JP4575729B2 - エレクトロケミカルメカニカルポリッシングのための研磨パッド - Google Patents

Description

本発明は一般に、ケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）のための研磨パッドに関し、特に、エレクトロケミカルメカニカルポリッシング（ＥＣＭＰ）のための研磨パッドならびにそのための方法及びシステムに関する。

集積回路及び他の電子素子の製造においては、導体、半導体及び誘電体の多数の層を半導体ウェーハの表面に付着させたり、表面から除去したりする。導体、半導体及び誘電体の薄い層は、多数の付着技術によって付着させることができる。一般的な付着技術は、スパッタリングとも知られる物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、プラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）及び電気化学的めっき法（ＥＣＰ）を含む。

材料層が逐次に付着され、除去されるにつれ、ウェーハの一番上の表面が平坦でなくなる。後続の半導体加工（たとえばリソグラフィー）はウェーハが平坦な表面を有することを要するため、ウェーハは平坦化されなければならない。望ましくない表面トポグラフィー及び表面欠陥、たとえば粗面、凝集した材料、結晶格子の損傷、スクラッチ及び汚染された層もしくは材料を除去する際にはプラナリゼーションが有用である。

ＣＭＰは、半導体ウェーハのような基材を平坦化するために使用される一般的な技術である。従来のＣＭＰでは、ウェーハキャリヤ又は研磨ヘッドがキャリヤアセンブリに取り付けられ、ＣＭＰ装置中で研磨パッド（たとえば米デラウェア州NewarkのRodel社製のIC1000（商標）及びOXP4000（商標））と接する位置に配される。キャリヤアセンブリは、制御可能な圧をウェーハに供給して、ウェーハを研磨パッドに押し当てる。場合によっては外部駆動力（たとえばモータ）によってパッドをウェーハに対して動かす（たとえば回転させる）。それと同時に、薬品ベースの研磨流体（たとえばスラリー又は反応液）を研磨パッド上で、かつウェーハと研磨パッドとの間隙に流し込む。こうして、ウェーハ表面は、パッド表面及び研磨流体の化学的かつ機械的作用によって研磨され、平坦化される。

今日、集積回路（ＩＣ）製造においては、より微小な導体フィーチャ及び／又はスペーシングを必要とする、配線相互接続の密度増大の要望がある。さらには、多数の導電層及びダマシン加工を低誘電率絶縁体とともに使用するＩＣ製造技術がますます使用されている。このような絶縁体は、従来の誘電体よりも機械的靱性が劣る傾向にある。これらの技術を使用してＩＣを製造する際には、種々の層を平坦化することがＩＣ製造法における決定的な工程である。残念ながら、ＣＭＰの機械的側面は、層が研磨の機械的応力に対処することができないため、そのようなＩＣ基材を平坦化するその能力の限界に達しようとしている。特に、ＣＭＰ中には、研磨基材と研磨パッドとの物理的接触によって誘発される摩擦応力のせいで、下層キャップ及び誘電体のデラミネーション及び破壊が起こる。

上記のような、ＣＭＰに伴う機械的悪影響を緩和するため、一つの手法は、たとえば米国特許第５，８０７，１６５号明細書に記載されている技術を使用してＥＣＭＰを実施することである。ＥＣＭＰは、基材を金属層で平坦化するために使用される制御的電気化学的溶解法である。平坦化機構は、印加電圧を使用して金属をイオン化する（金属イオンＭ⁺を形成する）ことによる、基材表面への金属Ｍ（たとえば銅）の拡散が制御された吸着及び溶解である。ＥＣＭＰを実施する際には、基材金属層から金属原子を電気拡散させるための電位を、ウェーハと研磨パッドとの間に発生させなければならない。これは、たとえば、基材キャリヤ（陽極）とプラテン（陰極）との間に電流を供給することによって実施することができる。

残念ながら、従来の研磨パッドは、ＥＣＭＰに必要な高い電流密度を支持することにおいては効果的でない。さらに、従来の研磨パッドは、ＥＣＭＰ法の効率を高めるために電流によって発生する電場を集束させることにおいては効果的でない。したがって、要望されているものは、上記欠点を解消するＥＣＭＰのための研磨パッドである。

第一の態様で、本発明は、研磨パッドの研磨面に形成された、研磨パッド上の研磨流体の流動を促進するように適合された複数の溝と、溝の中に形成された導電層とを含み、導電層が互いに電気的に連絡している、導電性基材のエレクトロケミカルメカニカルポリッシングのための研磨パッドに関する。

第二の態様で、本発明は、研磨面に形成された複数の溝を有する研磨パッド（ここで、溝は、研磨パッド上の研磨流体の流動を促進するように適合されており、溝の中に導電層が形成されており、導電層は互いに電気的に接続されている）を用意する工程と、基材と研磨面との間に電解研磨流体を供給する工程と、導電層及び基材に電流を供給する工程と、少なくとも研磨パッド又は基材を動かしながら基材を研磨面に押し当てる工程とを含む、導電性基材のエレクトロケミカルメカニカルポリッシングを実施する方法に関する。

第三の態様で、本発明は、研磨される基材を支持するためのキャリヤと、基材を研磨するための研磨パッドを支持するためのプラテンと、キャリヤとプラテンとの相対運動を提供するためのモータと、基材と研磨パッドとの間に電解研磨流体を供給するための供給装置と、基材及び研磨パッドに電気的に接続された、それらの間に電流を供給するための電流源とを含み、ここで、研磨パッドが、研磨パッドの研磨面に形成された、研磨パッド上の研磨流体の流動を促進するように適合された複数の溝と、溝の中に形成された導電層とを含み、導電層が互いに電気的に連絡している、導電性基材のエレクトロケミカルメカニカルポリッシングを実施するためのシステムに関する。

図面を参照すると、図１は、ＥＣＭＰシステムの一部として示す本発明の研磨パッド４の断面図である。パッド４は、上面８及び下面１０を有している。上面８は研磨面として働く。研磨パッド４は、プラテン１２の上面１４によって支持されている。金属層１８を有する基材（たとえばウェーハ）１６が基材キャリヤ１９に保持され、パッド上面８に接触又は極めて接近して配置されている。電解研磨流体２０が、研磨パッド上面８と基材金属層１８との間に位置している。

研磨パッド４は、従来の研磨パッド材料、たとえばポリウレタンでできている。特に、研磨パッド４は、熱可塑性又は熱硬化性材料でできていることができる。たとえば、パッド４は、ナイロン、合成樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニル、ポリエチレン、ポリアミド、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリメタクリレート及びコポリマー、たとえばアクリロニトリル−ブタジエン−スチレンでできていることができる。例示的な実施態様では、研磨パッド４は、厚さ１．５〜２．５mmである。また、たとえば、研磨パッド４は、２５MPaを超える弾性率値、２５を超えるショアＤ硬さ値及び２％未満の圧縮率値を有する。

研磨パッド４には、それぞれ内面２５を有する溝２４が形成されている。複数の溝（以下「溝」）２４は、多数の形及び幾何学形態（パッドを上から見下ろした場合）のいずれか一つ、たとえばらせん、同心円、ｘ−ｙ格子、放射状などを有することができる。さらに、溝２４は、多数の断面形状のいずれか一つ、たとえばＶ字形又はＵ字形を有することができる。溝２４は、研磨パッド上の研磨流体の流動を促進するように適合されている。

溝２４は、その中に形成され、一つ以上の側面２８を有する導電性部分（導電層）２６を含む。例示的な実施態様では、導電層２６は、金属（Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕなど）、合金、グラファイト、炭素及び導電性ポリマーの１種以上を含む。導電層２６は、導電性部分２６と基材１６との間に電位が発生したとき、パッド上面又はその近くの導電性物質（たとえば電解研磨流体２０又は金属層１８）と電気的に連絡することができる電極（陰極）として働く。溝２４と、その中に形成された対応する導電層２６との組み合わせが、以下「導電溝」３０と称するものを構成する。

図２Ａ〜２Ｄは、研磨パッド４に導電溝３０を形成するための例示的な方法を示す断面図である。図２Ａを参照すると、たとえば上面をエッチング、切削（たとえばレーザ切削）、エンボス加工又はフライス削りすることにより、溝２４が上面８に形成されている。例示的な実施態様では、溝２４は、約０．１〜２５mmのピッチ（すなわち、溝と溝との中心間距離）を有するように形成される。さらには、例示的な実施態様では、溝２４は、約０．０５〜２．５mmの幅及び約０．１〜１．５mmの深さを有する。

図２Ｂでは、上面８の上に、導電性材料の層４０が適合するように付着されて、溝２４の内面２５を覆っている。層４０は、プラスチック上に金属層を形成するために使用される従来技術のいずれか一つ、たとえば真空スパッタリング、蒸着又は触媒コーティング（たとえばパラジウム）付着後の金属の無電解めっきを使用して形成することができる。層４０に好ましい材料は、銅、銅ベースの合金、炭素ならびに貴金属、たとえばロジウム、白金、銀、金及びそれらの合金を含む。一般に、層４０は、研磨中の化学的攻撃に抵抗することができ、しかもウェーハのスクラッチを避けるのに十分に軟質である導体である。層４０は、ＥＣＭＰ法で使用される電流密度を扱うのに十分な厚さでなければならない。例示的な実施態様では、層４０は、約１０〜１３０ミクロンの範囲の厚さを有する。

次に図２Ｃを参照すると、溝の中の導電性部分２６だけが残るように層４０が加工（たとえば研磨、コンディショニング及び／又はエッチング）されている。このようにして、電流源４１によって発生する基材１６と導電層２６との間の電場が効果的に集束する。図２Ｄに示す例示的な実施態様では、導電性部分２６は、導電性部分２６が溝２４全体を満たさないよう、選択的にエッチングされている。換言するならば、導電性部分２６のうち、上面８にもっとも近い、内面２５の一番上の部分だけが除去されている。

再び図１を参照すると、各導電層（陰極）２６が電気接続システム５０を介して電流源４１の負端子４４に接続されている。基材キャリヤ１９がライン４８を介して電流源４１の正端子４６に接続され、実質的に基材１６（より具体的には金属層１８）を陽極として働かせている。したがって、導電性の研磨流体２０によって、又は金属層１８及び導電層２６との直接の電気的接触によって、陽極（基材）と陰極（導電層２６）との間に電気接続（回路）が確立する。

特定のタイプのＥＣＭＰシステム（回転研磨システム、オービタル研磨システム、リニアベルト研磨システム及びウェブベースの研磨システム）では、研磨パッドが電流源に対して回転する。したがって、さらに図１を参照すると、同図に示されているＥＣＭＰシステムは、研磨パッド４が電流源４１に対して動く場合でも導電溝３０と電流源４１との間に電気接触を維持するように適合されている、前述の電気接続システム５０を含む。電気接続システム５０は、種々のタイプの研磨システムに伴う、種々のパッド運動を受け入れるように適合されている。たとえば、回転研磨装置、たとえばIPEC472、AMAT Mira、Speedfam Auriga、Strasburg 6DSでは、サイドマウント接続、プラテン貫通接続又は終点ケーブル設置が使用される。

例示的な実施態様では、研磨パッド４は、上層４Ａ及び下層４Ｂ（破線によって分けて示す）を含み、導電溝３０が上層に形成され、電気接続システム５０の一部としての配線網５２が下層に形成されている。配線網５２は、導電溝３０を電流源４１に接続する。例示的な実施態様では、これらの接続は、電気コネクタ５４及び周辺リード５６を使用して形成される。

配線網５２は、リソグラフィー技術を使用して形成することができ、第一の絶縁層をパッドの層４Ｂの上面６０にスピンコートしたのち、パターンエッチングして、導電溝３０の特定の形状に合致するように設けられたトレンチを形成する、そして、トレンチを導電性材料で埋めると、配線網５２が形成する。

図３を参照すると、例示的な実施態様で、パッドの層４Ａの下面６２にビア６９が形成されている。そして、ビア６９が導電性材料で埋められると、導電溝３０の各導電層２６に接続されたリード７０が形成する。そして、パッドの上層４Ａとパッドの下層４Ｂとが合わされて、配線網５２とリード７０との間に電気接続が設けられる。そして、電気コネクタ５４が配線網５２及び電流源４１に接続される。

次に図４を参照すると、もう一つの例示的な実施態様で、溝が、（主）導電溝３０に結合する導電性の副溝（sub-groove）８０を含む。図４に示す例の場合、研磨パッド４は、同心円状の導電溝３０と、さもなければ電気的に隔離される同心的な導電溝３０同士を電気的に接続する放射状の導電性副溝８０とを有している。

次に図５を参照すると、図１の要素を含み、研磨流体２０を付着させるための研磨流体送出しシステム（供給装置）２０４をさらに含む、ＥＣＭＰシステム２００の斜視図が示されている。研磨パッド４は、例示のために円形の導電溝３０を有するものとして示されている。さらに、ＣＭＰシステム２００は回転システムであるが、以下に論じる原理は他のタイプのＣＭＰシステム、たとえばリニア又はウェブシステムにも適用される。

システム２００の動作中、基材（たとえばウェーハ）１６が基材キャリヤ１９に装填され、研磨面８の上方に配置される。電解研磨流体２０が研磨流体送出しシステム２０４から研磨パッド４の研磨面８に流される。そして、基材キャリヤ１９が降下して、基材１６を研磨面８に押し当てる。その後、たとえばプラテン１２の回転及び／又は基材キャリヤ１９の回転により、研磨パッド４及び／又は基材キャリヤ１９を相対運動させる。電流（ＡＣ又はＤＣ）が、電流源４１からライン４８（たとえばワイヤ）を介して、たとえば基材キャリヤ１９中の陽極２２０ならびに電気接続システム５０の電気コネクタ５４及び配線網５２に流される。陽極２２０と基材１６との隣接が金属層１８を陽極性にする。

電解研磨流体２０が、溝２４中の導電層２６及び基材１６の金属層１８と接触すると、電気回路が形成する。導電層（陰極）２６の負電位に応答して、金属イオンが金属層１８を離れて移動する。金属イオン移動効果は、金属層のうち、導電層（陰極）２６にもっとも近い領域に局所化する。基材を研磨面８に対して動かすことにより、移動効果を金属層１８全体に分散させる。

基材１６の金属層１８からの金属の除去速度は、一部には、電流源４１によって供給される電流密度及び電流波形によって決まる。金属層１８は、基材１６と導電溝３０との間の電位によってイオン化する。金属イオンは、研磨面８（導電溝３０を中に含む）と金属層１８との間に流れる電解研磨溶液２０に溶解する。金属溶解速度は、電流源４１によって供給される電流密度に比例する。エレクトロポリッシングの除去速度は、研磨電流密度の増大とともに増大する。しかし、電流密度が増大するにつれ、基材１６中に形成された微小電子部品を損傷する確率が高まる。例示的な実施態様では、約０．１〜１２０mA/cm²の範囲の電流密度が使用される。比較的高い金属除去速度が望まれる例示的な実施態様では、電流密度は約３０〜１２０mA/cm²である。比較的低い金属除去速度が望まれる例示的な実施態様では、電流密度は約０．１〜３０mA/cm²である。

研磨又は平坦化は電気化学反応を利用するため、基材キャリヤ１９によって加えられる下向きの力は、従来のＣＭＰを実施するために必要なものよりも小さい。したがって、接触摩擦は従来のＣＭＰの場合よりも小さく、その結果、露出した金属層及び下に位置する層に対する機械的応力が減少する。

例示的な実施態様では、ＥＣＭＰシステム２００を使用して基材１６の研磨を開始する場合、バルク金属層１８を速やかに除去するために比較的高い除去速度が使用される。（たとえば光学終点検出によって）金属層１８の大部分が除去された（たとえば下に位置する層のブレークスルーを検出することによって）と判断されると、システムパラメータが変更されて除去速度が下がる。そして、電流源４１によって生成される種々の電流波形（たとえばパルス、双極パルス、振幅可変性パルス、連続流、定電圧、交互極性、変形正弦波及びその他の波形）を使用して、電気めっき中に生じた厚さの変化が研磨又は平坦化される。例示的な実施態様では、異なる電流密度及び波形が、局所化した金属移動と合わさって、さもなければ不均等な基材への金属付着が平滑化される。

多くの場合、金属層１８は電気めっきによって形成され、中心よりも縁がより厚い、厚みのプロフィールを有している。したがって、例示的な実施態様では、金属層からの金属の除去速度は、導電溝の場所に依存して異なる量の電流を導電溝に供給することにより、金属層１８全体で変化させる。特に、例示的な実施態様では、種々の研磨パッドゾーンを画定し、各ゾーンの導電溝に異なる電流を印加することにより、選択的な金属除去が達成される。例示的な実施態様では、印加される電流は、金属層の厚みのプロフィールに比例して供給される。

例示的な実施態様では、研磨の不均一さを減らすため、基材キャリヤ１９だけを回転させる。もう一つの例示的な実施態様では、プラテン１２だけを回転させる。さらに別の例示的な実施態様では、基材キャリヤ１９及びプラテン１２の両方を回転させる。

さらに図５を参照すると、例示的な実施態様で、研磨パッド４が透明な窓３００を含み、システム２００が、その窓を介して基材１６と光学的に連絡する光学終点検出システム３１０を含む。光学終点検出システムの一例は、Applied Materials社（米カリフォルニア州San Jose）製のMirra ISRMシステムである。検出システム３１０は、窓がシステム３１０及び基材と整合したとき、光線３１２を窓３００に通して基材１６に送る。システム３１０は、基材から反射した光線３１４を検出して、金属層１８の下に位置するパターンが露出しているかどうかを判断する。システム３１０は、電流源４１に結合しており、電流源４１によって供給される電流密度の選択的印加及び制御を可能にして、基材１６内に埋め込まれた微小電子部品（図示せず）に対する損傷を減らす。

終点検出は一般に、研磨加工を終了又は変更するために使用される。例示的な実施態様では、終点検出は、残留金属の島の部分（すなわち、バルク除去の後に残る金属層１８の部分）を研磨するため、電流源４１からの制御された電流とともに使用される。金属層１８の「ブレークスルー」ののちの高い電流の使用は、基材１６中に形成された電子部品を損傷するおそれがある。終点検出を実施するためのもう一つの技術は、研磨中に基材１６と導電溝３０との間の抵抗値をモニターすることを含む。

したがって、本発明は、導電性基材のエレクトロケミカルメカニカルポリッシングのための研磨パッドならびにそのための方法及びシステムを提供する。パッドは、研磨パッドの研磨面に形成された、研磨パッド上の研磨流体の流動を促進するように適合された複数の溝を含む。各溝の中に導電層が形成され、互いに電気的に連絡している。研磨パッドは、ＥＣＭＰに必要な高い電流密度を支持し、電流によって発生する電場を集束させてＥＣＭＰ法の効率を高めることにおいて有効である。

ＥＣＭＰシステムの一部として示す本発明の研磨パッドの例示的な実施態様の断面図である。 本発明の研磨パッドを形成する例示的な方法の断面図である。 本発明の研磨パッドを形成する例示的な方法の断面図である。 本発明の研磨パッドを形成する例示的な方法の断面図である。 本発明の研磨パッドを形成する例示的な方法の断面図である。 導電リードが中に形成されている本発明の例示的な研磨パッドの断面図である。 本発明の例示的な研磨パッドの平面図である。 本発明の研磨パッドを使用するもう一つのＥＣＭＰシステムの斜視図である。

Claims (3)

1. 研磨パッドの研磨面に形成された、前記研磨パッド上の研磨流体の流動を促進するように適合された複数の溝と、
   溝の中に形成された導電層と
   を含み、導電層が互いに電気的に連絡している、導電性基材のエレクトロケミカルメカニカルポリッシングのための研磨パッド。
2. 研磨面に形成された複数の溝を有する研磨パッド（ここで、溝は、研磨パッド上の研磨流体の流動を促進するように適合されており、溝の中に導電層が形成されており、導電層は互いに電気的に接続されている）を用意する工程と、
   基材と研磨面との間に電解研磨流体を供給する工程と、
   導電層及び基材に電流を供給する工程と、
   少なくとも研磨パッド又は基材を動かしながら、基材を研磨面に押し当てる工程と
   を含む、導電性基材のエレクトロケミカルメカニカルポリッシングを実施する方法。
3. 研磨される基材を支持するためのキャリヤと、
   基材を研磨するための研磨パッドを支持するためのプラテンと、
   キャリヤと前記プラテンとの相対運動を提供するためのモータと、
   基材と研磨パッドとの間に電解研磨流体を供給するための供給装置と、
   基材及び前記研磨パッドに電気的に接続された、それらの間に電流を供給するための電流源と
   を含み、
   ここで、研磨パッドが、
   研磨パッドの研磨面に形成された、研磨パッド上の研磨流体の流動を促進するように適合された複数の溝と、
   溝の中に形成された導電層と
   を含み、かつ
   導電層が互いに電気的に連絡している
   導電性基材のエレクトロケミカルメカニカルポリッシングを実施するためのシステム。

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