JP6139420B2

JP6139420B2 - 研磨装置および研磨方法

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Publication number: JP6139420B2
Application number: JP2014003254A
Authority: JP
Inventors: 崇史渡邉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: JP2015131361A; US20150196988A1

Description

本実施形態は、研磨装置および研磨方法に関する。

化学的機械的研磨（ＣＭＰ）は、半導体装置の製造において欠くことのできない技術である。このＣＭＰでは、温度によって化学反応速度が変化するため、研磨対象物であるウェーハなどと接する研磨パッドは表面温度を適切に制御する必要がある。例えば、シリコン酸化膜の研磨の場合、表面温度が低いほど研磨効率は向上する傾向にある。一方、金属膜の研磨の場合、表面温度が高温側にあるとき化学反応が促進され研磨速度が増加する傾向にあるものの、腐食が生じやすくなる。そのため、金属膜の研磨の場合、表面温度は、研磨の途中に高温側から低温側へ変化させることが効率的である。

研磨パッドに空気を吹き付けて表面を冷却する場合、冷却効率が低く、研磨パッド表面の急速な冷却は困難である。また、冷媒を流した冷却器で表面を冷却する場合も、同様に冷却効率が低く、研磨パッドの表面の急速な冷却は困難である。さらに、研磨パッドの表面に供給した水や水溶性溶媒による冷却は、スラリーの希釈や研磨特性の変化を招く。

特開２０１２−２３２３６６号公報特開２０１０−２７２６３５号公報

本実施形態は、研磨パッドの研磨面が迅速に冷却され、研磨対象物に応じた高い精度の研磨条件が得られる研磨装置および研磨方法を提供することを目的とする。

上記の課題に鑑み本実施形態の研磨装置は、研磨パッドと冷却剤噴射部とを備える。研磨パッドは、研磨対象物と接する研磨面を有する。冷却剤噴射部は、前記研磨面に、気化熱により前記研磨パッドを冷却する冷却剤を吹き付ける。

また、本実施形態の研磨方法は、研磨工程と冷却工程とを含む。研磨工程は、研磨対象物を研磨パッドの研磨面で研磨する。冷却工程は、前記研磨工程の少なくとも一部の期間に、前記研磨面へ気化熱により前記研磨パッドを冷却する冷却剤を吹き付けて、前記研磨面を冷却する。

第１実施形態の研磨装置を示す模式図第１実施形態の研磨装置に用いる冷却剤の例を示す概略図研磨対象物となるウェーハの例を示す概略的な断面図第２実施形態の研磨装置を示す模式図第３実施形態の研磨装置を示す模式図第４実施形態の研磨装置を示す模式図

以下、複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
まず、第１実施形態による研磨装置の概略について説明する。図１に示すように第１実施形態による研磨装置１０は、半導体装置の製造工程において研磨対象物となるウェーハ１１をＣＭＰによって研磨する。研磨装置１０は、研磨パッド１２および冷却剤噴射部１３を備えている。また、研磨装置１０は、テーブル１４、研磨ヘッド１５およびスラリー供給部１６を備えている。研磨パッド１２は、例えば発泡性の樹脂などによって円板状に形成されている。研磨パッド１２は、テーブル１４の研磨ヘッド１５側、すなわち上方に設けられている。テーブル１４は、駆動装置１７によって駆動され、上方に設けられている研磨パッド１２とともに回転する。研磨パッド１２は、研磨ヘッド１５側の面、すなわち重力方向において上端面に研磨面１８を有している。

研磨ヘッド１５は、テーブル１４に設けられている研磨パッド１２と対向して設けられている。すなわち、研磨ヘッド１５は、テーブル１４の上方に設けられている。研磨ヘッド１５は、内側に研磨対象物としてのウェーハ１１を保持する。研磨ヘッド１５は、ウェーハ１１を保持した状態でウェーハ１１に力を加える。これにより、ウェーハ１１は、研磨ヘッド１５に保持されるとともに、研磨パッド１２の研磨面１８に上方から押し付けられる。研磨ヘッド１５は、駆動装置１５１によって駆動され、回転する。

スラリー供給部１６は、研磨剤および水を含むスラリー１９を研磨ヘッド１５の研磨面１８に供給する。スラリー供給部１６から供給されたスラリー１９は、研磨ヘッド１５に保持されたウェーハ１１と研磨パッド１２の研磨面１８との間に進入する。研磨ヘッド１５に保持されているウェーハ１１は、適切な力で研磨パッド１２に押し付けられる。これにより、ウェーハ１１は、研磨パッド１２の研磨面１８と接し、表面が研磨される。

冷却剤噴射部１３は、噴射ノズル２１、冷却剤ボンベ２２、冷却剤配管部２３および開閉部２４を有している。噴射ノズル２１は、研磨パッド１２の研磨面１８と対向して設けられている。冷却剤ボンベ２２は、冷却剤を貯えている。冷却剤配管部２３は、噴射ノズル２１と冷却剤ボンベ２２との間を接続している。これにより、冷却剤ボンベ２２に貯えられている冷却剤は、冷却剤配管部２３を経由して噴射ノズル２１に供給される。冷却剤は、液体で冷却剤ボンベ２２に貯えられている。冷却剤は、噴射ノズル２１から研磨パッド１２の研磨面１８に噴射される。研磨面１８の温度は、ウェーハ１１との接触および研磨によって室温よりも高い。そのため、研磨面１８に噴射された冷却剤は、噴射ノズル２１からの噴射時、または研磨面１８との接触時に気化する。その結果、冷却剤は、気化する際の気化熱によって、研磨面１８を冷却する。このように、冷却剤は、研磨パッド１２の研磨面１８に吹き付けられることにより気化し、その気化熱によって研磨面１８を冷却する。開閉部２４は、冷却剤配管部２３に設けられており、冷却剤配管部２３を開閉する。これにより、噴射ノズル２１からの冷却剤の噴射は、開閉部２４によって断続される。なお、開閉部２４は、噴射ノズル２１と一体に設けてもよい。

上記のように気化熱を利用して研磨面１８を冷却するために、冷却剤は沸点が２５℃以下であることが好ましい。この冷却剤は、例えばウェーハ１１の研磨を行う設備の室温、研磨対象物の種類や研磨パッド１２の回転速度など、研磨の条件によって任意に選択される。冷却剤は、例えば研磨における発熱量や所望の冷却速度によって、適切な沸点や気化熱量を有する物質が選択される。このような条件を満たす冷却剤としては、例えば図２に示すようにアルカン類、シクロアルカン類、フルオロカーボン類、アルケン類、シクロアルケン類、ジエン類またはアルデヒド類から選択される物質が好ましい。冷却剤は、このような種類の物質のうち、炭素数が３から５であることが好ましい。また、研磨面１８に噴射された冷却剤は、スラリー１９と接触する。冷却剤がスラリー１９を構成する水に溶解すると、スラリー１９の性質が変化し、研磨特性に変化が生じるおそれがある。そこで、冷却剤は、上記した種類の物質のうち、親水性の低い物質であることが好ましい。

次に、上記の構成による研磨装置１０を用いた研磨の一例を説明する。
図３（Ａ）に示すように研磨の対象となるウェーハ３０は、半導体基板３１に図示しないトランジスタやメモリセルなどの素子が形成されている。そして、ウェーハ３０は、素子を覆うシリコン酸化膜などの絶縁膜３２が形成され、この絶縁膜３２をシリコン窒化膜などのエッチングストッパ膜３３が覆い、このエッチングストッパ膜３３をシリコン酸化膜などの絶縁膜３４が覆っている。これらエッチングストッパ膜３３および絶縁膜３４には、図示しない素子に接続する配線溝３５が形成されている。この配線溝３５に沿ってＴｉ膜などのバリアメタル膜３６が形成され、配線材料となるＣｕ膜３７が形成されている。

このウェーハ３０は、図３（Ａ）に示す状態から図３（Ｂ）に示すようにバリアメタル膜３６が露出するまでＣｕ膜３７が選択的に研磨される。このＣｕ膜３７を研磨する工程は、Ｃｕバルク研磨と称される第一段階の研磨である。さらにウェーハ３０は、図３（Ｂ）に示す状態から図３（Ｃ）に示すようにＣｕ膜３７、バリアメタル膜３６および絶縁膜３４がいずれも研磨される。これにより、配線溝３５のそれぞれに埋め込まれたＣｕ膜３７は、互いに分離される。このＣｕ膜３７、バリアメタル膜３６および絶縁膜３４を研磨する工程は、バリアメタル研磨と称される第二段階の研磨である。

本実施形態では、図３（Ａ）から図３（Ｂ）に示すウェーハ３０を第一段階におけるＣｕバルク研磨する例について説明する。ウェーハ３０を研磨パッド１２で研磨する場合、摩擦熱によって研磨パッド１２の研磨面１８の温度は上昇する。研磨される対象となる膜がＣｕ膜３７の場合、一般的に温度が高いほど研磨速度が大きくなる。一方、Ｃｕ膜３７の研磨が進行しバリアメタル膜３６が露出するとき、温度が高くなると電解腐食（Galvanic Corrosion）が促進され、配線となるＣｕ膜３７の腐食を招く。したがって、Ｃｕ膜３７の研磨の際は、初期に比較的高い温度でＣｕ膜３７の研磨を促進しつつ、バリアメタル膜３６が露出する前に研磨パッド１２の研磨面１８を冷却することが求められる。

そこで、本実施形態では、対象となるウェーハ３０の研磨を開始してから一定の期間、冷却剤を噴射することなく研磨を実行する。これにより、研磨パッド１２とウェーハ３０との摩擦熱によって研磨面１８の温度が上昇し、Ｃｕ膜３７の研磨が促進される。そして、一定の期間が経過した後、研磨パッド１２の研磨面１８に冷却剤を噴射する。このとき、例えば研磨面１８の温度を放射温度計などで検出し、研磨面１８が所定の温度を超えないように冷却剤の噴射量または噴射期間を調整する。その結果、研磨面１８はバリアメタル膜３６が露出する前に所定の温度以下に維持され、配線となるＣｕ膜３７の腐食が回避される。

以上説明した第１実施形態では、噴射ノズル２１から噴射された冷却剤は、研磨面１８に吹き付けられる。噴射ノズル２１から噴射された冷却剤は、噴射時または研磨面１８との接触時に気化する。これにより、冷却剤は、気化する際の気化熱によって研磨面１８を冷却し、研磨面１８の温度を低下させる。このとき、冷却剤は研磨面１８を直接冷却するので、高い冷却効率が得られる。したがって、研磨パッド１２の研磨面１８を冷却剤によって急速に冷却することができ、温度を含めて研磨対象物に応じた高い精度の研磨条件を得ることができる。

また、第１実施形態では、冷却剤として親水性の低い物質を選択することにより、スラリー１９を構成する水への溶解が回避される。そのため、冷却剤のスラリー１９への溶け込みによるスラリー１９の特性の変化は回避されるとともに、冷却剤および水の沸点上昇にともなう気化効率の低下も招かない。したがって、高い冷却効率を維持することができ、研磨対象物に応じた高い精度の研磨条件を得ることができる。

第１実施形態では、研磨中において適切な時期に冷却剤を研磨パッド１２の研磨面１８に噴射することにより、研磨面１８は研磨条件に応じて温度が変化する。すなわち、比較的高い温度に適した研磨から比較的低い温度に適した研磨に移行するとき、研磨面１８の温度は冷却剤の噴射によって迅速に低温側の条件に変化する。したがって、研磨対象物に応じた高い精度の研磨条件を得ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態による研磨装置を図４に示す。
図４に示す第２実施形態による研磨装置１０は、第１実施形態の構成に加え、冷却剤噴射制御部４０を備えている。冷却剤噴射制御部４０は、冷却剤配管部２３を開閉する上述の開閉部２４、および制御ユニット４１で構成されている。制御ユニット４１は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータで構成されている。制御ユニット４１は、ＲＯＭに記憶されているコンピュータプログラムにしたがって開閉部２４による冷却剤配管部２３の開閉を制御する。開閉部２４は、例えば電磁弁などで構成されており、制御ユニット４１からの制御信号によって冷却剤配管部２３を開閉する。このように開閉部２４によって冷却剤配管部２３を開閉することにより、噴射ノズル２１から噴射される冷却剤の噴射量または噴射期間は制御される。

また、第２実施形態による研磨装置１０は、特性値検出部４２を備えている。特性値検出部４２は、研磨対象物の研磨の進行によって変化する特性値を検出する。特性値検出部４２は、検出した特性値を電気信号として制御ユニット４１に出力する。制御ユニット４１は、特性値検出部４２で検出した特性値に応じて開閉部２４を制御し、冷却剤の噴射量または噴射期間を制御する。これにより、研磨パッド１２の研磨面１８は、適切な時期および適切な量の冷却剤の噴射によって、研磨条件に合致した温度に精密に制御される。

ここで、特性値検出部４２が検出する特性値は、次のようなものである。すなわち、特性値検出部４２は、研磨対象物であるウェーハ１１の表面に照射した光の反射強度やスペクトル、テーブル１４または研磨ヘッド１５の駆動電流、あるいは研磨対象物であるウェーハ１１への磁力線の照射によって発生する渦電流にともなう磁力線の変化などを検出する。これら光の反射強度やスペクトル、駆動電流または磁力線の変化などは、研磨の進行を検出するために取得される。制御ユニット４１は、この研磨の進行を検出するために特性値検出部４２で検出された特性値を用いて冷却剤の噴射量または噴射期間を制御する。また、特性値検出部４２は、上述した光、駆動電流および磁力線の変化などに限らず、研磨パッド１２の表面温度を検出する構成としてもよい。

以上のように、第２実施形態の場合、冷却剤が噴射される噴射時期または噴射期間の少なくともいずれかは、特性値検出部４２で検出した特性値に応じて制御ユニット４１が設定する。そのため、上述の第１実施形態のように予め噴射時期を設定する例に比較して、冷却剤は研磨の進行に応じて適切な時期および噴射量で研磨パッド１２の研磨面１８に供給される。したがって、研磨パッド１２の研磨面１８の温度をより精密に制御することができ、研磨対象物に応じたより高い精度の研磨条件を得ることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態による研磨装置を図５に示す。
図５に示す第３実施形態による研磨装置１０は、冷却剤回収部５０を備えている。冷却剤回収部５０は、噴射ノズル２１から噴射されて気化した冷却剤を回収する。この冷却剤回収部５０は、フード状に形成され、噴射ノズル２１を含み冷却剤が噴射される領域を覆っている。気化熱を利用する冷却剤には、引火性を有する物質もある。

第３実施形態では、噴射ノズル２１の周囲をフード状の冷却剤回収部５０で覆うことにより、噴射ノズル２１から噴射され、研磨面１８の近傍で気化した冷却剤は冷却剤回収部５０によって回収される。回収された冷却剤を含む排気は、所定の処理を経て設備の外部へ排出される。したがって、引火性を有する物質を冷却剤として用いる場合でも、安全性を高めることができる。

（第４実施形態）
第４実施形態による研磨装置を図６に示す。
図６に示す第４実施形態による研磨装置１０は、冷却容器６０を備えている。冷却容器６０は、容器状に形成されており、研磨パッド１２側の端部に研磨面１８に接する底板部６１を有している。また、冷却剤噴射部１３の噴射ノズル２１は、この冷却容器６０の内側に設けられており、底板部６１に向けて冷却剤を吹き付ける。底板部６１は、例えば炭化ケイ素などのように、熱伝導性および耐摩耗性が高く、かつ金属汚染を招くおそれの無い材料で形成することが好ましい。また、底板部６１は、例えば熱伝導性の高い金属や炭素で形成し、この研磨面１８側を炭化ケイ素などでコーティングする構成としてもよい。このような底板部６１に吹き付けられた冷却剤は、底板部６１またはその近傍で気化し、その気化熱によって底板部６１を冷却する。

また、冷却容器６０の底板部６１は、研磨パッド１２の研磨面１８に接する。冷却剤の気化熱によって冷却された底板部６１が研磨パッド１２の研磨面１８に接することにより、研磨面１８は底板部６１によって冷却される。すなわち、研磨面１８は、冷却剤の気化にともなう気化熱によって底板部６１を経由して間接的に冷却される。

第４実施形態では、冷却剤は冷却容器６０の内部において気化し、間接的に研磨面１８を冷却する。そのため、噴射された冷却剤は、研磨面１８やスラリー１９と接しない。これにより、冷却剤の種類に関わらず、スラリーの特性の変化を招くことはない。したがって、冷却剤として親水性の高い物質を選択することができる。

また、第４実施形態では、気化した冷却剤は、冷却容器６０にとどまることになる。したがって、気化した冷却剤を容易に回収することができる。また、気化した冷却剤を冷却容器６０にとどめることにより、引火性を有する冷却剤の外部への漏れは低減される。したがって、安全性をより高めることができる。

以上、本発明の複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１０は研磨装置、１１、３０はウェーハ（研磨対象物）、１２は研磨パッド、１３は冷却剤噴射部、１８は研磨面、４０は冷却剤噴射制御部、４２は特性値検出部（特性値検出手段）、５０は冷却剤回収部、６０は冷却容器を示す。

Claims

研磨対象物と接する研磨面を有する研磨パッドと、
前記研磨面に、沸点が２５℃以下の液体である冷却剤を噴射して、前記冷却剤の気化熱により前記研磨パッドを冷却する冷却剤噴射部と、
を備える研磨装置。
前記冷却剤は、アルカン類、シクロアルカン類、エーテル類、フルオロカーボン類、アルケン類、シクロアルケン類、ジエン類またはアルデヒド類から選択される一つ以上の化合物である請求項１記載の研磨装置。
前記冷却剤は、分子に含まれる炭素数が３から５の化合物である請求項２記載の研磨装置。
研磨対象物を研磨パッドの研磨面で研磨する研磨工程と、
前記研磨工程の少なくとも一部の期間に、沸点が２５℃以下の液体である冷却剤を用いて、前記冷却剤の気化熱により前記研磨パッドの前記研磨面を冷却する冷却工程と、
を含む研磨方法。
前記冷却剤は、アルカン類、シクロアルカン類、エーテル類、フルオロカーボン類、アルケン類、シクロアルケン類、ジエン類またはアルデヒド類から選択される一つ以上の化合物である請求項４記載の研磨方法。