JP2011091198A - 半導体基板の研磨装置及びこの研磨装置を用いた、半導体基板の研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低圧研磨においても、高い研磨速度が得られ、平坦研磨を行うことができる研磨装置及び研磨方法を、提供する。
【解決手段】 １つの研磨定盤に対し、この研磨定盤の中心と、研磨ヘッドの中心とを結ぶ第１の直線で、前記研磨定盤を２つの領域に分割し、この２つの領域のそれぞれの領域に、１個以上のパッドコンディショナーを配置する半導体基板の研磨装置。また、この半導体基板の研磨装置を用い、半導体基板の研磨膜と、研磨ヘッドとの間に、研磨材を供給しながら、半導体基板又は研磨定盤を動かすことで、前記研磨膜を研磨する、半導体基板の研磨方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子製造技術に好適に使用される、半導体基板の研磨装置に関し、特に、層間絶縁膜、Ｃｕ配線の平坦化工程において使用される半導体基板の研磨装置及びこの研磨装置を用いた、半導体基板の研磨方法に関する。

現在の超々大規模集積回路では、実装密度をより高める傾向にあり、種々の微細加工技術が研究、開発されている。既に、デザインルールは、サブハーフミクロンオーダーになっている。このような厳しい微細化の要求を満足するために開発されている技術の一つには、ＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシング）技術がある。この技術は、半導体装置の製造工程において、露光を施す層を完全に平坦化し、露光技術の負担を軽減し、歩留まりを安定させることができるため、例えば、層間絶縁膜、ＢＰＳＧ膜、Ｃｕ配線の平坦化、シャロートレンチ分離等を行う際に必須となる技術である。

従来、半導体装置の製造工程において、プラズマ−ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，化学的蒸着法）、低圧−ＣＶＤ等の方法で形成される酸化珪素絶縁膜等の無機絶縁膜やメッキにより形成されたＣｕ配線を平坦化するための研磨方法としては、研磨膜を形成した基板を、ＣＭＰ用研磨パッドに押し当て加圧し、研磨剤を、研磨膜とＣＭＰ用研磨パッドとの間に供給しながら、基板若しくはＣＭＰ用研磨パッドを動かして行っている。

この際、研磨剤としては、シリカ系やアルミナ系のものが、ＣＭＰ用研磨パッドとしては、発泡ウレタン系の研磨布が、一般的に用いられている（特許文献１参照）。

特開２００５−１９７４０８号公報

しかしながら、前述したような研磨方法は、無機絶縁膜や金属膜の研磨速度が十分な速度をもたず、実用化には低研磨速度という技術課題があった。

更に、発泡ウレタン系の研磨布を用いて研磨する場合、ドレッシングと呼ばれる前処理を定期的に行う必要がある。これは、研磨中に発生した研磨屑が、発泡ウレタンの気孔に詰まったり、研磨布の表面に一定以上の荒さを持たせるためである。
但し、従来のドレッシング処理では、ＣＭＰ用研磨パッドの表面状態を適切に制御しているとは言いがたく、結果として、研磨特性の不安定さを招いている。

また、層間膜やＣｕ配線を平坦化するＣＭＰ技術では、適切な平坦性を維持する必要があり、研磨量の制御を研磨時間で行うプロセス管理が一般的に行われている。
但し、平坦性については、パターン段差形状の変化だけでなく、ＣＭＰ用研磨パッドの状態等でも、研磨速度が顕著に変化してしまうため、プロセス管理が難しいという問題がある。安定した研磨速度を得るためには、ＣＭＰ用研磨パッド状態をどのようにすれば良いのか明確ではなかった。

一方、高研磨速度の研磨剤としてシリカ系やアルミナ系の研磨剤が現在注目されており、このシリカ系、アルミナ系の研磨剤に最適な状態のＣＭＰ用研磨パッドを用いた研磨方法が望まれている。

近年、Ｃｕ配線層における絶縁膜としてＬｏｗ−ｋ材（低誘電率材）の適用が検討されている。Ｌｏｗ−ｋ材は、従来の絶縁膜材料に比べて、ＣＭＰ圧力耐性に弱い脆弱な材料であることから、Ｌｏｗ−ｋ材の導入と共に、ＣＭＰにおける加工圧力も低圧化の流れになってきている。
しかしながら、加工圧力を低圧化することで、新たに研磨速度の低下という問題が生じている。この問題に対しては、従来技術で使用されている研磨剤の組成改良も行われているが、研磨前のドレッシング処理によるパッドの根詰まり解消が不十分であるために問題解決には至っていなかった。

本発明は、低圧研磨においても、高い研磨速度が得られ、平坦研磨を行うことができる研磨装置及び研磨方法を、提供することを目的とする。

本発明は、研磨ヘッドから出てきた直後のパッド上に、研磨にて発生する研磨かすや砥粒詰まり等を、番手の小さいコンディショナーでかき出し、番手の大きいコンディショナーで表面粗さを整えながら研磨を行うことで、研磨特性を維持しながら安定して高い研磨速度を得ることができることを見いだしなされた。

本発明は、以下のものに関する。
（１）１つの研磨定盤に対し、この研磨定盤の中心と、研磨ヘッドの中心とを結ぶ第１の直線で、前記研磨定盤を２つの領域に分割し、この２つの領域のそれぞれの領域に、１個以上のパッドコンディショナーを配置する半導体基板の研磨装置。
（２）項（１）において、パッドコンディショナーが、研磨ヘッドの中心を通り、且つ、第１の直線に対して直角に交わる第２の直線上に配置され、各領域に配置されるパッドコンディショナーの番手を、領域毎に異ならせた、半導体基板の研磨装置。
（３）項（１）又は（２）において、更に、研磨定盤に対して研磨液を供給するスラリ供給ノズルを有し、パッドコンディショナーが、前記スラリ供給ノズルの出口に近い方の番手を、遠い方の番手よりも大きくする、半導体基板の研磨装置。
（４）項（１）乃至（３）の何れかにおいて、パッドコンディショナーが、研磨定盤に対し、研磨圧力を３〜７ｋＰａの範囲とする半導体基板の研磨装置。
（５）項（１）乃至（４）の何れかにおいて、研磨対象が、Ｃｕ配線を有した基板である半導体基板の研磨装置。
（６）項（１）乃至（５）の何れかに記載される半導体基板の研磨装置を用い、半導体基板の研磨膜と、研磨ヘッドとの間に、研磨材を供給しながら、半導体基板又は研磨定盤を動かすことで、前記研磨膜を研磨する、半導体基板の研磨方法。

本発明においては、３ｋＰａ〜７ｋＰａの低圧研磨プロセスにおいて、高い研磨速度を得ることができ、研磨時間の短縮が可能であり、高いスループットが期待できる。
また、３ｋＰａ〜７ｋＰａの低圧研磨プロセスにおいて、常に安定した研磨速度を得ることで、プロセス制御が容易になる。これらの効果は、通常の半導体基板ばかりでなく、Ｃｕ配線を有した基板でも得られるものである。

本発明の１実施例である研磨装置の概略平面図を示す。 図１に示した研磨装置の縦断面図を示す。 実施例１と、比較例１とにおけるＣｕ研磨速度の関係を示す。 実施例２と、比較例２とにおけるＣｕ研磨速度の標準偏差の関係を示す。

本発明に用いる研磨定盤は、研磨対象物である半導体基板の表面を研磨する研磨パッドを貼り付けられるものであり、回転機能を有するものを、好適に使用することができる。
本発明に用いる研磨ヘッドは、半導体基板の裏面を吸着し、半導体基板に荷重をかけて押しつけることが可能であれば、特に制限はなく、回転機能を有しているものを、好適に用いることができる。
研磨圧力（荷重）は、特に制限されるものではないが、低圧である３ｋＰａ〜７ｋＰａの範囲で特に効果が大きく、１つの研磨定盤に対し、領域を２分割して、各々の領域にパッドコンディショナーを配置する。

本発明に用いるパッドコンディショナーは、半導体基板を研磨した際に発生する、研磨かす等を除去するものであり、その配置位置が重要となる。
即ち、パッドコンディショナーは、研磨定盤の中心と、研磨ヘッドの中心とを結ぶ、第１の直線により、２つの領域に分割された研磨定盤の、各々の領域に配置される。
更に、各々の領域内にて、研磨ヘッドの中心を通り、第１の直線に対して直角に交わる第２の直線上に配置することが好ましい。
尚、ここで述べる配置とは、第２の直線上に、パッドコンディショナーの中心があるばかりでなく、パッドコンディショナーの何れかの部位が、第２の直線上に存在すれば良い。
パッドコンディショナーの番手は、各々の領域にて制限されるものではないが、スラリ供給ノズルの出口に近い方の番手を、遠い方の番手よりも大きくすることでＣｕ膜研磨を行ったところ、従来用いられている１つの研磨定盤に１個のコンディショナーが搭載されている場合よりも、高い研磨速度が得られた。
尚、前述したスラリ供給ノズルとは、研磨液（スラリ）を、研磨パッド上に滴下、供給するものである。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
（研磨装置）
本発明の研磨装置の概略平面図を図１に、この図１の縦断面図を図２に示す。
研磨装置１は、研磨定盤２の直上に、研磨ヘッド３が配置されている。この研磨ヘッド３は、研磨定盤２の直上を自在に移動することができ、且つ、研磨ヘッド３自体が、自転することができる。
研磨定盤中心４と、研磨ヘッド中心５とを結ぶ、第１の直線６は、研磨定盤２を２つの領域に分割する仮想線であり、この仮想線により分割された領域の一方にパッドコンディショナー７を、他方にパッドコンディショナー８を配置している。
本実施例にて使用する研磨装置１では、１つの領域に１つのパッドコンディショナーを配置しており、その位置は、研磨ヘッド中心５を通り、第１の直線６に対して直角に交わる、第２の直線９の線上としている。尚、本明細書にて述べる直角とは、第１の直線６と第２の直線９とがなす角度の、小さい方の角度が、８０〜９０度であることを意味する。また、第１の直線６及び第２の直線９は、共に同一平面上にあり、この平面が、研磨定盤２の上面と平行な位置関係にある。
パッドコンディショナー７、８の位置は、先に述べたように、第２の直線上であるが、各々のパッドコンディショナー７、８の研磨ヘッド中心５からの距離は、等距離であることが、好ましい。
更に、本実施例の研磨装置１では、研磨液を供給する、スラリ供給ノズル１０を配置している。

（２個のパッドコンディショナーの搭載）
図１に示すように、パッドコンディショナー７、８は、研磨ヘッド中心５から、均等距離の位置に配置してある。

＜実施例１＞
研磨ヘッド３から見てスラリの下流側（パッドコンディショナー８）に♯４０番手のパッドコンディショナーを、研磨ヘッド３から見てスラリの上流側（パッドコンディショナー７）に、♯１２０のパッドコンディショナーを搭載して、荷重：７．０ｌｂｆ（約３１．１Ｎ）、回転数：６０ｒｐｍで研磨間コンディショニングを行う。

Ｃｕ膜厚が、１０００ｎｍのブランケットウエハを作製する。ＣＭＰ用研磨パッド（発泡ウレタン製）を貼り付けた研磨定盤上にＣｕ膜面を下にしてキャリアーを載せ、更に、加工圧力を３ｋＰａ、５ｋＰａ、７ｋＰａにした。研磨定盤上にシリカ系スラリを、１５０ｃｃ／分の速度で滴下しながら、研磨定盤及びウエハの付いたキャリアーを、６０ｒｐｍで３分間回転させ、上記２個のパッドコンディショナーでコンディショニングを行いながら、Ｃｕ膜を研磨した。研磨後のウエハを純水でよく洗浄後、乾燥した。比抵抗膜厚測定装置を用いて、研磨前後の膜厚差を測定し、研磨速度を計算した。研磨速度の相対値を図３に示す。研磨速度は、相対値で約５．３〜１２．３であった。
尚、ここで述べる相対値とは、後述する比較例１の、３ｋＰａでの研磨速度を「１」とした値を示している。

＜比較例１＞
実施例１と同様に、Ｃｕ膜厚が、１０００ｎｍのブランケットウエハを作製する。ＣＭＰ用研磨パッドを貼り付けた研磨定盤上に、Ｃｕ膜面を下にしてキャリアーを載せ、更に、加工圧力を３ｋＰａ、５ｋＰａ、７ｋＰａにした。研磨定盤上にシリカ系スラリを、１５０ｃｃ／分の速度で滴下しながら、研磨定盤及びウエハの付いたキャリアーを、６０ｒｐｍで３分間回転させ、従来通りの１個のパッドコンディショナーでコンディショニングを行いながら、Ｃｕ膜を研磨した。研磨後のウエハを純水でよく洗浄後、乾燥した。比抵抗膜厚測定装置を用いて、研磨前後の膜厚差を測定し、研磨速度を計算した。研磨速度の相対値を図３に示す。研磨速度は相対値で１．０〜３．２となり、実施例の値を大幅に下回った。
尚、パッドコンディショナーの位置は、図１に示すパッドコンディショナー７の位置とし、♯１２０番手のものを使用した。
また、相対値とは、本比較例１の、３ｋＰａでの研磨速度を「１」とした値を示している。

＜実施例２＞
実施例１の研磨条件で、ウエハ２０枚についてＣｕ膜の研磨を行い、Ｃｕ研磨速度の安定性を調べた。Ｃｕ研磨速度の標準偏差の相対値を、図４に示す。研磨速度のバラツキ（１σ／平均研磨速度×１００）の相対値は良好であった。
尚、ここで述べる相対値とは、７ｋＰａでの標準偏差を「１」とした値を示している。

＜比較例２＞
比較例１の研磨条件で、ウエハ２０枚についてＣｕ膜の研磨を行い、研磨速度の安定性を調べた。Ｃｕ研磨速度の標準偏差の相対値を図４に示す。研磨速度のバラツキ（１σ／平均研磨速度×１００）の相対値は実施例よりも大きく、研磨速度が不安定である結果となった。
尚、ここで述べる相対値とは、実施例２にて７ｋＰａでの標準偏差を「１」とした値を示している。

１…研磨装置、２…研磨定盤、３…研磨ヘッド、４…研磨定盤中心、５…研磨ヘッド中心、６…第１の直線、７…パッドコンディショナー、８…パッドコンディショナー、９…第２の直線、１０…スラリ供給ノズル

Claims (6)

1. １つの研磨定盤に対し、この研磨定盤の中心と、研磨ヘッドの中心とを結ぶ第１の直線で、前記研磨定盤を２つの領域に分割し、この２つの領域のそれぞれの領域に、１個以上のパッドコンディショナーを配置する半導体基板の研磨装置。
2. 請求項１において、パッドコンディショナーが、研磨ヘッドの中心を通り、且つ、第１の直線に対して直角に交わる第２の直線上に配置され、各領域に配置されるパッドコンディショナーの番手を、領域毎に異ならせた、半導体基板の研磨装置。
3. 請求項１又は２において、更に、研磨定盤に対して研磨液を供給するスラリ供給ノズルを有し、パッドコンディショナーが、前記スラリ供給ノズルの出口に近い方の番手を、遠い方の番手よりも大きくする、半導体基板の研磨装置。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、パッドコンディショナーが、研磨定盤に対し、研磨圧力を３〜７ｋＰａの範囲とする半導体基板の研磨装置。
5. 請求項１乃至４の何れかにおいて、研磨対象が、Ｃｕ配線を有した基板である半導体基板の研磨装置。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載される半導体基板の研磨装置を用い、半導体基板の研磨膜と、研磨ヘッドとの間に、研磨材を供給しながら、半導体基板又は研磨定盤を動かすことで、前記研磨膜を研磨する、半導体基板の研磨方法。

Images