JP2003326418A - 研磨方法および研磨装置、並びに半導体装置の製造方法 - Google Patents

研磨方法および研磨装置、並びに半導体装置の製造方法

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JP2003326418A
JP2003326418A JP2002136067A JP2002136067A JP2003326418A JP 2003326418 A JP2003326418 A JP 2003326418A JP 2002136067 A JP2002136067 A JP 2002136067A JP 2002136067 A JP2002136067 A JP 2002136067A JP 2003326418 A JP2003326418 A JP 2003326418A
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polishing
electrolytic solution
dissolved oxygen
metal film
film
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JP2002136067A
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English (en)
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Shingo Takahashi
新吾 高橋
Takeshi Nogami
毅 野上
Shuzo Sato
修三 佐藤
Hisanori Komai
尚紀 駒井
Kaori Tai
香織 田井
Hiroshi Horikoshi
浩 堀越
Suguru Otorii
英 大鳥居
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電解液中の溶存酸素に起因して金属膜が腐食
や劣化することがなく、高品質な研磨を実現する研磨方
法及び研磨装置を提供する。また、これらを利用した半
導体装置の製造方法を提供する。 【解決手段】 本発明に係る研磨方法は、金属膜が形成
された基板Wと対向電極15とを溶存酸素を除去した電
解液E中に対向配置し、上記電解液Eを介して上記金属
膜に通電するとともに、研磨パッド13で上記金属膜表
面を研磨することを特徴とする。以上のように構成され
た本発明に係る研磨方法では、溶存酸素を除去、低減し
た電解液Eを用いて研磨を行うため、電解液E中の溶存
酸素に起因して金属膜の酸化劣化や腐食が生じることが
ない。したがって、研磨により金属膜の品質が劣化する
ことがなく、高品質な研磨を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属膜を研磨する
研磨方法および研磨装置に関し、特に溶存酸素を除去し
た電解液を用いる研磨方法、研磨装置、及びこれを利用
した半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】テレビ、パソコン、携帯電話、その他電
子機器の小型高性能化、多機能化などの要求からこれら
電子機器に使用されるLSI(Large Scale Integratio
n)にはさらなる高速化、低消費電力化が求められてい
る。これに応えるため半導体素子は微細化、多層構造化
を繰り返し、その材料も最適化が行なわれてきた。
【0003】現在、最先端素子においてはデザインルー
ルで言うところの、0.1um世代からその先へ移行し
つつある状況にある。その半導体装置の製造プロセスに
おいては、微細化に伴う露光側におけるDOF(Depth
of Focus、焦点深度)の限界から表面の平坦化が必要に
なり、CMP(Chemical Mechanical Polishing)プロセ
スが持ち込まれ、既に広く一般化している。
【0004】また、デュアルダマシンに代表される、ト
レンチへ金属膜を埋め込み、表層に余剰に成膜された部
分をCMPで除去し、埋め込みトレンチ部分に配線形成
する方法が用いられるようになった。
【0005】材料面においては、微細化により動作遅延
に占める割合が無視できないレベルになった配線遅延を
少なくするため、1997年のIBMの発表により一気
に開発が進められた銅配線は0.1um世代あたりから
採用が加速し、配線を形成する導電性金属材料として、
従来用いられてきたアルミ配線から電気抵抗の低い銅配
線へ移行している。
【0006】さらに、次の0.07um世代において
は、シリコン酸化膜系絶縁膜と銅配線との組み合わせで
は動作遅延に占める割合が素子トランジスタ遅延よりも
配線遅延のほうが大きくなるため、これまでの配線構
造、特に絶縁膜の誘電率をさらに小さくすることが必須
となっている。このため、各種低誘電率膜が開発されて
いるが、そのいずれもポーラス状などの機械的強度の低
い材料であり、その表層を高い圧力で押圧摺動する必要
があるCMPプロセスには耐えられないという問題があ
る。
【0007】従来のCMPで印加される加工圧力は、略
4PSI〜6PSI(1PSIは略70g/cm)で
ある。脆弱な超低誘電率材料においては、このような圧
力下では圧壊、クラック、剥離などが生じてしまうた
め、良好な配線形成を行なうことができない。一方、こ
れらの超低誘電材料が機械的に耐えられる圧力、例えば
1.5PSI(105g/cm)以下程度までCMP
の加工圧力を下げた場合には、通常の生産速度に必要な
研磨レートを得ることができないなどの問題が生じる。
したがって、超低誘電率材料に対しては、CMPには根
本的な問題がある。
【0008】そこで、上記のCMPの問題点に鑑みて、
単純にめっきの逆電解による溶出除去を行なった場合、
表層から一様に材料溶出除去されるため凹凸を平坦化す
ることができない。その結果、パターンによっては、研
磨終了時の部分的な配線の消失、ディッシング(へこ
み)、リセス(ひけ)、などのオーバー研磨、あるい
は、ショート(隣接配線のCu残り接触)、アイランド
(島状のCu残り)などのアンダー研磨など、機械的圧
力破壊の発生は防止することができるが、平坦性の問題
が生じる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところで、最近、以上
のCMPの問題点である圧力破壊、および単純逆電解の
問題点である平坦化能力不足に鑑みて、低圧または圧力
フリーで電解研磨を行う低圧電解研磨方法が開発されて
いる。この技術は、電解印加により被研磨膜であるCu
表面を研磨の容易な変質層、または研磨なしで溶解する
ような変質層に変えてCuの平坦化を行う技術である。
以下にその原理を説明する。
【0010】まず、電解研磨を行う為に被加工対象であ
るウエハ表面の銅膜を陽極とし、ウエハに対向する位置
に配置した陰極との間に電解液を介して、電解電圧を印
加し電解電流を通電する。これにより、陽極として電解
作用を受ける銅膜表面は陽極酸化され、表層に銅酸化物
被膜が形成され、この酸化物と電解液中に含まれる銅錯
体形成剤が反応する、すなわち銅錯体を形成することで
その錯体形成剤物質により高電気抵抗層、不溶性錯体被
膜、不働態被膜などの変質層を形成する。そして、この
銅膜表面の変質層を同時に研磨パッドで摺動、ワイピン
グすることで、銅膜表面の凸部表層に形成された変質層
被膜を除去し、下地銅を露出させ、部分的に再電解す
る。以上のように電解研磨とワイピングとのサイクルを
繰り返し行うことで平坦化が進行する。
【0011】しかしながら、上述した研磨方法において
は、その電解液中の溶存酸素の存在が問題となる。すな
わち、電解液中の溶存酸素に起因してCu膜の酸化劣化
や腐食が生じ、また時にはこれらに起因して局所的に配
線の欠落や短絡が生じてしまう。また、Cu配線のエレ
クトロマイグレーションやストレスマイグレーションな
どの信頼性低下を引き起こす場合もある。
【0012】したがって、本発明は、上述した従来の問
題点に鑑みて創案されたものであり、電解液中の溶存酸
素に起因して金属膜が腐食や劣化することがなく、高品
質な研磨を実現する研磨方法及び研磨装置を提供する。
また、これらを利用した半導体装置の製造方法を提供す
る。
【0013】
【課題を解決するための手段】以上の目的を達成する本
発明に係る研磨方法は、金属膜が形成された基板と対向
電極とを溶存酸素を除去した電解液中に対向配置し、電
解液を介して金属膜に通電するとともに、研磨パッドで
金属膜表面を研磨することを特徴とするものである。
【0014】また、以上の目的を達成する本発明に係る
研磨装置は、金属膜が形成された基板と対向電極とを溶
存酸素が除去された電解液中に対向配置し、電解液を介
して金属膜に通電するとともに、研磨パッドで金属膜表
面を研磨することを特徴とするものである。
【0015】以上のように構成された本発明に係る研磨
方法および研磨装置では、溶存酸素を除去、低減した電
解液を用いて研磨を行うため、電解液中の溶存酸素に起
因して研磨中に金属膜の酸化劣化や腐食が生じることが
ない。したがって、研磨により金属膜の品質が劣化する
ことがなく、高品質な研磨を行うことができる。
【0016】また、以上の目的を達成する本発明に係る
半導体装置の製造方法は、基板上に形成された絶縁膜に
金属配線を形成するための配線溝を形成する工程と、配
線溝を埋め込むように絶縁膜上に金属膜を形成する工程
と、絶縁膜上に形成した金属膜を研磨する工程とを有
し、金属膜を研磨する工程において、金属膜が形成され
た基板と対向電極とを溶存酸素を除去した電解液中に対
向配置し、電解液を介して金属膜に通電するとともに、
研磨パッドで金属膜表面を研磨することにより金属膜を
研磨することを特徴とするものである。
【0017】以上のように構成された本発明に係る半導
体装置の製造方法では、金属配線を形成する際に、溶存
酸素を除去、低減した電解液を用いて研磨を行うため、
金属配線を形成する際に電解液中の溶存酸素に起因して
金属膜の酸化劣化や腐食が生じることがない。また、電
解液中の溶存酸素に起因して局所的に金属膜が欠落して
配線の欠落や短絡が生じることがない。そして、形成さ
れた金属配線にエレクトロマイグレーションやストレス
マイグレーションなどが生じることもない。すなわち、
この半導体装置の製造方法によれば、電解液中の溶存酸
素を除去して上記のような研磨を行うため、金属膜の品
質を劣化させることなく、所望の形状に精度良く金属膜
を研磨することが可能であり、高品質で信頼性の高い金
属配線を形成することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照しなが
ら、本発明に係る研磨方法、研磨装置、及び半導体装置
の製造方法について詳細に説明する。なお、以下の図面
においては、理解の容易のため、各図面においての縮尺
が実際とは異なる場合がある。また、本発明は以下の記
述に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない
範囲において適宜変更可能である。
【0019】まず、本発明において用いる電解液中の溶
存酸素の除去方法について説明する。本発明においては
電解液中の溶存酸素を除去するために、該電解液に不活
性ガスまたは水素ガスを導入する。このように、電解液
中に不活性ガス、例えば窒素ガスを吹き込むことによ
り、電解液中の酸素ガスを窒素ガスに置換し、気液接触
面の気体を窒素ガスのみにして溶存酸素を電解液中から
気相に拡散させて除去することができる。この方法は、
本来、不純物とされる不活性ガスが、例えば半導体製造
分野等においては無害であり、不純物とされないことを
利用して行われるため、特に半導体製造分野に用いて好
適である。また、電解液が酸素以外のガスを含む場合に
は、そのようなガスも同時に除去することができる。
【0020】具体的な方法としては、バブリング機構等
を用いて電解液中に不活性ガスまたは水素ガスを導入す
る。上記の研磨方法により研磨を行うにあたって、不活
性ガス等の導入は、例えば、電解液を貯蔵タンク等に貯
留した状態で行っても良く、また、実際に研磨を行いな
がら行っても良い。電解液を貯蔵タンク等に貯留した状
態で行う場合には、不活性ガス等が導入され、溶存酸素
が除去された電解液を研磨装置に供給する、もしくは循
環させることにより溶存酸素が除去、または低減された
電解液により研磨を行うことが可能である。また、研磨
中に不活性ガス等の導入を行う場合には、研磨時に電極
から発生する水素や酸素などのガスも除去することがで
きる。
【0021】また、電解液中に導入する不活性ガスとし
ては、例えば窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン等が挙
げられる。
【0022】また、本発明においては、電解液中の溶存
酸素を除去するために、該電解液を減圧雰囲気下に保持
する。具体的には、例えば研磨装置において電解液を貯
留した処理室を密閉し、該処理室内を排気機構により吸
引し、減圧する。このようにして電解液を減圧雰囲気下
に保持することにより、電解液中の溶存酸素や、研磨時
に電極から発生する水素や酸素などのガスを排気するこ
とができる。減圧圧力は、特に限定されるものではな
く、研磨において溶存酸素による不具合が発生しない程
度に電解液中の溶存酸素の除去が可能となる圧力であれ
ばよい。
【0023】また、電解液を貯蔵タンク等に貯留し、該
貯蔵タンク等を密閉し、該貯蔵タンク内を減圧して電解
液中の溶存酸素の除去したものを、研磨装置に供給す
る、もしくは循環させても良い。このような方法によっ
ても、溶存酸素が除去、または低減された電解液により
研磨を行うことが可能である。
【0024】また、同様に本発明においては、電解液中
の溶存酸素を除去するために、該電解液に脱酸素剤を添
加する。このように、電解液中に脱酸素剤を添加する
と、電解液中の水素と脱酸素剤が電解液中の溶存酸素と
反応し、溶存酸素を水に変換することにより電解液中の
溶存酸素が除去される。このとき、反応を良好に進め、
効果的に溶存酸素を除去するために電解液中に水素を供
給しても良い。
【0025】ここで、脱酸素剤としては、脱酸素機能を
有する薬剤であればよく、特に制限されないが、脱酸素
機能の高いヒドラジン、亜硫化ナトリウム等が好適であ
る。また、酸素との反応速度が遅い脱酸素剤であって
も、これを触媒と併用することにより高い脱酸素効果を
得ることが可能である。
【0026】以上、説明したように、本発明においては
上述した手法を用いて電解液中の溶存酸素を除去、低減
させる。また、本発明においては、上記の手法を個々に
用いるほか、上記の手法を複数組み合わせて用いること
も可能であり、より確実に電解液中の溶存酸素を除去す
ることができる。
【0027】次に、上述した電解液中の溶存酸素の除去
方法を利用した本発明に係る研磨方法及び研磨装置につ
いて説明する。なお、以下においては、ウエハW上に形
成された金属膜としてCu膜を研磨する場合を例に説明
する。
【0028】本発明に係る研磨方法は、金属膜が形成さ
れた基板と対向電極とを溶存酸素を除去した電解液中に
対向配置し、電解液を介して金属膜に通電するととも
に、研磨パッドで金属膜表面を研磨することを特徴とす
るものである。また、本発明に係る研磨装置は、金属膜
が形成された基板と対向電極とを溶存酸素が除去された
電解液中に対向配置し、電解液を介して金属膜に通電す
るとともに、研磨パッドで上記金属膜表面を研磨するこ
とを特徴とするものである。
【0029】図1に本発明を適用して構成した研磨装置
1の概略構成図を示す。この研磨装置1は、ウエハ上に
形成される被研磨対象であり且つ陽極として通電される
Cu膜を電解作用と機械的研磨とによって平坦化するた
めの装置である。なお、本発明の研磨方法は、以下に説
明する研磨装置を用いた研磨方法に限定されず、様々な
研磨方法に適用しうることは言うまでもない。
【0030】本発明を適用した研磨装置1は、ウエハW
に研磨を行うための装置本体2と、装置本体2に所定の
電解電流を供給する電源3と、装置本体2の電解槽11
に電解液を供給する電解液タンク4とを備えて構成され
ている。
【0031】このうち装置本体2は、電解液Eを貯留
し、且つウエハ等の他部材が配置される電解槽11と、
電解槽11内に電解液Eに没した状態で配されウエハW
のCu膜が形成された面側を上向きに固定するウエハチ
ャック12とを備える。また、装置本体2には、ウエハ
チャック12と対向する位置に、ウエハW表面に押圧さ
れ、接触摺動する平面ドーナツ型の研磨パッド13が配
設される。研磨パッド13は、定盤14に貼り付けられ
た状態で、定盤14を支持する駆動系16によって矢印
R方向に所定の回転数で回転駆動される。研磨パッド1
3は、例えば発泡ポリウレタン、発泡ポリプロピレン、
ポリビニルアセタール等からなる。
【0032】また、定盤14上の研磨パッド13の内周
側には、略円盤状を呈した陰極板15がウエハチャック
12と対向するように貼り付けられている。陰極板15
は、電解液Eを介して陰極通電される。陰極板15は、
例えばCu、Pt等の電極材料からなる。
【0033】また、装置本体2の上部には、電解槽11
内を密閉した状態で吸引排気して減圧するための排気系
17を備える。この排気系17により、電解槽11内を
所望の圧力に減圧することができる。この排気系17を
用いることにより電解槽11内の電解液Eを減圧雰囲気
下に保持することができ、これにより研磨時に電極から
発生する水素や酸素などのガスを排気して電解液中から
除去することができる。
【0034】電解液タンク4は、配管21により装置本
体2と接続されており、図示しないポンプにより電解液
タンク4内の電解液Eを電解槽11に供給することがで
きるようになっている。また、電解液タンク4には、該
電解液タンク4内に貯留された電解液Eに不活性ガスを
導入するためのバブリング機構22が備えられており、
電解液Eに対して不活性ガスのバブリングを行うことに
より電解液タンク4内に貯留された電解液E中の溶存酸
素を除去することができる。したがって、溶存酸素が除
去、低減された電解液Eを電解槽11に供給することが
でき、溶存酸素が除去、低減された電解液Eを用いて以
下に説明する研磨を行うことができる。
【0035】次に、図1及び図2を参照しながら上述の
ような構成の研磨装置1によりウエハW上に形成された
Cu膜31を研磨する方法について説明する。なお、図
2は、図1における研磨部近傍を概略的に説明する要部
拡大図である。
【0036】まず、電解液タンク4に貯留された電解液
Eに対して不活性ガス、例えば窒素ガスのバブリングを
行い、電解液E中の溶存酸素を除去、低減する。そし
て、溶存酸素を除去、低減した電解液Eを、配管21を
通して電解槽11に供給する。
【0037】次に、所定の量の電解液Eで満たされた電
解槽11に、被研磨材であるウエハWをCu膜31が研
磨パッド13と対向するように上に向けて設置する。そ
して、該ウエハWを陽極として、対向電極15との間で
電解液Eを介して電解電圧を印加して電解電流を流し、
Cu膜31に通電する。これにより、陽極として電解作
用を受けるCu膜31表面が陽極酸化され、表層に銅酸
化物被膜(CuO)が形成される。そして、この銅酸化
物と電解液E中に含まれる銅錯体形成剤が反応する、す
なわち銅錯体を形成することで、その錯体形成剤物質に
より高電気抵抗層、不溶性錯体被膜、不働態被膜等の変
質層がCu膜31表面に形成される。
【0038】この電解作用によるCu膜31の陽極酸化
と同時に、上述したようにワイピングを行う。ワイピン
グは、研磨パッド13を定盤14に固定された状態で駆
動系16により図1中の矢印R方向に例えば60rpm
〜120rpmにて回転させるとともに、研磨パッド1
3をウエハWに対して例えば0.5PSI〜1.5PS
I(35g/cm〜105g/cm)程度の加工圧
力で押圧し、研磨パッド13をウエハW表面に接触摺動
させる。そして、Cu膜31の表面に対して研磨パッド
13を加圧して摺動させながら図示しない駆動手段によ
り図1中の矢印Aの方向に往復運動させることによっ
て、凹凸を有するCu膜31の凸部の表層に存在する変
質層を機械的に除去して下地のCuを露出させる。一方
で、凹部の変質層は除去せずそのまま残存する。さら
に、凸部の変質層除去後の、Cuが露出した部分が再び
電解作用を受けるようになる。
【0039】ここで、上記の電解研磨及びワイピングを
行う際には、排気系17により電解槽11内を所望の圧
力に減圧する。これにより、電解槽11内の電解液Eを
減圧雰囲気下に保持することができ、研磨時に電極から
発生する水素や酸素などのガスを排気することができ
る。
【0040】以上のような電解研磨及びワイピングのサ
イクルを繰り返し行うことによって、ウエハW上に形成
されたCu膜31が研磨され、平坦化が進行する。な
お、本発明におけるワイピングとは、擦る機能、削り取
る機能、拭き取る機能を含む。
【0041】上述したような研磨方法によりCu膜31
の研磨を行うことで、安定して均一な電流密度分布で通
電が行われ、良好な研磨レート、研磨条件での研磨を行
うことができる。
【0042】そして、上述した研磨方法においては、電
解液E中の溶存酸素を除去しているため、電解液E中の
溶存酸素に起因してCu膜31の酸化劣化や腐食が生じ
ることがない。また、これに起因して局所的にCu膜3
1が欠落するようなことも生じない。すなわち、この研
磨方法によれば、電解液E中の溶存酸素を除去して上記
のような研磨を行うため、Cu膜31の品質を劣化させ
ることなく、所望の形状に精度良くCu膜31を研磨す
ることが可能である。
【0043】また、上記においては、電解液E中の溶存
酸素を除去するために電解液Eの不活性ガスによるバブ
リングと排気系17による電解槽11内の減圧を行った
が、必ずしも電解液Eの不活性ガスによるバブリングと
排気系17による電解槽11内の減圧との双方を行う必
要はなく、どちらか一方を行うことでも溶存酸素を除
去、低減することができ、上述した効果を得ることがで
きる。また、電解液Eに脱酸化剤を添加することにより
電解液E中の溶存酸素を除去しても良い。この場合にお
いても、上記と同様の効果を得ることができる。
【0044】なお、上述した研磨方法にあっては、平坦
化能力を高めるために、図2に示すように砥粒18を含
む電解液を使用することもできる。電解液に砥粒を混入
してワイピングを行うことにより、より効率良く銅錯体
をウエハWから脱離させてウエハW表面を平坦化するこ
とができる。
【0045】また、上記においては、ワイピングは、研
磨パッド14自体を回転等、駆動させながら行われる
が、ワイピング時には、ウエハWをパッドの駆動方向と
逆方向に回転するようにしても良い。
【0046】次に、上述した溶存酸素の除去方法、研磨
方法を半導体装置の製造方法に適用した場合について、
半導体装置のダマシン法による銅配線形成プロセスに適
用した場合を例に説明する。
【0047】まず、図3に示すように、例えば、図示し
ない不純物拡散領域が適宜形成されているシリコン等の
ウエハ基板41上に、例えば酸化シリコンからなる層間
絶縁膜42を、例えば減圧CVD(Chemical Vapor Dep
osition)法により形成する。層間絶縁膜42として
は、CVD法により形成されるTEOS(tetra ethylo
rtho silicate )膜やシリコン窒化膜の他、いわゆるL
ow−k(低誘電率膜)材料等を用いることができる。
ここで、低誘電率絶縁膜としては、SiF、SiOC
H、ポリアリールエーテル、ポーラスシリカ、ポリイミ
ド等がある。
【0048】次に、図4に示すように、ウエハ基板41
の不純物拡散領域に通じるコンタクトホールCH、およ
びウエハ基板41の不純物拡散領域と電気的に接続され
る所定のパターンの配線が形成される配線溝Mを公知の
フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用い
て形成する。
【0049】次に、図5に示すように、バリヤ膜43を
層間絶縁膜42の表面、コンタクトホールCHおよび配
線溝M内に形成する。このバリヤ膜43は、例えば、T
a、Ti、TaN、TiN等の材料を公知のスパッタ法
により形成する。バリヤ膜43は、配線を構成する材料
が銅で層間絶縁膜42が酸化シリコンで構成されている
場合には、銅は酸化シリコンへの拡散係数が大きく、酸
化されやすいため、これを防止するために設けられる。
【0050】次に、図6に示すように、バリヤ膜43上
に、銅を公知のスパッタ法により所定の膜厚で堆積さ
せ、シード膜44を形成する。シード膜44は、銅を配
線溝MおよびコンタクトホールCH内に埋め込んだ際
に、銅グレインの成長を促すために形成する。
【0051】次に、図7に示すように、コンタクトホー
ルCHおよび配線溝Mを銅で埋め込むように、Cu膜4
5を形成する。Cu膜45は、例えば、メッキ法、CV
D法、スパッタ法等により形成する。なお、シード膜4
4はCu膜45と一体化する。Cu膜45の表面には、
コンタクトホールCHおよび配線溝Mの埋め込みによっ
て生じた、余分なCu膜45によって凹凸が形成されて
いる。
【0052】次に、層間絶縁膜42上の余分なCu膜4
5を研磨により除去し、平坦化する。ここで、層間絶縁
膜42上の余分なCu膜45の除去には、図1に示した
研磨装置を用いる。すなわち、上述したCu膜45が形
成されたウエハ基板41に対して研磨工程が行われる
が、この研磨工程では電解研磨及び研磨パッドによるワ
イピングを同時に行う研磨を行う。
【0053】まず、電解液タンク4に貯留された電解液
Eに対して不活性ガス、例えば窒素ガスのバブリングを
行い、電解液E中の溶存酸素を除去、低減する。そし
て、溶存酸素を除去、低減した電解液Eを、配管21を
通して電解槽11に供給する。
【0054】次に、被研磨材であるウエハWを、図8に
示すようにCu膜45と対向電極46とが電解液E中で
対向するように所定の量の電解液Eで満たされた電解槽
11内に配置し、図9に示すようにCu膜45を陽極と
して通電し、電解電流を流して電解研磨を行うことによ
りCu膜45表面を陽極酸化させ、銅錯体47からなる
変質層を形成する。同時に、図10に示すように、所定
圧力、具体的には2PSI(1PSIは略70g/cm
)以下の圧力で研磨パッド48を押し付け、且つ摺動
させてワイピングを行い、銅錯体47からなる変質層を
除去し、図11に示すようにCu膜45の下地銅45a
を露出させる。
【0055】この研磨パッド48によるワイピングで
は、Cu膜45の凸部の変質層のみが除去され、凹部の
変質層はそのまま残存する。そして、電解研磨を進行さ
せて下地銅45aをさらに陽極酸化させる。このとき、
Cu膜45の凹部には、上述したように銅錯体47から
なる変質層が残存しているため、電解研磨が進行せず、
その結果Cu膜45の凸部のみが研磨されことになる。
このように、電解研磨による変質層の形成と、ワイピン
グによる変質層の除去とを繰り返し行うことによってC
u膜45が平坦化され、配線溝M及びコンタクトホール
CH内にCu配線が形成される。
【0056】また、上記の電解研磨とワイピングとを行
う際には、排気系17により電解槽11内を所定の圧力
に減圧する。これにより、電解槽11内の電解液Eを減
圧雰囲気下に保持することができ、研磨時に電極から発
生する水素や酸素などのガスを排気することができる。
【0057】半導体装置は、上述した研磨工程の後に、
バリヤ膜43の研磨及び洗浄が行われ、Cu配線が形成
されたウエハ基板41上にキャップ膜が形成される。そ
して、上述した層間絶縁膜42の形成(図3にて図示)
からキャップ膜の形成までの各工程を繰り返すことによ
り多層配線が形成される。
【0058】上述したように、半導体装置の製造工程中
に電解研磨とワイピングとを行う研磨方法を行うこと
で、安定して均一な電流密度分布で通電され、良好な研
磨レート、研磨条件で研磨終点まで進行する電解研磨に
よってCu膜45の平坦化が図られるため、Cu残りや
オーバー研磨等の発生が防止される。したがって、Cu
配線のショートやオープン等の発生を抑制することがで
きるとともに、平滑で配線電気抵抗が安定した面を形成
することができる。
【0059】また、変質層のワイピングは、CMPに比
して大幅に低い加工圧力で、具体的にはポーラスシリカ
等の低誘電率材料により形成された強度の低い層間絶縁
膜42の破壊圧力よりも低い加工圧力、例えば2PSI
以下の圧力で行われるため、剥離、クラック等の層間絶
縁膜42の破壊を防止することができる。
【0060】そして、上述した半導体装置の製造方法に
おいては、電解液E中の溶存酸素を除去するため、電解
液E中の溶存酸素に起因してCu膜45の酸化劣化や腐
食が生じることがない。また、これに起因して局所的に
Cu膜45が欠落して配線の欠落や短絡が生じることが
ない。そして、形成されたCu配線にエレクトロマイグ
レーションやストレスマイグレーションなどが生じるこ
ともない。すなわち、この半導体装置の製造方法によれ
ば、電解液E中の溶存酸素を除去して上記のような研磨
を行うため、Cu膜45の品質を劣化させることなく、
所望の形状に精度良くCu膜45を研磨することが可能
であり、高品質で信頼性の高いCu配線を形成すること
が可能である。
【0061】また、上記においては、電解液E中の溶存
酸素を除去するために電解液Eの不活性ガスによるバブ
リングと排気系17による電解槽11内の減圧を行った
が、必ずしも電解液Eの不活性ガスによるバブリングと
排気系17による電解槽11内の減圧との双方を行う必
要はなく、どちらか一方を行うことでも溶存酸素を除去
することができ、上述した効果を得ることができる。ま
た、電解液Eに脱酸化剤を添加することにより電解液E
中の溶存酸素を除去しても良い。この場合においても、
上記と同様の効果を得ることができる。
【0062】また、上述した半導体装置の製造方法にあ
っては、平坦化能力を高めるために、上述した研磨工程
中で、図2に示すように砥粒18を含む電解液Eを用い
ることもできる。電解液Eに砥粒18を混入してワイピ
ングを行うことにより、より効率良く銅錯体をウエハW
から脱離させてウエハW表面を平坦化することができ
る。
【0063】なお、上記においては、半導体装置の製造
における研磨工程について説明したが、これに限らず、
本発明は金属膜を研磨する工程を含む他のあらゆる製造
工程中に実施し得ることは勿論である。
【0064】また、上記においては、基板上に形成され
た金属膜がCu膜である場合を例に説明したが、本発明
はこれに限定されるものではなく、金属膜が例えばZ
r、Sn、Pd、Mg、Ag、Zn、Ni、Ti、A
l、Inなどの他金属が添加された銅合金膜からなる場
合等においても適用可能である。
【0065】
【発明の効果】本発明に係る研磨方法は、金属膜が形成
された基板と対向電極とを溶存酸素を除去した電解液中
に対向配置し、上記電解液を介して上記金属膜に通電す
るとともに、研磨パッドで上記金属膜表面を研磨するも
のである。
【0066】また、本発明に係る研磨装置は、金属膜が
形成された基板と対向電極とを溶存酸素が除去された電
解液中に対向配置し、上記電解液を介して上記金属膜に
通電するとともに、研磨パッドで上記金属膜表面を研磨
するものである。
【0067】以上のような本発明に係る研磨方法及び研
磨装置によれば、電解研磨とワイピングとの複合作用に
よって金属膜を研磨するので、従来のCMPによる金属
膜の平坦化の場合に比べて、非常に効率的に金属膜の凸
部の選択的除去および平坦化が可能となる。
【0068】そして、以上のような本発明に係る研磨方
法および研磨装置においては、溶存酸素を除去、低減し
た電解液を用いて研磨を行うため、電解液中の溶存酸素
に起因した金属膜の酸化劣化や腐食を発生させることな
く金属膜の研磨を行うことができる。したがって、本発
明に係る研磨方法および研磨装置によれば、研磨により
金属膜の品質が劣化することがないため、高品質な研磨
を行うことができる。
【0069】また、本発明に係る半導体装置の製造方法
は、基板上に形成された絶縁膜に金属配線を形成するた
めの配線溝を形成する工程と、上記配線溝を埋め込むよ
うに上記絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、上記絶縁
膜上に形成した金属膜を研磨する工程とを有し、上記金
属膜を研磨する工程において、上記金属膜が形成された
基板と対向電極とを溶存酸素を除去した電解液中に対向
配置し、上記電解液を介して上記金属膜に通電するとと
もに、研磨パッドで上記金属膜表面を研磨することによ
り上記金属膜を研磨するものである。
【0070】以上のような本発明に係る半導体装置の製
造方法においては、金属配線を形成する際に、電解研磨
とワイピングとの複合作用によって金属膜を研磨するの
で、従来のCMPによる金属膜の平坦化の場合に比べ
て、非常に効率的に金属膜の凸部の選択的除去および平
坦化をおこなって金属配線を形成することができる。
【0071】そして、以上のような本発明に係る半導体
装置の製造方法においては、金属配線を形成する際に、
溶存酸素を除去、低減した電解液を用いて金属膜の研磨
を行うため、電解液中の溶存酸素に起因した金属膜の酸
化劣化や腐食を発生させることなく金属膜の研磨を行う
ことができる。したがって、本発明に係る半導体装置の
製造方法によれば、研磨により金属膜の品質が劣化する
ことがないため、高品質な研磨を行い、信頼性が高く高
品質な半導体装置を提供することが可能である。
【0072】そして、他の装置間とのコンタミネーショ
ンや、金属膜の成膜方法の変更等を考慮する必要が無
く、従来から使用されている成膜装置や、研磨後の洗浄
装置を使用した従来通りの半導体装置の製造プロセスフ
ローによって半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した研磨装置の構成例を示す概略
構成図である。
【図2】本発明を適用した研磨装置における研磨部近傍
を概略的に説明する要部拡大図である。
【図3】本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する
図であり、層間絶縁膜を形成した状態を示す要部断面図
である。
【図4】本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する
図であり、配線溝及びコンタクトホールを形成した状態
を示す要部断面図である。
【図5】本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する
図であり、バリヤ膜を形成した状態を示す要部断面図で
ある。
【図6】本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する
図であり、シード膜を形成した状態を示す要部断面図で
ある。
【図7】本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する
図であり、Cu膜を形成した状態を示す要部断面図であ
る。
【図8】本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する
図であり、配線溝及びコンタクトホールを形成した状態
を示す要部断面図である。
【図9】本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する
図であり、研磨工程を説明するための図である。
【図10】本発明に係る半導体装置の製造方法を説明す
る図であり、研磨工程を説明するための図である。
【図11】本発明に係る半導体装置の製造方法を説明す
る図であり、研磨工程を説明するための図である。
【符号の説明】
1 研磨装置 2 装置本体 3 電源 4 電解液タンク 11 電解槽 12 ウエハチャック 13 研磨パッド 14 定盤 15 陰極板 16 駆動系 17 排気系
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 修三 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 駒井 尚紀 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 田井 香織 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 堀越 浩 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 大鳥居 英 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 Fターム(参考) 3C059 AA03 GA04 GB03 GC01

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属膜が形成された基板と対向電極とを
    溶存酸素を除去した電解液中に対向配置し、上記電解液
    を介して上記金属膜に通電するとともに、研磨パッドで
    上記金属膜表面を研磨することを特徴とする研磨方法。
  2. 【請求項2】 上記電解液に不活性ガスまたは水素ガス
    を導入して該電解液中の溶存酸素を除去することを特徴
    とする請求項1記載の研磨方法。
  3. 【請求項3】 上記電解液を減圧雰囲気下に保持して該
    電解液中の溶存酸素を除去することを特徴とする請求項
    2記載の研磨方法。
  4. 【請求項4】 上記電解液に脱酸素剤を添加して該電解
    液中の溶存酸素を除去することを特徴とする請求項2記
    載の研磨方法。
  5. 【請求項5】 上記脱酸素剤がヒドラジンであることを
    特徴とする請求項4記載の研磨方法。
  6. 【請求項6】 上記脱酸素剤が亜硫化ナトリウムである
    ことを特徴とする請求項4記載の研磨方法。
  7. 【請求項7】 上記金属膜が銅膜もしくは他金属が添加
    された銅合金膜であることを特徴とする請求項1記載の
    研磨方法。
  8. 【請求項8】 上記他金属が、Zr、Sn、Pd、M
    g、Ag、Zn、Ni、Ti、Al、Inのいずれかで
    あることを特徴とする請求項7記載の研磨方法。
  9. 【請求項9】 金属膜が形成された基板と対向電極とを
    溶存酸素が除去された電解液中に対向配置し、上記電解
    液を介して上記金属膜に通電するとともに、研磨パッド
    で上記金属膜表面を研磨することを特徴とする研磨装
    置。
  10. 【請求項10】 上記電解液に不活性ガスまたは水素ガ
    スを導入することにより該電解液中の溶存酸素が除去さ
    れることを特徴とする請求項9記載の研磨装置。
  11. 【請求項11】 上記電解液を減圧雰囲気下に保持する
    ことにより該電解液中の溶存酸素が除去されることを特
    徴とする請求項9記載の研磨装置。
  12. 【請求項12】 上記電解液に脱酸素剤を添加すること
    により該電解液中の溶存酸素が除去されることを特徴と
    する請求項9記載の研磨装置。
  13. 【請求項13】 上記脱酸素剤がヒドラジンであること
    を特徴とする請求項12記載の研磨装置。
  14. 【請求項14】 上記脱酸素剤が亜硫化ナトリウムであ
    ることを特徴とする請求項12記載の研磨装置。
  15. 【請求項15】 基板上に形成された絶縁膜に金属配線
    を形成するための配線溝を形成する工程と、上記配線溝
    を埋め込むように上記絶縁膜上に金属膜を形成する工程
    と、上記絶縁膜上に形成した金属膜を研磨する工程とを
    有し、 上記金属膜を研磨する工程において、上記金属膜が形成
    された基板と対向電極とを溶存酸素を除去した電解液中
    に対向配置し、上記電解液を介して上記金属膜に通電す
    るとともに、研磨パッドで上記金属膜表面を研磨するこ
    とにより上記金属膜を研磨することを特徴とする半導体
    装置の製造方法。
  16. 【請求項16】 上記電解液に不活性ガスまたは水素ガ
    スを導入して該電解液中の溶存酸素を除去することを特
    徴とする請求項15記載の半導体装置の製造方法。
  17. 【請求項17】 上記電解液を減圧雰囲気下に保持して
    該電解液中の溶存酸素を除去することを特徴とする請求
    項15記載の半導体装置の製造方法。
  18. 【請求項18】 上記電解液に脱酸素剤を添加して該電
    解液中の溶存酸素を除去することを特徴とする請求項1
    5記載の半導体装置の製造方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012161074A1 (ja) * 2011-05-20 2012-11-29 富士フイルム株式会社 マイグレーション抑制層形成用処理液、および、マイグレーション抑制層を有する積層体の製造方法
JP2013132735A (ja) * 2011-12-27 2013-07-08 Fanuc Ltd 不活性ガスを加工液に溶解させるワイヤ放電加工機及びワイヤ放電加工方法

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