(57)【要約】【課題】金属膜の研磨時間を短縮することができる半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置を提供すること。【解決手段】本発明の一つの実施形態によれば、半導体装置の製造方法が提供される。半導体装置の製造方法は、絶縁膜に形成された凹部を埋め込み絶縁膜の表面に金属膜を形成する工程と、砥粒を含まない酸化剤を供給しながら金属膜の表面を研磨する第１の研磨工程とを含む。また、半導体装置の製造方法は、第１の研磨工程の後、酸化剤によって酸化された金属膜の表面へ、酸化剤を含まない研磨剤を供給しながら金属膜の表面を研磨する第２の研磨工程をさらに含む。【選択図】図１
2014027012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜に形成された凹部を埋め込み該絶縁膜の表面に金属膜を形成する工程と、
砥粒を含まない酸化剤を供給しながら該金属膜の表面を研磨する第１の研磨工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１の研磨工程の後、前記酸化剤によって酸化された前記金属膜の表面へ、酸化剤を含まない研磨剤を供給しながら該金属膜の表面を研磨する第２の研磨工程
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第２の研磨工程の後、前記研磨剤によって研磨された前記金属膜の表面へ、前記酸化剤および前記研磨剤を供給しながら該金属膜の表面を研磨する第３の研磨工程
をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記金属膜は、銅を主成分とする
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
砥粒を含まない酸化剤を研磨対象へ供給する酸化剤供給部と、
酸化剤を含まない研磨剤を研磨対象へ供給する研磨剤供給部と、
研磨対象を研磨する研磨部と、
絶縁膜に形成された凹部を埋め込み該絶縁膜の表面に形成される金属膜の表面に対し、前記酸化剤供給部から前記酸化剤を供給させながら前記研磨部によって該金属膜の表面を研磨させ、その後、前記酸化剤によって酸化された前記金属膜の表面に対し、前記研磨剤供給部から前記研磨剤を供給させながら前記研磨部によって該金属膜の表面を研磨させ、その後、前記研磨剤によって研磨された前記金属膜の表面に対し、前記酸化剤および前記研磨剤を供給させながら前記研磨部によって該金属膜の表面を研磨させるよう制御する制御部と
を備えることを特徴とする半導体装置の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、層間絶縁膜内に金属配線が設けられる半導体装置がある。かかる金属配線は、例えば、配線溝等の凹部が形成された層間絶縁膜の表面にＣｕ等の金属膜が形成された後、凹部以外の層間絶縁膜の表面に形成された不要な部分の金属膜がＣＭＰ（化学機械研磨）によって除去されて形成される。
【０００３】
ＣＭＰでは、金属膜の表面を化学的に研磨するための薬液と、金属膜の表面を機械的に研磨するための砥粒とを含むスラリーを研磨対象となる金属膜の表面へ供給しながら研磨することで金属膜の表面を化学的および機械的に研磨する。しかしながら、ＣＭＰでは、研磨する金属膜の膜厚が増大した場合に、研磨時間が嵩むという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−８５３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の一つの実施形態は、金属膜の研磨時間を短縮することができる半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの実施形態によれば、半導体装置の製造方法が提供される。半導体装置の製造方法は、絶縁膜に形成された凹部を埋め込み該絶縁膜の表面に金属膜を形成する工程と、砥粒を含まない酸化剤を供給しながら該金属膜の表面を研磨する第１の研磨工程とを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、実施形態に係る半導体装置の製造装置を示す模式的な説明図である。
【図２】図２は、実施形態に係る半導体装置の製造装置を示す模式的な説明図である。
【図３】図３は、実施形態に係る半導体装置の製造装置を示す模式的な説明図である。
【図４−１】図４−１は、実施形態に係る製造装置による半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である。
【図４−２】図４−２は、実施形態に係る製造装置による半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である。
【図４−３】図４−３は、実施形態に係る製造装置による半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である。
【図４−４】図４−４は、実施形態に係る製造装置による半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に添付図面を参照して、実施形態に係る半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。
【０００９】
図１〜図３は、実施形態に係る半導体装置の製造装置（以下、単に、「製造装置１」と記載する）を示す模式的な説明図である。図１に示す製造装置１は、例えば、半導体ウェハ（以下、「ウェハＷ」と記載する）に対してＣＭＰ（Chemical  Mechanical  Polishing：化学機械研磨）を行う装置である。
【００１０】
かかる製造装置１は、図１に示すように、例えば、発砲ポリウレタン等の樹脂によって形成された研磨布２１が上面に貼付される研磨定番２２と、研磨定番２２の底面に連結される回転シャフト２３を回転させる定番駆動部２４とを備える。なお、研磨布２１は、発泡性の樹脂に限らず、無発泡性樹脂や不織布であってもよい。
【００１１】
また、製造装置１は、研磨対象となるウェハＷの研磨面とは逆側の面を吸着して保持する研磨ヘッド３１と、研磨ヘッド３１の上面に連結される回転シャフト３２を回転させるヘッド駆動部３３とを備える。
【００１２】
また、製造装置１は、研磨布２１へ砥粒を含まない酸化剤４１を供給する酸化剤供給部４と、研磨布２１へ酸化剤４１を含まずに砥粒を含む研磨剤５１（図２参照）を供給する研磨剤供給部５とを備える。さらに、製造装置１は、定番駆動部２４、ヘッド駆動部３３、酸化剤供給部４および研磨剤供給部５の動作を制御する制御部６を備える。
【００１３】
なお、製造装置１では、研磨布２１、研磨定番２２、回転シャフト２３、定番駆動部２４、研磨ヘッド３１、回転シャフト３２、ヘッド駆動部３３が協働して、研磨対象を研磨する研磨部として機能する。
【００１４】
かかる製造装置１では、一般に、研磨布２１へ酸化剤４１および研磨剤５１の双方を供給しながら、研磨ヘッド３１によって吸着保持されたウェハＷの研磨面を研磨布２１の上面へ押圧した状態で、研磨定番２２と研磨ヘッド３１とを同時に回転させる。つまり、製造装置１では、研磨布２１を介してウェハＷへ供給される酸化剤４１による化学的研磨と、研磨剤５１による機械的研磨とを同時に行うことでＣＭＰを行うことが一般的である。
【００１５】
ここで、一般的な研磨剤５１は、砥粒に加え、極端な過研磨を抑制するために、研磨抑制剤が添加されている。このため、酸化剤４１および研磨剤５１の双方をウェハＷへ供給しながらウェハＷを研磨する従来の一般的なＣＭＰ手法では、研磨対象部分の膜厚が比較的薄い分にはそれほど問題にはならないが、研磨対象部分の膜厚が増大した場合、研磨時間が嵩むという問題が生じる。また、研磨時間が嵩むほど、研磨剤５１や酸化剤４１の使用量も嵩むという問題も生じる。
【００１６】
また、ウェハＷへ印加する押圧力（図１に示す白抜き矢印参照）の増大、またはウェハＷの回転速度の上昇によって研磨時間をある程度短縮することは可能だが、その反面、研磨剤５１の性質によって研磨の凹凸選択性が乱れ、研磨面の平坦性の維持が困難となる。
【００１７】
そこで、製造装置１の制御部６は、研磨対象部分の膜厚が比較的厚い場合、図１に示すように、まず、酸化剤供給部４へ酸化剤４１の供給指令Ｓ１を出力した状態で、研磨定番２２および研磨ヘッド３１を回転させることにより第１の研磨工程を行う。
【００１８】
これにより、製造装置１では、研磨剤５１に含まれる研磨抑制剤による研磨抑制力を排除した状態で研磨対象部分を研磨することができるので、研磨対象部分の研磨時間を短縮することができるとともに、研磨剤５１の使用量を低減することができる。
【００１９】
そして、制御部６は、研磨対象部分の研磨量が所望の研磨量に達する前に、酸化剤４１を供給しながらの研磨（第１の研磨工程）を停止する。この時点で、研磨対象部分の大半が研磨される。なお、かかる研磨剤５１を供給せずに酸化剤４１を供給しながら研磨対象部分を研磨する時間は、予め試験を行うことによって決定される。
【００２０】
その後、製造装置１では、研磨対象部分の研磨量を所望の研磨量まで到達させ、さらに、研磨面の平面性を向上させるために、研磨剤５１および酸化剤４１を研磨布２１へ供給しながらウェハＷを研磨する必要がある。だたし、製造装置１では、新たに研磨剤５１や酸化剤４１を研磨布２１へ供給する前に、研磨布２１からウェハＷの削りカスや反応済みの酸化剤を除去するドレッシングを行う必要がある。
【００２１】
ここで、研磨布２１のドレッシングを行った場合、ドレッシング期間中に、ウェハＷの研磨面に残存する酸化剤４１によって研磨面が酸化され、酸化膜が形成される。かかる酸化膜は、半導体装置においては不要な酸化膜であり、また、後に行なう研磨剤５１および酸化剤４１を研磨布２１へ供給しながら行う研磨の際に、酸化剤４１による化学的研磨の妨げとなる。
【００２２】
そこで、製造装置１の制御部６は、ドレッシングが終了した後、図２に示すように、研磨剤供給部５へ研磨剤５１の供給指令Ｓ２を出力した状態で、研磨定番２２および研磨ヘッド３１を回転させることにより第２の研磨工程を行う。これにより、ウェハＷの研磨面に形成された不要な酸化膜を機械的研磨により除去することができる。
【００２３】
なお、かかる機械的研磨（第２の研磨工程）が終了した後に、再度、研磨布２１のドレッシングが行われるが、ここでの機械的研磨では、酸化剤４１が用いられないので、ウェハＷの研磨面に酸化膜が形成され難い。
【００２４】
その後、制御部６は、図３に示すように、酸化剤供給部４へ酸化剤４１の供給指令Ｓ１を出力すると共に、研磨剤供給部５へ研磨剤５１の供給指令Ｓ２を出力した状態で、研磨定番２２および研磨ヘッド３１を回転させることにより第３の研磨工程を行う。これにより、ウェハＷにおける研磨対象部分の研磨量を所望の研磨量まで到達させ、さらに、研磨面の平面性を向上させることができる。
【００２５】
次に、図４−１〜図４−４を参照し、製造装置１によって研磨される研磨対象の研磨態様の一例について説明する。図４−１〜図４−４は、実施形態に係る製造装置１による半導体装置の製造工程を示す模式的な断面図である。なお、図４−１〜図４−４には、ウェハＷの天地を図１〜図３に示す状態とは逆、つまり、研磨ヘッド３１によるウェハＷの吸着面を下、研磨布２１による研磨面を上とした状態を示している。
【００２６】
また、ここでは、層間絶縁膜７１の内部に、近距離通信用のインダクタとして用いられるＣｕ（銅）膜７３を埋め込み、不要な部分のＣｕ膜７３を研磨によって除去する工程を例に挙げて説明する。かかるインダクタとして用いられるＣｕ膜７３は、層間絶縁膜７１内に埋め込まれる他の一般的な金属配線と比べ、ウェハＷの厚さ方向の厚みが３倍程度厚く形成される。
【００２７】
図４−１に示すように、酸化シリコン等の層間絶縁膜７１内にインダクタ用のＣｕ膜７３を埋め込む場合、まず、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチング技術を用い、層間絶縁膜７１の所定位置に、Ｃｕ膜７３を埋め込むための凹部を形成する。
【００２８】
続いて、凹部を含む層間絶縁膜７１の表面に、例えば、ＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）によって、ＴａＮ（窒化タンタル）膜７２をバリアメタルとして成膜する。その後、凹部を含むＴａＮ膜７２の表面に、例えば、電界メッキ法によって膜厚が６μｍ程度のＣｕ膜７３を形成する。これにより、凹部内へＣｕ膜７３が埋め込まれ、ＴａＮ膜７２における凹部以外の表面には、膜厚が６μｍ程度のＣｕ膜７３が形成される。
【００２９】
製造装置１では、層間絶縁膜７１における凹部以外の表面から、かかる厚さが６μｍ程のＣｕ膜７３とＴａＮ膜７２とを研磨によって除去する。具体的には、製造装置１は、図４−１に示すように、研磨布２１を介してＣｕ膜７３の表面へ、砥粒を含まない酸化剤４１を供給しながらＣｕ膜７３の表面を研磨する第１の研磨工程を行う。なお、ここでは、研磨対象がＣｕ膜７３であるため、酸化剤４１として、例えば、ＡＰＳ（過硫酸アンモニウム）が用いられる。
【００３０】
このとき、製造装置１は、研磨ヘッド３１から研磨布２１へ向かう方向（図１に示す白抜き矢印参照）へ、例えば、３００hPa程度の押圧力をウェハＷに印加しながら、酸化剤４１を使用した第１の研磨工程を行う。
【００３１】
ここで、仮に、ウェハＷへ押圧力を印加せず、Ｃｕ膜７３の表面へ酸化剤４１を供給するだけでは、Ｃｕ膜７３の表面でウェットエッチングと同様の反応がおこるだけなので、凹部を含むＣｕ膜７３の表面全体が均等な速さで削り取られる。
【００３２】
これでは、凹部におけるＣｕ膜７３が所望の深さまでエッチングが進んだ時点で、凹部以外の層間絶縁膜７１上に不要なＣｕ膜７３が多く残存することになる。しかも、かかる場合、Ｃｕ膜７３は、凹部の形状を残したまま膜厚が薄くなるので、表面の平坦性が向上しない。
【００３３】
これに対して、製造装置１では、Ｃｕ膜７３を所定の押圧力で研磨布２１へ押し当てながら酸化剤４１を供給しつつＣｕ膜７３の表面を研磨する。これにより、製造装置１では、Ｃｕ膜７３の表面のうち研磨布２１と接触する部分、つまり、凹部以外の部分が凹部よりも優先的に研磨される。したがって、製造装置１によれば、Ｃｕ膜７３の平面性を向上させつつ、研磨剤５１を併用する場合に比べて短時間でＣｕ膜７３を研磨することができる。
【００３４】
その後、製造装置１では、凹部以外のＴａＮ膜７２上に残存するＣｕ膜７３の厚さが、例えば、２μｍ程度となった時点で、酸化剤４１を供給しながらの研磨を終了する。ここで製造装置１は、かかる酸化剤４１を供給しながらの研磨を、例えば、３０秒〜６０秒継続して行って終了する。
【００３５】
続いて、製造装置１では、前述した研磨布２１のドレッシングが行われる。この期間に、図４−２に示すように、Ｃｕ膜７３の表面に前述した不要な酸化膜である酸化銅膜７４が形成されることがある。
【００３６】
そこで、製造装置１は、図４−２に示すように、研磨布２１を介してＣｕ膜７３の表面へ、酸化剤４１を含まず砥粒を含んだ研磨剤５１を供給しながらＣｕ膜７３表面の酸化銅膜７４を研磨して除去する第２の研磨工程を行う。ここで、製造装置１は、かかる研磨剤５１を供給しながらの第２の研磨工程を、例えば、３０秒程度継続することで酸化銅膜７４を除去する。
【００３７】
なお、かかる研磨剤５１には、砥粒として、例えば、径が数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの酸化シリコン、酸化アルミニウム、アルミナ、酸化セリウム、酸化マンガン、ダイヤモンド等の粒子が含まれる。その後、製造装置１では、前述した研磨布２１のドレッシングが行われる。
【００３８】
続いて、製造装置１は、図４−３に示すように、研磨布２１を介してＣｕ膜７３の表面へ、酸化剤４１および研磨剤５１の双方を供給しながらＣｕ膜７３表面を研磨する第３の研磨工程を行う。さらに、製造装置１は、かかる研磨を継続することで、図４−４に示すように、凹部以外のＴａＮ膜７２を研磨によって除去し、層間絶縁膜７１に埋め込まれたインダクタとして用いられるＣｕ膜７３を形成する。ここで、製造装置１は、かかる酸化剤４１および研磨剤５１の双方を供給しながらの研磨を、例えば、５分程度継続して研磨を終了する。
【００３９】
上述してきたように、実施形態に係る半導体装置の製造方法は、絶縁膜に形成された凹部を埋め込み該絶縁膜の表面に金属膜を形成する工程と、砥粒を含まない酸化剤を供給しながら該金属膜の表面を研磨する第１の研磨工程とを含む。
【００４０】
これにより、実施形態に係る半導体装置の製造方法は、酸化剤および研磨剤の双方を金属膜の表面へ供給しながら金属膜の表面を研磨する場合よりも、金属膜の研磨時間を短縮することができる。さらに、実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、酸化剤および研磨剤の双方を金属膜の表面へ供給しながら金属膜の表面を研磨する場合よりも、金属膜の研磨に使用する研磨剤および酸化剤の使用量を低減することができる。
【００４１】
また、実施形態に係る半導体装置の製造方法は、前記第１の研磨工程の後、前記酸化剤によって酸化された前記金属膜の表面へ、酸化剤を含まない研磨剤を供給しながら該金属膜の表面を研磨する第２の研磨工程を含む。
【００４２】
これにより、実施形態に係る半導体装置の製造方法は、後に行なう研磨剤および酸化剤を金属膜へ供給しながら行う研磨の際に、酸化剤による化学的研磨の妨げとなる不要な酸化膜を研磨剤による機械的研磨によって除去することができる。
【００４３】
また、実施形態に係る半導体装置の製造方法は、前記第２の研磨工程の後、前記研磨剤によって研磨された前記金属膜の表面へ、前記酸化剤および前記研磨剤を供給しながら該金属膜の表面を研磨する第３の研磨工程を含む。これにより、実施形態に係る半導体装置の製造方法は、最終的な研磨面の平坦性を向上させることができる。
【００４４】
また、実施形態に係る半導体装置の製造方法により研磨される金属膜が銅を主成分とするものである場合、例えば、層間絶縁膜へＣｕ膜を埋め込こんで形成されるインダクタやコンダクタ、キャパシタ、貫通電極（Ｃｕプラグ）、Ｃｕ配線等の形成時間を短縮することができる。
【００４５】
なお、上述した実施形態では、研磨対象がＣｕ膜の場合について説明したが、実施形態に係る半導体装置の製造方法および製造装置による研磨対象は、Ｃｕ膜に限定するものではない。つまり、研磨対象は、例えは、タングステン、アルミニウム、ルテニウム等、酸による研磨が可能な任意の金属膜であってもよい。
【００４６】
なお、研磨対象がタングステンの場合、酸化剤として、例えば、Ｈ２Ｏ２（過酸化水素）、Ｆｅ（ＮＯ３）３（硝酸鉄）、ＡＰＳ等が用いられる。また、研磨対象がアルミニウムの場合、酸化剤として、例えば、Ｈ２Ｏ２、ＡＰＳ等が用いられる。また、研磨対象がルテニウムの場合、酸化剤として、Ｈ２Ｏ２が用いられる。
【００４７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４８】
１   製造装置、  ２１  研磨布、  ２２  研磨定番、  ２３  回転シャフト、  ２４  定番駆動部、  ３１  研磨ヘッド、  ３２  回転シャフト、  ３３  ヘッド駆動部、  ４  酸化剤供給部、  ４１  酸化剤、  ５  研磨剤供給部、  ５１  研磨剤、  ６  制御部、  ７１  層間絶縁膜、  ７２  ＴａＮ膜、  ７３  Ｃｕ膜、  ７４  酸化銅膜、  Ｓ１、Ｓ２  供給指令、  Ｗ  ウェハ
【図１】
2014027012.tif 000003
【図２】
2014027012.tif 000004
【図３】
2014027012.tif 000005
【図４−１】
2014027012.tif 000006
【図４−２】
2014027012.tif 000007
【図４−３】
2014027012.tif 000008
【図４−４】
2014027012.tif 000009