(57)【要約】【課題】スクラッチ等の加工欠陥を抑制し、ＣＭＰ処理配線の高信頼性を得ることのできる半導体装置の製造方法及び半導体装置及びＣＭＰ装置を提供する。【解決手段】半導体ウェハへの集積回路形成に際し、下層に拡散層または配線層、あるいはコンタクト部等導電領域を有する層間絶縁膜において、コンタクト領域または配線溝、あるいは両者を含む掘り込みパターンを形成する（処理Ｓ１）。次に、上記掘り込みパターンに対してバリア部材を被覆する成膜工程、さらに導電部材を埋め込む成膜工程を経る（処理Ｓ２）。次に、主に成膜した導電部材に対し平坦化を行うため化学的機械的研磨が実施されるが、この化学的機械的研磨は、常温とは異なる高温に制御されつつ行われる。この化学的機械的研磨では、半導体ウェハはアニールと同等の効果が与えられる温度に制御されつつ導電部材が研磨される（処理Ｓ３）。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハ上の被平坦化処理層を化学的機械的研磨により平坦化する処理に関し、
前記半導体ウェハが少なくとも常温とは異なる高温に制御されつつ前記化学的機械的研磨が実施されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体ウェハ上の被平坦化処理層を化学的機械的研磨により平坦化する処理に関し、
前記半導体ウェハに対し少なくともアニールと同等の効果が与えられる温度に制御されつつ前記化学的機械的研磨が実施されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
上記［請求項１］または［請求項２］記載の半導体装置の製造方法を用いて形成された金属配線を有する半導体装置。
【請求項４】
半導体ウェハ上の被平坦化処理層を化学的機械的研磨により平坦化するＣＭＰ装置に関し、
前記半導体ウェハが少なくとも常温とは異なる所定の高温に制御されつつ前記化学的機械的研磨が実施されることを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項５】
少なくとも研磨パッドに半導体ウェハが擦り付けられることにより、前記半導体ウェハの被平坦化処理層を化学的機械的研磨により平坦化するＣＭＰ装置であって、
前記半導体ウェハを保持しその被平坦化処理層を有する表面を前記研磨パッドに接触させるウェハ保持部に温度制御機構が設けられ、前記半導体ウェハが少なくとも常温とは異なる所定の高温に制御されつつ前記化学的機械的研磨を実施することを特徴としたＣＭＰ装置。
【請求項６】
少なくとも研磨パッドに半導体ウェハが擦り付けられることにより、前記半導体ウェハの被平坦化処理層を化学的機械的研磨により平坦化するＣＭＰ装置であって、
前記半導体ウェハを保持しその被平坦化処理層を有する表面を前記研磨パッドに接触させるウェハ保持部の近くに温度制御機構が設けられ、前記半導体ウェハが少なくとも常温とは異なる所定の高温に制御されつつ前記化学的機械的研磨を実施することを特徴としたＣＭＰ装置。
【請求項７】
少なくとも研磨パッドに半導体ウェハが擦り付けられることにより、前記半導体ウェハの被平坦化処理層を化学的機械的研磨により平坦化するＣＭＰ装置であって、
前記半導体ウェハを保持しその被平坦化処理層を有する表面を前記研磨パッドに接触させるウェハ保持部に温度制御機構が設けられ、前記半導体ウェハに対し少なくともアニールと同等の効果を与えることのできる温度に制御されつつ前記化学的機械的研磨を実施することを特徴としたＣＭＰ装置。
【請求項８】
少なくとも研磨パッドに半導体ウェハが擦り付けられることにより、前記半導体ウェハの被平坦化処理層を化学的機械的研磨により平坦化するＣＭＰ装置であって、
前記半導体ウェハを保持しその被平坦化処理層を有する表面を前記研磨パッドに接触させるウェハ保持部の近くに温度制御機構が設けられ、前記半導体ウェハに対し少なくともアニールと同等の効果を与えることのできる温度に制御されつつ前記化学的機械的研磨を実施することを特徴としたＣＭＰ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置製造に係り、ウェハ上の被平坦化処理層をＣＭＰ（化学的機械的研磨）により平坦化する工程を前提とし、特に埋め込み配線層の最適化を伴なう半導体装置の製造方法及び半導体装置及びＣＭＰ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の大容量化に伴い、素子の微細化及び高集積化配線の微細化、多層化が急速に進んでいる。多層化の際、ウェハ上に配線層や絶縁膜を積層すると表面が凹凸になる。この表面上にフォトリソグラフィ技術を利用してパターンマスクを形成していくと精度が劣化する。すなわち、素子の微細化により形成したい配線幅や間隔、ホール径などが小さくなるため、表面の凹凸によってパターンマスクの確度にばらつきが生じる。これにより、配線の断線によるオープン不良や配線層間の絶縁不良によるショートなどが懸念される。また、フォトリソグラフィ工程における露光時のフォーカスずれも問題にあげられる。
【０００３】
このような問題に対処するため、形成層間の平坦化を目的とした化学的機械的研磨、いわゆるＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　）技術は不可欠である。すなわち、被平坦化処理層の凹凸部に加わるＣＭＰ用研磨パッド（研磨パッド）の圧力差により研磨レートの選択性を生じさせ、所定時間経過後には凹凸部をなだらかにし、平坦化に寄与する技術である。
【０００４】
ＣＭＰプロセスは、デバイスの高性能化、微細化には欠かせないトレンチアイソレーションやメタルプラグ、埋め込み配線技術として知られるダマシン配線などに広く利用されている。特にダマシン配線技術（シングルダマシン、デュアルダマシン）は、Ｃｕ配線のパターニングを可能とし、現在、必要不可欠な技術となっている。
【０００５】
Ｃｕダマシン配線技術を中心に説明する。Ｃｕダマシンプロセスでは、パターンの大小と密度に依存することなく配線膜厚をチップ内はもちろん、ウェハ全面で均一に、かつスクラッチなど加工欠陥を発生せずに余分な膜、材料を残すことなく平坦化できることが重要である。
【０００６】
Ｃｕ配線は、配線パターンに従った溝をメッキ成長によって埋め、その後にＣＭＰ処理するが、ＣＭＰ処理前にアニール工程を実施する場合がある。アニール工程の実施は、Ｃｕ材の信頼性を向上させるために重要であり、主に結晶粒（グレイン）を成長させることが目的である。グレインを成長させることによって、伝導性能の向上、安定化が図れる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＭＰ処理前にアニール工程を実施すると、ＣＭＰ処理の際にはＣｕのグレインが成長しており、大きなグレインが剥がれ易く、スクラッチ等の欠陥が生じる危険性が高い。一方、このアニール工程を実施せずにＣＭＰ処理すると、平坦化されたＣｕ材の上にグレインが成長する（室温粒成長）。これにより、パターンを含め配線の信頼性が低下する。その後、アニール処理すると、隆起するなど、平坦度が損なわれる不具合が起きる。
【０００８】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたもので、スクラッチ等の加工欠陥を抑制し、ＣＭＰ処理配線の高信頼性を得ることのできる半導体装置の製造方法及び半導体装置及びＣＭＰ装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の［請求項１］に係る半導体装置の製造方法は、
半導体ウェハ上の被平坦化処理層を化学的機械的研磨により平坦化する処理に関し、
前記半導体ウェハが少なくとも常温とは異なる高温に制御されつつ前記化学的機械的研磨が実施されることを特徴とする。
【００１０】
本発明の［請求項２］に係る半導体装置の製造方法は、
半導体ウェハ上の被平坦化処理層を化学的機械的研磨により平坦化する処理に関し、
前記半導体ウェハに対し少なくともアニールと同等の効果が与えられる温度に制御されつつ前記化学的機械的研磨が実施されることを特徴とする。
【００１１】
上記それぞれの本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、半導体ウェハが高温に制御されたまま化学的機械的研磨が実施される。すなわち、化学的機械的研磨の最中にアニールの効果が与えられる。研磨終了後は結晶粒が成長済みとなる。
【００１２】
本発明の［請求項３］に係る半導体装置は、
上記［請求項１］または［請求項２］記載の半導体装置の製造方法を用いて形成された金属配線を有する。
【００１３】
本発明の［請求項４］に係るＣＭＰ装置は、
半導体ウェハ上の被平坦化処理層を化学的機械的研磨により平坦化するＣＭＰ装置に関し、
前記半導体ウェハが少なくとも常温とは異なる所定の高温に制御されつつ前記化学的機械的研磨が実施されることを特徴とする。
【００１４】
本発明の［請求項５］に係るＣＭＰ装置は、
少なくとも研磨パッドに半導体ウェハが擦り付けられることにより、前記半導体ウェハの被平坦化処理層を化学的機械的研磨により平坦化するＣＭＰ装置であって、
前記半導体ウェハを保持しその被平坦化処理層を有する表面を前記研磨パッドに接触させるウェハ保持部に温度制御機構が設けられ、前記半導体ウェハが少なくとも常温とは異なる所定の高温に制御されつつ前記化学的機械的研磨を実施することを特徴としている。
【００１５】
本発明の［請求項６］に係るＣＭＰ装置は、
少なくとも研磨パッドに半導体ウェハが擦り付けられることにより、前記半導体ウェハの被平坦化処理層を化学的機械的研磨により平坦化するＣＭＰ装置であって、
前記半導体ウェハを保持しその被平坦化処理層を有する表面を前記研磨パッドに接触させるウェハ保持部の近くに温度制御機構が設けられ、前記半導体ウェハが少なくとも常温とは異なる所定の高温に制御されつつ前記化学的機械的研磨を実施することを特徴としている。
【００１６】
本発明の［請求項７］に係るＣＭＰ装置は、
少なくとも研磨パッドに半導体ウェハが擦り付けられることにより、前記半導体ウェハの被平坦化処理層を化学的機械的研磨により平坦化するＣＭＰ装置であって、
前記半導体ウェハを保持しその被平坦化処理層を有する表面を前記研磨パッドに接触させるウェハ保持部に温度制御機構が設けられ、前記半導体ウェハに対し少なくともアニールと同等の効果を与えることのできる温度に制御されつつ前記化学的機械的研磨を実施することを特徴としている。
【００１７】
本発明の［請求項８］に係るＣＭＰ装置は、
少なくとも研磨パッドに半導体ウェハが擦り付けられることにより、前記半導体ウェハの被平坦化処理層を化学的機械的研磨により平坦化するＣＭＰ装置であって、
前記半導体ウェハを保持しその被平坦化処理層を有する表面を前記研磨パッドに接触させるウェハ保持部の近くに温度制御機構が設けられ、前記半導体ウェハに対し少なくともアニールと同等の効果を与えることのできる温度に制御されつつ前記化学的機械的研磨を実施することを特徴としている。
【００１８】
上記それぞれ本発明に係るＣＭＰ装置によれば、化学的機械的研磨の最中に半導体ウェハがアニールの効果が得られるような装備を有する。研磨終了後は被平坦化処理層における配線層等の結晶粒が成長済みとなるよう構成される。これにより、ＣＭＰ処理後の室温粒成長も防止できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の基本的実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す流れ図である。半導体ウェハへの集積回路形成に際し、下層に拡散層または配線層、あるいはコンタクト部等導電領域を有する層間絶縁膜において、コンタクト領域または配線溝、あるいは両者を含む掘り込みパターンを形成する（処理Ｓ１）。
次に、上記掘り込みパターンに対してバリア部材を被覆する成膜工程、さらに導電部材を埋め込む成膜工程を経る（処理Ｓ２）。
次に、主に成膜した導電部材に対し平坦化を行うため化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　）が実施されるが、この化学的機械的研磨は、常温とは異なる高温に制御されつつ行われる。この化学的機械的研磨では、半導体ウェハはアニールと同等の効果が与えられる温度に制御されつつ導電部材が研磨される（処理Ｓ３）。
【００２０】
上記処理Ｓ３のアニールと同等の効果が与えられる温度としては、２００℃以上、好ましくは２００℃〜５００℃の範囲内を想定している。プロセスの関係上、機械的に削る割合がかなり大きくなることも考えられる。
【００２１】
上記実施形態の方法によれば、化学的機械的研磨の最中にアニールの効果が与えられる。これにより、研磨終了後は結晶粒（グレイン）が成長済みとなる。すなわち、グレイン成長後に化学的機械的研磨を実施する従来と違って、スクラッチは発生し難くなる。また、研磨終了後はアニールの効果が与えられたのと同等になるため、室温粒成長の懸念も解消される。これにより、パターンを含め配線の信頼性も向上する。
【００２２】
図２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部を順に示す断面図である。図２（ａ）に示すように、半導体ウェハへの集積回路形成に際し、下層に拡散層または配線層あるいはコンタクト部等の導電領域１１を有する層間絶縁膜１２において、リソグラフィ技術を経てコンタクト領域１３と共に配線領域となる配線溝１４を形成する。
【００２３】
次に、図２（ｂ）に示すように、コンタクト領域１３及び配線溝１４にＴｉ／ＴｉＮ積層、ＴａＮ、ＷＮ等のバリアメタルやその他のバリア材料１５をスパッタ法により被覆する。次に、Ｃｕ配線材料１６を埋め込む。これには、Ｃｕのシード層のスパッタ及び電解メッキ法によるＣｕの堆積が一般的である。これにより、少なくともコンタクト領域１３及び配線溝１４を含む領域上にＣｕ配線材料１６が堆積される。
【００２４】
次に、図２（ｃ）に示すように、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）技術により、必要な配線部分のみにＣｕ配線材料１６を埋め込んだ形に加工する。この化学的機械的研磨は、常温とは異なる高温に制御されつつ行われる。半導体ウェハはアニールと同等の効果が与えられる温度、２００℃以上、好ましくは２００℃〜５００℃の範囲内に制御されつつＣｕ配線材料１６が研磨される。図示しないが、スラリー（研磨剤入り溶媒）は沸点の高い溶液（例えば油系）を用いることも考えられる。また、スラリーを使用しないスラリーレスＣＭＰも考えられる。この場合、研磨パッドに砥粒が配備され、研磨剤の入っていない薬液（水のみまたはその他混合液）を用いて処理される。このようにして研磨終了時、Ｃｕ配線材料１６内のＣｕのグレイン（結晶粒）１６１は成長済みとなる。
【００２５】
上記実施形態の方法によれば、化学的機械的研磨中にアニール効果が与えられ、研磨終了後はＣｕのグレイン１６１は成長済みとなる。これにより、スクラッチは発生し難くなり、後の室温粒成長の懸念も解消される。これにより、パターンを含め金属配線の信頼性が各段に向上する半導体装置の実現が達成される。
【００２６】
なお、上記コンタクト領域１３及び配線溝１４を含む領域の形成方法は様々考えられ、限定されない。例えば、配線溝１４の形成には、層間絶縁膜１２に対してエッチング選択比のとれるストッパ膜（図２中の破線）が設けられ、配線溝１２の底部を精度良く形作る役割を果たす。例えば層間絶縁膜１２がシリコン酸化膜であれば、ストッパ膜は例えばシリコン窒化膜で構成される。
【００２７】
図３は、本発明の第２実施形態に係るＣＭＰ装置の要部構成を示す概略図である。研磨盤２１は、例えばポリウレタン製の研磨パッド２２を配し所定の回転速度で回転する。キャリアヘッド２３はワークホルダとも呼ばれ、周囲のリテーナ２４に伴って半導体ウェハ２５を保持し、研磨盤２１の中心（×印）から所定距離離れた領域でウェハ表面を水平に研磨パッド２２に適当な圧力で接触させる。
【００２８】
キャリアヘッド２３には温度制御機構３３が装備されている。温度制御機構３３は、半導体ウェハ２５が少なくとも常温とは異なる所定の高温に制御されつつ化学的機械的研磨を実施し、研磨終了後は室温（常温）に戻す制御をする。例えば温度制御機構３３は、内部においてバッキング材（弾性材）２６と共に半導体ウェハ２５自体を最低２００℃以上、５００℃以下の所定温度に昇温できるヒーター３３１を備えると共に、冷却時に循環する冷却液の冷却経路３３２を有する。
【００２９】
ウェハ研磨時、研磨パッド２２上にはスラリー（研磨剤入り溶媒）、または研磨剤なしの薬液が供給される。研磨パッド２２に押し付けられた半導体ウェハ２５主表面のＣｕ材でなる配線金属を含む被平坦化処理層において、凸部には凹部に比べて大きな圧力がかかり、研磨レートは大きくなる。
【００３０】
半導体ウェハ２５に対する化学的機械的研磨が実施されている間、温度制御機構３３によって半導体ウェハ２５は２００℃以上、好ましくは２００〜４００℃の範囲における所定温度に制御される。これにより、アニールと同等な温度環境で化学的機械的研磨がなされ、グレインの成長を促す。研磨終了時には配線金属におけるＣｕのグレインは成長済みとなる。
【００３１】
なお、上記構成においては、ＣＭＰ装置の周辺構成、研磨パッド２２やウェハの研磨状態などを把握する膜厚測定機構や研磨パッド２２のドレッサ、スラリーの供給機構、洗浄機構など他の構成について図示は省略している。ＣＭＰ装置のタイプは様々あるので、これら省略された構成はタイプに応じ適当な場所に配備される。
【００３２】
図４は、図３中のキャリアヘッド２３における温度制御機構３３の装備の第１応用例である。温度制御機構３３は、半導体ウェハ２５の均一加圧保持用の弾性袋２７に送り込まれる不活性ガスＧを高温にするヒーター３３３を備え、かつ冷却時にガスＧを冷却する冷却ガス（または冷却液）の冷却経路３３４を有する。これにより、半導体ウェハ２５自体を最低２００℃以上、５００℃以下の所定温度に昇温、常温に冷却する。
【００３３】
図５は、図３中のキャリアヘッド２３における温度制御機構３３の装備の第２応用例である。温度制御機構３３は、半導体ウェハ２５の均一加圧保持用の空隙層２８に高温の不活性ガスＧ１を送り込むヒーター３３５を備え、かつ冷却時に冷却ガスＧ２が供給される。これにより、半導体ウェハ２５自体を最低２００℃以上、５００℃以下の所定温度に昇温、常温に冷却する。
【００３４】
図６は、本発明の第３実施形態に係るＣＭＰ装置の要部構成を示す概略図である。図３の構成に比べて温度制御機構が異なっている。前記第２実施形態では、キャリアヘッド２３に温度制御機構３３が装備されていたが、この実施形態ではキャリアヘッド２３の近くにウェハ面に影響するよう温度制御機構６３が配備されている。キャリアヘッド２３内の均一加圧機構についても様々であり、前記図３に示すバッキング材（弾性材）２６、図４に示す弾性袋２７、図５に示す空隙層２８やその他図示しない構成を利用すればよい。第２実施形態と同様の箇所は同一の符号を付してある。
【００３５】
温度制御機構６３は、半導体ウェハ２５が少なくとも常温とは異なる所定の高温に制御されるよう、加熱用ランプ６３１及び冷却ガス供給部６３２を備えている。半導体ウェハ２５の被平坦化面は、化学的機械的研磨の実施直前まで加熱用ランプ６３１の照射によって昇温される。あるいは研磨途中において研磨盤２２の対向から移動しランプ６３１の照射によって再度昇温される。加熱用ランプ６３１は、半導体ウェハ２５の被平坦化面を最低２００℃以上、５００℃以下の所定温度に昇温する機能を有する。冷却ガス供給部６３２は、少なくとも半導体ウェハ２５の被平坦化面に冷却ガス（不活性ガス）Ｇ３を供給し、半導体ウェハ２５が室温（常温）に戻るよう作用する。
【００３６】
半導体ウェハ２５に対する化学的機械的研磨が実施されている間、温度制御機構６３によって半導体ウェハ２５は２００℃以上、好ましくは２００〜４００℃の範囲における所定温度に制御される。これにより、アニールと同等な温度環境で化学的機械的研磨がなされ、グレインの成長を促す。研磨終了時には配線金属におけるＣｕのグレインは成長済みとなる。
【００３７】
なお、上記第３実施形態の構成においても、ＣＭＰ装置の周辺構成、研磨パッド２２やウェハの研磨状態などを把握する膜厚測定機構や研磨パッド２２のドレッサ、スラリーの供給機構、洗浄機構など他の構成について図示は省略している。ＣＭＰ装置のタイプにも様々あるので、これら省略された構成は適当な場所に配備される。
【００３８】
上記第２、第３実施形態の構成によれば、ＣＭＰ装置として、化学的機械的研磨の最中に半導体ウェハがアニールの効果が得られるような装備を有する。研磨終了後は配線金属におけるＣｕの結晶粒（グレイン）が成長済みとなるよう構成される。ＣＭＰ処理後の室温粒成長も防止でき、効率的な平坦化研磨と、高信頼性のＣｕ配線が得られる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体ウェハが高温に制御されたまま化学的機械的研磨が実施され、化学的機械的研磨の最中にアニールの効果が与えられる。研磨終了後は結晶粒が成長済みとなる。これにより、ＣＭＰ処理後の室温粒成長も防止できる。また、そのような装備を有するＣＭＰ装置が構成される。この結果、スクラッチ等の加工欠陥を抑制し、ＣＭＰ処理配線の高信頼性を得ることのできる半導体装置の製造方法及び半導体装置及びＣＭＰ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す流れ図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部を順に示す断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るＣＭＰ装置の要部構成を示す概略図である。
【図４】図３中のキャリアヘッド２３における温度制御機構３３の装備の第１応用例である。
【図５】図３中のキャリアヘッド２３における温度制御機構３３の装備の第２応用例である。
【図６】本発明の第３実施形態に係るＣＭＰ装置の要部構成を示す概略図である。
【符号の説明】
Ｓ１〜Ｓ３…処理ステップ、１１…導電領域、１２…層間絶縁膜、
１３…コンタクト領域、１４…配線溝、１５…バリア材料、
１６…Ｃｕ配線材料、１６１…グレイン（結晶粒）、２１…研磨盤、
２２…研磨パッド、２３…キャリアヘッド、２４…リテーナ、
２５…半導体ウェハ、２６…バッキング材（弾性材）、２７…弾性袋、
２８…空隙層、３３，６３…温度制御機構、
３３１，３３３，３３５…ヒーター、３３２，３３４…冷却経路、
６３１…加熱用ランプ、６３２…冷却ガス供給部、Ｇ，Ｇ１…不活性ガス、
Ｇ２，Ｇ３…冷却ガス（不活性ガス）。
【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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