部材および外側部材は、研磨パッドの研磨面と交叉する方向で、独立して移動するように配設される。リテーナリングは、真空チャックの外側部材上に配設され、CMP処理中にウェーハを保持するように構成される。分離したリテーナリングとウェーハとは、CMP処理中に、独立して移動し、研磨パッドの研磨面を画定する平面に整合するように配設される。
【0017】
更に別の実施形態において、本発明は、化学的機械研磨による平坦化装置で使用するウェーハキャリヤを提供する。このウェーハキャリヤは、真空チャックと、リテーナリングと、真空ポートとを含む。この真空チャックは、研磨パッド上でウェーハを研磨するために、ウェーハを保持し回転させるように構成され、ウェーハを保持する内側部材と外側部材とを含む。この真空チャックは、更に、内側部材と外側部材とを分離するための溝を含み、この真空チャックの内側部材と外側部材とは、互いに独立して移動するように配設される。真空ポートは、真空チャックに真空力を提供するように構成される。リテーナリングは、真空チャックの外側部材上に配設され、CMP処理中にウェーハを保持するように構成される。この構成において、分離したリテーナリングとウェーハとは、研磨パッドの研磨面と交叉する方向で、独立して移動し、このリテーナリングとウェーハとが研磨パッドの研磨面に整合するように配設される。
【0018】
有利なことに、分離したリテーナリングは、ウェーハのエッジを効果的にマスキングし、CMP処理時にウェーハ上の有害なエッジ効果を最小化し、均一な除去速度を向上させる。好ましくは、保持するものの前縁は、丸みのある形状とし、リテーナリング304の下での低圧区域の形成が最小化されるように圧力を低減する。これは、更に、望ましくないスラリのシーリング効果を最小化し、均一な除去速度の実現を更に促進し、これにより、ウェーハの均一な平坦化を促進する。本発明のその他の態様および利点は、本発明の原理を例として示す添付の図面と併せて考慮することで、以下の詳細な説明により明白となる。
【0019】
【好適な実施形態の詳細な説明】
本発明は、添付図面と併せて、以下の詳細な説明により容易に理解されよう。この説明を容易にするために、同様の参照符号は同様の構造要素を指す。
【0020】
本発明は、CMP処理中にウェーハからリテーナリングを分離し、リテーナリングとウェーハとを研磨パッドの研磨面に自動的に整合させることが可能なウェーハキャリヤを提供する。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細について述べる。しかしながら、こうした特定の詳細の一部または全部がなくとも本発明を実施し得ることは当業者には理解されよう。また、周知のプロセス動作については、本発明を不必要に曖昧にしないために、説明していない。
【0021】
図3Aは、本発明の一実施形態による、例示的なウェーハキャリヤ300の断面図を示している。ウェーハキャリヤ300は、CMP処理中にウェーハ308を保持し回転させるように構成される。詳しくは、このウェーハキャリヤは、真空チャック302と、アクティブリテーナリング304と、真空ポート306とを含む。真空チャック302は、好ましくは、円形で弾性があり、ゴム等の弾性材料で作成される。リテーナリング304は、エラストマ真空チャック302の周囲に配設され、CMP処理中にウェーハ308を所定の位置に保持する。好ましくは、リテーナリング304は、その底部表面312が、研磨されるウェーハの表面314とほぼ同一平面または同じ高さになるように配設される。
【0022】
分離溝310(例えば、トレンチ、チャネル、その他)は、真空チャック302の外側エッジ近くに形成され、真空チャック302内を、一対の領域316および318に分離・形成する。リテーナリング304は、真空チャック302の外側エッジに沿って存在する領域316上に配設される。ウェーハは、真空ポート306を通じて提供される真空力により、真空チャック302の内側部材にある領域318上に配設される。
【0023】
この構成において、分離溝310は、エラストマ真空チャック302で領域316及び318を効果的に分離するように構成される。領域316及び318を分離することにより、付属のリテーナリング304とウェーハ308とを、研磨パッドの研磨面の平面に、独立して整合させることが可能となる。これは、真空チャック302の弾性により、ウェーハ308とリテーナリング304とがウェーハ308に直交する方向で互いに独立して移動できるためである。このように分離されるため、リテーナリング304とウェーハ308との両方は、研磨圧力の下で、研磨面に独立して整合させることができる。後で更に詳細に説明するように、リテーナリング304とウェーハ308との自動位置合わせ機能は、CMP処理中にウェーハ308のエッジを効果的にマスキングし、これにより、望ましくないエッジ効果をほぼ排除する。
【0024】
残存するエッジ効果の排除を更に確保するために、リテーナリング304は、リング304のエッジにより生じる可能性のあるエッジ効果を抑制するように構成することができる。図3Bは、本発明の一実施形態による、修正したリテーナリング352が付いたウェーハキャリヤ350の断面図を示している。ウェーハキャリヤ350は、リテーナリングを除き、図3Aに示すウェーハキャリヤ300と同様である。詳しくは、リテーナリング352の前縁354は、丸みを帯びており、図3Aに示すリテーナリング304の角張ったエッジは存在しない。リテーナリング352の丸形エッジ354の湾曲は、大きな表面積で圧力を分配する機能を果たし、したがって、リングに関連するエッジ効果を大幅に減少させる。
【0025】
図4は、本発明の一実施形態による、ウェーハキャリヤ300の分解図を示している。本発明のウェーハキャリヤは、リニアCMP装置または回転CMP装置といった任意の適切なCMPシステムで使用することができる点に留意されたい。ウェーハキャリヤ300は、真空チャック302と、リテーナリング304と、真空ポート306と、真空チャック本体402と、真空マニホールド404とを含む。真空チャック本体402は、好ましくは、円筒形で、真空分配グリッド406を収容する。真空分配グリッド406は、真空ポート306からの真空力を分配するように構成される。真空マニホールド404は、好ましくは、多孔性材料で作成され、複数の微細孔を含む。真空マニホールド404は、真空分配グリッド406上に配設され、微細孔を通じて、負圧を伝達する。
【0026】
真空チャック302は、真空チャック本体402上に配設され、リテーナリング領域408と、分離溝310と、ウェーハ領域410と、真空グリッド412とを含む。分離溝310は、真空チャックのリテーナリング領域408とウェーハ領域410とを分離し、研磨パッド表面との独立した位置合わせを可能とする。リテーナリング304は、真空チャック302のリテーナリング領域408上に配設される。一方、ウェーハ領域410は、真空力によりウェーハ308が取り付けられるエリアを画定する。このため、真空グリッド412は、負圧を真空マニホールド404からウェーハ308に加えるための真空ポートを含み、ウェーハはウェーハキャリヤ300内の所定の位置で確実に保持される。
【0027】
図5Aは、本発明の一実施形態として、ウェーハ308のエッジ効果をマスキングするように配設されたウェーハ308の一部とリテーナリング304との断面を示している。ウェーハ308及びリテーナリング304は、研磨パッド502上に置かれている。この配置において、リテーナリング304とウェーハ308とは、両方が研磨パッド502の研磨面504の平面に整合するように分離されている。リテーナリング304の存在により、高圧のエッジポイントは、ウェーハ308から離れ、リテーナリング304の外部エッジ510(つまり前縁)へと移動する。同様に、分離したリテーナリング304により、低圧区域512は、ウェーハ308から離れ、リテーナリング304の前縁近くの位置へと移動する。したがって、ベクトル506によって示すダウンフォースが加わる時、ウェーハ308の下における標準圧のベクトル508は、大きさと方向性がほぼ均一となる。これにより、リテーナリング304は、エッジ効果をウェーハ308のエッジからリテーナリング304の前縁510へと移転させることにより、ウェーハ308のエッジを望ましくないエッジ効果からマスキングする。ウェーハ308の下におけるエッジ効果を排除することで、次に、ウェーハ308の下にスラリを更に均等に提供することが可能となる。したがって、ウェーハ308の平坦化効率は、大幅に高まる。
【0028】
リテーナリング304の前縁510は、上述した図3Bにおいて示したように、平坦化効率を更に改善するように構成することもできる。図5Bは、本発明の一実施形態による、リテーナリング304のエッジ効果を低減するように配設された、ウェーハ308の一部とリテーナリング304との断面図を示している。ウェーハ308とリテーナリング304とは、研磨パッド502上に置かれ、両方が研磨パッド502の研磨面504の平面に整合するように分離されている。リテーナリング304の前縁は、圧力を最小化する形状とされる。例示の実施形態では、前縁は、圧力を低減するために丸みを帯びており、リテーナリング304の下における低圧区域の形成は最小化された。これは、望ましくないスラリシーリング効果を最小化し、これにより、ウェーハ308の平坦化は、より一層均一に行われる。
【0029】
いくつかの好適な実施形態に基づき本発明を説明してきたが、以上の明細書を読み且つ図面を検討することにより、その様々な変形例、追加例、置換例、および均等物を当業者が実現し得ることは理解されよう。従って、本発明は、本発明の本来の趣旨および範囲に入るこうしたすべての変形例、追加例、置換例および均等物を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 半導体ウェーハ上で実行される化学的機械研磨による平坦化(CMP)プロセスの概略を示す説明図である。
【図2A】 ウェーハの一部と研磨パッドとの間における従来のエッジ効果の静的モデルを示す断面図である。
【図2B】 ウェーハの一部と研磨パッドとの間におけるエッジ効果の動的モデルを示す断面図である。
【図2C】 ウェーハの一部と研磨パッドとの間におけるシーリング効果を示す断面図である。
【図3A】 本発明の一実施形態としてのウェーハキャリヤの一例を示す断面図である。
【図3B】 本発明の一実施形態としての変形リテーナリングが付いたウェーハキャリヤを示す断面図である。
【図4】 本発明の一実施形態としてのウェーハキャリヤを示す分解図である。
【図5A】 本発明の一実施形態として、ウェーハのエッジ効果をマスキングするように配設されたウェーハの一部とリテーナリングとを示す断面図である。
【図5B】 本発明の一実施形態として、リテーナリングのエッジ効果を低減するように配設されたウェーハの一部とリテーナリングとを示す断面図である。
Claims (17)
- 化学的機械研磨による平坦化装置において使用されるウェーハキャリヤであって、
弾性材料の単体から形成され、真空チャックの内側領域および外側領域を画定する溝が前記真空チャックの表面に形成され、研磨パッド上でウェーハの結晶表面を平坦化するために前記真空チャックが前記ウェーハを前記内側領域内で保持するとともに前記ウェーハを回転し、前記溝が前記内側領域の表面を前記外側領域の表面から分離している、前記真空チャックと、
前記真空チャックの前記外側領域に配置され、前記真空チャックの前記内側領域内で前記ウェーハを保持するように構成され、圧力が前記真空チャックに加えられた場合、前記真空チャックの前記内側領域および前記外側領域の前記分離された表面の前記弾性材料が、前記研磨パッドの研磨面に整合するようにリテーナリングと前記ウェーハとが独立して移動することを可能にする、前記リテーナリングと、
を備えたウェーハキャリヤ。 - 前記真空チャックが、円筒形であり、前記リテーナリングが、前記真空チャックの前記外部領域のエッジの周囲にリング形状に配置された請求項1に記載のウェーハキャリヤ。
- 研磨面が平面を画定し、前記真空チャックが、分離された前記リテーナリングと前記ウェーハとを、該研磨面と同じ平面に整合させるように配設された請求項1に記載のウェーハキャリヤ。
- 前記リテーナリングが、前記ウェーハ上のエッジ効果をマスキングするように構成された請求項1に記載のウェーハキャリヤ。
- 前記リテーナリングが、前記ウェーハのエッジをマスキングする前縁を含む請求項1に記載のウェーハキャリヤ。
- 前記リテーナリングの前縁が丸められている請求項5に記載のウェーハキャリヤ。
- 化学的機械研磨による平坦化(CMP)システムであって、
研磨パッドと、
ウェーハキャリヤとを備え、
該ウェーハキャリヤは、
弾性材料の単体から形成され、真空チャックの内側領域および外側領域を画定する溝が前記真空チャックの表面に形成され、研磨パッド上でウェーハの結晶表面を平坦化するために前記真空チャックが前記ウェーハを前記内側領域内で保持するとともに前記ウェーハを回転し、前記溝が前記内側領域の表面を前記外側領域の表面から分離している、前記真空チャックと、
前記真空チャックの前記外側領域に配置され、前記真空チャックの前記内側領域内で前記ウェーハを保持するように構成され、圧力が前記真空チャックに加えられた場合、前記真空チャックの前記内側領域および前記外側領域の前記分離された表面の前記弾性材料が、前記研磨パッドの研磨面を画定する平面に整合するようにリテーナリングと前記ウェーハとが独立して移動することを可能にする、前記リテーナリングと、
を備えた平坦化システム。 - 前記真空チャックが、円形の表面を有する円筒形であり、前記リテーナリングが、前記真空チャックのエッジの周囲にリング形状に配置された請求項7に記載のCMPシステム。
- 前記リテーナリングが、前記ウェーハのエッジ効果をマスキングするように構成された請求項7に記載のCMPシステム。
- 前記リテーナリングが、前記ウェーハのエッジをマスキングする前縁を含む請求項7に記載のCMPシステム。
- 前記リテーナリングの前縁が丸められている請求項10に記載のCMPシステム。
- 化学的機械研磨による平坦化装置において使用されるウェーハキャリヤを製造する方法であって、
弾性材料の単体から真空チャックを形成し、
前記真空チャックの表面に溝を形成し、前記溝が前記真空チャックの内側領域および外側領域を画定するとともに、前記内側領域の表面を前記外側領域の表面から分離し、研磨パッド上でウェーハの結晶表面を平坦化するために前記真空チャックが前記ウェーハを前記内側領域内で保持するとともに前記ウェーハを回転し、
前記真空チャックの前記外側領域に配置され、前記真空チャックの前記内側領域内で前記ウェーハを保持するように構成された、リテーナリングを形成し、前記リテーナリングと前記ウェーハとが前記研磨パッドの研磨面に整合するように、前記真空チャックの前記内側領域および前記外側領域の前記分離された表面の前記弾性材料が、前記リテーナリングと前記ウェーハとが前記研磨パッドの研磨面と直交する方向に独立して移動することを可能にする、
ウェーハキャリヤの製造方法。 - 円筒形状に前記真空チャックを形成し、前記真空チャックの前記外部領域のエッジの周囲にリング形状に前記リテーナリングを配置する請求項12に記載のウェーハキャリヤの製造方法。
- 請求項12に記載のウェーハキャリヤの製造方法であって、
研磨面が一つの平面を画定し、前記真空チャックが、研磨面と同じ平面に、分離した前記リテーナリングとウェーハとを整合させるように配設したウェーハキャリヤの製造方法。 - 前記リテーナリングが、前記ウェーハ上のエッジ効果をマスキングするように構成された請求項12に記載のウェーハキャリヤの製造方法。
- 前記リテーナリングが、前記ウェーハのエッジをマスキングする前縁を含む請求項12に記載のウェーハキャリヤの製造方法。
- 前記リテーナリングの前記前縁が丸みを帯びている請求項16に記載のウェーハキャリヤの製造方法。
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