JP5390750B2

JP5390750B2 - 研磨装置、および研磨パッド再生処理方法

Info

Publication number: JP5390750B2
Application number: JP2007094472A
Authority: JP
Inventors: 俊哉斎藤
Original assignee: ラムバス・インコーポレーテッド
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008246654A; US7708621B2; US20080242199A1

Description

本発明は、半導体装置の製造プロセスにおいてウェハを研磨するＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置および、それに備わる研磨パッドを再生処理するドレッサに関する。

ＣＭＰプロセスでは、ウェハ研磨中に研磨パッドの表面が摩耗するため、ドレッサによる再生処理が必須である。現状は１つの研磨パッドに対して１台のドレッサを配置し、研磨パッドとドレッサを自転させることによって再生処理をしている。

図７はドレッサが１台配置された従来のCMP装置の断面図、図８は図７の平面図である。これらの図に示す通り、ＣＭＰ装置はウェハ２の表面を研磨パッド５に押し付けて研磨作用をもたらす研磨ヘッド１を有する。研磨ヘッド１には、研磨ヘッド１にて研磨中のウェハ２を保持するリテーナリング３と、研磨時のウェハ２裏面に圧力を印加するためのメンブレン４とが装着されている。また、研磨パッド５の表面に半導体ウェハ５の表面全体を均等に加圧できるよう、研磨ヘッド１はウェハ２の周辺を加圧する周辺加圧部６も備えている。研磨時は、研磨ヘッド１に回転運動が与えられ、研磨パッド１もその中心部周りに回転駆動される。

また、研磨パッド５上には、スラリ（研磨剤）を供給するスラリ供給口７が存在するとともに、研磨パッド５を再生処理するドレッサ８が配置されている。

このような従来装置のドレッサ８は、研磨パッド５の再生処理の為、図８に示すように自転しながら研磨パッド５の半径の範囲で研磨パッド５上を揺動して研磨パッド５の切削を行うものである。

このため、研磨パッド５の寸法に比例して再生処理時間が延び、それに伴い、ウェハ処理枚数に対するドレッサ寿命は低下することになる。

尚、特許文献１に、研磨パッドの長寿命化と研磨レートの安定化を図る目的で、１つの研磨パッドに２種類のドレッサを使用する技術が提案されている。
特開平１１−４８１２２号公報

上記従来のCMP装置は次のような課題がある。

ドレッサは研磨前後のウェハを搬送する空き時間に研磨パッドの半径内で揺動しながら研磨パッドを切削して再生する。そのため、研磨パッド径が拡大するほど再生処理は長時間必要となり、その分だけCMP装置のスループットが低下する。

また、ドレッサを使用すると、その底面に固定されたダイヤモンド砥粒のエッジが鈍化し、研磨パッド切削能力が低下する。研磨パッド径が拡大すると切削処理が長時間化するため、ドレッサ1台当りの累積ウェハ処理枚数は減少する。また、ドレッサ交換処理は交換作業、模擬研磨、研磨レート/研磨均一性/ゴミ/スクラッチ等のチェックの手順で行う必要があり、1回の交換で装置が約４時間停止する。従って、ドレッサの交換回数が増加すると装置停止時間（ダウンタイム）も増加することになる。

そこで本発明の目的は、上記従来技術の実状に鑑み、CMP装置のスループットの改善とダウンタイムの低減を可能にすることである。

尚、特許文献１に開示されている技術は、底面にダイヤモンド砥粒が固定された第１のドレッサで研磨パッド表面を切削した後、第１のドレッサを後退させ、次いで、研磨パッドによるウェハ表面の研磨と同時に、ポリマ繊維ブラシで構成された第２のドレッサで研磨パッド表面を整形するものである。つまり、この技術は、ウェハ研磨中に第１のドレッサによる切削処理を行うと研磨パッドの寿命が低下する課題と、研磨中に研磨パッド表面を整形しないと研磨レートが低下する課題の両方を解決しようとするものであり、研磨前後あるいは研磨中にて２つのドレッサを研磨パッドに同時に使用する技術ではない。また、上記第１のドレッサによる研磨パッドの切削処理時間を短縮する狙いも全くない。

本発明の研磨装置は、半導体ウェハを保持するヘッドと、該ヘッドに保持された前記半導体ウェハの研磨面を研磨する研磨パッドと、該研磨パッドを切削して再生させるドレッサとを有し、ヘッドと研磨パッドを回転させながら半導体ウェハの研磨面を研磨し、その研磨前後にドレッサで前記研磨パッドを再生するものである。

この発明において、少なくとも２つの前記ドレッサを自転可能に支持し、研磨パッド上で同時に揺動させるドレッサ揺動部を備え、各々のドレッサの揺動が同調するように、ドレッサ揺動部は、各々のドレッサを自転可能に支持するドレッサ支持板を有し、該ドレッサ支持板は、各々のドレッサの回転軸から離れた位置に別の回転軸を持ち、かつ、その別の回転軸で回転可能であることにより、上記従来の課題が解決される。

すなわち、ドレッサ１台の場合と比べて研磨パッド切削処理時間が短縮できるため、ウェハ径の拡大と共に研磨パッド径も拡大したときのCMP装置のスループットの低下やダウンタイムの増加を抑えることが可能である。

このような研磨装置を用いてウェハ研磨面の研磨前後にドレッサで研磨パッドを再生するときは、ドレッサ支持板を研磨パッド上に移動し、各々のドレッサを自転させ、該ドレッサ支持板を前記別の回転軸で回転させて各々のドレッサを研磨パッド上で同時に揺動させる。このとき、ドレッサ支持板を研磨パッド上で揺動させることが好ましい。

本発明によれば、CMP装置のスループットの改善とダウンタイムの低減が可能になる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態である酸化膜CMP装置の、研磨ヘッドとドレッサを中心とした平面図、図２は図１の断面図である。尚、これらの図では、図７，８に示した従来のCMP装置と同一の機能部品に対し同一の符号を用いた。

本実施形態のCMP装置は、図１，２に示すように、研磨ヘッド１と、研磨パッド５と、少なくとも２台のドレッサ８，９を有する。

研磨パッド５上に配置される研磨ヘッド1は金属製の筐体からなり、底面外周に、ポリフェニレンスルフィド（Polphenylene Sulfide；以下PPSと略称）あるいはポリエーテルエーテルケトン（Polyetheretherketone；以下PEEKと略称）製のリテーナリング３が取り付けられている。研磨ヘッド１の底面のリテーナリング３の内側には、ウェハ２の全面に対応したネオプレンゴム製のメンブレン4と、ウェハ２の周辺に対応した高分子材料製の周辺加圧部６が配設されている。

さらに、研磨パッド５上には、ダイヤモンド砥粒が底面に固定された第１ドレッサ８および第２ドレッサ９が配置可能である。2台のドレッサ８，９は、細長いドレッサ支持板１０の両端部に回転可能に支持されている。さらに、ドレッサ揺動板１１が、ドレッサ支持板１０のドレッサ８，９間の中央部を回転可能に支持している。このドレッサ揺動板１１によりドレッサ８，９を研磨パッド５上に移動させ、ドレッサ支持板１０の往復回転運動によりドレッサ８，９を同時に研磨パッド５上で揺動することが可能である。尚、ドレッサ８，９の大きさ及びドレッサ支持板１０の往復回転範囲は、ドレッサ８，９が研磨パッド５における半径の範囲で揺動できるように決定してある。

以上のようなCMP装置において、第１ドレッサ８および第２ドレッサ９は４０ｍｉｎ^-1の速度で同一方向に回転しながら20Nの圧力で一定時間研磨パッド５における半径の範囲で揺動することで研磨パッド５の表面を切削処理する（図１）。

次に、ポリウレタン製の研磨パッド５の中央部にスラリ供給口７から３００ｍｌ/ｍｉｎのシリカ系スラリが吐出され、研磨パッド５が一定方向に３０ｍｉｎ^-1の回転速度で自転することで、吐出されたスラリは研磨パッド５上の全面に拡散する。ウェハ２は、研磨ヘッド１にフェイスダウン状態で吸着されて、研磨パッド５上に搬送される。

研磨ヘッド１は、回転速度２９ｍｉｎ^-1での自転し、かつ、研磨パッド５における半径の範囲で揺動しながら、一定方向に回転速度３０ｍｉｎ^-1で自転している研磨パッド５に７０Ｎの機械的な圧力（以下Ｆ１圧力と総称）で押し付けられる。それから、ウェハ２は、研磨ヘッド１内のメンブレン４で隔離された気室に供給される高圧エアーによって、研磨パッド５に５０Ｎの圧力（以下Ｆ２圧力と総称）で加圧される。このときの研磨レートは、ウェハ２が研磨パッド５に押し付けられるＦ２圧力に比例するが、研磨レートのウェハ面内均一性はウェハエッジ部で悪化する傾向にある。そのため、周辺加圧部６が用意されている。周辺加圧部６は、メンブレン４の内側でウェハ周辺部の直上に配置されているリング状のチューブであり、チューブ内に導入する高圧エアー圧力（以下Ｆ３圧力と総称）を５０±５Ｎ程度の範囲で調整してウェハ周辺部のみを加圧することにより、ウェハエッジ部が所望の研磨プロファイルになるようにするものである。

この状態で研磨加工されたウェハ２は、事前に決められた一定時間後に洗浄して回収され、次のウェハ２が同様に研磨される。

次のウェハ２を研磨する前に、上述した通り、第１ドレッサ８と第２ドレッサ９にて研磨パッド５の表面を切削処理して再生する必要がある。

ここで、図３はドレッサ切削処理前における研磨パッド５の断面図、図４は図３で示した研磨パッド５におけるドレッサ切削処理後の理想断面図である。

第１ドレッサ８と第２ドレッサ９による研磨パッド５の切削処理では、図３に示すとおり研磨パッド５を切削開始面１３から切削完了面１４まで切削してゴミ詰り細孔１６を削り取ることで、図４に示すようにゴミ無細孔１７を表面に露出させる。この際、研磨パッド５の上面に毛羽１５が生じるが、図４に示すように毛羽１５は研磨パッド５上で出来るだけ立っているほうがスラリが保持され易く、研磨レートが維持できる。

図５は図1，２で示したドレッサ支持基板１０とドレッサ揺動板１１を中心とした平面図である。

図５に示すように、ダイヤモンド砥粒が底面に固定された同一種類である２台のドレッサ８，９は、それぞれが自転できるようにドレッサ支持板１０に取り付けられており、ドレッサ支持板１０も回転できるようにドレッサ揺動板１１に取り付けられている。この状態で、ドレッサ揺動板１１がドレッサ支持板１０を研磨パッド５上に移動させた後、２台のドレッサ８，９を同時に同一方向に自転させる。さらに、自転する２台のドレッサ８，９を、一方向に回転する研磨パッド５上で同時に揺動させるために、ドレッサ支持板１０を４５°程度往復回転運動させる。これにより、研磨パッド５が切削処理される。ここで、図５中の各部の寸法は、ｄ＝１１０±５ｍｍ、Ｗ＝８０±１０ｍｍ、Ｌ１＝２２０±１０ｍｍ、Ｌ２＝３０±５ｍｍ程度である。

このように本発明では、１つの研磨パッドに対して切削タイプの２台のドレッサ８，９を同時に配置し、各ドレッサ８，９を自転させると共に、両ドレッサ８，９を同時に揺動させているので、研磨パッド切削処理時間をドレッサ１台の場合と比べて短縮することが出来る。これは、ウェハ径の拡大と共に研磨パッド径も拡大して１台のドレッサでの再生処理時間が長くなる中、CMP装置のスループットの改善とダウンタイムの低減を可能にする有効な技術となる。

すなわち、１つの研磨パッド５上でドレッサ８，９を２台同時に使用することで、下記の効果が得られる。

1台のドレッサ８で切削処理していた処理エリアを2台のドレッサ８，９で分担するため、１台のドレッサ８での再生処理と比べて、処理時間を低減することが可能となる。その結果、ＣＭＰ装置のスループットを向上させることができる。

さらに、再生処理時間がドレッサ１台の場合に比べて短くなるため、ウェハ処理枚数に対するドレッサ寿命が延び、結果的にドレッサ交換回数が減り、装置停止時間（ダウンタイム）を低減させることができる。

（他の実施形態）
図６は本発明の他の実施形態によるドレッサの配置構成を示した平面図である。本実施形態では図６に示すように、ダイヤモンド砥粒が底面に固定された第１ドレッサ８および第２ドレッサ９がそれぞれ、ドレッサ揺動板１１，１２に回転可能に支持されている。第１および第２のドレッサ揺動板１１，１２は各先端側が対向するように配置されている。そして、夫々のドレッサ揺動板１１，１２により、ドレッサ８，９を個別に研磨パッド５上の２箇所に移動させ、研磨パッド５上の２箇所で揺動することが可能である。

このように研磨パッド５上の２箇所に２台のドレッサ８，９を個別に配置しても、図１に示すドレッサと同等の効果を得ることが出来る。

但し、本実施形態の配置では、別個のドレッサ８，９の揺動を同調させるため、ドレッサ位置制御部１８を設けてドレッサ８，９の位置を個別にコントロールする必要がある。例えば、図６に示すように第１のドレッサ揺動板１１でドレッサ８を時計周りに揺動させるときは同じように第２のドレッサ揺動板１２でドレッサ９を時計周りに揺動させる。

以上本発明の実施の形態について図面をもとに説明したが、本発明の技術思想を逸脱しない範囲において、図示した構造、例えばドレッサの個数、研磨ヘッド部の機構に限定することなく、上記実施形態を適宜変更することも可能である。

また上記実施形態では、酸化膜などの層間膜のＣＭＰについて記載したが、本発明の研磨装置は、金属プラグまたは金属配線（ダマシン）の形成過程において、埋め込み膜の不要部を除去する際の金属膜研磨工程などを含めた全てのＣＭＰ分野において適用可能であり、特に被研磨対象を限定しないことは言うまでもない。

本発明の一実施形態である酸化膜CMP装置の、研磨ヘッドとドレッサを中心とした平面図である。図１の断面図である。ドレッサ切削処理前における研磨パッドの断面図である。図３で示した研磨パッドにおけるドレッサ切削処理後の理想断面図である。図1，２で示したドレッサ支持基板とドレッサ揺動板を中心とした平面図である。本発明の他の実施形態によるドレッサの配置構成を示した平面図である。従来のCMP装置の断面図である。図７の平面図である。

符号の説明

１研磨ヘッド
２ウェハ
３リテーナリング
４メンブレン
５研磨パッド
６周辺加工部
７スラリ供給口
８第１ドレッサ
９第２ドレッサ
１０ドレッサ支持板
１１ドレッサ揺動板（第１のドレッサ揺動板）
１２第２のドレッサ揺動板
１３切削開始面
１４切削完了面
１５毛羽（研磨パッドの切削屑が分離されず残ったもの）
１６ゴミ詰り細孔
１７ゴミ無細孔
１８ドレッサ位置制御部

Claims

半導体ウェハを保持するヘッドと、該ヘッドに保持された前記半導体ウェハの研磨面を研磨する研磨パッドと、該研磨パッドを切削して再生させるドレッサとを有し、前記ヘッドと前記研磨パッドを回転させながら前記半導体ウェハの研磨面を研磨し、その研磨前後に前記ドレッサで前記研磨パッドを再生する研磨装置において、
少なくとも２つの前記ドレッサを自転可能に支持し、前記研磨パッド上で同時に揺動させるドレッサ揺動部を備え、
各々の前記ドレッサの揺動が同調するように、前記ドレッサ揺動部は、各々の前記ドレッサを自転可能に支持するドレッサ支持板を有し、該ドレッサ支持板は、各々の前記ドレッサの回転軸から離れた位置に別の回転軸を持ち、かつ、その別の回転軸で回転可能であることを特徴とする研磨装置。
前記ドレッサ揺動部は、前記ドレッサ支持板を前記研磨パッド上で揺動させる１本のドレッサ揺動板を備えることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
半導体ウェハの研磨面を研磨する研磨パッドと、該研磨パッドを切削して再生させるドレッサと、少なくとも２つの前記ドレッサを自転可能に支持し、前記研磨パッド上で同時に揺動させるドレッサ揺動部と、を備え、該ドレッサ揺動部は、各々の前記ドレッサを自転可能に支持するドレッサ支持板を有し、該ドレッサ支持板は、各々の前記ドレッサの回転軸から離れた位置に別の回転軸を持ち、かつ、その別の回転軸で回転可能である研磨装置を用い、前記研磨面の研磨前後に前記ドレッサで前記研磨パッドを再生する研磨パッド再生方法であって、
前記ドレッサ支持板を前記研磨パッド上に移動し、各々の前記ドレッサを自転させ、前記ドレッサ支持板を前記別の回転軸で回転させて各々の前記ドレッサを前記研磨パッド上で同時に揺動させる、研磨パッド再生方法。
前記ドレッサ支持板を前記研磨パッド上で揺動させることを特徴とする請求項３に記載の研磨パッド再生方法。