(57)【要約】【課題】密配線、密ビア部のエロージョン及びビア部のディッシング、リセスを抑制すると共に、第一の研磨工程でエロージョン等が発生した場合には、第二の研磨工程でこれを解消することができる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】金属膜２４、２７の研磨において、絶縁膜２２、２５の研磨速度が一定以上となり、酸化剤濃度を含んだ研磨剤１１で研磨する第一の工程と、第一の工程よりも酸化剤濃度が低い研磨剤１１で研磨する第二の工程を有する半導体装置の製造方法である。また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、金属膜２４、２７の研磨において、酸化剤を含んだ研磨剤１１で研磨する工程と、研磨剤１１を純水によって希釈して研磨する工程を有する半導体装置の製造方法である。【選択図】        図６
2008153571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨剤を用いて、絶縁膜上に形成された金属膜を研磨する工程を有する半導体装置の製造方法において、
前記研磨剤に含まれる又は前記金属膜の被研磨面に供給される酸化剤を無くすか又は順次少なくして多段研磨する
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に記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属膜の前記被研磨面を、
前記酸化剤を含む第一の研磨剤で研磨する第一の研磨工程と、
前記第一の研磨剤と同一の砥粒、添加剤組成で、酸化剤の濃度を前記第一の研磨剤よりも低くした第二の研磨剤で研磨する第二の研磨工程と  を有する
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に記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属膜の前記被研磨面を、
前記酸化剤を含む第一の研磨剤で研磨する第一の研磨工程と、
前記第一の研磨剤を純水によって希釈した第二の研磨剤で研磨する第二の研磨工程と  を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属膜の前記被研磨面を、
酸化剤を含む第一の研磨剤で研磨する第一の研磨工程と、
前記第一の研磨剤と同一の砥粒、添加剤組成で、酸化剤の濃度を前記第一の研磨剤よりも低くした第二の研磨剤で研磨する第二の研磨工程と、
前記第一の研磨剤及び第二の研磨剤と同一の砥粒、添加剤組成で、酸化剤の濃度を前記第二の研磨剤よりも低くした第三の研磨剤で研磨する第三の研磨工程と  を有する
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に記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属膜の前記被研磨面を、
酸化剤を含む第一の研磨剤で研磨する第一の研磨工程と、
前記第一の研磨剤と同一の砥粒、添加剤組成で、酸化剤の濃度を前記第一研磨剤よりも低くした第二の研磨剤で研磨する第二の研磨工程と、
前記第一又は前記第二の研磨剤を純水によって希釈した第三の研磨剤で研磨する第三の研磨工程と  を有する
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、半導体装置を製造する際に適用される半導体装置の製造方法に関するもので、特に、金属膜、酸化膜を研磨する配線工程での半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微細化・高集積化した半導体装置を製造する際、フォトリソグラフィ工程の露光を容易にするために、化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：以下、単に「ＣＭＰ」という。）を行って半導体装置を平坦化することが必須の工程になっている。ところで、半導体製造工程において、ＣＭＰが行われるプロセスは、例えば、絶縁膜の研磨と金属膜の研磨がある。絶縁膜の研磨とは、例えば、浅い素子分離領域の形成、配線上の絶縁膜の研磨等がある。金属膜の研磨とは、配線及び配線間のビアの埋め込み、プラグの埋め込み等がある。
例えば、ビアに充填された金属膜を研磨する際、一般的に、酸化剤と研磨砥粒を含んだ研磨剤（スラリ）が用いられる。研磨は、金属膜表面を酸化剤により酸化することによって形成した酸化物層を、研磨砥粒による物理的な効果と溶解による化学的な効果により除去することで進行する。酸化剤は、一般的には研磨直前に添加される。従来、酸化剤の濃度を高くすることによって金属膜の研磨速度を高め、研磨砥粒濃度を低くすることによって絶縁膜の研磨速度を低く抑えた、所謂「高選択性」の研磨剤が一般的に用いられてきた。しかしながら、ビア内の金属は周囲の絶縁膜よりも研磨速度が速いことに起因して、ビア内の金属面が絶縁膜面に比べて凹むディッシング、または研磨剤中の薬液による溶解作用によりビア内の金属が絶縁膜に比べて凹むリセスと呼ばれる問題が生じることがある。また、配線の微細化に伴い、ビアが高密度に配置される領域が増加すると、高密度にビアがある領域（高密度ビア領域）全体が沈み込む、いわゆるエロージョンが問題になる。大規模なエロージョンが発生すると、半導体装置における配線を形成する際、エロージョンが発生した領域は他の領域に比べ凹んでいることから、露光時に焦点が合わず、配線幅が狙い幅から乖離するという問題がある。また、半導体装置における金属膜の研磨においても、エロージョンにより凹んだ領域の金属膜が除去しきれず、配線ショートの原因となる場合がある。
【０００３】
そこで、金属膜の研磨速度と、絶縁膜の研磨速度とがほぼ等しくなる所謂「非選択性」の研磨剤が提案されている。しかし、この技術は、絶縁膜と金属膜の間に形成されるグルー金属膜を除去する際に、充填金属膜の研磨速度がグルー金属膜より速いために、完全なエロージョンの解決には至っていないのが現状である。
例えば、特許文献１には、従来よりも一層均一で凹みがないプラグを製造する方法を提供することを目的として開発された技術であって、酸化剤を含む金属膜を選択的に研磨する研磨剤を用いて研磨する第一の工程と、絶縁膜である酸化膜のみを選択的に研磨する研磨剤を用いる第二の工程とを有する導電性プラグの形成方法が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２７５３６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、組成の異なる二種類の研磨剤が必要となり、装置構成、薬液供給機構が複雑になるという問題がある。また、特許文献１は、第一の工程で金属膜を選択的に研磨する研磨剤を用いていることから、第一の工程後に発生するディッシング及びエロージョンが大きくなり、これらを解消するために必要となる第二の工程における絶縁膜の研磨量が大きくなり、ビア加工及びビアへの金属充填において技術的障壁が高くなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、その課題は、絶縁膜と金属膜とを備えた半導体装置の製造方法において、装置構成を複雑にすることなく、密配線、密ビア部のエロージョン及びビア部のディッシング、リセスを抑制すると共に、第一の研磨工程でエロージョン及びビア部のディッシング、リセスが発生した場合には、その後の研磨工程でこれを解消することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る半導体装置の製造方法は、金属膜の前記被研磨面を、酸化剤濃度を順次少なくした研磨剤を用いて多段研磨するものであり、絶縁膜と金属膜とを備えた半導体装置の製造方法において、例えば金属膜を研磨する際の絶縁膜の研磨速度が一定以上となり、酸化剤濃度を含んだ研磨剤で研磨する第一の研磨工程と、第一の工程よりも酸化剤濃度が低い研磨剤で研磨する第二の研磨工程を有する半導体装置の製造方法である。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、金属膜の研磨において、酸化剤を含んだ研磨剤で研磨する第一の研磨工程と、研磨剤を純水によって希釈して研磨する第二の研磨工程を有する半導体装置の製造方法である。金属膜の研磨において、余分な金属膜の除去を行う第一の研磨工程で酸化剤を加えた研磨剤を使用し、絶縁膜と金属膜の研磨速度を近づけた状態で研磨することによって密配線・密ビア部のエロージョン及びビア部のディッシング、リセスを抑制し、なおかつ第二の研磨工程で第一の研磨工程よりも酸化剤濃度の低い研磨剤を使用して研磨することによって、絶縁膜のみを選択的に研磨することができ、第一の研磨工程で密配線・密ビア領域より厚く残っている絶縁膜を取り除き、第一の工程で生じたエロージョン及びビア部のディッシング、リセスを解消する。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法では、金属膜の研磨において、余分な金属膜の除去を行う工程と、金属膜除去後のエロージョン及びビア部のディッシング、リセスを緩和する工程で、酸化剤を含んだ研磨剤の希釈率を変えることで、工程ごとに金属膜の研磨速度を変えることができ、密配線・密ビア部のエロージョン及びビア部のディッシング、リセスが抑制される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、酸化剤を含んだ研磨剤を供給して研磨する第一の研磨工程と、酸化剤を含まないか、または酸化物濃度が低い研磨剤を供給して研磨する第二の研磨工程又は第三の研磨工程とを有することにより、研磨装置構成を複雑にすることなくエロージョン及びビア部のディッシング、リセス等を抑制できると共に、第一の研磨工程で発生したエロージョン及びビア部のディッシング、リセス等の不都合をそれ以降の研磨工程で解消させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の半導体装置の製造方法に関する実施の形態について詳細に説明する。
本発明では、絶縁膜を有する金属膜の被研磨面を、砥粒を含む研磨剤を用いて研磨する半導体装置の製造方法において、研磨剤に含まれる又は被研磨面に供給される酸化剤濃度を順次少なくして多段研磨する。
図１は、本発明に適用される研磨装置を示す説明図である。図１において、半導体装置の研磨装置１０として、複数の研磨テーブルと研磨ヘッドとを有するものであり、具体的には、３個の研磨テーブル１ａ〜１ｃと、４個の研磨ヘッド２ａ〜２ｄを有する。３個の研磨テーブル１ａ〜１ｃには、それぞれ研磨パッドのコンディショニング装置３ａ〜３ｃが付設されている。コンディショニング装置３ａ〜３ｃは、それぞれ研磨テーブル毎にパッドのコンディショニングを行う。３個の研磨テーブル１ａ〜１ｃに対し、例えば研磨ヘッド２ａは、半時計回りに周り、テーブル１ａ、１ｂ、１ｃの順に移動し、各研磨テーブルにおいて半導体装置の研磨を行う。研磨ヘッド２ｂ、２ｃ及び２ｄも同様に、研磨テーブル１ａ、１ｂ、１ｃの順に移動し、それぞれのテーブルにおいて半導体装置の研磨を行う。３個ある研磨テーブルおよび４個ある研磨ヘッドの個々の構成は同じである。従って、以下に、１個の研磨テーブル及び１個の研磨ヘッドについて詳しく説明する。なお、本発明の半導体装置の製造方法に用いる研磨装置１０は、図１に示した研磨装置１０に限定されるものではない。
【００１０】
図２は、研磨装置における研磨テーブルと研磨ヘッドとの関係を示す断面図である。図２において、回転軸１ａを中心として回転自在に設けられた研磨テーブル１の表面に研磨パッド４が載置、貼着されている。研磨テーブル１に貼着された研磨パッド４の表面であって研磨テーブル１の回転軸１ａとは偏芯した位置に当接するように研磨ヘッド２が設けられている。研磨ヘッド２は、被研磨材としてのウェハ６を、研磨パッド４に当接するように支持している。研磨ヘッド２とは研磨テーブル１の回転軸１ａを挟んで対向する研磨パッド４上に、コンディショニング装置３が設けられている。コンディショニング装置３は、研磨テーブルごとに、研磨工程と研磨工程の間または研磨工程中に、研磨パッド４のコンディショニングを行う。研磨テーブル１の回転軸１ａに対向する上部には、スラリ供給ノズル８が設けられている。スラリ供給ノズル８は、研磨パッド４上に研磨剤（以下、スラリともいう）１１を供給する。また、この研磨装置１０には、スラリ供給ノズル８を１本のみ示したが複数本設けても良いし、図示省略した純水供給ノズル及び純水高圧噴射ノズルが設けられている。
【００１１】
図３は、研磨装置のコンディショニング装置の拡大断面図である。
図３において、コンディショニング装置３の先端部である研磨パッド４との当接面に、ダイヤモンドディスク１５が設けられている。即ち、コンディショニング装置３の研磨パッド４との当接部には、ステンレス製の台金１２が設けられており、この台金１２の表面（図３中下面）に、例えば粒径１５０μｍ程度のダイヤモンド粒１３が、例えば１ｃｍ２当り数個配置され、ニッケル（Ｎｉ）メッキ１４によって固定され、ダイヤモンドディスク１５を形成している。このような構成の研磨装置１０において、半導体装置を研磨する際は、先ず、研磨パッド４が貼着された研磨テーブル１を回転させ、ウェハ６を保持する研磨ヘッド２を回転させながら研磨パッド４に押し付け、且つ、スラリ供給ノズル８から研磨剤１１を研磨パッド４上に供給することによって、ウェハ６の被研磨面を研磨する。このとき、研磨動作と研磨動作の間または研磨動作中に、コンディショニング装置３のダイヤモンドディスク１５を研磨パッド４に押し付けることによって研磨パッド４のコンディショニングを行う。
【００１２】
また、本発明に用いる研磨剤１１としては、半導体装置２０の研磨のために調製されたものであり、純水の他に、砥粒を含んでおり、その他に、金属部分を酸化する酸化剤、防食剤としてＢＴＡ（ベンゾトリアゾール）を、金属および金属酸化物の溶解作用を持つリンゴ酸等の酸を、被研磨面の接触角を低下させる作用を有して、均一な研磨を促す作用を有する界面活性剤及び／又は親水性ポリマー、混入する多価金属イオンなどの悪影響を低減させるためのキレート剤、緩衝剤等を適宜含んでいても良い。
砥粒としては、シリカ（二酸化珪素）、アルミナ、チタニア、ジルコニア、ゲルマニア、酸化マンガン、酸化セリウム等の酸化物、炭化ケイ素、炭化チタン等の炭化物、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等の窒化物、ポリスチレン、ポリアクリル、ポリテレフタレート等の有機微粒子などが挙げられ、特に、安価で研磨効果の大きいシリカが好ましい。砥粒の平均径（直径）は２５０ｎｍ以下が好ましく、５〜１５０ｎｍがより好ましい。砥粒の添加量は、使用する際の金属用研磨液の全重量に対して０．０１〜５重量％が好ましい。
酸化剤としては、過酸化水素、過酸化物、硝酸塩、ヨウ素酸塩、過ヨウ素酸塩、次亜塩素酸塩、亜塩素酸塩、塩素酸塩、過塩素酸塩、過硫酸塩、重クロム酸塩、過マンガン酸塩、オゾン水等の水溶液が挙げられる。特に、安全性が高い過酸化水素水が好ましい。酸化剤の添加量は、研磨に使用する際の研磨剤１１に、０．５重量％以上にする。金属の酸化する能力を確保するためである。ただし、半導体装置２０の被研摩面の表面荒れを防止するために、１０．０重量％以下にする。
【００１３】
また、研磨剤１１には、還元剤を含ませることがある。酸化剤等によって生じたダメージ層を、溶解によって除去するよりも、ダメージ層を還元剤により還元させて金属状態に戻すことが適切である。また、先の研磨工程で供給された酸化剤の影響を次工程で無くすために供給する。還元剤としては、少なくとも配線材料に対して電子を供与できるものである必要があり、例えば銅の場合であれば、ホルムアルデヒド、ジメチルアミンボラン、ヒドラジン等を用いることができる。還元剤の添加量は、研磨に使用する際の研磨剤１１に対して、０．５〜１０重量％とすることが好ましい。
【００１４】
図４−１及び図４−２は、半導体装置における金属膜の研磨状況を示す説明図である。図４−１及び図４−２に示すように、上述の研磨装置１０と研磨剤１１とを用いて、金属膜２４、２７と絶縁膜２２、２５とを有する半導体装置２０を研磨する状況を説明する。
先ず、半導体装置２０の基板であるシリコン基板２１上に絶縁膜２２を形成する（図４（１））。
次いで、絶縁膜２２の上に、図示していないがレジストを塗布し、露光・現像してフォトレジストを形成する。このフォトレジストをマスクとして、ＲＩＥ法等でエッチングして、絶縁膜２２にビア２３となるためのホール２３‘を形成する（図４（２））。
形成したホール２３‘上に、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、めっき法等で金属膜２４を成膜する（図４（３））。金属としては、Ｗ、シリサイド、Ｃｕ等の金属又は合金を成膜するが、特に、これらに限定するものではない。また、金属膜２４を成膜する前に、１〜５０ｎｍの厚さからなるチタン又は窒化チタン等からなるグルー膜層、タンタル又は窒化タンタル等からなるバリア膜層を形成しても良い。また、前記金属膜２４は複数の層を有していても良い。
その後、ＣＭＰ法により、余分な金属膜２４を除去して、ビア２３を形成する（図４（４））。
次に、これらの上に、ＣＶＤ法等で絶縁膜２５を成膜する（図４（５））。成膜する絶縁膜２５としては、ＳｉＯ２系の絶縁膜、ＳｉＮ系の絶縁膜、ＳＩＬＫ等のｌｏｗ−ｋ膜等が挙げられる。
さらに、絶縁膜２５の上に、図示していないがレジストを塗布し、露光・現像してフォトレジストを形成する。このフォトレジストをマスクとして、ＲＩＥ法等でエッチングして、絶縁膜２５に配線２６になるための溝を形成する（図４（６））。
その後、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、電解メッキ法等により金属膜２７を成膜する（図４（６））。なお、図示しないが、金属膜２７を成膜する前に、チタン又は窒化チタン等からなるグルー膜層、タンタル又は窒化タンタル等からなるバリア膜層を形成しても良い。また、前記金属膜２４としてＣｕが使用される場合は、Ｃｕ層を形成する前にＣｕ−Ｍｎ等のＣｕ合金層を形成しても良い。
さらに、ここで、本発明の研磨方法により余分な金属膜２７を除去して、金属膜２７の研磨が進むと、金属膜２７と絶縁層２５とを同時に研磨して上下層を接続する配線２６が形成される。このように、配線・ビア部・絶縁膜からなる密配線・密ビア部を有する半導体装置２０が形成される（図４（８））。したがって、最近のように多層構造を有する半導体装置２０においては、図４に示すように、絶縁膜２２、２５とビア２３、配線２６を形成するための金属膜２４、２７とを別々に、あるいは同時に研磨する製造工程が多数ある。
【００１５】
本発明では、金属膜２４、２７の研磨において、絶縁膜２２、２５の研磨速度が一定以上となり、酸化剤濃度を含んだスラリで研磨する第一の工程と、第一の工程よりも酸化剤濃度が低いスラリで研磨する第二の工程を有する。また、金属膜２４、２７の研磨において、酸化剤を含んだスラリで研磨する工程と、スラリを純水によって希釈して研磨する工程を有する。これらは、いずれも、後の工程になるにつれ、酸化剤の濃度を低くするものである。または、第一工程の研磨剤１１に直接純水を加えて酸化剤の濃度の低い研磨剤１１として第二の工程に用いる。または、第一の工程で用いた研磨剤１１をそのまま用いて、研磨直前に純水とを同時に研磨装置１０に供給することで、酸化剤の濃度を変えることができる。これによって、金属膜２４、２７の研磨において、余分な金属膜２４、２７の除去を行う第一の工程で酸化剤を加えたスラリを使用し、絶縁膜２２、２５と金属膜２４、２７の研磨速度を近づけた状態で研磨することで密配線・密ビア部のエロージョン及びビア部のディッシング、リセスを抑制し、なおかつ第二の工程で第一の工程より酸化剤濃度の低いスラリを使用して研磨することで、絶縁膜２２、２５のみを選択的に研磨することができ、第一の工程で密配線・密ビア領域より厚く残っている絶縁膜２２、２５を取り除き、第一の工程で生じたエロージョン及びビア部のディッシング、リセスが解消される。また、本発明の半導体装置２０の研磨方法では、図４（７）に示すように状態における余分な金属膜２４、２７の除去を行う工程と、金属膜２４、２７の除去後のエロージョン及びビア部のディッシング、リセスを緩和する工程で、酸化剤を含んだスラリの希釈率を変えることで、工程ごとに金属膜２４、２７の研磨速度を変えることができ、図４（８）に示すような密配線・密ビア部におけるエロージョン及びビア部のディッシング、リセスが抑制される。バリア膜を形成した場合は、もちろんバリア膜の除去工程が行われる。
【００１６】
また、本発明では、酸化剤を含まない研磨剤１１を用いて、第一の工程ではこの研磨剤１１と酸化剤水溶液とを同時に供給しながら研磨する第一の工程と、研磨剤１１のみを供給し、酸化剤を供給することなく研磨する第二の工程とを有するものであってもよい。
また、本発明では、酸化剤を含む第一の研磨剤１１で研磨する第一の研磨工程と、第一の研磨剤１１に還元剤を加えて調製した第二の研磨剤１１で研磨する第二の研磨工程とを有するものである。酸化剤を含ませた第一の研磨剤１１を用いる第一の工程の後では、酸化剤濃度を低くするのに、還元剤を加えた第二の研磨剤１１を用いて第二の工程とする。
これらのいずれの研磨方法でも、これは、図４（７）に示すように状態における余分な金属膜２４、２７の除去を行う工程と、金属膜２４、２７の除去後のエロージョン及びビア部のディッシング、リセスを緩和する工程で、酸化剤を含んだスラリの希釈率を変えることで、密配線・密ビア部のエロージョン及びビア部のディッシング、リセスが抑制される。
【００１７】
本発明では、第一の研磨工程における絶縁膜２２、２５の研磨速度を金属膜２４、２７の研磨速度で割った値（選択比）は、０．３〜３の範囲が望ましい。これは、絶縁膜２２、２５と金属膜２４、２７とをできるだけ近い速度で研磨することで、第一の工程で発生する密ビア部のエロージョン及びビア部のディッシングを最小限に抑制するためである。このような研磨剤１１を用いて、研磨装置１０の研磨ヘッドの圧力、回転数、研磨テーブル回転数大きくすることで研磨速度を大きくして、選択比を小さいままで研磨する。選択比が０．３未満では、金属膜２４、２７の研磨速度が大きいために、他の研磨条件を変えても金属膜２４、２７を過剰に研磨してしまい、半導体装置２０の金属膜２４、２７の制御に問題がある。選択比が３を越えると、他の研磨条件を変えても金属膜２４、２７の研磨速度を大きくすることができないために、スループットが小さく、生産性に問題がある。
また、本発明では、第二の研磨工程における絶縁膜２２、２５の研磨速度を金属膜２４、２７の研磨速度で割った値（選択比）は、１以上にする。第二の研磨工程では絶縁膜２２、２５の研磨速度を、金属膜２４、２７の研磨速度に比べて高くすることで、第一の研磨工程で発生したエロージョン及びディッシング、リセスのために金属膜２４、２７の表面より高くなった絶縁膜２２、２５を優先的に研磨することができ、第一の研磨工程で発生したエロージョン及びディッシング、リセスを緩和することができる。第二の研磨工程での選択比は、大きい方が良く、３以上であることがより望ましい。
【００１８】
本発明では、第二の研磨工程における絶縁膜２２、２５の研磨速度を金属膜２４、２７の研磨速度で割った値（以下、選択比と記すことがある。）は、第一の工程における絶縁膜２２、２５の研磨速度を金属膜２４、２７の研磨速度で割った値（選択比）よりも大きくする。これは、第二の研磨工程で、絶縁膜２２、２５を金属膜２４、２７より多く研磨できるように制御するすることである。この選択比は、第一の研磨工程と第二の研磨工程との間での調整は、酸化剤の濃度で行うことができる。
【００１９】
また、本発明では、半導体装置２０の被研磨面を、酸化剤を含む第一の研磨剤１１で研磨する第一の研磨工程と、第一の研磨剤１１と同一の砥粒、添加剤組成で、酸化剤の濃度を第一の研磨剤１１よりも低くした第二の研磨剤１１で研磨する第二の研磨工程と、第一の研磨剤１１及び第二の研磨剤１１と同一の砥粒、添加剤組成で、酸化剤の濃度を第二の研磨剤１１よりも低くした第三の研磨剤１１で研磨する第三の研磨工程とを有する。これは、多段研磨において３段の研磨工程を設けているものである。さらに、多段工程における研磨剤１１の酸化剤の濃度を前工程の研磨剤１１の濃度より低くしている。これによって、例えば、図４（７）に示すような半導体装置２０の製造過程の中で、余分な金属膜２４、２７の除去を行う工程と、金属膜２４、２７除去後のエロージョン及びディッシング、リセスを緩和する工程で、酸化剤を含んだスラリの希釈率を変えることで、金属膜２４、２７が絶縁膜２２、２５に比べて凹むディッシング、または、金属膜２４、２７が絶縁膜２２、２５に比べて凹むリセスの発生を抑えて、さらに、密配線・密ビア部のエロージョン及びビア部のディッシング、リセスの発生を抑制することができる。
【００２０】
さらに、酸化剤を含む第一の研磨剤１１で研磨する第一の研磨工程と、第一の研磨剤１１と同一の砥粒、添加剤組成で、酸化剤の濃度を第一研磨剤１１よりも低くした第二の研磨剤１１で研磨する第二の研磨工程と、第一又は第二の研磨剤１１を純水によって希釈した第三の研磨剤１１で研磨する第三の研磨工程とを有する。これによって、研磨工程が進む毎に、酸化剤濃度が低くなることで、密配線・密ビア部のエロージョン及びビア部のディッシング、リセス等の欠陥の発生を抑制することができる。特に、各研磨工程毎に異なる研磨材を準備し、それを供給するノズルを設けていては研磨装置１０が複雑になり、生産性も低下するという問題がある。したがって、第二・第三の研磨工程で、前の研磨工程で用いた研磨剤１１を用いることができるようにすることが好ましい。
さらに、第三の研磨工程は、第一の研磨剤１１又は第二の研磨剤１１と純水と同時に供給しながら研磨しても良い。これによって、準備する研磨剤１１の種類を減らすことができ、さらに、各研磨工程毎に酸化剤の濃度を処方することができ、金属膜２４、２７、絶縁膜２２、２５の種類に応じた研磨をすることができる。
また、本発明の半導体装置２０の研磨方法は、酸化剤を含む第一の研磨剤１１で研磨する第一の研磨工程と、第一の研磨剤１１を純水によって希釈した第二の研磨剤１１で研磨する第二の研磨工程と、第一の研磨剤１１を純水によって希釈した第三の研磨剤１１で研磨する第三の研磨工程と、を有し、第三の研磨工程における第一の研磨剤１１を希釈する際の研磨剤１１量を純水量で割った値が、第二の研磨工程における第一の研磨剤１１を希釈する際の研磨剤１１量を純水量で割った値よりも小さくする。これによって、さらに、準備する研磨剤１１の種類を減らして１種類にすることができ、各研磨工程毎に酸化剤の濃度を処方することができ、金属膜２４、２７、絶縁膜２２、２５の種類に応じた研磨をすることができる。
また、第二の研磨工程及び／又は第三の研磨工程が、第一の研磨剤１１と純水とを同時に供給しながら半導体装置２０の被研磨面を研磨する。これによって、さらに、準備する研磨剤１１の種類を減らして１種類にすることができ、さらに、純水を供給するノズルを１つ設けることで、研磨開始直前にでも、研磨工程毎に酸化剤の濃度を容易に処方することができ、金属膜２４、２７、絶縁膜２２、２５の種類に応じた研磨をすることができる。
【００２１】
また、本発明は、研磨剤１１と酸化剤水溶液を同時に供給しながら研磨する第一の研磨工程と、研磨剤１１の供給流量を酸化剤水溶液の供給流量で割った値（以下、流量比と記すことがある。）が第一の工程における研磨剤１１の供給流量を酸化剤水溶液の供給流量で割った値よりも大きくなるような流量比で研磨剤１１と酸化剤水溶液を同時に供給しながら研磨する第二の研磨工程と、研磨剤１１のみを供給しながら研磨する第三の研磨工程とを有する。第二の研磨工程における流量比を第一の研磨工程に用いた研磨剤１１と供給流量との流量比より大きくすることで、供給される酸化剤水溶液の量を少なくして、研磨剤１１における酸化剤濃度を低くすることができる。さらに、三つある研磨工程でも、研磨剤１１と酸化剤水溶液があれば、各工程で酸化剤濃度を調整して研磨することができる。また、研磨剤１１と酸化剤水溶液は、酸化剤水溶液を被研磨面に研磨剤１１と同時に供給することで酸化剤水溶液の時間的な劣化を抑えることができる。また、本発明では、酸化剤水溶液の多い第一の研磨の工程で、金属膜２４、２７を大きく研磨し、次第に酸化剤濃度を低くして金属膜２４、２７の研磨速度を抑え、過剰な研磨を抑える。最終の第三の研磨工程では、酸化剤水溶液の供給をやめて、研磨剤１１のみを供給して、密配線・密ビア部のエロージョン及びビア部のディッシング、リセス等の欠陥の発生を抑制することができる。
【００２２】
本発明は、第一の研磨工程における金属膜２４、２７の研磨速度が絶縁膜２２、２５の研磨速度よりも速くする。これは、図４（７）に示すように状態における余分な金属膜２４、２７の除去を行う工程で、金属膜２４、２７の除去を促進して、研磨工程の効率化を促進する。また、第二の研磨工程における絶縁膜２２、２５の研磨速度を金属膜２４、２７の研磨速度で割った値が０．３〜３の範囲が望ましい。金属膜２４、２７の過剰な研磨を抑えるためである。選択比が０．３未満では、金属膜２４、２７の研磨速度が大きいために、他の研磨条件を変えても金属膜２４、２７を過剰に研磨してしまい、半導体装置２０の金属膜２４、２７の制御に問題がある。選択比が３を越えると、他の研磨条件を変えても金属膜２４、２７の研磨速度を大きくすることができないために、スループットが小さく、生産性に問題がある。さらに、第三の研磨工程における絶縁膜２２、２５の研磨速度を金属膜２４、２７の研磨速度で割った値が１以上にする。最終の第三の研磨工程では、絶縁膜２２、２５の研磨速度を、金属膜２４、２７の研磨速度に比べて高くすることで、第一の研磨工程で発生したエロージョン及びディッシング、リセスのために金属膜２４、２７の表面より高くなった絶縁膜２２、２５を優先的に研磨することができ、第一の研磨工程で発生したエロージョン及びディッシング、リセスを緩和することができる。第三の研磨工程での選択比は、大きい方が良く、３以上であることが望ましい。
また、第二の研磨工程における絶縁膜２２、２５の研磨速度を金属膜２４、２７の研磨速度で割った値（選択比）が第一の研磨工程における絶縁膜２２、２５の研磨速度を金属膜２４、２７の研磨速度で割った値（選択比）よりも大きく、第三の研磨工程における絶縁膜２２、２５の研磨速度を金属膜２４、２７の研磨速度で割った値（選択比）よりも小さくする。これは、第二及び第三の研磨工程で、順次、絶縁膜２２、２５を金属膜２４、２７より多く研磨するように制御することである。この選択比の調整は、酸化剤の濃度で行うことができる。
【００２３】
本発明の半導体装置１０の研磨方法に関して、更に具体的に説明する。
（実施例１）
図５は、本発明の実施形態に適用した研磨装置を示す説明図である。図５において、この研磨装置１０は、研磨テーブル１と、研磨テーブル１の表面に貼着された図示省略した研磨パッド４と、研磨パッド４表面に当接するようにその上方に設けられた研磨ヘッド２とから主として構成されている。研磨テーブル１の上方には、またスラリ供給ノズル８ａ及び８ｂが配置されている。スラリ供給ノズル８ａ、８ｂは、研磨テーブル１上に研磨剤１１を供給する。本発明の半導体装置１０の研磨方法では、スラリ供給ノズル８ａ、８ｂでそれぞれ複数の研磨剤１１を供給する。または、例えば、スラリ供給ノズル８ａでは酸化剤を含まない研磨剤１１を供給し、スラリ供給ノズル８ｂでは酸化剤を含む酸化剤水溶液を供給する。または、スラリ供給ノズル８ａでは酸化剤を含む研磨剤を供給し、スラリ供給ノズル８ｂでは、純水を供給する。これらによって、本発明の半導体装置１０の研磨方法に必要な研磨剤１１を供給する。ここでは、スラリ供給ノズル８ａ、８ｂを二本で示しているが、無論それ以上設けても良い。研磨装置１０には、その他に、コンディショニング装置３が配置されており、コンディショニング装置３は、研磨パッドのコンディショニングを行う。この研磨装置１０における研磨条件は、例えば以下の範囲内で設定することができる。
＜研磨条件＞
研磨ヘッド圧力：５０〜５００ｇ重／ｃｍ２
研磨ヘッド回転数：５０〜１５０回転／分
研磨テーブル回転数：５０〜１５０回転／分
研磨剤／純水供給量：０．０５〜０．５リットル／分
【００２４】
本実施例では、第一の研磨工程及び第二の研磨工程の絶縁膜及び金属膜の研磨速度比を調べるため、第一の研磨工程及び第二の研磨工程をそれぞれ独立して行った。図５の研磨装置１０を用い、研磨ヘッド２に、金属膜としてＣＶＤ法によりタングステン膜７０００Åを成膜したシリコンウェハ、および、絶縁膜としてＣＶＤ法により酸化ケイ素膜７０００Åを成膜したシリコンウェハを保持し、スラリ供給ノズル８からシリカを砥粒とする研磨剤１１とし、酸化剤として過酸化水素を含んだ研磨剤１１を０．１５リットル／分で供給する第一研磨工程で６０秒間研磨を行った。また、研磨ヘッド２に、タングステン膜７０００Åを成膜したシリコンウェハ、及び酸化ケイ素膜７０００Åを成膜したシリコンウェハを保持し、スラリ供給ノズル８からシリカを砥粒とする研磨剤１１とし、酸化剤である過酸化水素を含まない研磨剤１１を０．１５リットル／分で供給する第二研磨工程とで、合計６０秒間研磨を行った。どちらの研磨においても、研磨ヘッド２の圧力を２１０ｇ重／ｃｍ２、研磨パッド４を貼った研磨パッド１の回転数を８３回転／分、研磨パッド１上における研磨ヘッド２の回転数を８１回転／分とした。また、研磨布の目立てには、研磨装置１０内に設けてあって、研磨直前に行ういわゆるEx-Situドレスを用いて行った。
【００２５】
図６は、実施例１における酸化剤として過酸化水素を含む研磨剤を供給した場合、すなわち第一の研磨工程と、過酸化水素を含まない研磨剤を供給した場合、すなわち第二の研磨工程の、タングステン膜と酸化ケイ素膜の研磨速度の比率を示す図である。図６において、過酸化水素を含む研磨剤１１を供給した場合、タングステン膜に対する酸化ケイ素膜の研磨速度は１．６倍であったことが分かる。また、過酸化水素を含まない研磨剤１１を供給した場合、タングステン膜に対する酸化ケイ素膜の研磨速度は６．１倍であったことが分かる。本実施例によれば、研磨剤１１に含まれる過酸化水素の濃度を変更することで、半導体装置２０における金属膜２４、２７と絶縁膜２２、２５の研磨速度比を調整できることが確認できた。
【００２６】
本実施例において、第二研磨工程の研磨剤１１として酸化剤を含まない研磨剤１１を使用したが、第一研磨工程における研磨剤１１よりも酸化剤濃度を低くした研磨剤１１を用いることもできる。また、本実施例において、第一研磨工程における過酸化水素水と研磨材とを同時に、かつ同時に研磨パッド１上に供給するようにしてもよい。
本実施形態において、研磨剤１１に含まれる研磨砥粒は、シリカを主成分とするものであってもよい。また、酸化剤は、例えば過酸化水素水として適用される。
【００２７】
（実施例２）
次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例でも実施例１と同様に、第一の研磨工程および第二の研磨工程の絶縁膜及び金属膜の研磨速度比を調べるため、第一の研磨工程及び第二の研磨工程をそれぞれ独立して行った。図５の装置を用い、研磨ヘッド２に、ＣＶＤ法によりタングステン膜７０００Åを成膜したシリコンウェハ、およびＣＶＤ法により酸化ケイ素膜７０００Åを成膜したシリコンウェハを保持し、スラリ供給ノズル８からシリカを研磨剤１１とし、酸化剤として過酸化水素を含んだ研磨剤１１を０．０７リットル／分で供給する第一研磨工程で６０秒間研磨を行った。また、研磨ヘッド２に、タングステン膜７０００Åを成膜したシリコンウェハ、及び酸化ケイ素膜７０００Åを成膜したシリコンウェハを保持し、スラリ供給ノズル８からシリカを研磨剤１１とし、酸化剤として過酸化水素を含んだ研磨剤１１を０．０７リットル／分で供給すると共に、スラリ供給ノズル８から純水を０．３リットル／分で供給する第二研磨工程で、６０秒間研磨を行った。どちらの研磨においても、研磨ヘッド２の圧力を２１０ｇ重／ｃｍ２、研磨布を貼った研磨パッド１の回転数を８３回転／分、研磨パッド１上における研磨ヘッド２の回転数を８１回転／分とした。また、研磨布の目立てには研磨直前に行ういわゆるEx-Situドレスを用いた。
【００２８】
図７は、実施例２における酸化剤を含んだ研磨剤のみを供給した場合、すなわち第一の研磨工程と、酸化剤を含んだ研磨剤と純水とを同時に、かつ同時に供給した場合、すなわち第二の研磨工程の、タングステン膜と酸化ケイ素膜の研磨速度の比率を示すグラフである。図７において、酸化剤を含む研磨剤１１のみを供給した場合、タングステン膜に対する酸化ケイ素膜の研磨速度は１．６倍であったことが分かる。また、酸化剤を含む研磨剤１１と純水とを同時に供給して研磨した場合、タングステン膜に対して酸化ケイ素膜の研磨速度は６．４倍であったことが分かる。本実施例によれば、酸化剤を含む研磨剤１１を純水により希釈して研磨することにより、半導体装置２０における金属膜２４、２７と絶縁膜２２、２５の研磨速度比を調整できることが確認できた。
【００２９】
（実施例３）
次に、本発明の実施例３について説明する。図５の装置を用い、研磨ヘッド２に、あらかじめ４５０ｎｍのビア２３を形成した後、金属膜２４としてＣＶＤ法によりタングステン膜２００ｎｍ成膜したシリコンウェハを保持し、研磨ヘッド２の圧力：２１０ｇ重／ｃｍ２、研磨パッド４を貼った研磨パッド１の回転数：８３回転／分、研磨パッド１上における研磨ヘッド２の回転数：８１回転／分として、上記ウェハ表面のタングステン膜が除去されるまでを第一段階、それ以降の研磨を第二段階とし、第一段階においては、スラリ供給ノズル８からシリカを砥粒とする研磨剤１１とし、酸化剤として過酸化水素を含んだ研磨剤１１を０．１５リットル／分で供給し続け、第一段階の終了は反射率検出方式により決定した。即ち、ウェハ表面の反射率が下がり一定になった段階をもってウェハ表面のタングステン膜が除去されたと判断し、その後、第二段階の研磨を行った。研磨の第二段階は、スラリ供給ノズル８からシリカを研磨剤１１とし、酸化剤である過酸化水素を含まない研磨剤１１を、０．１５リットル／分で供給し研磨した。なお、研磨布の目立てには研磨直前に行ういわゆるEx-Situドレスを用いた。
【００３０】
図８は、実施例３における第一の研磨工程のみを行った場合と、第一の研磨工程の後に第二の研磨工程を行った場合の高密度にビアがある領域の絶縁膜のある領域に対する凹凸を示した図である。図８において、第一の研磨工程のみを行った場合、高密度にビア２３がある領域は絶縁膜２２のある領域に対して凹となっており、エロージョン及びビア部のディッシング、リセスが発生していることが分かる。これに対して、第一の研磨工程の後に第二の研磨工程を行った場合は、高密度にビア２３がある領域は凸となっており、第一の研磨工程においてエロージョン及びビア部のディッシング、リセスが発生した後、第二の研磨工程において高くなっている絶縁膜２２のある領域が選択的に研磨され、エロージョン及びビア部のディッシング、リセスが解消したことが分かる。
本実施例によれば、半導体装置２０の研磨方法として、酸化剤を含んだ研磨剤１１を供給して研磨する第一の研磨工程と、酸化剤を含まない研磨剤１１を供給して研磨する第二の研磨工程を行うことによって、第一の研磨工程で発生したエロージョン及びディッシング、リセスを第二の研磨工程で解消して良好な研磨を行うことができることがわかった。
尚、近年、砥粒を含まない研磨剤も開発されており、本願はこの砥粒を含まない研磨剤に対しても適用可能である。
【００３１】
以上が、本発明の実施形態による説明であるが、発明として、例えば、下記のような特徴を抽出することができるので、ここで列挙しておく。
（付記１）本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁膜上に形成された金属膜を研磨する工程を有する半導体装置の製造方法において、前記研磨剤に含まれる又は前記金属膜の被研磨面に供給される酸化剤を無くすか又は順次少なくして多段研磨することを特徴とする。
（付記２）本発明の半導体装置の製造方法は、付記１において、前記金属膜の前記被研磨面を、前記酸化剤を含む第一の研磨剤で研磨する第一の研磨工程と、前記第一の研磨剤と同一の砥粒、添加剤組成で、酸化剤の濃度を前記第一の研磨剤よりも低くした第二の研磨剤で研磨する第二の研磨工程と、を有することを特徴とする。
（付記３）本発明の半導体装置の製造方法は、付記１において、前記金属膜の前記被研磨面を、前記酸化剤を含む第一の研磨剤で研磨する第一の研磨工程と、前記第一の研磨剤を純水によって希釈した第二の研磨剤で研磨する第二の研磨工程と、を有することを特徴とする。
【００３２】
（付記４）本発明の半導体装置の製造方法は、付記１ないし３のいずれかにおいて、前記第一の研磨工程における前記絶縁膜の研磨速度を前記金属膜の研磨速度で割った値は、０．３〜３の範囲にすることを特徴とする。
（付記５）本発明の半導体装置の製造方法は、付記１ないし４のいずれかにおいて、前記第二の研磨工程における前記絶縁膜の研磨速度を金属膜の研磨速度で割った値は、１以上にすることを特徴とする。
（付記６）本発明の半導体装置の製造方法は、付記１ないし５のいずれかにおいて、前記第二の研磨工程における前記絶縁膜の研磨速度を金属膜の研磨速度で割った値は、前記第一の工程における前記絶縁膜の研磨速度を金属膜の研磨速度で割った値よりも大きくすることを特徴とする。
【００３３】
（付記７）本発明の半導体装置の製造方法は、付記１において、前記金属膜の前記被研磨面を、酸化剤を含む第一の研磨剤で研磨する第一の研磨工程と、前記第一の研磨剤と同一の砥粒、添加剤組成で、酸化剤の濃度を前記第一の研磨剤よりも低くした第二の研磨剤で研磨する第二の研磨工程と、前記第一の研磨剤及び第二の研磨剤と同一の砥粒、添加剤組成で、酸化剤の濃度を前記第二の研磨剤よりも低くした第三の研磨剤で研磨する第三の研磨工程と、を有することを特徴とする。
（付記８）本発明の半導体装置の製造方法は、付記１において、前記半導体装置の被研磨剤を、酸化剤を含む第一の研磨剤で研磨する第一の研磨工程と、前記第一の研磨剤と同一の砥粒、添加剤組成で、酸化剤の濃度を前記第一研磨剤よりも低くした第二の研磨剤で研磨する第二の研磨工程と、前記第一又は前記第二の研磨剤を純水によって希釈した第三の研磨剤で研磨する第三の研磨工程と、を有することを特徴とする。
【００３４】
（付記９）本発明の半導体装置の製造方法は、付記１において、前記研磨剤に含まれる前記研磨砥粒は、二酸化珪素を主成分とするものであることを特徴とする。
（付記１０）本発明の半導体装置の製造方法は、付記１において、前記酸化剤は、過酸化水素水であることを特徴とする。
（付記１１）本発明の半導体装置の製造方法は、付記１において、前記研磨剤に含まれる前記酸化剤の濃度は、０．５〜１０重量％であることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に適用される研磨装置を示す説明図である。
【図２】研磨装置における研磨テーブルと研磨ヘッドとの関係を示す断面図である。
【図３】研磨装置のコンディショニング装置の拡大断面図である。
【図４−１】半導体装置における金属膜の研磨状況を示す説明図である。
【図４−２】半導体装置における金属膜の研磨状況を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態に適用した研磨装置を示す説明図である。
【図６】実施例１における酸化剤として過酸化水素を含む研磨剤を供給した場合、すなわち第一の研磨工程と、過酸化水素を含まない研磨剤を供給した場合、すなわち第二の研磨工程の、タングステン膜と酸化ケイ素膜の研磨速度の比率を示す図である。
【図７】実施例２における酸化剤を含んだ研磨剤のみを供給した場合、すなわち第一の研磨工程と、酸化剤を含んだ研磨剤と純水とを同時に、かつ同時に供給した場合、すなわち第二の研磨工程の、タングステン膜と酸化ケイ素膜の研磨速度の比率を示すグラフである。
【図８】実施例３における第一の研磨工程のみを行った場合と、第一の研磨工程の後に第二の研磨工程を行った場合の高密度にビアがある領域の絶縁膜のある領域に対する凹凸を示した図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    研磨テーブル
１ａ  回転軸
２    研磨ヘッド
３    コンディショニング装置
４    研磨パッド
６    ウェハ
８    スラリ供給ノズル
８ａ  スラリ供給ノズル
８ｂ  純水供給ノズル
１０  研磨装置
１１  研磨剤
１２  台金
１３  ダイヤモンド粒
１４  ニッケルメッキ
１５  ダイヤモンドディスク
２０  半導体装置
２１  シリコン基板
２２、２５  絶縁膜
２３  ビア
２３‘  ビアホール
２４、２７  金属膜
２６  配線
【図１】
2008153571.tif 000003
【図２】
2008153571.tif 000004
【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図５】
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【図６】
2008153571.tif 000009
【図７】
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【図８】
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