JP2000158325A - 化学機械研磨の装置と方法 - Google Patents

化学機械研磨の装置と方法

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １つの化学機械研磨装置で２段階の研磨工程
を完了する方法を提供して、作業時間を大幅に短縮し、
生産能力を向上させる。 【解決手段】 同一の研磨定盤上で２段階の化学機械研
磨工程を行うものであって、使用する研磨パッドが内リ
ングと外リングとに分かれるとともに、それぞれ硬度が
異なる材質からなり、第１段階の研磨を硬度の大きい方
で行い、第２段階の研磨を硬度の小さい方で行うと同時
に、スラリーとして性質が同一または近似のものを使用
するか、あるいはスラリーとして性質の差異が大きい場
合には、第１段階の研磨を外リングで行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体ウェハー
の表面を平坦化する装置と方法に関し、特に、化学機械
研磨（Chemical Mechanical Polishing = CMP ）を行う
装置と方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体製造プロセス技術において、表面
平坦化は、高密度リソグラフィー処理を行う上での重要
な技術の１つであり、高低落差のない平坦な表面であっ
て初めて露光時の散乱を防止して、精密なパターン転写
（pattern transfer）を行うことができる。多層金属配
線の作製を容易にし、転写する配線パターンを精確なも
のとするために、ウェハー（wafer ）の高低起伏のある
表面をいかに平坦化するかが非常に重要な課題となって
いる。また、ウェハーの平坦化は、アライメントシステ
ムのアライメント精度に影響をあたえる主要な要素であ
り、もしもウェハーの平坦化が不十分であれば、アライ
メントシステムにおいて精確にマスク（mask）をウェハ
ーにアライメントできないばかりか、製造プロセスにお
いてエラーの発生する機会が増大するものとなる。
【０００３】平坦化工程において、化学機械研磨法が、
大型半導体集積回路（Very LargeSemiconductor Integr
ation = VLSI）、さらには超大型半導体集積回路（Ultr
a- LSI = ULSI）の製造プロセスで全面的な平坦化(glob
al planarization)を実現することができる唯一の技術
となっている。
【０００４】ＣＭＰは、主要には「グラインダー」に類
似した機械式研磨の原理を利用し、適当な化学試薬（re
agent ）を組み合せて、ウェハー表面の高低起伏が一様
でない輪郭を一括して「真っ平ら」にする平坦化技術の
１つである。化学機械研磨製造プロセスで使用するスラ
リー（slurry）には、通常、酸性またはアルカリ性の化
学活性成分（chemical active component ）、ならびに
コロイド状の(colloidal) シリカ（silica）あるいは分
散状の（dispersed ）アルミナ（alumina ）のような機
械活性成分（mechanical active component ）からなる
研磨剤（abras-ive ）がある。ウェハー表面の研磨は、
研磨したい材質と化学活性成分との反応を利用するとと
もに、スラリー中の研磨性が極めて高い研磨剤を利用し
て機械性研磨を行っている。
【０００５】図１において、従来技術にかかる化学機械
研磨装置は、回転する研磨定盤１２と、研磨定盤１２上
に配置された研磨パッド（polishing pad ）１４とを備
えていた。ウェハーキャリアー（wafer carrier ）１６
を利用してウェハー１８を搭載し、ウェハー１８の表面
を下向きにして、ウェハー１８の研磨を行いたい一面を
研磨パッド１４に接触させるとともに、供給パイプ２２
を利用してスラリー２２を研磨パッド１４上に供給して
から研磨定盤１２を回転させて化学機械研磨を行い、ウ
ェハー１８表面の突出した部分を少しずつ削っていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このような従来技術に
かかる化学機械研磨は、２つの段階に分けることがで
き、第１の段階は、硬い研磨パッドを使用してウェハー
の平坦度を増大させるものであり、第２の段階は、柔ら
かい研磨パッドを使用し、比較的小さな圧力で研磨を行
うことによりウェハー表面の均一性を増大させていた
が、第１と第２の段階を別々な研磨定盤で行わなければ
ならなかった。
【０００７】化学機械研磨を行うに際して、第１の段階
ならびに第２の段階で使用するスラリーの性質が異なっ
たものであり、２種類のスラリーが接触すると化学反応
により不都合な巨大粒子が発生しやすくなって、ウェハ
ー表面および化学機械研磨装置を汚染するものとなって
いた。従って、ウェハーを第１研磨定盤から第２研磨定
盤へ移動させ第２の段階の研磨を行う前に、第１研磨定
盤ならびにウェハーキャリアーが回転を停止するのを待
って、ウェハーに対する洗浄を行ってウェハー表面に残
留している微粒子を除去しなければならなかった。ま
た、２種類のスラリーが混合してしまわないように、ウ
ェハーを搭載するウェハーキャリアーを第２研磨定盤へ
移動させて第２の段階の研磨を行う前に、ウェハーキャ
リアーに対する洗浄も行わなければならず、それらの洗
浄工程には、こすり洗い（scrubbi-ng）、ゆすぎ洗い
（rinsing ）、回転乾燥（spin - drying ）が含まれて
おり、化学機械研磨に要する時間が長いものとなるの
で、生産能力を低下させる原因の１つとなっていた。
【０００８】さらに、第１段階から第２段階の研磨へ移
行する時、ウェハー表面に残留しているスラリーが非常
に乾燥しやすいものであるので、そうなると洗浄工程が
困難なものとなって、後工程に悪い影響を与えるばかり
でなく、ウェハーの歩留りを低下させるものとなってい
た。
【０００９】そこで、この発明の主要な目的は、研磨定
盤を交換する必要がなく、また、洗浄を行う必要もな
く、スラリーの混合を心配する必要もない化学機械研磨
装置と方法を提供することにある
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記した課題を解決し、
所望の目的を達成するために、この発明にかかる化学機
械研磨装置は、回転する研磨定盤と、研磨定盤上に配置
される研磨パッドと、ウェハーを搭載するウェハーキャ
リアーと、研磨パッドの上方からスラリーを供給する供
給パイプとから構成されるとともに、研磨パッドを内リ
ングと外リングとに分けて、それぞれ異なる材質とし、
かつ異なる硬度を有するものとし、例えば、内リングの
直径を２０インチとし、外リングの外円半径を２６イン
チとすることができる。
【００１１】また、この発明にかかる化学機械研磨方法
は、内リングおよび外リングを有する研磨パッドを研磨
定盤上に設置するステップと、ウェハーキャリアーによ
りウェハーを研磨パッドの内リングまたは外リングのい
ずれか１つ上に載置するステップと、第１スラリーを研
磨パッドの上方から供給するステップと、ウェハーキャ
リアーならびに研磨定盤を反対方向へ回転させて、第１
段階の研磨を行うステップと、ウェハーを研磨パッドの
内リングまたは外リングのいずれか１つから他の１つへ
移動するステップと、第１スラリーの供給を停止するス
テップと、第２スラリーを研磨パッドの上方から供給し
て、第２段階の研磨を行うステップとから構成されるも
のである。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる好適な実
施例を図面に基づいて説明する。図２（Ａ）（Ｂ）にお
いて、研磨パッド３４は、第１研磨力を有する内リング
３４ａと、第２研磨力を有する外リング３４ｂとを備え
るとともに、例えば、この実施例で取り上げたウェハー
が６インチであるから、内リング３４ａの直径を２０イ
ンチ、外リング３４ｂの外円半径を２６インチ、つまり
外リング３４ｂの幅を６インチとすることができる。ま
た、例えば内リング３４ａを柔らかい材質、具体的には
Rodel 社製のPolitex Embossed Pad( 商品名）とし、例
えば外リング３４ｂを硬度が大きい材質、つまりポリウ
レタン（polyurethane）および化学泡沫（foam）、具体
的には、Rodel 社製のIC1000/Suba IV Pad( 商品名）と
することができる。
【００１３】まず、ウェハーキャリア３６によりウェハ
ー３８を研磨パッド３４の外リング３４ｂ上に載置して
から、第１供給パイプ４０ａを介して第１スラリー４２
ａを上方から研磨パッド３４の中心に供給すると、研磨
定盤３２がウェハーキャリア３６とは反対方向へ回転す
るので、第１スラリー４２ａが研磨定盤３２の回転にと
もなう遠心力で研磨パッド３４全体に均一に分布させら
れ、この第１段階の研磨によりウェハー３８表面を平坦
化することができる。
【００１４】第１段階の研磨が完了した後、ウェハーキ
ャリア３６によりウェハー３８を研磨パッド３４の内リ
ング３４ａへ移動させ、第２供給パイプ４０ｂを介して
第２スラリー４２ｂを研磨パッド３４の中心に供給し、
第２段階の研磨を行うと、ウェハー３８表面がより均一
なものとなる。
【００１５】なお、内リング３４ａならびに外リング３
４ｂの材質を相互に入れ換えて、外リング３４ｂを柔ら
かい材質とし、内リング３４ａを硬い材質とすることも
できる。この場合には、内リング３４ａにおいて第１段
階の化学機械研磨を行い、外リング３４ｂにおいて第２
段階の化学機械研磨を行うものとなる。
【００１６】研磨時にスラリーが混合して汚染が発生す
ることを防止するために、使用する第１スラリー４２ａ
と第２スラリー４２ｂとを同一なもの、あるいは性質が
近似したもの、例えば金属を研磨する時には第１段階の
研磨で使用する第１スラリー４２ａのｐＨ値が２より小
さいもの、第２段階の研磨で使用する第２スラリー４２
ｂのｐＨ値が同様に低いものを選択する。
【００１７】もしも使用する第１スラリー４２ａおよび
第２スラリー４２ｂの差異が大きい場合には、スラリー
の混合による汚染を防止するために、外リング３４ｂを
硬い材質とし、内リング３４ａを柔らかい材質とする必
要がある。このようにすれば、内リング３４ａにおいて
第２段階の研磨を行う時には、第１段階の研磨で使用し
た第１スラリー４２ａが研磨定盤３２の回転による遠心
力で研磨パッド３４の外部へ排除されているので、スラ
リーの混合による汚染が原因でウェハー３８の研磨に悪
い影響を及ぼすことを心配する必要がなくなる。
【００１８】以上のごとく、この発明を好適な実施例に
より開示したが、当業者であれば容易に理解できるよう
に、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更
ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特
許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等
な領域を基準として定めなければならない。
【００１９】
【発明の効果】以上説明した構成により、この発明にか
かる化学機械研磨装置と方法は、第１段階の研磨ならび
に第２段階の研磨が１つの研磨定盤上で行えるため、従
来のように、研磨定盤およびウェハーキャリアーが回転
を停止するのを待って、ウェハーを別な研磨定盤に移行
させる必要がなくなり、また、２段階の研磨の間で洗浄
する必要もなくなるので、化学機械研磨に要する時間を
大幅に短縮することができ、生産能力を向上させること
ができる。従って、産業上の利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術にかかる化学機械研磨装置と方法を
説明するための要部断面図である。
【図２】 （Ａ）は、この発明にかかる化学機械研磨装
置と方法を説明するための要部断面図であり、（Ｂ）
は、その要部平面図である。
【符号の説明】
３２ 研磨定盤 ３４ 研磨パッド ３６ ウェハーキャリアー ３８ ウェハー ３４ａ 内リング ３４ｂ 外リング ４０ａ 第１供給パイプ ４０ｂ 第２供給パイプ ４２ａ 第１スラリー ４２ｂ 第２スラリー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 591209109 シーメンス・アクチェンゲゼルシャフト ＳＩＥＭＥＮＳ ＡＫＴＩＥＮＧＥＳＥＬ ＬＳＣＨＡＦＴ ドイツ連邦共和国、80333 ミュンヘン、 ヴィッテルズバッハ・プラッツ ２ (72)発明者 衣 冠君 台湾新竹縣竹東鎮金福街６巷24號 Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AA09 CB03 DA02 DA12 DA17

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 研磨定盤と、 前記研磨定盤上に設置され、かつ内リングならびに外リ
    ングを有する研磨パッドと、 ウェハーを前記研磨パッド上に載置するウェハーキャリ
    アーと、 スラリーを前記研磨パッドの上方から提供する供給パイ
    プとを具備する化学機械研磨装置。
  2. 【請求項２】 化学機械研磨装置上に配置されるもので
    あって、 第１の研磨力を有する内リングと、 第２の研磨力を有する外リングとを具備する研磨パッ
    ド。
  3. 【請求項３】 上記第１研磨力が、第２研磨力より大き
    いものである請求項２記載の研磨パッド。
  4. 【請求項４】 上記した内リングの材質が、ポリウレタ
    ンおよび化学性泡沫を含むものである請求項２または３
    記載の化学機械研磨装置。
  5. 【請求項５】 上記第１研磨力が、第２研磨力より小さ
    いものである請求項２記載の研磨パッド。
  6. 【請求項６】 内リングおよび外リングを備える研磨パ
    ッドを設けたものであって、 ウェハーを前記研磨パッドの前記内リングに接触させ
    て、第１段階の研磨を行うステップと、 前記ウェハーを前記研磨パッドの前記外リングへ移動さ
    せるステップと、 前記ウェハーを前記研磨パッドの前記外リングに接触さ
    せて、第２段階の研磨を行うステップとを具備する化学
    機械研磨方法。
  7. 【請求項７】 上記内リングが、硬度の大きい材質より
    なるものである請求項１または６記載の化学機械研磨の
    装置と方法。
  8. 【請求項８】 上記した硬度の大きい材質が、ポリウレ
    タンおよび化学性泡沫を含むものである請求項７記載の
    化学機械研磨の装置と方法。
  9. 【請求項９】 上記外リングが、硬度の小さい材質より
    なるものである請求項１または６記載の化学機械研磨の
    装置と方法。
  10. 【請求項１０】 内リングおよび外リングを備える研磨
    パッドを設けたものであって、 ウェハーを前記研磨パッドの前記外リングに接触させ
    て、第１段階の研磨を行うステップと、 前記ウェハーを前記研磨パッドの前記内リングへ移動さ
    せるステップと、前記ウェハーを前記研磨パッドの前記
    内リングに接触させて、第２段階の研磨を行うステップ
    とを具備する化学機械研磨方法。
  11. 【請求項１１】 上記内リングが、硬度の小さい材質よ
    りなるものである請求項１または１０記載の化学機械研
    磨の装置と方法。
  12. 【請求項１２】 上記外リングが、硬度の大きい材質よ
    りなるものである請求項１または１０記載の化学機械研
    磨の装置と方法。
  13. 【請求項１３】 内リングおよび外リングを有する研磨
    パッドを研磨定盤上に設置するステップと、 ウェハーキャリアーによりウェハーを前記研磨パッドの
    前記内リングまたは前記外リングいずれか１つの上に載
    置するステップと、 第１スラリーを前記研磨パッドの上方から供給するステ
    ップと、 前記ウェハーキャリアーならびに前記研磨定盤を反対方
    向へ回転させて、第１段階の研磨を行うステップと、 前記ウェハーを前記研磨パッドの前記内リングまたは前
    記外リングのいずれか１つから他の１つへ移動するステ
    ップと、 前記第１スラリーの供給を停止するステップと、 第２スラリーを前記研磨パッドの上方から供給して、第
    ２段階の研磨を行うステップとを具備する化学機械研磨
    方法。
  14. 【請求項１４】 上記した内リングまたは外リングのい
    ずれか１つが、硬度の大きい材質よりなるものである請
    求項１３記載の化学機械研磨方法。
  15. 【請求項１５】 上記した内リングまたは外リングのい
    ずれか１つが、硬度の小さい材質よりなるものである請
    求項１３記載の化学機械研磨方法。
  16. 【請求項１６】 上記した第１スラリーおよび第２スラ
    リーの成分が同じである請求項１３記載の化学機械研磨
    方法。
  17. 【請求項１７】 上記した第１スラリーおよび第２スラ
    リーのｐＨ値が近似したものである請求項１３記載の化
    学機械研磨方法。
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