JP2002343797A

JP2002343797A - 配線形成装置及びその方法

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Publication number: JP2002343797A
Application number: JP2001197328A
Authority: JP
Inventors: Naoki Matsuda; 尚起松田
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2002-11-29

Abstract

(57)【要約】【課題】ＣＭＰ処理そのものを省略したり、ＣＭＰ処
理の負荷を極力低減しつつ、銅を埋込んで銅配線を形成
する一連の銅配線形成工程を連続的に行えるようにした
配線形成装置及び方法を提供する。【解決手段】基板の表面に銅を成膜して該銅を微細窪
み内に埋込んだ銅配線を形成する配線形成装置であっ
て、ハウジング１０の内部に、基板を搬送する搬送経路
２５を設け、この搬送経路２５に沿って、銅めっき処理
部１２、電解または化学研磨処理部１８，２０及びアニ
ール処理部１６を配置した

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配線形成装置及び
方法に係り、特に半導体基板の表面に形成した配線用の
窪みの内部に銅（Ｃｕ）を埋め込んで銅配線を形成する
のに使用される配線形成装置及び方法に関する。

【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、基板の表面に設けた微
細凹みの内部に銅を埋込むことによって一般に形成され
る。この銅配線を形成する方法としては、ＣＶＤ、スパ
ッタリング及びめっきといった手法があるが、いずれに
しても、基板のほぼ全表面に銅を成膜し、化学機械的研
磨（ＣＭＰ）により不要の銅を除去するようにしてい
る。

【０００３】図１８（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１８（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からなる酸化膜や他のＬｏｗ−
Ｋ材膜２を堆積し、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と配線用の溝４を形成し、その上
にＴａＮ等からなるバリア膜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。

【０００４】そして、図１８（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及び溝４内に銅を充填するとともに、酸
化膜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、酸化膜２上の銅膜６を除去して、コ
ンタクトホール３及び配線用の溝４に充填させた銅膜６
の表面と酸化膜２の表面とをほぼ同一平面にする。これ
により、図１８（ｃ）に示すように銅膜６からなる配線
が形成される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１９に示
すように、例えば、直径ｄ_１が０．２μｍ程度の微細穴
８と、直径ｄ_２が１００μｍ程度の大穴９とが混在する
基板Ｗの表面に銅めっきを施して銅膜６を形成すると、
めっき液や該めっき液に含有される添加剤の働きを最適
化したとしても、微細穴８の上ではめっきの成長が促進
されて銅膜６が盛り上がる傾向があり、一方、大穴９の
内部ではボトムアップ性を高めためっきの成長を行うこ
とができないため、結果として、基板Ｗ上に堆積した銅
膜６には、微細穴８上の盛り上がり高さａと、大穴９上
の凹み深さｂとをプラスした段差ａ＋ｂが残る。このた
め、微細穴８及び大穴９の内部に銅を埋込んだ状態で、
基板Ｗの表面を平坦化させるには、銅膜６の膜厚を十分
に厚くし、しかもＣＭＰで前記段差ａ＋ｂ分余分に研磨
する必要があった。

【０００６】しかし、めっき膜のＣＭＰ工程を考えた
時、めっき膜厚を厚くして研磨量を多くすればする程、
ＣＭＰの加工時間が延びてしまい、これをカバーするた
めにＣＭＰレートを上げれば、ＣＭＰ加工時に大穴での
ディッシングが生じるといった問題があった。

【０００７】つまり、これらを解決するには、めっき膜
厚を極力薄くし、基板表面に微細穴と大穴が混在して
も、めっき膜の盛り上がりや凹みを無くして、平坦性を
上げる必要があるが、例えば硫酸銅浴で電解めっき処理
を行った場合、めっき液や添加剤の作用だけで盛り上が
りを減らすことと凹みを減らすことを両立することがで
きないのが現状であった。また、積層中のめっき電源を
一時逆電解としたり、ＰＲパルス電源とすることで盛り
上がりを少なくすることは可能であるが、凹部の解消に
はならず、加えて表面の膜質を劣とすることになってい
た。

【０００８】更に、ＣＭＰ工程は、一般にかなり複雑な
操作が必要で、制御も複雑であるばかりでなく、加工時
間もかなり長く、しかもめっき処理と別の装置で一般に
行われているため、これを省略することが強く求められ
ていた。今後、絶縁膜も誘電率の小さいＬｏｗ−Ｋ材に
変わると予想され、Ｌｏｗ−Ｋ材にあっては、強度が弱
くＣＭＰによるストレスに耐えられなくなるため、非接
触で基板にストレスを与えることなく平坦化できるよう
にしたプロセスが望まれている。なお、化学機械的電解
研磨のように、めっきをしながらＣＭＰで削るというプ
ロセスも発表されているが、めっき成長面に機械加工が
付加されることで、めっきの異常成長を促すことにもな
り、膜質に問題を起こしていた。

【０００９】本発明は上記に鑑みて為されたもので、Ｃ
ＭＰ処理そのものを省略したり、ＣＭＰ処理の負荷を極
力低減しつつ、銅を埋込んで銅配線を形成する一連の銅
配線形成工程を連続的に行えるようにした配線形成装置
及び方法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、基板の表面に銅を成膜して該銅を微細窪み内に埋込
んだ銅配線を形成する配線形成装置であって、ハウジン
グの内部に、基板を搬送する搬送経路を設け、この搬送
経路に沿って、銅めっき処理部、電解または化学研磨処
理部及びアニール処理部を配置したことを特徴とする配
線形成装置である。

【００１１】これにより、銅めっき処理後の平坦化プロ
セスを主に電解または化学研磨で行うことで、ＣＭＰ処
理自体を省略するか、またはＣＭＰ処理の負荷を低減
し、アニールを含めた一連の平坦化プロセスを同一ハウ
ジング内で連続的に行うことができる。

【００１２】請求項２に記載の発明は、基板の洗浄を行
う洗浄処理部を配置したことを特徴とする請求項１記載
の配線形成装置である。

【００１３】請求項３に記載の発明は、第１段の電解ま
たは化学研磨処理と、第２段の電解または化学研磨処理
を行う少なくとも２つの研磨処理部を有することを特徴
とする請求項１または２記載の配線形成装置である。こ
れにより、銅の表面に研磨レートや、下地への選択性研
磨の異なる２段の電解研磨または化学研磨を施すこと
で、銅の表面をより平坦に研磨したり、また第１段の電
解研磨または化学研磨で銅の表面を研磨し、第２段の電
解研磨または化学研磨で表面が露出している銅と他の導
電性物質（例えば、ＴａＮ）を研磨レートで均一に研磨
するようにすることができる。

【００１４】請求項４に記載の発明は、前記ハウジング
の内部に、前記銅配線の露出表面を選択的に覆って保護
する保護膜を形成する蓋めっき処理部を配置したことを
特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の配線形成
装置である。これにより、外部に露出した銅配線の表面
を保護膜で選択的に覆って保護する蓋めっき処理を同一
ハウジング内で連続して行うことができる。

【００１５】請求項５に記載の発明は、基板の表面に銅
を成膜して該銅を微細窪み内に埋込んだ銅配線を形成す
るにあたり、基板の表面に銅を成膜する工程と、この銅
を成膜した基板の表面を研磨液中で電解または化学研磨
する研磨処理工程と、研磨処理工程後に銅膜を基板全面
に残した状態で基板に熱処理を施すアニール工程とを有
することを特徴とする配線形成方法である。このように
して、ウェット処理の後ドライ処理を行い、装置的にウ
ェットとドライ処理部分を分けることができるメリット
を有するが、成膜→アニール→電解／化学研磨→ＣＭＰ
の順に処理することもできる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態の配
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１０の内部に位置して、ロード・アンロード
部１１と、このロード・アンロード部１１の反対側から
順に配置された銅めっき処理部１２、洗浄・乾燥処理部
１４、アニール処理部１６、第１の電解または化学研磨
処理部１８、第２の電解または化学研磨処理部２０及び
洗浄・乾燥処理部２２とを有し、これらの各機器を挟ん
だ位置に、前処理部２４ａ、Ｐｄ付着部２４ｂ、めっき
前処理部２４ｃ、無電解ＣｏＷＰめっき処理部２４ｄ及
び洗浄・乾燥処理部２４ｅを有する蓋めっき処理部２４
が配置されている。更に、搬送経路２５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２６が
備えられている。

【００１７】銅めっき処理部１２は、図２に示すよう
に、上方に開口し内部にめっき液３０を保持する円筒状
のめっき槽３２と、基板Ｗを着脱自在に下向きに保持し
て該基板Ｗを前記めっき槽３２の上端開口部を塞ぐ位置
に配置する基板保持部３４とを有している。めっき槽３
２の内部には、めっき液３０中に浸漬されてアノード電
極となる平板状の陽極板３６が水平に配置され、基板Ｗ
が陰極板となるようになっている。更に、めっき槽３２
の底部中央には、上方に向けためっき液の噴流を形成す
るめっき液噴射管３８が接続され、めっき槽３２の上部
外側には、めっき液受け４０が配置されている。

【００１８】これにより、めっき槽３２の上部に基板Ｗ
を基板保持部３４で下向きに保持して配置し、陽極板
（アノード）３６と基板（カソード）Ｗの間に所定の電
圧を印加しつつ、めっき液３０をめっき液噴射管３８か
ら上方に向けて噴出させて、基板Ｗの下面（被めっき
面）に垂直にめっき液３０の噴流を当てることで、陽極
板３６と基板Ｗの間にめっき電流を流して、基板Ｗの下
面にめっき膜を形成するようにしている。

【００１９】電解または化学研磨処理部１８，２０は、
図３に示すように、上方に開口し内部に研磨液（電解液
または化学薬品）５０を保持する円筒状の研磨槽５２
と、基板Ｗを静電チャック等の保持部５４で着脱自在に
下向きに保持して該基板Ｗを研磨槽５２の上端開口部を
塞ぐ位置に配置する基板保持部５６とを有している。研
磨槽５２の内部には、研磨液５０中に浸漬されてカソー
ドとなる平板状の板体５８が水平に配置され、基板Ｗが
アノードとなるようになっている。更に、基板保持部５
６は、その中央部でモータ６０に接続された駆動軸６２
の下端に連結されて基板Ｗと一体に回転し、板体５８
は、シリンダ等の往復駆動部６４の往復ロッド６６の先
端に連結されて、この往復駆動部６４の駆動に伴って水
平方向に沿って往復動するよう構成されている。

【００２０】これにより、基板Ｗを基板保持部５６で下
向きに保持して基板Ｗの下面（研磨面）を研磨液５０に
接触させた状態で、基板Ｗを基板保持部５６と一体に回
転させ、同時に板体５８を往復運動させながら、板体
（カソード）５８と基板（アノード）Ｗの間に所定の電
圧を印加して板体５８と基板Ｗの間にめっき電流を流す
ことで、基板Ｗに形成されためっき膜を電解研磨し、電
流を止めることで化学研磨するようにしている。

【００２１】なお、電解または化学研磨処理部１８，２
０において、研磨液（化学薬品）に基板の表面を単に浸
漬させることで、研磨液の腐食作用により基板の表面を
化学研磨することができ、板体５８と基板Ｗとを研磨液
（電解液）に浸漬させ、これらの間に所定の電圧を印加
することで基板の表面を電解研磨することができる。

【００２２】図４は、電解または化学研磨処理部１８，
２０の他の例を示すもので、これは、板体５８として基
板Ｗより大径のものを使用するとともに、この板体５８
の中央をモータ６８を備えた駆動軸７０の上端に連結し
て、このモータ６８の駆動に伴って板体５８が回転する
ようにしたものである。

【００２３】次に、図５及び図６を参照して配線形成処
理について説明する。この例は、前記図１８（ｂ）に示
す銅膜６を堆積させた基板Ｗの表面を、ＣＭＰ工程を経
ることなく平坦化して銅配線を形成し、更に銅配線の表
面を蓋めっきするようにした例を示す。

【００２４】先ず、表面にシード層７を形成した基板Ｗ
（図１８（ａ）参照）をロード・アンロード部１１から
搬送装置２６で一枚ずつ取り出し、銅めっき処理部１２
に搬入する（ステップ１）。

【００２５】次に、この銅めっき処理部１２で、例えば
電解銅めっき処理を行って、図６（ａ）に示すように、
基板Ｗの表面に銅膜６を形成する（ステップ２）。この
時、大穴の存在に伴う銅膜の凹みの軽減を第一優先に考
え、図２に示すめっき液３０として、ボトムアップ性の
優れたもの、例えば硫酸銅の濃度が高く、硫酸の濃度が
低いボトムアップ性の優れた組成、例えば、硫酸銅１０
０〜３００ｇ／ｌ、硫酸１０〜１００ｇ／ｌの組成を有
し、ボトムアップ性を向上させる添加剤を含有したもの
を使用する。ここで、ボトムアップ性とは、穴中のボト
ムアップ成長に優れた性質を意味する。

【００２６】そして、この銅めっき処理後の基板Ｗを洗
浄・乾燥処理部１４に搬送し洗浄して乾燥させ（ステッ
プ３）、しかる後、洗浄・乾燥後の基板Ｗをアニール処
理部１６に搬送する。そして、銅膜６を堆積させた状態
で基板Ｗに熱処理を施して銅膜６をアニールし（ステッ
プ４）、しかる後、アニール後の基板Ｗを第１の電解ま
たは化学研磨処理部１８に搬送する。

【００２７】次に、この第１の電解または化学研磨処理
部１８で基板Ｗの表面（被めっき面）に第１段の電解ま
たは化学研磨処理を施して、基板Ｗの表面に形成された
銅膜６の研磨除去する（ステップ５）。この時、電解研
磨にあっては、図３及び図４に示す研磨液（電解液）５
０として、銅を溶解する無機酸及び／または有機酸のい
ずれか１種類以上と、増粘剤としての多価アルコール
類、高分子多価アルコール類またはアルキレングリコー
ルアルキルエーテル類のいずれか１種類以上を含むこと
で、粘性を増加させた研磨液を使用する。

【００２８】このように、基板Ｗの表面に成膜した銅膜
６の表面を、増粘剤を介して粘性を増加させた研磨液５
０を用いて電解研磨することで、基板表面の銅の錯体が
存在する拡散層を増大させることにより、分極電位をア
ップさせ、基板表面全面の液中導電性を抑制することが
できる。これにより、基板Ｗの表面全面に渡って銅の溶
解及び／又は、銅イオンの液中移動を抑制し、微細な電
流密度の変動に対して敏感に反応しないようにして、高
い平坦性を得ることができる。すなわち、これら拡散層
の増大、分極電位アップ及び導電性抑制は、研磨液の粘
度の値に大きく左右され、研磨液の粘度を上げることで
研磨の際の平坦性を向上させることができる。この研磨
液５０としては、粘度が１０〜１００ｃＰ、より好まし
くは２０〜６０ｃＰで、導電率が１〜２０ｍＳ／ｃｍ、
より好ましくは５〜１８ｍＳ／ｃｍであるものを使用す
ることが、十分な平坦性を得る上で好ましい。また、研
磨液５０の温度は、０〜３０℃であることが好ましく、
５〜２５℃であることが更に好ましい。

【００２９】これにより、図６（ｂ）に示すように、バ
リア膜５上のシード層７と該シード層７の上の銅膜６を
除去して、バリア膜５の表面を露出させ、このバリア膜
５の表面とコンタクトホール３及び配線用の溝４に充填
した銅膜６の表面を平坦化させて電解研磨を完了する。
同一処理部で電解研磨から化学研磨に切り換えることも
ある。

【００３０】この銅の溶解する無機酸としては、例えば
リン酸が、同じく有機酸としては、例えばクエン酸、シ
ュウ酸またはグルコン酸が挙げられる。増粘剤としての
多価アルコール類としては、例えば、エチレングリコー
ル、プロピレングリコール、グリセリン等が、同じく高
分子多価アルコール類としては、ポリエチレングリコー
ル、ポリプロピレングリコール等が、同じくアルキレン
グリコールアルキルエーテル類としては、エチレングリ
コール−エチルエーテル、エチレングリコール−メチル
エーテル、エチレングリコール−プロピルエーテル、エ
チレングリコール−フェニルエーテル、プロピレングリ
コール−エチルエーテル、プロピレングリコール−メチ
ルエーテル、プロピレングリコール−フェニルエーテ
ル、ジプロピレングリコール−モノメチルエーテル等が
挙げられる。

【００３１】この時、電解研磨の際に印加される電流波
形パルスとして、パルス波形またはＰＲパルス波形を使
用することで、研磨液中に含まれる添加剤の拡散を改善
することができる。

【００３２】ここで、研磨液を使用して電解または化学
研磨を行った時の実験結果例を図７〜図９に示す。ここ
で、図７は、研磨液の粘度及び導電率と研磨効果の関係
を、図８は、液温と研磨効果の関係を、図９は、電流波
形と研磨効果の関係をそれぞれ示す。これらの図におい
て、ａ−１，ａ−２，ｃ−１，ｃ−２は、下記の表１の
電荷条件を示している。

【００３３】

【表１】図７は、基本液にリン酸を使用し、増粘剤としてジプロ
ピレングリコール−モノメチルエーテルを添加し、水の
混合で粘度を変えた研磨液を使用して研磨した時の結果
を示す。この図７から、液の粘度の上昇と導電率の下降
に伴って、研磨効果は上がり、粘度２０〜６０ｃｐ、導
電率１７〜９ｍＳ／ｃｍの範囲で研磨効果指数がピーク
を示していることが判る。

【００３４】図８は、リン酸１００ｍｌ、ジプロピレン
グリコール−モノメチルエーテル１５０ｍｌ、水１５０
ｍｌを混合した液組成を有し、温度を変えた研磨液を使
用して研磨した時の結果を示す。この図８から、各電解
条件によって研磨効果が変化し、液温が３０℃以下、特
に２５℃以下で研磨効率が上昇することが判る。

【００３５】図９は、リン酸１００ｍｌ、ジプロピレン
グリコール−モノメチルエーテル１５０ｍｌ、水５０ｍ
ｌを混合した液組成を有しする研磨液を使用し、パルス
波形の変化させた時の結果を示す。ここで、１０／１０
Ｓｅｃは、ＯＮが１０Ｓｅｃ、ＯＦＦが１０Ｓｅｃを示
している。これにより、１ｍＳｅｃ〜１Ｓｅｃ、より好
ましくは１ｍＳｅｃ〜１００ｍＳｅｃのＯＮ／ＯＦＦパ
ルス波形が望ましいことが判る。

【００３６】ここで、図３に示す電解または化学研磨処
理部１８にあっては、電解研磨処理中に基板Ｗを回転さ
せ、同時に板体５８を往復動させる。図４に示す電解ま
たは化学研磨処理部１８にあっては、基板Ｗと板体５８
を共に同方向に回転させる。これによって、基板Ｗと板
体５８とを相対移動させ、しかも基板上の各ポイントに
おける板体５８との相対速度をより均一にして、基板Ｗ
と板体５８との間の極間を流れる研磨液５０の流れの状
態をより均一に、すなわち研磨液５０の流れに特異点が
生じなくすることで、基板Ｗの局部的な研磨が増幅され
て平坦性が悪くなることを防止する。なお、このこと
は、次の電解または化学研磨処理部における化学研磨処
理にあっても同様である。

【００３７】次に、第１の電解または化学研磨処理部１
８で第１段の電解また化学研磨処理を施した基板を第２
の電解または化学研磨処理部２０に搬送し、ここで基板
の表面に第２段の電解または化学研磨処理を施す（ステ
ップ６）。この時、化学研磨処置にあっては、研磨液
（化学薬品）として、前記電解または化学研磨処理（ス
テップ５）に使用した粘性を上げた研磨液に、銅の表面
に吸着し、銅の溶解を化学的に抑制する添加剤、または
銅と強固な錯体を形成するか、または銅表面に不動態化
皮膜を生成させることを助長する基本液や添加剤を添加
したものを使用する。

【００３８】これにより、銅膜６の表面とＴａＮ等の導
電性物質からなるバリア膜５の表面を、この基本液や添
加剤を添加した研磨液を用いて電解または化学研磨する
ことで、銅膜６とバリア膜（ＴａＮ，Ｔａ，ＷＮ，Ｔｉ
Ｎなど）５とを同じ研磨レートで均一に研磨することが
できる。これによって、図６（ｃ）に示すように、酸化
膜２上のバリア膜５を除去して酸化膜２の表面を露出さ
せ、この酸化膜２の表面とコンタクトホール３及び配線
用の溝４に充填した銅膜６の表面を平坦化させて第２段
の第２の電解または化学研磨処理を完了する。

【００３９】ここで、銅の溶解を電気化学的に抑制する
添加剤としては、例えば、イミダゾール、ベンズイミダ
ゾール、ベンゾトリアゾール、フェナセチン等が挙げら
れる。また、銅表面に不動態化皮膜を生成させることを
助長する基本液としては、例えば、クロム酸が、銅と強
固な錯体を形成させる添加剤としては、例えば、ＥＤＴ
Ａやキナルジン等が、銅と強固な錯体を形成させる基本
液としては、例えばピロリン酸が挙げられる。

【００４０】このようにして、酸化膜またはＬｏｗ−Ｋ
材膜２上の不要な銅膜６とバリア膜５を電解研磨処理及
び／または化学研磨処理によって除去し、酸化膜２の表
面とコンタクトホール３及び配線用の溝４に充填した銅
膜６の表面を平坦化させることで、ＣＭＰ処理自体を省
略することができる。

【００４１】次に、第２段の電解または化学研磨処理後
の基板Ｗを洗浄・乾燥処理部２２に搬送し、ここで洗浄
し乾燥させ（ステップ７）、蓋めっき処理部２４の前処
理部２４ａに搬送し、ここで、基板に、例えば基板表面
を再度洗浄する前処理を施す（ステップ８）。そして、
銅膜６の表面にＰｄ付着部２４ｂでＰｄを付着させて銅
膜６の露出表面を活性化させ（ステップ９）、しかる
後、めっき前処理部２４ｃでめっき前処理、例えば中和
処理を施す（ステップ１０）。次に、無電解ＣｏＷＰめ
っき処理部２４ｄに搬送し、ここで、活性化した銅膜６
の表面にＣｏＷＰによる選択的な無電解めっきを施し、
これによって、図６（ｄ）に示すように、銅膜６の露出
表面をＣｏＷＰ膜Ｐで保護する（ステップ１１）。この
めっき液としては、例えば、コバルトの塩とタングステ
ンの塩に、還元剤、錯化剤、ｐＨ緩衝剤及びｐＨ調整剤
を添加したものがあげられる。なお、研磨後に露出した
表面に、例えば無電解Ｎｉ−Ｂめっきを施して、配線６
の外部への露出表面に、Ｎｉ−Ｂ合金膜からなる保護膜
（めっき膜）Ｐを選択的に形成して配線６を保護するよ
うにしてもよい。この保護膜Ｐの膜厚は、０．１〜５０
０ｎｍ、好ましくは、１〜２００ｎｍ、更に好ましく
は、１０〜１００ｎｍ程度である。この保護膜Ｐを形成
する無電解Ｎｉ−Ｂめっき液としては、例えばニッケル
イオン、ニッケルイオンの錯化剤、ニッケルイオンの還
元剤としてのアルキルアミンボランまたは硼素化水素化
合物を含有し、ｐＨ調整にＴＭＡＨ（水酸化テトラメチ
ルアンモニウム）を使用して、ｐＨを５〜１２に調整し
たものが使用される。

【００４２】次に、この蓋めっき処理後の基板Ｗを洗浄
・乾燥処理部２４ｅに搬送して洗浄・乾燥処理を行い
（ステップ１２）、この洗浄・乾燥後の基板Ｗを搬送装
置２６でロード・アンロード部１１のカセットに戻す
（ステップ１３）。なお、この例では、蓋めっき処理と
して、ＣｏＷＰ無電解めっき処理を施す前に、Ｐｄを付
着することによって活性化させた銅膜６の露出表面をＣ
ｏＷＰ膜で選択的に被覆するようにした例を示している
が、これに限定されないことは勿論である。

【００４３】ここで、図１０に示すように、前記ステッ
プ５における電解または化学研磨処理とステップ６にお
ける電解または化学研磨処理との間に、化学研磨処理ま
たは電解研磨処理（ステップ５−１）を、ステップ６に
おける電解または化学研磨処理とステップ７における洗
浄・乾燥処理との間に、化学研磨処理または複合電解研
磨処理（ステップ６−１）を行うことが好ましい。

【００４４】すなわち、基板Ｗの表面に電解研磨処理を
施して、基板Ｗの表面に形成された銅膜６を研磨除去す
ると（ステップ５）、研磨条件等によっては、図１１
（ａ）に示すように、バリア膜５の表面に銅６ａが残る
ことがある。この状態で電解研磨処理を続けると穴や配
線溝中の銅のみが研磨され、バリア膜上の銅が残ってし
まう。

【００４５】そこで、このような場合に、例えば電源を
切って板体５８と基板Ｗとの間に所定の電圧を印加する
ことを止め、電解研磨処理（ステップ６）に使用した研
磨液を化学薬品とした化学研磨処理に切り換える（ステ
ップ６−１）。これによって、図１１（ｂ）に示すよう
に、バリア膜５の表面に残った銅６ａを除去する。

【００４６】なお、この例にあっては、電解研磨処理
（ステップ６）と化学研磨処理（ステップ６−１）を同
じ研磨液を使用し同じ研磨槽内で行うようにしている
が、別の研磨槽内に、例えば電流密度の高いエリアに多
く吸着した添加剤の効果により、残った銅６ａを優先的
に除去する添加剤を添加した研磨液（化学薬品）による
化学研磨処理または同様な研磨液（電解液）による電解
研磨処理を行うようにしてもよい。この添加剤として
は、例えばイミダゾール、ベンズイミダゾール、ベンゾ
トリアゾール、フェナセチン等が挙げられる。

【００４７】また、基板Ｗの表面にバリア膜５と銅膜６
を同時に除去する化学研磨処理または電解研磨処理を施
すと（ステップ６）、研磨条件等によっては、図１１
（ｃ）に示すように、酸化膜またはＬｏｗ−Ｋ材膜２の
表面にＴａＮ等バリア層の残存の導電性物質５ａが残る
ことがある。これでは、ＣＭＰ処理工程自体を省略する
ことができない。

【００４８】そこで、このような場合に、例えば、前記
電解研磨処理（ステップ５）に使用した電解液に添加し
た添加剤より効果の強い添加剤を添加した研磨液で電解
または化学研磨を施したり、または銅を不動態化させる
基本液を使用したり、不動態化電解条件により、電解研
磨処理を施すことで、図６（ｃ）に示すように、酸化膜
またはＬｏｗ−Ｋ材膜（絶縁膜）２の表面とコンタクト
ホール３及び配線用の溝４に充填した銅膜６の表面を平
坦化させる。

【００４９】なお、この電解または化学研磨処理の代わ
りに、銅膜６とＴａＮ等の導電性物質からなるバリア膜
５の全面を不動態化させて全面を同時に複合電解研磨処
理で研磨除去するようにしてもよく、また電解または化
学研磨処理に引き続いて、このような複合電解研磨処理
を行うようにしてもよい。

【００５０】この複合電解研磨処理は、研磨液の中に研
磨砥粒を加えることで、図１２に示すように、この砥粒
Ｇが基板Ｗの表面に残り、不動態化された銅やＴａＮ等
の突起部Ｐを研磨除去し、同時に砥粒Ｇにより研磨除去
された不動態層の下に存在するＴａＮ等の導電性物質か
らなるバリア膜５を電解及び化学研磨で優先的に研磨除
去するようにしたもので、これにより、銅膜とＴａＮ等
の導電性物質からなるバリア膜５を同時研磨することが
できる。例えば、研磨仕上げ面の面粗さを１００Å以下
とするならば、砥粒粒度は＃５０００以上が好ましい。

【００５１】図１３は、本発明の他の実施の形態の配線
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１０の内部に位置して、ロード・アンロード部
１１と、このロード・アンロード部１１の反対側から順
に配置された銅めっき処理部１２、洗浄・乾燥処理部１
４、第１の電解または化学研磨処理部１８、第２の電解
または化学研磨処理部２０、洗浄・乾燥処理部２２及び
アニール処理部１６とを有し、更に搬送経路２５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２６が備えられている。銅めっき処理部１２、電解ま
たは化学研磨処理部１８，２０等の構成は、前述したも
のと同様である。

【００５２】次に、図１４を参照して配線形成処理につ
いて説明する。この例は、前記図１８（ｂ）に示す銅膜
６を堆積させた基板Ｗの表面を、ＣＭＰ工程を経て平坦
化して銅配線を形成するのであるが、このＣＭＰ工程に
おける負荷を低減するようにした例を示す。仕上げの平
坦化はＣＭＰ工程で行う。

【００５３】先ず、表面にシード層７を形成した基板Ｗ
（図１８（ａ）参照）をロード・アンロード部１１から
搬送装置２６で一枚ずつ取り出し、銅めっき処理部１２
に搬入する（ステップ１）。

【００５４】次に、この銅めっき処理部１２で、例えば
電解銅めっき処理を行って、基板Ｗの表面に銅膜６（図
１８（ｂ）参照）を形成する（ステップ２）。そして、
この銅めっき処理後の基板Ｗを洗浄・乾燥処理部１４に
搬送し洗浄して乾燥させ（ステップ３）、しかる後、第
１の電解または化学研磨処理部１８に搬送する。

【００５５】次に、この第１の電解または化学研磨処理
部１８で基板Ｗの表面（被めっき面）に第１段の電解ま
たは化学研磨処理を施して、基板Ｗの表面に形成された
銅膜６の研磨除去する（ステップ４）。この時、電解研
磨にあっては、図３及び図４に示す研磨液（電解液）５
０として、前述と同様に、銅を溶解する無機酸及び／ま
たは有機酸のいずれか１種類以上と、増粘剤としての多
価アルコール類、高分子多価アルコール類またはアルキ
レングリコールアルキルエーテル類のいずれか１種類以
上を含むことで、粘性を増加させた研磨液を使用し、こ
れによって、基板表面の拡散層を増大させるとともに、
分極電位をアップさせ、更に基板全面の液中導電性を抑
制して、高い平坦性を得る。

【００５６】次に、第１段の電解研磨処理後の基板を第
２の電解または化学研磨処理部２０に搬送し、ここで基
板の表面に第２段の電解または化学研磨処理を施す（ス
テップ５）。この時、化学研磨にあっては、研磨液（化
学薬品）として、前述と同様に、前記電解研磨処理に使
用した粘性を上げた研磨液に、銅の表面に吸着し、銅の
溶解を化学的に抑制する添加剤、または銅と強固な錯体
を形成するか、または銅表面に不動態化皮膜を生成させ
ることを助長する基本材または添加剤を添加したものを
使用し、これによって、銅膜６（図１８（ｂ）参照）の
平坦度を更に向上させる。ここで、化学研磨処理を省略
しても良い。

【００５７】なお、この化学研磨処理の代わりに、同様
な添加剤を添加した研磨液を使用した電解研磨処理を行
ってよく、また電解研磨電源を切って、電解研磨処理
（ステップ４）に使用した研磨液を使用した化学研磨処
理を行うようにしてもよいことは、前述と同様である。
そして、銅膜６の膜厚がアニールに必要な最低膜厚、例
えば３００ｎｍに達した時に、化学研磨を完了し、洗浄
・乾燥処理部２２に搬送する。

【００５８】この洗浄・乾燥処理部２２で基板を洗浄し
乾燥させ（ステップ６）、洗浄・乾燥後の基板Ｗをアニ
ール処理部１６に搬送する。そして、銅膜６を堆積させ
た状態で基板Ｗに熱処理を施して銅膜６をアニールし
（ステップ７）、しかる後、アニール後の基板Ｗを搬送
装置２６でロード・アンロード部１１のカセットに戻す
（ステップ８）。

【００５９】そして、別の装置で基板Ｗの表面にＣＭＰ
処理を施し（ステップ９）、これによって、コンタクト
ホール３及び配線用の溝４に充填させた銅膜６の表面と
酸化膜２の表面とをほぼ同一平面にして、銅膜６からな
る配線を形成し（図１８（ｃ）参照）、必要に応じて、
前述と同様な蓋めっき処理を施す（ステップ１０）。

【００６０】この例によれば、例えば基板の表面に微細
穴と大穴が混在するように場合にあっても、電解研磨処
理１段、または電解研磨処理と化学研磨処理または電解
研磨処理の少なくとも２段の研磨処理を行うことで、銅
膜の平坦性を向上させ、これによって、その後のＣＭＰ
加工をディッシングの発生を防止しつつ短時間で行うこ
とができる。

【００６１】なお、電解研磨により、基板の被めっき面
を平坦化させるには、基板を限りなく平らに保持すると
ともに、板体（カソード）を限りなく平らに加工して、
両者を限りなく近接させた状態で相対運動を行わせ、同
時に基板面内に研磨液の流れと電場の特異点を生じさせ
ないことが重要である。

【００６２】図１５及び図１６は、この要請に応えた電
解または化学研磨処理部１８，２０の更に他の例を示
す。これは、上方に開口して内部に研磨液５０を保持す
る円筒状の研磨槽５２と、基板Ｗを着脱自在に下向きに
保持して該基板Ｗを前記研磨槽５２の上端開口部を塞ぐ
位置に配置する基板保持部５６とを有している。

【００６３】研磨槽５２は、略円板状の底板部７２と、
この底板部７２の外周端部に固着した円筒状の溢流堰部
７４と、この溢流堰部７４の外周を囲繞して該溢流堰部
７４との間に研磨液排出部７６を形成する外殻部７８と
を有しており、この研磨槽５２の底板部７２の上面に、
研磨液５０中に浸漬されてカソードとなる平板状の板体
（陰極板）５８が水平に配置されている。

【００６４】研磨槽５２の底板部７２の下面中央には、
円筒状のボス部７２ａが一体に連接され、このボス部７
２ａは、軸受８０を介して回転軸８２の上端のクランク
部８２ａに回転自在に連接されている。つまり、このク
ランク部８２ａの軸心Ｏ_１は、回転軸８２の軸心Ｏ_２か
ら偏心量ｅだけ偏心した位置に位置し、このクランク部
８２ａの軸心Ｏ_１とボス部７２ａの軸心が一致するよう
になっている。また、回転軸８２は、軸受８５ａ，８５
ｂを介して外殻部７８に回転自在に支承され、更に、図
示していないが、底板部７２と外殻部７８との間に、底
板部７２の自転を防止する自転防止機構が備えられてい
る。

【００６５】これによって、回転軸８２の回転に伴っ
て、クランク部８２ａが偏心量ｅを半径とした公転運動
を行い、このクランク部８２ａの公転運動に伴って、底
板部７２も板体５８と一体に偏心量ｅを半径としたスク
ロール運動（並進回転運動）、即ち、自転運動を阻止さ
れた偏心量ｅを半径とした公転運動を行うようになって
いる。

【００６６】ここで、図１６に示すように、板体５８の
直径ｄ_３は、直径ｄ_４の基板Ｗがスクロール運動を行っ
ても、この板体５８の表面から基板Ｗが食み出すことが
ない大きさに設定され、また下記の研磨液供給孔５８ｂ
を内包する研磨液噴射領域の直径ｄ_５は、直径ｄ_４の基
板Ｗがスクロール運動を行っても、この基板Ｗから研磨
液噴射領域が食み出すことがない大きさにそれぞれ設定
されている。

【００６７】底板部７２の内部には、循環槽８４から延
び、途中に圧送ポンプ８６を有する研磨液供給配管８８
に連通する研磨液室７２ｂと、この研磨液室７２ｂから
上方に貫通して延びる複数の研磨液吐出孔７２ｃが設け
られている。循環槽８４は、戻り配管９０を介して研磨
槽５２の研磨液排出部７６に連通している。

【００６８】一方、板体５８は、例えば銅めっき膜を電
解研磨する時に使用する場合には、表面の酸化膜の影響
で銅との密着力が悪い材料、例えばチタンで構成されて
いる。これにより、例えば銅めっき膜に電解研磨を施す
と、溶解した銅イオンは板体（カソード）５８側に析出
するが、板体５８をチタンのような表面の酸化膜の影響
で銅との密着力が悪い材料で構成することで、銅イオン
を析出すると同時に銅粒子として研磨液中に浮遊させ、
しかも、水素ガスの発生を防止して、平坦度に優れた研
磨を行うことができる。

【００６９】更に、板体５８の表面には、面内を縦及び
横方向に全長に亘って直線状に延びる格子状に溝５８ａ
が設けられ、内部の各研磨液吐出孔７２ｃに対応する位
置には、この溝５８ａの内部に開口する複数の研磨液供
給孔５８ｂが設けられている。

【００７０】これによって、電解研磨の際に、研磨液を
板体５８の表面に設けた溝５８ａから板体５８と基板Ｗ
との間の極間に供給し、この研磨液中に浮遊する粒子を
遠心力の作用で溝５８ａの中を通過させて外方にスムー
ズに流出させることで、極間部には常に新たな研磨液が
存在するようにすることができる。しかも、銅めっき膜
を電解研磨する時に、板体５８として、チタンのような
表面の酸化膜の影響で銅との密着力が悪い材料を選択す
ることで、溶解して板体側に析出する銅イオンを、析出
すると同時に銅粒子として研磨液中に浮遊させ、この研
磨液を溝５８ａを通過させてスムーズに外部に流出させ
ることで、板体５８の表面の平坦度が経時的に劣化する
ことを防止して、板体５８の平坦度を確保することがで
きる。

【００７１】なお、この溝５８ａの形状は、板体５８の
中央部と外周部とで電流密度に差が生じてしまうことを
防止するとともに、研磨液が溝５８ａに沿ってスムーズ
に流れるようにするため、基板Ｗがスクロール運動を行
う場合には、格子状であることが好ましく、また基板Ｗ
が往復動を行う場合には、この移動方向に沿った平行で
あることが好ましい。

【００７２】基板保持部５６は、下方に開口したハウジ
ング９２の内部に、昇降ロッド９４を介して昇降自在
で、かつモータ６０を介してハウジング９２と一体に回
転するように収容されており、この基板保持部５６の内
部には、真空源に連通する真空室５６ａと、該真空室５
６ａから下方に貫通する多数の真空吸着穴５６ｂが設け
られている。これによって、基板保持部５６は、真空吸
着方式で基板Ｗを保持するようになっている。

【００７３】基板Ｗには、通常小さなうねりが有り、基
板の保持の仕方によっては更に変形し、この変形した状
態で電界研磨による平坦化処理をしても、０．１μｍ以
下の平坦化は不可能となるが、このように、真空吸着方
式を採用して、基板Ｗをその全面に亘って吸着保持する
ことで、基板に存在するうねりを吸収して、基板をより
平坦に保持し、これによって、電界研磨による平坦化処
理によって、０．１μｍ以下の平坦化が可能となる。な
お、この真空吸着方式の代わりに、静電チャック方式を
採用して基板を保持するようにしても良い。

【００７４】ここで、基板Ｗを基板保持部５６で吸着保
持して、基板Ｗを研磨処理を行う処理位置まで下降させ
た時、この基板Ｗの下面と板体５８の上面との極間距離
Ｓが、機構的に可能な限り小さく、好ましくは、１．０
ｍｍ以下、更に好ましくは、０．５ｍｍ以下となるよう
になっている。このように、極間距離Ｓを、機構的に可
能な限り小さく、好ましくは、１．０ｍｍ以下、更に好
ましくは、０．５ｍｍ以下とすることで、基板Ｗの表面
の研磨されるべき凸部への電流の集中を促進し、しか
も、基板Ｗと板体５８との間に面に垂直な電界を形成し
て、基板Ｗの表面（被めっき面）全面にわたって均一な
平坦性を得ることができる。

【００７５】ハウジング９２には、基板保持部５６で基
板Ｗを吸着保持した時、この基板Ｗのベベル部または周
縁部と接触して、基板Ｗを陽極（アノード）にする電気
接点９６が設けられ、更に基板保持部５６の下面には、
基板Ｗを保持した時に該基板Ｗの上面と圧接してここを
シールするパッキン９８が設けられている。

【００７６】次に、電解または化学研磨処理部１８，２
０で電解研磨処理を行う時の動作について説明する。先
ず、研磨槽５２内に研磨液５０を供給し、この研磨液５
０を溢流堰部７４からオーバフローさせた状態で、底板
部７２を板体５８と共にスクロール運動させる。この状
態で、前述のようにして、銅めっき等のめっき処理を施
した基板Ｗを下向きで吸着保持した基板保持部５６を基
板Ｗを回転させつつ、電解研磨処理を行う処理位置まで
下降させる。

【００７７】これにより、基板Ｗ上の各ポイントにおけ
る板体５８との相対速度をより均一にして、基板Ｗと板
体５８との間の極間を流れる研磨液５０の流れの状態を
より均一に、すなわち研磨液の流れに特異点が生じない
ようにする。

【００７８】この状態で、例えば図１７に示すように、
印加時間ｔ_１が、１ｍＳｅｃ〜２０ｍＳｅｃ、好ましく
は１０ｍＳｅｃで、印加電流密度が２〜２０Ａ／ｄｍ^２
のパルス電流を、例えば印加時間と同じ停止時間ｔ_２を
おいて、複数回に亘って印加する。すると、研磨電源投
入時は、酸化溶出はまず基板上の凸部より起こり、平坦
部へ降りてくる。従って、投入後、瞬時に電源をＯＦＦ
にし、これを繰り返せば凸部のみの選択研磨が可能とな
る。

【００７９】この時、板体５８の表面に設けた溝５８ａ
から板体５８と基板Ｗとの間の極間に研磨液を供給し、
この研磨液中に浮遊する粒子を遠心力の作用で溝５８ａ
の中を通過させて外方にスムーズに流出させることで、
極間部には常に新たな研磨液が存在するようにする。し
かも、銅めっきを電解研磨する時に、板体５８として、
チタンのような表面の酸化膜の影響で銅との密着力が悪
い材料を選択することで、溶解して板体側に析出する銅
イオンを析出すると同時に銅粒子として研磨液中に浮遊
させ、この研磨液を溝５８ａを通過させてスムーズに外
部に流出させることで、板体５８の表面の平坦度が経時
的に劣化することを防止して、板体５８の平坦度を確保
することができる。これにより、極間距離Ｓが変化せ
ず、しかも水素ガスが発生することはないので、平坦性
に優れた研磨が可能となる。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
銅めっき処理後の平坦化プロセスを主に電解または化学
研磨で行うことで、ＣＭＰ処理自体を省略するか、また
はＣＭＰ処理の負荷を低減し、しかも、最後の仕上げの
みをＣＭＰ処理に依存する場合を除き、アニールを含め
た一連の平坦化プロセスを同一ハウジング内で連続的に
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の配線形成装置の平面配置
図である。

【図２】図１に使用されている銅めっき処理部の概要図
である。

【図３】図１に使用されている電解または化学研磨処理
部の概要図である。

【図４】電解または化学研磨処理部の他の例を示す概要
図である。

【図５】図１に示す配線形成装置における処理工程の流
れを示す図である。

【図６】図５に示す処理工程によって銅配線を形成する
時の状態を工程順に示す断面図である。

【図７】研磨液を使用して電解または化学研磨を行った
時の研磨液の粘度及び導電率と研磨効果の関係を示すグ
ラフである。

【図８】同じく、液温と研磨効果の関係を示すグラフで
ある。

【図９】同じく、電流波形と研磨効果の関係を示すグラ
フである。

【図１０】図２に示す処理工程に付加される処理工程の
流れを示す図である。

【図１１】図１０によって銅配線を形成する時の状態を
工程順に示す断面図である。

【図１２】複合電解研磨処理の説明に付する図である。

【図１３】本発明の他の実施の形態の配線形成装置の平
面配置図である。

【図１４】図１３に示す配線形成装置における処理工程
の流れを示す図である。

【図１５】電解または化学研磨処理部の更に他の例を断
面図である。

【図１６】図１５の電解または化学研磨処理部に使用さ
れている板体の平面図である。

【図１７】図１５に示す電解または化学研磨処理部に印
加する電流パルスの例を示す図である。

【図１８】銅めっき処理によって銅配線を形成する例を
工程順に示す断面図である。

【図１９】従来の基板に銅めっき処理を施した時の問題
点の説明に付する断面図である。

【符号の説明】

２酸化膜３コンタクトホール４溝５バリア膜５ａ導電性物質６銅膜６ａ銅７シード層１０ハウジング１１ロード・アンロード部１２銅めっき処理部１４，２２洗浄・乾燥処理部１６アニール処理部１８，２０電解または化学研磨処理部２４蓋めっき処理部２５搬送経路２６搬送装置３０めっき液３２めっき槽５０研磨液５２研磨槽

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２５Ｄ 7/12 Ｃ２５Ｆ 3/22 Ｃ２５Ｆ 3/22 3/30 3/30 7/00 Ｍ 7/00 Ｈ０１Ｌ 21/288 ＺＨ０１Ｌ 21/288 21/304 ６２２Ｎ 21/304 ６２２６２２Ｑ 21/88 ＭＦターム(参考） 4K024 AA09 AB01 AB15 BA11 BB12 BC10 CA01 DB01 DB10 GA02 GA16 4K057 WA04 WB04 WE04 WF04 WK01 WK06 WM11 WM13 WM18 WN01 4M104 BB04 BB17 BB30 BB32 BB33 DD52 DD53 DD64 DD75 DD78 FF22 HH12 5F033 HH07 HH11 HH15 HH19 HH21 HH32 HH33 HH34 JJ11 JJ21 JJ32 JJ33 JJ34 MM02 MM05 MM12 MM13 NN06 NN07 PP27 PP28 QQ46 QQ73 RR04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の表面に銅を成膜して該銅を微細窪
み内に埋込んだ銅配線を形成する配線形成装置であっ
て、ハウジングの内部に、基板を搬送する搬送経路を設け、
この搬送経路に沿って、銅めっき処理部、電解または化
学研磨処理部及びアニール処理部を配置したことを特徴
とする配線形成装置。
【請求項２】基板の洗浄を行う洗浄処理部を配置した
ことを特徴とする請求項１記載の配線形成装置。
【請求項３】第１段の電解または化学研磨処理と、第
２段の電解または化学研磨処理を行う少なくとも２つの
研磨処理部を有することを特徴とする請求項１または２
記載の配線形成装置。
【請求項４】前記ハウジングの内部に、前記銅配線の
露出表面を選択的に覆って保護する保護膜を形成する蓋
めっき処理部を配置したことを特徴とする請求項１乃至
３のいずれかに記載の配線形成装置。
【請求項５】基板の表面に銅を成膜して該銅を微細窪
み内に埋込んだ銅配線を形成するにあたり、基板の表面に銅を成膜する工程と、この銅を成膜した基板の表面を研磨液中で電解または化
学研磨する研磨処理工程と、研磨処理工程後に銅膜を基板全面に残した状態で基板に
熱処理を施すアニール工程とを有することを特徴とする
配線形成方法。