JP2004356117A - 基板処理方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】たとえ層間絶縁膜として機械的強度が脆弱な材料を用いた場合であっても、微細配線の多層配線構造を有する半導体装置等をより高い歩留りで製造できるようにする。
【解決手段】表面に配線用の微細凹部３，４を形成した基板Ｗを用意し、基板Ｗの表面にめっきにより金属膜６を成膜して該金属膜６を微細凹部３，４内に埋込み、基板の非有効領域に形成された金属膜６、及び基板の有効領域に形成された余剰の金属膜６を除去し、この金属膜除去後の基板Ｗの表面を化学機械的研磨により平坦化する。
【選択図】 図８
【解決手段】表面に配線用の微細凹部３，４を形成した基板Ｗを用意し、基板Ｗの表面にめっきにより金属膜６を成膜して該金属膜６を微細凹部３，４内に埋込み、基板の非有効領域に形成された金属膜６、及び基板の有効領域に形成された余剰の金属膜６を除去し、この金属膜除去後の基板Ｗの表面を化学機械的研磨により平坦化する。
【選択図】 図８
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板処理方法及びその装置に関し、例えばＬＳＩ、ディスプレイ、磁気ヘッド及びそれらのチップ実装分野において、配線用の微細凹部（配線パターン）が形成された基板の表面に、銅等の金属膜（配線材料）をめっきにより成膜し、余剰となった金属膜を除去して、サブミクロンからミクロンサイズの金属配線を形成するのに使用される基板処理方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体基板上に電気配線を形成するための配線材料として、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。銅はアルミニウムのような異方性エッチングによる配線形状の形成が一般に困難であるため、この種の銅配線は、基板の表面に設けた微細凹部の内部に銅を埋込む、いわゆる銅ダマシン技術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１は、この種の銅配線基板Ｗの製造例を工程順に示し、図２は、そのフローチャートを示す。先ず、図１（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ＳｉＯ２からなる酸化膜やＬｏｗ−ｋ材膜等からなる絶縁膜（層間絶縁膜）２を堆積し、リソグラフィ・エッチング技術により微孔（ビアホール）３や配線溝（トレンチ）４等の配線用の微細凹部を形成し、その上にＴａＮ等からなるバリア層５、更にその上に電解めっきの給電層としてシード層７を形成した基板Ｗを用意する。
【０００４】
そして、図１（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の微孔３及び配線溝４内に銅を充填するとともに、絶縁膜２上に銅膜６を堆積する（ステップ１）。この状態では、基板Ｗの素子形成領域以外の非有効領域であるエッジ（ベベル）部を含む全表面に銅膜６が堆積され、また基板の裏面側に不可避的に銅が成膜されことがある。そこで、このエッジ（ベベル）部等の基板の非有効領域に堆積した銅膜をエッチング等で除去して洗浄し、必要に応じて、基板の裏面も洗浄する（ステップ２）。そして、必要に応じて、基板Ｗにアニール（加熱）処理や赤外線照射を行い、銅膜６の金属結晶を成長させて安定化させる（ステップ３）。
【０００５】
次に、化学機械的研磨（ＣＭＰ）により、絶縁膜２上の余剰な銅膜６及びバリア層５を除去して、微孔３及び配線溝４に充填させた銅膜６の表面と絶縁膜２の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図１（ｃ）に示すように銅膜６からなる配線を形成する（ステップ４）。そして、この銅膜６からなる配線を形成した基板の表面及び裏面を、例えばケミカル及びスクラブなどの化学物理併用手段により洗浄し、純水によってリンス（洗浄）した後、スピン乾燥させ（ステップ５）、しかる後、乾燥後の基板を次工程に搬送する。
前述の結晶安定化処理は、不活性ガス雰囲気中で基板を強制的に加熱することによって一般に行われるが、図３に示すように、基板を室温に放置して自然アニール（ステップ３）することが有効な場合もある。
【０００６】
図４は、前述のめっきを行うめっきユニットと、前述の非有効領域の金属膜（銅膜）除去及び洗浄を行う、例えばベベルエッチ・裏面洗浄ユニットからなる除去ユニットを備えた従来の一般的なめっき装置の概要を示す。このめっき装置１０は、例えば図１（ａ）に示す、シード層７を形成した基板Ｗを内部に収容した搬送ボックス１２を着脱自在な矩形状の装置フレーム１４を備えている。そして、この装置フレーム１４の内部には、置台１６と、４台のめっきユニット１８と、２台のベベルエッチ・裏面洗浄ユニット（除去ユニット）２０と、搬送装置としての２台の搬送ロボット２２，２４が配置されている。
【０００７】
これによって、例えばシード層７を形成した基板は、搬送ボックス１２から搬送ロボット２２により一枚ずつ装置フレーム１４内に搬入され、めっきユニット１８に搬送されてめっきされる。次に、めっき後の基板は、ベベルエッチ・裏面洗浄ユニット２０に搬送されて、基板の非有効領域に堆積した銅膜等のエッチング除去及び洗浄、更には、必要に応じて基板の裏面洗浄が行われて乾燥され、しかる後、搬送ロボット２２によって、搬送ボックス１２内の元の位置に戻される。
【０００８】
図５は、前述のアニール（熱処理）によって、金属膜の結晶安定化処理を行うアニールユニット（結晶安定化ユニット）を備えたアニール装置（結晶安定化装置）の従来の一般的な構成を示す。このアニール装置２６は、例えば図１（ｂ）に示す、前述のめっき装置１０で銅膜６を堆積させた基板を収容した搬送ボックス１２を着脱自在な矩形状の装置フレーム２８を備えている。そして、この装置フレーム２８の内部には、２台のアニールユニット３０と、搬送装置としての１台の搬送ロボット３２が配置されている。
【０００９】
これによって、例えばめっき後の基板は、搬送ボックス１２から搬送ロボット３２により一枚ずつ装置フレーム２８内に搬入され、アニールユニット３０に搬送されてアニールされる。そして、このアニール後の基板は、搬送ロボット３２によって、搬送ボックス１２内の元の位置に戻される。
【００１０】
図６は、前述の化学機械的研磨（ＣＭＰ）を行うＣＭＰユニットを備えたＣＭＰ装置の従来の一般的な構成を示す。このＣＭＰ装置３４は、例えば前述のアニール装置２６でアニールされた基板を内部に収容した搬送ボックス１２を着脱自在な矩形状の装置フレーム３６を備えている。そして、この装置フレーム３６の内部には、トップリング３８、ターンテーブル（研磨テーブル）４０、ドレッサ４２及びローダ４４を備え、トップリング３８で保持した基板を、ターンテーブル４０の上面の研磨面に押圧しつつ、基板とターンテーブル４０とを相対移動させることで、基板を研磨する２台のＣＭＰユニット４６が配置されている。更に、２台の置台４８と、スクラブ洗浄を行う２台のスクラブ洗浄ユニット５０と、純水によるリンス（洗浄）とスピン乾燥を行う２台の洗浄・乾燥ユニット５２と、搬送装置としての３台の搬送ロボット５４，５６，５８が配置されている。
【００１１】
これによって、アニール後の基板は、搬送ボックス１２から搬送ロボット５４により一枚ずつ装置フレーム３６内に搬入され、ＣＭＰユニット４６に搬送されて化学機械的研磨（ＣＭＰ）される。次に、ＣＭＰ後の基板は、スクラブ洗浄ユニット５０に搬送されてスクラブ洗浄され、更に洗浄・乾燥ユニット５２に搬送されて純水によるリンス及びスピン乾燥され、しかる後、搬送ロボット５４によって、搬送ボックス１２内の元の位置に戻される。
【００１２】
なお、前述のめっき装置１０とアニール装置２６とを一体化した複合装置６０として、図７に示すように、前述のめっき装置１０の側部にアニールユニット３０を、通路６２を介して互いに連通させて付設して、めっき及びベベルエッチ・裏面洗浄後に、アニールを連続して行うようにしたものも知られている。
【００１３】
【本発明が解決しようとする課題】
例えば、ＬＳＩに金属配線を形成する場合、従来、前述のめっき装置１０やアニール装置２６、ＣＭＰ装置３４等を連結して対応してきたが、金属配線の配線サイズの微細化が進行し、また新たな層間絶縁膜材料が出現するに従って、予期されなかった多くの技術課題が生じている。これは、層間絶縁膜材料として、既存のＳｉＯ２，ＳｉＯＦ，ＳｉＯＣ，ＳｉＬＫなどを使用した場合では表面化しなかった新たな技術課題である。以下、その技術課題について説明する。
【００１４】
次世代の有望な層間絶縁材料として、より比誘電率ｋを下げることができるポーラス系材料（ポーラスＬｏｗ−ｋ材料）が注目を集めている。これらは、内部にポーラス構造を有することから、従来の層間絶縁材料よりも機械的強度が一般に脆弱である。その結果、化学機械的研磨（ＣＭＰ）の過程で、層間絶縁膜や銅配線が剥離欠損し、配線断線やショートを発生する事態が生じることがある。これらの根底には、層間絶縁膜自体の機械的強度不足、異種材料との界面での密着性不良、異種材料間、例えばポーラスＬｏｗ−ｋ材料と金属の間での熱変化に伴う膨張収縮差による界面剥れなどの多くの要因が関与していると考えられている。
【００１５】
これらを解決するか、あるいはこれらのリスクを最小化するためには、Ｌｏｗ−ｋ材料の強度を上昇させることが最も望まれるが、その他には、化学機械的研磨工程における基板へのストレス緩和（例えば低荷重研磨）、金属結晶の安定化工程における材料間での膨張収縮率差の低減、めっき工程における成膜厚みの最小化、めっき後の段差低減などの技術的改善が試みられている。しかし、それぞれが解決困難な課題を有しており、全て課題を解決するにはまだまだ時間を必要とすると考えられている。
【００１６】
本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、例え層間絶縁膜として機械的強度が脆弱な材料を用いた場合であっても、微細配線の多層配線構造を有する半導体装置等をより高い歩留りで製造できるようにした基板処理方法及びその方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、表面に配線用の微細凹部を形成した基板を用意し、基板の表面にめっきにより金属膜を成膜して該金属膜を前記微細凹部内に埋込み、基板の非有効領域に形成された金属膜、及び基板の有効領域に形成された余剰の金属膜を除去し、この金属膜除去後の基板表面を化学機械的研磨により平坦化することを特徴とする基板処理方法である。
【００１８】
このように、基板に最もダメージが加わる化学機械的研磨に先立って、基板の有効領域に過剰に成膜した金属膜を薄くすることで、膨張収縮差に起因する配線へのストレスを減少させ、しかも研磨時間自体を最少にして、例え層間絶縁膜材料として機械的強度の弱い材料を使用した場合であっても、層間絶縁膜や銅配線が剥離欠損してしまうことを防止することができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、表面に配線用の微細凹部を形成した基板を用意し、基板の表面にめっきにより金属膜を成膜して該金属膜を前記微細凹部内に埋込み、基板の非有効領域に成膜された金属膜、及び基板の有効領域に成膜された余剰の金属膜を除去し、金属膜を除去した後の基板を洗浄し、洗浄後の基板に金属膜の金属結晶を安定化させる結晶安定化処理を施し、この結晶安定化処理後の基板表面を化学機械的研磨により平坦化することを特徴とする基板処理方法である。
【００２０】
このように、例えばアニール等によって金属膜の金属結晶を安定化させる場合にあっても、基板に最もダメージが加わるアニール（結晶安定化処理）工程に先立って、基板に有効領域に過剰に成膜した金属膜を薄くすることで、膨張収縮差に起因する配線へのストレスを減少させ、しかも金属結晶安定化に要する時間を最少にすることができる。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、前記基板の有効領域に形成された余剰の金属膜の除去が該余剰の金属膜の一部を除去する部分除去であり、残存する金属膜の膜厚を測定して該金属膜の除去量を制御することを特徴とする請求項１または２記載の基板処理方法である。
これにより、金属膜の除去工程の過程で基板の有効領域に残存する金属膜の膜厚を測定し、フィードバックすることで、除去する金属膜の量をｉｎ−ｓｉｔｕで制御することができる。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、前記金属膜は、銅、銅合金、銀または銀合金であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の基板処理方法である。
本発明は、主にＬＳＩ分野で使用されると考えられ、その場合は、微細配線の配線材料としては、主に銅、銅合金、銀または銀合金が使用される。しかし、これに限定されないことは勿論である。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、前記基板の有効領域に形成された余剰の金属膜の除去を、化学エッチング、電解エッチングまたは電解複合研磨で行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の基板処理方法である。
【００２４】
化学エッチングで用いる薬液として、酸化剤としては、例えば過酸化水素、オゾン等が一般に使用され、また、金属除去剤としては、硫酸、塩酸、ふっ酸、その他のキレート剤等が一般に使用される。なお、紫外線で金属膜の表面を酸化するようにしてもよい。電解エッチングは、基板に成膜した金属膜を陽極として、電解液中に別途配置したアノードに対向させて電解液中に浸漬させて配置し、金属膜を酸化、イオン化して除去する方法である。電解複合研磨とは、金属膜表面を酸化及びキレート化（錯体化）させることにより金属膜表面を脆弱化し、接触部材との機械的接触により脆弱化した金属膜をスクラブ除去する研磨法である。
キレート化させるために、電解液にキレート剤を添加する。電解液としては、硫酸銅、硫酸アンモニウムなどの電解質を含む電解液が例示できる。電解液に砥粒またはスラリーを加えて機械的研磨作用を増やしてもよい。
【００２５】
請求項６に記載の発明は、前記基板の有効領域に形成された余剰の金属膜の除去を、化学機械的研磨で行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の基板処理方法である。
請求項７に記載の発明は、配線用の微細凹部を形成した基板の表面に金属膜を成膜して該金属膜を前記微細凹部内に埋込むめっきユニットと、基板の有効領域に成膜された余剰な金属膜の一部を除去する部分除去ユニットと、ユニット間で基板を搬送する搬送装置を有することを特徴とする基板処理装置である。
【００２６】
請求項８に記載の発明は、前記部分除去ユニットは、化学エッチングユニット、電解エッチングユニットまたは電解複合研磨ユニットであることを特徴とする請求項７記載の基板処理装置である。
請求項９に記載の発明は、前記部分除去ユニットは、化学機械的研磨ユニットであることを特徴とする請求項７記載の基板処理装置である。
【００２７】
請求項１０に記載の発明は、基板の非有効領域に形成された金属膜を除去する除去ユニットを更に有することを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の基板処理装置である。
請求項１１に記載の発明は、前記部分除去ユニットで余剰な金属膜の一部を除去した後に基板に残った金属膜の金属結晶を安定化させる結晶安定化ユニットを更に有することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の基板処理装置である。
【００２８】
請求項１２に記載の発明は、基板を洗浄する洗浄ユニットを更に有することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の基板処理装置である。
請求項１３に記載の発明は、前記部分除去ユニットで余剰な金属膜の一部を除去した基板に残った余剰な金属膜を除去するとともに、基板表面を平坦化させる化学機械的研磨ユニットを更に有することを特徴とする請求項７乃至１２のいずれかに記載の基板処理装置である。
【００２９】
請求項１４に記載の発明は、前記部分除去ユニットで余剰な金属膜の一部を除去した後に基板に残った金属膜の膜厚を測定し、測定結果を基に前記部分除去ユニットを制御する膜厚測定部を有することを特徴とする請求項７乃至１３のいずれかに記載の基板処理装置である。
【００３０】
【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。なお、以下の例では、図１及び図２に示す場合と同様に、基板の表面に銅配線を形成する例について説明する。
【００３１】
図８は、本発明の実施の形態における基板処理方法によって銅配線を形成する例を工程順に示し、図９は、その基板処理方法のフローチャート（第１の方法）を示す。この方法にあっては、先ず、図８（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ＳｉＯ２からなる酸化膜やＬｏｗ−ｋ材膜等からなる絶縁膜（層間絶縁膜）２を堆積し、リソグラフィ・エッチング技術により微孔（ビアホール）３や配線溝（トレンチ）４等の配線用の微細凹部を形成し、その上にＴａＮ等からなるバリア層５、更にその上に電解めっきの給電層としてシード層７を形成した基板Ｗを用意する。
【００３２】
そして、図８（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の微孔３及び配線溝４内に銅を充填するとともに、絶縁膜２上に銅膜６を堆積する（ステップ１）。この状態では、基板Ｗの素子形成領域以外の非有効領域であるエッジ（ベベル）部を含む全表面に銅膜６が堆積され、また基板Ｗの裏面側に不可避的に銅が成膜されことがある。そこで、このエッジ（ベベル）部等の基板の非有効領域に堆積した銅膜をエッチング等で除去して洗浄し、必要に応じて、基板の裏面も洗浄する（ステップ２）。
【００３３】
次に、素子形成領域等の基板Ｗの有効領域に堆積した余分な銅膜６の一部（表面）を、例えば化学エッチングまたは電解エッチング等で除去し、これによって、図８（ｃ）に示すように、銅膜６の膜厚が所定の値になるまで薄膜化し、洗浄する（ステップ３）。この時、残存する銅膜６の膜厚を測定し、フィードバックすることで、除去する銅膜６の量をｉｎ−ｓｉｔｕで制御することができる。そして、必要に応じて、基板Ｗにアニール（加熱）処理や赤外線照射を行い、銅膜６の金属結晶を成長させて安定化させる（ステップ４）。
【００３４】
次に、化学機械的研磨（ＣＭＰ）により、基板Ｗの有効領域に位置する絶縁膜２上に残った所定の膜厚の余剰な銅膜６及びバリア層５を除去して、微孔３及び配線溝４に充填させた銅膜６の表面と絶縁膜２の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図８（ｄ）に示すように銅膜６からなる配線を形成する（ステップ５）。そして、この銅膜６からなる配線を形成した基板の表面及び裏面を、例えばケミカル及びスクラブなどの化学物理併用手段により洗浄し、純水によってリンス（洗浄）した後、スピン乾燥させ（ステップ６）、しかる後、乾燥後の基板を次工程に搬送する。
【００３５】
なお、図１０に示すように、素子形成領域等の基板Ｗの有効領域に堆積した余分な銅膜６の一部（表面）を、先に除去して洗浄し（ステップ２）、しかる後、基板Ｗのエッジ（ベベル）部等の非有効領域に堆積した銅膜６をエッチング等で除去して洗浄し、必要に応じて、基板の裏面も洗浄する（ステップ３）ようにしてもよい。
【００３６】
このように、基板に最もダメージが加わるＣＭＰ工程や、必要に応じて行われるアニール等の金属結晶安定化工程に先立って、基板Ｗの有効領域に過剰に成膜した銅膜（金属膜）６を薄くすることで、膨張収縮差に起因する配線６へのストレスを減少させ、しかもＣＭＰ時間やアニール時間自体を最少にして、例え絶縁膜２の材料として機械的強度の弱いＬｏｗ−ｋ材料を使用して場合であっても、絶縁膜２や銅配線６が剥離欠損してしまうことを防止することができる。
【００３７】
本発明で使用される金属配線材料は、一般に銅、銅合金、銀または銀合金であるが、必ずしもこれらに限定されるものではないことは勿論である。更に、本発明は、層間絶縁膜材料として、ポーラスＬｏｗ−ｋ材料などの機械的強度が低いものを使用した場合に特に有効である。
【００３８】
図１１は、上記第１の方法を実施するのに適した、本発明の実施の形態における基板処理装置を示す。この基板処理装置は、めっき装置１００と、前述の図５及び図６に示すアニール装置２６及びＣＭＰ装置３４を直列に繋げて構成されている。この例では、めっき装置１００として、図４に示すめっき装置１０における一方のベベルエッチ・裏面洗浄ユニット２０の代わりに、膜厚を測定する膜厚測定部１０２を備えた、例えば化学エッチングユニットまたは電解エッチングユニットからなる部分除去ユニット１０４を設置したものを使用している。そして、この部分除去ユニット１０４で、前述の基板Ｗの有効領域に堆積した余分な銅膜６の一部（表面）を除去して洗浄する工程（ステップ３）を行い、この銅膜６の除去中に残存する銅膜６の膜厚を膜厚測定部１０２の測定器で測定し、フィードバックして部分除去ユニット１０４を制御するようにしている。
【００３９】
ここで、化学エッチングで用いる薬液として、酸化剤としては、例えば過酸化水素、オゾン等が一般に使用され、また、金属除去剤としては、硫酸、塩酸、ふっ酸、その他のキレート剤等が一般に使用される。なお、紫外線で銅膜６等の金属膜の表面を酸化するようにしてもよい。電解エッチングは、基板Ｗの表面に成膜した銅膜６を陽極として、電解液中に別途配置したアノードに対向させて電解液中に浸漬させて配置し、銅膜６を酸化、イオン化して除去する方法である。膜厚測定部１０２の測定器としては、例えば蛍光Ｘ線、渦電流計、画像解析、表面反射率などを利用したものが使用される。
【００４０】
図１２は、上記第１の方法を実施するのに適した、本発明の他の実施の形態における基板処理装置を示す。この基板処理装置は、めっき装置とアニール装置とを一体化した複合装置１１０と、前述の図６に示すＣＭＰ装置３４を直列に繋げて構成されている。この例では、複合装置１１０として、図７に示す複合装置６０における一方のベベルエッチ・裏面洗浄ユニット２０の代わりに、図１１に示すものと同様の構成の、膜厚を測定する膜厚測定部１０２を備えた、例えば化学エッチングユニットまたは電解エッチングユニットからなる部分除去ユニット１０４を設置したものを使用している。
【００４１】
図１３は、上記第１の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理装置は、前述の図４に示すめっき装置１０と、アニール装置１２０と、前述の図６に示すＣＭＰ装置３４を直列に繋げて構成されている。この例では、アニール装置１２０として、図５に示すアニール装置２６とほぼ同様な構成で、内部に、図１１に示すものと同様の構成の、膜厚を測定する膜厚測定部１０２を備えた、例えば化学エッチングユニットまたは電解エッチングユニットからなる部分除去ユニット１０４と、アニールユニット３０と部分除去ユニット１０４との間に洗浄ユニット１２２を配置したものを使用している。
【００４２】
図１４は、上記第１の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理装置は、前述の図４に示すめっき装置１０と、ＣＭＰ装置１３０を直列に繋げて構成されている。この例では、ＣＭＰ装置１３０として、図６に示すＣＭＰ装置３４とほぼ同様な構成で、内部に、アニールユニット３０と、図１１に示すものと同様の構成の、膜厚を測定する膜厚測定部１０２を備えた、例えば化学エッチングユニットまたは電解エッチングユニットからなる部分除去ユニット１０４とを更に設置し、１台の置台１３２と２台の搬送装置としての搬送ロボット１３４，１３６を備えたものを使用している。
【００４３】
図１５は、上記第１の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理設備は、単一の装置フレーム内に複数の処理ユニットを配置して、図９及び図１０のフローチャートに示す一連の配線形成処理を単一の装置ユニット内で連続して行えるようにしたものである。
【００４４】
すなわち、この基板処理装置には、例えば図８（ａ）に示す、シード層７を形成した基板Ｗを内部に収容した搬送ボックス１２を着脱自在な矩形状の装置フレーム１４０を備えている。そして、この装置フレーム１４０の内部には、置台１４２、１台のめっきユニット１８、１台のベベルエッチ・裏面洗浄ユニット（非有効領域エッチングユニット）２０、膜厚測定部１０２を備えた２台の部分除去ユニット（有効領域部分エッチングユニット）１０４、２台のアニールユニット（結晶安定化ユニット）３０、２台のＣＭＰユニット４６、１台のスクラブ洗浄ユニット５０、１台の洗浄・乾燥ユニット５２及び２台の搬送ロボット１４４，１４６が配置されている。
【００４５】
これによって、シード層が形成した基板は、搬送ボックス１２から搬送ロボット１４４により一枚ずつ装置フレーム１４０内に搬入され、めっきユニット１８によるめっき処理、ベベルエッチ・裏面洗浄ユニット２０による基板の非有効領域に堆積した銅膜等のエッチング除去及び洗浄処理、部分除去ユニット１０４による基板の有効領域に堆積した銅膜等の部分エッチング除去及び洗浄処理、アニールユニット３０による金属結晶安定化処理及びＣＭＰユニット４６によるＣＭＰ処理が順次行われる。そして、スクラブ洗浄ユニット５０によってスクラブ洗浄され、洗浄・乾燥ユニット５２によって純水でリンス（洗浄）され、スピン乾燥された後、搬送ロボット１４４により、搬送ボックス１２内の元の位置に戻される。
【００４６】
図１６は、本発明の他の実施の形態における基板処理方法のフローチャート（第２の方法）を示す。この例にあっては、前述と同様に、図８（ａ）に示す、シード層７を形成した基板Ｗを用意し、図８（ｂ）に示すように、基板Ｗの表面に銅めっきを施すことで、微孔３及び配線溝４内に銅を充填するとともに、絶縁膜２上に銅膜６を堆積する（ステップ１）。そして、基板Ｗのエッジ（ベベル）部等の基板の非有効領域に堆積した銅膜をエッチング等で除去して洗浄し、必要に応じて、基板の裏面も洗浄する（ステップ２）。
【００４７】
次に、素子形成領域等の基板Ｗの有効領域に堆積した余分な銅膜６の一部（表面）を電解複合研磨で除去し、これによって、図８（ｃ）に示すように、銅膜６の膜厚が所定の値になるまで薄膜化し、洗浄する（ステップ３）。この時、残存する銅膜６の膜厚を測定し、フィードバックすることで、除去する銅膜６の量をｉｎ−ｓｉｔｕで制御することができることは前述と同様である。そして、必要に応じて、基板Ｗにアニール（加熱）処理や赤外線照射を行い、銅膜６の金属結晶を成長させて安定化させる（ステップ４）。
【００４８】
次に、化学機械的研磨（ＣＭＰ）により、基板Ｗの有効領域に位置する絶縁膜２上に残った所定の膜厚の余剰な銅膜６及びバリア層５を除去して、微孔３及び配線溝４に充填させた銅膜６の表面と絶縁膜２の表面とをほぼ同一平面にする。
これにより、図８（ｄ）に示すように銅膜６からなる配線を形成する（ステップ５）。そして、この銅膜６からなる配線を形成した基板の表面及び裏面を、例えばケミカル及びスクラブなどの化学物理併用手段により洗浄し、純水によってリンス（洗浄）した後、スピン乾燥させ（ステップ６）、しかる後、乾燥後の基板を次工程に搬送する。
【００４９】
なお、図１７に示すように、素子形成領域等の基板Ｗの有効領域に堆積した余分な銅膜６の一部（表面）を、先に電解複合研磨で除去して洗浄し（ステップ２）、しかる後、基板Ｗのエッジ（ベベル）部等の非有効領域に堆積した銅膜６をエッチング等で除去して洗浄し、必要に応じて、基板の裏面も洗浄する（ステップ３）ようにしてもよい。
【００５０】
電解複合研磨とは、金属膜表面を酸化及びキレート化（錯体化）させることにより金属膜表面を脆弱化し、接触部材との機械的接触により脆弱化した金属膜をスクラブ除去する研磨法である。キレート化させるために、電解液にキレート剤を添加する。電解液としては、硫酸銅、硫酸アンモニウムなどの電解質を含む電解液が例示できる。電解液に砥粒またはスラリーを加えて機械的研磨作用を増やしてもよい。さらに本発明の電解研磨とは、電極と基板間の少なくとも一箇所にイオン交換体を配置し、イオン交換体を基板に近接または接触させ、電極と基板間の少なくとも一箇所に超純水、純水又はそれらに界面活性剤などを添加した電気伝導度が５００μＳ／ｃｍ以下、好ましくは５０μＳ／ｃｍ以下、更に好ましくは０．１μＳ／ｃｍ以下の液体もしくは電解液を供給して研磨する方法である。
【００５１】
図１８は、上記第２の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この基板処理装置は、めっき装置２００と、前述の図５及び図６に示すアニール装置２６及びＣＭＰ装置３４を直列に繋げて構成されている。この例では、めっき装置２００として、図４に示すめっき装置１０とほぼ同様な構成で、内部に、トップリング２０２、ターンテーブル（研磨テーブル）２０４、ドレッサ２０６及びローダ２０８を備え、トップリング２０２で保持した基板を、ターンテーブル２０４の上面の研磨面に押圧しつつ、基板とターンテーブル２０４とを相対移動させることで、基板を電解研磨する電解複合研磨ユニット２１０と、洗浄・乾燥ユニット２１２を更に設置したものを使用している。電解複合研磨ユニット２１０には、前述と同様な構成の膜厚を測定する膜厚測定部１０２が備えられている。そして、この電解複合研磨ユニット２１０で、前述の基板Ｗの有効領域に堆積した余分な銅膜６の一部（表面）を除去して洗浄する工程（ステップ３）を行い、この銅膜６の除去中に残存する銅膜６の膜厚を膜厚測定部１０２で測定し、フィードバックして電解複合研磨ユニット２１０を制御するようにしている。
【００５２】
図１９は、上記第２の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理装置は、前述の図４に示すめっき装置１０と、アニール装置２２０と、前述の図６に示すＣＭＰ装置３４を直列に繋げて構成されている。この例では、アニール装置２２０として、図５に示すアニール装置２６とほぼ同様な構成で、内部に、図１８に示すものと同様の構成の、膜厚を測定する膜厚測定部１０２を備えた電解複合研磨ユニット２１０と、２台の洗浄・乾燥ユニット２１２を更に設置したものを使用している。
【００５３】
図２０は、上記第２の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理装置は、前述の図４に示すめっき装置１０と、ＣＭＰ装置２３０を直列に繋げて構成されている。この例では、ＣＭＰ装置２３０として、図６に示すＣＭＰ装置３４とほぼ同様な構成で、この図６に示すＣＭＰ装置３４に備えられている一方のＣＭＰユニット４６の代わりに、図１８に示すものと同様の構成の、膜厚を測定する膜厚測定部１０２を備えた電解複合研磨ユニット２１０を備え、更に内部に２台のアニールユニット３０を設置し、また１台の置台２３２と、搬送装置として、３台の搬送ロボット２３４，２３６を備えたものを使用している。
【００５４】
図２１は、上記第２の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理装置は、前述の図４に示すめっき装置１０と、ＣＭＰ装置２４０を直列に繋げて構成されている。この例では、ＣＭＰ装置２４０として、図２０に示すＣＭＰ装置２３０とほぼ同様な構成で、２台のＣＭＰユニット４６と、搬送装置として３台の搬送ロボット２４２，２４４，２４６を備えたものを使用している。
【００５５】
図２２は、上記第２の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理設備は、単一の装置フレーム内に複数の処理ユニットを配置して、図１６及び図１７のフローチャートに示す一連の配線形成処理を単一の装置ユニット内で連続して行えるようにしたものである。
【００５６】
すなわち、この基板処理装置には、例えば図８（ａ）に示す、シード層７を形成した基板Ｗを内部に収容した搬送ボックス１２を着脱自在な矩形状の装置フレーム２５０を備えている。そして、この装置フレーム２５０の内部には、置台２５２、２台のめっきユニット１８、１台のベベルエッチ・裏面洗浄ユニット（非有効領域エッチングユニット）２０、膜厚測定部１０２を備えた１台の電解複合研磨ユニット２１０、２台のアニールユニット（結晶安定化ユニット）３０、１台のＣＭＰユニット４６、２台のスクラブ洗浄ユニット５０、１台の洗浄・乾燥ユニット５２及び２台の搬送ロボット２５４，２５６が配置されている。
【００５７】
これによって、シード層が形成した基板は、搬送ボックス１２から搬送ロボット２５４により一枚ずつ装置フレーム２５０内に搬入され、めっきユニット１８によるめっき処理、ベベルエッチ・裏面洗浄ユニット２０による基板の非有効領域に堆積した銅膜等のエッチング除去及び洗浄処理、電解複合研磨ユニット２１０による基板の有効領域に堆積した銅膜等の部分エッチング除去及び洗浄処理、アニールユニット３０による金属結晶安定化処理及びＣＭＰユニット４６によるＣＭＰ処理が順次行われる。そして、スクラブ洗浄ユニット５０によってスクラブ洗浄され、洗浄・乾燥ユニット５２によって純水でリンス（洗浄）されてスピン乾燥された後、搬送ロボット２５４により、搬送ボックス１２内の元の位置に戻される。
【００５８】
図２３は、本発明の他の実施の形態における基板処理方法のフローチャート（第３の方法）を示す。この例にあっては、前述と同様に、図８（ａ）に示す、シード層７を形成した基板Ｗを用意し、図８（ｂ）に示すように、基板Ｗの表面に銅めっきを施すことで、微孔３及び配線溝４内に銅を充填するとともに、絶縁膜２上に銅膜６を堆積する（ステップ１）。そして、基板Ｗのエッジ（ベベル）部等の基板の非有効領域に堆積した銅膜をエッチング等で除去して洗浄し、必要に応じて、基板の裏面も洗浄する（ステップ２）。
【００５９】
次に、素子形成領域等の基板Ｗの有効領域に堆積した余分な銅膜６の一部（表面）を一次ＣＭＰ（第１ＣＭＰ）で部分的に除去し、これによって、図８（ｃ）に示すように、銅膜６の膜厚が所定の値になるまで薄膜化し（ステップ３）、洗浄する（ステップ３）。この時、残存する銅膜６の膜厚を測定し、フィードバックすることで、除去する銅膜６の量をｉｎ−ｓｉｔｕで制御することができることは前述と同様である。そして、必要に応じて、基板Ｗにアニール（加熱）処理や赤外線照射を行い、銅膜６の金属結晶を成長させて安定化させる（ステップ５）。なお、一次ＣＭＰは、いわゆる固定砥粒方式を採用したものであってもよい。また、目的によっては、ＣＭＰの代わりに、いわゆる研削によって、金属膜を部分除去するようにしてもよい。
【００６０】
次に、二次化学機械的研磨（第２ＣＭＰ）により、基板Ｗの有効領域に位置する絶縁膜２上に残った所定の膜厚の余剰な銅膜６及びバリア層５を除去して、微孔３及び配線溝４に充填させた銅膜６の表面と絶縁膜２の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図８（ｄ）に示すように銅膜６からなる配線を形成する（ステップ６）。そして、この銅膜６からなる配線を形成した基板の表面及び裏面を、例えばケミカル及びスクラブなどの化学物理併用手段により洗浄し、純水によって洗浄した後、スピン乾燥させ（ステップ７）、しかる後、乾燥後の基板を次工程に搬送する。
【００６１】
なお、図２４に示すように、二次化学機械的研磨を、例えば銅膜を主に研磨するＣＭＰ（第２ＣＭＰ）を行うステップ６−ａと、主にバリア層等を研磨するＣＭＰ（第３ＣＭＰ）を行うステップ６−ｂの２段に分けて行うようにしてもよい。
【００６２】
図２５は、上記第３の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この基板処理装置は、めっき装置３００と、前述の図５及び図６に示すアニール装置２６及びＣＭＰ装置３４を直列に繋げて構成されている。この例では、めっき装置３００として、図４に示すめっき装置１０とほぼ同様な構成で、内部に、トップリング３０２、ターンテーブル（研磨テーブル）３０４、ドレッサ３０６及びローダ３０８を備え、トップリング３０２で保持した基板を、ターンテーブル３０６の上面の研磨面に押圧しつつ、基板とターンテーブル３０６とを相対移動させることでＣＭＰを行う第１ＣＭＰユニット３１０と、洗浄・乾燥ユニット３１２を更に設置したものを使用している。第１ＣＭＰユニット３１０には、前述と同様な構成の膜厚を測定する膜厚測定部１０２が備えられている。そして、この第１ＣＭＰユニット３１０で、前述の基板Ｗの有効領域に堆積した余分な銅膜６の一部（表面）を除去して洗浄する第１ＣＭＰ工程（ステップ３）を行い、この銅膜６の除去中に残存する銅膜６の膜厚を膜厚測定部１０２で測定し、フィードバックして第１ＣＭＰユニット３１０を制御するようにしている。
【００６３】
図２６は、上記第３の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理装置は、前述の図４に示すめっき装置１０と、アニール装置３２０と、前述の図６に示すＣＭＰ装置３４を直列に繋げて構成されている。この例では、アニール装置３２０として、図５に示すアニール装置２６とほぼ同様な構成で、図１８に示すものと同様の構成の、膜厚を測定する膜厚測定部１０２を備えた第１ＣＭＰユニット３１０と、２台の洗浄・乾燥ユニット３１２を内部に更に設置したものを使用している。
【００６４】
図２７は、上記第３の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理装置は、前述の図４に示すめっき装置１０と、ＣＭＰ装置３３０を直列に繋げて構成されている。この例では、ＣＭＰ装置３３０として、内部に、図６に示すＣＭＰ装置３４とほぼ同様な構成で、図６に示すＣＭＰ装置３４に備えられている一方のＣＭＰユニット４６の代わりに、図２６に示すものと同様の構成の、膜厚を測定する膜厚測定部１０２を備えた第１ＣＭＰユニット３１０を備え、更に２台のアニールユニット３０を設置し、また１台の置台３３２と２台の搬送ロボット３３４，３３６を備えたものを使用している。
【００６５】
そして、残ったＣＭＰユニット４６で、基板Ｗの有効領域に位置する絶縁膜２上に残った所定の膜厚の余剰な銅膜６及びバリア層５を除去して、微孔３及び配線溝４に充填させた銅膜６の表面と絶縁膜２の表面とをほぼ同一平面にする二次ＣＭＰ（第２ＣＭＰ）を行うようにしている。
【００６６】
図２８は、上記第３の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理装置は、前述の図４に示すめっき装置１０と、ＣＭＰ装置３４０を直列に繋げて構成されている。この例では、ＣＭＰ装置３４０として、図２０に示すＣＭＰ装置３３０とほぼ同様な構成で、二次ＣＭＰを、例えば銅膜を主に研磨するＣＭＰ（第２ＣＭＰ）を行うステップと、主にバリア層等を研磨するＣＭＰ（第３ＣＭＰ）を行うステップの２段に分けてそれぞれ別のＣＭＰユニットで分けて行えるように、２台のＣＭＰユニット４６を備え、更に３台の搬送ロボット３４２，３４４，３４を備えたものを使用している。
【００６７】
図２９は、上記第３の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理設備は、単一の装置フレーム内に複数の処理ユニットを配置して、図２３及び図２４のフローチャートに示す一連の配線形成処理を単一の装置ユニット内で連続して行えるようにしたものである。
【００６８】
すなわち、この基板処理装置には、例えば図８（ａ）に示す、シード層７を形成した基板Ｗを内部に収容した搬送ボックス１２を着脱自在な矩形状の装置フレーム３５０を備えている。そして、この装置フレーム３５０の内部には、２台のめっきユニット１８、１台のベベルエッチ・裏面洗浄ユニット（非有効領域エッチングユニット）２０、膜厚測定部１０２を備え一次ＣＭＰ（第１ＣＭＰ）を行う１台の第１ＣＭＰユニット３１０、１台のアニールユニット（結晶安定化ユニット）２６、二次ＣＭＰ（第２ＣＭＰ、または第２ＣＭＰと第３ＣＭＰ）を行う２台のＣＭＰユニット４６、２台のスクラブ洗浄ユニット５０、１台の洗浄・乾燥ユニット５２及び３台の搬送ロボット３５２，３５４，３５６が配置されている。
【００６９】
これによって、シード層が形成した基板が、搬送ボックス１２から搬送ロボット３５２により一枚ずつ装置フレーム３５０内に搬入され、めっきユニット１８によるめっき処理、ベベルエッチ・裏面洗浄ユニット２０による基板の非有効領域に堆積した銅膜等のエッチング除去及び洗浄処理、第１ＣＭＰユニット３１０による一次ＣＭＰ処理、アニールユニット３０による金属結晶安定化処理及びＣＭＰユニット４６による二次ＣＭＰ処理が順次行われる。そして、スクラブ洗浄ユニット５０によってスクラブ洗浄され、洗浄・乾燥ユニット５２によって純水でリンスされてスピン乾燥された後、搬送ロボット３５２により、搬送ボックス１２内の元の位置に戻される。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板に最もダメージが加わる化学機械的研磨工程に先立って、基板に過剰に成膜した金属膜を薄くすることで、例え層間絶縁膜材料として機械的強度の弱い材料を使用して場合であっても、層間絶縁膜や銅配線が剥離欠損してしまうことを防止して、微細配線の多層配線構造を有する半導体装置等をより高い歩留りで製造することができる。しかも、既存のめっき装置、化学機械的研磨装置を有効に活用して、次世代新材料を用いた量産工場をスムーズに稼動できるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の銅配線形成例を工程順に示す図である。
【図２】図１に示す銅配線を形成する方法を示すフローチャートである。
【図３】図１に示す銅配線を形成する他の方法を示すフローチャートである。
【図４】従来のめっき装置を示す平面配置図である。
【図５】従来のアニール装置を示す平面配置図である。
【図６】従来のＣＭＰ装置を示す平面配置図である。
【図７】従来のめっき装置にアニール装置を一体化した複合装置を示す平面配置図である。
【図８】本発明の実施の形態における基板処理方法によって銅配線を形成する例を工程順に示す図である。
【図９】本発明の実施の形態における基板処理方法（第１の方法）を示すフローチャートである。
【図１０】図９の変形例を示すフローチャートである。
【図１１】第１の方法を実施するのに適した本発明の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図１２】第１の方法を実施するのに適した本発明の他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図１３】第１の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図１４】第１の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図１５】第１の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図１６】本発明の実施の形態における他の基板処理方法（第２の方法）を示すフローチャートである。
【図１７】図１６の変形例を示すフローチャートである。
【図１８】第２の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図１９】第２の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図２０】第２の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図２１】第２の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図２２】第２の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図２３】本発明の実施の形態における他の基板処理方法（第３の方法）を示すフローチャートである。
【図２４】図２３の変形例を示すフローチャートである。
【図２５】第３の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図２６】第３の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図２７】第３の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図２８】第３の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図２９】第３の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【符号の説明】
２ 絶縁膜
３ 微孔
４ 配線溝
６ 銅膜（金属膜）
１０，１００，２００，３００ めっき装置
１２ 搬送ボックス
１８ めっきユニット
２０ ベベルエッチ・裏面洗浄ユニット
２６，１２０，２２０，３２０ アニール装置
３０ アニールユニット
３４，１３０，２３０，２４０，３３０，３４０ ＣＭＰ装置
４６ ＣＭＰユニット
５０ スクラブ洗浄ユニット
５２，２１２，３１２ 洗浄・乾燥ユニット
６０，１１０ 複合装置
１０２ 膜厚測定部
１０４ 部分除去ユニット
２１０ 電解複合研磨ユニット
３１０ 第１ＣＭＰユニット
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板処理方法及びその装置に関し、例えばＬＳＩ、ディスプレイ、磁気ヘッド及びそれらのチップ実装分野において、配線用の微細凹部（配線パターン）が形成された基板の表面に、銅等の金属膜（配線材料）をめっきにより成膜し、余剰となった金属膜を除去して、サブミクロンからミクロンサイズの金属配線を形成するのに使用される基板処理方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体基板上に電気配線を形成するための配線材料として、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。銅はアルミニウムのような異方性エッチングによる配線形状の形成が一般に困難であるため、この種の銅配線は、基板の表面に設けた微細凹部の内部に銅を埋込む、いわゆる銅ダマシン技術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１は、この種の銅配線基板Ｗの製造例を工程順に示し、図２は、そのフローチャートを示す。先ず、図１（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ＳｉＯ２からなる酸化膜やＬｏｗ−ｋ材膜等からなる絶縁膜（層間絶縁膜）２を堆積し、リソグラフィ・エッチング技術により微孔（ビアホール）３や配線溝（トレンチ）４等の配線用の微細凹部を形成し、その上にＴａＮ等からなるバリア層５、更にその上に電解めっきの給電層としてシード層７を形成した基板Ｗを用意する。
【０００４】
そして、図１（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の微孔３及び配線溝４内に銅を充填するとともに、絶縁膜２上に銅膜６を堆積する（ステップ１）。この状態では、基板Ｗの素子形成領域以外の非有効領域であるエッジ（ベベル）部を含む全表面に銅膜６が堆積され、また基板の裏面側に不可避的に銅が成膜されことがある。そこで、このエッジ（ベベル）部等の基板の非有効領域に堆積した銅膜をエッチング等で除去して洗浄し、必要に応じて、基板の裏面も洗浄する（ステップ２）。そして、必要に応じて、基板Ｗにアニール（加熱）処理や赤外線照射を行い、銅膜６の金属結晶を成長させて安定化させる（ステップ３）。
【０００５】
次に、化学機械的研磨（ＣＭＰ）により、絶縁膜２上の余剰な銅膜６及びバリア層５を除去して、微孔３及び配線溝４に充填させた銅膜６の表面と絶縁膜２の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図１（ｃ）に示すように銅膜６からなる配線を形成する（ステップ４）。そして、この銅膜６からなる配線を形成した基板の表面及び裏面を、例えばケミカル及びスクラブなどの化学物理併用手段により洗浄し、純水によってリンス（洗浄）した後、スピン乾燥させ（ステップ５）、しかる後、乾燥後の基板を次工程に搬送する。
前述の結晶安定化処理は、不活性ガス雰囲気中で基板を強制的に加熱することによって一般に行われるが、図３に示すように、基板を室温に放置して自然アニール（ステップ３）することが有効な場合もある。
【０００６】
図４は、前述のめっきを行うめっきユニットと、前述の非有効領域の金属膜（銅膜）除去及び洗浄を行う、例えばベベルエッチ・裏面洗浄ユニットからなる除去ユニットを備えた従来の一般的なめっき装置の概要を示す。このめっき装置１０は、例えば図１（ａ）に示す、シード層７を形成した基板Ｗを内部に収容した搬送ボックス１２を着脱自在な矩形状の装置フレーム１４を備えている。そして、この装置フレーム１４の内部には、置台１６と、４台のめっきユニット１８と、２台のベベルエッチ・裏面洗浄ユニット（除去ユニット）２０と、搬送装置としての２台の搬送ロボット２２，２４が配置されている。
【０００７】
これによって、例えばシード層７を形成した基板は、搬送ボックス１２から搬送ロボット２２により一枚ずつ装置フレーム１４内に搬入され、めっきユニット１８に搬送されてめっきされる。次に、めっき後の基板は、ベベルエッチ・裏面洗浄ユニット２０に搬送されて、基板の非有効領域に堆積した銅膜等のエッチング除去及び洗浄、更には、必要に応じて基板の裏面洗浄が行われて乾燥され、しかる後、搬送ロボット２２によって、搬送ボックス１２内の元の位置に戻される。
【０００８】
図５は、前述のアニール（熱処理）によって、金属膜の結晶安定化処理を行うアニールユニット（結晶安定化ユニット）を備えたアニール装置（結晶安定化装置）の従来の一般的な構成を示す。このアニール装置２６は、例えば図１（ｂ）に示す、前述のめっき装置１０で銅膜６を堆積させた基板を収容した搬送ボックス１２を着脱自在な矩形状の装置フレーム２８を備えている。そして、この装置フレーム２８の内部には、２台のアニールユニット３０と、搬送装置としての１台の搬送ロボット３２が配置されている。
【０００９】
これによって、例えばめっき後の基板は、搬送ボックス１２から搬送ロボット３２により一枚ずつ装置フレーム２８内に搬入され、アニールユニット３０に搬送されてアニールされる。そして、このアニール後の基板は、搬送ロボット３２によって、搬送ボックス１２内の元の位置に戻される。
【００１０】
図６は、前述の化学機械的研磨（ＣＭＰ）を行うＣＭＰユニットを備えたＣＭＰ装置の従来の一般的な構成を示す。このＣＭＰ装置３４は、例えば前述のアニール装置２６でアニールされた基板を内部に収容した搬送ボックス１２を着脱自在な矩形状の装置フレーム３６を備えている。そして、この装置フレーム３６の内部には、トップリング３８、ターンテーブル（研磨テーブル）４０、ドレッサ４２及びローダ４４を備え、トップリング３８で保持した基板を、ターンテーブル４０の上面の研磨面に押圧しつつ、基板とターンテーブル４０とを相対移動させることで、基板を研磨する２台のＣＭＰユニット４６が配置されている。更に、２台の置台４８と、スクラブ洗浄を行う２台のスクラブ洗浄ユニット５０と、純水によるリンス（洗浄）とスピン乾燥を行う２台の洗浄・乾燥ユニット５２と、搬送装置としての３台の搬送ロボット５４，５６，５８が配置されている。
【００１１】
これによって、アニール後の基板は、搬送ボックス１２から搬送ロボット５４により一枚ずつ装置フレーム３６内に搬入され、ＣＭＰユニット４６に搬送されて化学機械的研磨（ＣＭＰ）される。次に、ＣＭＰ後の基板は、スクラブ洗浄ユニット５０に搬送されてスクラブ洗浄され、更に洗浄・乾燥ユニット５２に搬送されて純水によるリンス及びスピン乾燥され、しかる後、搬送ロボット５４によって、搬送ボックス１２内の元の位置に戻される。
【００１２】
なお、前述のめっき装置１０とアニール装置２６とを一体化した複合装置６０として、図７に示すように、前述のめっき装置１０の側部にアニールユニット３０を、通路６２を介して互いに連通させて付設して、めっき及びベベルエッチ・裏面洗浄後に、アニールを連続して行うようにしたものも知られている。
【００１３】
【本発明が解決しようとする課題】
例えば、ＬＳＩに金属配線を形成する場合、従来、前述のめっき装置１０やアニール装置２６、ＣＭＰ装置３４等を連結して対応してきたが、金属配線の配線サイズの微細化が進行し、また新たな層間絶縁膜材料が出現するに従って、予期されなかった多くの技術課題が生じている。これは、層間絶縁膜材料として、既存のＳｉＯ２，ＳｉＯＦ，ＳｉＯＣ，ＳｉＬＫなどを使用した場合では表面化しなかった新たな技術課題である。以下、その技術課題について説明する。
【００１４】
次世代の有望な層間絶縁材料として、より比誘電率ｋを下げることができるポーラス系材料（ポーラスＬｏｗ−ｋ材料）が注目を集めている。これらは、内部にポーラス構造を有することから、従来の層間絶縁材料よりも機械的強度が一般に脆弱である。その結果、化学機械的研磨（ＣＭＰ）の過程で、層間絶縁膜や銅配線が剥離欠損し、配線断線やショートを発生する事態が生じることがある。これらの根底には、層間絶縁膜自体の機械的強度不足、異種材料との界面での密着性不良、異種材料間、例えばポーラスＬｏｗ−ｋ材料と金属の間での熱変化に伴う膨張収縮差による界面剥れなどの多くの要因が関与していると考えられている。
【００１５】
これらを解決するか、あるいはこれらのリスクを最小化するためには、Ｌｏｗ−ｋ材料の強度を上昇させることが最も望まれるが、その他には、化学機械的研磨工程における基板へのストレス緩和（例えば低荷重研磨）、金属結晶の安定化工程における材料間での膨張収縮率差の低減、めっき工程における成膜厚みの最小化、めっき後の段差低減などの技術的改善が試みられている。しかし、それぞれが解決困難な課題を有しており、全て課題を解決するにはまだまだ時間を必要とすると考えられている。
【００１６】
本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、例え層間絶縁膜として機械的強度が脆弱な材料を用いた場合であっても、微細配線の多層配線構造を有する半導体装置等をより高い歩留りで製造できるようにした基板処理方法及びその方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、表面に配線用の微細凹部を形成した基板を用意し、基板の表面にめっきにより金属膜を成膜して該金属膜を前記微細凹部内に埋込み、基板の非有効領域に形成された金属膜、及び基板の有効領域に形成された余剰の金属膜を除去し、この金属膜除去後の基板表面を化学機械的研磨により平坦化することを特徴とする基板処理方法である。
【００１８】
このように、基板に最もダメージが加わる化学機械的研磨に先立って、基板の有効領域に過剰に成膜した金属膜を薄くすることで、膨張収縮差に起因する配線へのストレスを減少させ、しかも研磨時間自体を最少にして、例え層間絶縁膜材料として機械的強度の弱い材料を使用した場合であっても、層間絶縁膜や銅配線が剥離欠損してしまうことを防止することができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、表面に配線用の微細凹部を形成した基板を用意し、基板の表面にめっきにより金属膜を成膜して該金属膜を前記微細凹部内に埋込み、基板の非有効領域に成膜された金属膜、及び基板の有効領域に成膜された余剰の金属膜を除去し、金属膜を除去した後の基板を洗浄し、洗浄後の基板に金属膜の金属結晶を安定化させる結晶安定化処理を施し、この結晶安定化処理後の基板表面を化学機械的研磨により平坦化することを特徴とする基板処理方法である。
【００２０】
このように、例えばアニール等によって金属膜の金属結晶を安定化させる場合にあっても、基板に最もダメージが加わるアニール（結晶安定化処理）工程に先立って、基板に有効領域に過剰に成膜した金属膜を薄くすることで、膨張収縮差に起因する配線へのストレスを減少させ、しかも金属結晶安定化に要する時間を最少にすることができる。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、前記基板の有効領域に形成された余剰の金属膜の除去が該余剰の金属膜の一部を除去する部分除去であり、残存する金属膜の膜厚を測定して該金属膜の除去量を制御することを特徴とする請求項１または２記載の基板処理方法である。
これにより、金属膜の除去工程の過程で基板の有効領域に残存する金属膜の膜厚を測定し、フィードバックすることで、除去する金属膜の量をｉｎ−ｓｉｔｕで制御することができる。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、前記金属膜は、銅、銅合金、銀または銀合金であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の基板処理方法である。
本発明は、主にＬＳＩ分野で使用されると考えられ、その場合は、微細配線の配線材料としては、主に銅、銅合金、銀または銀合金が使用される。しかし、これに限定されないことは勿論である。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、前記基板の有効領域に形成された余剰の金属膜の除去を、化学エッチング、電解エッチングまたは電解複合研磨で行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の基板処理方法である。
【００２４】
化学エッチングで用いる薬液として、酸化剤としては、例えば過酸化水素、オゾン等が一般に使用され、また、金属除去剤としては、硫酸、塩酸、ふっ酸、その他のキレート剤等が一般に使用される。なお、紫外線で金属膜の表面を酸化するようにしてもよい。電解エッチングは、基板に成膜した金属膜を陽極として、電解液中に別途配置したアノードに対向させて電解液中に浸漬させて配置し、金属膜を酸化、イオン化して除去する方法である。電解複合研磨とは、金属膜表面を酸化及びキレート化（錯体化）させることにより金属膜表面を脆弱化し、接触部材との機械的接触により脆弱化した金属膜をスクラブ除去する研磨法である。
キレート化させるために、電解液にキレート剤を添加する。電解液としては、硫酸銅、硫酸アンモニウムなどの電解質を含む電解液が例示できる。電解液に砥粒またはスラリーを加えて機械的研磨作用を増やしてもよい。
【００２５】
請求項６に記載の発明は、前記基板の有効領域に形成された余剰の金属膜の除去を、化学機械的研磨で行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の基板処理方法である。
請求項７に記載の発明は、配線用の微細凹部を形成した基板の表面に金属膜を成膜して該金属膜を前記微細凹部内に埋込むめっきユニットと、基板の有効領域に成膜された余剰な金属膜の一部を除去する部分除去ユニットと、ユニット間で基板を搬送する搬送装置を有することを特徴とする基板処理装置である。
【００２６】
請求項８に記載の発明は、前記部分除去ユニットは、化学エッチングユニット、電解エッチングユニットまたは電解複合研磨ユニットであることを特徴とする請求項７記載の基板処理装置である。
請求項９に記載の発明は、前記部分除去ユニットは、化学機械的研磨ユニットであることを特徴とする請求項７記載の基板処理装置である。
【００２７】
請求項１０に記載の発明は、基板の非有効領域に形成された金属膜を除去する除去ユニットを更に有することを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の基板処理装置である。
請求項１１に記載の発明は、前記部分除去ユニットで余剰な金属膜の一部を除去した後に基板に残った金属膜の金属結晶を安定化させる結晶安定化ユニットを更に有することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の基板処理装置である。
【００２８】
請求項１２に記載の発明は、基板を洗浄する洗浄ユニットを更に有することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の基板処理装置である。
請求項１３に記載の発明は、前記部分除去ユニットで余剰な金属膜の一部を除去した基板に残った余剰な金属膜を除去するとともに、基板表面を平坦化させる化学機械的研磨ユニットを更に有することを特徴とする請求項７乃至１２のいずれかに記載の基板処理装置である。
【００２９】
請求項１４に記載の発明は、前記部分除去ユニットで余剰な金属膜の一部を除去した後に基板に残った金属膜の膜厚を測定し、測定結果を基に前記部分除去ユニットを制御する膜厚測定部を有することを特徴とする請求項７乃至１３のいずれかに記載の基板処理装置である。
【００３０】
【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。なお、以下の例では、図１及び図２に示す場合と同様に、基板の表面に銅配線を形成する例について説明する。
【００３１】
図８は、本発明の実施の形態における基板処理方法によって銅配線を形成する例を工程順に示し、図９は、その基板処理方法のフローチャート（第１の方法）を示す。この方法にあっては、先ず、図８（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ＳｉＯ２からなる酸化膜やＬｏｗ−ｋ材膜等からなる絶縁膜（層間絶縁膜）２を堆積し、リソグラフィ・エッチング技術により微孔（ビアホール）３や配線溝（トレンチ）４等の配線用の微細凹部を形成し、その上にＴａＮ等からなるバリア層５、更にその上に電解めっきの給電層としてシード層７を形成した基板Ｗを用意する。
【００３２】
そして、図８（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の微孔３及び配線溝４内に銅を充填するとともに、絶縁膜２上に銅膜６を堆積する（ステップ１）。この状態では、基板Ｗの素子形成領域以外の非有効領域であるエッジ（ベベル）部を含む全表面に銅膜６が堆積され、また基板Ｗの裏面側に不可避的に銅が成膜されことがある。そこで、このエッジ（ベベル）部等の基板の非有効領域に堆積した銅膜をエッチング等で除去して洗浄し、必要に応じて、基板の裏面も洗浄する（ステップ２）。
【００３３】
次に、素子形成領域等の基板Ｗの有効領域に堆積した余分な銅膜６の一部（表面）を、例えば化学エッチングまたは電解エッチング等で除去し、これによって、図８（ｃ）に示すように、銅膜６の膜厚が所定の値になるまで薄膜化し、洗浄する（ステップ３）。この時、残存する銅膜６の膜厚を測定し、フィードバックすることで、除去する銅膜６の量をｉｎ−ｓｉｔｕで制御することができる。そして、必要に応じて、基板Ｗにアニール（加熱）処理や赤外線照射を行い、銅膜６の金属結晶を成長させて安定化させる（ステップ４）。
【００３４】
次に、化学機械的研磨（ＣＭＰ）により、基板Ｗの有効領域に位置する絶縁膜２上に残った所定の膜厚の余剰な銅膜６及びバリア層５を除去して、微孔３及び配線溝４に充填させた銅膜６の表面と絶縁膜２の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図８（ｄ）に示すように銅膜６からなる配線を形成する（ステップ５）。そして、この銅膜６からなる配線を形成した基板の表面及び裏面を、例えばケミカル及びスクラブなどの化学物理併用手段により洗浄し、純水によってリンス（洗浄）した後、スピン乾燥させ（ステップ６）、しかる後、乾燥後の基板を次工程に搬送する。
【００３５】
なお、図１０に示すように、素子形成領域等の基板Ｗの有効領域に堆積した余分な銅膜６の一部（表面）を、先に除去して洗浄し（ステップ２）、しかる後、基板Ｗのエッジ（ベベル）部等の非有効領域に堆積した銅膜６をエッチング等で除去して洗浄し、必要に応じて、基板の裏面も洗浄する（ステップ３）ようにしてもよい。
【００３６】
このように、基板に最もダメージが加わるＣＭＰ工程や、必要に応じて行われるアニール等の金属結晶安定化工程に先立って、基板Ｗの有効領域に過剰に成膜した銅膜（金属膜）６を薄くすることで、膨張収縮差に起因する配線６へのストレスを減少させ、しかもＣＭＰ時間やアニール時間自体を最少にして、例え絶縁膜２の材料として機械的強度の弱いＬｏｗ−ｋ材料を使用して場合であっても、絶縁膜２や銅配線６が剥離欠損してしまうことを防止することができる。
【００３７】
本発明で使用される金属配線材料は、一般に銅、銅合金、銀または銀合金であるが、必ずしもこれらに限定されるものではないことは勿論である。更に、本発明は、層間絶縁膜材料として、ポーラスＬｏｗ−ｋ材料などの機械的強度が低いものを使用した場合に特に有効である。
【００３８】
図１１は、上記第１の方法を実施するのに適した、本発明の実施の形態における基板処理装置を示す。この基板処理装置は、めっき装置１００と、前述の図５及び図６に示すアニール装置２６及びＣＭＰ装置３４を直列に繋げて構成されている。この例では、めっき装置１００として、図４に示すめっき装置１０における一方のベベルエッチ・裏面洗浄ユニット２０の代わりに、膜厚を測定する膜厚測定部１０２を備えた、例えば化学エッチングユニットまたは電解エッチングユニットからなる部分除去ユニット１０４を設置したものを使用している。そして、この部分除去ユニット１０４で、前述の基板Ｗの有効領域に堆積した余分な銅膜６の一部（表面）を除去して洗浄する工程（ステップ３）を行い、この銅膜６の除去中に残存する銅膜６の膜厚を膜厚測定部１０２の測定器で測定し、フィードバックして部分除去ユニット１０４を制御するようにしている。
【００３９】
ここで、化学エッチングで用いる薬液として、酸化剤としては、例えば過酸化水素、オゾン等が一般に使用され、また、金属除去剤としては、硫酸、塩酸、ふっ酸、その他のキレート剤等が一般に使用される。なお、紫外線で銅膜６等の金属膜の表面を酸化するようにしてもよい。電解エッチングは、基板Ｗの表面に成膜した銅膜６を陽極として、電解液中に別途配置したアノードに対向させて電解液中に浸漬させて配置し、銅膜６を酸化、イオン化して除去する方法である。膜厚測定部１０２の測定器としては、例えば蛍光Ｘ線、渦電流計、画像解析、表面反射率などを利用したものが使用される。
【００４０】
図１２は、上記第１の方法を実施するのに適した、本発明の他の実施の形態における基板処理装置を示す。この基板処理装置は、めっき装置とアニール装置とを一体化した複合装置１１０と、前述の図６に示すＣＭＰ装置３４を直列に繋げて構成されている。この例では、複合装置１１０として、図７に示す複合装置６０における一方のベベルエッチ・裏面洗浄ユニット２０の代わりに、図１１に示すものと同様の構成の、膜厚を測定する膜厚測定部１０２を備えた、例えば化学エッチングユニットまたは電解エッチングユニットからなる部分除去ユニット１０４を設置したものを使用している。
【００４１】
図１３は、上記第１の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理装置は、前述の図４に示すめっき装置１０と、アニール装置１２０と、前述の図６に示すＣＭＰ装置３４を直列に繋げて構成されている。この例では、アニール装置１２０として、図５に示すアニール装置２６とほぼ同様な構成で、内部に、図１１に示すものと同様の構成の、膜厚を測定する膜厚測定部１０２を備えた、例えば化学エッチングユニットまたは電解エッチングユニットからなる部分除去ユニット１０４と、アニールユニット３０と部分除去ユニット１０４との間に洗浄ユニット１２２を配置したものを使用している。
【００４２】
図１４は、上記第１の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理装置は、前述の図４に示すめっき装置１０と、ＣＭＰ装置１３０を直列に繋げて構成されている。この例では、ＣＭＰ装置１３０として、図６に示すＣＭＰ装置３４とほぼ同様な構成で、内部に、アニールユニット３０と、図１１に示すものと同様の構成の、膜厚を測定する膜厚測定部１０２を備えた、例えば化学エッチングユニットまたは電解エッチングユニットからなる部分除去ユニット１０４とを更に設置し、１台の置台１３２と２台の搬送装置としての搬送ロボット１３４，１３６を備えたものを使用している。
【００４３】
図１５は、上記第１の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理設備は、単一の装置フレーム内に複数の処理ユニットを配置して、図９及び図１０のフローチャートに示す一連の配線形成処理を単一の装置ユニット内で連続して行えるようにしたものである。
【００４４】
すなわち、この基板処理装置には、例えば図８（ａ）に示す、シード層７を形成した基板Ｗを内部に収容した搬送ボックス１２を着脱自在な矩形状の装置フレーム１４０を備えている。そして、この装置フレーム１４０の内部には、置台１４２、１台のめっきユニット１８、１台のベベルエッチ・裏面洗浄ユニット（非有効領域エッチングユニット）２０、膜厚測定部１０２を備えた２台の部分除去ユニット（有効領域部分エッチングユニット）１０４、２台のアニールユニット（結晶安定化ユニット）３０、２台のＣＭＰユニット４６、１台のスクラブ洗浄ユニット５０、１台の洗浄・乾燥ユニット５２及び２台の搬送ロボット１４４，１４６が配置されている。
【００４５】
これによって、シード層が形成した基板は、搬送ボックス１２から搬送ロボット１４４により一枚ずつ装置フレーム１４０内に搬入され、めっきユニット１８によるめっき処理、ベベルエッチ・裏面洗浄ユニット２０による基板の非有効領域に堆積した銅膜等のエッチング除去及び洗浄処理、部分除去ユニット１０４による基板の有効領域に堆積した銅膜等の部分エッチング除去及び洗浄処理、アニールユニット３０による金属結晶安定化処理及びＣＭＰユニット４６によるＣＭＰ処理が順次行われる。そして、スクラブ洗浄ユニット５０によってスクラブ洗浄され、洗浄・乾燥ユニット５２によって純水でリンス（洗浄）され、スピン乾燥された後、搬送ロボット１４４により、搬送ボックス１２内の元の位置に戻される。
【００４６】
図１６は、本発明の他の実施の形態における基板処理方法のフローチャート（第２の方法）を示す。この例にあっては、前述と同様に、図８（ａ）に示す、シード層７を形成した基板Ｗを用意し、図８（ｂ）に示すように、基板Ｗの表面に銅めっきを施すことで、微孔３及び配線溝４内に銅を充填するとともに、絶縁膜２上に銅膜６を堆積する（ステップ１）。そして、基板Ｗのエッジ（ベベル）部等の基板の非有効領域に堆積した銅膜をエッチング等で除去して洗浄し、必要に応じて、基板の裏面も洗浄する（ステップ２）。
【００４７】
次に、素子形成領域等の基板Ｗの有効領域に堆積した余分な銅膜６の一部（表面）を電解複合研磨で除去し、これによって、図８（ｃ）に示すように、銅膜６の膜厚が所定の値になるまで薄膜化し、洗浄する（ステップ３）。この時、残存する銅膜６の膜厚を測定し、フィードバックすることで、除去する銅膜６の量をｉｎ−ｓｉｔｕで制御することができることは前述と同様である。そして、必要に応じて、基板Ｗにアニール（加熱）処理や赤外線照射を行い、銅膜６の金属結晶を成長させて安定化させる（ステップ４）。
【００４８】
次に、化学機械的研磨（ＣＭＰ）により、基板Ｗの有効領域に位置する絶縁膜２上に残った所定の膜厚の余剰な銅膜６及びバリア層５を除去して、微孔３及び配線溝４に充填させた銅膜６の表面と絶縁膜２の表面とをほぼ同一平面にする。
これにより、図８（ｄ）に示すように銅膜６からなる配線を形成する（ステップ５）。そして、この銅膜６からなる配線を形成した基板の表面及び裏面を、例えばケミカル及びスクラブなどの化学物理併用手段により洗浄し、純水によってリンス（洗浄）した後、スピン乾燥させ（ステップ６）、しかる後、乾燥後の基板を次工程に搬送する。
【００４９】
なお、図１７に示すように、素子形成領域等の基板Ｗの有効領域に堆積した余分な銅膜６の一部（表面）を、先に電解複合研磨で除去して洗浄し（ステップ２）、しかる後、基板Ｗのエッジ（ベベル）部等の非有効領域に堆積した銅膜６をエッチング等で除去して洗浄し、必要に応じて、基板の裏面も洗浄する（ステップ３）ようにしてもよい。
【００５０】
電解複合研磨とは、金属膜表面を酸化及びキレート化（錯体化）させることにより金属膜表面を脆弱化し、接触部材との機械的接触により脆弱化した金属膜をスクラブ除去する研磨法である。キレート化させるために、電解液にキレート剤を添加する。電解液としては、硫酸銅、硫酸アンモニウムなどの電解質を含む電解液が例示できる。電解液に砥粒またはスラリーを加えて機械的研磨作用を増やしてもよい。さらに本発明の電解研磨とは、電極と基板間の少なくとも一箇所にイオン交換体を配置し、イオン交換体を基板に近接または接触させ、電極と基板間の少なくとも一箇所に超純水、純水又はそれらに界面活性剤などを添加した電気伝導度が５００μＳ／ｃｍ以下、好ましくは５０μＳ／ｃｍ以下、更に好ましくは０．１μＳ／ｃｍ以下の液体もしくは電解液を供給して研磨する方法である。
【００５１】
図１８は、上記第２の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この基板処理装置は、めっき装置２００と、前述の図５及び図６に示すアニール装置２６及びＣＭＰ装置３４を直列に繋げて構成されている。この例では、めっき装置２００として、図４に示すめっき装置１０とほぼ同様な構成で、内部に、トップリング２０２、ターンテーブル（研磨テーブル）２０４、ドレッサ２０６及びローダ２０８を備え、トップリング２０２で保持した基板を、ターンテーブル２０４の上面の研磨面に押圧しつつ、基板とターンテーブル２０４とを相対移動させることで、基板を電解研磨する電解複合研磨ユニット２１０と、洗浄・乾燥ユニット２１２を更に設置したものを使用している。電解複合研磨ユニット２１０には、前述と同様な構成の膜厚を測定する膜厚測定部１０２が備えられている。そして、この電解複合研磨ユニット２１０で、前述の基板Ｗの有効領域に堆積した余分な銅膜６の一部（表面）を除去して洗浄する工程（ステップ３）を行い、この銅膜６の除去中に残存する銅膜６の膜厚を膜厚測定部１０２で測定し、フィードバックして電解複合研磨ユニット２１０を制御するようにしている。
【００５２】
図１９は、上記第２の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理装置は、前述の図４に示すめっき装置１０と、アニール装置２２０と、前述の図６に示すＣＭＰ装置３４を直列に繋げて構成されている。この例では、アニール装置２２０として、図５に示すアニール装置２６とほぼ同様な構成で、内部に、図１８に示すものと同様の構成の、膜厚を測定する膜厚測定部１０２を備えた電解複合研磨ユニット２１０と、２台の洗浄・乾燥ユニット２１２を更に設置したものを使用している。
【００５３】
図２０は、上記第２の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理装置は、前述の図４に示すめっき装置１０と、ＣＭＰ装置２３０を直列に繋げて構成されている。この例では、ＣＭＰ装置２３０として、図６に示すＣＭＰ装置３４とほぼ同様な構成で、この図６に示すＣＭＰ装置３４に備えられている一方のＣＭＰユニット４６の代わりに、図１８に示すものと同様の構成の、膜厚を測定する膜厚測定部１０２を備えた電解複合研磨ユニット２１０を備え、更に内部に２台のアニールユニット３０を設置し、また１台の置台２３２と、搬送装置として、３台の搬送ロボット２３４，２３６を備えたものを使用している。
【００５４】
図２１は、上記第２の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理装置は、前述の図４に示すめっき装置１０と、ＣＭＰ装置２４０を直列に繋げて構成されている。この例では、ＣＭＰ装置２４０として、図２０に示すＣＭＰ装置２３０とほぼ同様な構成で、２台のＣＭＰユニット４６と、搬送装置として３台の搬送ロボット２４２，２４４，２４６を備えたものを使用している。
【００５５】
図２２は、上記第２の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理設備は、単一の装置フレーム内に複数の処理ユニットを配置して、図１６及び図１７のフローチャートに示す一連の配線形成処理を単一の装置ユニット内で連続して行えるようにしたものである。
【００５６】
すなわち、この基板処理装置には、例えば図８（ａ）に示す、シード層７を形成した基板Ｗを内部に収容した搬送ボックス１２を着脱自在な矩形状の装置フレーム２５０を備えている。そして、この装置フレーム２５０の内部には、置台２５２、２台のめっきユニット１８、１台のベベルエッチ・裏面洗浄ユニット（非有効領域エッチングユニット）２０、膜厚測定部１０２を備えた１台の電解複合研磨ユニット２１０、２台のアニールユニット（結晶安定化ユニット）３０、１台のＣＭＰユニット４６、２台のスクラブ洗浄ユニット５０、１台の洗浄・乾燥ユニット５２及び２台の搬送ロボット２５４，２５６が配置されている。
【００５７】
これによって、シード層が形成した基板は、搬送ボックス１２から搬送ロボット２５４により一枚ずつ装置フレーム２５０内に搬入され、めっきユニット１８によるめっき処理、ベベルエッチ・裏面洗浄ユニット２０による基板の非有効領域に堆積した銅膜等のエッチング除去及び洗浄処理、電解複合研磨ユニット２１０による基板の有効領域に堆積した銅膜等の部分エッチング除去及び洗浄処理、アニールユニット３０による金属結晶安定化処理及びＣＭＰユニット４６によるＣＭＰ処理が順次行われる。そして、スクラブ洗浄ユニット５０によってスクラブ洗浄され、洗浄・乾燥ユニット５２によって純水でリンス（洗浄）されてスピン乾燥された後、搬送ロボット２５４により、搬送ボックス１２内の元の位置に戻される。
【００５８】
図２３は、本発明の他の実施の形態における基板処理方法のフローチャート（第３の方法）を示す。この例にあっては、前述と同様に、図８（ａ）に示す、シード層７を形成した基板Ｗを用意し、図８（ｂ）に示すように、基板Ｗの表面に銅めっきを施すことで、微孔３及び配線溝４内に銅を充填するとともに、絶縁膜２上に銅膜６を堆積する（ステップ１）。そして、基板Ｗのエッジ（ベベル）部等の基板の非有効領域に堆積した銅膜をエッチング等で除去して洗浄し、必要に応じて、基板の裏面も洗浄する（ステップ２）。
【００５９】
次に、素子形成領域等の基板Ｗの有効領域に堆積した余分な銅膜６の一部（表面）を一次ＣＭＰ（第１ＣＭＰ）で部分的に除去し、これによって、図８（ｃ）に示すように、銅膜６の膜厚が所定の値になるまで薄膜化し（ステップ３）、洗浄する（ステップ３）。この時、残存する銅膜６の膜厚を測定し、フィードバックすることで、除去する銅膜６の量をｉｎ−ｓｉｔｕで制御することができることは前述と同様である。そして、必要に応じて、基板Ｗにアニール（加熱）処理や赤外線照射を行い、銅膜６の金属結晶を成長させて安定化させる（ステップ５）。なお、一次ＣＭＰは、いわゆる固定砥粒方式を採用したものであってもよい。また、目的によっては、ＣＭＰの代わりに、いわゆる研削によって、金属膜を部分除去するようにしてもよい。
【００６０】
次に、二次化学機械的研磨（第２ＣＭＰ）により、基板Ｗの有効領域に位置する絶縁膜２上に残った所定の膜厚の余剰な銅膜６及びバリア層５を除去して、微孔３及び配線溝４に充填させた銅膜６の表面と絶縁膜２の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図８（ｄ）に示すように銅膜６からなる配線を形成する（ステップ６）。そして、この銅膜６からなる配線を形成した基板の表面及び裏面を、例えばケミカル及びスクラブなどの化学物理併用手段により洗浄し、純水によって洗浄した後、スピン乾燥させ（ステップ７）、しかる後、乾燥後の基板を次工程に搬送する。
【００６１】
なお、図２４に示すように、二次化学機械的研磨を、例えば銅膜を主に研磨するＣＭＰ（第２ＣＭＰ）を行うステップ６−ａと、主にバリア層等を研磨するＣＭＰ（第３ＣＭＰ）を行うステップ６−ｂの２段に分けて行うようにしてもよい。
【００６２】
図２５は、上記第３の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この基板処理装置は、めっき装置３００と、前述の図５及び図６に示すアニール装置２６及びＣＭＰ装置３４を直列に繋げて構成されている。この例では、めっき装置３００として、図４に示すめっき装置１０とほぼ同様な構成で、内部に、トップリング３０２、ターンテーブル（研磨テーブル）３０４、ドレッサ３０６及びローダ３０８を備え、トップリング３０２で保持した基板を、ターンテーブル３０６の上面の研磨面に押圧しつつ、基板とターンテーブル３０６とを相対移動させることでＣＭＰを行う第１ＣＭＰユニット３１０と、洗浄・乾燥ユニット３１２を更に設置したものを使用している。第１ＣＭＰユニット３１０には、前述と同様な構成の膜厚を測定する膜厚測定部１０２が備えられている。そして、この第１ＣＭＰユニット３１０で、前述の基板Ｗの有効領域に堆積した余分な銅膜６の一部（表面）を除去して洗浄する第１ＣＭＰ工程（ステップ３）を行い、この銅膜６の除去中に残存する銅膜６の膜厚を膜厚測定部１０２で測定し、フィードバックして第１ＣＭＰユニット３１０を制御するようにしている。
【００６３】
図２６は、上記第３の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理装置は、前述の図４に示すめっき装置１０と、アニール装置３２０と、前述の図６に示すＣＭＰ装置３４を直列に繋げて構成されている。この例では、アニール装置３２０として、図５に示すアニール装置２６とほぼ同様な構成で、図１８に示すものと同様の構成の、膜厚を測定する膜厚測定部１０２を備えた第１ＣＭＰユニット３１０と、２台の洗浄・乾燥ユニット３１２を内部に更に設置したものを使用している。
【００６４】
図２７は、上記第３の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理装置は、前述の図４に示すめっき装置１０と、ＣＭＰ装置３３０を直列に繋げて構成されている。この例では、ＣＭＰ装置３３０として、内部に、図６に示すＣＭＰ装置３４とほぼ同様な構成で、図６に示すＣＭＰ装置３４に備えられている一方のＣＭＰユニット４６の代わりに、図２６に示すものと同様の構成の、膜厚を測定する膜厚測定部１０２を備えた第１ＣＭＰユニット３１０を備え、更に２台のアニールユニット３０を設置し、また１台の置台３３２と２台の搬送ロボット３３４，３３６を備えたものを使用している。
【００６５】
そして、残ったＣＭＰユニット４６で、基板Ｗの有効領域に位置する絶縁膜２上に残った所定の膜厚の余剰な銅膜６及びバリア層５を除去して、微孔３及び配線溝４に充填させた銅膜６の表面と絶縁膜２の表面とをほぼ同一平面にする二次ＣＭＰ（第２ＣＭＰ）を行うようにしている。
【００６６】
図２８は、上記第３の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理装置は、前述の図４に示すめっき装置１０と、ＣＭＰ装置３４０を直列に繋げて構成されている。この例では、ＣＭＰ装置３４０として、図２０に示すＣＭＰ装置３３０とほぼ同様な構成で、二次ＣＭＰを、例えば銅膜を主に研磨するＣＭＰ（第２ＣＭＰ）を行うステップと、主にバリア層等を研磨するＣＭＰ（第３ＣＭＰ）を行うステップの２段に分けてそれぞれ別のＣＭＰユニットで分けて行えるように、２台のＣＭＰユニット４６を備え、更に３台の搬送ロボット３４２，３４４，３４を備えたものを使用している。
【００６７】
図２９は、上記第３の方法を実施するのに適した、本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置を示す。この電解処理設備は、単一の装置フレーム内に複数の処理ユニットを配置して、図２３及び図２４のフローチャートに示す一連の配線形成処理を単一の装置ユニット内で連続して行えるようにしたものである。
【００６８】
すなわち、この基板処理装置には、例えば図８（ａ）に示す、シード層７を形成した基板Ｗを内部に収容した搬送ボックス１２を着脱自在な矩形状の装置フレーム３５０を備えている。そして、この装置フレーム３５０の内部には、２台のめっきユニット１８、１台のベベルエッチ・裏面洗浄ユニット（非有効領域エッチングユニット）２０、膜厚測定部１０２を備え一次ＣＭＰ（第１ＣＭＰ）を行う１台の第１ＣＭＰユニット３１０、１台のアニールユニット（結晶安定化ユニット）２６、二次ＣＭＰ（第２ＣＭＰ、または第２ＣＭＰと第３ＣＭＰ）を行う２台のＣＭＰユニット４６、２台のスクラブ洗浄ユニット５０、１台の洗浄・乾燥ユニット５２及び３台の搬送ロボット３５２，３５４，３５６が配置されている。
【００６９】
これによって、シード層が形成した基板が、搬送ボックス１２から搬送ロボット３５２により一枚ずつ装置フレーム３５０内に搬入され、めっきユニット１８によるめっき処理、ベベルエッチ・裏面洗浄ユニット２０による基板の非有効領域に堆積した銅膜等のエッチング除去及び洗浄処理、第１ＣＭＰユニット３１０による一次ＣＭＰ処理、アニールユニット３０による金属結晶安定化処理及びＣＭＰユニット４６による二次ＣＭＰ処理が順次行われる。そして、スクラブ洗浄ユニット５０によってスクラブ洗浄され、洗浄・乾燥ユニット５２によって純水でリンスされてスピン乾燥された後、搬送ロボット３５２により、搬送ボックス１２内の元の位置に戻される。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板に最もダメージが加わる化学機械的研磨工程に先立って、基板に過剰に成膜した金属膜を薄くすることで、例え層間絶縁膜材料として機械的強度の弱い材料を使用して場合であっても、層間絶縁膜や銅配線が剥離欠損してしまうことを防止して、微細配線の多層配線構造を有する半導体装置等をより高い歩留りで製造することができる。しかも、既存のめっき装置、化学機械的研磨装置を有効に活用して、次世代新材料を用いた量産工場をスムーズに稼動できるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の銅配線形成例を工程順に示す図である。
【図２】図１に示す銅配線を形成する方法を示すフローチャートである。
【図３】図１に示す銅配線を形成する他の方法を示すフローチャートである。
【図４】従来のめっき装置を示す平面配置図である。
【図５】従来のアニール装置を示す平面配置図である。
【図６】従来のＣＭＰ装置を示す平面配置図である。
【図７】従来のめっき装置にアニール装置を一体化した複合装置を示す平面配置図である。
【図８】本発明の実施の形態における基板処理方法によって銅配線を形成する例を工程順に示す図である。
【図９】本発明の実施の形態における基板処理方法（第１の方法）を示すフローチャートである。
【図１０】図９の変形例を示すフローチャートである。
【図１１】第１の方法を実施するのに適した本発明の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図１２】第１の方法を実施するのに適した本発明の他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図１３】第１の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図１４】第１の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図１５】第１の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図１６】本発明の実施の形態における他の基板処理方法（第２の方法）を示すフローチャートである。
【図１７】図１６の変形例を示すフローチャートである。
【図１８】第２の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図１９】第２の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図２０】第２の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図２１】第２の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図２２】第２の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図２３】本発明の実施の形態における他の基板処理方法（第３の方法）を示すフローチャートである。
【図２４】図２３の変形例を示すフローチャートである。
【図２５】第３の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図２６】第３の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図２７】第３の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図２８】第３の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【図２９】第３の方法を実施するのに適した本発明の更に他の実施の形態における基板処理装置の平面配置図である。
【符号の説明】
２ 絶縁膜
３ 微孔
４ 配線溝
６ 銅膜（金属膜）
１０，１００，２００，３００ めっき装置
１２ 搬送ボックス
１８ めっきユニット
２０ ベベルエッチ・裏面洗浄ユニット
２６，１２０，２２０，３２０ アニール装置
３０ アニールユニット
３４，１３０，２３０，２４０，３３０，３４０ ＣＭＰ装置
４６ ＣＭＰユニット
５０ スクラブ洗浄ユニット
５２，２１２，３１２ 洗浄・乾燥ユニット
６０，１１０ 複合装置
１０２ 膜厚測定部
１０４ 部分除去ユニット
２１０ 電解複合研磨ユニット
３１０ 第１ＣＭＰユニット
Claims (14)
- 表面に配線用の微細凹部を形成した基板を用意し、
基板の表面にめっきにより金属膜を成膜して該金属膜を前記微細凹部内に埋込み、
基板の非有効領域に形成された金属膜、及び基板の有効領域に形成された余剰の金属膜を除去し、
この金属膜除去後の基板表面を化学機械的研磨により平坦化することを特徴とする基板処理方法。 - 表面に配線用の微細凹部を形成した基板を用意し、
基板の表面にめっきにより金属膜を成膜して該金属膜を前記微細凹部内に埋込み、
基板の非有効領域に成膜された金属膜、及び基板の有効領域に成膜された余剰の金属膜を除去し、
金属膜を除去した後の基板を洗浄し、
洗浄後の基板に金属膜の金属結晶を安定化させる結晶安定化処理を施し、
この結晶安定化処理後の基板表面を化学機械的研磨により平坦化することを特徴とする基板処理方法。 - 前記基板の有効領域に形成された余剰の金属膜の除去が該余剰の金属膜の一部を除去する部分除去であり、残存する金属膜の膜厚を測定して該金属膜の除去量を制御することを特徴とする請求項１または２記載の基板処理方法。
- 前記金属膜は、銅、銅合金、銀または銀合金からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の基板処理方法。
- 前記基板の有効領域に形成された余剰の金属膜の除去を、化学エッチング、電解エッチングまたは電解複合研磨で行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の基板処理方法。
- 前記基板の有効領域に形成された余剰の金属膜の除去を、化学機械的研磨で行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の基板処理方法。
- 配線用の微細凹部を形成した基板の表面に金属膜を成膜して該金属膜を前記微細凹部内に埋込むめっきユニットと、
基板の有効領域に成膜された余剰な金属膜の一部を除去する部分除去ユニットと、
ユニット間で基板を搬送する搬送装置を有することを特徴とする基板処理装置。 - 前記部分除去ユニットは、化学エッチングユニット、電解エッチングユニットまたは電解複合研磨ユニットであることを特徴とする請求項７記載の基板処理装置。
- 前記部分除去ユニットは、化学機械的研磨ユニットであることを特徴とする請求項７記載の基板処理装置。
- 基板の非有効領域に形成された金属膜を除去する除去ユニットを更に有することを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の基板処理装置。
- 前記部分除去ユニットで余剰な金属膜の一部を除去した後に基板に残った金属膜の金属結晶を安定化させる結晶安定化ユニットを更に有することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の基板処理装置。
- 基板を洗浄する洗浄ユニットを更に有することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の基板処理装置。
- 前記部分除去ユニットで余剰な金属膜の一部を除去した基板に残った余剰な金属膜を除去するとともに、基板表面を平坦化させる化学機械的研磨ユニットを更に有することを特徴とする請求項７乃至１２のいずれかに記載の基板処理装置。
- 前記部分除去ユニットで余剰な金属膜の一部を除去した後に基板に残った金属膜の膜厚を測定し、測定結果を基に前記部分除去ユニットを制御する膜厚測定部を有することを特徴とする請求項７乃至１３のいずれかに記載の基板処理装置。
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