JP4142554B2 - 導電性研磨パッド及び該研磨パッドを使用する電解研磨方法 - Google Patents

Description

この発明は、導電性研磨パッド及び該研磨パッドを使用する電解研磨方法に係り、詳記すればデバイスウェ−ハの配線材を電気化学的に研磨するのに適した導電性研磨パッド及び該研磨パッドを使用する電解研磨方法に関する。

半導体デバイスの高集積化、微細化に伴って、配線の積層化が行われている。すなわち、半導体ウェーハの表面に配線材をパターン形成し、この上を酸化シリコン等の絶縁物膜で覆い、次の配線材をパターン形成し、これを順次繰り返すプロセスが採用されている。

配線材をパターン形成するプロセスでは、反応性イオンエッチングによってプラグ用ホールと配線溝を酸化シリコン等の絶縁物（以下層間絶縁膜という）に形成し、プラグ用ホールと配線溝を同時に銅配線材で埋め込み配線し、表面の余分な銅を化学的機械的研磨（以下ＣＭＰという）によって除去し、平坦化する方法が採用されている。

近年、半導体デバイスの低消費電力化及び高速化の目的で、層間絶縁膜に低誘電率材料の導入が検討されている。しかしながら、低誘電率材料は、機械強度、化学的安定性に乏しく、ＣＭＰプロセスにおける回転数や研磨圧力に依存する摩擦力によって、銅配線材が層間絶縁膜から剥離するため、研磨圧力を極端に低下させた超低圧研磨方法が検討されている。しかしながら、この超低圧ＣＭＰプロセスでは、研磨レートの低下と均一性の低下の問題があるため、ＣＭＰプロセスに代わって、電気化学的研磨方法が提案されている。

電気化学的研磨方法は、ウェーハ表面の銅配線材をアノードとして、別に設けたカソードとの間に電解液を介して直流電流を通電し、ウェーハ表面の銅配線材を電気化学的に溶解、除去する方法である。

しかしながら、従来の電気化学研磨方法では、ウェーハ表面の銅配線材をアノードとするためには、配線材（Ｃｕシード層も含む）に電極を直接接触させる必要がある。従って、ウェーハを研磨ヘッドに設置し、研磨パッドに押し付ける（押圧する）プラテン・ロータリー型研磨装置では、配線材に電極を直接接触させるスペースを確保することが困難なため、電気化学研磨方法を採用または、併用することが困難であった。

また、銅配線材の研磨プロセスでは、銅配線材の研磨と共に、バリアメタルを研磨する必要があるので、一般には多段階（数ステップ）研磨が実施されている。即ち、第１ステップで銅配線材を、第２ステップでバリアメタルを、場合によっては、第３ステップで銅配線材と層間絶縁膜をそれぞれ除去、加工する。そのため、ＣＭＰ装置は、マルチプラテン・マルチヘッド型が主流であるが、電気化学研磨を併用することは、装置が大型化し高価になる欠点があった。

本発明は、このような点に着目してなされたものであり、超低圧ＣＭＰプロセスにおいて、研磨レ−トの低下と均一性の低下が改善できる導電性研磨パッド及び該研磨パッドを使用する電解研磨方法を提供することを目的とする。また、本発明は、数ステップの研磨を同様の装置構成で実施できる導電性研磨パッド及び該研磨パッドを使用する電解研磨方法を提供することを目的とする。

上記目的に沿う本発明のうち請求項１に記載の発明は、カソードとなる導電性シート上に、開口を有する絶縁体と該開口と連結する開口を有する導電性表層とを順次積層し、該導電性表層上に研磨ヘッドに装着したデバイスウェーハを載置し、該導電性表層に直流電源のプラス電極を接続して該導電性表層と電気的に接触する前記デバイスウェーハの配線材をアノードし、該アノードとその対極の前記カソードと前記両開口が連結して形成された電解液収容部と電解液とで、ウェーハ径より小さい複数の電解セルを形成することを特徴とする。

前記導電性シート裏面に、プラテンに貼付する導電性粘着テープを積層することによって、導電性シートとプラテンとを導電性粘着テープを介して電気的に導通させることができる（請求項２）。

前記導電性表層は、導電性繊維に熱硬化性樹脂若しくはエラストマーが含浸された材料で形成されているのが好ましく（請求項３）、前記熱硬化性樹脂若しくはエラストマーには、研磨砥粒が分散して含有されているのが好ましい（請求項４）。

前記導電性研磨パッドの絶縁体は、電気絶縁性を有する合成樹脂であるのが好ましく（請求項５）、前記絶縁体（絶縁層）の厚さは、０．５ｍｍ〜５ｍｍとするのが好ましい（請求項６）。

また本発明の電解研磨方法は、請求項２に記載の研磨パッドをプラテンに載置し、研磨ヘッドに装着したデバイスウェーハの配線材を電解研磨する研磨方法において、
接触電極を接触させた前記導電性表層を被研磨面である前記デバイスウェーハの配線材と接触させることによって、前記接触電極と前記配線材とを前記導電性表層を介して電気的に導通させ、
前記研磨パッドの研磨面に電解液を供給することによって、前記研磨パッドの電解液収容部に電解液を満たして、その電解液の液面と前記配線材とを接触させ、
前記接触電極と前記プラテンとに直流電圧を印加することによって、前記配線材をアノードとし、前記プラテンと前記導電性粘着テープを介して電気的に接続した前記導電性シートをカソードとし、該アノードとカソードと前記複数の電解液収容部の電解液とで複数の電解セルを形成し、
前記研磨面に電解液を供給し前記プラテンを回転させながら、前記デバイスウェーハを前記研磨ヘッドで回転させることにより、前記配線材を電解研磨することを特徴とする（請求項７）。

要するに本発明は、電解セルを被研磨材に対して相対移動可能に形成することによって、配線材近傍の電解液濃度の低下を防ぎ、配線材近傍の電解液中の配線材金属イオン（Ｃｕイオンなど）の増加を抑えることにより、均質な研磨を実現すると共に、電解セルを形成することによって、配線材に電極を直接接触させる必要をなくしたことを要旨とするものである。

本発明によれば、研磨パッドの導電性を有する表層とデバイスウェーハの銅配線材を接触させることによって、間接的に銅配線材をアノ−ドとし、プラテンを介して導電性シートをカソ−ドとして電解セルを形成させるので、配線材に電極を直接接触させる必要がないから、従来のプラテン・ロ−タリ−型研磨装置に電気化学的研磨方法を採用することができる。その結果、従来のプラテン・ロ−タリ−型研磨装置を使用し、マルチプラテン／マルチヘッドの一つのプラテン／ヘッドを電気化学的研磨用とすることができるので、数ステップ研磨を同一の装置で行うことができるから、装置の小型化とコストダウンを達成させることができる。

また、電解セルをデバイスウェーハに対して相対移動可能に形成して、デバイスウェーハの表面の余分な銅配線材を電気化学的に溶解、除去することによって、超低圧ＣＭＰの課題である研磨レ−トの低下の改善と均質な研磨を達成することができる。

更に本発明の電解研磨方法では、プラテン１と研磨ヘッド６を回転させることにより、パッド上に形成された貫通孔が、回転によるプラテン１と研磨ヘッド６の相対速度でアノ−ドである配線材１５に対して移動する。このため、貫通孔内の電解液が常に入れ替わることになり、配線材１５近傍の電解液濃度や配線材１５の銅イオンなどの金属イオン濃度が一定に保たれるため、配線材１５表面は、平坦性のよい電解研磨ができる。

次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図３は、本発明の電解研磨方法を実施するための研磨装置の一例を示すものであり、プラテン１上に本発明の導電性研磨パッド２を、導電性表層３を上にして固定し、同導電性表層３に接触電極４を接触させて直流電源のプラス電極に接続し、同時にプラテン１にマイナス電極を接続して通電させる例を示す。

ウエ−ハ５は、研磨ヘッド６に装着され、ウエーハのシリコン基板１４下面の銅配線材（被研磨面）１５は、導電性研磨パッド２の導電性表層３に接触している。尚、導電性表層の上方には、電解液１３を供給するノズル７が位置している。

本発明の導電性パッド２は、図４及び図５に示すように、絶縁層８の表面に導電性表層９を裏面に導電性シ−ト１０を積層してなり、導電性表層９には、貫通孔１１が形成され、絶縁層８にも同貫通孔１１と連通して電解セルを形成する貫通孔１２が形成されている。

導電性シ−ト１０の裏面には導電性粘着テープを固定し、研磨パッド２をプラテン１に貼付して使用するようにすると良い。尚、導電性シ−ト１０や粘着テ−プは、Ｃｕの析出等による汚染からプラテン等を保護するものである。

絶縁層８の貫通孔１２は、導電性表層９の貫通孔１１と連通するように形成されていれば、その形状は特に限定されない。また、円形若しくは多角形のような孔でなくともリング状若しくは直線状の開口に形成しても差し支えない。要は、複数の開口が形成されていれば良い。

貫通孔１１，１２の大きさは、円形の貫通孔の場合は、直径０．５ｍｍ〜１００ｍｍとするのが好ましい。パッド面積に対する貫通孔１１の総面積の割合は、５０％〜８０％であるのが好ましい。この割合が少なすぎると研磨能率が低下し、多すぎると、導電性表層の電気抵抗が大きくなりすぎる。

導電性表層９の材質としては、導電性繊維からなる不織布若しくは織布などの導電性を有する非金属シ−トを使用するのが好ましい。これらの導電性表層９材に、熱硬化性樹脂若しくはエラストマ−を含浸させたものを使用することもできる。この場合、熱硬化性樹脂若しくはエラストマーに研磨砥粒を分散させた導電性表層９材を使用するのが、電気化学的研磨面の表面粗さを改善し得ることから好ましい。上記非金属シ−トと研磨砥粒を含有するシ−トとを、研磨面に垂直に交互に配列することもできる。

本発明に使用する砥粒としては、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化亜鉛、炭化ケイ素、炭化ホウ素及び合成ダイヤモンド粉体の単独若しくは二種以上が挙げられる。

本発明に使用する絶縁層８材としては、電気絶縁性を有する合成樹脂、好ましくは粘弾性を有する発泡構造体が好適に使用できる。

本発明に使用する導電性シ−ト材１０としては、電解液１３に対して不溶性であれば金属、非金属を問わず使用することができる。このようなものとしては、好ましくは、カーボン、黒鉛、ステンレス等が挙げられる。

本発明の研磨方法は、図１及び図２に示すようにウェ−ハ５の被研磨面を導電性パッドに接触させ、電解液を供給しながらプラテン１と研磨ヘッド６を回転させて研磨する。このとき、導電性表層３に接触電極４を接触させて直流電源のプラス極に接続し、同時にプラテン１にマイナス極を接続して通電させる。

図３は、プラテン、導電性パッド、デバイスウェ−ハ部の断面を拡大して模式的に示したものであるが、図３を参照しながら更に詳細を説明する。

デバイスウェ−ハの銅配線材は、接触電極４、導電性表層３を介して電気的に接続されているため、直流電源のプラス電極に接続される。このためプラテン１のマイナス極と貫通孔１１，１２に充填された電解液１３で電解セルが形成され、Ｃｕ→Ｃｕ^２＋＋２ｅ⁻になる電気化学反応によって、溶解除去される。

導電性シ−ト１０材表面のカソ−ド側では、Ｃｕの析出反応や水素発生反応などにより、アノ−ドである配線材１５で生成した電子が消費され、電気回路が形成されて、配線材１５の電解が進行する。

また、導電性表層３に配線材１５を接触させてアノ−ドを形成しているため、図６（Ａ）に示すように配線材１５の研磨が進んで、層間絶縁膜１４の配線溝上部のバリアメタル１６に達すると、接触面積が極端に小さくなる。このため、電気抵抗が増大して、電解電流が減少し、電解研磨量が減少するので、配線溝内の配線材料の研磨が抑えられるから、図６（Ｂ）に示すような均一な研磨を行うことができる。

図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の配線材の電解研磨が進んで層間絶縁膜の溝上部に達したことを示す図である。図６（Ｂ）まで電解研磨が進むと、配線材は電気的に孤立し、電流のパスがなくなるため、アノ−ド溶解が停止する。

次に、実施例を挙げて、本発明を更に説明する。

実施例１
直径５ｍｍの貫通孔を１０ｍｍピッチで設置した研磨パッドを使用し、図１に示した電解研磨方法により定電圧Ｃｕ電解研磨特性を測定した。結果を図７に示す。尚、電解液には市販試薬リン酸を５０倍希釈して使用し、プラテン、研磨ヘッドの回転数はともに４５ｒｐｍとし、研磨圧力は１８．７ｇ／ｃｍ^２とした。

図７中、電流密度（４０×４０ｍｍＣｕメッキ基板、単位面積あたりの電流）０のときのＲＲは、電解を実施していないときの研磨速度、即ちエッチング速度を示すものである。従って、それぞれ電流密度値の時の研磨速度からエッチング速度を差し引いた値が、電解による除去膜速度を示すものである。

図７の結果から明らかなように、電流密度の増加により、Ｃｕメッキ基板の研磨速度（ＲＲ）が直線的に増加する。

実施例２
図１に示した電解研磨方法により定電圧によるＣｕ電解研磨の電解電圧依存測定をした。結果を図８に示す。電解液には市販試薬リン酸を５０倍希釈して使用し、プラテン、研磨ヘッドの回転数はともに４５ｒｐｍとし、研磨圧力は１８．７ｇ／ｃｍ^２とした。

図８の結果から明らかなように、図７から勘案されるエッチング速度を考慮しても、電源電圧３Ｖ付近から電解による研磨効果が確認できる。

図９は、電解液には市販試薬リン酸を１０倍希釈して使用したときの、プラテン回転数の影響を測定した結果である。図９の結果からプラテン回転数が大きくなるほど、除去膜速度が低下する傾向にあるが、研磨面の精度は、４０ｒｐｍ程度以上で良好となり、４０ｒｐｍ以下では、不十分であった。これは、パッドに設置した貫通孔の直径と設置ピッチに関係するものと考えられる。

本発明の電解研磨方法を実施するための研磨装置の一例を示す斜視図である。 図１の断面の模式図である。 本発明の電解を説明するための電解セルの断面模式図である。 本発明の研磨パッドの一実施例を示す斜視図である。 図４の断面図である。 （Ａ）は、配線材の研磨が進む状態を示す断面模式図、（Ｂ）は配線材の研磨が進んで層間絶縁膜の溝上部に達したことを示す断面模式図である。 実施例１で得た定電流Ｃｕ電解研磨特性を示す線図である。 実施例２で得たＣｕ電解研磨の電解電圧依存を示す線図である。 実施例２で得たＣｕ電解研磨のプラテン回転依存性を示す線図である。

符号の説明

１………プラテン
２………導電性研磨パッド
３………導電性表層
４………接触電極
５………ウェーハ
６………研磨ヘッド
７………ノズル
８………絶縁層
９………導電性表層
１０………導電性シート
１１………貫通孔（開口）
１２………貫通孔（開口）
１３………電解液
１４………層間絶縁膜（シリコン基板）
１５………配線材
１６………バリアメタル

Claims (7)

1. カソードとなる導電性シート上に、開口を有する絶縁体と該開口と連結する開口を有する導電性表層とを順次積層し、該導電性表層上に研磨ヘッドに装着したデバイスウェーハを載置し、該導電性表層に直流電源のプラス電極を接続して該導電性表層と電気的に接触する前記デバイスウェーハの配線材をアノードし、該アノードとその対極の前記カソードと前記両開口が連結して形成された電解液収容部と電解液とで、ウェーハ径より小さい複数の電解セルを形成することを特徴とするデバイスウェーハの配線材を電解研磨するプラテン上に載置する導電性研磨パッド。
2. 前記導電性シート裏面に、プラテンに貼付する導電性粘着テープを積層する請求項１記載の導電性研磨パッド。
3. 前記導電性表層は、導電性繊維に熱硬化性樹脂若しくはエラストマーが含浸された材料で形成されている請求項１又は２に記載の研磨パッド。
4. 前記熱硬化性樹脂若しくはエラストマーには、研磨砥粒が分散して含有されている請求項３に記載の研磨パッド。
5. 前記絶縁体は、電気絶縁性を有する合成樹脂である請求項１〜４のいずれかに記載の導電性研磨パッド。
6. 前記導電性研磨パッドの絶縁体の厚さは、０．５ｍｍ〜５ｍｍである請求項１〜５のいずれかに記載の導電性研磨パッド。
7. 請求項２に記載の研磨パッドをプラテンに載置し、研磨ヘッドに装着したデバイスウェーハの配線材を電解研磨する研磨方法において、
   接触電極を接触させた前記導電性表層を被研磨面である前記デバイスウェーハの配線材と接触させることによって、前記接触電極と前記配線材とを前記導電性表層を介して電気的に導通させ、
   前記研磨パッドの研磨面に電解液を供給することによって、前記研磨パッドの電解液収容部に電解液を満たして、その電解液の液面と前記配線材とを接触させ、
   前記接触電極と前記プラテンとに直流電圧を印加することによって、前記配線材をアノードとし、前記プラテンと前記導電性粘着テープを介して電気的に接続した前記導電性シートをカソードとし、該アノードとカソードと前記複数の電解液収容部の電解液とで複数の電解セルを形成し、
   前記研磨面に電解液を供給し前記プラテンを回転させながら、前記デバイスウェーハを前記研磨ヘッドで回転させることにより、前記配線材を電解研磨することを特徴とする研磨方法。

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