(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面を研磨パッドで研磨する方法であって、
該基板の表面を該研磨パッドを使用して研磨する研磨ステップと、
該研磨パッドに生じた変化を検出する検出ステップと、
該研磨パッドの変化が検出されたことに呼応して、該基板表面を変形させる変形ステップと、
を含み、該基板表面の研磨によって該基板表面の変形が一様性を増加させることを特徴とする化学的機械的研磨方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、該研磨ステップの期間中、該変形ステップが周期的に行われることを特徴とする化学的機械的研磨方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、基板表面を変形させる該変形ステップが複数のピエゾ電気素子を使用して行われることを特徴とする化学的機械的研磨方法。
【請求項４】
請求項２に記載の方法において、該検出ステップがセンサを使用して行われることを特徴とする化学的機械的研磨方法。
【請求項５】
請求項２に記載の方法において、該検出ステップが、該研磨ステップを中断し、該基板表面を測定するステップを含むことを特徴とする化学的機械的研磨方法。
【請求項６】
請求項２に記載の方法において、該検出ステップが、該研磨ステップの起きるときに該基板表面を測定するステップを含むことを特徴とする化学的機械的研磨方法。
【請求項７】
半導体基板の表面を研磨パッドで研磨する装置であって、
該基板の表面を該研磨パッドを使用して研磨する研磨手段と、
該研磨パッドに生じた変化を検出する検出手段と、
該研磨パッドに生じた変化に呼応して該基板表面を変形する変形手段と、
を含み、該基板表面の研磨によって該基板表面の変形が一様性を増加させることを特徴とする化学的機械的研磨装置。
【請求項８】
請求項７に記載の装置において、該変形手段による変形が該基板表面の研磨期間中、周期的に行われることを特徴とする化学的機械的研磨装置。
【請求項９】
請求項７に記載の装置において、該変形手段が複数のピエゾ電気素子を含むことを特徴とする化学的機械的研磨装置。
【請求項１０】
半導体基板表面を研磨する装置であって、
該基板を保持するように形成されたキャリアと、
該基板表面を研磨するための形状を有する研磨パッドと、
該研磨パッドの該形状の変化を検出するセンサと、
該キャリア内に装填された変形ユニットと、
該センサによる該研磨パッドの該形状の変化に対応して、該変形ユニットを制御する制御ユニットと、
を含み、該基板の一様研磨を行うべく、該基板表面を選択的に変形させることを特徴とする化学的機械的研磨装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置において、該基板がウェーハであることを特徴とする化学的機械的研磨装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の装置において、該基板がシリコンウェーハであることを特徴とする化学的機械的研磨装置。
【請求項１３】
請求項１０に記載の装置において、該変形ユニットが複数のピエゾ電気素子を含むことを特徴とする化学的機械的研磨装置。
【請求項１４】
半導体基板を研磨するための化学的機械的研磨装置であって、
該基板を保持するように形成されたキャリアと、
該キャリア内に配置された複数の変位素子にして、該半導体ウェーハの一様研磨を行うべく、該半導体ウェーハ表面の研磨期間中、該半導体ウェーハ表面を選択的に変形するために使用される変位素子と、
該基板表面を研磨するための形状を有する研磨パッドと、
該研磨パッドの該形状の変化を検出するように構成されセンサと、
該複数の変位素子と該センサとに接続された制御ユニットにして、該基板表面の一様研磨を最適化するため、該基板の表面を変形すべく該制御ユニットが該複数の変形素子に信号を送るようにされた制御ユニットと、
を含むことを特徴とする化学的機械的研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般に半導体デバイスの製造に関し、特に基板の化学的機械的研磨（chemical mechanical polishing）に関する。特に本発明は基板研磨の一様性を改善するため、基板の化学的機械的研磨に使用される条件を能動的に調整する化学的機械的研磨方法及び化学的機械的研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路の加工とか光学的デバイス製造のいくつかの技術分野では、集積回路、光学的デバイスその他のデバイスを形成する原加工片が実質上平坦な前面および背面をもっていることがしばしばきわめて重要である。
【０００３】
そのような平坦面を与える一つのプロセスは、所定形状に合致する研磨パッドで基板の表面を研削することである。これは、通常「機械的研磨」と呼ばれる。かかるパッドとの関係で化学的スラリを使用するとき、スラリとパッドの組合せによって、一般に単なる機械的研磨によるよりも高い材料除去率が可能となる。この組み合わせた化学的かつ機械的研磨は、普通、化学的機械的研磨（「chemical mechanical polishing」、以下、ＣＭＰという）と呼ばれ、基板の研磨あるいは平坦化を行う単なる機械的研磨プロセスに対する改良であると考えられている。ＣＭＰ技術は通常は集積回路ダイの製造に使用される、半導体ウェーハ製造技術である。
【０００４】
ＣＭＰは、ウェステク（Westech）372/372M研磨機などの市販の研磨機上で半導体ウェーハおよび／またはチップを処理するときに実行される。標準的なＣＭＰ器具は円形の研磨テーブルと基板を保持するための回転式キャリアとを具えている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＭＰプロセスを使用してシリコンウェーハのような基板を研磨するときに研磨の一様性を確保することには困難な点がある。一例としてＣＭＰ器具１００の一部を図１に示す。ＣＭＰ器具１００はウェーハキャリア１０２を含むが、これは充填領域１０４および孔１０６を介して真空および背圧を与えるものである。真空は基板１１０の表面１０８をウェーハキャリア１０２に固着させるために使用される。ＣＭＰ器具１００はまた、主研磨パッド１１２を含む。これは主プラテン１１４に結合されている。基板１１０の研磨面１１６を研磨するため、ウェーハキャリア１０２および主プラテン１１４は共にＣＭＰプロセス期間中、回転する。この回転期間中、主研磨パッド１１２に反跳その他の変動が関わり、その結果、主研磨パッド１１２の変形が図に示すような部位１１８に生じる。パッドの反跳などに起因するこれらの変形は基板１１０の周縁１２０付近の研磨率の低下を来たす。基板１１０の周縁１２０の内側のみで高い研磨率が得られる。特に研磨面１１６の部位１２６および部位１２８では、谷１２２および谷１２４では研磨が低くなる。それゆえ研磨によって基板表面にいっそうの一様性を与えることができる改良されたＣＭＰ法およびＣＭＰ装置を与えることが有用である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、研磨パッドで基板表面の一様性が増すように研磨する方法及び装置を提供するべく、基板を保持するように形成されたキャリアと、該基板表面を研磨するための形状を有する研磨パッドと、該研磨パッドの該形状の変化を検出するセンサと、該キャリア内に装填された変形ユニットと、該センサによる該研磨パッドの該形状の変化に対応して、該変形ユニットを制御する制御ユニットと、を含み、該基板の一様研磨を行うべく、該基板表面を選択的に変形させることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明の新規な特徴は前記の特許請求の範囲に記載してあるが、添付の図面を参照しつつ、本発明、その好適な態様、課題、および利点を下記の詳細な説明で明らかにする。
【０００８】
【実施例】
化学的機械的研磨プロセスにおけるプロセス変数には、通常、押しつけ力、ウェーハキャリア背圧、ウェーハキャリア回転速度、主プラテン回転速度、および研磨スラリ流速が含まれる。ある特定の主研磨パッドを選択することにより、所望の研磨応答を達成するためのプロセス変数を調節することができる。制御の対象とならない変数は上に上記の変数で補償はできるが、依然、制御されないままに残る。
【０００９】
標準のウェーハキャリアを使用するとき空気圧をウェーハの背面に加えて、効果的にウェーハをウェーハキャリア表面から外向きに湾曲させることができる。この作用は研磨による非一様性を補償するために行われる。この方法における基礎的な問題は、空気が圧縮性流体であり、生じたウェーハ背部の空気の「泡」を封じ込めることができないことである。空気の「泡」は漂流し、またその形状はたかだかウェーハキャリアの中心に関して対称にしかならない。研磨パッドの反跳効果を完全に補償するように背圧を加えることはまったくできない。
【００１０】
本発明によって与えられる電気的に能動化されるウェーハキャリアは、主研磨パッドの可橈性から生ずる未制御変数を補償するようにウェーハ形状を制御することができる。さらに、電気的に能動的なウェーハキャリアは研磨対称の基板に加わる内部的応力に起因するウェーハ湾曲を補償することができる。これらの内部的応力は研磨オペレーションに先だって基板上に堆積された種々のフィルム間の応力不整合から起きる。
【００１１】
図面、特に図２は本発明の好適な実施例のＣＭＰ器具を示す。ＣＭＰ器具２００は電動式のウェーハキャリアであって、改良されたウェーハ研磨一様性を与えるＣＭＰオペレーションを行うため、ウェーハ形状を調節するために使用するものである。ＣＭＰ器具２００はウェーハキャリア２０２を含むが、これはＣＭＰオペレーションに際して基板２０４を保持するために使用される。ウェーハキャリア２０２は回転できるように設計されており、このため、基板２０４の回転を起こす。図示した例では基板２０４の背面に加えた真空によって基板２０４がウェーハキャリア２０２に吸着する。ウェーハキャリア２０２はウェーハキャリア真空線２０６を含むが、これはＣＭＰオペレーションの期間中、ウェーハキャリア２０２に基板２０４を吸着させるための真空を与える。ＣＭＰ器具２００は多数のいろいろの形態の基板を処理するのに使用することができる。最も普通にはＣＭＰ器具２００はシリコンウェーハのような半導体ウェーハを処理するのに使用される。加えて、ウェーハキャリア２０２にはウェーハキャリア背圧空気供給線２０８が接続される。ウェーハ上の所定位置に基板を保持するために使用されたウェーハキャリア真空によってウェーハに湾曲が生じうるが、背圧空気供給線２０８はこの湾曲に反対するための所定の空気圧を与える。キャリア真空および背圧の両方を同時に加えることができる。
【００１２】
ＣＭＰ器具２００はまた主研磨プラテン２１０を含み、ＣＭＰオペレーションに際して回転する。主研磨プラテン２１０は主研磨パッド２１２を保持し、ＣＭＰオペレーションの期間中、この研磨パッドを回転させる。研磨スラリを与えるため、研磨スラリ線２１４が使用される。研磨スラリは基板２０４のような基板を研磨するためのＣＭＰオペレーションに際して主研磨パッド２１２に加えられる。さらに、ＣＭＰオペレーションの期間中、その場でフィルム厚測定（現場フィルム厚測定という）を行うため、ＣＭＰ器具２００はレーザー２１８およびセンサ２２０を含んだフィルム厚測定ユニット２１６を含む。この代わりに、ＣＭＰオペレーションを周期的に停止させて現場フィルム厚測定ユニット２１６を使用してフィルム厚を測定することができる。現場フィルム厚測定ユニット２１６内にはレーザー干渉計または類似のデバイスを用いた工学フィルム厚み測定器がある。コヒーレント光ビーム２２２が主研磨プラテン２１０の窓２２４およびこれと対応する主研磨パッド２１２の窓２２６を通過する。コヒーレント光ビーム２２２は窓２２４および２２６を通過してから基板２０４から反射され、主研磨パッド２１２の下に位置するセンサ２２０に戻る。図示した例では主研磨パッド２１２の窓２２６は、研磨オペレーションの期間中、可橈性プラスチックその他類似の材料で充填されるが、これはその上を研磨スラリが流れるようにするための連続的表面を与えるためである。
【００１３】
フィルム厚の測定結果はフィルム厚／エンドポイント解析兼ドライバインターフェース（film thickness/endpoint analysis and driver interface）２２８に送られる。本フィルム厚測定システムが現場フィルム厚測定を行う手段となる。これらの測定をウェーハの表面上で時間的に統合すると、フィルム除去率を決定することができる。さらに、種々の除去率を使用することによってユーザー定義したゾーン（領域）の一様性を決定できる。ゾーンデータはウェーハキャリア位置データに結合されたうえでドライバモジュール２３０内の解析ユニットに送られる。次いでドライバモジュール２３０はこの適切な信号をピエゾ素子アレイ／マトリックスに送る。その結果、最良の研磨一様性（しばしば研磨非一様性と呼ばれる）を達成するための理想的ウェーハ形状を生ずる。（非一様性の値が低いほど好ましい。）  フィルム厚測定値は、データ線２３２によって現場フィルム厚測定ユニット２１６に接続されているフィルム厚／エンドポイント解析兼ドライバインターフェース２２８に送られる。
【００１４】
次にフィルム厚測定値はフィルム厚／エンドポイント解析兼ドライバインターフェース２２８から、データ線２３４により接続されているドライバモジュール２３０に送られる。ドライバモジュール２３０は複数の変位ユニット（図示してなし）を含む変位ユニットに制御信号を与える。図に示す実施例では、この変位ユニットはピエゾ電気素子である。変位ユニットはウェーハキャリア２０２内に配置されている。これらの制御信号は制御線２３６を使用してピエゾ電気素子に送られる。線２３６はドライバモジュール２３０をウェーハキャリア２０２内に配置されているピエゾ電気素子に結合する。これらの制御信号は、ＣＭＰにより処理される際に基板２０４のような基板の形状を調節するのに使用される。
【００１５】
図示した例では、確実にウェーハ表面を研磨パッドに相対的に平坦なものとするため、ピエゾ素子の形態をした変位ユニットはウェーハの元々の湾曲を中和する補償を行うのに使用される。これらのピエゾ電気素子はまた、半導体製造プロセス中にウェーハが経験するいろいろの熱的処理およびフィルム応力による任意の湾曲を補償するのに使用される。これは、現在のシステムは既存の真空保持機構でウェーハ形状を制御することができないために研磨全体を見たときに中央研磨率が遅滞する、と言う欠点を補償する助けとなる。加えて、研磨パッドの変形に由来する効果を低減するため、ピエゾ電気素子は研磨中のウェーハ表面を調節するのにも使用される。
【００１６】
参照する図３は本発明の好適な図２の実施例ＣＭＰの一部を線図で示す。図３で図２と同じあるいは対応する要素は同じ参照番号で示す。ウェーハキャリア２０２は図３ではキャリア２０２に装着した基板２０４を有する。図示した例では、基板２０４は半導体ウェーハである。基板２０４には充填接続体３００を介して真空が供給される。この実施例でわかるように、主研磨パッド２１２は非一様形状を有する。特に主研磨パッド２１２の部分３０２では変形部が存在する。主研磨パッド２１２のこのような変形はパッドの反跳効果などの多数の原因から生ずる。主研磨パッド２１２のこのような変形部位３０２は基板２０４の研磨表面３０４の研磨を一様でなくする。
【００１７】
図示した実施例の変位ユニット３０６は多数のピエゾ電気素子３０８、３１００、３１２、３１４、および３１６を含む。これらの主研磨パッド２１２の変形に呼応して基板２０４上の研磨表面３０４を一時的に変形もしくは湾曲させるのに使用される。ピエゾ電気素子３０８、３１０、３１２、３１４、および３１６は電気的インターフェース３１８によりドライバモジュール２３０に結合される。ピエゾ電気素子３０８および３１６は正の湾曲モードにあり、基板２０４を造形するのに使用されている。ピエゾ電気素子３１２は負の湾曲モードにあり、やはり基板２０４を造形するのに使用されている。ピエゾ電気素子３１０および３１４は本例では中性状態にある。
【００１８】
研磨表面３０４の湾曲すなわち変形は、主研磨パッド２１２の形状が変わっても研磨表面３０４および基板２０４の研磨が一様に行われるようになっている。図３からわかるように、基板２０４の研磨表面３０４は主研磨パッド２１２の部位３０２内の低い領域３２０および３２２を補償して主研磨パッド２１２の変形による効果を最小限に留めるように変形または湾曲されている。
【００１９】
図４ないし図８は本発明の好適な実施例である変位素子の形状を示す。これらの図は、ピエゾ電気素子のような変位素子がどの様にウェーハキャリア内に配置されるかを示す。これらの図は、半導体ウェーハのような基板を保持し、湾曲し、あるいは変形するのに使用されるキャリアの表面の配置を示す。図４のウェーハキャリア４００は共心的な輪の形でピエゾ電気素子を含む。特に図４に示す例ではウェーハキャリア４００は共心的な輪４０２、４０４、４０６、４０８、および４１０を含む。図５ではウェーハキャリア４１２はピエゾ電気素子からなる、間隔を空けて配置した「フィンガー」を含む。これらのピエゾ電気素子は部位４１４、４１６、４１８および４２０のようなフィンガー内にある。図６では独立のピエゾ電気素子を含むグリッドアレイ４２２がキャリア４２４内に使用されている。図７ではキャリア４２６は図４のキャリア４０２で使用されているものと類似の共心的輪を含む。しかしキャリア４２６のこれらの共心的輪は、区画４２８に分割されている。図４ないし図８はピエゾ電気素子の特定な形状例を示すが、達成すべき基板に望ましい形状に応じて任意の幾何学的形状あるいは密度のピエゾ電気素子を採用することができる。
【００２０】
図８を参照すると、本発明の好適な実施例に基づき電気的に能動的なウェーハキャリアシステムを使用してＣＭＰを得るプロセスの流れ図が示してある。このプロセスはすべてのピエゾ電気素子を中性位置に配置することから始まる（ステップ５００）。次にパイロットウェーハの研磨が始まる（ステップ５０２）。このパイロットウェーハはバッチで処理する最初のウェーハで、他のウェーハをバッチ処理するための設定を決定するのに使用される。ステップ５０４で、研磨したウェーハの直径測定走査が行われる。直径走査データが解析され、高または低除去率の範囲が同定される（ステップ５０６）。このステップは、オフライン解析パッケージを使って行われる。そのデータは電気的能動的ウェーハキャリアでピエゾ電気素子を駆動するための適切な設定を得るために使用される（ステップ５０８）。次いでこのウェーハはその設定を使って研磨され、ウェーハに所望の一様性が達成される（ステップ５１０）。もしも全フィルム厚および研磨の一様性が受容可能であれば、バッチ処理で別のウェーハを研磨するのに現設定を使用する。受容可能でないなら上記解析に基づいて新たな設定を行い、他のウェーハをバッチ処理で研磨する。
【００２１】
図９の流れ図は本発明の好適な実施例である、研磨プロセスにおけるウェーハ形状自動調節プロセスを示す。図９に示すプロセスは、研磨プロセス途中において研磨しているウェーハ表面を測定する能力を必要とする。これは図２に示すような電気的に能動的なウェーハキャリアを使用することによって達成することができる。このプロセスはウェーハを研磨することにより始まる（ステップ６００）。ウェーハが研磨されているときに図２に示した現場フィルム厚測定ユニット２１６のような装置を使用して、除去率データが得られる（ステップ６０２）。データは解析され、ウェーハの位置および一様性が求められる（ステップ６０４）。この位置および一様性に関するデータはアドレスデータに変換される。アドレスデータを使用して適切なピエゾ電気素子を調節し、所望の一様性を達成する。この解析は図２のドライバインターフェース２２８を使用して行われる。この位置および一様性に関するデータはドライバデータに変換されてドライバモジュール２３０に送られる。ドライバモジュール２３０はピエゾ電気素子を調節してウェーハの形状を変える（ステップ６０６）。図９に示すこのプロセスを使用して、測定のために研磨プロセスを中断することなしに研磨を続けながら、基板の形状が変化することができる。
【００２２】
【効果】
それゆえ本発明は、キャリアに基板を保持するために使用した真空によって導入される湾曲あるいはＣＭＰ期間中に使用した研磨パッドの形状変化などの要因を補償すべく基板を調節する方法および装置を与える。研磨パッドの形状変化に応答して基板の研磨表面の形状を変化させることにより、本方法および本装置は研磨オペレーションを通して当該基板研磨表面の一様性を改善する。したがって本発明は、ウェーハの湾曲およびパッドの反跳効果に起因する研磨パッドの形状変化などの問題を解決することにより、既存のシステムを超えた利点を与える。本発明はまた、ウェーハ処理に由来する諸々の応力に関する問題を解決する。
【００２３】
本発明の好適な実施例は例示および説明のために提示したものであって本発明を実施例に開示した形態および範囲に限定するものではない。多数の設計変更および置換例が可能であることが当業者には明らかであろう。本実施例は本発明の要旨を最良の形態で例示し、当業者が本発明を理解して特定の目的に合わせて種々の形態で実施できるようにするためであることを了解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例に基づくＣＭＰ器具の一部を示す図である。
【図２】本発明の好適な実施例に基づくＣＭＰ器具の図である。
【図３】本発明の好適な実施例に基づくＣＭＰ器具の一部の線図である。
【図４】本発明の好適な実施例に基づく変位素子の一形状を例示する図である。
【図５】本発明の好適な実施例に基づく変位素子の一形状を例示する図である。
【図６】本発明の好適な実施例に基づく変位素子の一形状を例示する図である。
【図７】本発明の好適な実施例に基づく変位素子の一形状を例示する図である。
【図８】本発明の好適な実施例に基づく電気的能動ウェーハキャリアシステムを使用するＣＭＰに対するプロセスの流れ図である。
【図９】本発明の好適な実施例に基づく研磨プロセス期間中、ウェーハの形状を調節するためのプロセスの流れ図である。
【符号の説明】
２００      ＣＭＰ器具
２０２      ウェーハキャリア
２０４      基板
２０６      ウェーハキャリア真空線
２０８      ウェーハキャリア背圧空気供給線
２１０      主研磨プラテン
２１２      主研磨パッド
２１４      研磨スラリ線
２１６      フィルム厚測定ユニット
２１８      レーザー
２２０      センサ
２１０      主研磨プラテン
２２２      コヒーレント光ビーム
２２４      窓
２２６      窓
２２８      フィルム厚／エンドポイント解析兼ドライバインターフェース
２３０      ドライバモジュール
２３２      データ線
２３４      データ線
３００      充填接続体
３０４      研磨表面
３０６      変位ユニット
３０８      ピエゾ電気素子
３１０      ピエゾ電気素子
３１１      ピエゾ電気素子
３１２      ピエゾ電気素子
３１３      ピエゾ電気素子
３１４      ピエゾ電気素子
３１５      ピエゾ電気素子
３１６      ピエゾ電気素子
３１７      ピエゾ電気素子
３１８      ピエゾ電気素子
４００      ウェーハキャリア
４１２      ウェーハキャリア
４１４      フィンガー
４１５      フィンガー
４１６      フィンガー
４１７      フィンガー
４１８      フィンガー
４１９      フィンガー
４２０      フィンガー
４２２      グリッドアレイ
４２４      キャリア
４２６      キャリア
【図１】
0004094743.tif 000002
【図２】
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【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】
0004094743.tif 000009
【図９】
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