(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を保持するトップリングと研磨面を有したターンテーブルとを備えたポリッシング装置により、基板上にＣｕ層を有する半導体デバイスを形成した面を前記研磨面に摺接させて研磨するポリッシング方法において、
研磨後の基板にイオン水を供給してＣｕの酸化膜を形成し、ＤＨＦ（希フッ酸）で前記酸化膜を除去しつつ基板の表裏面を洗浄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に係り、特に半導体ウエハ等の基板上に形成されたＣｕ膜を化学機械的に研磨した後に洗浄するポリッシング方法に関する。
【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。
【０００３】
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。
【０００４】
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、銅又はその合金などの配線材料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になってきた。そこで、予め所定パターンの配線用の溝を形成しておき、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。
【０００５】
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スペクト比（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。
【０００６】
そこで、基板をめっき液中に浸漬させて例えば銅（Ｃｕ）の無電解又は電解めっきを行ない、その後表面の不要部分を化学機械研磨（ＣＭＰ）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金属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クロス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層を研磨するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のＣＭＰプロセスによるＣｕの研磨直後は、Ｃｕ表面の活性が高く酸化しやすい状態になっていることが多い。これを自然に放置していると自然酸化膜ができるが、その膜はある意味で成り行きまかせで、ムラ（不均一）になり易く、また、膜質も粗雑であり、そのまま放置していると酸化が進行していく。特に、上述したように半導体ウエハに形成するデバイスの配線材料に使用する場合、電気特性が変わり、製品品質上問題になる場合がある。
また、被研磨物である半導体ウエハの裏面に関しても、研磨中に研磨砥液やバイプロダクト（副生物）が回り込み付着し、それがクリーンルーム内を汚染する可能性がある。
【０００８】
本発明は、上記の欠点を除去するため、Ｃｕ層を有した半導体ウエハ等の基板を研磨した後のＣｕ表面の性状を制御することができるとともに、被研磨面の裏面の性状をも制御することができるポリッシング方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明のポリッシング方法は、基板を保持するトップリングと研磨面を有したターンテーブルとを備えたポリッシング装置により、基板上にＣｕ層を有する半導体デバイスを形成した面を前記研磨面に摺接させて研磨するポリッシング方法において、研磨後の基板にイオン水を供給してＣｕの酸化膜を形成し、ＤＨＦ（希フッ酸）で前記酸化膜を除去しつつ基板の表裏面を洗浄することを特徴とするものである。
【００１２】
上述した本発明によれば、半導体デバイスを有した基板のＣｕ層を研磨した後に、基板の表面（Ｃｕ層がある面）および裏面をアノードイオン水等のイオン水で洗浄する。
前記イオン水は純水又は純水に電解質を添加したものを電気分解することにより得られる。イオン水には酸化性の強いアノードイオン水と還元性の強いカソードイオン水とがあり、研磨後のＣｕ表面を酸化するためにはアノードイオン水が好適に使用される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るポリッシング方法の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、ポリッシング装置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、他端側にそれぞれ基板収納用カセット２ａ，２ｂを載置する一対のロード・アンロードユニットが配置されている。そして、研磨ユニットとロード・アンロードユニット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とこれの両隣の２台の洗浄機７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂが配置されている。
【００１４】
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、基板を真空吸着により保持してターンテーブル面に押し付けるトップリングヘッド１０と、研磨布の目立てを行なうドレッシングヘッド１１とを備えている。
【００１５】
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、トップリングヘッド１０は、ターンテーブル９の上方に位置し、半導体ウエハからなる基板２０を保持しつつターンテーブル９に押しつけるトップリング１３を具備している。前記ターンテーブル９はモータ（図示せず）に連結されており、矢印Ａで示すようにその軸心の回わりに回転可能になっている。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１４が貼設されている。
【００１６】
基板上に形成されたＣｕの研磨では、スラリー（研磨砥液）によっては発熱する場合があり、その反応熱によってＣｕの研磨の際に化学的研磨の要素が促進され、ポリッシュレート（研磨速度）が変化していく。この問題を回避するため、本発明においては、ターンテーブル９にセラミックテーブル等の熱伝導性のよい材料を用い、ポリッシュレートの安定を図るように工夫している。
このセラミックの材質は、アルミナセラミックやＳｉＣが適当であり、熱伝導率として０．０７cal／(cm×sec×℃）以上の材料が適当である。またセラミックテーブル（ターンテーブル９）にはテーブル温度を調節するための液体を流出入させる液体入口９ａと液体出口９ｂとが設けられている。
【００１７】
トップリング１３は、モータおよび昇降シリンダ（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Ｂ，Ｃで示すように昇降可能かつその軸心を中心に回転可能になっており、基板２０を研磨布１４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。また基板２０はトップリング１３の下端面に真空等によって吸着されるようになっている。なお、トップリング１３の下部外周部には、基板２０の外れ止めを行なうガイドリング１６が設けられている。
【００１８】
また、ターンテーブル９の上方には砥液供給ノズル１５が設置されており、砥液供給ノズル１５によってターンテーブル９に張り付けられた研磨布１４上に研磨砥液が供給されるようになっている。またターンテーブル９の周囲には、砥液と水を回収する枠体１７が設けられ、枠体１７の下部にはとい１７ａが形成されている。
【００１９】
ドレッシングヘッド１１はドレッシング部材１８を有している。ドレッシング部材１８は、研磨布１４上のトップリング１３の位置の反対側にあり、研磨布１４のドレッシングを行なうことができるように構成されている。研磨布１４には、ドレッシングに使用するドレッシング液、たとえば水がテーブル上に伸びたドレッシング液供給ノズル２１から供給されるようになっている。ドレッシング部材１８は昇降用のシリンダと回転用のモータに連結されており、矢印Ｄ，Ｅで示すように昇降可能かつその軸心を中心に回転可能になっている。ドレッシング部材１８はトップリング１３とほぼ同径の円盤状であり、その下面にドレッシングツール１９を保持している。砥液供給ノズル１５およびドレッシング液供給ノズル２１はターンテーブル上面の回転中心付近にまで伸び、研磨布１４上の所定位置に砥液および水をそれぞれ供給する。
【００２０】
トップリング１３に保持された基板２０を研磨布１４上に押圧し、ターンテーブル９およびトップリング１３を回転させることにより、基板２０の下面（被研磨面）が研磨布１４と擦り合わされる。この時、同時に研磨布１４上に砥液供給ノズル１５から砥液を供給することにより、基板２０の被研磨面は、砥液中の砥粒の機械的研磨作用と砥液の液体成分であるアルカリによる化学的研磨作用との複合作用によってポリッシングされる。ポリッシングに使用された砥液はターンテーブル９の遠心力によってターンテーブル外へ飛散し、枠体１７の下部のとい１７ａで回収される。
【００２１】
基板２０の所定の研磨量を研磨した時点でポリッシングを終了する。このポリッシングが終了した時点では、ポリッシングによって研磨布の特性が変化し、次に行なうポリッシングの研磨性能が劣化するので、ドレッシングツール１９により研磨布のドレッシングを行なう。
図１に示すように、研磨ユニット１ａ，１ｂは、それぞれの搬送ライン側に、基板をトップリング１３との間で授受するプッシャー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、プッシャー１２は上下動可能となっている。
【００２２】
図４は、洗浄機７ａ，７ｂの構造を示す概略側面図である。図示するように、洗浄機７ａ，７ｂは、基板２０のエッジを把持して基板２０を水平面内で回転させるための複数の基板回転用ころ２３と、基板２０の表裏面に接触して基板２０の表裏面をスクラブ洗浄するロール状のＰＶＡスポンジ２４ａ，２４ｂと、基板２０の上下方に設置されたイオン水供給ノズル２５ａ，２５ｂおよびＤＨＦ供給ノズル２６ａ，２６ｂとを備えている。イオン水供給ノズル２５ａ，２５ｂの経路には、超音波発振子２６が設けられている。イオン水供給ノズル２５ａ，２５ｂはアノードイオン水を基板に供給し、ＤＨＦ供給ノズル２６ａ，２６ｂはＤＨＦ（希フッ酸）を基板に供給する。また超音波発振子２６はアノードイオン水に超音波エネルギを付与し、メガソニックアノードイオン水を生成する。なおイオン水はイオン水供給ノズル２５ａ，２５ｂの可能な限り近傍で生成されることがイオン水の寿命（濃度変化）の関係上望ましい。更に必要な場合には図示しないイオン水のｐＨ、イオン濃度等の性状値をモニタ／制御する測定器／制御機構をイオン水生成器に取り付けることが望ましい。
【００２３】
一方、カセット側の洗浄機８ａ，８ｂは、基板２０のエッジを把持して水平面内で回転させながら上述の純水又はアノードイオン水及び／又はメガソニックイオン水を供給する形式の洗浄機である。洗浄機８ａ，８ｂは、遠心脱水（スピン）して乾燥させる乾燥機としての機能をも持つ。洗浄機７ａ，７ｂにおいて、処理後の基板２０の１次洗浄を行なうことができ、洗浄機８ａ，８ｂにおいて１次洗浄後の基板２０の２次洗浄を行なうことができるようになっている。ここで各々の洗浄機、反転機でのイオン水の金属表面供給の目的は金属の酸化膜を形成することである。またＤＨＦの金属表面への供給目的は金属酸化膜を溶かし、除去することである。イオン水、ＤＨＦをその目的に応じた装置箇所・タイミングで供給することで性状の良い、つまり均一な酸化膜を有する金属材表面が得られる。
【００２４】
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エ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。
【００２５】
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、常に基板の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をドライな基板を扱うものと、ウエットな基板を扱うものと使い分けている。また、反転機５，６部にも純水又はアノードイオン水を供給するノズルが存在し、処理工程の必要に応じて基板２０に供給できる構造としてもよい。
【００２６】
次に、上述のように構成されたポリッシング装置の全体の動作を説明する。
ポリッシング前の半導体ウエハである基板２０はウエハカセット２ａ，２ｂにストックされており、装置内の全ての処理条件がインプットされた後、装置は自動運転を開始する。
自動運転の処理フローは、以下のとおりである。
ａ）研磨される基板２０をカセット２ａ，２ｂにセットし、ロード・アンロードユニットに載せる。
ｂ）ロボット４ａはカセット２ａ（又は２ｂ）から基板２０を取り出し反転機５に搬送すると、反転機５は基板２０を反転させ研磨表面を下側にする。
ｃ）ロボット４ｂは反転機５から基板２０を受け取り、研磨ユニット１ａのプッシャー１２に基板２０を載せる。
ｄ）研磨ユニット１ａのトップリング１３は基板２０を吸着し、基板２０の１次研磨を行なう。この時、基本的には基板２０上に形成されたＣｕ層のみを研磨する。
また、１次研磨はＣｕ層のみの研磨で下のバリア層をストッパーとして用いる場合がスラリー（研磨砥液）によっては考えられる。この場合、バリア層が表面にでた時点でのインサィチュ（in situ）の検出が必要で、その手段としては、テーブルの電流値、トップリングに搭載したうず電流センサー、もしくは加速度センサーやテーブル表面を計測する温度センサー等を装置に組み込んでいる。
【００２７】
ｅ）研磨終了後、研磨ユニット１ａのトップリング１３に保持された基板２０をプッシャー１２に戻し、ロボット４ｂにより基板２０をプッシャー１２から受け取り、洗浄機７ａに搬送する。
ｆ）洗浄機７ａにおいて基板２０の表面および裏面をＰＶＡスポンジ２４ａ，２４ｂでスクラブ洗浄を行なう。この洗浄機７ａでは、基本的には純水のみのスクラブ洗浄を行なう。基板２０の表面と裏面をほぼ同時に洗浄を行い、１次研磨の際に付着したスラリーを洗い落とす。このとき、スラリーによっては、イオン水供給ノズル２５ａ，２５ｂからアノードイオン水やカソードイオン水を基板２０に供給してもよい。また、図示しないノズルから界面活性剤、アンモニア、クエン酸等の薬液を供給してもよい。
ｇ）洗浄終了後、ロボット４ｂは洗浄機７ａから基板２０を受け取り、研磨ユニット１ｂのプッシャー１２に基板２０を移送する。
ｈ）研磨ユニット１ｂのトップリング１３により基板２０を吸着し、基板２０の２次研磨を行なう。
Ｃｕの２次研磨では、バリア層を研磨する場合が多い。この研磨も化学的研磨の要素の安定を得るため、セラミックテーブルを用いる。
また、研磨の終点の検出も上記ｄ）の手段を用いる。
本発明の処理フローでは、次工程の洗浄装置でアノードイオン水により酸化させる方法をとっているが、酸化剤の種類によっては、この２次研磨工程でスラリー（研磨砥液）の次に酸化剤、例えばアノードイオン水を投入してＣｕ表面を強制酸化させてもよい。この場合には、研磨部である研磨ユニット１ｂに、図４に示すイオン水供給ノズルを設置する。
【００２８】
ｉ）研磨終了後、研磨ユニット１ｂのトップリング１３により基板２０をプッシャー１２まで移動させた後、ロボット４ｂにより基板２０をプッシャー１２から受け取る。なお基板２０がプッシャー１２上で待機しているとき、プッシャー１２上で基板２０にアノードイオン水をかけてもよい。
ｊ）ロボット４ｂにより基板２０を洗浄機７ｂに搬送し、洗浄機７ｂにより基板２０の表面および裏面をスクラブ洗浄する。
この場合、まず最初に、ＰＶＡスポンジ２４ａ，２４ｂによりスラリー（研磨砥液）の除去を基板２０の表面および裏面ともに行なう。この時、純水を供給してもよいが、洗浄時間を短縮させるためアノードイオン水をスポンジの外側もしくは内側から供給してもよい。
【００２９】
ｋ）純水を供給した場合又は供給しない場合のいずれの場合にも、次に、イオン水ノズル２５ａ，２５ｂからアノードイオン水を基板２０の表面および裏面に供給し、Ｃｕ表面の酸化処理を行なう。このとき、アノードイオン水に超音波発振子２６によって超音波を加えたメガソニックアノードイオン水を用いると、よい膜質のＣｕ酸化膜が得られる。
また、研磨後なるべく早く酸化処理を行なうのがよいため、本ポリッシング装置では、研磨後５分以内に基板にイオン水をかけられるようにしている。この装置ではアノードイオン水を基板２０の表面および裏面ともにかけられるようになっている。
【００３０】
ｌ）その後、ＤＨＦ（希フッ酸）を基板２０にかけ、酸化膜の除去を行なう。これにより、Ｓｉ面においてもＣｕ付着が１×１０１１atoms/cm２以下になる。
本ポリッシング装置においては、基板２０にイオン水をかけた後、すぐにＤＨＦをかけることが可能なように洗浄機７ｂにはイオン水供給ノズル２５ａ，２５ｂ、ＤＨＦ供給ノズル２６ａ，２６ｂが並置される。
【００３１】
ｍ）酸化膜の除去の後、ロボット４ｂは洗浄機７ｂから基板２０を受け取り反転機６に搬送すると、反転機６は基板２０を反転させる。
ｎ）ロボット４ａにより基板２０を反転機６から受け取り、洗浄機８ａまたは８ｂに基板２０を搬送する。
ｏ）その後、基板２０をスピンドライにより乾燥させた後、ロボット４ａにより基板２０を洗浄機８ａまたは８ｂから受け取り、カセット２ａまたは２ｂに戻す。
【００３２】
上記のシステムはＣｕの研磨を１次，２次に分けて行なうものである。しかし、今後加工能率を考え、一つのテーブルで研磨を行なうスラリー（研磨砥液）が開発された場合は、上記のａ）〜ｏ）のうちｄ）〜ｇ）の工程が省かれる。
本ポリッシング装置は、その場合を想定し、研磨ユニット１ａ，１ｂのシリーズ運転ばかりでなく、バラレル運転できるようになっている。その場合は、特にソフトの入れ替えを行なうのでなく、操作画面のスイッチで切り替えられる。パラレル運転の処理フローは以下のとおりである。
【００３３】
基板２０が、カセット２ａ又は２ｂ→反転機５→研磨ユニット１ａ→洗浄機７ａ→反転機６→洗浄機８ａ→カセット２ａ又は２ｂと移動する流れと、基板２０がカセット２ａ又は２ｂ→反転機５→研磨ユニット１ｂ→洗浄機７ｂ→反転機６→洗浄機８ｂ→カセット２ａ又は２ｂと移動する流れの２系列あることになる。反転機５，６は、シリーズ処理の場合と同様に、研磨前のドライな基板を扱うものと、研磨後のウエットな基板を扱うものと使い分けるが、洗浄機は搬送ラインの両側のいずれを用いてもよい。パラレル処理においては、研磨ユニット１ａ，１ｂにおける研磨条件は同一であり、洗浄機７ａ，７ｂにおける洗浄条件は同一であり、洗浄機８ａ，８ｂにおける洗浄条件は同一である。洗浄機８ａ，８ｂにおいて、基板２０は洗浄およびスピン乾燥された後、カセット２ａ又は２ｂへ戻される。
【００３４】
本ポリッシング装置は、装置全体が排気ダクトを有したハウジング内に収容されており、処理前のドライな基板を装置内に搬入し、研磨及び洗浄・乾燥後のドライな基板を装置外に搬出できる。すなわち、Ｃｕ層を有した半導体ウエハ等の基板のドライイン・ドライアウトが達成できる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板上に形成されたＣｕ膜を研磨したときに安定した膜質を得ることができる。そして、研磨後の基板もＣｕ汚染されることなくカセットに戻すことができる。
またイオン水は、他の薬液を使用するよりも廃液が非常に清浄であり、特に特別の処理を行なう必要がないので、廃液処理の設備の負荷を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ポリッシング装置を模式的に示す平面図である。
【図２】  ポリッシング装置の外観を示す斜視図である。
【図３】図１及び図２に示す研磨ユニットの詳細を示す断面図である。
【図４】  ポリッシング装置における洗浄機の構造を示す概略側面図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ    研磨ユニット
２ａ，２ｂ    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    液体入口
９ｂ    液体出口
１０    トップリングヘッド
１１    ドレッシングヘッド
１２    プッシャー
１３    トップリング
１４    研磨布
１５    砥液供給ノズル
１６    ガイドリング
１７    枠体
１７ａ    とい
１８    ドレッシング部材
１９    ドレッシングツール
２０    基板
２１    ドレッシング液供給ノズル
２３    基板回転用ころ
２４ａ，２４ｂ    ＰＶＡスポンジ
２５ａ，２５ｂ    イオン水供給ノズル
２６    超音波発振子
２６ａ，２６ｂ    ＤＨＦ供給ノズル
【図１】
0004127926.tif 000002
【図２】
0004127926.tif 000003
【図３】
0004127926.tif 000004
【図４】
0004127926.tif 000005