JP2004255478A

JP2004255478A - 電解研磨装置

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Publication number: JP2004255478A
Application number: JP2003046467A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kamezawa; 正之亀澤; Masaya Seki; 正也関
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】基板表面に堆積させた過剰の銅膜を、製品の品質低下を防止しつつ、より効率的に研磨するようにして、ＥＣＰとＥＣＭＰの両方の欠点を解決する。
【解決手段】基板Ｗを保持する基板保持部１６と、研磨液１２を保持する研磨槽１４と、内部に多数のアノード２２を絶縁体２０で絶縁して埋設し、研磨槽１４内に保持した研磨液１２中に浸漬させ基板保持部１６で保持される基板Ｗに対向させて配置した陰極板１８と、研磨槽１４内に保持した研磨液１２中に浸漬させて配置した研磨パッド３６であって、導電性パッド３４と非導電性パッド３２とを備え、導電性パッド３４をアノード２２と電気的に接続させ表面に露出させて陰極板１８の表面に取付けた研磨パッド３６と、基板保持部１６で保持した基板Ｗと研磨パッド３６とを相対移動させる相対移動機構を有する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解研磨装置に関し、特に多層配線構造の半導体装置を形成するため、層間絶縁層に設けた配線用溝に銅等の導電体を埋込んで埋込み配線を形成する際、基板上に堆積した余剰な銅等を除去（研磨）するのに使用される電解研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体基板上に配線回路を形成するための金属材料として、アルミニウムまたはアルミニウム合金に代えて、電気抵抗率が低くエレクトロマイグレーション耐性が高い銅（Ｃｕ）を用いる動きが顕著になっている。この種の銅配線は、ＣＶＤ、スパッタリング及びめっきといった手法によって、基板のほぼ全表面に銅を成膜して基板の表面に設けた微細凹みの内部に銅を埋込み、余剰な銅を化学機械的研磨（ＣＭＰ）により除去する、いわゆる、ダマシンプロセスによって一般に形成される。
【０００３】
図１２（ａ）〜（ｃ）は、この種の銅配線基板Ｗの製造例を工程順に示すもので、図１２（ａ）に示すように、半導体素子を形成した半導体基材１上の導電層１ａの上にＳｉＯ_２酸化膜やｌｏｗ−ｋ材等からなる絶縁層２を堆積し、この絶縁層２の内部に、例えばリソグラフィ・エッチング技術によりコンタクトホール３と配線用溝４を形成し、その上にＴａＮ等からなるバリア層５、更にその上に電解めっきの給電層としてシード層７を形成する。バリア層５としては、Ｔａ，Ｔａ／ＴａＮ混合層、ＴｉＮ，ＷＮ，ＷＮＣ，ＳｉＴｉＮ，ＣｏＷＰ，ＣｏＷＢ膜等が挙げられる。
【０００４】
そして、図１２（ｂ）に示すように、基板Ｗの表面に銅めっきを施すことで、半導体基材１のコンタクトホール３及び配線用溝４内に銅を充填するとともに、絶縁層２上に銅膜６を堆積する。その後、化学機械的研磨（ＣＭＰ）により、絶縁層２上の銅膜６及びバリア層５を除去して、コンタクトホール３及び配線用溝４に充填させた銅膜６の表面と絶縁層２の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図１２（ｃ）に示すように、銅膜６からなる配線を形成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このダマシン法は、未だ完成された技術とはいえず、解決すべき多くの課題を抱えている。つまり、前述のように、絶縁層２に配線用溝４等を形成し、表面にバリア層５とシード層７を堆積させた後、配線用溝４等の内部に銅金属を確実に埋め込むためには、絶縁層２の表面上に過剰な銅膜６を堆積させる必要があり、この時、必然的に銅膜６の表面に凹凸が形成される。そして、この過剰な銅膜６を平坦化しつつ研磨する時、以下のような改善すべき点がある。
【０００６】
▲１▼ 研磨速度を上げるために研磨圧力を高くすると、研磨後の銅表面にスクラッチ傷やディッシング、エロージョン、リセスなどが生じて製品の品質が低下しやすく、このため、研磨速度を上げることができずに、生産性を犠牲にせざるを得ない。
▲２▼ 今後、絶縁層材料として、硬度の低いｌｏｗ−ｋ材の採用が広まることが予想され、このようにｌｏｗ−ｋ材を採用するとこの問題は一層深刻となる。
【０００７】
▲３▼ ＣＭＰ工程では使用される研磨用スラリー液（研磨液）のコストが大きな比重を占め、研磨用スラリー液を回収して再使用することが望まれるが、現状の技術ではこの実用化が容易でない。
▲４▼ このため、生産ラインから排出される研磨用スラリーの量も多くなり、環境保全のためにも好ましくない。
【０００８】
また、近年、上記課題、特に▲２▼の問題を解決すべく、従来のＣＭＰよりも押し付け力が小さい電解研磨装置（ＥＣＰ）や、複合電解研磨装置（ＥＣＭＰ）が開発されつつある。非接触でパッドを使わないＥＣＰは、基板外周部から直接電解用電源を供給できるが、平坦性に問題があり、パッドを使うＥＣＭＰは、基板外周部からの直接給電が難しく、給電を非接触で行うバイポーラ給電で行うため、電圧が高くなりがちで、電流を制御するのが難しかった。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、基板表面に堆積させた過剰の銅膜を、製品の品質低下を防止しつつ、より効率的に研磨するようにして、ＥＣＰとＥＣＭＰの両方の欠点を解決した電解研磨装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、基板を保持する基板保持部と、研磨液を保持する研磨槽と、内部に多数のアノードを絶縁体で絶縁して埋設し、前記研磨槽内に保持した研磨液中に浸漬させ前記基板保持部で保持される基板に対向させて配置した陰極板と、前記研磨槽内に保持した研磨液中に浸漬させて配置した研磨パッドであって、導電性パッドと非導電性パッドとを備え、導電性パッドを前記アノードと電気的に接続させ表面に露出させて前記陰極板の表面に取付けた研磨パッドと、前記基板保持部で保持した基板と前記研磨パッドとを相対移動させる相対移動機構を有することを特徴とする電解研磨装置である。
【００１１】
これにより、基板の表面（被処理面）に形成された銅等に導電性パッドを接触させてアノードと陰極板（カソード）との間に電圧を印加すると、銅等はプラス側に帯電されてカソードとの間で電解状態となり、電気的エネルギを含めて研磨する複合電解研磨が可能となる。このように、基板の表面に形成された銅等にアノード（給電電極）を直接接触させることなく給電することにより、基板のエッジエクスクルージョンＥＥ（ＩＣチップとして使わないエリアでアノードと接触可能なエリア）が益々小さくなっても（現状３〜５ｍｍ程度）、基板のエッジエクスクルージョンＥＥに左右されることなく、基板表面の銅等に確実に給電することができ、しかも研磨時にアノードが研磨面より飛び出て、研磨加工に支障を来すことを防止することができる。更に、カソードを基板表面に形成された銅等に近接させ、バイポーラ現象を利用して銅等をプラスに帯電させる方式は、銅等の内部を流れる電流と電解液中をバイパスする電流の２系統のコントロールが必要となり、基板内に残存する銅等の面積が変化したときのコントロールが困難となるが、前述のように、基板の表面（被処理面）に形成された銅等に導電性パッドを接触させて給電するようにすることで、バイポーラ方式を採用したもののように完全非接触ではないので、研磨電流や電圧などのコントロールが容易となる。
即ち、本発明はＥＣＰの直接給電とＥＣＭＰのパッド研磨を合わせ持った方式で、研磨平坦性と電気制御性の両方を解決している。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、前記非導電性パッドの前記アノードと対向する位置には通孔が設けられ、この通孔内に導電体が配置されていることを特徴とする請求項１記載の電解研磨装置である。これにより、導電性パッドとアノードは、非導電性パッドに設けた通孔内に配置し、両端をアノード及び導電線パッドにそれぞれ接触させた導電体を介して電気的に接続される。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、前記導電体は、弾性を有することを特徴とする請求項２記載の電解研磨装置である。これにより、導電体の有する弾性を介して、導電体の両端をアノード及び導電性パッドと確実に接触させることができる。
請求項４に記載の発明は、前記導電性パッド及び非導電性パッドは、通液性部材で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電解研磨装置である。これにより、導電性パッドと非導電性パッドからなる研磨パッド内に研磨液が浸入し、基板とカソード間は研磨液（導電体）で満たされて、基板内の電流分布が均一になる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、前記導電性パッドは、導電率が前記研磨液の導電率よりも高い部材で構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電解研磨装置である。
これにより、導電性パッドがプラスに帯電しても、導電性パッドから発生しようとする酸素よりも基板上の銅等の酸化を優先して、酸素が発生しないようにすることができる。なお、導電性パッドの導電率は、基板Ｗの面内の電位分布に影響するため、より高い方が好ましく、実際の電位は、一次電流分布に加え、各極面上の分極が加わるため、分極も考慮して決められる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図３は、本発明の実施の形態の電解研磨装置１０を示す。詳しくは、本装置は複合電解研磨装置である。ここでは、複合電解研磨のことを電解研磨と同義語で使用している。この電解研磨装置１０は、上方に開口して内部に研磨液１２を保持する有底円筒状の研磨槽１４と、研磨槽１４の上方に配置され、表面（被処理面）を下向きにして基板Ｗを着脱自在に保持する基板保持部１６とを有している。
【００１６】
研磨槽１４は、この例では、モータ等の駆動に伴ってスクロール運動（並進回転運動）を行うように構成され、底部には、例えばＳＵＳ，Ｐｔ／Ｔｉ，Ｉｒ／Ｔｉ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂなど研磨液１２に対して安定でかつ電解により不動体化しない金属からなり、研磨液１２中に浸漬されてカソードとなる平板状の陰極板１８が水平に配置されている。
【００１７】
この陰極板１８の内部には、上下に連通する複数の通孔１８ａがその全面に亘って均一に設けられ、各通孔１８ａの内周面は、円筒状の絶縁体２０で覆われている。そして、各円筒状の絶縁体２０の内部には、その上面が陰極板１８の上面から上方に突出しないように、円柱状のアノード２２が埋設されている。このアノード２２は、陰極板１８の裏面において、配線部２４を介して互いに接続され、更に、この配線部２４は、前記円筒状の絶縁体２０と一体に成形した平板状の絶縁体２６で陰極板１８から絶縁した状態で覆われている。
【００１８】
この配線部２４は、外部に配置した直流及びパルス電流電源としての整流器２８の陽極端子へ配線３０ａを介して結線され、前記陰極板１８は、配線３０ｂを介して整流器２８の陰極端子に結線されるように構成されている。この整流器２８は、例えば低電圧仕様で、８インチウエハの場合は、１５Ｖ×２０Ａ程度、１２インチウエハの場合は、１５Ｖ×３０Ａ程度の容量のものが使用される。パルス電流の周波数は、例えば通常〜μｓｅｃ．までのものが使用される。
【００１９】
陰極板１８の上面には、連続発泡体、不織布、粒子結合体等で構成されて通液性を有する、例えばポリウレタン、ビニロン、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、ポリプロピレン等からなる非導電性パッド３２が貼り付けられている。更にこの非導電性パッド３２の上面に、連続発泡体、不織布、粒子結合体等で構成されて通液性を有する、例えばカーボンや金属粉を含有する、例えば前記と同様なポリウレタン等からなる導電性パッド３４が貼り付けられている。この非導電性パッド３２と導電性パッド３４により、研磨パッド３６が構成されている。
【００２０】
更に、非導電性パッド３２の各アノード２２と対向する位置には、上下に連通する通孔３２ａが設けられ、この各通孔３２ａ内に、両端において、アノード２２と導電性パッド３４に接触して両者を電気的に接続する導電体３８がそれぞれ配置されている。この導電体３８は、この例では、弾性を有する弾性体で構成され、この導電体３８自身が有する弾性を介して、導電体３８の両端がアノード２２及び導電性パッド３４と確実に接触するようになっている。
【００２１】
これにより、基板Ｗの表面（被処理面）に形成された銅等の導電体に導電性パッド３４を接触させてアノード２２と陰極板（カソード）１８との間に電圧を印加すると、銅等の導電体はプラス側に帯電されてカソード１８との間で電解状態となり、電気的エネルギを含めて研磨する複合電解研磨が可能となる。このように、基板Ｗの表面に形成された銅にアノード（給電電極）２２を直接接触させることなく給電することにより、基板ＷのエッジエクスクルージョンＥＥ（ＩＣチップとして使わないエリアでアノードと接触可能なエリア）が益々小さくなっても（現状３〜５ｍｍ程度）、基板ＷのエッジエクスクルージョンＥＥに左右されることなく、基板Ｗの表面の銅等に確実に給電することができ、しかも研磨時にアノード２２が研磨面より飛び出て、研磨加工に支障を来すことを防止することができる。更に、アノード２２を基板Ｗの表面に形成された銅等に近接させ、バイポーラ現象を利用して銅をプラスに帯電させる方式は、銅等の内部を流れる電流と電解液中をバイパスする電流の２系統のコントロールが必要となり、基板Ｗ内に残存する銅等の面積が変化したときのコントロールが困難となるが、前述のように、基板Ｗの表面（被処理面）に形成された銅等に導電性パッド３４を接触させて給電するようにすることで、バイポーラ方式を採用したもののように完全非接触ではないので、研磨電流や電圧などのコントロールが容易となり、電圧も低く抑えることができる。即ち、ＥＣＰの直接給電の形態を取りながら、パッドによる研磨が可能となる。
【００２２】
この導電性パッド３４は、導電性パッド３４がプラスに帯電しても、導電性パッド３４から発生しようとする酸素よりも、基板Ｗ上の銅の酸化を優先させて、酸素が発生しないようにするため、その導電率が研磨液１２の導電率よりも高い部材で構成されている。
【００２３】
例えば、図４に示すように、陰極板（カソード）１８の表面に、厚さｂの非導電性パッド３２と厚さｃの導電性パッド３４からなる研磨パッド３６を積層し、この導電性パッド３４の表面に基板Ｗの銅被研磨面である表面（下面）Ａを接触させると、陰極板１８と基板Ｗの表面Ａとの間の距離は、非導電性パッド３２の厚さｂと導電性パッド３４の厚さｃの合計ａ（＝ｂ＋ｃ）となる。非導電性パッド３２及び導電性パッド３４を共に連続発泡体で構成し、陰極板１８と基板Ｗの表面との間に電解液を供給すると、電解液は、この寸法ａ内に充満する。そして、陰極板１８の内部に絶縁体２０を介して絶縁させたアノード２２を埋設し、このアノード２２と導電性パッド３４とを導電体３８を介して電気的に接続し、陰極板１８とアノード２２との間に電圧を印加すると、基板Ｗの表面（銅被研磨面）Ａは、還元反応として、
Ｃｕ → Ｃｕ^２＋＋２ｅ⁻＋０．３３７（Ｅ^０／Ｖ）
の反応が起こり、電子ｅ⁻は、導電性パッド３４及び導電体３８を経てアノード２２を経由して電源（整流器）に到達する。通常、研磨液の導電率は、０．５〜５００ｍＳ／ｃｍ程度であり、この値は、基板Ｗと陰極板１８との間の距離や、陰極板１８やアノード２２廻りの構造により決定される。
【００２４】
ここで、基板Ｗの表面（銅被研磨面）Ａまたは導電性パッド３４の陰極板１８との対抗面Ｂに１．２２９Ｖ以上の電位が発生すると、
２Ｈ_２Ｏ → Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋１．２２９（Ｅ^０／Ｖ）
の反応が起こる可能性があり、基板Ｗ上の銅の酸化を優先させ、酸素を発生させないようにするためには、この反応を起こすことなく、基板Ｗの表面Ａで
Ｃｕ → Ｃｕ^２＋＋２ｅ⁻＋０．３３７（Ｅ^０／Ｖ）
のみを起こさせる必要がある。
【００２５】
このためには、厚さｃの導電性パッド３４内に充満される研磨液による電位差が、１．２２９Ｖ以上の場合は、導電性パッド３４を、その導電率が電解液の導電率より高いもので構成し、導電性パッド３４の厚さｃ間における電位差が１．２２９Ｖ以下となるようにすることで、酸素発生反応を抑えることができる。
【００２６】
また、厚さｃの距離の研磨液の電位差が１．２２９Ｖより小さい場合は、導電性パッド３４の陰極板１８との対抗面Ｂからの酸素発生はなくなるが、導電性パッド３４の導電率は、基板Ｗの面内の電位分布に影響するため、より高い方が好ましい。実際の電位は、一次電流分布に加え、各極面上の分極が加わるため、分極も考慮して決められる。
なお、この例では、研磨槽１４がスクロール運動（並進回転運動）するようにした例を示しているが、回転運動したり、往復動したりするようにしてもよい。
【００２７】
基板保持部１６は、回転速度が制御可能な回転機構と研磨圧力が調整可能な上下動機構を備えた支持ロッド４０の下端に連結され、この下面に、例えば真空吸着方式で基板Ｗを吸着保持するようになっている。
更に、研磨槽１４の上方に位置して、この内部に研磨液１２を供給する研磨液供給部４２が配置され、更に各機器及び運転全般を調節し管理する制御ユニット４４および安全装置（図示せず）などが備えられている。
【００２８】
ここで、この例では、研磨液１２として、水溶性の無機酸あるいはその塩類、または水溶性の有機酸あるいはその塩類の少なくとも一種以上と、ヒドロキシキノリン類の１種以上を含んだものが使用される。
【００２９】
この研磨液１２に含まれる水溶性の無機酸あるいはその塩類としては、りん酸、ピロりん酸、硫酸、硝酸、塩酸スルファミン酸、フッ化水素酸などの無機酸あるいはこれら無機酸のカリウム塩あるいはアンモニウム塩が挙げられる。また、水溶性の有機酸あるいはその塩類としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、蓚酸、マロン酸、マイレン酸、コハク酸、クエン酸、グルコン酸、酪酸、グリシン、アミノ安息香酸、ニコチン酸、メタンスルホン酸などの有機酸あるいはこれら有機酸のカリウン塩、アンモニウム塩、アルキルアミン基あるいはヒドロシアルキルアミン塩が挙げられる。これらは、単独あるいは２種類以上の混合溶液として用いてもよく、この水溶性の無機酸あるいはその塩類、または水溶性の有機酸あるいはその塩類の濃度（総濃度）は、例えば０．０１〜５．０ｍｏｌ／Ｌである。研磨液１２の導電率は、例えば０．５〜１００ｍＳ／ｃｍ程度で、電解電流を１Ａ／ｄｍ^２以上とする時は、好ましくは５ｍＳ／ｃｍ以上である。
【００３０】
ヒドロキシキノリン類は、例えば、２−ヒドロキシキノリン、４−ヒドロキシキノリン、５−ヒドロキシキノリンあるいは８−ヒドロキシキノリンのいずれか１種類以上が使用されるが、性能および価格の面から８−ヒドロキシキノリンが最も適切である。その濃度は、例えば０．００１〜１．０重量％、好ましくは０．０５〜０．２重量％である。この８−ヒドロキシキノリンは、一部で工業用薬品として使用されており、比較的低価格で容易に入手することができる。
【００３１】
ここで、水溶性の無機酸あるいはその塩類、または水溶性の有機酸あるいはその塩類、および８−ヒドロキシキノリンを含む研磨液中で銅を陽極として電解研磨すると、銅は溶解と同時に８−ヒドロキシキノリンと前述の反応式に従って反応して、銅の表面に不溶性のオキシン銅が生成され、このオキシン銅は、電解の継続とともに燐片状の皮膜となって成長する。このオキシン銅皮膜は、電気抵抗が高く、電圧の上昇を来すが、更に電解を継続すると、銅表面から脱落し、この脱落した後に新たなオキシン銅が生成し皮膜に成長することを繰り返す。
【００３２】
研磨液１２は、そのｐＨが、例えば３〜１１の広い範囲で使用されるが、研磨液１２中で銅を陽極とした電解研磨で銅の表面に不溶性のオキシン銅皮膜が特に生成しやすいｐＨの領域は５〜９であり、オキシン銅皮膜は、その厚みが最大１ｍｍにも成長する。研磨液のｐＨは、研磨工程の目的および進行度により選定することができる。すなわち、基本的には全工程に亘りオキシン銅皮膜が最も生成されやすい中性領域で使用されるが、例えば絶縁層の全面が銅膜に覆われている前段では、研磨液のｐＨを低くし、高い電流密度で電解研磨を主体に銅を速やかに除去することもできる。この場合は、りん酸濃度を高くし、平滑化効果を上げるためにアルキレングリコール類あるいはアルキレングリコールアルキルエーテルなどを添加併用するのが好ましい。また、研磨の最終工程は、バリア層の研磨選択性を高めるため、研磨液のｐＨを低く、或いは高くすることもできる。
【００３３】
研磨液１２に、銅の変色及び腐食防止剤として、ベンゾトリアゾールやその誘導体、ベンゾイミダゾールまたはフェナセチンなどを、例えば１０〜１０００ｍｇ／Ｌの濃度で添加することで、銅の変色や腐食を効果的に防止することができる。しかし、ｐＨが８以上の研磨液にベンゾトリアゾールを１００ｍｇ／Ｌ以上添加すると、銅の表面に安定な錯体皮膜が過剰に生成され、オキシン銅の生成が防げられる。このため、薬品の種類と濃度は、研磨液の状態に応じて適切に選定する必要がある。
【００３４】
研磨液１２に界面活性剤を添加することで、絶縁層や配線用溝に埋込んだ銅配線の過剰な研磨を抑制し、残存するバリア層の研磨速度を高くして、銅膜の研磨の最終工程に適するようにすることができる。この場合、選択的研磨性、砥粒の分散性、水洗性、後の処理工程への影響などを総合的に勘案すると、非イオン系のポリオキシエチレングリコールアルキルエーテル類、ポリオキシエチレン・ポリオキシプロピレン縮合物、アセチレン系グリコール類、エチレンジアミンポリオキシアルキレングリコールなどの界面活性剤が適切である。
【００３５】
研磨液１２に含まれる研磨砥粒としては、銅の研磨が目的となる工程では、アルミナ、コロイダルシリカあるいはアルミナとコロイダルシリカとを併用したものを使用することが好ましく、バリア層を含む研磨には、コロイダルシリカを使用することが好ましい。
【００３６】
また、例えば絶縁層上に堆積した過剰な銅膜の膜厚が１０００ｎｍを超えるような厚さの場合には、研磨砥粒を含まず、りん酸およびアルキレングリコール類などを含み、電解時に銅表面の分極作用が大きい研磨液を使用し、３Ａ／ｄｍ^２以上の電流で電解研磨して、過剰な銅膜の大半を高速度で研磨することも効率的である。この研磨液は、銅の研磨混入による性状変化が少なく、電解研磨装置からの排液を回収し、ろ過した後、濃度の調整をすることにより、再度使用する工程の合理化が図れる。
【００３７】
次に、研磨液中のヒドロキシキノリン類の作用および効果について説明する。導電性成分として、蓚酸アンモニウム：１０ｇ／Ｌ、グリシン：１０ｇ／Ｌ、りん酸：３０ｇ／Ｌを純水に添加して溶解させ、アンモニア水を加えて、ｐＨを８．５に調整し、次いで、８−ヒドロキシキノリン：２ｇ／Ｌを添加し溶解させた研磨液を用意した。この研磨液の温度を２５℃に保ち、光沢硫酸銅めっきで得られた銅箔試片を研磨液中に浸漬させたところ、銅箔面に薄い黄緑色のオキシン銅が生成された。予め重量を測った複数の銅箔試片を研磨液中に浸漬させ、一定時間毎に１枚ずつ引き上げ、表面のオキシン銅皮膜を拭き取り、水洗、乾燥及び秤量して銅箔の減量を求めた。その結果を図５に示す。この図５により、研磨液中で銅は徐々に溶解してオキシン銅を生成するが、数分後に銅の表面がオキシン銅の皮膜で覆われると銅の溶解が殆ど停止することが判る。
【００３８】
一対の銅箔を陽極と陰極として、前述と同様な研磨液中に互いに対峙させて浸漬させ、直流電源（整流器）から両極間に電圧を印加して、３Ａ／ｄｍ^２の一定電流を流した。この時の両極間の電圧を測定した結果を図６に示す。この図６により、当初は低い電圧で通電されるが、銅の表面にオキシン銅の皮膜が生成されると抵抗が次第に大きくなり、数分後には初期のほぼ２倍の電圧となることが判る。
【００３９】
前項と同様の実験を、両極間の電圧を５．０Ｖの一定に保ちながら電解して行った。この時の電流の変化と銅箔の減量を経時的に測定した結果を図７に示す。この図７から、当初は４Ａ／ｄｍ^２の電流が流れたが、時間とともに電流が低下し、数分後には、初期の１／２以下となり、また、銅箔の減量も通電量にほぼ一致することが判る。
【００４０】
また、この時に銅箔の表面に生成されるオキシン銅皮膜は、機械的に脆弱で、特に研磨液中で生成され濡れた状態では容易に拭き落とすことができることが確かめられている。従って、例えば研磨パッド等の圧力を１００〜３００ｇ／ｃｍ^２に低くして研削しても、銅（オキシン銅皮膜）の十分な研磨速度を確保することができる。
【００４１】
以上により、ヒドロキシキノリン類と銅が反応して生成されるオキシン銅皮膜の性状から、半導体装置製造のダマシン法において、絶縁層上の過剰な銅膜を平坦に研磨する際、ヒドロキシキノリン類を含む研磨液中で銅面を陽極として電解研磨しつつ、回転する研磨パッド等により研磨することで、電解により銅膜の表面に生成されたオキシン銅皮膜が、凸部のみ選択的に研削除去され、凹部は保護される。そして、有効な電流を流してこの操作を継続することにより、銅膜を平坦化する研磨を効率的に行い、かつ銅配線層の損傷の少ない製品を製造できることが判る。
【００４２】
次に、上記構成の電解研磨装置１０の使用例について説明する。この例は、図８（ａ）に示すように、基板Ｗの表面に堆積した余剰な銅膜６が一様に連続している時に該銅膜６を研磨し、更に、図８（ｂ）に示すように、基板Ｗの表面に堆積した余剰な銅膜６の研磨が進み、バリア層５が表面に露出して銅膜６が島状になった時に基板の表面のバリア層５及び銅膜６を連続して研磨するようにした時の例を示す。
【００４３】
先ず、研磨槽１４内に研磨液１２を供給し、この研磨液１２が研磨槽１４をオーバフローする状態で、研磨槽１４と研磨パッド３６を一体にスクロール運動させる。一方、銅めっき等のめっき処理を施した基板Ｗをその表面（被処理面）を下向きにして基板保持部１６で吸着保持しておく。この状態で、基板Ｗを、例えば９０ｒｐｍ程度の回転速度で回転させながら下降させ、この基板Ｗの表面（下面）を、例えば３００ｇ／ｃｍ^２程度の一定の圧力で研磨パッド３６の表面に接触させ、同時に、整流器２８により陰極板１８とアノード２２との間に直流、または、例えば基板Ｗ上の銅の表面積当たりの電流密度が１〜４Ａ／ｄｍ^２程度で、例えば１０×１０^−３秒間通電し、同じく１０×１０^−３秒間停止するパルス電流を流す。
【００４４】
すると、基板Ｗの表面（被処理面）に形成された銅は、導電性パッド３４に接触し、アノード２２及び導電体３８を介してプラス側に帯電されてカソード１８との間で電解状態となる。このため、銅膜は、従来の技術よりも速い速度で、しかも効果的に平坦化されながら研磨される。つまり、前述のように、研磨液１２として、ヒドロキシキノリン類を含むものを使用し、銅を陽極として電解研磨すると、図９（ａ）に示すように、銅とヒドロキシキノリン類とが反応して銅膜６の表面に不溶性のオキシン銅皮膜６ａが生成される。このオキシン銅皮膜６ａは、機械的にきわめて脆弱であり、回転する低い圧力の研磨パッドで容易に研削除去できる。このため、研磨パッド３６で研磨すると、図９（ｂ）に示すように、銅膜６の凸部表面に生成されたオキシン銅皮膜６ａが主に研削除去され、この研削除去された部分で銅膜６が外部に露出する。すると、オキシン銅皮膜６ａは、比較的高い電気抵抗を示し、このオキシン銅皮膜６ａで覆われた部分への通電は抑制され、金属面が露出している部分６ｂへ電流が集中する性質があり、このため、図９（ｃ）に示すように、先に研磨されて銅膜６が露出した表面にオキシン銅皮膜６ａが直ちに生成され、前述と同様に、この後に生成されたオキシン銅皮膜６ａが主に研削除去される。つまり、銅膜６の凹部の表面は、オキシン銅皮膜６ａで覆われたままの状態で、ここの研磨が抑制され、これによって、銅膜６の凸部のみが選択的に研削除去される。銅の不動態化を利用した複合電解研磨である。
【００４５】
この電解研磨装置１０は、図８（ｂ）に示すように、基板Ｗの表面に堆積した余剰な銅膜６の研磨が進み、バリア層５が表面に露出して銅膜６が島状になっても、基板Ｗの表面（被処理面）に形成された銅に導電性パッド３４を接触させ、銅の表面をプラス側に帯電させることで、銅の表面にオキシン銅皮膜を生成することができる。
【００４６】
この電解研磨装置１０によれば、バリア層５及び銅膜６とが表面に露出している場合であっても、銅膜６の過剰な研磨を抑制し、残存するバリア層５の研磨速度を高くして、両者を同一レートで平坦に研磨し、しかも配線となる銅膜６の欠損を防ぐことができる。つまり、前述のように、研磨液１２として、ヒドロキシキノリン類を含むものを使用し、銅を正極化して電解研磨すると、図１０（ａ）に示すように、銅とヒドロキシキノリン類とが反応して銅膜６の表面に不溶性のオキシン銅皮膜６ａが生成される。このオキシン銅皮膜６ａは、電解液に溶けず、このため、このオキシン銅皮膜６ａで覆われた銅膜６はケミカルエッチングを受けない。このため、バリア層５の表面のみが電解研磨され、このバリア層５の電解研磨によって、図１０（ｂ）に示すように、銅膜６がバリア層５のなす平面から上方に突出する。すると、このように、上方に突出した銅膜６の表面には、前述のように、機械的にきわめて脆弱で、回転する低い圧力の研磨パッドで容易に研削除去できるオキシン銅皮膜６ａが生成されており、このためこのオキシン銅皮膜６ａが研削除去されて平坦となる。しかも、回転する低い圧力の研磨パッド３６で銅膜６（オキシン銅皮膜６ａ）を研削除去するため、銅膜６の表面が欠損することを防止することができる。
【００４７】
なお、前述の銅膜６の研磨と銅膜６及びバリア層５の研磨を、研磨液の組成を変えて行ってもよい。銅膜６及びバリア層５の研磨にあっては、導電性の異なる銅膜６とバリア層５を同時に同じレートで研磨する必要があるため、銅膜６は不動態膜化するが、バリア層５には化学研磨要素を多くした研磨液が必要となる。
【００４８】
図１１は、図１乃至図３に示す電解研磨装置１０を備えた配線形成装置の平面配置図を示す。この配線形成装置は、ハウジング５２の内部に位置して、ロード・アンロード部５４と、このロード・アンロード部５４の反対側から順に配置された銅めっき装置１５６、洗浄装置１５８、アニール装置１６０、電解研磨装置１０及び洗浄乾燥装置１６２とを有し、更に搬送経路６６に沿って走行自在で、これらの間で基板の受渡しを行う搬送装置６８が備えられている。
【００４９】
次に、この配線形成装置における配線形成処理について、前述と同様に、図８を参照して説明する。表面にシード層７を形成した基板Ｗ（図１２（ａ）参照）をロード・アンロード部５４から搬送装置６８で一枚ずつ取り出し、銅めっき装置１５６に搬入する。そして、この銅めっき装置１５６で、例えば電解銅めっき処理を行って、図８（ａ）に示すように、基板Ｗの表面に銅膜６を形成する。
次に、この銅めっき処理後の基板Ｗを洗浄装置１５８に搬送して洗浄し、しかる後、アニール装置１６０に搬送する。そして、銅膜６を堆積させた基板Ｗに熱処理を施して銅膜６をアニールし、電解研磨装置１０に搬送する。
【００５０】
そして、この電解研磨装置１０で、基板Ｗの表面（被めっき面）に研磨処理を施し、これによって、バリア層５の上面に堆積させた銅膜６を研磨し、更に、図８（ｂ）に示すように、バリア層５が露出した後も、絶縁層２上のバリア層５と銅膜６の表面とを同時に研磨し、これによって、図８（ｃ）に示すように、絶縁層２の表面と銅膜６からなる配線の表面が同一平面となるようにする。すなわち、この電解研磨装置１０にあっては、従来の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）に合わせ、銅の表面を正の極性とすることで、銅の表面にオキシン銅皮膜を生成することができ、このため、バリア層５が露出して銅膜６が島状に分離した状態になっても、研磨処理を継続することができる。
そして、この研磨処理後の基板を洗浄乾燥装置１６２に搬送し、ここで基板を洗浄し乾燥させた後、搬送装置６８でロード・アンロード部５４の元のカセットに戻す。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板の表面（被処理面）に形成された銅等の導電体に導電性パッドを接触させてアノードと陰極板（カソード）との間に電圧を印加することで、銅等をプラス側に帯電させてカソードとの間で電解状態となして、電気的エネルギを含めて研磨する複合電解研磨が可能となり、これによって、基板のエッジエクスクルージョンに左右されることなく、基板表面の銅等に確実に給電することができ、しかも研磨時にアノードが研磨面より飛び出て、研磨加工に支障を来すことを防止することができる。更に、基板の表面（被処理面）に形成された銅等に導電性パッドを接触させて給電するようにすることで、バイポーラ方式を採用したもののように完全非接触ではないので、研磨電流や電圧などのコントロールが容易となり、電圧も低く抑えることができる。ＥＣＰの直接給電形態に近く、ＥＣＭＰのパッド研磨による平坦性を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の電解研磨装置の概要を示す断面図である。
【図２】図１の電解研磨装置の研磨パッドを除いた陰極板を示す平面図である。
【図３】図１の要部を拡大して示す要部拡大図である。
【図４】非導電性パッド及び導電性パッドの厚み、研磨液及び導電性パッドの導電率の関係における、導電性パッドから酸素が発生するメカニズムと基板上の銅の還元反応のメカニズムの説明に付する図である。
【図５】ヒドロキシキノリン類を含む研磨液を使用して電解研磨を行った時の銅の減少量と浸漬時間との関係を示すグラフである。
【図６】同じく、極間電圧と電解時間との関係を示すグラフである。
【図７】同じく、電解研磨電流及び銅の減少量と電解時間との関係を示すグラフである。
【図８】図１乃至図３に示す電解研磨装置を使用して配線を形成する例を工程順に示す断面図である。
【図９】銅膜の研磨の状態を模式的に示す図である。
【図１０】銅膜とバリア層の研磨の状態を模式的に示す図である。
【図１１】図１乃至図３に示す電解研磨装置を備えた配線形成装置の平面配置図である。
【図１２】銅めっきにより銅配線を形成する例を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
２絶縁層
５バリア層
６銅膜
６ａオキシン銅皮膜
７シード層
１０電解研磨装置
１２研磨液
１４研磨槽
１６基板保持部
１８陰極板（カソード）
２０，２６絶縁体
２２アノード
２４配線部
２８整流器
３２非導電性パッド
３４導電性パッド
３６研磨パッド
３８導電体
４０支持ロッド
４２研磨液供給部

Claims

基板を保持する基板保持部と、
研磨液を保持する研磨槽と、
内部に多数のアノードを絶縁体で絶縁して埋設し、前記研磨槽内に保持した研磨液中に浸漬させ前記基板保持部で保持される基板に対向させて配置した陰極板と、
前記研磨槽内に保持した研磨液中に浸漬させて配置した研磨パッドであって、導電性パッドと非導電性パッドとを備え、導電性パッドを前記アノードと電気的に接続させ表面に露出させて前記陰極板の表面に取付けた研磨パッドと、
前記基板保持部で保持した基板と前記研磨パッドとを相対移動させる相対移動機構を有することを特徴とする電解研磨装置。
前記非導電性パッドの前記アノードと対向する位置には通孔が設けられ、この通孔内に導電体が配置されていることを特徴とする請求項１記載の電解研磨装置。
前記導電体は、弾性を有することを特徴とする請求項２記載の電解研磨装置。
前記導電性パッド及び前記非導電性パッドは、通液性部材で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電解研磨装置。
前記導電性パッドは、導電率が前記研磨液の導電率よりも高い部材で構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電解研磨装置。