(57)【要約】  半導体ウェーハ４００，６００，７００で一つまたはそれ以上の金属（例えば、銅）ダマシン構造を形成する方法は、形成された金属ダマシン構造でのエロージョン形状を縮小させ、スループットを増加させるために、少なくとも３個の研磨ステップを使用する。前記研磨ステップは、研磨ユニットの間で半導体ウェーハを移送させるための一つまたはそれ以上のピボット可能なロード／アンロードカップ２０４Ａ，２０４Ｂ，２０４Ｃを備える研磨装置２００の４個の研磨ユニット２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃ，２０２Ｄで行われる。【選択図】図２
2008520106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部面下にトレンチを有する絶縁層、前記絶縁層上に障壁層、前記障壁層上に金属層を備えている半導体ウェーハを提供するステップと、
前記金属層の下部が前記絶縁層の前記上部面上の前記障壁層上に残るように、第１研磨技術を利用して前記金属層の上部を除去するステップと、
前記絶縁層の前記上部面上の前記障壁層が露出されるまで、第２研磨技術を利用して前記金属層の前記下部を除去するステップと、
エロージョン形状を有する金属ダマシン構造を作るために、前記絶縁層の前記上部層が露出されるまで、第３研磨技術を利用して前記絶縁層の前記上部面上の前記障壁層を除去するステップと、
前記金属ダマシン構造の前記エロージョン形状を縮小させるために、第４研磨技術を利用して前記エロージョン形状を有する前記金属ダマシン構造を平坦化するステップと、を含むことを特徴とする半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項２】
前記金属層の前記上部を除去するステップは、第１研磨剤を使用して第１化学機械的研磨を行うステップを含み、前記金属層の前記下部を除去するステップは、第２研磨剤を使用して第２化学機械的研磨を行うステップを含み、前記第２化学機械的研磨が前記第１化学機械的研磨よりさらに遅い研磨速度を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項３】
前記エロージョン形状を有する前記金属ダマシン構造を平坦化するステップは、前記絶縁層の研磨速度が前記金属層及び前記障壁層よりさらに速い研磨剤を使用して化学機械的研磨を行うステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項４】
前記金属層の前記上部は、前記金属層の前記下部よりさらに厚いことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項５】
前記金属層の前記上部を除去するステップは、電気化学機械的研磨及び電気化学的研磨のうち一つを行うステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項６】
前記金属層の前記上部を除去するステップは、研磨装置の第１研磨ユニットで前記金属層の前記上部を研磨するステップを含み、前記金属層の前記下部を除去するステップは、前記研磨装置の第２研磨ユニットで前記金属層の前記下部を研磨するステップを含み、前記障壁層を除去するステップは、前記研磨装置の第３研磨ユニットで前記絶縁層の上部面上の前記障壁層を研磨するステップを含み、前記エロージョン形状を有する金属ダマシン構造を平坦化するステップは、前記研磨装置の第４研磨ユニットで前記エロージョン形状を有する前記金属ダマシン構造を研磨するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項７】
前記金属層の前記上部を除去するステップは、前記研磨装置の前記第１研磨ユニットで第１ウェーハ研磨ヘッドを使用して前記金属層の前記上部を研磨するステップを含み、前記金属層の前記下部を除去するステップは、前記研磨装置の前記第２研磨ユニットで第２ウェーハ研磨ヘッドを使用して前記金属層の前記下部を研磨するステップを含み、前記障壁層を除去するステップは、前記研磨装置の前記第３研磨ユニットで第３ウェーハ研磨ヘッドを使用して前記絶縁層の前記上部面上の前記障壁層を研磨するステップを含み、前記エロージョン形状を有する前記金属ダマシン構造を平坦化するステップは、前記研磨装置の前記第４研磨ユニットで第４ウェーハ研磨ヘッドを使用して前記エロージョン形状を有する前記金属ダマシン構造を研磨するステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項８】
少なくとも一つのピボット可能なロード／アンロードカップを使用して、前記研磨装置の前記第１、第２、第３及び第４研磨ユニットの間に前記半導体ウェーハを伝達するステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項９】
前記第１、第２、第３及び第４研磨ユニットの間に前記半導体ウェーハを伝達するステップは、
第１ピボット可能なロード／アンロードカップを使用して、前記第１研磨ユニットから前記第２研磨ユニットに前記半導体ウェーハを伝達するステップと、
第２ピボット可能なロード／アンロードカップを使用して、前記第２研磨ユニットから前記第３研磨ユニットに前記半導体ウェーハを伝達するステップと、
第３ピボット可能なロード／アンロードカップを使用して、前記第３研磨ユニットから前記第４研磨ユニットに前記半導体ウェーハを伝達するステップと、を含むことを特徴とする請求項８に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項１０】
上部面下にトレンチを有する絶縁層、前記絶縁層上に障壁層、前記障壁層上に金属層を備えている半導体ウェーハを提供するステップと、
前記金属層の中間部と下部とが前記障壁層上に残るように、第１研磨技術を利用して前記金属層の上部を除去するステップと、
前記金属層の下部が前記障壁層上に残るように、第２研磨技術を利用して前記金属層の中間部を除去するステップと、
前記絶縁層の前記上部面上の前記障壁層が露出されるように、第３研磨技術を利用して前記金属層の前記下部を除去するステップと、
エロージョン形状を有する金属ダマシン構造を作るために、前記絶縁層の前記上部面が露出されるまで、第４研磨技術を使用して前記絶縁層の前記上部面上の前記障壁層を除去するステップと、を含むことを特徴とする半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項１１】
前記金属層の前記上部を除去するステップ及び前記金属層の前記中間部を除去するステップのうち少なくとも一つは、第１研磨剤を使用して化学機械的研磨を行うステップを含み、前記金属層の前記下部を除去するステップは、第２研磨剤を使用して他の化学機械的研磨を行うステップを含み、前記他の化学機械的研磨が前記化学機械的研磨よりさらに遅い研磨速度を有することを特徴とする請求項１０に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項１２】
前記金属層の前記上部及び前記金属層の前記中間部は、相当な程度に同じ厚さを有することを特徴とする請求項１０に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項１３】
前記金属層の前記下部は、前記金属層の前記上部及び前記中間部よりさらに薄いことを特徴とする請求項１０に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項１４】
前記金属層の前記上部を除去するステップ及び前記金属層の前記中間部を除去するステップのうち少なくとも一つは、電気化学機械的研磨及び電気化学的研磨のうち一つを行うステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項１５】
前記金属層の前記上部を除去するステップは、研磨装置の第１研磨ユニットで前記金属層の前記上部を研磨するステップを含み、前記金属層の前記中間部を除去するステップは、前記研磨装置の前記第２研磨ユニットで前記金属層の前記中間部を研磨するステップを含み、前記金属層の前記下部を除去するステップは、前記研磨装置の第３研磨ユニットで前記金属層の前記下部を研磨するステップを含み、前記障壁層を除去するステップは、前記研磨装置の第４研磨ユニットで前記絶縁層の前記上部面上の前記障壁層を研磨するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項１６】
前記金属層の前記上部を除去するステップは、研磨装置の前記第１研磨ユニットで第１ウェーハ研磨ヘッドを使用して前記金属層の前記上部を研磨するステップを含み、前記金属層の前記中間部を除去するステップは、前記研磨装置の前記第２研磨ユニットで第２ウェーハ研磨ヘッドを使用して前記金属層の前記中間部を研磨するステップを含み、前記金属層の前記下部を除去するステップは、前記研磨装置の前記第３研磨ユニットで第３ウェーハ研磨ヘッドを使用して前記金属層の前記下部を研磨するステップを含み、前記障壁層を除去するステップは、前記研磨装置の前記第４研磨ユニットで第４ウェーハ研磨ヘッドを使用して前記絶縁層の前記上部面上の前記障壁層を研磨するステップを含むことを特徴とする請求項１５に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項１７】
少なくとも一つのピボット可能なロード／アンロードカップを使用して、前記研磨装置の前記第１、第２、第３及び第４研磨ユニットの間で前記半導体ウェーハを伝達するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項１８】
前記第１、第２、第３及び第４研磨ユニットの間に前記半導体ウェーハを伝達するステップは、
第１ピボット可能なロード／アンロードカップを使用して、前記第１研磨ユニットから前記第２研磨ユニットに前記半導体ウェーハを伝達するステップと、
第２ピボット可能なロード／アンロードカップを使用して、前記第２研磨ユニットから前記第３研磨ユニットに前記半導体ウェーハを伝達するステップと、
第３ピボット可能なロード／アンロードカップを使用して、前記第３研磨ユニットから前記第４研磨ユニットに前記半導体ウェーハを伝達するステップと、を含むことを特徴とする請求項１７に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項１９】
半導体ウェーハ上に第１金属ダマシン構造を形成するステップと、
前記半導体ウェーハ上に第２金属ダマシン構造を形成するステップと、を含み、
前記第１金属ダマシン構造を形成するステップは、
上部面下にトレンチを有する第１絶縁層、前記第１絶縁層上に第１障壁層、前記第１障壁層上に第１金属層を備えている半導体ウェーハを提供するステップと、
前記第１金属層の下部が前記第１絶縁層の前記上部面上の前記第１障壁層上に残るように、第１研磨技術を利用して前記第１金属層の上部を除去するステップと、
前記第１絶縁層の前記上部面上の前記第１障壁層が露出されるまで、第２研磨技術を利用して前記第１金属層の前記下部を除去するステップと、
前記第１金属ダマシン構造を作るために、前記第１絶縁層の前記上部層が露出されるまで、第３研磨技術を使用して前記第１絶縁層の前記上部面上の前記第１障壁層を除去するステップと、を含み、
前記第２金属ダマシン構造を形成するステップは、
上部面下にトレンチを有する第２絶縁層、前記第２絶縁層上に第２障壁層、前記第２障壁層上に第２金属層を備えている半導体ウェーハを提供するステップと、
前記第２金属層の中間部と下部とが前記第２障壁層上に残るように、第１研磨技術を利用して前記第２金属層の上部を除去するステップと、
前記第２金属層の下部が前記第２障壁層上に残るように、第２研磨技術を利用して前記第２金属層の中間部を除去するステップと、
前記第２絶縁層の前記上部面上の第２障壁層が露出されるまで、第３研磨技術を利用して前記第２金属層の下部を除去するステップと、
前記第２金属ダマシン構造を作るために、前記第２絶縁層の前記上部層が露出されるまで、第４研磨技術を使用して前記第２絶縁層の前記上部面上の前記第２障壁層を除去するステップと、を含むことを特徴とする半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項２０】
前記半導体ウェーハに前記第１金属ダマシン構造を形成するステップは、前記第１金属ダマシン構造のエロージョン形状を縮小させるために、第４研磨技術を使用して前記第１金属ダマシン構造を平坦化するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項２１】
前記第１金属ダマシン構造を平坦化するステップは、前記第１絶縁層の研磨速度が前記第１金属層及び前記第１障壁層よりさらに速い研磨剤を使用して化学機械的研磨を行うステップを含むことを特徴とする請求項２０に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項２２】
前記半導体ウェーハに前記第１金属ダマシン構造を形成するステップは、４個の研磨ユニットを備える研磨装置で行われ、前記半導体ウェーハに前記第２金属ダマシン構造を形成するステップは、前記研磨装置で行われることを特徴とする請求項１９に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項２３】
前記半導体ウェーハに前記第１金属ダマシン構造を形成するステップ、及び前記半導体ウェーハに前記第２金属ダマシン構造を形成するステップのうち少なくとも一つは、少なくとも一つのピボット可能なロード／アンロードカップを使用して、前記研磨装置の前記４個の研磨ユニットの間で前記半導体ウェーハを伝達するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項２４】
前記半導体ウェーハに前記第１金属ダマシン構造を形成するステップは、４個の研磨ユニットを備える第１研磨装置で行われ、前記半導体ウェーハに前記第２金属ダマシン構造を形成するステップは、４個の研磨ユニットを備える第２研磨装置で行われることを特徴とする請求項１９に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項２５】
前記半導体ウェーハに前記第１金属ダマシン構造を形成するステップ、及び前記半導体ウェーハに前記第２金属ダマシン構造を形成するステップのうち少なくとも一つは、少なくとも一つのピボット可能なロード／アンロードカップを使用して、前記第１及び第２研磨装置の前記４個の研磨ユニットの間で前記半導体ウェーハを伝達するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項２６】
上部面下にトレンチを有する絶縁層、前記絶縁層上に障壁層、前記障壁層上に金属層を備えている半導体ウェーハを、４個の研磨ユニットを備える研磨装置に提供するステップと、
前記金属層の下部が前記絶縁層の前記上部面上の前記絶縁層上に残るように、第１研磨技術を使用して前記金属層の上部を前記研磨装置の第１研磨ユニットで除去するステップと、
前記絶縁層の前記上部面上の前記障壁層が露出されるまで、第２研磨技術を使用して前記金属層の前記下部を前記研磨装置の第２研磨ユニットで除去するステップと、
金属ダマシン構造を作るために、前記絶縁層の前記上部層が露出されるまで、第３研磨技術を使用して前記絶縁層の前記上部面上の前記障壁層を前記研磨装置の第３研磨ユニットで除去するステップと、を含むことを特徴とする半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項２７】
前記金属ダマシン構造のエロージョン形状を縮小させるために、第４研磨技術を使用して前記研磨装置の第４研磨ユニットで前記金属ダマシン構造を平坦化するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項２８】
前記金属ダマシン構造を平坦化するステップは、前記絶縁層の研磨速度が前記金属層及び前記障壁層よりさらに速い研磨剤を使用して、前記研磨装置の前記第４研磨ユニットで化学機械的研磨を行うステップを含むことを特徴とする請求項２７に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項２９】
前記金属層の前記上部を除去するステップは、前記研磨装置の前記第１研磨ユニットで第１研磨剤を使用して第１化学機械的研磨を行うステップを含み、前記金属層の前記下部を除去するステップは、前記研磨装置の前記第２研磨ユニットで第２研磨剤を使用して第２化学機械的研磨を行うステップを含み、前記第２化学機械的研磨が第１化学機械的研磨よりさらに遅い研磨速度を有することを特徴とする請求項２６に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項３０】
前記金属層の前記上部を除去するステップは、前記研磨装置の前記第１研磨ユニットで電気化学機械的研磨及び電気化学的研磨のうち一つを行うことを特徴とする請求項２６に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項３１】
少なくとも一つのピボット可能なロード／アンロードカップを使用して、前記研磨装置の第１、第２及び第３研磨ユニットの間に前記半導体ウェーハを伝達するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【請求項３２】
前記第１、第２及び第３研磨ユニットの間に前記半導体ウェーハを伝達するステップは、
第１ピボット可能なロード／アンロードカップを使用して前記第１研磨ユニットから前記第２研磨ユニットに前記半導体ウェーハを伝達するステップと、
第２ピボット可能なロード／アンロードカップを使用して前記第２研磨ユニットから前記第３研磨ユニットに前記半導体ウェーハを伝達するステップと、を含むことを特徴とする請求項３１に記載の半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に半導体工程方法に係り、特に銅ダマシン構造を形成するための方法に関する。
【０００２】
本出願は、２００４年１１月１０日に出願された米国予備特許出願第６０／６２７，０２９号の利益を受ける権利が付与され、本明細書に参照として統合される。
【背景技術】
【０００３】
さらに多くの金属層と絶縁膜層とが半導体ウェーハ上に積層されるにつれて、半導体ウェーハの局部的かつ広範囲な領域での平坦化が次第に重要になっている。半導体ウェーハを平坦化するための望ましい方法は、化学機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）法であるが、この方法では、半導体ウェーハの表面がウェーハと研磨パッドとの間に供給される研磨剤溶液を利用して研磨される。かかるＣＭＰ法は、半導体ウェーハ上に銅構造物を形成するためのダマシン工程にも広く使われる。
【０００４】
図１Ａに示したように、在来型のＣＭＰ法を使用して銅ダマシン構造を形成するためには、トレンチが形成された絶縁層１２、障壁金属層１４及び銅層１６を有している半導体ウェーハ１０が形成される。次いで、絶縁層１２の上部の障壁層１４が露出されるまで障壁層の上部の銅層を除去するために、研磨装置の第１研磨ユニットで第１連続ＣＭＰ工程を使用して銅層１６が研磨される。次いで、絶縁層１２の上部の障壁層１４を除去するために、絶縁層１２の上部の障壁層１４が研磨装置の第２研磨ユニットで第２ＣＭＰ工程を使用して研磨されて、図１Ｂに示したように銅ダマシン構造を有する半導体ウェーハ２０が形成される。
【０００５】
他の在来型のＣＭＰ法では、絶縁層１２の上部の障壁層が露出されるまで障壁層１４の上部の銅層を除去するために、研磨装置の第１及び第２研磨ユニットでそれぞれ第１及び第２直列ＣＭＰ工程を使用して銅層１６が研磨される。次いで、絶縁層の上部の障壁層を除去するために、研磨装置の第３研磨ユニットで第３ＣＭＰ工程を使用して絶縁層１２の上部の障壁層１４が研磨されて、図１Ｂに示したように銅ダマシン構造を有する半導体ウェーハ２０が形成される。
【０００６】
銅ダマシン構造を形成するための在来型の方法の問題点は、得られた銅ダマシン構造が図１Ｂに示したように平坦でないエロージョン形状２２を典型的に有するということであり、平坦でないエロージョン形状は、最終の半導体素子を大きく劣化させる。エロージョン形状２２は、銅層１６、障壁層１４または両層をいずれも除去する工程中に形成される。
【０００７】
在来型の方法が有する他の問題点は、障壁層の上部でさらに厚い銅層の除去を必要とする銅ダマシン構造に対しては、２個または３個の研磨ユニットを有する研磨装置のスループットが大きく低くなるということである。除去される銅層が厚いほど、それぞれの研磨ユニットの研磨時間がさらに不均衡になり、これにより、他の研磨ユニットが銅層を研磨する間に障壁金属層を除去するための前記研磨装置の最終の研磨ユニットは空回転するという点が注目される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記観点で、半導体ウェーハ上に一つまたはそれ以上の銅ダマシン構造を形成するためには、銅ダマシン構造のエロージョン形状を縮小させ、スループットを増加させるための方法が要求される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
半導体ウェーハに一つまたはそれ以上の金属（例えば、銅）ダマシン構造を形成するための方法は、形成される金属ダマシン構造でエロージョン形状を縮小させ、スループットを増加させるために、少なくとも３個の研磨ステップを使用する。研磨ステップは、研磨装置の４個の研磨ユニットで行われ、研磨装置は、半導体ウェーハを研磨ユニットの間で伝達するために、一つまたはそれ以上のピボット可能なロード／アンロードカップを含みうる。
【００１０】
本発明の第１実施形態によって半導体ウェーハで金属ダマシン構造を形成するための方法は、上部面下にトレンチを有する絶縁層、絶縁層上に障壁層、及び障壁層上に金属層を有する半導体ウェーハを提供するステップと、前記金属層の下部が絶縁層の上部面上の障壁層上に残るように、第１研磨技術を使用して金属層の上部を除去するステップと、前記絶縁層の上部面上の障壁層が露出されるまで、第２研磨技術を使用して金属層の下部を除去するステップと、エロージョン形状を有する金属ダマシン構造を形成するために、絶縁層の上部層が露出されるまで、第３研磨技術を使用して絶縁層の上部面上の障壁層を除去するステップと、金属ダマシン構造のエロージョン形状を縮小させるために、第４研磨技術を使用してエロージョン形状を有する前記金属ダマシン構造を平坦化するステップと、を含む。
【００１１】
本発明の第２実施形態によって半導体ウェーハで金属ダマシン構造を形成するための方法は、上部面下にトレンチを有する絶縁層、絶縁層上に障壁層、及び障壁層上に金属層を有する半導体ウェーハを提供するステップと、金属層の中間部と下部とが絶縁層上の障壁層上に残るように、第１研磨技術を使用して金属層の上部を除去するステップと、金属層の下部が障壁層上に残るように、第２研磨技術を使用して金属層の中間部を除去するステップと、絶縁層の上部面上の障壁層が露出されるまで、第３研磨技術を使用して金属層の下部を除去するステップと、金属ダマシン構造を作るために、絶縁層の上部面が露出されるまで、第４研磨技術を使用して絶縁層の上部面上の障壁層を除去するステップと、を含む。
【００１２】
本発明の実施形態によって半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成するための方法は、半導体ウェーハに第１金属ダマシン構造を形成するステップと、半導体ウェーハに第２金属ダマシン構造を形成するステップと、を含む。半導体ウェーハの第１金属ダマシン構造は、本発明の第１実施形態によって金属ダマシン構造を形成するために、前述した方法を使用して金属ダマシン構造を平坦化するステップを含むか、または省略して作られる。半導体ウェーハの第２金属ダマシン構造は、本発明の第２実施形態によって金属ダマシン構造を形成するために、前述した方法を使用して作られる。
【００１３】
本発明の他の実施形態によって半導体ウェーハに金属ダマシン構造を形成するための方法は、４個の研磨ユニットを有する研磨装置に、上部面下にトレンチを有する絶縁層、絶縁層上に障壁層、障壁層上に金属層を備える半導体ウェーハを提供するステップと、金属層の下部が絶縁層の上部面上の障壁層上に残るように、研磨装置の第１研磨ユニットで第１研磨技術を使用して金属層の上部を除去するステップと、絶縁層の上部面上の障壁層が露出されるように、研磨装置の第２研磨ユニットで第２研磨技術を使用して金属層の下部を除去するステップと、ダマシン構造を作るために、絶縁層の上部層が露出されるまで、研磨装置の第３研磨ユニットで第３研磨技術を使用して絶縁層の上部面上の障壁層を除去するステップと、を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の前記以外の観点と長所は、本発明の原理の例を使用して図面と共に次の詳細な説明から明確になる。
【００１５】
本発明によって半導体ウェーハに一つまたはそれ以上の銅ダマシン構造を形成するための方法は、エロージョン形状を縮小させた銅ダマシン構造を高いスループットで作り、最終の半導体製品の品質を大きく向上させる。一つまたはそれ以上の銅ダマシン構造を形成するためのそれらの方法は、図２に示したように、４個の研磨ユニット２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃ，２０２Ｄと３個のピボット可能なロード／アンロードカップ２０４Ａ，２０４Ｂ，２０４Ｃとを有する研磨装置２００を使用して行われる。前記研磨装置２００は、２００４年１０月２１日に出願され、“Apparatus and Method for Polishing Semiconductor Wafers using One or More Polishing Surfaces”という名称の出願番号第１０／８２９，５９３号の米国特許出願公開番号ＵＳ２００４／０２０９５５０Ａ１に記述されており、ここに共に統合される。本発明によって一つまたはそれ以上の銅ダマシン構造を形成するための方法が図２の研磨装置２００を使用して記述されるが、４個の研磨ユニットを有するいかなる研磨装置も、かかる方法を行うために使われうる。
【００１６】
図２に示したように、研磨装置２００は、４個の研磨ユニット２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃ，２０２Ｄと３個のピボット可能なロード／アンロードカップ２０４Ａ，２０４Ｂ，２０４Ｃとを備える。研磨ユニット２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃ，２０２Ｄそれぞれは、研磨テーブル２０６と、ウェーハ研磨ヘッドまたはウェーハキャリア２０８とを備える。研磨テーブル２０６は、半導体ウェーハが研磨可能な研磨面を有する。一実施形態では、研磨パッドが研磨面を提供するために研磨テーブル２０６に付着される。研磨テーブル２０６は、軸を中心に回転または軌道運動を行うようにデザインされる。ウェーハ研磨ヘッド２０８は、それぞれの研磨テーブル２０６でウェーハを研磨するために、半導体ウェーハを支持するように構成される。ウェーハ研磨ヘッド２０８は、ウェーハキャリアアセンブリの一部であるが、このアセンブリは、ウェーハ研磨ヘッドを回転させ、それぞれの研磨テーブル２０６の研磨面にウェーハ研磨ヘッドを引き下げるか、または持ち上げるように作動する。
【００１７】
ピボット可能なロード／アンロードカップ２０４Ａ，２０４Ｂ，２０４Ｃそれぞれは、ロード／アンロードカップ２１０とシャフト２１２とを備える。ロード／アンロードカップ２１０は、研磨ユニット２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃのウェーハ研磨ヘッド２０８の一つから半導体ウェーハを受けて、研磨ユニット２０２Ｂ，２０２Ｃ，２０２Ｄの他のウェーハ研磨ヘッドにウェーハを伝達するように構成される。ロード／アンロードカップ２１０は、ウェーハを移送する途中で、例えば超純水を使用してウェーハを洗浄するように構成されることもある。シャフト２１２は、ロード／アンロードカップ２１０に連結される。シャフト２１２は、ピボット軸を中心にシャフト２１２を通じてロード／アンロードカップ２１０をピボット可能なモータ２１４にも連結される。シャフト２１２の長さ及びピボット軸の位置は、ロード／アンロードカップ２１０が隣り合う研磨ユニット２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃ，２０２Ｄのウェーハ研磨ヘッド２０８に到達可能に選択される。
【００１８】
動作においては、ピボット可能なロード／アンロードカップ２０４Ａが研磨ユニット２０２Ａのウェーハ研磨ヘッド２０８から半導体ウェーハを受けて、研磨ユニット２０２Ｂのウェーハ研磨ヘッド２０８にウェーハを伝達するために使われる。同様に、ピボット可能なロード／アンロードカップ２０４Ｂが研磨ユニット２０２Ｂのウェーハ研磨ヘッド２０８から半導体ウェーハを受けて、研磨ユニット２０２Ｃのウェーハ研磨ヘッド２０８にウェーハを伝達するために使われる。同様に、ピボット可能なロード／アンロードカップ２０４Ｃが研磨ユニット２０２Ｃのウェーハ研磨ヘッド２０８から半導体ウェーハを受けて、研磨ユニット２０２Ｄのウェーハ研磨ヘッド２０８にウェーハを伝達するために使われる。
【００１９】
本発明の第１実施形態によって、研磨装置２００を使用して半導体ウェーハに銅ダマシン構造を形成するための方法が図３のフローチャートを参照して図４Ａないし図４Ｅに沿って記述されるが、図４Ａないし図４Ｅは、製造方法上の色々なステップでの半導体ウェーハ４００の部分断面図である。
【００２０】
ブロック３０２で、図４Ａに示したように、トレンチを有する絶縁層４０２、絶縁層上の障壁金属層４０４、障壁金属層上の銅層４０６を有する半導体ウェーハ４００が提供される。図４Ａに示したように、絶縁層４０２にあるトレンチは、絶縁層の上部面の下側に位置する。例えば、絶縁層４０２は、酸化物層でありうる。障壁金属層４０４は、絶縁層４０２にあるトレンチの側面はいうまでもなく、絶縁層４０２の上部面に沿っても存在する。例えば、障壁金属層４０４は、タンタル（Ｔａ）または窒化タンタル（ＴａＮ）の層でありうる。半導体ウェーハ４００は、在来型のパターニング及び蒸着工程を使用して形成されうる。
【００２１】
次いで、ブロック３０４で、ウェーハ４００は、研磨装置２００の第１研磨ユニット２０２Ａのウェーハ研磨ヘッド２０８に装着される。例えば、ウェーハ４００は、ウェーハ移送ロボットにより第１研磨ユニット２０２Ａのウェーハ研磨ヘッド２０８に装着されうる。次いで、ブロック３０６で、図４Ｂに示したように、銅層の相当な程度の下部４１０が絶縁層４０２の上部面上の障壁金属層４０４上に残るように、第１研磨技術を使用して第１研磨ユニット２０２Ａでウェーハ４００の銅層４０６の上部４０８が除去される。第１研磨技術は、第１研磨ユニット２０２Ａの第１研磨ヘッド２０８、第１研磨テーブル２０６及び第１研磨剤を使用してＣＭＰ工程を行うステップを含む。絶縁層４０２の上部面上の障壁金属層４０４上にある銅層４０６の上部４０８及び下部４１０は、図４Ａに示される。一実施形態において、銅層４０６の上部４０８は、銅層の下部４１０より厚い。
【００２２】
次いで、ブロック３０８で、第１ピボット可能なロード／アンロードカップ２０４Ａを利用して、研磨装置２００の第１研磨ユニット２０２Ａのウェーハ研磨ヘッド２０８から第２研磨ユニット２０２Ｂのウェーハ研磨ヘッド２０８にウェーハ４００が移送される。次いで、ブロック３１０で、図４Ｃに示したように、絶縁層４０２の上部面上の障壁金属層４０４が露出されるまで、第２研磨技術を使用してウェーハ４００の銅層４０６の下部４１０が第２研磨ユニット２０２Ｂで除去される。第２研磨技術は、第２研磨ユニット２０２Ｂの第２研磨ヘッド２０８、第２研磨テーブル２０６及び第２研磨剤を使用してＣＭＰ工程を行うステップを含む。一実施形態において、第２研磨技術は、第１研磨技術の研磨速度より遅い。
【００２３】
次いで、ブロック３１２で、第２ピボット可能なロード／アンロードカップ２０４Ｂを利用して、研磨装置２００の第２研磨ユニット２０２Ｂのウェーハ研磨ヘッド２０８から第３研磨ユニット２０２Ｃのウェーハ研磨ヘッド２０８にウェーハ４００が移送される。次いで、ブロック３１４で、図４Ｄに示したように、絶縁層４０２の上部面が露出されるまで、第３研磨技術を使用してウェーハ４００の絶縁層４０２の上部面上の障壁金属層４０４が第３研磨ユニット２０２Ｃで除去される。第３研磨技術は、第３研磨ユニット２０２Ｃの第３研磨ヘッド２０８、第３研磨テーブル２０６及び第３研磨剤を使用してＣＭＰ工程を行うステップを含む。図４Ｄに示したように、結果として得られた半導体ウェーハ４００は、エロージョン形状４１２を有する銅ダマシン構造を含むが、エロージョン形状は絶縁体突出部４１４を形成する。
【００２４】
次いで、ブロック３１６で、第３ピボット可能なロード／アンロードカップ２０４Ｃを利用して、研磨装置２００の第３研磨ユニット２０２Ｃのウェーハ研磨ヘッド２０８から第４研磨ユニット２０２Ｄのウェーハ研磨ヘッド２０８にウェーハ４００が移送される。次いで、ブロック３１８で、図４Ｅに示したように、ウェーハ４００の銅ダマシン構造の平坦でないエロージョン形状を縮小させるために、絶縁体突出部４１４を縮小させるように、第４研磨技術を使用して第４研磨ユニット２０２Ｄでエロージョン形状４１２を有する銅ダマシン構造が平坦化される。第４研磨技術は、第４研磨ユニット２０２Ｄの第４研磨ヘッド２０８、第４研磨テーブル２０６及び第４研磨剤を使用してＣＭＰ工程を行うステップを含む。一実施形態において、第４研磨剤は、銅層４０６及び障壁金属層４０４より速い絶縁層４０２の研磨速度を有する。これにより、エロージョン形状４１２を縮小させるために、銅層４０６及び障壁金属層４０４より絶縁層突出部４１４がさらに速く除去されうる。エロージョン形状４１２を縮小させるのに加えて、ブロック３１８でのウェーハ４００の研磨は、銅層４０６と障壁金属層４０４とを除去する前ステップの研磨工程中に生じたスクラッチ及びパーティクルのような欠陥を減少させることもできる。
【００２５】
研磨装置２００の第４研磨ユニット２０２Ｄで銅ダマシン構造を平坦化することは選択事項である。したがって、本発明の第１実施形態による製造方法は、ブロック３１４で完結されるが、ブロック３１４では、絶縁層４０２の上部面が露出されるまで、第３研磨技術を使用して第３研磨ユニット２０２Ｃでウェーハ４００の絶縁層４０２の上部面上の障壁金属層４０４が除去される。
【００２６】
第１代替実施形態によれば、第１研磨ユニット２０２Ａで行われる第１研磨技術は、適当な研磨溶液を使用して電気化学機械的研磨（ＥＣＭＰ）工程または電気化学的研磨（ＥＣＰ）工程を行うことを含む。
【００２７】
ＥＣＭＰ及びＥＣＰ工程は、ウェーハ研磨ヘッドと研磨テーブルとを通じて研磨されている半導体ウェーハに電流を流すことを必要とする。二つの研磨工程の差は、ＥＣＭＰは、例えば０．５ｐｓｉのような微小な機械的な研磨を含むということである。ＥＣＭＰまたはＥＣＰ工程を行うために、研磨される半導体ウェーハを通じてウェーハ研磨ヘッドと研磨テーブルとの間で電流を流すために、ウェーハ研磨ヘッド２０８と研磨テーブル２０６とが電気供給源に電気的に連結可能になるように第１研磨ユニット２０２Ａが改造される必要がある。
【００２８】
本発明の第２実施形態によって、研磨装置２００を使用して半導体ウェーハに銅ダマシン構造を形成するための方法が図５のフローチャートを参照して図６Ａないし図６Ｅに沿って記述されるが、図６Ａないし図６Ｅは、製造方法上の色々なステップでの半導体ウェーハ６００の部分断面図である。
【００２９】
ブロック５０２で、図６Ａに示したように、トレンチを有する絶縁層６０２、絶縁層上の障壁金属層６０４、障壁金属層上の銅層６０６を有する半導体ウェーハ６００が提供される。図６Ａの半導体ウェーハ６００は、図４Ａの半導体ウェーハ４００と類似している。しかし、ウェーハ６００のトレンチは、ウェーハ４００のトレンチよりさらに深く、これにより、ウェーハ６００の銅層６０６がウェーハ４００の銅層４０６よりさらに厚い。
【００３０】
次いで、ブロック５０４で、ウェーハ６００は、研磨装置２００の第１研磨ユニット２０２Ａのウェーハ研磨ヘッド２０８に装着される。次いで、ブロック５０６で、図６Ｂに示したように、銅層の中間部６１０と相当な程度の下部６１２が絶縁層６０２の上部面上の障壁金属層６０４上に残るように、第１研磨技術を使用して第１研磨ユニット２０２Ａでウェーハ６００の銅層６０６の上部６０８が除去される。第１研磨技術は、第１研磨ユニット２０２Ａの第１研磨ヘッド２０８、第１研磨テーブル２０６及び第１研磨剤を使用してＣＭＰ工程を行うステップを含む。絶縁層６０２の上部面上の障壁金属層６０４上にある銅層６０６の上部６０８、中間部６１０及び下部６１２は図６Ａに示される。
【００３１】
次いで、ブロック５０８で、第１ピボット可能なロード／アンロードカップ２０４Ａを利用して、研磨装置２００の第１研磨ユニット２０２Ａのウェーハ研磨ヘッド２０８から第２研磨ユニット２０２Ｂのウェーハ研磨ヘッド２０８にウェーハ６００が移送される。次いで、ブロック５１０で、図６Ｃに示したように、銅層６０６の下部６１２のみが絶縁層６０２の上部面の障壁金属層６０４上に残るように、第２研磨技術を使用して第２研磨ユニット２０２Ｂでウェーハ６００の銅層６０６の中間部６１０が除去される。第２研磨技術は、第２研磨ユニット２０２Ｂの第２研磨ヘッド２０８、第２研磨テーブル２０６及び第１研磨剤と同じかまたは異なる種類の研磨剤を使用してＣＭＰ工程を行うステップを含む。一実施形態によれば、ウェーハ６００の銅層６０６の上部及び中間部６０８，６１０は、相当な程度に同じ厚さを有し、銅層６０６の下部６１２は、銅層６０６の上部及び中間部６０８，６１０よりさらに薄い。
【００３２】
次いで、ブロック５１２で、第２ピボット可能なロード／アンロードカップ２０４Ｂを利用して、研磨装置２００の第２研磨ユニット２０２Ｂのウェーハ研磨ヘッド２０８から第３研磨ユニット２０２Ｃのウェーハ研磨ヘッド２０８にウェーハ６００が移送される。次いで、ブロック５１４で、図６Ｃに示したように、絶縁層６０２の上部面上の障壁金属層６０４が露出されるまで、第３研磨技術を使用してウェーハ６００の銅層６０６の下部６１２が第３研磨ユニット２０２Ｃで除去される。第３研磨技術は、第３研磨ユニット２０２Ｃの第３研磨ヘッド２０８、第３研磨テーブル２０６及び第２研磨剤を使用してＣＭＰ工程を行うステップを含む。一実施形態によれば、第３研磨技術は、第１及び第２研磨技術の研磨速度より遅い。
【００３３】
次いで、ブロック５１６で、第３ピボット可能なロード／アンロードカップ２０４Ｃを利用して、研磨装置２００の第３研磨ユニット２０２Ｃのウェーハ研磨ヘッド２０８から第４研磨ユニット２０２Ｄのウェーハ研磨ヘッド２０８にウェーハ６００が移送される。次いで、ブロック５１８で、図６Ｅに示したように、絶縁層６０２の上部面が露出されるまで、第４研磨技術を使用してウェーハ６００の絶縁層６０２の上部面上の障壁金属層６０４が第４研磨ユニット２０２Ｄで除去される。第４研磨技術は、第４研磨ユニット２０２Ｄの第４研磨ヘッド２０８、第４研磨テーブル２０６及び第３研磨剤を使用してＣＭＰ工程を行うステップを含む。
【００３４】
第２代替実施形態によれば、第１研磨ユニット２０２Ａで行われる第１研磨技術及び第２研磨ユニット２０２Ｂで行われる第２研磨技術のいずれか一つまたはいずれもは、適当な研磨溶液を使用してＥＣＭＰ工程またはＥＣＰ工程を行うことを含む。ＥＣＭＰまたはＥＣＰ工程が研磨ユニット２０２Ａ，２０２Ｂのいずれか一つまたは二つで行われるならば、研磨される半導体ウェーハを通じてウェーハ研磨ヘッドと研磨テーブルとの間で電流を流すために、それぞれのウェーハ研磨ヘッド２０８とそれぞれの研磨テーブル２０６とが電気供給源に電気的に連結可能になるように研磨ユニットの一つまたはいずれもが改造される必要がある。
【００３５】
本発明の他の実施形態によれば、半導体ウェーハに銅ダマシン構造を形成するために、前述した方法は、図７に示したように、多層デュアル銅ダマシン構造を有する半導体ウェーハ７００を製造する目的として混合されて使われうる。
【００３６】
図７に示したように、ウェーハ７００は、他の金属層Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…，Ｍ６，Ｍ７，Ｍ８でデュアル銅ダマシン構造７０２Ａ，７０２Ｂ，７０２Ｃ，７０２Ｄ，７０２Ｅ，７０２Ｆを含む。隣接した金属層間の平坦な層は、拡散障壁層である。図７のウェーハ７００は、特定な数のデュアル銅ダマシン構造物を有しているが、このウェーハは、他の数の銅ダマシン構造物を有しうる。
【００３７】
ウェーハ７００のデュアル銅ダマシン構造７０２Ａ，７０２Ｂ，７０２Ｃ，７０２Ｄ，７０２Ｅ，７０２Ｆのトレンチの深さは、例えば、Ｍ１層のような低層の金属層からＭ８層のような高層の金属層に行くほど増大する。したがって、Ｍ８層でダマシン構造７０２Ｆのトレンチの深さは、例えば１．５マイクロメータのように非常に大きいが、ダマシン構造７０２Ａのトレンチの深さは、例えば０．３マイクロメータのように非常に小さい。Ｍ１ないしＭ３層のような低層でウェーハ７００の銅ダマシン構造は、相対的に浅いトレンチを有するので、銅ダマシン構造の製造過程中に銅ダマシン構造７０２Ａ，７０２Ｂ，７０２Ｃのトレンチを満たして相対的に薄い銅層が積層される。
【００３８】
かかる銅ダマシン構造７０２Ａ，７０２Ｂ，７０２Ｃを作るためには、本発明の第１実施形態または第１代替実施形態による製造方法が使われ、この方法は、エロージョン形状を縮小させ、したがって、研磨面の平坦度を改善できる。その代わりに、銅ダマシン構造７０２Ａ，７０２Ｂ，７０２Ｃを形成するために、本発明の第１実施形態の選択的な実施形態による製造方法が使われるが、この方法は、エロージョン形状を縮小させるために平坦化ＣＭＰを行わない。
【００３９】
Ｍ６ないしＭ８層のような高層でウェーハ７００の銅ダマシン構造は、相対的に深いトレンチを有するので、銅ダマシン構造の製造過程中に銅ダマシン構造７０２Ｄ，７０２Ｅ，７０２Ｆのトレンチを満たして相対的に厚い銅層が積層される。かかる銅ダマシン構造７０２Ｄ，７０２Ｅ，７０２Ｆを作るためには、スループットを増加させるために、本発明の第２実施形態または第２代替実施形態による製造方法が使われうる。
【００４０】
エロージョン形状は、低層の銅ダマシン構造より高層の銅ダマシン構造で相対的にあまり重要でないため、かかる高層の銅ダマシン構造７０２Ｄ，７０２Ｅ，７０２Ｆを形成するために、本発明の第１実施形態または第１代替実施形態による製造方法を使用するよりは、本発明の第２実施形態または第２代替実施形態による製造方法を使用するのがさらに生産的である。
【００４１】
ウェーハ７００の銅ダマシン構造７０２Ａ，７０２Ｂ，７０２Ｃ，７０２Ｄ，７０２Ｅ，７０２Ｆは、研磨装置２００のように４個の研磨ユニットを有する研磨装置、または複数の研磨装置２００のような４個の研磨ユニットを有する他の研磨装置でも製造されうる。
【００４２】
本発明の特定な実施形態が記述されたが、本発明は、前述した特定な形態や配列により限定されない。例えば、本発明による製造方法は、ダマシン構造を形成するために、銅ではない金属または金属合金（ここでは、集合的に‘金属’と言及された）を使用しうる。本発明の範囲は、特許請求の範囲とそれらの等価物により規定される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１Ａ】従来技術によってウェーハに銅ダマシン構造を形成するための在来型のＣＭＰ法が行われる前の半導体ウェーハの部分断面図である。
【図１Ｂ】従来技術によってウェーハに銅ダマシン構造を形成するための在来型のＣＭＰ法が行われた後の半導体ウェーハの部分断面図である。
【図２】本発明によって半導体ウェーハに一つまたはそれ以上の銅ダマシン構造を形成するための方法を行うために使われる、４個の研磨ユニットと３個のピボット可能なロード／アンロードカップとを有する研磨装置の図面である。
【図３】本発明の第１実施形態によって半導体素子に銅ダマシン構造を形成するための方法のフローチャートである。
【図４Ａ】本発明の第１実施形態による製造方法過程の他のステップでの半導体ウェーハの部分断面図である。
【図４Ｂ】本発明の第１実施形態による製造方法過程の他のステップでの半導体ウェーハの部分断面図である。
【図４Ｃ】本発明の第１実施形態による製造方法過程の他のステップでの半導体ウェーハの部分断面図である。
【図４Ｄ】本発明の第１実施形態による製造方法過程の他のステップでの半導体ウェーハの部分断面図である。
【図４Ｅ】本発明の第１実施形態による製造方法過程の他のステップでの半導体ウェーハの部分断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態によって半導体素子に銅ダマシン構造を形成するための方法のフローチャートである。
【図６Ａ】本発明の第２実施形態による製造方法過程の他のステップでの半導体ウェーハの部分断面図である。
【図６Ｂ】本発明の第２実施形態による製造方法過程の他のステップでの半導体ウェーハの部分断面図である。
【図６Ｃ】本発明の第２実施形態による製造方法過程の他のステップでの半導体ウェーハの部分断面図である。
【図６Ｄ】本発明の第２実施形態による製造方法過程の他のステップでの半導体ウェーハの部分断面図である。
【図６Ｅ】本発明の第２実施形態による製造方法過程の他のステップでの半導体ウェーハの部分断面図である。
【図７】多層デュアル銅ダマシン構造を有する半導体ウェーハの部分断面図であるが、多層デュアル銅ダマシン構造は、本発明の第１実施形態または第１代替実施形態による製造方法と本発明の第２実施形態または第２代替実施形態による製造方法とを使用して作られる。
【図１Ａ】
2008520106.tif 000003
【図１Ｂ】
2008520106.tif 000004
【図２】
2008520106.tif 000005
【図３】
2008520106.tif 000006
【図４Ａ】
2008520106.tif 000007
【図４Ｂ】
2008520106.tif 000008
【図４Ｃ】
2008520106.tif 000009
【図４Ｄ】
2008520106.tif 000010
【図４Ｅ】
2008520106.tif 000011
【図５】
2008520106.tif 000012
【図６Ａ】
2008520106.tif 000013
【図６Ｂ】
2008520106.tif 000014
【図６Ｃ】
2008520106.tif 000015
【図６Ｄ】
2008520106.tif 000016
【図６Ｅ】
2008520106.tif 000017
【図７】
2008520106.tif 000018
【国際調査報告】
2008520106.tif 000019