JP3030276B2 - 表面研磨方法およびその装置 - Google Patents
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Description
スライスのような半導体ウェハの処理に関し、特に、高
度のウェハ平坦性を実現するために、化学機械平坦化プ
ロセスでウェハを研磨する、改良された方法および装置
に関するものである。
の平坦化は、極めて重要である。フォトリソグラフィ・
プロセスは、解像度の限界に典型的に近づいており、お
よび集積回路を作製するのに用いられる電磁放射線また
は他の放射線を単一レベルで正確にフォーカスすること
ができ、したがってウェハの全表面に正確にイメージン
グできるように、ウェハ表面が極めて平坦であることは
重要である。波状,湾曲状,またはくさび状半導体ディ
スクは、例えば感光レジストがディスクの表面に設けら
れ、露光されるときに、画成が不十分となる。
れる平坦度を実現するために、当業界では、典型的に化
学機械平坦化プロセスを採用している。一般に、化学機
械平坦化(CMP)プロセスは、化学反応性研磨スラリ
ーで濡れた移動研磨面に対する半導体ウェハの押し付け
を含んでいる。スラリーは、通常、塩基性または酸性で
あり、一般的にアルミナまたはシリカ粒子を含んでい
る。研磨面は、典型的に、発泡(blown)ポリウレ
タンのような比較的柔らかい多孔性材料で作られた平坦
なパッドである。パッドは、通常、平坦なプラテン上に
取り付けられる。
け媒体によって、キャリヤ・プレート(またはウェハ・
キャリヤ)に固定される。ウェハは、押圧プレートによ
ってキャリヤを経て力荷重を加えられる。押圧プレート
は、回転するターンテーブル上に取り付けられた研磨パ
ッドに対し摩擦接触するようにウェハを押圧する。キャ
リヤおよび押圧プレートも、ターンテーブルからの駆動
摩擦、または押圧プレートに直接に取り付けられた回転
駆動手段によって回転する。典型的な研磨機械では、キ
ャリヤの動きは、次のようにプログラムされている。す
なわち、第1のステーションからウェハを得て、ウェハ
を研磨面に移送し、回転研磨面にわたってウェハを駆動
し、研磨面から第2のステーションへウェハを移送し、
第2のステーションでウェハを脱着する。ウェハを固着
および脱着する代表的な方法は、真空ヘッドを用いる方
法である。真空ヘッドは、堅固な穴あきプレートを有
し、穴あきプレート上にあるプレナムを真空にすること
によって、プレートにウェハが引きつけられる。
ェハにわたる研磨作用は、一様でなく、厚さにおける中
心−縁部の非均一性を生じさせ、ウェハの平坦性を低下
させる。研磨クロスの表面寿命は、研磨されたウェハの
平坦性に影響する要因でもある。ウェハ表面に発生する
摩擦熱は、研磨液の化学作用を増強し、研磨速度を増大
させる。しかし、摩擦熱が、ウェハの表面上を一様に伝
搬せず、典型的な研磨装置が、研磨作業の温度を制御す
るために冷却システムを用いなければ、摩擦熱は、平坦
性に問題を生じさせる。
に、従来技術では、多くの企みがなされてきた。米国特
許第4,270,316号明細書では、研磨されたディ
スクに異なる摩耗度を生じさせる圧力の不均一な伝達
は、柔らかい弾性インサートを設けることによって補償
されている。この弾性インサートは、押圧ピストンと、
研磨すべきディスクが接合されるキャリヤ・プレートの
背面との間に設けられている。米国特許第4,313,
284号明細書では、変形可能な薄いディスク・キャリ
ヤが、弾性デバイスを介して、回転可能な押圧プレート
に取り付けられて、キャリヤを、要求される研磨に基づ
いて、凹形状または凸形状に変形することができる。米
国特許第4,910,155号明細書では、ダムを研磨
プレート上に設けて、スラリーの研磨プールが、研磨パ
ッドを浸漬するようにしている。米国特許第4,91
8,869号明細書では、押圧プレートに作用する圧縮
空気を使用して、ウェハ表面上の圧力を均一にすること
ができる。米国特許第5,036,630号明細書で
は、ウェハ・キャリヤは、研磨作業の際にウェハに所望
の凸または凹バイアスを与える異なる熱膨張係数を有す
る少なくとも2種類の材料よりなる。米国特許第5,4
23,716号明細書では、ウェハ・キャリヤの裏あて
プレートの下面は、真空を選択的に与える多数の凹部領
域を有する。真空を与えて、弾性膜を凹部領域に吸い込
み、ウェハを引きつける。同じ装置を用いて、加圧流体
をウェハに与えて、ウェハに均一な下方圧力を加えるこ
とができる。米国特許第5,486,129号明細書で
は、ウェハ・キャリヤの押圧ヘッドは、ウェハ表面に対
する多数の加圧器を有している。研磨作業中にこれら加
圧器は、監視され、調整してウェハへの圧力を変えるこ
とができる。
は、研磨パッドが、一定方向の軌道振動運動またはラン
ダム方向の振動運動しながら、パッド表面に平行な面内
で動く。
細書の内容として含むものとする。
欠点に留意して、本発明の目的は、半導体ウェハおよび
他のワークピースを研磨する改良された装置、例えばC
MP装置を提供することにある。
研磨処理を用いて、ワークピース、例えばウェハを研磨
する改良された方法を提供することにある。
よびCMP処理に用いるウェハ・キャリヤを提供し、C
MP装置の働きを強化し、研磨されたウェハの平坦性を
改善することにある。
された方法および装置を用いて作製された、半導体ウェ
ハを含む平坦なワークピースを提供することにある。
明から容易にわかるであろう。
半導体ウェハを化学機械研磨する装置である。この装置
は、回転可能なターンテーブル・アセンブリと、前記ア
センブリ上に支持される研磨パッドと、前記アセンブリ
上に設けられ、研磨の際に半導体ウェハを保持するよう
に構成された回転可能なキャリヤとを備える。前記半導
体ウェハは、前記キャリヤの下面に固定されて、前記キ
ャリヤと前記研磨パッドとの間に配置される。前記キャ
リヤの下面は、前記半導体ウェハの周縁部に接触する隆
起した環状領域、およびその環状領域に囲まれた平坦な
中央の凹部を有する。前記***した環状領域は、0.0
5〜0.1mmの高さを有し、前記***した環状領域の
幅は、前記キャリヤの半径の5〜15%である。前記半
導体ウェハを前記研磨パッドに接触させるために前記キ
ャリアの上面に力が加えられると、前記キャリアが、前
記半導体ウェハの表面にわたって変化する力を与えて、
前記半導体ウェハに平坦な研磨された表面を与える。本
発明を用いると、半導体ウェハは、その縁部の数mm内
まで実質的に平坦であることがわかった。
を用いて半導体ウェハを研磨する方法である。この方法
は、半導体ウェハを回転可能なキャリヤの下面に取り付
け、前記キャリアの上面に力が加えながら前記半導体ウ
ェハを回転研磨パッドに接触させて、前記半導体ウェハ
を研磨する、研磨装置を用いて半導体ウェハの表面を研
磨する方法である。本発明の方法において、前記キャリ
ヤの下面は、前記半導体ウェハの周縁部に接触する***
した環状領域、およびその環状領域に囲まれた平坦な中
央の凹部を有する。前記***した環状領域は、0.05
〜0.1mmの高さを有し、前記***した環状領域の幅
は、前記キャリヤの半径の5〜15%である。前記半導
体ウェハを前記研磨パッドに接触させるために前記キャ
リアの上面に力が加えられると、前記キャリアが、前記
半導体ウェハの表面にわたって変化する力を与えて、前
記半導体ウェハに平坦な研磨された表面を与える。
図4を参照して説明する。これら図において、同一の参
照番号は、本発明の同様な要素について用いられてい
る。本発明の要素は、図において必ずしもスケール通り
に示されていない。
MP装置を示す。研磨装置10は、研磨ホイール・アセ
ンブリ11を有する。この研磨ホイール・アセンブリ
は、研磨テーブル12を有し、このテーブルには、研磨
パッド13が取り付けられている。研磨テーブル12
は、適切なモータまたは駆動手段(図示せず)によっ
て、矢印15で示される方向に、軸14によって回転さ
れる。研磨パッドは、典型的に、ポリウレタンフォーム
であり、直径は約55.88cm(約22インチ)、厚
さは約1.27mm(約0.050インチ)である。
ェハ16を保持するウェハ・キャリヤ18を有してい
る。押圧プレート19は、ウェハ・キャリヤ18に固定
され、ウェハ・キャリヤおよびウェハに圧力を加える。
図示の例では、中空スピンドル20が、押圧プレートに
結合され、適切なモータまたは駆動手段(図示せず)に
よって駆動され、矢印21,22,23によって示され
る方向に、ウェハ・キャリヤ・アセンブリ17を動か
す。矢印31で示すように、圧力を、重み荷重によって
スピンドル20に与えることができ、および/または圧
縮空気のような加圧流体を用いて、加圧流体をウェハ・
キャリヤ・アセンブリのスペース24に供給することに
よって、ウェハ・キャリヤ18の上面に圧力を加えるこ
とができる。力は、ウェハ・キャリヤおよびウェハの表
面上で実質的に均一である。
13の表面に与えられ、ウェハ・キャリヤ・アセンブリ
17により担持されるウェハと、研磨ホイール・アセン
ブリ11の研磨パッド13との間を流れる。ウェハ・キ
ャリヤ17に加えられる圧力、および研磨ホイール・ア
センブリの表面上でのウェハ・キャリヤの回転および運
動によって、研磨パッド13に接触するウェハ16の表
面が研磨される。前述したように、過熱,ウェハの特定
の部分での増加したスラリー,ウェハの異なる部分での
異なる回転速度などのような多数の要因の故に、研磨さ
れたウェハは、典型的に非平坦であり、1つ以上の次の
特徴を有する。すなわち、ウェハの厚い外側縁部,チッ
プ内での荷重不均一性,ウェハ全体にわたる不均一性,
ウェハ間の一定でない研磨速度である。
ェハおよび/または複数のウェハ・キャリヤを、研磨作
業中に、1つの研磨ターンテーブル上で同時に処理する
ことができる。
よびウェハ・キャリヤ・アセンブリ17が示されてい
る。研磨テーブル12および研磨パッド13を有する典
型的な研磨ホイール・アセンブリ11を、用いることが
できる。矢印15で示すように回転する回転軸14は、
上述したように研磨されるウェハ16に対して研磨ホイ
ールを動かす。
ェハ・キャリヤ18によって、ウェハ16を保持する。
ウェハ・キャリヤ18の下面は、26で示すように***
した周縁部を有している。押圧されない(無荷重位置)
ウェハ・キャリヤの中央部27は、好ましくは、ウェハ
16の上面には接触せず、ウェハはウェハ・キャリヤ1
8の周縁部26でのみ接触する。ウェハ・キャリヤ18
は、典型的に、保持リング33を有している。このリン
グは、ウェハ16を正しい位置に取り囲んで保持し、ウ
ェハがウェハ・キャリヤ・アセンブリ17から外れるこ
とのないようにする。典型的に、ウェハ16は、ウェハ
・キャリヤ18の下面に、接合されるか、あるいは固定
される。
9に取り付けられる。この押圧プレートは、ウェハ・キ
ャリヤ18およびウェハ16に圧力を加えるために用い
られる。押圧プレート・スピンドル20は、ウェハ・キ
ャリヤ・アセンブリ・スペース24と整合して、加圧流
体を与え、ウェハ・キャリヤ18の上面に力を加える
(下方向の矢印31で示されるように)。また、押圧プ
レート19および/またはスピンドル20に、外部荷重
を加えて、ウェハ・キャリヤ18およびウェハ16に圧
力を与えることができる。矢印32は、ウェハ表面に加
えられる反対方向の力を示している。ウェハ・キャリヤ
・アセンブリは、また、軸20の周りに回転するように
示されている。ウェハ・キャリヤ・アセンブリ17は、
また、研磨パッド13の表面にわたって、方向21,2
2に動くことができる。
に関して、ウェハ・キャリヤは***した周縁部26を有
することがわかる。この周縁部は、ウェハ・キャリヤ・
アセンブリ17に力が加えられないときに、ウェハ16
の上面に接触するウェハ・キャリヤの部分である。ウェ
ハ16は、典型的に、接着材のような適切な手段によっ
て、ウェハ・キャリヤ18に固定される。研磨装置10
の作動中に、ウェハ・キャリヤ・アセンブリ17に加え
られる力は、ウェハ・キャリヤ18の周縁部(不均一な
表面)によって、ウェハの表面にわたって変化する。こ
の変化する力は、周縁部26の高さおよび/または幅を
変えることによって、調整できる。研磨中に、ウェハ・
キャリヤ18の周縁部26は、ウェハ16の表面に不均
等な研磨力を与え、ウェハ16の表面に均一な研磨作用
を与えるものと仮定される。ウェハ・キャリヤ18は、
典型的に、ステンレス鋼で作られ、約2.54cm〜
3.81cm(約1インチ〜1.5インチ)の厚さであ
り、ウェハ表面に作用する力による曲げ作用を好適に防
止する。***した周縁部26は、好ましくは、約0.0
5mm〜0.1mm高さであるが、これよりも高くまた
は低くすることができ、周縁部の幅は、ウェハ・キャリ
ヤの半径の最大約30%であり、好ましくは5〜15%
である。例えば、200mm直径のウェハおよびウェハ
・キャリヤに対しては、周縁部26の幅は、約10mm
であり、高さは0.05mmである。矢印31で示す押
圧力は、通常、ウェハ・キャリヤ・アセンブリ17に加
えられる。このようなウェハ・キャリヤ18の使用は、
研磨されたウェハの平坦性を増大させることがわかっ
た。
装置10は、研磨ホイール・アセンブリ11と、ウェハ
・キャリヤ・アセンブリ17とを有している。研磨ホイ
ール・アセンブリ11は、研磨テーブル12を有し、こ
のテーブル上には研磨パッド13が設けられている。研
磨ホイール12は、矢印15によって示される方向に軸
14の周りを回転する。ウェハ16は、接着材による取
り付けによって、ウェハ・キャリヤ・アセンブリ17に
固定され、あるいはウェハ・キャリヤ18の下面に固定
される。ウェハ・キャリヤ18は、その下面に固定され
たウェハ・キャリヤ裏あてフィルム28を有することが
示されている。ウェハ・キャリヤ裏あてフィルム28
は、周辺部29と中央部30とを有している。周辺部2
9および中央部30は、異なる圧縮性を有しており、裏
あてフィルム28を、接着材のような適切な手段によっ
て、ウェハ・キャリヤ18に固定することができる。次
に、ウェハ16を、接着材または他の手段によって、ウ
ェハ・キャリヤ裏あてフィルム28の他の面に固定す
る。ウェハ・キャリヤ18は、典型的に、保持リング3
3を有し、研磨作業中にウェハ・キャリヤ・アセンブリ
17にウェハを保持する。ウェハ・キャリヤ裏あてフィ
ルム28は、また、ウェハ・キャリヤと一体にすること
ができる。
いるように、図1および図2に示される本発明の装置に
取り付けられるウェハは、研磨ホイール・アセンブリの
表面上を移動させられて、ウェハ16の表面が研磨され
る。技術上周知のスラリーを用いて、研磨作用を増大さ
せる。
は、ウェハ・キャリヤの下面に取り付けられた裏あてフ
ィルム28を有している。裏あてフィルム28は、中央
部30とは異なる圧縮性を持つ周辺部29を有してい
る。ウェハ・キャリヤ裏あてフィルムの周辺部29が、
中央部30よりも大きい圧縮性(単位荷重あたりさらに
圧縮できる)を有することが好ましい。より好適な実施
例では、中央部30は、圧縮不可能であり、周辺部29
は圧縮可能である。中央部について好ましい材料は、ポ
リウレタンフィルムのような圧縮できない材料である。
周辺部について好ましい材料は、圧縮できる材料であ
り、好ましくは圧縮性ポリウレタン(フォームまたはス
ポンジ状)である。
均一であり、最大5mmまで幅広く変えることができ、
約1〜2mmが好ましく、例えば1.2〜1.5mmで
ある。ウェハ・キャリヤの厚さは、約2.54cm〜
3.81cm(約1インチ〜1.5インチ)であり、典
型的にステンレス鋼で作られている。裏あてフィルム
は、ウェハ・キャリヤ面上の中央部を形成し、次に周辺
部を形成し、必要ならば周辺部をトリミングすることに
より作製される。図1に示すウェハ・キャリヤ構造18
のように、図2に示すウェハ・キャリヤ構造は、ウェハ
の表面にわたって、変化した力を与える裏あてフィルム
構造により、研磨されたウェハ16の増大した平坦性を
与える。
す。周辺部29は、中央部30よりも高い圧縮性を有し
ている。周辺部29の幅(w)は、大きく変えることが
でき、ウェハ・キャリヤ18の半径の最大30%、好ま
しくは約5〜15%とすることができる。
その説明から当業者であれば、多くの変形,変更が可能
なことは明らかであろう。したがって、特許請求の範囲
に記載の請求項は、本発明の範囲内の変形,変更を含む
ことを意図している。
アセンブリの断面図である。
研磨アセンブリの断面図である。
てフィルムの平面図である。
装置を示す図である。
Claims (2)
- 【請求項1】半導体ウェハの表面を化学機械研磨する装
置において、 回転可能なターンテーブル・アセンブリと、 前記アセンブリ上に支持される研磨パッドと、 前記アセンブリ上に設けられ、研磨の際に半導体ウェハ
を保持するように構成された回転可能なキャリヤとを備
え、 前記半導体ウェハは、前記キャリヤの下面に固定され
て、前記キャリヤと前記研磨パッドとの間に配置され、 前記キャリヤの下面は、前記半導体ウェハの上面の周縁
部に接触する***した環状領域、およびその環状領域に
囲まれた平坦な中央の凹部を有し、前記***した環状領域は、0.05〜0.1mmの高さ
を有し、 前記***した環状領域の幅は、前記キャリヤの半径の5
〜15%であり、 前記半導体ウェハを前記研磨パッドに接触させるために
前記キャリアの上面に力が加えられると、前記キャリア
が、前記半導体ウェハの表面にわたって変化する力を与
えて、前記半導体ウェハに平坦な研磨された表面を与え
ることを特徴とする研磨装置。 - 【請求項2】半導体ウェハを回転可能なキャリヤの下面
に取り付け、前記キャリアの上面に力が加えながら前記
半導体ウェハを回転研磨パッドに接触させて、前記半導
体ウェハを研磨する、化学機械研磨装置を用いて半導体
ウェハの表面を研磨する方法において、 前記キャリヤの下面は、前記半導体ウェハの上面の周縁
部に接触する***した環状領域、およびその環状領域に
囲まれた平坦な中央の凹部を有し、前記***した環状領
域は、約0.05〜0.1mmの高さを有し、前記***
した環状領域の幅は、前記キャリヤの半径の約5〜15
%であり、前記半導体ウェハを前記研磨パッドに接触さ
せるために前記キャリアの上面に力が加えられると、前
記キャリアが、前記半導体ウェハの表面にわたって変化
する力を与えて、前記半導体ウェハに平坦な研磨された
表面を与えることを特徴とする表面研磨方法。
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