JP3680343B2 - 化学的機械研磨装置及び半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば半導体ウエハ等の被加工基板の表面を平坦化する際に用いて好適な化学的機械研磨装置及び半導体デバイスの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの微細化に伴って高アスペクト比の多層配線の必要性が高まるなか、配線や層間膜の平坦化がグローバルに必要となってきている。この分野での平坦化技術としては、従来より微細ギャップを埋めたり平滑化する技術が主流となっていたが、近年では半導体ウエハの全面にわたって平坦化する、いわゆるグローバル平坦化技術として化学的機械研磨（ＣＭＰ）が注目されている。
【０００３】
図５は従来における化学的機械研磨装置の一例を説明する図である。
図５において、研磨プレート１の上面には研磨パッド（溝付き）２が取り付けられている。また、研磨プレート１の上方には、これに対向する状態で研磨ヘッド３が配置されている。さらに、研磨ヘッド３の近傍には研磨剤供給ノズル４が配置されている。
研磨時には、半導体ウエハ等の被加工基板５が研磨ヘッド３の下端面に保持される。この状態で、研磨プレート１と研磨ヘッド３とが図中矢印で示す方向に回転駆動されるとともに、研磨剤供給ノズル４から吐出された研磨剤が研磨パッド２上に供給される。そして、図示せぬ加圧ユニットの加圧力をもって被加工基板５が研磨パッド２上に押し付けられることにより、基板表面が研磨される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで最近、この種の化学的機械研磨装置では、研磨中における被加工基板５の温度変動によってパターン依存性や研磨時間依存性がでることが報告されている。温度変動の要因としては、研磨中における研磨パッド２と被加工基板５との摩擦熱や被加工基板５と研磨剤との化学反応熱があり、研磨条件によっては、上述の発熱要因によって被加工基板５に１０℃程度の温度上昇が起こるとの報告（文献：社団法人 電子情報通信学会 信学技報 １９９４−８）もなされている。これは、被加工基板５の温度が５℃異なると研磨速度が２倍に変化するという同報告を踏まえると、研磨時の基板温度が研磨速度に多大な影響を与えることが分かる。
【０００５】
そこで同報告の中では、被加工基板５の温度上昇を抑えるべく研磨プレート１や研磨剤を所定温度に冷却し、研磨速度の再現性を上げた事例も報告されているが、そうした場合は化学反応の鈍化によって研磨速度が著しく低下するため、研磨速度を稼ぐために研磨剤の濃度を上げたり研磨圧を上げる必要がある。しかし、研磨剤の濃度や研磨圧をパラメータとして得られる最大の研磨速度としては数十ｎｍ／ｍｉｎといったレベルであり、量産性を配慮した実用レベルには程遠いものとなっていた。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、パターン依存性や研磨時間依存性を低減しつつ、実用レベルの研磨速度を得ることができる化学的機械研磨装置及び半導体デバイスの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するためになされたもので、被加工基板を保持する研磨ヘッドと、この研磨ヘッドに対向して配置された研磨プレートと、この研磨プレートの上面に取り付けられた研磨パッドと、この研磨パッド上に研磨剤を供給する研磨剤供給手段とを備えた化学的機械研磨装置であり、研磨ヘッドに保持された被加工基板を、研磨剤の濃度ｘ (pH) が７≦ｘ≦１１の条件で、当該被加工基板の表面温度に対して研磨速度の変化度合いがほぼピークとなる温度に恒温加熱する加熱制御手段を具備した構成となっている。
また、本発明の半導体デバイスの製造方法では、半導体ウエハの表面を化学的機械研磨によって平坦化するに際し、半導体ウエハを、研磨剤の濃度ｘ (pH) が７≦ｘ≦１１の条件で、当該半導体ウエハの表面温度に対して研磨速度の変化度合いがほぼピークとなる温度に恒温加熱しながら化学的機械研磨を行うようにしている。
【０００８】
【作用】
本発明の化学的機械研磨装置においては、研磨ヘッドに保持された被加工基板を加熱制御手段によって恒温加熱することができるため、研磨中における被加工基板の温度を研磨条件の一つのパラメータとして設定することが可能となる。
その結果、例えば研磨剤の濃度や研磨ヘッドの加圧力など、他のパラメータとの組み合わせをもって最適な研磨条件が容易に得られるようになる。
また、本発明の半導体デバイスの製造方法においては、半導体ウエハを所定の温度に恒温加熱しながら化学的機械研磨を行うことにより、パターン依存性や研磨時間依存性を低減しつつ、実用レベルの研磨速度を得ることが可能となる。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明に係わる化学的機械研磨装置の一実施例を説明する図である。
まず、図１（ａ）において、研磨プレート１の上面には研磨パッド２が取り付けられており、これに対向する状態で研磨プレート１の上方に研磨ヘッド３が配置されている。研磨ヘッド３の近傍には研磨剤供給ノズル４が配置されており、この研磨剤供給ノズル４から吐出された研磨剤（スラリー）が研磨パッド２上に供給される。また研磨時には、半導体ウエハ等の被加工基板５が研磨ヘッド３の下端面に保持され、図示せぬ加圧ユニットの加圧力をもって研磨パッド２に押し付けられる。
【００１０】
ここで本実施例においては、上述のごとく研磨ヘッド３に保持された被加工基板５を所定の温度に恒温加熱する加熱制御手段が以下のように構成されている。
すなわち、研磨プレート１の下面には、例えば加熱コイル６ａ、加熱用電源（交流電源）６ｂ、可変抵抗器６ｃからなるヒータ部６を備えた加熱プレート７が密着して取り付けられている。また研磨プレート１には、そのプレート温度を検知（モニター）するため、例えば熱電対を用いた温度検知器（Ｔｍ）８が取り付けられている。さらに、研磨プレート１と加熱プレート７とは、両者間での熱伝導を高めるため、アルミ合金や銅合金等の高熱伝導性材料で構成されている。
一方、研磨剤の循環機９にも、例えば上記同様に加熱コイル１０ａ、加熱用電源１０ｂ、可変抵抗器１０ｃからなるヒータ部１０が具備され、さらに循環機９の内部温度を検知するための温度検知器（Ｔｍ）１１が取り付けられている。
【００１１】
加えて、上述した加熱手段の制御形態としては、加熱プレート６や循環機８などの加熱対象に対し、それぞれ個別にフィードバック制御が採用されている。
例えば、加熱プレート７に対しては、図１（ｂ）に示すように、温度検知器８によって検知されたプレート温度が制御部１２に送られ、そこで目標とする設定温度とプレート温度との比較がなされる。そして、制御部１２での比較結果に基づいて制御部１２からヒータ部６へと制御信号が出力される。これにより、ヒータ部６では可変抵抗器６ｃの抵抗値がプレート温度（温度検知器８の検知温度）に応じて適宜制御され、これに伴う加熱電流の変化によって研磨プレート１の温度が目標温度と一致するように制御される。
なお、こうした温度制御形態は、循環器９に取り付けられたヒータ部１０や温度検知器１１においても同様である。
【００１２】
上記構成からなる化学的機械研磨装置においては、温度検知器８の検知温度に基づいてヒータ部６での発熱温度を制御することにより、加熱プレート７を介して研磨プレート１及び研磨パッド２がほぼ一定の温度レベルに加熱保持される。また、温度検知器１１の検知温度に基づいてヒータ部１０での発熱温度を制御することにより、循環機９内の研磨剤が上記パッド表面温度と同等の温度レベルに加熱保持される。
そして研磨時には、加熱プレート７からの熱伝導によってパッド表面が一定の温度レベルに保持されるとともに、循環器９の内部でヒータ部１０により加熱保持された研磨剤がポンプ１２の駆動により研磨剤供給ノズル４から研磨パッド２上に供給される。その際、循環機９内の加熱温度を配管系での温度降下を見込んでパッド表面温度よりも若干高めに設定しておけば、研磨剤供給ノズル４から供給される時点でパッド表面と同等温度の研磨剤を供給することができる。
【００１３】
これにより、研磨ヘッド３に保持された被加工基板５は研磨パッド２や研磨剤の熱によって一定の温度レベルに保持されるようになるため、加熱制御系の設定温度（目標温度）を変えることで、研磨中の被加工基板５を所望の温度に恒温加熱することができる。
その結果、研磨速度に大きく依存する被加工基板５の温度を研磨時のパラメータに加えて、以下のごとく従来問題を解消した最適な研磨条件を容易に得ることが可能となる。
【００１４】
すなわち、化学的機械研磨においては、図２（ａ）に示すように、研磨中における反応温度（基板表面温度）のばらつきが小さいほど研磨速度のばらつきも小さくなる。また、研磨剤の濃度をパラメータとした場合、研磨剤が高濃度（ｐＨ＝ｘ＞１１）になるほど反応温度のばらつきに対する研磨速度のばらつき量が大きくなる。
一方、反応温度と研磨速度との関係では、図２（ｂ）に示すように、研磨剤の濃度が高いほど反応温度に対する研磨速度の変化度合いが大きくなるものの、常温以上の反応温度領域では、研磨剤の濃度レベル毎に、反応温度に対する研磨速度の変化度合いが極端に小さくなるピーク領域（Ｐ１〜Ｐ３）が存在する。こうしたピーク領域は、研磨剤の濃度が低くなるほど広範囲に得られるが（Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３）、その反面、研磨剤が低濃度になると、それに伴って研磨速度も落ちてしまう。
【００１５】
そこで、プロセス上の実用レベルとして、例えば研磨剤の濃度が７≦ｘ≦１１で得られるピーク領域Ｐ２での研磨速度で十分であり、しかもそのピーク領域Ｐ２での温度範囲よりも被加工基板５の温度変動が小さいと認められる場合は、研磨中における被加工基板５の温度がピーク領域Ｐ２の温度範囲内で変動するよう、上述の加熱制御手段により研磨プレート１や研磨剤の加熱条件を設定し、研磨時に被加工基板５を恒温加熱する。
これにより、実用レベルの研磨速度が得られると同時に、被加工基板５の温度上昇に伴う研磨速度のばらつきを殆ど無視できる最適な研磨条件が得られる。
【００１６】
また、被加工基板５での発熱を冷却によって抑えるという従来技術では、出来るだけ研磨速度を稼ぐために高濃度の研磨剤を使用せざるを得なかったが、本実施例の研磨装置では、被加工基板５を常温レベル以上に恒温加熱することから被加工基板５と研磨剤との化学反応が活発化するため、研磨剤の濃度を必要十分なレベルまで下げることができる。
その結果、プロセス上のランニングコストを低減できるとともに、研磨剤の腐食作用による研磨剤供給系（配管等）の損傷を軽減することができる。
【００１７】
図３は本発明に係わる化学的機械研磨装置の他の実施例を説明する図である。
図３に示す化学的機械研磨装置では、先の実施例と同様の構成に加えて、研磨プレート１や研磨ヘッド３などの研磨主要部を、図示せぬヒータ機能を備えた恒温槽１３の内部に収めるとともに、その恒温槽１３の内壁面近傍の温度を検知するための温度検知器１４を備えている。また、循環機９から研磨剤供給ノズル４に至る配管系にも例えば加熱コイル、加熱用電源、可変抵抗器からなるヒータ部１５を設けて、循環機９内のヒータ部１０との間に所定の温度格差を設けるようにしている。
【００１８】
この化学的機械研磨装置においては、温度検知器１４の検知温度に基づいて恒温槽１３のヒータ機能を作動させることにより、研磨プレート１や研磨ヘッド２を含む研磨主要部の周囲をほぼ一定の温度雰囲気に保持することができる。
また、循環機９内の温度が恒温槽１３の内部よりも僅かに低くなるよう、温度検知器１１の検知温度に基づいてヒータ部１０の動作を制御し、循環機９から研磨剤供給ノズル４に至る配管系ではヒータ部１５からの加熱作用によって一定の温度勾配を設けることにより、配管系に依存した研磨剤の温度ばらつきが効果的に抑えられ、研磨パッド２の表面温度と同等温度の研磨剤を安定して供給することができる。
その結果、研磨中の被加工基板５を、より厳密に恒温加熱することが可能となる。
【００１９】
ちなみに、研磨パッド２の材料としては、従来よりポリウレタンが多く採用されていたが、本発明の実施にあたってはポリウレタンパッドの耐熱温度が４０℃程度であることから、パッド表面の上限温度が大きく制限されてしまう。
そこで、例えばテフロンに粗面化等の表面処理を施して親水性を持たせたものや、ポリエチレンテレフタレート等の耐熱材料にて研磨パッド２を構成することにより、研磨条件の一つとなる温度パラメータの設定許容範囲を大幅に拡大することができる。
また、加熱温度の上限レベルは研磨パッド２の耐熱温度程度（現状では１５０℃程度）と比較的低温レベルであるため、加熱手段としては、上述した抵抗加熱以外にも、例えば図４に示すように発熱ランプ１６ａと反射ブロック１６ｂとをヒータ部１６としたランプ加熱方式や、図示はしないがマイクロ波を用いた加熱方式など種々な手法を採用することができ、装置設計上の自由度がきわめて高いといったメリットもある。
【００２０】
なお、被加工基板を恒温加熱するための直接的な加熱対象としては、上述した研磨プレート１や研磨剤の他にも、被加工基板５の温度に大きく影響を及ぼす研磨ヘッド３を加熱対象としてもよい。
また、研磨プロセスへの適用にあたっては、特に、半導体ウエハでの薄膜形成におけるＷＥＬＬ形成、素子分離、アルミ配線加工、ギャップフィル後の平坦化処理などに用いて有効である。
【００２１】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の化学的機械研磨装置によれば、研磨ヘッドに保持された被加工基板を所定の温度に恒温加熱する加熱制御手段を備えたことにより、研磨剤の濃度や研磨ヘッドの加圧力などと同様に、研磨中における被加工基板の温度を研磨条件の一つのパラメータとして設定することが可能となるため、パターン依存性や研磨時間依存性が小さい高スループットな最適研磨条件を容易に得ることができる。その結果、研磨剤の濃度や研磨ヘッドの加圧力など、既存のパラメータの制御範囲が大幅に拡大するとともに、研磨ヘッドの加圧力などを基板内均一性のパラメータとして単独で操作することができるため、高精度で且つ再現性に優れた平坦化研磨を行うことが可能となる。
また、本発明の半導体デバイスの製造方法によれば、半導体ウエハを所定の温度に恒温加熱しながら化学的機械研磨を行うことにより、パターン依存性や研磨時間依存性を低減しつつ、実用レベルの研磨速度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる化学的機械研磨装置の一実施例を説明する図である。
【図２】本発明の化学的機械研磨装置による効果を説明するための図である。
【図３】本発明に係わる化学的機械研磨装置の他の実施例を説明する図である。
【図４】加熱手段の変形例を説明する図である。
【図５】従来における化学的機械研磨装置の一例を説明する図である。
【符号の説明】
１ 研磨プレート
２ 研磨パッド
３ 研磨ヘッド
４ 研磨剤供給ノズル
５ 被加工基板（半導体ウエハ）
６、１０、１５、１６ ヒータ部
７ 加熱プレート
８、１１、１４ 温度検知器
９ 研磨剤の循環機
１２ 制御部
１３ 恒温槽

Claims (2)

1. 被加工基板を保持する研磨ヘッドと、この研磨ヘッドに対向して配置された研磨プレートと、この研磨プレートの上面に取り付けられた研磨パッドと、この研磨パッド上に研磨剤を供給する研磨剤供給手段とを備えた化学的機械研磨装置において、
   前記研磨ヘッドに保持された前記被加工基板を、前記研磨剤の濃度ｘ (pH) が７≦ｘ≦１１の条件で、当該被加工基板の表面温度に対して研磨速度の変化度合いがほぼピークとなる温度に恒温加熱する加熱制御手段を具備したことを特徴とする化学的機械研磨装置。
2. 半導体ウエハの表面を化学的機械研磨によって平坦化するに際し、
   前記半導体ウエハを、研磨剤の濃度ｘ (pH) が７≦ｘ≦１１の条件で、当該半導体ウエハの表面温度に対して研磨速度の変化度合いがほぼピークとなる温度に恒温加熱しながら化学的機械研磨を行うことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。

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