JP2004237373A

JP2004237373A - Ｃｍｐ研磨装置

Info

Publication number: JP2004237373A
Application number: JP2003026840A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Fukada; 哲生深田; Yasuhiro Yoshida; 育弘吉田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】ＣＭＰプロセス初期においては高温を維持し、研磨終了直前にウエハ温度を意図的に下げることで、高い研磨レートを維持したままＣｕのディッシング量を低減することができるＣＭＰ研磨装置を提供する。
【解決手段】ＣＭＰ研磨装置は、被処理ウエハ１を保持するヘッド本体１０と、研磨パッド１７を載置する研磨定盤１９と、ウエハ１を冷却する冷却手段としてのコントロールユニット４，７と、ウエハ１の研磨のエンドポイントを検知する検知手段としての検知ユニット１６と、検知ユニット１６と接続され、検知ユニット１６の検知結果に基づいてコントロールユニット４，７を制御するコントローラ２１とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＭＰ研磨装置に関し、特に、シリコンウエハや半導体プロセスにおけるＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）に用いられる研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の製造プロセスにおいて、半導体素子の高集積化ならびに高速化を達成するために、配線総数は増加し多層化され、かつ低抵抗な銅を配線材料に適用することが検討されている。
【０００３】
従来から、銅配線のパターン形成は、ダマシン法と呼ばれるプロセスにより行なわれている。このプロセスは層間絶縁膜に配線パターンとなる溝を先にドライエッチングにより形成しておき、銅をスパッタリング法と電気メッキ法などによりウエハ全面に成膜して溝内に銅を埋め込んだ後、溝部分の銅のみを残して余分な銅をＣＭＰプロセスで除去するものである。
【０００４】
ここで用いられるＣＭＰプロセスとは、被研磨物である銅が成膜されたウエハを研磨装置のヘッドに吸着または固定し、発泡ポリウレタン材などからなる研磨パッドに押し当て、スラリーと呼ばれる研磨液を滴下しながらウエハとパッドの両者を回転させ、スラリー内のアルミナなどの砥粒によるメカニカル作用と、Ｃｕ表面をエッチングあるいは銅錯体層に改質するなどのケミカル作用とを利用して銅を研磨除去するものである。
【０００５】
この銅のＣＭＰプロセスでは、ウエハとパッドを押し当ててかつ回転させるため、両者の物理的な摩擦作用により発熱現象が発生し、ウエハおよびスラリーの温度が上昇する。
【０００６】
ウエハ温度が研磨開始から徐々に上昇した結果、研磨レートが上昇する。この状態でＣｕ層を完全に除去すると、ウエハ温度が高いためケミカル反応が促進され、Ｃｕのディッシングが増大するといった問題がある。
【０００７】
ここで、Ｃｕのディッシングとは、ダマシン配線構造において溝内のＣｕが周辺の酸化膜より凹む現象を示し、この凹みにより、Ｃｕ配線層の高さが減少し、配線抵抗の増大や耐久性の劣化といった配線不良が生じる要因となる。
【０００８】
従来のＣＭＰ研磨装置では、研磨定盤に一定の温度に冷却された水を流すことでウエハを冷却していた。しかしながら、定盤表面には発泡ポリウレタン材などからなるパッドが載置されており、該パッドの熱伝導率が悪いため十分かつ迅速なウエハの冷却ができない。
【０００９】
一方、ウエハを保持するヘッドを冷却する従来の構造としては、たとえば特開平１０−３２９０１４号公報に記載されたものなどが挙げられる。
【００１０】
特開平１０−３２９０１４号公報においては、ウエハを保持するヘッドを構成するテーブルに多孔質板を取り付け、該多孔質板を介してウエハをテーブルに取り付けている。また、多孔質板に冷却用エアを供給するポンプを設け、ポンプから多孔質板に冷却用エアを供給している。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−３２９０１４号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
銅のＣＭＰプロセスにおいては、メカニカル作用に加えて、ケミカルな反応を利用して研磨を行なっているため、温度変動の影響を大きく受け、ウエハ温度が高いほど研磨レートが上昇する。したがって、ＣＭＰプロセス初期においては、生産効率の観点から高い温度で研磨を行なう必要がある。
【００１３】
しかしながら、特開平１０−３２９０１４号公報においては、ヘッドを冷却するタイミングについて開示されておらず、ＣＭＰプロセスの初期においては高いウエハ温度で研磨を行ない、研磨終了直前において意図的にケミカル反応を抑えるためのウエハの冷却を行なうことができない。
【００１４】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ＣＭＰプロセス初期においては高温を維持し、研磨終了直前にウエハ温度を意図的に下げることで、高い研磨レートを維持したままＣｕのディッシング量を低減することができるＣＭＰ研磨装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＣＭＰ研磨装置は、被処理ウエハを保持するヘッドと、パッドを載置する研磨定盤と、被処理ウエハを冷却する冷却手段と、被処理ウエハの研磨のエンドポイントを検知する検知手段と、検知手段と接続され、検知手段の検知結果に基づいて冷却手段を制御するコントローラとを備える。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に基づくＣＭＰ研磨装置の実施の形態について説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１におけるＣＭＰ研磨装置の断面図である。
【００１８】
本実施の形態におけるＣＭＰ研磨装置は、配線溝を有する層間絶縁膜上にＣｕを成膜した被処理ウエハ１を保持するヘッド本体１０と、研磨パッド１７を載置する研磨定盤１９と、ウエハ１を冷却する冷却手段としてのコントロールユニット４，７と、ウエハ１の研磨のエンドポイントを検知する検知手段としての検知ユニット１６と、検知ユニット１６と接続され、検知ユニット１６の検知結果に基づいてコントロールユニット４，７を制御するコントローラ２１とを備える。
【００１９】
ヘッド本体１０は、ヘッド駆動軸１１を介して駆動装置と接続され、回転する機能を有する。ヘッド本体１０には、ウエハの飛び出しを防ぐリテーナリング１２が備えられている。
【００２０】
ヘッド本体１０内部には、ウエハ１を研磨定盤１９に押圧するエアバッグ５が備えられている。エアバッグ５は、ヘッド駆動軸１１内を通り加圧用のエアを導入する導入ライン６によりコントロールユニット７と接続される。コントロールユニット７はエアバッグ５内のエアを冷却し、温度制御を行なうことができる。
【００２１】
エアバッグ５の下部には、ウエハ１を研磨定盤１９に押圧するヘッドプレート２が備えられている。ヘッドプレート２の内部には、冷却ユニット３が埋め込まれており、ヘッドプレート２全体の温度を均一に冷却することができる。コントロールユニット４は冷却ユニット３を冷却し、一定温度に保つことができる。ヘッドプレート２の材質は、熱伝導の観点からＳＵＳ材が好ましいがセラミックプレートでもよい。
【００２２】
ウエハ１とヘッドプレート２との間にはエアが導入され、ウエハ１の被処理面の裏面（ウエハ１の裏面）に接触して該ウエハ１を研磨定盤１９に押圧する媒体としてのエアフロート層８が形成されている。エアフロート層８はヘッド駆動軸１１内を通りエアを導入する導入ライン９によりコントロールユニット７と接続される。コントロールユニット７はエアフロート層８を介してウエハ１を冷却し、温度制御を行なうことができる。なお、エアフロート層８内の冷却媒体はエアに限定されず、熱伝導率および熱変換効率のよいその他の媒体を用いてもよい。
【００２３】
ＣＭＰ研磨プロセスの終了直前を示すエンドポイントの検知方法としては、たとえばウエハの表面を光学的にモニターする方法が用いられ、発光源と反射光の受光部とから構成される検知ユニット１６により検知が行なわれる。定盤開口部２０に設置された検知ユニット１６から照射された光は、光が透過する加工がなされたパッド加工部１８を透過してウエハ１の表面に到達し、反射して検知ユニット１６に戻る。検知ユニット１６は該反射光をモニターして、Ｃｕが完全に残っている状態と、下地（バリアメタル）が露出し始めた状態との違いを検知する。
【００２４】
ＣＭＰ研磨プロセスが終了直前となりＣｕの層厚が薄くなり、下地のバリアメタルが少しでも露出し始めると、ウエハ１の被処理面における光の反射率が変化する。検知ユニット１６は、この性質を利用して受光した反射光を分析し、研磨プロセスのエンドポイントを検知する。
【００２５】
なお、上記以外のエンドポイント検知システムとしては、たとえば研磨定盤１９のトルク変動をモニターするシステムや、ヘッド本体に組み込まれたコイルから高周波を発生させ、その信号をモニターしてＣｕの膜厚を測定するシステムなどが適用可能である。
【００２６】
検知ユニット１６によりＣｕの研磨が終了する直前が判定されると、検知ユニット１６からコントローラ２１に信号が送られ、コントローラ２１はただちにコントロールユニット４，７に冷却開始の信号を発信し、コントロールユニット４，７を作動させる。その結果、瞬時にウエハ１の冷却が開始される。
【００２７】
また、コントロールユニット４，７は温度維持手段としての機能を兼用し、ウエハ１を冷却後に一定温度に維持する。なお、ウエハ１を冷却後に一定温度に維持する温度維持手段をコントロールユニット４，７とは別に設けてもよい。
【００２８】
ヘッドプレート２、エアバッグ５およびエアフロート層８の内部には、ウエハ１を冷却する媒体の温度を検知する温度センサ１３（ヘッドプレート２用）と、温度センサ１４（エアバッグ５用）と、温度センサ１５（エアフロート層８用）とが設けられ、コントロールユニット４，７は温度センサ１３，１４，１５の検知結果に基づいて上記の媒体の温度を制御する。
【００２９】
上記の各部位における冷却機構は、各部位に設置された温度センサ１３、１４、１５によってモニターされ、常に冷却開始から瞬時に一定温度となるようＰＩＤ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｐｌｕｓＩｎｔｅｇｒａｌｐｌｕｓＤｅｒｉｖａｔｉｖｅ）方式で制御されている。
【００３０】
ここで、エアバッグ５およびエアフロート層８に接続されるコントロールユニット７は兼用されていてもよいが、図１のように別個独立に設置するのがより好ましい。各機構の温度制御を独立して行なうことで、研磨時には全ての冷却機構の温度を同じにすることができ、結果としてウエハ温度の制御性が良好となり、温度のウエハ面内分布がより均一となる。
【００３１】
研磨の均一性を確保するためには、ヘッドプレート２の冷却機構の温度分布は、全面で±２℃以下程度に制御する必要があるが、上記のような冷却機構および温度制御機構を付加することで、面内で均一に一定温度に保つことが可能となる。
【００３２】
Ｃｕが完全に研磨除去されるまで冷却を続け、検知ユニット１６からの信号が完全にＣｕが除去されたものとなった時点で研磨を終了する。また、加工仕上がり均一化のために、エンドポイント時点から冷却状態のままで数秒のオーバーポリッシュを行なう場合もある。
【００３３】
ここで、上記の冷却を開始した後、１秒以内に所定の温度まで冷却して温度制御を行なうことができるコントロールユニット４，７を用いるのが好ましい。これにより、研磨終了直前まで高い研磨レートを維持しながら、研磨終了時のケミカル反応を抑制することができる。
【００３４】
図２に、銅が成膜された直径０．２（ｍ）のウエハに対し、アルミナ砥粒のスラリーを用いてＣＭＰ研磨プロセスを行なった場合の、ウエハの温度とＣｕ研磨レートとの相関図を示す。ここで、横軸は温度センサ１３，１４，１５によってモニターされる設定温度を示す。研磨条件については、ウエハと定盤の回転数が各５０（ｒｐｍ）、ウエハを押圧する荷重は２．４×１０^−２（Ｎ／ｍｍ^２）である。
【００３５】
図２に示すように、ウエハ温度が高いほど研磨液とＣｕとのケミカル反応が促進されレートは高くなる。しかし、ウエハ温度が１０℃の場合と５℃の場合では、研磨レートにほとんど差が生じない。これは、研磨時のウエハとパッドとの摩擦により発生する熱がウエハ裏面からの冷却容量よりも大きく、これ以上のウエハの冷却は効果がないことを示している。
【００３６】
さらにウエハを冷却し０℃にすると、研磨液のゲル化が起こって研磨が全くできず、また研磨液の粘度の上昇による摩擦の増加でヘッドに異常振動が起こり、正常な研磨ができない。
【００３７】
研磨レートの低下は、ウエハ１枚あたりの研磨時間の増加とともに研磨液の消費量の増加を招くため、生産効率の低下とコストの増加につながり好ましくない。したがって、ＣＭＰ研磨プロセスの初期においては、研磨レートを高くするためにウエハ温度は高くした方がよい。
【００３８】
図３に、ＣＭＰ研磨プロセスの終了時におけるウエハ温度とＣｕのディッシング量の相関を示す。ここで、横軸は酸化膜内に孤立したＣｕ配線の配線幅（１００μｍ，５０μｍ，１０μｍ，５μｍ，１μｍ）を示す。また、縦軸は触針式の段差形を用いて計測した酸化膜からのＣｕの最大凹み量を、Ｃｕのディッシング量として示したものである。
【００３９】
図３において、ウエハ温度とＣｕのディッシング量との関係に着目すると、冷却を行なわなかった４０℃の場合と比較して、エンドポイントから冷却を開始した場合、すべての配線幅において冷却後のウエハ温度の低い方がＣｕディッシング量が少なくなる傾向にある。
【００４０】
図３をさらに詳細に参照すると、ウエハ温度が１０℃の場合と５℃の場合とでは、Ｃｕのディッシング量に大きな違いはないことがわかる。これは、ウエハを１０℃以下に冷却しても、被処理面では摩擦熱が支配的になっているため温度が高く、ケミカル反応がおこりやすくなっているためと考えられる。これは、図２に示すウエハ温度と研磨レートとの相関と一致している。
【００４１】
さらに、ウエハを５℃以下に冷却した場合、研磨液がゲル化して粘度が上昇し、研磨レートの低下および研磨異常（振動）が発生し得る。
【００４２】
したがって、ウエハは５℃から１０℃の範囲に冷却するのが好ましい。
なお、図３において、配線幅が広いほどＣｕのディッシング量が大きいのはＣｕ−ＣＭＰの特性によるものである。
【００４３】
本実施の形態においては、以上の構成により、ＣＭＰ研磨プロセスの終了直前まで高い研磨レートを維持したままＣｕのディッシング量を低減することができる。
【００４４】
（実施の形態２）
図４は実施の形態２におけるＣＭＰ研磨装置の断面図である。
【００４５】
本実施の形態におけるＣＭＰ研磨装置は、実施の形態１のヘッド本体１０内部の構造の変形例であり、研磨パッド１７、パッド加工部１８、研磨定盤１９、および定盤開口部２０は実施の形態１と同様に設置されている。また、検知ユニット１６、コントロールユニット４，７、およびコントローラ２１についても実施の形態１と同様に動作する。
【００４６】
ヘッド本体１０は、ヘッド駆動軸１１を介して駆動装置と接続され、回転する機能を有する。ヘッド本体１０には、ウエハの飛び出しを防ぐリテーナリング１２が備えられている。
【００４７】
ヘッド本体１０内部には、ウエハ１を研磨定盤１９に押圧するエアバッグ５が備えられている。エアバッグ５は、ヘッド駆動軸１１内を通り加圧用のエアを導入する導入ライン６によりコントロールユニット７と接続される。コントロールユニット７はエアバッグ５内のエアを冷却し、温度センサ１４を用いてモニターしながら、該エアの温度制御を行なうことができる。
【００４８】
エアバッグ５の下部には、ウエハ１を研磨定盤１９に押圧するヘッドプレート２が備えられている。ヘッドプレート２の内部には、冷却ユニット３が埋め込まれており、ヘッドプレート２全体の温度を均一に冷却することができる。コントロールユニット４は冷却ユニット３を冷却し、温度センサ１３を用いてモニターしながら、ヘッドプレート２を一定温度に保つことができる。ヘッドプレート２の材質は、熱伝導の観点からＳＵＳ材が好ましいがセラミックプレートでもよい。
【００４９】
ここで、ヘッドプレート２にはバッキングフィルム２２が接着され、バッキングフィルム２２とウエハ１とは接触している。ヘッドプレート２は、バッキングフィルム２２を介してウエハ１を押圧する。なお、バッキングフィルム２２の材質としては、たとえばポリウレタンフォームなどが挙げられる。
【００５０】
本実施の形態においては、以上の構成により、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
（実施の形態３）
図５は実施の形態３におけるＣＭＰ研磨装置の断面図である。
【００５２】
本実施の形態におけるＣＭＰ研磨装置は、実施の形態１のヘッド本体１０内部の構造の変形例であり、研磨パッド１７、パッド加工部１８、研磨定盤１９、および定盤開口部２０は実施の形態１と同様に設置されている。また、検知ユニット１６、コントロールユニット７、およびコントローラ２１についても実施の形態１と同様に動作する。
【００５３】
ヘッド本体１０は、ヘッド駆動軸１１を介して駆動装置と接続され、回転する機能を有する。ヘッド本体１０には、ウエハの飛び出しを防ぐリテーナリング１２が備えられている。
【００５４】
ヘッド本体１０内部には、ウエハ１を研磨定盤１９に押圧するエアバッグ５が備えられている。エアバッグ５は、ヘッド駆動軸１１内を通り加圧用のエアを導入する導入ライン６によりコントロールユニット７と接続される。コントロールユニット７はエアバッグ５内のエアを冷却し、温度センサ１４を用いてモニターしながら、該エアの温度制御を行なうことができる。
【００５５】
ここで、エアバッグ５とウエハ１とは接触しており、エアバッグ５がウエハ１を直接押圧する。
【００５６】
本実施の形態においては、以上の構成により、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００５７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、ＣＭＰプロセス初期においては高温を維持し、研磨終了直前にウエハ温度を意図的に下げることができるので、高い研磨レートを維持したままＣｕのディッシング量を低減することができるＣＭＰ研磨装置を提供ことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るＣＭＰ研磨装置の断面図である。
【図２】ウエハ温度とＣｕ研磨レートの相関を示す図である。
【図３】ＣＭＰ研磨プロセスの終了時におけるウエハ温度とＣｕのディッシング量の相関を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係るＣＭＰ研磨装置の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係るＣＭＰ研磨装置の断面図である。
【符号の説明】
１ウエハ、２ヘッドプレート、３冷却ユニット、４コントロールユニット（冷却ユニット用）、５エアバッグ、６導入ライン（エアバッグ用）、７コントロールユニット（エアバッグ・エアフロート層用）、８エアフロート層、９導入ライン（エアフロート層用）、１０ヘッド本体、１１ヘッド駆動軸、１２リテーナリング、１３温度センサ（ヘッドプレート用）、１４温度センサ（エアバッグ用）、１５温度センサ（エアフロート層用）、１６検知ユニット、１７研磨パッド、１８パッド加工部、１９研磨定盤、２０定盤開口部、２１コントローラ、２２バッキングフィルム。

Claims

被処理ウエハを保持するヘッドと、
パッドを載置する研磨定盤と、
前記被処理ウエハを冷却する冷却手段と、
前記被処理ウエハの研磨のエンドポイントを検知する検知手段と、
前記検知手段と接続され、前記検知手段の検知結果に基づいて前記冷却手段を制御するコントローラとを備えたＣＭＰ研磨装置。
前記コントローラは、前記被処理ウエハの研磨のエンドポイントが前記検知手段によって検知されたのに応じて、前記冷却手段を作動させる、請求項１に記載のＣＭＰ研磨装置。
前記ＣＭＰ研磨装置は温度維持手段をさらに備え、
前記温度維持手段は前記被処理ウエハを冷却後に一定温度に維持する、請求項１または請求項２に記載のＣＭＰ研磨装置。
前記ＣＭＰ研磨装置は前記被処理ウエハを冷却する媒体の温度を検知する温度センサをさらに備え、
前記温度維持手段は前記温度センサの検知結果に基づいて前記媒体の温度を制御する、請求項３に記載のＣＭＰ研磨装置。
前記冷却手段は前記被処理ウエハを５℃から１０℃の範囲に冷却する、請求項１から請求項４のいずれかに記載のＣＭＰ研磨装置。
前記冷却手段は前記被処理ウエハ裏面に接触する媒体を介して前記被処理ウエハを冷却する、請求項１から請求項５のいずれかに記載のＣＭＰ研磨装置。
前記被処理ウエハ裏面には該被処理ウエハを前記研磨定盤に押圧するエアフロート層が形成され、
前記冷却手段は前記エアフロート層を冷却する、請求項１から請求項６のいずれかに記載のＣＭＰ研磨装置。
前記ＣＭＰ研磨装置は前記被処理ウエハを前記研磨定盤に押圧するエアバッグをさらに備え、
前記冷却手段は前記エアバッグ内のエアを冷却する、請求項１から請求項７のいずれかに記載のＣＭＰ研磨装置。
前記ＣＭＰ研磨装置は前記被処理ウエハを前記研磨定盤に押圧するヘッドプレートをさらに備え、
前記冷却手段は前記ヘッドプレートを冷却する、請求項１から請求項８のいずれかに記載のＣＭＰ研磨装置。