JP2004039673A - 研磨装置、研磨方法、および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】供給付帯設備を設けることなくスラリの安定性および寿命を維持しつつ、エロージョンやスクラッチといった欠陥を極力低減し、しかも十分に大きな研磨速度で被処理基板の所望の層を研磨可能な研磨装置を提供する。
【解決手段】被処理基板（１６）が相対的に移動する研磨領域およびこの研磨領域より内周の非研磨領域を有するターンテーブル（１１）と、被処理基板を保持し、前記研磨領域内で研磨面に対接させる基板ホルダー（１４）と、第１の液体（２０）を供給する第１の供給管（２４）と、第２の液体（２１）を供給する第２の供給管（２５）と、前記非研磨領域内で、前記第１および第２の供給管の先端から離間して前記ターンテーブル上に配置され、前記第１および第２の液体を収容して混合し、混合スラリを前記研磨面上に供給するスラリ混合槽（１７）とを具備することを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】被処理基板（１６）が相対的に移動する研磨領域およびこの研磨領域より内周の非研磨領域を有するターンテーブル（１１）と、被処理基板を保持し、前記研磨領域内で研磨面に対接させる基板ホルダー（１４）と、第１の液体（２０）を供給する第１の供給管（２４）と、第２の液体（２１）を供給する第２の供給管（２５）と、前記非研磨領域内で、前記第１および第２の供給管の先端から離間して前記ターンテーブル上に配置され、前記第１および第２の液体を収容して混合し、混合スラリを前記研磨面上に供給するスラリ混合槽（１７）とを具備することを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【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Ｃｕ、Ｗ、Ａｌ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】
近年、半導体装置の製造分野においては、半導体素子の微細化、製造の高度化に伴なって、新しい製造装置が開発されている。そのなかでもＣＭＰ装置は、埋め込み金属配線、埋め込み素子分離などの埋め込み構造を形成するために欠くことのできない装置の一つとなっている。
【０００３】
ＣＭＰ装置を用いたプロセスでは、研磨速度を高め、スループットを向上させることが課題の一つとなっている。一般的に、Ｃｕ等のメタルを研磨するに当たっては酸化剤を含有するスラリを用い、研磨が容易な酸化物に研磨面を変質させることによって研磨速度の向上を図っている。しかしながら、スラリに含有される酸化剤は、経時変化により分解や反応が生じたり、研磨粒子の凝集や溶解などを引き起こすことがある。この場合には、研磨速度の低下やスクラッチの増加など、様々な問題が生じるおそれがある。
【０００４】
このような酸化剤に起因した問題を回避するため、酸化剤を含有する薬液と研磨粒子を含有する薬液との２種類にスラリを分離して保存し、研磨直前でこれらを混合して使用することが試みられている。一般的な２液供給においては、分離収容された２種類の薬液は、滴下前に混合され１液化した状態で研磨面に供給される。例えば、Ｔ字型供給およびＦ字型供給といった供給方法であるが、こうした方法を採用した装置では流速や配管長さが制限されるために、液体が混じりにくいノニオン界面活性剤や疎水性の強い酸化抑制剤などが添加剤として含有される場合には、十分に均一に混合することが困難である。
【０００５】
上述したように、酸化剤を含有するスラリは、安定性が低下するのを避けるためには２液に分離して保存しておくことが有効であるものの、被処理基板を研磨する際には均一に混合された状態となっていなければ、このスラリ本来の特性を安定して得ることが困難となる。
【０００６】
スラリの安定性の観点からは、分離保存された薬液は可能な限り使用直前に混合することが望まれ、混合後のスラリを直ちに使用するためには、混合用の供給付帯設備を設けることは適切ではない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、供給付帯設備を設けることなくスラリの安定性および寿命を維持しつつ、エロージョンやスクラッチといった欠陥を極力低減し、しかも十分に大きな研磨速度で被処理基板の所望の層を研磨可能な研磨装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また本発明は、スラリの安定性および寿命を維持しつつ、エロージョンやスクラッチといった欠陥を極力低減し、しかも十分に大きな研磨速度で被処理基板の所望の層を研磨可能な研磨方法を提供することを目的とする。
【０００９】
さらに本発明は、高性能のダマシン配線を有する半導体装置の製造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】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、被処理基板が相対的に移動する研磨領域およびこの研磨領域より内周の非研磨領域を有するターンテーブルと、
被処理基板を保持し、前記研磨領域内で研磨面に対接させる基板ホルダーと、
第１の液体を供給する第１の供給管と、
第２の液体を供給する第２の供給管と、
前記非研磨領域内で、前記第１および第２の供給管の先端から離間して前記ターンテーブル上に配置され、前記第１および第２の液体を収容して混合し、混合スラリを前記研磨面上に供給するスラリ混合槽と
を具備することを特徴とする研磨装置を提供する。
【００１１】
また本発明の他の態様は、基板ホルダーに保持された被処理基板を、ターンテーブル上に位置し、被処理基板が相対的に移動する研磨領域およびこの研磨領域より内周の非研磨領域を含む研磨面の前記研磨領域に対接させる工程と、
前記研磨面の前記非研磨領域に設けられたスラリ混合部に、少なくとも一方に研磨成分を含有する第１および第２の液体を供給する工程と、
前記ターンテーブルを回転させて、前記被処理基板を相対的に移動させるとともに、前記スラリ混合部で前記第１および第２の液体が混合されてなる混合スラリを前記研磨面上に供給して、前記被処理基板を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。
【００１２】
本発明のさらに他の態様は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の内部および前記絶縁膜の上に導電性材料を堆積して、導電性を有する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、前記導電性材料を前記凹部内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少なくとも一部の除去は、前述の研磨方法を用いたＣＭＰ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。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１は、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である。
【００１５】
図示するように、ターンテーブル１１の上面には研磨布１３が貼付されており、これらは軸１２を中心に水平面内で図示矢印方向に回転可能である。この際の回転数は、３０〜１５０ｒｐｍ程度とすることができる。ターンテーブル１１の上方には、半導体ウェハ１６を保持する基板ホルダーとしてのトップリング１４が配置される。これらは、軸１５を中心に水平面内でターンテーブル１１と同方向に、例えば３０〜１５０ｒｐｍの回転数で回転させつつ、５０〜７００ｇ／ｃｍ２の研磨荷重で半導体ウェハ１６を研磨布１３に押し付けることによって研磨が行なわれる。
【００１６】
ターンテーブル１１が回転することによって、トップリング１４に保持された半導体ウェハ１６は、研磨布１３上の円軌道を相対的に移動して研磨が行なわれる。この円軌道より内周にある研磨布１３の領域は、半導体ウェハ１４の研磨に関与しない非研磨領域ということができる。
【００１７】
この非研磨領域には、第１の液体２０と第２の液体２１とを収容して混合し、混合スラリを研磨布１３上に供給するスラリ混合部としてのスラリ混合槽１７が配置されている。第１の液体２０は、例えば研磨粒子を含有する薬液とすることができ、第２の液体２１は、例えば酸化剤を含有する薬液とすることができる。第１の液体２０は、第１の貯蔵タンク１８内に貯蔵され、ポンプ２２を介して第１の供給管２４によりスラリ混合槽１７に供給される。一方、第２の液体２１は、第２の貯蔵タンク１９内に貯蔵され、ポンプ２３を介して第２の供給管２５によりスラリ混合槽１７に供給される。こうした液体は、例えば５０〜５００ｍｌ／ｍｉｎの流量でスラリ混合槽１７に供給することができる。必要に応じて、他の成分を含有する第３の液体を収容する第３の貯蔵タンク、この第３の液体を供給するためのポンプ、第３の供給管をさらに設けてもよい。
【００１８】
スラリ混合槽１７に滴下された第１の液体２０および第２の液体２１は、供給圧力、対流、ターンテーブル１１の回転によって十分に均一に混合された後、オーバーフローして研磨布１３上に供給される。
【００１９】
したがって、スラリ混合槽１７の寸法は、供給される２液を確実に収容して混合できるとともに、研磨布１３上の非研磨領域内に収まるように設定される。例えば、スラリ混合槽１７の横方向の大きさは、１０ｍｍ以上６０ｍｍ以下とすることができる。小さすぎる場合には、供給される２液を収容して十分に混合することが困難となり、大きすぎる場合には、研磨布１３上の非研磨領域内に設置することができず、ウェハを研磨するという本来の機能を損なうおそれがある。また、その高さは、１ｍｍ以上４０ｍｍ以下とすることが好ましい。低すぎる場合には、供給される２液を収容して十分に混合することが困難となる。一方、高すぎる場合には、スラリ混合槽１７内に残留する研磨粒子が過剰となったり、第１および第２の供給管２４、２５との干渉が生じるという不都合が生じる。このような観点から、スラリ混合槽１７の高さについては、スラリ混合槽１７の容量を考慮しつつ、スラリ混合槽１７の上端が供給管２４，２５の先端から離間するような高さに設定される。
【００２０】
供給された２液を均一に混合して、研磨布１３上にオーバーフローさせるためには、スラリ混合槽１７は円筒型であることが好ましいが、その形状は特に限定されるものではない。
【００２１】
スラリ混合槽１７は、例えばプラスチックにより構成することができる。研磨布１３の非研磨領域にスラリ混合槽１３を配置するに当たっては、例えば両面テープなどによる粘着またはねじ止め等により、研磨布１３上に固定することができる。ねじ止めの場合には、研磨布１３を介してターンテーブル１１にスラリ混合槽１７を固定すればより確実である。非研磨領域内で、かつ供給される２液を収容できる範囲内であれば、スラリ混合槽１７が配置される位置は特に限定されず、スラリ混合槽１７の中心は、必ずしも研磨布１３の中心と一致させる必要はない。
【００２２】
本発明の実施形態にかかる研磨装置においては、保存安定性を維持するために分離保存が必要なスラリが使用される。こうしたスラリとしては、例えば、Ｃｕ−ＣＭＰ用のスラリが挙げられる。Ｃｕ−ＣＭＰに用いられるスラリは、通常、保存安定性の観点から、研磨粒子を含有する研磨粒子分散液と、酸化剤を含有する溶液とに分離されている。この場合、酸化剤としては過硫酸アンモニウムが用いられており、これは、酸化剤として一般的に用いられる過酸化水素などに比べ、液体になじむまでの速度が遅いといわれている。また、研磨粒子を含有する分散液には、高速研磨、低エロージョン、低欠陥などの要求を満たすために，キナルジン酸や界面活性剤といった物質も添加される。こうした成分は疎水性が強いため、従来の供給方法では、２種類の液体を使用時に均一に混合することは困難であった。
【００２３】
また、Ｗの研磨に一般的に用いられるスラリも、本発明の実施形態にかかる装置において使用することができる。Ｗ−ＣＭＰに用いられるスラリは、例えば、研磨粒子としてのコロイダルシリカ、酸化剤としての過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、過酸化水素を活性化するための触媒としてのＣｕ２＋イオン、および平坦化特性を向上させるための界面活性剤としてドデシルベンゼンスルホン酸カリウムを含有する。
【００２４】
過酸化水素は、Ｃｕ２＋イオンによりＨＯ＊に活性化されてＷの研磨速度が高まるものの、ＨＯ＊は短命であるため過酸化水素はＣｕ２＋イオンと混合貯蔵することができない。コロイダルシリカは、Ｃｕ２＋イオンと共存した際に塩析効果によって凝集・沈殿することから、これら２つの成分も混合貯蔵することができない。一方、過酸化水素が分解しないｐＨ（５以下）の領域では、シリカが電位的に不安定であり、凝集・沈殿しやすいため、過酸化水素とコロイダルシリカとも混合貯蔵することができない。そこで、通常はコロイダルシリカを含有する研磨粒子分散液、過酸化水素を含有する酸化剤溶液、およびＣｕ２＋イオンを含有する触媒溶液のように３種類に分離して保存し、研磨直前に混合して使用する。
【００２５】
ＲｕまたはＲｕ化合物を含有する金属膜は、硝酸セリウムおよび硝酸二アンモニウムセリウムのようなセリウム化合物（ＩＶ）を研磨成分として含有する水溶液をスラリとして用いて研磨することができる。一般に、セリウム化合物（ＩＶ）は、高濃度の溶液としては安定であるが、低濃度に希釈されると経時変化を生じて酸化力が低下し、研磨力が低下するという性質がある。したがって、セリウム化合物（ＩＶ）を含有する水溶液を用いて研磨を行なう場合、希釈後長時間を経ないで研磨に供されなければならず、好ましくは希釈後すぐに、最も好ましくは希釈と同時に研磨に供されるのがよい。このため、セリウム化合物（ＩＶ）を高濃度で含有する水溶液と、希釈用の水とを分離保存してことが望まれる。
【００２６】
さらに、酸化膜を研磨するためのスラリにおいては、研磨粒子としてセリアを用いる場合、平坦化特性を向上させるために界面活性剤が添加される。しかしながら、セリア粒子と界面活性剤とが長い間共存すると、界面活性剤がセリア粒子に付着しすぎてしまい、本来の特性を発揮することが困難となる。このため、研磨粒子としてのセリアを含有する研磨粒子分散液と、界面活性剤を含有する液体との２つに分離して保存し、研磨直前に混合して使用することが望まれる。
【００２７】
一般的に、研磨粒子を含有する分散液は、高濃度で保存しておくことによって研磨粒子の凝集を抑制することができる。このため、実際に研磨に用いられるよりも高濃度で研磨粒子を分散させて研磨粒子分散液を調製し、これを使用直前に所望の濃度に水等で希釈して研磨を行なうことが好ましい。例えば、酸化膜を研磨するためのスラリは、シリカを３０ｗｔ％の濃度で含有する分散液を、使用直前に水で３倍に希釈して使用される。このように研磨粒子を高濃度に含有する分散液と水とを混合して使用する場合も、本発明の実施形態にかかる研磨装置が好適に用いられる。
【００２８】
上述したようなスラリには、必要に応じて通常用いられる添加剤、例えば、酸化剤、界面活性剤、酸化抑制剤、およびｐＨ調整剤などを、通常使用される量で配合してもよい。
【００２９】
酸化剤としては、Ｈ２Ｏ２、（ＮＨ４）２Ｓ２Ｏ８、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
本発明の実施形態にかかる研磨装置においては、使用されるスラリは、少なくとも一方に研磨成分を含有する第１および第２の液体に分離して供給されるので、安定性が損なわれることは避けられる。しかも、分離供給された２種類の液体はユースポイントで均一に混合が行なわれ、混合スラリは直ちに研磨に使用されるので、研磨特性を高めるという作用を十分に発揮させることができる。その結果、エロージョンやスクラッチといった欠陥の少ない高性能な研磨を、安定して行なうことが可能となった。
【００３３】
（実施形態１）
本発明の実施形態にかかる研磨装置を用いて、Ｃｕダマシン配線を形成した例について説明する。
【００３４】
図２に、Ｃｕダマシンの配線形成の工程図を示す。
【００３５】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板３０上にｌｏｗ−Ｋ材料などからなる層間絶縁膜３１を形成し、深さ３０００Åの溝を設けた。なお、半導体基板３０は、バルク基板あるいは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、ライナ３２としてのＴａ／ＴａＮを３００Åスパッタリングにより成膜し、配線材料３３としてのＣｕ膜を７０００Å程度、スパッタリング（シード層）＋メッキ法により堆積した。
【００３６】
配線材料３３としてのＣｕ膜の不要部分は、図１に示した装置を用いたＣＭＰにより図２（ｂ）に示すように除去した。続いて、図２（ｃ）に示すように、層間絶縁膜３１上のライナ３２をＣＭＰにより除去し、溝内部に埋め込み配線を形成した。
【００３７】
本実施形態ではＣｕ−ＣＭＰの際、研磨布１３としてＩＣ１０００（ロデール・ニッタ社製）を用い、この研磨布１３の非研磨領域の中心に、半径２０ｍｍ、高さ２０ｍｍのプラスチック製のスラリ混合槽１７を接着剤により固定して、図１に示す研磨装置を構成した。スラリ混合層１７の配置に当たっては、その中心を、研磨布１３の中心と一致させた。
【００３８】
スラリとしては、研磨粒子を含有する分散液である第１の液体と、酸化剤を含有する溶液である第２の液体との２種類を混合して用いた。研磨粒子分散液は、研磨粒子としてのシリカ：２ｗｔ％、酸化抑制剤としてのキナルジン酸：１ｗｔ％およびノニオン界面活性剤：０．４ｗｔ％を純水に配合して調製し、酸化剤溶液は、酸化剤としての過硫酸アンモニウムを２ｗｔ％、純水に溶解させて調製した。
【００３９】
研磨に当たっては、ターンテーブル１１を１００ｒｐｍで回転させつつ、スラリ混合槽１７内に、２つの液体をいずれも１５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で滴下した。これと同時に、ウェハ１６を保持したトップリング１４を１００ｒｐｍで回転させながら、４００ｇ／ｃｍ２の研磨荷重で研磨布１３に押し付けた。こうした条件で１００秒間の研磨を行なうことによって、図２（ｂ）に示すようにＣｕ膜の不要部分が除去された。
【００４０】
なお、第１および第２の液体の供給流量、ターンテーブルおよびトップリングの回転数、研磨荷重等は、被研磨材料や薬液の種類、研磨条件等に応じて適宜、変更することが可能である。
【００４１】
供給開始から５秒程度経過すると、これら２種類の液体はスラリ混合槽１７の上端まで達し、十分に混合された均一なスラリとしてスラリ混合槽１７をオーバーフローし、研磨布１３上に供給された。均一に混合されたスラリが研磨直前に研磨布１３上に供給されるので、スラリの本来の研磨特性を十分に引き出すことができる。具体的には、従来、高性能であるが、安定性や寿命に問題があったスラリ（研磨速度：約１００００Å／ｍｉｎ、エロージョン：３００Å以下）でのダマシン配線の形成が、量産レベルで可能となった。
【００４２】
研磨速度のウェハ枚数依存性を、図３のグラフに曲線ａとして示す。本実施形態の装置を用いた場合には、４０枚のウェハを研磨しても、Ｃｕの研磨速度のバラツキを±２５０Å／ｍｉｎ程度に収めることができることが、曲線ａから明らかである。
【００４３】
比較のために、図５、図６に示すような従来の装置を用いて、前述と同様にＣｕダマシン配線を形成した。図５に示す装置においては、研磨布１３上に２液がそれぞれ供給され、ターンテーブル１１の回転により混合されてウェハ１６の研磨に用いられる。また、図６に示す装置はＴ字型供給を行なう例であり、２液をそれぞれ供給する２つの供給管２４，２５の先端はＴ字管５１により接続されて、混合スラリ５２として研磨布１３上に滴下される。この場合、混合スラリ５２の流量は、２液の供給流量の和となる。
【００４４】
従来の装置では、研磨速度やエロージョンなどの研磨特性が著しく不安定になり、Ｃｕが全く削れなくなることもあった。これは、２液が混合されにくいため、安定した状態になる前に研磨面にスラリが到達してしまうことによるものと考えられる。
【００４５】
図５に示した装置を用いた場合の研磨速度のウェハ枚数依存性を、図３中に曲線ｂとして示す。従来の装置では、ウェハの枚数が増えるにしたがってＣｕ研磨速度は、大きく変動しつつ全体として低下していることが、曲線ｂから明らかである。また、研磨後の表面には、５００Å以上のエロージョンが認められた。図６に示した装置を用いた場合にも、図５の装置を用いた場合と同様の結果が得られた。
【００４６】
以上のことから、本実施形態の装置を用いることによって、安定した研磨が可能となることが確認された。
【００４７】
（実施形態２）
本実施形態においては、第１の液体としての研磨粒子分散液、第２の液体としての酸化剤溶液、および第３の液体としての触媒溶液の３液を混合したスラリを用いて、Ｗダマシン配線を形成した例を説明する。
【００４８】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板３０上にｌｏｗ−Ｋ材料などからなる層間絶縁膜３１を形成し、深さ３０００Åの溝を設けた。なお、半導体基板３０は、バルク基板あるいは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、ライナ３２としてのＴｉ／ＴｉＮ膜をスパッタリング法により２００Åの膜厚で形成し、配線材料３３としてのＷをＣＶＤ法により３５００Åの膜厚で堆積した。
【００４９】
配線材料３３としてのＷ膜の不要部分は、本発明の実施形態に係る装置を用いたＣＭＰにより図２（ｂ）に示すように除去した。ここで用いた装置は、第３の液体のための貯蔵タンク、ポンプ、および供給管を備えた以外は図１に示したものと同様である。続いて、図２（ｃ）に示すように、層間絶縁膜３１上のライナ３２をＣＭＰにより除去し、溝内部に埋め込み配線を形成した。
【００５０】
本実施形態ではＷ−ＣＭＰの際、研磨布１３として前述の実施形態１と同様にＩＣ１０００（ロデール・ニッタ社製）を用い、この研磨布１３の非研磨領域に、半径２０ｍｍ、高さ２０ｍｍのプラスチック製のスラリ混合槽１７をネジ止めして固定し、本実施形態の研磨装置を構成した。スラリ混合槽１７の中心は、研磨布１３の中心から５ｍｍ程度ずらして配置した。
【００５１】
ここで用いるスラリは、以下のように調製した。
【００５２】
第１の液体としての研磨粒子分散液は、研磨粒子としてのコロイダルシリカ：５ｗｔ％、および平坦化特性を高めるための界面活性剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸カリウム：１ｗｔ％を、純水に配合して調製し、第２の液体としての酸化剤溶液は、酸化剤としての過酸化水素水：１ｗｔ％を純水に溶解して調製した。また、硫酸銅を純水に溶解して０．０５ｗｔ％の水溶液を調製し、過酸化水素を活性化するための触媒であるＣｕ２ ＋イオンを含有する第３の液体を得た。
【００５３】
研磨に当たっては、ターンテーブル１１を１００ｒｐｍで回転させつつ、スラリ混合槽１７内に、研磨粒子分散液、酸化剤溶液および触媒溶液を、いずれも１５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で滴下した。これと同時にウェハ１６を保持したトップリング１４を１２０ｒｐｍで回転させながら、４００ｇ／ｃｍ２の研磨荷重で研磨布１３に押し付けることによって、図２（ｂ）に示すようにＷ膜の不要部分が除去された。
【００５４】
供給開始から５秒程度経過すると、これら３種類の液はスラリ混合槽１７の上端まで達し、十分に均一に混合されたスラリとしてスラリ混合槽１７をオーバーフローして、研磨布１３上に供給された。スラリ混合槽１７においては、特に混合しにくいドデシルベンゼンスルホン酸カリウムも十分に混合される。均一に混合されたスラリが研磨直前に研磨布１３上に供給されるので、スラリの本来の研磨特性を十分に引き出すことができる。
【００５５】
２分間（Ｊｕｓｔ＋３０％オーバー）の研磨を行なったところ、Ｗ研磨速度は３０００Å／ｍｉｎであり、エロージョン３００Å以下の良好なＷダマシン配線を安定して形成することができた。
【００５６】
（実施形態３）
分離保存された２液を収容して混合し、研磨布上に混合スラリを供給するためのスラリ混合部としてのスラリ混合槽は、研磨布に設けた凹部で置き換えることも可能である。図４には、その例を示す。
【００５７】
図４に示す研磨装置４０は、スラリ混合槽１７の代わりにスラリ混合用溝４１が研磨布１３の非研磨領域に設けられている以外は、図１に示した装置と同様である。この溝４１の水平方向の寸法は、例えば、半径１０ｍｍ以上６０ｍｍ以下とすることができる。小さすぎる場合には、供給される２液を収容して十分に混合することが困難となり、大きすぎる場合には、非研磨領域内に設けることが困難となって、ウェハを研磨するという本来の効果を阻害するおそれがある。また、供給される２液を収容して十分に混合するためには、溝４１の深さは、１ｍｍ以上であることが好ましい。一方、溝４１の深さについて特に上限はないが、ターンテーブル１１の腐食等を避けるために、テーブル１１表面を何等かの手段により保護しない限り、溝４１が研磨布１３を貫通しない範囲に抑えることが望まれる。
【００５８】
さらにその形状は、前述のスラリ混合槽と同様の理由から円筒状であることが好ましいが、特に限定されない。
【００５９】
こうした溝４１は、例えばディンプルや溝加工などにより研磨布１３に形成することができる。研磨布１３としては、例えば、ＳＵＢＡ４００（ロデール・ニッタ社製）とＩＣ１０００（ロデール・ニッタ社製）との２層積層型のものを用いることができる。こうした２枚を貼り合わせる前または後に、非研磨領域内の所定の部分にカッターや金型を用いて所望の形状に加工することができる。
【００６０】
非研磨領域内で、かつ２種類のスラリを収容できる範囲内であれば、スラリ混合用溝４１の配置される位置は特に限定されず、スラリ混合用溝４１の中心は、必ずしも研磨布１３の中心と一致させる必要はない。
【００６１】
図４に示した装置を用いて、下地の配線パターンに起因した段差を表面に有する酸化膜（ＳｉＯ２膜）の研磨を行なった。研磨布１３としては、ＳＵＢＡ４００とＩＣ１０００との２層積層研磨布を用意し、その中心には半径４０ｍｍ、深さ１ｍｍの円筒状の溝をカッターにより加工した。
【００６２】
スラリとしては、研磨粒子としてのセリア粒子０．５ｗｔ％を純水に分散させてなる第１の液体としての研磨粒子分散液と、界面活性剤としてのポリカルボン酸系の界面活性剤３０ｗｔ％を、純水に溶解させてなる第２の液体としての添加剤溶液とを用いた。
【００６３】
研磨に当たっては、ターンテーブル１１を１００ｒｐｍで回転させつつ、スラリ混合用溝４１内に２つの液体をいずれも１５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で滴下した。これと同時に、ウェハ１６を保持したトップリング１４を１０７ｒｐｍで回転させながら、５００ｇ／ｃｍ２の研磨荷重で研磨布１３に押し付けて、酸化膜を研磨した。
【００６４】
２分間の研磨を行なったところ、ＳｉＯ２研磨速度は３０００Å／ｍｉｎ以上であり、６０００Åの初期段差を平坦にすることができた。研磨後の表面におけるエロージョンは５００Å以下であることが確認された。
【００６５】
以上、いくつかの例を挙げて本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されものではない。スラリ混合部としてのスラリ混合槽およびスラリ混合用溝は、分離保存が必要な任意のスラリと組み合わせて用いることができる。いずれの組み合わせにおいても、十分に大きな研磨速度で安定した研磨を行なうという効果が得られる。
【００６６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の一態様によれば、供給付帯設備を設けることなくスラリの安定性および寿命を維持しつつ、エロージョンやスクラッチといった欠陥を極力低減し、しかも十分に大きな研磨速度で被処理基板の所望の層を研磨可能な研磨装置が提供される。また本発明の他の態様によれば、スラリの安定性および寿命を維持しつつ、エロージョンやスクラッチといった欠陥を極力低減し、しかも十分に大きな研磨速度で被処理基板の所望の層を研磨可能な研磨方法が提供される。本発明のさらに他の態様によれば、高性能のダマシン配線を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【００６７】
本発明は、ＤＲＡＭや高速ロジックＬＳＩに搭載されるＣｕ、Ｗ、Ａｌ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の構成を表わす概略図。
【図２】本発明の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を表わす工程断面図。
【図３】Ｃｕ研磨速度のウェハ枚数依存性を示すグラフ図。
【図４】実施形態３で用いた研磨装置の構成を表わす概略図。
【図５】従来の研磨装置の構成を表わす概略図。
【図６】従来の研磨装置の構成を表わす概略図。
【符号の説明】
１０…研磨装置
１１…ターンテーブル
１２…軸
１３…研磨布
１４…トップリング
１５…軸
１６…半導体ウェハ
１７…スラリ混合槽
１８…第１の貯蔵タンク
１９…第２の貯蔵タンク
２０…第１の液体
２１…第２の液体
２２，２３…ポンプ
２４…第１の供給管
２５…第２の供給管
３０…半導体基板
３１…絶縁膜
３２…ライナ材
３３…配線材料
４０…研磨装置
４１…スラリ混合用溝
５１…Ｔ字管
５２…混合スラリ
【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Ｃｕ、Ｗ、Ａｌ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】
近年、半導体装置の製造分野においては、半導体素子の微細化、製造の高度化に伴なって、新しい製造装置が開発されている。そのなかでもＣＭＰ装置は、埋め込み金属配線、埋め込み素子分離などの埋め込み構造を形成するために欠くことのできない装置の一つとなっている。
【０００３】
ＣＭＰ装置を用いたプロセスでは、研磨速度を高め、スループットを向上させることが課題の一つとなっている。一般的に、Ｃｕ等のメタルを研磨するに当たっては酸化剤を含有するスラリを用い、研磨が容易な酸化物に研磨面を変質させることによって研磨速度の向上を図っている。しかしながら、スラリに含有される酸化剤は、経時変化により分解や反応が生じたり、研磨粒子の凝集や溶解などを引き起こすことがある。この場合には、研磨速度の低下やスクラッチの増加など、様々な問題が生じるおそれがある。
【０００４】
このような酸化剤に起因した問題を回避するため、酸化剤を含有する薬液と研磨粒子を含有する薬液との２種類にスラリを分離して保存し、研磨直前でこれらを混合して使用することが試みられている。一般的な２液供給においては、分離収容された２種類の薬液は、滴下前に混合され１液化した状態で研磨面に供給される。例えば、Ｔ字型供給およびＦ字型供給といった供給方法であるが、こうした方法を採用した装置では流速や配管長さが制限されるために、液体が混じりにくいノニオン界面活性剤や疎水性の強い酸化抑制剤などが添加剤として含有される場合には、十分に均一に混合することが困難である。
【０００５】
上述したように、酸化剤を含有するスラリは、安定性が低下するのを避けるためには２液に分離して保存しておくことが有効であるものの、被処理基板を研磨する際には均一に混合された状態となっていなければ、このスラリ本来の特性を安定して得ることが困難となる。
【０００６】
スラリの安定性の観点からは、分離保存された薬液は可能な限り使用直前に混合することが望まれ、混合後のスラリを直ちに使用するためには、混合用の供給付帯設備を設けることは適切ではない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、供給付帯設備を設けることなくスラリの安定性および寿命を維持しつつ、エロージョンやスクラッチといった欠陥を極力低減し、しかも十分に大きな研磨速度で被処理基板の所望の層を研磨可能な研磨装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また本発明は、スラリの安定性および寿命を維持しつつ、エロージョンやスクラッチといった欠陥を極力低減し、しかも十分に大きな研磨速度で被処理基板の所望の層を研磨可能な研磨方法を提供することを目的とする。
【０００９】
さらに本発明は、高性能のダマシン配線を有する半導体装置の製造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】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、被処理基板が相対的に移動する研磨領域およびこの研磨領域より内周の非研磨領域を有するターンテーブルと、
被処理基板を保持し、前記研磨領域内で研磨面に対接させる基板ホルダーと、
第１の液体を供給する第１の供給管と、
第２の液体を供給する第２の供給管と、
前記非研磨領域内で、前記第１および第２の供給管の先端から離間して前記ターンテーブル上に配置され、前記第１および第２の液体を収容して混合し、混合スラリを前記研磨面上に供給するスラリ混合槽と
を具備することを特徴とする研磨装置を提供する。
【００１１】
また本発明の他の態様は、基板ホルダーに保持された被処理基板を、ターンテーブル上に位置し、被処理基板が相対的に移動する研磨領域およびこの研磨領域より内周の非研磨領域を含む研磨面の前記研磨領域に対接させる工程と、
前記研磨面の前記非研磨領域に設けられたスラリ混合部に、少なくとも一方に研磨成分を含有する第１および第２の液体を供給する工程と、
前記ターンテーブルを回転させて、前記被処理基板を相対的に移動させるとともに、前記スラリ混合部で前記第１および第２の液体が混合されてなる混合スラリを前記研磨面上に供給して、前記被処理基板を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。
【００１２】
本発明のさらに他の態様は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の内部および前記絶縁膜の上に導電性材料を堆積して、導電性を有する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、前記導電性材料を前記凹部内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少なくとも一部の除去は、前述の研磨方法を用いたＣＭＰ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。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１は、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である。
【００１５】
図示するように、ターンテーブル１１の上面には研磨布１３が貼付されており、これらは軸１２を中心に水平面内で図示矢印方向に回転可能である。この際の回転数は、３０〜１５０ｒｐｍ程度とすることができる。ターンテーブル１１の上方には、半導体ウェハ１６を保持する基板ホルダーとしてのトップリング１４が配置される。これらは、軸１５を中心に水平面内でターンテーブル１１と同方向に、例えば３０〜１５０ｒｐｍの回転数で回転させつつ、５０〜７００ｇ／ｃｍ２の研磨荷重で半導体ウェハ１６を研磨布１３に押し付けることによって研磨が行なわれる。
【００１６】
ターンテーブル１１が回転することによって、トップリング１４に保持された半導体ウェハ１６は、研磨布１３上の円軌道を相対的に移動して研磨が行なわれる。この円軌道より内周にある研磨布１３の領域は、半導体ウェハ１４の研磨に関与しない非研磨領域ということができる。
【００１７】
この非研磨領域には、第１の液体２０と第２の液体２１とを収容して混合し、混合スラリを研磨布１３上に供給するスラリ混合部としてのスラリ混合槽１７が配置されている。第１の液体２０は、例えば研磨粒子を含有する薬液とすることができ、第２の液体２１は、例えば酸化剤を含有する薬液とすることができる。第１の液体２０は、第１の貯蔵タンク１８内に貯蔵され、ポンプ２２を介して第１の供給管２４によりスラリ混合槽１７に供給される。一方、第２の液体２１は、第２の貯蔵タンク１９内に貯蔵され、ポンプ２３を介して第２の供給管２５によりスラリ混合槽１７に供給される。こうした液体は、例えば５０〜５００ｍｌ／ｍｉｎの流量でスラリ混合槽１７に供給することができる。必要に応じて、他の成分を含有する第３の液体を収容する第３の貯蔵タンク、この第３の液体を供給するためのポンプ、第３の供給管をさらに設けてもよい。
【００１８】
スラリ混合槽１７に滴下された第１の液体２０および第２の液体２１は、供給圧力、対流、ターンテーブル１１の回転によって十分に均一に混合された後、オーバーフローして研磨布１３上に供給される。
【００１９】
したがって、スラリ混合槽１７の寸法は、供給される２液を確実に収容して混合できるとともに、研磨布１３上の非研磨領域内に収まるように設定される。例えば、スラリ混合槽１７の横方向の大きさは、１０ｍｍ以上６０ｍｍ以下とすることができる。小さすぎる場合には、供給される２液を収容して十分に混合することが困難となり、大きすぎる場合には、研磨布１３上の非研磨領域内に設置することができず、ウェハを研磨するという本来の機能を損なうおそれがある。また、その高さは、１ｍｍ以上４０ｍｍ以下とすることが好ましい。低すぎる場合には、供給される２液を収容して十分に混合することが困難となる。一方、高すぎる場合には、スラリ混合槽１７内に残留する研磨粒子が過剰となったり、第１および第２の供給管２４、２５との干渉が生じるという不都合が生じる。このような観点から、スラリ混合槽１７の高さについては、スラリ混合槽１７の容量を考慮しつつ、スラリ混合槽１７の上端が供給管２４，２５の先端から離間するような高さに設定される。
【００２０】
供給された２液を均一に混合して、研磨布１３上にオーバーフローさせるためには、スラリ混合槽１７は円筒型であることが好ましいが、その形状は特に限定されるものではない。
【００２１】
スラリ混合槽１７は、例えばプラスチックにより構成することができる。研磨布１３の非研磨領域にスラリ混合槽１３を配置するに当たっては、例えば両面テープなどによる粘着またはねじ止め等により、研磨布１３上に固定することができる。ねじ止めの場合には、研磨布１３を介してターンテーブル１１にスラリ混合槽１７を固定すればより確実である。非研磨領域内で、かつ供給される２液を収容できる範囲内であれば、スラリ混合槽１７が配置される位置は特に限定されず、スラリ混合槽１７の中心は、必ずしも研磨布１３の中心と一致させる必要はない。
【００２２】
本発明の実施形態にかかる研磨装置においては、保存安定性を維持するために分離保存が必要なスラリが使用される。こうしたスラリとしては、例えば、Ｃｕ−ＣＭＰ用のスラリが挙げられる。Ｃｕ−ＣＭＰに用いられるスラリは、通常、保存安定性の観点から、研磨粒子を含有する研磨粒子分散液と、酸化剤を含有する溶液とに分離されている。この場合、酸化剤としては過硫酸アンモニウムが用いられており、これは、酸化剤として一般的に用いられる過酸化水素などに比べ、液体になじむまでの速度が遅いといわれている。また、研磨粒子を含有する分散液には、高速研磨、低エロージョン、低欠陥などの要求を満たすために，キナルジン酸や界面活性剤といった物質も添加される。こうした成分は疎水性が強いため、従来の供給方法では、２種類の液体を使用時に均一に混合することは困難であった。
【００２３】
また、Ｗの研磨に一般的に用いられるスラリも、本発明の実施形態にかかる装置において使用することができる。Ｗ−ＣＭＰに用いられるスラリは、例えば、研磨粒子としてのコロイダルシリカ、酸化剤としての過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、過酸化水素を活性化するための触媒としてのＣｕ２＋イオン、および平坦化特性を向上させるための界面活性剤としてドデシルベンゼンスルホン酸カリウムを含有する。
【００２４】
過酸化水素は、Ｃｕ２＋イオンによりＨＯ＊に活性化されてＷの研磨速度が高まるものの、ＨＯ＊は短命であるため過酸化水素はＣｕ２＋イオンと混合貯蔵することができない。コロイダルシリカは、Ｃｕ２＋イオンと共存した際に塩析効果によって凝集・沈殿することから、これら２つの成分も混合貯蔵することができない。一方、過酸化水素が分解しないｐＨ（５以下）の領域では、シリカが電位的に不安定であり、凝集・沈殿しやすいため、過酸化水素とコロイダルシリカとも混合貯蔵することができない。そこで、通常はコロイダルシリカを含有する研磨粒子分散液、過酸化水素を含有する酸化剤溶液、およびＣｕ２＋イオンを含有する触媒溶液のように３種類に分離して保存し、研磨直前に混合して使用する。
【００２５】
ＲｕまたはＲｕ化合物を含有する金属膜は、硝酸セリウムおよび硝酸二アンモニウムセリウムのようなセリウム化合物（ＩＶ）を研磨成分として含有する水溶液をスラリとして用いて研磨することができる。一般に、セリウム化合物（ＩＶ）は、高濃度の溶液としては安定であるが、低濃度に希釈されると経時変化を生じて酸化力が低下し、研磨力が低下するという性質がある。したがって、セリウム化合物（ＩＶ）を含有する水溶液を用いて研磨を行なう場合、希釈後長時間を経ないで研磨に供されなければならず、好ましくは希釈後すぐに、最も好ましくは希釈と同時に研磨に供されるのがよい。このため、セリウム化合物（ＩＶ）を高濃度で含有する水溶液と、希釈用の水とを分離保存してことが望まれる。
【００２６】
さらに、酸化膜を研磨するためのスラリにおいては、研磨粒子としてセリアを用いる場合、平坦化特性を向上させるために界面活性剤が添加される。しかしながら、セリア粒子と界面活性剤とが長い間共存すると、界面活性剤がセリア粒子に付着しすぎてしまい、本来の特性を発揮することが困難となる。このため、研磨粒子としてのセリアを含有する研磨粒子分散液と、界面活性剤を含有する液体との２つに分離して保存し、研磨直前に混合して使用することが望まれる。
【００２７】
一般的に、研磨粒子を含有する分散液は、高濃度で保存しておくことによって研磨粒子の凝集を抑制することができる。このため、実際に研磨に用いられるよりも高濃度で研磨粒子を分散させて研磨粒子分散液を調製し、これを使用直前に所望の濃度に水等で希釈して研磨を行なうことが好ましい。例えば、酸化膜を研磨するためのスラリは、シリカを３０ｗｔ％の濃度で含有する分散液を、使用直前に水で３倍に希釈して使用される。このように研磨粒子を高濃度に含有する分散液と水とを混合して使用する場合も、本発明の実施形態にかかる研磨装置が好適に用いられる。
【００２８】
上述したようなスラリには、必要に応じて通常用いられる添加剤、例えば、酸化剤、界面活性剤、酸化抑制剤、およびｐＨ調整剤などを、通常使用される量で配合してもよい。
【００２９】
酸化剤としては、Ｈ２Ｏ２、（ＮＨ４）２Ｓ２Ｏ８、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
本発明の実施形態にかかる研磨装置においては、使用されるスラリは、少なくとも一方に研磨成分を含有する第１および第２の液体に分離して供給されるので、安定性が損なわれることは避けられる。しかも、分離供給された２種類の液体はユースポイントで均一に混合が行なわれ、混合スラリは直ちに研磨に使用されるので、研磨特性を高めるという作用を十分に発揮させることができる。その結果、エロージョンやスクラッチといった欠陥の少ない高性能な研磨を、安定して行なうことが可能となった。
【００３３】
（実施形態１）
本発明の実施形態にかかる研磨装置を用いて、Ｃｕダマシン配線を形成した例について説明する。
【００３４】
図２に、Ｃｕダマシンの配線形成の工程図を示す。
【００３５】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板３０上にｌｏｗ−Ｋ材料などからなる層間絶縁膜３１を形成し、深さ３０００Åの溝を設けた。なお、半導体基板３０は、バルク基板あるいは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、ライナ３２としてのＴａ／ＴａＮを３００Åスパッタリングにより成膜し、配線材料３３としてのＣｕ膜を７０００Å程度、スパッタリング（シード層）＋メッキ法により堆積した。
【００３６】
配線材料３３としてのＣｕ膜の不要部分は、図１に示した装置を用いたＣＭＰにより図２（ｂ）に示すように除去した。続いて、図２（ｃ）に示すように、層間絶縁膜３１上のライナ３２をＣＭＰにより除去し、溝内部に埋め込み配線を形成した。
【００３７】
本実施形態ではＣｕ−ＣＭＰの際、研磨布１３としてＩＣ１０００（ロデール・ニッタ社製）を用い、この研磨布１３の非研磨領域の中心に、半径２０ｍｍ、高さ２０ｍｍのプラスチック製のスラリ混合槽１７を接着剤により固定して、図１に示す研磨装置を構成した。スラリ混合層１７の配置に当たっては、その中心を、研磨布１３の中心と一致させた。
【００３８】
スラリとしては、研磨粒子を含有する分散液である第１の液体と、酸化剤を含有する溶液である第２の液体との２種類を混合して用いた。研磨粒子分散液は、研磨粒子としてのシリカ：２ｗｔ％、酸化抑制剤としてのキナルジン酸：１ｗｔ％およびノニオン界面活性剤：０．４ｗｔ％を純水に配合して調製し、酸化剤溶液は、酸化剤としての過硫酸アンモニウムを２ｗｔ％、純水に溶解させて調製した。
【００３９】
研磨に当たっては、ターンテーブル１１を１００ｒｐｍで回転させつつ、スラリ混合槽１７内に、２つの液体をいずれも１５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で滴下した。これと同時に、ウェハ１６を保持したトップリング１４を１００ｒｐｍで回転させながら、４００ｇ／ｃｍ２の研磨荷重で研磨布１３に押し付けた。こうした条件で１００秒間の研磨を行なうことによって、図２（ｂ）に示すようにＣｕ膜の不要部分が除去された。
【００４０】
なお、第１および第２の液体の供給流量、ターンテーブルおよびトップリングの回転数、研磨荷重等は、被研磨材料や薬液の種類、研磨条件等に応じて適宜、変更することが可能である。
【００４１】
供給開始から５秒程度経過すると、これら２種類の液体はスラリ混合槽１７の上端まで達し、十分に混合された均一なスラリとしてスラリ混合槽１７をオーバーフローし、研磨布１３上に供給された。均一に混合されたスラリが研磨直前に研磨布１３上に供給されるので、スラリの本来の研磨特性を十分に引き出すことができる。具体的には、従来、高性能であるが、安定性や寿命に問題があったスラリ（研磨速度：約１００００Å／ｍｉｎ、エロージョン：３００Å以下）でのダマシン配線の形成が、量産レベルで可能となった。
【００４２】
研磨速度のウェハ枚数依存性を、図３のグラフに曲線ａとして示す。本実施形態の装置を用いた場合には、４０枚のウェハを研磨しても、Ｃｕの研磨速度のバラツキを±２５０Å／ｍｉｎ程度に収めることができることが、曲線ａから明らかである。
【００４３】
比較のために、図５、図６に示すような従来の装置を用いて、前述と同様にＣｕダマシン配線を形成した。図５に示す装置においては、研磨布１３上に２液がそれぞれ供給され、ターンテーブル１１の回転により混合されてウェハ１６の研磨に用いられる。また、図６に示す装置はＴ字型供給を行なう例であり、２液をそれぞれ供給する２つの供給管２４，２５の先端はＴ字管５１により接続されて、混合スラリ５２として研磨布１３上に滴下される。この場合、混合スラリ５２の流量は、２液の供給流量の和となる。
【００４４】
従来の装置では、研磨速度やエロージョンなどの研磨特性が著しく不安定になり、Ｃｕが全く削れなくなることもあった。これは、２液が混合されにくいため、安定した状態になる前に研磨面にスラリが到達してしまうことによるものと考えられる。
【００４５】
図５に示した装置を用いた場合の研磨速度のウェハ枚数依存性を、図３中に曲線ｂとして示す。従来の装置では、ウェハの枚数が増えるにしたがってＣｕ研磨速度は、大きく変動しつつ全体として低下していることが、曲線ｂから明らかである。また、研磨後の表面には、５００Å以上のエロージョンが認められた。図６に示した装置を用いた場合にも、図５の装置を用いた場合と同様の結果が得られた。
【００４６】
以上のことから、本実施形態の装置を用いることによって、安定した研磨が可能となることが確認された。
【００４７】
（実施形態２）
本実施形態においては、第１の液体としての研磨粒子分散液、第２の液体としての酸化剤溶液、および第３の液体としての触媒溶液の３液を混合したスラリを用いて、Ｗダマシン配線を形成した例を説明する。
【００４８】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板３０上にｌｏｗ−Ｋ材料などからなる層間絶縁膜３１を形成し、深さ３０００Åの溝を設けた。なお、半導体基板３０は、バルク基板あるいは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、ライナ３２としてのＴｉ／ＴｉＮ膜をスパッタリング法により２００Åの膜厚で形成し、配線材料３３としてのＷをＣＶＤ法により３５００Åの膜厚で堆積した。
【００４９】
配線材料３３としてのＷ膜の不要部分は、本発明の実施形態に係る装置を用いたＣＭＰにより図２（ｂ）に示すように除去した。ここで用いた装置は、第３の液体のための貯蔵タンク、ポンプ、および供給管を備えた以外は図１に示したものと同様である。続いて、図２（ｃ）に示すように、層間絶縁膜３１上のライナ３２をＣＭＰにより除去し、溝内部に埋め込み配線を形成した。
【００５０】
本実施形態ではＷ−ＣＭＰの際、研磨布１３として前述の実施形態１と同様にＩＣ１０００（ロデール・ニッタ社製）を用い、この研磨布１３の非研磨領域に、半径２０ｍｍ、高さ２０ｍｍのプラスチック製のスラリ混合槽１７をネジ止めして固定し、本実施形態の研磨装置を構成した。スラリ混合槽１７の中心は、研磨布１３の中心から５ｍｍ程度ずらして配置した。
【００５１】
ここで用いるスラリは、以下のように調製した。
【００５２】
第１の液体としての研磨粒子分散液は、研磨粒子としてのコロイダルシリカ：５ｗｔ％、および平坦化特性を高めるための界面活性剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸カリウム：１ｗｔ％を、純水に配合して調製し、第２の液体としての酸化剤溶液は、酸化剤としての過酸化水素水：１ｗｔ％を純水に溶解して調製した。また、硫酸銅を純水に溶解して０．０５ｗｔ％の水溶液を調製し、過酸化水素を活性化するための触媒であるＣｕ２ ＋イオンを含有する第３の液体を得た。
【００５３】
研磨に当たっては、ターンテーブル１１を１００ｒｐｍで回転させつつ、スラリ混合槽１７内に、研磨粒子分散液、酸化剤溶液および触媒溶液を、いずれも１５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で滴下した。これと同時にウェハ１６を保持したトップリング１４を１２０ｒｐｍで回転させながら、４００ｇ／ｃｍ２の研磨荷重で研磨布１３に押し付けることによって、図２（ｂ）に示すようにＷ膜の不要部分が除去された。
【００５４】
供給開始から５秒程度経過すると、これら３種類の液はスラリ混合槽１７の上端まで達し、十分に均一に混合されたスラリとしてスラリ混合槽１７をオーバーフローして、研磨布１３上に供給された。スラリ混合槽１７においては、特に混合しにくいドデシルベンゼンスルホン酸カリウムも十分に混合される。均一に混合されたスラリが研磨直前に研磨布１３上に供給されるので、スラリの本来の研磨特性を十分に引き出すことができる。
【００５５】
２分間（Ｊｕｓｔ＋３０％オーバー）の研磨を行なったところ、Ｗ研磨速度は３０００Å／ｍｉｎであり、エロージョン３００Å以下の良好なＷダマシン配線を安定して形成することができた。
【００５６】
（実施形態３）
分離保存された２液を収容して混合し、研磨布上に混合スラリを供給するためのスラリ混合部としてのスラリ混合槽は、研磨布に設けた凹部で置き換えることも可能である。図４には、その例を示す。
【００５７】
図４に示す研磨装置４０は、スラリ混合槽１７の代わりにスラリ混合用溝４１が研磨布１３の非研磨領域に設けられている以外は、図１に示した装置と同様である。この溝４１の水平方向の寸法は、例えば、半径１０ｍｍ以上６０ｍｍ以下とすることができる。小さすぎる場合には、供給される２液を収容して十分に混合することが困難となり、大きすぎる場合には、非研磨領域内に設けることが困難となって、ウェハを研磨するという本来の効果を阻害するおそれがある。また、供給される２液を収容して十分に混合するためには、溝４１の深さは、１ｍｍ以上であることが好ましい。一方、溝４１の深さについて特に上限はないが、ターンテーブル１１の腐食等を避けるために、テーブル１１表面を何等かの手段により保護しない限り、溝４１が研磨布１３を貫通しない範囲に抑えることが望まれる。
【００５８】
さらにその形状は、前述のスラリ混合槽と同様の理由から円筒状であることが好ましいが、特に限定されない。
【００５９】
こうした溝４１は、例えばディンプルや溝加工などにより研磨布１３に形成することができる。研磨布１３としては、例えば、ＳＵＢＡ４００（ロデール・ニッタ社製）とＩＣ１０００（ロデール・ニッタ社製）との２層積層型のものを用いることができる。こうした２枚を貼り合わせる前または後に、非研磨領域内の所定の部分にカッターや金型を用いて所望の形状に加工することができる。
【００６０】
非研磨領域内で、かつ２種類のスラリを収容できる範囲内であれば、スラリ混合用溝４１の配置される位置は特に限定されず、スラリ混合用溝４１の中心は、必ずしも研磨布１３の中心と一致させる必要はない。
【００６１】
図４に示した装置を用いて、下地の配線パターンに起因した段差を表面に有する酸化膜（ＳｉＯ２膜）の研磨を行なった。研磨布１３としては、ＳＵＢＡ４００とＩＣ１０００との２層積層研磨布を用意し、その中心には半径４０ｍｍ、深さ１ｍｍの円筒状の溝をカッターにより加工した。
【００６２】
スラリとしては、研磨粒子としてのセリア粒子０．５ｗｔ％を純水に分散させてなる第１の液体としての研磨粒子分散液と、界面活性剤としてのポリカルボン酸系の界面活性剤３０ｗｔ％を、純水に溶解させてなる第２の液体としての添加剤溶液とを用いた。
【００６３】
研磨に当たっては、ターンテーブル１１を１００ｒｐｍで回転させつつ、スラリ混合用溝４１内に２つの液体をいずれも１５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で滴下した。これと同時に、ウェハ１６を保持したトップリング１４を１０７ｒｐｍで回転させながら、５００ｇ／ｃｍ２の研磨荷重で研磨布１３に押し付けて、酸化膜を研磨した。
【００６４】
２分間の研磨を行なったところ、ＳｉＯ２研磨速度は３０００Å／ｍｉｎ以上であり、６０００Åの初期段差を平坦にすることができた。研磨後の表面におけるエロージョンは５００Å以下であることが確認された。
【００６５】
以上、いくつかの例を挙げて本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されものではない。スラリ混合部としてのスラリ混合槽およびスラリ混合用溝は、分離保存が必要な任意のスラリと組み合わせて用いることができる。いずれの組み合わせにおいても、十分に大きな研磨速度で安定した研磨を行なうという効果が得られる。
【００６６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の一態様によれば、供給付帯設備を設けることなくスラリの安定性および寿命を維持しつつ、エロージョンやスクラッチといった欠陥を極力低減し、しかも十分に大きな研磨速度で被処理基板の所望の層を研磨可能な研磨装置が提供される。また本発明の他の態様によれば、スラリの安定性および寿命を維持しつつ、エロージョンやスクラッチといった欠陥を極力低減し、しかも十分に大きな研磨速度で被処理基板の所望の層を研磨可能な研磨方法が提供される。本発明のさらに他の態様によれば、高性能のダマシン配線を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【００６７】
本発明は、ＤＲＡＭや高速ロジックＬＳＩに搭載されるＣｕ、Ｗ、Ａｌ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の構成を表わす概略図。
【図２】本発明の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を表わす工程断面図。
【図３】Ｃｕ研磨速度のウェハ枚数依存性を示すグラフ図。
【図４】実施形態３で用いた研磨装置の構成を表わす概略図。
【図５】従来の研磨装置の構成を表わす概略図。
【図６】従来の研磨装置の構成を表わす概略図。
【符号の説明】
１０…研磨装置
１１…ターンテーブル
１２…軸
１３…研磨布
１４…トップリング
１５…軸
１６…半導体ウェハ
１７…スラリ混合槽
１８…第１の貯蔵タンク
１９…第２の貯蔵タンク
２０…第１の液体
２１…第２の液体
２２，２３…ポンプ
２４…第１の供給管
２５…第２の供給管
３０…半導体基板
３１…絶縁膜
３２…ライナ材
３３…配線材料
４０…研磨装置
４１…スラリ混合用溝
５１…Ｔ字管
５２…混合スラリ
Claims (8)
- 被処理基板が相対的に移動する研磨領域およびこの研磨領域より内周の非研磨領域を有するターンテーブルと、
被処理基板を保持し、前記研磨領域内で研磨面に対接させる基板ホルダーと、
第１の液体を供給する第１の供給管と、
第２の液体を供給する第２の供給管と、
前記非研磨領域内で、前記第１および第２の供給管の先端から離間して前記ターンテーブル上に配置され、前記第１および第２の液体を収容して混合し、混合スラリを前記研磨面上に供給するスラリ混合槽と
を具備することを特徴とする研磨装置。 - 基板ホルダーに保持された被処理基板を、ターンテーブル上に位置し、被処理基板が相対的に移動する研磨領域およびこの研磨領域より内周の非研磨領域を含む研磨面の前記研磨領域に対接させる工程と、
前記研磨面の前記非研磨領域に設けられたスラリ混合部に、少なくとも一方に研磨成分を含有する第１および第２の液体を供給する工程と、
前記ターンテーブルを回転させて、前記被処理基板を相対的に移動させるとともに、前記スラリ混合部で前記第１および第２の液体が混合されてなる混合スラリを前記研磨面上に供給して、前記被処理基板を研磨する工程とを具備することを特徴とする研磨方法。 - 前記スラリ混合部は、前記ターンテーブル上に貼付された研磨布上に固定して配置されたスラリ混合槽であることを特徴とする請求項２に記載の研磨方法。
- 前記スラリ混合部は、前記ターンテーブル上に貼付された研磨布に設けられた凹部であることを特徴とする請求項２に記載の研磨方法。
- 前記第１の液体は研磨粒子と水とを含有し、前記第２の液体は酸化剤と水とを含有することを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の研磨方法。
- 前記第１の液体は研磨粒子と水とを含有し、前記第２の液体はこの第１の液体を希釈する水であることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の研磨方法。
- 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の内部および前記絶縁膜の上に導電性材料を堆積して、導電性を有する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、前記導電性材料を前記凹部内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少なくとも一部の除去は、請求項２ないし５のいずれか１項に記載の研磨方法を用いたＣＭＰ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。 - 前記導電性材料はライナ層を介して設けられたＣｕ層を含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
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