(57)【要約】【課題】  厚みにバラツキが少なくて高品質な配線膜を有する半導体素子を低廉なコストで提供することである。【解決手段】  バリア膜層、及び該バリア膜層の上に設けられた導体配線膜層を有する基板を研磨することにより所定パターンの配線膜を形成する半導体素子の製造方法であって、  所定の研磨剤が供給されて前記導体配線膜層が研磨されることにより所定パターンの配線膜が形成される研磨ステップを具備し、  前記研磨ステップにおける前記導体配線膜層の下層バリア膜層が露出し始める前後の時点において前記導体配線膜層構成成分を供給する導体配線膜層構成成分供給ステップを有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体配線膜層が所定パターンの配線膜に形成されて半導体素子が製造される方法であって、
所定の研磨剤が供給されて前記導体配線膜層が研磨されることにより所定パターンの配線膜が形成される研磨ステップを具備し、
前記研磨ステップにおける前記導体配線膜層の下層が露出し始める前後の時点において前記導体配線膜層構成成分を供給する導体配線膜層構成成分供給ステップを有する
ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２】
バリア膜層、及び該バリア膜層の上に設けられた導体配線膜層を有する基板を研磨することにより所定パターンの配線膜を形成する半導体素子の製造方法であって、
所定の研磨剤が供給されて前記導体配線膜層が研磨されることにより所定パターンの配線膜が形成される研磨ステップを具備し、
前記研磨ステップにおける前記導体配線膜層の下層バリア膜層が露出し始める前後の時点において前記導体配線膜層構成成分を供給する導体配線膜層構成成分供給ステップを有する
ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項３】
導体配線膜層構成成分供給ステップは、導体配線膜層を構成する素材と同一の構成素材のものが研磨されて出来たものが供給されるステップであることを特徴とする請求項１又は請求項２の半導体素子の製造方法。
【請求項４】
導体配線膜層構成成分供給ステップは、導体配線膜層を構成する素材の研磨反応液が供給されるステップであることを特徴とする請求項１又は請求項２の半導体素子の製造方法。
【請求項５】
導体配線膜層構成成分供給ステップは、導体配線膜層を構成する素材と同一の構成素材の塊が研磨されて得られる研磨反応液が供給されるステップであることを特徴とする請求項１〜請求項４いずれかの半導体素子の製造方法。
【請求項６】
導体配線膜層構成成分供給ステップは、導体配線膜層を構成する成分を含む研磨液が供給されるステップであることを特徴とする請求項１又は請求項２の半導体素子の製造方法。
【請求項７】
導体配線膜層構成成分供給ステップは、導体配線膜層を構成する素材の粉末が供給されるステップであることを特徴とする請求項１又は請求項２の半導体素子の製造方法。
【請求項８】
導体配線膜層構成成分の供給開始は、研磨開始から導体配線膜層の下層が露出し始めるであろう予想設定時間を基にして行われることを特徴とする請求項１〜請求項７いずれかの半導体素子の製造方法。
【請求項９】
導体配線膜層構成成分の供給開始は、導体配線膜層の下層の露出の検出を基にして行われることを特徴とする請求項１〜請求項８いずれかの半導体素子の製造方法。
【請求項１０】
導体配線膜層構成成分の供給は、所定パターンの配線膜が形成されるまで行われることを特徴とする請求項１〜請求項９いずれかの半導体素子の製造方法。
【請求項１１】
導体配線膜が銅または銅合金で構成されてなることを特徴とする請求項１〜請求項１０いずれかの半導体素子の製造方法。
【請求項１２】
研磨テーブルと、
導体配線膜層を有する基板を前記研磨テーブル上に支持する基板支持手段と、
前記導体配線膜層を構成する素材と同一の構成素材の塊を前記研磨テーブル上に支持する塊支持手段と、
前記塊支持手段の動作を制御する制御手段と、
前記研磨テーブル上に研磨剤を供給する研磨剤供給手段
とを具備することを特徴とする半導体素子の製造装置。
【請求項１３】
研磨の進行に伴う基板の導体配線膜層の下層の露出を検出する検出手段を更に具備し、
前記検出手段の信号に基づいて制御手段が動作するよう構成されてなることを特徴とする請求項１２の半導体素子の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＳＩ等の半導体素子の製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路（ＬＳＩ）の高集積化や高性能化に伴って、化学機械研磨法（ＣＭＰ）等の研磨技術が層間絶縁膜の平坦化、多層配線の上下配線間の金属接続部形成や埋込み配線形成などのＬＳＩ製造工程において頻繁に利用されている。
【０００３】
そして、ＬＳＩの高速性能化を達成する為、配線材料を従来のアルミニウム又はアルミニウム合金（Ａｌ）から低抵抗の銅又は銅合金（Ｃｕ）に代えることが提案されている。このＣｕ配線膜形成にはダマシン法と呼ばれる製造方法が主に用いられている。
【０００４】
ダマシン法を用いた配線の製造方法では、層間接続用の孔もしくは配線用溝（以下、纏めて、溝）を形成した酸化珪素（ＳｉＯ２）と窒化珪素（ＳｉＮ）などの積層膜からなる絶縁膜上に、接着力強化とＣｕの拡散防止とを目的としてバリア膜層、そしてバリア膜層上にＣｕ配線膜層を設ける。ここで、ＳｉＮ層は、エッチングのストッパとして用いられ、下層配線との接続などが必要な部分は選択的に除去される。バリア膜層としては、１０〜５０ｎｍ程度の厚さのＴｉ，Ｗ，Ｔａや、前記金属の窒素化合物もしくは窒素珪素化合物などが主に用いられている。又、絶縁膜としては、ＳｉＯ２やＳｉＮに代えて、前記の材料よりも比誘電率が低い絶縁膜（ｌｏｗ−ｋ膜）材料がＬＳＩに用いられ始めている。これは、配線間の静電容量を低減することによって、配線を通る信号の遅延を低減し、引いてはＬＳＩの性能向上を図る為である。ｌｏｗ−ｋ膜としては、フッ素含有酸化珪素や炭化珪素（ＳｉＣ）が用いられている。フッ素含有酸化珪素は、その機械的性質がＳｉＯ２と余り変わらず、従来と同じＬＳＩ製造技術を適用できるという利点を有する。ＳｉＣは、ＳｉＮの代わりに用いられる。
【０００５】
ところで、Ｃｕ配線膜のような金属膜の研磨に用いられる研磨剤（研磨液）は、一般的には、研磨砥粒と酸化剤とを主成分とする。そして、研磨機構は、酸化剤によって金属膜表面を酸化しながら、砥粒によって酸化生成物を機械的に削り取るものであると言われている。尚、Ｃｕのように腐食し易い金属の研磨に用いる研磨液には防食剤が添加されている場合もある。砥粒としては、数１０〜数１００ｎｍの粒子径を持つアルミナ粉末やシリカ粉末が用いられる。酸化剤としては、過酸化水素水（市販品は一般に３０重量％濃度）、硝酸第二鉄、過ヨウ素酸カリウム等が用いられる。中でも、過酸化水素水は金属イオンを含まない為に広く用いられている。
【０００６】
さて、ＣＭＰ等の研磨に用いられる研磨液として数多くの研磨液が提案（特開２００４−６６２８号公報）され、又、市販されている。
【０００７】
そして、配線用溝が形成された絶縁膜上にバリア膜層が、そしてバリア膜層上にＣｕ配線膜層が設けられた半導体素子基板を、所定の研磨装置に装着し、研磨液を供給しながら研磨を行うことによって半導体素子が得られている。
【０００８】
この製造工程の概略が図３（ａ）〜（ｄ）に示される。すなわち、先ず、図３（ａ）に示される如く、上層のＣｕ配線膜層３１が研磨されて行く。研磨の進行につれて、図３（ｂ）に示される如く、下層のＴａバリア膜層３２が露出して来る。この時点では、配線パターン間のＣｕ配線膜が未だ連結しているので、研磨が続行される。そして、研磨終了時点において、配線パターンが疎な箇所３１ａでは隣接するＣｕ配線膜は連結していないものの、配線パターンが密な箇所３１ｂでは隣接するＣｕ配線膜が未だ連結している（図３（ｃ）参照）。従って、研磨が更に続行されなければならない。ところで、研磨が更に続行されると、図３（ｄ）に示される如く、配線パターンが疎な箇所３１ａでは、過剰研磨となり、Ｃｕ配線膜の厚さが薄くなってしまい、高品質な配線膜が得られない。
【特許文献１】特開２００４−６６２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、図３（ｄ）に示される如く、配線パターンが疎な箇所３１ａでは、過剰研磨となり、Ｃｕ配線膜の厚さが薄くなり、逆に、配線パターンが密な箇所３１ｂでは、研磨不足であって、Ｃｕ残りが起きてしまう原因についての検討が鋭意推し進められて行った。
【００１０】
その結果、過剰研磨や研磨不足が起きてＣｕ配線膜の厚さにバラツキが起きる原因は、Ｃｕ配線膜層の研磨の進行に伴って下層のＴａバリア膜層が研磨され始めると、研磨特性（研磨速度）が低下することによることを見出すに至った。そして、図３（ｂ）のような段階から研磨特性（研磨速度）を向上させれば、上記の問題点が解決されるであろうとの啓示を得るに至った。
【００１１】
さて、それでは、如何にすれば、研磨特性（研磨速度）が向上するかの検討を鋭意推し進めて行った。そして、（研磨液中にＣｕ粉（Ｃｕ研磨反応液）が混じった段階の研磨速度）＞（研磨液中にＣｕ粉（Ｃｕ研磨反応液）とＴａ粉（Ｔａ研磨反応液）とが混じった段階の研磨速度）であることから、研磨液中のＣｕ濃度が低くなると研磨速度が低下するのではないかと考えるに至った。
【００１２】
そこで、図３（ｂ）のような段階、即ち、Ｔａバリア膜が露出し始めた時点からＣｕ粉（Ｃｕ研磨反応液）を供給してみた。その結果、予想以上の成果が得られ、高品質なＣｕ配線膜が形成された。
【００１３】
従って、本発明が解決しようとする第１の課題は、配線膜の厚みにバラツキが少なく、高品質な配線膜が得られ、高性能な半導体素子を提供することである。
【００１４】
本発明が解決しようとする第２の課題は、上記のような高性能な半導体素子を低廉なコストで提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記の課題は、導体配線膜層が所定パターンの配線膜に形成されて半導体素子が製造される方法であって、
所定の研磨剤が供給されて前記導体配線膜層が研磨されることにより所定パターンの配線膜が形成される研磨ステップを具備し、
前記研磨ステップにおける前記導体配線膜層の下層が露出し始める前後の時点において前記導体配線膜層構成成分を供給する導体配線膜層構成成分供給ステップを有する
ことを特徴とする半導体素子の製造方法によって解決される。
【００１６】
特に、バリア膜層、及び該バリア膜層の上に設けられた導体配線膜層を有する基板を研磨することにより所定パターンの配線膜を形成する半導体素子の製造方法であって、
所定の研磨剤が供給されて前記導体配線膜層が研磨されることにより所定パターンの配線膜が形成される研磨ステップを具備し、
前記研磨ステップにおける前記導体配線膜層の下層バリア膜層が露出し始める前後の時点において前記導体配線膜層構成成分を供給する導体配線膜層構成成分供給ステップを有する
ことを特徴とする半導体素子の製造方法によって解決される。
【００１７】
上記の半導体素子の製造方法における導体配線膜層構成成分供給ステップは、具体的には、導体配線膜層を構成する素材と同一の構成素材のものが研磨されて出来たものが供給されるステップである。又は、導体配線膜層を構成する素材の研磨反応液が供給されるステップである。若しくは、導体配線膜層を構成する素材と同一の構成素材の塊が研磨されて得られる研磨反応液が供給されるステップである。或いは、導体配線膜層を構成する成分を含む研磨液が供給されるステップである。或いは、導体配線膜層を構成する素材の粉末が供給されるステップである。又は、導体配線膜層を構成する素材と同一の構成素材の塊が研磨されて得られる粉末が供給されるステップである。
【００１８】
上記の半導体素子の製造方法における導体配線膜層構成成分の供給開始は、研磨開始から導体配線膜層の下層が露出し始めるであろう予想設定時間を基にして行われる。又は、導体配線膜層の下層の露出の検出を基にして行われる。
【００１９】
上記の半導体素子の製造方法における導体配線膜層構成成分の供給は、所定パターンの配線膜が綺麗に形成されるまで行われる。
【００２０】
本発明において、導体配線膜は、銅または銅合金で構成される。
【００２１】
又、前記の課題は、研磨テーブルと、
導体配線膜層を有する基板を前記研磨テーブル上に支持する基板支持手段と、
前記導体配線膜層を構成する素材と同一の構成素材の塊を前記研磨テーブル上に支持する塊支持手段と、
前記塊支持手段の動作を制御する制御手段と、
前記研磨テーブル上に研磨剤を供給する研磨剤供給手段
とを具備することを特徴とする半導体素子の製造装置によって解決される。
【００２２】
特に、研磨テーブルと、
導体配線膜層を有する基板を前記研磨テーブル上に支持する基板支持手段と、
前記導体配線膜層を構成する素材と同一の構成素材の塊を前記研磨テーブル上に支持する塊支持手段と、
前記塊支持手段の動作を制御する制御手段と、
前記研磨テーブル上に研磨剤を供給する研磨剤供給手段と、
研磨の進行に伴う基板の導体配線膜層の下層の露出を検出する検出手段とを具備し、
前記検出手段の信号に基づいて制御手段が動作するよう構成されてなることを特徴とする半導体素子の製造装置によって解決される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、導体配線膜層（例えば、Ｃｕ層）が研磨されることにより所定パターンの配線膜（Ｃｕ膜）が形成される研磨ステップにおける前記導体配線膜層の下層（例えば、Ｔａ膜層と言ったバリア膜層）が露出し始める前後の時点において、前記導体配線膜層構成成分（例えば、Ｃｕ（Ｃｕ研磨液（研磨反応液）））を供給するようにしたので、配線膜の厚みにバラツキが少なく、高品質で、高性能な半導体素子が得られる。
【００２４】
しかも、上記高品質な半導体素子を得る為にすべきことは、例えば、Ｃｕ（Ｃｕ研磨液（研磨反応液））を研磨工程の途中で供給するのみの簡単な内容で済む。従って、簡単、かつ、低廉なコストで実施できる。
【００２５】
尚、特開２００４−６６２８号公報には、「炭素もしくは珪素を少なくとも含む絶縁膜上に形成された金属膜の少なくとも一部を除去する半導体装置の製造方法において、銅もしくは銅を主体とした合金からなる金属膜と、高分子樹脂からなる研磨パッドと、研磨中の動摩擦係数が０．５未満となる研磨液を用いて、当該金属膜を当該研磨パッドによって研磨する事を特徴とする半導体装置の製造方法（請求項１）」「比誘電率が３以下の絶縁膜上に形成された銅もしくは銅を主体とした合金を高分子樹脂からなる研磨パッドとを用いて、当該研磨パッドによって摩擦して研磨する半導体装置の製造方法において、研磨液として金属酸化性物質、金属酸化物を溶解する物質、ベンゾトアゾール、イミダゾールを含む研磨液にて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２）」「比誘電率が３以下の絶縁膜上に形成された銅もしくは銅を主体とした合金を表面に有する８インチ以上の半導体基板を高分子樹脂からなる研磨パッドを用いて、当該研磨パッドによって摩擦して研磨する半導体装置の製造方法において、研磨液として金属酸化性物質、金属酸化物を溶解する物質、ベンゾトアゾール、イミダゾールを含む研磨液にて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３）」「請求項１から６のいずれか１項において、研磨開始時には銅もしくは銅を主体とした合金の錯塩を研磨液に混合して研磨を行い、その後銅もしくは銅を主体とした合金の錯塩の混合をしないで研磨を引き続き行うことを特徴とする半導体装置の製造方法（請求項９）」の記載が有り、又、段落番号［００２８］には「ＣＭＰ中の摩擦を低減する方法としては、これらの研磨液に加えて銅もしくは銅を主体とした合金の錯塩を含む研磨液を用いて研磨する。」の記載が有る。
【００２６】
しかしながら、特開２００４−６６２８号公報に記載の技術は、「研磨開始時には銅もしくは銅を主体とした合金の錯塩を研磨液に混合して研磨を行い、その後銅もしくは銅を主体とした合金の錯塩の混合をしないで研磨を引き続き行う」ことであるから、本発明の内容とは異なっている。かつ、特開２００４−６６２８号公報には、「Ｃｕ配線膜層の下層バリア膜層が露出し始める時点において、Ｃｕ成分を供給する」意味合いを想起せしめる記載も認められない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は、本発明の半導体素子製造装置（配線膜形成装置（配線膜層研磨装置））の要部の概略図である。
【００２８】
図１中、１は研磨定盤、２は研磨定盤１の上に配設された研磨パッド、３は研磨定盤１（研磨パッド２）の回転駆動軸である。尚、研磨定盤１及び研磨パッド２は、半導体素子基板（例えば、ＬＳＩ基板。配線膜層はＣｕで構成され、バリア膜層はＴａで構成されている。）とＣｕ板とが載置できる大きさのものである。４は、ノズル（研磨液（研磨剤）供給手段の一部）である。そして、研磨液が研磨液タンク（図示せず）からノズル４を介して研磨パッド２上に供給される。５ａ，５ｂは加圧手段（支持手段）である。すなわち、半導体素子基板６ａは、加圧手段５ａによって研磨パッド２上に支持される。Ｃｕ板６ｂは、加圧手段５ｂによって研磨パッド２上に支持される。尚、加圧手段５ａ，５ｂは、その動作を制御する制御手段（図示せず）の作動によって、研磨定盤１（研磨パッド２）に圧接・離間できるように構成されている。７は発光・受光素子からなるセンサである。そして、発光素子からの光が半導体素子基板６ａの研磨面側に向けて照射されると、研磨面で反射され、この反射光が受光素子によって検出されるように構成されている。この反射光の強度によって、反射面（研磨面）がＣｕ面であるのか、それともＴａ面であるのかの判定がなされる。そして、反射面（研磨面）はＴａ面であることの検出（研磨の進行に伴って、Ｃｕ配線膜層から下層のＴａバリア膜層に研磨が移りつつあることの検出）がセンサによってなされると、その情報（信号）が制御手段に向けて出力される。その結果、加圧手段５ｂが駆動され、Ｃｕ板６ｂが研磨パッド２に対して押圧されるように構成されている。
【００２９】
次に、上記のように構成させた研磨装置を用いて配線膜を形成するＣＭＰ工程について説明する。
【００３０】
先ず、絶縁膜層とＴａバリア膜層とＣｕ配線膜層とが積層されている半導体素子基板６ａを、加圧手段５ａに対して取り付ける。そして、加圧手段５ａを動作せしめ、半導体素子基板６ａのＣｕ配線膜層を研磨パッド２に対して押圧支持（圧着）する。又、Ｃｕ板６ｂを加圧手段５ｂに対して取り付ける。但し、この段階では、未だ、Ｃｕ板６ｂは研磨パッド２に対して離間状態にある。そして、ノズル４から研磨液を供給しながら、研磨定盤１を回転駆動させ、研磨作業を開始する。これによって、図２（ａ）に示される如く、半導体素子基板６ａのＣｕ配線膜層１１が化学機械研磨され始める。
【００３１】
化学機械研磨の進行に伴って、図２（ｂ）に示される如く、Ｔａバリア膜層１２が露出し始める。そうすると、センサ７によって、Ｔａバリア膜層１２の露出が検出される。この検出信号が制御手段に入力されると、加圧手段５ｂが駆動され、Ｃｕ板６ｂが研磨パッド２に対して押圧（圧着）されるようになる。これによって、初めて、Ｃｕ板６ｂが研磨され始める。従って、Ｔａバリア膜層の研磨につれて研磨パッド２上のＣｕ（Ｃｕ研磨液（研磨反応液））の割合が減少していた研磨液中にはＣｕ板６ｂからのＣｕ（Ｃｕ研磨液（研磨反応液））が加わり、Ｃｕ（Ｃｕ研磨液（研磨反応液））の濃度が増加し始める。
【００３２】
そして、更に研磨を続行していると、図２（ｃ）、更には図２（ｄ）に示すようなものとなり、Ｃｕ配線膜が綺麗に形成される。すなわち、図３（ｄ）に示された従来例に比べたならば配線膜が綺麗に形成されていることが判る。
【００３３】
因みに、図４の写真は本発明の実施によって得られたＬＳＩの断面写真であり、図５の写真はＣｕ（Ｃｕ研磨液（研磨反応液））を追加しないで行うことにより得られたＬＳＩの断面写真である。そして、これ等の写真を対比したならば、本発明の優秀性が一目瞭然で判る。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の半導体素子製造装置（ＣＭＰ装置）の要部概略図
【図２】本発明の研磨工程の概略図
【図３】従来の研磨工程の概略図
【図４】本発明を実施した場合のＬＳＩの断面写真
【図５】本発明を実施しなかった場合のＬＳＩの断面写真
【符号の説明】
【００３５】
１          研磨定盤
２          研磨パッド
４          ノズル
５ａ，５ｂ  加圧手段（支持手段）
６ａ        半導体素子基板
６ｂ        Ｃｕ板
７          センサ
特許出願人  次世代半導体材料技術研究組合
代  理  人  宇      高        克      己
【図１】
2006185948.tif 000002
【図２】
2006185948.tif 000003
【図３】
2006185948.tif 000004
【図４】
2006185948.tif 000005
【図５】
2006185948.tif 000006