(57)【要約】【課題】被研磨面の表面にスクラッチを生じさせることなく、被研磨物の表面に形成された研磨対象膜の表面に生じる段差（凹凸）を効果的に解消し、余剰な研磨対象膜を平坦に研磨して除去することができ、しかも生産性を高めることができるようにする。【解決手段】被研磨物の半径よりも直径の小さい研磨部の研磨パッドを被研磨物の被研磨面に第１押圧力で押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を第１相対速度で相対運動させて研磨対象膜の第１段研磨を行い、研磨対象膜表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点で前記第１段研磨を終了し、被研磨物の直径よりも直径の大きい研磨部の研磨パッドを被研磨物の被研磨面に第１押圧力より大きな第２押圧力で押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を第１相対速度よりも遅い第２相対速度で相対運動させて研磨対象膜の第２段研磨を行う。【選択図】図３
2009194134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨パッドを被研磨物の被研磨面に押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を相対運動させて、被研磨面に形成された研磨対象膜を研磨する研磨方法であって、
前記被研磨物の半径よりも直径の小さい研磨部の研磨パッドを被研磨物の被研磨面に第１押圧力で押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を第１相対速度で相対運動させて研磨対象膜の第１段研磨を行い、
前記研磨対象膜表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点で前記第１段研磨を終了し、
前記被研磨物の直径よりも直径の大きい研磨部の研磨パッドを被研磨物の被研磨面に前記第１押圧力とは異なる第２押圧力で押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を前記第１相対速度とは異なる第２相対速度で相対運動させて研磨対象膜の第２段研磨を行うことを特徴とする研磨方法。
【請求項２】
研磨パッドを被研磨物の被研磨面に押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を相対運動させて、被研磨面に形成された研磨対象膜を研磨する研磨方法であって、
前記被研磨物の半径よりも直径の小さい研磨部の研磨パッドを被研磨物の被研磨面に第１押圧力で押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を第１相対速度で相対運動させて研磨対象膜の第１段研磨を行い、
研磨対象膜が被研磨物に残存し、かつ、研磨対象膜表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点で前記第１段研磨を終了し、
前記被研磨物の直径よりも直径の大きい研磨部の研磨パッドを被研磨物の被研磨面に前記第１押圧力とは異なる第２押圧力で押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を前記第１相対速度とは異なる第２相対速度で相対運動させて研磨対象膜の第２段研磨を行うことを特徴とする研磨方法。
【請求項３】
前記第２押圧力は前記第１押圧力よりも大きく、前記第２相対速度は前記第１相対速度よりも遅いことを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法。
【請求項４】
前記第１段研磨を行う前記研磨部に設けられた渦電流センサの計測値に基づいて、研磨対象膜表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点を検知することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の研磨方法。
【請求項５】
前記第１段研磨を行う前記研磨部のトルクの変化に基づいて、研磨対象膜表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点を検知することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の研磨方法。
【請求項６】
被研磨物の半径よりも直径の小さい研磨部を有し、該研磨部の研磨パッドを被研磨物の被研磨面に第１押圧力で押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を第１相対速度で相対運動させて、被研磨面に形成された研磨対象膜の第１段研磨を行う第１研磨ユニットと、
前記第１研磨ユニットによる研磨によって前記研磨対象膜表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点を検知する検知手段と、
前記被研磨物の直径よりも直径の大きい研磨部を有し、該研磨部の研磨パッドを被研磨物の被研磨面に前記第１押圧力とは異なる第２押圧力で押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を前記第１相対速度とは異なる第２相対速度で相対運動させて、被研磨面に形成された研磨対象膜の第２段研磨を行う第２研磨ユニットを有することを特徴とする研磨装置。
【請求項７】
前記第２押圧力は前記第１押圧力よりも大きく、前記第２相対速度は前記第１相対速度よりも遅いことを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【請求項８】
前記検知手段は、渦電流センサからなることを特徴とする請求項６または７記載の研磨装置。
【請求項９】
前記検知手段は、前記第１研磨ユニットの研磨部のトルク変化を測定するトルクセンサからなることを特徴とする請求項６または７記載の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハ等の研磨対象物の表面（被研磨面）を平坦かつ鏡面に研磨する研磨方法に関し、特に半導体デバイスのダマシン配線形成プロセスにおいて、トレンチ内に埋込まれた金属配線材料以外の余剰な金属配線材料を研磨除去して、表面を平坦化するのに使用される研磨方法及び研磨装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの配線形成プロセスとして、トレンチ及びコンタクトホールに金属配線材料（導電体）を埋込むようにしたプロセス（いわゆる、ダマシンプロセス）が使用されつつある。これは、層間絶縁膜に予め形成したトレンチやコンタクトホールに、アルミニウム、近年では銅や銀等の金属配線材料をめっきによって埋込んだ後、余分な金属配線材料を化学機械的研磨（ＣＭＰ）によって除去し平坦化するプロセス技術である。
【０００３】
図１は、ダマシンプロセスによる銅配線形成例を示す。先ず、半導体基板等の基板Ｗの表面に堆積したＳｉＯ2やＬｏｗ−Ｋ材等からなる絶縁膜（層間絶縁膜）２００の内部に、幅が狭い微細トレンチ２０２ａと幅が広い幅広トレンチ２０２ｂを形成し、表面にＴａＮ等からなるバリアメタル２０４を形成する。そして、バリアメタル２０４の表面に、必要に応じて、電解めっきの導電層ととなるシード層（図示せず）を形成した後、銅めっきを施して基板Ｗの表面に銅膜２０６を成膜し、これによって、該銅膜２０６をトレンチ２０２ａ，２０２ｂ内に埋込む。しかる後、絶縁膜２００上の余剰な銅膜２０６及びバリアメタル２０４をＣＭＰ（化学機械的研磨）で除去して平坦化することで、図８（ｄ）に示すように、絶縁膜２００の内部に銅からなる微細配線２０８ａと幅広配線２０８ｂを形成する。
【０００４】
ここに、図１に示すように、微細トレンチ２０２ａと幅広トレンチ２０２ｂとか混在する基板Ｗの表面に銅めっきを施して銅膜２０６を成膜すると、微細トレンチ２０２ａの上ではめっきが促進されて銅膜２０６が盛り上がる傾向があり、一方、幅広トレンチ２０２ｂの内部ではレベリング性を高めた銅膜の成長を行うことができないため、結果として、基板Ｗ上に形成した銅膜２０６には、微細配線２０２ａ上の盛り上がり（マウンディング）の高さと幅広トレンチ２０２ｂの凹部（ディッシング）の深さとをプラスした段差（凹凸）Ｈ１が残る。
【０００５】
このめっき終了後に銅膜２０６の表面に生じた段差（凹凸）Ｈ１は、銅膜２０６のＣＭＰによる研磨が進むに連れて、徐々に減少するものの、図２に示すように、銅膜２０６の表面の特に幅広トレンチ２０２ｂに対応する凹部（ディッシング）に段差Ｈ２が残り、この段差Ｈ２を解消することは一般に困難である。このため、絶縁膜２００上の余剰な銅膜２０６及びバリアメタル２０４をＣＭＰで除去して微細配線２０８ａ及び幅広配線２０８ｂを形成した時、幅広配線２０８ｂの表面にディッシング（削り過ぎ）が生じてしまう。
【０００６】
その原因として、ＣＭＰで使用される研磨パッドの弾性とＣＭＰ時の研磨圧力（押圧力）が挙げられる。つまり、ＣＭＰでは、一定の研磨速度を維持するため、ダイヤモンドが電着されたドレッサで表面が荒らされた研磨パッドが一般に使用される。このように、表面が荒らされた研磨パッドを使用してＣＭＰを行うことで、研磨パッド表面に研磨材を含んだ研磨液（スラリ）を入り込ませることができ、この状態で、研磨パッドを基板等の被研磨物の表面に形成された銅膜２０６等の金属配線材料に押圧することで、余分に堆積された銅膜２０６等の金属配線材料を研磨することができる。しかしながら、表面が荒らされた研磨パッドは、例えば表面に段差（凹凸）を有する銅膜２０６等の金属配線材料の該凹部内に容易に入り込み、金属配線材料の凸部表面だけでなく凹部底面をも研磨してしまい、このため、配線金属表面の段差自体は低減されても解消には至らない。
【０００７】
金属配線材料等の研磨対象膜の表面に生じた段差（凹凸）を、ＣＭＰによって、少しでも改善するためには、研磨対象膜の凸部表面のみを研磨して凹部底面は研磨しなければ良い。そのためには、研磨パッドとして極力硬いものを使用して、研磨対象膜の凸部表面のみに研磨パッドが接触し、凹部底面に研磨パッドが当たらないようにすればよい。この考え方の具体的方法としては、ＣＭＰに通常使用される２層研磨パッド（上層：硬質研磨パッド、下層：ウレタンフォームなどの弾性体）に代わり、硬質単層研磨パッドを使用することが知られている。
【０００８】
また、研磨パッドを使用することなく、酸化セリウム（ＣｅＯ２）等の砥粒を、例えばフェノール樹脂等のバインダを用いて固定した、いわゆる固定砥粒を使用した研磨を行うことで、金属配線材料等の研磨対象膜の表面に生じた段差を低減できることが知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−３１５６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、硬質単層研磨パッドを使用してＣＭＰを行うと、被研磨物の被研磨面に対するパッド追従性が悪くなり、研磨がスムーズに行われなくなるばかりでなく、ダイヤモンドドレッサで表面を荒らした研磨パッドを使用することに変わりなく、荒らされた研磨パッド表面が研磨対象膜の凹部底面に接触して該凹部底面を研磨してしまう。また、固定砥粒による研磨では、ダイヤモンドドレッサで表面を荒らした研磨パッドを使用して研磨するわけではないので、研磨対象膜の凸部表面だけに砥粒が当り段差低減には効果的である。しかしながら、固定砥粒を使用した研磨を行うと、研磨後の被研磨面にスクラッチが発生し易くなる。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、被研磨面の表面にスクラッチを生じさせることなく、被研磨物の表面に形成された研磨対象膜の表面に生じる段差（凹凸）を効果的に解消し、余剰な研磨対象膜を平坦に研磨して除去することができ、しかも生産性を高めることができるようにした研磨方法及び研磨装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の研磨方法は、研磨パッドを被研磨物の被研磨面に押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を相対運動させて、被研磨面に形成された研磨対象膜を研磨する研磨方法であって、前記被研磨物の半径よりも直径の小さい研磨部の研磨パッドを被研磨物の被研磨面に第１押圧力で押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を第１相対速度で相対運動させて研磨対象膜の第１段研磨を行い、前記研磨対象膜表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点で前記第１段研磨を終了し、前記被研磨物の直径よりも直径の大きい研磨部の研磨パッドを被研磨物の被研磨面に前記第１押圧力とは異なる第２押圧力で押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を前記第１相対速度とは異なる第２相対速度で相対運動させて研磨対象膜の第２段研磨を行う。
【００１２】
このように、被研磨物の半径よりも直径の小さい研磨部の研磨パッドを被研磨物の被研磨面に第１押圧力で押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を第１相対速度で相対運動させて研磨対象膜の第１段研磨を行うことで、たとえば研磨パッドとして２層研磨パッドを使用した研磨であって、研磨パッドの被研磨物に対する押付け圧力を小さく（低圧）し、研磨パッドが研磨対象膜の凹部に接触し難くするとともに、被研磨物の小領域に対して研磨パッドの押圧力を精度よくコントロールして、研磨対象膜表面の段差（凹凸）を効果的に解消することができる。この第１段研磨は、研磨パッドと被研磨物の相対運動を速めても、研磨速度が低く生産性が悪い。そこで、研磨対象膜表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点を検知して第１段研磨を終了し、被研磨物の直径よりも直径の大きい研磨部の研磨パッドを被研磨物の被研磨面に前記第１押圧力とは異なる、好ましくは第１押圧力より大きい第２押圧力で押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を前記第１相対速度とは異なる、好ましくは第１相対速度よりも遅い第２相対速度で相対運動させて研磨対象膜の第２段研磨を行うことで、被研磨対象膜の平坦面を保った状態で、研磨パッドと被研磨面との間に研磨液（スラリ）を効果的に供給しながら、より高い研磨速度で研磨対象膜を研磨して、生産性を向上させることができる。
【００１３】
本発明の他の研磨方法は、研磨パッドを被研磨物の被研磨面に押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を相対運動させて、被研磨面に形成された研磨対象膜を研磨する研磨方法であって、前記被研磨物の半径よりも直径の小さい研磨部の研磨パッドを被研磨物の被研磨面に第１押圧力で押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を第１相対速度で相対運動させて研磨対象膜の第１段研磨を行い、研磨対象膜が被研磨物に残存し、かつ、研磨対象膜表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点で前記第１段研磨を終了し、前記被研磨物の直径よりも直径の大きい研磨部の研磨パッドを被研磨物の被研磨面に前記第１押圧力とは異なる第２押圧力で押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を前記第１相対速度とは異なる第２相対速度で相対運動させて研磨対象膜の第２段研磨を行う。
【００１４】
研磨対象膜表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点は、前記第１段研磨を行う前記研磨部に設けられた渦電流センサの計測値に基づいて検知することができる。
【００１５】
研磨対象膜の膜厚を渦電流センサで測定する場合、研磨対象膜と研磨パッドが全面的に接触するまでは膜厚値に大きな変動があり、研磨対象膜と研磨パッドが全面接触すると、研磨量に応じて研磨対象膜の膜厚に変化が生じるようになる。この測定結果の推移を捉えることによって、段差解消時を検知することができる。
【００１６】
研磨対象膜表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点を、例えば前記第１段研磨を行う研磨部を回転させるトルクの変化に基づいて検知するようにしてもよい。
【００１７】
表面に段差（凹凸）を有する研磨対象膜を研磨する場合、研磨開始から研磨パッドが研磨対象膜に全面的に接触するまではトルクが徐々に増加し、全面的に接触した後はトルク変化がなくなる。このトルク変化を検知することで、研磨対象膜表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点を検知することができる。
【００１８】
本発明の研磨装置は、被研磨物の半径よりも直径の小さい研磨部を有し、該研磨部の研磨パッドを被研磨物の被研磨面に第１押圧力で押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を第１相対速度で相対運動させて、被研磨面に形成された研磨対象膜の第１段研磨を行う第１研磨ユニットと、前記第１研磨ユニットによる研磨によって前記研磨対象膜表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点を検知する検知手段と、前記被研磨物の直径よりも直径の大きい研磨部を有し、該研磨部の研磨パッドを被研磨物の被研磨面に前記第１押圧力とは異なる第２押圧力で押圧しつつ、研磨パッドと被研磨物を前記第１相対速度とは異なる第２相対速度で相対運動させて、被研磨面に形成された研磨対象膜の第２段研磨を行う第２研磨ユニットを有する。
前記検知手段は、例えば渦電流センサやトルクセンサで構成される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、第１段研磨によって、研磨対象膜表面の段差（凹凸）を効果的に解消し、第２段研磨によって、被研磨対象膜の平坦面を保った状態で、より高い研磨速度で研磨対象膜を研磨して、生産性を向上させることができる。つまり、２種類の研磨の長所を生かし、かつそれぞれの短所を互いに補完し合うことによって、例えば表面にスクラッチやディッシングのない、表面が平坦な配線を生産性よく形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。以下の例では、図１に示す、表面に研磨対象膜としての銅膜（金属配線材料）２０６を有する基板（被研磨物）Ｗを用意し、基板Ｗの表面の銅膜２０６及びバリアメタル２０４を研磨除去して、図８（ｄ）に示すように、銅からなる配線２０８ａ，２０８ｂを形成するようにした研磨装置及び研磨方法に適用した例を示す。
【００２１】
図３は、本発明の実施の形態に係る研磨装置の全体構成を示す平面図である。図３に示すように、この実施形態における研磨装置は、略矩形状のハウジング１０を備えており、ハウジング１０の内部は隔壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃによって、ロード／アンロード部１２と、２つの２段研磨ユニット部１４，１６と、洗浄部１８とに区画されている。これらのロード／アンロード部１２、２段研磨ユニット部１４，１６、及び洗浄部１８は、それぞれ独立に組み立てられ、独立に排気される。
【００２２】
ロード／アンロード部１２は、多数の基板をストックする基板カセットを載置する２つ以上（本実施形態では３つ）のフロントロード部２０を備えている。これらのフロントロード部２０は、研磨装置の幅方向（長手方向と垂直な方向）に隣接して配列されている。フロントロード部２０には、オープンカセット、ＳＭＩＦ（Standard  Manufacturing  Interface）ポッド、またはＦＯＵＰ（Front  Opening  Unified  Pod）を搭載することができる。ここで、ＳＭＩＦ、ＦＯＵＰは、内部に基板カセットを収納し、隔壁で覆うことにより、外部空間とは独立した環境を保つことができる密閉容器である。
【００２３】
また、ロード／アンロード部１２には、フロントロード部２０の並びに沿って走行機構２１が敷設されており、この走行機構２１上に基板カセットの配列方向に沿って移動可能な第１搬送機構としての第１搬送ロボット２２が設置されている。第１搬送ロボット２２は、走行機構２１上を移動することによって、フロントロード部２０に搭載された基板カセットにアクセスできるようになっている。この第１搬送ロボット２２は、上下に２つのハンドを備えており、例えば、上側のハンドを基板カセットに基板を戻すときに使用し、下側のハンドを研磨前の基板を搬送するときに使用して、上下のハンドを使い分けることができるようになっている。
【００２４】
ロード／アンロード部１２は、最もクリーンな状態を保つ必要がある領域であるため、ロード／アンロード部１２の内部は、装置外部、２つの２段研磨ユニット部１４，１６、及び洗浄部１８のいずれよりも高い圧力に常時維持されている。また、第１搬送ロボット２２の走行機構２１の上部には、ＨＥＰＡフィルタやＵＬＰＡフィルタなどのクリーンエアフィルタを有するフィルタファンユニット（図示せず）が設けられており、このフィルタファンユニットにより、パーティクルや有毒蒸気、ガスが除去されたクリーンエアが常時下方に向かって噴き出される。
【００２５】
この例では、２つの２段研磨ユニット部１４，１６を備えることで、基板のパラレル処理を行うようになっている。２段研磨ユニット部１４は、基板の第１段研磨及び第２段研磨が行われる領域であり、第１段研磨を行う第１研磨ユニット２４ａと第２段研磨を行う第２研磨ユニット２６ａが内部に収納されている。２段研磨ユニット部１６も同様に、第１段研磨を行う第１研磨ユニット２４ｂと第２段研磨を行う第２研磨ユニット２６ｂが内部に収納されている。
【００２６】
２段研磨ユニット部１４の第１研磨ユニット２４ａは、表面を上向きにして基板を保持する回転自在な基板テーブル３０ａと、揺動及び上下動自在で、基板の半径より直径の小さい研磨部３２ａを基板テーブル３０ａで保持した基板に押付けながら該基板を研磨する研磨ヘッド３４ａと、基板テーブル３０ａで保持した基板にリンス用のリンス液を供給するリンスノズル３６ａを備えている。研磨部３２ａの表面（下面）には、下記のように、研磨パッド１２４が貼り付けられていおり、第１研磨ユニット２４ａは、研磨パッド１２４のドレッシングを行うためのドレッサ３８ａと、研磨パッド１２４の形状を測定する研磨パッド形状測定器４０ａと、研磨パッド交換ステージ４２ａを備えている。
【００２７】
第２研磨ユニット部１６の第２研磨ユニット２４ｂも同様に、基板テーブル３０ｂと、研磨部３２ｂを基板テーブル３０ａで保持した基板に押付けながら該基板を研磨する研磨ヘッド３４ｂと、リンスノズル３６ｂと、ドレッサ３８ｂと、研磨パッド形状測定器４０ｂと、研磨パッド交換ステージ４２ｂを備えている。
【００２８】
２段研磨ユニット部１４の第２研磨ユニット２６ａは、基板の直径より直径を有し表面に研磨パッド５０ａを貼り付けた研磨部５２ａと、基板を保持しかつ基板を研磨パッド５０ａに対して押圧しながら研磨するためのトップリング５４ａと、研磨パッド５０ａに研磨液やドレッシング液（例えば、水）を供給する研磨液供給ノズル５６ａと、研磨パッド５０ａのドレッシングを行うためのドレッサ５８ａと、液体（例えば純水）と気体（例えば窒素）の混合流体を霧状にして、１又は複数のノズルから研磨面に噴射するアトマイザ６０ａとを備えている。
【００２９】
２段研磨ユニット部１６の第２研磨ユニット２６ｂも同様に、表面に研磨パッド５０ｂを貼り付けた研磨部５２ｂと、トップリング５４ｂと、研磨液供給ノズル５６ｂと、ドレッサ５８ｂと、アトマイザ６０ｂとを備えている。
【００３０】
第１研磨ユニット部１４と洗浄部１８との間には、長手方向に沿った４つの搬送位置（ロード／アンロード部１２側から順番に第１搬送位置ＴＰ１、第２搬送位置ＴＰ２、第３搬送位置ＴＰ３、第４搬送位置ＴＰ４とする）の間で基板を搬送する第２（直動）搬送機構としての第１リニアトランスポータ６２が配置されている。この第１リニアトランスポータ６２の第１搬送位置ＴＰ１の下方には、ロード／アンロード部１２の第１搬送ロボット２２から受け取った基板を昇降させるリフタ６４が配置されている。また、第２搬送位置ＴＰ２の下方には上下に昇降可能なプッシャ６６が、第３搬送位置ＴＰ３の下方には上下に昇降可能なプッシャ６８が、第４搬送位置ＴＰ４の下方には上下に昇降可能なリフタ７０がそれぞれ配置されている。更に、プッシャ６６と基板テーブル３０ａとの間には、基板を反転させて移載する反転移載機７２が配置されている。
【００３１】
また、２段研磨ユニット部１６には、第１リニアトランスポータ６２に隣接して、長手方向に沿った３つの搬送位置（ロード／アンロード部１２側から順番に第５搬送位置ＴＰ５、第６搬送位置ＴＰ６、第７搬送位置ＴＰ７とする）の間で基板を搬送する第２（直動）搬送機構としての第２リニアトランスポータ７４が配置されている。この第２リニアトランスポータ７４の第５搬送位置ＴＰ５の下方には上下に昇降可能なリフタ７６が、第６搬送位置ＴＰ６の下方にはプッシャ７８が、第７搬送位置ＴＰ７の下方にはプッシャ８０がそれぞれ配置されている。更に、プッシャ７８と基板テーブル３０ｂとの間には、基板を反転させて移載する反転移載機８２が配置されている。
【００３２】
洗浄部１８は、研磨後の基板を洗浄する領域であり、第２搬送ロボット８４と、第２搬送ロボット８４から受け取った基板を反転させる反転機８６と、研磨後の基板を洗浄する４つの洗浄機８８，９０，９２，９４と、反転機８６及び洗浄機８８，９０，９２，９４の間で基板を搬送する第３搬送機構としての搬送ユニット９６とを備えている。これらの第２搬送ロボット８４、反転機８６、及び洗浄機８８，９０，９２，９４は、長手方向に沿って直列に配置されている。また、これらの洗浄機８８，９０，９２，９４の上部には、クリーンエアフィルタを有するフィルタファンユニット（図示せず）が設けられており、このフィルタファンユニットによりパーティクルが除去されたクリーンエアが常時下方に向かって吹き出している。また、洗浄部１８の内部は、２段研磨ユニット部１４，１６からのパーティクルの流入を防止するために２段研磨ユニット部１４，１６よりも高い圧力に常時維持されている。
【００３３】
１次洗浄機８８及び２次洗浄機９０としては、例えば、上下に配置されたロール状のスポンジを回転させて基板の表面及び裏面に押し付けて基板の表面及び裏面を洗浄するロールタイプの洗浄機を用いることができる。また、３次洗浄機９２としては、例えば、半球状のスポンジを回転させながら基板に押し付けて洗浄するペンシルタイプの洗浄機を用いることができる。４次洗浄機９４としては、例えば、基板の裏面はリンス洗浄することができ、基板表面の洗浄は半球状のスポンジを回転させながら押し付けて洗浄するペンシルタイプの洗浄機を用いることができる。この４次洗浄機９４は、チャックした基板を高速回転させるステージを備えており、基板を高速回転させることで洗浄後の基板を乾燥させる機能（スピンドライ機能）を有している。なお、各洗浄機８８，９０，９２，９４において、上述したロールタイプの洗浄機やペンシルタイプの洗浄機に加えて、洗浄液に超音波を当てて洗浄するメガソニックタイプの洗浄機を付加的に設けてもよい。
【００３４】
搬送ユニット９６は、反転機８６から１次洗浄機８８に、１次洗浄機８８から２次洗浄機９０に、２次洗浄機９０から３次洗浄機９２に、３次洗浄機９２から４次洗浄機９４にそれぞれ基板を同時に搬送することができるように構成されている。
【００３５】
第１搬送ロボット２２とリフタ６４の間にはシャッタ１００が設置されており、基板の搬送時には、シャッタ１００を開いて第１搬送ロボット２２とリフタ６２との間で基板の受け渡しが行われる。また、反転機８６と第２搬送ロボット８４との間、反転機８６と１次洗浄機８８との間、２段研磨ユニット部１４と第２搬送ロボット８４との間、及び２段研磨ユニット部１６と第２搬送ロボット８４との間にもそれぞれシャッタ１０２，１０４，１０６，１０８が設置されており、基板の搬送時にはこれらのシャッタ１０２，１０４，１０６，１０８を開いて反転機８６と第２搬送ロボット８４または１次洗浄機８８との間で基板の受け渡しが行われる。基板の受け渡しがないときには、これらのシャッタ１０２，１０４，１０６，１０８は閉まっている。
【００３６】
次に、２段研磨ユニット部１４の第１研磨ユニット２４ａにおける基板テーブル３０ａと研磨部３２ａとを図４及び図５を参照して説明する。なお、２段研磨ユニット部１６の第１研磨ユニット２４ｂも同一構成である。
【００３７】
第１研磨ユニット２４ａの基板テーブル３０ａは、表面を上向きにして基板Ｗを吸着等によって保持するように構成されており、研磨部３２ａは、回転自在な研磨部駆動軸１２０の下端に連結した回転支持体１２２の表面（下面）に研磨パッド１２４を貼り付けて構成されている。回転支持体１２２の内部には、基板Ｗの表面に形成した銅膜２０６の表面の段差が解消されて該表面が平坦に時点を検知する検知手段としての渦電流センサ１２６が取付けられており、更に、研磨部駆動軸１２０及び回転支持体１２２の中心部には、基板テーブル３０ａで保持した基板Ｗと研磨パッド１２４との間に研磨液を供給する研磨液供給部１２８が設けられている。なお、研磨パッド１２４をドレッサ３８ａでドレッシングするときには、研磨パッド１２４とドレッサ３８ａとの間に、研磨液供給部１２８からドレッシング液（例えば、水）が供給される。
【００３８】
この第１研磨ユニット２４ａにあっては、先ず表面（被研磨面）を上向きにして基板Ｗを基板テーブル３０ａ上に保持する。そして、基板テーブル３０ａを回転させて基板Ｗを回転させ、研磨部３２ａを回転させながら下降させて、研磨部３２ａの研磨パッド１２４を基板Ｗに所定の押圧力で押圧し、同時に研磨液供給部１２８から基板Ｗと研磨パッド１２４との間に研磨液を供給する。これによって、基板Ｗの被研磨面に形成した研磨対象膜として銅膜２０６を研磨する。この時、研磨部３２ａを基板Ｗの半径方向に沿って揺動させることで、基板Ｗの全面に亘る研磨を行う。
【００３９】
次に、２段研磨ユニット部１４の第２研磨ユニット２６ａにおける研磨部５２ａとトップリング５４ａを図６及び図７を参照して説明する。なお、２段研磨ユニット部１６の第２研磨ユニット２６ｂも同一構成である。
【００４０】
研磨部５２ａは、回転自在なターンテーブル１３０の上面に研磨パッド研磨パッド５０ａを貼り付けて構成されている。そして、ターンテーブル１３０の内部には、基板Ｗの表面に形成した余剰な銅膜２０６及びバリアメタル２０４が研磨除去されたことを検知する検知手段としての渦電流センサ１３２が取付けられている。トップリング５４ａは、回転及び上下動自在なトップリング駆動軸１３４の下端に連結されている。
【００４１】
この第２研磨ユニット２６ａにあっては、表面（被研磨面）を下向きにして基板Ｗをトップリング５４ａで保持する。そして、ターンテーブル１３０を回転させ、トップリング５４ａを回転させながら下降させて、基板Ｗを研磨部５２ａの研磨パッド５０ａに押圧し、同時に、研磨液供給ノズル５６ａから研磨パッド５０ａに研磨液を供給する。これによって、基板Ｗの被研磨面に形成した研磨対象膜として銅膜２０６及びバリアメタル２０４を研磨する。
【００４２】
次に、このような構成の研磨装置を用いて基板を研磨する処理について説明する。
この研磨装置は、基板をパラレル処理するようになっており、一方の基板は、フロントロード部２０の基板カセットから第１搬送ロボット２２で取り出され、第１リニアトランスポータ６２を介して、２段研磨ユニット部１４の第１研磨ユニット２４ａの基板テーブル３０ａに搬送されて保持される。そして、この第１研磨ユニット２４ａで基板の第１段研磨が行われる。この第１段研磨を終了した基板は、反転移載機７２で反転させて移載された後、第１リニアトランスポータ６２を介して、２段研磨ユニット部１４の第２研磨ユニット２６ａのトップリング５４ａに搬送されて保持される。そして、この第２研磨ユニット２６ａで基板の第２段研磨が行われる。この第２段研磨後の基板は、第１トランスポータ６２及び第２搬送ロボット８４を介して、反転機８６に搬送されて反転される。反転後の基板は、搬送ユニット９６で保持されながら、１次洗浄機８８、２次洗浄機９０、３次洗浄機９２、及び４次洗浄機９４と順次搬送されて洗浄される。そして、洗浄後の基板は、第１搬送ロボット２２を介してフロントロード部２０の基板カセットに戻される。
【００４３】
また、他方の基板は、フロントロード部２０の基板カセットから第１搬送ロボット２２で取り出され、第１リニアトランスポータ６２及び第２搬送ロボット８４を介して、第２リニアトランスポータ７４に搬送され、更に、第２リニアトランスポータ７４を介して、２段研磨ユニット部１６の第１研磨ユニット２４ｂの基板テーブル３０ｂに搬送されて保持される。そして、この第１研磨ユニット２４ｂで基板の第１段研磨が行われる。この第１段研磨を終了した基板は、反転移載機８２で反転させて移載された後、第２リニアトランスポータ７４を介して、２段研磨ユニット部１６の第２研磨ユニット２６ｂのトップリング５４ｂに搬送されて保持される。そして、この第２研磨ユニット２６ｂで基板の第２段研磨が行われる。この第２段研磨後の基板は、第２トランスポータ７４及び第２搬送ロボット８４を介して、反転機８６に搬送されて反転される。反転後の基板は、搬送ユニット９６で保持されながら、１次洗浄機８８、２次洗浄機９０、３次洗浄機９２、及び４次洗浄機９４と順次搬送されて洗浄される。そして、洗浄後の基板は、第１搬送ロボット２２を介してフロントロード部２０の基板カセットに戻される。
【００４４】
次に、２段研磨ユニット部１４の第１研磨ユニット２４ａと第２研磨ユニット２６ａによる研磨について、図８を更に参照して説明する。なお、図８（ａ）は図１と同じ状態を示しており、図８において、図１に示す部材と同一部材には同一符号を付して、重複した説明を省略する。
【００４５】
基板Ｗは、先ず第１研磨ユニット２４ａに搬送され、この第１研磨ユニット２４ａで、いわゆる小径研磨パッド方式による第１段研磨が行われる。つまり、表面（被研磨面）を上向きにして基板Ｗを保持した基板テーブル３０ａを回転させて基板Ｗを回転させ、研磨部３２ａを回転させながら下降させて、研磨部３２ａの研磨パッド１２４を基板Ｗに所定の押圧力で押圧し、同時に研磨液供給部１２８から基板Ｗと研磨パッド１２４との間に研磨液を供給し、これによって、基板Ｗの被研磨面に形成した研磨対象膜として銅膜２０６を研磨する。この時、研磨部３２ａを基板Ｗの半径方向に揺動させることで、基板Ｗの全面に亘る研磨を行う。
【００４６】
この第１研磨ユニット２４ａによる第１段研磨では、図８（ａ）に示すように、基板Ｗの表面に成膜された配線材料としての銅膜２０６を研磨して、図８（ｂ）に示すように、銅膜２０６の表面を平坦化する。つまり、研磨に進行に伴って、銅膜２０６の表面の段差（凹凸）が解消されて該表面が平坦になった時点を渦電流センサ１２６で検知し、この時点で第１段研磨を終了する。
【００４７】
この小径研磨パッド方式による第１段研磨にあっては、研磨圧力、つまり研磨パッド１２４の基板Ｗに対する押圧力を小さく（低圧）するとともに、基板Ｗと研磨パッド１２４の相対速度を大きくする。これにより、研磨パッド１２４として２層研磨パッドを使用したとしても、研磨パッド１２４が銅膜２０６の凹部に接触しに難くして、銅膜２０６の表面の段差を効果的に除去することができる。しかも、研磨圧力を小さくすると、研磨速度が低減して、生産性が悪くなるが、基板Ｗと研磨パッド１２４の相対速度を大きくすることで、低圧研磨で低下した研磨速度を補うことができる。
【００４８】
このように、基板Ｗの半径よりも小径の研磨部５２ａを使用し、研磨部５２ａに貼り付けた研磨パッド１２４を回転させながら基板Ｗに押付け、基板Ｗの半径方向に揺動させて第１段研磨を行うことで、基板Ｗと研磨パッド１２４の接触部分を小さくして、基板Ｗの小領域に対して、研磨パッド１２４の押圧力を精度よくコントロールすることができる。つまり、研磨パッド１２４の基板Ｗに対する押付圧力を低圧に制御しやすくなり、基板の半径方向の位置により圧力を変化させたり、回転速度を変化させたりすることで、基板Ｗの全面での研磨速度を精度良く制御することが可能となる。例えば、基板Ｗに形成した銅膜２０６表面の凸部のみを集中的に研磨して、銅膜２０６全体を容易に平坦化することができる。また、研磨パッド１２４の中心部より研磨パッド１２４と基板Ｗとの間に研磨液を供給することで、供給した研磨液を有効に研磨に寄与させることができる。
つまり、この小径研磨パッド方式による第１段研磨によれば、銅膜２０６の表面に生じた段差を、研磨を進めることで解消することができる。
【００４９】
第１段研磨後の基板Ｗは、反転移載機７２で反転された後、第１研磨ユニット２６ａに搬送され、この第１研磨ユニット２６ａで、コンベンショナル方式による第２段研磨が行われる。つまり、ターンテーブル１３０を回転させ、表面（被研磨面）を下向きで基板Ｗを保持したトップリング５４ａを回転させながら下降させて、基板Ｗを研磨部５２ａの研磨パッド５０ａに所定の押圧力で押圧し、同時に研磨液供給部５６ａから研磨パッド５０ａに研磨液を供給する。これによって、基板Ｗの被研磨面に形成した研磨対象膜として銅膜２０６をその全面に亘って研磨する。
【００５０】
このコンベンショナル方式による第２段研磨では、図８（ｂ）に示すように、表面が平坦となった銅膜２０６をその全面に亘って均一に研磨して、図８（ｃ）に示すように、トレンチ２０８ａ，２０８ｂに埋込まれた銅以外の余剰な銅膜２０６を除去し、更に、図８（ｄ）に示すように、絶縁膜２００上の余剰なバリアメタル２０４を除去して、銅からなる微細配線２０８ａ及び幅広配線２０８ｂを形成する。
【００５１】
このコンベンショナル方式による第２段研磨にあっては、研磨圧力、つまり研磨パッド５０ａの基板Ｗに対する押圧力を大きく（高圧）し、これによって、研磨速度を高くする。そして、基板Ｗと研磨パッド５０ａの相対速度を小さくして、研磨パッド５０ａに供給された研磨液が、研磨に寄与することなく研磨パッド５０ａの外に排出されてしまうことを防止して、研磨パッド５０ａと基板Ｗとの間に供給されるようにする。
【００５２】
小径研磨パッド方式の研磨で、表面の段差が解消した銅膜２０６を継続して研磨すると、以下の欠点がある。
（１）小径研磨パッド方式は、コンベンショナル方式と比較して、研磨速度が低い。これは、小径研磨パッド方式では、基板の一部しか研磨していないのに比べ、コンベンショナル方式では、基板全面を研磨しているためである。
（２）小径研磨パッド方式は、コンベンショナル方式と比較して、膜厚の面内均一性を維持したまま研磨を継続するのは困難である。これは、小径研磨パッド方式では、基板の一部しか研磨しないことから、一旦平坦化が達成しても、それ以降平坦面を保ちながら研磨を継続するのは困難である。つまり、コンベンショナル方式のように、全面を均等に研磨するほうが、膜厚の面内均一性を維持して研磨しやすいためである。
【００５３】
そこで、この例では、第１段研磨で小径研磨パッド方式を採用して、銅膜２０６の表面を段差（凹凸）を効果的に解消し、銅膜２０６の表面を段差が解消した後、第２段研磨でコンベンショナル方式を採用して、研磨を進めるようにしている。例えば、研磨前の銅膜２０６の表面に成された凹凸形状のうち、最も底の深い（凹部の深さが大きい）ディッシングを基準に取り、銅膜２０６の全面の膜厚がディッシング底部までの膜厚になった時点で第１段研磨を終了させ、その後、コンベンショナル方式である第２段研磨で銅膜２０６の表面の平坦面を維持しつつ銅膜２０６、更にはバリアメタル２０４を研磨除去する。
【００５４】
このように、第１段研磨に小径研磨パッド方式を採用し、第２段研磨にコンベンショナル方式を採用することにより、それぞれの研磨方式の長所が発揮され、かつ、それぞれの短所を互いに補完しあう研磨運転が可能となる。即ち、段差解消能力に優れた小径研磨パッド方式で銅膜２０６の表面の段差を解消し、引き続いて、研磨レートが小径研磨パッド方式より高く、かつ、平坦面を保ちながら研磨する能力に優れたコンベンショナル方式にて残りの銅膜２０６を研磨除去することができる。
【００５５】
また、この例では、第１研磨ユニット２４ａの回転支持体１２２に取付けた渦電流センサ１２６の計測値に基づいて、銅膜２０６表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点を検知するようにしている。
【００５６】
銅膜２０６の膜厚を渦電流センサ１２６で測定する場合、銅膜２０６と研磨パッド１２４が全面的に接触するまで、膜厚変化を検知し難いことが知られている。例えば銅膜２０６の凸部の膜厚を計測している時と、凹部の膜厚を計測している時とで膜厚値に大きな変動があり、例えば、銅膜２０６の凹部の膜厚を測定した後に凸部の膜厚を測定した場合などには、研磨運転が継続しているにも拘わらず、膜厚が増加するという測定結果が得られることがある。この状態を経て、銅膜２０６と研磨パッド１２４が全面接触すると、研磨量に応じて銅膜２０６の膜厚に変化が生じるようになる。この測定結果の推移を捉えることによって、段差解消時を検知することが可能である。具体的には、膜厚値の増減の程度を測定し、膜厚値の増加がなくなったときを、銅膜２０６表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点と捉えることができる。
【００５７】
また、第２研磨ユニット２６ａのターンテーブル１３０取付けた渦電流センサ１３２で、トレンチ２０２ａ，２０２ｂ内に埋込まれた銅以外の余剰な銅膜２０６が完全に除去されたり、絶縁膜２００上のバリアメタル２０４が完全に除去されたりすることを検知するようにしている。
【００５８】
なお、銅膜２０６の表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点を、例えば第１研磨ユニット２４ａの研磨部３２ａを回転させるトルクの変化に基づいて検知するトルクセンサによって求めてもよい。
【００５９】
表面に段差（凹凸）を有する研磨対象膜を研磨する場合、研磨開始時には、研磨対象膜の段差のため、研磨部の研磨パッドは、その一部で研磨対象膜に接触する。そして、研磨対象膜の段差が解消するにつれ、研磨パッドの研磨対象膜に接触する割合が増加し、研磨パッドが研磨対象膜に全面的に接触した後は接触割合が変化しなくなる。これを研磨部を駆動するスピンドルのトルクに置き換えると、研磨開始から研磨パッドが研磨対象膜に全面的に接触するまではトルクが徐々に増加し、全面的に接触した後はトルク変化がなくなる。このトルク変化を検知することで、研磨対象膜表面の段差が解消されて該表面が平坦になった時点を検知することができる。
【００６０】
なお、研磨方式として、スクロール研磨方式が知られている（例えば、特開平１０−０５８３１７号公報参照）。これは、一般に、大径研磨方式（コンベンショナル方式）を使用した研磨の後に行われる研磨工程で使用されるものであり、大径研磨方式よりも低速、かつ低荷重で仕上げ研磨を行うものである。このスクロール研磨方式においては、上述した小径研磨パッド方式に比べて、段差解消性が低く、また相対速度についても、高速化には限界がある。このため、迅速に段差解消を行うという点において、小径研磨パッド方式は、スクロール式に比べて好適である。
【００６１】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】ダマシンプロセスにおける金属配線材料としての銅を基板の表面に形成した時の状態を示す断面図である。
【図２】図１に示す銅膜をＣＭＰで途中まで研磨した時の状態を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態における研磨装置の全体構成を示す平面図である。
【図４】図３に示す研磨装置の２段研磨ユニット部の第１研磨ユニットにおける基板テーブルと研磨部を示す断面図である。
【図５】図３に示す研磨装置の２段研磨ユニット部の第１研磨ユニットにおける基板テーブルと研磨部を示す平面図である。
【図６】図３に示す研磨装置の２段研磨ユニット部の第２研磨ユニットにおける基板テーブルと研磨部を示す断面図である。
【図７】図３に示す研磨装置の２段研磨ユニット部の第２研磨ユニットにおける基板テーブルと研磨部を示す平面図である。
【図８】図３に示す研磨装置で銅配線を形成する例を工程順に示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１２  ロード／アンロード部
１４，１６  ２段研磨ユニット部
１８  洗浄部
２０  フロントロード部
２１  走行機構
２２，８４  搬送ロボット
２４ａ，２４ｂ  第１研磨ユニット
２６ａ，２６ｂ  第２研磨ユニット
３０ａ  基板テーブル
３２ａ  研磨部
３４ａ  研磨ヘッド
３６ａ  リンスノズル
３８ａ  ドレッサ
５０ａ  研磨パッド
５２ａ  研磨部
５４ａ  トップリング
５６ａ  研磨液供給ノズル
５８ａ  ドレッサ
６０ａ  アトマイザ
６２  第１リニアトランスポータ
７２，８２  反転移載機
７４  第２トランスポータ
８６  反転機
８８，９０，９２，９４  洗浄機
９４  搬送ユニット
１２２  回転支持体
１２４  研磨パッド
１２６，１３２  渦電流センサ
１２８  研磨液供給部
１３０  ターンテーブル
２０２ａ，２０２ｂ  トレンチ
２０４  バリアメタル
２０６  銅膜（研磨対象膜）
２０８ａ，２０８ｂ  配線
【図１】
2009194134.tif 000003
【図２】
2009194134.tif 000004
【図３】
2009194134.tif 000005
【図４】
2009194134.tif 000006
【図５】
2009194134.tif 000007
【図６】
2009194134.tif 000008
【図７】
2009194134.tif 000009
【図８】
2009194134.tif 000010