JP6228505B2 - 基板処理方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、基板処理方法に関する。
近年、研磨対象の表面を処理する方法として、化学的機械研磨(CMP)法が利用されている。CMP法により、基板表面のシリコン酸化膜、コンタクトプラグ、及び金属配線などが平坦化される。微細なパターンを有する半導体デバイスに対応した基板処理方法の課題として、欠陥密度の低下や、生産性の向上が求められている。
従来の基板処理方法として、CMP法により基板表面を平坦化した後、溶液を使用してバフ研磨を行い、脱イオン水(DIW)又は抑制剤溶液を使用してリンスを行い、スラリーを使用してバフ研磨を行い、DIW又は抑制剤溶液を使用してリンスを行う方法が知られている。
しかしながら、上記従来の基板処理方法では、基板表面に付着した残渣を十分に洗浄することが困難であった。また、残渣が十分に洗浄されない状態でバフ研磨を行うため、基板表面にスクラッチが生じる恐れがあった。
特開2001−156029号公報 特開2014−36136号公報
基板表面の欠陥を減少させる基板処理方法を提供する。
一実施形態に係る基板処理方法は、基板上に設けられたCuを表面に有する研磨対象の表面を、スラリーが供給された研磨パッド上で研磨する。スラリーを用いた研磨工程の後に研磨対象の表面を水が供給された研磨パッド上で研磨する。水を用いた研磨工程の後に、研磨対象の表面を洗浄液が供給された研磨パッド上で洗浄する。洗浄液は、pHが8以上であって、以下の成分(A)〜(F)を全て含有する。
(A)テトラメチルアンモニウムヒドロキシド
(B)エチレンジアミン及び1,2−ジアミノプロパンからなる群より選ばれるジアミン類
(C)シュウ酸、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸及びピコリン酸からなる群より選ばれる有機酸
(D)ヒスチジン又はその誘導体
(E)ベンゾトリアゾール、イミダゾール、トリアゾール、テトラゾール及びその誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種
(F)水
一実施形態に係る基板処理装置の構成を示す図。 一実施形態に係る基板処理方法を示すフローチャート。 洗浄液による残渣の除去方法を説明する図。 洗浄液による残渣の除去方法を説明する図。 第1の実施例における基板を示す断面図。 Cu−キナルジン酸錯体を説明する図。 Cu−キナルジン酸錯体を説明する図。 溶解度と残渣欠陥密度との関係を示す図。 溶解度と残渣欠陥密度との関係を示す図。 エッチングレートとスクラッチ欠陥密度との関係を示す図。 第1の実施例による基板処理方法による実験結果を示す図。 第1の実施例による基板処理方法による実験結果を示す図。 第1の実施例による基板処理方法による実験結果を示す図。 第1の実施例による基板処理方法による実験結果を示す図。 第2の実施例における基板を示す断面図。 第3の実施例における基板を示す断面図。
以下、基板処理方法及び基板処理装置の実施形態について図面を参照して説明する。
(基板処理装置)
まず、一実施形態に係る基板処理装置について、図1を参照して説明する。ここで、図1は本実施形態に係る基板処理装置の構成を示す図である。図1の基板処理装置は、研磨対象の表面をCMP法により研磨して平坦化する装置である。研磨対象には、半導体基板(以下、「基板」という)Wや、基板W上に積層された材料層が含まれる。以下では、研磨対象の表面を、単に基板Wの表面と称する。
基板処理装置は、保持部1と、プラテン2と、研磨パッド3と、コンディショナ4と、スラリー供給部5と、水供給部6と、洗浄液供給部7と、を備える。
保持部(研磨ヘッダ)1は、基板Wの表面が研磨パッド3と対向するように、すなわち、基板Wの表面が図1の下側を向くように、基板Wを保持する。保持部1は、基板Wを研磨パッド3側に押圧した状態で回転させ、基板Wの表面を研磨する。
プラテン2は、回転可能な円盤状のターンテーブルを備える。プラテン2上には研磨パッド3が固定される。
研磨パッド3は、発泡ポリウレタン等の材料により形成されており、プラテン2上に固定される。研磨パッド3の材料は、研磨対象である基板Wの表面の材質に応じて選択される。
コンディショナ(ドレッサ)4は、研磨パッド3の表面を、回転しながら押圧する円盤状部材を備え、基板Wの研磨によって生じた研磨パッド3の凹凸を修復(平坦化)する。これにより、基板処理装置は、基板Wの表面を精度よく平坦化することができる。
スラリー供給部5は、基板Wの表面を研磨するためのスラリーを研磨パッド3上に供給する。スラリー供給部5は、スラリーを貯留する貯留部51と、貯留部51のスラリーを研磨パッド3上に供給するための配管52とを備える。スラリーには、砥粒と加工液とが含まれる。砥粒として、例えば、SiO(シリカ)、Al、CeO、Mn、及びダイヤモンドなどの粒子が用いられる。また、加工液には、例えば、基板Wの改質剤、砥粒の分散剤、界面活性剤、キレート剤、及び防食剤などが含まれる。砥粒及び加工液は、研磨対象である基板Wの材質に応じて選択される。
水供給部6は、基板Wの表面を研磨するための水を研磨パッド3上に供給する。水供給部6は、水を貯留する貯留部61と、貯留部62の水を研磨パッド3上に供給するための配管62とを備える。水として、例えば、DIWが用いられる。
洗浄液供給部7は、基板Wの表面を研磨するための洗浄液を研磨パッド3上に供給する。洗浄液供給部7は、洗浄液を貯留する貯留部71と、貯留部71の洗浄液を研磨パッド3上に供給するための配管72とを備える。洗浄液は、研磨対象である基板Wの材質やスラリーの成分に応じて選択される。洗浄液について、詳しくは後述する。
以上説明した通り、本実施形態に係る基板処理装置によれば、スラリー、水、及び洗浄液を用いた基板Wの表面の研磨を、同一のプラテン2上で連続して行うことができる。このため、スラリー、水、及び洗浄液を用いた研磨をそれぞれ異なるプラテン2上で行う場合に比べて、基板Wの表面処理のスループットを向上させることができる。
なお、基板処理装置は、上述の構成の他にも、研磨に用いたスラリーの回収部を備えてもよいし、バフ研磨装置、ロールブラシ洗浄装置、及びリンス洗浄装置の少なくとも1つと一体に形成されてもよい。
(基板処理方法)
次に、一実施形態に係る基板処理方法について、図2〜図4を参照して説明する。ここで、図2は、本実施形態に係る基板処理方法の一例を示すフローチャートである。以下では、図1の基板処理装置を用いる場合について説明する。
本実施形態において、まず、基板Wの表面を、スラリーを用いて研磨する(ステップS1)。すなわち、スラリー供給部5から研磨パッド3上にスラリーが供給された状態で、保持部1が基板Wの表面を研磨パッド3と接触させ、基板Wを押圧しながら回転させる。これにより、基板Wの表面が研磨されて平坦化される。スラリーの成分、スラリーの供給速度、基板Wに加える圧力(研磨荷重)、及び研磨時間は、基板Wの材質などに応じて選択される。
次に、基板Wの表面を、DIWなどの水を用いて研磨する(ステップS2)。すなわち、水供給部6から研磨パッド3上に水が供給された状態で、保持部1が基板Wの表面を研磨パッド3と接触させ、基板Wを押圧しながら回転させる。これにより、ステップS1において基板Wの表面に付着した残渣が除去される。ここでいう残渣には、スラリーの砥粒や、研磨パッド3の研磨くずなどが含まれる。また、基板Wの表面に金属配線が含まれる場合、残渣には、スラリーの成分金属配線に含まれる金属とから生成される化合物(錯体や、不溶性の凝集体)が含まれる。水の供給速度、基板Wに加える圧力(研磨荷重)、及び研磨時間は、基板Wの材質やスラリーの成分などに応じて選択される。
次に、基板Wの表面を、洗浄液を用いて研磨する(ステップS3)。すなわち、洗浄液供給部7が研磨パッド3上に洗浄液を供給した状態で、保持部1が基板Wの表面を研磨パッド3と接触させ、基板Wを押圧しながら回転させる。これにより、ステップS2において除去されず、基板Wの表面に付着したままの残渣がさらに除去される。
ここで、洗浄液について説明する。洗浄液は、基板Wの表面に付着した残渣を除去するための溶液であり、スラリーと同一の液性を有する。すなわち、スラリーが酸性の場合、洗浄液も酸性であり、スラリーがアルカリ性の場合、洗浄液もアルカリ性である。これは、スラリーと洗浄液との液性が反対の場合、すなわち、一方が酸性で他方がアルカリ性の場合、スラリーと洗浄液との反応により塩が生じ、残渣の増加をもたらす恐れがあるためである。
また、洗浄液は、基板Wの表面の少なくとも一部に対する溶解性を有する。このため、洗浄液を用いて基板Wの表面を研磨すると、図3に示すように、基板Wの表面Sのうち、洗浄液に溶解性を有する部分が溶解し、当該部分に付着した残渣Rを除去することができる。洗浄液は、基板Wの表面全体に対する溶解性を有してもよいし、基板Wの表面の一部(例えば、金属配線)に対する溶解性を選択的に有してもよい。なお、洗浄液を用いた研磨により研磨される基板表面の厚さは、基板表面の平坦度を維持するため、10nm以下であるのが好ましい。
さらに、洗浄液は、基板Wの表面に付着する残渣の少なくとも一部に対する溶解性を有する。このため、洗浄液を用いて基板Wの表面を研磨すると、図4に示すように、洗浄液が溶解性を有する残渣Rが溶解する。したがって、残渣Rを除去することができる。洗浄液は、基板Wの表面Sに付着する全ての種類の残渣に対する溶解性を有してもよいし、一部の種類の残渣(例えば、金属錯体)に対する溶解性を選択的に有していてもよい。
なお、洗浄液は、基板Wの表面に対する溶解性又は基板Wの表面に付着する残渣に対する溶解性のいずれか一方のみを備えてもよい。洗浄液の成分、洗浄液の供給速度、基板Wに加える圧力(研磨荷重)、及び研磨時間は、基板Wの材質やスラリーの成分などに応じて選択される。
基板Wの表面を洗浄液研磨した後、基板Wの表面及び裏面を、PVAなどからなるロールブラシにより洗浄する(ステップS4)。具体的には、薬液を供給しながら基板Wをロールブラシで洗浄し、水を供給しながら基板Wをロールブラシで洗浄する。薬液として、上述の洗浄液を含む任意の薬液を用いることができる。また、水として、DIWを用いることができる。これにより、基板Wに付着した残渣や、スラリー及び洗浄液の成分などが除去される。このロールブラシ洗浄は、ロールブラシと、薬液及び水を供給する手段と、を備えたロールブラシ洗浄装置(図示省略)により実施することができる。なお、ロールブラシ洗浄では、複数種類の薬液が用いられてもよい。この場合、薬液及び水を用いた洗浄が交互に行われる。
次に、基板Wの表面及び裏面をDIWなどの水を用いてリンスした後(ステップS5)、基板Wを乾燥させる(ステップS6)。
以上説明したとおり、本実施形態に係る基板処理方法によれば、水及び洗浄液を用いて基板Wの表面を研磨することにより、基板Wの表面に付着した残渣を減少させることができる。また、残渣が減少するため、残渣が基板Wの表面を傷つけることにより生じる基板表面のスクラッチを減少させることができる。このため、本実施形態に係る基板処理方法によれば、基板表面の欠陥を減少させることが可能となり、メモリ、システムLSI、高速ロジックLSI、メモリ・ロジック混載LSIなどの半導体デバイスの信頼性を向上させることができる。
また、上述の基板処理装置を用いた場合、スラリー、水、及び洗浄液を用いた基板Wの表面の研磨(ステップS1〜S3)を、同一のプラテン2上で連続的に実施することができるため、基板処理のスループットを向上させることができる。
なお、スラリー、水、及び洗浄液を用いた基板表面の研磨は、それぞれ、異なるプラテンを用いて実施することも可能である。
以下、基板処理方法において用いられる洗浄液の各実施例について図面を参照して説明する。
(第1の実施例)
まず、第1の実施例について、図5〜図14を参照して説明する。図5は、本実施例における研磨対象となる基板Wを示す断面図である。図5に示すように、基板Wは、表面SにCu配線Sとオルトケイ酸テトラエチル膜(以下、「TEOS膜」という)Sとを備える。したがって、本実施例では、Cu配線SとTEOS膜Sとに付着した残渣を除去するための洗浄液が用いられる。
Cuの研磨に用いられるスラリーは、通常、アルカリ性であり、キナルジン酸やベンゾトリアゾール(以下、「BTA」という)などが含まれる。このため、スラリーを用いてCu配線Sを研磨すると、Cu配線Sに含まれるCuと、スラリーに含まれるキナルジン酸やBTAとにより、残渣が生成される。例えば、残渣として、Cuとキナルジン酸とからなるCu−キナルジン酸錯体が生成される。また、スラリーに含まれる砥粒がSiOなどのシリカである場合、図6に示すように、Cu−キナルジン酸錯体とシリカ砥粒とからなる凝集体が生成される。BTAについても同様であり、Cu−BTA錯体や、凝集体が生成される。
このため、本実施例では、上述の錯体に対する溶解性を有するアルカリ性の洗浄液が用いられる。洗浄剤が、Cu−キナルジン酸錯体に対する溶解性を有する場合、Cu−キナルジン酸錯体を溶解して除去するとともに、図7に示すように、凝集体も分解して除去することができる。これは、Cu−BTA錯体についても同様である。
また、本実施例では、Cuに対する溶解性を有する洗浄液が用いられる。Cu配線Sの表面を溶解することにより、当該部分に付着した残渣を除去することができる。
このような洗浄液として、pHが8以上であり、以下の(A)〜(F)を含有する洗浄液が用いられる。
(A)テトラメチルアンモニウムヒドロキシド
(B)エチレンジアミン及び1,2−ジアミノプロパンからなる群より選ばれるジアミン類
(C)シュウ酸、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸及びピコリン酸からなる群より選ばれる有機酸
(D)ヒスチジン又はその誘導体
(E)ベンゾトリアゾール、イミダゾール、トリアゾール、テトラゾール及びその誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種
(F)水
上記の成分(B)は、過剰添加するとCu配線Sを腐食させる恐れがある。そこで、成分(B)として、0.0001質量%〜0.4質量%の1,2−ジアミノプロパンが含まれるのが好ましい。この範囲の1,2−ジアミノプロパンを含む洗浄液であれば、Cu配線Sを腐食させずに、残渣を除去可能なことが実験で確認された。また、成分(C)として、クエン酸が含まれるのが好ましい。さらに、上記の成分(D)は、過剰添加すると、かえって残渣を増加させる恐れがある。そこで、成分(D)として、0.002質量%〜3質量%のヒスチジンが含まれるのが好ましい。この範囲のヒスチジンを含む洗浄液であれば、残渣を増加させずに除去可能であることが実験で確認された。
ここで、図8は、上述の洗浄液の溶解度と残渣との関係を示す図である。図8において、横軸は、洗浄液のCu−キナルジン酸錯体に対する溶解度(mg/L)であり、縦軸は、基板表面の単位面積あたりの残渣数を示す残渣欠陥密度である。図8に示すように、洗浄液の溶解度が上昇すると、残渣欠陥密度が低下する。したがって、洗浄液の溶解度を調整することにより、所望の残渣欠陥密度を得ることが可能である。
例えば、1.25以下の残渣欠陥密度が要求される基板Wの場合、図8に示す関係より、Cu−キナルジン酸錯体の溶解度が600mg/L以上の洗浄液を用いればよい。
図9は、図8と同様に、洗浄液の溶解度と残渣との関係を示す図である。図9において、横軸は、洗浄液のCu−BTA錯体に対する溶解度(mg/L)であり、縦軸は、基板表面の単位面積あたりの残渣数を示す残渣欠陥密度である。図9に示すように、洗浄液の溶解度が上昇すると、残渣欠陥密度が低下する。したがって、洗浄液の溶解度を調整することにより、所望の残渣欠陥密度を得ることが可能である。
例えば、1.25以下の残渣欠陥密度が要求される基板Wの場合、図9に示す関係より、Cu−BTA錯体の溶解度が800mg/L以上の洗浄液を用いればよい。
図10は、洗浄液のエッチングレートとスクラッチとの関係を示す図である。図10において、横軸は、洗浄液のCuに対するエッチングレート(nm/min)であり、縦軸は、基板表面の単位面積あたりのスクラッチ数を示すスクラッチ欠陥密度である。図10に示すように、エッチングレートが上昇すると、スクラッチ欠陥密度が低下する。したがって、洗浄液のエッチングレートを調整することにより、所望のスクラッチ欠陥密度を得ることが可能である。
例えば、0.8以下のスクラッチ欠陥密度が要求される基板Wの場合、、図10に示す関係より、Cuに対するエッチングレートが0.1nm以上の洗浄液を用いればよい。
以下に、本実施例の基板処理方法により残渣を除去した場合の実験結果を示す。図11〜図14は、実験結果を示す図である。本実験は、下記の条件下で実施された。
基板処理装置(CMP装置)として、荏原製作所製のFREX300Eを使用した。
研磨パッドとして、ニッタハース製の発泡性パッド(IC1000)を使用した。
スラリーとして、JSR製のシリカスラリー(CMS84xx系)を使用した。
図11は、基板乾燥後のCu配線S上の残渣数を示す図である。図11の左側は、上述の洗浄液を用いた本実施例の基板処理方法を用いた場合の残渣数を示す。図11の右側は、洗浄液による研磨(ステップS3)を省略した場合の残渣数を示す。図11に示すように、本実施例の方法を用いた場合の方が、洗浄液研磨を省略した比較方法を用いた場合よりも、Cu配線S上の残渣数が少なくなっている。
図12は、基板乾燥後のTEOS膜S上の残渣数を示す図である。図12の左側は、上述の洗浄液を用いた本実施例の基板処理方法を用いた場合の残渣数を示す。図12の右側は、洗浄液による研磨を省略した場合の残渣数を示す。図12に示すように、本実施例の方法を用いた場合の方が、洗浄液研磨を省略した比較方法を用いた場合よりも、TEOS膜S上の残渣数が少なくなっている。
図13は、基板乾燥後のCu配線S上の残渣数を示す図である。図13の左側は、上述の洗浄液を用いた本実施例の基板処理方法を用いた場合の残渣数を示す。図13の右側は、水による研磨(ステップS2)を省略した場合の残渣数を示す。図13に示すように、本実施例の方法を用いた場合の方が、水研磨を省略した比較方法を用いた場合よりも、Cu配線S上の残渣数が少なくなっている。
図14は、基板乾燥後のTEOS膜S上の残渣数を示す図である。図14の左側は、上述の洗浄液を用いた本実施例の基板処理方法を用いた場合の残渣数を示す。図14の右側は、水による研磨を省略した場合の残渣数を示す。図14に示すように、本実施例の方法を用いた場合の方が、水研磨を省略した比較方法を用いた場合よりも、TEOS膜S上の残渣数が少なくなっている。
以上の実験結果は、水研磨と洗浄液研磨とを併用することにより、いずれか一方だけを実施した場合に比べて、効果的に残渣を除去可能であることを示している。
なお、本実施例のように、表面にCu配線Sを有する基板Wを研磨する場合には、水研磨は、50〜300hPaの研磨荷重で5sec以上実施し、洗浄液研磨は、研磨パッド上に洗浄液を100〜500ml/min以上の供給速度で滴下しながら、50〜300hPaの研磨荷重で10sec以上実施する。これにより、残渣を効果的に除去できる。
また、本実施例において、基板Wの表面SにはCu配線Sが形成されていたが、WやAlなどの他の金属を含む金属配線が形成されていてもよい。この場合、洗浄液の成分は、金属配線に含まれる金属や、当該金属の研磨に用いられるスラリーの成分に応じて選択すればよい。さらに、基板Wの表面Sには、TEOS膜Sの代わりにSiO膜などの任意の誘電膜が形成されていてもよい。
(第2の実施例)
次に、第2の実施例について、図15を参照して説明する。図15は、本実施例における研磨対象となる基板Wを示す断面図である。図15に示すように、本実施例において、基板Wは、表面にW配線SとTEOS膜Sとを備え、W配線SとTEOS膜Sとに付着した残渣を除去するための洗浄液が用いられる。Wの研磨に用いられるスラリーは、酸性及びアルカリ性の両タイプがある。
スラリーがアルカリ性の場合、第1の実施例で説明したアルカリ性の洗浄液を用いて洗浄液研磨やロールブラシ洗浄を実施し、Cu配線Sと同様に、W配線Sから残渣を除去することができる。
一方、スラリーが酸性の場合、第1の実施例で説明したアルカリ性の洗浄液は、スラリーと反応して塩を生じさせる恐れがあるため、洗浄液研磨に適用することが困難である。そこで、スラリーが酸性の場合には、Wや残渣に対する溶解性を有する酸性の洗浄液を用いるのが好ましい。
なお、ロールブラシ洗浄の際には、水研磨や洗浄液研磨によりスラリーが基板Wから除去されているため、スラリーの液性に関わらず、任意の液性の薬液を用いることが可能である。
(第3の実施例)
次に、第3の実施例について、図16を参照して説明する。図16は、本実施例における研磨対象となる基板Wを示す断面図である。図16に示すように、本実施例において、基板Wは、表面に層間絶縁膜Sを備え、層間絶縁膜S中にCuやWからなる金属配線Sが埋設されている。すなわち、本実施例では、層間絶縁膜Sのみが研磨される。このため、洗浄液研磨には、層間絶縁膜S5に付着した残渣を除去するための洗浄液が用いられる。
層間絶縁膜Sは、例えば、SiOなどのシリカ膜である。層間絶縁膜の研磨には、通常、KOHやアンモニアなどの加工液と、シリカなどの砥粒とを含むアルカリ性のスラリーが用いられる。このため、層間絶縁膜Sの洗浄液研磨には、第1の実施例で説明したアルカリ性の洗浄液を用いることができる。また、当該洗浄液を用いてロールブラシ洗浄を実施してもよい。
なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、各実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。
1:保持部、2:プラテン、3:研磨パッド、4:コンディショナ、5:スラリー供給部、51:貯留部、52:配管、6:水供給部、61:貯留部、62:配管、7:洗浄液供給部、71:貯留部、72:配管、W:基板、S:表面、R:残渣、S:Cu配線、S:TEOS膜、S:W配線、S:金属配線、S:層間絶縁膜

Claims (5)

  1. 基板上に設けられたCuを表面に有する研磨対象の表面を、スラリーが供給された研磨パッド上で研磨する工程と、
    前記スラリーを用いた研磨工程の後に前記研磨対象の表面を水が供給された研磨パッド上で研磨する工程と、
    前記水を用いた研磨工程の後に、前記研磨対象の表面を洗浄液が供給された研磨パッド上で洗浄する工程と、
    を含み、
    前記洗浄液は、pHが8以上であって、以下の成分(A)〜(F)を全て含有することを特徴とする基板処理方法。
    (A)テトラメチルアンモニウムヒドロキシド
    (B)エチレンジアミン及び1,2−ジアミノプロパンからなる群より選ばれるジアミン類
    (C)シュウ酸、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸及びピコリン酸からなる群より選ばれる有機酸
    (D)ヒスチジン又はその誘導体
    (E)ベンゾトリアゾール、イミダゾール、トリアゾール、テトラゾール及びその誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種
    (F)水
  2. 前記洗浄液は、前記スラリーと同一の液性を有する
    請求項1に記載の基板処理方法。
  3. 前記洗浄液は、前記研磨対象の表面の少なくとも一部に対して溶解性を有する
    請求項1又は請求項2に記載の基板処理方法。
  4. 前記成分(B)は、0.0001質量%〜0.4質量%の1,2−ジアミノプロパンである、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の基板処理方法。
  5. 前記成分(D)は、0.002質量%〜3質量%のヒスチジンである、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の基板処理方法。
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