JP4824210B2 - Ｃｍｐパッドの構造及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の製造設備に関し、特に化学機械的ポリシング（ＣＭＰ：Chemical-Mechanical Polishing）設備に適用されるＣＭＰパッドの構造及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路素子の製造は、ウェーハ上に写真、食刻、拡散、金属蒸着などの工程を選択的且つ反復的に行うことによりなされる。半導体集積回路素子を大量に製造するために用いられる半導体ウェーハは、ウェーハ上に設定された素子パターンを形成する過程でエッチバック（etch back）及びポリシング工程をたいてい経る。酸化膜、窒化膜、金属膜のような半導体ウェーハ上に積層された多種類の膜をウェーハの底部面を基準に水平方向に平坦化するための代表的工程の一つとして、ＣＭＰ（Chemical-Mechanical Polishing）工程が本分野で広く知られている。
【０００３】
このようなＣＭＰ工程で主にポリシングされる膜は、メタル及び誘電膜である。デポジション工程を経た半導体ウェーハの表面を化学的及び機械的にポリシングするため、通常ＣＭＰ設備は図６に示すように構成される。
図６において、研磨定盤、プラテンまたはテーブル２は、テーブルの上部に位置するＣＭＰパッド４を支持し回転させるために使用される。ウェーハキャリヤー８により固定され回転されるウェーハ６は、テーブル２により回転されるポリシングパッドのＣＭＰパッド４と接触する。前記ＣＭＰパッド４の中心部位には所定の化学物質を含んだスラリー（slurry）がノズルを通して供給され、前記スラリーはＣＭＰパッド４の回転力によりＣＭＰパッド４の上面に均一に塗布される。前記ＣＭＰパッド４が回転する間、ウェーハキャリヤー８に付着した半導体ウェーハ６がスラリーに覆われた前記ＣＭＰパッド４と接触する。これにより、前記スラリー、ＣＭＰパッド４及びウェーハの表面間には化学的及び機械的反応が起こり、ウェーハの上部表面から下部へ研磨対象の膜が漸次微細に除去される。つまり、ウェーハ６に形成された研磨対象膜はＣＭＰパッド４の表面とその上面に分布するスラリーとによる化学的及び機械的摩擦過程でウェーハの表面からポリシングされ、設定されたポリシング時間を経た後には上部表面が設定された厚みだけ平坦になったウェーハが得られる。ここで、ポリシングされるウェーハ６の薄膜の状態は、ＣＭＰパッド４とウェーハ６との間の機械的摩擦、ＣＭＰパッド４の材質とその状態、ケミカルスラリーの組成及び分布状態、ＣＭＰパッド４表面の屈曲状態などに影響を受けると知られている。
【０００４】
前記ＣＭＰ設備の長時間使用に伴い前記ＣＭＰパッド４の表面状態は漸次不規則な屈曲面をもつようになるため、ウェーハ６の表面を所望の平坦度に加工することができない。それゆえ、前記ＣＭＰ設備にはウェーハ６の平坦度を持続的に維持できるようにするため、予め設定された時間周期でＣＭＰパッド４の表面を均一に研削するコンディショナ９が通常設置される。このようなコンディショナ９には人造ダイヤモンドなどの研削手段が設置され、前記研削手段は研削の必要時に前記ＣＭＰパッド４の表面に対向して接触し、垂直上下降駆動及び高速回転する。前記コンディショナ９は回転するＣＭＰパッド４の放射方向に往復移動することにより、ＣＭＰパッド４の全表面に対し所定厚みに表面を除去するコンディショニング工程を行う。
【０００５】
しかし、通常ポリウレタン系列の化合物で作られるＣＭＰパッド４は使用寿命が決められているため、ＣＭＰパッド４を無制限にコンディショナ９で研削した後に使用すべきである。即ち、一定の使用時間が経過したら、新しいＣＭＰパッドに交換することが必要なのである。
【０００６】
このようなＣＭＰパッド４は、図６に示すように下部層を構成するソフトパッド２０と上部層を構成するハードパッド１０とから構成されている。図７及び図８を参照して構造を具体的に説明する。図７に示すように、ＣＭＰ設備のテーブル２との接着力が良くなるようにするための接着部２５の上部にはソフトパッド２０が形成され、その上部には接着層１５を介してハードパッド１０が形成される。ここで、前記接着層１５は前記ソフトパッド２０とハードパッド１０を一体的に接着するための役割をする。前記ハードパッド１０としては例えばロデル（ＲＯＤＥＬ）社の“ＩＣ １０００”ポリシングパッドを、ソフトパッド２０としては例えばロデル社の“ＳｕｂａIV”ポリシングパッドを利用することができる。また、図８のパッド構造は、図７のソフトパッド２０よりも硬さが少し小さいソフトパッド３０を下部パッドとして形成した例である。ここで、前記ソフトパッド３０はロデル社の“Ｆｏａｍ Ｐａｄ”で具現できる。前記図７及び図８に示したＣＭＰパッドはそれぞれ単一特性をもつ化合物インゴットを製作した後、一定のサイズに切断をしてスライスパッドを得、これらを互いに接着することにより作ったものである。
【０００７】
このような通常のＣＭＰパッドを用いてポリシング工程を行う場合、半導体ウェーハ及びチップの中央部のポリシング率がウェーハ及びチップのエッジ部分でのポリシング率と異なるという問題にＣＭＰエンジニアらは直面してきた。ポリシング率の差に起因して、ディシング（dishing）現象またはリセス（recess）現象が発生し、ポリシングされたウェーハの表面が実質的に不均一になる。そのような問題に関して今までエンジニアらは問題の主な原因がスラリー移送の不均一、またはウェーハの円周表面における回転速度の変化などに起因すると認めており、ＣＭＰパッド自体の改善に関しては研究をよそにしてきた傾向があった。
【０００８】
以上のように、同一なパッド層内で単一特性をもつ通常のＣＭＰパッドを用いてポリシング工程をした場合、ウェーハ中央部分とウェーハのエッジ部分において現れるソフトパッド及びハードパッドのＣＭＰ除去率（removal rate）を示したグラフを図９に示す。図９において、データ３ａはソフトパッドの場合を、データ３ｂはハードパッドの場合を表す。このグラフを参照すると、ハードパッドの場合にウェーハ中央部分とウェーハのエッジ部分でのエッチレートがソフトパッドの場合よりも甚だしい差をもつことがわかる。８インチ以上の大口径ウェーハに適用の際、ウェーハレベル均一度は小口径ウェーハの場合よりも悪化し、製造収率が減少するという問題が発生する。また、層間誘電膜４（ＩＬＤ４）を上記のようなＣＭＰパッドを用いてポリシングするときにその除去量は相当に少なく、この場合、ウェーハのエッジ部分に位置する半導体素子パターンに強いストレスが集中してパターンが損傷されるという問題が頻繁に発生するようになる。
【０００９】
従って、ウェーハレベルまたはチップレベルでウェーハの研磨均一度を向上させてディシング及びリセス現象を防止または最小化しエッジ部分の素子パターンが過多に損傷されることを防止するために改善された技術が切実に求められている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、化学機械的ポリシング設備に適用される改善されたＣＭＰパッドの構造及びその製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、研磨均一度を改善することができるＣＭＰパッドの構造及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の又他の目的は、ＣＭＰ工程でディシング及びリセス現象を防止または最小化することができるＣＭＰパッドの構造及びその製造方法を提供することにある。
本発明の又他の目的は、ウェーハのエッジ部分の素子パターンが過多に損傷されることを防止するＣＭＰパッドの構造及びその製造方法を提供することにある。
本発明の又他の目的は、ＣＭＰ工程での不良を最小化してＣＭＰ工程を安定化させ、半導体製造収率を改善するＣＭＰパッドの構造及びその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための本発明によるＣＭＰパッドの構造の第１手段は、第１直径をもつ第１ソフトパッド領域と、前記第１ソフトパッド領域と同一層に配置され、前記第１ソフトパッドの外周部に連結されている内周部を有し前記第１直径より大きい第２直径を外径としてもち前記第１ソフトパッド領域よりも軟らかい第２ソフトパッド領域と、前記第１ソフトパッド領域の上部に配置されたハードパッド領域と、前記ハードパッド領域と同一層に配置され、前記ハードパッド領域の外周部に連結されている内周部を有し前記第２ソフトパッド領域に対応する外径をもち前記第１ソフトパッド領域と同程度軟らかい第３ソフトパッド領域とを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明によるＣＭＰパッドの構造の第２手段は、実質的に円形の下部ソフトパッド領域と、前記下部ソフトパッド領域の上部の一部に連結されているハードパッド領域と、前記ハードパッド領域と同一層に配置され、前記ハードパッド領域の外周部に連結されている内周部を有し前記下部ソフトパッド領域の直径に対応する外径をもち前記下部ソフトパッド領域と同程度軟らかい上部ソフトパッド領域とを備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明によるＣＭＰパッドの製造方法は、互いに異なる硬さをもつ１次及び２次パッド混合物を準備する段階と、１次パッド混合物を１次モールド金型内に注入して成形する段階と、前記成形された第１次パッド混合物を置いたまま１次モールド金型を除去する段階と、前記準備された２次パッド混合物を前記１次モールド金型の外径に対応する内径と予め設定されたインゴット外径に対応する外径とをもつ２次モールド金型内にキャスティングする段階と、前記２次パッド混合物を前記成形された１次パッド混合物と一体的に成形する段階と、前記一体的に成形された結果物をポリシングパッドのサイズに切断し複合特性の下部及び上部パッド構造をもつＣＭＰパッドとして提供する段階とを含むことを特徴とする。
前記ＣＭＰパッドの構造及びその製造方法によると、ＣＭＰ工程の実行の際に高集積半導体素子のウェーハレベル及びチップレベル均一性が向上されて、工程安定化により製造収率が改善されるという特長がある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のＣＭＰパッドの構造とその製造方法に対する好ましい実施例を図面を用いて詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施例によるＣＭＰパッドの構造を示す断面図である。図１に示すように、下部パッドは第１直径をもつ第１ソフトパッド領域２０と第２ソフトパッド領域３０とからなる。ここで、第２ソフトパッド領域３０は前記第１ソフトパッド領域２０と同一層にあって、前記第１ソフトパッド領域２０の外周部に接着され連結される内周部を有し、前記第１直径よりもっと大きい第２直径を外径としてもち、前記第１ソフトパッド領域２０よりもっと軟らかいものである。図１において、ハードパッド領域１０は前記第１ソフトパッド領域２０の上部に接着され配置される。第３ソフトパッド領域４０は前記ハードパッド領域１０と同一層に配置され、前記ハードパッド領域１０の外周部に接着され連結される内周部を有し、前記第２ソフトパッド領域３０に対応する外径をもち、前記第１ソフトパッド領域２０と同程度軟らかいものである。ここで、前記第１ソフトパッド領域２０の硬さは第３ソフトパッド領域４０と殆ど同一であり、例えば、その硬さはロデル社の“ＳｕｂａIV”ポリシングパッドの硬さに対応する。前記第１ソフトパッド領域２０の硬さが“ＳｕｂａIV”ポリシングパッドの硬さで具現される場合、前記第２ソフトパッド領域３０の硬さはロデル社の“ＦｏａｍＰａｄ”ポリシングパッドの硬さに相応する。この場合、前記ハードパッド領域１０はロデル社の“ＩＣ １０００”ポリシングパッドで具現できる。
【００１６】
前記図１のＣＭＰパッドの構造はウェーハエッジにおけるＣＭＰ再現性確保のためのものである。即ち、下部パッドの外側部分を内部に比べより軟性の硬さをもつパッドで形成し、上部のハードパッドの外側部分をソフトパッドで形成することにより、ＣＭＰ設備のヘッド圧力によるパッドの屈曲程度を均一化する。
【００１７】
図２は、本発明の他の実施例によるＣＭＰパッドの構造を示す断面図である。図２に示したＣＭＰパッドの構造は、実質的に円形の下部ソフトパッド領域２０と、前記下部ソフトパッド領域２０の上部の一部分に接着され連結されるハードパッド領域１０と、前記ハードパッド領域１０と同一層に配置され、前記ハードパッド領域１０の外周部に接着され連結される内周部を有し前記下部ソフトパッド領域２０の直径に対応する外径をもち前記下部ソフトパッド２０程度に軟らかい上部ソフトパッド領域４０とから構成される。ここで、下部ソフトパッド領域２０と上部ソフトパッド領域４０の硬さはロデル社の“ＳｕｂａIV”ポリシングパッドの硬さに対応する。
【００１８】
図２のＣＭＰパッド構造はウェーハエッジのストレスを最小化するにより適合した構成であって、下部パッドを均一化し上部パッドの外側部分を内側にくらべ軟らかいパッドで構成することにより、ウェーハ段差と接触する部分で段差に沿って屈曲しながらウェーハに加えられるストレスを減らし、素子パターンを保護するに適合した形態である。前記図２の構造の特長は、図３を参照すると明確になる。
【００１９】
図３は、ハードパッドとソフトパッドのストレス関係を示すグラフである。図３において区間Ｅ１は段差の低い素子パターン部分を示し、区間Ｅ２は区間Ｅ１に比べ段差が相対的に高い素子パターン部分を示す。また、参照文字ＨＰはハードパッドを示し、ＳＰはソフトパッドを示す。ここで、ロータリ形ＣＭＰパッドの回転スピードは約１５０〜２００ｒｐｍ程度である。図３から、ソフトパッドがハードパッドに比べ屈曲特性に優れ、エッジパターンのストレスを最小化するに適合していることがわかる。
【００２０】
以下、このような円形（またはロータリ形）のＣＭＰパッドを製造する方法に対する実施例を図４及び図５を用いて説明する。しかしながら、本発明の製造方法の技術的特徴は二重のモールディング金型を用いて同一層内で複合特性をもつパッドを形成するものであって、パッドを形成する材料の混合比ならびに具体的な製法に関しては、モールディング分野において公知の技術をそのまま採用することができるので、ここで詳しくは説明しない。
【００２１】
図４は、本発明の一実施例によるＣＭＰパッドの製造工程図である。同一層内で複合特性をもつＣＭＰパッドを製造するため、図４の段階８０で準備されたウレタンポリマーと、段階８１で準備された吸収孔形成剤（pore forming agent）と、段階８２で準備された成形剤（curing agent）とは、段階８３で混合器を用いて混合される。前記ウレタンポリマーは樹脂として、ポリウレタンの他にイソシアナート−キャップポリオキシエチレン、ポリエスター、ビニルエスター、アクリル、ケトン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミド、ポリイミド、フェノリックなどのグループから少なくとも一つを選択できる。また、前記吸収孔形成剤はスラリーの通過させるためのもので、有機ポリマーまたはシリコンベースポリマーからなる。前記吸収孔形成剤はまたポリエスター、アクリリック、アクリックエスターコポリマー、ポリマイド、ポリカルボナートのうち一つを選択してもよい。
【００２２】
前記混合された混合物は段階８４でモールド内にキャストされる。この場合、前記混合物は図１内のソフトパッド２０または図１及び図２のハードパッド１０を作るため、図５の内部モールド金型９５内にキャストされる。図５は図４のＣＭＰパッドを提供するための二重モールド金型を示した図である。このとき、パッドの混合材料によっては接合剤が不要な場合もあるが、必要な場合、前記内部モールド金型９５のシリンダー内壁には接合剤が予め付けられている。混合された１次パッド混合物は段階８５で、１次内部金型の前記内部モールド金型９５内で約２００°F（約９３．３℃）の温度で約５時間成形される。段階８５で成形が完了すると、前記内部モールド金型９５は除去される。次いで、前述した段階８１から８３を経て混合された２次パッド混合物を、前記図５の外部モールド金型９６と既に成形された前記１次成形物、即ち、内部インゴットとの間に注入し、段階８５を再実施する。これにより、２次パッド混合物が成形されると同時に１次及び２次パッド混合物が一体的に成形される。ここで、図１の下部パッド６０を製作するためパッドインゴットを成形する場合、前記１次パッド混合物は前記第１ソフトパッド領域２０を形成する材質で、前記２次パッド混合物は前記第２ソフトパッド領域３０を形成する材質である。
【００２３】
上記のような複合特性をもつパッドインゴットの製造が完了した後、本分野で公知のパッド製造工程、即ち、一定の厚みに切る段階８６と、段階８７の穿孔（perforate）と、段階８８のグルーブ（groove）と、段階８９のＰＳＡ適用と、段階９０のベースパッドラミネーティングと、段階９１のパッケージングとを経ることにより、一定の厚みをもつＣＭＰパッドが得られる。
【００２４】
このような製造方法に従いそれぞれ複合特性をもつ化合物インゴットを作り、これを一定のサイズに切断してスライスパッドを得る。従って、前記図１及び図２で示されるＣＭＰパッドは、前記複合特性をもつスライスパッドを用途に適合するように互いに接着することにより作られる。
【００２５】
即ち、このように製造されたＣＭＰパッドを図６に示すように適用してポリシング工程をする際、パッドの表面状態は図６に示すように装着されたセンサーを通して感知され、感知された結果は図示されていないコントローラーに印加されて三次元プロファイルでモニタリングすることができる。よって、周期的にコンディショニング工程が実行され、減少した厚みの程度をコンディショニングで測定することにより、ＣＭＰパッドの交換時期を決定することができる。
【００２６】
以上、本発明の実施例を詳しく説明したが、上述の実施例以外にも本発明の技術的思想の範囲内で変形及び変更することができるのは本発明の属する分野の当業者には明白なものであり、そのような変形及び変更は本発明の特許請求範囲に属するといえる。例えば、ロータリパッド構造に限定されずにリニア方式によりポリシングをする場合、そのようなロータリパッド構造を複合特性をもつベルト形パッドに変形することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のＣＭＰパッドの構造及びその製造方法は、研磨均一度を改善してディシング及びリセス現象を防止または最小化でき、ウェーハのエッジ部分の素子パターンが過多に損傷されることを防止できるという効果がある。従って、ＣＭＰ工程での不良を最小化して、高集積半導体素子のウェーハレベル及びチップレベル均一性を向上させ、製造収率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるＣＭＰパッドの構造を示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施例によるＣＭＰパッドの構造を示す断面図である。
【図３】本発明の他の実施例によるハードパッドとソフトパッドのストレス関係を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施例によるＣＭＰパッドの製造工程図である。
【図５】本発明の一実施例によるＣＭＰパッドを製造するための二重モールド金型を示す模式図である。
【図６】一般のＣＭＰ設備の構成を概略的に示す模式図である。
【図７】従来の技術による一ＣＭＰパッドの構造を示す断面図である。
【図８】従来の技術による他のＣＭＰパッドの構造を示す断面図である。
【図９】一般のハードパッドとソフトパッドによるウェーハ中央とエッジ部分における除去率を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ ハードパッド領域
２０ 第１ソフトパッド領域
３０ 第２ソフトパッド領域
４０ 第３ソフトパッド領域

Claims (4)

1. 第１直径をもつ第１ソフトパッド領域と、
   前記第１ソフトパッド領域と同一層に配置され、前記第１ソフトパッド領域の外周部に連結されている内周部を有し、前記第１直径より大きい第２直径を外径としてもち、前記第１ソフトパッド領域より軟らかい第２ソフトパッド領域と、
   前記第１ソフトパッド領域の上部に配置されたハードパッド領域と、
   前記ハードパッド領域と同一層に配置され、前記ハードパッド領域の外周部に連結されている内周部を有し、前記第２ソフトパッド領域に対応する外径をもち、前記第１ソフトパッド領域と同一に軟らかい第３ソフトパッド領域と、
   を備えることを特徴とするＣＭＰパッドの構造。
2. 前記第１ソフトパッド領域及び前記第２ソフトパッド領域の下部に設備のテーブルと接着される接着部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＰパッドの構造。
3. 円形の下部ソフトパッド領域と、
   前記下部ソフトパッド領域の上部の一部分に連結されているハードパッド領域と、
   前記ハードパッド領域と同一層に配置され、前記ハードパッド領域の外周部に連結されている内周部を有し、前記下部ソフトパッド領域の直径に対応する外径をもち、前記下部ソフトパッド領域と同一に軟らかい上部ソフトパッド領域と、
   を備えることを特徴とするＣＭＰパッドの構造。
4. 前記下部ソフトパッド領域の下部に設備のテーブルと接着される接着部が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のＣＭＰパッドの構造。

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