JP4799122B2 - Ｃｕ膜の研磨方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｃｕ膜の研磨方法、および半導体装置の製造方法に関する。

Ｃｕ配線を実用化するうえでは、Ｃｕ膜の研磨（第１の金属研磨）に当たって、１０００ｎｍ／ｍｉｎ以上のＣｕ膜研磨速度を確保するとともに、Ｃｕディッシングを２０ｎｍ以下に抑制しつつ、バリアメタルでストップすることが要求される。引き続いて行なわれるバリアメタルの研磨（第２の金属研磨）においては、Ｃｕディッシングおよび絶縁膜エロージョンを２０ｎｍ以下に抑制して、絶縁膜の表面を露出することが求められる。

特に次世代の高性能ＬＳＩでは、ＲＣ遅延を緩和するためにＬｏｗ−ｋ絶縁膜が用いられるので、膜剥れや、膜自体の破壊を防止するよう考慮する必要がある。そのためには、低摩擦で安定（好ましくは温度上昇なく）した研磨が要求されるものの、従来の一液供給タイプのスラリーと装置で行なうことは困難である。

なお、研磨に用いられる研磨液の停滞を防止し、研磨粒子の凝集あるいは沈殿等を防ぐことを目的として、二液供給タイプのスラリーが提案されている（例えば、特許文献１参照）。ディッシングの拡大および配線部のエロージョンを防止するために、界面活性剤をさらに供給した二液供給タイプのスラリーもまた、提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平９−２８５９６８号公報 特開２００４−３６３５７４号公報

本発明は、低摩擦で安定してＣｕ膜を研磨する方法を提供することを目的とする。また本発明は、Ｃｕ配線を有し信頼性の高い半導体装置を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかるＣｕ膜の研磨方法は、ターンテーブル上に貼付された研磨布に、半導体基板に設けられたＣｕ膜を当接させる工程、および
前記Ｃｕ膜の研磨を促す第１の薬液と、供給量が前記ターンテーブルのテーブル電流および前記研磨布の表面温度の少なくとも一方との間に正の相関を有する第１の界面活性剤を含有する第２の薬液とを前記研磨布上に供給し、前記ターンテーブルを回転させ、前記ターンテーブルのテーブル電流および前記研磨布の表面温度の少なくとも一方をモニターしつつ前記Ｃｕ膜を研磨する工程を具備し、
モニターされたテーブル電流および研磨布の表面温度の少なくとも一方の変化に応じて、前記研磨布上への前記第２の薬液の供給を制御することにより前記変化を戻すことを特徴とする。

本発明の一態様にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の内部および前記絶縁膜上にバリアメタルを介してＣｕ膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上のＣｕ膜を除去して、前記凹部内にＣｕ膜を選択的に残置し、埋め込み配線を形成する工程とを具備し、
前記Ｃｕ膜の除去は、前述の方法で研磨することより行なわれることを特徴とする。

本発明の態様によれば、低摩擦で安定してＣｕ膜を研磨する方法、およびＣｕ配線を有し信頼性の高い半導体装置を製造する方法が提供される。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかるＣｕ膜の研磨の状態を表わす概略図である。

例えば、図１に示すように研磨布１１が貼付されたターンテーブル１０を回転させつつ、Ｃｕ膜（図示せず）が形成された半導体基板１２を保持したトップリング１３を当接させる。ターンテーブル１０の回転数は、例えば３０〜１５０ｒｐｍとすることができ、トップリング１３の回転数は、通常、３０〜１５０ｒｐｍ程度である。研磨工程における研磨荷重は、通常、５０〜７０ｇｆ／ｃｍ²程度である。

研磨布１１上には、Ｃｕ膜の研磨を促す第１の薬液１７を第１の供給口１４から供給して、ターンテーブル１０のテーブル電流または研磨布１１の表面温度をモニターしつつ、半導体基板１２のＣｕ膜（図示せず）が研磨される。第１の薬液１７は、ベーススラリーの組成を有し、この段階では、ベーススラリー単独がスラリー１９として用いられる。テーブル電流等のモニタリングに関しては、後に詳細に説明するが、本発明の実施形態にかかる方法においては、モニターされた値の変化に応じて第２の供給口１５からの第２の薬液の供給を制御しつつ、Ｃｕ膜の研磨が行なわれる。なお、図１には、ドレッサー１６も併せて示してある。

第１の供給口１４から供給される第１の薬液は、水と酸化剤と有機酸とを含有する。酸化剤としては、例えば過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム、過酸化水素水、硝酸第二鉄、硫酸鉄、ヨウ素酸カリウム、およびモリブドケイ酸など用いることができる。有機酸としては、例えば、マレイン酸、シュウ酸、クエン酸、リンゴ酸、マロン酸、コハク酸、フタル酸、キナルジン酸、キノリン酸、ベンゾトリアゾール、アラニン、およびグリシンなど用いることができる。

上述したような酸化剤および有機酸を含有する第１の薬液のｐＨは、ｐＨ調整剤により８〜１４程度、例えば１２程度に調整することが望まれる。

Ｃｕ膜が接している研磨布に第１の薬液が供給されると、Ｃｕ膜表面が酸化されて酸化膜が形成される。酸化膜はＣｕ膜よりも容易に除去されるので、Ｃｕ膜の研磨が促される。すなわち、研磨布で擦られることにより酸化膜が機械的に除去されて、Ｃｕ膜の研磨が行なわれる。

必要に応じて、第１の薬液には、研磨粒子、および界面活性剤が含有されてもよい。研磨粒子としては、例えば、コロイダルシリカ、フュームドシリカ、コロイダルアルミナ、フュームドアルミナ、セリア、チタニア、有機粒子、および無機粒子と有機粒子との一体化した複合型粒子など用いることができる。こうした粒子は、Ｃｕ膜表面に形成された酸化膜を機械的な作用により除去するので、Ｃｕ膜の研磨が促されるのに加えて、第１の薬液により研磨も行なわれるといえる。したがって、Ｃｕ膜の研磨時間を短縮することができる。研磨粒子が研磨布の表面に埋め込まれた、いわゆる固定砥粒の場合も同様の効果が得られる。

第１の薬液に含有され得る界面活性剤としては、例えば、ドデシルベンゼンスルホン酸カリウムおよびドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウム等のアルキルベンゼンスルホン酸塩、ポリビニルピロリドン、並びにアセチレングリコール系などを用いることができる。

こうした界面活性剤は、いずれもＣｕ膜のディッシングを劣化させない。具体的には、アルキルベンゼンスルホン酸塩およびポリビニルピロリドンは、Ｃｕ膜のディッシングを抑制する作用を有し、アセチレングリコールは、コロージョン耐性をよりいっそう高めつつ、Ｃｕ膜のディッシングを維持する作用を有する。ディッシングを維持するとは、この界面活性剤によってディッシングが増大しないことをさし、積極的にディッシングを抑制しなくてもよい。例えば、この界面活性剤を含まないスラリーを用いた際、Ｃｕ膜表面にある程度のディッシングが生じ、この界面活性剤が含有されたスラリーを用いた際にも、それと同程度のディッシングが生じる場合である。Ｃｕ膜のディッシングを劣化させないので、これらの界面活性剤は、後述する第２の薬液にも用いることができる。アルキルベンゼンスルホン酸塩およびアセチレングリコールは、テーブル電流や研磨布の表面温度を高める作用を有し、ポリビニルピロリドンは、テーブル電流や研磨布の表面温度を下げる作用を有する。

第１の薬液１７を用いたＣｕ膜の研磨が進行することによって、テーブル電流または研磨布の表面温度が上昇する。この場合には、図２に示すように第２の供給口１５から第２の薬液１８が供給され、第１の薬液１７との混合物をスラリー１９として用いてＣｕ膜の研磨が行なわれる。第２の薬液１８には、例えば、界面活性剤としてポリビニルピロリドンが含有される。ポリビニルピロリドンは、上述したようにテーブル電流または研磨布の表面温度を低下させる作用を有するので、ポリビニルピロリドンが含有された第２の薬液１８の供給量は、テーブル電流および研磨布の表面温度の少なくとも一方との間に負の相関を有するということができる。具体的には、ポリビニルピロリドンとしては、例えば分子量４０，０００のＰＶＰ−Ｋ３０（アイエスピー・ジャパン（株））が挙げられる。

第２の薬液１８における界面活性剤の濃度は、０．１〜２ｗｔ％程度とすることが好ましい。０．１ｗｔ％未満の場合には、その効果を十分に発揮させることが困難となる。一方、２ｗｔ％を越えると、Ｃｕ膜の研磨を促すベーススラリーの組成が大きくずれてしまい、Ｃｕ膜の研磨速度が低下するおそれがある。

この第２の薬液１８は、１００ｃｃ／ｍｉｎ以下の低流量で供給することが好ましい。第２の薬液の流量が１００ｃｃ／ｍｉｎを越えると、ベーススラリーの成分バランスをくずして、ディッシング拡大やコロージョンなど様々な問題を引き起こすおそれがある。第２の薬液の効果を得るためには、流量の下限は１０ｃｃ／ｍｉｎ程度とすることが望まれる。図面には、第２の供給口１５は、第１の供給口１４とは別個のノズル状として示されているが、これに限定されない。２つの供給口の先端を連結して、混合物の状態で研磨布１１上に供給することもできる。この場合には、専用のバルブを設けて、第２の薬液１８の供給を制御する。あるいは、スプレー供給口を用いて第２の薬液１８を研磨布１１上に噴霧してもよい。第２の薬液１８を噴霧することによって、研磨後の被処理面の面内均一性をよりいっそう高めることができる。

第２の薬液１８を供給することによって、テーブル電流または研磨布の表面温度は低下する。すなわち、テーブル電流または研磨布の表面温度の変化は戻される。第２の薬液１８を供給している間も、テーブル電流または研磨布の表面温度のモニターは続けられ、これらの変化に応じて、第２の薬液１８の供給は再度制御される。第２の薬液１８の供給を制御、具体的には流量を低減することによって、テーブル電流または研磨布の表面温度は上昇する。最も簡便な制御は、第２の薬液１８の供給を停止することであるが、流量の増減によって制御した場合には、テーブル電流または研磨布の表面温度を最適値の近傍に維持することが可能となる。

第２の薬液１８に含有される界面活性剤の種類によっては、図２に示すように第１の薬液１７と第２の薬液１８とを研磨布１１上に同時に供給して、２つの薬液１７，１８の混合物であるスラリー１９を用いてＣｕ膜の研磨を開始することもできる。この場合、第２の薬液１８には、例えばアルキルベンゼンスルホン酸塩またはアセチレングリコールが、界面活性剤として含有される。これらの界面活性剤は、上述したようにテーブル電流または研磨布の表面温度を高める作用を有するので、アルキルベンゼンスルホン酸塩あるいはアセチレングリコールが含有された第２の薬液１８の供給量は、テーブル電流および研磨布の表面温度の少なくとも一方との間に正の相関を有するということができる。具体的には、アルキルベンゼンスルホン酸塩としては、ドデシルベンゼンスルホン酸カリウム（ＤＢＫ）が挙げられ、アセチレングリコールとしては、例えばサフィノール４６５（エアープロダクツジャパン（株））が挙げられる。

こうした界面活性剤を含有する第２の薬液１８を、ベーススラリーである第１の薬液１７とともに供給してＣｕ膜の研磨を開始すると、テーブル電流または研磨布の表面温度の上昇が加速される。テーブル電流または研磨布の表面温度が過剰に上昇した場合には、第２の薬液１８の供給が制御される。具体的には、第２の薬液１８の流量を減少させることによって、制御が行なわれる。第２の薬液１８の流量をこのように制御することによって、テーブル電流または研磨布の表面温度は低下する。この場合も、第２の薬液１８の制御によって、テーブル電流または研磨布の表面温度の変化は戻される。上述したように、最も簡便な制御は、図１に示されるように第２の薬液１８の供給を停止することであるが、流量の増減によって制御した場合には、テーブル電流または研磨布の表面温度を最適値の近傍に維持することが可能となる。

第２の薬液の供給を停止することによって、テーブル電流または研磨布の表面温度の変化を戻す場合には、この第２の薬液とは逆の作用を有する界面活性剤が含有された第３の薬液を、さらに用いることができる。第３の薬液は、第２の薬液と連動して供給が制御される。具体的には、第２の薬液を停止する際には第３の薬液を供給し、第２の薬液を供給する際には第３の薬液を停止する。第２の薬液および第３の薬液は、供給／停止に限らず、流量を増加または減少して供給を制御することもできる。第３の薬液を併用することによって、テーブル電流または研磨布の表面温度の変化を戻す作用が高められ、研磨時間の短縮につながる。

上述したいずれの場合も、Ｃｕ膜の研磨終了まで、テーブル電流または研磨布の表面温度のモニターは続けられ、その変化に応じて第２の薬液の供給が制御される。

本発明の実施形態にかかる方法を実施するには、例えば図３に示す研磨装置を用いることができる。図３は、本発明の実施形態にかかる方法でＣｕ膜の研磨を行なうための研磨装置の一例の構成を表わす概略図である。

図３に示されるように、ターンテーブル１０を回転させるためのモーター２３は、テーブル電流モニター２２に接続され、測定されたテーブル電流値は制御装置２１に送られる。制御装置２１では、測定されたテーブル電流値を判断基準として、第２の薬液の供給を制御する信号を流量計２４に送る。

流量計２４は、スラリー供給装置２５からのスラリーの供給を制御する。スラリー供給装置２５には、第１の薬液と第２の薬液とが含まれ、これらのうちの第２の薬液は、制御装置２１からの指令を受けて供給が制御される。

こうした装置を用いてＣｕ膜の研磨を行なう際には、さらに研磨布の表面温度を測定することもできる。この場合は、研磨布の表面温度をスラリーの供給にフィードバックする必要はない。

図４には、本発明の実施形態に用いられる研磨装置の他の例の構成を示す。
図示するように、トップリング１３には、研磨布１１の表面温度を測定するための放射温度計２６が設けられ、測定された表面温度は、温度モニター２７を経由して制御装置２１に送られる。制御装置２１では、測定された研磨布１１の表面温度を判断基準として、第２の薬液の供給を制御する信号を流量計２４に送る。

なお、研磨布の表面温度に加えて、ターンテーブルのテーブル電流をモニターすることもできる。この場合は、テーブル電流をスラリーの供給にフィードバックする必要はない。

以下、本発明の実施形態の具体例を示す。

（実施形態１）
図５および図６を参照して、本実施形態を説明する。

まず、図５に示すように、半導体素子（図示せず）が形成された半導体基板１２上に、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜３１を設けてＷからなるプラグ３３を形成した。その上に、第１の低誘電率絶縁膜３４および第２の低誘電率絶縁膜３５を順次形成して、積層絶縁膜を形成した。第１の低誘電率絶縁膜３４は、比誘電率が２．５未満の低誘電率絶縁材料により構成することができ、例えば、ポリシロキサン、ハイドロジェンシロセスキオキサン、ポリメチルシロキサン、メチルシロセスキオキサンなどのシロキサン骨格を有する膜、ポリアリーレンエーテル、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾシクロブテンなどの有機樹脂を主成分とする膜、および多孔質シリカ膜などのポーラス膜からなる群から選択される少なくとも一種を用いて形成することができる。ここでは、ＬＫＤ（ＪＳＲ製）を用いて第１の低誘電率絶縁膜３４を８０ｎｍの膜厚で形成した。

この上に形成される第２の低誘電率絶縁膜３５はキャップ絶縁膜として作用し、第１の低誘電率絶縁膜３４より大きな比誘電率を有する絶縁材料により形成することができる。例えば、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）、ＳｉＣ、ＳｉＣＨ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＣ、およびＳｉＯＣＨからなる群から選択される少なくとも一種の比誘電率２．５以上の絶縁材料を用いて形成することができる。ここでは、ＳｉＯＣを用いて第２の低誘電率絶縁膜３５を１６０ｎｍの膜厚で形成した。

第２の低誘電率絶縁膜３５および第１の低誘電率絶縁膜３４には、凹部としての配線溝Ａを２４０ｎｍの深さで設け、全面に常法によりバリアメタル３６としてのＴｉ膜を１０ｎｍおよびＣｕ膜３７を１２００ｎｍ堆積した。余分なＣｕ膜３７をＣＭＰにより除去して、図６に示すようにバリアメタル３６を露出する。スラリーの成分等を変更して、種々の条件でＣｕ膜３７を除去する。具体的には、図３に示した研磨装置を用いて、テーブル電流をモニターしつつ、Ｃｕ膜３７を研磨する。研磨中には、図示しない放射温度計により研磨布１１の表面温度も測定する。

まず、ベーススラリーとなる第１の薬液を、以下の処方で調製した。

酸化剤：過硫酸アンモニウム（１．５ｗｔ％）
有機酸：キナルジン酸（０．３ｗｔ％）
有機酸：シュウ酸（０．１ｗｔ％）
研磨粒子：コロイダルシリカ（０．０５ｗｔ％）
界面活性剤：アセチレングリコール系サフィノール４６５（エアープロダクツジャパン（株））（０．１ｗｔ％）
ｐＨ調整剤：水酸化カリウム
さらに、以下の界面活性剤Ａを０．１ｗｔ％の濃度で純水に溶解して、別途併用する界面活性剤Ａの水溶液を調製した。

界面活性剤Ａ：ＤＢＫ（ドデシルベンゼンスルホン酸カリウム）
まず、界面活性剤Ａの水溶液を第１の薬液とともに一定流量で研磨布上に常時供給して、Ｃｕ膜３７の研磨を行なった（研磨Ｎｏ．１）。具体的には、研磨布１１としてのＩＣ１０００(ロデール・ニッタ)の上に、第１の薬液を３００ｃｃ／ｍｉｎで供給するとともに、界面活性剤Ａ水溶液を３０ｃｃ／ｍｉｎの流量で常時供給して、Ｕｓｅ Ｐｏｉｎｔでスラリーを調製した。研磨布１１には、半導体基板１２を保持したトップリング１３を３００ｇｆ／ｃｍ²の研磨荷重で当接させた。ターンテーブル１０の回転数は１００ｒｐｍとし、トップリング１２の回転数１０５ｒｐｍとして、テーブル電流をモニターしつつＣｕ膜３７を研磨した。配線溝Ａ外部のＣｕ膜３７が除去された後、さらに３０％のオーバーポリッシュを行なって研磨を終了した。

Ｃｕ膜の研磨速度、テーブル電流（研磨摩擦）、および研磨布の表面温度を調べ、以下の基準で評価した。

研磨速度は１０００ｎｍ／ｍｉｎ以上を“○”とし、テーブル電流は８Ａ以下を“○”とした。研磨布の表面温度は５０℃以下を“○”とした。

研磨時間とテーブル電流との関係を、図７のグラフに示す。Ｎｏ．１の研磨においては、テーブル電流は、図７のグラフに示されるように１２Ａ程度まで上昇して研磨が停止した。研磨が停止したことによりテーブル電流が低下して、その後、研磨が再開される。しかしながら、テーブル電流は上昇し続けて、再度、１２Ａ程度まで達して研磨が停止する。このように研磨の停止が繰り返されるために、研磨終了までに１４５ｓｅｃもの時間を要した。

界面活性剤Ａ水溶液を第２の薬液として用い、第１の薬液を３００ｃｃ／ｍｉｎで供給するとともに第２の薬液を３０ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給して、Ｕｓｅ Ｐｏｉｎｔでスラリーを調製してＣｕ膜の研磨を開始した。第２の薬液の供給は、テーブル電流の変化に応じて制御した（研磨Ｎｏ．２）。このＮｏ．２は、本発明の実施形態にかかる方法である。Ｎｏ．２の研磨においては、テーブル電流は図７のグラフに示されるように上昇し、研磨開始から１０ｓｅｃ程度で１０Ａを越える。ここで第２の薬液の供給を停止することによって、テーブル電流は低下した。テーブル電流が低下して８Ａを下回ったところで第２の薬液の供給を再び開始し、研磨終了まで第２の薬液を供給した。テーブル電流の変化に応じて第２の薬液の供給を制御しているので、９０ｓｅｃという短時間でＣｕ膜の研磨を行なうことができた。

研磨速度、テーブル電流、および研磨布温度の評価を、併用した界面活性剤の種類およびその供給方法とともに下記表１にまとめる。いずれの場合も、研磨後のディッシングは２０ｎｍ以下と許容範囲であった。

上記表１に示されるように、界面活性剤Ａ水溶液が常時供給されたＮｏ．１では、研磨速度、テーブル電流、および研磨布温度は合格レベルに達しない。さらに、Ｎｏ．１では、研磨が停止するために所望の研磨終了までに要する時間も長い。

Ｎｏ．２では、テーブル電流の変化に応じて、第２の薬液としての界面活性剤Ａ水溶液の供給が制御される。このため、研磨速度、テーブル電流、および研磨布温度を合格レベルに維持することができる。こうした効果に加えて、研磨時間は図７のグラフに示したように、Ｎｏ．１の場合より極めて短い。

本実施形態においては、テーブル電流を高める作用を有する界面活性剤を含有する第２の薬液を用い、テーブル電流が上昇した際には、第２の薬液の供給を停止した。テーブル電流の変化に応じて第２の薬液を制御して供給しつつ、Ｃｕ膜を研磨した。こうした方法によって、研磨停止することなく、要求される平坦性と研磨速度とを両立できることが確認された。

（実施形態２）
配線溝の深さを１５００ｎｍに変更した以外は前述の実施形態１と同様にして、図５に示すようにバリアメタルとしてのＴｉ膜３６を介してＣｕ膜３７を２１００ｎｍの厚さで堆積した。余分なＣｕ膜３７をＣＭＰにより除去して、図６に示すようにバリアメタル３６を露出する。スラリーの成分等を変更して、種々の条件でＣｕ膜３７を除去する。具体的には、図４に示した研磨装置を用いて、研磨布の表面温度をモニターしつつ、Ｃｕ膜３７を研磨する。研磨中には、図示しないテーブル電流モニターにより、テーブル電流も測定する。

ベーススラリーとなる第１の薬液は、界面活性剤を０．１ｗｔ％のドデシルベンゼンスルホン酸カリウムに変更した以外は、実施形態１の場合と同様の処方で調製した。
こうして調製された第１の薬液のみをスラリーとして用いて、研磨布の表面温度をモニターしつつ、実施形態１の場合と同様の条件でＣｕ膜３７を研磨した（研磨Ｎｏ．３）。Ｃｕ膜の研磨速度、テーブル電流（研磨摩擦）、および研磨布の表面温度を調べ、前述と同様の基準で評価した。

研磨時間と研磨布の表面温度との関係を、図８のグラフに示す。図示するように、Ｎｏ．３の研磨においては、研磨布の表面温度が３０℃程度に抑制されているので、目的の研磨を達成するのに４３０ｓｅｃを要した。

次に、界面活性剤を併用してＣｕ膜３７の研磨を行ない、前述と同様に評価した。界面活性剤としては、以下の２種類を用意した。

界面活性剤Ｂ：サフィノール４６５
界面活性剤Ｃ：ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ−Ｋ３０）
すでに説明したように、界面活性剤Ｂ（サフィノール４６５）は、研磨布の表面温度を上げる作用を有し、界面活性剤Ｃ（ＰＶＰ−Ｋ３０）は温度を下げる作用を有する。

界面活性剤ＢおよびＣは、それぞれ０．１ｗｔ％の濃度で純水に溶解して、界面活性剤ＢおよびＣの水溶液を調製した。

第１の薬液と界面活性剤Ｂ水溶液とを、一定流量で研磨布上に常時供給してＵｓｅ Ｐｏｉｎｔでスラリーを調合し、得られたスラリーを用いる以外は前述と同様の条件で研磨を行なった（研磨Ｎｏ．４）。第１の薬液の流量は３００ｃｃ／ｍｉｎとし、界面活性剤Ｂの流量は３０ｃｃ／ｍｉｎとした。Ｎｏ．４の研磨においては、研磨布の表面温度は、図８のグラフに示されるように、５５℃程度まで上昇して研磨が停止した。その後、温度が低下して研磨が再開されるものの、温度は上昇し続け、再度、５４℃程度まで達して研磨が停止する。このように研磨の停止が繰り返されるために、研磨終了までに４２０ｓｅｃもの時間を要した。

界面活性剤Ｂ水溶液を界面活性剤Ｃ溶液に変更して、第１の薬液ともに研磨布上に常時供給した以外は、前述のＮｏ．４と同様の条件で研磨を行なった（研磨Ｎｏ．５）。Ｎｏ．５の研磨においては、図８のグラフに示されるように研磨布の表面温度が上昇せず、２０℃程度にとどまっている。このため、６００ｓｅｃでは所望のＣｕを削りきることができなかった。

界面活性剤Ｃ水溶液をさらに用いる以外は、研磨Ｎｏ．４と同様の条件で研磨を行なった。界面活性剤Ｃ水溶液の流量は、３０ｃｃ／ｍｉｎとし、第１の薬液および界面活性剤Ｂ水溶液とともに研磨布上に常時供給した（研磨Ｎｏ．６）。界面活性剤Ｂは研磨布の表面温度を高める作用を有し、一方の界面活性剤Ｃは、研磨布温度を下げる作用を有する。このように逆の作用を有する２種類の界面活性剤が同時に配合されたスラリーが用いられるので、それぞれの界面活性剤の効果は相殺される。その結果、Ｎｏ．６の研磨においては、図８のグラフに示されるように、研磨布の表面温度は４０℃程度にとどまり、６００ｓｅｃでは所望のＣｕを削りきることができなかった。

界面活性剤Ｂ水溶液を第２の薬液として用い、界面活性剤Ｃ水溶液を第３の薬液として用いて、以下のように研磨を行なった。まず、第１の薬液を３００ｃｃ／ｍｉｎで供給するとともに第２の薬液を３０ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給して、Ｕｓｅ Ｐｏｉｎｔでスラリーを調製してＣｕ膜の研磨を開始した。第２の薬液の供給は、研磨布の表面温度の変化に応じて制御した（研磨Ｎｏ．７）。このＮｏ．７は、本発明の実施形態にかかる方法である。Ｎｏ．７の研磨においては、研磨布の表面温度は、図８のグラフに示されるように上昇し、研磨開始から５０ｓｅｃ程度で５０℃を越える。ここで第２の薬液の供給を停止するとともに、第３の薬液を３０ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給することによって、研磨布温度は低下した。研磨布の表面温度が低下して３０℃を下回ったところで第３の薬液を停止するとともに、第２の薬液の供給を再び開始した。研磨布の表面温度の変化に応じて、第２の薬液および第３の薬液を切り替え、最後は第２の薬液を供給し続けてＣｕ膜の研磨を終了した。これによって、１８０ｓｅｃという短時間でＣｕ膜の研磨を行なうことができた。

研磨速度、テーブル電流、および研磨布温度の評価を、併用した界面活性剤の種類およびその供給方法とともに下記表２にまとめる。いずれの場合も、研磨後のディッシングは２０ｎｍ以下と許容範囲であった。

界面活性剤を別途用いないＮｏ．３では、研磨布の表面温度を十分に高めることができないため、研磨速度が劣っている。界面活性剤Ｂ水溶液が常時供給されたＮｏ．４では、研磨布の表面温度が高くなりすぎて、研磨の停止が発生した。界面活性剤Ｃ水溶液が常時供給されたＮｏ．５では、研磨布の表面温度は２０℃程度に抑制されるので、研磨速度がさらに低下した。

界面活性剤Ｂ水溶液および界面活性剤Ｃ水溶液が常時供給されたＮｏ．６では、それぞれの界面活性剤の効果が相殺されて、テーブル電流および研磨布温度を十分に高めることができない。このため、研磨速度が低下している。

Ｎｏ．７では、研磨布の表面温度を高める作用を有する第２の薬液と、研磨布の表面温度を低下させる作用を有する第３の薬液とを用いて、研磨布の表面温度の変化に応じて、これらの供給を切り替えて制御している。これによって、制御性が向上し、短い研磨時間で良好な仕上がりを実現することが可能となった。しかも、テーブル電流および研磨布の表面温度は高く、ディッシングが増大することもない。

本実施形態においては、絶縁膜に設けられた溝の深さは１５００ｎｍと深く、この絶縁膜の上に、２１００ｎｍという大きな膜厚でＣｕ膜が成膜される。こうした場合、研磨初期の段階では研磨布の表面温度は、２０℃から３０℃と低く研磨速度は遅い。このため、従来の研磨方法では、所望のＣｕを除去するのに４３０ｓｅｃも要する。

本発明者らは、研磨布の表面の理想的な温度は３０℃から５０℃の範囲内であることを見出しており、この範囲内に維持できれば、研磨速度が高められる。そこで、本実施形態においては、研磨中に研磨布の表面温度を放射温度計で測定し、その温度の変化に応じて、供給する薬液を制御した。具体的には、研磨布の表面温度が３０℃を下回って低下する場合には、温度を高める作用を有する第２の薬液を供給して温度の変化を戻す。第２の薬液を供給することによって、研磨布の表面温度は、その後上昇する。一方で、５０℃を越えて研磨布の表面温度が上昇する場合には、第２の薬液を停止するとともに温度を低下させる第３の薬液を供給して、温度の変化が戻される。これによって、深さ１５００ｎｍの溝が設けられた絶縁膜の上に２１００ｎｍの膜厚で成膜されたＣｕ膜を、１８０ｓｅｃで除去することができる。このような短時間の研磨は、本実施形態によって初めて可能となった。

なお、第３の薬液を用いない以外はＮｏ．７と同様の手法によって、Ｃｕ膜の研磨を行なった場合には、研磨時間が若干長くなった以外はＮｏ．７と同等の効果が得られた。具体的には、テーブル電流および研磨布の表面温度は高く、ディッシングも増大することなく維持された。研磨時間は２４０ｓｅｃであったが、第２の薬液を用いないＮｏ．３よりはＣｕ膜の研磨速度も向上した。このように、サフィノール４６５が含有された第２の薬液を制御しつつ供給することによって、研磨停止することなく要求される平坦性を確保できることが確認された。上述したように第３の薬液を併用することによって、研磨速度をよりいっそう短縮することが可能である。

（実施形態３）
第１の薬液の組成、および第２の薬液に含有される界面活性剤を変更した以外は、前述の実施形態１と同様にしてＣｕ膜３７の研磨を行なった。ベーススラリーとなる第１の薬液は、界面活性剤として０．１ｗｔ％のドデシルベンゼンスルホン酸カリウム（ＤＢＫ）をさらに配合した以外は、実施形態１の場合と同様の処方で調製した。

こうして調製された第１の薬液のみをスラリーとして用いて、テーブル電流をモニターしつつ、実施形態１と同様の条件でＣｕ膜３７を研磨した（研磨Ｎｏ．８）。Ｃｕ膜の研磨速度、テーブル電流（研磨摩擦）、および研磨布の表面温度を調べ、前述と同様の基準で評価した。

研磨時間とテーブル電流との関係を、図９のグラフに示す。Ｎｏ．８で用いたスラリーは、ＤＢＫおよびサフィノールを含有していることから、実施形態１で説明したＮｏ．１の場合と同様の組成である。このため、テーブル電流はＮｏ．１の場合と同様に変化して研磨停止が繰り返され、研磨終了までには１４０ｓｅｃもの時間を要することが、図９のグラフに示されている。

次に、界面活性剤を別途併用してＣｕ膜３７の研磨を行ない、前述と同様に評価した。別途併用する界面活性剤としては、前述の界面活性剤Ｃ（ＰＶＰ−Ｋ３０）を用意した。

第１の薬液と界面活性剤Ｃ水溶液とを、一定流量で研磨布上に常時供給してＵｓｅ Ｐｏｉｎｔでスラリーを調合し、得られたスラリーを用いる以外は前述と同様の条件で研磨を行なった（研磨Ｎｏ．９）。第１の薬液の流量は３００ｃｃ／ｍｉｎとし、界面活性剤Ｃの流量は３０ｃｃ／ｍｉｎとした。ここで用いたスラリーは、実施形態２のＮｏ．６で用いたスラリーと同様の組成である。スラリー中には、テーブル電流を上げる作用を有する界面活性剤（サフィノール４６５、ＤＢＫ）と、下げる作用を有する界面活性剤（ＰＶＰ−Ｋ３０）とが同時に配合されているので、それぞれの界面活性剤の効果は相殺される。その結果、テーブル電流の上昇は抑制されて、研磨終了までに１２０ｓｅｃも要している。

界面活性剤Ｃ水溶液を第２の薬液として用い、以下のように研磨を行なった。まず、第１の薬液を３００ｃｃ／ｍｉｎで供給して、Ｃｕ膜３７の研磨を開始した。第２の薬液の供給は、テーブル電流の変化に応じて制御した（研磨Ｎｏ．１０）。このＮｏ．１０は、本発明の実施形態にかかる方法である。Ｎｏ．１０の研磨においては、テーブル電流は図９のグラフに示されるように上昇し、研磨開始から１０ｓｅｃ程度で１０Ａを越える。ここで、第２の薬液を３０ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給して、Ｕｓｅ Ｐｏｉｎｔでスラリーを調製して研磨を続けることによって、テーブル電流は低下した。テーブル電流が６Ａを下回ったところで第２の薬液の供給を停止すると、テーブル電流は上昇した。テーブル電流の変化に応じて第２の薬液の供給を制御しているので、９０ｓｅｃ程度の短時間で研磨を行なうことができた。

研磨速度、テーブル電流、および研磨布温度の評価を、併用した界面活性剤の種類およびその供給方法とともに下記表３にまとめる。いずれの場合も、研磨後のディッシングは２０ｎｍ以下と許容範囲であった。

界面活性剤を別途用いないＮｏ．８では、テーブル電流が上昇する傾向にあるため、テーブル電流および研磨温度が高く、研磨速度も合格レベルに達しない。界面活性剤Ｃ水溶液が常時供給されたＮｏ．９でも、テーブル電流および研磨布温度を十分に改善することができず、研磨速度は合格レベルに達しない。

Ｎｏ．１０では、テーブル電流の変化に応じて第２の薬液の供給が制御されるので、研磨速度、テーブル電流、および研磨温度を合格レベルに維持することができる。しかも、Ｎｏ．１０では、図９のグラフに示したように、９０ｓｅｃ程度の短時間で研磨を行なうことができる。

本実施形態においては、テーブル電流を下げる作用を有する界面活性剤を含有する第２の薬液を用い、テーブル電流が上昇した際には、第２の薬液を供給した。すなわち、テーブル電流の変化に応じて第２の薬液を制御して供給しつつ、Ｃｕ膜を研磨した。こうした方法によって、研磨停止することなく、要求される平坦性と研磨速度とを両立できることが確認された。

本発明の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法における研磨工程の状態を示す概略図。 本発明の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法における研磨工程の状態を示す概略図。 本発明の一実施形態に用いられる研磨装置の構成を表わす概略図。 本発明の実施形態に用いられる研磨装置の他の構成を表わす概略図。 本発明の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を表わす工程断面図。 図５に続く工程を表わす断面図。 研磨時間とテーブル電流値との関係を表わすグラフ図。 研磨時間と研磨布の表面温度との関係を表わすグラフ図。 研磨時間とテーブル電流値との関係を表わすグラフ図。

符号の説明

１０…ターンテーブル； １１…研磨布； １２…半導体基板； １３…トップリング
１４…第１の供給口； １５…第２の供給口； １６…ドレッサー
１７…第１の薬液； １８…第２の薬液； １９…スラリー； ２１…制御装置
２２…テーブル電流モニター； ２３…モーター； ２４…流量計
２５…スラリー供給装置； ２６…温度計： ２７…温度モニター
３１…絶縁膜； ３３…プラグ； ３４…第１の低誘電率絶縁膜
３５…第２の低誘電率絶縁膜； ３６…バリアメタル； ３７…Ｃｕ膜
Ａ…配線溝。

Claims (5)

1. ターンテーブル上に貼付された研磨布に、半導体基板に設けられたＣｕ膜を当接させる工程、および
   前記Ｃｕ膜の研磨を促す第１の薬液と、供給量が前記ターンテーブルのテーブル電流および前記研磨布の表面温度の少なくとも一方との間に正の相関を有する第１の界面活性剤を含有する第２の薬液とを前記研磨布上に供給し、前記ターンテーブルを回転させ、前記ターンテーブルのテーブル電流および前記研磨布の表面温度の少なくとも一方をモニターしつつ前記Ｃｕ膜を研磨する工程を具備し、
   モニターされたテーブル電流および研磨布の表面温度の少なくとも一方の変化に応じて、前記研磨布上への前記第２の薬液の供給を制御することにより前記変化を戻すことを特徴とするＣｕ膜の研磨方法。
2. 前記第１の界面活性剤は、アルキルベンゼンスルホン酸塩およびアセチレングリコールからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載のＣｕ膜の研磨方法。
3. 前記ターンテーブルのテーブル電流および前記研磨布の表面温度の少なくとも一方をモニターしつつ行なわれる前記Ｃｕ膜の研磨中に、供給量が前記テーブル電流および研磨布の表面温度の少なくとも一方との間に負の相関を有する第２の界面活性剤を含有する第３の薬液をさらに供給し、
   モニターされたテーブル電流および研磨布の表面温度の少なくとも一方の変化に応じて、前記研磨布上への前記第３の薬液の供給を制御することにより前記変化を戻すことを特徴とする請求項１または２に記載のＣｕ膜の研磨方法。
4. 前記第２の界面活性剤は、ポリビニルピロリドンであることを特徴とする請求項３に記載のＣｕ膜の研磨方法。
5. 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
   前記凹部の内部および前記絶縁膜上にバリアメタルを介してＣｕ膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜上のＣｕ膜を除去して、前記凹部内にＣｕ膜を選択的に残置し、埋め込み配線を形成する工程とを具備し、
   前記Ｃｕ膜の除去は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法で研磨することより行なわれることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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