JP6352326B2 - 下部ウエハ欠陥に対する保持リング - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、半導体基板などの基板を研磨する研磨システムに関する。より詳細には、実施形態は、基板を研磨する研磨システムの保持リングに関する。

化学機械研磨（ＣＭＰ）は、基板上に堆積させた材料層を平坦化または研磨するために高密度集積回路の製造で一般に使用される１つのプロセスである。キャリアヘッドは、その中に保持された基板を研磨システムの研磨ステーションへ提供し、この基板を可動の研磨パッドに制御可能に押し付けることができる。ＣＭＰは、研磨流体の存在下で、基板の特徴側との接触を提供し、研磨パッドに対して基板を動かすことによって有効に用いられる。化学的作用と機械的作用の組合せによって、研磨面に接触している基板の特徴側から材料が除去される。研磨中に基板から除去された粒子は、研磨流体中に浮遊する。浮遊粒子は、基板の研磨中に研磨流体によって除去される。
デバイスパターンの特徴寸法が小さくなればなるほど、特徴の限界寸法（ＣＤ）要件は、安定した繰り返し可能なデバイス性能にとってより重要な基準になる。特徴のＣＤが２０ｎｍ未満の寸法まで縮小するとき、１ミクロン未満の引っ掻きが、デバイス収率の改善にとってますます重大になる。ＣＭＰは、典型的には保持リングを含むキャリアヘッドを有し、保持リングは、基板に外接し、キャリアヘッド内で基板を保持するのを容易にする。研磨中、基板は、保持リングに接触し、保持リングならびに粘着材料の一部分を砕いて、研磨プロセスにばら材料を導入することがある。これらのばら材料は、研磨中に基板および研磨面に接触し、基板上の微小な引っ掻き（１００ｎｍ未満）ならびに線歪みおよびチェックマーク欠陥などの他のタイプの欠陥に寄与することがある。

したがって、改善された保持リングが必要とされている。

保持リングおよび基板を研磨する化学機械研磨（ＣＭＰ）システムが開示される。一実施形態では、ＣＭＰシステムに対する保持リングは、研磨された内径を有するリング状の本体を含む。本体は、溝が中に形成された底面と、外径壁と、内径壁とを有し、内径壁は、約３０マイクロインチ（μｉｎ）未満の粗さ平均（Ｒ_a）まで研磨される。
別の実施形態では、研磨パッドを支持するように構成された回転可能なプラテンと、研磨中に研磨パッドに基板を押し付けるように構成された研磨ヘッドと、研磨ヘッドに結合された保持リングとを含むＣＭＰシステムが提供される。保持リングは、研磨された内径を有するリング状の本体を含む。本体は、溝が中に形成された底面と、外径壁と、内径壁とを有し、内径壁は、約３０マイクロインチ（μｉｎ）未満の粗さ平均（Ｒ_a）まで研磨される。
本発明の上記の特徴を詳細に理解することができるように、実施形態を参照することによって、本発明のより具体的な説明を得ることができる。実施形態の一部を添付の図面に示す。しかし、本発明は他の有効な実施形態を許容することができるため、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示し、したがって本発明の範囲を限定すると見なされるべきではないことに留意されたい。

一実施形態による保持リングを含むキャリアヘッドを有する研磨装置の部分横断面図である。 一実施形態による保持リングの底面図である。 図２の断面線３−３に沿って切り取った保持リングの一部分に対する横断面図である。

理解を容易にするために、可能な場合、図に共通の同一の要素を指すために、同一の参照番号を使用した。一実施形態に開示する要素は、別段の記述がなくても、他の実施形態で有益に利用することができることが企図される。
保持リング、化学機械平坦化システム（ＣＭＰ）、および基板を研磨する方法が、本明細書に記載される。保持リングは、著しい製造コストを導入したり、または基板の研磨中の保持リングの消費中にプロセス変動をもたらしたりすることなく、従来の保持リングと比較すると改善されたスラリ解放特性を有する研磨された内径を含む。研磨された内径は、後に砕けて基板の研磨中に欠陥源になりうるスラリおよび研磨副生成物の粘着および後の凝集を実質上防止する。したがって、材料の蓄積を低減することで、研磨された表面への欠陥の導入が最小になり、生産率が改善される。加えて、材料の蓄積を低減することで、生産稼働時間が増大し、キャリアヘッドの予防的保守および洗浄に必要とされる間隔が延びる。

図１は、一実施形態による研磨装置１００の部分横断面図である。キャリアヘッド１５０は、さらに後述するように、欠陥の低減に寄与する研磨された内径を有する保持リング１３０を有する。キャリアヘッド１５０は、研磨パッド１７５の研磨面１８０に接触して基板１３５（破線で示す）を保持する。研磨パッド１７５は、プラテン１７６上に配置される。プラテン１７６は、プラテンシャフト１８２によってモータ１８４に結合される。モータ１８４は、研磨装置１００が基板１３５を研磨しているとき、プラテンシャフト１８２の軸１８６の周りでプラテン１７６を回転させ、したがって研磨パッド１７５の研磨面１８０を回転させる。
研磨装置１００は、化学供給システム１９０を含むことができる。化学供給システム１９０は、スラリまたはイオンが除去された水などの研磨流体１９１を保持する化学タンク１９６を含む。研磨流体１９１は、噴霧ノズル１９８によって研磨面１８０上へ噴霧することができ、研磨面１８０は、キャリアヘッド１５０によって研磨面１８０に押し付けられる基板１３５に接触して研磨流体１９１を回転させて、基板１３５を平坦化し、粘着した欠陥（たとえば、粒子）および他の研磨残留物を除去する。

キャリアヘッド１５０はシャフト１０８に結合され、シャフト１０８はモータ１０２に結合され、モータ１０２はアーム１７０に結合される。モータ１０２は、キャリアヘッド１５０をアーム１７０に対して線形運動（Ｘおよび／またはＹ方向）で横方向に動かす。キャリアヘッド１５０はまた、キャリアヘッド１５０をアーム１７０および／または研磨パッド１７５に対してＺ方向に動かすアクチュエータまたはモータ１０４を含む。キャリアヘッド１５０はまた、キャリアヘッド１５０を回転軸１１１の周りでアーム１７０に対して回転させる回転アクチュエータまたはモータ１０６に結合される。モータ１０４、１０２、および１０６は、キャリアヘッド１５０を研磨パッド１７５の研磨面１８０に対して位置決めしかつ／または動かす。一実施形態では、モータ１０４、１０２、および１０６は、キャリアヘッド１５０を研磨面１８０に対して回転させ、下向きの力を提供し、処理中に基板１３５を研磨パッド１７５の研磨面１８０に押し付ける。

キャリアヘッド１５０は、保持リング１３０によって外接される本体１２５を含む。保持リング１３０は、内側リング径１３４を有する。内側リング径１３４は、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍの直径または他の生産半導体基板の直径を有する半導体基板を受け取るように構成することができる。内側リング径１３４は、中に配置された基板１３５より約５ｍｍ大きい直径を有することができる。たとえば、内側リング径１３４は、４５０ｍｍの基板１３５を受け入れるために、約４５５ｍｍの直径を有することができる。別法として、内側リング径１３４は、３００ｍｍの基板１３５を受け入れるために、約３０５ｍｍの直径を有することができる。保持リング１３０はまた、複数のスラリ溝２６８（図２に示す）を有することができる。キャリアヘッド１５０はまた、可撓性の膜１４０に隣接している１つまたは複数の内袋１１０／１１２を収容することができる。可撓性の膜１４０は、基板１３５がキャリアヘッド１５０内に保持されるとき、基板１３５の裏側に接触する。

一実施形態では、保持リング１３０は、アクチュエータ１３２によって本体１２５に結合される。一態様では、研磨プロセス中に保持リング１３０を研磨パッド１７５の研磨面１８０の方へ押すように、保持リング１３０に圧力が印加される。モータ１０６は、回転軸１１１の周りでキャリアヘッド１５０を回転させ、したがって研磨中にその中に支持される基板１３５も、回転軸１１１の周りを実質上回転させられる。保持リング１３０の内側リング径１３４は、基板１３５をその中に支持するように寸法設定される。キャリアヘッド１５０内で基板１３５を回転させている間、基板１３５は、保持リング１３０の内側リング径１３４にぶつかったり当たったりすることがある。化学供給システム１９０は、研磨中、研磨流体１９１を研磨面１８０および基板１３５へ供給する。保持リング１３０のスラリ溝は、保持リング１３０を通って基板１３５から離れる方へ研磨流体１９１および同伴される研磨片を輸送することを容易にする。保持リング１３０の内側リング径１３４は、同伴された余分な研磨流体が内側リング径１３４に粘着することを防止し、したがって、その中に保持される基板１３５からの保持リング１３０の損傷を軽減するとともに、研磨中にリング１３０と基板１３５との間の接触に応答して解放される粒子の量を低減させるように構築される。

図２は、保持リング１３０の底面図である。保持リング１３０は、一塊の材料から形成された本体２０２からなることができる。別法として、本体２０２は、本体２０２をキャリアヘッド１５０に取り付けるように構成された上部部分３２０（図３に示す）ならびに研磨パッド１７５および基板１３５を接触させるように構成された下部部分２１０など、１つまたは複数の部分から形成することができる。本体２０２の部分は、本体２０２の形状を形成するようにともに嵌合する複数の部品を含むことができる。一実施形態では、保持リング１３０の本体２０２は、単体構造である。別の実施形態では、保持リング１３０の本体２０２は、２つの部分、上部部分３２０および下部部分２１０を有する。

本体２０２は、ステンレス鋼、アルミニウム、モリブデン、または別の耐プロセス性金属もしくは合金、またはセラミックもしくはセラミック充填ポリマー、または他の適した材料から形成することができる。一実施形態では、少なくとも本体２０２の上部部分３２０は、ステンレス鋼、アルミニウム、およびモリブデンなどの耐プロセス性金属または合金、セラミックまたはセラミック充填ポリマーの１つまたは複数から製造される。加えて、本体２０２は、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリブチレンテレフタレート、Ｅｒｔａｌｙｔｅ ＴＸ、ＰＥＥＫ、Ｔｏｒｌｏｎ、Ｄｅｌｒｉｎ、ＰＥＴ、Ｖｅｓｐｅｌ、Ｄｕｒａｔｒｏｌ、または他の適した材料などのプラスチック材料から製造することができる。一実施形態では、少なくとも溝２６８が形成される本体２０２の下部部分２１０は、プラスチック材料から製造される。別の実施形態では、下部部分２１０は、金属材料から製造することができる。

本体２０２は、リング形状とすることができ、中心２２０を有する。本体２０２はまた、底面２７０、内径壁２０８、および外径壁２６４を含むことができる。内径壁２０８は、保持リング１３０の内側リング径１３４を画定し、基板１３５を受け入れるように寸法設定された内径を有する。
保持リング１３０の本体２０２はまた、プロセス条件に露出されかつ／または金属および／もしくは蓄積されたプロセス材料の解放を受けやすい保持リング１３０の１つまたは複数の表面を覆うことができる耐プロセス性コーティングを含むことができる。耐プロセス性コーティングは、研磨装置１００内で基板１３５を処理するために使用される研磨流体の化学的性質に基づいて選択された高分子材料などのプロセス流体との化学相互作用に耐える疎水性の材料とすることができる。高分子材料は、パリレン（ポリパラキシリレン）、たとえばＰａｒｙｌｅｎｅ Ｃ（塩素化線形ポリパラキシリレン）、Ｐａｒｙｌｅｎｅ Ｎ（線形ポリパラキシリレン）、およびＰａｒｙｌｅｎｅ Ｘ（架橋ポリパラキシリレン）などの炭素含有材料とすることができる。使用することができる他の炭素含有材料は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＥＲＴＡＬＹＴＥ（登録商標）ＴＸ（ＥＴＸ））、化学機械研磨ロングライフ×５（ＣＭＰ ＬＬ５）ポリエステル、非晶質透明ポリエーテルイミド（ＵＬＴＥＭ（商標） １０００）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、およびダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）を含む。

保持リング１３０の下部部分２１０内に、複数の溝２６８を形成することができる。溝２６８は、内側リング径１３４から下部部分２１０の外径壁２６４へ延びる。溝２６８は、スラリ材料および浮遊固体などの流体が溝２６８を通って内側リング径１３４から外径壁２６４へ動くことを可能にするのに十分な深さを有することができる。溝２６８の数および構成は、設定可能とすることができ、および／またはプロセス条件に依存することができる。たとえば、保持リング１３０は、キャリアヘッド１５０および保持リング１３０が回転させられるとき、流体が基板１３５の下から基板１３５から離れる方へ動くことを可能にするように、１８個の等しく隔置された溝２６８を有することができる。流体輸送スラリおよび他のばら材料は、基板が研磨動作を受けている間に、基板１３５の表面の引っ掻きまたは損傷を軽減するために、溝２６８を通って基板１３５から離れる方へ進む。

図３は、図２の断面線３−３に沿って切り取った保持リング１３０の一部分に対する横断面図である。保持リング１３０の上部部分３２０は、保持リング１３０の下部部分２１０に同心円状に結合することができる。本体２０２の上部部分３２０および下部部分２１０は、インターフェース３３０で、エポキシ材料、ウレタン材料、またはアクリル材料などの接着材料によって、ともに嵌合して接合することができる。上部部分３２０は、その底面３２８に沿ってスペーサ３２１を有することができる。スペーサ３２１は、保持リング１３０に対するアセンブリの上部部分３２０の底面３２８と下部部分２１０の頂面３１６との間に設けられる。スペーサ３２１は、接着材料が上部部分３２０の底面３２８と下部部分２１０の頂面３１６との間に絞り出されたり不均一に充填されたりするのを最小にしながらリング１３０間の寸法再現性を高める均一の間隙を提供する。

上部部分３２０は、内径壁３２２を有する。下部部分２１０は、内径壁３１２を有する。上部部分３２０および下部部分２１０のそれぞれに対する内径壁３２２、３１２は、リングアセンブリの内側リング径１３４に一致する。上部部分３２０と下部部分２１０の両方に対する内径壁３２２、３１２が研磨される。内径壁３２２、３１２は、ラッピング、ＣＭＰ、火炎研磨、蒸気研磨、または他の適した方法によって研磨することができる。内径壁３２２、３１２は、約２Ｒ_a〜約１０Ｒ_aまたは約４Ｒ_aなど、マイクロインチ（μｉｎ）単位で約３０Ｒ_a未満の粗さ平均（Ｒ_a）を有するように研磨することができる。

一実施形態では、保持リング１３０は、一片の材料から形成され、内側リング径１３４は、１０μｉｎ未満のＲ_aまで研磨することができる。内側リング径１３４は、内側リング径１３４の溝の摩耗を改善しならびに粒子の生成を著しく低減させる研磨／平滑化された表面を有する。内側リング径１３４を研磨する結果、基板との接触による溝および摩耗が少なくなり、加えて粒子の生成および副生成物の付着が少なくなる。加えて、内側リング径１３４を研磨することで、容易な洗浄を提供し、スラリおよび他の材料が内側リング径１３４に粘着するのを防止する。したがって、内側リング径１３４の表面を研磨することで、粒子が基板１３５の研磨動作に入って基板１３５の表面を引っ掻き／損傷するのを最小にする。

別の実施形態では、保持リング１３０の下部部分２１０は、ＣＭＰ上で基板１３５が研磨されている間、基板１３５との衝突時に保持リング１３０の摩擦を低減させるために、約８Ｒ_a〜約１０Ｒ_aまで研磨された内径壁３１２を有する。内径壁３１２の摩擦が低減されることで、衝突からの粒子の生成が低減し、ならびに保持リング１３０の内径壁３１２に粘着するスラリ材料が低減する。

別の実施形態では、上部部分３２０の内径壁３２２は、約１０Ｒ_a〜約１５Ｒ_aまで研磨される。さらに別の実施形態では、上部部分３２０の内径壁３２２は、約２Ｒ_a以下まで研磨される。内径壁３２２を研磨することで、凝集して後に除去され、汚染源および潜在的な引っ掻き源になりうるスラリおよび他の材料が、保持リング１３０の内径壁３２２に粘着するのを防止する。したがって、保持リング１３０の内径壁３２２上の粒子／副生成物の蓄積を低減させることで、研磨された基板１３５上の欠陥の低減に寄与する。加えて、スラリおよび他の材料が研磨された表面に実質上粘着しないため、研磨された内径壁３２２はより容易にきれいになる。

上部部分３２０は、保持リング１３０の全体的な外径壁２０４に一致する外径壁３２４を有する。下部部分２１０は、保持リング１３０の全体的な外径壁２０４と同心円状の外径壁３１４を有する。下部部分２１０の外径壁３１４は、保持リング１３０に対する全体的な外径壁２０４より小さい多少の寸法３３４を有することができる。外径壁３２４、３１４は、約２Ｒ_a〜約１０Ｒ_aまたは約４Ｒ_aなど、μｉｎ単位で約３０Ｒ_a未満の粗さ平均（Ｒ_a）まで研磨することができる。研磨された表面は、保持リング１３０の外径壁３２４、３１４に対するスラリおよび他の材料の粘着を低減させ、保持リング１３０の外部からの材料の洗浄を容易にする。したがって、保持リング１３０の外径壁３２４、３１４は、スラリおよび研磨副生成物の蓄積を抑制し、したがってＣＭＰを受けている間に基板１３５の表面内に微小な引っ掻きが生じる可能性を低減させる。
上記は本発明の実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他のさらなる実施形態を考案することができる。

１００ 研磨装置
１０２ モータ
１０４ モータ
１０６ モータ
１０８ シャフト
１１１ 回転軸
１２５ 本体
１３０ 保持リング
１３２ アクチュエータ
１３４ 内側リング径
１３５ 基板
１４０ 可撓性の膜
１５０ キャリアヘッド
１７０ アーム
１７５ 研磨パッド
１７６ プラテン
１８０ 研磨面
１８２ プラテンシャフト
１８４ モータ
１８６ 軸
１９０ 化学供給システム
１９１ 研磨流体
１９６ 化学タンク
１９８ 噴霧ノズル
２０２ 本体
２０４ 外径壁
２０８ 内径壁
２１０ 下部部分
２２０ 中心
２６４ 外径壁
２６８ 溝
２７０ 底面
３１２ 内径壁
３１４ 外径壁
３１６ 頂面
３２０ 上部部分
３２１ スペーサ
３２２ 内径壁
３２４ 外径壁
３２８ 底面
３３０ インターフェース
３３４ 寸法

Claims (15)

1. 研磨システムに対する保持リングであって、
   リング状の本体を備え、前記本体が、
   溝が中に形成された底面と、
   外径壁と、
   半導体基板を収容するように選択された直径を有する内径壁とを有し、前記内径壁が、３０マイクロインチ（μｉｎ）未満の粗さ平均（Ｒ_a）まで研磨され、
   前記リング状の本体が、
   研磨された下部内径を有し、前記溝が中に形成された下部部分と、
   研磨された上部内径を有する上部部分であって、該上部部分の底面に沿ったスペーサを有し、前記下部部分に同心円状に結合された上部部分とをさらに含む、保持リング。
2. 前記上部部分は、約１０マイクロインチ（μｉｎ）から約１５マイクロインチ（μｉｎ）の粗さ平均（Ｒ_a）まで研磨され、前記保持リングの前記下部部分は、約８マイクロインチ（μｉｎ）から約１０マイクロインチ（μｉｎ）の粗さ平均（Ｒ_a）まで研磨される前記内径壁を有する、請求項１に記載の保持リング。
3. 前記研磨された下部内径に対する粗さ平均が、２μｉｎである、請求項１に記載の保持リング。
4. 前記内径壁に対する粗さ平均が、８μｉｎ〜１５μｉｎである、請求項１に記載の保持リング。
5. 前記上部部分が金属から構成され、前記下部部分がプラスチックから構成される、請求項２に記載の保持リング。
6. 前記研磨された上部内径に対する粗さ平均が、８μｉｎ〜１０μｉｎである、請求項１に記載の保持リング。
7. 前記研磨された上部内径に対する粗さ平均が、１０μｉｎ〜１５μｉｎである、請求項１に記載の保持リング。
8. 前記外径壁が、約３０μｉｎ未満の粗さ平均まで研磨される、請求項１に記載の保持リング。
9. 前記上部部分が、前記下部部分の剛性より大きい剛性を有する材料から製造される、請求項２に記載の保持リング。
10. 研磨パッドを支持するように構成された回転可能なプラテンと、
    研磨中に前記研磨パッドに基板を押し付けるように構成された研磨ヘッドと、
    保持リングとを備え、前記保持リングが、
    リング状の本体を備え、前記本体が、
    溝が中に形成された底面と、
    外径壁と、
    内径壁とを有し、前記内径壁が、３０マイクロインチ（μｉｎ）未満の粗さ平均（Ｒ_a）まで研磨され、
    前記リング状の本体が、
    研磨された下部内径を有し、前記溝が中に形成された下部部分と、
    研磨された上部内径を有する上部部分であって、該上部部分の底面に沿ったスペーサを有し、前記下部部分に同心円状に結合された上部部分とをさらに含む、
    ＣＭＰシステム。
11. 前記上部部分は、約１０マイクロインチ（μｉｎ）から約１５マイクロインチ（μｉｎ）の粗さ平均（Ｒ_a）まで研磨され、前記保持リングの前記下部部分は、約８マイクロインチ（μｉｎ）から約１０マイクロインチ（μｉｎ）の粗さ平均（Ｒ_a）まで研磨される前記内径壁を有する、請求項１０に記載のＣＭＰシステム。
12. 前記研磨された下部内径に対する粗さ平均が、２μｉｎである、請求項１０に記載のＣＭＰシステム。
13. 前記研磨された上部内径に対する粗さ平均が、８μｉｎ〜１０μｉｎである、請求項１０に記載のＣＭＰシステム。
14. 前記外径壁が、約３０μｉｎ未満の粗さ平均まで研磨される、請求項１０に記載のＣＭＰシステム。
15. 前記上部部分が、前記下部部分の剛性より大きい剛性を有する材料から製造される、請求項１１に記載のＣＭＰシステム。

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