JP3934388B2 - 半導体装置の製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板表面を平坦化する研磨や研削技術やそのような技術を用いる加工装置に係り、特に半導体基板上に形成された薄膜を研磨や研削する半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の製造には素子分離（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）、各トランジスタ素子から配線層へ信号伝達するためのタングステン（Ｗ）プラグ形成と配線層形成等のための平坦化加工技術が重要となってきている。この平坦化加工技術には化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）と呼ばれる研磨加工技術が代表的である。
【０００３】
特に最近では配線材料に銅が用いられるようになってきた。この平坦化方法はダマシン法が主流であり、例えば特開平２−２７８８２２号公報、特開平８−８３７８０号公報にその方法が開示されている。
【０００４】
さて、銅を配線材料とすると従来のアルミニウム配線と比べて耐久性が上がり、抵抗値が低くなるメリットがあるが、その反面、銅イオンの酸化膜への拡散等による導電性イオンによる絶縁不良を考慮しなければならなくなる。ダマシン法においては図１１のＡに示すように酸化膜１３と配線材料である銅１５の界面にバリア膜１４を成膜して銅イオンの拡散を防止している。このバリア膜１４の存在によってダマシン法では、図１１のＡからＣまでの工程を経て溝に銅１５を埋め込むことになる。
【０００５】
ダマシン法による銅配線の形成は銅１５とバリア膜１４の加工速度の制御が重要である。加工速度とは、単位時間あたりの被加工物質の除去量である。一般的にバリア膜（Ｔａ、ＴａＮが主流）の加工速度は銅に比べて遅いため、一気にＡ〜Ｃまで加工すると銅の削れ過ぎが生じるためである。そこで、通常のスラリー加工においては、銅を高速に研磨するスラリーとバリア膜を高速に研磨して銅を低速に研磨するスラリー、或いは、銅、バリア膜と酸化膜を同等の速度で加工できるスラリー等複数のスラリーを別々に用意する。実際のＣＭＰ工程では、銅を高速に研磨するスラリーで図１１のＡの工程を行ない、研磨定盤を変えてバリア膜の削れるスラリーで次の工程を行なう方法が取られる。場合によってはさらに追加した３段目のＣＭＰとして銅、バリア膜と酸化膜を同等の速度で加工できるスラリーにより平坦性の向上とスクラッチ低減を行なうこともある。
【０００６】
その他の従来技術として、銅の平坦化加工に固定砥粒を用いた方法がある。アルミナ砥粒を樹脂で固定化したシートを用いたものであり、遊離砥粒を含んだスラリーを不要とする特徴がある。しかし、バリア膜１４除去のための２〜３段目のＣＭＰが必要であることに変わりはない。この技術については「２０００ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒＵＬＳＩ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ」のｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，５８〜６５頁に記載がある。
【０００７】
また、固定砥粒を用いたその他の従来技術としてＵＳＰ５９７２７９２に記載された例がある。加工液のｐＨを制御して被加工材料のエッチングを防止しながら平坦化加工する方法であり、この技術も固定砥粒を用いた各層の被加工材料毎に研磨方法を変えるマルチステップの平坦化方法に当たる。
【０００８】
また、特開平１０−３２９０３１号公報や特開２０００−２３３３７５号公報には、気孔を有する砥石を用いた研磨方法が開示されている。このような砥石は、例えば、自己発泡性又は発泡剤で発泡性を付与した熱硬化性樹脂を用いて製造することができる。さらに、上記特開２０００−２３３３７５号公報には、小セグメント砥石を並べた砥石を用いることが記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のダマシン法の平坦化をＣＭＰを用いて実施する場合、いくつかの考慮されていない点がある。ひとつは上述の通り、バリア膜に用いるＴａ、ＴａＮが銅に比べ硬いことに起因し、銅とバリア膜のＣＭＰを別々に分けて２段以上のＣＭＰを行なわなければならず、コストの増大、スループットの低下、廃棄スラリーの増大による環境負荷の増大等を引き起こすことである。
【００１０】
また、研磨パッドが軟質であることに起因して図１１と図５に示すように、配線表面が凹むディッシングやエロージョンを生じ、その結果として配線抵抗値のばらつき幅が増大するということについて配慮されていない。特に図８に示すような多層配線構造をとるシステムＬＳＩと呼ばれるロジックデバイスでは重要な課題となる。つまり、図７に示すように下層の平坦性が低いとＣＭＰの性能以上に平坦化性能が損なわれ、研磨残りによる配線間のショートや断線が発生しやすくなるということについても配慮されていない。この内容については「次世代ＵＬＳＩ多層配線の新材料・プロセス技術」技術情報協会の２４２〜２４６頁に記載がある。
【００１１】
本発明の第１の目的は、ディッシングやエロージョンを減少させた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１２】
本発明の第２の目的は、ディッシングやエロージョンを減少させた半導体装置の製造装置を提供することにある。
【００１３】
本発明の第３の目的は、２段階以上の化学機械研磨を１段階で行なうことのできる半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に設けられた絶縁膜の開口部とこの絶縁膜の表面に第１の導電膜を形成する工程、第１の導電膜の上に第２の導電膜を形成する工程及び第２の導電膜と第１の導電膜の一部を砥石により加工し、開口部内に第１の導電膜と第２の導電膜を残す工程を有するもので、この砥石を、砥粒が樹脂で結合固着され、気孔を含む砥石としたものである。
【００１５】
本発明における砥石の圧縮弾性率は、２００ＭＰａ〜３ＧＰａが望ましく、５００ＭＰａ〜１ＧＰａであることがより望ましい。２００ＭＰａ未満ではＣＭＰ研磨パッドの圧縮弾性率と大差なく、柔らか過ぎてディッシングやエロージョンを生じてしまう。また、３ＧＰａを越えると、逆に硬すぎるためスクラッチの発生頻度が無視できない程度まで増加する。
【００１６】
気孔率に関しては、３５〜７５％が望ましく、５０〜７０％であることがより望ましい。この際、気孔率が３５％未満では気孔率が少ないため、ドレッッシングをしながら研磨を行なっても目詰まりを生じて加工速度の減少やスクラッチの発生原因となる。また、気孔率が７５％を越えると、砥粒率や結合材としての樹脂率が少なくなり、砥粒率が低いため加工速度が著しく低下したり、樹脂率が低いため必要な引張り破壊強さが保てない等、望ましくない。
【００１７】
引張り破壊伸びについては０．２〜１．５％が望ましく、０．５〜０．９％であることがより望ましい。また、引張り破壊強さについては０．５〜５．０ＭＰａが望ましく、１．０〜２．５ＭＰａであることがより望ましい。この際、引張り破壊伸びが０．２％未満、かつ、引張り破壊強さが０．５ＭＰａ未満では砥石が脆くなりすぎて、研磨時に部分欠落を生じる。その破片によるスクラッチの発生といった好ましくない現象を引き起こす。また、引張り破壊伸びが１．５％を越えたり、引張り破壊強さが５．０ＭＰａを越えると逆に砥石が丈夫なため、研磨中の磨耗が極端に小さくなって、砥粒の自生発刃が行なわれず、目詰まりを生じて、加工速度が減少したり、スクラッチが発生しやすくなる。
【００１８】
本発明で使用する樹脂はポリエステル系樹脂又はポリイミド系樹脂が望ましい。他の樹脂、例えばエポキシ系樹脂等は、過酸化水素や酸等の薬品に対する耐久性がなく、実用に耐えない。ポリエステル系樹脂又はポリイミド系樹脂のように過酸化水素や酸等の薬品に対する耐久性のある樹脂を使用することにより、本発明の物性値の実現が可能である。たとえ、他の樹脂でこの物性値に近い値の砥石を製造しても、ポリエステル系樹脂やポリイミド系樹脂の持つ微細砥粒のミクロな保持力が優らないため、良好な加工速度が得られにくい。
【００１９】
また、砥粒の平均粒径は、１０ｎｍから１００ｎｍの範囲にあることが好ましい。
【００２０】
また、加工は、少なくとも２個の加工液供給系から互いに異なる加工液を供給しながら行ない、この互いに異なる加工液を、組成が同じで、その内の少なくとも１種の原料の組成比が互いに異なるものとすることが好ましい。
【００２１】
また、上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、凹凸パターンを表面上に有し、半導体素子の少なくとも一部が形成された基板のこの凹凸パターンを研磨工具に押しつけて相対運動させ、凹凸パターンを平坦化するもので、研磨工具を、上記基板より小さく、かつ、砥粒が樹脂で結合固着され、気孔を有する多角形のセグメントの複数が配置された砥石とし、この多角形のセグメントの角が３個以上近接する位置にないように構成したものである。
【００２２】
このセグメントは、台板に固定されているものを用いてもよく、また、セグメントが、少なくともこのセグメントより軟質の弾性材料からなるクッションを介して台板に固定されているものを用いてもよい。
【００２３】
平坦化は、少なくとも２個の加工液供給系から互いに異なる加工液を供給しながら行ない、この互いに異なる加工液を、組成が同じで、その内の少なくとも１種の原料の組成比が互いに異なるものとすることが好ましい。
【００２４】
好ましい砥石の物性値は、前記のものと同じである。
【００２５】
また、上記第２の目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造装置は、回転定盤と、回転定盤に固定された研磨工具と、研磨工具の表面をドレッシングするドレッシング手段と、少なくとも２系統の加工液供給系と、基板を保持し、加工荷重をこの基板に伝える加圧手段と、研磨工具と基板とを相対運動させる運動手段とを備え、研磨工具を、砥粒が樹脂で結合固着され、気孔を含む砥石とし、砥石を、上記基板より小さい多角形のセグメントの複数が配置された砥石とし、回転定盤とドレッシング手段とを、基準面に対し位置決め可能な構造としたものである。
【００２６】
セグメントは、台板に固定されているものがよい。複数の多角形のセグメントは、その角が３個以上近接する位置にないようにすることが好ましい。好ましい砥石の物性値は、前記のものと同じである。
【００２７】
また、上記第２の目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造装置は、回転定盤と、回転定盤に固定された研磨工具と、研磨工具の表面をドレッシングするドレッシング手段と、少なくとも２系統の加工液供給系と、基板を保持し加工荷重をこの基板に伝える加圧手段と、研磨工具と基板とを相対運動させる運動手段とを備え、研磨工具を砥粒が樹脂で結合固着され、気孔を有し、上記基板より小さい多角形のセグメントの複数が配置された砥石としたものである。
【００２８】
セグメントは、台板に固定されているものでもよいし、少なくともセグメントより軟質の弾性材料からなるクッションを介して台板に固定されているものでもよい。前者の場合、回転定盤とドレッシング手段を、基準面に対し位置決め可能な構造とすることが好ましく、後者の場合、ドレッシング手段を、定圧ドレッシング手段とすることが好ましい。
【００２９】
いずれも複数の多角形のセグメントは、その角が３個以上近接する位置にないようにすることが好ましい。また、少なくとも２個の加工液供給系を、それぞれ組成が同じで、その内の少なくとも１種の原料の組成比が異なる加工液を供給する加工液供給系とすることが好ましい。好ましい砥石の物性値は、前記のものと同じである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図２を用いて本発明を実施する平坦化加工装置（半導体製造装置）を説明する。砥石１０は回転定盤１１上に固定され、その上方にはウェハ１を保持するヘッド２が備えられている。このヘッドは、スイングアーム３により位置決めされ、ウェハを保持すると共に回転定盤１１と同方向に自転できる他、ウェハ表面を砥石へ押し付けて所定の力で荷重する機能も有している。また、加工液９は供給する加工液供給系７から滴下される。本発明における加工液供給系６、７は図２に示す通り２系統ある。これら２系統から供給される加工液は加工中に各液の切替や流量の制御が行なえる。その他、砥石１０の表面を平滑にドレッシングできる定寸ドレッサ４を備えている。この定寸ドレッサは、刃先と砥石表面間の位置を装置の基準面５を基準として位置決めが可能な機能を有しており、所定量の切り込みが可能である。この定寸ドレッサにはダイヤモンド砥粒を固着したカップ型ドレッサが装着され、毎分７０００〜１００００回転程度の高速回転駆動ができる。ダイヤモンド砥粒（モース硬度１０）を使用するのは、被加工面である固定砥粒１０よりも十分に硬い材料で磨耗や欠けが少ない必要があるためである。また、このドレッサは砥石面全面を平滑化できる構成となっていることはいうまでもない。
【００３１】
被加工ウェハ１の断面構造について図３を用いて説明する。本図ではウェハ基板のシリコン部分は省略してあり、酸化膜１３、バリア膜１４と銅１５の構成のみが示されている。この酸化膜はシリコン酸化膜以外の低誘電率材料であっても良いし、酸化膜と低誘電率材料との積層体であっても良い。酸化膜１３には配線溝が形成されており、その上からバリア膜１４と銅１５が成膜されている。平坦化前の基板表面の初期形状は、図３（ａ）に示すように凹凸している。この状態を図３（ｃ）に示すように酸化膜に形成された溝内の銅を残し、酸化膜までを露出して終了する。従来のＣＭＰでは図３（ａ）から図３（ｂ）のバリア膜１４露出で、或いは露出直前で一旦研磨を停止して、異なる回転定盤に搬送し、バリア膜の研磨速度が銅と比べ相対的に高いスラリーを滴下しながら研磨して図３（ｃ）の状態まで平坦化して終了する。
【００３２】
ドレッシングについて説明すると、図３（ａ）の段階で砥石１０表面の砥粒は銅の加工に伴い脱落するか、固定化している樹脂に囲まれ、一種の目つぶれを生じて砥石表面の研磨加工に有効な砥粒存在密度が低減する。この状態を当初の状態に復帰する手段が図２の定寸ドレッサ４である。この定寸ドレッサ４は絶対高さ基準位置からの高さ位置制御が可能な構成になっており、砥石１０の表面高さ位置への位置決めや所定量の切り込みも可能である。図３（ｂ）の段階で定寸ドレッサ４を作動させ、例えば１マイクロメータ程度切り込めば、目つぶれを除去した砥石表面が得られるので、所定のバリア膜の加工速度が得られる。最終的には表面のバリア膜１４が消失した時点（図３（ｃ））平坦化加工が完了する。
【００３３】
本発明では、これら一連の加工プロセスを同一砥石１０の上で行なう。この砥石１０の製造方法について説明する。ただし、本発明に用いる砥石はこれらの製造方法によるものに限定されるものではない。
【００３４】
まず、第１の方法として、ポリエステル系樹脂（例えば、液体のビスフェノール系不飽和ポリエステル樹脂）を０．３７ｋｇとフュームドシリカ（例えば、日本アエロジル製、アエロジル５０、平均粒子径３０ｎｍ）を１．２３ｋｇ、過酸化物１９ｇを混合攪拌して、所定の金型に投入し、体積が２．５リットルになるようにプレスする。プレスした後、８０〜１５０℃で１〜３時間加熱し、反応硬化させる。型から取り出した後、必要に応じて、反応硬化を終了させるため、さらに１５０〜３００℃で１〜６時間反応硬化する。この場合、砥粒量、樹脂量、プレス量を変えることで、場合によってはマイクロカプセルを加えることで所定の物性を得ることができる。
【００３５】
上記配合で得た砥石の圧縮弾性率は６００ＭＰａ、引張り破壊伸びは０．７％、引張り破壊強さは２．１ＭＰａ、気孔率が６５体積％であった。
【００３６】
第２の方法として、ポリエステル系樹脂（例えば、粉体のジアリルフタレート樹脂）を０．６ｋｇとコロイダルシリカ（例えば、日産化学製スノーテックスＺＬ、平均粒子径７０ｎｍ、固形分４０重量％）を３．０ｋｇ混合し、気孔材（例えば、澱粉、コーンスターチ等）０．１８ｋｇ、過酸化物１７．５ｇを加え、水を加えて３．０リットルとし、さらに混合攪拌してから所定の金型に投入し、４０〜９０℃で２４〜４８時間反応固化させる。型から取り出して、必要に応じて、未反応物や触媒等を水洗し、乾燥する。さらに乾燥後、反応を終了させるため、１００〜３００℃で１〜６時間硬化させる。この場合、砥粒量、樹脂量等を変えることで所定の物性を得ることが可能となる。
【００３７】
上記配合で得た砥石の圧縮弾性率は７２０ＭＰａ、引張り破壊伸びは０．２５％、引張り破壊強さは１．０ＭＰａ、気孔率が６５体積％であった。
【００３８】
砥石の物性値測定方法について次に説明する。圧縮弾性率については、ＪＩＳＫ７２０８−１９９５ プラスチックの圧縮試験方法、また、引張り破壊伸び、引張り破壊強さは、ＪＩＳ Ｋ７１１３−１９９５ プラスチックの引張り試験方法に準じて（株）エー・アンド・ディ社製テンシロンＵＣＴ−５Ｔで測定した。
【００３９】
砥石の構造は図１に示す通り、ウェハ１よりも小さな多角形のセグメント２０を台板２１上に接着固定してある。ウェハ１よりも小さい必要性は、加工中に発生する研磨くずの排除、加工液の供給性、ウェハの砥石面への吸着防止等を促進するためである。この砥石セグメントは上述の通り引張り破壊強さが高々５ＭＰａであるので、研磨中欠けやすい欠点がある。欠けが発生すると、ウェハー表面の均一な加工が困難となり、スクラッチの発生等の影響が出るので、如何に砥石の研磨特性を保ったまま欠けにくい構成をとるかということが重要である。ここでは図１に示す通り同心円状にセグメント２０を配し、かつ、各角が一致しないように配置した。つまり３個以上のセグメントの角部が近接しないようにした。このように配置すると最も欠けやすい角部が隣合うセグメントにより保護されるので好ましい。また、円周方向に隣合うセグメントに関しては、中心からの位置を台形状セグメントの高さの１／２程度ずらして配置することにより、加工均一性も向上する効果がある。ずらす位置がこれほど大きくなくとも、台板２１の円周方向に隣合うセグメントを、各セグメントの円周方向にある一辺の半径方向の位置が、互いにずれているようにすることが好ましい。
【００４０】
ここに示した配置例が、ほんの一例に過ぎないことは明白である。上記制限さえ満たせば、さまざまな形状との組み合わせが可能である。
【００４１】
セグメント２０の表面の拡大模式図を左上に示してある。砥石は、砥粒２３が樹脂２４で結合固着され、気孔２２が含まれている。砥石１０には銅とバリア膜を加工できて酸化膜にはキズをつけない性能が要求される。砥粒２３の硬度としてはバリア膜材料と同等か硬質で酸化膜と同等か軟質であることが好ましい。例えば、バリア膜にＴａを選択するとモース硬度は６．５であり、酸化膜（シリコン酸化膜）は７であることからシリカ砥粒（モース硬度７）が上記要求を満たす。シリカはスクラッチや不純物の問題から、ヒュームドシリカやコロイダルシリカが望ましい。このシリカ砥粒をバリア膜に有効に作用させれば平坦化加工できることになる。また、砥粒の粒径は平均１００ｎｍ程度以下に制限するとスクラッチの発生を抑制することができる。また、１０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００４２】
上述した砥石１０を、図２に示す平坦化加工装置に設置し、砥石１０表面を定寸ドレッサ４によりドレッシングする。この際の砥石表面の平坦度は１０μｍ程度となっていると共に、砥石の面には砥粒が露出した状態となっている。図３（ａ）に示すように、この砥石面には加工液８が供給されてウェハを研磨する。このとき定寸ドレッサ４は砥石１０からは離れた位置で停止している。この加工液は酸化剤、有機酸、防食剤と純水からなっており、酸化剤として過酸化水素水（３０％濃度）を３０％、有機酸としてリンゴ酸を０．１５％、防食剤としてベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）０．２％の液体を用いた。この過酸化水素水の濃度と各材料の研磨速度特性は図４に黒丸印で示す通り、濃度３０％程度で銅の研磨速度が最大となる特性がある（（ａ）の領域）。こうすることによりウェハ一枚の加工時間を短縮できてスループットが向上するという望ましい効果が生じる。
【００４３】
銅の除去が進み図３（ｂ）の状態になった時点で加工液８を加工液９に切り替える。本実施例においては加工液供給系６を止めて加工液供給系７から加工液９を供給するように変更すればよい。加工液９の構成成分は前記加工液８と同じで、酸化剤（過酸化水素水）、有機酸（リンゴ酸）、防食剤（ＢＴＡ）である。図３（ｂ）の工程におけるこれら濃度は銅とバリア膜の加工速度がほぼ１：１になるように調整されている（図４の（ｂ）の領域）。調整方法は酸化剤濃度の調整と後述する加工中の定寸ドレッシングの併用で行ない、銅とバリア膜の加工速度比を１：１となるようにした。こうすることによりディッシングやエロージョンといった銅や酸化膜の削れ過ぎを防止できるので望ましい。
【００４４】
図３（ｂ）の工程における定寸ドレッシングとは、定寸ドレッサ４を砥石１０の表面の高さまで下降させ、ダイヤモンド砥粒を砥石面に接触することにより目つぶれした砥石の表層部分を除去すると共に新しい砥粒面の露出と遊離砥粒を発生させる機能のことである。この定寸ドレッサの位置決め高さ位置は、平坦化加工前にドレッシングした位置と同一位置でも良いし、１μｍ程度さらに切込んでも良い。切込むことにより遊離砥粒１６が多数発生し、バリア膜１４の加工速度を向上することができる。
【００４５】
バリア膜が除去され、酸化膜が露出すると加工が終了することになる。このときに酸化膜の加工速度がバリアと銅に比べて非常に小さいとオーバ研磨時の膜減りを防止できる効果があり、望ましい。その他にもウェハ面内不均一性がある場合においても加工時間を長めに設定することによって研磨残りを防止する事も可能となる。例えば、加工時間は、被加工面上のほとんどのバリア膜が除去されるまでの研磨時間をジャスト研磨時間とした場合、ジャスト研磨時間の１．３から１．５倍程度にするとよい。
（実施の形態２）
砥石１０は、砥粒の他に中空のマイクロカプセルを含有すると加工中の薬液保持性が向上し、加工速度の増加という効果がある。また、砥石の表面の至るところにおける薬液濃度の均一化が図れることも期待できる。
【００４６】
一般的にウェハ中央領域には薬液が侵入しにくく、ウェハ面内の加工速度分布は、中央ほど遅くなる傾向が見られる。これは薬液がウェハ周辺領域に比べ中央領域には十分供給されていないことに起因する。この課題を解決する手段として砥石表面に独立気孔を設け、気孔内に薬液を保持する手段がある。その手段として中空のマイクロカプセルが有効である。本実施例においては、平均径４３μｍのカプセルを砥石の３０体積％で含有させた。この砥石を用いて平坦化加工を行なったところ、銅とバリア膜であるＴａＮの加工速度が５０％以上増加した。
【００４７】
なお、マイクロカプセルの中空の部分は、前記の気孔率の範囲に含まれていない。マイクロカプセルの中空の部分を前記の気孔率に加えるなら、それらの合計の値が８０％を越えないことが好ましい。
（実施の形態３）
上記の平坦化方法を適用してパターン付きウェハを加工し、図５の結果を得た。用いたパターンは銅配線が周期的に並ぶ、いわゆるライン＆スペースで１ラインの幅は２０μｍである。横軸は酸化膜間隔ｄで、縦軸はディッシングとエロージョンの和である。従来のＣＭＰと比べ、高い平坦化性能を実証できていることが分かる。この高い平坦化性能は従来のＣＭＰのパッドよりも２から３０倍高い圧縮弾性率（２００ＭＰａから３ＧＰａ）を有する砥石を用いたことに起因する効果である。
【００４８】
硬質な砥石で平坦化加工する場合の課題の一つにスクラッチがある。本発明の砥石は高純度なヒュームト゛シリカやコロイダルシリカの微細砥粒を均質に分散固定してあるので、スクラッチを生じる原因である異物や大径粒子を含まない。さらに、定寸ドレッサにより加工前の砥石の面は平滑に、かつ目つぶれや目詰まりのない状態にされているので、スクラッチが生じにくい。図６は銅の１２０μｍ四方のパターンを加工した後の表面形状を測定した結果である。表面の凹凸の高さは１０ｎｍ以下であり、半導体の配線として十分な鏡面となっていることを確認した。
（実施の形態４）
次に実際に本発明を半導体デバイスに適用した実施例について図８を用いて説明する。本構造は６層の多層配線ロジックデバイスの断面である。シリコンウェハ基板１の表面に浅溝素子分離溝（ＳＴＩ）を酸化膜平坦化加工技術により形成した後、ゲートパターン１９等を形成しトランジスタを形成する。その後、上部配線層との接続用のＷ製コンタクトプラグ１８をＷ平坦化加工技術により形成する。Ｗプラグ１８も銅配線構造と同様に絶縁膜との界面にバリア膜１７が成膜される。このＷプラグから上層がすべて銅配線層であり、６層とも本発明を用いて形成した。下地層が平坦であるので、図７を用いて説明した研磨残りやディッシングとエロージョンのない良好な平坦化が行なえたことが分かる。また、ＳＴＩ層やＷプラグ平坦化も固定砥粒を用いた平坦化を適用することによってより平坦な半導体装置を製造することが可能になることはいうまでもない。例えば、固定砥粒を用いたＳＴＩ層平坦化に関しては特開２０００―４９１２２号公報に記載がある。
（実施の形態５）
実施の形態４までは、ドレッサとして一定量切り込み可能な定寸ドレッサ４を用いて平坦化加工する例であった。ここでは、通常用いる一定圧力を保ってドレッシングする定圧ドレッサを備えたＣＭＰ装置への適用例を説明する。図９は定圧ドレッサ３０を備えた従来の回転定盤式のＣＭＰ装置である。このＣＭＰ装置に通常装着する研磨パッドの代わりに本発明の多層式砥石４０を装着する。図２に示した砥石１０は圧縮弾性率が高いため表面を平坦度よくドレッシングする必要があった。このために定寸ドレッサが必要であったわけである。本実施の形態の多層式砥石４０は、図１０に示すように、台板２１上にクッション４３を置き、その上にフィルム４２を固定する。このフィルム４２の上に砥石セグメント４１を固定した構造をしている。クッション４３は砥石セグメント４１より軟質な弾性材料であればよい。ここではシート状のポリウレタンフォームを用いた。この上に固定するフィルム４２は、多層式砥石４０に荷重した際の各セグメント砥石４１の動きを滑らかに連結し、砥石セグメント４１の角等にウェハ１や定圧ドレッサ３０が衝突して砥石が欠けたりしないようにする目的で挿入された部材である。定圧ドレッサとは、一定の圧力でドレッサを研磨パッドに押しつけながらパッド面の目立てをする機能を有する手段であって、定寸ドレッサのようにドレッサ高さを特定位置に位置決めできる機能はない。また、セグメント砥石４１の形状や配置は、前述の図１に示した砥石のセグメントと同様でよい。もちろん、定寸ドレッサを備えた装置にこの多層構造砥石４０を装着して用いても良い。
【００４９】
このような多層構造をとることにより、各セグメント砥石４１の表面の高さ形状が不揃いであっても下層のクッション４３が変形することによって荷重を吸収するので、加工均一性低下やスクラッチ発生といった不具合を避けることができる。さらに、導入済みのＣＭＰ装置への適用が容易である特長もある。
【００５０】
また、通常の平坦化加工装置では、回転定盤１１と定圧ドレッサの回転方向は同一であるが、ドレス後の積層式砥石４０の表面形状を平坦にドレッシングすることを目的に逆回転可能な構造にすると、多層構造砥石４０の長寿命化も可能となり、望ましい。
【００５１】
【発明の効果】
本発明により、従来バリア膜除去のために２段以上必要であったＣＭＰ工程を一工程で平坦化できる。この工程短縮は単位時間当たりのウェハ着工数の増加を意味し、スループットが向上するといえる。また、高圧縮弾性率砥石を用いることにより従来、生じていたディッシング、エロ―ジョンを低減できる。この効果は、配線抵抗値のばらつき低減や断線不良の低減といった歩留りの向上になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の砥石の説明図。
【図２】本発明に用いる装置構成の説明図。
【図３】本発明の加工工程の説明図。
【図４】本発明の加工薬液濃度と相対研磨速度の関係を示す図。
【図５】本発明の平坦化性能を示す図。
【図６】本発明の平坦化後の銅表面形状を示す図。
【図７】平坦化性能を説明するための半導体装置の部分断面模式図。
【図８】多層配線構造を有する半導体装置の断面模式図。
【図９】定圧ドレッサを備えたＣＭＰ装置に多層構造砥石を装着した場合の説明図。
【図１０】本発明の多層構造砥石の断面構造模式図。
【図１１】従来の平坦化方法の説明図。
【符号の説明】
１…ウェハ、２…ヘッド、３…スイングアーム、４…定寸ドレッサ、５…基準面、６…加工液供給系、７…加工液供給系、８…加工液、９…加工液、１０…砥石、１１…回転定盤、１２…固定砥粒、１３…酸化膜、１４…バリア膜、１５…銅、１６…遊離砥粒、１７…（Ｗプラグの）バリア膜、１８…Ｗプラグ、１９…ゲート、２０…セグメント、２１…台板、２２…気孔、２３…砥粒、２４…樹脂、３０…定圧ドレッサ、４０…多層式砥石、４１…砥石セグメント、４２…連結フィルム、４３…クッション。
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板表面を平坦化する研磨や研削技術やそのような技術を用いる加工装置に係り、特に半導体基板上に形成された薄膜を研磨や研削する半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の製造には素子分離（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）、各トランジスタ素子から配線層へ信号伝達するためのタングステン（Ｗ）プラグ形成と配線層形成等のための平坦化加工技術が重要となってきている。この平坦化加工技術には化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）と呼ばれる研磨加工技術が代表的である。
【０００３】
特に最近では配線材料に銅が用いられるようになってきた。この平坦化方法はダマシン法が主流であり、例えば特開平２−２７８８２２号公報、特開平８−８３７８０号公報にその方法が開示されている。
【０００４】
さて、銅を配線材料とすると従来のアルミニウム配線と比べて耐久性が上がり、抵抗値が低くなるメリットがあるが、その反面、銅イオンの酸化膜への拡散等による導電性イオンによる絶縁不良を考慮しなければならなくなる。ダマシン法においては図１１のＡに示すように酸化膜１３と配線材料である銅１５の界面にバリア膜１４を成膜して銅イオンの拡散を防止している。このバリア膜１４の存在によってダマシン法では、図１１のＡからＣまでの工程を経て溝に銅１５を埋め込むことになる。
【０００５】
ダマシン法による銅配線の形成は銅１５とバリア膜１４の加工速度の制御が重要である。加工速度とは、単位時間あたりの被加工物質の除去量である。一般的にバリア膜（Ｔａ、ＴａＮが主流）の加工速度は銅に比べて遅いため、一気にＡ〜Ｃまで加工すると銅の削れ過ぎが生じるためである。そこで、通常のスラリー加工においては、銅を高速に研磨するスラリーとバリア膜を高速に研磨して銅を低速に研磨するスラリー、或いは、銅、バリア膜と酸化膜を同等の速度で加工できるスラリー等複数のスラリーを別々に用意する。実際のＣＭＰ工程では、銅を高速に研磨するスラリーで図１１のＡの工程を行ない、研磨定盤を変えてバリア膜の削れるスラリーで次の工程を行なう方法が取られる。場合によってはさらに追加した３段目のＣＭＰとして銅、バリア膜と酸化膜を同等の速度で加工できるスラリーにより平坦性の向上とスクラッチ低減を行なうこともある。
【０００６】
その他の従来技術として、銅の平坦化加工に固定砥粒を用いた方法がある。アルミナ砥粒を樹脂で固定化したシートを用いたものであり、遊離砥粒を含んだスラリーを不要とする特徴がある。しかし、バリア膜１４除去のための２〜３段目のＣＭＰが必要であることに変わりはない。この技術については「２０００ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒＵＬＳＩ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ」のｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，５８〜６５頁に記載がある。
【０００７】
また、固定砥粒を用いたその他の従来技術としてＵＳＰ５９７２７９２に記載された例がある。加工液のｐＨを制御して被加工材料のエッチングを防止しながら平坦化加工する方法であり、この技術も固定砥粒を用いた各層の被加工材料毎に研磨方法を変えるマルチステップの平坦化方法に当たる。
【０００８】
また、特開平１０−３２９０３１号公報や特開２０００−２３３３７５号公報には、気孔を有する砥石を用いた研磨方法が開示されている。このような砥石は、例えば、自己発泡性又は発泡剤で発泡性を付与した熱硬化性樹脂を用いて製造することができる。さらに、上記特開２０００−２３３３７５号公報には、小セグメント砥石を並べた砥石を用いることが記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のダマシン法の平坦化をＣＭＰを用いて実施する場合、いくつかの考慮されていない点がある。ひとつは上述の通り、バリア膜に用いるＴａ、ＴａＮが銅に比べ硬いことに起因し、銅とバリア膜のＣＭＰを別々に分けて２段以上のＣＭＰを行なわなければならず、コストの増大、スループットの低下、廃棄スラリーの増大による環境負荷の増大等を引き起こすことである。
【００１０】
また、研磨パッドが軟質であることに起因して図１１と図５に示すように、配線表面が凹むディッシングやエロージョンを生じ、その結果として配線抵抗値のばらつき幅が増大するということについて配慮されていない。特に図８に示すような多層配線構造をとるシステムＬＳＩと呼ばれるロジックデバイスでは重要な課題となる。つまり、図７に示すように下層の平坦性が低いとＣＭＰの性能以上に平坦化性能が損なわれ、研磨残りによる配線間のショートや断線が発生しやすくなるということについても配慮されていない。この内容については「次世代ＵＬＳＩ多層配線の新材料・プロセス技術」技術情報協会の２４２〜２４６頁に記載がある。
【００１１】
本発明の第１の目的は、ディッシングやエロージョンを減少させた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１２】
本発明の第２の目的は、ディッシングやエロージョンを減少させた半導体装置の製造装置を提供することにある。
【００１３】
本発明の第３の目的は、２段階以上の化学機械研磨を１段階で行なうことのできる半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に設けられた絶縁膜の開口部とこの絶縁膜の表面に第１の導電膜を形成する工程、第１の導電膜の上に第２の導電膜を形成する工程及び第２の導電膜と第１の導電膜の一部を砥石により加工し、開口部内に第１の導電膜と第２の導電膜を残す工程を有するもので、この砥石を、砥粒が樹脂で結合固着され、気孔を含む砥石としたものである。
【００１５】
本発明における砥石の圧縮弾性率は、２００ＭＰａ〜３ＧＰａが望ましく、５００ＭＰａ〜１ＧＰａであることがより望ましい。２００ＭＰａ未満ではＣＭＰ研磨パッドの圧縮弾性率と大差なく、柔らか過ぎてディッシングやエロージョンを生じてしまう。また、３ＧＰａを越えると、逆に硬すぎるためスクラッチの発生頻度が無視できない程度まで増加する。
【００１６】
気孔率に関しては、３５〜７５％が望ましく、５０〜７０％であることがより望ましい。この際、気孔率が３５％未満では気孔率が少ないため、ドレッッシングをしながら研磨を行なっても目詰まりを生じて加工速度の減少やスクラッチの発生原因となる。また、気孔率が７５％を越えると、砥粒率や結合材としての樹脂率が少なくなり、砥粒率が低いため加工速度が著しく低下したり、樹脂率が低いため必要な引張り破壊強さが保てない等、望ましくない。
【００１７】
引張り破壊伸びについては０．２〜１．５％が望ましく、０．５〜０．９％であることがより望ましい。また、引張り破壊強さについては０．５〜５．０ＭＰａが望ましく、１．０〜２．５ＭＰａであることがより望ましい。この際、引張り破壊伸びが０．２％未満、かつ、引張り破壊強さが０．５ＭＰａ未満では砥石が脆くなりすぎて、研磨時に部分欠落を生じる。その破片によるスクラッチの発生といった好ましくない現象を引き起こす。また、引張り破壊伸びが１．５％を越えたり、引張り破壊強さが５．０ＭＰａを越えると逆に砥石が丈夫なため、研磨中の磨耗が極端に小さくなって、砥粒の自生発刃が行なわれず、目詰まりを生じて、加工速度が減少したり、スクラッチが発生しやすくなる。
【００１８】
本発明で使用する樹脂はポリエステル系樹脂又はポリイミド系樹脂が望ましい。他の樹脂、例えばエポキシ系樹脂等は、過酸化水素や酸等の薬品に対する耐久性がなく、実用に耐えない。ポリエステル系樹脂又はポリイミド系樹脂のように過酸化水素や酸等の薬品に対する耐久性のある樹脂を使用することにより、本発明の物性値の実現が可能である。たとえ、他の樹脂でこの物性値に近い値の砥石を製造しても、ポリエステル系樹脂やポリイミド系樹脂の持つ微細砥粒のミクロな保持力が優らないため、良好な加工速度が得られにくい。
【００１９】
また、砥粒の平均粒径は、１０ｎｍから１００ｎｍの範囲にあることが好ましい。
【００２０】
また、加工は、少なくとも２個の加工液供給系から互いに異なる加工液を供給しながら行ない、この互いに異なる加工液を、組成が同じで、その内の少なくとも１種の原料の組成比が互いに異なるものとすることが好ましい。
【００２１】
また、上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、凹凸パターンを表面上に有し、半導体素子の少なくとも一部が形成された基板のこの凹凸パターンを研磨工具に押しつけて相対運動させ、凹凸パターンを平坦化するもので、研磨工具を、上記基板より小さく、かつ、砥粒が樹脂で結合固着され、気孔を有する多角形のセグメントの複数が配置された砥石とし、この多角形のセグメントの角が３個以上近接する位置にないように構成したものである。
【００２２】
このセグメントは、台板に固定されているものを用いてもよく、また、セグメントが、少なくともこのセグメントより軟質の弾性材料からなるクッションを介して台板に固定されているものを用いてもよい。
【００２３】
平坦化は、少なくとも２個の加工液供給系から互いに異なる加工液を供給しながら行ない、この互いに異なる加工液を、組成が同じで、その内の少なくとも１種の原料の組成比が互いに異なるものとすることが好ましい。
【００２４】
好ましい砥石の物性値は、前記のものと同じである。
【００２５】
また、上記第２の目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造装置は、回転定盤と、回転定盤に固定された研磨工具と、研磨工具の表面をドレッシングするドレッシング手段と、少なくとも２系統の加工液供給系と、基板を保持し、加工荷重をこの基板に伝える加圧手段と、研磨工具と基板とを相対運動させる運動手段とを備え、研磨工具を、砥粒が樹脂で結合固着され、気孔を含む砥石とし、砥石を、上記基板より小さい多角形のセグメントの複数が配置された砥石とし、回転定盤とドレッシング手段とを、基準面に対し位置決め可能な構造としたものである。
【００２６】
セグメントは、台板に固定されているものがよい。複数の多角形のセグメントは、その角が３個以上近接する位置にないようにすることが好ましい。好ましい砥石の物性値は、前記のものと同じである。
【００２７】
また、上記第２の目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造装置は、回転定盤と、回転定盤に固定された研磨工具と、研磨工具の表面をドレッシングするドレッシング手段と、少なくとも２系統の加工液供給系と、基板を保持し加工荷重をこの基板に伝える加圧手段と、研磨工具と基板とを相対運動させる運動手段とを備え、研磨工具を砥粒が樹脂で結合固着され、気孔を有し、上記基板より小さい多角形のセグメントの複数が配置された砥石としたものである。
【００２８】
セグメントは、台板に固定されているものでもよいし、少なくともセグメントより軟質の弾性材料からなるクッションを介して台板に固定されているものでもよい。前者の場合、回転定盤とドレッシング手段を、基準面に対し位置決め可能な構造とすることが好ましく、後者の場合、ドレッシング手段を、定圧ドレッシング手段とすることが好ましい。
【００２９】
いずれも複数の多角形のセグメントは、その角が３個以上近接する位置にないようにすることが好ましい。また、少なくとも２個の加工液供給系を、それぞれ組成が同じで、その内の少なくとも１種の原料の組成比が異なる加工液を供給する加工液供給系とすることが好ましい。好ましい砥石の物性値は、前記のものと同じである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図２を用いて本発明を実施する平坦化加工装置（半導体製造装置）を説明する。砥石１０は回転定盤１１上に固定され、その上方にはウェハ１を保持するヘッド２が備えられている。このヘッドは、スイングアーム３により位置決めされ、ウェハを保持すると共に回転定盤１１と同方向に自転できる他、ウェハ表面を砥石へ押し付けて所定の力で荷重する機能も有している。また、加工液９は供給する加工液供給系７から滴下される。本発明における加工液供給系６、７は図２に示す通り２系統ある。これら２系統から供給される加工液は加工中に各液の切替や流量の制御が行なえる。その他、砥石１０の表面を平滑にドレッシングできる定寸ドレッサ４を備えている。この定寸ドレッサは、刃先と砥石表面間の位置を装置の基準面５を基準として位置決めが可能な機能を有しており、所定量の切り込みが可能である。この定寸ドレッサにはダイヤモンド砥粒を固着したカップ型ドレッサが装着され、毎分７０００〜１００００回転程度の高速回転駆動ができる。ダイヤモンド砥粒（モース硬度１０）を使用するのは、被加工面である固定砥粒１０よりも十分に硬い材料で磨耗や欠けが少ない必要があるためである。また、このドレッサは砥石面全面を平滑化できる構成となっていることはいうまでもない。
【００３１】
被加工ウェハ１の断面構造について図３を用いて説明する。本図ではウェハ基板のシリコン部分は省略してあり、酸化膜１３、バリア膜１４と銅１５の構成のみが示されている。この酸化膜はシリコン酸化膜以外の低誘電率材料であっても良いし、酸化膜と低誘電率材料との積層体であっても良い。酸化膜１３には配線溝が形成されており、その上からバリア膜１４と銅１５が成膜されている。平坦化前の基板表面の初期形状は、図３（ａ）に示すように凹凸している。この状態を図３（ｃ）に示すように酸化膜に形成された溝内の銅を残し、酸化膜までを露出して終了する。従来のＣＭＰでは図３（ａ）から図３（ｂ）のバリア膜１４露出で、或いは露出直前で一旦研磨を停止して、異なる回転定盤に搬送し、バリア膜の研磨速度が銅と比べ相対的に高いスラリーを滴下しながら研磨して図３（ｃ）の状態まで平坦化して終了する。
【００３２】
ドレッシングについて説明すると、図３（ａ）の段階で砥石１０表面の砥粒は銅の加工に伴い脱落するか、固定化している樹脂に囲まれ、一種の目つぶれを生じて砥石表面の研磨加工に有効な砥粒存在密度が低減する。この状態を当初の状態に復帰する手段が図２の定寸ドレッサ４である。この定寸ドレッサ４は絶対高さ基準位置からの高さ位置制御が可能な構成になっており、砥石１０の表面高さ位置への位置決めや所定量の切り込みも可能である。図３（ｂ）の段階で定寸ドレッサ４を作動させ、例えば１マイクロメータ程度切り込めば、目つぶれを除去した砥石表面が得られるので、所定のバリア膜の加工速度が得られる。最終的には表面のバリア膜１４が消失した時点（図３（ｃ））平坦化加工が完了する。
【００３３】
本発明では、これら一連の加工プロセスを同一砥石１０の上で行なう。この砥石１０の製造方法について説明する。ただし、本発明に用いる砥石はこれらの製造方法によるものに限定されるものではない。
【００３４】
まず、第１の方法として、ポリエステル系樹脂（例えば、液体のビスフェノール系不飽和ポリエステル樹脂）を０．３７ｋｇとフュームドシリカ（例えば、日本アエロジル製、アエロジル５０、平均粒子径３０ｎｍ）を１．２３ｋｇ、過酸化物１９ｇを混合攪拌して、所定の金型に投入し、体積が２．５リットルになるようにプレスする。プレスした後、８０〜１５０℃で１〜３時間加熱し、反応硬化させる。型から取り出した後、必要に応じて、反応硬化を終了させるため、さらに１５０〜３００℃で１〜６時間反応硬化する。この場合、砥粒量、樹脂量、プレス量を変えることで、場合によってはマイクロカプセルを加えることで所定の物性を得ることができる。
【００３５】
上記配合で得た砥石の圧縮弾性率は６００ＭＰａ、引張り破壊伸びは０．７％、引張り破壊強さは２．１ＭＰａ、気孔率が６５体積％であった。
【００３６】
第２の方法として、ポリエステル系樹脂（例えば、粉体のジアリルフタレート樹脂）を０．６ｋｇとコロイダルシリカ（例えば、日産化学製スノーテックスＺＬ、平均粒子径７０ｎｍ、固形分４０重量％）を３．０ｋｇ混合し、気孔材（例えば、澱粉、コーンスターチ等）０．１８ｋｇ、過酸化物１７．５ｇを加え、水を加えて３．０リットルとし、さらに混合攪拌してから所定の金型に投入し、４０〜９０℃で２４〜４８時間反応固化させる。型から取り出して、必要に応じて、未反応物や触媒等を水洗し、乾燥する。さらに乾燥後、反応を終了させるため、１００〜３００℃で１〜６時間硬化させる。この場合、砥粒量、樹脂量等を変えることで所定の物性を得ることが可能となる。
【００３７】
上記配合で得た砥石の圧縮弾性率は７２０ＭＰａ、引張り破壊伸びは０．２５％、引張り破壊強さは１．０ＭＰａ、気孔率が６５体積％であった。
【００３８】
砥石の物性値測定方法について次に説明する。圧縮弾性率については、ＪＩＳＫ７２０８−１９９５ プラスチックの圧縮試験方法、また、引張り破壊伸び、引張り破壊強さは、ＪＩＳ Ｋ７１１３−１９９５ プラスチックの引張り試験方法に準じて（株）エー・アンド・ディ社製テンシロンＵＣＴ−５Ｔで測定した。
【００３９】
砥石の構造は図１に示す通り、ウェハ１よりも小さな多角形のセグメント２０を台板２１上に接着固定してある。ウェハ１よりも小さい必要性は、加工中に発生する研磨くずの排除、加工液の供給性、ウェハの砥石面への吸着防止等を促進するためである。この砥石セグメントは上述の通り引張り破壊強さが高々５ＭＰａであるので、研磨中欠けやすい欠点がある。欠けが発生すると、ウェハー表面の均一な加工が困難となり、スクラッチの発生等の影響が出るので、如何に砥石の研磨特性を保ったまま欠けにくい構成をとるかということが重要である。ここでは図１に示す通り同心円状にセグメント２０を配し、かつ、各角が一致しないように配置した。つまり３個以上のセグメントの角部が近接しないようにした。このように配置すると最も欠けやすい角部が隣合うセグメントにより保護されるので好ましい。また、円周方向に隣合うセグメントに関しては、中心からの位置を台形状セグメントの高さの１／２程度ずらして配置することにより、加工均一性も向上する効果がある。ずらす位置がこれほど大きくなくとも、台板２１の円周方向に隣合うセグメントを、各セグメントの円周方向にある一辺の半径方向の位置が、互いにずれているようにすることが好ましい。
【００４０】
ここに示した配置例が、ほんの一例に過ぎないことは明白である。上記制限さえ満たせば、さまざまな形状との組み合わせが可能である。
【００４１】
セグメント２０の表面の拡大模式図を左上に示してある。砥石は、砥粒２３が樹脂２４で結合固着され、気孔２２が含まれている。砥石１０には銅とバリア膜を加工できて酸化膜にはキズをつけない性能が要求される。砥粒２３の硬度としてはバリア膜材料と同等か硬質で酸化膜と同等か軟質であることが好ましい。例えば、バリア膜にＴａを選択するとモース硬度は６．５であり、酸化膜（シリコン酸化膜）は７であることからシリカ砥粒（モース硬度７）が上記要求を満たす。シリカはスクラッチや不純物の問題から、ヒュームドシリカやコロイダルシリカが望ましい。このシリカ砥粒をバリア膜に有効に作用させれば平坦化加工できることになる。また、砥粒の粒径は平均１００ｎｍ程度以下に制限するとスクラッチの発生を抑制することができる。また、１０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００４２】
上述した砥石１０を、図２に示す平坦化加工装置に設置し、砥石１０表面を定寸ドレッサ４によりドレッシングする。この際の砥石表面の平坦度は１０μｍ程度となっていると共に、砥石の面には砥粒が露出した状態となっている。図３（ａ）に示すように、この砥石面には加工液８が供給されてウェハを研磨する。このとき定寸ドレッサ４は砥石１０からは離れた位置で停止している。この加工液は酸化剤、有機酸、防食剤と純水からなっており、酸化剤として過酸化水素水（３０％濃度）を３０％、有機酸としてリンゴ酸を０．１５％、防食剤としてベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）０．２％の液体を用いた。この過酸化水素水の濃度と各材料の研磨速度特性は図４に黒丸印で示す通り、濃度３０％程度で銅の研磨速度が最大となる特性がある（（ａ）の領域）。こうすることによりウェハ一枚の加工時間を短縮できてスループットが向上するという望ましい効果が生じる。
【００４３】
銅の除去が進み図３（ｂ）の状態になった時点で加工液８を加工液９に切り替える。本実施例においては加工液供給系６を止めて加工液供給系７から加工液９を供給するように変更すればよい。加工液９の構成成分は前記加工液８と同じで、酸化剤（過酸化水素水）、有機酸（リンゴ酸）、防食剤（ＢＴＡ）である。図３（ｂ）の工程におけるこれら濃度は銅とバリア膜の加工速度がほぼ１：１になるように調整されている（図４の（ｂ）の領域）。調整方法は酸化剤濃度の調整と後述する加工中の定寸ドレッシングの併用で行ない、銅とバリア膜の加工速度比を１：１となるようにした。こうすることによりディッシングやエロージョンといった銅や酸化膜の削れ過ぎを防止できるので望ましい。
【００４４】
図３（ｂ）の工程における定寸ドレッシングとは、定寸ドレッサ４を砥石１０の表面の高さまで下降させ、ダイヤモンド砥粒を砥石面に接触することにより目つぶれした砥石の表層部分を除去すると共に新しい砥粒面の露出と遊離砥粒を発生させる機能のことである。この定寸ドレッサの位置決め高さ位置は、平坦化加工前にドレッシングした位置と同一位置でも良いし、１μｍ程度さらに切込んでも良い。切込むことにより遊離砥粒１６が多数発生し、バリア膜１４の加工速度を向上することができる。
【００４５】
バリア膜が除去され、酸化膜が露出すると加工が終了することになる。このときに酸化膜の加工速度がバリアと銅に比べて非常に小さいとオーバ研磨時の膜減りを防止できる効果があり、望ましい。その他にもウェハ面内不均一性がある場合においても加工時間を長めに設定することによって研磨残りを防止する事も可能となる。例えば、加工時間は、被加工面上のほとんどのバリア膜が除去されるまでの研磨時間をジャスト研磨時間とした場合、ジャスト研磨時間の１．３から１．５倍程度にするとよい。
（実施の形態２）
砥石１０は、砥粒の他に中空のマイクロカプセルを含有すると加工中の薬液保持性が向上し、加工速度の増加という効果がある。また、砥石の表面の至るところにおける薬液濃度の均一化が図れることも期待できる。
【００４６】
一般的にウェハ中央領域には薬液が侵入しにくく、ウェハ面内の加工速度分布は、中央ほど遅くなる傾向が見られる。これは薬液がウェハ周辺領域に比べ中央領域には十分供給されていないことに起因する。この課題を解決する手段として砥石表面に独立気孔を設け、気孔内に薬液を保持する手段がある。その手段として中空のマイクロカプセルが有効である。本実施例においては、平均径４３μｍのカプセルを砥石の３０体積％で含有させた。この砥石を用いて平坦化加工を行なったところ、銅とバリア膜であるＴａＮの加工速度が５０％以上増加した。
【００４７】
なお、マイクロカプセルの中空の部分は、前記の気孔率の範囲に含まれていない。マイクロカプセルの中空の部分を前記の気孔率に加えるなら、それらの合計の値が８０％を越えないことが好ましい。
（実施の形態３）
上記の平坦化方法を適用してパターン付きウェハを加工し、図５の結果を得た。用いたパターンは銅配線が周期的に並ぶ、いわゆるライン＆スペースで１ラインの幅は２０μｍである。横軸は酸化膜間隔ｄで、縦軸はディッシングとエロージョンの和である。従来のＣＭＰと比べ、高い平坦化性能を実証できていることが分かる。この高い平坦化性能は従来のＣＭＰのパッドよりも２から３０倍高い圧縮弾性率（２００ＭＰａから３ＧＰａ）を有する砥石を用いたことに起因する効果である。
【００４８】
硬質な砥石で平坦化加工する場合の課題の一つにスクラッチがある。本発明の砥石は高純度なヒュームト゛シリカやコロイダルシリカの微細砥粒を均質に分散固定してあるので、スクラッチを生じる原因である異物や大径粒子を含まない。さらに、定寸ドレッサにより加工前の砥石の面は平滑に、かつ目つぶれや目詰まりのない状態にされているので、スクラッチが生じにくい。図６は銅の１２０μｍ四方のパターンを加工した後の表面形状を測定した結果である。表面の凹凸の高さは１０ｎｍ以下であり、半導体の配線として十分な鏡面となっていることを確認した。
（実施の形態４）
次に実際に本発明を半導体デバイスに適用した実施例について図８を用いて説明する。本構造は６層の多層配線ロジックデバイスの断面である。シリコンウェハ基板１の表面に浅溝素子分離溝（ＳＴＩ）を酸化膜平坦化加工技術により形成した後、ゲートパターン１９等を形成しトランジスタを形成する。その後、上部配線層との接続用のＷ製コンタクトプラグ１８をＷ平坦化加工技術により形成する。Ｗプラグ１８も銅配線構造と同様に絶縁膜との界面にバリア膜１７が成膜される。このＷプラグから上層がすべて銅配線層であり、６層とも本発明を用いて形成した。下地層が平坦であるので、図７を用いて説明した研磨残りやディッシングとエロージョンのない良好な平坦化が行なえたことが分かる。また、ＳＴＩ層やＷプラグ平坦化も固定砥粒を用いた平坦化を適用することによってより平坦な半導体装置を製造することが可能になることはいうまでもない。例えば、固定砥粒を用いたＳＴＩ層平坦化に関しては特開２０００―４９１２２号公報に記載がある。
（実施の形態５）
実施の形態４までは、ドレッサとして一定量切り込み可能な定寸ドレッサ４を用いて平坦化加工する例であった。ここでは、通常用いる一定圧力を保ってドレッシングする定圧ドレッサを備えたＣＭＰ装置への適用例を説明する。図９は定圧ドレッサ３０を備えた従来の回転定盤式のＣＭＰ装置である。このＣＭＰ装置に通常装着する研磨パッドの代わりに本発明の多層式砥石４０を装着する。図２に示した砥石１０は圧縮弾性率が高いため表面を平坦度よくドレッシングする必要があった。このために定寸ドレッサが必要であったわけである。本実施の形態の多層式砥石４０は、図１０に示すように、台板２１上にクッション４３を置き、その上にフィルム４２を固定する。このフィルム４２の上に砥石セグメント４１を固定した構造をしている。クッション４３は砥石セグメント４１より軟質な弾性材料であればよい。ここではシート状のポリウレタンフォームを用いた。この上に固定するフィルム４２は、多層式砥石４０に荷重した際の各セグメント砥石４１の動きを滑らかに連結し、砥石セグメント４１の角等にウェハ１や定圧ドレッサ３０が衝突して砥石が欠けたりしないようにする目的で挿入された部材である。定圧ドレッサとは、一定の圧力でドレッサを研磨パッドに押しつけながらパッド面の目立てをする機能を有する手段であって、定寸ドレッサのようにドレッサ高さを特定位置に位置決めできる機能はない。また、セグメント砥石４１の形状や配置は、前述の図１に示した砥石のセグメントと同様でよい。もちろん、定寸ドレッサを備えた装置にこの多層構造砥石４０を装着して用いても良い。
【００４９】
このような多層構造をとることにより、各セグメント砥石４１の表面の高さ形状が不揃いであっても下層のクッション４３が変形することによって荷重を吸収するので、加工均一性低下やスクラッチ発生といった不具合を避けることができる。さらに、導入済みのＣＭＰ装置への適用が容易である特長もある。
【００５０】
また、通常の平坦化加工装置では、回転定盤１１と定圧ドレッサの回転方向は同一であるが、ドレス後の積層式砥石４０の表面形状を平坦にドレッシングすることを目的に逆回転可能な構造にすると、多層構造砥石４０の長寿命化も可能となり、望ましい。
【００５１】
【発明の効果】
本発明により、従来バリア膜除去のために２段以上必要であったＣＭＰ工程を一工程で平坦化できる。この工程短縮は単位時間当たりのウェハ着工数の増加を意味し、スループットが向上するといえる。また、高圧縮弾性率砥石を用いることにより従来、生じていたディッシング、エロ―ジョンを低減できる。この効果は、配線抵抗値のばらつき低減や断線不良の低減といった歩留りの向上になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の砥石の説明図。
【図２】本発明に用いる装置構成の説明図。
【図３】本発明の加工工程の説明図。
【図４】本発明の加工薬液濃度と相対研磨速度の関係を示す図。
【図５】本発明の平坦化性能を示す図。
【図６】本発明の平坦化後の銅表面形状を示す図。
【図７】平坦化性能を説明するための半導体装置の部分断面模式図。
【図８】多層配線構造を有する半導体装置の断面模式図。
【図９】定圧ドレッサを備えたＣＭＰ装置に多層構造砥石を装着した場合の説明図。
【図１０】本発明の多層構造砥石の断面構造模式図。
【図１１】従来の平坦化方法の説明図。
【符号の説明】
１…ウェハ、２…ヘッド、３…スイングアーム、４…定寸ドレッサ、５…基準面、６…加工液供給系、７…加工液供給系、８…加工液、９…加工液、１０…砥石、１１…回転定盤、１２…固定砥粒、１３…酸化膜、１４…バリア膜、１５…銅、１６…遊離砥粒、１７…（Ｗプラグの）バリア膜、１８…Ｗプラグ、１９…ゲート、２０…セグメント、２１…台板、２２…気孔、２３…砥粒、２４…樹脂、３０…定圧ドレッサ、４０…多層式砥石、４１…砥石セグメント、４２…連結フィルム、４３…クッション。
Claims (14)
- 基板上に設けられた絶縁膜の開口部と該絶縁膜表面に第１の導電膜を形成する工程、
該第１の導電膜の上に第２の導電膜を形成する工程及び該第２の導電膜と上記第１の導電膜の一部を砥石により加工し、上記開口部内に上記第１の導電膜と上記第２の導電膜を残す工程を有する半導体装置の製造方法において、
上記砥石は、砥粒が樹脂で結合固着され、気孔を含み、
上記砥石の圧縮弾性率は、２００ＭＰａ〜３ＧＰａの範囲であり、
引張り破壊伸びは０ . ２〜１ . ５％の範囲であり、引張り破壊強さは０ . ５〜５ＭＰａの範囲であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、上記砥石の気孔率は、３５〜７５％の範囲であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、上記砥粒は、ヒュームドシリカ及びコロイダルシリカの内の少なくとも１種であり、上記樹脂は、ポリエステル系樹脂及びポリイミド系樹脂の内の少なくとも１種であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、上記砥粒の平均粒径は、１０ｎｍから１００ｎｍの範囲にあることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、上記加工は、少なくとも２個の加工液供給系から互いに異なる加工液を供給しながら行なわれ、上記互いに異なる加工液は、組成が同じで、その内の少なくとも１種の原料の組成比が互いに異なることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、上記砥石は、上記基板より小さい多角形のセグメントの複数が配置された砥石であって、上記多角形のセグメントの角が３個以上近接する位置にないことを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 凹凸パターンを表面上に有し、半導体素子の少なくとも一部が形成された基板の該凹凸パターンを研磨工具に押しつけて相対運動させ、上記凹凸パターンを平坦化する半導体装置の製造方法において、
上記研磨工具は、上記基板より小さく、かつ、砥粒が樹脂で結合固着され、気孔を有する多角形のセグメントの複数が配置された砥石であって、上記多角形のセグメントの角が３個以上近接する位置になく、上記砥石の気孔率は、３５〜７５％の範囲であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項７記載の半導体装置の製造方法において、上記多角形のセグメントの角が３個以上近接する位置になく、上記砥石の圧縮弾性率は、２００ＭＰａ〜３ＧＰａの範囲であり、引張り破壊伸びは０ . ２〜１ . ５％の範囲であり、引張り破壊強さは０ . ５〜５ＭＰａの範囲であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項７記載の半導体装置の製造方法において、上記セグメントは、台板に固定されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項７記載の半導体装置の製造方法において、上記平坦化は、少なくとも２個の加工液供給系から互いに異なる加工液を供給しながら行なわれ、上記互いに異なる加工液は、組成が同じで、その内の少なくとも１種の原料の組成比が互いに異なることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 回転定盤と、該回転定盤に固定された研磨工具と、該研磨工具の表面をドレッシングするドレッシング手段と、少なくとも２系統の加工液供給系と、基板を保持し加工荷重を該基板に伝える加圧手段と、上記研磨工具と上記基板とを相対運動させる運動手段とを備え、上記研磨工具は、砥粒が樹脂で結合固着され、気孔を含む砥石であり、該砥石は、上記基板より小さい多角形のセグメントの複数が配置された砥石であり、上記回転定盤と上記ドレッシング手段とは、基準面に対し位置決め可能な構造であることを特徴とする半導体装置の製造装置。
- 請求項１１記載の半導体装置の製造装置において、上記セグメントは、台板に固定されていることを特徴とする半導体装置の製造装置。
- 請求項１１記載の半導体装置の製造装置において、上記複数の多角形のセグメントは、その角が３個以上近接する位置にないことを特徴とする半導体装置の製造装置。
- 請求項１１記載の半導体装置の製造装置において、上記砥石の気孔率は、３５〜７５％の範囲であり、圧縮弾性率は、２００ＭＰａ〜３ＧＰａの範囲であり、引張り破壊伸びは０ . ２〜１ . ５％の範囲であり、引張り破壊強さは０ . ５〜５ＭＰａの範囲であることを特徴とする半導体装置の製造装置。
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