JP2000294524A - ポリッシング装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
した後のCu表面の性状を制御することができるととも
に、被研磨面の裏面の性状をも制御することができるポ
リッシング装置及び方法を提供する。 【解決手段】 基板20を保持するトップリング13と
研磨面を有したターンテーブル9とを備え、基板20の
上に半導体デバイスを形成した面を研磨面に摺接させて
研磨するポリッシング装置において、トップリング13
とターンテーブル9とを備えた研磨部1a,1bの後段
に、研磨後の基板20の洗浄を行なう洗浄部7a,7
b、8a,8bを設け、洗浄部7a,7b、8a,8b
はイオン水を供給するイオン水供給手段25a,25b
を有し、イオン水供給手段25a,25bにより基板2
0にイオン水を供給しつつ基板20の表裏面を洗浄す
る。
Description
び装置に係り、特に半導体ウエハ等の基板上に形成され
たCu膜を化学機械的に研磨した後に洗浄するポリッシ
ング方法及び装置に関する。
るためには、基板面上にスパッタリング等を用いて導体
の成膜を行った後、さらにレジスト等のパターンマスク
を用いたケミカルドライエッチングにより膜の不要部分
を除去していた。
一般にアルミニウム(Al)又はアルミニウム合金が用
いられていた。しかしながら、半導体の集積度が高くな
るにつれて配線が細くなり、電流密度が増加して熱応力
や温度上昇を生じる。これはストレスマイグレーション
やエレクトロマイグレーションによってAl等が薄膜化
するに従いさらに顕著となり、ついには断線或いは短絡
等のおそれが生じる。
め、より導電性の高い銅などの材料を配線形成に採用す
ることが要求されている。しかしながら、銅又はその合
金などの配線材料はドライエッチングが難しく、基板全
面に成膜してからパターンを形成する上記の方法の採用
は困難になってきた。そこで、予め所定パターンの配線
用の溝を形成しておき、その中に銅又はその合金を充填
する工程が考えられる。これによれば、膜をエッチング
により除去する工程は不要で、表面段差を取り除くため
の研磨工程を行えばよい。また、多層回路の上下を連絡
する配線孔と呼ばれる部分も同時に形成することができ
る利点がある。
線孔の形状は、配線幅が微細化するに伴いかなりの高ア
スペクト比(深さと直径又は幅の比)となり、スパッタ
リング成膜では均一な金属の充填が困難であった。ま
た、種々の材料の成膜手段として気相成長(CVD)法
が用いられるが、銅又はその合金では、適当な気体原料
を準備することが困難であり、また、有機原料を採用す
る場合には、これから堆積膜中へ炭素(C)が混入して
マイグレーション性が上がるという問題点があった。
えば銅(Cu)の無電解又は電解めっきを行ない、その
後表面の不要部分を化学機械研磨(CMP)により除去
する方法が提案されている。斯かるめっきによる成膜で
は、高アスペクト比の配線溝を均一に高導電率の金属で
充填することが可能となる。前記CMPプロセスは、タ
ーンテーブル上に貼設された研磨クロスにトップリング
によって保持された半導体ウエハを押圧し、同時に砥粒
を含有した研磨砥液を供給しつつ、半導体ウエハ上のC
u層を研磨するものである。
によるCuの研磨直後は、Cu表面の活性が高く酸化し
やすい状態になっていることが多い。これを自然に放置
していると自然酸化膜ができるが、その膜はある意味で
成り行きまかせで、ムラ(不均一)になり易く、また、
膜質も粗雑であり、そのまま放置していると酸化が進行
していく。特に、上述したように半導体ウエハに形成す
るデバイスの配線材料に使用する場合、電気特性が変わ
り、製品品質上問題になる場合がある。また、被研磨物
である半導体ウエハの裏面に関しても、研磨中に研磨砥
液やバイプロダクト(副生物)が回り込み付着し、それ
がクリーンルーム内を汚染する可能性がある。
u層を有した半導体ウエハ等の基板を研磨した後のCu
表面の性状を制御することができるとともに、被研磨面
の裏面の性状をも制御することができるポリッシング装
置及び方法を提供することを目的とするものである。
め、本発明のポリッシング装置は、基板を保持するトッ
プリングと研磨面を有したターンテーブルとを備え、基
板上に半導体デバイスを形成した面を前記研磨面に摺接
させて研磨するポリッシング装置において、前記トップ
リングとターンテーブルとを備えた研磨部の後段に、研
磨後の基板の洗浄を行なう洗浄部を設け、該洗浄部はイ
オン水を供給するイオン水供給手段を有し、該イオン水
供給手段により基板にイオン水を供給しつつ基板の表裏
面を洗浄することを特徴とするものである。イオン水は
アノードイオン水が好適である。またターンテーブルは
セラミックテーブルが好適である。
保持するトップリングと研磨面を有したターンテーブル
とを備え、基板上に半導体デバイスを形成した面を前記
研磨面に摺接させて研磨するポリッシング方法におい
て、研磨後の基板にイオン水を供給しつつ基板の表裏面
を洗浄することを特徴とするものである。
段は、イオン水を基板の表裏面に供給することができ
る。またイオン水供給手段は、イオン水を超音波発信器
を通した後に供給することができる。本発明の1態様で
は、ポリッシング装置は、基板にDHF(希フッ酸)を
供給するDHF供給手段を更に具備する。前記イオン水
供給手段は前記研磨部から洗浄部における複数箇処に設
けられる。
を有した基板のCu層を研磨した後に、基板の表面(C
u層がある面)および裏面をアノードイオン水等のイオ
ン水で洗浄する。前記イオン水は純水又は純水に電解質
を添加したものを電気分解することにより得られる。イ
オン水には酸化性の強いアノードイオン水と還元性の強
いカソードイオン水とがあり、研磨後のCu表面を酸化
するためにはアノードイオン水が好適に使用される。
装置及び方法の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1及び図2は、本発明のポリッシング装置の実施の形
態を説明する図であり、図1は平面図、図2は斜視図で
ある。この装置は、全体が長方形をなす床上のスペース
の一端側に一対の研磨ユニット1a,1bが左右に対向
して配置され、他端側にそれぞれ基板収納用カセット2
a,2bを載置する一対のロード・アンロードユニット
が配置されている。そして、研磨ユニットとロード・ア
ンロードユニットを結ぶ線上に走行レール3が敷設さ
れ、このレール上に搬送ロボット4a,4bが2台配置
されて、搬送ラインが形成されている。搬送ラインの両
側に、それぞれ1台の反転機5,6とこれの両隣の2台
の洗浄機7a,7b,8a,8bが配置されている。
に同一の仕様の装置が搬送ラインに対称に配置されてお
り、それぞれ、上面に研磨布を貼付したターンテーブル
9と、基板を真空吸着により保持してターンテーブル面
に押し付けるトップリングヘッド10と、研磨布の目立
てを行なうドレッシングヘッド11とを備えている。
を示す断面図である。図3に示すように、トップリング
ヘッド10は、ターンテーブル9の上方に位置し、半導
体ウエハからなる基板20を保持しつつターンテーブル
9に押しつけるトップリング13を具備している。前記
ターンテーブル9はモータ(図示せず)に連結されてお
り、矢印Aで示すようにその軸心の回わりに回転可能に
なっている。またターンテーブル9の上面には、研磨面
を構成する研磨布14が貼設されている。
リー(研磨砥液)によっては発熱する場合があり、その
反応熱によってCuの研磨の際に化学的研磨の要素が促
進され、ポリッシュレート(研磨速度)が変化してい
く。この問題を回避するため、本発明においては、ター
ンテーブル9にセラミックテーブル等の熱伝導性のよい
材料を用い、ポリッシュレートの安定を図るように工夫
している。このセラミックの材質は、アルミナセラミッ
クやSiCが適当であり、熱伝導率として0.07cal
/(cm×sec×℃)以上の材料が適当である。またセラミ
ックテーブル(ターンテーブル9)にはテーブル温度を
調節するための液体を流出入させる液体入口9aと液体
出口9bとが設けられている。
リンダ(図示せず)に連結されている。これによって、
トップリング13は矢印B,Cで示すように昇降可能か
つその軸心を中心に回転可能になっており、基板20を
研磨布14に対して任意の圧力で押圧することができる
ようになっている。また基板20はトップリング13の
下端面に真空等によって吸着されるようになっている。
なお、トップリング13の下部外周部には、基板20の
外れ止めを行なうガイドリング16が設けられている。
給ノズル15が設置されており、砥液供給ノズル15に
よってターンテーブル9に張り付けられた研磨布14上
に研磨砥液が供給されるようになっている。またターン
テーブル9の周囲には、砥液と水を回収する枠体17が
設けられ、枠体17の下部にはとい17aが形成されて
いる。
材18を有している。ドレッシング部材18は、研磨布
14上のトップリング13の位置の反対側にあり、研磨
布14のドレッシングを行なうことができるように構成
されている。研磨布14には、ドレッシングに使用する
ドレッシング液、たとえば水がテーブル上に伸びたドレ
ッシング液供給ノズル21から供給されるようになって
いる。ドレッシング部材18は昇降用のシリンダと回転
用のモータに連結されており、矢印D,Eで示すように
昇降可能かつその軸心を中心に回転可能になっている。
ドレッシング部材18はトップリング13とほぼ同径の
円盤状であり、その下面にドレッシングツール19を保
持している。砥液供給ノズル15およびドレッシング液
供給ノズル21はターンテーブル上面の回転中心付近に
まで伸び、研磨布14上の所定位置に砥液および水をそ
れぞれ供給する。
研磨布14上に押圧し、ターンテーブル9およびトップ
リング13を回転させることにより、基板20の下面
(被研磨面)が研磨布14と擦り合わされる。この時、
同時に研磨布14上に砥液供給ノズル15から砥液を供
給することにより、基板20の被研磨面は、砥液中の砥
粒の機械的研磨作用と砥液の液体成分であるアルカリに
よる化学的研磨作用との複合作用によってポリッシング
される。ポリッシングに使用された砥液はターンテーブ
ル9の遠心力によってターンテーブル外へ飛散し、枠体
17の下部のとい17aで回収される。
ポリッシングを終了する。このポリッシングが終了した
時点では、ポリッシングによって研磨布の特性が変化
し、次に行なうポリッシングの研磨性能が劣化するの
で、ドレッシングツール19により研磨布のドレッシン
グを行なう。図1に示すように、研磨ユニット1a,1
bは、それぞれの搬送ライン側に、基板をトップリング
13との間で授受するプッシャー12を備えている。ト
ップリング13は水平面内で旋回可能とされ、プッシャ
ー12は上下動可能となっている。
略側面図である。図示するように、洗浄機7a,7b
は、基板20のエッジを把持して基板20を水平面内で
回転させるための複数の基板回転用ころ23と、基板2
0の表裏面に接触して基板20の表裏面をスクラブ洗浄
するロール状のPVAスポンジ24a,24bと、基板
20の上下方に設置されたイオン水供給ノズル25a,
25bおよびDHF供給ノズル26a,26bとを備え
ている。イオン水供給ノズル25a,25bの経路に
は、超音波発振子26が設けられている。イオン水供給
ノズル25a,25bはアノードイオン水を基板に供給
し、DHF供給ノズル26a,26bはDHF(希フッ
酸)を基板に供給する。また超音波発振子26はアノー
ドイオン水に超音波エネルギを付与し、メガソニックア
ノードイオン水を生成する。なおイオン水はイオン水供
給ノズル25a,25bの可能な限り近傍で生成される
ことがイオン水の寿命(濃度変化)の関係上望ましい。
更に必要な場合には図示しないイオン水のpH、イオン
濃度等の性状値をモニタ/制御する測定器/制御機構を
イオン水生成器に取り付けることが望ましい。
基板20のエッジを把持して水平面内で回転させながら
上述の純水又はアノードイオン水及び/又はメガソニッ
クイオン水を供給する形式の洗浄機である。洗浄機8
a,8bは、遠心脱水(スピン)して乾燥させる乾燥機
としての機能をも持つ。洗浄機7a,7bにおいて、処
理後の基板20の1次洗浄を行なうことができ、洗浄機
8a,8bにおいて1次洗浄後の基板20の2次洗浄を
行なうことができるようになっている。ここで各々の洗
浄機、反転機でのイオン水の金属表面供給の目的は金属
の酸化膜を形成することである。またDHFの金属表面
への供給目的は金属酸化膜を溶かし、除去することであ
る。イオン水、DHFをその目的に応じた装置箇所・タ
イミングで供給することで性状の良い、つまり均一な酸
化膜を有する金属材表面が得られる。
を走行する台車の上部に水平面内で屈折自在に関節アー
ムが設けられているもので、それぞれ上下に2つの把持
部を、ドライフィンガーとウエットフィンガーとして使
い分ける形式となっている。この実施の形態ではロボッ
トを2基使用しているので、基本的に、第1ロボット4
aは、反転機5,6よりカセット側の領域を、第2ロボ
ット4bは反転機5,6より研磨ユニット側の領域を受
け持つ。
セットの収納方式やロボットの把持機構との関係で必要
であるが、常に基板の研磨面が下向きの状態で移送され
るような場合には必要ではない。また、ロボットに反転
機能を持たせるような構造の場合も必要ではない。この
実施の形態では、2つの反転機5,6をドライな基板を
扱うものと、ウエットな基板を扱うものと使い分けてい
る。また、反転機5,6部にも純水又はアノードイオン
水を供給するノズルが存在し、処理工程の必要に応じて
基板20に供給できる構造としてもよい。
グ装置の全体の動作を説明する。ポリッシング前の半導
体ウエハである基板20はウエハカセット2a,2bに
ストックされており、装置内の全ての処理条件がインプ
ットされた後、装置は自動運転を開始する。自動運転の
処理フローは、以下のとおりである。 a)研磨される基板20をカセット2a,2bにセット
し、ロード・アンロードユニットに載せる。 b)ロボット4aはカセット2a(又は2b)から基板
20を取り出し反転機5に搬送すると、反転機5は基板
20を反転させ研磨表面を下側にする。 c)ロボット4bは反転機5から基板20を受け取り、
研磨ユニット1aのプッシャー12に基板20を載せ
る。 d)研磨ユニット1aのトップリング13は基板20を
吸着し、基板20の1次研磨を行なう。この時、基本的
には基板20上に形成されたCu層のみを研磨する。ま
た、1次研磨はCu層のみの研磨で下のバリア層をスト
ッパーとして用いる場合がスラリー(研磨砥液)によっ
ては考えられる。この場合、バリア層が表面にでた時点
でのインサィチュ(in situ)の検出が必要で、その手
段としては、テーブルの電流値、トップリングに搭載し
たうず電流センサー、もしくは加速度センサーやテーブ
ル表面を計測する温度センサー等を装置に組み込んでい
る。
プリング13に保持された基板20をプッシャー12に
戻し、ロボット4bにより基板20をプッシャー12か
ら受け取り、洗浄機7aに搬送する。 f)洗浄機7aにおいて基板20の表面および裏面をP
VAスポンジ24a,24bでスクラブ洗浄を行なう。
この洗浄機7aでは、基本的には純水のみのスクラブ洗
浄を行なう。基板20の表面と裏面をほぼ同時に洗浄を
行い、1次研磨の際に付着したスラリーを洗い落とす。
このとき、スラリーによっては、イオン水供給ノズル2
5a,25bからアノードイオン水やカソードイオン水
を基板20に供給してもよい。また、図示しないノズル
から界面活性剤、アンモニア、クエン酸等の薬液を供給
してもよい。 g)洗浄終了後、ロボット4bは洗浄機7aから基板2
0を受け取り、研磨ユニット1bのプッシャー12に基
板20を移送する。 h)研磨ユニット1bのトップリング13により基板2
0を吸着し、基板20の2次研磨を行なう。Cuの2次
研磨では、バリア層を研磨する場合が多い。この研磨も
化学的研磨の要素の安定を得るため、セラミックテーブ
ルを用いる。また、研磨の終点の検出も上記d)の手段
を用いる。本発明の処理フローでは、次工程の洗浄装置
でアノードイオン水により酸化させる方法をとっている
が、酸化剤の種類によっては、この2次研磨工程でスラ
リー(研磨砥液)の次に酸化剤、例えばアノードイオン
水を投入してCu表面を強制酸化させてもよい。この場
合には、研磨部である研磨ユニット1bに、図4に示す
イオン水供給ノズルを設置する。
プリング13により基板20をプッシャー12まで移動
させた後、ロボット4bにより基板20をプッシャー1
2から受け取る。なお基板20がプッシャー12上で待
機しているとき、プッシャー12上で基板20にアノー
ドイオン水をかけてもよい。 j)ロボット4bにより基板20を洗浄機7bに搬送
し、洗浄機7bにより基板20の表面および裏面をスク
ラブ洗浄する。この場合、まず最初に、PVAスポンジ
24a,24bによりスラリー(研磨砥液)の除去を基
板20の表面および裏面ともに行なう。この時、純水を
供給してもよいが、洗浄時間を短縮させるためアノード
イオン水をスポンジの外側もしくは内側から供給しても
よい。
合のいずれの場合にも、次に、イオン水ノズル25a,
25bからアノードイオン水を基板20の表面および裏
面に供給し、Cu表面の酸化処理を行なう。このとき、
アノードイオン水に超音波発振子26によって超音波を
加えたメガソニックアノードイオン水を用いると、よい
膜質のCu酸化膜が得られる。また、研磨後なるべく早
く酸化処理を行なうのがよいため、本ポリッシング装置
では、研磨後5分以内に基板にイオン水をかけられるよ
うにしている。この装置ではアノードイオン水を基板2
0の表面および裏面ともにかけられるようになってい
る。
0にかけ、酸化膜の除去を行なう。これにより、Si面
においてもCu付着が1×1011atoms/cm2以下にな
る。本発明のポリッシング装置においては、基板20に
イオン水をかけた後、すぐにDHFをかけることが可能
なように洗浄機7bにはイオン水供給ノズル25a,2
5b、DHF供給ノズル26a,26bが並置される。
浄機7bから基板20を受け取り反転機6に搬送する
と、反転機6は基板20を反転させる。 n)ロボット4aにより基板20を反転機6から受け取
り、洗浄機8aまたは8bに基板20を搬送する。 o)その後、基板20をスピンドライにより乾燥させた
後、ロボット4aにより基板20を洗浄機8aまたは8
bから受け取り、カセット2aまたは2bに戻す。
に分けて行なうものである。しかし、今後加工能率を考
え、一つのテーブルで研磨を行なうスラリー(研磨砥
液)が開発された場合は、上記のa)〜o)のうちd)
〜g)の工程が省かれる。本ポリッシング装置は、その
場合を想定し、研磨ユニット1a,1bのシリーズ運転
ばかりでなく、バラレル運転できるようになっている。
その場合は、特にソフトの入れ替えを行なうのでなく、
操作画面のスイッチで切り替えられる。パラレル運転の
処理フローは以下のとおりである。
機5→研磨ユニット1a→洗浄機7a→反転機6→洗浄
機8a→カセット2a又は2bと移動する流れと、基板
20がカセット2a又は2b→反転機5→研磨ユニット
1b→洗浄機7b→反転機6→洗浄機8b→カセット2
a又は2bと移動する流れの2系列あることになる。反
転機5,6は、シリーズ処理の場合と同様に、研磨前の
ドライな基板を扱うものと、研磨後のウエットな基板を
扱うものと使い分けるが、洗浄機は搬送ラインの両側の
いずれを用いてもよい。パラレル処理においては、研磨
ユニット1a,1bにおける研磨条件は同一であり、洗
浄機7a,7bにおける洗浄条件は同一であり、洗浄機
8a,8bにおける洗浄条件は同一である。洗浄機8
a,8bにおいて、基板20は洗浄およびスピン乾燥さ
れた後、カセット2a又は2bへ戻される。
クトを有したハウジング内に収容されており、処理前の
ドライな基板を装置内に搬入し、研磨及び洗浄・乾燥後
のドライな基板を装置外に搬出できる。すなわち、Cu
層を有した半導体ウエハ等の基板のドライイン・ドライ
アウトが達成できる。
基板上に形成されたCu膜を研磨したときに安定した膜
質を得ることができる。そして、研磨後の基板もCu汚
染されることなくカセットに戻すことができる。またイ
オン水は、他の薬液を使用するよりも廃液が非常に清浄
であり、特に特別の処理を行なう必要がないので、廃液
処理の設備の負荷を軽減することができる。
図である。
である。
断面図である。
造を示す概略側面図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 基板を保持するトップリングと研磨面を
有したターンテーブルとを備え、基板上に半導体デバイ
スを形成した面を前記研磨面に摺接させて研磨するポリ
ッシング装置において、 前記トップリングとターンテーブルとを備えた研磨部の
後段に、研磨後の基板の洗浄を行なう洗浄部を設け、該
洗浄部はイオン水を供給するイオン水供給手段を有し、
該イオン水供給手段により基板にイオン水を供給しつつ
基板の表裏面を洗浄することを特徴とするポリッシング
装置。 - 【請求項2】 前記イオン水供給手段は、イオン水を基
板の表裏面に供給することができることを特徴とする請
求項1に記載のポリッシング装置。 - 【請求項3】 前記イオン水供給手段は、イオン水を超
音波発信器を通した後に供給することができることを特
徴とする請求項1に記載のポリッシング装置。 - 【請求項4】 基板にDHF(希フッ酸)を供給するD
HF供給手段を具備することを特徴とする請求項1乃至
3のいずれか1項に記載のポリッシング装置。 - 【請求項5】 基板を保持するトップリングと研磨面を
有したターンテーブルとを備え、基板上に半導体デバイ
スを形成した面を前記研磨面に摺接させて研磨するポリ
ッシング方法において、 研磨後の基板にイオン水を供給しつつ基板の表裏面を洗
浄することを特徴とするポリッシング方法。
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