(57)【要約】【課題】ウエハの周縁部分で発生する過研磨を防止し、ウエハの表面全体を均一に平坦化することで、ウエハの周縁部分に作製される半導体装置の歩留まりを向上させることができる研磨装置及び方法を提供することである。【解決手段】研磨装置１０は、プラテン１１、プラテンを回転させるためのモータ等の手段、プラテンの表面に貼り付けた研磨パッド１４、研磨パッドの表面に研磨液を供給するためのノズル１３、及びウエハ１５を保持し、このウエハの表面を研磨パッドの表面に押し付ける研磨ヘッド１２から構成される。研磨ヘッドは、ウエハの周辺部外側に配置されるリング部分１６´を有するリテーナリング１６を含む。リテーナリングの圧縮率は、研磨パッドの圧縮率の９５％以上、１０１％以下の範囲、好適に９９．４％以上、１００．６％以下の範囲にある。【選択図】図１
2008068372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨装置であって、
プラテン、
前記プラテンを回転させるための手段、
前記プラテンの表面に貼り付けた研磨パッド、
前記研磨パッドの表面に研磨液を供給するためのノズル、及び
ウエハを保持し、このウエハの表面を前記研磨パッドの表面に押し付ける研磨ヘッド、
から成り、
前記研磨ヘッドが、
前記ウエハの周辺部外側に配置されるリング部分を有するリテーナリングであって、前記ウエハを保持し、このウエハの表面を前記研磨パッドの表面に押し付けると、前記リテーナリングの前記リング部分が前記研磨パッドの表面に押し付けられる、ところのリテーナリング、
を含み、
前記リテーナリングの圧縮率が、前記研磨パッドの圧縮率の９５％以上、１０１％以下の範囲にある、
ところの研磨装置。
【請求項２】
請求項１の研磨装置であって、
前記リテーナリングの圧縮率が、前記研磨パッドの圧縮率の９９．４％以上、１００．６％以下の範囲にある、
ところの研磨装置。
【請求項３】
請求項１の研磨装置であって、
前記リテーナリングの圧縮率が、０．６％以上、１．２％以下の範囲にある、
ところの研磨装置。
【請求項４】
請求項１の研磨装置であって、
前記研磨パッドと前記リテーナリングとが、それぞれ同じ種類の合成樹脂からなる、
ところの研磨装置。
【請求項５】
請求項１の研磨装置であって、
前記研磨パッドと前記リテーナリングとが、それぞれポリウレタン系樹脂からなる、
ところの研磨装置。
【請求項６】
請求項１の研磨装置であって、
前記研磨パッドと前記リテーナリングとが、それぞれ同じ種類の合成樹脂の無発泡体からなる、
ところの研磨装置。
【請求項７】
請求項１の研磨装置であって、
前記研磨ヘッドを回転させる手段、
をさらに含む研磨装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１に記載の研磨装置を使用してウエハの表面を研磨するための方法であって、
前記ウエハを保持し、このウエハの表面を前記研磨パッドの表面に押し付ける工程であって、前記リテーナリングの前記リング部分が前記研磨パッドの表面に押し付けられる、ところの工程、
表面に前記研磨パッドを貼り付けた前記プラテンを回転させる工程、及び
前記のズルを通じて、前記研磨パッドの表面に前記研磨液を供給する工程、
から成る方法。
【請求項９】
請求項８の方法であって、
前記研磨ヘッドを回転させる工程、
をさらに含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ（素材ウエハ及びデバイスウエハ）などのウエハの表面を研磨するための研磨装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電話、カメラ、コンピュータなどの電子機器には、機能の制御や情報の記憶又は表示のため、半導体装置が主要部品として使用されている。
【０００３】
このような電子部品に用いられる半導体デバイスウエハ（又はワーク）の表面は、研磨工程を経た後、多層配線工程や被膜工程など、各種電子部品の製造工程で要求される様々な工程、さらに検査工程を経て製品化される。
【０００４】
このようなウエハの製造段階で要求される一連の工程は、設計段階で予定される部品性能や機能を発揮させるため、ナノメートル単位の精度で行わなければならず、このため、各工程には高い精度が要求され、研磨工程においても、ウエハの表面を高度に平坦化することが要求されている。
【０００５】
このように高い精度が要求される研磨工程におけるウエハの研磨は、表面に研磨パッドを貼り付けたプラテン（又は定盤）を回転させながら、プラテンの表面に貼り付けられている研磨パッドの表面に研磨液（例えば、砥粒を分散させたスラリー）を供給し、この上に、研磨ヘッドに保持させたウエハの表面（被加工面）を押し付け、このウエハを回転させて行われる。
【０００６】
このような研磨では、研磨中に発生する横方向の応力による研磨ヘッドからのウエハの飛び出しを防止するため、研磨ヘッドに保持したウエハの周辺部外側に配置されるリング部分を有するリテーナリングが研磨ヘッドに取り付けられる（例えば、特許文献１〜４を参照）。
【０００７】
このリテーナリングは、研磨中、そのリング部分に加える圧力により研磨パッドを押さえ、ウエハの周縁部分で発生しやすい過研磨を防止し、ウエハの表面をより均一に平坦化する働きをするものである。
【特許文献１】特開平８−１４８４５３号公報
【特許文献２】特開平８−１８７６５７号公報
【特許文献３】特開平１０−２１７１０９号公報
【特許文献４】特開２０００−５２２４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、半導体装置の生産効率を向上させるために、加工されるウエハの大型化が進んでおり、このため、ウエハの周縁部分の歩留まりの改善が技術的な課題となっている。
【０００９】
従来のリテーナリングは、一般的に研磨に使用される研磨パッドと異なった材料から製造されるものであり、研磨パッドと比較して、圧縮率が低く硬い材料が用いられているため、研磨中、研磨パッドの表面は、リテーナリングに押し付けられている箇所の内周縁に沿って局部的に盛り上がり、この盛り上がった研磨パッドの表面が作用するウエハの周縁部分が過研磨されてしまう。
【００１０】
このようにウエハの周縁部分に発生する過研磨は、周縁部に作製される半導体回路の歪みを生じさせ、半導体装置の歩留まりを低下させる。
【００１１】
一方、従来の技術では、研磨中、リテーナリングも研磨パッドの表面に押し付けられているため、研磨の進行とともに磨耗することから、耐摩耗性を向上させてリテーナリングの交換頻度を低減させたり、低価格の材料を用いてリテーナリングを製造することで、研磨コストを低減させているだけであり、このような低コスト化に主眼をおいたものであり、上記の過研磨を解決することができない。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、ウエハの周縁部分で発生する過研磨を防止し、ウエハの表面全体を均一に平坦化することで、ウエハの周縁部分に作製される半導体装置の歩留まりを向上させることができる研磨装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成する本発明の研磨装置は、プラテン、プラテンを回転させるための手段、プラテンの表面に貼り付けた研磨パッド、研磨パッドの表面に研磨液を供給するためのノズル、及びウエハを保持し、このウエハの表面を研磨パッドの表面に押し付ける研磨ヘッドから構成され、研磨ヘッドを回転させる手段をさらに含む。
【００１４】
研磨ヘッドは、ウエハの周辺部外側に配置されるリング部分を有するリテーナリングを含む。ウエハを保持し、このウエハの表面を研磨パッドの表面に押し付けると、リテーナリングのリング部分が研磨パッドの表面に押し付けられる。
【００１５】
リテーナリングの圧縮率は、研磨パッドの圧縮率の９５％以上、１０１％以下の範囲にあり、好適に、研磨パッドの圧縮率の９９．４％以上、１００．６％以下の範囲にある。
【００１６】
リテーナリングの圧縮率が、０．６％以上、１．２％以下の範囲にある。
【００１７】
研磨パッドとリテーナリングとが、それぞれ同じ種類の合成樹脂からなり、好適に、研磨パッドとリテーナリングとが、それぞれポリウレタン系樹脂からなる。
【００１８】
研磨パッドとリテーナリングとが、それぞれ同じ種類の合成樹脂の無発泡体からなる。
【００１９】
上記本発明の研磨装置を使用してウエハの表面を研磨する。
【００２０】
研磨ヘッドでウエハを保持し、このウエハの表面を、プラテンの表面に貼り付けた研磨パッドの表面に押し付ける。このとき、研磨ヘッドのリテーナリングのリング部分が研磨パッドの表面に押し付けられる。
【００２１】
プラテンを回転させ、ノズルを通じて、研磨パッドの表面に研磨液を供給する。そして、研磨ヘッドを回転させる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明が以上のように構成されるので、以下のような効果を奏する。
【００２３】
ウエハの周縁部分で発生する過研磨を防止し、ウエハの表面全体を均一に平坦化することで、ウエハの周縁部分に作製される半導体装置の歩留まりを向上させることができる、という効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
＜研磨装置＞  図１に示すように、本発明の研磨装置１０は、プラテン１１、プラテン１１を回転（矢印Ｒの方向）させるためのモータ等の手段（図示せず）、プラテン１１の表面に貼り付けた研磨パッド１４、研磨パッド１４の表面に研磨液を供給するためのノズル１３、及びウエハ１５を保持し、このウエハ１５の表面を研磨パッド１４の表面に押し付ける研磨ヘッド１２から構成され、研磨ヘッド１２を回転（矢印ｒの方向）させるモータ等の手段（図示せず）をさらに含む。
【００２５】
研磨ヘッド１２は、図２に示すように、ウエハ１５の周辺部外側に配置されるリング部分１６´を有するリテーナリング１６を含む。
【００２６】
研磨ヘッド１２がウエハ１５を保持し、このウエハ１５の表面をプラテン１１上の研磨パッド１４の表面に押し付けると、リテーナリング１６のリング部分１６´が研磨パッド１４の表面に押し付けられる。
【００２７】
リテーナリングの圧縮率は、研磨パッドの圧縮率の９５％以上、１０１％以下の範囲にあり、好適に、研磨パッドの圧縮率の９９．４％以上、１００．６％以下の範囲にある（すなわち、研磨パッドの圧縮率を１００とした場合、リテーナリングの圧縮率は±０．６の範囲にあり、この範囲は圧縮率の計測誤差の範囲であり、この場合、リテーナリングの圧縮率は研磨パッドの圧縮率と実質的に同じである）。なお、圧縮率の測定方法を下記の表１に示し、圧縮率の計算方法を下記の数１に示す。
【００２８】
【表１】
2008068372.tif 000003
【００２９】
【数１】
2008068372.tif 000004
【００３０】
リテーナリングの圧縮率が研磨パッドの圧縮率の９５％未満の範囲にあると、研磨パッドが変形し過ぎて、ウエハの表面に研磨パッドを均一に作用できず、ウエハの表面を均一にできないという問題が生じ、一方、リテーナリングの圧縮率が研磨パッドの１０１％を超える範囲にあると、リテーナリングが変形し過ぎて、研磨中にウエハが研磨ヘッドから飛び出すという問題が生じる。
【００３１】
リテーナリングの圧縮率は、０．６％以上、１．２％以下の範囲にある。
【００３２】
研磨パッドとリテーナリングは、それぞれ同じ種類の合成樹脂からなる。合成樹脂として、ポリウレタン系、ポリエチレン系、ポリスチレン系、ポリ塩化ビニル系及びアクリル系の樹脂から選択される一種又は二種以上のものが含まれる。好適に、研磨パッドとリテーナリングは、それぞれポリウレタン系樹脂からなる。
【００３３】
研磨パッドとリテーナリングは、それぞれ同じ種類の合成樹脂の無発泡体からなる。発泡体であると、内部に空隙が分散されているので、研磨パッドとリテーナリングのそれぞれの圧縮率が局所的に異なるようになり、研磨パッドとリテーナリングの変形が、研磨中のウエハの飛び出しや過研磨の原因となるからである。
【００３４】
＜研磨方法＞  上記本発明の研磨装置を使用してウエハの表面を研磨する。
【００３５】
図１及び図２を参照する。ウエハ１５がリテーナリング１６の内側に配置されるように研磨ヘッド１２でウエハ１５を保持し、このウエハ１５の表面を、プラテン１１の表面に貼り付けた研磨パッド１４の表面に押し付ける。このとき、研磨ヘッド１２のリテーナリング１６のリング部分１６´が研磨パッド１４の表面に押し付けられる。
【００３６】
プラテン１１を矢印Ｒの方向に回転させ、ノズル１３を通じて、研磨パッド１４の表面に研磨液を供給する。そして、研磨ヘッド１２も矢印ｒの方向に回転させる。
【００３７】
研磨液として、砥粒を水又は水ベースの水溶液中に分散させた研磨スラリーが含まれる。
【００３８】
砥粒として、ダイヤモンド、アルミナ、セリアなどから選択される材料からなる一種又は二種以上の粒子が含まれる。
【００３９】
ウエハの表面を化学的機械的に研磨するため、水ベースの水溶液は、ウエハの表面と化学的に反応する薬液を含有してもよい。このような薬液は、ウエハの表面（被研磨面）を構成する材料に従って適宜に選定できる。例えば、被研磨面を構成する材料が二酸化珪素である場合、水酸化カリウム、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド、フッ酸、フッ化物などが使用される。被研磨面がタングステンである場合、硝酸鉄、ヨウ素酸カリウムなどが使用される。被研磨面が銅である場合、グリシン、キナルジン酸、過酸化水素、ベンゾトリアゾールなどが使用される。
【００４０】
＜研磨試験１＞  所定の圧縮率を有する研磨パッドとリテーナリングとを組み合わせて、図１に示すような研磨装置を使用して、ウエハの表面の研磨試験を行い、ウエハの周縁部分の研磨量の差を計測した。
【００４１】
ウエハの周縁部分の研磨量の差は、図３に示すように、研磨前後のウエハの周縁部分における研磨量の最大値と最小値との差をいい、この差が小さいほど、周縁部分が平坦であることがわかる。図示の例では、符号Δ１で示す研磨量の差よりも符号Δ２で示す研磨量の差のほうが小さいので、符号１７で示す研磨量プロフィールの周縁部分よりも符号１８で示す研磨量プロフィールの周縁部分のほうが平坦である。
【００４２】
研磨試験に使用した研磨装置、研磨液及びウエハは下記のとおりであった。
【００４３】
研磨装置として、市販のＣＭＰ装置（製品番号：ＭＡＴ−ＡＲＷ６８１Ｓ、株式会社エム・エイ・ティ）を使用した。研磨条件は、下記の表２に示すとおりであった。
【００４４】
【表２】
2008068372.tif 000005
【００４５】
研磨液として、市販の研磨スラリー（製品名：ＳｅｍｉＳｐｅｒｓｅ２５、キャボット・マイクロエレクトロニクス・ジャパン株式会社）を純水で２倍希釈したものを使用した。
【００４６】
ウエハとして、平坦性評価試験に一般的に使用されている試験ウエハを使用した。この試験ウエハは、表面にパターンのないプラズマ酸化膜（膜厚１００００Å）を形成したＰ−ＴＥＯＳ膜付きウエハ（直系２００ｍｍ）であった。この試験ウエハの研磨前後の膜厚を比較し、その差を研磨量とし、ウエハの周縁部分（ウエハの中心から９０ｍｍ〜９７ｍｍの範囲）の研磨量の差を求めた。研磨量の測定のために行った膜厚の測定には、市販の光干渉式膜厚測定装置（製品番号：Ｎａｎｏｓｐｅｃ９２００、ナノメトリクス株式会社）を使用した。
【００４７】
＜研磨パッド１＞  研磨パッド１を以下のようにして製造した。７０℃に加温した平均分子量９００−１０００のＴＤＩ（トリレン・ジイソシアネート）系のポリウレタンプレポリマー（１００部）に、硬化剤として、１２０℃に加温した３，３´−ジクロル−４，４´ジアミノ−ジフェニルメタン（２６．５分）を添加して調製した樹脂溶液を金型に投入し、これを金型内で硬化させ、樹脂ブロックを成形し、このブロックを円形に型抜きし、厚さ１．５ｍｍに研削し、旋盤を使用して、表面に螺旋状の溝（ピッチ２ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、幅１ｍｍ）を形成して研磨パッド１を製造した。研磨パッド１の圧縮率は、０．８４％であった。
【００４８】
＜研磨パッド２＞  研磨パッド２として、半導体デバイスウエハの研磨に一般的に使用されている市販の研磨パッド（製品名：ＩＣ１０００、ローム・アンド・ハース・エレクトロニック・マテリアルズ・シーエムピー・ホウルディングス・インコーポレイテッド）を使用した。研磨パッド２の圧縮率は、４．２％であった。
【００４９】
＜リテーナリング１＞  リテーナリング１を以下のようにして製造した。７０℃に加温した平均分子量９００−１０００のＴＤＩ（トリレン・ジイソシアネート）系のポリウレタンプレポリマー（１００部）に、硬化剤として、１２０℃に加温した３，３´−ジクロル−４，４´ジアミノ−ジフェニルメタン（２６．５分）を添加して調製した樹脂溶液を金型に投入し、これを金型内で硬化させ、樹脂ブロックを成形し、このブロックを所定のサイズのリング状に切削してリテーナリング１を製造した。リテーナリング１の圧縮率は、０．８４％であった。
【００５０】
＜リテーナリング２＞  リテーナリング２として、圧縮率０．１％の市販の硬質のリテーナリングを使用した。
【００５１】
＜研磨パッドとリテーナリングの組合せ＞  研磨パッドとリテーナリングの組合せは下記の表３に示すとおりであった。（ここで、表３の試験Ｄが本発明に従った実施例である。）
【００５２】
【表３】
2008068372.tif 000006
【００５３】
＜試験結果１＞  上記研磨試験１の結果を下記の表４及び図４に示す。
【００５４】
【表４】
2008068372.tif 000007
【００５５】
表４及び図４に示す結果から、同じ圧縮率を有する研磨パッドにおいて、圧縮率のより高いリテーナリング（試験ＡとＢ、及び試験ＣとＤを参照）又は同じ圧縮率を有するリテーナリングにおいて、圧縮率のより低い研磨パッド（試験ＡとＣ、及び試験ＢとＤを参照）を組み合わせると、研磨量の差が小さくなり、ウエハの周縁部分がより平坦化されることがわかる。また、それぞれ実質的に同じ大きさいの圧縮率を有する研磨パッドとリテーナリングとを組み合わせると、研磨量の差が最も小さくなることがわかる（試験Ｄ）。
【００５６】
＜研磨試験２＞  上記研磨試験１で用いた研磨パッド１とリテーナリング１、２とを組み合わせて、研磨圧力とリテーナリング圧力とを変えて、ウエハの周縁部分の研磨量の差を計測した。
【００５７】
研磨試験２に使用した研磨装置、研磨液及びウエハは、研磨条件において、研磨圧力とリテーナリング圧力が変わった以外は、上記研磨試験１と同じであった。
【００５８】
研磨パッドとリテーナリングの組合せは下記の表５に示すとおりであった。（ここで、表５の試験Ｆが本発明に従った実施例である。）
【００５９】
【表５】
2008068372.tif 000008
【００６０】
＜試験結果２＞  研磨試験２の結果を下記の表６に示す。
【００６１】
【表６】
2008068372.tif 000009
【００６２】
リテーナリング圧力を高くすると（さらに研磨圧力も高くすると）、研磨ヘッドからのウエハの飛び出しの危険性は低減されるが、表６に示すように、リテーナリング圧力（又は研磨圧力）を高くすると、研磨量の差が大きくなる。しかし、本発明に従った試験Ｆ（実施例）（実質的に同じ圧縮率の研磨パッドとリテーナリングを組み合わせている）は、試験Ｅ（試験Ｆのリテーナリングよりも圧縮率の低い硬質のものを使用している）と比較して、ウエハの周縁部分の研磨量の差が著しく低くなっている。
【００６３】
したがって、実質的に同じ圧縮率の研磨パッドとリテーナリングを組み合わせて使用することで、ウエハの周縁部分の研磨量の差を小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図１は、研磨装置の部分側面図である。
【図２】図２は、研磨ヘッドの部分断面図である。
【図３】図３は、ウエハの周縁部分における研磨量の差を示す。
【図４】図４は、研磨試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６５】
１０・・・研磨装置
１１・・・プラテン
１２・・・研磨ヘッド
１３・・・ノズル
１４・・・研磨パッド
１５・・・ウエハ
１６・・・リテーナリング
１６´・・・リング部分
１７、１８・・・研磨量プロフィール
Δ１、Δ２・・・研磨量の差
Ｒ・・・プラテン回転方向
ｒ・・・研磨ヘッド回転方向
【図１】
2008068372.tif 000010
【図２】
2008068372.tif 000011
【図３】
2008068372.tif 000012
【図４】
2008068372.tif 000013