JP2015191930A

JP2015191930A - 化学機械研磨装置

Info

Publication number: JP2015191930A
Application number: JP2014066158A
Authority: JP
Inventors: 健二郎水落; Kenjiro Mizuochi
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-11-02

Abstract

【課題】ＣＭＰ装置において、液体を研磨パッドへ向けて効果的に噴出することにより、研磨パッドの洗浄効果を向上する。【解決手段】研磨パッドを保持するテーブルと、研磨パッドとウエハーとが接するようにウエハーを保持するウエハー保持部と、第１ノズル及び第２ノズルを備え、第１ノズルから第１液流を噴出させ、第２ノズルから第２液流を噴出させる液体供給部と、研磨パッドをウエハー保持部と第１ノズル及び第２ノズルとに対して相対的に回転させる回転機構と、を具備する化学機械研磨装置である。研磨パッドの回転方向に沿って見たときに、第１液流及び第２液流が一部重なるように、第１ノズル及び第２ノズルが配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、化学機械研磨装置に関する。

半導体デバイスの製造工程において、表面を平坦化する技術が重要となっている。平坦化が不十分で、半導体デバイスの表面の凹凸が大きくなると、その上に形成される薄膜の一部が薄くなったり、配線の断線部が生じたりする可能性がある。また、平坦化が不十分であると、リソグラフィー工程において、露光光学系の焦点が部分的に合わなくなり、微細パターンの形成が難しくなる可能性がある。近年、半導体デバイスがますます微細化されて素子構造が複雑になり、多層配線の層数も増えてきており、表面を平坦化する技術の重要性が増している。

代表的な平坦化技術として、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）が知られている。化学機械研磨を行う化学機械研磨装置（ＣＭＰ装置）においては、研磨パッドを回転させ、研磨パッドの表面に砥粒を含むスラリーを供給しながら、半導体のウエハーを研磨パッドの表面に押し付ける。

下記の特許文献１には、ＣＭＰ装置において、スラリー供給ラインとは別に、液体供給ラインや液体供給スプレーを設けることが開示されている。この特許文献１においては、ウエハーの研磨が終了した後、液体供給ラインや液体供給スプレーから液体を供給して、研磨パッドを洗浄している。

特開２００５−３１１１２７号公報

しかしながら、上述の特許文献１において、液体供給ラインは液体を１箇所に垂らしているだけであり、研磨パッドの洗浄効果は不十分である。また、特許文献１において、液体供給スプレーは液体を円錐状に拡散させているが、液体が吹き付けられない部分もあり、やはり研磨パッドの洗浄効果が不十分である。

本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものである。本発明の幾つかの態様は、ＣＭＰ装置において、液体を研磨パッドへ向けて効果的に噴出することにより、研磨パッドの洗浄効果を向上することに関連している。

本発明の幾つかの態様において、化学機械研磨装置は、研磨パッドを保持するテーブルと、研磨パッドとウエハーとが接するようにウエハーを保持するウエハー保持部と、第１ノズル及び第２ノズルを備え、第１ノズルから第１液流を噴出させ、第２ノズルから第２液流を噴出させる液体供給部と、研磨パッドをウエハー保持部と第１ノズル及び第２ノズルとに対して相対的に回転させる回転機構と、を具備する化学機械研磨装置であって、研磨パッドの回転方向に沿って見たときに、第１液流及び第２液流が一部重なるように、第１ノズル及び第２ノズルが配置されている。
この態様によれば、研磨パッドの回転方向に沿って見たときに、第１液流及び第２液流が一部重なるように、第１ノズル及び第２ノズルが配置されている。研磨パッドの回転と、第１液流及び第２液流の噴射とによって、第１液流と第２液流との間に液流が噴射されない箇所が生じることを抑制し、研磨パッドの洗浄効果を向上することができる。

上述の態様において、研磨パッドへの到達位置における第１液流の第１断面と、研磨パッドへの到達位置における第２液流の第２断面が、それぞれ、研磨パッドの回転方向に沿った寸法よりも、研磨パッドの回転軸から離れる方向に沿った寸法の方が大きくなるように、第１ノズル及び第２ノズルが構成されることが望ましい。
これによれば、研磨パッドの回転軸から離れる方向に沿って広範囲に液流を研磨パッドに当てることができる。また、研磨パッドの回転方向に沿った方向においては、液流が分散することを抑制し、強い液流を研磨パッドに当てることができる。

上述の態様において、第１断面が、第２断面よりも、研磨パッドの回転軸の近くに位置するように、第１ノズル及び第２ノズルが配置され、且つ、第１断面が、第２断面よりも、研磨パッドの回転方向の上流側に位置するように、第１ノズル及び第２ノズルが配置されることが望ましい。
これによれば、研磨パッドに放出される固形物が液流よりも研磨パッドの回転方向の下流側に移動することが抑制される。

上述の態様において、第１液流又は第２液流が、研磨パッドの回転方向の上流側へ向かう方向成分を有して研磨パッドに到達するように、第１ノズル又は第２ノズルが研磨パッドの回転軸に対して斜めに配置されることが望ましい。
これによれば、研磨パッドの表面に対する液流の相対的な速度が速くなるため、強い液流を研磨パッドに当てることができる。また、液流によって研磨パッドの表面から剥がされた固形物を研磨パッドの外周に向けて効率よく流すことができる。

上述の態様において、研磨パッドの回転軸に対して、第１液流又は第２液流の中心軸が、研磨パッドの回転方向の上流側に向かって５°以上５０°以下の傾きを有するように、第１ノズル又は第２ノズルが配置されることが望ましい。
これによれば、研磨パッドの表面に対する液流の相対的な速度が速くなるため、強い液流を研磨パッドに当てることができる。また、液流によって研磨パッドの表面から剥がされた固形物を研磨パッドの外周に向けて効率よく流すことができる。

上述の態様において、研磨パッドのコンディショニングを行うコンディショナーをさらに具備し、ウエハー保持部に対して研磨パッドの回転方向の上流側に第１ノズル及び第２ノズルが配置され、さらに上流側にコンディショナーが配置されることが望ましい。
これによれば、コンディショナー又はその他の構成要素から脱落した固形物が、ウエハー保持部に到達してウエハーを傷つけることが抑制される。

本発明の実施形態に係るＣＭＰ装置の構成を概念的に示す斜視図。図１に示されるＣＭＰ装置を別の角度から見た斜視図。図１に示されるＣＭＰ装置の平面図。研磨パッドへの到達位置における液流の断面の寸法を示す平面図。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成のすべてが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。また同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。

＜１．全体構成＞
図１は、本発明の実施形態に係るＣＭＰ装置の構成を概念的に示す斜視図である。図２は、図１に示されるＣＭＰ装置を別の角度から見た斜視図であり、図３は平面図である。ＣＭＰ装置１００は、テーブル１と、ウエハー保持部２と、コンディショナー４とを具備している。
テーブル１の上面には、円盤型の研磨パッド７が貼り付けられる。テーブル１は、回転機構５により、矢印Ａ１方向に回転させられる。

ウエハー保持部２は、半導体のウエハー３を保持し、ウエハー３の研磨される面すなわち半導体デバイスが形成される面を下に向けて、研磨パッド７に押し付ける。ウエハー保持部２は、図示しない駆動部により、矢印Ａ２方向に回転させられる。また同時に、ウエハー保持部２は、図示しない駆動部により、研磨パッド７の半径方向に、研磨パッド７の中心付近の位置と研磨パッド７の端縁付近の位置との間で往復させられてもよい。

コンディショナー４は、ダイヤモンド砥粒層を含み、このダイヤモンド砥粒層が下に向けられた状態で、研磨パッド７に押し付けられる。コンディショナー４は、図示しない駆動部により、矢印Ａ４方向に回転させられる。また同時に、コンディショナー４は、図示しない駆動部により、研磨パッド７の半径方向に、研磨パッド７の中心付近の位置と研磨パッド７の端縁付近の位置との間で往復させられてもよい。このような構成及び動作により、コンディショナー４は、研磨パッド７のコンディショニングを行う。コンディショニングは、研磨パッド７に要求される所定の表面粗さを回復させるための、研磨パッド７の削り出しを含む。

研磨パッド７の表面には、砥粒を含むスラリー（懸濁液）が、図示しないスラリー供給部から滴下される。このスラリーには、ウエハーの表面を化学的に改質するための酸性又はアルカリ性の化学材料も含まれている。研磨パッド７の表面に滴下されたスラリーは、テーブル１の回転と、ウエハー保持部２の回転と、コンディショナー４の回転とによって、研磨パッド７の表面に引き伸ばされる。

研磨パッド７が所定の表面粗さを有する場合には、研磨パッド７の表面には、スラリーが保持される微少な溝又は微少な凹部が存在する。ＣＭＰ装置１００においては、スラリーに含まれる砥粒による機械的研磨と、スラリーに含まれる化学材料による化学作用とによって、ウエハーが研磨される。

以上の構成によりウエハー３を処理する過程で、スラリーの溶媒が蒸発し、研磨パッド７の表面の溝又は凹部に凝集物が溜まる場合がある。また、研磨パッド７の表面上に異物が載ってしまったとき、この異物がウエハー保持部２にまで運ばれてしまう場合がある。研磨パッド７とウエハー３との間に異物が入り込んでしまうと、ウエハー３に無数の傷が形成されてしまう。異物の例としては、スラリーに由来する凝集物、ウエハー保持部２の破損した部品の一部、コンディショナー４のダイヤモンド砥粒層から脱落した砥粒などが挙げられる。

＜２．液体供給部＞
本実施形態においては、液体の液流を研磨パッド７に向けて噴出させる液体供給部６が設けられている。液体供給部６は、ノズルヘッド６０と、ノズルヘッド６０に沿って配置された複数のノズル６１、６２、６３及び６４とを備えている。ノズル６１は、研磨パッド７の回転軸Ｃに近い位置に配置され、研磨パッド７の回転軸Ｃから離れる方向に、ノズル６２、６３及び６４がこの順番で配置されている。複数のノズル６１、６２、６３及び６４のうちの２つのノズルが、本発明の第１ノズル及び第２ノズルに相当する。

ノズルヘッド６０は、配管６５から供給された液体を複数のノズル６１、６２、６３及び６４に分配して供給する。複数のノズル６１、６２、６３及び６４は、それぞれ、液体の液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａを噴出させる。液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａのうち、第１ノズルから噴出する液流が本発明の第１液流に相当し、第２ノズルから噴出する液流が本発明の第２液流に相当する。液体としては、例えば純水、界面活性剤、又はそれらを組み合わせたもの等を用いる。

図４は、研磨パッド７への到達位置における液流の断面の寸法を示す平面図である。液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａは、いずれも、扁平な流路を有している。そして、研磨パッド７への到達位置における液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａの断面６１ｂ、６２ｂ、６３ｂ及び６４ｂは、それぞれ、研磨パッド７の回転方向Ａ１に沿った寸法６１Ｗ、６２Ｗ、６３Ｗ及び６４Ｗよりも、研磨パッド７の回転軸Ｃから離れる方向に沿った寸法６１Ｌ、６２Ｌ、６３Ｌ及び６４Ｌの方が大きくなっている。

これにより、研磨パッド７の広範囲に液体の液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａを当てることができる。また、研磨パッド７の回転方向Ａ１に沿って液流が分散することを抑制し、強い液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａを研磨パッド７に当てることができる。研磨パッド７に当たるときの液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａの圧力は、１．０ｋｇ／ｃｍ^２以上、３．０ｋｇ／ｃｍ^２以下が望ましい。断面６１ｂ、６２ｂ、６３ｂ及び６４ｂのうち、第１液流の断面が本発明の第１断面に相当し、第２液流の断面が本発明の第２断面に相当する。

図１に示されるように、ノズル６１、６２、６３及び６４は、研磨パッド７の回転方向Ａ１に沿って見たときに、複数の液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａのうち互いに隣りあう液流がそれぞれ一部重なるように配置されている。例えば、液流６１ａ及び６２ａは、研磨パッド７の回転方向Ａ１に沿って見たときに一部重なるようになっている。この状態で研磨パッド７が回転するので、研磨パッド７に液流が噴射されない箇所が生じることが抑制される。また、液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａのうち隣りあう２つの液流で研磨パッド７が洗浄されるので、洗浄効果が向上する。図１に示されるように、液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａは、研磨パッド７の回転方向Ａ１に沿って見たときに、上方から下方に向かって角度ψで広がる形状を有している。角度ψは、９０°以上、１２０°以下が望ましい。

図２には、研磨パッド７の回転軸に平行な直線Ｖが示されている。図２に示されるように、液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａは、研磨パッド７の回転方向Ａ１と逆方向の方向成分を有して研磨パッド７に到達するように、ノズル６１、６２、６３及び６４が直線Ｖに対して斜めに配置されることが望ましい。より具体的には、液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａの中心軸Ｆは、研磨パッド７の回転方向Ａ１の上流側に向かって５°以上５０°以下の傾きθを有することが望ましい。より好ましくは、傾きθは１５°以上５０°以下であることが望ましい。傾きθの好ましい数値については、後述の洗浄評価の結果から得られた。

［洗浄評価］研磨パッド７の回転軸に対する液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａの中心軸Ｆの傾きθが、洗浄に及ぼす影響について評価を行った。研磨パッド７に固形物をすりこんだ後、研磨パッド７を回転させながら、純水の液流を当てて、固形物を除去するために必要な研磨パッド７の回転数を評価した。その結果、θ＝０°の時は、５〜６回転だったのに対し、θ＝５〜１５°の時は、２〜３回転で固形物を除去することができ、洗浄効率が大幅に向上した。θ＝１５〜５０°の時は、１〜２回転とさらに洗浄効率が向上した。θが５０°を超えると除去した固形物がＣＭＰ装置１００の周辺に飛散する不具合があった。

このように液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａが研磨パッド７の回転方向Ａ１と逆方向の方向成分を有する場合、研磨パッド７の表面に対する液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａの相対的な速度が速くなるため、強い液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａを研磨パッド７に当てることができる。

また、液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａが研磨パッド７の回転方向Ａ１と逆方向の方向成分を有する場合、研磨パッド７に達した液体は、研磨パッド７の回転方向Ａ１の上流側に押し出されやすい。そして、この液体は、図２及び図３の矢印Ｅ１〜Ｅ４に示されるように、断面６１ｂ、６２ｂ、６３ｂ及び６４ｂの上流側に沿って研磨パッド７の外周に向けて流れ出る。このように、矢印Ｅ１〜Ｅ４のような流れが形成されるため、液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａによって研磨パッド７の表面から剥がされた固形物が研磨パッド７の外周に向けて効率よく流れ出る。

研磨パッド７への到達位置における液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａの断面６１ｂ、６２ｂ、６３ｂ及び６４ｂのうち、研磨パッド７の回転軸Ｃから遠くに位置する液流の断面よりも、回転軸Ｃの近くに位置する液流の断面の方が、研磨パッド７の回転方向Ａ１の上流側に位置する。例えば、液流６１ａの断面６１ｂは、液流６２ａの断面６２ｂよりも研磨パッド７の回転軸Ｃの近くに位置し、断面６１ｂは、断面６２ｂよりも研磨パッド７の回転方向Ａ１の上流側に位置する。

これにより、例えば、液流６１ａによって研磨パッド７の表面から剥がされた固形物は、断面６１ｂに沿った矢印Ｅ１の流れに従って移動する。断面６１ｂの端部付近まで流れた固形物は研磨パッド７の回転方向Ａ１に沿って移動しようとするが、研磨パッド７の回転方向Ａ１に沿った移動は液流６２ａによって止められ、断面６２ｂに沿った矢印Ｅ２の流れに従って移動する。以下同様に、矢印Ｅ３、矢印Ｅ４の順で研磨パッド７の外周側に移動するので、固形物が液流６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａよりも研磨パッド７の回転方向Ａ１の下流側に移動することが抑制される。液流６４ａの断面６４ｂは、研磨パッド７の外周部と、研磨パッド７の外周部の外側とにまたがっていてもよい。

液体供給部６は、ウエハー保持部２よりも、研磨パッド７の回転方向Ａ１の上流側に配置されることが望ましい。液体供給部６よりもさらに上流側に、コンディショナー４が配置されることが望ましい。これにより、コンディショナー４又はその他の構成要素から脱落した固形物が、ウエハー保持部２に到達してウエハー３を傷つけることが抑制される。

本実施形態に係るＣＭＰ装置１００は、ウエハー保持部２に保持されたウエハー３の研磨が終わった後、次のウエハーの研磨を開始するまでの間に、液体供給部６による研磨パッド７の洗浄を行うものでもよい。また、ウエハー３の研磨をしながら、液体供給部６による研磨パッド７の洗浄を行うものでもよい。

本実施形態によれば、液体を研磨パッド７へ向けて効果的に噴出することにより、研磨パッド７の洗浄効果を向上することができる。その結果、ウエハー３の加工品質を安定化し、ひいては半導体装置の品質を向上することができる。

１…テーブル、２…ウエハー保持部、３…ウエハー、４…コンディショナー、５…回転機構、６…液体供給部、７…研磨パッド、６０…ノズルヘッド、６１〜６４…ノズル、６１ａ〜６４ａ…液流、６１ｂ〜６４ｂ…断面、６１Ｗ、６２Ｗ、６３Ｗ、６４Ｗ…研磨パッドの回転方向に沿った液流の断面の寸法、６１Ｌ、６２Ｌ、６３Ｌ、６４Ｌ…研磨パッドの回転軸から離れる方向に沿った液流の断面の寸法、６５…配管、１００…装置、Ｃ…回転軸、Ｆ…中心軸。

Claims

研磨パッドを保持するテーブルと、
前記研磨パッドとウエハーとが接するように前記ウエハーを保持するウエハー保持部と、
第１ノズル及び第２ノズルを備え、前記第１ノズルから第１液流を噴出させ、前記第２ノズルから第２液流を噴出させる液体供給部と、
前記研磨パッドを前記ウエハー保持部と前記第１ノズル及び前記第２ノズルとに対して相対的に回転させる回転機構と、
を具備する化学機械研磨装置であって、
前記研磨パッドの回転方向に沿って見たときに、前記第１液流及び前記第２液流が一部重なるように、前記第１ノズル及び前記第２ノズルが配置された、
化学機械研磨装置。
前記研磨パッドへの到達位置における前記第１液流の第１断面と、前記研磨パッドへの到達位置における前記第２液流の第２断面が、それぞれ、前記研磨パッドの回転方向に沿った寸法よりも、前記研磨パッドの回転軸から離れる方向に沿った寸法の方が大きくなるように、前記第１ノズル及び前記第２ノズルが構成された、請求項１記載の化学機械研磨装置。
前記第１断面が、前記第２断面よりも、前記研磨パッドの回転軸の近くに位置するように、前記第１ノズル及び前記第２ノズルが配置され、且つ、
前記第１断面が、前記第２断面よりも、前記研磨パッドの回転方向の上流側に位置するように、前記第１ノズル及び前記第２ノズルが配置された、
請求項２記載の化学機械研磨装置。
前記第１液流又は前記第２液流が、前記研磨パッドの回転方向の上流側へ向かう方向成分を有して前記研磨パッドに到達するように、前記第１ノズル又は前記第２ノズルが前記研磨パッドの回転軸に対して斜めに配置された、
請求項１記載の化学機械研磨装置。
前記研磨パッドの回転軸に対して、前記第１液流又は前記第２液流の中心軸が、前記研磨パッドの回転方向の上流側に向かって５°以上５０°以下の傾きを有するように、前記第１ノズル又は前記第２ノズルが配置された、
請求項１記載の化学機械研磨装置。
前記研磨パッドのコンディショニングを行うコンディショナーをさらに具備し、
前記ウエハー保持部に対して前記研磨パッドの回転方向の上流側に前記第１ノズル及び前記第２ノズルが配置され、さらに上流側に前記コンディショナーが配置された、
請求項１記載の化学機械研磨装置。