(57)【要約】【課題】基板の周辺に銅の研磨残りを発生させることなく、銅の埋め込み配線のディッシングを低減することができる配線の形成方法を提供する。【解決手段】基板上の絶縁膜中に形成された溝に堆積するように絶縁膜上に導電膜を堆積する堆積工程と、溝からはみ出した導電膜を研磨により除去する研磨工程とを含み、導電膜を堆積する堆積工程において堆積された導電膜は、導電膜が基板面内に渡って均一であり、基板面内に渡って均一な前記導電膜を研磨により除去する研磨工程では、研磨荷重とは別に保持台１０４による基板裏面へのエア加圧を、基板端部から５ｍｍより内側の研磨速度を面内均一に保ち、基板端部から５ｍｍより外側の研磨速度を、基板端部から５ｍｍより内側の研磨速度よりも上昇させるように制御する。導電膜は、銅のほか、タンタル、もしくは窒化タンタル、またはそれらの積層膜がある。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜中に形成された溝に導電膜を埋め込む工程と、前記溝からはみ出した前記導電膜を研磨により除去する工程とを含む配線の形成方法であって、
前記溝からはみ出した前記導電膜は、基板面内に渡って平坦化されており、
前記導電膜を研磨により除去する工程において、基板端部付近と基板中心部で異なる研磨レートにより研磨を行うことを特徴とする配線の形成方法。
【請求項２】
前記基板端部の研磨レートは、前記基板中心部の研磨レートより高いことを特徴とする、請求項１記載の配線の形成方法。
【請求項３】
前記研磨レートは、研磨圧力、研磨スラリーの流量、研磨時の基板温度、または研磨の線速度を調整することにより行うことを特徴とする、請求項１記載の配線の形成方法。
【請求項４】
前記研磨レートの調整は、前記研磨の線速度を調整することにより行うものであって、基板端部の研磨レートが基板中心部における研磨速度の１．３〜１．７倍になるように調整する請求項１記載の配線の形成方法。
【請求項５】
前記研磨レートの調整は、研磨時の基板温度を調整することにより行うものであって、前記基板端部の温度が、前記基板中心部の温度より３〜７℃高い温度である請求項１記載の配線の形成方法。
【請求項６】
前記導電膜を研磨により除去する工程において、前記基板端部から５ｍｍより外側の研磨レートが、前記基板端部から５ｍｍより内側の研磨レートより高い請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、または請求項５記載の配線の形成方法。
【請求項７】
導電膜は、銅、タンタル、もしくは窒化タンタル、またはそれらの積層膜である請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５または請求項６記載の配線の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路の多層配線工程や素子分離工程における配線の形成方法、とくにその配線を形成する際の半導体装置の化学的機械研磨方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５に、半導体装置における銅の埋め込み配線の形成方法を示す。層間絶縁膜１を成長後、リソグラフィー技術とドライエッチング技術によって配線溝２を形成する（図５（ａ）、（ｂ））。次に、バリアメタル３と銅のシード層４をスパッタ技術で形成する（図５（ｃ）、（ｄ））。次に、配線溝２が十分に埋まるように銅の電解メッキ技術によって銅５を堆積する（図５（ｅ））。電解メッキ後、銅のアニール処理を行なう。余分な銅とバリアメタルを除去するために、銅の化学的機械研磨を行なう。銅の化学的機械研磨は、通常、二段階研磨で行なわれる。第一段で銅、第二段でバリアメタルが除去される（図５（ｆ）、（ｇ））。銅のバリアメタルには、通常、非常に安定な窒化タンタルまたはタンタルまたはそれらの積層膜が使用される。これらの膜は、研磨除去されにくい。従って、銅とバリアメタルを同時に研磨除去することが困難になる。使用する研磨液も、銅除去用とバリアメタル除去用で、それぞれ物性の異なるものを用いる。
【０００３】
図６に、従来の化学的機械研磨方法を示す。研磨定盤６上に取り付けられた研磨布７上に、基板８を保持した保持台９を荷重をかけて降ろす。研磨布７上に研磨液１０を滴下しながら、研磨定盤６と保持台９の両方を矢印のように回転させることにより、化学的機械研磨を行なう。１１はエア供給管である。
【０００４】
従来の技術では、電解メッキによる銅の堆積とアニールを行なったパターンなしの基板に対して、銅の研磨速度の基板面内分布を端部から中心まで極力均一となるような条件を使用する。具体的には、保持台９の基板面内のエア供給管１１による加圧を制御することによって実現する。図７（ａ）、（ｂ）に、研磨レートが基板面内で均一になるように保持台９の加圧が制御されたときの様子を、図８に研磨レートの基板面内分布を示す。この銅のパターンなし基板の研磨レートと基板面内ばらつきの値によって、装置管理を実施することができる。また、この条件下で、銅のパターン付基板を研磨すると、基板面内で均一な配線抵抗が得ることができる。
【０００５】
先行発明には、特願平１１−３５６５８６（特開２００１−１７６８２８）「半導体基板及び半導体装置の製造方法」がある。
【０００６】
【特許文献】
特開２００１−１７６８２８号公報（００２４〜００２９）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
化学的機械研磨の基板面内ばらつきを低減することは、装置が正常動作していることを示す目的や、基板面内の配線抵抗のばらつきを低減する目的で重要である。
【０００８】
しかし、従来の技術にあるような、銅のパターンなし基板に対して基板面内の研磨速度が極力均一な条件で、銅のパターン付き基板を研磨すると、図７（ｃ）に示すように基板周辺に銅が残留しやすくなり、研磨残り１２が発生しやすくなる。
【０００９】
このように基板周辺に銅膜が残留すると、最外周チップの配線短絡不良の原因になる。また、次工程のパッシベーションのために堆積した絶縁膜のはがれを引き起こす原因になる。たとえ絶縁膜堆積後にはがれなくても、上層での化学的機械研磨のときに、膜はがれが発生する恐れがある。さらに、外観検査でも不合格になる。そこで、オーバー研磨量を増やさず基板周辺での研磨残りの発生を防止し、ディッシングが拡大しない方法が必要となる。
【００１０】
ここで、まず、基板周辺に銅が残留すると発生する課題のメカニズムついて、説明する。
【００１１】
１点目は、周辺の銅の厚膜である。電解メッキによる銅の堆積後、基板周辺についた電極の跡を除去し、周辺からの銅の膜はがれを防止するために、例えば図１（ｂ）に示すように、基板端から２〜２．５ｍｍの銅膜を化学的にエッチング除去することが行なわれている。このため、銅のエッチング端で銅膜の盛り上がりが発生して、研磨後に基板周辺で銅の研磨残りが発生しやすくなる。
【００１２】
もう一点の理由として、研磨時における基板周辺温度の低下が考えられる。金属膜の化学的機械研磨は、機械研磨よりも化学反応が主なので、研磨レートの基板面内分布は、温度の基板面内分布に関係していると考えられる。基板面内の温度分布は、基板周辺ほど低温である。周辺には常に室温の研磨液が供給され、外気にさらされているからである。ちょうど、寒冷期に池の水が周囲から氷結するのと同じである。基板周辺の温度が低下すると、化学反応速度が遅くなるため、研磨レートも低下する。したがって、研磨後に基板周辺で銅の研磨残りが発生しやすくなる。
【００１３】
銅の研磨除去段階で銅の研磨残りが発生したら、次段のバリアメタル除去段階では、研磨レートの選択比の関係で、銅を除去することはほぼ不可能になる。従って、銅の研磨除去段階で、銅の研磨残りが完全に除去できるようにオーバー研磨を行なわなければならない。オーバー研磨とは、銅の平坦化研磨終了後に、基板表面に部分的に残留した銅を全て除去するために行なうものである。オーバー研磨は、残留した銅による配線間の短絡不良を防止するために必要であるが、過剰に行うと銅配線高さの減少、即ち、ディッシングの拡大を引き起こす。ディッシングとは、銅の埋め込み配線を形成するとき、銅配線の高さが周囲の層間絶縁膜に比べて減少することによってできる表面段差のことである。ディッシングは、必ず発生する現象であるが、極力低減し、表面を平坦化することが望ましい。大きなディッシングは、配線抵抗の上昇を引き起こしたり、基板面内の配線抵抗のばらつきを拡大したり、多層化した場合に上層で研磨残りを発生させるという問題を引き起こす。
【００１４】
基板周辺に残留した銅膜は、最外周チップの配線短絡不良の原因になる。また、次工程のパッシベーションのために堆積した絶縁膜のはがれを引き起こす原因になる。たとえ絶縁膜堆積後にはがれなくても、上層での化学的機械研磨のときに、膜はがれが発生する恐れがある。さらに、外観検査でも不合格になる。従って、オーバー研磨量を増やさず基板周辺での研磨残りの発生を防止し、ディッシングが拡大しない条件にしなくてはならない。
【００１５】
本発明は、上記課題を解決する化学的機械研磨方法、すなわち研磨残りの発生を防止することができる配線の形成方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の配線の形成方法は、絶縁膜中に形成された溝に導電膜を埋め込む工程と、前記溝からはみ出した前記導電膜を研磨により除去する工程とを含む配線の形成方法であって、溝からはみ出した前記導電膜は、基板面内に渡って平坦化されており、導電膜を研磨により除去する工程において、基板端部付近と基板中心部で異なる研磨レートにより研磨を行うことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項１記載の配線の形成方法によれば、基板の周辺に銅やバリアメタルなどの導電膜の研磨残りを発生させることがなく、しかも導電膜の埋め込み配線のディッシングを低減することができる化学的機械研磨方法すなわち配線の形成方法を実現することができる。
【００１８】
請求項２記載の配線の形成方法は、請求項１において、基板端部の研磨レートが、基板中心部の研磨レートより高いものである。
【００１９】
請求項２記載の配線の形成方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００２０】
請求項３記載の配線の形成方法は、請求項１において、研磨レートが、研磨圧力、研磨スラリーの流量、研磨時の基板温度、または研磨の線速度を調整することにより行うものである。
【００２１】
請求項３記載の配線の形成方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００２２】
請求項４記載の配線の形成方法は、請求項１において、研磨レートの調整が、研磨の線速度を調整することにより行うものであって、基板端部の研磨レートが基板中心部における研磨レートの１．３〜１．７倍になるように調整するものである。
【００２３】
請求項４記載の配線の形成方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００２４】
請求項５記載の配線の形成方法は、請求項１において、研磨レートの調整が、研磨時の基板温度を調整することにより行うものであって、基板端部の温度が、基板中心部の温度より３〜７℃高い温度である。
【００２５】
請求項５記載の配線の形成方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００２６】
請求項６記載の配線の形成方法は、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５において、導電膜を研磨により除去する研磨工程において、基板端部から５ｍｍより外側の研磨レートが、基板端部から５ｍｍより内側の研磨レートより高いものである。
【００２７】
請求項６記載の配線の形成方法によれば、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５と同様な効果がある。
【００２８】
請求項７記載の配線の形成方法は、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５または請求項６において、導電膜が、銅、タンタル、もしくは窒化タンタル、またはそれらの積層膜である。
【００２９】
請求項７記載の配線の形成方法によれば、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５または請求項６と同様な効果がある。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態における配線の形成方法の化学的機械研磨方法を示すものである。
【００３１】
本実施形態の化学的機械研磨方法は、埋め込み配線用導電膜に対して、基板面内の研磨圧力、研磨パッドとウェハの回転数、もしくは研磨スラリーの流量を制御することによって、基板端部から５ｍｍより外側の研磨レートを、基板端部から５ｍｍより内側の研磨レートよりも上昇させることが特徴である。
【００３２】
以上のように構成された化学的機械研磨方法について、以下その詳細を説明する。
【００３３】
まず、図１（ａ）に示すように、研磨定盤１０１上に取り付けられた研磨布１０２上に、基板１０３を保持した保持台１０４に対して荷重をかけて降ろす。研磨布１０２上に研磨液１０５を滴下しながら、研磨定盤１０１と保持台１０４の両方を矢印のように回転させることにより、化学的機械研磨を行う。１０６はエア供給管である。
【００３４】
次に本発明と特徴を述べる。本発明では、電解メッキによる銅の堆積とアニールを行った基板に対して、銅の研磨速度の基板面内分布が基板端部から５ｍｍより外側の研磨レートを、基板端部から５ｍｍより内側の研磨レートよりも上昇する研磨条件を使用する。ここで、図１（ｂ）に示すように、基板端部から５ｍｍより内側の研磨状態を調整するのは、基板の端から５ｍｍ程度の範囲には、通常パターンが形成されないためである。なお基板周辺での銅の研磨残りは、通常、基板端部から３ｍｍ付近（斜線部分）である。
【００３５】
具体的には、研磨時の圧力、もしくは研磨時のパッドとウェハの回転数、または研磨スラリーの流量を調整することにより、研磨レートの調整を行う。
【００３６】
まず１つ目として、研磨時の圧力を調整する場合には、研磨荷重とは別に、保持台１０４の基板面内の加圧を制御することによって実現する。本発明では、図２（ａ）に示すように、基板１０３への加圧分布を調整することにより、基板端部の圧力を高くするか、または、基板中心付近の圧力を低くするか、または、それらの組み合わせによって、基板端部より５ｍｍより内側の研磨レートを面内均一に保ち、基板端部から５ｍｍより外側の研磨レートを、基板端部から５ｍｍより内側の研磨レートよりも上昇させるような研磨レートの分布にすることが出来る。ここでこの研磨条件の設定は、エア供給管１０６に供給されるエア量を調整することにより、基板１０３の中心部と端部で異なった圧力が付されるよう調整する。ここで、図２（ｂ）および図３に示すように圧力を調整することにより基板端部の研磨レートを上昇させることが出来る。この結果、図２（ｃ）に示すように基板面内に研磨残りをなくすことができる。
【００３７】
次に２つ目の手段として、研磨時のパッドとウェハの回転数を調整することにより、基板端部より５ｍｍより内側の研磨レートを面内均一に保ち、基板端部から５ｍｍより外側の研磨レートを、基板端部から５ｍｍより内側の研磨レートよりも上昇させるような研磨レートの分布にすることが出来る。つまり、パッドとウェハの回転数を任意に変化させることにより、ウェハの被研磨面内を動くパッドの軌跡を変化させることが出来るため、基板の外側の研磨の線速度を、基板の内側の研磨の線速度より１．３から１．７倍になるように設定すると、基板上の研磨レートを面内の外側と内側で研磨レートを変化させることが出来る。
【００３８】
また、３つ目の手段として、研磨時にウェハ上に供給されるスラリーが、基板の端部により多く供給されるように調整することにより、基板端部より５ｍｍより内側の研磨レートを面内均一に保ち、基板端部から５ｍｍより外側の研磨レートを、基板端部から５ｍｍより内側の研磨レートよりも上昇させるような研磨レートの分布にすることが出来る。
【００３９】
その他、この研磨レートの面内分布を、装置管理に利用することができる。基板上に堆積させた導電膜の膜厚を測定する場合、通常、導電膜のシート抵抗を測定し、その値を膜厚に換算する手法が用いられている。このとき、シート抵抗測定には、四探針法が使われる。四探針法は、外側の二本の針で電流を流し、内側の二本の針で電圧を測定して、シート抵抗を算出する方法である。したがって、四探針法では、基板端部、つまり導電膜の端に近づくにつれて、測定が困難になる。したがって、四探針法では、導電膜上での有効領域が存在する。通常の針で、導電膜の端部から４ｍｍである。電解メッキ法で堆積された銅は、堆積後、基板端部から２−３ｍｍが化学エッチングで除去される。つまり、四探針法でメッキ銅のシート抵抗を測定する場合、基板端部から６〜７ｍｍより内側が有効領域になる。本発明で研磨速度を上昇させるのは、基板端部から５ｍｍより外側なので、この研磨速度の上昇は装置管理上、問題にならない。基板端部から５ｍｍより内側は、従来の技術と同様に、研磨レートが均一になるように保持台１０４からの加圧が制御される。
【００４０】
以上のように本実施形態によれば、基板の周辺に銅の研磨残りを発生させることなく、銅の埋め込み配線のディッシングを低減することができる化学的機械研磨方法を得ることができる。
【００４１】
尚、本実施の形態では保持台１０４側から基板裏面の圧力分布を制御したが、定盤側から基板表面の圧力分布を制御してもよい。また、本実施の形態では、銅の研磨について記述したが、タンタルまたは窒化タンタルまたはそれらの積層膜であるバリアメタルについても同様なことが言える。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４２】
図４は本発明の第２の実施形態における化学的機械研磨方法を示すものである。
【００４３】
本実施形態の化学的機械研磨方法は、埋め込み配線用導電膜に対して、基板面内の温度分布を制御することによって、基板端部から５ｍｍより外側の研磨速度を、基板端部から５ｍｍより内側の研磨速度よりも上昇させることが特徴である。
【００４４】
以上のように構成された化学的機械研磨方法について、以下その詳細を説明する。
【００４５】
まず、研磨定盤１０１上に取り付けられた研磨布１０２上に、基板１０３を保持した保持台１０４を荷重をかけて降ろす。研磨布１０２上に研磨液１０５を滴下しながら、研磨定盤１０１と保持台１０４の両方を回転させることにより、化学的機械研磨を行う。ここまでは、従来の技術と同様なものである。本発明では、基板面内の温度分布を制御して、電解メッキによる銅の堆積とアニールを行なったパターンなしの基板に対して、銅の研磨レートの基板面内分布が基板端部から５ｍｍより外側の研磨レートを、基板端部から５ｍｍより内側の研磨レートよりも上昇するような化学的機械研磨を行なう。
【００４６】
具体的には、保持台１０４に取り付けられたヒータ１０７を使って、基板周辺の温度を上昇させることによって実現する。銅の化学的機械研磨は、以下のように進行する。まず、研磨液に酸化剤として添加した過酸化水素水が銅と化学反応して、表面に銅の酸化膜を形成する。次に、研磨液中の砥粒や研磨布との接触によって、機械的に銅の酸化銅が除去され、新鮮な銅表面が現われる。再び、銅の表面が酸化され、化学的機械研磨による銅の除去が進行する。銅の化学的機械研磨は、化学反応が主であり、化学反応は高温ほど進行しやすいため、高温ほど高い研磨速度を得ることができる。例えば、基板端部の温度が、基板中心部の温度より３〜７℃高い温度であるのが好ましい。
【００４７】
基板周辺の研磨レートのみを上昇させるように基板面内の温度分布を制御し、基板端から５ｍｍより内側の研磨速度の面内分布が均一になるように基板面内の加圧分布を制御すれば、第一の実施形態と同様に、パターンなし基板の研磨レートの面内ばらつきは工程管理や装置管理に活用できるし、パターン付の基板については、周辺に研磨残りを発生させることなく、余分なオーバー研磨を実施せずに済む。
【００４８】
以上のように本実施形態によれば、基板の周辺に銅の研磨残りを発生させることなく、銅の埋め込み配線のディッシングを低減することができる化学的機械研磨方法を得ることができる。
【００４９】
さらに、上記各実施の形態によると、ディッシングを低減することができ、研磨液等の消耗部材の消費量を低減することができ、装置の処理能力を向上することができる。
【００５０】
尚、本実施の形態では保持台１０４側から基板裏面の温度分布を制御したが、定盤側から基板表面を温度分布を制御してもよい。また、本実施の形態では、銅の研磨について記述したが、タンタルまたは窒化タンタルまたはそれらの積層膜であるバリアメタルについても同様なことが言える。また、第１の実施形態と第２の実施形態を同時に行なってもよい。
【００５１】
【発明の効果】
請求項１記載の配線の形成方法によれば、基板の周辺に銅やバリアメタルなどの導電膜の研磨残りを発生させることがなく、しかも導電膜の埋め込み配線のディッシングを低減することができる化学的機械研磨方法すなわち配線の形成方法を実現することができる。
【００５２】
請求項２から請求項５記載の配線の形成方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００５３】
請求項６記載の配線の形成方法によれば、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５と同様な効果がある。
【００５４】
請求項７記載の配線の形成方法によれば、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５または請求項６と同様な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の配線の形成方法における化学的機械研磨方法を説明するもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は基板の端部の説明図、（ｃ）は保持台の拡大断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における保持台の基板に対する加圧方法を説明するもので、（ａ）は基板への加圧分布図、（ｂ）は基板面内の研磨レートの分布図、（ｃ）は研磨残りのない状態の基板の平面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における銅の研磨レートの基板面内分布図である。
【図４】本発明の第２の実施形態における化学的機械研磨方法を説明するもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は保持台の拡大断面図である。
【図５】銅の埋め込み配線の形成方法の工程を示す断面図である。
【図６】従来の化学的機械研磨方法を説明するもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は保持台の拡大断面図である。
【図７】従来の保持台の基板に対する加圧方法を説明するもので、（ａ）は基板への加圧分布図、（ｂ）は基板面内の研磨レートの分布図、（ｃ）は研磨残りのある状態の基板の平面図である。
【図８】従来の銅の研磨レートの基板面内分布図である。
【符号の説明】
１  層間絶縁膜
２  配線溝
３  バリアメタル
４  銅のシード層
５  電解メッキ銅
６  研磨定盤
７  研磨布
８    基板
９    保持台
１０    研磨液
１１    エア供給管
１２    研磨残り
１０１  研磨定盤
１０２  研磨布
１０３  基板
１０４  保持台
１０５  研磨液
１０６  エア供給管
１０７    ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004349444.tif 000009
【図８】
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