Cu 配線材の電気化学的ポリシングの基礎的研究

Cu

配線材の電気化学的ポ リシングの基礎的研究

BasicStudyonElectrO‑themi CalPolishingMethodforCuWiringMaterials 富永 茂1*､代 田 渉1､土肥 俊郎2

shigeru Tb血nagal wataru shirotal Tbshiroh Doi2 1

株式会社 ロキテクノ

ROKITECHN0 COりLTD

2

埼玉大学教育学部

Faculty of Education,Saitama Universlty Abstract

Cu/Low‑k

デュアルダマシン配線形成プロセスにおける

配線膜ポ リシングにおいて､超低圧ポ リシング条 件で高い加工能率 を得ることを目的 とした新 しい電気化学的ポ リシング方法を検討 した｡本方法は導電性表層 と絶縁層を有する多層構造の電解セルパ ッ ドをプラテン ･ローター型ポ リシング装置 に適用 した もので､電解 液 に硫酸銅水溶液 を使用 し､定電圧電解 による

配線膜の加工特性 を測定 した

以下の加工圧力で

800mm/min

以上の加工 レー トが得 られ､また､高い面内均一性が得 られる可能性 を報告する｡

Key^word s : CMP,electrocbemicalpolishing, electrolyt ic cell pad, slu rry, p ad, Cu^wiring d^amascene

prOCeSS

1.は じめに

2004

年 には

世代のデバイスの量産が計画 さ れ､さらに

年に量産 を目指 して

世代デ バイスの開発 ･試作が開始 されている｡ これ らの世 代のデバイスには

デュアルダマシン配線 形成プロセスが採 られる計画であるが､層間絶縁膜 に使用される 超低誘電率材

材)は､機械的 強度が弱いことや疎水性 を示すな どの特徴があ り､

Cu

配線材の

P平坦化技術 にとって､欠陥 ( スクラ ッチ､膜剥がれ

後洗浄での残留異物)の低減 が大きな課題のひとつであるO特 に膜剥がれによる 欠陥は

材の機械的強度が弱いことや下地膜 と の密着性が弱いことに起 因すると言われ､欠陥発生 を防 ぐためには

P平坦化技術 に対 して低 フリク シ ョンポ リシングが求め られている｡ [ 1 1

低 フリクションポ リシングの方法 としては､従来 の

P平坦化技術の延長で低圧力､高い相対速度で ポ リシングする方法や

配線膜 を､ケミカル溶解 を利用 してポ リシングす る方法な どか提案 されて いる

また､電気化学的ポ リシング法 ( 砥粒ポ リシング

〒140‑8576

東京都 品川区南大井

ⅧL:03‑5764‑1142 Fax:03･5763‑0820 Email:S.Tbminaga@rikitechno.co.jp

と電気化学的ポ リシングを複合させた方法 も含 ま れる)も､低フリクションポ リシングが可能であ り､

Cu/ULK

デュアルダマシン配線形成プロセスに対 し て､有望な平坦化加工技術の一つである

一般に､電気化学的ポ リシング法は､デバイスウ エハ表面の配線

膜 をアノー ドとし､電解液 中で カソー ド電極 と対面させて直流電流を通電 し

uを 電解液 に溶解 させる方法である

u膜の除去膜速度 は､溶解反応電流密度 に依存するため､低いフリク ションで除去膜速度 を制御できる反面､デバイスウ エハ の面内均一の確保やデ ッシングの防止 な ど課 題 も多い｡

特 に､電気化学的ポ リシング法によるデバイスウ エハの面内均一性の確保 に関 しては､電解電流密度 が

u残膜の

ドロップに大きく依存するため､通 電方法を工夫する必要があった｡

本報告では

膜への通電方法の改善を目的とし て､貫通孔 を有する絶縁層 と導電性 シー トで構成 し た電解セルパ ッ ドを使用 し､導電性 シー トに

u配 線膜 の全面 を接触 させて通電す る電気化学的ポ リ シング方法を検討 し､その加工特性 の測定結果 を報 告する｡また､導電性シー トを用いた通電 ( アノー ドバイアス)方法特有の溶解反応過程に関する検討 結果を報告する｡

‑7‑

2.実験装置及び実験方法

2.1.1電解セルパ ッ ドの構造 と電気化学的加工方法 Fig.1に実験 に使用 した電解セルパ ッ ドの構造を 示す｡電解セルパ ッ ドは､導電性表層 と絶縁層の2 層か ら構成 され､ これ らを貫通する貫通孔が多数設 置された ものである｡さらに､ 2層構造の下面にス テ ンレスシー トが貫通孔 を塞 ぐ形で設置 されて い る｡ステンレスシー トを使用する目的は､Cuメッキ か らプラテンの汚染を防止するためである｡導電性 粘着テー プを使用 して電解セルパ ッ ドをプ ラテ ン に貼付すること､直接プラテンに電源のマイナス極 を接続 してステ ンレス シー トをカ ソー ド電極 とす ることができる｡

導電性表層 貫通孔

ステ ン レス シー ト 絶縁層 パ ッ ド外径 ￠340mm

導電性表層 0.6mmtカーボンシー ト 絶縁層 2.Omt. 50%発泡ポ リエ

チ レン ステンレスシー ト 30LLt

貫通孔径 ￠8m‑10mmP

(開 口率

Fig.1電解セルパ ッ ドの構造 と仕様

Fig.2に､本電解セルパ ッ ドによる電気化学ポ リ シングの説明図を示す｡貫通孔に電解液が充填 され ると Cu配線膜 とステンレスシー ト間で電解セルが 形成される｡電解セルパ ッ ドの表層に電源のプラス

層 間絶縁膜

銅 配線 膜

極 を､プラテンにマイナス極 を接続することで､Cu 配線膜がアノー ドに､ステンレスシー トがカソー ド に分極 され､ (1)式の電気化学反応が生 じ､Cu配線 膜が溶解､除去 される｡

アノー ド:Cu ‑ Cu2+ +2e

カソー ド :2/nMn+ +2e ‑ 2/nM (1) ここでMn十は電解液の正イオ ンである｡

電解セル内では､アノー ド極/電解液界面で Cu がイオン化 され､生成 した電子が導電性表層を通っ てカソー ド電極 に達 し､東解液の正イオ ンを還元す ることで消費される｡正イオ ンは､電解液の種類で 異な り､ リン酸のような酸性水溶液の場合は､水素 イオンであ り､硫酸銅の場合は､銅イオ ンである｡

プラテ ン､ポ リシングヘ ッ ドが相対運動 をしてい るため､電解セル に接触 している Cu配線膜 は逐次 移動 し､ウエハ全面が均等にポ リシングされる｡ま た､ この相対移動 によって､電解セル内の電解液の 撹拝､液の入れ替えが 自動的に生 じ､ポ リシング時 間に対するポ リシング速度の安定化が図れ､Cu配線 膜の全面が導電表層と接触するため､電解電流密度 がCu残膜のIRドロップの影響を受けにくい特徴が ある｡

2.1.2実験装置

プラテン ･ローター型ポ リシング装置は､層間絶 縁膜､銅配線膜のCMPプロセスでは最 も一般的な装 置で､ポ リシングパ ッ ドが貼付 されたプラテ ンとそ の駆動機構､ポ リシングヘ ッ ドとその駆動機構､お よびスラリー供給機構などで構成 される｡ [6]

特 に､ この型の装置は､ウエハのポ リシング面を ポ リシングパ ッ ドと接触させるため､ダウンフェイ ス型 とも言われている｡

ウェ‑‑基板

/

一､､ ‑1 =

ド

2eー

＼

導電性 表層

縁層

プラテン

Fig.2電解セルパ ッ ドによる電気化学的ポ リシングの説明模式図

‑8‑

Fig.3電気化学的ポ リシング装置の構成模式図 本報告は､ このポ リシング装置の基本構成 を利用 し､通電装置を追加する ことで､電気化学的ポ リシ ングを行 う方法 を検討 した｡Fig.3に本報告で検討 した電気化学的ポ リシング装置の構成 を示す｡プラ テ ン､ポ リシングヘ ッ ドの機構は従来のプラテン ･

ローター型ポ リシング装置 と同様 とし､スラリーの 代 りに電解質電解液 を供給 し､ポ リシングパ ッ ドに 換えて電解セルパ ッ ドを使用 した｡通電装置は､直 流電源 と接触電極で構成 し､接触電極､導電性表層 を介 して､Cu配線膜 をアノー ドバイアス した｡

2.2実験方法

リング式加工装置に､直流電源 と接触電極 を設置 してFig.3に示す装置構成 とし､40mx40mmのCu ブランケ ッ トウエハ基板 のポ リシング加工実験 を 行 った｡Tablelに適用 した加工条件を示す｡

Table l適用 した加工条件

CMP装置 リング式加工褒置 (プラテ ン

径

加工試料 Cu膜 ブランケ ッ ト革板 (40Ⅹ 40mm)

膜厚 :30LLm,1LLm

電解セルパ ッ ド 貫通孔d)8‑lo

p ( 開 口率

回転数 プラテ ン:10‑40rpm.

電解液 硫酸銅 1‑80g/L 電解液供給量 35m1/min

加工時間 20‑120 sec

6

4

人U

r= L̲rTm ( u!∈＼ 212

nco^{Q二犯 Q}

⁴⁾

^{( 刀}

^{1 . L K )i}

力Ⅲ:圧拙FEi)

Fig.4加工レー トの加工圧力とプラテン回転数の関係 (1mg/minは70nm/minに相 当､5V定電圧電解)

加工圧力は､ポ リシングヘ ッ ドに重量の異なる重 りを載せかえることで調整 した｡ヘ ッ ドの回転数は､

プラテン回転数 と同程度 となるよう､実験の都度調 整 した｡加工中の電源電流の波形は､直列接続 した 0.105オームの抵抗のIRドロップをレコーダーで測 定 した｡

電解液 には､硫酸銅五水和物 (FW:249.68)を使 用 し､電解液1L中の硫酸銅五水和物の重量を電解 液濃度 とした｡CU膜の加工 レー トは､精密天秤 を用 いて､加工前 と加工後の Cu基板の重量差 を測定 し て､ 1分 当た りの除去量 (重量法)で示 した｡平均 膜厚に換算すると､1mgが70nm(Cu密度 8.9を使 用) に相当する｡ 4端子薄膜抵抗膜厚計の測定結果 と重量法 による測定結果 を比較 し､基板内 10点の 膜厚計による平均値 と±5%以内で一致す る ことを 確認 した｡

3.実験結果 と考察

加工特性 として､加工圧力,プラテンの回転数､

電源電圧､電解妻夜濃度 を変えて､加工 レー トとの関 係 を測定 した｡また､加工試料内の各点の除去膜厚 を測定 し､面内均一性 の評価 を行った｡

3.1 加工圧力､プラテ ン回転数依存性

Fig.4に電解液濃度20g/L､電源電圧5V一定 とし た ときの､ポ リシングレー トとポ リシング圧力､プ ラテ ン回転数 との関係 を示す｡Fig.4か ら加工 レー トは､加工圧力 0.06psi(4.2g/cm2) か ら1.17psi

(82g/cm2)でほぼ一定 の値 を示す ことが分かる.

‑9‑

プラテン回転数に対 しては､20rpmが加工 レー トの 最大値 を示 した｡プラテ ン回転数が大 きくなると､

ハイ ドロプレーン現象 によるCtl膜 と導電性表層の

Fig.5加工 レー トと電源電圧の関係 圧力;0.35psi､回転数 ;20rpm

Fig.6加工 レー トの電解液濃度依存性 圧力 ;0.36psi､回転数 ;20rpm

浮き上が りによる接触電気抵抗の低下の影響 と､電 解セル内の電解液量が遠心力よ り減少 し､Cu膜 と電 解液 との接触面積が減少す る影響が考 え られるが､

40rpm程度では､後者の影響が大きいものと判断さ れた｡

3.2 電解電波電圧依存性

Fig.5は､加工圧力 0.35psi(24g/cm2)､プラテ ン回転数20rpmとした ときの､加工 レー トと電源電 圧の関係を示 した ものである｡加工 レー トは､電源 電圧 に対 して直線 的 に増加 して いる｡電解液濃度 20g/Lと40g/Lのときの直線近似式を下記 に示す｡

20g/Lのときの近似式

』≧≡

y‑3.47Ⅹ‑3.64‑3.47(Ⅹ‑1.05) 40g/Lのときの近似式

y‑4.75Ⅹ‑5.38‑4.75(Ⅹ‑1.13)

｢ト棚

r 一 心

^{r t 巾 一 〇一解法量 ぎ}

′ ､ ≡ ⊂

ヽ ー 血 ｢ 凸 ′t u A J

LmN.

#

r. 肋 ^{一 ■}

‑ 2)

2)

Fig.7 ポ リシングプロファイル 圧力 ;0.36psi､回転数 ;20rpm

両式 とも､電源電圧が1Vを超えないと電解が生 じ ないことを示 している｡

圧 力依存性及び電解電源電圧依 存性 の測定結果 よ り､Cu配線膜のポ リシング機構は､機械的および 化学的ポ リシングの作用は無視でき､電気化学的ポ リシング機構 のみが作用 して いる と結論づ け られ る｡

3.3電解液濃度依存性

Fig.6は､加工圧力 0.35psi(24g/cm2)､プラテ ン回転数20rpmとした ときの加工 レー トと電解液濃 度の関係 を､電源電圧別 にプロッ トして示 した もの である｡電源電圧 6† のとき､電解液濃度が 40g凡 以上になると電源容量 を越えるため､測定プロッ ト か ら除外 した｡

3.4 面内均一性

Fig.7に､加工圧力 0.35psi(24g/cm²⁾､プラテ ン回転数 20rpm､電解液濃度40g/L､電源電圧4V､ ポ リシング時間20秒間の条件で､40mmx40mmの基 板(Cu膜厚

1〟m)

4端子薄膜抵抗膜厚計で測定 した結果を示す｡測定 位置は､基板の対角線上5m 間隔 とした.平均除去 膜厚 は347MMであ り､重量法による膜厚350nmとよ

い一致がみ られる｡

Fig.7は基板の中心部付近が平坦 に除去 されてお

‑10‑

り､電解セルパ ッ ドの基板 との電気接触が良好で､

残膜の

ドロップの影響が少ないことを示唆 して いる｡

4.

考察

Cu

配線膜 を電気化学的にポ リシングする場合

配線膜

Fig.8

定電圧ポ リシング中の電源電流の変化 圧力 ;

､回転数 ;

､濃度 ;

r

正 20g/L O 40g/ L

･ ‑指数

( 20g/ U

( 40g/ L)

0000000000987654321(%)称覇煤脚

2 4 6 8

∫

電源 電圧(∨)

Fig.9 Cu

ポ リシングの電流

に直接電源電圧 を印加する方法が一般的である｡ こ の方法では､ガス発生やアノー ド酸化膜の形成以外 では､

電源電流は

の溶解反応 に消費されることとな る｡

しか し､本電気化学的ポ リシング方法では､導電性 表層を介 して

配線膜 をアノー ドバイアスするた め

溶解電流を直接測定することは困難である｡

ここでは

溶解量 ( 除去量)か ら

溶解電流を

求め､電源電流 と

溶解電流の比 として電流効率 を検討する｡ さ らに

溶解反応過程を考察する｡

Fig.8

に加工時間

分間の電源電流の変化 を示す｡

Fig.8

は､加工圧力

､プラテン 回転数

､電解液濃度

のときのものであ る｡電源電圧 を印加すると電流は急激にたち上がる が､その後一定電流 ( 定常悟)で推移する｡急峻な たち上が りは､電気二重層への充電電流によるもの と考え られる｡定常値の電流波形には､ノイズ状の 不規則な変動が見 られるが､変動周期はプラテ ン

‑ l晦 ./し‑{ト 2晦 /t+ 40g/1‑‑0‑8Ck/t

肌棚

仰

0 1 2 3 4 5 6 7

篭原電圧(Ⅵ

Fig.10Cu

基板を設置しない時の電源電流 回転数が多 いほど短い傾向にある

は､電源 電圧 を

に設定 したときの電源電流を測定 し た もので､電源電圧の増加に従 って電源電流が増加

している ことを示す｡

Fig.9

に電源電圧 と電流効率の関係を示す｡電流 効率は

に示 した加工中の平均電源電流 と

溶解電流 との比で示 した

溶解電流は

の原 子量 を

とし

式によ り求めた｡

I c ‑ 0. 051XR ‑ (2)

ここで

溶解電流

R

:加工 レー ト

Fig.5

及 び

は､電源電圧が増加すると､加工 レー トは増加するが電流効率が低下 し､ガス発生な どの

溶解反応以外の反応が増加することを示 し ている｡

Fig.10

は

配線基板を設置 しない ( カ ラ運転) 場合の､各硫酸銅水溶液の濃度 に対 して電源電圧 と 電源電流の関係 を測定 したものである｡加工条件は､

‑ll‑

電解液供給量35cc/min､プラテン回転数は20rpmで ある｡カ ラ運転時の電源電流は

､ ( 3 )

アノー ド 2H²0

^‑

‑ ( 3 )

‑ ‑

^{‑ 鞄 4‑ ‑ L K k^ ‑ ∝叫}

】 ^{i i #}

ヨ

刀

一 一一一二 = 一

薮 L ＼ ＼ .一針 ∵ 一丁‑1

0 1 2 3 4 5 6 Fig.llCu配線基板設置後 と設置前の電流

543

2

0

細 n

ど

i I

0

1 2 3 4 5 6 7 8

Fig.12電源電圧 とCu基板電圧の関係 2CuSO 4+2H20

‑

2H²S^{O 4}+0²+2Cu

‑ ( 4)

電解セルの開 口面積 (貫通孔の合計面積)は 334cm²

であるので､電源電流1Aは､電解セルパ ッ ドの

q

単位面積 当た りの電流密度に換算すると3mA/Cm2に 相当する｡電源電圧 を4Vとしてプラテ ン径￠600^mm

に適用する場合､開口面積は約 1210cm²と見積 もら れるため､7.3Aの電源電流容量が必要である｡

Fig.10と同一条件でCU配線基板を設置 した場合､

(3)式のアノー ド反応 に (1)式の Cu溶解反応が加わ るため､電源電流が増加する.

Fig.11にCu配線基板 (除去膜厚の影響を考慮 し て､厚 さ 2mmのCU金属板 とした) を設置 した とき とカ ラ運転時の電源電流の差 (増加量)△ iを示す｡

Fig.11は､△iが電解液濃度で異なるが､電源電圧

Fig.13Cu配線膜電位とCu溶解電流密

3‑4Vを超えると低下することを示 している｡ これ は､電源電圧 の増加 によって､Cuイオンの物質移動 速度が律則 となるためと考え られる｡ただ し､Fig.5

に示すように､加工 レー トは電源電圧の増加 に対 し て直線的に増加 してお り､A iが Cu溶解電流分に 相対するものとは考え られない｡

Fig.12は､ポ リシング中のCU配線膜 とカソー ド 間の電圧 (Vc)を電源電圧変えてプロッ トしたもの である｡Vcは電波電圧が1.5V以下では､はば0.1V

程度を示 してお り､ これはCu/H²SO4/SUS

系

( 3 )

Fig.13に､VcとCu溶解電流密度icの関係 を示す｡

‑12‑

Cu

溶解電流密度

は

式か ら求めた値を

基 板面積で割 り算 したものである

と

の関係は､

直接

配線膜に電源電圧を印加する従来の電気化 学的ポ リシング方法の電源電圧 と電源電流 の関係 に相当するものである

は

の溶解が

付近か ら生じていることを示 しているが､銅金属の 標準電極電位は

であ り､カソー ド 電極反応 を考慮すると､銅の溶解反応が生 じるため には

以上の電圧が必要である｡従 って､

Ic

は､アノー ド溶解反応以外 にアノー ド極でのケミ カル反応量 も関与 していると考え られる｡

ケミカル反応 としては､

2Cu+02 (A

q)

‑

な どの可能性が考え られる

q) ち

も

式の反応で､導電性表層で生成 され る｡

本実験で､プラテ ンの回転を停止 して通電状態で

配線基板を静置すると､貫通孔 に接 している部分だ けが黒色化することが観察 される｡ このため､ケミ カル反応 は ､ ( 5 ) 式の酸化銅 の形成が優位であると 考え られる｡

5.

まとめ

以下に本研究のまとめを示す｡

測定結果

( ∋加工 レー トは加工圧力､プラテン回転数 ( 加工相 対速度に相当)には依存 しなかった｡特に

(4.2g/cm2

)の超低圧のポ リシングでも

の ときと同様の高い加工 レー トが得 られた｡

②加工 レー トは､電源電圧 と電解液濃度 に依存する｡

特 に､加工 レー トは､電源電圧の増加 に対 して直 線的に増加するため､電源電圧 を制御することによ

って加工量を調節する ことができる｡

③面内均一性は､基板セ ンターでよい均一性が得 ら れ

配線膜 をスケールアップして も､高い均一性 が得 られる可能性を示 した｡

検 討結果

Cu

溶解反応過程は電気化学的反応 と電気化学的 反応 に付随す るケ ミカル反応 の

反応 と考 え られ る｡除去膜厚の制御 としては､ケミカル反応を考慮 する必要がある｡

アノー ド

Cu → Cu2+ +2e 2H20 ‑ 02+4H÷+4e

カソー ド

3Cu2十 十6e ‑→ 3Cu

ケミカル反応

2Cu + 02 ‑ 2CuO

2CuO+4H十 ‑ 2Cu2 +2Hヮ○

本報告では､電解セルパ ッ ドを使用 して､プラテ ンロー ター型ポ リシ ング装置 に電気化学的ポ リシ ング方法を適用 し､低フ リクションポ リシングで高 い加工能率 と面内均一性が得 られ る可能性 を報告 した｡ しか し

デュアルダマシン配線形 成 プロセスでは､凹凸の

配線膜を除去 してデ ッ シングの少ない配線 を形成する必要がある｡今後､

配線形成 に関する特性 を検討する予定である｡

6.

謝辞

本研究 を遂行するにあた り､実験 に協力していた だ きま した埼玉大 学土肥研 究室 の久本照正氏 をは

じめ関係者の方々に感謝致 します｡

( 参考文献)

[ 1 ]宮嶋 :第

回プラナ リゼ‑ション

P委員会 研究資料

[2

】宇 田 :第

回プラナ リゼ‑ション

P委員会 研究資料

[3]

沖 田､土肥 ら :埼玉大学地域共 同研究セ ンター 紀要 第

号

[4】S.Sato,Z.Yasuda : iEEE International Electron Device Meeting(2001)

[5

1藤 田､土肥 ら :埼玉大学地域共 同研究セ ンター 紀要 第

号

[5]

特 開

[6]

土肥 : 詳細半導体

技術､工業調査会

1 )

‑13‑