JP2006062047A - 研磨装置および研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 研磨対象物の被研磨面への薬液の均一な供給と研磨対象物の面内における研磨速度の均一性を両立することができる研磨装置を提供する。
【解決手段】 研磨装置３０は、研磨面３２と、ウェハＷを保持するトップリング３６と、研磨面３２とトップリング３６に保持されたウェハＷとを相対移動させるモータ４６，５６と、トップリング３６に保持されたウェハＷを研磨面３２に対して押圧する上下動機構５４とを備えている。この研磨装置３０においては、ウェハＷを研磨面３２に対して押圧する圧力と、研磨面３２とウェハＷとの相対速度との積に研磨速度が比例しない非プレストン領域内の条件下で研磨を行う。
【選択図】 図２

Description

本発明は、研磨装置および研磨方法に係り、特に半導体ウェハなどの研磨対象物を平坦に研磨する研磨装置および研磨方法に関するものである。

半導体基板上に配線回路を形成するための配線材料としては、加工容易性、生産性等の観点からアルミニウムまたはアルミニウム合金が一般に用いられているが、半導体デバイスの微細化・高速化が進むにつれ、近年、銅を用いる動きが顕著になってきている。これは、銅の電気抵抗率は、１．７２μΩｃｍとアルミニウムの電気抵抗率より４０％近く低いので、信号遅延現象に対して有利となるばかりでなく、銅のエレクトロマイグレーション耐性が現用のアルミニウムより遙かに高い等の理由による。エレクトロマイグレーションとは、電流が流れることによって原子が移動し配線の断線が生じる現象である。

この銅材料にあっては、隣り合う絶縁材料への拡散が容易に起こりやすく、このため、この銅拡散を防止するための拡散防止膜（銅配線プロセスの場合、一般にバリアメタル（ＢＭ）と呼ばれる）が必要とされる。このため、銅配線形成プロセスとして、絶縁材料の上面（内部）に形成した配線溝やビアホールの表面にバリアメタル（バリア材料）を成膜（堆積）し、この配線溝やビアホールの内部に配線材料としての銅を埋め込んだ後、余分な金属を化学機械研磨法（ＣＭＰ法）により除去する、いわゆるデュアルダマシンプロセスと呼ばれる方法が採用される。

ここで、配線材料に隣り合う絶縁材料として、高速化の観点から電気が漏れにくく、しかもデバイス構造に起因する余分な回路を形成しにくい低誘電率材料を使用することが望まれており、このような低誘電率材料としてlow-k膜またはultra low-k膜（ＵＬＫ）が注目されてきている。つまり、従来のアルミニウム配線デバイスでは、一般に、絶縁材料としてＳｉＯ_２膜を使用していたが、ＳｉＯ_２の比誘電率は４．１で、銅配線にはそれより低い比誘電率の絶縁膜を使用することが望まれている。一般に、low-k膜は、比誘電率が３．０以下の膜である。

この低誘電率材料として、無機系材料と有機系材料が開発されており、無機系材料としては、ＳｉＯＦ系ＦＳＧ、ＳｉＯＣ系ブラックダイヤモンド（Applied Materials社の商標）やAurora（ASM International社の商標）などが、有機系材料としては、SiLK（Dow
Chemical社の商標）などが採用され始めている。さらに、低誘電率化を進めるため、これらの材料のポーラス化が検討され始めている。

ここで、デュアルダマシンプロセスによって半導体ウェハＷ内に銅配線を形成する工程を図１（ａ）から図１（ｆ）を参照して説明する。まず、図１（ａ）に示すように、下層の完成した配線１０上に積層した導電層１２の上に、ＳｉＯ_２からなる酸化膜やＳｉＦ、ＳｉＯＨ、ポーラスシリカ等のlow-k材（ＵＬＫ材）膜等の絶縁膜（絶縁材料）１４を堆積する。次に、図１（ｂ）に示すように、レジスト１６を用いたリソグラフィーおよびＲＩＥなどのエッチング法によって、絶縁膜１４の内部に配線溝やビアホール等の配線用凹部（配線パターン）１８を形成する。その後、図１（ｃ）に示すように、レジスト１６を除去して洗浄する。

次に、図１（ｄ）に示すように、配線溝やビアホール等の配線用凹部１８の表面に、銅のシリコンへの拡散を抑える拡散防止膜としてのバリアメタル（バリア材料）２０をスパッタリング法等で成膜する。そして、図１（ｅ）に示すように、電解めっき法や無電解めっき法など（銅めっき法の一種）で、配線用凹部１８の全てが埋め込まれるまでの必要厚さの銅めっきを行って、配線用凹部１８の内部に、配線材料としての銅２２を充填するとともに、絶縁膜１４上に銅２２を堆積させる。その後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により、絶縁膜１４上の銅２２およびバリアメタル２０を除去して、配線用凹部１８内に充填させた銅２２の表面と絶縁膜１４の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図１（ｆ）に示すように、銅からなる配線（銅配線）２４が形成される。

ここで、上述したように、最近では絶縁膜１４の材料として機械的強度の弱いlow-k材などが使用されるため、ＣＭＰ時の加工圧力を高くすることができず、低い加工圧力で研磨を行う必要がある。しかしながら、低い加工圧力でウェハを研磨する場合には、ウェハ全面への薬液（スラリ）の均一な供給とウェハの面内における研磨速度の均一性を両立することが困難であった。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、研磨対象物の被研磨面への薬液の均一な供給と研磨対象物の面内における研磨速度の均一性を両立することができる研磨装置および研磨方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様によれば、研磨対象物を平坦に研磨する研磨装置が提供される。この研磨装置は、研磨面と、研磨対象物を保持するトップリングと、上記研磨面と上記トップリングに保持された研磨対象物とを相対移動させる駆動機構と、上記トップリングに保持された研磨対象物を上記研磨面に対して押圧する押圧機構とを備えている。この研磨装置においては、上記研磨対象物を上記研磨面に対して押圧する圧力と、上記研磨面と上記研磨対象物との相対速度との積に研磨速度が比例しない非プレストン領域内の条件下で研磨を行う。

本発明の第２の態様によれば、研磨対象物を平坦に研磨する研磨装置が提供される。この研磨装置は、研磨面と、研磨対象物を保持するトップリングと、上記研磨面と上記トップリングとを所定の相対速度で相対移動させる駆動機構と、上記トップリングに保持された研磨対象物を上記研磨面に対して所定の圧力で押圧する押圧機構とを備えている。また、研磨装置は、上記トップリングに保持された研磨対象物の表面を酸化させる薬液を上記研磨対象物の表面に供給する薬液供給機構と、上記圧力と上記相対速度との積からプレストンの式により算出される加工速度よりも低い反応速度で上記研磨対象物の表面を酸化させるように、上記薬液の濃度または温度を調整する制御部とを備えている。

本発明の第３の態様によれば、研磨対象物を平坦に研磨する研磨装置が提供される。この研磨装置は、研磨面と、研磨対象物を保持するトップリングと、上記研磨面と上記トップリングに保持された研磨対象物とを相対移動させる駆動機構と、上記トップリングに保持された研磨対象物を上記研磨面に対して押圧する押圧機構とを備えている。この研磨装置は、所定の反応速度で上記トップリングに保持された研磨対象物の表面を酸化させる薬液を上記研磨対象物の表面に供給する薬液供給機構を含んでいる。また、研磨装置は、上記駆動機構による上記研磨面と上記研磨対象物の相対速度と上記押圧機構による上記研磨対象物の上記研磨面への圧力との積からプレストンの式により算出される研磨速度が上記反応速度よりも高くなるように、上記駆動機構による相対速度と上記押圧機構による圧力の少なくとも一方を調整する制御部を備えている。

本発明の第４の態様によれば、研磨対象物を平坦に研磨する研磨装置が提供される。この研磨装置は、研磨面と、研磨対象物を保持するトップリングと、上記研磨面と上記トップリングとを相対移動させる駆動機構と、上記トップリングに保持された研磨対象物を上記研磨面に対して押圧する押圧機構とを備えている。この研磨装置は、上記研磨対象物に対向して配置された電極と、上記研磨対象物と上記電極との間に電圧を印加して、所定の反応速度で上記トップリングに保持された研磨対象物の表面を酸化させる電源と、上記電極と上記研磨対象物の表面との間に電解液としての薬液を供給する薬液供給機構とを含んでいる。また、研磨装置は、上記駆動機構による上記研磨面と上記研磨対象物の相対速度と上記押圧機構による上記研磨対象物の上記研磨面への圧力との積からプレストンの式により算出される研磨速度が上記反応速度よりも高くなるように、上記駆動機構による相対速度と上記押圧機構による圧力の少なくとも一方を調整する制御部を備えている。

本発明の第５の態様によれば、研磨対象物を平坦に研磨する研磨装置が提供される。この研磨装置は、研磨面と、研磨対象物を保持するトップリングと、上記研磨面と上記トップリングとを所定の相対速度で相対移動させる駆動機構と、上記トップリングに保持された研磨対象物を上記研磨面に対して所定の圧力で押圧する押圧機構とを備えている。この研磨装置は、上記研磨対象物に対向して配置された電極と、上記研磨対象物と上記電極との間に電圧を印加する電源と、上記電極と上記研磨対象物の表面との間に電解液としての薬液を供給する薬液供給機構とを含んでいる。また、研磨装置は、上記圧力と上記相対速度との積からプレストンの式により算出される加工速度よりも低い反応速度で上記研磨対象物の表面を酸化させるように、上記電源の電圧を調整する制御部を備えている。

本発明の第６の態様によれば、研磨対象物を平坦に研磨する研磨方法が提供される。この研磨方法においては、研磨対象物と研磨面とを相対移動させつつ、上記研磨対象物を上記研磨面に対して押圧する。上記研磨対象物を上記研磨面に対して押圧する圧力と、上記研磨面と上記研磨対象物との相対速度との積に研磨速度が比例しない非プレストン領域内の条件下で研磨を行う。

本発明の第７の態様によれば、研磨対象物を平坦に研磨する研磨方法が提供される。この研磨方法においては、研磨対象物と研磨面とを所定の相対速度で相対移動させつつ、上記研磨対象物を上記研磨面に対して所定の圧力で押圧する。上記研磨対象物の表面を酸化させる薬液を上記研磨対象物の表面に供給する。上記圧力と上記相対速度との積からプレストンの式により算出される加工速度よりも低い反応速度で上記研磨対象物の表面を酸化させるように、上記薬液の濃度または温度を調整する。

本発明の第８の態様によれば、研磨対象物を平坦に研磨する研磨方法が提供される。この研磨方法においては、研磨対象物と研磨面とを相対移動させつつ、上記研磨対象物を上記研磨面に対して押圧する。所定の反応速度で上記研磨対象物の表面を酸化させる薬液を上記研磨対象物の表面に供給する。上記研磨面と上記研磨対象物の相対速度と上記研磨対象物の上記研磨面への圧力との積からプレストンの式により算出される研磨速度が上記反応速度よりも高くなるように、上記相対速度と上記圧力の少なくとも一方を調整する。

本発明の第９の態様によれば、研磨対象物を平坦に研磨する研磨方法が提供される。この研磨方法においては、研磨対象物と研磨面とを相対移動させつつ、上記研磨対象物を上記研磨面に対して押圧する。上記研磨対象物に対向して配置された電極と上記研磨対象物の表面との間に電解液としての薬液を供給する。上記研磨対象物と上記電極との間に電圧を印加して所定の反応速度で上記研磨対象物の表面を酸化させる。上記研磨面と上記研磨対象物の相対速度と上記研磨対象物の上記研磨面への圧力との積からプレストンの式により算出される研磨速度が上記反応速度よりも高くなるように、上記相対速度と上記圧力の少なくとも一方を調整する。

本発明の第１０の態様によれば、研磨対象物を平坦に研磨する研磨方法が提供される。この研磨方法においては、研磨対象物と研磨面とを所定の相対速度で相対移動させつつ、上記研磨対象物を上記研磨面に対して所定の圧力で押圧する。上記研磨対象物に対向して配置された電極と上記研磨対象物の表面との間に電解液としての薬液を供給する。上記研磨対象物と上記電極との間に電圧を印加して、所定の反応速度で上記研磨対象物の表面を酸化させる。上記圧力と上記相対速度との積からプレストンの式により算出される加工速度よりも低い反応速度で上記研磨対象物の表面を酸化させるように、上記電圧を調整する。

本発明によれば、非プレストン領域内の条件下で研磨を行うことができる。したがって、研磨対象物の面内で加工圧力や相対速度が不均一となっても、研磨対象物の面内のいずれの点においても研磨速度が一定になるので、均一な研磨を実現することが可能となる。このように、相対速度にかかわらず一定の研磨速度が実現されるので、研磨対象物全面への薬液の均一な供給と研磨対象物の面内における研磨速度の均一性を両立することが可能となる。

以下、本発明に係る研磨装置の実施形態について図２から図１０を参照して詳細に説明する。なお、図２から図１０において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図２は、本発明の第１の実施形態における研磨装置３０を示す模式図である。図２に示すように、研磨装置３０は、上面に研磨面３２を有する研磨テーブル３４と、下面に研磨対象物としての半導体ウェハＷを保持するトップリング３６と、旋回軸３８を中心に旋回可能なトップリングヘッド４０と、研磨面３２上に薬液（研磨液）を供給する薬液供給機構としての薬液供給ノズル４２と、研磨装置３０の運転を制御する制御部４４とを備えている。研磨テーブル３４の研磨面３２は、発泡ポリウレタンまたは砥粒を固定もしくは含浸させたもので構成されている。

研磨テーブル３４は、研磨テーブル３４の下方に配置されたモータ４６に連結されており、このモータ４６の駆動により回転するようになっている。このように、モータ４６は研磨テーブル３４および研磨面３２を回転させる回転機構として機能する。また、トップリング３６は、タイミングプーリ４８および５０を介してトップリングヘッド４０内のモータ５２に連結されており、このモータ５２の駆動により回転するようになっている。このように、モータ５２はトップリング３６を回転させる回転機構として機能する。

これらのモータ４６，５２は制御部４４に接続されており、制御部４４は、研磨テーブル３４およびトップリング３６の回転速度を任意の回転速度に調整する。このように、モータ４６，５２は、研磨面３２とトップリング３６に保持されたウェハＷとを任意の相対速度で相対移動させる駆動機構として機能する。

また、旋回軸３８は上下動機構５４に連結されており、この上下動機構５４によりトップリングヘッド４０およびトップリング３６が上下動するようになっている。この上下動機構５４は制御部４４に接続されており、制御部４４は、トップリング３６に保持されたウェハＷを研磨面３２に対して押圧する圧力を任意の圧力に調整する。このように、上下動機構５４は、トップリング３６に保持されたウェハＷを研磨面３２に対して任意の圧力で押圧する押圧機構として機能する。

本実施形態においては、薬液供給ノズル４２から供給される薬液（研磨液）は、シリカなどの砥粒を純水に分散させた液であって、必要に応じて分散剤を加えた砥粒分散液と、過酸化水素水やアンモニアなどの銅を酸化させる酸化剤と、酸化された銅の錯体を生成するキレート剤とを含んでいる。また、薬液供給ノズル４２は制御部４４に接続されており、制御部４４は、供給する薬液の量、濃度、温度を調整する。なお、上述した砥粒分散液、酸化剤、キレート剤に加えて、分散剤や選択比調整剤、防食剤などを薬液に添加してもよい。

ここで、一般に、研磨工程においては、加工速度（研磨速度）が以下のプレストンの式（１）に従うことが知られている。
Ｒ＝ｋＰＶ ・・・（１）
式（１）において、Ｒは加工速度、Ｐは研磨対象物を研磨面に対して押圧する圧力（加工圧力）、Ｖは研磨面と研磨対象物との相対速度、ｋはプレストン係数である。

式（１）からわかるように、研磨対象物を研磨面に対して均一の圧力で押圧して研磨する場合には、研磨速度を研磨対象物の面内で均一にするために、研磨面と研磨対象物との相対速度を研磨対象物の面内で均一にする必要がある。このためには、図３に示すように、研磨テーブル３４とトップリング３６の回転方向を同一方向とし、トップリング３６の回転速度に対する研磨テーブル３４の回転速度の比を１にする、あるいは１に近づけることが好ましい。

すなわち、図３に示すように、研磨テーブル３４の速度ｖ_ｐ、ウェハＷの速度ｖ_ｈ、研磨テーブル３４の回転速度をｗ_ｐ、ウェハＷの回転速度をｗ_ｈ、研磨テーブル３４の中心ＯとウェハＷの中心Ｐとの間の距離をｒ_ｐ、ウェハＷの中心Ｐと任意の点ｈとの間の距離をｒ_ｈとすると、点ｈにおけるウェハＷと研磨面の相対速度Ｖは、以下の式（２）で示される。

したがって、上記式（２）からわかるように、研磨テーブル３４の回転速度ｗ_ｐとウェハＷの回転速度ｗ_ｈとを同一にすれば、ウェハＷ上の任意の点ｈにおける相対速度の大きさを均一にすることができる。

最近では、半導体デバイスの配線材料として、機械的強度の弱いlow-k材などが使用されるため、低圧、例えば６．９ｋＰａ（１．０ｐｓｉ）以下の圧力で研磨を行う必要がある。このような低圧の条件下で所定の加工速度を確保するためには、プレストンの式（１）からわかるように、研磨面と研磨対象物との相対速度を上げる必要がある。

この場合において、上述した研磨テーブル３４とトップリング３６の回転速度の比を１に近づけた状態で相対速度を上げようとすると、研磨テーブル３４の回転速度とともにトップリング３６の回転速度も上げなければならない。しかしながら、トップリング３６の回転速度を上げると、ウェハＷの被研磨面に供給される研磨液に遠心力が働き、研磨液がウェハＷの中央部から外周側に排除され、研磨が阻害される。すなわち、ウェハＷの中央部は遠心力の作用により研磨液が届きにくい領域となり、この結果、ウェハＷの中央部が他の部分に比べて研磨されにくくなるという不具合が生じる。

このような不具合を防止するため、トップリング３６の回転速度を低く設定し、研磨テーブル３４の回転速度だけを上げれば、研磨液に作用する遠心力が弱まるので、研磨液をウェハＷの中央部まで供給することが可能となる。しかしながら、この場合には、トップリング３６の回転速度に対する研磨テーブル３４の回転速度の比が非常に大きくなってしまい、ウェハＷの外周部と中央部との間で相対速度に差が生じることとなる。すなわち、ウェハＷの外周部における研磨速度がウェハＷの中央部における研磨速度よりも大きくなってしまい、研磨が不均一になってしまう。

このように、低圧でウェハを研磨する場合には、ウェハ全面への研磨液の均一な供給とウェハの面内における研磨速度の均一性を両立することが難しい。本発明者等は、ＣＭＰなどの研磨が、研磨液（薬液）による酸化（エッチング）および錯体生成という化学的作用と、研磨面による錯体の除去という物理的作用とにより進行する点に着目し、ウェハ全面への研磨液の均一な供給とウェハの面内における研磨速度の均一性を両立できる技術を開発した。

例えば、銅を研磨する場合、銅の表面を薬液中の酸化剤により酸化すると同時に、この酸化した銅を薬液中のキレート剤により銅の錯体にする化学反応と、これらの銅錯体を研磨面により機械的に除去するプロセスとにより銅が研磨されていく。このため、機械的除去プロセスの速度（研磨速度）は、上記化学反応の速度以上にはならない。例えば、上記化学反応の速度がａ_Ｃであったとすると、加工圧力と相対速度の積（以下、ＰＶ積という）と研磨速度との関係は、図４に示すようになる。すなわち、研磨速度がａ_ＣとなるｘよりもＰＶ積が小さい範囲では、研磨速度は上述したプレストンの式によりＰＶ積に比例するが、ＰＶ積がｘよりも大きい範囲においては、研磨速度は化学反応速度ａ_Ｃを超えることなく一定となる。ここで、図４に示すグラフにおいて、ＰＶ積がｘよりも小さい範囲を「プレストン領域」、ＰＶ積がｘよりも大きい範囲を「非プレストン領域」と呼ぶ。

したがって、この非プレストン領域内の条件下で研磨を行えば、研磨対象物の面内で加工圧力や相対速度が不均一となっても、研磨対象物の面内のいずれの点においても研磨速度が一定（ａ_ｃ）になるので、均一な研磨を実現することが可能となる。このように、相対速度にかかわらず一定の研磨速度が実現されるので、上述した低圧での研磨において、トップリング３６の回転速度を低くし、研磨テーブル３４の回転速度を高くしたとしても、ウェハＷの外周部と中央部で研磨速度が同一になる。したがって、ウェハ全面への研磨液の均一な供給とウェハの面内における研磨速度の均一性を両立することが可能となる。

ここで、上記化学反応の速度ａ_Ｃは、供給する各々の薬液の量、組成、濃度、温度などに依存する。したがって、供給する薬液の量、組成、濃度、温度などを適切に調整することで、所望の圧力において、ウェハ全面への薬液（研磨液）の均一な供給とウェハの面内における研磨速度の均一性を両立した研磨を行うことができる。

なお、（１）式におけるプレストン係数ｋは、研磨対象物であるウェハの膜の物性や研磨に使用する砥粒、分散剤、酸化剤、キレート剤の特性およびこれらと純水によって混合される混合液のそれぞれの混合割合や供給量、あるいは研磨面（研磨パッド）の特性、研磨している領域の温度などによって異なる。したがって、研磨レシピによってはプレストンの式が既知でない場合がある。このような場合においては、相対速度、加工圧力、混合液の濃度や供給量などをパラメータとして研磨条件を漸次変化させていくことによって、図４における点（ｘ，ａ_ｃ）を求める必要がある。例えば、以下のような方法により、図４における点（ｘ，ａ_ｃ）を求めることができる。

１）ＰＶ積と混合液の条件を２つのパラメータとし、どちらか一方の値を固定して、他方を漸次変化させることにより加工量（研磨量）の変化を測定し、その変化量が一定でなくなった点を点（ｘ，ａ_ｃ）とする。

２）研磨テーブル３４の回転速度に対するトップリング３６の回転速度の比が０．２より小さい状態、あるいはトップリング３６と研磨テーブル３４の回転方向とを逆方向にした状態で研磨を行い（すなわち、ウェハ面内の加工速度がプレストン領域下で均一ではない状態とする）、ＰＶ積と混合液の条件を２つをパラメータとし、どちらか一方の値を固定して、他方を漸次変化させることにより加工量（研磨量）の変化を測定し、単位時間あたりの加工量がウェハの半径方向の任意の複数点において均一となった点を点（ｘ，ａ_ｃ）とする。

より具体的には、上記１）の方法として、１−１）混合液の条件を固定し、ＰＶ積を変化させる方法と、１−２）ＰＶ積を固定し、混合液の条件を変化させる方法があり、上記２）の方法として、２−１）混合液の条件を固定し、ＰＶ積を変化させる方法と、２−２）ＰＶ積を固定し、混合液の条件を変化させる方法がある。

１−１）研磨テーブル３４の回転速度に対するトップリング３６の回転速度の比を１とし、加工圧力と相対速度の少なくとも一方を漸次増加させ、研磨速度の増加率の変化を測定する。この研磨速度の増加率が小さくなる点を点（ｘ，ａ_ｃ）とする。

１−２）研磨テーブル３４の回転速度に対するトップリング３６の回転速度の比を１とし、圧力と相対速度の少なくとも一方を十分増加させる。その増加させた量付近で漸次、混合液の供給量、または混合液に混合されるキレート剤（後述する第１のキレート剤および第２のキレート剤を含む）、酸化剤、分散剤、砥粒分散液、純水の混合割合を変化させ、研磨速度の変化量が混合液の条件変化に比例しない点を点（ｘ，ａ_ｃ）とする。

なお、１−１）および１−２）において、ウェハの中央部付近の研磨速度はスラリーの流れの影響を受けやすく、高速では低下しやすいことに注意が必要である。また、後述する膜厚測定器がウェハの半径方向について略等しい点を継続的に測定して研磨速度を算出している場合には、研磨テーブル３４の回転速度に対するトップリング３６の回転速度の比は１に限られず、任意の値とすることができる。

２−１）研磨テーブル３４の回転速度に対するトップリング３６の回転速度の比が０．２より小さくなる状態で研磨を行う。これは、ウェハ面内での相対速度が位置によって大きく異なる条件である。この状態で、加工圧力と相対速度の少なくとも一方を漸次増加させ、ウェハ半径方向の任意の点における単位時間あたりの研磨速度が略均一となった点を点（ｘ，ａ_ｃ）とする。

２−２）研磨テーブル３４の回転速度に対するトップリング３６の回転速度の比が０．２より小さくなる状態で研磨を行う。これは、ウェハ面内での相対速度が位置によって大きく異なる条件である。この状態で、加工圧力と相対速度の少なくとも一方を十分増加させる。その増加させた量付近で漸次、混合液の供給量、または混合液に混合されるキレート剤（後述する第１のキレート剤および第２のキレート剤を含む）、酸化剤、分散剤、砥粒分散液、純水の混合割合を変化させ、ウェハ面内の加工均一性が変化しない、すなわち均一性が変わらない点を点（ｘ，ａ_ｃ）とする。

上述した１−１）、１−２）、２−１）、２−２）の例においては、研磨している領域の温度を一定に保つことを前提としているが、ＰＶ積と混合液の供給量や混合割合を一定にし温度をパラメータとして、図４における点（ｘ，ａ_ｃ）を求めることもできる。また、後述する複合電解研磨の実施においては、ウェハＷと陰極板との間に電圧を印加することにより研磨対象膜の酸化が行われるため、１−１）および２−１）においては電圧値は所定値に固定され、１−２）および２−２）においては電圧値を変化させる。

なお、制御部４４の記憶装置または記憶媒体には、トップリング３６、研磨テーブル３４、後述する膜厚測定器、薬液混合システム等を制御して上述した研磨工程を実現するためのプログラムが格納されている。また、この制御部４４の記憶装置または記憶媒体には、研磨対象であるウェハの膜の物性や研磨に使用する砥粒、分散剤、酸化剤、キレート剤の特性およびこれらと純水によって混合される混合液の混合割合や供給量、あるいは研磨面（研磨パッド）の特性、研磨している領域の温度などの情報が格納されている。さらに、既知の研磨レシピを実施する場合には、その研磨レシピに対応するプレストンの式や図４における点（ｘ，ａ_ｃ）などの情報もこの記憶装置または記憶媒体に格納される。制御部４４は、これらの情報を必要に応じて読み出して演算を行い、非プレストン領域における研磨を行うようになっている。

実用的には、ウェハ１枚につき加工時間を２分以内にする必要がある。また、一般的には、初期膜厚、すなわち研磨すべき膜厚は１０００ｎｍ程度であるので、要求される研磨速度は５００ｎｍ／ｍｉｎ以上となる。そこで、本実施形態では、酸化速度５００ｎｍ／ｍｉｎ以上でウェハＷの表面を酸化させる酸化剤を含む薬液を薬液供給ノズル４２から供給する。このような酸化剤として、例えば、過酸化水素や過硫酸アンモニウムを用いることができる。

また、供給する薬液は、３．４ｋＰａ（０．５ｐｓｉ）以下の圧力で除去可能な錯体をウェハＷの表面との反応により生成可能なキレート剤を含むことが好ましい。すなわち、このようなキレート剤からは、３．４ｋＰａ（０．５ｐｓｉ）以下の圧力で除去できるほど柔らかい錯体が生成される。生成される錯体が柔らかくなれば、図４に示すプレストン領域での研磨速度の傾きが大きくなるので、より低圧での研磨が可能となる。特に、３．４ｋＰａ（０．５ｐｓｉ）以下の圧力で研磨できれば、機械的強度の弱いlow-k材を破壊せずに加工を行うことができる。

本実施形態では、制御部４４は、上下動機構５４によりウェハＷを研磨面３２に対して押圧する圧力を３．４ｋＰａ（０．５ｐｓｉ）以下に調整している。また、制御部４４は、モータ５２によりトップリング３６を回転させる回転速度およびモータ４６により研磨テーブル３４を回転させる回転速度を制御している。トップリング３６の回転速度は、２０ｍｉｎ^−１以下、好ましくは１０ｍｉｎ^−１以下、より好ましくは５ｍｉｎ^−１以下にすることが好ましい。また、研磨中にトップリング３６を静止させたり、研磨テーブル３４の回転による摩擦力を受けて受動的に回転させたりしてもよい。ただし、ウェハＷのエッジ部の研磨においては、研磨面３２との摩擦の方向性が研磨の均一性およびスクラッチの低減の点から重要であり、様々な方向から摩擦されることが有効である。このため、トップリング３６にある程度の回転を与えた方がよく、１０ｍｉｎ^−１以下、好ましくは５ｍｉｎ^−１以下で回転させるのがよい。

また、薬液が置換されやすいように、研磨テーブル３４の回転速度は、高速、例えば、１００ｍｉｎ^−１以上にすることが好ましい。さらに、トップリング３６の回転速度に対する研磨テーブル３４の回転速度の比が５以上になるようにするのが好ましい。また、研磨面３２とウェハＷの中心との相対速度が１．７ｍ／ｓ以上になるように、トップリング３６と研磨テーブル３４の回転速度を調整することが好ましい。また、トップリング３６の回転方向と研磨テーブル３４の回転方向を逆にしてもよい。

このように、本実施形態では、薬液供給ノズル４２から供給する薬液の量、組成、濃度、温度などを薬液調整機構５５により調整し、上下動機構５４によるウェハＷへの圧力を制御部４４により調整し、モータ５２，４６によるトップリング３６と研磨テーブル３４の回転速度（相対速度）を制御部４４により調整することにより、非プレストン領域内の条件下で研磨を行うことができる。適切な薬液の使用と、適切な圧力および相対速度によって非プレストン領域での均一な研磨が可能となるため、トップリング３６の回転速度を低く抑えつつ、研磨液がウェハＷの中央部に導入されないという事態を防止することができる。

また、非プレストン領域での研磨により、ウェハＷへの圧力が変動しても均一の研磨が実現されるので、トップリング３６のウェハＷを保持する面に複数の圧力室を設けて、ウェハＷに作用する圧力をゾーンコントロールする必要がなくなる。したがって、トップリング３６のウェハＷを保持する面には、単一の圧力室を有するエアバッグを設けるだけでよい。

図２に示すように、研磨テーブル３４には、ウェハＷの表面の状態を計測する計測器として、ウェハＷに形成された膜の膜厚を測定する膜厚測定器５６が埋設されている。この膜厚測定器５６としては、ウェハＷに光を照射して膜厚を測定する光学式モニタ、ウェハＷに発生する渦電流を検出して膜厚を測定する渦電流式モニタ、研磨テーブル３４の回転トルクを検出して膜厚を測定するトルク検知モニタ、ウェハＷに超音波を当てて膜厚を測定する超音波式センサなどを用いることができる。

例えば、膜厚測定器５６が光学式モニタである場合は、膜厚測定器５６に投光素子と受光素子を設け、投光素子からウェハＷの被研磨面に光を照射し、この被研磨面からの反射光を受光するように構成する。ウェハＷの導電性膜（Ｃｕ膜）が所定厚の薄膜になってくると、投光素子から被研磨面に照射された光の一部が導電性膜を透過し、導電性膜の下層の酸化膜（ＳｉＯ_２）から反射された反射光と、導電性膜の表面から反射された反射光との２種類の反射光が存在することになる。この２種類の反射光を受光素子で受光し処理することにより膜厚を測定する。さらに、単色光だけでなく、白色光など複数の波長成分を含む光を利用し、波長ごとに測定することで、様々な光学特性の膜種（材料）に対応可能であることは言うまでもない。

この膜厚測定器５６により検出された膜厚から研磨すべき膜の厚さを算出し、制御部４４は、この研磨すべき膜の厚さに応じて、研磨速度が５００ｎｍ／ｍｉｎになるように薬液供給ノズル４２から供給される各々の薬液の量、濃度、温度などを調整する。このような膜厚測定器５６は、研磨終点を検出するエンドポイントモニタとして用いることもできる。また、このような膜厚測定器５６だけではなく、使用済みの薬液を分析する分析器や薬液の温度を測定する温度測定器をエンドポイントモニタとして用いることもできる。なお、制御部４４は、薬液供給ノズル４２から研磨面３２に供給される各々の薬液の量を調整して所定量に維持するようになっており、研磨工程中に薬液供給ノズル４２から研磨面３２に供給される各々の薬液の量を所定量に保持する液量保持機構としても機能する。

なお、本実施形態では、研磨テーブル３４や研磨液などが調温され、上述した化学反応の速度を一定に保つように構成されている。特に、研磨テーブル３４には、熱伝導性の良いアルミナやＳｉＣ等のセラミックが用いられ、内部に調温水を供給できるように調温水配管６０が設けられている。また、図２に示すように、研磨テーブル３４の上方には、研磨面３２の表面温度を測定する放射温度計５８が配置されており、放射温度計５８からの出力は制御部４４に送られるようになっている。この放射温度計５８もエンドポイントモニタとして用いることもできる。

ここで、上述したキレート剤として、錯体の生成速度が異なる２種類のキレート剤を混合して用いてもよい。例えば、３．４ｋＰａ（０．５ｐｓｉ）以下の圧力で除去可能な第１の錯体を生成可能な第１のキレート剤と、この第１の錯体とは種類の異なる第２の錯体を生成可能な第２のキレート剤を混合して用いてもよい。ここで、第２のキレート剤は、第１のキレート剤よりも金属に対する錯体生成定数が大きく、生成した第２の錯体の溶解度が、第１のキレート剤の溶解度よりも低い（分子間力が大きい）ことが好ましい。

このように２種類のキレート剤を用いることにより、複数の錯体を形成することができ、均一な研磨が可能となる。例えば、銅を研磨する場合であれば、第１のキレート剤としてキナルジン酸、第２のキレート剤としてベンゾトリアゾールの組み合わせが考えられる。あるいは、第１のキレート剤としてグリシンまたは乳酸、第２のキレート剤としてキナルジン酸を用いてもよく、この場合には、生成する錯体が不安定となるため、より低い圧力で研磨するのに好適である。

低圧かつ低速の研磨では、ウェハの金属表面が分子間力のより強い第２の錯体に覆われる。この状態では、第２の錯体の除去速度が遅く、より除去されやすい第１のキレート剤が金属表面に配位しても、第２のキレート剤の錯体生成定数の方が第１のキレート剤の錯体生成定数よりも大きいため、時間とともに第１のキレート剤が第２のキレート剤に置換される。したがって、ウェハの金属表面に第１の錯体を形成することができない。

ＰＶ積が所定の値以上になると、第１のキレート剤が第２のキレート剤に置換される前に研磨面との摩擦により掻き取られてしまうので、分子間力がより強い第２の錯体、すなわち研磨しにくい第２の錯体が形成されにくい状態で研磨が進む。この場合には、第１のキレート剤の金属表面への拡散および第１の錯体を形成する反応速度によって研磨速度が決まる。このように、第１のキレート剤の金属表面への拡散速度により研磨速度が決まるので、この拡散速度に影響を与えない限り、加工圧力や相対速度などの機械的要因に左右されず、均一な研磨を行うことができる。第２のキレート剤と第１のキレート剤の種類や濃度を適切に選択することにより、３．４ｋＰａ（０．５ｐｓｉ）以下の超低圧での研磨を実現することができる。なお、膜厚測定器５６により膜厚を測定して研磨速度を算出し、上述した第１のキレート剤と第２のキレート剤の濃度を決定してもよい。

このようなキレート剤や酸化剤、砥粒分散液、純水などを混合して薬液供給ノズル４２に供給する薬液混合システムについて説明する。図５は、このような薬液混合システムの一例を示す模式図である。図５に示すように、混合システムは、砥粒分散液原液の入った複数（図５では２台）の砥粒分散液タンク１００，１００と、砥粒分散液原液を純水（または薬液）により希釈して濃度を調整する調整タンク１０２と、調整タンク１０２で濃度が調整された砥粒分散液にキレート剤および酸化剤を混合して薬液供給ノズル４２に供給する混合器１０４と、第２のキレート剤と第１のキレート剤を一旦貯蔵して所定の量だけ混合器１０４に供給するキレート剤タンク１０６とを備えている。

調整タンク１０２には純水供給ライン１０８が接続され、また砥粒分散液タンク１００，１００と調整タンク１０２との間は砥粒分散液ポンプ１１０を有する砥粒分散液配管１１２によって連結されている。各砥粒分散液タンク１００の吐出側配管には開閉バルブ１１４が取り付けられている。調整タンク１０２と混合器１０４との間は、開閉バルブ１１６を取り付けた送液配管１１８により連結されている。また、調整タンク１０２からは送液配管１１８と分岐するように排水用配管１２０が接続されている。この排水用配管１２０には排水バルブ１２２が取り付けられている。排水用配管１２０と排水バルブ１２２は例えば調整タンク１０２内を洗浄する場合に洗浄液の排水用に使用する。なお、調整タンク１０２には液面レベルセンサ（砥粒分散液および純水計量センサ）１２４が取り付けられている。

混合器１０４には、キレート剤タンク１０６から延びるキレート剤供給配管１２６と、酸化剤タンク１２８から延びる酸化剤供給配管１３０が接続されている。キレート剤供給配管１２６には開閉バルブ１３２が取り付けられている。また、キレート剤タンク１０６にはキレート剤供給ライン１３４，１３４が接続されている。混合器１０４にはその吐出側に薬液供給ポンプ１３６を有する薬液配管１３８が接続されている。薬液配管１３８は混合器１０４に戻る循環配管であり、その途中から配管１４０が分岐している。この配管１４０は、開閉バルブ１４２を介して薬液供給ノズル４２に至っている。

混合器１０４の上部には、混合器１０４の内部の液面の高さを測定する液面レベルセンサ１４４が設置されている。また、混合器１０４の側面下部には薬液中のキレート剤の濃度を検出する濃度計１４６が設置されている。例えば、濃度計１４６として超音波を用いた濃度計を用いることができる。また、この混合器１０４には、オーバーフロー管１４８が接続されている。

キレート剤タンク１０６の上部には液面レベルセンサ１５０が設置されており、この液面レベルセンサ１５０によって、キレート剤供給ライン１３４，１３４からキレート剤タンク１０６の内部に供給されるキレート剤の液面の高さが測定され、所定の液量だけキレート剤が混合器１０４に供給される。

また、液面レベルセンサ１４４と濃度計１４６の出力は混合量調整部１５２に入力され、混合量調整部１５２は液面レベルセンサ１４４からの信号によって混合器１０４内の薬液残量を算出するとともに、混合器１０４に供給すべきキレート剤原液の量を算出し、キレート剤タンク１０６と開閉バルブ１３２を制御して算出した所定量のキレート剤原液を混合器１０４に供給する。なお、この混合量調整部１５２は、実際には開閉バルブ１３２以外の各バルブやポンプも駆動制御している。このように、混合量調整部１５２により、酸化剤、キレート剤、砥粒分散液、および純水の量が制御され、例えば、ウェハの研磨速度が５００ｎｍ以上になるような薬液が調製される。

次に、この混合システムの動作を説明する。まず、いずれかの開閉バルブ１１４を開いて砥粒分散液ポンプ１１０を駆動することで、対応する砥粒分散液タンク１００から砥粒分散液原液を調整タンク１０２に送り、同時に純水供給ライン１０８から調整タンク１０２内に供給された純水によって砥粒分散液原液を希釈して所定の濃度の砥粒分散液に調整する。砥粒分散液タンク１００を複数設けているのは、どちらかの砥粒分散液タンク１００が空になっても、薬液供給ノズル４２への薬液の連続供給を行うためである。

そして、調整タンク１０２内で所定の濃度に調整された砥粒分散液は、開閉バルブ１１６を開くことで送液配管１１８を介して混合器１０４に供給される。また、キレート剤はキレート剤タンク１０６で調製され、開閉バルブ１３２を開くことで所定量のキレート剤が混合器１０４に供給される。同様に、酸化剤は酸化剤タンク１２８で調製され、酸化剤供給配管１３０を通って混合器１０４に供給される。このようにして混合器１０４で混合調製された薬液は、薬液供給ポンプ１３６の駆動に伴って薬液配管１３８内を流れて循環し、研磨時に開閉バルブ１４２を開いて薬液供給ノズル４２から研磨面３２（図２参照）上に供給される。

図５に示す例では、薬液を薬液供給ノズル４２に導入する前に各成分を混合した場合について説明したが、薬液供給ノズルを複数設けて各成分を研磨面３２上で混合してもよい。図６は、薬液の各成分を個別に供給して研磨面３２上で混合する薬液混合システムの構成を示す模式図である。図６に示すように、この研磨装置は、複数の薬液供給ノズル１４２ａ，１４２ｂ，１４２ｃ，１４２ｄ（図６に示す例では４本の薬液供給ノズル）を備えている。

薬液供給ノズル１４２ａには、開閉バルブ２００を有する純水供給ライン２０２と、開閉バルブ２０４を有する第１の砥粒分散液供給ライン２０６と、開閉バルブ２０８を有する第２の砥粒分散液供給ライン２１０とが接続されている。第１の砥粒分散液供給ライン２０６には、開閉バルブ２１２を有する砥粒分散液循環ライン２１４が接続されており、第２の砥粒分散液供給ライン２１０には、開閉バルブ２１６を有する砥粒分散液循環ライン２１８が接続されている。開閉バルブ２０４，２０８を開き、開閉バルブ２１２，２１６を閉じることで、砥粒分散液が薬液供給ノズル１４２ａから研磨面３２に供給される。砥粒分散液を研磨面３２上に供給しない場合には、開閉バルブ２０４，２０８を閉じ、開閉バルブ２１２，２１６を開くことで、砥粒分散液を装置外へ戻して循環させることができる。

薬液供給ノズル１４２ｂには、開閉バルブ２２０を介して純水供給ライン２０２が接続されている。開閉バルブ２２０を開くことで、純水が薬液供給ノズル１４２ｂから研磨面３２に供給される。また、薬液供給ノズル１４２ｃには、開閉バルブ２２２を有する第１のキレート剤供給ライン２２４と、開閉バルブ２２６を有する第２のキレート剤供給ライン２２８とが接続されている。開閉バルブ２２２，２２６を開くことで、第１のキレート剤および第２のキレート剤が薬液供給ノズル１４２ｃから研磨面３２に供給される。また、薬液供給ノズル１４２ｄには、開閉バルブ２３０を有する酸化剤供給ライン２３２が接続されている。開閉バルブ２３０を開くことで、酸化剤が薬液供給ノズル１４２ｄから研磨面３２に供給される。

このように、図６に示す例では、薬液供給ノズル１４２ａ，１４２ｂ，１４２ｃ，１４２ｄからの砥粒分散液、純水、キレート剤、および酸化剤がそれぞれ研磨面３２に供給され、この研磨面３２上で混合されるようになっている。なお、研磨終了後に、砥粒分散液の代わりに純水を用いてウェハの研磨または洗浄を行う場合には、開閉バルブ２２０のみを開け、他の供給ラインの開閉バルブ２００，２０４，２０８，２２２，２２６，２３０を閉じることで、研磨面３２上に純水のみを供給できるようになっている。また、薬液供給ノズル１４２ａ内に溜まった砥粒分散液が乾燥して固まらないように、バルブ２００を開けることで、薬液供給ノズル１４２ａ内を純水で洗浄することができる。この洗浄は、ウェハの研磨終了ごとに一定時間だけ行ってもよいし、研磨装置が次の処理を待っている間に行ってもよい。

図５に示す薬液混合システムと図６に示す薬液混合システムとのいずれのシステムを選択するかは、使用する薬液の特性に応じて決めることができる。また、図５または図６に示す薬液混合システムにおいて、膜厚測定器５６などのエンドポイントモニタの測定結果や時間に応じて、薬液の成分の配合比を変化させてもよい。例えば、膜厚測定器５６によって研磨中のウェハＷの研磨状態を計測、判断して、そのときに最適な配合比にしてもよい。また、ＣＭＰプロセスのステップごとに薬液の成分の配合比を変化させてもよい。このとき、制御部４４により研磨圧力や研磨面３２とウェハＷの相対速度も変えることにより、非プレストン領域内の条件での研磨からプレストン領域内の条件での研磨に変化させることもできる。

また、酸化速度が既知である場合には、膜厚測定器５６により膜厚の変化を測定して研磨速度を算出し、研磨速度の変化をモニタすることで非プレストン領域の閾値（図４におけるｘ）を検出することができる。したがって、この閾値に基づいてウェハＷの中央部の相対速度を決定することができる。また、研磨速度をモニタしながら、ウェハＷと研磨面３２との相対速度を微少変動させ、研磨速度の変動が少ないことを確認することで非プレストン領域にあることを確認することができる。例えば、研磨速度の変動が許容範囲内に収まったときに非プレストン領域にあると判断することができる。この方法によれば、薬液の濃度の制御性が悪化した場合においても、非プレストン領域を検出することができる。

また、図５または図６に示す薬液混合システムにおいて、薬液の各成分の種類や濃度を変化させてもよい。非プレストン領域の条件下で研磨を行う場合には、エッチング性能の高い薬液を使用することが好ましいが、例えば、銅単一面の研磨が進んで、異種材料が現れるステップにおいて、エッチング能力の高い薬液を用いると、銅パターン部の中央部の研磨量がパターンエッジ部の研磨量と異なるディッシングと呼ばれる現象が生じやすい。このため、薬液の種類や濃度を変化させる必要がある。このとき、第１のキレート剤による水溶性錯体は不要となるので、第１のキレート剤の濃度を下げるか、あるいは第１のキレート剤の供給を停止してもよい。また、異種材料の加工に適した薬液、砥粒分散液の供給系を用意すれば、この供給系を使用することで連続して異種材料を加工することもできる。

ここで、研磨面３２を構成する研磨パッドとしては、上述した薬液の供給、排出、置換の観点から、複数の同心状の溝が形成された研磨パッドや螺旋状の溝が形成された研磨パッドを用いることが好ましい。また、研磨テーブル３４が高速で回転される場合には、遠心力によって薬液が流出してしまい、均一な加工ができない場合があるので、溝が形成された研磨パッドはこのような場合に特に有効である。また、薬液を保持する上では、溝を同心状または螺旋状にすることが好ましい。また、研磨パッドの材質としても、薬液保持に有利な物性を有する材料が好ましく、親水性を有する材料も有効である。

図７は、螺旋状の溝が形成された研磨パッド２５０の一例を示す平面図、図８は、図７に示す研磨パッド２５０の部分拡大図である。図７に示す研磨パッド２５０は、アルキメデス渦巻線（アルキメデス螺線）で表される螺旋溝２５２を有している。このアルキメデス渦巻線は、
Ｘ＝ａ×Ｔ×ｃｏｓ（Ｔ）
Ｙ＝ａ×Ｔ×ｓｉｎ（Ｔ）
で表される線である。なお、ａは任意の定数である。

ここで、薬液を保持する上では、螺旋溝２５２はより同心円に近い形状であることが好ましく、図８に示すように、螺旋溝２５２上の任意の点Ｐと研磨パッドの中心Ｃ_Ｐとを結ぶ線Ｌ_１に垂直な線Ｌ_２と、この点Ｐにおける螺旋溝２５２の接線Ｌ_３とのなす角αが３０°以下であることが好ましい。例えば、α＝１０°、研磨パッド２５０の半径を４００ｍｍとしてａを求めると、ａ＝７０．５となる。なお、図７はα＝３°のときの図である。また、螺旋溝２５２が延びる方向は、図９に示すように、研磨テーブル３４の回転方向と逆の方向であることが好ましい。

なお、図７から図９では、アルキメデス渦巻線を用いた例を示したが、対数渦巻線（対数螺線）を用いてもよい。研磨パッドの螺旋溝の形状としては、一般にアルキメデス螺線が好ましいが、等角螺線、すなわち、螺線上の任意の点と研磨パッドの中心とを結ぶ線と、この点における螺線の接線とがなす角が常に一定である螺線（ベルヌーイ螺線）であってもよい。このベルヌーイ螺線は、外周側において螺線間の幅が広がる性質を有しており、
Ｘ＝ａ×ｅｘｐ(ｂＴ)×ｃｏｓ(Ｔ)
Ｙ＝ａ×ｅｘｐ(ｂＴ)×ｓｉｎ(Ｔ)
で表される線である。なお、ａ，ｂは任意の定数である。

ここで、ベルヌーイ螺線においても、螺線上の任意の点と研磨パッドの中心とを結ぶ線と、この点における螺線の接線とがなす角が３０°以下であることが好ましい。この場合には、上記定数ｂがＴの関数であってもよい。なお、図７および図８では右回りの螺旋を示しているが、加工条件によっては図９に示すような左回りの螺旋を形成した研磨パッドを用いることもでき、また複数の螺旋が形成された研磨パッドを用いることもできる。

図１０は、本発明の第２の実施形態における研磨装置３００を示す模式図である。この研磨装置３００は、複合電解研磨を行うもので、上方に開口して内部に電解液３０１を保持する有底円筒状の電解槽３０２と、電解槽３０２の上方に配置され半導体ウェハＷを着脱自在に下向きに保持するトップリング３０４とを備えている。この電解液３０１としては、酸化剤、キレート剤、砥粒を含有した薬液が用いられる。

電解槽３０２は、モータなどの回転機構により回転する主軸３０６に直結され、底部には、電解液３０１中に浸漬されてカソードとなる平板状の陰極板（電極）３０８が水平に配置されている。この陰極板３０８は、例えばステンレス、Ｐｔ／Ｔｉ、Ｉｒ／Ｔｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂなど電解液に対して安定でかつ電解により不動体化しない金属で形成されている。陰極板３０８の上面には、縦および横方向に面内の全長に亘って直線状に延びる格子状の長溝３１０が設けられている。さらに、陰極板３０８の上面には、例えば、連続発泡体式で不織布タイプの硬度研磨パッド（例えば、ロデールニッタ社のＳＵＢＡ８００など）からなる研磨面３１２が貼り付けられている。

主軸３０６の回転に伴って電解槽３０２が研磨面３１２と一体に回転し、電解液３０１の供給に伴って電解液３０１が長溝３１０を通って流れ、しかも電解研磨に伴って生成される生成物や、水素ガス、酸素ガス等も長溝３１０を通ってウェハＷと研磨面３１２の間から外方に排出されるようになっている。

なお、図１０に示す例では、電解槽３０２が回転するようにした例を示しているが、電解槽３０２がスクロール運動（並進回転運動）するようにしたり、往復動するようにしたりしてもよい。また、長溝３１０の形状は、陰極板３０８の中央部と外周部とで電流密度に差が生じてしまうことを防止するとともに、電解液や水素ガス等が長溝３１０に沿ってスムーズに流れるようにするため、電解槽３０２がスクロール運動を行う場合には、格子状であることが好ましい。また、電解槽３０２が往復動を行う場合には、この移動方向に沿った平行であることが好ましい。

トップリング３０４は、支持ロッド３１４の下端に連結され、この下面に、例えば真空吸着方式でウェハＷを吸着保持するようになっている。支持ロッド３１４は、トップリング３０４を回転させる回転機構と、研磨面３１２に対して所定の圧力で押圧する押圧機構とを備えている。

トップリング３０４の下面外周部には、トップリング３０４でウェハＷを吸着保持したとき、ウェハＷの周縁部ないしベベル部と接触して、ウェハＷの表面に形成された銅膜を陽極（アノード）にする電気接点３１６が設けられている。この電気接点３１６は、支持ロッド３１４に内蔵されたロール摺動コネクタおよび配線３１８により、直流パルス電源３２０の陽極端子へ結線されている。また、陰極板３０８は、配線３２２を介して電源３２０の陰極端子に結線される。この電源３２０は、例えば低電圧仕様で、８インチウェハの場合は、１５Ｖ×２０Ａ程度、１２インチウェハの場合は、１５Ｖ×３０Ａ程度の容量のものが使用される。この電源３２０は、ウェハＷと陰極板３０８との間に電圧を印加して、所定の反応速度でウェハＷの表面を酸化させる。

さらに、電解槽３０２の上方には、電解槽３０２の内部の陰極板３０８とウェハＷとの間に電解液３０１を供給する電解液供給機構３２４が配置されている。さらに、各機器および運転全般を調節し管理する制御部３２６および安全装置（図示せず）などが設けられている。制御部３２６は、支持ロッド３１４の回転機構および押圧機構、主軸３０６に連結された回転機構、電源３２６に接続されており、トップリング３０４および電解槽３０２の回転速度、ウェハＷの研磨面３１２に対する圧力、ウェハＷと陰極板３０８との間に印加される電圧などを制御する。

図１０に示すように、陰極板３０８には、ウェハＷの表面の状態を計測する計測器として、ウェハＷに形成された膜の膜厚を測定する膜厚測定器３２８が埋設されている。この膜厚測定器３２８としては、ウェハＷに光を照射して膜厚を測定する光学式モニタ、ウェハＷに発生する渦電流を検出して膜厚を測定する渦電流式モニタ、研磨テーブル３４の回転トルクを検出して膜厚を測定するトルク検知モニタ、ウェハＷに超音波を当てて膜厚を測定する超音波式センサなどを用いることができる。

電解槽３０２内に電解液３０１を供給し、この電解液３０１が電解槽３０２をオーバーフローさせつつ、例えば９０ｍｉｎ^−１程度の回転速度で電解槽３０２と研磨面３１２を一体に回転させる。ここで、銅めっき等のめっき処理を施したウェハＷをトップリング３０４で下向きに吸着保持しておく。この状態で、ウェハＷを電解槽３０２とは反対方向に、例えば９０ｍｉｎ^−１程度の回転速度で回転させながら下降させ、このウェハＷの表面（下面）を、例えば３００ｇ／ｃｍ^２程度の一定圧力で研磨面３１２の表面に接触させ、同時に、電源３２０により陰極板３０８と電気接点３１６との間に直流、または、例えば基板上の銅の表面積当たりの電流密度が１〜４Ａ／ｄｍ^２程度で、例えば１０×１０^−３秒間通電し、同じく１０×１０^−３秒間停止するパルス電流を流す。

これにより、ウェハＷ上の銅膜は、従来の技術よりも速い速度で、しかも効果的に平坦化されながら研磨される。例えば、銅を研磨する場合、電源３２０の電圧の印加によって銅の表面を酸化する陽極酸化反応と、この酸化した銅を薬液中のキレート剤により銅の錯体にする錯体生成反応と、これらの銅錯体を研磨面により機械的に除去するプロセスとにより銅が研磨されていく。

陽極酸化反応は、電源３２０の電圧に依存する。したがって、電源３２０の電圧を制御部３２６により適切に調整することで、上述した非プレストン領域内の条件下での研磨が可能となる。例えば、酸化速度５００ｎｍ／ｍｉｎ以上でウェハＷの表面を酸化させるように電源３２０の電圧を調整する。このように、電源３２０の電圧、ウェハＷへの圧力、トップリング３６と研磨テーブル３４の回転速度（相対速度）を制御部３２６により調整することにより、非プレストン領域内の条件下で研磨を行うことができる。

なお、電解液（薬液）に含まれるキレート剤として、第１の実施形態と同様に、錯体の生成速度が異なる２種類のキレート剤を混合して用いてもよい。例えば、３．４ｋＰａ（０．５ｐｓｉ）以下の圧力で除去可能な第１の錯体を生成可能な第１のキレート剤と、この第１の錯体とは種類の異なる第２の錯体を生成可能な第２のキレート剤を混合して用いてもよい。ここで、第２のキレート剤は、第１のキレート剤よりも金属に対する錯体生成定数が大きく、生成した第２の錯体の溶解度が、第１のキレート剤による錯体の溶解度よりも低い（分子間力が大きい）ことが好ましい。

また、図１０に示す研磨装置３００においても、薬液（電解液）を混合するために、図５に示す混合器を用いた薬液混合システムや図６に示す研磨面上で混合する薬液混合システムを用いることができる。

ここで、図２に示す研磨装置３０においては薬液の濃度の変化を計測することにより酸化速度を算出し、あるいは、図１０に示す研磨装置３００においては電解液３０１に流れる電流の変化を計測することにより反応速度を算出し、最大研磨速度（図４におけるａ_ｃ）を算出することができる。したがって、この最大研磨速度と錯体の種類から非プレストン領域の閾値（図４におけるｘ）を算出することができ、非プレストン領域になるようなウェハＷへの圧力や相対速度を決定することができる。

上述の実施形態では、研磨対象物と研磨面とがそれぞれ単一円運動を行う場合を説明したが、これに限られるものではない。例えば、研磨対象物と研磨面との相対運動は、オービタル運動（偏心小円運動）やリニア運動（直線運動）であってもよい。また、研磨面を有する研磨工具を小径工具（例えば研磨対象物の直径の２倍以下の直径を有する工具）をウェハに接触走査させる接触走査運動やドラムによる線接触運動であってもよい。なお、研磨対象物と研磨面とがリニア運動する場合には、研磨面を構成する研磨パッドに形成される溝を、相対移動方向に延びる平行直線状にすることが好ましい。その他の相対運動の場合も、相対移動方向に延びる平行直線状の溝を研磨パッドに形成することが好ましい。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

図１（ａ）から図１（ｆ）は、デュアルダマシンプロセスによって銅配線を形成する工程を示す図である。 本発明の第１の実施形態における研磨装置を示す模式図である。 図２のウェハと研磨テーブルとの関係を示す図である。 図２の研磨装置におけるＰＶ積と研磨レートとの関係を示すグラフである。 図２の研磨装置で用いられる薬液を混合する混合システムの一例を示す模式図である。 図２の研磨装置で用いられる薬液を混合する混合システムの他の例を示す模式図である。 本発明の研磨装置で用いる研磨パッドの一例を示す平面図である。 図７の研磨パッドにおける螺旋溝の一例を示す拡大図である。 図７の研磨パッドにおける螺旋溝の他の例を示す拡大図である。 本発明の第２の実施形態における研磨装置を示す模式図である。

符号の説明

３０，３００ 研磨装置
３２，３１２ 研磨面
３４ 研磨テーブル
３６，３０４ トップリング
４２，１４２ａ〜１４２ｄ 薬液供給ノズル（薬液供給機構）
４４，３２６ 制御部
４６，５２ モータ（回転機構）
５４ 上下動機構（押圧機構）
５６，３２８ 膜厚測定器（計測器）
１０４ 混合器
１５２ 混合量調整部
２５０ 研磨パッド
２５２ 螺旋溝
３０１ 電解液
３０８ 陰極板（電極）
３２０ 電源
３２４ 電解液供給機構

Claims (54)

1. 研磨面と、
   研磨対象物を保持するトップリングと、
   前記研磨面と前記トップリングに保持された研磨対象物とを相対移動させる駆動機構と、
   前記トップリングに保持された研磨対象物を前記研磨面に対して押圧する押圧機構と、
   を備え、
   前記研磨対象物を前記研磨面に対して押圧する圧力と、前記研磨面と前記研磨対象物との相対速度との積に研磨速度が比例しない非プレストン領域内の条件下で研磨を行うことを特徴とする研磨装置。
2. 研磨面と、
   研磨対象物を保持するトップリングと、
   前記研磨面と前記トップリングとを所定の相対速度で相対移動させる駆動機構と、
   前記トップリングに保持された研磨対象物を前記研磨面に対して所定の圧力で押圧する押圧機構と、
   前記トップリングに保持された研磨対象物の表面を酸化させる薬液を前記研磨対象物の表面に供給する薬液供給機構と、
   前記圧力と前記相対速度との積からプレストンの式により算出される加工速度よりも低い反応速度で前記研磨対象物の表面を酸化させるように、前記薬液の濃度または温度を調整する制御部と、
   を備えたことを特徴とする研磨装置。
3. 前記制御部は、前記薬液の濃度または温度を調整して、前記研磨対象物の表面の研磨速度を５００ｎｍ／ｍｉｎ以上にすることを特徴とする請求項２に記載の研磨装置。
4. 研磨面と、
   研磨対象物を保持するトップリングと、
   前記研磨面と前記トップリングに保持された研磨対象物とを相対移動させる駆動機構と、
   前記トップリングに保持された研磨対象物を前記研磨面に対して押圧する押圧機構と、
   所定の反応速度で前記トップリングに保持された研磨対象物の表面を酸化させる薬液を前記研磨対象物の表面に供給する薬液供給機構と、
   前記駆動機構による前記研磨面と前記研磨対象物の相対速度と前記押圧機構による前記研磨対象物の前記研磨面への圧力との積からプレストンの式により算出される研磨速度が前記反応速度よりも高くなるように、前記駆動機構による相対速度と前記押圧機構による圧力の少なくとも一方を調整する制御部と、
   を備えたことを特徴とする研磨装置。
5. 研磨面と、
   研磨対象物を保持するトップリングと、
   前記研磨面と前記トップリングとを相対移動させる駆動機構と、
   前記トップリングに保持された研磨対象物を前記研磨面に対して押圧する押圧機構と、
   前記研磨対象物に対向して配置された電極と、
   前記研磨対象物と前記電極との間に電圧を印加して、所定の反応速度で前記トップリングに保持された研磨対象物の表面を酸化させる電源と、
   前記電極と前記研磨対象物の表面との間に電解液としての薬液を供給する薬液供給機構と、
   前記駆動機構による前記研磨面と前記研磨対象物の相対速度と前記押圧機構による前記研磨対象物の前記研磨面への圧力との積からプレストンの式により算出される研磨速度が前記反応速度よりも高くなるように、前記駆動機構による相対速度と前記押圧機構による圧力の少なくとも一方を調整する制御部と、
   を備えたことを特徴とする研磨装置。
6. 前記制御部は、前記押圧機構による圧力を３．４ｋＰａ以下に制御することを特徴とする請求項４または５に記載の研磨装置。
7. 研磨面と、
   研磨対象物を保持するトップリングと、
   前記研磨面と前記トップリングとを所定の相対速度で相対移動させる駆動機構と、
   前記トップリングに保持された研磨対象物を前記研磨面に対して所定の圧力で押圧する押圧機構と、
   前記研磨対象物に対向して配置された電極と、
   前記研磨対象物と前記電極との間に電圧を印加する電源と、
   前記電極と前記研磨対象物の表面との間に電解液としての薬液を供給する薬液供給機構と、
   前記圧力と前記相対速度との積からプレストンの式により算出される加工速度よりも低い反応速度で前記研磨対象物の表面を酸化させるように、前記電源の電圧を調整する制御部と、
   を備えたことを特徴とする研磨装置。
8. 前記制御部は、前記電圧を調整して、前記研磨対象物の表面の研磨速度を５００ｎｍ／ｍｉｎ以上にすることを特徴とする請求項７に記載の研磨装置。
9. 前記薬液は、３．４ｋＰａ以下の圧力で除去可能な第１の錯体を前記研磨対象物の表面との反応により生成可能な第１のキレート剤を含むことを特徴とする請求項２から８のいずれか一項に記載の研磨装置。
10. 前記薬液は、前記第１の錯体とは種類の異なる第２の錯体を前記研磨対象物の表面との反応により生成可能な第２のキレート剤をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
11. 前記第２のキレート剤は、前記第１のキレート剤より金属に対する錯体生成定数が大きく、
    前記第２の錯体の溶解度は、前記第１の錯体の溶解度より低いことを特徴とする請求項装置１０に記載の研磨装置。
12. 前記第２のキレート剤の濃度は、前記第１のキレート剤の濃度より低いことを特徴とする請求項１０または１１に記載の研磨装置。
13. 前記第１のキレート剤および前記第２のキレート剤を混合して前記薬液とし前記薬液供給機構に供給する混合器をさらに備えたことを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の研磨装置。
14. 前記薬液供給機構は、前記第１のキレート剤および前記第２のキレート剤を個別に供給することを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の研磨装置。
15. 前記第１のキレート剤と前記第２のキレート剤の少なくとも一方の量を調整する混合量調整部をさらに備えたことを特徴とする請求項１３または１４に記載の研磨装置。
16. 酸化剤、キレート剤、砥粒分散液、および純水を混合して前記薬液とし前記薬液供給機構に供給する混合器をさらに備えたことを特徴とする請求項２から１２のいずれか一項に記載の研磨装置。
17. 前記薬液供給機構は、酸化剤、キレート剤、砥粒分散液、および純水を個別に供給することを特徴とする請求項２から１２のいずれか一項に記載の研磨装置。
18. 前記酸化剤、キレート剤、砥粒分散液、および純水のうちの少なくとも１つの量を調整する混合量調整部をさらに備えたことを特徴とする請求項１６または１７に記載の研磨装置。
19. 前記研磨対象物の表面の状態を計測する計測器をさらに備えたことを特徴とする２から１８のいずれか一項に記載の研磨装置。
20. 前記計測器は、前記研磨対象物に光を照射して該研磨対象物の膜厚を測定する光学式モニタ、前記研磨対象物に発生する渦電流を検出して該研磨対象物の膜厚を測定する渦電流式モニタ、前記研磨面の回転トルクを検出して該研磨対象物の膜厚を測定するトルク検知モニタ、および前記研磨対象物に超音波を当てて該研磨対象物の膜厚を測定する超音波式モニタのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１９に記載の研磨装置。
21. 研磨工程中に前記薬液供給機構から供給される各々の薬液の量を所定量に保持する液量保持機構をさらに備えたことを特徴とする請求項２から２０のいずれか一項に記載の研磨装置。
22. 前記研磨対象物の表面には金属膜が形成されていることを特徴とする請求項２から２１のいずれか一項に記載の研磨装置。
23. 前記駆動機構は、前記トップリングを回転させる回転機構を備え、
    前記制御部は、前記トップリングの回転速度が２０ｍｉｎ^−１以下となるように前記回転機構を制御することを特徴とする請求項２から２２のいずれか一項に記載の研磨装置。
24. 前記駆動機構は、前記研磨面を回転させる第１の回転機構と、前記トップリングを回転させる第２の回転機構とを備え、
    前記制御部は、前記トップリングの回転速度に対する前記研磨面の回転速度の比が５以上となるように、前記第１の回転機構および前記第２の回転機構を制御することを特徴とする請求項２から２２のいずれか一項に記載の研磨装置。
25. 前記駆動機構は、前記研磨面を回転させる第１の回転機構と、前記研磨面と反対方向にトップリングを回転させる第２の回転機構とを備えたことを特徴とする請求項２から２２のいずれか一項に記載の研磨装置。
26. 前記制御部は、前記研磨面と前記研磨対象物の中心との相対速度が１．７ｍ／ｓ以上になるように前記駆動機構を制御することを特徴とする請求項２から２５のいずれか一項に記載の研磨装置。
27. 前記研磨面は、上面に同心溝が形成された研磨パッドにより構成されていることを特徴とする請求項２から２６のいずれか一項に記載の研磨装置。
28. 前記研磨面は、上面に螺旋状溝が形成された研磨パッドにより構成されていることを特徴とする請求項２から２６のいずれか一項に記載の研磨装置。
29. 前記螺旋溝上の任意の点と前記研磨パッドの中心とを結ぶ線に垂直な線と、該任意の点における前記螺旋溝の接線とのなす角が３０°以下であることを特徴とする請求項２８に記載の研磨装置。
30. 研磨対象物と研磨面とを相対移動させつつ、前記研磨対象物を前記研磨面に対して押圧し、
    前記研磨対象物を前記研磨面に対して押圧する圧力と、前記研磨面と前記研磨対象物との相対速度との積に研磨速度が比例しない非プレストン領域内の条件下で研磨を行うことを特徴とする研磨方法。
31. 研磨対象物と研磨面とを所定の相対速度で相対移動させつつ、前記研磨対象物を前記研磨面に対して所定の圧力で押圧し、
    前記研磨対象物の表面を酸化させる薬液を前記研磨対象物の表面に供給し、
    前記圧力と前記相対速度との積からプレストンの式により算出される加工速度よりも低い反応速度で前記研磨対象物の表面を酸化させるように、前記薬液の濃度または温度を調整することを特徴とする研磨方法。
32. 前記薬液の濃度または温度の調整により、前記研磨対象物の表面の研磨速度を５００ｎｍ／ｍｉｎ以上にすることを特徴とする請求項３１に記載の研磨方法。
33. 研磨対象物と研磨面とを相対移動させつつ、前記研磨対象物を前記研磨面に対して押圧し、
    所定の反応速度で前記研磨対象物の表面を酸化させる薬液を前記研磨対象物の表面に供給し、
    前記研磨面と前記研磨対象物の相対速度と前記研磨対象物の前記研磨面への圧力との積からプレストンの式により算出される研磨速度が前記反応速度よりも高くなるように、前記相対速度と前記圧力の少なくとも一方を調整することを特徴とする研磨方法。
34. 研磨対象物と研磨面とを相対移動させつつ、前記研磨対象物を前記研磨面に対して押圧し、
    前記研磨対象物に対向して配置された電極と前記研磨対象物の表面との間に電解液としての薬液を供給し、
    前記研磨対象物と前記電極との間に電圧を印加して所定の反応速度で前記研磨対象物の表面を酸化させ、
    前記研磨面と前記研磨対象物の相対速度と前記研磨対象物の前記研磨面への圧力との積からプレストンの式により算出される研磨速度が前記反応速度よりも高くなるように、前記相対速度と前記圧力の少なくとも一方を調整することを特徴とする研磨方法。
35. 前記圧力を３．４ｋＰａ以下に制御することを特徴とする請求項３３または３４に記載の研磨方法。
36. 研磨対象物と研磨面とを所定の相対速度で相対移動させつつ、前記研磨対象物を前記研磨面に対して所定の圧力で押圧し、
    前記研磨対象物に対向して配置された電極と前記研磨対象物の表面との間に電解液としての薬液を供給し、
    前記研磨対象物と前記電極との間に電圧を印加して、所定の反応速度で前記研磨対象物の表面を酸化させ、
    前記圧力と前記相対速度との積からプレストンの式により算出される加工速度よりも低い反応速度で前記研磨対象物の表面を酸化させるように、前記電圧を調整することを特徴とする研磨方法。
37. 前記電圧の調整により、前記研磨対象物の表面の研磨速度を５００ｎｍ／ｍｉｎ以上にすることを特徴とする請求項３６に記載の研磨方法。
38. 前記薬液は、３．４ｋＰａ以下の圧力で除去可能な第１の錯体を前記研磨対象物の表面との反応により生成可能な第１のキレート剤を含むことを特徴とする請求項３１から３７のいずれか一項に記載の研磨方法。
39. 前記薬液は、前記第１の錯体とは種類の異なる第２の錯体を前記研磨対象物の表面との反応により生成可能な第２のキレート剤をさらに含むことを特徴とする請求項３８に記載の研磨方法。
40. 前記第２のキレート剤は、前記第１のキレート剤より金属に対する錯体生成定数が大きく、
    前記第２の錯体の溶解度は、前記第１の錯体の溶解度より低いことを特徴とする請求項装置３９に記載の研磨方法。
41. 前記第２のキレート剤の濃度は、前記第１のキレート剤の濃度より低いことを特徴とする請求項３９または４０に記載の研磨方法。
42. 前記薬液の供給は、前記第１のキレート剤および前記第２のキレート剤を混合した薬液の供給により行われることを特徴とする請求項３９から４１のいずれか一項に記載の研磨方法。
43. 前記薬液の供給は、前記第１のキレート剤および前記第２のキレート剤の個別供給により行われることを特徴とする請求項３９から４１のいずれか一項に記載の研磨方法。
44. 前記薬液の供給において、前記第１のキレート剤と前記第２のキレート剤の少なくとも一方の量を調整することを特徴とする請求項４２または４３に記載の研磨方法。
45. 前記薬液の供給は、酸化剤、キレート剤、砥粒分散液、および純水を混合した薬液の供給により行われることを特徴とする請求項３１から４１のいずれか一項に記載の研磨方法。
46. 前記薬液の供給は、酸化剤、キレート剤、砥粒分散液、および純水の個別供給により行われることを特徴とする請求項３１から４１のいずれか一項に記載の研磨方法。
47. 前記薬液の供給において、前記酸化剤、キレート剤、砥粒分散液、および純水のうちの少なくとも１つの量を調整して、前記研磨対象物の表面の研磨速度を５００ｎｍ／ｍｉｎ以上にすることを特徴とする請求項４５または４６に記載の研磨方法。
48. 前記研磨対象物の表面の状態を計測することを特徴とする３１から４７のいずれか一項に記載の研磨方法。
49. 前記供給される各々の薬液の量を所定量に保持することを特徴とする請求項３１から４８のいずれか一項に記載の研磨方法。
50. 前記研磨対象物の表面には金属膜が形成されていることを特徴とする請求項３１から４９のいずれか一項に記載の研磨方法。
51. 前記研磨対象物を２０ｍｉｎ^−１以下の回転速度で回転させることを特徴とする請求項３１から５０のいずれか一項に記載の研磨方法。
52. 前記研磨対象物の回転速度に対する前記研磨面の回転速度の比が５以上となるように、前記研磨面と前記研磨対象物とを回転させることを特徴とする請求項３１から５０のいずれか一項に記載の研磨方法。
53. 前記研磨面と前記研磨対象物とを互いに反対方向に回転させることを特徴とする請求項３１から５０のいずれか一項に記載の研磨方法。
54. 前記研磨面と前記研磨対象物の中心との相対速度が１．７ｍ／ｓ以上になるように前記研磨面と前記研磨対象物とを相対移動させることを特徴とする請求項３１から５３のいずれか一項に記載の研磨方法。

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