JP3507678B2 - 研磨スラリー、基板の研磨装置及び基板の研磨方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】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工程で行なわれる化学
機械研磨に用いられる、研磨スラリー、基板の研磨装置
及び基板の研磨方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】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。

【０００３】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。

【０００４】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１０
４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。

【０００５】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。

【０００６】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１１
１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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明に係る研磨スラリーは、金属膜を化学機械研
磨法によって研磨する際に用いられる研磨スラリーを対
象とし、金属膜を構成する金属と同種の金属のイオンが
含有されている。

【００１６】本発明の研磨スラリーによると、金属膜を
構成する金属と同種の金属のイオンが含有されているた
め、金属膜に金属のイオンと逆極性の電圧を印加するこ
とにより、金属膜の表面に研磨スラリーに含有されてい
る金属のイオンよりなるメッキ層を形成することができ
る。

【００１７】本発明に係る基板の研磨装置は、平面運動
をする定盤の上に設けられた研磨パッドと、化学機械研
磨される金属膜を構成する金属と同種の金属のイオンが
含有されている研磨スラリーを研磨パッドの上に供給す
る研磨スラリー供給管と、表面に金属膜が形成された基
板を保持し、保持した基板の金属膜を研磨パッドに押し
付ける基板保持ヘッドと、基板保持ヘッドにおける、保
持した基板の金属膜と接触する部位に設けられたヘッド
導電部と、ヘッド導電部に金属のイオンと逆極性の電圧
を印加する逆極性電圧供給源とを備えている。

【００１８】本発明の基板の研磨装置によると、研磨ス
ラリー供給管から研磨パッドの上に供給される研磨スラ
リーに金属膜を構成する金属と同種の金属のイオンが含
有されていると共に、逆極性電圧供給源により、基板保
持ヘッドにおける基板の金属膜と接触する部位に設けら
れたヘッド導電部に金属のイオンと逆極性の電圧を印加
することができるため、金属膜の表面に研磨スラリーに
含有されている金属のイオンよりなるメッキ層を形成す
ることができる。

【００１９】本発明の基板の研磨装置は、研磨スラリー
供給管における研磨スラリーと接触する部位に設けられ
た供給管導電部と、供給管導電部に金属のイオンと同極
性の電圧を印加する同極性電圧供給源とをさらに備えて
いることが好ましい。

【００２０】本発明の基板の研磨装置は、研磨スラリー
供給管と研磨パッドとの間に、研磨スラリー供給管から
研磨パッドの上に流下する研磨スラリーと接触するよう
に設けられた導電部材と、導電部材に金属のイオンと同
極性の電圧を印加する同極性電圧供給源とをさらに備え
ていることが好ましい。

【００２１】本発明の基板の研磨装置は、研磨パッドの
上に該研磨パッド上に拡がる研磨スラリーと接触するよ
うに設けられた導電部材と、導電部材に金属のイオンと
同極性の電圧を印加する同極性電圧供給源とをさらに備
えていることが好ましい。

【００２２】本発明の基板の研磨装置は、基板保持ヘッ
ドの表面に、ヘッド導電部と絶縁され且つ研磨パッド上
に拡がる研磨スラリーと接触するように設けられた導電
性被膜と、導電性被膜に金属のイオンと同極性の電圧を
印加する同極性電圧供給源とをさらに備えていることが
好ましい。

【００２３】本発明の基板の研磨装置において、研磨パ
ッドは導電性材料よりなり、研磨パッドに金属のイオン
と同極性の電圧を印加する同極性電圧供給源をさらに備
えていることが好ましい。

【００２４】この場合、研磨パッドは、導電性材料より
なる多数の微粒子体と、該多数の微粒子体を一体化する
炭素の重合体とからなることが好ましい。

【００２５】本発明に係る基板の研磨方法は、平面運動
をする研磨パッドの上に、研磨される金属膜を構成する
金属と同種の金属のイオンが含有されている研磨スラリ
ーを供給するスラリー供給工程と、金属膜を研磨パッド
に押し付けて、研磨パッドの上に拡がる研磨スラリーに
より金属膜の表面を化学機械研磨する研磨工程と、金属
膜に金属のイオンと逆極性の電圧を印加することによ
り、金属膜の表面に研磨スラリーに含有されている金属
のイオンよりなるメッキ層を形成するメッキ工程とを備
えている。

【００２６】本発明の基板の研磨方法によると、研磨工
程において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、メッキ工程において金属膜の表
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。

【００２７】本発明の基板の研磨方法は、金属膜に流れ
る電流の電流値又は金属膜の抵抗値の変化量を測定し、
測定された電流値又は抵抗値の変化量に基づいて、研磨
工程の終点検出を行なう終点検出工程をさらに備えてい
ることが好ましい。

【００２８】本発明の基板の研磨方法において、メッキ
工程は、研磨工程において金属膜の膜厚が初期膜厚の８
０％〜１０％になったときに開始することが好ましい。

【００２９】本発明の基板の研磨方法において、メッキ
工程は、研磨工程において金属膜の膜厚が初期膜厚の１
００％〜８０％になったときに開始することが好まし
い。

【００３０】

【発明の実施の形態】（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１
０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。

【００３１】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（ＣｕＳ
Ｏ₄ ）を混合し、混合された硫酸銅をイオン化させてＣ
ｕ²⁺及びＳＯ₄ ^2-を生じさせる。

【００３２】（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。

【００３３】図２に示すように、回転運動をする定盤２
０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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】（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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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２
５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。

【００４９】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。

【００５０】（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。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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３
３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。

【００５５】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。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】（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。

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】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４
５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。

【００６７】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４
６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。

【００６８】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。

【００６９】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２
５に正の電圧を印加する。

【００７０】（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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】（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２
４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。

【００７６】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２
１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。

【００７７】また、ローラ部材５２のローラ保持体５１
ｂ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２
６、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。

【００７８】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３
３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２
５との間に流れる電流の大きさを検出することができ
る。

【００７９】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。

【００８０】（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２
４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。

【００８１】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。

【００８２】また、導電性被膜５４と基板保持ヘッド２
５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。

【００８３】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３
３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２
５との間に流れる電流の大きさを検出することができ
る。

【００８４】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。

【００８５】（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。

【００８６】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。

【００８７】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。

【００８８】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２
５及び電流計２７の間で閉回路が形成されている。

【００８９】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３
３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２
５との間に流れる電流の大きさを検出することができ
る。

【００９０】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。

【００９１】

【発明の効果】本発明の研磨スラリーによると、金属膜
を構成する金属と同種の金属のイオンが含有されている
ため、金属膜に金属のイオンと逆極性の電圧を印加する
ことにより、金属膜の表面に研磨スラリーに含有されて
いる金属のイオンよりなるメッキ層を形成することがで
きる。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
磨され難いため、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を形成できるので、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抑
制することができる。

【００９２】本発明の基板の研磨装置によると、研磨ス
ラリー供給管から研磨パッドの上に供給される研磨スラ
リーに金属膜を構成する金属と同種の金属のイオンが含
有されていると共に、逆極性電圧供給源により、基板保
持ヘッドにおける基板の金属膜と接触する部位に設けら
れたヘッド導電部に金属のイオンと逆極性の電圧を印加
できるため、金属膜の表面に研磨スラリーに含有されて
いる金属のイオンよりなるメッキ層を形成することがで
きる。

【００９３】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を抑制して、埋め込み配線の
表面高さを均一化できるので、配線抵抗のバラツキを減
少させて埋め込み配線の信頼性を向上させることができ
る。

【００９４】本発明の基板の研磨装置が、研磨スラリー
供給管に設けられた供給管導電部と、該供給管導電部に
金属のイオンと同極性の電圧を印加する同極性電圧供給
源とを備えていると、研磨スラリー供給管から研磨パッ
ド上に供給される研磨スラリーに含まれている金属イオ
ンを、該金属イオンと同極性の電圧によって金属膜の方
に速やかに移動させることができるので、金属膜の表面
に金属イオンよりなるメッキ層を良好に形成することが
できる。

【００９５】本発明の基板の研磨装置が、研磨スラリー
供給管から研磨パッドの上に流下する研磨スラリーと接
触する導電部材と、該導電部材に金属のイオンと同極性
の電圧を印加する同極性電圧供給源とを備えていると、
研磨スラリー供給管から研磨パッド上に供給される研磨
スラリーに含まれている金属イオンを、該金属イオンと
同極性の電圧によって金属膜の方に速やかに移動させる
ことができるので、金属膜の表面に金属イオンよりなる
メッキ層を良好に形成することができる。

【００９６】本発明の基板の研磨装置が、研磨パッド上
に拡がる研磨スラリーと接触する導電部材と、該導電部
材に金属のイオンと同極性の電圧を印加する同極性電圧
供給源とを備えていると、研磨パッド上に拡がる研磨ス
ラリーに含まれている金属イオンを、該金属イオンと同
極性の電圧によって金属膜の方に速やかに移動させるこ
とができるので、金属膜の表面に金属イオンよりなるメ
ッキ層を良好に形成することができる。

【００９７】本発明の基板の研磨装置が、ヘッド導電部
と絶縁され且つ研磨パッド上に拡がる研磨スラリーと接
触する導電性被膜と、該導電性被膜に金属のイオンと同
極性の電圧を印加する同極性電圧供給源とを備えている
と、研磨パッド上に拡がる研磨スラリーに含まれている
金属イオンを、該金属イオンと同極性の電圧によって金
属膜の方に速やかに移動させることができるので、金属
膜の表面に金属イオンよりなるメッキ層を良好に形成す
ることができる。

【００９８】本発明の基板の研磨装置において、研磨パ
ッドが導電性材料よりなり、研磨パッドに金属のイオン
と同極性の電圧を印加する同極性電圧供給源を備えてい
ると、研磨パッド上に拡がる研磨スラリーに含まれてい
る金属イオンを、該金属イオンと同極性の電圧によって
金属膜の方に速やかに移動させることができるので、金
属膜の表面に金属イオンよりなるメッキ層を良好に形成
することができる。

【００９９】この場合、研磨パッドが、多数の導電性の
微粒子体と、該多数の微粒子体を一体化する炭素の重合
体とからと、導電性材料よりなる研磨パッドを簡易且つ
確実に得ることができる。

【０１００】本発明の基板の研磨方法によると、研磨工
程において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、メッキ工程において金属膜の表
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。

【０１０１】本発明の基板の研磨方法が、測定された電
流値又は抵抗値の変化量に基づいて研磨工程の終点検出
を行なう終点検出工程を備えていると、化学機械研磨の
終点を簡易且つ確実に検出することができる。

【０１０２】本発明の基板の研磨方法において、メッキ
工程を、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。

【０１０３】本発明の基板の研磨方法において、メッキ
工程を、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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る研磨スラリーを
示す模式図である。

【図２】本発明の第２の実施形態に係る基板の研磨装置
の概略断面図である。

【図３】本発明の第２の実施形態に係る基板の研磨装置
の要部を示す、図２における一点鎖線で囲む部分の拡大
断面図である。

【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の各実施形態に係る
基板の研磨装置を用いて行なう第１の基板の研磨方法の
各工程を示す断面図である。

【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の各実施形態に係る
基板の研磨装置を用いて行なう第２の基板の研磨方法の
各工程を示す断面図である。

【図６】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の各実施形態に係る
基板の研磨装置を用いて行なう第２の基板の研磨方法の
各工程を示す斜視図である。

【図７】本発明の各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おける研磨時間と抵
抗値との関係を示す図である。

【図８】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の各実施形態に係る
基板の研磨装置を用いて行なう第３の基板の研磨方法の
各工程を示す断面図である。

【図９】本発明の第３の実施形態に係る基板の研磨装置
の概略断面図である。

【図１０】本発明の第４の実施形態に係る基板の研磨装
置の概略断面図である。

【図１１】本発明の第５の実施形態に係る基板の研磨装
置の概略断面図である。

【図１２】本発明の第６の実施形態に係る基板の研磨装
置の概略断面図である。

【図１３】本発明の第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の構造を示す模式図である。

【図１４】従来の基板の研磨装置の概略断面図である。

【図１５】従来の研磨スラリーを示す模式図である。

【図１６】（ａ）〜（ｃ）は、従来の基板の研磨方法の
各工程を示す断面図である。

【符号の説明】

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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢野 敏彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平11−111657（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−207929（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−120183（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−120182（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−289183（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−134904（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−61205（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−208868（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/304 B24B 37/00

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属膜を化学機械研磨法によって研磨す
   る際に用いられる研磨スラリーであって、前記金属膜を
   研磨する砥粒及び酸化剤と、前記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を前記金属膜の
   表面に形成する前記金属のイオンが含有されていること
   を特徴とする研磨スラリー。
2. 【請求項２】 平面運動をする定盤の上に設けられた研
   磨パッドと、 化学機械研磨される金属膜を構成する金属と同種の金属
   のイオンが含有されている研磨スラリーを前記研磨パッ
   ドの上に供給する研磨スラリー供給管と、 表面に前記金属膜が形成された基板を保持し、保持した
   基板の前記金属膜を前記研磨パッドに押し付ける基板保
   持ヘッドと、 前記基板保持ヘッドにおける、保持した基板の前記金属
   膜と接触する部位に設けられたヘッド導電部と、 前記ヘッド導電部に前記金属のイオンと逆極性の電圧を
   印加する逆極性電圧供給源とを備えていることを特徴と
   する基板の研磨装置。
3. 【請求項３】 前記研磨スラリー供給管における前記研
   磨スラリーと接触する部位に設けられた供給管導電部
   と、 前記供給管導電部に前記金属のイオンと同極性の電圧を
   印加する同極性電圧供給源とをさらに備えていることを
   特徴とする請求項２に記載の基板の研磨装置。
4. 【請求項４】 前記研磨スラリー供給管と前記研磨パッ
   ドとの間に、前記研磨スラリー供給管から前記研磨パッ
   ドの上に流下する前記研磨スラリーと接触するように設
   けられた導電部材と、 前記導電部材に前記金属のイオンと同極性の電圧を印加
   する同極性電圧供給源とをさらに備えていることを特徴
   とする請求項２に記載の基板の研磨装置。
5. 【請求項５】 前記研磨パッドの上に、前記研磨パッド
   上に拡がる前記研磨スラリーと接触するように設けられ
   た導電部材と、 前記導電部材に前記金属のイオンと同極性の電圧を印加
   する同極性電圧供給源とをさらに備えていることを特徴
   とする請求項２に記載の基板の研磨装置。
6. 【請求項６】 前記基板保持ヘッドの表面に、前記ヘッ
   ド導電部と絶縁され且つ前記研磨パッド上に拡がる前記
   研磨スラリーと接触するように設けられた導電性被膜
   と、 前記導電性被膜に前記金属のイオンと同極性の電圧を印
   加する同極性電圧供給源とをさらに備えていることを特
   徴とする請求項２に記載の基板の研磨装置。
7. 【請求項７】 前記研磨パッドは導電性材料よりなり、 前記研磨パッドに前記金属のイオンと同極性の電圧を印
   加する同極性電圧供給源をさらに備えていることを特徴
   とする請求項２に記載の基板の研磨装置。
8. 【請求項８】 前記研磨パッドは、導電性材料よりなる
   多数の微粒子体と、該多数の微粒子体を一体化する炭素
   の重合体とからなることを特徴とする請求項７に記載の
   基板の研磨装置。
9. 【請求項９】 平面運動をする研磨パッドの上に、研磨
   される金属膜を構成する金属と同種の金属のイオンが含
   有されている研磨スラリーを供給するスラリー供給工程
   と、 前記金属膜を前記研磨パッドに押し付けて、前記研磨パ
   ッドの上に拡がる前記研磨スラリーにより前記金属膜の
   表面を化学機械研磨する研磨工程と、 前記金属膜に前記金属のイオンと逆極性の電圧を印加す
   ることにより、前記金属膜の表面に前記研磨スラリーに
   含有されている金属のイオンよりなるメッキ層を形成す
   るメッキ工程とを備えていることを特徴とする基板の研
   磨方法。
10. 【請求項１０】 前記金属膜に流れる電流の電流値又は
    前記金属膜の抵抗値の変化量を測定し、測定された電流
    値又は抵抗値の変化量に基づいて、前記研磨工程の終点
    検出を行なう終点検出工程をさらに備えていることを特
    徴とする請求項９に記載の基板の研磨方法。
11. 【請求項１１】 前記メッキ工程は、前記研磨工程にお
    いて前記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ことを特徴とする請求項９に記載の
    基板の研磨方法。
12. 【請求項１２】 前記メッキ工程は、前記研磨工程にお
    いて前記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ことを特徴とする請求項９に記載
    の基板の研磨方法。