JP5676832B2 - 半導体ウエハの化学的機械的研磨における欠陥密度低減方法及びスラリ流量制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、広くは、半導体ウエハ表面の化学的機械的研磨に関し、更に詳しくは、化学的機械的研磨において用いられる研磨液（通常、「スラリ」と称される）の流量を制御する方法及び装置に関する。

半導体デバイスは、半導体基板の上に金属配線による回路を形成することにより製造される。具体的には、金属配線は、デバイス内の離散的な複数の素子を相互に接続して集積回路を形成し、層間絶縁膜によって他の層から絶縁される。層の相互間の電気的な接続のためには、この絶縁膜を貫通するコンタクト・ホールを形成し、形成されたコンタクト・ホールを介して電気的接続を与える。技術の進歩により集積回路における高密度化が進むのに伴い、半導体基板の上に積層する配線や素子をますます多層化することが求められている。

基板上に金属配線を形成すると、その表面は粗くなるのが一般的である。しかし、多層化する際には、コンタクト・ホールや金属膜を正確に形成しデバイスの歩留りを向上させ最終的な集積回路の信頼性を維持するために、層間絶縁膜や配線を含むそれぞれの層を平坦にすることが非常に重要である。

この平坦化のためのプロセスとして現在広く用いられているのが、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）である。例えば、酸化膜（ＳｉＯ₂）の層間絶縁膜を平坦化する工程である酸化膜ＣＭＰなどがある。ＣＭＰを行うための装置では、半導体ウエハはウエハ・キャリアと研磨布（パッド）の間に保持され、キャリアと研磨テーブルとをそれぞれ所定の回転速度で回転させ、半導体ウエハと研磨パッドとの間には研磨圧力が加えられる。この際に、固体である砥粒（シリカ粒子、アルミナ粒子、酸化セリウムなど）をアルカリ溶液中に分散させた研磨液（スラリ）を、研磨テーブルの上に貼られたパッドに滴下し含浸させて研磨を行うことによって、砥粒による機械的な研磨と、アルカリ溶液による化学的なウエハ表面の軟質化とがウエハ表面で同時に進行し、ウエハ表面の平坦化が行われる。スラリにおいては、砥粒や研磨する材料に応じて、砥粒の分散及び凝集状態が制御され、更に、研磨の化学的な効果を最適にするために、成分の化学的な調整がなされている。この研磨の化学的及び機械的な複合効果により、研磨表面の優れた平坦化が達成される。

図１は、ＣＭＰを行う典型的な装置構成である。ウエハ１０１は、ウエハ・キャリア１０２と研磨テーブル１０３上の研磨パッド１０４との間に一定の圧力１０６で固定されている。このような構成において、実際の研磨は、スラリ１０５を供給しながら、研磨テーブル１０３とウエハ・キャリア１０２との両方を回転させて行われる。

発明が解決しようとする課題

以上で述べたＣＭＰという方法自体は、当業者には周知であり広く一般的に用いられている。しかし、ＣＭＰを行う研磨装置において動作条件をどのように設定すれば最良の平坦化が達成できるかについては、必ずしも最適条件が明らかにはなっておらず、従来から様々な試みがなされてきた。例えば、図１を参照すると、研磨装置１００の動作条件を決定するパラメータはいくつも存在することがわかる。例えば、どの程度の圧力１０６を加えるべきか、研磨テーブル１０３とウエハ・キャリア１０２とをそれぞれどのような態様でどの程度の速度で回転させるべきか、どの時点で研磨を終了すべきか、スラリ１０５をどの程度供給すべきか、などである。

本発明は、これら複数のパラメータの最適値を探索する試みの中で、最適なスラリ供給量を見いだそうとするものである。すなわち、本発明の目的は、他のパラメータが同じ設定である場合に、最良の研磨結果を達成するためのスラリ流量の最適値を提供することである。ここで最良の研磨結果とは、研磨後の表面における凹凸が最小限である良好な平坦化が達成でき、マイクロスクラッチなどの欠陥の数が最小となるような結果を意味する。

他方、スラリは消耗品ではあるが、高価であることが知られている。従って、ＣＭＰを実行する従来の研磨システムでは、スラリの消費量は可能な限り少量に制限するというのが前提であり、スラリの供給量を自由に設定可能な動作パラメータの１つと考え最適値を探索するという試みは必ずしもなされてこなかった。例えば、最新の研磨装置の中には、スラリを研磨表面の上方から滴下するのではなく直接に研磨パッドに含浸させるように供給し、研磨パッドに含浸することなく失われてしまうスラリの量を最小限にしようとする設計が採用されているものも存在する。

スラリは、機械的な研磨に寄与する砥粒が研磨の過程で摩耗し失われるため、永久的なリサイクルは不可能であり、消耗品であることは確かである。しかし、ただ１回の使用によってその機能がすべて失われてしまうことはなく、ある程度のリサイクルが可能であることは当業者にとっては周知である。そのような状況下で、発明者らは、適切なリサイクルによって高価なスラリの消費量を削減するという試みを継続し、一応の成功を達成した。もちろん、スラリのリサイクル自体は、本発明とは関係ない。しかし、発明者らがスラリのほぼ希望通りのリサイクルを達成していたことが本発明の前提となった。というのは、既に述べたように、スラリの流量を適切に制御することによって、例えばマイクロスクラッチ等の欠陥数を減少させることに成功し、従って、ウエハの歩留りを向上させることができたとしても、そのためにスラリの消費量が増大すれば生産コストが上昇するのであって、せっかくの歩留り向上も意味が半減するからである。

課題を解決するための手段

本発明では、半導体ウエハの化学的機械的研磨を行う研磨システムにおいて、ハイドロプレーン現象を含む研磨阻害事由が生じない範囲内で、スラリ流量を最大に設定する。スラリ流量をこのように制御することによって、研磨後の研磨表面における欠陥密度が減少することを発明者らは発見した。この発見が本発明の基礎である。

しかし、スラリ流量を増加するに当たっては、ハイドロプレーン現象を回避することの他にも考慮すべき点がある。本発明によるある１つの実施例（Ａ）では、上記のようにスラリ流量を最大にする際に、（ａ）１回の研磨に要するスラリの費用を算出するステップと、（ｂ）研磨に使用されるスラリの流量を増加させることによって研磨後の研磨表面における欠陥が減少しそれにより達成される半導体ウエハ製造における歩留りの向上によって得られるウエハ１枚あたりの経済的な利益が、前記１回の研磨に要するスラリの費用の増加よりも大きくなる限度で、研磨に使用されるスラリの流量を最大にするステップとが含まれる。このようなステップ（ａ）及び（ｂ）を実行することによって、スラリの流量を適切に制御することができる。

本発明による別の実施例（Ｂ）では、上記のようにスラリ流量を最大にする際に、（ｃ）供給されるスラリ総量の中で、研磨に使用された後で回収可能なスラリの比率を決定するステップと、（ｄ）前記決定された回収可能なスラリの比率から１回の研磨によって失われるスラリに要する費用を算出するステップと、（ｅ）研磨に使用されるスラリの流量を増加させることによって研磨後の研磨表面における欠陥が減少しそれにより達成される半導体ウエハ製造における歩留りの向上によって得られるウエハ１枚あたりの経済的な利益が、前記１回の研磨によって失われるスラリに要する費用よりも大きくなる限度で、研磨に使用されるスラリの流量を最大にするステップとが含まれる。実施例（Ｂ）は先の実施例（Ａ）における各ステップを詳細化したものである。すなわち、この実施例では、研磨を実行することによってスラリが一定の比率で失われてしまうようなリサイクル・システムが採用されている場合に、どのような限度までスラリの流量を増加させるかを明らかにするステップが実行されている。

本発明による更に別の実施例（Ｃ）は、上記のようにスラリ流量を最大にする際に、（ｆ）複数回の研磨にわたってスラリを追加供給することなくすべてを回収して再利用するバッチ式のスラリ・リサイクル装置を用いた場合に１回の研磨に要するスラリの費用を算出するステップと、（ｇ）研磨に使用されるスラリの流量を増加させることによって研磨後の研磨表面における欠陥が減少しそれにより達成される半導体ウエハ製造における歩留りの向上によって得られるウエハ１枚あたりの経済的な利益が、前記１回の研磨に要するスラリの費用の増加よりも大きくなる限度で、研磨に使用されるスラリの流量を最大にするステップとが含まれる。この実施例は、ステップ（ｆ）に記載されているように、スラリを追加供給することなくすべてを回収して再利用するバッチ式のスラリ・リサイクル装置を用いた場合である。

発明者らは、「スラリの流量を可能な限り大きくすればＣＭＰ後のウエハ表面の欠陥の数を減少させることができる」という仮説を以下のようにして実験的に確認した。ただし、スラリの流量を可能な限り大きくするとはいっても、供給されるスラリの増加により研磨面にハイドロプレーン現象が生じ研磨が実質的に進行しなくなることは回避しなければならない。従って、スラリ流量の増加は無限定ではなく、研磨の継続が可能であるという限度で、という上限が存在する。

図２には、流量の異なるスラリを用いて実験を行った場合の、ＣＭＰ後の欠陥密度のスラリ流量依存性が示されている。実験結果をグラフ化することにより仮説が実証されている様子を見やすく示している。この実験では、スラリの流量を１７５ｍｌ／分（標準）、６００ｍｌ／分及び１０００ｍｌ／分という３つの異なるレベルに設定して、製品と同一構造の実験用サンプルを用い、それらの層間絶縁膜にＣＭＰによる研磨を行った。

図２では、横軸にスラリの単位時間あたりの流量（ｍｌ／分）を取り、縦軸に欠陥密度を取って実験データをプロットした。プロットされた実験結果は、右下がりのグラフになっている。ここで、縦軸の欠陥密度の目盛は、相対値を表す任意の目盛である。なお、発明者らは、この実験においてＣＭＰを行った後でウエハ表面に残存する欠陥数を調べる際に、ＫＬＡテンコール社（KLA-Tencor Corporation）製の欠陥検出装置を用いた。この検出装置では、研磨後のウエハ表面をスキャンし隣接するチップを相互に比較することにより、光学的に欠陥を検出している。当業者にとっては、周知の検出装置である。

図３には、実際の生産ラインにおいて相当数の製品のＣＭＰを行った結果から得られた欠陥密度に関するグラフが示されている。横軸に製品を処理した週を、縦軸にはその週の装置別の平均欠陥密度（任意目盛）を取っている。装置１及び装置２に関しては、スラリのリサイクルを行った上で流量を１０００ｍｌ／分としており、装置３及び装置４に関してはリサイクルなしの１回使用として流量を１７５ｍｌ／分とした。この場合にも、スラリ流量が高い方が欠陥密度が小さくなるという発明者らの仮説が統計的に実証されている。

以上で述べたように、ＣＭＰに使用されるスラリの流量が大きいほど欠陥の数を減少させることができる。しかし、スラリは、リサイクルを行った場合であっても、ＣＭＰに１回使用されると一定の比率でその機能が失われる。従って、ハイドロプレーン現象の発生を回避すること以外は考慮せずに無制限にスラリの流量を増加させると、スラリが浪費され、却って全体としての製造費用を増加させてしまう可能性がある。なぜならば、スラリ流量を増加させることにより欠陥密度が減少し従って歩留りが向上した場合であっても、供給量の増加により一定の比率でその機能が失われるスラリの量も増加するために、ウエハ１枚のＣＭＰを行うためのスラリに要する費用の増加が歩留りの向上を相殺してしまったり、更には、スラリに要する費用の増加が歩留りの向上を上まわってしまうことがありうるからである。以上のような考慮から、本発明による方法では、ＣＭＰに使用されるスラリの流量は増加させるのであるが、歩留りの向上によって得られるウエハ１枚あたりの経済的利益と、１回の研磨に要するスラリの費用とを考慮した上で、欠陥数減少という点では最大であるが一定の限度は超えない最適なスラリ流量を求め、その最適な流量が得られるようにスラリを供給する。

具体的には、スラリのどのようなリサイクル・システムを用いているかに応じて、最適なスラリ流量が決定されなければならない。一般論としては、実施例（Ａ）に関して上述したように、まず、（ａ）１回の研磨に要するスラリの費用を算出する。その上で、（ｂ）スラリの流量を増加させることにより達成される歩留りの向上によって得られるウエハ１枚あたりの経済的な利益が、（ａ）で算出された１回の研磨に要するスラリの費用の増加よりも大きくなるという限度で、研磨に使用されるスラリの流量を最大にする。

スラリ流量増加に関するこの条件を詳説すると、２つの場合に分けて考えることができる。第１は、リサイクルは行うのであるが、研磨に使用したスラリが一定の比率で失われてしまうため、各回ごとにスラリを補充する場合である。この場合には、研磨を１回実行するたびに一定量のスラリ補充が必要であり、そのための費用が生じる。従って、（ｃ）供給されるスラリ総量の中で、研磨に使用された後で回収可能なスラリの比率を決定し、（ｄ）決定された回収可能なスラリの比率から１回の研磨によって失われるスラリに要する費用を算出して、（ｅ）スラリの流量を増加させることにより達成される歩留りの向上によって得られるウエハ１枚あたりの経済的な利益が、（ｄ）で算出された１回の研磨によって失われるスラリに要する費用よりも大きくなるという限度で、研磨に使用されるスラリの流量が最大になるように制御することになる。

第２は、複数回の研磨にわたってスラリを追加供給することなくすべてを回収して再利用するバッチ式のスラリ・リサイクル装置を用いた場合である。この場合には、（ｆ）完全にスラリを循環させながら行った複数回の研磨に要したスラリの費用から、１回の研磨に要するスラリの費用を算出し、（ｇ）スラリの流量を増加させることにより達成される歩留りの向上によって得られるウエハ１枚あたりの経済的な利益が、（ｆ）で算出された１回の研磨に要するスラリの費用の増加よりも大きくなる限度で、研磨に使用されるスラリの流量が最大になるように制御する。

発明の効果

以上のようなスラリ流量の制御は、スラリ供給ユニット（図１の１０５）に接続されたマイクロプロセッサ等の制御装置（図示せず）によってなされる。こうして、歩留りの向上によって得られるウエハ１枚あたりの経済的な利益と、１回の研磨に要するスラリの費用との関係を考慮しながらスラリを最大限供給するという本発明によるスラリ流量制御方法が実現され、ＣＭＰ後の欠陥を的確に減少させ、半導体ウエハ製造における製造費用を低減させることができる。

ＣＭＰを行う典型的な装置構成である。 流量の異なるスラリを用いて実験を行った場合の、ＣＭＰ後の欠陥密度を表すグラフが示されている。 実際の生産ラインで処理した相当数の製品処理結果から得られた欠陥密度に関するグラフが示されている。

Claims (4)

1. 半導体ウエハの化学的機械的研磨を行う研磨システムにおいて、半導体ウエハを研磨す
   る方法であって、
   供給されるスラリ総量の中で、研磨に使用された後で回収可能なスラリの比率を決定す
   るステップと、
   前記決定された回収可能なスラリの比率から１回の研磨によって失われるスラリに要す
   る費用を算出するステップと、
   研磨に使用されるスラリの流量を増加させることによって研磨後の研磨表面における欠
   陥が減少しそれにより達成される半導体ウエハ製造における歩留りの向上によって得られ
   るウエハ１枚あたりの経済的な利益が前記１回の研磨によって失われるスラリに要する費
   用よりも大きくなるように、かつ、所定の上限まで、研磨に使用されるスラリの流量を増
   加させるステップと、
   を含み、前記所定の上限が、前記化学的機械的研磨の間に前記半導体ウエハの表面にわた
   る研磨パッドについてハイドロプレーン現象による研磨不継続を回避するのに用いるスラ
   リ量を示すことを特徴とする方法。
   
2. 半導体ウエハの化学的機械的研磨を行う研磨システムにおいて、半導体ウエハを研磨す
   る方法であって、
   複数回の研磨にわたってスラリを追加供給することなくすべてを回収して再利用するバ
   ッチ式のスラリ・リサイクル装置を用いた場合に１回の研磨に要するスラリの費用を算出
   するステップと、
   研磨に使用されるスラリの流量を増加させることによって研磨後の研磨表面における欠
   陥が減少しそれにより達成される半導体ウエハ製造における歩留りの向上によって得られ
   るウエハ１枚あたりの経済的な利益が前記１回の研磨に要するスラリの費用の増加よりも
   大きくなるように、かつ、所定の上限まで、研磨に使用されるスラリの流量を増加させる
   ステップと、を含み、前記所定の上限が、前記化学的機械的研磨の間に前記半導体ウエハ
   の表面にわたる研磨パッドについてハイドロプレーン現象による研磨不継続を回避するの
   に用いるスラリ量を示すことを特徴とする方法。
   
3. 請求項１ないし請求項２のいずれかの請求項に記載の方法に含まれる各ステップをコン
   ピュータに実行させるコンピュータ・プログラムが記憶されているコンピュータ可読な記
   憶媒体。
   
4. 請求項１ないし請求項２のいずれかの請求項に記載の方法に含まれる各ステップをコン
   ピュータに実行させるコンピュータ・プログラム。

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