JP4777031B2 - 化学的機械研磨方法及び試料台パッド - Google Patents

Description

本発明は、スラリを用いて試料を研磨する化学的機械研磨装置及び化学的機械研磨装置の試料台パッドに関し、特に研磨前又は研磨後の試料を試料台の上に一時的に載置する機構を備えた化学的機械研磨装置及び化学的機械研磨装置の試料台パッドに関する。

近年、半導体装置のより一層の微細化に伴って、絶縁膜又は導電体膜を成膜したウェハ（半導体基板）の表面を高精度で平坦化することが要求されるようになった。このような要求を満たすために、現在、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ：化学的機械研磨）装置が広く使用されている。ＣＭＰ装置は、基板となるシリコンウェハの研磨、ダマシン法による配線形成及び絶縁膜の平坦化など、半導体装置製造の種々の工程で使用されている。また、ＣＭＰ装置は、ハードディスク（磁気記録装置）の製造、ＭＣＭ（マルチチップモジュール：ハイブリッド集積回路）の製造及びレンズの研磨等にも使用されている。

図１は半導体装置の製造に使用されるＣＭＰ装置の概要を示す模式図である。この図１に示すように、ＣＭＰ装置は、プラテン（定盤）１０と、研磨ヘッド（研磨キャリア）１４と、スラリ供給ノズル１５と、コンディショニングディスク１２とを有している。

プラテン１０の上には研磨パッド（研磨布）１１が装着される。このプラテン１０は回転軸１０ａに固定されており、回転軸１０ａの回転に伴って回転する。研磨ヘッド１４はプラテン１０の上方に配置されている。この研磨ヘッド１４の下面側には、後述するように、ウェハ１３を吸着保持するためのメンブレンと呼ばれる部材が設けられている。研磨ヘッド１４は回転軸１４ａに固定されており、回転軸１４ａの回転に伴って回転する。

コンディショニングディスク１２もプラテン１０の上方に配置されている。このコンディショニングディスク１２は回転軸１２ａに固定されており、回転軸１２ａの回転に伴って回転する。このコンディショニングディスク１２は、ウェハ研磨中又は研磨が終了した段階で研磨パッド１１の表面を研磨に最適な状態に保つために使用される。コンディショニングディスク１２は、コンディショナー又はドレッサーとも呼ばれる。

スラリ供給ノズル１５はチューブ１５ａを介してスラリ供給装置（図示せず）に接続されており、このスラリ供給ノズル１５から研磨パッド１１上にスラリが滴下される。研磨パッド１１上に滴下されたスラリは、プラテン１０の回転により研磨パッド１１とウェハ１３との間に供給される。そして、研磨パッド１１とスラリに含まれる研磨剤（研磨粒子）及び薬液とにより、ウェハ１３の表面が機械的及び化学的に研磨される。

図２は、ＣＭＰ装置の斜視図であり、図３は同じくそのロードカップ（ロード／アンロードステーション又はＨＣＬＵとも呼ばれる）の断面と研磨ヘッドの一部断面とを示す図である。これらの図を用いてＣＭＰ装置の詳細を説明する。

図２に示すように、一般的なＣＭＰ装置では、ベース２上に複数個（図では３個）のプラテン１０と１つのロードカップ２０とが設けられている。各プラテン１０の周囲には、先端にスラリ供給ノズルが設けられたスラリ供給アーム３１と、コンディショニングディスク１２が取り付けられたコンディショニングディスク駆動アーム３２とがそれぞれ設けられている。また、研磨ヘッド１４は、回転軸３０ａに支持されるヘッドユニット３０に取り付けられている。この図２に示すＣＭＰ装置では、３つのプラテン１０と１つのロードカップ２０とが回転軸３０ａの周囲に配置されており、ヘッドユニット３０にはプラテン１０及びロードカップ２０に対応して４つの研磨ヘッド１４が設けられている。研磨ヘッド１４にウェハを吸着保持した状態でヘッドユニット３０が回転することにより、各プラテン１０上にウェハが搬送される。なお、研磨ヘッド１４の回転軸１４ａは、図２に矢印で示すようにヘッドユニット３０の回転半径方向に往復運動するようになっている。

ロードカップ２０の内側には、図３に示すように、研磨前又は研磨終了後のウェハ（試料）１３を一時的に保持するペデスタル（試料台）２１が設けられている。このペデスタル２１の内部は空洞になっており、上面側には空洞とつながった複数のノズル（穴）２１ａが設けられている。ペデスタル２１内の空間（空洞）は、ペデスタル２１を支持する中空シャフト２２の内部空間に接続されている。このシャフト２２の内部空間は、複数の切換えバルブ（図示せず）を介して窒素ガス供給源、純水供給源及び真空ポンプに接続される。

また、ロードカップ２０の内側には、研磨ヘッド１４に対してウェハ１３を位置合わせするための位置決め部材（図示せず）が設けられている。なお、この図２，図３に示すＣＭＰ装置では、ペデスタル２１の周囲に、研磨ヘッド１４に向けて純水を噴射するノズル２３が設けられている。このノズル２３は、配管２４を介して純水供給源に接続されている。

研磨ヘッド１４の下側には薄膜状のゴムよりなるメンブレン１６を備えた吸着部材が設けられている。この吸着部材は空気圧調整機構に接続されており、吸着部材の内部空間を負圧にするとメンブレン１６が上側にへこんでウェハ１３を吸着する。従来、このようなＣＭＰ装置の構造が知られている（例えば、特許文献１，２，３参照）。

ところで、ペデスタル２１の上には、図４（ａ）の側面図に示すように、ウェハ１３の表面に傷がつくことを防止するために、ペデスタルパッド２５が配置されている。このペデスタルパッド２５は柔らかい素材で作られており、詳しくは上層がポリウレタンの垂直発泡体の層、下層がポリウレタン繊維の不織布にポリウレタン樹脂を含浸した層の２層構造となっている。また、ペデスタルパッド２５には、図４（ｂ）の平面図に示すように、ペデスタル２１に設けられたノズル２１ａに整合する位置に穴２５ａが設けられている。

なお、ＣＭＰ研磨後のウェハをＢＴＡ（ベンゾトリアゾール）水溶液中に保管することで配線に用いられる銅の酸化や腐食を防ぐことが知られている（例えば、特許文献４）。
特開２００３−７１７０９号公報 特開平９−１７４４２０号公報 特許第３４３９９７０号公報 特開２０００−２７７４７０号公報

半導体装置の配線材料としては、一般的にアルミニウムが使用されている。しかし、高集積及び高性能な半導体装置では、アルミニウムよりも比抵抗が小さく且つエレクトロマイグレーションが発生しにくいことから、配線材料として銅が使用されることが多い。銅をＣＭＰ研磨する場合には、絶縁膜をＣＭＰ研磨する場合に比べて化学反応が大きく寄与する。ところで、銅は酸化や腐食が発生しやすい金属であり、またＣＭＰ研磨後の銅の表面は極めて活性であるので、容易に酸化や腐食が発生してしまう。このため、スラリ及び洗浄液の選択だけでなく、研磨後のウェハの取り扱いにも注意が必要である。

しかしながら、従来のＣＭＰ装置では、研磨終了からアンロード（研磨装置からの搬出）までの間に銅の酸化又は腐食が発生することがあり、より一層の工夫が要望されている。

本発明は、研磨後の金属配線表面の腐食防止を総括課題とし、詳しくは、研磨後の試料に酸化、腐食又はその他の不具合が発生することを防止できる化学的機械研磨装置及び化学的機械研磨装置の試料台パッドを提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、研磨ステージと、試料台と、前記試料台上に配置されている、試料台パッドと、前記試料台パッドの上に載置された試料を前記研磨ステージに搬送し、前記研磨ステージで化学的機械研磨された試料を前記試料台パッドの上に戻す研磨ヘッドと、を有し、前記試料台は純水を噴射するノズルを備え、前記試料台パッドに前記ノズルに対応する位置に穴が形成されており、前記試料台パッドの前記試料に接触する面側に、外縁まで達する溝が形成されている化学的機械研磨装置が提供される。

本発明の別の一観点によれば、樹脂により形成され、試料台の上に配置されて研磨前又は研磨後の試料が一時的に載置される化学的機械研磨装置用試料台パッドにおいて、前記試料に接触する面側に、外縁まで達する溝が形成されており、前記試料台に設けられた純水を噴射するノズルに対応する位置に穴が形成されている試料台パッドが提供される。

本発明においては、試料台の上に樹脂製の試料台パッドが配置される。この試料台パッドの試料に接触する面は液体に対して非吸収性である。換言すると、試料台パッドの試料に接触する面は平滑であって、液体を保持する空間を有していない。従って、試料台パッドの上に落下した水（又はその他の液体：以下同じ）は、例えば研磨ヘッドをロードカップで洗浄するときに用いられる純水とともに試料台パッド上から容易に除去される。これにより、試料台パッド上に落下した水又は薬液による試料表面の酸化、腐食又は溶解等の不具合の発生が回避される。

試料台上に落下した水を効率よく排出するために、試料台パッドの試料に接触する面側には、試料台パッドの外縁まで延びる溝を形成しておくことが好ましい。試料台パッド上に落下した水は、試料台パッド上にウェハを載置するときに、溝を通って試料台パッドの外縁から排出される。

試料台に液体供給源及び真空装置に接続されるノズルが設けられている場合、試料台パッドには穴を設けてノズルを塞がないようにすることが必要となる。この場合、溝と穴とが連結していると、試料台パッド上に試料を吸着する際に、溝を介してノズルにエアーが流入し、試料台パッド上に試料を十分に吸着することができなくなることがある。従って、穴と連結しないように溝を形成することが好ましい。

また、試料台パッドを、複数の個別のパッド構成部材により構成してもよい。この場合に、試料台パッドには、試料台のノズルを囲むリング状のパッド構成部材を含むことが好ましい。

本願発明者等は、ＣＭＰ研磨終了からアンロードまでの間に銅の酸化や腐食が発生する原因を探求した。以下、その詳細を説明する。

図５（ａ）〜（ｅ）は、ウェハの移動とＣＭＰ装置のヘッドユニットの動きとを示す模式図である。

まず、図５（ａ）に示すように、搬送ロボットにより、ウェハ６３がロードカップ７０まで搬送され、ペデスタル上に載置される。次に、ペデスタル上のウェハ６３が研磨ヘッド６４ａに保持される。その後、図５（ｂ）に示すように、ヘッドユニット８０が左方向に約９０°回転して、ウェハ６３を第１のプラテン（第１の研磨ステージ）６０ａに搬送する。そして、第１のプラテン６０ａでウェハ６３をＣＭＰ研磨する。

第１のプラテン６０ａでＣＭＰ研磨が終了すると、ウェハ６３は研磨ヘッド６４ａに保持される。その後、図５（ｃ）に示すように、ヘッドユニット８０が更に左方向に約９０°回転して、ウェハ６３を第２のプラテン（第２の研磨ステージ）６０ｂに搬送する。そして、第２のプラテン６０ｂでウェハ６３をＣＭＰ研磨する。

第２のプラテン６０ｂでＣＭＰ研磨が終了すると、ウェハ６３は研磨ヘッド６４ａに保持される。その後、図５（ｄ）に示すように、ヘッドユニット８０が更に約９０°回転して、ウェハ６３を第３のプラテン（第３の研磨ステージ）６０ｃに搬送する。そして、第３のプラテン６０ｃでウェハ６３をＣＭＰ研磨する。

第３のプラテン６０ｃでＣＭＰ研磨が終了すると、図５（ｅ）に示すように、ウェハ６３は研磨ヘッド６４ａに保持されてロードカップ７０に戻され、ペデスタル上に載置される。このとき、ヘッドユニット８０は右方向に約２７０°回転する。その後、このペデスタル上のウェハ６３は、搬送ロボットによりＣＭＰ装置から搬出される。

このように、ウェハ６３はロードカップ７０→第１のプラテン６０ａ→第２のプラテン６０ｂ→第３のプラテン６０ｃ→ロードカップ７０の順に搬送される。

なお、ウェハをＣＭＰ研磨するときには、ウェハを特定のプラテンのみで研磨する（すなわち、ウェハがプラテン間を移動しない）方法と、上述したように複数のプラテンで１枚のウェハを順番に研磨する（分割研磨）方法とがある。半導体装置の製造工程では、スループットを上げるために、後者の方法を採用することが多い。

ところで、第３のプラテン６０ｃでＣＭＰ研磨が終了したウェハ６３をロードカップ７０まで戻すときにヘッドユニット８０が逆回転するため、他の研磨ヘッド６４ｂ〜６４ｄに保持された研磨途中のウェハ６３がロードカップ７０の上を通過する。各プラテン６０ａ〜６０ｃでは、研磨終了時にスラリ供給ノズルから純水を放出してウェハ６３の表面の洗浄が行われる。しかし、ウェハ６３の表面や研磨ヘッド６４ａ〜６４ｄには、わずかではあるもののスラリ成分を含む水が残留し、この水がウェハ搬送時にロードカップ７０のペデスタルパッドの上に落下することがある。

ロードカップ７０では純水による洗浄が行われており、ペデスタルパッド上にスラリ成分を含む水が落下しても、ある程度は除去することができる。しかし、前述したように、従来のペデスタルパッドはポリウレタンの垂直発泡体により形成されており、表面に蜂の巣状の微細な孔を有している。これらの孔の中にスラリ成分を含んだ水が残ってしまうため、研磨終了後のウェハ６３がペデスタルパッドの上に載置されると、ウェハ６３の研磨面とスラリ成分を含んだ水とが接触する。これにより、水に含まれるスラリ成分の種類及び濃度などの条件にもよるが、ウェハ表面の金属膜（特に銅膜）に酸化や腐食が発生する。特に、ペデスタルパッド上に落下した水に銅イオンが含まれていると、銅膜が溶解されやすくなったり、酸化や腐食が促進される。

ペデスタルパッド上に落下するスラリの量を減少するために、ヘッドユニット８０を常に一方向に回転させる（すなわち、逆転させない）ことも考えられる。しかし、その場合はヘッドユニット８０を支持する回転軸の中を通る配線やチューブがねじれないようにする必要があり、装置構造が複雑になってしまう。また、仮にヘッドユニット８０を常に一方向に回転させるようにしても、ウェハ６３又は研磨ヘッド６４ａ〜６４ｄからペデスタルパッド上にスラリ成分を含んだ水が落下することを完全に防止することはできない。

なお、銅のＣＭＰ研磨の場合は、ペデスタルパッドの表面に残る水による腐食や酸化が顕著に現れるが、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）及びルテニウム（Ｒｕ）等の金属膜の研磨においても、スラリの成分によっては酸化、腐食又は金属の部分的な溶解等の不具合が発生する。また、多結晶シリコン膜及びアモルファスシリコン膜等の半導体膜の研磨や、ＳｉＯ膜、ＳｉＯ₂ 膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜及びＢＰＳＧ膜等の絶縁膜の研磨においても、スラリによっては部分的に膜成分が溶解することがある。

以上の考察から、本願発明者等はペデスタルパッド上にスラリ成分を含む水（又はその他の液体）が落下しても、ペデスタルパッド上に水（又はその他の液体）が残留しないようにすることが重要であるとの結論に達した。以下、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図６は、本発明の第１の実施形態の研磨装置（ＣＭＰ装置）を示す上面図である。

本実施形態の研磨装置では、ベース１０２上に３個のプラテン（研磨ステージ）１１０と１つのロードカップ１２０とが設けられている。各プラテン１１０の周囲には、先端にスラリ供給ノズルが設けられたスラリ供給アーム１３１と、コンディショニングディスクが取り付けられたコンディショニングディスク駆動アーム１３２とがそれぞれ設けられている。各プラテン１１０の上には研磨パッド（研磨布）が装着される。

また、回転軸に支持されるヘッドユニット１３０には、プラテン１１０及びロードカップ１２０に対応して４つの研磨ヘッド１１４が取り付けられている。研磨ヘッド１１４にウェハを吸着保持した状態でヘッドユニット１３０が回転することにより、各プラテン１１０にウェハが搬送される。なお、研磨ヘッド１１４は回転軸とともに回転するだけでなく、ヘッドユニット１３０の回転半径方向に往復移動するようになっている。

図７に、研磨ヘッド１１４、ヘッドユニット１３０、スラリ供給アーム１３１及びコンディショニングディスク駆動アーム１３２の動作を示す。この図７において、研磨ヘッド１１４、ヘッドユニット１３０、スラリ供給アーム１３１及びコンディショニングディスク駆動アーム１３２はそれぞれ矢印で示す方向に駆動される。

ロードカップ１２０の内側には、図８に示すように、研磨前又は研磨終了後のウェハ（試料）１１３を一時的に保持するペデスタル（試料台）１２１が設けられている。このペデスタル１２１の内部は空洞になっており、上側には空洞とつながった複数のノズル（穴）１２１ａが設けられている。ペデスタル１２１内の空洞は、ペデスタル１２１を支持する中空シャフト１２２の内部空間に接続されている。このシャフト１２２の内部空間は、複数の切換えバルブ（図示せず）を介して窒素ガス供給源、純水（洗浄液）供給源及び真空ポンプに接続される。また、ロードカップ１２０の内側には、研磨ヘッド１１４に対してウェハ１１３を位置合わせするための位置決め部材（図示せず）が設けられている。

ペデスタル１２１の上には、図９に平面図を示すようなペデスタルパッド１２５が接合される。このペデスタルパッド１２５はプラスチックの一種であるポリウレタンのシートにより形成され、表面（ウェハとの接触面）が平滑であり、水（液体）を保持する微細な空隙（孔等）を有していない。また、ペデスタルパッド１２５には、ペデスタル１２１のノズル１２１ａに対応する位置に穴（開口部）１２５ａが設けられている。この例では、中央の穴１２５ａの形状が菱形であり、他の穴１２５ａの形状は円形である。

更に、ペデスタルパッド１２５には、溝１２５ｂが放射状に設けられている。本実施形態において、ペデスタルパッド１２１の直径は１８３．４ｍｍ、厚さは１〜２ｍｍ、溝１２５ｂの幅は５ｍｍ、溝１２５ｂの深さは０．１〜０．７ｍｍである。なお、ペデスタルパッド１２５は他のプラスチック又はゴムのシートにより形成してもよい。例えば、ポリウレタンを主成分とする樹脂、ポリエチレンを主成分とする樹脂、ポリ塩化ビニルを主成分とする樹脂、アクリルを主成分とする樹脂、又はネオプレーン等によりペデスタルパッド１２５を形成することができる。但し、ペデスタルパッド１２５は、少なくともウェハ（試料）との接触面が非吸水性であることが必要である。すなわち、ペデスタルパッド１２５は、少なくともウェハ（試料）との接触面が平滑であり、水（液体）を保持する微細な孔のような空隙を有していないことが必要である。

溝１２５ｂの幅は、水をスムーズに排出するために、１ｍｍ以上とすることが好ましい。また、溝１２５ｂの断面は、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、上部の幅Ａが広く下部の幅Ｂが狭い形状としてもよい。例えば、溝の断面を図１１に示すように上部の幅Ａが狭く下部の幅Ｂが広い形状とした場合は、水が表面張力により溝の壁面に付着して排出されにくくなることが考えられる。これに対し、溝１２５ｂの断面を図１０（ａ），（ｂ）に示す形状とした場合は、溝１２５ｂの壁面への水の付着が抑制される。

また、溝１２５ｂの壁面及び底面は、水をスムーズに排出するために、できるだけ滑らかにすることが好ましい。例えば図１２に示すように、溝１２５ｂの壁面及び底面に、撥水性又は疎水性の皮膜１２６を付着させてもよい。このような皮膜は、溝１２５ｂの部分以外をマスクで覆い、溝１２５ｂの壁面及び底面に撥水性又は疎水性の薬品を塗布することにより形成できる。

一方、研磨ヘッド１１４の下側には、薄膜状のゴムよりなるメンブレンを備えた吸着部材（図示せず）が設けられている。この吸着部材は空気圧調整機構に接続されており、吸着部材の内部空間を負圧にするとメンブレンが上側にへこんでウェハ１１３を吸着する。

以下に、本実施形態の研磨装置の動作について、図１３に示すフローチャートを参照して説明する。なお、予め各プラテン１１０の上には研磨パッドを装着しておく。

まず、ステップＳ１１において、研磨ヘッド１１４の洗浄が行われる（図９参照）。すなわち、ペデスタル１２１内の空間（空洞）と純水供給源とが接続されるように切換えバルブが操作される。その後、純水供給源からペデスタル１２１内の空間に純水が供給され、ノズル１２１ａから純水が噴射してロードカップ１２０の上方の研磨ヘッド１１４が洗浄される。

次に、研磨パッド１１４の洗浄が終了すると、ステップＳ１２に移行し、搬送ロボット（図示せず）により、ウェハポッドからロードカップ１２０のペデスタル１２１（ペデスタルパッド１２５）上にウェハ１１３が搬送される。その後、切換えバルブの切換えが行われ、ペデスタル１２１の内部空間と真空ポンプとが接続されてペデスタル１２１の内部空間が負圧になる。これにより、ウェハ１１３がペデスタル１２１（ペデスタルパッド１２５）上に吸着される。

次に、ステップＳ１３に移行し、搬送ロボットが退避した後に切換えバルブの切換えが行われ、ペデスタル１２１の内部空間が純水供給源又は窒素ガス供給源に接続される。これにより、ノズル１２１ａから純水又は窒素ガスが噴出され、ウェハ１１３がペデスタル１２１（ペデスタルパッド１２５）から離脱する。そして、位置決め部材により、ウェハ１１３は研磨ヘッド１１４に対し位置合わせされる。

次に、ステップＳ１４に移行し、ウェハのＣＭＰ研磨が行われる。つまり、空気圧調整機構によりメンブレンが駆動され、研磨ヘッド１１４にウェハ１１３が吸着される。その後、ヘッドユニット１３０が回転し、ウェハ１１３をプラテン１１０の上に移動する（図６参照）。次いで、研磨ヘッド１１４が回転するとともに、スラリ供給アーム１３１の先端（スラリ供給ノズル）から研磨パッド上にスラリが供給される。また、空気圧調整機構により研磨ヘッド１１４内のメンブレンが駆動されて下側に膨らみ、ウェハ１１３が研磨パッドに押し当てられる。このようにして、ウェハ１１３が研磨パッドに押し当てられた状態でプラテン１１０が回転し、ウェハ１１３と研磨パッドとの間にスラリが供給されてウェハ１１３の表面が機械的及び化学的に研磨される。

ウェハ１１３の研磨が終了すると、空気圧調整機構によりメンブレンが駆動され、ウェハ１１３が研磨ヘッド１１４に吸着される。そして、ヘッドユニット１３０の回転により、ウェハ１１３はロードカップ１２０の上まで戻される。

その後、ステップＳ１５に移行し、空気圧調整機構によりメンブレンが駆動され、研磨ヘッド１１４からウェハ１１３が離脱する。このとき、ペデスタル１２１の内部空間が切換えバルブの切換えにより真空ポンプに接続されて、ウェハ１１３がペデスタル１２１（ペデスタルパッド１２５）上に吸着される。次いで、ステップＳ１６に移行し、搬送ロボットにより、ウェハ１１３はペデスタル１２１（ペデスタルパッド１２５）上から例えば研磨装置に併設された洗浄装置に搬出（アンロード）される。

本実施形態においては、ペデスタルパッド１２５が、プラスチックの一種であるポリウレタンのシートにより形成されており、表面（ウェハとの接触面）が平滑であって、水を保持する微細な孔等の空隙を有していない。また、ペデスタルパッド１２５には放射状に溝１２５ｂが設けられている。このため、ペデスタルパッド１２５上にスラリ成分を含む水が落下しても、研磨ヘッド１１４を純水で洗浄するとき（ステップＳ１１）に、ペデスタルパッド１２５上のスラリ成分は純水とともにペデスタルパッド１２５上から容易に除去される。従って、ペデスタルパッド１２５の上（ウェハと接触する部分）にスラリ成分が残留することがなく、その結果ウェハ表面の金属膜の酸化及び腐食等の発生が抑制される。これにより、従来に比べて信頼性が高く高品質の半導体装置の製造が可能となる。

なお、本実施形態のペデスタルパッド１２５では、従来のペデスタルパッドと異なりポリウレタンの垂直発泡体からなる層を有していないため、ウェハ表面に傷がつきやすいことが考えられる。しかし、本願発明者等の実験により、ウェハに接触する部分が平滑なポリウレタンシートをペデスタルパッドとして使用しても、ウェハに傷がつきにくいことが判明している。

次に、本実施形態の研磨装置によりウェハ（半導体ウェハ）表面の銅膜をＣＭＰ研磨し、表面の欠陥数を調べた結果について説明する。

研磨試料として、直径が８インチのウェハを多数用意し、これらのウェハの表面に銅膜を形成した。そして、実験例として、上述した実施形態の研磨装置によりウェハを連続的に研磨し、１枚目のウェハの表面の欠陥数（銅の酸化又は腐食）と２５枚目のウェハの表面の欠陥数とを測定した。但し、研磨時にはスラリの替わりに過酸化水素水を使用し、タッチポリッシュ（低圧力による軽い研磨）を行った。過酸化水素水は、銅研磨用スラリの一成分として使用されている。また、欠陥数の測定には、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社の欠陥検査装置（ＡＩＴ−ＸＰ）を用いた。

図１４（ａ）は、実験例において用いたペデスタルパッド１２５の模式断面図である。この図１４（ａ）に示すように、実験例において用いたペデスタルパッドはポリウレタン樹脂のシートにより形成され、組織が緻密であり、表面（ウェハとの接触面）が平滑であって、水を保持する微細な孔等の空隙を有していない。

一方、比較例として、ポリウレタンの垂直発泡体の層とポリウレタン繊維の不織布にポリウレタン樹脂を含浸した層との２層構造を有するペデスタルパッドを用いた従来の研磨装置により、実験例と同様の条件でウェハ（表面に銅膜が形成されたウェハ）を連続的に研磨し、１枚目のウェハの表面の欠陥数と２５枚目のウェハの表面の欠陥数とを測定した。

図１４（ｂ）は、比較例において用いた従来のペデスタルパッド１２７の模式断面図である。この図１４（ｂ）に示すように、従来のペデスタルパッド１２７は、下層がポリウレタン繊維の不織布にポリウレタン樹脂を含浸させた層１２７ａ、上層がポリウレタンの垂直発泡体の層１２７ｂの２層構造となっており、表面には蜂の巣状の微細な孔を有している。ウェハを連続的に研磨すると、ペデスタル上に落下した水がこれらの孔内に保持される。

図１５（ａ）は実験例の研磨装置により研磨したウェハの欠陥数を測定した結果を示す図、図１５（ｂ）は比較例の研磨装置により研磨したウェハの欠陥数を測定した結果を示す図である。図１５（ｂ）からわかるように、比較例の研磨装置では、１枚目のウェハの欠陥数は少ないものの、２５枚目のウェハには約５８００個の欠陥が検出された。これに対し、実験例の研磨装置では、図１５（ａ）からわかるように、１枚目のウェハの欠陥数は１８個、２５枚目のウェハの欠陥数は２４個であり、ウェハを連続的に研磨しても、欠陥の発生が極めて少ないことが確認された。

以下、本実施形態の研磨装置を使用した銅配線の形成方法（デュアルダマシン法）について、図１６，図１７の断面図を参照して説明する。ここでは、第１層目の配線（銅配線）が形成された半導体基板の上に第２層目の配線（銅配線）を形成する場合について説明するが、第１層目の配線及び第３層目の配線も、同様の工程により形成される。

まず、図１６（ａ）に示すように、不純物拡散層１５１、第１の層間絶縁膜１５２、第１のバリア層１５３及び第１層目の配線（銅配線）１５４が形成された半導体基板（シリコンウェハ）１５０の上に、例えばＣＶＤ法により酸化シリコンからなる第２の層間絶縁膜１５５を形成する。ここで、不純物拡散層１５１は、例えばトランジスタのソース／ドレインとなる領域である。また、第１層目の配線１５４は、コンタクトホール１５２ａを介して不純物拡散層１５１に電気的に接続しているものとする。バリア層１５３は、層間絶縁膜１５２中に銅が拡散することを防止するために設けられている。

次に、図１６（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、第２の層間絶縁膜１５５の上面から第１層目の配線１５４に到達するコンタクトホール１５５ａを所望の位置に形成する。その後、図１６（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、所望の配線パターンで溝１５５ｂを形成する。この溝１５５ｂの深さは、例えば層間絶縁膜１５５の厚さの１／２程度とする。

次に、図１７（ａ）に示すように、スパッタ法により、半導体基板１５０の上側全面にバリア層１５６を形成する。このバリア層１５６により、第２の層間絶縁膜１５５の上側だけではなく、溝１５５ｂの壁面及び底面、並びにコンタクトホール１５５ａの壁面及び底面が覆われる。

次に、図１７（ｂ）に示すように、スパッタ法、めっき法又はＣＶＤ法等により、半導体基板１５０の上側全面に銅膜１５７を形成し、コンタクトホール１５５ａ及び溝１５５ｂ内に銅を埋め込む。

次いで、本実施形態の研磨装置を使用してＣＭＰ研磨を行い、図１７（ｃ）に示すように、第２の層間絶縁膜１５５上の銅及びバリア層１５６を除去し、溝１５５ｂ及びコンタクトホール１５５ａ内にのみ銅を残存させる。

ＣＭＰ研磨時には研磨剤（研磨粒子）と化学的研磨成分とを含むスラリを使用する。例えば、研磨剤と配線材料（銅）を溶出する成分（例えばクエン酸又はシュウ酸等の有機酸）とを含有するスラリや、研磨剤と配線材料を酸化する成分（例えば過酸化水素水）とを含有するスラリを使用する。また、例えば配線材料（銅）をイオン化して溶出させるスラリ（ｐＨが４〜５程度の弱酸性のスラリ）を使用する。

このようにして、本実施形態の研磨装置を使用したダマシン法により、第２の配線１５８と配線接続部１５９とが同時に形成される。上述の方法により、銅配線を有する半導体装置を歩留りよく製造することができる。

本実施形態においては、図９に示すように表面に放射状の溝１２５ｂが設けられたペデスタルパッド１２５を使用したが、図１８（ａ）の平面図に示すように、溝が設けられていないペデスタルパッド１４５を使用してもよい。但し、この場合も、図１８（ｂ）に図１８（ａ）のＩ−Ｉ線における断面を示すように、少なくともウェハ（試料）に接触する面が平滑であり、水（液体）を保持する微細な孔等の空間を有していないことが必要である。また、ペデスタルパッドからウェハを離脱させるときの動作をスムーズにすること、及び水を効率よく排出することを考慮すれば、図９に示すペデスタルパッド１２５のように溝を設けることが好ましい。

なお、上記の例では本実施形態の研磨装置により銅配線を形成する場合について説明したが、本実施形態の研磨装置は半導体ウェハの研磨、半導体ウェハ上に形成された銅、タングステン、チタン、アルミニウム、タンタル、銀、金、白金及びルテニウム等の金属膜の研磨、多結晶シリコン及びアモルファスシリコン等の半導体膜の研磨、並びにＳｉ、ＳｉＯ、ＳｉＯ₂ 、ＳｉＯＣ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ及びＢＰＳＧ等の絶縁膜の研磨に使用することができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、ペデスタル上に配置されるペデスタルパッドが異なることにあり、その他の基本的な構造は第１の実施形態と同じであるので、ここでは重複する部分の説明は省略する。

図１９（ａ）は、本発明の第２の実施形態の研磨装置において使用するペデスタルパッド２１０を示す平面図、図１９（ｂ）は同じくそのペデスタルパッド２１０の穴２１０ａの近傍を拡大して示す平面図である。

本実施形態においても、ペデスタルパッド２１０はポリウレタンのシートにより形成され、少なくともウェハとの接触面が液体に対し非吸収性である。すなわち、ペデスタルパッド２１０の表面（ウェハとの接触面）は平滑であって、水（液体）を保持する微細な孔等の空隙を有していない。また、本実施形態においても、ペデスタルパッド２１０には放射状に溝２１０ｂが形成されている。

第１の実施形態のペデスタルパッド（図９参照）では、溝１２５ｂと穴１２５ａとが接続されている。このため、図２０に模式的に示すように、研磨ヘッド１１４からウェハ１１３を離脱（デチャック）するときに、溝１２５ｂを介してペデスタル１２１のノズルにエアーが流入し、ウェハ１１３がペデスタルパッド１２５上に十分に吸着されないという問題（デチャックエラー）が発生することがある。

そこで、第２の実施形態では、穴２１０ａと溝２１０ｂとの間に、図１９（ａ），（ｂ）に示すように、クリアランス（隙間）を設けている。これにより、デチャック時に溝２１０ｂを介してペデスタルのノズルにエアーが流入することがなくなり、デチャックエラーを防止できる。

本実施形態においても、ペデスタルパッド２１０の表面（ウェハとの接触面）は平滑であり、水（液体）を保持する微細な孔等の空間を有していないため、第１の実施形態と同様に、研磨終了からアンロードのまでの間にウェハ（試料）の表面に酸化や腐食等の不具合が発生することを抑制できる。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、ペデスタル上に配置されるペデスタルパッドが異なることにあり、その他の基本的な構造は第１の実施形態と同じであるので、ここでは重複する部分の説明は省略する。

図２１（ａ），（ｂ）は、いずれも本発明の第３の実施形態の研磨装置において使用するペデスタルパッド２２１，２２２を示す平面図である。本実施形態においても、ペデスタルパッド２２１，２２２はポリウレタンのシートにより形成され、表面（ウェハとの接触面）は液体に対し非吸収性である。すなわち、ペデスタルパッド２２１，２２２の表面（ウェハとの接触面）は平滑であって、水（液体）を保持する微細な孔等の空隙を有していない。また、本実施形態においても、ペデスタルパッド２２１，２２２には、ペデスタルのノズルに対応する穴２２１ａ，２２２ａと、水を排出するための溝２２１ｂ，２２２ｂとが設けられている。

ペデスタルパッドの溝は、例えばＮＣ（Numerical Control ）ルータ装置により形成する。この場合、前述の第２の実施形態のペデスタルパッド（図１９（ａ），（ｂ）参照）では、溝２１０ｂと穴２１０ａとの間にクリアランスを設けるので、ＮＣルータ装置の制御プログラムが複雑になり、製品コストが上昇するという問題がある。

また、別の問題もある。つまり、ＮＣルータ装置で使用する一般的な横方向加工用のルータビットの先端形状は平らであり、第１の実施形態のペデスタルパッド（図９参照）では一般的なルータビットを用いてパッドの縁から溝を形成することができる。これに対し、第２の実施形態のペデスタルパッド（図１９（ａ），（ｂ）参照）では、穴から離れた位置から溝を形成する必要があるので、先端形状が平らな一般的なルータビットを使用することができない。従って、第２の実施形態のペデスタルパッドの溝の形成には、縦方向の切削も可能な特殊な先端形状のルータビットを用いることが必要となる。しかし、このようなルータビットを用いると溝の底面の平坦性が悪くなり、溝内の水をスムーズに排出することが困難になってしまう。溝を形成した後に溝の底面を平坦にする加工を施すことも考えられるが、その場合は製品コストが更に高くなってしまう。

そこで、第３の実施形態のペデスタルパッド２２１，２２２では、図２１（ａ），（ｂ）に示すように、穴２２１ａ，２２２ａの部分を避けて溝２２１ｂ，２２２ｂを形成している。これにより、デチャックエラーを回避でき、且つ製造コストの上昇を回避することができる。

実際に本実施形態のペデスタルパッドを製造し、第１の実施形態と同様にＣＭＰ研磨後の銅の欠陥の発生数を調べた。その結果、欠陥の発生数は第１の実施形態と殆ど同じであった。

（第４の実施形態）
図２２（ａ），（ｂ）は、いずれも本発明の第４の実施形態に係る研磨装置のペデスタルパッド２３１，２３２を示す平面図である。

前述したように、ＣＭＰ研磨終了後からアンロードまでの間に発生する金属の酸化及び腐食等の不具合を防止するためには、ペデスタルパッドの表面（ウェハとの接触面）が水（液体）に対して非吸収性であること、すなわちペデスタルパッドの表面（ウェハとの接触面）が平坦であり、水（液体）を保持する微細な孔等の空間を有していないことが必要である。これに加えて、本実施形態では、ペデスタルパッドとウェハとの接触面積を小さくすることにより、金属の酸化及び腐食等の不具合の発生をより確実に防止する。

図２２（ａ）に示すペデスタルパッド２３１は十字形に形成されており、ウェハとの接触面積を小さくしている。また、図２２（ｂ）に示すペデスタルパッド２３２は円形であるが、表面に格子状に溝２３２ｂを形成してウェハとの接触面積を小さくしている。なお、これらのペデスタルパッド２３１，２３２においても、ペデスタルのノズルに対応する位置に穴２３１ａ，２３２ａが設けられている。

本実施形態においては、ペデスタルパッドの表面（ウェハとの接触面）が平滑であり、水（液体）を保持する微細な孔等の空間を有しないことに加えて、ウェハとペデスタルパッドとの接触面積を第１の実施形態に比べて小さくしているので、研磨後の試料の表面に酸化や腐食が発生することをより確実に防止できる。

（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態について説明する。第５の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、ペデスタル上に配置されるペデスタルパッドが異なることにあり、その他の基本的な構造は第１の実施形態と同様であるので、ここでは重複する部分の説明は省略する。

図２３は、本実施形態に係る研磨装置のペデスタルパッドを構成するパッド構成部材を示す平面図である。この図２３に示すように、本実施形態のペデスタルパッドは、ペデスタルのノズルに対応した菱形及び円形（リング状）のパッド構成部材２４１ａ，２４１ｂと、長方形のパッド構成部材２４１ｃとにより構成され、図２４に示すようにペデスタル１２１上に接合される。これらのパッド構成部材２４１ａ〜２４１ｃは、例えばポリウレタンシート（又はその他の樹脂シート）を型抜きすることにより形成され、表面は平滑であり、水（液体）を保持する微細な孔等の空間を有していない（すなわち、液体に対し非吸収性である）ことが必要である。また、デチャックエラーを防止するために、ペデスタル１２１のノズルを囲むパッド構成部材２４１ａ，２４１ｂを含んでいることも必要である。

本実施形態においても、ペデスタルパッドの表面が平滑であり、水（液体）を保持する微細な孔等の空間がないことに加えて、ウェハとペデスタルパッドとの接触面積を第１の実施形態に比べて小さくしているので、研磨後の試料の表面に酸化や腐食が発生することをより確実に防止できる。

なお、上記実施形態では本発明をウェハ研磨用のＣＭＰ研磨装置に適用した場合について説明したが、本発明はウェハ以外の試料を研磨するＣＭＰ装置に適用できることは勿論である。また、本発明は、ＣＭＰ装置以外の研磨装置（ロード／アンロード時に研磨試料が一時的にされる試料台を備えた研磨装置）に適用することもできる。

以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。

（付記１）研磨ステージと、
試料台と、
前記試料台上に配置され、少なくとも試料に接触する面が液体に対して非吸収性である試料台パッドと、
前記試料台パッドの上に載置された試料を前記研磨ステージに搬送し、前記研磨ステージで研磨された試料を前記試料台パッドの上に戻す研磨ヘッドと
を有することを特徴とする研磨装置。

（付記２）前記試料台パッドの前記試料に接触する面が平滑であって液体を保持する空隙を有しないことを特徴とする付記１に記載の研磨装置。

（付記３）前記試料台にはノズルが設けられ、前記試料台パッドには前記試料台のノズルに対応する位置に穴が設けられていることを特徴とする付記１に記載の研磨装置。

（付記４）前記試料台のノズルが、液体供給源及び真空装置に接続されることを特徴とする付記３に記載の研磨装置。

（付記５）樹脂により形成され、試料台の上に配置されて研磨前又は研磨後の試料が一時的に載置される研磨装置の試料台パッドにおいて、
少なくとも試料に接触する面が液体に対して非吸収性であることを特徴とする試料台パッド。

（付記６）前記試料に接触する面が平滑であって液体を保持する空隙を有しないことを特徴とする付記５に記載の試料台パッド。

（付記７）前記試料台に設けられたノズルに対応する位置に穴が形成されていることを特徴とする付記５に記載の試料台パッド。

（付記８）前記試料に接触する面側に、外縁まで延びる複数の溝が形成されていることを特徴とする付記５に記載の試料台パッド。

（付記９）複数の個別のパッド構成部材により構成され、それらのパッド構成部材が前記試料台の上に貼着されること特徴とする付記５に記載の試料台パッド。

（付記１０）前記複数のパッド構成部材のうちの少なくとも一部が前記試料台に設けられたノズルを囲むリング状に形成されていることを特徴とする付記９に記載の試料台パッド。

（付記１１）試料を試料台の上に載置する工程と、
研磨ヘッドにより前記試料台の上から研磨ステージまで前記試料を搬送する工程と、
前記研磨ステージで前記試料を研磨する工程と、
研磨後の前記試料を前記試料台の上に戻す工程とを有し、
前記試料台の上には、少なくとも試料に接触する面が液体に対して非吸収性である試料台パッドを配置することを特徴とする研磨方法。

（付記１２）前記研磨ステージに、研磨剤を含むスラリを供給することを特徴とする付記１１に記載の研磨方法。

（付記１３）前記研磨ステージに、研磨剤及び化学的研磨成分を含むスラリを供給することを特徴とする付記１１に記載の研磨方法。

（付記１４）前記試料が、半導体ウェハであることを特徴とする付記１１に記載の研磨方法。

（付記１５）前記半導体ウェハの上に形成された金属膜を研磨することを特徴とする付記１４に記載の研磨方法。

（付記１６）前記スラリは、前記金属膜を構成する金属を溶出する成分を含むことを特徴とする付記１５に記載の研磨方法。

（付記１７）前記スラリは、前記金属の膜の表面を酸化する成分を含むことを特徴とする付記１５に記載の研磨方法。

（付記１８）前記金属膜を構成する金属をイオン化することによって溶出するスラリを使用することを特徴とする付記１５に記載の研磨方法。

（付記１９）前記半導体ウェハの上に形成された半導体膜を研磨することを特徴とする付記１４に記載の研磨方法。

（付記２０）前記半導体ウェハの上に形成された絶縁膜を研磨することを特徴とする付記１４に記載の研磨方法。

図１は、半導体装置の製造に使用されるＣＭＰ装置の概要を示す模式図である。 図２は、従来のＣＭＰ装置を示す斜視図である。 図３は、同じくそのＣＭＰ装置のロードカップ及び研磨ヘッドを示す断面図である。 図４（ａ）はペデスタル（試料台）上にペデスタルパッド（試料台パッド）が配置された状態を示す側面図、図４（ｂ）は従来のペデスタルパッドを示す平面図である。 図５（ａ）〜（ｅ）は、ＣＭＰ装置におけるウェハの移動とヘッドユニットの動きとを示す模式図である。 図６は、本発明の第１の実施形態の研磨装置（ＣＭＰ装置）を示す上面図である。 図７は、研磨ヘッド、ヘッドユニット、スラリ供給アーム及びコンディショニングディスク駆動アームの動作を示す上面図である。 図８は、ペデスタル及びペデスタルパッドを示す断面図である。 図９は、第１の実施形態の研磨装置のペデスタルパッドを示す平面図である。 図１０（ａ），（ｂ）は、ペデスタルパッドの溝の断面形状の例を示す図である。 図１１は、溝の断面形状を、上部の幅が狭く下部の幅が広くした例を示す図である。 図１２は、ペデスタルパッドの溝の壁面及び底面に、撥水性又は疎水性の皮膜を付着させた例を示す断面図である。 図１３は、第１の実施形態の研磨装置の動作を示すフローチャートである。 図１４（ａ）は実験例のペデスタルパッドを示す断面図、図１４（ｂ）は比較例のペデスタルパッドを示す断面図である。 図１５（ａ）は実験例による欠陥発生数を示す図、図１５（ｂ）は比較例による欠陥発生数を示す図である。 図１６は、実施形態の研磨装置を使用した銅配線の形成方法（デュアルダマシン法）を示す断面図（その１）である。 図１７は、実施形態の研磨装置を使用した銅配線の形成方法（デュアルダマシン法）を示す断面図（その２）である。 図１８（ａ）は第１の実施形態のペデスタルパッドの変形例を示す平面図、図１８（ｂ）は同じくその断面図である。 図１９（ａ）は本発明の第２の実施形態の研磨装置において使用するペデスタルパッドを示す平面図、図１９（ｂ）は同じくそのペデスタルパッドの穴の近傍を拡大して示す平面図である。 図２０は、研磨ヘッドからウェハを離脱（デチャック）するときの状態を示す模式図である。 図２１（ａ），（ｂ）は、いずれも本発明の第３の実施形態の研磨装置において使用するペデスタルパッドを示す平面図である。 図２２（ａ），（ｂ）は、いずれも本発明の第４の実施形態に係る研磨装置のペデスタルパッドを示す平面図である。 図２３は、第５の実施形態に係る研磨装置のペデスタルパッドを構成するパッド構成部材を示す平面図である。 図２４は、第５の実施形態のペデスタルパッドをペデスタル上に接合した状態を示す平面図である。

符号の説明

２，１０２…ベース、
１０，６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，１１０…プラテン、
１１…研磨パッド
１２…コンディショニングディスク、
１３，６３，１１３…ウェハ（試料）、
１４，６４ａ，６４ｂ，６４ｃ，６４ｄ，１１４…研磨ヘッド、
１５…スラリ供給ノズル、
２０，７０，１２０…ロードカップ、
２１，１２１…ペデスタル（試料台）、
２５，１２５，１２７，１４５，２１０，２２１，２２２，２３１，２３２…ペデスタルパッド（試料台パッド）、
３０，８０，１３０…ヘッドユニット、
３１，１３１…スラリ供給アーム、
３２，１３２…コンディショニングディスク駆動アーム、
１２５ａ，２１０ａ，２２１ａ，２２２ａ，２３１ａ，２３２ａ…ペデスタルパッドの穴、
１２５ｂ，２１０ｂ，２２１ｂ，２２２ｂ，２３２ｂ…ペデスタルパッドの溝、
１５０…半導体基板、
１５１…不純物拡散層、
１５２，１５５…層間絶縁膜、
１５３，１５６…バリア層、
１５４，１５８…配線、
１５７…銅膜、
２４１ａ，２４１ｂ，２４１ｃ…ペデスタルパッド構成部材。

Claims (3)

1. 研磨ステージと、
   試料台と、
   前記試料台上に配置されている、試料台パッドと、
   前記試料台パッドの上に載置された試料を前記研磨ステージに搬送し、前記研磨ステージで化学的機械研磨された試料を前記試料台パッドの上に戻す研磨ヘッドと、
   を有し、
   前記試料台は純水を噴射するノズルを備え、
   前記試料台パッドに前記ノズルに対応する位置に穴が形成されており、
   前記試料台パッドの前記試料に接触する面側に、外縁まで達する溝が形成されている
   ことを特徴とする化学的機械研磨装置。
2. 樹脂により形成され、試料台の上に配置されて研磨前又は研磨後の試料が一時的に載置される化学的機械研磨装置用試料台パッドにおいて、
   前記試料に接触する面側に、外縁まで達する溝が形成されており、
   前記試料台に設けられた純水を噴射するノズルに対応する位置に穴が形成されていることを特徴とする試料台パッド。
3. 複数の個別のパッド構成部材により構成され、それらのパッド構成部材が前記試料台の上に貼着されていることを特徴とする請求項２に記載の試料台パッド。

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