JP2008036735A - 研磨パッド、研磨装置、研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械研磨）における研磨レートの最適化を図ること。
【解決手段】本発明は、ウェハＳに対して化学的および機械的な研磨を行う際、ウェハＳの表面と接触するパッド本体１０ａを備えた研磨パッド１０において、パッド本体１０ａのウェハＳと接触する面内における熱伝導率を不均一にしたものである。このため、特に本発明は、パッド本体１０ａのウェハＳと接触する面内における外周部分１１の熱伝導率を内周部分１２の熱伝導率より低く設定するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板に対して化学的および機械的な研磨を行う際に基板と接触する研磨パッド、およびこの研磨パッドを用いた研磨装置ならびに研磨方法に関する。

半導体集積回路における銅配線の加工技術として、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械研磨）技術が広く用いられている。本技術は一般的に、絶縁膜上に露光、およびドライエッチングにより形成した接続孔や溝に、導電材料としてバリアメタルとシードＣｕ（銅）をスパッタで形成し、その上に配線主材料として電解めっきで銅を堆積し、絶縁膜上の余分な導電材料（バリアメタルおよび銅）をＣＭＰにより除去するものである。

一般的なＣＭＰ装置の研磨部断面図を図１２に示す。すなわち、定盤２上に貼り付けた研磨パッド１０上にスラリー（研磨液）を滴下しながら回転させ、回転する研磨ヘッド３にて保持されたウェハＳの表面を研磨パッド１０に押し付け、荷重を与えて化学的機械研磨を行う。

上記Ｃｕ−ＣＭＰプロセスは通常、銅の研磨とバリアメタルの研磨との２段階にて行われる。これは、バリアメタルとして広く用いられているＴａ（タンタル）系材料が化学的に非常に安定で研磨され難いため、Ｃｕの研磨時に用いるスラリーとは別の成分組成を持つスラリーを用いる必要があるためである。ここで、従来のＣＭＰ装置としては、特許文献１が挙げられる。

特開平１１−２８８９０６号公報

Ｃｕ−ＣＭＰにおいて、ウェハ外周側でリング状にＣｕの研磨残りが発生する、Ｃｕリングと呼ばれる問題がある。これは、Ｃｕ研磨の段階で発生したＣｕの研磨残りが、次のバリアメタル研磨の段階でも研磨除去されずに残るもので、先に述べたように、バリアメタルを研磨するためのスラリーではＣｕが研磨され難いためである。

本問題に対し、Ｃｕ研磨の段階でオーバー研磨を行って外周のＣｕ残りを除去しようとする場合、外周以外の部分でのＣｕの研磨が進むため、ディッシング、エロージョンが大きくなって平坦性が悪化し、配線抵抗の上昇を招く。

また、ウェハ外周にＣｕが残留した場合、その部分でのショート不良の発生や、後の工程で膜剥がれが発生し易くなり、半導体素子の信頼性や歩留まりが低下するため、Ｃｕ研磨残りを生じさせない研磨方法の確立が望まれている。

本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、基板に対して化学的および機械的な研磨を行う際、基板の表面と接触するパッド本体を備えた研磨パッドにおいて、パッド本体の基板と接触する面内における熱伝導率を不均一にしたものである。

このような本発明では、研磨パッドにおけるパッド本体の基板と接触する面内の熱伝導率を不均一にしているため、ＣＭＰにおける研磨レートの温度依存性を利用して研磨対象となる基板の均一な研磨を行うことができるようになる。

このため、特に本発明は、パッド本体の基板と接触する面内における外周部分の熱伝導率を内周部分の熱伝導率より低く設定するものであり、このような熱伝導率の設定を実現するため、内周部分に金属材料、カーボン系材料、シリコン系材料、高分子材料のうち選択された１つ以上の物質を充填したり、外周部分に、気体または液体から成る物質を充填したりする。これにより、パッド本体の熱伝導率の不均一を明確に設定することができる。

ここで、パッド本体の熱伝導率の分布として、被研磨材料の膜厚分布に対応させたもの（膜厚の厚い部分に触れるパッド本体の領域の熱伝導率が、パッド本体の面内で相対的に低いもの）であったり、研磨残りが生じ易い部分に対応させたもの（研磨残りの生じ易い部分に触れるパッド本体の領域の熱伝導率が、パッド本体の面内で相対的に低いもの）であったりする構成が考えられる。

したがって、本発明により、研磨時の基板面内の温度分布や被研磨膜の膜厚分布によって発生する研磨残りを生じさせることなく、かつディッシングやエロージョンのない平坦性にも優れた研磨を行うことが可能となり、半導体素子の信頼性や歩留まりを向上させることが可能となる。特に、基板周辺側の温度を制御することにより、Ｃｕ−ＣＭＰにおけるＣｕリングの抑制に有効となる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。すなわち、本発明は、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械研磨）における研磨レートが温度に依存することを利用して、面内の熱伝導率が不均一な研磨パッドを用いて研磨時の摩擦熱による温度上昇を制御し、ウェハ面内での研磨レートを最適化するものである。

図１は、本実施形態に係る研磨パッドを用いる研磨装置を説明する模式図である。すなわち、この研磨装置１は、研磨対象となる基板であるウェハＳに対して化学的および機械的な研磨を行う際、ウェハＳの表面と接触するパッド本体１０ａを備えた研磨パッド１０と、研磨パッド１０を回転させる第１の駆動機構５１と、第１の駆動機構５１によって回転している研磨パッド１０に対してウェハＳが接触している状態で、ウェハＳを少なくとも回転させる第２の駆動機構５２と、研磨パッド１０とウェハＳとの間にスラリー（研磨液）を供給するスラリー供給ノズル４とを備えている。

本実施形態では、このような研磨装置１で使用される研磨パッド１０として、パッド本体１０ａのウェハＳと接触する面内における熱伝導率が不均一となっている点に特徴がある。具体的には、パッド本体１０ａのウェハＳと接触する面内における外周部分１１の熱伝導率が内周部分１２の熱伝導率より低く設定されている。

研磨装置１を用いたＣＭＰでは、定盤２に研磨パッド１０を取り付け、その表面にウェハＳの研磨面を下（研磨パッド１０側）にして載置する。そして、ウェハＳを上から研磨ヘッド３で押さえて荷重を加え、この状態で定盤２を第１の駆動機構５１で回転させるとともに、第２の駆動機構５２で研磨ヘッド５２を回転させる。

定盤２の回転によって研磨パッド１０も回転し、また研磨ヘッド３の回転によってウェハＳも回転する。互いの回転軸がずれていることから、研磨パッド１０とウェハＳとの間に相対的な摺り合わせが発生する。この状態でスラリー供給ノズル４よりスラリーを研磨パッド１０の表面に滴下すると、スラリーによる化学的な反応とともにウェハＳと研磨パッド１０との機械的な摺り合わせとの相乗効果によって研磨対象となるウェハＳの膜（例えば、Ｃｕ）を研磨することができる。なお、研磨ヘッド３およびウェハＳを回転させる第２の駆動機構５２は、回転運動とともに研磨パッド１０の回転中心の方向に沿った線上を揺動運動させるようにしてもよい。

図２は、ＣＭＰによる研磨方法の一例を説明する模式断面図である。この例では、絶縁膜２０に露光およびエッチングドライエッチングにより形成した接続孔や溝にＣｕ（銅）２３を埋め込むため、予め溝内にバリアメタル２１とシードＣｕをスパッタで形成し、その上に配線主材料として電解めっきでＣｕ２３を体積しておく（図２（ａ）参照）。

図２では研磨対象となるＣｕ２３が上側になっているが、研磨装置でＣＭＰを行う場合にはＣｕ２３の面を下側にして研磨パッド１０の表面と対向させる。なお、ここではＣＭＰの研磨手順を説明する観点から、Ｃｕ２３が上側になったままの図で説明する。

次に、研磨装置によるＣＭＰプロセスを行う。通常、Ｃｕ２３の研磨とバリアメタル２１の研磨との２段階にて行われる。これは、バリアメタルとして広く用いられているＴａ（タンタル）系材料が化学的に非常に安定で研磨され難いため、Ｃｕ２３の研磨時に用いるスラリーとは別の成分組成を持つスラリーを用いる必要があるためである。したがって、先ず、Ｃｕ２３を対象としたスラリーを用いてＣＭＰを行う。これにより、図２（ｂ）に示すように、バリアメタル２１が露出するまでＣｕ２３およびシードＣｕ２２が研磨されることになる。

その後、バリアメタル２１を対象としたスラリーを用いてＣＭＰを行う。これにより、図２（ｃ）に示すように、表面のバリアメタル２１が研磨され、Ｃｕ２３のＣＭＰが完了する。

上記のようなＣＭＰにおいて従来問題となるのは、Ｃｕがリング状に研磨残りする、いわゆるＣｕリングの発生である。これは、Ｃｕ２３の研磨の段階で発生したＣｕ２３の研磨残りが、次のバリアメタル２１の研磨の段階でも研磨除去されずに残るもので、先に述べたように、バリアメタル２１を研磨するためのスラリーではＣｕ２３が研磨され難いためである。

研磨装置では、研磨パッド１０およびウェハＳの回転によって機械的な研磨を行う構造のため、上記Ｃｕ２３の研磨残りがウェハＳ表面の円周上に沿って形成される。これがいわゆるＣｕリングとなる。

Ｃｕリングの発生は、後の工程での平坦性を悪化させるとともに、残留したＣｕ２３によるショート不良の発生や、後の工程での膜剥がれを起こしやすく、半導体素子の信頼性や歩留まりを低下させる原因となる。このため、Ｃｕリングを発生させない研磨方法の確立が望まれている。

ここで、Ｃｕリングの発生要因としては、研磨パッド１０とウェハＳ面内の温度分布が挙げられる。研磨パッド１０は一般的に熱伝導率の低いポリウレタン樹脂から成るため、研磨時の摩擦熱が研磨パッド１０内に蓄積してウェハＳに伝わり、ウェハＳ面内で温度分布が生じる。図３は、ウェハの位置に対する表面温度の分布を示す図で、研磨前では一定の温度であったものが、従来の研磨パッド（熱伝導率が一定）による研磨ではウェハの中央部分が最も温度が高く、外周部分が最も温度が低くなることが分かる。

ＣＭＰによる研磨レートは温度に依存することから、温度の低いウェハ周辺側ほど研磨レートが低くなり、ここで研磨残りが発生することになる。また、電解めっきによるＣｕ２３の膜厚がウェハ周辺で厚い場合も、同じようにＣｕリングの発生原因となる。

本実施形態では、このようなＣＭＰによるＣｕリングの発生原因を解消するため、研磨パッド１０のパッド本体１０ａにおけるウェハＳの外周部分が接触する外周部分１１での熱伝導率を内周部分１２に比べて低くすることにより、ＣＭＰによるウェハＳ面内での温度分布の偏りを抑制するようにしている。

図４は、本実施形態の研磨パッドとウェハＳとの位置関係を説明する模式図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。研磨パッド１０の回転中心Ｏと、ウェハＳの回転中心Ｏ’とはずれた位置になっており、回転する研磨パッド１０の外周側の位置でウェハＳが回転する状態となる。

熱伝導率を内周部分１２に比べて低く設定する外周部分１１としては、回転するパッド本体１０ａと回転するウェハＳの外周部分（Ｃｕリングが発生しやすい部分）とが略平行に接する領域（図４（ａ）に示す矢印Ｐ参照）を円周に沿ってリング状の部分となる。なお、外周部分１１の幅は、ウェハＳの揺動運動があってもＣｕリングの発生しやすい部分が接触できるよう設定される。

このように、パッド本体１０ａの外周部分１１の熱伝導率が内周部分１２に比べて低く設定されることで、ウェハＳにおけるＣｕリングが発生しやすい部分の温度の低下を抑制することができ、研磨レートの均一化を図ることができる。

次に、本実施形態に係る研磨パッドの具体例を説明する。以下、Ｃｕリング対策を例に、ウェハ周辺側と接するパッド本体の表面領域の熱伝導率が相対的に低くなるような研磨パッドの構成例を図５〜図７の模式断面図により説明する。なお、図５〜図７のいずれも図４（ａ）におけるＡ−Ａ’線矢視断面を示すものとする。

（具体例１：図５）
研磨パッド１０の外周部分１１の熱伝導率が内周部分１２に比べて相対的に低くなるよう、内周部分１２に熱伝導率の高いＡｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）などの金属、またはこれらの合金を単独種、または複数種、粒子状にして充填する。

熱伝導率の高い物質としては、上記金属粒子の他、ダイヤモンド、グラファイトなどのカーボン系材料、ＳｉＯ₂などのＳｉ（シリコン）系材料、ポリ塩化ビニルなどの高分子材料、またはこれらの化合物でもよい。なお、充填の際の物質の形態は、上記粒子の他、バルク体でもよい。

（具体例２：図６）
研磨パッド１０の外周部分１１の熱伝導率が内周部分１２に比べて相対的に低くなるよう、外周部分１１に熱伝導率の低い空気、Ａｒ（アルゴン）、ＣＯ₂（二酸化炭素）などの気体を単独種、または複数種、空孔（ポア）状にして充填する。熱伝導率の低い物質としては上記気体の他、Ｈ₂Ｏ、エタノールなどの液体でもよい。

（具体例３：図７）
研磨パッド１０の外周部分１１の熱伝導率が内周部分１２に比べて相対的に低くなるよう、内周部分１２に熱伝導率の高い物質を充填し、外周部分１１に熱伝導率の低い物質を充填する。

熱伝導率の高い物質および低い物質の例は、前記具体例１、２と同様である。また、充填の際の物質の形態は、前記具体例１、２と同様である。

以上のように、具体例１〜３の研磨パッド１０を用いてＣＭＰによる研磨を行った際のウェハ面内の温度分布は、図８に示すように特に周辺部分で上昇しているのが分かる。つまり、従来の研磨パッドではウェハの周辺部分にいくに従い温度が低くなっていたが、本実施形態の研磨パッド１０を用いることで、Ｃｕリングが最も発生しやすいウェハの周辺部分での温度低下を抑制でき、研磨レートの偏りを低下させて一様な研磨を行うことが可能となる。

具体例１〜３に示すような熱伝導率の不均一な研磨パッド１０を製造するには、主として次の２通りが考えられる。１つめは、図９に示すように、予め所定厚の円盤状にベースとなる熱伝導率の均一な研磨パッド部材１００を形成しておき、このベースとなる研磨パッド部材１００における熱伝導率を変える部分にリング状の溝１００ａを形成し、そしてこの溝１００ａ内に別の熱伝導率を備えた研磨パッド部材１０１を埋め込むようにして本実施形態の研磨パッド１０を形成する。

２つめは、図１０に示すように、所定厚の円盤状の研磨パッドを形成する前の筒状の研磨パッド母材構造２００を構成するにあたり、熱伝導率の異なる材料（外周部分１１の材料および内周部分１２の材料）によって複合構造となる筒状の研磨パッド母材構造２００を製造し、そして、この研磨パッド母材構造２００を所定厚の輪切りにして本実施形態の研磨パッド１０を形成する。なお、本実施形態の研磨パッドの製造方法は、上記の２通りに限定されるものではない。

図１１は、特にＣｕリングの発生しやすい位置を説明する模式断面図である。ウェハＳには半導体素子の製造プロセスによって所定の下地膜２４が形成されている。下地膜２４として、例えば低誘電率膜のうち特に比誘電率（k値）が３よりも小さい脆弱な膜である場合、低誘電率膜を機械的強度の高い膜（保護膜２５）で覆って保護する必要がある。これは、低誘電率膜が基板表面に露出すると、例えば後のＣＭＰ工程でそこを起点に剥がれが生じるなどして、プロセスに悪影響を及ぼすためである。このような観点から、下地膜２４は保護膜２５で完全に覆うことができるように縁取りをされる。縁取りの幅は、理論収率を考慮の上、少なくとも下層での幅が上層のそれを超えないように設定する必要がある。例えば３層構造で１ｍｍ/層のずれを考慮する場合、最下層の縁取りは、一例として、ウェハＳの最外周端から３ｍｍに設定する。

また、下地膜２４を縁取りしたあとは、これが露出しないようその上に保護膜２５を被着する。このように縁取りした下地膜２４の上に保護膜２５を全面に形成すると、ここに膜の段差が発生してしまう。さらにその上に研磨対象となるＣｕ２３を電解めっきによって全面形成すると、この段差が転写されることになる。この状態でＣｕ２３のＣＭＰを行うと、段差部分にＣｕリングが発生しやすい。

実際には、図１２の模式断面図に示すような多層構造（図の例では３層構造）となっている。すなわち、下地膜２４として低誘電率膜、配線層２６、保護膜２５の３層構造となっている場合、各層の段差がウェハＳの最外周端から約３ｍｍ、約４ｍｍ、約５ｍｍの位置に発生する。

したがって、図１２に示す３層構造では1層目においてＣｕリングの発生しやすいウェハＳの最外周端から約３ｍｍの位置と対応するパッド本体１０ａの位置に熱伝導率の相対的に低い外周部分１１を設けるようにする。なお、ここではウェハＳの最外周端から約３ｍｍ内側の位置にＣｕリングが発生しやすい場合を説明したがこれは一例であり、この他にも、下地膜２４の段差の影響を受けてＣｕリングが発生しやすい場所があれば、その位置に合わせてパッド本体１０ａの外周部分１１の位置を設定する。これにより、予めＣｕリングの発生しやすい場所に応じて熱伝導率の相対的に低い外周部分１１を設定でき、Ｃｕリングの発生を効果的に抑制することが可能となる。

また、上記説明した本実施形態では、研磨パッド１０におけるパッド本体１０ａの熱伝導率を外周部分１１で相対的に低く、内周部分１２で相対的に高くするようにしたが、パッド本体１０ａの面内において所定の重み付けにより熱伝導率の分布を持たせるようにしてもよい。すなわち、先に説明したように、ウェハＳにおいてＣｕリングのような研磨残りが発生しやすい箇所が予め分かっていることから、研磨残りの位置や量に応じて所定の熱伝導率の分布を研磨パッド１０に持たせるようにしてもよい。これによって、より効果的に余剰なＣｕを除去することが可能となる。また、上記実施形態では、主としてＣｕを研磨対象としたが、本発明はＣｕの場合に限定されるものではない。

本実施形態に係る研磨パッドを用いる研磨装置を説明する模式図である。 ＣＭＰによる研磨方法の一例を説明する模式断面図である。 ウェハの位置に対する表面温度の分布を示す図である。 研磨パッドとウェハとの位置関係を説明する模式図である。 本実施形態に係る研磨パッドの構成例を説明する模式断面図（その１）である。 本実施形態に係る研磨パッドの構成例を説明する模式断面図（その２）である。 本実施形態に係る研磨パッドの構成例を説明する模式断面図（その３）である。 本実施形態の研磨パッドを用いた場合のウェハの位置に対する表面温度の分布を示す図である。 本実施形態に係る研磨パッドの製造方法を説明する図（その１）である。 本実施形態に係る研磨パッドの製造方法を説明する図（その２）である。 Ｃｕリングの発生しやすい位置を説明する模式断面図である。 多層構造での段差を説明する模式断面図である。 一般的なＣＭＰ装置の研磨部断面図である。

符号の説明

１…研磨装置、２…定盤、３…研磨ヘッド、４…スラリー供給ノズル、１０…研磨パッド、１０ａ…パッド本体、１１…外周部分、１２…内周部分、５１…第１の駆動機構、５２…第２の駆動機構、Ｓ…ウェハ

Claims (10)

1. 基板に対して化学的および機械的な研磨を行う際、前記基板の表面と接触するパッド本体を備えた研磨パッドにおいて、
   前記パッド本体の前記基板と接触する面内における熱伝導率が不均一となっている
   ことを特徴とする研磨パッド。
2. 基板に対して化学的および機械的な研磨を行う際、前記基板の表面と接触するパッド本体を備えた研磨パッドにおいて、
   前記パッド本体の前記基板と接触する面内における外周部分の熱伝導率が内周部分の熱伝導率より低く設定されている
   ことを特徴とする研磨パッド。
3. 前記パッド本体における前記内周部分には、金属材料、カーボン系材料、シリコン系材料、高分子材料のうち選択された１つ以上の物質が充填されている
   ことを特徴とする請求項２記載の研磨パッド。
4. 前記パッド本体における前記外周部分には、気体または液体から成る物質が充填されている
   ことを特徴とする請求項２記載の研磨パッド。
5. 前記パッド本体の前記外周部分は、回転する前記パッド本体と回転する前記基板の外周部分とが略平行に接する領域である
   ことを特徴とする請求項２記載の研磨パッド。
6. 前記パッド本体の前記外周部分は、回転する前記パッド本体と回転する前記基板の外周部分における成膜時の段差が発生している箇所とが略平行に接する領域である
   ことを特徴とする請求項２記載の研磨パッド。
7. 基板に対して化学的および機械的な研磨を行う際、前記基板の表面と接触するパッド本体を備えた研磨パッドと、
   前記研磨パッドを回転させる第１の駆動機構と、
   前記第１の駆動機構によって回転している前記研磨パッドに対して前記基板が接触している状態で、前記基板を少なくとも回転させる第２の駆動機構と、
   前記研磨パッドと前記基板との間に研磨液を供給する供給ノズルとを備える研磨装置において、
   前記研磨パッドにおける前記パッド本体の前記基板と接触する面内における熱伝導率が不均一となっている
   ことを特徴とする研磨装置。
8. 基板に対して化学的および機械的な研磨を行う際、前記基板の表面と接触するパッド本体を備えた研磨パッドと、
   前記研磨パッドを回転させる第１の駆動機構と、
   前記回転機構によって回転している前記研磨パッドに対して前記基板が接触している状態で、前記基板を少なくとも回転させる第２の駆動機構と、
   前記研磨パッドと前記基板との間に研磨液を供給する供給ノズルとを備える研磨装置において、
   前記パッド本体の前記基板と接触する面内における外周部分の熱伝導率が内周部分の熱伝導率より低く設定されている
   ことを特徴とする研磨装置。
9. 研磨パッドのパッド本体を基板と接触させて、化学的および機械的な研磨を行うにあたり、前記パッド本体の前記基板と接触する面内における熱伝導率を不均一にして研磨を行う
   ことを特徴とする研磨方法。
10. 研磨パッドのパッド本体を基板と接触させて、化学的および機械的な研磨を行うにあたり、前記パッド本体の前記基板と接触する面内における外周部分の熱伝導率を内周部分の熱伝導率より低く設定した状態で研磨を行う
    ことを特徴とする研磨方法。
    

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