JP4575539B2 - 化学的機械研磨プロセス及びその構成要素 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、一般的には基板の化学的機械研磨に、より厳密には化学的機械研磨のプロセス及びその構成要素の改善に関する。
【０００１】
集積回路は通常、シリコンウェーハ上に導体層、半導体層又は絶縁層を順次蒸着することにより基板上に形成される。1つの製作ステップにはパターン付けされたストップ層上にフィラー層を蒸着する段階と、ストップ層が露出するまでフィラー層を平坦化する段階とが含まれる。例えば、導体フィラー層を、パターン付けされた絶縁ストップ層上にストップ層内のトレンチ又は穴が埋まるまで蒸着する。平坦化の後、隆起した絶縁層のパターンの間に残る導体層の部分が、基板上の薄膜回路間の導電経路となるビア、プラグ、ラインを形成する。
【０００２】
化学的機械研磨（CMP）は1つの認められた平坦化の方法である。この平坦化法では通常、基板をキャリア即ち研磨ヘッド上に取りつけておく必要がある。基板の露出した表面が回転する研磨パッドに向けて配置される。研磨パッドは、「標準パッド」又は固定研磨パッドの何れでもよい。標準パッドは耐久性のあるざらざらの表面を備えており、一方固定研磨パッドは研磨粒子を保持媒体内に有している。キャリアヘッドは制御可能な荷重、即ち圧力を基板上に加え、研磨パッドに押し付ける。少なくとも1つの化学反応剤と、それに標準パッドを使用する際には研磨粒子とを含む研磨スラリーが研磨パッドの表面に供給される。
【０００３】
効率的CMPプロセスでは、研磨速度が速いばかりでなく、基板表面も仕上げられ（小さな粗さが無い）平面になる（大きな凹凸が無い）。研磨速度、仕上げ、平面度は、パッドとスラリーの組み合わせ、基板とパッドとの間の相対速度、基板をパッドに押し付ける荷重によって決まる。研磨速度で層を研磨するのに必要な時間が決まる。平面度及び仕上げが不適切であれば欠陥のある基板を作り出すことになり兼ねないので、研磨パッドとスラリーの組み合わせの選択は、要求される仕上げと平面度によって決められることになる。これらの拘束条件が与えられると、要求される仕上げ及び平面度を達成するのに必要な研磨時間がCMP装置の最大処理量を決めることになる。
【０００４】
CMPで繰り返し生じる問題は、基板表面のいわゆる「ディッシング（わん状変形）」である。特に、ストップ層が露出すると、パターン化されたストップ層の隆起区域の間にあるフィラー層の部分が過剰研磨され、基板表面に凹状のくぼみを作ることがある。ディッシングが生じると基盤は集積回路の製作には不適切なものとなり、処理生産量が低下することになる。
【０００５】
発明の要約
ある態様では、本発明はストップ層の上に配置されたフィラー層を有する基板に化学的機械研磨を施す方法に向けられている。本方法では、基板には単層の硬質研磨パッドと第1スラリーとを用いてストップ層が少なくとも部分的に露出するまで化学的機械研磨が施される。基板には次に、軟質研磨パッドと第1スラリーより低い選択性を有する第2スラリーとを用いてストップ層が十分に露出するまで化学的機械研磨が施される。
【０００６】
本発明の実行には以下の特徴の1つ又はその幾つかが含まれる。約５ｐｓｉ以下、例えば２．９ｐｓｉ未満の圧力が研磨の間に前記基板に掛けられる。第1スラリーは約２０：１より大きな選択性を有し、第2スラリーは約6：1より小さな選択性を有する。システムは、ストップ層が少なくとも部分的に露出したときと、十分に露出したときとを終点検出器で検出する。単層の硬質研磨パッドはポリウレタンか又はマトリクス内に埋め込まれた研磨粒子を含む。フィルター層は金属であり、ストップ層は誘電性材料である。替わりに、フィラー層が第1誘電性材料で、ストップ層が第2誘電性材料であってもよい。
【０００７】
別の態様では、本発明はストップ層の上に配置されたフィラー層を有する基板に化学的機械研磨を施す方法に向けられている。基板には単層の硬質研磨パッドと第1スラリーとを用いてストップ層が十分完全に露出するまで化学的機械研磨が施される。基板には次に、軟質研磨パッドと第1スラリーより低い選択性を有する第2スラリーとを用いて化学的機械研磨が施される。
【０００８】
又別の態様では、本発明は下部層を覆って配置された上部層を有する基板に化学的機械研磨を施す方法に向けられている。本方法では、基板には、少なくとも第2層よりも硬い第1層が第2層上に配置されている積層研磨パッドを用いて化学的機械研磨が施される。基板には次に、第3研磨パッドを用いて化学的機械研磨が施される。第３研磨パッドは前記単層硬質パッドよりも軟らかである。
【０００９】
本発明の実行には以下の特徴の1つ又はその幾つかが含まれる。積層研磨パッドを用いた研磨は下部層が部分的に露出したときに停止される。単層硬質研磨パッドを用いた研磨は下部層が十分完全に露出したときに停止される。替わりに、積層研磨パッドを用いた研磨が十分完全に下部層が露出したときに停止されるようにしてもよい。積層研磨パッドによる研磨は第1スラリーを用いて行い、単層硬質研磨パッドによる研磨は第2スラリーを用いて行うが、その場合、第１スラリーの選択性は第２スラリーよりも高い。積層研磨パッド及び単層研磨パッドによる研磨を第１スラリーを用いて行い、軟質研磨パッドによる研磨を第２スラリーを用いて行ってもよく、その場合にも、第１スラリーの選択性は第２スラリーよりも高い。単層研磨パッドは研磨粒子を含んでいる。
【００１０】
本発明を実行する際の潜在的利点には、以下のうち何も含まれないこともあれば、幾つかが含まれることもある。基板表面のディッシングが低減又は取り除かれ、これにより生産量が増加する。一貫してウェーハ内の非均一性が低くなる。ストップ層のエロージョンが低減する。より薄いフィラー層を使用できるようになるので研磨時間を低減しＣＭＰ装置の処理量を増やすことができる。より長い時間、基板にバフ掛けできるようになり、基板の仕上げが改良される。これらのアプローチは全て、マイクロプロセッサからメモリー、異なるパターン密度を有するアナログデバイスまでの範囲の異なるデバイス（０．２５μｍ以上）のためのＩＣ生産組立におけるＳＴＩ ＣＭＰにも適用できる。
【００１１】
本発明の他の特徴及び利点は図、請求の範囲を含め、以下の説明から明らかになるであろう。
【００１２】
実施例の詳細な説明
図１に、１つ又は複数の基板１０を化学的機械研磨（ＣＭＰ）装置２０により研磨するところを示す。同様の研磨装置２０は米国特許第５，７３８，５７４号に記載されており、その開示の全てをここに参考文献として援用する。研磨装置２０は、第１研磨ステーション２５ａ、第２研磨ステーション２５ｂ、最終研磨ステーション２５ｃ、中継ステーション２７を含む一連の研磨ステーションを備えている。中継ステーション２７は様々な機能を果たしており、その中には個々の基板１０を装填装置（図示せず）から受け取ること、基板を洗浄すること、基板をキャリアヘッドに装填すること、基板をキャリアヘッドから受け取ること、基板を再洗浄すること、そして最後に、基板を装填装置に送り返すことが含まれる。
【００１３】
各研磨ステーションには回転テーブル３０が備えつけられており、その上に研磨パッドが配置されている。第１及び第２ステーション２５ａ、２５ｂには比較的硬い研磨パッド１００が取りつけられており、最終研磨ステーションには比較的軟らかな研磨パッド１１０が取りつけられている。基板１０が直径「６インチ」（１５０ｍｍ）又は「８インチ」（２００ｍｍ）のディスクである場合、テーブル及び研磨パッドの直径は約２０インチである。基板１０が直径「１２インチ」（３００ｍｍ）のディスクである場合、テーブル及び研磨パッドの直径は約３０インチとなる。各テーブル３０は回転式のアルミニウム又はステンレス鋼製の板であり、テーブル駆動モーター（図示せず）に接続されている。大部分の研磨プロセスでは、テーブル駆動モーターはテーブル３０を毎分３０００乃至２００回転で駆動するが、もっと回転数を下げて又は上げて使うこともできる。
【００１４】
各研磨ステーション２５ａ、２５ｂ、２５ｃには又、組み合わせ型スラリー／リンスアーム５２ａ、５２ｂ、５２ｃが各々備え付けられており、関係する研磨パッド表面上に突き出ている。各スラリー／リンスアーム５２ａ−５２ｃには、スラリー配送システムに接続された２本又はそれ以上のスラリー供給管５４ａ、５４ｂが備えられており、２つ又はそれ以上のスラリーを研磨パッドの表面上に供給するようになっている。作動時には、組み合わせ型スラリー／リンスアーム５２ａ、５２ｂは第１研磨スラリー５０ａを研磨ステーション２５ａ及び２５ｂに供給し、一方、組み合わせ型スラリー／リンスアーム５２ｃは第２研磨スラリー５０ｂを最終研磨ステーション２５ｃに供給する。通常、研磨パッド全面を覆い、湿らせるのに十分なスラリーが供給される。各スラリー／リンスアーム５２ａ−５２ｃには更に、研磨及び調整サイクルが終わる度に高圧の研磨パッドのリンス剤を供給する数本のスプレーノズル（図示せず）も備えられている。各研磨ステーション２５ａ−２５ｃには更に、それぞれパッド調整装置４０が備えられている。
【００１５】
回転式のマルチヘッド回転ラック６０は中心柱６２により研磨ステーション上に支持されており、回転ラックモーターアッセンブリー（図示せず）により回転ラック軸６４周りに中心柱６２上を回転する。回転ラック６０には、回転ラック軸６４周りに均等な角度をあけて４個のキャリアヘッドシステム７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄが回転ラック支持板６６上に取りつけられている。キャリアヘッドシステムの内３個は基板を受け取って保持し、基板を研磨ステーション２５ａ−２５ｃのテーブル上の研磨パッドに対して押し付け、研磨する。キャリアヘッドシステムの内１つは基板を中継ステーション２７から受け取り、そして中継ステーションに渡す。
【００１６】
各キャリアヘッドシステム７０ａ−７０ｄはそれぞれ、キャリア即ちキャリアヘッド８０を有している。キャリア駆動シャフト７８は、各キャリアヘッド８０が自身の軸周りに独立して回転できるように、キャリアヘッド回転モーター７６（回転ラックカバー６８の四分の一を取り除いて示されている）をキャリアヘッド８０に接続している。加えて、各キャリアヘッド８０は、回転ラック支持板６６内に形成された半径方向スロット７２内を独立して横方向に往復する。
【００１７】
キャリアヘッド８０は幾つかの機能を果たす。概括的には、キャリアヘッドは基板を研磨パッドに対して保持し、基板の背面を通して下向き荷重を均等に配分し、駆動軸からのトルクを基板に伝達し、研磨処理の間に基板がキャリアヘッドの下から滑り出さないようにする。
【００１８】
キャリアヘッド８０は基板収容面を形成する可撓性膜（図示せず）を有している。適切なキャリアヘッド８０については、本発明の譲受人に譲渡された、スティーブンＭツゥニガ他による１９９７年５月２１日出願の「化学的機械研磨システムのための可撓性膜を備えたキャリアヘッド」と題する米国特許出願番号第０８／８６１，２６０号に述べられており、ここにその開示全てを参考文献として援用する。
【００１９】
図２（Ａ）では、開口即ち穴３４が各テーブル３０に形成され、透明な窓３６がその穴を覆って研磨パッド１００の一部に形成されている。透明な窓３６は、本発明の譲受人に譲渡された、マヌーチャバイラング他による１９９６年８月２６日出願の「化学的機械研磨装置のための研磨パッドに透明な窓を形成する方法」と題する米国特許出願番号第０８／６８９，９３０号に述べられているように構築され、ここにその開示全てを参考文献として援用する。穴３４及び透明な窓３６は、研磨ヘッドの並進運動位置に関わり無くテーブルが回転している間に基板１０を「観察」できるように配置されている。テーブル３０の下にはレーザー干渉計９０が配置されている。レーザー干渉計はレーザー９４と検出器９６とを含んでいる。レーザーは、透明な窓３６を通して伝播し基板１０の露出した表面に衝突する平行レーザービーム９２を生成する。
【００２０】
作動時には、ＣＭＰ装置２０はレーザー干渉計９０を用いて、基板の表面から除去された材料の量により定義される研磨段階に関する終点を決めるか、又はいつ表面が平坦となったかを決める。汎用のプログラム可能ディジタルコンピューター９８は、レーザー９４と検出器９６とに接続されている。コンピューター９８は、基板が窓上に在るときにレーザーを作動させ、検出器からの計測値を記憶し、計測値を出力装置９３上に表示し、研磨終点を検出するようにプログラムされている。
【００２１】
図２（Ａ）では又、第１研磨ステーション２５ａにおいて、粗い表面１０２と、上部層１０４と、下部層１０６とを有する研磨積層パッド１００をテーブルが支持している。下部層１０６は感圧接着層１０８によりテーブル３０に取りつけられている。上部層１０４は下部層１０６よりも硬い。例えば、上部層１０４は微細多孔質ポリウレタン又は充填材と混合されたポリウレタンから構成され、下部層１０６は圧縮されたウレタン濾過フェルト繊維で構成されている。ＩＣ−１０００又はＩＣ−１４００から構成された上部層とＳＵＢＡ−４から構成された下部層とを有する二層研磨パッドはデラウェア州ニューアークのローデル社から入手可能である（ＩＣ−１０００、ＩＣ−１４００、ＳＵＢＡ−４はローデル社の商品名である）。
【００２２】
他の実施例では、研磨ステーション２５ｂは単一の硬質剛体層で作られた研磨パッドを有している。
【００２３】
図２（Ｂ）では、第２研磨ステーション２５ｂにおいて、単一の硬質剛体層１１４で作られ粗い表面１１２を有する研磨パッド１１０をテーブルが支持している。層１１４は感圧接着層１１８によりテーブル３０に取りつけられている。層１１４はデラウェア州ニューアークのローデル社から入手可能なＩＣ−１０００又はＩＣ−１４００から構成することができる。替わりに、研磨パッド１１０は、３Ｍ社から入手可能なレジンマトリクス内に埋め込まれた研磨粒子を有する固定研磨パッドでもよい。又更に、研磨パッド１１０は、ステーション２５ａにおける研磨パッドの上部層よりも遥かに剛い上部層か、又は研磨ステーション２５ａにおける研磨パッド１００の下部層より遥かに薄い（例えば５０％以上）下部層を有する二層パッドであってもよい。研磨パッド１１０には、基板の表面に亘るスラリーの配布を改良するため、あるパターンでエンボス加工又はスタンピング加工を施してもよい。他の点では、研磨ステーション２５ｂは研磨ステーション２５ａと同じである。
【００２４】
又別の実施例では、研磨ステーション２５ｂは、研磨ステーション２５ａにおける研磨パッド１００とほぼ同じ積層二層パッドを支持している。
【００２５】
最終研磨ステーション２５ｃにおいて、単一の軟質層１２４から作られほぼ平滑な表面１２２を有する研磨パッド１２０をテーブルが支持している。層１２４は感圧接着層１２８によりテーブル３０に取りつけられている。層１２４は、起毛多孔質合成材から構成されている。適切な軟質研磨パッドはローデル社からポリテクスという商品名で入手できる。研磨パッド１２０には、基板の表面に亘るスラリーの配布を改良するため、あるパターンでエンボス加工又はスタンピング加工を施してもよい。他の点では、研磨ステーション２５ｃは研磨ステーション２５ａ及び２５ｂと同じである。
【００２６】
又他の実施例では、研磨ステーション２５ｃは、第１研磨ステーションにおける研磨パッド１００と同様な積層二層パッドを支持している。
【００２７】
三段階化学的機械研磨プロセスでは、基板は先ずブレークスルー即ち主要研磨１５０のために積層二層パッドを使って研磨される。次に基板は、単層硬質パッドを使って低圧、例えば５ｐｓｉ未満で終点研磨１６０のために研磨される。終点研磨段階１６０の後には再研磨又はバフ掛け１８０が行われ、このときには先に述べたように単層軟質パッド又は積層二層パッドの何れかが用いられる。第１研磨段階は下のストップ層が部分的に露出したときに停止され、第２研磨段階は下のストップ層が完全に露出したときに停止される。ブレークスルー研磨段階１５０では材料の７５％までが取り除かれる。残りの材料は終点研磨段階１６０で取り除かれる。各研磨段階は、先に述べたレーザー干渉計９０又は振動終点システムのような終点検出器によって検出されるように、ストップ層に到達１９０したときに終了となる。
【００２８】
二段階化学的機械研磨プロセスでは、先ず単層硬質研磨パッドを用いてストップ層が完全に露出するまで基板表面を研磨１７０し、次に単層軟質パッド又は積層パッドを用いて基板を再研磨又はバフ掛け１８０する。
【００２９】
硬くて大きな研磨粒子（例えば、不規則な形状をしたＣｅＯ₂）を使えば、ブレークスルー即ち主要研磨段階において終点までの除去速度及び平坦化速度を速くすることもできる。軟らかく小さな研磨粒子（例えばコロイドシリカ）を使えば、良好な表面品質が得られ、欠陥数が減り、ブレークスルー即ち主要研磨段階及び終点段階において除去速度が制御しやすくなる。ある実施例では、全３つのプレート上での非均一性を改善するため、冷却したスラリー又はパッド及び脱イオン水が使用される。
【００３０】
深く幅の広い溝を設けたパッド（例えば、デラウェア州ニューアークのローデル社から入手可能なＩＣ１０１０）を、欠陥を減らすために、単独のパッド又は積層パッドの最上層パッドとして用いることもできる。
【００３１】
図３（Ａ）−（Ｅ）は、フィラー層とストップ層とを有する基板に化学的機械研磨を施すプロセスを示す。図３（Ａ）に示すように、基板１０はシリコンウェーハ１２上に配置された研磨ストップ層１４を含んでいる。研磨ストップ層１４はパターン付けされた下の単一又は複数の層の上にパターン付けされているか又は配置されているかの何れかなので、非平坦外表面を有している。フィラー層１８はストップ層１４を覆って配置されている。フィラー層１８の外表面は下のストップ層１４の形状を殆どそのまま複製しており、一連の山と谷ができているので基板の露出表面は平坦ではない。
【００３２】
先に論じたように、平坦化の目的の１つはフィラー層１８をストップ層１４の上面が完全に露出するまで研磨することである。結果として生じる基板表面は、ストップ層内の溝及び穴がフィラー層により埋められ、余分なフィラー層が研磨除去されているので、実質的に平坦である。フィラー層１８が導電性でありストップ層１４が絶縁性であれば、この研磨により絶縁性の島１４同士の間に導電性のビア１６が残され、絶縁層内の穴には全て導電性プラグが残されることになる（図３（Ｅ）参照）。
【００３３】
先に論じたように、効率的ＣＭＰプロセスは、高くて予測可能な研磨速度を提供するばかりでなく、ウェーハ内非均一性（ＷＩＷＮＵ）の低い基板表面を提供し、欠陥と「ディッシング」を低減し、そして予測可能である。研磨速度とＷＩＷＮＵはパッドのタイプ、基板をパッドに対して押し付ける力、基板とパッドとの間の相対速度、スラリー、及びこれらの要素の組み合わせによって決まる。
【００３４】
何らの特定の理論に限られること無く、ディッシング効果の１つの可能性のある原因は、再研磨の間の高選択性スラリーの使用である。特に、研磨プロセス内の非均一性のために、フィラー層１８が基板１０に亘って均一に除去されないことがある。その結果、ストップ層１４の上面が基板の全面に亘って確実に露出するようにするため、高選択性スラリーを使って基板を「再研磨」する必要が生じる。高選択性スラリーを使って再研磨すれば余剰フィラー層が除去されストップ層の非均一な研磨が避けられるので、グローバルフラットネスが改善される。しかしながら、高選択性スラリーは、フィラー層は研磨するがストップ層は研磨しないので、この再研磨は溝又は穴の中のフィラー層の一部を研磨除去し、それによりディッシングを生じる傾向にある。
【００３５】
図３（Ｂ）では、基板１０は最初に研磨ステーション２５ａ及び２５ｂで「高選択性」スラリーと硬質研磨パッド１１０、又は積層研磨パッド１００及び硬質研磨パッド１１０の両方とを使って研磨される。スラリーの選択性とはフィラー層の研磨速度のストップ層の研磨速度に対する比をいう。高選択性スラリーは２０：１から３００：１のオーダーの選択性を有する。高選択性スラリーは約２０：１以上、例えば約１００：１の選択性を有しているのが好ましい。基板は高選択性スラリーによって、例えばレーザー干渉計９０のような終点検出器がストップ層１４が露出していることを検出するまで研磨される。この時点では、図３（Ｃ）に示すように、ストップ層が少なくとも部分的には露出していなければならない。即ち、基板全面に亘って研磨速度が均一ではないことにより、フィラー層の薄膜１９がストップ層の幾らかの部分を覆って残り、ストップ層の他の部分は露出していることになる。
【００３６】
終点検出器が、少なくとも部分的にはストップ層が露出したと判定した後、基板は、ストップ層の実質的に全ての上面が実際、確実に露出するようにするため「再研磨段階」に供される。基板が再研磨段階に供されるときには、ストップ層の約半分が露出している。図３（Ｄ）では、再研磨段階のため、基板は最終研磨ステーション２５ｃで「非選択性」又は「低選択性」研磨スラリーを使って研磨パッド１２０上で研磨されている。低選択性スラリーは１：１乃至６：１のオーダーの選択性を有していなければならない。第２スラリーは約６：１以下、例えば約１：１の選択性を有しているのが好ましい。基板は、ストップ層１４が十分完全に露出し、薄膜層１９実質的に取り除かれ図３（Ｅ）のようになるまで、研磨パッド１２０を使って研磨される。
【００３７】
低選択性スラリーを再研磨段階で用いれば、フィラー層及びストップ層の両方を確実に研磨できるようになるので、ディッシングを低減又は無くすることができる。加えて、フィラー層の大部分が高選択性スラリーと硬質研磨パッドとを使って迅速に平坦化できるので、処理量を上げ、グローバル領域の平坦度を確保することができる。更に、ディッシングが低減されるのでより薄いフィラー層を使用できるようになり、その結果研磨時間が短くなり、ＣＭＰ装置の処理量が増加する。
【００３８】
これらのプロセスは様々に変更することができる。例えば、基板は、ストップ層が露出するまで研磨ステーション２５ａで研磨することもできる。再研磨段階を、例えば第２研磨ステーション２５ｂで、軟質研磨パッドではなく硬質研磨パッドを使って行ってもよい。最初の研磨段階と再研磨段階の両方を単一の研磨ステーション、例えば研磨ステーション２５ａで行ってもよい。再研磨段階の後には、同じ研磨ステーション（特に、再研磨段階で軟質研磨パッドが使用される場合）又は異なる研磨ステーション（特に、再研磨段階で硬質研磨パッドが使用される場合）で、低選択性スラリーを用いるバフ掛け段階を行ってもよい。
【００３９】
替わりに、高選択性スラリーを用いる研磨を、例えば第２研磨ステーション２５ｂで終点が検出された後も、継続して再研磨を行い、次に基板にバフ掛けし、そして／又は、例えば研磨ステーション２５ｃで低選択性スラリーを用いる追加の研磨段階に供してもよい。この場合、低選択性スラリーを用いるバフ掛け又は追加の研磨段階はフィラー層及びストップ層の両方を研磨し、再研磨段階で生じたディッシングを低減するか又は取り除く。
【００４０】
研磨プロセスは各種フィラー層及びストップ層に関して使うことができ、ＣＭＰを用いてストップ層を平坦化及び露出させる各種製作段階に適合させることができる。
【００４１】
例えば、研磨プロセスはシリコン研磨に使用することができる。この場合、通常ストップ層は酸化シリコンのような絶縁性酸化物であり、フィラー層は多結晶シリコン（ポリシリコン）、無定形シリコン、単結晶シリコンのようなシリコン層である。シリコン研磨が行われる場合には、初期自然酸化物除去段階が行われるが、これについては本発明の譲受人に譲渡された、シジャン・リ他による１９９８年６月１３日出願の「シリコンの化学的機械研磨のための技法」と題する米国特許出願番号第０９／０９７，００４号に論じられており、ここにその開示全てを参考文献として援用する。
【００４２】
フィラー層がポリシリコンであり、ストップ層が酸化シリコンであると仮定すれば、高選択性スラリーはポリシリコンスラリー、低選択性スラリーは酸化物研磨スラリーでなければならない。ポリシリコン研磨スラリーは、脱イオン水と、フュームドシリカ研磨粒子と、スラリーのｐＨ調節も行うアミンベースの化学反応剤とを含む。適切なポリシリコン研磨スラリーとしては、キャボット社から入手可能なＥＰＰ−１０００、ＥＰＰ−１０６０、ＥＰＰ−１０００ＬＲＰ、オレゴン州ウィルソンビルのフジミから入手可能なプラナライト−６１０１、プラナライト−６１０２、プラナライト−６２０３、ローデル社から入手可能なＳＤＥ−３０００がある。キャボット、フジミ、ローデルからの上記ポリシリコン研磨スラリーは約１：１００乃至１：１０００の選択性を有しており、絶縁層の組成によって変わる。低選択性スラリーは、脱イオン水と、フュームドシリカ研磨粒子と、水酸化カリウム（ＫＯＨ）又は水酸化アンモニウムのような反応性ｐＨ調整剤とを含む。適切な低選択性シリコン／ポリシリコン研磨スラリーとしては、ローデル社から入手可能なアドバンシル２０００がある。
【００４３】
研磨プロセスは導電層の研磨にも使用できる。この場合、通常、ストップ層は酸化シリコン等の酸化物のような絶縁層１４であり、フィラー層１８はアルミニウム、銅、タングステン等の金属のような導電層である。金属研磨に関しては、高選択性スラリーはキャボットから入手可能なＳＳＷ−２０００、低選択性スラリーはキャボットから入手可能なＳＳ−１２が挙げられる。
【００４４】
更に、研磨プロセスはトレンチ分離（ＳＴＩ）にも使用できる。ＳＴＩ研磨では、ストップ層１４は窒化シリコン等の窒化物のような第１誘電材であり、フィラー層１８は酸化シリコン等の酸化物のような第２誘電材である。ＳＴＩ研磨に関しては、高選択性スラリーはローデルから入手可能なコランダム、低選択性スラリーはこれもローデルから入手可能なＳＳ−１２が挙げられる。
【００４５】
高選択性スラリーは窒化物ストップ層のエロージョンを最小化するためにＳＴＩ ＣＭＰで用いられる。高選択性スラリーの選択性はアクティブエリアパターン密度によって変わる。図４では、選択性、即ち酸化物フィラー層の研磨速度の窒化物ストップ層の研磨速度に対する比が、高選択性スラリー及び低選択性スラリーに対するパーセントアクティブエリア（パターン密度）の関数としてプロットされている（各々曲線２９０及び２９２）。高選択性スラリーの場合、選択性は９０％アクティブエリアパターン密度での８５から１０％アクティブエリアパターン密度での２５へと低下する。低選択性スラリーは、このアクティブエリアパターン密度への依存性を示さない。
【００４６】
加えて、１０００ミクロン幅アクティブエリア上の残存窒化物厚さをアクティブエリア端からの距離の関数として表した図５（Ａ）に示すように、窒化物ストップ層エロージョンパターンの造形は、窒化物が再研磨の間に露出してしまったアクティブエリアでは丸みがついている。ウェーハ内非均一性（ＷＩＷＮＵ）が悪い場合、アクティブエリア内の酸化物を完全に除去するため再研磨時間を延長しなければならない。高選択性スラリーを使用する追加研磨時間を延長すると、１０００ミクロン幅フィールドエリア上の残存酸化物厚さをフィールドエリア端からの距離の関数として表した図５（Ｂ）に示すように、ひどいフィールド酸化物ディッシングが生じる。
【００４７】
図６（Ａ）及び（Ｂ）では、低選択性スラリー及び高選択性スラリー各々に対するディッシングが１０００μｍ幅スペース及び４００μｍ幅スペース上での残存窒化物厚さの関数としてプロットされている。図から分かるように、ディッシングは、高選択性スラリーを用いた場合の方が低選択性スラリーの場合に比べて顕著になる。ある実施例では、アクティブエリアの酸化物除去の後、ディッシングは高選択性スラリーを使用した場合には１０００μｍ幅スペース上で深さ１４００Åにも達する（図６（Ｂ））。これに比べ、低選択性スラリーを使用した場合には１０００μｍ幅スペース上で６００Å未満（＜２００Å窒化物エロージョンに対応）に収まる（図６（Ａ））。ひどいディッシング及びウェーハ内ディッシング変動はデバイス欠陥につながりかねない。ディッシングによりフィールド酸化物がポリシリコン蒸着前にシリコン表面の下に凹みを作る場合には、シリコンデバイス角部周りのポリシリコンラッピングは、高いサブスレッショルド漏洩電流を生じる結果となる。又他の潜在的デバイス欠陥は、アクティブエリアと、そして高いＷＩＷＮＵ又は大きなウェーハ内ディッシング変動によって作り出される隆起フィールド領域の脚部とに在るポリシリコン残留物及び／又はストリンガによって生じることもある。
【００４８】
先に論じたように、ＣＭＰではＷＩＷＮＵの低いことが望ましい。ＷＩＷＮＵを下げるのには３つの因子が貢献する。第１の因子は、ウェーハ背面に均一な圧力を掛けるための可撓性膜を備えたキャリアヘッドと、ウェーハの端部における移動速度を調整するための独立圧力制御機能を備えたリテイニングリングとを使用することである。第２の因子は、プロセスパラメータ、消耗品パラメータの最適化である。低膜圧（例えば５ｐｓｉ未満）及び低選択性スラリー（例えばコロイドＳｉＯ₂スラリー）は、図７に示されるように、トレンチ酸化物研磨の間に低ＷＩＷＮＵを達成するのに使用され、この図は２００ｍｍの直径を有するウェーハを、端部３ｍｍを除いて直径方向に亘り走査したものを示す。各曲線は別々のウェーハと研磨ヘッドとの組み合わせの結果を示す。第３の因子は、終点検出器を用いて窒化物上の一貫した終点検出を確実に行うことである。終点検出器は、例えばレーザー干渉計のような光学的なものでも、振動検出システムでもよい。上記３つの因子を使えば、図８の曲線２８７に示すように、３６０ウェーハ拡張ランにおいて３％未満のＷＩＷＮＵを達成できる。加えて、ＣＭＰ後フィールド酸化物厚さ（図８の曲線２８６）は拡張ランに亘って一貫している。図８のデータを得るために、膜／リテイニングリング／内部管の圧力を２．５／３／２．５ｐｓｉ、テーブル／ヘッドの速度を６３／５７ｒｐｍとし、積層ＩＣ１０００／ＳｕｂａIV研磨パッドを使用した。図９では、ＣＭＰ後窒化物残存厚さ及び窒化物厚さ範囲（最大）により明確に示されているように、窒化物エロージョンが拡張ランにおけるウェーハ数の関数としてプロットされている。図９のデータを得るために、膜／リテイニングリング／内部管の圧力を４／４．６／４ｐｓｉ、テーブル／ヘッドの速度を９３／８７ｒｐｍとし、積層ＩＣ１０００／ＳｕｂａIV研磨パッドを使用した。曲線２８８に示されているように、１００ウェーハ拡張ランに亘って１．４３％の窒化物ウェーハ間非均一性（ＷＴＷＮＵ）を達成するため、窒化物エロージョンが制御されている。残存窒化物厚さ範囲（最大−最小）曲線２８９は、特徴付けられた造形に亘って３５０Å未満、平均２５９Åに制御されている。
【００４９】
図１０では、ＣＭＰ後窒化物厚さ（曲線２８４）、酸化物厚さ（曲線２８２）、終点における実際の研磨時間（曲線２８０）が拡張ランにおけるウェーハ数の関数としてプロットされている。図１０のデータを得るために、膜／リテイニングリング／内部管の圧力を４／４．６／４ｐｓｉ、テーブル／ヘッドの速度を６３／５７ｒｐｍとし、積層ＩＣ１０００／ＳｕｂａIV研磨パッドを使用した。データの第１部は最適化されたプロセスランの間にとられ（領域Ａ）、データの第２部は実験計画（ＤＯＥ）ランの間にとられた（領域Ｂ）。ＣＭＰ後窒化物厚さ及び酸化物厚さの両方共、最適化プロセスラン及びＤＯＥランの間、制御されている。ＣＭＰ後残存酸化物厚さは、蒸着された酸化物厚さと除去された厚さの差である。ＤＯＥの間、圧力とテーブル／ヘッド回転速度を変えることにより研磨速度は変えられた。
【００５０】
図１１（Ａ）及び（Ｂ）に、ＳＡＣＶＤ及びＨＤＰ ＣＶＤそれぞれに関する、ＣＭＰ前（３５０、３６０）及びＣＭＰ後（３５２、３６２）の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）顕微鏡写真を示す。ＨＤＰ ＣＶＤ酸化物充填は蒸着プロセスの間のスパッタリングによる自己平坦化効果を示している。自己平坦化効果によりトレンチ酸化物蒸着がより薄くできるようになり、最終的には蒸着ツールによる処理量を増やすことができる。それにも関わらず、酸化物ディッシングと窒化物エロージョンとはＳＡＣＶＤ及びＨＤＰ ＣＶＤ酸化物トレンチ充填の双方に対し一貫して最小限に制御できる。
【００５１】
このプロセスは、ダミー造形、逆マスクエッチング、ブランケット窒化物フィルム、薄い窒化物サンドイッチフィルムのような代表的集積解決策に依ることなく、異なるパターン密度の異なるデバイス（０．２５μｍ以上）に使用することができる。ダミー造形はフォトマスク制作費を上げるばかりでなく、デバイスに潜在的悪影響を及ぼし、これは特にポリシリコンキャパシタ設計が用いられる場合には当てはまる。他の集積解決策も余分なプロセス段階を導入することになり製造コストが上がる。これらの集積策の出費がないＳＴＩ ＣＭＰプロセスはＩＣ製造業者には非常に魅力的である。
【００５２】
先に論じたように、ウェーハ平坦度は圧力、速度及びパッドタイプによって変わる。圧力パラメータには膜とリテイニングリングと内部管の圧力が含まれる。速度パラメータにはテーブルとヘッドの速度が含まれる。ＩＣ１０００硬質単独パッド及びＩＣ１０００／ＳｕｂａIV積層パッドの２タイプの研磨パッドを比較した。１０％から９０％の範囲の異なるパーセンテージのアクティブエリアを有する８２００Åの深いトレンチを充填するのに１６０００ÅのＰＥＴＥＯＳを蒸着してパターン付けされたウェーハを準備した。ウェーハ表面の準備に関しては、各ステッパフィールドに１０％から９０％の範囲の異なるパーセンテージのアクティブエリアを持つ４ｘ４ｍｍのテスト構造を有するマスクレイアウトを使用した。各実験ランに対し、５０％のアクティブエリアで９０００＋／−５００ÅのＰＥＴＥＯＳを除去するよう研磨時間を制御した。
【００５３】
図１２は、フィールドエリアに残存する酸化物の厚さを、硬質単独研磨パッド（曲線３００、３１０）及び積層研磨パッド（曲線３２０、３３０）用に研磨時間を調節した後のアクティブエリアのパーセンテージの関数としてプロットしたものである。硬質単独パッドは硬質／軟質積層パッドに比べ高速（テーブル／ヘッド、１５３／１４７ｒｐｍ）３１０、３３０及び低速（テーブル／ヘッド、９３／８７ｒｐｍ）３００、３２０の両方において異なる基板構造の研磨均一性を十分に改善した。硬質単独パッドを低圧（膜／リテイニングリング／内部管、２／２．９／２ｐｓｉ）で用いることにより（曲線３００）、異なるパーセンテージのアクティブエリアを有するダイに亘る酸化物厚さ範囲（最大−最小）が１２００Åに制御された。これは、同じ条件で硬質／軟質積層パッドを使用した場合（曲線３２０）に同じテストマスク上で観察される範囲の約１／３である。図１２の曲線の不規則形状は、非常に異なるパーセンテージのアクティブエリアを有する近接する造形の影響によるものであろう。近接する造形による影響はマスクレイアウトにより抑制される。
【００５４】
図１３は、平坦化長を、単独硬質パッド３０２、３１２及び積層硬質パッド３２２、３３２に対する膜圧力の関数としてプロットしたものである。単独硬質パッドでは平坦化長１５ｍｍが達成されるが、積層パッドでは平坦化長が唯の６ｍｍしか達成できていない。膜圧力が２ｐｓｉから７ｐｓｉに変えられている。２乃至７ｐｓｉのテスト範囲では、高圧に比べて低膜圧が平坦度を改善している。この結果は又、平坦度が、２０”テーブル上での９３／８７ｒｐｍから１５３／１４７ｒｐｍの範囲ではテーブル／ヘッド速度に対して、硬質／軟質積層パッド及び硬質単独パッド両方に関し各々曲線３２２、３３２及び３０２、３１２に示すように、鈍感であることを示している。
【００５５】
要約すれば、ウェーハの平坦度は硬質単独研磨パッドを使って低膜圧力下で研磨することにより改善される。５ｍｍ端部除外及び３ｍｍ端部除外での５％未満のＷＩＷＮＵが、圧力２／２．９／２ｐｓｉ及び速度１５３／１４７ｒｐｍでの単独ＩＣ１０００硬質パッドを使った１８２秒の研磨の後、２００ｍｍウェーハ上で達成されている。７％未満のＷＩＷＮＵが、圧力２／２．９／２ｐｓｉ及び速度９３／８７ｒｐｍでの単独ＩＣ１０００硬質パッドを使った２５１秒の研磨の後、ウェーハ上で達成されている。硬質単独パッド研磨時間を６０秒未満に低減すればＷＩＷＮＵを更に低くできるものと期待される。
【００５６】
パッド硬度は高平坦度を達成するのに支配的な要素である。調査した実験範囲では、剛体単層パッドを低膜圧力で使用すれば高い平坦度が得られた。又、平坦度は速度に対しては鈍感である。ＳＴＩ ＣＭＰプロセスで硬質単独パッドを低圧で用いれば、平坦度が線形研磨機の場合よりも５０％良くなり、硬質単独パッドが使用されなかった場合よりも３倍良くなる。
【００５７】
本発明は、図示し説明した実施例に限られるものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲に定義されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 化学的機械研磨（ＣＭＰ）装置の概略拡大斜視図である。
【図２】 図２（Ａ）は、図１のＣＭＰ装置の第１研磨ステーションの概略断面図である。図２（Ｂ）は、図１のＣＭＰ装置の第２研磨ステーションの概略断面図である。
【図３】 図３（Ａ）は、本発明の方法を示す基板の概略断面図である。図３（Ｂ）は、本発明の方法を示す基板の概略断面図である。図３（Ｃ）は、本発明の方法を示す基板の概略断面図である。図３（Ｄ）は、本発明の方法を示す基板の概略断面図である。図３（Ｅ）は、本発明の方法を示す基板の概略断面図である。
【図４】 酸化物／窒化物選択性を低選択性スラリー及び高選択性スラリーに対するアクティブエリアのパーセンテージの関数として示すグラフである。
【図５】 図５（Ａ）は、等しいライン及び等しいスペースの１０００ミクロン造形サイズの５０％アクティブエリア領域における窒化物エロージョンをアクティブエリア端からの距離の関数として表したグラフである。図５（Ｂ）は、等しいライン及び等しいスペースの１０００ミクロン造形サイズの５０％フィールドエリア領域における酸化物ディッシングをフィールドエリア端からの距離の関数として表したグラフである。
【図６】 図６（Ａ）は、低選択性スラリーに関するディッシングを１０００μｍ及び４００μｍスペースに対する残存窒化物厚さの関数として表したグラフである。図６（Ｂ）は、高選択性スラリーに関するディッシングを１０００μｍ及び４００μｍスペースに対する残存窒化物厚さの関数として表したグラフである。
【図７】 端部３ｍｍを除外して２００ｍｍ直径のウェーハを走査した結果を示すグラフである。
【図８】 フィールド酸化物厚さ及びＷＩＷＮＵを、拡張ランにおけるウェーハ数の関数として表したグラフである。
【図９】 残存窒化物厚さ及び窒化物厚さ範囲を、拡張ランにおけるウェーハ数の関数として表したグラフである。
【図１０】 残存窒化物厚さ、フィールド酸化物厚さ、終点における実際の研磨時間を、拡張ランにおけるウェーハ数の関数として表したグラフである。
【図１１】 図１１（Ａ）は、ＳＡＣＶＤ酸化物充填に関する、ＣＭＰ前及びＣＭＰ後の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）顕微鏡写真である。図１１（Ｂ）は、ＨＤＰＣＶＤ酸化物充填に関する、ＣＭＰ前及びＣＭＰ後の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）顕微鏡写真である。
【図１２】 フィールドエリアに残存する酸化物を、調節された時間で研磨した後のアクティブエリアのパーセンテージの関数として表したグラフである。各曲線は異なる研磨パッドタイプと速度の組み合わせを表す。
【図１３】 平坦長を、異なる研磨パッドタイプと速度の組み合わせに関する膜圧力の関数として表したグラフである。
【符号の説明】
１０…基板、１４…ストップ層、１６…ビア、１８…フィラー層、１９…薄膜層、２０…研磨装置、ＣＭＰ装置、２５ａ…第一研磨ステーション、２５ｂ…第二研磨ステーション、２５ｃ…最終研磨ステーション、２７…中継ステーション、３０…回転テーブル、３４…開口、穴、３６…透明な窓、４０…パッド調整装置、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ…組み合わせ型スラリー／リンスアーム、６０…回転ラック、６２…中心柱、６４…回転ラック軸、６６…回転ラック支持板、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ…キャリアヘッドシステム、７２…半径方向スロット、７６…キャリアヘッドｊ回転モータ、７８…キャリア駆動シャフト、８０…キャリアヘッド、９０…レーザー干渉計、９２…平行レーザービーム、９３…出力装置、９４…レーザー、９６…検出器、９８…コンピュータ、１００…研磨パッド、１０４…上部層、１０６…下部層、１０８…感圧接着層、１１０…研磨パッド、１１２…粗い表面、１１４…層、１１８…感圧接着層、１２０…研磨パッド、１２２…平滑な表面、１２４…層、１２８…感圧接着層、１５０…主要研磨、１６０…終点研磨段階、１７０…研磨、１８０…バフ掛け。

Claims (12)

1. ストップ層の上に配置されたフィラー層を有する基板に化学的機械研磨を施す方法であって、
   単層硬質研磨パッドと第１スラリーを用いてストップ層が少なくとも部分的に露出するまで基板に化学的機械研磨を施す段階と、
   軟質研磨パッドと前記第１スラリーよりも低い選択性を有する第２スラリーを用いてストップ層が完全に露出するまで前記基板に化学的機械研磨を施す段階と、を備え、
   前記選択性は、前記フィラー層の研磨速度の前記ストップ層の研磨速度に対する比である、
   方法。
2. 前記基板には研磨の間、３４．５ｋＰａに等しいかそれより低い圧力が加えられる、請求項１に記載の方法。
3. 前記圧力が２０．０ｋＰａに等しいかそれより低い、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１スラリーが約２０：１より大きな選択性を有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記第２スラリーが約６：１より小さな選択性を有する、請求項１に記載の方法。
6. ストップ層が少なくとも部分的に露出したときと、ストップ層が完全に露出したときとを終点検出器により感知する段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記単層硬質研磨パッドがポリウレタンを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記単層硬質研磨パッドがマトリクスに埋め込まれた研磨粒子を含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記フィラー層が金属であり、前記ストップ層が誘電性材である、請求項１に記載の方法。
10. 前記フィラー層が第１誘電性材であり、前記ストップ層が第２誘電性材である、請求項２に記載の方法。
11. 前記単層硬質研磨パッドと前記第１スラリーを用いて前記基板に研磨を施す段階は、前記ストップ層全体ではなく、前記ストップ層が部分的に露出されるまで実施される、請求項１記載の方法。
12. ストップ層の上に配置されたフィラー層を有する基板に化学的機械研磨を施す方法であって、
    単層硬質研磨パッドと第１スラリーを用いてストップ層が十分完全に露出するまで基板に化学的機械研磨を施す段階と、
    軟質研磨パッドと前記第１スラリーよりも低い選択性を有する第２スラリーを用いて前記基板に化学的機械研磨を施す段階と、を備え、
    前記選択性は、前記フィラー層の研磨速度の前記ストップ層の研磨速度に対する比である、
    方法。

Images