JP2007049163A - 表面粗部を減らした窓を有する研磨パッド - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基材のケミカルメカニカルプラナリゼーションにおける研磨の終点を光学的に検知するために用いられる研磨パッドにおいて、より高い光透過性及びより低い光散乱性を有する窓部を有する研磨パッドを提供する。
【解決手段】研磨パッド１００は、中に形成された開口部１８を有する研磨パッド本体１１と、被研磨体である半導体基材の光学計測を研磨中に実施するための、開口部中に固定された窓３０を含む。窓３０は、そこに入射する光を透過させることができる下面を有する。下面は、下面に存在する表面粗部を除去するためにレーザアブレーションによって処理されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ケミカルメカニカルプラナリゼーション（ＣＭＰ）に使用される研磨パッドに関し、特に、光学終点検出を実施するために中に形成された窓を有するようなパッドに関する。

集積回路及び他の電子デバイスの製造においては、導体、半導体及び絶縁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、半導体及び絶縁材料の薄い層は、多様な付着技法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法としては、スパッタリングとも知られる物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、プラズマ増強化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）及び電気化学的めっき法（ＥＣＰ）がある。

材料層が順次付着され、除去されるにつれ、基材の一番上の表面が至るところで非平面的になり、プラナリゼーションを要することがある。表面を平坦化する、又は表面を「研磨する」とは、ウェーハ表面から材料を除去してほぼ平坦な平面を形成する加工である。プラナリゼーションは、望ましくない表面トポグラフィーならびに表面欠陥、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のに有用である。プラナリゼーションはまた、フィーチャを埋めるために使用された過剰な付着材料を除去することによって基材上にフィーチャを形成し、後続レベルのメタライゼーション及び加工のための平坦面を設ける際にも有用である。

ケミカルメカニカルプラナリゼーション、又はケミカルメカニカルポリッシング（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法である。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配される。キャリヤアセンブリは、制御可能な圧力を基材に供給して、ウェーハを研磨パッドに当てながら付勢する。パッドは、外部駆動力によって基材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基材上かつウェーハと研磨パッドとの間に流される。こうして、ウェーハ表面は、パッド表面及びスラリーの化学的かつ機械的作用により、基材表面から材料を選択的に除去するやり方で研磨される。

ウェーハを平坦化する際に遭遇する問題は、どの時点で加工を止めるのかを知ることである。このために、多様なプラナリゼーション終点検出方式が開発された。一つのそのような方式は、ウェーハ表面のその場光学計測を含むものである。光学的技法は、選択された波長の光を透過させる窓を研磨パッドに設けることを含む。光ビームがこの窓を通してウェーハ表面に当てられると、そこで反射し、窓を逆に通過して検出器、たとえば干渉計に達する。戻り信号に基づき、ウェーハ表面の性質、たとえばその上の膜（たとえば酸化物層）の厚さを測定することができる。

研磨パッド窓には多くのタイプの材料を使用することができるが、実際には、窓は通常、研磨パッドと同じ材料、たとえばポリウレタンでできている。たとえば、米国特許第６，２８０，２９０号は、ポリウレタンプラグの形態の窓を有する研磨パッドを開示している。パッドは開口部を有し、窓はこの開口部の中に接着剤で保持される。

このような窓に伴う問題は、窓が表面粗部を有する場合に生じる。たとえば、ポリウレタン製の窓は通常、ポリウレタンブロックから切片をスライスすることによって形成される。残念ながら、スライス加工は、図１に示すように、研磨パッド１０の窓１の各側に表面欠陥又は粗部Ｒを生じさせる。粗部の深さは約１０〜約１００μmの範囲である。下面の粗部が、ウェーハ表面トポグラフィーを計測するために使用される光を散乱させ、それにより、その場光学計測システムの信号強度を低下させる。上面の粗部は、液体スラリーの存在及びウェーハに対する上面の近接のおかげで、下面の粗部ほど光を散乱させる傾向はない。

窓下面による散乱からの信号強度の損失のせいで、計測解像度が損失を被り、計測のばらつきが問題になる。

したがって、より高い光透過性及びより低い光散乱性を有する改良された窓を有する、ケミカルメカニカルプラナリゼーションのための研磨パッドが要望される。

本発明の一つの態様で、半導体基材のケミカルメカニカルプラナリゼーションを実施するための研磨パッドであって、中に形成された開口部を有する研磨パッド本体と、基材のその場光学計測を実施するための、前記開口部中に固定された窓とを含み、前記窓が、そこに入射する光を受けることができる下面を有し、前記下面が、前記下面に存在する表面粗部を除去するためにレーザアブレーションによって処理されたものである研磨パッドが提供される。

本発明のもう一つの態様で、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、基材のその場光学計測を実施するための、中に固定された窓を有する研磨パッド本体を含み、前記窓が、そこに入射する光を透過させることができる下面を有し、前記下面が、前記下面に存在する表面粗部を除去するためにレーザアブレーションによって処理されており、前記下面がさらに、前記レーザアブレーションによって形成されたマイクロレンズを含むものである研磨パッドが提供される。

本発明のもう一つの態様で、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、基材のその場光学計測を実施するための、中に固定された窓を有する研磨パッド本体を含み、前記窓が、そこに入射する光を透過させることができる下面を有し、前記下面が、レーザアブレーションによって処理されてマイクロレンズを形成しているものである研磨パッドが提供される。

本発明のもう一つの態様で、半導体基材のケミカルメカニカルプラナリゼーションのための研磨パッドを形成する方法であって、中に形成された開口部を有する研磨パッド本体を用意すること、基材のその場光学計測を実施するための、そこに入射する光を受けることができる下面を有する窓を前記開口部に固定すること、及び前記下面をレーザアブレーションによって処理して前記下面に存在する表面粗部を除去することを含む方法が提供される。

本発明のもう一つの態様で、ケミカルメカニカルプラナリゼーション（ＣＭＰ）システムにおいて基材のその場光学計測を実施する方法であって、レーザアブレーションによって処理されて下面に存在する表面粗部が除去されている下面を備えた窓を有する研磨パッドをＣＭＰシステムに設けること、第一の光ビームを前記レーザアブレーション処理面及び前記窓に通して基材に当てること、及び前記第一の光ビームを前記基材から反射させて、前記窓及び前記レーザアブレーション処理面を逆に通過する第二の光ビームを形成することを含む方法が提供される。

以下、本発明の実施態様の詳細な説明では、本明細書の一部を構成する、本発明を実施することができる具体的な実施態様が一例として示されている添付図面を参照する。これらの実施態様は、当業者が本発明を実施することを可能にするのに十分な詳細さで記載されているが、他の実施態様を使用することもでき、本発明の範囲を逸することなく変更を加えることもできるということが理解されよう。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味に解釈されるべきではなく、本発明の範囲は請求の範囲のみによって定義される。

図面を参照すると、図２は、研磨パッド１００の拡大断面図を示す。研磨パッド１００は、上面１２及び下面１４を含む本体領域１１を有する。研磨パッド１００は、公知の研磨パッドのいずれであってもよく、たとえばウレタン含浸フェルト、米デラウェア州ニューアークのRohm and Haas Electronic Materials CMP社（「ＲＨＥＭ」）によって商品名POLITEXの下で販売されているタイプの微孔性ウレタンパッド又は充填材入り及び／又はブロー成形複合ウレタン、たとえば同じくＲＨＥＭ製のＩＣシリーズ及びＭＨシリーズパッドであってもよい。

研磨パッド１００はまた、窓３０が中に固定されている開口部１８を本体１１中に含む。一つの典型的な実施態様では、窓３０は開口部中に永久的に固定されるが（「一体型窓」）、もう一つの典型的な実施態様では、窓は開口部中に脱着自在に固定される。窓３０は、上面３２及び下面３４を含む本体領域３１を有する。窓３０は、プラナリゼーションの間に基材（たとえばウェーハＷ）のその場光学計測を実施するために使用される光の波長に対して透過性である。典型的な波長は１９０〜３５００nmの範囲である。

窓３０は、その表面の一つ以上で粗部Ｒ（図１）を有するかもしれない任意の材料（たとえばポリマー、たとえばポリウレタン、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ナイロン、ポリエステルなど）でできている。粗部Ｒは、その場終点計測を実施する際に、そこに入射する光の有意量（たとえば１０％以上）を散乱させることができる。

先に論じたように、粗部Ｒは、窓材料の大きめのブロックから切り出すことによって窓を形成するために使用される装置（図示せず）から生じる。しかし、粗部Ｒは、いかなる数の他の原因からも生じることができ、たとえば材料固有の粗さ、窓材料を研磨しないこと、窓材料を不適切に研磨することなどから生じることができる。

引き続き図２を参照すると、本発明の典型的な実施態様で、窓３０は、レーザアブレーション処理された面５０を下面３４に含む。換言するならば、下面３４は、たとえば上記切り出し工程ののち、レーザ５１からのレーザビーム５３で処理されて、下面３４に存在する表面粗部が除去されている。したがって、図１に存在する粗部Ｒは、微細機械加工によって比較的平坦な下面３４まで減らされる。このようにして、より多量の光が窓３０を透過して、精巧なケミカルメカニカルプラナリゼーション加工の際によりロバストな終点検出信号及びより高い精度が可能になる。また、窓３０の透過性を高めることによってレーザの出力輝度を下げて、レーザの寿命を延ばすこともできる。窓３０の光透過性をさらに高めるため、上面３２をもレーザアブレーションによって処理してもよいことに留意されたい。

レーザ５１は、数多くの設計又は構造に望みどおり適応するため、いかなる方向（すなわち、ｘ、ｙ又はｚ面）に動かすこともできることに留意されたい。本発明では、支持部材（図示せず）、たとえば研磨パッドを支持するためのテーブルをレーザ５１に対して動かさなくてもよい。逆に、レーザ５１を、支持部材の動きとは独立して、たとえば表面粗部Ｒの所望の除去を達成するために動かすことができる。加えて、ノズル（図示せず）から不活性ガスを供給して切断面の酸素を減らし、切断面の縁における燃焼又は炭化を減らしてもよい。また、レーザビームを高圧ウォータジェットとともに使用して、従来のレーザ切断加工によって発生するおそれのある熱を減らしてもよい。

本実施態様では、微細機械加工に使用されるレーザ５１は、比較的低いデューティサイクルを有するパルス型エキシマレーザであることができる。場合によっては、レーザ５１は、閉鎖時間が長い（すなわち、パルス幅（時間）がパルスとパルスとの間隔に比べて非常に短い）連続レーザであってもよい。典型的なレーザは、Exitech社のMicroAblator（商標）である。エキシマレーザは他の大きめのレーザに比べて低い平均出力を有するが、エキシマレーザのピーク出力は非常に大きくなることに留意されたい。レーザのピーク輝度及びフルエンスは、
輝度（ワット／cm²）＝ピーク出力（W）／焦点面積（cm²）
フルエンス（ジュール／cm²）＝レーザパルスエネルギー（J）／焦点面積（cm²）
によって求められ、ピーク出力は、
ピーク出力（W）＝パルスエネルギー（J）／パルス期間（s）
によって求められる。

レーザアブレーションの際、いくつかの主要なパラメータを考慮すべきである。重要なパラメータは、最小吸収深さを伴う波長の選択である。これは、速やかかつ完全なアブレーションのために、小さな体積への高エネルギー付着を可能にすべきである。もう一つのパラメータは、ピーク出力を最大化し、周囲の加工材料への伝熱を最小限にするための短いパルス期間である。この組み合わせが応答の振幅を減らす。もう一つのパラメータは、パルス繰返し速度である。この速度が低すぎるならば、アブレーションに使用されなかったエネルギーがアブレーションゾーンを離れて冷却を許す。高いパルス繰返し速度によって残留熱が保持され、伝熱の時間が制限されるならば、アブレーションはより効率的になる。加えて、より多くの入射エネルギーがアブレーションに送られ、周囲の加工材料及び環境への損失が少なくなる。さらに別の重要なパラメータはビームの質である。ビームの質は、明度（エネルギー）、合焦性及び均質性によって評価される。ビームエネルギーは、アブレーション領域に正しく効率的に送ることができないならば、有効利用されない。さらには、ビームが制御されたサイズでないならば、アブレーション領域は望むよりも大きくなり、側壁に過度な傾斜が生じてしまう。

加えて、除去が蒸散によるものであるならば、プルームに特に注意しなければならない。プルームは、分子の断片、中性粒子、遊離電子及びイオンならびに化学反応生成物からなるプラズマ様物質である。プルームは、入射ビームの光吸収及び散乱の原因であり、周囲の加工材料及び／又はビーム送り光学系で凝縮するおそれがある。通常、アブレーション部位は、加圧不活性ガス、たとえば窒素又はアルゴンで浄化される。

下面３４は完全な平坦である必要はないことに留意されたい。たとえば、下面３４は、光を散乱させず、わずかな角度で反射させるだけである、徐々に変化する表面湾曲を有することができる。理由は、レーザアブレーションによって処理された表面５０は、その場光学モニタシステムにおける信号劣化の要因である光の散乱をなくすように設計されているからである。

次に図３を参照すると、本発明のもう一つの実施態様で、窓３０１にマイクロレンズ５の列が設けられている。マイクロレンズ５は、先に論じたようなレーザ５１を使用するレーザアブレーションによって窓３０１（又はその一部）を処理することによって形成することができる。光レーザアブレーションが好ましい。熱レーザアブレーションを使用することもできる。これらのマイクロレンズ５は、その場光学計測システムからの光ビームを収束し、増強して、より良好な終点検出のためのよりロバストな信号を可能にする。マイクロレンズ５は、レーザ５１からの光ビーム５３を最適化又は増強するようなサイズであることができる。好ましくは、マイクロレンズ５は、幅５μm〜２００μmである。より好ましくは、マイクロレンズ５は、幅１０μm〜１００μmである。場合によっては、マイクロレンズ５は、図２に関して論じたような表面粗部Ｒを除去するためのレーザアブレーション加工と同時に形成することができる。また、先の実施態様と同様に、窓３０の透過性を高めることによってレーザの出力輝度を下げて、レーザの寿命を延ばすこともできる。

次に、図４を参照して、計測される表面６２を有するウェーハＷのその場光学計測を実施するための本発明の作動を説明する。作動の際、光源７１によって第一の光ビーム７０を発生させ、ウェーハ表面６２に当てる。第一の光ビーム７０は、窓３０及びレーザアブレーション処理面５０によって透過させられる波長を有する。

第一の光ビーム７０は、レーザアブレーション処理面５０、窓の下面３４、窓の本体部３１、窓の上面３２及び窓の上面３２とウェーハ表面６２との隙間Ｇを通過することによってウェーハ表面６２に達する。隙間Ｇは、実際には屈折率整合性流体として作用して窓の上面３２の粗部Ｒ（図１）からの光の散乱を減らすスラリー６８（図示せず）によって埋められている。第一の光ビーム７０、より具体的にはその一部がウェーハ表面６２から反射する。ウェーハ表面６２は図では略示されている。現実には、ウェーハ表面６２は、種々の膜（たとえば酸化物コーティング）のせいでウェーハ上に存在する表面トポグラフィー又は一つ以上の界面を表す。

ウェーハ表面からの第一の光ビーム７０の反射が、第一の光ビーム７０の入射方向に沿って送り返される第二の光ビーム７２を形成する。ウェーハ表面６２がその上に存在する一つ以上の膜のせいで多数の界面を含む典型的な実施態様では、反射光ビーム７２は、多数の反射による干渉情報を含む。

第二の光ビーム７２は、ウェーハ表面６２から反射すると、隙間Ｇ（その中に存在するスラリーを含む）を横断し、窓の上面３２、窓の本体３１、窓の下面３４及び最後にはレーザアブレーション処理面５０を通過する。ウェーハ表面６２からの再帰反射のせいで、ウェーハ上の反射を含む各界面からの反射が二倍になるということが注目に価する。換言するならば、光は、実際のウェーハ表面そのものを除き、各界面を二回通過する。

光ビーム７２は、レーザアブレーション処理面５０を出ると、検出器８０によって検出される。典型的な実施態様では、ビームスプリッタ（図示せず）を使用して、第一の光ビーム７０と第二の光ビーム７２とを分割する。そして、検出器８０は、検出した光を電気信号８１に変換し、この電気信号がコンピュータ８２によって処理されてウェーハＷの性質、たとえば膜厚さ、平面度、平坦度などに関する情報が抽出される。

窓３０がレーザアブレーション処理面５０を含むため、窓の下面３４の粗部Ｒからの散乱による光損失が大幅に減少する。結果として、他のやり方で可能であるよりも大きな信号強度が得られる。好ましくは、レーザアブレーション処理面５０を用いた第二の光ビーム７２が、信号強度における３倍までの改善を提供することができる。

信号強度におけるこのような改善は、ウェーハ表面パラメータのその場光学計測における有意な改善につながる。特に、信頼性及び計測精度が改善される。さらには、より強い信号は他の信号損失原因をより有意ではなくするため、パッドの寿命を延ばすことができる。別の言い方をするならば、粗部Ｒからの散乱の減少は、パッド又は窓を交換する必要なく、他の散乱原因、たとえば研磨中の窓の上面の粗さの増大及びプラナリゼーション加工からの研磨くずの増量がより大きくなることを許容する。

表面粗部を有する窓を備えた従来の研磨パッドを示す図である。 表面粗部を減らした本発明の窓の実施態様の断面図である。 中に形成されたマイクロレンズを有する本発明の窓のもう一つの実施態様の断面図である。 レーザアブレーション処理面を備えた窓を有する本発明の研磨パッド、研磨パッドの上面に隣接するウェーハ及びその場光学検出システムの基本要素を示すＣＭＰシステムの断面図である。

Claims (10)

1. 半導体基材のケミカルメカニカルプラナリゼーションを実施するための研磨パッドであって、
   中に形成された開口部を有する研磨パッド本体と、
   基材のその場光学計測を実施するための、前記開口部中に固定された窓と
   を含み、前記窓が、そこに入射する光を受けることができる下面を有し、前記下面が、前記下面に存在する表面粗部を除去するためにレーザアブレーションによって処理されたものである研磨パッド。
2. 前記レーザアブレーションが光レーザアブレーションである、請求項１記載の研磨パッド。
3. 前記下面が、マイクロレンズを前記下面に形成するようにさらに処理されている、請求項１記載の研磨パッド。
4. 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、
   基材のその場光学計測を実施するための、中に固定された窓を有する研磨パッド本体を含み、前記窓が、そこに入射する光を透過させることができる下面を有し、前記下面が、前記下面に存在する表面粗部を除去するためにレーザアブレーションによって処理されており、前記下面がさらに、前記レーザアブレーションによって形成されたマイクロレンズを含むものである研磨パッド。
5. 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、
   基材のその場光学計測を実施するための、中に固定された窓を有する研磨パッド本体を含み、前記窓が、そこに入射する光を透過させることができる下面を有し、前記下面が、レーザアブレーションによって処理されてマイクロレンズを形成しているものである研磨パッド。
6. 半導体基材のケミカルメカニカルプラナリゼーションのための研磨パッドを形成する方法であって、
   中に形成された開口部を有する研磨パッド本体を用意すること、
   基材のその場光学計測を実施するための、そこに入射する光を受けることができる下面を有する窓を前記開口部に固定すること、及び
   前記下面をレーザアブレーションによって処理して前記下面に存在する表面粗部を除去すること
   を含む方法。
7. 前記レーザアブレーションが光レーザアブレーションである、請求項６記載の方法。
8. 前記下面が、マイクロレンズを前記下面に形成するようにさらに処理されている、請求項６記載の方法。
9. ケミカルメカニカルプラナリゼーション（ＣＭＰ）システムにおいて基材のその場光学計測を実施する方法であって、
   レーザアブレーションによって処理されて下面に存在する表面粗部が除去されている下面を備えた窓を有する研磨パッドをＣＭＰシステムに設けること、
   第一の光ビームを前記レーザアブレーション処理面及び前記窓に通して基材に当てること、及び
   前記第一の光ビームを前記基材から反射させて、前記窓及び前記レーザアブレーション処理面を逆に通過する第二の光ビームを形成すること
   を含む方法。
10. 前記第二の光ビームを検出すること、
    検出した第二の光ビームを電気信号に変換すること、及び
    前記電気信号を処理して前記基材の一つ以上の性質を演繹すること
    をさらに含む、請求項９記載の方法。

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