(57)【要約】【解決手段】超小型電子機器製造に採用されている化学機械研磨（ＣＭＰ）処理において、ウェーハ表面と研磨パッドの間に３通りの接触形態、即ち、直接接触状態、混在又は部分接触状態、及びハイドロプレーニング状態があると提議できる。しかしながら、ウェーハ／パッド接触を特徴付ける有効な原位置方法と、接触状態をプロセスパラメータに関連付ける系統的なやり方は、未だに存在していない。本発明では、接触状態の特性を示すために、ウェーハキャリア上の荷重センサーにより測定される界面摩擦力を利用している。摩擦係数を印加圧力、相対速度、及びスラリー粘度に関係付けるモデルを開発し、実験により検証している。更に、摩擦係数と材料除去速度（ＭＲＲ）の相関を確立し、プロセスパラメータがプレストン定数に及ぼす影響を研究している。【選択図】図７
2004523096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェーハの表面を研磨パッドで化学機械研磨する方法において、
前記研磨パッドと前記ウェーハのどちらか一方又は両方を相対速度ｖＲで回転させる段階と、
前記ウェーハと前記パッドを互いに対し印加圧力ｐで押し付ける段階と、を有し、
前期ｐとｖＲの値は前記パッドと前記ウェーハの界面が接触状態となる値であることを特徴とする方法。
【請求項２】
研磨の間に前記パッドと前記ウェーハが発生する摩擦力を測定する段階を更に含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記摩擦測定から摩擦係数を求める段階と、
前記摩擦係数を約０．１以上の値に維持するように前記ｐとｖＲの値を制御する段階と、を更に含んでいることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ｐの値は約１４乃至７０ｋＰａの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ｐの値は約１４乃至５７ｋＰａの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ｖＲの値は約０．０５乃至４．０ｍ／ｓの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ｖＲの値は約０．４乃至２．０ｍ／ｓの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ｐとｖＲの値は、ウェーハ研磨の間の発熱が約１０°Ｋを超えないように選択されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ｐとｖＲの値は、ウェーハ研磨の間の発熱が約５°Ｋを超えないように選択されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
ウェーハ表面を、研磨パッドと、ＣＭＰ機の研磨界面のスラリーとを使って化学機械研磨する方法において、
前記研磨パッドと前記ウェーハのどちらか一方又は両方を相対速度ｖＲで回転させる段階と、
前記ウェーハと前記パッドを互いに対し印加圧力ｐで押し付ける段階と、を有し、
前記パッドと前記ウェーハとの間の前記界面が接触状態となるように、前記ｐとｖＲの値が以下の関係を満たしており、
【数１】
2004523096.tif 000013
ここに、Ｃ１は定数で、前記研磨界面のジオメトリとＣＭＰ機の設計との関数であり、ηはスラリーの粘度であることを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記Ｃ１は約１×１０−７乃至１×１０−６メートルの範囲にあることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ウェーハと前記パッドの間の摩擦力を測定することにより摩擦係数を求める段階と、
前記摩擦係数を約０．１以上の値に維持するように前記ｐとｖＲの値を制御する段階と、を更に含んでいることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記ｐの値は約１４乃至７０ｋＰａの範囲にあることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記ｐの値は約１４乃至５７ｋＰａの範囲にあることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記ｖＲの値は約０．０５乃至４．０ｍ／ｓの範囲にあることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記ｖＲの値は約０．４乃至２．０ｍ／ｓの範囲にあることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
ウェーハ表面を、研磨パッドとスラリーを含むＣＭＰ機で化学機械研磨する方法において、
前記研磨パッドと前記ウェーハのどちらか一方又は両方を相対速度ｖＲで回転させる段階と、
前記ウェーハと前記パッドを互いに対し印加圧力ｐで押し付ける段階と、を有し、
前記ｐとｖＲの値は、以下の関係を満たしており、
【数２】
2004523096.tif 000014
ここに、Ｃｌは定数で、研磨界面のジオメトリとＣＭＰ機の設計の関数であり、ηはスラリーの粘度であり、更に、以下の関係を満たしており、
ｖＲｐ≦Ｃ２                                      （３）
ここに、ｖＲとｐは上記の通り定義され、Ｃ２はウェーハ／パッド界面からの発熱が約１０Ｋを超えないように選択されることを特徴とする方法。
【請求項１８】
ウェーハの表面を研磨パッドで化学機械研磨する方法において、
前記研磨パッドと前記ウェーハのどちらか一方又は両方を相対速度ｖＲで回転させる段階と、
前記ウェーハと前記パッドを互いに対し印加圧力ｐで押し付ける段階と、
研磨の間に前記パッドと前記ウェーハが発生する摩擦力を測定する段階と、
前記摩擦測定から摩擦係数を求める段階と、
研磨の間に前記摩擦係数を約０．１以上の値に維持するように前記ｐとｖＲの値を制御する段階と、を有することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は、概括的には、半導体ウェーハ又は基板の化学機械研磨（ＣＭＰ）の分野に関する。より厳密には、本発明は、半導体ウェーハ又は基板を化学機械研磨する方法に関する。
【０００２】
（発明の背景）
高性能マイクロ電子デバイスへの需要が増大し続けていることから、半導体産業では、機構寸法が小さく、分解能及び記憶密度が高く、且つ多層相互接続部を備えた超大規模集積（ＵＬＳＩ）回路を設計及び製造する気運が高まっている。ＵＬＳＩ技術では、回路を備えた層間絶縁（ＩＬＤ）層と呼ばれる多重層の大域平坦度が厳しく求められている。他の平坦化技術と比較した場合、化学機械研磨（ＣＭＰ）処理は、優れた局域及び大域平坦化を安価に実現できるので、大抵は二酸化珪素（ＳｉＯ２）である層間絶縁層を平坦化するための後半工程に広く取り入れられている。大域平坦化を実現すること以外にも、ＣＭＰは、銅（Ｃｕ）ダマシンパターン、低ｋ絶縁膜、及びトレンチ分離（ＳＴＩ）構造の研磨など、多くの出現しつつある技術にとっても重要（１９９２年ランディス他、１９９８年ピーターズ）である。しかしながら、広範に亘る材料を同時に又は次々と研磨する場合には、ＣＭＰ処理の複雑性が増し、最適な処理設計と制御の処理原理を理解しておくことが必要である。
【０００３】
ＵＬＳＩ製造に広く使用されているにもかかわらず、ＣＭＰにおける材料除去の基本的メカニズムは、あまりよく理解されていない。相当以前に、プレストンは、ガラス研磨では、材料除去速度（ＭＲＲ）は適用圧力と相対速度の積に比例することを実験的に発見（１９９２年、プレストン）した。プレストンの方程式は以下のように書くことができ、
【数３】
2004523096.tif 000003
ここに、ξは除去される層の厚さ、ｔは研磨時間、ｐは公称圧力、ｖＲは相対速度、ｋｐはプレストン定数として知られている定数である。
【０００４】
最近では、上記関係式が金属にも有効である（１９９４年ステイゲルワルド他、１９９５年及び１９９７年スタブレバ他） こと、及びセラミックスにも有効であること（１９８５年ナカムラ他、１９９６年コマンドーリ他）が、多くの研究で実証されている。この比例関係を説明するため、ＣＭＰ処理時の材料除去のメカニズムを詳しく調べようと研究が試みられ、ＣＭＰ処理のメカニカルな態様を解明するため、粒子研磨（１９８１年ブラウン他、１９９６年リュウ他）や、パッド隆起接触モデル（１９９３年ユウ他）を提案している研究者もいる。ウェーハ／砥粒又はウェーハ／パッドが接触した状態にあると仮定すれば、ウェーハ表面の近傍に加えられた応力場により表面の層に弾塑性変形が生じて磨耗を起こす。別の方面の研究は、処理の化学的メカニズム（１９９０年クック、１９９８年ルオ他）に焦点を当てている。クックは、最初にガラス研磨の場合の化学処理を検討した。彼は、粒子の衝突による表面分解と磨耗粒子のスラリー粒子への吸収又は溶解の両方がガラスの研磨速度を決めると示唆している。より最近では、潤滑理論（１９９４年ランネルズ及びエイマン）及び質量輸送に基づく２次元ウェーハ・スケールモデルが提案（１９９９年サンダララヤン他）されている。このモデルでは、ウェーハは、パッド表面上ではハイドロプレーン状態にあると仮定され、垂直負荷は粘性スラリー膜の流体力学的圧力により支えられている。研磨速度は、化学種の対流質量輸送により決まる。
【０００５】
材料除去が、機械的、化学的、又はＣＭＰ処理での化学機械相互作用の、何れによるにせよ、ウェーハ／パッド界面における接触状態を理解することは、処理特性、モデル化、及び最適化にとって重要である。しかしながら、今日までＣＭＰ文献には、ウェーハ規模の界面状態をプロセスパラメータで特徴づけようとする明示的な方法論が存在しない。研究者の中には、研磨中にウェーハがハイドロプレーン状態なると仮定してレイノルズの潤滑方程式を解き、ウェーハ曲率、印加圧力、相対速度、スラリー粘度、スラリー膜厚、ウェーハ表面上の圧力分布の間の関係を求めようとする者（１９９４年ランネル、１９９４年ランネル及びエイマン）もいる。別のグループは、ウェーハがパッドと接触又は部分接触していると仮定し、ウェーハの変位をパッドの弾性率に関連づけ、応力場を古典的な接触力学モデル（１９９８年チェキーナ他）により解明しようとしている。パッドに対するウェーハの垂直変位の測定は、接触状態を識別しスラリー膜厚を求める（１９９７年メス他）という最も直接的な従来手法のように見える。しかしながら、パッド材料のコンプライアンスとウェーハキャリアの背膜のコンプライアンスのせいで、このような測定は信頼できない。ハイドロプレーニング状態での実験が小型の標本に関して幾つか実施されている（１９８５年ナカムラ他）が、寸法の大きなウェーハに対して結果を率に応じて換算できるのかというと疑問が残る。一般的に、研究者毎に異なる圧力、速度、及び他の実験条件が適用されているので、その結果、界面接触状態に関して定義づける結論を引き出そうとしても困難な状況にある。そのようなわけで、ＣＭＰの間の基本的な材料除去メカニズムを求めてその特徴を解明し、ウェーハ表面からの材料除去速度（ＭＲＲ）の増大を促進するＣＭＰ処理を提供することが強く望まれている。
【０００６】
（関連文献）
半導体業界におけるＣＭＰ処理について論じている文献には、下記のようなものがある。
2004523096.tif 000004
2004523096.tif 000005
【０００７】
（発明の概要）
以上より、本発明の目的は、材料除去速度（ＭＲＲ）増大を促す化学機械研磨（ＣＭＰ）の方法を提供することである。より厳密には、本発明の目的は、ＣＭＰ研磨パッドとウェーハ又は基板面との間の界面を接触状態として作用する方法を提供することである。更には、本発明は、ＭＲＲを高めるための好ましいＣＭＰプロセスパラメータを識別する方法を提供する。
【０００８】
以下に詳しく説明するが、本発明の発明人は、材料除去速度を高めるには、ＣＭＰ処理はウェーハと研磨パッドとの間の界面を接触状態にして実施せねばならないことを発見した。界面がハイドロプレーニング化するのは、ジンバリング点の位置、ウェーハの曲率、及びスラリー流の変動という面から、安定した処理状態とはいえない。従って、ＣＭＰ処理設計における重要な課題は、プロセスを安定した接触状態に維持するためのプロセスパラメータを選択することである。更に、本発明の発明人は、接触状態では、好適なプロセスパラメータは以下に説明する数学的方法で識別できることを発見した。
【０００９】
概括的には、ウェーハ表面を研磨パッドで化学機械研磨する方法において、研磨パッドとウェーハの何れか一方又は両方を相対速度ｖＲで回転させる段階と、ウェーハ及びパッドを印加圧力ｐで互いに押し付ける段階とから成り、ｐとｖＲの値はパッドとウェーハとの界面を接触状態とする値である、方法を提供している。
【００１０】
本発明の別の態様では、化学機械研磨の方法は、下記の方程式が満足されるように行われ、
【数４】
2004523096.tif 000006
ここに、ｖＲは研磨パッドとウェーハの相対速度、ｐはウェーハに印加される圧力、Ｃ１は研磨界面のジオメトリと機械設計に関係する定数、ηはそのＣＭＰ処理に使用されるスラリーの粘度であり、後に更に詳しく説明する。
【００１１】
本発明の更に別の態様では、ＣＭＰ処理の間に界面摩擦係数をモニターして、ウェーハとパッドの間の界面を接触状態に維持する、更に望ましくは、好適な作動パラメータにＣＭＰ処理を維持する、化学機械研磨の方法を提供している。例えば、ウェーハの表面を研磨パッドで化学機械研磨する方法において、研磨パッドとウェーハの何れか一方又は両方を相対速度ｖＲで回転させる段階と、ウェーハ及びパッドを印加圧力ｐで互いに押し付ける段階と、研磨の間にパッドとウェーハが作り出す摩擦力を測定する段階と、前記摩擦測定値から摩擦係数を求める段階と、研磨の間の摩擦係数を約０．１以上に維持するようｐとｖＲの値を制御する段階から成る方法を提供している。
【００１２】
（好適な実施例の詳細な説明）
本発明のその他の目的及び利点は、本発明の詳細な説明並びに特許請求の範囲を読み、添付図面を参照することにより明らかになるであろう。
【００１３】
本発明の説明文中に以下の専門用語を使用し、以下の通り定義する。
ｋｐ       ＝プレストン定数（ｍ２／Ｎ）
Ｐ        ＝摩擦による熱エネルギー発生率（Ｗ）
ｐ        ＝ウェーハへの垂直圧力（Ｎ／ｍ２）
ｐ＊       ＝最適垂直圧力（Ｎ／ｍ２）
ｒｐ，ｒｗ  ＝ウェーハ上の所定地点とパッド及びウェーハの中心点間距離（ｍ）
ｖＲ＊      ＝最適相対速度（ｍ／ｓ）
ｖＲ       ＝相対速度の大きさ（ｍ／ｓ）
η        ＝スラリーの粘度（Ｐａ・ｓ）
μ        ＝クーロン摩擦係数
μａ，μｌ，μｐ  ＝摩擦係数
ξ        ＝ウェーハ表面から除去される材料の厚さ（ｍ）
Ｃ        ＝比熱（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）
【００１４】
発明人は、化学機械研磨（ＣＭＰ）処理の材料除去速度（ＭＲＲ）は、ウェーハ又は基板の表面とＣＭＰ研磨パッドの間の界面状態（ウェーハ／パッド界面）を接触状態又は接触形態にして処理を実行すれば、改善されることを発見した。後に詳しく説明するが、具体的には、ＣＭＰ処理の間にはパッドとウェーハとの界面には３通りの状態、即ち接触状態、ハイドロプレーニング状態、及び混在状態が存在する。図１Ａから図１Ｃまでの概略図には、それぞれ、接触状態、混在状態、及びハイドロプレーニング状態のウェーハ／パッド界面を示している。当技術でよく知られているようなＣＭＰ機を使用して、ウェーハ又は基板を研磨する。一般的には、ＣＭＰ機は大抵の場合、研磨パッドを支持する１つ又は複数の研磨ステーションと、ウェーハを支持するウェーハキャリア・アッセンブリを備えている。本発明の方法を実行するのに使用できるＣＭＰ機の一例が、本願と同時に出願された米国特許出願第０９／６２８，５６３号（弁理士事件整理番号Ａ−６９１７５／ＭＳＳ）に記載されており、その全体を参考文献として本願に援用する。１つの具体例を挙げてはいるものの、当業者には理解頂けるように、本発明の方法を実行するに当たっては、適していればどの様なＣＭＰ機を使用してもよい。
【００１５】
ウェーハ表面を平坦化及び／又は研磨するために、ウェーハを研磨パッドに対して印加圧力ｐで押し付ける。研磨パッドは研磨面を有し、通常はパッド上にスラリーを供給してウェーハ面からの材料除去を促進する。通常はウェーハを回転させ、研磨パッドを直線的に移動させるか或いは回転させて、ウェーハに相対速度ｖＲが作用するようにする。ウェーハが研磨パッドに押し付けられ、流体層即ちウェーハ／パッド界面の研磨スラリーが介在する下で滑動するとき、界面状態は、接触状態、ハイドロプレーニング状態及び混在状態として特徴付けられる。図１Ａに示す接触状態では、対向面、即ちウェーハ対パッド又はウェーハ対粒子の隆起部分が機械的に相互に作用し合う。通常、実接触面積は公称表面積よりも遙かに小さい。２つの面では接触点に塑性変形が起きる。接触状態では、介在する流体膜は不連続なので、垂直荷重を支えるためにウェーハの直径に亘って流体膜に大きな圧力勾配が形成されることはない。この種の接触状態は、相対速度が低いか又は印加圧力が高い状態でＣＭＰを実施した場合に起こる。表面の隆起を剪断するには接線力が必要なので、摩擦係数は、他の２つの状態の場合よりも相対的に高い。接触状態では、摩擦係数は一般に０．１以上の範囲にある。
【００１６】
対照的に、速度が相当に速いか又は印加圧力が比較的低い場合、ウェーハはパッドに直接接触せず流体膜上を滑ることになる。これがハイドロプレーニング状態であり、その状態を図１Ｃに示す。ウェーハとパッド面とは接触していないので、摩擦力は粘性流体膜の剪断によるものとなり、摩擦係数は接触状態の場合より遙かに小さいと予測される。ハイドロプレーニング状態では、摩擦係数は、通常、約０．００１乃至０．０１の範囲にあることが分かっている。研磨時、ウェーハへ垂直荷重を支えるために粘性流体膜に圧力が立ち上がる。なお、圧力勾配はウェーハの迎角に非常に敏感である。機械振動によって迎角が僅かに変化したり、スラリーの流れが不安定になったり、ウェーハ／パッドが部分的に接触するなどすると、速度と垂直圧力要件を満たしていても、ハイドロプレーニング状態から外れ出る結果となる。
【００１７】
接触状態からハイドロプレーニング状態への過渡期として、速度が増すか又は圧力が低下した場合には混在状態となる。図１Ｂに示すこの混在状態では、厚い流体層を形成して垂直荷重を支えきれるほどに速度が速くはなく、圧力が低くもない。このため、パッド隆起部分とウェーハ面がある程度接触することになる。摩擦力は、ウェーハ／パッド接触部及びウェーハ／粒子接触部において表面の隆起部分を変形させるのに必要な力と、粘性スラリー膜の剪断による力との加重和である。混在状態の摩擦係数は、通常、約０．０１乃至０．１の範囲にある。発明人は、異なる接触状態の間で１から２オーダーの大きさで摩擦係数が変化することから、摩擦係数はウェーハ／パッド接触状態のインジケータとして利用できることを発見した。
【００１８】
摩擦係数はプレストン定数ｋｐに相関させることができる。ハイドロプレーニング状態においてはｋｐが著しく下がり、混在状態ではｋｐの変動が大きいのでこれを満足するものではないことが分かっている。この教示に基づき、本発明は、ウェーハ表面の材料除去速度を高めるために接触状態でＣＭＰ処理を実施する。ｋｐの高い条件で作動させることにより接触状態でＣＭＰ処理を行い、実質的にその状態に処理を維持する。ある実施例では、ＣＭＰ処理を接触状態で行うために、本発明の方法は印加圧力と相対速度の積ｐｖＲを最大化する。圧力と速度の範囲は本発明により適したものとなる。具体的には、印加圧力ｐは約１４乃至７０ｋＰａの範囲、より望ましくは約１４乃至５７ｋＰａの範囲である。相対速度ｖＲは、約０．０５乃至４．０ｍ／ｓの範囲、より望ましくは約０．４乃至２．０ｍ／ｓの範囲である。
【００１９】
接触形態を更によく理解するため、ここで再度プレストン方程式、数式（１）を参照する。実験（実験については後に詳しく説明する）から導き出した材料除去速度（ＭＲＲ）を積ｐｖＲに対してプロットすると図２のようになる。Ｃｕ研磨に関する文献データ（１９９５年及び１９９７年スタブレバ他、１９９８年ルオ他）もこの図に含めており、対応する条件を、後の実験の項の表６に示している。しかしながら、本データはｐｖＲの広い範囲について中性スラリーを使って得たものであるのに対し、文献データは化学機械研磨ではあってもｐ及びｖＲの範囲が狭い点を強調しておかねばならない。しかしながら、接触状態はスラリーの化学的性質に依存しない。このように、材料除去のメカニズムがｐ、ｖＲ、又はｐｖＲに影響されないのであれば、データのばらつきは小さいはずであり、データ上の点を結ぶ線の傾斜はプレストン定数となる。データのばらつきが大きければ、プレストン定数が実際には一定でないことを顕著に示すものである。図３は、本実験データ及び文献からのデータについてのプレストン定数対ｐｖＲを示す図である。殆どのｐｖＲ値に対してウェーハ／パッド界面が接触状態にないためデータが広範囲にばらついていることが明白である。
【００２０】
このようなわけで、接触条件の影響を良好に描写するため、正規化された材料除去速度ＮＭＲＲと、プレストン定数ｋｐを、図４Ａと図４Ｂで、寸法パラメータηｖＲ／ｐに対してプロットしており、ここで、ηはスラリーの粘度である。ＮＭＲＲは、単位滑動距離での材料除去厚さ、即ちＭＲＲ／ｖＲである。ＮＭＲＲとプレストン定数は、ηｖＲ／ｐが小さい場合は、印加圧力と速度には依存していないということがここで明らかになっている。それは、１４ｋＰａでは約０．２×１０−６ＭＰａ−１、４８ｋＰａでは０．１×１０−６ＭＰａ−１である。プレストン「定数」は、ηｖＲ／ｐが低い、即ち接触状態では高く、（ηｖＲ／ｐ）ｃで表す臨界値を超えると低下する。実験結果は、２つの圧力について同じ（ηｖＲ／ｐ）ｃ辺りで過渡が発生することを示している。これは、ウェーハ／パッド界面が接触状態にあるとき、プレストン定数は圧力及び速度から独立していることを示唆している。過渡点を超えると、プレストン定数は、ｖＲの上昇又はｐの低下に伴って低下する。また、プレストン定数が摩擦係数（図５に図示）と同じ傾向を示していることから、ｋｐの過渡期はηｖＲ／ｐが同じ値となる辺りで発生することもはっきりしている。過渡期には、プレストン定数は圧力及び速度から独立していない。ｋｐは、混在期には、１４ｋＰａでは（ηｖＲ／ｐ）−１、４８ｋＰａでは（ηｖＲ／ｐ）−０．５として変化することが分かった。
【００２１】
ｋｐの変動は、以下のように移行界面状態の観点から説明できる。混在状態では、摩擦係数はηｖＲ／ｐに伴って下がるが、これはウェーハ／パッド接触面積もηｖＲ／ｐに伴って下がることを示唆している。接触がないと、流体剪断及び不連続な流体膜内の浮遊粒子の運動ではウェーハ面に十分な圧力を加えて材料を除去することができないため、材料除去速度が更に落ちる。ηｖＲ／ｐが上がるにつれ、粒子の転動が増し、粒子の並進が減る。実際に、研究者の中には、低圧又は高速におけるプレストン「定数」の変動を考慮に入れるためにｐｖＲ積の多項関数によりデータを数値的に合わせようとする者（１９９８年ザオ及びシー）や、プレストン方程式に余分に圧力及び／又は速度の項を導入しようとするもの（１９９８年ルオ）がいた。彼らは、界面剪断応力と粒子速度により化学反応速度又はウェーハ面からの質量移動が強化されるはずであることを提議した。しかしながら、ｋｐの変動は、図４Ａが示すように界面接触状態が変動することがそもそもの原因であり、従って、それぞれの接触状態によってプレストン定数も異なるものと予測される。
【００２２】
プレストン定数対摩擦係数の相関プロットを図６に示す。過渡点即ち混在状態の開始時以前では、プレストン定数と摩擦係数は正に相関しており、即ち相関係数はほぼ１である。しかしながら、プレストン定数は、混在状態でηｖＲ／ｐが増加するに伴い、摩擦係数との相関が低下することを示している。図４Ｂでは、異なる接触状態による材料除去速度の変動が更に強調されている。このようなわけで、先行技術及び従来の教示とは対照的に、プレストン定数は全ての接触状態に亘って一定であるわけではない。
【００２３】
本発明の方法は、パラメータηｖＲ／ｐが摩擦係数とプレストン定数に及ぼす影響を利用してＣＭＰ処理における材料除去の促進を図るもので、非常に有用である。ある一定のスラリー粘度に対し、異なるウェーハ／パッド接触状態は、図７に示すｖＲ−ｐ空間で表すことができる。接触状態から混在状態への過渡（図５参照）を表す点（ηｖＲ／ｐ）ｃに対応して、勾配（ηｖＲ／ｐ）ｃの線Ｌ１を図７に示し、異なる圧力及び速度に対する過渡点を表している。Ｌ１とｐ軸により境界を定めた領域は接触状態を表している。同様に、混在状態からハイドロプレーニング状態への過渡を表す、勾配がより大きい別の線Ｌ２を描いている。Ｌ２とｖＲ軸により境界を定める領域は、ハイドロプレーニング状態を表している。Ｌ１とＬ２により境界を定める領域は混在状態を表している。本発明によれば、ＣＭＰ処理は、接触状態、即ち図７のＬ１とｐ軸によって境界を定める領域で実施される。厳密には、本発明の方法は以下の式に従ってＣＭＰ処理を行うようにしており、
【数５】
2004523096.tif 000007
ここに、ｖＲは研磨パッドとウェーハの相対速度、ｐはウェーハに印加される圧力、Ｃｌは研磨界面のジオメトリと機械設計に関する定数、ηはそのＣＭＰ処理に使用されるスラリーの粘度である。本発明のある例では、Ｃｌは約１×１０−７から１×１０−６メートルの範囲にある。
【００２４】
好適な実施例では、ＭＲＲを高めること以外にも、本発明は、ウェーハ内非均一性（ＷＩＷＮＵ）を下げることを考慮している。ＷＩＷＮＵは、ウェーハ全表面に亘る材料の層の非均一性の度合いである。再度数式（１）を参照すると、ＭＲＲを高めるにはｐｖＲ積はできる限り高いほうがよく、即ち所与の圧力に対し接触状態で適用可能な最高の速度が望ましく、またその逆も成り立つ。これは、好適な処理条件が線Ｌｌ上にあることを示唆している。しかしながら、高い圧力を掛けるには頑丈な機械構造が必要となり、通常はこの構造で印加可能な圧力の上限が決まる。更に、高圧では、機械の振動が小さくてもウェーハ／パッド接触界面での垂直荷重と摩擦力の変動が大きくなり、ＷＩＷＮＵが大きくなる。以上を考慮すると、無制限に圧力を増加させることはできない。同様に、極端に速度を上げるのも、流体スラリーを高速のプラテン上に保持するのが難しくなることから望ましいとは言えない。
【００２５】
発明人は、圧力と速度のプロセスパラメータに関するより重要な考察は発熱を考慮することであることを発見した。摩擦Ｐによる熱エネルギー発生率は以下のように表すことができる。
Ｐ＝μπｒＷ２ｐｖＲ                                    （２）
従って、積ｐｖＲの値が大きくなるほど発熱量が増える。発明人が行った実験によれば、直径１００ｍｍのＣｕウェーハを垂直圧力４８ｋＰａ、速度０．５ｍ／ｓで研磨した場合の熱発生率の代表的な値は、約８０Ｗである。摩擦による発熱は、温度を上昇させ化学反応の速度を局所的に変化させるので、研磨の均一性が低下する。接触状態では、界面の体積流量が低めなので、発生した熱をスラリーが運搬して効果的に取り除くことはできない。パッドとウェーハキャリアを外部から冷却しても、シリコンウェーハと通常ポリウレタンで作られる研磨パッドの熱伝導率が低いため、熱の除去速度には限界がある。この発熱問題に対処するため、本発明のある実施例では、適用可能なｐｖＲ積に上限を設定している。発熱の上限はｐｖＲ＝Ｃ２として設定され、ここに、Ｃ２は界面摩擦係数並びにバッキング膜とパッドの熱伝導率、及びヘッドとプラテンの冷却システムで決まる定数である。制約ｐｖＲ＝Ｃ２を、図７に直角双曲線として示している。
【００２６】
好適な処理条件（ｐ＊，ｖＲ＊）は、ｐｖＲ＝Ｃ２＊とＬ１の交点で定義される。混在状態とハイドロプレーニング状態でＣＭＰ処理を行うのは、先に述べた理由から最適とはいえない。なお、定数Ｃ２は固定されてはおらず、また、適切な外部冷却器を研磨ヘッド及びプラテンに設置して熱除去効率を改善し、定数Ｃ２を上げてもよく、従って、厳密に好適な処理条件はＣ２の値の変化に基づいて変わると理解頂きたい。外部冷却器のような付加的冷却手段によりＣ２＊が上がると、ｐ＊ｖＲ＊積を上げて高いＭＲＲを実現できる。更には、他の実用上の理由（機械振動、スラリー維持など）により、実際に最も好ましい圧力と速度の値はｐ＊及びｖＲ＊から幾分異なるかもしれないが、実際に最も好ましい値は、本発明の教示に基づいて日常的実験で決定することができる。例えば、ＣＭＰ処理の間の摩擦力測定値を使って式（２）を用いれば、接触状態での特性を求め、接触状態から混在状態への過渡を識別し、使用するＣＭＰ機械にとって最適な圧力と速度を求めることができる。
【００２７】
このように、本発明の別の実施例では、化学機械研磨の方法は、以下の式を満たすように行われ、
ｖＲｐ≦Ｃ２                                （３）
ここに、ｖＲとｐは上記定義の通りであり、Ｃ２は界面摩擦係数、バッキング膜とパッドの熱伝導率、並びにヘッドとプラテンの冷却システムで決まる。上記のように、Ｃ２は、発熱により印加圧力及び相対速度というパラメータを制約する上限である。この上限Ｃ２は、ｖＲｐの積から発生する熱による温度上昇が望ましくは約１０°Ｋ（又は℃）を超えないように、より望ましくは約５°Ｋを超えないように選択するのがよい。
【００２８】
定数Ｃ２はＣＭＰ機の構成に依存し、機械毎にまちまちである。Ｃ２に影響を及ぼす機械の構成変数は発熱に関係し、基本的には、界面摩擦係数、パッドとそのバッキング膜の熱伝導率、及びウェーハキャリアヘッドとプラテンの冷却システム（熱特性）である。
Ｃ２をどのようにして求めるかについての一例を以下に示す。上記のように、Ｃ２は、具体的なＣＭＰ機械構成によって変わり、従って以下の例に制限されることはなく、Ｃ２は、ここに記す教示に基づいて求めることができる点に注目するのが重要である。
【００２９】
摩擦熱の一部αＱがパッドに移動すると仮定し、ここに、αは割合（０＜α＜１）であり、Ｑは発熱合計（Ｑ＝Ｐ・ｔ、ここにｔは合計ＣＭＰ処理時間）である。更に、パッドは断熱性で、即ちパッドへ移動する熱は全てパッドに貯えられ周囲の環境に発散することなくパッドの温度が上昇するものと仮定する。これは「最悪の場合」の見積もりである。温度上昇ΔＴは、パッド内で均一で、以下の式で与えられ、
αＱ＝ｍＣΔＴ                                  （４）
ここに、ｍはパッドの質量、Ｃはパッドの比熱である。
式（２）と組み合わせると、一例で最大ｐｖＲを定義する式（２）の定数Ｃ２は以下のように求められ、
【数６】
2004523096.tif 000008
ここに、各項は上に定義した通りである。０から１の間の係数αの値は実験的測定により求められる。ＣＭＰ処理の間、熱の大部分はスラリーに移動し、αは小さい。例えば、一例において、α＝０．１、３００ｍｍ（１２”）パッドに対しｍ＝０．１ｋｇ、Ｃ＝２１００Ｊ／ｋｇ・Ｋ、ΔＴが５Ｋ（又は℃）未満、ｔ＝２分と仮定すると、最大ｐｖＲ積であるＣ２の値は約２７Ｗ／ｍ２となる。
【００３０】
このように、要約すると、Ｃ１を使って接触状態で処理を行うための最大ｋｐ及びｖＲ／ｐ比を定め、Ｃ２は、不利な発熱量を制限するためにｖＲｐの積に関して上限を定める。こうすることにより、我々の目標は、材料除去速度を上げ、更にＷＩＷＮＵを望ましい低い値に維持することを促進することである。
【００３１】
本発明の別の態様では、ＣＭＰ処理を接触状態に維持するため、摩擦係数を測定しモニターする。先に述べたように、摩擦係数は、異なる接触状態の間で１又は２オーダーの幅で変動する。一般に、接触状態の摩擦係数は、約０．１又はそれ以上の範囲にあり、混在状態では約０．０１から０．１の範囲、ハイドロプレーニング状態では約０．００１から０．０１の範囲にある。本発明によれば、この広範囲な摩擦を利用して、ＣＭＰ処理の間のウェーハ／パッド界面における接触状態をモニターする。具体的には、システム内の摩擦は、システム内の荷重及び／又はトルクを感知することにより直接測定される。トルクセンサーは、ウェーハキャリアヘッドを回転させるモーター上に、トルクを測定するために設置される。代わりに或いは追加で、トルクセンサーを、プラテンを回転させるモーター上に、トルクを測定するために設置してもよい。更には、荷重センサーを望ましくはウェーハキャリアに設置してシステム内の荷重を測定するようにしてもよい。荷重センサーは、パッド面と平行な面上の直交する２方向の摩擦力を測定するよう設置するのが望ましい。これらセンサーからの測定値を処理し、従来からの手段を使って摩擦係数を求める。処理を接触状態に維持するため、トルク及び荷重センサーの測定値に応じて相対速度及び／又は印加圧力を調整する制御装置を使用してもよい。
【００３２】
実験
以下の実験を行った。これらの実験は説明を目的として行ったものであり、本発明を何ら制限しようとするものではない。圧力及び速度設定の広い範囲についてモデルの有効性を検証するため、中性Ａｌ２Ｏ３スラリーを使ってＣｕブランケットウェーハで実験を行った。
【００３３】
研磨実験には、当技術ではよく知られている回転式研磨装置を採用した。ウェーハをプラテン面に平行に整列させるため、ステンレス鋼のウェーハキャリアをジンバル機構でヘッドモーターに接続した。荷重センサー２つとトルクセンサー１つを設置して、直交する２方向の摩擦力と、ヘッドモーターのトルクを測定した。荷重センサーとトルクセンサーの容量は、それぞれ２２２Ｎと５．６５Ｎ・ｍであり、分解能はそれぞれ０．０６７Ｎと０．００１Ｎ・ｍである。ヘッドユニットは、垂直運動のため及び垂直圧力印加のために空圧ピストンにより駆動した。プラテンユニットは、取り外し可能な直径３００ｍｍのアルミニウムのプラテンとプラテンモーターで構成されている。アルミニウムのプラテンとベースの表面は、研削して平坦度を上げ表面仕上げ加工を施した。研磨装置はコンピュータ制御し、印加圧力と、ウェーハキャリアとプラテンの回転速度を独立して制御し、ウェーハにかかる力とトルクをリアルタイムで捕捉した。装置全体は、ＨＥＰＡフィルター付きの層流モジュール内に収納され、汚染のない環境を確保するようにした。
【００３４】
テストウェーハとして、直径が１００ｍｍ、接着層として２０ｎｍのＴｉＮでコーティングし、表面に１μｍＰＶＤ  Ｃｕを堆積させたシリコンウェーハ基板を使用した。コーティング材料の密度と硬度を表１に示す。Ａｌ２Ｏ３砥粒を加えた中性スラリー（ｐＨ＝７）を使用した。スラリーの粘度は約０．０３Ｐａであった。その他の特性は下表２に示す。
表１：実験材料の密度と硬度
2004523096.tif 000009
表２：スラリーの特性
2004523096.tif 000010
【００３５】
研磨実験には、市販されている合成パッド（ローデルＩＣ１４００）を採用した。パッドは、微細多孔質ポリウレタン表面層（ローデルＩＣ１０００）と、下層の高密度発泡ウレタンで構成されている。表面パッドと複合パッドの常温弾性率は、それぞれ約５００ＭＰａと約６０ＭＰａであった。パッドのその他の詳細を表３に掲載する。
表３：パッド特性
2004523096.tif 000011
＊  表面パッド（ＩＣ１０００）
【００３６】
表４に、本研究で使用した実験条件を示す。
表４：実験条件
2004523096.tif 000012
【００３７】
平均材料除去速度（ＭＲＲ）を算出するため、各ウェーハの重量を研磨処理前後に計測した。ＣＭＰ後のパッドの起伏形状とウェーハの表面掻きキズの特性を判定するため、磨耗したパッド表面とＣｕ被覆ウェーハ表面を、電子走査顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。
【００３８】
プロセスパラメータが材料除去速度に及ぼす影響、及び摩擦係数とプレストン定数の関係を調べた。その結果、プレストン定数は接触形態時においてのみ圧力と速度から独立していることが解った。更に、接触状態では摩擦係数とプレストン定数の間の相関が強いので、原位置摩擦係数をモニターすることによりＣＭＰ処理の間の材料除去速度をモニターすることができる。以上説明したとおり、本発明が提供するように接触状態で行えばＭＲＲは増大する。
【００３９】
本発明の特定の実施形態及び実施例についての上記内容は、説明と解説を目的に提示したものであり、本発明は、上記特定の実施例により説明してはいるが、それに制約されるものではない。例は、本発明を余すところなく網羅したり、開示した形態そのものに限定しようとするものではなく、上記教示に照らして多くの修正、具体化、及び変形が可能であるのは明らかである。本発明の範囲は、本明細書に開示したもの、及び特許請求の範囲の内容とその均等物による包括的な領域を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
接触状態にあるウェーハ／パッド界面を示す概略図である。
【図１Ｂ】
混在状態にあるウェーハ／パッド界面を示す概略図である。
【図１Ｃ】
ハイドロプレーニング状態にあるウェーハ／パッド界面を示す概略図である。
【図２】
エネルギー束がＣｕ除去速度に及ぼす影響を示すグラフである。
【図３】
エネルギー束がプレストン定数に及ぼす影響を示すグラフである。
【図４Ａ】
寸法的パラメータが正規化されたＣｕ除去速度に及ぼす影響を示す。
【図４Ｂ】
寸法的パラメータがプレストン定数に及ぼす影響を示す。
【図５】
寸法的パラメータが摩擦係数に及ぼす影響を示す。
【図６】
プレストン定数と摩擦係数の間の相関を示す。
【図７】
速度を圧力の関数として示したもので、本発明のある態様に従って選択される好適なパラメータを示す。
【図１Ａ】
2004523096.tif 000015
【図１Ｂ】
2004523096.tif 000016
【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2004523096.tif 000021
【図５】
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【図６】
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【図７】
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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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