JP2006135045A - 研磨装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【目的】 かかる問題点を克服し、電極からの電圧印加を安定させ、信頼性の高い配線接続を行い、さらには、Ｃｕ膜の研磨残りを防止してウエハ面内均一性を得ることを目的とする。
【構成】 ウエハ３００を保持するキャリア５１０と、前記キャリア５１０と対向して設けられ、前記ウエハ３００を電解研磨する研磨パッド５３０と、前記研磨パッド５３０と対向して前記キャリア５１０とは反対側に配置され、前記研磨パッド５３０をアノード電極として前記研磨パッド５３０との間で通電されるカソード電極となる電極シート５７０と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１
【構成】 ウエハ３００を保持するキャリア５１０と、前記キャリア５１０と対向して設けられ、前記ウエハ３００を電解研磨する研磨パッド５３０と、前記研磨パッド５３０と対向して前記キャリア５１０とは反対側に配置され、前記研磨パッド５３０をアノード電極として前記研磨パッド５３０との間で通電されるカソード電極となる電極シート５７０と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、研磨装置及び半導体装置の製造方法に係り、特に、Ｃｕ（銅）配線を用いた半導体装置の製造方法及びかかる半導体装置の製造に用いる電解研磨装置に関するものである。
近年、半導体集積回路（ＬＳＩ）の高集積化、及び高性能化に伴って新たな微細加工技術が開発されている。化学機械研磨（ケミカル・メカニカル・ポリッシング：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）法もその一つであり、ＬＳＩ製造工程、特に多層配線形成工程における層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、或いは埋め込み工程において頻繁に利用されている技術である（例えば、特許文献１参照）。
特に、最近はＬＳＩの高速性能化を達成するために、配線技術を従来のアルミ（Ａｌ）合金から低抵抗のＣｕ或いはＣｕ合金（以下、まとめてＣｕと称する。）に代える動きが進んでいる。Ｃｕは、Ａｌ合金配線の形成において頻繁に用いられたドライエッチング法による微細加工が困難であるので、溝加工が施された絶縁膜上にＣｕ膜を堆積し、溝内に埋め込まれた部分以外のＣｕ膜をＣＭＰにより除去して埋め込み配線を形成する、いわゆるダマシン（ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法が主に採用されている（例えば、特許文献２参照）。Ｃｕ膜はスパッタ法などで薄いシード層を形成した後に電解めっき法により数１００ｎｍ程度の厚さ（例えば、３００ｎｍ〜１０００ｎｍ）の積層膜で形成されることが一般的である。
さらに、最近は層間絶縁膜として比誘電率の低いｌｏｗ−ｋ膜を用いることが検討されている。すなわち、比誘電率ｋが、約４．２のシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）から比誘電率ｋが例えば３．５以下のｌｏｗ−ｋ膜を用いることにより、配線間の寄生容量を低減することが試みられている。また、比誘電率ｋが２．５以下のｌｏｗ−ｋ膜材料の開発も進められており、これらは材料中に空孔が入ったポーラス材料となっているものが多い。このようなｌｏｗ−ｋ膜（若しくはポーラスｌｏｗ−ｋ膜）とＣｕ配線を組み合わせた多層配線構造を有する半導体装置の製造方法は次のようなものである。
図１２は、従来のｌｏｗ−ｋ膜とＣｕ配線を組み合わせた多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
図１２では、デバイス部分等の形成方法は省略している。
図１２（ａ）において、シリコン基板による基体２００上に化学気相成長（ＣＶＤ）等の方法により第１の絶縁膜２２１を成膜する。
図１２（ｂ）において、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により、Ｃｕ金属配線或いはＣｕコンタクトプラグを形成するための溝構造（開口部Ｈ）を第１の絶縁膜２２１に形成する。
図１２（ｃ）において、第１の絶縁膜２２１上にバリアメタル膜２４０、Ｃｕシード膜及びＣｕ膜２６０をかかる順序で形成して、１５０℃から４００℃の温度で約３０分間アニール処理する。
図１２（ｄ）において、Ｃｕ膜２６０とバリアメタル膜２４０をＣＭＰにより除去することにより、溝である開口部ＨにＣｕ配線を形成する。
図１２（ｅ）において、前記Ｃｕ膜２６０表面に還元性プラズマ処理を施した後に第２の絶縁膜２８１を成膜する。
さらに、多層Ｃｕ配線を形成する場合は、これらの工程を繰り返して積層していくのが一般的である。ここで、第１の絶縁膜２２１と第２の絶縁膜２８１の大半がｌｏｗ−ｋ膜となる。
図１２では、デバイス部分等の形成方法は省略している。
図１２（ａ）において、シリコン基板による基体２００上に化学気相成長（ＣＶＤ）等の方法により第１の絶縁膜２２１を成膜する。
図１２（ｂ）において、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により、Ｃｕ金属配線或いはＣｕコンタクトプラグを形成するための溝構造（開口部Ｈ）を第１の絶縁膜２２１に形成する。
図１２（ｃ）において、第１の絶縁膜２２１上にバリアメタル膜２４０、Ｃｕシード膜及びＣｕ膜２６０をかかる順序で形成して、１５０℃から４００℃の温度で約３０分間アニール処理する。
図１２（ｄ）において、Ｃｕ膜２６０とバリアメタル膜２４０をＣＭＰにより除去することにより、溝である開口部ＨにＣｕ配線を形成する。
図１２（ｅ）において、前記Ｃｕ膜２６０表面に還元性プラズマ処理を施した後に第２の絶縁膜２８１を成膜する。
さらに、多層Ｃｕ配線を形成する場合は、これらの工程を繰り返して積層していくのが一般的である。ここで、第１の絶縁膜２２１と第２の絶縁膜２８１の大半がｌｏｗ−ｋ膜となる。
前記ＣＭＰに関し、テーブル（ＣＭＰプラテン）の中心を軸に回転するロータリ方式のＣＭＰ装置に関する技術（例えば、特許文献３参照）、特に、ロータリ方式のＣＭＰ装置の中で電解研磨に関する技術が特許文献４〜６に開示されている。
また、ＣＭＰプラテンがプラテンの中心から偏芯した位置を軸に回転する、いわゆる回転及びオービタル運動するオービタル方式のＣＭＰ装置に関する技術が特許文献７に開示されている。
米国特許番号４９４４８３６
特開平２−２７８８２２号公報
特開２００１−１８５５１５号公報
特開２００２−９３７６１号公報
特開２００１−７７１１７号公報
特開２００３−３４７２４３号公報
特開平１１−２３９９６１号公報
図１３は、ＣＭＰを用いた研磨工程時の半導体装置の断面例を示す図である。
図１３では、図１２における第１の絶縁膜は、下地ＣＶＤ膜となるＳｉＣ膜２１２とｌｏｗ−ｋ膜２２０とキャップＣＶＤ膜となるＳｉＯ２膜２２２とにより構成される。
図１３において、図１２に示す前述の方法によってｌｏｗ−ｋ膜２２０を基体２００となるシリコンウエハ上に形成しても、ｌｏｗ−ｋ膜２２０はＳｉＯ２膜２２２と比較して機械的強度が弱いため、ＣＭＰの研磨荷重Ｐによって構造的な破壊が起こったり、キャップＣＶＤ膜となるＳｉＯ２膜２２２がｌｏｗ−ｋ膜２２０から剥離する問題があった。もしくはｌｏｗ−ｋ膜２２０と下地ＣＶＤ膜となるＳｉＣ膜２１２の界面で剥離する問題があった。特にヤング率や硬度が低いｌｏｗ−ｋ材料や、キャップＣＶＤ膜とｌｏｗ−ｋ膜の接着強度が低い材料でこの問題が頻発した。
従来はこのようなｌｏｗ−ｋ膜の剥離を抑制するために、ＣＭＰの研磨荷重を下げることで対処していた。しかし、研磨荷重を下げると研磨速度も低下するという問題があった。そのために、従来は安定した研磨速度とウエハ面内均一性を得るために６．９×１０３Ｐａ（１ｐｓｉ）以上の研磨荷重でＣＭＰを行うことが一般的であった。この問題が、層間絶縁膜としてｌｏｗ−ｋ材を、配線としてＣｕを用いるｌｏｗ−ｋ／Ｃｕ配線開発の大きな問題となっていた。
図１３では、図１２における第１の絶縁膜は、下地ＣＶＤ膜となるＳｉＣ膜２１２とｌｏｗ−ｋ膜２２０とキャップＣＶＤ膜となるＳｉＯ２膜２２２とにより構成される。
図１３において、図１２に示す前述の方法によってｌｏｗ−ｋ膜２２０を基体２００となるシリコンウエハ上に形成しても、ｌｏｗ−ｋ膜２２０はＳｉＯ２膜２２２と比較して機械的強度が弱いため、ＣＭＰの研磨荷重Ｐによって構造的な破壊が起こったり、キャップＣＶＤ膜となるＳｉＯ２膜２２２がｌｏｗ−ｋ膜２２０から剥離する問題があった。もしくはｌｏｗ−ｋ膜２２０と下地ＣＶＤ膜となるＳｉＣ膜２１２の界面で剥離する問題があった。特にヤング率や硬度が低いｌｏｗ−ｋ材料や、キャップＣＶＤ膜とｌｏｗ−ｋ膜の接着強度が低い材料でこの問題が頻発した。
従来はこのようなｌｏｗ−ｋ膜の剥離を抑制するために、ＣＭＰの研磨荷重を下げることで対処していた。しかし、研磨荷重を下げると研磨速度も低下するという問題があった。そのために、従来は安定した研磨速度とウエハ面内均一性を得るために６．９×１０３Ｐａ（１ｐｓｉ）以上の研磨荷重でＣＭＰを行うことが一般的であった。この問題が、層間絶縁膜としてｌｏｗ−ｋ材を、配線としてＣｕを用いるｌｏｗ−ｋ／Ｃｕ配線開発の大きな問題となっていた。
この問題を解決するために電解研磨を併用したロータリ型ＣＭＰも開発を試みている。
図１４は、ロータリ型ＣＭＰ装置の概念図である。
図１４に示すロータリ型のＣＭＰ装置において、プラテン６２０上に配置された対向電極６７０と研磨パッド６３０上に、研磨面を下に向けて基板となるウエハ３００をキャリア６１０が保持する。キャリア６１０を図に示すように中心を軸に回転することでウエハ３００を回転させ、プラテン６２０も中心を軸に回転させる。そして、研磨パッド６３０上に電解研磨液６６０を供給ノズル６５０から供給する。その際、ウエハ３００上に成膜されたＣｕ膜とＣＭＰプラテン６２０上の対向電極６７０間に電圧を印加して電解研磨を行う。また、プラテン６２０は回転するため、外部の電源装置から電圧を印加するためには、可動式電極を接点６４０とする必要があった。ここで、図１４に示したように、ウエハ３００とプラテン６２０は同時に回転するために、それぞれ接点が常時接続していることができず、それぞれの電極からの電圧印加が安定しないという問題があった。さらに、特に、回転するプラテン６２０から飛び散る電解研磨液６６０の濡れから電極となる接点６４０を保護することが難しく、電解研磨液６６０による腐食等が発生する問題があった。このような状態の中、信頼性の高い配線接続を行うことが困難であった。さらに、研磨パッドの面積に対するウエハの面積が小さく、研磨の効率が悪いという問題があった。
図１４は、ロータリ型ＣＭＰ装置の概念図である。
図１４に示すロータリ型のＣＭＰ装置において、プラテン６２０上に配置された対向電極６７０と研磨パッド６３０上に、研磨面を下に向けて基板となるウエハ３００をキャリア６１０が保持する。キャリア６１０を図に示すように中心を軸に回転することでウエハ３００を回転させ、プラテン６２０も中心を軸に回転させる。そして、研磨パッド６３０上に電解研磨液６６０を供給ノズル６５０から供給する。その際、ウエハ３００上に成膜されたＣｕ膜とＣＭＰプラテン６２０上の対向電極６７０間に電圧を印加して電解研磨を行う。また、プラテン６２０は回転するため、外部の電源装置から電圧を印加するためには、可動式電極を接点６４０とする必要があった。ここで、図１４に示したように、ウエハ３００とプラテン６２０は同時に回転するために、それぞれ接点が常時接続していることができず、それぞれの電極からの電圧印加が安定しないという問題があった。さらに、特に、回転するプラテン６２０から飛び散る電解研磨液６６０の濡れから電極となる接点６４０を保護することが難しく、電解研磨液６６０による腐食等が発生する問題があった。このような状態の中、信頼性の高い配線接続を行うことが困難であった。さらに、研磨パッドの面積に対するウエハの面積が小さく、研磨の効率が悪いという問題があった。
さらに、Ｃｕ膜を研磨する最終段階において、研磨残りが発生するという問題があった。
図１５は、研磨残りが発生する様子を説明するための図である。
図１５（ｂ）に示すように、通常、接点は、ウエハ３００上に成膜されたＣｕ膜の外周部において接続される。したがって、図１５（ａ）（ｂ）に示すように、ウエハ３００上に島状（アイランド型）に残ったＣｕ膜に対しては、接点が接続された外周部と通電できず、その結果、電解研磨ができない。したがって、かかるアイランド型のＣｕ膜の研磨残りが発生するという問題があった。
図１５は、研磨残りが発生する様子を説明するための図である。
図１５（ｂ）に示すように、通常、接点は、ウエハ３００上に成膜されたＣｕ膜の外周部において接続される。したがって、図１５（ａ）（ｂ）に示すように、ウエハ３００上に島状（アイランド型）に残ったＣｕ膜に対しては、接点が接続された外周部と通電できず、その結果、電解研磨ができない。したがって、かかるアイランド型のＣｕ膜の研磨残りが発生するという問題があった。
本発明は、かかる問題点を克服し、電極からの電圧印加を安定させ、信頼性の高い配線接続を行い、さらには、Ｃｕ膜の研磨残りを防止してウエハ面内均一性を得ることを目的とする。
本発明の電解研磨装置は、
基板を保持する保持部と、
前記保持部と対向して設けられ、前記基板を電解研磨する研磨パッドと、
前記研磨パッドと対向して前記保持部とは反対側に配置され、前記研磨パッドをアノード電極として前記研磨パッドとの間で通電されるカソード電極と、
を備えたことを特徴とする。
基板を保持する保持部と、
前記保持部と対向して設けられ、前記基板を電解研磨する研磨パッドと、
前記研磨パッドと対向して前記保持部とは反対側に配置され、前記研磨パッドをアノード電極として前記研磨パッドとの間で通電されるカソード電極と、
を備えたことを特徴とする。
アノード電極となる前記研磨パッドと、前記保持部と反対側に対向して設けられたカソード電極とに通電することで、電解研磨する場合に、研磨パッド自体を前記基板の被電解研磨面に接触させて前記基板の被電解研磨面をアノード電極化させる。その結果、前記基板とカソード電極との間で電場を形成することができる。よって、電解研磨を行なうことができる。電解研磨を行なうことができるので、研磨荷重を下げることができる。さらに、前記基板の外周部に接点を設けずに、研磨パッド自体を前記基板の被電解研磨面に接触させることで、被電解研磨領域がアイランド状に残った場合でも被電解研磨領域に通電させることができる。
そして、本発明における前記電解研磨装置は、さらに、アノード電極となる前記研磨パッドと前記カソード電極とにより挟持される絶縁板を備え、
前記カソード電極と前記絶縁板と前記研磨パッドとには、前記カソード電極側から前記研磨パッド側に向かって電解研磨液を供給する貫通する供給孔が設けられていることを特徴とする。
前記カソード電極と前記絶縁板と前記研磨パッドとには、前記カソード電極側から前記研磨パッド側に向かって電解研磨液を供給する貫通する供給孔が設けられていることを特徴とする。
前記供給孔が設けられていることにより、前記研磨パッドから電解研磨液が基板表面に供給される。そして、基板面との間で電場が形成された前記カソード電極には、基板面で電解研磨された研磨金属が付着する。
さらに、本発明における前記カソード電極と前記研磨パッドとは、オービタル運動をすることを特徴とする。
自転せずにオービタル運動による周回軌道を移動することにより、前記カソード電極と前記研磨パッドとに接続される外部からの接点を前記カソード電極、或いは、前記カソード電極と電気的に接続された部材と、前記研磨パッド、或いは、前記研磨パッドと電気的に接続された部材とに固定して配置することができる。接点を固定して配置することができるので、電極からの電圧印加を安定させることができる。
さらに、前記カソード電極の材料として、銅（Ｃｕ）を用いると特に有効である。
基板面で電解研磨される研磨金属として、Ｃｕが電解研磨される場合には、同じ、Ｃｕをカソードとすることにより、より効果的に基板面の電解研磨を行なうことができる。
さらに、前記研磨パッドの材料として、カーボン材料を用いると有効である。
前記カーボン
材料として、カーボンファイバーを用いると特に有効である。
材料として、カーボンファイバーを用いると特に有効である。
後述するように、カーボンファイバーを用いたことで、導電性材料でありながらやわらかい研磨材に形成することができる。
さらに、前記電解研磨液は、リン酸或いは硫酸を含有することが望ましい。
本発明の半導体装置の製造方法は、
基体上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜上に導電性材料膜を形成する導電性材料膜形成工程と、
アノード電極に前記導電性材料膜面を接触させて、前記アノード電極と所定のカソード電極との間で通電することで、前記導電性材料膜を電解研磨する電解研磨工程と、
を備えたことを特徴とする。
基体上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜上に導電性材料膜を形成する導電性材料膜形成工程と、
アノード電極に前記導電性材料膜面を接触させて、前記アノード電極と所定のカソード電極との間で通電することで、前記導電性材料膜を電解研磨する電解研磨工程と、
を備えたことを特徴とする。
前記導電性材料膜を電解研磨することにより、研磨加重を小さくすることができる。さらに、アノード電極に前記導電性材料膜面を接触させて、前記アノード電極と所定のカソード電極との間で通電することにより、前記導電性材料膜を電解研磨する場合に、導電性材料膜がアイランド状に残った場合でも導電性材料膜に通電させることができる。
さらに、本発明における前記絶縁膜形成工程において、
前記低誘電率材料を用いた低誘電率材料膜を形成する低誘電率材料膜形成工程と、
前記低誘電率材料膜上に前記低誘電率材料膜を覆うキャップ膜を形成するキャップ膜形成工程と、
を有することを特徴とする。
前記低誘電率材料を用いた低誘電率材料膜を形成する低誘電率材料膜形成工程と、
前記低誘電率材料膜上に前記低誘電率材料膜を覆うキャップ膜を形成するキャップ膜形成工程と、
を有することを特徴とする。
機械的強度が弱い前記低誘電率材料膜上に、前記低誘電率材料膜を覆うキャップ膜が形成されることで、その後の導電性材料膜を研磨する場合に、キャップ膜が前記低誘電率材料膜から剥離しやすいが、ここで、研磨加重を小さくできる本発明の電解研磨を行なうことで、かかる剥離を防止することができる。
ここで、本発明における前記導電性材料膜形成工程において、前記導電性材料膜の材料として、銅（Ｃｕ）を用いる場合に、特に有効である。
以上説明したように、本発明によれば、研磨荷重を下げることができるので、低誘電率材料膜の構造的な破壊を起こさないようにすることができる。さらに、キャップ膜が低誘電率材料膜から剥離しないようにすることができる。さらに、低誘電率材料膜と下地ＣＶＤ膜との界面で剥離しないようにすることができる。さらに、オービタル運動により、接点を固定して配置することができるので、前記接点を、通電のための電線と電解研磨中離れることなく接続させても、自転により生じる問題点である通電用ケーブルが回転軸に巻き取られたり、前記研磨パッド上を前記ケーブルに覆われたりするといったことをおこさないようにすることができる。よって、これら問題点を回避するためのブラシ接点等の可動式接点を用いる必要もない。接点を電解研磨中離れることなく接続できるため、安定した電圧を印加し続けることができる。安定した電圧を印加し続けることができるので、安定した研磨速度とウエハ面内均一性を得ることができる。よって、半導体製造装置として信頼性の高い配線接続を行うことができる。さらに、接点を固定して配置することができるので、プラテンから飛び散る電解研磨液の濡れから接点を保護することを容易に行なうことができる。よって、電解研磨液による腐食等を防止することができる。さらに、研磨パッド面が基板面と接触して電極となるので、アイランド状の研磨残りを生じさせないようにすることができる。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１における研磨装置の概要構成図である。
図１において、研磨装置は、オービタル型のＣＭＰ装置である。電解研磨による作用とＣＭＰによる化学機械研磨の両方の作用で研磨を行う。平面運動の一例であるオービタル運動機構を有するテーブルであるプラテン５２０上には、電極シート５７０が配置される。そして、電極シート５７０の上に絶縁板５８０が配置され、絶縁板５８０の上に導電性材料を用いた研磨パッド５３０が配置される。かかる研磨パッド５３０上に、研磨面を下に向け、すなわち前記研磨パッド５３０側に向けてウエハ３００を保持部の一例であるキャリア５１０が保持する。ウエハ３００表面には、後述するＣｕ膜が形成される。カソード電極となる電極シート５７０には、外部装置より負の電圧を印加するために通電する電線と接続する接点５４２が配置され設けられている。一方、アノード電極となる研磨パッド５３０には、外部装置より正の電圧を印加するために通電する電線と接続する接点５４０が配置され設けられている。電解研磨液５６０は、プラテン５２０の下部より電極シート５７０側から研磨パッド５３０を抜けてウエハ３００面内に供給される。
前記プラテン５２０と共に電極シート５７０と絶縁板５８０と前記研磨パッド５３０をオービタル運動させながら、ウエハ３００表面と前記研磨パッド５３０を接触させ、前記接点５４０を介して前記研磨パッド５３０に通電することにより前記ウエハ３００をアノード電極化させ、さらに、前記接点５４２を介して電極シート５７０に通電することにより、前記ウエハ３００と電極シート５７０との間に電場を形成し、前記ウエハ３００を電解研磨する。供給された電解研磨液５６０は、プラテン５２０のオービタル運動に伴い、外周部から排出される。ウエハ３００表面で、ウエハ３００面より大きく、ウエハ３００と平行な研磨パッド５３０面で電解研磨することにより、均一な電解研磨を行なうことができる。ウエハ３００表面を電解研磨することにより、電解研磨により研磨される分、ＣＭＰでの研磨を行わないようにすることができ、ＣＭＰの研磨荷重を下げることができる。
図１は、実施の形態１における研磨装置の概要構成図である。
図１において、研磨装置は、オービタル型のＣＭＰ装置である。電解研磨による作用とＣＭＰによる化学機械研磨の両方の作用で研磨を行う。平面運動の一例であるオービタル運動機構を有するテーブルであるプラテン５２０上には、電極シート５７０が配置される。そして、電極シート５７０の上に絶縁板５８０が配置され、絶縁板５８０の上に導電性材料を用いた研磨パッド５３０が配置される。かかる研磨パッド５３０上に、研磨面を下に向け、すなわち前記研磨パッド５３０側に向けてウエハ３００を保持部の一例であるキャリア５１０が保持する。ウエハ３００表面には、後述するＣｕ膜が形成される。カソード電極となる電極シート５７０には、外部装置より負の電圧を印加するために通電する電線と接続する接点５４２が配置され設けられている。一方、アノード電極となる研磨パッド５３０には、外部装置より正の電圧を印加するために通電する電線と接続する接点５４０が配置され設けられている。電解研磨液５６０は、プラテン５２０の下部より電極シート５７０側から研磨パッド５３０を抜けてウエハ３００面内に供給される。
前記プラテン５２０と共に電極シート５７０と絶縁板５８０と前記研磨パッド５３０をオービタル運動させながら、ウエハ３００表面と前記研磨パッド５３０を接触させ、前記接点５４０を介して前記研磨パッド５３０に通電することにより前記ウエハ３００をアノード電極化させ、さらに、前記接点５４２を介して電極シート５７０に通電することにより、前記ウエハ３００と電極シート５７０との間に電場を形成し、前記ウエハ３００を電解研磨する。供給された電解研磨液５６０は、プラテン５２０のオービタル運動に伴い、外周部から排出される。ウエハ３００表面で、ウエハ３００面より大きく、ウエハ３００と平行な研磨パッド５３０面で電解研磨することにより、均一な電解研磨を行なうことができる。ウエハ３００表面を電解研磨することにより、電解研磨により研磨される分、ＣＭＰでの研磨を行わないようにすることができ、ＣＭＰの研磨荷重を下げることができる。
図２は、実施の形態１におけるオービタル運動の様子を説明するための図である。
図２において、Ｃ１は、研磨パッド５３０の中心位置、Ｃ２は、キャリア５１０に支持されたウエハ３００の中心位置、Ａは、研磨パッド５３０に配置された接点５４０の位置を示している。電極シート５７０に配置された接点５４２の位置も同様である。
図２に示すように、ウエハ３００の位置を固定して表わすと、導電性パッド５３０は、自転せずに所定の周回軌道を移動する。オービタル型の研磨装置では、研磨プラテン５２０がその中心を軸として回転するのではなく、研磨プラテン５２０上の全ての点が円を描くように回転するものである。その回転半径は１ｃｍから１０ｃｍの範囲であることが望ましい。ロータリ型のプラテン回転機構では、電解研磨を行うために必要な導電性のＣＭＰパッドの電極となる接点の位置が、プラテンの回転とともにずれてしまうが、オービタル型のプラテン回転機構を用いることによって、プラテンが回転しても電極となる接点５４０および接点５４２は常に同じ方向に向けることが可能となるために、前記接点５４０および接点５４２を前記研磨パッド及び電極シートに固定して配置することができる。よって、電極の接続が安定しており、電解研磨装置の信頼性が向上する。前記接点５４０は、電気的に接続された他の部材に固定して配置してもよい。かかる他の部材を介して研磨パッド５３０に接続して通電すればよい。同様に、前記接点５４２は、電気的に接続された他の部材に固定して配置してもよい。かかる他の部材を介して電極シート５７０に接続して通電すればよい。例えば、前記接点５４２は、プラテン５２０に固定して配置してもよい。プラテン５２０を介してプラテン５２０上に置かれた電極シート５７０に接続して通電すればよい。
図２において、Ｃ１は、研磨パッド５３０の中心位置、Ｃ２は、キャリア５１０に支持されたウエハ３００の中心位置、Ａは、研磨パッド５３０に配置された接点５４０の位置を示している。電極シート５７０に配置された接点５４２の位置も同様である。
図２に示すように、ウエハ３００の位置を固定して表わすと、導電性パッド５３０は、自転せずに所定の周回軌道を移動する。オービタル型の研磨装置では、研磨プラテン５２０がその中心を軸として回転するのではなく、研磨プラテン５２０上の全ての点が円を描くように回転するものである。その回転半径は１ｃｍから１０ｃｍの範囲であることが望ましい。ロータリ型のプラテン回転機構では、電解研磨を行うために必要な導電性のＣＭＰパッドの電極となる接点の位置が、プラテンの回転とともにずれてしまうが、オービタル型のプラテン回転機構を用いることによって、プラテンが回転しても電極となる接点５４０および接点５４２は常に同じ方向に向けることが可能となるために、前記接点５４０および接点５４２を前記研磨パッド及び電極シートに固定して配置することができる。よって、電極の接続が安定しており、電解研磨装置の信頼性が向上する。前記接点５４０は、電気的に接続された他の部材に固定して配置してもよい。かかる他の部材を介して研磨パッド５３０に接続して通電すればよい。同様に、前記接点５４２は、電気的に接続された他の部材に固定して配置してもよい。かかる他の部材を介して電極シート５７０に接続して通電すればよい。例えば、前記接点５４２は、プラテン５２０に固定して配置してもよい。プラテン５２０を介してプラテン５２０上に置かれた電極シート５７０に接続して通電すればよい。
前記接点５４０或いは前記接点５４２には、オービタル運動により移動する前記接点５４０或いは前記接点５４２の移動量を許容する尤度をもったフレキシブル電線が接続される。前記接点５４０或いは前記接点５４２の移動量を許容する尤度をもった電線が接点に接続されることにより、前記接点位置を固定しても通電のための電線と電解研磨中離れることなく接続させることができる。前記接点５４０或いは前記接点５４２と電源を結ぶ配線となるフレキシブル電線は、１０ｃｍ以下の範囲で伸び縮みするようにしておけば良い。従来のロータリ型のＣＭＰ装置では、電極の位置がプラテンの回転とともに回転するため、電解研磨液の濡れから電極が腐食するのを保護することが難しく、信頼性の高い配線接続を行うことが困難であったが、本実施の形態１では、電極となる接点５４０および接点５４２の位置が固定されるため保護し易く腐食するのを防止することができる。
さらに、ここでは、キャリア５１０は、ウエハ３００を保持しながら回転させる。ここで、図１４に示す構成では、ウエハと陽極を接続するため、ヘッドの回転中に電気的接続が保たれるような構造にしなければならないが、ここでは、キャリア５１０を介してウエハ３００側に接点を接続させず、研磨パッド５３０を介してウエハ３００側に通電することにより、前記ウエハ３００を保持しながら回転させても、自転により生じる問題点である通電用ケーブルが回転軸に巻き取られたり、前記ケーブルに覆われたりするといったことをおこさないようにすることができる。さらに、ウエハ３００を回転させることで、スラリーや電解研磨液の排出を促進することができる。
さらに、キャリア５１０を介してウエハ３００外周部に接点を接続させず、研磨パッド５３０を介してウエハ３００側に通電することにより、ウエハ３００上に成膜されたＣｕ膜外周部と電気的に接続が切れた、例えば、アイランド状のＣｕ膜であっても通電させることができる。その結果、研磨残りの問題を解消することができる。
以下、図１の研磨装置を使用した半導体装置の製造方法を説明する。
図３は、半導体装置の構成のうち、層間絶縁膜として、下層のＳｉＯ２膜形成工程からｌｏｗ−ｋ膜上のＳｉＯ２膜形成工程までを示す工程断面図である。それ以降の工程は後述する。
図３は、半導体装置の構成のうち、層間絶縁膜として、下層のＳｉＯ２膜形成工程からｌｏｗ−ｋ膜上のＳｉＯ２膜形成工程までを示す工程断面図である。それ以降の工程は後述する。
図３（ａ）において、ＳｉＯ２膜形成工程として、基体２００上にＣＶＤ法によって、例えば、膜厚２００ｎｍの下地ＳｉＯ２膜を堆積し、ＳｉＯ２膜２１０を形成する。ここでは、ＣＶＤ法によって成膜しているが、その他の方法を用いても構わない。基体２００として、例えば、直径３００ミリのシリコンウエハ等の基板を用いる。ここでは、デバイス部分の形成を省略している。
図３（ｂ）において、ＳｉＣ膜形成工程として、ＳｉＯ２膜２１０の上に、ＣＶＤ法によって、ＳｉＣを用いた膜厚５０ｎｍの下地ＳｉＣ膜を堆積し、ＳｉＣ膜２１２を形成する。ここでは、ＣＶＤ法によって成膜しているが、その他の方法を用いても構わない。ＳｉＣ膜２１２は、エッチングストッパとしての機能も有する。ＳｉＣ膜の代わりに誘電率の低いＳｉＯＣ膜を用いても構わない。或いは、バリア信頼性の高いＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜を用いることができる。
図３（ｃ）において、ｌｏｗ−ｋ膜形成工程として、基体２００の上に形成された前記ＳｉＣ絶縁膜形成工程により形成されたＳｉＣ膜２１２の上に多孔質の絶縁性材料を用いたｌｏｗ−ｋ膜２２０を２００ｎｍの厚さで形成する。ｌｏｗ−ｋ膜２２０を形成することで、比誘電率ｋが３．５よりも低い層間絶縁膜を得ることができる。ｌｏｗ−ｋ膜２２０の材料としては、例えば、多孔質のメチルシルセスキオキサン（ｍｅｔｈｙｌ ｓｉｌｓｅｑｕｉｏｘａｎｅ：ＭＳＱ）を用いることができる。また、その形成方法としては、例えば、溶液をスピンコートし熱処理して薄膜を形成するＳＯＤ（ｓｐｉｎ ｏｎ ｄｉｅｌｅｃｔｉｃ ｃｏａｔｉｎｇ）法を用いることができる。ここでは、スピナーの回転数は９００ｍｉｎ−１（９００ｒｐｍ）で成膜した。このウエハをホットプレート上で窒素雰囲気中１５０℃の温度で７５秒間の第１のベークを行い、さらに２５０℃の温度で７５秒間第２のベークを行った後、最終的にホットプレート上で窒素雰囲気中４５０℃の温度で１０分間のキュアを行った。ＭＳＱの材料や形成条件などを適宜調節することにより、所定の物性値を有する多孔質の絶縁膜が得られる。例えば、密度が０．６８ｇ／ｃｍ３で比誘電率ｋが１．８、空孔率が５５％、ヤング率が１．６ＧＰａ、硬度が０．１８ＧＰａ物性値を有するｌｏｗ−ｋ膜２２０が得られる。ｌｏｗ−ｋ膜のＳｉとＯとＣの組成比は、Ｓｉが３０％、Ｏが５３％、Ｃが１７％とする。
そして、Ｈｅプラズマ処理工程として、このｌｏｗ−ｋ膜２２０表面をＣＶＤ装置内でヘリウム（Ｈｅ）プラズマ照射によって表面改質する。Ｈｅプラズマ照射によって表面が改質されることで、ｌｏｗ−ｋ膜２２０とｌｏｗ−ｋ膜２２０上に形成する後述するキャップ膜としてのＣＶＤ−ＳｉＯ２膜２２２との接着性を改善することができる。ガス流量は１．７Ｐａ・ｍ３／ｓ（１０００ｓｃｃｍ）、ガス圧力は１０００Ｐａ、高周波パワーは５００Ｗ、低周波パワーは４００Ｗ、温度は４００℃とした。キャップＣＶＤ膜をｌｏｗ−ｋ膜上に成膜する際は、ｌｏｗ−ｋ膜表面にプラズマ処理を施すことがキャップＣＶＤ膜との接着性を改善する上で有効である。プラズマガスの種類としてはアンモニア（ＮＨ３）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、水素（Ｈ２）、Ｈｅ、酸素（Ｏ２）、シラン（ＳｉＨ４）、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ２）などがあり、これらの中でもＨｅプラズマはｌｏｗ−ｋ膜へのダメージが少ないために特に有効である。また、プラズマガスはこれらのガスを混合したものでも良い。例えば、Ｈｅガスは他のガスと混合して用いると効果的である。
図３（ｄ）において、ＳｉＯ２膜形成工程として、前記Ｈｅプラズマ処理を行った後、キャップ膜として、ＣＶＤ法によってｌｏｗ−ｋ膜２２０上にＳｉＯ２を膜厚５０ｎｍ堆積することで、ＳｉＯ２膜２２２を形成する。ＳｉＯ２膜２２２を形成することで、直接リソグラフィを行うことができないｌｏｗ−ｋ膜２２０を保護し、ｌｏｗ−ｋ膜２２０にパターンを形成することができる。かかるキャップＣＶＤ膜は、ＳｉＯ２膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＣＮ膜などがあるが、ダメージ低減の観点からはＳｉＯ２膜が優れ、低誘電率化の観点からはＳｉＯＣ膜が、耐圧向上の観点からはＳｉＣ膜やＳｉＣＮ膜が優れている。さらに、ＳｉＯ２膜とＳｉＣ膜の積層膜、もしくはＳｉＯ２膜とＳｉＣＯ膜の積層膜、もしくはＳｉＯ２膜とＳｉＣＮ膜の積層膜を用いることができる。さらにキャップＣＶＤ膜の一部、もしくは全てが後述する平坦化工程においてＣＭＰにより除去されても良い。キャップ膜を除去することで誘電率をさらに低減することができる。キャップ膜の厚さとしては１０ｎｍから１５０ｎｍが良く、１０ｎｍから５０ｎｍが実効的な比誘電率を低減する上で効果的である。
以上の説明において、下層配線における層間絶縁膜は、比誘電率が３．５以下のｌｏｗ−ｋ膜でなくても構わないが、ｌｏｗ−ｋ膜（特に、ポーラスｌｏｗ−ｋ膜）を含む場合に特に有効である。なぜならば、ｌｏｗ−ｋ膜は絶縁耐圧が低い材料が多いだけでなく、ＣＭＰプロセスによりダメージを受けやすいからである。比誘電率が３．５以下の低誘電率絶縁膜としてｌｏｗ−ｋ膜を一部に形成することで、半導体装置の微細化を図ることができる。ｌｏｗ−ｋ膜の種類としては、塗布されることにより形成されるＭＳＱやＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）、ポリマー、ＣＶＤにより形成されるＳｉＯＣ系やポリマーのいずれも用いることができる。また、ｌｏｗ−ｋ膜の比誘電率は３．０以下のもの、特に２．６以下のものに対して有効である。また、ＣＶＤ膜とスピン塗布膜を比較した場合、特にスピン塗布膜に対して有効である。前記ｌｏｗ−ｋ膜の膜厚としては、１００ｎｍから１０００ｎｍの範囲であることが望ましい。前述のＭＳＱ膜の組成としては、珪素の濃度は２０％から４０％、炭素の濃度は１０％から３０％、酸素の濃度は４０％から６０％が望ましい。
図４は、配線形成のための開口部形成工程からめっき工程までを示す工程断面図である。それ以降の工程は後述する。
図４（ａ）において、開口部形成工程として、リソグラフィ工程とドライエッチング工程でダマシン配線を作製するための配線溝構造である開口部１５０をＳｉＯ２膜２２２とｌｏｗ−ｋ膜２２０と下地ＳｉＣ膜２１２内に形成する。図示していないレジスト塗布工程、露光工程等のリソグラフィ工程を経てＳｉＯ２膜２２２の上にレジスト膜が形成された基体２００に対し、露出したＳｉＯ２膜２２２とその下層に位置するｌｏｗ−ｋ膜２２０を、下地ＳｉＣ膜２１２をエッチングストッパとして異方性エッチング法により除去し、その後、下地ＳｉＣ膜２１２をエッチングして開口部１５０を形成すればよい。異方性エッチング法を用いることで、基体２００の表面に対し、略垂直に開口部１５０を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング法により開口部１５０を形成すればよい。
図４（ａ）において、開口部形成工程として、リソグラフィ工程とドライエッチング工程でダマシン配線を作製するための配線溝構造である開口部１５０をＳｉＯ２膜２２２とｌｏｗ−ｋ膜２２０と下地ＳｉＣ膜２１２内に形成する。図示していないレジスト塗布工程、露光工程等のリソグラフィ工程を経てＳｉＯ２膜２２２の上にレジスト膜が形成された基体２００に対し、露出したＳｉＯ２膜２２２とその下層に位置するｌｏｗ−ｋ膜２２０を、下地ＳｉＣ膜２１２をエッチングストッパとして異方性エッチング法により除去し、その後、下地ＳｉＣ膜２１２をエッチングして開口部１５０を形成すればよい。異方性エッチング法を用いることで、基体２００の表面に対し、略垂直に開口部１５０を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング法により開口部１５０を形成すればよい。
図４（ｂ）において、バリアメタル膜形成工程として、前記開口部形成工程により形成された開口部１５０及びＳｉＯ２膜２２２表面にバリアメタル材料を用いたバリアメタル膜２４０を形成する。物理気相成長法（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ）法の１つであるスパッタ法を用いるスパッタリング装置内で窒化タンタル（ＴａＮ）を膜厚５ｎｍ、タンタル（Ｔａ）膜を膜厚８ｎｍ堆積し、バリアメタル膜２４０を形成する。ＴａＮ膜とＴａ膜とを積層することで、ＴａＮ膜によりＣｕのｌｏｗ−ｋ膜２２０への拡散防止を図り、Ｔａ膜によりＣｕの密着性向上を図ることができる。バリアメタル材料の堆積方法としては、原子層気相成長（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ法、あるいは、ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＣＶＤ法）やＣＶＤ法などを用いることでＰＶＤ法を用いる場合より被覆率を良くすることができる。
前記バリアメタル膜は、Ｔａ膜、ＴａＮ膜、もしくはその積層膜であることが望ましい。前記バリアメタル膜の成膜方法は、ＣＶＤ法もしくはＡＬＤ法であることが被覆性の観点から望ましいが、上述したスパッタ法などのＰＶＤ法であっても有効である。
前記バリアメタル膜は、Ｔａ膜、ＴａＮ膜、もしくはその積層膜であることが望ましい。前記バリアメタル膜の成膜方法は、ＣＶＤ法もしくはＡＬＤ法であることが被覆性の観点から望ましいが、上述したスパッタ法などのＰＶＤ法であっても有効である。
図４（ｃ）において、シード膜形成工程として、スパッタ等の物理気相成長（ＰＶＤ）法により、次の工程である電解めっき工程のカソード極となるＣｕ薄膜をシード膜２５０としてバリアメタル膜２４０が形成された開口部１５０内壁及び基体２００表面に堆積（形成）させる。ここでは、シード膜２５０を膜厚５０ｎｍ堆積させた。
図４（ｄ）において、めっき工程として、シード膜２５０をカソード極として、電解めっき等の電気化学成長法によりＣｕ膜２６０を開口部１５０及び基体２００表面に堆積させる。ここでは、膜厚５００ｎｍのＣｕ膜２６０を堆積させ、堆積させた後にアニール処理を２５０℃の温度で３０分間行った。
図５は、平坦化する研磨工程を示す工程断面図である。
図５において、研磨工程として、ＳｉＯ２膜２２２の表面に堆積された導電部としての配線層となるＣｕ膜２６０、シード膜２５０、及びバリアメタル膜２４０をＣＭＰ研磨及び電解研磨により除去することにより、図５に表したような埋め込み構造を形成する。前記研磨工程において、電解研磨により研磨加重を小さくすることができるので、一部に形成された比誘電率が３．５以下の低誘電率絶縁膜と他の部分に形成された絶縁膜との剥離を抑制することができる。
図５において、研磨工程として、ＳｉＯ２膜２２２の表面に堆積された導電部としての配線層となるＣｕ膜２６０、シード膜２５０、及びバリアメタル膜２４０をＣＭＰ研磨及び電解研磨により除去することにより、図５に表したような埋め込み構造を形成する。前記研磨工程において、電解研磨により研磨加重を小さくすることができるので、一部に形成された比誘電率が３．５以下の低誘電率絶縁膜と他の部分に形成された絶縁膜との剥離を抑制することができる。
図６は、実施の形態１における研磨装置の概要構成断面図である。
研磨装置は、図示していないオービタル回転機構とヘッド回転機構とにより、プラテン５２０とキャリア５１０とを平面運動させる。プラテン５２０をオービタル回転機構によりオービタル回転させ、キャリア５１０をヘッド回転機構により自転させる。研磨荷重は１．３×１０３Ｐａ（０．２ｐｓｉ）の超低荷重に設定し、オービタル回転数は１９ｍｉｎ−１（１９ｒｐｍ）、ヘッドの回転数は２１ｍｉｎ−１（２１ｒｐｍ）、電解研磨液の供給速度は０．４Ｌ／ｍｉｎ（４００ｃｃ／分）とする。
研磨布となる研磨パッド５３０は、導電性のパッドは、導電性の物質をＣＭＰパッドに含ませたもので良く、例えばカーボン材料製、特にカーボンファイバー製の単層パッドを用いるとよい。金属を用いるとウエハ３００表面を傷つけてしまうが、前記導電性パッドの材料として、カーボンファイバーを用いたことで、導電性材料でありながらやわらかいソフトな材料に形成でき、ウエハ３００表面を研磨しても傷つけず、研磨パッドとしてより好ましい。言い換えれば、スクラッチを低減することができる。
研磨装置は、図示していないオービタル回転機構とヘッド回転機構とにより、プラテン５２０とキャリア５１０とを平面運動させる。プラテン５２０をオービタル回転機構によりオービタル回転させ、キャリア５１０をヘッド回転機構により自転させる。研磨荷重は１．３×１０３Ｐａ（０．２ｐｓｉ）の超低荷重に設定し、オービタル回転数は１９ｍｉｎ−１（１９ｒｐｍ）、ヘッドの回転数は２１ｍｉｎ−１（２１ｒｐｍ）、電解研磨液の供給速度は０．４Ｌ／ｍｉｎ（４００ｃｃ／分）とする。
研磨布となる研磨パッド５３０は、導電性のパッドは、導電性の物質をＣＭＰパッドに含ませたもので良く、例えばカーボン材料製、特にカーボンファイバー製の単層パッドを用いるとよい。金属を用いるとウエハ３００表面を傷つけてしまうが、前記導電性パッドの材料として、カーボンファイバーを用いたことで、導電性材料でありながらやわらかいソフトな材料に形成でき、ウエハ３００表面を研磨しても傷つけず、研磨パッドとしてより好ましい。言い換えれば、スクラッチを低減することができる。
研磨パッドの裏側には、絶縁性のスペーサとなる絶縁板５８０を挟んで銅製の電極シート５７０が配置される。電極シート５７０は、Ｃｕ製が望ましいが、これに限らず、導電性材料であればよい。例えば、ステンレス材であってもよい。或いは、プラテン５２０自体を電極シート５７０の代わりに陰極に用いてもよい。但し、陰極には電解研磨されたCuが堆積するため、研磨パッド５３０や絶縁板５８０と一緒に取り外しできるものが望ましい。また、電解研磨されたＣｕがプラテン５２０に堆積しないようにするため、プラテン５２０と電極シート５７０との間に絶縁性のシートを挿入し、電気的に絶縁してもよい。
研磨パッド５３０と絶縁板５８０と電極シート５７０には、１４０個のスラリー供給用の穴（供給孔５５０）が施され、電解研磨液５６０はこの供給孔５５０を通して研磨プラテン５２０の下から図６の矢印のように供給される。設定された研磨荷重によって研磨パッドとなる導電性パッド５３０とウエハ３００表面は接触しており、電解研磨液５６０は研磨パッドに施された溝の中を通過して研磨プラテン５２０の外部に流されるものである。前記研磨パッド５３０と前記ウエハ３００表面と間に電解研磨液５６０を供給する供給孔５５０が設けられていることにより、従来のような前記導電性パッドの上方から滴下される場合より確実に電解研磨液をウエハ３００表面に供給することができる。
前記研磨パッド５３０にはプラテン５２０の外側で電源と接続されており、他方の電極は、電極シート５７０に接続されている。図１では、接点５４０は、研磨パッド５３０上に配置されているが、図６のようにパッドの裏側にあってもどちらでもよい。また、研磨パッド５３０の裏面に接点５４０となる電極シートを別途設けても構わない。同様に、接点５４２も、電極シート５７０上に配置されていても、裏側にあってもどちらでもよい。
なお、図１４で説明したロータリ型の電解研磨方式の場合、電解研磨液はプラテンの上から垂らす方式を採用せざるを得ない。回転するプラテンの電極は、外周で常にコンタクトを取れるように可動式のものとなるため、問題が生じる。
電解研磨液は、リン酸と過酸化水素水とクエン酸とベンゾトリアゾールとポリアクリル酸アンモニウムから成る水溶液を用いた。リン酸は０．５重量％、過酸化水素は２体積％、クエン酸は０．０５重量％、ベンゾトリアゾールは０．０５重量％、ポリアクリル酸アンモニウムは０．０１重量％の濃度で添加した。前記電解研磨としては、リン酸もしくは硫酸を含む水溶液を用いることが可能である。また、水溶液中に銅イオンを添加することにより電流量を増加することが可能である。さらに、ディシングや摩擦力を低減するために、防食剤や界面活性剤を用いることが可能である。防食剤としてはベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）やイミダゾール、またはその誘導体を用いることができる。界面活性剤としてはポリアクリル酸もしくはポリアクリル酸アンモニウムなどを用いることが可能である。
電解研磨を促進するために過酸化水素のような酸化剤を添加することも有効である。これによってＣｕ表面が酸化され、電解研磨の速度が速くなる。
電解研磨を促進するために過酸化水素のような酸化剤を添加することも有効である。これによってＣｕ表面が酸化され、電解研磨の速度が速くなる。
また、有機酸を添加することによって均一なエッチングを行うことが可能となる。有機酸を添加する場合は、リン酸や硫酸の濃度を低減することが可能となる。リン酸や硫酸の濃度を低減することでＣｕに対する過度な腐食を防止することができる。有機酸としては、ヒドロキシ酸（ＯＨ基を含む有機酸）もしくはカルボン酸（ＣＯＯＨ基を含む有機酸）が望ましく、ヒドロキシカルボン酸（ＯＨ基とＣＯＯＨ基を一分子中に含む有機酸）が最も望ましい。例えば、クエン酸、リンゴ酸、コハク酸、酒石酸、フタル酸、マロン酸、マレイン酸、フマル酸、乳酸、ピメリン酸、アジピン酸、グルタル酸、シュウ酸、サリチル酸、グルコール酸、安息香酸、酪酸、吉草酸、プロピオン酸、酢酸、ギ酸などが挙げられる。
電解研磨液は砥粒を含むことが可能である。砥粒の濃度は１０重量％以下であることがスクラッチ低減の観点から望ましい。さらに、５重量％以下の砥粒であればＣＭＰ後の洗浄性が良くなる観点から望ましい。１重量％以下の砥粒であれば分散性の観点から望ましい。砥粒を含まなければ廃液処理の観点から、なお望ましい。
電解研磨液は砥粒を含むことが可能である。砥粒の濃度は１０重量％以下であることがスクラッチ低減の観点から望ましい。さらに、５重量％以下の砥粒であればＣＭＰ後の洗浄性が良くなる観点から望ましい。１重量％以下の砥粒であれば分散性の観点から望ましい。砥粒を含まなければ廃液処理の観点から、なお望ましい。
図７は、実施の形態１における研磨装置の概要構成断面図である。
図７では、プラテン５２０にも研磨パッド５３０と絶縁板５８０と電極シート５７０に設けられた位置に合わせて供給孔５５０が施され、電極シート５７０が、プラテン５２０の表面に乗せられている。電解研磨液５６０はこの供給孔５５０を通して研磨プラテン５２０の下から図７の矢印のように供給される。かかる構成の場合、カソード電極となる電極シート５７０では、この供給孔５５０の内壁に電解研磨液５６０が触れることになる。したがって、ウエハ３００で電解研磨されたＣｕと同等のＣｕが電解研磨液中から電極シート５７０の供給孔５５０の内壁に付着する。
図７では、プラテン５２０にも研磨パッド５３０と絶縁板５８０と電極シート５７０に設けられた位置に合わせて供給孔５５０が施され、電極シート５７０が、プラテン５２０の表面に乗せられている。電解研磨液５６０はこの供給孔５５０を通して研磨プラテン５２０の下から図７の矢印のように供給される。かかる構成の場合、カソード電極となる電極シート５７０では、この供給孔５５０の内壁に電解研磨液５６０が触れることになる。したがって、ウエハ３００で電解研磨されたＣｕと同等のＣｕが電解研磨液中から電極シート５７０の供給孔５５０の内壁に付着する。
図８は、実施の形態１における研磨装置の別の概要構成断面図である。
図７では、電解研磨液５６０が、電極シート５７０の供給孔５５０の内壁にのみ触れる構成であるが、図８に示すように、プラテン５２０と電極シート５７０との間に空間を設け、かかる空間に電解研磨液５６０が溜まる槽（バッファ領域）となるように構成してもよい。そして、バッファ領域にいったん溜まった電解研磨液５６０を供給孔５５０を通して研磨パッド５３０側に供給してもよい。バッファ領域を設けることで、電解研磨液５６０が電極シート５７０の下面全面に触れることになり、ウエハ３００で電解研磨されたＣｕと同等のＣｕが付着する場合に、許容できる付着量を大きくすることができる。よって、電極シート５７０の交換寿命を向上させることができる。また、研磨パッド５３０と絶縁板５８０と電極シート５７０の剛性を高め、撓まないようにするため、バッファ領域に支柱或いは支持梁を設けてプラテン５２０で電極シート５７０を支持するように構成しても構わない。電解研磨液５６０が触れる領域が電極シート５７０における供給孔５５０の内壁面積より大きな面積とすることにより許容できるＣｕ付着量を大きくすることができる。
図７では、電解研磨液５６０が、電極シート５７０の供給孔５５０の内壁にのみ触れる構成であるが、図８に示すように、プラテン５２０と電極シート５７０との間に空間を設け、かかる空間に電解研磨液５６０が溜まる槽（バッファ領域）となるように構成してもよい。そして、バッファ領域にいったん溜まった電解研磨液５６０を供給孔５５０を通して研磨パッド５３０側に供給してもよい。バッファ領域を設けることで、電解研磨液５６０が電極シート５７０の下面全面に触れることになり、ウエハ３００で電解研磨されたＣｕと同等のＣｕが付着する場合に、許容できる付着量を大きくすることができる。よって、電極シート５７０の交換寿命を向上させることができる。また、研磨パッド５３０と絶縁板５８０と電極シート５７０の剛性を高め、撓まないようにするため、バッファ領域に支柱或いは支持梁を設けてプラテン５２０で電極シート５７０を支持するように構成しても構わない。電解研磨液５６０が触れる領域が電極シート５７０における供給孔５５０の内壁面積より大きな面積とすることにより許容できるＣｕ付着量を大きくすることができる。
図９は、研磨パッドの表面形状を示す図である。
図９（ａ）に示すように、研磨パッド５３０の表面には、格子状の溝が形成されている。溝の交差する位置の底部に前記供給孔５５０が設けられている。研磨パッド５３０の上面に溝が形成され、前記溝の底部から電解研磨液５６０が供給されることにより、溝をつたって電解研磨液５６０をウエハ３００表面全体に供給することができる。また、前記研磨パッド５３０とウエハ３００表面との間に残った電解研磨液５６０を排出し、新しい電解研磨液５６０と置換することができる。そして、前記溝が格子状に形成されることで、さらに、電解研磨液の広がりを促進することができる。図９（ｂ）に示すように、溝は、例えば、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍに形成する。図９では、格子状の溝が形成されているが、これに限るものではなく、例えば、同心円状の溝が形成されてもよい。
図９（ａ）に示すように、研磨パッド５３０の表面には、格子状の溝が形成されている。溝の交差する位置の底部に前記供給孔５５０が設けられている。研磨パッド５３０の上面に溝が形成され、前記溝の底部から電解研磨液５６０が供給されることにより、溝をつたって電解研磨液５６０をウエハ３００表面全体に供給することができる。また、前記研磨パッド５３０とウエハ３００表面との間に残った電解研磨液５６０を排出し、新しい電解研磨液５６０と置換することができる。そして、前記溝が格子状に形成されることで、さらに、電解研磨液の広がりを促進することができる。図９（ｂ）に示すように、溝は、例えば、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍに形成する。図９では、格子状の溝が形成されているが、これに限るものではなく、例えば、同心円状の溝が形成されてもよい。
以上のように、研磨液は、研磨布となる研磨パッド５３０に形成された穴を通して研磨プラテン５２０の裏側からウエハ３００表面に供給されることが望ましい。特に、研磨パッド５３０の表面に格子状の溝や同心円状の溝が施されていることが研磨液を高速に流動させる観点から望ましい。研磨布中の溝が施されている面積は１０％から４０％であることが高研磨速度を維持する上で望ましい。
上述の条件でＣｕの電解研磨を行った結果、３００ｎｍ／分の速度でＣｕが研磨され、研磨を始めてから約９０秒で光学式終点信号が検知されて研磨が終了した。従来、終点信号が検出されても研磨残りが発生するという問題があったが、本実施の形態による電解研磨方式によれば研磨残りは全く発生しなかった。その後、ＴａＮのＣＭＰをＣＭＰスラリーに切り替えて１分間研磨を行い、キャップＳｉＯ２膜４が露出するまで研磨した。ＴａＮのＣＭＰでは硬度（Ｓｈｏｒｅ Ｄ）が７０以下のソフトパッドを用いて、ｌｏｗ−ｋ膜の剥離を防止するようにした。
図１０は、オービタル型とロータリ型とにおける電解研磨時の電流波形を示す図である。
オービタル型の電解研磨装置では、電圧を１０Ｖ、電流を３Ａ必要とした。
ＣＭＰ後のウエハを顕微鏡で検査したところ、ｌｏｗ−ｋ膜の剥離は全く見られなかった。これに対してロータリ型の電解研磨装置でＣＭＰを行った場合、図１０に示すように、プラテンの電極に研磨液が付着して度々電流が不安定になり、電解研磨がストップする問題が発生した。また、電極が回転する端子によって擦れ（図１４参照）、かつそこが研磨液によって腐食する問題が多発した。オービタル式の電解研磨装置では電極を被覆することができるために腐食することは無く、安定で信頼性の高い研磨を行うことが可能であった（図１参照）。また、ロータリ型の電解研磨装置でＣＭＰを行った場合、研磨残りは頻発した。そのため、Ｃｕ研磨の途中段階でＣｕ用のＣＭＰスラリーを用いて研磨を行う必要があった。つまり、Ｃｕ研磨を電解研磨のみで安定して終了させることはできなかった。本実施の形態では、Ｃｕ用のＣＭＰスラリーを用いて研磨荷重を上げて化学機械研磨を行なうといったことは必要なく、電解研磨液を用いて小さい研磨荷重のまま電解研磨および、研磨パッド５３０をウエハ３００に接触させることによる小さい研磨荷重のままでの化学機械研磨により所定のＣｕ膜の平坦化を行なうことができる。また、ロータリ型の電解研磨装置では、電圧を１０Ｖ、電流を５Ａ必要とした。オービタル型の方が、ウエハ面積とパット面積の差がはるかに小さいので、少ない電流で効率よく研磨することができる。
研磨パッドの溝に関しては、本実施例では格子溝のものを用いた。溝部分の面積比が３０％のものを用いたが、溝が全く形成されていない研磨パッドを用いた場合と比較すると研磨速度が４倍以上増加した。
研磨パッドに設けられた研磨液の供給穴の数については、１０個、３０個、１００個、３００個の場合で比較すると、多ければ多いほど研磨速度が増加し、かつウエハ内の研磨均一性が向上することがわかった。
本実験をデバイスが搭載されたウエハで実施しても同様の効果を確認することができた。１層目のＣｕ配線層だけでなく、２層目のＣｕ配線層においてもｌｏｗ−ｋ膜が剥離なく研磨することができ、さらに３層目以上のＣｕ配線層でも剥離なく研磨することができた。ｌｏｗ−ｋ材料としては、ＨＳＱやポリマー、ＣＶＤ法によるＳｉＯＣを用いても剥離なく研磨することができた。
オービタル型の電解研磨装置では、電圧を１０Ｖ、電流を３Ａ必要とした。
ＣＭＰ後のウエハを顕微鏡で検査したところ、ｌｏｗ−ｋ膜の剥離は全く見られなかった。これに対してロータリ型の電解研磨装置でＣＭＰを行った場合、図１０に示すように、プラテンの電極に研磨液が付着して度々電流が不安定になり、電解研磨がストップする問題が発生した。また、電極が回転する端子によって擦れ（図１４参照）、かつそこが研磨液によって腐食する問題が多発した。オービタル式の電解研磨装置では電極を被覆することができるために腐食することは無く、安定で信頼性の高い研磨を行うことが可能であった（図１参照）。また、ロータリ型の電解研磨装置でＣＭＰを行った場合、研磨残りは頻発した。そのため、Ｃｕ研磨の途中段階でＣｕ用のＣＭＰスラリーを用いて研磨を行う必要があった。つまり、Ｃｕ研磨を電解研磨のみで安定して終了させることはできなかった。本実施の形態では、Ｃｕ用のＣＭＰスラリーを用いて研磨荷重を上げて化学機械研磨を行なうといったことは必要なく、電解研磨液を用いて小さい研磨荷重のまま電解研磨および、研磨パッド５３０をウエハ３００に接触させることによる小さい研磨荷重のままでの化学機械研磨により所定のＣｕ膜の平坦化を行なうことができる。また、ロータリ型の電解研磨装置では、電圧を１０Ｖ、電流を５Ａ必要とした。オービタル型の方が、ウエハ面積とパット面積の差がはるかに小さいので、少ない電流で効率よく研磨することができる。
研磨パッドの溝に関しては、本実施例では格子溝のものを用いた。溝部分の面積比が３０％のものを用いたが、溝が全く形成されていない研磨パッドを用いた場合と比較すると研磨速度が４倍以上増加した。
研磨パッドに設けられた研磨液の供給穴の数については、１０個、３０個、１００個、３００個の場合で比較すると、多ければ多いほど研磨速度が増加し、かつウエハ内の研磨均一性が向上することがわかった。
本実験をデバイスが搭載されたウエハで実施しても同様の効果を確認することができた。１層目のＣｕ配線層だけでなく、２層目のＣｕ配線層においてもｌｏｗ−ｋ膜が剥離なく研磨することができ、さらに３層目以上のＣｕ配線層でも剥離なく研磨することができた。ｌｏｗ−ｋ材料としては、ＨＳＱやポリマー、ＣＶＤ法によるＳｉＯＣを用いても剥離なく研磨することができた。
半導体装置の製造をさらに進めていくには、以下のようにしていけばよい。
図１１は、平坦化する研磨工程後、第２の絶縁膜としてのｌｏｗ−ｋ膜形成工程までを示す工程断面図である。
図１１において、研磨処理後、還元性プラズマ処理工程として、ＣＶＤ装置内でアンモニア（ＮＨ３）プラズマ処理を行なう。この処理により図５における平坦化工程でのＣｕ−電解研磨の際にスラリーとの反応によって形成されたＣｕ表面の錯体を還元し、キャップＳｉＯ２膜上に存在する残留有機物を除去することができる。この処理によりＣｕ−電解研磨の際にスラリーとの反応によって形成されたＣｕ表面の錯体が還元され、キャップＳｉＯ２膜上にある残留有機物も除去されることから絶縁耐圧は改善される。前記還元性のプラズマはアンモニアプラズマ、もしくは水素（Ｈ２）プラズマが効果的であり、特にアンモニアプラズマが処理装置内におけるガスの扱い易さから好ましい。
図１１は、平坦化する研磨工程後、第２の絶縁膜としてのｌｏｗ−ｋ膜形成工程までを示す工程断面図である。
図１１において、研磨処理後、還元性プラズマ処理工程として、ＣＶＤ装置内でアンモニア（ＮＨ３）プラズマ処理を行なう。この処理により図５における平坦化工程でのＣｕ−電解研磨の際にスラリーとの反応によって形成されたＣｕ表面の錯体を還元し、キャップＳｉＯ２膜上に存在する残留有機物を除去することができる。この処理によりＣｕ−電解研磨の際にスラリーとの反応によって形成されたＣｕ表面の錯体が還元され、キャップＳｉＯ２膜上にある残留有機物も除去されることから絶縁耐圧は改善される。前記還元性のプラズマはアンモニアプラズマ、もしくは水素（Ｈ２）プラズマが効果的であり、特にアンモニアプラズマが処理装置内におけるガスの扱い易さから好ましい。
還元性プラズマ処理工程では、図示していないＣＶＤ装置内におけるチャンバの内部にて、下部電極を兼ねた温度が４００℃に制御された基板ホルダの上に基体２００となる半導体基板を設置する。そして、チャンバの内部に上部電極内部からガスを供給する。供給するガス流量は１１．８Ｐａ・ｍ３／ｓ（７０００ｓｃｃｍ）とした。真空ポンプにより２３３Ｐａのガス圧力になるように真空引きされたチャンバの内部の上記上部電極と下部電極との間に高周波電源を用いてプラズマを生成させる。高周波パワーは５６０Ｗ、低周波パワーは２５０Ｗ、処理時間は１０秒とした。
そして、次の層における第２の絶縁膜形成工程の一部であるＳｉＣ膜形成工程として、還元性プラズマ処理した同じＣＶＤ装置内で４００℃の温度で３０ｎｍの膜厚のＳｉＣ膜２７５を形成する。ＳｉＣ膜２７５は拡散防止膜の働きがあり、このＳｉＣ膜２７５を形成することで、Ｃｕの拡散を防止することができる。かかるＣＶＤ法で形成されるＳｉＣ膜２７５の他に、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＣＯ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯ２膜を用いることができる。そして、ｌｏｗ−ｋ膜形成工程として、図３（ｃ）で説明した工程と同様に、ＳｉＣ膜２７５の上にＳｉＣ膜２７５よりも比誘電率の低い低誘電率膜である、多孔質の絶縁性材料を用いたｌｏｗ−ｋ膜２８０を形成する。以降、多層配線を必要に応じ順次形成する。
以上のように、上記のＣｕ電解研磨の電極の信頼性の問題は、オービタル型の回転機構を備えた電解研磨装置でＣｕの研磨平坦化を行うことにより克服することができる。これにより低荷重で、かつ高い研磨速度でダマシンＣｕ配線を形成することが可能となり、ｌｏｗ−ｋ膜の剥離も防止することが可能となる。
前記実施の形態において、比誘電率が２．６以下の場合、ポーラスｌｏｗ−ｋ膜が主流となるため、配線溝におけるｌｏｗ−ｋ膜の側壁が２０ｎｍ以下の膜厚のＣＶＤ膜で被覆保護されていることが望ましい。これはポーラスｌｏｗ−ｋ膜のポアシーリングの働きがある。特に、バリアメタル膜をＣＶＤ法やＡＬＤ法によって形成する場合に染み込みが無くなるために効果的である。このポアシーリングのためのＣＶＤ膜の種類としては、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＨ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＣＯ膜、ＳｉＮ膜が望ましい。特に、低誘電率の観点からＳｉＣ膜やＳｉＣＨ膜が最適である。
以上の説明において、バリアメタルとして、Ｔａ、ＴａＮに限らず、ＴａＣＮ（炭化窒化タンタル）、ＷＮ（窒化タングステン）、ＷＣＮ（炭化窒化タングステン）、ＴｉＮ（窒化チタン）等の高融点金属の窒化膜或いは窒化炭素膜であっても構わない。或いはチタン（Ｔｉ）、ＷＳｉＮ等であっても構わない。
ここで、上記各実施の形態における配線層の材料として、Ｃｕ以外に、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｔｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金等の、半導体産業で用いられるＣｕを主成分とする材料を用いて同様の効果が得られる。
なお、多層配線構造などを形成する場合には、各図において基体２００は、下層の配線層と絶縁膜とが形成されたものである。
上記各実施の形態においては、多孔質絶縁膜の材料としては、多孔質誘電体薄膜材料としてのＭＳＱに限らず、他の多孔質無機絶縁体膜材料、多孔質有機絶縁体膜材料を用いても同様の効果を得ることができる。
特に、多孔質の低誘電率材料に上記各実施の形態を適用した場合には、上述の如く顕著な効果が得られる。上記各実施の形態において多孔質絶縁膜の材料として用いることができるものとしては、例えば、各種のシルセスキオキサン化合物、ポリイミド、炭化フッ素（ｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ）、パリレン（ｐａｒｙｌｅｎｅ）、ベンゾシクロブテンをはじめとする各種の絶縁性材料を挙げることができる。
特に、多孔質の低誘電率材料に上記各実施の形態を適用した場合には、上述の如く顕著な効果が得られる。上記各実施の形態において多孔質絶縁膜の材料として用いることができるものとしては、例えば、各種のシルセスキオキサン化合物、ポリイミド、炭化フッ素（ｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ）、パリレン（ｐａｒｙｌｅｎｅ）、ベンゾシクロブテンをはじめとする各種の絶縁性材料を挙げることができる。
以上、具体例を参照しつつ各実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
例えば、各実施の形態で層間絶縁膜が形成された基体２００は、図示しない各種の半導体素子あるいは構造を有するものとすることができる。また、半導体基板ではなく、層間絶縁膜と配線層とを有する配線構造の上に、さらに層間絶縁膜を形成してもよい。開口部も半導体基板が露出するように形成してもよいし、配線構造の上に形成してもよい。
さらに、層間絶縁膜の膜厚や、開口部のサイズ、形状、数などについても、半導体集積回路や各種の半導体素子において必要とされるものを適宜選択して用いることができる。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置の製造方法は、本発明の範囲に包含される。
また、説明の簡便化のために、半導体産業で通常用いられる手法、例えば、フォトリソグラフィプロセス、処理前後のクリーニング等は省略しているが、それらの手法が含まれることは言うまでもない。
１５０ 開口部
２００ 基体
２１０，２２２ ＳｉＯ２膜
２１２，２７５ ＳｉＣ膜
２２０，２８０ ｌｏｗ−ｋ膜
２２１，２８１ 絶縁膜
２４０ バリアメタル膜
２５０ シード膜
２６０ Ｃｕ膜
３００ ウエハ
５１０，６１０ キャリア
５２０，６２０ プラテン
５３０ 研磨パッド
５４０，５４２，６４０ 接点
５５０ 供給孔
５６０，６６０ 電解研磨液
５７０ 電極シート
５８０ 絶縁板
６３０ 研磨パッド
６５０ 供給ノズル
６７０ 対向電極
２００ 基体
２１０，２２２ ＳｉＯ２膜
２１２，２７５ ＳｉＣ膜
２２０，２８０ ｌｏｗ−ｋ膜
２２１，２８１ 絶縁膜
２４０ バリアメタル膜
２５０ シード膜
２６０ Ｃｕ膜
３００ ウエハ
５１０，６１０ キャリア
５２０，６２０ プラテン
５３０ 研磨パッド
５４０，５４２，６４０ 接点
５５０ 供給孔
５６０，６６０ 電解研磨液
５７０ 電極シート
５８０ 絶縁板
６３０ 研磨パッド
６５０ 供給ノズル
６７０ 対向電極
Claims (8)
- 基板を保持する保持部と、
前記保持部と対向して設けられ、前記基板を電解研磨する研磨パッドと、
前記研磨パッドと対向して前記保持部とは反対側に配置され、前記研磨パッドをアノード電極として前記研磨パッドとの間で通電されるカソード電極と、
を備えたことを特徴とする研磨装置。 - 前記電解研磨装置は、さらに、アノード電極となる前記研磨布と前記カソード電極とにより挟持される絶縁板を備え、
前記カソード電極と前記絶縁板と前記研磨パッドとには、前記カソード電極側から前記研磨布側に向かって電解研磨液を供給する貫通する供給孔が設けられていることを特徴とする請求項１記載の研磨装置。 - 前記カソード電極と前記研磨パッドとは、オービタル運動をすることを特徴とする請求項２記載の研磨装置。
- 前記研磨パッドの材料として、カーボン材料を用いることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の研磨装置。
- 前記電解研磨液は、リン酸或いは硫酸を含有することを特徴とする請求項２記載の研磨装置。
- 基体上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜上に導電性材料膜を形成する導電性材料膜形成工程と、
アノード電極に前記導電性材料膜面を接触させて、前記アノード電極と所定のカソード電極との間で通電することで、前記導電性材料膜を電解研磨する電解研磨工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記絶縁膜形成工程において、
前記低誘電率材料を用いた低誘電率材料膜を形成する低誘電率材料膜形成工程と、
前記低誘電率材料膜上に前記低誘電率材料膜を覆うキャップ膜を形成するキャップ膜形成工程と、
を有することを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。 - 前記導電性材料膜形成工程において、前記導電性材料膜の材料として、銅（Ｃｕ）を用いることを特徴とする請求項６又は７記載の半導体装置の製造方法。
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