JP6076458B2 - 半導体ウェハ上のメタル層をストレスフリー研磨するためのノズル - Google Patents

Description

本発明は、ノズルに関し、特に半導体ウェハ上のメタル層をストレスフリー研磨するためのノズルに関する。

半導体装置は、電子産業において広く用いられている。半導体装置は、一般に半導体ウェハと呼ばれる半導体材料の上に生産又は製造される。電子回路である半導体装置を形成するために、半導体ウェハには複数回のマスク形成、エッチング、銅の埋め込み、研磨等が行われる。

従来、研磨工程では、半導体ウェハ上の銅層を除去するために、化学機械研磨（ＣＭＰ）が用いられている。ＣＭＰの装置は、回転可能なテーブル、テーブル上に設けられた研磨パッド、研磨するウェハを保持するウェハキャリアヘッド、及びウェハと研磨パッドとの間にスラリーを供給するスラリー供給機を有している。研磨パッドに抗してウェハを押さえるために、ウェハキャリアヘッドに下向きの力が加えられる。これにより、ウェハは研磨パッドに対して相対的に回転させられる。さらに、ウェハは研磨される。

しかし、半導体装置の継続的な小型化のために、low-Ｋ誘電体材料又はエアギャップ構造が半導体装置に適用されている。一方、low-Ｋ誘電体材料及びエアギャップ構造はいずれも機械的に弱く、ＣＭＰプロセスにおいてウェハキャリアヘッドによる加えられる下向きの力は、low-Ｋ誘電体材料ひいては半導体装置にダメージを与える。

上記の問題を解決するために、ストレスフリー研磨（ＳＦＰ）技術が極小半導体装置の製造ために提示され、適用されている。ストレスフリー研磨技術は、機械的な力を加えることなく不要な銅層を除去するための、電気化学的な研磨作用に基づく技術であり、半導体ウェハ上のlow−Ｋ誘電体層へのダメージを回避でき、半導体装置の品質が向上する。ＳＦＰ装置は、機械的な駆動及び制御システムと、電解液の供給システムと、電源及びその制御システムとを有している。ＳＦＰプロセスにおいて、化学物質の溶液が電解液として用いられ、それは研磨される銅層の表面にノズルにより吐出される。

しかし、一般的なノズルは、重大な問題を有している。ノズルを電極として用いてウェハを研磨する場合、気泡がノズルにおいて発生しやすく、気泡は電解液と共にウェハに吐出される。これは、ウェハ表面の粗度の低下及び欠陥の原因となる。

図６は、ノズルを用いて研磨した後のウェハの表面を部分的に拡大して示している。図から明らかなように、ウェハ表面には２つの凹部が存在している。２つの凹部は、気泡によって生じたものである。図７は、表面形状測定法によりウェハ表面を測定した結果である。図には、大きな山と谷が現れている。大きな山は、ウェハの気泡に覆われた領域を示している。大きな谷は、凹部の領域を示している。研磨工程において、気泡は、電解液がウェハ表面に直接接触することを妨げる。このことは、気泡に覆われた領域が研磨されない原因となる。同時に、気泡に覆われた領域の電荷は、消費されず、隣接する領域に移動する。これにより、隣接する領域は大きく研磨され、凹部が形成される。凹部は半導体装置の特性に深刻な影響を与える。

さらに、ウェハ表面における電解液が供給される範囲とその形状は、十分に制御することができない。これは、銅層の除去速度及び除去の均一性に影響を与える。また、研磨工程の種々の要求も満たさない。

従って、本発明の目的の一つは、半導体ウェハ上の金属層をストレスフリー研磨するためのノズルを実現することでである。研磨工程において電解液を帯電させ且つ吐出するノズルは、絶縁性基盤と、導電性本体と、絶縁性ノズルヘッドとを有する。絶縁性基盤は、基盤を貫通する貫通孔を有している。電解液を帯電させるために、電源の負極と接続された導電性本体は、絶縁性基盤の上に配置された固定部を有している。固定部は、絶縁性基盤の貫通孔に挿入される受け入れ部を形成するように突出している。受け入れ部は、受け入れ部及び固定部を貫通する受け入れ孔を有している。絶縁性ノズルヘッドは、導電性本体の上に位置し、絶縁性基盤に組み付けられたカバーと、カバーを通って延び、帯電した電解液が研磨のために吐出される主流路となるチューブとを有している。チューブは、受け入れ孔に挿入され、導電性本体の受け入れ孔から延びている。受け入れ部の内表面と、チューブの外表面との間に副流路が形成されている。

上記のように、本発明は、２つの流路を有し、電解液はチューブによって２つの流れに分岐される。電解液の一方の流れは、絶縁性ノズルヘッドの主流路を通り、金属層と反応するように、チューブの吐出口から、ウェハ表面に吐出される。これにより、金属層は機械的な力を受けることなく研磨され、除去される。電解液の他方の流れは、副流路を通りウェハ表面に吐出されずに再循環される。チューブは、導電性本体の受け入れ孔へ延びており、気泡が発生して主流路に侵入して電極に付着することを回避できる。このように、気泡は副流路を通る電解液の他方の流れにより運ばれ、絶縁性ノズルヘッドのカバーによって還流される。これにより、気泡がウェハ表面に吐出されることを回避できる。ウェハの研磨面の粗度は、大きく改善される。一方、研磨工程の種々の要求を満たすように、チューブの吐出口は円形、三角形、四角形、六角形又は八角形等の種々の形状とすることができるので、ウェハ表面における電解液の供給範囲及び供給形状を十分に制御することができる。これにより、半導体ウェハ上の金属層の除去速度及び除去の均一性を改善することができる。

本発明は、添付の図面を参照して、以下の好ましい実施形態の記載を読み込むことにより当業者に明確となるであろう。

図１は本発明のノズルの斜視図である。 図２はノズルの分解図である。 図３はノズルの正面図である。 図４はノズルの底面図である。 図５はノズルの断面図である。 図６は一般的なノズルを用いて研磨されたウェハの表面の部分拡大図である。 図７は表面形状測定法により図６の部分を測定した測定結果である。

図１には、本発明の半導体装置の製造プロセスにおいて半導体ウェハ上の金属層のストレスフリー研磨に用いられるノズルが記載されている。ノズルは、実質的にキノコ状の絶縁性ノズルヘッド１０と、導電性本体２０と、研磨チャンバー（図示せず）のボトムプレート上に設けられた絶縁性基盤３０とを有している。絶縁性基盤３０は、絶縁性ノズルヘッド１０及び絶縁性基盤３０と絶縁性ノズルヘッド１０との間に設けられた導電性本体２０を保持している。本発明の理解が容易となるように、ノズルについて以下で詳細に説明する。

図１〜４に示すように、絶縁性ノズルヘッド１０は、プロペンポリマー（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等からなる。絶縁性ノズルヘッド１０は円盤状のカバー１１及びカバー１１の中央部から垂直に延びノズルに挿入されたチューブ１２を有している。チューブ１２の上端部は、電解液がウェハ表面に吐出される吐出口となっている。チューブ１２の吐出口は、円形状である。研磨工程における種々の要求事項に基づいて、突出口の形状は変えることができ、円形のみならず、三角形、四角形、六角形又は八角形等にすることができる。チューブ１２は、その内部を貫通する主流路１２１を構成する。３つのねじ穴１３がカバー１１に設けられている。

導電性本体２０は導電性が良好で、電解液による腐食に耐えると共に電解液と反応しない、ステンレス鋼又はアルミ合金等の材料からなる。導電性本体２０は固定部２１を有している。固定部２１の中央部は、その内部及び対応する固定部２１を貫通する受け入れ孔２２１を構成する円筒形の受け入れ部２２を形成するように下向きに突出している。３つの固定穴２３及び２つの第２のねじ穴２４は、それぞれ固定部２１に対称に配置されている。

絶縁性基盤３０は、基部３１を有している。基部３１の相対する２つの側壁は、それぞれ２つの位置決め部３１１を形成するように外側に張り出している。３つの第３のねじ穴が、位置決め部３１１のそれぞれに設けられている。基部３１の中央部は円筒形状の保持部３２を形成するように上側に突出している。３つの中空ロッキング部３２１が保持部３２の上面に形成されている。２つの接続孔３２２が、保持部３２の上に、保持部３２と基部３１を貫通するように対称に設けられている。保持部３２の中央部は、その内部及び基部３１を貫通する貫通孔３２３となっており、３つの中空ロッキング部３２１及び２つの接続孔３２２に囲まれている。

図１〜５に示すように、組立の際に、導電性本体２０の受け入れ部２２は、絶縁性基盤３０の保持部３２の貫通孔に挿入されている。また、固定部２１は保持部３２の上面に配置されている。中空ロッキング部３２１は、それぞれ導電性本体２０と絶縁性基盤３０とを固定するように固定孔２３を貫通している。絶縁性ノズルヘッド１０のチューブ１２は、受け入れ孔２２１に挿入され、受け入れ孔２２１から延びている。副流路は、受け入れ部２２の内周面とチューブ１２の外周面との間に形成されている。３つの絶縁性のねじ６０が設けられ、絶縁性ノズルヘッド１０の第１のねじ穴１３に挿入され、さらに絶縁性ノズルヘッド１０を絶縁性基盤３０に固定するように、中空ロッキング部３２１のそれぞれに挿入されている。２つの導電性のねじ４０が設けられ、第２のねじ穴２４に挿入され、さらに絶縁性基盤３０の接続孔３２２に挿入されている。２つの導電性のスプリングピン７０が設けられ、それぞれが接続孔３２２の底側から接続孔３２２に挿入されている。２つの樹脂製保護スリーブ７１が設けられ、接続孔３２２の中に挿入されている。保護スリーブ７１はスプリングピン７０を保護するようにスプリングピン７０を囲んでいる。スプリングピン７０の頭端は導電性のねじ４０のねじ先に接続されている。そして、スプリングピン７０の底端は、ボトムプレートに挿入され、導電性本体２０に電流を供給する外部ケーブルと接続されている。２つの絶縁性Ｏリング５０が設けられ、接続孔３２２への電解液の浸入並びにスプリングピン７０及びケーブルの腐食を回避するために、絶縁性基盤３０とボトムプレートとの間において接続孔３２２に配置されている。絶縁性基盤３０は、第３のねじ穴３１２に挿入された６つのねじによりボトムプレートに固定されている。６つのねじは、電解液による腐食に耐えることができる。

ストレスフリー研磨工程において、半導体ウェハ上において研磨される金属層は、銅又は銅合金が好ましく、ノズルの上側に配置され、正電極となる。ノズルの導電性本体２０は、負電極となる。電流は、ケーブル、スプリングピン７０及び導電性のねじ４０を介して導電性本体２０に供給される。電解液として用いられる化学物資の液体は、ノズルから供給され、導電性本体２０により帯電する。帯電した電解液は、チューブ１２によって２つの流れに分岐される。電解液の一方の流れは、絶縁性ノズルヘッド１０の主流路１２１を通り、金属層と反応するようにチューブ１２の吐出口からウェハの表面に吐出される。そして、金属層は、機械的な力を受けることなく研磨され、除去される。電解液の他方の流れは、副流路を通りウェハ表面に吐出されずに再循環される。

一般に、研磨工程においては、気泡が容易に発生し、電極に付着する。本発明においては、チューブ１２が負電極として用いられる導電性本体２０の受け入れ孔２２１にチューブ１２が延びており、チューブ１２は主流路１２１における気泡の発生を回避できる。このため、気泡は、副流路を通る電解液の他方の流れによって運ばれ、絶縁性ノズルヘッド１０のカバー１１により還流される。これにより、ウェハの表面への気泡の吐出が回避される。従って、ウェハ研磨面の粗度は大きく改善する。また、チューブ１２の吐出口は研磨工程の種々の要件を満たすように円形、三角形、四角形、六角形、八角形といった種々の形状にすることができ、ウェハ表面における電解液の供給範囲及び供給形状を十分に制御することができる。これにより、半導体ウェハ上における金属層の除去速度及び除去の均一性を改善することができる。

本発明の以上の説明は、例示および説明の目的で提示されている。それは、網羅すること又は記載された形態の発明への限定を意図するものではなく、多くの変更及び変形が上記の教示により可能である。当業者にとって明らかであるこのような変更及び変形は、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲内に含まれることを意味する。

Claims (11)

1. ストレスフリー研磨工程において電解液を帯電させ且つ吐出するノズルは、
   貫通孔を有する絶縁性基盤と、
   電解液を帯電させるために電源の負極と接続された負電極であり、前記絶縁性基盤の上に配置された固定部を有し、前記固定部が前記絶縁性基盤の前記貫通孔に挿入される受け入れ部を形成するように突出し、前記受け入れ部が前記受け入れ部及び前記固定部を貫通する受け入れ孔を構成している、導電性本体と、
   前記導電性本体の上に位置し、前記絶縁性基盤に組み付けられたカバーと、前記カバーを通って延び、帯電した電解液が研磨のために吐出される主流路となるチューブとを有し、前記チューブが前記受け入れ孔に挿入され、前記導電性本体の前記受け入れ孔から延びており、前記受け入れ部の内表面と前記チューブの外表面との間に副流路が形成される、絶縁性ノズルヘッドとを備え、
   前記電解液は、前記チューブにより２つの流れに分岐され、
   前記電解液の一方の流れは、前記絶縁性ノズルヘッドの前記主流路を通り、研磨のために吐出され、
   前記電解液の他の方の流れは、前記副流路を通り、吐出されずに再循環される、ノズル。
2. 前記絶縁性基盤は、貫通する少なくとも１つの接続孔を有し、
   前記導電性本体の前記固定部は、少なくとも１つの第２のねじ穴を有し、
   少なくとも１つの導電性のねじが、前記導電性本体の前記第２のねじ穴に挿入され且つ前記絶縁性基盤の前記接続孔に挿入されており、
   少なくとも１つの導電性のスプリングピンが、前記接続孔に挿入され、
   前記スプリングピンの一端が、前記導電性のねじと接続され、
   前記スプリングピンの他端が、前記電解液を帯電させるために前記導電性本体に電流を供給する前記電源と接続されている、請求項１に記載のノズル。
3. 前記接続孔への前記電解液の浸入並びに前記スプリングピン及び前記電源の腐食を回避するために前記絶縁性基盤の前記接続孔に配置された、少なくとも１つの絶縁性シールリングをさらに備えている、請求項２に記載のノズル。
4. 前記絶縁性基盤の前記接続孔に挿入され、前記スプリングピンを囲む、少なくとも１つの樹脂製保護スリーブをさらに備えている、請求項３に記載のノズル。
5. 前記絶縁性基盤は、基部を有し、
   前記基部の中央部は、保持部を形成するように突出しており、
   前記貫通孔及び前記接続孔が、前記保持部にそれぞれ設けられ、前記絶縁性基盤を完全に貫通している、請求項２〜４のいずれか１項に記載のノズル。
6. 前記保持部は、前記貫通孔の周囲に中空ロッキング部を有し、
   前記導電性本体の前記固定部は、貫通する固定孔を有し、
   前記中空ロッキング部は、前記固定孔に受け入れられ、前記固定孔を貫通している、請求項５に記載のノズル。
7. 前記絶縁性ノズルヘッドの前記カバーは、第１のねじ穴を有し、
   絶縁性のねじが前記第１のねじ穴に挿入され且つ前記中空ロッキング部に挿入されている、請求項６に記載のノズル。
8. 前記チューブは、前記電解液がウェハに吐出される吐出口である上端口を有し、前記吐出口の形状は、円形状、三角形状、四角形状、六角形状及び八角形状のいずれか１つである、請求項１〜７のいずれか１項に記載のノズル。
9. 前記絶縁性ノズルヘッドは、プロペンポリマー（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる、請求項１〜８のいずれか１項に記載のノズル。
10. 前記導電性本体は、良導電性で、耐食性で、電解質に対して非反応性である材料からなる、請求項１〜９のいずれか１項に記載のノズル。
11. 前記材料は、ステンレス鋼又はアルミニウム合金である、請求項１０に記載のノズル。