JPH09139366A - 研磨装置及びリテーナーリングの形状調整方法 - Google Patents

研磨装置及びリテーナーリングの形状調整方法

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JPH09139366A
JPH09139366A JP29561795A JP29561795A JPH09139366A JP H09139366 A JPH09139366 A JP H09139366A JP 29561795 A JP29561795 A JP 29561795A JP 29561795 A JP29561795 A JP 29561795A JP H09139366 A JPH09139366 A JP H09139366A
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polishing
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polishing pad
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晶 礒部
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    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B37/00Lapping machines or devices; Accessories
    • B24B37/27Work carriers
    • B24B37/30Work carriers for single side lapping of plane surfaces
    • B24B37/32Retaining rings
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体基板製造工程上に生じる凹凸を平坦化
する研磨装置において、リテーナーリングを研磨パッド
に接触させて基板外周部の研磨量の異常を防止する手段
として、リテーナーリングの研磨パッドに接触する端部
をラウンド形状と、リテーナーリング幅を狭くしても効
果が発揮されるようにし、研磨量の低下,研磨レートの
均一性の悪化,平坦性の悪化等を防ぐ。 【解決手段】 リテーナーリング1の端部は曲率半径1
mmのラウンド1aを有している。リテーナーリング1
の背面にはインサーパッド3と同じ材質のクッション材
4が設けてあり、ウェハ5とリテーナーリング1の表面
はほぼ高さが等しい。これにより、リテーナーリング1
を押し付けることによる研磨パッド2の変形を少なくす
ることができ、リングの幅を狭くできるため、研磨剤の
供給がリテーナーリング1によって妨害されることは少
なくなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、研磨装置及びリテ
ーナーリングの形状調整方法に関する。
【0002】
【従来の技術】研磨により基板表面を平滑化する技術
は、半導体基板の作製工程をはじめとし、あらゆる分野
で用いられてきた。一方、近年、半導体基板上のデバイ
ス作製工程においても、作製の過程で形成される表面の
凹凸、例えば層間絶縁膜表面の凹凸を研磨により平坦化
する化学機械研磨法が採用されつつある。この方法で
は、半導体基板等の基板表面を研磨する場合に用いられ
る不織布を材料とする比較的柔らかな研磨布とは異な
り、絶縁膜の平坦化を行うために、発泡ポリウレタン等
の材料からなる硬めの研磨布が用いられる。また、基板
面内の研磨均一性を得るために、硬質パッドの下層に弾
力性のあるクッション層を設けることが一般的である。
【0003】図7に従来の研磨装置の構成を示す。図7
に示す研磨装置は、基板を保持する基板保持部9と、研
磨パッド2が貼付けられた研磨テーブル10と、研磨剤
供給口11と、ダイヤモンドペレット12を装着したコ
ンディショニング機構(以下、コンディショナーとい
う)13とから構成されている。基板保持部9,コンデ
ィショナー13には回転,揺動,加圧機構が付帯されて
おり、研磨テーブル10には回転機構が付帯している
が、図面では省略している。
【0004】図8は、図7に示した基板保持部9の構成
を具体的に示す断面図である。基板保持部9は、基板
(以下、ウェハという)5の裏面にインサートパッド3
と呼ばれる弾力性のある層を設けており、ウェハ5の外
周に研磨中のウェハ5の横ずれを防止するリテーナーリ
ング1が設けられている。リテーナーリング1の材質に
は通常硬質プラスチック等が用いられる。ウェハ5はリ
テーナーリング1から約200μm突出して取り付けら
れ、これによりウェハ5のみが研磨パッド2に接触する
ような構造となっている。
【0005】この研磨装置を用いて、図9に示すような
配線層間膜の凹凸を研磨平坦化する。図9は半導体装置
の製造工程を示しており、半導体基板(ウェハ5に相当
する)14の絶縁膜15上に形成された金属配線16上
にシリコン酸化膜17がプラズマCVD法により2μm
の厚さに形成されている。なお、金属配線16よりも下
層の素子構造は簡単のため省略してある。この基板を上
述した研磨装置にて研磨することにより、図10に示す
ような平坦な層間絶縁膜を得ることができる。このとき
の研磨条件は、ロデール社製IC1000/SUBA4
00の積層からなる研磨パッド2上に、研磨剤供給口1
1から研磨材としてキャボット製SC112を100c
c/分流しながら、研磨テーブル10の回転数=20R
PM,基板保持部9によるウェハ5の回転数=20RP
Mで回転させながら、ウェハ5を研磨パッド2に荷重=
500g/cm2をもって押し付ける設定として平坦化
処理を行なう。このとき、ほぼ1300Å/分の研磨レ
ートが得られる。また、金属配線16の厚さ0.8μ
m,パターン付き基板(ウェハ)において、3mm×3
mmのパターン上とパターンの存在しない部分との層間
絶縁膜上の高さの差をグローバル段差と呼ぶと、5分研
磨後のグローバル段差は約1000Åとなった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、図8に示し
た従来の基板保持部9の構造では、ウェハ5の外周部に
おける研磨量が異常となるという問題があった。すなわ
ち、表面に硬質,下層に軟質の層からなる研磨パッド2
にウェハ5を押し付けることにより、図11に示すよう
にウェハ5の外周部の接触圧力が最大となり、その反力
で、ウェハ5の外周部から数ミリ、特にウェハ5の下層
としてのインサートパッド3の弾性率や研磨条件によっ
ては数センチにわたって研磨パッド2が変形し、ウェハ
5にかかる圧力が低くなり、研磨量が小さくなる。
【0007】これを解決する対策として、リテーナーリ
ング1とウェハ5の研磨パッド2に接触する面を同一高
さとし、かつリテーナーリング1の幅を上述した研磨パ
ッド2の変形の幅以上とし、研磨パッド2の変形の影響
をウェハ5に与えないようにする手法が検討されてい
る。
【0008】ところがリテーナリング1は、研磨パッド
2と接触する角部の形状が直角な断面形状をなしてお
り、このリテーナーリング1では、ウェハ5で観察され
た研磨量異常の幅よりも大きくリテーナーリング1の幅
をとっても完全に研磨量異常をなくすことはできない。
これは、ウェハ5の外周部はラウンド形状であるのに対
し、リテーナーリング1の直角断面形状の角部が研磨パ
ッド2に接触すると、その反力は大きく、図12に示す
ように研磨パッド2の変形幅がウェハ5にまで到達した
り、図13に示すように反力による2次的な変形が研磨
パッド2に生じるためと考えられる。このようにリテー
ナーリング1の幅をかなり大きくする必要が生じるた
め、これにより研磨パッド2とウェハ5の間に研磨剤が
入り込みにくくなり、研磨レートが低下するという問題
も生じる。
【0009】また、リテーナーリング1が研磨パッド2
に接触するために起きるその他の問題としては、リテー
ナーリング1による研磨パッド2のドレッシング効果が
ある。研磨と同時にドレッシングを行う方法は研磨レー
トを安定化させる方法として既に公知であるが、この方
法の短所として、平坦化効率が悪化することが、早川,
室山〜第42回春期応用物理学会予講集2P788など
によって知られており、リテーナーリングの接触によっ
ても同様の平坦化効率の悪化が見られる。さらに、リテ
ーナーリングが研磨パッドに接触することにより、リテ
ーナーリングに含まれる不純物が研磨パッド上に広が
り、研磨対象の基板上に残留する。これにより、研磨し
たデバイスの特性異常を引き起こす恐れが生じる。
【0010】こうした悪影響は、経時変化を伴うため
に、プロセスの再現性をも悪化させる。これは、インサ
ートパッド3に起因している。インサートパッド3は弾
力性を有しており、ウェハ5の研磨時の荷重により、ウ
ェハ5の沈み込み量が変化する。すなわち、リテーナー
リング1からのウェハ5の突出量が変化するのである。
また、インサートパッド3は弾力性を有するだけでな
く、連続して使用することにより、その弾力性が変化
し、同じ荷重でもウェハ5のリテーナリング1からの突
出量が変化してしまう。このようにリテーナーリング1
からのウェハ5の突出量が変化してしまうと、当初の目
的であるウェハ5外周部の研磨量異常に対する効果が一
定でなくなるばかりでなく、研磨パッド2とウェハ5の
間への研磨剤の入り込み易さが一定でなくなったり、リ
テーナーリング1によるドレッシング効果が一定でなく
なったりするため、研磨レートや均一性等の研磨の安定
性が著しく損なわれるという問題が生じる。
【0011】本発明の目的は、基板(ウェハ)外周部に
おける研磨量の不均一を防止し、また別の目的として、
リテーナーリングの接触による平坦化効率の低下を防止
し、さらに別の目的として、リテーナーリングからの基
板の突出量を一定とし、研磨特性を安定化させ、さらに
別の目的として、研磨によりリテーナーリングからの不
純物で基板が汚染されることを防止した研磨装置及びリ
テーナーリングの形状調整方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る研磨装置は、リテーナーリングを有
し、基板を研磨パッドに押し付けて基板の凹凸を平滑化
する研磨装置であって、リテーナーリングは、基板の横
ずれを防止するものであって、研磨パッドと接触する角
部領域にラウンドを有するものである。
【0013】またリテーナーリングに設けたラウンド形
状の曲率半径は、1mm以上である。
【0014】また接触調整機構を有し、接触調整機構
は、研磨中の基板とリテーナーリングの表面の高さが5
0μm以内の差で基板が研磨パッドに接触する高さに調
整するものである。
【0015】また本発明に係る研磨装置は、リテーナー
リングを有し、基板を研磨パッドに押し付けて基板の凹
凸を平滑化する研磨装置であって、リテーナーリング
は、基板の横ずれを防止するものであって、その材質
は、基板を研磨する研磨材とほぼ同一の材質からなるも
のである。
【0016】また接触調整機構を有し、接触調整機構
は、研磨中の基板とリテーナーリングの表面の高さが5
0μm以内の差で基板が研磨パッドに接触する高さに調
整するものである。
【0017】またリテーナーリングの研磨パッドと接触
する角部領域にラウンドを有しており、ラウンドの形状
は、その曲率半径が1mm以上である。
【0018】また本発明に係るリテーナーリングの形状
調整方法は、基板をリテーナーリングにて保持し、基板
を研磨パッドに押し付けて該基板を平滑化する研磨方法
において、リテーナーリングに対して予備研磨を行な
い、リテーナーリング外周部の断面形状をラウンド形状
に整形するものである。
【0019】本発明の研磨装置は、基板を保持するため
のリテーナーリングの外周側の断面形状が研磨パッドに
対してラウンド形状を有しており、リテーナーリングの
ラウンド形状の曲率半径は、1mm以上であることが望
ましい。さらに、研磨中の基板とリテーナーリングの表
面の高さが50μm以内の差で研磨布に接触するように
調整する機構を設けていることが望ましい。
【0020】また本発明の研磨装置は、基板を保持する
ためのリテーナーリングの材質が基板上の主たる被研磨
剤とほぼ同一の材質からなっている。また、研磨中の基
板とリテーナーリングの表面の高さが50μm以内の差
で研磨布に接触するように調整する機構を設けているこ
とが望ましい。さらに、基板を保持するためのリテーナ
ーリングの断面形状の外周側の研磨パッド側がラウンド
形状を有し、その曲率半径が、1mm以上であることが
望ましい。
【0021】本発明に係るリテーナーリングの形状調整
方法は、基板を保持するためのリテーナーリングに予め
適当な量の予備研磨を行うことにより、初期に任意であ
ったリテーナーリング外周部の断面形状をラウンド形状
に仕上げる。
【0022】
【発明の実施の形態】次に図面を参照して本発明を説明
する。
【0023】(実施形態1)図1は本発明の実施形態1
に係る基板保持部を示す断面図である。図1に示す本発
明の実施形態1に係る基板保持部9は、基板(以下、ウ
ェハという)5の裏面にインサートパッド3と呼ばれる
弾力性のある層を設けており、ウェハ5の外周に研磨中
のウェハ5の横ずれを防止するリテーナーリング1が設
けられている。リテーナーリング1としては硬質プラス
チック製のものを用いている。さらに本発明では、硬質
プラスチック製リテーナーリング1の外周部の研磨パッ
ド2と接触する角部領域に曲率半径1mmのラウンド1
aを設けている。リテーナーリング1の研磨パッド2と
の接触部の幅は10mmである。また、リテーナーリン
グ1の裏面と基板保持部9との間には、インサートパッ
ド3と同じ材質のクッション材4が挿入されている。こ
こにインサートパッド3とクッション材4とは基板(ウ
ェハ)5が研磨パッド2に接触する高さを調整する接触
調整機構を構成する。
【0024】以上の構成において、ウェハ5のリテーナ
ーリング1からの突出量をゼロに調整すると、研磨条件
が異なる場合でも研磨中のウェハ5の突出量は、ほぼゼ
ロに保たれ、連続使用によって弾性率が変化しても、イ
ンサートパッド3,リテーナーリング1のクッション材
4ともに同様に変化するため、ウェハ5のリテーナーリ
ング1からの突出量は変化しない。またリテーナーリン
グ1には、研磨パッド2との接触部にラウンド1aが付
いているために、研磨パッド2に対するドレッツシング
効果が少なく、平坦化効率の悪化は少ない。またリテー
ナーリング1の角部と研磨パッド2とは、ラウンド1a
により接触するため、リテーナーリング1と研磨パッド
2との間に研磨剤が入り込みやすくなり、その結果、リ
テーナーリング1の研磨パッド2への接触が起因となる
研磨の不安定性は生じない。
【0025】図1に示した基板保持部9を用いてウェハ
5の研磨を行う。研磨条件は従来例で説明したものと同
一である。図2はリテーナーリングからのウェハの突出
量の違いによるウェハ外周部での研磨量プロファイルを
示したものである。リテーナーリングからのウェハの突
出量が±50μm以内での研磨量では、ウェハの外周部
から概ね3mmよりも中心側で中央部の研磨量の±5%
以内に収まっている。
【0026】表1は、リテーナーリング1の外周部の研
磨パッド2と接触する角部領域に設けたラウンド1aの
曲率半径と,リテーナーリング1の研磨パッド2と接触
する幅を変化させた場合のウェハ外周部プロファイル異
常の有無(ウェハの外周部から概ね3mmよりも中心側
で中央部の研磨量の±5%以内に収まっているかどう
か),ウェハ中央部の研磨レート,ウェハ中央部の研磨
量の均一性,平坦化後の段差を示したものである。ここ
で言う平坦化後の段差とは、従来技術で説明した厚さ
0.8μmの金属配線上にシリコン酸化膜を2μm成膜
し、5分間研磨後に3mm×3mmのパターン上と平坦
部との間に生じる段差のことである。ウェハ外周部のプ
ロファイル異常は、リテーナーリング幅が大きくなると
なくなるが、リテーナーリング幅が大きいほどウェハ中
央部の研磨レートが低くなる傾向を示す。また、ウェハ
中央部の研磨レートのばらつきを表わすσも研磨レート
の低下と同時に悪化するが、これは、ウェハ中心部の研
磨レートが極端に落ち込むためで、リテーナーリングが
ウェハと研磨パッドとの間への研磨剤の供給を妨害して
いるために起きる現象である。リテーナーリングのラウ
ンド形状の曲率半径が大きいほど、狭いリテーナーリン
グ幅でも、ウェハ外周部のプロファイル異常が起きない
ため、リテーナーリング幅を小さくすることが有利とな
る。
【0027】表1からは、リテーナーリングのラウンド
形状の曲率半径が1mm以上では研磨レートを低下させ
ることなく、ウェハ外周部のプロファイル異常を起さな
いリテーナーリング幅が存在する。平坦化後の段差は、
リテーナーリングのラウンド形状の曲率半径が大きくな
るほど小さくなっているが、従来例に比べいずれの水準
もやや劣っている。
【0028】
【表1】
【0029】(実施形態2)図3は本発明の実施形態3
に係る基板保持部を示す断面図である。図3に示した本
発明の実施形態2では、石英製のリテーナーリング6を
用い、リテーナーリング6の外周部の研磨パッド2と接
触する部分の曲率半径は、0.1mm以下である。ま
た、リテーナーリング1の裏面と基板保持部9との間に
は、インサートパッド3と同じ材質のクッション材4が
挿入されている。ここにインサートパッド3とクッショ
ン材4とは基板(ウェハ)5が研磨パッド2に接触する
高さを調整する接触調整機構を構成する。
【0030】以上の構成においてリテーナーリング1か
らのウェハ5の突出量をゼロに調整すると、研磨条件が
異なる場合でも研磨中の突出量はほぼゼロに保たれ、連
続使用によって弾性率が変化しても、インサートパッド
3,リテーナーリング6のクッション材4ともに同様に
変化するため、突出量は変化しない。
【0031】表2に図3に示した基板保持部9を用いて
研磨した結果を示す。リテーナーリング6は石英製から
なり、研磨パッド2との接触部がドレッシング効果のな
い石英からできているため、平坦化効率の悪化はない。
また、リテーナーリング6を構成する石英は被研磨膜と
ほぼ同じ組成であり、被研磨膜と同様のCVDなどの成
膜方法を用いることにより、きわめて純度の高い材質を
得ることができる。その結果、リテーナーリング6の研
磨パッド2への接触によるリテーナーリング材質中の不
純物の研磨パッド上への拡散は、硬質プラスチックに比
べ、極めて低く抑えることができる。
【0032】
【表2】
【0033】実施形態2ではリテーナリングの研磨パッ
ドとの接触部にラウンドを設けなくても平坦化効率の悪
化が起こらないが、ラウンド形状とした方がエッジ部プ
ロファイルや、研磨レート,均一性に効果があることは
言うまでもない。
【0034】実施形態2における石英製リテーナーリン
グ6のラウンド形状を調整する方法を以下に示す。上述
した石英製リテーナーリング6を基板保持部9に装着
し、ダイミーウェハを装着して約100分間研磨を行
う。これにより、石英製リテーナーリング6の研磨パッ
ド2との接触部は図4に示すように研磨パッドの変形に
追随するような形状に研磨される。これにより、理想的
なリテーナーリングの断面形状を自動的に得ることがで
き、リテーナリングと研磨パッドとの接触幅が最小でも
ウエハ外周部プロファイルの異常を抑えることができ
る。表3はこうした処理を行ったリングを用いた研磨結
果である。
【0035】
【表3】
【0036】これまでの説明ではウェハのリテーナーリ
ングからの突出量を一定に保つ接触調整機構としてリテ
ーナーリングの裏面にもウェハの裏面と同様のインサー
トパッドを用いる機構を示したが、この他にも、図5に
示すようにウェハ5への荷重制御と独立してリテーナー
リング1の荷重をリテーナーリング圧力調整用エアクッ
ション7の空圧により制御する接触調整機構を設け、リ
テーナーリング6への荷重をエアクッション7の空圧に
より一定にしてウェハのリテーナーリングからの突出量
を制御する方法や、図6に示すようにリテーナーリング
1の高さをリテーナーリング高さ調整機構8により自動
調整する接触調整機構を設け、インサートパッドの経時
変化を予め記憶させておいて処理枚数にしたがってウェ
ハが研磨パッドに接触する高さを自動的に変更させるよ
うにしてもよい。
【0037】図5に示す実施形態では、接触調整機構と
してのリテーナーリング圧力調整用エアクッション7が
リテーナーリング1の背面に設けられ、常にリテーナー
リング1がウェハ5と同じ圧力を受けるように調整して
ウェハ5のリテーナーリング1からの突出量を調整して
ウェハ5の研磨パッド2へ接触する高さを調整すること
ができる機構となっている。
【0038】図6に示す実施形態では、接触調整機構と
してのリテーナーリング高さ調節機構8が設けられてお
り、装置本体からの制御信号によりリテーナーリング1
を上下させてリテーナーリング1からのウェハ5の突出
量を調整してウェハ5の研磨パッド2への接触高さを調
整することができる機構となっている。
【0039】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、リ
テーナーリングが研磨パッドと接触する角部領域の形状
をラウンド形状とすることにより、リテーナーリング幅
を狭くしてもウェハエッジ部の研磨量異常を抑えること
ができ、その結果、研磨レートやその均一性を良好に維
持することができる。
【0040】また石英製リテーナーリングを用いること
により、平坦化効率を損なうことがなくなり、またリテ
ーナーリングが研磨されることによる不純物の拡散を抑
えることができるため、研磨されたウェハ上の半導体装
置の電気特性に悪影響を与えることをなくすることがで
きる。
【0041】また石英製リテーナーリングは事前にリン
グ自身を予備研磨することにより、自動的に最適なラウ
ンド形状を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1を示す断面図である。
【図2】本発明の効果を示した図である。
【図3】本発明の実施形態2を示す断面図である。
【図4】本発明の実施形態2に関連した石英リングの形
状調整後を示した図である。
【図5】本発明のその他の実施形態を示す断面図であ
る。
【図6】本発明のその他の実施形態を示す断面図であ
る。
【図7】従来例を示す構成図である。
【図8】従来例を示す断面図である。
【図9】研磨工程を説明するための図である。
【図10】研磨工程を説明するための図である。
【図11】従来例の問題点を示す図である。
【図12】従来例の問題点を示す図である。
【図13】従来例の問題点を示す図である。
【符号の説明】
1 リテーナーリング 2 研磨パッド 3 インサートパッド 4 クッション材 5 ウェハ 6 石英製リテーナーリング 7 リテーナーリング圧力調整用エアクッション 8 リテーナーリング高さ調整機構 9 基板保持部 10 研磨テーブル 11 研磨剤供給口 12 ダイヤモンドペレット 13 コンディショナー 14 半導体基板 15 絶縁膜 16 金属配線 17 シリコン酸化膜

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リテーナーリングを有し、基板を研磨パ
    ッドに押し付けて基板の凹凸を平滑化する研磨装置であ
    って、 リテーナーリングは、基板の横ずれを防止するものであ
    って、研磨パッドと接触する角部領域にラウンドを有す
    るものであることを特徴とする研磨装置。
  2. 【請求項2】 リテーナーリングに設けたラウンド形状
    の曲率半径は、1mm以上であることを特徴とする請求
    項1に記載の研磨装置。
  3. 【請求項3】 接触調整機構を有し、 接触調整機構は、研磨中の基板とリテーナーリングの表
    面の高さが50μm以内の差で基板が研磨パッドに接触
    する高さに調整するものであることを特徴とする請求項
    1に記載の研磨装置。
  4. 【請求項4】 リテーナーリングを有し、基板を研磨パ
    ッドに押し付けて基板の凹凸を平滑化する研磨装置であ
    って、 リテーナーリングは、基板の横ずれを防止するものであ
    って、その材質は、基板を研磨する研磨材とほぼ同一の
    材質からなるものであることを特徴とする研磨装置。
  5. 【請求項5】 接触調整機構を有し、 接触調整機構は、研磨中の基板とリテーナーリングの表
    面の高さが50μm以内の差で基板が研磨パッドに接触
    する高さに調整するものであることを特徴とする請求項
    4に記載の研磨装置。
  6. 【請求項6】 リテーナーリングの研磨パッドと接触す
    る角部領域にラウンドを有しており、 ラウンドの形状は、その曲率半径が1mm以上であるこ
    とを特徴とする請求項4に記載の研磨装置。
  7. 【請求項7】 基板をリテーナーリングにて保持し、基
    板を研磨パッドに押し付けて該基板を平滑化する研磨方
    法において、 リテーナーリングに対して予備研磨を行ない、 リテーナーリング外周部の断面形状をラウンド形状に整
    形することを特徴とするリテーナーリングの形状調整方
    法。
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