(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工基板と対向する位置に対向電極を備えた電解研磨装置を用いた電解研磨方法において、
前記被加工基板の外周部にアノード電極が接続され、
前記対向電極は同心円状に配置された複数の電極からなり、
前記各電極は独立に制御される電力供給源を持ち、
半径の小さい電極から半径の大きい電極へ時間的に順番に電力を供給するシーケンスにより電解研磨を行う
ことを特徴とする電解研磨方法。
【請求項２】
電解研磨中に、前記各電極と前記被加工基板との間の電流もしくは電圧の変化を検知し、この変化に基づいて各電極への電力供給を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の電解研磨方法。
【請求項３】
被加工基板と対向する位置に対向電極を備えた電解研磨装置を用いた電解研磨方法において、
前記被加工基板の中心部にアノード電極が接続され、
前記対向電極は同心円状に配置された複数の電極からなり、
前記各電極は独立に制御される電力供給源を持ち、
半径の大きい電極から半径の小さい電極へ時間的に順番に電力を供給するシーケンスにより電解研磨を行う
ことを特徴とする電解研磨方法。
【請求項４】
電解研磨中に、前記各電極と前記被加工基板との間の電流もしくは電圧の変化を検知し、この変化に基づいて各電極への電力供給を制御する
ことを特徴とする請求項３記載の電解研磨方法。
【請求項５】
被加工基板と対向する位置に対向電極を備えた電解研磨装置を用いて半導体装置が設けられる基板に形成された金属膜を電解研磨する工程を備えた半導体装置の製造方法において、
前記被加工基板の外周部にアノード電極が接続され、
前記対向電極は同心円状に配置された複数の電極からなり、
前記各電極は独立に制御される電力供給源を持ち、
半径の小さい電極から半径の大きい電極へ時間的に順番に電力を供給するシーケンスにより電解研磨を行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
電解研磨中に、前記各電極と前記金属膜との間の電流もしくは電圧の変化を検知し、この変化に基づいて各電極への電力供給を制御する
ことを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
被加工基板と対向する位置に対向電極を備えた電解研磨装置を用いて半導体装置が設けられる基板に形成された金属膜を電解研磨する工程を備えた半導体装置の製造方法において、
前記被加工基板の中心部にアノード電極が接続され、
前記対向電極は同心円状に配置された複数の電極からなり、
前記各電極は独立に制御される電力供給源を持ち、
半径の大きい電極から半径の小さい電極へ時間的に順番に電力を供給するシーケンスにより電解研磨を行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
電解研磨中に、前記各電極と前記金属膜との間の電流もしくは電圧の変化を検知し、この変化に基づいて各電極への電力供給を制御する
ことを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解研磨方法および半導体装置の製造方法に関し、詳しくは半導体装置の埋め込み配線を形成する際の配線材料を電解研磨する電解研磨方法および半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
銅（Ｃｕ）配線は、アルミニウム（Ａｌ）配線より低抵抗、低容量でかつ高信頼性を与えることから、配線の寄生抵抗、寄生容量による回路遅延が支配的になる微細素子において、重要性が増してきた。銅配線を形成する最も一般的な方法として広く受け入れられているのは、溝配線技術（例えばダマシン技術）である。その中でも、製造コストの点から、受け入れられているのは、配線溝と接続孔とを同時に形成する、いわゆるデュアルダマシンプロセスと言われているプロセスである。
【０００３】
しかしながら、従来の技術では、溝や孔の中にのみ、銅を残し、不必要な銅を平坦面上から除去するための工程として、化学的機械研磨（以下ＣＭＰという、ＣＭＰはChemical Mechanical Polishing ）を用いているが、この工程は、研磨スラリーと研磨パッドなどの消耗材を使用し、研磨パッドの表面状態により、ＣＭＰ特性が不安定になり、その結果として、ディッシング（dishing）やエロージョン（erosion）などの望ましくない銅の過剰研磨や研磨する必要の無い絶縁膜の研磨を招くという問題があった。加えて、この状態を避けるためには、頻繁に研磨パッドを交換する必要があり、生産性の低下を招いていた。また、低誘電率絶縁膜の中に銅配線を埋め込む配線技術においては、ＣＭＰで印加する圧力が脆弱な絶縁膜を変形させたり、破壊するといった問題点があった。この間題を解決するＣＭＰの代替技術として、電解研磨が従来技術としてあった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電解研磨技術では、研磨される銅膜自体に電解研磨に必要な電流供給がなされるため、研磨の進行にともなって研磨速度のウエハ面内不均一性と銅膜の初期膜厚不均一性に起因して、電流の流れにくい部分が局所的に発生する。このため、島状に銅が残存するという問題があった。また、この島状に残った銅を研磨するには電解研磨時間を長くする、いわゆるオーバー研磨を行う必要があった。ところがオーバー研磨時間を長く取った場合、このオーバー研磨時間中に、すでに平坦面上の銅が除去された領域に位置するトレンチ内の銅やビアホール内の銅が研磨され、いわゆる後退（リセス：recess）を生じるという問題点があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた電解研磨方法および半導体装置の製造方法である。
【０００６】
本発明の電解研磨方法は、被加工基板と対向する位置に電極を備えた電解研磨装置を用いた電解研磨方法において、前記被加工基板の外周部にアノード電極が接続され、前記電極は同心円状に配置された複数の電極からなり、前記各電極は独立に制御される電力供給源を持ち、半径の小さい電極から半径の大きい電極へ時間的に順番に電流を流すシーケンスにより電解研磨を行う。また電解研磨中に、前記各電極と前記被加工基板との間の電流および電圧の変化を検知し、この変化に基づいて各電極への電力供給を制御する。
【０００７】
本発明の電解研磨方法は、被加工基板と対向する位置に電極を備えた電解研磨装置を用いた電解研磨方法において、前記被加工基板の中心部にアノード電極が接続され、前記電極は同心円状に配置された複数の電極からなり、前記各電極は独立に制御される電力供給源を持ち、半径の大きい電極から半径の小さい電極へ時間的に順番に電流を流すシーケンスにより電解研磨を行う。また電解研磨中に、前記各電極と前記被加工基板との間の電流および電圧の変化を検知し、この変化に基づいて各電極への電力供給を制御する。
【０００８】
上記電解研磨方法では、被加工基板の外周部にアノード電極が接続され、被加工基板と対向する対向電極が同心円状に配置された複数の電極からなり、これら各電極は独立に制御される電力供給源を持つことから、所望の電極に電力を供給することにより、被加工基板を同心円状に所望の位置を電解研磨することができる。また、電力を供給していない電極直下の被加工基板は全く電解研磨されないか、ほとんど電解研磨されない。そして、半径の小さい電極から半径の大きい電極へ時間的に順番に電流を流すシーケンスにより電解研磨を行うことから、被加工基板の中央部から被加工基板の外側に向かって、順に電解研磨することができる。これによって、過剰研磨を抑制しつつ、電解研磨したい部分のみを研磨することができるようになる。また被加工基板の中心部にアノード電極が接続された場合には、半径の大きい電極から半径の小さい電極へ時間的に順番に電流を流すシーケンスにより電解研磨を行うことから、被加工基板の外側から被加工基板の中心部に向かって、順に電解研磨することができる。これによって、過剰研磨を抑制しつつ、電解研磨したい部分のみを研磨することができるようになる。
【０００９】
また電解研磨中に、各電極と被加工基板との間の電流および電圧の変化を検知し、この変化に基づいて各電極への電力供給を制御することから、研磨終点を適切に検出して、次の電極への電力供給ができるようになる。これによって、過剰研磨を抑制しつつ、より的確に電解研磨したい部分のみを研磨することができる。
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法は、被加工基板と対向する位置に電極を備えた電解研磨装置を用いて半導体装置が設けられる基板に形成された金属膜を電解研磨する工程を備えた半導体装置の製造方法において、前記被加工基板の外周部にアノード電極が接続され、前記電極は同心円状に配置された複数の電極からなり、前記各電極は独立に制御される電力供給源を持ち、半径の小さい電極から半径の大きい電極へ時間的に順番に電流を流すシーケンスにより電解研磨を行う。また、電解研磨中に、前記各電極と前記金属膜との間の電流および電圧の変化を検知し、この変化に基づいて各電極への電力供給を制御する。
【００１１】
本発明の半導体装置の製造方法は、被加工基板と対向する位置に電極を備えた電解研磨装置を用いて半導体装置が設けられる基板に形成された金属膜を電解研磨する工程を備えた半導体装置の製造方法において、前記被加工基板の中心部にアノード電極が接続され、前記電極は同心円状に配置された複数の電極からなり、前記各電極は独立に制御される電力供給源を持ち、半径の大きい電極から半径の小さい電極へ時間的に順番に電流を流すシーケンスにより電解研磨を行う。また、電解研磨中に、前記各電極と前記金属膜との間の電流および電圧の変化を検知し、この変化に基づいて各電極への電力供給を制御する。
【００１２】
上記半導体装置の各製造方法では、上記電解研磨方法と同様に、過剰研磨を抑制しつつ、電解研磨したい部分のみを研磨することができるようになるので、例えばトレンチやビアホール内に金属を埋め込むとともに基板上に金属膜を形成した後、基板上の余剰な金属膜のみを除去しようとしたとき、トレンチやビアホール内の金属を除去することなく、基板上の余剰な金属膜のみ電解研磨できるようになる。したがって、信頼性の高い溝配線やビアホールコンタクトを形成することが可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の電解研磨方法を実現する電解研磨装置に係る一実施の形態を、図１によって説明する。図１では、（１）に対向電極の平面図を示し、（２）に本発明の要部である対向電極と電力供給源の概略構成を示す。なお、図（２）では対向電極は断面図で示す。
【００１４】
電解研磨装置は、被加工基板と対向する位置に電極を備えた周知されている電解研磨装置において、上記電極の構造および電力供給に特徴を持たせたものである。よって、以下、電極および電力供給について詳述する。
【００１５】
図１に示すように、電極１１は、同心円状に配置された複数の電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅからなる。ここでは、５個の電極１１ａ〜１１ｅ（円盤状の電極１１ａ、環状の電極１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）を示したが、この電極数は５個に限定されず、２個以上であればよいが、個数が多いほど、より精密な電解研磨が行える。また、各電極間、すなわち、電極１１ａ、１１ｂ間、電極１１ｂ、１１ｃ間、電極１１ｃ、１１ｄ間および電極１１ｄ、１１ｅ間には環状の絶縁体１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが形成されている。この絶縁体１２の幅は、研磨ムラを生じさせないようにするために、電極間の絶縁が取れる範囲内で狭いほど好ましい。
【００１６】
さらに上記各電極１１ａ〜１１ｅには、独立に制御された電力が供給される電力供給源１３が接続されている。
【００１７】
上記電力供給源１３は、例えば、電源１４と、電源１４から各電極１１ａ〜１１ｅに電力を制御して供給する制御器１５とからなる。なお、この電力供給源１３は、各電極１１ａ〜１１ｅに独立に制御された電力を供給できるものであればよい。
【００１８】
そして図２に示すように、上記対向電極１１は、その中心と被加工基板５１の中心とが対向する位置、すなわち、対向電極１１の中心を通る垂線Ｈｅと被加工基板（例えばウエハ）の中心を通る垂線Ｈｕとが一致するように配置される。
【００１９】
さらに、上記各電極１１ａ〜１１ｅと被加工基板５１との間には、電流および電圧の変化を検出する検出器（図示せず）が設けられている。この検出器で検出した電流もしくは電圧の変化に基づいて上記制御器１５（図１参照）によって、各電極１１ａ〜１１ｅへの電力供給を制御してもよい。
【００２０】
上記対向電極１１、電力供給源１３等を備えた電解研磨装置では、対向電極１１が同心円状に配置された複数の電極１１ａ〜１１ｅからなり、これら各電極１１ａ〜１１ｅは独立に制御される電力供給源１３を持つことから、所望の電極（例えば電極１１ａ）に電力を供給することにより、電力を供給している電極（例えば電極１１ａ）直下の被加工基板５１を電解研磨することができる。また、電力を供給していない電極（例えば１１ｂ〜１１ｅ）直下の被加工基板は全く電解研磨されないか、ほとんど電解研磨されない。そのため、対向電極１１の中央部の電極１１ａから対向電極１１の外側の電極１１ｅに向かって順に電力を供給することによって、被加工基板５１の中央部から被加工基板５１の外側に向かって、順に電解研磨することができる。これによって、過剰研磨を抑制しつつ、電解研磨したい部分のみを研磨することができるようになる。
【００２１】
また各電極１１ａ〜１１ｅと被加工基板５１との間の電流もしくは電圧の変化を検出する検出器（図示せず）と、この検出器で検出した電流もしくは電圧の変化に基づいて各電極１１ａ〜１１ｅへの電力供給を制御する制御器１５とを備えたことから、電解研磨中に、検出器により各電極１１ａ〜１１ｅと被加工基板５１との間の電流および電圧の変化を検知して、この変化に基づいて各電極１１ａ〜１１ｅへの電力供給を制御することができる。これによって、各電極１１ａ〜１１ｅごとの研磨において研磨終点が適切に検出され、過剰研磨を起こすことなく、次の電極への電力供給が的確にできるようになるので、電解研磨したい部分のみを的確に研磨することができる。
【００２２】
次に、対向電極１１の別の構成例を図３の概略構成断面図によって説明する。
【００２３】
図３の（１）に示すように、同心円状に複数（一例として図面では５個）の電極１１が絶縁体１２を介して配置されている。そして隣接する電極において、一方の電極（例えば電極１１ｃ）は他方の電極（例えば電極１１ｂ）上に絶縁体（例えば絶縁体１２ｂ）を介してオーバラップする状態に形成されている。また図３の（２）に示すように、同心円状に複数（一例として図面では５個）の電極１１が絶縁体１２を介して配置されている。そして隣接する電極において、一方の電極（例えば電極１１ｂ）は他方の電極（例えば電極１１ｃ）上に絶縁体（例えば絶縁体１２ｂ）を介してオーバラップする状態に形成されている。この図３に示した電極構造では、電極間の絶縁体の幅による研磨ムラの発生を抑制することができる。
【００２４】
次に、上記対向電極１１を備えた電解研磨装置を用いた本発明の電解研磨方法を図４に説明する。
【００２５】
図４の（１）に示すように、基板５２にトレンチ（ビアホールも含む）５３が形成され、そのトレンチ５３を埋め込む銅膜５４が基板５２上に形成された被加工基板５１を用意する。被加工基板５１の銅膜５４の外周部にはアノード電極３１が接続される。このアノード電極３１は、例えば環状に形成されていて、環状部全体で銅膜５４外周に接続されている。また、対向電極１１をカソード側として電力供給を行う。また、被加工基板５１と対向電極１１との間は電解液６１によって満たされている。
【００２６】
最初に、電力供給源１３（Ｐ１）より対向電極１１の中心部に位置する電極１１aに電圧を印加すると、電極１１ａとアノード電極３１との間で、銅膜５４と電解液６１とを介して電流が流れる。この結果、電流密度の集中した電極１１ａ直下の被加工基板５１中心部の銅膜５４が、それ以外の部分に位置する銅膜５４より優先的に電解研磨され消失される。
【００２７】
その結果、図４の（２）に示すように、基板５２中央部表面上の銅が消失し、その部分のトレンチ（ビアホール）５３内には銅膜５４が残される。この時、電極１１aに接続された抵抗をモニターする検出器（図示せず）では、被加工基板５１中心部での銅膜５４の消失に起因する電気抵抗の増大を検知する。
【００２８】
この抵抗増大の信号を受けて、電極１１ａに最も近くて電極１１ａよりも直径が大きい電極１１ｂに電力供給源１３（Ｐ２）より電力を供給する。すなわち電流を流し始める。それと同時に、電極１１aへ電力供給していた電力供給源１３（Ｐ１）からの電力供給を停止するか低減する。もし、電極１１ａへの電力供給を停止もしくは低減しない場合には、その部分の電解研磨が進行して、トレンチ５３内の銅の消失に至る。そのため、電極１１ａへの電力供給は必ず停止もしくは低減する必要がある。
【００２９】
電力供給切り換え時点での電流は、基板５２中心部表面の銅膜５４の消失に起因して高抵抗となることにより、また電極１１中心部の電極１１aからの電力供給の意図的な停止もしくは低減により、基板５２中心部では電流が全く流れないかもしくは微弱な電流しか流れなくなる。この結果、すでに基板５２平坦面上の銅が消失した基板５２中心部に位置するトレンチ（ビアホール）５３内の銅は電解研磨されず、結果として、過剰なリセスを生じることが無くなる。
【００３０】
これと同時に、基板５２中心から少し基板外周部に位置している電極１１ｂ、すなわち現在電力が供給されている電極１１ｂの直下に位置する銅膜の部分が、それ以外の部分の銅膜と比較して優先的に電解研磨される。この結果、電極１１b直下とその近傍における基板５２平坦面上の銅膜が消失され、前記した電極１１aにおける抵抗変化に対応する制御と同様の方法で、電極１１ｂに最も近くて電極１１ｂよりも直径が大きい電極１１ｃに電力供給源１３（Ｐ３）より電力を供給する。それと同時に、電極１１ｂへ電力供給していた電力供給源１３（Ｐ２）からの電力供給を停止するか低減する。
【００３１】
このシーケンスを基板５２中心部側から基板５２外周部の電極１１ｅに向かって順次実施し、最終的には、基板５２のエッジ部までに位置する銅膜５４の電解研磨を終了する。
【００３２】
上記電解研磨方法では、被加工基板５１と対向する対向電極１１が同心円状に配置された複数の電極１１ａ〜１１ｅからなり、これら各電極１１ａ〜１１ｅは独立に制御される電力供給源１３（Ｐ１〜ｐ５）を持つことから、所望の電極（例えば電極１１ａ）に電力を供給することにより、被加工基板５１を同心円状に所望の位置を電解研磨することができる。また、電力を供給していない電極（例えば電極１１ｂ〜１１ｅ）直下の被加工基板５１は全く電解研磨されないか、ほとんど電解研磨されない。そして、半径の小さい電極から半径の大きい電極へ時間的に順番に電力を供給する（例えば電流を流す）シーケンスにより電解研磨を行うことから、被加工基板５１の中央部から被加工基板５１の外側に向かって、順に電解研磨することができる。これによって、過剰研磨を抑制しつつ、電解研磨したい部分のみを研磨することができるようになる。
【００３３】
なお、被加工基板５１の中央部から被加工基板５１の外側に向かって、順に電解研磨するのは、アノード電極３１が被加工基板５１の外周側に接続されているからである。もし、アノード電極３１が被加工基板の中心部に接続されている場合には、被加工基板５１の外周側から被加工基板５１の中心部に向かって電解研磨を行うことになる。
【００３４】
また電解研磨中に、各電極１１ｂ〜１１ｅと被加工基板５１との間の電流および電圧の変化を検知し、この変化に基づいて各電極１１ｂ〜１１ｅへの電力供給を制御することから、研磨終点を適切に検出して、次の電極への電力供給ができるようになる。これによって、過剰研磨を抑制しつつ、より的確に電解研磨したい部分のみを研磨することができる。
【００３５】
なお、各電極１１ａ〜１１ｅへの電力供給の開始と低減および停止のタイミングは、上記説明した一実施の形態に限定されることは無く、基板５２平坦面上の銅を完全に除去しつつ、トレンチ、ビアホール内の銅に過剰な後退（リセス）が生じないように、最適化する調整を行う。例えば、同心円状に配置された電極の全てに通電して、基板平坦面上の銅膜厚を基板全面にわたって一度に薄膜化する工程を導入することも可能である。
【００３６】
また、上記電解研磨方法を用いることによって、電解研磨前の初期の銅膜に同心円状の膜厚分布がある場合であっても、この初期膜厚分布の影響で初期膜厚が厚い部分での研磨残りを発生することが無く、均一なエッチングで、リセスの少ない電解研磨が可能である。
【００３７】
本発明の電解研磨方法は、上記説明したように、トレンチ内部やビアホール内部に銅を残すようにして基板５２表面上の余剰な銅膜を除去することができるので、半導体基板上の絶縁膜に形成される溝配線やビアコンタクトプラグの形成に適用することができる。
【００３８】
このように半導体装置の製造方法に適用した場合、上記電解研磨方法と同様に、過剰研磨を抑制しつつ、電解研磨したい部分のみを研磨することができるようになる。このため、例えばトレンチやビアホール内に金属を埋め込むとともに基板上に金属膜を形成した後、基板上の余剰な金属膜のみを除去しようとしたとき、トレンチやビアホール内の金属を除去することなく、基板上の余剰な金属膜のみ電解研磨できるようになる。したがって、信頼性の高い溝配線やビアホールコンタクトを形成することが可能になる。
【００３９】
また、本発明の電解研磨装置の対向電極１１の構造は、例えば電解エッチング装置の対向電極にも用いることが可能である。また例えば、電解メッキ装置の対向電極に用いることも可能である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の電解研磨方法によれば、独立に制御される電力供給源より同心円状に配置された複数の電極に電力を供給することができるので、電力を供給していない電極直下の被加工基板を電解研磨することなく、もしくはほとんど電解研磨することなく、被加工基板を同心円状に所望の位置を電解研磨することができる。そして、アノード電極が被加工基板の外周部に接続されている場合には、半径の小さい電極から半径の大きい電極へ時間的に順番に電流を流すシーケンスにより電解研磨を行うので、被加工基板の中央部から被加工基板の外側に向かって、過剰研磨を抑制しつつ、電解研磨することができるようになる。アノード電極が被加工基板の中心部に接続されている場合には、半径の大きい電極から半径の小さい電極へ時間的に順番に電流を流すシーケンスにより電解研磨を行うので、被加工基板の外周側から被加工基板の中心部に向かって電解研磨を行うことができる。また電解研磨中に、各電極と被加工基板との間の電流および電圧の変化を検知し、この変化に基づいて各電極への電力供給を制御するので、研磨終点を適切に検出して、次の電極への電力供給ができるようになり、過剰研磨を抑制しつつ、より的確に電解研磨したい部分のみを研磨することができる。
【００４１】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、上記電解研磨方法と同様に、過剰研磨を抑制しつつ、電解研磨したい部分のみを研磨することができるようになるので、例えばトレンチやビアホール内に金属を埋め込むとともに基板上に金属膜を形成した後、基板上の余剰な金属膜のみを除去しようとしたとき、トレンチやビアホール内の金属を除去することなく、基板上の余剰な金属膜のみ電解研磨できるようになる。したがって、信頼性の高い溝配線やビアホールコンタクトを形成することが可能になるので、信頼性の高い半導体装置の製造が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  電解研磨装置に係る一実施の形態を示す概略構成平面図である。
【図２】  対向電極と被加工基板との位置関係を示す概略構成断面図である。
【図３】  対向電極１１の別の構成例を示す概略構成断面図である。
【図４】  本発明の電解研磨方法を説明する概略構成断面図である。
【符号の説明】
１１…対向電極、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ…電極、１３…電力供給源
【図１】
0003843871.tif 000002
【図２】
0003843871.tif 000003
【図３】
0003843871.tif 000004
【図４】
0003843871.tif 000005