JP2008044100A - 研磨パッド及びそれを含む化学的機械的研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハーを均一に研磨することができる研磨パッド及びそれを含むＣＭＰ装置を提供する。
【解決手段】研磨パッドには、スラリーのより円滑な供給のために、同心円形状を有し、所定深さに陥没形成されたグル−ブ２１１が形成され、グルーブの周囲には所定の大きさ溝からなる多数のパターンが形成され、パターンはＶ字形状またはＵ字形状からなる第１パターン２１２と、第１パターンの反転された形状からなる第２パターン２１３とからなる。
【選択図】図６

Description

本発明は、研磨パッドに関し、特に、半導体素子の製造工程に必要な化学的機械的研磨（以下、ＣＭＰと称する）に使用される研磨パッドに関する。

半導体素子の高集積度に伴って、多層配線工程がに実用化され、フォトリソグラフィ工程のマージンを確保している。配線の長さを最小化するために、チップ（ｃｈｉｐ）上部の物質層に対するグローバル平坦化技術が要求されている。現在、下部構造物を平坦化するための方法として、ボロン‐りん‐シリケート‐グラス（ｂｏｒｏ−ｐｈｏｓｐｈｏ−ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ：ＢＰＳＧ）リフロー（ｒｅｆｌｏｗ）、アルミニウム（Ａｌ）フロー、スピン‐オングラス（ｓｐｉｎ ｏｎ ｇｌａｓｓ：ＳＯＧ）エッチバック（ｅｔｃｈ ｂａｃｋ）、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程などが使用されている。

その中で、ＣＭＰ工程は、ウェハーを研磨するための研磨剤であるスラリー（ｓｌｕｒｒｙ）溶液内の化学的成分及びウェハーを研磨するパッドと研磨剤の物理的成分により、チップの表面を化学物理的に研磨して、平坦化を行なう方法である。ＣＭＯ工程は、リフロー工程やエッチバック工程で達成できない広い空間領域のグローバル平坦化及び低温平坦化を達成できるという長所を有する。よって、ＣＭＰ工程は、次世代半導体素子のための有力的な平坦化技術として台頭されている。

通常のＣＭＰ装置によれば、スラリー供給ノズルを介して、パッド上にスラリーを供給しながら、パッドが一定の速度で回転する。そして、キャリア（ｃａｒｒｉｅｒ）がそれに付着されたウェハーに一定の圧力を与えながら、一定の速度で回転する。

このような過程を通して、ウェハー上に沈積した膜が研磨される。ここで、パッドの回転速度、キャリアの回転速度、ウェハーが与えられる圧力などは物理的作用をし、スラリーはウェハーに沈積した膜と化学的に相互作用をする。

このような研磨過程を行なうとき、パッドの表面の粗度は、研磨時ウェハーにより減少する。そして、パッドの表面粗度を元の状態に回復させないと、後続するウェハーの研磨時に研磨速度及び均一性に悪影響を与えてしまう。

したがって、毎回ウェハー工程の間に、パッドの表面粗度を回復させ、新しいスラリーをパッドに供給するために、回転する円形ディスクを用いてパッドを一定圧力で押しながらコンディショニング（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）する。

図１は、従来技術に係るＣＭＰ装置を示す図面である。

図１に示すように、ウェハー１００は、パッド１１０とスラリー１２０により研磨され、パッド１１０が付着された研磨テーブル１３０は、単純な回転運動をする。そして、ヘッド部１４０も回転運動をしながら一定の圧力で前記ウェハー１００を加圧する。

前記ウェハー１００が研磨された後、パッド１１０の損傷を回復させるために、パッドコンディショナーを用いてパッド１１０の表面をコンディショニングし、次のウェハーを加工する。

図２は、ＣＭＰ装置におけるヘッド部とパッドを説明するための平面図であって、図３は、ウェハー半径に対する回転速度を示すグラフであって、図４は、ウェハー半径に対する研磨率を示すグラフである。

図２に示すように、パッド１１０とヘッド部１４０が同一な方向に回転する場合、前記パッド１１０の各地点における回転速度は、外周側に向かうほど増加し、それによって、前記ヘッド部１４０の下側に位置するウェハーの研磨率も、前記パッド１１０の半径方向に対して、外周側に向かうほど上昇する。

詳細に、図３に示すように、前記ヘッド部１４０の下側に位置するウェハーは、中心部（ウェハー半径が０）からその半径方向に進むほど（即ち、前記パッドの外周側に向かうほど）回転速度が線形に増加することが分かる。

そして、図４に示すように、ウェハーの中心部から半径方向に進むほど研磨率が増加する。特に、ウェハーの外周側に向かうほど、研磨率の増加幅が大きくなる。これは、前記パッドの回転速度（単位時間当たり移動距離）が各地点ごとに相違するので、前記パッドの上側のヘッド部により加圧される力が異なるからである。

すなわち、ウェハーの外周側に向うほどその回転速度が増加し、それによってウェハーの中心部よりウェハーの外周側がより多く研磨される現象が起きる。

前記パッド１１０及びヘッド部１４０の回転の際、ウェハーが不均一に研磨されて、結局、製造される半導体素子の特性が低下する問題点がある。

ウェハーを均一に研磨することができる研磨パッド及び前記研磨パッドを含むＣＭＰ装置が提案される。

実施例に係る研磨パッドは、スラリー流動のためのグルーブと、所定大きさの溝からなる多数のパターンと、を含み、前記パターンは、任意の二つの地点から中央方向に連続的に形成された二つの溝からなることを特徴とする。

また、実施例に係る化学的機械的研磨装置は、所定方向に回転する研磨テーブルと、前記研磨テーブル上に備えられ、上部面にスラリー流動のためのグルーブ及びスラリーによるウェハーの研磨が行なわれるようにするパターンが形成される研磨パッドと、前記研磨パッドと前記ウェハーの研磨面に、所定の圧力を与えるためのヘッド部と、を含み、前記研磨パッドに形成されたパターンは、所定のヘリンボーン形状からなることを特徴とする。

本発明に係る研磨パッド及びそれを含むＣＭＰ装置によれば、ウェハーの研磨を均一に行うことができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。

図５は、本発明の実施例に係るＣＭＰ装置を示す図面である。図５に示すように、本発明の実施例に係るＣＭＰ装置によれば、ウェハー２００がパッド２１０とスラリー２２０により研磨される。

そして、前記パッド２１０が付着された研磨テーブル２３０は、回転運動をし、前記ウェハー２００を所定圧力で加圧するヘッド部２４０も回転運動をする。

前記ヘッド部２４０の自体荷重と印加される加圧力により、前記ウェハー２００表面と前記パッド２１０は接触する。このような接触面間の微細な隙間（パッドの気孔部分、後述する）に、加工液（研磨液）であるスラリー２２０が流動して、スラリー２２０内部の研磨粒子とパッド２１０の表面の突起により、機械的な研磨作用が行なわれる。前記スラリー２２０内の化学成分により、化学的な研磨作用が行なわれる。

前記ウェハー２００とヘッド部２４０の間には、支持リング２５０及びベーキングフィルム２６０がさらに形成されることができる。前記支持リング２５０及びベーキングフィルム２６０は支持機能及び緩衝機能をする。

また、前記パッド２１０上には、研磨副産物を除去して、一定の研磨効率及び研磨均一度を得るためのパッドコンディショナー２７０がさらに形成される。前記パッドコンディショナー２７０は、前記パッド２１０の上部で、空圧シリンダー（図示せず）により上下駆動する。前記パッドコンディショナー２７０は、前記空圧シリンダーと連結される円筒形状のボディと前記ボディの外周面を取り囲むように設けられるダイヤモンドディスク（ｄｉａｍｏｎｄ ｄｉｓｋ）とで構成されることができる。

図６〜図９は、本発明の実施例に係る研磨パッドを説明するための図面である。

図６は、本発明の実施例に係る研磨パッドの一部を示している。

図６に示すように、本発明に係る研磨パッド２１０には、スラリーのより円滑な供給のために、同心円形状を有し、所定深さ陥没形成されたグルーブ２１１が形成される。

そして、前記グルーブ２１１の周囲には、スラリーを収容できるよう、多数の溝が形成されている。前記溝は、一定のパターンを有するように形成され、第１パターン２１２と第２パターン２１３とに区分される。前記パターン２１２、２１３は、前記グルーブ２１１と区別するための用語であって、ヘリンボーングルーブ（ｈｅｒｒｉｎｇｂｏｎｅ ｇｒｏｏｖｅ）と称することもできる。

詳細に、前記研磨パッド２１０が大略円形からなる場合、前記グルーブ２１１は前記研磨パッド２１０の中心部を取り囲むように、同心円形状を有する。

そして、前記第１パターン２１２と第２パターン２１３も、前記グルーブ２１１の周囲に多数形成され、前記研磨パッド２１０の中心部を取り囲むように多数形成される。

すなわち、前記第１パターン２１２により形成されるラインを第１ライン２１２ａとし、前記第２パターン２１３により形成されるラインを第２ライン２１３ａとした場合、前記研磨パッド２１０の中心部から外周側に向けて、前記第１ライン２１２ａと第２ライン２１３ａが相互交差形成される。

前記第１パターン２１２及び第２パターン２１３は、それぞれヘリンボーン形状からなり、ヘリンボーン形状の中心部がパッドの回転方向に向っているか、それとも回転方向の反対方向に向っているかによって、区分することができる。

他の観点では、前記第１パターン２１２と第２パターン２１３が括弧形状からなることもできる。図示されたように、括弧形状の凸部分（または尖っている部分）がパッドの回転方向に向いていると、第２パターン２１３とすることができ、回転反対方向に向いていると、第１パターン２１２とすることができる。

図７には、前記第１パターン２１２と第２パターン２１３がより詳細に図示されている。図７に示すように、前記第１パターン２１２及び第２パターン２１３それぞれは、所定の深さを有する二つの溝が所定の点で合う形状を有する。

即ち、前記パターン２１２、２１３が有する形状は、任意の二つの地点からその中央に向けて連続し、特定の地点で合うようになる。それによって、図示されたように、ヘリンボーン形状またはＶ字（またはＵ字）形状に形成される。

そして、前記第１パターン２１２により形成される第１ライン２１２ａと第２パターン２１３により形成される第２ライン２１３ａは、前記研磨パッド２１０上に交互に繰り返して形成される。

詳細に、前記第１パターン２１２及び第２パターン２１３は、その中央が所定程度膨とがっている形状を有し、前記第１パターン２１２及び第２パターン２１３の中央の凸部位は、前記研磨パッド２１０の回転方向またはその反対方向に向いている。

即ち、図６には、前記第１パターン２１２中央の凸部分が前記研磨パッド２１０の回転反対方向に向いて形成されており、第２パターン２１３中央の凸部分は、前記研磨パッド２１０の回転方向に向いて形成されている。

図８及び図９を参照して、前記パターンのうち第１パターン２１２の形状についてより詳細に説明する。但し、前記第１パターン２１２の形状が図示されているが、もちろん、第２パターの場合も同一に適用することができる。

前記パターン２１２は、前記研磨パッド２１０の上部から所定深さへこんでいる形状を有する。これは、ウェハーの研磨のためのスラリーが安着するためである。

前記パターン２１２は、その断面が前記研磨パッド２１０の上部から所定深さへこんでいる形状からなり、前記パターン２１２の厚さＬｐと前記パターン２１２間の距離Ｌの比率（α ＝Ｌｐ／Ｌ）は０．２２乃至０．５となるようにする。

そして、図示されたβはパターン角度であって、２２゜乃至３２゜の範囲になるように形成される。そして、前記パターン２１２の縦軸の長さｒは、０．５ｍｍ乃至４ｍｍ範囲の大きさにする。

前記パターン２１２の８Ａ−８Ｂ方向の断面形状は、図９に図示されており、所定深さ陥没形成して、その断面が凹形状を有する。

図１０及び図１１は、ヘリンボーングルーブ形状を有するパターンによる動圧効果を説明するための図面である。

図１０は、研磨パッド２１０及びヘッド部２４０の回転により、前記パターンの中心部に空気が吸入される場合を示しており、図１１は、前記パターンの中心部から空気が排出される場合である。

まず、図１０に示すように、研磨パッド２１０及びヘッド部２４０の回転により前記パターンの中心部に空気が吸入される場合には、圧力が上昇した空気が前記研磨パッド２１０の上側に上昇する。

そして、前記研磨パッド２１０の上側部に上昇する空気により、前記ヘッド部２４０の自体荷重及び下に加圧する力はその分減少し、よって、ウェハーの研磨率が減少する。

反面、図１１に示すように、研磨パッド２１０及びヘッド部２４０の回転により、前記パターンの中心部から空気が排出される場合には、前記パターンの中心部の圧力が下降し、前記研磨パッド２１０の上側に位置するヘッド部２４０が下に加圧する力はその分大きくなる。よって、ウェハーの研磨率は増加する。

即ち、本発明の実施例によって、ヘリンボーングルーブからなるパターン２１２、２１３を互いの反対方向に向いて形成し、前記研磨パッド２１０及びヘッド部２４０の回転により発生する空気の流れを用いることで、前記ヘッド部２４０により印加される力がウェハー上に均一に分布されることができる。

そして、前記ヘッド部２４０による加圧がウェハー上に均一に分布されることで、ウェハーの各部分の研磨率が同一となる長所がある。

図１２は、本発明の実施例に係る研磨パッドが備えられたＣＭＰ装置による場合、ウェハーの研磨率を説明するためのグラフである。

図１２に示すように、ウェハーの中心部（０）から半径方向に対して外周側に向かうほど、各地点の研磨率が１１８０〜１２８０内に分布し、ウェハーの均一な研磨が行なわれることが分かる。

従来技術に係るＣＭＰ装置を示す図面である。 ＣＭＰ装置におけるヘッド部とパッドを説明するための平面図である。 ウェハー半径に対する回転速度を示すグラフである。 ウェハー半径に対する研磨率を示すグラフである。 本発明の実施例に係るＣＭＰ装置を示す図面である。 本発明の実施例に係る研磨パッドを説明するための図面である。 本発明の実施例に係る研磨パッドを説明するための図面である。 本発明の実施例に係る研磨パッドを説明するための図面である。 本発明の実施例に係る研磨パッドを説明するための図面である。 ヘリンボーングルーブ形状を有するパターンによる動圧効果を説明するための図面である。 ヘリンボーングルーブ形状を有するパターンによる動圧効果を説明するための図面である。 本発明の実施例に係る研磨パッドが備えられたＣＭＰ装置による場合、ウェハーの研磨率を説明するためのグラフである。

符号の説明

２００：ウェハー
２１０：パッド
２２０：スラリー
２３０：研磨テーブル
２４０：ヘッド部
２５０：支持リング
２６０：ベーキングフィルム
２７０：パッドコンディショナー

Claims (10)

1. スラリー流動のためのグルーブと、
   所定大きさの溝からなる多数のパターンと、を含み、
   前記パターンは、任意の二つの地点から中央方向に連続して形成された二つの溝からなることを特徴とする研磨パッド。
2. 前記パターンは、Ｖ字形状またはＵ字形状からなる第１パターンと、前記第１パターンの反転された形状からなる第２パターンとを含むことを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド。
3. 前記第１パターン及び第２パターンは、研磨パッドの半径方向に交互に繰り返して形成されることを特徴とする請求項２に記載の研磨パッド。
4. 前記パターンは、前記研磨パッドの中心部を取り囲む方向に配列されることを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド。
5. 研磨テーブル上に備えられる研磨パッドにおいて、
   スラリーの流動のために、上部面に形成されるグルーブと、
   前記グルーブの内側または外周側に形成され、凹形状を有する多数の第１パターン及び第２パターンとを含み、
   前記第１パターンと第２パターンは、括弧形状またはヘリンボーン形状からなることを特徴する研磨パッド。
6. 前記第１パターン及び第２パターンは、その中央が所定程度とがっている形状からなり、
   前記第１パターン及び第２パターンの中央のとがっている部位は、前記研磨パッドの回転方向またはその反対方向に向いていることを特徴とする請求項５に記載の研磨パッド。
7. 前記第１パターン及び第２パターンの配列により、第１ライン及び第２ラインが形成され、
   前記第１ライン及び第２ラインは、同心円の形状を有することを特徴とする請求項５に記載の研磨パッド。
8. 前記研磨パッドの半径方向に対して、前記第１パターンと第２パターンが有する厚さ（Ｌｐ）と、前記第１パターン間の間隔（Ｌ）または前記第２パターン間の間隔（Ｌ）の比は、０．２２乃至０．５となることを特徴とする請求項５に記載の研磨パッド。
9. 所定方向に回転する研磨テーブルと、
   前記研磨テーブル上に備えられ、上部面にスラリー流動のためのグルーブ及びスラリーによるウェハーの研磨が行なわれるようにするパターンが形成される研磨パッドと、
   前記研磨パッドと前記ウェハーの研磨面に、所定の圧力を与えるためのヘッド部と、を含み、
   前記研磨パッドに形成されたパターンは、所定のヘリンボーン形状からなることを特徴とする化学的機械的研磨装置。
10. 前記パターンは、前記研磨パッドまたはヘッド部の回転方向に対して、相違するヘリンボーン形状を有する第１パターンと第２パターンとに区部され、
    前記第１パターンと第２パターンは、前記ウェハーの半径方向に交互に繰り返して配列されることを特徴とする請求項９に記載の化学的機械的研磨装置。

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