(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の回転数で回転するウエハ上の上層の配線と下層の配線との間に位置する第１の層間絶縁膜に形成されたスルーホールにより前記上層の配線と前記下層の配線とが接続され、前記上層の配線の上に形成され、凸部を有する第２の層間絶縁膜の表面を、所定の回転数で回転する定盤に取り付けられた研磨パッドに押し付けて化学的機械研磨法によって平坦に加工する半導体集積回路装置の製造方法であって、
前記上層または下層の配線に加わる圧力が前記上層または下層の配線を構成する金属材料の引っ張り破断強度以下となる研磨条件で前記第２の層間絶縁膜の表面を初期研磨する工程と、
次いで、前記第２の層間絶縁膜の表面を平坦化研磨する工程とを有し、
前記研磨条件として、前記第２の層間絶縁膜表面が前記凸部を有することを考慮して、前記ウエハへの加圧力、前記研磨パッドの弾性率、前記ウエハの回転数および前記定盤の回転数の少なくとも一つを、前記平坦化研磨時と前記初期研磨時とで変えて設定することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体集積回路装置の製造方法において、
前記初期研磨時と前記平坦化研磨時とで、前記ウエハへの加圧力を変えることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の半導体集積回路装置の製造方法において、
前記ウエハの全面に占める前記第２の層間絶縁膜の前記凸部の表面積の割合をｒ％、前記平坦化研磨時の前記ウエハへの加圧力をｐｇ／ｃｍ２とした場合、前記初期研磨時の前記ウエハへの加圧力を（ｒ×ｐ）／１００ｇ／ｃｍ２以下に設定することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の半導体集積回路装置の製造方法において、
前記初期研磨時の前記ウエハへの加圧力を３００ｇ／ｃｍ２以下にすることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１記載の半導体集積回路装置の製造方法において、
前記初期研磨時と前記平坦化研磨時とで、前記研磨パッドの弾性率を変えることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の半導体集積回路装置の製造方法において、
前記初期研磨時の前記研磨パッドの弾性率を５００ｋｇ／ｃｍ２以下にすることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１記載の半導体集積回路装置の製造方法において、
前記初期研磨時と前記平坦化研磨時とで、前記ウエハの回転数および前記定盤の回転数を変えることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の半導体集積回路装置の製造方法において、
前記初期研磨時の前記ウエハの回転数および前記定盤の回転数を１０ｒｐｍ以下にすることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路装置の製造方法および製造装置に関し、特に、上下に位置する配線の間に設けられる層間絶縁膜の表面を平坦に加工するＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ；化学的機械研磨）に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高速化および高集積化が進む半導体集積回路装置において、配線の多層化は必須の技術となっている。しかしながら、上記多層配線技術は、上下に位置する配線の間に設けられる層間絶縁膜のステップカバレージ不良に起因した上層の配線と下層の配線との間の接続不良、または上層の配線の断線不良などを生じ、半導体集積回路装置の信頼度の低下を引き起こしている。このような不良を防ぐため、多層配線技術では、上記層間絶縁膜の表面の平坦化が必要とされている。
【０００３】
一方、半導体集積回路装置の高集積化に伴い、リソグラフィ技術における焦点深度は小さくなる傾向にある。このため、半導体チップ全体の段差を焦点深度以下に抑えることのできる平坦化技術が必要となっており、多層配線技術においてもチップレベルでの平坦化が望まれている。そこで、層間絶縁膜の表面の平坦化には、主に、チップレベルで平坦化を実現することのできるＣＭＰ法が採用されている。
【０００４】
このＣＭＰ法は、まず、ウエハキャリアに半導体ウエハを装着した後、この半導体ウエハ上の研磨対象膜の表面を研磨定盤に接着した研磨パッドに接触させると同時に半導体ウエハを加圧し、次いで、スラリ（研磨剤）を供給しながらウエハキャリアおよび研磨定盤をそれぞれ回転させて半導体ウエハ上の研磨対象膜の表面を研磨パッドで研磨して平坦化する方法である。
【０００５】
通常、ＣＭＰ法によるスループットの低下を防ぐために、酸化セシウム入り多孔質ポリウレタン単層によって構成される弾性率が１０００ｋｇ／ｃｍ2 の研磨パッドを用いて、半導体ウエハに加わる圧力（ウエハ加圧力）５００ｇ／ｃｍ2 、半導体ウエハの回転数（ウエハ回転数）２０ｒｐｍ、研磨定盤の回転数（定盤回転数）３０ｒｐｍの研磨条件で、研磨対象膜の表面は研磨される。上記研磨条件によれば、約３分間で直径５インチの半導体ウエハ上に堆積された層間絶縁膜の表面を平坦に加工することが可能である。表１に従来の上記研磨条件をまとめる。
【０００６】
なお、日経マグロウヒル社発行「日経マイクロデバイス」１９９３年２月１日号、Ｐ５５〜Ｐ５６にはウェステック・システムズ社（Westech Systems, Inc. ）製のＣＭＰ装置が記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記研磨条件で半導体ウエハ上に堆積された層間絶縁膜の表面を研磨すると、以下の問題が生じることを本発明者は見い出した。
【０００８】
すなわち、半導体ウエハ上の層間絶縁膜の表面を研磨パッドに接触させると、層間絶縁膜の表面の凸部に圧力が集中する。ところが、前記研磨条件は半導体ウエハの全面が研磨パッドに接触することを前提に設定されているため、研磨条件から予測される圧力よりも大きな圧力が層間絶縁膜の表面の凸部に集中して、層間絶縁膜の下方に形成された配線に大きな圧力が加わり、この配線が破壊されてしまう。
【０００９】
以下に、層間絶縁膜の表面をＣＭＰ法によって研磨した際に本発明者が見い出した下層の配線の断線または欠け現象について説明する。
【００１０】
半導体ウエハの第１の配線の上層に第１の層間絶縁膜を介して第２の配線が形成され、さらに、この第２の配線上に第２の層間絶縁膜が形成されている。上記第２の配線は第１の層間絶縁膜に設けられたスルーホールを通じて第１の配線に接続されており、例えば上層タングステン膜、アルミニム合金膜および下層タングステン膜からなる積層膜によって構成されている。上記第２の層間絶縁膜は、例えばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法によって半導体基板上に堆積され、その表面は第２の配線の影響で凸形状をなしている。このときの研磨条件を表１に示す。
【００１１】
【表１】
0003662699.tif 000002
【００１２】
表１に示す研磨条件で上記第２の層間絶縁膜の表面をＣＭＰ法によって研磨すると、第２の層間絶縁膜の表面の凸部に圧力が集中し、この集中した圧力によってスルーホールの底部の第２の配線に強い圧力が加わり、スルーホール内の第２の配線が断線し、さらに、スルーホールと接する第１の配線に欠けが生じた。
【００１３】
本発明の目的は、ＣＭＰ法を用いた半導体集積回路装置の製造工程での製造歩留まりを向上することのできる技術を提供することにある。
【００１４】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。すなわち、
（１）本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、ウエハ上の上層の配線と下層の配線との間に位置する第１の層間絶縁膜に形成されたスルーホールにより前記上層の配線と前記下層の配線とが接続され、前記上層の配線の上に形成された第２の層間絶縁膜の表面をＣＭＰ法によって平坦に加工する工程において、前記上層または下層の配線に加わる圧力が前記上層または下層の配線を構成する金属材料の引っ張り破断強度以下となる研磨条件で前記第２の層間絶縁膜の表面を初期研磨し、次いで、前記第２の層間絶縁膜の表面を平坦化研磨するものである。
【００１６】
（２）前記（１）の半導体集積回路装置の製造方法において、ウエハ加圧力、研磨パッドの弾性率、ウエハ回転数、定盤回転数のうち少なくとも１つの研磨条件で、前記初期研磨における前記上層または下層の配線に加わる圧力が前記上層または下層の配線を構成する金属材料の引っ張り破断強度以下となるように設定されるものである。
【００１７】
上記した手段によれば、前記初期研磨において前記第２の層間絶縁膜の表面の凸部に圧力が集中しても、前記上層または下層の配線に加わる圧力は前記上層または下層の配線を構成する金属材料の引っ張り破断強度以下であるので、前記上層または下層の配線は破壊されにくくなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
なお、実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態１のＣＭＰ装置ＣＭ1 の断面図である。
【００２１】
半導体ウエハ１は、ウエハキャリア２に保持され、第１の研磨定盤３上に接着された研磨パッド４によってその表面が研磨される。上記ウエハキャリア２は半導体ウエハ１の加圧が可能であり、さらに、自転機能を有する。第１の研磨定盤３上の研磨パッド４は弾性率が１０００ｋｇ／ｃｍ2 の硬質単層で構成され、研磨中は第１の研磨定盤３の上方から研磨剤５が供給される。
【００２２】
なお、ウエハキャリア２は、例えば直径５インチの半導体ウエハ１を保持、加圧することのできる構造とし、第１の研磨定盤３の直径は、例えば６００ｍｍである。
【００２３】
次に、図２を用いて本実施の形態１における上記ＣＭＰ装置ＣＭ1 を用いた多層配線の製造方法を説明する。
【００２４】
まず、半導体基板８上に半導体素子（図示せず）を形成した後、絶縁膜９の上部に半導体素子に接続される第１層目の配線１０が形成される。この第１層目の配線１０は、例えばタングステン膜によって構成されている。次に、半導体基板８上に例えばプラズマＣＶＤ法による酸化シリコン膜の堆積＋ＳＯＧ（Spin On Glass ）膜の塗布およびエッチバック＋プラズマＣＶＤ法による酸化シリコン膜の堆積によって３層構造の第１の層間絶縁膜１１を形成した後、後に形成される第２層目の配線１３と第１層目の配線１０とを接続するためのスルーホール１２を第１の層間絶縁膜１１に形成する。
【００２５】
次いで、半導体基板８上に下層タングステン膜１３ａ、アルミニウム合金膜１３ｂおよび上層タングステン膜１３ｃを順次堆積し、これらの積層膜によって構成される第２層目の配線１３を形成する。下層タングステン膜１３ａはスパッタリング法およびＣＶＤ法によって順次堆積され、アルニミウム合金膜１３ｂおよび上層タングステン膜１３ｃは、それぞれスパッタリング法によって堆積される。この後、半導体基板８上にＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate；Ｓｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）4 ）をソースとしたプラズマＣＶＤ法によって、酸化シリコン膜からなる第２の層間絶縁膜１４を堆積する。この際、図２に示すように、第２層目の配線１３の形状の影響で、第２の層間絶縁膜１４の表面は凸形状をなしている。
【００２６】
次に、図１に示したＣＭＰ装置ＣＭ1 を用いて、第２の層間絶縁膜１４の表面を研磨する。研磨は初期研磨と本研磨とに分けて行われる。すなわち、初期研磨において、第１層目の配線１０または第２層目の配線１３に強い圧力を加えることなく、第２の層間絶縁膜１４の表面を加工した後、本研磨を行う。
【００２７】
ところで、半導体ウエハの全面に占める層間絶縁膜の凸部の表面積の割合をｒ％、本研磨のウエハ加圧力をｐｇ／ｃｍ2 とすると、ウエハ加圧力が（ｒ×ｐ）／１００ｇ／ｃｍ2 以下であれば、下層の配線に加わる圧力は、下層の配線を構成する金属材料の引っ張り破断強度以下となる。
【００２８】
従って、本実施の形態１の場合、本研磨のウエハ加圧力は５００ｇ／ｃｍ2 、第２の層間絶縁膜１４の凸部の表面積の割合は最大５０％であるので、ウエハ加圧力が２５０ｇ／ｃｍ2 以下であれば、第１層目の配線１０または第２層目の配線１３に加わる圧力を第１層目の配線１０または第２層目の配線１３を構成するタングステン膜またはアルミニウム合金膜の引っ張り破断強度以下とすることが可能である。これより、本実施の形態１での初期研磨のウエハ加圧力は２００ｇ／ｃｍ2 に設定される。
【００２９】
そこで、まず、ウエハ加圧力２００ｇ／ｃｍ2 で第２の層間絶縁膜１４の表面を初期研磨する。この初期研磨の時間は、例えば１分である。次いで、ウエハ加圧力５００ｇ／ｃｍ2 で第２の層間絶縁膜１４の表面を本研磨して、第２の層間絶縁膜１４の表面を平坦に加工する。この本研磨の時間は、例えば２分である。この際、初期研磨および本研磨でのウエハ回転数は２０ｒｐｍ、定盤回転数は３０ｒｐｍである。表２に本実施の形態１の研磨条件をまとめて示す。
【００３０】
【表２】
0003662699.tif 000003
【００３１】
その後、図示はしないが、半導体基板８上に第３層目の配線およびパッシベーション膜を順次形成することによって、多層配線を形成する。
【００３２】
本実施の形態１によれば、初期研磨のウエハ加圧力を第１層目の配線１０または第２層目の配線１３を構成するタングステン膜またはアルミニウム合金膜の引っ張り破断強度よりも小さく設定することによって、初期研磨に生じやすい第１層目の配線１０の欠けや第２層目の配線１３の断線を防ぐことができる。
【００３３】
（実施の形態２）
図３は本実施の形態２のＣＭＰ装置ＣＭ2 の断面図を示す。
【００３４】
半導体ウエハ１はウエハキャリア２に保持され、第１の研磨定盤３上に接着された研磨パッド４および第２の研磨定盤６上に接着された研磨パッド７によってその表面が平坦化される。
【００３５】
上記ウエハキャリア２は半導体ウエハ１の加圧が可能であり、さらに、自転機能を有すると共に、第１の研磨定盤３と第２の研磨定盤６の間を往復動できる機能を有している。第１の研磨定盤３上の研磨パッド４は弾性率が１０００ｋｇ／ｃｍ2 の硬質単層で構成され、第２の研磨定盤６上の研磨パッド７は弾性率が３００ｋｇ／ｃｍ2 の軟質単層で構成されている。研磨中は第１の研磨定盤３および第２の研磨定盤６の上方からそれぞれ研磨剤５が供給される。
【００３６】
なお、ウエハキャリア２は、例えば直径５インチの半導体ウエハ１を保持、加圧することのできる構造とし、第１の研磨定盤３および第２の研磨定盤６の直径は、例えば６００ｍｍである。
【００３７】
次に、本実施の形態２における上記ＣＭＰ装置ＣＭ2 を用いた多層配線の製造方法を示す。なお、多層配線の構造は、前記実施の形態１の前記図２で示した構造と同じであり、第２の層間絶縁膜１４の表面の研磨方法を以下に説明する。
【００３８】
弾性率が５００ｋｇ／ｃｍ2 以下の軟質単層で構成される研磨パッド７を用いることによって、第１層目の配線１０または第２層目の配線１３に加わる圧力を第１層目の配線１０または第２層目の配線１３を構成するタングステン膜またはアルミニウム合金膜の引っ張り破断強度以下とすることが可能となる。従って、まず、第２の研磨定盤６上の弾性率が３００ｋｇ／ｃｍ2 の軟質単層で構成される研磨パッド７によって第２の層間絶縁膜１４の表面を研磨する（初期研磨）。この初期研磨の時間は、例えば１分である。
【００３９】
次いで、半導体ウエハ１を保持しているウエハキャリア２を第２の研磨定盤６から第１の研磨定盤３へ移動した後、第１の研磨定盤３上の弾性力が１０００ｋｇ／ｃｍ2 の硬質単層によって構成される研磨パッド４によって第２の層間絶縁膜１４の表面を研磨する（本研磨）。この本研磨の時間は、例えば２分である。
【００４０】
この際、初期研磨および本研磨共に、ウエハ加圧力は５００ｇ／ｃｍ2 、ウエハ回転数は２０ｒｐｍ、定盤回転数は３０ｒｐｍである。表３に本実施の形態２の研磨条件をまとめて示す。
【００４１】
【表３】
0003662699.tif 000004
【００４２】
本実施の形態２によれば、初期研磨に弾性率が３００ｋｇ／ｃｍ2 の軟質単層で構成された研磨パッド７を用いることによって、初期研磨に生じやすい第１層目の配線１０の欠けや第２層目の配線１３の断線を防ぐことができる。
【００４３】
（実施の形態３）
図４に、前記実施の形態１の前記図２に示した第１層目の配線１０と第２層目の配線１３との間の導通歩留まりとウエハ回転数および定盤回転数との関係を示す。ＣＭＰ装置には前記実施の形態１の前記図１に示したＣＭＰ装置ＣＭ1 を用い、弾性率１０００ｋｇ／ｃｍ2 の硬質単層で構成された研磨パッド４によって、前記図２に示した第２の層間絶縁膜１４の表面を研磨した際の導通歩留まりを示している。ウエハ加圧力は５００ｇ／ｃｍ2 である。
【００４４】
図示のように、ウエハ回転数および定盤回転数が共に１０ｒｐｍ以下であれば、第１層目の配線１０と第２層目の配線１３との間の導通歩留まりは１００％であるが、ウエハ回転数および定盤回転数が１５ｒｐｍ以上では回転数の増加に伴って導通歩留まりは低下する。
【００４５】
そこで、前記図１に示したＣＭＰ装置ＣＭ1 を用いて、前記図２に示した第２の層間絶縁膜１４の表面を平坦化する際、まず、ウエハ回転数１０ｒｐｍおよび定盤回転数１０ｒｐｍで第２の層間絶縁膜１４の表面を研磨し（初期研磨）、次いで、ウエハ回転数３０ｒｐｍおよび定盤回転数２０ｒｐｍで第２の層間絶縁膜１４の表面を研磨する（本研磨）。表４に本実施の形態３の研磨条件をまとめて示す。
【００４６】
【表４】
0003662699.tif 000005
【００４７】
本実施の形態３によれば、初期研磨のウエハ回転数および定盤回転数を共に１０ｒｐｍ以下とすることによって、初期研磨に生じやすい第１層目の配線１０の欠けや第２層目の配線１３の断線を防ぐことができる。
【００４８】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００４９】
例えば、前記実施の形態では、第２の層間絶縁膜を構成する酸化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法によって形成したが、その他の方法、例えば、バイアススパッタリング法、バイアスＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）法または塗布法などによって形成してもよい。
【００５０】
【発明の効果】
本願によって開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００５１】
本発明によれば、上下に位置する配線の間に設けられる層間絶縁膜の表面の平坦化にＣＭＰ法を用いても、この層間絶縁膜の下方の配線が破壊されにくいので、半導体集積回路装置の製造歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態で用いられるＣＭＰ装置の模式図を示す要部断面図である。
【図２】  本発明の一実施の形態を説明するための半導体集積回路装置の多層配線を示す半導体基板の要部断面図である。
【図３】  本発明の他の実施の形態で用いられるＣＭＰ装置の模式図を示す要部断面図である。
【図４】  本発明者が検討したＣＭＰ装置のウエハ回転数および定盤回転数と上下に位置する配線間の導通歩留まりとの関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１  半導体ウエハ
２  ウエハキャリア
３  第１の研磨定盤
４  研磨パッド
５  研磨剤
６  第２の研磨定盤
７  研磨パッド
８  半導体基板
９  絶縁膜
１０  第１層目の配線
１１  第１の層間絶縁膜
１２  スルーホール
１３  第２層目の配線
１３ａ  下層タングステン膜
１３ｂ  アルミニウム合金膜
１３ｃ  上層タングステン膜
１４  第２の層間絶縁膜
【図１】
0003662699.tif 000006
【図２】
0003662699.tif 000007
【図３】
0003662699.tif 000008
【図４】
0003662699.tif 000009