JPH02156635A - ウエーハ用研磨方法 - Google Patents

ウエーハ用研磨方法

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JPH02156635A
JPH02156635A JP1276182A JP27618289A JPH02156635A JP H02156635 A JPH02156635 A JP H02156635A JP 1276182 A JP1276182 A JP 1276182A JP 27618289 A JP27618289 A JP 27618289A JP H02156635 A JPH02156635 A JP H02156635A
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polishing
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ウイリアム・ジヨセフ・コト
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は研磨用パッドとともに研磨剤のスラリを用いて
加工片を平坦にする方法に関する。
Ｂ、従来の技術 処理された半導体基板上に金属の相互接続層を形成する
という技術分野では、その主たるパッシベーション層が
不規則な形状の場合、処理上困難な点が多々ある。この
ような困難は金属層の厚さに受入れ難い変動を与え、そ
の結果金属の不所望の短絡や開放を生じる。
先ずこの問題は、上面を滑かに溶融しうるパッシベーシ
ョン物質（ホスホシリケート・グラス、ＰＳＧや、ボロ
・ホスホシリケート・グラス、ＢＳＰＧなど）を用いて
処理された。この解決策は現在程度の装置の集積度では
完全に満足できるものであるが、−層集積度が上がって
くると、別の解決策を考えなければならない、そのよう
な解決策の一つに「平坦化のエッチ・バック」と呼ばれ
る技法がある。これは従来の感光性ポリマの層（即ち「
ホトレジスト」）がパッシベーション層の上面にスピン
付着されるものである。このホトレジストは平坦な上面
を提供する。そこでホトレジストとパッシベーション層
との間に選択できないエッチ（食刻）技法を用いると、
それらの層は、ホトレジストの平坦な上面がその下にあ
るパッシベーション層に転写されるよう同時に食刻され
る。
そのようなエッチ技法は、スパッタ・エッチおよびＣＦ
４−〇□プラズマの反応性イオン・エッチ（ＲＩＥ）を
含む。例えば米国特許第４７１０２６４号を参照された
い、この代替技法は、食刻の終了点を正確に決めるのが
難しいのでこの分野で広く受は入れられるものではない
。
現在考慮中の他の代替例は、云わゆる［化学機械的研磨
Ｊ　　（ＣＭＰ）処理法である。この処理法では、パッ
シベーション物質が、研磨剤のスラリを存在させた状態
で、研磨用パッドに対して回転される。パッシベーショ
ン層の食刻速度を制御し易いように、一般には、スラリ
かｐＨで制御される。本出願人による１９８５年１０月
２８日付けの米国特許出頭第７９１８６０号は、ｒＣｈ
ｅｍ−Ｍａｃｈ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　
ｆｏｒ　Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　Ｃｏ−Ｐｌａｎａｒ　Ｍ
ｅｔａｌ／Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ　ｆｉｌｍｓ　Ｏｎ　ａ
　５ｕｂｓｔｒａｔａ（基板上に同一平面の金属と絶縁
膜を生じるための化学機械的研磨方法）」と題するもの
で、スラリの異なる化学的性質が、絶縁物対金属（又は
その逆）の食刻速度の比を、同一面を得るために最適と
なるようにして使用される０例えば、５５−２２１ｇ／
ａＪ　（２−８ＰＳＩ）の圧力の研磨パッドと、脱イオ
ン水中の０．０６ミクロンのアルミナ粒子のスラリとを
用いて、１：１の食刻速度比の金属対絶縁物が得られた
。異なる酸として増加される金属の食刻比（及び減少さ
れる酸化物の食刻比は、ｐＨを２．２に下げるのに使用
される。
代りに、ｐＨを１１−１１．５に増加すれば、１−１０
重量パーセントの濃度のシリカ粒子を用いるときの金属
に対する絶縁物の除去速度が増加する０本出原人による
１９８７年８月１７日付けの米国特許出願第０８５８６
３号は、　　ｒＶｉａＦｉｌｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｐｌａ
ｎａｒｉｎｚｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　（バイア充
填・平坦化技法）」と題するもので、アルミナ。
脱イオン水、過酸化水素のスラリを、２７７−３３２ｇ
／ａＪ　（１０−１２ＰＳＩ）の圧力とともに使用して
、充填されたバイアと平坦化されたパッシベーション層
が同時に形成されるような、平坦化されたタングステン
−ＢＰＳＧ面を提供する。
本出願人の米国特許第４７０２７９２号は、ポリマ膜を
化学機械的に研磨して像パターンを画成することを開示
している。
上述の化学機械的な研磨技法では、スラリの量を出来る
だけ抑えている。一般に、スラリは研磨用ホイールの中
心の上方に吊された点滴器によって与えられる。ホイー
ルが回転するとき、スラリは研磨パッドの上方に広がる
。スラリの量を抑えた研磨の例は、米国特許第３８４１
０３１号、同第３３４２６５２号、同第４２５６５３号
及び同第４３７３９９１号や、　　ｒＥｌａｃｔｒｏｎ
ｉｃｓ　（エレクトロニクス）」の１９８２年１月１３
日号、第４０−４１頁のｒＳｐｉｎｎｉｎｇ　Ｅｔｃｈ
ａｎｔ　Ｐｏ１ｉｓｈｅｓ　Ｆｌａｔ。
Ｆａｓｔ　（回転と食刻剤とで研磨し、早く平坦化）」
と題する論文にも示される。
Ｃ０発明が解決しようとする課題 少量のスラリしか用いない研磨法には幾つかの難点があ
る。その１つは研磨パッドの寿命が短くなることである
。パッドの寿命は、１つの所与のパッドで研磨できるウ
ェーハの総数に関係する。
パッドが摩耗すると、研磨された金属の除去速度と、ウ
ェーハ全体での除去の均一性がかなり低下する。パッド
の寿命は、パッドの硬さ、研磨条件。
パッドのブレーク・イン手順或いは条件付は手順によっ
て決まる。一般に、少量のスラリとともに使用する研磨
パッドを十分湿らせるために、パッドは破壊的なブレー
ク・イン手順（例えば、ブレードを用いての高圧のひっ
かき）や、周期的な条件付け（低圧のひっかき）を受け
る。そのような手順はパッドの寿命を著しく短くし、そ
の結果、パッド交換の頻度により全体の処理が一層高価
になる。　別の難点は、所与のウェーハの全面にわたっ
て均一な除去をできない点である。少量のスラリしか用
いない処理方法に於て、スラリの内容を変えることと、
パッドの硬さを変えることとによって均一さを最適にし
ようとした。しかしそのように変えても、目に見えるほ
ど均一さを増進させることはできなかった。
更に別の難点は、「バンプ」の発生である。
「バンプ」は、基板に沿う領域が局所的に不完全に研磨
される現象である。これは急峻な表面形状を覆う領域に
わたって生じるのが典型的である。
例えば、ゲート電極の一番上の酸化物のパッシベーショ
ン層を研磨するとき、もし電極が急峻な１段」を有する
なら（例えば約０．５ミクロンより高いなら）、電極の
エツジの上方の酸化物の部分にバンプが形成しがちであ
る。スラリの量が少ない場合、他の何らかのパラメータ
（速度、均一性、パッド寿命等）に悪影響を及ぼさずに
バンプを除去することはできず、何らかの妥協策が必要
となる。
従って、パッドの寿命と研磨の速度及び均一さとを最大
にし乍ら、一方で同時にバンプの発生を最小にする平均
化技法がこの分野では求められている。
従って、本発明の目的は、パッド寿命と平坦化の均一さ
の両方を最大にする化学機械的平坦化技法を提供するこ
とにある。
本発明の他の目的は、上述のパラメータを最適化し、同
時にバンプの発生をできるだけ抑えることにある。
本発明の他の目的は、別の異なるスラリを選択的に導入
しなければならない必要性を除去した化学機械的研磨技
法を提供することにある。
００課題を解決する手段 上記その他の目的は、研磨テーブルの廻りに保持壁を配
設し、研磨パッドを完全に浸すようスラリ溜りを導入す
るとともに、スラリの温度を室温より高くすることによ
って達成される。
上記の条件下の研磨法を用いると、研磨の均一さは９７
％のレベルにまで達した。同時に、パッド寿命は著しく
（１０倍まで）伸びた。激しくないブレーク・イン手順
を用いることができるからである。そして、これらの改
良はバンプの発生という犠牲を払ってできたのではなく
、むしろバンプがなくなるというものであった。
Ｅ、実施例 ここで第１図及び第２図に示す本発明の実施例の研磨装
置を説明する。これは回転する研磨用ホイール１０と、
その上に装着された円形の研磨パッド１２とを有する。
研磨用ホイール１０は矢印１４の方向に回転する。本発
明で用いることのできる研磨用ホイールは多数市販され
ている。本発明者は、米国カリフォルニア州のＨｕｎｔ
ｉｎｇｔｏｎＢｅａｃｈにあるＳｔｒａｓｂａｕｇｈ　
Ｃｏ、という会社から市販されている研磨工具モデル番
号６ＣＵで実施してみた。
研磨用ホイール１０の周囲には保持壁即ちダム１６を配
設する。ダム１６の目的は、研磨用パッド１２の、スラ
リ「溜り」３０が形成されるところに与えられるスラリ
の量を増すためである。研磨工程中に回転しているとき
も、スラリ溜り３０は、パッド１２を完全に覆うように
形成される。
「光学物質に於るレーザで誘起される損傷」会議録１９
８０年、１７１−１７９頁の「浮き研磨によるセラミッ
ク及び金属の超音波加工」や米国特許第２９２２２６４
号を参考として挙げておく。
本実施例の装置では、ダムの高さは約５１■（２インチ
）である、これによって約６．４ｍ５（１／４インチ）
の深さのスラリ溜りを形成し、研磨用パッド１２を覆う
。
平坦にしようとするウェーハ２８が、たわみ軸（ｑｕｉ
ｌｌ）アセンブリ２０によって研磨用ホイール１０に対
し保持される。たわみ軸アセンブリ２０は、ウェーハ２
８を研磨用パッド１２と接触するように移動可能な支持
アーム２２を含み、ウェーハ支持体２４が矢印２６で示
す方向に回転する。
ウェーハ支持体２４は、支持アーム２２中に配設された
ベルト・アセンブリ（図示せず）によって回転されるこ
とに留意されたい、ウェーハ支持体２４は、ウェーハ２
８を支持するためその中にエラストマのパッド（図示せ
ず）を配設させている。
斯してウェーハ２８は１回転するウェーハ支持体２４、
回転するパッド１２、及びそれらの間に配設されたスラ
リ溜り３０によって研磨される。
スラリを大量に使えば、均一さも増し、パッドの寿命も
伸びることが発明者には分った。具体的には、これらの
条件下でウェーハの表面全体の均一さけ９７％という高
品質になる。同時に研磨用パッドの寿命も伸びている。
何故ならば激しさの少ないブレーク・イン手順を用いる
ことができるからである。具体的には、次のようなブレ
ーク・イン手順を行なうことができる。即ち比較的短い
期間（例えば５分）露した粗い膜を有する多数のブラン
クのウェーハを研磨するという手順である。
ウェーハの量は研磨用パッドの硬さの関数である（パッ
ドが硬くなればなるほど、ブレーク・インは少なくて済
む）、非常に硬い研磨用パッド（例えば、米国アリシナ
州のＲｏｄｅｌ　Ｃｏｒｐ、という会社から市販されて
いるＩ　Ｃ−４０パツド）の場合、この過程でブレーク
・インは必要ない。
上述の研磨装置を用いて実験を行う間に、発明者は、ス
ラリの温度が均一な研磨を得るのに大きな役割を果すこ
とが分かった。具体的には、スラリの温度を室温から２
９．４−３５℃（８５−９５°Ｆ）に上げることによっ
て、平坦化食刻の均一性は非常に改良され、実験では２
倍にもなった。
これらめ発見は予期し得るものではなかった。特に機械
的な性格の強い工程で、酸化物の層を研磨する場合は予
期し得るものではない、更に、この現象、が発見されて
から、温度を上げるにつれて効果も保持される（或いは
更に高まる）ことも期待した。しかし、約３５−３７．
８℃（９５−４００”　Ｆ）より高い温度では、均一さ
がかなり低下することが分かった０発明者はこのような
高い温度では、蒸発によりスラリの濃度を一定に維持す
るのが難しいため、−暦年均一になると仮定している。
換言すれば、約３７．８℃（１００″Ｆ）より高い温度
では、研磨の不均一さの増すことは、スラリの不均一さ
によって打消すことができない。
発明者は、またスラリ中の微粒子の割合が全体の工程に
何らかの役割を果していることを発見した。具体的には
、シリカのスラリ溜りを用いると。
基板の研磨速度が線形に増加しくそしてバンプの発生も
減少）、それとともに固体の割合も１０％まで増加する
ことが分った。１０％を超えると、研磨速度と、研磨の
不均一さの度合いとはともに増大し、それとともに固体
の割合も増大する。しかし、１０乃至１５重量パーセン
ト程度は許容範囲である。換言すると、研磨速度と研磨
の均一さの度合とが固体の割合によって最大化できる範
囲を与える、識別し得る程の動作「窓」はない５微粒子
の寸法もまた全体の工程にある役割を示す、従来は、ス
ラリ中の微粒子の濃度に僅かな不均一さがあるだけでバ
ンプが生じると考えていた。
そして微粒子を小さくすれば効果的な微粒子の濃度が増
進するだろうと仮定して、小さい微粒子（０，００６ミ
クロンの平均粒子サイズ）を用いることによってバンプ
を取除こうとした。しかしバンプは取除けなかった。微
粒子のサイズを０゜０２ミクロンに増加したとき、バン
プはなくなった。これらの結果は、毎分約５００乃至１
５００オングストロームの除去速度で得られた。毎分約
２０００オングストロームを超えると、バンプを除去す
ることはできなかった。尚、この除去速度の限界は、全
体の層についてである。実際には、急峻な表面形状の上
にパッシベーション層を平坦化する場合、毎分６０００
オングストロームまでの局所的な除去速度が、バンプを
生じずに得られた。
更に、スラリ溜りを用いることによって、通常の細かな
微粒子を有するスラリは勿論、それより大きな微粒子の
スラリも全ての研磨工程で使用できた０本実施例では、
１２％（重量で）Ｓｉｎ。
の微粒子（平均０．０２ミクロンの直径）が懸濁された
ものに、スラリか希釈された。このスラリは、Ｃａｂｏ
ｔ　Ｃａｒｐ、という会社からｒ　Ｃａｂ−０−Ｓｐｅ
ｒｓｅＳＣＩＪという米国の商標名で市販されている８
通常、非常に小さい微粒子を有するスラリか使用される
のは、少量しかない物質を研磨しようとする場合か、又
は下側の面がひっかきに特に弱い物質の場合（例えばシ
リコン基板上に形成された研磨停止層の上にある薄いシ
リコン酸化層を研磨する際、シリコン面のひっかきから
生じ得る。シリコン結晶学に於る転位を避けたい場合な
ど）である。
本発明者は、高い温度のスラリ溜りを用いることによっ
て、微粒子のサイズがひつかきに影響する仕組みを除去
できることを発見した。斯して、これらの条件下で、ひ
っかきはパッドの硬ざ（けの関数となる（パッドが硬く
なれば、ひっかき傷が多くなる）、スラリを少量しか用
いない技法では。
柔いパッドはバンプが生じるであろうから使用できない
、この問題は、前述のパッドの破壊的なブレーク・イン
手順或いは条件付は手順を用いることによって軽減され
る。しかし、ここでは、バンプを生じず、しかもそのよ
うなパッドのブレーク・イン手順或いは条件付は手順を
用いなくても、柔いパッドを使用できる。従って、同じ
粗いスラリを、従来の細かいスラリの応用例でも使用で
き、粗い例と細かい例とでスラリを変える必要はなく。
その点の出費を避けることができる。
更に、スラリ溜りを用いると、テーブル１ｏ及びたわみ
軸２０の両方の回転速度を１２０ＲＰＭから１１５−３
ＯＲＰに減じることができる。特に１１５−２ＯＲＰ程
度の回転速度が好ましい。
このような条件下で、研磨の終了点を検知し易くなる０
例えば、シリコン・ウェーハ上で酸化物を研磨するとき
、シリコンははるかに研磨しにくい。
従ってシリコン面が研磨用ホイールをこすり始めると、
酸化物を研磨していたときよりはるかに大きな抗力が生
じる。従って本発明者は、この現象を利用して、正確に
終了点を検知する方法を提供することになった。即ち、
複数のウェーハを研磨しているとき、モニタ（ダミー）
用のウェーハも含める。そのダミー・ウェーへのシリコ
ン基板の上には、研磨して除去しようとする。製品のウ
ェーハ上の酸化物の量と同じ量の酸化物を有するように
する。ダミー・ウェーハからその酸化物が除去されたと
き、露出したシリコン面では大きな抗力が生じる。この
最大の抗力が、たわみ軸モータ電流検知器で以って検知
できる。モータの制御部は、その最大の抗力のときたわ
み軸が減速できるように設定される。その制御部は、モ
ータの回転速度があまりにも遅くなり、モータ電流が急
激に増加して、電流スパイクを生じるのを、感知する。
このように工程の終了点は、たわみ軸を姻すモータの電
流スパイクによって知ることができる。
上記の技法は、たわみ軸の回転速度を低くするのに適用
できる。何故ならば、高速ではウェーハの角運動量が増
加することにより、大きな抗力は与えにくくなるからで
ある。
本発明の具体例を、下記の例で説明しよう。
■ 目的：　処理済みのシリコン基板に約８０００オングス
トロームの段の高さのドープしていない酸化物のパッシ
ベーション膜を与え平坦化する。
スラリ：　１２重量パーセントまで水に希釈したｒＣａ
ｂ−０−３ｐａｒｓｅ　Ｓｅｌ」たわみ軸の回転速度：
　　１７ＲＰＭ たわみ軸の圧カニ　約２５０ｇ／ａＪ　（９ＰＳＩ）研
磨ホイールの回転速度：　　１７ＲＰＭスラリの温度：
　約３３．２℃（９０’Ｆ）ウェーへの枚数：　９枚と
終了点検知ウェーハ結果＝　７分後、シリコン面上で酸
化物は完全に平坦化され、バンプもひっかきも生じなか
った。
Ｆ０発明の効果 このように、本発明では、室温より高い温度のスラリ溜
りを使用して、研磨の均一な度合とパッドの寿命との両
方を最大限に改良し、バンプも生じないようにした０本
発明の上記の効果は、酸化シリコン或いは窒化シリコン
のような絶縁体が研磨されるときは必ず得られる効果で
ある。更に、本発明の如上の効果は、上記の最良の実施
例に限らない。例えば研磨しようとする絶縁体の硬さと
対応する硬さの他の粒子も使用できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の実施例の研磨装置の平面図である。 第２図は、その研磨装置の断面図である。 １０・・・研磨用ホイール、１２・・・研磨パッド、１
６・・・保持壁（ダム）、２０・・・たわみ軸アセンブ
リ、２２・・・支持アーム、２４・・・ウェーハ支持体
、２８・・・ウェーハ、３０・・・スラリ溜り。 １４！ゝ事

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 （１）半導体ウェーハ上の絶縁層を機械化学的に研磨す
    るため、これを研磨パッドを載置した回転する研磨用ホ
    イールと接触させて研磨する方法に於て、 上記絶縁層の硬さに対応する硬さの固体の粒子の懸濁液
    を含むスラリを、上記研磨用ホイールの外周に配設した
    ダムで囲ってスラリ溜りを形成し、該スラリ溜りが上記
    研磨用パッドを十分に覆うような量のスラリを与え、 上記スラリの温度を少なくとも約２９．４℃に高めたこ
    とを特徴とするウェーハ用研磨方法。 （２）半導体ウェーハ上の絶縁層を機械化学的に研磨す
    るため、これを研磨パッドを載置した回転する研磨用ホ
    イールと接触させて研磨する方法に於て、 ０．００６ミクロン以上の平均粒子サイズを有するシリ
    カ粒子の懸濁液を含み、且つ上記シリカ粒子が約１０乃
    至１５重量パーセントを占めるスラリを、上記研磨用ホ
    イールの外周に配設したダムで囲って、スラリ溜りを形
    成し、該スラリ溜りが上記研磨用パッドを十分に覆うよ
    うな量のスラリを与え、 上記スラリの温度を少なくとも約２９．４℃に高めたこ
    とを特徴とするウェーハ用研磨方法。 （３）たわみ軸により支持された半導体基板上のシリコ
    ン酸化物の層を機械化学的に研磨するため、これを研磨
    パッドを載置した回転する研磨用ホイールと接触させて
    研磨する方法に於て、 少なくとも約０．０２ミクロンの平均直径のシリカ粒子
    を用い、１０乃至１５重量パーセントの該シリカ粒子の
    懸濁液を含むスラリを、上記研磨用ホイールの外周に配
    設したダムで囲って、スラリ溜りを形成し、該スラリ溜
    りが上記研磨用パッドを十分に覆うような量のスラリを
    与え、 上記スラリの温度を少なくとも約２９．４℃に高めたこ
    とを特徴とするウェーハ用研磨方法。
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