(57)【要約】【課題】固定砥粒研磨パッドを用いて基板を平面化する処理。【解決手段】固定砥粒研磨パッド上に平坦化溶液が分配される、固定砥粒研磨パッド上で基板を化学機械的に平坦化する方法を開示する。平坦化溶液は、基板上の表面層を溶液中に排出せずに酸化させる、砥粒を含まない平坦化溶液であることが好ましく、固定砥粒パッドは、実質的に均一な分布の砥粒が懸濁媒体に固定的に接着される。次に、基板の表面層は、平坦化溶液の存在するところで固定砥粒パッドに対して押圧され、固定砥粒パッドまたは基板のうち少なくとも一方は他方に相対して移動し、基板の表面から材料を除去する。動作中に平坦化溶液は、研磨パッドの研磨表面により容易に除去される、表面層上の不溶性酸化物の荒い粗面層を形成する。本発明の一実施態様において、平坦化溶液のｐＨは、表面層の材料を溶液中に排出せずに酸化させるように制御される。【選択図】図３
2006148174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面層から金属材料を除去するための化学機械的平坦化方法であって、
砥粒を含まない平坦化溶液を提供する工程であって、該金属材料が銅を含まない場合では、該砥粒を含まない平坦化溶液は、３と１０の間のｐＨを有し、該金属材料が銅を含む場合では、該砥粒を含まない平坦化溶液は、２．５より低いｐＨを有するか、または、１０．５より高いｐＨを有する、工程と、
懸濁媒体中に固定砥粒が散布された固定砥粒研磨パッドを供与する工程であって、該固定砥粒が該懸濁媒体に固定的に付着されている工程と、
該固定砥粒研磨パッド上に該平坦化溶液を被覆する工程と、
該基板の該表面層の該金属材料を溶解せず、かつ、該金属材料を溶液中に排出せずに、該基板の該表面層の該金属材料を酸化および／または粗面化する工程と、
該固定砥粒研磨パッド中の該固定砥粒により、該酸化および／または粗面化した表面層を除去する工程と
を含む、化学機械的平坦化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基板の化学機械的平面化に関するものであり、より特定すると、固定砥粒研磨パッドを用いて基板を平面化する処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学機械的平面化（「ＣＭＰ」と称す）処理は、半導体デバイスの製造に際して、ウエーハまたは他の基板の表面から材料を除去する。図１は、プラテン20、ウエーハキャリア30、研磨パッド40、および研磨パッド40上の平面化液44を含むＣＭＰマシーン10を概略的に例示する。研磨パッドは非砥粒材料（例えば、ポリウレタン）から作られた従来型の研磨パッドであり得、或いは、懸濁媒体中に固定的に散布された砥粒から作られた、新生代固定砥粒研磨パッドであり得る。平面化液は、ウエーハの表面から材料を除去する砥粒および化学薬品を含む従来型ＣＭＰスラリーであり得、或いは、砥粒を含まない溶液であり得る。大半のＣＭＰ応用例では、砥粒を含む従来型ＣＭＰスラリーは従来型研磨パッド上で使用され、また、砥粒を含まない平坦化液が固定砥粒研磨パッド上で使用される。
【０００３】
ＣＭＰマシーン10はまた、アンダーパッド25がプラテン20の上部表面22でかつ研磨パッド40の下部表面に装着される。あるタイプのＣＭＰマシーンにおいては、駆動アセンブリ26は、矢印Ａにより示されるように、プラテン20を回動させる。別タイプのＣＭＰマシーンにおいては、駆動アセンブリは、矢印Ｂにより示されるように、プラテンを前後に往復運動させる。研磨パッド40がアンダーパッド25に装着されているので、研磨パッド40はプラテンと共に移動する。
【０００４】
ウエーハキャリア30は、ウエーハ12が装着され得る下部表面32を有し、或いは、ウエーハ12が、ウエーハ12とウエーハキャリア30の間に位置決めされる弾性パッド34に装着され得る。ウエーハキャリア30は重みづけされた自由浮遊式ウエーハキャリアであり得、或いは、軸方向運動、回転運動、または軸方向運動と回転運動（矢印ＣおよびＤによりそれぞれ示される）の組み合わせを付与するように、アクチュエータアセンブリ36がウエーハキャリア30に装着され得る。
【０００５】
ＣＭＰマシーン10を用いてウエーハ12を平坦化するために、ウエーハキャリア30は下向きにされたウエーハ12を研磨パッド40に押圧する。ウエーハ12の表面が研磨パッド40を押圧している間は、プラテン20またはウエーハキャリア30の少なくとも一方が他方に相対して移動し、平坦化表面42を横断してウエーハ12を移動させる。ウエーハ12の面が平坦化表面42を横断して移動するにつれて、研磨パッド40および平坦化溶液44はウエーハの面から継続して材料を除去する。
【０００６】
ＣＭＰ処理の１つの目的は、半導体ウエーハ上に均一に平面状の表面を作ることである。平坦化表面の均一性は複数因子の関数であり、そのうちの１つは、ウエーハと研磨パッドの間の砥粒の分布である。固定砥粒研磨パッドは、ウエーハと研磨パッドの間に実質的に均一な粒子の分布を供与するが、それは、砥粒がパッド中に固定的に散布されるからである。しかしながら、スラリーはウエーハの周辺部に集まり、この時、ウエーハの他の部分の下にはより少量のスラリーを残した状態になるので、砥粒を含むＣＭＰスラリーは粒子の均一な分布を提供し得ない。従って、固定砥粒研磨パッドを用いることが望ましい。
【０００７】
固定砥粒研磨パッドを用いてウエーハの表面から材料を除去することに関する１つの問題点は、固定砥粒パッドは、従来型パッドおよびスラリーと比較して、比較的低研磨率を有する傾向があることである。砥粒を含む従来型平坦化スラリーは固定砥粒研磨パッドの平坦化表面を損傷するので、固定砥粒パッドはスラリーを含まずに使用されることが多い。例えば、従来型砥粒スラリーを用いて固定砥粒パッド上でウエーハが平坦化される場合、スラリー中の砥粒が、一般に、研磨パッドの砥粒を損傷する。したがって、固定砥粒パッドを損傷することなく、固定砥粒パッドＣＭＰの研磨率を増大させることが望まれる。
【０００８】
固定砥粒パッドＣＭＰに関わる別な問題は、ウエーハの表面上に欠陥が偶発し得ることである。ウエーハから材料が除去されるにつれて、固定砥粒研磨パッドの砥粒および他の部分が脱落し、ウエーハの表面と固定砥粒研磨パッドの間に捕縛状態になることがある。固定砥粒パッドがスラリーを用いずに使用される場合、固定砥粒研磨パッドの離脱した細片がウエーハを引っ掻くことが多く、ウエーハ上の複数のダイスを損傷することがある。それ故に、固定砥粒研磨パッドにより引き起こされる欠陥を低減することも望まれる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の要旨
本発明のＣＭＰ処理は、固定砥粒パッドＣＭＰにおいて研磨率を増大させるとともに、欠陥を低減するのが好ましい。基板上の金属表面層を平坦化するための本発明の実施態様において、砥粒を含まない平坦化溶液が固定砥粒パッド上に分配される。砥粒を含まない平坦化溶液は、基板表面上の金属を溶液内に排出せずに、該金属を酸化させる酸化体を有するのが好ましい。固定砥粒パッドは、懸濁媒体と、懸濁媒体に固定的に接着される、実質的に均一な分布の砥粒とを有する。次に、基板の表面層は平坦化溶液が存在するところで固定砥粒パッドに対して押圧され、更に、少なくとも１つの固定砥粒パッドまたは基板が他方と相対して移動する。動作中に、平坦化溶液は、研磨パッドの砥粒により除去される、表面層上の不溶性酸化物の荒い粗面層を形成する。不溶性酸化物は一般に、不酸化材料よりも、機械的力で基板から離脱させるのが容易である。
【００１０】
本発明の一実施態様において、平坦化溶液は酸化体を有し、平坦化溶液のｐＨは、表面層の材料を、溶液中に排出せずに酸化させるように制御される。本発明の別な実施態様において、基板またはウエーハ上の表面層は、空気の存在するところで酸化するカルコゲナイド材料である。カルコゲナイド材料のための平坦化溶液は、従って、カルコゲナイド材料を溶解しないｐＨを有する。
【００１１】
本発明のＣＭＰ処理は、絶縁層の頂部表面上に、かつ、絶縁層中の凹部部内に導電材料の上層を堆積することにより、半導体ウエーハ上に電気的に隔絶された導電形態を形成するように採用され得る。上部導電層の一部は、絶縁層が絶縁層中の各凹部部の間で露出されるまで、本発明のＣＭＰ処理を利用して除去される。より特定すると、固定砥粒パッド上に砥粒を含まない酸化平坦化溶液を分配し、平坦化溶液の存在するところで固定砥粒パッドに対して上部導電層を押圧し、上部導電層および固定砥粒パッドを互いに相対して移動させることにより、上部導電層が除去されるのが好ましい。絶縁層の凹部部中の上部導電層の残余の部分は、電気的に隔絶された導電形態を形成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
発明の詳細な説明
本発明は、固定砥粒研磨パッドを用いて、半導体ウエーハまたは他の基板上の表面層を迅速に平坦化する方法である。本発明の実施態様の重要な局面は、表面層の材料を溶解せずに、表面層の材料を酸化および／または粗面する、砥粒を含まない平坦化溶液で被覆された固定砥粒研磨パッド上で表面層を平坦化することである。ウエーハ上の薄い粗面層は、固定砥粒パッドＣＭＰの研磨率を増大させる、固定砥粒研磨パッド中の砥粒により容易に除去される。それゆえ、本発明の方法は、固定砥粒パッドを用いてＣＭＰ処理のスループットを向上させる。
【００１３】
図２は、本発明の方法の実施態様に従って、ＣＭＰマシーン10で平坦化されるウエーハ12の、概略断面図である。ウエーハ12はウエーハキャリア30に搭載され、平坦化溶液144で被覆された固定砥粒研磨パッド140の平坦化表面142に対して押圧される。平坦化溶液144は、研磨パッドの上に位置決めされ、かつ、平坦化溶液144の供給源148に操作可能に接続されたディスペンサー146により、固定砥粒研磨パッド140上に散布されるのが好ましい。平坦化溶液144は、ウエーハ12の前面14の表面層の材料を酸化し、粗面し、または、それと相互作用し、機械的力により容易に除去される、ウエーハ上の薄層を形成する。固定砥粒パッド140は、懸濁媒体145と、懸濁媒体145中に固定的に散布された複数の砥粒147とを有するのが好ましい。平坦化表面142は、多数の隆起形態143がその上に形成されて、ウエーハ12を更に研磨するのが好ましい。
【００１４】
ウエーハ12を平坦化するために、ウエーハキャリア30および／または固定砥粒パッド140は互いに相対して移動するが、その間、ウエーハ12は固定砥粒パッド140の平坦化表面142に対して押圧される。ウエーハ12の前面14が固定砥粒パッド140の平坦化表面142を横断して移動すると、砥粒147はウエーハ12の前面14上の薄い酸化層（図示せず）を研磨し、ウエーハ12から材料を除去する。以下に詳細に説明されるように、砥粒147は、不酸化材料よりも速やかに、ウエーハ12の前面14の酸化表面または粗面表面を除去する。
【００１５】
平坦化溶液144は、材料を溶解せずにウエーハ12の前面14の表面の材料で酸化物を形成するのが好ましい。ウエーハ12の前面14が、空気の存在するところで触媒の助けなしでは酸化しない金属である場合は、平坦化溶液は、特定金属が酸素と反応して酸化物を形成することを引き起こす酸化体を含む液体であることが好ましい。それゆえ、平坦化溶液144中の特定の酸化体は、ウエーハ12の前面14の表面層の材料により決まる。ウエーハ12の前面14の表面の材料を用いて、該材料を溶解せずに酸化物を形成するには、平坦化溶液はｐＨ制御された溶液中に酸化体を有するのが典型的である。したがって、特定の平坦化溶液は、材料を溶液中に排出せずにウエーハ12の前面14の材料と反応するｐＨを有するのが好ましい。ウエーハ12の前面14の材料がカルコゲナイド（空気の存在するところで自然酸化物を形成する）である場合は、平坦化溶液は、カルコゲナイド材料を溶液中に排出しない、実際にいかなる液体から構成されていてもよい。
【００１６】
ウエーハの前面の材料は単一層の材料または複数層の材料を含む複数階層薄膜積層体であればよい。例えば、ウエーハの前面の材料は、異なる金属（例えば、タングステン・プラグ上のチタンおよびアルミニウム）およびバリア層（例えば、窒化チタン）を含む複数階層薄膜積層体であればよい。平坦化溶液144は、複数階層薄膜積層体の各層のうちの少なくともいくつかを用いて、また、好ましくは、複数階層薄膜積層体の層の全てを用いて、酸化物を形成する。従って、本発明は単一階層薄膜編成の平坦化および複数階層薄膜編成の平坦化に適用するのが好ましい。
【００１７】
本発明は、ウエーハ12の前面14から金属層を平坦化し、波形ラインおよび中間層プラグのような導電形態を形成するのに、特に有用である。ウエーハ12からタングステンの導電層を平坦化するためには、平坦化溶液は5.0より低いｐＨを有し、かつ、硝酸第二鉄、過酸化水素、ヨウ素酸カリウム、および臭素の酸化体群のうち少なくとも１つを有することが好ましい。特定の具体例において、タングステンの層はシリカセリア固定砥粒研磨パッドおよびｐＨ4.5の粒子を含まないヨウ素酸カリウム平坦化溶液を用いて、迅速に平坦化され得る。１つの好適な平坦化溶液は、Delaware州NewarkのRodelCorporationが製造する改良型QCTT1011-14Bヨウ素酸カリウム平坦化溶液である。QCTT1011-14B溶液は、従来型の非砥粒研磨パッドについてのみ使用されてきた砥粒を含む従来型スラリーである。本発明で使用するためのQCTT1011-14B溶液を改良するために、砥粒を除去して砥粒を含まない溶液を形成し、この溶液が固定砥粒パッド上で使用される。
【００１８】
本発明の方法はまた、アルミニウムおよび銅を含む他の材料を平坦化するために使用されてもよいが、これら材料に限定されない。ウエーハ12の前面14からアルミニウムの導電層を平坦化するために、平坦化溶液は約3.0と10.0の間のｐＨを有し、かつ、過酸化水素、ヨウ素酸カリウム、または、硝酸第二鉄のような酸化体のうちの１つを含むのが好ましい。ウエーハ12の前面14から銅の導電層を平坦化するために、平坦化溶液はおよそ2.5より低いｐＨを有するか、または、およそ10.5より高いｐＨを有し、更に、以下に列挙する混合物のうちの１つを有するのが好ましい。すなわち、0.1％−5.0％の硝酸および0.1％−10.0％のエタノールを含有する脱イオン水、0.1％−5.0％の硝酸および0.1％−1.0％のベンゾトリアゾールを含有する脱イオン水、0.5％−3.0％の水酸化アンモニウムを含有する脱イオン水、または0.5％−3.0％のアンモニアフェリシアン化物を含有する脱イオン水。
【００１９】
図３は、本発明の方法の実施態様による、ウエーハ12上に形成される電気的に隔絶された導電形態を例示する。ウエーハ12は一般に、基板13と、凹部すなわちビアホール16を有する絶縁層15と、絶縁層15を覆い、かつ、ビアホール16内に堆積される上部導電層17とを有する。上部導電層17の材料はビアホール16を充満し、接触プラグ18を形成する。絶縁層、半絶縁層、半導電層、および導電層からなる幾つかの層が、基板13と上部導電層17の間のウエーハ12上に堆積され得る。上部導電層17は、タングステン、アルミニウム、またはポリシリコンを含む、多数の導電材料から作成され得るが、材料はこれらに限定されない。
【００２０】
ウエーハ12上に電気的に隔絶された形態を形成するために、ウエーハ12はウエーハキャリア30に搭載され、また、本発明に従った平坦化溶液144が固定砥粒研磨パッド140上に堆積される。図２に関連して先に論じたように、平坦化溶液は砥粒を含有せず、これが、上部導電層17の材料を溶液中に排出せずに、同材料を酸化するのが好ましい。ウエーハキャリア30は固定砥粒研磨パッド140の隆起形態143に対してウエーハ12を実質的に押圧する。平坦化溶液144が上部導電層17の材料を酸化するので、平坦化溶液144は、ウエーハ12の前面14を横断して薄い粗面層19を形成する。粗面層19は、上部導電層17の不酸化材料の表面と比較して、比較的脆性形態を備える粗表面を有するのが好ましい。
【００２１】
ウエーハ12が固定砥粒研磨パッド140に対して押圧された後で、ウエーハ12または固定砥粒研磨パッド140のうち少なくとも一方が他方と相対して移動し、固定砥粒研磨パッド140の隆起形態143がウエーハ12の粗面層19を横断してこすり取りを行う。固定砥粒研磨パッド140中の砥粒147は、上部導電層17の残余の部分から粗面表面19の荒い脆性の形態を取り壊す。平坦化溶液144は上部導電層17の新たに露出された部分を断続的に酸化して、上部導電層17の表面を横断して粗面層19を断続的に形成する。
【００２２】
図４は、本発明の化学機械的平坦化方法の実施態様による平坦化を終えた後の、ウエーハ12を例示する。上部導電層17の接触部分が除去されるまでウエーハは平坦化され、絶縁層15がビアホール16において導電プラグ18を電気的に隔絶する。好ましい実施態様においては、絶縁層15の材料を酸化または溶解せずに導電層17の材料を酸化する化学薬品を用いることにより、平坦化溶液144は導電層17の材料に対して選択的となる。導電層17の材料に対して選択的である平坦化溶液を用いることにより、絶縁層15は研磨阻止層として作用し、ＣＭＰ処理を終端させる精度を向上させ得る。
【００２３】
それに加えて、平坦化溶液144は導電層の材料を溶液中に排出せずに酸化させるので、接触プラグ18の頂部表面は絶縁層15の頂部表面と実質的に同一平面である。これは、導電層17の材料を溶解するスラリーおよび平坦化溶液とは対照的である。スラリーが導電層17を溶解する場合、スラリーは導電層17を効果的にエッチングし、接触プラグ18の頂部表面が絶縁層15の頂部表面より低くなるようにする。それゆえ、導電層の材料をエッチングする平坦化溶液およびスラリーを採用するＣＭＰ方法とは異なり、本発明の好ましい実施態様の方法は一般に、接触プラグ18と導電層15の間に、マイクロ・レベルですら均一に平面状の表面を生成する。
【００２４】
本発明の好ましい実施態様の１つの利点は、ウエーハの平面性を犠牲にせずに、固定砥粒研磨パッドを用いて平坦化されるウエーハのスループットを向上させることである。表面層の材料を溶解するスラリーとは異なり、本発明は、表面層の材料を溶液中に排出せずに酸化させる、砥粒を含まない平坦化溶液を採用する。先に論じたように、固定砥粒研磨パッド中の砥粒は、不酸化材料よりも速やかに、粗面酸化材料を除去する。それに加えて、平坦化溶液は表面層の材料を溶液中に排出せずに酸化するだけなので、導電形態の頂部表面は絶縁層の頂部表面より下はエッチングされない。それゆえ、本発明の方法は、スループットを増大させ、高度に平面状の表面を生成する。
【００２５】
本発明の好ましい実施態様の別な利点は、固定砥粒パッドが平坦化溶液によっては損傷されないことである。砥粒を含む従来型スラリーは固定砥粒パッドを磨耗させ、従って、これらスラリーは固定砥粒パッドの有効性と有用年数を低減させる。しかし、本発明の方法に従って使用される平坦化溶液は、固定砥粒パッドを損傷させる砥粒または化学薬品を含有しないのが好ましい。従って、本発明の方法に従って使用される平坦化溶液は、固定砥粒パッドを損傷しない、または、同パッドの有用年数を低減させないのが好ましい。
【００２６】
本発明の好ましい実施態様のまた別な利点は、固定砥粒研磨パッドを用いて平坦化されたウエーハに関する欠陥の数を低減することである。砥粒を含む従来型スラリーは固定砥粒研磨パッドを迅速に磨耗するので、大半の固定砥粒パッドＣＭＰ処理で、溶液を使用せずにウエーハを平坦化する。しかし、先に論じたように、砥粒は固定砥粒パッドから取り壊され、かつ、ウエーハの表面を引っ掻く。本発明の方法に従って使用される平坦化溶液は、ウエーハと固定砥粒研磨パッドの間に液体緩衝剤を供与して、ウエーハの表面を引っ掻き得る小粒子を取り去ることにより、欠陥を減じるのが好ましい。それゆえ、本発明の好ましい実施態様の方法に従って使用される平坦化溶液は、ウエーハの表面上の欠陥の数を低減する。
【００２７】
本発明の好ましい実施態様のまた別な利点は、或る材料を別な材料と関連して平坦化する際の選択性を向上させることである。平坦化溶液を使わずに固定砥粒研磨パッド上でウエーハを平坦化させるＣＭＰ処理は、ウエーハの表面から材料を除去するのに、化学反応に依存しないので、特定タイプの材料に対して選択的ではない。しかし、本発明の好ましい実施態様は、平坦化溶液が或る材料と反応するのに別な材料よりも異なった化学反応をするように公式化され得るので、選択的平坦化を提供し得る。そえゆえ、本発明は、特定の半導体ウエーハ構造上の材料の除去を制御する能力を向上させるのが好ましい。
【００２８】
本発明の特定の実施態様が例示のためにここに記述されてきたが、本発明の精神および範囲から逸脱すること無しに、多様な修正が行なわれ得ることが、先の記載事項から正当に評価されるだろう。また、本発明の好ましい実施態様は、半導体ウエーハを平坦化するための、実質的に砥粒を含まない平坦化溶液を採用したとして記述されているが、固定砥粒研磨パッドの摩損性すなわち平坦化処理に変更を加えるために平坦化溶液中で砥粒が使用されてもよいことが、正当に評価されるだろう。これに加えて、本発明の好ましい実施態様は、電界放射ディスプレイのためのベースプレートのような他の基板を平坦化するために使用され得る。これに加えて、本発明は、添付の特許請求の範囲による以外は、限定を受けない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、先行技術に従った化学機械的平坦化マシーンの概略断面図である。
【図２】図２は、本発明の方法の実施態様に従って平坦化されている基板の部分概略断面図である。
【図３】図３は、本発明に従って導電形態を形成する方法の実施態様についての、或る一点における半導体ウエーハの部分概略断面図である。
【図４】図４は、本発明に従って導電形態を形成する方法による、別な一点における図３の半導体ウエーハの部分概略断面図である。
【図１】
2006148174.tif 000003
【図２】
2006148174.tif 000004
【図３】
2006148174.tif 000005
【図４】
2006148174.tif 000006