(57)【要約】【課題】  エッジ・エクスクルージョンを改善可能な手段を提供する。【解決手段】  半導体ウエーハＷを吸着保持して回転させるウエーハチャック１０と、独立発泡ポリウレタン製の研磨パッド２２を装着して回転させる研磨ヘッド２０と、研磨パッドの中心部にスラリーを供給するスラリー供給機構３０と、砥粒の突出量が２０〜３０μｍのドレッシングパッド４２を装着して回転させるドレッシング機構４０と、研磨ヘッド２０をウエーハチャック１０とドレッシングパッド４２との間で移動させ研磨パッド２２を半導体ウエーハＷまたはドレッシングパッド４２に押圧させる研磨ヘッド移動機構５０とを備え、研磨ヘッド移動機構により研磨パッドをドレッシング機構に移動させて研磨パッドのドレッシングを行うように研磨装置１を構成する。【選択図】  図１
2006332322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨ヘッドに装着された独立発泡ポリウレタン製の研磨パッドを回転させ、ウエーハチャックに保持されて相対回転される半導体ウエーハの表面に押圧させるとともに、前記研磨パッドの中心部からスラリーを供給して前記半導体ウエーハの表面を平坦に研磨する研磨装置に用いられる前記研磨パッドのドレッシング方法であって、
砥粒の突出量を２０〜３０μｍに設定したドレッシングパッドを用いて前記研磨パッドの表面をドレッシングすることを特徴とする研磨パッドのドレッシング方法。
【請求項２】
半導体ウエーハを吸着保持して回転させるウエーハチャックと、
独立発泡ポリウレタン製の研磨パッドを装着して回転させる研磨ヘッドと、
前記研磨パッドの中心部にスラリーを供給するスラリー供給機構と、
砥粒の突出量が２０〜３０μｍのドレッシングパッドを装着して回転させるドレッシング機構と、
前記研磨ヘッドを前記ウエーハチャックと前記ドレッシングパッドとの間で移動させ前記研磨パッドを前記半導体ウエーハまたは前記ドレッシングパッドに押圧させる研磨ヘッド移動機構とを備え、
前記研磨ヘッド移動機構により前記研磨パッドを前記ドレッシング機構に移動させて前記研磨パッドのドレッシングを行うように構成したことを特徴とする研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエーハを研磨する研磨装置及びこの研磨装置に用いられる研磨パッドのドレッシング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造技術では、多層配線構造を形成する過程で各層をいかに平坦化できるかが鍵になっており、化学的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）により半導体ウエーハの表面を超精密に研磨加工する研磨装置（ＣＭＰ装置と称される）が半導体デバイスの生産に用いられるようになっている。ＣＭＰ装置には、種々の方式があり構成形態は異なっているが、ＣＭＰ装置を加工メカニズムの面から見ると、研磨パッドが張られて回転駆動される定盤に、半導体ウエーハを回転させながら加圧し、ここに加工対象（ウエーハ基板、層間絶縁膜、銅やアルミ、タングステン等の金属膜等）に応じたスラリーを供給して、研磨パッドと半導体ウエーハ表面との間でスラリーによる化学的・機械的な研磨作用を起こさせて、ウエーハ表面を平坦に加工するプロセスであるといえる。すなわち、ＣＭＰ装置において、半導体ウエーハの研磨加工に直接的に作用するのが研磨パッドとスラリーである。
【０００３】
ＣＭＰ装置で研磨加工する前の半導体ウエーハには、直前の工程により形成された微細な回路パターンに基づく局所的な凹凸と、ウエーハのうねりや反りに基づく広い領域での高低がある。このため研磨パッドには局所的な凹凸の凸部を選択的に研磨して平坦化する平坦性と、広い領域で研磨後の膜厚が一定となるようにうねりや反りに追従して研磨する均一性が求められる。また研磨加工がスラリーを利用した化学的機械的研磨作用であることから、研磨パッドにはスラリーを一定時間研磨領域に保持できる保持性が求められる。現在ＣＭＰ装置で広く用いられている研磨パッドは、その製造方法と構造から、不織布タイプ、ポリウレタン独立発泡タイプ、スウェードタイプの３種類に大別される。これらの研磨パッドには、パッド表面に微細な孔や溝が設けられておりスラリーを保持可能になっているが、ここに研磨加工により生じた加工屑や反応生成物が溜まってくると徐々に目詰まり状態になり、加工特性が悪化する。このため、所定の研磨加工時間ごとに目詰まりした研磨パッドの表面を削り落として平坦化するドレッシングが行われる。特にポリウレタン独立発泡タイプの研磨パッドでは、その気泡構造から比較的短期間ごとにドレッシングを行う必要があり、研磨装置内にドレッシング機構を備えた研磨装置が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。
【０００４】
ドレッシングは、例えばダイヤモンド砥粒や窒化ホウ素の砥粒が電着されたドレッシングパッドを用い、ドレッシングパッドと研磨パッドとをそれぞれ回転させるとともに、当接させて相対移動させ、目詰まりが生じた研磨パッドの表層を平坦に削り落とすことで行われる。ドレッシングパッドには、粒径が600μｍ程度（JIS B4310 に規定する粒度表示で30/40）の砥粒を電着した目の荒いパッドから、粒径が50μｍ程度（同様に粒度表示で325/400）の砥粒を電着した目の細かいパッドまで種々の荒さのパッドがある。目の粗いドレッシングパッドを用いれば、短時間で研磨パッドの表層を平坦化できるが、研磨パッドの表面粗さが大きくなり微細な回路パターン面を精密研磨するのに適さない。一方、目の細かいドレッシングパッドを用いれば、研磨パッドの表面粗さを小さくすることができるが、ドレッシング時間が長く、研磨レートも低下する。このようなことから、ＣＭＰ装置の研磨パッドをドレッシングするドレッシングパッドは、一般的に、粒径が250μｍ〜100μｍ程度（粒度表示で50/60〜140/170）のものが使用されており、ポリウレタン独立発泡タイプの研磨パッド（例えば、ローム＆ハース社製研磨パッドＩＣ1000）に対しては、粒径が150μｍ程度（粒度表示で100/120）のドレッシングパッドを使用することが当業者の技術常識とされてきた。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３０３１５２号公報
【特許文献１】特開２００２−９３７５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体製造工程では常にデバイスの収率向上が求められているが、ＣＭＰ加工ではその加工メカニズムに起因してウエーハの外周縁部において縁ダレが生じやすい。このため、ＣＭＰ装置において研磨加工の均一性を判断する際に、どのくらいウエーハの外周部まで均一に研磨加工できるかが判断要素になっており、技術開発上の重要な課題になっている。この研磨加工の均一性を評価する指標の一つとして、エッジ・エクスクルージョン（Ｅdge・Ｅxclusion）がある。エッジ・エクスクルージョンは、ウエーハ面内において直径方向に各部の研磨レートを測定し、外周縁部に設定する除外領域の幅を変化させたときに、それよりも内側の領域での研磨レートのばらつきが何パーセントになるかを算出し、このデータから研磨レートのばらつきを所定のパーセンテージ（例えば、後述するｋ−value表示で10％）以下にするために必要な除外領域の幅を算出して評価する判断手法である。
【０００７】
従来では、直径１２インチのシリコンウエーハに層間絶縁膜を形成し、この層間絶縁膜をＣＭＰ装置で研磨加工した場合に、ウエーハ上の研磨レートのばらつきを10％以下にするためにはエッジ・エクスクルージョンが３mm程度必要とされており、これを２mm以下に抑制することが強く求められていた。
【０００８】
本発明は、上記のような事情に鑑みて成されたものであり、エッジ・エクスクルージョンを改善可能な手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的達成のため、第１の本発明は、研磨ヘッドに装着された独立発泡ポリウレタン製の研磨パッドを回転させ、ウエーハチャックに保持されて相対回転される半導体ウエーハの表面に押圧させるとともに、研磨パッドの中心部からスラリーを供給して半導体ウエーハの表面を平坦に研磨する研磨装置に用いられる研磨パッドのドレッシング方法であり、砥粒の突出量を２０〜３０μｍに設定したドレッシングパッドを用いて研磨パッドの表面をドレッシングするように構成する。
【００１０】
第２の本発明は、半導体ウエーハを吸着保持して回転させるウエーハチャックと、独立発泡ポリウレタン製の研磨パッドを装着して回転させる研磨ヘッドと、研磨パッドの中心部にスラリーを供給するスラリー供給機構と、突出量が２０〜３０μｍのドレッシングパッドを装着して回転させるドレッシング機構と、研磨ヘッドをウエーハチャックとドレッシングパッドとの間で移動させ研磨パッドを半導体ウエーハまたはドレッシングパッドに押圧させる研磨ヘッド移動機構とを備え、研磨ヘッド移動機構により研磨パッドをドレッシング機構に移動させて研磨パッドのドレッシングを行うように研磨装置を構成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る研磨パッドのドレッシング方法を独立発泡ポリウレタン製の研磨パッドを装着した研磨装置に適用すると、後に詳細に説明するように、エッジ・エクスクルージョンを大幅に向上させることができた。本発明に係る研磨装置は、このドレッシング方法で研磨パッドのドレッシングを行うドレッシング機構を備えており、エッジ・エクスクルージョンを大幅に向上させた研磨装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。本発明を適用した研磨装置（ＣＭＰ装置）１の概要構成を図１に示し、研磨ヘッド及びウエーハチャック部分の平面図(ａ)及び正面図(ｂ)を図２に示すように、研磨装置１は、半導体ウエーハ（以下ウエーハという）Ｗを吸着保持して回転させるウエーハチャック１０と、研磨パッドを装着して回転させる研磨ヘッド２０と、研磨パッドの中心部にスラリーを供給するスラリー供給機構３０と、ドレッシングパッドを装着して回転させるドレッシング機構４０と、研磨ヘッドをウエーハチャックとドレッシングパッドとの間で移動させ研磨パッドを半導体ウエーハまたはドレッシングパッドに押圧させる研磨ヘッド移動機構５０とを備えて構成される。研磨装置１の作動は、図示省略する制御装置によって制御される。
【００１３】
ウエーハチャック１０は、セラミックやステンレス等の剛性材料を用いてパッド装着面を高い平坦度に加工成形した円盤状のチャックプレート１１と、ポリウレタンや不織布等の弾性材料を用いて薄肉円盤状に形成されチャックプレート１１の上面に装着された吸着パッド１２、及びチャックプレート１１に回転駆動力を伝達するスピンドル１３などからなり、吸着パッド１２が上向きの水平姿勢で配設され、ウエーハＷの裏面側を真空吸着して保持可能になっている。
【００１４】
ウエーハチャック１０は、加工テーブルに形成された開口部に吸着パッド１２が露出して配設されるとともに、図示省略するチャック駆動機構によりスピンドル１３を軸として回転及び停止可能に配設され、その作動が制御装置により制御される。ウエーハチャック１０の直径はウエーハの直径（φ１２インチ、約３００ｍｍ）よりも幾分小径に形成されており、未加工ウエーハをウエーハチャック１０に搬入し、研磨加工が終了した加工済ウエーハをウエーハチャック１０から搬出する搬送ロボット（不図示）がウエーハＷの外周縁部を把持して搬入及び搬出可能になっている。
【００１５】
ウエーハチャック１０と隣接して、研磨ヘッド移動機構５０の研磨アーム５１が水平揺動可能に設けられ、その先端部に研磨ヘッド２０が配設されている。研磨アーム５１は、図示省略するアーム駆動機構により揺動駆動され制御装置により揺動制御される。
【００１６】
研磨ヘッド２０は、ウエーハチャック１０のチャックプレート１１と同様に高剛性で平坦度の高い円盤状に形成されたポリッシングプレート２１と、このポリッシングプレート２１の下面に装着された研磨パッド２２、及びポリッシングプレート２１に回転駆動力を伝達するスピンドル２３などからなり、研磨パッド２２が下向きとなる水平姿勢で研磨アーム５１の先端部に配設されている。研磨ヘッド２０の直径は、ウエーハＷの直径よりも小径に形成されており、研磨アーム５１を揺動させることで、小型の装置構成でウエーハの全面を均一に研磨可能になっている。
【００１７】
研磨ヘッド２０には、研磨パッドの中心部にスラリーを供給するスラリー供給機構３０が設けられている。スラリー供給機構３０は、ポリッシングプレート２１の中心を貫通して形成されたスラリー供給孔３１と、加工対象に応じた種々のスラリーを貯留し制御プログラムに基づいて選択されたスラリーを所定の流量で供給するスラリー供給装置、及びスラリー供給装置とスラリー供給孔３１との間を繋いで設けられたスラリー供給配管などからなり、制御プログラムに基づいて加工対象に合致したスラリーが選択されて研磨加工部に供給されるようになっている。
【００１８】
研磨パッド２２は、独立発泡ポリウレタンの研磨パッドであり、独立発泡ポリウレタンの単層の研磨パッド（例えば、ローム・アンド・ハース社(ROHM AND HAAS)製の研磨パッドIC1000）や、表層に独立発泡ポリウレタンを用い下地に弾性不織布やウレタンフォーム等の軟質弾性部材を組み合わせた二層構成の研磨パッド（例えば、同社製研磨パッドIC1400）、独立発泡ポリウレタンと軟質弾性部材との間にステンレス薄板等の硬質弾性部材を設けた三層構成の研磨パッド（例えば、本出願人による国際特許出願 PCT/JP02/06780に開示した研磨パッド）などを用いることができる。
【００１９】
なお、本構成の研磨ヘッド２０では、研磨パッド２２の中心から研磨領域に直接スラリーを供給するシステムを採用しており、研磨パッド２２の表面にスラリー導入用の格子状の溝を有する平坦な研磨パッドで、研磨領域全体に新鮮なスラリーが均一かつ十分に供給されるようになっている。
【００２０】
研磨ヘッド２０は、研磨アーム５１の先端部にスピンドル２３を軸として回転自在に、及び昇降自在に取り付けられており、研磨アーム５１を水平揺動させて研磨ヘッド２０をウエーハチャック１０の上方に位置させた状態で、研磨ヘッド２０を回転させながら下降させ、ウエーハチャック１０に吸着保持されて回転されるウエーハＷの表面に研磨パッド２２を所定圧力で押圧させ、スラリー供給機構３０によりスラリー供給孔３１からスラリーを供給しながら、図２(ａ)に付記する矢印方向に研磨アーム５１を揺動させることで、ウエーハＷの表面全体を研磨加工するように構成される。
【００２１】
一方、研磨アーム５１を水平旋回させたときの研磨ヘッド２０の旋回半径上に、研磨パッド２２の加工面をドレッシングするドレッシング機構４０が設けられている。ドレッシング機構４０は、ドレッシングパッドを吸着保持する円盤状のベースプレート４１、台金上にダイヤモンド砥粒や窒化ホウ素の砥粒が電着されたドレッシングパッド４２、及びベースプレート４１に回転駆動力を伝達するスピンドル４３などからなり、ドレッシングパッド４２が上向きの水平姿勢で回転自在に配設される。
【００２２】
ドレッシング機構４０は、研磨アーム５１を揺動させてドレッシングパッド４２の上方に位置させたときに、研磨ヘッドのスピンドル２３と、ベースプレートのスピンドル４３とがオフセットして配設されるようになっており、研磨ヘッド２０をドレッシングパッド４２の上方に位置させた状態で研磨ヘッド２０を回転させながら下降させ、スラリー供給機構３０によりスラリー供給孔３１から純水を供給しながら、相対回転されるドレッシングパッド４２に研磨パッド２２を当接させることで、研磨パッドの表層が平坦に削り落とされるように構成される。ドレッシングは、所定の研磨サイクルごとに行われ、研磨パッド表面の目詰まりが修正されて平坦度が確保されるようになっている。
【００２３】
研磨装置１では、ドレッシングパッド４２として、砥粒の突出量を２５±５μｍ（２０〜３０μｍ）に設定したドレッシングパッドを用いており、このようなドレッシングパッド４２で、独立発泡ポリウレタンを表層に持つ研磨パッド２２のドレッシングを行うことにより、以下に説明するような顕著な効果が得られている。
【００２４】
図３及び図４は、それぞれ、直径１２インチのシリコン基板にＰ−ＴＥＯＳ（プラズマ−ＴＥＯＳ）により形成された層間絶縁膜（組成的にはシリコン酸化膜ＳｉＯ2）をＣＭＰ加工したときの、ウエーハ面内での研磨レートの分布及び不均一性を測定した実験データである。このうち、図３は独立発泡ポリウレタンの研磨パッドをドレッシングする際に従来使用されてきた突出量５０μｍ（粒度＃１００、粒径１５０μｍ程度）のドレッシングパッドでドレッシングした研磨パッドによる実験データであり、図４が突出量２５±５μｍのドレッシングパッド４２でドレッシングした研磨パッド２２による実験データである。
【００２５】
また図３及び図４における(ａ)は、横軸にウエーハ中心を０とするウエーハＷの直径方向の位置、縦軸に研磨レートをとり、ウエーハ面全体における研磨レートの分布をプロットしたグラフであり、(ｂ)は(ａ)の計測データに対して、エッジ・エクスクルージョンを２，３，５ｍｍに設定したときに算出される研磨レートの平均値、及びウエーハ面内での研磨レートの不均一性
ＷＩＷＮＵ（With In Wafer Non Uniformity）をｋ−valueで表した図表である。ｋ−value は、研磨レートのばらつきを表す指標であり、計測された研磨レートの最大値をＭａｘ、最小値をＭｉｎ、平均値をＡｖｅとしたときに、ｋ−value＝（（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）／Ａｖｅ）／２で算出される値である。
【００２６】
なおＣＭＰ加工の加工条件は、図３及び図４とも表層に独立発泡ポリウレタン（IC1000）を有する複層の研磨パッド（既述した三層構成の研磨パッド）を用いており、図３のデータについて、研磨パッドの圧力が２psi、研磨パッド及びウエーハの回転速度がそれぞれ251/-101rpm、研磨アームの揺動ストロークが75mm、研磨アームの揺動速度が40mm/sec、スラリーはヒュームドシリカをベースとしたスラリーを150ml/minのフローレートで研磨パッドの中心から供給している。図４のデータについては、研磨パッド２２及びウエーハＷの回転速度がそれぞれ141/-101rpm、研磨アーム５１の揺動ストロークが85mm、その他の条件は図３と共通である。
【００２７】
これらの実験データを比較すると、本発明に係るドレッシング方法でドレッシングした研磨パッド２２を用いたＣＭＰ加工では、平均的な研磨レートにわずかな低下が見られる。しかしながら、両者の(ｂ)を比較して明らかなように、ウエーハ面内での研磨レートの不均一性 ＷＩＷＮＵは、エッジ・エクスクルージョンを２，３，５ｍｍの何れに設定した場合においても大幅な改善が見られる。すなわち、従来の方法でドレッシングした研磨パッドを用いたＣＭＰ加工では、エッジ・エクスクルージョンを３ｍｍとしたときのＷＩＷＮＵの値（ｋ−value）が１０％を幾分超えているが、本発明に係るドレッシング方法でドレッシングした研磨パッド２２を用いたＣＭＰ加工では、エッジ・エクスクルージョンを２ｍｍとしてもＷＩＷＮＵの値が６．４４％に抑制されている。
【００２８】
このため、独立発泡ポリウレタン製の研磨パッドを装着した研磨装置に対して本発明に係る研磨パッドのドレッシング方法を適用することにより、エッジ・エクスクルージョンを大幅に向上させることができ、このようなドレッシング方法によりドレッシングを行うドレッシング機構を備えることにより、エッジ・エクスクルージョンを大幅に向上させた研磨装置（具体的には、ｋ−value表示で10% のエッジ・エクスクルージョンを２ｍｍ以下に抑制した研磨装置）を提供することができる。
【００２９】
ここで、図５(ａ)にドレッシングパッド４２の模式的な断面図を示す。ドレッシングパッド４２は、台金４２ａ、砥粒４２ｂ、及び台金上に砥粒を固着させる電着層４２ｃを主体として構成される。本発明では、電着層４２ｃの表面から突出する砥粒４２ｂの突出高さＰが２５±５μｍとなるように設定したドレッシングパッド４２を用いて研磨パッドのドレッシングを行う。図５(ｂ)は突出量Ｐが大きい（例えば突出量Ｐ＝５０μｍの）ドレッシングパッドでドレッシングされた研磨パッド２６の表面部分の断面を模式的に表した断面図、図５(ｃ)は突出量Ｐが小さい（例えば突出量Ｐ＝２５μｍの）ドレッシングパッド４２でドレッシングされた研磨パッド２２の表面部分の断面をそれぞれ模式的に表した断面図である。
【００３０】
ドレッシングされた研磨パッドの表面には、それぞれ砥粒の突出量に応じた高さｈ（ｈ1，ｈ2）の微細な凹凸が創成される。ここで、ＣＭＰ加工において不可欠なスラリーの保持性に関しては、凹凸高さｈが大きいｈ2の研磨パッド２６の方が優れている。一方、凹凸高さｈが大きい研磨パッド２６では、大きめの凹部の存在によりウエーハ表面との接触面積が小さくなるため、凸部が一定量変形するまでの初期的な弾性係数が低くなり（軟質になり）、ウエーハの外周縁部で縁ダレを生じやすくなる。
【００３１】
この点に関し、研磨装置１では、スラリーを研磨パッド２２の中心部から供給するシステムを採用しており、ＣＭＰ加工中には常に新鮮なスラリーが均一かつ十分に供給される。このため、凹凸高さが小さいｈ2の研磨パッド２２においても加工領域に十分なスラリーが供給され、かつウエーハの外周縁部まで均一な加工性と研磨レートが保持される。すなわち、本発明はこのようなスラリー供給機構との関係において上述したような顕著な効果を奏するものと解される。
【００３２】
なお、以上の説明から明らかなように、本発明に用いるドレッシングパッドは、砥粒の突出量が２０〜３０μｍであれば良く、砥粒の粒径は、当該突出量に対応する一般的な粒径である約５０μｍよりも大径または小径の適宜な粒径で良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明を適用した研磨装置の概要構成を示す図面である。
【図２】研磨ヘッド及びウエーハチャックの概要を示す(ａ)平面図、及び(ｂ)正面図である。
【図３】従来使用されてきた突出量５０μｍのドレッシングパッドでドレッシングした研磨パッドを用いて層間絶縁膜をＣＭＰ加工したときの、ウエーハ面内での研磨レートの分布及び不均一性を測定した実験データである。
【図４】突出量２５±５μｍのドレッシングパッドでドレッシングした研磨パッドを用いて層間絶縁膜をＣＭＰ加工したときの、ウエーハ面内での研磨レートの分布及び不均一性を測定した実験データである。
【図５】(ａ)はドレッシングパッドの模式的な断面図、(ｂ)は突出量Ｐが大きいドレッシングパッドでドレッシングした研磨パッドの表面部分の模式的な断面図、(ｃ)は突出量が小さいドレッシングパッドでドレッシングした研磨パッドの表面部分の模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
Ｗ  半導体ウエーハ
１  研磨装置
１０  ウエーハチャック
２０  研磨ヘッド
２２  研磨パッド
３０  スラリー供給機構
４０  ドレッシング機構
４２  ドレッシングパッド（４２ａ  台金、４２ｂ  砥粒、４２ｃ  電着層）
５０  研磨ヘッド移動機構
【図１】
2006332322.tif 000003
【図２】
2006332322.tif 000004
【図３】
2006332322.tif 000005
【図４】
2006332322.tif 000006
【図５】
2006332322.tif 000007