(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された絶縁膜に配線を形成するための配線用溝を形成する工程と、
前記配線用溝を埋め込むように、前記絶縁膜上に金属膜を堆積させる工程と、
前記絶縁膜上に堆積した金属膜の表面に当該金属膜の電解反応を妨げる作用を発揮する不動態膜を形成する工程と、
前記金属膜に形成された不動態膜のうち、前記配線用溝の埋め込みによって生じた前記金属膜の表面に存在する凸部上の不動態膜を機械研磨によって選択的に除去し、当該金属の凸部を表面に露出させる工程と、
前記露出した金属膜の凸部を電解研磨によって除去し、前記配線用溝の埋め込みによって生じた前記金属膜の表面の凹凸を平坦化する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記表面が平坦化された金属膜の前記絶縁膜上に存在する余分な金属膜を電解研磨と機械研磨とを複合させた電解複合研磨よって除去し、前記配線を形成する工程をさらに有する
請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記電解複合研磨は、電解研磨と化学機械研磨とを複合させる
請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記配線用溝を形成した後に、前記絶縁膜上および前記溝内を覆うように前記金属膜の前記絶縁膜への拡散を防ぐための導電性材料からなるバリヤ膜を形成し、  前記露出した金属膜の凸部を平坦化した後に、前記絶縁膜上に存在する余分な金属膜を前記電解複合研磨によって前記バリヤ膜が表面に露出するまで除去する工程と、
前記絶縁膜上に存在する余分なバリヤ膜を前記絶縁膜が表面に露出するまで前記電解複合研磨によって除去する工程と
を有する請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
導電性を有する研磨工具の研磨面と前記不動態膜との間に電解液を介在させ、前記金属膜およびバリヤ膜を陽極とし前記研磨工具を陰極として、前記金属膜およびバリヤ膜と前記研磨工具との間に電圧を印加し、
前記研磨工具を前記不動態膜の表面に相対的に移動させて、前記金属膜の凸部に形成された不動態膜を選択的に除去し、
前記選択的に除去された不動態膜から露出した前記金属膜の凸部を前記電解液の電解作用によって溶出させる
請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記配線用溝を形成する工程は、前記配線用溝の形成とともに、前記絶縁膜の下層に形成された不純物拡散層または配線と当該絶縁膜上に形成される配線とを接続するためのコンタクトホールを形成する工程を有し、
前記配線用溝に金属を埋め込む工程は、前記配線用溝とともに前記コンタクトホールに金属を埋め込む
請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記不動態膜は、前記金属膜の表面を酸化させた酸化膜からなる
請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記金属膜の表面に酸化剤を供給して前記酸化膜を形成する
請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記不動態膜は、前記金属膜を構成する金属の電解反応を妨げる作用を発揮する材料からなる膜を前記金属膜の表面上に形成する
請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記不動態膜は、前記金属膜よりも、電気的抵抗が高く、かつ、機械的強度が低い
請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
被研磨対象物に形成された金属膜の表面に当該金属膜の電解反応を妨げる作用を発揮する不動態膜を形成する工程と、
導電性の研磨工具の研磨面と前記金属膜との間に電解液を介在させて当該研磨面と金属膜とを押し付け、かつ、前記研磨工具と前記金属膜と間に所定の電圧を印加する工程と、
前記研磨工具の研磨面と前記被研磨対象物の金属膜とを所定の平面に沿って相対移動させ、前記金属膜のうち前記研磨工具の研磨面に対して突出した凸部上の不動態膜を前記研磨工具の機械研磨によって選択的に除去する工程と、
前記不動態膜が除去されて表面に露出した金属膜の凸部を前記電解液による電解研磨作用によって除去して前記金属膜を平坦化する工程と
を有する研磨方法。
【請求項１２】
前記研磨面と前記金属膜との間に前記電解液とともに研磨砥粒を含む化学研磨剤を介在させ、前記研磨面および前記研磨砥粒による化学機械研磨によって前記不動態膜を選択的に除去する
請求項１１に記載の研磨方法。
【請求項１３】
前記不動態膜は、前記金属膜の表面を酸化させた酸化膜からなる
請求項１１に記載の研磨方法。
【請求項１４】
前記不動態膜は、前記金属膜を構成する金属の電解反応を妨げる作用を発揮する材料からなる膜を前記金属膜の表面上に形成する
請求項１１に記載の研磨方法。
【請求項１５】
前記不動態膜は、前記金属膜よりも、電気的抵抗が高く、かつ、機械的強度が低い
請求項１１に記載の研磨方法。
【請求項１６】
電極部材を前記金属膜の表面に接近または当接させ、前記金属膜へ通電する
請求項１１に記載の研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば、半導体装置の多層配線構造に伴う凹凸面を平坦化する研磨装置および研磨方法と多層配線構造をもつ半導体装置の製造方法に関する。
【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、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（Ａｌ）が多用されてきたが、最近の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（Ａｌ）から銅（Ｃｕ）に代えた配線プロセスの開発が盛んに行われている。Ｃｕ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。
このＣｕを配線に使用したプロセスでは、たとえば、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(damascene) 法とよ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となり、さらに上の層間絶縁膜も自ずと平坦なものとなるので、工程を簡略化できるという特徴を有する。
さらに、層間絶縁膜に配線だけでなく、コンタクトホールも溝として開け、配線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。
【０００３】
ここで、上記のデュアルダマシン法による配線形成プロセスの一例について図３２〜図３７を参照して説明する。なお、配線材料としてＣｕを用いた場合について説明する。
まず、図３２に示すように、たとえば、図示しない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からなる基板３０１上に、たとえば、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜３０２を、たとえば、減圧ＣＶＤ(Chemical Vapour Deposition)法により形成する。
次いで、図３３に示すように、基板３０１の不純物拡散領域に通じるコンタクトホール３０３および基板３０１の不純物拡散領域と電気的に接続される所定パターンの配線が形成される溝３０４を公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて形成する。
次いで、図３４に示すように、バリヤ膜３０５を層間絶縁膜３０２の表面およびコンタクトホール３０３、溝３０４内に形成する。このバリヤ膜３０５は、たとえば、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層間絶縁膜３０２中に拡散するのを防止するために設けられる。特に、配線材料がＣｕで層間絶縁膜３０２がシリコン酸化膜のような場合には、Ｃｕはシリコン酸化膜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。
【０００４】
次いで、図３５に示すように、バリヤ膜３０５上に、シードＣｕ膜３０６を公知のスパッタ法により所定の膜厚で形成し、次いで、図３６に示すように、コンタクトホール３０３および溝３０４をＣｕで埋め込むように、Ｃｕ膜３０７を形成する。Ｃｕ膜３０７は、たとえば、メッキ法、ＣＶＤ法、スパッタ法等によって形成する。
次いで、図３７に示すように、層間絶縁膜３０２上の余分なＣｕ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。
これによって、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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したデュアルダマシン法を用いた多層配線形成プロセスでは、余分なＣｕ膜３０７およびバリヤ膜３０５をＣＭＰ法によって除去する工程において、層間絶縁膜３０２とＣｕ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不利益が存在した。
ディッシングは、図３８に示すように、たとえば、０．１８μｍルールのデザインルールにおいて、たとえば、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３９に示すように、たとえば、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４０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、配線抵抗値不良等の原因となる。
さらに、余分なＣｕ膜３０７およびバリヤ膜３０５をＣＭＰ法によって除去する工程では、Ｃｕ膜３０７およびバリヤ膜３０５を効率的に除去する必要があり、単位時間当たりの除去量である研磨レートは、たとえば、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４１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Ｃｕやアルミニウムでは発生しやすい。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、上記のディッシング、エロージョン、リセスの発生量も大きくなるという不利益が存在した。
【０００６】
本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであって、たとえば、多層配線構造を有する半導体装置の配線等の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、ディッシング、エロージョン等の金属膜の過剰な除去の発生を抑制可能な研磨装置および研磨方法、半導体装置の製造方法を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の研磨装置は、研磨面を有し、導電性を有する研磨工具と、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、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回転保持手段と、前記研磨工具を前記被研磨対象物に対向する方向の目標位置に移動位置決めする移動位置決め手段と、前記被研磨対象物の被研磨面と前記研磨工具の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、前記被研磨対象物の被研磨面上に電解液を供給する電解液供給手段と、前記被研磨対象物の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解電流を供給する電解電流供給手段とを有する。
【０００８】
また、本発明の研磨装置は、被研磨対象物の被研磨面の全面に回転しながら接触する研磨面を有する研磨工具を備え、前記被研磨対象物を前記研磨面に回転させながら接触させて平坦化研磨する研磨装置であって、前記研磨面上に電解液を供給する電解液供給手段を有し、前記研磨面に前記被研磨対象物の被研磨面に通電可能な陽極電極および陰極電極を備え、前記電解液による電解研磨と前記研磨面による機械研磨とを複合した電解複合研磨によって前記被研磨対象物の被研磨面を平坦化研磨する。
【０００９】
本発明の研磨方法は、導電性の研磨工具の研磨面と金属膜が少なくとも表面または内層に形成された被研磨対象物の表面とを電解液を介在させて押し付け、前記研磨工具を陰極とし前記被研磨対象物の表面を陽極として、前記被研磨対象物の表面から前記研磨工具に前記電解液を通じて流れる電解電流を供給し、前記研磨工具と前記被研磨対象物とを共に回転させながら所定の平面に沿って相対移動させ、前記電解液よる電解研磨および前記研磨面による機械研磨を複合した電解複合研磨によって前記被研磨対象物に形成された金属膜を平坦化する。
【００１０】
また、本発明の研磨方法は、被研磨対象物に形成された金属膜の表面に当該金属膜の電解反応を妨げる作用を発揮する不動態膜を形成する工程と、導電性の研磨工具の研磨面と前記金属膜との間に電解液を介在させて当該研磨面と金属膜とを押し付け、かつ、前記研磨工具と前記金属膜と間に所定の電圧を印加する工程と、前記研磨工具の研磨面と前記被研磨対象物の金属膜とを所定の平面に沿って相対移動させ、前記金属膜のうち前記研磨工具の研磨面に対して突出した凸部上の不動態膜を前記研磨工具の機械研磨によって選択的に除去する工程と、前記不動態膜が除去されて表面に露出した金属膜の凸部を前記電解液による電解研磨作用によって除去して前記金属膜を平坦化する工程とを有する。
【００１１】
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に形成された絶縁膜に配線を形成するための配線用溝を形成する工程と、前記配線用溝を埋め込むように、前記絶縁膜上に金属膜を堆積させる工程と、前記絶縁膜上に堆積した金属膜の表面に当該金属膜の電解反応を妨げる作用を発揮する不動態膜を形成する工程と、前記金属膜に形成された不動態膜のうち、前記配線用溝の埋め込みによって生じた前記金属膜の表面に存在する凸部上の不動膜を機械研磨によって選択的に除去し、当該金属の凸部を表面に露出させる工程と、前記露出した金属膜の凸部を電解研磨によって除去し、前記配線用溝の埋め込みによって生じた前記金属膜の表面の凹凸を平坦化する工程とを有する。
【００１２】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記表面が平坦化された金属膜の前記絶縁膜上に存在する余分な金属膜を電解研磨と機械研磨とを複合させた電解複合研磨よって除去し、前記配線を形成する工程をさらに有する。
【００１３】
本発明の半導体装置の製造方法では、表面に凹凸がある金属膜に不動態膜を形成し、不動態膜を機械的に除去することで、金属膜の凸部が表面に露出する。この金属膜の凸部は残った不動態膜をマスクとして電解液による電解作用によって選択的に溶出する。この結果、金属膜の初期凹凸が平坦化される。
また、初期凹凸が平坦化された金属膜は、電解複合研磨によって高能率に除去され、たとえば、配線を形成する際に絶縁膜上に存在する余分な金属膜は高能率に除去される。
余分な金属膜が除去されて絶縁膜が露出すると、自動的にその部分の電解作用が停止し、絶縁膜に形成された配線用溝に埋め込まれた金属膜が過剰に除去されない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
研磨装置の構成
図１は、本発明の一実施形態に係る研磨装置の構成を示す図である。図２は図１に示す研磨装置の加工ヘッド部の要部拡大図である。
図１に示す研磨装置１は、加工ヘッド部２と、電解電源６１と、研磨装置１全体を制御する機能を有するコントローラ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１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としてのウェーハを収容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１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１との間に設置される。
【００１５】
加工ヘッド部２は、研磨工具３を保持し回転させ、研磨工具３を保持する研磨工具保持部１１と、研磨工具保持部１１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３１と、被研磨対象物としてのウェハ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４１とを備える。
なお、研磨工具保持部１１が本発明の研磨工具回転保持手段の一具体例に対応しており、Ｘ軸移動機構部４１が本発明の回転保持手段および相対移動手段の一具体例に対応しており、Ｚ軸位置決め機構部３１は本発明の移動位置決め手段の一具体例に対応している。
【００１６】
Ｚ軸位置決め機構部３１は、図示しないコラムに固定されたＺ軸サーボモータ１８と、保持装置１２および主軸モータ１３に連結され、Ｚ軸サーボモータ１８に接続されたボールネジ軸１８ａに螺合するネジ部が形成されたＺ軸スライダ１６と、Ｚ軸スライダ１６をＺ軸方向に移動自在に保持する図示しないコラムに設置されたガイドレール１７とを有する。
【００１７】
Ｚ軸サーボモータ１８は、Ｚ軸サーボモータ１８に接続されたＺ軸ドライバ５２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１８ａは、Ｚ軸方向方向に沿って設けられ、一端がＺ軸サーボモータ１８に接続され、他端は、上記の図示しない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ている。
これにより、Ｚ軸位置決め機構部３１は、Ｚ軸サーボモータ１８の駆動によって、研磨工具保持部１１に保持された研磨工具３をＺ軸方向の任意の位置に移動位置決めする。Ｚ軸位置決め機構部３１の位置決め精度は、たとえば、分解能０．１μｍ程度としている。
【００１８】
Ｘ軸移動機構４１は、ウェハＷをチャキングするウェハテーブル４２と、ウェハテーブル４２を回転自在に保持する保持装置４５と、ウェハテーブル４２を回転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、図示しない架台に基台された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とを有する。
【００１９】
ウェハテーブル４２は、たとえば、真空吸着手段によってウェハ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軸サーボモータ４９に接続された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。
【００２０】
図２は、研磨工具保持部１１の内部構造の一例を示す図である。
研磨工具保持部１１は、研磨工具３と、研磨工具３を保持するフランジ部材４と、フランジ部材４を回転自在に保持する保持装置１２と、保持装置１２に保持された主軸１２ａと接続され当該主軸１２ａを回転させる主軸モータ１３と、主軸モータ１３上に設けられたシリンダ装置１４とを備える。
【００２１】
主軸モータ１３は、たとえば、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図示しないロータは、保持装置１２に保持された主軸１２ａに連結されている。
また、主軸モータ１３は中心部にシリンダ装置１４のピストンロッド１４ｂが挿入される貫通孔を有している。主軸モータ１３は、主軸ドライバ５１から供給される駆動電流によって駆動される。
【００２２】
保持装置１２は、たとえば、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１２ａを回転自在に保持している。保持装置１２の主軸１２ａも中心部にシリンダ装置１４のピストンロッド１４ｂが挿入される貫通孔を有している。
【００２３】
フランジ部材４は、金属材料から形成されており、保持装置１２の主軸１２ａに連結され、底部に開口部４ａを備え、下端面４ｂに研磨工具３が固着されている。
フランジ部材４の上端面４ｃ側は保持装置１２に保持された主軸１２ａに連結されており、主軸１２ａの回転によってフランジ部材４も回転する。
フランジ部材４の上端面４ｃは、主軸モータ１３および保持装置１２の側面に設けられた導電性の通電部材２８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４とは電気的に接続されている。
【００２４】
シリンダ装置１４は、主軸モータ１３のケース上に固定されており、ピストン１４ａを内蔵しており、ピストン１４ａは、たとえば、シリンダ装置１４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１４ａには、ピストンロッド１４ｂが連結されており、ピストンロッド１４ｂは、主軸モータ１３および保持装置１２の中心を通って、フランジ部材４の開口部４ａから突き出ている。
ピストンロッド１４ｂ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１４ｂ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の周縁部に当接可能となっており、ピストンロッド１４ｂの矢印Ａ２方向への駆動によって絶縁板２２を押圧する。
【００２５】
シリンダ装置１４のピストンロッド１４ｂ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１４ｂ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１４のピストン１４ａを貫通してシリンダ装置１４上に設けられたロータリジョイント１５まで伸びており、下端側は、ピストンロッド１４ｂ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。
【００２６】
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１５と、電極板２３とを電気的に接続する役割を果たしている。
【００２７】
通電軸２０の上端部に接続されたロータリジョイント１５は、電解電極６１のプラス極と電気的に接続されており、このロータリジョイント１５は通電軸２０が回転しても通電軸２０への通電を維持する。すなわち、通電軸２０は回転してもロータリジョイント１５によって電解電極６１からプラスの電位が印加される。
【００２８】
通電軸２０の下端部に接続された電極板２３は、金属材料からなり、特に、ウェーハＷに形成される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。
【００２９】
ここで、図３（ａ）は電極板２３の構造の一例を示す下面図であり、図３（ｂ）は電極板２３と、通電軸２０、スクラブ部材２４および絶縁部材４との位置関係を示す断面図である。
図３（ａ）に示すように、電極板２３の中央部には円形の開口部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３（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。
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と、通電軸２０、スクラブ部材２４および絶縁部材４が回転しながら、スラリーおよび電解液が通電軸２０の中心部に形成された供給ノズル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。また、電極板２３、通電軸２０およびロータリジョイント１５が本発明の通電手段の一具体例に対応している。
【００３０】
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に対向する面がウェーハＷに接触してウェーハＷをスクラブする面となっており、ウェーハＷ表面にスクラッチ等を発生させないように、たとえば、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。たとえば、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。
【００３１】
絶縁板２２は、たとえば、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によって保持装置１２の主軸１２ａ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、保持装置１２の主軸１２ａ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１２ａの軸方向に移動可能である。また、絶縁板２２と主軸１２ａとの間には、各連結部材２６に対応して、たとえば、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。
【００３２】
絶縁板２２を保持装置１２の主軸１２ａに対して移動自在にし、絶縁板２２と主軸１２ａ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１４に高圧エアを供給してピストンロッド１４ｂ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１４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。
【００３３】
研磨工具３は、フランジ部材４の環状の下端面４ｂに固着されている。この研磨工具３は、ホイール状に形成されており、下端面に環状の研磨面３ａを備えている。研磨工具３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。たとえば、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３は、導電性を有するフランジ部材４に直接接続され、フランジ部材４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１３および保持装置１２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４の上端面４ｃに接触しており、これにより、研磨工具３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４を介して電気的に接続されている。
【００３４】
研磨工具３は、たとえば、図４に示すように、研磨面３ａは中心軸に対して微小な角度で傾斜している。また、保持部材１２の主軸１２ａもウェーハＷの主面に対して研磨面３ａの傾斜と同様に傾斜している。たとえば、保持部材１２のＺ軸スライダ１６への取り付け姿勢を調整することで主軸１２ａの微小な傾斜をつくり出すことができる。
このように、研磨工具３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３の研磨面３ａを所定の加工圧力ＦでウェーハＷに押し付けた際に、研磨面３ａのウェーハＷに対する実効的な作用領域Ｓが図４に示すように、研磨工具３の半径方向に伸びる直線状の領域となる。このため、ウェーハＷを研磨工具３に対してＸ軸方向に移動させて研磨下降を行う際に、図５（ａ）の状態から図５（ｂ）に移動する間、実効的な作用領域Ｓの面積は略一定となる。
本実施形態に係る研磨装置１では、研磨工具３の研磨面３ａの一部を部分的にウェーハＷの表面に作用させ、実効的作用領域Ｓ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。
【００３５】
電解電源６１は、上記したロータリジョイント１５と通電ブラシ１２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１５と通電ブラシ１２との間に電圧を印加することによって、研磨工具３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、たとえば、スイッチング・レギュレータ回路を内蔵した直流電源を使用する。
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ＤＣ１５０Ｖ、最大出力電流が２〜３Ａ、パルス幅が１，２，５，１０，２０，５０μｓのいずれかに変更可能なものを使用した。
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パルス当たりの電解溶出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金属膜の凹凸や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、金属膜の突発的なクレータ状の巨大溶出を防止、あるいは、できる限り抑制する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。
【００３６】
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、本発明の抵抗値検出手段としての抵抗計６３を備えており、この抵抗計６３は電解電源６１に流れる電流に基づいて、ウェーハＷの表面を経由した研磨工具３と電極板２３との間の電気抵抗をモニタリングするために設けられており、モニタリングした電気抵抗値信号６３ｓをコントーラ５５に出力する。
【００３７】
スラリー供給装置７１は、スラリーを上記の通電軸２０の供給ノズル２０ａに供給する。スラリーとしては、金属膜の研磨用として、たとえば、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。また、研磨砥粒は、分散性を良くしてコロイド状態を保持するために予め正に帯電させておく。
【００３８】
電解液供給装置８１は、電解液ＥＬを加工ヘッド部１１に供給する。電解液ＥＬは、溶媒とイオン的に分離した溶質とからなる溶液である。この電解液として、たとえば、硝酸塩あるいは塩化物系に還元剤を調整した水溶液を使用することができる。
【００３９】
コントローラ５５は、研磨装置１の全体を制御する機能を有し、具体的には、主軸ドライバ５１に対して制御信号５１ｓを出力して研磨工具３の回転数を制御し、Ｚ軸ドライバ５２に対して制御信号５２ｓを出力して研磨工具３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、加工ヘッド部２への電解液ＥＬおよびスラリーＳＬの供給動作を制御する。
【００４０】
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および抵抗計６３からの電流値信号６２ｓおよび電気抵抗値信号６３ｓが入力される。コントローラ５５は、これら電流値信号６２ｓおよび電気抵抗値信号６３ｓに基づいて、研磨装置１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から得られた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１８の制御したり、電流値信号６２ｓまたは電気抵抗値信号６３ｓで特定される電流値、電気抵抗値の値に基づいて、研磨加工を停止させるように研磨装置１の動作を制御する。
【００４１】
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、たとえば、モニタリングした電流値信号６２ｓおよび電気抵抗値信号６３ｓを表示したりする。
【００４２】
次に、上記した研磨装置１による研磨動作をウェーハＷ表面に形成された金属膜を研磨する場合を例に説明する。なお、ウェーハＷの表面には、たとえば、銅からなる金属膜が形成されている場合について説明する。
まず、ウェーハテーブル４５にウェーハＷをチャッキングし、ウェーハテーブル４５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４５をＸ軸方向に移動して、フランジ部４に取り付けられた研磨工具３をウェーハＷの上方の所定位置に位置させ、研磨工具３を所定の回転数で回転させる。研磨工具３を回転させると、フランジ部４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１４ｂ、ピストン１４ａ、通電軸２０も同時に回転する。
【００４３】
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３をＺ軸方向に下降させて研磨工具３の研磨面３ａ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３にマイナスの電位を印加し、ロータリジョイント１５を通じてスクラブ部材２４にプラスの電位を印加する。
【００４４】
さらに、シリンダ装置１４に高圧エアを供給して、図１の矢印Ａ２の方向にピストンロッド１４ｂ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４５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。
【００４５】
ここで、図６は、研磨装置１において研磨工具３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り、図７は図６の円Ｃ内の拡大図であり、図８は図７の円Ｄ内の拡大図である。
図７に示すように、スクラブ部材２４はウェーハＷに形成された金属膜ＭＴに、ウェーハＷ上に供給された電解液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３もウェーハＷに形成された金属膜ＭＴに、ウェーハＷ上に供給された電解液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７に示すように、金属膜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８に示すように、金属膜ＭＴと研磨工具３の研磨面３ａとの間にはギャップδｗが存在している。
図７に示すように、絶縁板４は、研磨工具３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４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４を介して研磨工具３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４を介して研磨工具３には電流が流れない。
【００４６】
このため、スクラブ部材２４から研磨工具３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３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からなる金属膜ＭＴを経由して再度電解液ＥＬ中を通って研磨工具３に流れる電流中に流れる電流ｉ２に分岐する。
金属膜ＭＴの表面に電流ｉ２が流れると、金属膜ＭＴを構成する銅は、電解液ＥＬの電解作用によってイオン化し、電解液ＥＬ中に溶出する。
【００４７】
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３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３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金属膜ＭＴの表面経由することになる。このため、金属膜ＭＴを構成する銅の電解溶出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３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１８の制御を行うことで可能である。
また、研磨装置１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１２ａ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Ｓ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、金属膜の電解溶出量も常に一定にすることができる。
【００４８】
以上のように、上記構成の研磨装置１は、上述したウェーハＷに形成された金属膜ＭＴを構成する金属を電解液ＥＬによる電解作用よって溶出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１は、この電解研磨機能に加えて、研磨工具３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１は、スラリーＳＬを用いずに研磨工具３の研磨面３ａ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。
上記構成の研磨装置１は、電解研磨および化学機械研磨の複合作用によって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３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。
【００４９】
以下、本実施形態に係る研磨装置１の電解複合研磨機能を用いた研磨方法について、多層配線構造の半導体装置のデュアルダマシン法による配線形成プロセスに適用した場合を例に説明する。
【００５０】
図９は、本発明の半導体装置の製造方法の一実施形態に係る製造プロセスを示す工程図であり、図９に示す工程図に基づいて本実施形態に係る製造プロセスを説明する。
まず、図１０に示すように、たとえば、図示しない不純物拡散領域が適宜形成されている、たとえば、シリコン等の半導体からなるウェーハＷ上に、たとえば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）からなる層間絶縁膜１０２を、たとえば、反応源としてＴＥＯＳ(tetraethylorthosilicate) を用いて減圧ＣＶＤ(Chemical Vapour Deposition)法により形成する。
次いで、図１１に示すように、ウェーハの不純物拡散領域に通じるコンタクトホール１０３およびウェーハＷの不純物拡散領域と電気的に接続される所定パターンの配線が形成される配線用溝１０４を、たとえば、公知のフォトリソグラフィ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１０４の深さは、たとえば、８００ｎｍ程度である。
【００５１】
次いで、図１２に示すように、バリヤ膜１０５を層間絶縁膜１０２の表面およびコンタクトホール１０３、配線用溝１０４内に形成する。このバリヤ膜３０５は、たとえば、Ｔａ、Ｔｉ、ＴａＮ、ＴｉＮ等の材料をスパッタリング装置、真空蒸着装置等を用いたＰＶＤ(Physical Vapor Deposition) 法により、たとえば、１５ｎｍ程度の膜厚で形成する。バリヤ膜３０５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。特に、配線材料が銅で層間絶縁膜１０２がシリコン酸化膜のような場合には、銅はシリコン酸化膜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。以上までのプロセスが図９に示すプロセスＰＲ１である。
【００５２】
次いで、図１３に示すように、バリヤ膜１０５上に、配線形成材料と同じ材料、たとえば、銅からなるシード膜１０６を公知のスパッタ法により、たとえば、１５０ｎｍ程度の膜厚で形成する（プロセスＰＲ２）。シード膜１０６は、銅を配線用溝およびコンタクトホール内に埋め込んだ際に、銅グレインの成長を促すために形成する。
次いで、図１４に示すように、コンタクトホール１０３および配線用溝１０４を埋め込むように、バリヤ膜１０５上に銅からなる金属膜１０７を、たとえば、２０００ｎｍ程度の膜厚で形成する。金属膜１０７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、スパッタ法等によって形成してもよい。なお、シード膜１０６は金属膜１０７と一体化する（プロセスＰＲ３）。
【００５３】
ここで、図１５は金属膜１０７をバリヤ膜１０５上に形成した製造プロセス途中の半導体装置の断面の拡大図である。
図１５に示すように、金属膜１０７の表面には、コンタクトホール１０３および配線用溝１０４への埋め込みのために、たとえば、６００ｎｍ程度の高さの凹凸が発生している。
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金属膜１０７およびバリヤ膜１０５の除去を化学機械研磨ではなく、上記の研磨装置１の電解複合研磨によって行う。
また、本発明の研磨方法では、上記の電解複合研磨によるプロセスに先立って、図１６に示すように、金属膜１０７の表面に不動態膜１０８を形成する（プロセスＰＲ４）。
この不動態膜１０８は、金属膜１０７を構成する金属（銅）の電解反応を妨げる作用を発揮する材料からなる膜である。
【００５４】
不動態膜１０８の形成方法は、たとえば、金属膜１０７の表面に酸化剤を塗布して酸化膜を形成する。金属膜１０７を構成する金属が銅の場合には、酸化銅（ＣｕＯ）が不動態膜１０８となる。
また、他の方法として、金属膜１０７の表面に、たとえば、はっ水膜、油膜、酸化防止膜、界面活性剤からなる膜、キレート剤からなる膜、および、シランカップリング剤からなる膜のいずれかを形成して不動態膜１０８とすることも可能である。
不動態膜１０８の種類は特に限定されないが、電気抵抗が金属膜１０７に対して高く、機械的強度が比較的低く脆い性質のものを使用する。
【００５５】
次に、本発明の研磨方法では、金属膜１０７の凸部に形成された不動態膜１０８のみを選択的に除去する（プロセスＰＲ５）。
不動態膜１０８の選択的な除去は、上記の研磨装置１によって行う。なお、使用するスラリーＳＬには、銅に対する研磨レートの高いスラリーを用いる。たとえば、過酸化水素、硝酸鉄、ヨウ素酸カリウム等をベースとした水溶液にアルミナ、シリカ、マンガン系の研磨砥粒を含むものを使用する。
まず、ウェーハＷを研磨装置１のウェーハテーブル４２にチャッキングし、電解液ＥＬおよびスラリーＳＬをウェーハＷ上に供給しながら回転する研磨工具３およびスクラブ部材２４をＺ軸方向に下降させてウェーハＷに接触または接近させ、ウェーハＷをＸ軸方向に所定の速度パターンで移動させて研磨加工を行う。
また、研磨工具３にマイナス極、電極板２３をプラス極として、研磨工具３と電極板２３との間に直流パルス電圧を印加する。
なお、スラリーＳＬのベースとなる水溶液に電解液ＳＬの機能を持たせることにより、スラリーＳＬのみをウェーハＷ上に供給してもよい。
【００５６】
ここで、図１７は上記の状態にあるスクラブ部材２４付近における研磨プロセスを示す概念図であり、図１８は研磨工具３付近における研磨プロセスを示す概念図である。
図１７に示すように、スクラブ部材２４付近では、回転する電極板２３の溝部２３ｂからスラリーＳＬおよび電解液ＥＬが供給されて、スラリーＳＬおよび電解液ＥＬはスクラブ部材２４を通過してスクラブ部材２４の全面からウェーハＷ上に供給される。
金属膜１０７上に形成された不動態膜１０８は、電解液ＥＬによる電解作用を受けないため電解液ＥＬ中への金属膜１０７を構成する銅の溶出は抑制された状態にある。このため、金属膜１０７には電流がほとんど流れず、上記の電流計６２のモニタした電流値は、低く安定したままである。
図２５は、本実施形態の電解複合研磨プロセスにおいて電流計６２でモニターした電流値の一例を示すグラフである。図２５に示す電流値の開始位置付近が上記の状態である。
【００５７】
スクラブ部材２４の回転にしたがって、機械的除去作用あるいはスラリーＳＬに含まれる、たとえば、酸化アルミニウムからなる研磨砥粒ＰＴの機械的除去作用によって不動態膜１０８の高い部分、すなわち、金属膜１０７の凸部上の不動態膜１０８から機械的に除去されていく。
一方、図１８に示すように、研磨工具３付近では、研磨工具３の機械的除去作用、あるいは、研磨砥粒ＰＴの機械的除去作用によって金属膜１０８に存在する不動態膜１０８が高い部分から除去される。
【００５８】
このようにして、たとえば、図１９に示すように、金属膜１０７の凸部上に形成された不動態膜１０８が選択的に除去されると、不動態膜１０８が選択的に除去された部分から金属膜１０７が表面に露出する。
【００５９】
金属膜１０７が表面に露出すると、凸部である金属膜１０７の露出部分が選択的に溶出する（プロセスＰＲ５）。
このときの電解液ＥＬの作用は、図１８に示すように、不動態膜１０８が除去された部分である金属膜１０７の凸部は、金属膜１０７を構成する銅が電解作用によって銅イオンＣｕ＋として電解液ＥＬ中に溶出する。これによって、金属膜１０７中にはマイナス電子ｅ- が流れ、このマイナス電子ｅ- は、図１７に示したように、金属膜１０７の表面から電解液ＥＬを通って電極板２３に流れ、上記した電流ｉ2 となる。
【００６０】
上述したように、金属膜１０７を構成する銅は、不働態膜１０８に比べて電気抵抗が低く電流密度が増すため、集中的な電解作用を受け選択的に溶出がおこり、材料除去が加速される。
また、電解液ＥＬを介して通電するため、陽極としての金属膜１０７と陰極としての研磨工具３の電位差が一定の場合、極間距離が短い、すなわち、電気抵抗値が低いほうが極間に流れる電流値は大きくなる。このため、陰極としての研磨工具３に対して、陰極としての金属膜１０７の凹凸による電極間距離の差（金属膜１０７の凸部のなかでも高い部分のほうが極間距離が短く電気抵抗が低い）があれば、電流密度の違いから高い順に溶出速度が大きくなる効率的な平坦化が進行する。このとき、図２５において、Ｐ１で示すように、上記の電流計６２のモニタした電流値は上昇しはじめる。
このような作用によって、金属膜１０７の凸部は、機械的平坦化に比べて、はるかに高能率に平坦化が行われる。
【００６１】
上記の作用によって、金属膜１０７の凸部がほぼ完全に平坦化されるまで選択的な電解複合研磨が完了した金属膜１０７の表面は、たとえば、図２０に示すように、金属膜１０７の凹部であった部分に残存する不働態膜１０８と金属膜１０７の凸部が除去された銅の新生面の複合面になる。
【００６２】
続いて、図２１に示すように、この金属膜１０７の表面に研磨工具３およびスラリーＳＬ中の研磨砥粒ＰＴにより行われる機械的除去と電解液ＥＬによる電解作用が複合した電解複合研磨が進行する（プロセスＰＲ７）。
このとき、残存する不働態膜１０８の機械的強度は上述したように銅の新生面に比べて低いため、不働態膜１０８が電解複合研磨されるとき、主に機械的作用により除去され、その下にある銅表面が露出し、その面積に比例して電解作用が増大する。
不働態膜１０８が完全除去された時点で金属膜１０７を構成する銅の表面積は最大となる。これと同時に、電流計６２でモニターした電流は、図２５においてＰ１の位置から上昇した電流値は、不働態膜１０８の除去に伴って上昇した後、銅の表面積が最大となるＰ２で示す時点で最大値となる。ここまでのプロセスによって、金属膜１０７の表面の初期凹凸の平坦化は完了する。
【００６３】
このように、本実施形態の電解複合研磨は、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べて低い加工圧力で研磨を行うことができる。このことは、単純な機械的研磨として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。
さらに、低い加工圧力で研磨を行うことができるため、機械強度が低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に用いてた場合に非常に有利である。
【００６４】
上記の金属膜１０７の電解複合研磨が進行して、余分な金属膜１０７が除去されると、図２２に示すように、バリア膜１０５が露出する（プロセスＰ８）。
このとき、電流計６２のモニターする電流は、図２５のＰ２で示す金属膜１０７上の不働態膜１０８がすべて除去された時点より最大値をとり、図２５のＰ３で示すバリア膜１０５が露出する時点まで略一定の値をとる。
バリア膜１０５が露出すると、たとえば、Ｔａ、Ｔｉ、ＴａＮ、ＴｉＮ等の材料を使用した場合には、その電気抵抗が銅に比べ大きいため、たとえば、図２５のバリア膜１０５の露出が開始するＰ３で示す時点から電流計６２でモニターした電流値が低下しはじめる。この状態では、金属膜１０７の不均一分の銅膜が残留する状態であり、この状態で研磨加工を一旦停止する。
この研磨加工の停止は、図２５のＰ４で示すように電流値が所定の値まで下がったことをコントローラ５５が判断し、研磨装置１の研磨動作を停止させる。
【００６５】
次いで、バリア膜１０５を除去する（プロセスＰＲ９）。
このバリア膜１０５を除去するプロセスでは、上記の銅から構成される金属膜１０７に対して研磨レートの高いスラリーＳＬではなく、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ等の材料から形成されたバリア膜１０５に対して研磨レートが高く、金属膜１０７に対して研磨レートの低いスラリーＳＬを使用する。すなわち、バリア膜１０５と金属膜１０７の研磨レートの選択比ができるだけ大きなスラリーＳＬを使用する。
【００６６】
さらに、オーバーポリッシュによるディッシング、エロージョンの発生を抑制する観点等から、電解電源６１の出力電圧を上記のプロセスよりも小さくしてバリア膜１０５の研磨除去を行う。また、研磨工具３の加工圧力も上記のプロセスよりも小さくするのが好ましい。
また、電解電源６１の出力電圧を小さくすること、および、バリア膜１０５を除去すると層間絶縁膜１０２が表面に露出することから、電解電流の値は小さくなるので、上記の電流計６２による電解電流のモニタに代えて、上記の抵抗計６３によってスクラブ部材２４と研磨工具３との間に電気抵抗をモニターする。
【００６７】
バリア膜１０５を除去すると、図２３に示すように、層間絶縁膜１０２が表面に露出する（プロセスＰ１０）。
層間絶縁膜１０２が露出すると、図２３に示すように、この露出部分には、陽極として表面に通電するための金属膜１０７やバリア膜１０５がないため、スクラブ部材２４による通電が遮断され、層間絶縁膜１０２の露出部分での電解作用が停止する。このとき、抵抗計６３によってモニターした電気抵抗値は増加しはじめる。
【００６８】
ここで、金属膜１０７の残存する部分とバリア膜１０５の露出部分との間で、上記した金属膜１０７の凸部の段差緩和の場合と同様に、すなわち、不働態膜１０８の代りにバリア膜１０５を電気抵抗の高い部分として、金属膜１０７の残存部分への電流密度の集中がおこり選択的に金属膜１０７の残存部分は溶出除去される。電解作用の停止した部分には、研磨工具３とスラリーＳＬによる機械的な材料除去作用のみが主体的に働く。
【００６９】
ところで、通常の化学機械研磨では、バリア膜１０５および金属膜１０７の層間絶縁膜１０２に対する研磨レート選択比をできるだけ大きくし、そのレート差をマージンとして層間絶縁膜１０２の上面の寸法精度を確保しようとしている。このため、金属膜１０７のディッシングは避けられない構成となっている。
また、選択比を低く設定すればディッシングはある程度少なくすることができるが、寸法精度は、ウェーハ面内除去量分布の均一性に依存するため、バリア膜１０５および金属膜１０７の除去が十分ではない場合も発生する。このため、バリア膜１０５および金属膜１０７が層間絶縁膜１０２の上面に残存した状態であるアンダーポリッシュを防ぐためには、除去量の面内不均一分のオーバーポリッシュが必要となり、このオーバーポリッシュによるエロージョンの悪化は本質的に避けられない。
一方、本実施形態では、ウェーハＷの面内均一性をある程度確保しておけば、層間絶縁膜１０２上に残るバリア膜１０５、あるいは、金属膜１０７の残存部分には電解作用が働くことで高能率除去され、層間絶縁膜１０２の露出部分から溶出が停止する。このため、層間絶縁膜１０２の寸法精度は自動的に確保され、ディッシング、エロージョンの発生が抑制される。
【００７０】
上記のようにして、たとえば、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ等の材料から形成されたバリア膜１０５を完全に除去することができるとともに、オーバーポリッシュによるディッシング、エロージョンの発生を抑制することができる。
また、上述したバリア膜１０５の除去プロセスでは、絶対電流値は低く、機械的負荷も軽く設定することで除去速度は遅くなるが、残存する膜厚が不均一な部分の残留分の銅膜からなる金属膜１０７が少なければ、バリア膜１０５は金属膜１０７に比べて薄いためバリア膜１０５の除去量自体は小さく、このプロセスにおいてバラツキ・不均一があったとしてもディッシング、エロージョンの絶対値は無視できる程度に少なくでき、処理時間も短くすることができる。
さらに、本実施形態に係る研磨方法は、機械的研磨に加えて電気化学的作用が付加された複合加工であるため、平坦化した表面はダメージが少なく機械的にも平滑な面を得ることができる。
【００７１】
次いで、抵抗計６３でモニターした電気抵抗値に基づいて、電気抵抗値が最大値すなわち配線形成が完了した時点でバリア膜１０５を除去するプロセスを終了する（プロセスＰＲ１１）。コントローラ５５は電気抵抗値の値を判断して、研磨装置１の加工動作を停止させる。
なお、研磨加工を終了する前に、電解作用を付加したままの状態で、研磨工具３をウェーハＷの表面に接触させず、例えば、１００μｍ程度上を通過させることで、機械的研磨は行わず、電解作用のみによるダメージフリーの表面を形成することができる。
これにより、図２３に示すように、層間絶縁膜１０２中には配線１０９およびコンタクト１１０が最終的に形成される。
【００７２】
次いで、配線１０９およびコンタクト１１０が形成された半導体装置に対してフラッシングを行う（プロセスＰＲ１２）。
このフラッシングプロセスは、配線１０９およびコンタクト１１０が形成された後、直ぐに洗浄薬液、酸化防止剤をウェーハＷの表面に供給しながら、ウェーハＷには通電せず、図２４に示すように、研磨工具３にプラスのパルス電圧を印加し、純水洗浄、薬液洗浄を行い、ウェーハＷの表面に存在するスラリーＳＬやパーティクルを除去する。
本実施形態では、フラッシングを行う以前にも、スラリーＳＬに含まれる、たとえば、アルミナからなる研磨砥粒ＰＴは分散性をよくするために正に帯電させているため、銅からなる金属膜１０７表面に機械的に衝突して除去加工に寄与したのち摩滅せずに残留した場合にも、陽極としての金属膜１０７を構成する銅の表面に埋没することはなく、図２３に示したように、陰極としての研磨工具３の表面に再付着して次の加工に寄与する。さらに、正に帯電したパーティクルも陰極としての研磨工具３の表面に引き寄せられるため、銅の表面に埋没することはない。
一方、ウェーハＷの表面に残存して負に帯電しているパーティクルも上記のフラッシングによって、ウェーハＷの表面から除去することができる。
また、研磨砥粒ＰＴが負に帯電したスラリーＳＬを使用した場合にも同様に除去できる。
配線形成材料が銅である場合、酸化されやすく、銅表面を変質させずに、金属イオンやパーィクルを除去する必要があるが、本実施形態では、予め研磨砥粒ＰＴを正に帯電させておき、かつ、フラッシングによってこの問題が解消される。
なお、研磨砥粒として、酸化アルミニウム（アルミナ）を例として挙げたが、酸化セリウム、シリカ、酸化ゲルマニウムなどを使用した場合にも同様である。
【００７３】
以上のように、本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、絶縁膜１０２内に形成した配線用溝配線およびコンタクトホールを埋め込む金属膜１０７に不動態膜１０８を形成し、金属膜１０７の凸部に形成された不動態膜１０８を選択的に除去し、残った不動態膜１０８をマスクとして表面に露出した金属膜１０７を電解研磨によって選択的に除去し、かつ電流密度に集中によって集中的に除去することで、通常のＣＭＰに比べてはるかに高能率に初期凹凸を平坦化することができる。
また、初期凹凸が平坦化された金属膜１０７は、電解研磨と化学機械研磨の複合した電解複合研磨によって除去されるため、通常のＣＭＰに比べてはるかに高能率に余分な金属膜１０７を除去できる。このため、研磨工具３の加工圧力を低く設定しても十分な研磨レートが得られ、金属膜１０７へのダメージを軽減できるとともに、ディッシングやエロージョンの発生を抑制することができる。
【００７４】
また、本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、余分な金属膜１０７を除去してバリヤ膜１０５が露出した時点で、研磨を停止し、スラリーＳＬをバリヤ膜１０５に対して研磨レートの高いものに変更し、電解電源６１の出力電圧等の研磨条件を変更して余分なバリヤ膜１０５を除去を行うため、余分なバリヤ膜１０５を確実に除去でき、オーバポリッシュが必要な場合にも、ディッシングやエロージョンの発生量を小さく抑えることができる。
【００７５】
また、本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、金属膜の研磨を電解複合研磨によって高能率に行うため、研磨工具３の加工圧力を低圧力にすることができるため、たとえば、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１０２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、これらの絶縁膜へのダメージを低減することができる。
【００７６】
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３のウェーハＷを通過する時間で制御できる。
上述した実施形態では、銅による配線形成プロセスの場合を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、タングステン、アルミニウム、銀等の種々の金属配線形成プロセスに適用可能である。
【００７７】
また、上述した実施形態では、スラリーＳＬを用いた化学機械研磨と電解液ＥＬを用いた電解研磨とを複合した電解複合研磨の場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明は、スラリーＳＬを用いずに、電解液ＥＬの電解研磨と研磨工具３の研磨面３ａによる機械研磨によって電解複合研磨を行うことも可能である。
【００７８】
また、上述した実施形態では、研磨工具３と電極板２３との間を流れる電流値をモニターし、この値に基づいてバリヤ膜１０５が露出するまでの研磨プロセスを管理したが、全ての研磨プロセスをモニターした電流値で管理することも可能である。
同様に、上述した実施形態では、研磨工具３と電極板２３との間の電気抵抗値をモニターし、この値に基づいて、バリヤ膜１０５の除去プロセスのみの管理を行う構成としたが、全ての研磨プロセスをモニターした電気抵抗値で管理することも可能である。
【００７９】
変形例１
図２６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１では、ウェーハＷ表面への通電を、導電性の研磨工具と、スクラブ部材２４を備えた通電板２３とによって行った。
図２６に示すように、ホイール状の研磨工具４０１は、研磨装置１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４０２にも導電性を持たせる構成としてもよい。研磨工具４０１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４０２への通電は、ウェーハテーブル４０２の下部にロータリージョイント４０３を設け、ロータリージョイント４０３によって回転するウェーハテーブル４０２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。
【００８０】
変形例２
図２７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５０２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５０４によって保持している。
研磨工具５０１には、導電性を持たせるとともに、リテーナリング５０４にも導電性を持たせ、研磨工具５０１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５０４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５０４には、ウェーハテーブル５０２の下部に設けられたロータリジョイント５０３を通じて給電する。
なお、研磨工具５０１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５０４の厚さ以上の隙間が維持できるように研磨工具３の傾斜量を大きくしておくことで、研磨工具５０１とリテーナリング５０４との干渉を防ぐことができる。
【００８１】
変形例３
図２８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２８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。
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。
【００８２】
ここで、図２９は、上記構成の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。なお、ウェーハＷ表面には、たとえば、銅膜２１０が形成されているものとする。
図２９に示すように、電解複合研磨中には、ウェーハＷ表面に形成された銅膜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との間に直流電圧が印加され、電流ｉが陽極電極２０４から電解液ＥＬを通って銅膜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２９に示す円Ｇ内の付近では、電解作用によって銅膜２１０が溶出するとともに、銅膜２１０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さらに除去される。
【００８３】
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１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２８の構成に限定されるわけではなく、たとえば、図３０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、たとえば、図３１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。
【００８４】
【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、研磨工具を陰極として通電するため、予め正に帯電したパーティクルや研磨剤中の研磨砥粒が研磨工具に引き寄せられ、ウェーハ表面へ残留するのを防止することができ、歩留りの向上を図ることができる。
また、本発明によれば、高能率に金属膜の除去が可能となるので、比較的低い研磨圧力でも十分な研磨レートが得られ、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。
さらに、本発明によれば、比較的低い研磨圧力でも十分な研磨レートが得られため、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。
また、本発明によれば、層間絶縁膜上に残るバリヤ膜、あるいは、金属の部分は電解作用が働くことで効率的に除去され、絶縁膜の露出部分から溶出が停止するため、研磨の停止精度を自動的に確保することができ、ディッシング、エロージョンを抑制することができる。
また、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。
また、本発明によれば、研磨工具と電極部材との間の電気抵抗値をモニタリングすることで、電流が流れにくい、または電流が流れない膜と金属膜とを同時に研磨するような場合でも、研磨プロセスを正確に管理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の研磨装置の一実施形態の構成を示す図である。
【図２】図１の研磨装置のヘッド部の詳細を示す拡大図である。
【図３】（ａ）は電極板２３の構造の一例を示す下面図であり、（ｂ）は電極板２３と、通電軸２０、スクラブ部材２４および絶縁部材４との位置関係を示す断面図である。
【図４】研磨工具とウェーハとの関係を示す図である。
【図５】研磨工具に対してウェーハをＸ軸方向に移動させた様子を示す図である。
【図６】ヘッド加工部でウェーハを研磨加工する状態を示す概略図である。
【図７】研磨工具と電極板との関係を示す図である。
【図８】本発明の研磨装置の電解研磨機能を説明するための図である。
【図９】本発明の半導体装置の製造方法の一実施形態に係る製造プロセスを示す工程図である。
【図１０】本発明の半導体装置の製造方法の製造プロセスを示す断面図である。
【図１１】図１０に続く製造プロセスを示す断面図である。
【図１２】図１１に続く製造プロセスを示す断面図である。
【図１３】図１２に続く製造プロセスを示す断面図である。
【図１４】図１３に続く製造プロセスを示す断面図である。
【図１５】図１４に示す半導体装置の断面構造の拡大図である。
【図１６】図１４に続く製造プロセスを示す断面図である。
【図１７】スクラブ部材２４付近における研磨プロセスを示す概念図である。
【図１８】研磨工具３付近における研磨プロセスを示す概念図である。
【図１９】図１６に続く製造プロセスを示す断面図である。
【図２０】金属膜の凸部が選択的に除去され平坦化された状態を示す断面図である。
【図２１】図１９に続く製造プロセスを示す断面図である。
【図２２】図２１に続く製造プロセスを示す断面図である。
【図２３】図２２に続く製造プロセスを示す断面図である。
【図２４】研磨加工が終了した半導体装置に対してフラッシングをした状態を示す断面図である。
【図２５】電解複合研磨プロセスにおいてモニターした電流値の一例を示すグラフである。
【図２６】本発明の研磨装置の変形例を示す図である。
【図２７】本発明の研磨装置のさらに他の変形例を示す図である。
【図２８】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２９】図２８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３０】研磨パッドの電極構成の他の例を示す図である。
【図３１】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３２】デュアルダマシン法による配線形成プロセスを示す断面図である。
【図３３】図３２に続く配線形成プロセスを示す断面図である。
【図３４】図３３に続く配線形成プロセスを示す断面図である。
【図３５】図３４に続く配線形成プロセスを示す断面図である。
【図３６】図３５に続く配線形成プロセスを示す断面図である。
【図３７】図３６に続く配線形成プロセスを示す断面図である。
【図３８】ＣＭＰ法による金属膜に研磨加工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３９】ＣＭＰ法による金属膜に研磨加工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４０】ＣＭＰ法による金属膜に研磨加工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４１】ＣＭＰ法による金属膜に研磨加工において発生する
【符号の説明】
１…研磨装置、１１…加工ヘッド部、６１…電解電源、５５…コントローラ５５、７１…スラリー供給装置、８１…電解液供給装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
0004513145.tif 000004
【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】
0004513145.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0004513145.tif 000011
【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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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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