JP2010225711A - Polishing method - Google Patents
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Abstract
【課題】CMP工程における膜剥がれを抑制すると共に、研磨圧力の低下に伴う減少した研磨速度を高めることが出来る技術を提供することである。
【解決手段】基板に対してCMPを施して加工するCMP方法であって、前記CMPに際して、前記基板の中央部において加える圧力を0.05〜1.5psiとなし、前記基板の外周に配置したリテーナリングに加える圧力を、前記基板の中央部において加えた圧力の3〜15倍とする。
【選択図】図5
An object of the present invention is to provide a technique capable of suppressing film peeling in a CMP process and increasing a polishing rate reduced with a decrease in polishing pressure.
A CMP method for processing a substrate by subjecting the substrate to CMP, wherein the pressure applied to the central portion of the substrate is 0.05 to 1.5 psi during the CMP, and the substrate is disposed on the outer periphery of the substrate. The pressure applied to the retainer ring is 3 to 15 times the pressure applied at the center of the substrate.
[Selection] Figure 5
Description
本発明は研磨方法に関する。特に、CMP(化学的機械的研磨:Chemical Mechanical Polishing)方法に関する。例えば、半導体装置の配線形成に際して用いられるCMP方法に関する。 The present invention relates to a polishing method. In particular, the present invention relates to a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method. For example, the present invention relates to a CMP method used in forming a wiring of a semiconductor device.
LSI(半導体集積回路)の製造にあってはCMP等の研磨技術が採用されている。すなわち、層間絶縁膜の平坦化に際してCMPが用いられている。又、上層配線と下層配線との間の金属接続部形成や埋込み配線形成に際してもCMPが採用されている。 In the manufacture of LSI (semiconductor integrated circuit), a polishing technique such as CMP is employed. That is, CMP is used for planarizing the interlayer insulating film. CMP is also used for forming a metal connection portion between the upper layer wiring and the lower layer wiring and forming a buried wiring.
ところで、LSIの高速性能化を達成する為、配線材料がAl(Al合金)から低抵抗のCu(Cu合金)に代わって来ている。このCu配線形成には、所謂、ダマシン法と称される技術が用いられている。 By the way, in order to achieve high-speed LSI performance, the wiring material has been changed from Al (Al alloy) to low resistance Cu (Cu alloy). A so-called damascene method is used for forming the Cu wiring.
ダマシン法を用いた配線形成においては、層間接続用の孔や配線用溝(以下、孔や溝を、纏めて、溝と称す。)が形成された絶縁膜(例えば、酸化シリコン(SiO2)膜や窒化シリコン(SiN)膜などの積層膜からなる絶縁膜)上に、密着力強化やCuの拡散防止を目的として、バリアメタル膜が設けられ、このバリアメタル膜上にCu配線膜が設けられている。尚、SiN膜は、エッチングストッパとして設けられるものである。そして、下層配線との接続が必要な箇所のSiN膜は選択的に除去される。バリアメタル膜は、10〜50nm程度の厚さのTi,W,Ta、或いは前記金属の窒化物、又は窒素シリコン化合物などで構成されている。絶縁膜としては、比誘電率が低い絶縁膜(Low−k)材料が、SiO2,SiNに代わって、用いられ始めている。これは、比誘電率が低い絶縁膜を用いることにより、配線間の静電容量が低減されるからである。そして、静電容量の低減により、配線を通る信号の遅延が低減され、LSIの性能が向上するからである。この種のLow−k膜としては、フッ素含有シリコン酸化膜(SiOF)や炭素含有シリコン酸化膜(SiOC)が知られている。尚、フッ素含有シリコン酸化膜の機械的性質とSiO2膜の機械的性質とは同等である。従って、SiOFが絶縁膜として用いられた場合、SiO2が絶縁膜として用いられた場合のLSI製造技術を援用できる。尚、近年では、上記Low−k膜中に空孔を導入し、低誘電率化を更に図る技術が研究されている。 In wiring formation using the damascene method, an insulating film (for example, silicon oxide (SiO 2 )) in which an interlayer connection hole and a wiring groove (hereinafter, the hole and groove are collectively referred to as a groove) is formed. A barrier metal film is provided on the insulating film made of a laminated film such as a film or a silicon nitride (SiN) film for the purpose of strengthening adhesion and preventing Cu diffusion, and a Cu wiring film is provided on the barrier metal film. It has been. The SiN film is provided as an etching stopper. Then, the SiN film at a portion that needs to be connected to the lower layer wiring is selectively removed. The barrier metal film is made of Ti, W, Ta having a thickness of about 10 to 50 nm, or a nitride of the metal or a nitrogen silicon compound. As the insulating film, an insulating film (Low-k) material having a low relative dielectric constant has begun to be used in place of SiO 2 and SiN. This is because the capacitance between wirings is reduced by using an insulating film having a low relative dielectric constant. This is because the delay of the signal passing through the wiring is reduced and the performance of the LSI is improved by reducing the capacitance. As this type of Low-k film, a fluorine-containing silicon oxide film (SiOF) and a carbon-containing silicon oxide film (SiOC) are known. Note that the mechanical properties of the fluorine-containing silicon oxide film are equivalent to the mechanical properties of the SiO 2 film. Therefore, when SiOF is used as an insulating film, LSI manufacturing technology when SiO 2 is used as an insulating film can be used. In recent years, techniques for further reducing the dielectric constant by introducing holes in the low-k film have been studied.
さて、絶縁膜として採用された比誘電率が3以下のLow−k膜は、その機械的強度が弱い。従って、Cu膜やバリアメタル膜に対してCMPが行われると、下層に在るLow−k膜の損傷や剥離と言った問題が起き易い。 Now, a low-k film having a relative dielectric constant of 3 or less adopted as an insulating film has low mechanical strength. Therefore, when CMP is performed on the Cu film or the barrier metal film, a problem such as damage or peeling of the low-k film in the lower layer is likely to occur.
この問題を解決する為の技術が幾つか提案されている。
例えば、Cu膜をCMPによって研磨する際、半導体基板(ウェーハ)に加わる圧力よりもリテーナリングに加わる圧力を高くすることにより、基板中心部よりも基板周縁部の研磨速度を遅くし、基板周縁部におけるCu膜を残存させ、基板周縁部に残存するCu膜を溶液で溶解させて除去する技術が提案(特開2005−38935号公報)されている。
Several techniques for solving this problem have been proposed.
For example, when polishing a Cu film by CMP, by increasing the pressure applied to the retainer ring more than the pressure applied to the semiconductor substrate (wafer), the polishing rate of the substrate peripheral portion is made slower than the substrate central portion, and the substrate peripheral portion Has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-38935), in which the Cu film is left and the Cu film remaining on the periphery of the substrate is dissolved and removed with a solution.
又、導電膜(配線膜)あるいは絶縁膜をCMPする際、ウェーハ周辺部における膜厚をウェーハ中心部における膜厚より薄いものとした後、ウェーハ周辺部での研磨速度をウェーハ中心部での研磨速度より小さくしてCMPを行う技術が提案(特開2008−227413号公報)されている。 Also, when CMP is performed on the conductive film (wiring film) or insulating film, the film thickness at the wafer periphery is made thinner than the film thickness at the wafer center, and the polishing rate at the wafer periphery is polished at the wafer center. A technique for performing CMP at a speed lower than the speed has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-227413).
又、ウェーハをフェイスアップ状態で回転させて、ウェーハよりも小径の研磨パッドを回転させながらウェーハに押し付けるローカル研磨方式を用い、比誘電率が2以下の材料間にパターンが形成されたウェーハを0.01〜0.2psiの研磨圧力に設定してCMPを行う技術が提案(特開2004−327566号公報)されている。 In addition, a local polishing method in which a wafer is rotated face-up and a polishing pad having a smaller diameter than that of the wafer is rotated and pressed against the wafer, and a wafer having a pattern formed between materials having a relative dielectric constant of 2 or less is set to 0. A technique for performing CMP by setting the polishing pressure to 0.01 to 0.2 psi has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-327766).
又、研磨パッドがウェーハに押し当てられてCMPを行う方法であって、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CMPを行う技術が提案(特開2008−244376号公報)されている。 In addition, the CMP is performed by pressing the polishing pad against the wafer, and the CMP is performed while the polishing temperature is controlled to 15 to 70 ° C. and the polishing pressure is controlled to 0.1 to 2.0 psi. Has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-244376).
CMPは、図1に示される如きの装置が用いられ、以下に述べる手順によって行われる。CMPの研磨パッド12としては、主としてポリウレタン樹脂製のパッドが用いられる。研磨パッド12は、モータ(図示せず)によって回転駆動される研磨定盤11の上に貼り付けられている。尚、研磨パッド12の表面には溝や穴(図示せず)が形成されている。これによって、CMPの特性(研磨速度、均一性)が向上する。或いは、CMPによって発生した屑が効率よく排出され、研磨キズが発生し難くなる。ウェーハ(半導体基板)15は研磨ヘッド13に固定されている。そして、モータ(図示せず)によって、ウェーハ(半導体基板)15は回転させられる。この時、所定の圧力が掛けられ、ウェーハ15は研磨パッド12に押し付けられる。研磨パッド12のほぼ中央上部に設けられたスラリ供給ノズル17からスラリが供給されると、ウェーハ15の表面は、研磨パッド12の表面やスラリに含まれている砥粒によって削り取られる。ところで、CMP中にウェーハ15が研磨ヘッド13から外れないようにする為、リテーナリング14と謂われる環状の部品がウェーハ15の周囲に設けられている。尚、近年では、ウェーハ15に加わる圧力とリテーナリングに加わる圧力とを分けて加圧することが可能なCMP装置が主流となっている。複数種の薄膜をCMPする場合には、各々、専用のスラリを用いる場合が多い。このような場合、複数の研磨定盤を備えたCMP装置が用いられ、ウェーハ15は用いるスラリの種類毎に各々の研磨定盤に輸送され、連続してCMPが行われる。研磨パッド12の表面状態はCMP特性に強い影響を及ぼす。そこで、研磨パッド表面を一定の状態に保つ為、ドレッシング(ドレス)と謂われる処理が行われることも多い。例えば、ダイヤモンド粒子を固着させた円盤状(ドーナツ状)のドレッサー16と謂われる工具を回転させながら研磨パッド12の表面に押し付け、表面の粗面化処理が行われる。ドレスは、ウェーハ15のCMP中に同時に行われる方法(in−situドレス)と、CMP前もしくはウェーハ15の交換中と言ったCMPが行われて無い時間に行われる方法(ex−situドレス)とが有る。
The CMP is performed by the following procedure using an apparatus as shown in FIG. As the CMP polishing pad 12, a pad made of polyurethane resin is mainly used. The polishing pad 12 is affixed on the polishing surface plate 11 that is rotationally driven by a motor (not shown). A groove or a hole (not shown) is formed on the surface of the polishing pad 12. This improves the CMP characteristics (polishing rate, uniformity). Alternatively, waste generated by CMP is efficiently discharged, and polishing scratches are less likely to occur. A wafer (semiconductor substrate) 15 is fixed to the polishing head 13. The wafer (semiconductor substrate) 15 is rotated by a motor (not shown). At this time, a predetermined pressure is applied and the
さて、CMPにおける研磨速度RRは、下記プレストンの式[I]に従うことが知られている。
式[I]
RR=k・P・V
[P=研磨圧力 V=ウェーハと研磨パッドと間の相対速度 k=プレストン係数]
この式[I]から、研磨速度RRを向上させる為には、研磨圧力Pを高くするか、相対速度Vを大きくすれば良いことが判る。
Now, it is known that the polishing rate RR in CMP follows Preston's formula [I].
Formula [I]
RR = k ・ P ・ V
[P = polishing pressure V = relative speed between wafer and polishing pad k = Preston coefficient]
From this formula [I], it can be seen that the polishing pressure P should be increased or the relative speed V should be increased in order to improve the polishing rate RR.
研磨速度は、ウェーハと研磨パッドとの間の摩擦力に比例すること、又、摩擦力の上昇に伴って研磨温度は高くなることも知られている。特に、化学的研磨の寄与が大きなCMPの場合は、単なる機械的研磨の場合よりも、研磨温度の影響が大きい。 It is also known that the polishing rate is proportional to the frictional force between the wafer and the polishing pad, and that the polishing temperature increases as the frictional force increases. In particular, in the case of CMP in which the contribution of chemical polishing is large, the influence of the polishing temperature is larger than in the case of simple mechanical polishing.
さて、特許文献1〜特許文献4で提案されたCMP技術は、ウェーハに加える圧力Pを小さくすることによって、ウェーハに加わる摩擦力を低減し、CMP工程の際の膜剥がれを抑制しようとしたものである。
In the CMP technique proposed in
しかしながら、特許文献1,2で提案されたCMP技術は、ウェーハ周辺部に対してはCMP工程中の膜剥がれを抑制できるものの、ウェーハ中心部で生じる膜剥がれに対しては効果が小さい。
However, although the CMP techniques proposed in
特許文献3で提案されたCMP技術は、ウェーハに加える研磨圧力を0.01〜0.2psiの超低圧としているが、ウェーハと研磨パッドとの間の相対速度を大幅に高めている為、ウェーハに加わる摩擦力が増加する。よって、特許文献3に開示されたCMP技術は、膜剥がれを抑制する上で、有効な手段とは言えない。
In the CMP technique proposed in
特許文献4で提案されたCMP技術は、研磨パッド上に供給するスラリの温度を制御する為、装置の改良が必要で有る。更に、スラリを追随性よく温度制御することが困難である。
The CMP technique proposed in
従って、本発明が解決しようとする課題は、CMP工程における膜剥がれを抑制すると共に、研磨圧力の低下に伴う減少した研磨速度を高めることが出来る技術を提供することである。特に、ウェーハに加わる摩擦力を高めること無く、かつ、ウェーハ面内均一性を良好に維持した状態で、研磨速度を高めることが出来る技術を提供することである。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a technique capable of suppressing film peeling in the CMP process and increasing the polishing rate reduced with a decrease in polishing pressure. In particular, it is to provide a technique capable of increasing the polishing rate without increasing the frictional force applied to the wafer and maintaining good uniformity within the wafer surface.
例えば、90nmノード〜65nmノードにおけるCuのCMP工程では、ウェーハに加える圧力を2psi〜4psiの範囲内に設定することが一般的であった。ウェーハに加える圧力とリテーナリングに加える圧力とを分けて加圧するCMP装置においては、ウェーハに加える圧力を上記の圧力範囲とした場合、特許文献1に開示の如く、ウェーハよりリテーナリングに加える圧力を高くすると、ウェーハ中心部よりウェーハ外周部の研磨速度が遅くなる。この為、ウェーハ面内均一性の劣化が起きる。
For example, in a Cu CMP process at a node of 90 nm to 65 nm, it is common to set the pressure applied to the wafer within a range of 2 psi to 4 psi. In a CMP apparatus that pressurizes the pressure applied to the wafer and the pressure applied to the retainer ring separately, when the pressure applied to the wafer falls within the above pressure range, the pressure applied to the retainer ring from the wafer is disclosed as disclosed in
ところで、本発明者は、CMP工程を行う際のウェーハに加える圧力を0.05〜1.5psiと言った低圧領域で研磨する実験において、従来、高圧にしていなかったリテーナリングに加える圧力を徐々に高めた処、ウェーハ面内全面において研磨速度の大幅な向上が図れることを見出すに至った。 By the way, the present inventor gradually applied the pressure applied to the retainer ring, which has not been set to high pressure in the past, in an experiment in which the pressure applied to the wafer during the CMP process is polished in a low pressure region of 0.05 to 1.5 psi. As a result, it has been found that the polishing rate can be significantly improved over the entire wafer surface.
すなわち、機械的研磨の要素が強かった従来のCMP技術(ウェーハに加える圧力を高くすることによって、ウェーハと研磨パッドとの間の摩擦力を増大させ、以って研磨速度を増加)に対して、ウェーハに加える圧力を低下させた場合、ウェーハと研磨パッドとの間の摩擦力が小さいものの、リテーナリングの圧力を高めることによって、研磨温度がウェーハ面内でほぼ一様に上昇することになり、均一性良く研磨速度が向上した化学的研磨の要素が強まったCMP技術が活用できることに気付いたのである。そして、ウェーハに加える圧力を小さくしたならば、膜剥離や膜損傷が起き難くなり、一方、ウェーハ周辺に配置されたリテーナリングに加える圧力を高めたならば、研磨速度が向上することから、これ等の技術思想を上手く活用したならば、前記の問題点が解決できるのではないかとの啓示を得るに至った。 In other words, for the conventional CMP technology that has a strong mechanical polishing factor (by increasing the pressure applied to the wafer, the friction force between the wafer and the polishing pad is increased, thereby increasing the polishing rate). When the pressure applied to the wafer is reduced, the frictional force between the wafer and the polishing pad is small, but by increasing the retainer ring pressure, the polishing temperature rises almost uniformly within the wafer surface. They found that CMP technology with enhanced chemical polishing elements with improved polishing speed with good uniformity could be used. If the pressure applied to the wafer is reduced, film peeling and film damage are less likely to occur. On the other hand, if the pressure applied to the retainer ring arranged around the wafer is increased, the polishing rate is improved. If the technical idea such as the above is utilized well, it came to a revelation that the above problems could be solved.
前記知見に基づいて本発明が達成された。 Based on the above findings, the present invention has been achieved.
すなわち、前記の課題は、
基板に対してCMPを施して加工するCMP方法であって、
前記CMPに際して、
前記基板の中央部において加える圧力を0.05〜1.5psiとなし、
前記基板の外周に配置したリテーナリングに加える圧力を、前記基板の中央部において加えた圧力の3〜15倍とする
ことを特徴とするCMP方法によって解決される。
That is, the above problem is
A CMP method for processing a substrate by subjecting it to CMP,
During the CMP,
The pressure applied at the center of the substrate is 0.05 to 1.5 psi,
This is solved by a CMP method in which the pressure applied to the retainer ring disposed on the outer periphery of the substrate is 3 to 15 times the pressure applied to the central portion of the substrate.
基板に加わる研磨圧力を低くしたので、CMP工程の際の膜剥がれが抑制され、そして研磨圧力の低下に伴う研磨速度の低下を、基板外周に配置したリテーナリングに加わる圧力を高めることで改善した。すなわち、リテーナリングに加わる圧力を高めて温度上昇を図り、以って研磨速度の向上を得、これによって、基板に加わる研磨圧力を低くしたことに起因した研磨速度の低下を補償できるようにした。従って、膜剥離・膜損傷の防止に研磨速度を犠牲にしなくても済む。そして、面内均一性良くCMPが行われる。しかも、上記特長は装置の格別な改造を施さずとも得られる。 Since the polishing pressure applied to the substrate was lowered, film peeling during the CMP process was suppressed, and the decrease in the polishing rate accompanying the decrease in polishing pressure was improved by increasing the pressure applied to the retainer ring arranged on the outer periphery of the substrate. . In other words, the pressure applied to the retainer ring is increased to increase the temperature, thereby improving the polishing rate, thereby compensating for the decrease in polishing rate caused by lowering the polishing pressure applied to the substrate. . Therefore, it is not necessary to sacrifice the polishing rate to prevent film peeling and film damage. Then, CMP is performed with good in-plane uniformity. In addition, the above features can be obtained without special modification of the apparatus.
本発明はCMP方法である。例えば、半導体装置の配線形成に用いられるCMP方法である。更に具体的に述べると、例えば多孔質系絶縁膜(ポーラス状絶縁膜;比誘電率が3以下)を有する基板に対して施されるCMP方法である。研磨ヘッドと研磨定盤を有する通常のCMP装置を用いて本発明を実施できる。 The present invention is a CMP method. For example, a CMP method used for forming a wiring of a semiconductor device. More specifically, it is a CMP method applied to a substrate having, for example, a porous insulating film (porous insulating film; relative dielectric constant is 3 or less). The present invention can be implemented using a normal CMP apparatus having a polishing head and a polishing surface plate.
前記CMPに際して、前記基板の中央部において加える圧力を0.05〜1.5psi(より好ましくは0.1psi以上。1.0psi以下。)とした。尚、中央部とは、中心から基板寸法の70%程度の大きさの領域である。勿論、これよりも大きなものであっても良い。例えば、中心から基板寸法の90%程度の大きさの領域において加える圧力を0.05〜1.5psi(より好ましくは0.1psi以上。1.0psi以下。)とすることは更に好ましい。特に、中心から基板寸法の95%程度の大きさの領域において加える圧力を0.05〜1.5psi(より好ましくは0.1psi以上。1.0psi以下。)とすることは一層好ましい。すなわち、本発明にあっては、基板に対する圧力を低いものとした。従って、CMPに際して、膜剥離や膜損傷が起き難い。尚、基板に加わる圧力が余りにも小さくなると、研磨速度の面内均一性が悪化し、CMPでのバラツキが大きくなってしまう。又、圧力制御が困難になり、CMPにバラツキが起き易かった。そこで、斯かる問題を出来るだけ小さなものとする為、0.05psi以上とした。圧力の上限値は1.5psiとした。これより高圧であると、膜剥離や膜損傷が起き易くなったからである。特に、脆弱なLow−k膜が設けられた基板にCMPを施した場合は、膜剥離や膜損傷が起き易かった。 During the CMP, the pressure applied at the center of the substrate was set to 0.05 to 1.5 psi (more preferably 0.1 psi to 1.0 psi). The central portion is a region having a size of about 70% of the substrate dimension from the center. Of course, it may be larger than this. For example, it is further preferable that the pressure applied in the region of about 90% of the substrate size from the center is 0.05 to 1.5 psi (more preferably 0.1 psi or more and 1.0 psi or less). In particular, it is more preferable that the pressure applied in the region of about 95% of the substrate size from the center is 0.05 to 1.5 psi (more preferably 0.1 psi or more and 1.0 psi or less). That is, in the present invention, the pressure on the substrate is low. Therefore, film peeling and film damage are unlikely to occur during CMP. When the pressure applied to the substrate is too small, the in-plane uniformity of the polishing rate is deteriorated and the variation in CMP is increased. Moreover, pressure control became difficult, and variations in CMP were likely to occur. Therefore, in order to make such a problem as small as possible, it was set to 0.05 psi or more. The upper pressure limit was 1.5 psi. This is because if the pressure is higher than this, film peeling or film damage is likely to occur. In particular, when CMP is performed on a substrate provided with a fragile Low-k film, film peeling or film damage is likely to occur.
前記CMPに際して、基板の外周に配置したリテーナリングに加える圧力を、前記基板の中央部において加えた圧力の3〜15倍(より好ましくは、4倍以上。10倍以下。)とした。すなわち、リテーナリングに加わる圧力が基板に加わる圧力の3倍未満の小さな場合には、研磨速度の向上度が低かった。そして、基板に対する圧力を小さくしたことに起因する研磨速度の低下の改善が不十分であった。逆に、リテーナリングに加わる圧力が基板に加わる圧力の15倍より大きな場合には、基板に供給されるスラリ量が急激に減少し、研磨速度が低下したり、研磨速度の面内均一性が悪化したからである。 During the CMP, the pressure applied to the retainer ring disposed on the outer periphery of the substrate was set to 3 to 15 times (more preferably 4 times or more, 10 times or less) the pressure applied to the central portion of the substrate. That is, when the pressure applied to the retainer ring is as small as less than three times the pressure applied to the substrate, the improvement in the polishing rate was low. And the improvement of the fall of the grinding | polishing rate resulting from having reduced the pressure with respect to a board | substrate was inadequate. On the other hand, when the pressure applied to the retainer ring is greater than 15 times the pressure applied to the substrate, the amount of slurry supplied to the substrate decreases rapidly, the polishing rate decreases, and the in-plane uniformity of the polishing rate is reduced. Because it deteriorated.
そして、銅や銅合金に対する研磨用スラリを用いたCMPは、同じ化学的機械的研磨でも、化学的研磨の要素が強く、研磨温度が研磨速度や研磨の面内均一性に与える影響は大きく、特に良好な成果をもたらした。又、研磨温度が研磨速度に与える影響は、スラリの種類を変えても同様な傾向が認められた。 And CMP using a polishing slurry for copper or copper alloy has a strong chemical polishing element even in the same chemical mechanical polishing, and the influence of the polishing temperature on the polishing rate and the in-plane uniformity of polishing is large. Especially good results. In addition, the influence of the polishing temperature on the polishing rate showed the same tendency even when the type of slurry was changed.
尚、基板の外周部(外周部とは中央部の外側の領域)において加える圧力は、特別に規定しなくても良いが、好ましくは、0.05〜7psi(より好ましくは0.1psi以上。5psi以下。)であった。 The pressure applied to the outer peripheral portion of the substrate (the outer peripheral portion is the region outside the central portion) may not be specifically defined, but is preferably 0.05 to 7 psi (more preferably 0.1 psi or more). 5 psi or less).
以下、更に詳しく説明する。
図1は、本発明の実施に際して用いるCMP装置(化学的機械的研磨装置)の要部(研磨部)の概略図である。図1中、11は研磨定盤、12は研磨定盤11の上に貼り付けられた研磨パッド、13は研磨ヘッド、14は研磨ヘッド13の外周に取り付けられたリテーナリング、15は半導体基板(ウェーハ)である。16は研磨パッド12の表面を一定の状態に保つためのドレッサー、17はスラリを研磨パッド12上に供給する為のスラリ供給ノズルである。尚、斯かる構成のCMP装置は従来からも知られているので、詳細は省略される。
This will be described in more detail below.
FIG. 1 is a schematic view of a main part (polishing part) of a CMP apparatus (chemical mechanical polishing apparatus) used in the practice of the present invention. In FIG. 1, 11 is a polishing surface plate, 12 is a polishing pad affixed on the polishing surface plate 11, 13 is a polishing head, 14 is a retainer ring attached to the outer periphery of the polishing
図2は、図1に示したCMP装置の研磨ヘッド部の概略図である。研磨ヘッド21には半導体基板(ウェーハ)22に圧力を加える為のメンブレン23が取り付けられている。メンブレン23は、所謂、エアーバック方式となっている。そして、半導体基板22の中央部に加える圧力を制御する為のゾーン1と、半導体基板22の外周部に加える圧力を制御する為のゾーン2と、半導体基板22の最外周部に加える圧力を制御する為のゾーン3との三つに分割された各々の領域に、リテーナリング24とは独立して圧力が加えられる構造になっている。尚、本実施例では、研磨速度の均一性が厳しく要求される大口径ウェーハで説明するが、小口径ウェーハであっても適用できる。本実施例では、メンブレン23の直径が約300mmである。そして、ゾーン3は、メンブレン23(半導体基板22)の端から約3mmに亘る領域に設けられたメンブレンを使用した。ゾーン2は、ゾーン3より更に20mmの幅だけ内側の領域に設けられたメンブレンを使用した。
FIG. 2 is a schematic view of a polishing head portion of the CMP apparatus shown in FIG. A membrane 23 for applying pressure to the semiconductor substrate (wafer) 22 is attached to the polishing head 21. The membrane 23 is a so-called air bag system. Then, the
尚、本発明の実施には、図1,2で説明したCMP装置に限られない。半導体基板に加わる圧力とリテーナリングに加わる圧力とを分離して加圧することが可能なCMP装置であれば、如何なるCMP装置であっても用いられる。 The embodiment of the present invention is not limited to the CMP apparatus described with reference to FIGS. Any CMP apparatus can be used as long as it can separate and pressurize the pressure applied to the semiconductor substrate and the pressure applied to the retainer ring.
上記CMP装置を使用して本発明の条件でCMPを行った場合、低圧研磨であることから、Low−k膜が形成された半導体基板22の膜剥離は効果的に防止された。尚、ゾーン1において半導体基板22に加わる圧力が0.05psiより小さい場合には、半導体基板22の面内で研磨圧力を均一に制御することが困難であった。この為、研磨速度の面内均一性が低下した。かつ、研磨時間の半導体基板22間におけるバラツキが大きくなった。逆に、1.5psiより大きい場合には、CMPによって、Low−k膜が剥離し易かった。又、Low−k膜が損傷し易かった。更には、研磨速度の面内均一性が低下した。
When CMP was performed under the conditions of the present invention using the above-described CMP apparatus, film peeling of the semiconductor substrate 22 on which the low-k film was formed was effectively prevented because of low-pressure polishing. When the pressure applied to the semiconductor substrate 22 in the
リテーナリング24に加わる圧力を高くすると、研磨速度が向上した。但し、リテーナリング24に加わる圧力が半導体基板22のゾーン1において加わる圧力の3倍より小さい場合には、研磨速度の向上効果は僅かであった。従って、3倍以上が大事な要件であった。逆に、リテーナリング24に加わる圧力が半導体基板22のゾーン1において加わる圧力の15倍より大きい場合には、半導体基板22に供給されるスラリ量が急激に減少した。この為、研磨速度が急激に低下した。又、研磨速度の面内均一性が急激に低下した。従って、リテーナリング24に加わる圧力は、半導体基板22のゾーン1において加わる圧力の15倍以下とした。
When the pressure applied to the retainer ring 24 was increased, the polishing rate was improved. However, when the pressure applied to the retainer ring 24 is smaller than three times the pressure applied in the
以下、更に具体的に説明する。
300mmφのCuブランケットウェーハ15が図1,2のCMP装置に装填された。研磨パッド12は直径が763mmの積層構造パッドである。更に説明すると、上層に格子溝と同心円状の溝が加工された発泡ポリウレタン樹脂製パッドが積層されたIC1400(ニッタ・ハース トレーディング(株)製)の研磨パッド12が用いられた。CMPに用いられるスラリはシリカ系砥粒を含有した市販のCu用スラリである。ドレッサー16は直径が106mmで、ダイヤ砥粒番手;#60のA160(住友スリーエム(株)製)が使用された。Cuブランケットウェーハ15は、直径が300mmのSiウェーハの表面全面にスパッタリングでバリアメタル膜(10nm厚のタンタルナイトライド膜、その上に25nm厚のタンタル膜)が形成され、バリアメタル膜上にスパッタリングで50nm厚のCuシード膜が形成され、Cuシード膜上に電解メッキで1000nm厚のCu配線膜が形成され、250℃で3分間のアニール処理が施されたものである。
More specific description will be given below.
A 300 mmφ
そして、次に示される条件でCMPが行われた。図2に示した研磨ヘッドに加える圧力の中、ウェーハ(メンブレン)に加える圧力は、ゾーン1とゾーン2とには0.5〜1psi、例えば0.9psiの圧力が、ゾーン3には2.3psiの圧力が加えられた。リテーナリング14に加えられる圧力は、ウェーハ(ゾーン1,2)に加わる圧力の2.2倍〜3倍〜15倍の圧力、例えば2.2〜5.6倍(2〜5psi:3倍未満の圧力は本発明外)である。すなわち、ウェーハに加わる圧力は0.9psi、リテーナリング14に加わる圧力は、ウェーハ(ゾーン1,2)に加わる圧力の2.2〜5.6倍の圧力とした。ウェーハに加わる圧力を0.9psiとしたのは、1.0psi前後の圧力で代表させる為である。研磨定盤11の回転数は60rpm、研磨ヘッド13の回転数は55rpmである。スラリは300ml/minの流量で研磨パッド上に供給された。そして、1分間の研磨が行われた。尚、研磨前には9(lbf)の荷重で30秒間のex−situドレスが行われた。
Then, CMP was performed under the following conditions. Among the pressures applied to the polishing head shown in FIG. 2, the pressure applied to the wafer (membrane) is 0.5 to 1 psi, for example, 0.9 psi for
図3は、リテーナリング圧力を変えた場合の研磨温度の測定結果である。すなわち、赤外線放射温度計を用いてウェーハ(リテーナリング)中央部近傍の研磨パッドの表面温度が測定された。この表面温度を研磨温度とした。図3から判る通り、研磨温度は、(リテーナリングに加わる圧力)/(ウェーハに加わる圧力)が大きくなる程、高くなっている。リテーナリングに加わる圧力が5psi(ウェーハに加わる圧力の5.6倍)の場合、リテーナリングに加わる圧力が2psi(ウェーハに加わる圧力の2.2倍)の場合より、約10℃上昇している。これは、ウェーハに加わる圧力が低いことから、顕著に現われた特徴である。そして、ウェーハに加わる圧力が2psiより高い場合には、ウェーハと研磨パッドとの摩擦による研磨温度の上昇が大きく、リテーナリングに加わる圧力が高まっても、これに起因した研磨温度の上昇が大きく現われることも無かったと考えられた。 FIG. 3 shows the measurement results of the polishing temperature when the retainer ring pressure is changed. That is, the surface temperature of the polishing pad near the center of the wafer (retainer ring) was measured using an infrared radiation thermometer. This surface temperature was defined as a polishing temperature. As can be seen from FIG. 3, the polishing temperature increases as (pressure applied to the retainer ring) / (pressure applied to the wafer) increases. When the pressure applied to the retainer ring is 5 psi (5.6 times the pressure applied to the wafer), the pressure applied to the retainer ring is about 10 ° C. higher than the case where the pressure applied to the retainer ring is 2 psi (2.2 times the pressure applied to the wafer). . This is a remarkable feature because the pressure applied to the wafer is low. When the pressure applied to the wafer is higher than 2 psi, the polishing temperature rises greatly due to the friction between the wafer and the polishing pad, and even if the pressure applied to the retainer ring increases, the polishing temperature rises greatly due to this. It was thought that nothing happened.
図4は、前記研磨条件でCuブランケットウェーハのCMPを行った際のウェーハ直径方向における研磨速度分布の結果である。研磨速度はCuブランケットウェーハのCMP前後の膜厚差から求められた。尚、Cu膜の膜厚は四探針シート抵抗測定器を用いて測定された。膜厚の測定範囲はウェーハ中心から±144mmの範囲である。測定ポイントは、ウェーハ中心から98mmまでが7mm間隔で、98mmから144mmまでが4mm間隔である。図4から判る通り、研磨速度は、(リテーナリングに加わる圧力)/(ウェーハに加わる圧力(0.9psi))が大きくなる程、ウェーハ全面でほぼ一様に向上している。図3に示された如く、リテーナリングに加わる圧力を高くしたことから、研磨温度が上昇した結果と言える。 FIG. 4 shows the result of the polishing rate distribution in the wafer diameter direction when the Cu blanket wafer was subjected to CMP under the above polishing conditions. The polishing rate was determined from the film thickness difference before and after the CMP of the Cu blanket wafer. The film thickness of the Cu film was measured using a four-point probe sheet resistance measuring device. The film thickness measurement range is ± 144 mm from the wafer center. Measurement points are 7 mm from the wafer center to 98 mm and 4 mm from 98 mm to 144 mm. As can be seen from FIG. 4, the polishing rate increases substantially uniformly over the entire wafer surface as (pressure applied to the retainer ring) / (pressure applied to the wafer (0.9 psi)) increases. Since the pressure applied to the retainer ring is increased as shown in FIG. 3, it can be said that the polishing temperature has increased.
図4の研磨速度分布から、ウェーハ面内における研磨速度の平均値と、不均一性(1σ)とが求められた。その結果が図5に示される。リテーナリングに加わる圧力が2psi(ウェーハに加える圧力の2.2倍)の場合の研磨速度が230nm/minであるのに対して、リテーナリングに加わる圧力が5psi(ウェーハに加わる圧力の5.6倍)の場合の研磨速度は440nm/minである。すなわち、研磨速度は約2倍になっている。リテーナリングに加わる圧力が5psi(ウェーハに加わる圧力の5.6倍)の場合の不均一性は、低い圧力(2〜4psi)の場合の不均一性に比べたならば、僅かに大きくなっている。しかしながら、何れのリテーナリング圧力の場合も、不均一性は4.5%未満である。すなわち、良好な結果が得られている。 From the polishing rate distribution in FIG. 4, the average value of polishing rate in the wafer surface and the non-uniformity (1σ) were obtained. The result is shown in FIG. The polishing speed is 230 nm / min when the pressure applied to the retainer ring is 2 psi (2.2 times the pressure applied to the wafer), while the pressure applied to the retainer ring is 5 psi (5.6 times the pressure applied to the wafer). In the case of (times), the polishing rate is 440 nm / min. That is, the polishing rate is approximately doubled. The non-uniformity when the pressure applied to the retainer ring is 5 psi (5.6 times the pressure applied to the wafer) is slightly larger than the non-uniformity when the pressure is low (2-4 psi). Yes. However, the non-uniformity is less than 4.5% for any retainer ring pressure. That is, good results are obtained.
以上の結果から判る通り、半導体装置の配線形成に本CMP方法を採用したならば、高い研磨速度が得られ、しかもウェーハ面内均一性に優れたCMPが行われている。 As can be seen from the above results, if the present CMP method is employed for forming the wiring of a semiconductor device, a high polishing rate can be obtained, and CMP with excellent in-wafer uniformity is performed.
次に、本発明のCMP方法を用いた半導体装置の配線形成について図6を参照しながら説明する。 Next, wiring formation of a semiconductor device using the CMP method of the present invention will be described with reference to FIG.
先ず、300mmφのSiウェーハの表面全面に、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、下地絶縁膜(500nm厚のSiO2)61を形成した。次いで、エッチングストッパ膜(50nm厚のSiCN膜)62を形成した。そして、回転塗布法を用いて塗料を塗布し、この後でプリベーク及びキュア処理を施して、膜厚が100nmで比誘電率が2.4の低誘電率絶縁膜(Low−k膜)63を形成した。この後、低誘電率絶縁膜63表面にHeプラズマ処理を行なった、そして、プラズマCVD法により、キャップ絶縁膜(50nm厚のSiO2)64を形成した(図6(a)参照)。
First, a base insulating film (500 nm thick SiO 2) 61 was formed on the entire surface of a 300 mmφ Si wafer by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition). Next, an etching stopper film (50 nm thick SiCN film) 62 was formed. Then, a paint is applied using a spin coating method, and then a pre-bake and a curing process are performed to form a low dielectric constant insulating film (Low-k film) 63 having a film thickness of 100 nm and a relative dielectric constant of 2.4. Formed. Thereafter, a He plasma treatment was performed on the surface of the low dielectric constant insulating
この後、塗布手段によりレジスト膜を設けた。そして、リソグラフィ工程およびドライエッチング工程を経て、絶縁膜(低誘電率絶縁膜63及びキャップ絶縁膜64)にCu配線用の溝を形成した(図6(b)参照)。
Thereafter, a resist film was provided by a coating means. Then, through a lithography process and a dry etching process, a trench for Cu wiring was formed in the insulating film (the low dielectric constant insulating
次に、スパッタリング法により、バリアメタル膜(10nm厚のタンタルナイトライド膜、その上に10nm厚のタンタル膜)65を設けた(図6(c)参照)。 Next, a barrier metal film (a 10-nm thick tantalum nitride film, and a 10-nm thick tantalum film thereon) 65 was provided by a sputtering method (see FIG. 6C).
この後、スパッタリング法により、バリアメタル膜65の上に50nm厚のCuシード膜を設け、次いで電解メッキ法によって300nm厚のCu配線膜66を設けた(図6(d)参照)。そして、250℃で3分間のアニール処理を行った。
Thereafter, a Cu seed film having a thickness of 50 nm was provided on the
この図6(d)に示されるパターンのウェーハに対して、図1,2のCMP装置を用いてCu配線膜66のCMPを行った。
The
Cu配線膜66の研磨条件は前述の通りである。図2に示した研磨ヘッドに加える圧力の中、ウェーハ(メンブレン)に加える圧力は、ゾーン1,2にあっては0.9psi、ゾーン3にあっては2.3psiである。そして、リテーナリングに加える圧力は2〜5psiである。すなわち、リテーナリングに加える圧力は、ウェーハ(ゾーン1,2)に加える圧力の2.2〜5.6倍であった。研磨定盤の回転数は60rpm、研磨ヘッドの回転数は55rpmであった。スラリは市販のCu用スラリである。そして、300ml/minの流量で研磨パッド上にスラリを供給した。尚、研磨前には9(lbf)の荷重で30秒間のex−situドレスを行った。Cu配線膜66の研磨はCMP装置に備えられている光学式の終点検出器を用いて、研磨終点(OP;0%)までの時間に対して20%の過剰研磨を行った。
The polishing conditions for the
上記研磨条件で図6(d)に示されたパターンウェーハのCu配線膜66が研磨された。この時、リテーナリングに加える圧力が2psi(ウェーハに加える圧力の2.2倍)の場合には、研磨終点までの時間が117秒間、過剰研磨時間が23秒間、合計140秒間であったのに対して、リテーナリングに加える圧力が5psi(ウェーハに加える圧力の5.6倍)の場合には、研磨終点までの時間が55秒間、過剰研磨時間が11秒間、合計66秒間であった。すなわち、本発明の条件でCMPを行ったならば、短時間でCMPが終了する。そして、CMP工程におけるスループットが大幅に向上した。更には、研磨時間の短縮化は、スラリ使用量の削減、研磨パッドやドレッサー等の消耗品の寿命向上効果を奏する。従って、CMP工程におけるコスト低減にも大きな貢献をする。
Under the above polishing conditions, the
しかも、本発明の条件のCMPの場合、ウェーハのCu配線膜研磨の際に、膜剥離やCu研磨残りと言った不良は認められなかった。 Moreover, in the case of CMP under the conditions of the present invention, no defects such as film peeling or Cu polishing residue were observed when polishing the Cu wiring film of the wafer.
11 研磨定盤
12 研磨パッド
13 研磨ヘッド
14 リテーナリング
15 半導体基板(ウェーハ)
16 ドレッサー
17 スラリ供給ノズル
21 研磨ヘッド
22 半導体基板(ウェーハ)
23 メンブレン
24 リテーナリング
61 下地絶縁膜
62 エッチングストッパ膜
63 低誘電率絶縁膜
64 キャップ絶縁膜
65 バリアメタル膜
66 Cu配線膜
11 Polishing surface plate 12 Polishing pad 13 Polishing head 14
16 Dresser 17 Slurry supply nozzle 21 Polishing head 22 Semiconductor substrate (wafer)
23 Membrane 24
Claims (3)
前記CMPに際して、
前記基板の中央部において加える圧力を0.05〜1.5psiとなし、
前記基板の外周に配置したリテーナリングに加える圧力を、前記基板の中央部において加えた圧力の3〜15倍とする
ことを特徴とするCMP方法。 A CMP method for processing a substrate by subjecting it to CMP,
During the CMP,
The pressure applied at the center of the substrate is 0.05 to 1.5 psi,
A CMP method characterized in that a pressure applied to a retainer ring disposed on an outer periphery of the substrate is 3 to 15 times a pressure applied at a central portion of the substrate.
ことを特徴とする請求項1のCMP方法。 2. The CMP method according to claim 1, wherein the substrate having a porous insulating film having a relative dielectric constant of 3 or less is processed by performing CMP.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2のCMP方法。
3. The CMP method according to claim 1, wherein the CMP method is used for forming a wiring of a semiconductor device.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017530560A (en) * | 2014-10-13 | 2017-10-12 | サンエディソン・セミコンダクター・リミテッドSunEdison Semiconductor Limited | Single-side polishing head with recess and cap, flexible in the center |
-
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