JP5183840B2 - Chemical mechanical polishing apparatus and method using cylindrical rollers - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広くは、半導体ウエハ表面の化学的機械的研磨(CMP)に関し、更に詳しくは、研磨終了後のウエハ表面において所望の膜厚プロファイルを達成することができる化学的機械的研磨システム及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体デバイスは、半導体基板の上に金属配線を用いて回路を形成することにより製造される。具体的には、金属配線は、デバイス内に離散的に存在する複数の素子を相互に接続して集積回路を形成し、層間絶縁膜を用いて他の層から絶縁される。層の相互間の電気的な接続のためには、この絶縁膜を貫通するコンタクト・ホールを形成し、このコンタクト・ホールを介して電気的接続を与える。最近では、技術の進歩により集積回路における高密度化が進むのに伴い、半導体基板の上に積層する配線や素子をますます多層化することが求められている。
【0003】
基板上に金属配線を形成すると、その表面は粗くなるのが一般的である。しかし、多層化する際には、コンタクト・ホールや金属膜を正確に形成しデバイスの歩留りを向上させ最終的な集積回路の信頼性を維持するために、層間絶縁膜や配線を含むそれぞれの層を平坦にすることが非常に重要である。
【0004】
この平坦化のためのプロセスとして現在広く用いられているのが、化学的機械的研磨法(CMP)である。その一例としては、酸化膜(SiO2)の層間絶縁膜を平坦化する工程である酸化膜CMPなどがある。CMPを行うための装置では、半導体ウエハはウエハ・キャリアと研磨布(パッド)の間に保持され、キャリアと研磨テーブルとをそれぞれ所定の回転速度で回転させ、半導体ウエハと研磨パッドとの間には研磨圧が加えられる。この際に、固体である砥粒(シリカ粒子、アルミナ粒子、酸化セリウムなど)をアルカリ溶液中に分散させた研磨液(スラリ)を、研磨テーブルの上に貼られたパッドに滴下し含浸させて研磨を行うことによって、砥粒による機械的な研磨と、アルカリ溶液による化学的なウエハ表面の軟質化とがウエハ表面で同時に進行し、ウエハ表面の平坦化が行われる。スラリにおいては、砥粒や研磨する材料に応じて、砥粒の分散及び凝集状態が制御され、更に、研磨の化学的な効果を最適にするために、成分の化学的な調整がなされている。この研磨の化学的及び機械的な複合効果により、研磨表面の優れた平坦化が達成される。
【0005】
図1は、CMPを実行するための典型的な装置構成を示している。ウエハ101は、ウエハ・キャリア102と研磨テーブル103上の研磨パッド104との間に一定の圧力106で固定されている。このような構成において、実際の研磨は、スラリ105を供給しながら、研磨テーブル103とウエハ・キャリア102との両方を回転させて行われる。CMPでは、(1)研磨率、(2)研磨圧及び(3)研磨テーブルとウエハ・キャリアとの間の相対速度という3つの数値の間に、「研磨率は、研磨圧と相対速度との積に比例する」という関係が成立することが知られている。この関係は、プレストンの式(Preston's Equation)と称される。
【0006】
【発明が解決すべき課題】
最近では、CMP装置において、マルチゾーン制御式のウエハ・キャリアが提供され始めている。マルチゾーン制御方法の一つとしては、ウエハの背面(研磨面とは反対の面)に対し、ウエハの位置(ゾーン)に応じて異なる空気圧を加え、相対的に異なる研磨圧を生じさせることにより、ウエハ上の位置ごとに研磨率が変化するような制御を意味する。研磨圧がウエハ全体にわたって一様である従来型の研磨装置では、ウエハの中心からエッジに向かう膜厚プロファイルは、研磨終了後であっても、研磨前の膜における膜厚プロファイルと類似しており、目的とする膜厚プロファイルの平坦化が必ずしも適切に達成されないことがありうる。これに対して、複数の圧力を提供することができるマルチゾーン制御式のキャリアでは、より多く研磨すべき領域にそうでない領域よりも大きな研磨圧を加えて研磨率を増加させ(プレストンの式から導かれる)、単一圧力のウエハ・キャリアの場合よりも優れた膜厚プロファイルの平坦化が達成される。
【0007】
従来型のCMPにおける問題点として、研磨を実行した後で、ウエハ表面のエッジに近い周辺領域に凸状の部分が生じるリバウンドと称される現象がある。図2(a)には、リバウンドが生じる原理が示されている。また、図2(b)には、リバウンドの状況が示されている。リバウンド現象は、ウエハの円周部分がウエハ・キャリアによって水平方向に固定されている状態で、ウエハ表面に研磨パッドから垂直方向に研磨圧が加えられることにより、ウエハに弾性変形が生じることに起因する。リバウンド現象が生じれば、その領域ではウエハの平坦化は当然達成されないから、リバウンドが生じているウエハ領域は利用できず、歩留りの低下につながる。
【0008】
従来型の研磨方式では、大径研磨パッドとウェハーキャリアを用いるため、安定した高回転の研磨プロセスが実用されていない。また、ある程度の装置スループットを確保するのに、高研磨圧プロセスを採用している。この高圧/低速度の組み合わせにより、研磨パッドがひどく変形し、研磨パッドとキャリアの相対速度も低くなり、優れた配線上の平坦性が得られていない。(一般的には、デバイス上の平坦性は相対速度と比例しているが、研磨圧とは反比例している。)
一般的なCMP装置では、図1に示し既に述べたように、研磨パッドが設置されている円形の回転台に対して、真空チャック等によりウエハを保持しているウエハ・キャリアを上から押しつけて研磨を実行するのが通常である。これとは全く構成の異なる研磨装置として、ウエハを保持するウエハ・キャリアを装置の下側に設け、研磨パッドが表面に設置され、ウエハ・キャリアと幅の狭い直線領域によって接触する円筒状のローラを用いて研磨を行うというものも、これまでに提案されている。例えば、特開平2−269552、特開平7−66160及び特開2000−218518などにそのような構成のCMP装置が開示されている。
【0009】
本発明によるCMP装置及び方法では、上述したマルチゾーン制御式の研磨と同じように、ウエハの領域に応じて異なる研磨率が生じるような態様で研磨が実行される。しかし、研磨圧を変化させることによって研磨率を変化させるのではなく、研磨率は、本発明による小径口で高回転が可能な円筒形の研磨パッド及びそのコンディショニング方法によって制御される。従って、円筒形のローラを用いてマルチゾーン制御式のCMPを実行し、従来のCMPにおいて存在していた問題点を解決することが、本発明の目的である。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の1つの実施例によると、半導体ウエハの化学的機械的研磨を行う装置であって、(1)研磨されるべき半導体ウエハをその被研磨面が露出された状態で保持するウエハ・キャリアと、(2)円筒の形状を有し研磨パッドが表面上に貼付されている研磨ローラであって、前記研磨パッドは前記円筒の長軸方向に沿って研磨特性が異なる複数の帯状部分で構成され、前記半導体ウエハの被研磨面と前記円筒の長軸方向の長さの線分を介して接触する研磨ローラと、(3)スラリ供給手段と、(4)コントローラと、を備えている化学的機械的研磨装置が提供される。この装置においては、前記研磨ローラは、前記円筒の中心軸と前記円筒の長軸方向の長さを2分し前記中心軸と直交する前記被研磨面に対して垂直方向の軸とを2つの回転軸として2つの回転運動を行い、同時に、被研磨面の全体にわたって並進運動を行い、前記スラリ供給手段から前記被研磨面との前記接触部分にスラリの供給を受けながら研磨を実行する。前記ローラから前記被研磨面に加えられる研磨圧力と、前記2つの回転運動と、前記並進運動とは、目的とする研磨に応じて、前記コントローラによって制御される。
【0011】
また、本発明の別の実施例によると、半導体ウエハの化学的機械的研磨を行う方法が提供される。この方法は、コンピュータが読み取ることができる記憶媒体に記憶されたり、又は、通信媒体を介して伝送されるたりするコンピュータ・プログラムという形態でも提供されうる。この方法は、(1)ウエハ・キャリアが、研磨されるべき半導体ウエハをその被研磨面が露出された状態で保持するステップと、(2)円筒の形状を有し研磨パッドが表面上に貼付されている研磨ローラであって、前記研磨パッドは前記円筒の長軸方向に沿って研磨特性が異なる複数の帯状部分で構成されている研磨ローラを、前記半導体ウエハの被研磨面と前記円筒の長軸方向の長さの線分を介して接触させるステップと、(3)前記研磨ローラに、前記円筒の中心軸と前記円筒の長軸方向の長さを2分し前記中心軸と直交する前記被研磨面に対して垂直方向の軸とを2つの回転軸として2つの回転運動をさせ、同時に、被研磨面の全体にわたって並進運動をさせ、前記被研磨面との前記接触部分にスラリの供給を受けながら研磨を実行するステップであって、前記ローラから前記被研磨面に加えられる研磨圧と、前記2つの回転運動と、前記並進運動とは、目的とする研磨に応じて、前記コントローラによって制御される、ステップと、によって構成されている。
【0012】
【発明の実施の態様】
図3及び図4には、本発明による研磨システムの概要が図解されている。図3は、円筒型のローラの長軸に沿った方向の断面図であり、図4は、長軸と直交する方向の断面図である。
【0013】
図3に示されているように、研磨されるべきウエハ301は、ウエハ・キャリア303の上に配置される。デバイス側(被研磨面)は上を向いており、その反対側にはバッキング・フィルム302があり、ウエハ・キャリア303及びバッキング・フィルム302に設けられた真空ホールを介して保持されている。ローラは、例えば、中空の金属製ロッドである。このロッドには複数のスラリ・ホールが設けられ、これらのスラリ・ホールを介してスラリがパッド表面に供給される。なお、スラリは、パッドを介して供給するのではなく、研磨の実情に応じて、外部ソースから供給することも可能である。この外部ソースは、図ではローラ・パッド装置の外部の管306として示されている。例えば、上で引用した特開平7−66160や特開2000−218518には、スラリを研磨面の上方から滴下するのではなく、ローラ表面に設けられたホールを介して研磨面にスラリを供給することにより、スラリがウエハの全体に均一に配分されるとか、ハイドロプレーン現象が生じて研磨が進行しなくなるのを回避できる、などの効果が記載されている。しかし、スラリの供給態様は本発明の特徴部分ではなく、このような内容は当業者には広く知られていることであるので、これ以上の詳細は割愛する。
【0014】
なお、図3及び図4においては、ウエハ・キャリアが下側に、研磨ローラが上側に位置するように示されているが、これは単なる一例であり、図示されている位置関係は、本発明による装置及び方法にとって重要性を有さない。従って、90度回転させたり、180度回転させて上下を逆にすることも可能である。ただし、上下が逆になる場合には、スラリの供給態様について若干の配慮が必要になりうる可能性がある。面と面とが接している従来型の研磨と異なり、研磨が生じる直線部分に適切にスラリを供給するのは何らかの技術が必要となる可能性があるからである。
【0015】
円筒形のローラ表面に貼られている研磨パッド304は、単一の研磨パッドでもよいし、材料や圧縮率が異なる2層から構成されるスタック状でもよい。このパッド又はパッド・スタックは、ローラ上に付着されて研磨パッドを形成する。研磨パッドが表面に貼られているローラは、ウエハ・キャリアの上方に配置されており、下降して回転することによりウエハのCMPを実行する。円筒形のローラの長軸方向の長さは、ウエハの直径を超えないことが重要である。このローラの長さに関する特徴は、ローラをウエハ表面上において2次元的に移動させることによって、ローラの位置に応じて研磨特性が異なる研磨パッドをウエハの異なる領域に押し当てることを可能にするためである。また、上述したリバウンド現象を少なくするためにも、ローラがウェハーエッジよりはみ出さない、はみ出しても短時間で済むようにすることが重要である。
【0016】
ローラ上には、パッド・コンディショニング・カバーにパッド・コンディショニング砥粒が付着されたフィルムが貼られている。このフィルムは、長軸方向に沿って相互に平行な複数の帯状の部分に分かれており、各部分で研磨粒子及び密度が異なり、従って、研磨特性が異なっている。これら複数の部分は、図3では、ドレッサn、n+1、n+2、n+3として示されている。もちろん、図3に示されている4つよりも多くの部分に分割されていてかまわないし、それよりも少ない例えば3つの部分に分割されていてもかまわない。各部分での研磨特性は、研磨の目的に応じて、ユーザが、目的とする膜厚プロファイルを得られるように設定することができる。
【0017】
研磨が命じられると、ウエハ・キャリア303は、ユーザによって設定された速度で回転を開始する。この際に、ウエハ・キャリアの中心である直線A−A(図3)が回転軸となる。研磨パッドが表面に貼付されたローラ304は、ユーザによって設定された研磨圧をウエハ表面に対して下向きに加えながら、円筒の中心線B−B(図3)を回転軸として回転し、研磨を実行する。ウエハ表面とローラとは、ローラの長さ分の線分を介して接触することになる。ローラは、ウエハと線分を介して接触しながら、ウエハ表面の全体を研磨して平坦性を達成ために、ウエハ表面の全体にわたって、X軸方向及びY軸方向への並進運動を行いながら、2つの回転運動をおこなう。2つの回転運動とは、水平方向のローラの中心軸B−Bを回転軸とする回転と、ローラ・パッド装置の中心における垂直方向の軸A−Aを中心とする回転とである。回転速度及び直線方向の速度は、すべて、ユーザが研磨の目的に応じて設定することができる。回転軸は、そのすべてが、図3及び図4に示されている。
【0018】
ウエハが研磨されるときには、部分n、n+1、n+2、n+3ごとに粒子サイズ及び密度が異なっているコンディショナ・ストリップが、パッド表面のコンディショニングを行う。ローラ・パッド304の部分ごとにコンディショニング材料の性質が様々であるために、パッド表面は異なる研磨特性を有しており、従って、研磨率は部分ごとに異なる。このような方法を用いることにより、ウエハ表面での研磨率は、研磨前のウエハの厚さプロファイルに応じて調節することができ、研磨後に所望の厚さプロファイルを生じさせることが可能になる。
【0019】
以上で説明したように、研磨を担当するローラ304は、2つの回転をしながら、同時に、ウエハ表面の全体にわたって2次元的な並進運動をする。ローラ304のこれらの複雑な運動は、本発明の研磨装置に内蔵されたコントローラ(図示せず)によって制御される。従来型のCMPでは、研磨に関係する制御パラメータの数は、非常に少数であった。しかし、本発明による研磨装置では、複数の異なる研磨特性を備えたパッドが貼られたローラ自体が複雑な運動をするのであるから、制御パラメータの数は飛躍的に増大している。制御パラメータの数が増大すれば、現在及び将来において求められる多様な研磨への対応が可能になる。
【0020】
本発明による研磨方法でのコンディショニングの調整について付言する。コンディショニング砥粒、密度などの組み合わせは、ウェハ面内の膜厚プロファイルに応じて、実験的に決定される。絶縁膜の形成(デポジション)に用いる装置における諸条件(ウェハーセンターの膜厚が厚い、薄い、全面ほぼフラットなど各種のクセ)が把握できていれば、コンディショニング砥粒・密度を因子とした実験で、研磨のコンディショニング・プロセスが決まる。その際にデポジション装置が不安定であれば多種類のコンディショニング・ストリップを用意しなければならない。
【0021】
【発明の効果】
本発明による研磨方法を用いると、リバウンド現象を緩和できる。その理由は次の通りである。ウェハ・エッジを研磨する以上、リバウントを完全に回避することは不可能である。特に、従来の研磨技術では、研磨パッドがウェハ(キャリアも含む)よりも大きいためにウェハ・エッジからはみ出してしまい、そのはみ出したパッドの部分が変形したままの状態でウェハ・エッジを研磨していたため、リバウンドの発生が顕著であった。これとは対照的に、本発明による研磨では、ローラーパッドのX軸及びY軸方向の運動を適切に制御することにより、パッドがウェハのエッジからはみ出さないか、はみ出しても時間を短くできるため、リバウンドを少なくできる。
【0022】
また、本発明による研磨方法によると、研磨時間を短縮できる。その理由は次の通りである。まず、上述のプレストンの式によれば、切削量は圧力と相対速度との積に比例する。そして、本発明によるローラーパッドは従来型の研磨パッドより小型なので、高回転に調整できる。従って、相対速度が高くなり、圧力が同じであっても単位時間当たりの切削量が増え、研磨時間が短縮できる。
【0023】
本発明の著しい特徴は、2つの回転軸を有するローラ・パッドと、複数のタイプのコンディショニング砥粒を用いたパッド処理とを組み合わせることにより、ユーザが希望する平坦性及び膜厚プロファイルを達成できる点である。ウエハ基板上に形成される層の数が増えていくにつれて、研磨前の被研磨面の表面プロファイルはますます多様になる可能性がある。従って、そのような多様なプロファイルを前提として平坦化を実現するには、ウエハの領域ごとに異なった研磨率を提供することが必要となる。
【0024】
そのような場合に、本発明による研磨装置及び方法を用いると、多くのパラメータを適切に制御しながら研磨を行うことにより、多種多様な研磨率の提供が可能であるから、複雑な表面プロファイルを有する被研磨面にも適切に対応することができる。本発明による装置及び方法では、ウエハ上の研磨が必要な領域だけを研磨することもできるため、過剰な研磨を生じさせることがなく、スラリなどの消耗品のコストを最小限に抑えることも可能である。
【0025】
更に、本発明による装置及び方法によれば、高相対速度研磨で優れた配線上の平坦化が得られ、フォトリソグラフィにおけるDOFマージンを拡大することができ、積層された金属の平坦性を向上させることができ、過剰なエッチングを減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術による一般的なCMP装置の概略である。
【図2】ウエハのエッジ部分に生じるリバウンド現象の例である。
【図3】本発明による研磨装置の断面図である。
【図4】本発明による研磨装置の別の方向からの断面図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to chemical-mechanical polishing (CMP) of a semiconductor wafer surface, and more particularly to a chemical-mechanical polishing system that can achieve a desired film thickness profile on the wafer surface after polishing and Regarding the method.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor device is manufactured by forming a circuit on a semiconductor substrate using metal wiring. Specifically, the metal wiring forms an integrated circuit by interconnecting a plurality of elements that exist discretely in the device, and is insulated from other layers using an interlayer insulating film. For electrical connection between layers, a contact hole penetrating the insulating film is formed, and electrical connection is provided through the contact hole. Recently, as the density of integrated circuits has increased due to technological advances, it has been required to increase the number of wirings and elements stacked on a semiconductor substrate.
[0003]
When metal wiring is formed on a substrate, its surface is generally roughened. However, when multiple layers are used, each layer, including interlayer insulation films and wiring, is used to accurately form contact holes and metal films to improve device yield and maintain the reliability of the final integrated circuit. Is very important.
[0004]
A chemical mechanical polishing method (CMP) is currently widely used as a process for the planarization. As an example, there is an oxide film CMP which is a step of planarizing an interlayer insulating film of an oxide film (SiO 2 ). In an apparatus for performing CMP, a semiconductor wafer is held between a wafer carrier and a polishing cloth (pad), and the carrier and the polishing table are rotated at a predetermined rotational speed, respectively, so that the semiconductor wafer is interposed between the semiconductor wafer and the polishing pad. A polishing pressure is applied. At this time, a polishing liquid (slurry) in which solid abrasive grains (silica particles, alumina particles, cerium oxide, etc.) are dispersed in an alkaline solution is dropped and impregnated on a pad affixed on the polishing table. By performing the polishing, mechanical polishing by the abrasive grains and chemical softening of the wafer surface by the alkaline solution proceed simultaneously on the wafer surface, and the wafer surface is flattened. In the slurry, the dispersion and agglomeration state of the abrasive grains are controlled according to the abrasive grains and the material to be polished, and the components are chemically adjusted to optimize the chemical effect of the polishing. . Due to the combined chemical and mechanical effect of this polishing, excellent planarization of the polishing surface is achieved.
[0005]
FIG. 1 shows a typical apparatus configuration for performing CMP. The wafer 101 is fixed with a constant pressure 106 between the wafer carrier 102 and the polishing pad 104 on the polishing table 103. In such a configuration, actual polishing is performed by rotating both the polishing table 103 and the wafer carrier 102 while supplying the slurry 105. In CMP, three values of (1) polishing rate, (2) polishing pressure, and (3) relative velocity between the polishing table and the wafer carrier are expressed as “the polishing rate is the difference between the polishing pressure and the relative velocity. It is known that the relationship “proportional to product” holds. This relationship is called the Preston's Equation.
[0006]
[Problems to be Solved by the Invention]
Recently, a multi-zone control type wafer carrier has begun to be provided in a CMP apparatus. As one of the multi-zone control methods, different air pressures are applied to the back surface (surface opposite to the polishing surface) of the wafer according to the wafer position (zone) to generate relatively different polishing pressures. The control means that the polishing rate changes for each position on the wafer. In conventional polishing equipment where the polishing pressure is uniform across the entire wafer, the film thickness profile from the center of the wafer to the edge is similar to the film thickness profile in the film before polishing, even after polishing. The target film thickness profile may not always be properly achieved. On the other hand, in a multi-zone control type carrier capable of providing a plurality of pressures, the polishing rate is increased by applying a larger polishing pressure to a region to be polished more than a region not to be polished (from the Preston equation). Guided) better film thickness profile flattening than with single pressure wafer carriers is achieved.
[0007]
As a problem in conventional CMP, there is a phenomenon called rebound in which a convex portion is formed in a peripheral region near the edge of the wafer surface after polishing. FIG. 2A shows the principle that rebound occurs. FIG. 2B shows the rebound situation. The rebound phenomenon is caused by the fact that the wafer is elastically deformed when polishing pressure is applied to the wafer surface from the polishing pad in the vertical direction while the circumferential portion of the wafer is fixed horizontally by the wafer carrier. To do. If the rebound phenomenon occurs, the wafer flattening is naturally not achieved in that region, so the wafer region where the rebound occurs cannot be used, leading to a decrease in yield.
[0008]
In the conventional polishing method, since a large-diameter polishing pad and a wafer carrier are used, a stable high-rotation polishing process is not practically used. In addition, a high polishing pressure process is employed to ensure a certain amount of apparatus throughput. Due to this combination of high pressure / low speed, the polishing pad is severely deformed, the relative speed between the polishing pad and the carrier is lowered, and excellent flatness on the wiring is not obtained. (In general, the flatness on the device is proportional to the relative speed, but inversely proportional to the polishing pressure.)
In a general CMP apparatus, as shown in FIG. 1 and already described, a wafer carrier holding a wafer is pressed from above onto a circular turntable on which a polishing pad is installed by a vacuum chuck or the like. It is normal to perform polishing. As a polishing device with a completely different configuration, a cylindrical roller is provided on the lower surface of the wafer carrier that holds the wafer, and a polishing pad is placed on the surface, and is in contact with the wafer carrier through a narrow linear region. There has also been proposed so far that polishing is carried out by using a metal. For example, JP-A-2-269552, JP-A-7-66160, and JP-A-2000-218518 disclose a CMP apparatus having such a configuration.
[0009]
In the CMP apparatus and method according to the present invention, the polishing is performed in such a manner that different polishing rates are generated depending on the region of the wafer, as in the multi-zone control type polishing described above. However, the polishing rate is not changed by changing the polishing pressure, but the polishing rate is controlled by the cylindrical polishing pad capable of high rotation with a small diameter opening according to the present invention and the conditioning method thereof. Accordingly, it is an object of the present invention to execute a multi-zone control type CMP using a cylindrical roller to solve the problems existing in the conventional CMP.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to one embodiment of the present invention, an apparatus for performing chemical mechanical polishing of a semiconductor wafer, comprising: (1) a wafer carrier for holding a semiconductor wafer to be polished with its polished surface exposed And (2) a polishing roller having a cylindrical shape and having a polishing pad affixed on the surface thereof, wherein the polishing pad is composed of a plurality of strip-like portions having different polishing characteristics along the long axis direction of the cylinder A polishing roller that is in contact with the surface to be polished of the semiconductor wafer via a line segment in the longitudinal direction of the cylinder, (3) slurry supply means, and (4) a controller. Mechanical polishing apparatus is provided. In this apparatus, the polishing roller divides the central axis of the cylinder and the length of the long axis direction of the cylinder into two, and has two axes perpendicular to the surface to be polished perpendicular to the central axis. Two rotational movements are performed as the rotating shaft, and simultaneously, a translational movement is performed over the entire surface to be polished, and polishing is performed while the slurry is supplied from the slurry supply means to the contact portion with the surface to be polished. The polishing pressure applied from the roller to the surface to be polished, the two rotational movements, and the translational movement are controlled by the controller in accordance with the target polishing.
[0011]
According to another embodiment of the present invention, a method for performing chemical mechanical polishing of a semiconductor wafer is provided. This method can also be provided in the form of a computer program stored in a computer-readable storage medium or transmitted via a communication medium. This method includes (1) a step in which a wafer carrier holds a semiconductor wafer to be polished with its polished surface exposed, and (2) a cylindrical shape having a polishing pad affixed on the surface. A polishing roller comprising a plurality of strip-like portions having different polishing characteristics along a major axis direction of the cylinder, the polishing roller being connected to a surface to be polished of the semiconductor wafer and the cylinder. (3) contacting the polishing roller with the center axis of the cylinder and the length of the cylinder in the major axis direction, and perpendicularly intersecting the center axis. Two rotational movements are performed with the axis perpendicular to the surface to be polished as two rotation axes, and at the same time, translational movement is performed over the entire surface to be polished, and a slurry is applied to the contact portion with the surface to be polished. Perform polishing while receiving supply A polishing pressure applied from the roller to the surface to be polished, the two rotational movements, and the translational movement are controlled by the controller according to a target polishing; It is constituted by.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
3 and 4 illustrate an overview of a polishing system according to the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view in the direction along the long axis of the cylindrical roller, and FIG. 4 is a cross-sectional view in the direction orthogonal to the long axis.
[0013]
As shown in FIG. 3, a wafer 301 to be polished is placed on a wafer carrier 303. The device side (surface to be polished) faces upward, and on the opposite side is a backing film 302, which is held via a vacuum hole provided in the wafer carrier 303 and the backing film 302. The roller is, for example, a hollow metal rod. The rod is provided with a plurality of slurry holes, and the slurry is supplied to the pad surface via these slurry holes. The slurry can be supplied from an external source according to the actual situation of polishing, rather than being supplied via the pad. This external source is shown in the figure as tube 306 external to the roller pad device. For example, in JP-A-7-66160 and JP-A-2000-218518 cited above, the slurry is supplied to the polishing surface through holes provided on the roller surface rather than dropping the slurry from above the polishing surface. Thus, there are described effects such as that the slurry is evenly distributed over the entire wafer, and that it is possible to prevent the polishing from proceeding due to the hydroplane phenomenon. However, the supply mode of the slurry is not a characteristic part of the present invention, and since such contents are well known to those skilled in the art, further details are omitted.
[0014]
In FIGS. 3 and 4, the wafer carrier is shown on the lower side and the polishing roller is shown on the upper side. However, this is merely an example, and the positional relationship shown in FIG. Is not important to the apparatus and method. Therefore, it can be rotated 90 degrees or rotated 180 degrees and turned upside down. However, when the top and bottom are reversed, there is a possibility that some consideration may be necessary for the supply mode of the slurry. This is because, unlike conventional polishing in which the surfaces are in contact with each other, some technique may be required to appropriately supply the slurry to the straight portion where the polishing occurs.
[0015]
The polishing pad 304 affixed to the surface of the cylindrical roller may be a single polishing pad, or may be a stack composed of two layers having different materials and compressibility. This pad or pad stack is deposited on a roller to form a polishing pad. A roller having a polishing pad affixed to its surface is disposed above the wafer carrier and performs CMP of the wafer by descending and rotating. It is important that the length of the cylindrical roller in the major axis direction does not exceed the diameter of the wafer. This length feature of the roller allows the polishing pad having different polishing characteristics to be pressed against different areas of the wafer according to the position of the roller by moving the roller two-dimensionally on the wafer surface. It is. Also, in order to reduce the rebound phenomenon described above, it is important that the roller does not protrude from the wafer edge, and that it takes only a short time to protrude.
[0016]
On the roller, a film having pad conditioning abrasive grains attached to a pad conditioning cover is attached. This film is divided into a plurality of strip-like portions parallel to each other along the major axis direction, and the abrasive particles and density are different in each portion, and therefore the polishing characteristics are different. These portions are shown in FIG. 3 as dressers n, n + 1, n + 2, n + 3. Of course, it may be divided into more parts than the four parts shown in FIG. 3, or may be divided into, for example, three parts smaller than that. The polishing characteristics at each portion can be set so that the user can obtain a target film thickness profile according to the purpose of polishing.
[0017]
When polishing is commanded, the wafer carrier 303 starts rotating at a speed set by the user. At this time, a straight line AA (FIG. 3) that is the center of the wafer carrier becomes a rotation axis. The roller 304 with the polishing pad attached to the surface rotates around the center line BB of the cylinder (FIG. 3) as the rotation axis while applying a polishing pressure set by the user downward with respect to the wafer surface. Run. The wafer surface and the roller come into contact via a line segment corresponding to the length of the roller. While the roller is in contact with the wafer via a line segment, the entire wafer surface is polished to achieve flatness while performing a translational movement in the X-axis direction and the Y-axis direction over the entire wafer surface. Make two rotational movements. The two rotational movements are a rotation about the central axis B-B of the roller in the horizontal direction and a rotation about the vertical axis AA at the center of the roller pad device. The rotational speed and the linear speed can all be set by the user according to the purpose of polishing. All of the rotation axes are shown in FIGS.
[0018]
When the wafer is polished, conditioner strips with different particle sizes and densities for portions n, n + 1, n + 2, n + 3 condition the pad surface. Due to the varying nature of the conditioning material from part to part of the roller pad 304, the pad surface has different polishing properties and therefore the polishing rate varies from part to part. By using such a method, the polishing rate on the wafer surface can be adjusted according to the thickness profile of the wafer before polishing, and a desired thickness profile can be generated after polishing.
[0019]
As described above, the roller 304 in charge of polishing rotates in two directions and simultaneously performs a two-dimensional translation movement over the entire wafer surface. These complex movements of the roller 304 are controlled by a controller (not shown) built into the polishing apparatus of the present invention. In conventional CMP, the number of control parameters related to polishing is very small. However, in the polishing apparatus according to the present invention, the number of control parameters is dramatically increased because the roller itself to which a pad having a plurality of different polishing characteristics is attached moves in a complicated manner. If the number of control parameters increases, it becomes possible to cope with various polishing required at present and in the future.
[0020]
The adjustment of conditioning in the polishing method according to the present invention will be supplemented. Combinations of conditioning abrasive grains, density, and the like are experimentally determined according to the film thickness profile in the wafer surface. Experiments with conditioning abrasives and density as factors if we know the various conditions (various habits such as thick, thin, almost flat on the entire surface) of the equipment used for the formation of the insulating film (deposition) This will determine the polishing conditioning process. In this case, if the deposition apparatus is unstable, a variety of conditioning strips must be prepared.
[0021]
【Effect of the invention】
When the polishing method according to the present invention is used, the rebound phenomenon can be reduced. The reason is as follows. As long as the wafer edge is polished, it is impossible to avoid rebounding completely. In particular, in the conventional polishing technique, since the polishing pad is larger than the wafer (including the carrier), it protrudes from the wafer edge, and the wafer edge is polished with the protruding pad portion remaining deformed. Therefore, the occurrence of rebound was remarkable. In contrast, in the polishing according to the present invention, by appropriately controlling the movement of the roller pad in the X-axis and Y-axis directions, the time when the pad does not protrude from the edge of the wafer or protrudes can be shortened. Therefore, rebound can be reduced.
[0022]
Further, according to the polishing method of the present invention, the polishing time can be shortened. The reason is as follows. First, according to the Preston equation described above, the amount of cutting is proportional to the product of pressure and relative speed. Since the roller pad according to the present invention is smaller than the conventional polishing pad, it can be adjusted to high rotation. Accordingly, the relative speed increases, the amount of cutting per unit time increases even when the pressure is the same, and the polishing time can be shortened.
[0023]
A significant feature of the present invention is that the user can achieve the desired flatness and film thickness profile by combining a roller pad having two rotational axes and pad processing using multiple types of conditioning abrasives. It is. As the number of layers formed on a wafer substrate increases, the surface profile of the surface to be polished before polishing can become increasingly diverse. Therefore, in order to realize planarization on the premise of such various profiles, it is necessary to provide different polishing rates for each region of the wafer.
[0024]
In such a case, by using the polishing apparatus and method according to the present invention, it is possible to provide a wide variety of polishing rates by performing polishing while appropriately controlling many parameters. The surface to be polished can be appropriately handled. With the apparatus and method according to the present invention, it is possible to polish only the area that needs to be polished on the wafer, so that excessive polishing does not occur and the cost of consumables such as slurry can be minimized. It is.
[0025]
Furthermore, according to the apparatus and method of the present invention, excellent flattening on the wiring can be obtained by high relative speed polishing, the DOF margin in photolithography can be expanded, and the flatness of the laminated metal can be improved. And excessive etching can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic of a general CMP apparatus according to the prior art.
FIG. 2 is an example of a rebound phenomenon that occurs at an edge portion of a wafer.
FIG. 3 is a sectional view of a polishing apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a sectional view from another direction of the polishing apparatus according to the present invention.

Claims (4)

半導体ウエハの化学的機械的研磨を行う装置であって、
研磨されるべき半導体ウエハをその被研磨面が露出された状態で保持するウエハ・キャリアと、
円筒の形状を有し研磨パッドが表面上に貼付されている研磨ローラであって、前記研磨パッドは前記円筒の長軸方向に沿って研磨特性が異なる複数の帯状部分で構成され、前記半導体ウエハの被研磨面と前記円筒の長軸方向の長さの線分を介して接触する研磨ローラと、
スラリ供給手段と、
コントローラと、
を備えており、前記研磨ローラは、前記円筒の中心軸と前記円筒の長軸方向の長さを2分し前記中心軸と直交する前記被研磨面に対して垂直方向の軸とを2つの回転軸として2つの回転運動を行い、前記2つの回転運動と同時に、被研磨面の全体にわたって並進運動を行い、前記スラリ供給手段から前記被研磨面との前記接触部分にスラリの供給を受けながら研磨を実行し、前記ローラから前記被研磨面に加えられる研磨圧と、前記2つの回転運動と、前記並進運動とは、目的とする研磨に応じて、前記コントローラによって制御されることを特徴とする化学的機械的研磨装置。
An apparatus for performing chemical mechanical polishing of a semiconductor wafer,
A wafer carrier for holding a semiconductor wafer to be polished with its polished surface exposed;
A polishing roller having a cylindrical shape and having a polishing pad affixed on a surface thereof, wherein the polishing pad is composed of a plurality of band-shaped portions having different polishing characteristics along the long axis direction of the cylinder, and the semiconductor wafer A polishing roller that is in contact with the surface to be polished via a line segment in the lengthwise direction of the cylinder,
Slurry supply means;
A controller,
The polishing roller divides the central axis of the cylinder and the length of the long axis direction of the cylinder into two, and two axes perpendicular to the surface to be polished perpendicular to the central axis. While performing two rotational movements as a rotation shaft , simultaneously performing the two rotational movements, performing a translational movement over the entire surface to be polished, while receiving slurry from the slurry supply means to the contact portion with the surface to be polished The polishing pressure applied from the roller to the surface to be polished, the two rotational movements, and the translational movement are controlled by the controller in accordance with the target polishing. Chemical mechanical polishing equipment.
半導体ウエハの化学的機械的研磨を行う方法であって、
ウエハ・キャリアが、研磨されるべき半導体ウエハをその被研磨面が露出された状態で保持するステップと、
円筒の形状を有し研磨パッドが表面上に貼付されている研磨ローラであって、前記研磨パッドは前記円筒の長軸方向に沿って研磨特性が異なる複数の帯状部分で構成されている研磨ローラを、前記半導体ウエハの被研磨面と前記円筒の長軸方向の長さの線分を介して接触させるステップと、
前記研磨ローラに、前記円筒の中心軸と前記円筒の長軸方向の長さを2分し前記中心軸と直交する前記被研磨面に対して垂直方向の軸とを2つの回転軸として2つの回転運動をさせ、前記2つの回転運動と同時に、被研磨面の全体にわたって並進運動をさせ、前記被研磨面との前記接触部分にスラリの供給を受けながら研磨を実行するステップであって、前記ローラから前記被研磨面に加えられる研磨圧と、前記2つの回転運動と、前記並進運動とは、目的とする研磨に応じて、前記コントローラによって制御される、ステップと、
を含むことを特徴とする化学的機械的研磨方法。
A method for performing chemical mechanical polishing of a semiconductor wafer, comprising:
A wafer carrier holding a semiconductor wafer to be polished with its polished surface exposed;
A polishing roller having a cylindrical shape and having a polishing pad affixed on the surface thereof, wherein the polishing pad is composed of a plurality of belt-like portions having different polishing characteristics along the long axis direction of the cylinder Contacting the surface to be polished of the semiconductor wafer with a line segment in the longitudinal direction of the cylinder, and
The polishing roller is divided into two rotation axes with a center axis of the cylinder and a length in the major axis direction of the cylinder divided into two, and an axis perpendicular to the surface to be polished perpendicular to the center axis. Performing a rotational movement, simultaneously with the two rotational movements, performing a translational movement over the entire surface to be polished, and performing polishing while receiving a supply of slurry to the contact portion with the surface to be polished, A polishing pressure applied from a roller to the surface to be polished, the two rotational movements, and the translational movement are controlled by the controller according to a target polishing;
A chemical mechanical polishing method comprising:
請求項2記載の方法に含まれるステップをコンピュータに実行させる命令から構成されるコンピュータ・プログラムが記憶されているコンピュータ可読記憶媒体 A computer-readable storage medium storing a computer program comprising instructions for causing a computer to execute the steps included in the method according to claim 2 . 請求項2記載の方法に含まれるステップをコンピュータに実行させる命令から構成されるコンピュータ・プログラム A computer program comprising instructions for causing a computer to execute the steps included in the method according to claim 2 .
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