JP2009136926A - コンディショナおよびコンディショニング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体デバイスのＣｕ配線工程において、安定した研磨性能を発揮するＣＭＰパッド用のコンディショナを提供することである。
【解決手段】 台金の表面に、平均粒径３０μｍ 〜１０００μｍ のダイヤモンド砥粒がニッケルめっき、又はロウ材を主成分とする結合材により単層固着されたＣＭＰ用パッドコンディショナで、超砥粒にその結晶面が（１００）面および（１１１）面の両方にて構成される六八面体のものを４０重量％以上含有させることで、パッドの消耗量を低減し、かつパッド表面がより平滑に仕上がり事でＣｕ膜のＣＭＰ工程にて安定した研磨性能を発揮する。六八面体をなす超砥粒の形状は、（１１１）面と（１１１）面にてなす稜線の長さをＡ、（１００）面と（１１１）面にてなす稜線の長さをＢとしたとき、０≦Ａ≦２Ｂの関係を満たすことが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コンディショナに関し、特に、半導体製造工程のひとつであるＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）用、特にＣｕ膜のＣＭＰ用研磨パッドのコンディショナに関するものである。

ＣＭＰは、シリコンウェーハ上に半導体素子を形成するデバイス工程において、多層配線部を遊離砥粒による研磨にて平坦化する工程である。平坦化する層の材質には配線間の絶縁用の酸化膜として二酸化珪素、配線材料としてタングステンおよび銅などが挙げられる。それらの各種材料はデバイスウェーハ上に成膜した後にＣＭＰによって平坦化される。ＣＭＰには、酸性又は塩基性水溶液にシリカやアルミナなど微粒子を混濁させたスラリーと、発泡ポリウレタンやポリエステル不織布等からなる研磨パッドが用いられる。各種成膜した層を研磨すると研磨パッドの表面に目詰りが生じることにより、研磨速度の低下やウェーハ上の微小な欠陥の発生が問題となってくるため、常時又は定期的に研磨パッド表面を研削して、目詰りを解消する必要が生じる。ここに使われるのがＣＭＰコンディショナであり、円板状あるいはリング状の金属製台金の表面にダイヤモンドなどの超砥粒が単層固着されたものを用いる。

従来の酸化膜のＣＭＰにおけるコンディショニングでは、コンディショナの切れ味が重視され、鋭利な切れ刃を備えるコンディショナが用いられてきた。その理由として、鋭利な切れ刃を備えるコンディショナの方が短時間で効率良く研磨パッド上の目詰まりを除去し、かつ研磨パッド表面をより粗く仕上げられる事により、高い研磨速度が得られる点にある。研磨パッド表面の凹凸が大きいとウェーハに接触する面積が小さくなり、ウェーハとの接点にかかる圧力が大きくなる事により研磨レートが高くなると考えられる。

四面体又は八面体形状をもつ超砥粒を用いたＣＭＰコンディショナに関するものでは、それらの形状の鋭利性を生かして研磨パッドに対する研削能力を高め、酸化膜の高い研磨レートを得られることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

別の、六八面体のダイヤモンド砥粒を用いたＣＭＰコンディショナでは、研磨パッドに対する研削能力を高める目的でなされたＣＭＰコンディショナが知られている（例えば、特許文献２参照）。

また別の、研削能力を高める目的でなされたＣＭＰコンディショナとしては、台金を凸形状にすることにより、研磨パッドへの加工圧力を集中させ、研磨パッドに対する研削能力を高めたＣＭＰコンディショナが知られている（例えば、特許文献３参照）。

さらに別の、研削能力を高める目的でなされたＣＭＰコンディショナとしては、台金表面に円柱状の突起部を複数配置することにより研磨パッドへの加工圧力を高めて研磨パッドに対する研削能力を高めたＣＭＰコンディショナが知られている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００２−１２７０１１号公報 特開２００１−７１２６７号公報 特許第３２９５８８８号公報 特許第３６５６４７５号公報

近年、半導体デバイスの高集積化、高性能化に伴ってデバイスの多層化が進み、配線材料である金属膜、特にＣｕ膜の平坦化工程が増大する傾向にある。ところが、この工程のコンディショナは、従来の酸化膜のＣＭＰ用コンディショナをそのまま流用しているため、金属膜の平坦化工程における研磨特性を十分に引き出せずに量産を行っているのが現状である。
すなわち、本発明は、Ｃｕ膜のＣＭＰ用研磨パッドのコンディショナにおいて、高い研磨レートを安定して維持でき、しかも長寿命のコンディショナを提供することにある。

上記の課題を解決すべく、本発明のコンディショナは、台金の表面に超砥粒を単層固着した超砥粒層を有するＣＭＰコンディショナであって、結晶面が（１００）面および（１１１）面の両方にて構成される六八面体の超砥粒を４０重量％以上含有することを特徴とする。

六八面体の超砥粒の結晶面がなす角度は鈍角のため、研磨パッドに対して食い込む力が弱く、結果的に研磨パッド表面は平滑に加工される。この際、六八面体の超砥粒が含まれる比率は、４０重量％以上となることが望ましい。
４０重量％以上と数値限定した理由は、４０重量％を下回るとＣｕ膜のＣＭＰ工程において十分な研磨レートが得られないためである。より好ましくは６０重量％以上の六八面体の超砥粒を含むことが望ましい。なお、超砥粒はダイヤモンド砥粒、ＣＢＮ砥粒などを用いることができるが、耐摩耗性を考慮するとダイヤモンド砥粒がより好ましい。

その中でもダイヤモンドの結晶面の中でも最も耐摩耗性の高い（１１１）面を、台金上の、コンディショナの回転軸に直行する面にほぼ平行となるように固着することにより、（１１１）面を主に作用させることが可能となりコンディショナをより長時間使用することが可能となる。

図１に六八面体のダイヤモンド砥粒の模式図を示す。六八面体のダイヤモンド砥粒は結晶面として、（１００）面１および（１１１）面２の両方にて構成される事を特徴とする。（１１１）面と（１１１）面にてなす稜線の長さをＡ、（１００）面と（１１１）面にてなす稜線の長さをＢとしたとき、本発明においては、Ａの長さが０≦Ａ≦２Ｂの関係を満たす範囲のものが好ましい。図２は六八面体のダイヤモンド砥粒において（ａ）がＡ＝０、および（ｂ）がＡ＝２Ｂの関係を満たす場合の模式図である。
ここで、Ａの長さが０．５Ｂ≦Ａ≦１．５Ｂであることがより好ましく、Ａの長さがＡ≒Ｂであることが最も好ましい。

この発明において、超砥粒の平均粒径は、３０μｍ以上３００μｍ以下が好ましい。
平均粒径が３０μｍ未満になると、研磨パッドに対するコンディショニング能力が極めて低下し実用的でない。また、平均粒径が３００μｍを越えると、コンディショニング能力は高くなるが、研磨パッド表面が粗くなり過ぎる事により、ウェーハ表面の加工品位が低下し、品質上実用的でない。

また、この発明において、超砥粒の平均突き出し量は、平均粒径の３％以上５０％以下であることが好ましい。
平均突き出し量が、３％未満ではコンディショナの切れ味が十分でなく加工能率の低下の原因となり、５０％を超える場合は、ダイヤモンド砥粒の保持力が低下して、脱落の原因となるからである。ダイヤモンド砥粒の保持力を高めて脱落を防止し、十分な加工能率を得るためには、平均突き出し量が、１０％以上４５％以下であることがより好ましく、１０％以上４０％以下であることが最も好ましい。

超砥粒の突き出し量を測定するには、ダイヤルゲージを用いる方法などが提案されているが、最も正確に、超砥粒の突出端から結合材までの段差を測定するにはｚｙｇｏ（３次元表面構造解析顕微鏡）を用いるのが適当である。

平均突き出し量は、例えば任意に選ばれた１００個の超砥粒の突き出し量を測定し、その平均値を超砥粒の平均粒径で割った値に１００を掛けた数値に％を付して定義した。超砥粒層には、数万〜数十万個の超砥粒が固着されているため、全部の超砥粒の突き出し量を測定するには大変な手間がかかる。このために、１００個程度の砥粒の平均値を採用するのが実用的である。

本発明のコンディショナに用いる結合材は、超砥粒を円盤状台金に強固に固着できる結合材であれば特に限定されるものではない。脱石した超砥粒は、研磨パッドに付着し、研磨パッドでウェーハを研磨する時にも残存し、被加工物にスクラッチを発生させる原因となる。従って、結合材は、より強力な砥粒保持力が要求されるので、めっきされた金属またはロウ材が適している。

ニッケルめっきが、結合材として最も好ましい。
ニッケルめっきにより超砥粒を台金に固着する方法は、（１）他の結合材に比較して超砥粒の保持力が優れる、（２）超砥粒の突き出し量が大きく、切り粉の排出がスムーズで、切れ味に優れる、（３）砥粒密度が高いために工具の摩耗が少なく加工精度に優れる、（４）超砥粒が摩耗して使用済みとなっても、台金に損傷、歪みが無ければ、台金を再利用できる等の特徴がある。

もうひとつの結合材として、ロウ材を用いることができる。
本発明に用いるロウ材は、ロウ付け温度が低く、流動性の高いものが良好である。台金として用いられるＴｉ合金だけでなく、特にダイヤモンドとの濡れ性に優れ、高い固着力が得られるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系活性化ロウ材が最適である。他に、Ｎｉ−Ｃｒ系ロウ材またはＣｏ−Ｎｉ−Ｃｒ系ロウ材も適用可能である。

ロウ材により超砥粒を固着するには、ペースト状のロウ材を用いるのが適当である。
ここで、ペースト状ロウ材は、一般にロウ材の粉末をバインダーで練ったものであり、適度の粘性を有するので作業がしやすい。実際の作業時には、まず台金の超砥粒の固着面にペースト状のロウ材を塗布し、その上に超砥粒とロウ材のパウダーを混合したものをふりかけランダムにかつ密に配列させる。ロウ材が乾燥して流動しなくなった時点で炉に入れて加熱し、ロウ材を溶融させる。その後炉中で冷却して超砥粒の固着が完了する。

また、この発明のコンディショナは、金属膜のＣＭＰ用研磨パッドのコンディショニングに用いられることが好ましい。

さらに、この発明のパッドコンディショナは、Ｃｕ膜、アルミ膜およびアルミ合金膜のＣＭＰ用研磨パッドのコンディショニングに用いられることがより好ましい。アルミ合金としてはアルミ−銅合金膜がある。

上記コンディショニング方法において、コンディショナによるコンディショニング後、ダミーウェーハを研磨することにより不揃いであったパッド表面の凹凸の高さが一定の範囲内に揃うことでより安定した研磨性能が得られる。

この発明によれば、半導体デバイスのＣｕ配線工程において、研磨パッドの消耗量を抑え、かつ安定した研磨性能を発揮するＣＭＰ用研磨パッドのコンディショナが得られる。

発明を実施するための最良の形態については、以下の実施例の項で詳しく説明する。

まず、図３に示すように、外径Ｄが１００ｍｍ、高さＴが１０ｍｍの円盤状台金を準備した。円盤状台金の材質は、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４である。なお、超砥粒層を固着する領域は、外周部Ｗの８ｍｍの領域のみである。超砥粒を固着しない部分には、絶縁テープ及び絶縁塗料によってマスキングした。

次に、上記の円盤状台金３を、水酸化ナトリウム５０ｇ／リットルで液温４５℃の脱脂液の中に浸漬し、電流密度５Ａ／ｄｍ^２で陰極電解脱脂及び陽極電解脱脂を行った。その後純水で洗浄後、塩酸に３分間侵漬し再度、純水で洗浄後、塩化ニッケル１５０ｇ／リットル、塩酸１００ｇ／リットルのニッケルめっき浴中で、ニッケルストライクめっきを、電流密度５Ａ／ｄｍ^２で５分間行った。次に、硫酸ニッケル２５０ｇ／リットル、塩化ニッケル４５ｇ／リットル、硼酸３０ｇ／リットルのニッケルめっき浴中で電流密度１Ａ／ｄｍ^２で１５分間の下地めっきを行った。

その後、平均粒径が１５０μｍであり、六八面体のダイヤモンド砥粒を７０重量％以上含むダイヤモンド砥粒を台金の上へ乗せ、電流密度０．３Ａ／ｄｍ^２で３時間めっきした。次に、円盤状台金をめっき浴から引き上げ余剰のダイヤモンド砥粒を除去した。続けて、ダイヤモンド砥粒の平均突き出し量が３０％となるまでめっきし、本発明の実施例１のパッドコンディショナを完成させた。

六八面体のダイヤモンド砥粒を５０重量％含むダイヤモンド砥粒を用いて、上記実施例１と同様の製造方法にて実施例２のコンディショナを完成させた。尚、比較例として、酸化膜のＣＭＰに通常用いられる鋭利な切れ刃を備えるダイヤモンド砥粒を用いたコンディショナを準備した（比較例１）。このダイヤモンド砥粒には六八面体のダイヤモンド砥粒は含まない。

即ち、研磨パッド３の上に圧力をかけたコンディショナＰを載せ、夫々を矢印の方向に回転させながらコンディショニングした。コンディショナＰの性能指標であるカットレート（研磨パッドを加工する速度）を測定し表３に記載した。なお表中の数字は比較例１を１００としたときの相対値である。

次にコンディショニングを施したパッド５上に、スラリー供給用ノズル６よりスラリー７を研磨パッド上に供給し、圧力をかけたウェーハ８を載せ、夫々を矢印の方向に回転させながら研磨した。

図６は初期、コンディショニングを行った後はコンディショニングを行わずに酸化膜のＣＭＰ加工を行ったときの研磨レートの推移を示す。縦軸の研磨レートは一枚目の研磨レート値を１００とした時の相対値である。ここで酸化膜には二酸化珪素を用いた。ウェーハ２枚目の研磨レートは１枚目と比較して約３０％の低下を示している。これは１枚目の研磨によって研磨パッド表面が部分的に平坦化されることにより、ウェーハと研磨パッドの接点にかかる圧力が低下したため２枚目以降の研磨レートは低下したと考えられる。以上の結果より研磨パッド表面の粗さは酸化膜のＣＭＰ加工にとって非常に重要な要素であると言える。また、研磨の圧力低下の要因となるこれらの微小平坦部分を効率よく取り除くためにも切れ味のよいコンディショナが用いられる理由の一つである。図７（ａ）はコンディショニング直後の研磨パッド表面状態を、（ｂ）は研磨した後の研磨パッド表面状態の模式図である。コンディショニング直後の研磨パッド９ａには毛羽立ち１０が存在するが、研磨後の研磨パッド９ｂには平坦化された部分１１が現れる。

次に、Ｃｕ膜のＣＭＰ加工の研磨特性とコンディショニングの関係を調べるため、上述した実験をＣｕ膜のＣＭＰ加工においても行った。初期コンディショニングを行った後はコンディショニングを行わずにＣｕ膜のＣＭＰ加工を行ったときの研磨レートの推移を図８に示す。図６と同様に縦軸の研磨レートは一枚目の研磨レート値を１００とした時の相対値である。Ｃｕ膜のＣＭＰ加工の場合、酸化膜とは逆に、初期の３枚まで上昇する傾向を示した。以上の事実から、Ｃｕ膜の場合、酸化膜とは異なったメカニズムにて加工されており、研磨パッドが平坦化された研磨パッドにて研磨レートが上昇する要因が存在していると考えられる。

Ｃｕ膜のＣＭＰ加工の加工メカニズムと上記の実験結果からＣｕ膜のＣＭＰ加工に適する研磨パッド表面状態に関して以下のような考察を行った。Ｃｕ膜のＣＭＰ加工において、Ｃｕ膜はスラリー溶液中の酸化剤や有機酸などの化学的作用により表面に酸化物や錯体等の化合物層を形成する。それらの化合物層は脆弱なため、スラリー中の砥粒にて容易に除去することが可能となる。ＣＭＰ加工は一般的に化学的な作用と機械的な作用の複合的な加工と言われているが、Ｃｕ膜のＣＭＰ加工の場合、化学的な作用がより大きいく、Ｃｕ膜の研磨レートはＣｕ膜表面の化学反応速度に大きく依存する。研磨パッド表面に微小な平坦部が現れたにも関わらずＣｕ膜の研磨レートが向上したのは、Ｃｕ膜表面での化学反応がより促進されたためと考えられる。研磨パッド表面に平坦部が現れると、研磨パッドとウェーハの接点の温度が研磨による摩擦により上昇し、Ｃｕ膜表面の化学反応が進んで研磨レートが上昇したと推測できる。つまりＣｕ膜のＣＭＰ加工にはウェーハとの摩擦を大きくさせるため、より平滑な研磨パッド表面状態の方が適する。

上記の実験結果より、Ｃｕ膜のＣＭＰには初期のコンディショニングを行った後ダミーウェーハの研磨を行ってパッド表面を図７（ｂ）の状態にすることにより、安定したＣｕ膜の研磨レートが得られる。

次に本発明の効果を、表１のコンディショニング条件のもと図４に示す方法にて研磨パッドをコンディショニングした後、表２の研磨条件のもと図５に示す方法にて酸化膜およびＣｕ膜をＣＭＰ加工し、酸化膜およびＣｕ膜夫々の研磨レートを測定して確認した。そのとき得られた各種膜の研磨レートに関して実施例１、実施例２および比較例１の値を表４に併記した。なお表中の数字は比較例１を１００としたときの相対値である。

酸化膜のＣＭＰ加工においては研磨パッドに対するカットレートと研磨レートは同様の傾向を見せた。すなわちカットレートの高いコンディショナを用いた場合は高い研磨レートを示した。一方Ｃｕ膜のＣＭＰ加工では酸化膜とは逆にカットレートの低いコンディショナを用いた方が高い研磨レートが得られる傾向を示した。

本発明に用いる六八面体の超砥粒の模式図である。 （ａ）は六八面体の超砥粒において、（１１１）面と（１１１）面にてなす稜線の長さが０の六八面体、（ｂ）は（１１１）面と（１１１）面にてなす稜線の長さが（１００）面と（１１１）面にてなす稜線の長さの２倍となる時の形状の模式図である。 本発明のパッドコンディショナの断面概略図である。 研磨パッドをパッドコンディショナにて研削する概念図である。 コンディショニングされた研磨パッドにてウェハを研磨する概念図である。 初期コンディショニングを施した後、コンディショニングを施さずに２０枚の酸化膜ウェーハを研磨した時に得られた研磨レートの推移に関する図である。縦軸が研磨レートおよび横軸がウェーハの加工枚数を示す。 （ａ）はコンディショニング直後のパッド表面状態の断面を表す概略図である。（ｂ）は研磨を行った後のパッド表面状態の断面を表す概略図である。 初期コンディショニングを施した後、コンディショニングを施さずに２０枚のＣｕ膜ウェーハを研磨した時に得られた研磨レートの推移に関する図である。縦軸が研磨レートおよび横軸がウェーハの加工枚数を示す。

符号の説明

１ （１００）面
２ （１１１）面
３ コンディショニング時の研磨パッド
４ａ コンディショニング時の主軸
４ｂ 研磨時の主軸
５ 研磨時の研磨パッド
６ スラリーの供給ノズル
７ スラリー
８ ウェーハ
９ａ コンディショニング後の研磨パッド
９ｂ 研磨後の研磨パッド
１０ コンディショニング後のパッド表面に存在する毛羽立ち
１１ 研磨後のパッド表面に現れる平坦部
Ｄ コンディショナの外径
Ｔ コンディショナの高さ
Ｗ コンディショナ上に超砥粒が固着される部分の幅

Claims (12)

1. 台金の表面に超砥粒が結合材により単層固着された、金属膜のＣＭＰ研磨パッド用のコンディショナであって、
   前記超砥粒には、結晶面が（１００）面および（１１１）面の両方から構成される六八面体をなす超砥粒が４０重量％以上含有されることを特徴とする、コンディショナ。
2. 前記金属膜は、アルミ膜、Ｃｕ膜、またはアルミ合金膜のいずれかひとつであることを特徴とする請求項１記載のコンディショナ。
3. 前記超砥粒の（１１１）面は、コンディショナの回転軸に直行する平面にほぼ平行であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンディショナ。
4. 前記六八面体をなす超砥粒の形状は、（１１１）面と（１１１）面にてなす稜線の長さをＡ、（１００）面と（１１１）面にてなす稜線の長さをＢとしたとき、０≦Ａ≦２Ｂの関係を満たすことを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のコンディショナ。
5. 前記超砥粒の平均粒径は、３０μｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のコンディショナ。
6. 前記超砥粒の結合材からの平均突き出し量は、平均粒径の３％以上５０％以下であることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のコンディショナ。
7. 前記結合材は、金属めっきまたはロウ材であることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のコンディショナ。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のコンディショナを用いて、金属膜のＣＭＰ用研磨パッドをコンディショニングすることを特徴とする、コンディショニング方法。
9. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のコンディショナを用いて、Ｃｕ膜のＣＭＰ用研磨パッドをコンディショニングすることを特徴とする、コンディショニング方法。
10. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のコンディショナを用いて、アルミ膜のＣＭＰ用研磨パッドをコンディショニングすることを特徴とする、コンディショニング方法。
11. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のコンディショナを用いて、アルミ合金膜のＣＭＰ用研磨パッドをコンディショニングすることを特徴とする、コンディショニング方法。
12. 請求項８から請求項１１に記載のコンディショニング方法において、コンディショナによるコンディショニング後にダミー研磨による仕上げのコンディショニングを行う事を特徴とする、コンディショニング方法。

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