(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板のバリヤメタル層の上にＣｕ配線を形成する際に化学機械的研磨プロセスによりＣｕ層及びバリヤメタル層を研磨するポリッシング方法において、
半導体基板上の配線溝にＣｕ層が形成されるとともに配線溝の形成されていない表面上にＣｕ層が形成された半導体基板を、渦電流センサによりＣｕ層の膜厚を測定しながら、ターンテーブル上の研磨面に摺接させてＣｕ層が所定の膜厚になるまで研磨する第１研磨工程と、
第１研磨工程後の半導体基板を、光学式センサによりＣｕ層およびバリヤメタル層の膜厚を測定しながら、ターンテーブル上の研磨面に摺接させて配線溝に形成されたＣｕ層を残して半導体基板の表面上のＣｕ層を除去するとともにバリヤメタル層を除去するまで研磨する第２研磨工程とを備えたことを特徴とするポリッシング方法。
【請求項２】
前記第１研磨工程で使用する研磨砥液と前記第２研磨工程で使用する研磨砥液とは異なることを特徴とする請求項１記載のポリッシング方法。
【請求項３】
前記第１研磨工程と前記第２研磨工程との間に半導体基板を洗浄する洗浄工程を備えたことを特徴とする請求項１記載のポリッシング方法。
【請求項４】
前記半導体基板は、バリヤメタル層の下に酸化膜が形成され前記第２研磨工程で使用する研磨砥液の選択比は、Ｃｕ：Ｔａ：酸化膜＝１：０．９：１．４であることを特徴とする請求項２記載のポリッシング方法。
【請求項５】
半導体基板のバリヤメタル層の上にＣｕ配線を形成する際にＣｕ層及びバリヤメタル層を研磨するポリッシング装置において、
半導体基板上の配線溝にＣｕ層が形成されるとともに配線溝の形成されていない表面上にＣｕ層が形成された半導体基板を、渦電流センサによりＣｕ層の膜厚を測定しながら、摺接させてＣｕ層が所定の膜厚になるまで研磨する研磨面を有した第１ターンテーブルと、
前記第１ターンテーブルの研磨面で研磨された半導体基板を、光学式センサによりＣｕ層およびバリヤメタル層の膜厚を測定しながら、摺接させて配線溝に形成されたＣｕ層を残して半導体基板の表面上のＣｕ層を除去するとともにバリヤメタル層を除去するまで研磨する研磨面を有した第２ターンテーブルとを備えたことを特徴とするポリッシング装置。
【請求項６】
バリヤメタル層の上にＣｕ層が形成された半導体ウエハをトップリングで保持し、前記トップリングで保持した半導体ウエハを研磨面に対して押圧し、半導体ウエハと該研磨面の相対運動により半導体ウエハのＣｕ層及びバリヤメタル層を研磨するポリッシング方法であって、
前記研磨面を有するターンテーブルと前記トップリングとを設けた第１の研磨ユニットにおいて、第１の回転速度にて前記ターンテーブルを回転させ半導体ウエハのＣｕ層を研磨し、
前記第１の研磨ユニットに設けられた渦電流センサにより前記Ｃｕ層が所定の厚さを残した状態を検知して前記第１の研磨ユニットの研磨を終了し、
前記研磨面を有するターンテーブルと前記トップリングとを設けた第２の研磨ユニットにおいて、前記第１の回転速度よりも遅い第２の回転速度にて前記ターンテーブルを回転させ半導体ウエハのＣｕ層及びバリヤメタル層を研磨し、
前記第２の研磨ユニットに設けられた光学式センサにより前記Ｃｕ層およびバリヤメタル層の膜厚を研磨中に計測し続けて前記バリヤメタル層の除去を検知して前記第２の研磨ユニットの研磨を終了することを特徴とするポリッシング方法。
【請求項７】
バリヤメタル層の上にＣｕ層が形成された半導体ウエハをトップリングで保持し、前記トップリングで保持した半導体ウエハを研磨面に対して押圧し、半導体ウエハと該研磨面の相対運動により半導体ウエハのＣｕ層及びバリヤメタル層を研磨するポリッシング方法であって、
前記研磨面を有するターンテーブルと前記トップリングとを設けた第１の研磨ユニットにおいて、第１の回転速度にて前記トップリングを回転させ半導体ウエハのＣｕ層を研磨し、
前記第１の研磨ユニットに設けられた渦電流センサにより前記Ｃｕ層が所定の厚さを残した状態を検知して前記第１の研磨ユニットの研磨を終了し、
前記研磨面を有するターンテーブルと前記トップリングとを設けた第２の研磨ユニットにおいて、前記第１の回転速度よりも遅い第２の回転速度にて前記トップリングを回転させ半導体ウエハのＣｕ層及びバリヤメタル層を研磨し、
前記第２の研磨ユニットに設けられた光学式センサにより前記Ｃｕ層およびバリヤメタル層の膜厚を研磨中に計測し続けて前記バリヤメタル層の除去を検知して前記第２の研磨ユニットの研磨を終了することを特徴とするポリッシング方法。
【請求項８】
バリヤメタル層の上にＣｕ層が形成された半導体ウエハをトップリングで保持し、前記トップリングで保持した半導体ウエハの裏面を押圧することにより研磨面に対して押圧し、半導体ウエハと該研磨面の相対運動により半導体ウエハのＣｕ層及びバリヤメタル層を研磨するポリッシング方法であって、
第１の研磨ユニットにおいて半導体ウエハの裏面に加える第１の押圧力にて半導体ウエハのＣｕ層を研磨し、
前記第１の研磨ユニットに設けられた渦電流センサにより前記Ｃｕ層が所定の厚さを残した状態を検知して前記第１の研磨ユニットの研磨を終了し、
第２の研磨ユニットにおいて半導体ウエハの裏面に加える第１の押圧力よりも低い第２の押圧力にて半導体ウエハのＣｕ層及びバリヤメタル層を研磨し、
前記第２の研磨ユニットに設けられた光学式センサにより前記Ｃｕ層およびバリヤメタル層の膜厚を研磨中に計測し続けて前記バリヤメタル層の除去を検知して前記第２の研磨ユニットの研磨を終了することを特徴とするポリッシング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はポリッシング方法および装置に係り、特に半導体ウエハ等の基板上にＣｕ（銅）配線を形成する際に化学機械的研磨（ＣＭＰ）プロセスによりＣｕ層を研磨するポリッシング方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体基板上に配線回路を形成するためには、基板面上にスパッタリング等を用いて導体の成膜を行った後、さらにレジスト等のパターンマスクを用いたケミカルドライエッチングにより膜の不要部分を除去していた。
配線回路を形成するための材料としては、一般にアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金が用いられていた。しかしながら、半導体の集積度が高くなるにつれて配線が細くなり、電流密度が増加して熱応力や温度上昇を生じる。これはストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションによってＡｌ等が薄膜化するに従いさらに顕著となり、ついには断線或いは短絡等のおそれが生じる。
【０００３】
そこで、通電による過度の発熱を避けるため、より導電性の高い銅などの材料を配線形成に採用することが要求されている。しかしながら、銅又はその合金はドライエッチングが難しく、基板全面に成膜してからパターンを形成する上記の方法の採用は困難である。そのため、予め所定パターンの配線用の溝を半導体基板に形成しておき、その中に銅又はその合金を充填する工程が考えられる。これによれば、膜をエッチングにより除去する工程は不要で、表面段差を取り除くための研磨工程を行えばよい。また、多層回路の上下を連絡する配線孔と呼ばれる部分も同時に形成することができる利点がある。
【０００４】
しかしながら、このような配線溝或いは配線孔の形状は、配線幅が微細化するに伴いかなりの高アクペクト比（深さと直径又は幅の比）となり、スパッタリング成膜では均一な金属の充填が困難であった。また、種々の材料の成膜手段として気相成長（ＣＶＤ）法が用いられるが、銅又はその合金では、適当な気体原料を準備することが困難であり、また、有機原料を採用する場合には、これから堆積膜中へ炭素（Ｃ）が混入してマイグレーション性が上がるという問題点があった。
【０００５】
そこで、基板をめっき液中に浸漬させて銅（Ｃｕ）の無電解又は電解めっきを行い、その後表面の不要部分を化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスにより除去する方法が提案されている。斯かるめっきによる成膜では、高アスペクト比の配線溝を均一に高導電率のＣｕで充填することが可能となる。前記ＣＭＰプロセスは、ターンテーブル上に貼設された研磨布にトップリングによって保持された半導体ウエハを押圧し、同時に砥粒を含有した研磨砥液を供給しつつ、半導体ウエハ上のＣｕ層を化学機械的に研磨するものである。
【０００６】
前記Ｃｕ層をＣＭＰプロセスにより研磨する場合、配線用の溝内に形成されたＣｕ層のみを残して半導体基板からＣｕ層を選択的に除去することが必要とされる。即ち、Ｃｕ層を配線用の溝部以外の箇所では、酸化膜（ＳｉＯ２）が露出するまで除去することが求められる。この場合、過剰研磨となって、配線用の溝内のＣｕ層を酸化膜（ＳｉＯ２）とともに研磨してしまうと、回路抵抗が上昇し、半導体基板全体を廃棄しなければならず、多大な損害となる。逆に、研磨が不充分で、Ｃｕ層が酸化膜上に残ると、回路の分離がうまくいかず、短絡が起こり、その結果、再研磨が必要となり、製造コストが増大する。
【０００７】
図９は、Ｃｕ配線を形成するための従来のＣＭＰプロセスを説明する模式的工程図である。図９（ａ）に示すように、半導体基板の配線溝３０の内部にＣｕ層３１が充填されるとともに基板全面がＣｕ層３１によって覆われている。Ｃｕ層３１の表面には段差（凹凸）が形成されている。この状態でＣＭＰプロセスが開始される。図９（ｂ）に示すように、第１研磨工程において第１の研磨条件でＣｕ層３１を研磨しバリヤメタル層（例えば、ＴａやＴａＮからなる）３２が露出したところで研磨を停止する。
【０００８】
次に、図９（ｃ）に示すように、第２研磨工程において第２の研磨条件でバリヤメタル層３２を研磨し、配線溝３０内に形成されたＣｕ層３１以外の箇所では、酸化膜（ＳｉＯ２）３３が露出するまでバリヤメタルを除去している。この場合、第１研磨工程ではＣｕとバリヤメタルのポリッシュレート（研磨速度）の選択比が高いもの、即ち、Ｃｕが削れバリヤメタルが削れないものをスラリー（研磨砥液）として使用するのが通例である。また第２研磨工程ではその逆の傾向を示すスラリー（研磨砥液）、即ち、バリヤメタルのポリッシュレート（研磨速度）が高く、Ｃｕのポリッシュレートが低いスラリーを使用している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のＣＭＰプロセスによって実際にデバイスを研磨した場合、第１研磨工程でＣｕがわずかにバリヤメタル上に残っている状態で、第２研磨工程を開始すると、Ｃｕが除去しきれないので、結果的に他の領域がオーバーポリッシュ（過研磨）になり、回路抵抗が上昇してしまうという問題点がある。このオーバーポリッシュの現象としては、溝内のＣｕ配線が皿状に過研磨されてしまうディッシング（Dishing）や狭いＣｕ配線が密接した部分が酸化膜とともに一体に剥離するオキサイドエロージョン（Oxide Errosion) がある。
【００１０】
本発明は、上述のＣＭＰプロセスにおける問題点を解決し、半導体ウエハ等の基板上に形成されたＣｕ層を均一に除去し、基板面上に形成された微細溝及び／又は微細孔に形成されたＣｕ配線部をディッシングやエロージョン等のオーバーポリッシュ（過研磨）を生ずることなく平坦かつ均一に研磨できるポリッシング方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明の１態様は、半導体基板のバリヤメタル層の上にＣｕ配線を形成する際に化学機械的研磨プロセスによりＣｕ層及びバリヤメタル層を研磨するポリッシング方法において、半導体基板上の配線溝にＣｕ層が形成されるとともに配線溝の形成されていない表面上にＣｕ層が形成された半導体基板を、渦電流センサによりＣｕ層の膜厚を測定しながら、ターンテーブル上の研磨面に摺接させてＣｕ層が所定の膜厚になるまで研磨する第１研磨工程と、第１研磨工程後の半導体基板を、光学式センサによりＣｕ層およびバリヤメタル層の膜厚を測定しながら、ターンテーブル上の研磨面に摺接させて配線溝に形成されたＣｕ層を残して半導体基板の表面上のＣｕ層を除去するとともにバリヤメタル層を除去するまで研磨する第２研磨工程とを備えたことを特徴とするものである。
本発明の好ましい態様によれば、前記第１研磨工程で使用する研磨砥液と前記第２研磨工程で使用する研磨砥液とは異なる。
本発明の好ましい態様によれば、前記第１研磨工程と前記第２研磨工程との間に半導体基板を洗浄する洗浄工程を備えている。
本発明の好ましい態様によれば、前記半導体基板は、バリヤメタル層の下に酸化膜が形成され前記第２研磨工程で使用する研磨砥液の選択比は、Ｃｕ：Ｔａ：酸化膜＝１：０．９：１．４である。
【００１２】
また本発明の他の態様は、半導体基板のバリヤメタル層の上にＣｕ配線を形成する際にＣｕ層及びバリヤメタル層を研磨するポリッシング装置において、半導体基板上の配線溝にＣｕ層が形成されるとともに配線溝の形成されていない表面上にＣｕ層が形成された半導体基板を、渦電流センサによりＣｕ層の膜厚を測定しながら、摺接させてＣｕ層が所定の膜厚になるまで研磨する研磨面を有した第１ターンテーブルと、前記第１ターンテーブルの研磨面で研磨された半導体基板を、光学式センサによりＣｕ層およびバリヤメタル層の膜厚を測定しながら、摺接させて配線溝に形成されたＣｕ層を残して半導体基板の表面上のＣｕ層を除去するとともにバリヤメタル層を除去するまで研磨する研磨面を有した第２ターンテーブルとを備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明によれば、第１研磨工程において、半導体基板上のＣｕ層の膜厚が所定値になるまで研磨する。この第１研磨工程においては、Ｃｕ層のみを研磨し、バリヤメタル層までは研磨しないため、第１研磨工程による研磨中、センサによりＣｕ層の膜厚を測定し続ける。センサの検出値が所定の閾値に達したときに、第１研磨工程を終了する。
【００１４】
次に、第２研磨工程において、配線溝内に形成されたＣｕ層以外の箇処では、酸化膜が露出するまでＣｕ層およびバリヤメタル層を除去する。この第２研磨工程においては、Ｃｕ層およびバリヤメタル層のいずれも研磨するため、Ｃｕとバリヤメタルのポリッシュレート（研磨速度）の選択比が低いスラリー（研磨砥液）を使用する。第２研磨工程による研磨中、センサにより、Ｃｕ層の膜厚およびバリヤメタル層の膜厚を測定し続ける。そして、バリヤメタル層が完全に除去されたことをセンサにより検知し、ＣＭＰプロセスを終了する。第２研磨工程においては、スラリー（研磨砥液）は酸化膜に対しても所定のポリッシュレート（研磨速度）が得られるものを使用し、バリヤメタル層を完全に除去する。
本発明の他の態様は、バリヤメタル層の上にＣｕ層が形成された半導体ウエハをトップリングで保持し、前記トップリングで保持した半導体ウエハを研磨面に対して押圧し、半導体ウエハと該研磨面の相対運動により半導体ウエハのＣｕ層及びバリヤメタル層を研磨するポリッシング方法であって、前記研磨面を有するターンテーブルと前記トップリングとを設けた第１の研磨ユニットにおいて、第１の回転速度にて前記ターンテーブルを回転させ半導体ウエハのＣｕ層を研磨し、前記第１の研磨ユニットに設けられた渦電流センサにより前記Ｃｕ層が所定の厚さを残した状態を検知して前記第１の研磨ユニットの研磨を終了し、前記研磨面を有するターンテーブルと前記トップリングとを設けた第２の研磨ユニットにおいて、前記第１の回転速度よりも遅い第２の回転速度にて前記ターンテーブルを回転させ半導体ウエハのＣｕ層及びバリヤメタル層を研磨し、前記第２の研磨ユニットに設けられた光学式センサにより前記Ｃｕ層およびバリヤメタル層の膜厚を研磨中に計測し続けて前記バリヤメタル層の除去を検知して前記第２の研磨ユニットの研磨を終了することを特徴とするものである。
また、本発明の他の態様は、バリヤメタル層の上にＣｕ層が形成された半導体ウエハをトップリングで保持し、前記トップリングで保持した半導体ウエハを研磨面に対して押圧し、半導体ウエハと該研磨面の相対運動により半導体ウエハのＣｕ層及びバリヤメタル層を研磨するポリッシング方法であって、前記研磨面を有するターンテーブルと前記トップリングとを設けた第１の研磨ユニットにおいて、第１の回転速度にて前記トップリングを回転させ半導体ウエハのＣｕ層を研磨し、前記第１の研磨ユニットに設けられた渦電流センサにより前記Ｃｕ層が所定の厚さを残した状態を検知して前記第１の研磨ユニットの研磨を終了し、前記研磨面を有するターンテーブルと前記トップリングとを設けた第２の研磨ユニットにおいて、前記第１の回転速度よりも遅い第２の回転速度にて前記トップリングを回転させ半導体ウエハのＣｕ層及びバリヤメタル層を研磨し、前記第２の研磨ユニットに設けられた光学式センサにより前記Ｃｕ層およびバリヤメタル層の膜厚を研磨中に計測し続けて前記バリヤメタル層の除去を検知して前記第２の研磨ユニットの研磨を終了することを特徴とするものである。
また、本発明の好ましい態様によれば、バリヤメタル層の上にＣｕ層が形成された基板を研磨するポリッシング方法であって、第１の研磨ユニットにおいて前記Ｃｕ層が所定の厚さになるまで研磨を行う第１の研磨工程と、第２の研磨ユニットにおいて前記第１の研磨工程後の基板を研磨し、前記バリヤメタル層が除去されるまで研磨を行う第２の研磨工程からなる。
また、本発明の他の態様は、バリヤメタル層の上にＣｕ層が形成された半導体ウエハをトップリングで保持し、前記トップリングで保持した半導体ウエハの裏面を押圧することにより研磨面に対して押圧し、半導体ウエハと該研磨面の相対運動により半導体ウエハのＣｕ層及びバリヤメタル層を研磨するポリッシング方法であって、第１の研磨ユニットにおいて半導体ウエハの裏面に加える第１の押圧力にて半導体ウエハのＣｕ層を研磨し、前記第１の研磨ユニットに設けられた渦電流センサにより前記Ｃｕ層が所定の厚さを残した状態を検知して前記第１の研磨ユニットの研磨を終了し、第２の研磨ユニットにおいて半導体ウエハの裏面に加える第１の押圧力よりも低い第２の押圧力にて半導体ウエハのＣｕ層及びバリヤメタル層を研磨し、前記第２の研磨ユニットに設けられた光学式センサにより前記Ｃｕ層およびバリヤメタル層の膜厚を研磨中に計測し続けて前記バリヤメタル層の除去を検知して前記第２の研磨ユニットの研磨を終了することを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るポリッシング方法及び装置の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１及び図２は、本発明のポリッシング装置の実施の形態を説明する図であり、図１は平面図、図２は斜視図である。この装置は、全体が長方形をなす床上のスペースの一端側に一対の研磨ユニット１ａ，１ｂが左右に対向して配置され、他端側にそれぞれ半導体ウエハ収納用カセット２ａ，２ｂを載置する一対のロード・アンロードユニット１５が配置されている。そして、研磨ユニット１ａ，１ｂとロード・アンロードユニット１５を結ぶ線上に走行レール３が敷設され、このレール上に搬送ロボット４ａ，４ｂが２台配置されて、搬送ラインが形成されている。搬送ラインの両側に、それぞれ１台の反転機５，６と２台の洗浄機７ａ，７ｂ；８ａ，８ｂが配置されている。
【００１６】
２基の研磨ユニット１ａ，１ｂは、基本的に同一の仕様の装置が搬送ラインに対称に配置されており、それぞれ、上面に研磨布を貼付したターンテーブル９と、半導体ウエハを真空吸着により保持してターンテーブル上の研磨面に押し付けるトップリング１３を具備したトップリングヘッド１０と、研磨布の目立て（ドレッシング）を行うドレッサ１８を具備したドレッシングヘッド１１とを備えている。また、研磨ユニット１ａ，１ｂは、それぞれの搬送ライン側に、半導体ウエハをトップリング１３との間で授受するプッシャ１２を備えている。トップリング１３は水平面内で旋回可能とされ、プッシャ１２は上下動可能となっている。
【００１７】
洗浄機の形式は任意であるが、例えば、研磨ユニット側がスポンジ付きのローラ等の洗浄具で半導体ウエハ表裏両面をスクラブ（擦って洗う）する形式のスクラブ洗浄機７ａ，７ｂであり、カセット側が半導体ウエハのエッジを把持して水平面内で回転させながら洗浄液を供給する形式の洗浄機８ａ，８ｂである。後者は、遠心脱水して乾燥させる乾燥機としての機能をも有している。洗浄機７ａ，７ｂにおいて、半導体ウエハの１次洗浄を行うことができ、洗浄機８ａ，８ｂにおいて、１次洗浄後の半導体ウエハの２次洗浄を行うことができるようになっている。
【００１８】
ロボット４ａ，４ｂは、例えばレール３上を走行する台車の上部に水平面内で屈折自在に関節アームが設けられているもので、それぞれ上下に２つの把持部を、ドライフィンガーとウェットフィンガーとして使い分ける形式となっている。この実施の形態ではロボットを２基使用しているので、基本的に、第１ロボット４ａは、反転機５，６よりカセット側の領域を、第２ロボット４ｂは反転機５，６より研磨ユニット側の領域を受け持つ。
【００１９】
反転機５，６は、この実施の形態では、カセットの収納方式やロボットの把持機構との関係で必要であるが、常に半導体ウエハの被研磨面が下向きの状態で移送されるような場合には必要ではない。また、ロボットに反転機能を持たせるような構造の場合も必要ではない。この実施の形態では、２つの反転機５，６をドライな半導体ウエハを扱うものと、ウェットな半導体ウエハを扱うものと使い分けている。
【００２０】
図３は、研磨ユニット１ａ又は１ｂの詳細を示す断面図である。図３に示すように、研磨ユニット１ａ又は１ｂは、ターンテーブル９と、半導体ウエハ２０を保持しつつターンテーブル９に押圧するトップリング１３とを具備している。ターンテーブル９はモータ２１に連結されており、矢印で示すようにその軸心回りに回転可能になている。また、ターンテーブル９の上面には、研磨面を構成する研磨布２２が貼設されている。この研磨布は固定砥粒を使用したものであってもよい。
【００２１】
また、トップリング１３は、モータ（図示せず）に連結されるとともに昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これによって、トップリング１３は、矢印で示すように昇降可能かつその軸心回りに回転可能になっており、半導体ウエハ２０を研磨布２２に対して任意の圧力で押圧することができるようになっている。トップリング１３はトップリングシャフト２３に連結されており、またトップリング１３はその下面にポリウレタン等の弾性マット２４を備えている。またトップリング１３の下部外周部には、半導体ウエハ２０の外れ止めを行うガイドリング１９が設けられている。
また、ターンテーブル９の上方には研磨砥液ノズル２６が設置されており、研磨砥液ノズル２６によってターンテーブル９に貼設された研磨布２２上に研磨砥液Ｑが供給されるようになっている。
【００２２】
図３に示すように、ターンテーブル９内にはうず電流センサ１５が埋め込まれている。うず電流センサ１５の配線３４は、ターンテーブル９およびターンテーブル支持軸９ａ内を通り、ターンテーブル支持軸９ａの軸端に設けられたロータリコネクタ（又はスリップリング）３５を経由してコントローラ３６に接続されている。コントローラ３６は表示装置（ディスプレイ）３７に接続されている。うず電流センサ１５に隣接して光学式センサ２５が設置されている。光学式センサ２５は、投光素子と受光素子を具備し、投光素子から半導体ウエハ２０の被研磨面に光を照射し、被研磨面からの反射光を受光素子で受光するように構成されている。この場合、投光素子から発せられる光は、レーザー光もしくはＬＥＤによる光である。光学式センサ２５の配線３８は、ターンテーブル９およびターンテーブル支持軸９ａ内を通り、ターンテーブル支持軸９ａの軸端に設けられたロータリコネクタ３５を経由してコントローラ３９に接続されている。コントローラ３９は表示装置（ディスプレイ）３７に接続されている。
【００２３】
図４は、図３に示す研磨ユニット１ａ又は１ｂにおけるターンテーブル９の平面図である。図示するように、うず電流センサ１５および光学式センサ２５は、トップリング１３に保持された研磨中の半導体ウエハ２０の中心Ｃｗを通過する位置に設置されている。符号ＣＴはターンテーブル９の回転中心である。うず電流センサ１５および光学式センサ２５は、それぞれ半導体ウエハ２０の下方を通過している間、通過軌跡上で連続的に半導体ウエハ２０のＣｕ層の膜厚を検出できるようになっている。また、検出時間の間隔を短くするため、図４の仮想線で示すようにうず電流センサ１５および光学式センサ２５を各１個ずつ追加してテーブル上に各２ヶ以上のセンサを設けても良い。
【００２４】
上記構成のポリッシング装置において、トップリング１３の下面に半導体ウエハ２０を保持させ、半導体ウエハ２０を回転しているターンテーブル９の上面の研磨布２２に昇降シリンダにより押圧する。一方、研磨砥液ノズル２６から研磨砥液Ｑを流すことより、研磨布２２に研磨砥液Ｑが保持されており、半導体ウエハ２０の被研磨面（下面）と研磨布２２の間に研磨砥液Ｑが存在した状態でポリッシングが行われる。この研磨中に、うず電流センサ１５は、ターンテーブル９が一回転する毎に半導体ウエハ２０の被研磨面の直下を通過する。この場合、うず電流センサ１５は半導体ウエハ２０の中心Ｃｗを通る軌道上に設置されているため、センサの移動に伴って半導体ウエハ２０の被研磨面の円弧状の軌道上で連続的に膜厚検出が可能である。
【００２５】
次に、うず電流センサ１５を用いて半導体ウエハ上のＣｕ層の膜厚を検出する原理を簡単に説明する
うず電流式プロセスモニタのシステム原理は、センサコイルに高周波電流を流して、ウエハのＣｕ層中にうず電流を発生させ、このうず電流が膜厚によって変化し、センサ回路との合成インピーダンスを監視することで、膜厚の検出を行うものである。すなわち、センサコイルに高周波電流を流すと、Ｃｕ層中にうず電流が発生する。そして、回路中のインピーダンスを監視する。
回路中のインピーダンスは、センサ部のＬ，ＣとＣｕ層のＲが並列に結合された形となり、以下に示す（１）式のＲが変化することによりＺが変化することとなる。また、この時、共振周波数も同時に変化し、この変化の度合いを監視することでＣＭＰプロセスの終点の判定を行うことができる。
【００２６】
【数１】
0003916375.tif 000002
ここで、Ｚ：合成インピーダンス、ｊ：−１の平方根（虚数）、Ｌ：インダクタンス、ｆ：共振周波数、Ｃ：コンデンサの静電容量、Ｒ：Ｃｕ層の抵抗分、ω＝２πｆである。
【００２７】
図５は、上述の原理に基づき、半導体ウエハの研磨中に得られたうず電流センサ１５の検出信号をコントローラ３６で処理した結果を示すグラフである。図５において、横軸は研磨時間を示し、縦軸は共振周波数（Ｈｚ）を表している。そして、図５（ａ）は研磨中にうず電流センサ１５が半導体ウエハ２０の直下を複数回通過する間の共振周波数の変化を表し、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ部拡大図である。図５（ａ）および図５（ｂ）においては、半導体ウエハ上に形成されたＣｕ層の場合を示している。
【００２８】
図５（ａ）に示すように、研磨が進行するにつれて、うず電流センサ１５の信号をコントローラ３６で処理した値は漸次減少してゆく。即ち、Ｃｕ層の膜厚が減少するにつれて、うず電流センサ１５の信号をコントローラ３６で処理した値である共振周波数が減少してゆく。図５（ａ）においては、初期の６８００（Ｈｚ）から漸次減少してゆく。したがって、予め、Ｃｕ層が配線部を除いて除去されたときの共振周波数の値を調べておけば、共振周波数の値をモニタすることにより、ＣＭＰプロセスの終点を検出できる。図５（ａ）においては、Ｃｕ層が配線部を除いて除去されたときの共振周波数の値は６６２０（Ｈｚ）である。またＣｕ層が所定の厚さを残した状態の研磨終点に至らない手前のある周波数を闘値として設定しておけば、この闘値に到達するまで、第１の研磨条件で研磨し、闘値に到達した後に第２の研磨条件で研磨し、Ｃｕ層およびバリヤメタル層を完全に除去して研磨終点に達したら、ＣＭＰプロセスを終了させることもできる。
【００２９】
次に、光学式センサ２５を用いて半導体ウエハ上のＣｕ層の膜厚を検出する原理を簡単に説明する。
上述の研磨中に、光学式センサ２５は、ターンテーブルが一回転する毎に半導体ウエハ２０の被研磨面の直下を通過するため、光学式センサ２５の投光素子からの光がターンテーブル９および研磨布２２の開口を通して半導体ウエハ２０の被研磨面に到達し、被研磨面からの反射光が受光素子で受光され、被研磨面の膜厚が測定される。
【００３０】
光学式センサに適用する膜厚測定の原理は、膜とその隣接媒体によって引き起こされる光の干渉を利用している。半導体ウエハ等の基板上の薄膜に光を入射すると、まず一部の光は膜の表面で反射され残りは透過していく。この透過した光の一部はさらに基板面で反射され、残りは透過していくが、基板が金属の場合には吸収されてしまう。干渉はこの膜の表面反射光と基板面反射光の位相差によって発生し、位相が一致した場合は互いに強め合い、逆になった場合は弱め合う。つまり入射光の波長、膜厚、膜の屈折率に応じて反射強度が変化する。基板で反射した光を回折格子等で分光し、各波長における反射光の強度をプロットしたプロファイルを解析して基板上に形成された膜の厚みを測定する。
【００３１】
このように、二種類の膜厚計測用のセンサをポリッシング装置に搭載することにより、Ｃｕ層が所定厚の薄膜になるまでは、うず電流センサ１５の信号を処理することにより膜厚をモニタし、所定厚の薄膜になって膜厚を光学式センサ２５で検出できるようになった時点で光学式センサ２５の信号を処理することにより薄膜の膜厚をモニタする。これにより、薄膜に対する測定感度が高い光学式センサ２５を用いてＣｕ層が配線部を除いて除去されたことを正確に検出でき、ＣＭＰプロセスの終点を決定できる。勿論、うず電流センサ１５と光学式センサ２５をＣＭＰプロセスの終点まで併用することもできる。即ち、所定厚の薄膜になったことをうず電流センサ１５および光学式センサ２５の両者からの信号を処理し、モニタすることにより検出し、かつＣｕ層が配線部を除いて除去されることをうず電流センサ１５および光学式センサ２５の両者からの信号を処理し、モニタすることにより検出し、ＣＭＰプロセスの終点を決定することもできる。
【００３２】
次に、図１乃至図５に示すように構成されたポリッシング装置を用いてＣｕ配線を形成する方法を説明する。
半導体素子が形成された半導体ウエハ２０の導電層の上にＳｉＯ２からなる酸化膜を堆積させた後、リソグラフィ・エッチング技術により配線用の溝を形成する。そして、ＴａやＴａＮからなるバリヤメタル層を形成する。次に、めっき工程等により、配線溝にＣｕを充填するとともに酸化膜上にＣｕ層を形成する。
【００３３】
図６（ａ）は上述の工程によりＣｕ層を形成した半導体基板２０を示す図であり、１００μｍの太い配線溝３０ａと、１.５μｍの線幅が狭い複数の配線溝３０ｂが０.５μｍの間隔で密集した部分にＣｕ層３１を形成した状態を示している。配線溝３０ａ，３０ｂ及び酸化膜（ＳｉＯ２）３３上にはバリヤメタル層３２が形成され、このバリヤメタル層３２上にＣｕ層３１が形成されている。Ｃｕ層３１の表面には段差（凹凸）が形成されている。このＣｕ層３１をＣＭＰプロセスにより研磨し、Ｃｕ層３１を配線用の溝部以外の箇所では、酸化膜３３が露出するまで除去するものである。次に、このＣＭＰプロセスについて説明する。
【００３４】
まず、図１に示すポリッシング装置を用いて、上述のＣＭＰプロセスを実行する場合の半導体ウエハの流れを説明する。半導体ウエハの流れは、カセット２ａ又は２ｂ→反転機５→第１研磨ユニット１ａ（第１ターンテーブル）→洗浄機７ａ→第２研磨ユニット１ｂ（第２ターンテーブル）→洗浄機７ｂ→反転機６→洗浄機８ｂ→カセット２ａ又は２ｂとなる。ロボット４ａ，４ｂは、それぞれ、ドライな半導体ウエハを扱う時はドライフィンガを用い、濡れた半導体ウエハを扱う時はウェットフィンガを用いる。プッシャ１２は、ロボット４ｂから半導体ウエハを受け、トップリング１３が上方に来た時に上昇して半導体ウエハを渡す。研磨後の半導体ウエハは、プッシャ１２の位置に設けられたリンス液供給装置によってリンス洗浄する。
【００３５】
図１に示すポリッシング装置では、プッシャ１２及び洗浄機７ａで半導体ウエハがトップリング１３と切り離された状態で洗浄されるので、半導体ウエハの被研磨面だけでなく裏面や側面に付着する第１研磨工程用の研磨砥液および削り屑等を完全に除去することができる。第２研磨工程を受けた後は、洗浄機７ｂ及び洗浄機８ｂで洗浄され、スピン乾燥されてカセット２ａ又は２ｂへ戻される。
【００３６】
次に、図６（ａ）に示すＣｕ層３１を形成した半導体ウエハをＣＭＰプロセスにより研磨する工程を説明する。
まず、第１研磨ユニット１ａによる第１研磨工程において、図６（ｂ）に示すように、半導体ウエハ２０上のＣｕ層３１の膜厚ｔが５００Å〜２０００Åになるまで研磨する。この第１研磨工程においては、Ｃｕ層３１のみを研磨し、バリヤメタル層３２までは研磨しないため、第１研磨工程による研磨中、図３に示すうず電流センサ１５によりＣｕ層３１の膜厚を測定し続ける。うず電流センサ１５の検出値が所定の閾値（例えば、共振周波数が６４００〜６５００Ｈｚ）に達したときに、第１研磨工程を終了する。
【００３７】
次に、洗浄機７ａによるスクラブ洗浄工程により、第１研磨工程用の研磨砥液及び削り屑を完全に除去する。洗浄機７ａは、図７に示すように、半導体ウエハ２０の保持用の複数の直立ローラ３０が半導体ウエハ２０の周囲に開閉自在に設けられ、スポンジ等からなるローラ型のスクラブ洗浄用の洗浄部材４０が半導体ウエハ２０の上下から接離可能に設けられた、いわゆるロール／ロールタイプの低速回転型洗浄機である。第１の洗浄機７ａには、半導体ウエハ２０の表裏面にエッチング液及び純水を供給可能なノズル５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄが設けられている。
【００３８】
第１研磨ユニット１ａによる第１研磨工程で化学・機械的に研磨され、水ポリッシュされた半導体ウエハ２０は、付着していたパーティクルの多くが除去されて清浄度が高くなっており、プッシャ１２を経由して第１の洗浄機７ａに搬送され、図７（ａ）に示すように、ローラ５５によって数十〜３００ｒｐｍ程度の低回転数で回転可能に保持される。ここで、図７（ｂ）、図８（ａ）に示すように、上下に配置した純水ノズルより純水を供給しながら一対のローラスポンジ（洗浄部材）４０を自転させつつ半導体ウエハ２０面に接触させて半導体ウエハ２０の上下面を全面に渡ってスクラブ洗浄を行なう。この際、供給する薬液としては、キレート材、界面活性材、キレート材および界面活性材、キレート材および界面活性材にｐＨの調整をして中性からアルカリ性としたものを用いることができる。
【００３９】
次に、図８（ｂ）に示すように、ローラスポンジ４０を上下に待避させた後、必要に応じ半導体ウエハ２０の回転速度を変化させながら薬液ノズルよりエッチング液を半導体ウエハ２０の上下面に供給し、半導体ウエハ２０面のエッチング（化学的洗浄）を行って半導体ウエハ２０面に残留する金属イオンを除去する。さらに、図８（ｃ）に示すように、純水ノズルより純水を供給し、必要に応じ半導体ウエハ２０の回転速度を変化させて純水置換を行い、エッチング液を除去する。
【００４０】
次に、第２研磨ユニット１ｂによる第２研磨工程において、図６（ｂ）に示すように、配線溝３０ａ，３０ｂ内に形成されたＣｕ層３１以外の箇処では、酸化膜（ＳｉＯ２）３３が露出するまでＣｕ層３１およびバリヤメタル層３２を除去する。この第２研磨工程においては、Ｃｕ層３１およびバリヤメタル層３２のいずれも研磨するため、Ｃｕとバリヤメタルのポリッシュレート（研磨速度）の選択比が低いスラリー（研磨砥液）を使用する。ここで選択比とは、同一の研磨条件におけるそれぞれの膜でのポリッシュレート（研磨速度）の比率を示し、Ｃｕ：Ｔａ：酸化膜で表す。第２研磨工程による研磨中、図３に示す光学式センサ２５により、Ｃｕ層３１の膜厚およびバリヤメタル層３２の膜厚を測定し続ける。そして、バリヤメタル層３２が完全に除去されたことを光学式センサ２５により検知し、ＣＭＰプロセスを終了する。第２研磨工程においては、スラリー（研磨砥液）は酸化膜３３に対しても所定のポリッシュレート（研磨速度）が得られるものを使用し、バリヤメタル層３２を完全に除去する。なお、第１研磨工程および第２研磨工程を同一のターンテーブルの研磨面上で行うこともできる。
【００４１】
次に、実際に、Ｃｕ層を形成した半導体ウエハの研磨条件および研磨結果を説明する。
半導体ウエハとして、セマテックマスク９５４（Sematech Mask 954）をＣＭＰプロセスにより研磨した。Ｃｕ層の研磨前の膜厚は約１．２μｍ程度であり、ディシング（Dishing）およびオキサイドエロージョン（Oxide Errosion）の評価は図６（ａ）に示す配線溝の寸法を有した半導体ウエハを用いて行った。
第１研磨工程は、キャボット（Cabot）社のＥＰＣ５００１のアルミナ系スラリー（研磨砥液）を用い、研磨布はロデール（Rodel）社製のＩＣ１０００−０５０（Ａ２１）／ＳＵＢＡ４００を用いて、研磨圧力は３９２０Ｎ／ｍ２（４００ｇ／ｃｍ２）、ターンテーブルの回転速度は７０ｍｉｎ−１、トップリングの回転速度は７０ｍｉｎ−１、半導体ウエハの裏面に加える空気圧は１９６０Ｎ／ｍ２（２００ｇ／ｃｍ２）で、９９秒間研磨を行った。このときの段差特性は、ディシング（Dishing）がウエハ中心部／中間部／周縁部でそれぞれ５０ｎｍ以下、オキサイドエロージョン（Oxide Errosion）がウエハ中心部／中間部／周縁部でそれぞれ１０ｎｍ以下であった。このとき、うず電流センサで第１研磨工程の終点検知を行い、６４００〜６５００Ｈｚで終点を検知した。また、この場合、Ｃｕ残膜が５００〜２０００Åであったが、Ｃｕ残膜が３００Å以下となる場合には光学式センサで膜厚を測定することができる。。
【００４２】
次に、第２研磨工程は、ＪＳＲ社製のＳ０９０（Ｅ）−１０のスラリー（砥粒としてシリカを用いたｐＨ９．５のアルカリ性研磨砥液）を使用し、研磨布はロデール（Rodel）社製のＩＣ１０００−０５０（ｋｇｒｖ）／ＳＵＢＡ４００を用いた。研磨圧力は３９２０Ｎ／ｍ２（４００ｇ／ｃｍ２）、ターンテーブルの回転速度は５０ｍｉｎ−１、トップリングの回転速度は５１ｍｉｎ−１、半導体ウエハの裏面に加える空気圧は９８０Ｎ／ｍ２（１００ｇ／ｃｍ２）で、１５０秒間研磨を行った。このときの段差特性は、ディシング（Dishing）がウエハ中心部／中間部／周縁部でそれぞれ３０ｎｍ以下、オキサイドエロージョン（Oxide Errosion）がウエハ中心部／中間部／周縁部でそれぞれ１５ｎｍ以下であった。この場合のスラリーの選択比はＣｕ：Ｔａ：酸化膜＝１：０．９：１．４であり、このような選択比のスラリーはアーク（Arch）社製のＣｕ１０Ｋでもよい。より好ましくは、Ｃｕ：Ｔａ：酸化膜＝１：１：１に近い選択比のスラリーがよい。また第１研磨工程では、固定砥粒（砥石）を使用した研磨布で研磨前の段差をとった後、第２研磨工程に移ってもよい。第２研磨工程の終点検知は上記光学式センサで行なうのがよい。
また、第１研磨工程におけるスラリーがアルミナ粒子で、第２研磨工程におけるスラリーはシリカ粒子なので、途中に必ずスクラブ洗浄機を通り、半導体ウエハ上のパーティクル（粒子）をとることが必要となる。第２研磨工程において酸化膜を研磨することにより、ディシングやエロージョンの量を減らすことができる。それにより、酸化膜上に膜を形成する際に、表面が平坦なので精度の良い積層が可能となる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体ウエハ等の基板上に形成されたＣｕ層を均一に除去し、基板面上に形成された微細溝及び／又は微細孔に形成されたＣｕ配線部をディッシングやエロージョン等のオーバーポリッシュ（過研磨）を生ずることなく平坦かつ均一に研磨することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のポリッシング装置の実施の形態を説明する平面図である。
【図２】本発明のポリッシング装置の実施の形態を説明する斜視図である。
【図３】研磨ユニットの詳細を示す断面図である。
【図４】図３に示す研磨ユニットの平面図である。
【図５】半導体ウエハの研磨中に得られたうず電流センサの検出信号をコントローラで処理した結果を示すグラフであり、横軸は研磨時間を示し、縦軸は共振周波数（Ｈｚ）を表している。図５（ａ）は研磨中にうず電流センサが半導体ウエハの直下を複数回通過する間の共振周波数の変化を表し、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ部拡大図である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｃ）はＣＭＰプロセスによりＣｕ配線を形成する工程を示す模式的工程図である。
【図７】（ａ）第１の洗浄機の構成を示す斜視図、（ｂ）その作用を示す図である。
【図８】第１の洗浄機における洗浄工程を示す図である。
【図９】Ｃｕ配線を形成するための従来のＣＭＰプロセスを説明する模式的工程図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ    研磨ユニット
２ａ，２ｂ    半導体ウエハ収納用カセット
３    走行レール
４ａ，４ｂ    搬送ロボット
５，６    反転機
７ａ，７ｂ；８ａ，８ｂ    洗浄機
９    ターンテーブル
９ａ    ターンテーブル支持軸
１０    トップリングヘッド
１１    ドレッシングヘッド
１２    プッシャ
１３    トップリング
１５    うず電流センサ
１８    ドレッサ
１９    ガイドリング
２０    半導体ウエハ
２１    モータ
２２    研磨布
２３    トップリングシャフト
２４    弾性マット
２５    光学式センサ
２６    研磨砥液ノズル
３０ａ，３０ｂ    配線溝
３１    Ｃｕ層
３２    バリヤメタル層
３３    酸化膜
３４，３８    配線
３５    ロータリコネクタ（スリップリング）
３６，３９    コントローラ
３７    表示装置（ディスプレイ）
４０    ローラスポンジ（洗浄部材）
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ    ノズル
５５    ローラ
【図１】
0003916375.tif 000003
【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】
0003916375.tif 000008
【図７】
0003916375.tif 000009
【図８】
0003916375.tif 000010
【図９】
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