JP2004149926A - Method of forming embedded wiring - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造プロセスにおける埋め込み配線の形成方法に関する。 The present invention relates to a method for forming a buried interconnect in a semiconductor device manufacturing process.
近年、半導体基板上に埋め込み配線(プラグも含む)を形成する手法としては、半導体基板上に形成された酸化膜等の絶縁膜に配線用凹状溝又はプラグ用凹部よりなる凹状部を形成した後、凹状部を含む絶縁膜の上に全面に亘って銅等よりなる導電膜を堆積し、その後、絶縁膜の上に堆積されている導電膜(凹状部内を除く導電膜)を化学機械研磨により除去することによって、凹状部に埋め込み配線を形成する方法が提案されている。 2. Description of the Related Art In recent years, as a method of forming an embedded wiring (including a plug) on a semiconductor substrate, a method of forming a concave portion including a wiring concave groove or a plug concave portion in an insulating film such as an oxide film formed on a semiconductor substrate is known. Then, a conductive film made of copper or the like is deposited over the entire surface of the insulating film including the concave portion, and then the conductive film (the conductive film excluding the inside of the concave portion) deposited on the insulating film is subjected to chemical mechanical polishing. A method of forming a buried wiring in a concave portion by removing the wiring has been proposed.
以下、従来の埋め込み配線の形成方法を、図14〜図16を参照しながら銅の埋め込み配線を形成する場合を例にとって説明する。 Hereinafter, a conventional method for forming a buried interconnect will be described with reference to FIGS.
図14は従来の化学機械研磨装置の概略構成を示しており、図14に示すように、回転運動をする定盤101の上に研磨パッド102が設けられており、該研磨パッド102の上方に、研磨パッド102の上に研磨スラリー103を供給する研磨スラリー供給管104が設けられている。また、研磨パッド102の上方には、被研磨基板105を保持すると共に保持した被研磨基板105を研磨パッド102に押し付ける基板保持ヘッド106が上下動可能に設けられている。
FIG. 14 shows a schematic configuration of a conventional chemical mechanical polishing apparatus. As shown in FIG. 14, a
従来の化学機械研磨装置においては、定盤101の回転に伴って回転運動をする研磨パッド102の上に研磨スラリー103を供給しながら、基板保持ヘッド106により被研磨基板105を研磨パッド102に押し付けると、被研磨基板105の表面に堆積された銅等の金属膜は化学機械研磨されて平坦になる。
In a conventional chemical mechanical polishing apparatus, a substrate to be polished 105 is pressed against a
図15は、銅等の金属膜を研磨するための研磨スラリー103の成分を模式的に示しており、研磨スラリー103は、水110にアルミナ又はシリカ等の砥粒111及び過酸化水素等の酸化剤112が含有されてなる。この研磨スラリー103は、酸化剤112により金属膜を酸化させると共に酸化した金属膜を砥粒111により研磨して除去することにより、金属膜を平坦化するものである。
FIG. 15 schematically shows components of a
以下、前記の化学機械研磨装置及び研磨スラリーを用いて、銅の埋め込み配線を形成する方法について、図16(a)〜(c)を参照しながら説明する。 Hereinafter, a method of forming a buried wiring of copper using the above-described chemical mechanical polishing apparatus and polishing slurry will be described with reference to FIGS.
まず、図16(a)に示すように、図示しない半導体基板上に形成された絶縁膜120に、信号線等の細幅の埋め込み配線を形成するための細幅の配線用凹状溝121、及び電圧電源線、検査用電極又は外部接続用電極等の広幅の埋め込み配線を形成するための広幅の配線用凹状溝122を形成した後、絶縁膜120の上に全面に亘って例えばTiNよりなるバリア層123を堆積し、その後、バリア層123の上に全面に亘って銅膜124を堆積する。尚、図16(a)において、溝パターン密集領域とは細幅の埋め込み配線ひいては細幅の配線用凹状溝121が密集している領域を示し、溝幅の大きいパターン領域とは、電圧電源線、検査用電極又は外部用電極等の広幅の埋め込み配線ひいては広幅の配線用凹状溝122が形成される領域を示している。
First, as shown in FIG. 16A, a narrow wiring
次に、銅膜124に対して熱処理を施してリフローすることにより、図16(b)に示すように、銅膜124を細幅の配線用凹状溝121及び広幅の配線用凹状溝122の底部の隅にまで確実に充填する。
Next, the
次に、前記の研磨スラリー103を用いて銅膜124に対して化学機械研磨を施すと、図16(c)に示すように、銅膜124よりなる通常の埋め込み配線125及び広幅の埋め込み配線126が形成される。
Next, when the
ところが、前記のようにして化学機械研磨を行なうと、図16(c)に示すように、溝幅の大きいパターン領域においては、広幅の埋め込み配線125の中央部の膜厚が減少する、いわゆるディッシングが起きると共に、溝パターン密集領域においては、細幅の埋め込み配線125の高さが所定値に対して減少する、いわゆるエロージョンが起きる。
However, when the chemical mechanical polishing is performed as described above, as shown in FIG. 16C, in a pattern region having a large groove width, the film thickness at the central portion of the wide buried
このように、エロージョン又はディッシングが起きると、埋め込み配線の高さが低減して配線抵抗が増大するので、埋め込み配線の信頼性が低下するという問題がある。 As described above, when erosion or dishing occurs, the height of the embedded wiring is reduced and the wiring resistance is increased, so that there is a problem that the reliability of the embedded wiring is reduced.
また、埋め込み配線に表面段差があると、リソグラフィの焦点深度の問題から、パターン形成に不具合が生じてしまう。 Also, if there is a surface step in the embedded wiring, a problem occurs in pattern formation due to the problem of the depth of focus of lithography.
前記に鑑み、本発明は、埋め込み配線が密集している領域に生じるエロージョン、及び埋め込み配線の配線幅が広い領域に生じるディッシングを抑制して、埋め込み配線の表面高さを均一化し、これにより、埋め込み配線の信頼性を向上させると共にリソグラフィの焦点深度のマージンを確保することを目的とする。 In view of the above, the present invention suppresses erosion that occurs in a region where the embedded wiring is dense, and dishing that occurs in a region where the wiring width of the embedded wiring is wide, and makes the surface height of the embedded wiring uniform, thereby An object of the present invention is to improve the reliability of embedded wiring and to secure a margin for the depth of focus of lithography.
前記の目的を達成するため、本発明に係る埋込み配線の形成方法は、半導体基板の上に形成された絶縁膜に凹状溝を形成する工程(a)と、前記絶縁膜の上にバリア層を形成した後、前記凹状溝を充填するように該バリア層の上に金属膜を形成する工程(b)と、前記金属膜に対して化学機械研磨と電解メッキとを並行して行ない、前記凹状溝に埋め込み配線を形成する工程(c)とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for forming a buried wiring according to the present invention comprises the steps of: (a) forming a concave groove in an insulating film formed on a semiconductor substrate; and forming a barrier layer on the insulating film. After the formation, a step (b) of forming a metal film on the barrier layer so as to fill the concave groove, and performing chemical mechanical polishing and electrolytic plating on the metal film in parallel, Forming a buried interconnect in the groove (c).
本発明の埋め込み配線の形成方法によると、凹状溝に埋め込み配線を形成する工程(c)において金属膜に対して化学機械研磨と電解メッキとを並行して行なうので、金属膜の表面が化学機械研磨されるため金属膜の膜厚は薄くなるが、金属膜の表面にメッキ層が形成される。この場合、金属膜の凸状部においてはメッキ層は速やかに研磨される一方、金属膜の凹状部においてはメッキ層は研磨され難いので、埋め込み配線が密集していたり又は埋め込み配線の配線幅が広いために金属膜が凹状になり易い領域に選択的にメッキ層が形成される。従って、埋め込み配線が密集している領域に生じるエロージョン及び埋め込み配線の配線幅が広い領域に生じるディッシングが抑制される。 According to the method for forming an embedded wiring of the present invention, in the step (c) of forming the embedded wiring in the concave groove, the chemical mechanical polishing and the electrolytic plating are performed on the metal film in parallel, so that the surface of the metal film has a chemical mechanical property. Although the thickness of the metal film is reduced due to polishing, a plating layer is formed on the surface of the metal film. In this case, the plating layer is quickly polished in the convex portion of the metal film, while the plating layer is hard to be polished in the concave portion of the metal film, so that the buried wiring is dense or the wiring width of the buried wiring is small. A plating layer is selectively formed in a region where the metal film is likely to be concave because of being wide. Therefore, erosion that occurs in a region where the buried wiring is dense and dishing that occurs in a region where the wiring width of the buried wiring is large are suppressed.
本発明に係る埋め込み配線の形成方法において、前記工程(c)は、前記絶縁膜の凸部の上の前記金属膜は前記化学機械研磨によって除去され、かつ前記凹状溝に形成された前記金属膜の表面には該金属膜を構成する金属と同種の金属のイオンよりなるメッキ層が成長することが好ましい。 In the method of forming an embedded wiring according to the present invention, in the step (c), the metal film on the convex portion of the insulating film is removed by the chemical mechanical polishing, and the metal film formed in the concave groove is formed. It is preferable that a plating layer composed of ions of the same metal as the metal constituting the metal film grows on the surface of the metal film.
本発明に係る埋め込み配線の形成方法において、前記工程(c)は、前記化学機械研磨により前記絶縁膜の凸部の上の前記金属膜の膜厚が初期膜厚の80〜10%の範囲内になったときに前記電解メッキを始めることが好ましい。 In the method for forming a buried interconnect according to the present invention, in the step (c), the thickness of the metal film on the convex portion of the insulating film is within a range of 80 to 10% of an initial film thickness by the chemical mechanical polishing. It is preferable that the electrolytic plating be started when the above conditions are satisfied.
本発明に係る埋め込み配線の形成方法において、前記工程(c)は、前記化学機械研磨により前記絶縁膜の凸部の上の前記金属膜の膜厚が初期膜厚の80%以上であるときに前記電解メッキを始めることが好ましい。 In the method for forming a buried interconnect according to the present invention, the step (c) is performed when the thickness of the metal film on the convex portion of the insulating film is 80% or more of an initial film thickness by the chemical mechanical polishing. It is preferable to start the electrolytic plating.
本発明に係る埋め込み配線の形成方法において、前記工程(b)は、前記バリア層の上に前記金属膜を堆積した後、該金属膜に対して熱処理を施すことが好ましい。 In the method of forming an embedded wiring according to the present invention, in the step (b), it is preferable that after depositing the metal film on the barrier layer, a heat treatment is performed on the metal film.
本発明に係る埋め込み配線の形成方法において、前記金属膜は銅膜であることが好ましい。 In the method for forming an embedded wiring according to the present invention, it is preferable that the metal film is a copper film.
本発明に係る埋込み配線の形成方法によると、金属膜の表面が化学機械研磨されるため金属膜の膜厚は薄くなるが、金属膜の表面にメッキ層が形成されるため、埋め込み配線が密集している領域に生じるエロージョン及び埋め込み配線の配線幅が広い領域に生じるディッシングが抑制され、埋め込み配線の表面高さが均一化されるので、配線抵抗のバラツキが減少し、これにより、埋め込み配線の信頼性が向上する。また、リソグラフィにおける焦点深度のマージンを確保することができる。 According to the method for forming an embedded wiring according to the present invention, the thickness of the metal film is reduced because the surface of the metal film is chemically and mechanically polished, but since the plating layer is formed on the surface of the metal film, the embedded wiring is densely packed. The erosion that occurs in the region where the wiring is formed and the dishing that occurs in the region where the wiring width of the buried wiring is large are suppressed, and the surface height of the buried wiring is made uniform, so that the variation in wiring resistance is reduced. Reliability is improved. Further, a margin of the depth of focus in lithography can be secured.
本発明の埋込み配線の形成方法において、電解メッキを、金属膜の膜厚が初期膜厚の80%〜10%になったときに開始すると、化学機械研磨の効率が向上するので、スループットを向上させることができる。 In the method for forming an embedded wiring according to the present invention, when the electrolytic plating is started when the thickness of the metal film is 80% to 10% of the initial film thickness, the efficiency of chemical mechanical polishing is improved, and the throughput is improved. Can be done.
本発明の埋込み配線の形成方法において、電解メッキを、金属膜の膜厚が初期膜厚の100%〜80%になったときに開始すると、化学機械研磨と電解メッキとをほぼ同時に進行させることができるので、埋め込み配線が密集している領域に生じるエロージョン及び埋め込み配線の配線幅が広い領域に生じるディッシングを確実に抑制して、埋め込み配線の表面高さが確実に均一化することができる。 In the method of forming an embedded wiring according to the present invention, when the electroplating is started when the thickness of the metal film becomes 100% to 80% of the initial film thickness, the chemical mechanical polishing and the electroplating proceed almost simultaneously. Therefore, erosion that occurs in a region where the embedded wirings are densely formed and dishing that occurs in a region where the wiring width of the embedded wiring is wide can be reliably suppressed, and the surface height of the embedded wiring can be reliably made uniform.
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態に係る研磨スラリー10の成分を模式的に示しており、第1の実施形態に係る研磨スラリー10は、水11にアルミナ又はシリカ等の砥粒12、過酸化水素等の酸化剤13、及び被研磨膜を構成する金属と同種の金属のイオン14が含有されてなる。金属イオン14としては、被研磨膜が銅膜の場合には、銅イオン(Cu2+)が挙げられる。
(1st Embodiment)
FIG. 1 schematically shows components of a
研磨スラリー10に銅イオンを含有させる方法としては、研磨スラリー10に硫酸銅(CuSO4 )を混合し、混合された硫酸銅をイオン化させてCu2+及びSO4 2-を生じさせる。
As a method of causing the
(第2の実施形態)
図2は本発明の第2の実施形態に係る基板の研磨装置の概略構成を示しており、図3は図2における一点鎖線の部分を拡大して示している。
(Second embodiment)
FIG. 2 shows a schematic configuration of a substrate polishing apparatus according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an enlarged view of a dashed line in FIG.
図2に示すように、回転運動をする定盤20の上に研磨パッド21が設けられており、該研磨パッド21の上方に、研磨パッド21の上に第1の実施形態に係る研磨スラリー10を供給する研磨スラリー供給管23が設けられている。また、研磨パッド21の上方には、被研磨基板24を保持すると共に保持した被研磨基板24の被研磨膜を研磨パッド21に押し付ける基板保持ヘッド25が上下動可能に設けられている。
As shown in FIG. 2, a
第2の実施形態の特徴として、研磨スラリー供給管23と基板保持ヘッド25との間に直流電圧源26及び電流計27が直列に接続されており、直流電圧源26、研磨スラリー供給管23、研磨スラリー10、銅膜33、基板保持ヘッド25及び電流計27の間で閉回路が形成されている。
As a feature of the second embodiment, a
また、図3に示すように、被研磨基板24は、シリコンウェハ30と、該シリコンウェハ30の上に順次堆積されてなる絶縁膜31、TiN層よりなるバリア層32及び銅膜33とからなる。この場合、シリコンウェハ30の側面は丸みを持っているため、銅膜33はシリコンウェハ30の厚さ方向のほぼ中央部まで延びるように形成されている。
As shown in FIG. 3, the
また、基板保持ヘッド25は導電性材料により構成されていると共に、基板保持ヘッド25における研磨パッド21と対向する部位には絶縁体35が取り付けられている。
The
これらによって、銅膜33はその周縁部(ヘッド導電部)において基板保持ヘッド25と電気的に接続されていると共に、基板保持ヘッド25と研磨パッド21ひいては研磨パッド21上の研磨スラリー10とは電気的に絶縁されている。
As a result, the
(第1の基板の研磨方法)
以下、第2の実施形態に係る基板の研磨装置を用いて行なう、第1の基板の研磨方法について図4(a)〜(d)を参照しながら説明する。
(Method of polishing first substrate)
Hereinafter, a first substrate polishing method performed by using the substrate polishing apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図4(a)に示すように、シリコンウェハ30(図4(a)〜(d)においては図示を省略している。)の上に形成された絶縁膜31に、信号線等の細幅の埋め込み配線を形成するための細幅の配線用凹状溝41、及び電圧電源線、検査用電極又は外部接続用電極等の広幅の埋め込み配線を形成するための広幅の配線用凹状溝42を形成した後、絶縁膜31の上に全面に亘って例えばTiNよりなるバリア層32を堆積し、その後、バリア層32の上に全面に亘って銅膜33を堆積する。尚、溝パターン密集領域及び溝幅の大きいパターン領域の意味については、図16(a)に示した従来の基板の研磨方法と同様である。
First, as shown in FIG. 4A, an insulating
次に、銅膜33に対して熱処理を施してリフローすることにより、図4(b)に示すように、銅膜33を細幅の配線用凹状溝41及び広幅の配線用凹状溝42の底部の隅にまで充填する。
Next, the
次に、定盤20を回転して研磨パッド21を回転しながら、研磨スラリー供給管23から第1の実施形態に係る研磨スラリー10を研磨パッド21の上に供給すると共に、基板保持ヘッド25を降下させて、銅膜33に対して化学機械研磨を施す。
Next, while rotating the
そして、銅膜33に対する化学機械研磨が或る程度まで進行した段階で、銅膜33に対する化学機械研磨を続けながら、直流電圧源26から研磨スラリー供給管23に正の電圧を印加する一方、基板保持ヘッド25に負の電圧を印加する。
Then, at the stage where the chemical mechanical polishing of the
このようにすると、研磨スラリー10に含まれている銅の正イオン(Cu2+)は、基板保持ヘッド25を介して負の電圧が印加されている銅膜33に引き寄せられると共に銅膜33から電子を貰って、銅膜33の表面に銅原子として付着する。すなわち、図4(c)に示すように、銅膜33は化学機械研磨によって膜厚が薄くなるが、銅膜33の表面に銅の電解メッキが施されるため、銅膜33の表面に銅のメッキ層43が形成される。この場合、銅膜33の表面にはほぼ等しい膜厚のメッキ層43が成長するが、絶縁膜31の凸部31aの上の銅膜33に付着するメッキ層43は化学機械研磨によって速やかに除去されるので、細幅の配線用凹状溝41に堆積されている銅膜33の表面高さと絶縁膜31の凸部31aの表面高さとはほぼ等しくなる。また、広幅の配線用凹状溝42に堆積されている銅膜33の表面高さは、絶縁膜31の凸部31aの表面高さよりも若干低いが、銅の電解メッキを行なわない場合に比べて高くなるので、つまり絶縁膜31の凸部31aの表面高さに接近するので、銅膜33の表面の段差は緩和される。
In this way, the positive ions (Cu 2+ ) of copper contained in the polishing
その後、銅膜33に対する化学機械研磨、研磨スラリー供給管23への正の電圧の印加、及び基板保持ヘッド25への負の電圧の印加を継続すると、広幅の配線用凹状溝42に堆積されている銅膜33の表面高さは絶縁膜31の凸部31aの表面高さよりも低いため、広幅の配線用凹状溝42に堆積されている銅膜33の表面にはメッキ層43が成長し、段差は徐々に緩和される。
Thereafter, when chemical mechanical polishing of the
次に、バリア層32が研磨により除去され、絶縁膜31が露出した段階で、銅膜33に対する化学機械研磨、研磨スラリー供給管23への正の電圧の印加、及び基板保持ヘッド25への負の電圧の印加を終了する。このようにすると、図4(d)に示すように、細幅の配線用凹状溝41に堆積される細幅の埋め込み配線45と広幅の配線用凹状溝42に堆積される広幅の埋め込み配線46と絶縁膜31の凸部31aの高さとはほぼ等しくなる。もっとも、広幅の埋め込み配線46の中央部の表面高さは絶縁膜31の凸部31aの表面高さよりも若干低い。
Next, when the
以上説明したように、第1の基板の研磨方法によると、銅膜33に対して化学機械研磨と銅の電解メッキとを並行して行なうので、溝パターン密集領域の細幅の埋め込み配線45及び広幅の埋め込み配線46の表面高さと、絶縁膜31の表面高さとをほぼ等しくすることができる。
As described above, according to the first substrate polishing method, the chemical mechanical polishing and the copper electrolytic plating are performed on the
尚、直流電圧源26から研磨スラリー供給管23に正の電圧を印加すると共に基板保持ヘッド25に負の電圧を印加して電解メッキを始めるタイミングとしては、絶縁膜31の凸部31aの上の銅膜33の膜厚が初期膜厚の80〜10%の範囲内になったときが好ましい。その理由は次の通りである。すなわち、銅膜33の膜厚が初期膜厚の80%を超える状態で電解メッキを始めると、メッキ層43を堆積させながらメッキ層43及び銅膜33を化学機械研磨するため、化学機械研磨の研磨レートが実質的に低下するためであり、銅膜33の膜厚が初期膜厚の10%未満になる状態で電解メッキを始めると、デッシングやエロージョンの抑制効果が殆どないためである。
The timing at which a positive voltage is applied from the
このように、銅膜33の膜厚が初期膜厚の80〜10%の範囲内になったときに、研磨スラリー供給管23に正の電圧を印加すると共に基板保持ヘッド25に負の電圧を印加するようにすると、銅膜33の膜厚が化学機械研磨により或る程度まで減少するまでの間は化学機械研磨のみが行なわれるため、化学機械研磨の効率が向上するので、スループットの低減を抑制することができる。
As described above, when the thickness of the
尚、研磨スラリー供給管23と基板保持ヘッド25との間に直流電圧源26を接続する代わりに、研磨スラリー供給管23に一の直流電圧源から正の電圧を印加すると共に、基板保持ヘッド25に他の直流電圧源から負の電圧を印加してもよい。このようにすると、研磨スラリー供給管23への正の電圧の印加と、基板保持ヘッド25への負の電圧の印加とを独立に制御することができる。また、研磨スラリー供給管23と基板保持ヘッド25との間に、直流電圧源26のほかに交流電圧源をも直列に接続してもよい。
Instead of connecting the
(第2の基板の研磨方法)
以下、第2の実施形態に係る基板の研磨装置を用いて行なう、第2の基板の研磨方法について図5(a)〜(c)及び図6を参照しながら説明する。
(Method of polishing second substrate)
Hereinafter, a second substrate polishing method performed by using the substrate polishing apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 5 (a) to 5 (c) and FIG.
まず、第1の基板の研磨方法と同様に、配線用凹状溝が形成された絶縁膜31の上にバリア層32及び銅膜33を順次堆積した後、銅膜33をリフローして細幅の配線用凹状溝41及び広幅の配線用凹状溝42に充填する。
First, a
次に、研磨スラリー供給管23から第1の実施形態に係る研磨スラリー10を研磨パッド21の上に供給しながら、銅膜33に対して化学機械研磨を行なう。その後、銅膜33の膜厚が或る程度まで減少したときに、直流電圧源26から研磨スラリー供給管23に正の一定の電圧を印加し且つ基板保持ヘッド25に負の一定の電圧を印加すると共に、電流計27によって研磨スラリー供給管23と基板保持ヘッド25との間に流れる電流値を測定して、研磨スラリー供給管23と基板保持ヘッド25との間の抵抗値を算出しながら、銅膜33に対して銅の電解メッキを施す。
Next, chemical mechanical polishing is performed on the
このようにすると、電解メッキが盛んに行なわれているときには大きい電流が流れるので、電流値が大きく且つメッキ抵抗は小さい一方、電解メッキが行なわれなくなると小さい電流しか流れないので、電流値は小さく且つメッキ抵抗は大きくなる。 In this case, a large current flows when the electroplating is actively performed, so that the current value is large and the plating resistance is small, but only a small current flows when the electroplating is not performed. In addition, the plating resistance increases.
図5(a)〜(c)及び図6(a)〜(c)は、銅膜33に対して電解メッキを施しながら化学機械研磨を行なったときの、シリコンウェハ30の上に形成されている絶縁膜31、バリア層32及び銅膜33の露出状態を示しており、図5(a)〜(c)は断面構造を表わし、図6(a)〜(c)は平面構造を表わしている。また、図7は銅膜33に対して電解メッキを施しながら化学機械研磨を行なったときの研磨時間と抵抗値との関係を示している。
FIGS. 5A to 5C and FIGS. 6A to 6C show a state in which the
図5(a)及び図6(a)に示すように、化学機械研磨の初期においては、銅膜33の膜厚が十分に大きくて、バリア層32が露出していないため、大きな電流が流れるので、図6のグラフのAに示すように、抵抗値は小さい。
As shown in FIGS. 5A and 6A, in the initial stage of chemical mechanical polishing, a large current flows because the thickness of the
その後、図5(b)及び図6(b)に示すように、化学機械研磨が進行して、銅膜33の膜厚が小さくなっていき、バリア層32が露出し始めると、バリヤー32を構成するTiNはCuに比べて比抵抗が大きくため、電流値が低下していくので、図6のグラフのBに示すように、抵抗値は増加し続ける。
Thereafter, as shown in FIG. 5B and FIG. 6B, chemical mechanical polishing progresses, the thickness of the
その後、図5(c)及び図6(c)に示すように、化学機械研磨がさらに進行して、絶縁膜31が大きく露出すると、電流が殆ど流れなくなるので、図6のグラフのCに示すように、抵抗値はほぼ無限大になって抵抗値の増加は飽和する。この状態で、化学機械研磨及び電解メッキを終了する。
Thereafter, as shown in FIG. 5C and FIG. 6C, when the chemical mechanical polishing further progresses and the insulating
このようにして、研磨スラリー供給管23と基板保持ヘッド25との間に流れる電流値ひいては抵抗値を算出することにより、化学機械研磨の終点を検出することができる。
In this way, by calculating the value of the current flowing between the polishing
尚、第2の基板の研磨方法は、電解メッキと化学機械研磨とを同時に行ないながら、研磨スラリー供給管23と基板保持ヘッド25との間に流れる電流値ひいては抵抗値を算出して化学機械研磨の終点を検出したが、これに代えて、電解メッキを行なわずに化学機械研磨のみを行ないながら、電流値ひいては抵抗値を算出することにより、化学機械研磨の終点を検出することもできる。
In the second substrate polishing method, a current value flowing between the polishing
(第3の基板の研磨方法)
以下、第2の実施形態に係る基板の研磨装置を用いて行なう、第3の基板の研磨方法について、図8(a)〜(d)を参照しながら説明する。
(Third substrate polishing method)
Hereinafter, a third substrate polishing method performed by using the substrate polishing apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図8(a)に示すように、シリコンウェハ30(図8(a)〜(d)においては図示を省略している。)の上に形成された絶縁膜31に細幅の配線用凹状溝41及び広幅の配線用凹状溝42を形成した後、絶縁膜31の上に全面に亘って例えばTiNよりなるバリア層32を堆積し、その後、バリア層32の上に全面に亘って銅膜33を堆積する。次に、銅膜33に対して熱処理を施してリフローすることにより、銅膜33を細幅の配線用凹状溝41及び広幅の配線用凹状溝42の底部の隅にまで充填する。尚、溝パターン密集領域及び溝幅の大きいパターン領域の意味については、図16(a)に示した従来の基板の研磨方法と同様である。
First, as shown in FIG. 8A, an insulating
次に、研磨スラリー供給管23から第1の実施形態に係る研磨スラリー10を回転している研磨パッド21の上に供給して銅膜33に対して化学機械研磨を行なうと共に、直流電圧源26から研磨スラリー供給管23に正の電圧を印加し且つ基板保持ヘッド25に負の電圧を印加して銅膜33に対して銅の電解メッキを施す。
Next, the polishing
このようにすると、図8(b)に示すように、化学機械研磨の開始当初から銅の電解メッキを行なっているため、銅膜33の表面に銅のメッキ層43が大きく成長するので、広幅の配線用凹状溝42に堆積された銅膜33及びメッキ層43に発生するディッシングは、第1の基板の研磨方法に比べて小さい。
In this case, as shown in FIG. 8B, since copper electrolytic plating is performed from the beginning of the chemical mechanical polishing, the
従って、広幅の配線用凹状溝42に堆積されている銅膜33及びメッキ層43の表面高さは、絶縁膜31の凸部31aの表面高さよりも若干低いが、絶縁膜31の凸部31aの表面高さに大きく接近するので、表面の段差は大きく緩和される。また、細幅の配線用凹状溝41に堆積された銅膜33及びメッキ層43は、絶縁膜31の凸部31a上の銅膜33と同じ高さになる。
Therefore, the surface height of the
その後、化学機械研磨及び電解メッキを継続すると、図8(c)に示すように、広幅の配線用凹状溝42に堆積されている銅膜33及びメッキ層33の表面高さは絶縁膜31の凸部31aの表面高さと同等となる。
Thereafter, when the chemical mechanical polishing and the electrolytic plating are continued, as shown in FIG. 8C, the surface heights of the
さらに、化学機械研磨及び電解メッキを継続し、絶縁膜31が露出した段階で化学機械研磨及び電解メッキを終了すると、図8(d)に示すように、細幅の配線用凹状溝41に堆積される細幅の埋め込み配線45と広幅の配線用凹状溝42に堆積される広幅の埋め込み配線46と絶縁膜31の凸部31aの高さとは等しくなる。
Further, when the chemical mechanical polishing and the electrolytic plating are continued, and the chemical mechanical polishing and the electrolytic plating are completed when the insulating
以上説明したように、第3の基板の研磨方法によると、銅膜33に対して最初から化学機械研磨と電解メッキとを並行して行なうので、溝パターン密集領域の細幅の埋め込み配線45及び広幅の埋め込み配線46の表面高さと、絶縁膜31の表面高さとを確実に等しくすることができる。
As described above, according to the third substrate polishing method, the chemical mechanical polishing and the electrolytic plating are performed in parallel on the
尚、銅膜に対して銅の電解メッキを行なうタイミングとしては、化学機械研磨の開始と同時でもよいが、絶縁膜31の凸部31aの上の銅膜33の膜厚が初期膜厚の80%以上であるときに行なってもよい。このようにすると、広幅の埋め込み配線46の表面高さと、絶縁膜31の表面高さとを確実に等しくすることができる。
Note that the timing of performing the electrolytic plating of copper on the copper film may be at the same time as the start of the chemical mechanical polishing. However, the thickness of the
また、第1〜第3の基板の研磨方法においては、研磨スラリー10に正の金属イオンである銅イオンを含有させたが、これに代えて、研磨スラリー10に負の金属イオンを含有させる場合には、研磨スラリー供給管23に負の電圧を印加する一方、基板保持ヘッド25に正の電圧を印加する。
In the first to third substrate polishing methods, the polishing
(第3の実施形態)
図9は本発明の第3の実施形態に係る基板の研磨装置の概略構成を示しており、図9に示すように、回転運動をする定盤20の上に研磨パッド21が設けられており、該研磨パッド21の上方に、研磨パッド21の上面に第1の実施形態に係る研磨スラリー10を供給する研磨スラリー供給管23が設けられている。また、研磨パッド21の上方には、被研磨基板24を保持すると共に保持した被研磨基板24を研磨パッド21に押し付ける基板保持ヘッド25が上下動可能に設けられている。
(Third embodiment)
FIG. 9 shows a schematic configuration of a substrate polishing apparatus according to a third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9, a
第3の実施形態の特徴として、研磨スラリー供給管23と研磨パッド21との間に、研磨スラリー供給管23から研磨パッド21の上に供給される研磨スラリー10に接触するように、チタン等の導電材料よりなる棒状の導電体51が設けられており、該導電体51の先端部は研磨スラリー10との接触面積が大きくなるように球状に形成されている。
As a feature of the third embodiment, between the polishing
また、導電体51と基板保持ヘッド25との間には、直流電圧源26及び電流計27が直列に接続されており、直流電圧源26、導電体51、研磨スラリー10、銅膜33、基板保持ヘッド25及び電流計27の間で閉回路が形成されている。
A
第3の実施形態に係る基板の研磨装置によると、銅膜33に対する化学機械研磨を行ないながら、直流電圧源26から導電体51に正の電圧を印加し且つ基板保持ヘッド25に負の電圧を印加して銅膜33に対して銅の電解メッキを施すことができる。また、電流計27により、導電体51と基板保持ヘッド25との間に流れる電流の大きさを検出することができる。
According to the substrate polishing apparatus according to the third embodiment, a positive voltage is applied from the
従って、第3の実施形態に係る基板の研磨装置を用いて、前記の第1〜第3の基板の研磨方法を確実に実行することができる。 Therefore, the first to third substrate polishing methods can be reliably performed by using the substrate polishing apparatus according to the third embodiment.
(第4の実施形態)
図10は本発明の第4の実施形態に係る基板の研磨装置の概略構成を示しており、図10に示すように、回転運動をする定盤20の上に研磨パッド21が設けられており、該研磨パッド21の上方に、研磨パッド21の上面に第1の実施形態に係る研磨スラリー10を供給する研磨スラリー供給管23が設けられている。また、研磨パッド21の上方には、被研磨基板24を保持すると共に保持した被研磨基板24を研磨パッド21に押し付ける基板保持ヘッド25が上下動可能に設けられている。
(Fourth embodiment)
FIG. 10 shows a schematic configuration of a substrate polishing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10, a
第4の実施形態の特徴として、回転する研磨パッド21の周縁部と接触しながら回転する導電性材料よりなるローラ52aと、該ローラ52aを回転自在に保持する導電性材料よりなるローラ保持体52bとから構成されるローラ部材52が設けられている。これにより、ローラ部材52のローラ52aは、研磨パッド21の上に供給される研磨スラリー10と接触することができる。
A feature of the fourth embodiment is that a
また、ローラ部材52のローラ保持体51bと基板保持ヘッド25との間には、直流電圧源26及び電流計27が直列に接続されており、直流電圧源26、ローラ部材52、研磨スラリー10、銅膜33、基板保持ヘッド25及び電流計27の間で閉回路が形成されている。
A
第4の実施形態に係る基板の研磨装置によると、銅膜33に対する化学機械研磨を行ないながら、直流電圧源26からローラ部材52に正の電圧を印加し且つ基板保持ヘッド25に負の電圧を印加して、銅膜33に対して銅の電解メッキを施すことができる。また、電流計27により、ローラ部材52と基板保持ヘッド25との間に流れる電流の大きさを検出することができる。
According to the substrate polishing apparatus according to the fourth embodiment, a positive voltage is applied from the
従って、第4の実施形態に係る基板の研磨装置を用いて、前記の第1〜第3の基板の研磨方法を確実に実行することができる。 Therefore, the first to third substrate polishing methods can be reliably performed using the substrate polishing apparatus according to the fourth embodiment.
(第5の実施形態)
図11は本発明の第5の実施形態に係る基板の研磨装置の概略構成を示しており、図11に示すように、回転運動をする定盤20の上に研磨パッド21が設けられており、該研磨パッド21の上方に、研磨パッド21の上面に第1の実施形態に係る研磨スラリー10を供給する研磨スラリー供給管23が設けられている。また、研磨パッド21の上方には、被研磨基板24を保持すると共に保持した被研磨基板24を研磨パッド21に押し付ける基板保持ヘッド25が上下動可能に設けられている。
(Fifth embodiment)
FIG. 11 shows a schematic configuration of a substrate polishing apparatus according to a fifth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 11, a
第5の実施形態の特徴として、基板保持ヘッド25の表面には絶縁性被膜53を介して導電性被膜54が設けられており、該導電性被膜54は、研磨パッド21の上に供給される研磨スラリー10と接触することができる。
As a feature of the fifth embodiment, a
また、導電性被膜54と基板保持ヘッド25との間には、直流電圧源26及び電流計27が直列に接続されており、直流電圧源26、導電性被膜54、研磨スラリー10、銅膜33、基板保持ヘッド25及び電流計27の間で閉回路が形成されている。
A
第5の実施形態に係る基板の研磨装置によると、銅膜33に対する化学機械研磨を行ないながら、直流電圧源26から導電性被膜54に正の電圧を印加し且つ基板保持ヘッド25に負の電圧を印加して、銅膜33に対して銅の電解メッキを施すことができる。また、電流計27により、導電性被膜54と基板保持ヘッド25との間に流れる電流の大きさを検出することができる。
According to the substrate polishing apparatus according to the fifth embodiment, a positive voltage is applied to the
従って、第5の実施形態に係る基板の研磨装置を用いて、前記の第1〜第3の基板の研磨方法を確実に実行することができる。 Therefore, the first to third substrate polishing methods can be reliably executed by using the substrate polishing apparatus according to the fifth embodiment.
(第6の実施形態)
図12は本発明の第6の実施形態に係る基板の研磨装置の概略構成を示し、図13は第6の実施形態に係る基板の研磨装置における研磨パッド21の構造を模式的に示している。
(Sixth embodiment)
FIG. 12 shows a schematic configuration of a substrate polishing apparatus according to the sixth embodiment of the present invention, and FIG. 13 schematically shows a structure of a
図12に示すように、回転運動をする定盤20の上に導電性の研磨パッド21が設けられており、該研磨パッド21の上方に、研磨パッド21の上面に第1の実施形態に係る研磨スラリー10を供給する研磨スラリー供給管23が設けられている。また、研磨パッド21の上方には、被研磨基板24を保持すると共に保持した被研磨基板24を研磨パッド21に押し付ける基板保持ヘッド25が上下動可能に設けられている。
As shown in FIG. 12, a
第6の実施形態の特徴として、図13に示すように、導電性の研磨パッド21は、炭素の重合体よりなるシート状体55と、該シート状体55の内部に散在する導電性粒子56とから構成されている。
As a feature of the sixth embodiment, as shown in FIG. 13, the
また、導電性の研磨パッド21と基板保持ヘッド25との間には、直流電圧源26及び電流計27が直列に接続されており、直流電圧源26、研磨パッド21、研磨スラリー10、銅膜33、基板保持ヘッド25及び電流計27の間で閉回路が形成されている。
A
第6の実施形態に係る基板の研磨装置によると、銅膜33に対する化学機械研磨を行ないながら、直流電圧源26から研磨パッド21に正の電圧を印加し且つ基板保持ヘッド25に負の電圧を印加して、銅膜33に対して銅の電解メッキを施すことができる。また、電流計27により、研磨パッド21と基板保持ヘッド25との間に流れる電流の大きさを検出することができる。
According to the substrate polishing apparatus according to the sixth embodiment, a positive voltage is applied from the
従って、第6の実施形態に係る基板の研磨装置を用いて、前記の第1〜第3の基板の研磨方法を確実に実行することができる。 Therefore, the first to third substrate polishing methods can be reliably performed using the substrate polishing apparatus according to the sixth embodiment.
10 研磨スラリー
11 水
12 砥粒
13 酸化剤
14 金属のイオン
20 定盤
21 研磨パッド
23 研磨スラリー供給管
24 被研磨基板
25 基板保持ヘッド
26 直流電圧源
27 電流計
30 シリコンウェハ
31 絶縁膜
31a 凸部
32 バリア層
33 銅膜
35 絶縁体
41 細幅の配線用凹状溝
42 広幅の配線用凹状溝
43 メッキ層
45 細幅の埋め込み配線
46 広幅の埋め込み配線
51 導電体
52 ローラ部材
52a ローラ
52b ローラ保持体
53 絶縁性被膜
54 導電性被膜
55 シート状体
56 導電性粒子
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記絶縁膜の上にバリア層を形成した後、前記凹状溝を充填するように該バリア層の上に金属膜を形成する工程(b)と、
前記金属膜に対して化学機械研磨と電解メッキとを並行して行ない、前記凹状溝に埋め込み配線を形成する工程(c)とを備えることを特徴とする埋め込み配線の形成方法。 (A) forming a concave groove in an insulating film formed on a semiconductor substrate;
(B) forming a metal layer on the barrier layer so as to fill the concave groove after forming a barrier layer on the insulating film;
Forming a buried wiring in the concave groove by performing chemical mechanical polishing and electrolytic plating on the metal film in parallel, and (c) forming a buried wiring.
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