(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜の上に反射防止膜を形成した後、前記反射防止膜及び前記絶縁膜に、第１の溝、及び前記第１の溝と隣り合う第２の溝を形成する溝形成工程と、
前記第１の溝及び前記第２の溝が埋まるように前記反射防止膜の上にバリアメタル膜及び導電膜を堆積する膜堆積工程と、
前記第１の溝の外側及び前記第２の溝の外側の前記導電膜を化学機械研磨により除去する第１の研磨工程と、
前記第１の研磨工程よりも後に、前記第１の溝の外側及び前記第２の溝の外側の前記バリアメタル膜を化学機械研磨により除去する第２の研磨工程と、
前記第２の研磨工程よりも後に、前記第２の研磨工程を行った研磨装置とは異なる洗浄装置において、被研磨面に付着した異物を除去する異物除去工程と、
前記異物除去工程よりも後に、前記反射防止膜の表面を化学機械研磨する第３の研磨工程とを備え、
前記第３の研磨工程における前記被研磨面を研磨パッドに押し当てる圧力及び該研磨パッドの回転速度並びに前記第３の研磨工程で用いられる研磨剤は前記第２の研磨工程と同じであり、前記第３の研磨工程の研磨時間は前記第２の研磨工程と比べて短いことを特徴とする配線構造の形成方法。
【請求項２】
前記第２の研磨工程と前記第３の研磨工程との間に、前記第２の研磨工程で用いた研磨パッドに付着した異物を除去する工程を備えていることを特徴とする請求項１に記載の配線構造の形成方法。
【請求項３】
前記研磨パッドに付着した異物を除去する工程は、前記研磨パッドを洗浄する工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の配線構造の形成方法。
【請求項４】
前記研磨パッドに付着した異物を除去する工程は、前記研磨パッドの表面を砥石によりブラッシングする工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の配線構造の形成方法。
【請求項５】
前記第２の研磨工程及び前記第３の研磨工程は同じ研磨装置及び研磨パッドを用いて行なわれることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【請求項６】
前記第３の研磨工程における前記圧力及び前記回転速度はそれぞれ前記第１の研磨工程と比べて小さいことを特徴とする請求項１〜５に記載の配線構造の形成方法。
【請求項７】
前記異物除去工程は、有機酸又は有機アルカリを用いて前記被研磨面に対して洗浄を行なう工程を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【請求項８】
前記第１の溝と前記第２の溝との間隔は０．２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【請求項９】
前記第１の溝と前記第２の溝とは互いに平行に配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【請求項１０】
前記第１の溝及び前記第２の溝における配線形成はデュアルダマシン法を用いて行なわれることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【請求項１１】
前記反射防止膜はシリコン含有材料よりなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【請求項１２】
前記導電膜は銅膜であり、
前記バリアメタル膜はタンタル膜、窒化タンタル膜、又はタンタル膜と窒化タンタル膜との積層膜であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【請求項１３】
前記第１の溝又は前記第２の溝に形成される配線は、該配線の下側に形成されているプラグと電気的に接続されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【請求項１４】
前記反射防止膜は、ＳｉＯＮを含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【請求項１５】
前記絶縁膜は、フッ素が添加されたシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、半導体装置における配線構造の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の配線構造の形成方法として、例えば特許文献１に記載された方法が用いられてきた。この従来の配線構造の形成方法について、絶縁膜に形成されたホールにプラグを形成する場合を例にとって、図面を参照しながら説明する。
【０００３】
図９（ａ）〜（ｃ）は、従来の配線構造の形成方法の各工程を示す断面図である。
【０００４】
まず、図９（ａ）に示すように、シリコン基板１１の上に厚さ１μｍ程度のシリコン酸化膜１２を絶縁膜として堆積した後、リソグラフィー法及びドライエッチング法により、シリコン酸化膜１２の所定領域に該酸化膜１２を貫通する径０．８μｍ程度のホール１３を形成する。
【０００５】
次に、ホール１３を含むシリコン酸化膜１２の上に全面に亘って、ＰＶＤ（physical vapor deposition ）法により、下層の導電膜である膜厚３０ｎｍのチタン膜１４、及び中間層の導電膜である膜厚１００ｎｍの窒化チタン膜１５を順次堆積する。その後、窒化チタン膜１５の上に全面に亘って、ＣＶＤ（chemical vapor deposition ）法により、上層の導電膜である膜厚１μｍのタングステン膜１６を堆積する。これにより、３層構造の導電膜が堆積される。ここで、チタン膜１４及び窒化チタン膜１５はバリアメタルである。
【０００６】
次に、一の研磨剤を使用した化学機械研磨（ＣＭＰ）法により、図９（ｂ）に示すように、ホール１３の外側の領域に堆積されているタングステン膜１６及び窒化チタン膜１５を除去する。これにより、ホール１３の外側の領域に堆積されているチタン膜１４が完全に露出する。
【０００７】
次に、他の研磨剤を使用したＣＭＰ法により、図９（ｃ）に示すように、ホール１３の外側の領域に堆積されているチタン膜１４を除去する。これにより、ホール１３内にタングステンよりなるプラグ１７が形成されると共に、シリコン酸化膜１２が露出する。
【０００８】
以上、タングステンプラグの形成を例として説明を行なったが、同様の方法により、例えば、絶縁膜に形成された配線用溝に銅配線を形成することができる。
【０００９】
また、配線パタ−ンの微細化に伴い、隣り合う配線同士の間隔（配線間隔）がより狭くなってきているため、配線用溝又はビアホール等を形成するためのリソグラフィー工程において反射防止膜（以下、ＡＲＬ（Anti reflection layer ）膜と称する）が用いられるようになってきている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１０−２１４８３４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来の配線構造の形成方法に基づくＡＲＬ膜を利用した配線の形成方法において、配線同士の間で短絡が生じるという問題がある。
【００１２】
前記に鑑み、本発明は、絶縁膜及びその上のＡＲＬ膜に埋め込まれた配線同士の間における短絡を防止できるようにすることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本願発明者らが、前述の従来の配線構造の形成方法において配線同士の間で短絡が生じる原因を検討した結果、次のような知見を得た。
【００１４】
すなわち、従来の配線構造の形成方法に従って配線を形成する際に、バリアメタルに対する研磨時にバリアメタルが局所的に剥離して異物となる。この異物は硬いため、配線間に存在する絶縁膜の上に該絶縁膜と比べて脆弱な材料よりなるＡＲＬ膜が形成されている場合、ＡＲＬ膜の表面に微小な亀裂を発生させる。この亀裂が、一の配線から、該一の配線と隣り合う他の配線まで延びている場合において配線形成時に該亀裂中に金属（バリアメタル又は配線用導電膜の一部）が埋め込まれてしまうと、配線間に短絡が生じる。
【００１５】
尚、配線構造が微細化されるに従って、配線同士の間の距離が小さくなるため、前述の亀裂が配線間をまたがりやすくなるので、該亀裂中に埋め込まれた金属によって、配線間に擬似的な架橋構造が形成されやすくなる。すなわち、配線間に短絡が生じやすくなる。
【００１６】
図１０は、配線間のＡＲＬ膜に生じた亀裂に金属が埋め込まれた様子を示す平面図である。図１０に示すように、ＡＲＬ膜２１には複数の銅配線２２が互いに平行に延びるように埋め込まれている。銅配線２２同士の間のＡＲＬ膜２１には、配線間をまたがるように亀裂２３が生じている。この亀裂２３には、銅配線２２の形成時に銅が埋め込まれ、その結果、銅配線２２同士の間で短絡が生じる。
【００１７】
本発明は、以上の知見に基づきなされたものであって、具体的には、本発明に係る配線構造の形成方法は、絶縁膜の上に反射防止膜を形成した後、反射防止膜及び絶縁膜に、第１の溝、及び第１の溝と隣り合う第２の溝を形成する溝形成工程と、第１の溝及び第２の溝が埋まるように反射防止膜の上にバリアメタル膜及び導電膜を堆積する膜堆積工程と、第１の溝の外側及び第２の溝の外側の導電膜を研磨により除去する第１の研磨工程と、第１の研磨工程よりも後に、第１の溝の外側及び第２の溝の外側のバリアメタル膜を研磨により除去する第２の研磨工程と、第２の研磨工程よりも後に、被研磨面に付着した異物を除去する異物除去工程と、異物除去工程よりも後に、反射防止膜の表面を研磨する第３の研磨工程とを備えている。
【００１８】
本発明の配線構造の形成方法によると、絶縁膜及びその上の反射防止膜に設けられた溝にバリアメタル膜及び導電膜を順次埋め込んだ後、溝の外側の導電膜及びバリアメタル膜を研磨により除去する。その後、研磨時に被研磨面に付着した異物を除去した後、反射防止膜の表面を研磨する。このため、バリアメタル膜の研磨時に、溝間（つまり配線間）に存在する反射防止膜の表面に微小な亀裂が発生し、該亀裂中に金属が埋め込まれた場合に、次のような効果が得られる。すなわち、バリアメタル膜の研磨時等に被研磨面に付着した異物を除去した後に反射防止膜の表面に対して仕上げ研磨を行なうので、異物によって反射防止膜表面が新たに損傷を受けることを防止しながら、亀裂中に埋め込まれた金属を除去することができる。従って、亀裂中に埋め込まれた金属によって配線間が架橋される事態を回避できるため、配線間におけるショート発生頻度を低減できるので、高性能配線を形成することができる。
【００１９】
本発明の配線構造の形成方法において、第２の研磨工程と第３の研磨工程との間に、第２の研磨工程で用いた研磨パッドに付着した異物を除去する工程を備えていることが好ましい。
【００２０】
このようにすると、第２の研磨工程（バリアメタル膜の研磨）で用いた研磨パッドを第３の研磨工程（反射防止膜の研磨）でも用いる場合に、反射防止膜表面が損傷することをより確実に防止できる。この場合、研磨パッドに付着した異物を除去する工程が研磨パッドを洗浄する工程を含むと、反射防止膜表面が損傷することをより確実に防止できる。同様の効果は、研磨パッドに付着した異物を除去する工程が研磨パッドの表面を砥石によりブラッシングする工程を含む場合にも得られる。
【００２１】
本発明の配線構造の形成方法において、第２の研磨工程及び第３の研磨工程は同じ研磨装置及び研磨パッドを用いて行なわれることが好ましい。
【００２２】
このようにすると、配線形成における作業効率を向上させることができる。
【００２３】
本発明の配線構造の形成方法において、第３の研磨工程における基板を研磨パッドに押し当てる圧力及び該研磨パッドの回転速度は第２の研磨工程と同じであることが好ましい。
【００２４】
このようにすると、第２の研磨工程から第３の研磨工程に移行する際に研磨条件の複雑な変更を行なう必要がないので、配線形成における作業性を向上させることができ、それによりプロセスのスループットの低下を防止できる。このとき、第３の研磨工程の研磨時間が第２の研磨工程よりも短いと、反射防止膜表面が大きく削られることを防止できる。また、このとき、第３の研磨工程における前述の圧力及び回転速度がそれぞれ第１の研磨工程と比べて小さいと、反射防止膜表面が大きく削られることをより確実に防止できる。
【００２５】
本発明の配線構造の形成方法において、第３の研磨工程で用いられる研磨剤は第２の研磨工程と同じであることが好ましい。
【００２６】
このようにすると、第３の研磨工程で、溝に埋め込まれた導電膜が大きく研磨されることがないので、配線抵抗の増大を防止できる。
【００２７】
本発明の配線構造の形成方法において、第３の研磨工程は、研磨条件の異なる２段階の研磨工程を含んでいてもよい。この場合、２段階の研磨工程のうちの一の段階で用いられる研磨剤は第２の研磨工程と同じであると共に、２段階の研磨工程のうちの他の段階で用いられる研磨剤は第１の研磨工程と同じであることが好ましい。このようにすると、配線形成における歩留まりを向上させることができる。
【００２８】
本発明の配線構造の形成方法において、異物除去工程は、有機酸又は有機アルカリを用いて被研磨面に対して洗浄を行なう工程を含むことが好ましい。
【００２９】
このようにすると、被研磨面に付着した異物を確実に除去することができる。
【００３０】
本発明の配線構造の形成方法において、第１の溝と第２の溝との間隔が０．２５μｍ以下であると、従来技術と比べて、前述の本発明の効果がより顕著に得られる。
【００３１】
本発明の配線構造の形成方法において、第１の溝と第２の溝とは互いに平行に配置されていてもよい。
【００３２】
本発明の配線構造の形成方法において、第１の溝及び第２の溝における配線形成はデュアルダマシン法を用いて行なわれてもよい。
【００３３】
本発明の配線構造の形成方法において、反射防止膜はシリコン含有材料よりなることが好ましい。
【００３４】
このようにすると、溝形成のためのリソグラフィー工程におけるパターン形成精度が確実に向上する。例えばリソグラフィ工程でＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）を光源として用いる場合、下層となる厚さ７５ｎｍのＳｉＯＮ膜と上層となる厚さ８ｎｍのＳｉＯ2 膜との積層膜は、ＫｒＦエキシマレーザ光に対して高い吸収効率を持つので、反射防止膜として優れた性能を示す。また、反射防止膜の材料としてシリコン化合物を用いる場合、反射防止膜を開口させる装置を、シリコン酸化膜にホールを形成する装置と共用することができ、それによって半導体装置の製造コストを低減させることができる。
【００３５】
本発明の配線構造の形成方法において、導電膜は銅膜であり、バリアメタル膜はタンタル膜、窒化タンタル膜、又はタンタル膜と窒化タンタル膜との積層膜であることが好ましい。
【００３６】
このようにすると、低抵抗の配線を形成することができる。また、この場合、第１の溝又は第２の溝に形成される配線は、該配線の下側に形成されているプラグと電気的に接続されてもよい。
【００３７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る配線構造の形成方法について図面を参照しながら説明する。
【００３８】
図１（ａ）〜（ｃ）、図２（ａ）、（ｂ）、図３（ａ）、（ｂ）及び図４は、第１の実施形態に係る配線構造の形成方法の各工程を示す断面図である。
【００３９】
まず、図１（ａ）に示すように、例えばシリコンよりなる基板１００上に第１のシリコン酸化膜１０１を形成した後、第１のシリコン酸化膜１０１の上に、例えばタングステン膜よりなる下層配線１０２を形成する。その後、下層配線１０２の上を含む第１のシリコン酸化膜１０１の上に、例えばＣＶＤ法により第２のシリコン酸化膜１０３を堆積する。
【００４０】
次に、図１（ｂ）に示すように、リソグラフィー法及びドライエッチング法を用いて、第２のシリコン酸化膜１０３中に、下層配線１０２に達するビアホール１０４を形成する。
【００４１】
次に、図１（ｃ）に示すように、例えばＰＶＤ法又はＣＶＤ法を用いて、ビアホール１０４が途中まで埋まるように第２のシリコン酸化膜１０３の上にチタン（Ｔｉ）膜１０５及び窒化チタン（ＴｉＮ）膜１０６を順次堆積する。その後、例えばＣＶＤ法を用いて、ビアホール１０４が完全に埋まるように窒化チタン膜１０６の上にタングステン膜１０７を形成する。ここで、チタン膜１０５及び窒化チタン膜１０６はバリアメタルである。
【００４２】
次に、図２（ａ）に示すように、例えばＣＭＰ法を用いて、ビアホール１０４の外側の領域に堆積されているチタン膜１０５、窒化チタン膜１０６及びタングステン膜１０７を除去する。これにより、第２のシリコン酸化膜１０３中のビアホール１０４に、バリアメタルによって確実に保護され且つタングステンよりなるプラグ１０８が形成される。
【００４３】
次に、図２（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法を用いて、第２のシリコン酸化膜１０３の上に、フッ素が添加されたシリコン酸化膜（以下、ＦＳＧ（Fluorine Doped Silicate Glass ）膜と称する）１０９及びＡＲＬ膜１１０を順次堆積する。ここで、ＡＲＬ膜１１０は、例えば上層のＳｉＯＮ膜と下層のＳｉＯ2 膜との２層構造を有すると共に、後続のリソグラフィー工程における露光時の解像度を向上させる機能を有する。その後、リソグラフィー法及びドライエッチング法を用いて、ＡＲＬ膜１１０及びＦＳＧ膜１０９（及び第２のシリコン酸化膜１０３の表面部）中に、複数の配線用溝（トレンチ）１１１を形成する。ここで、複数の配線用溝１１１は、プラグ１０８に達する配線用溝を含んでいる。また、各配線用溝１１１は、例えば互いに平行に配置されており、配線用溝１１１同士の間の距離は０．２５μｍ程度である。
【００４４】
次に、図３（ａ）に示すように、例えばＰＶＤ法を用いて、各配線用溝１１１が途中まで埋まるようにＡＲＬ膜１１０の上に窒化タンタル（ＴａＮ）膜１１２及び第１の銅（Ｃｕ）膜１１３を順次堆積する。ここで、第１の銅膜１１３は、後続のメッキ工程におけるシード層として機能する。また、窒化タンタル膜１１２はバリア層として機能する。続いて、例えばメッキ法を用いて、各配線用溝１１１が完全に埋まるように第１の銅膜１１３上に第２の銅膜１１４を堆積する。
【００４５】
次に、図３（ｂ）に示すように、Ｃｕ研磨用研磨剤（スラリー）を用いたＣＭＰ法により、各配線用溝１１１の外側の領域に堆積された第１の銅膜１１３及び第２の銅膜１１４を除去する（第１の研磨工程）。これにより、各配線用溝１１１の外側の窒化タンタル膜１１２が露出する。続いて、バリア層（ＴａＮ）研磨用スラリーを用いたＣＭＰ法により、各配線用溝１１１の外側の領域に堆積された窒化タンタル膜１１２を除去する（第２の研磨工程）。これにより、各配線用溝１１１内に、ＦＳＧ膜１０９との間にバリア層を持つ銅配線（上層配線）１１５が形成されると共に、ＡＲＬ膜１１０の表面が露出する。ここで、銅配線１１５は、その下側に形成されているプラグ１０８と電気的に接続する。
【００４６】
ここで、第１及び第２の研磨工程について詳しく説明する。本実施形態では第１及び第２の研磨工程を同一のＣＭＰ装置を用いて行なう。
【００４７】
図５は第１及び第２の研磨工程で用いられるＣＭＰ装置の概略構成図である。
【００４８】
図５に示すように、被研磨基板（基板１００）であるウェハ１５１は、回転可能で且つ上下動可能に設けられたホルダー１５２に保持されている。また、ウェハ１５１の表面を研磨する研磨パッド１５３は、回転運動を行なう研磨定盤１５４の表面に取り付けられている。スラリー１５５はスラリー供給管１５６から研磨パッド１５３の上に滴下される。この状態で、研磨定盤１５４を回転させて研磨パッド１５３を回転させると共にホルダー１５２を回転させながら降下させると、ホルダー１５２に保持されているウェハ１５１と研磨パッド１５３とが互いに擦れ合うことによって、ウェハ１５１の表面が研磨される。
【００４９】
尚、本実施形態において、第１の研磨工程から第２の研磨工程に移行する際に、スラリーの種類等の研磨条件を変更する。具体的には、第２の研磨工程におけるウェハ１５１を研磨パッド１５３に押し当てる圧力及び研磨パッド１５３の回転速度はそれぞれ第１の研磨工程と比べて小さい。但し、本明細書において、ウェハ１５１がホルダー１５２と共に回転する場合、研磨パッド１５３の回転速度とは、ウェハ１５１に対する研磨パッド１５３の相対速度を意味する。
【００５０】
ところで、以上に説明したようなＣＭＰ法を用いた第２の研磨工程の終了時点において、図３（ｂ）に示すように、銅配線１１５の間のＡＲＬ膜１１０の表面に生じた亀裂に銅等の金属１１６が埋め込まれてしまう。ここで、亀裂中に埋め込まれた金属１１６が、銅配線１１５同士の間に擬似的な架橋構造を形成する場合、銅配線１１５同士の間でショートが発生してしまう。
【００５１】
そこで、本実施形態においては、銅配線１１５を構成する銅膜の膜厚の減少を最小限に抑えながら、銅配線１１５間におけるショートの発生頻度を低減するために、以下に説明するような方法を用いて、亀裂中に埋め込まれた金属１１６の除去を行なう。
【００５２】
まず、第２の研磨工程の終了後、基板１００（ウェハ１５１）をＣＭＰ装置から取り出して基板１００の表面を洗浄する。これにより、第１の研磨工程又は第２の研磨工程で発生した削りくず（異物）を基板１００の表面から洗い流すことができる。基板１００の洗浄には、例えば、有機酸溶液又は有機アルカリ溶液を用いる。ここで、異物となる削りくずを除去することが重要である。すなわち、基板１００上に削りくずを残したまま、ＡＲＬ膜１１０の表面の亀裂中に埋め込まれた金属１１６を除去しようとすると、その削りくずによってＡＲＬ膜１１０又は銅配線１１５に新たな損傷が生じてしまう可能性があるからである。具体的には、当初の亀裂中に埋め込まれていた金属１１６を除去できたとしても、銅配線１１５が損傷したり（つまり銅配線１１５を構成する銅膜が薄くなったり）、又はＡＲＬ膜１１０に新たな亀裂が生じて該亀裂中に金属が埋め込まれたりする可能性がある。
【００５３】
本実施形態において、前述の基板１００（ウェハ１５１）に対する洗浄工程（異物除去工程）は、基板１００をＣＭＰ装置から洗浄装置に移動させて行なわれる。このとき、基板１００を洗浄している間に、別途、研磨パッド１５３に付着した削りくず（異物）を除去しておくことが好ましい。その理由は、前述の基板１００の洗浄の場合と同様である。すなわち、研磨パッド１５３上に残存する削りくずを除去しておくことによって、基板１００上のＡＲＬ膜１１０の表面の亀裂中に埋め込まれた金属１１６を研磨パッド１５３を引き続き用いて除去した際に、ＡＲＬ膜１１０の表面等に新たな損傷が生じることをより確実に防止できる。ここで、研磨パッド１５３上に残存する削りくずの除去は、例えば、ＣＭＰ装置において研磨パッド１５３を回転させながらスラリーに代えて純水を供給して研磨パッド１５３を洗浄することにより行なわれる。或いは、研磨パッド１５３の表面を砥石を用いてブラッシングすることにより、削りくずの除去を行なってもよい。これらにより、研磨パッド１５３の表面に付着した削りくずを確実に除去することができる。
【００５４】
次に、異物除去工程の後、ＡＲＬ膜１１０の表面の微小な亀裂中に埋め込まれた金属１１６を除去するために、ＣＭＰ法によりＡＲＬ膜１１０の表面を研磨する（第３の研磨工程）。これにより、図４に示すように、配線間ショートの原因となる、亀裂中の金属１１６を亀裂と共に除去することができる。
【００５５】
尚、本実施形態においては、第３の研磨工程を、第１及び第２の研磨工程と同一のＣＭＰ装置（図５参照）を用いて行なう。また、研磨時間を除く第３の研磨工程の研磨条件は、第２の研磨工程（つまり窒化タンタル膜１１２（バリアメタル膜）に対する研磨工程）の研磨条件と同じである。具体的には、第３の研磨工程における基板１００（ウェハ１５１）を研磨パッド１５３に押し当てる圧力及び研磨パッド１５３の回転速度はそれぞれ第２の研磨工程と同じである。すなわち、第３の研磨工程における前述の圧力及び回転速度はそれぞれ第１の研磨工程（銅膜１１３及び１１４の研磨工程）と比べて小さい。また、第３の研磨工程で用いられるスラリーは、第２の研磨工程と同様に、バリア層（ＴａＮ）研磨用スラリーである。一方、第３の研磨工程の研磨時間は、第２の研磨工程におけるバリアメタル膜の研磨時間よりも短い時間（例えば２０秒程度）に設定される。その理由は、第３の研磨工程は、脆弱なＡＲＬ膜１１０の亀裂中に埋め込まれた不要な金属１１６の除去を目的とするものであって、ＡＲＬ膜１１０以外の膜、例えば銅配線１１５を構成する銅膜については、その膜減りを最小限に押さえたいからである。また、研磨時間を除く第３の研磨工程の研磨条件を第２の研磨工程と同じにしているので、ＡＲＬ膜１１０に対しては研磨が適度に行なわれ、それによりＡＲＬ膜１１０の表面に埋め込まれた金属１１６が除去される。また、第３の研磨工程の研磨条件（基板を研磨パッドに押し当てる圧力、研磨パッドの回転速度、スラリー、研磨時間等）は銅が研磨されにくい条件であるため、第３の研磨工程によって、銅配線１１５を構成する銅膜が大きく研磨されることもない。
【００５６】
以上に説明したように、第１の実施形態によると、基板１００上のＦＳＧ膜１０９及びその上のＡＲＬ膜１１０に設けられた配線用溝１１１に、バリアメタル膜（窒化タンタル膜１１２）及び配線用導電膜（銅膜１１３及び１１４）を順次埋め込んだ後、配線用溝１１１の外側の配線用導電膜及びバリアメタル膜を研磨により除去する。その後、研磨時に基板１００に付着した異物（削りくず）を除去した後、ＡＲＬ膜１１０の表面を研磨する。このため、バリアメタル膜の研磨時に、配線用溝１１１間（つまり銅配線１１５間）に存在するＡＲＬ膜１１０の表面に微小な亀裂が発生し、該亀裂中に金属１１６が埋め込まれた場合に、次のような効果が得られる。すなわち、バリアメタル膜の研磨時等に基板１００に付着した異物を除去した後にＡＲＬ膜１１０の表面に対して仕上げ研磨を行なうので、異物によってＡＲＬ膜１１０の表面が新たに損傷を受けることを防止しながら、亀裂中に埋め込まれた金属１１６を除去することができる。従って、亀裂中に埋め込まれた金属１１６によって銅配線１１５間が架橋される事態を回避できるので、配線間におけるショート発生が抑制された配線構造、つまり高性能配線を形成することができる。
【００５７】
図６（ａ）は、本実施形態の配線構造の形成方法によって形成された銅配線同士の間におけるショート発生頻度を、従来技術の場合と比較した結果を示している。また、図６（ｂ）は、本実施形態の配線構造の形成方法によって形成された配線構造における配線間距離及び配線幅を模式的に示している。尚、図６（ａ）の縦軸は、単位面積（１ｃｍ2 ）当たりの欠陥数（ショート発生の原因となる、ＡＲＬ膜表面の傷（亀裂）の数）である。また、図６（ｂ）に示すように、本実施形態の配線構造の形成方法によってＦＳＧ膜１０９及びＡＲＬ膜１１０に形成された銅配線１１５同士の間の距離は０．２５μｍであり、銅配線１１５の幅も０．２５μｍである。図６（ａ）に示すように、本実施形態では、バリアメタル膜（窒化タンタル膜１１２）の研磨後に、基板１００の表面の洗浄（削りくずの除去）及びＡＲＬ膜１１０の表面の研磨を順次行なうことにより、ショート発生の原因となる欠陥数を、従来技術の場合の５０分の１程度である０．２程度まで低減できる。すなわち、本実施形態による欠陥数は、実用上十分な歩留まりが達成される欠陥数である０．５を大きく下回っている。
【００５８】
従来技術においては、互いに隣り合う配線同士の間の距離が小さくなるに従って、特に、配線間距離が０．２５μｍ以下になると、配線間ショートが顕著に生じてきた。それに対して、本実施形態によると、配線間距離が０．２５μｍ以下の場合に、配線間ショートを防止する効果がより顕著に得られる。
【００５９】
また、第１の実施形態によると、第３の研磨工程（ＡＲＬ膜１１０の研磨工程）における基板１００を研磨パッド１５３に押し当てる圧力及び研磨パッド１５３の回転速度はそれぞれ第２の研磨工程（窒化タンタル膜１１２の研磨工程）と同じである。言い換えると、研磨時間を除く第３の研磨工程の研磨条件は、第２の研磨工程と同じである。このため、第２の研磨工程から第３の研磨工程に移行する際に研磨条件の複雑な変更を行なう必要がないので、配線形成における作業性を向上させることができ、それによりプロセスのスループットの低下を防止できる。また、第３の研磨工程の研磨時間が第２の研磨工程よりも短いので、ＡＲＬ膜１１０の表面が大きく削られることを防止できる。このとき、第３の研磨工程における前述の圧力及び回転速度がそれぞれ第１の研磨工程（銅膜１１３及び１１４の研磨工程）と比べて小さいと、ＡＲＬ膜１１０の表面が大きく削られることをより確実に防止できる。
【００６０】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る配線構造の形成方法について図面を参照しながら説明する。尚、第２の実施形態が第１の実施形態と異なっている点は、銅配線の形成にデュアルダマシン法を用いていることである。
【００６１】
図７（ａ）〜（ｃ）及び図８（ａ）、（ｂ）は、第２の実施形態に係る配線構造の形成方法の各工程を示す断面図である。
【００６２】
まず、図７（ａ）に示すように、例えばシリコンよりなる基板２００上の第１のシリコン酸化膜２０１を形成した後、第１のシリコン酸化膜２０１の上に、例えばタングステン膜よりなる下層配線２０２を形成する。その後、下層配線２０２の上を含む第１のシリコン酸化膜２０１の上に、例えばＣＶＤ法により第２のシリコン酸化膜２０３及びＡＲＬ膜２０４を順次堆積する。ここで、ＡＲＬ膜２０４は、例えば上層のＳｉＯＮ膜と下層のＳｉＯ2 膜との２層構造を有すると共に、後続のリソグラフィー工程における露光時の解像度を向上させる機能を有する。その後、リソグラフィー法及びドライエッチング法を用いて、ＡＲＬ膜２０４及び第２のシリコン酸化膜２０３に、下層配線２０２に達するビアホール２０５を形成する。
【００６３】
次に、図７（ｂ）に示すように、基板２００の上に全面に亘ってレジストを塗布した後、リソグラフィー法を用いて、配線用溝形成領域に開口部を持つレジストパターン２０６を形成する。
【００６４】
次に、図７（ｃ）に示すように、レジストパターン２０６をマスクとして、ＡＲＬ膜２０４及び第２のシリコン酸化膜２０３に対してドライエッチングを行なって複数の配線用溝２０７を形成した後、レジストパターン２０６をアッシングにより除去する。ここで、複数の配線用溝２０７は、ビアホール２０５に達する配線用溝（元のビアホール２０５の上部を含む領域に形成される）を含んでいる。また、各配線用溝２０７は、例えば互いに平行に配置されており、配線用溝２０７同士の間の距離は０．２５μｍ程度である。
【００６５】
次に、図８（ａ）に示すように、各配線用溝２０７及びビアホール２０５が途中まで埋まるようにＡＲＬ膜２０４の上に窒化タンタル（ＴａＮ）膜２０８を堆積する。ここで、窒化タンタル膜２０８はバリア層として機能する。続いて、各配線用溝２０７及びビアホール２０５が完全に埋まるように窒化タンタル膜２０８上に銅膜２０９を堆積する。
【００６６】
次に、図８（ｂ）に示すように、Ｃｕ研磨用スラリーを用いたＣＭＰ法により、各配線用溝２０７及びビアホール２０５の外側の領域に堆積された銅膜２０９を除去する（第１の研磨工程）。これにより、各配線用溝２０７及びビアホール２０５の外側の窒化タンタル膜２０８が露出する。続いて、バリア層（ＴａＮ）研磨用スラリーを用いたＣＭＰ法により、各配線用溝２０７及びビアホール２０５の外側の領域に堆積された窒化タンタル膜２０８を除去する（第２の研磨工程）。これにより、各配線用溝２０７及びビアホール２０５に、第２のシリコン酸化膜２０３等の絶縁膜との間にバリア層を持つ銅配線（上層配線）２１０が形成されると共に、ＡＲＬ膜２０４の表面が露出する。ここで、銅配線２１０は、ビアホール２０５内に形成され且つ下層配線２０２と電気的に接続されたプラグ部分を有する。
【００６７】
尚、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、第１及び第２の研磨工程を同一のＣＭＰ装置（図５参照）を用いて行なう。また、第１の研磨工程から第２の研磨工程に移行する際に、スラリーの種類等の研磨条件を変更する。具体的には、第２の研磨工程における基板２００を研磨パッドに押し当てる圧力及び該研磨パッドの回転速度はそれぞれ第１の研磨工程と比べて小さい。
【００６８】
ところで、以上に説明したようなＣＭＰ法を用いた第２の研磨工程の終了時点において、銅配線２１０の間のＡＲＬ膜２０４の表面に生じた亀裂に銅等の金属（図示省略）が埋め込まれてしまう。ここで、亀裂中に埋め込まれた金属が、銅配線２１０同士の間に擬似的な架橋構造を形成する場合、銅配線２１０同士の間でショートが発生してしまう。
【００６９】
そこで、本実施形態においては、銅配線２１０を構成する銅膜の膜厚の減少を最小限に抑えながら、銅配線２１０間におけるショートの発生頻度を低減するために、以下に説明するような方法を用いて、亀裂中に埋め込まれた金属の除去を行なう。
【００７０】
まず、第２の研磨工程の終了後、基板２００をＣＭＰ装置から取り出して基板２００の表面を洗浄する。これにより、第１の研磨工程又は第２の研磨工程で発生した削りくず（異物）を基板２００の表面から洗い流すことができる。基板２００の洗浄には、例えば、有機酸溶液又は有機アルカリ溶液を用いる。ここで、異物となる削りくずを除去することが重要である。すなわち、基板２００上に削りくずを残したまま、ＡＲＬ膜２０４の表面の亀裂中に埋め込まれた金属を除去しようとすると、その削りくずによってＡＲＬ膜２０４又は銅配線２１０に新たな損傷が生じてしまう可能性があるからである。具体的には、当初の亀裂中に埋め込まれていた金属を除去できたとしても、銅配線２１０が損傷したり（つまり銅配線２１０を構成する銅膜が薄くなったり）、又はＡＲＬ膜２０４に新たな亀裂が生じて該亀裂中に金属が埋め込まれたりする可能性がある。
【００７１】
本実施形態において、前述の基板２００に対する洗浄工程（異物除去工程）は、基板２００をＣＭＰ装置から洗浄装置に移動させて行なわれる。このとき、基板２００を洗浄している間に、研磨パッドに付着した削りくず（異物）を除去しておくことが好ましい。その理由は、前述の基板２００の洗浄の場合と同様である。すなわち、研磨パッド上に残存する削りくずを除去しておくことによって、基板２００上のＡＲＬ膜２０４の表面の亀裂中に埋め込まれた金属を該研磨パッドを引き続き用いて除去した際に、ＡＲＬ膜２０４の表面等に新たな損傷が生じることをより確実に防止できる。ここで、研磨パッド上に残存する削りくずの除去は、例えば、ＣＭＰ装置において研磨パッドを回転させながらスラリーに代えて純水を供給して研磨パッドを洗浄することにより行なわれる。或いは、研磨パッドの表面を砥石を用いてブラッシングすることにより、削りくずの除去を行なってもよい。これらにより、研磨パッドの表面に付着した削りくずを確実に除去することができる。
【００７２】
次に、異物除去工程の後、ＡＲＬ膜２０４の表面の微小な亀裂中に埋め込まれた金属を除去するために、ＣＭＰ法によりＡＲＬ膜２０４の表面を研磨する（第３の研磨工程）。これにより、配線間ショートの原因となる、亀裂中の金属を亀裂と共に除去することができる。
【００７３】
尚、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、第３の研磨工程を、第１及び第２の研磨工程と同一のＣＭＰ装置（図５参照）を用いて行なう。また、研磨時間を除く第３の研磨工程の研磨条件は、第２の研磨工程（つまり窒化タンタル膜２０８（バリアメタル膜）に対する研磨工程）の研磨条件と同じである。具体的には、第３の研磨工程における基板２００を研磨パッドに押し当てる圧力及び該研磨パッドの回転速度はそれぞれ第２の研磨工程と同じである。すなわち、第３の研磨工程における前述の圧力及び回転速度はそれぞれ第１の研磨工程（銅膜２０９の研磨工程）と比べて小さい。また、第３の研磨工程で用いられるスラリーは、第２の研磨工程と同様に、バリア層（ＴａＮ）研磨用スラリーである。一方、第３の研磨工程の研磨時間は、第２の研磨工程におけるバリアメタル膜の研磨時間よりも短い時間（例えば２０秒程度）に設定される。その理由は、第３の研磨工程は、脆弱なＡＲＬ膜２０４の亀裂中に埋め込まれた不要な金属の除去を目的とするものであって、ＡＲＬ膜２０４以外の膜、例えば銅配線２１０を構成する銅膜については、その膜減りを最小限に押さえたいからである。また、研磨時間を除く第３の研磨工程の研磨条件を第２の研磨工程と同じにしているので、ＡＲＬ膜２０４に対しては研磨が適度に行なわれ、それによりＡＲＬ膜２０４の表面に埋め込まれた金属が除去される。また、第３の研磨工程の研磨条件（基板を研磨パッドに押し当てる圧力、研磨パッドの回転速度、スラリー、研磨時間等）は銅が研磨されにくい条件であるため、第３の研磨工程によって、銅配線２１０を構成する銅膜が大きく研磨されることもない。
【００７４】
以上に説明したように、第２の実施形態によると、基板２００上のＡＲＬ膜２０４及び第２のシリコン酸化膜２０３に設けられた配線用溝２０７及びビアホール２０５に、バリアメタル膜（窒化タンタル２０８）及び配線用導電膜（銅膜２０９）を順次埋め込んだ後、配線用溝２０７及びビアホール２０５の外側の配線用導電膜及びバリアメタル膜を研磨により除去する。その後、研磨時に基板２００に付着した異物（削りくず）を除去した後、ＡＲＬ膜２０４の表面を研磨する。このため、バリアメタル膜の研磨時に、配線用溝２０７間（つまり銅配線２１０間）に存在するＡＲＬ膜２０４の表面に微小な亀裂が発生し、該亀裂中に金属が埋め込まれた場合に、次のような効果が得られる。すなわち、バリアメタル膜の研磨時等に基板２００に付着した異物を除去した後にＡＲＬ膜２０４の表面に対して仕上げ研磨を行なうので、異物によってＡＲＬ膜２０４の表面が新たに損傷を受けることを防止しながら、亀裂中に埋め込まれた金属を除去することができる。従って、亀裂中に埋め込まれた金属によって銅配線２１０間が架橋される事態を回避できるので、配線間におけるショート発生が抑制された配線構造、つまり高性能配線を形成することができる。
【００７５】
また、従来技術においては、互いに隣り合う配線同士の間の距離が小さくなるに従って、特に、配線間距離が０．２５μｍ以下になると、配線間ショートが顕著に生じてきた。それに対して、本実施形態によると、配線間距離が０．２５μｍ以下の場合に、配線間ショートを防止する効果がより顕著に得られる。
【００７６】
また、第２の実施形態によると、第３の研磨工程（ＡＲＬ膜２０４の研磨工程）における基板２００を研磨パッドに押し当てる圧力及び該研磨パッドの回転速度はそれぞれ第２の研磨工程（窒化タンタル膜２０８の研磨工程）と同じである。言い換えると、研磨時間を除く第３の研磨工程の研磨条件は、第２の研磨工程と同じである。このため、第２の研磨工程から第３の研磨工程に移行する際に研磨条件の複雑な変更を行なう必要がないので、配線形成における作業性を向上させることができ、それによりプロセスのスループットの低下を防止できる。また、第３の研磨工程の研磨時間が第２の研磨工程よりも短いので、ＡＲＬ膜２０４の表面が大きく削られることを防止できる。このとき、第３の研磨工程における前述の圧力及び回転速度がそれぞれ第１の研磨工程（銅膜２０９の研磨工程）と比べて小さいと、ＡＲＬ膜２０４の表面が大きく削られることをより確実に防止できる。
【００７７】
尚、第１又は第２の実施形態において、ＡＲＬ膜を利用して第１層目の銅配線を形成する場合を対象としたが、ＡＲＬ膜を利用して多層の銅配線の形成を行なう場合、第２層目以降の上層の銅配線の形成に本実施形態の方法を適用してもよい。また、配線用溝に銅以外の導電膜を埋め込んで配線を形成する場合に本実施形態の方法を適用してもよい。
【００７８】
また、第１又は第２の実施形態において、バリアメタル膜の種類は特に限定されるものではないが、配線用導電膜として銅膜を用いる場合には、バリアメタル膜として、例えばタンタル膜、窒化タンタル膜、又はタンタル膜と窒化タンタル膜との積層膜を用いることが好ましい。また、配線が埋め込まれる絶縁膜の種類及びＡＲＬ膜の種類も特に限定されるものではない。
【００７９】
また、第１又は第２の実施形態において、第２の研磨工程（バリアメタル膜の研磨）後に行なわれる異物除去工程（基板洗浄工程）では、有機酸溶液又は有機アルカリ溶液を用いて基板洗浄を行なうことが好ましい。このようにすると、基板表面に付着した異物（削りかす）を確実に除去することができる。このとき、有機アルカリとしては、例えばＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドライド）等のヒドロキシルアミンを用いてもよい。また、有機酸としては、例えばシュウ酸、クエン酸又はリンゴ酸等の、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ基）を２つ以上持つカルボン酸を用いてもよい。
【００８０】
また、第１又は第２の実施形態において、Ｃｕ研磨用スラリーの種類及びバリア層（ＴａＮ）研磨用スラリーの種類はそれぞれ特に限定されるものではないが、例えば過酸化水素水が酸化剤として含有されたＣｕ研磨用スラリー、及び例えば硝酸（若しくはその派生化合物）が酸化剤として含有されたＴａＮ研磨用スラリー等を用いてもよい。また、互いに粒子サイズが異なるＣｕ研磨用スラリー及びＴａＮ研磨用スラリーを用いてもよい。また、第３の研磨工程で用いられるスラリーの種類は特に限定されるものではないが、第２の研磨工程と同様に、バリア層研磨用スラリーを用いることが好ましい。このようにすると、第３の研磨工程で、配線用導電膜が大きく研磨されることを防止できるので、配線抵抗の増大を防止できる。また、第２の研磨工程から第３の研磨工程に移行する際の研磨条件の変更がより簡単になる。さらに、第３の研磨工程を２段階に分けて行なうと共に、第３の研磨工程の第１段階で第１の研磨工程と同じ条件で研磨を実施し、引き続いて、第３の研磨工程の第２段階で第２の研磨工程と同じ条件で研磨を実施してもよい。このようにすると、配線形成における歩留まりをさらに向上させることができる。
【００８１】
また、第１又は第２の実施形態において、第１〜第３の研磨工程を同一のＣＭＰ装置を用いて行なったが、これに代えて、全ての研磨工程を別々のＣＭＰ装置を用いて行なってもよいし、又はいずれか１つの研磨工程のみを別のＣＭＰ装置を用いて行なってもよい。但し、第２の研磨工程及び第３の研磨工程は同じ研磨装置及び研磨パッドを用いて行なわれることが好ましい。このようにすると、研磨装置の効率的な運用が可能となる。また、第１〜第３の研磨工程で使用可能なＣＭＰ装置は、１個の基板ホルダーを有し且つ１度の研磨工程で１枚の基板を研磨する方式のものに限られない。すなわち、複数の基板ホルダーを有し且つ１度の研磨工程で複数枚の基板を研磨する方式のＣＭＰ装置を用いてもよい。
【００８２】
【発明の効果】
本発明によると、絶縁膜及びその上の反射防止膜に設けられた配線用溝にバリアメタル膜及び配線用導電膜を順次埋め込んで配線を形成する際に、バリアメタル膜の研磨時等に基板に付着した異物を除去してから反射防止膜の表面に対して仕上げ研磨を行なう。このため、異物によって反射防止膜表面が新たに損傷を受けることを防止しながら、反射防止膜表面の亀裂中に埋め込まれた金属を除去できるので、該金属によって配線間が架橋される事態を回避できる。従って、配線間におけるショート発生頻度を低減できるので、高性能配線を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る配線構造の形成方法の各工程を示す断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る配線構造の形成方法の各工程を示す断面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る配線構造の形成方法の各工程を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る配線構造の形成方法の一工程を示す断面図である。
【図５】本発明の第１又は第２の実施形態に係る配線構造の形成方法において用いられるＣＭＰ装置の概略構成図である。
【図６】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る配線構造の形成方法によって形成された銅配線同士の間におけるショート発生頻度を、従来技術の場合と比較した結果を示す図であり、（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る配線構造の形成方法によって形成された配線構造における配線間距離及び配線幅を模式的に示す図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る配線構造の形成方法の各工程を示す断面図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る配線構造の形成方法の各工程を示す断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は従来の配線構造の形成方法の各工程を示す断面図である。
【図１０】従来の配線構造の形成方法における問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１００    基板
１０１    第１のシリコン酸化膜
１０２    下層配線
１０３    第２のシリコン酸化膜
１０４    ビアホール
１０５    チタン膜
１０６    窒化チタン膜
１０７    タングステン膜
１０８    プラグ
１０９    ＦＳＧ膜
１１０    ＡＲＬ膜
１１１    配線用溝
１１２    窒化タンタル膜
１１３    第１の銅膜
１１４    第２の銅膜
１１５    銅配線（上層配線）
１１６    亀裂中に埋め込まれた金属
１５１    ウェハ
１５２    ホルダー
１５３    研磨パッド
１５４    研磨定盤
１５５    スラリー
１５６    スラリー供給管
２００    基板
２０１    第１のシリコン酸化膜
２０２    下層配線
２０３    第２のシリコン酸化膜
２０４    ＡＲＬ膜
２０５    ビアホール
２０６    レジストパターン
２０７    配線用溝
２０８    窒化タンタル膜
２０９    銅膜
２１０    銅配線（上層配線）
【図１】
0003910140.tif 000002
【図２】
0003910140.tif 000003
【図３】
0003910140.tif 000004
【図４】
0003910140.tif 000005
【図５】
0003910140.tif 000006
【図６】
0003910140.tif 000007
【図７】
0003910140.tif 000008
【図８】
0003910140.tif 000009
【図９】
0003910140.tif 000010
【図１０】
0003910140.tif 000011