次世代型ダメージレス CMP装置の開発 - SUCRA

次世代型ダメージレス CMP装置の開発
De
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田中真紀雄1
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､中原 司 1
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､土肥俊郎 2)
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ティー 2)埼玉大学教育学部
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1.諸言
半導体デバイスの微小化 ･
高密度化は､I
TRS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
は次世代型の CMP装置の改良を進めていくことを念頭
作り､従来は､なし得なかった複合 1チップセンサーなど
にして､圧力分布を均一に行う加 工-ツドを3種類試作
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
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
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
pTEOS)及び配線メ
される層間絶縁膜としての酸化膜 (
度な平坦化が要求され､研磨材 と研磨布を使用した研
mi
c
a
l Me
c
ha
n
i
c
a
l
磨 技 術 を 応 用 し た CMP (Che
タルとしての Cuについて CMPを行った｡Fi
g.
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｡
pl
a
na
r
i
z
a
t
i
on-化学的機械 的平坦化技術)工程 が必要
本研 究では低ダメージ化ならびに高 品位 化 ､さらに
不可欠となっている｡
次世代 の Cu
now七 配線材 料 対応 の CMP では､
l
owT
k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｡
1
7
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1東京都板橋区船渡 3･
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B 板橋 区第 1
工場ビル4
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株式会社エム ･エー ･ティー
電話 :0
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o.
J
P
Fi
g.
1 A 型 HEADの構造模式図と外観写真
2
.試作した加 工用-ツドの構造とその特徴
-1
8臣一二
-
-
I [
三三
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
0mm大きな樹脂製のリングをウェ
めに､ウェハ外周より2
塵
｢
ハとは別の圧力を印加 出来る構造としている｡C 型-ツ
藍
二二
.
･
.
｣
ドは直径 1
00m のウェハ対象とし､B型-ツドの構造に
｢
蚕
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｡Ta
bl
el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｡
Ta
bl
el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
形状コント
エハーエッ
ロール
ジの
+
+
リテーナ加圧
ウエハーエッジの
エアーバッ
+ ク加圧
形状コント
均一加重
ロール
Fi
g
.
2 B型 HEADの構造模式図と外観写真
C型-ツド
3.実験条件と方法 ･
装置
00mm及び 1
00mmの
本研究で用いた試料は､直径 2
S
iウェハ上に全面酸化膜 (
pTEOS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l
J
Jm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
OOOを使用し､研磨剤 には市販の酸化膜用スラリ
のI
CI
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
F
i
g
.
3 C型 HEADの構造模式図 と外観写巽
T
P5
0
0(
S
ENTECH)
を用いてそれぞれ測定した｡
合は F
-1
9-
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
p1を､表 面粗 さ測 定 にはセイコーインスル ツメンツ社 の
rL
u∈.
U
J
U)
?
一
e
t
IIE2○
^∈a
t]
NPXI
OOO(
AFM :
原 子 間 力 顕 微 鏡 )をそれ ぞ れ 使 用 し
た｡Ta
bl
e2に適 用 した加 工 条件 を示 す.
Ta
bl
e
2 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
◎2
00mm､◎1
00mm の Si
O2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
1
C100/
SUBA40 (
格子状溝)
パッド
(
ロデールニッタ社製)
スラリー
シリカ系I
LD用スラリーA (
Si
O2 1
2.
5wt
%)
シリカ系Cu用スラリーB (
Si
O 2 5wt
%)
定盤 回転数
30r
pm
加工圧力
7
0g/
cm2
く
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g.
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
(
u
r
u
Jr
u
J
u
)
a
t
e
∝一
E
=
^
O
L
U
a
∝
4.実験 結果 及 び考 察
Fi
g.
4に､2
00m 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
A型 - ツドでは
内均 一性 を求 めると､
ツドでは
l
○⊂
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)トやL
⊂
)⊂
l⊂
〉すぐ
⊂
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〉く
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○
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T IlIIIlIlI
10=8
.
3%､B型 -
wa
f
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a
me
t
er
(
mm)
c
T-2.
4%となった｡同様 に Fi
g.
5では ､200mm
Fi
g.
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
Cuウェハ を A､B型- ツドで加 工 したときのレー トを示 す｡
o
･
=9.
5
6%
o=
3
.
1
0%となった.どちらもA型 - ツドに比 べ ､B型 - ツ
この場 合 の面 内均 一性 は､A型 - ツドでは
l
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｡
A型 - ツ ド
B型 - ツ ド
Fi
g.
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 (×1
5
00-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 ､
-2
Kr
純
謝
北
郷
謝
細
(u
!Lu
J
Lu
u
)
a
l
t2
t二
e
^
0
E
配線幅 1
0〃m においてのディッシング量は A 型- ツ卜
で1
800A､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｡
加
果 について考察する｡Fi
g.
7 に､直径 1
00r
r
u
nの酸化膜
謝
a∝
次に､試作した C 型-ツドにおいて行 った実験の結
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
,
65
3 )P j
5
5
bj
t
f
bj
や Q や 車 や b
p㊥
このときの面内均一性 は l o=1.
48%となりA 型ならびに､
v
h
g
f
b
rDa
n
℃t
g(
mT
O
B 型-ツドを用いた時よりも良好な結果 が得られている
Fl
g.
7 C型-ソドにおける加工特性(
酸化膜)
og/
c
m 2 という
超低加圧 に
さらに､C 型-ツドにおいて､l
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｡Fi
g.
9に加 工面の表 面品位 を AFl
H
で評価 した測定結果の一例を示す｡
0 0 0
4 2 0
において lo
･
=1.
74%と遜色ない結果 となった｡こaI二三
一
(
u!
L
uJ∈u)
a
l
e∝ J
E
^
20
∈G
I
∝
よる実験を行った｡その結果を Fi
g.
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
80
60
40
20
0
5
.結 言
,
b
S
)/
b
Pj
S
S
3j
t
p)
や Q や ㊥ r
b
Q b
Pq
5
3
wa
f
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ame
t
er
(
mm)
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
Fi
g.
8 C 型-ツドにおける超低加圧時の加 工特性
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
R
a
uアロ
7
7
1
'
ル
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 A
_
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
0
hm】
1
4
6
7.
9
2
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中J
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i泉平均粗さI
R
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:
9.
柑8
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m 頚促長さE
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.
n点平均相さI
Ra-0.
91
9nm
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
(
a)
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
′
0
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 S
u
pe
rLo
wI
K材
料や現在注 目されている MEMS用の基板等-の適 唱
【
n
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1
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中心線平i
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(
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9 AFM 測定による加工後表面粗さ
- 21-