(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体装置の製造プロセスにおける化学的機械的研磨工程において、従来から問題となっていた摩耗の進行および偏摩耗を、抑制することができるリテーナリングを提供する。【解決手段】研磨テーブル２と、リテーナリング１１が取り付けられた研磨ヘッド３を備えた研磨装置１において、リテーナリング１１はセラミック材料を含み、前記セラミック材料の破壊靱性は４ＭＰａ・ｍ１／２以上であることを特徴とする研磨装置およびそれを用いた半導体装置の製造方法。【選択図】図１
2016140970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック材料を含み、前記セラミック材料の破壊靱性が４ＭＰａ・ｍ１／２以上であるリテーナリング。
【請求項２】
前記セラミック材料のヤング率が４００ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載のリテーナリング。
【請求項３】
前記セラミック材料は、ジルコニア（ＺｒＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）およびコージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載のリテーナリング。
【請求項４】
研磨テーブルと、
リテーナリングが前記研磨テーブルに対向する面に取り付けられた研磨ヘッドと、
を備え、
前記リテーナリングは、セラミック材料を含み、前記セラミック材料の破壊靱性が４ＭＰａ・ｍ１／２以上である、
研磨装置。
【請求項５】
研磨パッドが貼り付けられた研磨テーブルを回転させると共に、研磨ヘッドに取り付けられたリテーナリングにより保持された基板を前記研磨パッドに押圧しながら回転させて前記基板を研磨する工程を備える半導体装置の製造方法であって、
前記リテーナリングは、セラミック材料を含み、前記セラミック材料の破壊靱性が４ＭＰａ・ｍ１／２以上である、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、リテーナリング、研磨装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造プロセスにおいて、化学的機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：以下、単に「ＣＭＰ」という）は、例えばパターニングにより被研磨物の表面に設けられた溝に埋め込まれた絶縁膜、金属膜、多結晶シリコン膜などの平坦化に使用される。その化学的機械的研磨を行うＣＭＰ装置は、一般的に研磨ヘッドで被研磨物の裏面（被研磨面とは逆の面）を保持して、スラリが供給された研磨パッド上に、被研磨物の表面（被研磨面）を押し付け、研磨ヘッドと研磨パッドを相対回転運動させることで、被研磨物表面の溝に埋め込まれていた絶縁膜、金属膜、または多結晶シリコンなどの平坦化加工を行う。
【０００３】
被研磨物を保持する研磨ヘッドには、被研磨物の裏面に圧力を加える機構と、研磨ヘッドと研磨パッドの相対回転運動中に研磨ヘッドから被研磨物が飛び出すことを防止するリテーナリングとが設けられている。
【０００４】
被研磨物と同様にリテーナリングも研磨パッド上に押し付けられるため、破壊靱性が低いと研磨の繰り返しにより摩耗が早く進行して交換の頻度が高まり、消耗材コストが嵩むとともに交換作業による時間ロスも問題となる。
【０００５】
また、リテーナリングには、被研磨物からの衝撃も加わるため、被研磨物側の摩耗が被研磨物とは逆側の摩耗よりも顕著に進行した偏摩耗が発生し、その場合は被研磨物の外周部で過研磨が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３５５７５３号公報
【特許文献２】特許第４５４８９３６号公報
【特許文献３】特開２００８−９３８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、摩耗の進行および偏摩耗を抑制できるリテーナリングを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施の一形態のリテーナリングはセラミック材料を含む。前記セラミック材料の破壊靱性は４ＭＰａ・ｍ１／２以上である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の一形態による研磨装置（ＣＭＰ装置）の概略構成を示す斜視図の一例。
【図２】図１に示す研磨装置が備える研磨パッドの断面図の一例。
【図３】実施の一形態によるリテーナリングの概略構成を示す斜視図の一例。
【図４】図３に示すリテーナリングの製造方法の概略を説明するフローチャートの一例。
【図５】各種セラミック材料の摩耗量を示す実験結果の一例を示す図。
【図６】研磨中にリテーナリングに加えられる力を説明するための図の一例。
【図７】使用初期の状態における研磨パッドからのリバウンドを説明するための図の一例。
【図８】リテーナリングの偏摩耗が進行した後の研磨パッドからのリバウンドを説明するための図の一例。
【図９】研磨レートと被研磨物の中心からの距離との関係を、初期状態とリテーナリングに偏摩耗が進行した後との比較により示すグラフの一例。
【図１０】リテーナリングの破壊靱性とチッピング発生率との関係を示すグラフの一例。
【図１１】リテーナリングとの衝突によるストレスで被研磨物の側面にチッピングが発生することを説明するための図の一例。
【図１２】リテーナリングのヤング率と被研磨物に生じるチッピング発生率との関係を示すグラフの一例。
【図１３】セラミック材料毎の破壊靱性とヤング率とを示す表の一例。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。また、添付の図面は、それぞれ発明の説明とその理解を促すためのものであり、各図における形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所がある点に留意されたい。
【００１１】
まず、実施の一形態による研磨装置について、図１乃至図３を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の研磨装置（ＣＭＰ装置）の概略構成を示す斜視図の一例である。図１に示す研磨装置１は、研磨テーブル２と、研磨ヘッド３と、ダイヤモンドドレッサ４と、研磨液供給口５と、純水供給口６と、洗浄液供給口７とを含む。
【００１２】
研磨テーブル２の上面（研磨ヘッド３に対向する面）には、研磨パッド８が貼り付けられている。研磨テーブル２は、モータ等を含む駆動装置（図示しない）により回転駆動可能に構成されている。  
研磨ヘッド３は、モータ等を含む駆動装置（図示しない）により回転駆動可能に構成されている。この研磨ヘッド３は、被研磨物である、例えば半導体ウェーハＷ（図２参照）を回転させながら、研磨パッド８の上面（研磨ヘッド３に対向する面）に所定の圧力で押圧することが可能な構成となっている。研磨ヘッド３の具体的構成については後に詳述する。
【００１３】
ダイヤモンドドレッサ４は、研磨パッド８の表面のコンディショニングを行うものであり、モータ等を含む駆動装置（図示しない）により回転駆動されると共に、研磨パッド８に押圧されるように構成されている。
【００１４】
研磨液供給口５、純水供給口６および洗浄液供給口７は、研磨液（スラリ等）、純水および洗浄液を研磨パッド８上に所定の流量でそれぞれ供給できるように構成されている。
【００１５】
研磨ヘッド３の具体的構造について、図２を参照して説明する。図２は、図１のＡ−Ａ切断線による断面図の一例である。
【００１６】
研磨ヘッド３は、円板状のヘッド本体１０と、メンブレン１２と、実施の一形態であるリテーナリング１１とを含む。ヘッド本体１０は、アーム（図示しない）により支持されるように構成される。メンブレン１２は、ヘッド本体１０の下面（研磨パッド８に対向する面）に当接するようにリテーナリング１１により保持される。リテーナリング１１は、ヘッド本体１０の下面に装着されると共に、半導体ウェーハＷが被研磨面とは逆の面でメンブレン１２の下面に当接するように半導体ウェーハＷを保持する。
【００１７】
このようにリテーナリング１１に保持された半導体ウェーハＷは、ヘッド本体１０およびメンブレン１２により研磨パッド８に押圧される。
【００１８】
図３の斜視図に、リテーナリング１１の概略構成を示す。本実施形態のリテーナリング１１は、全体としてセラミック材料を用いて製造され、４ＭＰａ・ｍ１／２以上の破壊靱性を有し、かつ、４００ＧＰａ以下のヤング率を有する。
【００１９】
このようなリテーナリング１１の製造方法の概略について図４を参照しながら説明する。本実施形態では、ＣＩＰ（Ｃｏｌｄ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓ）法を用いてセラミックを形成する。
【００２０】
具体的には、狙いとするリテーナリングの形状に適合するように形成されたゴム状の型材の中にセラミック材料（粉体）を入れて（ステップＳ１）高圧容器内に挿入し（ステップＳ２）、圧力媒体（液体）を介して等方加圧を実施する（ステップＳ３）。セラミック材料としては例えばジルコニア（ＺｒＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化シリコン（ＳｉＣ）窒化シリコン（ＳｉＮ）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）およびコージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）などを用いることができる（図１３参照）。
【００２１】
その後、リテーナリングの溝（図示せず）などを形成するための一次加工を行い（ステップＳ４）、セラミック材料中の空孔を無くすために、焼結処理を実施する（ステップＳ５）。最後に二次加工として仕上げ加工を行うことにより、リテーナリング１１が得られる（ステップＳ６）。
【００２２】
図５は、同一の実験環境の下で実験して得られた、上述の各セラミック材料の摩耗量を示す。図５からも分かるように、一般的に使用されるリテーナリング材料であるＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）と比較して、セラミック材料では５０倍以上、摩耗量を低減できることが確認された。
【００２３】
リテーナリングの製造に際しては、破壊靱性の大きさが問題となる。これは、破壊靱性が４ＭＰａｍ１／２を下回る材料を用いて製造すると、ＣＩＰ形成時の圧力不足に起因して、または一次加工となる溝を形成する際の機械加工時の微小な亀裂などを起点として、リテーナリングの割れが発生する場合があるためである。
【００２４】
この一方、破壊靱性４ＭＰａｍ１／２以上の材料を用いて、ＣＩＰ形成方法によるリテーナリングの製造を実施した場合には、割れなどの発生が生じることなく良好に製造できることが確認された。
【００２５】
ＣＭＰでは、研磨ヘッド３と研磨パッド８とを相対回転運動させることで、半導体ウェーハＷ表面の平坦化を行う。そのため、図６の矢印ＡＲ１に示すように研磨パッド８からの力がリテーナリング１１に加わるほか、図６の矢印ＡＲ２に示すように半導体ウェーハＷが研磨ヘッド３の外側へ飛び出そうとする力が研磨の度に繰り返しリテーナリング１１に加わる。このような横方向（半導体ウェーハＷの被加工面に対向する研磨パッド８の面に水平な方向）からの衝撃が繰り返される結果、図６において符号ＣＰ１に示すように、リテーナリング１１の内側面にチッピングが発生するおそれがある。
【００２６】
リテーナリング１１の使用初期の状態においては、図７に示すように、研磨パッド８からのリバウンドがリテーナリング１１の内側と外側とで均等に発生する。しかしながら、リテーナリング１１の内側面にチッピングＣＰ１が発生すると、その亀裂を起点として摩耗が進行して偏摩耗が進行してしまう。偏摩耗の進行は研磨パッドからのリバウンド状態に影響を及ぼし、例えば、図８に示すように、研磨パッド８からのリバウンドがリテーナリング１１の内側に集中して発生し、研磨レートのウェーハエッジ過研磨状態を引き起こす。
【００２７】
このようなウェーハエッジ過研磨状態の一例を図９のグラフに示す。図９からは、ウェーハエッジの領域において、研磨工程を繰り返して偏摩耗が進行した後の研磨レートが初期状態の研磨レートと比較して大幅に高くなっていることが分かる。
【００２８】
図１０は、リテーナリングの破壊靱性とチッピング発生率との関係を示すグラフの一例である。図１０から、４ＭＰａ・ｍ１／２以上の破壊靱性ではチッピングの発生率が０になることが確認される。
【００２９】
このように、本実施形態のリテーナリング１１は４ＭＰａ・ｍ１／２以上の破壊靱性を有するため、リテーナリング１１内側面でのチッピング発生が抑制される。これにより、偏摩耗の発生を抑えることが可能になる。
【００３０】
一方、研磨中に半導体ウェーハＷが研磨ヘッド３の外側へ飛び出そうとする（横方向の）力による衝撃は、リテーナリング１１のみならず、半導体ウェーハＷ側にも与えられ、リテーナリング１１との衝突によって繰り返しストレスが発生する。したがって、硬い材料を用いて製造したリテーナリング１１を用いると、図１１に示すように、矢印ＡＲ３の方向に反復ストレスを受けて半導体ウェーハＷの側面にチッピングＣＰ２が発生するおそれがある。
【００３１】
材料の硬さ（弾性率の高さ）を示す指標の一つにヤング率（変形のしにくさを表す物性値［ＧＰａ］）がある。変形のしにくい材料ほど半導体ウェーハＷにかかる衝撃が強くなるため、リテーナリング１１自体のヤング率の大きさに基づいて半導体ウェーハＷに与える衝撃の大きさを判断することができる。
【００３２】
図１２は、リテーナリング１１のヤング率と半導体ウェーハＷに生じるチッピング発生率との関係を示すグラフの一例である。図１２から、リテーナリング１１のヤング率を４００ＧＰａ以下にすれば半導体ウェーハＷに生じるチッピングを抑制するために必要な所望の緩衝効果が得られることが確認された。
【００３３】
図１３の表に、選択可能なセラミック材料毎の破壊靱性とヤング率を示す。図１３から分かるように、ＳｉＮを用いれば、破壊靱性が４ＭＰａ・ｍ１／２以上で、かつ、ヤング率が４００ＧＰａ以下であるリテーナリング１１を製造することができる。しかしながら、ＳｉＮのみに限ることなく、例えば図１３に挙げられた他のセラミック材料を使用しても、純度やバインダの種類などを選択することにより、または複数のセラミック材料を組み合わせることによって所望の物性のリテーナリングを製造することは可能である。
【００３４】
以上述べた少なくとも一つの実施形態のリテーナリングによれば、セラミック材料を含むので、摩耗の進行を抑制することができる。
【００３５】
また、以上述べた少なくとも一つの実施形態のリテーナリングによれば、４ＭＰａ・ｍ１／２以上の破壊靱性を持つので、偏摩耗の発生を抑制することができる。
【００３６】
また、以上述べた少なくとも一つの実施形態のリテーナリングによれば、４００ＧＰａ以下のヤング率を持つので、被研磨物へダメージを与えることを防止することが可能となる。
【００３７】
また、以上述べた少なくとも一つの実施形態の研磨装置１によれば、セラミック材料を含むリテーナリングを備えるので、リテーナリングの交換頻度が低くなり、研磨工程のスループットが向上して低コストで被研磨物を研磨することができる。
【００３８】
また、以上述べた少なくとも一つの実施形態の研磨装置１によれば、破壊靱性が４ＭＰａ・ｍ１／２以上であるリテーナリングを備えるので、研磨の偏りやリテーナリングのチッピングを発生させることなく被研磨物を研磨することができる。
【００３９】
また、以上述べた少なくとも一つの実施形態の研磨装置１によれば、ヤング率が４００ＧＰａ以下であるリテーナリングを備えるので、被研磨物へダメージを与えることを抑制することができる。
【００４０】
次に、実施の一形態による半導体装置の製造方法について説明する。本実施形態の製造方法は、図１に示す研磨装置１を用いた研磨工程を含む。
【００４１】
まず、例えばパターニングにより絶縁膜、金属膜、多結晶シリコン膜などが成膜された半導体ウェーハＷを準備する。
【００４２】
次いで、研磨ヘッド３で半導体ウェーハＷを保持しつつ、半導体ウェーハＷの被研磨面が研磨パッド８に対向するように半導体ウェーハＷを研磨パッド８に当接させる。
【００４３】
続いて、研磨液供給口５、純水供給口６および洗浄液供給口７を介して、スラリ等の研磨液、純水および洗浄液を研磨パッド８上に所定の流量でそれぞれ供給しながら研磨テーブルを、例えば図１の矢印ＡＲ１０の方向に回転させるとともに、リテーナリング１１で半導体ウェーハＷを保持したままで、ヘッド本体１０およびメンブレン１２により半導体ウェーハＷを研磨パッド８に押圧しながら例えば図１の矢印ＡＲ２０の方向に回転させる。このように研磨パッド１２とウェーハＷとの相対的回転により半導体ウェーハＷ上に成膜されたシリコン膜、金属膜および絶縁膜などの研磨対象が研磨される。このような成膜工程および研磨工程を繰り返すことにより半導体ウェーハＷ上に半導体装置が製造される。
【００４４】
研磨中は、半導体ウェーハＷの研磨により、磨耗した、または、研磨剤中に含まれる砥粒により研磨パッド８の表面部が目詰まりすることを防ぐため、ダイヤモンドドレッサ４により半導体ウェーハＷの表面部を、研磨前の初期状態に戻す。
【００４５】
研磨パッド８および研磨ヘッド３は、半導体ウェーハＷの研磨量のむらをなくす観点から共に回転駆動されることが望ましい。両者が回転駆動されるとき、図１に示すように、研磨パッド８の回転方向と研磨ヘッド３の回転方向とは同じであるのが望ましい。なお、図１では、研磨パッド８および研磨ヘッド３がそれぞれ矢印ＡＲ１０，ＡＲ２０の方向に回転する場合を示したが、勿論これに限ることなくこれらの方向と反対の方向に回転させてもよい。
【００４６】
以上述べた少なくとも一つの実施形態の半導体装置の製造方法によれば、セラミック材料を含むであるリテーナリング１１を備える研磨装置１を用いて基板を研磨するので、消耗材コストが低減され、半導体装置の製造コストを低減することができる。
【００４７】
また、以上述べた少なくとも一つの実施形態の半導体装置の製造方法によれば、破壊靱性が４ＭＰａ・ｍ１／２以上であるリテーナリング１１を備える研磨装置１を用いて基板を研磨するので、リテーナリングの偏摩耗に起因する基板エッジ領域の過研磨を防止できる。これにより、高い精度で基板を研磨できるので、半導体装置の製造歩留まりを向上させることができる。
【００４８】
また、以上述べた少なくとも一つの実施形態の半導体装置の製造方法によれば、ヤング率が４００ＧＰａ以下であるリテーナリング１１を備える研磨装置１を用いて基板を研磨するので、基板のチッピング発生を防止でき、半導体装置の製造歩留まりを向上させることができる。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５０】
１…研磨装置、２…研磨テーブル、３…研磨ヘッド、８…研磨パッド、１１…リテーナリング、Ｗ…半導体ウェーハ。
【図１】
2016140970.tif 000003
【図２】
2016140970.tif 000004
【図３】
2016140970.tif 000005
【図４】
2016140970.tif 000006
【図５】
2016140970.tif 000007
【図６】
2016140970.tif 000008
【図７】
2016140970.tif 000009
【図８】
2016140970.tif 000010
【図９】
2016140970.tif 000011
【図１０】
2016140970.tif 000012
【図１１】
2016140970.tif 000013
【図１２】
2016140970.tif 000014
【図１３】
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