JP2003109919A - 研磨装置、研磨方法、および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被研磨面を局所的に研磨可能であり、被研磨
面の研磨状態を直接モニターし、被研磨面を直接洗浄す
ることができる研磨方法を提供する。 【解決手段】 被処理面を有する半導体基板（６０１）
を、前記被処理面を上向きにして回転させる工程と、前
記被処理面にスラリーを供給して、研磨の進行状態をｉ
ｎ−ｓｉｔｕでモニターしつつブラシ（６０２）により
研磨する工程とを具備する方法である。前記スラリーの
粘度は、１０ｍＰａＳ以上１００ｍＰａＳ以下であるこ
とが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨装置、研磨方
法および半導体装置の製造方法に係り、特に、ＤＲＡＭ
や高速ロジックＬＳＩに搭載されるＡｌ、Ｃｕ、Ｗなど
のダマシン配線の形成や、絶縁膜の平坦化のための研磨
技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在の半導体製造分野において、ＣＭＰ
は必須のプロセスとされており、特に、図８に示すよう
なテーブルタイプの研磨装置が主流とされている。こう
した従来のテーブルタイプの研磨装置においては、図示
するように定盤５００上に研磨パッド５０１が配置さ
れ、ウエハ５０２は、被研磨面を下方のパッド５０１に
向けてパッド５０１の上方に設けられる。定盤５００は
所定の回転数で回転し、ウエハ５０２は、定盤５００上
を円形軌道に沿って移動しつつ所定の回転数で回転す
る。研磨パッド５０１表面のコンディショニングは、ダ
イヤモンドドレッサー５０３により行なわれる。

【０００３】また、研磨パッド５０１には、スラリー供
給ノズル５０６からスラリーが供給され、純水供給ノズ
ル５０７および薬液供給ノズル５０８から、純水および
薬液がそれぞれ供給される。

【０００４】さらに従来のテーブルタイプの研磨装置
は、上述の部材に加えてウエハ５０２の被研磨面の研磨
状態をモニターするための光学式センサー５０５、およ
びダイヤモンドドレッサー５０３を洗浄するためのドレ
ッサー洗浄部５０４を具備している。そのため、装置幅
は２．５ｍという大きなものとなる。

【０００５】将来的には、配線深さ０．２μｍ以下の超
薄膜ダマシン配線を形成することが要求される。また、
ＬＳＩチップを多量に得るためにシリコンウエハは１２
インチ以上の大きさになり、大口径化されたウエハの処
理が必要とされる。こうした要求に応えて量産レベルで
安定したプロセスを行なうことは、従来のテーブルタイ
プでは難しくなりつつある。

【０００６】例えば、エロージョンの小さいダマシン配
線を形成するためには、研磨パッドのきめ細かいコンデ
ィショニングが不可欠である。従来の研磨装置では、図
８に示されるようにダイヤモンドドレッサー５０３によ
って、研磨パッド５０１のコンディショニングが行なわ
れる。研磨パッド５０１の表面には、図９に示されるよ
うに２０μｍ未満程度の凹凸を形成することが必要であ
るものの、こうした凹凸を安定に制御することは難し
い。これは、研磨パッド５０１の最も難しい技術課題の
一つである。

【０００７】エロージョンは、研磨時間を最適化するこ
とによって、ある程度は抑制することができ、研磨時間
の最適化は、光学的、流体式、静電容量的あるいは電気
的に研磨の終点を求めることによって行なわれる。従来
のテーブルタイプの研磨装置においては、ウエハ５０２
表面が研磨パッド５０１と向き合い接触している。この
ため、ウエハ５０２の表面状態を直接モニターする場合
には、図８に示されるようにウエハ５０２をパッド５０
１のないところまで移動させて、下方に配置された光学
式センサー５０５によりウエハ５０２の表面状態を観察
する。あるいはパッド５０１に穴を形成し、その穴を介
してウエハ５０２の表面状態がモニターされる。いずれ
の場合も、スループットを落としたり、ＣＭＰ特性を劣
化させるといった懸念がある。

【０００８】また従来の研磨装置では、ウエハ５０２の
一部に削れ残りのメタルが存在した場合、その残り部だ
けを研磨することはできず、ウエハ全体を研磨しなけれ
ばならなかった。このため、過剰に研磨される領域が発
生し、配線深さにばらつきが生じてしまう。ウエハ５０
２が大口径化されるにつれて、この影響が大きくなる。

【０００９】さらに、研磨パッド５０１を介して純水や
薬液が供給されるため、従来の研磨装置におけるウエハ
５０２の洗浄は間接的である。スラリーの供給から薬液
の供給に切り替える際には、純水が研磨パッド５０１を
介してウエハ５０２に供給される。このとき、パッド５
０１上からスラリーの残留物を完全に除去することが困
難であるため、ウエハ５０２を十分に洗浄することが難
しい。

【００１０】次世代の１２インチウエハを研磨する際に
は、図８に示した構成の装置はさらに大型化するため、
装置スペースが非常に大きくなる。また、重いテーブル
を回転させるために電気代も無視できなくなる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、被研
磨面を局所的に研磨可能であり、被研磨面の研磨状態を
直接モニターし、被研磨面を直接洗浄することができる
コンパクトな研磨装置を提供することを目的とする。

【００１２】また本発明は、被研磨面を局所的に研磨可
能であり、被研磨面の研磨状態を直接モニターし、被研
磨面を直接洗浄することができる研磨方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１３】さらに本発明は、超薄膜ダマシン配線を形
成でき、大口径化されたウエハの処理に対応して、量産
レベルで安定して半導体装置を製造し得る方法を提供す
ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、被処理面を有する半導体基板を、前記被
処理面を上向きに載置して支持しつつ、前記半導体基板
を回転させる回転機構と、前記被処理面を研磨するため
のスラリーを前記被処理面に供給するスラリー供給機構
と、前記被処理面を研磨するブラシと、前記被処理面の
上方に配置され、研磨の進行状態を検知するモニターと
を具備することを特徴とする研磨装置を提供する。

【００１５】また本発明は、被処理面を有する半導体基
板を、前記被処理面を上向きにして回転させる工程と、
前記被処理面にスラリーを供給して、研磨の進行状態を
ｉｎ−ｓｉｔｕでモニターしつつブラシにより研磨する
工程とを具備することを特徴とする研磨方法を提供す
る。

【００１６】さらに本発明は、半導体基板上に絶縁膜を
形成する工程と、前記絶縁膜に溝を形成する工程と、前
記溝の内部および前記絶縁膜の上に導電性材料を堆積し
て、導電性層を形成する工程と、前記絶縁膜の上に堆積
された前記導電性材料を除去して前記絶縁膜の表面を露
出させることにより、前記導電性材料を前記溝内部に残
置する工程とを具備し、前記絶縁膜上に堆積された前記
導電性材料の除去は、前記導電性層にスラリーを供給し
てブラシで研磨することにより行なわれることを特徴と
する半導体装置の製造方法を提供する。

【００１７】またさらに本発明は、半導体基板上に絶縁
膜を形成する工程と、前記絶縁膜に溝を形成する工程
と、前記溝の内部および前記絶縁膜の上に導電性材料を
堆積して、導電性層を形成する工程と、前記絶縁膜の上
に堆積された前記導電性材料を除去して前記絶縁膜の表
面を露出させることにより、前記導電性材料を前記溝内
部に残置する工程とを具備し、前記絶縁膜上に堆積され
た前記導電性材料の除去は、前記導電性層を上向きにし
て前記半導体基板を回転させ、前記導電性層にスラリー
を供給して、研磨の進行状態をｉｎ−ｓｉｔｕでモニタ
ーしつつブラシで研磨することにより行なわれることを
特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１に、本発明の一実施形態にか
かる研磨装置の構成を表わす概略図を示す。

【００１９】図示する研磨装置においては、ウエハ保持
機６００は、ウエハ６０１の被研磨面（被処理面）を上
方に向けてこれを保持し、所定の回転数で回転可能であ
る。ウエハ６０１の被研磨面には、スラリー供給ノズル
６０４からスラリーが供給され、水供給ノズル６０５お
よび薬液供給ノズル６０６から、水および薬液がそれぞ
れ供給される。スラリーを除去するために水供給ノズル
６０５から供給される水としては、純水およびイオン水
等を用いることができる。また、薬液供給ノズル６０６
から供給される薬液としては、コロージョン抑制のため
の界面活性剤、パーティクル除去（リフトオフ）するた
めのアンモニア水、および有機酸等が用いられる。

【００２０】ウエハ６０１の被研磨面は、スラリー供給
ノズル６０４からスラリーを供給して移動式ブラシ６０
２により研磨され、この研磨中には、移動式光学式セン
サー６０３によって研磨の進行状態がｉｎ−ｓｉｔｕで
モニターされる。

【００２１】所望の研磨が達成されたことがモニター６
０３により検知されると、被研磨面には水供給ノズル６
０５から水が供給される。これによって、被研磨面から
スラリーが除去され、さらに、薬液供給ノズル６０６か
ら薬液が供給されて、被研磨面の洗浄が行なわれる。水
や薬液を被研磨面に供給する際には、必ずしもブラシ６
０２を用いる必要はなく、こうした液体を単に被研磨面
に供給するだけでもよい。あるいは、水や薬液を供給し
ながら、例えばロールスポンジ等（図示せず）によっ
て、スラリーを除去したり、被研磨面を洗浄することも
できる。場合によっては、水や薬液の供給時にブラシを
用いてもよい。このとき、ブラシの作用によって機械的
に研磨される量は無視できる程度であるので、被研磨面
に特に問題は生じない。

【００２２】図８に示した従来のテーブルタイプの装置
幅２．５ｍと比較すると、図１に示される研磨装置の幅
は０．５ｍとコンパクトである。図８に示したように従
来の研磨装置では、大きな研磨パッド５０１を用いるこ
とが前提とされていた。そのため、パッド５０１のコン
ディショニングを行なう装置であるダイヤモンドドレッ
サー５０３およびその洗浄部５０４、さらに研磨の進行
を観察する装置である光学式センサー５０５を、研磨位
置近く（同じステージ上）に備える必要があった。これ
は研磨処理を迅速に行なうためであり、こうした理由か
ら、従来のテーブルタイプの研磨装置は大型になってい
た。

【００２３】これに対して図１に示す研磨装置では研磨
材はブラシ６０２なので、大きな研磨パッドや、そのた
めのコンディショナーは必要とされない。さらに、ウエ
ハ６０１の被研磨面が上方を向いて載置されるので、モ
ニター装置６０３は、研磨部の横ではなくウエハの上方
に取り付けられる。したがって、横方向に付加的なスペ
ースを必要とせず装置内の空間が効率よく利用され、装
置の小型化を図ることが可能となった。

【００２４】すでに説明したように、ウエハ６０１の研
磨はブラシ６０２により行なわれるため、図１に示され
る研磨装置においては、従来の研磨パッドのコンディシ
ョニングをするための設備は必要とされない。ブラシの
清浄（コンディショニング）は、研磨中に吸着した研磨
くずおよび／またはスラリーを、ブラシ清浄機構で除去
することによって行なうことができる。例えば、待機中
に純水および／または薬液のプール６０７中で、ブラシ
を超音波洗浄することによって行なうことができる。あ
るいは、ブラシと同様の有機系材料からなるプレートに
擦り付けて行なってもよい。

【００２５】図１に示す装置において用いられるブラシ
は、図２（ａ）に示すような円柱状のカップタイプ、図
２（ｂ）に示すようなスタンダードタイプ、図２（ｃ）
に示すようなロールタイプ、および図２（ｄ）に示すよ
うな剣山タイプとすることができる。図２（ａ）に示さ
れるカップタイプのブラシおよび図２（ｄ）に示される
剣山タイプのブラシは自転可能であり、図２（ｂ）に示
されるスタンダードタイプのブラシは横運動（よう動）
可能である。また、図２（ｃ）に示したロールタイプの
ブラシは、長手に延びる軸の周りを回転する。

【００２６】こうしたタイプのブラシの毛は、塩化ビニ
ール製、ナイロン製、あるいはポリプロピレン製とする
ことができ、その毛先の直径は３０μｍ以下であること
が好ましい。図３に模式的に示すように、ブラシがウエ
ハに押し付けられたとき、ブラシの毛と隣接するブラシ
の毛の間の隙間との関係、すなわちブラシの毛先の断面
に沿った形状は、従来のパッド表面の凹凸に相当する。
なお、図３中、参照符号３０１はブラシの毛先の断面を
表わしている。従来のパッドの表面には、例えばエロー
ジョンの小さいダマシン配線を形成するために、２０μ
ｍ未満の微細な凹凸が形成される必要があり、ブラシの
場合には、ブラシの毛先の半径がその程度の大きさであ
ることが要求される。

【００２７】ブラシの毛先の直径を３０μｍ以下とする
ことによって、その半径は１５μｍ以下となるので、被
研磨面との間に最適な接触が得られ、エロージョンの小
さいダマシン配線を形成することができる。

【００２８】なお、ブラシの毛先の直径は、製造可能な
範囲で小さいことが望まれ、通常、その下限は５μｍ程
度である。

【００２９】（実施例１）実施例１では、ブラシを用い
た研磨によりＣｕダマシン配線を形成した例を挙げて説
明する。

【００３０】図１に示した装置を用いてＣｕダマシン配
線を形成する工程図を、図４（ａ）および（ｂ）に示
す。

【００３１】まず、図４（ａ）に示すように、半導体基
板１００上に絶縁膜１０１を形成し、深さ３００ｎｍの
溝を設けた。なお、半導体基板１００は、バルク基板ま
たはＳＯＩ基板とすることができ、この基板には素子
（図示せず）が集積形成されている。次いで、ＴａＮラ
イナ１０２を１０ｎｍ、およびＣｕ膜１０３を６００ｎ
ｍ、スパッタリング（シード層）＋メッキ法により堆積
した。

【００３２】続いて、図１に示す装置を用いてＣｕ膜１
０３およびＴａＮライナ１０２からなる導電性層の不要
部分をブラシで研磨することにより除去し、図４（ｂ）
に示すように溝内部にＣｕ膜１０３およびＴａＮライナ
１０２を埋め込んだ。

【００３３】まず、導電性層の研磨に用いられるスラリ
ーについて、以下に詳細に説明する。スラリーは、ブラ
シに良好になじむものがよい。よって、研磨剤成分、特
にスラリー中に配合される粒子などは疎水性として粘性
を高めたものが好ましく用いられる。

【００３４】このようなスラリーは、例えば以下のよう
にして調製することができる。具体的には、溶媒として
の純水に、酸化剤としての過硫酸アンモニウム２ｗｔ
％、酸化抑制剤としてのキナルジン酸０．３ｗｔ％、界
面活性剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸０．０３
ｗｔ％、グリシン０．２ｗｔ％を配合し、ｐＨ調整剤と
してのＫＯＨによりｐＨを９．２に調整したケミカル成
分中に、以下の成分を加える。

【００３５】研磨粒子としては、コロイダルシリカ（一
次粒子径２０ｎｍ）が用いられる。前述のケミカル成分
の中に、このコロイダルシリカ１０ｗｔ％、およびアミ
ノ基を有するＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）粒
子１（一次粒子径１５０ｎｍ）５ｗｔ％を加える。これ
によって、コロイダルシリカ（親水性）とＰＭＭＡ粒子
１との凝集体１が形成される。ＰＭＭＡ粒子１に吸着し
て凝集体１を形成可能であれば、コロイダルシリカ以外
の研磨粒子、例えばコロイダルアルミナ、チタニア、お
よびセリア等を用いてもよい。アミノ基を有するＰＭＭ
Ａ粒子１はカチオン性ポリマーであり、増粘剤として作
用する。アミノ基は、カチオン性を付与するのに十分な
濃度でＰＭＭＡ粒子の表面に存在する。アミノ基以外の
官能基でも十分なカチオン性を付与できるものであれ
ば、ＰＭＭＡ粒子の表面に結合させて増粘剤として用い
ることができる。ＰＭＭＡ粒子は、アシスト粒子として
重要と考えられる柔らかさ、および粒子破壊耐性といっ
た性質を有しているために好ましく用いられる。ＰＭＭ
Ａ粒子と同様の性質を有していることから、ポリスチレ
ン粒子の表面に同様の官能基を結合させて、増粘剤とし
て用いてもよい。

【００３６】なお、用いられるコロイダルシリカの一次
粒子径は、通常１０〜３０ｎｍ程度であり、ＰＭＭＡ粒
子の一次粒子径は、１００〜３００ｎｍ程度とすること
が好ましい。ＰＭＭＡ粒子が小さすぎる場合には、その
表面にコロイダルシリカを充分に吸着させることができ
ない。一方、ＰＭＭＡ粒子が大きすぎる場合には、粗大
粒子となりエロージョンを劣化させるおそれがある。

【００３７】また、コロイダルシリカとＰＭＭＡ粒子１
との配合割合（コロイダルシリカ：ＰＭＭＡ粒子１）
は、重量で１：１〜０．５：１程度とすることが好まし
い。ＰＭＭＡ粒子１が少なすぎる場合には、凝集体１を
形成しないコロイダルシリカが増加し、一方、ＰＭＭＡ
粒子１が多すぎる場合には、凝集体１を形成しないＰＭ
ＭＡ粒子１が増加するおそれがある。

【００３８】こうして得られた凝集体１は、ＰＭＭＡ粒
子１の表面にコロイダルシリカが吸着した状態である。
これによってスラリーの粘性は向上するが、凝集体自体
は親水化されているので、次のような手法によって疎水
性を高める。

【００３９】具体的には、カルボキシル基を有するＰＭ
ＭＡ粒子２（一次粒子径１５０ｎｍ）を５ｗｔ％、さら
に添加する。このカルボキシル基を有するＰＭＭＡ粒子
２はアニオン性ポリマーであり、疎水化剤として作用す
る。すでに説明したＰＭＭＡ粒子１の場合と同様に、Ｐ
ＭＭＡ粒子２においてもカルボキシル基は、アニオン性
を付与するのに十分な濃度でＰＭＭＡ粒子の表面に存在
する。カルボキシル基以外にも、スルホン酸基等の官能
基をＰＭＭＡ粒子の表面に結合させて、疎水化剤として
用いることができる。さらに、ポリスチレン粒子の表面
に同様の官能基を形成して、疎水化剤としてもよい。

【００４０】こうしたＰＭＭＡ粒子２で、前述の凝集体
１を吸着させて凝集体２を形成することによって、スラ
リーの疎水性と粘性とを増加させることができる。

【００４１】なお、カルボキシル基を有するＰＭＭＡ粒
子２の一次粒子径は、前述のＰＭＭＡ粒子１と同程度の
１００〜３００ｎｍとすることが好ましい。ＰＭＭＡ粒
子２が小さすぎる場合には、前述の凝集体１を充分に吸
着することができない。一方、ＰＭＭＡ粒子２が大きす
ぎる場合には、ＰＭＭＡ粒子１の場合と同様にエロージ
ョンを劣化させるおそれがある。

【００４２】こうした粒子の状態を図５に模式的に示し
た。図５に示されるように、参照符号４００で表わされ
るアミノ基を有するＰＭＭＡ粒子１の表面には、コロイ
ダルシリカ４０１が吸着して、凝集体１が形成されてい
る。この凝集体１は、参照符号４０２で表わされるカル
ボキシル基を有するＰＭＭＡ粒子２に吸着して、凝集体
２が形成される。

【００４３】なお、１つのＰＭＭＡ粒子の表面に、カチ
オンおよびアニオンの両方の官能基を結合させて、増粘
剤かつ疎水化剤として用いてもよい。

【００４４】このように凝集体が形成されることによっ
て、スラリーの粘度は４０ｍＰａＳまで上昇した。な
お、上述したようなカチオン性ポリマーおよびアニオン
性ポリマーの併用による疎水化および増粘化処理を施さ
ない通常のスラリーの粘度は、１．３ｍＰａＳ程度であ
った。この粘度は、純水の１．０ｍＰａＳとほぼ同程度
である。

【００４５】上述したように疎水化および増粘化処理を
施したスラリーと、従来のスラリーとをそれぞれ用い
て、図１に示される装置のブラシによりＣｕ膜を研磨
し、Ｃｕ研磨速度を調べた。ウエハ回転数は２００ｒｐ
ｍとし、ブラシ回転数は２００ｒｐｍとした。その結
果、増粘化および疎水化を施したスラリーを用いた場合
には、Ｃｕの研磨速度３５０ｎｍ／ｍｉｎが得られたの
に対して、従来のスラリーを用いた場合では３ｎｍ／ｍ
ｉｎであった。

【００４６】なお、疎水性が高く、粘性の高いＰＭＭＡ
粒子のみ（コロイダルシリカなし）での研磨速度も、２
ｎｍ／ｍｉｎと低かった。これらの結果から、カチオン
性およびアニオン性の２種類のＰＭＭＡ粒子を含有する
ことによって、ＰＭＭＡ粒子がコロイダルシリカのブラ
シへの付着を助長したものと考えられる。こうして、研
磨力の高いコロイダルシリカがブラシに良好に吸着して
なじみ、Ｃｕ膜を効率よく研磨することが可能となっ
た。

【００４７】ここで、スラリーの粘度とＣｕ研磨速度と
の関係を図６のグラフに示す。Ｃｕの実用的な研磨速度
は、３００ｎｍ／ｍｉｎ程度であるので、この値を得る
ためには、スラリーは１０ｍＰａＳ以上の粘度が必要で
ある。特に、Ｃｕ研磨速度のマージンを考慮すると、ス
ラリーの粘度は２０ｍＰａＳ以上であることが好まし
い。なお、従来のテーブルタイプの研磨装置に用いられ
ていたスラリーの粘度は１．３ｍＰａＳであり、この場
合には、Ｃｕの研磨速度は４００ｎｍ／ｍｉｎであっ
た。スラリーの増粘化および疎水化によって、ブラシを
用いた研磨の効率が高められたと考えられる。

【００４８】しかしながら、粘度が１００ｍＰａＳを越
えるとスラリーの流動性が失われて、ウエハやブラシへ
のなじみが薄れるおそれがある。このため、スラリーの
粘度の上限は１００ｍＰａＳとすることが望まれる。

【００４９】１０ｍＰａＳ以上の粘度を得るためには、
スラリー中におけるＰＭＭＡ粒子１およびＰＭＭＡ粒子
２の合計添加量は１０ｗｔ％以上とすることが望まし
い。しかしながら、こうした粒子が過剰に添加される
と、スラリーの粘度が１００ｍＰａＳを越えるおそれが
あるので、ＰＭＭＡ粒子の添加量の上限は、スラリーの
粘度を考慮して決定することが好ましい。また、スラリ
ーの粘度を適切な範囲内とするために、ＰＭＭＡ粒子１
およびＰＭＭＡ粒子２は、同程度の量で添加されること
が望まれる。

【００５０】このように、導電性層などの被研磨面がブ
ラシを用いて研磨される図１に示した装置においては、
十分な研磨速度を得るために、１０ｍＰａＳ以上の粘度
を有するスラリーを用いることが望まれる。

【００５１】図４（ｂ）に示したＣｕダマシン配線の形
成に当たっては、上述したように調製された粘度４０ｍ
ＰａＳのスラリーを用いて、図１に示す装置で３分間、
モニター６０３により研磨の進行状態をｉｎ−ｓｉｔｕ
で検知しつつ研磨を行なった。なお、ブラシ６０２とし
ては、図２（ａ）に示したカップタイプのものを用い
た。このブラシの毛は塩化ビニール製であり、毛先の太
さは３０μｍである。所望の研磨が達成された後には、
一旦純水でスラリーを流し落とし、シュウ酸をウエハに
滴下しながら洗浄を行なった。

【００５２】その結果、５０μｍ配線におけるＣｕエロ
ージョンは４０ｎｍであった。次世代ＬＳＩでは、エロ
ージョンを５０ｎｍ未満に抑えることが要求されてい
る。このことを考慮すると、粘度４０ｍＰａＳのスラリ
ーを用いてブラシで研磨する本実施例により、十分に小
さいエロージョンが達成されたことがわかる。

【００５３】なお、特開平８−１５３６９５号公報に記
載されている研磨方法においては、ウエハ上に形成され
たシリコン酸化膜をスラリーで研磨した後、パーティク
ルを除去する仕上げ研磨工程にブラシが用いられてい
る。ここで用いられるブラシは、大きな定盤の表面に植
立されたものであり、ウエハの被研磨面はブラシに対向
して下向きに配置される。しかも、ウエハは円形軌道に
沿って定盤上を搬送されるので、装置の小型化を図るこ
とは不可能である。

【００５４】また、シリコン酸化膜の仕上げ研磨工程に
ブラシを用いることが意図されているのみであり、ダマ
シン配線を形成するためのＣＭＰ（例えばメインポリッ
シュ）は、この公報では考慮されていない。当然なが
ら、削れ残りの部分を局所的に研磨することや、研磨の
進行状態を直接モニターすることもまた、この公報に記
載されている研磨装置および研磨方法では不可能であ
る。

【００５５】Ｃｕ膜やＴａＮライナ等の導電性層の不要
部分をブラシで研磨してダマシン配線を形成すること
は、本実施例により始めて可能となった。特に、１０ｍ
ＰａＳ以上の粘度を有するスラリーを用いることによっ
て、３００ｎｍ／ｍｉｎという実用的な研磨速度、およ
び低エロージョンを達成することができる。

【００５６】上述したように研磨剤の増粘化および疎水
化を図ることによって、研磨粒子等のスラリーの成分を
変更しても、テーブルタイプの研磨速度以上の研磨速度
を得ることができる。

【００５７】スラリーには、通常用いられる添加剤を、
必要に応じて配合することができる。具体的には、添加
剤としては、酸化剤、界面活性剤、酸化抑制剤、および
ｐＨ調整剤などが挙げられる。

【００５８】酸化剤としては、Ｈ₂Ｏ₂、（ＮＨ₄）₂Ｓ₂
Ｏ₈、Ｋ₂Ｓ₂Ｏ₈、硝酸鉄、および硝酸アンモニウムセリ
ウムなどが挙げられる。

【００５９】界面活性剤としては、ドデシルスルホン酸
塩、ドデシルベンゼンスルホン酸塩、ポリオキシエチレ
ンラウリルエーテル、脂肪酸塩、およびポリオキシエチ
レンアルキルアミンなどが挙げられる。

【００６０】酸化抑制剤としては、ＢＴＡ（ベンゾトリ
アゾール）、カルボキシ基を有するアミンなどが挙げら
れ、ｐＨ調整剤としてはアンモニア水、ＫＯＨ、硝酸、
クエン酸、シュウ酸、およびコハク酸などが挙げられ
る。

【００６１】こうした添加剤は、ＣＭＰ用スラリーに通
常使用される量で配合すればよい。

【００６２】さらに、Ｃｕ以外にも、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ、
Ｎｂ、Ｔａ、あるいはＶを主成分とする導電性層を、ブ
ラシを用いて研磨した場合にも、スラリーの増粘化およ
び疎水化を図ることによって、テーブルタイプの研磨速
度と同等以上の研磨速度が得られる。

【００６３】（実施例２）実施例２では、ブラシを用い
た研磨によりＡｌダマシン配線を形成した例を挙げて説
明する。特に、ウエハの被研磨面が上面を向いているた
め、薬液での洗浄が直接的であり、その効果が大きい点
について説明する。

【００６４】ここでのＡｌダマシン配線の形成工程は、
図４（ａ）におけるライナ１０２のＴａＮをＴｉＮに置
き換え、Ｃｕ膜１０３をＡｌ膜に置き換えた以外は、前
述の実施例１の場合と同様である。

【００６５】Ａｌ膜およびＴｉＮライナからなる導電性
層の不要部分を、図１に示す装置を用いてブラシにより
研磨した。ブラシ６０２としては、図２（ｂ）に示した
スタンダードブラシを用いた。このブラシの毛はナイロ
ン製であり、毛先の太さは３０μｍ程度である。

【００６６】研磨に用いられるスラリーは、以下のよう
にして調製した。まず、溶媒としての純水に、研磨粒子
としてのコロイダルシリカ（一次粒子径３０ｎｍ）を加
えて、固形分２０ｗｔ％のスラリーを得た。ｐＨは、Ｋ
ＯＨより６に調製した。さらに、フッ素系のノニオン界
面活性剤としてのユニダイン（ダイキン（株）社製）を
５ｗｔ％加えて、スラリーの粘度を３０ｍＰａＳに高め
るとともに疎水化処理を施した。

【００６７】スラリーの粘度を高めるために界面活性剤
を用いる場合には、ノニオン界面活性剤を用いることが
望ましい。電位をもった被研磨面にイオン性界面活性剤
が吸着すると、研磨速度が著しく低下するおそれがあ
る。特に、スラリーの増粘化および疎水化を同時に達成
するためには、フッ素系あるいはシリコン系のノニオン
界面活性剤を用いることが望まれる。

【００６８】フッ素系あるいはシリコン系のノニオン界
面活性剤は、増粘剤かつ疎水化剤として作用する。スラ
リー全体の疎水性を高めるために、こうしたノニオン界
面活性剤は、臨界ミセル濃度以上で使用することが好ま
しい。例えば、界面活性剤のＨＬＢ（親水疎水バラン
ス）値を１０以下とすることによって、十分な疎水性を
スラリーに付与することができ、Ａｌ研磨速度も十分に
大きなものとなる。また、実用的なＡｌ研磨速度を確保
するためには分子量５００以下とすることが望まれる。
さらに、スラリー中におけるノニオン界面活性剤の濃度
は、０．１ｗｔ％以上であることが好ましい。ただし、
過剰に含有されると、疎水性が強くなりすぎて純水に溶
けにくくなるおそれがあるので、その上限は１０ｗｔ％
程度とすることが望まれる。

【００６９】フッ素系あるいはシリコン系のノニオン界
面活性剤としては、上述したような条件を満たす任意の
ものを用いることができる。

【００７０】ＣＭＰ特性を劣化させないように、上述し
たような低ＨＬＢ値および低分子量を両立することは、
炭化水素系のノニオン界面活性剤では困難である。フッ
素系あるいはシリコン系のノニオン界面活性剤を用いる
ことによって、初めて可能となった。

【００７１】なお、被研磨面と逆電位の親水部を有する
ものを選択すれば、イオン性の界面活性剤を増粘剤とし
て用いることもできる。さらには、グリシンのような両
性界面活性剤を用いて、スラリーの増粘化と疎水化とを
図ることもできる。

【００７２】Ａｌ膜およびＴｉＮライナからなる導電性
層の研磨に当たっては、上述したように調製されたスラ
リーをスラリー供給ノズルから供給しつつ、ウエハを３
００ｒｐｍで回転させ、ブラシは５ｃｍの距離を１０回
／秒の速度でよう動させた。研磨中には、モニターによ
りｉｎ−ｓｉｔｕでウエハ表面を観察した。

【００７３】なお、Ａｌの研磨では、コロージョンを防
止することが課題の一つである。従来のＡｌの研磨の場
合には、次のようにコロージョンが発生していた。例え
ば、ウエハ面内でＡｌ残りがないように所定の削り量よ
りも多めに研磨を行なう、いわゆるオーバーポリッシュ
の際、早く削れた領域でコロージョンが発生した。ま
た、コロージョン防止液に浸すまでに時間を要し、防食
に間に合わなかったという問題がある。

【００７４】これに対し本実施例では、被研磨面が上面
を向いてウエハが載置されているので、ウエハ内での局
所的な研磨、また、研磨位置での薬液洗浄が可能であ
る。このため、例えば、約３分間の粗研磨によりウエハ
の８割程度大まかに削り、その直後に防食液（例えば、
ポリカルボン酸０．０１ｗｔ％）を、ウエハ表面に直接
供給することができる。ウエハ表面に研磨不足の領域が
発見された場合には、引き続き、速やかにその不足部分
をｉｎ−ｓｉｔｕモニターしつつ、部分的に研磨を行な
えばよい。

【００７５】これによって、エロージョンおよびコロー
ジョンを抑制したダマシン配線を形成することが可能と
なる。

【００７６】本実施例により形成されたＡｌダマシン配
線においては、Ａｌエロージョンは３５ｎｍであり、コ
ロージョンは、従来の１０００個／ウエハから３０個／
ウエハ程度に抑制された。

【００７７】（実施例３）以上の実施例では導電性層の
研磨について説明したが、ブラシを用いた研磨を絶縁膜
の平坦化に適用することもできる。

【００７８】図７に、絶縁膜としてのＳｉＯ₂膜平坦化
の工程図を示す。

【００７９】まず、素子２０１（高さ１５０ｎｍ）を形
成した半導体基板２００上に、図７（ａ）に示すよう
に、ＳｉＯ₂膜２０２を８００ｎｍの膜厚で堆積する。
次いで、ＳｉＯ₂膜２０２における素子２０１の高さ分
程度の段差を、図１に示した装置によりブラシで研磨し
て平坦化する。

【００８０】ブラシ６０２としては、図２（ｃ）に示し
たロールタイプのものを用いた。このブラシはポリプロ
ピレン製であり、毛先の太さは２０μｍ程度である。

【００８１】ＳｉＯ₂膜２０２の研磨に用いるスラリー
は、以下のようにして調製した。まず、溶媒としての純
水に、研磨粒子としてのコロイダルシリカ（一次粒子径
３０ｎｍ）を加えて固形分１５ｗｔ％のスラリーを得
た。ｐＨは、ＫＯＨにより１１に調製した。さらに、前
述の実施例１と同様のアミノ基を有するＰＭＭＡ粒子１
と、カルボキシル基を有するＰＭＭＡ粒子２とをそれぞ
れ５ｗｔ％順番に加えて、スラリーの粘度を２５ｍＰａ
Ｓに高めるとともに疎水化処理を施した。

【００８２】ブラシ回転数およびウエハ回転数は、いず
れも２００ｒｐｍとし、モニターによりウエハの状態を
観察しながら、ＳｉＯ₂膜２０２の研磨を行なった。そ
の結果、図７（ｂ）に示すように段差を１０ｎｍ以下ま
で平坦化することができた。

【００８３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
被研磨面を局所的に研磨可能であり、被研磨面の研磨状
態を直接モニターし、被研磨面を直接洗浄することがで
きるコンパクトな研磨装置が提供される。また本発明に
よれば、被研磨面を局所的に研磨可能であり、被研磨面
の研磨状態を直接モニターし、被研磨面を直接洗浄する
ことができる研磨方法が提供される。さらに本発明によ
れば、超薄膜ダマシン配線を形成でき、大口径化された
ウエハの処理に対応して、量産レベルで安定して半導体
装置を製造し得る方法が提供される本発明は、導電性層
や絶縁膜の研磨、特にＤＲＡＭや高速ロジックＬＳＩに
搭載されるＡｌ、Ｃｕ、Ｗなどのダマシン配線の形成に
極めて有効に用いられ、その工業的価値は絶大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかる研磨装置を説明す
る概略図。

【図２】図１に示した研磨装置に用いられるブラシを説
明する概略図。

【図３】ブラシの研磨時の表面状態を説明する概略図。

【図４】本発明の一実施例にかかる半導体装置の製造方
法を表わす工程断面図。

【図５】スラリー中の粒子の凝集状態を説明する概略
図。

【図６】Ｃｕ研磨速度とスラリー粘度との関係を説明す
るグラフ図。

【図７】本発明の他の実施例にかかる研磨方法を表わす
工程断面図。

【図８】従来のテーブルタイプの研磨装置を説明する概
略図。

【図９】従来のテーブルタイプの研磨装置におけるパッ
ドの表面を表わす概略図。

【符号の説明】

１００…半導体基板 １０１…溝を形成した絶縁膜 １０２…ＴａＮライナ １０３…Ｃｕ膜 ２００…半導体基板 ２０１…素子 ２０２…ＳｉＯ₂膜 ３０１…ブラシの断面 ４００…ＰＭＭＡ粒子１ ４０１…コロイダルシリカ粒子 ４０２…ＰＭＭＡ粒子２ ５００…定盤 ５０１…研磨パッド ５０２…被研磨面が下を向いたウエハ ５０３…ダイヤモンドドレッサー ５０４…ドレッサー洗浄部 ５０５…光学式センサー ５０６…スラリー供給ノズル ５０７…純水供給ノズル ５０８…薬液供給ノズル ６００…ウエハ保持機 ６０１…被研磨面が上を向いたウエハ ６０２…移動式ブラシ ６０３…移動式光学式センサー ６０４…スラリー供給ノズル ６０５…純水供給ノズル ６０６…薬液供給ノズル ６０７…ブラシ清浄機構

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） Ｂ２４Ｂ 37/00 Ｂ２４Ｂ 37/00 Ｈ 37/04 37/04 Ｇ Ｋ 49/12 49/12 53/007 53/007 Ｃ０９Ｋ 3/14 ５５０ Ｃ０９Ｋ 3/14 ５５０Ｃ ５５０Ｍ Ｆターム(参考） 3C034 AA19 BB93 CA02 CA22 CB01 DD10 3C047 AA34 FF08 GG11 3C058 AA07 AA09 AC04 CB01 CB03 DA17

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理面を有する半導体基板を、前記被
   処理面を上向きに載置して支持しつつ、前記半導体基板
   を回転させる回転機構と、 前記被処理面を研磨するためのスラリーを前記被処理面
   に供給するスラリー供給機構と、 前記被処理面を研磨するブラシと、 前記被処理面の上方に配置され、研磨の進行状態を検知
   するモニターとを具備することを特徴とする研磨装置。
2. 【請求項２】 前記ブラシを清浄して前記スラリーおよ
   び／または研磨くずを除去するブラシ清浄機構をさらに
   具備し、前記ブラシ清浄機構は、水および／または薬液
   を収容した容器、または有機系材料からなるプレートで
   あることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 【請求項３】 前記スラリーを前記被処理面から除去す
   るための水を前記被処理面に供給する水供給機構と、前
   記スラリーを除去後の前記被処理面を洗浄するための薬
   液を前記被処理面に供給する薬液供給機構とをさらに具
   備する請求項１または２に記載の研磨装置。
4. 【請求項４】 被処理面を有する半導体基板を、前記被
   処理面を上向きにして回転させる工程と、 前記被処理面にスラリーを供給して、研磨の進行状態を
   ｉｎ−ｓｉｔｕでモニターしつつブラシにより研磨する
   工程とを具備することを特徴とする研磨方法。
5. 【請求項５】 前記スラリーの粘度は１０ｍＰａＳ以上
   １００ｍＰａＳ以下であることを特徴とする請求項４に
   記載の研磨方法。
6. 【請求項６】 前記スラリーは、カチオン性ポリマーの
   粒子を含有することを特徴とする請求項５に記載の研磨
   方法。
7. 【請求項７】 前記カチオン性ポリマーの粒子は、アミ
   ノ基を有するポリメチルメタクリレート粒子またはポリ
   スチレン粒子であることを特徴とする請求項６に記載の
   研磨方法。
8. 【請求項８】 前記スラリーは、アニオン性ポリマーの
   粒子をさらに含有することを特徴とする請求項６または
   ７に記載の研磨方法。
9. 【請求項９】 前記アニオン性ポリマーの粒子は、カル
   ボキシル基を有するポリメチルメタクリレート粒子また
   はポリスチレン粒子であることを特徴とする請求項８に
   記載の研磨方法。
10. 【請求項１０】 前記スラリーは、フッ素系またはシリ
    コン系のノニオン界面活性剤を含有することを特徴とす
    る請求項５に記載の研磨方法。
11. 【請求項１１】 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程
    と、 前記絶縁膜に溝を形成する工程と、 前記溝の内部および前記絶縁膜の上に導電性材料を堆積
    して、導電性層を形成する工程と、 前記絶縁膜の上に堆積された前記導電性材料を除去して
    前記絶縁膜の表面を露出させることにより、前記導電性
    材料を前記溝内部に残置する工程とを具備し、 前記絶縁膜上に堆積された前記導電性材料の除去は、前
    記導電性層にスラリーを供給してブラシで研磨すること
    により行なわれることを特徴とする半導体装置の製造方
    法。
12. 【請求項１２】 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程
    と、 前記絶縁膜に溝を形成する工程と、 前記溝の内部および前記絶縁膜の上に導電性材料を堆積
    して、導電性層を形成する工程と、 前記絶縁膜の上に堆積された前記導電性材料を除去して
    前記絶縁膜の表面を露出させることにより、前記導電性
    材料を前記溝内部に残置する工程とを具備し、 前記絶縁膜上に堆積された前記導電性材料の除去は、前
    記導電性層を上向きにして前記半導体基板を回転させ、
    前記導電性層にスラリーを供給して、研磨の進行状態を
    ｉｎ−ｓｉｔｕでモニターしつつブラシで研磨すること
    により行なわれることを特徴とする半導体装置の製造方
    法。
13. 【請求項１３】 前記スラリーの粘度は１０ｍＰａＳ以
    上１００ｍＰａＳ以下であることを特徴とする請求項１
    １または１２に記載の半導体装置の製造方法。