(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研磨面に銅膜を有する被研磨対象物を研磨する研磨装置であって、
研磨面を有する導電性の研磨工具と、
前記研磨工具を所定の回転軸を中心に回転させ、かつ保持する研磨工具回転保持手段と、
前記被研磨対象物を保持し所定の回転軸を中心に回転させる被研磨対象物回転保持手段と、
前記研磨工具を前記被研磨対象物の前記被研磨面に対して略垂直な方向に移動位置決めする移動位置決め手段と、
前記被研磨面と前記研磨面とを所定の平面に沿って相対移動させる相対移動手段と、
前記被研磨面上にキレート剤を含む電解液を供給する電解液供給手段と、
前記被研磨面を陽極とし前記研磨工具を陰極として、前記被研磨面から前記電解液を通じて前記研磨工具に流れる電流を供給する電流供給手段とを備え、
前記電流供給手段は、前記被研磨面に接触可能または接近可能に配置され、前記被研磨面を陽極として通電する陽極部材、および前記陽極部材と前記研磨工具との間に所定電圧を印加する電源を有し、
前記研磨工具は、環状形状を有し、その環状の一端面が研磨面を構成しており、
前記陽極部材は、前記研磨工具の環の内側に非接触で設けられ、前記研磨工具回転保持手段によって前記研磨工具とともに回転し、保持される、
研磨装置。
【請求項２】
前記電源は、所定周期のパルス状の電圧を出力する、
請求項１記載の研磨装置。
【請求項３】
前記陽極部材の前記被研磨面に対向する側に当該被研磨面を洗浄する面を有する洗浄部材をさらに備え、当該洗浄部材は、前記電解液を吸収し、かつ通過させることができる材料から形成されており、前記陽極部材側から供給される前記電解液を前記被研磨面に供給する、
請求項１記載の研磨装置。
【請求項４】
前記被研磨面から前記研磨工具に流れる電流の値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段からの検出信号に基づいて、前記電流の値が一定となるように前記研磨工具の前記被研磨面に対して略垂直方向の位置を制御する制御手段とをさらに有する、
請求項１記載の研磨装置。
【請求項５】
被研磨面に銅膜を有する被研磨対象物を研磨する研磨装置であって、
前記被研磨対象物を保持する保持手段と、
前記被研磨面に平行に配置される電極板と、
前記被研磨対象物に接続された、パルスジェネレータ、アンプおよび加振器からなる加振手段と、
研磨砥粒を含まず、キレート剤を含む電解液と、
前記電解液を貯留する水槽と、
前記被研磨面を陽極とし前記電極板を陰極として、前記被研磨面から前記電解液を通じて前記電極板に流れる電解電流を供給する電解電流供給手段とを備え、
前記電解電流供給手段は、２０〜５０ｍｓｅｃ毎にパルス状の電圧を出力し、
前記被研磨対象物の前記保持手段および前記電極板は前記電解液中に浸漬されて配置され、
前記銅膜が前記キレート剤と反応してキレート膜が形成されるように、前記電解電流供給手段が前記電解電流を供給し、
前記キレート膜の凸部が除去されるように前記加振手段が前記被研磨対象物を振動させる、
研磨装置。
【請求項６】
被研磨面に金属膜を有する被研磨対象物を研磨する研磨装置であって、
前記被研磨対象物の前記被研磨面を払拭する、通気孔が設けられたワイピング部材と、
前記被研磨面に対向し、前記ワイピング部材の上面に配設された対向電極と、
前記対向電極および前記ワイピング部材を所定の回転軸を中心に回転させ、かつ保持するワイピング部材回転保持手段と、
前記被研磨対象物を保持し所定の回転軸を中心に回転させる被研磨対象物回転保持手段と、
前記被研磨面上に電解液を供給する電解液供給手段と、
前記被研磨面と前記対向電極間に電流を供給する電流供給手段と、
前記ワイピング部材回転保持手段を貫通して前記対向電極および前記ワイピング部材の中心部に垂直に接続された、貫通孔を有し、前記電流を通電する通電軸とを備え、
前記電解液は、前記電解液供給手段から前記貫通孔を経由し、前記ワイピング部材を通過して前記被研磨面上に供給される、
研磨装置。
【請求項７】
前記被研磨面と前記ワイピング部材とを相対移動させる相対移動手段をさらに有する、
請求項６に記載の研磨装置。
【請求項８】
前記相対移動手段は、前記被研磨面に前記ワイピング部材を押圧し、前記被研磨面上に前記ワイピング部材を水平移動させる、
請求項７記載の研磨装置。
【請求項９】
前記相対移動手段は、前記ワイピング部材の前記被研磨面側の面上に前記被研磨面が位置されるように前記被研磨対象物回転保持手段を水平移動させる、
請求項７記載の研磨装置。
【請求項１０】
前記金属膜は、配線金属膜である、
請求項６記載の研磨装置。
【請求項１１】
前記ワイピング部材は、弾塑性体材料で構成されている、
請求項６記載の研磨装置。
【請求項１２】
前記被研磨対象物の周囲を包含するように形成され、前記電解液供給手段により供給された電解液を溜める浴槽をさらに有する、
請求項６記載の研磨装置。
【請求項１３】
前記電解液供給手段は、電解質と添加剤を含む電解液を供給する、
請求項６記載の研磨装置。
【請求項１４】
前記添加剤は、少なくとも光沢剤、キレート剤、銅イオンのいずれかを含む、
請求項１３記載の研磨装置。
【請求項１５】
前記対向電極は、前記被研磨面の金属膜に比して同等または貴なる金属材料を有する、
請求項６記載の研磨装置。
【請求項１６】
前記対向電極は、通気孔が設置されている、
請求項６記載の研磨装置。
【請求項１７】
前記電流供給手段からの電流を前記被研磨面の金属膜に導くための接触電極をさらに有する、
請求項６記載の研磨装置。
【請求項１８】
前記電流供給手段は、前記被研磨面と前記対向電極間に周期性パルスを印加することにより電流を供給する、
請求項６記載の研磨装置。
【請求項１９】
前記電流供給手段は、前記被研磨面と前記対向電極間に流れる電流値を少なくとも研磨初期と研磨終点付近で変更可能である、
請求項６記載の研磨装置。
【請求項２０】
前記電解液供給手段により供給された電解液の温度を調節する温度調整手段をさらに有する、
請求項６記載の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨装置に関し、特に金属膜形成に伴う凹凸面を緩和する際に使用する研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の高集積化、小型化に伴い、配線の微細化、配線ピッチの縮小化および配線の多層化が進んでおり、半導体装置の製造プロセスにおける多層配線技術の重要性が増大している。
一方、従来、多層配線構造の半導体装置の配線材料としてアルミニウムが多用されてきたが、近年の０．２５μｍルール以下のデザインルールにおいて、信号の伝搬遅延を抑制するために、配線材料をアルミニウムから銅に代えた配線プロセスの開発が盛んに行われている。銅を配線に使用すると、低抵抗と高エレクトロマイグレーション耐性を両立できるというメリットがある。
【０００３】
この銅を配線に使用するプロセスでは、例えばあらかじめ層間絶縁膜に形成した溝状の配線パターンに金属を埋め込み、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing : 化学機械研磨) 法によって余分な金属膜を除去して配線を形成する、ダマシン（damascen）法と呼ばれる配線プロセスが有力となっている。このダマシン法は、配線のエッチングが不要であり、さらに上層の層間絶縁膜も自ずと平坦なものになるので、工程を簡略化できるという利点がある。
さらに、層間絶縁膜に配線用溝だけでなく、コンタクトホールも溝として開け、配線用溝とコンタクトホールを同時に金属で埋め込むデュアルダマシン（dual damascene）法では、さらに大幅な配線工程の削減が可能となる。
【０００４】
ここで、上記のデュアルダマシン法による銅配線形成プロセスの一例について下記の図を参照して、説明する。
まず、図２５（ａ）に示すように、例えば、不図示の不純物拡散領域が適宜形成されているシリコン等の半導体基板３０１上に、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜３０２を、例えば減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法により形成する。
【０００５】
次に、図２５（ｂ）に示すように、半導体基板３０１の不純物拡散領域に通じるコンタクトホールＣＨ、および半導体基板３０１の不純物拡散領域と電気的に接続される所定のパターンの配線が形成される溝Ｍを公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて形成する。
【０００６】
次に、図２５（ｃ）に示すように、バリヤ膜３０５を層間絶縁膜３０２の表面、コンタクトホールＣＨおよび溝Ｍ内に形成する。このバリヤ膜３０５は、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、ＴａＮ、ＴｉＮ等の材料を公知のスパッタ法により、形成する。バリヤ膜３０５は、配線を構成する材料が銅で層間絶縁膜３０２が酸化シリコンで構成されている場合には、銅は酸化シリコンへの拡散係数が大きく、酸化されやすいため、これを防止するために設けられる。
【０００７】
次に、図２６（ｄ）に示すように、バリヤ膜３０５上に、銅を公知のスパッタ法により、所定の膜厚で堆積させ、シード膜３０６を形成する。
次に、図２６（ｅ）に示すように、コンタクトホールＣＨおよび溝Ｍを銅で埋め込むように、銅膜３０７を形成する。銅膜３０７は、例えば、メッキ法、ＣＶＤ法、スパッタ法等により形成する。
【０００８】
次に、図２６（ｆ）に示すように、層間絶縁膜３０２上の余分な銅膜３０７およびバリヤ膜３０５をＣＭＰ法によって除去し、平坦化する。
以上の工程により、銅配線３０８およびコンタクト３０９とが形成される。
上記したプロセスを配線３０８上で繰り返し行うことにより、多層配線を形成することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のデュアルダマシン法を用いた銅配線形成プロセスでは、余分な銅膜３０７をＣＭＰ法によって除去する工程において、従来のＣＭＰ法を用いた平坦化技術では、研磨工具と銅膜との間に所定の圧力をかけ、研磨するため、半導体基板へのダメージが大きく、特に層間絶縁膜に機械的強度の低い低誘電率の有機系絶縁膜などを採用していく場合には、このダメージは、無視できないものとなり、層間絶縁膜へのクラック（亀裂）の発生、半導体基板からの層間絶縁膜の剥離などの問題がある。
【００１０】
また、層間絶縁膜３０２と、銅膜３０７およびバリヤ膜３０５との除去性能が異なることから、配線３０８にディッシング、エロージョン（シンニング）、リセス等が発生しやすいという問題が存在した。
ディッシングは、図２７に示すように、例えば、０．１８μｍルールのデザインルールにおいて、例えば、１００μｍ程度のような幅の広い配線３０８が存在した場合に、当該配線の中央部が過剰に除去され、へこんでしまう現象であり、このディッシングが発生すると配線３０８の断面積が不足するため、配線抵抗値不良等の原因となる。このディッシングは、配線材料に比較的軟質の銅やアルミニウムを用いた場合に発生しやすい。
エロージョンは、図２８に示すように、例えば、３０００μｍの範囲に１．０μｍの幅の配線が５０パーセントの密度で形成されているようなパターン密度の高い部分が過剰に除去されてしまう現象であり、エロージョンが発生すると、配線の断面積が不足するため、配線抵抗値不良等の原因となる。
リセスは、図２９に示すように、層間絶縁膜３０２と配線３０８との境界で配線３０８が低くなり段差ができてしまう現象であり、この場合にも配線の断面積が不足するため、配線抵抗値の不良等の原因となる。
【００１１】
一方、余分な銅膜３０７をＣＭＰ法によって、平坦化および除去する工程では、銅膜を効率的に除去する必要があるため、単位時間当たりの除去量である研磨レートは、例えば、５００ｎｍ／ｍｉｎ以上となるように要求されている。
この研磨レートを稼ぐためには、ウェーハに対する加工圧力を大きくする必要があり、加工圧力を大きくすると、図３０に示すように、配線表面にスクラッチＳＣやケミカルダメージＣＤが発生しやすくなり、特に、軟質の銅では発生しやすい。このため、配線のオープン、ショート、配線抵抗値不良等の不具合の原因となり、また、加工圧力を大きくすると、上記のスクラッチ、層間絶縁膜の剥離、ディッシング、エロージョンおよびリセスの発生量も大きくなるという不利益が存在した。
【００１２】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、従って、本発明は、金属膜を研磨によって平坦化する際に、初期凹凸を容易に平坦化でき、かつ余分な金属膜の除去効率に優れ、金属膜へのダメージを抑制可能な研磨装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の研磨装置は、被研磨面に銅膜を有する被研磨対象物を研磨する研磨装置であって、研磨面を有する導電性の研磨工具と、前記研磨工具を所定の回転軸を中心に回転させ、かつ保持する研磨工具回転保持手段と、前記被研磨対象物を保持し所定の回転軸を中心に回転させる被研磨対象物回転保持手段と、前記研磨工具を前記被研磨対象物の前記被研磨面に対して略垂直な方向に移動位置決めする移動位置決め手段と、前記被研磨面と前記研磨面とを所定の平面に沿って相対移動させる相対移動手段と、前記被研磨面上にキレート剤を含む電解液を供給する電解液供給手段と、前記被研磨面を陽極とし前記研磨工具を陰極として、前記被研磨面から前記電解液を通じて前記研磨工具に流れる電流を供給する電流供給手段とを備え、前記電流供給手段は、前記被研磨面に接触可能または接近可能に配置され、前記被研磨面を陽極として通電する陽極部材、および前記陽極部材と前記研磨工具との間に所定電圧を印加する電源を有し、前記研磨工具は、環状形状を有し、その環状の一端面が研磨面を構成しており、前記陽極部材は、前記研磨工具の環の内側に非接触で設けられ、前記研磨工具回転保持手段によって前記研磨工具とともに回転し、保持されるものである。
【００１４】
上記の本発明の研磨装置によれば、例えば被研磨対象物の被研磨面に凹凸のある銅膜が形成されている場合に、電流供給手段により、被研磨面の銅膜表面が、陽極酸化され、当該陽極酸化された銅が電解液供給手段によって供給される電解液中のキレート剤により、キレート化され、容易に除去可能な機械的強度の非常に低いキレート膜が形成される。
移動位置決め手段によって、被研磨面に研磨面を接触もしくは接近させ、研磨工具回転保持手段および回転保持手段によって、研磨面および被研磨面を接触もしくは接近した状態でそれぞれ回転させることによって、キレート膜の凸部分が除去され、さらに、相対移動手段により、被研磨面全体におけるキレート膜の凸部分を研磨除去することにより、低い研磨圧力で効率的に被研磨対象物を研磨することができる。
【００１５】
また、陽極部材により電解液を通じて局所的に銅膜に電流を流すことにより、安定した電流供給を行うことができる。この場合には、陽極部材から電解液を介して被研磨面に通電され、さらに被研磨面から電解液を通じて研磨工具へと通電されることから、陰極である研磨工具近傍の銅膜が陽極酸化され、キレート化される。
【００１６】
本発明の研磨装置は、好適には、前記電源は、所定周期のパルス状の電圧を出力する。
例えば、パルス幅を非常に短くすることで、１パルス当たりの陽極酸化によるキレート膜生成量を非常に小さくして、表面の凹凸に接触した場合など電極間距離の急変による放電、気泡やパーティクルなどが介在した場合に起こる電気抵抗の急変によるスパーク放電など、銅膜の突発的かつ巨大な陽極酸化を防止し、できるだけ小さなものの連続にするために有効なものとなる。
【００１７】
本発明の研磨装置は、好適には、前記陽極部材は、前記被研磨面に形成された銅に比して貴なる金属からなる。これにより、陽極部材の電解液への溶出などを防止し、銅膜を積極的に陽極酸化させることができる。なお、本来、陰極は溶出しないため、貴卑を考慮する必要はない。
【００１８】
本発明の研磨装置は、好適には、前記被研磨面から前記研磨工具に流れる電流の値を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段からの検出信号に基づいて、前記電流の値が一定となるように前記研磨工具の前記被研磨面に対して略垂直方向の位置を制御する制御手段とをさらに有する。
電流値を一定に制御することにより、電流密度は常に一定となり、陽極酸化によるキレート膜生成量も一定に制御することができる。
【００２１】
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の研磨装置は、被研磨対象物を保持する保持手段と、前記被研磨面に平行に配置される電極板と、前記被研磨対象物に接続された、パルスジェネレータ、アンプおよび加振器からなる加振手段と、研磨砥粒を含まず、キレート剤を含む電解液と、前記電解液を貯留する水槽と、前記被研磨面を陽極とし前記電極板を陰極として、前記被研磨面から前記電解液を通じて前記電極板に流れる電解電流を供給する電解電流供給手段とを備え、前記電解電流供給手段は、２０〜５０ｍｓｅｃ毎にパルス状の電圧を出力し、前記被研磨対象物の前記保持手段および前記電極板は前記電解液中に浸漬されて配置され、前記銅膜が前記キレート剤と反応してキレート膜が形成されるように、前記電解電流供給手段が前記電解電流を供給し、前記キレート膜の凸部が除去されるように前記加振手段が前記被研磨対象物を振動させるものである。
【００２２】
上記の本発明の研磨装置によれば、例えば被研磨対象物の被研磨面に凹凸のある銅膜が形成されている場合に、電解電流供給手段により、被研磨面の銅膜表面が、陽極酸化され、当該陽極酸化された銅が電解液供給手段によって供給される電解液中のキレート剤により、キレート化され、容易に除去可能な機械的強度の非常に低いキレート膜が形成される。
当該キレート膜の凸部は、加振手段による被研磨対象物への振動作用により選択的に除去され、被研磨対象物へのダメージの少ない効率的な研磨を達成することができる。
【００２５】
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の研磨装置は、被研磨面に金属膜を有する被研磨対象物を研磨する研磨装置であって、前記被研磨対象物の前記被研磨面を払拭する、通気孔が設けられたワイピング部材と、前記被研磨面に対向し、前記ワイピング部材の上面に配設された対向電極と、前記対向電極および前記ワイピング部材を所定の回転軸を中心に回転させ、かつ保持するワイピング部材回転保持手段と、前記被研磨対象物を保持し所定の回転軸を中心に回転させる被研磨対象物回転保持手段と、前記被研磨面上に電解液を供給する電解液供給手段と、前記被研磨面と前記対向電極間に電流を供給する電流供給手段と、前記ワイピング部材回転保持手段を貫通して前記対向電極および前記ワイピング部材の中心部に垂直に接続された、貫通孔を有し、前記電流を通電する通電軸とを備え、前記電解液は、前記電解液供給手段から前記貫通孔を経由し、前記ワイピング部材を通過して前記被研磨面上に供給されるものである。
【００２６】
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の研磨装置は、前記被研磨面と前記ワイピング部材とを相対移動させる相対移動手段をさらに有する。
【００２７】
前記相対移動手段は、前記被研磨面に前記ワイピング部材を押圧し、前記被研磨面上に前記ワイピング部材を水平移動させる。あるいは、前記相対移動手段は、前記ワイピング部材の前記被研磨面側の面上に前記被研磨面が位置されるように前記被研磨対象物回転保持手段を水平移動させる。
【００２８】
上記の本発明の研磨装置によれば、例えば被研磨対象物の被研磨面に金属膜が形成されている場合に、電解液供給手段により、被研磨対象物表面上に電解液が供給され、電流供給手段により被研磨対象物表面と前記対向電極間に電流が供給されることで、被研磨面の金属膜が陽極酸化されてイオン状態となり、容易に除去可能な機械的強度の非常に低い状態となる。
そして、陽極酸化された金属膜の表面をワイパにより払拭することで、陽極酸化された金属膜が除去されることから、低い押圧で効率的に被研磨対象物を研磨することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３０】
第１実施形態
（半導体装置の製造方法および研磨方法）
本発明の実施形態について、一例として半導体装置の製造工程におけるデュアルダマシン法による金属配線形成プロセスに適用する場合について説明する。
【００３１】
まず、図１（ａ）に示すように、例えば不図示の不純物拡散領域が適宜形成されている、例えばシリコン等の半導体基板１０１上に、例えばシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜１０２を、例えば反応源としてＴＥＯＳ（tetraethylorthosilicate ）等を用いて減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法により形成する。
なお、層間絶縁膜１０２としては、ＣＶＤ法により形成されるＴＥＯＳ（tetraethylorthosilicate ）膜やシリコン窒化膜の他、いわゆるＬｏｗ−ｋ（低誘電率膜）材料等を用いることができる。
ここで、低誘電率絶縁膜としては、ＳｉＦ、ＳｉＯＣＨ、ポリアリールエーテル、ポーラスシリカ、ポリイミド等がある。
【００３２】
次に、図１（ｂ）に示すように、半導体基板１０１の不純物拡散領域に通じるコンタクトホールＣＨおよび配線用溝Ｍを、例えば公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて形成する。なお、配線用溝Ｍの深さは、例えば、８００ｎｍ程度である。
【００３３】
次に、図１（ｃ）に示すように、バリヤ膜１０３を層間絶縁膜１０２の表面、コンタクトホールＣＨおよび配線用溝Ｍ内に形成する。
このバリヤ膜１０３は、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｎｉ、およびそれらの金属とリンあるいは窒素からなるＴａＮ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＣｏＷ、ＣｏＷＰ、ＴｉＳｉＮ、ＮｉＷＰ等の合金、およびそれらの積層膜で構成される。これらの材料からなるバリア膜は、既知のスパッタリング装置、真空蒸着装置等をもちいたＰＶＤ（Physical Vapor Deposition ）法あるいはＣＶＤ法により、例えば２５ｎｍ程度の膜厚で形成する。
バリヤ膜１０３は、配線を構成する材料が層間絶縁膜１０２中に拡散するのを防止するため、および、層間絶縁膜１０２との密着性を上げるために設けられる。例えば、配線材料が銅で層間絶縁膜１０２が酸化シリコンのような場合には、銅は酸化シリコンへの拡散係数が大きく酸化されやすいため、これを防止する必要がある。
【００３４】
次に、図２（ｄ）に示すように、バリヤ膜１０３上に、配線形成材料と同じ材料からなるシード膜１０４を公知のスパッタ法により、例えば１５０ｎｍ程度の膜厚で形成する。シード膜１０４は、後に電解メッキを行うために形成するものであり、例えば金属膜を配線用溝ＭおよびコンタクトホールＣＨ内に埋め込んだ際に、金属膜の成長を促すために形成する。
【００３５】
次に、図２（ｅ）に示すように、コンタクトホールＣＨおよび配線用溝Ｍを埋め込むように、バリヤ膜１０３上にＡｌ、Ｗ、ＷＮ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等あるいはそれらの合金膜からなる配線用層１０５を、例えば１６００ｎｍ程度の膜厚で形成する。配線用層１０５は、好ましくは、電解メッキ法または無電解メッキ法によって形成するが、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、スパッタ法などによって形成してもよい。なお、シード膜１０４は配線用層１０５と一体化する。
配線用層１０５の表面には、コンタクトホールＣＨおよび配線用溝Ｍの埋め込みによって生じた、例えば、８００ｎｍ程度の高さの凹凸が形成されている。
なお、以下では、例えば配線用層として銅を積層させた場合について説明する。
【００３６】
以上のプロセスは、従来と同様のプロセスで行われるが、本発明の研磨方法では、層間絶縁膜１０２上に存在する余分な配線用層１０５の除去を化学機械研磨でなく、電解作用を用いた電解複合研磨によって行う。具体的には、電解作用により銅膜を陽極酸化し、表面にキレート膜を形成する。なお、本願発明における研磨とは、削り取る機能、磨く機能、擦る機能、拭き取る機能と広く定義する。
【００３７】
キレート膜の形成方法は、図３（ｆ）に示すように、陰極部材１２０を銅膜１０５に平行に配置し、電解質、および添加剤として例えば銅をキレート化するキレート剤を含む電解液ＥＬを陰極部材１２０と銅膜１０５との間に介在させる。なお、図４以降は、陰極部材１２０および電解液ＥＬの図中への記載を省略してある。
また、電解液ＥＬには、上記の他、添加剤として、光沢剤、Ｃｕイオン等を含めることができる。
そして、この電解液を温度コントロールして、金属膜表面の酸化、キレート形成割合、払拭割合等を最適化する。
ここで、キレート剤としては、例えば、化学構造式（１）のキナルジン酸、化学構造式（２）のグリシン、化学構造式（３）のクエン酸、化学構造式（４）のシュウ酸、化学構造式（５）のプロピオン酸などを用いる。
次に、陰極部材１２０を陰極として、銅膜１０５およびバリヤ膜１０３を陽極として、電圧を印加する。
【００３８】
【化１】
0004644954.tif 000002
【００３９】
【化２】
ＮＨ2 ＣＨ2 ＣＯＯＨ            （２）
【００４０】
【化３】
0004644954.tif 000003
【００４１】
【化４】
（ＣＯＯＨ）2                   （４）
【００４２】
【化５】
Ｃ2 Ｈ5 ＣＯＯＨ              （５）
【００４３】
陽極である銅膜１０５は、陽極酸化されることにより、ＣｕＯを形成する。ここで、銅膜１０５表面の凸部と陰極部材１２０との距離ｄ１は、銅膜１０５表面の凹部と陰極部材１２０との距離ｄ２に比して、短いことから、陰極部材１２０と銅膜１０５の電位差が一定の場合には、凸部における電流密度の方が凹部に比して大きくなるため、陽極酸化が促進される。
【００４４】
図３（ｇ）に示すように、陽極酸化された銅膜（ＣｕＯ）１０５の表面は、電解溶液中のキレート剤により、キレート化される。キレート剤にキナルジン酸を用いた場合には、化学構造式（６）のキレート化合物からなる膜となり、グリシンを用いた場合には、化学構造式（７）のキレート化合物からなる膜となる。これらのキレート膜１０６は、電気抵抗が銅に比して高く、機械的強度は非常に小さい。従って、銅膜１０５の表面にキレート膜１０６が形成された後は、銅膜１０５から電解液ＥＬを通じて陰極部材１２０へ流れる電流値は低下する。陽極酸化されない前は、銅のキレート化は抑制された状態にある。
【００４５】
【化６】
0004644954.tif 000004
【００４６】
【化７】
0004644954.tif 000005
【００４７】
次に、図４（ｈ）に示すように、銅膜１０５の表面に形成されたキレート膜１０６の凸部を、ワイピング、機械研磨などによって選択的に除去する。なお、機械研磨によって、キレート膜１０６の凸部を除去する場合に、あらかじめ、電解液ＥＬに不図示のスラリーを含ませていても良い。また、当該キレート膜の機械的強度は非常に小さいため、基板１０１に振動を与えたり、電解液ＥＬに噴流を与えたりすることによってもキレート膜１０６を容易に除去することができる。
このとき、電気抵抗の低い銅膜１０５の凸部が電解液中に露出するため、銅膜１０５から電解液ＥＬを通じて陰極部材１２０へ流れる電流値は増加する。
【００４８】
次に、図４（ｉ）に示すように、電解液中に露出した銅膜１０５の凸部は、電気抵抗が低いこと、および陰極部材１２０との距離が短いことから集中的に陽極酸化され、陽極酸化された銅は、キレート化される。このとき、銅膜１０５から電解液ＥＬを通じて陰極部材１２０へ流れる電流値は再び低下する。
その後、キレート膜１０６の凸部を上述したワイピング、機械研磨などにより、選択的に除去し、露出した銅膜１０５が集中的に陽極酸化、キレート化され、当該キレート膜１０６の凸部を選択的に除去する工程を繰り返す。このとき、銅膜１０５から電解液ＥＬを通じて陰極部材１２０へ流れる電流値は、キレート膜１０６の除去と同時に増加し、キレート膜１０６の形成と同時に低下するという状態を繰り返す。
【００４９】
次に、図５（ｊ）に示すように、上記の工程の後、銅膜１０５が平坦化する。平坦化された当該銅膜１０５をワイピング、機械研磨等によって全面に除去することにより、銅膜１０５から電解液ＥＬを通じて陰極部材１２０へ流れる電流値は、１度最大値をとる。
【００５０】
次に、図５（ｋ）に示すように、平坦化された銅膜１０５の全面について、陽極酸化による生成キレート膜の除去工程を、バリヤ膜１０３上の余分な銅膜１０５がなくなるまで続ける。
【００５１】
次に、図５（ｌ）に示すように、当該銅膜１０５の全面を例えば上述したワイピング、機械研磨などにより除去し、バリヤ膜１０３の表面を露出させる。このとき、銅膜１０５より電気抵抗の高いバリヤ膜１０３が露出するため、キレート膜１０６除去後の電流値の値が低下し始める。当該電流値が低下し始めた時点（終点付近）で、印加電圧を小さくし、その後、電圧を印加するのを停止し、陽極酸化によるキレート化の進行を止める。ここまでのプロセスによって、銅膜１０５の初期凹凸の平坦化は達成される。
その後、配線用溝の外部に堆積されたバリヤ膜１０３を除去することにより、銅配線が形成される。
【００５２】
本実施形態に係る研磨方法によれば、電気化学的に研磨レートをアシストされた研磨であるため、通常の化学機械研磨に比して、低い加工圧力で研磨を行うことができる。このことは、単純な機械研磨と比較してもスクラッチの低減、段差緩和性能、ディッシングやエロージョンの低減などの面で非常に有利である。
また、低い加工圧力で研磨を行うことができるため、機械強度が弱く通常の化学機械研磨では破壊されてしまい易い、有機系の低誘電率膜や多孔質低誘電率絶縁膜を層間絶縁膜１０２に用いる場合に非常に有用である。
【００５３】
通常の化学機械研磨で、アルミナ粒子などを含むスラリーを使用した場合には、ＣＭＰ加工に寄与したのち磨滅せずに残留したり、銅表面に埋没することが起こる（パーティクル）が、本発明の研磨方法では、砥粒を含まないキレート剤を電解液とする機械的研磨もしくはワイピングなどでも、表面に形成されたキレート膜は機械的強度が非常に小さいため、十分に除去可能である。
また、電解電流をモニタリングすることで、研磨プロセスの管理を行うことができ、研磨プロセスの進行状態を正確に把握することが可能となる。
【００５４】
本発明に係る研磨方法は、上記の実施の形態に限定されない。
銅以外にも、上述したように、例えば、Ａｌ、Ｗ、ＷＮ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等あるいはそれらの合金膜からなる配線層に適用することができ、上述した材料等からなるバリア膜の研磨にも適用することができる。
また、配線等以外に使用される種々の金属膜の研磨に適用することができる。
また、キレート剤の種類や、陰極部材の種類など、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は上記の実施の形態に限定されない。
例えば、金属膜の研磨方法以外に係る方法は何ら限定はなく、本実施形態においては、デュアルダマシン法を例に説明したが、シングルダマシン法にも適用でき、その他、コンタクトホールもしくは配線用溝の形成方法や銅膜の形成方法、バリヤ膜の形成方法などは、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５５】
（研磨装置）
図６は、本発明の実施形態に係る研磨装置の構成を示す図である。
図６に示す研磨装置は、加工ヘッド部と、電解電源６１と、研磨装置全体を制御する機能を有するコントローラー５５と、スラリー供給装置７１と、電解液供給装置８１とを備えている。
なお、図示しないが研磨装置は、クリーンルーム内に設置され、当該クリーンルーム内には、被研磨対象物のウェーハを収納したウェーハカセットを搬出入する搬出入ポートが設けられている。さらに、この搬出入ポートを通じてクリーンルーム内に搬入されたウェーハカセットと研磨装置との間でウェーハの受け渡しを行うウェーハ搬送ロボットが搬出入ポートと研磨装置の間に設置される。また、当該研磨装置により研磨された後のウェーハを洗浄するための洗浄機構が１ユニットとして構成されていてもよい。
【００５６】
加工ヘッド部は、研磨工具１１を保持し、回転させる研磨工具保持部（研磨工具回転保持手段）１０と、研磨工具保持部１０をＺ軸方向の目標位置に位置決めするＺ軸位置決め機構部（移動位置決め手段）３０と、被研磨対象物のウェーハＷを保持し回転させＸ軸方向に移動するＸ軸移動機構部（回転保持手段および相対移動手段）４０とから構成されている。
【００５７】
Ｚ軸位置決め機構部３０は、不図示のコラムに固定されたＺ軸サーボモータ３１と、Ｚ軸サーボモータ３１に接続されたボールネジ軸３１ａと、保持装置１３および主軸モータ１４に連結され、ボールネジ軸３１ａに螺合するネジ部を有するＺ軸スライダ３２と、Ｚ軸スライダ３２をＺ軸方向に移動自在に保持する不図示のコラムに設置されたガイドレール３３とを有する。
【００５８】
Ｚ軸サーボモータ３１は、Ｚ軸サーボモータ３１に接続されたＺ軸ドライバ５１から駆動電流が供給されて回転駆動される。ボールネジ軸３１ａは、Ｚ軸方向に沿って設けられ、一端がＺ軸サーボモータ３１に接続され、他端は、上記の不図示のコラムに設けられた保持部材によって、回転自在に保持され、その間に、Ｚ軸スライダ３２のネジ部と螺合されている。
上記の構成により、Ｚ軸サーボモータ３１の駆動により、ボールネジ軸３１ａが回転され、Ｚ軸スライダ３２を介して、研磨工具保持部１０に保持された研磨工具１１がＺ軸方向の任意の位置に移動位置決めされる。Ｚ軸位置決め機構部３０の位置決め精度は、例えば分解能０．１μｍ程度としている。
【００５９】
Ｘ軸移動機構部４０は、ウェーハＷをチャッキングするウェーハテーブル４２とウェーハテーブル４２を回転駆動させる駆動力を供給する駆動モータ４４と、駆動モータ４４と保持装置４５の回転軸とを連結するベルト４６と、保持装置４５に設けられた加工パン４７と、駆動モータ４４および保持装置４５が設置されたＸ軸スライダ４８と、不図示の架台に設置されたＸ軸サーボモータ４９と、Ｘ軸サーボモータ４９に接続されたボールネジ軸４９ａと、Ｘ軸スライダ４８に連結されボールネジ軸４９ａに螺合するネジ部が形成された可動部材４９ｂとから構成されている。
【００６０】
ウェーハテーブル４２は、例えば、真空吸着手段によってウェーハＷを吸着する。
加工パン４７は、使用済の電解液や、スラリー等の液体を回収するために設けられている。
駆動モータ４４は、テーブルドライバ５３に接続されており、当該テーブルドライバ５３から駆動電流が供給されることによって駆動され、この駆動電流を制御することでウェーハテーブル４２を所定の回転数で回転させることができる。
Ｘ軸サーボモータ４９は、Ｘ軸ドライバ５４に接続されており、当該Ｘ軸ドライバ５４から供給される駆動電流によって回転駆動し、Ｘ軸スライダ４８がボールネジ軸４９ａおよび可動部材４９ｂを介してＸ軸方向に駆動する。このとき、Ｘ軸サーボモータ４９に供給する駆動電流を制御することによって、ウェーハテーブル４２のＸ軸方向の速度制御が可能となる。
【００６１】
スラリー供給装置７１は、スラリーを不図示の供給ノズルを介して、ウェーハＷ上に供給する。スラリーとしては、例えば、過酸化水素、硝酸鉄、ヨウ素酸カリウム等をベースとした酸化力のある水溶液に酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化セリウム、シリカ、酸化ゲルマニウム等を研磨砥粒として含有させたものを使用する。なお、スラリーは必要に応じて供給すればよい。
【００６２】
電解液供給装置８１は、電解質と添加剤を含む電解液ＥＬを不図示の供給ノズルを介して、ウェーハＷ上に供給する。
電解質は、有機溶媒あるいは水溶液をベースとしたものを用いることができる。
電解質は、酸として、例えば、硫酸銅、硫酸アンモニウム、リン酸等があり、アルカリの例としては、エチルジアミン、ＮａＯＨ、ＫＯＨ等がある。
また、電解質として、メタノール、エタノール、グリセリン、エチレングリコール等の有機溶媒希釈混合液を用いることもできる。
添加剤としては、Ｃｕイオン、光沢剤またはキレート剤を含む。
光沢剤としては、例えば、イオウ系、水酸化銅やリン酸銅等の銅イオン系、塩酸等の塩素イオン系、ベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）、ポリエチレングリコール等を用いることができる。
キレート剤としては、例えば、上述したキナルジン酸、グリシン、クエン酸、シュウ酸、プロピオン酸などの他、キノリン、アントラニル酸等を用いる。
【００６３】
図７は、本実施形態に係る研磨装置の研磨工具保持部１０の内部構造を示す図である。
研磨工具保持部１０は、研磨工具１１と、研磨工具１１を保持するフランジ部材１２と、フランジ部材１２を主軸１３ａを介して回転自在に保持する保持装置１３と、保持装置１３に保持された主軸１３ａを回転させる主軸モータ１４と、主軸モータ１４上に設けられたシリンダ装置１５から構成されている。
【００６４】
主軸モータ１４は、例えば、ダイレクトドライブモータからなり、このダイレクトドライブモータの不図示のロータは、主軸１３ａに連結されている。
また、主軸モータ１４は、中心部にシリンダ装置１５のピストンロッド１５ｂが挿入される貫通孔を有している。主軸モータ１４は、主軸ドライバ５２から供給される駆動電流によって駆動される。
【００６５】
保持装置１３は、例えば、エアベアリングを備えており、このエアベアリングで主軸１３ａを回転自在に保持している。保持装置１３の主軸１３ａも中心部にピストンロッド１５ｂが挿入される貫通孔を有している。
【００６６】
フランジ部材１２は、金属材料から形成されており、主軸１３ａに連結され、開口部１２ａを備え、下端面１２ｂに研磨工具１１が固着されている。
フランジ部材１２の上端面１２ｃ側は、主軸１３ａに連結されているため、主軸１３ａの回転によってフランジ部材１２も回転する。
フランジ部材１２の上端面１２ｃは、主軸モータ１４および保持装置１３の側面に設けられた導電性の通電部材２８（陰極通電部材）に固定された通電ブラシ２７と接触しており、通電ブラシ２７とフランジ部材１２とは電気的に接続されている。
【００６７】
シリンダ装置１５は、主軸モータ１４のケース上に固定されており、ピストン１５ａを内蔵しており、ピストン１５ａは、例えば、シリンダ装置１５内に供給される空気圧によって矢印Ａ１およびＡ２のいずれかの向きに駆動される。
このピストン１５ａには、ピストンロッド１５ｂが連結されており、ピストンロッド１５ｂは、主軸モータ１４および保持装置１３の中心を通って、フランジ部材１２の開口部１２ａから突き出ている。
ピストンロッド１５ｂの先端には、押圧部材２１が連結されており、この押圧部材２１はピストンロッド１５ｂに対して所定の範囲で姿勢変更が可能な連結機構によって連結されている。
押圧部材２１は、対向する位置に配置された絶縁板２２の開口２２ａの周縁部に接触可能となっており、ピストンロッド１５ｂの矢印Ａ２方向への駆動によって絶縁板２２を押圧する。
【００６８】
シリンダ装置１５のピストンロッド１５ｂの中心部には、貫通孔が形成されており、貫通孔内に通電軸２０が挿入され、ピストンロッド１５ｂに対して固定されている。
通電軸２０は、導電性材料から形成されており、上端側はシリンダ装置１５のピストン１５ａを貫通してシリンダ装置１５上に設けられたロータリジョイント１６まで伸びており、下端側は、ピストンロッド１５ｂおよび押圧部材２１を貫通して電極板２３まで伸びており、電極板２３に接続されている。
【００６９】
通電軸２０は、中心部に貫通孔が形成されており、この貫通孔が化学研磨剤（スラリー）およびキレート剤を含む電解液をウェーハＷ上に供給する供給ノズルとなっている。
また、通電軸２０は、ロータリジョイント１６と、電極板２３とを電気的に接続する役割を果たしている。
【００７０】
ロータリジョイント１６は、電解電源６１のプラス極と電気的に接続されており、通電軸２０が回転しても通電軸２０への通電を維持する。
【００７１】
通電軸２０の下端部に接続された電極板（陽極部材）２３は、金属材料からなり、特に、ウェーハＷに形成される例えば銅等の金属膜と同等または金属膜より貴なる金属で形成されている。
電極板２３は、上面側が絶縁板２２に保持されており、電極板２３の外周部は絶縁板２２に嵌合しており、下面側にはスクラブ部材２４が貼着されている。
【００７２】
絶縁板２２は、例えば、セラミクス等の絶縁材料から形成されており、この絶縁板２２は複数の棒状の連結部材２６によって主軸１３ａに連結されている。連結部材２６は、絶縁板２２の中心軸から所定の半径位置に等間隔に配置されており、主軸１３ａに対して移動自在に保持されている。このため、絶縁板２２は主軸１３ａの軸方向に移動可能である。
また、絶縁板２２と主軸１３ａとの間には、各連結部材２６に対応して、例えば、コイルスプリングからなる弾性部材２５で接続されている。
【００７３】
絶縁板２２を保持装置１３の主軸１３ａに対して移動自在にし、絶縁板２２と主軸１３ａとを弾性部材２５で連結する構成とすることにより、シリンダ装置１５に高圧エアを供給してピストンロッド１５ｂを矢印Ａ２の向きに下降させると、押圧部材２１が弾性部材２５の復元力に逆らって絶縁板２２を下方に押し下げ、これとともにスクラブ部材２４も下降する。
この状態からシリンダ装置１５への高圧エアの供給を停止すると、弾性部材２５の復元力によって、絶縁板２２は上昇し、これとともにスクラブ部材２４も上昇する。
【００７４】
研磨工具１１は、フランジ部材１２の環状の下端面１２ｂに固着されている。この研磨工具１１は、ホイール状に形成されており、下端面に環状の研磨面１１ａを備えている。研磨工具１１は、導電性を有しており、好ましくは、比較的軟質性の材料で形成する。例えば、バインダマトリクス（結合剤）自体が導電性を持つカーボンや、あるいは、焼結銅、メタルコンパウンド等の導電性材料を含有するウレタン樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリビニルアセタール（ＰＶＡ）などの樹脂からなる多孔質体から形成することができる。
研磨工具１１は、導電性を有するフランジ部材１２に直接接続され、フランジ部材１２に接触する通電ブラシ２７から通電される。
すなわち、主軸モータ１４および保持装置１３の側面に設けられた導電性の通電部材２８は、電解電源６１のマイナス極と電気的に接続され、通電部材２８に設けられた通電ブラシ２７はフランジ部材１２の上端面１２ｃに接触しており、これにより、研磨工具１１は電解電源６１と通電部材２８、通電ブラシ２７およびフランジ部材１２を介して電気的に接続されている。
【００７５】
電解電源（電流供給手段）６１は、上記したロータリジョイント１６と通電部材（陰極通電部材）２８との間に所定の電圧を印加する装置である。ロータリジョイント１６と通電部材２８との間に電圧を印加することによって、研磨工具１１とスクラブ部材２４との間には電位差が発生する。
電解電源６１には、常に一定の電圧を出力する定電圧電源ではなく、好ましくは、電圧を一定周期でパルス状に出力する、例えば、スイッチング・レギュレータ回路を内蔵した電源を使用する。
具体的には、パルス状の電圧を一定周期で出力し、パルス幅を適宜変更可能な電源を使用する。一例としては、出力電圧がＤＣ２〜５Ｖ、最大出力電流が２〜３Ａ、パルス幅が１，２，５，１０，２０，５０ｍｓｅｃのいずれかに変更可能なものを使用する。
上記のような幅が短いパルス状の電圧出力とするのは、１パルス当たりの陽極酸化量を非常に小さくするためである。すなわち、ウェーハＷの表面に形成された例えば銅等の金属膜の凹凸に接触した場合などにみられる極間距離の急変による放電、気泡やパーティクルなどが介在した場合におこる電気抵抗の急変によるスパーク放電など、金属膜の突発的かつ巨大な陽極酸化を防止し、できる限り小さなものの連続にするために有効である。
また、出力電流に比して出力電圧が比較的高いため、極間距離の設定にある程度のマージンを設定する事ができる。すなわち、極間距離が多少変わっても出力電圧が高いため電流値変化は小さい。
なお、印加するパルスとしては、上記に限られるものでなく、周期性パルスとして矩形パルス、サイン波形、鋸歯状波形、ＰＡＭ波形を印加してもよい。
【００７６】
電解電源６１には、本発明の電流検出手段としての電流計６２を備えており、この電流計６２は、電解電源６１に流れる電解電流をモニタするために設けられており、モニタした電流値信号６２ｓをコントーラ５５に出力する。
また、電解電源６１は、電流検出手段に変わって抵抗値検出手段としての抵抗計を備えていてもよく、その役割は電流検出手段と同様である。
【００７７】
コントローラ５５は、研磨装置の全体を制御する機能を有し、具体的には、主軸ドライバ５２に対して制御信号５２ｓを出力して研磨工具１１の回転数を制御し、Ｚ軸ドライバ５１に対して制御信号５１ｓを出力して研磨工具１１のＺ軸方向の位置決め制御を行い、テーブルドライバ５３に対して制御信号５３ｓを出力してウェーハＷの回転数を制御し、Ｘ軸ドライバ５４に対して制御信号５４ｓを出力して、ウェーハＷのＸ軸方向の速度制御を行う。
また、コントローラ５５は、電解液供給装置８１およびスラリー供給装置７１の動作を制御し、電解液ＥＬおよびスラリーＳＬの供給動作を制御する。
【００７８】
また、コントローラ５５は、電解電源６１の出力電圧、出力パルスの周波数、出力パルスの幅等を制御可能となっている。
また、コントローラ５５には、電解電源６１の電流計６２からの電流値信号６２ｓが入力される。コントローラ５５は、これら電流値信号６２ｓに基づいて、研磨装置の動作を制御可能となっている。具体的には、電流値信号６２ｓから得られる電解電流が一定となるように、電流値信号６２ｓをフィードバック信号としてＺ軸サーボモータ３１を制御したり、電流値信号６２ｓで特定される電流値に基づいて、研磨加工を停止させるように研磨装置の動作を制御する。
陰極部材と前記金属膜を流れる電流がステップ状に変化するように設定された周期性パルスを印加することが可能であり、例えば金属膜除去の初期においては、陰極部材と金属膜を流れる電流が徐々に増加するように設定された周期性パルスを印加する。これにより、電圧印加開始時などにおいて瞬間的に高電圧が印加されてしまい、除去される金属膜の表面状態が劣化するのを防止することができる。
また、金属膜除去の終点付近では、電流値信号６２ｓが小さくなることから、所定のしきい値と比較して、当該しきい値よりも電流値信号６２ｓが小さくなった場合には、終点付近であるとして出力パルスを小さくするように制御し、その後、パルスの出力を止めるように電解電源６１へ制御信号を出力する。
【００７９】
コントローラ５５に接続されたコントロールパネル５６は、オペレータが各種のデータを入力したり、例えば、モニタリングした電流値信号６２ｓを表示したりする。
【００８０】
ここで、図８（ａ）は電極板２３の構造の一例を示す下面図であり、図８（ｂ）は電極板２３と、通電軸２０、スクラブ部材（洗浄部材）２４および絶縁板２２との位置関係を示す断面図である。
図８（ａ）に示すように、電極板２３の中央部には円形の開口部（供給ノズル）２３ａが設けられており、この開口部２３ａを中心に電極板２３の半径方向に放射状に伸びる複数の溝部２３ｂが形成されている。
また、図８（ｂ）に示すように、電極板２３の開口部２３ａには、通電軸２０の下端部が嵌合固着されている。
【００８１】
このような構成とすることで、通電軸２０の中心部に形成された供給ノズル２０ａを通じて供給されるスラリーおよび電解液が、溝部２３ｂを通じてスクラブ部材２４の全面に拡散するようになっている。
すなわち、電極板２３、通電軸２０、スクラブ部材２４および絶縁板２２が回転しながら、スラリーおよび電解液が供給ノズル２０ａを通じてスクラブ部材２４の上側面に供給されると、スクラブ部材２４の上側面全体にスラリーおよび電解液が広がる。
なお、スクラブ部材２４および通電軸２０の供給ノズル２０ａが本発明の研磨剤供給手段および電解液供給手段の一具体例に対応している。
【００８２】
電極板２３の下面に貼着されたスクラブ部材２４は、電解液およびスラリーを吸収し、これらを上側面から下側面に通過させることができる材料から形成されている。また、このスクラブ部材２４は、ウェーハＷに接触してウェーハＷをスクラブする面を有しており、ウェーハＷ表面にスクラッチ等を発生させないように、例えば、柔らかいブラシ状の材料、スポンジ状の材料、多孔質状の材料等から形成される。例えば、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリビニルアセタール（ＰＶＡ）などの樹脂からなる多孔質体が挙げられる。
【００８３】
図９に、研磨する際の研磨工具１１とウェーハの位置関係を示す。
研磨工具１１の中心軸は、例えばウェーハＷに対して微小な角度で傾斜している。また、保持装置１３の主軸１３ａもウェーハＷの主面に対して研磨面１１ａの傾斜と同様に傾斜している。例えば、保持装置１３のＺ軸スライダ３２への取り付け姿勢を調整することで主軸１３ａの微小な傾斜をつくり出すことができる。
【００８４】
このように、研磨工具１１の中心軸がウェーハＷの主面に対して微小角度で傾斜していることにより、研磨工具１１の研磨面１１ａを所定の加工圧力ＦでウェーハＷに押し付けた際に、実行的な接触面積は一定に維持される。
本実施形態に係る研磨装置では、研磨工具１１の一部を部分的に研磨面１１ａとして、ウェーハＷの表面に作用させ、実効的接触領域をウェーハＷの表面に均一に走査させてウェーハＷの全面を均一に研磨する。
これにより、電解電流の値を一定に制御すれば、電流密度は常に一定とでき、金属膜の陽極酸化によるキレート化の量も常に一定にすることができる。
【００８５】
次に、上記した研磨装置による研磨動作（研磨方法）をウェーハＷ表面に形成された金属膜として例えば銅膜を研磨する場合を例に説明する。図１０は、研磨装置において研磨工具１１をＺ軸方向に下降させ、ウェーハＷの表面に接触させた状態を示す概略図である。
まず、ウェーハテーブル４２にウェーハＷをチャッキングし、ウェーハテーブル４２を駆動して所定の回転数でウェーハＷを回転させる。
また、ウェーハテーブル４２をＸ軸方向に移動して、フランジ部材１２に取り付けられた研磨工具１１をウェーハＷの上方の所定の場所に配置させ、研磨工具１１を所定の回転数で回転させる。研磨工具１１を回転させると、フランジ部材１２に連結された絶縁板２２、電極板２３およびスクラブ部材２４も回転駆動される。また、スクラブ部材２４を押圧している押圧部材２１、ピストンロッド１５ｂ、ピストン１５ａ、通電軸２０も同時に回転する。
【００８６】
この状態から、スラリー供給装置７１および電解液供給装置８１からそれぞれスラリーＳＬおよび電解液ＥＬを通電軸２０内の供給ノズル２０ａに供給すると、スクラブ部材２４の全面からスラリーＳＬおよび電解液ＥＬが供給される。
研磨工具１１をＺ軸方向に下降させて研磨工具１１の研磨面１１ａをウェーハＷの表面に接触させ、所定の加工圧力で押圧させる。
また、電解電源６１を起動させて、通電ブラシ２７を通じて研磨工具１１にマイナスの電位を印加し、ロータリジョイント１６を通じて電極板２３およびスクラブ部材２４にプラスの電位を印加する。
【００８７】
さらに、シリンダ装置１５に高圧エアを供給して、図７の矢印Ａ２の方向にピストンロッド１５ｂを下降させ、スクラブ部材２４の下面をウェーハＷに接触あるいは接近する位置まで移動させる。
この状態からウェーハテーブル４２をＸ軸方向に所定の速度パターンで移動させ、ウェーハＷの全面を一様に研磨加工する。
【００８８】
図１１は図１０の円Ｃ内の拡大図であり、図１２は図１１の円Ｄ内の拡大図である。
図１１に示すように、スクラブ部材２４はウェーハＷに形成された銅膜ＭＴを、電解液ＥＬを介して、または、直接接触することにより陽極として通電し、研磨工具１１もウェーハＷに形成された銅膜ＭＴを、電解液ＥＬを介して、または、直接接触することにより陰極として通電する。なお、図１１に示すように、銅膜ＭＴとスクラブ部材２４との間には、ギャップδb が存在している。さらに、図１２に示すように、銅膜ＭＴと研磨工具１１の研磨面１１ａとの間にはギャップδw が存在している。
図１１に示すように、絶縁板２２は、研磨工具１１とスクラブ部材２４（電極板２３）との間に介在しているが、絶縁板２２の抵抗Ｒ０は非常に大きく、したがって、スクラブ部材２４から絶縁板２２を介して研磨工具１１に流れる電流ｉ0 はほぼ零であり、スクラブ部材２４から絶縁板２２を介して研磨工具１１には電流が流れない。
【００８９】
このため、スクラブ部材２４から研磨工具１１に流れる電流は、直接電解液ＥＬ中の抵抗Ｒ１を経由して研磨工具１１に流れる電流ｉ1 と、電解液ＥＬ中からウェーハＷの表面に形成された銅膜ＭＴを経由して再度電解液ＥＬ中を通って研磨工具１１に流れる電流中に流れる電流ｉ2 に分岐する。
銅膜ＭＴの表面に電流ｉ2 が流れると、銅膜ＭＴを構成する銅は、電解液ＥＬの電解作用によって陽極酸化され、電解液中のキレート剤により、キレート化される。
【００９０】
ここで、電解液ＥＬ中の抵抗Ｒ１は、陽極としてのスクラブ部材２４と陰極としての研磨工具１１との距離ｄに比例して極端に大きくなる。このため、極間距離ｄを、ギャップδb およびギャップδw よりも十分に大きくしておくことで、直接電解液ＥＬ中の抵抗Ｒ１を経由して研磨工具１１に流れる電流ｉ1 は非常に小さくなり、電流ｉ2 が大きくなって、電解電流のほとんどは銅膜ＭＴの表面経由することになる。このため、銅膜ＭＴを構成する銅の陽極酸化によるキレート化を効率的に行うことができる。
また、電流ｉ2 の大きさは、ギャップδb およびギャップδw の大きさによって変化するため、上述したように、コントローラ５５によって研磨工具１１のＺ軸方向の位置制御を行ってギャップδb およびギャップδw の大きさを調整することにより、電流ｉ2 を一定にすることができる。ギャップδw の大きさの調整は、電流値信号６２ｓから得られた電解電流、すなわち、電流ｉ2 が一定となるように、電流値信号６２ｓをフィードバック信号としてＺ軸サーボモータ３１の制御を行うことで可能である。
また、研磨装置のＺ軸方向の位置決め精度は分解能０．１μｍと十分に高く、加えて、主軸１３ａをウェーハＷの主面に対して微小角度で傾斜させていることで実行的な接触面積は常に一定に維持されることから、電解電流の値を一定に制御すれば、電流密度は常に一定とでき、銅膜の陽極酸化によるキレート化の量も常に一定にすることができる。
【００９１】
以上のように、上記構成の研磨装置は、上述したウェーハＷに形成された銅膜ＭＴの表面に、陽極酸化によるキレート膜を生成し、除去する電解研磨機能を備えている。
さらに、上記構成の研磨装置は、この電解研磨機能に加えて、研磨工具１１およびスラリーＳＬによる通常のＣＭＰ装置の化学機械研磨機能も備えており、ウェーハＷをこれら電解研磨機能および化学機械研磨の複合作用によって研磨すること（以下、電解複合研磨という）もできる。
また、上記構成の研磨装置は、スラリーＳＬを用いずに研磨工具１１の研磨面１１ａの機械的な研磨と電解研磨機能との複合作用によって研磨加工を行うこともできる。
【００９２】
本実施形態に係る研磨装置によれば、電解研磨および化学機械研磨の複合作用によって銅等の金属膜を研磨できるため、化学機械研磨のみ、あるいは、機械研磨のみを用いた研磨装置に比べてはるかに高能率に金属膜の除去を行うことができる。金属膜に対する高い研磨レートが得られるため、研磨工具１１のウェーハＷに対する加工圧力Ｆを化学機械研磨のみ、あるいは機械研磨のみを用いた研磨装置に比べて低く抑えることが可能となり、ディッシング、エロージョンの発生を抑制することができる。
【００９３】
また、通常の化学機械研磨に用いるスラリーにおいて、アルミナ粒子などを含むスラリーを使用した場合に、研磨後に、スラリーが磨滅せずに金属膜表面に残留したり、埋没することも起こるが、本実施形態に係る研磨装置では、研磨砥粒を含まないキレート剤を含む電解液を使用する機械研磨のみであっても、表面に残存するキレート膜は機械的強度が非常に低いため、十分に除去可能であることから、パーティクルやスラリーのウェーハ表面への残留を防止することができる。
【００９４】
さらに、研磨装置のＺ軸方向の位置決め精度は分解能０．１μｍと十分に高く、加えて、主軸１３ａをウェーハＷの主面に対して微小角度で傾斜させていることで実行的な接触面積は常に一定に維持されることから、電解電流の値を一定に制御すれば、電流密度は常に一定とでき、金属膜の陽極酸化によるキレート化の量も常に一定にすることができる。
上述した実施形態では、金属膜の研磨加工量の絶対値は、電解電流の積算量と研磨工具１１のウェーハＷを通過する時間で制御できる。
【００９５】
変形例１
図１３は、本発明に係る研磨装置の一変形例を示す概略図である。
上述した実施形態に係る研磨装置では、ウェーハＷ表面への通電を、導電性の研磨工具１１と、スクラブ部材２４を備えた電極板２３とによって行った。
図１３に示すように、ホイール状の研磨工具３１１に、上述した研磨装置の場合と同様に導電性を持たせるとともに、ウェーハＷをチャッキングし回転させるウェーハテーブル３４２にも導電性を持たせる構成としてもよい。研磨工具３１１への給電は、上述した実施形態と同様の構成で行う。
この場合には、ウェーハテーブル３４２への通電は、ウェーハテーブル３４２の下部にロータリージョイント３１６を設け、ロータリージョイント３１６によって回転するウェーハテーブル３４２への通電を常に維持する構成とすることで、電解電流の供給を行うことができる。
【００９６】
変形例２
図１４は、本発明に係る研磨装置の他の変形例を示す概略図である。
ウェーハＷをチャッキングし、回転させるウェーハテーブル４４２は、ウェーハＷをウェーハＷの周囲に設けたリテーナリング４１０によって保持している。
研磨工具４１１には、導電性を持たせるとともに、リテーナリング４１０にも導電性を持たせ、研磨工具４１１には上述した実施形態と同様の構成で給電する。
また、リテーナリング４１０は、ウェーハＷに形成された上記のバリア層部分まで覆い通電する。さらに、リテーナリング４１０には、ウェーハテーブル４４２の下部に設けられたロータリジョイント４１６を通じて給電する。
なお、研磨工具４１１がウェーハＷに接触しても、エッジの部分でリテーナリング４１０の厚さ以上の隙間が維持できるように研磨工具４１１の傾斜量を大きくしておくことで、研磨工具４１１とリテーナリング４１０との干渉を防ぐことができる。
【００９７】
変形例３
図１５は、本発明に係る研磨装置の他の実施形態を示す概略構成図である。
図１５に示す研磨装置は、従来型のＣＭＰ装置に本発明の電解研磨機能を付加したものであって、定盤２０１上に研磨パッド（研磨布）２０２が貼着された研磨工具の研磨面にウェーハチャック２０７によってチャッキングされたウェーハＷの全面を回転させながら接触させてウェーハＷの表面を平坦化する研磨装置である。
【００９８】
研磨パッド２０２には、陽極電極２０４と陰極電極２０３とが放射状に交互に配置されている。また、陽極電極２０４と陰極電極２０３とは絶縁体２０６によって電気的に絶縁されており、陽極電極２０４と陰極電極２０３は、定盤２０１側から通電される。これら陽極電極２０４と陰極電極２０３と絶縁体２０６とによって研磨パッド２０２は構成されている。
また、ウェーハチャック２０７は、絶縁材料から形成されている。
さらに、この研磨装置には、研磨パッド２０２の表面に電解液ＥＬおよびスラリーＳＬを供給する供給部２０８が設けられており、電解研磨および化学機械研磨を複合させた電解複合研磨が可能になっている。
【００９９】
ここで、図１６は、上記構成の研磨装置による電解複合研磨動作（研磨方法）を説明するための図である。なお、ウェーハＷ表面には、銅等の金属膜２１０が形成されているものとする。
図１６に示すように、電解複合研磨中には、ウェーハＷ表面に形成された金属膜２１０と研磨パッド２０２の研磨面との間には、電解液ＥＬおよびスラリーＳＬが介在した状態で、陽極電極２０４と陰極電極２０３との間に電圧が印加され、電流ｉが陽極電極２０４から電解液ＥＬを通って金属２１０内を伝って再び電解液ＥＬを通って陰極電極２０３に流れる。
このとき、図１６に示す円Ｇ内の付近で、金属膜２１０の表面は、陽極酸化によりキレート膜を生成し、当該キレート膜は研磨パッド２０２とスラリーＳＬによる機械的除去作用によって除去されることにより、金属膜の平坦化が達成される。
【０１００】
このような構成とすることにより、上述した実施形態に係る研磨装置と同様の効果が奏される。
なお、研磨パッドに設ける陽極電極、陰極電極の配置は図１５の構成に限定されるわけではなく、例えば、図１７に示すように、線状の複数の陽極電極２２２を縦横に等間隔に配列し、陽極電極２２２によって囲まれる各矩形領域に陰極電極２２３を配置し、陽極電極２２２と陰極電極２２３とを絶縁体２２４で電気的に絶縁した研磨パッド２２１としてもよい。
さらに、例えば、図１８に示すように、半径がそれぞれ異なる環状の陽極電極２４２を同心上に配置し、各陽極電極２４２間に形成される環状領域に陰極電極２４３をそれぞれ配置し、陽極電極２４２と陰極電極２４３とを絶縁体２４４で電気的に絶縁した研磨パッド２４１としてもよい。
【０１０１】
参考実施形態
図１９は本発明の参考実施形態に係る研磨装置の概略構成図である。本実施形態に係る研磨装置は、電解液ＥＬを所定量満たした水槽５０１と、当該水槽の電解液ＥＬ中に配置されたウェーハ保持手段５３０および電極板５１０と、水槽の電解液ＥＬを管５２２により吸い上げて管５２１により噴流として送り出すジェットポンプ５２０（流動手段）と、電極板５１０を陰極としてウェーハを陽極として電圧を印加する電源５６１（電解電流供給手段）と、電流計５６２と、コントローラ５５５およびコントロールパネル５５６から構成されている。
【０１０２】
保持手段５３０は、ウェーハを固定する導電性の第１保持部材５３１と導電性の第２保持部材５３２と、不図示のカラムなどに固定され、第１保持部材および第２保持部材を所定の位置に固定するＺ軸位置決め機構５３３とから構成されている。ウェーハの下側に位置する第２保持部材は、円形の開口部５３２ａを有している。
【０１０３】
電極板５１０は、電解液ＥＬ中にウェーハに平行に配置されており、例えば無酸素銅などにより、構成されている。
【０１０４】
電解液ＥＬは、第１実施形態と同様のものを使用することができ、例えば銅等の金属をキレート化するキレート剤を含んでおり、その他の添加剤などを含んでいても良い。例えば、電解質として、ウェーハと電極板５１０の間に印加される電圧を低下させるための、硫酸銅を用いる。
【０１０５】
電解電源（電解電流供給手段）５６１には、常に一定の電圧を出力する定電圧電源ではなく、好ましくは、電圧を一定周期でパルス状に出力する電源を使用する。例えば、電解電源５６１により印加される電圧は、２０〜５０ｍｓｅｃ毎に高電圧と低電圧を繰り返す矩形形状のパルス電圧（例えば２〜５Ｖ、電流２．２Ａ）である。
【０１０６】
上記のパルス電圧としては、ウェーハと電極板５１０との距離ｄなどにより、最も効率的に金属を除去することができる電圧およびパルス幅を選択することができる。
電極板５１０とウェーハとの距離ｄが小さすぎると、電極板５１０とウェーハとの間に介在する電解液の流動作用が十分に機能しないため、距離ｄは、所定の値以上を取ることが好ましく、上記の電圧と合わせて設定することが好ましい。
【０１０７】
電解電源５６１には、本発明の電流検出手段としての電流計５６２を備えており、この電流計５６２は、電解電源５６１に流れる電解電流をモニタするために設けられており、モニタした電流値信号５６２ｓをコントーラ５５５に出力する。
また、コントローラ５５５には、電解電源５６１の電流計５６２からの電流値信号５６２ｓが入力される。コントローラ５５５は、これら電流値信号５６２ｓに基づいて、研磨装置の動作を制御可能となっている。具体的には、電流値信号５６２ｓで特定される電流値に基づいて、研磨加工を停止させるように研磨装置の動作を制御する。
【０１０８】
コントローラ５５５に接続されたコントロールパネル５５６は、オペレータが各種のデータを入力したり、例えば、モニタリングした電流値信号５６２ｓを表示したりする。
【０１０９】
上記の研磨装置の構成によっても、第１実施形態に係る研磨装置と同様に、例えばウェーハＷの表面に凹凸のある金属膜が形成されている場合に、ウェーハＷを陽極として印加することで、ウェーハＷの金属膜表面が陽極酸化され、当該陽極酸化された金属膜が電解液ＥＬ中のキレート剤によりキレート化され、当該キレートは機械的強度が非常に弱いことから、ジェットポンプ５２０の管５２１からの電解液の流動作用によって、当該キレート膜の凸部が除去されることにより、金属膜の平坦化除去が達成される。
また、電解電流をモニタリングすることで、研磨プロセスの管理を行うことができ、研磨プロセスの進行状態を正確に把握することが可能となる。
【０１１０】
本実施形態に係る研磨装置によれば、機械的強度の非常に低いキレート膜の除去によって、金属膜の除去を達成できることから、従来の化学機械研磨のみ、あるいは、機械研磨のみを用いた研磨装置に比べてはるかに高能率に金属膜の除去を行うことができる。
従来の機械研磨のような強い押圧を必要としないため、配線金属膜下層の層間絶縁膜などに与えるダメージを低く抑えることが可能となり、ディッシング、エロージョンなどの発生を抑制することができる。配線金属膜下層の絶縁膜に高い圧力を印加しないので、該絶縁膜材料として機械的強度がＴＥＯＳなどを原料にした酸化シリコンよりも低い低誘電率材料にも適用可能である。
また、研磨装置としては、装置構成が簡便であるので、小型化を容易に実現でき、メンテナンスも容易で稼働率を向上させることができる。
【０１１１】
さらに、通常の化学機械研磨に用いるスラリーにおいて、アルミナ粒子などを含むスラリーを使用した場合に、研磨後にスラリーが磨滅せずに金属表面に残留したり、埋没することも起こるが、本実施形態に係る研磨装置では、そのような問題はない。
【０１１２】
本発明は、上記の実施形態に限定されない。例えば、ジェットポンプの構成、電極板の種類、水槽中でのウェーハを保持する装置の構成など、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【０１１３】
第２実施形態
図２０は本発明の第２実施形態に係る研磨装置の概略構成図である。本実施形態に係る研磨装置では、パルスジェネレータ６４０、アンプ６４１、加振器６４３からなる加振手段と、電解液ＥＬを所定量満たした水槽６０１と、当該水槽の電解液ＥＬ中に配置されたウェーハ保持手段６３０および電極板６１０と、電極板６１０を陰極としてウェーハを陽極として、電圧を印加する電源６６１（電解電流供給手段）と、電流計６６２と、コントローラ６５５およびコントロールパネル６５６から構成されている。
【０１１４】
保持手段６３０は、電極板６１０をウェーハＷに対して平行に保持する第１保持部材６３１、ウェーハを介在させて圧着して固定する第２保持部材６３２と第３保持部材６３４、一端が第２保持部材６３２に取り付けられており他端が加振器６４３に取り付けられている第４保持部材６３３から構成されている。
【０１１５】
第２保持部材６３２は、導電性材料から構成されており、ウェーハＷを陽極として、通電する役割も果たす。また、第２保持部材６３２は、ウェーハの表面を電極板６１０に対して開口するための開口部分６３２ａを有している。
【０１１６】
電解液ＥＬは、第１実施形態と同様のものを使用することができ、例えば銅等の金属をキレート化するキレート剤を含んでおり、その他の添加剤などを含んでいても良い。例えば、電解質として、ウェーハと電極板５１０の間に印加される電圧を低下させるための、硫酸銅を用いる。
【０１１７】
電極板６１０は、電解液ＥＬ中にウェーハに平行に配置されており、例えば無酸素銅などにより、構成されている。
【０１１８】
電解電源（電解電流供給手段）６６１には、常に一定の電圧を出力する定電圧電源ではなく、好ましくは、電圧を一定周期でパルス状に出力する電源を使用する。例えば、電解電源６６１により印加される電圧は、２０〜５０ｍｓｅｃ毎に高電圧と低電圧を繰り返す矩形形状のパルス電圧（例えば２〜５Ｖ、電流２．２Ａ）である。
【０１１９】
上記のパルス電圧としては、ウェーハと電極板６１０との距離ｄなどにより、最も効率的に金属膜を除去することができる電圧およびパルス幅を選択することができる。
電極板６１０とウェーハとの距離ｄが小さすぎると、電極板６１０とウェーハとの間に介在する電解液の循環作用が十分に機能しないため、距離ｄは、所定の値以上を取ることが好ましく、上記の電圧と合わせて設定することが好ましい。
【０１２０】
電解電源６６１には、本発明の電流検出手段としての電流計６６２を備えており、この電流計６６２は、電解電源６６１に流れる電解電流をモニタするために設けられており、モニタした電流値信号６６２ｓをコントーラ６５５に出力する。また、コントローラ６５５には、電解電源６６１の電流計６６２からの電流値信号６６２ｓが入力される。コントローラ６５５は、これら電流値信号６６２ｓに基づいて、研磨装置の動作を制御可能となっている。具体的には、電流値信号６６２ｓで特定される電流値に基づいて、研磨加工を停止させるように研磨装置の動作を制御する。
【０１２１】
コントローラ６５５に接続されたコントロールパネル６５６は、オペレータが各種のデータを入力したり、例えば、モニタリングした電流値信号６６２ｓを表示したりする。
【０１２２】
上記の研磨装置の構成によっても、第１実施形態に係る研磨装置と同様に、例えばウェーハＷの表面に凹凸のある金属膜が形成されている場合に、ウェーハＷを陽極として印加することで、ウェーハＷの金属膜表面が陽極酸化され、当該陽極酸化された金属膜が電解液ＥＬ中のキレート剤によりキレート化され、当該キレートは機械的強度が非常に弱いことから、加振器６４３からのウェーハ振動手段によって、当該キレート膜の凸部が除去されることにより、金属膜の平坦化除去が達成される。
また、電解電流をモニタリングすることで、研磨プロセスの管理を行うことができ、研磨プロセスの進行状態を正確に把握することが可能となる。
【０１２３】
本実施形態に係る研磨装置によれば、機械的強度の非常に低いキレート膜の除去によって、金属膜の除去を達成できることから、従来の化学機械研磨のみ、あるいは、機械研磨のみを用いた研磨装置に比べてはるかに高能率に金属膜の除去を行うことができる。
従来の機械研磨のような強い押圧を必要としないため、配線金属膜下層の層間絶縁膜などに与えるダメージを低く抑えることが可能となり、ディッシング、エロージョンなどの発生を抑制することができる。配線金属膜下層の絶縁膜に高い圧力を印加しないので、該絶縁膜材料として機械的強度がＴＥＯＳなどを原料にした酸化シリコンよりも低い低誘電率材料にも適用可能である。
また、研磨装置としては、装置構成が簡便であるので、小型化を容易に実現でき、メンテナンスも容易で稼働率を向上させることができる。
【０１２４】
さらに、通常の化学機械研磨に用いるスラリーにおいて、アルミナ粒子などを含むスラリーを使用した場合に、研磨後にスラリーが磨滅せずに金属表面に残留したり、埋没することも起こるが、本実施形態に係る研磨装置では、そのような問題はない。
【０１２５】
本発明は、上記の実施形態に限定されない。例えば、加振器およびアンプの構成、電極板の種類、水槽中でのウェーハを保持する装置の構成など、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【０１２６】
第３実施形態
図２１に本実施形態に係る研磨装置の要部構成図を示す。基本的構成は、第１実施形態と同様であるが、本実施形態では、研磨工具を使用せず、ワイピング部材２４ａによりウェーハ上の金属膜を除去する。従って、説明の簡略化のため、第１実施形態と異なる構成のみについて説明する。
【０１２７】
ワイピング部材２４ａは、例えば、電気又はイオンが通らない絶縁体で構成されその内部に気孔部を有し、当該気孔部に含有する電解液ＥＬを介してウェーハに通電することができる材料により構成されている。
上記の材料は、電解液ＥＬに侵されない材料である必要がある。
また、ワイピング部材２４ａは、ウェーハＷ表面とワイピング部材２４ａが押圧されてウェーハＷ表面の金属膜が除去されるため、ワイピング部材は、所定の強度が必要である。
例えば、ウェーハ表面Ｗの金属膜の凸部のみをワイピングするための圧力を約２０〜１００ｇ／ｃｍ2 とした場合にも耐えうる弾性強度を有するとともに、スクラッチや傷等を発生しない柔らかさを有する硬度が必要である。
【０１２８】
上記の条件を満たす材料として、弾塑性体材料を使用することができ、例えばポリビニルアセタール（ＰＶＡ）、発砲ウレタン、テフロン発砲体、テフロン繊維不織布等を使用する。
また、導電性を有していてもよく、比較的軟質性の材料、例えば、バインダマトリクス（結合剤）自体が導電性を持つカーボンや、あるいは、焼結銅、メタルコンパウンド等の導電性材料を含有するウレタン樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリビニルアセタール（ＰＶＡ）などの樹脂からなる多孔質体を使用することもできる。
【０１２９】
なお、電極板２３は、ウェーハＷ表面に形成された金属膜よりも貴なる金属により構成され、ウェーハＷの表面に対して平行に配置されており、例えば、ウェーハＷ表面の金属膜の電解作用による被研磨表面から発生したガスを抜くための通気孔を設けることが好ましい。この通気孔は、ガスによる電極板２３とウェーハＷとの間の電解作用の不均一等の不利益を防止するために設けられる。
また、第１実施形態と同様、電極板２３はワイピング部材２４ａとともに回転駆動可能となっており、これにより電極板２３が回転することにより電解作用による被研磨表面から発生したガスをウェーハＷと電極板２３の間から抜くことが可能である。
また、電極板２３は、図１７および図１８で説明したように電極が領域ごとに分割された構成であってもよく、これにより被研磨表面への電解作用を部分的に選択して行うこともできる。
【０１３０】
電解電源６１は、第１実施形態と同様、上記したロータリジョイント１６およびウェーハに接触する通電ブラシ７１０との間に上記した所定のパルスを印加する。
ここで、本実施形態では、電圧印加方向が逆になっており、従って、通電ブラシ７１０が陽極、電極板２３が陰極となるように電圧を印加する。このように、通電ブラシ７１０によりウェーハＷ表面の金属膜に接触して電圧を印加する構成の他、ウェーハＷ表面の金属膜に接近可能な電極を有して電圧を印加する構成としてもよい。
具体的には、第１実施形態と同様にパルス状の電圧を一定周期で出力し、パルス幅を適宜変更可能な電源であれば特に限定はない。例えば、０Ｖを中心にプラスとマイナスを所定の周期で繰り返すＰＲ（Periodic Reverse) パルス電圧を印加する。このＰＲパルス電圧として、例えば、出力電圧が０．８〜１．２Ｖ程度の正電圧と−０．８〜−１．２Ｖ程度の逆電圧を繰り返し、電流密度が正流が１０ｍＡ／ｃｍ2 で逆流が１０ｍＡ／ｃｍ2 程度、パルス幅が正流パルスが２０〜５０ｍｓｅｃで逆流パルスが５〜１０ｍｓｅｃ程度のものを使用する。
なお、印加するパルスとしては、上記に限られるものでないことは第１実施形態と同様である。
【０１３１】
通電ブラシ７１０は、ウェーハＷ表面に形成された金属膜よりも貴なる金属により構成されており、ウェーハ表面に接触して電解電源６１からの電圧をウェーハＷに導く。従って、電解電源６１から供給される電流は、ウェーハ表面の通電ブラシ７１０からウェーハＷの金属膜表面、および電解液を介して電極板２２へ流れることになる。
【０１３２】
上記の研磨装置の動作について、説明する。
まず、ウェーハテーブル４２にウェーハＷをチャッキングし、ウェーハテーブル４２を駆動して所定の回転数でウェーハＷを回転させる。
また、ウェーハテーブル４２をＸ軸方向に移動して、ワイピング部材２４ａをウェーハＷの上方の所定の場所に配置させ、ワイピング部材２４ａを所定の回転数で回転させる。例えば、ワイピング部材を、１００ｒｐｍで回転させる。
【０１３３】
この状態から、電解液供給装置８１から電解液ＥＬを通電軸２０内の供給ノズル２０ａに供給すると、ワイピング部材２４ａの全面から電解液ＥＬが供給される。
また、電解電源６１を起動させて、通電ブラシ２７を通じてウェーハ表面の金属膜にプラスの電位を印加し、ロータリジョイント１６を通じて電極板２３にマイナスの電位を印加する。
【０１３４】
これにより、通電ブラシ２７を通じてウェーハ表面の金属膜にプラスの電位が直接印加され、電解液を介して電極板２２へと電流が流れることになる。
従って、ワイピング部材２４ａ下部の金属膜を電解液を介して、陽極として通電することができ、金属膜は電解液の電解作用によって陽極酸化され、電解液中のキレート剤により、キレート化される。
【０１３５】
上記の状態で、シリンダ装置１５に高圧エアを供給して、図７の矢印Ａ２の方向にピストンロッド１５ｂを下降させ、ワイピング部材２４ａの下面をウェーハＷの表面に接触させ、所定の加工圧力で押圧させる。
この状態からウェーハテーブル４２をＸ軸方向に所定の速度パターンで移動させ、ウェーハＷの全面を一様に払拭する。
【０１３６】
以上のように、上記構成の研磨装置は、上述したウェーハＷに形成された金属膜の表面に、陽極酸化によるキレート膜を生成し、除去することができる。
【０１３７】
本実施形態に係る研磨装置によれば、第１実施形態に係る研磨装置と同様の効果を奏することができる。
さらに、本実施形態に係る研磨装置では、研磨工具を用いず、ワイピング部材２４ａによるワイピングのみでウェーハ表面の金属膜の段差を緩和できることから、ウェーハに対する押圧を第１実施形態に係る研磨装置よりもさらに小さくすることができる。
【０１３８】
なお、本実施形態では、ワイピング方法として、ワイピング部材を回転させる例を示したが、ウェーハＷに対して相対的に移動できればよく、例えば、水平運動手段を設け、ワイピング部材をウェーハＷ表面に対して水平方向に移動させることも可能である。この水平運動によるワイピングの場合、電解液が飛散することを防止するため、水平移動速度は、約１５ｍ／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。
また、陽極酸化を促進するため、電解液の温度を８０℃以下程度に調節することが好ましい。
また、被研磨対象物表面に電解液を供給し、表面張力で電解液を保持することもできる。
さらに、被研磨対象物の例としては、特に限定はないことは上述した通りである。
【０１３９】
本発明に係る研磨装置は、上述の実施形態に限定されない。例えば、上述したように研磨対象の例としては、銅膜以外にも、アルミニウム、タングステン、金、銀等の他、それらの合金、当該合金の窒化物や酸化物等の金属膜に広く適用することができる。また、これらの金属膜は、配線用、コンタクト用等の用途に限定されない。また、本実施形態では、第１および第３実施形態においてワイピング部材２４ａや研磨工具１１をウェーハＷ上で回転させることにより払拭および研磨することとしているが、ウェーハＷに対しワイピング部材２４ａや研磨工具１１を相対移動可能であればよく、例えば、ウェーハＷ表面にワイピング部材２４ａや研磨工具１１を押圧し、ウェーハＷ表面上を水平移動させる構成をとってもよい。さらに、ウェーハへの通電方法等、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【０１４０】
【実施例】
以下に、本発明の研磨装置を用いた実施例について、図面を参照して説明する。
【０１４１】
第１実施例
図２２は、本発明の第２実施形態に係る研磨装置を用いて、陽極酸化によるキレート化により、ウェーハＷ表面の銅膜を除去した場合の銅膜の単位時間当たりの除去量と、本発明の第２実施形態に係る研磨装置において、ウェーハＷに電圧を印加せずに、電解液ＥＬ中にウェーハＷ表面の銅膜の酸化剤として、過酸化水素（Ｈ2 Ｏ2 ）を所定の濃度加えて、酸化によるキレート化によりウェーハＷ表面の銅膜を除去した場合の銅膜の単位時間当たりの除去量を比較したものである。
【０１４２】
図２２において、電圧を印加せずに酸化剤を加えて銅を酸化し、キレート化した後に除去したものが（Ａ）であり、電解液としてキナルジン酸溶液を用い、Ｈ2 Ｏ2 濃度が０％、４．５％、８％、１０．７％における単位時間当たりの銅膜の除去量（除去速度）を測定した。なお、電解液の液量は、１５０ｍｌとした。また、本発明の第２実施形態に係る研磨装置を用いて銅膜を除去したものが（Ｂ）であり、電解液ＥＬにキナルジン酸溶液１５０ｍｌを用い、過酸化水素は含めず、電極板６１０およびウェーハＷに電解液ＥＬを介して、２．２Ａの電流が流れるよう電圧を印加したときの単位時間当たりの銅膜の除去量（除去速度）を測定した。
【０１４３】
酸化剤として過酸化水素を用いた場合に、Ｃｕは、酸化されて、銅水和イオン（［Ｃｕ（ＯＨ）4 ］2-）が形成される。当該銅水和イオンが電解液ＥＬ中のキレート剤によりキレート化され、例えば、キレート剤がキナルジン酸の場合には、化学構造式（６）のキレートが生成され、キレート剤がグリシンの場合には、化学構造式（７）のキレートが生成される。
【０１４４】
その他の実験条件としては、ウェーハは８インチのものを使用し、バリヤメタルとしては、厚さが２５ｎｍのＴａを用い、層間絶縁膜には、１２００ｎｍの厚さのＴＥＯＳ（tetraethylorthosilicate ）膜を用い、銅膜の厚さは１６００ｎｍのものを使用した。
【０１４５】
図２２では、酸化剤である過酸化水素の量を増やせば増やすほど、銅膜の酸化によるキレート膜の生成量が大きくなっていることから銅膜の単位時間当たりの除去量が増加していることがわかるが、本発明の第３本実施形態に係る研磨装置による研磨方法を用いた場合には、過酸化水素を加えずに、通電による銅の陽極酸化によるキレート生成のみで、酸化剤によるよりも飛躍的に除去レートが向上していることがわかる。
【０１４６】
第２実施例
図２３は、表面に銅膜を有するウェーハＷに本発明の第２実施形態に係る研磨装置を用いて、銅膜を陽極として、２．２Ａの電流を３０秒間流すごとにキレート膜を除去し、キレート膜除去後のＣｕの膜厚を測定したものである。測定部分は、８インチのウェーハを直径方向に１ポイントから２１ポイントまでに分割したときの２１ポイントの部分について測定した。１ポイントと２１ポイントはウェーハのエッジからそれぞれ６ｍｍの部分とした。なお、電解液には、キナルジン酸を使用し、Ｃｕ膜の厚さは２０００ｎｍで、バリヤメタルは膜厚２５ｎｍのＴａを用い、バリヤメタル下の層間絶縁膜には膜厚１２００ｎｍのＴＥＯＳ膜を有するウェーハＷを使用した。
【０１４７】
図２３において、横軸の０、１、２、３、４、５は、それぞれ２．２Ａの電流を３０秒間通電した回数を表している。従って、それぞれ２．２Ａの電流を、０は通電しておらず、１は３０秒間、２はトータルで６０秒間、３はトータルで９０秒間、４はトータルで１２０秒間、５はトータルで１５０秒間通電したことを示している。
縦軸には、通電後に銅を除去した後の、ウェーハ表面に残った銅の膜厚（ｎｍ）を示している。
なお、同様の条件で、当該測定を複数回行った。
【０１４８】
当該測定結果から、電流を所定時間通電するごとに、通電時間に比例して、除去後のＣｕ膜の膜厚が減少していることがわかる。なお、平均除去量は、２０２．６８ｎｍ／ｍｉｎであった。
【０１４９】
第３実施例
図２４は、直径方向に１ポイントから２１ポイントまで分割したウェーハの各ポイントにおける図２３と同様の結果を示したものである。
通電量および通電時間は、第２実施例と同様であり、２．２Ａの電流を３０秒間通電するのを複数回繰り返した場合のそれぞれの時点における除去後のＣｕ膜の膜厚を測定したものである。
用いたウェーハおよび電解液の種類などの他の条件は、第２実施例と同様である。
【０１５０】
図２４において、横軸の１ポイントから２１ポイントまでは、上述したウェーハにおける位置を示しており、縦軸には除去後の銅の膜厚（ｎｍ）を示している。
２．２Ａの電流をそれぞれ、Ａは０秒間（通電前）、Ｂは３０秒間、Ｃはトータルで６０秒間、Ｄはトータルで９０秒間、Ｅはトータルで１２０秒間、Ｆはトータルで１５０秒間通電したときのそれぞれの位置における除去後の銅の膜厚を示している。
【０１５１】
本実施例によれば、各ポイントにおける銅膜の膜厚は、ほぼ電流と時間の積に比例して、減少している。なお、１ポイントと２１ポイントの銅膜の膜厚が小さいのは、前段階であるＣｕ膜生成の際のメッキの特性からくるものであり、本発明の研磨方法には無関係である。
【０１５２】
【発明の効果】
本発明によれば、機械研磨と電解研磨との複合作用によって金属膜を研磨するので、機械研磨による金属膜の平坦化の場合に比べて、非常に高能率に金属膜の凸部の選択的除去および平坦化が可能となる。また、本発明によれば、低い研磨圧力でも十分な研磨レートが得られるため、研磨した金属膜にスクラッチ、ディッシング、エロージョン等が発生するのを抑制することができる。また、金属膜下層の絶縁膜へのダメージを抑制できることから、半導体装置の低消費電力化および高速化等の観点から誘電率を低減するために層間絶縁膜として機械的強度が比較的低い有機系低誘電率膜や多孔質低誘電率絶縁膜を使用した場合にも、容易に適用可能である。さらに、本発明によれば、電解電流をモニタリングすることで、研磨プロセスの管理を行うことができ、研磨プロセスの進行状態を正確に把握することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図であり、（ａ）は半導体基板への絶縁膜形成工程まで、（ｂ）はコンタクトホールおよび配線用溝の形成工程まで、（ｃ）はバリヤ膜の形成工程までを示す。
【図２】  図２は、図１の続きの工程を示し、（ｄ）はシード膜としての銅膜の形成工程まで、（ｅ）は銅膜の形成工程までを示す。
【図３】  図３は、図２の続きの工程を示し、（ｆ）は銅膜の陽極酸化の工程まで、（ｇ）はキレート膜の形成工程までを示す。
【図４】  図４は、図３の続きの工程を示し、（ｈ）は凸部のキレート膜の除去工程まで、（ｉ）はキレート膜の再形成工程までを示す。
【図５】  図５は、図４の続きの工程を示し、（ｊ）は銅膜の平坦化工程まで、（ｋ）は余分な銅膜の除去工程まで、（ｌ）はバリヤ膜の露出工程までを示す。
【図６】  図６は、本実施形態に係る研磨装置の構成を表す図である。
【図７】  図７は、本実施形態に係る研磨装置の研磨工具保持部の内部構造を表す拡大図である。
【図８】  図８（ａ）は、本実施形態に係る研磨装置に用いる電極板の底面図であり、（ｂ）は電極板付近の拡大図である。
【図９】  図９は、研磨工具とウェーハとの位置関係を示す図である。
【図１０】  図１０は、本発明に係る研磨装置の電解研磨を説明するための断面図である
【図１１】  図１１は、図１０の円Ｃにおける拡大断面図である。
【図１２】  図１２は、図１１の円Ｄにおける拡大断面図である。
【図１３】  図１３は、本発明の係る研磨装置の第１変形例を示す図である。
【図１４】  図１４は、本発明に係る研磨装置の第２変形例を示す図である。
【図１５】  図１５は、本発明に係る研磨装置の従来型ＣＭＰ装置に応用した第３変形例を示す図である。
【図１６】  図１６は、図１５に示した研磨装置による電解複合研磨動作を説明するための図である。
【図１７】  図１７は、研磨パッドの電極構成の他の例を示す図である。
【図１８】  図１８は、研磨パッドの電極構成のさらに他の例を示す図である。
【図１９】  図１９は、本発明の参考実施形態に係る研磨装置の概略構成図である。
【図２０】  図２０は、本発明の第２実施形態に係る研磨装置の概略構成図である。
【図２１】  図２１は、本発明の第３実施形態に係る研磨装置の要部構成図である。
【図２２】  図２２は、本発明の第１実施例を説明するための図である。
【図２３】  図２３は、本発明の第２実施例を説明するための図である。
【図２４】  図２４は、本発明の第３実施例を説明するための図である。
【図２５】  図２５は、従来例に係るデュアルダマシン法による銅配線の形成方法の製造工程を示す断面図であり、（ａ）は層間絶縁膜の形成工程まで、（ｂ）は配線用溝およびコンタクトホールの形成工程まで、（ｃ）はバリヤ膜の形成工程までを示す。
【図２６】  図２６は、図２４の続きの工程を示し、（ｄ）はシード膜の形成工程まで、（ｅ）は配線用層の形成工程まで、（ｆ）は配線形成工程までを示す。
【図２７】  図２７は、ＣＭＰ法による銅膜研磨工程において発生するディッシングを説明するための断面図である。
【図２８】  図２８は、ＣＭＰ法による銅膜研磨工程において発生するエロージョンを説明するための断面図である。
【図２９】  図２９は、ＣＭＰ法による銅膜研磨工程において発生するリセスを説明するための断面図である。
【図３０】  図３０は、ＣＭＰ法による銅膜研磨工程において発生するスクラッチおよびケミカルダメージを説明するための断面図である。
【符号の説明】
１０…研磨工具保持部、１１，３１１，４１１…研磨工具、１２…フランジ部材、１３…保持装置、１３ａ…主軸、１４…主軸モータ、１５…シリンダ装置、１５ａ…ピストン、１５ｂ…ピストンロッド、１６，３１６，４１６…ロータリジョイント、２０…通電軸、２０ａ…供給ノズル、２１…押圧部材、２２…絶縁板、２３…電極板、２４…スクラブ部材、２４ａ…ワイピング部材、２５…弾性部材、２６…連結部材、２７…通電ブラシ、２８…通電部材、３０…Ｚ軸位置決め機構部、３１…Ｚ軸サーボモータ、３１ａ…ボールネジ軸、３２…Ｚ軸スライダ、３３…ガイドレール、４０…Ｘ軸移動機構部、４２，３４２，４４２…ウェーハテーブル、４４…駆動モータ、４５…保持装置、４６…ベルト、４７…加工パン、４８…Ｘ軸スライダ、４９…Ｘ軸サーボモータ、５１…Ｚ軸ドライバ、５２…主軸ドライバ、５３…テーブルドライバ、５４…Ｘ軸ドライバ、５５，５５５，６５５…コントローラ、５６，５５６，６５６…コントロールパネル、６１，５６１，６６１…電解電源、６２，５６２，６６２…電流計、６３…抵抗計、７１…スラリー供給装置、８１…電解液供給装置、１０１…半導体基板、１０２…層間絶縁膜、１０３…バリヤ膜、１０４…シード膜、１０５…銅膜、１０６…キレート膜、１２０…陰極部材、２０１…定盤、２０２，２２１，２４１…研磨パッド、２０３，２２３，２４３…陰極電極、２０４…陽極電極、２０６，２２４，２４４…絶縁体、２０７…ウェーハチャック、２０８…電解液・スラリー供給部、２１０…銅膜、４１０…リテーナリング、５０１，６０１…水槽、５１０，６１０…電極板、５２０…ジェットポンプ、５２１，５２２…管、５３１，６３１…第１保持部材、５３２，６３２…第２保持部材、５３３…Ｚ軸位置決め機構、６３４…第３保持部材、６４０…パルスジェネレータ、６４１…アンプ、６４３…加振器、６４４…第４保持部材、７１０…通電ブラシ、ＳＣ…スクラッチ、ＣＤ…ケミカルダメージ、ＥＬ…電解液、ＳＬ…スラリー。
【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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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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