(57)【要約】【課題】ウエハ研磨プロセスにおける研磨パッドの表面温度の変化を小さく抑えることを可能とするウエハ研磨装置を提供する。【解決手段】ウエハ研磨装置１００では、研磨パッド１４に研磨剤を供給しながらウエハＷを研磨パッド１４に押し当てて研磨する。ウエハ研磨装置１００は、ウエハＷを研磨パッド１４に押し付ける研磨ヘッド１８と、底面がウエハＷの研磨面よりも研磨パッド１８側に位置するとともにウエハＷの外周を囲むように研磨ヘッド１８に着脱自在であり、温調媒体としての冷却液を流すための溝２２ａを備えたリテーナーリング２２と、リテーナーリング２２を研磨ヘッド１８に取り付けたときに溝２２ａにより形成される流路２３に冷却液を供給するための第２冷却機構２４を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨剤を供給しながら被研磨ウエハを研磨パッドに所定の力で押し当てて研磨するウエハ研磨装置であって、
被研磨ウエハを研磨パッドに押し付ける研磨ヘッドと、
その底面が前記被研磨ウエハの研磨面よりも前記研磨パッド側に位置するとともに前記被研磨ウエハの外周を囲むように前記研磨ヘッドに着脱自在であるリテーナーリングと、
前記リテーナーリングの温度を調節する温度調節機構と、を具備することを特徴とするウエハ研磨装置。
【請求項２】
前記リテーナーリングは、前記研磨ヘッドに装着された状態において前記研磨ヘッドへの装着面との間に媒体流路を形成する溝部を備え、
前記研磨ヘッドは、前記溝部と連通する孔部を備え、
前記温度調節機構は、温調媒体を、前記孔部を通して前記媒体流路に供給することを特徴とする請求項１に記載のウエハ研磨装置。
【請求項３】
前記研磨ヘッドは、温調媒体を流すための媒体流路として、前記リテーナーリングとの装着面において突起するように設けられた配管を備え、
前記リテーナーリングは、前記配管と嵌合する溝部を備え、
前記温度調節機構は、温調媒体を、前記媒体流路に供給することを特徴とする請求項１に記載のウエハ研磨装置。
【請求項４】
前記温度調節機構と前記媒体流路とは、前記温度調節機構から前記媒体流路へ供給された温調媒体が再び前記温度調節機構に戻る循環系を形成しており、
前記温度調節機構は、
前記研磨パッドの表面温度を測定する第１温度センサと、
前記媒体流路へ供給する温調媒体を調整調製する温調ユニットと、
前記媒体流路から前記温調ユニットへ戻る温調媒体の温度を測定する第２温度センサと、
前記第１，第２温度センサの温度検出信号に基づいて、前記温調ユニットでの温調媒体の温度および循環流量を制御する制御ユニットと、を具備することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のウエハ研磨装置。
【請求項５】
前記研磨パッドはターンテーブルに貼り付けられており、前記ターンテーブルにも所定の温調媒体を流すための別の媒体流路が設けられていることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のウエハ研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造プロセスにおいて半導体ウエハの表面を研磨するために用いられるウエハ研磨装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、半導体装置の高集積化および高速化を実現するために、半導体素子の製造プロセスにおいては金属配線の多層化が進んでおり、その配線材料として低抵抗な銅が用いられるようになってきている。
【０００３】
この銅配線の形成方法としては、所謂、ダマシン法と呼ばれる方法がある。このダマシン法では、層間絶縁膜に配線パターンとなる溝をドライエッチングにより形成し、ウエハ表面全体にスパッタリング法等により銅薄膜を形成した後、この銅薄膜上に電気めっき法等により銅を堆積させ、次いでウエハ表面に化学的機械研磨（Chemical Mechanical Polishing；ＣＭＰ）を施すことにより、溝内に埋め込まれた銅を残して余分な銅を除去すると同時に、ウエハ表面を平坦化させている。
【０００４】
ここで用いられているＣＭＰプロセスとは、ウエハを保持した研磨ヘッドと研磨パッドを貼り付けたターンテーブルの両者を回転させ、アルミナやコロイダルシリカ等の砥粒を含むスラリー（研磨剤）を研磨パッドに供給しながら、ウエハ研磨面を研磨パッドに一定の力で押し付けることにより、スラリーに含まれる砥粒によるメカニカルな作用と、銅膜をエッチングまたは銅錯体層へ改質する等のケミカルな作用とにより、銅を除去するものである。
【０００５】
このＣＭＰプロセスにおいては、ウエハと研磨パッドをともに回転させながら摺接させるために、両者の摩擦によって生じる摩擦熱によって、研磨パッドの表面温度が上昇する。この研磨パッドの表面温度上昇はウエハの研磨レートを変動させてしまう。特に銅のＣＭＰプロセスでは、ケミカルな作用を利用して銅を研磨するために研磨レートの温度による変動が大きい。そこで、例えば、研磨パッドが貼り付けられたターンテーブルに冷却水を流したり、ウエハを保持する研磨ヘッドを冷却したりする等して、研磨パッドの表面温度の変動を抑制している（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００６】
しかしながら、ターンテーブルを冷却する方法の場合、研磨パッドが発泡ポリウレタン材等の熱伝導性が高くない材料から構成されているために、迅速かつ十分な冷却を行うことができない。また、研磨ヘッドを冷却する方法の場合も、ウエハを介して研磨パッドを冷却することになり、やはり十分な冷却性能を得ることができない。
【０００７】
さらに近時、ＣＭＰ処理時に、ウエハの研磨面全体に研磨パッドが均一な力で摺接するように、従来はウエハの飛び出しを防止するためにウエハの外周を取り囲むように研磨ヘッドに取り付けられていたリテーナーリングを、積極的に研磨パッドに押し付ける方法が用いられるようになってきている。
【０００８】
この場合、リテーナーリングと研磨パッドとの摺接による摩擦熱がさらに加わるために、従来の研磨ヘッドとターンテーブルを冷却する方法を併用しても、冷却は十分ではなく、研磨レートの変動を抑えることは困難となっている。
【特許文献１】特開２００２−２３１６７２号公報（段落［００１８］，［００１９］、第１図等）
【特許文献２】特開２００４−２３７３７３号公報（段落［００２１］，［００２２］、第１図等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、ウエハ研磨プロセスにおける研磨パッドの表面温度の変化を小さく抑えることを可能ならしめるウエハ研磨装置を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、研磨パッドに研磨剤を供給しながら被研磨ウエハを前記研磨パッドに所定の力で押し当てて研磨するウエハ研磨装置であって、被研磨ウエハを研磨パッドに押し付ける研磨ヘッドと、その底面が前記被研磨ウエハの研磨面よりも前記研磨パッド側に位置するとともに前記被研磨ウエハの外周を囲むように前記研磨ヘッドに着脱自在であるリテーナーリングと、前記リテーナーリングの温度を調節するための温度調節機構と、を具備することを特徴とするウエハ研磨装置を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ウエハ研磨プロセスにおける研磨パッドの表面温度の変化を小さく抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
図１にウエハ研磨装置の概略構成を示す断面図を記す。このウエハ研磨装置１００は、ターンテーブル１０と、ターンテーブル１０の上面に貼り付けられた研磨パッド１４と、ターンテーブル１０を冷却するための第１冷却機構１６と、ウエハＷを保持する研磨ヘッド１８と、研磨ヘッド１８に保持されたウエハＷを研磨パッド１４に一定の力で押し付けるための押圧機構２０と、研磨ヘッド１８に着脱自在に構成されているリテーナーリング２２と、リテーナーリング２２を冷却するための第２冷却機構２４を有している。
【００１４】
ターンテーブル１０はモータ等の回転駆動機構（図示せず）により回転自在であり、ターンテーブル１０の内部にはターンテーブル１０の温度を調節する温調媒体としての冷却液を流すために流路１２が形成されている。第１冷却機構１６としては、例えば、冷却水調製循環装置（所謂、チラー）を用いられ、第１冷却機構１６から一定温度の冷却液が流路１２へ供給され、流路１２を流れる過程で温度が変化した冷却液は再び第１冷却機構１６へ戻される。
【００１５】
研磨パッド１４には、従来から用いられている多孔質ポリウレタン樹脂シートや人工スウェードシート、これらとその他の樹脂シートとの複合シートが用いられ、接着剤等より、ターンテーブル１０の上面に貼り付けられている。
【００１６】
研磨ヘッド１８は、ここでは真空吸着によりウエハＷを保持するものとする。図１ではこの真空吸着のための研磨ヘッド１８の詳細な構造および真空吸着機構の図示を省略している。押圧機構２０は、油圧，空気圧等により研磨ヘッド１８を研磨パッド１４に押し付ける。研磨ヘッド１８は、図示しないモータ等の回転駆動機構により駆動軸２１により回転可能に構成されている。
【００１７】
研磨ヘッド１８の外周部では、リテーナーリング２２を装着するために、研磨ヘッド１８の下部の直径が上部の直径よりも小さくなっており、この部分にリテーナーリング２２が、ネジ止めやバックル等の固定手段（図示せず）によって、取り付けられる。つまり、リテーナーリング２２は研磨ヘッド１８に着脱自在である。
【００１８】
リテーナーリング２２が研磨ヘッド１８に取り付けられた状態において、リテーナーリング２２の底面は、ウエハＷの研磨面（つまり、ウエハＷが研磨ヘッド１８に保持された状態におけるウエハＷの下面）よりも研磨パッド１４側に位置している。そのためウエハＷを研磨する際には、リテーナーリング２２の底面は、研磨パッド１４に摺接して、研磨されることとなる。そのため、リテーナーリング２２を定期的に新しいものと交換する必要がある。リテーナーリング２２を研磨ヘッド１８に対して着脱可能な構造とすることで、この交換を容易に行うことができる。
【００１９】
リテーナーリング２２には、熱伝導性と耐摩耗性に優れるセラミックスを用いることが好ましい。
【００２０】
図２にリテーナーリング２２の平面図を示す。リテーナーリング２２の上面には、温調媒体としての冷却液を流すための溝２２ａが形成されている。ここでは、溝２２ａには溝２２ａを半円弧状に仕切る仕切り壁２２ｂ，２２ｃが設けられている構造を示している。リテーナーリング２２を研磨ヘッド１８に取り付けた状態において、リテーナーリング２２の上面が研磨ヘッド１８の外周部に形成された水平当接面１８ａと密着することにより、この溝２２ａが冷却水を流すための流路２３となる。
【００２１】
この流路２３からの冷却液の漏れを防止するために、必要に応じて、研磨ヘッド１８の水平当接面１８ａとリテーナーリング２２の上面との間の溝２２ａの内側と外側にそれぞれに、ゴム製や銅製のシールリングを配置してもよい。リテーナーリング２２の内周面は必ずしも研磨ヘッド１８と接触している必要はない。
【００２２】
この流路２３に冷却水を流すために、研磨ヘッド１８には流路２３と連通する連通孔１９ａ，１９ｂが形成されている。冷却水は連通孔１９ａから流路２３に流れ込む際に仕切り壁２２ｂによって略２分され、流路２３を流れた後に連通孔１９ｂで合流する。
【００２３】
第２冷却機構２４は、研磨パッド１４の表面温度を測定する第１温度センサ２６と、流路２３へ供給する冷却水を調製する温調ユニット２８と、流路２３から温調ユニット２８へ戻る冷却水の温度を測定する第２温度センサ３０と、流路２３から温調ユニット２８へ戻る冷却水を温調ユニット２８に戻る前に温度調節する冷却水供給ユニット３２と、第１，第２温度センサ２６，３０の温度検出信号に基づいて温調ユニット２８で調製する冷却水の温度および循環流量を制御する制御ユニット３４を有している。
【００２４】
冷却水は、水に防錆剤を添加したものが一般的に用いられる。冷却水の漏れを認知しやすくするために、これに顔料等を添加してもよい。また、有機溶剤を冷媒として用いることもできる。この場合、不揮発性溶媒であることが、作業環境および温調ユニットにおける液量管理の観点から、好ましい。
【００２５】
第１温度センサ２６としては、非接触型の放射温度計が用いられ、研磨パッド１４の表面温度をリアルタイムに計測する。し第２温度センサ３０としては、例えば、熱電対を用いることができる。これら第１，第２温度センサ２６，３０による温度データは制御ユニット３４に送られる。
【００２６】
温調ユニット２８と冷却水供給ユニット３２はともに、冷却水調製循環装置（チラー）である。冷却水供給ユニット３２は、流路２３から戻された冷却水を一定温度に下げて、冷却水を温調ユニット２８へ供給する。これにより、制御ユニット３４による温調ユニット２８での冷却水の調製が容易となる。
【００２７】
このように、冷却水供給ユニット３２から温調ユニット２８に供給される冷却液の温度は、通常の運転状態では一定とされるが、何らかの異常により流路１２から冷却水供給ユニット３２へ戻る冷却水の温度が上昇した場合等には、冷却水供給ユニット３２から温調ユニット２８に供給される冷却液の温度が変化する場合がある。
【００２８】
そこで、第２温度センサ３０が計測する温度情報を制御ユニット３４が常時監視する構成とすることにより、温調ユニット２８での冷却水の調製が容易となる。なお、このような観点によれば、第２温度センサ３０は、冷却水供給ユニット３２から温調ユニット２８に供給される冷却液の温度を測定する構成であってもよい。また、温調ユニット２８に十分な冷却水の温度調節能力がある場合には、冷却水供給ユニット３２は必ずしも必要ではない。
【００２９】
冷却水の温度は、所望とする研磨パッド１４の表面温度が得られる範囲で設定されるが、５℃〜２０℃の範囲とすることが好ましい。冷却水を過度に低温化させるとリテーナーリング２２を始めとして冷却水を流す配管に結露が生じ、これが研磨パッド１４へ流れてスラリーを薄めてしまったり、スラリーに含まれるケミカル成分が変質して研磨性能が低下するおそれがある。一方、温度を上げすぎると、研磨パッド１４の表面温度を迅速に下げることが困難となる。
【００３０】
制御ユニット３４は、主に第１温度センサ２６が計測する研磨パッド１４の表面温度の変化から、ＰＩＤ制御により、温調ユニット２８で調製すべき冷却水の温度および流量を制御する。
【００３１】
第２冷却機構２４と連通孔１９ａ，１９との間の冷却水の流通構造の詳細は図１において省略しているが、これについては、例えば、先に挙げた特開２００２−２３１６７２号公報の図１等に開示されている構造等の公知の構造を用いることができる。第１冷却機構１６とターンテーブル１０に設けられた流路１２との間の冷却水の循環もこれに準ずる。
【００３２】
ウエハ研磨装置１００は、研磨剤としてのスラリー３８を研磨パッド１４に供給するスラリー供給ノズル３６を備えている。スラリー３８の温度は、例えば、２０℃〜２５℃に調節されている。ウエハＷの表面に形成された金属膜を除去する金属膜ＣＭＰでは、このスラリー３８には、金属膜を酸化させる作用をもつケミカル成分と膜表面を物理的に研磨する砥粒とが含まれており、金属膜とのケミカル反応を安定化させるためにそのｐＨを調整したものが一般的に用いられる。スラリー３８に含まれる砥粒としては、公知の材料、例えば、コロイダルシリカやアルミナ等が用いられる。
【００３３】
ウエハ研磨装置１００では、上記構成にしたがい、研磨パッド１４にスラリー３８を供給しながら、研磨パッド１４と研磨ヘッド１８をそれぞれ回転させて、研磨ヘッド１８がウエハＷを保持して研磨パッド１４に押し付けることによりウエハＷを研磨する。ウエハＷと研磨パッド１４との摩擦による摩擦熱とリテーナーリング２２と研磨パッド１４との摩擦による摩擦熱とが発生するが、流路２３に冷却水を流してリテーナーリング２２を冷却することによって、リテーナーリング２２が摺接する研磨パッド１４の表面を直接に冷却するため、優れた冷却効果が得られる。このとき、ターンテーブル１０をも冷却することにより、さらに高い冷却効果が得られる。こうして、研磨パッド１４の表面温度の変動を小さく抑えることができる。
【００３４】
この効果は、特にウエハ研磨中にケミカル反応を積極的に利用する金属膜ＣＭＰに有用であり、これにより研磨レートを一定に保持することができる。この効果について図３を参照しながら詳しく説明する。
【００３５】
図３にウエハ研磨時間と研磨パッドの温度および研磨レートとの関係を示す。図３において、実線Ａは第１冷却機構１６による研磨パッド１４の冷却は行うが、第２冷却機構２４による研磨パッド１４の冷却を行わない場合の研磨パッド１４の表面温度変化を、実線Ｂは第１，第２冷却機構１６，２４による研磨パッド１４の冷却を行う場合の研磨パッド１４の表面温度変化を示している。
【００３６】
図３の実線Ａに示されるように、ターンテーブル１０のみを冷却しても、研磨パッド１４の温度上昇抑制効果は十分ではなく、研磨処理時間の経過とともに、研磨パッド１４の表面温度は上昇する。これに対して、図３の実線Ｂに示されるように、リテーナーリング２２をも冷却することにより、研磨パッド１４の表面温度がほぼ一定に保持されている。
【００３７】
図３に示す破線Ｃは、主として酸性系スラリーを用いた場合に実線Ａの温度変化にしたがう研磨レートを示している。この場合、研磨パッド１４の表面温度がある一定温度を超えると、急激にケミカル反応が過剰に促進され、研磨レートが速くなる。その結果、ウエハ表面のパターンディッシング等の不具合が生じてしまう。
【００３８】
図３に示す破線Ｄは、主としてアルカリ性系スラリーを用いた場合に実線Ａの温度変化にしたがう研磨レートを示している。この場合、研磨パッド１４の表面温度がある一定温度を超えると、研磨される金属膜とスラリーに含まれる所定の成分との過剰反応による副生成物の量が増大し、この副生成物が砥粒に付着等して砥粒の物理的研磨性能を著しく低下させることによって、研磨レートが急激に低下する。その結果、スループットが低下することとなる。
【００３９】
図３に示す二点鎖線Ｅは、実線Ｂの温度変化にしたがう研磨レートを示している。研磨パッド１４の表面温度が一定の場合には、スラリーが酸性系であるかアルカリ性系であるかに関係なく、研磨レートを一定に維持することができる。
【００４０】
次に、ウエハ研磨装置１００を構成する研磨ヘッド１８とリテーナーリング２２の別の形態について説明する。図４に研磨ヘッド５０とリテーナーリング５６の概略断面図を示す。
【００４１】
この研磨ヘッド５０は、円板状の水平板部５２ａの外周にリング状の外壁部５２ｂが一体的に設けられた構造を有している。外壁部５２ｂには、冷却液を流すために配管５４が、その底面から突出するように設けられている。
【００４２】
リテーナーリング５６を外壁部５２ｂの底面に取り付けるために、リテーナーリング５６の上面には、配管５４と嵌合する溝５６ａが形成されている。このような構造でも、配管５４に冷却液を流すことにより、リテーナーリング５６を冷却することができる。また、リテーナーリング５６そのものには冷却液を流さないので、研磨ヘッド５０（外周壁５２ｂ）とリテーナーリング５６の着脱面から冷却水が漏れるおそれがない。
【００４３】
なお、リテーナーリング５６は、ネジ止めやバックル等の固定手段（図示せず）を用いて、外壁部５２ｂに対して着脱自在となっている。配管５４とリテーナーリング５６に形成された溝５６ａとの間には加工精度に起因して狭い隙間が形成される場合があるが、例えば、このような隙間には熱伝導性のよりグリス等を充填することにより、冷却液とリテーナーリング５６との間の熱伝導を効率よく行うことができる。
【００４４】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような形態に限られるものではない。例えば、ウエハ研磨装置１００では、研磨ヘッド１８に設けた連通孔１９ａ，１９を用いて、リテーナーリング２２に形成される流路２３に冷却水を供給／回収する構成としたが、研磨ヘッド１８に連通孔１９ａ，１９ｂを設けることなく、リテーナーリング２２に直接に冷却水を供給／回収するための孔部を設けてもよい。
【００４５】
また、ウエハ研磨装置１００では、ターンテーブル１０の流路１２に流す冷却液の温度を一定としたが、研磨処理温度を一定に保持するために、流路１２に供給する冷却液の温度もまた調節可能としてもよい。この場合、例えば、第１冷却機構１６を設けることなく、第２冷却機構２４がターンテーブル１０の流路１２に、リテーナーリング２２の流路２３に供給される冷却液と同じ冷却液を供給する構成とすることもできる。
【００４６】
さらにウエハ研磨装置１００では、研磨ヘッド１８そのものに冷却液を流すための流路を連通孔１９ａ，１９ｂと連通するように設けることにより、保持したウエハＷを冷却し、さらにウエハＷを介して研磨パッド１４を冷却する構成としてもよい。
【００４７】
上記実施の形態においては、リテーナーリング２２，５６の温度調節を冷却液を用いて行うとしたが、図３に示したように、一定の温度までは研磨パッドの表面温度が上昇しても、研磨レートはほぼ一定となっている。そこで、ウエハの研磨開始時には、研磨パッドの表面温度を故意に上げるような温調媒体を用い、所定温度となった後に冷却液を流して、その温度を保持するようにすることもできる。温調媒体は液体に限られず、ガスを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１のウエハ研磨装置の概略構造を示す断面図。
【図２】リテーナーリングの平面図。
【図３】研磨時間と、研磨パッドの表面温度および研磨レートと、の関係を示すグラフ。
【図４】別の研磨ヘッドとリテーナーリングの概略断面図。
【符号の説明】
【００４９】
１０…ターンテーブル、１２…流路、１４…研磨パッド、１６…第１冷却機構、１８…研磨ヘッド、１８ａ…水平当接面、１９ａ，１９ｂ…連通孔、２０…押圧機構、２１…駆動軸、２２…リテーナーリング、２２ａ…溝、２２ｂ・２２ｃ…仕切り壁、２３…流路、２４…第２冷却機構、２６…第１温度センサ、２８…温調ユニット、３０…第２温度センサ、３２…冷却水供給ユニット、３４…制御ユニット、３６…スラリー供給ノズル、３８…スラリー、５０…研磨ヘッド、５２ａ…水平板部、５２ｂ…外壁部、５４…配管、５６…リテーナーリング、５６ａ…溝、１００…ウエハ研磨装置。
【図１】
2008263120.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008263120.tif 000005
【図４】
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