(57)【要約】本発明は、研磨パッド（４）、駆動ユニット（９）、圧着手段（６）、ウェーハホルダ（５）、第１の供給手段（７）及び第２の供給手段（８）を備えている、ウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置であって、ウェーハ（Ｗ）を保持するウェーハホルダがホルダ位置（Ｌ０）に配置され、圧着手段（６）がウェーハホルダ（５）を研磨パッド（４）に圧着するように配置され、第１の流体を研磨パッド（４）上に供給する第１の供給手段（７）が第１の供給手段位置（Ｌ１）に配置され、第２の流体を研磨パッド（４）上に供給する第２の供給手段（８）が第２の供給手段位置（Ｌ２）に配置され、研磨パッド（４）がウェーハ（Ｗ）を研磨するための研磨面を備え、研磨パッド（４）がさらに、研磨面をホルダ位置（Ｌ０）に対して第１の方向（（１）に移動させる駆動ユニット（９）に接続され、第１の供給手段（７）の第１の供給手段位置（Ｌ１）が、下流方向が第１の方向（（１）と関係をもった状態で、ホルダ位置（Ｌ０）に対して第１の下流距離（ｄ１）だけ下流方向に配置され、第２の供給手段（８）の第２の供給手段位置（Ｌ２）が、上流方向が第１の方向（（１）と関係をもった状態で、ホルダ位置（Ｌ０）に対して第１の上流距離（ｄ３）だけ上流方向に配置されている装置に関する。また本発明は、このような装置を用いた化学的機械的研磨の方法に関する。
2004516673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨パッド、駆動ユニット、圧着手段、ウェーハホルダ、第１の供給手段及び第２の供給手段を備えている、ウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置であって、ウェーハを保持する前記ウェーハホルダがホルダ位置に配置され、前記圧着手段が前記ウェーハホルダを前記研磨パッドに圧着するように配置され、第１の流体を前記研磨パッド上に供給する前記第１の供給手段が第１の供給手段位置に配置され、第２の流体を前記研磨パッド上に供給する前記第２の供給手段が第２の供給手段位置に配置され、前記研磨パッドが、ウェーハを研磨するための研磨面を備え、前記研磨パッドがさらに、前記研磨面を前記ホルダ位置に対して第１の方向に移動させる前記駆動ユニットに接続されている装置において、
前記第１の供給手段の前記第１の供給手段位置が、下流方向が前記第１の方向と関係をもった状態で、前記ホルダ位置に対して第１の下流距離だけ下流方向に配置され、前記第２の供給手段の前記第２の供給手段位置が、上流方向が前記第１の方向と関係をもった状態で、前記ホルダ位置に対して第１の上流距離だけ上流方向に配置されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記第１の供給手段位置において、前記第１の供給手段は、ウェーハの表面から生じる研磨された物質を前記研磨パッドの前記研磨面から消滅させるために、前記研磨パッド上にエッチング薬液を供給し、
前記第２の供給手段位置において、前記第２の供給手段は、ウェーハの表面を不活性化するために、研磨粒子と不活性化薬液との混合物を前記研磨パッド上に供給することを特徴とする請求項１に記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置。
【請求項３】
前記供給手段が、供給チューブを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記供給手段が、近接して設けられた複数の供給開口部を有する供給チューブを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項５】
ウェーハの表面が金属層の面であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置。
【請求項６】
前記金属層が銅の層であることを特徴とする請求項５に記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置。
【請求項７】
前記金属層がタングステンの層であることを特徴とする請求項５に記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置。
【請求項８】
前記不活性化薬液が、前記金属層のための酸化剤であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置。
【請求項９】
前記不活性化薬液が、前記金属層上に不溶性の金属塩からなる層を形成する試薬であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置。
【請求項１０】
前記不活性化薬液が、前記金属層上を覆う単層である薄膜を形成する試薬であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置。
【請求項１１】
前記不活性化薬液が、界面活性剤であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置。
【請求項１２】
前記酸化剤がＨ２Ｏ２であることを特徴とする請求項８に記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置。
【請求項１３】
前記不活性化薬液がフタル酸であることを特徴とする請求項９に記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置。
【請求項１４】
前記エッチング薬液が、研磨金属、酸化金属及び金属塩材のための溶解薬液であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置。
【請求項１５】
前記エッチング薬液が、研磨金属、酸化金属及び金属塩材を溶解するための酸性緩衝剤であることを特徴とする請求項１４に記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置。
【請求項１６】
前記ウェーハホルダを回転させる回転手段をさらに備え、前記回転手段に連結された前記ウェーハホルダが、第２の回転方向に回転するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置。
【請求項１７】
前記研磨パッドのウェーハ研磨面が固定研磨パッドとして配置され、前記第２の供給手段が不活性化薬液を供給することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置。
【請求項１８】
前記第２の供給手段が少量のエッチング薬液も供給することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置。
【請求項１９】
研磨パッド、駆動ユニット、圧着手段、ウェーハホルダ、第１の供給手段及び第２の供給手段を備えている、ウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置であって、ウェーハを保持する前記ウェーハホルダがホルダ位置に配置され、前記圧着手段が前記ウェーハホルダを前記研磨パッドに圧着するように配置され、第１の流体を前記研磨パッド上に供給する前記第１の供給手段が第１の供給手段位置に配置され、第２の流体を前記研磨パッド上に供給する前記第２の供給手段が第２の供給手段位置に配置され、前記研磨パッドが、ウェーハを研磨するための研磨面を備え、前記研磨パッドがさらに、前記研磨面を前記ホルダ位置に対して第１の方向に移動させる前記駆動ユニットに接続されている装置において実行される方法であって、
前記第１の供給手段の前記第１の供給手段位置を、下流方向が前記第１の方向と関係をもった状態で、前記ホルダ位置に対して第１の下流距離だけ下流方向に配置するステップと、
前記第２の供給手段の前記第２の供給手段位置を、上流方向が前記第１の方向と関係をもった状態で、前記ホルダ位置に対して第１の上流距離だけ上流方向に配置するステップとを備えていることを特徴とする方法。
【請求項２０】
ウェーハの表面が金属層の面であることを特徴とする請求項１９に記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【請求項２１】
前記第１の供給手段位置において、前記第１の供給手段によって、ウェーハの金属表面から生じる研磨された物質を前記研磨パッドの前記研磨面から消滅させるために、前記研磨パッド上にエッチング薬液を供給するステップと、
前記第２の供給手段位置において、前記第２の供給手段によって、ウェーハの金属表面を不活性化するために、不活性化薬液を前記研磨パッド上に供給するステップとを備えていることを特徴とする請求項２０に記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【請求項２２】
前記供給手段が供給チューブを備えることを特徴とする請求項１９乃至２１のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【請求項２３】
前記供給手段が、近接して設けられた複数の供給開口部を有する供給チューブを備えることを特徴とする請求項１９乃至２１のいずれかに記載の装置において実行される方法。
【請求項２４】
前記金属層が銅の層であることを特徴とする請求項２０乃至２３のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【請求項２５】
前記金属層がタングステンの層であることを特徴とする請求項２０乃至２３のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【請求項２６】
前記不活性化薬液が前記金属層のための酸化剤であることを特徴とする請求項２０乃至２５のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【請求項２７】
前記不活性化薬液が、前記金属層上に不溶性の金属塩からなる層を形成する試薬であることを特徴とする請求項２０乃至２５のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【請求項２８】
前記不活性化薬液が、前記金属層上を覆う単層である薄膜を形成する試薬であることを特徴とする請求項２０乃至２５のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【請求項２９】
前記不活性化薬液が界面活性剤であることを特徴とする請求項２０乃至２５のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【請求項３０】
前記酸化剤がＨ２Ｏ２であることを特徴とする請求項２６に記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【請求項３１】
前記不活性化薬液がフタル酸であることを特徴とする請求項２７に記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【請求項３２】
前記エッチング薬液が、研磨金属、酸化金属及び金属塩材のための溶解薬液であることを特徴とする請求項２０乃至２５のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【請求項３３】
前記エッチング薬液が、研磨金属、酸化金属及び金属塩材を溶解するための酸性緩衝剤であることを特徴とする請求項３２に記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【請求項３４】
前記ウェーハホルダを回転させる回転手段をさらに備え、前記ウェーハホルダが第２の回転方向に回転するように前記回転手段を配置するステップを備えることを特徴とする請求項１９乃至３３のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【請求項３５】
前記研磨パッドのウェーハを研磨するための研磨面を固定研磨パッドとして配置するステップと、
前記第２の供給手段によって不活性化薬液を供給するステップとを備えていることを特徴とする請求項１９乃至３４のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【請求項３６】
前記第２の供給手段によって少量のエッチング薬液を供給するステップを備えていることを特徴とする請求項１９乃至３５のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【請求項３７】
化学的機械的研磨処理が半導体デバイスの製造において用いられ、ウェーハが半導体材料からなる基板を含むことを特徴とする請求項１９乃至３６のいずれかに記載のウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の冒頭に定義した装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】
半導体産業においては、銅をベースとした配線のための主流の技術としてダマシンプロセスが広く認識されている。ダマシンプロセスにおいては、当業者はご存じのように、トレンチやビアのような、絶縁層内の凹部領域を充填するための十分な適用範囲を有するパターン化された絶縁層の上部に、被覆金属（銅）層がまず成長される。続いて、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）が、表面から金属層を除去するために行われ、凹部領域内の金属は、配線パターン（の一部）を構成するために残される。
【０００３】
金属層のための従来のＣＭＰは、基本的に３つの成分、すなわち、研磨粒子（例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ２）、エッチング剤（例えば酸）及び不活性化剤を含有するスラリーを用いる。不活性化剤は、パッシベーション層を成長させることによって金属表面を不活性化する。研磨成分は、金属層からパッシベーション層を機械的に除去する。エッチング剤は、不活性化されなかった金属をエッチングするのに用いられる。従来のプロセスにおいては、上記の３つの成分は、混合物として研磨布上に供給される。不都合なことに、従来のＣＭＰプロセスで用いられるスラリーは、比較的短時間しか安定性がない（例えば、化学的成分は自然と分解する）ということが知られている。
【０００４】
米国特許第５，４７８，４３５号では、スラリーをＣＭＰ装置内に供給する供給する装置であって、別々のスラリーの成分を、２つ（又は場合により３つ又はそれ以上の）の、研磨パッドへの供給チューブを介して供給する供給装置が開示されている。スラリー成分を研磨パッドで使用するまで分離しておくことによって、米国特許第５，４７８，４３５号の供給装置は、スラリーの安定性の問題を低減している。該供給チューブは、供給チューブのノズルが近接して配置されている、研磨パッド上の使用箇所に対して、別々の成分を送る。従って、該使用箇所、又はその近傍においては、それらの成分の混合物が生成されてＣＭＰスラリーを形成する。代替の実施形態においては、供給チューブは、その端部において、使用箇所に近接して配置された単一のノズルとして相互接続されている。この単一のノズルにおいては、使用箇所に到達する直前に、上記成分の混合が起きる。
【０００５】
米国特許第５，９８１，３９４号では、研磨パッド上の使用箇所において、又はその近傍において、スラリーの成分を供給して混合する２つの異なる供給チューブを用いる供給装置が開示されている。ここでは、金属表面上に保護界面活性剤を形成するためのＣＭＰプロセスの改良のために、第２の供給チューブが、第１のチューブによって供給されたスラリーに追加的な化学的成分を供給するために配置されている。
【０００６】
ＣＭＰプロセスの他の欠点は、装置内のスラリー粒子の取り扱いであり、それは、処理されたウェーハに低い清浄度をもたらし、また例えば、ポンプに対する損傷及び不要パイプの障害物を生じる。そのため、スラリー内の研磨粒子を、該研磨粒子が埋め込まれている固定研磨パッドによって置き換えた、新しいスラリーフリーのＣＭＰプロセスが開発されてきた。従って、研磨液のみがパッドに与えられる、簡易でクリーンなＣＭＰプロセスが求められる。例えば、銅配線のためのこのようなスラリーフリーのＣＭＰプロセスは、Ｍ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ等による「新しいスラリーフリープロセスを用いた配線のための銅ＣＭＰの評価」（１９９９  ＵＬＳＩ多層配線会議  ＣＭＰ−ＭＩＣ  １９９９、１９９９年２月、サンタクララ、の会報）の論文で知られている。
【０００７】
物理的および／又は化学的安定性の理由のため、このようなスラリーの組成比及び従来のＣＭＰプロセスの温度は、従来のＣＭＰプロセスをなんとかして妥協して処理する一定の制限内になければならない。ＣＭＰプロセスの間には、同時に３つの競合するプロセス（例えば、不活性化、研磨及びエッチング）がウェーハ表面上で行われる。適用された化合物の比によって、各プロセスの相対的な影響は、制御するのが難しくなる。そのため、ＣＭＰプロセスは、例えばパターン密度、特徴寸法及び均一性への依存に関して最善の結果をもたらさない。
【０００８】
また、ＣＭＰ処理における重要な論点は、ダマシン構造のパターン密度に依存することがわかったＣＭＰ金属除去速度に関する。公知であるが、パターンの大きな形状構成は、小さな形状構成と比較して、過研磨になりやすく、またディッシング効果が増す。
【０００９】
さらに、ＣＭＰ処理において認められる他の問題は、パッド上に蓄積する、研磨された物質の除去である。研磨された物質を研磨パッドから除去しないと、パッドの研磨作用は少なくなり、ＣＭＰプロセスの物質除去速度は実質的に減少する。当業者には知られているように、研磨パッドは、ブラシを用いた現場外でのクリーニングによって再生することができる。しかし、この処置は、摩耗により実質的に研磨パッドの寿命を縮める。
【００１０】
本発明の目的は、このようなＣＭＰを用いてＣＭＰプロセスを改善するＣＭＰツールの装置及び方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、研磨パッド、駆動ユニット、圧着手段、ウェーハホルダ、第１の供給手段及び第２の供給手段を備えている、ウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置であって、ウェーハを保持するウェーハホルダがホルダ位置に配置され、圧着手段がウェーハホルダを研磨パッドに圧着するように配置され、第１の流体を研磨パッド上に供給する第１の供給手段が第１の供給手段位置に配置され、第２の流体を研磨パッド上に供給する第２の供給手段が第２の供給手段位置に配置され、研磨パッドがウェーハを研磨するための研磨面を備え、研磨パッドがさらに、研磨面をホルダ位置に対して第１の方向に移動させる駆動ユニットに接続されている装置において、第１の供給手段の第１の供給手段位置が、下流方向が第１の方向と関係をもった状態で、ホルダ位置に対して第１の下流距離だけ下流方向に配置され、第２の供給手段の第２の供給手段位置が、上流方向が第１の方向と関係をもった状態で、ホルダ位置に対して第１の上流距離だけ上流方向に配置されていることを特徴とする装置に関する。
【００１２】
また、本発明は、第１の供給手段位置において、第１の供給手段が、ウェーハの表面から生じる研磨された物質を研磨パッドの研磨面から消滅させるために、研磨パッド上にエッチング薬液を供給し、第２の供給手段位置において、第２の供給手段が、ウェーハの表面を不活性化するために、研磨粒子と不活性化薬液との混合物を研磨パッド上に供給することを特徴とする、上述のようなウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置に関する。
【００１３】
また、本発明は、研磨パッド、駆動ユニット、圧着手段、ウェーハホルダ、第１の供給手段及び第２の供給手段を備えている、ウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置であって、ウェーハを保持するウェーハホルダがホルダ位置に配置され、圧着手段がウェーハホルダを研磨パッドに圧着するように配置され、第１の流体を研磨パッド上に供給する第１の供給手段が第１の供給手段位置に配置され、第２の流体を研磨パッド上に供給する第２の供給手段が第２の供給手段位置に配置され、研磨パッドがウェーハを研磨するための研磨面を備え、研磨パッドがさらに、研磨面をホルダ位置に対して第１の方向に移動させる駆動ユニットに接続されている装置において実行される方法であって、第１の供給手段の第１の供給手段位置を、下流方向が第１の方向と関係をもった状態で、ホルダ位置に対して第１の下流距離だけ下流方向に配置するステップと、第２の供給手段の第２の供給手段位置を、上流方向が第１の方向と関係をもった状態で、ホルダ位置に対して第１の上流距離だけ上流方向に配置するステップとを備えることを特徴とする方法に関する。
【００１４】
また、本発明は、第１の供給手段位置において、第１の供給手段によって、ウェーハの金属表面から生じる研磨された物質を研磨パッドの研磨面から消滅させるために、研磨パッド上にエッチング薬液を供給するステップと、第２の供給手段位置において、第２の供給手段によって、ウェーハの金属表面を不活性化するために、不活性化薬液を研磨パッド上に供給するステップとを備えることを特徴とする上述のようなウェーハの表面を化学的機械的研磨する化学的機械的研磨ツールの装置において実行される方法に関する。
【００１５】
従って、本発明にかかるＣＭＰプロセスの物質除去速度は、従来技術よりもより一定になる。また、研磨液におけるエッチング剤と不活性化剤との比は、従来技術よりもより広い範囲内で選択することができる。このことは、不活性化及びエッチングプロセスの良好な制御を可能にする。結果として、除去速度はより一定、例えば、特徴寸法及びパターン密度への依存が少なくなり、過研磨及びディッシング効果が減る。
【００１６】
また、ウェーハ全域での除去速度の均一性は高まる。
【００１７】
さらに、ＣＭＰプロセスのウェーハ間の再現性は、本発明の装置及び方法によって改善される。
【００１８】
さらに、本発明の場合、研磨パッドの機械的調節に対する要求は、大幅に減少する。従って、研磨パッドの寿命は、本発明により延びる。また、本発明によって、ＣＭＰツールの休止時間は、研磨パッドの交換及び調節により、顕著に減少する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をいくつかの図を参照して説明するが、これらの図は図示のためのみのものであって、請求項に定義した保護の範囲を限定するものではない。
【００２０】
以下に示すように、本発明は、ＣＭＰプロセスを改善するための装置及び方法を提供する。図１ａ及び図１ｂにおいて、従来技術に係る研磨パッドの表面の断面図が概略的に示されている。図１ａにはきれいな研磨パッドの表面が描かれ、図１ｂには研磨された物質で汚染された研磨パッドの表面が描かれている。
【００２１】
図１ａにおいては、研磨パッドの表面に埋め込まれた複数の研磨粒子（〜０．１μｍの直径）を含む研磨パッドの表面１の断面図が示されている。該研磨パッドは、ヒロック（〜１０μｍの幅）を有するわずかに波打つ表面を有するポリマー層から成る。ＣＭＰの最中にウェーハの下を通過するとき、図に黒点で示す研磨粒子は、ポリマー層中に部分的に埋設され、かつ固定される。
【００２２】
当業者にはよく知られているように、このような研磨パッドの研磨作用は、使用中にウェーハの表面と接触するヒロックの頂部上又はその近傍に配置された研磨粒子によって実質的に行われる。
【００２３】
半導体基板上の金属層のＣＭＰ中、研磨パッドの突出する研磨粒子と接触する不活性化された層は機械的に除去され、パッドの表面上に載る。研磨された物質２は、図１ｂのパッド表面に灰色領域で示すように、パッドの表面上に蓄積する。パッド上（及び特にヒロック頂部）への研磨された物質の蓄積により、研磨パッドの研磨作用は減少する。
【００２４】
本発明は、パッド表面の汚染を呈示する装置及び方法を提供する。従来技術において知られているように、研磨された物質の機械的除去は、それほど有効ではなく、ウェーハの表面を汚染する自由に移動する粒子を生じてしまう。
【００２５】
そのため、研磨された物質の溶解による化学的除去が用いられる。一般に、この目的のために、（酸性の）エッチング剤が用いられる。しかし、ジュライ技術から分かるように、この場合、ウェーハ上の銅の層は、平坦化することなく等方性エッチングされるので、研磨液は、このようなエッチング剤の特性を有していなければならないことはない。当業者には知られているように、ウェーハ表面上の金属構造の厳密なエッチングは好結果につながる。
【００２６】
本発明においては、上述したような従来技術における問題を、図２に示す装置によって解決する。図２は、本発明に係る第１の好適な実施形態におけるＣＭＰツール内に配置された供給装置の実例を概略的に示す。ＣＭＰツール３は、研磨パッド４と、ウェーハホルダ５と、圧着手段６と、エッチング剤供給チューブ７と、不活性化剤供給チューブ８と、駆動ユニット９とからなる。
【００２７】
研磨パッド４は、図１ａに示すような構造を有するパッドである。研磨パッド４は、研磨時の回転のための駆動ユニット９を備えている。研磨パッド４は、回転中心Ｒの周りを回転する。回転方向は矢印ω１で示してある。回転中心Ｒから半径方向に離れて配置されたホルダ位置Ｌ０において、ウェーハホルダ５は、研磨プロセスの間、ウェーハＷを保持するために配置されている。圧着手段６はウェーハホルダ５に連結されている。研磨プロセスの間、圧着手段６は、研磨パッド４の表面に対して、所定の力Ｆでウェーハホルダ５内のウェーハＷを圧着する。圧着手段６は、研磨中にウェーハホルダ５を回転させる回転駆動ユニット９と共に配置されている。回転方向は矢印ω２で示す。ＣＭＰツール３の供給装置は、別々の成分の研磨液を研磨パッド４に供給する２つの供給チューブ７、８からなる。エッチング剤供給チューブ７は、第１のチューブ位置Ｌ１において、エッチング剤を研磨パッド４上に供給する。第１のチューブ位置Ｌ１は、矢印ω１で示す回転方向に対して下流方向に第１の下流方向間隔ｄ１離れてホルダ位置Ｌ０の近くに配置されている。エッチング剤は、図１ｂで説明したように、パッドの表面に蓄積した研磨された物質を溶解できる化学化合物を含有する。不活性化剤供給チューブ８は、不活性化剤と研磨粒子とから成る混合物を第２のチューブ位置Ｌ２において研磨パッド４上に供給する。第２のチューブ位置Ｌ２は、矢印ω１で示す回転方向に対して上流方向に第１の上流方向間隔ｄ３離れてホルダ位置Ｌ０の近くに配置されている。第１の上流方向間隔ｄ３は、研磨パッド上の位置の動きは閉ループを描くので、下流方向に測定した第２の下流方向間隔ｄ２と等しい。本発明においては、第２のチューブ位置Ｌ２を配置するための第１の上流方向間隔ｄ３は、第２の下流方向間隔ｄ２が第１の下流方向間隔ｄ１よりも大きくなるように選択される。このように供給チューブ７、８を配置することによって、（第１のチューブ位置Ｌ１から第２のチューブ位置Ｌ２までの回転方向に測定した）第１の供給チューブ７と第２の供給チューブ８との間の軌跡は、（第２のチューブ位置Ｌ２から第１のチューブ位置Ｌ１までの回転方向に測定した）第２の供給チューブ８と第１の供給チューブ７との間の軌跡よりもかなり大きくなる。この装置においては、有利には、以下に詳細に説明する、ＣＭＰプロセスにおける異なる機能をそれぞれ有する２つの範囲が研磨パッド上に生成される。
【００２８】
不活性化剤（又はパッシベータ）はエッチング剤から金属面を保護するパッシベーション層の形成によって、ウェーハ上の金属面を不活性化できる薬剤である。不活性化剤は、パッシベーション層のような金属酸化層を金属面上に形成する酸化剤（例えばＨ２Ｏ２）を含んでもよい。また、活性剤はメタル表面上に不溶性金属塩の層で形成する試薬であってよい（例えば、銅をベースとした金属化の場合におけるフタル酸）。また、単層被覆を表面上に形成するその他の不活性化剤、あるいは界面活性の性質を有する不活性化剤も考えられる。
【００２９】
図２に示した装置においては、研磨パッド４の表面は、該パッドの回転中、様々な状態にさらされる。例えば、あるパッドの回転中に、パッド表面の特定の位置Ｌ４は、まず、第２のチューブ位置Ｌ２において、不活性化剤供給チューブ８の下を通過する。ここで、パッド表面は、研磨粒子と混合された多量の不活性化剤を受ける。
【００３０】
次に、位置Ｌ４は、ホルダ位置Ｌ０において、ウェーハホルダ５に取付けられたウェーハＷの下を通過する。この時点で、研磨パッドの表面に埋め込まれた研磨粒子は、ウェーハＷの金属面からパッシベーション層を除去する。位置Ｌ４においてパッド表面上に分散された不活性化剤は、金属と密接しており、金属面を再び不活性化する。研磨された物質は、パッド表面上に載り、パッド上に蓄積する（図１ｂ）。ウェーハと研磨パッドの接触領域において、不活性化及び除去のプロセスは、同時かつ連続的に行われる。パッド上のエッチング剤の存在により、パッシベーション層の除去後、金属層のエッチングが行われることに注意されたい。
【００３１】
また、本発明においては、少量のエッチング剤を、不活性化剤供給チューブにおいて供給される（パッシベータと研磨粒子との）混合物に添加することができる。このようにして、ＣＭＰプロセスの特性のさらなる制御が可能になる。
【００３２】
研磨パッド４の回転によって、研磨された物質は、ホルダ位置Ｌ０において、ウェーハと研磨パッドとの間の接触領域から移動される。
【００３３】
続いて、位置Ｌ４は、第１のチューブ位置Ｌ１において、エッチング剤供給チューブ７の下を通過する。この時点で、パッド表面は多量のエッチング剤を受ける。該エッチング剤は、化学反応によって、研磨された物質を溶解することができる。遠心力によって、溶解した研磨物質を含む溶液は、パッド周辺部において該パッドから流れる。そのため、溶解工程の後、パッド表面はクリーンになり、実質的に、研磨された物質から影響を受けなくなる。
【００３４】
第１のチューブ位置Ｌ１においてエッチング剤供給チューブ７を介して、及び第２のチューブ位置Ｌ２において不活性化剤供給チューブ８を介して、それぞれエッチング剤及び不活性化剤を別々に供給することにより、エッチング剤及び不活性化剤の濃度は、ホルダ位置Ｌ０に関して研磨パッド上の相対位置の関数として変化する。供給チューブ７、８の第１及び第２のチューブ位置Ｌ１、Ｌ２間の、パッド上の位置Ｌ４の軌跡上で、パッド表面上のエッチング剤の濃度は、不活性化剤の濃度と比べて相対的に高く、研磨液は、エッチング腐蝕液の性質を大方有する。しかし、第２及び第１のチューブ位置Ｌ２、Ｌ１間の、パッド上の位置Ｌ４の軌跡上では、状況は逆になる。即ち、パッド表面上のエッチング剤の濃度は、不活性化剤の濃度と比べて相対的に低く、研磨液は、パッシベータの性質を大方有する。従って、ウェーハホルダ５に取付けられたウェーハＷは、第１及び第２のチューブ位置Ｌ１、Ｌ２間における固定されたホルダ位置Ｌ０において、大方パッシベータの性質を有する研磨液にさらされる。位置Ｌ１、Ｌ２間において、エッチング剤はまだ（制御可能かつ相対的に低い濃度で）有効なため、ＣＭＰプロセスのエッチング工程は、ウェーハＷの表面においてなお実行することができる。しかし、不活性化剤の高濃度及びウェーハＷの表面のパッシベーションの対応する程度により、エッチング速度は遅い。エッチング速度は遅いが、ＣＭＰプロセスの除去速度は影響を受けないことに注意すべきである。本発明に係るＣＭＰプロセスにおいて、銅のメタライゼーションの場合、除去速度は３００から５００ｎｍ／分である。
【００３５】
また、ＣＭＰプロセスの間、エッチング剤及び不活性化剤の供給が続けられることに注意されたい。即ち、ＣＭＰプロセスの間、パッド上のエッチング腐蝕液及びパッシベータの濃度配分は、比較的安定な状態と考えられる。回転研磨パッド４は、第１のゾーン内のパッドの領域が主にエッチング及びクリーニング工程に使われる、位置Ｌ１、Ｌ２間の軌跡における第１の比較的安定したゾーンを含む。位置Ｌ２、Ｌ１間の軌跡における第２の比較的安定したゾーンにおいては、第２のゾーン内のパッドの領域は、ウェーハＷ上の金属面と反応するパッシベータを主に含む。
【００３６】
さらに、供給チューブ７、８によるエッチング剤及び不活性化剤の供給は、代替的な方法で行ってもよく、即ち、チューブ７、８をそれぞれ他の適当な形状、例えば、近接して離間した開口部のアレイを有するシャワーヘッドアセンブリのような形状に配置してもよい。
【００３７】
図２に示す実施形態においては、本発明において、従来のＣＭＰプロセスの場合よりも広いプロセスの窓を可能にする、エッチング剤及び不活性化剤のフロー、濃度及び温度等の必須のパラメータをそれぞれ個別に制御することができる。
【００３８】
図３ａ乃至図３ｄは、本発明に係るスラリーフリーＣＭＰプロセスの連続する段階を概略的に示すブロック図である。図の左側において、ウェーハＷの連続する段階は、断面図で概略的に描いてある。図の右側においては、位置Ｌ４における研磨パッドの表面の一部の連続する段階が断面図で概略的に描かれている。
【００３９】
図３ａは、ＣＭＰプロセス前のウェーハＷを示す。ＣＭＰプロセスの前に、ウェーハＷは、基板層３０１と、絶縁層３０２と、金属層３０３とを含む。絶縁層３０２にはパターン領域３０４があり、該領域は金属層３０３によって充填されている。金属層の表面には、パターン領域３０４の輪郭となる凹部領域３０５が示されている。
【００４０】
図３ｂ乃至図３ｄは、実行されるＣＭＰを示す。図３ｂにおいて、ウェーハＷは、金属と不活性化剤との反応によって成長したパッシベーション（酸化金属又は金属塩）層３０６と共に示されている。研磨している間、最上層３０７におけるパッシベーション層が除去されると共に、凹部領域３０５内のパッシベーション層は表面上に残る。
【００４１】
この状態を図３ｃに示す。即ち、ウェーハＷ上において、パッシベーション層が除去された、自由金属面３０８の突出領域がある。
【００４２】
ＣＭＰプロセスの間、研磨パッド４は、図１ａに示す状態と同等の、その表面に研磨粒子を埋め込んだ状態で、きれいな状態で位置Ｌ２にある。ウェーハがホルダ位置Ｌ０を通過した後、パッドの位置Ｌ４は位置Ｌ１に到達する。研磨パッドの表面上への研磨された物質の蓄積により、研磨パッドの研磨機能は低下する。この位置Ｌ１において、研磨パッド４上の位置Ｌ４は図１ｂに示すような状態になる。
【００４３】
位置Ｌ１において、エッチング剤がパッド表面に与えられる。この位置における研磨流体は、比較的高い濃度のエッチング剤を有する。位置Ｌ１から位置Ｌ２への移動の間、研磨された物質はエッチング剤によって溶解する。遠心力により、溶解した研磨物質を含む溶液は、位置Ｌ１から位置Ｌ２への移動の間に、パッド周辺部におけるパッドから流れる。ここで研磨パッド４は、ウェーハＷを伴うホルダ位置Ｌ０が到達する前にきれいになる（図１ａに示す）。
【００４４】
位置Ｌ２において、不活性化剤と研磨粒子との混合物がパッド上に供給される。
【００４５】
ＣＭＰプロセスの間、金属層は、図３ｄに示す状態になるまで除去される。図３Ｄにおいて、残った金属層は、パターン領域内のみに配線３０９として存在する。さらに、この段階において、研磨パッド４は、（図１ａの断面図に示すように）位置Ｌ１と位置Ｌ２との間でパッドがエッチング剤にさらされることによって、まだきれいな状態である。
【００４６】
ＣＭＰプロセスの間の研磨パッドの不断のクリーニングにより、物質除去速度は一定の高レベルのままである。
【００４７】
ＣＭＰプロセスを特徴づけるために、最新式のツールを使用して実験を行った。エッチング剤として、自家製の酸性バッファ（ｐＨ＝３）を使用した。不活性化剤としてＨ２Ｏ２（Ｈ２Ｏ中に酸化剤として３５％）を使用した。エッチング剤及び不活性化剤の濃度はここでは実施例として示したことに注意されたい。他の薬液および／又は濃度も同様の満足すべき結果をもたらすかもしれない。
【００４８】
堆積厚１．２μｍを有する銅の層によって被覆された、（ＳｉＯ２内に）被覆及びパターン化されたウェーハを、本発明によるＣＭＰプロセスによって研磨した。パターン化されたウェーハ上のテスト用ダマシン構造は、種々の線幅及び種々のパターン密度を有していた。テストパターンとして、０．２から１００μｍの線幅を有する線／間隔パターンを使用した。パターン密度は、〜２５％から〜８０％の範囲で変化させた。全てのテスト用構造において、トレンチの深さは６００ｎｍであった。
【００４９】
図４ａ及び図４ｂは、上述の実験の具体的結果をグラフで示したものであり、それぞれ公知の従来のプロセスに従って実行された、及び、本発明に従って実行された、スラリーフリーのＣＭＰプロセスにおいて平坦加速度を測定した。図４ａのグラフにおいては、種々の線幅を有するトレンチの段状高さの減少が、従来技術によるＣＭＰプロセスにおける研磨時間の関数としてプロットされている。簡単にするために、パターン密度が５０％の場合の結果のみを示す。線幅が１００、５０、２０、１０μｍの線に関する結果を、それぞれ、黒い丸、白い丸、黒い三角、白い三角でマークしてある（〜２５％から〜８０％の範囲で変化する他のパターン密度の場合、同様の結果が得られた）。
【００５０】
図４ｂにおいては、種々の線幅を有するトレンチの段状高さの減少が、本発明によるＣＭＰプロセスにおける研磨時間の関数としてプロットされている。線幅が１００、５０、２０、１０μｍの線に関する結果を、それぞれ、黒い四角、白い四角、黒い菱形、白い菱形でマークしてある。パターン密度は５０％であった。
【００５１】
図４ａ及び図４ｂから、本発明によるＣＭＰプロセスが、従来のＣＭＰプロセスよりも高速の平坦化速度を有することが分かる（本発明によるＣＭＰプロセスの場合、研磨状態により、除去速度は、３００から５００ｎｍ／ｍｉｎの範囲で変化した）。また、本発明によるＣＭＰプロセスの場合の段状高さの減少は、種々の線幅を有するパターンの場合とほとんど同じである。従って、本発明によるＣＭＰプロセスの場合の平坦化速度は、実際のパターンの線幅と（ほとんど）無関係であると思われる。このことは、本発明によるＣＭＰプロセスが、過研磨の間に広いトレンチのディッシングを減少させることを明らかに示している。ウェーハＷの位置に近接した研磨パッド上のより高い濃度の不活性化剤により、ＣＭＰの全期間中に、良好に画定されたパッシベーション層がウェーハ表面に絶えず形成される。図３Ａ１から図３Ｃ２に示すように、パッシベーション層の形成は、ウェーハ表面の突出領域３０７、３０８における物質の除去のみを生じる、ウェーハ表面の低い凹部領域３０５を有効に保護する。従って、パターン密度及びパターン特徴寸法にほとんど依らずに高平坦化速度及び一定の平坦化速度が達成される。
【００５２】
要約すれば、不活性化剤（及び該薬液の濃度）の供給に関する進歩した制御により、ＣＭＰ中のパッシベーションが改善される。ウェーハのパターンにおける凹部領域の改善されたパッシベーションのため、ダマシン構造の平坦化が改善される。平坦化のパターン密度への依存度も、異なる特徴寸法を用いた凹部領域の良好なパッシベーションによって減少する。
【００５３】
本発明が、回転研磨パッド４及び固定位置Ｌ０における圧着手段６を有するＣＭＰツール３に限定されないことを認識されたい。本発明は、公知の他の種類のＣＭＰツール、例えば、ベルト状研磨パッド又は（固定された）研磨パッドに関連して動く圧着手段を有するものに適用できる。また、本発明は、不活性化剤供給チューブに研磨粒子が供給される必要のない、固定研磨パッドを有するＣＭＰツールに適用できる。
【００５４】
本発明においては、金属のＣＭＰ処理のための新規な構成を開示した。供給チューブは、研磨流体の２つの主な成分（エッチング腐蝕液及びパッシベータ）が研磨パッどの表面の異なる領域上に別々に供給されるように配置されている。従って、本発明は、研磨スラリーを作る困難さを低減し、プロセスの最適化のための良い機会を提供する。ウェーハ表面のエッチングと不活性化の入れ替えは、研磨パッドへのエッチング腐蝕液とパッシベータの供給を別々にすることによって改良される。これらの薬液の分離は、研磨パッドの表面の異なる領域における、金属の異なる不活性化速度及び金属酸化物（又は金属塩）の異なる溶解速度をもたらす組成勾配を生じる。従って、本発明によるＣＭＰプロセスは、良好な除去速度及び平坦化速度を得る。
【００５５】
また、不活性化剤供給チューブ８における不活性化剤の供給において、ウェーハホルダの位置Ｌ０においてウェーハＷを処理している間、研磨及び不活性化作用と同時に起きるわずかなエッチング作用を有するために、少量のエッチング剤を制御可能に不活性化剤に加えることができることを認識されたい。
【００５６】
さらに、本発明によるＣＭＰプロセスが、銅をベースにしたメタライゼーションだけでなくその他のメタライゼーションに対してのみ用いられるものではないことを認識されたい。例えば、本発明によるＣＭＰ処理は、タングステン層のパターニングに対して良好な結果を示す。
【００５７】
また、エッチング剤のその場での洗浄操作によって、パッドの機械的調節に対する要求が大幅に少なくなったので、研磨パッドの寿命は伸びる。
【００５８】
本発明の装置及び方法を、半導体デバイスの製造に有利に適用することができることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】
従来技術による、研磨された物質による汚染前の研磨パッドの表面の断面略図である。
【図１ｂ】
従来技術による、研磨された物質による汚染後の研磨パッドの表面の断面略図である。
【図２】
本発明に係る好適な実施形態における、ＣＭＰツール内に配置される供給装置の実施例の略図である。
【図３ａ】
本発明に係る装置を用いることによって実行されるＣＭＰプロセスの一連の段階を示す略図である。
【図３ｂ】
本発明に係る装置を用いることによって実行されるＣＭＰプロセスの一連の段階を示す略図である。
【図３ｃ】
本発明に係る装置を用いることによって実行されるＣＭＰプロセスの一連の段階を示す略図である。
【図３ｄ】
本発明に係る装置を用いることによって実行されるＣＭＰプロセスの一連の段階を示す略図である。
【図４ａ】
本発明の適用を用いずに、段状高さの減少がＣＭＰプロセスにおける研磨時間の関数として測定された実験の具体的結果を示すグラフである。
【図４ｂ】
本発明の適用を用いて、段状高さの減少がＣＭＰプロセスにおける研磨時間の関数として測定された実験の具体的結果を示すグラフである。
【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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