De ve l o p me n to fNe x tGe n e r a t i o nDa ma g e ‑ f r e eCMP Eq u i p me n t

次世代型ダメージレス

CMP

De ve l o p me n to fNe x tGe n e r a t i o nDa ma g e ‑ f r e eCMP Eq u i p me n t

田中真紀雄1)*､中原 司 1)､土肥俊郎2)

T a n a k aMa k i o l ) , Na k a h a r at u k a s a

, T o s h i r oDo i

1)株式会社エム･エー ･ティー 2)埼玉大学教育学部 1)MArlnc.2)SaitamaUniversity

Keywords'. CMP(ChemiCalMechanicaipolishing),polishinghead,damage‑free,slurry,pad 1.諸言

半導体デバイスの微小化 ･高密度化は､ITRSのロー ドマップにもみられるように加速的に進歩している｡近年 その微小加工技術を使い､シリコンウェハ上に構造物を 作り､従来は､なし得なかった複合 1チップセンサーなど 多彩な応 用 デバイスが出来るようになっている｡また､

通常のデバイスにおいても､多層配線化とそのパターン がサブミクロンからナノメータになるに従い､ますます高 度な平坦化が要求され､研磨材 と研磨布を使用した研 磨 技 術 を 応 用 し た CMP (Chemical Mechanical planarization‑化学的機械 的平坦化技術)工程 が必要 不可欠となっている｡

次世代 の Cunow七 配線材 料 対応 の CMPでは､

lowTk材が極 めて機械 的に脆く､スクラッチあるいは剥 がれが起こりやすいので､表面にダメージを与えない低 荷重のマイルドな加工方法が望まれている｡

本研 究では､このようなプロセスに対応する低圧力条 件で､かつ加 工レートを確保するために高速 回転がで きる新 しい CMP装 置考案 した｡この装置を適 用 して CMP特性を把握したので報告する｡

174･8041東京都板橋区船渡3･ちlB 板橋 区第1工場ビル402 株式会社エム ･エー ･ティー

電話 :03‑5914‑も355Fax:0315914‑も356 einail:makio@j‑mat.co.JP

2.試作した加 工用‑ツドの構造とその特徴

臣一二‑

本研 究では低ダメージ化ならびに高 品位 化 ､さらに は次世代型のCMP装置の改良を進めていくことを念頭 にして､圧力分布を均一に行う加 工‑ツドを3種類試作 したO一般 的にCMPプロセスに用いられる発泡ポリウレ タンパッドとスラリーを用いて､デバイス化ウェハ に適応 される層間絶縁膜としての酸化膜(p‑TEOS)及び配線メ タルとしてのCuについてCMPを行った｡Fig.13に試 作した‑ツド3種の模式図とそれらの‑ツドの外観写真 を示す｡

Fig.1 A型HEADの構造模式図と外観写真

‑18‑

‑ I [三三 ]

塵 藍

｢ 二 二.･..｣ ｢蚕

Fig.2 B型HEADの構造模式図と外観写真

Fig.3 C型HEADの構造模式図 と外観写巽

A型‑ツドは直径200mmのウェハ上に全面均一に圧 力をかけることを目的としている｡B型‑ツドは A型‑ツ ドの構造 にウェハ外周 部 に加 える偏圧力を制御するた めに､ウェハ外周より20mm大きな樹脂製のリングをウェ ハとは別の圧力を印加 出来る構造としている｡C^型‑ツ ドは直径100m のウェハ対象とし､B型‑ツドの構造に さらに逆圧機構を備えることで最低印加圧力を半減でき る｡Tablelに､それぞれの試作‑ツドの構造の特徴と加 工プロセスにおける加 工 目的を示す｡それぞれの‑ツド には同一装置にて交換可能 として､‑ツド構造の差異 が加工精度 に表せる様 にしている｡

Tablel各試作‑ツドの構造特徴 ･加工 目的

‑ツドタイプ 構造上の特徴 加工 目的

A型‑ツド エアーバック加圧 均一加重

B型‑ツド エアーバック加圧 均一加重

+ +

リテーナ加圧 ウエハーエッジの形状コントロール

C型‑ツド エアーバック加圧 均一加重

+ +

リテーナ加圧 ウエハーエッジの

+ 形状コントロール

3.実験条件と方法 ･装置

本研究で用いた試料は､直径200mm及び100mmの

Siウェハ上に全面酸化膜(p‑TEOS膜)を1〟m成膜し たもの､とTa(タンタル)をバリアメタルとL Cu(鍋)を電気 メッキ法によりlJJm成膜したものをそれぞれ用いた｡パ ットには､CMPで一般 的に適応されているロデール社 のICIOOOを使用し､研磨剤 には市販の酸化膜用スラリ ー及び Cu用スラリーを用いた｡加工レートは加工前後 の膜厚を測定することによって求めた｡その試料厚さは､

酸化膜の場合は光干渉式膜厚測定装置を､Cu膜の場 合はFTP500(SENTECH)を用いてそれぞれ測定した｡

‑19‑

加 工 前 後 の膜 厚 さの測 定 値 をもとに加 工 量 のバ ラツキ 及 び単位 時 間 当たりの除去膜 を加 工 レー トとした｡

パ ター ン膜 の段 差 測 定 にお いては テンコー ル 社 の p‑1を､表 面粗 さ測 定 にはセイコーインスル ツメンツ社 の NPXIOOO(AFM :原 子 間 力 顕 微 鏡 )をそれ ぞ れ 使 用 し た｡Table2に適 用 した加 工 条件 を示 す.

Table2適 用 したCMP加 工条件

加工装置 エアーバック式cMP実験装置(エム.エー.ティ製)

試 料 ◎200mm､◎100mmのSiO2膜ならびにCu膜 加工‑ツド 3種(A､B､C型‑ツド)

ポリッシング 1C1000/SUBA400 (格子状溝) パッド (ロデールニッタ社製)

スラリー シリカ系ILD用スラリーA (SiO 2 12.5wt%) シリカ系Cu用スラリーB (SiO 2 5wt%)

定盤 回転数 30rpm

加工圧力 70g/cm2

4.実験 結果 及 び考 察

Fig.4に､200mm 酸 化膜 ウェハ のCMPにお いてA､ B型 ‑ ツドを用 いて加 工 したときの加 工 レー トを示 す｡面 内均 一性 を求 めると､A型 ‑ ツドでは10=8.3%､B型 ‑ ツドでは lcT‑2.4%となった｡同様 にFig.5では､200mm

Cuウェハ を A､B型‑ ツドで加 工 したときのレー トを示 す｡

この場 合 の面 内均 一性 は､A型 ‑ ツドでは lo･=9.56%

o=3.10%となった.どちらもA型 ‑ ツドに比 べ､B型 ‑ ツ ドを用 いたほうが面 内均 一性 にお いて格 段 に良い結 果 が得 られ た｡これ は､B型 ‑ ツドにお いてリテー ナ ー 加 圧 が行 われ たことにより､ウェハ エッジ部 分 にかかるパッ ドの圧 力 集 中が緩 和 され ､その結 果 ウェハ 全 面 にお い てより均 一な加 工圧 力 が加 えられたことによるものと考 え られ る｡

rLu∈.UJU)?一etIIE2^○∈at]

く_{〇0T Il l}⊃q⊂_{)q ト(}⊃⊂〉⊂_DL⊃⊂_{ElIi ll)勺}〉⊂〉⊂_{‑亡つN‑}〉⊂)⊂⊃⊂)⊂_{'‑ N})⊂⊃⊂_{亡つ 勺･ L}) ○ ⊂_r⊃ ⊂)_{} lD}⊂ト0⊃⊂30〉〇〇)⊂⊃

vvaferDlameter(rTm)

Flg.4 A型ならびにB型‑ツドを用いたときの酸化膜の加工特性

(uruJruJu)ate∝一E=^OLUa∝

○⊂⊃⊂)⊂)⊂l⊂〉⊂⊃⊂)⊂)○⊂〉くつ⊂〉○⊂l⊂〉⊂⊃⊂)O0O Oの○⊃トやLE)すぐつN‑ TINくつ寸LL)(ロトの0)⊂〉 T IlIIIlIlI

waferdlameter(mm)

Fig.5 A型ならびにB型‑ツドを用いたときのCu膜の加工特性

A型 ‑ ツ ド B型 ‑ ツ ド

Fig.6 A型ならびにB型‑ツドを用いてCu膜を加工したときの Cuウェ‑表 面 写真(×1500‑l〟m)の一例

次 に､パ ターン付 ウェハ をA型 ならび にB型 の両‑ ツ ドを用 いて加 工し､ディッシング量を観 察した｡その結果 ､

‑2Kr

配線幅 10〃mにおいてのディッシング量はA型‑ ツ卜 で1800A､B型‑ツドで520Åとなった｡このことから､リ テーナー加圧 によって､ウェハエッジ付近だけでなくウ ェハ全面 においてより､均一 に圧 力 が加 えられたことが わかった｡

次に､試作した C型‑ツドにおいて行 った実験の結 果 について考察する｡Fig.7に､直径 100rrunの酸化膜 ウェハをC型‑ツドを用いて加 工した際のレートを示すこ このときの面内均一性 はlo=1.48%となりA型ならびに､

B型‑ツドを用いた時よりも良好な結果 が得られている さらに､C型‑ツドにおいて､log/cm 2という超低加圧 に よる実験を行った｡その結果をFig.8に示すDその折甲

加 工レー トは低圧 力であるため落 ち込んだが､均‑ 一喜l において lo･=1.74%と遜色ない結果 となった｡こaI二三一 から､逆圧 を加 えてもウェハ に対して均一 に加 工さ∴ て いることがわかった｡Fig.9に加 工面の表 面品位 をAFlH

で評価 した測定結果の一例を示す｡

5.結 言

VLSIデバイスプロセスにおいて､プラナリゼ‑ション cMPはキー技術と定着している｡CMPシステムは加 工 コスト､加 工性 能 を決 める最も重要な要 素であり､そU) 中でキーポイントとなる要 素技術 として､加 工面の均 一 性 に直接的 に関係する加圧‑ツドがあげられる｡

本研 究では､加圧‑ツドに着 目し､独 自の加圧へ ･ンド 3種(A型､B型､C型‑ツド)を試作し､酸化膜 とCu按を 加 工対象とし､加 工実験を行った｡ノーマルタイプの A̲ 型 ‑ ツドにリテー ナー加 圧機構 を加 えることで､エッジ 付 近 はもとよりウェハ全 面 においてもより均 一 に加 工さ れることがわかったoA 型‑ツド､B 型‑ツドでは､逆 圧 機構 を備 えていないので圧 力を全 く加 えていない状態 でも‑ ツド自体の 自重 はウェハ に加 わることが明らかと なった｡C型‑ツドでは､リテーナー加圧 に加 えて逆圧 機構を備 えることにより､A 型ならびに B型‑ツドでは､

低加圧 による加 工が実現でき､均一性や加 工面品位に ついてもより良い結果 が得られることを明らかにした′

今後は､200m ウェハ･300mm ウェハ対応の逆圧機 構を備 えた新‑ツドを開発 し､それらをSuperLowIK材 料や現在注 目されているMEMS用の基板等‑の適 唱 を図っていきたい｡

(u!LuJ∈u)ale∝JE2^0∈GI∝ 純謝北郷謝細謝加(u!LuJLuu)alt2t二e^0Ea∝ 000420 80 60 40 20 0

,653 )P j55bjtfbjや Q や 車 や bp ㊥ vhgfbrDan℃tg(mTO

Flg.7 C型‑ソドにおける加工特性(酸化膜)

,bS)/bPjSS3jtp )や Q や ㊥ rbQ bP q53

waferDiameter(mm) Fig.8 C型‑ツドにおける超低加圧時の加 工特性

Rauアロ771'ル

0 hm】 1467.924 中JLi泉平均粗さIRa):9.柑8E‑Dlnm 頚促長さELl :1.456E+05mm 最大高低差(p‑ul :5.505E+ODnm 加トオフ値(icJ :4.855E'82nm n点平均相さIRz):2.578E+00nm 平均傾斜角【△a) :2.262E+80.

Ra‑0.919nm (a)

0 【nm】 1885.446 中心線平i甥且さlRaJ:4.298E‑01nm 測定長さIL) :1.869E+tlSnm 最大高低差【p‑vJ :5.552E+仙 1m 加トオフ植lAc) :6.229E十02nm

n点平均粗さlf!Z):2,562E'Ohm 平均傾斜角EAa) :1.692E十肝 Ra‑0.429mm (b)

Fig.9 AFM測定による加工後表面粗さ

‑ 21‑