JP3778436B2

JP3778436B2 - ウェーハ研磨装置

Info

Publication number: JP3778436B2
Application number: JP2002058788A
Authority: JP
Inventors: 雄二古村
Original assignee: 有限会社フィルブリッジ
Priority date: 2002-03-05
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2022-03-05
Also published as: JP2003257917A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体のデバイス製造方法に係わり、特に機械研磨で付着材料の周囲の一部あるいは全部を除去する工程を含む半導体デバイスの製造方法に使用されるウェーハ研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速の通信、データ処理に対応するために半導体デバイスのテクノロジー寸法は１３０ｎｍから１００ｎｍ、７０ｎｍ、５０ｎｍへと急速に微細化している。その開発費は微細化に伴なって急激に増大するが、従来の製造方法では半導体ウェーハ（以下、単にウェーハという）の交換開発ができないため、個別の企業が負担する開発コストは巨額となり、半導体産業の発展と企業の自由な参入の妨げになっていた。
【０００３】
このような高コスト開発を低コスト開発に転換するには、一企業で開発ラインを保有して開発するのでなく、半導体製造産業に係わる企業が互いに個々に所有する技術を利用できるようにすればよく、それには、個々の製造装置や企業を超えてウェーハの交換ができる標準ハンドリングを開発すればよい。この標準ハンドリングにより、ウェーハ自体がそれらの製造装置やラインを自由に移動できるようになる。このウェーハの移動により、多数の開発ラインに一企業で単独で先端製造装置、材料を導入することによる巨額な開発投資の低減とそのリスクの分散が図れ、多くの製造技術や製造装置を先端技術開発に容易に用いることが可能になる。
【０００４】
これを可能にするためには、１）ウェーハに触れて拡散させるおそれのある汚染をウェーハのハンドリングの際に触れるエッジ部分から完全に除去すること、２）ウェーハの認識番号（ＩＤ番号）が確実にレーザ読取機で確認できることが必要である。
【０００５】
しかしながら、従来のウェーハの搬送や保持は、ウェーハ裏面または表面の周辺部に接触して行うので、汚染がこの接触により拡散する。汚染には分子レベルのものから粒子状のものまでサイズはいろいろであり、接触する部分の洗浄は、図９に示すように、薬液ｃをウェーハＷ_１に吹付けて薬液ｃに浸して行っている。この洗浄工程において、製造中の回路が存在するウェーハ表面も薬液に浸るので、表面にレジスト保護膜ｋを塗布し、露光装置を使用して通常の露光工程で周辺部ｐ_１の表面を露出させて薬品に浸し、その後保護膜を除去する。薬液は一般にエッチング除去する化学的能力が、被エッチング材料により異なるので、製造工程と被エッチング材料にあわせて薬品と洗浄条件を調整することが必要である。さらに、微視的にみるとエッチング速度が異なるので部分的に除去残が存在すると、それが、次のエッチングのマスクとして働き、ウェーハ表面が凸凹になったり、残存物がゴミとして薬品の中に入り込み、製造工程の障害になる。また積層された膜をエッチングしようとすると、膜厚の正しい情報を管理できないためと時間を管理できないために、膜の除去に限界がある。
【０００６】
また、工程が進行するにつれて、図１０に示すように、ウェーハ一枚一枚を認識するためのマーク溝ｍ_１が膜ｓ_１で埋まり化学機械研磨で上層を平坦にすると、鏡面反射してマークの読み取りが困難となりウェーハＷ_１の認識ができなくなる。
【０００７】
従って、ウェーハが接触する部位が運ぶ汚染（主に金属）を除去できないこと、ウェーハの認識が確実でないことなど、製造障害のリスクや不安感のために、他企業あるいは別工場とウェーハを交換して製造工程を進めることは事実上できなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、半導体ウェーハに触れて拡散させるおそれのある汚染をウェーハのハンドリングの際に触れるエッジ部分から完全に除去でき、半導体ウェーハの認識番号が確実にレーザ読取機で確認できて、ウェーハを交換して製造工程を進めることができる半導体デバイスの製造方法が要望されていた。
【０００９】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、半導体ウェーハに触れて拡散させるおそれのある汚染をウェーハのハンドリングの際に触れるエッジ部分から完全に除去でき、ウェーハの認識番号が確実にレーザ読取機で確認できて、ウェーハを交換して製造工程を進めることができる半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の１つの態様によれば、半導体基板の表面に導電性材料及び絶縁性材料を付着して半導体デバイスを製造する半導体デバイスの製造方法において、前記半導体基板の積層面を保護し、しかる後、機械研磨により前記付着材料の周囲の一部あるいは全部を除去する工程を含むことを特徴とする半導体のデバイスの製造方法が提供される。これにより、半導体基板に触れて拡散させるおそれのある汚染を半導体基板のハンドリングの際に触れるエッジ部分から完全に除去でき、半導体基板の認識番号が確実にレーザ読取機で確認できて、標準ハンドリングが確立し半導体基板を交換して製造工程を進めることが可能となる。
【００１１】
好適な一例では、上記機械研磨工程の後に、研磨面を洗浄する洗浄工程を含む。これにより、高純度な表面状態が実現する。
【００１２】
また、他の好適な一例では、上記洗浄後の研磨面は、０．５μｍ以上のゴミが存在しない。これにより、半導体基板を交換して製造工程を進めることが可能となる。
【００１３】
また、他の好適な一例では、上記洗浄後の研磨面は、金属濃度が１０^１１／ｃｍ^２以下である。これにより、半導体基板を交換して製造工程を進めることが可能となる。
【００１４】
また、他の好適な一例では、上記機械研磨される表面は、基板に設けられたレーザマーク領域を含む。これにより、半導体基板の認識番号が確実にレーザ読取機で確認できて、半導体基板を交換して製造工程を進めることが可能となる。
【００１５】
また、他の好適な一例では、上記機械研磨工程は、導電性材料の付着工程あるいはその除去工程の後に行なわれる。これにより、付着材料を平坦な表面を形成しながら除去することが可能となる。
【００１６】
また、他の好適な一例では、上記半導体基板は、シリコンウェーハである。これにより、シリコンウェーハは半導体基板として大勢を占めるので、開発投資の節約に大きく寄与する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる半導体デバイスの製造方法の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１８】
本発明に係わる半導体デバイスの製造方法の実施形態は、図１に示すような半導体デバイスにＣｕ配線を形成するための製造方法であり、図２はその製造フロー図である。
【００１９】
本実施形態の半導体デバイスにＣｕ配線を形成するための製造方法について、図２に示すような製造工程に沿って説明する。
【００２０】
最初に半導体基板の表面、例えば周辺領域に識別用レーザマークが形成されたシリコンウェーハを用意する（Ｐ１）。
このレーザマークは、レーザビーム（Ｂｄ：ＹＡＧ、ＣＯ_２等）をウェーハ表面に照射し熱で表面にドットつけて刻んだマークが溝として作られる。このレーザマークは、文字や孔の大きさ、形、位置、情報等はＳＥＭＩ規格に則って付されるのが好ましく、これにより、シリコンウェーハが多数の企業間を移動しても、製造管理のためのＩＤ番号の認識に使用することができる。
【００２１】
シリコンウェーハ表面に熱酸化膜を１００ｎｍ成長させる（Ｐ２）。
熱酸化膜はＣｕとシリコンウェーハの接触を防止するために設けられる。
この熱酸化膜の上全面にＣＶＤ法等によりＴＥＯＳ酸化膜を成長させ、積層する（Ｐ３）。
シリコンウェーハの洗浄を行う（Ｐ４）。
レクチルを用いてＴＥＯＳ酸化膜が形成されたシリコンウェーハを露光する（Ｐ５）。
エッチング（５００ｎｍ）を行う（Ｐ６）。
エッチングにより露出した面にバリアメタル成長を行う（ＣＶＤタングステンナイトライドＷＮ、２０ｎｍ）（Ｐ７）。
【００２２】
シードＣｕをバリアメタル上に成長させる（Ｐ８）。
スパッタ法により２５ｎｍ程度成長させる。
枚葉式ラピッドサーマルにより不活性ガス雰囲気でアニールを行う（Ｐ９）。
メッキＣｕを成長させる（Ｐ１０）。
メッキ厚は１．２μｍ程度にする。
アニールを行う（Ｐ１１）。
化学機械研磨（ＣＭＰ）により研磨を行う（Ｐ１２）。
Ｃｕ配線を形成するのに障害になる全てのものを除去するためにＣＭＰ研磨する。
【００２３】
シリコンウェーハの周辺機械研磨洗浄を行う（Ｐ１３）。
この周辺研磨は、本発明に係わる半導体デバイスの製造方法においてはじめて導入する新規の工程である。
例えば、この周辺機械研磨は、図３に示し後述するようなウェーハ研磨装置１に設けられ図５に示すような研磨機構５を用い、ＣｕとＷＮを、研磨対象材料よりも硬い砥粒を含むシリカスラリを用いて研磨し、シリコンウェーハの周辺部から導電性材料及び／又は絶縁性材料を除去する。ここでは導電性材料（メタル）も絶縁性材料（酸化膜）と同時に研磨される。
この機械研磨工程では、従来のような化学的性質を利用する薬品による除去と違い、化学的性質に依存することがなく、付着材料を平坦な表面を形成しながら除去できる。また、この機械研磨工程では、シリコンウェーハは、図４に示すウェーハ表面保護機構７によって、覆われ保護され、従って、別途保護膜等を積層することなく、確実にシリコンウェーハを保護でき、また、安価に半導体デバイスを製造できる。さらに、機械研磨工程では、図３に示すシリコンウェーハの周辺部に形成されたレーザマーク（溝）が存在する領域も含めて研磨される。
【００２４】
このような機械研磨工程の後には、図６に示すような洗浄機構６が用いられ、研磨工程で用いられシリコンウェーハ、特に周辺部に残留するシリカスラリと、レーザマーク中に存在する酸化膜及び金属を除去するために、１重量％のＨＦとＨＣｌを含む純水を用い洗浄する。さらに、この洗浄後には、ウェーハ表面保護機構７を用い、このウェーハ表面保護機構７に設けられた給水管７Ａｂ、７Ｂｂから純水をシリコンウェーハに供給して全面を覆うようにして洗浄し、この純水洗浄の最終段階では、約８０℃に加熱された純水を用い、さらに、乾燥器部７Ａｃ、７Ｂｃから窒素を表面に吹き付けて乾燥させる。シリコンウェーハの裏面も同様の洗浄、乾燥が行われる。洗浄後、周辺部ｐは制御された粗さになり、また、研磨表面に０．５μｍ以上のごみが存在しない状態および金属濃度が１０^１１／ｃｍ^２以下の状態の高純度な表面状態が実現する。これにより、このシリコンウェーハを他の製造設備に移載しても、当該製造設備を製造に支障をきたす程、金属不純物やごみにより、汚染することがない。研磨表面に０．５μｍ以上のごみが存在し、あるいは、金属濃度が１０^１１／ｃｍ^２を超えると、金属不純物やごみにより当該製造設備が製造に支障をきたす程、金属不純物やごみにより汚染されるため、移載が不可能になる。
【００２５】
また、研磨洗浄後は、ＩＤ番号用のレーザマークからの酸化物とＣｕが、図８に示すように除去され、光散乱のための溝深さが確保され、ＩＤ番号を目視またはカメラにより正確に確認できるようになる。
従って、研磨洗浄工程後であれば、ウェーハに触れて拡散させるおそれのある汚染をウェーハのハンドリングの際に触れるエッジ部分から完全に除去でき、ウェーハの認識番号が確実にレーザ読取機で確認できて、標準ハンドリングが確立しウェーハを交換して製造工程を進めることが可能となる。結果として開発投資を節約して短時間の開発が可能となる。
【００２６】
シリコン窒化膜ＳｉＮ成長させる（２０ｎｍ）（Ｐ１４）。
低誘電率層間膜ＬＯＷ−Ｋ成長させる（５００ｎｍ）（Ｐ１５）。
キャップ酸化窒化膜形成（ＳｉＯＮ２０ｎｍ）（Ｐ１６）。
１層目コンタクト孔露光（Ｐ１７）。
孔のエッチング（ＳｉＯＮ／ＬＯＷ−Ｋ／ＳｉＮ）（Ｐ１８）。
バリアメタル成長を行う（ＣＶＤタングステンナイトライドＷＮ、２０ｎｍ）（Ｐ１９）。
シードＣｕ成長（Ｐ２０）。
メッキＣｕを成長させる（Ｐ２１）。
ＣＭＰにより研磨を行う（Ｐ２２）。
【００２７】
シリコンウェーハの周辺機械研磨洗浄を行う（Ｐ２３）。
Ｐ１３と同様にシリコンウェーハの周辺を機械研磨し、洗浄を行う。
この洗浄工程後の研磨表面に０．５μｍのごみが存在しない状態および金属濃度が１０^１１／ｃｍ^２以下の状態の高純度な表面状態が実現する。従って、研磨洗浄工程後であれば、上記のように、標準ハンドリングが確立しウェーハを交換して製造工程を進めることが可能となる。また、本発明に係わる半導体デバイスの製造方法は、半導体基板として大勢を占めるシリコンウェーハに適用できるので、開発投資の節約に大きく寄与する。
【００２８】
以下同様の工程（Ｐ２４〜Ｐ３３）を繰返し、３層のＣｕ配線が形成される。
【００２９】
次に本発明に係わる半導体デバイスの製造方法の機械研磨工程に用いられるウェーハ研磨装置について説明する。
【００３０】
図３に示すように、上述したウェーハ研磨装置１は、シリコンウェーハＷが配置されるウェーハ配置孔２が中央に穿設された基台３を有し、この基台３には回転支持機構４と、研磨機構５と、洗浄機構６及び図４乃至図６に示すようなシリコンウェーハＷの表面を保護するウェーハ表面保護機構７が設けられている。
【００３１】
図４に示すように、上記回転支持機構４は、複数個、例えば３個、等間隔（１２０°）を設けて配設されており、各々の回転支持機構４は、支持アーム４ａと、この支持アーム４ａを回動させるアーム駆動モータ４ｂと、支持アーム４ａに設けられシリコンウェーハＷの周辺部ｐが遊嵌する支持プーリ４ｃと、この支持プーリ４ｃを回転駆動するプーリ駆動モータ４ｄとを有している。これにより、シリコンウェーハＷを３点で支持するとともに、シリコンウェーハＷを回動させることができるようになっている。このシリコンウェーハＷは上記ウェーハ表面保護機構７によって、覆われ保護される。
【００３２】
また、図５に示すように、上記研磨機構５は、各々上記回転支持機構４間に複数個、例えば２個配置され（図３参照）、かつ、各々の研磨機構５はシリコンウェーハＷの周辺部ｐを上下から挟持するように配置された一対の研磨機構５Ａ、５Ｂから形成され、この研磨機構５Ａには、支点軸５Ａａにより軸支された研磨機構支持部材５Ａｂと、この研磨機構支持部材５Ａｂの先端近傍に設けられ、シリコンウェーハＷの周辺部ｐを研磨する研磨パッド５Ａｃと、この研磨パッド５Ａｃを回転させるパッド回転駆動モータ５Ａｄ、スラリ供給管５Ａｅが設けられ、同様にこの研磨機構５Ｂには、支点軸５Ｂａにより軸支された研磨機構支持部材５Ｂｂと、研磨パッド５Ｂｃと、パッド回転駆動モータ５Ｂｄ、スラリ供給管５Ｂｅが設けられている。これにより、上記回転支持機構４により回転されるシリコンウェーハＷの図３に示すＩＤ番号用のレーザマーク（溝）ｍを含む周辺部ｐをスラリを供給しながら研磨できるようになっている。シリコンウェーハＷは上記ウェーハ表面保護機構７によって、覆われ保護される。
【００３３】
さらに、図６に示すように、上記洗浄機構６は、上記回転支持機構４間に例えば１個配置され、洗浄機構６は、シリコンウェーハＷの周辺部ｐを上下から挟持するように配置された一対の洗浄機構６Ａ、６Ｂから形成され、この洗浄機構６Ａには、支点軸６Ａｂにより軸支された洗浄機構支持部材６Ａａと、この洗浄機構支持部材６Ａａの先端近傍に設けられ、シリコンウェーハＷの周辺部ｐを挟持し、上記研磨機構５により研磨された周辺部ｐを洗浄するブラシスクラバ６Ａｃが設けられ、さらに、ブラシスクラバ６Ａｃの洗浄水を供給するための給水管６Ａｄがブラシスクラバ６Ａｃの側部に対向して設けられ、同様に、洗浄機構６Ｂには、支点軸６Ｂｂにより軸支された洗浄機構支持部材６Ｂａと、ブラシスクラバ６Ｂｃ、給水管６Ｂｄ及び排水管６ｅが設けられている。これにより、上記研磨機構５によって研磨されたシリコンウェーハＷの周辺部ｐを高純度に洗浄できるようになっている。
【００３４】
また、図４乃至図６に示すように、上記ウェーハ表面保護機構７は、シリコンウェーハＷ全体を上下から覆う一対のウェーハ表面保護機構部７Ａ、７Ｂから構成され、ウェーハ表面保護機構部７Ａは開閉自在に軸支された蓋体７Ａａと、この蓋体７Ａａを貫通して設けられ、洗浄水をシリコンウェーハＷの全面に亘って供給する給水管７Ａｂと、シリコンウェーハＷの全面に亘って窒素を供給する乾燥器部７Ａｃを有しており、また、同様に、ウェーハ表面保護機構部７Ｂは蓋体７Ｂａと、給水管７Ｂｂと、乾燥器部７Ｂｃを有している。
【００３５】
従って、上記のような構造を有するウェーハ研磨装置１を用いてシリコンウェーハＷの周辺部ｐを研磨洗浄するには、シリコンウェーハＷを図３に示すように、上記回転支持機構４の３個の支持プーリ４ｃにより３点支持することで、シリコンウェーハＷをウェーハ研磨装置１にセットし、ウェーハ表面保護機構７を閉じて、シリコンウェーハＷを覆って保護し、しかる後、プーリ駆動モータ４ｄを駆動させて、シリコンウェーハＷを回転させる。この回転するシリコンウェーハＷの周辺部ｐに、回転する研磨パッド５Ａｃ、５Ｂｃを当接させ、スラリを供給しながら研磨を行う。研磨終了後、洗浄水を供給しながら、ブラシスクラバ６Ａｃ、６ＢｃによりシリコンウェーハＷの周辺部ｐを洗浄することができる。上記のようにウェーハ研磨装置１に一体的に設けられた研磨機構５と洗浄機構６により、シリコンウェーハＷの研磨と洗浄を同一装置内で行うので、研磨により生じる金属粉やごみが製造ラインに拡散することがなく、また、生産コストを削減することができる。
【００３６】
【実施例】
（１）試験１
本発明に係わる半導体デバイスの製造方法を用い、図７に示す製造工程に沿ってシリコンウェーハの処理を行い、周辺研磨後の金属濃度（Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ）を全反射蛍光Ｘ線により測定する。また、目視およびカメラを用いてＩＤ番号用の溝の状態を調べた。
【００３７】
結果：表１に示す。
【００３８】
【表１】

【００３９】
・希釈ＨＣｌ洗浄＋純水スクラバーによる洗浄後の２×１０^１０／ｃｍ^２は十分クリーンであり、金属材料の付着工程の後に本研磨洗浄工程を行えば、金属濃度をウェーハの交換が可能なレベルまで低減できることがわかった。
【００４０】
・また、従来の製造方法である工程７の段階では、表面が平坦であるために入射光線が研磨の表面で全反射されてカメラ（目）にＩＤ番号用の溝からの反射光線が到達しなかった（溝を写せなかった）が、工程８（周辺研磨洗浄）を行った後は、溝からの酸化物とＣｕは、図８に示すように除去されてＩＤ番号を目視でも確認できた。
【００４１】
・読み取りのためのレーザ光線が溝で散乱されてカメラに入射するために読み取りが確実になることが分かった。
【００４２】
（２）試験２
上記試験１と同様に工程８（周辺研磨洗浄）まで行ったシリコンウェーハ周辺部の研磨面のごみを測定した。測定対象の研磨洗浄表面の面積は、２００ｍｍ×３．１４×３ｍｍである。
【００４３】
結果：表２に示す。
【００４４】
【表２】

【００４５】
・０．５ｕｍ以上のごみが存在しないことがわかった。
【００４６】
【発明の効果】
本発明に係わる半導体デバイスの製造方法によれば、ウェーハに触れて拡散させるおそれのある汚染をウェーハのハンドリングの際に触れるエッジ部分から完全に除去でき、ウェーハの認識番号が確実にレーザ読取機で確認できて、標準ハンドリングが確立しウェーハを交換して製造工程を進めることが可能な半導体デバイスの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる半導体デバイスの製造方法の実施形態により製造される半導体デバイスにＣｕ配線した概念図。
【図２】本発明に係わる半導体デバイスの製造方法の実施形態の製造フロー図。
【図３】本発明に係わる半導体デバイスの製造方法に用いられるウェーハ研磨装置の概念図。
【図４】本発明に係わる半導体デバイスの製造方法に用いられるウェーハ研磨装置の上記回転支持機構の概念図。
【図５】本発明に係わる半導体デバイスの製造方法に用いられるウェーハ研磨装置の研磨機構の概念図。
【図６】本発明に係わる半導体デバイスの製造方法に用いられるウェーハ研磨装置の洗浄機構の概念図。
【図７】本発明に係わる半導体デバイスの製造方法の実施例に用いられる製造フロー図。
【図８】本発明に係わる半導体デバイスの製造方法の研磨工程後のレーザマークの状態を示す概念図。
【図９】従来ウェーハ洗浄方法の概念図。
【図１０】従来の研磨工程後のレーザマークの状態を示す概念図。
【符号の説明】
１ウェーハ研磨装置
２ウェーハ配置孔
３基台
４回転支持機構
５研磨機構
６洗浄機構
７ウェーハ表面保護機構
ｍレーザマーク
ｐ周辺部
Ｗシリコンウェーハ

Claims

半導体デバイス製造の機械研磨工程に用いられるウェーハ研磨装置であって、
ウェーハ周辺部を機械研磨する研磨機構と、
この研磨機構により研磨されたウェーハ周辺部を洗浄する洗浄機構と、
ウェーハの全面に亘って水を供給する給水管を有すると共に、前記研磨機構による機械研磨工程においてウェーハの表面を覆い保護するウェーハ表面保護機構と
を備えることを特徴とするウェーハ研磨装置。
前記ウェーハはシリコンウェーハであることを特徴とする請求項１記載のウェーハ研磨装置。