JP6468999B2 - 化学機械研磨パッドコンディショナ - Google Patents

Description

本開示は、包括的には半導体製造機器に関する。より詳細には、本開示は、半導体の製造において用いられる研磨パッドのクリーニング用のコンディショニングデバイスに関する。

化学機械平坦化（ＣＭＰ）は、半導体チップ及びメモリ素子の製造において広く用いられている。ＣＭＰプロセス中に、研磨パッド、研磨スラリ及び任意選択的には化学試薬の作用によってウェハ基板から材料が除去される。時間の経過とともに、研磨パッドは、ＣＭＰプロセスからのデブリが詰まり、埋まってくる。研磨パッドは、研磨パッド表面を擦って細孔を開け、研磨パッドの表面に凹凸を形成するパッドコンディショナを用いて定期的に再生される。パッドコンディショナの機能は、ＣＭＰプロセスにおける除去速度を維持することである。

ＣＭＰは、半導体及びメモリ素子の生産において大きな製造コストを占める。これらのＣＭＰのコストは、研磨パッド、研磨スラリ、パッドコンディショニングディスク、並びに、平坦化及び研磨作業中に摩耗する種々のＣＭＰ部品に関連するコストを含む。ＣＭＰプロセスの更なるコストは、研磨パッドを交換するための工具のダウンタイム、及び、ＣＭＰ研磨パッドを再検査するための試験ウェハのコストを含む。

典型的な研磨パッドは、およそ０．１５センチメートル〜０．２０センチメートル厚の範囲の厚さを有する独立気泡ポリウレタンフォームを含む。パッドコンディショニングの間に、パッドは、パッド表面の気泡層を物理的に切削するために機械的に研磨される。パッドの露出した表面は連続気泡を含み、連続気泡は、ＣＭＰプロセス中に、使用済みの研磨スラリ及びウェハから除去された材料からなる研磨スラリを捕捉するのに用いられ得る。パッドコンディショナは、埋め込まれた材料を含む気泡の外側層を除去し、外側層の下にある層の除去を最小限に抑える。研磨パッドをテクスチャ加工し過ぎると、寿命が短くなり、一方で、テクスチャ加工が足りないと、ＣＭＰ工程中の材料除去速度が不十分になり、ウェハの均一性が欠如する。

特定のパッドコンディショナは、基材に付着するダイヤモンド等の超砥粒粒子を使用する。例えば、Ｓｕｎｇへの特許文献１（Ｓｕｎｇ特許）（基材に付着する複数の超砥粒粒子を有する起伏のあるＣＭＰパッドドレッサを開示している）；Ａｎ他への特許文献２（Ａｎ特許）（金属基材に、１０％〜４０％の範囲のより小さい研磨粒子からより大きい研磨粒子の間の直径差を有する研磨粒子を固定する金属バインダの層を開示している）を参照されたい。従来技術のパッドコンディショナに関連する問題は、パッドコンディショナの最も誇るべき特徴部において生成される力によって、より強い力を受ける粒子がパッドコンディショナから外れる可能性があることである。外れた粒子は、研磨パッドによって捕捉される可能性があり、これは、研磨作業中のウェハの引っ掻きにつながり得る。

米国特許第７，２０１，６４５号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１２８２８８号明細書

研磨粒子が外れることを低減又は排除するＣＭＰパッドドレッサ、及び、ＣＭＰ研磨パッドを整える様々な表面高さを有するＣＭＰパッドドレッサが依然として必要とされている。

本発明の種々の実施形態では、特徴部の高さの所望の分布及び粗さの特徴を有するように基材から機械加工されるパッドコンディショナが提供される。成形された基材上の突出部が、パッド表面への力の集中を提供する幾何学的な特徴部として機能する。実施形態では、まず、粗面化又はテクスチャ加工された繰り返し突出部を有する基材が製造され、ダイヤモンド粒子がその表面積にわたって分散され、表面の突出部及びダイヤモンド粒子にわたって、多結晶ＣＶＤダイヤモンドコーティングの層が成長する。この基材の粗さが、ダイヤモンドコーティング内のダイヤモンド種粒子の固定を促し、外れることを最小限に抑えるか又は防止する。

実施形態では、ダイヤモンド粒子は、パッドから離れるように延びる方向に測定したＣＶＤコーティングの平均厚さよりも小さい。
本発明の実施形態の特徴及び利点は、パッドコンディショナの強化された性能である。実施形態では、コンディショナ毎の切削速度の再現性、及び、コンディショナの寿命にわたって一貫性のある切削速度が提供され、粗面化された表面へのダイヤモンドグリット結晶の付加及びＣＶＤダイヤモンド層の付加後には欠陥が低減し、ここで、ダイヤモンドグリット種結晶は、マトリクス及びＣＶＤの厚さの一部である。

実施形態では、最初に、粗面化された突出部が形成されている粗面化された基材を有する炭化ケイ素セグメントに、小さいダイヤモンド種粒子を設ける（例えば、１ｎｍ〜３０ｎｍ径のサイズ範囲のダイヤモンドグリット）。次に、より大きいダイヤモンドグリットの種結晶（例えば、約１マイクロメートル（μｍ）〜約１２μｍの範囲）を、基材及び突出部に塗布することができる。数ミリグラムの大きいダイヤモンドグリットを各セグメントに塗布することができる。大きいダイヤモンドグリットは炭化ケイ素基材及び突出部に付着し、粗面化された表面（例えば約２μｍ〜約５μｍのＲＭＳ粗さ）が、より大きいダイヤモンド粒子を保持するのを助ける。

より大きいダイヤモンドグリットの種の付加は、パッドコンディショナの切削速度を、より大きいダイヤモンドグリットの種結晶のサイズに応じて広範にわたって「調整する」ことも可能にする。「より大きい」グリットの結晶サイズは、切削特徴を実際に提供するグリットの従来技術の使用よりもはるかに小さい。実施形態では、グリットは概して、ＣＶＤコーティングのＺ方向への平均的な厚さ以内である。テクスチャ加工された表面は、種結晶の保持を助け、それによって、従来技術のパッドコンディショナによって直面する粒子が外れるという問題を軽減する。播種された表面は次に、例えば多結晶ダイヤモンドによってコーティングすることができる。

パッドコンディショナを有するウェハ研磨装置を示す図である。 本発明によるパッドコンディショナアセンブリの斜視図である。 本発明によるパッドコンディショナアセンブリの斜視図である。 本発明によるコンディショナパッドの斜視図である。 本発明による表面上の突出部を示す斜視図である。 本明細書における本発明によるパッド上の突出部アレイの平面図である。 本明細書における本発明によるパッド上の突出部アレイの平面図である。 本明細書における本発明によるパッド上の突出部アレイの平面図である。 本明細書における本発明によるコーティングを有する基材上の突出部の断面図である。 （ａ）は本明細書における本発明を使用した実験的な切削速度を示すグラフであり、（ｂ）−（ｅ）は顕微鏡写真図である。 本明細書における本発明によるコーティングを有する基材上の突出部の断面図である。 本明細書における本発明によるコーティングを有する基材上の突出部の断面図である。

ここで図１を参照すると、本発明の一実施形態における、化学機械平坦化（ＣＭＰ）プロセスにおけるパッドコンディショナ３２を有するウェハ研磨装置３０が示されている。図示のウェハ研磨装置３０は、（ポリマーパッド等の）ＣＭＰパッド３８が取り付けられている上面３６を有する回転テーブル３４を含む。ウェハ基板４４が取り付けられているウェハヘッド４２が、ウェハ基板４４がＣＭＰパッド３８と接触するように配置されている。１つの実施形態では、スラリ給送デバイス４６がＣＭＰパッド３８に研磨スラリ４８を提供する。

動作時には、ＣＭＰパッド３８がウェハヘッド４２、パッドコンディショナ３２及びスラリ給送デバイス４６の下で回転するように、回転テーブル３４が回転する。ウェハヘッド４２は下向きの力ＦによってＣＭＰパッド３８と接触する。ウェハヘッド４２は、取り付けられているウェハ基板４４の研磨を高めるように直線的な往復動作において回転及び／又は振動することもできる。パッドコンディショナ３２もＣＭＰパッド３８と接触し、ＣＭＰパッド３８の表面を横切って往復して並進移動する。パッドコンディショナ３２は回転することもできる。

機能的には、ＣＭＰパッド３８は、ウェハ基板４４から材料を制御して除去し、ウェハ基板４４を研磨仕上げする。パッドコンディショナ３２の機能は、ＣＭＰプロセスからのデブリを満たす研磨作業からデブリを除去し、ＣＭＰパッド３８の細孔を開け、それによって、ＣＭＰプロセスにおける除去速度を維持することである。

図２及び図３を参照すると、本発明の実施形態におけるパッドコンディショナアセンブリ５０Ａ及び５０Ｂが示されている。これらのパッドアセンブリ（パッドアセンブリ５０と総称される）は、下にある基材又はバッキングプレート５４に固着されているコンディショニングセグメント５２Ａ、５２Ｂ（コンディショニングセグメント５２と総称される）をそれぞれ含む。コンディショニングセグメント５２は、本発明及び本願の権利者に譲渡された国際公開第２０１２／１２２１１８６号（ＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０２７９１６号でもある）（「Ｓｍｉｔｈ特許」）（参照により本明細書に援用される）において説明されている種々の実施形態に関して説明されるような、２つ以上の異なる平均高さの突出部を有することができる。１つの実施形態では、セグメントは、エポキシ等の接着剤を用いてバッキングプレート５４に結合される。図４は、個々のセグメントを示している。図５は、本明細書における本発明による、好適な機械加工によって離間したパターンの突出部６６が形成されている基材表面６４の拡大斜視図を示している。図６ａ、図６ｂ及び図７は、本明細書における本発明に好適なマトリクスパターン７０Ａ、７０Ｂ及び７０Ｃの種々の密度を示している。「マトリクス」は、本明細書において用いられる場合は、行及び列を有するマトリクス、又は、外方に広がる円形の行若しくはその部分を有する円形のマトリクスを指すものとすることができる。

図８を参照すると、本発明の一実施形態における、上記のセグメントのうちの１つからのような基材８０が、大きいダイヤモンド種結晶８２及び小さいダイヤモンド種結晶８４が播種されている突出部８０を含み、その上の多結晶ダイヤモンドコーティング８６が示されている。断面図は、突出部の高さｈ、多結晶層の厚さｔ、及び、基材／突出部材料の粗さＲを示している。突出部は、基材の床レベルＦ_１から言及される高さを有するものとして特徴付けられる。床ｆが均一ではない限りにおいて、床のレベルは、各隣接する突出部間の最も低いレベルの平均であるものと考えることができ、突出部の高さはこの平均基準レベルから測定することができる。

種々の実施形態では、多結晶ダイヤモンド層の厚さは、図８に示されているように、およそ大きいダイヤモンドグリット粒子の直径であるものとすることができるか、又は、或る実施形態ではより大きく、また或る実施形態ではより小さいものとすることができる。種々の実施形態では、ダイヤモンドグリットの種及び表面を覆う多結晶ダイヤモンドの厚さは、大きいダイヤモンドグリットのサイズの直径の約５０％〜約１００％の範囲であり、グリットサイズの１００％である後者の場合が示されている。

機能的には、大きいダイヤモンドグリットの種結晶は、基材及び突出部の表面に別の寸法の粗さを加える。パッドコンディショナの切削速度は、有利には、大きいダイヤモンドグリットの種結晶の狭いサイズ範囲を選択することによって変化させることができ；狭いサイズ範囲は、１μｍ、２μｍ、４μｍから約６μｍまでであるものとすることができる。

図９（ａ）を参照すると、本発明の一実施形態における、様々な大きいサイズのグリット直径に関するパッドコンディショナの性能測定基準が示されている。図９（ａ）に示されているデータは、５つのセグメントが結合されている４インチ（１０．１６ｃｍ）径を有するコンディショニングパッドに関するものとした。セグメント上の特徴部は、１平方ミリメートルあたり１０個の特徴部の密度で１２５μｍのベース寸法を有する。特徴部の高さは、名目上は２０μｍであった。このコンディショナを用いたパッドの切削速度は、ＢｕｅｈｌｅｒのＥｃｏｍｅｔ４ベンチトップポリッシャを用いて求めた。用いたパッドは、５０ｒｐｍで回転するＩＣ１０００（商標）パッド（Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ）であった。ＩＣ１０００パッドは、７ｌｂｓの力でプロトタイプのパッドコンディショナに接触し、プロトタイプのパッドコンディショナの回転は３５ｒｐｍであった。切削速度の実験中、脱イオン水を、１分あたり８０ミリリットルの流量でパッド上に供給した。この実験を、図９（ａ）のＸ軸上の播種プロセスに対応する直径を有する、大きい種結晶を有する新たな研磨パッドを用いて繰り返した。

１μｍ〜２μｍの範囲の大きい種結晶を有するパッドの切削速度（Ｘ軸のラベル１）は約２３μｍ／時であり；２μｍ〜４μｍの種結晶（Ｘ軸のラベル２）の場合、切削速度は約２８μｍ／時であり；４μｍ〜８μｍの種結晶（Ｘ軸のラベル３）の場合、切削速度は約３２μｍ／時であり；６μｍ〜１２μｍの種結晶の場合、切削速度は約５０μｍ／時である。切削速度は、パッドコンディショナのタイプに応じて変えることもできる。グラフ中の「０播種」プロセスの時点は、ナノメートルサイズの小さいダイヤモンドグリットの種結晶のみが用いられる場合に相当する（約１０μｍ／時の切削速度）。

図９（ｂ）は、多結晶ダイヤモンドを有しない（粗くない）突出部の写真である。図９（ｃ）は、多結晶ダイヤモンド（小さいナノメートルサイズの種結晶を有する）でコーティングされた突出部の写真である。図９（ｄ）は、粗面化された表面を有する炭化ケイ素基材の突出部及び表面上の大きいダイヤモンドグリットの種結晶の写真である。図９（ｅ）は、突出部上の、６マイクロメートル〜１２マイクロメートルのより大きいダイヤモンドグリットの種結晶を有する多結晶ダイヤモンドコーティングの写真である。

図１の種々の態様の例示的な非限定的な寸法は：１０μｍ〜１５０μｍの範囲の突出部の高さ；およそ２μｍのばらつきを有する約７μｍ〜１５μｍの平均厚さの多結晶ダイヤモンド層を含み；多結晶ダイヤモンドコーティングのＲＭＳ粗さは約０．１μｍ〜約２μｍであるものとすることができ；炭化ケイ素であり得る基材の粗さは約２μｍ〜約５μｍであるものとすることができる。突出特徴部及びそれらの製造はＳｍｉｔｈ特許に記載されているようなものとすることができる。

図１０を参照すると、本発明の一実施形態における、パッドコンディショナの粗いベース材料９２上の、粗面化又はテクスチャ加工された表面９１を有する突出部９０が示されている。大きいダイヤモンドグリットの種結晶９４が粗面化された表面に散在しており、幾つかの場合、大きいダイヤモンドグリットの種結晶は、粗面化された表面を特徴付けるへこみ又は窪みによって実質的に捕捉される。大きいダイヤモンドの種結晶は、突出部の「上」面９５、突出部の側面９６、及び突出部間のチャネル９７に示されている。有利には、突出部の粗面化された表面は、少なくともコーティングプロセスの前に、大きいダイヤモンドグリットの種結晶を側面の一部又は全てに固定するのを助ける。突出部及び基材の粗さ、並びに、より大きいダイヤモンドグリットの種の上の多結晶ダイヤモンドコーティングも、ダイヤモンドをパッド表面に固定するのを助け、ダイヤモンド結晶がパッドから緩んで失われることを低減するか又はなくす。側面は通常、チャネル領域と斜面との間で測定した鈍角を形成する。実施形態では、突出部は図示のように丸みを帯びている。実施形態では、突出部は、丸みを帯びた頂点又はピークではなく、メサ又はプラトーの平坦な領域を有する。

図１１を参照すると、パッドコンディショナの一部、異なる高さの支柱形状の突出部１０４、１０６を有する基材１００、パッドコンディショナの基材及び突出部の表面上のより大きいダイヤモンドグリットの種結晶１１０、並びに、コンディショナの大きい直径サイズのダイヤモンドグリット及び表面を覆う厚さを有する多結晶ダイヤモンドの層１１４が示される。１つの実施形態では、より大きいグリットの種結晶の直径は、６μｍ未満の直径の範囲である。多結晶ダイヤモンドは、より大きいダイヤモンドグリットの種結晶の直径の５０％〜１００％であるものとすることができる。実施形態では、１００％よりも大きい。

本願の譲受人に譲渡されているＳｍｉｔｈ特許は、粗面化又はテクスチャ加工され、ＣＶＤダイヤモンド材料でコーティングされた表面を有する突出部を有するパッドコンディショナの使用を開示している。多結晶ダイヤモンド膜を核形成するために表面に小さいダイヤモンドグリットを塗布することが、Ｍａｌｓｈｅ他のＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｖｏｌ．９７−３２（１９９８），ｐｐ．３９９−４２１（ＩＳＢＮ １−５６６７７−１８５−４）によって開示されており、種として４ｎｍサイズのダイヤモンド結晶を用いることを開示している。Ｊａｎｓｅｎ他への米国特許第４，９２５，７０１号（１００ｎｍのダイヤモンド種の実施態様を開示している）、及び、Ａｓｌａｍへの米国特許第５，４７４，８０８号（２５ｎｍの種の使用を開示している）も参照されたい。上記で参照した公報は、それらに含まれる表現の定義を除いて、それらの全体が参照により本明細書に援用される。

図において提供されているように、パッド切削速度及びパッド表面の粗さは、本発明の実施形態のパッドコンディショナの場合は、市販のパッドコンディショナと比較して、比較的一定である。本発明の実施形態の表面仕上げも、通常は、市販のパッドコンディショナを用いたものよりも滑らかであった。本明細書及び添付の特許請求の範囲において用いられる場合、単数形（”ａ”、”ａｎ”及び”ｔｈｅ”）は、文脈によって別途はっきりと示されない限り、複数の言及対象を含む。したがって、例えば「突出部」への言及は、当業者等に既知である１つ又は複数の突出部及びその均等物への言及である。別途定義されない限り、本明細書において用いられる全ての技術用語及び科学用語は、当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書において記載されるものと同様又は均等な方法及び材料を、本発明の実施形態の実践又は試験において用いることができる。本明細書において言及される全ての公報は、それらに含まれる表現の定義を除いて、それらの全体が参照により援用される。本明細書におけるいずれも、本発明が以前の発明によるそのような開示に先行する資格を有することを認めるものと解釈されるべきではない。「任意選択的な」又は「任意選択的に」は、その後に記載される事象又は状況が生じても生じなくてもよく、その記載が、その事象が生じる場合及びその事象が生じない場合を含むことを意味する。本明細書における全ての数値は、明示的に示されるか否かにかかわらず、「約」という言葉によって修飾することができる。「約」という言葉は概して、当業者が記載の値と同等である（すなわち、同じ機能又は結果を有する）とみなす数字の範囲を指す。幾つかの実施形態では、「約」という言葉は、記載の値の±１０％を指し、他の実施形態では、「約」という言葉は、記載の値の±２％を指す。組成物及び方法は、種々の構成要素又は工程を「含む」という言葉で記載されるが（「含むがそれらに限定されない」を意味するものと解釈される）、それらの組成物及び方法は、種々の構成要素及び工程から「本質的になる」又は「なる」こともでき、そのような用語は、本質的にクローズドエンドの部材群を規定するものとして解釈されるべきである。本発明は１つ又は複数の実施態様に関して示され記載されているが、同等の変形形態及び変更形態が、本明細書及び図面の解釈及び理解に基づいて当業者には想起されるであろう。本発明は、全てのそのような変更形態及び変形形態を含み、以下の特許請求の範囲のみによって限定される。加えて、本発明の特定の特徴又は態様は、幾つかの実施態様のうちの１つのみに関して開示されている場合があるが、そのような特徴又は態様は、任意の所与の又は特定の用途に関して所望及び有利であり得るような、他の実施態様の１つ又は複数の他の特徴又は態様と組み合わせることができる。さらに、「含む、有する（“ｉｎｃｌｕｄｅｓ”、“ｈａｖｉｎｇ”、“ｈａｓ”、“ｗｉｔｈ”）」又はそれらの変形形が詳細な説明又は特許請求の範囲において用いられる限り、そのような用語は、「備える（“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”）」という用語と同様に包含的であることが意図される。また、「例示的な」という用語は、最良というわけではなく、一例を意味することを単に意図する。本明細書において示される特徴、層及び／又は要素は、分かりやすくするため、及び理解を容易にするために互いに対して特定の寸法及び／又は向きで示されていること、並びに、実際の寸法及び／又は向きは本明細書に示されている寸法及び／又は向きとは実質的に異なる場合があることも認識されたい。

本発明を、その特定の実施形態を参照してかなり詳細に記載したが、他のバージョンが可能である。したがって、添付の特許請求の範囲の主旨及び範囲は、本明細書に含まれる説明及びバージョンに限定されるべきではない。種々の組成物及び方法を記載したが、本発明は、記載の特定の分子、組成物、設計、方法又はプロトコルに限定されず、これは、これらが変わり得るためであることを理解されたい。本明細書において用いられる用語は、特定のバージョン又は実施形態のみを説明するためのものであり、添付の特許請求の範囲のみによって限定される本発明の範囲を限定することは意図しないことも理解されたい。

Claims (10)

1. 化学機械研磨パッドコンディショナであって、
   複数の突出部が一体化されている前面を含む基材であって、前記複数の突出部は、前記前面に対して略垂直である前方方向に延びており、前記複数の突出部のそれぞれは、基材の床のレベルから延びる高さを有しており、前記基材の床のレベルからの前記突出部の高さが１０マイクロメートル〜１５０マイクロメートルである、基材、
   前記複数の突出部上のダイヤモンドの分散物であって、ダイヤモンドが１２マイクロメートル未満の平均直径寸法を有しているダイヤモンドの分散物、並びに
   少なくとも前記複数の突出部及び前記ダイヤモンドの分散物を覆う多結晶ダイヤモンドのコーティング
   を備え、
   前記複数の突出部のそれぞれは、２マイクロメートルから５マイクロメートルの二乗平均平方根の表面粗さの表面を有する、化学機械研磨パッドコンディショナ。
2. 前記複数の突出部のそれぞれは、上面に形成されたメサを有しており、前記メサのそれぞれは、２マイクロメートルから５マイクロメートルの前記二乗平均平方根の表面粗さを有している、請求項１に記載の化学機械研磨パッドコンディショナ。
3. 前記ダイヤモンドは、前記複数の突出部のメサのそれぞれに分散されている、請求項２に記載の化学機械研磨パッドコンディショナ。
4. 前記複数の突出部のそれぞれは、最も高い最上のピークを有しており、各最も高い最上のピークは、他の突出部に対して繰り返し式ではないようにそれぞれの突出部に位置決めされている、請求項１に記載の化学機械研磨パッドコンディショナ。
5. 前記複数の突出部は、或る密度を提供する繰り返しの離間パターンを有しており、前記密度は１平方ｍｍあたり０．５〜５つの突出部である、請求項１に記載の化学機械研磨パッドコンディショナ。
6. 前記ダイヤモンドは、６マイクロメートル未満の平均直径寸法を有している、請求項１に記載の化学機械研磨パッドコンディショナ。
7. 前記複数の突出部は、第１の高さを有する突出部の一群、および異なる高さを有する突出部の一群を含んでいる、請求項１に記載の化学機械研磨パッドコンディショナ。
8. 前記多結晶ダイヤモンドのコーティングの粗さは、０．１マイクロメートル〜２マイクロメートルである、請求項１に記載の化学機械研磨パッドコンディショナ。
9. 前記ダイヤモンドのそれぞれは、１マイクロメートル〜１５マイクロメートルの範囲の直径を有している、請求項１に記載の化学機械研磨パッドコンディショナ。
10. 前記多結晶ダイヤモンドのコーティングは、前記ダイヤモンドの平均直径の５０％〜１００％の範囲の厚さを有している、請求項１に記載の化学機械研磨パッドコンディショナ。