JP4864402B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、low−k膜は、低誘電率を達成するために多孔質構造であることが多く、機械的な強度が乏しいため、Cu膜のCMP加工中に、Cu膜の膜剥れが生じてしまうことがある。Cu膜の膜剥れが生じてしまっては、配線を形成することができない。
以上のように、特に次世代の高性能LSIでは、RC遅延を緩和するためlow−k膜が用いられるため、膜剥れや、膜自体の破壊に注意する必要がある。そのためには、低摩擦で安定(好ましくは温度上昇なく)した研磨が要求される。
表面に銅膜を含まない基板を用いて、銅水溶液と所定の薬液とを研磨布上に供給し、前記研磨布上に銅含有物質を形成し、前記研磨布の表面のくぼみに、形成された銅含有物質を沈降させる銅含有物質形成工程と、
前記研磨布上に前記銅含有物質が形成された後に、前記研磨布を用いて、表面に銅膜を含む複数の基板をダミー研磨を行わずに順に研磨する研磨工程と、
を備えたことを特徴とする。
或いは、本発明の他の態様の半導体装置の製造方法は、
表面に銅膜を含まない基板を用いて、銅を含む研磨布上に所定の薬液を供給し、前記研磨布上に銅含有物質を形成し、前記研磨布の表面のくぼみに、形成された銅含有物質を沈降させる銅含有物質形成工程と、
前記研磨布上に前記銅含有物質が形成された後に、前記研磨布を用いて、表面に銅膜を含む複数の基板をダミー研磨を行わずに順に研磨する研磨工程と、
を備えたことを特徴とする。
銅含有めっき液を用いて基板の表面に銅膜をめっきするめっき工程と、
前記銅含有めっき液と所定の薬液とを研磨布上に供給する供給工程と、
前記供給工程の後、前記研磨布を用いて前記基板の表面にめっきされた前記銅膜を研磨する研磨工程と、
を備えたことを特徴とする。
表面に銅膜が形成された複数の基板を研磨する研磨方法において、
研磨布上に銅含有物質を形成する銅含有物質形成工程と、
前記研磨布上に前記銅含有物質が形成された後、前記研磨布を用いて前記複数の基板の表面を順に研磨する研磨工程と、
を備えたことを特徴とする。
Cu配線の実用化に当たって、Cu研磨速度が例えば1000nm/min以上で、Cuのディッシング(dishing)を20nm以下に抑制しつつ、バリアメタル膜で研磨をストップするような第1の金属研磨と、Cuのディッシングと絶縁膜のエロージョン(erosion)を例えば20nm以下に抑えつつ、バリアメタル膜をタッチアップ研磨する第2の金属研磨が要求されている。以下、実施の形態1では、特に、第1の金属研磨について重点をおいて説明する。
図1は、実施の形態1における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。
図1において、本実施の形態では、SiO2膜の薄膜を形成するSiO2膜形成工程(S102)、タングステン(W)膜の薄膜を形成するW膜形成工程(S104)、低誘電率の絶縁性材料からなるlow−k膜の薄膜を形成するlow−k膜形成工程(S106)、キャップ膜の薄膜を形成するキャップ膜形成工程(S108)、開口部を形成する開口部形成工程(S110)、導電性材料を用いた導電性材料膜の薄膜を形成する導電性材料膜形成工程として、バリアメタル膜形成工程(S112)、シード膜形成工程(S114)、Cu膜を形成する銅膜形成工程の一例となるめっき工程(S116)と、供給工程或いは銅含有物質形成工程の一例となる研磨前処理工程(S118)と、研磨工程(S120)という一連の工程を実施する。
図2では、図1のSiO2膜形成工程(S102)からlow−k膜形成工程(S106)までを示している。それ以降の工程は後述する。
図3では、図1のキャップ膜形成工程(S108)からバリアメタル膜形成工程(S112)までを示している。それ以降の工程は後述する。
図4では、図1のシード膜形成工程(S114)から研磨工程(S120)までを示している。
各基板200の開口部150からはみ出た余分なCu膜260をCMPにより研磨する前に、研磨前処理工程(S118)として、例えば、準備が簡単で、繰り返し使用可能なシリコン(Si)ウエハやシリコン酸化膜が表面に形成されたウエハ等のダミー基板となる基板を用いてダミー研磨するダミー研磨工程と、研磨布の目立てをするためのコンディショニング工程とを行なう。そして、ロット品となる複数のサンプル基板200の先頭(第1番目)の基板200の研磨を行なう基板研磨工程と研磨布の目立てをするためのコンディショニング工程とを行なう。続いて、第2番目の基板200の基板研磨工程とコンディショニング工程、第3番目の基板200の基板研磨工程とコンディショニング工程、・・・と連続してロット品の各基板を研磨する。
図6は、CMP装置の構成を示す概念図である。
図6において、研磨装置の一例となるロータリ型のCMP装置では、ターンテーブル520上に配置された研磨布525上に、研磨面を下に向けてダミー基板となる基板300をキャリア510が保持する。そして、図示していない供給ノズルから供給される純水にて研磨布525上を流したのち、供給工程として、供給ノズル530から薬液の一例となる研磨液540を供給すると共に、供給ノズル532からCu水溶液542を供給する。キャリア510を回転することで基板300を回転させ、ターンテーブル520も回転させる。ターンテーブル520の回転方向先に位置する基板300の手前に研磨液540とCu水溶液542とを供給することで、研磨液540とCu水溶液542とが基板300面内に供給される。研磨液540とCu水溶液542とを用いたダミー研磨工程が終了後、研磨布525上の研磨液540とCu水溶液542とを図示していない供給ノズルから供給される純水にて流し、置換する。
研磨液540とCu水溶液542とを用いたダミー研磨工程が終了後、コンディショニング工程として、CMP装置のドレッサ310を回転させながら、回転する研磨布525上に押し当てて、ダミー研磨により目が詰まった研磨布525の目立てを行なうことでコンディショニングを行なう。
研磨布525が貼付されたターンテーブル520を10〜150min−1(10〜150rpm)で回転させつつ、基板300を保持したキャリア510により基板300を研磨布525に9.8×103〜6.9×104Pa(100〜700gf/cm2)の研磨荷重Pで当接させた。キャリア510の回転数は10〜120min−1(10〜120rpm)とし、研磨布525上には、供給ノズル530から0.05〜0.3L/min(50〜300cc/min)の流量で研磨液540を供給した。そして、供給ノズル532から0.005〜0.2L/min(5〜200cc/min)の流量でCu水溶液542を供給した。研磨布525としてはIC1000(RODEL社)を用いた。研磨時間は、後の第1の金属研磨工程において基板200の表面のCu膜260,250を全て研磨除去できる時間に、さらに+30%のオーバーポリッシュをおこなった。
Cu研磨用の研磨布525は、例えば、ポリウレタン等の材料が使用され、断面として見ると内部に例えば、50〜100μmの大きさの気泡526が存在している。そして、ある面でカットされた研磨布525の表面にも気泡526による開口部h(くぼみ)が形成されている。研磨液540とCu水溶液542とが研磨布525上に供給され、キャリア510とターンテーブル520が回転すると、基板300により研磨布525上に研磨液540とCu水溶液542とがまんべんなく供給される。そして、硫酸銅水溶液中のCuと研磨液540中の錯体形成剤となるキナルジン酸とが反応し、図9に示すように研磨布525上に銅含有物質の一例である水に不溶性のCu錯体(Cu−R)が適度に形成される。
ダミー研磨後のコンディショニング工程により銅含有物質であるCu錯体(Cu−R)のほとんどは、研磨布525の表面から除去されるが、図10に示すように、一部は研磨布525の表面の開口部h(くぼみ)に沈降して残っている。かかる状態で、ロット品のサンプルとなる基板200表面を研磨する。
研磨工程後、洗浄工程として、CMP後洗浄プロセスのステップの一部として、図示していない保持具にて研磨された研磨面を上にして基板200を保持する。そして、図示していない回転軸の回転により基板200を回転させながら、図11に示す供給口730から供給液740を供給し、自転するブラシ750とブラシ752とで挟持されブラシスクラブされる。
図11に示したブラシスクラブ洗浄(或いは、ロールブラシ洗浄ともいう)後のリンスプロセスのステップとして、図12において、回転テーブル820上に配置された4つの保持具810にて基板200を保持する。そして、回転軸860の回転により回転テーブル820が回転することで、基板200を回転させながら供給口830から純水840を供給することで、リンス洗浄を行なう。ここでは、上面のみリンス洗浄を行なっているが、両面リンス洗浄しても構わない。
図13は、研磨前処理工程におけるCu水溶液と研磨液とを研磨布上に広げるための他の手法を説明するための図である。
図13に示すように、ここでは、基板300を用いずに、キャリア510のリング状に形成されたリテーナリング512のみを研磨布525に押し付けながら、研磨布525上にCu水溶液542と研磨液540とを供給するように構成しても好適である。かかる構成により、リテーナリング512の外周面或いは底面等でCu水溶液542と研磨液540とを研磨布525全体に広げることができる。その結果、Cu錯体(Cu−R)が研磨布525全体で形成され、研磨布525全体を均一な状態にすることができる。リテーナリング512を用いることで、ダミー基板を用意しなくても済ますことができる。
実施の形態1では、研磨前処理工程において、Cu水溶液542を供給することで、Cu錯体(Cu−R)を形成していたが、実施の形態2では、別の手法によりCu錯体(Cu−R)を形成する構成について説明する。研磨前処理工程以外は、実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
図14に示すように、研磨布525にあらかじめCu粒子527を含有させておく。Cu粒子527の濃度は、0.1〜100kg/m3(0.1〜100mg/cm3)が望ましい。また、Cu粒子527は、気泡526の大きさ(50〜100μm)より十分小さい大きさが望ましい。例えば、1μm以下の粒子が望ましい。十分小さい大きさにすることにより研磨時のスクラッチを防止することができる。
図15において、研磨装置の一例となるロータリ型のCMP装置では、ターンテーブル520上に配置された研磨布525上に、研磨面を下に向けて例えばシリコン酸化膜が表面に形成されたダミー基板となる基板300をキャリア510が保持する。そして、図示していない供給ノズルから供給される純水にて研磨布525上を流したのち、供給工程として、供給ノズル530から薬液の一例となる研磨液540を供給する。キャリア510を回転することで基板300を回転させ、ターンテーブル520も回転させる。ターンテーブル520の回転方向先に位置する基板300の手前に研磨液540を供給することで、研磨液540が基板300面内に供給される。研磨液540を用いたダミー研磨工程が終了後、研磨布525上の研磨液540を図示していない供給ノズルから供給される純水にて流し、置換する。実施の形態1とは、Cu水溶液542を供給しないこと以外は同様である。そして、研磨液540を用いたダミー研磨工程が終了後、コンディショニング工程として、図7に示したCMP装置のドレッサ310を回転させながら、回転する研磨布525上に押し当てて、ダミー研磨により目が詰まった研磨布525の目立てを行なうことでコンディショニングを行なう点は実施の形態1と同様である。
Cu粒子527が含まれた研磨布525が貼付されたターンテーブル520を10〜150min−1(10〜150rpm)で回転させつつ、基板300を保持したキャリア510により基板300を研磨布525に9.8×103〜6.9×104Pa(100〜700gf/cm2)の研磨荷重Pで当接させた。キャリア510の回転数は10〜120min−1(10〜120rpm)とし、研磨布525上には、供給ノズル530から0.05〜0.3L/min(50〜300cc/min)の流量で研磨液540を供給した。研磨布525としてはIC1000(RODEL社)を用いた。研磨時間は、後の第1の金属研磨工程において基板200表面のCu膜260,250を全て研磨除去できる時間に、さらに+30%のオーバーポリッシュをおこなった。
Cu粒子527が含まれた研磨布525は、例えば、ポリウレタン等の材料が使用され、断面として見ると内部に例えば、50〜100μmの大きさの気泡526が存在している。そして、ある面でカットされた研磨布525の表面にも気泡526による開口部h(くぼみ)が形成されている。研磨液540が研磨布525上に供給され、キャリア510とターンテーブル520が回転すると基板300により研磨布525上に研磨液540がまんべんなく供給される。そして、研磨布525表面のCu粒子527が研磨液540中の酸化剤となる過硫酸アンモニウムにより酸化され、酸化されたCu粒子527と研磨液540中の錯体形成剤となるキナルジン酸とが反応し、図17に示すように研磨布525上に銅含有物質の一例であるCu錯体(Cu−R)が適度に形成される。
ダミー研磨後のコンディショニング工程により銅含有物質であるCu錯体(Cu−R)のほとんどは、研磨布525の表面から除去されるが、図18に示すように、一部は研磨布525の表面の開口部h(くぼみ)に沈降して残っている。かかる状態で、ロット品のサンプルとなる基板200表面を研磨する。
図19は、研磨前処理工程における研磨液を研磨布上に広げるための他の手法を説明するための図である。
図19に示すように、実施の形態1と同様、基板300を用いずに、キャリア510のリング状に形成されたリテーナリング512のみを研磨布525に押し付けながら、研磨布525上に研磨液540を供給するように構成しても好適である。かかる構成により、リテーナリング512の外周面或いは底面等で研磨液540を研磨布525全体に広げることができる。その結果、Cu錯体(Cu−R)が研磨布525全体で形成され、研磨布525全体を均一な状態にすることができる。リテーナリング512を用いることで、ダミー基板を用意しなくても済ますことができる。
実施の形態3における半導体装置の製造方法および装置構成は、以下の点を除いて、実施の形態1と同様であるため、以下、実施の形態1と異なる事項について説明する。
図20は、実施の形態3における装置構成を示す概念図である。
図20において、めっき装置600は、めっき工程として、めっき液供給装置610から配管620を介して供給された銅含有めっき液に基板200表面を浸漬させ、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の薄膜を開口部150及び基板200表面に堆積させる。そして、使用済みのめっき液を配管622を介してめっき液供給装置610に戻して、めっき液供給装置610においてめっき液の成分調整を行なう。めっき液としては、Cuめっき用の液であればよい。例えば、硫酸銅水溶液を主とした液が好適であるがこれに限るものではない。
210 SiO2膜
220 low−k膜
240 バリアメタル膜
250 シード膜
260 Cu膜
500 CMP装置
512 リテーナリング
525 研磨布
527 Cu粒子
540 研磨液
542 Cu水溶液
600 めっき装置
610 めっき液供給装置
Claims (2)
- 表面に銅膜を含まない基板を用いて、銅水溶液と所定の薬液とを研磨布上に供給し、前記研磨布上に銅含有物質を形成し、前記研磨布の表面のくぼみに、形成された銅含有物質を沈降させる銅含有物質形成工程と、
前記研磨布上に前記銅含有物質が形成された後に、前記研磨布を用いて、表面に銅膜を含む複数の基板をダミー研磨を行わずに順に研磨する研磨工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 表面に銅膜を含まない基板を用いて、銅を含む研磨布上に所定の薬液を供給し、前記研磨布上に銅含有物質を形成し、前記研磨布の表面のくぼみに、形成された銅含有物質を沈降させる銅含有物質形成工程と、
前記研磨布上に前記銅含有物質が形成された後に、前記研磨布を用いて、表面に銅膜を含む複数の基板をダミー研磨を行わずに順に研磨する研磨工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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