JP2014011408A - 半導体装置の製造方法および研磨装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法および研磨装置 Download PDF

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Abstract

【課題】実施形態は、表面欠陥を低減し製造歩留まりを改善する半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体装置の製造方法は、絶縁膜に配線溝を形成する工程と、前記絶縁膜の上面および前記配線溝の内面を覆うバリアメタル層と、前記配線溝の内部を埋め込み前記バリアメタル層を覆う金属層と、を形成する工程と、前記金属層に第１の荷重を加えて研磨する第１の研磨工程と、前記第１の荷重よりも重い第２の荷重を加え、前記研磨パッドにガスを吹き付けながら前記金属層を研磨する第２の研磨工程と、を備える。
【選択図】図１

Description

実施形態は、半導体装置の製造方法および研磨装置に関する。
半導体装置の製造過程では、多層配線や素子分離などの工程において、ウェーハ表面を平坦化するために化学的機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：CMP）法が用いられる。例えば、ウェーハ表面に形成されたシリコン酸化膜、タングステン(W)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)膜などを研磨し、配線やコンタクトプラグを形成する。そして、半導体装置の微細化の進展にともない、平坦性の向上、表面欠陥の低減、および、生産性の向上が求められている。特に、コロージョン、金属残渣などの表面欠陥は、製造歩留まりへの影響が大きいため、その低減が強く求められている。
特開２００９−２６７３６７号公報
実施形態は、表面欠陥を低減し製造歩留まりを改善する半導体装置の製造方法を提供する。
実施形態に係る半導体装置の製造方法は、絶縁膜に配線溝を形成する工程と、前記絶縁膜の上面および前記配線溝の内面を覆うバリアメタル層と、前記配線溝の内部を埋め込み前記バリアメタル層を覆う金属層と、を形成する工程と、前記金属層に第１の荷重を加えて研磨する第１の研磨工程と、前記第１の荷重よりも重い第２の荷重を加え、前記研磨パッドにガスを吹き付けながら前記金属層を研磨する第２の研磨工程と、を備える。
実施形態に係る研磨装置を模式的に表す斜視図である。 実施形態に係る製造過程を模式的に表す断面図である。 実施形態に係る研磨過程を表す模式断面図である。 実施形態に係る研磨装置を表すブロック図である。 実施形態に係る研磨過程を表すフローチャートである。 研磨量のモニター過程を表すグラフである。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。
本実施形態は、半導体装置の製造方法に関わり、例えば、メモリ、システムＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）、高速ロジックＬＳＩ、メモリ・ロジック混載ＬＳＩなどの配線工程における金属配線層の研磨方法に関する。
図１は、実施形態に係る研磨装置１０を模式的に表す斜視図である。研磨装置１０は、研磨ステージ３と、ウェーハホルダ１５と、スラリーノズル２３と、ガスノズル２７と、を備える。研磨ステージ３の上面には、研磨パッド７が取り付けられる。一方、ウェーハホルダ１５の研磨パッド７に対向する面には、ウェーハ２０が固定される。そして、研磨ステージ３を研磨面７ａに平行に回転させ、ウェーハホルダ１５を研磨パッド７の表面に当接させることにより、ウェーハ２０の表面に形成された金属層を研磨する。
研磨装置１０では、研磨ステージ３およびウェーハホルダ１５の両方が回転し、研磨パッド７に当接したウェーハ２０の表面を研磨する。研磨パッド７の表面には、スラリーノズル２３を介してスラリー２５が供給される。
さらに、研磨装置１０は、ガスノズル２７を備え、研磨パッド７の研磨面７ａにガス３３を吹き付けながら金属層を研磨する。ガス３３は、例えば、圧縮空気、窒素などである。
研磨面７ａの温度は、例えば、ウェーハ２０と、研磨面７ａと、の間に生じる摩擦熱もしくは反応熱により上昇する。これにより、金属層の表面の化学反応が進みコロージョンが発生し易くなる。このため、本実施形態では、研磨パッド７にガス３３を吹き付けることによりその温度を下げ、コロージョンの発生を抑制する。
次に、図２を参照して、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、ウェーハ２０の表面に配線を形成する過程を表す模式断面図である。
図２（ａ）に示すように、例えば、図示しないトランジスタ等が形成されたシリコン基板１３の上に、絶縁層４３を形成する。絶縁層４３は、例えば、シリコン酸化膜である。絶縁層４３には、配線溝４１を形成する。配線溝４１は、シリコン基板１３に形成されたコンタクト領域１７に連通するコンタクトホール４２を含む。
次に、図２（ｂ）に示すように、絶縁層４３の上面および配線溝４１の内面を覆う第１の金属層であるバリアメタル（ＢＭ）層４５を形成する。ＢＭ層４５は、例えば、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）の積層膜である。コンタクトホール４２では、その底面において、ＢＭ層４５がコンタクト領域１７に接する。
続いて、ＢＭ層４５の上に第２の金属層４７（以下、金属層４７）を形成する。金属層４７は、例えば、銅（Ｃｕ）の電界メッキ層であり、配線溝４１の内部を埋め込み、ＢＭ層４５の表面を覆う。
次に、図２（ｃ）に示すように、ＢＭ層４５の上に形成された金属層４７を、ＣＭＰ法を用いて除去し、配線溝４１の内部に金属層４７を残すメイン研磨を実施する。メイン研磨は、ウェーハホルダ１５に第１の荷重を加え、その荷重によりウェーハ２０を研磨パッド７に押しつけた状態で研磨を行う第１の研磨工程、および、ＢＭ層４５の上に残る金属層４７を除去する第２の研磨工程の２段階で実施する。
第１の研磨工程では、配線溝４１の内部に金属層４７を残し、ＢＭ層４５の上に形成された金属層４７の大部分を除去する。続いて、第２の研磨工程では、例えば、絶縁層４３の上面の凹凸に起因してＢＭ層４５の上に残る金属層４７を研磨し除去する。このため、第２の研磨工程では、ウェーハ２０に第１の荷重よりも重い第２の荷重を加え、さらに、研磨パッドの表面にガスを吹き付けながら研磨を行う。
次に、図２（ｄ）に示すように、絶縁層４３の上面に形成されたＢＭ層４５を、ＣＭＰ法を用いて除去するタッチアップ研磨を行う。これにより、絶縁層４３の上の金属層４７およびＢＭ層４５が除去され、配線溝４１の内部に金属層４７およびＢＭ層４５を含む配線４９が形成される。
次に、図３を参照して、本実施形態に係る研磨過程を説明する。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、ウェーハ２０の表面に設けられた配線層４０を模式的に表す部分断面図である。なお、研磨過程を表す意味で、図２の上下を逆にしている。
図３（ａ）は、メイン研磨における第１の研磨工程を示している。配線層４０は、その表面に凹部７１を有する。例えば、金属層４７が平坦に研磨されるとすれば、凹部７１の内部には金属層４７が残る。このため、メイン研磨に続くタッチアップ研磨におけるＢＭ層４５の研磨が妨げられ、隣り合う配線溝４１およびコンタクトホール４２に設けられる配線４９がショートする恐れがある。そして、これを防ぐために長時間のタッチアップ研磨が必要となる。
そこで、第１の研磨工程に続いて第２の研磨工程を実施し、凹部７１に残った金属層４７を研磨し除去する。第２の研磨工程では、第１の研磨工程よりも荷重を重くして研磨を実施する。このため、図３（ｂ）に示すように、配線層４０の凹部７１の形状に追従した研磨が可能となり、凹部７１に沿って金属層４７を除去することができる。
さらに、第２の研磨工程では、研磨パッドの表面にガスを吹き付けながら研磨を行う。例えば、図１に示すように、ガスノズル２７から研磨パッド７に向けて圧縮空気または窒素ガスを吹き付ける。ガスノズル２７は、例えば、研磨パッド７の中心から外縁の方向に延在するバー状のノズルを有し、研磨パッド７に対向する面に複数のガスの吹き出し口が並設される。これにより、回転する研磨パッド７の全面にガスを吹き付けることができる。ガスノズル２７は、複数配置しても良いし、バー状に限らず、研磨パッド７に対向する面積を広くして、より広い面にガスを吹き付ける形状であっても良い。
これにより、配線溝４１およびコンタクトホール４２に埋め込まれた金属層４７の表面におけるコロージョンの発生を抑制することができる。
続いて、タッチアップ研磨を実施し、図３（ｃ）示すように、絶縁層４３の上面のＢＭ層４５を除去する。これにより、配線溝４１およびコンタクトホール４２のそれぞれの内部に、相互に絶縁された配線４９を形成することができる。
このように、メイン研磨の第２の研磨工程において、荷重を増やすことにより、下地に対する研磨量の追従性（以下、下地追従性）を向上させ、凹部７１に残る金属層４７の残渣を減らすことができる。これにより、配線間のショートを防ぐことができ、製造歩留りを向上させることが可能となる。また、タッチアップ研磨におけるＢＭ層４５の研磨時間を短縮することができる。
次に、図４および図５を参照して、本実施形態に係る研磨方法を詳細に説明する。図４は、研磨装置１０の制御系を表すブロック図である。図５は、実施形態に係る研磨過程を表すフローチャートである。
図４に示すように、研磨装置１０は、研磨ステージ３を回転させる駆動部６１と、ウェーハホルダ１５を制御するホルダ制御部６３と、スラリーノズル２３を介してスラリーを供給するスラリー供給部６５と、ガスの吹きつけを制御するガス供給部６７と、を備える。そして、各部を制御し、研磨を実行するコントローラ６０を備える。
例えば、ウェーハホルダ１５にウェーハ２０をセットし、ウェーハ２０の表面を研磨パッド７に当接させる。続いて、第１の荷重、第２の荷重および第３の荷重を設定する（Ｓ０１）。具体的には、第１〜第３の荷重をコントローラ６０に入力する。予め、コントローラ６０に、それぞれの値を記憶させても良い。第１の荷重および第２の荷重は、メイン研磨における荷重であり、第３の荷重は、タッチアップ研磨の荷重である。第２の荷重は第１の荷重よりも大きいが、第３の荷重は、第１の荷重および第２の荷重に関わりなく適宜設定する。
次に、コントローラ６０は、スラリー供給部６５を制御し、金属層４７の研磨に適合した第１のスラリー２５供給する。そして、駆動部６１により、予め設定した回転数、例えば、１０〜８０ｒｐｍで研磨ステージ３を回転させる（Ｓ０２）。同時に、ホルダ制御部６３を制御し、ウェーハホルダ１５を回転させても良い。
続いて、ホルダ制御部６３を制御しメイン研磨における第１の研磨工程を実施する。第１の研磨工程では、ウェーハホルダ１５に第１の荷重を加えて金属層４７を研磨する（Ｓ０３）。また、第１の研磨工程では、研磨量をモニターしながら金属層４７を研磨する（Ｓ０４）。研磨量は、例えば、金属層４７を流れる渦電流をモニタすることにより検出することができる。そして、金属層４７の研磨量が所定の条件に達する終点を検出し、第２の研磨工程に移行する（Ｓ０５）。
第２の研磨工程では、ホルダ制御部６３を制御し、研磨荷重を第１の荷重から第２の荷重へ増加させる。そして、ガス供給部６７を制御し、ガスノズル２７を介して研磨パッド７にガスを吹きつけ、その表面を冷却する（Ｓ０６）。
これにより、絶縁層３２の凹部に残された金属層４７を除去することができる。また、研磨パッド７を冷却することにより、金属層４７の表面に発生するコロージョンを低減することができる。
第２の研磨工程の終点は、研磨時間により制御する（Ｓ０７）。すなわち、第１の研磨工程から第２の研磨工程に移行した後、予め設定した時間ｔ２が経過した時、研磨荷重をオフにし、第１のスラリーおよびガスの供給を停止する（Ｓ０８）。
次に、ＢＭ層４５の研磨に適合する第２のスラリーを供給し（Ｓ０９）、第３の荷重を加えてタッチアップ研磨を開始する（Ｓ１０）。
続いて、予め設定した時間ｔ３の経過後（Ｓ１１）、荷重をオフし、第２のスラリーの供給を停止し、研磨ステージ３の回転をオフして研磨工程を完了する（Ｓ１２）。
メイン研磨における第１の研磨工程と、第２の研磨工程と、は連続して実施する。そして、第１の研磨工程の終点は、例えば、金属層４７を流れる渦電流をモニタすることにより検出する。例えば、図６は、メイン研磨における渦電流モニタの出力の時間変化を例示するグラフである。
研磨開始からｔ１が経過するまでの間は、第１の研磨工程が実行され、それ以降は、第２の研磨工程が実行される。すなわち、金属層４７が研磨され、その厚さが減少するに従い、渦電流は減少する。そして、絶縁層４３の上面の金属層４７が除去される直前において、渦電流は急激に減少する。その後は、ほぼ一定の値を示す。例えば、渦電流の時間微分をモニタすることにより、その絶対値が最大となる点ＥＰを第１の研磨工程の終点として検出することができる。
すなわち、第１の研磨工程の時間ｔ１は、例えば、金属層４７の厚さ、および、研磨の状態に依存して変化する。一方、第２の研磨工程の時間ｔ２は、予め設定された一定の時間である。
金属層４７の研磨量は、渦電流のモニタ以外にも、例えば、研磨ステージ３を回転させるトルクの変化をモニタすることにより実施することができる。すなわち、ＢＭ層４５よりも軟らかい金属層４７を研磨している間は、研磨ステージ３の回転トルクが大きく、ＢＭ層４５の研磨に移行すると回転トルクが小さくなる。この変化を検出することにより、第１の研磨工程の終点を検出することができる。
また、コントローラ６０は、例えば、上記の研磨過程および終点の検出方法を記憶したシーケンサ、または、上記の研磨過程を実行するプログラムを記憶したマイクロプロセッサである。コントローラ６０は、例えば、研磨装置１０に内蔵しても良いし、外部から研磨装置１０を制御しても良い。
次に、表１を参照して、実施例を説明する。本実施例では、研磨パッドとしてニッタハース製 発泡性パッド（ＩＣ１０００）を用いた。金属層４７は、銅（Ｃｕ）を含み、第１のスラリーには、ＪＳＲ社製 シリカスラリー（ＣＭＳ７５０１とＣＭＳ７５５２の混合液）を使用した。また、研磨時の荷重として、１２０ｈＰａ（第１の荷重）、２４０ｈＰａ（第２の荷重）を用いた。
タッチアップ研磨に用いる第２のスラリーには、酸化剤である過水と、ＪＳＲ社製シリカスラリー（ＣＭＳ８４０１とＣＭＳ８４５２混合液）と、の混合液を用い、ＢＭ層４５、および、絶縁層３２を３０ｎｍ除去した。
なお、比較例１として、第２の荷重を第１の荷重と同じにした例を示し、比較例２として、空気の吹きつけを行わない例を示す。さらに、比較例３として、空気の吹きつけ量を多くした例を示す。
Figure 2014011408
表１は、本実施形態に係る実施例１および２、比較例１〜３の研磨特性を示している。表中のＯｖｅｒ加圧、Ｏｖｅｒ冷却は、それぞれ第２の研磨工程における研磨荷重およびガスの吹きつけ量を表す。また、研磨特性として、コロージョンのウェーハ当たりの数（個／ｗｆ）、Ｃｕ膜の残り、および、平坦度を示している。
Ｃｕ膜の残りは、メイン研磨後の光学顕微鏡像に基づき定量化した彩度分布の標準偏差で表している。コロ―ジョンと平坦度は、タッチアップ研磨後に評価した。コロ―ジョンは、欠陥レビューＳＥＭ（ＫＬＡ２８１５：ＫＬＡテンコール社製）を用いて測定した。また、平坦性は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定した。平坦度は、配線パターンの両端と、その中央における段差であり、配線パターンの幅毎に示している。平坦度が大きいほど下地追従性が高い。
例えば、コロージョンの基準を２０個以下とし、Ｃｕ膜の残りの基準を、光学顕微鏡像に基づき定量化した彩度分布の標準偏差４以下、平坦度の基準を、配線幅７０のパターンにおける段差２５μｍ以上として良否を判定する。
例えば、比較例１では、コロージョンの数は基準を下回り良好であるが、Ｃｕ膜残り、および、平坦度は、基準を満たさない。すなわち、Ｃｕ膜の残量が多く金属残渣のクリア性が低い。また、平坦度が小さく下地追従性が小さい。ここで、クリア性とは、研磨面における残渣の除去の程度を言い、クリア性が高いほど配線層の表面における残渣が少ない。
比較例２では、Ｃｕ膜残り、および、平坦度は、基準を満足し、金属残渣のクリア性および下地追従性は良好である。しかしながら、コロージョンが多く、基準を大きく外れている。
比較例３では、コロージョンの数は、基準を満足する。しかし、空気の吹きつけ量を多く設定したことにより、金属層の表面の化学反応が低下してＣｕ膜残りが基準を外れている。また、研磨パッド７が過剰に冷却されたため弾性変形が抑制され、下地追従性が低下している。
これに対し、実施例１および実施例２では、コロージョン数が抑制され、Ｃｕ膜残りも基準以下である。また、平坦度も基準値を上回っており、下地追従性の向上が確認できる。
すなわち、本実施形態に係る研磨方法では、コロージョンの発生を抑制しながら金属残渣のクリア性と、研磨量の下地追従性の向上を図ることができる。これにより、配線パターンの表面に残る金属膜を低減して配線間のショートを抑制することができる。すなわち、コロージョンおよび金属残渣などの表面欠陥を低減し、製造歩留まりを向上させることができる。
また、金属残渣のクリア性が低いと、金属残渣とＢＭ層の両方を研磨することになるため、タッチアップ研磨の時間が長くなり生産性の低下を招く。これに対し、本実施形態では、第２の研磨工程における研磨荷重を大きくして金属残渣のクリア性を向上させる。これにより、タッチアップ研磨の時間を短縮し、生産性を向上させることができる。
一方、研磨パッド７の冷却を過剰に行うとその弾性率が大きくなり、金属残渣のクリア性および下地追従性が損なわれる。この観点からすれば、ガスの吹きつけ量には、上限があり、本実施形態では、５００Ｌ／ｍｉｎ以下とすることが望ましい。この値を、例えば、研磨パッド７の面積で規格化すると、１２５Ｌ／ｍｉｎ以下であり、ガスの吹きつけ量はこの上限以下とすることが望ましい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
３・・・研磨ステージ、 ７・・・研磨パッド、 ７ａ・・・研磨面、 １０・・・研磨装置、 １３・・・シリコン基板、 １５・・・ウェーハホルダ、 １７・・・コンタクト領域、 ２０・・・ウェーハ、 ２３・・・スラリーノズル、 ２５・・・スラリー、 ２７・・・ガスノズル、 ３２・・・絶縁層、 ３３・・・ガス、 ４０・・・配線層、 ４１・・・配線溝、 ４２・・・コンタクトホール、 ４３・・・絶縁層、 ４５・・・バリアメタル層、 ４７・・・金属層、 ４７ａ・・・金属層、 ４９・・・配線、 ６０・・・コントローラ、 ６１・・・駆動部、 ６３・・・ホルダ制御部、 ６５・・・スラリー供給部、 ６７・・・ガス供給部、 ７１・・・凹部

Claims (5)

  1. 絶縁膜に配線溝を形成する工程と、
    前記絶縁膜の上面および前記配線溝の内面を覆うバリアメタル層と、前記配線溝の内部を埋め込み前記バリアメタル層を覆う金属層と、を形成する工程と、
    前記金属層に第１の荷重を加えて研磨する第１の研磨工程と、
    前記第１の荷重よりも重い第２の荷重を加え、前記研磨パッドにガスを吹き付ける第２の研磨工程と、
    を備えた半導体装置の製造方法。
  2. 前記第１の研磨工程の終点を検出し、前記第２の研磨工程に連続して移行する請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記金属層は、銅（Ｃｕ）を含む請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記研磨パッドに吹き付けるガスの流量は、毎分５００リットル以下である請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  5. バリアメタル層の上に形成された金属層を研磨パッドに当接させて連続的に研磨するプログラムであって、
    前記金属層の研磨の終点を検出するステップと、
    前記金属層の研磨の終点を検出後、研磨荷重を第１の荷重から第２の荷重へ増加させ、前記研磨パッドへのガスの吹きつけを開始するステップと、
    を有するプログラムを備えた研磨装置。
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