(57)【要約】【課題】ＣＭＰ装置による化学機械研磨の平坦化均一性を向上せて、金属配線による導体層を形成することによって、高性能な半導体装置を製造することのできる半導体装置の製造方法とその製造装置を提供すること。【解決手段】ウエハ１の被研磨層１６に対しての化学機械研磨の際に、被研磨層１６に対しての研磨布４を用いての研磨と同時に、被研磨層１６に対して電解めっきにより膜生成をおこなう。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研磨層に被覆された半導体構造が形成された被研磨体をキャリアプレートに固定して回転させ、研磨布を用いて前記被研磨層を化学機械研磨する半導体装置の製造方法であって、
前記化学機械研磨の際には、被研磨層に対しての前記研磨布を用いての研磨と同時に該被研磨層に対して電解めっきにより膜生成をおこなっていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記被研磨体に形成されている半導体構造は、少なくとも、ゲート電極および金属コンタクトホールあるいは金属プラグを具えていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記被研磨体の被研磨層は、前記半導体構造に接続された導体層により被膜され該導体層は銅かアルミニウムのいずれかを少なくとも含んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記被研磨層に対して膜生成おこなう電解めっきに用いるめっき液は、成分が少なくとも一つの塩類を包括し、かつ、この塩類の成分が前記導体層の元素を少なくとも含んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
被研磨層に被覆された半導体構造が形成された被研磨体を固定して回転させるキャリアプレートと、このキャリアプレートに対向して配置され研磨布を固定した定盤とを具え、前記被研磨層を化学機械研磨する半導体装置の製造装置であって、
前記被研磨層に対して、前記被研磨層を化学機械研磨する際に該日研磨層に対してめっき加工を施すめっき手段が設けられていることを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項６】
前記めっき手段は、前記キャリアプレートに負電荷が印加され、一方、前記定盤は接地されており、前記研磨布にめっき液を供給するめっき液供給手段が設けられていることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造装置。
【請求項７】
前記めっき液供給手段は、前記研磨布に研磨液を供給する手段も兼ねていることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造の際にＣＭＰ装置を用いて化学機械研磨する半導体装置の製造方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩの高集積化に伴い、ＬＳＩの製造プロセスで用いられている露光装置の焦点深度が年々小さくなっている。それに伴い、露光マージンが減少している。このため、被研磨体である例えば半導体ウエハ上に形成された膜の平坦度も低減する必要があり、平坦化の手法としてＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）装置が広く導入されている。
【０００３】
図５は、ＣＭＰ装置の研磨部４６の一例の概要を示す模式斜視図である。発泡ポリウレタンをベースとした研磨布５１が上面に固定された定盤５２を回転させ、この研磨布５１に対面して設けられたウエハキャリア５３に半導体ウエハ５４を固定した状態で、研磨布５１の表面にシリカ砥粒を混濁させた研磨スラリー５５を滴下しながら、半導体ウエハ５４を研磨布５１に所定荷重で押しつけて研磨する。
【０００４】
また、ＣＭＰ装置による化学機械研磨の対象となる半導体装置の典型的な一例は、ウエハの表面上にゲート、トランジスタ、コンデンサなどからなる半導体構造を形成し、配線、接続孔（コンタクトホール）などを形成したうえで、金属配線（導体層）によりそれらが相互に接続されている構造である。
【０００５】
すなわち、図２に断面模式図を示したように、ゲート電極１０ａ等が形成された複数の半導体構造１０が半導体基板１４の表面に形成されており、通常、半導体構造１０の表面形状は平坦度があまり良好ではない。さらに被覆絶縁層１１が半導体基板１４の上面に形成されて、それにより半導体構造１０が被覆されている。この被膜絶縁層１１は半導体構造１０を各々電気的に分離するための機能を果たしている。また、ソースやドレインと接続されたコンタクトホール１２が開口されており、それら上に障壁層１３が被膜されている。障壁層１３の上面にＣＭＰ装置での研磨対象になる導体層１６が電解めっき法等により被膜されている。この導体層１６の表面形状は明らかに下地である半導体構造１０や被覆絶縁層１１の形状による影響を受けて形成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の図２に示したように、導体層１６の表面形状は明らかに下地である半導体構造１０や被覆絶縁層１１の形状による影響を受けて形成されるため、それにより形成される半導体装置においては、図６に断面模式図を示すように、ＣＭＰ装置により化学機械研磨を施した後の導体層１６の表面形状は、完全に平坦にならずディッシング（Ｄｉｓｈｉｎｇ）と呼ばれる窪み１８が生じる。
【０００７】
また、図７に断面模式図を示すように、化学機械研磨の不均一性は半導体装置表面の銅嵌め込み層の露出面積の違いによっても生じる。つまり、露出面積が小さい部分２１は、露出面積が大きい部分２２に比べて研磨速度が小さい。このため露出面積が小さい部分や銅層が不要な部分に余分な銅が残らないように更に研磨を進めていくと露出面積の大きなパターン２２ではディッシングやエロージョン（Ｅｒｏｓｉｏｎ）が発生してしまう。ディッシングやエロージョンは過度の研磨により生じ、典型的な化学機械研磨によって生じるディッシングは、例えば、１００ｎｍ程度の深さをもつ。ディッシングやエロージョンは配線層の厚みのバラツキを増大させ、半導体装置の配線においては電気抵抗のバラツキの原因となる。なお、図６および図７において、図２と同一機能部分には同一符号を付して個々の説明を省略している。
【０００８】
また、近年の半導体装置においては配線層を５層や６層などと積層構造とすることが一般的に行われているが、その際に、下層の配線層に生じたディッシングは上層の絶縁膜においても影響を与える。つまり下層で生じたディッシング部分は、上層の絶縁膜表面においても局部的に窪んだままとなるため、絶縁膜上への上層配線層の形成において化学機械研磨を用いた場合に、この窪みに配線層が残ってしまい、上層の配線層同志を短絡させ半導体製造歩留まりを著しく劣化させる。
【０００９】
また、配線層同志の短絡に至らない場合でも、フォトリソグラフィー工程において用いられるアライメントマークの近傍に窪みが発生した場合には、アライメントマークが光学的に視認性が低下し、下地パターンとの合わせが出来なくなる場合もある。
【００１０】
このように銅やアルミニュウムを用いた嵌め込みによる配線を用いる半導体装置の製造においては、極力ディッシングやエロージョンの発生を抑えなければならないため、研磨布や研磨液の研究開発が盛んに行われているが、完全にディッシングやエロージョンを抑制できるレベルには至っていない。
【００１１】
本発明はこれらの事情にもとづいてなされたもので、ＣＭＰ装置による化学機械研磨の平坦化均一性を向上せて、金属配線による導体層を形成することによって、高性能な半導体装置を製造することのできる半導体装置の製造方法とその製造装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、被研磨層に被覆された半導体構造が形成された被研磨体をキャリアプレートに固定して回転させ、研磨布を用いて前記被研磨層を化学機械研磨する半導体装置の製造方法であって、
前記化学機械研磨の際には、被研磨層に対しての前記研磨布を用いての研磨と同時に該被研磨層に対して電解めっきにより膜生成をおこなっていることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１３】
また本発明によれば、前記被研磨体に形成されている半導体構造は、少なくとも、ゲート電極および金属コンタクトホールあるいは金属プラグを具えていることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１４】
また本発明によれば、前記被研磨体の被研磨層は、前記半導体構造に接続された導体層により被膜され該導体層は銅かアルミニウムのいずれかを少なくとも含んでいることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１５】
また本発明によれば、前記被研磨層に対して膜生成おこなう電解めっきに用いるめっき液は、成分が少なくとも一つの塩類を包括し、かつ、この塩類の成分が前記導体層の元素を少なくとも含んでいることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１６】
また本発明によれば、被研磨層に被覆された半導体構造が形成された被研磨体を固定して回転させるキャリアプレートと、このキャリアプレートに対向して配置され研磨布を固定した定盤とを具え、前記被研磨層を化学機械研磨する半導体装置の製造装置であって、
前記被研磨層に対して、前記被研磨層を化学機械研磨する際に該日研磨層に対してめっき加工を施すめっき手段が設けられていることを特徴とする半導体装置の製造装置である。
【００１７】
また本発明によれば、前記めっき手段は、前記キャリアプレートに負電荷が印加され、一方、前記定盤は接地されており、前記研磨布にめっき液を供給するめっき液供給手段が設けられていることを特徴とする半導体装置の製造装置である。
【００１８】
また本発明によれば、前記めっき液供給手段は、前記研磨布に研磨液を供給する手段も兼ねていることを特徴とする半導体装置の製造装置である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２０】
発明者は、予てからＣＭＰ装置による化学機械研磨の際の、導体層の均一性を向上する方法について種々検討してきた結果、以下のような新規な独自の知見を得て、それを確認した。
【００２１】
すなわち、ウエハの表面に被覆層が形成された後、もし、この被覆層が導体層の場合、ＣＭＰ装置による化学機械研磨の際に生じる導体層の表面形状の不均一性を、電解めっきプロセスを同時に用いることにより改善する。つまり、被覆層と同じ元素からなる膜を生成しつつ、さらに化学機械研磨によりこの被覆層表面の平坦化を同時に進行させる。このような処理をおこなうことにより、導体層の不均一性を改善するとともに、ディッシングやエロージョンを減少することができる。
【００２２】
図１は、本実施の形態によるＣＭＰ装置の研磨部の模式図である。
【００２３】
ＣＭＰ装置の研磨部は、被研磨体である例えば半導体のウエハ１を保持するウエハキャリア２が、軸Ａ１を中心に駆動モータ３により矢印Ａで示した方向に連続して回転するように取付けられる。ウエハキャリア２は、ウエハ１を研磨布４に所定の圧力で押し付けられるように構成されている。また、研磨部は、ウエハキャリア２と対向して軸Ａ２を中心に定盤駆動モータ５により矢印Ｂで示した方向に連続して回転するように取付けられた定盤６を備えている。定盤６の表面にはインフレート、ポリウレタン等の材料から成る研磨布４が取付けられている。なお、研磨布４は寿命がくると交換され、交換後はドレッサ（不図示）によって一定時間の間ドレッシングされて、研磨が良好に行えるように表面が毛羽立てられる。
【００２４】
この研磨布４の表面には、塩基性または酸性の溶液中に懸濁されたシリカまたはアルミナ研磨粒子等の研磨液体を含んだ研磨液（スラリー、不図示）が、タンク（不図示）から研磨液供給管導管７を介して供給される。また、この研磨布４の表面には、めっき液がめっき液供給管８により供給される。
【００２５】
また、ウエハキャリア２は、電解めっきを行う際にはカソード電極の役割も合わせ持つため、電気的には電源９に接続されている。それにより電源９からの負電位がウエハキャリア２を介してウエハ１に与えられる。一方、定盤６は電気的に接地されている。
【００２６】
被研磨体である半導体装置（ウエハ１）は、図２に示すように、ゲート電極１０ａ等が形成された複数の半導体構造１０が半導体基板１４の表面に形成されており、通常、半導体構造１０の表面形状は平坦度があまり良好ではない。さらに被覆絶縁層１１が半導体基板１４の上面に形成されて、それにより半導体構造１０が被覆されている。この被膜絶縁層１１は半導体構造１０を各々電気的に分離するための機能を果たしている。また、ソースやドレインと接続されたコンタクトホール１２が開口されており、それら上に障壁層１３が被膜されている。障壁層１３の上面にＣＭＰ装置での研磨対象になる導体層１６が電解めっき法等により被膜されている。この導体層１６の表面形状は明らかに下地である半導体構造１０や被覆絶縁層１１の形状による影響を受けて形成されている。
【００２７】
なお、導体層１６を被膜する際に電解めっき法を用いる場合には、導体層１６は電解めっきにおけるシード層及び半導体構造１０と障壁層１３との間の相互拡散に対してバリアメタルとして作用し拡散を抑えている。
【００２８】
ここで金属配線層である導体層１６は、最近ではめっき法を用いて堆積されているが、スパッタ法やＣＶＤ法によって形成されていてもよい。この導体層１６は、図２に示すように堆積された状態では、不必要な部位も含め半導体構造１０の全面に堆積されるため不必要な個所を化学機械研磨により除去する必要がある。
【００２９】
以下に、図１で示した研磨部を具えたＣＭＰ装置による化学機械研磨について、同図及び図２を参照して説明する。
【００３０】
まず、ウエハ１をウエハキャリア２に固定する。ウエハ１の表面は導体層１６である銅で覆われている。ウエハキャリア２に固定されているウエハ１は研磨布４に対して適度な圧力を与えられながら駆動モータ４により回転される。一方、定盤６は定盤駆動モータ５により回転するので、定盤６に固定されている研磨布４も回転する。その際に研磨液供給手段５により研磨液が研磨布４の上に供給されて、ウエハ１の表面は研磨される。
【００３１】
また、めっき手段が設けられており、ウエハキャリア２を介して電源９から負電位がウエハ１に与えられ、また、めっき液供給手段６によりめっき液が研磨布４の上に供給される。それにより、ウエハ１の表面で研磨加工と同時に電解めっきによる堆積が進行する。つまり、導体層１６の表面に導体層１６と同素材からなる膜を成膜しつつ、さらに同時に化学機械研磨法による研磨を進行させている。
【００３２】
このように、ウエハ１の表面で研磨加工と同時に電解めっきによる堆積が進行することにより、ディッシングやエロージョンを極限まで低減させることが可能となる。
【００３３】
なお、めっき液（電解液）は、その成分が少なくとも一つの塩類を包括し、この塩類の成分が、導体層１６の元素を少なくとも含むものを用いている。上述の場合は、ウエハ１の表面を覆っている導体層１６は銅を用いているので、めっき液供給手段６から供給されるめっき液には少なくとも銅を含ませておくことが好ましく、例えば、めっき液は硫酸銅と塩酸とした。硫酸銅水溶液中の銅は容易に電離して銅イオン（陽イオン）となっており、カソードに印加された負電位によりウエハ１の導体層１６の表面に到達し、電子を受け取ることでウエハ１の表面に析出する。
【００３４】
このとき、カソードから与えられる負電位は、コンタクトホール１２を介して印加されるので、化学機械研磨が進むとコンタクトホール１２に接続されない領域、即ち化学機械研磨によって除去される領域は、コンタクトホール１２から電気的に分離されるので、それにより、負電位は非配線層として化学機械研磨により除去される領域には印加されないようになる。
【００３５】
つまり、図３に示すように金属配線の導体層１６としては余分な部位である研磨残り１５のような個所には、コンタクトホール１２とは電気的に分離されるので電源９からは負電位を与えられなくなる。このため、銅の析出が研磨残り１５の部位においては発生しない。
【００３６】
その結果、図４に示すようなディッシングやエロージョンの無い化学機械研磨が可能となる。なお、図３および図４においては、図２と同一部分には同一符号を付して個々の説明を省略している。
【００３７】
なお、上述の実施の形態では、導体層１６を形成する配線材料として銅を用いたが、銅の換わりに導体層１６をアルミニュウムにより形成することもできる。その場合は、めっき液として、アルミニュウムを含む塩化水溶液に置換えることで容易に適用することが可能である。
【００３８】
また、導体層１６を形成する配線材料は、銅かアルミニウムのいずれかを少なくとも含んでいる材料を用いることができる。
【００３９】
また、上述の実施の形態では、電源９として直流電源９を用いたが、直流電源９の代わりに、負バイアスを持った交流電源９を適用することも可能である。
【００４０】
また、上述の実施の形態では、研磨液供給手段とめっき液供給手段とを独立して別個に備えて各々から供給するようにしたが、研磨液とめっき液を配合した液を用いて、ひとつの配管から供給することもできる。
【００４１】
そのほか、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々応用が可能である。
【００４２】
以上に説明したように、本発明のＣＭＰ装置による化学機械研磨では、ウエハ１に形成されているコンタクトホール１２に接続されている導体層１６は、研磨が進むと同時にめっきによる堆積が競合しながら同時に進行する。その際、コンタクトホール１２から分離されている研磨残り１５の個所においては、電位の供給が遮断されているため銅の析出は起こらず研磨のみが進む。それにより、研磨残り１５の個所をオーバーポリッシュにより除去してもコンタクトホール１２に接続されている導体層１６においては過度のオーバーポリッシュとなることを防ぐことができて、ディッシングやエロージョンが発生せずに均一性良く研磨を行うことが可能となる。それにより、ディッシングやエロージョンの無い化学機械研磨が可能となる。
【００４３】
また、本発明のＣＭＰ装置による化学機械研磨では、導体層１６を形成する時、電解めっきプロセスでこの導体層１６を処理し、導体層１６の表面に導体層１６と同素材からなる膜を成膜しつつ、さらに同時に化学機械研磨法による研磨を進行させている。それにより、化学機械研磨により導体層１６の均一性が損なわれても、電解めっきプロセスによる成膜により補償することで、導体層１６を均一性良く研磨することができる。それにより、導体層１６の表面の起伏による不均一な平坦性が改善でき、それにより高性能な半導体装置を製造することができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、ＣＭＰ装置による化学機械研磨の平坦化均一性を向上せて金属配線による導体層を形成することによって、高性能な半導体装置を製造することのできる半導体装置の製造方法とその製造装置が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＣＭＰ装置の研磨部の模式図。
【図２】被研磨体の模式説明図。
【図３】被研磨体の模式説明図。
【図４】被研磨体の模式説明図。
【図５】従来のＣＭＰ装置の一例を示す模式平面図。
【図６】被研磨体に発生した欠陥の模式説明図。
【図７】被研磨体に発生した欠陥の模式説明図。
【符号の説明】
１…ウエハ、２…ウエハキャリア、４…研磨布、７…研磨液供給管、８…めっき液供給管、１０…半導体構造、１２…コンタクトホール、１４…半導体基板、１６…導体層
【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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