(57)【要約】【課題】  所要の酸化力に応じて酸化力の制御が行える物質を用いて、研磨対象の相状態を化学的機械的研磨に適した状態に制御する。【解決手段】  研磨対象を化学的機械的研磨に対して適切な相状態に制御して、化学的機械的研磨を研磨精度、効率等の面で適切に行う。例えば、タングステン等の研磨対象の相状態を、電解イオン水を酸化還元電位調整材として、砥粒、pH調整材と共に使用することで、酸性度の高い範囲で、酸化還元電位を1.4Vに維持し、タングステンを安定研磨が可能なWO3の固体状態の相状態に制御して化学的機械的研磨を行う。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハ上に形成された膜の化学的機械的研磨を行う工程を有する半導体装置の製造方法であって、
酸化還元電位を調整する電解イオン水と、
pHを調整するpH調整材と、
砥粒とを用いて、前記化学的機械的研磨を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記電解イオン水と、前記pH調整材とは、独立に制御されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体装置の製造方法において、
前記化学的機械的研磨の進行状況に合わせて、前記電解イオン水で酸化還元電位を制御しながら化学的機械的研磨することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記電解イオン水は、アノード水であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記電解イオン水は、カソード水であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
半導体ウエハ上に形成された膜を化学的機械的研磨する半導体製造装置であって、
砥粒を供給する砥粒供給手段と、
酸化還元電位調整材として使用する電解イオン水を供給する電解イオン水供給手段と、
pH調整材を供給するpH調整材供給手段とを有することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項７】
請求項８記載の半導体製造装置において、
酸化還元電位監視手段と、
pH監視手段とを有することを特徴とする半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）の技術に関し、特に研磨対象の酸化還元電位を制御することで化学的機械的研磨を効率的に行うのに有効な技術である。
【背景技術】
【０００２】
以下に説明する技術は、本発明を完成するに際し、本発明者によって検討されたものであり、その概要は次のとおりである。
【０００３】
化学的機械的研磨技術は、近年、益々半導体装置の高集積化が要求されるなか、半導体ウエハの高精度平坦化において極めて重要な技術として位置づけられている。化学的機械的研磨は、回転する研磨パッドと半導体ウエハ上に形成された成膜の被研磨面との間に、砥粒と薬液とからなるスラリーを供給しながら行う研磨である。
【０００４】
例えば、半導体装置の製造方法における配線技術として、開孔させたコンタクトやスルーホール内に、Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ（チタン）等のバリア用導電性金属膜と、これに積層させた銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）等の配線用導電性金属膜とを埋め込み、その後に化学的機械的研磨で平坦にする技術がある。
【０００５】
かかる化学的機械的研磨においては、研磨条件の設定が研磨レートに大きく影響を与える。研磨対象の膜種に合わせて慎重に研磨条件の設定が行われるが、かかる研磨条件の一つとして、pH条件の設定が挙げられる。化学的機械的研磨は、砥粒で物理的に膜の研磨を行うものではあるが、研磨レートの向上には薬液と研磨対象の膜との化学反応が大きな役割を果たしている。そのため、研磨条件におけるpH条件は重要な意味を有する。
【０００６】
かかる化学的機械的研磨におけるpH条件に関しては、特許文献１に、電解イオン水を用いてpH条件の設定を行うことが開示されている。それまで使用していたpH調整材では、どうしても金属の混入が避けられないため、電解イオン水を用いることで、極力化学的機械的研磨工程での金属汚染を防止とようとする技術である。
【特許文献１】特開平１０−３２４８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者は、これまでの化学的機械的研磨の技術においては、以下の課題があることを見出した。
【０００８】
本発明者は、化学的機械的研磨に関しての業務に従事する中、プラグ形成等で使用される金属のタングステンは、被研磨膜としては硬い物質のため機械的研磨以上に、化学的研磨に負うところが多いことを実感していた。
【０００９】
かかるタングステンの化学的機械的研磨については、化学的機械的研磨の研磨対象のタングステンがどのような状態にあるかが、研磨レートに大きな影響を及ぼすことが知られている。タングステンに関しては、図１の相図に示すように、タングステンが置かれているpH条件、酸化還元電位条件で、タングステンの相状態が異なっている。
【００１０】
タングステンの化学的機械的研磨においては、タングステンが固体の状態、いわゆるソリッド（solid、図中ｓで示す）の状態で化学的機械的研磨する方が、精度が高い研磨が行えると言われている。一方、タングステンが水溶性の状態、いわゆるアッカス（aquos、図中aqで示す）の状態は、ソリッドの状態に比べて軟らかくなり研磨し易いと言われている。
【００１１】
かかるタングステンの相状態は、図１に示すように、タングステンが置かれているpH条件、酸化還元電位条件で大きく異なり、例えば、酸化還元電位が0.4V以上では、pHが５より大きい場合には、WO42-(aq)の状態となっている。一方、pHが約2から約5.4の範囲では、W12O4110-(aq)の状態であり、pHが約1.8から約2.2の範囲では、WO3(s)の固体状態となる。
【００１２】
タングステンの化学的機械的研磨においては、タングステン(W)を積極的に酸化してWnOmの組成で示される固体状態にして研磨すると良いと言われている。例えば、化学的機械的研磨の研磨対象のタングステン膜表面を化学的に酸化してWO3(s)の状態にし、化学的機械的研磨を行うものである。タングステン表面をWO3(s)の状態にするため、例えば、pHを1.8以下に調整し、且つ、過酸化水素(H2O2)と硝酸カリウム(KNO3)を用いて電位を0.5Vとすることで安定した精度の高い研磨を行うことが提案されている。
【００１３】
かかる条件でタングステンの化学的機械的研磨を行うには、砥粒と、例えば、上記の如く、H2O2とKNO3とで構成された酸化剤と、KNO3と水酸化カリウム(KOH)とからなるpH調整材とを用いて行うことが考えられる。
【００１４】
しかし、酸化材としてKNO3を用いると、化学的機械的研磨工程において金属のkによる半導体ウエハの金属汚染を招来する虞がある。また、KNO3はpH変動に及ぼす影響が大きいため、化学的機械的研磨の進行に合わせて酸化材としてのKNO3の濃度が変化すると、それに合わせてpHも変化し、安定した化学的機械的研磨を行わせるのに必要なpHを一定範囲に調整維持する条件の確保が難しい。
【００１５】
そこで、pH調整がより容易に行えるように、KNO3を使用することなく、酸化材として中性のH2O2を用いて、KOHによりpH調整を行う場合もある。かかる酸化材としてのH2O2は、ＥＬグレード（半導体クラス）の高純度試薬として調達可能で、かかるH2O2からの半導体ウエハの汚染に関しての懸念はない。
【００１６】
しかし、H2O2は自然に自己分解するため、酸化力の低下が常に懸念される。例えば、H2O2を予め砥粒を含めたスラリーに加えて調製したプレミクススラリーと、H2O2を化学的機械的研磨する直前に、化学的機械的研磨装置のプラテン上で加えて調製するポストミクススラリーとでは、それぞれに含まれるH2O2の自己分解の程度が異なり、自己分解に起因する酸化力の低下に基づいたタングステンの研磨速度に違いが発生すると言われている。
【００１７】
そこで、酸化材としてH2O2を用いる場合には、H2O2の自己分解を考慮して、その活性度の時間変化を管理する必要が生ずる。しかし、H2O2の自己分解は、H2O2の濃度、液性、温度、圧力等で微妙に変化するため、精度よく管理することは難しいのが現状である。
【００１８】
かかるH2O2の自己分解の難しい管理を避けるためには、前述のKNO3をも含めた種々の酸化材から、適当なものを選択して使用せざるを得ない。酸化材には、研磨対象毎に所要の研磨レートを確保するために、適切な酸化力が求められ、場合によっては、鉄（Fe）、マンガン(Mn)等の金属塩から構成される酸化材の使用を決断せざるを得ない場合もある。
【００１９】
しかし、かかる金属塩の使用は、化学的機械的研磨後の洗浄の問題にも関係はするが、前述の如く、化学的機械的研磨後の半導体ウエハの金属汚染の虞があるため、極力その使用は避けるべきと本発明者は考えた。
【００２０】
そこで、本発明者は、金属汚染の懸念がない酸化材としてオゾン（O3）の使用を考えたが、しかし、O3も自己分解を行う化学種で、ある意味では、H2O2よりも扱い難い存在でもある。また、O3を電極間の放電により発生させる場合には、発生させるO3中に電極由来の金属が含まれる可能性が十分にあり、金属汚染という観点からも、H2O2に比べて十分に安全な酸化材とは言えないのが現状である。
【００２１】
特許文献１に記載の技術では、金属の化学的機械的研磨に際して、pH条件を所定範囲に制御するために、電解イオン水を用いて、それまで使用されていたpH調製材からの金属汚染の影響を排除しようとする技術が開示されている。かかる開示の技術は優れたものではあるが、しかし、図２に示すように、金属の相状態は、少なくともpH条件と酸化還元電位の条件とで規定されるものであり、最適な化学的機械的研磨を行うためには両条件の制御が必要と考えられる。
【００２２】
特許文献１に記載の如く、pH条件のみで安定な化学的機械的研磨が行える場合はともかくも、タングステンのように、少なくとも一方ではpH条件を最適範囲に制御し、他方では酸化還元電位条件を最適範囲に制御することで、化学的機械的研磨に最適な相状態が得られる系では、両条件を個々独立に制御する必要があるものと本発明者は着想した。特許文献１に開示の構成では、かかる両条件の独立制御は行えない。
【００２３】
化学的には、pH調整材、酸化材の双方の機能を示す化学種もあるが、しかし、両機能は異なる作用を有するもので、必ずしも両立し得るものではない。双方の機能を両立させようとして、一方の条件を最適範囲に収めるべく濃度調整を行うと、他方の条件を最適範囲に収めるための濃度調節が行えず、双方の条件を最適範囲に収めるべく両機能を両立させることが難しいのが現状である。かかる点は、pH調整材、酸化材の双方の役割を有する化学種が一つの場合でも、あるいは複数の化学種の組み合わせでも同様である。
【００２４】
また、本発明者は、化学的機械的研磨に際して使用する化学物質に由来する金属汚染の懸念を払拭させるには、前述の如く、金属塩の使用を排除することが最適と考え、その検討をする中、pH調整材ではアンモニア等を含めて金属を含まない化学種の選定範囲は広いが、酸化材の場合にはその酸化力は酸化材を構成する金属元素の性質に起居する場合が多く、pH調整材に比べて金属塩を含まない化学種の選定が難しい事実に気がついた。
【００２５】
そこで、本発明者は、極力金属塩の使用を排除しようとする場合には、先ず、酸化材として金属を含まないで所要の酸化力を確保することができる物質の探索が必要と考えた。
しかし、酸化力は、化学的機械的研磨の研磨対象の膜種、研磨条件等により求められるその度合いが異なるため、それぞれの酸化力に対応して異なる化学種を選定するのであれば、多数の化学物質をスクリーニングする等、その探索に膨大な時間がかかることが予想され、差し迫った課題への対応は難しい。酸化力の調整が自在に制御できるような物質の探査が、是非とも必要と本発明者は考えた。
【００２６】
さらに、本発明者は、実際のデバイスのプロセスにおける化学的機械的研磨に従事する中、例えば、タングステンプラグ形成での化学的機械的研磨終了時点で、タングステンとその周囲の酸化シリコン(SiO2）とでは、その研磨レートの違いに基づき、図２に示すように、タングステンプラグ等の存在密度が高い領域でのエロージョン、あるいは、比較的大きな領域を占めるタングステンプラグのデイッシング、リセス等の障害が発生することに直面し、かかる化学的機械的研磨後の障害発生の防止技術の技術開発への対応も早急に必要と考えていた。
【００２７】
例えば、タングステン膜の場合には、前述の如く、化学的機械的研磨でも化学的研磨の条件によりその研磨レートが大きな影響を受け、最適研磨を図るにはその相状態を考慮することが好ましいことが知られているが、本発明者はかかる点を踏まえて、研磨終点近くでタングステンの相状態を制御することで、タングステン膜とその周囲の研磨レートの選択比を調整してかかる障害防止が図れないかと、新たな視点からの新規な発想を得た。
【００２８】
すなわち、タングステンの相状態である酸化状態を制御することで、タングステン膜とその周囲にあるSiO2との研磨レートの選択比を同一に制御する等ができれば、かかる障害の防止が行える筈と考えたのである。
【００２９】
本発明の目的は、所要の酸化力に応じて酸化力の制御が行える物質を用いて、研磨対象の相状態を、化学的機械的研磨に適した状態に制御することにある。
【００３０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
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。
【００３２】
すなわち、電解イオン水を酸化還元電位調整材として使用することで、研磨対象の相状態を化学的機械的研磨に適した相状態に制御して化学的機械的研磨を行う。
【発明の効果】
【００３３】
本願におい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。
【００３４】
電解イオン水を酸化還元電位調整材として用いて、研磨対象の相状態を制御することができるため、最適の研磨レートの設定ができ、例えば、化学的機械的研磨の精度向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
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。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００３６】
本発明は、研磨対象を化学的機械的研磨に対して適切な相状態に制御して、化学的機械的研磨を研磨精度、効率等の面で適切に行う技術である。研磨対象の相状態の制御に際しては、電解イオン水を酸化還元電位調整材として使用する。
【００３７】
化学的機械的研磨の研磨対象として半導体ウエハ上に成膜された金属膜を対象とする場合には、その金属膜毎に、化学的機械的研磨に適した相状態がある。かかる相状態は、pHと酸化還元電位とで規定され、その様子は例えば図１に示すように、相図により的確に示される。かかる相図は、既に公表されているものがあればそれを使用すればよく、適当な相図が無い場合には、実験に基づき作成すればよい。
【００３８】
本発明では、pH調整材によるpH調整と、酸化還元電位調整材として使用する電解イオン水による酸化還元電位の調整とで、研磨対象の金属膜を、かかる相図に示される相状態のうち化学的機械的研磨に適した相状態に制御して化学的機械的研磨を行う。
【００３９】
以下の説明では、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）を研磨対象の一例としてそれぞれ挙げ、上記構成の本発明の説明を行う。しかし、本発明の適用は、かかる金属に限定する必要はない。
【００４０】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明に係る半導体装置の製造方法について、化学的機械的研磨の研磨対象を、多層配線構造を構成するタングステンプラグの形成に際してのタングステンとした場合を例に挙げて説明する。
【００４１】
例えば、多層配線構造を有する半導体装置の製造に際しては、先の工程で半導体ウエハ上の層間絶縁膜に形成されたコンタクトホール内にタングステンが埋め込まれた状態で、本発明の適用が考慮される化学的機械的研磨工程に搬入されるものとする。
【００４２】
搬入された半導体ウエハは、図３（ａ）でコンタクトホール部分に着目して模式的に示すように、メタル配線層１０の上にSiO2からなる層間絶縁膜２０が積層されている。層間絶縁膜２０には、メタル配線層１０との導通をはかるためのコンタクトホール２１が形成され、コンタクトホール２１内に、TiN/Ti等を積層させた導電性バリア膜３０が薄く設けられている。
【００４３】
かかる導電性バリア膜３０上に、タングステン膜４０がＣＶＤ法等により成膜され、コンタクトホール２１内のタングステンの埋め込みが形成されている。かかる状態のタングステン膜４０に対して、化学的機械的研磨を施すことにより、図３（ｂ）に示すように、タングステンプラグ４１を形成する。
【００４４】
かかるタングステン膜４０の化学的機械的研磨に際しては、タングステン膜４０の表面をWO3の相状態に制御して、研磨精度を高められる条件で化学的機械的研磨を行うものとする。図４に示すように、タングステンの相状態は、pHと、酸化還元電位に基づき、種々の相状態が存在することが確認される。タングステンの化学的機械的研磨では、WO3は固体状態で、WO42-のアッカス状態に比べて硬い相状態ではあるが、化学的機械的研磨は研磨レートがそれ程大きくなく精度の高い研磨が行える相状態である。
【００４５】
図４に示すように、かかる固体状態は、特定のpH、酸化還元電位の範囲で得られる相状態である。そこで、本発明では、化学的機械的研磨に際して、研磨対象のタングステン膜４０の表面状態を、かかる固体の相状態に制御することとなる。制御に際しては、かかる固体状態が、研磨途中で他の相状態に移行しないように安全率を考慮して、固体の相状態が確実に得られるように酸化還元電位を1.2V以上に設定して行うものとする。
【００４６】
相状態の制御に際しては、電解イオン水を用いて行う。電解イオン水のうちアノード水を用いると、図４の曲線ｇに示すように、pHの低い範囲では酸化還元電位が高くなり、容易に1.2V以上の酸化還元電位を得ることができる。因みに、図４に併記した直線ｈは、酸溶液あるいはアルカリ溶液を用いて酸化還元電位の調整を行う場合を示しているが、1.2V以上に酸化還元電位を上昇させることができず、化学的機械的研磨途中で何らかの条件変動があった場合に、研磨しているタングステン膜４０の表面が固体の相状態から別の相状態に移行する虞が懸念される。
【００４７】
しかし、本発明では、電解イオン水を用いることで、かかる懸念を払拭した状態で、タングステン膜４０の化学的機械的研磨を行うことができる。
【００４８】
より詳細には、かかる化学的機械的研磨に際しては、例えば、砥粒１０重量％、pH調整材としてHNO3を用いたスラリーを使用した。併せて、タングステン膜４０の表面をWO3の固体の相状態に制御するための酸化還元電位調整材として、電解イオン水を用いた。電解イオン水は、電解質としてHNO3を添加した超純水から生成させた酸性の電解イオン水であるアノード水を使用した。上記構成のスラリーとアノード水は、化学的機械的研磨に際して、プラテン上で直接混合した。このようにしてスラリーのpHをHNO3で２に、酸化還元電位を1.3Vにそれぞれ独立に制御して、研磨精度の高い、すなわち研磨終点が的確に把握できる化学的機械的研磨を行うことができた。
【００４９】
（実施の形態２）
上記実施の形態では、タングステン膜４０の化学的機械的研磨に際して、研磨開始から研磨終了まで、研磨対象のタングステンを研磨精度が高い固体状態に維持した状態で行う場合について説明したが、本実施の形態では、研磨の進行状況に合わせて、適宜にpH条件、酸化還元電位条件を変化させて適正条件に制御しながら、前記実施の形態１に示す場合よりも、速い化学的機械的研磨を行えるようにした。
【００５０】
すなわち、図５、６に示すように、タングステン膜４０の化学的機械的研磨を、複数のステップＳ１０、Ｓ２０、Ｓ３０に分け、ステップ毎に研磨対象のタングステンの相状態を適切な相状態に制御しながら化学的機械的研磨を行う。
【００５１】
かかる化学的機械的研磨では、上記実施の形態１と同様に、砥粒１０重量％、pH調整材としてHNO3を用いたスラリーを使用した。併せて、酸化還元電位調整材として、電解質を加えない超純水から生成した電解イオン水のアノード水を使用した。スラリーと電解イオン水とは、プラテン上で直接混合した。
【００５２】
かかる砥粒、pH調整材、酸化還元電位調整材としてのアノード水とで、化学的機械的研磨の開始に際しては、図５のＡ、図６のステップＳ１０で示すように、初期の研磨条件を、スラリーのpHをHNO3で３に、酸化還元電位を1.4Vにそれぞれ独立に調整制御した。かかる初期条件では、タングステンは、図５に示すように、W12O4110-の相状態となっており、WO3の固体状態に比べて軟らかく研磨レートが高い状態で化学的機械的研磨を進めることができる。
【００５３】
このように初期条件を設定することで、層間絶縁膜２０が露出するまでの大部分のタングステン膜４０を研磨スピード優先で化学的機械的研磨し、当初から固体の相状態に固定して研磨を進める上記実施の形態１とは異なり、研磨効率を格段に向上させることができる。
【００５４】
かかる初期条件で化学的機械的研磨を進め、タングステンのプラグ形成領域外で、層間絶縁膜２０のSiO2が８０％程度露出した状態で、すなわち、図５のＢ、図６のステップＳ２０に示すように、供給する酸化還元電位調整材としてのアノード水の酸化還元電位を徐々に低下させて0.6Vの中間条件に調整する。かかる中間条件に調整することで、意図的に、研磨対象のタングステン膜４０表面でのW12O4110-の相状態の形成速度を低下させる。pHは、初期条件と同じ３を維持する。
【００５５】
かかる中間条件で、プラグ形成領域外で、層間絶縁膜のSiO2の露出が１００％となるまで化学的機械的研磨を進める。かかる中間条件での化学的機械的研磨では、タングステンとSiO2との当初の研磨レートの選択比が３：１であったものが、１：１になるまで制御することができる。
【００５６】
このように選択比を１：１に設定することで、図２に示すように、タングステンプラグの形成に際してのデイッシング、リセス、エロージョン等の障害発生を防止することができる。
【００５７】
その後、図５のＣ、図６のステップＳ３０で示すように、ステップＳ２０の中間条件の酸化還元電位を0.6Vを維持しつつ、pHを1.5に調整して、研磨対象を固体の相状態に制御して精度の高い化学的機械的研磨を、例えば５秒続けて、研磨を終了する。
【００５８】
このように、本実施の形態で述べるように、化学的機械的研磨の進行状況に合わせて、例えば、研磨スピード優先の研磨条件、周囲との選択比を１：１に設定する研磨条件、研磨終点が精度高くできる研磨条件を適宜設定することで、研磨精度と研磨効率との双方を向上させることができる。
【００５９】
（実施の形態３）
上記実施の形態１、２では、化学的機械的研磨の研磨対象がタングステンの場合であったが、本実施の形態では研磨対象を銅（Cu）とした場合についての本発明の半導体装置の製造方法の適用について説明する。研磨対象が銅になっても、本発明の適用に際しては、電解イオン水を酸化還元電位調整材として使用し、化学的機械的研磨に適した銅の相状態に制御しながら化学的機械的研磨を行うものである。以下の説明では、ダマシンプロセスを例に挙げて説明する。
【００６０】
図７に示すように、本実施の形態で説明する化学的機械的研磨の対象である銅についても、タングステンと同様に、pH、酸化還元電位によりその各種相状態が規定されている。
また、図８は、図７に示す相図におけるアノード水による酸化還元電位の状況を示している。
【００６１】
例えば、銅配線の構造を有する半導体装置の製造に際しては、先の工程で半導体ウエハ上の絶縁膜に形成された配線溝内に銅が埋め込まれ、その状態で、本発明の適用が図られる化学的機械的研磨工程に搬入されるものとする。
【００６２】
搬入された半導体ウエハは、図９（ａ）でダマシン部分に着目して模式的に示すように、SiO2からなる絶縁層６０の上にバリア膜７０が薄く設けられている。かかるバリア膜７０上に、銅膜８０が成膜され、配線溝６１内に銅の埋め込みが行われている。かかる状態の銅膜８０に対して、化学的機械的研磨を施すことにより、ダマシンプロセスにより、図９（ｂ）に示すように銅配線８１を形成する。
【００６３】
かかる銅膜８０の化学的機械的研磨に際しては、図１０、１１に示すように、研磨の進行状況に合わせて、適宜に酸化還元電位を変化させて適正条件に制御しながら化学的機械的研磨を行う。すなわち、図１０、１１に示すように、銅膜８０の化学的機械的研磨を、複数のステップに分け、ステップ毎に研磨対象の銅の相状態を適切に制御する。
【００６４】
かかる化学的機械的研磨では、砥粒１重量％のコロイダルシリカ、pH調整材としてNH4OHを用いたスラリーを使用した。併せて、酸化還元電位調整材として、電解質を加えない超純水から生成した電解イオン水のカソード水を使用した。スラリーと電解イオン水とは、プラテン上で直接混合した。
【００６５】
先ず、図１０のＡ、図１１のステップＳ１００に示すように、かかる砥粒、pH調整材で化学的機械的研磨の初期条件を、pH１２、酸化還元電位を約0.4Vに設定して、化学的機械的研磨を開始する。かかる初期条件での化学的機械的研磨では、研磨対象の銅膜８０の表面には、相状態が固体のCuOが形成されており、安定な化学的機械的研磨が行われる。
【００６６】
その後、銅配線８１形成領域外に、SiO2が１００％露出した状態で、図１０のＢ、図１１のステップＳ２００に示すように、酸化還元電位調整材として電解イオン水のカソード水を添加し、酸化還元電位を-0.4Vまで下げるように調節する。研磨対象の銅膜８０表面に、Cuが形成されて、銅の研磨レートが初期状態の選択比５：１から、１：５の状態に逆転する。かかる選択比の逆転を、pH条件を維持した状態で、電解イオン水の添加により独立に酸化還元電位の制御を行うことで容易に行うことができる。
【００６７】
このように、電解イオン水を用いることで、選択比を逆転させることで、図２に示すようなデイッシング等の障害発生を防止することができる。
【００６８】
本実施の形態で述べるように、化学的機械的研磨の進行状況に合わせて、例えば、研磨スピード優先の研磨条件から、研磨終点が精度高く検出できる条件を適宜設定することで、研磨精度と研磨効率との双方を向上させた銅の化学的機械的研磨を行うことができる。
【００６９】
尚上記説明では、シングルダマシンへの適用を例に挙げて説明したが、銅配線とプラグとを共に形成するデュアルダマシンにも適用できることは言うまでもない。
【００７０】
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明に係る半導体装置の製造方法で使用する半導体製造装置について説明する。本発明にかかる半導体製造装置１００は、図１２に示すように、化学的機械的研磨装置１００ａに構成されている。
【００７１】
化学的機械的研磨装置１００ａは、図１２に示すように、モータ１１１により回転させられる定盤１１２が設けられ、定盤１１２上面に研磨パッド１１３が設けられている。
【００７２】
研磨パッド１１３の表面に対しては、モータ１１４により回転可能に構成したウエハキャリア１１５にキャリアパッド１１６を介して装着したウエハＷが被研磨面を対面配置するように設けられている。併せて、研磨パッド１１３の上方には、スラリー供給配管１１７ａ、pH調整材供給配管１１７ｂ、電解イオン水供給配管１１７ｃにそれぞれ接続されたノズル１１７が設けられ、化学的機械的研磨に必要なスラリー、pH調整材、酸化還元電位調整材としての電解イオン水が研磨パッド１１３の表面に、供給直前に混合されて供給されるようになっている。かかる構成では、ノズル１１７は、スラリー供給手段、pH調整材供給手段、酸化還元電位調整材としての電解イオン水供給手段として機能している。
【００７３】
尚、図１２に示す構成では、スラリー供給手段、pH調整材供給手段、酸化還元電位調整材としての電解イオン水供給手段は、一つのノズル１１７に集約された形態を示したが、場合によっては、個々に専用のノズルを設ける構成も考えられる。あるいはスラリー供給手段、pH調整材供給手段を一つのノズルに集約し、酸化還元電位調整材としての電解イオン水供給手段を別のノズルとして構成することも考えられる。
【００７４】
このようにして研磨パッド１１３表面に供給されたスラリーを用いて、研磨パッド１１３に対面配置されたウエハＷの被研磨面を所定の押圧力１１８で押し付けて、互いに回転させながらウエハＷの被研磨面の化学的機械的研磨が行える。
【００７５】
スラリー供給配管１１７ａ、pH調整材供給配管１１７ｂ、電解イオン水供給配管１１７ｃは、図１２に示すように、スラリーを貯留するスラリータンク１２０、pH調整材貯留タンク１３０、電解イオン水生成装置１４０に、流量調整計１２１、１３１、１４１を介して配管接続されている。
【００７６】
また、流量調整計１２１、１３１、１４１は、図１２の破線で示すようにオンラインで、あるいは無線でスラリー監視手段１２２、pH監視手段１３２、酸化還元電位監視手段１４２に接続され、スラリーの供給状況、pH状況、酸化還元電位の状況がモニター等で常時監視できるように構成されている。かかる構成では、スラリー、pH調整材、電解イオン水の供給量をチェックすることで、間接的にスラリーの供給状況、pH状況、酸化還元電位の状況を監視できるように構成されているが、pH状況、酸化還元電位状況に関しては、例えば、滴定法により研磨パッド１１３上のスラリー等混合された溶液をサンプリングしてpHおよび酸化電位を測定することや、あるいは参照電極を用いた方法では白金からなる電極を直接研磨パッド１１３に接触させてpHおよび酸化還元電位を測定することで、直接測定し実測データに基づいた直接監視が行えるように構成することもできる。
【００７７】
電解イオン水生成装置１４０は、例えば、図１３に示すような３槽式に構成しておけばよい。すなわち、電解イオン水生成装置１４０は、イオン交換膜２１０でそれぞれ隔てられたアノード室１５１、中間室１５２、カソード室１５３を有している。
【００７８】
アノード室１５１内には、電解用の供給水の供給口１５１ａと、電解用の供給水が電解されて生成したアノード水のアノード水排出口１５１ｂが設けられている。中間室１５２では、電解質を添加した純水を供給口１５２ａから通し、排出口１５２ｂから排出させることができるようになっている。カソード室１５３内には、電解用の供給水の供給口１５３ａと、電解用の供給水が電解されて生成したカソード水のカソード水排出口１５３ｂが設けられている。また、アノード室１５１、カソード室１５３には、それぞれアノード電極１６０ａ、カソード電極１６０ｂがそれぞれ設けられている。
【００７９】
かかる構成の電解イオン水生成装置１４０では、中間室１５２内に供給口１５２ａを通して電解質を添加した純水を供給すると、中間室１５２のアノード電極１６０ａ側近傍に酸化性の高い水が発生し、カソード電極１６０ｂ側近傍に還元成の高い水が発生する。かかる状態でアノード室１５１内に電解用の供給水を供給口１５１ａから供給すると、イオン交換膜２１０を透過して、アノード電極１６０ａ側に生成した酸化性の高い水が拡散する。アノード室１５１内に供給された電解用の供給水の電解と相まって酸化性が高められた電解イオン水が、排出口１５１ｂからアノード水として排出される。
【００８０】
同様に、カソード室１５３内に、供給口１５３ａから供給された電解用の供給水は、カソード電極１６０ｂでイオン化され、併せて中間室１５３のカソード電極１６０ｂ側近傍で生成した還元性の高い純水が、イオン交換膜２１０を透過してカソード室１５３内に拡散する。その結果、カソード室１５３内からは、還元性の高いカソード水が、排出口１５３ｂを通して得られることとなる。
【００８１】
上記要領で得られる電解イオン水、すなわちアノード水（あるいは、カソード水）の酸化性（還元性）は、中間室１５２内に供給する純水に添加する電解質の種類、添加量、流量、両電極に通じる電流等により自在に調整することができ、所望の酸化還元電位の電解イオン水の生成が容易に行える。そこで、前記実施の形態で説明した実際の化学的機械的研磨に際して、適切な相状態に制御できるように所要の酸化還元電位、すなわち酸化力を有した電解イオン水を供給することができる。
【００８２】
電解イオン水生成装置１４０は、図１４に示すように、２槽式に構成しても構わない。かかる２槽式の場合には、図１３に示す３槽式の場合に比べて、生成する電解イオン水の酸化性、還元性とそれ程高くない。２槽式の構成では、３槽式の構成と比較して、中間室１５２が省かれた構成で、その他の構成は略同様である。
【００８３】
すなわち、電解イオン水生成装置１４０は、アノード室１５１とカソード室１５３とから構成され、両室はイオン交換膜２１０により隔てられている。アノード室１５１内には、電解用の供給水の供給口１５１ａと、電解用の供給水が電解されて生成したアノード水のアノード水排出口１５１ｂが設けられ、アノード電極１６０ａが室内に挿入されている。カソード室１５３内にも、電解用の供給水の供給口１５３ａと、電解用の供給水が電解されて生成したカソード水のカソード水排出口１５３ｂが設けられ、カソード電極１６０ｂが室内に挿入されている。
【００８４】
アノード室１５１内に電解用の供給水を供給口１５１ａを通して供給すると、アノード電極１６０ａでＨ＋と、ＯＨ−とにイオン分解され、ＯＨ−がイオン交換膜２１０を透過してカソード室１５３内に移動する。結果として、アノード室１５１内には酸化性が高いアノード水が生成され、酸化性の高い電解イオン水が、排出口１５１ｂからアノード水として得られる。
【００８５】
同様に、カソード室１５３内に、供給口１５３ａから供給された電解用の供給水を供給すると、カソード電極１６０ｂでイオン化され、生成したＨ＋は、イオン透過膜２１０を透過してアノード室１５１内に移行し、カソード室１５３内には還元性の高い電解イオン水が生成され、排出口１５３ｂを通してカソード水が得られることとなる。
【００８６】
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。
【００８７】
上記実施の形態の説明では、化学的機械的研磨の研磨対象として金属、特にタングステン、銅を例に挙げたが、銀等その他の金属であっても構わない。化学的機械的研磨の対象としては、非金属であっても一向に構わない。
【００８８】
また、上記実施の形態では、半導体装置に関わる場合を例に挙げたが、半導体装置の他にも液晶等の電子部品で化学的機械的研磨を使用する場合に有効に本発明の適用が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、半導体装置等の製造分野で、特に化学的機械的研磨の分野に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】W-H2O系の酸化還元電位とpHとで規定される相関図である。
【図２】化学的機械的研磨における研磨不良の状態を模式的に示す説明図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用するタングステンプラグの形成手順を模式的に示す説明図である。
【図４】W-H2O系の酸化還元電位とpHとで規定される相関図に、アノード水の特性状況を重ね合わせた説明図である。
【図５】タングステンプラグの形成に際してのアノード水を用いた相状態の制御状況を示す説明図である。
【図６】タングステンプラグの形成に際してのアノード水を用いた相状態の制御を複数のステップで行う手順を示すフロー図である。
【図７】Cu-H2O系の酸化還元電位とpHとで規定される相関図である。
【図８】Cu-H2O系の酸化還元電位とpHとで規定される相関図に、アノード水の特性状況を重ね合わせた説明図である。
【図９】ダマシン手法の適用により銅配線を形成する手順を模式的に示す説明図である。
【図１０】銅ダマシンによる銅配線形成に際してのアノード水を用いた相状態の制御状況を示す説明図である。
【図１１】銅ダマシンにより銅配線形成に際してのアノード水を用いた相状態の制御を複数のステップで行う手順を示すフロー図である。
【図１２】本発明に係る半導体製造装置を化学的機械的研磨装置に構成した一例の全体構成、及びそのシステム構成を模式的に示す説明図である。
【図１３】３槽式に構成した電解イオン水生成装置の全体構成を模式的に示す説明図である。
【図１４】２槽式に構成した電解イオン水生成装置の全体構成を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０      メタル配線層
２０      層間絶縁膜
２１      コンタクトホール
３０      導電性バリア膜
４０      タングステン膜
４１      タングステンプラグ
６０      絶縁層
７０      バリア膜
８０      銅膜
８１      銅配線
１００    半導体製造装置
１００ａ  化学的機械的研磨装置
１１１    モータ
１１２    定盤
１１３    研磨パッド
１１４    モータ
１１５    ウエハキャリア
１１６    キャリアパッド
１１７    ノズル
１１７ａ  スラリー供給配管
１１７ｂ  pH調整材供給配管
１１７ｃ  電解イオン水供給配管
１２０    スラリータンク
１２１    流量調整計
１２２    スラリー供給監視手段
１３０    pH調整材貯留タンク
１３１    流量調整計
１３２    pH監視手段
１４０    電解イオン水生成装置
１４１    流量調整計
１４２    酸化還元電位監視手段
１５０    電解イオン水生成装置
１５１    アノード室
１５１ａ  供給口
１５１ｂ  アノード水排出口
１５２    中間室
１５２ａ  供給口
１５２ｂ  排出口
１５３    カソード室
１５３ａ  供給口
１５３ｂ  排出口
１６０ａ  アノード電極
１６０ｂ  カソード電極
２１０    イオン交換膜
ｇ        曲線
ｈ        直線
Ｓ１０、Ｓ２０、Ｓ３０、Ｓ１００、Ｓ２００  ステップ
Ｗ        ウエハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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