JP2004358653A

JP2004358653A - 最適化された溝を有する研磨パッド及び同パッドを形成する方法

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Publication number: JP2004358653A
Application number: JP2004130737A
Authority: JP
Inventors: Gregory P Muldowney; グレゴリー・ピー・ムルダウニー
Original assignee: Rohm and Haas Electronic Materials CMP Holdings Inc; Rohm and Haas Electronic Materials LLC
Current assignee: Rohm and Haas Electronic Materials CMP Holdings Inc; Rohm and Haas Electronic Materials LLC
Priority date: 2003-04-29
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2024-04-27
Also published as: KR101093059B1; TWI317674B; US6783436B1; CN1541807A; TW200500167A; JP4568015B2; CN100341666C; KR20040093443A

Abstract

【課題】ウェーハと研磨パッドとの相互回転を適切に計算に入れた溝を有する研磨パッドを提供する。
【解決手段】ケミカルメカニカルプラナリゼーションに有用な研磨パッドは、基材を平坦化するための研磨層を有する。研磨層は、研磨層の中心から研磨層の外周まで延びる半径と、研磨層に形成され、研磨層の外周から内に延びる一以上の連続した溝と、円周有溝率（ＣＦ）とを含む。ＣＦは、研磨層の外周から研磨層の中心までの大部分の距離に及ぶ区域で起こり、ＣＦは、所与の半径での円周のうち一以上の連続した溝と交差して位置する部分をその所与の半径での全円周によって割ったものである。ＣＦは、研磨層半径の関数としてその平均値の２５％以内にとどまる。
【選択図】図５Ａ

Description

本発明は、ケミカルメカニカル研磨（ＣＭＰ）用の研磨パッドに関し、特に、最適化された溝を有する研磨パッドに関する。

集積回路及び他の電子素子の製造においては、導体材料、半導体材料及び絶縁体材料の多数の層を半導体ウェーハの表面に付着させたり、同表面から除去したりする。導体材料、半導体材料及び絶縁体材料の薄い層は、多様な付着技術によって付着させることができる。最新の加工における一般的な付着技術は、スパッタリングとしても知られる物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、プラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）及び電気化学的めっき法（ＥＣＰ）を含む。

材料層が順次に付着され、除去されるにつれ、ウェーハの一番上の面が平坦でなくなる。後続の半導体加工（たとえばメタライゼーション）ではウェーハが平坦な面を有することを要するため、ウェーハは平坦化されなければならない。望ましくない表面のトポグラフィー及び表面欠陥、たとえば粗面、凝集した材料、結晶格子の損傷、スクラッチ及び汚染された層もしくは材料を除去するにはプラナリゼーションが有用である。

ケミカルメカニカルプラナリゼーション、あるいはケミカルメカニカル研磨（ＣＭＰ）は、半導体ウェーハのような基材を平坦化するために使用される一般的な技術である。従来のＣＭＰでは、ウェーハキャリヤ又は研磨ヘッドがキャリヤアセンブリに取り付けられ、ＣＭＰ装置中で研磨パッドと接する位置に設置される。キャリヤアセンブリは、制御可能な圧をウェーハに供給して、ウェーハを研磨パッドに対して押し当てる。外部駆動力によってパッドがウェーハに対して動かされる（たとえば回転させられる）。それと同時に、化学組成物（「スラリー」）又は他の流動媒体が研磨パッド上に流され、ウェーハと研磨パッドとの隙間に流れ込む。こうして、ウェーハ表面は、研磨層及びスラリーの化学的かつ機械的作用によって研磨され、平坦化される。

ＣＭＰにおいては、ウェーハ表面の平坦さ及び均一さが最重要である。したがって、ＣＭＰシステムは通常、瞬間的な局所研磨速度の変動を平均化するために、ウェーハの軌道周回運動及び／又は振動運動を提供するように設計されている。パッド及びウェーハの回転速度は、時間にわたってウェーハ表面の各点が同じ範囲及び平均値の相対パッド速度にさらされるようにする方法で組み合わせることができることが公知である。このような構成は、D. A. Hansenらによる「Characterization of a Multiple-Head Chemical Mechanical Polisher for Manufacturing Applications」と題する文献（Proceedings of the 1st International CMP-MIC, February 1996）に記載されている。この文献を引用例として本明細書に取り込む。

ウェーハ及びパッド回転の平均化の計算は、研磨層が半径方向の位置に関して均質であると仮定する。しかし、研磨層が特定のタイプの溝（たとえば同心円、デカルト格子、固定幅半径又はこれらの組み合わせ）を含む場合、パッド単位面積あたりの研磨面積が、パッド半径の関数として変化することがある。

図１Ａは、米国特許第５，１７７，９０８号に記載されているような従来技術の標準的な半径方向溝パターンを示す図である。図１Ｂは、図１Ａの半径方向溝パターンに関して、円周有溝率（circumference fraction grooved）ＣＦをパッド半径Ｒの関数として示すグラフである。本出願に関して、円周有溝率ＣＦとは以下のとおりである。

ＣＦ＝（所与の半径での円周のうち溝と交差する部分）／（所与の半径での全円周）
注：ＣＦが半径の関数として一定であるならば、パッドの、所与の半径での溝付き（又は溝なし）の部分面積もまた、半径の関数として一定である。

図１Ａの参照を続けると、溝の数及び幅が一定であるため、円周方向の全有溝長は半径にかかわらず同じである。したがって、図１Ｂに示すように、中心からの距離が増すにつれＣＦは減少し、パッドの外縁に近いところでのＣＦの値は中心近くでのＣＦの値よりも何倍も小さい。

図２Ａは、従来技術の標準的な同心円形溝パターンを示す図である。図２Ｂは、図２Ａの同心円形溝パターンに関して、円周有溝率ＣＦをパッド半径Ｒの関数として示すグラフである。この場合、ＣＦは、溝の中にあたる半径では１であり、そうではない半径ではゼロである。したがって、有溝面積率（area fraction grooved）は、半径の関数として鋭く変化するものである。

図３Ａは、両方の座標方向で等しいピッチを有する従来技術の標準的なデカルト格子溝パターンを示す図である。図３Ｂは、図３Ａのデカルト格子溝パターンに関して、ＣＦをパッド半径Ｒの関数として示すグラフである。半径の増大とともにＣＦが減少したのち、新たな組の格子線と交差すると、その地点でＣＦが鋭く増大することに注目されたい。より大きい半径においては、半径方向距離の小さな増分でも、さらなる格子線と交差するので、ＣＦは非常に不規則な関数となる。ＣＦが漸近し始める大きな半径においては、単位パッド面積あたりの研磨面積に有意な（すなわち、５０％超の）変動がある。

図４Ａは、米国特許第５，９２１，８５５号及び第５，６９０，５４０号（５４０号特許）で開示されているような従来技術の標準的ならせん溝パターンを示す図である。図４Ｂは、図４Ａのらせん溝パターンに関して、ＣＦをパッド半径Ｒの関数として示すグラフである。らせん曲線は半径に厳密に比例して太くなるわけではないため、半径の増大とともにＣＦが減少していることに注目されたい。

したがって、ウェーハと研磨パッドとの相互回転を適切に計算に入れた溝を有する研磨パッドが要望されている。

本発明の態様は、ケミカルメカニカルプラナリゼーションに有用な研磨パッドであって、基材を平坦化するための研磨層を有し、研磨層が、研磨層の中心から研磨層の外周まで延びる半径と；研磨層に形成され、研磨層の外周から内に延びる一以上の連続した溝と；円周有溝率（ＣＦ）が、所与の半径での円周のうち一以上の連続した溝と交差して位置する部分をその所与の半径での全円周によって割ったものであって、ＣＦが、研磨層の外周から研磨層の中心までの大部分の距離に及ぶ区域において、研磨層半径の関数としてその平均値の２５％以内にとどまる、研磨層の外周から研磨層の中心までの大部分の距離に及ぶ区域におけるＣＦとを含む研磨パッドである。

本発明のもう一つの態様では、一以上の連続した溝は、ベース半径（base radious）で始まり、パッドの外周まで延びる。あるいはまた、一以上の連続した溝は、ベース半径と外周との間の始端半径で始まり、外周まで延びる。

本発明のもう一つの態様は、ウェーハ表面を平面化する方法である。基材をケミカルメカニカル平坦化する方法は、研磨溶液をウェーハに導く工程と；研磨層を有する研磨パッドに対してウェーハを回転させる工程であって、研磨層が、ｉ）研磨層の中心から研磨層の外周まで延びる半径と、ii）研磨層に形成され、研磨層の外周から内に延びる一以上の連続した溝と、iii）円周有溝率（ＣＦ）が、所与の半径での円周のうち一以上の連続した溝と交差して位置する部分をその所与の半径での全円周によって割ったものであって、ＣＦが、研磨層の外周から研磨層の中心までの大部分の距離に及ぶ区域において、研磨層半径の関数としてその平均値の２５％以内にとどまる、研磨層の外周から研磨層の中心までの大部分の距離に及ぶ区域におけるＣＦとを含む研磨パッドである工程と；研磨パッド及び研磨溶液でウェーハを平坦化する工程と含む。

詳細な説明
図５Ａは、外側半径Ｒ_Oと、形成された溝１０４をもつ表面１０２とを有する研磨パッド１００の平面図である。実施態様では、一以上の連続した（すなわち途切れのない細長い）溝１０４が表面１０２に形成される。パッド半径Ｒは原点Ｏから計測される。また、円周２πＲの円Ｃ_R（点線）が示されている。パッド１００の外側半径はＲ_Oである。一以上の溝１００が外側半径Ｒ_Oまで（すなわちパッドの縁まで）延びている。パッド１００の外側半径Ｒ_Oが外円周１０６を画定する。

軌道周回型研磨装置では、ウェーハと接触しない、原点Ｏを包囲する領域があることが多い。この領域は通常、原点Ｏから数インチの範囲に及ぶ。したがって、溝１０４は、必ずしも原点Ｏから始まる必要はない。あるいはまた、一以上の溝１０４が原点Ｏ又はその近くから始まることもでき、ＣＦ率の制約を、半導体ウェーハと接触しない領域内で緩和することができる。たとえば、研磨パッドは、溝を含まなくてもよいし、原点の近くに一つの溝付き領域又はランダムな溝を含んでもよい。研磨は原点Ｏの近くで起こることもできるが、もっとも有利には、研磨層の外周から研磨層の中心又は原点Ｏまでの大部分の距離に及ぶ区域内でのみ起こる。この実施態様は、制御されたＣＦを有する「ウェーハトラック」の中にウェーハを維持する。

実施態様では、ベース半径Ｒ_Bは、均一な研磨を危うくすることなく所望の溝カーブが得られるように選択される。加工品が中心近くよりも縁で遅く研磨される傾向にある実施態様では、ベース半径Ｒ_Bは、非接触の中心領域の半径よりもいくらか大きく選択される。これは、加工品の縁での材料除去を増加させるが、均一な研磨を保証するわけではない。

たとえば、ある実施態様では、図示するように、一以上の溝１０４がベース半径Ｒ_Bから始まる。別の実施態様では、一以上の溝１０４は原点Ｏから始まる。もう一つの実施態様では、溝１０４は、ベース半径Ｒ_Bよりも大きい始端半径Ｒ_Sから始まる（図６Ｄ参照。以下に記す）。

図５Ｂは、溝１０４の小さな微分区分１１０を示す、図５Ａの研磨層１０２の拡大図である。所与の半径Ｒで、溝１０４は、所与の幅Ｗと、原点Ｏを所与の半径方向位置Ｒに接続する半径方向線Ｌに対して角θ（「溝角」）を形成する中心軸Ａとを有している。

パッドがどの半径ででも同じ有溝面積率を有するためには、各円周Ｃ_Rは、円周Ｃ_Rの一定部分である量の溝付き研磨層を横切らなければならない。上記で論じたように、本明細書中、所与の円周Ｃ_Rでの、全研磨層に対する溝付き部分の比を「円周有溝率」又は「ＣＦ」と呼ぶ。

ＣＦが半径の関数として一定になるためには、各微分溝区分１１０は、円周方向に計測される溝幅が円周の長さの増大と同調して増すよう、半径の増大とともに溝角θが増加して大きくならなければならない。区分１１０の軌跡が、ベース半径Ｒ_Bを外側半径Ｒ_Oに接続する一つの溝に対応する連続したカーブを構成する。

数学的にいうと、Ｎが溝の数（溝カウント）Ｎを表すならば、次式が成り立つ。

ベース半径Ｒ_Bではθ＝０であり、よって

が成り立つということに注目されたい。

Ｒ_BでのＣＦを任意の半径ＲでのＣＦと等しくするには、溝角θが

でなければならない。

一以上の溝１０４の正確な形状のための包括的な式は、対応する局所溝角θ（Ｒ）で向けられる半径方向増分ステップをとることによって得られる。これは、図５Ａの研磨パッドのベース半径Ｒ_Bでの点Ｐの拡大図である図５Ｃに示されている。図５Ｃから、円周Ｃ_Rの周方向区分ｄＳが次式によって求められる。

式３及び４から、次式が導かれる。

中心角ψ（Ｒ）は次式によって求められる。

よって、

したがって、一以上の溝１０４は次式に基づいて形成される。

上記解析と合致する、形成された溝は、一定のＣＦをもたらし、それが、半径の関数としての一定の研磨層面積に転じ、ひいては、一定でないＣＦをもつ溝を有する研磨パッドよりも均一なＣＭＰ性能につながる。

本発明の代替態様は、一定のＣＦを維持する割合で半径とともに増大する幅を有するように、一以上の半径方向溝１０４を形成することを含む。しかし、大径パッドの場合、この実施態様は、連続したカーブほど有利ではない。

したがって、本発明の一つの実施態様は、ＣＦがパッド半径の関数として一定（すなわち、不変）になるように形成された一以上の連続した溝１０４を含む研磨パッドである。ＣＦは、ほぼいかなる一定の値を有することもできる。しかし、好ましい実施態様では、ＣＦの値は１０〜２５％の範囲である。

加えて、本発明は、広い範囲の曲率を有する溝の形成にも適用される。しかし、好ましい実施態様では、一以上の溝１０４は、１／６０〜１／２回転を形成する。すなわち、個々の溝は、６〜１８０度の中心角を形成する研磨パッドのくさび状区分を占める。

もう一つの実施態様では、ＣＦの値は一定でないが、パッド半径の関数としてその平均値の２５％以内にとどまり、より好ましくは、パッド半径の関数としてその平均値の１０％以内にとどまる。ＣＦに対するこれらの制限が、とりわけ、理想的な溝形成からの偏差を考慮し（たとえば、溝設計の許容度を緩和して、溝形成加工を費用がよりかからず、かつ時間がよりかからないものにする）、半径の関数である研磨作用（たとえば、スラリー分布の関数としての材料除去）を相殺する。

本発明にしたがって形成される溝１０４は、パッド回転方向に対していずれの方向に向けてもよい。

図６Ａ〜６Ｄは、本発明にしたがって形成される多様な溝パターンの例を示す。図６Ａは、本発明にしたがって形成される、研磨パッド１５０が研磨層１５２に形成された８本の溝１５４を有する、カーブした溝パターンを示す図である。研磨パッド１５０は、外周１５６を画定する外側半径Ｒ_O＝２４インチ及びベース半径Ｒ_B＝１０インチを有する。

図６Ｂは、図６Ａと同じであるが、ベース半径Ｒ_B＝６インチである。

図６Ｃは、図６Ａと同じであるが、ベース半径Ｒ_B＝２インチである。

図６Ｄは、図６Ｃと同じであるが、Ｒ_B＝２インチであり、溝が１０インチ（２５cm）始端半径Ｒ_Sから始まっている。

図６Ｅは、図６Ａ〜６Ｄのカーブした溝パターンに関して、円周有溝率ＣＦをパッド半径Ｒの関数として示すグラフである。図６Ｅから見てとれるように、ＣＦは、パッド半径Ｒの関数として不変である。

ＣＭＰシステム及び作業方法
図７は、上記で詳述した本発明の研磨パッド２０２の実施態様を用いるＣＭＰシステム２００を示す。研磨パッド２０２は研磨層２０４を有する。システム２００は、軸Ａ１を中心にして回転可能である研磨台２１０を含む。研磨定盤２１０は、パッド２０２が取り付けられる上面２１２を有する。軸Ａ２のまわりを回転可能なウェーハキャリヤ２２０が研磨層２０４の上方に支持されている。ウェーハキャリヤ２２０は、研磨層２０４に対して平行な下面２２２を有している。ウェーハ２２６が下面２２２に取り付けられている。ウェーハ２２６は、研磨層２０４に面する表面２２８を有している。ウェーハキャリヤ２２０は、下向きの力Ｆを提供してウェーハ表面２２８を研磨層２０４に押し当てるように適合されている。

システム２００はまた、スラリー２４４を保持する（たとえば温度制御される）貯蔵槽２４２を備えたスラリー供給システム２４０を含む。

スラリー供給システム２４０は、スラリー２４４をパッドに分配するための、貯蔵槽に接続され、研磨層２０４と流通している導管２４６を含む。

システム２００はまた、接続２７４を介してスラリー供給システム２４０に結合され、接続２７６を介してウェーハキャリヤ２２０に結合され、接続２７８を介して研磨定盤２１０に結合された制御装置２７０を含む。制御装置２７０は、研磨作業の間にこれらのシステム要素を制御する。実施態様では、制御装置２７０は、プロセッサ（たとえばＣＰＵ）２８０、プロセッサに接続されたメモリ２８２ならびにプロセッサ、メモリ及び制御装置中の他の要素の動作を支持するための支持回路２８４を含む。

図７の参照を続けると、作業中、制御装置２７０がスラリー供給システム２４０を起動してスラリー２４４を回転研磨層２０４に分配する。スラリーは、ウェーハ２２６の下方にある部分を含む、研磨パッドの上面に広がる。制御装置２７０はまた、ウェーハキャリヤ２２０を起動して選択された速度（たとえば毎分０〜１５０回転、又は「rpm」）で回転させて、ウェーハ表面が研磨面に対して動くようにする。ウェーハキャリヤ２２０はまた、選択された下向きの力Ｆ（たとえば０〜１５psi）を提供して、ウェーハが研磨パッドに押し当てられるようにする。制御装置２７０はさらに、通常は０〜１５０rpmである、研磨定盤の回転速度を制御する。

研磨層２０４は、上記方法を使用して一定のＣＦを有するように形成された溝構造を有するため、プラナリゼーション効率は、一定でないＣＦを有する溝を有する場合よりも高い。プラナリゼーション効率への利点は、研磨層２０４の回転方向にかかわらずに実現される。増大したプラナリゼーション効率は、ウェーハから除去される材料がより少なく、ウェーハの処理がより速く、ウェーハ表面を損傷する危険がより少ないプラナリゼーションをもたらす。

ウェーハと接触する研磨パッド２０２の単位面積あたりのより均一な研磨面積のため、実施態様では、ウェーハキャリヤによって提供される下向きの力は、ウェーハ上のすべての所望の地点で材料除去を達成するために従来の研磨パッドで求められる力よりも少なくすることができる。

外側半径２４インチ、ベース半径２インチのパッド上にそれぞれ幅０．０９３インチの溝６０本を有する従来技術の研磨パッド半径方向溝パターン例を示す図である。図１Ａの半径方向溝パターンに関して、円周有溝率ＣＦをパッド半径Ｒの関数として示すグラフである。外側半径２４インチのパッド上にそれぞれ幅０．０９３インチの溝１１本を有する従来技術の標準的な同心円形溝パターンを示す図である。図２Ａの同心円形溝パターンに関して、円周有溝率ＣＦをパッド半径Ｒの関数として示すグラフである。両方の座標方向で等ピッチの溝を有し、溝ピッチが２０mmであり、溝幅が０．０９３インチである外側半径２４インチのパッドの従来技術の標準的なデカルト格子溝パターンを示す図である。図３Ａのデカルト格子溝パターンに関して、円周有溝率ＣＦをパッド半径Ｒの関数として示すグラフである。５４０号特許で開示されているものと合致する従来技術の標準的ならせん溝パターンを示す図である。図４Ａのらせん溝パターンに関して、円周有溝率ＣＦをパッド半径Ｒの関数として示すグラフである。研磨パッド及びその中に形成された溝パターンを示す平面図である。図５Ａの溝の一区分の拡大図である。半径Ｒの関数として増大する溝角θの変化を示す、図５Ａの研磨パッドのベース半径Ｒ_Bでの点Ｐの拡大図である。外側半径Ｒ_O２４インチパッド、ベース半径Ｒ_B１０インチの、本発明の溝パターンを示す図である。外側半径Ｒ_O２４インチパッド、ベース半径Ｒ_B６インチの、カーブした溝８本の本発明のカーブした溝パターンを示す図である。図６Ｂに類似した、ベース半径Ｒ_B２インチの本発明のカーブした溝パターンを示す図である。図６Ｃに類似した、始端半径Ｒ_S＝１０インチで始まるパターンを有する、本発明のカーブした溝パターンを示す図である。本発明のカーブした溝パターンに関して、円周有溝率ＣＦをパッド半径Ｒの関数として示す、パッド半径Ｒの関数としてのＣＦの不変性を示すグラフである。本発明にしたがって形成された溝付き研磨パッドを使用するＣＭＰシステムの略側面図である。

Claims

ケミカルメカニカルプラナリゼーションに有用な研磨パッドであって、基材を平面化するための研磨層を有し、その研磨層が、
研磨層の中心から研磨層の外周まで延びる半径と、
研磨層に形成され、研磨層の外周から内側に延びる一以上の連続した溝と、
円周有溝率（ＣＦ）が、所与の半径での円周のうち一以上の連続した溝と交差して位置する部分をその所与の半径での全円周によって割ったものであって、ＣＦが、研磨層の外周から研磨層の中心までの大部分の距離に及ぶ区域において、研磨層半径の関数としてその平均値の２５％以内にとどまるものである、研磨層の外周から研磨層の中心までの大部分の距離に及ぶ区域におけるＣＦと
を含む、研磨パッド。
ＣＦが、研磨層の外周から研磨層の中心までの大部分の距離に及ぶ区域において、研磨層半径の関数としてその平均値の１０％以内にとどまる、請求項１記載の研磨パッド。
ＣＦが、研磨層の外周から研磨層の中心までの大部分の距離で一定にとどまる、請求項１記載の研磨パッド。
一以上の連続した溝が研磨層のベース半径から研磨層の外周まで延びている、請求項１記載の研磨パッド。
研磨表面が、外周の内側のベース半径と、ベース半径と外周との間の始端半径とを有し、一以上の連続した溝が始端半径から外周まで延びている、請求項１記載の研磨パッド。
ＣＦの平均値が１０％〜２５％である、請求項１記載の研磨パッド。
一以上の溝が連続したカーブである、請求項１記載の研磨パッド。
基材をケミカルメカニカル平坦化する方法であって、
研磨溶液をウェーハに導く工程と、
研磨層を有する研磨パッドに対してウェーハを回転させる工程であって、研磨層が、ｉ）研磨層の中心から研磨層の外周まで延びる半径と、ii）研磨層に形成され、研磨層の外周から内側に延びる一以上の連続した溝と、iii）円周有溝率（ＣＦ）が、所与の半径での円周のうち一以上の連続した溝と交差して位置する部分をその所与の半径での全円周によって割ったものであって、ＣＦが、研磨層の外周から研磨層の中心までの大部分の距離に及ぶ区域において、研磨層半径の関数としてその平均値の２５％以内にとどまる、研磨層の外周から研磨層の中心までの大部分の距離に及ぶ区域におけるＣＦとを含む研磨パッドである工程と、
ウェーハを研磨パッド及び研磨溶液で平坦化する工程と
を含む方法。
平坦化が、研磨層の外周から研磨層の中心までの大部分の距離に及ぶ区域内でのみ起こる、請求項８記載の方法。
平坦化が、連続したカーブである一以上の連続した溝で起こる、請求項８記載の方法。