(57)【要約】【解決手段】半導体ウェーハを研磨するためのシステム及び方法は、表面積を減じた固定研磨剤研磨パッドを有する可変式部分的パッド−ウェーハ・オーバラップ研磨機と、研磨剤スラリーと共に使用する無研磨剤研磨パッドを有する研磨機を含んでいる。本方法は、先ず、ウェーハを可変式部分的パッド−ウェーハ・オーバラップ研磨機と固定研磨剤研磨パッドで研磨する段階と、次に、ウェーハを散布研磨材処理で所望のウェーハ厚さとなるまで研磨する段階を含んでいる。【選択図】図１
2004517479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェーハ研磨機において、
半導体ウェーハを取り外し可能に保持するためのウェーハ受入表面を有する回転式ウェーハキャリアと、
研磨パッドの外周に沿って配置され、半径方向内側に向けて前記研磨パッドの半径の一部に亘って延びている研磨パッド材料を備えている回転式研磨パッドであって、前記研磨パッド材料は、中心領域に研磨パッド材料が無く且つ前記研磨パッドの直径に関して対称となっている、回転式研磨パッドと、
前記ウェーハ受入表面と実質的に平行に向けられ、前記半導体ウェーハに対して部分的にオーバラップした位置に前記研磨パッドを可動的に位置決めするよう構成されている回転式研磨パッドキャリアであって、前記研磨パッドの一部が、前記半導体ウェーハの表面の一部に対して接触し回転するようになっている、回転式研磨パッドキャリアと、
前記ウェーハキャリア上の前記半導体ウェーハの表面と実質的に同一平面となるよう配置された表面を有し、回転し且つ前記研磨パッドと接触するようになっている、回転式パッドドレッシング・アッセッンブリと、を備えていることを特徴とする半導体ウェーハ研磨機。
【請求項２】
前記回転式研磨パッドキャリアは、前記研磨パッドを、前記半導体ウェーハに対して、直線的半径方向に動かすよう構成された割出し機構を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の研磨機。
【請求項３】
前記研磨パッドキャリアは、スピンドルに取り外し可能に取り付けられている研磨パッドキャリア・ヘッドを更に備えていることを特徴とする、請求項２に記載の研磨機。
【請求項４】
前記研磨パッドキャリアは、前記割出し機構及び前記スピンドルと接続されているスピンドル駆動装置アッセンブリを更に備えており、前記スピンドル駆動装置アッセンブリは、前記スピンドルを回転し、前記研磨パッドを前記半導体ウェーハに対して動かすよう構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の研磨機。
【請求項５】
前記回転式ウェーハキャリアの前記ウェーハ受入表面は、真空及び加圧流体の内の１つを受け入れるための複数の流体オリフィスを備えており、前記半導体ウェーハは、前記ウェーハ受入表面に取り外し可能に取り付けられるようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の研磨機。
【請求項６】
前記割出し機構は、前記研磨パッドを、前記半導体ウェーハの表面及び前記パッドドレッシング表面と部分的にオーバラップする複数の位置へ、前記研磨パッドの前記半導体ウェーハの表面と接触するパッド部分が前記パッドドレッシング表面と接触するパッド部分よりも大きい第１位置と、前記研磨パッドの前記パッドドレッシング表面を覆うパッド部分が前記半導体ウェーハ表面を覆うパッド部分よりも大きい第２位置との間で、動かすよう構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の研磨機。
【請求項７】
前記研磨パッド材料は、固定研磨剤研磨パッド材料を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の研磨機。
【請求項８】
前記研磨パッド材料は、環状表面を有していることを特徴とする、請求項７に記載の研磨機。
【請求項９】
前記研磨パッド材料は、無研磨剤研磨パッド材料を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の研磨機。
【請求項１０】
前記研磨パッド材料は、環状表面を有していることを特徴とする、請求項９に記載の研磨機。
【請求項１１】
半導体ウェーハを制御された状態で領域研磨する方法において、
半導体ウェーハを回転式ウェーハキャリアのウェーハ受入表面上に載置して、前記半導体ウェーハを回転する段階と、
回転している研磨パッドキャリア上に取り付けられている研磨パッドを、前記回転している半導体ウェーハに対し部分的にオーバラップする位置に動かす段階であって、前記研磨パッドは、前記研磨パッドの外周に沿って配置され、半径方向内側に向けて前記研磨パッドの半径の一部に亘って延びている研磨パッド材料を備えており、前記研磨パッド材料は、中心領域に研磨パッド材料が無く且つ前記研磨パッドの直径に関して対称となっている、そのような段階と、
前記部分的にオーバラップしている半導体ウェーハと研磨パッドの間に第１圧力を維持する段階と、から成ることを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記研磨パッドを前記半導体ウェーハに対する第２の部分的にオーバラップする位置に動かす段階であって、前記研磨パッドは、移動の間前記半導体ウェーハと継続的に接触している、そのような段階を更に含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記研磨パッドを前記半導体ウェーハの半径に沿って前記半導体ウェーハの表面に対する第２の部分的にオーバラップする位置に動かす段階であって、前記研磨パッドは、移動の間前記半導体ウェーハと継続的に接触している、そのような段階を更に含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記研磨パッドの一部が前記半導体ウェーハの表面の一部に接触している状態で、パッドドレッシング表面を前記研磨パッドの一部に対して回転させる段階であって、それにより前記研磨パッドは、各回転の間に修正され洗浄されることで継続的に再活性化されるようになっている段階を更に含んでいることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記研磨パッドを、前記複数の部分的にオーバラップする位置のそれぞれにおいて、所定の経路に亘って振動させることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
半導体ウェーハを平坦化し研磨する方法において、
第１研磨パッドを中心軸周りに回転させる段階であって、前記研磨パッドは、前記第１研磨パッドの外周に沿って配置され、半径方向内側に向けて前記第１研磨パッドの半径の一部に亘って延びている研磨パッド材料を有しており、前記研磨パッド材料は、中心領域に研磨パッド材料が無く且つ前記第１研磨パッドの直径に関して対称となっている、そのような段階と、
前記第１研磨パッド上の前記研磨パッド材料の一部を、回転している半導体ウェーハの一部に対して、前記第１研磨パッドが前記半導体ウェーハと部分的にオーバラップするように押し付ける段階と、
前記第１研磨パッドと前記半導体ウェーハの間に第１圧力を維持する段階と、から成ることを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記研磨パッド材料は、固定研磨剤材料から成ることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１圧力を維持する段階は、前記研磨パッドと前記半導体ウェーハの間に少なくとも１５ｌｂｓ／ｉｎ２の圧力を維持する段階から成ることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１圧力を維持する段階は、前記研磨パッドと前記半導体ウェーハの間に少なくとも２ｌｂｓ／ｉｎ２の圧力を維持する段階から成ることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記半導体ウェーハを、前記第１研磨パッドで、第１ウェーハフィルム厚さが達成されるまで平坦化する段階と、
前記第１研磨パッドを、前記半導体ウェーハから係合解除する段階と、
散布研磨剤研磨処理を、前記半導体ウェーハに、最終ウェーハフィルム厚さに達するまで適用する段階と、を更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記散布研磨剤処理を適用する段階は、
前記半導体ウェーハを第２研磨パッドに対して押し付ける段階と、
前記半導体ウェーハと前記第２研磨パッドを互いに対して動かしている状態で前記第２研磨パッドに化学的スラリーを供給する段階と、
前記第２研磨パッドと前記半導体ウェーハの間に第２圧力を維持する段階と、から成ることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２研磨パッドは、前記第２研磨パッドの外周に沿って配置され、半径方向内側に向けて前記第２研磨パッドの半径の一部に亘って延びている無研磨剤研磨パッド材料を有しており、前記研磨パッド材料は、中心領域に研磨パッド材料が無く且つ前記第２研磨パッドの直径に関して対称となっていることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第２研磨パッドは、無研磨剤研磨パッド材料を備えていることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記第２研磨パッドは、直線ベルト構造の無研磨剤研磨パッド材料を備えていることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記第２圧力は前記第１圧力より低いことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記研磨パッド材料は、環状表面を有していることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２７】
前記研磨パッド材料は、環状表面を有していることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
半導体ウェーハ研磨システムにおいて、
第１ウェーハ研磨機であって、
半導体ウェーハを取り外し可能に保持するためのウェーハ受入表面を有する回転式ウェーハキャリアと、
研磨パッドの外周に沿って配置され、半径方向内側に向けて前記研磨パッドの半径の一部に亘って延びている固定研磨剤研磨パッド材料を備えている回転式研磨パッドであって、前記固定研磨剤研磨パッド材料は、中心領域に研磨パッド材料が無く且つ前記研磨パッドの直径に関して対称となっている、回転式研磨パッドと、
前記ウェーハ受入表面と実質的に平行に向けられ、前記半導体ウェーハに対して部分的にオーバラップした位置に前記研磨パッドを可動的に位置決めするよう構成されている回転式研磨パッドキャリアであって、前記研磨パッドが、前記半導体ウェーハの表面の一部に対して接触し回転するようになっている、回転式研磨パッドキャリアと、
前記ウェーハキャリア上の前記半導体ウェーハの表面と実質的に同一平面となるよう配置された表面を有し、回転し且つ前記研磨パッドの第１部分と接触するようになっている、回転式パッドドレッシング・アッセッンブリと、を備えている第１ウェーハ研磨機と、
散布研磨剤処理ステーションであって、
前記半導体ウェーハを取り外し可能に保持するためのウェーハ受入表面を有する第２回転式ウェーハキャリアと、
研磨パッド移動装置上に搭載されている第２研磨パッドであって、前記研磨パッド移動装置は、前記研磨パッドを前記半導体ウェーハに対して動かすよう構成されており、研磨スラリーを受け取り、前記研磨スラリーを前記半導体ウェーハの表面に送るよう配置されている無研磨剤研磨パッド材料を備えている第２研磨パッドと、を備えている散布研磨剤処理ステーションと、
前記第１ウェーハ研磨機と前記散布研磨剤ステーションの間を移動可能な半導体ウェーハ搬送機構であって、前記ウェーハに対するウェーハ研磨処理の第１部は前記第１ウェーハ研磨機で適用され、前記ウェーハ研磨処理の第２部は前記散布研磨剤研磨ステーション適用されるようになっている半導体ウェーハ搬送機構と、を備えていることを特徴とするウェーハ研磨システム。
【請求項２９】
前記無研磨剤研磨パッドは、回転式研磨パッドから成り、前記研磨パッド移動装置は、前記ウェーハ受入表面と実質的に平行に向けられ、前記半導体ウェーハに対して部分的にオーバラップした位置に前記研磨パッドを可動的に位置決めするよう構成されている回転式研磨パッドキャリアを備えており、前記研磨パッドが、前記半導体ウェーハの表面の一部に対して接触し回転するようになっていることを特徴とする、請求項２８に記載のウェーハ研磨システム。
【請求項３０】
前記無研磨剤研磨パッドは、前記研磨パッドの外周に沿って配置され、半径方向内側に向けて前記研磨パッドの半径の一部に亘って延びている無研磨剤研磨パッド材料を備えており、前記無研磨剤研磨パッド材料は、中心領域に研磨パッド材料が無く且つ前記研磨パッドの直径に関して対称となっていることを特徴とする、請求項２９に記載のウェーハ研磨システム。
【請求項３１】
前記無研磨剤研磨パッドは、環状表面を有していることを特徴とする、請求項３０に記載のウェーハ研磨システム。
【請求項３２】
前記第２研磨パッドは、直線ベルトから成り、前記研磨パッド移動装置は、直線ベルト式研磨機から成ることを特徴とする、請求項２８に記載のウェーハ研磨システム。
【請求項３３】
前記第１ウェーハ研磨機と前記散布研磨剤処理ステーションは、それぞれ、ウェーハ表面から少なくとも５００Åの材料を除去するよう構成されていることを特徴とする、請求項２８に記載のウェーハ研磨システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願は、２０００年１月２８日出願の米国特許出願第０９／４９３，９７８号の一部継続出願である。当該米国特許出願の全開示内容を、参考文献としてここに援用する。
【０００２】
本発明は、化学的機械平坦化技法を用いた半導体ウェーハの平坦化に関する。より具体的には、本発明は、固定研磨剤研磨媒体及び散布研磨剤研磨媒体の両方を備えた可変式部分的パッド−ウェーハ・オーバラップ技法を用いた半導体ウェーハを平坦化するための、改良されたシステム及び方法に関する。
【０００３】
【従来技術】
半導体ウェーハは、通常、所望の集積回路設計を数多くコピーしたものとして製作し、それを後に分割して個々のチップとする。半導体ウェーハ上に回路を形成する一般的な技法は、写真製版である。写真製版プロセスの一部では、回路の画像をウェーハ上に投影するため、特殊なカメラでウェーハ上に焦点を合わせる必要がある。カメラがウェーハ表面上に焦点を合わせる能力は、しばしば、ウェーハ表面の変動又は凹凸による悪影響を被る。この感度は、１つのダイ内で又は１つのウェーハ上の複数のダイの間で一定の不均一性を許容できない、現在の、より小さくより集積度の高い回路設計という潮流で一層強調されたものとなっている。ウェーハ上の半導体回路は、普通は層状に構築され、回路の或る部分は第１層の上に作られ、導電性のビアがこれを次の層の上の回路の部分と接続するようになっているので、各層がウェーハ上に凹凸形状を付け加え或いは作り出すことになり、次の層を形成する前にこれを平滑にしなければならない。ウェーハの各層を平坦化し研磨するために、化学的機械平坦化（酸化物ＣＭＰ）技法が使用される。ＣＭＰ（金属ＣＭＰ）も、ダイ内の金属プラグ及び配線を整形し、ウェーハ表面から過剰な金属を除去して、ウェーハ上の所望のプラグ及びトレンチ内の金属のみを残すため、広汎に使用されている。入手可能なＣＭＰシステムは、普通はウェーハ研磨機と呼ばれており、ウェーハを、最も一般的な回転式ＣＭＰ機械では、平坦化対象ウェーハ表面の面内で回転する研磨パッドに接触させる回転ウェーハホルダーを使用することが多い。化学研磨剤、即ち細かな研磨剤と表面修正化学物質が入っているスラリーを研磨パッドに掛けて、ウェーハを研磨する。次に、ウェーハホルダーは、ウェーハを回転している研磨パッドに押し付けて、ウェーハを研磨し平坦化するために回される。入手可能なウェーハ研磨機の中には、軌道運動を使うものもあれば、研磨パッドを担うのに回転表面ではなく直線状のベルトを使うものもある。全ての場合、ウェーハの表面は、しばしば完全に研磨パッドに覆われ研磨パッドと接触して、同時に全表面が研磨される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
全表面を同時に研磨することの欠点の１つは、ウェーハがＣＭＰ処理を完全に平坦な状態で開始したとしても、ウェーハ上の様々な回路が、ＣＭＰ処理に異なる応答を示すことである。これは、ウェーハの各部には異なる種類の物質が堆積されているためであり、或いはウェーハの或る部分では材料の密度が異なるためである。全表面の同時研磨は、しばしば、材料特性が異なるため、ウェーハの幾つかの部分を他の部分より早くきれいにすることもある。間隙が不均一だと、ウェーハの特定の領域が過剰研磨される結果となる。更に、ウェーハの形成に使用されている各種材料処理は、ウェーハを均一にＣＭＰ研磨するのに、特別な問題を提起する。銅デュアルダマシン処理のような、或る種の処理は、ウェーハ全表面を同時に研磨する研磨機で生じることのある過剰研磨に、特に敏感なことがある。
【０００５】
より大径のウェーハを処理するという流れは、大きくなった表面積全体に亘って均一性が必要となるため、ＣＭＰ処理に困難さを追加することになっている。ウェーハの全表面が研磨パッドで覆われる従来型のＣＭＰ技法を使用すると、大径のウェーハでは、小径のウェーハで達成できたようにウェーハ表面上の圧力変動を回避するために、研磨パッド又はウェーハ上の荷重分布要件が相当重要になる。固定研磨剤研磨パッドは、研磨処理の幾つかの特定の相を行うには望ましいこともあるが、固定研磨剤材料の平坦化能力をフルに活用するためには、従来型の無研磨剤パッドに比べ相当大きな圧力を必要とすることになる。
従って、これらの課題に取り組む化学的機械平坦化と研磨を実行する方法及びシステムが必要とされている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記先行技術の欠点を改善するために、以下に開示するウェーハ研磨システムでは、研磨性能及び柔軟性を改善すると共に、過剰研磨を回避し、銅処理を使って作った層のような平坦化が難しい層で作られているウェーハを均一に研磨できるように改善している。このウェーハ研磨システムは、サブアパーチャと呼ばれることもある、可変式部分的パッド−ウェーハ・オーバラップ（ＶａＰＯ）研磨技法を具現化しており、これは、ウェーハと研磨パッドの間に部分的にオーバラップするプロフィールを維持して、完全にオーバラップするプロフィールに比べて、ウェーハと研磨パッドの間の圧力を、パッド又はウェーハに掛ける力を殆ど又は全く増やすことなく、上げることができるようにしている。更に、表面積を減じた研磨パッドが、ウェーハに掛けられる圧力を更に上げ、既存のウェーハ研磨システムに付加的な除去速度の柔軟性を提供するために、開示されている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
ウェーハ研磨機１０の好適な実施形態を図１に示す。研磨機１０は、ウェーハキャリア・アッセンブリ１２と、パッドキャリア・アッセンブリ１４と、パッドドレッシング・アッセンブリ１６を含んでいる。ウェーハキャリア・アッセンブリ１２とパッドドレッシング・アッセンブリ１６は、フレーム１８に取り付けられているのが望ましい。ウェーハキャリア・アッセンブリは、モーター２４に回転可能に接続されたシャフト２２に取り付けられているウェーハヘッド２０を含んでいる。ある好適な実施形態では、ウェーハヘッド２０は、パッドキャリア・アッセンブリ１４から研磨圧力を受けたとき撓んだり曲がったりしない剛体平坦面を維持するよう設計されている。円形ベアリング２６か、又は他の型式の支持具が、ウェーハヘッド２０に追加の支持を提供するために、ウェーハヘッド２０とフレーム１８の上面２８の間に、ウェーハヘッド２０の外周に沿って配置されているのが望ましい。代わりに、ウェーハキャリア・アッセンブリ１２を、如何なる変位も回避できるだけの強度を持ったシャフト２２を備えた構造としてもよい。
【０００８】
ウェーハキャリア・アッセンブリ１２のウェーハヘッド２０を、図２及び３を参照しながら更に説明する。ウェーハヘッド２０は、半導体ウェーハを受け入れ研磨の間固定された位置に保持するためのウェーハ受入領域３０を有しているのが望ましい。ウェーハ受入領域３０は、図３に示すような凹部領域でもよいし、ウェーハヘッド２０の回転中心に中心の合った領域でもよい。ＣＰＭ処理の間ウェーハとウェーハヘッド２０の間の接触を維持するための数多くの既知の方法の内、何れを使用してもよい。ある好適な実施形態では、ウェーハヘッド２０のウェーハ受入領域３０は、ウェーハをウェーハヘッド２０に保持し或いはそこから解放するのに役立つ、空気の流れを供給し或いは真空を受け取るための複数の空気の通路３２を有している。ウェーハに真空を掛けるために、有孔のセラミック又は金属材料を使用してもよい。ウェーハをウェーハキャリアに保持するための他の方法、例えば、接着剤、外周に向いたクランプ、液体の表面張力を使用してもよい。ウェーハをロボットのようなウェーハ搬送機構からロード／アンロードするのを支援するために、１つ又は複数のウェーハ持ち上げシャフト３４が、ウェーハヘッド内の凹部の位置とヘッド２０のウェーハ受入領域３０から離れて延びた位置の間に可動的に配置されている。各ウェーハ持ち上げシャフトは、空圧式、油圧式、電気式、磁気式、又は何らかの他の手段で作動させる。他の好適な実施形態では、ウェーハヘッド２０は、ウェーハ持ち上げシャフト３４無しで作られており、ウェーハは、真空アシスト法を使ってウェーハヘッドからロード／アンロードされる。
【０００９】
図１に戻るが、パッドキャリア・アッセンブリ１４は、パッドキャリアヘッド３８のパッド支持表面４０に取り付けられた研磨パッド３６を含んでいる。研磨パッド３６は、半導体ウェーハを平坦化し研磨するのに適した数多くの既知の研磨材料の何れでもよい。研磨パッドは、デラウェア州のローデル社から入手可能なＩＣ１０００パッドのような、研磨剤スラリーと共に使用する型式のパッドでもよい。代わりに、パッドは、研磨剤を含んだスラリーを必要としない固定研磨剤材料で作ってもよい。研磨パッド３６の直径は、ウェーハＷの直径と等しいか実質的に同じであるのが望ましいが、研磨パッドとウェーハのこの他の直径比も考えられる。或る実施形態では、研磨パッドのサイズは、ウェーハ上の一つのダイのサイズからウェーハの面積の倍の面積までの範囲の何処かにある。研磨パッドの広範囲な運動、例えば、研磨パッドの中心を、ウェーハの中心とパッドドレッシング表面の中心の間に形成される仮想線から離して配置するように研磨パッドが動かされている状態、を考慮すれば、ウェーハよりも広い面積を有するパッドドレッシング表面は、有用である。複数のパッドドレッシング・ヘッドを考慮している実施形態では、パッドドレッシング・ヘッドの面積は、使用される研磨パッドを修正し支持するのに十分な面積であるのが望ましい。
【００１０】
パッドキャリア・ヘッド３８は、ツールチェンジャー４８の雄、雌部４４、４６を通るスピンドル４２に取り付けられているのが望ましい。ツールチェンジャーは、パッドキャリア・ヘッド３８間の互換性に備えており、ウェーハヘッドと何らかの関連する研磨剤研磨化学物質の種類とを交換すれば、異なるＣＭＰ処理を同じウェーハに適用できるようになっているのが望ましい。
【００１１】
図４に示すように、パッド３６は、パッドキャリア・ヘッド３８とツールチェンジャー４４、４６から通路５０を通して研磨剤スラリーを受け取るが、これはスピンドル４２の内部にある１つ又は複数のスラリー供給ライン５２から供給される。スピンドルは、スピンドル移動機構５６に取り付けられたスピンドル駆動装置アッセンブリ５４内に回転可能に取り付けられている。移動機構は、制御可能な往復又は軌道運動をする数多くの機械式、電気式、又は空圧式装置の何れでもよく、或いは回転アーム機構でもよく、研磨パッドを、研磨作業の間にウェーハ上の複数の別々の位置に動かすことのできるものであればよい。
【００１２】
スピンドル駆動装置アッセンブリ５４は、研磨パッドキャリア・ヘッド３８上で研磨パッド３６を回転させるよう設計されており、スピンドルの動きが、研磨パッドをウェーハＷの平面に向かって或いはそこから離れるように動かし、同時にＣＰＭ処理の間ウェーハに総合的に制御された圧力を掛けるように設計されている。また、パッドキャリア及び装置アッセンブリに容易にアクセスして、研磨パッドを自動的に交換できるようになっている。スピンドル駆動装置アッセンブリは、適していればどの様なものでもよく、例えば、カリフォルニア州フレモントのラムリサーチ社から入手可能なＴＥＲＥＳ（商標）研磨機に使用されているようなスピンドル駆動装置アッセンブリを使えばこのタスクを達成することができる。スピンドル移動機構５６は、研磨されているウェーハＷと同一面の方向にスピンドルを移動できるものであれば、数多くの機械的又は電気的装置の何れでもよい。この様にして、研磨パッド３６は、必要ならば、ウェーハＷの半径に沿う近くの特定の位置で、正確に位置決めし、及び／又は振動させることができる。
【００１３】
パッドドレッシング／コンディショニング・アッセンブリ１６は、ウェーハキャリア・アッセンブリ近くでパッドキャリア・アッセンブリ１４の反対側に配置されているのが望ましい。パッドドレッシング・アッセンブリ１６は、原位置及び／又は別位置で研磨パッド表面３６の修正と洗浄を行うよう設計されている。
【００１４】
或る実施形態では、パッドドレッシング・アッセンブリ１６の活性表面５８のサイズは、研磨パッドの面積とほぼ同じであるのが望ましい。パッドドレッシング・アッセンブリの活性表面は、別の実施形態では、研磨パッドの面積より大きくても小さくてもよい。更に、パッドドレッシング・アッセンブリは、他の実施形態では、多数の回転表面で構成されている。
【００１５】
パッドドレッシング・アッセンブリ１６は、処理されているウェーハＷの表面と同一平面の表面５８を有している。パッドドレッシング・アッセンブリの活性面積のサイズは、少なくとも、単一又は小さな複数のヘッドで構成されている研磨パッド３６のサイズと同じである。パッドドレッシング・アッセンブリ１６の表面５８は、モーター６４に回転可能に取り付けられたシャフト６２に取り付けられているパッドドレッシング・ヘッド６０に固定されている。パッドドレッシング表面５８のウェーハＷとの平坦性を維持するのを支援するため、平面調節機構６６を使って、パッドドレッシング・ヘッド６０の位置を調節する。
【００１６】
或る実施形態では、平面調節機構６６は、ＣＰＭ処理とＣＰＭ処理の間に、高さの変動を補正するために弛められ、調節され、再締め付けされる機械的な装置である。別の実施形態では、平面調節機構は、バネ又は空圧シリンダーのような能動的な機械的又は電気的装置であって、パッドドレッシング・ヘッド６０上に継続的に上向きの力を働かせ、パッドキャリア・アッセンブリ１４のパッドドレッシング表面５８に対する圧力を、パッドドレッシング表面がウェーハキャリア・アッセンブリ１２上に載置されているウェーハＷと共面関係となるよう維持している。更に別の実施形態では、３つの個別に高さ調節可能なシャフトを有する３点バランス装置を使って、パッドドレッシング表面及び／又はウェーハキャリア・ヘッドの面を調節する。ウェーハキャリア・アッセンブリ１２と同様に、パッドドレッシング・ヘッド６０は、円形ベアリングで支持されているか、又はシャフト６２だけで支持されている。
【００１７】
図５Ａ−５Ｄは、パッドドレッシング・ヘッド６０上に配置されたパッドドレッシング表面の好適な実施形態を数例挙げたものである。図５Ａでは、パッドドレッシング表面は、３Ｍ及びダイアモネクスから入手可能なアルミナ、酸化セリウム、ダイアモンドなどの固定研磨剤媒体７０で完全に覆われている。加えて、脱イオン化水、スラリー、又は他の所望の化学物質スプレイのような流体を移送するための複数のオリフィス７２が、表面を横切って分散配置されている。
【００１８】
パッドドレッシング・アッセンブリの活性表面は、ダイアモンド被覆プレート又はパッドのような単一のドレッシング造形で構成してもよいし、幾つかの異なる材料片を組み合わせて構成してもよい。別の好適な実施形態では、パッドドレッシング・ヘッドの表面は幾つかの区画に分割され、固定研磨剤ユニット、ブラシとスプレイのユニット、噴霧器及び他の形式の既知のドレッシングサービスのような、各種標準サイズのパッド修正区画のセットを含んでいる。所望のパッドドレッシング性能次第で、パッドドレッシング・ヘッドの表面の各区画は、回転及び上下運動を行う個別制御可能なアクチュエータと、液体供給ポートを有している。
【００１９】
図５Ｂに示すように、パッドドレッシング表面は、表面の一部には固定研磨剤７４を、表面の別の部分には無凹凸のパッド７６を有し、無凹凸パッドの区画に沿って流体供給オリフィス７８の列が配置されているようなものでもよい。無凹凸パッドは、ローデル社から入手可能なポリテックスのような極微孔性の材料でもよい。別の好適な実施形態では、図５Ｃに示すように、パッドドレッシング表面は、ダイアモンド小砂の帯８０、もう一方の半径に沿って配置されたナイロンブラシ８２、ナイロンブラシとダイアモンド媒体の帯に対して直角に配置された複数の流体オリフィス８４を含んでいる。又別の好適な実施形態では、図５Ｄに示すように、固定研磨剤部分８６が、表面の互いに反対側にある１／４区画を占め、複数の流体オリフィス８８と無凹凸パッド９０が、それぞれ表面の残りの２つの１／４区画の１つを占めている。パッドを研磨し修正する研磨剤材料、パッドをすすぐ流体、及び／又は無凹凸パッド材料の数多くの構成の内、どれでも利用することができる。加えて、適していればどの様な固定研磨剤又は流体を使用してもよい。
【００２０】
図１−５の研磨機１０は、ウェーハキャリア・アッセンブリと、その各表面の間に共面関係のあるパッドドレッシング・アッセンブリで構成されているのが望ましい。上記のように、共面特性は、手動で調整することもできるし、自己調整することもできる。また、パッドドレッシング・ヘッドとウェーハキャリア・ヘッドは、半径方向でできるだけ近くに配置され、最大量の研磨パッド材料が修正されるようになっているのが望ましい。パッドドレッシング・ヘッドの表面は、十分大きく且つウェーハキャリアの十分近くに配置されており、全研磨パッドが、パッドが１回転完了した後修正されるようになっているのが望ましい。別の実施形態では、複数のパッドドレッシング装置を使って、パッドの或る部分又は異なる部分を修正している。これら別のパッドドレッシングの実施形態では、各パッドドレッシング・アッセンブリの表面は、ウェーハキャリア・ヘッドに対して半径方向に配列されるか、又は他の所望の形態で配列されている。
【００２１】
ある好適な実施形態では、ウェーハキャリア、パッドキャリア及びパッドドレッシングの各アッセンブリは、ジンバルを備えていないヘッドを有する構造となっている。別の実施形態では、パッドキャリア・ヘッドは、業界で普通に知られているジンバル付のヘッドで、相互に影響を及ぼすウェーハ表面、研磨パッド及びパッドドレッシング表面の整列における僅かな精度不良を補償する。また、ウェーハキャリア・ヘッドとパッドドレッシング・ヘッドは、それぞれの表面が上方向に向き、パッドキャリアヘッドは下方向に向くよう配置されているのが望ましい。このウェーハを上向きにする構成の利点は、原位置表面検査、終点検出及びウェーハ表面への液体の直接供給を改善するのを支援できることである。他の実施形態では、ウェーハキャリア・ヘッドとパッドドレッシング・ヘッド、及び対抗するパッドキャリア・ヘッドは、非水平面、例えば垂直面に平行に向いていてもよいし、スペースと設備の制約次第では完全に逆転（即ち、研磨パッドが上向きで、ウェーハとパッドドレッシング表面が下向き）していてもよい。
【００２２】
図６に示すように、研磨機１０は、プログラム可能メモリ６７に記憶されている命令に基づいてマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）６５により制御される。命令とは、研磨機の各種構成要素が感知し又は維持する演算パラメータの組合せに基づいてユーザーが入力又は計算するウェーハ固有の研磨計画に関係するコマンドのリストである。これらのパラメータには、パッド、ウェーハ及びパッドドレッシング用各キャリアヘッドの回転速度、スピンドル駆動装置アッセンブリ５４からの位置／力情報、スピンドル直線移動機構５６からの半径方向パッド位置情報、ＣＰＵが維持し終点検出器６１からの情報によってプロセス中に調整される研磨時間が含まれている。ＣＰＵは、研磨機の各構成要素それぞれと通信しているのが望ましい。
【００２３】
上記図１−６に示す研磨機１０に関し、その作用を以下に説明する。ウェーハがウェーハキャリア上に載置された後、研磨パッドが、スピンドル駆動装置アッセンブリによって、図７に示すように研磨パッドがウェーハ表面の一部にだけオーバラップするように降ろされる。研磨機は、ウェーハ表面をパッドで完全に覆うように操作することもできるが、パッドは、所与の時間何時でも、ウェーハ表面の一部だけを覆いこれと接触しているのが望ましい。また、研磨パッドのウェーハを覆っていない部分は、パッドドレッシング・アッセンブリの表面を覆いこれと接触しているのが望ましい。この様に、研磨パッドのある部分が、回転しているウェーハの一部に回転しながら押し付けられている間に、研磨パッドの別の部分は、パッドドレッシング・アッセンブリの回転している表面に対して回転しているので、ウェーハ処理の間に研磨パッドは洗浄され修正される。ウェーハ処理の後で、パッドドレッシング・アッセンブリを使ってパッドを洗浄し修正してもよいし、ウェーハ処理の間と後の両方で行ってもよい。研磨パッド全体を、研磨とパッド修正のこの連続プロセスに使用するのが望ましい。
【００２４】
研磨機１０は、ウェーハ毎に等しく区域的的変動に対処できるようになっているのが望ましい。この機能は、先ず各ウェーハのプロフィール情報を入手し、次に、研磨機に関わる研磨方策を計算して各ウェーハの具体的な非均一性に取り組むことにより実現される。ウェーハのプロフィール情報は、具体的なウェーハの早期層を処理する際に求められた初期の測定値から得ることもできるし、ウェーハの処理前に、その目的で測定してもよい。数多くの既知のプロフィール測定技法の何れを使って必要なプロフィールデータを入手してもよい。例えば、４点プローブを使用する抵抗測定、又は音速測定を、ウェーハの中心からエッジまでの各点に用いてプロフィール特性を求めることもできる。これらの特性を、先に計測した研磨パッドの特性（例えば、研磨パッドの半径に沿った各点で測定された研磨応答）と組み合わせて使って、最良の研磨方策（例えば、研磨パッド経路、ウェーハとパッドの回転速度、パッドに加えられる押し付け力、研磨経路上の各点における時間）を計算し、その命令をＣＰＵの実行に備えて研磨機のメモリに記憶する。
【００２５】
ウェーハを研磨する前及び後で、ウェーハキャリア・アッセンブリ１２内のウェーハ持ち上げシャフト３４が起動され、ウェーハをウェーハ受入表面から持ち上げ、ウェーハをウェーハキャリアロボットと受け渡しする。また、或るウェーハでは、ＣＭＰ処理の間に、ウェーハ、研磨パッド、パッドドレッシング表面を全て同じ方向に回転させるのか望ましい。回転方向に関してこの他の組合せも考えられ、個々のアッセンブリの回転速度を変え、特定の研磨段階の間に意図的に変化させてもよい。
【００２６】
研磨方策が決められ記憶されると、ウェーハはウェーハキャリアに正しく取り付けられ、先に決められた研磨方策に従って研磨が進められる。パッド、ウェーハ及びパッドドレッシング表面は、全て所望の速度で回転される。パッド、ウェーハ及びパッドドレッシング表面に関する適した回転速度は、毎分０−７００回転（ｒ．ｐ．ｍ．）の範囲にある。７００ｒ．ｐ．ｍ．を超える回転速度と回転速度の組合せも考えられる。スピンドル用の直線移動機構は、パッドのエッジをウェーハの半径に沿う第１の点に位置決めし、スピンドル駆動装置アッセンブリが、パッドをウェーハ表面に達するまで降ろし、所望の圧力が掛けられる。研磨パッドは、ウェーハの一部を覆うのみで、所望の研磨時間が経過するまでウェーハを研磨し続けるのが望ましい。１つ又は複数の送受信ノード６３を有する終点検出器６１（図１）などの処理状態検査システムが、ＣＰＵと通信して、ウェーハの目標領域に対する研磨進行に関する原位置情報を提供し、元の研磨時間推定値を更新するようになっているのが望ましい。数多くの既知の表面検査及び終点検出法（光学、音響、温度など）の何れを使用してもよい。予め定めた研磨方策を各個々のウェーハに適用している間に、表面検査ツールからの信号を使って、各位置で研磨パッドが費やす時間の正確な調整が行われる。
【００２７】
ウェーハの第１領域を研磨した後、直線割出し機構は、研磨パッドを次の位置に動かし、その次の領域で研磨を続ける。研磨パッドは、次の半径方向位置に移動する間、ウェーハ表面との接触を維持するのが望ましい。更に、研磨機が、研磨パッドを、研磨パッドのエッジがウェーハの中心を出発する第１の位置から、中央から半径方向に離れた次の位置に、ウェーハのエッジに達するまで順次移動させる間に、異なる方向又は半径方向でない経路に沿って移動させることによって、具体的なウェーハのプロフィールは最良に処置される。例えば、第１の研磨動作は、研磨パッドのエッジをウェーハの中心とエッジの間の或る点に合わせて始まり、研磨機は、研磨パッドを、ウェーハの半径に沿ってエッジ方向の位置に動かし、最後の研磨を、パッドの中心をウェーハの中心に合わせて終了する。
【００２８】
研磨の間、研磨パッドは、パッドドレッシング・アッセンブリの表面と常に接触しているのが望ましい。パッドドレッシング・アッセンブリは、パッドを修正して所望の表面を作り出し、研磨処理で生成された副産物を除去する。パッドドレッシング・アッセンブリ表面上の研磨剤材料が、パッド表面を好適に活性化すると同時に、加圧脱イオン水又は他の適した化学的洗浄剤が表面のオリフィスを通してパッドに対し噴霧される。
【００２９】
ＣＰＵを使って、スピンドルがパッドキャリアヘッドに掛ける圧力をモニターし、パッドキャリア・ヘッドとウェーハを制御状態下で回転させながら、研磨処理は、研磨機が領域を仕上げたと終点検出器が表示するまで続けられる。終点検出器から情報を受け取ると、ＣＰＵは、スピンドル直線移動機構５６に命令し、研磨パッドを、ウェーハ中心に関して半径方向に動かし、ウェーハの中心から引き離して、ウェーハの次の環状領域に焦点を合わせる。パッドとウェーハは、パッドがウェーハのエッジに向けて半径方向に引き込まれる間、接触を維持しているのが望ましい。或る好適な実施形態では、スピンドル直線移動機構５６は、パッドの個別のステップ状運動を割り出すのみである。別の好適な実施形態では、スピンドル機構５６は、位置間の割出しを行い、各割出し位置の周りに半径方向に前後振動して、ウェーハ上の研磨領域の間の移行を平滑化するのを助ける。
【００３０】
別の実施形態では、スピンドル直線移動機構は、ステップ状に移動し、各ステップの後では、スピンドルを固定された半径方向位置に維持し、研磨パッドキャリアの回転中心からオフセットしている研磨パッドを利用して、パッドとウェーハの間に振動的運動を作り出す。図から明らかなように、研磨パッドは、ウェーハと常時接触を維持しているばかりでなく、パッドドレッシング・アッセンブリの表面とも常時接触を維持している。研磨パッドは回転する毎に、先ずウェーハを横切り、次にパッドドレッシング・アッセンブリの表面の各部分と接触する。
【００３１】
研磨機１０は、パッドをウェーハに完全にオーバラップさせることもできるよう構成されているが、パッドは、ウェーハに対し様々な部分的にオーバラップする位置の間に割り出され、所望の材料間隙又は材料厚さプロフィールに従うのを助けるのが望ましい。この構成とプロセスの利点には、ウェーハの各環状部分で除去される材料の量に焦点を合わせ、より大きな研磨制御を実現し、ウェーハの全表面を同時に研磨する際にしばしば生じる非均一及び過剰研磨の問題を回避する能力が含まれる。更に、部分的オーバラップする構成とすることで、同時に且つ継続して、全パッドの検査と原位置パッド修正が可能となる。
【００３２】
パッドドレッシング・アッセンブリを１つだけ示しているが、複数のパッドドレッシング・アッセンブリを装備することもできる。本研磨機１０の利点は、ウェーハと研磨パッドが完全にはオーバラップしていないという好都合な事実に基づいて、原位置表面検査、上層厚さ測定／終点検出と同時に、原位置パッド修正を行えることである。加えて、パッドとウェーハのオーバラップを、研磨パッドの半径より小さな点で開始することにより、研磨パッドは、１回転毎に完全に修正することができる。更に、研磨パッドの表面をフルに利用することで、費用も低減することができる。研磨パッドが研磨しているウェーハよりも相当に大きな幾つかの先行技術によるシステムとは違って、研磨パッドの全表面を活用することができるようになっている。
【００３３】
他の実施形態では、図１−７に示す研磨機１０は、図８に示すように大きなウェーハ処理システム１１０の中のモジュール１００として使用されている。図８のシステムでは、複数のモジュールが直列に繋がれ、ウェーハ処理能力を上げている。ウェーハ処理システム１１０は、標準入力カセット１１２に装填された、平坦化と研磨を必要とする半導体ウェーハを受け取るよう構成されているのが望ましい。ウェーハ運搬ロボット１１４を使って、個々のウェーハを、研磨に備えカセットから第１モジュール１００に搬送する。第２ウェーハ運搬ロボットを使って、図１の研磨機１０に関して説明したように第１モジュールで処理が完了したら、ウェーハを次のモジュールに搬送する。システム１１０は、具体的なウェーハの研磨の必要性に対処するのに必要なだけ多くのモジュール１００を装備することができる。例えば、各モジュールは同じ型式のパッドとスラリーの組合せを装備していてもよいし、固定研磨剤技法を使用する際にはスラリー無しでもよく、各ウェーハは、各モジュールで部分的に平坦化され、個々の研磨の累積効果で、ウェーハは、最終モジュールで最後の研磨を受けた後、完全に研磨されたことになる。
【００３４】
代わりに、各モジュールで異なるパッド又はスラリーを使用してもよい。図１の研磨機１０に関して先に説明したように、各研磨機１００は、ツールチャンジャーを使用して研磨パッドキャリアを交換することができる。この追加の柔軟性は、図８のシステムにおいて、各モジュールのスピンドル駆動装置アッセンブリと協働してシステム全体を分解する必要無しに自動的にパッド間の切換を行うパッドロボット１１８を使って実現される。新しいパッド１２０と使用済みのパッド１２２のための多区画パッドキャリア・ヘッド貯蔵箱を各モジュールに隣接して配置し、摩耗したパッドが付いているパッドキャリア・ヘッドを新しいパッドの付いたパッドキャリア・ヘッドと効率的に交換することができるようになっている。単一バーコード走査技法のような分類技法を使って、異なる型式のパッドを有するウェーハパッド・キャリアを分類し各モジュールに配置しているので、パッドの様々な組合せをシステム１００内でアッセンブリすることができる。
【００３５】
平坦化の後、第２ウェーハロボット１１６は、ウェーハを、洗浄とバフ掛けに備えて各種ＣＭＰ後処理モジュール１２４に送る。ＣＭＰ後処理モジュールは、回転式バフ掛け器、両面擦り洗い器、又は他の所望のＣＭＰ後処理装置である。第３ウェーハロボット１１６は、研磨と洗浄が完了したら、各ウェーハをＣＭＰ後処理モジュールから取り外して出力カセットに入れる。
【００３６】
図１の研磨機の別の実施形態では、固定研磨剤材料で作られた研磨パッドが使用されており、固定研磨剤材料は、外周部が円形となっており、半径方向内側にパッドの中心に向け途中まで部分的に延び、環状となっている。固定研磨剤研磨材料の無い領域は、固定研磨剤材料で境界が定められている。固定研磨剤研磨材料の無い領域は、研磨パッドの直径に関し対称であるのが望ましい。固定研磨剤材料の無い領域は、実質的に表面全体が研磨パッド材料で占められている標準的な回転式パッドと比べて、研磨パッドの合計表面積を減じることになるので、研磨機が掛けることのできる押し付け力が同じとした場合に半導体ウェーハに掛かる点負荷圧力を増すことができるようになる。
【００３７】
或る好適な実施形態では、図９に示すように、研磨パッド２００は、固定研磨剤材料の環状領域２０２を有しており、固定研磨剤材料の無い中心領域２０４はほぼ円形となっている。パッドの周辺部分２０８に固定研磨剤材料のある研磨パッド２０６の別の例を図１０に示す。この実施形態では、固定研磨剤材料は、外周部が実質的に円形であり、固定研磨剤材料の無い中心領域２１０は、星形模様となっている。図１１−１２の固定研磨剤研磨パッド２１２、２１４のような他の造形を使っても、固定研磨剤材料の表面積を減らして研磨パッドの除去速度特性を変えることができる。表面積の少ない研磨パッドは、荷重を所望通りに上げるために、ウェーハと接触する表面積が指定通りに減るよう選択されることが望ましい。研磨パッドの具体的な形状は、具体的な処理に対する非均一性要件に合致するよう調節される。
【００３８】
固定研磨剤材料は、半導体ウェーハを平坦化するのに適したものであれば、商業的に入手可能な数多くの固定研磨剤の何れでもよい。この型式の固定研磨剤の例としては、ミネソタ州セントポールの３Ｍ社から入手可能なスラリー無しＣＭＰ材料を挙げることができる。図９−１２に示す固定研磨剤パッドは、数多くの標準的接着剤の内の何れを使用してパッドキャリア・ヘッド２３に接着してもよい。
【００３９】
図９の環状研磨パッドの実施形態では、固定研磨剤環状パッドは、外径が、平坦化対象のウェーハの外径と等しいかそれ以上であるのが望ましい。環状部の幅Ｔは、固定研磨剤媒体を活性化させるのに必要な圧力、及びスピンドル駆動装置アッセンブリの力を掛ける限界、又は所望の除去プロフィールに応じて選定される。この様に、固定研磨剤媒体から最適な平坦化特性得るための固定研磨剤媒体に固有の圧力要件を知り、スピンドル駆動装置アッセンブリが研磨パッドキャリアに掛けることのできる力の範囲を知って、ウェーハ処理の間に最適な圧力範囲内で研磨パッドを作動させることのできる接触面積を提供するように、幅Ｔは選定される。或る実施形態では、環状部の幅は、０．５から３．０インチの範囲にある。図９−１２の固定研磨剤研磨パッドのような、表面積が小さなことの利点は、従来のウェーハ規模の研磨プラットフォームを使えば通常は得ることのできない高い押し付け力で、ダイレベルの性能を改善できることである。
【００４０】
図９−１２の表面積を減じたパッド用のパッドドレッシング・アッセンブリ１６は、図１に関して先に説明したものと同じであるのが望ましい。パッドドレッシング・ヘッド６０は、研磨パッド上に固定研磨剤研磨材料を整え、研磨パッドから外れた固定研磨剤材料を除去して悪影響を排除するのに適切な、研磨剤と流体オリフィスの組合せの内どれだけを含んでいてもよい。固定研磨剤材料をドレッシングするのも、この方法で新しい固定研磨剤を露出し続けることで達成される。
【００４１】
先に述べたように、固定研磨剤環状研磨パッドの利点は、接触面積が、標準的な円形／回転式パッドよりも小さいことである。接触面積を小さくするほど、パッドキャリア・ヘッドに掛ける力が決まっている場合、ウェーハに掛けることのできる圧力を上げることができる。或る好適な実施形態では、固定研磨剤研磨パッドを使って、８インチウェーハのウェーハ表面に１５−３０ポンド／平方インチ（ｐ．ｓ．ｉ．）の圧力が掛けられる。これと対照に、典型的な散布研磨剤処理では、１５ｐ．ｓ．ｉ．より低い必要がある。ウェーハの面積より小さな荷重分担断面を有する環状パッドを使えば、高い局所押し付け力が得られ、固定研磨剤媒体から良好な平坦化効率を得ることができる。固定研磨剤環状研磨パッドが環状形状なので、既存のスピンドル駆動装置アッセンブリを使うことができ、より強力な押し付け力機構の費用、サイズ、重量を回避する助けとなる。
【００４２】
図９−１２に関連して説明した固定研磨剤研磨パッドを図１の研磨機１０に使えば半導体ウェーハを高い平面度で仕上げることができるが、散布研磨剤処理の低欠陥ウェーハ研磨仕上げ特性が望ましいこともしばしばある。或る好適な実施形態によれば、図８の研磨システム１１０のような研磨システムには、表面積の小さな固定研磨剤研磨パッドを有するＶａＰＯ研磨モジュール１００と、第２段階用の散布研磨剤研磨モジュール１００が含まれている。散布研磨剤の段階は、半導体ウェーハ表面と完全にオーバラップする研磨パッドを有する標準的な回転式研磨機、ウェーハの幅より広い幅の研磨ベルトを有する直線状の研磨モジュール、又は、無研磨剤研磨パッドの部分だけが散布研磨剤スラリー媒体によって半導体ウェーハと接触することになる、図１に示すようなＶａＰＯ研磨機で行われる。又別の好適な実施形態では、散布研磨剤段階は、図１に示すような、固定研磨剤の段階で使用されたのと同じＶａＰＯ研磨ステーションで実行される。これは、パッドロボット１１８を使用して、無研磨剤研磨パッドを有するパッドキャリア・アッセンブリを、固定研磨剤パッドを保持するパッドキャリアアッセンブリと入れ替えることにより行われる。
【００４３】
適したＶａＰＯの例、無研磨剤研磨パッド２１６を図１３に示す。このパッド２１６には、散布研磨剤処理の間に散布研磨剤スラリーを運ぶのを助けるための同心溝２１８が設けられている。無研磨剤パッドに供給される散布研磨剤スラリーは、研磨されているウェーハ材料の種類に適した、酸化セリウムベース、ＳｉＯ２ベース、Ａｌ２Ｏ３ベース、又は他の既知の散布研磨剤である。
【００４４】
代わりに、ＶａＰＯ回転式装置又は標準的な回転式研磨機ではなく直線ベルト式研磨機を使用してもよい。好適な研磨処理の固定研磨剤及び散布研磨剤両方の段階を行うのに用いるに適した直線ベルト式研磨機としては、カリフォルニア州フレモントのラムリサーチ社から入手可能なＴＥＲＥＳ（商標）ＣＭＰシステムに使われている直線ベルト式研磨モジュールがある。直線ベルト式研磨機の例を図１４に示す。直線研磨機２２０は、ウェーハ２２１の表面に対して直線状に動くベルト２２２を使っている。ベルト２２２は、ローラー（又はスピンドル）２２３及び２２４の周りを回転する連続したベルトであり、ローラーの一方又は両方がモーターのような駆動手段で駆動されているので、ローラー２２３、２２４の回転運動によって、ベルト２２２が、ウェーハ２２１に対して（矢印２２６で示すような）直線運動をするようになっている。研磨パッド２２５は、外側表面をウェーハ２２１に向けて、ベルト２２２上に固定されいる。
【００４５】
ウェーハ２２１は、通常、ウェーハキャリア２２７上に在る。ウェーハ２２１は、リテーナーリング２２９のような機械的保持手段で適所に保持され、ウェーハ２２１がパッド２２５と係合するよう配置された際にウェーハが水平方向に動くのを防いでいる。一般的に、ウェーハ２２１が入っているウェーハキャリア２２７は回転し、一方、ベルト／パッドは直線方向２２６に動いてウェーハ２２１を研磨する。散布研磨剤処理の段階では、直線状の研磨機２２０も、スラリー供給機構２３０を装備し、スラリー２３１をパッド２２５上に供給する。パッド修正器（図示せず）は、通常、パッド２２５を使用中に再修正するために使用される。パッド２２５を使用中に再修正する技法は、当該技術分野では既知であり、一般的には、使用済みのスラリーと取り除かれた廃棄物質によって生じる残留積層を取り除くため、常時パッドをドレッシングする必要がある。
【００４６】
支持台又はプラテン２３２が、ベルト／パッドアッセンブリがプラテン２３２とウェーハ２２１の間にくるよう、ベルト２２の下側でキャリア２２７の反対側に設置されている。プラテン２３２は、ベルト２２２の下側でプラットフォームを支え、均一な研磨が行われるよう、パッド２２５がウェーハ２２１と十分に接触するようにしている。作動時、キャリア２２７は、適切な力でベルト２２２及びパッド２２５に対し下向きに押し付けられるので、パッド２２５がウェーハ２２１と十分に接触してＣＭＰが行われる。ベルト２２２は、可撓性で、ウェーハをパッド２２５上に下向きに押し付けると押し下げられるので、プラテン２３２が、この下向きの力（押し付け力とも称す）に対して、必要な支持反力を提供する。
【００４７】
プラテン２３２は、固体のプラットフォームでもよいし、流体ベアリングでもよい。プラテンからの流体流を使ってベルト２２２の下側に働く力を調節することができるように、流体ベアリングを使用するのが望ましい。この様にすると、ウェーハ上のパッドによって誘起される圧力変動を調節して、ウェーハ表面の研磨速度をより一様なものとすることができる。適した流体プラテンの例が、米国特許第５，５５８，５６８号に記載されており、その開示全体を、ここに参考文献として援用する。本システムに使用するのに適した直線ベルト式研磨モジュールに関する更に詳細なことは、米国特許第５，６９２，９７４号「半導体ウェーハ平坦化のための直線式研磨機と方法」に記載されており、その開示全体を、ここに参考文献として援用する。
【００４８】
固定研磨剤と散布研磨剤の研磨技法を組み合わせた、半導体ウェーハを平坦化する好適な方法を、図８及び１５を参照しながら以下説明する。半導体ウェーハＷは、先ず、フルサイズか又は表面積を減じた（例えば、環状）か何れかの固定研磨剤パッドを有するＶａＰＯ研磨モジュールに取り付けられる（２３４）。ウェーハと研磨パッドを回転させ、互いに部分的にオーバラップした状態で接触させ、研磨パッドは、パッドドレッシング・アッセンブリの表面とも部分的にオーバラップさせる。酸化物平坦化の場合には水酸化カリウムや水酸化アンモニウムのような無研磨剤流体、或いは脱イオン（ＤＩ）水を供給して、固定研磨剤平坦化処理を支援する。回転している研磨パッドとウェーハの間に第１圧力が維持される（２３６）。図７に示すように、研磨モジュールのパッドキャリア・アッセンブリは、平坦化の間に、ウェーハと部分的にオーバラップする複数の位置に、ウェーハの半径に沿って動かされる。固定研磨剤平坦化処理は、段差が所望の値（例えば、初期段差の８０％）に減じ、且つ第１被覆厚さに達するまで続けられる（２３８）。これは、通常、ウェーハ層が平坦化されてしまうとウェーハ内の凹凸により固定研磨剤材料が最早活性化されなくなる、固定研磨剤処理の自動停止能力によって達成される。代わりに、これを、原位置の終点検出と、或る好適な実施形態では標準的光学検査装置のような、ウェーハ表面検査測定法とで検出してもよい。パッドドレッシング要素は、新しい固定研磨剤研磨パッドの表面を事前修正できるだけ十分な研磨性があるように構成されているのが望ましい。加えて、パッドドレッシング要素は、平坦化処理の間に、使用済みの研磨剤と平坦化副産物を研磨パッドから必要に応じて取り除くよう構成されている。
【００４９】
固定研磨剤の処理の後、ウェーハは散布研磨剤処理に掛けられる。散布研磨剤処理では、ローデル社製のＩＣ１０００ポリウレタンパッドのような無研磨剤研磨パッドと、従来型の研磨スラリーを使用する。或る好適な実施形態では、散布研磨剤処理は、ウェーハロボットがウェーハを第１の研磨モジュールから取り外し、次にそれを第２の散布研磨剤モジュール用のホルダーに取り付け、別の研磨モジュールで行われる。第１の固定研磨剤モジュールと同様に、ウェーハと研磨パッドを回転させ互いに押し付ける。散布研磨剤研磨モジュールは、ウェーハと研磨パッドの間の圧力を、第１の研磨モジュールで固定研磨剤パッドとウェーハの間に維持されていた圧力よりも低い圧力に維持するのが望ましい。散布研磨剤パッドがウェーハに対して押し付けられる間、研磨処理を促進するため、研磨スラリーが、パッド及び／又はウェーハ上に供給される。無研磨剤パッド用のパッドドレッシング・アッセンブリは、研磨パッドを十分にドレッシングし（即ち、表面活性を回復させ）、研磨を進行する際の研磨副産物を取り除く。散布研磨剤研磨処理は、現在のウェーハ層に対する最終的所望厚さ及び／又は表面状態に達するまで続けられる（２４０）。
【００５０】
散布研磨剤処理は幾つかのやり方で実施することができる。上記のように、散布研磨剤処理は、パッドホルダー・アッセンブリを切り換え、散布研磨剤処理用に選択された無研磨剤パッドに研磨スラリーを掛けることにより、固定研磨剤処理と同じ研磨モジュールで実行することもできる。２つ又はそれ以上の研磨モジュールを使用する実施形態では、散布研磨剤研磨段階は、固定研磨剤段階の研磨機と同じではあるが表面積を減じた無研磨剤面積パッドを有するＶａＰＯ研磨機で実行するか、又は標準的な回転式又は直線ベルト式研磨機を使って実行することもできる。
【００５１】
単数又は複数のＶａＰＯ研磨機を使って、ウェーハを最初は固定研磨剤パッドで処理し、次に散布研磨剤で処理する、上記のハイブリッド研磨技法は、パターン付きウェーハに適用すると好都合である。パターン付きウェーハとは、ここでは、エッチングされたか又は蒸着された回路の層を１つ又は複数有するウェーハと定義する。パターン付きウェーハは、同じ回路設計のコピーを１つ又は複数有している。加えて、ハイブリッド研磨技法は、２つの異なる処理それぞれで平坦化することによって対象のウェーハの平坦化を実現する。固定研磨剤及び散布研磨剤処理のそれぞれが、特定のウェーハ層の少なくとも５００−１０００Åを除去するために使用される。ハイブリッド研磨技法の２つの処理それぞれで除去される量はそうでない場合も考えられ、具体的なパターン付きウェーハの形式と構成によって調整される。
【００５２】
別の実施形態では、上に論じたハイブリッド研磨技法は、標準的な回転式研磨機又は標準的な直線ベルト式研磨機を使って、共に、最初に固定研磨剤平坦化段階、続いて散布研磨剤平坦化段階の順で、パターン付きウェーハに適用される。この実施形態では、ウェーハ研磨機は、固定研磨剤平坦化段階及び散布研磨剤平坦化段階の何れの瞬間でも、パターン付きウェーハの表面全体を覆う研磨パッドを使用する。標準的終点検出技法を使って、所望量の材料がパターン付きウェーハの所与の層から除去された時を自動的に判定する。先にも述べたように、研磨システム及び方法は、ＶａＰＯ研磨機の柔軟性を上げ、様々な除去速度分配を行えるようにすると説明してきた。柔軟性は、必要な圧力を実現するのにより大きく重い研磨機を使用する必要性を回避することのできる、表面積を減じた研磨パッドを提供することによって実現することができる。加えて、パターン付きウェーハを処理する方法は、最初に、表面積を減じた固定研磨剤研磨パッドをＶａＰＯ研磨機で使用する固定研磨剤処理と、それに続く、比較的低欠陥のウェーハ表面仕上げを維持しながら平坦度品質を向上させることのできる散布研磨剤処理をリンクさせて実現される。
【００５３】
本発明は、その精神又は基本的特徴から逸脱することなく、ここに具体的に開示した形態以外の形態でも具現化することができる。上記の実施形態は、全て説明を目的としたものであり、拘束を加える意図はなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲に示す内容と等価なものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】
或る好適な実施形態による半導体ウェーハ研磨システムの一部破断側面図である。
【図２】
図１のシステムで使用するのに適したウェーハキャリア・アッセンブリの上から見た平面図である。
【図３】
図２の３−３線に沿う断面図である。
【図４】
図１のシステムで使用するのに適した、研磨パッドキャリア・アセンブリとツールチェンジャーの分解断面図である。
【図５Ａ】
図１のシステムで使用するのに適した、パッドドレッシング・アッセンブリの或る実施形態の上から見た平面図である。
【図５Ｂ】
図１のシステムで使用するのに適した、パッドドレッシング・アッセンブリの別の実施形態の上から見た平面図である。
【図５Ｃ】
図１のシステムで使用するのに適した、パッドドレッシング・アッセンブリの又別の実施形態の上から見た平面図である。
【図５Ｄ】
図１のシステムで使用するのに適した、パッドドレッシング・アッセンブリの更に又別の実施形態の上から見た平面図である。
【図６】
マイクロプロセッサと図１の研磨機の個々の構成要素の間の通信ラインを示すブロック線図である。
【図７】
図１のシステムの構成要素の動きを示す、上から見た平面図である。
【図８】
図１のウェーハ研磨機を組み込んだウェーハ処理システムを示す線図である。
【図９】
ある好適な実施形態による、図１の研磨機に使用される固定研磨剤回転研磨パッドである。
【図１０】
第２の好適な実施形態による、図１の研磨機に使用される固定研磨剤回転研磨パッドである。
【図１１】
第３の好適な実施形態による、図１の研磨機に使用される固定研磨剤回転研磨パッドである。
【図１２】
第４の好適な実施形態による、図１の研磨機に使用される固定研磨剤回転研磨パッドである。
【図１３】
ある好適な実施形態による、図１の研磨機において散布研磨剤と共に使用される無研磨剤回転研磨パッドである。
【図１４】
半導体ウェーハを研磨する際に使用するのに適した直線ベルト式研磨機の斜視図である。
【図１５】
図１及び８の研磨機及び研磨機システムを使って半導体ウェーハを処理する方法を示している。
【図６】
2004517479.tif 000003
【図８】
2004517479.tif 000004
【図１５】
2004517479.tif 000005
【国際公開パンフレット】
2004517479.tif 000006
2004517479.tif 000007
2004517479.tif 000008
2004517479.tif 000009
2004517479.tif 000010
2004517479.tif 000011
2004517479.tif 000012
2004517479.tif 000013
2004517479.tif 000014
2004517479.tif 000015
2004517479.tif 000016
2004517479.tif 000017
2004517479.tif 000018
2004517479.tif 000019
2004517479.tif 000020
2004517479.tif 000021
2004517479.tif 000022
2004517479.tif 000023
2004517479.tif 000024
2004517479.tif 000025
2004517479.tif 000026
2004517479.tif 000027
2004517479.tif 000028
2004517479.tif 000029
2004517479.tif 000030
2004517479.tif 000031
2004517479.tif 000032
2004517479.tif 000033
2004517479.tif 000034
2004517479.tif 000035
2004517479.tif 000036
2004517479.tif 000037
2004517479.tif 000038
2004517479.tif 000039
2004517479.tif 000040
2004517479.tif 000041
2004517479.tif 000042
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004517479.tif 000043
【国際調査報告】
2004517479.tif 000044
2004517479.tif 000045
2004517479.tif 000046
2004517479.tif 000047
2004517479.tif 000048