JP2005142594A - Method and apparatus for controlling film thickness - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体ウエハなどの基材上に膜を形成する際の膜厚調整方法及び装置に関するものである。 The present invention relates to a film thickness adjusting method and apparatus for forming a film on a substrate such as a semiconductor wafer.
従来、半導体ウエハ表面に気相又は液相を介して所望の金属を堆積することによって、該表面を金属膜で被覆することが行なわれている。特に半導体デバイスの配線を形成するためには、半導体ウエハ表面に予め微細な窪み(代表幅0.18μm以下、最大深さ1μm程度)を設け、該窪みの内部に金属を隙間なく充填することが必要とされる。しかも何れの場合も成膜後の金属表面は十分な平坦度(代表値として平均膜厚の2%以内の凹凸)に仕上げることが求められている。 Conventionally, a desired metal is deposited on the surface of a semiconductor wafer via a gas phase or a liquid phase to coat the surface with a metal film. In particular, in order to form the wiring of a semiconductor device, a fine recess (representative width 0.18 μm or less, maximum depth of about 1 μm) is provided in advance on the surface of the semiconductor wafer, and the interior of the recess is filled with no gap. Needed. Moreover, in any case, it is required that the metal surface after film formation be finished with sufficient flatness (represented by irregularities within 2% of the average film thickness).
そのため成膜後は基板をCMP(化学機械研摩)装置に装着して、膜表面を化学的,機械的研摩し、所定の要求仕様を満足する表面仕上げ状況にすることを常としている。 Therefore, after film formation, the substrate is usually mounted on a CMP (Chemical Mechanical Polishing) apparatus, and the surface of the film is chemically and mechanically polished to obtain a surface finish condition that satisfies a predetermined required specification.
ところが、半導体ウエハ表面の絶縁膜内に配線用等の金属を成膜した後に、該絶縁層表面をCMP操作等によって平坦化した場合、図4に示すように、金属210部の表面211はその周囲の絶縁膜220の表面221よりも余分に削り取られる現象(ディッシング)が起こる不具合が不可避的に生じていた。
However, when a metal for wiring or the like is formed in the insulating film on the surface of the semiconductor wafer and then the surface of the insulating layer is flattened by a CMP operation or the like, as shown in FIG. The problem that the phenomenon (dishing) which is scraped off more than the
このディッシングの原因としては、(1)金属210と絶縁膜220との硬度が異なること、及び(2)金属210と絶縁膜220との研削・研摩液に対する腐食速度が異なること、の2点が考えられる。
There are two reasons for this dishing: (1) the hardness of the
そしてこれら原因(1),(2)を回避するために従来、CMPによる研削・研摩時の摺動速度や面圧を低減したり、研削・研摩液に腐食防止剤を混入することが行なわれてきたが、完全な効果を得ることは困難であり、且つ研削・研摩速度低下によってスループットの向上が阻害されるという不都合を生じるという難点もあった。 In order to avoid these causes (1) and (2), conventionally, the sliding speed and surface pressure during grinding and polishing by CMP have been reduced, and a corrosion inhibitor has been mixed into the grinding and polishing liquid. However, it is difficult to obtain a complete effect, and there is also a problem in that the improvement in throughput is hindered due to a decrease in the grinding / polishing speed.
本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、ディッシング量を十分小さくすることができて基材表面に設けた成膜の平坦度を向上させることができる膜厚調整方法及び装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and its purpose is to provide a film thickness adjusting method capable of sufficiently reducing the dishing amount and improving the flatness of the film provided on the substrate surface, and To provide an apparatus.
本願請求項1に記載の発明は、基材表面に所定の厚さ分布を持つ膜を形成する膜厚調整方法において、前記膜厚調整方法は、電解メッキにより基材表面の成膜を行う成膜工程と、前記電解メッキ後の基材を電解加工して膜の研削・研摩を行う電解加工工程とからなることを特徴とする膜厚調整方法にある。The invention according to
本願請求項2に記載の発明は、前記電解加工工程においては、この電解加工と組み合わせて機械的研削・研摩加工も行うことを特徴とする請求項1に記載の膜厚調整方法にある。The invention according to claim 2 of the present application resides in the film thickness adjusting method according to
本願請求項3に記載の発明は、前記成膜工程及び前記電解加工工程は、同一の槽内で行うことを特徴とする請求項1又は2記載の膜厚調整方法にある。Invention of Claim 3 of this application exists in the film thickness adjustment method of
本願請求項4に記載の発明は、前記電解加工後の基材を再度前記成膜工程又は前記電解加工工程に戻すことを特徴とする請求項1に記載の膜厚調整方法にある。The invention according to
本願請求項5に記載の発明は、前記成膜工程及び前記電解加工工程は、別々の槽内で行うことを特徴とする請求項1又は2記載の膜厚調整方法にある。The invention according to
本願請求項6に記載の発明は、前記電解加工後の基材に対して前記成膜工程と前記電解加工工程とを交互に1回以上繰り返すことを特徴とする請求項1記載の膜厚調整方法にある。Invention of
本願請求項7に記載の発明は、基材表面に所定の厚さ分布を持つ膜を形成する膜厚調整方法において、前記膜厚調整方法は、電解メッキにより基材表面の成膜を行う成膜工程と、前記電解メッキ後の基材を電解加工して膜の研削・研摩を行う電解加工工程と、前記電解加工後の基材を再度成膜工程に戻すか否かを判定する工程からなることを特徴とする膜厚調整方法にある。The invention according to
本願請求項8に記載の発明は、基材表面に所定の厚さ分布を持つ膜を形成する膜厚調整装置において、前記膜厚調整装置は、基材を電解メッキするための成膜液供給手段及び電解メッキ用電源と、電解メッキ後の基材に電解加工を行うために前記電解メッキ用電源の電圧の極性を切り替える切換器とを有することを特徴とする膜厚調整装置にある。The invention according to claim 8 of the present application is a film thickness adjusting apparatus for forming a film having a predetermined thickness distribution on the surface of the substrate, wherein the film thickness adjusting apparatus supplies a film forming solution for electrolytically plating the substrate. And a switch for switching the polarity of the voltage of the power supply for electrolytic plating in order to perform electrolytic processing on the substrate after electrolytic plating.
本願請求項9に記載の発明は、基材表面に所定の厚さ分布を持つ膜を形成する膜厚調整装置において、前記膜厚調整装置は、基材を電解メッキするための成膜液供給手段及び電解メッキ用電源と、基材に前記電解メッキ及び電解加工を行うための槽とを有することを特徴とする膜厚調整装置にある。The invention according to claim 9 of the present application is a film thickness adjusting apparatus for forming a film having a predetermined thickness distribution on the surface of a substrate, wherein the film thickness adjusting apparatus supplies a film forming solution for electrolytic plating of the substrate. The film thickness adjusting apparatus includes means and a power source for electrolytic plating, and a tank for performing electrolytic plating and electrolytic processing on the base material.
本願請求項10に記載の発明は、基材表面に所定の厚さ分布を持つ膜を形成する膜厚調整装置において、前記膜厚調整装置は、基材を電解メッキするための槽及び成膜液供給手段及び電解メッキ用電源と、電解メッキ後の基材に電解加工を行うための槽とを有することを特徴とする膜厚調整装置にある。The invention according to
本願請求項11に記載の発明は、前記電解加工後の基材の表面を測定し、この基材に再度電解メッキを行うか否かを決定する膜厚計を有することを特徴とする請求項8又は9又は10記載の膜厚調整装置にある。The invention described in claim 11 of the present application has a film thickness meter for measuring the surface of the substrate after the electrolytic processing and determining whether or not to perform electrolytic plating again on the substrate. 8 or 9 or 10 in the film thickness adjusting device.
本願請求項12に記載の発明は、前記電解加工と組み合わせて機械的研削・研摩加工を行うことを特徴とする請求項8又は9又は10記載の膜厚調整装置にある。The invention according to claim 12 of the present application is the film thickness adjusting apparatus according to
本願請求項13に記載の発明は、前記膜厚計は、前記測定した基材表面のディッシング量を測定することを特徴とする請求項11記載の膜厚調整装置にある。The invention according to claim 13 of the present application is the film thickness adjusting apparatus according to claim 11, wherein the film thickness meter measures the dishing amount of the measured substrate surface.
本発明によれば、電解メッキによる成膜と電解加工による研削・研摩とを交互に繰り返すようにしたので、ディッシング量を所望の十分小さなものにすることができて基材表面に設けた成膜の平坦度を向上させることができるという優れた効果を有する。本発明は特に半導体ウエハの金属配線部分の形成に用いて好適である。 According to the present invention, film formation by electrolytic plating and grinding / polishing by electrolytic processing are alternately repeated, so that the amount of dishing can be made sufficiently small and the film provided on the substrate surface It has an excellent effect that the flatness of the film can be improved. The present invention is particularly suitable for use in forming a metal wiring portion of a semiconductor wafer.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は膜厚調整装置の一構成例を示す全体概略構成図である。なおこの構成例では説明の都合上、研削・研摩工程として主として機械的研削・研摩を用いて説明しているが、本発明は以下で説明するように、研削・研摩工程として少なくとも電解加工を用いるものである。同図に示すようにこの装置は、成膜液槽と研削・研摩液槽を兼用する槽10と、槽10内に設置される研削・研摩台20と、槽10内に出入り自在に設置されるサセプタ30と、槽10内に成膜液を供給する成膜液供給手段40と、槽10内に研削・研摩液を供給する研削・研摩液供給手段50と、膜厚計60と、電解メッキ用電気回路70とを具備して構成されている。以下各構成部材について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall schematic configuration diagram showing one configuration example of a film thickness adjusting device. In this configuration example, for the sake of explanation, mechanical grinding / polishing is mainly used as the grinding / polishing process. However, the present invention uses at least electrolytic processing as the grinding / polishing process as described below. Is. As shown in the figure, this apparatus is installed in a
研削・研摩台20はその表面に機械的研削・研摩面21を具備し、且つ回転軸23によって回転駆動可能に構成されている。
The grinding / polishing table 20 has a mechanical grinding /
サセプタ30はその下面に半導体ウエハ100を保持するものであり、その回転軸31は上下左右に移動可能で、且つ回転駆動可能に構成されている。
The
成膜液供給手段40は成膜液溜41と温調器43と液質モニタ・調整装置45とを具備し、また研削・研摩液供給手段50は研削・研摩液溜51と温調器53と液質モニタ・調整装置55とを具備し、両者は4つのバルブ47,49,57,59を介して1本の配管80に接続されている。配管80にはポンプ83とフィルタ85が取り付けられている。
The film formation liquid supply means 40 includes a film formation
膜厚計60は上下左右前後に移動可能に構成されており、その先端が膜厚測定部61となっている。
The
電解メッキ用電気回路70は電源71を具備し、半導体ウエハ100をカソード、対極73をアノードにするように結線されている。75は対極73と半導体ウエハ100に供給する電圧の極性を切り換える切換器である。
The electroplating
次にこの装置の動作を、図1,図2,図3を用いて説明すると、まず図1に示すように、成膜しようとする面を下にした半導体ウエハ100をサセプタ30の下面に取り付け(ステップ1)、図1の実線で示す位置までサセプタ30を下降する。なお半導体ウエハ100の成膜しようとする面には、図3(a)に示すように絶縁層103の表面にその幅が500Å〜1μmの微細な多数の配線形成用の微細な窪み(穴や溝)105が設けられている。
Next, the operation of this apparatus will be described with reference to FIGS. 1, 2, and 3. First, as shown in FIG. 1, a semiconductor wafer 100 with a surface to be deposited is placed on the lower surface of the
次にポンプ83を駆動してバルブ47,49を開き、槽10内に成膜液を流入して満たし(ステップ2)、成膜を実行する(ステップ3)。即ちこの実施形態では電解メッキ用電気回路70をオンすることで半導体ウエハ100表面に電解メッキ(この実施形態では銅又は銅を主成分とする銅合金及び/又はニッケル合金のメッキ)を施す。成膜中は膜厚分布均一化等の目的のため、必要に応じてサセプタ30を回転することで半導体ウエハ100を回転できる。
Next, the
半導体ウエハ100表面への成膜完了後、成膜液を成膜液溜41に戻し、バルブ47,49を閉じてバルブ57,59を開き、ポンプ83によって研削・研摩液溜51から研削・研摩液を槽10に満たす(ステップ4)。
After the film formation on the surface of the
そしてサセプタ60を下降させて機械的研削・研摩面21に当接させ、研削・研摩台20とサセプタ30を同時に別々の回転速度で回転し、更に両者を必要に応じて往復運動させ、これによって半導体ウエハ100の表面を均一に研削・研摩する(ステップ5)。
Then, the
このとき図3(b)に示すように、微細な窪み105に埋め込んだ配線用の金属部101の表面101aにディッシングが生じる。
At this time, as shown in FIG. 3B, dishing occurs on the
次にサセプタ30を上昇させて研削・研摩液から引上げ、膜厚計60の膜厚測定部61を半導体ウエハ100の金属部101の表面101aに当て、横方向に走査することによってディッシング量を測定する(ステップ6)。
Next, the
そしてステップ7において測定したディッシング量が予め設定した許容値以下の場合であれば、これによってその操作を終了するが、測定したディッシング量が許容値よりも削り過ぎの場合はステップ2に戻って再びメッキ膜の形成工程とそれに続く研削・研摩工程とを行なう。その際測定したディッシング量の値によって次に行なう再成膜工程での成膜量を決め、また研削・研摩量も調整する。
If the dishing amount measured in
つまり図3(c)に示すように、金属部101上に所定量の成膜を行なった後に、再び研削・研摩工程によって図3(d)に示すようにその表面を研削・研摩してディッシング量が小さくなるように調整する。
That is, as shown in FIG. 3C, after a predetermined amount of film is formed on the
一方ステップ7において測定したディッシング量が負、即ち図3(e)に示すように金属部101の表面101aがその周囲よりも突出している場合は、ステップ4に戻って再び研削・研摩工程を実施する。その際にも測定したディッシング量の値によって研削・研摩量を調整する。
On the other hand, when the dishing amount measured in
即ち本発明は、ディッシング量が許容値に入らない場合は、再度成膜工程や研削・研摩工程に戻ることを繰り返し、これによって最終的にディッシング量を許容値内におさめるようにしているのである。 That is, according to the present invention, when the dishing amount does not fall within the allowable value, the process returns to the film forming process and the grinding / polishing process again, so that the dishing amount finally falls within the allowable value. .
そして上記構成例においては、研削・研摩方法として機械的研削・研摩加工を用いたが、本発明では電解加工を用いる。またこの電解加工に、それ以外の例えば、単なる化学加工,機械的研削・研摩加工の内の1つ又はそれらを複数組み合わせたものが使用できる。 In the above configuration example , mechanical grinding / polishing is used as the grinding / polishing method, but electrolytic machining is used in the present invention. Also in this electrolytic processing, the other example, just chemical machining, one of the machine械的grinding and polishing process or those they combine multiple use.
化学加工は通常行なわれるように、主として硝酸,塩酸,硫酸,フッ酸等の溶液を用い、金属を表面から溶出することによって所望の膜厚まで削るものであって、研削速度は酸の種類、濃度、温度、供給流量等によって調整する。 As usual, chemical processing uses a solution of nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, etc., and the metal is eluted from the surface to cut to the desired film thickness. Adjust by concentration, temperature, supply flow rate, etc.
電解加工では、主に研削液として酸溶液中で、基材を陽極,対極を陰極(電解メッキの場合の逆極性)となるように結線して基材側からの電気化学的溶出を起こすことによって研削・研摩を行なう。即ち図1に示す装置で言えば、切換器75を切り換えることによって行なう。 In electrochemical machining, the base material is connected to the anode and the counter electrode is set to the cathode (reverse polarity in the case of electrolytic plating), mainly in an acid solution as a grinding fluid, causing electrochemical elution from the base material side. Grind and polish with In other words, in the apparatus shown in FIG.
何れの加工の場合も必要に応じて基材を回転することができる。 In any case, the substrate can be rotated as necessary.
機械的研削・研摩加工の場合、加工液は砥粒を懸濁した酸,アルカリ,又は中性の水溶液とし、サセプタ30と研削・研摩台20とを所望の面圧で互いに押し付け、一方又は両方を相対的に回転及び並進運動させることによって研削・研摩台20との相対滑り量を基材(半導体ウエハ100)面内で均一になるようにしている。 In the case of mechanical grinding / polishing, the working fluid is an acid, alkali, or neutral aqueous solution in which abrasive grains are suspended, and the susceptor 30 and the grinding / polishing table 20 are pressed against each other at a desired surface pressure, either or both. Is relatively rotated and translated so that the relative slip amount with respect to the grinding / polishing table 20 is made uniform within the surface of the substrate (semiconductor wafer 100).
以上のように化学的・電気化学的・機械的研削・研摩操作を単独又は組み合わせることによって任意の研削・研摩状況を実現できる。 As described above, an arbitrary grinding / polishing situation can be realized by combining chemical, electrochemical, mechanical grinding and polishing operations individually or in combination.
また図1の構成例では一例として、成膜と研削・研摩を同一の槽10内で実施しているが、成膜と研削・研摩を別々の槽内で行なっても良いし、研削・研摩のうち化学・電気化学的加工と機械的研削・研摩加工とを別の槽内で行なっても良い。
In the configuration example of FIG. 1, film formation and grinding / polishing are performed in the
ところで実際の基材と成膜すべき金属材料の組合せは一般的には種々のものが考えられるので、研削・研摩方法もその組合せに応じて種々のやり方を選択して行なう必要がある。 By the way, since various combinations of the actual base material and the metal material to be formed are generally considered, it is necessary to select various methods for the grinding / polishing method according to the combination.
一般的な特徴として、化学・電気化学的加工によれば、加工速度が遅い反面、被加工面の損傷は少なく、いわゆる加工変質層は生じない。一方機械的加工によると加工速度が速い反面、被加工面に擦過痕を生じたり、砥粒による機械的損傷や一部の成膜金属の脱落を生じ易く、大なり小なり加工変質層の発生を招く。 As a general feature, according to chemical / electrochemical processing, the processing speed is slow, but damage to the surface to be processed is small, and so-called work-affected layers do not occur. On the other hand, mechanical processing has a high processing speed, but scratches are formed on the surface to be processed, and mechanical damage due to abrasive grains and loss of some deposited metal are likely to occur. Invite.
また図2のステップ6でディッシング量測定を行なう場合、図1に示す接触式の膜厚計60以外の機構の膜厚計を用いても良く、更に表面形状検査に際して基材を装置から取り外して別の装置に移動してこれを行なうこともできる。該表面形状検査は目視によって行なっても良い。
When measuring the dishing amount in
また一般に成膜液、研削・研摩液はそれぞれの膜材料の種類及び成膜・加工方法によって複数のものを用いる必要が考えられる。その場合、図1に示す成膜液溜41及び研削・研摩液溜51はその数が増加することになる。
Generally, it is considered necessary to use a plurality of film forming liquids and grinding / polishing liquids depending on the types of film materials and film forming / processing methods. In that case, the number of the film
更に図1に示す膜厚調整装置では、全ての成膜・加工を単一の槽10で行なっているが、夫々の工程を複数の槽で分担して実施する場合もある。その場合、槽の数は当然のことながら図1に示す場合よりも増加する。
Further, in the film thickness adjusting apparatus shown in FIG. 1, all film formation / processing is performed in a
10 槽(成膜液槽と研削・研摩液槽を兼用)
20 研削・研摩台
30 サセプタ
40 成膜液供給手段
50 研削・研摩液供給手段
60 膜厚計
100 半導体ウエハ(基材)
105 微細な窪み
10 tanks (combined with film forming liquid tank and grinding / polishing liquid tank)
20 Grinding / polishing table 30 Susceptor 40 Film forming solution supply means 50 Grinding / polishing solution supplying means 60
105 Fine depression
Claims (7)
サセプタに保持した基材を浸漬して成膜する成膜液槽と、
サセプタに保持した基材を浸漬して内部に設置した研削・研摩台に基材表面を当接することによって該表面を研削・研摩する研削・研摩液槽とを具備することを特徴とする膜厚調整装置。 At least a susceptor holding the substrate;
A film forming solution tank for immersing the substrate held in the susceptor to form a film;
A film thickness comprising: a grinding / polishing liquid tank for grinding / polishing the surface of the substrate by abutting the surface of the substrate against a grinding / polishing table installed inside by immersing the substrate held in the susceptor Adjustment device.
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