JPH1174236A

JPH1174236A - 半導体ウエハの化学的機械的研磨方法及び装置

Info

Publication number: JPH1174236A
Application number: JP22934697A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Mizuno; 宏志水野; Osamu Kinoshita; 修木下; Tetsuaki Murohashi; 徹晶室橋; Akihisa Ueno; 昭久上野; Etsufumi Sakuma; 悦文佐久間; Anberiadis Costas; コスタス・アンベリアディス; Tatsuya Iwaki; 達也岩城
Original assignee: LSI Logic Corp
Current assignee: LSI Corp
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 1999-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】フォト・マスクを転写する際のパターン・シ
フトを最小にする化学的機械的研磨法を与えること。【解決手段】表面に研磨パッド（１１）が設けられた
研磨テーブル（１２）に対して、ウエハ・キャリア（１
３）は、固定されたウエハ（１４）を押しつけて保持
し、研磨ケーブル（１２）とウエハ・キャリア（１３）
とを共に回転させ、研磨を行う。ウエハ（１３）と研磨
パッド（１１）との接触面には、所定の化学的性質を有
するスラリが与えられている。ここで、所望の結果を得
るために、研磨テーブル（１２）の回転速度と、ウエハ
・キャリア（１３）との回転速度を、実質的に同一にな
るように制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハの平
坦化方法及び装置に関する。更に詳しくは、本発明は、
半導体ウエハの研磨による平坦化の次に行われるフォト
リソグラフィ・プロセスにおけるフォトマスクのアライ
メントへの影響を最小限に押さえるように制御された化
学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing = CM
P）のための方法及び装置を提供する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスは、半導体基板の上に金
属配線による回路を形成することにより製造される。具
体的には、金属配線は、デバイス内の離散的な複数の素
子を相互に接続して集積回路を形成し、層間絶縁膜によ
って、他の層から絶縁される。層の相互間の電気的な接
続のためには、この絶縁膜を貫通するコンタクト・ホー
ルを形成し、このホールを介して、電気的接続を与え
る。技術の高度化により超ＬＳＩの集積の程度が進むに
つれ、半導体基板の上に積層する配線や素子をますます
多層化する必要が生じてきている。

【０００３】基板上に金属配線を形成すると、その表面
は粗くなるのが一般的である。しかし、多層化する際に
は、コンタクト・ホールや金属膜を正確に形成しデバイ
スの歩留りを向上させ最終的な集積回路の信頼性を維持
するためには、層間絶縁膜や配線を含むそれぞれの層を
平坦にすることが非常に重要である。特に、絶縁膜上に
フォトリソグラフィ・プロセスによりマスク・パターン
を正確に転写する際には、その絶縁膜が平坦でなけれ
ば、マスクのアライメント精度を維持することは難し
い。

【０００４】平坦化のためのプロセスとして現在用いら
れている技術として、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）が
ある。このＣＭＰでは、研磨粒子（シリカ粒子、アルミ
ナ粒子、硝酸セリウムなど）を分散させた液（スラリ）
を、研磨テーブルの上に貼られたパッドに滴下し含浸さ
せ、ウエハ・キャリアに付着させた半導体ウエハをテー
ブル上のパッドに押しつけ、化学的条件、圧力、温度な
どを制御した上で、研磨テーブルとウエハ・キャリアと
を共に回転させることにより、ウエハを研磨する。この
際に、スラリは、研磨の化学的な効果を最適にするため
に成分の化学的な調整がなされている。この研磨の化学
的及び機械的な複合効果により、研磨表面の優れた平坦
化が達成される。ＣＭＰで用いられる機械的な装置構成
やスラリの化学的性質は、従来技術に属し、当業者にと
って、公知の内容である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ＣＭＰが実行された半
導体ウエハ表面上には、次に、フォトリソグラフィ技術
を用いてフォト・マスクのパターン転写が行われる。そ
の際のマスクのアライメント精度を一定水準以上に維持
するために、研磨テーブルの回転数とウエハ・キャリア
の回転数との比率をどのように制御すればよいかについ
ては、従来技術においては、実験的にも理論的にも、一
定の結論は得られていなかった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の発明者は、半導
体ウエハ表面のＣＭＰを実行する際に、研磨テーブルの
回転速度とウエハ・キャリアの回転速度とを同一にす
る、すなわち、両回転速度を同期させれば、この研磨プ
ロセスの後に行われるフォト・マスクのパターン転写に
おけるアライメント・シフトを最小化できることを実験
的及び理論的に見いだした。発明者は、この知見に基づ
き、従来よりも優れた半導体ウエハの平坦化方法及び装
置を得た。

【０００７】具体的には、本発明によれば、研磨面に研
磨パッドが設けられた研磨テーブルに対して、固定され
たウエハをウエハ・キャリアによって押しつけて保持
し、研磨パッドとウエハとの接触面には所定の化学的性
質を有する研磨剤を与え、研磨ケーブルとウエハ・キャ
リアとを共に回転させて実行する半導体ウエハの化学的
機械的研磨（ＣＭＰ）方法において、研磨テーブルの回
転速度とウエハ・キャリアの回転速度とが実質的に同一
に維持される方法が提供される。

【０００８】また、本発明の別の側面によれば、研磨面
に研磨パッドが設けられた研磨テーブルと、固定された
ウエハを研磨テーブルに押しつけて保持するウエハ・キ
ャリアと、研磨パッドとウエハとの接触面に与えられ所
定の化学的性質を有する研磨剤と、から構成される半導
体ウエハの化学的機械的研磨装置において、研磨ケーブ
ルとウエハ・キャリアとの回転速度を実質的に同一に維
持する制御手段を備えていることを特徴とする装置が提
供される。

【０００９】

【発明の実施の形態】次に、本発明によるＣＭＰの実際
について、添付した図面を参照して、詳細に説明する。
ここでは、タングステンＣＭＰ（Ｗ−ＣＭＰ）の場合に
生じる現象を通じて説明を行うが、本発明のＣＭＰは、
物質としてタングステンに限定されるわけではない。

【００１０】図１を参照すると、ＣＭＰプロセスのため
の装置的な構成が示されている。表面に研磨パッド１１
が設けられた研磨テーブル１２に対して、ウエハ・キャ
リア１３は、真空チャック（図示せず）などを用いて固
定したウエハ１４を押しつけて保持し、研磨ケーブル１
２とウエハ・キャリア１３とを共に回転させ、研磨を行
う。ウエハ１３と研磨パッド１１との接触面には、所定
の化学的性質を有する研磨剤（スラリ）が与えられてい
る。更には、ウエハ・キャリア１３を回転させるモータ
１５と、そのための電源１６とが設けられ、モータ１５
と電源１６との間には、電流計１７が配置されている。
電流計１７は、モータ１５に期待される設定回転速度を
維持するのに必要な電力をモニタするように機能する。
モータの消費電力は、モータにかかる負荷と比例するか
ら、このモニタリングによって、ウエハ１４と研磨パッ
ド１１との間の摩擦の大きさの変化を検出でき、従っ
て、所望の研磨が終了したことを示す終点検出（end po
int detection = EDP）を行うことができる。モータを
流れる電流をモニタすることによってＣＭＰによる研磨
の終点検出を行う例としては、例えば、1994年5月3日に
特許登録された「化学的機械的研磨法のための終点検出
装置及び方法」（Endpoint Detection Apparatus and M
ethod for Chmical/Mechanical Polishing）と題するCo
te他への米国特許第5,308,438号に開示されている。

【００１１】図２は、研磨テーブル１２とウエハ・キャ
リア１３との幾何学的な関係を示している。ウエハ・キ
ャリア１３は、研磨テーブル１２の中心Ｏからずれた位
置に配置されている。ウエハ・キャリア１３上の任意の
点Ｐの幾何学的位置を記述するために、中心Ｃを原点と
したｘｙ座標軸を考える。ＯＣの距離はＲ、ＣＰの距離
はｒとする。研磨テーブル１２は、反時計回りに角速度
ωで回転し、ウエハ・キャリア１３も、反時計回りに角
速度φで回転する。

【００１２】図３は、研磨されるウエハの断面図を表し
ている。半導体ウエハの基板上に第１の層が積層され、
コンタクト・ホールや、ステッパ（図示せず）によるフ
ォト・マスク転写の際に使用するアライメント・マーク
などが形成され、更にその上に第２の層が積層されてい
る。本発明によるＣＭＰでは、第２の層を研磨してい
き、図１の電流計１７による摩擦変化のモニタリングに
おいて終点が検出されるまで、すなわち、実質的に、第
１の層の頂部のレベル（点線の部分）に到達するまで、
第２の層を除去する。

【００１３】図４には、ウエハ上の各箇所におけるアラ
イメント・シフトの方向と大きさとが、矢線ベクトルを
用いて模式的に表されている。Ｗ−ＣＭＰを、タングス
テンのエッチ・バック・プロセスと比較すると、フォト
・マスクの転写プロセスにおいて、大きなパターン・シ
フトが見られる。

【００１４】回転速度は、ウエハ１４が研磨パッド１１
に接触する圧力や、接触面の温度などと並ぶ重要な物理
的パラメータであるから、ウエハ・キャリア１３の回転
速度φと研磨テーブル１２の回転速度ωとの相互関係
が、ＣＭＰの研磨面に何らかの力学的な効果を及ぼし、
従って、ＣＭＰ終了後のウエハ上でのアライメント・シ
フトの発生にも影響するであろうことは、容易に予想で
きる。本発明の発明者たちは、この回転速度間の相互関
係に着目し、ウエハ・キャリア１３の回転速度φと研磨
テーブル１２の回転速度ωとを様々な組合せに設定し
て、それぞれの場合に生じるパターン・シフトの大きさ
を測定した。実験の結果は、図５においてグラフ化され
ているが、このグラフは、両回転速度が等しいφ＝ωの
場合にパターン・シフトが最小になることを示してい
る。

【００１５】経験的には、フォトリソグラフィ・プロセ
スにおけるパターン・シフトを最小にするという観点か
らは、φ＝ωという関係が最適制御条件であることがこ
の実験によって得られたが、次に、図２に関する説明で
与えた記号を用いて、回転速度の相互関係とパターン・
シフトとの関係を、理論的に考察する。

【００１６】図２に示されているウエハ・キャリア１３
の中心を原点とするｘｙ座標系を用いると、ウエハ・キ
ャリア１３上の点Ｐの相対速度Ｖのｘ座標成分Ｖｘとｙ
座標成分Ｖｙとは、次のように定式化できる。なお、ｔ
は、経過時間である。

【数１】Ｖｘ＝−ωＲｓｉｎ（φｔ）

【数２】Ｖｙ＝ｒ（φ−ω）−ωＲｃｏｓ（φｔ）

【００１７】数式１からわかるように、Ｖのｘ成分Ｖｘ
は、パラメータｒを含まない。従って、Ｖｘは、点Ｐの
ウエハ・キャリア１３の中心Ｃからの距離と独立であ
る、すなわち、ウエハ・キャリア１３における点Ｐの位
置と独立である。Ｖｙは、パラメータｒを含むが、（φ
−ω）＝０、すなわち、回転速度が等しい場合には、ｒ
をふくむ項はキャンセルされ、Ｖｘと同様に、点Ｐのウ
エハ・キャリア１３の中心Ｃからの距離と独立、すなわ
ち、ウエハ・キャリア１３における点Ｐの位置と独立と
なる。この場合には、数式２は次のようになる。

【数３】Ｖｙ＝−ωＲｃｏｓ（φｔ）

【００１８】従って、ウエハ・キャリア１３上の任意の
点であるＰの相対速度Ｖのｘ座標成分とｙ座標成分と
は、数式１と数式３とによって表されることになる。ベ
クトルＶ＝（Ｖｘ，Ｖｙ）の絶対値は、これらの式から
ωＲであり、点Ｐの位置に左右されず、時間経過と共に
変化しない一定の値である。ベクトルＶの向きは、ウエ
ハ・キャリア１３の回転と共に変化する。ウエハ・キャ
リア１３が１回転すると、ベクトルＶの向きも１回転す
る。その結果として、ウエハ・キャリア１３が１回転す
る間には、研磨されるべきウエハ１４上の任意の点Ｐ
が、絶対値が一定である同一の相対速度Ｖを有すること
になる。これを研磨に即して解釈すると、それぞれの回
転速度が等しい場合には、ウエハ１４の表面上のすべて
の点は、ウエハ内の位置とは無関係に、均一性及び一様
性が維持されながら研磨がなされることがわかる。以上
の理論的な考察は、既に述べた経験的な実験結果と一致
する。

【００１９】次に、数式１から３を用いて得られたもの
と同様の理論的結論を、別個の幾何学的な考察から導く
ことにする。図６は、研磨テーブル１２上にウエハ１４
がある様子を示している。ウエハ１４の上には複数の点
が想定され、それぞれの点における相対速度のｘ成分と
ｙ成分とが示されている。図２の場合と同様に、ｘｙ座
標は、ウエハ上に固定されているものとする。また、ウ
エハ１４とテーブル１２とは、同じ方向に回転するもの
とする。この条件で、ウエハ１４の回転速度が研磨テー
ブル１２の回転速度と等しい場合（Ｘでプロットされて
いる）と、ウエハ１４の回転速度が研磨テーブル１２の
回転速度と等しくない場合（Δでプロットされている）
との２通りを考察する。

【００２０】図７は、研磨テーブルの原点からエッジ方
向への距離を横軸にとり、研磨テーブル１２とウエハ１
４とのそれぞれの速度を示している。

【００２１】図８では、１段目に、時間の経過に対する
研磨テーブル１２上の点の速度ベクトルＶの変化を表し
ている。２段目と３段目には、やはり時間の経過に伴う
ＶｘｔとＶｙｔとの変化をプロットしてある。ただし、
時間の経過は、０度から３６０度までの角度の変化とし
て横軸の単位に設定されている。ｔはテーブルの意味で
ある。それに対して、図９では、１段目に、時間の経過
に対するウエハ１４上の点の速度ベクトルＶの変化を表
している。２段目と３段目には、やはり時間の経過に伴
うＶｘｗとＶｙｗとの変化をプロットしてある。ここ
で、ｗは、ウエハの意味である。

【００２２】図１０は、図８と図９とを各プロットした
点ごとに合成したものであり、テーブル１２とウエハ１
４との相対速度を示している。すなわち、図１０の上段
では、ウエハ１４上の点の相対速度Ｖのｘ座標成分であ
るＶｘｔｏｔａｌ＝Ｖｘｔ−Ｖｘｗが、ウエハ１４の回
転速度が研磨テーブル１２の回転速度と等しい場合（Ｘ
でプロット）と、ウエハ１４の回転速度が研磨テーブル
１２の回転速度と等しくない場合（Δでプロット）との
２通りが示されている。下段には、ウエハ１４の回転速
度が研磨テーブル１２の回転速度と等しい場合のＶｙｔ
ｏｔａｌ＝Ｖｙｔが、示されている。

【００２３】研磨テーブル１２とウエハ１４とのそれぞ
れの回転速度が等しい場合（図１０の上段のＸでプロッ
トされているグラフの場合）は、その点における相対速
度は、ウエハ１４が３６０度回転することに伴って、０
度から１８０度で正から負となり、１８０度から３６０
度で同様の形状を保ちながら再び正に戻っている。幾何
学的にも容易に理解できることであるが、このＸでプロ
ットされた曲線と横軸とに囲まれる部分の面積は、正負
を込めて０度から３６０度まで積分すれば、ゼロであ
る。Δでプロットされた曲線の場合、すなわち、研磨テ
ーブル１２とウエハ１４との回転速度の異なる場合に
は、やや下方にシフトしており、面積がゼロにならな
い。図１０の下段には、Ｘでのプロットの場合だけが示
されているが、同様のことがいえる。

【００２４】この幾何学的な現象を、ウエハ１４上の各
点における研磨の状態に即して考察すると、研磨テーブ
ル１２とウエハ１４とのそれぞれの回転速度が同一の場
合、すなわち、Ｘの曲線の場合には、ウエハ１４の表面
上のすべての点は、ウエハ１４が１回転する間に、３６
０度すべての方向に関しての研磨パッド１１との摩擦が
均衡することがわかる。換言すれば、ウエハ１４上の各
点が受ける摩擦力は、それぞれの時点での微小量を、方
向を込めて（つまり、ベクトルとして）１回転に亘って
積分すれば、各方向が打ち消し合い、ゼロとなる。従っ
て、ウエハ上の点は、ウエハ内の位置とは無関係に、均
一性及び一様性が維持されながら研磨がなされ、パター
ン・シフトが少なくとも理論的には生じないことがわか
る。以上の幾何学的な考察は、やはり、既に述べた経験
的な実験結果と一致する。

【００２５】本発明の好適な実施例に関する以上の記載
は、例示と説明との目的でなされたものであって、ここ
に開示した特定の装置構成そのものに本発明を限定する
ことは意図していない。当業者であれば、種々の修正や
改変を容易に行うことができるはずである。本発明の技
術的範囲は、冒頭の特許請求の範囲とその均等の範囲と
によってのみ画定されるものとする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＣＭＰプロセスを実行するための
装置の構成が示されている。

【図２】研磨テーブルとウエハ・キャリアとの幾何学的
関係と、各パラメータを示している。

【図３】研磨される半導体ウエハの断面図である。

【図４】ＣＭＰ後に生じるパターン・シフトを示してい
る。

【図５】ウエハ・キャリアと研磨テーブルとのそれぞれ
の回転速度の種々な組合せの場合のパターン・シフトを
示すグラフである。

【図６】図６は、研磨テーブルとウエハとの幾何学的関
係示している。

【図７】研磨テーブルの原点からエッジ方向への距離を
横軸にとり、研磨テーブル１２とウエハ１４とのそれぞ
れの速度を示したグラフである。

【図８】１段目は、時間の経過に対する研磨テーブル１
２上の点の速度ベクトルＶの変化を表したグラフであ
る。２段目と３段目とは、やはり時間の経過に伴うＶｘ
ｔとＶｙｔとの変化をプロットしたグラフである。

【図９】１段目は、時間の経過に対するウエハ１４上の
点の速度ベクトルＶの変化を表したグラフである。２段
目と３段目とは、やはり時間の経過に伴うＶｘｗとＶｙ
ｗとの変化をプロットしたグラフである。

【図１０】図８と図９とを各プロットした点ごとに合成
したグラフであり、研磨テーブルとウエハとの相対速度
を示している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木下修茨城県つくば市北原10番地株式会社エルエスアイロジックジャパンセミコンダクター内 (72)発明者室橋徹晶茨城県つくば市北原10番地株式会社エルエスアイロジックジャパンセミコンダクター内 (72)発明者上野昭久茨城県つくば市北原10番地株式会社エルエスアイロジックジャパンセミコンダクター内 (72)発明者佐久間悦文茨城県つくば市北原10番地株式会社エルエスアイロジックジャパンセミコンダクター内 (72)発明者コスタス・アンベリアディス茨城県つくば市北原10番地株式会社エルエスアイロジックジャパンセミコンダクター内 (72)発明者岩城達也茨城県つくば市北原10番地株式会社エルエスアイロジックジャパンセミコンダクター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨面に研磨パッドが設けられた研磨テ
ーブルに対して、固定されたウエハをウエハ・キャリア
によって押しつけて保持し、前記研磨パッドと前記ウエ
ハとの接触面には所定の化学的性質を有する研磨剤を与
え、前記研磨ケーブルと前記ウエハ・キャリアとを共に
回転させて実行する半導体ウエハの化学的機械的研磨
（ＣＭＰ）方法において、前記研磨テーブルの回転速度と前記ウエハ・キャリアの
回転速度とが実質的に同一であることを特徴とする方
法。
【請求項２】研磨面に研磨パッドが設けられた研磨テー
ブルと、固定されたウエハを前記研磨テーブルに押しつ
けて保持するウエハ・キャリアと、前記研磨パッドと前
記ウエハとの接触面に与えられ所定の化学的性質を有す
る研磨剤と、から構成される半導体ウエハの化学的機械
的研磨装置において、前記研磨ケーブルと前記ウエハ・キャリアとの回転速度
を実質的に同一に維持する制御手段を備えていることを
特徴とする装置。