JP2006114929A

JP2006114929A - 研磨方法

Info

Publication number: JP2006114929A
Application number: JP2005357898A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Sato; 修三佐藤; Takeshi Nogami; 毅野上; Yoshiya Yasuda; 善哉安田; Shigeo Ishihara; 成郎石原
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: JP4442555B2

Abstract

【課題】電解研磨と化学的機械研磨もしくは化学的バフ研磨とを併用することで、被研磨面の品質を落とすことなく、研磨速度を速めることを可能とする。
【解決手段】ウエハ表面に凹凸のパターンが形成され、その凹部を埋め込むように該ウエハ表面に形成された金属膜３２を研磨する研磨方法において、前記金属膜３２の研磨を電解研磨と化学的機械研磨もしくは化学的バフ研磨とを交互に行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、研磨方法に関し、詳しくは銅配線形成に伴う銅めっき膜表面の凹凸面を平坦化して埋め込み配線形成する際に行う電解研磨と化学的機械研磨とを繰り返し行う研磨方法に関するものである。

銅配線に用いる銅めっき膜の電解研磨における終点の検出は、研磨時間により管理していた。

しかしながら、電解研磨においては、残存する銅膜部分の面積が減少し、微細配線部分への電解集中により、銅の溶出除去速度が局所的に加速するため、時間管理による終点判定では終点の検出マージンが小さく、微細配線の消失、巨大配線の残存などの課題を残している。

さらに終点における電流値は全面銅で覆われていた場合に比べてはるかに小さいもので電流集中による局所的な抵抗値変化も加わり、積算電流の累積値から除去量を推測する（例えば、特許文献１参照）ことのみでは正確な終点判定は困難である。

この結果、銅膜の被研磨面は表面粗度が粗い不安定な面に形成される、溝配線部に埋め込まれた銅がオーバ研磨され、銅配線表面の後退により配線断面積が不足する、ディッシングが発生する、エロージョンが発生する、等の問題が生じている。このように、銅残り、オーバ研磨などによる局所的な不均一により、配線のショート、オープンを発生する。

特に、終点での電解研磨が溝配線部のみになっている場合には、銅表面の面積が当初の全面に銅膜が形成されていた状態の１００％の状態からパターン密度まで銅膜の被研磨面積が減少している。このため、微細な溝配線部の銅に電解研磨が集中しやすくなるので、取り残された巨大残存部分や幅広配線部と、独立微細配線部との研磨速度差が増大し、独立微細配線部の研磨速度が加速的に上昇してしまう。さらに、陽極電流密度の極端な変化による電解研磨条件の変動、光沢電解研磨条件から外れることにより、表面の粗化等の不良を発生することになる。

特開２００１-０７７１７７号公報

解決しようとする問題点は、被研磨面の品質を落とすことなく、研磨速度を速めることができない点である。

本発明は、電解研磨と化学的機械研磨もしくは化学的バフ研磨とを併用することで、被研磨面の品質を落とすことなく、研磨速度を速めることを課題とする。

本発明の研磨方法は、ウエハ表面に凹凸のパターンが形成され、その凹部を埋め込むように該ウエハ表面に形成された金属膜を研磨する研磨方法において、前記金属膜の研磨を電解研磨と化学的機械研磨もしくは化学的バフ研磨とを交互に行うことを特徴とする。

本発明の研磨方法では、金属膜の研磨を電解研磨と化学的機械研磨もしくは化学的バフ研磨とを交互に行うことから、電解研磨によって金属膜表面の面粗さを粗くしているので、その後の化学的機械研磨もしくは化学的バフ研磨では、研磨速度が速くなる。また、電解研磨後の表面を化学的機械研磨もしくは化学的バフ研磨によって研磨することから、研磨表面の品質を化学的機械研磨もしくは化学的バフ研磨のみで研磨したときと同等の平滑な被研磨面の品質を得ることができ、かつ研磨速度を速くすることができる。そして、電解研磨と化学的機械研磨もしくは化学的バフ研磨とを交互に行うことから、被研磨面の品質を落とすことなく、研磨速度を速めることができる。

本発明の研磨方法は、金属膜の研磨を電解研磨と化学的機械研磨もしくは化学的バフ研磨とを交互に行うため、化学的機械研磨もしくは化学的バフ研磨のみで研磨したときと同等の平滑な被研磨面の品質を得ることができ、また被研磨面の面内均一性も優れたものとなり、かつ研磨速度を速くすることができる。もしくは同等の研磨速度であれば低い圧力で研磨を行うことができる。よって、電解集中による微細配線の消失が防止されるとともに、電解研磨条件の変化による金属膜の被研磨表面の荒れが防止できるという利点がある。

本発明の研磨方法に係る一実施の形態の実施例を説明する。

本発明の研磨方法は、ウエハ表面に形成された凹部を埋め込むように該ウエハ表面に形成された金属膜を研磨する研磨方法において、金属膜の研磨を電解研磨とＣＭＰもしくは化学的バフ研磨とを交互に行う研磨方法である。この電解研磨の終点は、複数回行う電解研磨のうち最終工程における電解研磨工程において、後に説明する終点検出法を用いることができる。なお、最終工程前の電解研磨では、例えば研磨時間で研磨終点を判断する。また、電解研磨とＣＭＰの回数は、予め実験により最適回数を求めておくことが望ましい。

上記ＣＭＰは、例えば、砥粒入りスラリーを用いた遊離砥粒ＣＭＰ、固定砥粒パッドを用いたＣＭＰ、砥粒フリースラリーを用いたＣＭＰ等を採用することができる。

本発明の研磨方法では、金属膜の研磨を電解研磨とＣＭＰもしくは化学的バフ研磨とを交互に行うことから、図１の（１）に示すように、電解研磨前の平滑の金属膜３２表面は、図１の（２）に示すように、電解研磨によって金属膜表面は多孔質状に変質するため、その表面の面粗さは粗くなる。このような表面状態をＣＭＰもしくは化学的バフ研磨で研磨するので、ＣＭＰもしくは化学的バフ研磨における研磨速度は速くなる。その際、ＣＭＰの研磨圧力を、通常のＣＭＰよりも１／７〜１／１０に低減することができる。したがって、下地に、一般的な低誘電率有機膜や多孔質状の低誘電率絶縁膜のような脆弱な膜を用いても、下地を破壊することなく、ＣＭＰを行うことができるようになる。そして、低圧のＣＭＰを行った結果、図１の（３）に示すように、金属膜３２の表面は平滑な面に仕上がる。

例えば、通常のＣＭＰでは、研磨圧力は２７．５ｋＰａ〜４８．１ｋＰａであり、研磨速度は２００ｎｍ／ｍｉｎ〜６００ｎｍ／ｍｉｎであり、被研磨面の平坦性は良くないか普通であり、面内均一性は３％〜５％である。一方、低研磨圧のＣＭＰでは、研磨圧力は６．９ｋＰａ以下であり、研磨速度は１００ｎｍ／ｍｉｎ以下であるが、被研磨面の平坦性は良好であり、面内均一性は５％程度である。

また、電解研磨の溶出特性は、電圧／電流密度が５０ｍＡ／ｃｍ²以上と高い場合、溶出速度は最大８００ｎｍ／ｍｉｎであり、面内均一性は３％以下となった。一方、電圧／電流密度が２０ｍＡ／ｃｍ²以下と低い場合、溶出速度は２００ｎｍ／ｍｉｎ以下であり、面内均一性は３％以下となった。

上記結果より、電解研磨により形成した表面の面粗さの粗い層（以下変質層という）は低い研磨圧力であっても、比較的高速に研磨することが可能であることがわかった。そこで、電解研磨とＣＭＰとを組み合わせて交互に複数回行うことによって、効率良く研磨を行うことが可能になる。

また、図２の（１）に示すように、電解研磨による金属膜３２の変質層３３の形成とＣＭＰによる変質層３３の研磨とがつりあっている場合には、すなわち、電解研磨により荒らした金属膜３２表面がＣＭＰによって平滑にされる場合には、平滑で光沢のある良好な研磨面を得ることができる。一方、図２の（２）に示すように、電解研磨による金属膜３２の変質層３３が厚く形成された場合には、ＣＭＰによる研磨でも変質層３３を完全に研磨することができない。すなわち、電解研磨により荒らした金属膜３２表面がＣＭＰによって平滑にならない場合である。このような状態で電解研磨とＣＭＰとを繰り返し行うと、被研磨表面は非常にあれた面となり、研磨効果が全く得られない。また、図２の（３）に示すように、電解研磨による金属膜３２の変質層３３の形成が薄すぎると、ＣＭＰによって変質層３３の研磨は容易になるが、所望の厚さを研磨するのに時間がかかり過ぎることになり、十分な研磨スループットの向上が望めない。

以上、説明したように、上記研磨方法では、電解研磨後の面粗さを粗くした表面をＣＭＰもしくは化学的バフ研磨によって研磨することから、ＣＭＰもしくは化学的バフ研磨のみで研磨したときと同等に、平滑な光沢のある被研磨面を得ることができ、かつ研磨速度を速くすることができる。このように、電解研磨とＣＭＰもしくは化学的バフ研磨とを交互に行うことから、被研磨面の品質を落とすことなく、研磨速度を速めることができるので、研磨スループットを向上させることが可能になる。

次に、各種研磨シーケンスの一例を、図３によって説明する。図３では、（１）、（２）に従来技術の研磨シーケンスを示し、（３）に本発明の研磨シーケンスを示す。

研磨シーケンスを実施する試料は、以下のような構造となっている。すなわち、ウエハ表面に絶縁膜が形成され、その絶縁膜に配線溝が形成されている。その配線溝内面および絶縁膜表面にはバリア層として窒化タンタル膜が形成されている。さらに、通常の銅めっき技術によって、上記配線溝を埋め込むように上記バリア層上に銅膜が形成されている。上記配線溝以外の部分における銅膜は１．２００μｍの厚さを有している。

図３（１）は、通常のＣＭＰのみで上記銅膜の研磨を行った場合であり、研磨圧力Ｐ＝２８０ｇ／ｃｍ²に設定し、３分間のＣＭＰを４回行った。１回のＣＭＰによる銅膜の除去量は０．３００μｍであるから、４回のＣＭＰで１．２００μｍの銅膜が除去された。このプロセスでは電解研磨を行っていないので電解研磨による除去量は０である。上記プロセスでは、黒塗りの三角印で示すときに、窒化タンタル膜が露出した。したがって、最後のＣＭＰはオーバ研磨となる。

図３（２）は、低圧のＣＭＰのみで上記銅膜の研磨を行った場合であり、研磨圧力Ｐ＝６０ｇ／ｃｍ²に設定し、３分間のＣＭＰを１６回行った。１回のＣＭＰによる銅膜の除去量は０．０７５μｍであるから、１６回のＣＭＰで１．２００μｍの銅膜が除去された。このプロセスでは電解研磨を行っていないので電解研磨による除去量は０である。上記プロセスでは、黒塗りの三角印で示すときに、窒化タンタル膜が露出した。したがって、１３回目以降のＣＭＰはオーバ研磨となる。

図３（３）は、本発明の研磨方法であり、低圧のＣＭＰと電解研磨とを交互に行い、窒化タンタル膜が露出した後は低圧のＣＭＰのみで上記銅膜の研磨を行った場合であり、研磨圧力Ｐ＝６０ｇ／ｃｍ²に設定し、３分間のＣＭＰを合計で８回行い、電解研磨を合計で５回行った。１回のＣＭＰによる銅膜の除去量は０．０７５μｍであるから、８回のＣＭＰで０．６００μｍの銅膜が除去された。また１回の電解研磨による研磨量は０．０１６７μｍであるから、５回の電解研磨で０．０８３３μｍの銅膜が除去されたことになる。

上記（３）の場合、ＣＭＰによる研磨量と電解研磨による研磨量の合計が銅膜の厚さと一致しないのは、以下の理由による。すなわち、電解研磨では被研磨面全面を一様に研磨するのではなく、研磨量以上に深さ方向に深く研磨されている。すなわち、変質層は研磨量以上に深く形成されている。このため、ＣＭＰにより研磨したとき、この変質層が容易に形成されるため、低圧のＣＭＰであってもＣＭＰ自体の研磨量以上に研磨される。これによって、ＣＭＰによる研磨量と電解研磨による研磨量の合計が銅膜の厚さと一致しなくとも、余剰な銅膜が完全に除去されることになる。

上記（３）のプロセスでは、黒塗りの三角印で示すときに、バリア層が露出した。したがって、最後の３回のＣＭＰはオーバ研磨となる。最終の電解研磨では、後に説明する研磨方法による終点検出法により終点を検出した。

なお、図３において、通常圧のＣＭＰは研磨時間が３分、研磨速度はおよそ０．１００μｍ／ｍｉｎ、１回のＣＭＰの研磨量は０．３００μｍである。また、低圧のＣＭＰは研磨時間が３分、研磨速度はおよそ０．０２５μｍ／ｍｉｎ、１回のＣＭＰの研磨量は０．０７５μｍである。電解研磨は、研磨時間を１０秒、研磨速度は０．１００μｍ／ｍｉｎ、１回の研磨量は０．０１６７μｍである。上記各プロセスにおいては、バリア層が露出した時点を境にオーバ研磨とし、その研磨量はそれまでの研磨量の３０％相当分とした。

次に、上記結果を図４にまとめた。図４に示すように、通常の研磨圧力のＣＭＰでは、研磨時間が１２分であった。しかし、前記背景技術で説明したような問題点が生じた。低圧の研磨圧力によるＣＭＰでは研磨時間が４８分となり、スループットの低下が著しくなった。一方、電解研磨と低圧のＣＭＰを項後に行う研磨方法では、１回の電解研磨時間が５秒の場合は総研磨時間が２４分であり、１回の電解研磨時間が１０秒の場合は総研磨時間が２１分であり、被研磨表面が良好であり、効率のよい研磨が実現できることがわかった。

次に、本発明の研磨方法を実現する電解研磨装置の一例を、図５の概略構成図によって説明する。

図５に示すように、電解研磨装置１は、電解研磨液１２が貯えられた電解研磨チャンバ１１が備えられている。この電解研磨チャンバ１１内には、ウエハ３１表面に形成された金属膜３２が電解研磨液１２に浸漬されるように図示しないウエハホルダが備えられている。また、上記ウエハ３１側に陰極が接続され、上記電解液１２側に陽極が接続される電源２１が備えられている。また、電源２１と陰極もしくは陽極との間には、その間を流れる電流を検出する電流検出器２２が接続されている。この電流検出器２２には、電流検出器２２で得た電流の変化によって金属膜３２の電解研磨終点を判定する終点判定部２３が接続されている。さらに終点判定部２３は、電源２１に接続され、電解研磨終点が判定されたときに、電源２１の電圧印加を停止するように指令するものである。この終点判定部２３における金属膜３２の電解研磨終点は、例えば電解研磨時の電流波形の変化を微分して求める。

次に、電解研磨時に流れる電流と研磨時間との関係を、図６によって説明する。この電解研磨は、前記図５によって説明した電解研磨装置を用いる。

この研磨方法は、ウエハ表面に形成された凹部を埋め込むようにウエハ表面に形成された金属膜を電解研磨する研磨方法であり、その研磨の際に得られる電流波形の変化によって金属膜の電解研磨終点を判定する。

例えば、ウエハ表面に形成された絶縁膜に配線溝パターンを形成し、その配線溝の内面および絶縁膜表面にバリア層を形成する。さらに配線溝を埋め込むようにバリア層上に金属膜（例えば銅膜）を形成する。

このような構成の金属膜を例えば印加電圧一定にして電解研磨する場合、図６の（１）に示すように、電解研磨時の電流波形は、下地のバリヤ層が露出する際に特徴的な電流波形を示す。そこで、この電流波形を監視することにより電解研磨終点を検出する。

その検出方法としては、例えば、電解研磨時の電流波形の変化を微分して求める。そして予め求めておいた終点位置の電流波形の勾配（もしくは勾配の変化）と測定した電流波形の勾配（もしくは勾配の変化）とが一致した点を研磨終点とする。このように、電流波形を監視することで正確に電解研磨終点を判定することができるようになる。

なお、通常、溝配線の下層には導電性下地パターンが形成され、各配線溝内の金属膜はその下地パターンによって接続されているため、後に図６の（２）で説明するような電流変動を起こすことなく急激に電流値が低下する。

また、図６の（１）に示すように、急激に電流が低下した後、電流の低下速度が低減される（Ｂ部）。その部分を研磨終点としてもよい。なお、平坦な面に形成されたいわゆるベタ膜上の金属膜を電解研磨した場合には、図６の（２）に示すように、電流が急激に低下し始める時に、ある所定の時間だけ、電流値が大きく変動する（図面Ｃ部）。これは、下地にパターンが形成されていないため、金属膜が研磨されて島状に残ったときに、急激に抵抗変動が生じるためである。

さらに、電解研磨初期にはウエハの全面が金属膜に覆われた状態であるが、例えば、一定電圧を印加する電解研磨の場合、その電流値は残存する銅膜の厚さ減少に伴い増大する抵抗値に比例して減少することから、金属膜の概略の残膜量を推定することができる。詳細な電流波形監視への移行はこの抵抗値が適当な値にきた時点から設定することで簡略化することもできる。

同様に、一定電流を印加する電解研磨の場合も、電圧値の変化から概略の残膜値を推定できる。

本発明の研磨方法に係わる一実施の形態を説明する模式断面図である。本発明の研磨方法に係わる研磨状態の形態を説明する模式断面図である。各研磨方法に係わる実際の研磨シーケンスの一例を説明する図である。各研磨方法による研磨時間の比較図である。電解研磨装置に係る一実施の形態を示す概略構成図である。電解研磨時に流れる電流と研磨時間の関係図である。

符号の説明

３２…金属膜

Claims

ウエハ表面に凹凸のパターンが形成され、その凹部を埋め込むように該ウエハ表面に形成された金属膜を研磨する研磨方法において、
前記金属膜の研磨を電解研磨と化学的機械研磨もしくは化学的バフ研磨とを交互に行う
ことを特徴とする研磨方法。
前記電解研磨は、前記金属膜表面を粗な状態にし、
前記化学的機械研磨もしくは化学的バフ研磨は前記電解研磨により荒らした前記金属膜表面を平滑にする
ことを特徴とする請求項１記載の研磨方法。
前記複数工程の電解研磨のうち最終工程における電解研磨の終点は、前記金属膜を電解研磨した際に得られる電流波形の変化によって判定する
ことを特徴とする請求項１記載の研磨方法。
前記電解研磨の終点は、前記電流波形の変化を微分して求める
ことを特徴とする請求項３記載の研磨方法。