專利名稱：化學(xué)機械研磨裝置、化學(xué)機械研磨方法以及控制程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于形成嵌入到由有機系的low-k膜構(gòu)成的層間絕緣膜中的銅布線的大馬士革制程(Damascene process)中所使用的化學(xué)機械研磨裝置、化學(xué)機械研磨方法以及控制程序。
背景技術(shù)：
當(dāng)前的半導(dǎo)體集成電路，尤其是LSI (Large Scale Integrated Circuit :大規(guī)模集成電路)，由于微細化及高集成化的發(fā)展，其具有層疊了多個布線層的多層布線構(gòu)造。多層布線構(gòu)造中的以往的布線形成制程是利用光刻及干式蝕刻對堆積在絕緣膜上的Al等金屬膜進行加工來形成金屬布線圖案的布線形成制程，但是由于Al布線的電遷移耐受能力低和電阻較高而存在布線延遲等問題。由此，近來，在多層布線形成制程中，多采用銅布線的大馬士革制程。另一方面，為了 LSI的高速化及低功耗化，需要降低多層布線之間的電容，并且為了降低布線電容，必須對嵌入布線之間、布線層之間的層間絕緣膜采用低介電常數(shù)(low-k) 膜。而作為這種low-k膜，研究了 SiOF膜等無機系材料和多孔膜。能夠得到2. 5以下的相對介電常數(shù)的氟樹脂和非晶體氟碳等有機系材料也被寄予很大的希望。在此，參照圖10對將有機系的low-k膜用作層間絕緣膜的銅布線大馬士革制程進行說明。首先，在下層布線(未圖示)之前所形成的半導(dǎo)體晶片100上，如圖10的(a)所示，從下開始，按照 102 — 104 — 106 — 108 的順序，使用 CVD (Chemical Vapor Deposition 化學(xué)氣相沉積)法層疊形成例如由SiCN構(gòu)成的蝕刻阻擋膜102、蝕刻阻擋膜106和例如由非晶體氟碳構(gòu)成的有機系的low-k膜104、108。接下來，反復(fù)進行光刻工序以及蝕刻工序，如圖10的(b)所示，在上層的low-k有機膜108上形成布線槽110，在下層的low-k有機膜102中形成通孔112。在此，在半導(dǎo)體基板100的表面形成有與布線槽110以及通孔112對應(yīng)的凹凸。接下來，如圖10的(c)所示，在包含通孔112以及布線槽110的半導(dǎo)體基板100 的表面，通過CVD法形成例如由TaN構(gòu)成的屏蔽金屬114的膜。并且，可以利用濺射法在屏蔽金屬114的膜上重疊形成銅的種子層(未圖示)。其次，如圖10的(d)所示，按照對通孔112以及布線槽110中進行填充的方式，在半導(dǎo)體晶片100的表面，通過電鍍敷法堆積銅116。這里，在銅116的表面，反映出與布線槽 110和通孔112對應(yīng)的凹凸形狀。然后，利用化學(xué)機械研磨(CMP :Chemical Mechanical Polishing)，將半導(dǎo)體基板 100上的銅116磨平，如圖10的(e)所示，使得僅在通孔112以及布線槽110中殘留銅116， 從而形成嵌入銅布線。上述的大馬士革制程是將銅116的膜同時嵌入到通孔112以及布線槽110中而形成銅芯棒與銅布線的雙嵌入大馬士革法。與此相反，單嵌入大馬士革法是將銅116的膜分別嵌入到通孔112與布線槽110中，分別形成銅芯棒與銅布線的，在除去孔或者槽以外的不需要的銅的工序中，進行與雙嵌入大馬士革法相同的CMP處理。圖11表示以往的代表性的CMP裝置。該CMP裝置是通過將用于固定保持半導(dǎo)體晶片100的旋轉(zhuǎn)頭(上部平臺)IM按壓到貼有研磨布或者研磨墊120的旋轉(zhuǎn)臺(下部平臺)122上，一邊使旋轉(zhuǎn)頭120以及旋轉(zhuǎn)臺122旋轉(zhuǎn)，一邊由噴嘴1 對研磨墊120供給漿料(研磨劑)，利用化學(xué)作用與機械研磨對半導(dǎo)體晶片100的下表面(被處理面)的膜進行研磨使其平坦化。專利文獻1 日本特開平2007_1四36。發(fā)明公開本發(fā)明所要解決的問題然而，在將有機系的low-k膜用于層間絕緣膜的銅布線的大馬士革制程中，若在銅的研磨中使用了上述以往的CMP裝置，則存在在CMP后的銅116的表面容易發(fā)生例如圖 12所示的溝狀的劃痕130，或者雖然省略圖示，在銅布線的中央部容易產(chǎn)生凹陷等問題。若在大馬士革的嵌入布線上產(chǎn)生這樣的劃痕或凹陷，會對流過布線表面的高頻電流(信號) 帶來很大的影響，導(dǎo)致LSI成為次品。本發(fā)明人對上述那樣的劃痕或凹陷的產(chǎn)生機理進行了研究，認為在研磨墊120與半導(dǎo)體晶片100接觸(抵接)時，相對于半導(dǎo)體晶片100的表面(被處理面)的一部分，如圖13所示，研磨墊12向相反方向摩擦，對被研磨材的銅116，尤其是其凸部116a施加了較大的切斷應(yīng)力，因此在銅116的表面容易產(chǎn)生小的劃傷，由于漿料進入該小的劃痕中而導(dǎo)致該位置被過分研磨，從而使劃傷或凹陷發(fā)展。研磨材料的銅是比較軟的金屬，并且構(gòu)成層間絕緣膜的low-k有機膜對來自外部的應(yīng)力的抵抗力弱而容易蓄積切斷力，這是產(chǎn)生接觸時的劃傷的一個因素。本發(fā)明是基于上述以往技術(shù)的問題點及其原因研究的考察而提出的，其提供了一種能夠在大馬士革制程中，在對由有機系的low-k膜構(gòu)成的層間絕緣膜上所堆積的銅進行研磨時，防止產(chǎn)生劃痕或凹陷，并且能夠形成平坦性的精度優(yōu)良和電特性的穩(wěn)定性優(yōu)良的嵌入銅布線的化學(xué)機械研磨裝置、化學(xué)機械研磨方法以及控制程序。用于解決問題的方案本發(fā)明第1觀點的銅布線形成用的化學(xué)機械研磨方法是在將介電常數(shù)低的有機膜(low-k有機膜)用作半導(dǎo)體基板上的層間絕緣膜的銅布線大馬士革制程中，用于研磨被堆積在所述有機膜上的銅的化學(xué)機械研磨方法，該方法具有第1工序，按照一邊使半導(dǎo)體基板與研磨墊向相同方向旋轉(zhuǎn)，一邊使所述研磨墊在所述半導(dǎo)體基板的被處理面的大致整個區(qū)域不向相反方向摩擦的方式使兩者抵接；第2工序，對所述半導(dǎo)體基板與所述研磨墊之間的接觸界面供給漿料，并對所述半導(dǎo)體基板與所述研磨墊之間的壓力以及相對旋轉(zhuǎn)速度進行控制來對所述半導(dǎo)體基板上的銅進行化學(xué)機械式研磨。根據(jù)所述第1觀點的方法，在第1工序中，由于按照一邊使半導(dǎo)體基板與研磨墊向相同方向旋轉(zhuǎn)，一邊使所述研磨墊在所述半導(dǎo)體基板的被處理面的大致整個區(qū)域中不向相反方向摩擦的方式使兩者抵接，因此在被處理面的一些位置，對表層的銅施加的切斷應(yīng)力小，并且切斷應(yīng)力蓄積在基底的low-k有機膜中的程度也小。由此，可以在基板上的被處理面的大致整個區(qū)域不產(chǎn)生劃痕或者凹陷源之類的傷痕，開始銅的研磨。
本發(fā)明的第2觀點中的銅布線形成用的化學(xué)機械研磨方法是在將介電常數(shù)低的有機膜用作半導(dǎo)體基板上的層間絕緣膜的銅布線大馬士革制程中，用于研磨被堆積在所述有機膜上的銅的化學(xué)機械研磨方法，該方法具有第1工序，一邊使半導(dǎo)體基板與研磨墊向相同方向旋轉(zhuǎn)，一邊將各自的旋轉(zhuǎn)中心軸對齊在一條直線上，使兩者抵接；第2工序，對所述半導(dǎo)體基板與所述研磨墊之間的接觸界面供給漿料，并對所述半導(dǎo)體基板與所述研磨墊之間的相對旋轉(zhuǎn)速度以及壓力進行控制來對所述半導(dǎo)體基板上的銅進行化學(xué)機械式研磨。根據(jù)所述第2觀點的方法，在第1工程中，由于一邊使半導(dǎo)體基板與研磨墊向相同方向旋轉(zhuǎn)，一邊將各自的旋轉(zhuǎn)中心軸對齊在一條直線上并使兩者抵接，因此在被處理面的任何位置，對表層的銅施加的切斷應(yīng)力均較小，并且切斷應(yīng)力蓄積在基底的low-k有機膜中的程度也小。由此，可以在基板上的被處理面的大致整個區(qū)域不產(chǎn)生劃痕或者凹陷源之類的傷痕，開始銅的研磨。第1制程中的半導(dǎo)體基板以及研磨墊各自的旋轉(zhuǎn)速度可以根據(jù)基板的口徑、銅表面的凹凸?fàn)顟B(tài)、low-k有機膜及研磨墊的材質(zhì)等恰當(dāng)?shù)卦O(shè)定，通常在50rpm 300rpm的范圍內(nèi)，例如可以設(shè)定為SOrpm 90rpm。另外，兩者的旋轉(zhuǎn)速度可以不同，在使抵接時的沖擊或者應(yīng)力減少的基礎(chǔ)上，優(yōu)選速度差盡可能地小，最優(yōu)選使速度差實際為零。這里，不優(yōu)選為了使半導(dǎo)體基板與研磨墊的速度差實際為零，而停止兩者的旋轉(zhuǎn)來使速度差為零。這是由于在停止旋轉(zhuǎn)使速度差為零而抵接的情況下，在向第2制程轉(zhuǎn)移時在半導(dǎo)體基板與研磨墊與之間，作用有比動摩擦力大的靜止摩擦力，因而對半導(dǎo)體基板的被處理面帶來更大的損傷。在本發(fā)明的化學(xué)機械研磨方法中，在第2工序中，為了使對半導(dǎo)體基板上的銅以及l(fā)ow-k有機膜施加的切斷應(yīng)力不急劇的變化，也優(yōu)選使半導(dǎo)體基板與研磨墊向相同方向旋轉(zhuǎn)，并且，更優(yōu)選使所述研磨墊在所述半導(dǎo)體基板的被處理面的大致整個區(qū)域中不向相反方向摩擦，或者，優(yōu)選將半導(dǎo)體基板的旋轉(zhuǎn)中心軸與研磨墊的旋轉(zhuǎn)中心軸在一直線上對齊。進一步，在第2工序的初始階段，當(dāng)銅(被處理膜)的凸部在一定程度或者很大程度被研磨后，即使使研磨壓力或者切斷應(yīng)力變大也難以損傷，因此可以使半導(dǎo)體基板的旋轉(zhuǎn)中心軸與研磨墊的旋轉(zhuǎn)中心軸偏移，并且可以使半導(dǎo)體基板對研磨墊的偏移位置可變。 在該情況下，可以使用與半導(dǎo)體基板相比充分大的口徑的研磨墊，從而提高研磨效率。另外，在第2工序中，半導(dǎo)體基板以及研磨墊之間的相對旋轉(zhuǎn)速度也可以根據(jù)基板的口徑、銅表面的凹凸?fàn)顟B(tài)、low-k有機膜及研磨墊的材質(zhì)等恰當(dāng)?shù)卦O(shè)定。優(yōu)選將研磨墊的旋轉(zhuǎn)速度維持恒定，可以使用使半導(dǎo)體基板的旋轉(zhuǎn)速度為比第1工序中的旋轉(zhuǎn)速度低的方法對相對旋轉(zhuǎn)速度進行控制，還可以使相對旋轉(zhuǎn)速度可變。另外，將對接觸界面施加的壓力逐漸升高。另外，在第2工序中，雖然對半導(dǎo)體基板及研磨墊之間的接觸界面施加的壓力可以按照上述的諸條件被任意控制，但通常采用逐漸升高的方法。另外，本發(fā)明的化學(xué)機械研磨方法，作為一優(yōu)選方式，為了使半導(dǎo)體基板上的銅的研磨結(jié)束，還包括第3工序，該第3工序一邊使半導(dǎo)體基板與研磨墊向相同方向旋轉(zhuǎn)，一邊使兩者分離。這樣，優(yōu)選到最后為止對半導(dǎo)體基板與研磨墊之間的接觸界面不造成切斷應(yīng)力的急劇變化。由此，即使在該第3工序中，也優(yōu)選使所述研磨墊在所述半導(dǎo)體基板的被處理面的大致整個區(qū)域中不向相反方向摩擦，或者優(yōu)選將半導(dǎo)體基板的旋轉(zhuǎn)中心軸與研磨墊的旋轉(zhuǎn)中心軸在一條直線上對齊。但是，在第3工序，還可以使用使半導(dǎo)體基板的旋轉(zhuǎn)中心軸與研磨墊的旋轉(zhuǎn)中心軸偏移的方法。本發(fā)明的第1觀點中的化學(xué)機械研磨裝置是在將介電常數(shù)低的有機膜用作半導(dǎo)體基板上的層間絕緣膜的銅布線大馬士革制程中，用于研磨被堆積在所述有機膜上的銅的化學(xué)機械研磨裝置，具有第1平臺，其可裝卸地保持半導(dǎo)體基板，并且可旋轉(zhuǎn)；第1旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部，其用于使所述第1平臺以期望的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)；第2平臺，其用于使安裝研磨墊，并且可旋轉(zhuǎn)；第2旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部，其使所述第2平臺以期望的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)；第1致動器，其用于使所述第1平臺與所述第2平臺相對地分離或者加壓接觸；控制部，其對所述第1旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部、所述第2旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部以及所述第1致動器進行控制，以便一邊使所述第1平臺與所述第 2平臺向相同方向旋轉(zhuǎn)，一邊使所述研磨墊在所述半導(dǎo)體基板的被處理面的大致整個區(qū)域不向相反方向摩擦并使兩者抵接，進而對所述半導(dǎo)體基板上的銅進行化學(xué)機械式研磨；漿料供給部，其對所述半導(dǎo)體基板與所述研磨墊之間的接觸界面供給漿料。根據(jù)所述的裝置構(gòu)成，可以可靠地實施所述的本發(fā)明的第1觀點中的化學(xué)機械研磨方法。本發(fā)明的第2觀點中的化學(xué)機械研磨裝置是在將介電常數(shù)低的有機膜用作半導(dǎo)體基板上的層間絕緣膜的銅布線大馬士革制程中，用于研磨被堆積在所述有機膜上的銅的化學(xué)機械研磨裝置，具有第1平臺，其可裝卸地保持半導(dǎo)體基板，并且可旋轉(zhuǎn)；第1旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部，其用于使所述第1平臺以期望的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)；第2平臺，其用于安裝研磨墊，并且可旋轉(zhuǎn)；第2旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部，其使所述第2平臺以期望的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)；第1致動器，其用于使所述第1平臺與所述第2平臺相對地分離或者加壓接觸；控制部，其對所述第1旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部、所述第2旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部以及所述第1致動器進行控制，以便一邊使所述第1平臺與所述第 2平臺向相同方向旋轉(zhuǎn)，一邊使各自的旋轉(zhuǎn)中心軸對齊在一條直線上使兩者抵接，進而對所述半導(dǎo)體基板上的銅進行化學(xué)機械式研磨；漿料供給部，其對所述半導(dǎo)體基板與所述研磨墊之間的接觸界面供給漿料。根據(jù)上述裝置構(gòu)成，可以可靠地實施所述的本發(fā)明的第2觀點中的化學(xué)機械研磨方法。本發(fā)明的化學(xué)機械研磨裝置，作為一優(yōu)選方式，還具有第2致動器，其用于使第2 平臺相對于第1平臺在與旋轉(zhuǎn)中心軸正交的方向相對移動。由此，在第2工序以及第3工序中，可以可靠地實施使半導(dǎo)體基板的旋轉(zhuǎn)中心軸與研磨墊的旋轉(zhuǎn)中心軸偏移的方式。另外，本發(fā)明的控制程序在計算機中被執(zhí)行，在執(zhí)行時，使計算機對化學(xué)機械研磨裝置進行控制，以便進行本發(fā)明的化學(xué)機械研磨方法。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)機械研磨裝置、化學(xué)機械研磨方法或者控制程序，利用上述的構(gòu)成以及作用，可以在大馬士革制程中，在對由有機系的low-k膜構(gòu)成的層間絕緣膜上所堆積的銅進行研磨時，防止產(chǎn)生劃痕或凹陷，并且能夠形成平坦性的精度優(yōu)良及電特性的穩(wěn)定性優(yōu)良的嵌入銅布線。
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具體實施例方式下面，參照圖1 圖9對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行說明。在圖1中，表示了本發(fā)明的一實施方式中的CMP(化學(xué)機械研磨)裝置的主要構(gòu)成。該CMP裝置優(yōu)選在用于形成嵌入銅布線的大馬士革制程中使用，例如在圖10的大馬士革制程中，可以用于將在半導(dǎo)體晶片100的low-k有機膜(層間絕緣膜)108上所堆積的銅 116磨平的CMP工序(圖10的(d) — (e))。該CMP裝置的構(gòu)造如下。在可旋轉(zhuǎn)并且可升降的旋轉(zhuǎn)頭(上部平臺)10上粘貼研磨墊12，并在可旋轉(zhuǎn)的固定設(shè)置的旋轉(zhuǎn)臺(下部平臺)14上，將半導(dǎo)體晶片100表面朝上地安裝。在旋轉(zhuǎn)臺14上具有用于將半導(dǎo)體晶片100裝卸自如地固定的保持單元，例如吸附卡盤(未圖示)。旋轉(zhuǎn)頭10與上部電動機16的旋轉(zhuǎn)軸16a結(jié)合，旋轉(zhuǎn)臺14與下部電動機18 的旋轉(zhuǎn)軸18a結(jié)合。如圖所示，旋轉(zhuǎn)頭10的旋轉(zhuǎn)中心軸，即，上部電動機16的旋轉(zhuǎn)軸16a 與旋轉(zhuǎn)臺14的旋轉(zhuǎn)中心軸，即下部電動機18的旋轉(zhuǎn)軸18a在同一的垂直線N上對齊，旋轉(zhuǎn)頭10以及旋轉(zhuǎn)臺14正對置。上部平臺控制部20以及下部平臺控制部22具有電動機驅(qū)動電路，以便對上部電動機16以及下部電動機18供給驅(qū)動電流，按照來自主控制部M的控制信號分別對旋轉(zhuǎn)頭 10及旋轉(zhuǎn)臺14的旋轉(zhuǎn)動作(旋轉(zhuǎn)開始/停止，轉(zhuǎn)速等)進行控制。旋轉(zhuǎn)頭10及上部電動機16與被固定安裝在支撐臺或者支架沈的升降/加壓致動器觀的驅(qū)動軸28a結(jié)合。該升降/加壓致動器觀例如由汽缸或者內(nèi)置電動機的線性致動器構(gòu)成，使驅(qū)動軸28a在上述垂直線N上對齊。升降/加壓控制部30具有對致動器洲供給壓縮空氣或者對致動器觀供給驅(qū)動電流的空氣壓縮回路或者驅(qū)動電路，按照來自主控制部M的指示，對旋轉(zhuǎn)頭10的升降以及按壓力進行控制。漿料供給部32具有例如貯存由含有氧化鋁研磨粒的研磨液構(gòu)成的漿料(研磨劑) 罐、和從該罐中取出漿料并噴出的泵，并將泵的出口側(cè)連接于漿料供給管34的一端。漿料供給管34的另一端通過安裝于上部電動機16的旋轉(zhuǎn)軸16a的旋轉(zhuǎn)接頭36與旋轉(zhuǎn)頭10內(nèi)的漿料導(dǎo)入部(未圖示)連接。在旋轉(zhuǎn)頭10內(nèi)還設(shè)置有從該漿料導(dǎo)入部通向研磨墊的漿料流路(未圖示)。由漿料供給部32送出的漿料通過漿料供給管34、旋轉(zhuǎn)接頭36及旋轉(zhuǎn)頭10內(nèi)的漿料導(dǎo)入部、漿料流路被送到研磨墊12，并從研磨墊12的整個面滲出。主控制部M具有微型計算機，并根據(jù)存儲在外部存儲器或者內(nèi)部存儲器中的軟件(程序)，對裝置內(nèi)的各個部，尤其是旋轉(zhuǎn)頭10、旋轉(zhuǎn)臺14、升降/加壓致動器觀以及漿料供給部32的各個動作以及裝置整體的動作(順序)進行控制。接下來，根據(jù)圖2至圖6對本實施方式的CMP裝置的作用進行說明。在圖2中，表示了在嵌入銅布線形成用的大馬士革制程中為了進行CPM工序，由主控制部M執(zhí)行的控制程序的主要順序。在圖3中，表示了該CMP制程中的各部的狀態(tài)或者物理量的時間的變化 (波形)。在初始狀態(tài)下，如圖1所示，旋轉(zhuǎn)頭10位于被設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臺14的上方的原位置， 研磨墊12與旋轉(zhuǎn)臺14上的半導(dǎo)體晶片100分離。主控制部M首先通過上部平臺控制部20以及下部平臺控制部22分別啟動上部電動機16以及下部電動機18，并將旋轉(zhuǎn)頭(上部平臺)10以及旋轉(zhuǎn)臺(下部平臺)14的旋轉(zhuǎn)速度增大到接觸(抵接)用的速度V1Qa、V14a。(步驟S1、S2)。
這里，旋轉(zhuǎn)頭10以及旋轉(zhuǎn)臺14的接觸用的旋轉(zhuǎn)速度V1(la、VMa可以根據(jù)半導(dǎo)體晶片 100的口徑、表面的凹凸?fàn)顟B(tài)、研磨墊12的材質(zhì)等被設(shè)定為恰當(dāng)?shù)闹担ǔ?，可以?0rpm到 300rpm的范圍內(nèi)，例如可以被設(shè)定為80rpm 90rpm。另外，雖然Vltla > V14a或者Vltla < V14a 也沒有關(guān)系，但優(yōu)選Vltla = V14at5上部平臺控制部20以及下部平臺控制部22可以通過使用例如旋轉(zhuǎn)式編碼器(未圖示)等旋轉(zhuǎn)速度檢測器，對研磨墊12以及旋轉(zhuǎn)臺14的旋轉(zhuǎn)速度以反饋方式進行控制，還可以在各自的旋轉(zhuǎn)速度到達設(shè)定值V1(la、V14a或者穩(wěn)定的時刻，將其狀態(tài)通過狀態(tài)信號等通知給主控制部對。接下來，主控制部24通過升降/加壓控制部30并借助于升降/加壓致動器觀使旋轉(zhuǎn)頭10下降(步驟S3)，并在基于旋轉(zhuǎn)頭10的下降距離或者高度位置的規(guī)定的時刻，優(yōu)選在研磨墊12與旋轉(zhuǎn)臺14上的半導(dǎo)體晶片100接觸之前(時刻、)，使?jié){料供給部32開始送出漿料(步驟、)。如上述那樣，由漿料供給部32送出的漿料通過漿料供給管；34、旋轉(zhuǎn)接頭36 及旋轉(zhuǎn)頭10內(nèi)的漿料導(dǎo)入部、漿料流路被送到研磨墊12，并從研磨墊12的整個面滲出。然后，主控制部M對研磨墊12與半導(dǎo)體晶片100的接觸進行確認(步驟&，時刻 t2)。該接觸的確認例如可以基于旋轉(zhuǎn)頭10的下降距離或者高度位置進行，但通常使用對上部電動機16的旋轉(zhuǎn)扭矩的變化進行檢測的方法較為可靠。在圖4中，表示研磨墊12與半導(dǎo)體晶片100抵接或者接觸的狀態(tài)。在確認了接觸后，主控制部M將旋轉(zhuǎn)頭10與旋轉(zhuǎn)臺14之間的相對旋轉(zhuǎn)速度控制為適合研磨的規(guī)定值(步驟&)。例如，如圖3所示，將旋轉(zhuǎn)頭10的旋轉(zhuǎn)速度保持為接觸用的設(shè)定值Vltla的狀態(tài)下，將旋轉(zhuǎn)臺14的旋轉(zhuǎn)速度線性地減速到比接觸用的設(shè)定值Vwa低的設(shè)定值V14b，將相對旋轉(zhuǎn)速度線性地上升到研磨用的設(shè)定值Vs (時刻t3 時刻t4)。該研磨用的相對旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定值Vs可以根據(jù)半導(dǎo)體晶片100的口徑、表面的凹凸?fàn)顟B(tài)、研磨墊12 的材質(zhì)等選定適當(dāng)?shù)闹道?-30rpm，還可以在研磨中進行可變控制。另一方面，主控制部M通過升降/加壓控制部30借助于升降/加壓致動器觀控制研磨墊12對半導(dǎo)體晶片100的按壓力即研磨壓力(步驟S7)，通常為隨著處理時間的經(jīng)過而逐漸(例如為線性地)上升。在本實施方式中，在接觸時，將半導(dǎo)體晶片100以及研磨墊12如圖5所示使其旋轉(zhuǎn)中心在同一條直線N上對齊，并向同一方向旋轉(zhuǎn)。由此，在半導(dǎo)體晶片100與研磨墊12 的接觸面上，如圖6所示，即使研磨墊12按壓到半導(dǎo)體晶片100的表面，研磨墊12也不在半導(dǎo)體晶片100的表面的整個區(qū)域中向相反方向摩擦，因此在被處理面的任何位置，對銅 116(特別是凸部116a)施加的切斷應(yīng)力均很小，并且切斷應(yīng)力蓄積在基底的low-k有機膜 108、104中程度也小。因此，可以不在半導(dǎo)體晶片100表面的整個區(qū)域產(chǎn)生如劃痕或者凹陷源之類的傷痕，開始銅116的研磨。并且，在本實施方式中，由于在接觸后也將半導(dǎo)體晶片100以及研磨墊12如圖5 所示使其旋轉(zhuǎn)中心在同以直線N上對齊，并一邊向相同方向旋轉(zhuǎn)，一邊對相對旋轉(zhuǎn)速度以及研磨壓力進行逐漸變動或者進行調(diào)整，因此對半導(dǎo)體晶片100的表面的任意部分均不造成切斷應(yīng)力的急劇的變化，可以穩(wěn)定地進行銅116的研磨。當(dāng)從接觸時刻(時刻t2)經(jīng)過了規(guī)定的研磨處理時間(設(shè)定時間)Ts時(步驟S8, 時刻t5)，主控制部M為了結(jié)束研磨，其通過上部平臺控制部20以及下部平臺控制部22，將旋轉(zhuǎn)頭10與旋轉(zhuǎn)臺14之間的相對旋轉(zhuǎn)速度切換為分離用的旋轉(zhuǎn)速度Ve(步驟S9，S10)。 該分離用的旋轉(zhuǎn)速度Ve優(yōu)選為盡可能小的值，最好優(yōu)選被設(shè)定為零(Ve = 0)。在該例中， 將旋轉(zhuǎn)頭10的旋轉(zhuǎn)速度從之前的旋轉(zhuǎn)速度Vltla減速到分離用的設(shè)定值Vltlb (Vltlb = V14b)(時刻t5至?xí)r刻t6)，使相對旋轉(zhuǎn)速度等于設(shè)定值Ve (0)。此外，為了得到研磨結(jié)束的時刻，還可以使用通過上部平臺控制部20或者下部平臺控制部22檢測研磨墊12對low-k有機膜108上的屏蔽金屬114進行研磨時的旋轉(zhuǎn)扭矩的變化的方法。主控制部M接下來通過升降/加壓控制部30借助于利用升降/加壓致動器觀使旋轉(zhuǎn)頭10上升，使半導(dǎo)體晶片100與研磨墊12分離或者分開(步驟S11,時刻t7)。另外， 幾乎與此同時，使?jié){料供給部32停止?jié){料的供給(步驟S12)。并且，通過上部平臺控制部 20以及下部平臺控制部22使旋轉(zhuǎn)頭10以及旋轉(zhuǎn)臺14的旋轉(zhuǎn)停止(步驟S13)。如上述那樣，在本實施方式中，即使在結(jié)束研磨處理時，也將兩方如圖5所示使其旋轉(zhuǎn)中心在同一條直線N上對齊，并一邊向相同方向旋轉(zhuǎn)，一邊使相對旋轉(zhuǎn)速度減小(優(yōu)選減小為0)，使半導(dǎo)體晶片100與研磨墊12順利地分離，因此，能夠可及地降低在半導(dǎo)體晶片 100的表面(銅116的表面以及l(fā)ow-k有機膜108的表面)帶傷的可能性。在圖7中表示了第2實施方式中的CMP裝置的主要的構(gòu)成。對與上述的第1實施方式的CMP裝置(圖1)相同的構(gòu)成或者功能的部分，賦予同一參照符號。 在該實施方式中，在旋轉(zhuǎn)頭(上部平臺)10，將半導(dǎo)體晶片100面朝下地安裝，并在與旋轉(zhuǎn)頭10相比口徑(直徑)格外大的例如2倍程度大的旋轉(zhuǎn)臺(下部平臺)14粘貼研磨墊12，旋轉(zhuǎn)頭10的旋轉(zhuǎn)中心軸與旋轉(zhuǎn)臺14的旋轉(zhuǎn)中心軸可以成為在同軸上對齊的裝置構(gòu)成，還可以成為任意偏移的裝置構(gòu)成。具體而言，可以使經(jīng)由上部電動機16與旋轉(zhuǎn)頭10結(jié)合的升降/加壓致動器觀在水平的一方向上(X方向)移動，借助其上方設(shè)置的水平移動機構(gòu)40，使得升降/加壓致動器觀乃至旋轉(zhuǎn)頭10的位置可以在水平方向上變化。另外，在旋轉(zhuǎn)頭10中，具有用于裝卸自如地將半導(dǎo)體晶片100安裝的保持單元，例如吸附卡盤(未圖示)。漿料供給管34通過安裝在下部電動機18的旋轉(zhuǎn)軸18a的旋轉(zhuǎn)接頭36與旋轉(zhuǎn)臺14內(nèi)的漿料導(dǎo)入部(未圖示)連接。在旋轉(zhuǎn)臺14內(nèi)，設(shè)置有從該漿料導(dǎo)入部通向研磨墊的漿料流路(未圖示)。由漿料供給部32送出的漿料，通過漿料供給管34、 旋轉(zhuǎn)接頭36及旋轉(zhuǎn)臺14內(nèi)的漿料導(dǎo)入部、漿料流路被送到研磨墊12，并從研磨墊12的整個面滲出。在本實施方式中，在開始CPM處理時，可以使用與上述第1實施方式相同的方法， 使旋轉(zhuǎn)頭10以及旋轉(zhuǎn)臺14 一邊向相同方向旋轉(zhuǎn)，一邊對齊各自的旋轉(zhuǎn)中心軸，并進行接觸。由此，在半導(dǎo)體晶片100與研磨墊12的接觸面，如圖6所示，即使研磨墊12按壓并接觸半導(dǎo)體晶片100的表面(被處理面)，在半導(dǎo)體晶片100表面的任意部分，研磨墊12也不向相反方向摩擦，因此，對表層的銅116(尤其是凸部116a)施加的切斷應(yīng)力小，并且切斷應(yīng)力蓄積在基底的low-k有機膜108、104中的程度也小。因此，可以不遍布半導(dǎo)體晶片100 的整個表面產(chǎn)生劃痕或者凹陷源之類的傷痕，開始銅116的研磨。并且，在接觸后，將旋轉(zhuǎn)頭10與旋轉(zhuǎn)臺14之間的相對旋轉(zhuǎn)速度調(diào)整為設(shè)定值Vs， 在經(jīng)過規(guī)定時間后，優(yōu)選在半導(dǎo)體晶片100上的銅116的凸部116a被大部分研磨后，使水平移動機構(gòu)40工作，如圖8所示，將半導(dǎo)體晶片100的旋轉(zhuǎn)中心軸從研磨墊12的旋轉(zhuǎn)中心軸偏移，并在該偏移后的位置進行研磨處理。在該情況下，如圖8所示，可以使旋轉(zhuǎn)頭10(半導(dǎo)體晶片100)的偏移位置相對旋轉(zhuǎn)臺14(研磨墊12)向箭頭X的方向直線移動，或者也可以向箭頭θ的方向環(huán)狀地移動。 在這樣的偏移關(guān)系中，在半導(dǎo)體晶片100的表面(被處理面)中，混有與研磨墊12向相反方向摩擦的部分不同的部分。但是，由于被處理膜的銅116的凸部116a(圖6)被大部分研磨并在表面無傷痕，所以即使對其施加某種程度大的切斷應(yīng)力，產(chǎn)生劃痕或凹陷的可能性也較小。另一方面，在該偏移方式中，由于可以將大口徑的研磨墊12的大范圍區(qū)域有效利用于對半導(dǎo)體晶片100的研磨，所以可以提高漿料的提供速度和研磨速度。在使研磨結(jié)束時，雖然可以在偏移位置使半導(dǎo)體晶片100與研磨墊12分離，但是優(yōu)選將旋轉(zhuǎn)頭10返回旋轉(zhuǎn)臺14的中心，并降低相對旋轉(zhuǎn)速度(優(yōu)選為0)，再使兩者分離。從而，可以在研磨結(jié)束時，最大可能地減少半導(dǎo)體晶片100的表面(銅116的表面以及 low-k有機膜108的表面)帶傷的可能性。在圖9中，表示了為了進行上述實施方式中的CMP處理方法，對上述CMP裝置(圖 1、圖7)的各部的控制以及整體的時序進行控制的主控制部24的構(gòu)成例。該構(gòu)成例的主控制部24具有通過總線50連接的處理器(CPU) 52、內(nèi)部存儲器 (RAM) 54、程序儲存裝置(HDD) 56、閃存存儲器或者光盤等外部存儲器驅(qū)動器(DRV) 58、鍵盤和鼠標(biāo)等輸入器件(KEY)60、顯示裝置(DIS)62、網(wǎng)絡(luò)及接口(C0M)64以及周邊接口(I/ F) 66。處理器(CPU) 52從裝填在外部存儲器驅(qū)動器(DRV) 58中閃存存儲器或者光盤等存儲介質(zhì)68中讀取所要的程序編碼并保存在HDD56中。或者，還可以通過網(wǎng)絡(luò)及接口 64從網(wǎng)絡(luò)下載所要的程序。然后，處理器(CPU) 52將在各階段或者各個場面所需要的程序的編碼從HDD156展開到工作存儲器(RAM) 54中來執(zhí)行各個步驟，進行期望的運算處理并通過周邊接口 66對裝置內(nèi)的各部進行控制。用于實現(xiàn)在上述實施方式中說明的CMP的程序在整個該計算機系統(tǒng)中被執(zhí)行。


圖1是表示本發(fā)明的一實施方式中的CMP裝置的主要構(gòu)成的圖。圖2是表示用于實施方式中的CPM工序的控制程序的主要順序的流程圖。圖3是表示實施方式的CMP工序中的各部的狀態(tài)或者物理量的時間的變化的波形圖。圖4是表示在實施方式的CMP裝置中，使研磨墊抵接或者接觸于半導(dǎo)體晶片的狀態(tài)的圖。圖5是表示在實施方式的CMP中，半導(dǎo)體晶片與研磨墊的旋轉(zhuǎn)方向以及相對位置關(guān)系的俯視圖。圖6是示意性地表示在實施方式的CMP中，研磨墊剛抵接在半導(dǎo)體晶片后的接觸面的情況的剖面圖。圖7是表示第2實施方式中的CMP裝置的主要構(gòu)成的圖。
圖8是表示 第2實施方式中的半導(dǎo)體晶片與研磨墊的旋轉(zhuǎn)方向以及相對位置關(guān)系的俯視圖。圖9是表示實施方式的CMP裝置中的主控制部的構(gòu)成例的框圖。圖10是表示將有機系的low-k膜用作層間絕緣膜的銅布線的大馬士革制程的工序的圖。圖11是表示以往的代表的CMP裝置的構(gòu)成的圖。圖12是表示使用以往的CMP裝置所產(chǎn)生的缺陷的一個例子的大致剖面圖。圖13是表示以往的CMP裝置中的半導(dǎo)體晶片與研磨墊的旋轉(zhuǎn)方向以及相對位置關(guān)系的俯視圖。符號的說明10...旋轉(zhuǎn)頭(上部平臺)；12...研磨墊；14...旋轉(zhuǎn)臺(下部平臺)；16···上部電動機；18···下部電動機；20. ··上部平臺控制部；22...下部平臺控制部；24...主控制部；28···升降/加壓致動器；30...升降/加壓控制部;32...漿料供給部；32...漿料供給管；36...旋轉(zhuǎn)接頭；40...水平移動機構(gòu)；100...半導(dǎo)體晶片；104、108. · · low-k 膜(層間絕緣膜)；106...銅。
權(quán)利要求
1.一種銅布線形成用的化學(xué)機械研磨方法，在將介電常數(shù)低的有機膜用作半導(dǎo)體基板上的層間絕緣膜的銅布線大馬士革制程中，用于研磨被堆積在所述有機膜上的銅，具有第1工序，按照一邊使半導(dǎo)體基板與研磨墊向相同方向旋轉(zhuǎn)，一邊使所述研磨墊在所述半導(dǎo)體基板的被處理面的大致整個區(qū)域中不向相反方向摩擦的方式使兩者抵接；第2工序，對所述半導(dǎo)體基板與所述研磨墊之間的接觸界面供給漿料，并對所述半導(dǎo)體基板與所述研磨墊之間的壓力以及相對旋轉(zhuǎn)速度進行控制，對所述半導(dǎo)體基板上的銅進行化學(xué)機械式研磨。
2.—種銅布線形成用的化學(xué)機械研磨方法，在將介電常數(shù)低的有機膜用作半導(dǎo)體基板上的層間絕緣膜的銅布線大馬士革制程中，用于研磨被堆積在所述有機膜上的銅，具有第1工序，一邊使半導(dǎo)體基板與研磨墊向相同方向旋轉(zhuǎn)，一邊將各自的旋轉(zhuǎn)中心軸對齊在一條直線上，使兩者抵接；第2工序，對所述半導(dǎo)體基板與所述研磨墊之間的接觸界面供給漿料，并對所述半導(dǎo)體基板與所述研磨墊之間的相對旋轉(zhuǎn)速度以及壓力進行控制，對所述半導(dǎo)體基板上的銅進行化學(xué)機械式研磨。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的化學(xué)機械研磨方法，其特征在于，在所述第1工序中，將所述半導(dǎo)體基板以及所述研磨墊各自的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定在 50rpm 300rpm的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的化學(xué)機械研磨方法，其特征在于，在所述第1工序中，將所述半導(dǎo)體基板以及所述研磨墊各自的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為 80rpm 90rpmo
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的化學(xué)機械研磨方法，其特征在于，在所述第1工序中，使所述半導(dǎo)體基板的旋轉(zhuǎn)速度和所述研磨墊的旋轉(zhuǎn)速度之差實質(zhì)上為零。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的化學(xué)機械研磨方法，其特征在于，在所述第2工序中，使所述半導(dǎo)體基板和所述研磨墊向相同方向旋轉(zhuǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的化學(xué)機械研磨方法，其特征在于，在所述第2工序中，所述研磨墊在所述半導(dǎo)體基板的被處理面的大致整個區(qū)域中不向相反方向摩擦。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的化學(xué)機械研磨方法，其特征在于，在所述第2工序中，使所述半導(dǎo)體基板的旋轉(zhuǎn)中心軸與所述研磨墊的旋轉(zhuǎn)中心軸在一條直線上對齊。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的化學(xué)機械研磨方法，其特征在于，在所述第2工序中，使所述半導(dǎo)體基板的旋轉(zhuǎn)中心軸與所述研磨墊的旋轉(zhuǎn)中心軸偏移。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的化學(xué)機械研磨方法，其特征在于，在所述第2工序中，使所述半導(dǎo)體基板相對于所述研磨墊的偏移位置可變。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的化學(xué)機械研磨方法，其特征在于，在所述第2工序中，將所述研磨墊的旋轉(zhuǎn)速度維持恒定，并使所述半導(dǎo)體基板的旋轉(zhuǎn)速度比所述第1工序中的旋轉(zhuǎn)速度低。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的化學(xué)機械研磨方法，其特征在于，在所述第2工序中，使所述半導(dǎo)體基板與所述研磨墊的相對旋轉(zhuǎn)速度可變。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的化學(xué)機械研磨方法，其特征在于， 在所述第2工序中，使施加在所述接觸界面的壓力逐漸地升高。
14.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的化學(xué)機械研磨方法，其特征在于，為了結(jié)束所述半導(dǎo)體基板的銅的研磨還具有第3工序，該第3工序一邊使所述半導(dǎo)體基板與所述研磨墊向相同方向旋轉(zhuǎn)，一邊使兩者分離。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的化學(xué)機械研磨方法，其特征在于，在所述第3工序中，所述研磨墊在所述半導(dǎo)體基板的被處理面的大致整個區(qū)域中不向相反方向摩擦。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的化學(xué)機械研磨方法，其特征在于，在所述第3工序中，使所述半導(dǎo)體基板的旋轉(zhuǎn)中心軸與所述研磨墊的旋轉(zhuǎn)中心軸在一條直線上對齊。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的化學(xué)機械研磨方法，其特征在于，在所述第3工序中，使所述半導(dǎo)體基板的旋轉(zhuǎn)中心軸與所述研磨墊的旋轉(zhuǎn)中心軸偏移。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的化學(xué)機械研磨方法，其特征在于，在所述第3工序中，使所述半導(dǎo)體基板的旋轉(zhuǎn)速度和所述研磨墊的旋轉(zhuǎn)速度之差實質(zhì)上為零。
19.一種控制程序，在計算機中被執(zhí)行，在被執(zhí)行時，使計算機對化學(xué)機械研磨裝置進行控制，以便進行權(quán)利要求1或者權(quán)利要求2所述的化學(xué)機械控制方法。
20.一種銅布線形成用的化學(xué)機械研磨裝置，在將介電常數(shù)低的有機膜用作半導(dǎo)體基板上的層間絕緣膜的銅布線大馬士革制程中，用于研磨被堆積在所述有機膜上的銅，具有第1平臺，其可裝卸地保持半導(dǎo)體基板，并且構(gòu)成為可旋轉(zhuǎn)； 第1旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部，其用于使所述第1平臺以期望的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)； 第2平臺，其安裝有研磨墊，并且構(gòu)成為可旋轉(zhuǎn)； 第2旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部，其用于使所述第2平臺以期望的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)； 第1致動器，其用于使所述第1平臺與所述第2平臺相對地分離或者加壓接觸； 控制部；其對所述第1旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部、所述第2旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部以及所述第1致動器進行控制，以便一邊使所述第1平臺與所述第2平臺向相同方向旋轉(zhuǎn)，一邊使所述研磨墊在所述半導(dǎo)體基板的被處理面的大致整個區(qū)域中不向相反方向摩擦地使兩者抵接，進而對所述半導(dǎo)體基板上的銅進行化學(xué)機械式研磨；及漿料供給部，其對所述半導(dǎo)體基板與所述研磨墊之間的接觸界面供給漿料。
21.—種銅布線形成用的化學(xué)機械研磨裝置，在將介電常數(shù)低的有機膜用作半導(dǎo)體基板上的層間絕緣膜的銅布線大馬士革制程中，用于研磨被堆積在所述有機膜上的銅，具有第1平臺，其可裝卸地保持半導(dǎo)體基板，并且構(gòu)成為可旋轉(zhuǎn)； 第1旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部，其用于使所述第1平臺以期望的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)；第2平臺，其安裝有研磨墊，并且構(gòu)成為可旋轉(zhuǎn)； 第2旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部，其用于使所述第2平臺以期望的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)； 第1致動器，其用于使所述第1平臺與所述第2平臺相對地分離或者加壓接觸； 控制部，其對所述第1旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部、所述第2旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部以及所述第1致動器進行控制，以便一邊使所述第1平臺與所述第2平臺向相同方向旋轉(zhuǎn)，一邊使各自的旋轉(zhuǎn)中心軸對齊在一條直線上并使兩者抵接，進而對所述半導(dǎo)體基板上的銅進行化學(xué)機械式研磨； 漿料供給部，其對所述半導(dǎo)體基板與所述研磨墊之間的接觸界面供給漿料。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的化學(xué)機械研磨裝置，其特征在于， 具有第2致動器，其用于使所述第2平臺相對于所述第1平臺在與旋轉(zhuǎn)中心軸正交的方向相對移動。
全文摘要
在大馬士革制程中在對被堆積于由有機系的low-k膜構(gòu)成的層間絕緣膜上的銅進行研磨時，CMP裝置可以防止發(fā)生劃痕或凹陷。在該CMP裝置中，使粘貼了研磨墊(12)的旋轉(zhuǎn)頭(10)的旋轉(zhuǎn)中心軸與將半導(dǎo)體晶片(100)面朝上安裝的旋轉(zhuǎn)臺(14)的旋轉(zhuǎn)中心軸在同一垂直線(N)上對齊，并一邊使旋轉(zhuǎn)頭(10)及旋轉(zhuǎn)臺(14)向相同方向旋轉(zhuǎn)，一邊使旋轉(zhuǎn)頭(10)下降，從而使研磨墊(12)與旋轉(zhuǎn)臺(14)上的半導(dǎo)體晶片(100)抵接，使得研磨墊(12)在半導(dǎo)體晶片(100)表面的整個區(qū)域中不向相反方向摩擦。
文檔編號B24B37/04GK102160152SQ20098013720
公開日2011年8月17日 申請日期2009年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月24日
發(fā)明者大見忠弘, 松岡孝明 申請人:東京毅力科創(chuàng)株式會社, 國立大學(xué)法人東北大學(xué)