JP2008103770A - 研磨スラリーを連続的に供給し、調整するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、スラリーを使用する研磨装置と一緒に使用するための連続スラリー供給システムを提供する。
【解決手段】上記連続スラリー供給システムは、混合チャンバ、スラリー成分タンク、化学的パラメータ・センサ・システム、および制御システムを備える。各スラリー成分タンクは、異なるスラリー成分を含み、混合チャンバに、必要な流量で、異なるスラリー成分を供給するために、混合チャンバと流体で連絡している。化学的パラメータ・センサ・システムは、混合チャンバに接続していて、スラリーの化学的特性を感知するように構成されている。制御システムは、化学的パラメータ・センサ・システムに接続していて、スラリー成分の中の少なくとも一つを混合チャンバに所与の流量で導入するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、研磨装置およびこの研磨装置の使用方法に関し、特に研磨プロセス中に、半導体ウェーハを化学的、機械的に、平面に仕上げる際に使用する研磨スラリーを調合し、調整し、供給するための装置および方法に関する。

［従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題］
半導体構成部材の製造の際には、通常、シリコン、ゲルマニウム、またはガリウムひ素からなる、支持体としての基板上に層の形で種々のデバイスが形成される。個々のデバイスは、必要な集積回路を形成するために、金属の導体のワイヤにより相互に接続される。金属の導体のワイヤは、さらに、例えば、酸化物のＣＶＤ（化学蒸着）により、またはＳＯＧ（スピンオングラス）層の塗布、およびその後での類似のプロセスにより蒸着された絶縁材料の薄いフィルムで、隣接する相互接続層から絶縁されている。このようなマイクロ回路の配線プロセスの場合には、絶縁層および金属層の両方が、滑らかな表面を持っていることが非常に重要である。何故なら、粗面上に形成された層を石版印刷により画像形成し、パターン形成するのは困難であるからである。

半導体の表面を平らに仕上げるために、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）が開発された。ＣＭＰは、（ａ）基板；（ｂ）化学蒸着により蒸着された酸化シリコン、または窒化シリコンのような絶縁体の表面；（ｃ）スピンオングラスおよびリフロー蒸着手段により半導体デバイス上に蒸着された、ガラスのような絶縁層；（ｄ）金属の導体の相互接続配線層の表面を平らにするために使用することができる。

要するに、ＣＭＰの場合には、薄くて、かなり平らな半導体ウェーハが、回転する研磨面に対して、保持され、回転する。研磨面には、制御された化学的条件、圧力条件、および温度条件の下で、化学的スラリーが塗布される。化学的スラリーは、ＣＭＰ中に、ウェーハの特定の面を選択的にエッチングし、酸化するために選ばれた研磨材料であり、化学薬品である研磨剤を含む。化学的エッチングおよび機械的研磨を、同時に、または順次行うことが望ましい。研磨作業中に、化学的エッチングと、機械的な材料の除去を組合せて使用すると、研磨面は極めて平らな状態に仕上げられる。

化学的機械的研磨に関連する一つの問題は、スラリーの調合と貯蔵である。研磨スラリーは、液体化学剤の機械的研磨材の懸濁液であるので、この懸濁液は、通常、バッチとして予め混合され、約３５０ガロンの容積のバッチ・タンクに貯蔵される。予備混合タンクは、通常、大規模なプラミング・システムにより、約５０ガロンの容量の「デイタンク」と呼ばれる別のタンクに接続している。上記プラミング・システムにより、デイタンクと予備混合タンクとの間でスラリーは連続的に再循環することができる。このアプローチは、懸濁液内の微粒子の沈澱、および凝集をできるだけ少なくし、混合液をかなり均質な状態に保つためのものである。スラリーの一つのバッチの全体の量は、約３５０ガロンである。混合した場合、スラリーをかなり均質な状態に確実にするには、スラリーが使用できる状態にするまでに、約１時間半から１２時間の間、激しく撹拌／再循環させて、スラリーを醸成しなければならない。

ＣＭＰプロセスの効果の度合は、例えば、スラリーの化学的濃度、温度、ｐＨ、比重等のような物理的パラメータにより、かなり違ってくる。例えば、３５０ガロンというように、スラリーの量は大量なので、タイムリーに混合液を少し調整するのは極めて困難である。さらに、スラリーの量が多いので、ＣＭＰ装置は、例えば、金属層を平らにするというような、特定のプロセスを行わなければならない。何故なら、例えば、誘電体のような異なる材料の平面化のための、特定のスラリー混合液の化学薬品は互換性を持っていないからである。スラリー混合液全体の化学的特性を修正するのは非常に難しい。それ故、最終的には、高度に精製された、高価な大量の化学薬品を使用し、貯蔵し、または処理しなければならない。そのため、環境上かなり問題がある。何故なら、ＣＭＰ装置は、例えば、基板の研磨、金属の研磨、誘電体の研磨というように、種々の材料の処理に使用されるからである。もちろん、プロセスを切り替えるには、時間が掛かり、使用済みのスラリーの廃棄コストや、処理に掛かる時間を考慮すると、最終的には、非常に高いものにつく。

従って、この業界で今必要とされているのは、連続的にスラリーを供給し、スラリーのパラメータをモニタし、スラリーのパラメータを公称値に修正するために、スラリーの成分を連続的に修正するスラリー調合装置である。

従来技術の上記の欠点を解決するために、本発明は、スラリーを使用する研磨装置と一緒に使用するための連続スラリー供給システムを提供する。ある実施形態の場合には、連続スラリー供給システムは、混合チャンバ、スラリー成分タンク、化学的パラメータ・センサ・システム、および制御システムを備える。各スラリー成分タンクは、異なるスラリー成分を含み、混合チャンバに、必要な量の異なるスラリー成分を供給するために、混合チャンバと流体で連絡している。化学的パラメータ・センサ・システムは、混合チャンバに接続していて、スラリーの化学的特性を感知するように構成されている。制御システムは、混合チャンバおよび化学的パラメータ・センサ・システムに接続している。制御システムは、スラリー成分の中の少なくとも一つが、混合チャンバに所与の流量で流入するように制御する。

それ故、広い意味では、本発明は、プロセスのパラメータに従って、スラリーの組成を容易に変更したり、調整することができる、スラリー分配システムを提供する。それ故、このシステムを使用すれば、もっと長時間連続的に研磨および製造プロセスを行うことができ、そのため、製造コストが安くなり、全体の生産効率が高くなる。

ある実施形態の場合には、感知された化学的特性は、イオン濃度である場合もあるし、導電率である場合もある。例えば、感知されたイオンは、ヒドロニウム・イオン（Ｈ_３Ｏ^＋）濃度である場合もあるし、ヒドロキシ・イオン（ＯＨ⁻）濃度である場合もあるし、金属イオン濃度である場合もあるし、または非金属イオン濃度である場合もある。他の実施形態の場合には、異なるスラリー成分は、オキシダントである場合もあるし、界面活性剤である場合もあるし、研磨材である場合もあるし、緩衝液である場合もあるし、腐食防止剤である場合もあるし、酸である場合もあるし、塩基である場合もあるし、または水である場合もある。これらのスラリー成分は、通常、半導体ウェーハの研磨の際に使用される。さらに他の実施形態の場合には、混合チャンバは、予備混合チャンバを備える場合もあり、連続的にスラリーを供給するシステムは、さらに、予備混合チャンバに、流体で接続している予備配分チャンバを備える。化学的パラメータ・センサ・システムは、予備混合チャンバ、または予備分配チャンバに接続することができる。

連続スラリー供給システムは、さらに、混合チャンバに接続していて、スラリーの物理的特性を感知するように構成されている、物理的パラメータ・センサ・システムを備えることもできる。感知対象の物理的パラメータとしては、圧力、温度、湿度、密度、粘度、ゼータ電位、混濁度に対する光透過率等がある。

他の実施形態の場合には、混合チャンバは、さらに、スラリーを混合するためのアジテータを備えることができる。他の実施形態の場合には、スラリー成分タンクは、さらに、混合チャンバへの異なるスラリー成分の測定した流量を計量しながら供給するように構成されている、計量供給デバイスを備えることができる。

今まで、本発明の好適な、また種々の特徴を、どちらかといえば広義に概略説明してきたので、当業者であれば、以下の本発明の詳細な説明をよりよく理解することができるだろう。本発明の特許請求の範囲の主題である、本発明の他の特徴については、以下に説明する。当業者であれば、本発明と同じ目的を達成するために、他の構造体を設計、または修正するためのベースとして、開示の概念および特定の実施形態を容易に使用することができることを理解されたい。また、当業者であれば、そのような等価の構造体は、その最も広い意味で、本発明の精神および範囲に含まれることも理解されたい。

最初に、図１について説明すると、この図は、本発明の原理により組み立てられた連続スラリー供給システムのある実施形態である。連続スラリー供給システム１００は、混合チャンバ１１０と、スラリー・ディスペンサ１１５と、全体を参照番号１２０で示し、一つ一つを参照番号１２０ａ−１２０ｈで示す、スラリー成分タンクと、化学的パラメータ・センサ・システム１３０と、制御システム１４０とを備える。ある好適な実施形態の場合には、混合チャンバ１１０は、供給システム全体と比較すると、その容量は比較的小さい。例えば、ある実施形態の場合には、システム全体の容量は、約３５０ガロンであるのに、混合チャンバ１１０の容量は約０．５ガロンである。しかし、もっと大きな容量の混合チャンバ１１０も本発明の範囲内に含まれることを理解されたい。

各スラリー成分タンク１２０ａ−１２０ｈは、全体の研磨および調整プロセスに絶対必要な、異なるスラリー成分、例えば、オキシダント１２１ａ、界面活性剤１２１ｂ、研磨材１２１ｃ、緩衝液１２１ｄ、腐食防止剤１２１ｅ、酸１２１ｆ、塩基１２１ｇ、または水１２１ｈを含む。もちろん、当業者であれば、他の異なるタイプのスラリー成分も使用することができることを理解することができるだろう。図に示すように、スラリー成分タンク１２０ａ−１２０ｈは、個々に、混合チャンバと流体により連絡している。説明のために使用する流体連絡とは、個々のスラリー成分タンク１２０ａ−１２０ｈと、各スラリー成分タンク１２０ａ−１２０ｈから混合チャンバへ成分を送るのに適している混合チャンバとの間に、コンジット１２２ａ−１２２ｈを持つことを意味する。例えば、水１２１ｈのような流体は、混合チャンバ１１０に直接接続しているチューブ１２２ｈを持つことができる。当業者であれば、コンジットまたは他のタイプの供給システムを通して、液体および粉末状の成分を分配する場合の種々の問題、およびその解決方法についてよく知っているはずである。各スラリー成分タンク１２０ａ−１２０ｈは、混合チャンバ１１０への各成分１２１ａ−１２１ｈの測定した流量を測定しながら供給するように構成されている測定デバイス１２３ａ−１２３ｈを備える。

混合チャンバ１１０は、さらに、研磨装置１８０の研磨プラテン／パッド１７０に供給される、ほぼ均質なスラリー１６０を作るために、混合チャンバ１１０の内容を激しく撹拌するアジテータ１５０を備える。スラリー１５０は、上記の個々の成分１２１ａ−１２１ｈの中の、いくつかの化学的懸濁物である。当業者であれば、スラリー１６０の正確な組成は、平らにする材料により変化することを理解することができるだろう。

化学的パラメータ・センサ・システム１３０は、混合チャンバ１１０に接続していて、センサ１３５により、例えば、スラリー１６０のイオン濃度または導電率のような化学的特性を感知するように構成されている。より詳細に説明すると、感知される化学的特性は、ヒドロニウム・イオン（Ｈ_３Ｏ^＋）濃度である場合もあるし、ヒドロキシ・イオン（ＯＨ⁻）濃度である場合もあるし、金属イオン濃度である場合もあるし、または非金属イオン濃度である場合もあるし、またはオキシダント濃度である場合もある。このイオン濃度、または他の化学的特性および物理的特性は、制御システム１４０により分析され、この制御システム１４０は、スラリー１６０に不足しているか、または過度に含まれている化学的成分１２１ａ−１２１ｈを決定し、スラリー１６０の組成を調整するのに、適当な流量で、混合チャンバ１１０内に適当な化学的成分１２１ａ−１２１ｈを導入するために一つまたはそれ以上の測定デバイス１２３ａ−１２３ｈにコマンドを送る。

例えば、化学的パラメータ・センサ・システム１３０は、金属の研磨中に、スラリー１６０の初期ｐＨが４．７であることを測定する。このプロセスに必要なｐＨは４．５である。制御システム１４０は、４．７という実際のｐＨを、必要なｐＨ，４．５と比較して、測定デバイス１２３ｆに、酸成分タンク１２０ｆから混合チャンバ１１０へ、酸１２１ｆを計算した流量で導入するようにコマンドを送る。当業者であれば、複数の化学的パラメータを連続的にモニタすれば、スラリー１６０の組成が、必要なパラメータから少しだけしか変化しないことを直ちに理解することができるだろう。それ故、スラリー１６０の組成を注意深く制御すれば、ＣＭＰプロセスの速度を速め、半導体ウェーハのスループットを改善できる。また、個々の制御タンク１２０内に水１２１ｈ、または溶媒／洗剤（図示せず）を入れることにより、混合チャンバ１１０およびスラリー・ディスペンサ１１５に急速に成分導入し、例えば、タンク金属研磨から誘電体研磨への切り替えのような、異なるプロセスへの切り替えの準備をすることができる。それ故、従来技術のような大量のバッチを必要としないし、過度のスラリーを処分する必要もなく、またスラリー成分は、相互に分離して保存される。それ故、環境面から見て、化学薬品１２１ａ−１２１ｈは、比較的少量必要になるまで、個々のスラリー成分タンク１２０ａ−１２０ｈに保持され、それにより、いったん混合されたら、経済的に分離することができない潜在的に危険な化学薬品の廃棄物がでるのが防止される。

連続スラリー供給システム１００は、さらに、混合チャンバ１１０および制御システム１４０に接続している物理的パラメータ・センサ・システム１９０を備えることができる。物理的パラメータ・センサ・システム１９０は、例えば、スラリー混合チャンバ１１０の、温度、圧力、湿度、混濁度、密度、粘度、ゼータ電位等に関する現在のデータを収集することができる。制御システム１４０は、この情報を処理して、環境に対して必要な調整を行う。例えば、必要な温度が５５℃である場合に、実際の周囲温度が５０℃である場合もある。制御システム１４０は、上記の温度差を感知した場合には、ヒータ１９３に、５５℃になるまで、周囲温度を上昇するようにコマンドを送る。スラリーの温度が、制御要因である場合には、このスラリーの温度を上記のように感知することができ、例えば、混合チャンバ１１０の周囲の冷水浴または温水浴により調整することができる。当業者にとっては、懸濁液の物理的パラメータを制御する方法は周知のものである。

連続スラリー供給システム１００は、さらに、加圧システム（図示せず）、および水または他の清掃流体のような、選択した一つまたはそれ以上の成分を研磨プラテン／パッド１７０に供給するための、自由に方向を変えることができる圧力ノズルを備えることができる。このような実施形態の場合には、種々の検出作業の間に、研磨パッドを清掃し、調整するために、加圧システムを使用することができる。当業者にとっては、本発明のこの機能を実行する際に使用することができる加圧流体供給システムは、周知のものである。

図２について説明すると、この図は、図１の連続スラリー供給システムの他の実施形態である。この実施形態の場合には、連続スラリー供給システム２００は、予備混合チャンバ２１１および予備分配チャンバ２１２を含むことができる。個々の成分１２１ａ−１２１ｈからのスラリーの混合は、予備混合チャンバ２１１内で行われる。

その後で、スラリー１６０は、予備分配チャンバ２１２に送られ、そこでスラリー１６０は、研磨プラテン／パッド１７０に配分される。この実施形態の場合には、化学的パラメータ・センサ・システム２３０、および物理的パラメータ・センサ・システム２９０ａ、２９０ｂは、２９０ｂでのように、予備混合チャンバ２１１に接続することができ、また２９０ａのように、予備分配チャンバ２１２に接続することができる。もちろん、感知システム２３０、２９０ａ、２９０ｂは、最適な性能が得られるように配置することができる。当業者であれば、予備混合チャンバ２１１または予備分配チャンバ２１２のどちらか上で、特定のセンサの位置を知ることができればどんな利点があるかを容易に理解することができるだろうし、上記利点により本発明の範囲は影響を受けない。

図３について説明すると、この図は、半導体研磨装置と一緒に使用中の、図１の連続スラリー供給システムの立面図である。半導体ウェーハ３１０は、研磨装置３８０の研磨ヘッド３２０にすでに設置されている。半導体ウェーハ３１０は、例えば、基板、金属層、形成されたマイクロ回路 、誘電層等の平らにしなければならない、製造の任意の段階に位置していてもかまわない。化学的パラメータ感知システム１３０は、規定の化学的パラメータを連続的にモニタし、実際の化学的パラメータを必要なパラメータの非常に厳しい許容範囲内に維持するために、スラリー成分１２１ａ−１２１ｈの分配量の必要な調整が、制御システム１４０により行われる。同様に、物理的パラメータ・センサ・システム１９０は、規定の物理的パラメータの実際の数値を感知し、上記のような調整が制御システム１４０により行われる。半導体ウェーハ３１０は、当業者であれば周知の従来の方法で研磨される。重要なことは、２リットル程度の最低量のスラリーだけを一度に混合することである。それ故、現在必要な量より遥かに多いスラリー１６０が混合されるのが防止されるし、また廃棄物および潜在的な汚染も発生しない。不必要なスラリー１６０の処分は最低限ですみ、コストがかなり安くなる。平面化プロセスの対象物を、基板から、金属、誘電体に変更する作業は、急速に、また最低のコストで行われる。

本発明を詳細に説明してきたが、当業者であれば、その最も広い意味で、本発明の精神および範囲から逸脱することなしに、種々の変更、置換えおよび修正を行うことができることを理解されたい。

本発明の原理により組み立てられた連続スラリー供給システムのある実施形態である。 図１の連続スラリー供給システムの他の実施形態である。 半導体研磨装置と一緒に使用する、図１の連続スラリー供給システムの立面図である。

Claims (10)

1. スラリーを使用する研磨装置と一緒に使用するための、連続スラリー供給システムであって、
   混合チャンバと、
   各異なるスラリー成分を含み複数のスラリー成分タンクであって、前記混合チャンバに必要な流量で異なるスラリー成分を供給するために、前記混合チャンバと流体で連絡しているような複数のスラリー成分タンクと、
   前記混合チャンバに接続され、前記スラリーの化学的特性を感知するように構成された化学的パラメータ・センサ・システムと、
   前記化学的パラメータ・センサ・システムおよび前記混合チャンバに接続され、前記スラリー成分の中の少なくとも一つを所与の流量で導入するように構成された制御システムと、前記スラリー供給システムの全容量より相当小さい容量を持つ前記混合チャンバと流体で連絡している予備分配チャンバとを備える連続スラリー供給システム。
2. 請求項１に記載の連続スラリー供給システムにおいて、前記混合チャンバが予備混合チャンバであり、前記化学的パラメータ・センサ・システムが、前記予備混合チャンバ、または前記予備分配チャンバに接続している連続スラリー供給システム。
3. 請求項１に記載の連続スラリー供給システムにおいて、さらに、前記制御システムおよび前記混合チャンバに接続している物理的パラメータ・センサ・システムを含み、前記物理的パラメータ・センサ・システムが、前記スラリーの物理的特性を感知するように構成され、前記制御システムが、前記スラリーの物理的パラメータを調整するように構成されている連続スラリー供給システム。
4. 請求項１に記載の連続スラリー供給システムにおいて、前記混合チャンバが、さらに、前記スラリーを混合するためのアジテータを備える連続スラリー供給システム。
5. 請求項１に記載の連続スラリー供給システムにおいて、前記各スラリー成分タンクが、さらに、前記混合チャンバへの、前記の異なるスラリー成分の測定した流量を測定しながら供給するように構成されている連続スラリー供給システム。
6. 半導体研磨システム用の連続スラリーを形成するための方法であって、
   混合チャンバと流体で連絡している、各々異なるスラリー成分を含む複数のスラリー成分タンクのうちの少なくとも一つから混合チャンバに対して必要な流量でスラリー成分を配分するステップと、
   前記混合チャンバに接続された化学的パラメータ・センサ・システムにより前記スラリーの化学的パラメータを感知するステップと、
   前記化学的パラメータ・センサ・システムに接続された制御システムにより、所与の流量で、前記混合チャンバに対して前記スラリー成分の他の成分のうちの少なくとも一つを配分するステップと、
   前記混合チャンバから予備分配チャンバへ前記スラリーを移すステップを含む方法。
7. 請求項６に記載の方法において、化学的パラメータを感知するステップが、前記予備混合チャンバ又は前記予備分配チャンバ中のスラリーの化学的パラメータを感知するステップを含む方法。
8. 請求項６に記載の方法において、さらに、前記混合チャンバに接続している物理的パラメータ・センサ・システムにより前記スラリーの物理的パラメータを感知するステップを含む方法。
9. 請求項６に記載の方法において、さらに、スラリー供給システムと流体で連絡していて、ノズルを通して研磨パッドに加圧流体を供給するように構成されている加圧供給システムから配分された加圧流体を含む研磨パッドに加圧流体を噴出するステップを含む方法。
10. 半導体ウェーハを製造する方法であって、
    半導体基板上に、材料層を形成するステップと、
    前記半導体基板を研磨装置の研磨ヘッド内に保持するステップと、
    混合チャンバと流体で連絡している、各々が、異なるスラリー成分を含む、複数のスラリー成分タンクのうちの一つから混合チャンバ内に一つの流量でスラリー成分を配分するステップと、
    前記混合チャンバに接続された化学的パラメータ・センサ・システムにより前記スラリーの化学的パラメータを感知するステップと、
    前記化学的パラメータ・センサ・システムに接続された制御システムにより、所与の流量で前記混合チャンバに前記スラリー成分の他の成分の中の少なくとも一つを配分するステップと
    により、連続しているスラリーを前記研磨装置のプラテンに供給するステップと、
    前記材料の層を前記研磨プラテンで研磨するステップと、
    前記混合チャンバから予備分配チャンバへ前記スラリーを移すステップと、前記予備分配チャンバから研磨プラテン上に前記スラリーを移すステップと、
    前記研磨プラテンに対して、前記材料層を研磨するステップとを
    含む方法。

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