JP2000173957A

JP2000173957A - 半導体ウエハ研磨用パッド及びその再生方法並びにそれを用いた研磨方法

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Publication number: JP2000173957A
Application number: JP10346247A
Authority: JP
Inventors: Akio Morii; 明雄森井; Tadahiro Omi; 忠弘大見; Takehisa Nitta; 雄久新田
Original assignee: Ultraclean Technology Research Institute KK
Current assignee: Ultraclean Technology Research Institute KK
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1998-12-04
Publication date: 2000-06-23

Abstract

(57)【要約】【課題】金属層へのダメージや砥粒の混入をなくすこ
とが可能となり、配線不良を低減させることができ、ま
た、研磨パッドの寿命を長くし、また、完全に研磨能力
を再生させることができる半導体ウエハ研磨用パッド及
びその再生方法並びにそれを用いた研磨方法提供するこ
と。【解決手段】半導体ウエハ表面に積層した金属膜を、
研磨液を供給しながら平坦化するための工程に用いる研
磨パッド１００であって、凹凸パターンが形成された基
板上にダイヤモンド薄膜１０１がコーティングされてい
ることを特徴とする。半導体ウエハ上に形成された金属
膜を、砥粒を含まない研磨液を供給しながら、凹凸パタ
ーンが形成された基板上にダイヤモンド薄膜がコーテイ
ングされている研磨用パッドにより研磨することを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウエハ研磨用パ
ッド及びその再生方法並びにそれを用いた研磨方法に係
る。より詳細には、寿命が長く再生可能な研磨パッド、
およびそれを用いたダメージの少ない半導体ウエハ表面
の金属層の機械化学研磨方法に関する。

【０００２】

【関連技術】従来、半導体ウエハ研磨用パッドおよび研
磨方法に関する技術としては以下のような技術が知られ
ている。

【０００３】（１）支持基板上にポリウレタン系の樹脂
を接着した研磨パッドを用い、ウエハと研磨パッドの間
にアルミナ、シリカなどの砥粒を含む研磨液を供給し、
ウエハ及び研磨パッドを回転させてウエハ上の膜を研磨
する技術。

【０００４】また従来、半導体ウエハ研磨用パッドの再
生方法としては以下のような技術が知られている。

【０００５】（２）コンディショナーと呼ばれる、硬く
て凹凸のあるパッドを研磨パッドにこすり付けることに
よって、度重なる半導体基板の研磨によって表面が平坦
になったポリウレタンなどの研磨パッド表面を再度毛羽
立たせて、半導体ウエハの研磨能力を再生させる技術。

【０００６】しかし、上記従来技術には、次のような問
題がある。

【０００７】（１）の技術では、金属配線用の薄膜の平
坦化において、金属層が柔らかいために、硬い砥粒が金
属層にめり込んでしまう。そのため、配線の抵抗が上が
る、配線が断線する、といった配線の不良が生じ易かっ
た。

【０００８】（２）の技術では、再生を繰り返すにつれ
徐々に研磨パッド表面が平滑になってしまう。そのた
め、研磨速度も徐々に低下してしまう。また、コンディ
ショニングパッドを用いて毛羽立たせる時に、コンディ
ショニングパッド中のダイヤモンド粒子が研磨パッドに
入り込み、これが研磨時に半導体ウエハ表面を傷付けた
り埋め込まれたりすることがあった。また研磨パッドの
再生を重ねると初期の研磨能力まで戻らず、研磨パッド
を交換する必要があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、凹凸のある
ダイヤモンドコーティング研磨パッドを用いて研磨し、
砥粒を用いないことにより、金属層へのダメージや砥粒
の混入をなくすことを目的とする。

【００１０】本発明は、硬いダイヤモンドで研磨パッド
をコーティングすることにより研磨パッドの寿命を長く
し、また、完全に研磨能力を再生させる方法を確立する
ことを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体ウエハ研
磨用パッドは、半導体ウエハ表面に積層した金属膜を研
磨液を供給しながら平坦化するための工程に用いる研磨
パッドであって、凹凸パターンが形成された基板上にダ
イヤモンド薄膜がコーティングされていることを特徴と
する。

【００１２】本発明の研磨パッドの再生方法は、半導体
ウエハ表面に積層した金属膜を研磨液を供給しながら平
坦化するための工程に用いる研磨パッドであって、凹凸
パターンが形成された基板上にダイヤモンド薄膜がコー
ティングされている研磨パッドの再生方法であって、前
記ダイヤモンド薄膜をプラズマ処理で除去後ダイヤモン
ド薄膜をコーティングすることを特徴とする。

【００１３】本発明の研磨方法は、半導体ウエハ上に形
成された金属膜を、砥粒を含まない研磨液を用い、凹凸
パターンが形成された基板上にダイヤモンド薄膜がコー
ティングされている研磨用パッドにより研磨することを
特徴とする。

【００１４】

【実施例】（実施例１）以下、本発明の一実施例を図１
〜３に基づいて説明する。

【００１５】本例における研磨パッド１００は、凹凸パ
ターンを形成した基板１０６上にダイヤモンド薄膜１０
１がコーティングされている。

【００１６】以下、より詳細に本例を説明する。

【００１７】本例における基板１０６は、シリコン基板
１０２とアルミナ製支持基板１０３からなり、シリコン
基板１０２はアルミナ製支持基板１０３に貼りつけてあ
る。

【００１８】シリコン基板１０２のアルミナ製支持基板
１０３との接着面と反対側の面にダイヤモンド薄膜１０
１を形成してある。

【００１９】アルミナ製基板１０３のシリコン基板１０
２の反対側の面コーティングした支持基板１０３および
シリコン基板１０２、ダイヤモンド薄膜１０１には研磨
液を供給するための孔２０３および溝２０２が設けられ
ており、研磨液は研磨パッド全面に行きわたるように工
夫している。

【００２０】以下に研磨パッドの作製方法の詳細を説明
する。

【００２１】図２に示すように、シリコン基板１０２の
片面にあらかじめ０．１ｍｍ角、高さ０．１ｍｍの突起
２０１をピッチ０．２ｍｍ間隔で形成する。

【００２２】なお、高さは０．１〜１ｍｍが好ましく、
ピッチは０．１〜１ｍｍが好ましい。かかる範囲とする
ことにより研磨液がスムーズに流れ、またダイヤモンド
薄膜の欠け、ひいては金属層への傷の発生を防止するこ
とができる。

【００２３】また、このシリコン基板１０２の同じ面に
は、図２に示すように、周方向に延びる溝２０２を放射
状に形成しておく。

【００２４】溝２０２の深さは０．５〜５ｍｍが好まし
い。また、溝２０２の幅は０．５〜５ｍｍが好ましい。

【００２５】なお、本例では、シリコン基板１０２とし
て、直径２００ｍｍ、厚さ２ｍｍ、面方向（１００）の
単結晶シリコン基板用いており、穴２０３は予め形成し
た。

【００２６】かかるシリコン基板１０２の表面を、５ｐ
ｐｍオゾン水、界面活性剤添加フッ酸過酸化水素水混合
液、５ｐｐｍオゾン水、希フッ酸で順次洗浄し、最後に
超純水でリンスした後、エアブ口ー乾燥させた。かかる
洗浄を行うのは、シリコン基板表面のパーティクル、金
属、有機物を除去し、清浄な面を出すためである。

【００２７】このシリコン基板１０２をダイヤモンド成
膜チャンバーにセットし、マイク口波プラズマＣＶＤ法
によって２μｍの厚さのダイヤモンド薄膜を成膜した。
成膜条件は例えば次の通りである。

【００２８】プロセスガス：ＣＨ₄５％とＨ₂９５％との
混合ガスガス流量：１００ｓｃｃｍプロセス圧力：１Ｔｏｒｒ基板温度：８００℃ 電力：５ｋＷのマイク口波プラズマ密度：約１０¹²ｃｍ^-3 成膜速度：０．５μｍ／ｈ成膜時間：４時間なお、ダイヤモンド薄膜の厚さとしては０．５〜１０μ
ｍが好ましく、１〜５μｍがより好ましい。この範囲と
することにより緻密で結晶性の良好なダイヤモンド膜と
なり、寿命のより長い研磨パッドが得られる。

【００２９】ダイヤモンド薄膜のコーティングを終えた
シリコン基板を成膜チャンバーから取り出した。

【００３０】図１に示す例では、シリコン基板１０２表
面のパターンを立方体の突起としたが、これに限る物で
はなく、円筒、四角錐など色々なパターンがありえる。

【００３１】また、単結晶シリコン基板の代わりに単結
晶シリコンカーバイト基板を用いても良い。単結晶を用
いることが好ましい理由は、その上に良質なダイヤモン
ド多結晶膜を形成することができるからである。

【００３２】一方、基板１０６を構成するアルミナ製支
持基板を図３に示す。図３はアルミナ製支持基板１０３
をシリコン基板１０２側から見た面（下面）を示す図で
ある。この下面側には、深さ５ｍｍ、直径１５０ｍｍの
彫り込みが形成されこれが拡散部３０２を形成する。

【００３３】また、その中心部には、直径５ｍｍの研磨
液供給路３０１ｂが形成されている。

【００３４】アルミナ製支持基板１０３の上面には、研
磨液供給路３０１ａが形成されている研磨液供給管１０
５を設けてある。

【００３５】なお、本例ではアルミナ製支持基板１０３
は、直径２００ｍｍ、厚さ１５ｍｍのものを用いてい
る。

【００３６】また、シリコン基板１０２を支持する基板
はアルミナ製支持基板１０３に限らず、窒化アルミやシ
リコンカーバイト、ステンレスなどの材質を用いても構
わない。

【００３７】アルミナ製基板１０３の下面の洗浄は、硫
酸・過酸化水素水混合水溶液およびアンモニア水・過酸
化水素水混合水溶液により行う。

【００３８】アルミナ製支持基板１０３の下面とシリコ
ン基板１０２とを接着剤を介して接着する。

【００３９】接着剤としては、加熱により溶ける接着剤
を用いることが好ましい。具体的には例えば、エレクト
ロンワックス（商品名）である。

【００４０】以上の方法により図１に示す研磨パッドが
作成された。

【００４１】（実施例２）実施例１で説明した本発明の
半導体研磨パッドが傷んできた時の再生方法について説
明する。

【００４２】研磨パッド側が非常に硬いダイヤモンドで
コーティングされており、研磨する相手が柔らかい金属
層なので、研磨パッドがすぐに傷む（傷むとは、毛羽立
ちがなくなり平滑になること）ことはない。しかし、ダ
イヤモンド薄膜の一部分が欠けたりすると、シリコンが
露出するのでそこから傷みが広がることがある。傷みが
広がると研磨特性上不均一を生じたり、ウエハに傷をつ
けたりし、また、研磨パッドが再生できない状態となっ
てしまう。その場合にはこれをすぐに再生する必要があ
り、次ぎの手順で再生を行うことができる。

【００４３】シリコン基板とアルミナ基板とを熱などで
溶ける材料の接着剤を用いた場合には、加熱することに
よって、シリコン基板をアルミナ製支持基板から剥がす
ことが出来る。

【００４４】剥がしたシリコン基板を洗浄、乾燥した
後、ダイヤモンド成膜チヤンバーにセットする。そし
て、まず、ダイヤモンド層をＯ₂プラズマによって除去
する。除去条件は次の通りである。

【００４５】プロセスガス：Ｏ₂５％とＡｒ９５％との
混合ガスガス流量：１００ｓｃｃｍプロセス圧力：５０ｍＴｏｒｒ基板温度：１００℃ 供給電力：５ｋＷのマイク口波プラズマ密度：約１０¹¹ｃｍ^-3 処理時間：約１０分以上のプラズマ処理により２μｍのダイヤモンド薄膜が
除去できた。この後、実施例１で述べた方法によって新
たに２μｍのダイヤモンド層を形成した。

【００４６】この方法によって研磨能力は完全にもとの
能力まで再生された。

【００４７】（実施例３）実施例１で説明した本発明の
半導体研磨パッドを用いた研磨の実施例について説明す
る。

【００４８】ロジック回路の銅配線を形成するために、
シリコン酸化膜の凹凸パターンのついたシリコンウエハ
の上にスパッタ法によって５０ｎｍのＣｕを成膜した
後、電解メッキ法によって銅をコーティングして凹部の
穴埋めをした。酸化膜の凹凸は、高さ１μｍ、幅０．５
μｍ、間隔０．５μｍである。銅の電解メッキコーティ
ングの厚さは２μｍとした。

【００４９】次に、銅表面の凹凸を平坦化するための工
程を行った。図４に示すように、８インチの銅コーティ
ングシリコンウエハを支持台に固定し、上部から本発明
の研磨パッドをシリコンウエハに押し当てて、シリコン
基板、研磨パッド共に回転させて研磨を行った。回転速
度は共に２００ｒｐｍ、押し付け圧力は０．３ｋｇｆ／
ｃｍ²、研磨速度は０．３μｍ／ｍｉｎとした。

【００５０】研磨パッドは回転のみならず、水平方向の
揺動の動きも与えた。揺動のストロークは１０ｃｍであ
る。

【００５１】研磨液としては、研磨粉を含まない、オゾ
ン添加超純水を用いた。研磨液は、研磨液供給路３０１
ａ，３０１ｂを介して１Ｌ／ｍｉｎの流量で供給した。

【００５２】また、オゾン水におけるオゾン濃度は、５
ｐｐｍとした。なお、オゾン水におけるオゾン濃度は、
３ｐｐｍ以上が好ましい。その理由は銅をイオン化する
酸化能力を充分にするためである。

【００５３】研磨された銅はオゾン水によって銅イオン
となって溶けるため、研磨液と一緒に除去される。ま
た、研磨面に凹凸が出来たとしても、凸部の銅が速い速
度でオゾン水に溶けるために、自動的に表面が平坦にな
る。

【００５４】この方法によって表面荒さが０．１μｍ以
下の平坦な表面が得られた。

【００５５】銅あるいは銅合金以外の配線材料として
は、銀や金であってもよい。

【００５６】オゾン水以外の研磨液としては、硫酸、過
酸化水素水混合液でもよい。

【００５７】（実施例４）実施例１で作製した研磨パッ
ドを繰り返し使用し、研磨回数に対する研磨速度の変化
を調べた。

【００５８】その結果を図５に示す。

【００５９】図５に示すように、実施例の場合は、研磨
回数４０であっても初期の研磨速度が維持されている。
なお、従来の研磨パッドでは研磨回数２あたりから研磨
速度の減少を示し。研磨回数２０あたりではコンディシ
ョナーによる再生を必要とするほどに研磨速度は低下し
ている。

【００６０】従って、実施例に係る研磨パッドは寿命が
長いことがわかる。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、金属層へのダメージや
砥粒の混入をなくすことが可能となり、配線不良を低減
させることができる。

【００６２】また、研磨パッドの寿命を長くし、また、
完全に研磨能力を再生させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体用研磨パッドの断面図及び一部
拡大図である。

【図２】本発明の半導体研磨パッドの下面図である。

【図３】アルミナ製支持基板の下面図である。

【図４】本発明の半導体研磨パッドを用いた半導体基板
の研磨システムを示す斜視図である。

【図５】実施例４における研磨回数に対する研磨速度の
状態を示すグラフである。

【符号の説明】

１００研磨パッド、１０１ダイヤモンド薄膜、１０２シリコン基板、１０３アルミナ製支持基板、１０６基板、２０２溝、２０３孔、３０１ａ，３０１ｂ研磨液供給路、３０２拡散部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大見忠弘宮城県仙台市青葉区米ヶ袋２の１の17の 301 (72)発明者新田雄久東京都文京区本郷４丁目１−７株式会社ウルトラクリーンテクノロジー開発研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体ウエハ表面に積層した金属膜を、
研磨液を供給しながら平坦化するための工程に用いる研
磨パッドであって、凹凸パターンが形成された基板上に
ダイヤモンド薄膜がコーティングされていることを特徴
とする半導体ウエハ研磨用パッド。
【請求項２】前記ダイヤモンド薄膜は化学気相堆積法
により形成したものであることを特徴とする請求項１記
載の半導体ウエハ研磨用パッド。
【請求項３】前記研磨液は、砥粒を含まない研磨液で
あることを特徴とする請求項１または２記載の半導体ウ
エハ研磨用パッド。
【請求項４】半導体ウエハ表面に積層した金属膜を平
坦化するための工程に用いる研磨パッドで、凹凸パター
ンが形成された基板上にダイヤモンド薄膜がコーティン
グされている研磨パッドの再生方法であって、前記ダイヤモンド薄膜をプラズマ処理で除去後ダイヤモ
ンド薄膜をコーティングすることを特徴とする研磨パッ
ドの再生方法。
【請求項５】半導体ウエハ上に形成された金属膜を、
砥粒を含まない研磨液を供給しながら、凹凸パターンが
形成された基板上にダイヤモンド薄膜がコーティングさ
れている研磨用パッドにより研磨することを特徴とする
研磨方法。
【請求項６】前記砥粒を含まない研磨液はオゾン水で
あることを特徴とする請求項５記載の研磨方法。