JP6713377B2 - 研磨ヘッド、研磨ヘッドを有するｃｍｐ研磨装置およびそれを用いた半導体集積回路装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ウェハ面内を均一に平坦化するためのＣＭＰ研磨装置の研磨ヘッドの構造と、それを有するＣＭＰ研磨装置およびそれも用いた半導体集積回路装置の製造方法に関する。
近年、半導体集積回路（以下、ＬＳＩという）の高集積化、高性能化に伴って新たな微細加工技術が開発されている。化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing、以下頭文字を取ってＣＭＰともいう）もその一つであり、ＬＳＩ製造工程、特に、多層配線形成工程における層間絶縁膜の平坦化、金属プラグの形成、埋め込み配線の形成などにおいて頻繁に利用される技術である。
ＣＭＰ研磨装置の基本的な構造は、研磨パッドの貼り付けられた回転定盤、ウェハ保持ヘッド、スラリー供給ノズルがあり、さらにパッドの再生装置（コンディショナー）が備えられている。研磨パッドの貼り付けられた回転定盤は、必ずしも一つではなく、複数の回転定盤からなりこれらが自公転する機構を有するものもある。逆に、一つのパッドに対して複数のヘッドを有するものもある。
また、ＣＭＰ装置を制御するパラメーターとしては、研磨方式のほかに、研磨荷重、定盤の回転速度、ヘッドの回転速度、スラリーの選択・供給方法、コンディショニングの条件・頻度などがあり、図８のように、ウェハを固定させるヘッド部にエアーバッグを加圧する方式がある（例えば、特許文献１参照）。
また、エアーバッグを加圧する際にウェハ領域を細分化して分圧する方法で研磨の均一化を促進する方法がある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−２６８５６６号公報 特開２００７−００５４６３号公報
しかしながら、特許文献１に示されたエアーバッグを用いた加圧によるウェハを固定するヘッド構造では以下に示す不具合を有していた。すなわち、加圧されたエアーバッグの圧力が、エアーバッグの外周部で局所的に高圧になり、その部分に接するウェハ領域は、他の領域に比べて研磨パッドへ強く押さえつけられてしまい、他のウェハ領域より、被研磨絶縁材料が多く削られてしまう。ウェハの一部の領域の被研磨絶縁材料が削れすぎることにより、ウェハ面内の研磨均一性がばらついてしまい、その結果、ウェハ面内の絶縁材料の膜厚ばらつきが生じる。膜厚ばらつきの発生したウェハ領域は電気特性にばらつきが生じ、場合によっては電気特性上の異常が発生する。
図９にその模式図を示す。上段は断面模式図、中段は平面模式図、下段は研磨速度（実線）と研磨後の残膜厚さ（点線）を示している。図９に示すように、従来技術においては、ウェハを押さえるために圧縮エアーが導入されて、エアーバッグの外周部に局所的にエアーの高圧力が高加圧領域６にかかり、中心部より圧力が高くなる。高加圧領域６に上から押さえられたウェハ１は、高加圧領域Ｘとなる圧力の強い領域の絶縁膜の研磨レートが増大し、上から押さえつける圧力の小さい中心部よりも多く削れ、高加圧領域Ｘでは絶縁膜材料の平坦化後のウェハ１における面内均一性が悪化してしまう。
また、特許文献２に示されたエアーバッグを加圧する際にウェハ領域を細分化して分圧する方法を採用したヘッド構造では、エアー分圧のためのレギュレーター装置を多く有する構造のため、装置規模が大きく、複雑な制御機構になってしまうという課題を有していた。
本発明は、上記不具合に鑑みなされたもので、簡易な構成ながらも研磨の均一性が向上する研磨ヘッド、研磨ヘッドを有するＣＭＰ研磨装置およびそれを用いた半導体集積回路の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明では以下の手段を用いる。すなわち、ＣＭＰ研磨装置のヘッドのエアーバッグから被研磨材のウェハにかかる応力を均一に分散するため、
１．エアーバッグの下に金属やセラミックからなる応力分散板を配置し、応力分散板と下方のウェハとの間に衝撃吸収シートを設ける。
２．応力分散板を積層体とする。
３．応力分散板の表面を球面形状とする。
上記の手段を単独あるいは組み合わせて用いることで、ウェハ全面を均一に押さえつける構造にした。
上記手段を用いることにより、ウェハを押さえつけるヘッド部は均一に加圧された応力がエアーバッグと応力分散板と衝撃吸収シートを通して伝わり、ウェハ全面を均一に押さえつけることができ、ウェハの被研磨材料のウェハ面内膜厚ばらつきが低減された研磨ヘッド、研磨ヘッドを有するＣＭＰ研磨装置およびそれを用いた半導体集積回路の製造方法を提供できる。
本発明の第１の実施例を示すＣＭＰ研磨装置の研磨ヘッドの模式断面図である。 本発明の第２の実施例を示すＣＭＰ研磨装置の研磨ヘッドの模式断面図である。 本発明の第３の実施例を示すＣＭＰ研磨装置の研磨ヘッドの模式断面図である。 本発明の第４の実施例を示すＣＭＰ研磨装置の研磨ヘッドの模式断面図である。 本発明の第５の実施例を示すＣＭＰ研磨装置の研磨ヘッドの模式断面図である。 本発明の第６の実施例を示すＣＭＰ研磨装置の研磨ヘッドの模式断面図である。 本発明の第７の実施例を示すＣＭＰ研磨装置の研磨ヘッドの模式断面図である。 従来のＣＭＰ研磨装置の研磨ヘッドの模式平面図と模式断面図である。 従来のＣＭＰ研磨装置で研磨したときのウェハ面内残膜ばらつきを示す模式図である。
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいてそれぞれの実施例を説明する。
図１は、本発明の第１の実施例を示す模式断面図であり、特にＣＭＰ研磨装置のヘッド部分の断面構造を模式的に示している。前述したように、図９に示す従来技術においては、エアーバッグに圧縮エアーが導入されると、エアーバッグの外周部である高加圧領域６に局所的にエアーの高圧力がかかり、中心部より圧力が高くなる。高加圧領域６に上から押さえられたウェハ１は圧力の強い領域の被研磨材料（例えば絶縁膜）の研磨レートが増大し、上から押さえつける圧力の小さい中央部よりよく削れ、平坦化後のウェハ１における高加圧領域６に位置する被研磨材料の面内の均一性が悪化してしまっていた。
図１のＣＭＰ研磨装置においては、表面を下に向けて研磨パッド５の上に載置された、半導体集積回路装置が表面に多数作りこまれたウェハ１の裏面上に、エアーバッグ４が配置され、圧縮エアーがエアーバッグに送り込まれることで、ウェハ１を上から押さえつけるように固定する構造になっている。ウェハ１とエアーバッグ４を側面から囲むようにリテナーリング３が配置され、それらを囲むようにトップリング２が配置されている。ウェハ１の下には研磨パッド５が配置され、ウェハ１を含むトップリング２が研磨パッド５の上を回転しながら、ウェハ１の表面の被研磨材（例えば、絶縁膜）を研磨して平坦化している。
さらに、図１で示すように、エアーバッグ４の下には、金属やセラミックなどの材料の単一素材、もしくは複合素材から作られた板状の応力分散板１０１と、更にその下に、衝撃吸収シート１０２（例えば、ゲル状シートなど）を配置し、ウェハ１を押さえる構造としている。このとき応力分散板１０１はエアーバッグの圧力を十分に受け止めるだけの硬さと、均一な厚みを持たせるように最適な条件に工夫しているため、エアーバッグからの圧力（または応力）を受け止め、均一に圧力を下部へ伝えることができる。
また、応力分散板１０１の下に、衝撃吸収シート１０２を配置することで、ウェハ１へ伝わる圧力の衝撃を緩和しながらウェハ全面に均一に圧力を伝えることが可能となる。ここで応力分散板１０１と衝撃吸収シート１０２の平面形状は同一とすることが望ましく、これらはウェハ１よりも大きい平面形状を有する。
エアーバッグはゴムなどの柔軟性のある素材の中に圧縮エアーを充填したものでそのヤング率は小さいものである。これに対し、その下に設けられた応力分散板に用いられる金属やセラミックのヤング率は、銅で１２０ＧＰａ程度、モリブデンで３３０ＧＰａ程度、タングステンで４００ＧＰａ程度、炭化ケイ素で６００ＧＰａ程度、炭化タングステンで５５０ＧＰａ程度とエアーバッグのヤング率と比較して非常に高くなっている。
このため、エアーバッグから局所的に加えられた圧力は垂直方向ではなく、水平方向に分散され、応力分散板が局所的に歪むことは無く、均一に歪むことになる。そして、応力分散板の歪みによる応力は、下に設けられた衝撃吸収シートを介してウェハに伝えられ、ウェハが研磨されることになる。このとき、局所的に加えられた圧力によってウェハ周辺部における研磨速度が極めて高くなるということはない。
応力分散板を複合素材からなる積層体とする場合、ヤング率の小さい素材をエアーバッグ側、ヤング率の大きい素材を衝撃吸収シート側に配置することが望ましい。例えば、ヤング率が７０ＧＰａ程度のアルミとヤング率が４００ＧＰａ程度のタングステンの積層体を応力分散板に用いる場合はアルミをエアーバッグと接するように配置するのが望ましく、この構成とすることで局所的な圧力が分散され易く、より均一な研磨が可能となる。
図２は、本発明の第２の実施例を示す模式断面図であり、ＣＭＰ研磨装置のエアーバッグ４とその下の応力分散板２０１のみを簡易的に示し、その下の衝撃吸収シート等を省略して図示している。まず、図９に示すように、従来技術においては、局所的にエアーの高圧力がかかる高加圧領域６の被研磨材の研磨レートが増大し、平坦化の均一性が悪化する領域が把握できている。これはエアーバッグ４の圧力が、エアーガスの流出入口に近く、リテナーリング３の近接部で高くなるためである。
実施例１では均一な厚さを有する応力分散板１０１構造であることに対し、図２に示す実施例においては、高加圧領域６の圧力（または応力）を分散し下部へ伝えるために、応力分散板２０１の形を、エアー流出入口８からウェハ１の中央部方向へ離れるほどに徐々に厚みを厚くする構造とした。図示していないが、奥行き方向も同様な形状となっており、エアーバッグ４と接する応力分散板２０１の上面は凸球面形状であって、その中心部が最も高くなっている。反対側の衝撃吸収シートと接する部分はフラットな平面となっている。
このようにすることで、エアーバッグ４からの圧力（または応力）をより均一に分散し、下部へ伝えることが可能となる。応力分散板２０１の厚みは、被研磨材毎に試し研磨を実施し、研磨後のウェハ面内の残膜の膜厚差を確認しながら最適な厚さ形状に調整するとよい。なお、図中の応力分散板内の矢印は圧力（または応力）の分散の様子を図示したものである。以降の実施例でも分散の様子を矢印にて図示している。
次に、図３は、本発明の第３の実施例を示す模式断面図であり、実施例１が均一な厚さを有する応力分散板１０１構造であることに対し、高加圧領域６の圧力（または応力）を分散し下部へ伝えるために、応力分散板３０１の形を、エアー流出入口８の直下のみに部分的に緩やかなカーブ形状の凸球面形状を有する構造とし、他領域よりも応力分散板５０１の厚みを厚くした。
このようにすることで、エアーバッグ４からの圧力（または応力）をより均一に分散し、下部へ伝えることが可能となる。応力分散板３０１のエアー流出入口の直下のみに部分的に設けられた緩やかなカーブ形状の凸球面形状の厚みは、被研磨材毎に試し研磨を実施し、研磨後のウェハ面内の残膜の膜厚差を確認しながら最適な厚さ形状に調整するとよい。
次に、図４は、本発明の第４の実施例を示す模式断面図であり、実施例１が均一な厚さを有する応力分散板１０１構造であることに対し、高加圧領域６の圧力（または応力）を分散し下部へ伝えるために、応力分散板４０１の形を、エアー流出入口８からウェハ１中央部へ離れるほどに徐々に厚みを薄くする構造、かつエアーバッグ４の形状に合わせて応力分散板４０１の全領域にゆるやかなカーブ形状の凹球面形状を有する構造とした。
このようにすることで、エアーバッグ４からの圧力（または応力）をより均一に分散し、下部へ伝えることが可能となる。応力分散板４０１の厚みは、被研磨材毎に試し研磨を実施し、研磨後のウェハ面内の残膜の膜厚差を確認しながら最適な厚さ形状に調整するとよい。
次に、図５は、本発明の第５の実施例を示す模式断面図であり、実施例１が均一な厚さを有する応力分散板１０１構造であることに対し、高加圧領域６の圧力（または応力）を分散し下部へ伝えるために、応力分散板５０１の形を、エアー流出入口８の直下のみに部分的に緩やかなカーブ形状の凹球面形状を有する構造とし、他領域よりも応力分散板５０１の厚みを薄くした。なお、反対側の衝撃吸収シートと接する部分はフラットな平面としている。
このようにすることで、エアーバッグ４からの圧力（または応力）をより均一に分散し、下部へ伝えることが可能となる。応力分散板５０１のエアー流出入口の直下のみに部分的に設けられた緩やかなカーブ形状の凹球面形状の厚みは、被研磨材毎に試し研磨を実施し、研磨後のウェハ面内の残膜の膜厚差を確認しながら最適な厚さ形状に調整するとよい。
次に、図６は、本発明の第６の実施例を示す模式断面図であり、実施例１が均一な厚さを有する応力分散板１０１構造であることに対し、高加圧領域６の圧力（または応力）を分散し下部へ伝えるために、応力分散板６０１の形を、実施例２の凸球面形状を上下逆にして、エアー流出入口８からウェハ１中央部へ離れるほどに緩やかに厚みを厚くする構造とした。
すなわち、応力分散板６０１がエアーバッグ４と接する上面はフラットな平面で、反対側の衝撃吸収シートと接する下面に凸球面形状を有する構造である。このようにすることで、エアーバッグ４からの圧力（または応力）をより均一に分散し、下部へ伝えることが可能となる。応力分散板６０１の形状を特徴とした中央部の厚みは、被研磨材毎に試し研磨を実施し、研磨後のウェハ面内の残膜の膜厚差を確認しながら最適な厚さ形状に調整するとよい。
最後に、図７は、本発明の第７の実施例を示す模式断面図であり、実施例１が均一な厚さを有する応力分散板１０１構造であることに対し、高加圧領域６の圧力（または応力）を分散し下部へ伝えるために、応力分散板７０１の形を、実施例５とは天地をひっくり返した形状とすることで、エアーバッグ４からの圧力（または応力）をより均一に分散し、下部へ伝えることが可能となる。
応力分散板７０１のエアー流出入口の直下のみに設けられた緩やかな部分的な凹球面形状の厚みは、被研磨材毎に試し研磨を実施し、研磨後のウェハ面内の残膜の膜厚差を確認しながら最適な厚さを有する形状に調整するとよい。
１ ウェハ
２ トップリング
３ リテナーリング
４ エアーバッグ
５ 研磨パッド
６、Ｘ 高加圧領域
８ エアー流出入口
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１ 応力分散板
１０２ 衝撃吸収シート

Claims (13)

  1. ＣＭＰ研磨装置の研磨ヘッドであって、
    研磨パッドと、
    前記研磨パッドの表面に載置されたウェハの裏面方向から前記ウェハの表面を前記研磨パッドに押し付けるエアーバッグと、
    前記エアーバッグの側面を囲うリテナーリングと、
    前記エアーバッグと前記ウェハと前記リテナーリングを囲うトップリングと、
    前記エアーバッグと前記ウェハとの間に設けられた応力分散板と衝撃吸収シートを、
    有し、
    前記エアーバッグと当接する前記応力分散板の上面が球面形状を有することを特徴とする研磨ヘッド。
  2. 前記球面形状が凸球面形状であることを特徴とする請求項１記載の研磨ヘッド。
  3. 前記凸球面形状が前記エアーバッグのエアー流出入口下方に部分的に設けられていることを特徴とする請求項２記載の研磨ヘッド。
  4. 前記球面形状が凹球面形状であることを特徴とする請求項１記載の研磨ヘッド。
  5. 前記凹球面形状が前記エアーバッグのエアー流出入口下方に部分的に設けられていることを特徴とする請求項４記載の研磨ヘッド。
  6. ＣＭＰ研磨装置の研磨ヘッドであって、
    研磨パッドと、
    前記研磨パッドの表面に載置されたウェハの裏面方向から前記ウェハの表面を前記研磨パッドに押し付けるエアーバッグと、
    前記エアーバッグの側面を囲うリテナーリングと、
    前記エアーバッグと前記ウェハと前記リテナーリングを囲うトップリングと、
    前記エアーバッグと前記ウェハとの間に設けられた応力分散板と衝撃吸収シートを、
    有し、
    前記衝撃吸収シートと当接する前記応力分散板の下面が球面形状を有することを特徴とする研磨ヘッド。
  7. 前記球面形状が凸球面形状であることを特徴とする請求項６記載の研磨ヘッド。
  8. 前記球面形状が凹球面形状であることを特徴とする請求項６記載の研磨ヘッド。
  9. 前記凹球面形状が前記エアーバッグのエアー流出入口下方に部分的に設けられていることを特徴とする請求項８記載の研磨ヘッド。
  10. 前記応力分散板が金属、セラミックのいずれか一つ、または２つ以上の複合膜からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の研磨ヘッド。
  11. 前記複合膜は、ヤング率の異なる複数の素材の積層体であって、相対的にヤング率の小さい素材が前記エアーバッグと接することを特徴とする請求項１０記載の研磨ヘッド。
  12. 請求項１乃至１１のいずれか１項記載の研磨ヘッドを有するＣＭＰ研磨装置。
  13. 請求項１２記載のＣＭＰ研磨装置を用いてウェハ表面を平坦化する工程を有する半導体集積回路装置の製造方法。
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