(57)【要約】【課題】  研磨レートの低下が小さい研磨方法及び研磨装置の実現。【解決手段】  表面に研磨パッド13が貼り付けられた回転可能なプラテン11と、ウエハ10を研磨パッド13に押し付けるように回転可能に保持するウエハ保持機構14とを備える研磨装置において、研磨パッドの表面にアルコールを供給するアルコール供給手段24と、アルコールが供給された研磨パッドの表面を超音波洗浄する超音波洗浄手段25とを備える。【選択図】      図３
2007005466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転するプラテンの表面に貼り付けられた研磨パッドに、表面に酸化膜材料を有するウエハを接触させて研磨する研磨方法において、
前記研磨パッドの表面にアルコールを供給し、
アルコールが供給された前記研磨パッドの表面を超音波洗浄することを特徴とする研磨方法。
【請求項２】
前記アルコールの供給と前記超音波洗浄は、前記ウエハの研磨が終了し、次の前記ウエハの研磨が開始されるまでの合間に行われる請求項１に記載の研磨方法。
【請求項３】
前記アルコールの供給と前記超音波洗浄は、前記ウエハの研磨中に、前記研磨パッドの前記ウエハを研磨している位置と異なる位置で行われる請求項１に記載の研磨方法。
【請求項４】
前記超音波洗浄の後、前記研磨パッドの表面を純水でリンスする請求項１から３のいずれか１項に記載の研磨方法。
【請求項５】
表面に研磨パッドが貼り付けられた回転可能なプラテンと、
ウエハを前記研磨パッドに押し付けるように回転可能に保持するウエハ保持機構とを備える研磨装置において、
前記研磨パッドの表面にアルコールを供給するアルコール供給手段と、
アルコールが供給された前記研磨パッドの表面を超音波洗浄する超音波洗浄手段とを備えることを特徴とする研磨装置。
【請求項６】
前記アルコール供給手段と前記超音波洗浄手段は移動可能であり、前記ウエハ保持機構が前記研磨パッドの表面から退避している時に、前記研磨パッドの表面上に移動する請求項５に記載の研磨装置。
【請求項７】
前記アルコールの供給と前記超音波洗浄は、前記研磨パッド上の前記ウエハ保持機構の位置と異なる位置に配置される請求項６に記載の研磨装置。
【請求項８】
前記超音波洗浄の後、前記研磨パッドの表面を純水でリンスする純水リンス手段を備える請求項５から７のいずれか１項に記載の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造プロセスで、ウエハ上に形成された層の表面を化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing: CMP)する研磨方法及び研磨装置（ＣＭＰ装置）に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体製造プロセスにおいては、ＣＭＰ装置を使用してプロセスの途中のウエハの表面をＣＭＰすることが行われており、特許文献１及び２などに説明されている。まず、従来のＣＭＰ装置の概略構成を簡単に説明する。
【０００３】
ＣＭＰ装置では、研磨パッドを貼り付けたプラテンを回転させ、研磨パッドに研磨剤（スラリー）を供給しながら、ウエハ保持機構に保持されたウエハを回転しながら研磨パッドに押し付けて研磨を行う。ＣＭＰでは、ウエハの表面に形成された酸化膜や金属膜の層を研磨する。
【０００４】
図１は、ＣＭＰ装置の概略構成図である。図１に示すように、研磨パッド１３を貼り付けたプラテン１１を回転軸１２の回りに回転し、研磨パッド１３上にスラリー供給器１６からスラリー１７を供給しながら、その上にウエハ保持機構１４に保持したウエハ１０を回転させながら押し付ける。ウエハ保持機構１４は、回転軸１５の回りに回転する。
【０００５】
研磨パッド１３は研磨に伴って薄くなるため、ある程度の厚さになると新品の研磨パッド１３に交換される。新品の研磨パッド１３は、スラリーを保持する表面の凹凸状態やスラリーとのなじみが不十分であるため、そのままでは安定した高品質の研磨を行うことができない。そこで、新品の研磨パッド１３に置き換えた時には、図１のドレッシング装置１８により、研磨パッド１３の表面をドレッシング処理する。ドレッシング装置１８は、回転軸２０の回りに回転する円板１９を有し、円板１９の表面２１は、ダイヤモンド砥粒を含む金属で作られており、部分的にダイヤモンド砥粒が突き出した凹凸を有する。回転するドレッシング装置１８の表面２１を、研磨パッド１３の表面全体に押し付けて、研磨パッド１３の表面をドレッシングする。ドレッシングの後、複数枚の予備ウエハを研磨し、研磨パッドの表面がスラリーに対してなじむようにした後、通常の研磨動作が行える状態になる。また、研磨パッドは、使用に従って表面が目詰まりすることがあり、そのような場合にもドレッシング処理が行われる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２１２７５４号公報
【特許文献２】特開２００４−６３４８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、研磨パッドは使用に従って表面が目詰まりして十分な研磨が行えない状態になるが、十分な研磨が行えない状態になるまでの期間、すなわち研磨できる期間をいかに延ばすかが、コスト低減及びスループット向上の上から重要な問題である。
【０００８】
十分な研磨が行えない状態では、単位時間当たりに除去される厚さが減少すると共に、ウエハ上の位置に対する研磨の均一性が低下するという問題が生じる。研磨により単位時間当たりに除去される厚さは、研磨レートと呼ばれる。該研磨レートが低下すると、研磨に要する時間が長くなり、スループットが低下するという問題を生じる。
【０００９】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、研磨レートの低下が小さい研磨方法及び研磨装置の実現を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を実現するため、本発明の研磨方法及び研磨装置は、表面に酸化膜材料を有するウエハを研磨する時に、研磨パッドの表面にアルコールを供給した状態で、超音波洗浄を行うことを特徴とする。
【００１１】
研磨パッドの表面状態は、研磨レート（研磨速度）に大きく影響する重要な要素であるが、研磨のメカニズムは十分に解明されていないのが現状である。
【００１２】
本願発明者は、表面に酸化膜材料を有するウエハを研磨する際、研磨パッドを構成する主成分であるポリウレタンが加水分解するということと、スラリー中のシラノールが、ポリウレタン中の極性分子と結び付くということの２つの挙動が、研磨レートの低下を招く要因の１つであることを見出した。したがって、研磨パッドのこのような化学的改質を回避できれば、化学的改質に起因する研磨レートの低下を改善することが可能であると考えられる。本願発明者は、極性分子がシラノールと結び付いたポリウレタンの研磨パッドにアルコールを作用させてシラノールを含むシリカ成分を除去することを考えた。しかし、実験の結果、研磨パッドの表面にアルコールを供給するだけでは短時間にシラノールを除去するのは難しいことが判明した。もちろん、研磨パッドの表面を長時間アルコールに接触させれば改質できる可能性もあると考えられるが、実用的とはいえない。そこで、更に実験を行い、アルコールが供給された研磨パッドの表面を超音波洗浄することでシラノールにより改質されたパッド表面を短時間に効率よく回復する技術を開発した。
【００１３】
図２は、研磨パッドをエタノール（エチルアルコール）で洗浄した場合と、更に研磨パッドをエタノール中で超音波洗浄した場合の研磨パッドの表面のＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光法）測定結果を示し、（Ａ）はドレッシングした後にウエハの研磨を行っていない状態の研磨パッドの測定結果を、（Ｂ）は表面に酸化膜が形成されたウエハを研磨して目詰まりが生じた状態の研磨パッドの測定結果を示す。（Ａ）において、Ａ１はウエハの研磨を行っていない基準状態の研磨パッドの測定結果を、Ａ２はエタノールで洗浄した研磨パッドの測定結果を、Ａ３はエタノール中で超音波洗浄した研磨パッドの測定結果を示し、（Ｂ）において、Ｂ１は目詰まりした基準状態の研磨パッドの測定結果を、Ｂ２はエタノールで洗浄した研磨パッドの測定結果を、Ｂ３はエタノール中で超音波洗浄した研磨パッドの測定結果を示す。
【００１４】
図２の（Ａ）に示すように、Ａ１からＡ３ではスペクトルが変化しておらず、ウエハの研磨を行っていない未処理の研磨パッドでは、エタノールによる洗浄及びエタノール中での超音波洗浄の両方で変化が生じないことが分かる。
【００１５】
これに対して、図２の（Ｂ）に示すように、Ｂ１はＡ１に対して1600cm-1及び1490cm-1のピーク及び1180cm-1付近が上昇し、1540cm-1のピークが低下しているが、エタノール中で超音波洗浄するとＡ３のようにＡ１に近い状態まで回復していることが分かる。ただし、Ｂ２のように、エタノールで洗浄しただけでは回復しない。
【００１６】
このような結果から、目詰まりした研磨パッドは、ベンゼン環を示す1600cm-1及び1490cm-1が変化していることから、加水分解している可能性が高く、エタノール中で超音波洗浄することにより、シラノールを含むシリカ成分が除去されて元の状態に回復すると考えられる。また、アルコールにより、研磨パッドの表面にシラノールが再結合するのを防止する効果もあると考えられる。
【００１７】
上記の実験ではエタノールを使用したが、メタノール（メチルアルコール）やイソプロピルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコールなどのアルコールを使用することも可能である。
【００１８】
研磨パッドの表面にアルコールを供給した状態で超音波洗浄するには各種の構成があり得る。
【００１９】
第１の構成では、表面に酸化膜材料を有するウエハを何枚か研磨した後、ウエハ保持部材を退避させた状態で、アルコールの供給と超音波洗浄を行い、これが終了した後、ウエハの研磨を開始する。
【００２０】
第２の構成では、ウエハの研磨中に、研磨パッドの前記ウエハを研磨している位置と異なる位置にアルコールを供給して超音波洗浄を行う。
【００２１】
なお、超音波洗浄の後、研磨パッドの表面を純水でリンスする。
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、研磨パッドの表面の化学的改質による研磨レートの低下が抑制できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、研磨方法及び研磨装置において、研磨レートの低下を抑制でき、スループットが向上するだけでなく、研磨パッドをドレッシングする頻度が低下するので、研磨パッドの損耗が低減でき、ランニングコストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図３は、本発明の第１実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は上面図である。第１実施例のＣＭＰ装置は、図１に示したような従来のＣＭＰ装置において、回転する研磨パッドの表面にアルコールを供給するアルコール用ノズル２４と、印加される電気信号に応じて超音波を発生するトランスジューサ２６を有する超音波洗浄器２５と、研磨パッドの表面に純水を供給するノズルを配列した純水ノズル部材２８を設けた。アルコール用ノズル２４と超音波洗浄器２５は、筐体２３に一体に設けられる。また、筐体２３及び純水ノズル部材２８は、ウエハ保持部材１４を退避した状態で、研磨パッド１３の上に移動する。
【００２５】
例えば、プラテン１１及び研磨パッド１３は回転軸１２の回りを５０ｒｐｍの回転速度で回転する。ウエハ１０は、直径約２００ｍｍのシリコン基板上にSiO2の酸化膜を形成したウエハで、ウエハ保持部材１４に保持され、２７．６ｋＰａ（４ｐｓｉ）の圧力で研磨パッドに押し付けられ、５０ｒｐｍの回転速度で回転する。１枚のウエハ１０は２分で研磨が終了する。
【００２６】
図３の（Ａ）に示すように、トランスジューサ２６は、研磨パッド１３の表面に平行に、狭い間隔で設けられる。アルコール用ノズル２４から研磨パッド１３の表面に供給されたアルコール２７は、研磨パッド１３が回転するため、図示のように下流側に設けられた超音波洗浄器２５と研磨パッド１３の間に入り、トランスジューサ２６と研磨パッド１３の間はアルコールで満たされた状態になる。この状態で、トランスジューサ２６から超音波を出力すると、アルコール及び研磨パッドの表面に超音波が作用して、アルコールは研磨パッド１３の表面へ化学的に強力に作用する。
【００２７】
図３の（Ｂ）に示すように、アルコール用ノズル２４と超音波洗浄器２５を有する筐体２３は、回転する研磨パッド１３の半径方向に移動して、研磨パッド１３の表面全体を洗浄する。しかし、アルコール用ノズル２４及びトランスジューサ２６を半径方向に配列して、移動せずに研磨パッド１３の表面全体を洗浄できるようにしてもよい。
【００２８】
純水ノズル部材２８は、筐体２３に対して、回転する研磨パッド１３の下流側に設け、研磨パッド１３の表面のアルコールを洗い流す。
【００２９】
図４は、第１実施例のＣＭＰ装置での動作を示すフローチャートである。
【００３０】
ステップ１０１では、Ｎ枚のウエハを連続して研磨する。
【００３１】
ステップ１０２では、ウエハ保持部材１４を退避させ、筐体２３及び純水ノズル部材２８を研磨パッド１３上に移動して、プラテン１１を回転してアルコール超音波洗浄を行う。アルコール超音波洗浄は、例えば、エタノールを供給し、トランスジューサ２６に３８ｋＨｚの１２０Ｗの電気信号を供給して約１５分間行う。この間、純水ノズル部材２８からは純水を供給しない。
【００３２】
ステップ１０３では、プラテン１１が回転した状態で、エタノールの供給を停止して、純水ノズル部材２８から研磨パッド１３の表面に純水を供給する。これにより、研磨パッド１３の表面は純水でリンスされる。このようにして、研磨パッド１３の表面は回復した状態になるので、ステップ１０１に戻る。
【００３３】
なお、処理時間を短縮するには、ステップ１０２と１０３を同時に行うことも可能である。ただし、この場合には、研磨パッド１３の表面には、エタノールが供給された直後に純水が供給されるので、エタノール及び純水の供給量が多くなる。
【００３４】
図５は、本発明の第２実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。第２実施例のＣＭＰ装置は、図１に示したような従来のＣＭＰ装置において、ウエハ１０を保持したウエハ保持部材１４の位置に対して、回転する研磨パッド１３の下流側に、アルコールを供給すると共に超音波を印加するアルコール超音波洗浄器３０を設け、更に下流側に研磨パッドの表面からアルコールを排出するためのワイパー３７を設け、更に下流側に研磨パッドの表面に純水を供給するノズルを配列した純水ノズル部材２８を設けた。参照番号２９は、図１のスラリーを供給するノズルを複数配列したスラリー供給器である。アルコール超音波洗浄器３０は、研磨パッド１３の表面に沿って半径方向に移動可能である。
【００３５】
図６は、アルコール超音波洗浄器３０の構成例を示す図である。図６の（Ａ）の構成例では、貯留部３１のアルコール２７がノズル３２から研磨パッド１３の上に供給される。貯留部３１の側面には超音波トランスジューサ２６が設けられており、発振回路３３からの信号により貯留部３１内のアルコール２７に超音波を出力する。これにより、アルコール２７は活性化された状態になり、ノズル３２から研磨パッド１３の上に供給されたアルコールは研磨パッド１３の表面へ化学的に強力に作用する。
【００３６】
また、図６の（Ｂ）の構成例では、ノズル３６の出力口を囲むように筐体３５を設け、筐体３５のノズル３６の出力口を囲む部分に超音波トランスジューサ２６を設ける。筐体３５は図示のような形状なので、筐体３５と研磨パッド１３の間は、ノズル３６から出力されたアルコールで満たされ、超音波トランスジューサ２６から超音波が出力され、アルコール及び研磨パッド１３の表面が活性化される。これにより、アルコールは、研磨パッド１３の表面に化学的に強力に作用する。
【００３７】
図７は、ワイパー３７の構成例を示す図である。図７に示すように、ワイパー３７は、可撓性部材３９を支持部材３８に固定した構成を有し、可撓性部材３９の先端を研磨パッド１３に当接させる。可撓性部材３９は、ポリエチレンフィルム、ＰＦＡ、ＰＴＦＥなどの研磨パッド１３に汚れ（コンタミネーション）を発生しない材料で形成することが望ましい。
【００３８】
図５に戻って、研磨パッド１３が回転している状態で、スラリー供給器２９から供給されたスラリーは、ウエハ保持部材１４に保持されたウエハ１０と研磨パッド１３の間に入り、ウエハの研磨が行われる。ウエハ保持部材１４の下を通過した研磨パッド１３は、アルコール超音波洗浄器３０により表面が改質され、ワイパー３７で研磨パッド１３の表面上に浮遊するアルコールが除去され、純水ノズル部材２８からの純水でリンスされ、スラリー供給器２９の部分に戻る。
【００３９】
ワイパー３７を設けることにより研磨パッド１３の表面上のアルコールが除去されるので、純水リンスの効率が向上する。なお、ワイパー３７を、図５の位置だけでなく、ウエハ保持部材１４とアルコール超音波洗浄器３０の間、及び純水ノズル部材２８とスラリー供給器２９の間にも設けるようにしてもよい。ウエハ保持部材１４とアルコール超音波洗浄器３０の間にワイパー３７を設けることにより、研磨パッド１３の表面がスラリーを除去した状態でアルコールを使用した超音波洗浄が行われ、研磨パッドの改質を効率よく行える。更に、純水ノズル部材２８とスラリー供給器２９の間にワイパー３７を設けることにより、スラリーが薄められることがなくなる。なお、ウエハ保持部材１４とアルコール超音波洗浄器３０の間隔を広くして、アルコール超音波洗浄器３０の部分ではスラリーをできるだけ除去するようにしてもよい。
【００４０】
図８は、アルコール超音波洗浄器３０の別の変形例を示す図である。この変形例では、筐体４０にアルコール用ノズル４１と、超音波洗浄に使用されたアルコールの廃液を回収する廃液ノズル４２と、超音波トランスジューサ２６とを設け、筐体４０を研磨パッド１３に近接して配置する。筐体４０の研磨パッド１３に面する部分は、図示のような形状であり、筐体４０と研磨パッド１３の間は、アルコール用ノズル４１から出力されたアルコールで満たされ、超音波トランスジューサ２６から超音波が出力され、アルコール及び研磨パッド１３の表面が活性化される。そして廃液用ノズル４２は筐体４０と研磨パッド１３の間のアルコールを排出するので、アルコールは、超音波洗浄に使用された直後に排出されるので、筐体４０の外に流れ出るアルコールの量を低減できる。このようなアルコール超音波洗浄器３０を使用すれば、ワイパー３７を除くことも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上説明したように、本発明は主として半導体装置を形成する半導体製造プロセスへの適用を意図しているが、表面に酸化膜が形成されたウエハを研磨する場合であれば、どのようなウエハにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の原理を説明する実験結果を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。
【図４】第１実施例のＣＭＰ装置の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。
【図６】第２実施例のＣＭＰ装置のアルコール超音波洗浄器の構成例を示す図である。
【図７】第２実施例のＣＭＰ装置のワイパーの構成例を示す図である。
【図８】第２実施例のＣＭＰ装置のアルコール超音波洗浄器の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０    ウエハ
１１    プラテン
１３    研磨パッド
１４    ウエハ保持部材
１７    スラリー
２４    アルコール用ノズル
２５    超音波洗浄器
２６    超音波トランスジューサ
２８    純水ノズル部材
【図１】
2007005466.tif 000003
【図２】
2007005466.tif 000004
【図３】
2007005466.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007005466.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007005466.tif 000009
【図８】
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