(57)【要約】【課題】  均一な研磨を可能とし、半導体装置の製造歩留まりを向上する。【解決手段】  研磨パッド５１は、導電性シート６１、絶縁層６２および導電性表層６３の積層構造を有し、導電性表層６３および絶縁層６２を貫通して底部で導電性シート６１が露出する電解液を収容可能な凹部７１が複数形成され、電解液５５の凹部７１間の移動を可能とする通路７２が凹部７１間の絶縁層６２に形成されている。半導体ウエハ５２上の導電体層５２ａの研磨工程では、プラテン５３と研磨ヘッド５４を回転させ、研磨パッド５１上に電解液５５を供給して各凹部７１内を電解液５５で充填し、導電性表層６３に正電位を供給し、導電性シート６１に負電位を供給してカソードとし、導電体層５２ａを研磨パッド５１の導電性表層６３に接触させてアノードとして導電体層５２ａを電解研磨する。研磨工程中、電解液５５は通路７２を介して凹部７１間を移動する。【選択図】  図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハの主面上に形成された第１導電体層を研磨部材を用いて電気化学的に研磨する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
前記研磨部材は、第２導電体層と、前記第２導電体層上に配置された絶縁層と、前記絶縁層上に配置された第３導電体層とを有し、前記第３導電体層および前記絶縁層を貫通して底部で前記第２導電体層が露出する電解液を収容可能な凹部が複数形成され、電解液の前記凹部間の移動を可能とする通路が前記凹部間の前記絶縁層に形成されており、
前記研磨する工程では、前記研磨部材の前記各凹部内を電解液で充填し、前記研磨部材の前記第３導電体層に正電位を供給し、前記第２導電体層に負電位を供給してカソードとし、前記半導体ウエハ上の前記第１導電体層を前記研磨部材の前記第３導電体層に接触させてアノードとして前記第１導電体層を電気化学的に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】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記研磨する工程で、電解液が前記通路を介して前記凹部間を移動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記載の半導体装置の製造方法において、
前記研磨する工程では、電解液を充填した前記各凹部を前記第１導電体層に対して相対的に移動させながら、前記第１導電体層を電気化学的に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記載の半導体装置の製造方法において、
前記研磨部材の中心から外周側へ向かう方向に隣り合う前記凹部間に前記通路が形成されてい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４記載の半導体装置の製造方法において、
前記研磨する工程では、電解液が、前記通路を介して、前記研磨部材の中心から外周側へ向かう方向に前記凹部間を移動し、外周端側に位置する前記凹部から前記第３導電体層上に流出することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記研磨部材では、研磨装置の定盤に前記第２導電体層が固定され、前記第２導電体層が前記定盤に電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記研磨部材では、研磨装置の定盤に前記絶縁層が固定され、前記定盤が前記第２導電体層として機能することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第３導電体層が、前記第１導電体層と同じかそれ以下の硬度を有する導電性材料により形成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第３導電体層が、カーボンを主成分とした材料からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第３導電体層が、アモルファスカーボン、グラファイト、カーボンナノチューブまたはフラーレンの少なくとも１つを主成分とした成形体、または導電性有機材料からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記研磨する工程では、前記電解液が前記第３導電体層の上方または前記第２導電体層の下方から前記凹部に供給されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１導電体層が銅を主成分とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記研磨部材の前記絶縁層は、前記第２導電体層上に配置された第１絶縁層と前記第１絶縁層上に配置された第２絶縁層との積層構造を有し、
前記第２絶縁層に前記通路が形成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記研磨部材の前記第３導電体層に、少なくともその上部が研磨性を有する材料からなる第１部材が保持されており、
前記研磨する工程では、電気化学的な研磨と前記第１部材による機械的研磨とが行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１部材の少なくとも上部が、発泡ポリウレタンパッド、無発泡ポリウレタンパッド、繊維質パッドまたは固定砥粒パッドからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
請求項１４記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１部材が、弾性を有する材料部上に研磨性を有する材料部を積層して形成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項１４記載の半導体装置の製造方法において、
前記研磨部材では、前記第１部材の上面と前記第３導電体層の上面とが同一面となる状態で、または前記研磨する工程で同一面となるように前記第１部材の上面が前記第３導電体層の上面から突出した状態で、前記第１部材が設置されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
半導体ウエハの主面上に形成された第１導電体層を研磨部材を用いて電気化学的に研磨する電解研磨方法であって、
前記研磨部材は、第２導電体層と、前記第２導電体層上に配置された絶縁層と、前記絶縁層上に配置された第３導電体層とを有し、前記第３導電体層および前記絶縁層を貫通して底部で前記第２導電体層が露出する電解液を収容可能な凹部が複数形成され、電解液の前記凹部間の移動を可能とする通路が前記凹部間の前記絶縁層に形成されており、
前記第１導電体層を電気化学的に研磨する際には、前記研磨部材の前記各凹部内を電解液で充填し、前記研磨部材の前記第３導電体層に正電位を供給し、前記第２導電体層に負電位を供給してカソードとし、前記半導体ウエハ上の前記第１導電体層を前記研磨部材の前記第３導電体層に接触させてアノードとして前記第１導電体層を電気化学的に研磨することを特徴とする電解研磨方法。
【請求項１９】
半導体ウエハの主面上に形成された配線材を研磨部材を用いて電気化学的に研磨する電解研磨方法であって、ウエハ径より小さい複数の開口を有する導電性表層と、該開口と略同一の開口を有する絶縁層を該導電性表層の下部に位置させ、カソードとして使用できる導電体層に該絶縁層を密着させて該開口部を電解液収容部とし、前記導電性表層と、前記導電性表層の下側に設けられた前記絶縁層と、前記電解液収容部の底面を形成するカソード用の導電体層の３層構造からなる研磨パッドを化学機械研磨装置に装着し、前記導電性表層に電源のプラス電極を接続し、前記カソードとして使用できる導電体層にマイナス電極を接続して電解セルを形成し、前記半導体ウエハの配線材を前記導電性表層に接触させてアノードとして前記配線材を電気化学的に研磨することを特徴とする電解研磨方法。
【請求項２０】
半導体ウエハの主面上に形成された第１導電体層を電気化学的に研磨するための研磨パッドであって、
前記研磨パッドは、第２導電体層と、前記第２導電体層上に配置された絶縁層と、前記絶縁層上に配置された第３導電体層とを有し、前記第３導電体層および前記絶縁層を貫通して底部で前記第２導電体層が露出する電解液を収容可能な凹部が複数形成され、電解液の前記凹部間の移動を可能とする通路が前記凹部間の前記絶縁層に形成されており、
前記研磨パッドを用いて前記第１導電体層を電気化学的に研磨する際には、前記研磨部材の前記各凹部内を電解液で充填し、前記研磨部材の前記第３導電体層に正電位を供給し、前記第２導電体層に負電位を供給してカソードとし、前記半導体ウエハ上の前記第１導電体層を前記研磨パッドの前記第３導電体層に接触させてアノードとして前記第１導電体層を電気化学的に研磨することを特徴とする研磨パッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法、電解研磨方法および研磨パッドに関し、特に、半導体ウエハの主面上に形成された導電体層を電気化学的に研磨する工程を有する半導体装置の製造方法に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置（デバイス）の高集積化、微細化に伴って、配線の積層化が行われている。すなわち、半導体ウエハの表面に配線材をパターン形成し、この上を酸化シリコンなどの絶縁膜で覆い、次の配線材をパターン形成し、これを順次繰り返すプロセスが採用されている。
【０００３】
配線材をパターン形成するプロセスでは、反応性イオンエッチングによってプラグ用ホールと配線溝を酸化シリコンなどの絶縁膜（以下層間絶縁膜という）に形成し、プラグ用ホールと配線溝を同時に銅配線材で埋め込み、表面の余分な銅を化学機械研磨（以下ＣＭＰという）によって除去し平坦化して配線を形成する方法が採用されている。そのような技術は、例えば、米国特許第４９４４８３６号明細書（特許文献１）や特開平２−２７８８２２号公報（特許文献２）に開示されている。
【０００４】
近年、デバイスの低消費電力化および高速化の目的で、層間絶縁膜に低誘電率材料（いわゆるＬｏｗ−Ｋ材料）の導入が検討されている。しかしながら、この低誘電率材料は、機械的強度や化学的安定性に乏しく、ＣＭＰプロセスにおける回転数や研磨圧力に依存する摩擦力によって、銅配線材が層間絶縁膜から剥離することがあるため、研磨圧力を極端に低下させて研磨する超低圧研磨方法が検討されている。
【０００５】
しかしながら、この超低圧ＣＭＰプロセスでは、研磨レートの低下と均一性の劣化の問題があるため、ＣＭＰプロセスに代わって、電気化学的研磨（電解研磨）方法が提案されている。例えば、特開２００２−９３７６１号公報（特許文献３）、特開２００１−７７１１７７号公報(特許文献４)、特開２００３−３４７２４３号公報（特許文献５）、米国特許出願公開第２００２／０１１９２８６号明細書（特許文献６）に開示されている。
【０００６】
また、特開２００４−２７６２１９号公報（特許文献７）には、インヒビタを含む電解液を用いて配線層を電解研磨する技術が開示されている。
【０００７】
また、特願２００３−３７４３５２号には、デバイスウエハの配線材をアノードとし、該アノードの対極をカソードとして、該アノードとカソードとの間に、電解液をアノードと接触し得るように満たす複数の電解液収容部を有する絶縁体を位置させ、該アノードとカソードと電解液とで電解セルを形成し、該電解液収容部を配線材に対して相対移動させながら、前記デバイスウエハの配線材を電解研磨する技術が開示されている。
【０００８】
また、特願２００４−３２１６４３号には、オービタル方式の電解研磨方法が開示されている。
【特許文献１】米国特許第４９４４８３６号明細書
【特許文献２】特開平２−２７８８２２号公報
【特許文献３】特開２００２−９３７６１号公報
【特許文献４】特開２００１−７７１１７７号公報
【特許文献５】特開２００３−３４７２４３号公報
【特許文献６】米国特許出願公開第２００２／０１１９２８６号明細書
【特許文献７】特開２００４−２７６２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明者の検討によれば、次のような問題があることを見出した。
【００１０】
電気化学的研磨方法は、デバイスウエハ表面の銅配線材をアノードとして、別に設けたカソードとの間に電解液を介して直流電流を通電し、ウエハ表面の銅配線材を電気化学的に溶解、除去する方法である。
【００１１】
従来の電気化学的研磨方法では、デバイスウエハ表面の銅配線材をアノードとするためには、配線材（Ｃｕシード層も含む）に金属電極を直接接触させる必要がある。従って、デバイスウエハを研磨ヘッドに設置し、研磨パッドに押し付ける（押圧する）プラテン・ロータリー型研磨装置では、配線材に金属電極を直接接触させるスペースを確保する必要があった。
【００１２】
また、金属電極を直接配線材に接触させるため、金属同士が擦れあってスクラッチが発生する可能性があった。例えば、先に挙げた特開２００３−３４７２４３号公報記載の技術では、研磨ヘッドのリテーナリング内側に設けたアノードからウエハエッジのＣｕシード膜に電気的接触をとる方法が開示されている。この方法では、研磨中にウエハがリテーナリングからわずかに離れた場合にも導通が不安定になるという問題があった。
【００１３】
さらに、先に挙げた米国特許出願公開第２００２／０１１９２８６号明細書では、研磨パッド表面に設けられた金属電極で直接ウエハ表面のＣｕ面に電気的接触を取る方法が開示されている。この方法では、Ｃｕ面にスクラッチが発生する可能性がある。
【００１４】
また、従来の電気化学的研磨方法では、電極付近の配線材が電解研磨によって除去された後は、自動的に電解研磨がストップしてウエハの多数箇所にＣｕの研磨残りが発生する可能性があった。
【００１５】
また、銅配線材の研磨プロセスでは、銅配線材の研磨とともに、バリアメタルを研磨する必要があるので、一般には多段階（マルチステップ）研磨が実施されている。すなわち、第１ステップで銅配線材を、第２ステップでバリアメタルと層間絶縁膜の一部を研磨する。場合によっては、第１ステップの銅配線材の研磨を２段階に分けた３ステップとなる場合もある。そのため、ＣＭＰ装置は、マルチプラテン・マルチヘッド型が主流であるが、電解研磨を併用することは、装置が大型化し高価になり、また、そのための改造もコストがかかるという問題があった。
【００１６】
それに対して、公知技術ではないが本発明者が検討してきた技術に、デバイスウエハの配線材をアノードとし、該アノードの対極をカソードとして、該アノードとカソードとの間に、電解液をアノードと接触し得るように満たす複数の電解液収容部を有する絶縁体を位置させ、該アノードとカソードと電解液とで電解セルを形成し、該電解液収容部を配線材に対して相対移動させながら、前記デバイスウエハの配線材を電解研磨する技術がある。この技術では、研磨パッドの導電性を有する表層とデバイスウエハの銅配線材を接触させることによって、間接的に銅配線材をアノードとし、プラテンをカソードとして電解セルを形成することができる。このため、配線材に金属電極を直接接触させる必要がない。従って、配線材表面にスクラッチを生じさせる心配がない。また、研磨の最終段階で銅配線材の膜厚が薄くなることによって導通不良が発生することによって研磨残りが生じるのを防止できる。
【００１７】
しかしながら、本発明者が検討した上記技術では、電解研磨中に電解セルの上方から各電解セルに供給されたフレッシュな電解液と古い電解液の入れ替えが各電解セルで不均一に行われるため、デバイスウエハの配線材の研磨が不均一となる可能性がある。例えばロータリー型の研磨装置では、プラテン上に設置された研磨パッドの各電解セルの周速度が異なる（研磨パッドの中心で遅く、外周部では速い）ので、各電解セルの電解液に生じる遠心力が異なり、フレッシュな電解液と古い電解液の入れ替えが各電解セルで不均一になる。電解液が古くなると研磨速度が低下するため、複数の電解セルで古い電解液とフレッシュな電解液とが混在していると、デバイスウエハの配線材の研磨が不均一になりやすくなる。これは、半導体装置の製造歩留まりを低下させる。
【００１８】
本発明の目的は、より均一な研磨を可能とする技術を提供することにある。
【００１９】
本発明の他の目的は、半導体装置の製造歩留まりを向上できる技術を提供することにある。
【００２０】
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】
【００２１】
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。
【００２２】
本発明は、半導体ウエハの主面上に形成された第１導電体層を電気化学的に研磨する研磨部材が、第２導電体層と、前記第２導電体層上に配置された絶縁層と、前記絶縁層上に配置された第３導電体層とを有し、前記第３導電体層および前記絶縁層を貫通して底部で前記第２導電体層が露出する電解液を収容可能な凹部が複数形成され、電解液の前記凹部間の移動を可能とする通路が前記絶縁層に形成され、前記第１導電体層を電気化学的に研磨する際には、前記研磨部材の前記各凹部内を電解液で充填し、前記研磨部材の前記第３導電体層に正電位を供給し、前記第２導電体層に負電位を供給してカソードとし、前記半導体ウエハ上の前記第１導電体層を前記研磨部材の前記第３導電体層に接触させてアノードとして、前記第１導電体層を電気化学的に研磨するものである。
【００２３】
更に、本願に記載されたその他の発明の概要を以下に示す。
【００２４】
すなわち、本発明は、ウエハ径より小さい複数の開口を有する導電性表層と、該開口と略同一の開口を有する絶縁層を該導電性表層の下部に位置させ、カソードとして使用できる導電体層に該絶縁層を密着させて該開口部を電解液収容部とし、該電解液収容部どうしを電解液が連通し得るように連結する連結路を前記絶縁層に具備し、前記導電性表層に電源のプラス電極を接続し、前記カソードとして使用できる導電体層にマイナス電極を接続して電解セルを形成し、電解研磨研磨すべき半導体装置の配線材を前記導電性表層に接触させてアノードとして該配線材を電気化学的に研磨することを特徴とする電解セルパッドを提供するものである。
【００２５】
要するに、複数の電解液収容部を電解液が連通し得るように連結路で連結することによって、古い電解液とフレッシュな電解液との電解液の入れ替えが、各電解液収容部中で略均一に生じるようにしたものである。
【００２６】
また、前記電解セルパッドは、前記導電性表層と前記導電性表層の下側に設けられた前記絶縁層と、前記電解液収容部の底面を形成する導電体層の３層構造のシート状パッドとすることができる。
【００２７】
また、前記電解セルパッドの中心から外周までに位置する隣接する電解液収容部は、連結路で連結することが好ましい。パッド内の全部の電解液収容部が連結路で連結していなくとも、中心から半径方向に連続して電解液収容部が連結路で連通していれば良い。
【００２８】
また、前記電解液収容部を有する絶縁層を、上層と下層の二層構造とし、上層に前記連結路となる溝、若しくは切断部を形成し、電解液収容部は上層と下層が一緒になって形成することが好ましい。上層の下面に連結溝を形成して下層の絶縁層と合わせて連結路を形成することも、上層の絶縁層に切断部を形成し、導電性表層と下層の絶縁層とで連結路を形成しても良い。なお、絶縁層に連結路となる貫通孔を形成しても良いが、上記のようにするのが、製造上容易であることから好ましい。
【００２９】
また、カソードとして使用できる導電体層としては、ＣＭＰ装置の回転定盤またはベルト状定盤（以下プラテン等という）とすることができる。一般的な研磨装置の中には、プラテン等がステンレスなどの導電性材料で製作されていることもあり、その場合は研磨装置のフレームと電気的に導通し得る状態で設置されている。従って、直流電源のマイナス電極を研磨装置のフレームに接続することで、プラテン等をカソードとして使用できる。
【００３０】
また、電解セルパッドの底部を形成する導電シート（導電体層）をＣＭＰ装置のプラテン等に導電性粘着テープ等で貼付し、該導電シート（導電体層）を直接的にカソードとすることもできる。これは、プラテン等に配線材が析出してプラテン等を汚染するのを防止するためである。また、電解セルパッドの機能上の劣化に対して、新しい電解セルパッドと交換しやすくするためである。直流電源のマイナス電極をプラテン等に接続するという意味では、前記導電シートを直接的にカソードとすることとプラテン等をカソードとすることは同じ意味である。プラテン等がセラミックなどの非導電材料で作製されている研磨装置にあっては、電解セルパッドの底部を形成する導電シート、若しくは導電板に直接、直流電源のマイナス極を接続するが、該導電シート、若しくは導電板はプラテン等の上面に固定される。
【００３１】
また、電解セルパッドの中心から外周に向けて、電解液収容部を前記連結路で連結し、外周端の電解液収容部は、貫通孔を形成した導電性表層で覆って、電解液は、中心から外周部に向けて流れて、前記貫通孔から上に向けて流出するように形成するのが好ましい。このように形成することによって、全ての電解液収容部の液レベルを、導電性表層面と容易に一致させることができる。また、外周端の電解液収容部の形状を円弧状とし、複数の電解液収容部と連結するように構成するのがより好ましい。
【００３２】
電解セルパッドは、アノードである導電性表層と電解液、およびカソードであるプラテンで電解セルが形成されるため、導電性表層では電解研磨中は常に不働態の形成や溶出などの陽極酸化を受ける。このため、陽極酸化の影響を受けにくい材料として、ステンレスやチタン合金が挙げられるが、カーボンを主材料としたものが望ましく、更に望ましくは、アモルファスカーボン、グラファイト、カーボンナノチューブ、フラーレンなどのカーボン粉体の成形体がよく、前期成形体の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）が１０μｍ以下であることが望ましい。
【００３３】
銅配線材と前記導電性表層とは、電気的接続を行うために相対運動をさせなが接触させる必要がある。このため、銅配線材の表面は、導電性表層の表面精度（表面粗さ、表面のうねり、微小突起）に影響され、特に銅配線材より硬度の高い導電性表層の材料では、銅配線材を傷つけないよう（スクラッチの防止）、表面粗さや微小突起を除去する必要がある。また、導電性表層の表面のうねりに起因して、銅配線材と導電性表層とが部分的な接触によって圧力の集中が起こり、銅配線材とＬｏｗ−Ｋ材料とが剥離する確率が高まる危険がある。従って、導電性表層の表面を高精度に仕上げる必要があるが、特に、前記導電性表層は、銅配線材のスクラッチ防止や剥離防止のため、銅配線材と同等若しくはそれ以下の硬度の導電性材料で形成するのが良く、これら材料としては、グラファイトや導電性有機材料、特にポリアセチレンが挙げられる。
【００３４】
また、電解液がプラテンの下部から供給される研磨装置に使用される電解セルパッドの場合は、前記電解液収容部の底面を形成する導電シート（導電体層）に電解液を流入するための貫通孔を形成することが望ましい。
【００３５】
また、前記導電性表層には、樹脂材料などの研磨性を有する材料を担持させるのが良い。このようにすれば、電解研磨とメカニカル研磨とを複合して同時に研磨を行うことができる。特に、デバイスウエハの銅配線材の電解研磨では、銅イオンの溶出の形で研磨が進むが、電解液の組成や電解研磨条件によっては銅配線材の表面に酸化銅や銅錯体などが生成され、電解研磨が阻害される場合があり、メカニカル研磨を電解研磨と併用（複合研磨）して前記酸化銅や銅錯体を研磨除去することによって平坦性を向上させることが可能となる。前記樹脂材料としては、発泡ポリウレタンパッド、無発泡ポリウレタンパッド、繊維質パッドおよび固定砥粒パッド等が挙げられる。
【００３６】
また、前記研磨性を有する材料および電解液収容部は、導電性表層の電気的連通を阻害しないように互いに間隔を付けて設置するのが良い。
【００３７】
前記研磨性を有する材料は、導電性表層から絶縁層に渡って形成された凹部内に、該導電性表層と同一面若しくは研磨時同一面となり得るように若干突き出して設置するのが良い。
【００３８】
また、前記研磨性を有する材料は、弾性を有する材料の上面に研磨性を有する材料を積層して形成するのが好ましい。このように構成することによって、研磨性を有する材料が若干突き出していても、ウエハの荷重もしくは研磨荷重で弾性を有する材料が圧縮されて、ウエハ表面（配線材表面）と導電性表面とが電気的に接触できるようになる。なお、弾性を有する材料としては、粘弾性を有する材料でも良い。
【００３９】
また、本発明の電解研磨方法は、ウエハ径より小さい複数の開口を有する導電性表層と、該開口と略同一の開口を有する絶縁層を該導電性表層の下部に位置させ、カソードとして使用できる導電体層に該絶縁層を密着させて該開口部を電解液収容部とし、該電解液収容部どうしを電解液が連通し得るように連結する連結路を前記絶縁層に具備し、前記導電性表層に電源のプラス電極を接続し、前記カソードとして使用できる導電体層にマイナス電極を接続して電解セルを形成し、半導体装置の配線材を前記導電性表層に接触させてアノードとして、前記電解液収容部を配線材に対して相対移動させながら、該配線材を電気化学的に研磨するものである。
【００４０】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、ウエハ径より小さい複数の開口を有する導電性表層と、該開口と略同一の開口を有する絶縁層を該導電性表層の下部に位置させ、カソードとして使用できる導電体層に該絶縁層を密着させて該開口部を電解液収容部とし、該電解液収容部どうしを電解液が連通し得るように連結する連結路を前記絶縁層に具備し、前記導電性表層に電源のプラス電極を接続し、前記カソードとして使用できる導電体層にマイナス電極を接続して電解セルを形成し、半導体装置の配線材を前記導電性表層に接触させてアノードとして、前記電解液収容部を配線材に対して相対移動させながら、該配線材を電気化学的に研磨するものである。
【００４１】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、ウエハ径より小さい複数の開口を有する導電性表層と、該開口と略同一の開口を有する絶縁層を該導電性表層の下部に位置させ、カソードとして使用できる導電体層に該絶縁層を密着させて該開口部を電解液収容部とし、前記導電性表層と、前記導電性表層の下側に設けられた前記絶縁層と、前記電解液収容部の底面を形成するカソード用の導電体層の３層構造からなるパッドを化学機械研磨（ＣＭＰ）装置に装着し、前記導電性表層に電源のプラス電極を接続し、前記カソードとして使用できる導電体層にマイナス電極を接続して電解セルを形成し、半導体装置の配線材を前記導電性表層に接触させてアノードとして該配線材を電気化学的に研磨するものである。
【００４２】
要するに前記発明は、電解研磨を行うために必要な電解セルを有する３層構造のパッドを従来のＣＭＰ装置に装着するだけで電解研磨を可能としたものであり、電解セルパッドは必要に応じて容易に脱着可能なものである。つまり、電解セルパッドが消耗したり、不良箇所が発生したら交換することが可能であるため、低コストで電解研磨を行うことができる。この３層構造の電解セルパッドは導電性の粘着シートなどでＣＭＰプラテンに貼り付けることが可能なものであり、従来の発泡ポリウレタン製のＣＭＰパッドと同様に扱うことが可能である。
【００４３】
また、前記導電性表層は、グラファイト等のカーボンを主材料としたものやポリアセチレン等の導電性有機材料が望ましい。
【００４４】
また、前記導電性表層に、樹脂材料を担持させることは平坦性を向上する上で望ましく、前記樹脂材料としては発泡ポリウレタンパッド、無発泡ポリウレタンパッド、繊維質パッドおよび固定砥粒パッド等が挙げられる。
【００４５】
なお、本発明の配線材は銅もしくは銅合金であることが高研磨速度の電解研磨を達成し、低抵抗の配線を形成する観点から望ましい。
【発明の効果】
【００４６】
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。
【００４７】
より均一な研磨が可能になる。
【００４８】
また、半導体装置の製造歩留まりを向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００５０】
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、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００５１】
また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図や斜視図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。
【００５２】
（実施の形態１）
本実施の形態の半導体装置およびその製造工程を図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態である半導体装置、例えばＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）を有する半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【００５３】
まず、図１に示されるように、例えば１〜１０Ωｃｍ程度の比抵抗を有するｐ型の単結晶シリコンなどからなる半導体基板（半導体ウエハ）１の主面に素子分離領域２を形成する。素子分離領域２は酸化シリコンなどからなり、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法またはＬＯＣＯＳ（Local Oxidization of Silicon ）法などにより形成することができる。
【００５４】
次に、半導体基板１のｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴを形成する領域にｐ型ウエル３を形成する。ｐ型ウエル３は、例えばホウ素（Ｂ）などのｐ型の不純物をイオン注入することなどによって形成することができる。
【００５５】
次に、ｐ型ウエル３の表面にゲート絶縁膜４を形成する。ゲート絶縁膜４は、例えば薄い酸化シリコン膜などからなり、例えば熱酸化法などによって形成することができる。
【００５６】
次に、ｐ型ウエル３のゲート絶縁膜４上にゲート電極５を形成する。例えば、半導体基板１上に導電体膜として多結晶シリコン膜を形成し、その多結晶シリコン膜にリン（Ｐ）などをイオン注入して低抵抗のｎ型半導体膜とし、その多結晶シリコン膜をドライエッチングによってパターニングすることにより、多結晶シリコン膜（導電体膜）からなるゲート電極５を形成することができる。
【００５７】
次に、ｐ型ウエル３のゲート電極５の両側の領域にリンなどのｎ型の不純物をイオン注入することにより、一対のｎ−型半導体領域６を形成する。
【００５８】
次に、ゲート電極５の側壁上に、例えば酸化シリコンなどの絶縁体からなるサイドウォール（側壁スペーサ）７を形成する。サイドウォール７は、例えば、半導体基板１上に酸化シリコン膜（絶縁膜）を堆積し、この酸化シリコン膜を異方性エッチングすることによって形成することができる。
【００５９】
サイドウォール７の形成後、例えば、ｐ型ウエル３のゲート電極５およびサイドウォール７の両側の領域にリンなどの不純物をイオン注入することにより、一対のｎ＋型半導体領域８（ソース、ドレイン）を形成する。ｎ＋型半導体領域８は、ｎ−型半導体領域６よりも不純物濃度が高い。
【００６０】
次に、ゲート電極５およびｎ＋型半導体領域８の表面を露出させ、例えばコバルト（Ｃｏ）膜のような金属膜を堆積して熱処理することによって、ゲート電極５およびｎ＋型半導体領域８の表面に、それぞれ金属シリサイド層９を形成する。これにより、ｎ＋型半導体領域８などの拡散抵抗と、コンタクト抵抗とを低抵抗化することができる。その後、未反応のコバルト膜（金属膜）は除去する。
【００６１】
このようにして、ｐ型ウエル３にｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）１０が形成される。ｐ型とｎ型の導電型を逆にするなどして、ｐチャネル型のＭＩＳＦＥＴのＭＩＳＦＥＴを形成することもできる。
【００６２】
次に、半導体基板１上にゲート電極５を覆うように絶縁膜（層間絶縁膜）１１を形成する。絶縁膜１１は、例えば、相対的に薄い窒化シリコン膜とその上の相対的に厚い酸化シリコン膜との積層膜または酸化シリコン膜の単体膜などからなり、例えばＣＶＤ法などを用いて形成することができる。絶縁膜１１の形成後、必要に応じてＣＭＰ処理を行って絶縁膜１１の表面を平坦化する。
【００６３】
次に、フォトリソグラフィ法を用いて絶縁膜１１上に形成したフォトレジストパターン（図示せず）をエッチングマスクとして、絶縁膜１１をドライエッチングすることにより、絶縁膜１１にコンタクトホール１２を形成する。コンタクトホール１２の底部では、半導体基板１の主面の一部、例えばｎ＋型半導体領域８（の表面上の金属シリサイド層９）の一部やゲート電極５（の表面上の金属シリサイド層９）の一部などが露出される。
【００６４】
次に、コンタクトホール１２内に、タングステン（Ｗ）などからなるプラグ１３を形成する。この際、例えば、コンタクトホール１２の内部を含む絶縁膜１１上にバリア膜１３ａ（例えば窒化チタン膜）を形成した後、タングステン膜１３ｂをＣＶＤ法などによってバリア膜１３ａ上にコンタクトホール１２を埋めるように形成し、絶縁膜１１上の不要なタングステン膜１３ｂおよびバリア膜１３ａをＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing；化学機械研磨）法またはエッチバック法などによって除去する。これにより、コンタクトホール１２内に残存して埋め込まれたタングステン膜１３ｂおよびバリア膜１３ａからなるプラグ１３を形成することができる。このようにして、図１の構造が得られる。
【００６５】
図２〜図９は、図１に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図を示している。なお、理解を簡単にするために、図２〜図９では、図１の絶縁膜１１より下の構造に対応する部分は図示を省略している。
【００６６】
図２に示されるように、プラグ１３が埋め込まれた絶縁膜１１上に絶縁膜（エッチングストッパ膜）１４を形成する。絶縁膜１４は、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）膜からなる。絶縁膜１４の他の材料として、窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）膜などを用いることもできる。絶縁膜１４は、炭化シリコン（ＳｉＣ）膜と窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）膜との積層膜で構成してもよい。絶縁膜１４は、その上層の絶縁膜１５に配線形成用の溝や孔をエッチングにより形成する際に、その掘り過ぎにより下層に損傷を与えたり、加工寸法精度が劣化したりすることを回避するために形成される。すなわち、絶縁膜１４は絶縁膜１５をエッチングする際にエッチングストッパとして機能することができる。
【００６７】
次に、絶縁膜１４上に絶縁膜（層間絶縁膜）１５を形成する。絶縁膜１５は、低誘電率材料（いわゆるＬｏｗ−Ｋ絶縁膜、Ｌｏｗ−Ｋ材料）からなることが好ましい。低誘電率材料を用いることで絶縁膜１５の誘電率を下げることができるので、半導体装置の配線の総合的な誘電率を下げることが可能であり、配線の信号伝播遅延を改善できる。なお、低誘電率な絶縁膜（Ｌｏｗ−Ｋ絶縁膜）とは、パッシベーション膜に含まれる酸化シリコン膜（たとえばＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane）酸化膜）の誘電率よりも低い誘電率を有する絶縁膜を例示できる。一般的には、ＴＥＯＳ酸化膜の比誘電率ε＝４．１〜４．２程度以下を低誘電率な絶縁膜と言う。絶縁膜１５に用いることができる低誘電率材料としては、例えば、有機ポリマー、有機シリカガラス、ＦＳＧ（ＳｉＯＦ系材料、フッ素（Ｆ）が添加された酸化シリコン）、ＨＳＱ（hydrogen silsesquioxane）系材料、ＭＳＱ（methyl silsesquioxane）系材料、ポーラスＨＳＱ系材料、ポーラスＭＳＱ材料またはポーラス有機系材料などを用いることができる。
【００６８】
次に、絶縁膜１５上に、保護膜として絶縁膜１６を形成する。絶縁膜１６は、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）に代表される酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜を用いることができ、例えば研磨処理時における絶縁膜１５の機械的強度の確保、表面保護および耐湿性の確保等のような機能を有することができる。また、絶縁膜１５を構成する低誘電率材料膜が例えばフッ素（Ｆ）を含む酸化シリコン膜（ＳｉＯＦ膜）からなる場合は、絶縁膜１６は、フッ素の拡散を防止するように機能することもできる。また、例えば絶縁膜１５を構成する低誘電率材料膜が研磨工程における耐性を有する場合などは、絶縁膜１６の形成を省略することもできる。また、配線間の容量がそれほど問題にならない場合などは、絶縁膜１５を酸化シリコン膜などにより形成し、絶縁膜１６の形成を省略することもできる。
【００６９】
次に、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて、絶縁膜１６、絶縁膜１５および絶縁膜１４を選択的に除去して配線開口部としての配線溝（開口部）１７を形成する。このとき、配線溝１７の底部では、プラグ１３の上面が露出される。その後、エッチングマスクとして用いた図示しないフォトレジストパターン（および反射防止膜）をアッシングなどにより除去する。絶縁膜１５が、例えば有機ポリマー系の材料やポーラス有機系材料などのように酸素プラズマによりダメージを受け得る材料からなる場合は、絶縁膜１５をＮＨ３プラズマ処理またはＮ２／Ｈ２プラズマ処理などの還元性プラズマ処理によってエッチングしながら、フォトレジストパターン（および反射防止膜）をアッシングして除去することもできる。このようにして、図２の構造が得られる。
【００７０】
次に、図３に示されるように、半導体基板１の主面上の全面（すなわち配線溝１７の底部および側壁上を含む絶縁膜１６上）に、例えば厚さ５０ｎｍ程度の比較的薄い導電性バリア膜（バリア導体膜、バリアメタル）１８を形成する。導電性バリア膜１８の成膜には、スパッタリング法、ＣＶＤ法または原子層デポジション（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法などを用いることができる。導電性バリア膜１８は、例えば後述の主導体膜形成用の銅の拡散を抑制または防止する機能や主導体膜のリフロー時に銅の濡れ性を向上させる機能、あるいは銅（銅膜）の接着性を高める機能などを有している。このような導電性バリア膜１８の材料としては、例えばチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）またはタングステン（Ｗ）などのような高融点金属や、その合金膜（例えば窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）または窒化タングステン（ＷＮ）などのような高融点金属窒化物、またはそのような高融点金属窒化物にシリコン（Ｓｉ）を添加した材料（例えばＴｉＳｉＮ，ＴａＳｉＮ，ＷＳｉＮ）など）を用いることができる。また、導電性バリア膜１８としては、上記材料膜の単体膜だけでなく積層膜を用いることもできる。
【００７１】
次に、導電性バリア膜１８上に、相対的に厚い銅からなる主導体膜（銅膜）１９を形成する。主導体膜１９は、例えばＣＶＤ法、スパッタリング法またはめっき法などを用いて形成することができる。また、主導体膜１９は銅を主成分とする導体膜、例えば銅または銅合金（Ｃｕを主成分とし、例えばＭｇ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｔｉ，Ｔａ，Ａｌ，Ｎｂ，ＺｒまたはＺｎなどを含む）により形成することができる。また、導電性バリア膜１８上に、相対的に薄い銅（または銅合金）などからなるシード膜をスパッタリング法またはＣＶＤ法などによって形成し、その後、シード膜上に相対的に厚い銅（または銅合金）などからなる主導体膜１９をめっき法（電解めっき法）などによって形成することもできる。このシード膜は、主導体膜１９と導電性バリア膜１８の密着性を向上させるよう機能することができる。その後、熱処理により主導体膜１９をリフローさせ、銅を配線溝１７の内部に隙間なく埋め込む。
【００７２】
次に、図４に示されるように、主導体膜１９を電解研磨（電気化学的研磨、電解エッチング）によって、絶縁膜１６の上面上の導電性バリア膜１８の上面が露出するまで研磨する。電解研磨の対象である主導体膜１９が、後述する導電体層５２ａに対応する。それから、図５に示されるように、絶縁膜１６の上面上の導電性バリア膜１８を絶縁膜１６の上面が露出するまでＣＭＰ法などによって研磨する。これにより、絶縁膜１６上の（すなわち配線溝１７外部の）不要な導電性バリア膜１８および主導体膜１９を除去し、配線開口部としての配線溝１７内に導電性バリア膜１８および主導体膜１９を残す。このようにして、相対的に薄い導電性バリア膜１８と相対的に厚い主導体膜１９とからなる配線（第１層配線）２０を配線溝１７内に形成する（埋込む）ことができる。主導体膜１９は、配線２０の主配線部分となる導体膜である。形成された配線２０は、プラグ１３を介してｎ＋型半導体領域（ソース、ドレイン）８やゲート電極５と電気的に接続されている。主導体膜１９の研磨（電解研磨）工程については、後でより詳細に説明する。
【００７３】
次に、図６に示されるように、配線２０が埋め込まれた絶縁膜１６上に、絶縁膜（バリア絶縁膜）２１を形成する。絶縁膜２１は、例えば炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）膜などからなり、銅配線のバリア絶縁膜として機能する。従って、絶縁膜２１は、配線２０の主導体膜１９中の銅が、絶縁膜２２中などに拡散するのを抑制または防止する。絶縁膜２１の他の材料として、例えば窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）膜、炭化シリコン（ＳｉＣ）膜、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜または酸炭化シリコン（ＳｉＯＣ）膜を用いることもできる。
【００７４】
次に、絶縁膜２１上に絶縁膜（層間絶縁膜）２２、絶縁膜（エッチングストッパ膜）２３、絶縁膜（層間絶縁膜）２４および絶縁膜（保護膜）２５を順に形成する。絶縁膜２２は絶縁膜１５と同様の材料（低誘電率材料）により形成することができ、絶縁膜２３は絶縁膜１４または絶縁膜２１と同様の材料により形成することができ、絶縁膜２４は絶縁膜１５と同様の材料（低誘電率材料）により形成することができ、絶縁膜２５は絶縁膜１６と同様の材料により形成することができる。
【００７５】
次に、フォトリソグラフィ法などを用いて絶縁膜２１〜２５をドライエッチング（選択的に除去）することなどによって、配線開口部すなわち、配線２０に達するスルーホールまたはビア（開口部）３０および配線溝（開口部）３１を形成する。このとき、ビア３０の底部では、配線２０（主導体膜１９）の上面が露出される。配線溝３１は絶縁膜２３〜２５を選択的に除去することにより形成されており、ビア３０は、配線溝３１の底部で、絶縁膜２１，２２を選択的に除去することにより形成されている。このようにして、図６の構造が得られる。
【００７６】
次に、図７に示されるように、半導体基板１の主面上の全面（すなわちビア３０の底部および側壁上と配線溝３１の底部および側壁上とを含む絶縁膜２５上）に、例えば厚さ５０ｎｍ程度の比較的薄い導電性バリア膜（バリア導体膜、バリアメタル）３３を形成する。導電性バリア膜３３は、導電性バリア膜１８と同様の手法を用いて同様の材料により形成することができる。導電性バリア膜３３は、導電性バリア膜１８と同様、例えば後述の主導体膜形成用の銅の拡散を抑制または防止する機能や主導体膜のリフロー時に銅の濡れ性を向上させる機能、あるいは銅（銅膜）の接着性を高める機能などを有している。
【００７７】
次に、導電性バリア膜３３上に（すなわち半導体基板１上に）、相対的に厚い銅からなる主導体膜（銅膜）３４を形成する。主導体膜３４は、主導体膜１９と同様の手法を用いて同様の材料により形成することができる。その後、熱処理により主導体膜３４をリフローさせ、銅をビア３０および配線溝３１の内部に隙間なく埋め込む。
【００７８】
次に、図８に示されるように、主導体膜３４を電解研磨（電気化学的研磨、電解エッチング）によって、絶縁膜２５の上面上の導電性バリア膜３３の上面が露出するまで研磨する。電解研磨の対象である主導体膜３４が、後述する導電体層５２ａに対応する。それから、図９に示されるように、絶縁膜２５の上面上の導電性バリア膜３３を絶縁膜２５の上面が露出するまでＣＭＰ法などによって研磨する。これにより、絶縁膜２５上の（すなわちビア３０および配線溝３１の外部の）不要な導電性バリア膜３３および主導体膜３４を除去し、配線開口部としての配線溝３１およびビア３０内に導電性バリア膜３３および主導体膜３４を残す。このようにして、相対的に薄い導電性バリア膜３３と相対的に厚い主導体膜３４とからなる配線（第２層配線）３５を配線溝３１およびビア３０内に形成する（埋込む）ことができる。主導体膜３４は、配線３５の主配線部分となる導体膜である。形成された配線３５の配線部（配線溝３１に埋込まれた導電性バリア膜３３および主導体膜３４）は、配線３５の接続部またはビア部（ビア３０に埋込まれた導電性バリア膜３３および主導体膜３４）を介して配線２０と電気的に接続されている。主導体膜３４の研磨（電解研磨）工程については、後でより詳細に説明する。
【００７９】
その後、図６〜図９の工程を繰り返して、更に上層配線を形成することができるが、ここではその図示および説明は省略する。
【００８０】
次に、本実施の形態の半導体装置の製造工程のうちの研磨工程（例えば上記主導体膜１９，３４の研磨工程）について、より詳細に説明する。
【００８１】
図１０は、本実施の形態の研磨方法（電解研磨方法）を実施するための半導体製造装置（研磨装置）５０、すなわち本実施の形態の研磨工程（電解研磨工程）で用いられる半導体製造装置（研磨装置）５０の概略的な構成の一例を示す斜視図である。図１１および図１２は、半導体製造装置５０の要部断面図である。図１３は、半導体製造装置５０で用いられる研磨パッド（電解セルパッド、導電性研磨パッド）５１の概略的な構成を示す斜視断面図であり、図１４は、研磨パッド５１の部分拡大斜視断面図であり、図１５および図１６は、研磨パッド５１の要部平面図である。なお、図１３では、簡略化のために、通路７２の図示を省略している。図１６は、研磨パッド５１の上面のうち、研磨パッド５１の外周側面６７近傍領域が示され、図１５は、研磨パッド５１の上面のうち、研磨パッド５１の外周側面６７よりも内側の領域が示されている。図１７は、研磨パッド５１の平面（上面）図であり、半径方向７３が模式的に示されている。なお、図１７では、簡略化のために、凹部７１の図示は省略している。
【００８２】
図１０に示される半導体製造装置（研磨装置）５０は、半導体ウエハ（半導体基板、デバイスウエハ）５２の主面に形成された導電体層（導電体膜）５２ａを研磨する際に用いられる研磨装置であり、ここでは半導体ウエハ５２上の導電体層５２ａを電解研磨処理する際に用いられる研磨装置である。
【００８３】
半導体製造装置５０は、プラテン（定盤、研磨定盤）５３と、プラテン５３の上面６６上に配置され固定された研磨用パッド（電解セルパッド、導電性研磨パッド）５１と、半導体ウエハ５２をチャック（吸着）して保持可能な研磨ヘッド５４と、電解液（電解研磨液）５５を供給するためのノズル（電解液供給用ノズル）５６とを有している。プラテン５３上に固定された研磨パッド５１の上面（導電性表層６３）には、接触電極５７が接触されている。この接触電極５７は、直流電源５８のプラス極（正極）に電気的に接続されている。また、プラテン５３には、直流電源５８のマイナス極（負極）が電気的に接続されている。半導体ウエハ５２の電解研磨時には、直流電源５８から接触電極５７を介して研磨パッド５１の上面（導電性表層６３）に正電位が供給され、直流電源５８からプラテン５３に負電位が供給されて、通電されるようになっている。
【００８４】
プラテン５３および研磨ヘッド５４は、それぞれモータ（図示せず）などにより回転可能に構成されている。ノズル５６は、研磨パッド５１の上方に配置され、ノズル５６から電解液５５が電解パッド５１に供給されるようになっている。電解液５５は、例えば、リン酸、硫酸または有機酸を含む水溶液などを用いることができる。なお、本実施の形態では、プラテン５３は回転運動を行う回転定盤を用いているが、他の形態として、プラテン５３として直進または往復運動を行うベルト状定盤などを用いることもできる。
【００８５】
また、半導体製造装置５０は、研磨ヘッド５４を上下方向に移動させてプラテン５３に対する研磨ヘッド５４の位置を調整し、研磨ヘッド５４に保持された半導体ウエハ５２をプラテン５３上の研磨パッド５１に所定（所望）の圧力で押し付ける（押圧する）ことが可能となるように構成されている。半導体ウエハ５２は、上記半導体基板１に対応するものであり、単結晶シリコンなどからなり、その主面に研磨処理を行うべき導電体層５２ａが形成されて、被研磨面となっている。導電体層５２ａは、例えば上記主導体膜１９または主導体膜３４などの銅配線材に対応し、銅または銅合金のような銅を主成分とする導電体層からなる。半導体ウエハ５２の導電体層５２ａの研磨時には、半導体ウエハ５２は研磨ヘッド５４に装着されて保持され、半導体ウエハ５２の被研磨面の導電体層５２ａが研磨パッド５１の表面（導電性表層６３）に接触した状態となる。
【００８６】
図１１および図１２には、半導体製造装置５０のプラテン５３の端部５９近傍の領域が、プラテン５３上の研磨パッド５１や、研磨パッド５１を用いて研磨される半導体ウエハ５２および半導体ウエハ５２を保持する研磨ヘッド５４とともに図示されている。なお、図１１は、研磨パッド５１の凹部７１を横切る断面が示され、図１２は、研磨パッド５１の凹部７１を横切らない断面が示されている。このため、図１１は、図１６のＡ−Ａ線に対応する線で切断した断面図にほぼ相当し、図１２は、図１６のＢ−Ｂ線に対応する線で切断した断面図にほぼ相当することになる。
【００８７】
図１１および図１２に示されるように、研磨パッド５１は、導電性シート（導電層、導電体層）６１と、導電性シート６１上に配置された絶縁層（絶縁体層）６２と、絶縁層６２上に配置された導電性表層（導電層、導電体層）６３とを有している。導電性シート６１および導電性表層６３は、それぞれ導電性材料（導電体）からなる導電体層であり、絶縁層６２は絶縁性材料（絶縁体）からなる絶縁体層である。すなわち、研磨パッド５１は、導電性シート６１、絶縁層６２および導電性表層６３が順に積層され、密着された構造を有している。換言すれば、研磨パッド５１は、２つの導電体層（導電性シート６１および導電性表層６３）の間に絶縁層６２が挟まれた構造を有している。導電性シート６１、絶縁層６２および導電性表層６３によって構成される研磨パッド５２は、半導体ウエハ５２の主面上に形成された導電体層５２ａを電気化学的に研磨するための研磨部材として機能することができる。
【００８８】
研磨パッド５１は、導電性表層６３を上にして、プラテン５３の上面６６に固定されている。このため、上記接触電極５７は、プラテン５３上に固定された研磨パッド５１の導電性表層６３に接触される。このように、研磨パッド５１は、導電性表層６３と導電性表層６３の下側に設けられた絶縁層６２と、電解液収容部の底面を形成する導電性シート６１の３層構造のシート状パッドとすることができる。
【００８９】
また、図１１および図１２に示されるように、導電性シート６１の裏面（絶縁層６２が配置された側とは逆側の主面）に導電性粘着テープ（導電性粘着シート）６４を固定（接着）し、導電性粘着テープ６４を介して研磨パッド５１（の導電性シート６１）の裏面６５をプラテン５３の上面６６に貼り付けて使用することができる。導電性粘着テープ６４を用いることで、研磨パッド５１をプラテン５３に固定するとともに、研磨パッド５１の導電性シート６１をプラテン５３と電気的に接続することが可能になる。これにより、研磨パッド５１の導電性シート６１に、直流電源５８からプラテン５３および導電性粘着テープ６４を介して負電位を供給することができ、導電性シート６１を電解研磨時のカソードとすることができる。このため、電解研磨時にプラテン５３に金属が析出してプラテン５３を汚染するのを防止することができる。また、研磨パッド５１の機能が劣化したときには、新しい研磨パッド５１への交換が容易である。
【００９０】
また、一般的な研磨装置の中には、プラテンがステンレスなどの導電性材料で作製されているものもある。このため、プラテン５３が導電性材料で作製されている場合は、直流電源５８のマイナス電極をプラテン５３に電気的に接続することで、導電性シート６１に直流電源５８から負電位を供給することができる。また、プラテン５３がセラミックなどの非導電材料で作製されている場合は、研磨パッド５１の導電性シート６１に直接、直流電源５８のマイナス極を接続すればよく、これにより、研磨パッド５１の導電性シート６１に直流電源５８から負電位を供給することができる。プラテン５３が非導電材料からなる場合、研磨パッド５１の裏面６５をプラテン５３の上面６６に固定するために粘着テープには、導電性または非導電性の粘着テープを用いることが可能である。
【００９１】
図１１〜図１６に示されるように、研磨パッド５１には、複数（多数）の凹部（孔部、貫通孔、電解液収容部）７１が形成されている。各凹部７１は、導電性表層６３および絶縁層６２を貫通する開口部（貫通孔）７０により形成されている。例えば、導電性表層６３および絶縁層６２に略同一の（平面的に重なる）開口部７０が形成されて、各凹部７１が形成されている。各凹部７１の底部は、導電性シート６１となっている。各凹部７１は、電解液５５を満たす電解液収容部として機能することができる。また、各凹部７１は、電解液５５をアノード（半導体ウエハ５２の被研磨面の導電体層５２ａ）と接触し得るように満たすことができる。すなわち、研磨パッド５１において、導電性表層６３（第３導電体層）および絶縁層６２を貫通して底部で導電性シート６１（第２導電体層）が露出する電解液を収容可能な凹部７１が複数形成されている。
【００９２】
凹部７１は、導電性表層６３の開口部７０と絶縁層６２の開口部７０とが平面的に重なり互いに連通してその底部で導電性シート６１を露出するように形成されていれば、その平面形状は特に限定されず、例えば円形状、楕円形状または多角形状などとすることができる。例えば、凹部７１を、その平面形状を円形状とした円柱状の凹部とすることができる。各凹部７１の平面寸法は、半導体ウエハ５２よりも小さく、例えば数〜数千個の凹部７１が研磨パッド５１に形成されている。
【００９３】
図１１〜図１６に示されるように、隣り合う凹部７１の間に、凹部７１内に充填された電解液５５が連通または移動し得るような通路（連結路、連通路、連絡路、開口部）７２が形成されている。通路７２は、隣り合う凹部７１の間の絶縁層６２に形成されている。例えば、図１１、図１４〜図１６に示されるように、通路７２は、隣り合う凹部７１間の絶縁層６２を水平方向（研磨パッド５１の主面に平行な方向）に貫通するように形成されており、凹部７１内に充填された電解液５５が、通路７２を介して、隣り合う凹部７１間を移動可能となっている。このように、研磨パッド５１においては、電解液５５の凹部７１間の移動を可能とする通路７２が凹部７１間の絶縁層６２に形成されている。
【００９４】
隣り合う凹部７１間の全てに通路７２が形成されている必要はないが、研磨パッド５１の半径方向７３に隣り合う凹部７１の間に通路７２が形成されていれば好ましい。例えば、図１１、図１４〜図１６に示されるように、通路７２は、研磨パッド５１の半径方向７３に隣り合う凹部７１間の絶縁層６２を水平方向（研磨パッド５１の主面に平行な方向）に貫通するように形成されている。この通路７２を介して、研磨パッド５１の半径方向７３に配列する複数の凹部７１間が連続的に連結（連通）され、研磨パッド５１の半径方向７３に配列する複数の凹部７１の間で電解液５５が連続的に移動可能となっている。なお、上記半径方向７３は、図１７に例示されるように、研磨パッド５１の上面の中心から（放射状に）外周側へ向かう方向に対応する。このように、研磨パッド５１の中心から外周までに位置する隣接する凹部７１（電解液収容部）を通路７２で連結させることが好ましく、研磨パッド５１の全部の凹部７１（電解液収容部）が通路７２で連結していなくとも、中心から半径方向７３に連続して凹部７１（電解液収容部）が通路７２で連結していれば良い。
【００９５】
半導体ウエハ５２の導電体層５２ａの研磨工程では、研磨パッド５１はプラテン５３とともに回転されるので、研磨パッド５１上の電解液５５（研磨パッド５１の凹部７１内に充填された電解液５５）には、遠心力が作用する。この遠心力は、図１７の半径方向７３に作用する。このため、導電体層５２ａの研磨工程においては、ノズル５６から研磨パッド５１の凹部７１内に供給された新たな電解液５５は、凹部７１間の通路７２を介して、図１４の矢印７４で示される向き、すなわち研磨パッド５１の中心から外周側へ向かう方向に流れて凹部７１間を移動する。そして、通路７２を介して凹部７１間を移動した電解液５５は、凹部７１のうちの研磨パッド５１の外周端側に位置する凹部７１ａから研磨パッド５１上（すなわち導電性表層６３上）に流出する。なお、図１４の矢印７４の方向は、図１５〜図１７に示される半径方向７３に対応する方向である。
【００９６】
また、図１１、図１４および図１６に示されるように、凹部７１のうちの外周端側に位置する凹部７１ａと研磨パッド５１の外周側面（側面、側壁）６７との間には、通路７２に相当するものは形成されていない。このため、図１４に示されるように、通路７２を介して凹部７１ａに流入した電解液５５は、凹部７１ａの上部開口部７０ａから研磨パッド５１の上面（すなわち導電性表層６３の上面６８）上に流出し、そこから遠心力で研磨パッド５１の外周側に排出される。
【００９７】
凹部７１のうちの外周端に位置する凹部７１ａは、半導体ウエハ５２の導電体層５２ａの電解研磨中に半導体ウエハ５２が接触しない研磨パッド５１の余剰部に設けられているので、凹部７１ａでは電解研磨を行う必要がない。このため、他の凹部７１とは異なり、図１１および図１４に示されるように、凹部７１ａの底部には絶縁層６２の一部を残存させることもできる。他の形態として、他の凹部７１と同様に、凹部７１ａの底部においても絶縁層６２を除去して導電性シート６１を露出させ、凹部７１ａの底部を導電性シート６１により形成することもできる。
【００９８】
図１８は、他の形態の研磨パッド５１ａの要部平面図であり、上記図１６に対応するものである。研磨パッド５１ａは、通路７２ａを設けたこと以外は研磨パッド５１とほぼ同様の構成を有している。図１８に示されるように、外周端に位置する凹部７１ａ同士の間を絶縁層６２に形成した通路７２と同様の通路７２ａにより連結し、外周端に位置する凹部７１ａ間で電解液５５が移動可能になるよう構成することもできる。すなわち、外周端に位置する凹部７１ａ同士を円弧状に通路７２ａで連結し、研磨パッド５１ａの中心から複数列の凹部７１を、凹部７１ａ間を結ぶ通路７２ａで連結することもできる。凹部７１ａ同士の間を電解液５５が移動可能な通路７２で連結することで、通路７２を介して凹部７１ａに流入した電解液５５が研磨パッド５１の上面（すなわち導電性表層６３の上面６８）上へ流出するのを、促進させることができる。
【００９９】
半導体ウエハ５２の被研磨面の導電体層５２ａの電解研磨を実施するためには、研磨パッド５１の凹部７１内の電解液５５が、半導体ウエハ５２の導電体層５２ａに達するまで満たされている必要がある。通路７２は、電解液５５を凹部７１（７１ａ）の外に排出させる要件と、全ての凹部７１内で電解液５５を半導体ウエハ５２の被研磨面の導電体膜まで満たす要件を備えていればよい。
【０１００】
電解液５５の排出路が、凹部７１〜通路７２・・・凹部７１〜通路７２〜凹部７１ａ〜研磨パッド５１の上面（導電性表層６３の上面６８）のような順序であれば、各凹部７１内の電解液５５の液レベル（液面）は、導電性表層６３の上面（表面）６８よりも低下することがない。なお、本実施の形態では、電解液５５の排出路を確保するための一例が示されている。
【０１０１】
本実施の形態以外の電解液５５の排出経路として、例えば、外周端に位置する凹部７１ａと研磨パッド５１の外周側面６７との間の絶縁膜６２にも、通路７２に相当するものを形成（開口）することもできるが、この場合、そこからの電解液５５の排出量よりも電解液５５の供給量を多くするなどして、凹部７１内の電解液５５の液レベル（液面の高さ）を所定のレベルに保つことが必要となる。しかしながら、本実施の形態では、上記のように、外周端に位置する凹部７１ａと研磨パッド５１の外周側面６７との間には、通路７２に相当するものは形成されておらず、通路７２を介して凹部７１ａに流入した電解液５５は、凹部７１ａの上部開口部から研磨パッド５１の上面（すなわち導電性表層６３の上面６８）上に流出するようになっている。このため、本実施の形態では、電解液５５の供給量に依存させずに凹部７１内の電解液５５の液レベル（液面の高さ）を所定のレベルに保つことができる点で、極めて効果的である。
【０１０２】
電解セルを使用したＣｕ電解研磨法は、研磨パッド５１の導電性表層６３に配線材であるＣｕ膜（導電体層５２ａ）を電気的に接触させながら、余分なＣｕを加工、除去するものであるが、僅かな接触圧力であっても、導電性表層６３の表面凹凸によって、Ｃｕ膜表面には配線形成に欠陥を生じ得る研磨傷（マイクロスクラッチ）が発生する可能性がある。これを防止するためには、導電性表層６３の上面（表面）６８を高精度で平坦に仕上げることが好ましい。このため、研磨パッド５１の導電性表層６３の上面６８の算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ−Ｂ−０６０１による）は１０μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以下であれば更に好ましい。これにより、半導体ウエハ５２の被研磨面の導電体層５２ａに研磨傷（マイクロスクラッチ）が発生するのを防止することができる。
【０１０３】
しかしながら、前記研磨傷（マイクロスクラッチ）の発生を防止するためには、研磨パッド５１の導電性表層６３の上面６８の仕上げ精度を十分に管理する他に、研磨パッド５１の使用中に発生し得る不慮の傷も管理する必要がある。このため、研磨パッド５１の導電性表層６３の材料を、導電体層５２ａ（銅配線材）よりも硬度の低い材料とすれば、より好ましい。これにより、研磨パッド５１の導電性表層６３の上面６８の仕上げ精度の管理レベルをＲａ（算術平均粗さ）で１００μｍ程度まで広く設定でき、導電性表層６３の上面６８に不慮の傷が発生した場合でも、マイクロスクラッチの発生を防止できる。このような導電性表層６３に用いることができる低硬度の導電材料としては、グラファイト（黒鉛）またはポリアセチレン（導電性有機材料、導電性ポリマ）などが例示できる。特にグラファイト（黒鉛）は、硬度および導電率の両面で、導電性表層６３に用いる材料として良好である。
【０１０４】
このように、電解研磨工程では、半導体ウエハ５２の銅配線材（導電体層５２ａ）と導電性表層６３とは、電気的接続を行うために相対運動をさせながら接触させる必要がある。このため、銅配線材の表面は、導電性表層６３の表面精度（表面粗さ、表面のうねり、微小突起）に影響され、特に銅配線材より硬度の高い材料により導電性表層６３を形成した場合は、銅配線材を傷つけないよう（スクラッチの防止）、導電性表層６３の表面粗さや微小突起を除去する必要がある。また、導電性表層６３の表面のうねりに起因して、銅配線材と導電性表層６３との部分的な接触によって圧力の集中が起こり、銅配線材とＬｏｗ−Ｋ材料（導電体層５２ａの下のＬｏｗ−Ｋ材料層）とが剥離する確率が高まる危険があり、これは、半導体装置の製造歩留まりを低下させる。従って、上記のように、導電性表層６３の上面６８を高精度に仕上げる必要があるが、特に、導電性表層６３は、導電体層５２ａ（銅配線材）のスクラッチ防止や剥離防止のため、導電体層５２ａ（銅配線材）と同等若しくはそれ以下の硬度の導電性材料で形成するのが好ましく、これら材料としては、グラファイトや導電性有機材料、特にポリアセチレンが挙げられる。
【０１０５】
また、研磨パッド５１は、アノードである導電性表層６３、電解液５５およびカソードとしての導電性シート６１で電解セルが形成されるため、導電性表層６３では電解研磨中は常に不働態の形成や溶出などの陽極酸化を受ける。このため、陽極酸化の影響を受けにくい材料として、ステンレスやチタン合金が挙げられるが、導電性表層６３の材料としては、カーボンを主材料としたものがより好ましい。導電性表層６３として、アモルファスカーボン、グラファイト、カーボンナノチューブ、フラーレンなどのカーボン粉体の成形体を用いれば更に好ましく、また前記成形体の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）が１０μｍ以下であることが望ましい。
【０１０６】
従って、研磨パッド５１の導電性表層６３は、半導体ウエハ５２の主面に形成された導電体層５２ａと同じかそれ以下の硬度を有する導電性材料により形成されていることが好ましい。更に、研磨パッド５１の導電性表層６３が、カーボンを主成分とした材料（例えばアモルファスカーボン、グラファイト、カーボンナノチューブまたはフラーレンの少なくとも１つを主成分とした成形体）または導電性有機材料（導電性ポリマ、例えばポリアセチレン）により形成されていれば、より好ましい。
【０１０７】
また、研磨パッド５１の絶縁層６２の材料としては、例えば、電気絶縁性を有する合成樹脂、好ましくは粘弾性を有する発泡構造体が好適に使用できる。粘弾性を有する発泡構造体と非弾性合成樹脂の積層構造を絶縁層６２として用いれば、更に好ましい。この場合、発泡構造体としてはポリウレタン樹脂やポリエチレン樹脂を用いればより好ましく、非弾性合成樹脂としては、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂を用いればより好ましい。
【０１０８】
研磨パッド５１の導電性シート６１の材料としては、電解液５５に対して不溶性であり、かつ導電性を有していれば、金属、非金属を問わず使用することができる。このようなものとしては、好ましくは、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ステンレス、チタン合金、カーボン、黒鉛（グラファイト）、ポリアセチレンなどが挙げられる。
【０１０９】
半導体ウエハ５２上の導電体層５２ａを研磨する工程では、図１０〜図１２に示されるように、半導体ウエハ５２の被研磨面の導電体層５２ａを研磨パッド５１の導電性表層６３に接触させ、ノズル５６から電解液５５を研磨パッド５１上に供給しながら、プラテン５３と研磨ヘッド５４とを回転させて、半導体ウエハ５２の被研磨面の導電体層５２ａを研磨する。この際、研磨パッド５１の導電性表層６３に接触電極５７を接触させて導電性表層６３を直流電源５８のプラス極に電気的に接続し、同時にプラテン５３に直流電源５８のマイナス極を電気的に接続して通電させる。
【０１１０】
導電体層５２ａの研磨工程では、半導体ウエハ５２の被研磨面の導電体層５２ａ（主導体膜１９，３４のような銅配線材）は、研磨パッド５１の導電性表層６３に接触して電気的に接続されている。このため、半導体ウエハ５２の被研磨面の導電体層５２ａは、導電性表層６３および接触電極５７を介して直流電源５８のプラス極に電気的に接続され、正電位が供給される。また、研磨パッド５１の導電性シート６１は、プラテン５３に導電性粘着テープ６４を介して電気的に接続されている。このため、研磨パッド５１の導電性シート６１は、導電性粘着テープ６４およびプラテン５３を介して直流電源５８のマイナス極に電気的に接続され、負電位が供給される。また、研磨工程中、ノズル５６を介して研磨パッド５１の導電性表層６３の上方から電解液５５が凹部７１内に供給され、各凹部７１内が電解液５５で充填される。
【０１１１】
従って、プラテン５３または導電性シート６１のマイナス極と凹部７１に充填された電解液５５とによって電解槽が形成され、Ｃｕ→Ｃｕ２＋＋２ｅ−となる電気化学反応が発生し、この電気化学反応によって半導体ウエハ５２の被研磨面の導電体層５２ａ（主導体膜１９，３４のような銅配線材）が溶解、除去される。この際、半導体ウエハ５２の被研磨面の導電体層５２ａがアノードとして機能し、凹部７１の底部の導電性シート６１がカソードとして機能する。
【０１１２】
凹部７１の底部の導電性シート６１表面のカソード側では、Ｃｕ（銅）の析出反応や水素発生反応などにより、アノードである半導体ウエハ５２上の導電体層５２ａで生成された電子が消費される。これにより、電気回路が形成されて、半導体ウエハ５２の被研磨面の導電体層５２ａ（銅配線材）の電解（電解反応）が進行する。
【０１１３】
このように、半導体ウエハ５２上の導電体層５２ａの研磨工程では、研磨パッド５１の各凹部７１内を電解液５５で充填し、導電性表層６３に正電位を供給し、導電性シート６１に負電位を供給してカソードとし、半導体ウエハ５２上の導電体層５２ａを研磨パッド５１の導電性表層６３に接触させてアノードとして導電体層５２ａを電気化学的に研磨する。この研磨工程では、プラテン５３および研磨ヘッド５４を回転させることにより、電解液を充填した前記各凹部７１を半導体ウエハ５２の導電体層５２ａに対して相対的に移動させながら、導電体層５２ａを電気化学的に研磨する。研磨工程中、電解液５５は、通路７２を介して凹部７１間を移動する。
【０１１４】
本実施の形態では、半導体ウエハ５２の主面上に形成された導電体層５２ａを電気化学的に研磨するための研磨部材（研磨パッド５２）において、（半径方向７３に）隣り合う凹部７１（電解液収容部）間に、凹部７１内に充填された電解液５５が移動し得るように通路７２が形成されている。このため、導電体層５２ａの研磨工程では、各凹部７１（電解液収容部）内に充填された電解液５５は、通路７２で連通し、通路７２を通って凹部７１間を移動し、外周端に位置する凹部７１ａから研磨パッド５１上に流出する。従って、古い電解液とフレッシュな（新しい）電解液との入れ替えが各凹部７１（電解液収容部）で略均一となる。このため、各凹部７１（電解液収容部）に充填されている電解液５５の電解液濃度や導電体層５２ａから溶出した銅イオンなどの金属イオン濃度を、どの凹部７１（電解液収容部）内の電解液５５に対してもほぼ均一とすることができる。これにより、半導体ウエハ５２の被研磨面の導電体層５２ａ（銅配線材）を均一性良く電解研磨することができる。
【０１１５】
このように、本実施の形態では、複数の電解液収容部（凹部７１）を電解液５５が移動可能なように通路７２で連結することによって、古い電解液とフレッシュな電解液との電解液の入れ替えが、各電解液収容部（凹部７１）中で略均一に生じるようにすることができる。このため、半導体ウエハ５２の主面上に形成された導電体層５２ａのより均一な研磨が可能になる。また、半導体ウエハの面内での研磨の均一性を向上できるので、半導体装置の製造歩留まりを向上することができる。また、常にフレッシュな電解液５５を各凹部７１内に充填した状態で導電体層５２ａの電解研磨を行えるので、研磨速度が低下するのを防止でき、スループットを向上できる。
【０１１６】
また、本実施の形態では、研磨パッド５１の中心から外周に向けて（すなわち半径方向７３に）、電解液収容部（凹部７１）を通路７２で連結しており、電解研磨時に、電解液５５は、遠心力が作用して、研磨パッド５１の中心から外周部に向けて流れ、外周端に位置する凹部７１ａから上に向けて流出するようになっている。このため、各電解液収容部（凹部７１）の電解液の入れ替えを的確に行うことができるとともに、全ての電解液収容部（凹部７１）の液レベル（液面の高さ位置）を、導電性表層面６３の上面と容易に一致させることができ、半導体ウエハ５２の電解研磨をより的確に行うことができる。
【０１１７】
また、研磨対象となる半導体ウエハ５２上の導電体層５２ａは、銅または銅合金のような銅を主成分とする導電体層（例えば上記主導体膜１９，３４のような銅配線材）であることが好ましく、これにより、高研磨速度の電解研磨を達成し、低抵抗の配線を形成することが可能になる。
【０１１８】
また、本実施の形態の電解研磨を用いれば、ロータリー型研磨装置もしくは直進または往復運動するベルト定盤型研磨装置に電気化学的研磨方法を採用することができる。例えば、ロータリー型やベルト定盤型研磨装置を使用し、マルチプラテン／マルチヘッドの一つのプラテン／ヘッドに研磨パッド５１を貼り付けて電気化学的研磨用とすることができるので、電解研磨を含めたマルチステップ研磨を同一の装置で行うことが可能となる。このため、装置の小型化とコストダウンを達成することができるほか、電解セルをデバイスウエハに対して相対移動可能に形成して、デバイスウエハ表面の余分な銅配線材を電気化学的に溶解、除去することによって、超低圧ＣＭＰの課題である研磨レートの低下の改善を達成することができる。
【０１１９】
また、本実施の形態の電解研磨工程では、電解液５５を収容した凹部７１により構成される電解液収容部を、半導体ウエハ５２の被研磨面の導電体層５２ａに対して相対的に移動させることで、半導体ウエハ５２の被研磨面全体で、導電体層５２ａの電解研磨を行うことができる。例えば、プラテン５３を回転させることによりプラテン５３に固定された研磨パッド５１を回転させ、研磨ヘッド５４を回転させることにより研磨ヘッド５４に固定された研磨パッド５１を回転させ、それによって、研磨パッド５１の電解液収容部を半導体ウエハ５２上の導電体層５２ａに対して相対的に移動させることができる。しかしながら、研磨パッド５１の電解液収容部を半導体ウエハ５２の被研磨面に対して相対的に移動させる手法は、これに限定されず、種々の手法を用いることができる。例えば、対極（プラテン５３など）および研磨パッド５１を固定してデバイスウエハ（半導体ウエハ５２）を回転または規則的に平行移動させたり、あるいは、デバイスウエハ（半導体ウエハ５２）を固定して研磨パッド５１が固定されたプラテン５３や走行ベルト（対極）を回転または平行移動させることもできる。勿論、デバイスウエハ（半導体ウエハ５２）と対極（プラテン５３など）との両方を移動させることもできる。
【０１２０】
また、研磨パッド５１を化学機械研磨装置（ＣＭＰ）装置のプラテンに装着（固定）して、半導体ウエハ５２の導電体層５２ａを電界研磨（電気化学的研磨）することができる。すなわち、電解研磨を行うために必要な電解セルを有する３層構造（導電性シート６１と絶縁層６２と導電性表層６３の３層からなる構造）の研磨パッド５１を、従来のＣＭＰ装置のプラテンに装着するだけで電解研磨が可能となり、研磨パッド５１は必要に応じて容易に脱着可能である。研磨パッド５１が消耗したり、不良箇所が発生したらその研磨パッド５１を交換することが可能であるため、低コストで電解研磨を行うことができる。この３層構造の研磨パッド５１は導電性粘着テープ６４などでＣＭＰ装置のプラテンなどに貼り付けることが可能であり、従来の発泡ポリウレタン製のＣＭＰ用パッドと同様に扱うことが可能である。
【０１２１】
また、マルチプラテン／マルチヘッドの研磨装置（ＣＭＰ装置）のプラテンに研磨パッド５１を装着（固定）して半導体ウエハ５２の導電体層５２ａ（主導体膜１９，３４に対応）を電界研磨し、その後（電解研磨に続いて）、同じ研磨装置（ＣＭＰ装置）の他のプラテンにおいて、その半導体ウエハ５２のバリアメタル層（導電性バリア膜１８，３３に対応）を化学機械研磨（ＣＭＰ）することもできる。これにより、配線材（主導体膜１９，３４）の電解研磨とその後のバリアメタル層（導電性バリア膜１８，３３）の化学機械研磨のようなマルチステップ研磨を同一の研磨装置で行うことが可能となり、半導体装置のスループットを向上できる。
【０１２２】
（実施の形態２）
上記実施の形態１では、図１１〜図１４に示されるように、絶縁層６２を一層の絶縁層により形成しており、絶縁層６２の上部を部分的に除去して上記通路７２を形成していた。本実施の形態では、絶縁層６２を積層構造（多層構造）とし、上層の絶縁層に通路７２を形成している。
【０１２３】
図１９および図２０は、絶縁層６２を積層構造とした研磨パッド５１ｂを用いた半導体製造装置（研磨装置）の要部断面図であり、図２１は、絶縁層６２を積層構造とした研磨パッド５１ｂの部分拡大斜視断面図であり、それぞれ、上記図１１、図１２および図１４に対応するものである。
【０１２４】
図１９〜図２１に示されるように、研磨パッド５１ｂの絶縁層６２を上層の絶縁層７５ａと下層の絶縁層７５ｂの積層構造（二層構造）とすることもできる。この場合、上層側の絶縁層７５ａに通路７２となる開口部（切断部、溝）が形成され、この絶縁層７５ａの開口部の上方では導電性表層６３の下面が露出し、下方では絶縁層７５ｂの上面が露出した状態となっており、絶縁層７５ａの側壁と導電性表層６３の下面と絶縁層７５ｂの上面とで囲まれた通路７２が形成されている。また、上層側の絶縁層７５ａの下面にも溝を形成し、下層側の絶縁層７５ｂと一緒になって通路７２を形成することもできる。研磨パッド５１ｂは、絶縁層６２を絶縁層７５ａと絶縁層７５ｂの積層構造として上層側の絶縁層７５ａに通路７２を設けたこと以外は、研磨パッド５１とほぼ同様の構成および機能を有している。図１９〜図２１に示されるように、絶縁層６２を二層構造とし、上層の絶縁層７５ａに通路７２を形成すれば、通路７２の形成が製造上容易となる。
【０１２５】
（実施の形態３）
図２２は、本実施の形態の研磨パッド５１ｃの部分拡大斜視断面図であり、上記図１４に対応するものであるが、研磨パッド５１ｃとともに、それを固定したプラテン５３ａ（上記プラテン５３に対応するもの）の上部も図示している。
【０１２６】
上記実施の形態１では、図１０にも示されるように、半導体製造５０装置において、ノズル５５を介して研磨パッド５１の導電性表層６３の上方から電解液５５を凹部７１内に供給している。本実施の形態では、オービタル方式の研磨装置などにおいて、図２２に示されるように、プラテン５３ａ内を通って、研磨パッドの導電性シート６１の下方から電解液５５を凹部７１内に供給する。
【０１２７】
図２２に示される研磨パッド５１ｃは、電解液５５がプラテン５３ａの下部から供給されるオービタル方式の研磨装置に使用される研磨パッド（電解セルパッド）であり、プラテン５３ａと電解液収容部として機能する凹部７１の底面を形成する導電性シート６１とに、電解液５５が流入するための孔部（貫通孔、開口部、通路）７６が連続的に設けられている。なお、図２２では、研磨パッド５１ｃがオービタル方式の研磨装置のプラテン５３ａ上に固定された状態が示されている。
【０１２８】
プラテン５３ａの下部から、プラテン５３ａおよび導電性シート６１の孔部７６を介して、各凹部７１へ電解液５５が圧力（電解液供給圧力）により流入するようになっている。電解液をプラテンの下部から供給するオービタル型の研磨装置では、小回転運動（オービタル回転）の径が半導体ウエハの径に比べて小さい。このため、本実施の形態とは異なり、通路７２を形成せずに各凹部７１が独立している場合、各凹部７１が半導体ウエハ５２によって蓋をされた状態となり、各凹部７１に電解液５５が十分に供給できないか、あるいは電解液の供給圧力によって半導体ウエハ５２が浮き上がり、導電性表層６３と半導体ウエハ５２との電気的接触が阻害される可能性がある。これらは、半導体装置のスループットを低下させる。しかしながら、本実施の形態では、各凹部７１間を通路７２で連結しているので、このような問題が生じるのを防止することができ、スループットを向上させることができる。
【０１２９】
（実施の形態４）
上記実施の形態１では、導電性粘着テープ６４を介して研磨パッド５１をプラテン５３の上面６６に貼り付けている。本実施の形態では、導電性シート６１を直接、プラテン５３の上面６６に貼り付けて固定している。
【０１３０】
図２３および図２４は、本発明の他の実施の形態の半導体製造装置５０の要部断面図であり、上記図１１および図１２に対応するものである。図２３および図２４に示されるように、導電性シート６１自身を、導電性粘着テープのように少なくともその裏面に粘着性有する導電性シートなどにより構成し、粘着性を有する導電性シート６１を直接、プラテン５３の上面６６に貼り付けて固定することもできる。
【０１３１】
導電性シート６１や導電性粘着テープ６４は、Ｃｕの析出からプラテン５３を保護するものであるが、本実施の形態のように、導電性シート６１と導電性粘着テープ６４とを一つの導電性粘着テープにより構成することもできる。
【０１３２】
（実施の形態５）
図２５および図２６は、本発明の他の実施の形態の半導体製造装置５０の要部断面図であり、上記図１１および図１２に対応するものである。
【０１３３】
図２５および図２６に示されるように、導電性シート６１および導電性粘着テープ６４を省略して、導電性表層６３および絶縁層６２によって研磨パッド５１ｄを構成し、絶縁層６２の裏面（導電性表層６３が配置された側とは逆側の主面）を直接、プラテン５３の上面６６に固定することもできる。この場合、電解液収容部（後述する凹部７１）の底部は、導電体層としてのプラテン５３の上面６６により形成され、このプラテン５３（導電体層）の上面６６が半導体ウエハ５２上の導電体層５２ａの電解研磨時のカソードとして機能する。従って、本実施の形態では、導電性表層６３および絶縁層６２によって構成される研磨パッド５１ｄとカソードとしてのプラテン５３とが、半導体ウエハ５２の主面上に形成された導電体層５２ａを電気化学的に研磨するための研磨部材として機能する。すなわち、研磨部材において、導電性表層６３（第３導電体層）および絶縁層６２を貫通して底部でプラテン５３（第２導電体層）が露出する電解液を収容可能な凹部７１が複数形成された状態となり、プラテン５３が上記実施の形態１の導電性シート６１の機能を兼ねることになる。
【０１３４】
（実施の形態６）
上記実施の形態１の研磨パッド５１では、導電性表層６３から絶縁層６２に渡って形成された各凹部７１により、電解液収容部が形成されていた。本実施の形態では、研磨パッド５１の導電性表層６３から絶縁層６２に渡って複数（多数）の凹部７１が形成されているが、そのうちのいくつかの凹部７１内には研磨性を有する材料が保持されている。
【０１３５】
図２７は、本発明の他の実施の形態の研磨パッド５１ｅの部分拡大斜視断面図であり、上記実施の形態１の図１４に対応するものである。図２８は、研磨荷重を印加していない状態の研磨パッド５１ｅの要部断面図であり、図２９は、半導体ウエハ５２の導電体層５２ａの研磨時に研磨加重が印加された状態の研磨パッド５１ｅの要部断面図である。
【０１３６】
図２７〜図２９に示されるように、本実施の形態の研磨パッド５１ｅでは、導電性表層６３から絶縁層６２に渡って形成された複数（多数）の凹部７１のうちのいくつかに、複合材料部（研磨材料部、第１部材）７７が保持されている。複合材料部７７が保持されていない凹部７１は、上記実施の形態１と同様に、電解液収容部として機能することができる。本実施の形態の研磨パッド５１ｅは、複合材料部７７を設けたこと以外は、上記実施の形態１の研磨パッド５１，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄとほぼ同様に構成することができるので、複合材料部７７以外の構成については、ここではその説明は省略する。
【０１３７】
複合材料部７７は、少なくともその上部（研磨性を有する材料部７９に対応）が研磨性を有する材料（例えば樹脂材料）からなる部材であり、複合材料部７７が導電性表層６３に保持された状態となっている。例えば、複合材料部７７を、弾性を有する材料部（材料層）７８上に、研磨性を有する材料部（材料層）７９を積層した構造とすることができる。このように構成することによって、研磨性を有する材料部７９が若干突き出していても、ウエハの荷重もしくは研磨荷重で弾性を有する材料部７８が圧縮されて、半導体ウエハ５２上の導電体層５２ａ（配線材表面）と導電性表層６３とが電気的に接触できるようになる。なお、弾性を有する材料部７９の材料としては、粘弾性を有する材料でも良い。
【０１３８】
研磨性を有する材料部７９に使用される研磨性を有する材料としては、樹脂材料、例えば、発泡ポリウレタンパッド、無発泡ポリウレタンパッド、繊維質パッドまたは固定砥粒パッドなどを用いることとができる。この研磨性を有する材料部７９がその頭部（上部）となる複合材料部７７が、いくつかの凹部７１内に嵌合され、複合材料部７７の底面が凹部７１の底面で固定されている。複合材料部７７は、凹部７１に嵌め合わせ可能な形状を有しており、例えば、凹部７１が円柱形状の場合は、複合材料部７７も円柱形状である。複合材料部７７は、その上面８１が、導電性表層６３の表面（上面）８２と同一面となるか、もしくは図２９のように研磨時に複合材料部７７の上面８１が導電性表層６３の表面８２と同一面となり得るように図２８のように導電性表層６３の表面（上面）８２から若干突き出した状態となっている。
【０１３９】
複合材料部７７と複合材料部７７を保持（嵌合）していない電解液収容部としての凹部７１とは、導電性表層６３の電気的連通を阻害しないように、互いに所定の間隔を空けて配置されている。
【０１４０】
本実施の形態では、少なくとも上部が研磨性を有する材料からなる複合材料部７７を研磨パッド５１ｅに設けているので、半導体ウエハ５２の被研磨面の導電体層５２ａに対して、電解液収容部（複合材料部７７を保持していない凹部７１）で行われる電解研磨だけでなく、電解研磨と複合したメカニカル研磨（機械的研磨）も同時に行うことができる。すなわち、半導体ウエハ５２上の導電体層５２ａの研磨する工程で、電気化学的な研磨と、複合材料部７７の研磨性を有する材料部７９による機械的研磨とが行われることになる。これにより、半導体ウエハ５２の研磨面の平坦性をより向上させることができる。
【０１４１】
上記実施の形態１の図３や図７にも示されるように、電解めっき法などで形成されたＣｕ膜（主導体膜１９，３４）の上面には、下地の絶縁膜（層間絶縁膜）に形成された配線溝により、凹凸部が形成されている。電解研磨では、Ｃｕ膜の凸部と凹部の加工速度（研磨速度）が同程度であるため、下地の絶縁膜（層間絶縁膜）の上面までＣｕ膜を加工除去すると、配線溝内のＣｕ膜も加工除去され、配線溝内に形成された配線の上面の平坦性が低下する可能性がある。このため、Ｃｕ膜の上面の凹部に不働態皮膜を形成するなどして、Ｃｕ膜の凹部の加工速度（研磨速度）をＣｕ膜の凸部の加工速度（研磨速度）よりも遅くすることが好ましい。これにより、配線溝内のＣｕ膜が除去されるのを防止でき、配線溝内に形成された配線の上面の平坦性をより向上することができる。しかしながら、この場合、Ｃｕ膜の凸部にも不働態皮膜が形成されるため、研磨速度が低下したり、研磨面荒れが生じる可能性がある。
【０１４２】
それに対して、本実施の形態では、複合材料部７７を研磨パッド５１ｅに配置しているので、複合材料部７７の研磨性を有する材料部７９により、Ｃｕ膜の凸部の不働態皮膜を機械的に除去することができ、研磨速度の低下を防止するとともに、Ｃｕ膜の研磨平坦性の精度をより向上させることができる。
【０１４３】
複合材料部７７の研磨性を有する材料部７９がＣｕ膜の不働態皮膜を機械的に除去するには、ある程度の大きさの荷重（ダウンホース）が必要である。しかしながら、ダマシン（例えばデュアルダマシン）Ｃｕ配線プロセスに使用される低誘電率材料からなる層間絶縁膜（例えば比誘電率ε＜２．５）は、その機械的強度や剥離強度が比較的低いため、ウエハ荷重が制限される。
【０１４４】
研磨性を有する材料部７９の上面の導電性表層６３の上面からの突出量ｔ１は、ウエハ荷重（半導体ウエハ５２を研磨パッドに押し付ける荷重または圧力）の制限値により決定される。研磨性を有する材料部７９が弾性を有する材料部７８をウエハ荷重で圧縮した状態で、ある程度の研磨圧力を維持する必要があるが、上記突出量ｔ１が大きいほど、半導体ウエハ５２が導電性表層６３に接触するためのウエハ荷重が大きくなる。
【０１４５】
従って、本実施の形態では、例えば、複合材料部７７の弾性を有する材料部７８に弾性係数１０ｇ／ｍｍ２程度の弾性材料を使用し、研磨性を有する材料部７９の上面の導電性表層６３の上面からの突出量ｔ１を０．５ｍｍ程度とすることができる。この条件の研磨パッド５１ｅを用いて、比誘電率ε＝１．８のポーラスＬｏｗ−Ｋ絶縁膜からなる層間絶縁膜上に形成されたＣｕ膜(Ｃｕ配線材)を研磨（電解研磨）したところ、層間絶縁膜（Ｌｏｗ−Ｋ絶縁膜）の剥離は観察されず、また、研磨速度は４００ｎｍ／以上であることを本発明者の実験により確認した。研磨速度は研磨荷重に大きくは依存しないが（電流に依存する）、低誘電率材料膜（Ｌｏｗ−Ｋ絶縁膜）へのダメージ低減を考慮すると、研磨荷重（研磨時のウエハ荷重）は７０ｇ／ｍｍ２以下であることが好ましく、３０ｇ／ｍｍ２以下であればより好ましい。
【０１４６】
このように、研磨パッド５１ｅの導電性表層６３に、少なくともその上部が樹脂材料などの研磨性を有する材料からなる部材（複合材料部７７）を保持（担持）させることで、電解研磨とメカニカル研磨とを複合して同時に研磨を行うことができる。特に、デバイスウエハの銅配線材の電解研磨では、銅イオンの溶出の形で研磨が進むが、電解液の組成や電解研磨条件によっては銅配線材の表面に酸化銅や銅錯体などが生成され、電解研磨が阻害される場合があり、これは、半導体装置のスループットを低下させる。本実施の形態では、メカニカル研磨を電解研磨と併用（複合研磨）して前記酸化銅や銅錯体研磨除去することによって研磨面の平坦性をより向上させることが可能となる。
【０１４７】
以上、本発明者によってなされた発明をその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言うまでもない。
【０１４８】
前記実施の形態では、ＭＩＳＦＥＴを有する半導体装置の製造方法について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、半導体ウエハの主面上に形成された導電体層を電気化学的に研磨する工程を有する種々の半導体装置の製造方法に適用でき、例えば、銅を主成分とする主導体膜を含む配線を有する種々の半導体装置の製造方法などに適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４９】
本発明は、半導体ウエハの主面上に形成された導電体層を電気化学的に研磨する工程を有する半導体装置の製造方法などに適用して有効である。
【図面の簡単な説明】
【０１５０】
【図１】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図２】図１に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図３】図２に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図４】図３に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図５】図４に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図６】図５に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図７】図６に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図８】図７に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図９】図８に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
【図１０】半導体製造装置の概略的な構成の一例を示す斜視図である。
【図１１】半導体製造装置の要部断面図である。
【図１２】半導体製造装置の要部断面図である。
【図１３】研磨パッドの概略的な構成を示す斜視断面図である。
【図１４】図１３の研磨パッドの部分拡大斜視断面図である。
【図１５】図１３の研磨パッドの要部平面図である。
【図１６】図１３の研磨パッドの要部平面図である。
【図１７】図１３の研磨パッドの平面図である。
【図１８】本発明の他の実施の形態の研磨パッドの要部平面図である。
【図１９】本発明の他の実施の形態の研磨パッドを用いた半導体製造装置の要部断面図である。
【図２０】図１９の半導体製造装置の他の要部断面図である。
【図２１】図１９の半導体製造装置に用いられる研磨パッドの部分拡大斜視断面図である。
【図２２】本発明の他の実施の形態の研磨パッドの部分拡大斜視断面図である。
【図２３】本発明の他の実施の形態の半導体製造装置の要部断面図である。
【図２４】図２３の半導体製造装置の他の要部断面図である。
【図２５】本発明の他の実施の形態の半導体製造装置の要部断面図である。
【図２６】図２５の半導体製造装置の他の要部断面図である。
【図２７】本発明の他の実施の形態の研磨パッドの部分拡大斜視断面図である。
【図２８】研磨荷重を印加していない状態の図２７の研磨パッドの要部断面図である。
【図２９】研磨加重を印加した状態の図２７の研磨パッドの要部断面図である。
【符号の説明】
【０１５１】
１  半導体基板
２  素子分離領域
３  ｐ型ウエル
４  ゲート絶縁膜
５  ゲート電極
６  ｎ−型半導体領域
７  サイドウォール
８  ｎ＋型半導体領域
９  金属シリサイド層
１０  ＭＩＳＦＥＴ
１１  絶縁膜
１２  コンタクトホール
１３  プラグ
１３ａ  窒化チタン膜
１３ｂ  タングステン膜
１４  絶縁膜
１５  絶縁膜
１６  絶縁膜
１７  配線溝
１８  導電性バリア膜
１９  主導体膜
２０  配線
２１  絶縁膜
２２  絶縁膜
２３  絶縁膜
２４  絶縁膜
２５  絶縁膜
３０  ビア
３１  配線溝
３３  導電性バリア膜
３４  主導体膜
３５  配線
５０  半導体製造装置
５１，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｅ  研磨パッド
５２  半導体ウエハ
５２ａ  導電体層
５３  プラテン
５４  研磨ヘッド
５５  電解液
５６  ノズル
５７  接触電極
５８  直流電源
６１  導電性シート
６２  絶縁層
６３  導電性表層
６４  導電性粘着テープ
６５  裏面
６６  上面
６７  外周側面
６８  上面
７０  開口部
７１  凹部
７２  通路
７３  半径方向
７４  矢印
７５ａ，７５ｂ  絶縁層
７６  孔部
７７  複合材料部
７８  材料部
７９  材料部
８１  上面
８２  表面
【図１】
2006332526.tif 000003
【図２】
2006332526.tif 000004
【図３】
2006332526.tif 000005
【図４】
2006332526.tif 000006
【図５】
2006332526.tif 000007
【図６】
2006332526.tif 000008
【図７】
2006332526.tif 000009
【図８】
2006332526.tif 000010
【図９】
2006332526.tif 000011
【図１０】
2006332526.tif 000012
【図１１】
2006332526.tif 000013
【図１２】
2006332526.tif 000014
【図１３】
2006332526.tif 000015
【図１４】
2006332526.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2006332526.tif 000020
【図１９】
2006332526.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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