JP5183840B2

JP5183840B2 - 円筒形のローラを用いる化学的機械的研磨装置及び方法

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Publication number: JP5183840B2
Application number: JP2001229857A
Authority: JP
Inventors: 楷文邱; 正和岡田; 政雄小野寺; 拓也永峯; 裕子北出
Original assignee: LSI Logic Corp
Current assignee: LSI Corp
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2021-07-30
Also published as: JP2003059869A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広くは、半導体ウエハ表面の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）に関し、更に詳しくは、研磨終了後のウエハ表面において所望の膜厚プロファイルを達成することができる化学的機械的研磨システム及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスは、半導体基板の上に金属配線を用いて回路を形成することにより製造される。具体的には、金属配線は、デバイス内に離散的に存在する複数の素子を相互に接続して集積回路を形成し、層間絶縁膜を用いて他の層から絶縁される。層の相互間の電気的な接続のためには、この絶縁膜を貫通するコンタクト・ホールを形成し、このコンタクト・ホールを介して電気的接続を与える。最近では、技術の進歩により集積回路における高密度化が進むのに伴い、半導体基板の上に積層する配線や素子をますます多層化することが求められている。
【０００３】
基板上に金属配線を形成すると、その表面は粗くなるのが一般的である。しかし、多層化する際には、コンタクト・ホールや金属膜を正確に形成しデバイスの歩留りを向上させ最終的な集積回路の信頼性を維持するために、層間絶縁膜や配線を含むそれぞれの層を平坦にすることが非常に重要である。
【０００４】
この平坦化のためのプロセスとして現在広く用いられているのが、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）である。その一例としては、酸化膜（ＳｉＯ₂）の層間絶縁膜を平坦化する工程である酸化膜ＣＭＰなどがある。ＣＭＰを行うための装置では、半導体ウエハはウエハ・キャリアと研磨布（パッド）の間に保持され、キャリアと研磨テーブルとをそれぞれ所定の回転速度で回転させ、半導体ウエハと研磨パッドとの間には研磨圧が加えられる。この際に、固体である砥粒（シリカ粒子、アルミナ粒子、酸化セリウムなど）をアルカリ溶液中に分散させた研磨液（スラリ）を、研磨テーブルの上に貼られたパッドに滴下し含浸させて研磨を行うことによって、砥粒による機械的な研磨と、アルカリ溶液による化学的なウエハ表面の軟質化とがウエハ表面で同時に進行し、ウエハ表面の平坦化が行われる。スラリにおいては、砥粒や研磨する材料に応じて、砥粒の分散及び凝集状態が制御され、更に、研磨の化学的な効果を最適にするために、成分の化学的な調整がなされている。この研磨の化学的及び機械的な複合効果により、研磨表面の優れた平坦化が達成される。
【０００５】
図１は、ＣＭＰを実行するための典型的な装置構成を示している。ウエハ１０１は、ウエハ・キャリア１０２と研磨テーブル１０３上の研磨パッド１０４との間に一定の圧力１０６で固定されている。このような構成において、実際の研磨は、スラリ１０５を供給しながら、研磨テーブル１０３とウエハ・キャリア１０２との両方を回転させて行われる。ＣＭＰでは、（１）研磨率、（２）研磨圧及び（３）研磨テーブルとウエハ・キャリアとの間の相対速度という３つの数値の間に、「研磨率は、研磨圧と相対速度との積に比例する」という関係が成立することが知られている。この関係は、プレストンの式（Preston's Equation）と称される。
【０００６】
【発明が解決すべき課題】
最近では、ＣＭＰ装置において、マルチゾーン制御式のウエハ・キャリアが提供され始めている。マルチゾーン制御方法の一つとしては、ウエハの背面（研磨面とは反対の面）に対し、ウエハの位置（ゾーン）に応じて異なる空気圧を加え、相対的に異なる研磨圧を生じさせることにより、ウエハ上の位置ごとに研磨率が変化するような制御を意味する。研磨圧がウエハ全体にわたって一様である従来型の研磨装置では、ウエハの中心からエッジに向かう膜厚プロファイルは、研磨終了後であっても、研磨前の膜における膜厚プロファイルと類似しており、目的とする膜厚プロファイルの平坦化が必ずしも適切に達成されないことがありうる。これに対して、複数の圧力を提供することができるマルチゾーン制御式のキャリアでは、より多く研磨すべき領域にそうでない領域よりも大きな研磨圧を加えて研磨率を増加させ（プレストンの式から導かれる）、単一圧力のウエハ・キャリアの場合よりも優れた膜厚プロファイルの平坦化が達成される。
【０００７】
従来型のＣＭＰにおける問題点として、研磨を実行した後で、ウエハ表面のエッジに近い周辺領域に凸状の部分が生じるリバウンドと称される現象がある。図２（ａ）には、リバウンドが生じる原理が示されている。また、図２（ｂ）には、リバウンドの状況が示されている。リバウンド現象は、ウエハの円周部分がウエハ・キャリアによって水平方向に固定されている状態で、ウエハ表面に研磨パッドから垂直方向に研磨圧が加えられることにより、ウエハに弾性変形が生じることに起因する。リバウンド現象が生じれば、その領域ではウエハの平坦化は当然達成されないから、リバウンドが生じているウエハ領域は利用できず、歩留りの低下につながる。
【０００８】
従来型の研磨方式では、大径研磨パッドとウェハーキャリアを用いるため、安定した高回転の研磨プロセスが実用されていない。また、ある程度の装置スループットを確保するのに、高研磨圧プロセスを採用している。この高圧/低速度の組み合わせにより、研磨パッドがひどく変形し、研磨パッドとキャリアの相対速度も低くなり、優れた配線上の平坦性が得られていない。（一般的には、デバイス上の平坦性は相対速度と比例しているが、研磨圧とは反比例している。）
一般的なＣＭＰ装置では、図１に示し既に述べたように、研磨パッドが設置されている円形の回転台に対して、真空チャック等によりウエハを保持しているウエハ・キャリアを上から押しつけて研磨を実行するのが通常である。これとは全く構成の異なる研磨装置として、ウエハを保持するウエハ・キャリアを装置の下側に設け、研磨パッドが表面に設置され、ウエハ・キャリアと幅の狭い直線領域によって接触する円筒状のローラを用いて研磨を行うというものも、これまでに提案されている。例えば、特開平２−２６９５５２、特開平７−６６１６０及び特開２０００−２１８５１８などにそのような構成のＣＭＰ装置が開示されている。
【０００９】
本発明によるＣＭＰ装置及び方法では、上述したマルチゾーン制御式の研磨と同じように、ウエハの領域に応じて異なる研磨率が生じるような態様で研磨が実行される。しかし、研磨圧を変化させることによって研磨率を変化させるのではなく、研磨率は、本発明による小径口で高回転が可能な円筒形の研磨パッド及びそのコンディショニング方法によって制御される。従って、円筒形のローラを用いてマルチゾーン制御式のＣＭＰを実行し、従来のＣＭＰにおいて存在していた問題点を解決することが、本発明の目的である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの実施例によると、半導体ウエハの化学的機械的研磨を行う装置であって、（１）研磨されるべき半導体ウエハをその被研磨面が露出された状態で保持するウエハ・キャリアと、（２）円筒の形状を有し研磨パッドが表面上に貼付されている研磨ローラであって、前記研磨パッドは前記円筒の長軸方向に沿って研磨特性が異なる複数の帯状部分で構成され、前記半導体ウエハの被研磨面と前記円筒の長軸方向の長さの線分を介して接触する研磨ローラと、（３）スラリ供給手段と、（４）コントローラと、を備えている化学的機械的研磨装置が提供される。この装置においては、前記研磨ローラは、前記円筒の中心軸と前記円筒の長軸方向の長さを２分し前記中心軸と直交する前記被研磨面に対して垂直方向の軸とを２つの回転軸として２つの回転運動を行い、同時に、被研磨面の全体にわたって並進運動を行い、前記スラリ供給手段から前記被研磨面との前記接触部分にスラリの供給を受けながら研磨を実行する。前記ローラから前記被研磨面に加えられる研磨圧力と、前記２つの回転運動と、前記並進運動とは、目的とする研磨に応じて、前記コントローラによって制御される。
【００１１】
また、本発明の別の実施例によると、半導体ウエハの化学的機械的研磨を行う方法が提供される。この方法は、コンピュータが読み取ることができる記憶媒体に記憶されたり、又は、通信媒体を介して伝送されるたりするコンピュータ・プログラムという形態でも提供されうる。この方法は、（１）ウエハ・キャリアが、研磨されるべき半導体ウエハをその被研磨面が露出された状態で保持するステップと、（２）円筒の形状を有し研磨パッドが表面上に貼付されている研磨ローラであって、前記研磨パッドは前記円筒の長軸方向に沿って研磨特性が異なる複数の帯状部分で構成されている研磨ローラを、前記半導体ウエハの被研磨面と前記円筒の長軸方向の長さの線分を介して接触させるステップと、（３）前記研磨ローラに、前記円筒の中心軸と前記円筒の長軸方向の長さを２分し前記中心軸と直交する前記被研磨面に対して垂直方向の軸とを２つの回転軸として２つの回転運動をさせ、同時に、被研磨面の全体にわたって並進運動をさせ、前記被研磨面との前記接触部分にスラリの供給を受けながら研磨を実行するステップであって、前記ローラから前記被研磨面に加えられる研磨圧と、前記２つの回転運動と、前記並進運動とは、目的とする研磨に応じて、前記コントローラによって制御される、ステップと、によって構成されている。
【００１２】
【発明の実施の態様】
図３及び図４には、本発明による研磨システムの概要が図解されている。図３は、円筒型のローラの長軸に沿った方向の断面図であり、図４は、長軸と直交する方向の断面図である。
【００１３】
図３に示されているように、研磨されるべきウエハ３０１は、ウエハ・キャリア３０３の上に配置される。デバイス側（被研磨面）は上を向いており、その反対側にはバッキング・フィルム３０２があり、ウエハ・キャリア３０３及びバッキング・フィルム３０２に設けられた真空ホールを介して保持されている。ローラは、例えば、中空の金属製ロッドである。このロッドには複数のスラリ・ホールが設けられ、これらのスラリ・ホールを介してスラリがパッド表面に供給される。なお、スラリは、パッドを介して供給するのではなく、研磨の実情に応じて、外部ソースから供給することも可能である。この外部ソースは、図ではローラ・パッド装置の外部の管３０６として示されている。例えば、上で引用した特開平７−６６１６０や特開２０００−２１８５１８には、スラリを研磨面の上方から滴下するのではなく、ローラ表面に設けられたホールを介して研磨面にスラリを供給することにより、スラリがウエハの全体に均一に配分されるとか、ハイドロプレーン現象が生じて研磨が進行しなくなるのを回避できる、などの効果が記載されている。しかし、スラリの供給態様は本発明の特徴部分ではなく、このような内容は当業者には広く知られていることであるので、これ以上の詳細は割愛する。
【００１４】
なお、図３及び図４においては、ウエハ・キャリアが下側に、研磨ローラが上側に位置するように示されているが、これは単なる一例であり、図示されている位置関係は、本発明による装置及び方法にとって重要性を有さない。従って、９０度回転させたり、１８０度回転させて上下を逆にすることも可能である。ただし、上下が逆になる場合には、スラリの供給態様について若干の配慮が必要になりうる可能性がある。面と面とが接している従来型の研磨と異なり、研磨が生じる直線部分に適切にスラリを供給するのは何らかの技術が必要となる可能性があるからである。
【００１５】
円筒形のローラ表面に貼られている研磨パッド３０４は、単一の研磨パッドでもよいし、材料や圧縮率が異なる２層から構成されるスタック状でもよい。このパッド又はパッド・スタックは、ローラ上に付着されて研磨パッドを形成する。研磨パッドが表面に貼られているローラは、ウエハ・キャリアの上方に配置されており、下降して回転することによりウエハのＣＭＰを実行する。円筒形のローラの長軸方向の長さは、ウエハの直径を超えないことが重要である。このローラの長さに関する特徴は、ローラをウエハ表面上において２次元的に移動させることによって、ローラの位置に応じて研磨特性が異なる研磨パッドをウエハの異なる領域に押し当てることを可能にするためである。また、上述したリバウンド現象を少なくするためにも、ローラがウェハーエッジよりはみ出さない、はみ出しても短時間で済むようにすることが重要である。
【００１６】
ローラ上には、パッド・コンディショニング・カバーにパッド・コンディショニング砥粒が付着されたフィルムが貼られている。このフィルムは、長軸方向に沿って相互に平行な複数の帯状の部分に分かれており、各部分で研磨粒子及び密度が異なり、従って、研磨特性が異なっている。これら複数の部分は、図３では、ドレッサｎ、ｎ＋１、ｎ＋２、ｎ＋３として示されている。もちろん、図３に示されている４つよりも多くの部分に分割されていてかまわないし、それよりも少ない例えば３つの部分に分割されていてもかまわない。各部分での研磨特性は、研磨の目的に応じて、ユーザが、目的とする膜厚プロファイルを得られるように設定することができる。
【００１７】
研磨が命じられると、ウエハ・キャリア３０３は、ユーザによって設定された速度で回転を開始する。この際に、ウエハ・キャリアの中心である直線Ａ−Ａ（図３）が回転軸となる。研磨パッドが表面に貼付されたローラ３０４は、ユーザによって設定された研磨圧をウエハ表面に対して下向きに加えながら、円筒の中心線Ｂ−Ｂ（図３）を回転軸として回転し、研磨を実行する。ウエハ表面とローラとは、ローラの長さ分の線分を介して接触することになる。ローラは、ウエハと線分を介して接触しながら、ウエハ表面の全体を研磨して平坦性を達成ために、ウエハ表面の全体にわたって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への並進運動を行いながら、２つの回転運動をおこなう。２つの回転運動とは、水平方向のローラの中心軸Ｂ−Ｂを回転軸とする回転と、ローラ・パッド装置の中心における垂直方向の軸Ａ−Ａを中心とする回転とである。回転速度及び直線方向の速度は、すべて、ユーザが研磨の目的に応じて設定することができる。回転軸は、そのすべてが、図３及び図４に示されている。
【００１８】
ウエハが研磨されるときには、部分ｎ、ｎ＋１、ｎ＋２、ｎ＋３ごとに粒子サイズ及び密度が異なっているコンディショナ・ストリップが、パッド表面のコンディショニングを行う。ローラ・パッド３０４の部分ごとにコンディショニング材料の性質が様々であるために、パッド表面は異なる研磨特性を有しており、従って、研磨率は部分ごとに異なる。このような方法を用いることにより、ウエハ表面での研磨率は、研磨前のウエハの厚さプロファイルに応じて調節することができ、研磨後に所望の厚さプロファイルを生じさせることが可能になる。
【００１９】
以上で説明したように、研磨を担当するローラ３０４は、２つの回転をしながら、同時に、ウエハ表面の全体にわたって２次元的な並進運動をする。ローラ３０４のこれらの複雑な運動は、本発明の研磨装置に内蔵されたコントローラ（図示せず）によって制御される。従来型のＣＭＰでは、研磨に関係する制御パラメータの数は、非常に少数であった。しかし、本発明による研磨装置では、複数の異なる研磨特性を備えたパッドが貼られたローラ自体が複雑な運動をするのであるから、制御パラメータの数は飛躍的に増大している。制御パラメータの数が増大すれば、現在及び将来において求められる多様な研磨への対応が可能になる。
【００２０】
本発明による研磨方法でのコンディショニングの調整について付言する。コンディショニング砥粒、密度などの組み合わせは、ウェハ面内の膜厚プロファイルに応じて、実験的に決定される。絶縁膜の形成（デポジション）に用いる装置における諸条件（ウェハーセンターの膜厚が厚い、薄い、全面ほぼフラットなど各種のクセ）が把握できていれば、コンディショニング砥粒・密度を因子とした実験で、研磨のコンディショニング・プロセスが決まる。その際にデポジション装置が不安定であれば多種類のコンディショニング・ストリップを用意しなければならない。
【００２１】
【発明の効果】
本発明による研磨方法を用いると、リバウンド現象を緩和できる。その理由は次の通りである。ウェハ・エッジを研磨する以上、リバウントを完全に回避することは不可能である。特に、従来の研磨技術では、研磨パッドがウェハ（キャリアも含む）よりも大きいためにウェハ・エッジからはみ出してしまい、そのはみ出したパッドの部分が変形したままの状態でウェハ・エッジを研磨していたため、リバウンドの発生が顕著であった。これとは対照的に、本発明による研磨では、ローラーパッドのＸ軸及びＹ軸方向の運動を適切に制御することにより、パッドがウェハのエッジからはみ出さないか、はみ出しても時間を短くできるため、リバウンドを少なくできる。
【００２２】
また、本発明による研磨方法によると、研磨時間を短縮できる。その理由は次の通りである。まず、上述のプレストンの式によれば、切削量は圧力と相対速度との積に比例する。そして、本発明によるローラーパッドは従来型の研磨パッドより小型なので、高回転に調整できる。従って、相対速度が高くなり、圧力が同じであっても単位時間当たりの切削量が増え、研磨時間が短縮できる。
【００２３】
本発明の著しい特徴は、２つの回転軸を有するローラ・パッドと、複数のタイプのコンディショニング砥粒を用いたパッド処理とを組み合わせることにより、ユーザが希望する平坦性及び膜厚プロファイルを達成できる点である。ウエハ基板上に形成される層の数が増えていくにつれて、研磨前の被研磨面の表面プロファイルはますます多様になる可能性がある。従って、そのような多様なプロファイルを前提として平坦化を実現するには、ウエハの領域ごとに異なった研磨率を提供することが必要となる。
【００２４】
そのような場合に、本発明による研磨装置及び方法を用いると、多くのパラメータを適切に制御しながら研磨を行うことにより、多種多様な研磨率の提供が可能であるから、複雑な表面プロファイルを有する被研磨面にも適切に対応することができる。本発明による装置及び方法では、ウエハ上の研磨が必要な領域だけを研磨することもできるため、過剰な研磨を生じさせることがなく、スラリなどの消耗品のコストを最小限に抑えることも可能である。
【００２５】
更に、本発明による装置及び方法によれば、高相対速度研磨で優れた配線上の平坦化が得られ、フォトリソグラフィにおけるＤＯＦマージンを拡大することができ、積層された金属の平坦性を向上させることができ、過剰なエッチングを減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による一般的なＣＭＰ装置の概略である。
【図２】ウエハのエッジ部分に生じるリバウンド現象の例である。
【図３】本発明による研磨装置の断面図である。
【図４】本発明による研磨装置の別の方向からの断面図である。

Claims

半導体ウエハの化学的機械的研磨を行う装置であって、
研磨されるべき半導体ウエハをその被研磨面が露出された状態で保持するウエハ・キャリアと、
円筒の形状を有し研磨パッドが表面上に貼付されている研磨ローラであって、前記研磨パッドは前記円筒の長軸方向に沿って研磨特性が異なる複数の帯状部分で構成され、前記半導体ウエハの被研磨面と前記円筒の長軸方向の長さの線分を介して接触する研磨ローラと、
スラリ供給手段と、
コントローラと、
を備えており、前記研磨ローラは、前記円筒の中心軸と前記円筒の長軸方向の長さを２分し前記中心軸と直交する前記被研磨面に対して垂直方向の軸とを２つの回転軸として２つの回転運動を行い、前記２つの回転運動と同時に、被研磨面の全体にわたって並進運動を行い、前記スラリ供給手段から前記被研磨面との前記接触部分にスラリの供給を受けながら研磨を実行し、前記ローラから前記被研磨面に加えられる研磨圧と、前記２つの回転運動と、前記並進運動とは、目的とする研磨に応じて、前記コントローラによって制御されることを特徴とする化学的機械的研磨装置。
半導体ウエハの化学的機械的研磨を行う方法であって、
ウエハ・キャリアが、研磨されるべき半導体ウエハをその被研磨面が露出された状態で保持するステップと、
円筒の形状を有し研磨パッドが表面上に貼付されている研磨ローラであって、前記研磨パッドは前記円筒の長軸方向に沿って研磨特性が異なる複数の帯状部分で構成されている研磨ローラを、前記半導体ウエハの被研磨面と前記円筒の長軸方向の長さの線分を介して接触させるステップと、
前記研磨ローラに、前記円筒の中心軸と前記円筒の長軸方向の長さを２分し前記中心軸と直交する前記被研磨面に対して垂直方向の軸とを２つの回転軸として２つの回転運動をさせ、前記２つの回転運動と同時に、被研磨面の全体にわたって並進運動をさせ、前記被研磨面との前記接触部分にスラリの供給を受けながら研磨を実行するステップであって、前記ローラから前記被研磨面に加えられる研磨圧と、前記２つの回転運動と、前記並進運動とは、目的とする研磨に応じて、前記コントローラによって制御される、ステップと、
を含むことを特徴とする化学的機械的研磨方法。
請求項２記載の方法に含まれるステップをコンピュータに実行させる命令から構成されるコンピュータ・プログラムが記憶されているコンピュータ可読記憶媒体。
請求項２記載の方法に含まれるステップをコンピュータに実行させる命令から構成されるコンピュータ・プログラム。