JPH11512978A - 電子装置の化学機械的平坦化のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ＣＭＰプロセスにおいてウェハを研磨するために用いられるラッピングパッド（３１）は、比較的少ない表面の凸凹（３４）を有する実質的に平坦な表面（３２）を含む。ラッピングパッド（３１）は、適切には、適切なスラリーなどの吸着および／または飛沫同伴を可能にする多孔性材料からなる。このスラリーは、例えば、コロイド状シリカを含むｐＨの高い水溶性スラリーなどである。さらに、パッド（３１）は比較的柔軟であり、パッド（３１）とワークピース（１２）との間に圧力が与えられるときに、ワークピース（１２）に関連するデリケートな微細構造（２４）に損傷を与えることなく、パッド（３１）の下面が、研磨されているワークピース（１２）の全体的なトポグラフィーに適合することを可能にする。最後に、パッド（３１）の平坦な表面（３２）は、粒子（１４）を付勢してより均一にワークピース（１２）の表面（１８）上に載せ、それにより、ワークピース（１２）のより均一な平面的な表面（１８）が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 電子装置の化学機械的平坦化のための方法および装置技術分野 本発明は、広義には、マイクロエレクトロニクス産業における平坦な表面の平 坦化および上仕上げ(fine finishing)のための方法および装置に関し、より具体 的には、実質的に平坦な、化学機械的平坦化（ＣＭＰ）プロセスにおける非セル 状のパッドの使用に関する。背景技術および技術的課題 化学機械的平坦化（「ＣＭＰ」）は、マイクロエレクトロニクス産業において 広く使用されている。典型的なＣＭＰプロセスは、製造中に、集積回路チップ上 に形成された絶縁体からなる絶縁層または導電体を研磨することを含む。 より具体的には、セル状構造を有する樹脂性の研磨パッドを、スラリー、例え ばコロイド状シリカ粒子を含む水性のスラリーとともに使用する。研磨している 加工部品（例えば、シリコンウェハ）中の研磨パッド間に圧力がかかると、セル 状パッド内の隣接するセルの露出エッジ上に機械的応力が集中する。これらのエ ッジ上に集中したスラリー内の研磨粒子は、研磨パッドの露出エッジの近傍にお いて加工部品に高い応力が局在化した領域を形成する傾向がある。この局在化し た圧力は、研磨している表面を含む化学結合上に機械的なひずみを形成し、これ により、化学結合が、化学的浸食または腐食（例えば、応力腐食）の影響を受け 易くなる。結果的に、研磨している表面から微視的(microscopic)領域が除去さ れて、研磨面の平坦性が高まる。例えば、Araiらの1992年３月発行の米国特許第 5,099,614号、Karisrudの1996年３月発行の米国特許第5,498,196号、Araiらの19 89年２月発行の米国特許第4,805,348号、Karisrudらの1994年７月発行の米国特 許第5,329,732号、およびKarisrudらの1996年３月発行の米国特許第5,498,199号 を参照。現在知られているラッピング(lapping)および平坦化技術のさらなる説 明のために、上記特許の全開示内容を参考として本願に援用する。 現在知られている研磨技術はいくつかの点において満足のいくものではない。 例えば、集積回路内で使用されるマイクロエレクトロニクス構造(microelectron ic structures)の大きさが減少すると、またさらには、現世代および次世代の集 積回路上のマイクロエレクトロニクス構造の数が増大すると、要求される平坦性 は急激に増大する。例えば、現在のリソグラフィ技術の高い精度またはより小さ な装置は、ますます平坦な表面を要求している。現在知られている研磨技術は、 特に、次世代の集積回路において使用されるシリコンウェハの比較的大きな表面 における平坦性および均一性の度合いを得るには不十分であると考えられている 。 現在知られている研磨技術は、研磨パッドのセル状構造がパッドと加工部品と の間の界面において熱を生成する傾向がある点でも満足のいくものではない。熱 の存在は、大きな加工部品中心近傍においてスラリーを乾燥させる傾向がある点 で問題である。研磨パッドが、セル状ウェハの表面上で半径方向内側に移動する と、スラリーが加工部品の表面にわたって不均一に脱水し得ることが観察されて いる。結果的に、パッドの研磨効果が加工部品の表面上において不均一になって 、平坦化効果が不均一になり得る。 従って、集積回路構造の表面全体にわたって、その平坦化のより高い平坦化お よび均一性の度合いを得ることを可能にする化学機械的平坦化技術およびその材 料が必要とされている。発明の要旨 本発明の好適な実施形態によれば、化学機械的平坦化プロセスは、現在知られ ているＣＭＰプロセスで使用される従来のセル状研磨パッドの代わりに、非セル 状の表面またはパッドを使用する。そのような平坦なまたは非セル状のパッドは 、研磨パッドと研磨されているワークピースとの間の接触の所定の表面積におけ る応力集中点の数を劇的に低減し、その結果、ワークピース表面にわたってより 均一な平坦化が得られる。本発明の別の局面によれば、非セル状パッドの使用は また、セル状ナップが無いため、パッドがデバイスのトポグラフィー上で湾曲す る程度を低減する効果を有し得る。本発明のさらに他の局面によれば、隆起（as perity）密度（研磨パッドでの表面積当たりの応力集中点の数）の減少が、研磨 プ ロセスでの材料除去レートを低減する程度だけ、研磨パッドとワークピースとの 間の圧力が増加され得、それにより、低下された除去レートを補償する。増加さ れた圧力が、パッドとワークピースとの間のより大きい接触表面積にわたって広 がるため、それに伴い、デリケートな微細構造への損傷が最小にされ得る。 本発明のさらに他の局面によれば、非セル状または実質的に平坦な研磨パッド を使用することにより、接触力が、与えられる所定の圧力でより大きい面積にわ たって分布される程度に、ワークピースに対して効果的にラッピング機能を果た し、研磨されているワークピースの最大の平坦性および平面性が達成される。 本発明のさらに他の局面によれば、従来のセル状研磨パッドの代わりに、非セ ル状および／または実質的に平坦なパッドを使用することにより、スラリーのよ り均一な分布が促進され、平坦化が、完成されたワークピースに与える非均一な 影響が低減される。図面の簡単な説明 以下、同じ参照符号が同じ部材を指す添付の図面に関連して、本発明を説明す る。 図１は、研磨スラリー環境において例示的なシリコン加工部品上に作用してい る例示的なフォーム研磨パッドの模式図である。 図２は、従来の化学機械的平坦化プロセスの化学的側面を示す概念図である。 図３は、例示的な公知の研磨パッドの拡大図であり、応力集中点を示している 。 図４（ａ）は、集積回路の例示的な断面の模式的断面図であり、現在公知の研 磨パッドとともに示された、誘電体層中に埋め込まれたマイクロエレクトロニク ス構造を示している。 図４（ｂ）は、現在公知の研磨プロセスの完了時における図４（ａ）の構造の 模式図であり、局在化された非平坦性を示している。 図５（ａ）は、本発明の好適な実施形態による、非セル状パッドの模式的断面 図である。 図５（ｂ）は、図５（ａ）の構造の模式的な断面図であり、本発明による実質 的に平坦な「ラッピング」パッドを用いて達成可能な高い平坦性を示している。好適な実施形態例の詳細な説明 次に図１を参照して、現在知られているＣＭＰプロセスは、典型的に、加工部 品１２、例えば集積回路層の表面を研磨するために剛性のフォーム研磨パッド１ ０を使用する。水性媒体中に複数の研磨粒子１４を含む研磨スラリーを、パッド 表面と加工部品表面との間の界面において使用する。 少しだけ図１および図３を参照して、セル状パッド１０は、多数の無作為に分 布した開放セルまたはバブルを含み、露出した不規則な形状のエッジがセル間の 接合部を形成している。加工部品１２の表面１８と接触するエッジ表面１６は、 隆起として知られており、研磨プロセスの間に、パッド１０が加工部品１２に対 して横方向に（例えば、円平面的(circular planatary manner)に）動く際にパ ッド１０と加工部品１２との間に摩擦力を生じるパッド１０にかかる負荷を支持 する。 引き続き図１および図３を参照して、スラリー内の研磨粒子１４を、隆起１６ によって加工部品１２の表面１８上に対して付勢し、隆起１６と表面１８との間 の接触領域に高い応力の集中(high stress concentrations)を形成する。従って 、図１は、公知のＣＭＰプロセスに関連する原理機械的現象(principle mechani cal phenomena)の一部を示す。 次に、図２を参照して、公知のＣＭＰ技術に関連する原理化学現象(principle chemical phenomena)の一部を示す。例えば、シリカ誘電体を研磨する場合、パ ッドによって、加工部品１２の表面１８上に外側に押圧され(ownwardly and imp ressed)、パッド１０に接触する加工部品１２の層の構造をなす化学結合が化学 的に応力を受けるようになる。これらの化学結合にかかる機械的な応力およびそ れに起因するひずみは、研磨粒子１４に付いた水酸化物について、これらの結合 の親和性を増加させる。加工部品１２の表面１８を含む化学結合が壊れると、シ ラノールが表面１８から遊離し(liberated)、スラリーによって除去される。こ れらの表面化合物の遊離は、平滑で、平坦で、非常に平坦な表面１８の形成を助 長する。 本発明の好適な実施形態のコンテキストにおいて、スラリーは、化学的／機械 的研磨および平坦化効果を得るために使用される。より具体的には、本発明のコ ンテキストにおいて、「スラリー」は、化学的および機械的に活性な溶液を好適 に含み、例えば、化学反応性を有する作用物質と結合した研磨粒子を含む。好適 に化学反応性を有する作用物質は水酸化物を含むが、高塩基性または高酸性のイ オンをも含み得る。適切な作用物質（例えば、水酸化物）は、スラリー溶液内で 研磨粒子に有利に結合する。特に好適な実施形態のコンテキストにおいて、スラ リー内の適切な研磨粒子は、ソース(source)（乾燥）状態におけるその大きさが １０〜２００ナノメートル、最も好ましくは約３０〜８０ナノメートルのオーダ ーであり得る。これは、０．５〜１００マイクロメートルの範囲の大きさを有す る研磨剤を含み得る従来のラッピング溶液とは対照的である。本発明のコンテキ ストにおける適切なスラリーは、例えば、５〜２０重量％粒子密度、最も好まし くは約１１重量％粒子密度のオーダーの濃度の酸化剤（例えば、フッ化カリウム ）をも含み得る。 次に図３および図４（ａ）を参照して、例示的な加工部品１２は、その上（ま たはその中）にマイクロエレクトロニクス構造２４が配されたシリコン層２２を 好適に含む。示される実施形態によれば、微細構造２４は、集積回路のコンテキ ストにおいて、導電体、ビアホール、等を含み得る。加工部品１２は、シリコン 層２２の表面に付与される誘電体層２０をさらに含み、この誘電体層は、多層集 積回路内の連続するシリコン層間において絶縁体として機能し得る。 半導体製造プロセス中、誘電体２０は、微細構造２４に対応する誘電体層中に 、局在化した装置トポグラフィー（例えば、リッジ）２６が形成されるように、 シリコン層２２（およびそれに関連する電子微細構造）上に配置される。ＣＭＰ プロセスの完了時に、理想的に均一で、平面的で、平坦な表面を形成するために ＣＭＰプロセス中に排除する必要があるのは、中でもこれらのリッジである。し かし、当該分野においては公知であるように、現在のＣＭＰ技術は、特に、例え ばサブマイクロメートル（例えば、２．５マイクロメートル未満）範囲の小型装 置リソグラフィについて、十分に平面的で平坦な表面を常に製造できるわけでは ない。 次に、図４（ａ）および図４（ｂ）を参照して、研磨パッド１０の下面に関連 する隆起（例えば、突出部）は、研磨プロセス中に表面２０およびパッド１０が 互いに対して移動する際に誘電体表面２０に接触する。化学的および機械的に活 性のスラリーまたは他の適切な溶液（図４には図示せず）を、加工部品１２およ びパッド１０の対向表面間に提供することにより、研磨プロセスを助長する。パ ッド１０が加工部品１２に対して移動する際、パッド１０に関連する隆起が、ス ラリーを含む研磨粒子とともに、装置トポグラフィー（リッジ）２６を研磨し、 これにより、上記のＣＭＰプロセスに関連する化学的および機械的現象によって リッジから材料を除去する。具体的には、パッド１０のセルに隣接する表面を形 成する不規則なエッジは、エッジ２６の各先導エッジ(leading edges)に出くわ す際にたわむまたは屈曲し、パッド１０に関連する隆起と、各装置トポグラフィ ー２６のエッジとの間に研磨粒子を閉じこめ、各エッジ２８を装置トポグラフィ ー表面よりも高速に摩耗させる。研磨プロセスの最中、リッジ２６は、典型的に は、表面１８と実質的に共面になるまで摩耗する。しかし、この平坦化プロセス は不完全であることが知られている。従って、典型的に、平坦化プロセスの完了 時点において、残余ノードまたは凹凸３０が微細構造２４近傍に残る。ＣＭＰプ ロセスの完了時点での加工部品１２に関連する表面１８（ｂ）は、平坦化プロセ スの完了前の加工部品１２に関連する表面１８（ａ）よりも確実に平坦であるが 、それでも、ノジュール(nodules)の存在は、特に、極めて高い平坦性が望まれ る次世代の集積回路において問題であり得る。 次に、図５を参照して、ＣＭＰプロセスにおいて研磨パッド１０の代わりに「 ラッピング」パッド３１が適切に使用される。特に好適な実施形態において、パ ッド３１は、比較的少ない表面凹凸(irregularities)３４を特徴とする加工部品 １２に接触する実質的に平坦な表面を好適に含む。具体的には、表面凹凸３４は 、パッド３１のドレッシング(dressing)に関連するスクラッチ(scratches)また は他の非平坦性を含み得る。あるいは、凹凸３４は、単純に、パッド３１を含む ポリマー、例えば、溶融ポリエチレン、非セル状ウレタン等の溶接によって生じ 得る。 本発明のさらに別の局面の１つにおいて、パッド３０は、好適なスラリー、例 えば、Cabot Corp製造のSC1またはChandler，ArizonaのSpeedFam Corporation製 造のDeltapol 4101のようなコロイド状シリカを含む水性高ｐＨスラリー、また は酸化セリウムスラリー(cerium oxide slurried)または低ｐＨアルミニウムス ラリーの吸着および／またはエントレインメントを可能にする多孔性材料から好 適に作成される。本発明のさらに別の局面の１つにおいて、パッド３０は、壊れ やすい集積回路装置層に対する損傷に抗するのに十分に柔軟である適切な平坦な あらゆる材料、例えば可撓性化されたエポキシを好適に含み得る。この点におい て、パッド３０は望ましくは比較的しなやかであり、これにより、パッド３１と 加工部品１２との間に圧力を付与した際に加工部品１２に関連する繊細な微細構 造２４を傷つけることなく、パッド３１の下面が加工部品（例えば、ウェハ）の 全体的なトポグラフィーに整合することを可能にする。 引き続き図５を参照して、パッド３１が加工部品１２に対して横方向に移動す る際、パッド３１の下向きの力、および加工部品１２とパッド３１との間の界面 に形成される横方向の剪断力は、パッド１０の場合に比べて大幅に大きな表面に わたって広がる。結果的に、加工部品１２（例えば、微細構造２４）の表面を傷 つけることなく、加工部品１２とパッド３１との間には、加工部品１２とパッド １０との間（図４参照）よりも大幅に高い圧力がかかり得る。さらに、パッド１ ０に関連する隆起１６に対して、パッド３１の平面的な表面３２は、粒子１４を 表面１８上により均一に付勢し、これにより、図５（ｂ）に示すように、より均 一な平面的な表面１８（ｂ）が得られる。実際に、パッド３１に関連する非セル 状または実質的に平面的な表面を使用することによって、平坦化された表面１８ （ｂ）に関連する装置微細構造のステップ高(step height)を大幅に低減する。 本明細書において、本発明を添付の図面のコンテキストにおいて記載したが、 特定の形態の発明が示されていることが理解されるべきである。添付の請求項に 記載の本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、本願に記載の非セル状パッ ドの設計および構成ならびに様々なプロセスパラメータについて、様々な他の改 変、変形および改善を行うことが可能である。例えば、本願において、本発明の 好適な実施形態は、マイクロエレクトロニクス構造上の誘電体層のコンテキスト において示されているが、多レベル集積回路および他の小型電子装置の両方のコ ンテキストにおいて、ならびに広範にわたる化学的、電気機械的、電磁性、抵抗 性、および誘導性抵抗性装置の上仕上げ、平面化および平坦化、ならびに、光学 的および電気光学的および機械的装置の上仕上げ、平面化および平坦化において 有用であり得る。添付の請求項に記載の発明の趣旨および範囲から逸脱すること なく、本発明の様々な局面の設計および実施において、上記およびその他の改変 を行うことが可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/304 ６２２ Ｈ０１Ｌ 21/304 ６２２Ｋ ６２２Ｆ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．シリコンウェハの表面を化学的および機械的に平坦化するプロセスであって 、 組み合わせにより、該シリコンウェハの表面を平坦化することができる非セル 状のラッピングパッドと研磨スラリーとを提供する工程と、 該研磨スラリーの存在下で、該ラッピングパッドと該ウェハの表面とを十分な 圧力で接触させることにより、該ウェハの表面を平坦化する工程とを包含する、 プロセス。 ２．シリコンウェハの表面を化学的および機械的に平坦化するための装置であっ て、 該シリコンウェハを装着して、該シリコンウェハの表面を露出するための第１ の装着手段と、 非セル状ラッピングパッドを装着するための第２の装着手段とを含み、 該第１の装着手段が、該シリコンウェハの該露出された表面を移動させて該ラ ッピングパッドに接触させ、且つ、研磨スラリーの存在下で、該ウェハの該露出 された表面を、十分な圧力で該ラッピングパッドに押しつけるように構成される 、装置。 ３．前記平坦化工程が、前記ラッピングパッドを前記シリコンウェハの表面に押 しつけ、該パッドを、該パッドと該ウェハとによって規定される平面内の複数の 方向に沿って、該ウェハの表面に関して相対的に移動させる工程をさらに包含す る、請求項１に記載のプロセス。 ４．前記平坦化工程が、前記ウェハの表面を前記ラッピングパッドに押しつけ、 該ウェハの表面を、該ラッピングパッドと該ウェハとによって規定される平面内 の複数の方向に沿って、該ラッピングパッドに関して相対的に移動させる工程を さらに包含する、請求項１に記載のプロセス。 ５．シリコンウェハの表面を化学的および機械的に平坦化するための装置であっ て、 該シリコンウェハの表面が露出されるように該シリコンウェハを装着するため の第１の装着プレートと、 第２の装着プレートであって、該第２の装着プレートに取り付けられた非セル 状ラッピングパッドを有する第２の装着プレートとを含み、 該第１および第２の装着プレートが、研磨スラリーの存在下で、該ウェハの該 露出された表面を移動させて該ラッピングパッドに接触させ、その結果、該ウェ ハの表面が平坦化されるように構成される、装置。 ６．前記第１の装着プレートが、前記ウェハの前記露出された表面を前記ラッピ ングパッドに押しつけ、且つ、該ウェハの該露出された表面を、該ラッピングパ ッドと該ウェハとによって規定される平面内の少なくとも１つの方向に、該ラッ ピングパッドに関して移動させるように構成される、請求項５に記載の装置。 ７．前記第２の装着プレートが、前記ラッピングパッドを前記ウェハの前記露出 された表面に押しつけ、且つ、該ウェハの該露出された表面を、該ラッピングパ ッドと該ウェハとによって規定される平面内の少なくとも１つの方向に、該ウェ ハの該露出された表面に関して移動させるように構成される、請求項５に記載の 装置。 ８．前記研磨スラリーが、 水酸化物およびフッ化カリウムからなる群から選択される約１０〜２００ナノ メートルの粒子サイズを有する約５〜２０重量％の化学薬剤と、 コロイド状シリカ、酸化セリウムおよびアルミナからなる群から選択される機 械的薬剤（mechanical agent）とを含む、請求項２に記載の装置。 ９．前記研磨スラリーが、 約１１重量％の化学薬剤と、 約３０〜８０ナノメートルの粒子サイズを有する機械的薬剤とを含む、請求項 ８に記載の装置。 １０．前記研磨スラリーが、 水酸化物およびフッ化カリウムからなる群から選択される約１０〜２００ナノ メートルの粒子サイズを有する約５〜２０重量％の化学薬剤と、 コロイド状シリカ、酸化セリウムおよびアルミナからなる群から選択される機 械的薬剤とを含む、請求項５に記載の装置。 １１．前記研磨スラリーが、 約１１重量％の化学薬剤と、 約３０〜８０ナノメートルの粒子サイズを有する機械的薬剤とを含む、請求項 １０に記載の装置。 １２．前記研磨スラリーが、 水酸化物およびフッ化カリウムからなる群から選択される約１０〜２００ナノ メートルの粒子サイズを有する約５〜２０重量％の化学薬剤と、 コロイド状シリカ、酸化セリウムおよびアルミナからなる群から選択される機 械的薬剤とを含む、請求項１に記載のプロセス。 １３．前記研磨スラリーが、 約１１重量％の化学薬剤と、 約３０〜８０ナノメートルの粒子サイズを有する機械的薬剤とを含む、請求項 １２に記載のプロセス。 １４．前記非セル状ラッピングパッドが、溶融ポリエチレン、可撓性を持たせた （flexibilized）エポキシまたは非セル状ウレタンから構成される、請求項２に 記載の装置。 １５．前記非セル状ラッピングパッドが、溶融ポリエチレン、可撓性を持たせた エポキシまたは非セル状ウレタンから構成される、請求項５に記載の装置。 １６．前記非セル状ラッピングパッドが、溶融ポリエチレン、可撓性を持たせた エポキシまたは非セル状ウレタンから構成される、請求項１に記載のプロセス。 １７．前記非セル状ラッピングパッドが、前記研磨スラリーを吸着および飛沫同 伴する（entrain）ことができる多孔性材料から構成される、請求項２に記載の 装置。 １８．前記非セル状ラッピングパッドが、前記研磨スラリーを吸着および飛沫同 伴することができる多孔性材料から構成される、請求項５に記載の装置。 １９．前記非セル状ラッピングパッドが、前記研磨スラリーを吸着および飛沫同 伴することができる多孔性材料から構成される、請求項１に記載のプロセス。