JP3260542B2 - 研磨装置 - Google Patents
研磨装置Info
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- Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
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Description
である研磨技術に関し、特に導体膜を研磨するための装
置に関する。
研磨体の材料としては、SiO2 、Al、Cu、W等が
挙げられるが、いずれの材料を研磨する場合でも研磨温
度は最も重要な条件となる。すなわち、CMPの際の温
度が変化すると、研磨速度や研磨特性は大きく変わる。
従来の研磨装置では、研磨温度の変動に起因する研磨速
度や研磨特性の変動を抑制するために、研磨温度を調節
する手段が用いられている。例えば、研磨剤を貯蔵する
容器に冷却水循環装置を設置し、容器の温度を一定に保
持して温度変動による研磨特性の変動を防止したり、研
磨定盤に冷却水循環装置を設置し、研磨定盤を冷却して
研磨定盤の反りを防止し、研磨定盤の平坦度を保つよう
にしている。このような手段を備えた研磨装置として
は、例えばMecapol E2000 ( PRESI社(フランス)製、
商品名)がある。この研磨装置は、研磨定盤の下面に冷
却水を噴射して冷却する手段を備えている。
金属の埋め込み配線を形成する目的でCMPを行う場
合、研磨剤スラリーを0℃〜10℃程度の低温で供給す
ると、研磨剤スラリーを20〜30℃の室温で供給する
よりも、金属のディッシングが抑制されるという結果を
得た。
子を分散させてなる研磨剤を収容するタンク内で低温に
保つと、研磨粒子が凝集、沈降し易くなるという問題が
ある。研磨粒子が凝集、沈降した状態、すなわち不均一
な状態の研磨剤を用いて研磨を行うと、被研磨体の表面
に傷が発生したり、研磨速度や研磨特性が変動する。従
来の研磨装置では、研磨剤中の研磨粒子の凝集、沈降を
防止するために、タンクに撹拌手段を備えているが、研
磨剤を低温にした場合においては、撹拌だけでは研磨粒
子の凝集、沈降を充分に防止することができず、被研磨
体表面の傷の発生、研磨速度や研磨特性の変動を回避す
ることができない。
あり、実用上問題がない程度に配線表面に生じる傷(粗
れ)およびディッシングの発生を抑制して研磨すること
ができる研磨装置を提供することを目的とする。
する研磨剤貯蔵容器と、被研磨体を研磨するための研磨
定盤と、前記研磨剤貯蔵容器から前記研磨定盤上へ前記
研磨剤を供給する研磨剤供給管と、前記被研磨体の被研
磨面を前記研磨定盤に対面させるように前記被研磨体を
保持する被研磨体保持具と、前記研磨剤供給管に取り付
けられており、前記研磨剤の温度を調節する研磨剤温度
調節手段とを具備することを特徴とする研磨装置を提供
する。
節手段は、研磨剤の温度を研磨剤貯蔵容器内の研磨剤の
温度よりも低く調節する手段であることが好ましい。こ
こで、研磨剤としては、シリカ、酸化アルミニウム、酸
化セリウム、酸化ジルコニウム、炭素粒子等の研磨粒子
を任意の溶液に分散させてなるものを用いることができ
る。被研磨体としては、Al、Al合金、Cu、Cu合
金、Ag、Ag合金からなる膜等を挙げることができ
る。
より被研磨体を保持する構造、または把持爪により被研
磨体を把持する構造等を有するものを用いることができ
る。本発明において、研磨剤供給管温度調節手段は、研
磨剤供給管内を通流する研磨剤の温度を供給時に低温に
することができるものであればよい。このようなものと
して、研磨剤供給管が任意の温度の冷却液中を通る機構
等を挙げることができる。また、研磨剤温度調節手段
は、研磨剤や被研磨体の種類に応じて制御手段により適
宜温度調節を行うことができるようにすることが好まし
い。
剤の温度を調節する研磨剤温度調節手段を具備すること
を特徴としている。この研磨剤温度調節手段により、研
磨剤を供給する直前に研磨剤を低温にすることができ
る。したがって、研磨剤中の研磨粒子が凝集・沈降せ
ず、低温状態の研磨剤を安定して供給することができ
る。その結果、傷(粗れ)およびディッシングの発生を
抑制してAl、Cu、Ag等の軟質金属の研磨を行うこ
とができる。
的に説明する。 (実施例1)図1は本発明に係る研磨装置の一例を示す
概略図である。図中11は試料ホルダーを示す。この試
料ホルダー11は図示しない駆動機構に接続されてお
り、この駆動機構により上下方向に移動可能であり、ま
た回転可能になっている。試料ホルダー11には、真空
チャックにより被研磨体12が保持されている。試料ホ
ルダー11の下方には、研磨プレート14が配置されて
おり、研磨プレート14の上面には、ポリッシングパッ
ド13が貼付されている。研磨プレート14およびポリ
ッシングパッド13により研磨定盤が構成されている。
この研磨定盤は図示しない駆動機構により回転可能にな
っている。
されており、配管15は定盤温度調節装置16に接続さ
れている。この配管15には水等の媒体が循環される。
定盤温度調節装置16は、内部に図示しない冷凍機およ
びヒータを備えており、配管15内を循環する媒体の温
度を調節するようになっている。これにより、研磨定盤
の温度が調節される。
る50リットルの研磨剤貯蔵タンク17が設置されてい
る。研磨剤貯蔵タンク17内には、研磨剤を撹拌するた
めのプロペラ18が取り付けられている。研磨剤貯蔵タ
ンク17の側部には、研磨剤供給管19が取り付けられ
ており、研磨剤供給管19には、研磨剤温度調節装置2
2が取り付けられている。この研磨剤温度調節装置22
には、図示しない冷凍機が備えられている。研磨剤21
が研磨剤供給管19を通過することにより、研磨剤21
はポリッシングパッド13上に供給される前に温度調節
される。研磨剤貯蔵タンク17には、配管23が巻回さ
れており、配管23はタンク温度調節装置24に接続さ
れている。この配管23には水等の媒体が循環される。
タンク温度調節装置24は、内部に図示しない冷凍機お
よびヒータを備えており、配管23内を循環する媒体の
温度を調節するようになっている。これにより、研磨剤
貯蔵タンク17の温度が調節される。なお、研磨剤温度
調節装置22およびタンク温度調節装置24は別々に制
御してもよく、一括して両者を制御してもよい。このよ
うにして本発明に係る研磨装置が構成されている。
に被研磨体を研磨する場合、駆動機構により試料ホルダ
ー11および研磨定盤を回転させ、試料ホルダー11を
下方に降下させて、被研磨体12をポリッシングパッド
13に一定の荷重で押し付ける。この状態で研磨剤供給
管19の吐出部20から研磨剤21をポリッシングパッ
ド13上に供給することにより研磨が行われる。
にAlの埋め込み配線を形成する方法について説明す
る。まず、シリコン基板上にSiO2 膜30を形成す
る。次いで、このSiO2 膜30上に直流マグネトロン
スパッタリング法により全面に厚さ50nmの炭素膜31
を形成した後、通常のフォトリソグラフィー工程を経て
配線用の溝(幅1μm、3μm、5μm、および10μ
m)を形成する。その後、直流マグネトロンスパッタリ
ング法により全面にAl膜32を形成する。このとき、
Al膜32の膜厚は450nmとし、溝段差以上の高さに
なるようにした。このようにして、図2に示すような被
研磨体12を作製した。
置し、被研磨体12にCMPを行った。ポリッシングパ
ッド13には、不織布上に発泡ポリウレタン層を貼付し
てなる総厚さ1.5mm、ショア硬度66〜88のものを
使用した。このポリッシングパッドの選定理由は、研磨
圧力30〜600gf/cm2 で、純水だけを用いてAl、
Cu等の軟質金属のCMPを行ったところ、硬度、研磨
圧力によらず、研磨表面には、深さ100nm以上の傷は
発生しなかったことである。また、研磨剤21には、平
均粒径35nmのシリカ粒子を純水に1.0重量%分散さ
せたものを使用した。研磨条件は以下に示すように設定
した。なお、研磨定盤温度は、定盤温度調節装置16に
より一定に維持した。
件(1)、(2)のように変化させた。 ・条件(1) 25℃(室温)の状態で研磨剤21を研磨剤貯蔵タンク
17に投入し、研磨剤貯蔵タンク17をタンク温度調節
装置24により25℃に調節する。このとき、研磨剤貯
蔵タンク17内の研磨剤21をプロペラ18により撹拌
する。研磨剤21を研磨剤供給管19を介してポリッシ
ングパッド13上に供給する際に、研磨剤温度調節装置
22により研磨剤21の温度を1〜80℃まで変化させ
る。 ・条件(2) 25℃(室温)の状態で研磨剤21を研磨剤貯蔵タンク
17に投入し、研磨剤貯蔵タンク17内の研磨剤21を
プロペラ18により撹拌しながら、研磨剤貯蔵タンク1
7をタンク温度調節装置24により1〜80℃まで変化
させる。研磨剤貯蔵タンク17内の研磨剤21の温度が
安定したところで、研磨剤21を研磨剤供給管19を介
してポリッシングパッド13上に供給する。このとき、
研磨剤温度調節装置22は取り外す。
す被研磨体を研磨したときのAl配線のディッシング量
と研磨剤温度との関係を示すグラフおよびAl表面の最
大表面粗さRmax と研磨剤温度との関係を示すグラフを
それぞれ図3および図4に示す。なお、ポリッシングパ
ッド13に供給される研磨剤の温度を直接測定すること
は難しいので、ポリッシングパッド13表面の温度(研
磨面温度)を測定し、その温度を研磨剤温度とした。
なわち研磨剤供給管19により温度調節を行う場合で
も、条件(2)、すなわち研磨剤貯蔵タンク17により
温度調節を行う場合でも、ディッシング量はほとんど同
じ値を示した。具体的には、研磨剤の温度が低いほど、
ディッシング量は小さくなる傾向がある。したがって、
研磨剤の温度を低くすることにより、被研磨体のディッ
シングを小さくすることができる。また、図4から明ら
かなように、研磨剤温度が低い場合には、研磨剤供給管
19により温度調節を行う方が研磨後のAl表面の最大
表面粗さRmax は小さい。
粒子が溶液中に分散しているものの場合においては、粒
子が充分に小さければ、ブラウン運動や、表面に蓄えら
れた電荷に起因する粒子同士の反発等により分散が保た
れる。しかしながら、粒子が大きかったり、あるいは温
度が低くブラウン運動のためのエネルギーが充分でない
ときは、粒子は凝集、沈降する。このことを考慮する
と、研磨剤貯蔵タンク17を冷却した場合には、撹拌を
行っていてもブラウン運動のためのエネルギーが不充分
となり、研磨粒子が凝集、沈降するため、研磨後のAl
表面の最大表面粗さRmax が大きくなる。一方、研磨剤
供給管19を冷却した場合には、研磨剤21は研磨剤貯
蔵タンク17内では分散状態が保たれる。さらに、ポリ
ッシングパッド13上に供給される直前で冷却されるの
で、研磨粒子の凝集、沈降が起ることがない。このた
め、研磨後のAl表面の最大表面粗さRmax が小さい。
た。まず、25℃(室温)の状態で研磨剤21を研磨剤
貯蔵タンク17に投入し、プロペラ18により研磨剤2
1を撹拌する。また、研磨剤温度調節装置22の設定温
度を5℃にする。この状態で研磨剤21を研磨剤供給管
19を介してポリッシングパッド13に供給したとこ
ろ、吐出部20での研磨剤温度は常に5±0.5℃であ
った。このときに、吐出部20から吐出された研磨剤2
1を調べたところ、凝集、沈降はまったく起っていなか
った。次に、25℃(室温)の状態で研磨剤21を研磨
剤貯蔵タンク17に投入し、プロペラ18により研磨剤
21を撹拌する。また、タンク温度調節装置24の設定
温度を5℃にする。この状態で研磨剤21を研磨剤供給
管19を介してポリッシングパッド13に供給したとこ
ろ、同様に吐出部20での研磨剤温度は常に5±0.5
℃であった。しかしながら、吐出部20から吐出された
研磨剤21を調べたところ、1リットル当り、1ccのシ
リカのゲル状沈殿物が含まれていた。
で研磨剤21を低温にすると、プロペラ18による撹拌
だけでは、研磨粒子の凝集、沈降を完全に抑制できない
ことが分った。すなわち、研磨剤21を低温に保持する
時間が長いほど、研磨粒子の凝集、沈降が起る。凝集し
た大きな粒径の研磨粒子は被研磨体表面への傷発生の原
因となる。したがって、低温で、しかも分散状態が安定
な研磨剤を供給するには、研磨剤貯蔵タンク17内では
研磨剤21を研磨粒子の凝集、沈降が起らない温度に保
ち、研磨剤供給管19において、望ましくは研磨定盤に
供給する直前に冷却することが最も好ましい。なお、研
磨定盤に供給する直前に研磨剤21を冷却するという意
味では、研磨剤21を研磨粒子の凝集、沈降が起らない
温度に保ち、冷却した研磨定盤上に供給する方法も考え
られるが、研磨時には常に研磨剤が流れていることおよ
び研磨定盤上のポリッシングパッドの熱伝導率が低いこ
とを考慮すると、この方法は実用的でないと思われる。
いているが、Alには少量の不純物が含まれていてもよ
い。例えば、Si1.0重量%やCu1.0重量%を含
むAl合金からなる膜を被研磨体として使用しても上記
効果を発揮する。また、本実施例では、Al用の研磨剤
として、平均粒径35nmのシリカ粒子を純水に1.0重
量%分散させたものを用いているが、他の研磨剤を用い
ても上記効果を発揮する。さらに、研磨剤供給管に設置
された研磨剤温度調節装置によって、研磨剤21をポリ
ッシングパッド13上に供給する前に冷却することがで
きれば、図1に示すような研磨定盤温度調節装置やタン
ク温度調節装置を用いなくても上記効果を発揮する。 (実施例2)図5は図1に示す研磨装置を用いてCMP
を行う被研磨体の他の例を示す断面図である。シリコン
基板上にSiO2 膜30を形成する。次いで、このSi
O2膜30上に通常のフォトリソグラフィー工程を経て
配線用の溝(幅1μm、3μm、5μm、および10μ
m)を形成する。この上に直流マグネトロンスパッタリ
ング法により全面に厚さ50nmの窒化チタン膜33を形
成する。その後、直流マグネトロンスパッタリング法に
より全面にCu膜34を形成する。このとき、Cu膜3
4の膜厚は450nmとし、溝段差以上の高さになるよう
にした。このようにして被研磨体12を作製した。
置し、被研磨体12にCMPを行った。ポリッシングパ
ッド13には、不織布上に発泡ポリウレタン層を貼付し
てなる総厚さ1.5mm、ショア硬度66〜88のものを
使用した。また、研磨剤21には、平均粒径35nmのシ
リカ粒子を純水に10重量%分散させたものを使用し
た。研磨条件は以下に示すように設定した。なお、研磨
定盤温度は、定盤温度調節装置16により一定に維持し
た。
の条件(1)、(2)のように変化させた。このときの
Cu配線のディッシング量と研磨剤温度との関係を示す
グラフおよびCu表面の最大表面粗さRmax と研磨剤温
度との関係を示すグラフをそれぞれ図6および図7に示
す。
合でも、条件(2)の場合でも、ディッシング量はほと
んど同じ値を示した。具体的には、研磨剤の温度が低い
ほど、ディッシング量は小さくなる傾向がある。したが
って、研磨剤の温度を低くすることにより、被研磨体の
ディッシングを小さくすることができる。また、図7か
ら明らかなように、研磨剤温度が低い場合には、研磨剤
供給管19により温度調節を行う方が研磨後のCu表面
の最大表面粗さRmax は小さい。
いているが、Cuには少量の不純物が含まれていても上
記効果を発揮する。また、本実施例では、Cu用の研磨
剤として、平均粒径35nmのシリカ粒子を純水に10重
量%分散させたものを用いているが、他の研磨剤を用い
ても上記効果を発揮する。
シングパッドには不織布上に発泡ポリウレタン層を貼付
してなるものを用いているが、硬度が同程度であれば、
例えば、ポリエステル、ポリエーテル等の不織布や、そ
れらの不織布に樹脂含浸処理を施したポリッシングパッ
ド、あるいは2種類以上の異なるパッドを張り合せてな
るポリッシングパッド等を用いても上記効果を発揮す
る。 (実施例3)図8は本発明に係る研磨装置の他の例を示
す概略図である。なお、図1に示す装置と同一部分につ
いては図1と同一の符号を付して説明は省略する。研磨
剤温度調節装置22と研磨剤貯蔵タンク17の間の研磨
剤供給管19には、送液ポンプ41が取り付けられてい
る。また、研磨剤温度調節装置22と吐出部20との間
の研磨剤供給管19には、研磨剤21を研磨剤貯蔵タン
ク17に帰還させるための配管40が取り付けられてい
る。研磨処理と次の研磨処理との間の研磨を行わない時
間が長い場合において、研磨剤温度調節装置22の設定
温度が低いと、研磨剤供給管19の研磨剤温度調節装置
22部分に留まっている研磨剤21が凝集、沈降してし
まう恐れがある。したがって、研磨剤21をポリッシン
グパッド13に供給するか、研磨剤貯蔵タンク17に帰
還させるかを切り替えるバルブV1 およびV2 は、研磨
剤温度調節装置22よりも下流側に設置することが好ま
しい。
に被研磨体を研磨する場合、駆動機構により試料ホルダ
ー11および研磨定盤を回転させ、試料ホルダー11を
下方に降下させて、被研磨体12をポリッシングパッド
13に一定の荷重で押し付ける。この状態で研磨剤供給
管19の吐出部20から研磨剤21をポリッシングパッ
ド13上に供給することにより研磨が行われる。また、
研磨を行わない場合においては、研磨剤21の不均質化
や送液速度の変動による研磨特性の変動を回避するため
に、送液ポンプ41を作動させておき、バルブV1 およ
びV2 を操作して研磨剤21を再び研磨剤貯蔵タンク1
7に帰還させる。
の埋め込み配線を形成するために図2に示す被研磨体に
CMPを行ったところ、実施例1と同様な結果が得られ
た。本実施例では、ポリッシングパッドには不織布上に
発泡ポリウレタン層を貼付してなるものを用いている
が、硬度が同程度であれば、例えば、ポリエステル、ポ
リエーテル等の不織布や、それらの不織布に樹脂含浸処
理を施したポリッシングパッド、あるいは2種類以上の
異なるパッドを張り合せてなるポリッシングパッド等を
用いても上記効果を発揮する。
として研磨を行う場合について説明しているが、Al等
と同様な軟質金属であるAgを被研磨体として研磨を行
う場合でも本発明は有効である。また、本発明は、幅の
異なる溝が表面に混在して形成されている基体に対して
も有効である。また、本発明は、半導体基板上の絶縁膜
表面に、配線材料を埋め込むための溝が形成されたもの
や、透明(絶縁)基板上に、光(可視光、紫外光、X線
等)の吸収体材料を埋め込むための溝が形成されたもの
(例えばCrやWからなる位相マスク、X線マスク)に
対しても適用することができる。その他、本発明の要旨
を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
研磨剤供給管に取り付けられ、研磨剤の温度を調節する
研磨剤温度調節手段を備えており、研磨剤を供給直前に
低温にすることができるので、実用上問題がない程度に
配線表面に生じる傷(粗れ)およびディッシングの発生
を抑制して研磨することができる。
の一例を示す断面図。
ラフ。
フ。
の他の例を示す断面図。
ラフ。
フ。
ングパッド、14…研磨プレート、15,23,40…
配管、16…定盤温度調節装置、17…研磨剤貯蔵タン
ク、18…プロペラ、19…研磨剤供給管、20…吐出
部、21…研磨剤、22…研磨剤温度調節装置、24…
タンク温度調節装置、30…SiO2 膜、31…炭素
膜、32…Al膜、33…窒化チタン膜、34…Cu
膜、41…送液ポンプ。
Claims (1)
- 【請求項1】研磨剤を貯蔵する研磨剤貯蔵容器と、 前記研磨剤貯蔵容器内の温度を、前記研磨剤が凝集およ
び沈降しない温度に調節する研磨剤貯蔵容器温度調節手
段と、 被研磨体を研磨するための研磨定盤と、 前記研磨剤貯蔵容器から前記研磨定盤上へ前記研磨剤を
供給する研磨剤供給管と、 前記被研磨体の被研磨面を前記研磨定盤に対面させるよ
うに前記被研磨体を保持する被研磨体保持具と、 前記研磨剤供給管に取り付けられており、前記研磨剤の
温度を、前記研磨剤貯蔵容器内の研磨剤の温度よりも低
く調節する研磨剤温度調節手段と、 を具備することを特徴とする研磨装置。
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1994
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