JP5025478B2 - 改良された化学機械平坦化の方法およびシステム - Google Patents

Description

関連出願

（関連出願）
本出願は、それぞれ参照によって本明細書に組み込まれている、２００４年１０月６日出願の米国仮出願第６０／６１６９４４号と、２００４年１２月２７日に出願された米国仮出願第６０／６３９２５７号に関し、かつその優先権の利益を主張する仮出願でない出願である。

本発明は、化学的機械平坦化（chemical mechanical planarization:ＣＭＰ）の分野に関し、具体的には、ＣＭＰ処理において使用されるＣＭＰ研磨パッドの構造的特性と機械的特性に関する。

現在の集積回路（ＩＣ）の製作では、半導体ウェハの上に以前に形成された埋込み構造に材料の層が加えられる。化学機械平坦化（ＣＭＰ）は、所望の構造を達成するためにこれらの層を除去するため、かつウェハの表面を平坦に研磨するために使用される研ぐプロセスである。ＣＭＰは、酸化物と金属の両方について実施することが可能であり、一般に、ウェハに対して移動する研磨パッド（例えば、パッドは、ウェハに対して円状に回転することが可能である）を介して加えられた化学スラリの使用を含む。結果として得られる平滑で平坦な表面は、後続ステップのためのフォトリソグラフィの焦点深度を維持し、かつ金属相互接続が外形ステップで変形しないことを保証するために必要である。ダマシン処理は、相互接続構造を形成する目的で、誘電体の上面からタングステンまたは銅などの金属を除去するために、ＣＭＰを必要とする。

パッド／スラリの組合せの平坦化／研磨の実施は、研磨パッドの機械的特性や、スラリの化学的特性とその分配によって影響を受ける。スラリを分配するために、研磨パッドは孔を含むか溝を含み、その両方を含むこともある。しかしこれにより、研磨パッドの全体的な強度は低下し、研磨パッドはより柔軟になり、したがって平坦化の特徴は低下する。例えば、図１Ａは、柔軟な研磨パッドをウェハ１００に適用する結果としての「ディシング(dishing)」を示す。柔軟な研磨パッドは、平滑な表面を提供するが、基板１０２の表面上の銅層１０４などのより柔らかい要素を過剰に研磨することによってディシング１０６が形成される。ディシングの結果、金属の厚さが失われるのは望ましくなく、デバイス性能が不良となる。

ディシングは、より優れた平坦化を提供することができるより硬い研磨パッドを使用することにより、軽減または排除することができる。パッドは、パッドの孔および／または溝の数を減らすことによってより硬くすることが可能であるが、これは、不良なスラリ分配など、異なる結果をもたらすことがある。正味の効果は、例えば、比較的硬い研磨パッドをウェハ１００に適用する結果として生じることがある表面欠陥１０８を示している図１Ｂに示されるように、基板１０２および／または銅層１０４の上の表面欠陥１０８の数を増やす（例えば、表面／層をスクラッチするおよび／またはピッチングすることによって）可能性がある。

柔軟であるか柔軟でないにかかわらず、研磨パッドは、通常、成形され、微細孔の要素で充填されたか、またはポリウレタンでコーティングされた不織フェルトからのウレタンで作成される。研磨中、パッド表面は、研磨力のために変形する。したがって、パッド表面は、調整プロセスを介して「再生成」されなければならない。調整プロセスは、パッドが研磨プロセス中とほぼ同じように回転している間、ダイヤモンドで覆った微小なディスクをパッド表面にプレスすることを含む。調整ディスクのダイヤモンドが、研磨パッドの上側の層を全体にわたって切り落として、下にある新規な研磨パッド表面を露出させる。

これらの概念は、図２Ａ〜２Ｃに絵で示されている。具体的には、図２Ａは、従来の新しい研磨パッド１１０の側面破断図を示す。研磨パッド１１０は、Ｒｈｏｍ＆Ｈａａｓ，Ｉｎｃ．のＩＣ１０００などの市販の研磨パッドにおいて見られるものとほぼ同様の微細要素１１４と溝１１６を含む。図２Ｂは、研磨後の研磨パッド１１０の表面１１２を示す。パッドの上面は、具体的には、大きなウレタン材の柔軟なまたは粘りのある流れにより縁が劣化している、微細要素１１４の周囲の劣化１１８を示す。図２Ｃは、調整プロセスが完了した後の研磨パッドの表面１１２を示す。溝１１６の深さは、調整中の材料除去のために、図２Ａに示す新しいパッドの場合より浅いことに留意されたい。

何回かの研磨や調整のサイクルにわたって、パッドの全体的な厚さは、パッドを交換する必要があるような点まで磨耗するのが一般的である。パッドの磨耗率はパッドごとに違い、またパッドのバッチごとにも違うことが当業者には明らかである。現在、パッドの磨耗、したがってパッドの使用期間の終了を決定する定量的な方法はない。代わりに、パッドの使用期間の終了は、通常、残存する溝の深さを検査するパッド表面の視覚検査に基づいている。溝のないパッドの場合、パッドの使用期間の終了の決定は、通常、研磨されたウェハの数、またはパッドが最初に使用されてからの経過時間に基づく。そのような方法はとりわけ正確ではないので、「パッドの使用期間の終了」を決定する一貫した定量的な手段が実現されることが望ましい。すなわち、パッド表面の有限な磨耗に基づく検出方法が、パッド交換のための確実な根拠を確立するのに有用である。

本発明の実施態様により構成された研磨パッドは、研磨パッドに付着された多孔性スラリ分配層を一方の側に有し、かつ圧縮可能な下層を他方の側に有するガイド・プレートを含む。互いにおよびガイド・プレートに対して平面配向して維持されるように、スラリ分配層とガイド・プレートを通ってインターデジティテッドしている（interdigitated; 訳注：図４に２０６示すように分布しながらある面から突出している）複数の研磨要素が、圧縮可能な下層に付着されており、各研磨要素は、スラリ分配層が隣接しているガイド・プレートの表面から上に突出する。任意選択で、ガイド・プレートとスラリ分配層の間に位置する膜が含まれることがある。そのような膜は、導電性膜または非導電性膜とすることができ、接着剤によってガイド・プレートに固定することが可能である。いくつかの場合、膜は、イオン交換膜とすることが可能である。

研磨パッドのガイド・プレートは、非導電性材料で作成することが可能であり、個々の研磨要素が収容される穴を含む。研磨要素のいくつかは、円形の断面を有するが、その他三角形の断面またはあらゆる他の断面形状を有することが可能である。あらゆる場合において、研磨要素は、伝熱性材料、導電性材料、または非導電性材料のいずれか１つまたはその組合せから作成することが可能である。例えば、研磨要素は、導電性ポリマー・ポリアニリン、炭素、グラファイト、または金属充填ポリマーで作成することが可能である。研磨要素の１つまたは複数は、ウェハ表面とスライド接触するようにすることが可能であり、一方その他では、ウェハ表面と回転接触する（例えば、ポリマー材料、金属酸化物材料、または導電性材料で作成された回転チップで）ようにすることが可能である。

スラリ分配材料は、いくつかのスラリ流れ抵抗要素（例えば孔など）を含み、１０パーセントと９０パーセントの間の多孔度とすることが可能である。スラリ分配材料は、接着剤によってガイド・プレートに固定されることが好ましいが、必須ではない。いくつかの場合、スラリ分配材料は、異なる材料の複数の層を含むことが可能である。例えば、スラリ分配材料は、比較的大きな孔を有する表面層、および比較的小さい孔を有する下の層を含む。スラリ分配要素とガイド・プレートの機能を、単一の材料によって実現させることができることも考慮可能である。そのような材料は、表面にわたるスラリの流れを変えるために、開放細孔フォーム面または溝またはバフルを有するガイド・プレートとすることが可能である。

研磨パッドはまた、パッドの磨耗および／または使用期間終了を表示するように構成された磨耗センサを含むことも可能である。

本明細書において、半導体ウェハとそのようなウェハ上の金属ダマシン構造を含む半導体ウェハ上の層状構造を研磨するための、改良されたＣＭＰ研磨パッドと研磨プロセスが記述される。本発明は、ＣＭＰ処理の品質における、研磨パッドの物理的特徴の影響を認識している。具体的には、より柔軟な研磨パッドはディシングを作成し、一方、低減されたスラリ分配を有するより硬いパッドは、より多くの表面欠陥を作成する。様々な研磨パッドの構成（例えば、幾何学的な範囲、比率、材料の具体的な例を有する）や研磨プロセスが本明細書において例示されるが、本発明は、他のタイプの研磨パッド製作材料や付着除去技法を含むように、同様に適用することができることを理解されたい。言い換えれば、そのような他の材料と技法の使用は、本明細書に添付される請求項において述べられる本発明の範囲内にあると見なされる。

様々な研磨パッドの構成に加えて、本発明は、サブミクロンの粒子を含むことが可能である研磨流体と組み合わせて、加工された複数積層ポリマー・パッドの表面にウェハをプレスし、加圧下においてウェハを研磨パッドに対して移動させ、移動加圧接触によりウェハの面を平面除去することとを含む、研磨プロセスを含む。本発明の実施形態により構成された研磨パッドは、様々な要素：研磨流体分配層、研磨接触または要素、ガイド・プレート、任意選択のしなやかで弾性の（すなわち圧縮可能な）下層を含む。いくつかの場合、様々なパッド要素はポリマーであり、研磨要素は、Ｐａｎｉ（商標）（商標名ＯＲＭＥＣＯＭ（商標）で入手可能）として市場で既知の導電性ポリマー・ポリアニリン、炭素、グラファイト、または金属充填ポリマーなど、導電性材料で作成することが可能である。他の実施形態では、研磨要素は、炭素、グラファイト、または金属充填ポリマーなどの伝熱性材料で作成することもある。スラリ分配材料は、開放セル・フォームおよび圧縮可能な下層の閉鎖セル・フォームとすることが可能である。スラリ分配機能はまた、溝をガイド・プレートの上に設けることによって、またはスラリの流れが変わるようにバフルを創出することによって達成することも可能である。

パッドが使用されているとき（すなわち、パッドがウェハ表面に対して移動しているとき）、研磨要素は、ウェハの表面とスライド接触または回転接触する。後者の場合、１つまたは複数の研磨要素が、円筒本体と回転チップを有する。回転チップは、ポリマー材料、金属酸化物材料、または導電性材料など、様々な材料で作成することが可能である。回転チップ研磨要素が、スライド接触研磨要素と同様にパッド材料に組み込まれてもよい。

本明細書において記述される研磨パッドは、ＣＭＰ処理に関連付けられた様々な処理ステップで使用することが可能である。これは、多段ステップ・プロセスにおける使用を含み、複数の研磨パッドと様々な特徴のスラリが、１つのステップ・プロセスに続いて使用され、この場合、１つの研磨パッドと１つまたは複数のスラリが、研磨段階全体にわたって使用される。

本発明のいくつかの実施形態では、研磨パッドは、パッドの研磨表面の磨耗、または単に「バッドの使用期間の終了」を定量的に決定する能力を有するように構成されている。例えば、「パッド使用期間終了」センサ、またはより一般的には「検出センサ」が、上面から所定の深さ（すなわち研磨要素の先端から測定して）に埋め込まれる。パッドが、センサが配置または活動化される事前に設定された厚さまで磨耗すると、センサは磨耗を検出し、入力を研磨システムに与える。

使用期間終了センサは、反射コーティングで覆われた上面を有する光透過性円筒プラグからなる。プラグは、プラグの反射端部が所定の高さだけパッドの上面より下に位置するように、パッドに埋め込まれる。光源と検出器が、光透過性ウィンドウを介して研磨装置のプラテンに配置される。光ビームが新しいパッドのプラグに入射するとき、反射表面は光を後方に反射し、パッドが有用な使用期間内にあることを示す。しかし、パッドが所定のレベルまで磨耗し、プラグの上部が、そのときに露出されているパッド表面と同じレベルであるとき、反射表面は研磨されて除去され、光がパッドを透過する。したがって、反射光信号の強度の結果的な変化は、パッドの磨耗を表すフィードバックを提供する。この変化は、「パッドの使用期間の終了」を決定するために使用することができる（例えば、使用期間の終了は、以前に確立された閾値にある、またはそれより下である反射信号強度によって示すことが可能である）。

検出ハードウェアは、パッド（およびプラテン）より下、またはパッドより上にあることが可能であり、光学インサートは、反射光信号を検出し、解釈するために、適切に修正することができる。１つまたは複数のそのようなプラグが、残りのパッドの使用期間のパーセンテージを決定するために使用される。例えば、異なるプラグが、パッドの使用期間の２５％、５０％、７５％、１００％（または他の増分）に対応して、異なる深さに埋め込まれる。このようにして、パッド磨耗情報を提供することができる。

本発明の他の実施形態では、単一円錐プラグを、パッド表面と同一平面になるように取り付け、パッドの使用中に露出されて開いているプラグのサイズが、パッドの磨耗、したがってパッドの使用期間のパーセンテージに関する情報を提供するようにしてもよい。他の実施形態では、プラグは、パッドの磨耗につれ様々な程度に露出される複数段付き表面を有することが可能である。段の高さは、パッドの磨耗のパーセンテージに関する情報を提供するように較正することが可能である。

本発明の他の実施形態では、パッド使用期間センサ・プラグは、反射率の順に構成された様々な程度の透過率を有するスクリーンを含む。例えば、上部層は、１００％の反射率（例えば、そのプラグの全反射）を有し、新しいパッド表面と同一平面上（またはほぼ同一平面上）にある。プラグ深さの２５％において、例えば７５％の反射率を有するスクリーンが埋め込まれり、同様にプラグ深さの５０％において、５０％の反射率のスクリーンが埋め込まれ、プラグ深さの７５％において、２５％の反射率のスクリーンが埋め込まれる。当然、これらの相対的な深さと反射率のパーセンテージは、設計者の具体的な要求に従って、同様の機能を達成するように変更することが可能である。

当初、そのようなプラグ／スクリーン構成では、入射ビームは完全に反射され、パッドの使用期間は１００％である（すなわち新しいパッド）と判定される。パッドが磨耗するにつれ、上部反射層は除去され、７５％（およびそれ以下）の反射率のスクリーンが関与する。各そのようなスクリーンが露出される（その後さらなる磨耗によって除去される）際、反射信号の強度により、残りのパッドの使用期間を決定することができる。したがって、単一要素を使用して、パッドの使用期間を検出し、監視することができる。

本発明の様々な実施形態において、センサは、新しいとき、パッドの上面からの１つまたは複数の所定の深さにおいてパッドに埋め込まれた２つ以上のプローブを含む電気化学センサとすることが可能である。パッドが磨耗して、プローブを露出させる際、スラリは、プローブ間の電気接続性を提供し、それにより形成された結果として得られる電気信号経路は、パッドの磨耗、および最終的にはパッドの使用期間の終了を検出する目的で、信号を検出器に送信すなわち搬送するために使用することができる。

他の実施形態では、センサは、新しいとき、パッドの表面より下の所定の深さに埋め込まれた導電性プレートとすることが可能である。外部の容量性センサまたは渦電流センサが、導電性プレートからの距離、したがってパッドの厚さまたはパッドの磨耗を検出するために使用される。本発明のこの実施形態や他の実施形態が、以下においてさらに議論される。

ここで図３Ａを参照すると、ＣＭＰ処理において使用され、かつ本発明の一実施形態により構成された円形研磨パッド２００の破断側面プロファイル図が示されている。使用時、研磨パッド２００は、研磨されているウェハ表面に対して回転し、研磨パッドの表面がウェハ接触表面２０２においてウェハと接触する（通常は加圧下において）。スラリ分配材料２０４は、研磨要素２０６間のスラリ経路内で流れを制御する。

研磨パッドの基礎はガイド・プレート２０８であり、これは、研磨要素２０６を横方向で支持し、ポリマー材料またはポリカーボネート材料などの非導電性材料で作成される。本発明の一実施形態では、ガイド・プレート２０８は、研磨要素２０６のそれぞれを収容するために、ガイド・プレート２０８の中に形成された、またはドリルされた孔を含む。研磨要素２０６は、両面テープまたはエポキシなどの接着剤によって適所に保持された、ガイド・プレート２０８（研磨要素が通過する）以外の面に固定することも可能である。例えば、研磨要素２０６は、柔軟な下層（以下で議論される）またはハウジング（これも以下で議論される）に付着させることが可能であり、その際、ガイド・プレート２０８の穴を通って長軸方向の垂直方向に自由に移動できる。研磨要素は、研磨要素が通過するガイド・プレートの孔の直径より大きいベース直径を有するように構成される。例えば、研磨要素の本体は、直径「ａ」を有し、ガイド・プレートの孔は、「ｂ」が「ａ」よりわずかに大きいが、それにもかかわらず、研磨要素のベースの直径である直径「ｃ」より小さい直径「ｂ」を有する。したがって本質的に研磨要素は、平坦なプレートの上に置かれた円筒に似ている。様々な実施形態において、ガイド・プレート２０８を通る孔の深さと間隔は、特定のＣＭＰプロセスに適合された最適方式に従って変更することが可能である。研磨要素は、それぞれ、互いにかつガイド・プレートに対して平面配向に維持される。

研磨要素２０６は、図３Ａに示すように、ガイド・プレート２０８の表面から上に突出している。これにより、スラリ分配のために、インターデジティテッドされた研磨要素２０６とガイド・プレート２０８の間に容積が設けられる。研磨要素は、様々な幾何学的形状（例えば、円形および／または三角形の断面）とすることが可能であり、熱的に又は電気的に導通性および非導通性の材料のいずれか１つまたは組合せから作成することが可能である。例えば、研磨要素２０６は、導電性ポリマー、Ｐａｎｉ（商標）（商標名ＯＲＭＥＣＯＭ（商標））として市場において既知のポリアニリン、炭素、グラファイト、または金属充填ポリマーなど、導電性材料または伝熱性材料で作成することが可能である。研磨要素２０６は、ウェハとスライド接触する従来の研磨要素とすることが可能であり、あるいは、いくつかの要素または各要素は、回転接触を含むことが可能である。例えば、いくつかまたは各研磨要素２０６は、ボールペンの先端と同様に円筒本体と回転チップを有することが可能である。回転チップは、ポリマー、金属酸化物、導電性材料とすることが可能である。

様々な実施形態において、研磨要素２０６はまた、２．５ミリメートル以下だけスラリ分配材料２０４より上に突出する。しかし、この値は、研磨要素２０６の材料特性表面にわたるスラリの所望の流れに応じて２．５ミリメートルを超えてもよいことが理解されるであろう。

本発明の一実施形態では、インターデジティテッドされた研磨要素２０６間の容積はスラリ分配材料２０４で少なくとも部分的に充填される。スラリ分配材料２０４は、ＣＭＰ処理中にスラリの流量を規制するために、バフルまたは溝（図示せず）あるいは孔など、流れ抵抗要素を含む。様々な実施形態において、多孔性スラリ分配材料２０４は、１０パーセントと９０パーセントの間の多孔度を有し、ガイド・プレート２０８の上に重なっている。スラリ分配材料２０４は、両面テープなどの接着剤によってガイド・プレート２０８に固定される。さらに、スラリ分配材料２０４は、スラリ分配材料２０４の様々な深さ（研磨表面から）において所望のスラリ流量を達成するために、異なる材料の様々な層からなることもある。例えば、研磨表面における表面層は、表面上のスラリの流れの量と率を増大させるために、より大きな孔とし、一方、より下の層は、スラリの流れを規制するのを補助するために、より多くのスラリを表面の付近に維持するようにより小さい孔とする。

研磨パッド２００はまた、膜２１０を含むこともあり、膜２１０は、ガイド・プレート２０８の表面上に位置し、かつガイド・プレート２０８とスラリ分配材料２０４の間や、ガイド・プレート２０８へ延びる研磨要素２０６の各部分とインターデジティテッドされた容積との間に障壁を形成する。他の場合、膜は、ガイド・プレート２０８より下に位置することが可能である。膜２１０は、導電性膜または非導電性膜とすることが可能であり、両面テープまたはエポキシなどの接着剤によってガイド・プレート２０８に固定することが可能である。例えば、膜２１０は、電荷は通過させるが、液体は通過させないイオン交換膜とすることが可能である。

研磨パッド２００はまた、ガイド・プレート２０８、膜２１０、研磨要素２０６、スラリ分配材料２０４が、少なくともそれらの周囲が部分的にハウジング２１２内にあるように構成されたハウジング２１２を含む。ハウジング２１２は、研磨動作中にパッド２００を回転または操作する手段の境界となるとともに、追加の安定性を研磨パッド２００に与える。ハウジング２１２は、ポリマー、金属などの任意の剛性材料で作成され、両面テープまたはエポキシなどの接着剤によってガイド・プレート２０８に固定される。

研磨パッド２００の厚さ２１４（Ｔ）は、使用中の研磨パッドの剛性と物理的特徴に影響を与える。一実施形態では、厚さは、２５ミリメートルであるが、この値は、研磨パッド２００の構築に使用される材料や、実施されるＣＭＰプロセスのタイプにより、３ミリメートルから１０ミリメートルまで変化する。

ここで図３Ｂを参照すると、研磨パッド２００Ａが示されている。このパッド２００Ａは、図２Ａを参照して記述されたパッド２００の構造と同様であるが、圧縮可能な下層２１６を含む。圧縮可能な下層２１６は、特徴の中でも、圧縮されたときに研磨表面に向けられる正の圧力を提供する。通常、圧縮は、５ｐｓｉ（１インチ平方あたりのポンド、約３４．５ｋＰａ）において１０％とすることが可能であるが、圧縮は、研磨パッド２００の構築に使用される材料やＣＭＰプロセスのタイプに応じて変更されることは理解できるであろう。圧縮可能な下層２１６は、ＲＢＸ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．によって作成されたＢＯＮＤＴＥＸ（商標）フォームで形成することが可能である。様々な実施形態において、圧縮可能な下層２１６は、ハウジング２１２の内部に含む、ハウジング２１２の外部にある、またはハウジング２１２の代わりに使用することが可能である。

図４は、本発明の一実施形態により構成された研磨パッド３００の平面図を示す。研磨要素２０６は、研磨パッド３００全体にわたってインターデジティテッドされてる。スラリ分配材料２０４は、ガイド・プレート（図示せず）から突出し、かつハウジング２１２によって囲まれている研磨要素２０６によって作られた容積全体に広がっている。その容積がスラリ経路３０２となっており、スラリ分配材料２０４は、図３Ａを参照して上記で議論したように、スラリの流れを制御する機構を提供する。

研磨要素２０６の分布は、特定のＣＭＰプロセスとスラリ分配の特徴により変更することが可能である。様々な実施形態において、研磨要素２０６は、各研磨要素２０６の直径３０４（Ｄ）と研磨パッド３００の直径によって決定される、研磨パッド表面積全体に対して３０パーセントと８０パーセントの間の密度である。一実施形態では、直径３０４は、少なくとも５０マイクロメートルである。他の実施形態では、直径は、５０マイクロメートルと３０ミリメートルの間で変化することが可能である。研磨要素の通常の直径は、３ｍｍ〜１０ｍｍである。

上記で指摘したように、本発明の実施形態により構成されたいくつかの研磨パッドは、パッドの使用期間の断片的または完全な終了（例えば、使用期間の終了をもたらすパッドの磨耗）を判定するセンサを組み込む。光、電気化学、または電流に基づくセンサを使用して、そのような磨耗／使用期間の終了を決定することができる。センサは、その上面より下の１つまたは複数の所定の深さにパッドに組み込まれる。センサは、パッドの磨耗によって露出されるとき、光信号の送信、または電気化学センサの場合は導電性が回路を閉じ、それにより、そのような信号がセンサから１つまたは複数の検出器に送信される。渦電流センサまたは容量性センサの場合、導電性プレートがパッドの上面より下に埋め込まれることが可能であり、検出器は、パッドより上または下に配置される。したがって、プレートとセンサの間のパッドの厚さは、検出器によって知覚される信号の強度に影響を与え、断片的または完全なパッドの使用期間の終了を決定するために使用される。

図５Ａは、パッド３０４に埋め込まれた光センサ３０２の破断側面プロファイル図である。光センサ３０６の上面は、入射ビーム３０８が上面より下にある間、入射ビーム３０８が後方に反射される３１０ように反射性である。そのようなセンサは、パッドの研磨表面の磨耗または単に「パッド使用期間の終了」を定量的に決定する能力を有して研磨パッドが構成される本発明のいくつかの実施形態について有用である。例えば、光センサ３０２は、「パッド使用期間の終了」センサとして、またはより一般的には上面から所定の深さにおいて（すなわち、研磨要素の先端から測定して）パッド３０４に埋め込まれた「検出センサ」として作用することが可能である。パッドが、センサが配置または活動化される事前設定された厚さまで磨耗する際、センサは磨耗を検出して、入力を研磨システムに提供する。

センサ３０２は反射コーティングで覆われた上面を有する光透過性円筒プラグである。プラグは、プラグの反射端部がパッドの上面より所定の高さだけ下に位置するように、パッド３０４に埋め込むことが可能である。光源と検出器が、光透過性ウィンドウを介して研磨装置のプラテンに配置される。光ビームが新しいパッドに入射するとき、反射表面は光を後方に反射し、これは、パッドが依然として有用な使用期間内にあることを表す。しかし、パッドが所定のレベルまで磨耗し、プラグの上部が、そのとき露出されているパッド表面とほぼ同じレベルにあるとき、反射表面は研磨して除去され、光がパッドを透過する。したがって、結果的な反射光信号強度の変化は、パッドの磨耗を表すフィードバックを提供する。この変化は、「パッド使用期間の終了」を決定するために使用することができる（例えば、使用期間の終了は、以前に確立された閾値にある、またはそれより下の反射信号強度によって表すことが可能である）。

検出ハードウェアは、パッド（およびプラテン）より下、またはパッドより上にあることが可能であり、光学インサートは、反射光信号を検出し、解釈するように適切に修正することができることが明らかである。１つまたは複数のそのようなプラグは、残りのパッド使用期間のパーセンテージを決定するために使用することが可能である。例えば、異なるプラグが、パッド使用期間の２５％、５０％、７５％、１００％（または他の増分）に対応して、異なる深さに埋め込まれる。このようにして、パッドの磨耗情報を提供することができる。

本発明の他の実施形態では、パッドの使用中に露出されているプラグ開口のサイズが、パッドの磨耗、したがってパッドの使用期間のパーセンテージに関する情報を提供するように、単一円錐プラグが、パッド表面と同一平面上にあるように取り付けられる。他の実施形態では、プラグは、パッドが磨耗する際に様々な程度に露出される複数段付き表面を有する。段の高さは、パッドの磨耗のパーセンテージに関して情報を提供するように較正することが可能である。

本発明のさらに他の実施形態では、パッド使用期間センサ・プラグは、反射率の順に構成された様々な透過率を有するスクリーンを含む。例えば、上部層は、１００％の反射率（例えば、そのプラグの全反射）を有し、かつ新しいパッド表面と同一平面上（またはほぼ同一平面上）にある。プラグの深さの２５％において、例えば７５％の反射率を有するスクリーンが埋め込まれ、同様に、プラグの深さの５０％において、例えば５０％の反射率を有するスクリーンが埋め込まれ、プラグの深さの７５％において、例えば２５％の反射率を有するスクリーンが埋め込まれる。当然、これらの相対的な深さと反射率のパーセンテージは、設計者の特定の要求により、同様に機能を達成するように変更することが可能である。

図５Ｂ〜５Ｅは、本発明の実施形態による研磨パッド３０４と関連して使用することが可能である、上記で議論された光センサ設計の例を示す。当然、光センサの他の構成を使用することも可能である。具体的には、図５Ｂは、反射表面３０６’を有する複数段光センサ３１２を示し、図５Ｃは、複数の反射表面３０６”を有する単一センサ３１４を示し、図５Ｄは、反射表面を単一センサに組み込む他の手段を示す。この場合、反射表面３０６'''は、三角形断面センサ３１６の側面を備える。図５Ｅは、可変領域光センサ３１８を示し、それにより、反射表面３１６の断面積の比率は、残りの残余パッド使用期間を表す。センサ３１２、３１４、３１６、３１８は、パッドの上面と同一平面上にある状態で、研磨パッドに組み込むことができることが、当業者には明らかであろう。反射光信号の強度の変化は、パッド使用期間の終了を決定するパッド磨耗に関する情報を提供する。

本発明の他の実施形態では、使用期間終了センサは、パッドが新しいときにパッドの上面から１つまたは複数の所定の深さに埋め込まれた２つ以上のプローブを含む電気化学センサとすることが可能である。そのような構成の例が、新しいパッド４０４の表面より下に配置された電気化学センサ４０２を示す図６Ａに示されている。パッドが磨耗して、プローブが露出すると、スラリがプローブ間を電気的に接続し、それにより形成された結果として得られる電気信号経路が、パッドの磨耗、最終的にはパッド使用期間の終了を検出する目的で、信号を検出器に送信または搬送するために使用することができる。図６Ｂは、パッドの磨耗のために露出された電気化学センサを示し、プローブ４０６は、スラリ要素４０８が存在することによって接続される。回路における連続性は、あるパッドの磨耗が生じたことを表す。

本発明の他の実施形態では、使用期間終了センサは、パッドが新しいときにパッドの表面より下の所定の深さに埋め込まれた導電性プレートとすることが可能である。外部の容量性センサまたは渦電流センサが、導電性プレートからの距離、したがってパッドの厚さまたはパッドの磨耗を検出するために使用される。図７Ａは、パッドの表面５０４より下に埋め込まれた導電性プレート５０２を有するこの構成の例を示す。容量性センサ・プート５０６が、パッドの磨耗を表す分離を決定するために、パッドの上面において保持される。図７Ｂは、分離を決定するためにパッドの上面において保持された渦電流センサ５０８を有するこの構成を示す。

以上において、半導体ウェハ、およびそのようなウェハ上の金属ダマシン構造を含む半導体ウェハ上の層状構造を研磨するための改良されたＣＭＰ研磨パッドと研磨プロセスが記述された。本発明の研磨パッドとその研磨パッドを使用するプロセスは、ある例示を参照して議論されたが、本発明の範囲は、そのような例によって限定されるべきではないことを思い出されたい。代わりに、本発明の真の範囲は、添付の請求項の観点から判断されるべきである。

ＣＭＰ動作中に比較的柔軟な従来の研磨パッドを使用することによって生じたディシングの例を示す図である。 ＣＭＰ動作中に比較的硬い研磨パッドを使用する結果として生じるウェハ／層のスクラッチまたはピッチングの例を示す図である。 従来の研磨パッドによって受けるパッド磨耗の概念を示す図である。 Ａ：ＣＭＰ動作において使用される本発明の一実施形態により構成された円形研磨パッドの破断側面図である。Ｂ：図２Ａに示すものと同様であるが、本発明の他の実施形態による圧縮可能な下層を含む研磨パッドを示す図である。 本発明の他の実施形態による、スラリが通って流れることが可能であるインターデジティテッドした研磨要素を有する研磨パッドの上面図である。 Ａ：パッド３０４に埋め込まれた光センサ３０２の破断側面プロファイル図である。Ｂ−Ｅ：本発明の実施形態により構成された研磨パッドと共に使用することが可能である光センサの設計を示す図である。 Ａ：本発明の実施形態による新しいパッドの表面より下に配置された電気化学センサを示す図である。Ｂ：パッドの磨耗の結果として露出された図６Ａの電気化学センサを示す図である。 Ａ：本発明の他の実施形態による研磨パッドの表面より下に埋め込まれた導電性プレートの例を示す図である。Ｂ：本発明の実施形態によるパッドの磨耗の決定を補助するために、図７Ａに示すパッドの上面において保持された渦電流センサを有する構成を示す図である。

Claims (32)

1. 多孔性スラリ分配層を一方の側に、圧縮可能な下層を反対側に付着させたガイド・プレートと、
   互いに平行に、および前記ガイド・プレートに対して垂直に維持されるように、前記スラリ分配層と前記ガイド・プレートを通して互いにインターデジティテッドされた複数の研磨要素であって、各研磨要素が、前記圧縮可能な下層に付着され、前記スラリ分配層が隣接する前記ガイド・プレートの表面より上に突出する、複数の研磨要素と
   を備える、研磨パッド。
2. 前記ガイド・プレートと前記スラリ分配層の間に配置された膜をさらに備える請求項１に記載の研磨パッド。
3. 前記膜が、導電性膜を備える請求項２に記載の研磨パッド。
4. 前記膜が、非導電性膜を備える請求項２に記載の研磨パッド。
5. 前記膜が、接着剤によって前記ガイド・プレートに固定される請求項２に記載の研磨パッド。
6. 前記膜が、イオン交換膜を備える請求項２に記載の研磨パッド。
7. 前記ガイド・プレートが、非導電性材料で作成される請求項１に記載の研磨パッド。
8. 前記研磨要素の少なくともいくつかが、円形の断面を有する請求項１に記載の研磨パッド。
9. 前記研磨要素の少なくともいくつかが、三角形の断面を有する請求項１に記載の研磨パッド。
10. 前記研磨要素が、伝熱性材料、導電性材料、または非導電性材料のいずれか１つまたは組合せから作成される請求項１に記載の研磨パッド。
11. 前記研磨要素が、導電性ポリマー、ポリアニリン、炭素、グラファイト、または金属充填ポリマーの１つで作成される請求項１０に記載の研磨パッド。
12. 前記研磨要素の１つまたは複数が、ウェハ表面とスライド接触するようにされる請求項１に記載の研磨パッド。
13. 前記研磨要素の１つまたは複数が、ウェハ表面と回転接触するようにされる請求項１に記載の研磨パッド。
14. ウェハ表面と回転接触するようにされた前記研磨要素の前記１つまたは複数が、円筒本体と回転チップを有する請求項１３に記載の研磨パッド。
15. 前記研磨要素の前記１つまたは複数の前記回転チップが、以下の材料：ポリマー、金属酸化物、または導電性材料の１つで作成される請求項１４に記載の研磨パッド。
16. 前記スラリ分配材料が、いくつかのスラリ流れ抵抗要素を含む請求項１に記載の研磨パッド。
17. 前記スラリ分配材料が、１０パーセントと９０パーセントの間の多孔度を有する請求項１６に記載の研磨パッド。
18. 前記スラリ分配材料が、接着剤によって前記ガイド・プレートに固定される請求項１に記載の研磨パッド。
19. 前記スラリ分配材料が、異なる材料の複数の層を含む請求項１に記載の研磨パッド。
20. 前記スラリ分配材料が、比較的大きな孔を有する表面層、および比較的小さい孔を有する下の層を備える請求項１９に記載の研磨パッド。
21. 前記ガイド・プレート、前記研磨要素、前記スラリ分配材料を内部において少なくとも部分的に周囲に含むように構成されたハウジングをさらに備える請求項１に記載の研磨パッド。
22. 研磨パッドが、３ミリメートルと１０ミリメートルの間の厚さを有する請求項１に記載の研磨パッド。
23. 前記圧縮可能な下層が、圧縮されたときに研磨パッドの研磨表面に向けられる正の圧力を提供するように構成されたフォームまたは弾性ポリマーで形成される請求項１に記載の研磨パッド。
24. 集団的に前記研磨要素が、全研磨パッド表面積の３０パーセントから８０パーセントの密度を有するように、前記研磨要素が、研磨パッドの面全体にわたって分布する請求項１に記載の研磨パッド。
25. 前記研磨要素の１つまたは複数の作業端部から測定して、パッドの上面からある深さに埋め込まれたパッド磨耗センサをさらに備える請求項１に記載の研磨パッド。
26. 前記パッド磨耗センサが、反射コーティングで覆われた上面を有する光透過性プラグを備える請求項２５に記載の研磨パッド。
27. 前記パッド磨耗センサが、パッド内において異なる深さに埋め込まれたいくつかの光透過性プラグを備える請求項２５に記載の研磨パッド。
28. 前記パッド磨耗センサが、前記パッド表面の前記上面と同一平面上にあるように取り付けられた光透過性円錐プラグを備える請求項２５に記載の研磨パッド。
29. 前記パッド磨耗センサが、前記パッドが磨耗する際に様々な程度に露出されるように構成された複数段付き表面を有する光透過性プラグを備える請求項２５に記載の研磨パッド。
30. 前記パッド磨耗センサが、反射率の順に構成された様々な透過率を有するスクリーンを含む光透過性プラグを備える請求項２５に記載の研磨パッド。
31. 前記パッド磨耗センサが、パッドに埋め込まれた２つ以上のプローブを含む電気化学センサを備える請求項２５に記載の研磨パッド。
32. 前記パッド磨耗センサが、パッドの前記表面より下のある深さに埋め込まれた導電性プレートを備える請求項２５に記載の研磨パッド。

Images