(57)【要約】Ｔａの表面に形成されたＣｕを研磨して除去する場合には、研磨ヘッド５を具備した研磨ヘッド４による研磨によりその除去を行う。Ｃｕの除去工程が完了した後で、副研磨ヘッド７に内蔵している光学検出器で、Ｔａの表面にＣｕが残っていないかどうかを確認し、残っている場合がある場合は、ウエハ２を回転させてＣｕが残っている部分を、研磨パッド５やウエハ２より小径の副研磨パッドを有する副研磨ヘッド７の揺動範囲に持ってくる。そして、副研磨ヘッド７を下降させて、副研磨パッド８をウエハ表面に押し付け、研磨材を供給しながら残っているＣｕを研磨して除去する。この作業をＣｕが残っている全ての部分について行う。そして、残っているＣｕが全て除去されたら、その段階で、副研磨ヘッド７を上昇させて真空チャック１の位置から待避させ、他の研磨パッドを使用してＴａの研磨を行うようにする。
2004075276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨対象物の研磨を行う研磨パッドを有する研磨機構の他に、前記研磨パッド及び前記研磨対象物より小径の副研磨パッドを有し前記研磨対象物の微小部分を研磨する副研磨機構を有することを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記研磨対象物へ照明光を投光する部材と、前記研磨対象物からの反射光を受光する部材とを有し、前記研磨対象物の表面状態を判定する光学的検出装置を設けたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の研磨装置。
【請求項３】
前記副研磨機構には、前記光学的検出装置からの照射光を前記研磨対象物に照射し、前記研磨対象物からの反射光を受光する部材が取り付けられていることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の研磨装置。
【請求項４】
前記副研磨機構の中央部に、前記研磨対象物の反射光を受光する部材が設けられていることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の研磨装置。
【請求項５】
基板上に積層された配線部材を前記研磨機構により研磨して除去した後、前記基板上に残留する前記配線部材を、前記副研磨装置により研磨して除去する工程を有することを特徴とする請求の範囲第１項から第４項のうちいずれか１項に記載の研磨装置を使用した研磨方法。
【請求項６】
基板上に積層された配線部材を前記研磨機構により研磨して除去した後、前記基板上に残留する前記配線部材を、前記光学的検査装置により検出し、検出された前記基板上に残留する前記配線部材を、前記副研磨機構により研磨して除去する工程を有することを特徴とする請求の範囲第２項から第４項のうちいずれか１項に記載の研磨装置を使用した研磨方法。
【請求項７】
請求の範囲第５項に記載の研磨方法を使用して、ウエハの研磨を行う工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項８】
請求の範囲第６項に記載の研磨方法を使用して、ウエハの研磨を行う工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は研磨装置、研磨方法及び半導体デバイスの製造方法に関するものである。
【背景技術】  半導体デバイスの高密度化は限界を見せず進展を続けており、高密度化するにつれ、多層配線と、それに伴う層間絶縁膜形成や、プラグ、ダマシンなどの電極形成の技術の重要度は大きく増加している。
リソグラフィの短波長化に付随した、露光時の焦点深度短縮を考慮すると、少なくとも露光エリア程度の範囲での層間層の平坦化の精度要求は大きい。また、金属電極層の埋め込みであるいわゆる象嵌（プラグ、ダマシン）では、積層後の余分な金属層の除去及び平坦化が要求される。成膜法などの改良により、局所的に層間層を平滑化する方法も多く提案、実行されているが、より大きなエリアでの効率的な平坦化技術としては、ＣＭＰと呼ばれる研磨工程がある。
ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ＰｏｌｉｓｈｉｎｇまたはＰｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）は、物理的研磨に、化学的な作用（研磨剤、溶液による溶かしだし）を併用して、被研磨面であるウエハの最表面層の表面凹凸を除いていく工程で、グローバル平坦化技術の主流となっている。具体的には、酸、アルカリなどの溶媒中に、研磨粒（シリカ、アルミナ、酸化セリウムなどが一般的）を分散させたスラリーと呼ばれる研磨剤を用い、適当な研磨パッドで、ウエハ表面を加圧し、相対運動により研磨を進行させる。ウエハ全面において、加圧と相対運動速度を一様とすることで面内を一様に研磨することが可能になる。
このようなＣＭＰ研磨装置によりウエハの研磨を行う方法を図４に示す。真空チャック１には、ウエハ２が真空吸着により固定されている。真空チャック１は、真空チャック回転軸３の周りに回転している。一方、研磨ヘッド４には、研磨パッド５が貼り付けられている。研磨ヘッド４は、研磨ヘッド回転軸６の周りに回転すると共に、図の左右方向に揺動されるようになっている。
このような状態で真空チャック１に吸着されたウエハ２を回転させると共に、研磨ヘッド４に取り付けられた研磨パッド５を回転・揺動させながら、研磨パッド５をウエハ２に押し付け、図示しない研磨剤をウエハ２の上に供給し、この研磨剤の化学的作用と、研磨パッド５の機械的研磨作用によりウエハ２の研磨を行う。研磨ヘッド４、研磨パッド５、研磨ヘッド回転軸６を含めた機構部を研磨機構と呼んでいる。
このようなＣＭＰ研磨装置を用いて、ＳｉＯ２等の絶縁材の中にＣｕからなる配線パターンを埋め込む工程を、図５を用いて説明する。まず、ＳｉＯ２等の絶縁材２１上にＴａやＴａＮからなる研磨ストップ材２２を成膜し、リソグラフィにより、配線パターンが形成される部分の研磨ストップ材２２と絶縁材２１を取り除き穴２３を形成する（ａ）。
そして、その上にＣｕからなる導電薄膜２４を、ＣＶＤにより成膜する（ｂ）。続いて、この導電薄膜２４に電極を接続して電鋳を行い、Ｃｕの導電膜２５を形成する（ｃ）。次に、ＣＭＰ研磨装置を用いて、導電膜２５を研磨して除去する（ｄ）。
続いて、研磨剤と研磨パッドを交換し、研磨ストップ材２２をＣＭＰ研磨して除去する。すると、絶縁材２１中に配線パターン２６が埋め込まれた基板が完成する。
一方、公知のＣＭＰ研磨装置としては、例えば特開平６−２５２１１３号公報、特開平７−８８７５９号公報、特開２０００−４０６８０号公報に記載されるようなものが公知となっている。
しかしながら、上記の工程における電鋳工程において、導電薄膜２４に電極が取り付けられる部分（主として基板の周縁部）には、電流が集中するので、この部分の導電膜２５が硬くなり、径が数ｍｍ程度の大きさの硬い膜がよく形成される。すると、導電膜２５をＣＭＰ研磨で除去する際に、図６に示すように、研磨ストップ材２２の表面に導電膜２５が残ってしまうことがある（ａ）。この状態で研磨ストップ材２２をＣＭＰ研磨により除去しようとしても、研磨剤と研磨パッドが異なるため、残っている導電膜２５を除去できず、（ｂ）に示すような状態になる。このような状態では、配線パターン２６同士がつながってしまい、半導体デバイスが完成したときに作動不良を起こすことになる。
（ａ）のような状態を無くすために、導電膜２５のＣＭＰ研磨を過度に行うと、導電膜２５の残留は防止することができるが、絶縁材２１中に配線パターン２６として残留べき部分がディッシングにより除去され、（ｃ）に示すように細い配線パターン２６’が形成されるようになる。このような薄い配線パターン２６’が形成されると、配線抵抗が増すばかりでなく、甚だしい場合には配線パターンの断線が発生して好ましくない。
【発明の開示】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ディシングによる薄い配線パターンが形成されることを防止しながら、残留する導電膜を除去することが可能な研磨装置、及びこの研磨装置を使用した研磨方法、この研磨方法を使用した半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するための第１の発明は、研磨対象物の研磨を行う研磨パッドを有する研磨機構の他に、前記研磨パッド及び前記研磨対象物より小径の副研磨パッドを有し前記研磨対象物の微小部分を研磨する副研磨機構を有することを特徴とする研磨装置である。
本発明においては、通常の研磨を行う研磨パッドを有した研磨機構の他に、研磨対象物の微小部分を研磨する副研磨機構を有している。そして、副研磨機構は、前述の研磨機構に設けられた研磨パッドや研磨対象物より小径の研磨パッドを有している。よって、配線パターンを形成する元となる導電膜を研磨して除去する工程において、導電膜の一部が除去されないで残った場合でも、副研磨機構の小径の研磨パッドで残留した導電膜が存在する部分を集中的に研磨して除去することが可能になる。よって、他の健全な配線パターン部にディッシングを起こすことなく、残留した導電膜を除去することが可能となる。なお、本発明の研磨装置は、ＣＭＰ研磨装置であることが特に好ましい。
前記目的を達成するための第２の発明は、前記第１の発明であって、前記研磨対象物へ照明光を投光する部材と、前記研磨対象物からの反射光を受光する部材とを有し、前記研磨対象物の表面状態を判定する光学的検出装置を設けたことを特徴とするものである。
本発明においては、研磨対象物の表面状態を判定する光学的検出装置が設けられているので、光学的検出装置が、部材を介して前記研磨対象物へ照明光を投光し、部材を介して前記研磨対象物からの反射光を受光することにより、残留した導電膜を検出することができ、検出された残留導電膜を、副研磨機構で他の健全な配線パターン部にディッシングを起こすことなく除去することが可能となる。
前記目的を達成するための第３の発明は、前記第２の発明であって、前記副研磨機構には、前記光学的検出装置からの照射光を前記研磨対象物に照射し、前記研磨対象物からの反射光を受光する部材が取り付けられていることを特徴とするものである。
本発明においては、副研磨機構に、研磨対象物の表面状態を判定する光学的検出装置の投受光部となる部材が取り付けられているので、副研磨機構を移動させて、光学的検出装置により研磨対象物の表面状態を判定し、これによって残留した導電膜を検出し、残っている導電膜を副研磨機構で除去することが可能となる。
前記課題を解決するための第４の発明は、前記第３の発明であって、前記副研磨機構の中央部に、前記研磨対象物の反射光を受光する部材が設けられていることを特徴とするものである。
前記目的を達成するための第５の発明は、前記第１の発明から第４の発明のいずれかである研磨装置を用いて、基板上に積層された配線部材を前記研磨機構により研磨して除去した後、前記基板上に残留する前記配線部材を、前記副研磨装置により研磨して除去する工程を有することを特徴とする研磨方法である。
本発明においては、副研磨機構が、前述の研磨機構に設けられた研磨パッドや研磨対象物より小径の研磨パッドを有しているので、導電膜の一部が除去されないで残った場合でも、副研磨機構で残留した導電膜が存在する部分を集中的に研磨して除去することが可能になる。よって、他の健全な配線パターン部にディッシングを起こすことなく、残留した導電膜を除去することが可能となる。
前記目的を達成するための第６の発明は、前記第２の発明から第４の発明のいずれかである研磨装置を用いて、基板上に積層された配線部材を前記研磨装置により研磨して除去した後、前記基板上に残留する前記配線部材を、前記光学的検査装置により検出し、検出された前記基板上に残留する前記配線部材を、前記副研磨装置により研磨して除去する工程を有することを特徴とする研磨方法である。
本発明においては、副研磨機構を移動させて、光学的検出装置により研磨対象物の表面状態を判定し、これによって残留した導電膜を検出し、残っている導電膜を副研磨機構で除去することが可能となる。
前記目的を達成するための第７の発明は、前記第５の発明又は第６の発明である研磨方法を使用して、ウエハの研磨を行う工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法である。
本発明においては、配線パターンがディシングにより細くなったり断線したりすることを避けながら、残留する導電膜を除去することができるので、半導体デバイスを歩留まり良く製造することが可能となる。ウエハの研磨用としては、前記第４の発明、第５の発明を、ＣＭＰ研磨方法とすることが特に好ましい。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の実施の形態の１例であるＣＭＰ研磨装置の例を示す概要図である。
図２は、副研磨機構を、その副研磨ヘッド回転軸の中心で切断した断面図である。
図３は、半導体デバイスの製造プロセスを示すフローチャートである。
図４は、従来のＣＭＰ装置によりウエハの研磨を行う方法を示す図である。
図５は、ＳｉＯ２等の絶縁材の中にＣｕからなる配線パターンを埋め込む工程の例を示す図である。
図６は、図５に示す工程の問題点を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例であるＣＭＰ研磨装置を示す概要図である。真空チャック１には、ウエハ２がチャックの真空吸着により固定されている。真空チャック１は、真空チャック回転軸３の周りに回転している。一方、研磨ヘッド４には、研磨パッド５が貼り付けられている。研磨ヘッド４は、研磨ヘッド回転軸６の周りに回転する共に、図の左右方向に揺動されるようになっている。又、研磨パッド５としては、真空チャック１に吸着されるウエハ２よりも小径のものを用いている。
このような状態で真空チャック１に吸着されたウエハ２を回転させると共に、研磨ヘッド４に取り付けられた研磨パッド５を回転揺動させながら、研磨パッド５をウエハ２に押し付け、図示しない研磨剤をウエハ２の上に供給し、この研磨剤の化学的作用と、研磨パッド５の機械的研磨力によりウエハ２の研磨を行う。研磨ヘッド４、研磨パッド５、研磨ヘッド回転軸６を含めた機構部を研磨機構と呼んでいる。この構成は図４に示した従来の研磨装置と同じである。
この実施の形態においては、この研磨機構の他に、ウエハ２の微小部分のみを研磨する副研磨機構が設けられている。この副研磨機構は、副研磨ヘッド７に副研磨パッド８を取り付けたものであり、副研磨ヘッド７は、副研磨ヘッド回転軸９の周りに回転可能となっていると共に、図の左右方向に揺動可能となっている。この副研磨パッド８は、先に述べた研磨パッド５よりも小径であり、研磨ヘッド４に比べて、微小な範囲を、局所的に研磨可能なものである。
Ｔａの表面に形成されたＣｕを研磨して除去する場合には、研磨パッド５による研磨によりその除去を行う。Ｃｕの除去工程が完了した後で、研磨ヘッド４を上昇させて真空チャック１の位置から待避させ、Ｔａの表面にＣｕが残っていないかどうかを確認する。残っているＣｕがある場合には、ウエハ２を回転させてＣｕが残っている部分を副研磨ヘッド７の揺動範囲に持ってくる。
そして、その位置で副研磨ヘッド７を揺動させて、副研磨パッド８が、ウエハ２上で、残留すべき部分以外の部分に残っているＣｕを研磨できるようにし、副研磨ヘッド７を下降させて、副研磨パッド８をウエハ表面に押し付け、研磨剤を供給しながら残っているＣｕを研磨して除去する。このとき、副研磨パッド８は研磨パッド５に比べて小径であるので、除去すべきＣｕが狭い範囲に残っているような場合でも、その部分を集中して研磨することが可能であり、残留すべき部分にあるＣｕを研磨しすぎて生じるディッシングを防ぐことができる。
この作業をＣｕが残っている全ての部分について行う。そして、残っているＣｕが全て除去されたら、その段階で、副研磨ヘッド７を上昇させて真空チャック１の位置から待避させ、再び研磨パッド５を使用してＴａの研磨を行うようにする。このようにして、ＣｕがＴａの上に残っていない状態でＴａの研磨を行うので、図５（ｅ）に示すようなきれいな配線パターン２６を得ることができる。
図２に、本発明の第２の実施の形態であるＣＭＰ研磨装置の副研磨機構の概要を示す。図２は、副研磨機構を、その副研磨ヘッド回転軸９の中心で切断した断面図である。第２の実施の形態であるＣＭＰ研磨装置は、副研磨機構を除いて、図１に示す実施の形態と同じである。又、この副研磨機構が、副研磨ヘッド７、副研磨パッド８、副研磨ヘッド回転軸９を中心として構成されている点は図１に示す実施の形態と同じであるが、副研磨ヘッド７、副研磨パッド８、副研磨ヘッド回転軸９の中心部が空洞となっており、副研磨ヘッド７、副研磨ヘッド回転軸９の空洞部には光ファイバー１０が通されている。
光ファイバー１０は、図示しない光学的検出器につながっており、光学的検出器からの光を、副研磨パッド８の空洞部を介してウエハ２の表面に投光し、その反射光を受光して光学的検出器に導く役割を果たしている。光が投光され、その反射光が受光されるウエハ２の範囲は、残留するＣｕの大きさに応じて適宜決定すればよいが、あまり狭いと、配線パターンを、残留するＣｕと間違って検出する可能性があるので、これを考慮してその大きさを決定する必要がある。光ファイバー１０が細く、そのままでは、投受光面積が大きくできない場合は、光ファイバー１０の先端にマイクロレンズを付けて、投受光面積を広くすることが好ましい。
光学的検出器は、検出する対象がＣｕとＴａである場合には、両者の反射率の差が大きいため、単にウエハ２の表面の反射率を測定するもので十分であるが、導電膜とその下にある膜の見分けが難しい場合は、例えば、前記特許文献３に記載されるような分光反射率を測定して、材質を判断するようなものを使用すればよい。
このような副研磨機構を用いて残留するＣｕを検出するには、真空チャック１を回転させながら副研磨ヘッド７を揺動することにより、光学的検出器で２の表面を走査し、反射率の違いから残っているＣｕの存在する位置を検出する。これは、たとえば真空チャック回転軸３にロータリーエンコーダを取り付け、副研磨ヘッド７にリニアセンサを取り付けておけば実現することができる。
このようにして、Ｃｕが残っているウエハ２上の位置が分かれば、真空チャック１を回転させると共に副研磨ヘッド７を左右に動かして、Ｃｕが残っている部分を副研磨ヘッド７の下に位置させて真空チャック１の回転を止め、その上で副研磨ヘッド７を下降させて、残っているＣｕを副研磨パッド８により研磨して除去する。このとき、研磨剤を供給し副研磨ヘッド７を回転させることは言うまでもない。また、本実施の形態によれば、残存しているＣｕを光学的検出器で検出たら、直ちにそのＣｕを除去できる利点を有する。なお、Ｃｕの除去が終了したら、必要に応じて新たな研磨パッドによりＴａの研磨を行う。
なお、以上の説明においては、副研磨機構に光学的検出器を設けて、残留するＣｕの検出を行っているが、本発明はこのようなものに限られず、そのような光学的検出器を、副研磨機構と別に設けても構わない。その場合は、ウエハ２全体に対して残留するＣｕの検出を行って、残留するＣｕが存在する位置を記録しておく。なお、位置の検出は、前述のとおり研磨常盤回転軸３にロータリーエンコーダを取り付け、光学的検出器をウエハ２の半径方向に移動可能なリニアガイドに固定し、そのリニアガイドにリニアセンサを取り付けておけば、実現することが可能となる。そして、残留するＣｕを除去する際には、その位置に副研磨機構が位置するように位置決めをし、残留するＣｕの除去を行う。
以上のような残留Ｃｕの検出と研磨による除去は、最初にウエハ２の全面について残留Ｃｕの検出を行い、続いて、検出された全ての点について逐次ＣＭＰ研磨を行うようにしてもよく、Ｃｕの残留が検出されるごとに、その点をＣＭＰ研磨するようにして行ってもよい。このように、Ｃｕの残留が検出されるごとに、その点をＣＭＰ研磨するには、副研磨機構に光学的検出器を設けて、残留するＣｕの検出を行うようにすることが好ましい。
以上の実施の形態の説明は、ＣＭＰ研磨装置を例として説明したが、本発明の研磨装置、研磨方法はＣＭＰに限られず、他の研磨装置、研磨方法にも適用が可能である。しかし、精密研磨が可能なＣＭＰに使用することが特に好ましい。
次に、本発明に係る半導体デバイスの製造方法の実施の形態について説明する。図３は半導体デバイスの製造プロセスを示すフローチャートである。半導体製造プロセスをスタートすると、まずステップＳ２００で次に挙げるステップＳ２０１〜Ｓ２０４の中から適切な処理工程を選択し、いずれかのステップに進む。
ここで、ステップＳ２０１はウエハの表面を酸化させる酸化工程である。ステップＳ２０２はＣＶＤ等によりウエハ表面に絶縁膜や誘電体膜を形成するＣＶＤ工程である。ステップＳ２０３はウエハに電極を蒸着等により形成する電極形成工程である。ステップＳ２０４はウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込み工程である。
ＣＶＤ工程（Ｓ２０２）もしくは電極形成工程（Ｓ２０３）の後で、ステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５はＣＭＰ工程である。ＣＭＰ工程では本発明による研磨装置により、層間絶縁膜の平坦化や半導体デバイス表面の金属膜の研磨、誘電体膜の研磨によるダマシン（ｄａｍａｓｃｅｎｅ）の形成等が行われる。
ＣＭＰ工程（Ｓ２０５）もしくは酸化工程（Ｓ２０１）の後でステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６はフォトリソグラフィ工程である。この工程ではウエハへのレジストの塗布、露光装置を用いた露光によるウエハへの回路パターンの焼き付け、露光したウエハの現像が行われる。さらに、次のステップＳ２０７は現像したレジスト像以外の部分をエッチングにより削り、その後レジスト剥離が行われ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くエッチング工程である。
次に、ステップＳ２０８で必要な全工程が完了したかを判断し、完了していなければステップＳ２００に戻り、先のステップを繰り返してウエハ上に回路パターンが形成される。ステップＳ２０８で全工程が完了したと判断されればエンドとなる。
本発明の実施の形態である半導体デバイス製造方法では、半導体デバイス表面の金属膜の研磨に、前述のような本発明の実施の形態であるＣＭＰ研磨装置を使用したＣＭＰ研磨方法を使用しているので、ディッシングによる薄い配線パターンが形成されることを防止しながら、残留する導電膜を除去することが可能となり、半導体デバイスの製造歩留を上げることができる。
【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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【国際調査報告】
2004075276.tif 000009
2004075276.tif 000010
2004075276.tif 000011
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