JP2005340600A - 研磨装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】 電極からの電圧印加を安定させ、信頼性の高い配線接続を行い、さらには、ウエハ面内均一性を得ることを目的とする。
【構成】 平面運動機構を有するプラテン５２０と、前記プラテン５２０上に配置され、導電性材料を用いた導電性パッド５３０と、前記導電性パッド５３０上に配置され、ウエハ３００表面を前記導電性パッド５３０側に向けて支持するキャリア５１０と、を備え、前記プラテン５２０と共に前記導電性パッド５３０を平面運動させながら、ウエハ３００表面を前記導電性パッド５３０で化学機械研磨すると共に、ウエハ３００表面と前記導電性パッド５３０とに通電することによりウエハ３００表面を電解研磨することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、研磨装置及び半導体装置の製造方法に係り、特に、Ｃｕ（銅）配線を用いた半導体装置の製造方法及びかかる半導体装置の製造に用いる化学機械研磨装置及び電解研磨装置に関するものである。

近年、半導体集積回路（ＬＳＩ）の高集積化、及び高性能化に伴って新たな微細加工技術が開発されている。化学機械研磨（ケミカル・メカニカル・ポリッシング：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）法もその一つであり、ＬＳＩ製造工程、特に多層配線形成工程における層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、或いは埋め込み工程において頻繁に利用されている技術である（例えば、特許文献１参照）。

特に、最近はＬＳＩの高速性能化を達成するために、配線技術を従来のアルミ（Ａｌ）合金から低抵抗のＣｕ或いはＣｕ合金（以下、まとめてＣｕと称する。）に代える動きが進んでいる。Ｃｕは、Ａｌ合金配線の形成において頻繁に用いられたドライエッチング法による微細加工が困難であるので、溝加工が施された絶縁膜上にＣｕ膜を堆積し、溝内に埋め込まれた部分以外のＣｕ膜をＣＭＰにより除去して埋め込み配線を形成する、いわゆるダマシン（ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法が主に採用されている（例えば、特許文献２参照）。Ｃｕ膜はスパッタ法などで薄いシード層を形成した後に電解めっき法により数１００ｎｍ程度の厚さの積層膜を形成することが一般的である。

さらに、最近は層間絶縁膜として比誘電率の低いｌｏｗ−ｋ膜を用いることが検討されている。すなわち、比誘電率ｋが、約４．２のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）から比誘電率ｋが例えば３．５以下のｌｏｗ−ｋ膜を用いることにより、配線間の寄生容量を低減することが試みられている。また、比誘電率ｋが２．５以下のｌｏｗ−ｋ膜材料の開発も進められており、これらは材料中に空孔が入ったポーラス材料となっているものが多い。このようなｌｏｗ−ｋ膜（若しくはポーラスｌｏｗ−ｋ膜）とＣｕ配線を組み合わせた多層配線構造を有する半導体装置の製造方法は次のようなものである。

図１０は、従来のｌｏｗ−ｋ膜とＣｕ配線を組み合わせた多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
図１０では、デバイス部分等の形成方法は省略している。
図１０（ａ）において、シリコン基板による基体２００上に化学気相成長（ＣＶＤ）等の方法により第１の絶縁膜２２１を成膜する。
図１０（ｂ）において、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により、Ｃｕ金属配線或いはＣｕコンタクトプラグを形成するための溝構造（開口部Ｈ）を第１の絶縁膜２２１に形成する。
図１０（ｃ）において、第１の絶縁膜２２１上にバリアメタル膜２４０、Ｃｕシード膜及びＣｕ膜２６０をかかる順序で形成して、１５０℃から４００℃の温度で約３０分間アニール処理する。
図１０（ｄ）において、Ｃｕ膜２６０とバリアメタル膜２４０をＣＭＰにより除去することにより、溝である開口部ＨにＣｕ配線を形成する。
図１０（ｅ）において、前記Ｃｕ膜２６０表面に還元性プラズマ処理を施した後に第２の絶縁膜２８１を成膜する。
さらに、多層Ｃｕ配線を形成する場合は、これらの工程を繰り返して積層していくのが一般的である。ここで、第１の絶縁膜２２１と第２の絶縁膜２８１の大半がｌｏｗ−ｋ膜となる。

前記ＣＭＰに関し、テーブル（ＣＭＰプラテン）の中心を軸に回転するロータリ方式のＣＭＰ装置に関する技術（例えば、特許文献３参照）、特に、ロータリ方式のＣＭＰ装置の中で電解研磨に関する技術が特許文献４，５に開示されている。

また、ＣＭＰプラテンがプラテンの中心から偏芯した位置を軸に回転する、いわゆる回転及びオービタル運動するオービタル方式のＣＭＰ装置に関する技術が特許文献６に開示されている。
米国特許番号４９４４８３６ 特開平２−２７８８２２号公報 特開２００１−１８５５１５号公報 特開２００２−９３７６１号公報 特開２００１−７７１１７号公報 特開平１１−２３９９６１号公報

図１１は、ＣＭＰを用いた研磨工程時の半導体装置の断面例を示す図である。
図１１では、図１０における第１の絶縁膜は、下地ＣＶＤ膜となるＳｉＣ膜２１２とｌｏｗ−ｋ膜２２０とキャップＣＶＤ膜となるＳｉＯ_２膜２２２とにより構成される。
図１１において、図１０に示す前述の方法によってｌｏｗ−ｋ膜２２０を基体２００となるシリコンウエハ上に形成しても、ｌｏｗ−ｋ膜２２０はＳｉＯ_２膜２２２と比較して機械的強度が弱いため、ＣＭＰの研磨荷重Ｐによって構造的な破壊が起こったり、キャップＣＶＤ膜となるＳｉＯ_２膜２２２がｌｏｗ−ｋ膜２２０から剥離する問題があった。もしくはｌｏｗ−ｋ膜２２０と下地ＣＶＤ膜となるＳｉＣ膜２１２の界面で剥離する問題があった。特にヤング率や硬度が低いｌｏｗ−ｋ材料や、キャップＣＶＤ膜とｌｏｗ−ｋ膜の接着強度が低い材料でこの問題が頻発した。
従来はこのようなｌｏｗ−ｋ膜の剥離を抑制するために、ＣＭＰの研磨荷重を下げることで対処していた。しかし、研磨荷重を下げると研磨速度も低下するという問題があった。そのために、従来は安定した研磨速度とウエハ面内均一性を得るために６．９×１０^３Ｐａ（１ｐｓｉ）以上の研磨荷重でＣＭＰを行うことが一般的であった。この問題が、層間絶縁膜としてｌｏｗ−ｋ材を、配線としてＣｕを用いるｌｏｗ−ｋ／Ｃｕ配線開発の大きな問題となっていた。

この問題を解決するために電解研磨を併用したロータリ型ＣＭＰも開発を試みている。
図１２は、ロータリ型ＣＭＰ装置の概念図である。
まだ公然と公開されていない図１２に示すロータリ型のＣＭＰ装置において、プラテン６２０上に配置された研磨パッド６３０上に、研磨面を下に向けて基板となるウエハ３００をキャリア６１０が保持する。キャリア６１０を図に示すように中心を軸に回転することでウエハ３００を回転させ、プラテン６２０も中心を軸に回転させる。そして、研磨パッド６３０上に電解研磨液６６０を供給ノズル６５０から供給する。その際、ウエハ３００上に成膜されたＣｕ膜とＣＭＰプラテン６２０上の電極間に電圧を印加して電解研磨を行う。また、プラテン６２０は回転するため、外部の電源装置から電圧を印加するためには、可動式電極を接点６４０とする必要があった。ここで、図１２に示したように、ウエハ３００とプラテン６２０は同時に回転するために、それぞれ接点が常時接続していることができず、それぞれの電極からの電圧印加が安定しないという問題があった。さらに、特に、回転するプラテン６２０から飛び散る電解研磨液６６０の濡れから電極となる接点６４０を保護することが難しく、電解研磨液６６０による腐食等が発生する問題があった。このような状態の中、信頼性の高い配線接続を行うことが困難であった。

本発明は、かかる問題点を克服し、電極からの電圧印加を安定させ、信頼性の高い配線接続を行い、さらには、ウエハ面内均一性を得ることを目的とする。

本発明の研磨装置は、
平面運動機構を有するテーブルと、
前記テーブル上に配置され、導電性材料を用いた導電性パッドと、
前記導電性パッド上に配置され、半導体基板表面を前記導電性パッド側に向けて支持する支持部と、
を備え、
前記テーブルと共に前記導電性パッドを平面運動させながら、前記半導体基板表面を前記導電性パッドで化学機械研磨すると共に、前記半導体基板表面と前記導電性パッドとに通電することにより前記半導体基板表面を電解研磨することを特徴とする。

前記半導体基板表面を化学機械研磨すると共に電解研磨する前記導電性パッドを備えたことにより、半導体基板表面の前面すぐ近くで、半導体基板と平行な面との間で電場を形成することができる。よって、均一な電解研磨を行なうことができる。電解研磨を行なうことができるので、ＣＭＰの研磨荷重を下げることができる。

本発明の研磨装置は、
オービタル運動機構を有するテーブルと、
前記テーブル上に配置され、導電性材料を用いた導電性パッドと、
前記導電性パッド上に配置され、半導体基板表面を前記導電性パッド側に向けて支持する支持部と、
前記導電性パッドと前記テーブルとのいずれかに配置され、前記導電性パッドに通電する電線と接続する接点と、
を備え、
前記テーブルと共に前記導電性パッドをオービタル運動させながら、前記半導体基板表面と前記接点を介して前記導電性パッドとに通電することにより前記半導体基板表面を電解研磨することを特徴とする。

前記導電性パッドと前記半導体基板表面とに通電することにより前記半導体基板表面を電解研磨することにより、その分、ＣＭＰの研磨速度を低下させることができる。よって、ＣＭＰの研磨荷重を下げることができる。さらに、前記テーブルと共に前記導電性パッドは、自転せずにオービタル運動による周回軌道を移動する。自転せずにオービタル運動による周回軌道を移動することにより、前記接点を前記導電性パッドと前記テーブルとのいずれかに固定して配置することができる。

前記接点には、オービタル運動により移動する前記接点の移動量を許容する尤度をもった電線が接続されることを特徴とする。

前記接点の移動量を許容する尤度をもった電線が接点に接続されることにより、前記接点位置を固定しても通電のための電線と電解研磨中離れることなく接続させることができる。

さらに、前記支持部は、前記半導体基板を回転させずに支持することを特徴とする。

前記半導体基板を回転させずに支持することにより、半導体基板側に接続する接点もブラシ接点等の可動式接点を用いずに、固定接点を用いることができる。

前記導電性パッドは、前記導電性パッドと前記半導体基板表面と間に電解研磨液を供給する供給孔が設けられていることを特徴とする。

前記導電性パッドは、前記導電性パッドと前記半導体基板表面と間に電解研磨液を供給する供給孔が設けられていることにより、前記導電性パッドから電解研磨液が半導体基板表面に供給される。

さらに、前記導電性パッドは、上面に溝が形成され、前記溝の底部に前記供給孔が設けられていることを特徴とする。

上面に溝が形成され、前記溝の底部から電解研磨液が供給されることにより、溝をつたって電解研磨液を半導体基板表面全体に供給することができる。

前記導電性パッドには、前記溝が格子状に形成されていることを特徴とする。

前記溝が格子状に形成されることで、さらに、電解研磨液の広がりを促進することができる。

前記電解研磨液は、リン酸或いは硫酸を含有することが望ましい。

さらに、前記導電性パッドの材料として、カーボンファイバーを用いたことを特徴とする。

後述するように、カーボンファイバーを用いたことで、導電性材料でありながらやわらかい研磨材に形成することができる。

本発明の半導体装置の製造方法は、
基体上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜に開口部を形成する開口部形成工程と、
前記開口部前記開口部に導電性材料を堆積させる堆積工程と、
前記基体表面と対向する位置に配置する導電性パッドを用いて、前記導電性パッドをオービタル運動させながら前記導電性パッドに通電し、さらに、前記基体表面に通電し、前記導電性材料が堆積した基体表面を電解研磨する研磨工程と、
を備えたことを特徴とする。

前記研磨工程において、電解研磨により研磨加重を小さくすることができる。さらに、オービタル運動させながら前記導電性パッドに通電することにより、前記導電性パッドに通電する電線を接続するための接点を所定位置に固定することができる。接点を固定することができるので、安定した電圧を導電性パッドに印加することができる。

本発明によれば、ＣＭＰの研磨荷重を下げることができるので、ｌｏｗ−ｋ膜の構造的な破壊を起こさないようにすることができる。さらに、キャップＣＶＤ膜がｌｏｗ−ｋ膜から剥離しないようにすることができる。さらに、ｌｏｗ−ｋ膜と下地ＣＶＤ膜との界面で剥離しないようにすることができる。さらに、電解研磨により研磨加重を小さくすることができると共に、接点を固定して配置することができるので、前記接点を、通電のための電線と電解研磨中離れることなく接続させても、自転により生じる問題点である通電用ケーブルが回転軸に巻き取られたり、前記導電性パッド或いは前記テーブル上を前記ケーブルが覆われたりするといったことをおこさないようにすることができる。よって、これら問題点を回避するためのブラシ接点等の可動式接点を用いる必要もない。接点を電解研磨中離れることなく接続できるため、安定した電圧を印加し続けることができる。安定した電圧を印加し続けることができるので、安定した研磨速度とウエハ面内均一性を得ることができる。よって、半導体装置として信頼性の高い配線接続を行うことができる。さらに、接点を固定して配置することができるので、プラテンから飛び散る電解研磨液の濡れから接点を保護することを容易に行なうことができる。よって、電解研磨液による腐食等を防止することができる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における研磨装置の概要構成図である。
図１において、研磨装置は、オービタル型のＣＭＰ装置である。電解研磨による作用とＣＭＰによる化学機械研磨の両方の作用で研磨を行う。平面運動の一例であるオービタル運動機構を有するテーブルであるプラテン５２０上に配置された導電性材料を用いた導電性パッド５３０上に、研磨面を下に向け、すなわち前記導電性パッド５３０側に向けてウエハ３００を支持部の一例であるキャリア５１０が支持する。ウエハ３００表面には、後述するＣｕ膜が形成され、Ｃｕ膜には外部装置より正の電位が印加される。一方、導電性パッド５３０には、外部装置より負の電圧を印加するために通電する電線と接続する接点５４０が配置され設けられている。電解研磨液５６０は、プラテン５２０の下部より導電性パッド５３０を抜けてウエハ３００面内に供給される。
前記プラテン５２０と共に前記導電性パッド５３０をオービタル運動させながら、ウエハ３００表面と前記接点５４０を介して前記導電性パッド５３０とに通電することにより前記ウエハ３００を電解研磨する。供給された電解研磨液５６０は、プラテン５２０のオービタル運動に伴い、外周部から排出される。ウエハ３００表面の前面すぐ近くで、ウエハ３００と平行な面との間で電場を形成することができる。よって、均一な電解研磨を行なうことができる。ウエハ３００表面を電解研磨することにより、電解研磨により研磨される分、ＣＭＰの研磨量を減らすことができ、その分、ＣＭＰの研磨速度を低下させることができる。よって、ＣＭＰの研磨荷重を下げることができる。

図２は、実施の形態１におけるオービタル運動の様子を説明するための図である。
図２において、Ｃ１は、導電性パッド５３０の中心位置、Ｃ２は、キャリア５１０に支持されたウエハ３００の中心位置、Ａは、導電性パッド５３０に配置された接点５４０の位置を示している。
図２に示すように、ウエハ３００の位置を固定して表わすと、導電性パッド５３０は、自転せずに所定の周回軌道を移動する。オービタル型の研磨装置では、研磨プラテン５２０がその中心を軸として回転するのではなく、研磨プラテン５２０上の全ての点が円を描くように回転するものである。その回転半径は１ｃｍから１０ｃｍの範囲であることが望ましい。ロータリ型のプラテン回転機構では、電解研磨を行うために必要な導電性のＣＭＰパッドの電極となる接点の位置が、プラテンの回転とともにずれてしまうが、オービタル型のプラテン回転機構を用いることによって、プラテンが回転しても電極となる接点５４０は常に同じ方向に向けることが可能となるために、前記接点５４０を前記導電性パッドに固定して配置することができる。よって、電極の接続が安定しており、電解研磨装置の信頼性が向上する。前記接点５４０は、プラテン５２０に固定して配置してもよい。プラテン５２０を介してプラテン５２０上に置かれた導電性パッド５３０に接続して通電すればよい。

前記接点５４０には、オービタル運動により移動する前記接点５４０の移動量を許容する尤度をもったフレキシブル電線が接続される。前記接点５４０の移動量を許容する尤度をもった電線が接点に接続されることにより、前記接点位置を固定しても通電のための電線と電解研磨中離れることなく接続させることができる。プラテン５２０と電源を結ぶ配線となるフレキシブル電線は、１０ｃｍ以下の範囲で伸び縮みするようにしておけば良い。従来のロータリ型のＣＭＰ装置では、電極の位置がプラテンの回転とともに回転するため、電解研磨液の濡れから電極が腐食するのを保護することが難しく、信頼性の高い配線接続を行うことが困難であったが、本実施の形態１では、電極となる接点５４０の位置が固定されるため保護し易く腐食するのを防止することができる。

さらに、ここでは、キャリア５１０は、ウエハ３００を回転させずに支持する。前記ウエハ３００を回転させずに支持することにより、ウエハ３００側に接続する接点もブラシ接点等の可動式接点を用いずに、固定接点を用いることができる。接点が常時接続されることにより安定した電圧印加をウエハ３００側にも行なうことができる。但し、これに限るものではなく、ウエハ３００を回転させてもよい。ウエハ３００を回転させることで、スラリーや電解研磨液の排出を促進することができる。

以下、図１の研磨装置を使用した半導体装置の製造方法を説明する。
図３は、半導体装置の構成のうち、層間絶縁膜として、下層のＳｉＯ_２膜形成工程からｌｏｗ−ｋ膜上のＳｉＯ_２膜形成工程までを示す工程断面図である。それ以降の工程は後述する。

図３（ａ）において、ＳｉＯ_２膜形成工程として、基体２００上にＣＶＤ法によって、例えば、膜厚２００ｎｍの下地ＳｉＯ_２膜を堆積し、ＳｉＯ_２膜２１０を形成する。ここでは、ＣＶＤ法によって成膜しているが、その他の方法を用いても構わない。基体２００として、例えば、直径３００ミリのシリコンウエハを用いる。ここでは、デバイス部分の形成を省略している。

図３（ｂ）において、ＳｉＣ膜形成工程として、ＳｉＯ_２膜２１０の上に、ＣＶＤ法によって、ＳｉＣを用いた膜厚５０ｎｍの下地ＳｉＣ膜を堆積し、ＳｉＣ膜２１２を形成する。ここでは、ＣＶＤ法によって成膜しているが、その他の方法を用いても構わない。ＳｉＣ膜２１２は、エッチングストッパとしての機能も有する。ＳｉＣ膜を生成するのは難しいためＳｉＣ膜の代わりにＳｉＯＣ膜を用いても構わない。或いは、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜を用いることができる。

図３（ｃ）において、ｌｏｗ−ｋ膜形成工程として、基体２００の上に形成された前記ＳｉＣ絶縁膜形成工程により形成されたＳｉＣ膜２１２の上に多孔質の絶縁性材料を用いたｌｏｗ−ｋ膜２２０を３５０ｎｍの厚さで形成する。ｌｏｗ−ｋ膜２２０を形成することで、比誘電率ｋが３．５よりも低い層間絶縁膜を得ることができる。ｌｏｗ−ｋ膜２２０の材料としては、例えば、多孔質のメチルシルセスキオキサン（ｍｅｔｈｙｌ ｓｉｌｓｅｑｕｉｏｘａｎｅ：ＭＳＱ）を用いることができる。また、その形成方法としては、例えば、溶液をスピンコートし熱処理して薄膜を形成するＳＯＤ（ｓｐｉｎ ｏｎ ｄｉｅｌｅｃｔｉｃ ｃｏａｔｉｎｇ）法を用いることができる。ここでは、スピナーの回転数は９００ｍｉｎ^−１（９００ｒｐｍ）で成膜した。このウエハをホットプレート上で窒素雰囲気中１５０℃の温度で７５秒間の第１のベークを行い、さらに２５０℃の温度で７５秒間第２のベークを行った後、最終的にホットプレート上で窒素雰囲気中４５０℃の温度で１０分間のキュアを行った。ＭＳＱの材料や形成条件などを適宜調節することにより、所定の物性値を有する多孔質の絶縁膜が得られる。例えば、密度が０．６８ｇ／ｃｍ^３で比誘電率ｋが１．８、空孔率が５５％、ヤング率が１．６ＧＰａ、硬度が０．１８ＧＰａ物性値を有するｌｏｗ−ｋ膜２２０が得られる。ｌｏｗ−ｋ膜のＳｉとＯとＣの組成比は、Ｓｉが３０％、Ｏが５３％、Ｃが１７％とする。そして、Ｈｅプラズマ処理工程として、このｌｏｗ−ｋ膜２２０表面をＣＶＤ装置内でヘリウム（Ｈｅ）プラズマ照射によって表面改質する。Ｈｅプラズマ照射によって表面が改質されることで、ｌｏｗ−ｋ膜２２０とｌｏｗ−ｋ膜２２０上に形成する後述するキャップ膜としてのＣＶＤ−ＳｉＯ_２膜２２２との接着性を改善することができる。ガス流量は１．７Ｐａ・ｍ^３／ｓ（１０００ｓｃｃｍ）、ガス圧力は１０００Ｐａ、高周波パワーは５００Ｗ、低周波パワーは４００Ｗ、温度は４００℃とした。キャップＣＶＤ膜をｌｏｗ−ｋ膜上に成膜する際は、ｌｏｗ−ｋ膜表面にプラズマ処理を施すことがキャップＣＶＤ膜との接着性を改善する上で有効である。プラズマガスの種類としてはアンモニア（ＮＨ_３）、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）、水素（Ｈ_２）、Ｈｅ、酸素（Ｏ_２）、シラン（ＳｉＨ_４）、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ_２）などがあり、これらの中でもＨｅプラズマはｌｏｗ−ｋ膜へのダメージが少ないために特に有効である。また、プラズマガスはこれらのガスを混合したものでも良い。例えば、Ｈｅガスは他のガスと混合して用いると効果的である。

図３（ｄ）において、ＳｉＯ_２膜形成工程として、前記Ｈｅプラズマ処理を行った後、キャップ膜として、ＣＶＤ法によってｌｏｗ−ｋ膜２２０上にＳｉＯ_２を膜厚５０ｎｍ堆積することで、ＳｉＯ_２膜２２２を形成する。ＳｉＯ_２膜２２２を形成することで、直接リソグラフィを行うことができないｌｏｗ−ｋ膜２２０を保護し、ｌｏｗ−ｋ膜２２０にパターンを形成することができる。かかるキャップＣＶＤ膜は、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＣＮ膜などがあるが、ダメージ低減の観点からはＳｉＯ_２膜が優れ、低誘電率化の観点からはＳｉＯＣ膜が、耐圧向上の観点からはＳｉＣ膜やＳｉＣＮ膜が優れている。さらに、ＳｉＯ_２膜とＳｉＣ膜の積層膜、もしくはＳｉＯ_２膜とＳｉＣＯ膜の積層膜、もしくはＳｉＯ_２膜とＳｉＣＮ膜の積層膜を用いることができる。さらにキャップＣＶＤ膜の一部、もしくは全てが後述する平坦化工程においてＣＭＰにより除去されても良い。キャップ膜を除去することで誘電率をさらに低減することができる。キャップ膜の厚さとしては１０ｎｍから１５０ｎｍが良く、１０ｎｍから５０ｎｍが実効的な比誘電率を低減する上で効果的である。

以上の説明において、下層配線における層間絶縁膜は、比誘電率が３．５以下のｌｏｗ−ｋ膜でなくても構わないが、ｌｏｗ−ｋ膜（特に、ポーラスｌｏｗ−ｋ膜）を含む場合に特に有効である。なぜならば、ｌｏｗ−ｋ膜は絶縁耐圧が低い材料が多いだけでなく、ＣＭＰプロセスによりダメージを受けやすいからである。比誘電率が３．５以下の低誘電率絶縁膜としてｌｏｗ−ｋ膜を一部に形成することで、半導体装置の微細化を図ることができる。ｌｏｗ−ｋ膜の種類としては、ＭＳＱやＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）、ポリマーのいずれも用いることができる。また、ｌｏｗ−ｋ膜の比誘電率は３．０以下のもの、特に２．６以下のものに対して有効である。また、ＣＶＤ膜とスピン塗布膜を比較した場合、特にスピン塗布膜に対して有効である。前記ｌｏｗ−ｋ膜の膜厚としては、１００ｎｍから１０００ｎｍの範囲であることが望ましい。前述のＭＳＱ膜の組成としては、珪素の濃度は２０％から４０％、炭素の濃度は１０％から３０％、酸素の濃度は４０％から６０％が望ましい。

図４は、配線形成のための開口部形成工程からめっき工程までを示す工程断面図である。それ以降の工程は後述する。
図４（ａ）において、開口部形成工程として、リソグラフィ工程とドライエッチング工程でダマシン配線を作製するための配線溝構造である開口部１５０をＳｉＯ_２膜２２２とｌｏｗ−ｋ膜２２０と下地ＳｉＣ膜２１２内に形成する。図示していないレジスト塗布工程、露光工程等のリソグラフィ工程を経てＳｉＯ_２膜２２２の上にレジスト膜が形成された基体２００に対し、露出したＳｉＯ_２膜２２２とその下層に位置するｌｏｗ−ｋ膜２２０を、下地ＳｉＣ膜２１２をエッチングストッパとして異方性エッチング法により除去し、その後、下地ＳｉＣ膜２１２をエッチングして開口部１５０を形成すればよい。異方性エッチング法を用いることで、基体２００の表面に対し、略垂直に開口部１５０を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング法により開口部１５０を形成すればよい。

図４（ｂ）において、バリアメタル膜形成工程として、前記開口部形成工程により形成された開口部１５０及びＳｉＯ_２膜２２２表面にバリアメタル材料を用いたバリアメタル膜２４０を形成する。物理気相成長法（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ）法の１つであるスパッタ法を用いるスパッタリング装置内で窒化タンタル（ＴａＮ）を膜厚１０ｎｍ、タンタル（Ｔａ）膜を膜厚１５ｎｍ堆積し、バリアメタル膜２４０を形成する。ＴａＮ膜とＴａ膜とを積層することで、ＴａＮ膜によりＣｕのｌｏｗ−ｋ膜２２０への拡散防止を図り、Ｔａ膜によりＣｕの密着性向上を図ることができる。バリアメタル材料の堆積方法としては、原子層気相成長（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ法、あるいは、ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＣＶＤ法）やＣＶＤ法などを用いることでＰＶＤ法を用いる場合より被覆率を良くすることができる。
前記バリアメタル膜は、Ｔａ膜、ＴａＮ膜、もしくはその積層膜であることが望ましい。前記バリアメタル膜の成膜方法は、ＣＶＤ法もしくはＡＬＤ法であることが被覆性の観点から望ましいが、上述したスパッタ法などのＰＶＤ法であっても有効である。

図４（ｃ）において、シード膜形成工程として、スパッタ等の物理気相成長（ＰＶＤ）法により、次の工程である電解めっき工程のカソード極となるＣｕ薄膜をシード膜２５０としてバリアメタル膜２４０が形成された開口部１５０内壁及び基体２００表面に堆積（形成）させる。ここでは、シード膜２５０を膜厚７５ｎｍ堆積させた。

図４（ｄ）において、めっき工程として、シード膜２５０をカソード極として、電解めっき等の電気化学成長法によりＣｕ膜２６０を開口部１５０及び基体２００表面に堆積させる。ここでは、膜厚５００ｎｍのＣｕ膜２６０を堆積させ、堆積させた後にアニール処理を２５０℃の温度で３０分間行った。

図５は、平坦化する研磨工程を示す工程断面図である。
図５において、研磨工程として、ＣＭＰ法によってＳｉＯ_２膜２２２の表面に堆積された導電部としての配線層となるＣｕ膜２６０、シード膜２５０、及びバリアメタル膜２４０をＣＭＰ研磨及び電解研磨により除去することにより、図５に表したような埋め込み構造を形成する。前記研磨工程において、電解研磨により研磨加重を小さくすることができるので、一部に形成された比誘電率が３．５以下の低誘電率絶縁膜と他の部分に形成された絶縁膜との剥離を抑制することができる。

図６は、実施の形態１における研磨装置の概要構成断面図である。
研磨装置は、電解研磨による作用とＣＭＰによる作用の両方で研磨を行うメカニズムである。ＣＭＰ荷重は１．３×１０^３Ｐａ（０．２ｐｓｉ）の超低荷重に設定し、オービタル回転数は６００ｍｉｎ^−１（６００ｒｐｍ）、電解研磨液の供給速度は０．４Ｌ／ｍｉｎ（４００ｃｃ／分）とする。
研磨布となる導電性パッド５３０は、導電性のパッドは、導電性の物質をＣＭＰパッドに含ませたもので良く、例えばカーボン製、特にカーボンファイバー製の単層パッドを用いるとよい。金属を用いるとウエハ３００表面を傷つけてしまうが、前記導電性パッドの材料として、カーボンファイバーを用いたことで、導電性材料でありながらやわらかいソフトな材料に形成でき、ウエハ３００表面を研磨しても傷つけず、研磨パッドとしてより好ましい。

導電性パッドの裏側には接点５４０となる銅製の電極シートがあり、このシートには１４０個のスラリー供給用の穴（供給孔５５０）が施され、電解研磨液５６０はこの供給孔５５０を通して研磨プラテン５２０の下から図６の矢印のように供給される。設定されたＣＭＰ荷重によって研磨パッドとなる導電性パッド５３０とウエハ３００表面は接触しており、電解研磨液５６０は研磨パッドに施された溝の中を通過して研磨プラテン５２０の外部に流されるものである。前記導電性パッド５３０と前記ウエハ３００表面と間に電解研磨液５６０を供給する供給孔５５０が設けられていることにより、従来のような前記導電性パッドの上方から滴下される場合より確実に電解研磨液をウエハ３００表面に供給することができる。
電極シートにはプラテン５２０の外側で電源と接続されており、他方の電極はウエハ３００表面に接続されている。図１では、接点５４０は、導電性パッド５３０上に配置されているが、図６のようにパッドの裏側にあってもどちらでもよい。

なお、図１２で説明したロータリ型の電解研磨方式の場合、電解研磨液はプラテンの上から垂らす方式を採用せざるを得ない。回転するプラテンの電極は、外周で常にコンタクトを取れるように可動式のものとなるため、問題が生じる。

電解研磨液は、リン酸と過酸化水素水とクエン酸とベンゾトリアゾールとポリアクリル酸アンモニウムから成る水溶液を用いた。リン酸は０．５重量％、過酸化水素は２体積％、クエン酸は０．０５重量％、ベンゾトリアゾールは０．０５重量％、ポリアクリル酸アンモニウムは０．０１重量％の濃度で添加した。前記電解研磨としては、リン酸もしくは硫酸を含む水溶液を用いることが可能である。また、水溶液中に銅を添加することによりエッチングを防止することが可能である。さらに、ディシングや摩擦力を低減するために、防食剤や界面活性剤を用いることが可能である。防食剤としてはベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）やイミダゾール、またはその誘導体を用いることができる。界面活性剤としてはポリアクリル酸もしくはポリアクリル酸アンモニウムなどを用いることが可能である。
電解研磨を促進するために過酸化水素のような酸化剤を添加することも有効である。これによってＣｕ表面が酸化され、電解研磨の速度が速くなる。

また、有機酸を添加することによって均一なエッチングを行うことが可能となる。有機酸を添加する場合は、リン酸や硫酸の濃度を低減することが可能となる。有機酸としては、ヒドロキシ酸（ＯＨ基を含む有機酸）もしくはカルボン酸（ＣＯＯＨ基を含む有機酸）が望ましく、ヒドロキシカルボン酸（ＯＨ基とＣＯＯＨ基を一分子中に含む有機酸）が最も望ましい。例えば、クエン酸、リンゴ酸、コハク酸、酒石酸、フタル酸、マロン酸、マレイン酸、フマル酸、乳酸、ピメリン酸、アジピン酸、グルタル酸、シュウ酸、サリチル酸、グルコール酸、安息香酸、酪酸、吉草酸、プロピオン酸、酢酸、ギ酸などが挙げられる。
電解研磨液は砥粒を含むことが可能である。砥粒の濃度は１０重量％以下であることがスクラッチ低減の観点から望ましい。さらに、５重量％以下の砥粒であればＣＭＰ後の洗浄性が良くなる観点から望ましい。１重量％以下の砥粒であれば分散性の観点から望ましい。砥粒を含まなければ廃液処理の観点から、なお望ましい。

図７は、導電性パッドの表面形状を示す図である。
図７（ａ）に示すように、導電性パッド５３０の表面には、格子状の溝が形成されている。溝の交差する位置の底部に前記供給孔５５０が設けられている。導電性パッド５３０の上面に溝が形成され、前記溝の底部から電解研磨液５６０が供給されることにより、溝をつたって電解研磨液５６０をウエハ３００表面全体に供給することができる。また、前記導電性パッド５３０とウエハ３００表面との間に残った電解研磨液５６０を排出し、新しい電解研磨液５６０と置換することができる。そして、前記溝が格子状に形成されることで、さらに、電解研磨液の広がりを促進することができる。図７（ｂ）に示すように、溝は、例えば、幅１ｍｍ、深さ２ｍｍに形成する。図７では、格子状の溝が形成されているが、これに限るものではなく、例えば、同心円状の溝が形成されてもよい。

以上のように、研磨液は、研磨布となる導電性パッド５３０に形成された穴を通して研磨プラテン５２０の裏側からウエハ３００表面に供給されることが望ましい。特に、研磨パッドとなる導電性パッド５３０の表面に格子状の溝や同心円状の溝が施されていることが研磨液を高速に流動させる観点から望ましい。研磨布中の溝が施されている面積は１０％から４０％であることが高研磨速度を維持する上で望ましい。

上述の条件でＣｕの電解研磨を行った結果、３００ｎｍ／分の速度でＣｕが研磨され、研磨を始めてから約９０秒で光学式終点信号が検知されて研磨が終了した。その後、ＴａＮのＣＭＰをＣＭＰスラリーに切り替えて１分間研磨を行い、キャップＳｉＯ２膜４が露出するまで研磨した。ＴａＮのＣＭＰでは硬度（Ｓｈｏｒｅ Ｄ）が７０以下のソフトパッドを用いて、ｌｏｗ−ｋ膜の剥離を防止するようにした。

図８は、オービタル型とロータリ型とにおける電解研磨時の電流波形を示す図である。
オービタル型の電解研磨装置では、電圧を１０Ｖ、電流を３Ａ必要とした。
ＣＭＰ後のウエハを顕微鏡で検査したところ、ｌｏｗ−ｋ膜の剥離は全く見られなかった。これに対してロータリ型の電解研磨装置でＣＭＰを行った場合、図８に示すように、プラテンの電極に研磨液が付着して度々電流が不安定になり、電解研磨がストップする問題が発生した。また、電極が回転する端子によって擦れ（図１２参照）、かつそこが研磨液によって腐食する問題が多発した。オービタル式の電解研磨装置では電極を被覆することができるために腐食することは無く、安定で信頼性の高い研磨を行うことが可能であった（図１参照）。また、ロータリ型の電解研磨装置では、電圧を１０Ｖ、電流を５Ａ必要とした。オービタル型の方が、ウエハ面積とパット面積の差がはるかに小さいので、少ない電流で効率よく研磨することができる。
研磨パッドの溝に関しては、本実施例では格子溝のものを用いた。溝部分の面積比が３０％のものを用いたが、溝が全く形成されていない研磨パッドを用いた場合と比較すると研磨速度が４倍以上増加した。
研磨パッドに設けられた研磨液の供給穴の数については、１０個、３０個、１００個、３００個の場合で比較すると、多ければ多いほど研磨速度が増加し、かつウエハ内の研磨均一性が向上することがわかった。
本実験をデバイスが搭載されたウエハで実施しても同様の効果を確認することができた。１層目のＣｕ配線層だけでなく、２層目のＣｕ配線層においてもｌｏｗ−ｋ膜が剥離なく研磨することができ、さらに３層目以上のＣｕ配線層でも剥離なく研磨することができた。ｌｏｗ−ｋ材料としては、ＨＳＱやポリマー、ＣＶＤ法によるＳｉＯＣを用いても剥離なく研磨することができた。

半導体装置の製造をさらに進めていくには、以下のようにしていけばよい。
図９は、平坦化する研磨工程後、第２の絶縁膜としてのｌｏｗ−ｋ膜形成工程までを示す工程断面図である。
図９において、研磨処理後、還元性プラズマ処理工程として、ＣＶＤ装置内でアンモニア（ＮＨ_３）プラズマ処理を行なう。この処理により図５における平坦化工程でのＣｕ−ＣＭＰの際にスラリーとの反応によって形成されたＣｕ表面の錯体を還元し、キャップＳｉＯ_２膜上に存在する残留有機物を除去することができる。この処理によりＣｕ−ＣＭＰの際にスラリーとの反応によって形成されたＣｕ表面の錯体が還元され、キャップＳｉＯ２膜上にある残留有機物も除去されることから絶縁耐圧は改善される。前記還元性のプラズマはアンモニアプラズマ、もしくは水素（Ｈ_２）プラズマが効果的であり、特にアンモニアプラズマが処理装置内におけるガスの扱い易さから好ましい。

還元性プラズマ処理工程では、図示していないＣＶＤ装置内におけるチャンバの内部にて、下部電極を兼ねた温度が４００℃に制御された基板ホルダの上に基体２００となる半導体基板を設置する。そして、チャンバの内部に上部電極内部からガスを供給する。供給するガス流量は１１．８Ｐａ・ｍ^３／ｓ（７０００ｓｃｃｍ）とした。真空ポンプにより２３３Ｐａのガス圧力になるように真空引きされたチャンバの内部の上記上部電極と下部電極との間に高周波電源を用いてプラズマを生成させる。高周波パワーは５６０Ｗ、低周波パワーは２５０Ｗ、処理時間は１０秒とした。

そして、次の層における第２の絶縁膜形成工程の一部であるＳｉＣ膜形成工程として、還元性プラズマ処理した同じＣＶＤ装置内で４００℃の温度で３０ｎｍの膜厚のＳｉＣ膜２７５を形成する。ＳｉＣ膜２７５は拡散防止膜の働きがあり、このＳｉＣ膜２７５を形成することで、Ｃｕの拡散を防止することができる。かかるＣＶＤ法で形成されるＳｉＣ膜２７５の他に、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＣＯ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯ_２膜を用いることができる。そして、ｌｏｗ−ｋ膜形成工程として、図３（ｃ）で説明した工程と同様に、ＳｉＣ膜２７５の上にＳｉＣ膜２７５よりも比誘電率の低い低誘電率膜である、多孔質の絶縁性材料を用いたｌｏｗ−ｋ膜２８０を形成する。以降、多層配線を必要に応じ順次形成する。

以上のように、上記のＣｕ電解研磨の電極の信頼性の問題は、オービタル型の回転機構を備えた電解研磨装置でＣｕの研磨平坦化を行うことにより克服することができる。これにより低荷重で、かつ高い研磨速度でダマシンＣｕ配線を形成することが可能となり、ｌｏｗ−ｋ膜の剥離も防止することが可能となる。

前記各実施の形態において、比誘電率ｋが２．６以下の場合、ｌｏｗ−ｋ膜の側壁が、２０ｎｍ以下の膜厚のＣＶＤ膜で被覆されていることが望ましい。その理由は、比誘電率が２．６以下の場合はポーラス膜であることが多く、ポアシーリングをＣｕ配線の側壁で行う必要があるからである。特に、前述のＡＬＤ法やＣＶＤ法によってバリアメタル膜を成膜する場合は必要である。ポアシーリング用のＣＶＤ膜の種類としては、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＣＯ膜、ＳｉＮ膜が望ましい。特に、低誘電率の観点からＳｉＣ膜が最適である。

以上の説明において、バリアメタルとして、Ｔａ、ＴａＮに限らず、ＴａＣＮ（炭化窒化タンタル）、ＷＮ（窒化タングステン）、ＷＣＮ（炭化窒化タングステン）、ＴｉＮ（窒化チタン）等の高融点金属の窒化膜或いは窒化炭素膜であっても構わない。或いはチタン（Ｔｉ）、ＷＳｉＮ等であっても構わない。

ここで、上記各実施の形態における配線層の材料として、Ｃｕ以外に、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｔｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金等の、半導体産業で用いられるＣｕを主成分とする材料を用いて同様の効果が得られる。

なお、多層配線構造などを形成する場合には、各図において基体２００は、下層の配線層と絶縁膜とが形成されたものである。

上記各実施の形態においては、多孔質絶縁膜の材料としては、多孔質誘電体薄膜材料としてのＭＳＱに限らず、他の多孔質無機絶縁体膜材料、多孔質有機絶縁体膜材料を用いても同様の効果を得ることができる。
特に、多孔質の低誘電率材料に上記各実施の形態を適用した場合には、上述の如く顕著な効果が得られる。上記各実施の形態において多孔質絶縁膜の材料として用いることができるものとしては、例えば、各種のシルセスキオキサン化合物、ポリイミド、炭化フッ素（ｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ）、パリレン（ｐａｒｙｌｅｎｅ）、ベンゾシクロブテンをはじめとする各種の絶縁性材料を挙げることができる。

以上、具体例を参照しつつ各実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。

例えば、各実施の形態で層間絶縁膜が形成された基体２００は、図示しない各種の半導体素子あるいは構造を有するものとすることができる。また、半導体基板ではなく、層間絶縁膜と配線層とを有する配線構造の上に、さらに層間絶縁膜を形成してもよい。開口部も半導体基板が露出するように形成してもよいし、配線構造の上に形成してもよい。

さらに、層間絶縁膜の膜厚や、開口部のサイズ、形状、数などについても、半導体集積回路や各種の半導体素子において必要とされるものを適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置の製造方法は、本発明の範囲に包含される。

また、説明の簡便化のために、半導体産業で通常用いられる手法、例えば、フォトリソグラフィプロセス、処理前後のクリーニング等は省略しているが、それらの手法が含まれることは言うまでもない。

実施の形態１における研磨装置の概要構成図である。 実施の形態１におけるオービタル運動の様子を説明するための図である。 半導体装置の構成のうち、層間絶縁膜として、下層のＳｉＯ_２膜形成工程からｌｏｗ−ｋ膜上のＳｉＯ_２膜形成工程までを示す工程断面図である。 配線形成のための開口部形成工程からめっき工程までを示す工程断面図である。 平坦化する研磨工程を示す工程断面図である。 実施の形態１における研磨装置の概要構成断面図である。 導電性パッドの表面形状を示す図である。 オービタル型とロータリ型とにおける電解研磨時の電流波形を示す図である。 平坦化する研磨工程後、第２の絶縁膜としてのｌｏｗ−ｋ膜形成工程までを示す工程断面図である。 従来のｌｏｗ−ｋ膜とＣｕ配線を組み合わせた多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 ＣＭＰを用いた研磨工程時の半導体装置の断面例を示す図である。 ロータリ型ＣＭＰ装置の概念図である。

符号の説明

１５０ 開口部
２００ 基体
２１０，２２２ ＳｉＯ_２膜
２１２，２７５ ＳｉＣ膜
２２０，２８０ ｌｏｗ−ｋ膜
２２１，２８１ 絶縁膜
２４０ バリアメタル膜
２５０ シード膜
２６０ Ｃｕ膜
３００ ウエハ
５１０，６１０ キャリア
５２０，６２０ プラテン
５３０ 導電性パッド
５４０，６４０ 接点
５５０ 供給孔
５６０，６６０ 電解研磨液
６３０ 研磨パッド
６５０ 供給ノズル

Claims (10)

1. 平面運動機構を有するテーブルと、
   前記テーブル上に配置され、導電性材料を用いた導電性パッドと、
   前記導電性パッド上に配置され、半導体基板表面を前記導電性パッド側に向けて支持する支持部と、
   を備え、
   前記テーブルと共に前記導電性パッドを平面運動させながら、前記半導体基板表面を前記導電性パッドで化学機械研磨すると共に、前記半導体基板表面と前記導電性パッドとに通電することにより前記半導体基板表面を電解研磨することを特徴とする研磨装置。
2. オービタル運動機構を有するテーブルと、
   前記テーブル上に配置され、導電性材料を用いた導電性パッドと、
   前記導電性パッド上に配置され、半導体基板表面を前記導電性パッド側に向けて支持する支持部と、
   前記導電性パッドと前記テーブルとのいずれかに配置され、前記導電性パッドに通電する電線と接続する接点と、
   を備え、
   前記テーブルと共に前記導電性パッドをオービタル運動させながら、前記半導体基板表面と前記接点を介して前記導電性パッドとに通電することにより前記半導体基板表面を電解研磨することを特徴とする研磨装置。
3. 前記接点には、オービタル運動により移動する前記接点の移動量を許容する尤度をもった前記電線が接続されることを特徴とする請求項２記載の研磨装置。
4. 前記支持部は、前記半導体基板を回転させずに支持することを特徴とする請求項２記載の研磨装置。
5. 前記導電性パッドは、前記導電性パッドと前記半導体基板表面と間に電解研磨液を供給する供給孔が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の研磨装置。
6. 前記導電性パッドは、上面に溝が形成され、前記溝の底部に前記供給孔が設けられていることを特徴とする請求項５記載の研磨装置。
7. 前記導電性パッドには、前記溝が格子状に形成されていることを特徴とする請求項６記載の研磨装置。
8. 前記電解研磨液は、リン酸或いは硫酸を含有することを特徴とする請求項５記載の研磨装置。
9. 前記導電性パッドの材料として、カーボンファイバーを用いたことを特徴とする請求項１又は２記載の研磨装置。
10. 基体上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
    前記絶縁膜に開口部を形成する開口部形成工程と、
    前記開口部前記開口部に導電性材料を堆積させる堆積工程と、
    前記基体表面と対向する位置に配置する導電性パッドを用いて、前記導電性パッドをオービタル運動させながら固定された接点を介して前記導電性パッドに通電し、さらに、前記基体表面に通電し、前記導電性材料が堆積した基体表面を電解研磨する研磨工程と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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