(57)【要約】【課題】ＣＭＰに際して、膜の剥離が起き難く、研磨効率が高く、更には研磨速度の面内均一性に優れ、研磨ムラが起き難く、平坦性に優れたウェハが得られると言った研磨特性に優れた技術を提供することである。【解決手段】研磨パッドが半導体ウェハに押し当てられて化学的機械的研磨する方法であって、研磨温度が１５〜７０℃に制御されると共に、研磨圧力が０．１〜２．０ｐｓｉに制御されて化学的機械的研磨が行なわれる。【選択図】図２
2008244376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨パッドが半導体ウェハに押し当てられて化学的機械的研磨する方法であって、
研磨圧力が０．１〜２．０ｐｓｉに制御されて化学的機械的研磨が行なわれる
ことを特徴とする半導体ウェハ化学的機械的研磨方法。
【請求項２】
研磨パッドが半導体ウェハに押し当てられて化学的機械的研磨する方法であって、
研磨温度が１５〜７０℃に制御されると共に、研磨圧力が０．１〜２．０ｐｓｉに制御されて化学的機械的研磨が行なわれる
ことを特徴とする半導体ウェハ化学的機械的研磨方法。
【請求項３】
研磨パッドが半導体ウェハに押し当てられて化学的機械的研磨する方法であって、
供給される研磨スラリの温度が制御されて研磨温度が１５〜７０℃に制御されると共に、研磨圧力が０．１〜２．０ｐｓｉに制御されて化学的機械的研磨が行なわれる
ことを特徴とする半導体ウェハ化学的機械的研磨方法。
【請求項４】
研磨パッドが半導体ウェハに押し当てられると共に研磨スラリが供給されて化学的機械的研磨が行なわれる半導体ウェハ化学的機械的研磨装置であって、
前記半導体ウェハを保持する保持手段と、
前記半導体ウェハを研磨する研磨パッドと、
前記研磨スラリを貯留する研磨スラリ用タンクと、
前記研磨スラリを前記半導体ウェハに供給するノズルと、
前記研磨スラリ用タンクと前記ノズルとを連結する連結パイプと、
前記半導体ウェハに対する前記研磨パッドの研磨圧力を０．１〜２．０ｐｓｉに制御する制御手段と、
前記研磨スラリ用タンク内の温度を制御する第１温度制御手段と、
前記連結パイプ内の温度を制御する第２温度制御手段
とを具備してなり、
供給される研磨スラリの温度が制御されて研磨温度が１５〜７０℃に制御されると共に、研磨圧力が０．１〜２．０ｐｓｉに制御されて化学的機械的研磨が行なわれるようにしたことを特徴とする半導体ウェハ化学的機械的研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハ化学的機械的研磨方法および半導体ウェハ化学的機械的研磨装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩ（大規模集積回路）の高性能化要求に対し、種々の微細加工技術が開発されている。半導体装置製造プロセス、特に多層配線形成においては、ダマシン配線技術により、ウェハ全面を平坦化する為、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）技術が多用されている。例えば、ウェハを研磨パッドに押し付け、研磨スラリを滴下しながらウェハを保持加圧するヘッドと研磨パッドを貼付する定盤とを同時に回転させることにより、平坦化するＣＭＰ技術が一般的に広く知られている。
【０００３】
さて、ＣＭＰにおいては、研磨中の摩擦熱により被研磨体の温度が時々刻々と上昇し、スラリの化学的作用が活性化され、研磨速度が増大する傾向が見られる。尚、局所的な発熱も生じ易く、ウェハ面内で研磨速度のムラを引き起こし、平坦化特性（ディッシングやエロージョン）が低下する問題が有る。
【０００４】
このような問題に対して、例えば特許第３７８８８１０号、特開２００１−１６２５１７号公報、特開２００６−２３７０３５号公報などでは、研磨中の温度を制御し、研磨プロセスを安定化させることが提案されている。すなわち、特許第３７８８８１０号には、研磨パッドが取り付けられた研磨定盤を冷却し、被研磨体の温度を制御することが開示されている。特開２００１−１６２５１７公報には、赤外線ヒータにより研磨パッドの表面温度を維持することが開示されている。特開２００６−２３７０３５公報には、研磨ヘッドを介して供給するエアの温度を制御することが開示されている。そして、これ等の提案の技術は、一応、それなりの効果を奏している。
【特許文献１】特許第３７８８８１０号
【特許文献２】特開２００１−１６２５１７公報
【特許文献３】特開２００６−２３７０３５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年、更なるＬＳＩの高速化・低消費電力化の要求から、配線材料として低抵抗の銅が、又、配線間容量低減の為に比誘電率の低い絶縁膜材料が用いられるようになって来た。この絶縁膜の比誘電率を低くする手段として、今日では、絶縁膜中に空孔を形成する技術が主流になっている。
【０００６】
しかしながら、内部に空孔が形成された絶縁膜は、それだけ脆弱なものとなる。従って、平坦化の為のＣＭＰに際して、絶縁膜の剥離が起きたりする。
【０００７】
従って、本発明が解決しようとする課題は、ＣＭＰに際して、膜の剥離が起き難い技術を提供することである。更には、膜の剥離が起き難いのみならず、研磨効率も高い技術を提供することである。又、更には、研磨速度の面内均一性に優れ、研磨ムラが起き難く、平坦性に優れたウェハが得られると言った研磨特性に優れた技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の課題は、研磨パッドが半導体ウェハに押し当てられて化学的機械的研磨する方法であって、
研磨圧力が０．１〜２．０ｐｓｉに制御されて化学的機械的研磨が行なわれる
ことを特徴とする半導体ウェハ化学的機械的研磨方法によって解決される。
【０００９】
更には、研磨パッドが半導体ウェハに押し当てられて化学的機械的研磨する方法であって、
研磨温度が１５〜７０℃に制御されると共に、研磨圧力が０．１〜２．０ｐｓｉに制御されて化学的機械的研磨が行なわれる
ことを特徴とする半導体ウェハ化学的機械的研磨方法によって解決される。
【００１０】
特に、研磨パッドが半導体ウェハに押し当てられて化学的機械的研磨する方法であって、
供給される研磨スラリの温度が制御されて研磨温度が１５〜７０℃に制御されると共に、研磨圧力が０．１〜２．０ｐｓｉに制御されて化学的機械的研磨が行なわれる
ことを特徴とする半導体ウェハ化学的機械的研磨方法によって解決される。
【００１１】
又、研磨パッドが半導体ウェハに押し当てられると共に研磨スラリが供給されて化学的機械的研磨が行なわれる半導体ウェハ化学的機械的研磨装置であって、
前記半導体ウェハを保持する保持手段と、
前記半導体ウェハを研磨する研磨パッドと、
前記研磨スラリを貯留する研磨スラリ用タンクと、
前記研磨スラリを前記半導体ウェハに供給するノズルと、
前記研磨スラリ用タンクと前記ノズルとを連結する連結パイプと、
前記半導体ウェハに対する前記研磨パッドの研磨圧力を０．１〜２．０ｐｓｉに制御する制御手段と、
前記研磨スラリ用タンク内の温度を制御する第１温度制御手段と、
前記連結パイプ内の温度を制御する第２温度制御手段
とを具備してなり、
供給される研磨スラリの温度が制御されて研磨温度が１５〜７０℃に制御されると共に、研磨圧力が０．１〜２．０ｐｓｉに制御されて化学的機械的研磨が行なわれるようにしたことを特徴とする半導体ウェハ化学的機械的研磨装置によって解決される。
【００１２】
尚、研磨圧力が０．１〜１．５ｐｓｉに制御される上記発明によって解決される。更には、研磨圧力が０．１〜１．０ｐｓｉに制御される上記発明によって解決される。
【００１３】
又、研磨温度が２０〜６０℃に制御される上記発明によって解決される。更には、研磨温度が２０〜４０℃に制御される上記発明によって解決される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の如きの低圧（０．１〜２．０ｐｓｉ）にてＣＭＰを行なったならば、小型化（薄型化）の観点から、ウェハが薄くなった場合でも、ウェハに損傷が引き起こされ難くなる。かつ、ＣＭＰに際してのウェハの歪も起き難いから、ＣＭＰによる平坦化の精度も向上する。例えば、ディッシングやエロージョンも小さく、平坦化特性が向上する。かつ、内部に空孔を有する、所謂、Ｌｏｗ−ｋ材と言った脆弱な膜も剥離が起き難い。
【００１５】
尚、研磨圧力が０．１ｐｓｉより小さいと、研磨作業が安定せず、作業効率が悪くなる。そして、例えばＣｕ膜のディッシングを考慮すると、１．５ｐｓｉ以下、絶縁膜の剥離防止を考慮すると、１．０ｐｓｉ以下が好ましい。
【００１６】
ところで、低圧にてＣＭＰを行なうと、研磨速度が小さくなる。しかしながら、研磨温度を１５〜７０℃、特に、２０〜４０℃に制御して行なったならば、研磨速度の向上が図れ、低圧にしたことに起因した研磨速度の低下の改善が得られる。又、研磨速度のバラツキを防止できる。すなわち、研磨温度を１５℃以上に制御することで、ＣＭＰに際しての化学的作用が活性化し、研磨速度が上昇する。すなわち、スループットを向上する効果が得られる。尚、逆に、高くなり過ぎると、研磨スラリの熱的安定性が崩れる恐れが有り、良好なＣＭＰが行なわれ無くなる。又、研磨スラリの温度が高くなると、水分の蒸発が促進され、組成変動の恐れが有り、研磨特性が良好に発揮できなくなる恐れも有るからによる。
【００１７】
又、本発明の如きの低圧（０．１〜２．０ｐｓｉ）にてＣＭＰを行なったならば、研磨中の摩擦熱による被研磨体の温度上昇を抑制でき、摩擦による局部的な発熱が著しく減少し、ウェハの研磨速度のバラツキが軽減される。
【００１８】
そして、研磨スラリの温度制御にあっては、研磨スラリを貯留しているタンクの温度制御のみならず、ノズルに至る途中経路でも温度制御するようにしたから、タンク内の温度を必要以上に高くする必要が無く、研磨スラリを長期に亘って安定して保存できる。そして、研磨温度の揺らぎが少なく、研磨温度は安定し、研磨速度の面内均一性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、研磨パッドが半導体ウェハに押し当てられて化学的機械的研磨する方法である。特に、研磨圧力が０．１〜２．０ｐｓｉ（特に、１．５ｐｓｉ以下。更には、１．０ｐｓｉ以下。）に制御されて化学的機械的研磨が行なわれる半導体ウェハ化学的機械的研磨方法である。更には、研磨温度が１５〜７０℃（特に、２０℃以上。６０℃以下。更には、４０℃以下。）に制御されると共に、研磨圧力が０．１〜２．０ｐｓｉ（特に、１．５ｐｓｉ以下。更には、１．０ｐｓｉ以下。）に制御されて化学的機械的研磨が行なわれる半導体ウェハ化学的機械的研磨方法である。中でも、供給される研磨スラリの温度が制御されて研磨温度が１５〜７０℃（特に、２０℃以上。６０℃以下。更には、４０℃以下。）に制御されると共に、研磨圧力が０．１〜２．０ｐｓｉ（特に、１．５ｐｓｉ以下。更には、１．０ｐｓｉ以下。）に制御されて化学的機械的研磨が行なわれる半導体ウェハ化学的機械的研磨方法である。
【００２０】
本発明の半導体ウェハ化学的機械的研磨装置は、研磨パッドが半導体ウェハに押し当てられると共に研磨スラリが供給されて化学的機械的研磨が行なわれる装置である。特に、上記半導体ウェハ化学的機械的研磨方法が実施される装置である。そして、半導体ウェハを保持する保持手段を有する。又、半導体ウェハを研磨する研磨パッドを有する。又、研磨スラリを貯留する研磨スラリ用タンクを有する。又、研磨スラリを半導体ウェハに供給するノズルを有する。又、研磨スラリ用タンクとノズルとを連結する連結パイプを有する。又、半導体ウェハに対する研磨パッドの研磨圧力を０．１〜２．０ｐｓｉに制御する制御手段を有する。又、研磨スラリ用タンク内の温度を制御する第１温度制御手段を有する。又、連結パイプ内の温度を制御する第２温度制御手段を有する。
【００２１】
以下、更に詳しく説明する。
図１は、本発明になる半導体ウェハ化学的機械的研磨装置の概略図である。
【００２２】
図１中、１は研磨ヘッドである。この研磨ヘッド１がウェハ２に押し付けられ、ウェハ２が保持されるようになっている。ウェハ２は研磨定盤４上に載置される。この研磨定盤４の載置面にはウェハ２を研磨することになる研磨パッド３が設けられている。
【００２３】
５，８は研磨スラリ供給用の配管である。すなわち、研磨スラリを貯留しているタンク９と、研磨スラリを研磨パッド３上に吐出する先端ノズルとが、配管５，８によって繋がっている。
【００２４】
配管５，８の中、先端ノズル側に近い箇所の配管５には加熱装置６が設けられている。尚、この加熱装置６は、研磨パッド３表面の温度を検出するセンサ（例えば、赤外線温度計）７の出力信号によって、動作するよう構成されている。
【００２５】
タンク９にも加熱装置１２及び温度センサ（図示せず）が設けられており、タンク９内の研磨スラリ１０が所定温度に保持されている。尚、１１は攪拌手段である。
【００２６】
次に、上記のように構成させたＣＭＰ装置を用いて半導体ウェハのＣＭＰを行なう場合について説明する。
【００２７】
先ず、タンク９内で２０〜４０℃に保持されている研磨スラリ１０を研磨パッド３上に供給する。
【００２８】
そして、研磨パッド３上に供給された研磨スラリ１０の温度が何℃であるかをセンサ７が検出するようになっており、この検出温度が所定の設定値（例えば、２０℃）より低ければ、加熱装置６を動作させて先端ノズルから吐出される研磨スラリ１０の温度が高くなるようにし、逆に、検出温度が所定の設定値（例えば、２０℃）より高ければ、加熱装置６の作動を停止せしめ、先端ノズルから吐出される研磨スラリ１０の温度が低くなるようにする。ここで、ウェハの研磨温度は研磨パッド表面の温度と密接な関係が在ることから、研磨パッドの表面温度を以って研磨温度と捉えることに大きな違いは無い。そして、タンク９に設けられた加熱装置１２を制御することでも対応可能であるが、タンク９から先端ノズルまでの経路で研磨スラリの温度変動が予想され、かつ、熱容量の大きなタンク９内の温度を高く保持した場合には、研磨スラリ１０の温度劣化も予想されるので、先端ノズルに近い箇所で微妙な温度制御を行なうことが好ましい。
【００２９】
そして、ウェハ２は研磨パッド３に押し当てられており、ウェハ２の研磨を開始する。この際、研磨ヘッド１と研磨定盤４とは、回転する機能を有しており、互いに、同方向に回転する。
【００３０】
上記のようにしてＣＭＰを行なった結果を以下で説明する。
さて、絶縁膜の剥離の発生が研磨圧力に大きく依存している現象が本発明者によって見出されたことから、本発明がなされたものである。
【００３１】
図２は、銅が成膜されたウェハに対して、上記ＣＭＰ装置を用いてＣＭＰを実施した際の研磨圧力とＣＭＰプロセスダメージ（絶縁膜の剥離）との関係を表わしたグラフである。
【００３２】
ここで、横軸はウェハ２を研磨パッド３に押し当てた研磨圧力を示し、縦軸はウェハ当たりの絶縁膜剥離が発生した割合を示す。膜剥離の発生割合は、膜剥離が発生したチップ数をウェハ当たりの総チップ数で除した値によって定義される。尚、この時のＣＭＰ条件については、研磨スラリ１０の供給温度（設定温度）が２５℃、研磨スラリ１０の流量は３００ｍＬ／分、研磨ヘッド１及び研磨定盤４の回転数は共に８０ｒｐｍである。
【００３３】
図２から、研磨圧力が低い程、ウェハ２への摩擦力が低減され、絶縁膜の剥離発生割合が減少することが判る。特に、研磨圧力が１ｐｓｉ以下では、剥離が０である。
【００３４】
図３は、研磨時間と研磨パッド表面温度・研磨圧力との関係を表わしたグラフである。
【００３５】
ここで、横軸はウェハの研磨時間を示し、縦軸は赤外線温度計により計測した研磨パッド３の表面温度を示す。尚、この時のＣＭＰ条件については、研磨スラリ１０の流量が３００ｍＬ／分、研磨ヘッド１と研磨定盤４の回転数は共に８０ｒｐｍである。
【００３６】
図３から、研磨時間が長くなるにつれて、研磨パッド３の表面温度の上昇が認められる。これは、ウェハ２と研磨パッド３との摩擦熱の発生に寄る。そして、研磨圧力が低い程、ウェハ２と研磨パッド３との間に発生する摩擦熱は減少する為、研磨パッド３の表面温度は小さくなる傾向が有る。
【００３７】
図４は、研磨圧力と銅（Ｃｕ）の研磨速度・スラリ供給温度との関係を表わしたグラフである。
【００３８】
ここで、横軸はウェハ２を研磨パッド３に押し当てた研磨圧力を示し、縦軸は銅（Ｃｕ）の研磨速度を示す。尚、この時のＣＭＰ条件については、研磨スラリ１０の供給温度が２０℃，３０℃，４０℃、研磨スラリ１０の流量が３００ｍＬ／分、研磨ヘッド１と研磨定盤４の回転数は共に８０ｒｐｍである。
【００３９】
図４から、研磨圧力と銅（Ｃｕ）の研磨速度との間には略比例関係（線形関係）が有ることが判る。スラリ供給温度を上げるに伴って、銅（Ｃｕ）の研磨速度が速くなる。これは、スラリの温度が高い程、化学的作用が活性化され、ＣＭＰにおける銅の研磨機構の中の化学反応が促進された為と推定される。
【００４０】
図５は、ウェハ位置と銅のディッシング量・研磨圧力との関係を表わしたグラフである。
【００４１】
ここで、横軸はウェハ中心からの距離を示し、縦軸は触針式の段差計を用いて計測した銅配線幅１００μｍにおけるディッシング量を示す。尚、ディッシング量は、絶縁膜からの銅配線の最大凹み量によって定義される。この時のＣＭＰ条件については、研磨スラリ１０の供給温度が２５℃、研磨スラリ１０の流量が３００ｍＬ／分、研磨ヘッド１と研磨定盤４の回転数は共に８０ｒｐｍである。
【００４２】
図５から、研磨圧力を下げることによって、ディッシング量が低減されることが判る。又、ウェハ面内におけるディッシング量の均一性が良くなる傾向の有ることが判る。
【００４３】
以上、図２〜図５より、本願発明の如くに行なったならば、良好なＣＭＰ結果の得られることが判る。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明になるＣＭＰ装置の概略図
【図２】研磨圧力と絶縁膜の剥離との関係のグラフ
【図３】研磨時間と研磨パッド表面温度・研磨圧力との関係のグラフ
【図４】研磨圧力と銅（Ｃｕ）研磨速度・スラリ供給温度との関係のグラフ
【図５】ウェハ位置と銅ディッシング量・研磨圧力との関係のグラフ
【符号の説明】
【００４５】
１        研磨ヘッド
２        ウェハ
３        研磨パッド
４        研磨定盤
５，８    研磨スラリ供給用配管
６，１２  加熱装置
７        センサ
９        タンク
１０      研磨スラリ
１１      攪拌機
特許出願人  次世代半導体材料技術研究組合
代  理  人      宇    高      克    己
【図１】
2008244376.tif 000003
【図２】
2008244376.tif 000004
【図３】
2008244376.tif 000005
【図４】
2008244376.tif 000006
【図５】
2008244376.tif 000007