(57)【要約】【目的】  ｌｏｗ−ｋ膜の剥離とウエハ面内の均一性低下を抑制しながら、低コストな配線形成を実現することを目的とする。【構成】  化学機械研磨（ＣＭＰ）装置に用いる研磨パッドにおいて、キレート剤を含むことを特徴とする。さらに、本発明における前記キレート剤は、ヒドロキシ基（ＯＨ基）とカルボン基（ＣＯＯＨ基）とのうち少なくとも１つを含有すると特に有効である。研磨パッドにキレート剤を含ませることにより、高価なＣＭＰスラリーを用いなくともウエハを研磨することができる。また、ｌｏｗ−ｋ膜の剥離とウエハ面内の均一性低下を抑制することができる。【選択図】        図１
2006147603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学機械研磨（ＣＭＰ）装置に用いる研磨パッドにおいて、
キレート剤を含むことを特徴とする研磨パッド。
【請求項２】
前記キレート剤は、ヒドロキシ基（ＯＨ基）とカルボン基（ＣＯＯＨ基）とのうち少なくとも１つを含有することを特徴とする請求項１記載の研磨パッド。
【請求項３】
化学機械研磨（ＣＭＰ）装置に用いる研磨パッドにおいて、
金属イオン吸着剤を含むことを特徴とする研磨パッド。
【請求項４】
前記金属イオン吸着剤は、ヒドロキシ基（ＯＨ基）とカルボン基（ＣＯＯＨ基）とのうち少なくとも１つを含有することを特徴とする請求項３記載の研磨パッド。
【請求項５】
前記研磨パッドは、上面に溝が形成され、前記溝の底部に貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の研磨パッド。
【請求項６】
平面運動機構を有するテーブルと、
前記テーブル上に配置され、キレート剤と金属吸着剤とのいずれかが含有された研磨パッドと、
前記研磨パッド上に配置され、半導体基板表面を前記研磨パッド側に向けて支持する支持部と、
を備え、
前記テーブルと共に前記研磨パッドを平面運動させながら、前記半導体基板表面と接触させることにより前記半導体基板表面を化学機械研磨することを特徴とする研磨装置。
【請求項７】
前記研磨パッドは、研磨パッドと前記半導体基板表面との間に供給液を供給する供給孔が設けられていることを特徴とする請求項６記載の研磨装置。
【請求項８】
基体上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜に開口部を形成する開口部形成工程と、
前記開口部に導電性材料を堆積させる堆積工程と、
前記基体表面と対向する位置に配置する、キレート剤と金属吸着剤とのいずれかが含有された研磨パッドを用いて、前記研磨パッドを平面運動させながら前記導電性材料が堆積した基体表面を化学機械研磨する研磨工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨パッド、研磨装置及び半導体装置の製造方法に係り、特に、Ｃｕ（銅）配線を用いた半導体装置の製造方法及びかかる半導体装置の製造に用いる化学機械研磨装置及びかかる化学機械研磨装置に用いる研磨パッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路（ＬＳＩ）の高集積化、及び高性能化に伴って新たな微細加工技術が開発されている。化学機械研磨（ケミカル・メカニカル・ポリッシング：ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）法もその一つであり、ＬＳＩ製造工程、特に多層配線形成工程における層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、或いは埋め込み工程において頻繁に利用されている技術である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特に、最近はＬＳＩの高速性能化を達成するために、配線技術を従来のアルミ（Ａｌ）合金から低抵抗のＣｕ或いはＣｕ合金（以下、まとめてＣｕと称する。）に代える動きが進んでいる。Ｃｕは、Ａｌ合金配線の形成において頻繁に用いられたドライエッチング法による微細加工が困難であるので、溝加工が施された絶縁膜上にＣｕ膜を堆積し、溝内に埋め込まれた部分以外のＣｕ膜をＣＭＰにより除去して埋め込み配線を形成する、いわゆるダマシン（ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法が主に採用されている（例えば、特許文献２参照）。Ｃｕ膜はスパッタ法などで薄いシード層を形成した後に電解めっき法により数１００ｎｍ程度の厚さの積層膜を形成することが一般的である。
【０００４】
さらに、最近は層間絶縁膜として比誘電率の低いｌｏｗ−ｋ膜を用いることが検討されている。すなわち、比誘電率ｋが、約４．２のシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）から比誘電率ｋが例えば３．５以下のｌｏｗ−ｋ膜を用いることにより、配線間の寄生容量を低減することが試みられている。また、比誘電率ｋが２．５以下のｌｏｗ−ｋ膜材料の開発も進められており、これらは材料中に空孔が入ったポーラス材料となっているものが多い。このようなｌｏｗ−ｋ膜（若しくはポーラスｌｏｗ−ｋ膜）とＣｕ配線を組み合わせた多層配線構造を有する半導体装置の製造方法は次のようなものである。
【０００５】
図１７は、従来のｌｏｗ−ｋ膜とＣｕ配線を組み合わせた多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
図１７では、デバイス部分等の形成方法は省略している。
図１７（ａ）において、シリコン基板による基体２００上に化学気相成長（ＣＶＤ）等の方法により第１の絶縁膜２２１を成膜する。
図１７（ｂ）において、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により、Ｃｕ金属配線或いはＣｕコンタクトプラグを形成するための溝構造（開口部Ｈ）を第１の絶縁膜２２１に形成する。
図１７（ｃ）において、第１の絶縁膜２２１上にバリアメタル膜２４０、Ｃｕシード膜及びＣｕ膜２６０をかかる順序で形成して、１５０℃から４００℃の温度で約３０分間アニール処理する。
図１７（ｄ）において、Ｃｕ膜２６０とバリアメタル膜２４０をＣＭＰにより除去することにより、溝である開口部ＨにＣｕ配線を形成する。
図１７（ｅ）において、前記Ｃｕ膜２６０表面に還元性プラズマ処理を施した後に第２の絶縁膜２８１を成膜する。
さらに、多層Ｃｕ配線を形成する場合は、これらの工程を繰り返して積層していくのが一般的である。ここで、第１の絶縁膜２２１と第２の絶縁膜２８１の大半がｌｏｗ−ｋ膜となる。
【０００６】
前記ＣＭＰに関し、テーブル（ＣＭＰプラテン）の中心を軸に回転するロータリ方式のＣＭＰ装置に関する技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
また、ＣＭＰプラテンがプラテンの中心から偏芯した位置を軸に回転する、いわゆる回転及びオービタル運動するオービタル方式のＣＭＰ装置に関する技術が特許文献４に開示されている。
【０００８】
その他、ＣＭＰ用の研磨パッドの洗浄にキレート剤を用いる技術が開示されている（例えば、特許文献５、６参照）。
【特許文献１】米国特許番号４９４４８３６
【特許文献２】特開平２−２７８８２２号公報
【特許文献３】特開２００１−１８５５１５号公報
【特許文献４】特開平１１−２３９９６１号公報
【特許文献５】特開２００１−１３８２１１号公報
【特許文献６】特開２０００−３０９７９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、前述の方法によってＣｕ配線を形成しようとすると、ＣＭＰスラリーが高価なために各配線層を形成するごとにＣＭＰを繰り返すことによって高コストなプロセスとなってしまうといった問題があった。ＣＭＰスラリーの価格はＣＭＰコスト全体の約半分を占めるため（他にはＣＭＰパッドや洗浄剤、ＣＭＰ装置の原価償却費が含まれる）、ＣＭＰスラリーの消費を減らすことが必要であったが、スラリーの流量を低減すると研磨速度が低下するという問題があった。
【００１０】
また、ＣＭＰの荷重を上げると研磨速度は増加するが、ｌｏｗ−ｋ膜が剥離してダメージを受けやすくなるために、３ｐｓｉ以下の低荷重でＣＭＰを行う必要があった。
図１８は、ＣＭＰを用いた研磨工程時の半導体装置の断面例を示す図である。
図１８では、図１７における第１の絶縁膜は、下地ＣＶＤ膜となるＳｉＣ膜２１２とｌｏｗ−ｋ膜２２０とキャップＣＶＤ膜となるＳｉＯ２膜２２２とにより構成される。
図１８において、図１７に示す前述の方法によってｌｏｗ−ｋ膜２２０を基体２００となるシリコンウエハ上に形成しても、ｌｏｗ−ｋ膜２２０はＳｉＯ２膜２２２と比較して機械的強度が弱いため、ＣＭＰの研磨荷重Ｐによって構造的な破壊が起こったり、キャップＣＶＤ膜となるＳｉＯ２膜２２２がｌｏｗ−ｋ膜２２０から剥離する問題があった。もしくはｌｏｗ−ｋ膜２２０と下地ＣＶＤ膜となるＳｉＣ膜２１２の界面で剥離する問題があった。特にヤング率や硬度が低いｌｏｗ−ｋ材料や、キャップＣＶＤ膜とｌｏｗ−ｋ膜の接着強度が低い材料でこの問題が頻発した。特に、ポーラスｌｏｗ−ｋを用いる場合は２ｐｓｉ以下の低荷重域を用いることが一般的であった。しかし、荷重を下げるとウエハ面内の均一性が低下するという問題もあった。
【００１１】
本発明は、上述した問題点を克服し、ｌｏｗ−ｋ膜の剥離とウエハ面内の均一性低下を抑制しながら、低コストな配線形成を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の研磨パッドは、
化学機械研磨（ＣＭＰ）装置に用いる研磨パッドにおいて、
キレート剤を含むことを特徴とする。
【００１３】
研磨パッドにキレート剤を含ませることにより、高価なＣＭＰスラリーを用いなくともウエハを研磨することができる。或いは、用いるとしても使用量を削減することができる。また、後述するように、ｌｏｗ−ｋ膜の剥離とウエハ面内の均一性低下を抑制することができる。
【００１４】
さらに、本発明における前記キレート剤は、ヒドロキシ基（ＯＨ基）とカルボン基（ＣＯＯＨ基）とのうち少なくとも１つを含有すると特に有効である。
【００１５】
或いは、本発明の研磨パッドは、
化学機械研磨（ＣＭＰ）装置に用いる研磨パッドにおいて、
金属イオン吸着剤を含むことを特徴とする。
【００１６】
研磨パッドに金属イオン吸着剤を含ませることにより、キレート剤を含ませる場合と同様、高価なＣＭＰスラリーを用いなくともウエハを研磨することができる。また、後述するように、ｌｏｗ−ｋ膜の剥離とウエハ面内の均一性低下を抑制することができる。
【００１７】
さらに、本発明における前記金属イオン吸着剤は、キレート剤と同様、ヒドロキシ基（ＯＨ基）とカルボン基（ＣＯＯＨ基）とのうち少なくとも１つを含有すると特に有効である。
【００１８】
さらに、本発明における前記キレート剤として、キレート樹脂を用いることを特徴とする。
【００１９】
キレート樹脂を用いることにより、研磨パッドの製造を容易化することができる。
【００２０】
さらに、本発明における前記研磨パッドは、上面に溝が形成され、前記溝の底部に貫通孔が設けられていることを特徴とする。
【００２１】
上面に溝が形成され、前記溝の底部に貫通孔が設けられていることにより、研磨する場合に、前記溝の底部から高価なスラリーを含まない薬液を供給液として供給することができる。さらに、溝をつたって供給された薬液を研磨対象となる半導体基板表面全体に供給することができる。
【００２２】
さらに、本発明における前記研磨パッドにおいて、前記溝が格子状に形成されていることを特徴とする。
【００２３】
前記溝が格子状に形成されることで、さらに、前記供給液となる薬液の広がりを促進することができる。
【００２４】
本発明の研磨装置は、
平面運動機構を有するテーブルと、
前記テーブル上に配置され、キレート剤と金属吸着剤とのいずれかが含有された研磨パッドと、
前記研磨パッド上に配置され、半導体基板表面を前記研磨パッド側に向けて支持する支持部と、
を備え、
前記テーブルと共に前記研磨パッドを平面運動させながら、前記半導体基板表面と接触させることにより前記半導体基板表面を化学機械研磨することを特徴とする。
【００２５】
キレート剤と金属吸着剤とのいずれかが含有された研磨パッドを平面運動させながら、前記半導体基板表面を化学機械研磨することにより、上述したように、高価なスラリーを用いなくても前記半導体基板表面を化学機械研磨することができる。或いは、用いるとしても使用量を削減することができる。また、後述するように、低加重でｌｏｗ−ｋ膜の剥離を抑制することができる。さらに、低加重でもウエハ面内の均一性低下を抑制することができる。
【００２６】
さらに、本発明における前記研磨パッドは、研磨パッドと前記半導体基板表面との間に供給液を供給する供給孔が設けられていることを特徴とする。
【００２７】
前記研磨パッドと前記半導体基板表面との間に供給液となる薬液を供給する供給孔が設けられていることにより、前記研磨パッドから供給液が半導体基板表面に供給される。そして、前記研磨パッドを平面運動させることにより、供給された薬液を研磨対象となる半導体基板表面全体に供給することができる。
【００２８】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、
基体上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜に開口部を形成する開口部形成工程と、
前記開口部に導電性材料を堆積させる堆積工程と、
前記基体表面と対向する位置に配置する、キレート剤と金属吸着剤とのいずれかが含有された研磨パッドを用いて、前記研磨パッドを平面運動させながら前記導電性材料が堆積した基体表面を化学機械研磨する研磨工程と、
を備えたことを特徴とする。
【００２９】
上述したように、キレート剤と金属吸着剤とのいずれかが含有された研磨パッドを用いて、前記研磨パッドを平面運動させながら前記導電性材料が堆積した基体表面を化学機械研磨することにより、高価なスラリーを用いなくても前記半導体基板表面を化学機械研磨することができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、高価なスラリーを用いなくても前記半導体基板表面を化学機械研磨することができるので、プロセスの低コスト化を図ることができる。さらに、ｌｏｗ−ｋ膜の剥離とウエハ面内の均一性低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１における研磨パッドを示す図である。
図１（ａ）に示すように、ＣＭＰ装置に用いる研磨パッド１００は、円形のシート状に形成され、後述するプラテン上に配置される。図１（ｂ）に示すように、研磨パッド１００は、樹脂により形成される。樹脂は、ポリウレタン製のものが望ましい。ポリウレタン製にすることにより研磨する基板を傷つけないようにすることができる。さらに、ポリウレタン製の樹脂にはキレート剤としてキレート樹脂の一例であるキレート繊維が含まれ、或いは織り込まれている。キレート樹脂は、キレート結合（一種の環状結合を形成する）により、特定の金属イオン、ここでは銅（Ｃｕ）と強く選択結合する。図１では、後述する供給液となる薬液の供給用の穴は省略している。
【００３２】
図２は、研磨装置の構成を説明するための概念図である。
図２において、研磨装置は、オービタル型のＣＭＰ装置である。ＣＭＰによる化学機械研磨の作用で研磨を行う。平面運動の一例であるオービタル運動機構を有するテーブルであるプラテン５２０上には、研磨パッド５３０が配置される。かかる研磨パッド５３０上に、研磨面を下に向け、すなわち前記研磨パッド５３０側に向けてウエハ３００を保持部の一例であるキャリア５１０が保持する。ウエハ３００表面には、後述するＣｕ膜が形成される。研磨液５６０は、プラテン５２０の下部より研磨パッド５３０を抜けてウエハ３００面内に供給される。
前記プラテン５２０と共に前記研磨パッド５３０をオービタル運動させながら、ウエハ３００表面と前記研磨パッド５３０を接触させることにより、前記ウエハ３００を化学機械研磨する。供給された供給液５６０は、プラテン５２０のオービタル運動に伴い、外周部から排出される。ウエハ３００表面で、ウエハ３００面より大きく、ウエハ３００と平行な、キレート繊維が表面に形成された研磨パッド５３０面で研磨することにより、均一な研磨を行なうことができる。
【００３３】
図３は、実施の形態１におけるオービタル運動の様子を説明するための図である。
図３において、Ｃ１は、研磨パッド５３０の中心位置、Ｃ２は、キャリア５１０に支持されたウエハ３００の中心位置、Ａは、研磨パッド５３０に配置された所定の１点の位置を示している。
図３に示すように、ウエハ３００の位置を固定して表わすと、研磨パッド５３０は、自転せずに所定の周回軌道を移動する。オービタル型の研磨装置では、研磨プラテン５２０がその中心を軸として回転するのではなく、研磨プラテン５２０上の全ての点が円を描くように回転するものである。その回転半径は１ｃｍから１０ｃｍの範囲であることが望ましい。
【００３４】
さらに、ここでは、キャリア５１０は、ウエハ３００を保持しながら回転させる。ウエハ３００を回転させることで、スラリーを含まない薬液である供給液の排出を促進することができる。
【００３５】
以下、図２の研磨装置を使用した半導体装置の製造方法を説明する。
図４は、半導体装置の構成のうち、層間絶縁膜として、下層のＳｉＯ２膜形成工程からｌｏｗ−ｋ膜上のＳｉＯ２膜形成工程までを示す工程断面図である。それ以降の工程は後述する。
【００３６】
図４（ａ）において、ＳｉＯ２膜形成工程として、基体２００上にＣＶＤ法によって、例えば、膜厚２００ｎｍの下地ＳｉＯ２膜を堆積し、ＳｉＯ２膜２１０を形成する。ここでは、ＣＶＤ法によって成膜しているが、その他の方法を用いても構わない。基体２００として、例えば、直径３００ミリのシリコンウエハ等の基板を用いる。ここでは、デバイス部分の形成を省略している。
【００３７】
図４（ｂ）において、ＳｉＣ膜形成工程として、ＳｉＯ２膜２１０の上に、ＣＶＤ法によって、ＳｉＣを用いた膜厚５０ｎｍの下地ＳｉＣ膜を堆積し、ＳｉＣ膜２１２を形成する。ここでは、ＣＶＤ法によって成膜しているが、その他の方法を用いても構わない。ＳｉＣ膜２１２は、エッチングストッパとしての機能も有する。ＳｉＣ膜の代わりに比誘電率の低いＳｉＯＣ膜を用いても構わない。或いは、信頼性の高いＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜を用いることができる。
【００３８】
図４（ｃ）において、ｌｏｗ−ｋ膜形成工程として、基体２００の上に形成された前記ＳｉＣ絶縁膜形成工程により形成されたＳｉＣ膜２１２の上に多孔質の絶縁性材料を用いたｌｏｗ−ｋ膜２２０を２００ｎｍの厚さで形成する。ｌｏｗ−ｋ膜２２０を形成することで、比誘電率ｋが３．５よりも低い層間絶縁膜を得ることができる。ｌｏｗ−ｋ膜２２０の材料としては、例えば、多孔質のメチルシルセスキオキサン（ｍｅｔｈｙｌ  ｓｉｌｓｅｑｕｉｏｘａｎｅ：ＭＳＱ）を用いることができる。また、その形成方法としては、例えば、溶液をスピンコートし熱処理して薄膜を形成するＳＯＤ（ｓｐｉｎ  ｏｎ  ｄｉｅｌｅｃｔｉｃ  ｃｏａｔｉｎｇ）法を用いることができる。ここでは、スピナーの回転数は９００ｍｉｎ−１（９００ｒｐｍ）で成膜した。このウエハをホットプレート上で窒素雰囲気中１５０℃の温度で７５秒間の第１のベークを行い、さらに２５０℃の温度で７５秒間第２のベークを行った後、最終的にホットプレート上で窒素雰囲気中４５０℃の温度で１０分間のキュアを行った。ＭＳＱの材料や形成条件などを適宜調節することにより、所定の物性値を有する多孔質の絶縁膜が得られる。例えば、密度が０．６８ｇ／ｃｍ３で比誘電率ｋが１．８、空孔率が５５％、ヤング率が１．６ＧＰａ、硬度が０．１８ＧＰａ物性値を有するｌｏｗ−ｋ膜２２０が得られる。ｌｏｗ−ｋ膜のＳｉとＯとＣの組成比は、Ｓｉが３０％、Ｏが５３％、Ｃが１７％とする。
【００３９】
そして、Ｈｅプラズマ処理工程として、このｌｏｗ−ｋ膜２２０表面をＣＶＤ装置内でヘリウム（Ｈｅ）プラズマ照射によって表面改質する。Ｈｅプラズマ照射によって表面が改質されることで、ｌｏｗ−ｋ膜２２０とｌｏｗ−ｋ膜２２０上に形成する後述するキャップ膜としてのＣＶＤ−ＳｉＯ２膜２２２との接着性を改善することができる。ガス流量は１．７Ｐａ・ｍ３／ｓ（１０００ｓｃｃｍ）、ガス圧力は１０００Ｐａ、高周波パワーは５００Ｗ、低周波パワーは４００Ｗ、温度は４００℃とした。キャップＣＶＤ膜をｌｏｗ−ｋ膜上に成膜する際は、ｌｏｗ−ｋ膜表面にプラズマ処理を施すことがキャップＣＶＤ膜との接着性を改善する上で有効である。プラズマガスの種類としてはアンモニア（ＮＨ３）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、水素（Ｈ２）、Ｈｅ、酸素（Ｏ２）、シラン（ＳｉＨ４）、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ２）などがあり、これらの中でもＨｅプラズマはｌｏｗ−ｋ膜へのダメージが少ないために特に有効である。また、プラズマガスはこれらのガスを混合したものでも良い。例えば、Ｈｅガスは他のガスと混合して用いると効果的である。
【００４０】
図４（ｄ）において、ＳｉＯ２膜形成工程として、前記Ｈｅプラズマ処理を行った後、キャップ膜として、ＣＶＤ法によってｌｏｗ−ｋ膜２２０上にＳｉＯ２を膜厚５０ｎｍ堆積することで、ＳｉＯ２膜２２２を形成する。ＳｉＯ２膜２２２を形成することで、直接リソグラフィを行うことができないｌｏｗ−ｋ膜２２０を保護し、ｌｏｗ−ｋ膜２２０にパターンを形成することができる。かかるキャップＣＶＤ膜は、ＳｉＯ２膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＣＮ膜などがあるが、ダメージ低減の観点からはＳｉＯ２膜が優れ、低誘電率化の観点からはＳｉＯＣ膜が、耐圧向上の観点からはＳｉＣ膜やＳｉＣＮ膜が優れている。さらに、ＳｉＯ２膜とＳｉＣ膜の積層膜、もしくはＳｉＯ２膜とＳｉＣＯ膜の積層膜、もしくはＳｉＯ２膜とＳｉＣＮ膜の積層膜を用いることができる。さらにキャップＣＶＤ膜の一部、もしくは全てが後述する平坦化工程においてＣＭＰにより除去されても良い。キャップ膜を除去することで誘電率をさらに低減することができる。キャップ膜の厚さとしては１０ｎｍから１５０ｎｍが良く、１０ｎｍから５０ｎｍが実効的な比誘電率を低減する上で効果的である。
【００４１】
以上の説明において、下層配線における層間絶縁膜は、比誘電率が３．５以下のｌｏｗ−ｋ膜でなくても構わないが、ｌｏｗ−ｋ膜（特に、ポーラスｌｏｗ−ｋ膜）を含む場合に特に有効である。なぜならば、ｌｏｗ−ｋ膜は絶縁耐圧が低い材料が多いだけでなく、ＣＭＰプロセスによりダメージを受けやすいからである。言い換えれば、ｌｏｗ−ｋ膜は機械的強度が低く、従来の研磨パッドを用いたＣＭＰでは剥離ダメージを受けやすいからである。キレート剤、もしくは金属イオン吸着剤を含むＣＭＰパッドを用いることによって低荷重化が容易になり、ｌｏｗ−ｋ膜の剥離は大幅に改善することが可能となる。比誘電率が３．５以下の低誘電率絶縁膜としてｌｏｗ−ｋ膜を一部に形成することで、半導体装置の微細化を図ることができる。ｌｏｗ−ｋ膜の種類としては、塗布されることにより形成されるＭＳＱやＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）、ポリマー、ＣＶＤにより形成されるＳｉＯＣ系やポリマーのいずれも用いることができる。また、ｌｏｗ−ｋ膜の比誘電率は３．０以下のもの、特に２．６以下のものに対して有効である。また、ＣＶＤ膜とスピン塗布膜を比較した場合、特にスピン塗布膜に対して有効である。前記ｌｏｗ−ｋ膜の膜厚としては、１００ｎｍから１０００ｎｍの範囲であることが望ましい。前述のＭＳＱ膜の組成としては、珪素の濃度は２０％から４０％、炭素の濃度は１０％から３０％、酸素の濃度は４０％から６０％が望ましい。
【００４２】
図５は、配線形成のための開口部形成工程からめっき工程までを示す工程断面図である。それ以降の工程は後述する。
図５（ａ）において、開口部形成工程として、リソグラフィ工程とドライエッチング工程でダマシン配線を作製するための配線溝構造である開口部１５０をＳｉＯ２膜２２２とｌｏｗ−ｋ膜２２０と下地ＳｉＣ膜２１２内に形成する。図示していないレジスト塗布工程、露光工程等のリソグラフィ工程を経てＳｉＯ２膜２２２の上にレジスト膜が形成された基体２００に対し、露出したＳｉＯ２膜２２２とその下層に位置するｌｏｗ−ｋ膜２２０を、下地ＳｉＣ膜２１２をエッチングストッパとして異方性エッチング法により除去し、その後、下地ＳｉＣ膜２１２をエッチングして開口部１５０を形成すればよい。異方性エッチング法を用いることで、基体２００の表面に対し、略垂直に開口部１５０を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング法により開口部１５０を形成すればよい。
【００４３】
図５（ｂ）において、バリアメタル膜形成工程として、前記開口部形成工程により形成された開口部１５０及びＳｉＯ２膜２２２表面にバリアメタル材料を用いたバリアメタル膜２４０を形成する。物理気相成長法（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ）法の１つであるスパッタ法を用いるスパッタリング装置内で窒化タンタル（ＴａＮ）を膜厚５ｎｍ、タンタル（Ｔａ）膜を膜厚８ｎｍ堆積し、バリアメタル膜２４０を形成する。ＴａＮ膜とＴａ膜とを積層することで、ＴａＮ膜によりＣｕのｌｏｗ−ｋ膜２２０への拡散防止を図り、Ｔａ膜によりＣｕの密着性向上を図ることができる。バリアメタル材料の堆積方法としては、原子層気相成長（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ法、あるいは、ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＣＶＤ法）やＣＶＤ法などを用いることでＰＶＤ法を用いる場合より被覆率を良くすることができる。
前記バリアメタル膜は、Ｔａ膜、ＴａＮ膜、もしくはその積層膜であることが望ましい。前記バリアメタル膜の成膜方法は、ＣＶＤ法もしくはＡＬＤ法であることが被覆性の観点から望ましいが、上述したスパッタ法などのＰＶＤ法であっても有効である。
【００４４】
図５（ｃ）において、シード膜形成工程として、スパッタ等の物理気相成長（ＰＶＤ）法により、次の工程である電解めっき工程のカソード極となるＣｕ薄膜をシード膜２５０としてバリアメタル膜２４０が形成された開口部１５０内壁及び基体２００表面に堆積（形成）させる。ここでは、シード膜２５０を膜厚５０ｎｍ堆積させた。
【００４５】
図５（ｄ）において、めっき工程として、シード膜２５０をカソード極として、電解めっき等の電気化学成長法によりＣｕ膜２６０を開口部１５０及び基体２００表面に堆積させる。ここでは、膜厚５００ｎｍのＣｕ膜２６０を堆積させ、堆積させた後にアニール処理を２５０℃の温度で３０分間行った。
【００４６】
図６は、平坦化する研磨工程を示す工程断面図である。
図６において、研磨工程として、ＣＭＰ法によってＳｉＯ２膜２２２の表面に堆積された導電部としての配線層となるＣｕ膜２６０、シード膜２５０、及びバリアメタル膜２４０をＣＭＰ研磨（もしくは電解研磨）により除去することにより、図６に表したような埋め込み構造を形成する。前記研磨工程において、キレート繊維樹脂により、低加重化することができ、一部に形成された比誘電率が３．５以下の低誘電率絶縁膜と他の部分に形成された絶縁膜との剥離を抑制することができる。また、低加重化による面内均一性低下を抑制することができる。
【００４７】
図７は、実施の形態１における研磨装置の概要構成断面図である。
研磨装置であるＣＭＰ装置はオービタル式のものを用いた。研磨装置は、図示していないオービタル回転機構とヘッド回転機構とにより、プラテン５２０とキャリア５１０とを平面運動させる。プラテン５２０をオービタル回転機構によりオービタル回転させ、キャリア５１０をヘッド回転機構により自転させる。研磨荷重は１．０３×１０４Ｐａ（１．５ｐｓｉ）に設定した。ここで、研磨パッドには、図１で示したポリウレタン製の樹脂にキレート剤として繊維状になったキレート繊維を含ませた研磨パッドを用いた。図示していないが、研磨パッド上には格子状にＸＹ型の溝が形成されている。Ｃｕを研磨するＣｕ−ＣＭＰでは供給液５６０となる薬液として過酸化水素水を研磨パッド上に供給しながらＣＭＰを行った。すなわち、供給液５６０となる薬液は、高価な砥粒（スラリー）を含まない。供給液５６０となる薬液は、研磨パッド上に上から滴下させても構わない。ここでは、砥粒を含まないＣＭＰである。一方、バリアメタルのＣＭＰでは、供給液５６０となる薬液として過酸化水素水に加えて０．５重量％のコロイダルシリカを本実施の形態における研磨パッド５３０上に供給しながらＣＭＰを行った。Ｃｕ−ＣＭＰと同様、供給液５６０となる薬液は、研磨パッド上に上から滴下させても構わない。過酸化水素水は工場内のものを用い、コロイダルシリカは高価なＣｕ用のものではなく、安価な絶縁膜用のものを用いた。
【００４８】
図８は、研磨パッド表面での状況を説明するための図である。
図８（ａ）に示すように、キレート繊維を含む研磨パッドを用いることにより、過酸化水素によって酸化されたＣｕが、研磨パッド表面のキレート剤によって吸着され、ウエハ表面のＣｕが研磨平坦化されるメカニズムである。また、研磨パッドの使用により吸着された酸化銅（ＣｕＯ）が、キレート繊維に溜まっていくことになるが、ダイヤモンドドレス等によるドレッシングにより、図８（ｂ）に示すように研磨パッド表面からＣｕＯを取り除くことができる。これにより、再度、使用することができ、スラリーのような使い捨てとは異なり、さらに、低コスト化を図ることができる。
【００４９】
図９は、ウレタン樹脂にキレート樹脂を積層した研磨パッドの一部を示す図である。
図９に示すように、研磨パッド１００は、ウレタン樹脂１１４上にキレート樹脂１１２を配置した構造にしても有効である。研磨パッド１００の研磨面となる表面にキレート樹脂１１２が配置されることにより、同様にＣｕを吸着することができる。
【００５０】
図１０は、多層化された研磨パッドの一部を示す図である。
図１０に示すように、低硬度樹脂１０２の上に、高硬度樹脂１０４を載せて、その上にキレート樹脂１１２を配置した構造にしても有効である。研磨パッドは単層パッドでも２層以上の多層パッドでも良いが、キレート樹脂１１２以外の２層の場合については、下層が上層よりも軟質の樹脂であることがウエハ面内の均一性を改善する観点から望ましい。
【００５１】
図１１は、多層化された別の研磨パッドの一部を示す図である。
図１１に示すように、低硬度樹脂１０２の上に、キレート剤が含有された高硬度樹脂１０４を配置した構造にしても有効である。上述したように、下層が上層よりも軟質の樹脂であることがウエハ面内の均一性を改善する観点から望ましい。
【００５２】
図１２は、実施の形態１における別の研磨パッドを示す図である。
図１２（ａ）に示すように、ＣＭＰ装置に用いる研磨パッド１００は、円形のシート状に形成され、後述するプラテン上に配置される。図１２（ｂ）に示すように、研磨パッド１００は、樹脂により形成される。樹脂は、ポリウレタン製のものが望ましい。ポリウレタン製にすることにより研磨する基板を傷つけないようにすることができる。さらに、ポリウレタン製の樹脂には金属イオン吸着剤が含まれ、或いは織り込まれている。キレート剤の代わりに、金属イオン吸着剤を用いても、過酸化水素によって酸化されたＣｕが、研磨パッド表面の金属イオン吸着剤によって吸着され、ウエハ表面のＣｕを研磨平坦化することができる。図１２では、図１と同様、後述する供給液となる薬液の供給用の穴は省略している。
【００５３】
ここで、前記キレート剤、もしくは金属イオン吸着剤は、ＯＨ基、もしくはＣＯＯＨ基を含むことが望ましい。ＯＨ基、もしくはＣＯＯＨ基を含むことにより、よりＣｕを吸着することができる。
【００５４】
図１３は、研磨パッドの表面形状を示す図である。
図１３（ａ）に示すように、研磨パッド５３０の表面には、格子状の溝５６２が形成されている。溝の交差する位置の底部に前記供給孔５５０が設けられている。研磨パッド５３０の上面に溝が形成され、前記溝の底部から供給液５６０となる薬液が供給されることにより、溝をつたって供給液５６０をウエハ３００表面全体に供給することができる。また、前記研磨パッド５３０とウエハ３００表面との間に残った供給液５６０を排出し、新しい供給液５６０と置換することができる。そして、前記溝が格子状に形成されることで、さらに、供給液の広がりを促進することができる。図１３（ｂ）に示すように、溝は、例えば、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍに形成する。図１３では、格子状の溝が形成されているが、これに限るものではなく、上述したように、例えば、同心円状の溝が形成されてもよい。
【００５５】
研磨パッド５３０には、例えば、１４０個の供給液供給用の穴（供給孔５５０）が施され、供給液５６０となる薬液はこの供給孔５５０を通して研磨プラテン５２０の下から図７の矢印のように供給される。設定された研磨荷重によって研磨パッド５３０とウエハ３００表面は接触しており、供給液５６０は研磨パッドに施された溝の中を通過して研磨プラテン５２０の外部に流されるものである。前記研磨パッド５３０と前記ウエハ３００表面と間に供給液５６０を供給する供給孔５５０が設けられていることにより、従来のような前記研磨パッドの上方から滴下される場合より確実に供給液をウエハ３００表面に供給することができる。
【００５６】
以上のように、供給液となる薬液は、研磨布となる研磨パッド５３０に形成された穴を通して研磨プラテン５２０の裏側からウエハ３００表面に供給されることが望ましい。特に、研磨パッド５３０の表面に格子状の溝や同心円状の溝が施されていることが供給液を高速に流動させる観点から望ましい。研磨布中の溝が施されている面積は１０％から４０％であることが高研磨速度を維持する上で望ましい。
【００５７】
図１４は、ロータリ型のＣＭＰ装置の構成を示す概念図である。
ＣＭＰ装置は図２に示すようなオービタル型のものでも図１４に示すようなロータリ型のものでもどちらでも適用することができる。図１４に示すように、ロータリ型のＣＭＰ装置において、プラテン６２０上に配置された、キレート剤或いは金属イオン吸着剤を含ませた研磨パッド６３０上に、研磨面を下に向けて基板３００をキャリア６１０が保持する。そして、過酸化水素水を供給液６６０となる薬液として、供給ノズル６５０から供給する。キャリア６１０を図１２に示すように回転することで基板３００を回転させ、プラテン６２０も回転させる。プラテン６２０の回転方向先に位置する基板３００の手前に供給液６６０となる薬液を供給することで、供給液６６０が基板３００面内に供給される。
【００５８】
以上説明した条件でＣｕのＣＭＰを行った結果、４００ｎｍ／分の速度でＣｕが研磨され、研磨を始めてから約７０秒で光学式終点信号が検知されてＣＭＰが終了した。その後、ＴａＮのＣＭＰをコロイダルシリカスラリーに切り替えて１分間研磨を行い、キャップＳｉＯ２膜２２２が露出するまで研磨した。
図１５は、ＣＭＰ後の試料の状態を示す概念図である。
ＣＭＰ後のウエハを欠陥検査装置で検査したところ、ｌｏｗ−ｋ膜の剥離は全く見られなかった。研磨残りも無く、図１５（ａ）に示すようなディシングとエロージョンは、図１５（ｂ）に示すように許容範囲内である３０ｎｍ以下に抑制することができた。ウエハごとに研磨速度は安定しており（ＷＴＷＮＵ；  ｗａｆｅｒ−ｔｏ−ｗａｆｅｒ  ｎｏｎ−ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ＜３％）、ウエハ面内の均一性も良かった（ＷＩＷＮＵ；  ｗｉｔｈｉｎ−ｗａｆｅｒ  ｎｏｎ−ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ＜４％）。
【００５９】
従来の高価なＣＭＰスラリーを用いる必要が無いため、ＣＭＰプロセスのコストを３０％削減することに成功した。
本実験をデバイスが搭載されたウエハで実施しても同様の効果を確認することができた。１層目のＣｕ配線層だけでなく、２層目のＣｕ配線層においてもｌｏｗ−ｋ膜が剥離なく研磨することができ、さらに３層目以上のＣｕ配線層でも剥離なく研磨することができた。ｌｏｗ−ｋ材料としては、ＭＳＱ以外にＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）やポリマー、ＣＶＤ法によるＳｉＯＣを用いても剥離なく研磨することができた。
【００６０】
以上のように、ＣＭＰパッドにキレート剤、もしくは金属イオン吸着剤を含む樹脂でＣＭＰを行うことにより、ダマシンＣｕ配線を作製する。これによって高価なＣＭＰスラリーを用いる必要が無くなることから低コストなＣＭＰプロセスを実現することができる。
【００６１】
半導体装置の製造をさらに進めていくには、以下のようにしていけばよい。
図１６は、平坦化する研磨工程後、第２の絶縁膜としてのｌｏｗ−ｋ膜形成工程までを示す工程断面図である。
図１６において、研磨処理後、ベイゾトリアゾール（ＢＴＡ）で防食処理し、有機酸でのブラシスクラバ洗浄、純水洗浄と行なって、還元性プラズマ処理工程として、ＣＶＤ装置内でアンモニア（ＮＨ３）プラズマ処理を行なう。この処理により、Ｃｕ表面の錯体を還元し、キャップＳｉＯ２膜上に存在する残留有機物を除去することができる。この処理により、Ｃｕ表面の錯体が還元され、キャップＳｉＯ２膜上にある残留有機物も除去されることから絶縁耐圧は改善される。前記還元性のプラズマはアンモニアプラズマ、もしくは水素（Ｈ２）プラズマが効果的であり、特にアンモニアプラズマが処理装置内におけるガスの扱い易さから好ましい。
【００６２】
還元性プラズマ処理工程では、図示していないＣＶＤ装置内におけるチャンバの内部にて、下部電極を兼ねた温度が４００℃に制御された基板ホルダの上に基体２００となる半導体基板を設置する。そして、チャンバの内部に上部電極内部からガスを供給する。供給するガス流量は１１．８Ｐａ・ｍ３／ｓ（７０００ｓｃｃｍ）とした。真空ポンプにより２３３Ｐａのガス圧力になるように真空引きされたチャンバの内部の上記上部電極と下部電極との間に高周波電源を用いてプラズマを生成させる。高周波パワーは５６０Ｗ、低周波パワーは２５０Ｗ、処理時間は１０秒とした。
【００６３】
そして、次の層における第２の絶縁膜形成工程の一部であるＳｉＣ膜形成工程として、還元性プラズマ処理した同じＣＶＤ装置内で４００℃の温度で３０ｎｍの膜厚のＳｉＣ膜２７５を形成する。ＳｉＣ膜２７５は拡散防止膜の働きがあり、このＳｉＣ膜２７５を形成することで、Ｃｕの拡散を防止することができる。かかるＣＶＤ法で形成されるＳｉＣ膜２７５の他に、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＣＯ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯ２膜を用いることができる。そして、ｌｏｗ−ｋ膜形成工程として、図４（ｃ）で説明した工程と同様に、ＳｉＣ膜２７５の上にＳｉＣ膜２７５よりも比誘電率の低い低誘電率膜である、多孔質の絶縁性材料を用いたｌｏｗ−ｋ膜２８０を形成する。以降、多層配線を必要に応じ順次形成する。
【００６４】
前記実施の形態において、比誘電率が２．６以下の場合、ポーラスｌｏｗ−ｋ膜が主流となるため、配線溝におけるｌｏｗ−ｋ膜の側壁が２０ｎｍ以下の膜厚のＣＶＤ膜で被覆保護されていることが望ましい。これはポーラスｌｏｗ−ｋ膜のポアシーリングの働きがある。特に、バリアメタル膜をＣＶＤ法やＡＬＤ法によって形成する場合に染み込みが無くなるために効果的である。このポアシーリングのためのＣＶＤ膜の種類としては、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＨ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＣＯ膜、ＳｉＮ膜が望ましい。特に、低誘電率の観点からＳｉＣ膜やＳｉＣＨ膜が最適である。
【００６５】
以上の説明において、バリアメタルとして、Ｔａ、ＴａＮに限らず、ＴａＣＮ（炭化窒化タンタル）、ＷＮ（窒化タングステン）、ＷＣＮ（炭化窒化タングステン）、ＴｉＮ（窒化チタン）等の高融点金属の窒化膜或いは窒化炭素膜であっても構わない。或いはチタン（Ｔｉ）、ＷＳｉＮ等であっても構わない。
【００６６】
ここで、上記実施の形態における配線層の材料として、Ｃｕ以外に、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｔｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金等の、半導体産業で用いられるＣｕを主成分とする材料を用いて同様の効果が得られる。
【００６７】
なお、多層配線構造などを形成する場合には、各図において基体２００は、下層の配線層と絶縁膜とが形成されたものである。
【００６８】
上記各実施の形態においては、多孔質絶縁膜の材料としては、多孔質誘電体薄膜材料としてのＭＳＱに限らず、他の多孔質無機絶縁体膜材料、多孔質有機絶縁体膜材料を用いても同様の効果を得ることができる。
特に、多孔質の低誘電率材料に上記各実施の形態を適用した場合には、上述の如く顕著な効果が得られる。上記各実施の形態において多孔質絶縁膜の材料として用いることができるものとしては、例えば、各種のシルセスキオキサン化合物、ポリイミド、炭化フッ素（ｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ）、パリレン（ｐａｒｙｌｅｎｅ）、ベンゾシクロブテンをはじめとする各種の絶縁性材料を挙げることができる。
【００６９】
以上、具体例を参照しつつ各実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【００７０】
例えば、各実施の形態で層間絶縁膜が形成された基体２００は、図示しない各種の半導体素子あるいは構造を有するものとすることができる。また、半導体基板ではなく、層間絶縁膜と配線層とを有する配線構造の上に、さらに層間絶縁膜を形成してもよい。開口部も半導体基板が露出するように形成してもよいし、配線構造の上に形成してもよい。
【００７１】
さらに、層間絶縁膜の膜厚や、開口部のサイズ、形状、数などについても、半導体集積回路や各種の半導体素子において必要とされるものを適宜選択して用いることができる。
【００７２】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置の製造方法は、本発明の範囲に包含される。
【００７３】
また、説明の簡便化のために、半導体産業で通常用いられる手法、例えば、フォトリソグラフィプロセス、処理前後のクリーニング等は省略しているが、それらの手法が含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】実施の形態１における研磨パッドの一部を示す図である。
【図２】研磨装置の構成を説明するための概念図である。
【図３】実施の形態１におけるオービタル運動の様子を説明するための図である。
【図４】半導体装置の構成のうち、層間絶縁膜として、下層のＳｉＯ２膜形成工程からｌｏｗ−ｋ膜上のＳｉＯ２膜形成工程までを示す工程断面図である。
【図５】配線形成のための開口部形成工程からめっき工程までを示す工程断面図である。
【図６】平坦化する研磨工程を示す工程断面図である。
【図７】実施の形態１における研磨装置の概要構成断面図である。
【図８】研磨パッド表面での状況を説明するための図である。
【図９】ウレタン樹脂にキレート樹脂を積層した研磨パッドの一部を示す図である。
【図１０】多層化された研磨パッドの一部を示す図である。
【図１１】多層化された別の研磨パッドの一部を示す図である。
【図１２】実施の形態１における別の研磨パッドを示す図である。
【図１３】研磨パッドの表面形状を示す図である。
【図１４】ロータリ型のＣＭＰ装置の構成を示す概念図である。
【図１５】ＣＭＰ後の試料の状態を示す概念図である。
【図１６】平坦化する研磨工程後、第２の絶縁膜としてのｌｏｗ−ｋ膜形成工程までを示す工程断面図である。
【図１７】従来のｌｏｗ−ｋ膜とＣｕ配線を組み合わせた多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図１８】ＣＭＰを用いた研磨工程時の半導体装置の断面例を示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１００  研磨パッド
１０２  低硬度樹脂
１０４，１２４  高硬度樹脂
１１２  キレート樹脂
１１４  ウレタン樹脂
２００  基体
２１０，２２２  ＳｉＯ２膜
２１２，２７５  ＳｉＣ膜
２２０，２８０  ｌｏｗ−ｋ膜
２２１，２８１  絶縁膜
２４０  バリアメタル膜
２５０  シード膜
２６０  Ｃｕ膜
３００  ウエハ
５１０，６１０  キャリア
５２０，６２０  プラテン
５３０,６３０  研磨パッド
５５０  供給孔
５６０，６６０  供給液
５６２  溝
６５０  供給ノズル
【図１】
2006147603.tif 000003
【図２】
2006147603.tif 000004
【図３】
2006147603.tif 000005
【図４】
2006147603.tif 000006
【図５】
2006147603.tif 000007
【図６】
2006147603.tif 000008
【図７】
2006147603.tif 000009
【図８】
2006147603.tif 000010
【図９】
2006147603.tif 000011
【図１０】
2006147603.tif 000012
【図１１】
2006147603.tif 000013
【図１２】
2006147603.tif 000014
【図１３】
2006147603.tif 000015
【図１４】
2006147603.tif 000016
【図１５】
2006147603.tif 000017
【図１６】
2006147603.tif 000018
【図１７】
2006147603.tif 000019
【図１８】
2006147603.tif 000020