JP2010074119A

JP2010074119A - 化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法、材料表面の面内均一性評価方法、及びスラリー薬液の特性推定方法

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Publication number: JP2010074119A
Application number: JP2008301739A
Authority: JP
Inventors: Shohei Shima; 昇平嶋
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2010-04-02

Abstract

【課題】ＣＭＰプロセス中に研磨関連物（被研磨物、研磨パッド、研磨粒子等）材料の表面反応層のヤング率を、ＡＦＭ装置を用いて測定し評価し、更には、その測定結果を用いて事前にＣＭＰ特性を推定し、最適な研磨処理液、研磨パッド、研磨粒子等を選択し、ＣＭＰ技術の開発とＣＭＰプロセスの信頼性の向上に貢献できる化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法を提供すること。
【解決手段】スラリー状の研磨剤を研磨パッド表面に供給して、パッドと半導体ウエハ等の薄板状被被研磨物とを相対運動させる科学的及び機械的な研磨における、被研磨物などの研磨関連物の表面のヤング率を、原子間力顕微鏡装置を用いて評価する。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子間力顕微鏡装置を用いた材料表面の特性評価技術に関するものであり、より具体的には、原子間力顕微鏡装置を用いた材料表面の面内均一性を評価する方法、スラリー状の研磨剤をパッド表面に供給してパッドと半導体ウエハ等の薄板状被研磨物とを相対運動させることで、該被研磨物の表面を化学機械的に研磨する化学機械研磨（ＣＭＰ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈ）装置の薄板状被研磨物、研磨パッド、研磨剤の研磨粒子等の化学的及び機械的な研磨に関連する研磨関連物質表面の化学機械研磨特性評価方法、及び、ＣＭＰ処理中の研磨特性を事前に認識するための化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法に関する。

近年、半導体デバイスの微細化や高密度化に対応して様々な微細加工技術が開発されている。その一つとして、半導体ウエハやＬＣＤ用ガラス基板等の薄板状被研磨物の表面を研磨するＣＭＰ処理が益々注目されてきている。このＣＭＰ処理による研磨は、研磨粒子が懸濁するスラリー状研磨剤をパッド表面に供給して、該パッド表面に薄板状被研磨物を当接し、該パッドと薄板状被研磨物の相対的運動により、該薄板状被研磨物の被研磨面に化学的及び機械的な研磨処理を施すものである。

半導体デバイスの製造プロセスにおける半導体ウエハ表面に所望の微細化や高密度の加工を施すプロセスにおいて、半導体ウエハ表面に形成される段差や凹凸などが存在すると、配線パターンの形成時にステッパ等の焦点深度が悪化し、薄膜写真印刷を行うときのフォトリソグラフィに十分な解像度が得られなくなってしまう。そのため、ＣＭＰ処理によって、半導体ウエハ上のデバイス形成面（つまり、被研磨表面）の段差部分や凹凸部分を研磨して、表面を高平坦化することが行われている。特に、多層配線構造を必要とする半導体デバイスなどの生産においては、ＣＭＰ処理による半導体ウエハ表面の高平坦化の重要性が一層増している。

また、このような半導体製造プロセスにおいて実施されるＣＭＰ処理によるプロセス管理は研磨速度の測定、表面凹凸の形状、加工終点の検出、表面欠陥の観察などのＣＭＰ処理後の被研磨面の表面観察を主として実施している。この表面観察はレーザーなどを利用した光学的な手法によるもの、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの電子線を利用したもの、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）装置を利用した微小力の相互作用を検出したものなどがある。これらはいずれも基本的には処理後の表面の形状を観察してＣＭＰ処理特性を評価し、その結果をフィードバックしてＣＭＰプロセス条件の変更を実施し、高信頼性のＣＭＰプロセスを実現する方法を行っている。
"ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＳｌｕｒｒｙｃｈｅｍｉｓｔｒｙｉｎｆｒｉｃｔｉｏｎａｌｆｏｒｃｅｉｎｃｏｐｐｅｒｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｃｈａｈａｎｉｃａｌｐｏｌｉｓｈｉｎｇ" Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓｏｃｉｅｔｙ，１５２（９）Ｇ６９５−Ｇ６９７（２００５）

ＣＭＰによる被研磨面の平坦化機構は、被研磨面と研磨パッドとの微小空間にスラリーが侵入し、被研磨面がスラリーと化学反応して表面反応層を形成し、この表面反応層をスラリー中の研磨粒子が機械的に研磨して達成されるようになっている。化学反応して得られる表面反応層は、通常は被研磨面材料より脆く、柔らかく、機械的に弱いという特性を有している。スラリー中の研磨粒子はシリカ、アルミナ等の比較的硬い機械的特性を有しているため、表面反応層を研磨できる。研磨パッドは研磨粒子を保持して、被研磨物の研磨面の凸部に強い圧力で接触するため、被研磨面の凸部で研磨が進行し、凹部では接触しないか、若しくは弱い圧力で接触するので研磨の進行が遅くなるため被研磨物研磨面の平坦化が実現できるのである。

このことから被研磨物研磨面に形成される表面反応層の機械的特性をより正確に把握すること、更にこの該被研磨物研磨面に接触する研磨パッド表面の機械的特性、及び研磨粒子表面の機械的特性をより正確に把握すること等がより詳細にＣＭＰ研磨現象を理解する助けとなり、ＣＭＰの平坦化プロセスの性能及び信頼性向上には有用である。

表面層の機械的特性の測定方法としてインデンテーション法が一般に実施されている。特に薄膜層の評価として、ナノインデンテーション法があり、数十ｎｍ以上の膜厚を有する表面層について実施されている。ナノインデンテーション法はダイヤモンド等の硬い微小な圧痕（インデンテーション）の幾何学的寸法と圧子の押し当て時と引き上げ時の応力−変位曲線を用いて表面層の機械的特性を求める。従って、表面層には圧痕を形成させることが必須である。

ところが、ＣＭＰ平坦化のプロセスにおける表面層は、スラリーによる反応層が形成後に直ちに研磨され、新鮮な研磨面に直ちに表面反応層が生成し、またすぐに研磨されるというように、実際の反応層の厚さは、薄い場合にはｎｍレベル、厚い場合でも１０ｎｍ程度と予測される。このようなｎｍ膜厚の薄い表面層に対して明瞭な圧痕を形成することは困難であり、現状のナノインデンテーション法の信頼度の高い適用は１００ｎｍ以上の膜厚レベルである。このためｎｍレベルの平坦性能が求められる最先端のＣＭＰ技術においては、必ずしも従来のインデンテーション法をそのまま使用することはできず、新たなｎｍ膜厚の表面層の機械的特性を測定する技術が必要とされてきている。また、研磨装置そのものの研磨性能を評価する方法として、被研磨物材料表面の面内均一性をより簡便に、ないし視覚的に評価しうる二次元的なマッピングを行う手法も、必要とされてきている。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、ＣＭＰプロセス中に研磨関連物（被研磨物、研磨パッド、研磨粒子等）材料の表面反応層のヤング率を、ＡＦＭ装置を用いて測定し評価し、更には、その測定結果を用いて事前にＣＭＰ特性を推定し、最適な研磨処理液、研磨パッド、研磨粒子等を選択し、ＣＭＰ技術の開発とＣＭＰプロセスの信頼性の向上に貢献できる化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法を提供することを一つの目的とする。また、本発明は、化学的機械的研磨における被研磨物材料表面の面内均一性を評価する方法、及びスラリー薬液の特性推定方法を提供することも一つの目的とする。

上記課題を解決するため本発明の一実施態様では、スラリー状の研磨剤を研磨パッド表面に供給して、被研磨物の表面を化学的及び機械的に研磨する化学機械研磨装置の化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面のヤング率を原子間力顕微鏡装置を用いて評価することを特徴とする化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法にある。

また、本発明の一実施態様では、上記化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法において、被研磨物は半導体ウエハであり、化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面は該半導体ウエハの被研磨面である表面に形成された絶縁膜、金属膜の表面であって、ＡＦＭ装置の探針を被研磨面に押し付けることにより生じる該探針の変形量から、被研磨表面のヤング率を評価することを特徴とする。

また、本発明の一実施態様では、上記化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法において、化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面のヤング率の評価は、ＡＦＭ装置の探針を該化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面に押し付けるときに得られる力−探針変曲線を力−該化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面変形量曲線に変換し、ヘルツの接触式を用いて被研磨表面のヤング率を定量的に評価することを特徴とする。

また、本発明の一実施態様では、上記化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法において、ＡＦＭ装置の探針材料は、化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面に形成された絶縁膜、金属膜の材料に対して、ヤング率の大きい機械的特性を有することを特徴とする。

また、本発明の一実施態様では、上記化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法において、ＡＦＭ装置による化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面のヤング率の評価は、該化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面を二次元的に走査測定した、二次元的な分布評価であることを特徴とする。

また、本発明の一実施態様では、評価対象となる材料をスラリーを含んだ処理液に浸漬し、該材料の表面に反応層を形成する浸漬工程と、浸漬工程で材料の表面に形成された前記表面反応層に対して、原子間力顕微鏡装置を用いて該反応層の多数点においてフォースカーブを測定する測定工程と、測定工程で得られたフォースカーブを基に、表面反応層のマッピングを行うマッピング工程と、を備え、マッピング工程で得られたマッピングを基に、材料表面の面内均一性を評価することを特徴とする材料表面の面内均一性評価方法にある。

また、本発明の一実施態様では、材料をスラリーを含んだスラリー薬液に浸漬し、該材料の表面に反応層を形成する浸漬工程と、浸漬工程で材料の表面に形成された前記表面反応層に対して、原子間力顕微鏡装置を用いて該反応層の多数点においてフォースカーブを測定する測定工程と、測定工程で得られたフォースカーブを基に、表面反応層のヤング率を推定するヤング率推定工程と、ヤング率推定工程で推定したヤング率からスラリー薬液の研磨特性を推定する工程と、を備えたことを特徴とするスラリー薬液の特性推定方法にある。

本発明の一実施態様によれば、化学的及び機械的な研磨に関連する化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面のヤング率を原子間力顕微鏡装置を用いて評価するので、ＣＭＰ中すなわちＣＭＰを行っている状態での被研磨物の表面反応層の機械的特性を総合的に判断できることから、スラリー、研磨パッド、研磨粒子等の化学的及び機械的な研磨に用いられる物の最適な組合せを事前に選択することができ、ＣＭＰプロセスの開発速度を向上させると共に、ＣＭＰプロセスの信頼性も向上させることができる。

また、本発明の一実施態様によれば、評価対象となる材料をスラリーを含んだ処理液に浸漬し、表面に反応層を形成し、原子間力顕微鏡装置を用いて該反応層の多数点においてフォースカーブを測定し、表面反応層のマッピングを行い、このマッピングを基に、材料表面の面内均一性を評価するので、実際の化学機械的研磨を経なくても、材料表面の面内均一性を予め評価できる。

また、本発明の一実施態様によれば、材料をスラリーを含んだスラリー薬液に浸漬し、表面に反応層を形成し、表面反応層に対して、原子間力顕微鏡装置を用いて該反応層の多数点においてフォースカーブを測定し、該フォースカーブを基に、表面反応層のヤング率を推定し、該推定したヤング率からスラリー薬液の研磨特性を推定するので、実際の化学機械的研磨を経なくても、スラリー薬液の特性を推定することができ、新しいスラリー成分の開発時に、実際の化学機械的研磨を使用することなく、簡単にスラリー薬液の特性を推定でき、スラリー薬液の開発が速くなる。

以下、本願発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。先ず、図１を用いてＡＦＭ装置を用いた評価方法とそのデータに基づくＣＭＰプロセス開発の手順の全体像を説明する。

最初は研磨対象材料を種々のスラリーなどの処理液に浸漬して、該研磨対象材料の表面に表面反応層を形成させる（ステップＳＴ１０１）。このときスラリー組成などの濃度、ｐＨなどの特性を変えたもの、さらに浸漬時間を変えた場合について、半導体ウエハ等の薄板状被研磨物の研磨面に形成され、ＣＭＰプロセスで研磨する材料、例えば配線材料、絶縁層材料等の被研磨対象材料の全てについて表面反応層を形成させる処理をする。更に、被研磨対象材料のみでなく、研磨パッド、研磨粒子などの研磨に関連する材料についてもスラリーなどの処理液などに浸漬して処理を実施する（ステップＳＴ２０１）。なお、ＣＭＰに用いられるスラリーには、研磨粒子（シリカ、アルミナ、セリア等）、酸化剤（過酸化水素、過硫酸アンモニウム等）、インヒビター（ＢＴＡ等）、キレート剤（キナルジン等）、界面活性剤が含まれる。

次に浸漬処理で形成された表面反応層に対して、ＡＦＭ装置を用いてフォースカーブの測定を実施する。即ち、表面反応層のヤング率評価を目的として、フォースカーブを測定し、更に測定に用いたＡＦＭ装置の探針のバネ定数、先端曲率半径についても測定しておく（ステップＳＴ１０２）。その後、フォースカーブからフォースインデンテーション（カー変形量）カーブに変換する（ステップＳＴ１０３）。次いで、ヘルツコンタクトモデル（後に詳述）を適用する（ステップＳＴ１０４）。そしてその結果に基づいてヤング率を推定する（ステップＳＴ１０５）。

上記ステップＳＴ１０１〜ＳＴ１０５、ステップＳＴ２０１とは別に、種々の処理液に浸漬した研磨対象材料のフォースカーブを面内で多数点測定する（ステップＳＴ３０１）。多数点測定したデータをマッピング化する（ステップＳＴ３０２）。このマッピング化したデータを基に表面反応層の機械的特性の面内不均一性を論評する（ステップＳＴ３０３）。最後にヤング率の定量的測定データ、面内不均一性データを基に、最適スラリー条件、研磨パッド材料、研磨粒子の組合わせを選択し、最適なＣＭＰプロセス条件を決定する（ステップＳＴ１０６）。例えばＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｏａｄｍａｐ（ＩＴＲＳ）によれば、銅配線の許容エロージョン量は２２ｎｍデザインルールのデバイスにおいては４ｎｍ、１６ｎｍルールのデバイスでは３ｎｍとなっており、およそ配線高さの１０％以内である。研磨量は表面反応層の硬さにほぼ比例するので、硬さの面内不均一性は１０％以内が目標である。さらに研磨速度は速いほど、プロセスタイムが短くでき、低コスト化に寄与できる。現在のところ、３００ｍｍウエハ１枚あたり３０秒以内で処理することが求められており、約２μ／ｍｉｎの研磨速度が必要である。このためには、３ＧＰａ以下のヤング率を有する表面反応層を形成するスラリーを開発し、粒径２０ｎｍのシリカスラリーでＩＣ−１０００パッドで０．５ｐｓｉの研磨圧力で実現できる。

図２はＡＦＭ装置の外観概略構成を示す図であり、図３は典型的なカンチレバー１２の変位Ｚｃに対する電圧変位変換器（ＰＺＴ）１１で検出された電圧Ｚｐの関係を示す図である。図示するように、ＡＦＭ装置１０は、電圧変位変換器（ＰＺＴ）１１、探針１５を具備するカンチレバー１２、半導体レーザー装置１３、光センサー１４を備えている。電圧変位変換器（ＰＺＴ）１１上に載置された試料１６にカンチレバー１２の探針１５が半導体レーザー装置１３から発するレーザー光Ｌは、カンチレバー１２の表面で反射され、光センサー（四つ割フォトディテクター）１４に入射するようになっている。カンチレバー１２の変位は、カンチレバー１２で反射されるレーザー光Ｌを光センサー１４で検出することにより検出されるようになっている。カンチレバー１２の探針１５にかかる力Ｆと該探針１５と試料１６との間の距離Ｄの曲線（フォースカーブ）を得るためには、カンチレバー１２の変位Ｚｃ及び電圧変位変換器１１（ＰＺＴ）で変換された電圧Ｚｐを力Ｆと試料１６と探針１５との距離Ｄに変換しなくてはならない。探針１５にかかる力Ｆはカンチレバー１２の変位Ｚｃとバネ定数Ｋｃの積、即ちＦ＝ＫｃＺｃとなる。

上記探針１５にかかる力Ｆは、探針１５と試料１６の間の距離Ｄが大きいときは、電圧変位変換器（ＰＺＴ）１１の位置を変えて、試料１６を探針１５に近づけても、カンチレバー１２の変位Ｚｃはゼロ（即ち、探針１５にかかる力Ｆはゼロ）であり、試料１６を探針１５に近づけ、Ａの位置になると探針１５に力Ｆがかかりはじめる。更に近づけＢの位置になると探針１５が試料１６に接触し、このときの変位Ｚｃはカンチレバー１２のバネ定数による。通常タンパク質などのヤング率を測定する場合は、０．０２〜１Ｎ／ｍのバネ定数のカンチレバー１２を使用するが、ここでは比較的ヤング率の大きな研磨対象材料の（半導体ウエハ表面に形成された金属層や絶縁層の反応層）を評価するのに使用するので、バネ定数が４０Ｎ／ｍのカンチレバー１２を使用している。

上記のように研磨対象材料の表面反応層を評価対象とした場合、表面反応層の変形とカンチレバー１２の変形が同時に生じている状態がＡの位置で、Ｂの位置では、表面反応層の下の固い研磨対象材料に探針１５が達し、試料１６である研磨対象材料が殆ど変形しない状態となる。後述するように、ヘルツの接触（弾性接触）理論を適用するには、図３（ａ）に示すフォース曲線を図３（ｂ）に示すフォースインデンテーション（変形量：Ｄ）に変換する必要がある。ここで、Ｂでは研磨対象材料の変形が無いから、カンチレバー１２のバネ定数を表す傾き（Ｆ＝Ｋｃ・Ｚｃの関係）となる。即ち、図３（ｂ）のように変形量Ｄは、Ｚｐ＋Ｚｃとなる。

具体的なフォースカーブの例を図４に示す。図４において、横軸Ｐは試料台（電圧変位変換器（ＰＺＴ）１１）又はＡＦＭ装置１０の探針の位置（ｎｍ）を、縦軸ＦはＡＦＭ装置１０のカンチレバー１２の探針１５にかかる力Ｆ（ｎＮ）を示す。実際の測定は、ＡＦＭ装置１０の探針１５と試料１６との間に相互作用が働かない十分に離れた位置から始め、ＡＦＭ装置１０の探針１５と試料１６とを近づける。図４では横軸Ｐの右端が始めの位置で、左に行くに従い位置Ｐの数値が小さくなる。ここでは具体的なフォースカーブを３種類示している。一つは清浄なＣｕ面、他の一つはＣｕの腐食防止材（インヒビター）であるベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）水溶液に浸漬したＣｕ膜（Ｃｕ−ＢＴＡ）、残りの一つは酸化剤である過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）に浸漬したＣｕ膜（Ｃｕ−Ｈ₂Ｏ₂）である。

いずれの場合も最初はＡＦＭ装置１０の探針１５にかかる力がゼロであり、探針１５と試料１６が近づいて接触し、更に探針１５が試料１６に押し付けられると、探針１５に加わる力が増大する。清浄Ｃｕ膜とＢＴＡ浸漬Ｃｕ膜の場合、探針１５が試料１６に接触する前に探針１５が試料１６に引き付けられるため、探針１５に加わる力がマイナス側に少し変化（Ｃ部分を参照）している。その後は直線的に力が増大している。一方、過酸化水素水に浸漬したＣｕ膜（Ｃｕ−Ｈ₂Ｏ₂）の場合は、マイナス側への変化がなく、単調に探針１５に加わる力が増加しているが、探針１５が試料１６に接触した後の初期の段階では傾きが緩やかで、次第にその傾きが増大している。このフォースカーブの変化形状だけからも、過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）に浸漬したＣｕ膜表面は柔らかく、ヤング率が小さい機械的特性を示すことが容易に予測される。図４に示すデータから、フォースカーブは試料表面のヤング率、即ち機械的特性を示していることがわかる。

次に、このフォースカーブを利用して、表面反応層の機械的特性を定量的に評価する手法について説明する。これはヘルツの接触（弾性接触）理論を応用する。図６は二つの異なる物質（ここではＣｕのヤング率Ｅ：１２０ＧＰａのＣｕと、Ｔａのヤング率Ｅ：１８５ＧｐａのＴａ）が弾性接触して変形した状態を示したもので、二つの物質は異なる曲率半径（ｒとｒ’）を有しており、接触して変形した部分の変形深さをｈ、変形部の半径をａとする。この状態の場合、二つの物質間に作用する力は下記の式（１−１）で表される。
Ｆ＝Ｋａ³／Ｒ＝Ｋｈ^3/2Ｒ^1/2 （１−１）
ここでＫ、Ｒ、ｈは下記の式（１−２）、（１−３）、（１−４）で表される。

１／Ｋ＝３／４〔｛（１−μ²）／Ｅ｝＋｛（１−μ’²）／Ｅ’｝〕（１−２）
ここで、μ、μ’はポアソン比、Ｅ、Ｅ’はヤング率を示す。

１／Ｒ＝（１／ｒ）＋（１／ｒ’）（１−３）
ＡＦＭ装置１０の探針１５と被研磨材料膜との接触の場合、膜面が平面であるため、ｒ’＝∞となり、Ｒは探針１５の曲率半径となりＲ＝ｒとなる。
ｈ＝ａ²／Ｒ（１−４）

ヘルツの接触式、（１−１）式を応用して、ＡＦＭ装置１０の探針１５に作用する力Ｆは、探針１５の材料のポアソン比μとヤング率Ｅ、表面反応膜のポアソン比μ’とヤング率Ｅ’、探針１５の曲率半径Ｒ、変形深さｈで表される。表面反応膜のポアソン比は本質的には未知であるが、基板材料と同一な値であると考えることで、表面反応膜のヤング率が求められる。ここで変形深さｈを求めることが必要になる。フォースカーブ測定で得られる図４のデータは、力Ｆ−位置Ｐの関係を示す図である。これを力Ｆ−変形量ｈの関係をグラフに変換する必要がある。その方法として、二つの場合について説明する。

一つの方法を図５に示す。この方法は、ヤング率の大きい物質を参照材料として用いる方法である。例えば被研磨材料であるＣｕはヤング率が１２０ＧＰａ程度であり、Ｔａの場合は１８５ＧＰａと大きい。従って、ＣｕとＴａとのフォースカーブを測定した場合、図５（ａ）に示すように傾きはＴａの方が大きくなる。Ｔａの場合の変形が小さいと仮定することにより、Ｃｕ膜の変形量を、図中の矢印に示すフォースカーブの差分を取ることで図５（ｂ）に示した力Ｆ−変形量ｈの関係を求めることができる。

これとは異なる別の方法を図７に示す。これは既存の解析ソフトウエアＳＰＩＰ^TM（登録商標）を使うもので、図７（ａ）がフォースカーブの測定データを示し、該測定データを力Ｆ−間隔Ｄの関係に変換した結果を図７（ｂ）に示している。この変換は、フォースカーブの直線部分から、ＡＦＭ装置１０による測定時の感度と探針１５の無変形時の位置を求めている。実際の力−変形量のデータは図７（ｂ）に示す力Ｆ−間隔Ｄのデータにおいて、間隔がゼロのときの大きな力から減少しても力がゼロとなる点での間隔位置が変形量ゼロとして、プロットし直して力−変形量データとする。

上記力−位置の関係を力−変形量の関係に変換する二つの方法を用いて得た力−変形量のデータを図８、図９に示す。図８はＴａ膜を参照試料として用いて求めた力Ｆ−変形量ｈデータとヘルツ理論の計算曲線を示す。図８において、Ａは過酸化水素水浸漬Ｃｕ膜（Ｃｕ−Ｈ₂Ｏ₂）の実験例を、Ｂはクエン酸洗浄液で清浄した配線用Ｃｕ膜実験例を、Ｃはヤング率１ＧＰａ（ＣａＰｒｏｎ）の計算例、Ｄはヤング率３ＧＰａの計算例、Ｅはヤング率１０ＧＰａの計算例、Ｆはヤング率３０ＧＰａの計算例、Ｇはヤング率１２０（Ｃｕ）の計算例をそれぞれ示す。また、測定に使用したＡＦＭ装置１０の探針であるＳｉ探針について、バネ定数３６Ｎ／ｍ、ヤング率１５０ＧＰａ、先端曲率半径１０ｎｍの場合の種々のヤング率についての計算値も同時にプロットした。

図９はＳＰＩＰ^TM解析ソフトを用いて求めたデータを同じようにプロットした結果を示す図である。図９において、Ａは過酸化水素水浸漬Ｃｕ膜（Ｃｕ−Ｈ₂Ｏ₂）の実験例を、ＢはＣｕ−ＢＴＡの実験例を、ＣはＢＤ＃２（ＳｉＣＯＨ（ＨｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄＳｉｌｉｃｏｎＯｘｙｃａｒｂｉｄｅ））の実験例を、ＤはＱｕｉｎａｌｄｉｃＡｃ．の実験例を、ＥはＣｕの実験例を、Ｆはヤング率１ＧＰａの計算例、Ｇはヤング率３ＧＰａの計算例、Ｈはヤング率１０ＧＰａの計算例を、Ｉはヤング率３０ＧＰａの計算例を、Ｊはヤング率５０ＧＰａの計算例を、Ｋはヤング率１００ＧＰａの計算例を、Ｌはヤング率１２０ＧＰａの計算例をそれぞれ示す。

上記二つの解析結果から、過酸化水素水で処理したＣｕ膜（Ｃｕ−Ｈ₂Ｏ₂）の表面は、異なる二つの解析手法でも略同じヤング率３０ＧＰａの機械的特性は一致している。一方、清浄なＣｕ面に対しては、Ｔａを参照試料とした場合は、３０ＧＰａと小さく出ており、ＳＰＩＰ^TM解析ソフトを用いた場合では１２０ＧＰａより大きな値となっている。このＣｕ膜のヤング率の不一致は、参照試料としたＴａのヤング率１８５ＧＰａとＣｕのヤング率１２０ＧＰａとの差がそれほど大きくないこと、さらにＣｕのヤング率と探針材料であるＳｉのヤング率との差が小さいことに起因している。

図９中には、インヒビターであるＢＴＡ浸漬Ｃｕ膜の実験データもプロットとしてあり、そのヤング率が３０ＧＰａに近いことが分かった。更に錯体であるキナルジン酸（キノリン−２−カルボン酸：Ｑｕｉｎｏｌｉｎｅ−２−ｃａｒｂｏｘｙｌｉｃａｃｉｄ）浸漬Ｃｕ膜は１００ＧＰａに近く、低誘電率絶縁膜表面が５０ＧＰａに近いことが分かる。より真の値に近い評価のために、Ｓｉよりヤング率の大きい探針材料、参照試料としてＷなどのさらに大きいヤング率を有する材料を用いることで正確な値を求めることが出来るようになる。

本測定法を用いることで、ＣＭＰ中での研磨に主に寄与する表面反応層は過酸化水素浸漬Ｃｕ膜のように数ＧＰａレベルの小さなヤング率であることが明確となり、その他の材料のＣＭＰ中での研磨面の表面反応層はこの値に近いヤング率を有すると考えられる。従って、本測定方法はＣＭＰで研磨する薄膜状被研磨物、研磨パッド、研磨粒子等の研磨処理で使用される材料の表面状態を測定するのに使用できる。

図１のステップＳＴ１０２の表面反応層のＡＦＭ測定では、フォースカーブ測定の他に、ＡＦＭ装置の探針のバネ定数と先端曲率半径も評価している。このステップＳＴ１０２では、フォースカーブ測定だけではなく、表面形状、摩擦力、吸着力等も同時に評価でき、これらの情報は表面反応層の他の物性を表わしており、機械的特性とも関連があるので、同時に評価しておくことが望ましい。このステップＳＴ１０２に続いて、既に述べたように、力−変形量を表すフォースインデンテーションに変換するステップＳＴ１０３を実行する。

その後、このフォースインデンテーションに変換したデータをヘルツ接触理論式である式（１−１）に適用するステップＳＴ１０４を実施する。この結果によって、ステップＳＴ１０５で表面反応層のヤング率を推定できるのである。ヤング率が推定できれば、実際のＣＭＰの研磨速度はヤング率に正の相関関係があるので、ヤング率から研磨速度が推定できる。この結果、研磨速度の速いスラリー等、実際のＣＭＰプロセスを実施する前に、選択することができることになる。

更に、他のフォース測定の実用上の大きな利点として、表面反応層の二次元評価手法について説明する。これによれば、原子間力顕微鏡装置を用いて材料表面の面内均一性を評価することができる。従って、例えば、被研磨対象物の処理前の面内均一性を評価することや、研磨を終了した後の被研磨物の面内均一性を評価することができ、研磨装置の性能評価にも応用が可能である。具体的には、評価対象となる材料をスラリーを含んだ処理液に浸漬して、該材料の表面に表面反応層を形成し、該浸漬工程で該材料の表面に形成された表面反応層に対して、原子間力顕微鏡装置を用いて該反応層の少なくとも２つの測定点においてフォースカーブを測定し、次いで、この測定工程で得られたフォースカーブをもとに、表面反応層のマッピング化を行うことで、材料表面の面内均一性を評価するものである。以下に、その詳細を説明する。

図１０はこの二次元評価方法の結果を示す図である。図１０はダマシン構造のＣｕ配線パターンのヤング率分布を示す図である。図１０のＡ部分が過酸化水素に浸漬したＣｕ配線部で低いヤング率の表面層を表している。その右側のＢ部分はＴＥＯＳ絶縁層の部分で、６０〜７０ＧＰａの大きなヤング率の部分を表わしており、明確なヤング率の差が表わされている。

図１１は評価対象物の表面について、原子間力顕微鏡装置を用いて２つの測定点で測定した結果の、フォースカーブを示す図である。図１１のフォースカーブから、図１０の結果を得るには、次のような処理を行う。即ち、ある測定点における押し付けた量（図１１のＸ軸に対応する）で、Ｙ軸の値が異なることに注目し、２つの測定点に対応した２本のカーブで差が現れているところ、例えば−１００ｎｍのところ（Ｘ１）での力を求める。そして、図１１の例えばＹ１とＹ２とでＹ軸の値が異なるので、面内の多くの測定点でフォースカーブをたくさん収集すると、多くのＹ１・・・Ｙｎの値が得られる。以上の説明から明らかなように、測定点は、評価対象表面のうち少なくとも２点以上必要であり、それを、明暗のコントラストで画像化すると、図１０の結果が得られるのである。

図１０の過酸化水素水に浸漬したＣｕ配線部（Ａ部分）とＴＥＯＳ絶縁層部（Ｂ部分）を示しており、傾きの大きな部分がＴＥＯＳ絶縁層の部分を、それより傾きが小さい部分がＣｕ配線部を示す。フォースカーブにおいても、Ｃｕ配線部とＴＥＯＳ絶縁層部では明確な差がでている。

図１２は、ＡＦＭの形状像を示す図であり、Ａ部分は過酸化水素に浸漬したＣｕ配線部を、その右側のＢ部分はＴＥＯＳ絶縁層の部分を示す。Ｃｕ配線部（Ａ部分）の表面は凹凸の大きな荒れた面となっており、これがヤング率を小さくしていると考えられる。図１０のヤング率の二次元分布を更に詳細に見ると、完全には均一になっていないことが分かる。これらの不均一性は、ディシング、エロージョンなどのＣＭＰ欠陥の生成原因の究明に利用できる。

上記評価方法を、上述のヤング率の定量評価手法と組合せ、図１のステップＳＴ３０１において、種々の処理液に浸漬した研磨対象材料のフォースカーブを多数点測定し、これをステップＳＴ３０２でマッピング化することにより、該マッピング結果からステップＳＴ３０３において表面反応層の面内不均一性を評価し、ステップＳＴ１０６において、研磨速度のみではなく、面内の不均一性も評価できる。

図１３は上記最適組合せを説明するための図であり、縦軸に面内均一性を横軸にヤング率を示す。一般に面内均一性は９０％以上の値が求められる。例えば加工後の膜厚が１００ｎｍの場合、ばらつきの範囲が１０％内で、１００ｎｍ±５ｎｍの膜厚分布の範囲に入っていることが要求されている。また、Ｃｕの場合、表面反応層のヤング率がＣｕのヤング率のおよそ半分の値である５０ＧＰａを境界として、それより低いヤング率の表面反応層が形成される場合は柔らかいので高速研磨に適している。

ヤング率が５０ＧＰａより大きい場合は、表面反応層が硬いので、研磨速度は低下する。この場合は、異なる材料の組合せで、一方の材料のみを研磨した場合、例えばＣｕ膜を研磨しないでバリアメタルのみを研磨したい選択的研磨プロセスに適しており、バリアメタルの表面反応層のヤング率が５０ＧＰａ以下で柔らかく、Ｃｕの表面反応層が５０ＧＰａより大きくて硬くなるような特性を示すスラリーを採用する。一般にこの研磨の選択比は、５以上の値が望ましいとされており、例えばＣｕ表面反応層のヤング率が７０ＧＰａなら、バリアメタル表面反応層のヤング率は７０÷５＝１４以下となるようなスラリー特性を示すものを作成するのが望ましい。図１３の均一性が比較的高く、ヤング率の低い領域Ａは高速研磨に適し、均一性が比較的高く、ヤング率の高い領域Ｂは低速あるいは選択研磨に適する。均一性の低い領域Ｃは不適な領域である。

下記にヤング率を求めた各種Ｃｕ反応層の実測膜厚（エリプソメーター評価の結果）を示す。
Ｃｕ−キナルジン反応層：約１．１ｎｍ
Ｃｕ−ＢＴＡ反応層：約１．８ｎｍ
Ｃｕ−Ｈ₂Ｏ₂反応層：約５ｎｍ
上記のような薄膜層の場合は、従来のナノインデンテーション法では測定できない。

本発明に係る化学機械研磨特性評価方法には、例えば図１４に示すような概略外観構成の研磨装置が用いられる。この研磨装置では、シリカ（ＳｉＯ₂）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッド等の研磨面上に供給しつつ半導体ウエハ等の基板を研磨面に摺接させて研磨を行う。

図１４に示すように、研磨装置２０は、研磨テーブル２２と、支軸２４の上端に連結されたトップリングヘッド２６と、トップリングヘッド２６の自由端に取り付けられたトップリングシャフト２８と、該トップリングシャフト２８の下端に連結された略円盤状のトップリング３０とを備えている。なお、トップリングシャフト２８は、タイミングベルト等の連結手段を介してトップリング回転モータに連結されて回転駆動されるようになっているが、図１４においては、トップリング回転モータ及びタイミングベルト等の図示は省略している。

研磨テーブル２２は、テーブル軸２２ａを介してその下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、そのテーブル軸２２ａ周りに回転可能になっている。この研磨テーブル２２の上面には研磨パッド３２が貼付されており、該研磨パッド３２の上面（研磨面）３２ａがトップリング３０の下面に保持される半導体ウエハＷ（図示せず）を研磨する研磨面を構成している。

なお、市場で入手できる研磨パッドとしては種々のものがあり、例えば、ロデール社製のＳＵＢＡ８００、ＩＣ−１０００、ＩＣ−１０００／ＳＵＢＡ４００（二層クロス）、フジミインコーポレイテッド社製のＳｕｒｆｉｎｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ０００等がある。ＳＵＢＡ８００、Ｓｕｒｆｉｎｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ０００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布であり、ＩＣ−１０００は硬質の発泡ポリウレタン（単層）である。発泡ポリウレタンは、ポーラス（多孔質状）になっており、その表面に多数の微細なへこみ又は孔を有している。トップリング３０はその下面に半導体ウエハＷなどの基板を保持できるようになっている。

トップリングシャフト２８は、図示しないモータの駆動により回転するようになっている。トップリングシャフト２８の回転により、トップリング３０がトップリングシャフト２８周りを回転するようになっている。また、トップリングシャフト２８は、上下動機構３４によりトップリングヘッド２６に対して上下動するようになっており、このトップリングシャフト２８の上下動によりトップリング３０がトップリングヘッド２６に対して上下動するようになっている。

トップリングヘッド２６は支軸２４を中心として旋回可能に構成されており、下面に半導体ウエハＷを保持したトップリング３０は、トップリングヘッド２６の旋回により半導体ウエハＷの受取位置から研磨テーブル２２の上方に移動される。そして、トップリング３０を上下動機構３４により下降させて半導体ウエハＷを研磨パッド３２の上面（研磨面）３２ａに押圧する。このとき、トップリング３０及び研磨テーブル２２をそれぞれ回転させ、研磨テーブル２２の上方に設けられた研磨液供給ノズル（図示せず）から研磨パッド３２の上面３２ａに研磨液を供給する。このように、半導体ウエハＷを研磨パッド２２の研磨面２２ａに摺接させて半導体ウエハＷの表面を研磨する。

４０は研磨テーブル２２の研磨パッド３２の研磨面３２ａをドレッシングするドレッシングユニットである。ドレッシングユニット４０は、研磨面３２ａに摺接されるドレッサ５０と、該ドレッサ５０が連結されるドレッサシャフト５１と、該ドレッサシャフト５１の上端に設けられたエアシリンダ５３と、ドレッサシャフト５１を回転自在に支持する揺動アーム５５とを備えている。ドレッサ５０の下部にはドレッシング部材５０ａにより構成され、このドレッシング部材５０ａの下面には針状のダイヤモンド粒子が付着している。エアシリンダ５３は、支柱５６に支持された支持台５７上に配置されており、これらの支柱５６は揺動アーム５５に固定されている。

揺動アーム５５は図示しないモータに駆動されて、支軸５８を中心として旋回するように構成されている。ドレッサシャフト５１は、図示しないモータの駆動により回転し、このドレッサシャフト５１の回転により、ドレッサ５０がドレッサシャフト５１周りに回転するようになっている。エアシリンダ５３は、ドレッサシャフト５１を介してドレッサー５０を上下動させ、ドレッサ５０を所定の押圧力で研磨パッド３２の研磨面３２ａに押圧する。これと同時に図示しない純水供給ノズルから純水が研磨面３２ａに供給される。この状態で、ドレッサ５０がドレッサシャフト５１周りに回転し、ドレッシング部材５０ａの下面（ダイヤモンド粒子）を研磨面３２ａに摺接させる。これによりドレッシング部材５０ａで研磨パッド３２が削り取られ、研磨面３２ａがドレッシングされる。

上記のような研磨装置を用いた化学的機械的研磨プロセスにおいて、スラリー状の研磨剤を研磨パッド３２の表面に供給した状態で、半導体ウエハＷ等の被研磨物の表面特性がどのようになっているかを解明することは、研磨プロセスを向上させるためには有用である。そこで、近年、本願発明者以外にも、これを評価する試みもなされている。例えば、研磨対象物を研磨する処理速度（単位時間あたりの平坦化される量）、即ち、研磨レートと、研磨中にウエハ表面に生じる摩擦力との関係を評価する先行例として、非特許文献１に開示された石川等が研究した先行例がある。

上記先行例では、Ｇグリシン、Ｑキナルジン、ＢＴＡ、Ｈ₂０₂、４種類のスラリー主成分についての混合液で、Ｑキナルジン濃度のみを変えた場合の研磨レートと研磨中の摩擦力との関係を実験した結果を得ている。この結果によると、Ｑキナルジン濃度の増加に比例して、研磨に要する摩擦力が大きくなることを示している。また、この例では、ある閾値を超えると研磨レートが急変して大きくなる傾向を示し、Ｑキナルジン濃度が上がると、膜が硬くなり、研磨には大きな摩擦力が必要なことを示している。

本願発明者は、上記先行例と同様の実験条件において、Ｇグリシン、Ｑキナルジン、ＢＴＡ、Ｈ₂０₂、４種類のスラリー主成分についての混合液で、Ｑキナルジン濃度のみを変えた場合にＣｕ表面のヤング率の変化を見るために原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）装置を用いて測定したフォース−インデンテーションのデータをプロットした結果を図１５に示す。図１５において、プロット記号の◇、○、△、□、■、▲、●は、それぞ下記のスラリーの混合比を示す。
◇：０．１ＭのＧグリシン＋２．８１ｍＭのＱキナルジン＋０．５ｍＭのＢＴＡ＋
２．９ｖｏｌ％のＨ₂Ｏ₂
○：０．１ＭのＧグリシン＋５．６１ｍＭのＱキナルジン＋０．５ｍＭのＢＴＡ＋
２．９ｖｏｌ％のＨ₂Ｏ₂
△：０．１ＭのＧグリシン＋８．４２ｍＭのＱキナルジン＋０．５ｍＭのＢＴＡ＋
２．９ｖｏｌ％のＨ₂Ｏ₂
□：０．１ＭのＧグリシン＋１１．２ｍＭのＱキナルジン＋０．５ｍＭのＢＴＡ＋
２．９ｖｏｌ％のＨ₂Ｏ₂
■：５．６１ｍＭのＱキナルジン
▲：０．５ｍＭのＢＴＡ
●：２．９ｖｏｌ％のＨ₂Ｏ₂

キナルジン（Ｑｕｉｎａｌｄｉｎｅ、もしくは、２-Ｍｅｔｈｙｌｑｕｉｎｏｌｉｎｅともいう）を２．８１ｍＭから１１．２ｍＭまで変化させた場合の図１５に示す結果から明らかなように、Ｑ（キナルジン）の濃度の増加に比例して、ヤング率が大きくなっている（グラフの曲線が立ってくる傾向）ことがわかる。Ｃｕ表面反応層のヤング率が大きくなることは、即ち反応層（反応膜）の表面が硬くなることがわかる。従って、研磨レート実験前に、ＡＦＭフォーカスカーブを利用して研磨対象材料の反応層のヤング率（略硬さに比例）を推定しておくことで、研磨特性を推定できることがわかった。これにより、新しいスラリー成分の開発時に、実際の研磨装置を使用することなく、簡単に新しい研磨液の特性を推定できるので開発速度が速くなる。

以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。

本発明に係るＡＦＭ装置を用いた評価方法の手順を示す図である。ＡＦＭ装置の外観概略構成を示す図である。ＡＦＭ装置のカンチレバーの変位Ｚｃに対する電圧変位変換器で検出された電圧Ｚｐの関係を示す図である。具体的なフォースカーブの例を示す図である。ヤング率の大きい物質を参照材料とし、力Ｆ−位置Ｐを力Ｆ−変形量ｈに変換するための図である。二つの異なる物質が弾性接触して変形した状態を示す図である。力Ｆ−位置Ｐを力Ｆ−変形量ｈに変換するための図である。Ｔａ膜を参照試料として用いて求めた力Ｆ−変形量ｈデータとヘルツ理論の計算曲線を示す図である。ＳＰＩＰ^TM解析ソフトを用いて求めたデータをプロットした結果を示す図である。表面反応層の二次元評価方法の結果を示す図である。評価対象物の表面について、原子間力顕微鏡装置を用いて２つの測定点で測定した結果のフォースカーブを示す図である。ＡＦＭ装置の形状像を示す図である。最適組合せ選択を説明するための図である。化学機械研磨装置の概略外観構成例を示す図である。スラリー薬液のＱキナルジン濃度を変えてＣｕ表面のフォース−インデンテーションのデータをプロットした結果を示す図である。

符号の説明

１０ＡＦＭ装置
１１電圧変位変換器（ＰＺＩ）
１２カンチレバー
１３半導体レーザー装置
１４光センサー（四つ割りフォトディレクター）
１５探針
１６試料
２０研磨装置
２２研磨テーブル
２４支軸
２６トップリングヘッド
２８トップリングシャフト
３０トップリング
３２研磨パッド
３４上下動機構
４０ドレッシングユニット
５０ドレッサ
５１ドレッサシャフト
５３エアシリンダ
５５揺動アーム
５６支柱
５７支持台
５８支軸

Claims

スラリー状の研磨剤を研磨パッド表面に供給して、被研磨物の表面を化学的及び機械的に研磨する化学機械研磨装置の化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面のヤング率を原子間力顕微鏡装置を用いて評価することを特徴とする化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法。
請求項１に記載の化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法において、
前記被研磨物は半導体ウエハであり、前記化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面は該半導体ウエハの被研磨面である表面に形成された絶縁膜、金属膜の表面であって、前記原子間力顕微鏡装置の探針を前記被研磨面に押し付けることにより生じる該探針の変形量から、前記被研磨表面のヤング率を評価することを特徴とする化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法。
請求項１に記載の化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法において、
前記化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面のヤング率の評価は、前記原子間力顕微鏡装置の探針を該化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面に押し付けるときに得られる力−探針変曲線を力−該化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面変形量曲線に変換し、ヘルツの接触式を用いて前記被研磨表面のヤング率を定量的に評価することを特徴とする化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法。
請求項２に記載の化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法において、
前記原子間力顕微鏡装置の探針材料は、前記化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面に形成された絶縁膜、金属膜の材料に対して、ヤング率の大きい機械的特性を有することを特徴とする化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法。
請求項１に記載の化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法において、
前記原子間力顕微鏡装置による前記化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面のヤング率の評価は、該化学的及び機械的な研磨に用いられる物の表面を二次元的に走査測定した、二次元的な分布評価であることを特徴とする化学機械研磨装置の化学機械研磨特性評価方法。
評価対象となる材料をスラリーを含んだ処理液に浸漬し、該材料の表面に反応層を形成する浸漬工程と、
前記浸漬工程で材料の表面に形成された前記表面反応層に対して、原子間力顕微鏡装置を用いて該反応層の多数点においてフォースカーブを測定する測定工程と、
前記測定工程で得られたフォースカーブを基に、前記表面反応層のマッピングを行うマッピング工程と、を備え、
前記マッピング工程で得られたマッピングを基に、前記材料表面の面内均一性を評価することを特徴とする材料表面の面内均一性評価方法。
材料をスラリーを含んだスラリー薬液に浸漬し、該材料の表面に反応層を形成する浸漬工程と、
前記浸漬工程で材料の表面に形成された前記表面反応層に対して、原子間力顕微鏡装置を用いて該反応層の多数点においてフォースカーブを測定する測定工程と、
前記測定工程で得られたフォースカーブを基に、前記表面反応層のヤング率を推定するヤング率推定工程と、
前記ヤング率推定工程で推定したヤング率から前記スラリー薬液の研磨特性を推定する工程と、を備えたことを特徴とするスラリー薬液の特性推定方法。