JP4205914B2

JP4205914B2 - 半導体装置の製造方法及び製造装置

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Publication number: JP4205914B2
Application number: JP2002246343A
Authority: JP
Inventors: 創一 ▲片▼桐; 宇唯山口
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: US20040043608A1; US6908860B2; JP2004087760A; US20050221608A1; US7144298B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に半導体基板上に研磨や研削技術を用いてダマシン配線形成工程により信頼性の高い配線を形成するのに好適な半導体装置の製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の製造には素子分離（STI: Shallow Trench Isolationの略称）、各トランジスタ素子から配線層へ信号伝達するためのタングステン（Ｗ）プラグ形成と配線層形成等のための平坦化加工技術が重要となってきている。
【０００３】
この平坦化加工技術には化学機械研磨（CMP：Chemical Mechanical Polishingの略称）と呼ばれる研磨加工技術が代表的である。
【０００４】
特に最近では配線材料に銅が用いられるようになってきた。この平坦化はダマシン法が主流であり、例えば特開平２−２７８８２２号、特開平８−８３７８０号公報に開示されている。
【０００５】
さて、銅を配線材料とすると、従来のアルミニウム配線と比べて耐久性が上がり、抵抗値が低くなるメリットがあるが、その反面、銅イオンの酸化膜への拡散等による導電性イオンによる絶縁不良を考慮しなければならなくなる。
【０００６】
ダマシン法においては図９（ａ）に示すように酸化膜９と配線材料である銅１の界面にバリア膜１０を成膜して銅イオンの拡散を防止している。このバリア膜１０の存在によってダマシン法では、図９の（ａ）工程から（ｃ）工程までの工程を経て溝に銅１を埋め込むことになる。
【０００７】
ＣＭＰによる平坦化には被加工物の削れ過ぎによる凹み（ディッシング）や配線密集部の全体的な凹み（エロージョン）を抑えて平坦性高く加工することが要求される。このために加工工具である研磨パッドは高弾性化が進み、より硬いパッドが用いられるようになってきている。
【０００８】
また、「2000 Chemical Mechanical Planarization for ULSI Multilevel Interconnection Conference」のproceedings、５８〜６５頁に記載があるように、高平坦性と研磨剤使用量の抑制を狙った固定砥粒による平坦化加工も行なわれている。
【０００９】
また、配線抵抗値の低減が配線材料の銅への変更により可能となるが、実際の信号伝達速度は微細配線間を隔てる絶縁材料（層間絶縁膜）の誘電率の影響を受ける。配線間隔が狭くなればなるほど顕著であり無視できなくなる。
【００１０】
０．１８μｍルールまでのデバイスは現状の酸化シリコン膜（誘電率４．１）を層間絶縁膜に用いて配線形成を行なってきたが、今後量産化される０．１５〜０．１３μｍまでのデバイスでは３．０〜２．６程度の低誘電率絶縁材料（一般にはｌｏｗ−ｋ材料と呼ばれる）が必要であり、０．１μｍ以降のデバイスには２．５以下が要求される。
【００１１】
２．６程度の誘電率を有する絶縁材料は有機材料を中心にいくつかの候補が挙げられている。問題は、低誘電率になるほど膜の機械的強度が低下し、ＣＭＰによる平坦化工程において膜の剥れや割れが発生しやすくなり、歩留りを大きく低下する点である。
【００１２】
特に０．１μｍルール以降に要求される２．５以下のｌｏｗ−ｋ材料は、ポーラスシリカ等の脆性材料に限られており、平坦化における大きな課題となっている。
【００１３】
ＣＭＰによる平坦化加工は、パッドに被加工面を押し当てて荷重すると共に溶剤に砥粒を含ませた研磨液をかけ流しながら、パッドとウェハを相対的に擦り合わせ運動させることによって行なわれる。従って、加工中にウェハの被加工面が受ける加工摩擦力はウェハ面内に働き、表面の薄膜を剥がしたり破断させる原因となる。これを避けるために低荷重研磨や高い機械強度を有するｌｏｗ−ｋ材料の探索が行なわれている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のダマシン法の平坦化にＣＭＰを用いて加工する場合、いくつかの課題がある。一つは上述の通り、高平坦性を実現する手法として高弾性率パッドを使うことに起因する課題である。パッドが高弾性率化すると凸部選択性が高まるため、理想的に平坦な面に形成されたパターンの凸部は高い選択比を持って平坦化が可能である。
【００１５】
ところが、実際のデバイスは厚さムラのあるシリコンウェハをベースとしている上に、トランジスタ層を含むフロントエンド部と多層配線層を含むバックエンド部からなっている。このために各層に凹凸が生じるとその直上に形成する層は理想平坦面からはずれた凹凸を有する面内に形成されることとなってしまう。
【００１６】
この様な状態で高弾性率のパッドを用いて平坦化を行なうとパターン以外の本来研磨されるべき凹部に研磨残りが生じる課題がある。ダマシン配線工程において、この様な研磨残りが発生すると配線間のショートにつながるため、問題である。
【００１７】
その他の課題として、０．１μｍルール以降の世代における絶縁材料にｌｏｗ−ｋ材料を用いた場合、その膜の機械強度が現状のシリコン酸化膜と比べて１／１０以下と著しく低下するため、ＣＭＰ加工中の剥れや割れ等のダメージを生じる課題がある。
【００１８】
さらに、デバイス配線層の多層化がある。システムＬＳＩやロジックＬＳＩでは今後配線層は７〜１０層程度の多層化が進む。脆性材料であるＬｏｗ-ｋ絶縁材料と多層配線構造の組み合わせは必須であるため、低負荷の平坦化加工方法がより強く望まれている。
【００１９】
したがって、本発明の目的は上記課題を解決することにあり、第1の目的は、ダマシン配線形成工程において加工中の摩擦力を従来の１／１０以下という低荷重研磨で行うことにより信頼性の高い多層配線構造体を有する半導体装置の製造方法を提供することにあり、また、第２の目的は半導体基板上に多層配線を形成する際に好適な低荷重研磨を可能とする平坦化加工装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記目的を達成するために、予め半導体素子が形成された半導体基板上に、上部配線層をダマシン配線形成工程で形成する際に、配線形成領域外の基板表面に部分的に残留する配線膜の研摩残りを除去すること、及び基板表面を研摩する際に配線埋め込み用溝部（配線形成領域）を形成している低誘電率絶縁膜に余分な荷重が加わらない平坦化加工研磨技術について種々実験検討した。
【００２１】
その結果、配線埋め込み用溝部以外の基板上に形成された配線膜を研磨加工により除去する際に、電解加工機能と砥石による研磨機能とを有する所定の電解工具及び画像検知器を備えた平坦化加工装置を用いることにより、加工摩擦力が従来のＣＭＰに比べ１／１０以下という低荷重研磨で、しかも基板上の配線埋め込み用溝部以外に部分的に残留する配線膜の研摩残りを確実に除去できるという知見が得られた。
【００２２】
本発明はこのような重要な知見に基づいてなされたものであり、基板上の配線膜の研磨残り領域位置を画像検知器で検出し、この研磨残りを局所的に電解加工機能と砥石による研磨機能とを有する所定の電解工具で除去し、配線埋め込み用溝部（配線形成領域）内に配線層を確実に埋め込むことができるようにしたものである。
【００２３】
上記電解加工機能と砥石による研磨機能とを有する所定の電解工具の構成例について概要を説明すると、電解工具を構成する支持体には、所定の間隔で直線状に、もしくは蜂の巣状に配列された一対の電極が複数個植設されると共に、複数の砥石が電極の端部より１０μｍ〜１００μｍ突出した高さで設けられている。そして、この砥石は上下移動可能とし、電極の端部からの突出高さ（電極高さとのギャップ）を、ある程度任意に調節できるようにすることが好ましい。
【００２４】
この一対の電極は、一方の電極の周囲を他方の電極が所定の間隔をおいて包囲した構造を有しており、各電極はパルス電源に接続され、個々の電極対ごとに、もしくは複数の電極対をブロックに分けて各ブロックごとに、さらには全ての電極対を一括して、それぞれパルスの電圧、周波数、波形が制御できる構成となっている。
【００２５】
以下、予め半導体素子が周知の方法で形成されている半導体基板上に、本発明のダマシン配線形成法で上部配線層を形成する際の原理的説明を、図１〜図３に示した模式図にしたがって具体的に説明する。
【００２６】
図１は、本発明の代表構成例を説明する断面図で、予め半導体素子が形成されている不図示の半導体ウエハ基板の表面に上部配線層を形成する工程を示している。すなわち、半導体基板上にＬｏｗ−ｋ絶縁材料９を成膜し、これに配線形成用の溝Ｇを形成し、その上面にバリアメタル１０を成膜する。そのバリアメタル１０に重ねて上部配線層となる銅１をスパッタリングで薄く成膜し、これをメッキ下地膜とし電気メッキにより溝内が十分に満たされるまで成膜したウェハ基板を平坦化し、溝Ｇ内に配線層を埋め込む加工方法を表している。
【００２７】
ウエハ基板の被加工面上には電解液６が満たされ、電解工具１１を構成する支持体２５には＋電極２と−電極３が近接して構成されている。この図では、中心が＋電極２であり、その外周を−電極３が取り囲んで構成した一対の電極を示している。
【００２８】
電極とウエハ基板の被加工面間の距離は、電解工具１１に図示しない手段により位置決め可能な構造となっている。電極には電源４からパルス状の電圧が印加でき、その周波数や電圧が制御できる構成を採っている。
【００２９】
また、電極は相対的に被加工面内を図示しない駆動手段により基板の面内水平方向及び垂直方向に運動でき、かつ、任意の位置に移動して位置決めすることも可能である。図１では電極は一対であるが、図３（ａ）の平面図に示すように複数対をまとめて構成してもよい。
【００３０】
さらに、電解工具１１の支持体２５上にはこの電極とは別に砥石７が設けられ、この砥石７はウエハ基板の被加工面と接触し被加工面の表面の軟質化されたキレート物質（電解液６と銅１と電解反応生成物）８を削り取る働きを有する。
【００３１】
この砥石７の端面は、電極２，３の端部よりも高く所定のギャップを形成しており、電極が被加工面に直接接触しないように保護する作用をも有している。銅１は、主として電極１、３と電解液６の電気化学反応により電解研磨され、砥石７はキレート物質からなる電解生成物を機械的に削り取るというよりは拭い取る働きであり、被加工面に与える荷重は極めて低いものである。
【００３２】
また、電極近くには画像検知器５が備えられており、溝以外の基板平坦面上に取り残されたに銅の残膜の有無がその銅残膜領域の位置と共に検知できる機能を有している。この画像検知器５は、電解工具１１の支持体２５に直接設けてもよいが、図２に示すように電解工具１１とは独立に設けることもできる。
【００３３】
画像検知器５により溝以外の被加工面に銅の残膜及び残膜領域の位置が検出された時には、電解工具１１の特定の電極対もしくは電極対ブロックを選択して電解研摩を続行すれば取りこぼしなく残膜を容易に除去することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の特徴点を具体的に説明する。
本発明に係る第一の発明は、半導体基板の一表面に予め半導体素子、絶縁膜及び前記絶縁膜に開口部を設けて前記半導体素子の電極に接続された導体プラグを順次形成する工程と、前記導体プラグに接続された上部配線層を前記半導体基板上に形成する工程とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板上に上部配線層を形成する工程においては、前記導体プラグが形成された半導体基板上に低誘電率絶縁膜を形成する工程と、前記低誘電率絶縁膜に配線形成用の開口溝部を形成する工程と、前記開口溝部と前記低誘電率絶縁膜表面にバリア層となる第１の導電膜を形成し、前記第１の導電膜上に上部配線層となる第２の導電膜を形成する工程と、前記半導体基板上に形成された第２の導電膜と第１の導電膜の一部を電解研磨加工手段を備えた平坦化加工装置により除去し、前記開口溝部内に第１の導電膜と第２の導電膜とを埋め込む工程とを有して成り、前記第２の導電膜と第１の導電膜の一部を電解研磨加工手段を備えた平坦化加工装置により除去する工程においては、前記開口溝部以外に残留する少なくとも前記第２の導電膜の研磨残り領域位置を、画像検知器により検知し、この画像情報に基づいて研磨残りを局所的に除去する工程を含むことを特徴とする。
【００３５】
本発明に係る第二の発明は、前記開口溝部以外に残留する少なくとも前記第２の導電膜の研磨残り領域位置を検知して研磨残りを局所的に除去する工程においては、前記電解研磨加工手段を備えた平坦化加工装置の電解工具としてプラス極とマイナス極とを有し、一方の極の周囲を所定の間隔をおいて他極が包囲して一対の電極を構成していることを特徴とする。
【００３６】
上記電解工具に設けられている一対の電極の外形は、５０μｍ〜１ｍｍ、より好ましくは１００μｍ〜５００μｍである。このようなサイズの電極対が単位電極として電解工具に複数個集積されている。
【００３７】
本発明に係る第三の発明は、前記電解研磨加工手段を備えた平坦化加工装置が前記電解工具と研磨工具とを組み合わせた複合工具を備えていることを特徴とする。研磨工具としては砥石もしくは研磨パッドを用いる。
【００３８】
上記半導体装置の製造方法において、上記研磨工具と上記電解工具の位置関係を同一面内から相対的に位置を変えられる構成とし、加工中にこれら両工具の相対位置を変えて平坦化加工する工程を含むことを特徴とする。
【００３９】
上記半導体装置の製造方法において、第２の導電膜の加工工程及び前記第２の導電膜の研磨残りを除去する工程は電解工具で行い、第１の導電膜の一部を加工する工程は研磨工具に切換えて行うことを特徴とする。
【００４０】
上記半導体装置の製造方法において、軟質パッドを用いて被加工面をクリーニングする工程を含むことを特徴とする。
【００４１】
上記半導体装置の製造方法において、第2の導電膜の加工に用いる加工液として電解液を用いる工程を含むことを特徴とする。
【００４２】
上記半導体装置の製造方法において、電解液は酸化剤と防食剤を含むことを特徴とする。
【００４３】
上記半導体装置の製造方法において、酸化剤として過酸化水素水、リン酸、乳酸、りんご酸、キナルジン酸、クエン酸及び酒石酸のいずれかを含み、防食剤としてベンゾトリアゾールを含むことを特徴とする。
【００４４】
本発明に係る第四の発明は、上記半導体装置の製造方法において、半導体基板上に上部配線層を形成する工程の特に平坦化加工工程を実施する際に好適な平坦化加工装置に関するものであり、その構成は、半導体基板を保持しながら回動するプラテン（定盤）と、前記プラテンに保持された半導体基板に回転しながら接触させて前記基板表面を電解研摩する電解工具と、前記電解工具に設けられた電極に電圧を印加する電源と、電解液を前記半導体基板面に供給する電解液供給手段と、電解研摩された前記半導体基板面の研摩状態を検出する画像検知器とを備えた平坦化加工装置であって、前記電解工具は、一方の極の周囲を所定間隔をおいて他極が包囲して構成された一対の単位電極が複数個設けられた支持体を有し、前記電極には前記電源からパルス電圧が印加される構成を有していることを特徴とする。
【００４５】
上記電解工具を構成する支持体には、所定の間隔で例えば直線状に、もしくは蜂の巣状に配列された一対の単位電極が複数個植設されると共に、前記電極の端部より突出した高さの砥石が複数個設けられている。この砥石は所定のストロークで上下移動可能とすることが望ましい。
【００４６】
【実施例】
以下、図面にしたがって本発明の代表的な実施例を具体的に説明する。
＜実施例１＞
図１を用いて本発明の半導体装置の製造方法に実施する平坦化加工装置を説明する。本図ではウェハ基板のシリコン部分からトランジスタ素子部分は省略してあり、上部配線層を埋め込むための低誘電率絶縁膜（Ｌｏｗ-ｋ絶縁膜）９、バリア膜１０と上部配線層となる銅１が示されている。なお、バリア膜１０は、基板中へ配線材料（銅）が拡散するのを防止するため、また基板と配線層との密着性を確保するために設けられるものであり、例えばＴａもしくはＴａＮなどの薄膜が形成される。
【００４７】
Ｌｏｗ-ｋ絶縁膜９には、配線形成用溝パターンＧが形成されており、その上からバリア膜１０と銅１が成膜されている。平坦化処理前の基板表面の初期形状は、凹凸している。この状態でＬｏｗ-ｋ絶縁膜９に形成された溝Ｇ内の銅１を残し、凸部のＬｏｗ-ｋ絶縁膜９が露出するまで平坦化処理を行い終了する。
【００４８】
本発明では、基板最表面の銅１を加工し溝Ｇ内に銅を残し、埋め込まれた銅表面にディッシングやエロージョンといった削れ過ぎを生じさせることなく、しかも加工中の摩擦力がほとんど生じない上に、銅の研磨残りを生じない平坦化加工方法及び加工装置を提供する。
【００４９】
まず、図１、図２、図３、図４、図５を用いて上記被加工基板１２の平坦化加工方法とその平坦化装置を説明する。
【００５０】
加工原理は、図１に示す通り、まず、銅１の表面に電解液６を供給する。この電解液６の組成は、純水、酸化剤及び防食剤からなる溶液で、主に銅と反応してキレート化合物８を生成する酸化剤を用いる。
【００５１】
この酸化剤としては、例えばクエン酸、酒石酸、りんご酸、乳酸のごとき有機酸、もしくはリン酸のごとき無機酸、あるいはこれらの組合せであってもよい。この酸に過酸化水素水を加えると酸化反応が促進され望ましい。
【００５２】
防食剤としては例えばベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）や高分子有機水溶液の界面活性剤による被膜を用いてもよい。
【００５３】
この様な界面活性剤の例としてはポリアクリル酸アンモニウムが挙げられる。もちろんこの他の界面活性剤であってもよい。
【００５４】
上記の電解液６は、銅１に電荷ｅを与えてキレート化合物（キレート膜）８を生成する。その電荷供給を積極的に律速するために電解工具１１に電極２と電極３を備える。
【００５５】
電極３は円筒状を有しており外形は一例として１００μｍである。直径３０μｍの＋電極２の周囲を厚さ２０μｍの−電極３が１５μｍの所定間隔をおいて包囲した同心円構造を有している。なお、電解工具１１の詳細な説明は図３により後述する。
【００５６】
電源４がこれら電極に接続されており、電源４はパルス状の電圧を電極間にかけることができる。このパルスの電圧、周波数、波形は電源４により制御可能となっている。この例では、パルス電圧０〜２０Ｖ、周波数１００Ｈｚ、波形は矩形で行った。
【００５７】
このように電極２、３から電解液６を介して積極的に電荷を銅１に供給するので、単に電解液中に銅を浸すよりも早くキレート膜８を生成できる。このキレート化合物８は、電解液６に可溶な軟質物質であるため基板表面から消失する。
【００５８】
さらに基板表面からのキレート膜８の除去速度を早くするには、軽くぬぐう程度の手段を設ければよい。このキレート化された膜８を平滑に除去するために電解工具１１の支持体２５には砥石７が備えられている。電解工具１１の支持体２５に設けられた砥石７の高さは、電極の高さよりも高く数１０〜１００μｍ突出している。この砥石７にかける荷重は１００ｇ／ｃｍ^２以下でよく、このキレート膜８の除去に必要な加工摩擦力は従来のＣＭＰに比べ１／１０以下にできる。
【００５９】
次に、銅１の研磨残りに関して説明する。図５は従来の多層配線を形成する工程の断面構造を表している。図５の工程（ａ）は１層目の平坦化処理終了後の状態を示している。従来のＣＭＰを用いて平坦化すると銅１が埋め込まれた配線部は矢印で示したように削れ過ぎを生じてディッシングやエロージョンを発生して凹部ができる。
【００６０】
図５の工程（ｂ）は２層目の銅１を成膜した状態を示している。図示のように、前工程で凹部ができている上にさらに上層の配線層１が形成されるために、図５の工程（ｃ）に示す２層目の平坦化処理では、凹んだ部分の銅が削れ残ってしまい、隣接する配線同士が連なってしまうという問題が生じる。
【００６１】
また、仮に平坦化が理想的に行なわれても、ウェハ基板自体の厚みムラが大きい場合、同様な表面形状となるために銅の研磨残りが生じることになる。この欠陥を避けるためにオーバ研磨が通常実施されるが、その場合は過剰な研磨による削れ過ぎが生じて配線の断面積が縮小し配線抵抗の増大を招くため好ましくない。従って、この銅１の研磨残りは、配線間のショートの原因となるため、あってはならない欠陥のひとつといえる。これら研磨残りの分布は、典型的には数ｍｍから数ｃｍの幅を有する領域であり、ウェハ面上に散在する傾向がある。
【００６２】
本実施例により上述した研磨残りを解消するための方法と手段を説明する。図３は電解工具１１の構成を表している。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ´線の断面図を示している。この電解工具１１には、同心円状に形成された一対の＋−電極２、３が単位電極として支持体２５に複数個蜂の巣状に集積されている。隣接する単位電極間の間隔は、この例では５０μｍとした。
【００６３】
これらの単位電極は電源４に接続され、個々の単位電極ごとにパルス電圧が印加でき、原理的には単位電極をマイクロプローブとして微小領域の電解研磨ができる。したがって、画像検知器５で研摩残りの領域と位置とが検知されたときには、この研磨残りの領域をカバーするように所定の単位電極を選択してパルス電圧を印加し電解研磨すれば、微小領域の研磨残りでも洩れなく容易に除去できる。
【００６４】
一対の単位電極の大きさは５０μｍから１ｍｍあるいは、１００μｍ〜５００μｍの直径であり、電解工具１１全体の直径は５ｃｍ〜１０ｃｍ程度である。本電解工具１１は円形をしており、外部にはリング状に分割された砥石７が設けられている。
【００６５】
これら電極１個あたりの加工量分布は、図４のグラフに示すようにガウス分布状となり、幅は、電極の直径を１００μｍとすると３００μｍ、半値幅で１００μｍ程度となる。この加工分布を適度に研磨残り領域に割当てることによって、局所的な研磨が可能になる。
【００６６】
図２は、本発明の具体的な平坦化加工装置の構成例を模式的に示した斜視図である。ウェハ１２は回転定盤であるプラテン１３上に固定され、回転保持される。そのウェハ１２上方には電解工具１１があり、回転しながらウェハ上に押しつけられる。また、電解液６がウェハ１２上に電解液供給ノズル１４から供給される。
【００６７】
その他、電解工具１１と干渉しない位置には画像検知器５が設けられる。画像検知器５は、ウェハ５全面の研磨残り有無とその位置と大きさを検知できる。本実施例では、上部配線層を形成する銅の平坦化加工終了直前の時点において、この画像検知器５を用いて銅の研磨残りの位置と大きさを検出する。本装置には図示しないが、ウェハ上の研磨残り領域の位置を検出する機能も有している。
【００６８】
検出された研磨残りは、電解工具１１の複数ある電極のうち特定の１対から数対を使用して研磨残りを効果的に除去する。この際、砥石７の高さを上方に退避させて砥石７によるキレート層８の除去は行なわずに電解研磨にて該当する研磨残りのみを除去する。砥石７を退避する手段は図示していないが、砥石７面を電極高さに対して相対的に上下位置決め可能な構成を取っている。
【００６９】
このようにして予定された加工が終了すると、該当の研磨残りが解消されたか否かを再び画像検知器５を用いて検出する。未だに研磨残りが検出された場合は加工除去を繰返して、完全に除去されるまで続行する。このような局所電解研磨加工を用いることにより、従来不可能であった低摩擦平坦化加工を高平坦性で研磨残りなしにできることがわかった。
【００７０】
本実施例で加工できる材料は銅に限られるので、ダマシン配線形成のための平坦化工程としてはバリア膜１０の除去工程が残る。このため、本実施例で述べた工程の後にバリア膜１０を除去する工程が必要である。バリア膜１０の除去は、例えば電解液をバリア膜を選択的に除去できる組成のものに変えて電解研磨するか、あるいは従来からの砥粒を使用した研摩パッドもしくは砥石による機械研摩で研磨により除去すればよい。
【００７１】
＜実施例２＞
次にマルチプラテンを有する平坦化加工装置に本発明を適用した例について図６を用いて説明する。第一プラテン１３-１の構造は、砥石７、リニア電解工具１８、リニア画像素子１９からなっている。
【００７２】
リニア電解工具１８は、実施例１の図３で示した単位電極と同じ構造の電極が直線状に配列されているものであり、リニア画像素子１９は、固体撮像素子（ＣＣＤ素子）が直線状に配列されているものである。
【００７３】
加工原理は実施例１と同様であるが、本実施例においてはウェハよりも研磨工具が大きい点が異なる。いわゆるロータリ型のＣＭＰ装置と同様の構造となっている。
【００７４】
このロータリ型のＣＭＰ装置と異なる点は、工具構造が図７に示すように従来の研磨パッドと異なり、特有な構造を採る点にある。図7（ａ）はプラテン１３-１と第二プラテン１３-２の平面図、図7（ｂ）は図7（ａ）の線分Ａ−Ａの断面図を示している。
【００７５】
プラテン１３上に砥石７を設置し、半径線上にリニアにリニア電解工具１８を配列し、それと異なる半径線上にリニア画像素子１９を内蔵した構造である。このプラテン１３-１と第二プラテン１３-２は同様の構造を有している。なお、リニア電解工具１８は、基本的には電極の配列が異なるだけで基本的には実施例１の図１及び図３と同じである。
【００７６】
第三プラテン１３-３は、通常の研磨パッドあるいは、砥石でできている。最後の第四プラテン１３-４には軟質パッドを貼りつける。
【００７７】
図６に示したように各プラテンには加工液供給ノズル１５が備えられており、必要な溶液が必要な流量で供給される。この様な構成を採ることにより実施例１と同様に銅の電解研磨が可能となる。
【００７８】
次に銅ダマシン配線の平坦化加工工程と本実施例の装置との対応について説明する。ウェハカセット１７を出たウェハ１２は、表面を下向きにウェハキャリア２０にチャックされた後、第一プラテン１３-１にロードされる。第一プラテン上には実施例１と同様に電解研磨液６が加工液供給ノズル１５から供給されている。
【００７９】
この電解研磨液はリン酸、乳酸、リンゴ酸、ＢＴＡ、過酸化水素水、ポリアクリル酸アンモニウム、純水のいずれか、あるいは、これらの組み合わせからなっている。その他の有機酸、例えば、クエン酸、酒石酸、キナルジン酸等を含んでもよい。
【００８０】
これらを含む電解液中でウェハ１２の銅成膜面を工具側に１００ｇ／ｃｍ^２以下の荷重で押しつけて加工する。プラテンの回転数は３０ｒｐｍから１００ｒｐｍ程度、ウェハキャリア２０の自転速度も３０ｒｐｍから１００ｒｐｍ程度とする。
【００８１】
第一プラテン１３−１上では、リニア電解工具１８の電極にパルス波形の電圧をウェハに印加しながら加工し、リニア画像素子１９により銅の有無を逐一検出する。本工程においては銅の研磨レートを高く取りスループットを上げるように調整する。局所的に銅が消滅する状態がリニア画像素子１９により検出された時点で研磨を終了し、第二プラテン１３-２へ移る。
【００８２】
第二プラテン１３-２では、リニア画像素子１９により銅の研磨残り位置を検出し、リニア電解工具１８の各電極の上方を研磨残り領域が通過する時点に同期して必要な電極にのみパルス電圧を印加して研磨残り領域の解消を行う。リニア画像素子１９により銅の研磨残り解消が検知されたら第二プラテン１３-２における研磨を終了し、第三プラテン１３-３へ進む。
【００８３】
第三プラテン１３-３では、露出したバリア膜１０の除去を行う。従来のバリア除去ＣＭＰを行なえばよい。ただし、１００ｇ／ｃｍ^２以下の低荷重研磨を行うことが肝要である。バリア膜１０の除去が終了したら、第四プラテン１３-４にてウェハ表面のクリーニングを行なう。
【００８４】
この第四プラテン１３-４には軟質パッドが貼り付けら得ており、表面にダメージを与えることなくウェハ表面に付着した異物類を除去できる。この第四プラテン１３-４によるクリーニングは、加工後に行なう後洗浄のアシスト的な位置付けのため省略してもよい。
【００８５】
研磨加工を終了したウェハ１２は後洗浄手段１６にロードされ、洗浄後に乾燥した状態でウェハカセット１７に収納されて平坦化加工が完了する。
【００８６】
第一、第二プラテンに装着されている砥石７の代わりに通常の研磨パッドを用いてもよい。平坦化性能を含めた研磨性能全体のバランスを加味した選択が肝要である。
【００８７】
＜実施例３＞
図８は、本発明の平坦化加工技術を用いて半導体基板上に上部配線層として多層配線構造体を形成した断面図を示したものである。すなわち、本構造は６層の多層配線ロジックデバイスの断面である。
【００８８】
シリコンウェハ基板１２の表面に浅溝素子分離溝（ＳＴＩ）を形成し、この溝内に酸化膜２１を平坦化加工技術により形成した後、ゲートパターン２２等を形成しトランジスタを形成する。その後、上部配線層とのＷ製コンタクトプラグ２３をＷ平坦化加工技術により形成する。Ｗプラグ２３も銅配線構造と同様に絶縁膜９との界面にバリア膜２４が成膜される。このＷプラグ２３から上層がすべて銅配線層であり、これらの配線層１-1〜１-6の６層とも本発明を用いて形成した。
【００８９】
ここで、銅配線の２層目１-2において平坦化以外の工程で銅配線の膜減りが発生した場合の例として説明する。なお、銅の膜減りの他凹凸が生じるその他の例としては、絶縁膜（Ｌｏｗ−k材料）９の熱変形等がある。このような凹凸が発生した場合、銅配線の2層目１-2以降の上層配線１-3〜１-6は、凹部の影響を受けて凹んだ形状が保持される。
【００９０】
従来の平坦化加工技術をこれらの上層配線層形成に適用すると銅の研磨残りが発生することによる配線不良を生じる問題が起こるが、本発明の電解加工による局所研磨残り検出と該当領域の局所的な銅の除去工程を行うことにより、図８に示した銅配線の３層目以降の配線形状は配線層１-3〜１-6に示した通り、凹んだ形状に沿って所望の量の銅配線を形成することが可能となる。
【００９１】
本発明の電解研磨では加工中の基板に与えるストレスがほとんどゼロであるため、加工摩擦力によＬｏｗ-ｋ絶縁膜９のダメージはない。このため、配線層の剥れや割れは生じていない。
【００９２】
特に図８に示すような多層配線構造をとるデバイスでは層間層数が増加し、１０層から２０層程度のデバイスが現実的になってきている。これら配線の中でも特に上層の配線は深く太いために微細配線パターンの密集する下層からの剥れ等が問題になるが、本発明によれば著しく加工摩擦力を低下できるので、まったく欠陥なく図８に示すような多層配線デバイスを製作することができた。
【００９３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明により所期の目的を達成することができた。すなわち、従来研磨残りの解消なために行なっていたオーバ研磨を行なうことなく、銅ダマシン配線層の平坦化加工が行なえるようになる。また、加工中の摩擦力も従来の１／１０以下とすることが可能となる。
【００９４】
このため、配線抵抗値増大を招くことがなく、配線間の抵抗値ばらつきが少ないデバイスを不良率を低く抑えて生産できるという絶大な効果を得ることができるようになる。さらに、層間絶縁膜として機械的強度の低い脆性材料である新Ｌｏｗ-ｋ材料を用いて配線層を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の平坦化加工原理を説明する模式図。
【図２】本発明の平坦化加工装置の構成を説明する模式図。
【図３】本発明の電解工具の一例を説明する図。
【図４】本発明の電解工具の加工量分布を説明するグラフ。
【図５】従来技術を用いた平坦化による配線部の過研磨を説明する工程断面図。
【図６】本発明の平坦化加工装置のその他の構成例を説明する図。
【図７】図６に示した電解研磨工具の構成例を説明する図。
【図８】本発明により製造した多層配線構造を有する半導体装置の断面構造を説明する図。
【図９】従来のＣＭＰ技術によるダマシン平坦化プロセスを説明する断面工程図。
【符号の説明】
１…銅、
２…＋電極、
３…−電極、
４…電源、
５…画像検知器、
６…電解液、
７…砥石、
８…キレート膜、
９…Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜、
１０…バリア、
１１…電解工具、
１２…ウェハ、
１３…プラテン、
１４…電解液供給ノズル、
１５…加工液供給ノズル、
１６…後洗浄手段、
１７…ウェハカセット、
１８…リニア電解工具、
１９…リニア画像検知器、
２０…ウェハキャリア、
２１…絶縁膜、
２２…ゲート、
２３…Ｗプラグ、
２４…Ｗプラグのバリア膜
２５…支持体。

Claims

半導体基板の一表面に予め半導体素子、絶縁膜及び前記絶縁膜に開口部を設けて前記半導体素子の電極に接続された導体プラグを順次形成する工程と、前記導体プラグに接続された上部配線層を前記半導体基板上に形成する工程とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板上に上部配線層を形成する工程においては、前記導体プラグが形成された半導体基板上に低誘電率絶縁膜を形成する第１の工程と、前記低誘電率絶縁膜に配線形成用の開口溝部を形成する第２の工程と、前記開口溝部と前記低誘電率絶縁膜表面にバリア層となる第１の導電膜を形成し、前記第１の導電膜上に上部配線層となる第２の導電膜を形成する第３の工程と、前記半導体基板上に形成された第２の導電膜と第１の導電膜の一部を電解研磨加工手段を備えた平坦化加工装置により除去し、前記開口溝部内に第１の導電膜と第２の導電膜とを埋め込む第４の工程とを有して成り、
前記第４の工程は、前記開口溝部以外に残留する少なくとも前記第２の導電膜の研磨残り領域位置を、画像検知器により検知する第１の副工程と、この検知された画像情報に基づいて研磨残りを局所的に除去する第２の副工程とを含み、
前記第２の副工程においては、前記電解研磨加工手段を備えた平坦化加工装置の電解工具として、プラス極とマイナス極とを有し、一方の極の周囲を所定間隔をおいて他極が包囲して一対の単位電極を構成し、かつ前記画像情報に基づいて前記一対の単位電極に選択的に電圧を印加する電解研磨加工手段を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第２の導電膜は銅を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記第４の工程において、前記第２の導電膜のキレート化合物が形成され、このキレート化合物は前記平坦化加工装置の研磨工具のぬぐう作用により除去されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記電解研磨加工手段を備えた平坦化加工装置が前記電解工具と研摩工具とを組み合わせた複合工具を備えていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記第４の工程において、少なくとも前記第２の導電膜の研磨残りの除去は電解工具で行い、第１の導電膜の一部の除去は前記研磨工具に切換えて行うことを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
前記第２の副工程において、加工液として電解液を用いる工程を含むことを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
前記電解液は酸化剤と防食剤を含むことを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
前記酸化剤として過酸化水素水、リン酸、乳酸、りんご酸、キナルジン酸、クエン酸及び酒石酸のいずれかを含み、防食剤としてベンゾトリアゾールを含むことを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
前記酸化剤は前記第２の導電膜を構成する金属と反応し、かつキレート化合物を生成する酸化剤であることを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
半導体基板を保持しながら回動するプラテンと、前記プラテンに保持された半導体基板に回転しながら接触させて前記基板表面を電解研摩する電解工具と、前記電解工具に設けられた電極に電圧を印加する電源と、電解液を前記半導体基板面に供給する電解液供給手段と、電解研摩された前記半導体基板面の研摩状態を検出する画像検知器とを備えた平坦化加工装置であって、前記電解工具は、一方の極の周囲を所定間隔をおいて他極が包囲して構成された一対の単位電極が複数個設けられた支持体を有し、前記電極には前記電源からパルス電圧が印加される構成を有していることを特徴とする平坦化加工装置。
前記電解工具を構成する支持体には、所定の間隔で直線状に、もしくは蜂の巣状に配列された一対の単位電極が複数個植設されると共に、前記電極の端部より突出した高さの砥石が複数個設けられていることを特徴とする請求項１０記載の平坦化加工装置。