JPH0722143B2 - 平坦なウエーハを研磨する方法及びその装置 - Google Patents
平坦なウエーハを研磨する方法及びその装置Info
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Description
特に、半導体ウェーハを物理的に平面化し(planarizat
ion)かつ終点(endpoint)を検出するための新規な方
法及び装置に関する。
体材料から成る薄くかつ平坦なウェーハのような部品の
側面を研磨することが必要であることが多い。一般に、
半導体ウェーハは研磨して、局部、結晶格子傷、掻き
傷、粗さ又は塵埃の付着粒子のような表面の欠陥を除去
することが出来る。この研磨工程は、物理的平面化と称
されることが多く、半導体素子の品質及び信頼性を向上
させるために利用される。この工程は通常、ウェーハ上
に各種の素子及び集積回路を形成する間に行われる。
圧力又は温度状態下にて半導体材料の薄くかつ平坦なウ
ェーハを湿潤な研磨面に対して保持し又は回転させる段
階を含んでいる。アルミナ又はシリカ溶液のような研磨
スラリーが研磨剤として利用される。典型的に回転する
研磨ヘッドを利用して、制御した圧力下にてウェーハを
回転する研磨プラテンに対して保持する。かかる研磨プ
ラテンは、典型的に、吹込み成形ポリウレタンのような
比較的柔らかい湿潤な材料で覆われている。
ためのかかる装置は、当該技術分野で周知である。例え
ば、ギル・ジュニア(Gill, Jr.)への米国特許第4,19
3,226号及び第4,811,522号、及びウォルシュ(Walsh)
への米国特許第3,841,031号はかかる装置を開示してい
る。
に伴う特別な問題は、部品が所望の平坦さ又は相対的厚
さに研磨されたことを判断することである。過去、これ
は、典型的に、平面化工程の回転速度、下向き圧力及び
研磨時間を制御することによって行われていた。しか
し、最終段階として、部品は典型的に研磨装置から物理
的に除去し、当該技術分野で公知の方法によって物理的
に測定し、研磨した部品の寸法上及び平面に関する特性
を確認しなければならない。部品が仕様に適合しない場
合、該部品は研磨装置に戻し、2度目の平面化工程を行
われなければならない。これとは別に、部品を過度に研
磨して、余分な材料を除去し、その部品が標準に適合し
ないものとなる場合もある。
ウェーハの外周部分と内側部分との間の相対的速度差に
起因して空間的に不均一な平面状態となる可能性もあ
る。例えば、半導体ウェーハの外周部分の動きが速けれ
ば速い程、内側部分が相対的に遅く動く場合よりも材料
は相対的に速い速度にて除去される。従来、この問題点
は概ね凸型形状の研磨ヘッドを使用し、半導体ディスク
の内側部分により大きい力が付与される一方、外周部分
に沿ってより小さい力が付与されるようにすることによ
って解決しようとしていた。
保持され、半導体ディスクを除去しなかった場合、研磨
工程を監視するための手段が存在しないため、これら平
面化上の問題点は一層複雑になる。
する工程において、平面化工程の実行中、平面にしたウ
ェーハの終点を検出し又は監視し得ることが必要であ
る。本発明は、平面化工程中に実行可能である、半導体
ウェーハの終点を検出するための新規な方法及び装置に
関するものである。
1に示す如く、平坦なウェーハを研磨する方法にして、
a.研磨プラテンの外周端縁を横断しかつ該外周端縁の
上方を動き得るように取り付けられた回転可能な研磨ヘ
ッド(26)内にウェーハ(10)を保持する段階と、
b.研磨スラリー(24)内のウェーハの一面を研磨プ
ラテン(22)を横断して回転させる段階と、c.ウェ
ーハの一部分を研磨プラテン(22)の 外周端縁を横断
してオーバーハングさせ、ウェーハの一面を露出させる
段階と、d.レーザ干渉測定装置(28)を備える終点
検出手段(28)を使用してウェーハのオーバハングし
た露出面の終点を検出する段階であって、該レーザ干渉
測定装置(28)は、ウェーハ上のダイ(16)上に取
り付けられたウェーハの酸化物被覆(14)の厚さも検
出し得るものである前記段階と、e.ウェーハ上に液柱
(52)を案内してウェーハを清浄にすると共に、レー
ザ(48)に対する基準媒体を提供してウェーハの前記
酸化物被覆(14)の厚さを検出する段階とを備えるこ
とを特徴とする。従って、上記本発明によれば、次に示
す効果がある。
ラリー24の介在のもとに研磨プラテン22に押し付け
られて研磨される間に、ウェーハが研磨プラテンから外
れた位置で上記液柱からの液がウェーハの研磨された酸
化物厚さ測定部分に供給されるため、該液により、酸化
物表面に付着したスラリーは洗い流されると共に、レー
ザ光は清浄かつ一様な基準媒体液内を外乱の影響なく安
定的に透過し得る。従って、レーザによる酸化物の厚さ
測定を安定にかつ正確に行え、作業精度を向上し得ると
共に、良好な製品を得ることができる。
た如く、d.水柱導管(52)内に収容されかつウェー
ハ表面上のダイ(16)に向かって方向決めされた検出
レーザビーム導管(48)有するレーザ検出手段(2
8)を利用して、ウェーハの酸化物被覆(14)の厚さ
を検出する段階を備えているため、上記の効果以外に
次の効果を有する。
しているため構成がコンパクトであると共に、基準媒体
としての液体として水を使用しているので簡便かつ安価
である。
した如く、d.液柱導管(52)内 に収容されたレーザ
ビーム導管(48)を有し、ウェーハの露出面の終点を
検出するレーザ干渉手段(28)を含む終点検出手段
(28)を備える装置に係るため、上記及びと同様
の効果を有する。
した如く、特にc.ウェーハ表面のダイ(16)に向か
って方向決めされたレーザ光ビーム導管(48)を有す
るレーザ干渉測定装置(28)と、制御装置(54)
と、光戻り導管(50)と、レーザ光ビーム導管の周囲
にあり、ウェーハ表面に向かって液体を方向決めして表
面を清浄にすると共に、レーザ光ビームに対する基準媒
体を提供する液体導管(52)とを含む終点検出手段
(28)を備える前記装置に係るため、上記及び以
外に次の効果を有する。
導管、更に液体導管をまとめて配設しているので、全体
構成を一層コンパクトに構成できる。
patterned die)(このアンパターンドダイとは、ウェー
ハの多数個のチップ区画のうちの所定個数の区画(本願
に添付の図1中の符号16の個所を参照)に夫々予じめ
ウェーハ基板中に例えばタングステン膜のダイを形成し
たものであり、これはウェーハ表面に酸化物を付着形成
したとき上記ダイに対応する区画は酸化物の厚さ測定に
使用するべくチップ回路用のパターンを形成しないので
このように呼んだのであるが、以下単にダイと呼ぶ)の
ようなウェーハ上のマーカと同期化させてパルスを発生
させることが望ましい。一例として、ダイはケイ素化合
物被覆を有する金属薄膜を備えることが出来る。レーザ
はダイに向かって方向決めし、該点におけるケイ素化合
物の厚さを検出することが出来る。ウェーハディスク上
のその他の位置におけるその他の基準点を利用して、ウ
ェーハ全体の平均厚さを求めることが出来る。
し、測定箇所にてウェーハから研磨スラリー等を除去し
て清浄にし、レーザビームに対する均一な液状基準媒介
を提供し得ることが望ましい。
下の説明から一層よく明らかになるであろう。
な平面化に適した半導体ウェーハ10及び本発明の研磨
装置が図示されている。半導体ウェーハ10は、薄くか
つ平坦であり略円形の形状をしており、微細な局部を備
えて形成されている。半導体ウェーハは、その上に複数
の個々の集積回路金型が形成されるシリコン又は酸化シ
リコンのような基板を含むことが出来る。これら個々の
金型は図1に十字形パターンにて略図で示されている。
点及び抵抗及び誘電性薄膜のような各種の薄膜をウェー
ハ基板上に付着させることが必要とされる。ウェーハ1
0の製造中、ウェーハ表面を物理的に平面化し、例えば
これら膜を画成するための平面化させた局部を提供する
ことが必要である。この平面化工程は多層成形及び金属
被覆処理に対する障壁を最小にする。更に、平面化工程
はウェーハ表面を平滑かつ平坦にし、さらには清浄にす
る。
は、ある領域にてその上に二酸化ケイ素(SiO2)14の
層(以下に酸化物と称する)が形成されるシリコン基板
12を備えることが出来る。一般に、ウェーハ10を物
理的に平面化することはウェーハ10の酸化物層14を
平面化する段階を含んでいる。ウェーハ10は又、シリ
コン基板12上に形成して酸化物被覆14で覆った1又
は2以上のタングステンのような金属膜のダイ16を含
むことが出来る。
成された物理的な平面化及びび終点検出装置が全体とし
て符号20で示されている。本発明の研磨装置20は、
全体として、アルミナのような研磨性スラリー24が適
用される回転する研磨プラテン22の形態による研磨手
段と、図3に示すように、半導体ウェーハ10を支持し
かつ回転する研磨プラテン22の外端縁を横断しかつ該
外端縁を経て動き得るように取り付けられ、回転する研
磨プラテン22の半導体ウェーハ10の全体よりも小さ
い寸法の一部分をオーバーハングさせる回転可能な研磨
ヘッド26と、半導体ウェーハ10上に形成された酸化
物被覆14等の厚さを検出するためのレーザ干渉測定装
置28の形態による終点検出手段とを備えている。
は次の段階を備える方法によりウェーハ10上の酸化物
被覆14等の厚さを検出し得るようにしてある。即ち、
ウェーハ10を研磨スラリー24内で研磨プラテン22
上にて回転させる段階、即ち、段階30と、ウェーハ1
0の一部分を研磨プラテン22の外周端縁上にオーバー
ハングさせる段階、即ち段階32と、液柱内に収容され
たレーザビームを有するレーザ干渉測定装置28を使用
してウェーハ10のダイ16上の酸化物被覆14の厚さ
を検出する段階、即ち、段階34とを備えている。
駆動モータ36のような回転駆動手段に取り付けられた
研磨ヘッド26を備えることが出来る。図3に示すよう
に、駆動モータ36は研磨ヘッド26に対して矢印38
で示すような回転動作を付与する。研磨ヘッド26は、
当該技術分野で公知であるように、ウェーハ10を傷付
けずに該ウェーハ10をその表面が研磨プラテン22の
方向を向くように保持しかつ回転させ得る構造とされ
る。更に、研磨ヘッド26はウェーハ10に対して矢印
39(図2)で示すような制御された下向きの力を付与
し得るような構造とされる。
6は又図3に矢印40、42で示し及び図2に矢印41
で示すように研磨プラテン22を横断して何れかの方向
に横運動し得るように取り付けられている。更に、研磨
ヘッド26は研磨プラテン22に対して取り付けられ、
ウェーハ10は研磨プラテン22を横断して動きかつ研
磨プラテン22の外周端縁に対してオーバーハングした
位置に保持される。これは図2に明確に示してある。こ
の配置状態により、及び本発明の実施に必須であるよう
に、ウェーハ10は研磨プラテン22の端縁を経て動
き、物理的な平面化工程中、研磨プラテン22の外周又
は周端縁をオーバーハングさせることが出来る。
ウェーハ10は動いて研磨プラテン22に接触し及び離
反し、より速く動く外側部分とより遅く動く略円形のウ
ェーハ10の内側部分との間の相対的速度差に起因する
不規則な研磨状態を補正することが出来る。更に、この
配置により、図2に示したウェーハ10の表面の一部は
以下により詳細に説明するように、オーバハングしたウ
ェーハの露出面の終点を検出しかつその終点位置におい
て後述する如く酸化物層14の厚さを検出するため、レ
ーザ干渉計測定装置28に対して露出される。
又、研磨ヘッド26と同一方向に回転可能なように取り
付けられる。この動作は図3に矢印44、46で示して
ある。研磨プラテンの表面は吹込みポリウレタンのよう
な比較的柔らかい材料にて形成することが出来る。更
に、この表面は水のような潤滑剤にて湿潤な状態とする
ことが出来る。
研磨プラテン22の表面に向けられてウェーハ10を研
磨するための研磨剤を提供する。スラリー24はアルミ
ナ又はシリカのような研磨性材料溶液にて形成すること
が出来る。
検出手段が明確に示してある。本発明の実施例におい
て、該終点検出手段はレーザ干渉測定装置28を備えて
いる。該干渉測定装置28は測定の目的のため光の波長
の干渉を利用するものである。本発明の図示した実施例
において、該干渉測定装置28はウェーハ10のダイ1
6の領域におけるウェーハ10の酸化物層14の厚さを
検出し得るように取り付けられている。これとは別に、
レーザ干渉測定装置はウェーハ10の端縁の厚さ、又は
ウェーハ10のその他の特徴を検出し得るように配置す
ることも出来る。
8はレーザ光ビーム導管48及び光戻り導管50を含
み、これらビーム導管48及び光戻り導管50は、レー
ザ制御装置54からウェーハ10の露出面に近接して配
置された適当な取り付け手段(図示せず)まで伸長して
いる。本発明の図示した実施例にて明らかであるよう
に、干渉測定装置28はレーザ光ビーム又は放射線をウ
ェーハ10のダイ16上に配置された酸化物14に向け
かつ戻し、その点における酸化物被覆14の厚さを正確
に測定する機能を果たす。これは当業者に公知のレーザ
技術により行うことが出来る。
水のような液体をウェーハ10のレーザビームによる測
定点に誘導する。図4に示すように、液体媒体はレーザ
光ビームを完全に囲繞し又は包み込む。この液体はレー
ザ測定点にてウェーハ10の表面を清浄にし、レーザ測
定を行うための一定の液体基準背景又は媒体を提供す
る。
面化工程中、半導体ウェーハの表面の終点又は酸化物の
厚さを正確に検出する手段により半導体ウェーハを物理
的に平面化することを可能にするものである。上記の説
明から明らかであるように、これは所定の基準点(ダイ
16)における酸化物の厚さを検出することにより行わ
れる。ウェーハ上のその他の基準点も利用することが出
来る。更に、その他の型式の測定装置又は多数のレーザ
測定装置及び/又は多数の基準点を利用して平均厚さを
求めることも出来る。
したが、当業者に明らかであるように特許請求の範囲に
記載した本発明の範囲から逸脱せずに一定の変形及び応
用が可能である。
適した薄くかつ平坦な半導体ウェーハの平面図である。
物理的に平面化する装置の側面図である。
成された研磨ヘッドの相対的回転動作及び位置決め状態
を示す略平面図である。
基板 14 酸化物被覆 16 ダイ 20 研磨装置 22 研磨プラ
テン 24 スラリー 26 研磨ヘッ
ド 28 干渉測定装置 36 駆動モー
タ 48 レーザ光ビーム導管 50 光戻り導
管 52 液体導管 54 制御装置
Claims (19)
- 【請求項1】 平坦なウェーハを研磨する方法にして、 a.研磨プラテン(22)の外周端縁を横断しかつ該外
周端縁の上方を動き得るように取り付けられた回転可能
な研磨ヘッド(26)内にウェーハ(10)を保持する
段階と、 b.研磨スラリー(24)内のウェーハの一面を研磨プ
ラテン(22)を横断して回転させる段階と、 c.ウェーハの一部分を研磨プラテン(22)の外周端
縁を横断してオーバーハングさせ、ウェーハの一面を露
出させる段階と、 d.レーザ干渉測定装置(28)を備える終点検出手段
(28)を使用してウェーハのオーバハングした露出面
の終点を検出する段階であって、該レーザ干渉測定装置
は、ウェーハ上のダイ(16)上に取り付けられたウェ
ーハの酸化物被覆(14)の厚さも検出し得るものであ
る前記段階と、 e.ウェーハ上に液柱(52)を案内して、ウェーハを
清浄にすると共に、レーザ(48)に対する基準媒体を
提供してウェーハの前記酸化物被覆(14)の厚さを検
出する段階 とを備えることを特徴とする方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載の方法にして、研磨プラ
テンが又研磨ヘッドと同一方向に回転するように回転可
能に取り付けられることを特徴とする方法。 - 【請求項3】 酸化物表面を有する薄くかつ平坦な半導
体ウェーハを研磨する方法にして、 a.研磨プラテン(22)の外周端縁を横断しかつ該外
周端縁の上方を動き得るように取り付けられた回転可能
な研磨ヘッド(26)内にウェーハ(10)を保持する
段階と、 b.研磨スラリー(24)内のウェーハの一面を研磨プ
ラテン(22)を横断して回転させる段階と、 c.ウェーハの一部分を研磨プラテン(22)の外周端
縁を横断してオーバーハングさせ、ウェーハの一面を露
出させる段階と、 d.水柱導管(52)内に収容されかつウェーハ表面上
のダイ(16)に向かって方向決めされた検出レーザビ
ーム導管(48)を有するレーザ検出手段(28)を利
用して、ウェーハの酸化物被覆(14)の厚さを検出す
る段階とを備えることを特徴とする方法。 - 【請求項4】 請求項3に記載の方法にして、研磨プラ
テンを研磨ヘッドと同一方向に回転させる段階を更に備
えることを特徴とする方法。 - 【請求項5】 請求項3に記載の方法にして、研磨ヘッ
ドを研磨プラテンの外周端縁を横断して動かし、回転す
るウェーハの異なる部分間の速度差を補正する段階を更
に備えることを特徴とする方法。 - 【請求項6】 請求項5に記載の方法にして、ウェー
ハ、研磨ヘッド及び研磨プラテンの各々が略円形の形状
であることを特徴とする方法。 - 【請求項7】 請求項5に記載の方法にして、ダイがそ
の上に酸化物被覆を有する金属膜であることを特徴とす
る方法。 - 【請求項8】 酸化物被覆を有する薄くかつ平坦な略円
形の半導体ウェーハを研磨しかつ酸化物被覆(14)の
厚さを検出する方法にして、 a.半導体ウェーハ(10)を回転可能な研磨ヘッド
(26)内に保持する段階と、 b.研磨ヘッド(26)からの圧力下でかつ研磨スラリ
ー(24)内で半導体ウェーハ(10)を、回転する研
磨プラテン(22)の上方にて回転させる段階と、 c.半導体ウェーハの一面の一部分を研磨プラテン(2
2)の上方にてオーバーハングさせ、表面を露出させて
半導体ウェーハ上の酸化物(14)の終点を検出する段
階と、 d.ウェーハ上のダイ(16)に向かって液柱(52)
内に収容されたレーザビーム(48)を方向決めし、レ
ーザ干渉を利用してウェーハ上の酸化被覆物(14)の
厚さを検出する段階と、 e.ウェーハを研磨プラテン(22)の外周端縁を横断
して動かし、ウェーハをオーバーハングさせかつ略円形
のウェーハの異なる部分間の速度差を補正する段階とを
更に備えることを特徴とする方法。 - 【請求項9】 請求項8に記載の方法にして、半導体ウ
ェーハがケイ素化合物の表面を有するシリコンにて形成
され、ダイが酸化物被覆を有するタングステン膜である
ことを特徴とする方法。 - 【請求項10】 薄くかつ平坦なウェーハを物理的に平
面化する装置にして、 a.研磨プラテン(22)及び研磨性スラリー(24)
を含む研磨手段と、 b.ウェーハ(10)を保持すると共に、制御された圧
力下、研磨プラテン(22)を横断しかつ研磨プラテン
の外周端縁を経てウェーハを回転させかつ動かし得るよ
う取り付けられた研磨ヘッド(26)と、 c.液柱導管(52)内に収容されたレーザビーム導管
(48)を有し、ウェーハの露出面の終点を検出するレ
ーザ干渉手段(28)を含む終点検出手段(28)とを
備えることを特徴とする装置。 - 【請求項11】 請求項10に記載の装置にして、研磨
プラテンが前記研磨ヘッドと同一方向に回転されること
を特徴とする装置。 - 【請求項12】 請求項11項に記載の装置にして、レ
ーザ干渉測定装置(28)が、レーザ光ビーム導管(4
8)と、光戻り導管(50)と、ウェーハの露出面にて
液体を方向決めし得るよう配置され、レーザ光ビームを
囲繞し、ウェーハ表面を清浄にすると共に、レーザ光ビ
ームに対する均一な基準媒体を提供する液体導管(5
2)とを備えることを特徴とする装置。 - 【請求項13】 請求項12に記載の装置にして、レー
ザ光ビームがウェーハ上のダイに向かって方向決めされ
ることを特徴とする装置。 - 【請求項14】 請求項13に記載の装置にして、ダイ
がその上に形成された酸化物被覆を有する金属膜である
ことを特徴とする装置。 - 【請求項15】 請求項14に記載の装置にして、前記
金属膜がタングステンであり、前記酸化物膜がケイ素化
合物であることを特徴とする装置。 - 【請求項16】 薄くかつ平坦な半導体ウェーハを物理
的に平面化する装置にして、 a.回転する略円形の研磨プラテン(22)及び研磨性
スラリー(24)を含む研磨手段と、 b.半導体ウェーハ(10)を保持すると共に、制御さ
れた圧力下、研磨プラテン(22)の外周端縁を横断し
ウェーハを回転させかつ動かし、ウェーハの表面を露出
させ得るように取り付けられた研磨ヘッド(26)と、 c.ウェーハ表面のダイ(16)に向かって方向決めさ
れたレーザ光ビーム導管(48)を有するレーザ干渉測
定装置(28)と、制御装置(54)と、光戻り導管
(50)と、レーザ光ビーム導管の周囲にあり、ウェー
ハ表面に向かって液体を方向決めして表面を清浄にする
と共に、レーザ光ビームに対する基準媒体を提供する液
体導管(52)とを含む終点検出手段(28)とを備え
ることを特徴とする装置。 - 【請求項17】 請求項16に記載の装置にして、前記
ダイが酸化物にて被覆された金属膜であることを特徴と
する装置。 - 【請求項18】 請求項16に記載の装置にして、前記
研磨プラテンが研磨ヘッドと同一方向に回転されること
を特徴とする装置。 - 【請求項19】 請求項18に記載の装置にして、レー
ザ光ビーム導管を囲繞する前記液体導管の液体が水であ
ることを特徴とする装置。
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