(57)【要約】【課題】本発明は、安定して研磨を行うことができる研磨装置を提供することを目的とする。【解決手段】研磨パッドが取り付けられる研磨定盤と、被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを具備し、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、前記研磨パッド中もしくは前記研磨パッドと前記研磨定盤との間に流体を通流させる流体通流手段を有し、前記流体により前記研磨パッドの温度を制御することを特徴とする。【選択図】      図１３
2004243518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨パッドが取り付けられる研磨定盤と、被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを具備し、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、
前記研磨パッド中もしくは前記研磨パッドと前記研磨定盤との間に流体を通流させる流体通流手段を有し、前記流体により前記研磨パッドの温度を制御することを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
研磨パッドが取り付けられる研磨定盤と、被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを備え、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、
前記研磨パッドに押圧されて接触するダミー被研磨体と、
前記研磨パッドと前記ダミー被研磨体を相対的に動かすように前記ダミー被研磨体を支持する支持手段と、
前記支持手段に加わる負荷もしくは前記支持手段に通電される電流を監視する監視手段と
を具備することを特徴とする研磨装置。
【請求項３】
研磨パッドが取り付けられる研磨定盤と、被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを備え、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして研磨剤により前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、
前記研磨パッドの劣化状況を監視する手段と、
前記研磨剤の温度、前記研磨剤のｐＨ、前記被研磨体を前記研磨パッド上に押圧する際の押圧力、または前記研磨定盤もしくは前記被研磨体保持手段の相対的運動における負荷を監視する手段と、
前記研磨パッドの劣化状況に対応する研磨速度の情報と、監視された前記研磨剤の温度、前記研磨剤のｐＨ、前記被研磨体を前記研磨パッド上に押圧する際の押圧力、または前記研磨定盤もしくは前記被研磨体保持手段の相対的運動における負荷の情報とを用いて演算を行う演算手段と、
前記演算手段により得られた情報に基づいて研磨処理を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする研磨装置。
【請求項４】
研磨パッドが取り付けられる研磨定盤と、被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを具備し、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、
前記研磨パッドの研磨面には凹凸が加工形成されており、そのエッジ部が曲面で構成されることを特徴とする研磨装置。
【請求項５】
研磨パッドが取り付けられる研磨定盤と、被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを備え、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして研磨剤を供給することにより前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、
少なくとも前記被研磨体の前記被研磨面が前記研磨剤により被覆された状態に保持されるように前記研磨剤を収容する研磨剤収容手段を具備することを特徴とする研磨装置。
【請求項６】
研磨パッドが取り付けられる研磨定盤と、被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを具備し、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、
前記研磨パッドは、前記被研磨体あるいは前記被研磨体保持手段を収容する溝部を有することを特徴とする研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＳＩの多層化された金属配線構造の形成に必要となる層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、および埋め込み金属配線の形成に用いられる研磨装置および研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩの高集積化、高性能化のために様々な微細加工技術が研究、開発されている。この研究・開発において、化学的機械的研磨方法（ケミカルメカニカルポリッシング、以下ＣＭＰと省略する）が注目されている。ＣＭＰは、研磨剤と被研磨体との間の化学的作用と、研磨剤中の研磨粒子の機械的作用とを複合化させた研磨技術であり、被研磨面に形成される変質層が小さく、研磨速度が速いという特徴を有することから、半導体装置製造プロセス、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、埋め込み金属配線形成において必須の技術となっている。
【０００３】
以下、現在ＣＭＰに一般的に用いられている研磨装置および研磨方法について説明する。従来から、研磨装置には、シリコン基板の鏡面研磨等に用いられている研磨装置をＬＳＩプロセスに適用できるように、例えば、基板の洗浄装置、研磨粒子がクリーンルーム内に飛散しないようにする気流制御装置、スループットを向上させるための搬送機構を備えたものが使用されている。
【０００４】
図１は研磨装置を示す概略図である。図中１は被研磨体保持手段であるトップリングを示す。このトップリング１は図示しないモータ等の駆動機構に接続されており、この駆動機構により上下方向に移動可能であり、また回転可能になっている。また、トップリング１には、トップリング１に荷重Ｗを付加するエアシリンダ機構（図示せず）が設けられている。トップリング１には、真空チャックによりゴム等の弾性部材３を介して被研磨体２が保持されている。トップリング１の下方には、研磨定盤４が配置されており、研磨定盤４の上面には、弾性を有する研磨パッド５が貼着されている。この研磨定盤４は駆動機構（図示せず）により回転可能になっており、冷却水を循環させる冷却機構が設けられている。また、研磨定盤４よりも上方には、研磨剤６を研磨パッド５上に供給する研磨剤供給管７が設置されている。なお、研磨パッド５の材料としては、一般的に弾性がある不織布、発泡ポリウレタン等が用いられている。
【０００５】
上記構成を有する研磨装置において、被研磨体２をトップリング１で保持し、駆動機構によりトップリング１および研磨定盤４を回転させ、トップリング１を下方に降下させて、弾性部材３を介して被研磨体２を研磨パッド５に一定の荷重Ｗで押し付ける。この状態で研磨剤供給管７の吐出部８から研磨剤６を研磨パッド５上に供給することにより研磨が行われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した研磨装置および研磨方法を層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、埋め込み金属配線形成等のＬＳＩプロセスに適用する場合、被研磨体の面内均一性、平面精度等が不充分である。また、装置管理に費やす時間が長く、非効率的である。
【０００７】
例えば、上述した構造のトップリング、研磨パッドでは、研磨中に発生する摩擦熱を良好に逃がすことができず、被研磨体の温度が上昇してディッシング（埋め込み金属配線形成の際の溝中の金属配線の厚さ減少）やシニング（層間絶縁膜の平坦化の際の層間絶縁膜の過剰な削り込み）が生じる問題がある。特に、ＣＭＰは、研磨において化学的作用を利用しているので摩擦熱により被研磨体の温度が上昇すると研磨速度が非常に速くなり、ディシング、シニングの発生が顕著になり、研磨プロセスを制御することができなくなる恐れがある。特に、被研磨体を連続して多数研磨した場合、摩擦熱が蓄積するために研磨速度の変化、ディッシング量、シニング量が大きくなる。このように研磨プロセスにおいて、ディッシングやシニングが起こると、被研磨体の面内均一性が悪くなり、研磨にバラツキが生じる。これにより、歩留りが悪くなる。
【０００８】
一方、上述したような弾性を有する研磨パッドにおいては、研磨の際に弾性変形を起こし、被研磨体にディッシングやシニングが生じることがある。また、弾性を有する研磨パッドでは、研磨剤中の研磨粒子の保持にバラツキが生じ、これにより研磨速度にバラツキが生じる。したがって、被研磨体の面内均一性が悪くなり、研磨にバラツキが生じ、歩留りが悪くなる。
【０００９】
近年、硬質プラスチック等を用いた比較的硬い材料からなる研磨パッドを使用することが検討されているが、この研磨パッドでは、弾性変形が小さいために被研磨体の厚さのバラツキを許容できず、被研磨体の厚さ分布のバラツキが被研磨体の面内荷重分布のバラツキに直結し、研磨速度の面内均一性をさらに悪化させる問題がある。さらに、この研磨パッドは、比較的硬いので、研磨粒子を充分に保持することができず、研磨速度が非常に遅くなる問題がある。また、この研磨パッドに使用される硬質プラスチックは、熱伝導率が非常に低く、硬度が高いので、摩擦熱の放熱や被研磨体の傷付きの防止の点においても不利である。
【００１０】
一方、研磨プロセスにおける終点は、研磨パッドの状態で変わるので、多数の被研磨体を研磨する間に終点検出が非常に難しくなる。したがって、被研磨体間で研磨のバラツキが起こるという問題がある。このような場合に、研磨プロセスの終点を正確に検出できる方法や研磨パッドの交換時期を確認する方法等が望まれる。
【００１１】
上述した問題があると、多数の被研磨体に対する研磨プロセスを安定化させることができない。
【００１２】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、研磨プロセスを安定化させる研磨装置および安定して研磨を行うことができる研磨方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の発明は、研磨パッドが取り付けられる研磨定盤と、被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを具備し、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、前記研磨パッド中もしくは前記研磨パッドと前記研磨定盤との間に流体を通流させる流体通流手段を有し、前記流体により前記研磨パッドの温度を制御することを特徴とする研磨装置を提供する。
【００１４】
第１の発明において、流体通流手段としては、流体を循環させるように構成された流体供給手段および流体排出手段、例えば、研磨パッドに設けられた流体供給管および流体排出管が挙げられる。
【００１５】
このような研磨パッドとしては、上下に貫通する孔あるいは溝により流体供給管および流体排出管を形成する一体成形型研磨パッド、または溝を有する複数の分割された部材を有し、溝部を組み合わせることにより流体供給管および流体排出管を形成する分割型研磨パッド等を用いることができる。
【００１６】
第１の発明においては、研磨パッドと研磨定盤との間および研磨パッド内の少なくとも１箇所に研磨パッドの材料よりも高い熱伝導率を有する材料からなる部材を介在させることが好ましい。
【００１７】
第１の発明によれば、研磨パッド内に流体を循環させることにより、研磨中に研磨パッドを冷却することができ、被研磨体の温度を制御（温度維持）することができる。これにより、研磨速度を安定化させることができる。また、研磨パッドの材料よりも高い熱伝導率を有する材料からなる部材を介在させることにより、研磨による摩擦熱を良好に研磨定盤に逃がすことができ、ディッシングの抑制、研磨速度の安定化を促進することができる。
【００１８】
本発明の第２の発明は、研磨パッドが取り付けられる研磨定盤と、被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを備え、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、前記研磨パッドに押圧されて接触するダミー被研磨体と、前記研磨パッドと前記ダミー被研磨体を相対的に動かすように前記ダミー被研磨体を支持する支持手段と、前記支持手段に加わる負荷もしくは前記支持手段に通電される電流を監視する監視手段とを具備することを特徴とする研磨装置を提供する。
【００１９】
また、本発明の第２の発明は、研磨パッドが取り付けられる研磨定盤と、被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを備え、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして研磨剤により前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、前記研磨パッドの劣化状況を監視する手段と、前記研磨剤の温度、前記研磨剤のｐＨ、前記被研磨体を前記研磨パッド上に押圧する際の押圧力、または前記研磨定盤もしくは前記被研磨体保持手段の相対的運動における負荷を監視する手段と、前記研磨パッドの劣化状況に対応する研磨速度の情報と、監視された前記研磨剤の温度、前記研磨剤のｐＨ、前記被研磨体を前記研磨パッド上に押圧する際の押圧力、または前記研磨定盤もしくは前記被研磨体保持手段の相対的運動における負荷の情報とを用いて演算を行う演算手段と、前記演算手段により得られた情報に基づいて研磨処理を制御する制御手段とを具備することを特徴とする研磨装置を提供する。
【００２０】
第２の発明の研磨装置において、ダミー被研磨体の材料としては、被研磨体と同種の材料であることが好ましい。例えば、層間絶縁膜の平坦化の場合には、ダミー被研磨体の材料として層間絶縁膜と同一の材料であるＳｉＯ2 あるいはポリイミド等の高分子材料を用いることができる。また、層間絶縁膜の材料が硼素（Ｂ）あるいは弗素（Ｆ）等を不純物として含むＳｉＯ2 の場合には、ダミー被研磨体の材料として同一の材料または溶融石英等を用いことができる。一方、埋め込み金属配線形成の場合には、ダミー被研磨体の材料として金属配線材料と同一の金属、その金属を主成分とする合金、金属配線材料と層間絶縁膜材料との化合物や混合物、あるいは金属配線材料とほぼ同一の硬度を有する他の金属材料等を用いることができる。なお、ダミー被研磨体の材料は、被研磨体の材料を主成分としなくてもよく、実際に研磨パッドの劣化を検知するために適切な材質であり、しかも被研磨体の研磨速度と研磨パッド等の冶具の監視値とを関連づけられるものであればよい。
【００２１】
このダミー被研磨体に加える荷重および回転数は、研磨パッドの状況変化が詳細に把握できる条件を選択する。したがって、被研磨体を保持する被研磨体保持手段に加える荷重および回転数と同じに設定する必要はない。また、ダミー被研磨体の大きさも被研磨体と同じに設定する必要はなく、研磨パッドの状況変化がトルクや通電電流の変化により詳細に把握することができれば特に制限はないが、ダミー被研磨体の研磨により研磨パッドが劣化しないように、できるだけ被研磨体よりも小さいことが望ましい。
【００２２】
第２の発明において、ダミー被研磨体の監視は、被研磨体が研磨パッドと実際に接触する部分で行われる必要があり、被研磨体保持手段が揺動するタイプの場合には、この揺動範囲内で研磨中常時監視してもよく、被研磨体の交換時に定期的に行ってもよい。この監視は、ダミー被研磨体を回転させる回転手段に加わる負荷（荷重）もしくは回転手段に通電される電流について行う。なお、ダミー被研磨体を支持しながら回転させる回転手段としては、被研磨体保持手段に採用される機構等を用いることができる。また、回転手段に加わる負荷（荷重）や回転手段に通電される電流を監視する監視手段としては、ロードセルや通常の電流計等を挙げることができる。
【００２３】
このようなダミー被研磨体を用いた監視機構を設けることにより、研磨パッドの劣化による被研磨体保持手段あるいは研磨定盤のトルクの変動が、実際の研磨終点に起因するものであるか、研磨パッドの劣化に起因するものであるかを正確に知ることができ、研磨終点の検知を容易にすることができる。これにより、製品の歩留りを向上させることができ、研磨パッドの交換時期あるいはドレッシング時期を正確に決定することができる。
【００２４】
また、第２の発明の研磨装置において、研磨剤の温度、研磨剤のｐＨ、被研磨体を研磨パッド上に押圧する際の押圧力、または定盤もしくは被研磨体保持手段の回転における負荷を監視し、その値があらかじめ設定された値を超えたときに被研磨体の研磨を終了させる場合には、例えば研磨定盤や被研磨体保持手段の駆動機構や被研磨体保持手段に負荷を加える機構と電気的に接続された制御手段を設け、監視された研磨剤の温度・ｐＨ、押圧力、または回転負荷の情報に基づいて研磨を制御する。研磨を制御する場合、研磨パッドあるいは研磨剤の温度、研磨剤のｐＨ、押圧力、または回転負荷と研磨速度との間の関係をあらかじめ求めておき、時間積分の形で研磨終点までの値を演算し、この値と、研磨パッドあるいは研磨剤の温度、研磨剤のｐＨ、押圧力、または回転負荷が変化したときまでの時間とを比較して被研磨体が所望の厚さまで研磨されたかどうかを判断する。このような制御をすることにより、正確な研磨終点を決定することができ、歩留りを向上させることができる。
【００２５】
さらに、上記制御においては、ダミー被研磨体を用いた監視機構を組み合わせて行ってもよい。すなわち、あらかじめ研磨パッドの劣化による被研磨体保持手段あるいは研磨定盤のトルクの変動と研磨速度との関係を求めておき、研磨パッドの劣化の状況を考慮しながら上記制御を行ってもよい。このようにすることにより、安定した研磨を実現すると共に、非常に正確な終点検出が可能となり、ＣＭＰにおける製品の歩留りを向上させることができる。
【００２６】
なお、本発明の第２の発明においては、研磨パッドは、弾性を有するいわゆる軟質研磨パッドを用いてもよく、硬質プラスチック等からなるいわゆる硬質研磨パッドを用いてもよい。
【００２７】
本発明の第３の発明は、研磨パッドが取り付けられる研磨定盤と、被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを具備し、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、前記研磨パッドの研磨面には凹凸が加工形成されており、そのエッジ部が曲面で構成されることを特徴とする研磨装置を提供する。
【００２８】
第３の発明において、被研磨体と接触するエッジ部が曲面で構成されるとは、完全に曲面である必要はなく、被研磨体に傷をつけるような鋭角部を有しないことを意味する。
【００２９】
また、研磨パッドは、研磨剤中に含まれる研磨粒子の平均粒径よりも大きな不純物を含まないことが好ましい。これは、研磨パッドに研磨粒子の平均粒径よりも大きな不純物が含まれていると、被研磨体表面に傷が発生するからである。また、研磨パッドは、研磨の前に金属除去処理が施されていることが好ましい。この金属除去処理は、被研磨体表面に傷を生じる原因となる金属片の除去のために行うものであり、例えば塩酸／過酸化水素水溶液による処理が挙げられる。
【００３０】
また、研磨パッドは、貫通孔を有しており、貫通孔を通して研磨面に研磨剤を供給する構成を有していてもよい。このような構成にすることにより、研磨剤を冷却媒体としても用いることができるので、装置構造を簡単にすることができる。さらに、研磨パッドの研磨面は、研磨面側が比較的硬いもの（例えば硬質プラスチック）であり、非研磨面側が比較的軟らかいもの（例えばゴム等の弾性体）である二層構造である複数の独立した部材から構成されていることが好ましい。このような構成にすることにより、研磨パッドの研磨面が被研磨体の動きに良く追従し、研磨速度の面内不均一性を小さくすることができる。
【００３１】
第３の発明によれば、研磨パッドの研磨面が被研磨体と接触するエッジ部が曲面である凹凸部を有するので、曲面であるエッジ部が被研磨体に傷をつけることを防止し、しかも凹部により研磨粒子を保持して研磨速度の低下を防止する。
【００３２】
また、第３の発明においては、研磨パッドが、研磨剤中に含まれる研磨粒子の平均粒径よりも大きな不純物を含まないこと、研磨パッドが、研磨の前に金属除去処理が施されていることにより、被研磨体に傷をつけることをさらに防止することができる。
【００３３】
また、第３の発明においては、研磨パッドが、貫通孔を有しており、貫通孔を通して研磨面に研磨剤を供給する構成を有していることにより、研磨速度を向上させることができる。さらに、研磨パッドの研磨面が、研磨面側が比較的硬く、非研磨面側が比較的軟らかい二層構造である複数の独立した部材から構成されていることにより、研磨面に存在する突起部分による異常研磨を抑制して、研磨速度の不均一性を小さくすることができる。
【００３４】
本発明の第４の発明は、研磨パッドが取り付けられる研磨定盤と、被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを備え、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして研磨剤を供給することにより前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、少なくとも前記被研磨体の前記被研磨面が前記研磨剤により被覆された状態に保持されるように前記研磨剤を収容する研磨剤収容手段を具備することを特徴とする研磨装置を提供する。
【００３５】
第４の発明において、被研磨体の被研磨面が研磨剤により被覆された状態とは、少なくとも被研磨体の被研磨面が研磨剤中にあることを意味する。
【００３６】
第４の発明によれば、被研磨体を研磨剤中で研磨することにより、研磨パッドに研磨粒子を保持することができ、研磨速度を向上させることができる。
【００３７】
ここで、本発明の第１〜第４の発明において、被研磨体保持手段としては、いわゆるトップリングと呼ばれる回転体等を用いることができる。研磨剤供給手段としては、研磨剤供給タンクから研磨剤供給管を介して研磨剤を輸送する機構等を挙げることができる。あるいは、研磨剤を保持した砥石を研磨定盤として用いることもできる。被研磨体としては、シリコン基板、ＴＦＴ−ＬＣＤ用のガラス基板、ＧａＡｓ等の化合物半導体からなる基板等を用いることができる。
【００３８】
本発明の第１〜第４の発明においては、研磨パッドは、少なくとも１ＧＰａのヤング率を有する高分子材料により形成されており、内部に気泡あるいは空孔を含まないもの（気孔径が１０μｍ以下の気泡であれば含んでいてもよい）であることが好ましい。
【００３９】
このような材料としては、例えばウレタンゴム、フッ素ゴム、クロロプレンゴム等の硬質ゴム；ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＶｄＦ（ポリフッ化ビニリデン）等のフッ素樹脂；ポリ塩化ビニル、ＰＶｄＣ（ポリ塩化ビニリデン）、ＰＶＡＣ（ポリ酢酸ビニル）、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等のビニル系樹脂；ポリアミド；ポリアセタール；ポリフェニレンオキシド；ポリカーボネート；アイオノマー；ポリウレタン；ポリエステルエラストマー；ポリスチレン；ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂；ポリ−４−メチルペンテン；ポリメタクリレート；酢酸セルロース等を用いることができる。また、前記樹脂材料は、安定剤、可塑剤等の通常の添加剤が加えられていてもよい。
【００４０】
また、本発明の第１〜第４の発明において、いわゆる硬質研磨パッドは研磨剤を保持した砥石（研磨粒子をフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を結合材として固めて焼結してなるもの）であってもよい。これは、ヤング率が高いので、砥石としても同様な効果が実現できるからである。
【００４１】
本発明の第１〜第４の発明において、研磨パッドは、被研磨体保持手段を許容する溝部を有することが好ましい。このような構成にすることにより、研磨パッドの凹部に研磨粒子を供給することが可能になり、安定した研磨速度を提供できる。
【００４２】
本発明の第１〜第４の発明においては、研磨定盤と被研磨体保持手段を相対的に動かして研磨処理を行う。したがって、研磨処理の際に、研磨定盤と被研磨体保持手段を共に動かしてもよく、研磨定盤と被研磨体保持手段のいずれか一方を固定し、他方のみを動かしてもよい。また、研磨定盤および／または被研磨体保持手段を動かす場合、回転運動させてもよく、揺動運動させてもよい。特に、回転運動させる場合には、その軌道は円でもよく、楕円のような偏心した円でもよい。
【発明の効果】
【００４３】
本発明の研磨装置は、研磨の際に発生する摩擦熱によるディッシングの大幅な抑制、研磨速度の面内均一性の向上、研磨速度の安定性の向上が可能である。また、研磨中の被研磨体に対する傷を極めて少なくすることができる。したがって、ＬＳＩの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、埋め込み金属配線形成において、高い信頼性で安定して研磨処理を行うことができる。
【００４４】
また、本発明の研磨装置は、研磨の際に発生する摩擦熱によるディッシングの大幅な抑制、研磨速度の面内均一性の向上、研磨速度の安定性の向上を可能にすることができる。さらに、研磨パッドの張り替え時期あるいはドレッシング時期を検知することができ、材料の効率的な使用が可能となる。また、正確な研磨終点を予測することが可能となり、半導体製造プロセスにおける加工の正確さを向上でき、さらに歩留りを著しく向上させることができる。
【００４５】
なお、本発明の第１〜第４の発明は、適宜組み合わせて実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明の実施例及び参考例を図面を参照して具体的に説明する。実施例の説明において、図１に示す研磨装置と同様の概略構成についてはその説明を省略する。
【００４７】
（参考例）
図２（Ａ）は本発明の参考例に係る研磨装置のトップリングを示す断面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のトップリングの被研磨体保持面側から見た平面図である。図中１１はＳＵＳ製のトップリングを示す。トップリング１１は、トップリングを昇降させる駆動機構、トップリング１１に荷重を加えるエアシリンダ機構と連結した回転軸部１１ａと、被研磨体を保持する保持部１１ｂとから主に構成されている。なお、回転軸部１１ａと保持部１１ｂは一体的に形成されている。保持部１１ｂの内部には、空隙部１２が設けられており、冷却水や冷却ガスを供給する冷媒供給管１３およびトップリング内を流れた流体を排出する冷媒排出管１４と連通している。保持部１１ｂには、被研磨体を収容する収容部１５が設けられており、収容部の底面には、空隙部１２と連通する連通孔１６が形成されている。この連通孔１６は、図２（Ｂ）に示すように、収容部１５の底面の中央部において３方に延出した形状である被研磨体加圧用の長孔１６ａと、長孔１６ａを取り囲むように形成された冷媒循環用の複数の丸孔１６ｂとから構成されている。また、図３に示すように、収容部１５と被研磨体１７との間から冷媒が漏洩しないようにゴム製のシールリング１８を設けてもよい。
【００４８】
冷媒は、トップリング２１、真空源２２、温度調整機（チラー）２３、冷媒圧源２４（ポンプ）、および圧力調整機２５を図４（Ａ）に示すように連結することにより循環させる。なお、トップリング２１、真空源２２、温度調整機（チラー）２３、冷媒圧源２４（ポンプ）、および圧力調整機２５を図４（Ｂ）に示すように連結してもよい。
【００４９】
次に、上記トップリングを有する研磨装置を用いてＣｕの埋め込み配線を形成する方法について説明する。
【００５０】
試料としては、図５（Ａ）に示すように、シリコン基板３１上に厚さ１μｍのシリコン酸化膜３２を形成し、このシリコン酸化膜３２の表面に幅０．４〜１００μｍ、深さ０．４μｍの配線用の溝３３を通常のフォトリソグラフィー工程および反応性イオンエッチング工程により形成した後、直流マグネトロンスパッタリング法により厚さ６００ｎｍのＣｕ膜３４を形成してなるものを用いた。
【００５１】
まず、トップリングの冷媒供給管１４から収容部１５を減圧することにより、被研磨体１７である上記試料をトップリング１１に保持させた後、トップリング１１と研磨定盤を互いに回転させた。次いで、トップリング１１を降下させて研磨パッド上に試料を接触させた。
【００５２】
次いで、温度調整機（図示せず）により１４℃±１℃に温度制御された水を冷媒供給管１３から注入し、同時にトップリング内を流れた水を冷媒排出管１４から排出して図４（Ａ）または図４（Ｂ）に示す順で水を循環させた。さらに、冷媒排出管１４に設けた圧力調整弁（図示せず）を調整して、半導体ウエハを２８０ｇｆ／ｃｍ2 の面荷重Ｗで研磨パッドに押圧した。このとき、トップリングの収容部１５の底面に形成された長孔１６ａは、３方に延出した形状であるので半導体ウエハを面内において均等に押圧することができる。このようにして研磨を開始する。このとき、水がトップリングを押し上げる圧力よりも、トップリングに加える荷重を高くしておくことにより、トップリングから漏れる水を少なくすることができる。この研磨においては、半導体ウエハの表面温度を１４℃±３℃に制御することができる。この状態で研磨剤を供給することにより研磨を行った。
【００５３】
なお、研磨パッドは、硬質樹脂（熱伝導率が０．０８〜０．３４であるポリ塩化ビニル）製であり、研磨面には深さ１ｍｍ、幅２ｍｍの溝が格子状に設けられたものを用いた。また、研磨剤には、グリシン／過酸化水素／ベンゾトリアゾール水溶液とコロイダルシリカとを混合したものを用いた。研磨定盤は、その内部に冷媒を循環させる機構が設けられており、冷媒（水）を循環させることにより１４℃±１℃に維持した。また、研磨パッドも冷却できるように冷却機構を設けた。
【００５４】
上記のように研磨を行った試料は、図５（Ｂ）に示すように、１００μｍ幅の広い凹部でのＣｕのディッシング量が５０ｎｍに抑制できた。一方、比較のため、トップリングに冷媒を循環させないで上記試料を研磨した場合、図５（Ｃ）に示すように、１００μｍ幅の広い凹部でのＣｕのディッシング量が３００ｎｍ（ｄ）であった。
【００５５】
図６は、本発明の参考例に係る研磨装置を用いて上記試料を研磨した時のディッシング量を配線幅依存性および研磨速度の面内均一性（最大速度−最小速度）／（最大速度＋最小速度）を示すグラフである。図６から分かるように、トップリングの温度制御を行うことにより、ディッシング量が抑制でき、研磨速度の面内均一性が向上する。トップリングの温度制御に加えて研磨パッドの温度制御を行うことにより、さらに、ディッシング量が抑制でき、研磨速度の面内均一性が向上する。このように、本発明の第１の発明によれば、研磨速度の経時変化がなく安定したＣＭＰが可能となる。
【００５６】
本参考例においては被研磨体としてＣｕを用いているが、少量の不純物が含まれているＣｕや、Ｃｕ以外の金属、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｗやこれらの合金、またはシリコン酸化物、Ｂ、Ｐ、Ｆ等の不純物を含むシリコン酸化物を被研磨体として使用しても同様に優れた効果が得られた。また、研磨粒子として、コロイダルシリカ以外の研磨粒子、例えばアルミナ、酸化セリウム等を用いても上記と同様の効果が得られた。また、研磨パッドの代わりに、シリカ粒子、アルミナ粒子、酸化セリウム粒子を保持した砥石を用いても同様の効果が得られた。
【００５７】
また、本参考例においてはトップリングの収容部で直接被研磨体を保持しているが、上記収容部の底面に弾性体を介して被研磨体を保持するようにしてもよい。さらに、本参考例においては被研磨体を真空チャックを用いてトップリングに保持させているが、ワックス等を用いて被研磨体を接着して保持してもよい。また、本参考例においてはトップリング内にポンプにより冷媒を循環させているが、トップリング内に温度制御機構を設けることにより、冷媒を循環させる機構を省略することもできる。
【００５８】
さらに、本参考例においては、トップリングと研磨パッドを互いに回転させて研磨を行っているが、図７に示すように、被研磨体４１を真空チャック４２を用いて温度制御機構４３を有する研磨定盤４４に固定し、冷媒を循環させる機構を有するトップリング４５で研磨パッドを保持してトップリング４５だけを回転、移動させて被研磨体を研磨してもよい。
【００５９】
（実施例１）
実施例１および２は、本発明の第２の発明にかかる実施例である。
【００６０】
図８は本発明の第２の発明に係る研磨装置を示す概略図である。図中５１は回転可能な研磨定盤を示す。研磨定盤５１上には研磨パッド５２が取り付けられている。この研磨定盤５１の上方には、被研磨体５３を支持したトップリング５４が配置されている。このトップリング５４には、トップリング５４を昇降させ、回転させるモータ等の駆動手段５９が接続されている。また、トップリング５４には、研磨の際に荷重Ｗ1 が加えられて被研磨体５３を研磨パッド５２上に押圧するように構成されている。
【００６１】
また、トップリング５４の側方であって研磨定盤５１の上方には、ダミー被研磨体であるＣｕ塊５５が配置されている。このＣｕ塊５５には、Ｃｕ塊５５を昇降させ、回転させるモータ等の駆動手段５８が接続されている。また、Ｃｕ塊５５には、研磨の際に荷重Ｗ2 が加えられてＣｕ塊５５を研磨パッド５２上に押圧するように構成されている。なお、この駆動手段５８には、回転トルクを監視できるトルクモニタ５６および駆動手段５８に通電される電流を監視できる電流モニタ５７が内蔵されている。さらに、研磨剤を研磨パッド５２上に供給するための研磨剤供給管６０が配置されている。
【００６２】
上記構成を有する研磨装置において、シリコン基板上にスパッタリングにより成膜した厚さ８０００オングストロームのＣｕ膜を用いて、Ｃｕ膜を研磨しながら研磨パッドの状態に応じたトルク変動および通電電流変動とＣｕ膜の研磨速度との関係を詳細に調べた。なお、Ｃｕ膜の研磨は、以下の条件で行った。
【００６３】
研磨圧力 ：３００ｇ／ｃｍ2トップリング回転数：６０ｒｐｍ研磨定盤回転数 ：６０ｒｐｍ研磨温度 ：２５℃研磨剤供給量 ：５０ｃｃ／分また、研磨剤としては、グリシン０．２ｇ、過酸化水素（３５％）４０ｍｌ、純水１１０ｍｌ、コロイダルシリカ（平均粒径３０ｎｍ）８．８ｇを混合してなるものを用いた。研磨パッドとしては、ＳＵＢＡ８００（ロデール社製、商品名）を用いた。
【００６４】
一方、Ｃｕ塊５５にＷ2 として３００ｇ／ｃｍ2 の荷重を加え、回転数を一定に保つために必要な電流値（トルク）を測定した。また、図９に示すように、研磨定盤５１上の研磨パッド５２にＣｕ塊５５をＷ3 として３００ｇ／ｃｍ2 の荷重を加えて、研磨定盤５１の回転のほぼ接線方向に摺動できるようにし、このＣｕ塊５５に研磨中に作用する動摩擦力を摩擦力モニタ６１により測定した。なお、Ｃｕ塊としては、直径５ｃｍ、厚さ３ｃｍのものを用いた。この電流値（トルク）および動摩擦力を研磨パッドの状態を監視する基準とした。
【００６５】
この研磨条件でのＣｕ膜の研磨速度は約３５０オングストローム／分であった。一つのシリコン基板につき１０分間研磨を行った後、シリコン基板を取り替えて上記と同様にＣｕ膜の研磨を続けた。研磨パッドの劣化による電流値（トルク）および動摩擦力の変化に基づく研磨速度の変化が生じた時に、必要により研磨パッドの回転ブラシによるドレッシングを行った。
【００６６】
図１０は、研磨回数に対する、研磨パッドの劣化の検知のために監視した電流値（トルク）および動摩擦力、並びに研磨後のＣｕの残った膜厚から求めた研磨速度の関係を示すグラフである。また、図１１は、これらの測定結果から求めた電流値（トルク）とＣｕ膜の研磨速度との関係を示すグラフである。図１０および図１１から分かるように、Ｃｕ膜の加工に起因する研磨パッドの劣化により電流値（トルク）および動摩擦力は低下する。また、この電流値（トルク）および動摩擦力の低下と共にＣｕ膜の研磨速度も低下し、しかも研磨パッドの劣化に伴ってＣｕ膜の研磨速度のバラツキが大きくなる。
【００６７】
（実施例２）
上記関係をＣｕ膜の研磨の際に利用してＣｕ膜に対する研磨の終点を検出する場合について説明する。なお、本実施例におけるＣｕ膜の研磨条件は実施例１における条件と同じである。
【００６８】
Ｃｕ膜の研磨中において、電流値（トルク）および動摩擦力の測定値をコンピュータで１秒ごとにサンプリングし、図１１に示す電流値（トルク）あるいは動摩擦力と研磨速度との関係を用いて、サンプリング時間内に研磨されたＣｕ膜の量を計算（積分）することにより、Ｃｕ膜の研磨されている膜厚を推定した。この推定値が加工目標値である４０００オングストロームを超えた時に研磨終点として研磨を停止した。その後、シリコン基板上に残存したＣｕ膜の膜厚から得られた実際の加工膜厚を求めて加工目標値と比較した。この場合、シリコン基板中の研磨速度にはバラツキがあるため、シリコン基板上の特定の点で評価した。
【００６９】
図１２は、上記の結果により得られた、研磨回数に対する、研磨パッドの劣化の検知のために監視した電流値および最終Ｃｕ膜加工厚の関係を示すグラフであり、図１２から分かるように、上記制御を行うことにより、高い精度でＣｕ膜を研磨できる。また、上記制御を行うことにより、研磨パッドの劣化による研磨速度の変化が研磨中に生じても、研磨終点を充分に予測することができる。さらに、第２の発明による監視機構を他の終点検出方法と併用することにより、より高い精度で終点を検出することが可能になる。
【００７０】
（実施例３）
実施例３および４は、本発明の第１の発明にかかる実施例である。
【００７１】
図１３は、本発明の第１の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図である。図中７１は回転可能なＳＵＳ製の研磨定盤を示す。研磨定盤７１上には硬質プラスチック（ポリ塩化ビニル：熱伝導率０．０８〜０．３４）からなる直径約６０ｃｍの円盤状の研磨パッド７２が取り付けられている。研磨パッド７２の研磨面には、深さ１ｍｍ、幅２ｍｍの複数の溝７３が格子状に形成されている。また、研磨定盤７１および研磨パッド７２には、冷媒循環路７４が内挿されており、冷却水等の冷媒（流体）を循環させることにより、研磨パッドの温度調節（温度維持）が可能となっている。この研磨定盤７１に対して、被研磨体を保持したトップリングを下降させることにより被研磨体が研磨パッド７２上に押圧される。
【００７２】
上記構成を有する研磨装置を用いて、Ｃｕ埋め込み配線におけるＣＭＰを行った。研磨剤としては、グリシン、過酸化水素、ベンゾトリアゾール水溶液、およびコロイダルシリカを混合してなるものを用いた。研磨中、研磨パッド７２および研磨定盤７１は、冷媒循環路７４に冷却水を通流させることにより１４℃±１℃に保った。その結果、Ｃｕ配線のディッシングは、図１７に示すような研磨定盤のみを冷却し、研磨パッドを冷却しない従来の研磨装置と比較して大幅に改善された。具体的には、図１９に示すように、１０μｍ幅配線のディッシングは、従来の約１５０ｎｍに対して約２５ｎｍまで減少した。
【００７３】
第１の発明に係る研磨装置としては、図１４〜図１６に示すような構成であってもよい。すなわち、図１４に示すように、冷媒循環路７４が少なくとも研磨定盤７１と研磨パッド７２との間の界面部分に設けられていてもよい。また、図１５および図１６に示すように、研磨パッド７２と研磨定盤７１との間に高い熱伝導率を有する材料からなる部材７５を介在させてもよい。例えば、図１５に示すように、研磨パッド７２が表面に露出するようにして部材７５に研磨パッド７２を埋設してくよく、図１６に示すように、研磨パッド７２に研磨定盤７１に達するスリットを設け、そこに部材７５を嵌め込んでもよい。少なくとも、研磨中に研磨剤と接するような構造になっていることが望ましい。これにより、熱伝導性を向上させて、研磨面を効率よく温度制御することができる。
【００７４】
この場合、高い熱伝導率を有する材料としては、研磨パッド７２として用いる材料、例えばウレタンゴム、フッ素ゴム、テフロン、ダイフロン、ポリ塩化ビニル、ポリアミド等よりも高い熱伝導率を有する材料であればよく、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、鉄、ステンレス、グラファイト、非晶質カーボン、アルミナ、石英、ガラス等を用いることができる。また、部材７５は、研磨パッド７２として用いる材料よりも高い熱伝導率を有する液体（例えば、純水：熱伝導率約０．６前後）を含有したものでもよく、このような液体を含有しやすい多孔性物質やスポンジ状の物で構成してもよい。
【００７５】
本実施例においては、被研磨体としてＣｕ膜を用いているが、少量の不純物を含んでいるＣｕ膜や、Ｃｕ以外の金属、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｗ等からなる膜やこれらを主成分とした膜、あるいはＴＥＯＳガスを原料として形成されたプラズマＣＶＤ膜、ＢＰＳＧ膜、フッ素添加ＳｉＯ2 膜、熱酸化膜等のシリコン酸化膜を用いてもよい。
【００７６】
また、本実施例においては、研磨パッド７２としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤を供給しながら研磨処理を行っているが、少なくとも１ＧＰａ以上のヤング率を有していれば、研磨パッド７２の代わり、いわゆる砥石を用いても上記と同様な効果が得られることが分かった。具体的には、研磨パッドとして、平均粒径３０ｎｍのシリカ粒子をフェノール樹脂（熱硬化性樹脂）を結合材として固めて焼結してなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研磨を行ったところ、ディッシングの抑制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得られた。
【００７７】
（実施例４）
図１８は、本発明の第１の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図である。この回転可能なＳＵＳ製の研磨定盤７１においては、研磨剤を収容する部分が設けられており、その収容部の底面上に研磨面に深さ１ｍｍ、幅２ｍｍの複数の溝部７３を有する研磨パッド７２が載置されている。研磨パッド７２は、硬質プラスチック（ポリ塩化ビニル：熱伝導率０．０８〜０．３４）からなり、直径約６０ｃｍの円盤状である。また、研磨パッド７２の少なくとも研磨面には、研磨剤７８により特性が劣化しないようにテフロンコーティングが施されている。さらに収容部には、被研磨体が研磨の際に研磨剤に浸漬されるように研磨剤７８が貯留されている。また、研磨剤供給管７６が収容部の研磨パッド７２近傍まで延出しており、研磨剤排出管７７が収容部中央の上方に延出している。この研磨剤供給管７６および研磨剤排出管７７により研磨剤７８を循環する構成となっている。この研磨定盤７１に対して、被研磨体を保持したトップリングを下降させることにより被研磨体が研磨剤７８に浸漬され、さらに研磨パッド７２上に押圧される。
【００７８】
上記構成を有する研磨装置を用いて、Ｃｕ埋め込み配線におけるＣＭＰを行った。研磨剤としては、グリシン、過酸化水素、ベンゾトリアゾール水溶液、およびコロイダルシリカを混合してなるものを用いた。研磨中、研磨パッド７２および研磨定盤７１は、研磨剤供給管７６および研磨剤排出管７７に冷却した研磨剤７８を通流させて収容部に貯留された研磨剤７８を循環させることにより１４℃±１℃に保った。その結果、Ｃｕ配線のディッシングは、図１７に示すような研磨定盤のみを冷却し、研磨パッドを冷却しない従来の研磨装置と比較して大幅に改善された。具体的には、１０μｍ幅配線のディッシングは、従来の約１５０ｎｍに対して約２５ｎｍまで減少した。
【００７９】
また、本実施例においては、研磨パッド７２としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤を供給しながら研磨処理を行っているが、少なくとも１ＧＰａ以上のヤング率を有していれば、研磨パッド７２の代わり、いわゆる砥石を用いても上記と同様な効果が得られることが分かった。具体的には、研磨パッドとして、平均粒径３０ｎｍのシリカ粒子をフェノール樹脂（熱硬化性樹脂）を結合材として固めて焼結してなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研磨を行ったところ、ディッシングの抑制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得られた。
【００８０】
（実施例５）
実施例５〜９、比較例１〜３は、本発明の第３の発明にかかるものである。
【００８１】
本実施例は、実施例３における図１３の研磨定盤部において、研磨パッドの凹凸に関するものである。硬質プラスチックからなる研磨パッド８１は、図２０に示すように、複数の溝部８４を有しており、研磨面８２と溝部８４の側壁面が曲面で連結されている、すなわち研磨面８２を構成する凸部が曲面である。このような形状は、Ｒ形状を有するエンドミルを用いた切削加工により形成した。
【００８２】
このように、研磨面に鋭角部を有しない研磨パッドを備えた研磨装置を用いて、Ｃｕ埋め込み配線におけるＣＭＰを行った。研磨剤としては、グリシン、過酸化水素、ベンゾトリアゾール水溶液、およびコロイダルシリカを混合してなるものを用いた。研磨中、研磨パッドおよび研磨定盤は、冷媒循環路に冷却水を通流させることにより１４℃±１℃に保った。その結果、Ｃｕ配線の被研磨面には、深さ２０ｎｍ以上の傷はまったく確認されなかった。
【００８３】
また、本実施例においては、研磨パッド７２としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤を供給しながら研磨処理を行っているが、研磨パッドとして、平均粒径３０ｎｍのシリカ粒子をフェノール樹脂（熱硬化性樹脂）を結合材として固めて焼結してなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研磨を行ったところ、ディッシングの抑制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得られた。
【００８４】
（比較例１）
図２０に示す研磨パッドの代わりに、幅１ｍｍ、深さ１ｍｍの断面矩形状の溝をピッチ１ｃｍで形成した塩化ビニル製研磨パッドを用いること以外は実施例５と同様にしてＣｕ埋め込み配線におけるＣＭＰを行った。その結果、Ｃｕ配線の被研磨面には、深さ１μｍ以上の傷が確認された。
【００８５】
（実施例６）
研磨パッドとして、粒径０．７μｍ以上の不純物をほとんど含まないポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いて、ＴＥＯＳガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により形成したシリコン酸化膜における平坦化ＣＭＰを行った。研磨剤としては、平均粒径０．７μｍの酸化セリウム粒子を１重量％含む水溶液を用いた。その結果、シリコン酸化膜上には、深さあるいは幅０．１μｍ以上の傷はまったく確認されなかった。
【００８６】
また、本実施例においては、研磨パッド７２としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤を供給しながら研磨処理を行っているが、研磨パッドとして、平均粒径６００ｎｍの酸化セリウム粒子をフェノール樹脂（熱硬化性樹脂）を結合材として固めて焼結してなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研磨を行ったところ、傷の抑制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得られた。
【００８７】
（比較例２）
実施例６で使用したポリ塩化ビニル製研磨パッドの代わりに、粒径０．７μｍ以上の不純物を含む研磨パッドを用いること以外は実施例６と同様にしてシリコン酸化膜における平坦化ＣＭＰを行った。その結果、シリコン酸化膜上に研磨粒子の平均粒径以上の深さあるいは幅の傷が多数確認された。
【００８８】
（実施例７）
研磨パッドとして、塩酸／過酸化水素混合水溶液処理による金属除去処理を施したポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いて、ＴＥＯＳガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により形成したシリコン酸化膜における平坦化ＣＭＰを行った。研磨剤としては、平均粒径０．７μｍの酸化セリウム粒子を１重量％含む水溶液を用いた。その結果、シリコン酸化膜上には、深さ０．１μｍ以上の傷は確認されなかった。
【００８９】
また、本実施例においては、研磨パッド７２としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤を供給しながら研磨処理を行っているが、研磨パッドとして、平均粒径６００ｎｍの酸化セリウム粒子をフェノール樹脂（熱硬化性樹脂）を結合材として固めて焼結してなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研磨を行ったところ、傷の抑制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得られた。
【００９０】
（比較例３）
実施例７で使用したポリ塩化ビニル製研磨パッドの代わりに、金属除去処理を施さない研磨パッドを用いること以外は実施例７と同様にしてシリコン酸化膜における平坦化ＣＭＰを行った。その結果、シリコン酸化膜上に研磨粒子の平均粒径以上の深さあるいは幅の傷が多数確認された。
【００９１】
（実施例８）
図２１は、本発明の第３の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図である。図中９１は回転可能なＳＵＳ製の研磨定盤を示す。研磨定盤７１上には硬質プラスチック（ポリ塩化ビニル：熱伝導率０．０８〜０．３４）からなる直径約６０ｃｍの円盤状の研磨パッド９２が取り付けられている。研磨パッド９２の研磨面には、深さ１ｍｍ、幅２ｍｍの複数の溝９３が格子状に形成されている。また、研磨定盤９１および研磨パッド９２の界面には、冷媒循環路９４が内挿されており、冷却水等の冷媒（流体）を循環させることにより、研磨パッドの温度調節（温度維持）が可能となっている。また、研磨定盤９１および研磨パッド９２には互いに連通する排出口９３ａが設けられており、研磨パッド９２の排出口９３ａは外部に開口している。この排出口９３ａにより、冷媒循環路９４を通流する冷媒の一部を循環させ、一部を研磨パッド９２上に排出することができるように構成されている。
【００９２】
この研磨定盤９１に対して、被研磨体を保持したトップリングを下降させることにより被研磨体が研磨パッド９２上に押圧される。
【００９３】
上記研磨装置を用いて、Ｃｕ埋め込み配線におけるＣＭＰを行った。研磨剤としては、グリシン、過酸化水素、ベンゾトリアゾール水溶液、およびコロイダルシリカを混合してなるものを用いた。この研磨剤を冷却することにより冷媒として用い、これを冷媒循環路９４に通流させることにより１４℃±１℃に保った。さらに、研磨剤の一部を排出口９３ａから研磨パッド９２上に排出させた。その結果、研磨速度は、約５００ｎｍ／分でＣＭＰに充分な速度となり、Ｃｕ配線の被研磨面には、深さ２０ｎｍ以上の傷はまったく確認されなかった。
【００９４】
また、本実施例においては、研磨パッド９２としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤を供給しながら研磨処理を行っているが、少なくとも１ＧＰａ以上のヤング率を有していれば、研磨パッド９２の代わり、いわゆる砥石を用いても上記と同様な効果が得られることが分かった。具体的には、研磨パッドとして、平均粒径３０ｎｍのシリカ粒子をフェノール樹脂（熱硬化性樹脂）を結合材として固めて焼結してなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研磨を行ったところ、研磨速度および傷の抑制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得られた。
【００９５】
（実施例９）
研磨パッドとして、研磨面としてポリ塩化ビニルからなる層と、その研磨定盤側にゴム、織布、不織布等からなる弾性材料からなる層とを積層してなる複数の独立した部分からなる研磨パッドを用いて、Ｃｕ埋め込み配線におけるＣＭＰを行った。研磨剤としては、グリシン、過酸化水素、ベンゾトリアゾール水溶液、および平均粒径７０μｍのコロイダルシリカを混合してなるものを用いた。その結果、研磨速度は約５０ｎｍ／分でＣＭＰとして充分な速度であった。また、研磨面の突起部分に起因する被研磨面の局部的な異常研磨は確認されなかった。
【００９６】
上記実施例においては、被研磨体としてＣｕ膜を用いているが、少量の不純物を含んでいるＣｕ膜や、Ｃｕ以外の金属、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｗ等からなる膜やこれらを主成分とした膜、あるいはＴＥＯＳガスを原料として形成されたプラズマＣＶＤ膜、ＢＰＳＧ膜、フッ素添加ＳｉＯ2 膜、熱酸化膜等のシリコン酸化膜を用いてもよい。
【００９７】
また、本実施例においては、研磨パッド９２としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤を供給しながら研磨処理を行っているが、少なくとも１ＧＰａ以上のヤング率を有していれば、研磨パッド９２の代わり、いわゆる砥石を用いても上記と同様な効果が得られることが分かった。具体的には、研磨パッドとして、平均粒径３０ｎｍのシリカ粒子をフェノール樹脂（熱硬化性樹脂）を結合材として固めて焼結してなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研磨を行ったところ、ディッシングの抑制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得られた。
【００９８】
（実施例１０）
実施例１０は、本発明の第４の発明にかかる実施例である。
【００９９】
図２２（Ａ）は本発明の第４の発明に係る研磨装置を示す概略図であり、図２２（Ｂ）は図２２（Ａ）に示す研磨装置の平面図である。図中１０１はＳＵＳ製のトップリングを示す。トップリング１０１は、トップリングを昇降させる駆動機構（図示せず）、トップリング１０１に流体により荷重を加えるシリンダ機構と連結されている。このシリンダ機構により被研磨体１０２を研磨パッド１０３に押圧するようになっている。
【０１００】
研磨パッド１０３は、ポリ塩化ビニル製であり、ＳＵＳ製の研磨定盤１０４上にに貼着されている。この研磨パッド１０３の表面には、被研磨体１０２を収容する深さ３ｍｍ、幅１５．２ｃｍの同心円状の第１の溝１０５が形成されており、さらに第１の溝の底面、すなわち被研磨体との接触面には、深さ１ｍｍ、幅２ｍｍの格子状の第２の溝２５が形成されている。
【０１０１】
次に、上記トップリングを有する研磨装置を用いてＣｕの埋め込み配線を形成する方法について説明する。
【０１０２】
試料としては、シリコン基板上に形成したシリコン酸化膜に溝（幅０．４〜１００μｍ、深さ０．４μｍ）を形成し、その上にスパッタリングにより厚さ６００ｎｍのＣｕ膜を形成してなるものを用いた。
【０１０３】
まず、トップリング１０１が備えている真空チャック機構（図示せず）により被研磨体１０２をトップリング１０１に保持させた後、トップリング１０１と研磨定盤１０４とを互いに回転させた。次いで、トップリング１０１を降下させて研磨パッド１０３上に試料を接触させ、シリンダ機構により２８０ｇｆ／ｃｍ2の面荷重（図中の矢印）をトップリング１０１に加えて、試料を研磨パッドに押圧した。
【０１０４】
この状態で研磨剤を供給することにより研磨を行った。このとき、被研磨体の被研磨面は研磨剤中に存在した状態であった。研磨が終了した後、トップリング１０１および研磨定盤１０４の回転を停止し、被研磨体１０２を研磨パッド１０３から剥がした後、被研磨体１０２を洗浄した。
【０１０５】
なお、研磨剤には、グリシン、過酸化水素、ベンゾトリアゾール水溶液、コロイダルシリカとを混合し、その温度を１４℃±１℃に制御したものを用いた。
【０１０６】
上記のように研磨を行った試料は、１００μｍ幅の広い凹部でのＣｕのディッシング量が５０ｎｍに抑制できた。また、研磨速度は、３０００オングストローム／分であり、ＣＭＰとして充分な速度であった。一方、比較のため、第１の溝１０５を設けない研磨パッド１０２を用いて上記試料を研磨した場合、Ｃｕのディッシング量は抑制されたが、研磨速度としては満足できるものではなかった。
【０１０７】
また、第４の発明の研磨装置では、被研磨体を落し込む第１の溝１０５として深さ３ｍｍの溝を形成しているが、溝の深さは被研磨体の研磨面が研磨剤中に存在するならば深くて浅くても問題はない。また、図２３（Ａ）および（Ｂ）に示すように、第１の溝１０５を被研磨体１０２を支持したトップリング１０１を収容するように形成した場合でも上記と同様な効果が得られた。
【０１０８】
さらに、第４の発明においては、図２４に示すように、トップリング１０１、研磨パッド１０３を有する研磨定盤１０４の周囲にポリ塩化ビニル製の研磨剤受け１０９を設け、被研磨体１０２および研磨パッド１０３が研磨剤１０７に浸漬する構造としてもよく、あるいは、図２５に示すように、研磨パッド１０３の外周端部に研磨剤受け１０９を設け、被研磨体１０２および研磨パッド１０３が研磨剤１０７に浸漬する構造としてもよい。ただし、これらの構造の場合、研磨剤１０７の循環効率が図２２および図２３に示す構造に比べて遅いので、研磨剤１０７の温度変化や研磨剤１０７の凝集による二次粒子の形成に起因する研磨速度の変化が生じる場合がある。これを防止するために、研磨剤１０７の温度調整する温度調整装置１１０や二次粒子を除去するフィルター１１１を設けて、研磨剤１０７を循環させることが好ましい。
【０１０９】
本実施例においては被研磨体としてＣｕを用いているが、少量の不純物が含まれているＣｕや、Ｃｕ以外の金属、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｗやこれらの合金、またはシリコン酸化物、Ｂ、Ｐ、Ｆ等の不純物を含むシリコン酸化物を被研磨体として使用しても同様に優れた効果が得られた。また、研磨粒子として、コロイダルシリカ以外の研磨粒子、例えばアルミナ、酸化セリウム等を用いても上記と同様の効果が得られた。また、研磨パッドの代わりに、シリカ粒子、アルミナ粒子、酸化セリウム粒子を保持した砥石を用いても同様の効果が得られた。
【０１１０】
また、本実施例においては、研磨パッド１０３としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤を供給しながら研磨処理を行っているが、少なくとも１ＧＰａ以上のヤング率を有していれば、研磨パッド１０３の代わり、いわゆる砥石を用いても上記と同様な効果が得られることが分かった。具体的には、研磨パッドとして、平均粒径３０ｎｍのシリカ粒子をフェノール樹脂（熱硬化性樹脂）を結合材として固めて焼結してなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研磨を行ったところ、研磨速度およびディッシングの抑制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】研磨装置の概略構成を示す図。
【図２】（Ａ）は本発明の参考例に係る研磨装置のトップリングの一例を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すトップリングの平面図。
【図３】本発明の参考例に係る研磨装置のトップリングの他の例を示す断面図。
【図４】（Ａ）および（Ｂ）はトップリングの冷媒循環を説明するための概略図。
【図５】（Ａ）および（Ｂ）は本発明の参考例に係る研磨装置を用いてＣＭＰを行う工程を説明する断面図、（Ｃ）は従来の研磨装置を用いてＣＭＰを行った場合を説明する断面図。
【図６】ディッシング量と配線幅との関係を示すグラフ。
【図７】本発明の参考例に係る研磨装置のトップリングの他の例を示す断面図。
【図８】本発明の第２の発明に係る研磨装置を示す概略図。
【図９】図８に示す研磨装置の一部を示す概略図。
【図１０】研磨回数に対する、監視した電流値（トルク）および動摩擦力、並びに研磨速度の関係を示すグラフ。
【図１１】電流値（トルク）とＣｕ膜の研磨速度との関係を示すグラフ。
【図１２】研磨回数に対する、監視した電流値および最終Ｃｕ膜加工厚の関係を示すグラフ。
【図１３】本発明の第１の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図。
【図１４】本発明の第１の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図。
【図１５】本発明の第１の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図。
【図１６】本発明の第１の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図。
【図１７】従来の研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図。
【図１８】本発明の第１の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図。
【図１９】配線幅とディッシング量との関係を示すグラフ。
【図２０】本発明の第３の発明に係る研磨装置の研磨パッド表面の状態を示す概略図。
【図２１】本発明の第３の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図。
【図２２】（Ａ）は本発明の第４の発明に係る研磨装置を示す概略図、（Ｂ）は（Ａ）に示す研磨装置の平面図。
【図２３】（Ａ）は本発明の第４の発明に係る研磨装置を示す概略図、（Ｂ）は（Ａ）に示す研磨装置の平面図。
【図２４】本発明の第４の発明に係る研磨装置を示す概略図。
【図２５】本発明の第４の発明に係る研磨装置を示す概略図。
【符号の説明】
【０１１２】
１，１１，２１，４５，５４，１０１・・・トップリング、２，１７，４１，５３，１０２・・・被研磨体、３・・・弾性部材、４，４４，５１，７１，９１，１０４・・・研磨定盤、５，５２，７２，８１，９２，１０３・・・研磨パッド、６，１０７・・・研磨剤、７，６０・・・研磨剤供給管、８・・・吐出部、１１ａ・・・回転軸部、１１ｂ・・・保持部、１２・・・空隙部、１３・・・冷媒供給管、１４・・・冷媒排出管、１５・・・収容部、１６・・・連通孔、１６ａ・・・長孔、１６ｂ・・・丸孔、１８・・・シールリング、２２・・・真空源、２３・・・温度調整機、２４・・・冷媒圧源、２５・・・圧力調整機、３１・・・シリコン基板、３２・・・シリコン酸化膜、３３・・・配線用の溝、３４・・・Ｃｕ膜、４２・・・真空チャック、４３・・・温度制御機構、５５・・・Ｃｕ塊、５６・・・トルクモニタ、５７・・・電流モニタ、５８，５９・・・駆動手段、６１・・・摩擦力モニタ、７３，９３・・・溝、７４，９４・・・冷媒循環路、７５・・・部材、７６・・・研磨剤供給管、７７・・・研磨剤排出管、７８・・・研磨剤、８２・・・研磨面、８４・・・溝部、９３ａ・・・排出口、１０５・・・第１の溝、１０６・・・第２の溝、１０９・・・研磨剤受け、１１０・・・温度調整装置、１１１・・・フィルター。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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