(57)【要約】【課題】ウエハの周縁近傍に対する押下げ圧力の低下を抑制し、これによって研磨レートの低下や不均一な研磨を抑制可能な研磨装置を提供することを目的とする。【解決手段】研磨装置１０は、ウエハ１２を研磨する研磨パッド１１とウエハ１２を保持する研磨ヘッド１３とを備える。研磨ヘッド１３は、ウエハ１２を面内方向に保持するリテーナリング１６と、ウエハ１２を研磨パッド１１側に押圧するメンブレンシート１７と、リテーナリング１６及びメンブレンシート１７を支持するヘッド本体１４とを有する。リテーナリング１６は、研磨対象のウエハ１２とほぼ同じ厚みを有しウエハ１２の周縁を面内方向に保持する内縁を有するリング状の補助リテーナ２０と、補助リテーナ２０の周縁部を保持するリテーナ本体２１ａ，２１ｂとを有する。メンブレンシート１７は、研磨対象のウエハ１２よりも大きな直径を有し、ウエハ１２と補助リテーナ２０の内縁近傍とを研磨パッド１１側に押圧する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエハを研磨する研磨パッドとウエハを保持する研磨ヘッドとを備え、該研磨ヘッドが、ウエハを面内方向に保持するリテーナリングと、ウエハを前記研磨パッド側に押圧するメンブレンシートと、前記リテーナリング及びメンブレンシートを支持するヘッド本体とを有する研磨装置において、
前記リテーナリングは、研磨対象のウエハとほぼ同じ厚みを有しウエハの周縁を面内方向に保持する内縁を有するリング状の第１部分と、該第１部分の周縁部を保持する第２部分とを有し、
前記メンブレンシートは、研磨対象のウエハよりも大きな直径を有し、該ウエハと前記第１部分の内縁近傍とを前記研磨パッド側に押圧することを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記第２部分は、前記研磨ヘッドのヘッド本体と研磨パッドとの間に挟持される、請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】
前記第１部分は、前記第２部分の内縁から突出する複数のフィンとして構成される、請求項１又は２に記載の研磨装置。
【請求項４】
前記第１部分の面内には、複数の切欠きが形成されている、請求項１又は２に記載の研磨装置。
【請求項５】
ウエハの周縁近傍の前記メンブレンシートの部分をウエハ側に押圧する周辺押圧部を更に備える、請求項１〜４のうちの何れか一に記載の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨装置に関し、更に詳しくは、半導体装置製造プロセスの化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）工程に好適に用いることが出来る研磨装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の集積度が高まり、半導体装置内部の配線の多層化が実現されている。配線が多層化された半導体装置では、膜表面の凹凸を、フォトリソグラフィ工程で用いられる光源の焦点深度の範囲内に形成する必要があり、膜の平坦化工程が重要である。このような平坦化工程の一環として、ＣＭＰ工程が採用されている。
【０００３】
図７にＣＭＰ工程で用いられる研磨装置の一例を示す。研磨装置１００は、円形の研磨面１１ａを有する研磨パッド１１を備え、研磨面１１ａ上には、ウエハ１２を挟んで、研磨ヘッド１３が対向して配置される。研磨ヘッド１３は、略円盤状のヘッド本体１４と、ヘッド本体１４下に配設されウエハ１２の背面に接するメンブレンシート１７と、メンブレンシート１７及びウエハ１２の周囲に配設されるリテーナリング１６とを備える。ヘッド本体１４の底部とメンブレンシート１７とによって閉空間１８が形成され、閉空間１８の内部に供給される高圧エアによって、ウエハ１２を研磨パッド１１側に押圧する。
【０００４】
リテーナリング１６は、上面がヘッド本体１４の底面に固定されると共に下面が研磨面１１ａに接する。図８は、リテーナリング１６とウエハ１２との相互間の位置関係を示す平面図である。リテーナリング１６は、リング状に形成され、その内縁がウエハ１２の周縁に接することによって、ウエハ１２を面内方向に保持する。
【０００５】
研磨に際して、研磨面１１ａの中心にスラリ（研磨剤）を供給しつつ、研磨パッド１１をその中心周りに回転させる。リテーナリング１６の内側にウエハ１２を保持しつつ、メンブレンシート１７がウエハ１２の背面を押圧することによって、ウエハ１２の主面を研磨面１１ａに押し付ける。この状態で、研磨ヘッド１３を、その中心周りに回転させると共に、研磨面１１ａの半径方向に往復運動させることによって、ウエハ１２の主面のＣＭＰ研磨を行う。
【０００６】
図７の研磨装置に類似の研磨装置及び研磨方法については、例えば特許文献１，２に記載されている。
【特許文献１】特開２００４−１１９４９５号公報
【特許文献２】特開２００２−３６７９４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来の研磨装置１００では、図７に示したように、メンブレンシート１７の周縁は、ウエハ１２の周縁上に位置する。しかし、この場合、研磨に際して閉空間１８内に高圧エアが供給されると、メンブレンシート１７が下向きに凸形状に変形することによって、図９の符号３１に示すように、メンブレンシート１７の周縁近傍が持ち上がり、その持ち上がった周縁近傍で押下げ圧力が低下する問題があった。押下げ圧力の低下は、研磨レートの低下や不均一な研磨に繋がり、半導体装置製造の歩留り低下を招く。
【０００８】
本発明は、上記に鑑み、ウエハの周縁近傍に対する押下げ圧力の低下を抑制し、これによって研磨レートの低下や不均一な研磨を抑制可能な研磨装置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】
上記目的を達成するために、本発明の研磨装置は、ウエハを研磨する研磨パッドとウエハを保持する研磨ヘッドとを備え、該研磨ヘッドが、ウエハを面内方向に保持するリテーナリングと、ウエハを前記研磨パッド側に押圧するメンブレンシートと、前記リテーナリング及びメンブレンシートを支持するヘッド本体とを有する研磨装置において、
前記リテーナリングは、研磨対象のウエハとほぼ同じ厚みを有しウエハの周縁を面内方向に保持する内縁を有するリング状の第１部分と、該第１部分の周縁部を保持する第２部分とを有し、
前記メンブレンシートは、研磨対象のウエハよりも大きな直径を有し、該ウエハと前記第１部分の内縁近傍とを前記研磨パッド側に押圧することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、研磨時に持ち上がるおそれがあるメンブレンシートの周縁近傍が、研磨対象のウエハに接しないようにすることによって、ウエハの周縁近傍に対する押下げ圧力の低下を抑制できる。これによって、ウエハの周縁近傍における研磨レートの低下や不均一な研磨を抑制し、半導体装置製造の歩留りを向上できる。
【００１１】
本発明の好適な態様では、前記第２部分は、前記研磨ヘッドのヘッド本体と研磨パッドとの間に挟持される。メンブレンシートがウエハを押圧する荷重を上回る荷重で、研磨ヘッドを研磨パッド側に押圧することによって、メンブレンシートがウエハを押圧する際の圧力を安定させることが出来る。
【００１２】
本発明の好適な態様では、前記第１部分は、前記第２部分の内縁から突出する複数のフィンとして構成される。第１部分をその鉛直方向に曲がり易くすることが出来る。
【００１３】
本発明の好適な態様では、前記第１部分の面内には、複数の切欠きが形成されている。洗浄液を用いた洗浄に際して、切欠きを介して洗浄液の流動性を向上できる。これによって、第１部分上にスラリが残留することを抑制できる。
【００１４】
本発明の好適な態様では、ウエハの周縁近傍の前記メンブレンシートの部分をウエハ側に押圧する周辺押圧部を更に備える。メンブレンシートが、ウエハよりも大きな直径を有するため、周辺押圧部をウエハの周縁寄りに配設できる。これによって、周辺押圧部を用いて、ウエハの周縁近傍をより効果的に押圧できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、図面を参照し、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る研磨装置の構成を示す断面図である。研磨装置１０は、半導体装置製造プロセスのＣＭＰ工程に用いる研磨装置であって、円形の研磨面１１ａを有しその中心周りに回転可能な研磨パッド１１を備える。研磨パッド１１はポリウレタンからなり、研磨面１１ａには研磨用の溝が形成されている。
【００１６】
研磨面１１ａ上には、図示しないスラリ供給管が、その先端の吐出口が研磨面１１ａの中央に位置するように支持される。研磨面１１ａ上には、また、ウエハ１２を挟んで、研磨ヘッド１３が対向して配置される。研磨ヘッド１３は、略円盤状のヘッド本体１４と、ヘッド本体１４下の中央部に配設され、ウエハ１２を研磨パッド１１側に押圧する押圧部１５と、押圧部１５及びウエハ１２の周囲に配設され、ウエハ１２を面内方向に保持するリテーナリング１６とを備える。
【００１７】
押圧部１５は、ヘッド本体１４下の中央部に、ウエハ１２の背面に接するメンブレンシート１７を備える。メンブレンシート１７は、略Ｕ字状の断面形状を有し、上縁がヘッド本体１４の底面に固定され、ヘッド本体１４の底面との間で閉空間１８を形成する。閉空間１８は、高圧エアを供給可能な第１エア供給部に接続され、第１エア供給部を介して閉空間１８内の圧力を調節することによって、ウエハ１２の背面に対する押下げ圧力を調節できる。メンブレンシート１７の底面は、略円形の平らな押圧面１７ａを構成する。本実施形態では、押圧面１７ａは、ウエハ１２よりも大きな寸法を有し、押圧面１７ａの周縁は、ウエハ１２の周縁よりも外側に位置する。メンブレンシート１７は、例えばネオプレン（登録商標）からなる。
【００１８】
閉空間１８の内部であってメンブレンシート１７上には、ウエハ１２の周縁に沿って周辺押圧部１９がリング状に配設されている。周辺押圧部１９は、高圧エアを供給可能な第２エア供給部に接続され、高圧エアの圧力を調節することによって、ウエハ１２の周縁近傍に対する押下げ圧力を調節できる。従って、ウエハ１２の周縁近傍には、第１エア供給部による圧力と、第２エア供給部による圧力との双方の圧力が加わる。
【００１９】
リテーナリング１６は、リング状の補助リテーナ２０と、補助リテーナ２０の周縁部を上下から挟持するリング状の上部リテーナ本体２１ａ、及び、下部リテーナ本体２１ｂとを備える。補助リテーナ２０と、上部リテーナ本体２１ａ及び下部リテーナ本体２１ｂとの間は、例えば接着によって固定されている。補助リテーナ２０は、ウエハ１２と略同等の厚みを有し、内縁側が研磨面１１ａとメンブレンシートの押圧面１７ａとの間に挿入される。また、内縁がウエハ１２の周縁に当接することによって、ウエハ１２を面内方向に保持する。
【００２０】
図２は、補助リテーナ２０の形状を示す平面図であり、図３は、補助リテーナ２０、上部リテーナ本体２１ａ、及び、ウエハ１２の相互間の位置関係を示す平面図である。下部リテーナ本体２１ｂは、上部リテーナ本体２１ａと同様の平面形状を有している。補助リテーナ２０は、リテーナ本体２１ａ，２１ｂの内縁から内側に突起する複数の台形状のフィン２２を含み、隣接するフィン２２の間には、略三角形状の切欠き２３が形成されている。切欠き２３によって、フィン２２をその面の鉛直方向に曲がり易くしている。
【００２１】
フィン２２の寸法は、例えば、台形の頂辺Ｘ１＝５２ｍｍ、底辺Ｘ２＝６３ｍｍ、高さＹ１＝１５ｍｍである。補助リテーナ２０及びリテーナ本体２１ａ，２１ｂは、例えばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ：Poly-phenylene Sulfide）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：Poly-ether-ether-ketone）からなる。
【００２２】
図４は、図１のＡ部を拡大して示す断面図である。本実施形態では、メンブレンシート１７の周縁とウエハ１２の周縁との距離Ｘ３は１０ｍｍに、メンブレンシート１７の周縁と周辺押圧部１９の中心との距離Ｘ６は１５ｍｍにそれぞれ設定されている。距離Ｘ６は、周辺押圧部１９を支持する部材（図示なし）がメンブレンシート１７に接触しない値として設定される。周辺押圧部１９は、ウエハの平坦部１２ａとエッジ部１２ｂとの境界１２ｃ上に位置する。
【００２３】
ところで、従来の研磨装置１００では、メンブレンシート１７の周縁はウエハ１２の周縁と同じ位置に設定されていたため、仮に周辺押圧部１９を配設したとしても、同図の符号３２に示すように、周辺押圧部１９をウエハ１２の周縁に近づけて配設することが出来ず、ウエハ１２の周縁近傍を効果的に押圧できなかった。これに対して、本実施形態の研磨装置１０では、メンブレンシート１７の周縁が、ウエハ１２の周縁よりも外側に位置するため、周辺押圧部１９を周縁寄りに配設し、ウエハ１２の周縁近傍を効果的に押圧できる。
【００２４】
図１に戻り、ウエハ１２の研磨に際しては、スラリ供給管から研磨面１１ａの中央に３００ml／minの流量でスラリを供給しつつ、研磨パッド１１を研磨面１１ａの中心周りに３０min-1の回転数で回転させる。研磨面１１ａの中央に供給されたスラリは、研磨パッド１１の回転によって研磨面１１ａの全面に供給される。
【００２５】
補助リテーナ２０の内側にウエハ１２を保持し、研磨パッド１１に対してヘッド本体１４を荷重Ｆ１で機械的に押し付けた状態で、第１エア供給部を介して、ウエハ１２の全面及び補助リテーナ２０の上面を荷重Ｆ１よりも小さな荷重Ｆ２で押圧する。また、周辺押圧部１９によって、ウエハ１２の周縁近傍を更に荷重Ｆ３で押圧し、ウエハ１２の周縁近傍に対する押下げ圧力の調節を行う。荷重Ｆ１は例えば７０Ｎに、荷重Ｆ２は例えば５０Ｎにそれぞれ設定する。荷重Ｆ３は、荷重Ｆ２によって生じるウエハ１２周縁近傍の圧力ばらつきが無くなるように、例えば４５〜５５Ｎの範囲で調節し、これによって、ウエハ１２の面内方向の圧力を均一にする。
【００２６】
上記の状態で、研磨ヘッド１３を、その中心軸を中心として２９min-1の回転数で回転させると共に、研磨パッド１１の半径方向にその半径領域内で往復運動させることによって、ウエハ１２の主面のＣＭＰ研磨を行う。ウエハ１２は、予め設定された所定の時間だけ研磨した後、研磨装置１０と連動する洗浄装置上でＮＨ４ＯＨなどの洗浄液を用いた洗浄を行い、回収する。引き続き、研磨装置１０上に別のウエハ１２を設置した後、同じ条件で研磨する。研磨に際して、ウエハ１２の外側では、押圧面１７ａと補助リテーナ２０の上面とが接触した状態で保持される。
【００２７】
本実施形態では、メンブレンシート１７の周縁がウエハ１２の周縁よりも外側に位置していることによって、研磨時に持ち上がるおそれがあるメンブレンシート１７の周縁近傍がウエハ１２に接しないようにして、ウエハ１２の周縁近傍に対する押下げ圧力の低下を抑制できる。周辺押圧部１９を、ウエハの平坦部１２ａとエッジ部１２ｂとの境界１２ｃ上に配設することによって、ウエハ１２の周縁近傍を効果的に押圧できる。これらによって、ウエハ１２の周縁近傍における研磨レートの低下や不均一な研磨を抑制できると共に、周辺押圧部１９による押下げ圧力の制御性を高めることが出来る。
【００２８】
図７に示した従来の研磨装置１００で、及び、実施形態の研磨装置１０をそれぞれ実際に製造しウエハ１２の研磨を行った。従来の研磨装置１００では、図４の符号３２に示したように周辺押圧部１９を配設した。その結果、実施形態の研磨装置１０では、従来の研磨装置１００に比して、ウエハ１２の周縁からＸ６＝１５ｍｍの範囲で、研磨レートが上昇すると共に、その制御性が飛躍的に上昇した。ウエハ１２面内の研磨量のばらつきは、従来の研磨装置１００では±１０％であったのに対して、実施形態の研磨装置１０では±５％程度に低減した。これによって、実施形態の研磨装置１０で、ウエハ１２研磨の面内プロファイルを効果的に向上できることが確認できた。
【００２９】
図５、６は、本実施形態の第１、第２変形例に係る研磨装置について、補助リテーナ２０の構成を示す平面図である。第１変形例では、補助リテーナ２０には、隣接するフィン２２の境界に半楕円形状の切欠き２４が形成されている。切欠き２４は、各フィン２２を区画する切欠き２３に連続して、リテーナ本体２１ａ，２１ｂの内縁よりも内側に形成されている。第２変形例では、補助リテーナ２０には、フィン２２の面内であってリテーナ本体２１ａ，２１ｂ寄りに楕円形状の切欠き２５が形成されている。図５において、切欠き２４の寸法は、例えば、楕円形の長径がＸ４＝２０ｍｍで、短径がＹ２＝４ｍｍであり、図６において、切欠き２５の寸法は、例えば、楕円形の長径がＸ５＝３０ｍｍで、短径がＹ３＝４ｍｍである。
【００３０】
ウエハ１２の研磨では、通常、各ウエハ１２の研磨後に研磨ヘッド１３の洗浄が行われるが、この研磨ヘッド洗浄に際して、フィン２２上にスラリが残留しないようにすることが重要である。フィン２２上に残留したスラリは、その後の乾燥によってパーティクルとなり、ウエハ１２表面にスクラッチを形成し、或いは、半導体装置内の異物となるおそれがある。これに対して第１，第２変形例の研磨装置では、フィン２２に形成された切欠き２４，２５が、洗浄液が滞り易いフィン２２の付け根部分でその流動性を向上させる。これによって、フィン２２上にスラリが残留することを抑制できる。
【００３１】
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明に係る研磨装置は、上記実施形態の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施した研磨装置も、本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る研磨装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１の補助リテーナの形状を示す平面図である。
【図３】図１の補助リテーナ、上部リテーナ本体、及び、ウエハの相互間の位置関係を示す平面図である。
【図４】図１のＡ部を拡大して示す断面図である。
【図５】実施形態の第１変形例に係る研磨装置について、補助リテーナの形状を示す平面図である。
【図６】実施形態の第２変形例に係る研磨装置について、補助リテーナの形状を示す平面図である。
【図７】従来の研磨装置の構成を示す断面図である。
【図８】図７のリテーナリング及びウエハの相互間の位置関係をを示す平面図である。
【図９】従来の研磨装置の問題点を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０：研磨装置
１１：研磨パッド
１１ａ：研磨パッドの研磨面
１２：ウエハ
１２ａ：ウエハの平坦部
１２ｂ：ウエハのエッジ部
１２ｃ：平坦部とエッジ部との境界
１３：研磨ヘッド
１４：ヘッド本体
１５：押圧部
１６：リテーナリング
１７：メンブレンシート
１８：閉空間
１９：周辺押圧部
２０：補助リテーナ
２１ａ：上部リテーナ本体
２１ｂ：下部リテーナ本体
２２：補助リテーナのフィン
２３：切欠き
２４：切欠き
２５：切欠き
【図１】
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【図２】
2007307623.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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