JP3807295B2

JP3807295B2 - 研磨方法

Info

Publication number: JP3807295B2
Application number: JP2001366341A
Authority: JP
Inventors: 修三佐藤; 毅野上; 善哉安田; 成郎石原
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: US7156975B2; US20040104128A1; US7255784B2; US20030104762A1; JP2003168665A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨方法に関し、詳しくは銅配線形成に伴う銅めっき膜表面の凹凸面を平坦化して埋め込み配線形成する際に行う電解研磨の終点を的確に判定する研磨方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
銅配線に用いる銅めっき膜の電解研磨における終点の検出は、研磨時間により管理していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電解研磨においては、残存する銅膜部分の面積が減少し、微細配線部分への電解集中により、銅の溶出除去速度が局所的に加速するため、時間管理による終点判定では終点の検出マージンが小さく、微細配線の消失、巨大配線の残存などの課題を残している。
【０００４】
さらに終点における電流値は全面銅で覆われていた場合に比べてはるかに小さいもので電流集中による局所的な抵抗値変化も加わり、積算電流の累積値から除去量を推測することのみでは正確な終点判定は困難である。
【０００５】
この結果、銅膜の被研磨面は表面粗度が粗い不安定な面に形成される、溝配線部に埋め込まれた銅がオーバ研磨され、銅配線表面の後退により配線断面積が不足する、ディッシングが発生する、エロージョンが発生する等の課題が生じている。このように、銅残り、オーバ研磨などによる局所的な不均一により配線のショート、オープンを発生する。
【０００６】
特に、終点での電解研磨が溝配線部のみになっている場合には、銅表面の面積が当初の全面に銅膜が形成されていた状態の１００％の状態からパターン密度まで銅膜の被研磨面積が減少している。このため、微細な溝配線部の銅に電解研磨が集中しやすくなるので、取り残された巨大残存部分や幅広配線部と、独立微細配線部との研磨速度差が増大し、独立微細配線部の研磨速度が加速的に上昇してしまう。さらに、陽極電流密度の極端な変化による電解研磨条件の変動、光沢電解研磨条件から外れることにより、表面の粗化等の不良を発生することになる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた研磨方法である。
【０００８】
本発明の研磨方法は、ウエハ表面に形成された凹部を埋め込むように該ウエハ表面に形成された金属膜を電解研磨して、微細な埋め込み独立配線と該微細な埋め込み独立配線に対して相対的に幅広な埋め込み配線を形成する研磨方法において、前記電解研磨開始時に、被研磨面の光沢性が維持できる範囲で、できる限り高い電流値が得られる電解条件を用いて前記電解研磨を行い、金属膜を電解研磨した際に得られる電流波形の変化によって金属膜の電解研磨終点を判定し、前記電解研磨終点を検出した後に、前記電解研磨の印加電流を低減して電解研磨表面における電流密度が被研磨面を光沢面とする電流密度となるように電流を制御しながら電解研磨を継続することで、前記微細な埋め込み独立配線の電圧電流を低くして消失させることなく残す研磨方法である。
【０００９】
上記研磨方法では、電解研磨時に得られる電流波形が特徴的なことを利用しているもので、金属膜を電解研磨した際に得られる電流波形の変化によって金属膜の電解研磨終点を判定することから、電解研磨の終点が的確に判定することが可能になる。通常、銅の溝配線の形成する場合には、下層に形成された配線、素子等によって銅の溝配線が相互に接続されている。そのため、電解研磨が進行して、島状に銅膜が残されても、各島状に残されている銅膜は下層に形成された配線、素子等によって電気的に接続された状態となっているので、電解研磨時の電流は連続的に変化する。そして電解研磨が進行し、銅膜の下地が露出し始めると、被電解研磨膜（銅膜）の抵抗が急激に上昇するため、電解研磨時の電流は研磨時間に対して特徴的な曲線を描いて急激に低下する。その電流曲線の変化、例えば電流曲線を微分した値に基づいて電解研磨の終点が的確に判定される。したがって、電解研磨不足や過剰研磨を防止して、所望の溝配線を形成することが可能になる。また、電解研磨開始時に、被研磨面の光沢性が維持できる範囲で、できる限り高い電流値が得られる電解条件を用いて前記電解研磨を行うことから、ウエハ上に積まれた厚い金属膜（銅膜）を効率よく除去することができる。また、電解研磨の印加電流を低減して被研磨面を光沢面とする電流密度となるように電流を制御しながら電解研磨を継続ことから、微細な配線溝内の金属膜（例えば銅膜）が消失することなく、また過剰に後退（リセス）することなく、微細な配線溝内に金属膜を残すことができる。よって、微細な埋め込み独立配線を、配線抵抗を高めることなく光沢表面を得て形成することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の研磨方法に用いる電解研磨装置の一例を、図１の概略構成図によって説明する。
【００１１】
図１に示すように、電解研磨装置１は、電解研磨液１２が貯えられた電解研磨チャンバ１１が備えられている。この電解研磨チャンバ１１内には、ウエハ３１表面に形成された金属膜３２が電解研磨液１２に浸漬されるように図示しないウエハホルダが備えられている。また、上記ウエハ３１側に陰極が接続され、上記電解液１２側に陽極が接続される電源２１が備えられている。また、電源２１と陰極もしくは陽極との間には、その間を流れる電流を検出する電流検出器２２が接続されている。この電流検出器２２には、電流検出器２２で得た電流の変化によって金属膜３２の電解研磨終点を判定する終点判定部２３が接続されている。さらに終点判定部２３は、電源２１に接続され、電解研磨終点が判定されたときに、電源２１の電圧印加を停止するように指令するものである。この終点判定部２３における金属膜３２の電解研磨終点は、例えば電解研磨時の電流波形の変化を微分して求める。
【００１２】
次に、本発明の研磨方法に係わる一実施の形態を図２の電解研磨時に流れる電流と研磨時間の関係図によって説明する。この研磨方法では、前記図１によって説明した電解研磨装置を用いる。
【００１３】
本発明の研磨方法は、ウエハ表面に形成された凹部を埋め込むようにウエハ表面に形成された金属膜を電解研磨する研磨方法であり、その研磨の際に得られる電流波形の変化によって金属膜の電解研磨終点を判定する。
【００１４】
例えば、ウエハ表面に形成された絶縁膜に配線溝パターンを形成し、その配線溝の内面および絶縁膜表面にバリア層を形成する。さらに配線溝を埋め込むようにバリア層上に金属膜（例えば銅膜）を形成する。
【００１５】
このような構成の金属膜を例えば印加電圧一定にして電解研磨する場合、図２の（１）に示すように、電解研磨時の電流波形は、下地のバリヤ層が露出する際に特徴的な電流波形を示す。そこで、この電流波形を監視することにより電解研磨終点を検出する。
【００１６】
その検出方法としては、例えば、電解研磨時の電流波形の変化を微分して求める。そして予め求めておいた終点位置の電流波形の勾配（もしくは勾配の変化）と測定した電流波形の勾配（もしくは勾配の変化）とが一致した点を研磨終点とする。このように、電流波形を監視することで正確に電解研磨終点を判定することができるようになる。
【００１７】
なお、通常、溝配線の下層には導電性下地パターンが形成され、各配線溝内の金属膜はその下地パターンによって接続されているため、後に図２の（２）で説明するような電流変動を起こすことなく急激に電流値が低下する。
【００１８】
また、図２の（１）に示すように、急激に電流が低下した後、電流の低下速度が低減される（Ｂ部）。その部分を研磨終点としてもよい。なお、平坦な面に形成されたいわゆるベタ膜上の金属膜を電解研磨した場合には、図２の（２）に示すように、電流が急激に低下し始める時に、ある所定の時間だけ、電流値が大きく変動する（図面Ｃ部）。これは、下地にパターンが形成されていないため、金属膜が研磨されて島状に残ったときに、急激に抵抗変動が生じるためである。
【００１９】
さらに、電解研磨初期にはウエハの全面が金属膜に覆われた状態であるが、例えば、一定電圧を印加する電解研磨の場合、その電流値は残存する銅膜の厚さ減少に伴い増大する抵抗値に比例して減少することから、金属膜の概略の残膜量を推定することができる。詳細な電流波形監視への移行はこの抵抗値が適当な値にきた時点から設定することで簡略化することもできる。
【００２０】
同様に、一定電流を印加する電解研磨の場合も、電圧値の変化から概略の残膜値を推定でき、以下同様の操作が可能である。
【００２１】
上記説明した本発明の第１の研磨方法による終点検出により検出される電解研磨終点において、電解条件を電解集中等による不具合のない条件に変更し継続して配線形成を行う。
【００２２】
すなわち、電解研磨開始時には、ウエハ上に積まれた厚い金属膜（銅膜）を効率よく除去する必要があるため、被研磨面の光沢性、平坦性が維持できる範囲で、できる限り高い電流値が得られるような電解条件を用いて、電解研磨を行うことが望ましい。ところが、このままの電解条件で終点を迎えた場合、露出する１μｍ以下の微細な独立配線に対しては電流密度が高すぎるため瞬時に配線が消失してしまう。比較的広い２０μｍ〜３０μｍ程度の配線に対しても金属膜の全面を効率よく電解するような高い電圧電流条件下では、ディッシング、エロージョン等の発生により充分な配線断面積を確保することが困難となっている。
【００２３】
例えば、銅膜の電解研磨における光沢電解溶出範囲を調べた。その結果、図３の印加電圧と電流密度の関係図に示すように、例えば、添加剤を含む電解研磨液を用いた場合、印加電圧を２．８Ｖ〜４．７Ｖの範囲に設定して電解研磨を行うことで、被研磨面が光沢を有する良好な面となる。一方、印加電圧が２．８Ｖよりも低い場合は電流不足となり、被研磨面の表層から均一に金属（銅）の溶出が起こらないため、被研磨面は光沢面とはならない。また、電解速度が遅くなるため、電解研磨時間がかかる。他方、印加電圧が４．７Ｖよりも高い場合には、各極より発生するガスが電気抵抗となり、均質な溶解が起こらない。そのため、被研磨面は粗面となる。なお、図中の矢印は変化方向を示している。
【００２４】
そこで、本発明の第１の研磨方法による電解研磨後の研磨方法として、前述の方法により終点を検出した後、電解条件を微細配線も残るような充分に低い電圧電流の条件に変更して、金属膜の電解研磨を行う。このように電解研磨を行うことで、被研磨面が光沢面となる溝配線が得られる。この場合、電解研磨の電圧、電流密度が十分に低いので、研磨速度は遅いが、微細な配線溝内の金属膜（銅膜）が消失することなく、また過剰に後退（リセス）することもなく、微細な配線溝内に金属膜を残すことができる。よって、微細な溝配線を、配線抵抗を高めることなく光沢表面を得て形成することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の研磨方法によれば、電解研磨時に得られる電流波形が特徴的なことを利用しているもので、金属膜を電解研磨した際に得られる電流波形の変化によって金属膜の電解研磨終点を判定するので、電解研磨の終点が的確に判定することができる。したがって、電解研磨不足や過剰研磨を防止して、所望の研磨量を得ることができる。そのため、溝配線形成では、必要な配線材料の金属膜まで溶出してしまうオーバ研磨や、結果として、配線部リセスによる配線断面積の不足による不良の発生を防止できる。
【００２６】
よって、電解研磨は化学的機械研磨に比べて低圧力で同等の研磨速度が得られるため、被研磨膜の下地に化学的機械研磨のような機械的強度を必要としない。そのため、新規材料、例えば有機系低誘電率材料、多孔質絶縁膜等の例えば誘電率が３．０以下の材料の適用が制限されない。
【００２７】
また、電解研磨は主に砥粒による機械的材料除去である化学的機械研磨に比べて電気的材料除去が補助するため、スクラッチの発生が少なく、また膜剥離の発生が少ないため、優れた被研磨面を得ることができる。さらに、コロージョン、腐食等の発生もないので、例えば溝配線を形成した場合に、配線断面が小さくなることによって、配線抵抗が高くなることはない。さらに巨大配線の取り残りが防止され、ショート不良の発生が防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電解研磨装置に係る一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１の研磨方法に係わる電解研磨時に流れる電流と研磨時間の関係図である。
【図３】電流密度と印加電圧の関係図である。
【符号の説明】
３２…金属膜

Claims

ウエハ表面に形成された凹部を埋め込むように該ウエハ表面に形成された金属膜を電解研磨して、微細な埋め込み独立配線と該微細な埋め込み独立配線に対して相対的に幅広な埋め込み配線を形成する研磨方法において、
前記電解研磨開始時に、被研磨面の光沢性が維持できる範囲で、できる限り高い電流値が得られる電解条件を用いて前記電解研磨を行い、
前記金属膜を電解研磨した際に得られる電流波形の変化によって前記金属膜の電解研磨終点を判定し、
前記電解研磨終点を検出した後に、前記電解研磨の印加電流を低減して電解研磨表面における電流密度が被研磨面を光沢面にする電流密度となるように電流を制御しながら電解研磨を継続することで、前記微細な埋め込み独立配線の電圧電流を低くして消失させることなく残す
ことを特徴とする研磨方法。