(57)【要約】【課題】銅配線の平坦化において、ディッシングやエロージョンが発生し、平坦化後の配線抵抗値のばらつき増大や銅の研磨残りによるショート等の発生などにより、歩留り低下などの課題があった。【解決手段】酸化剤、有機酸、防食剤、界面活性剤、純水からなる研磨液、研磨パッド、固定砥粒盤、研磨工具の表面をドレッシングできるドレッサを備え、加工初期段階においては銅を高速研磨する研磨液を研磨パッドに供給して研磨し、加工中期段階においては、銅の残段差解消するために凸凹選択比の高い研磨液を固定砥粒盤に供給して研磨し、バリア膜露出直前、或いは直後の加工後期段階においては銅とバリア膜がほぼ同一速度で研磨できるように研磨液を切り換えるとともにドレッサを駆動して加工中コンディショニングを行うことにより解決できる。【選択図】　図１
2004128112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に開口部を有する絶縁膜に第１の導電膜と第２の導電膜を形成する工程と、
前記第１の導電膜と前記第２の導電膜の一部を研磨工具を用いて加工することにより除去し、前記開口部内に前記第１の導電膜および前記第２の導電膜を残存せしめる工程とを備え、
前記第２の導電膜の加工には第１の研磨工具を使用し、前記第２の導電膜の加工途中で第２の研磨工具に切り替える工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
基板上に開口部を有する絶縁膜に第１の導電膜と第２の導電膜を形成する工程と、
前記第１の導電膜と前記第２の導電膜の一部を研磨工具を用いて加工することにより除去し、前記開口部内に前記第１の導電膜および前記第２の導電膜を残存せしめる工程とを備え、
前記第２の導電膜の加工には第１の研磨工具を使用し、前記第１の導電膜の加工には第２の研磨工具を使用することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１の研磨工具には、第１の圧縮弾性率を有する材料が設けられ、前記第２の研磨工具には、前記第１の圧縮弾性率より高い圧縮弾性率を有する材料が設けられてい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】
前記第１の研磨工具を研磨パッドとし、前記第２の研磨工具を固定砥粒盤と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５】
前記第２の導電膜の凸部の研磨速度をＲ１、凹部の研磨速度をＲ２とすると、前記第２の研磨工具における前記第２の導電膜の凸部と凹部の研磨速度の比Ｒ１／Ｒ２が、前記第１の研磨工具における前記第２の導電膜の凸部と凹部の研磨速度の比よりも大きい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６】
前記第２の導電膜の凸部と凹部の研磨速度の比Ｒ１／Ｒ２が、Ｒ１／Ｒ２＞１であ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７】
前記第１の研磨工具と前記第２の研磨工具に供給する研磨液が異な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８】
基板上に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜に開口部を形成する工程と、
前記開口部と前記絶縁膜上に第１の導電膜を形成する工程と、
前記第１の導電膜上に第２の導電膜を形成する工程と、
前記第１の導電膜と前記第２の導電膜の一部を研磨工具を用いて加工し、前記開口部内に前記第１の導電膜および前記第２の導電膜を形成する工程とを備え、
前記第２の導電膜の加工には第１の研磨工具および第１の研磨液をを使用し、前記第２の導電膜の加工途中で第２の研磨工具および第２の研磨液に切り替え、さらに、前記第１の導電膜が露出する前に前記第２の研磨工具の表面を加工中に目立てする工程と、第３の研磨液に切り替える工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１の研磨工具を研磨パッドとし、前記第２の研磨工具を固定砥粒盤とすることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１および前記第２の研磨液は酸化剤、有機酸、防食剤もしくは界面活性剤、純水で構成されてい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１１】
前記第１、前記第２および前記第３の研磨液は界面活性剤の添加量がお互いに異な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１２】
前記第１および前記第２の研磨液は界面活性剤の分子量が異な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１３】
前記第１、前記第２および前記第３の研磨液は防食剤の添加量がお互いに異な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１４】
前記第１および前記第２の研磨液は防食剤が異な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１５】
前記第２および前記第３の研磨液は酸化剤の添加量が異な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１６】
前記第２および前記第３の研磨液は有機酸の添加量が異な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１７】
前記第１および前記第２の研磨液の酸化剤として過酸化水素水、有機酸としてリンゴ酸、防食剤としてベンゾトリアゾール又はその誘導体、界面活性剤としてアクリル酸重合体およびそのアンモニア塩、溶媒として純水を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記第１の導電膜はタンタルあるいはタンタル合金もしくはタンタル化合物を含み、前記第２の導電膜は銅あるいは銅を主成分とする合金もしくは銅化合物を含むことを特徴とする請求項１または８に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板表面を平坦化する研磨や研削技術に係り、特に半導体基板上に形成された薄膜が研磨や研削される半導体集積回路の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路装置（以下ＬＳＩと記す）の高集積化、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。　化学機械研磨法（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；ＣＭＰと記す）もそのひとつであり、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、埋め込み配線形成において頻繁に利用される技術である。この平坦化技術は、例えば特許文献１に開示されている。
【０００３】
また、最近はＬＳＩの高速性能化を達成するために、配線材料を従来のアルミニウム合金から低電気抵抗の銅合金を利用しようとすることが試みられている。しかし、銅合金はアルミニウム合金配線の形成で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。そこで、加工して溝の形成された絶縁膜上に、絶縁膜中への銅拡散防止のためにバリア膜として、タンタルやタンタル合金及び窒化タンタルやその他のタンタル化合物等を堆積し、更にバリア膜の上に銅或いは銅合金薄膜を堆積し、絶縁膜に形成された溝内に埋め込まれた部分以外の銅或いは銅合金薄膜をＣＭＰにより除去して埋め込み配線を形成する、いわゆるダマシン法が主に採用されている。このダマシン法による配線技術は、例えば特許文献２に開示されている。
【０００４】
金属のＣＭＰの一般的な方法は、円形の研磨定盤（プラテン）上に研磨パッドを貼り付け、研磨パッド表面を金属用研磨液で浸し、基体の金属膜を形成した面を押し付けて、基体の裏面から所定の圧力（以下研磨圧力と記す）を加えた状態で研磨定盤を回し、研磨液と金属膜の凸部との機械的摩擦によって凸部の金属膜を除去するものである。
【０００５】
配線に用いられる銅合金等の金属のＣＭＰに用いられる研磨剤は、固体砥粒と酸化性物質を主成分とするものが一般的である。酸化性物質の酸化作用で金属表面を酸化しながら、固体砥粒によってその酸化物を機械的に除去するのが基本的なＣＭＰのメカニズムである。ＣＭＰのメカニズムに関しては、非特許文献１の第２９９頁に開示されている。固体砥粒としては、数１０から数１００ｎｍの粒子径を持つアルミナ砥粒やシリカ砥粒が知られているが、一般に市販されている金属研磨用の固体砥粒のほとんどは前者である。酸化性物質としては、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、硝酸第二鉄（Ｆｅ（ＮＯ３）３）、過ヨウ素酸カリウム（ＫＩＯ３）が一般に広く用いられており、これらは例えば、非特許文献１の第２９９頁から第３００頁に開示されている。
また、固定砥粒を用いたＳＴＩ層平坦化に関しては、例えば、特許文献３に記載がある。
【０００６】
なお、複数のポリシングパッドを用いる従来技術としては、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９などに開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許Ｎｏ．４９４４８３６
【特許文献２】
特開平２−２７８８２２号公報
【特許文献３】
特開２０００―４９１２２号公報
【特許文献４】
特開２０００−１６４５９５号公報
【特許文献５】
特開平９−３２６３９２号公報
【特許文献６】
特開２００１−１３５６０５号公報
【特許文献７】
特開２００１−１７０８５８号公報
【特許文献８】
特開２００１−３３２５１７号公報
【特許文献９】
特表２００２−５１２８９４号公報
【非特許文献１】
柏木正弘編集、「ＣＭＰのサイエンス」１９９７年８月２０日（株式会社サイエンスフォーラム発行）、第２９９頁および３００頁
【非特許文献２】
「ジャーナルオブ・エレクトロケミカル・ソサエテイ（Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．）」第１４１巻第１０号、１９９４年１０月、ｐ．２８４２−２８４８
【非特許文献３】
「次世代ＵＬＳＩ多層配線の新材料・プロセス技術」技術情報協会、ｐ．２４２−２４６
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では研磨速度は高いものの、平坦性不足であったり、平坦性は高いものの研磨速度不足であるという、高研磨速度と高平坦性を両立できない問題があった。更に、堆積されたＣｕ膜の凸部の表面と凹部の底面までの段差をＣｕ残段差または残段差と呼ぶことにすると、により変化すること及び研磨液についての配慮がされておらず、以下に挙げる（１）平坦性不足、（２）コスト高という問題があった。
（１）研磨パッドが軟質（例えば、ポリウレタンからなる研磨パッドで、圧縮弾性率が１００ＭＰａ以下）であることに起因して、基板表面を押しつける力により研磨パッドが凹凸に変形してしまい、絶縁膜に形成された溝の内部に埋め込まれる金属配線の表面中央部分が周辺部分よりも過剰に研磨されて凹む現象（以後ディッシングと記す）や配線部周囲の絶縁膜表面が過剰に研磨される現象（以後エロージョンと記す）が発生する問題があった（図１１）。また、バリア膜として用いられるタンタルやタンタル合金及び窒化タンタルやその他のタンタル化合物は、化学的に安定でエッチングが難しく、硬度が高いために機械的な研磨も銅及び銅合金ほど容易ではない。そこで、砥粒の硬度を上げた場合には、銅或いは銅合金に研磨キズが発生して電気特性不良の原因になったり、砥粒の粒子濃度を高くした場合には、絶縁膜の研磨速度が大きくなり、エロージョンが発生しやすくなる問題があった。
【０００９】
更に、配線パターンとなる溝が形成された絶縁膜上に金属膜が堆積されたウエハのＣＭＰでは、局所的に過剰に研磨される箇所が発生することが知られている。これは、ＣＭＰ前のウエハ表面には配線パターンとなる溝を反映した凹凸が金属膜の表面に生じており、ＣＭＰを行う場合にパターン密度に応じて局所的に高い圧力がかかり、その部分の研磨速度が速くなるためである。従って、ディッシングやエロージョンは金属部分の面積が広いパッド（０．１ｍｍ角程度の面積）や密集配線パターンで顕著な問題となる。これらは、ジャーナルオブ・エレクトロケミカル・ソサエテイ第１４１巻第１０号、１９９４年１０月（非特許文献２参照）に記載されている。配線表面が凹むディッシングやエロージョンを生じると、その結果として配線抵抗値のばらつき幅が増大する。特に図１０に示すような多層配線構造をとるシステムＬＳＩと呼ばれるロジックデバイスでは重要な課題となる。つまり、図１１に示すように下層の平坦性が低いとＣＭＰの性能以上に平坦化性が損なわれ、研磨残りによる配線間のショートや断線が発生しやすくなるという致命的な不良を生じる原因となる。この内容については「次世代ＵＬＳＩ多層配線の新材料・プロセス技術」技術情報協会（非特許文献３参照）に開示されている。
（２）ＣＭＰに用いる消耗品のコストが高い問題がある。これは研磨剤で用いる砥粒の製造コストが高く、粒子サイズを揃えたり、分粒性を維持したり、不純物を除去したりするために極めて注意を要するからである。特にアルミナ砥粒はシリカ砥粒に比べて数倍高価である。また、研磨布は一般的に発泡ポリウレタンが用いられている。ＣＭＰを行うと、この研磨布に研磨砥粒が付着して、いわゆる”目詰まり”現象を起こして研磨速度が低下する。これを防止するために適宜ダイヤモンド粒子を固着させた砥石（以下コンディショナと記す）で研磨布表面を削る必要があった。そのため研磨布の寿命は短くなり、研磨砥粒に次ぐ高コストの消耗品となっていた。ＣＭＰプロセスのコストに関しては、例えばリアライズ社最新技術講座１９９６年５月「ＣＭＰ装置と関連材料の最新動向とその問題点」に記載されている。
【００１０】
本発明は係る点に鑑みてなされたものであり、（１）高研磨速度を維持しつつ、埋め込み配線形成時のディッシングやエロージョンの発生を抑制する、（２）研磨液と研磨布のコストを低減できる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の（１）、（２）の目的を達成するための手段について図５を用いて詳細に説明する。研磨は回転定盤に固定した研磨工具上に研磨薬液を供給しつつ、ウエハ基板に圧力をかけながら研磨工具に対してウエハ基板を相対運動することによりなされる。研磨工程をＣｕ高速研磨（工程Ｉ）、Ｃｕ残段差解消（工程ＩＩ）、バリア膜研磨（工程ＩＩＩ）の３段階に分けて考える。まず工程Ｉでは研磨工具として研磨パッドを用い、研磨パッド上にＣｕ研磨液１を供給して高研磨速度でＣｕを研磨する。次に工程ＩＩでは研磨工具を固定砥粒盤に切り換え、研磨液１よりも界面活性剤の濃度を増やしたＣｕ研磨液２を供給し、バリア膜露出前にＣｕ残段差を解消する。更にバリア膜露出直前又は直後の工程ＩＩＩの段階でバリア膜研磨液に切り換え、加工中に固定砥粒盤表面をドレスすることによって効率良く銅配線のダマシン平坦化が達成される。
【００１２】
次に、この理由について説明する。Ｃｕ凸部の研磨速度をＲ１、Ｃｕ凹部の研磨速度をＲ２とすると、凸部と凹部の研磨速度の比Ｒ１／Ｒ２（以下、凸凹選択比と言う）は残段差により変化する。すなわち残段差依存性を有する。更に、凸凹選択比の残段差依存性は、研磨工具と研磨液の組み合わせによっても異なる（図７Ａ）。研磨パッドと研磨液のみを用いる従来技術では、凸凹選択比は研磨開始直後に最大値をとり、研磨が進行しＣｕ段差が解消されるにつれてほぼ１に漸近する。これに対して、本発明では固定砥粒盤を用いることで、従来技術よりも大きな凸凹選択比を維持するので、加工後形状の高平坦化が達成される。凸凹選択比がＣｕ残段差が解消する前に１に達する場合、銅膜研磨完了（バリア膜露出）までに凸凹選択比が１になった時点の残段差を維持し続けることを意味する。つまり、従来技術では残段差を解消することが出来ないことがわかる（図７Ｂ）。Ｃｕ段差を解消し、平坦化するのに最低限必要とされるＣｕの凸部と凹部の研磨速度の比をｎ（以下、必要選択比と言う）とすると、必要選択比ｎは残膜厚と残段差との比の関数で表される。つまり必要選択比ｎは残膜厚と残段差の幾何学形状から一意に決定する（図１２）。一般的なＣｕダマシン配線の平坦化では、加工前の銅膜の膜厚と残段差の関係は残膜厚／残段差≒２であり、必要選択比ｎ≒２である。加工が進行し、残段差が解消するにつれて、残膜厚／残段差は２よりも小さくなる傾向がある。つまり、残膜厚／残段差の値が２よりも小さくなる（１に近づく）と、図１２から明らかなように、必要選択比ｎは急激に増大する。従って、必要選択比ｎを出来るだけ小さくするように加工することが望ましい。
【００１３】
ここで、凸凹選択比Ｒ１／Ｒ２が必要選択比ｎよりも常に大ならば、（Ｒ１／Ｒ２≧ｎであれば）銅膜の残膜厚がゼロに達するまで（バリア膜が露出する前）に銅膜に存在する段差を解消できることを意味する。バリア膜が露出する前に銅膜の段差を解消できれば、銅膜研磨に続くバリア膜研磨の際に発生し得るディッシングやエロージョンを抑制する効果が飛躍的に向上するので望ましい。
【００１４】
研磨工具１及びＣｕ研磨液１を研磨工具２とＣｕ研磨液２に切り換えるタイミングは、工程Ｉにおける研磨工具１とＣｕ研磨液１によるＣｕの凸凹選択比Ｒ１／Ｒ２が、切り換える時点でのＣｕ残膜厚とＣｕ残段差とから算出される必要選択比ｎを下回る前であることが望ましく、Ｃｕ残膜厚／Ｃｕ残段差＞２であると更に望ましい。
【００１５】
上記のＣｕ研磨液１の凸凹選択比Ｒ１／Ｒ２≧２、Ｃｕ研磨液２の凸凹選択比Ｒ１／Ｒ２≧３であると好ましく、Ｃｕ研磨液１の凸凹選択比Ｒ１／Ｒ２≧３、Ｃｕ研磨液２の凸凹選択比Ｒ１／Ｒ２≧５であると更に好ましい。
【００１６】
上記のＣｕ研磨液１及び２は酸化剤、有機酸、防食剤、界面活性剤、純水からなっており、加工中に所定量が供給される。
【００１７】
上記のＣｕ研磨液１及び２の酸化剤としてはとしては過酸化水素が金属成分を含まず、かつ強酸ではないため特に望ましい。
【００１８】
上記のＣｕ研磨液１及び２の有機酸としては、リンゴ酸が高研磨速度、低エッチング速度の観点から、本発明の研磨液に使用する酸として望ましい。リンゴ酸は食品添加物としても一般に使用されており、毒性が低く、廃液としての害も低く、臭いもなく、水への溶解度も高いために本発明の研磨液に使用する酸として特に望ましい。
【００１９】
上記のＣｕ研磨液１及び２の有機酸として用いるリンゴ酸の添加量は，０．１重量％以上が，Ｃｕ研磨速度の観点から望ましい。
【００２０】
上記のＣｕ研磨液１及び２の防食剤としては、研磨液中に混合することでエッチングが抑制され、かつ十分な研磨速度が得られる物質であればよい。特に銅合金の防食性物質としてはベンゾトリアゾール（以下ＢＴＡと記す）は効果が大きく望ましい。
【００２１】
上記のＣｕ研磨液１及び２の防食剤として用いるＢＴＡの添加量は，０．１重量％以上が研磨速度及び防食効果の観点から望ましい。
【００２２】
上記のＣｕ研磨液１及び２の防食剤としてＢＴＡの替わりにイミダゾール及びその誘導体を用いることが出来ることは言うまでもない。
【００２３】
上記のＣｕ研磨液１及び２の界面活性剤としては、アクリル酸重合体及びそのアンモニウム塩等が高研磨速度、低エッチング速度の観点から本発明の研磨液に使用する界面活性剤として望ましい。
【００２４】
上記のＣｕ研磨液１及び２の界面活性剤の分子量としては、分子量５０００以上がディッシング抑制効果が大きくて望ましい。
【００２５】
研磨液の各材料に対する研磨速度特性は図６のとおりであり、酸化剤の濃度により各材料の研磨速度比（材料選択比）を制御できる。
【００２６】
上記のＣｕ研磨液１及びＣｕ研磨液２の過酸化水素水濃度は０．０５体積％以上添加することが好ましく、３０体積％がＣｕ研磨速度が高くとれて特に好ましい。
【００２７】
上記のバリア膜研磨液の過酸化水素水濃度は１０体積％以下にすることが好ましく、５体積％がバリア膜の研磨速度がＣｕの研磨速度と同等にとれて、特に好ましい。
【００２８】
上記の（２）研磨液と研磨布のコストを低減する目的は、研磨液に固体砥粒を含まない研磨液を用いることよって達成される。研磨液中に固体砥粒を含まないと、研磨パッドの目詰まりが飛躍的に低減し、ダイヤモンドドレッサによるコンディショニング回数も減らせるので、研磨パッドの長寿命化が可能となり、コスト低減するのに望ましい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下、本実施例の装置構成を図１から図３を用いて説明する。本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。なお、それぞれ図中において、同一の機能の部分には同一の番号を付した。装置は、ウエハを平坦化する研磨工具１及び研磨工具２、ウエハを保持するヘッド３、ヘッドを揺動するスイングアーム４、研磨工具１及び研磨工具２が接着され回転運動する回転定盤１０、研磨工具１及び研磨工具２上に研磨液を供給する研磨液供給系６及び７及び８、研磨工具の研磨能力を回復させるためにドレッシングをするドレッサ５を有する。ヘッド３はウエハ９を保持するとともに回転定盤１０と同方向に自転できる他、ウエハ表面を研磨工具へ押し付けて所定の力で荷重する機能も有している。更に、ＣＭＰ中にウエハがはずれないように図示しないリテーナリングが設けられている。研磨液は供給系から１００から３００ｃｃ／ｍｉｎの速度で滴下される。本発明における研磨液供給系は図１に示すとおり３系統ある。これら３系統の研磨液は各液の切替えや流量の制御が行なえる。ドレッサ５は所定の圧力でドレスが可能である。このドレッサにはダイヤモンド砥粒を固着したリング型ドレッサが装着され、毎分２００回転程度まで任意の回転駆動が出来る。このドレッサは研磨工具全面をコンディションニングできる構成となっていることはいうまでもない。
【００３０】
本実施例では、これら一連の加工プロセスを研磨工具１としてロデール社製の発泡ポリウレタン製研磨パッドＩＣ１０００を研磨工具２として独自に開発した固定砥粒盤を用いた。この固定砥粒盤は砥石と弾性パッドの積層構造となっており（以下、積層式固定砥粒盤と呼ぶ）、ＩＣ０００と同様に、一定の圧力でドレスする定圧ドレス方式によってドレッシングできる。研磨中のウエハ研磨荷重は２１０ｇ／ｃｍ２、回転定盤とヘッドの回転数はともに４６ｒｐｍ（線速度換算で５３ｃｍ／ｓｅｃ）とした。なお、研磨荷重や回転数はこれに限られるものではない。一般に、荷重や定盤回転数を増やすことにより研磨速度が速くなるが、スクラッチが入りやすくなる。但し、本発明では研磨液中の遊離砥粒濃度が低いので、又は含まないので荷重に対する研磨傷の発生は少ない。ウエハを加工する前に研磨パッド及び積層式固定砥粒盤の表面はドレッサ５によりドレッシングされている。この研磨パッドにＣｕ研磨液１を供給し研磨するが、この時ドレッサ５は研磨パッドの表面からは離れた位置で停止している。
【００３１】
次に，研磨液について説明する。まず、Ｃｕ研磨液及びバリア膜研磨液の酸化剤である過酸化水素水の調合割合を決定するため、配線パターンが形成されていないウエハを用いて予備実験をした。試料はシリコンウエハ上に厚さ２００ｎｍのシリコン酸化膜を形成した後、接着層として厚さ５０ｎｍのＴａＮ膜と厚さ８００ｎｍの銅膜をスパッタリング法によって真空中で連続成膜したものである。ウエハ直径は８インチである。研磨前後に四探針式抵抗測定機によりシート抵抗を測定し、シート抵抗値の変化を換算して研磨速度を求めた。過酸化水素水の濃度と各材料の研磨速度特性は図６にあるとおり、研磨パッド、固定砥粒盤ともに、過酸化水素水濃度が３０体積％で銅の研磨速度が最大となる特性を得た。つまり、この過酸化水素濃度が３０体積％のとき、ウエハ一枚の加工時間を最も短縮できてスループットが向上するという望ましい効果が生じる。
【００３２】
次に被加工ウエハ９の断面構造について図５を用いて説明する。本図ではウエハ基板のシリコン部分は省略してあり、酸化膜１５、バリア膜１６と銅膜１７の構成のみが表されている。この酸化膜１５が二酸化珪素膜以外の低誘電率材料であってもよいし、酸化膜と低誘電率材料との層対であってもよいことは言うまでもない。酸化膜１５には配線溝が形成されており、その上から酸化膜中への銅拡散防止のためのバリア膜１６が成膜され，さらに銅膜１７が成膜されている。
【００３３】
次に，本実施例での研磨工程を図５を用いてＣｕ高速研磨（工程Ｉ）、Ｃｕ残段差解消（工程ＩＩ）、バリア膜研磨（工程ＩＩＩ）の３段階に分けて考える。
【００３４】
工程Ｉでは、研磨工具として研磨パッドを用い、研磨パッド上にＣｕ研磨液１を供給して高研磨速度でＣｕを研磨する。Ｃｕの高研磨速度化の観点から、予備実験の結果を参考に、酸化剤として過酸化水素水（市販品３０体積％濃度）を３０体積％、有機酸としてリンゴ酸を０．１５重量％、防食剤としてベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）０．２重量％、凸凹選択比Ｒ１／Ｒ２が約２程度となるように界面活性剤を調整したＣｕ研磨液１を用いた。
【００３５】
工程ＩＩでは、研磨工具を固定砥粒盤に切り換え、Ｃｕ研磨液２を供給し、バリア膜露出前にＣｕ残段差を解消する。高平坦性の観点から、予備実験の結果を参考に、酸化剤として過酸化水素水（市販品３０体積％濃度）を３０体積％、有機酸としてリンゴ酸を０．１５重量％、防食剤としてベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）０．２重量％、凸凹選択比Ｒ１／Ｒ２が約３程度となるように界面活性剤を調整したＣｕ研磨液２を用いた。
【００３６】
工程ＩＩＩでは、バリア膜露出直前又は直後の段階でバリア膜研磨液に切り換え、加工中に固定砥粒盤表面をドレスすることによって効率良く銅配線のダマシン平坦化を達成する。ディッシングやエロージョンといった銅や酸化膜の削れ過ぎを防止する観点から、予備実験の結果も参考に、加工中ドレッシング使用時における銅とバリア膜の研磨速度比が１：１となるように酸化剤濃度を調整したバリア膜研磨液を用いた。
【００３７】
本実施例では、図５の工程Ｉで銅の除去が進み、銅膜の残膜厚が３２０ｎｍ、残段差が１５０ｎｍ程度になった時点で研磨工具をＩＣ１０００から積層式固定砥粒盤に替え、研磨液もＣｕ研磨液１からＣｕ研磨液２に切り換えた（工程ＩＩ）。銅膜の残膜厚が３２０ｎｍ、残段差が１５０ｎｍ程度になった時点での必要選択比ｎは１．８８であり、積層式固定砥粒盤とＣｕ研磨液２による凸凹選択比Ｒ１／Ｒ２は２．３３で必要選択比ｎを上回っており、ディッシングを抑制しつつ平坦化した。更に銅の除去が進み、バリア膜が露出する直前の状態になった時点でＣｕ研磨液２をバリア膜研磨液に切り換えた（工程ＩＩＩ）。本実施例においては研磨液供給系２を止めて研磨液供給系３からバリア膜研磨液の供給に変更すればよい。
【００３８】
工程ＩＩＩにおける加工中ドレッシングとは、ドレッサ５を研磨工具２である積層式固定砥粒盤の表面に接するまで下降させ、ダイヤモンド粒を積層式固定砥粒盤の表面に接触し、目つぶれした樹脂を除去するとともに新しい砥粒面の露出と遊離砥粒を発生させる機能のことである。ドレッサ５のドレス圧は、加工前に研磨工具１であるＩＣ１０００をドレッシングした場合と同一でもよいし、５ｋｇ重程度更に増やしてもよい。ドレス圧を増やすことにより遊離砥粒１９がより多数発生し、バリア膜１６の研磨速度をより向上することができて望ましい。
【００３９】
バリア膜１６を除去し、酸化膜１５が露出すると加工を終了することになる。バリア膜除去の際、バリア膜研磨速度がウエハ面内で均一でない場合、予備実験等から求めた加工時間よりも長めに設定して研磨する（オーバー研磨する）ことがある。酸化膜１５の研磨速度がバリア膜１６や銅膜１７に比べて非常に遅いと、オーバー研磨することにより銅膜やバリア膜の研磨残りを防止することが可能となり、望ましい。更に、酸化膜１５の研磨速度がバリア膜１６や銅膜１７に比べて非常に遅いと、オーバー研磨の際に膜減りを防止することも可能となり、望ましい。例えば、被加工面上のほとんどのバリア膜が除去されるまでの研磨時間を「ジャスト研磨時間」とした場合、研磨残りを防止するには、総研磨時間をジャスト研磨時間の１．３から１．５倍程度にしてオーバー研磨するとよい。
【００４０】
上記の平坦化方法を適用してパターン付き８インチ径ウエハを加工した結果、図７Ｂの結果を得た。図７Ｂ及びＡにおける相対残段差とは、図７Ｂで使用したウエハの研磨開始時点での銅膜の初期段差を１００として相対化して表したものである。図７Ｂで使用したウエハの銅膜の初期段差３５０ｎｍ、銅膜の初期膜厚７５０ｎｍ、用いたパターンは銅配線が周期的に並ぶ、いわゆるライン＆スペースで１つのライン及びスペースの幅はともに１００μｍである。図７Ｂの横軸はこのパターン付きウエハの銅膜の相対残膜厚、縦軸は銅膜の残段差である。樹脂製研磨パッドのみ用いる従来のＣＭＰでは、銅膜の残膜厚がゼロに達しても残段差を解消することが出来ないのに対して、本発明では、銅膜の残膜厚がゼロに達する前に、すなわちバリア膜が露出する前に残段差をゼロとすることが出来、従来技術と比較して極めて高い平坦化性能を実証出来ていることがわかる。この高い平坦化性能は銅の凸部と凹部の加工選択比の残段差依存性を考慮して、より高い選択比を得ることが出来る研磨工具と研磨液に切り換えることに起因し，特に従来のＣＭＰパッドよりも３から１０倍高い圧縮弾性率を有する積層式固定砥粒盤をＣｕ研磨の２段目に用いたことに起因する銅の凸部と凹部の高い加工選択比による効果である（図７Ａ）。
【００４１】
本実施例では、２プラテン構成のＣＭＰ装置を用いたが、前記の諸機能を有するＣＭＰ装置であれば、本発明を実施することが出来、例えばアプライド・マテリアルズ社のＣＭＰ装置ＭＩＲＲＡ　ＭＥＳＡを使用することが出来る。その場合、第一プラテンに研磨工具１としてＣＭＰパッドを設置し、第二プラテンに研磨工具２として固定砥粒盤を設置することで、本発明を実施することが出来る。また、本実施例では、回転定盤上に設置した研磨工具を使用したが、研磨工具１として、ベルト式研磨工具を使用し、研磨工具２として砥粒を固定した硬質研磨パッドを使用してもよいことは言うまでもない。更に、本実施例では、研磨工具として回転定盤上に設置した研磨工具を使用したが、ウエハ径よりも小さい、小径研磨工具を使用してもよいことは言うまでもない。また、本実施例では、研磨工具面上に研磨液を滴下したが、研磨工具から研磨液が涌き出るような構成でもよいことは言うまでもない。また，防食剤として，ＢＴＡの替わりにイミダゾールを用いることができることは言うまでもない。
【００４２】
また本発明は、Ｃｕ研磨工程を２段研磨することで実施されることから，Ｃｕの凸部と凹部の選択比が十分高く取れるのであれば、研磨液のみを替えて研磨工具を替えなくてもよいことは言うまでもない。
【００４３】
（実施例２）
本実施例では、研磨工具２として砥石の下に弾性パッドがない、つまり積層式ではない通常の固定砥粒盤を用いてＣｕダマシン配線平坦化を実現する方法を説明する。図４に示すように、研磨工具２に積層式ではない通常の固定砥粒盤を用いる場合は、研磨工具２のドレッシングとして、定寸切り込みによる方法（定寸ドレス方式）を用いることが出来る。この定寸ドレス方式は、ダイヤモンド等の硬質の砥粒を埋め込んだ直径３０から７０ｍｍのリング又はディスクを、毎分３０００から１００００回転の高速で回転させながら、ダイヤモンド工具と砥石の距離を一定に保ち砥石面内を相対的に移動させて切り込む方法で、固定砥粒盤表面を精度よくドレッシングすることが出来る。具体的には、固定砥粒盤の表面を深さ１μｍ程度で極表面層のみを除去するように、絶対高さ位置制御をかけながら固定砥粒盤表面上を走査することで実現できる。このような定寸切り込み加工では、工具高さの位置決め精度を高めれば、原理的により高い平坦度を得ることが出来る。ドレッシングによる固定砥粒盤の研削量は通常１０μｍ以下であるから、固定砥粒盤の厚さが１０ｍｍであれば、ウエハを１０００枚加工した時点で固定砥粒盤は使用限界に達すると予想できる。ドレッシングによる固定砥粒盤の研削量を減じれば、固定砥粒盤の寿命が更に延びることは自明である。
【００４４】
本実施例においても、銅の除去が進み、銅膜の残段差が１５０ｎｍ程度になった時点で研磨工具をＩＣ１０００から固定砥粒盤に替え、研磨液もＣｕ研磨液１からＣｕ研磨液２に切り換える。本実施例においても実施例１で既に説明したように、Ｃｕ研磨液２の成分構成はＣｕ研磨液１と同様で、界面活性剤の添加濃度が異なる。この添加濃度は銅の凸部と凹部の研磨速度の比が大きくなり、かつ銅の研磨速度が可能な限り大きくなるようになるように調整する。更に銅の除去が進み工程ＩＩＩの状態になった時点でＣｕ研磨液２をバリア膜研磨液に切り換える。本実施例においても研磨液供給系２を止めて研磨液供給系３からバリア膜研磨液の供給に変更すればよい。バリア膜研磨液の構成成分は研磨液２と同じで、成分割合の調整方法は酸化剤濃度の調整と後述する加工中のドレッシングの併用で行い、銅とバリア膜の研磨速度比を１：１となるようにした。こうすることによりディッシングやエロージョンといった銅や酸化膜の削れ過ぎを防止できるので、望ましい。
【００４５】
工程ＩＩＩにおけるドレッシングとは、ドレッサ５を研磨工具２である固定砥粒盤の表面に接するまで下降させ、ダイヤモンド粒が固定砥粒盤面に接触させて目つぶれした樹脂を除去するとともに新しい砥粒面の露出と遊離砥粒を発生させる機能のことである。このドレッサの位置決め高さ位置は、工程ＩＩの平坦化加工前にドレッシングした位置と同一位置でもよいし、１μｍ程度更に切り込んでもよい。切り込むことにより遊離砥粒１９がより多数発生し、バリア膜１６の研磨速度をより向上することができて望ましい。
【００４６】
次に、バリア膜１６を除去し、酸化膜１５が露出すると加工を終了することになる。バリア膜除去の際、バリア膜の研磨速度がウエハ面内で均一でない場合、予備実験等から求めた加工時間よりも長めに設定して研磨する（オーバー研磨する）ことがある。酸化膜１５の研磨速度がバリア膜１６や銅膜１７に比べて非常に遅いと、オーバー研磨することにより銅膜やバリア膜の研磨残りを防止することが可能となり、望ましい。更に、酸化膜１５の研磨速度がバリア膜１６や銅膜１７に比べて非常に遅いと、オーバー研磨の際に膜減りを防止することも可能となり、望ましい。例えば、被加工面上のほとんどのバリア膜が除去されるまでの研磨時間を「ジャスト研磨時間」とした場合、研磨残りを防止するには、総研磨時間をジャスト研磨時間の１．３から１．５倍程度にするとよい。
【００４７】
上記の平坦化方法を適用してパターン付きウエハを加工した結果、ウエハ全面に渡って図８の結果を得た。用いたパターンは銅配線が周期的に並ぶ、いわゆるライン＆スペースで、１つのラインの幅は２０μｍ、ラインの長さは１９００μｍである。このパターンとパターンの間の距離を横軸とし、ディッシングとエロージョンの和を縦軸とした。樹脂製研磨パッドのみ用いる従来のＣＭＰと比べ、高い平坦化性能を実証出来ていることがわかる。この高い平坦化性能は砥粒を含まない研磨液と従来のＣＭＰのパッドよりも３から１０倍高い圧縮弾性率を有する固定砥粒盤をＣｕ研磨の２段目に用いたことに起因する凸部と凹部の高い加工選択比による効果である（図７Ａ）。
【００４８】
硬質な固定砥粒盤で平坦化加工する場合の課題のひとつにスクラッチがある。本発明の固定砥粒盤は高純度なシリカ微細砥粒を均質に分散固定してある。よって、スクラッチを生じる原因となる異物や大径粒子を含まないのでスクラッチが生じにくい。図９は銅の１２０μｍ四方のパターンを加工した後の表面形状を測定した結果である。表面の凹凸の幅は１０ｎｍ以下であり、半導体の配線として十分な鏡面となっていることを確認した。
【００４９】
（実施例３）
実施例１及び２では平坦化加工前に研磨工具２である固定砥粒盤の全面をドレッサ５によりドレッシングして固定砥粒盤表面に固定砥粒１８を露出させたが、この工程を省くことも可能である。銅膜１７は砥粒が存在しなくても加工できることが既に知られているので、必ずしも加工前のドレッシングが不可欠ではないからである。また、固定砥粒盤の寿命はドレッシングによる厚さの低減により決定されるものであることから、極力ドレッシングの頻度は下げるべきであり、この観点からも望ましいといえる。従って、実施例１及び実施例２における工程のうち、加工前のドレッシングを省略した半導体配線構造の平坦化加工が可能である。本実施例によれば銅を用いたダマシン配線構造の平坦化が低コスト、高スループット、高平坦化であることに加え、固定砥粒盤の長寿命化も両立できるという大きな効果が見込める。
【００５０】
（実施例４）
実際に本発明を半導体デバイスに適用した実施例について図１０を用いて説明する。本構造は６層の多層配線ロジックデバイスの断面である。シリコン基板２３の表面に浅溝素子分離溝（ＳＴＩ）を酸化膜平坦化加工技術により形成した後、ゲートパターン２２等を形成しトランジスタを形成する。その後、上部配線層とのＷ製コンタクトプラグ２１をＷ平坦化加工技術により形成する。Ｗプラグも銅配線構造と同様に絶縁膜との界面にバリア膜２０が成膜される。このＷプラグから上層がすべて銅配線層であり、６層とも本発明を用いて形成した。下地層が平坦であるので、図１１で説明した研磨残りやディッシング、エロージョン、スクラッチによる電気的短絡の不良問題が全く発生しない良好な平坦化が行なえた。また、ＳＴＩ層やＷプラグ平坦化も固定砥粒を用いた平坦化を適用することによってより平坦な半導体装置を製造することが可能になることは言うまでもない。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、高研磨速度を維持しつつ、埋め込み配線形成時のディッシングおよびエロージョンの和を、ウエハ全面に渡って４０ｎｍ未満にまで半減できる。これにより配線抵抗値のばらつき低減や断線不良の低減といった歩留りの向上ができる。また、研磨液と研磨布のコスト低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の装置構成を説明する正面図である。
【図２】本実施例の装置構成を説明する側面図である。
【図３】本実施例の装置構成を説明する側面図である。
【図４】本実施例の装置構成を説明する側面図である。
【図５】本実施例の加工工程を説明する図である。
【図６】本実施例の加工薬液酸化剤濃度と研磨速度を説明する図である。
【図７】本実施例の平坦化性能を説明する図である。
【図８】本実施例の平坦化性能を説明する図である。
【図９】本実施例の平坦化後の銅表面形状を説明する図である。
【図１０】多層配線構造を有する半導体装置の断面を説明する図である。
【図１１】平坦化性能不足に伴う課題を説明する図である。
【図１２】本実施例の必要選択比の残段差と残膜厚の依存特性を説明する図である。
【符号の説明】
１．研磨工具１、２．研磨工具２、３．ヘッド、４．スイングアーム、５．ドレッサ、６．研磨液供給系１、７．研磨液供給系２、８．研磨液供給系３、９．ウエハ、１０．回転定盤、１１．基準面、１２．Ｃｕ研磨液１、１３．Ｃｕ研磨液２、１４．バリア膜研磨液、１５．酸化膜、１６．バリア膜、１７．銅膜、１８．固定砥粒、１９．遊離砥粒、２０．Ｗプラグのバリア膜、２１．Ｗプラグ、２２．ゲート、２３．シリコン基板、２４．基板。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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