(57)【要約】【課題】配線金属を研磨するときのスラリー中に含まれる異物やウェハ上に存在する異物が研磨パッドに引きずられて配線溝に埋め込まれた銅をはみ出させる。このはみ出し銅により隣接する配線銅がブリッジ（短絡）することを抑制する。【解決手段】半導体基板上の絶縁膜に配線溝を形成する。次に、この配線溝を埋め込むように銅などからなる金属膜を堆積させる。そして、直進式の研磨パッドを有する研磨装置を使用し、配線溝上の金属膜をウェハを回転させながら研磨する。その後、配線溝の主方向と研磨パッドの走査方向が平行になるようにウェハを固定して研磨する。これにより、隣接する配線間において、はみ出した配線溝内の銅によるブリッジが発生するのを抑制できる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上の絶縁膜に配線溝を形成する工程（ａ）と、
前記半導体基板上に金属を堆積させ前記配線溝に前記金属を埋め込む工程（ｂ）と、
前記工程（ｂ）の後に前記半導体基板表面を前記半導体基板を回転させながら研磨する工程（ｃ）と、
前記工程（ｃ）の後に前記配線溝の形成された方向に前記半導体基板を研磨する工程（ｄ）とを有する半導体装置の研磨方法。
【請求項２】
前記工程（ｄ）において、前記半導体基板を研磨する方向は、前記配線溝の形成された方向に対し２０度以内に固定されることを特徴とする請求項１記載の半導体基板の研磨方法。
【請求項３】
前記工程（ｄ）において、前記半導体基板を研磨する方向は、前記配線溝の形成された方向に対し２０度以内で変動することを特徴とする請求項１記載の半導体基板の研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造工程において使用する研磨方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、低抵抗かつ高信頼度の銅配線が半導体装置に急速に使われ始めつつある。銅配線は従来のアルミニウム配線で行っていたドライエッチによる加工が困難な為、絶縁膜に溝を形成した後、バリア層と銅を全面に堆積し、研磨によって溝部以外の銅とバリア層を除去し溝中にのみ残置するものである（例えば特許文献１参照）。その工程の流れを図５（ａ）から図５（ｄ）を用いて説明する。まず図５（ａ）に示すように半導体基板１０１上の絶縁膜１０２に配線溝１０３を形成する。次に図５（ｂ）のようにバリア層１０４と銅１０５をスパッタ法およびめっき法により全面に堆積する。次に図５（ｃ）のように研磨装置を用いて銅１０５を研磨する。次に図５（ｄ）のように研磨装置を用いてバリア層１０４を研磨して配線を完成させる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−５６０１４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の研磨方法では、図６（ａ）に示すようにバリア層１０４を研磨するときにスラリー中に含まれる異物やウェハ上に存在する異物が研磨パッドに引きずられて配線溝１０３に埋め込まれた銅１０５をひっかいてえぐり出す。このとき、配線溝１０３からはみ出した銅１０６により隣接する銅配線とブリッジ（短絡）を起こすという課題があった。図６（ｂ）に図６（ａ）を上から見た図を示す。矢印は研磨終了時の研磨パッド走査方向１０７である。このはみ出した銅１０６によるブリッジは研磨中に生成と消滅を繰り返している。すなわち研磨中にブリッジが発生しても、はみ出した銅１０６は一定時間研磨されると消滅する為、最終的には研磨終了直前に発生したブリッジのみが、実際のブリッジとして残る。また、ブリッジの発生の頻度は配線のレイアウトにも大きく依存する。半導体装置、大規模集積回路の種類は大きくＳＲＡＭやＤＲＡＭやＲＯＭなどのメモリー類と、ランダムロジックとに分けられ、近年ではランダムロジックとメモリーを同時に搭載することが主流になっている。例えば、メモリーの配線を例にとると、多層配線で構成されるが、配線層毎にビット線、ワード線等の役割が分かれており、その配線のレイアウトは主に縦方向、若しくは主に横方向という方向性を有する。そして、例えばビット線とワード線の方向性は通常お互いに対して垂直である。例えば、図７にウェハの一部分を上方からみたある種のメモリーのビット線を含む配線の一部を示す。絶縁膜１０２に形成された銅１０５は、縦方向のみであり、すべての配線の間隔は一定と仮定し配線の対向長を考えると横方向の対向長が縦方向の対向長より１０倍以上長い。銅のはみ出しによるブリッジは研磨パッドの走査方向に沿って起こる為、図７のようにレイアウトが縦方向に形成された配線の場合、研磨パッドの走査方向が横方向のときに最もブリッジが多く発生する。すなわち研磨パッドの走査方向が４５度傾けば、実効的な配線間分離幅は約１．４倍に、６０度傾けば２倍に、７０度傾けば約３倍と長くなり例え銅配線がえぐられて銅１０５がはみ出したとしても隣接配線とブリッジするまでには至らなくなる。
【０００５】
そこで、配線レイアウトがある一定方向にのみ向いていると仮定し、研磨時間とブリッジ頻度の関係について図８を用いて説明する。直進式の研磨パッドを有する研磨装置でウェハを回転させながら研磨した場合の研磨時間１２１を横軸に、縦軸にブリッジの発生頻度をとり、新規発生ブリッジ数１２２、合計ブリッジ数１２３をグラフ１３１に示す。また、各時間における研磨パッドの走査方向１２６に対するウェハの向き１２７を示し、そのパッドの走査方向１２６とウェハの向き１２７との角度θを取り横軸に研磨時間１２１、縦軸にｓｉｎθをとったグラフ１３２を示す。
【０００６】
研磨前半に発生したブリッジは最後までは残らない為、図８では研磨時間後半の部分のみを表示している。新規発生ブリッジ数１２２は配線の方向と研磨パッドの走査方向１２６が垂直になった時、すなわちｓｉｎθが１の時に最も多くなりｓｉｎθが０のときに最も少なくなる。もし、研磨終了時１２５におけるウェハの向きが研磨パッドと平行でない場合は、合計ブリッジ数が多くなる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の半導体基板の研磨方法は、半導体基板上の絶縁膜に配線溝を形成する工程（ａ）と、前記半導体基板上に金属を堆積させ前記配線溝に前記金属を埋め込む工程（ｂ）と、前記工程（ｂ）の後に前記半導体基板表面を前記半導体基板を回転させながら研磨する工程（ｃ）と、前記工程（ｃ）の後に前記配線溝の形成された方向に前記半導体基板を研磨する工程（ｄ）とを有することを特徴とする。
【０００８】
本構成においては、研磨方向を配線溝方向と同じにすることで、隣接する配線溝同士がブリッジすることを抑制できる。
【０００９】
また、前記工程（ｄ）において前記半導体基板を研磨する方向は、前記配線溝の形成された方向に対し２０度以内に固定されることを特徴とする。
【００１０】
本構成においては、配線溝方向と研磨方向の間で角度をもたせることで、異物がパッドに引きずられることにより発生する長い傷を防ぐことが出来る。
【００１１】
また、前記工程（ｄ）において前記半導体基板を研磨する方向は、前記配線溝の形成された方向に対し２０度以内で変動することを特徴とする。
【００１２】
本構成においては、振動させることで配線に深い傷が入りスラリーがその傷に埋め込まれることを防ぐことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず使用する研磨装置について簡単に説明する。研磨パッドの動作という観点では２種類の研磨装置に分けられる。１つは研磨パッド形状が円盤状で回転して研磨するタイプであり、もう一つは研磨パッドがベルトである直進式の研磨パッドを有するタイプである。本発明においては直進式の研磨パッドを有する研磨装置を使う必要があり、回転式研磨パッドを有する研磨装置では実施不可能である。ここで、簡単に直進式の研磨パッドを有する研磨装置の概要を簡単に説明する。
【００１４】
図１に示すようにローラー１が回転することにより研磨パッド２が直進的に走査される。アーム７で支持されたウェハキャリア４は、ウェハ３の研磨する面を研磨パッド２に対向するように保持する。さらに、ウェハキャリア４は、ウェハ３面内における研磨速度を均一にするように回転しながらウェハ３の研磨を行う。この研磨パッド２とプラテン５はスラリー８に応じたものを選択し研磨を行う。
【００１５】
次に研磨を行う工程について図２を参照しながら説明する。
【００１６】
図２（ａ）に示すように、半導体基板１１上に形成された絶縁膜１２に配線溝１３を形成する。そして、スパッタ法によりバリア層１４を形成し、さらにスパッタ法とメッキ法により銅１５を堆積させる。
【００１７】
次に図２（ｂ）に示すように、バリア層１４が露出するまで銅１５をＣＭＰにより研磨する。
【００１８】
次に図２（ｃ）に示すように、バリア層１４と銅１５を絶縁膜１２が露出するまで研磨し、銅配線を形成する。このとき、前工程の銅１５の研磨とバリア層１４の研磨において発生するブリッジの原因となる研磨キズを除去する。
【００１９】
以上、本発明の半導体装置の研磨方法に必要な装置とウェハについて説明をした。
【００２０】
次に本発明の半導体装置の研磨方法について詳細に説明を行う。ブリッジは研磨終了直前に発生したもののみが最後に残る。よって研磨終了直前に新たなブリッジを発生させなければ、それまでに発生したブリッジも研磨され消滅する為、最終的に残るブリッジはなくなる。銅配線の研磨の場合、銅とバリア層を異なるスラリーで研磨する必要がある為、別のプラテンと研磨パッドを使うが、銅の研磨時にブリッジが発生しても、次のバリア層の研磨時には確実に消滅するので銅の研磨時の発生するブリッジは対策する必要はなく、バリア層の研磨時にのみ対策を考える必要がある。また多くの場合、半導体装置の多層配線のレイアウトを１層ごとに見れば、縦か横かどちらかに走る配線が顕著に多い。これらを考慮して、直進式研磨パッドを有する研磨装置で研磨する場合に、研磨終了直前までは、従来通り、研磨速度の面内均一性を得るために、ウェハを回転させながら研磨させ、研磨終了直前に、主となる配線の方向と研磨パッドの走査方向が平行になるようにウェハの回転を止めて研磨することで、新たなブリッジの発生を抑えつつ、ウェハの回転を止めるまでに発生したブリッジを研磨することにより、無くすことができる。ウェハを回転させて研磨する時間とウェハの回転を止めて研磨する時間の配分は３：１〜１０：１が目安である。
【００２１】
ここで、図３のグラフ３１において横軸に研磨時間２１を取ったときの新規発生ブリッジ数２２、合計ブリッジ数２３を示す。また、研磨パッド走査方向２６に対するウェハの向き２７および研磨パッド走査方向２６とウェハの向き２７の角度θに対する正弦関数波形のグラフ３２を示す。ウェハの回転を止めて（２９）以降、新規発生ブリッジ数２２はゼロで最終的残存ブリッジ数２４もゼロである。ここで実際に上記のような研磨を行う場合の、装置における設定を考える。銅配線を想定し銅の研磨が終わった後のバリア層の研磨においてウェハの回転速度を５ｒｐｍ、トータルの研磨時間を６０秒とし、そのうちウェハを回転させながらの研磨時間を５４秒、ウェハの回転を止めてからの研磨時間を６秒と仮定すると、ウェハの回転が止まるまでウェハは５．５回転することとなる。ウェハは０．５回転、１８０度回転して向きが変わっても、配線の方向は同じとなる。よって、この場合には、バリア層の研磨開始時に配線の主方向と研磨パッドの走査方向を平行としておくことで、ウェハが５４秒後に５．５回転したときに配線の主方向と研磨パッドの走査方向は平行となる。そして、この状態でウェハの回転を止めて６秒間研磨することとなる。また、ウェハの回転速度を５ｒｐｍ、トータル研磨時間を６３秒、ウェハの回転を止めてからの研磨時間を６秒とすると、バリア層研磨開始時には配線の主方向と研磨パッドの走査方向は直角にする必要がある。研磨時間、ウェハの回転速度が同じで配線の主方向が９０度異なる場合は、バリア層研磨開始時のウェハの向きを９０度変えることで、ウェハの回転を止めたときに配線の主方向と研磨パッドの走査方向が一致する。パラメータとして、ウェハの回転速度、研磨トータル時間、ウェハの回転を止めてからの研磨時間が決まれば、バリア層研磨開始時のウェハの角度が逆算で求まる。装置側の制御装置にこれらのパラメータを入れれば、バリア層研磨開始時のウェハの角度を装置が計算し、バリア層研磨開始前にウェハキャリアを回転させる機能を持たせることで簡単に上記の操作は実現できる。またウェハの回転を止める時の方向であるが、今説明したように、主となる配線方向と研磨パッドの走査方向を完全に平行にした場合、研磨装置の状態、設定によってはブリッジは発生しないものの異物がパッドに引きずられ長い配線上を走り続け、長い傷をつけるという現象が発生する場合がある。よって完全に平行でなく若干の角度をつけた状態でウェハの回転を止めて研磨した方が良い結果が得られる時もある。その若干の角度であるが２０度以下であれば新たなブリッジの発生をほぼ抑制できる。傷の長さについては例えば角度を２０度にして回転を止めたときには０．１μｍ幅の配線上において０．１μｍ／ｓｉｎ２０°≒０．３μｍの長さに抑えられる。
【００２２】
また、ウェハの回転を止めずにある一定の振幅で研磨してもよい。というのは、研磨終了直前にウェハの回転を止めて研磨した場合に銅配線に一定方向の深い傷が入りそこにスラリーが埋め込まれて後洗浄でも除去されず、配線信頼性の低下を起こすことがある。そこで、研磨終了直前に、ウェハの回転を止めずに主となる配線方向に対して研磨パッドが平行な状態に対してウェハをある角度の範囲で両方向に小さく往復回転運動をさせながら研磨することで配線に深い傷が入りスラリーが埋め込まれることを防ぐことができる。その角度の範囲は、±５度以上２０度以下が望ましい。図４において、横軸に研磨時間２１を取ったときの新規発生ブリッジ数２２、合計ブリッジ数２３をグラフ３３に示す。また、研磨パッドの走査方向とウェハの向きの角度θに対する正弦関数波形をグラフ３４に示す。研磨終了直前に研磨パッドの走査方向と配線の主方向が平行になった時間、すなわちｓｉｎθが０になった時間をウェハ小振幅往復回転運動の開始時間３０とすることでそれ以降の新規発生ブリッジ数２２をゼロに抑えつつウェハに小さな振幅回転を持たせつつ研磨することで特定方向の深い傷を防ぐことが出来る。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように直進式の研磨パッドを有する研磨装置を用いて研磨終了直前にウェハ上に形成された配線溝の方向に研磨することにより、配線ブリッジを大幅に低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に用いる直進式研磨パッドを有する研磨装置の概念図
【図２】本発明の実施の形態におけるプロセスフローを示す断面図
【図３】本発明の実施の形態における研磨時間とブリッジ頻度を示す図
【図４】本発明の実施の形態における研磨時間とブリッジ頻度を示す図
【図５】従来技術におけるプロセスフローを示す断面図
【図６】従来技術におけるブリッジ箇所の断面図
【図７】半導体基板上に形成された配線の方向性を示す平面図
【図８】従来技術における研磨時間とブリッジ頻度を示す図
【符号の説明】
１  ローラー
２  研磨パッド
３  ウェハ
４  ウェハキャリア
５  プラテン
７  アーム
８  スラリー
１１  半導体基板
１２  絶縁膜
１３  配線溝
１４  バリア層
１５  銅
２１  研磨時間
２２  新規発生ブリッジ数
２３  合計ブリッジ数
２４  最終残存ブリッジ数
２５  研磨終了時間
２６  研磨パッド走査方向
２７  ウェハの向き
２９  ウェハ回転ストップ時間
３０  開始時間
１０１  半導体基板
１０２  絶縁膜
１０３  配線溝
１０４  バリア層
１０５  銅
１０６  はみ出した銅
１０７  研磨パッド走査方向
１２１  研磨時間
１２２  新規発生ブリッジ数
１２３  合計ブリッジ数
１２５  研磨終了時
１２６  研磨パッド走査方向
【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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