JP2006245410A

JP2006245410A - 化学機械研磨方法および化学機械研磨装置

Info

Publication number: JP2006245410A
Application number: JP2005060879A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Hieda; 克彦稗田
Original assignee: JSR Corp
Current assignee: JSR Corp
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】研磨パッドの表面、研磨溝などに残存する砥粒塊、ドレッサー装置のダイヤモンド粒、異物などを完全に研磨パッドの表面、研磨溝から除去することができ、半導体ウェハなどの被研磨材料の表面にスクラッチ傷が発生せず、配線パターン間の短絡が生じることがなく、半導体ウェハなどの被研磨材料の表面を均一に平坦化することが可能な化学機械研磨方法および化学機械研磨装置を提供する。
【解決手段】回転する円盤形状の研磨パッド４に対して、砥粒を含んだ研磨液を供給１４するとともに、被研磨材料を、研磨パッド４の上面に押し付けて、被研磨材料の表面を研磨する化学機械研磨方法において、研磨パッド４の研磨溝６内に残留する研磨屑などの異物を含んだ研磨液を吸引１６除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、半導体ウェハなどの被研磨材料を、回転する研磨パッドの上面に押し付けて、被研磨材料の表面を研磨する化学機械研磨方法（Chemical Mechanical Polishing）および化学機械研磨装置に関する。

従来より、ＬＳＩなどの半導体装置の高集積化によって、半導体ウェハの内部配線が微細化するとともに、多層配線化が行われるようになっている。
このような半導体ウェハの微細化、多層配線化にともなって、例えば、絶縁膜の平坦化工程や金属配線の形成工程などの半導体素子製造工程において、半導体ウェハの表面を研磨する処理が実施されるようになっている。

最近では、特に、半導体装置の製造工程における技術として、特許文献１（特開２００３−２９７８３２公報）などに開示されているように、「ダマシン法」と呼ばれる配線形成技術が用いられるようになっている。

この方法では、図８に示したように、半導体ウェハ１００上に設けられた絶縁膜１０２に、孔または溝などの配線用凹部１０４が形成される。そして、この絶縁膜１０２上に、硬質の金属などよりなるバリアメタル層１０６を形成した後に、タングステン、アルミニウム、銅などの配線材料が、配線用凹部１０４内に堆積するようにして、配線材料層１０８が形成される（図８（Ａ）参照）。

その後、配線用凹部１０４以外の領域に形成された配線材料層１０８とバリアメタル層１０６を、化学機械研磨によって除去している（図８（Ｂ）（Ｃ）参照）。これによって、この領域において、絶縁膜１０２の表面を露出させ、配線用凹部１０４内のみに、バリアメタル層１０６と配線材料層１０８を残すことにより、ダマシン配線といわれる配線が形成されるようになっている（図８（Ｃ）参照）。

このようなダマシン配線を形成するための化学機械研磨方法としては、特許文献２（特開２００５−４５２２９公報）などに開示されているように、通常、被研磨面に対して、多段階、すなわち、２段階の化学機械研磨処理を施す研磨工程を行うことによっている。

すなわち、形成すべき配線の幅が広い場合には、配線材料層が過度に研磨され、得られる配線の中央部のへこみ、いわゆるディッシングが生じてしまうおそれがあるため、第１研磨処理工程において、配線材料層である銅層のうちの除去すべき配線材料層部分を完全に除去し、第２研磨処理工程において、除去すべきバリアメタル層部分を完全に除去することで、半導体ウェハの表面を平坦化することが行われている。
特開２００３−２９７８３２公報特開２００５−４５２２９公報

しかしながら、このような従来の化学機械研磨工程においては、研磨が進行するにともなって、研磨研磨液に含まれる砥粒が塊になって、研磨パッドの表面、研磨される半導体ウエハの表面、研磨パッドの研磨溝内に残存して、この砥粒の塊によって、半導体表面の上にスクラッチ傷が発生することになる。このようなスクラッチ傷が発生すると、特に、上記のダマシン法においては、研磨された比較的柔らかい金属である銅などの配線材料が
このスクラッチ傷に入り込んで、配線の間で短絡が生じてしまうおそれがあった。

また、研磨が繰り返し行われた場合には、研磨パッドの研磨溝が削れてしまうため、従来より、ドレッサー装置と呼ばれる表面にダイヤモンドなどによって、研磨パッドの研磨溝を研削し直すとともに、研磨パッドの表面の平坦性を修正することが行われている。

この場合、図９に示したように、研磨パッド２００の研磨溝２０２内に、ドレッサー装置のダイヤモンドの粒などの異物２０４などが残存してしまい、これが化学機械研磨の際に、研磨液２０６によって半導体ウェハ２０８の表面との間に入り、半導体ウェハ８の表面の上にスクラッチ傷が発生し、配線の間で短絡が生じてしまうことになる。

このため、従来から、このような研磨パッドの研磨溝に入り込んだ異物を除去するために、洗浄水をパッド表面に流したり、パッドの溝を浅くしたり、砥粒自体を柔らかいものにするなどの工夫が行われているが、未だ根本的な解決に至っていないのが実情である。

本発明は、このような現状に鑑み、研磨パッドの表面、研磨溝などに残存する砥粒塊、ドレッサー装置のダイヤモンド粒、異物などを完全に研磨パッドの表面、研磨溝から除去することができ、半導体ウェハなどの被研磨材料の表面にスクラッチ傷が発生せず、配線パターン間の短絡が生じることがなく、半導体ウェハなどの被研磨材料の表面を均一に平坦化することが可能な化学機械研磨方法および化学機械研磨装置を提供することを目的とする。

本発明は、前述したような従来技術における課題及び目的を達成するために発明されたものであって、本発明の化学機械研磨方法は、
研磨パッドに対して、研磨液を供給するとともに、
被研磨材料を、研磨パッドの上面に押し付けて、被研磨材料の表面を研磨する化学機械研磨方法において、
前記研磨パッドの表面及び／又は研磨溝内に残留する研磨屑などの異物を含んだ研磨液を吸引除去することを特徴とする。

また、本発明の化学機械研磨装置は、
研磨パッドと、
前記研磨パッドに対して、研磨液を供給する研磨液供給装置と、
被研磨材料を研磨パッドの上面に押し付けて、被研磨材料の表面を研磨する被研磨材押し付け装置を備えた化学機械研磨装置であって、
前記研磨パッドの表面及び／又は研磨溝内に残留する研磨屑などの異物を含んだ研磨液を吸引除去する研磨液吸引除去装置を備えることを特徴とする。

このように構成することによって、研磨液吸引除去装置によって、研磨パッドの表面、研磨溝内に残留する研磨屑などの異物を含んだ研磨液を吸引除去するので、研磨パッド表面、研磨パッドの研磨溝内には、異物を含まない状態となり、研磨パッド表面に常に異物を含まない研磨液が供給されることになる。

これにより、研磨パッドの表面、研磨溝などに残存する砥粒塊、ドレッサー装置のダイヤモンド粒、異物などを完全に研磨パッドの表面、研磨溝から除去することができ、半導体ウェハなどの被研磨材料の表面にスクラッチ傷が発生せず、配線パターン間の短絡が生じることがなく、半導体ウェハなどの被研磨材料の表面を均一に平坦化することが可能である。

また、本発明では、前記研磨液の吸引除去が、所定時間間隔で行われることを特徴とする。
このように構成することによって、研磨が進行して、研磨パッドの表面、研磨溝などに砥粒塊、ドレッサー装置のダイヤモンド粒、異物などが残存するのを未然に防止できるので、半導体ウェハなどの被研磨材料の表面にスクラッチ傷が発生せず、配線パターン間の短絡が生じることがなく、半導体ウェハなどの被研磨材料の表面を均一に平坦化することが可能である。

また、本発明では、前記研磨液の吸引除去が、研磨の際に連続して行われることを特徴とする。
このように構成することによって、研磨パッドの表面、研磨溝などに砥粒塊、ドレッサー装置のダイヤモンド粒、異物などが残存するのを常に防止できるので、半導体ウェハなどの被研磨材料の表面にスクラッチ傷が発生せず、配線パターン間の短絡が生じることがなく、半導体ウェハなどの被研磨材料の表面を均一に平坦化することが可能である。

また、本発明の化学機械研磨装置は、前記研磨液吸引除去装置が、研磨パッドの径方向に移動可能に構成されていることを特徴とする。
このように構成することによって、研磨液吸引除去装置が、研磨パッドの径方向に移動することによって、研磨パッド全体にわたって、研磨パッドの表面、研磨溝内に残留する研磨屑などの異物を含んだ研磨液が吸引除去されることになって、研磨パッド表面、研磨パッドの研磨溝内には、異物を含まない状態となり、研磨パッド表面に常に異物を含まない研磨液が供給されることになる。

これにより、半導体ウェハなどの被研磨材料の表面にスクラッチ傷が発生せず、配線パターン間の短絡が生じることがなく、半導体ウェハなどの被研磨材料の表面を均一に平坦化することが可能である。

また、本発明の化学機械研磨装置は、前記研磨液吸引除去装置が、研磨パッドの半径方向全体にわたって形成された吸引口を有することを特徴とする。
このように構成することによって、研磨パッドの半径方向全体にわたって形成された吸引口を介して、研磨パッド全体にわたって一度にかつ全体的に、研磨パッドの表面、研磨溝内に残留する研磨屑などの異物を含んだ研磨液が吸引除去されることになって、研磨パッド表面、研磨パッドの研磨溝内には、異物を含まない状態となり、研磨パッド表面に常に異物を含まない研磨液が供給されることになる。

また、本発明の化学機械研磨装置は、前記研磨液吸引除去装置が、研磨パッドの半径方向にわたって、研磨パッドの各研磨溝に対応するように形成された複数の吸引口を有することを特徴とする。

このように構成することによって、研磨パッドの半径方向にわたって、研磨パッドの各研磨溝に対応するように形成された複数の吸引口を介して、研磨パッドの表面、研磨パッドのそれぞれの研磨溝内に残留する研磨屑などの異物を含んだ研磨液が確実に吸引除去されることになって、研磨パッドの研磨溝内には、異物を含まない状態となり、研磨パッド表面に常に異物を含まない研磨液が供給されることになる。

これにより、半導体ウェハなどの被研磨材料の表面にスクラッチ傷が発生せず、配線パ
ターン間の短絡が生じることがなく、半導体ウェハなどの被研磨材料の表面を均一に平坦化することが可能である。

また、本発明の化学機械研磨装置は、前記研磨液吸引除去装置が、研磨パッドの半径方向にわたって、研磨パッドの複数の研磨溝毎に対応するように形成された吸引口を有することを特徴とする。

このように構成することによって、研磨パッドの半径方向にわたって、研磨パッドの複数の研磨溝毎に対応するように形成された吸引口を介して、研磨パッドの複数の研磨溝毎に研磨溝内に残留する研磨屑などの異物を含んだ研磨液が確実に吸引除去されることになって、研磨パッドの研磨溝内には、異物を含まない状態となり、研磨パッド表面に常に異物を含まない研磨液が供給されることになる。

また、本発明の化学機械研磨装置は、前記研磨液吸引除去装置が、複数個一定間隔離間して配置されていることを特徴とする。
このように構成することによって、複数個の研磨液吸引除去装置によって、研磨パッドの研磨溝内に残留する研磨屑などの異物を含んだ研磨液が吸引除去されることになって、吸引除去効果が向上して、研磨パッド表面、研磨パッドの研磨溝内には、完全に異物を含まない状態となり、研磨パッド表面に常に異物を含まない研磨液が供給されることになる。

本発明によれば、研磨液吸引除去装置によって、研磨パッドの研磨溝内に残留する研磨屑などの異物を含んだ研磨液を吸引除去するので、研磨パッド表面、研磨パッドの研磨溝内には、異物を含まない状態となり、研磨パッド表面に常に異物を含まない研磨液が供給されることになる。

以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいてより詳細に説明する。
図１は、本発明の化学機械研磨装置の斜視図である。
図１において、１は全体で本発明の化学機械研磨装置（以下、単に「研磨装置」と言う）を示している。

図１に示したように、研磨装置１は、点線で示した駆動モータ３などに接続されて、回転駆動する円盤状の回転テーブル２を備えており、回転テーブル２の上面には、円盤状の研磨パッド４が貼着されている。そして、これにより、研磨パッド４が一定速度で、回転
軸Ａを中心に矢印方向に回転するように構成されている。

なお、この実施例では、円盤状の研磨パッド４が回転するタイプのものについて説明するが、パッド形状としては、円盤状以外にも、例えば、ベルトコンベア状のものなどがあり、特に限定されるものではない。

また、研磨パッド４の表面には、化学機械研磨の際の研磨材として機能する、例えば、ポリマー粒子などの砥粒を含んだ研磨液中に含まれる研磨材のトラップや研磨屑を逃すために、同心円状に複数の研磨溝６が形成されている。

そして、研磨装置１の研磨パッド４の上方には、例えば、半導体ウェハなどの被研磨材料８を保持して、研磨パッド４の上面に押し付けて、被研磨材料の表面を研磨する被研磨材押し付け装置１０が備えられている。

なお、この被研磨材押し付け装置１０は、図示しない駆動モータなどに接続されて、回転駆動することによって、被研磨材押し付け装置１０に保持された被研磨材料８が、一定速度で回転軸Ｂを中心に回転するように構成されている。なお、この実施例では、被研磨材押し付け装置１０に保持された被研磨材料８が回転するように構成したが、回転しないように構成することも可能である。

また、研磨装置１の研磨パッド４の上方には、研磨作業で摩耗した研磨パッド４の上面を磨削してその平坦度、ならびに研磨溝６の溝深さなどを一定に保つためのドレッサー装置１２が設けられている。

さらに、研磨装置１の研磨パッド４の上方には、研磨パッド４の上面に、例えば、砥粒を含んだ研磨液を供給する研磨液供給装置１４が配置されている。なお、研磨液としては、砥粒を含まないものであっても研磨効果が期待できる研磨液も使用することが可能である。

そして、研磨装置１の研磨パッド４の上方には、研磨パッド４の研磨溝６内に残留する研磨屑などの異物を含んだ研磨液を吸引除去する研磨液吸引除去装置１６を備えている。
この実施例の研磨液吸引除去装置１６は、図１に示したように、研磨パッド４の半径にわたって延びるように配置されている。

そして、研磨液吸引除去装置１６は図示しない真空ポンプなどの負圧源に接続されており、これによって、図２に示したように、研磨パッド４の表面、研磨パッド４の研磨溝６内に残留する研磨屑などの異物１８を含んだ研磨液５を吸引除去するように構成されている。なお、この吸引除去される研磨液５には、異物１８としては、研磨屑以外にも、後述するように、残存する砥粒塊、ドレッサー装置１２のダイヤモンド粒なども含まれているものであり、これらを吸引除去するようになっている。

これによって、研磨パッド４の表面、研磨パッド４の研磨溝６内には、異物を含まない状態となり、研磨パッド４の表面には、研磨液供給装置１４から、常に異物を含まない研磨液が供給されることになる。

これにより、研磨パッド４の表面、研磨パッド４の研磨溝６などに残存する砥粒塊、ドレッサー装置１２のダイヤモンド粒、異物１８などを完全に研磨パッド４の表面、研磨溝６から除去することができ、半導体ウェハなどの被研磨材料８の表面にスクラッチ傷が発生せず、配線パターン間の短絡が生じることがなく、半導体ウェハなどの被研磨材料の表面を均一に平坦化することが可能である。

この場合、研磨液吸引除去装置１６の配置位置は、この実施例では、研磨パッド４の回転方向に対して、研磨液供給装置１４の下流側に設けたが、特に限定されるものではなく、研磨液供給装置１４の上流側に配置するなど、適宜設定することができる。

この場合、研磨液吸引除去装置１６は、研磨液の吸引除去を、所定時間間隔で行うように構成することができる。
このように構成することによって、研磨が進行して、研磨パッド４の表面、研磨溝などに砥粒塊、ドレッサー装置１２のダイヤモンド粒、異物などが残存するのを未然に防止できるので、半導体ウェハなどの被研磨材料８の表面にスクラッチ傷が発生せず、配線パターン間の短絡が生じることがなく、半導体ウェハなどの被研磨材料８の表面を均一に平坦化することが可能である。

この場合、所定時間間隔としては、特に限定されるものではなく、例えば、研磨パッド４が２回転する毎に吸引除去処理を実施するなど、半導体ウェハなどの被研磨材料８の種類、研磨液の種類、研磨パッド４の回転速度などによって適宜選定すればよい。

また、研磨液吸引除去装置１６は、研磨液の吸引除去が、研磨の際に連続して行われるように構成することもできる。
このように構成することによって、研磨が進行して、研磨パッド４の表面、研磨溝などに砥粒塊、ドレッサー装置１２のダイヤモンド粒、異物などが残存するのを常に防止できるので、半導体ウェハなどの被研磨材料８の表面にスクラッチ傷が発生せず、配線パターン間の短絡が生じることがなく、半導体ウェハなどの被研磨材料８の表面を均一に平坦化することが可能である。

さらに、研磨液吸引除去装置１６は、図１の矢印Cに示したように、研磨液吸引除去装
置１６が、図示しない駆動機構によって、研磨パッド４の径方向に移動可能に構成してもよい。この場合、移動速度は特に限定されるものではなく、半導体ウェハなどの被研磨材料８の種類、研磨液の種類、研磨パッド４の回転速度などによって適宜選定すればよい。

このように構成することによって、研磨液吸引除去装置１６が、研磨パッド４の径方向に移動することによって、研磨パッド全体にわたって、研磨パッドの研磨溝内に残留する研磨屑などの異物を含んだ研磨液を吸引除去することができる。

また、研磨液吸引除去装置１６は、図３に示したように、研磨パッド４の半径方向全体にわたって形成された吸引口２０を有するように構成することができる。
このように構成することによって、研磨パッドの半径方向全体にわたって形成された吸引口２０を介して、研磨パッド４全体にわたって一度にかつ全体的に、研磨パッド４の表面、研磨パッド４の研磨溝６内に残留する研磨屑などの異物１８を含んだ研磨液を吸引除去することができる。

また、研磨液吸引除去装置１６は、図４に示したように、研磨パッド４の半径方向にわたって、研磨パッド４の各研磨溝６、６に対応するように形成された複数の吸引口２２、２２を有するように構成することができる。

このように構成することによって、研磨パッド４の半径方向にわたって、研磨パッド４の各研磨溝６、６に対応するように形成された複数の吸引口２２、２２を介して、研磨パッド４の表面、研磨パッドのそれぞれの研磨溝６内に残留する研磨屑などの異物１８を含んだ研磨液を確実に吸引除去することができる。

また、研磨液吸引除去装置１６は、図５に示したように、研磨パッド４の半径方向にわたって、研磨パッド４の複数の研磨溝６毎に対応するように形成された吸引口２４、２４を有するように構成することができる。この場合、各吸引口２４に対応する研磨溝６の数は、特に限定されるものではなく、適宜設定することができる。

このように構成することによって、研磨パッド４の半径方向にわたって、研磨パッド４の複数の研磨溝６毎に対応するように形成された吸引口２４、２４を介して、研磨パッド４の表面、研磨パッドの複数の研磨溝６毎に研磨溝内に残留する研磨屑などの異物１８を含んだ研磨液が確実に吸引除去される。

さらに、研磨液吸引除去装置１６は、図６の点線に示したように、研磨液吸引除去装置１６が、複数個一定間隔離間して配置されていてもよい。この場合、これらの複数個の研磨液吸引除去装置１６の配置位置は、図６に示したように、研磨パッド４の円周方向に位置をずらして配置してもよいが、図７の点線に示したように、円周方向に位置をずらすとともに、半径方向に研磨パッド４の円周方向に位置をずらして配置してもよい。

以上、本発明の好ましい実施の態様を説明してきたが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、上記実施例では、被研磨材料８として、半導体ウェハを化学機械研磨する場合について説明したが、例えば、光学結晶や光学ガラスなどの被研磨材料などその他の被研磨材料を化学機械研磨する場合にも用いることも可能であるなど本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

図１は、本発明の化学機械研磨装置の斜視図である。図２は、図１の化学機械研磨装置の作動状態を示す部分拡大断面概略図である。図３は、図１の化学機械研磨装置の上面概略図である。図４は、図１の化学機械研磨装置の別の実施例の上面概略図である。図５は、図１の化学機械研磨装置の別の実施例の上面概略図である。図６は、図１の化学機械研磨装置の別の実施例の上面概略図である。図７は、図１の化学機械研磨装置の別の実施例の上面概略図である。図８は、従来の半導体ウェハの製造工程を示す部分拡大断面図である。図９は、従来の化学機械研磨方法を示す部分拡大断面概略図である。

符号の説明

１研磨装置
２回転テーブル
３駆動モータ
４研磨パッド
５研磨液
６研磨溝
８半導体ウェハ（被研磨材料）
１０被研磨材押し付け装置
１２ドレッサー装置
１４研磨液供給装置
１６研磨液吸引除去装置
１８異物
２０吸引口
２２吸引口
２４吸引口
１００半導体ウェハ
１０２絶縁膜
１０４配線用凹部
１０６バリアメタル層
１０８配線材料層
２００研磨パッド
２０２研磨溝
２０４異物
２０６研磨液
２０８半導体ウェハ
Ａ回転軸
Ｂ回転軸

Claims

研磨パッドに対して、研磨液を供給するとともに、
被研磨材料を、研磨パッドの上面に押し付けて、被研磨材料の表面を研磨する化学機械研磨方法において、
前記研磨パッドの表面及び／又は研磨溝内に残留する研磨屑などの異物を含んだ研磨液を吸引除去することを特徴とする化学機械研磨方法。
前記研磨液の吸引除去が、所定時間間隔で行われることを特徴とする請求項１に記載の化学機械研磨方法。
前記研磨液の吸引除去が、研磨の際に連続して行われることを特徴とする請求項１に記載の化学機械研磨方法。
研磨パッドと、
前記研磨パッドに対して、研磨液を供給する研磨液供給装置と、
被研磨材料を研磨パッドの上面に押し付けて、被研磨材料の表面を研磨する被研磨材押し付け装置を備えた化学機械研磨装置であって、
前記研磨パッドの表面及び／又は研磨溝内に残留する研磨屑などの異物を含んだ研磨液を吸引除去する研磨液吸引除去装置を備えることを特徴とする化学機械研磨装置。
前記研磨液吸引除去装置が、所定時間間隔で作動するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の化学機械研磨装置。
前記研磨液吸引除去装置が、研磨の際に連続して行われるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の化学機械研磨装置。
前記研磨液吸引除去装置が、研磨パッドの径方向に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の化学機械研磨装置。
前記研磨液吸引除去装置が、研磨パッドの半径方向全体にわたって形成された吸引口を有することを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の化学機械研磨装置。
前記研磨液吸引除去装置が、研磨パッドの半径方向にわたって、研磨パッドの各研磨溝に対応するように形成された複数の吸引口を有することを特徴とする請求項４から７のいずれかに記載の化学機械研磨装置。
前記研磨液吸引除去装置が、研磨パッドの半径方向にわたって、研磨パッドの複数の研磨溝毎に対応するように形成された吸引口を有することを特徴とする請求項４から７のいずれかに記載の化学機械研磨装置。
前記研磨液吸引除去装置が、複数個一定間隔離間して配置されていることを特徴とする請求項４から１０のいずれかに記載の化学機械研磨装置。