半導体装置の製造方法
【課題】ＣＭＰ工程において、生産性の向上、およびＣＭＰ特性の劣化の抑制を図る。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面上に、絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜内に、溝を形成する工程と、絶縁膜上に、下地膜を形成する工程と、下地膜上に、溝が埋まるように金属膜を形成する工程と、半導体基板の表面を回転する研磨パッドに当接させ、研磨パッド上に金属イオンを含む第１ＣＭＰスラリーを供給することで、溝外の金属膜を除去する第１研磨を行う工程と、半導体基板の表面を研磨パッドに当接させ、研磨パッド上に有機酸および純水を供給することで、研磨パッドおよび半導体基板の表面を洗浄する工程と、半導体基板の表面を研磨パッドに当接させ、研磨パッド上に第１ＣＭＰスラリーと異なる第２ＣＭＰスラリーを供給することで、溝外の下地膜を除去する第２研磨を行う工程と、を具備する。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面上に、絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜内に、溝を形成する工程と、絶縁膜上に、下地膜を形成する工程と、下地膜上に、溝が埋まるように金属膜を形成する工程と、半導体基板の表面を回転する研磨パッドに当接させ、研磨パッド上に金属イオンを含む第１ＣＭＰスラリーを供給することで、溝外の金属膜を除去する第１研磨を行う工程と、半導体基板の表面を研磨パッドに当接させ、研磨パッド上に有機酸および純水を供給することで、研磨パッドおよび半導体基板の表面を洗浄する工程と、半導体基板の表面を研磨パッドに当接させ、研磨パッド上に第１ＣＭＰスラリーと異なる第２ＣＭＰスラリーを供給することで、溝外の下地膜を除去する第２研磨を行う工程と、を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置における多層配線や素子分離の形成工程において、表面を平坦化する工程として、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法が多用されている。特に、多層配線における平坦化プロセスにおいては、配線となる金属膜のＣＭＰ（メタルＣＭＰ）と、配線の表面に形成される下地膜のＣＭＰ（バリアメタルＣＭＰ）とがある。これら２つのＣＭＰ工程は、通常、非連続に処理される。すなわち、ＣＭＰ装置内において、これらのＣＭＰは、別チャンバー内（別研磨パッド上）で行われる。
【０００３】
メタルＣＭＰとバリアメタルＣＭＰとを非連続で行う理由としては、メタルＣＭＰとバリアメタルＣＭＰとで使用されるスラリー構成が異なること、また連続処理による研磨時間増加によって研磨特性の安定性が低下すること等が挙げられる。
【０００４】
例えば、金属膜としてＷが用いられるメタルＣＭＰにおいて、Ｗの研磨速度が配線間絶縁膜であるＳｉＯ２の研磨速度より大きくなるようなスラリーが用いられる。このとき、スラリーによるＷとＳｉＯ２との研磨レート比は、Ｗ／ＳｉＯ２が１０以上であることが望ましい。このため、Ｗの研磨レートの促進のために、スラリーに酸化剤が添加されることが一般的である。また、酸化剤の酸化力を高めるために、触媒としてＦｅイオンが含有される場合もある。
【０００５】
一方、バリアメタルＣＭＰにおいて、ＷおよびＳｉＯ２に対して実用的な研磨速度を得るため、またこれらの研磨レートのバランスをとるために、スラリーのｐＨはアルカリ性であることが多い。また、Ｗの研磨レートを抑制するために、スラリーに酸化力を抑えた酸化剤、もしくは酸化抑制剤が添加されることが一般的である。
【０００６】
これに対し、生産性の観点からメタルＣＭＰおよびバリアメタルＣＭＰを連続的に処理する（同一チャンバー内で処理する）ことが提案されている。しかし、メタルＣＭＰおよびバリアメタルＣＭＰを連続処理する際に各ＣＭＰにおけるスラリーの液性が逆の場合、有効成分を互いに相殺しあうことが多い。また、砥粒同士の凝集も発生し、所望の研磨特性を得ることができない。仮に、メタルＣＭＰおよびバリアメタルＣＭＰで液性が同じ、すなわち同極性かつ類似成分のスラリーを用いた場合であっても、メタルＣＭＰにおけるスラリーに含有される高酸化力を有する酸化剤や触媒が、バリアメタルＣＭＰ中もパッド表面に残留し、研磨レートを変動させる。
【０００７】
また、研磨条件、パッドコンディションによってスラリーの成分残留量も変動するため、研磨特性が安定しない。さらに、２種類のＣＭＰ工程を連続して行うため、連続する研磨時間の増加にともないパッド弾性率も変化する。このため、後工程であるバリアメタルＣＭＰの研磨特性の変動も大きくなる。
【０００８】
このように、２つのＣＭＰ工程を連続的に処理した場合、非連続で処理した場合に比べて、研磨特性が劣化する。ＣＭＰ工程の連続処理に向けた対策として、メタルＣＭＰのスラリーとバリアメタルＣＭＰのスラリーとの成分をより類似性の高いものにして処理する方法が有力である。しかし、２つのＣＭＰ工程におけるスラリーの類似性を高めることには限界があり、連続処理における研磨特性を非連続処理における研磨特性と同程度にすることは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３９１７５９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＣＭＰ工程において、生産性の向上を図りつつ、ＣＭＰ特性の劣化の抑制を図る半導体装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面上に、絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜内に、溝を形成する工程と、前記絶縁膜上に、下地膜を形成する工程と、前記下地膜上に、前記溝が埋まるように金属膜を形成する工程と、前記半導体基板の表面を回転する研磨パッドに当接させ、前記研磨パッド上に金属イオンを含む第１ＣＭＰスラリーを供給することで、前記溝外の前記金属膜を除去する第１研磨を行う工程と、前記半導体基板の表面を前記研磨パッドに当接させ、前記研磨パッド上に有機酸および純水を供給することで、前記研磨パッドおよび前記半導体基板の表面を洗浄する工程と、前記半導体基板の表面を前記研磨パッドに当接させ、前記研磨パッド上に前記第１ＣＭＰスラリーと異なる第２ＣＭＰスラリーを供給することで、前記溝外の前記下地膜を除去する第２研磨を行う工程と、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図。
【図２】ＣＭＰ後の配線構造を示す断面図。
【図３】本実施形態に係るＣＭＰ装置を示す平面図。
【図４】図３における第１研磨ユニットの構成を示す図。
【図５】図３における第１ロール洗浄ユニットの構成を示す図。
【図６】図３における第１ペンシル洗浄ユニットの構成を示す図。
【図７】本実施形態に係るＣＭＰ方法の比較例を示すフローチャート。
【図８】本実施形態に係るＣＭＰ方法を示すフローチャート。
【図９】本実施形態に係るＣＭＰ方法の薬液処理を模式的に示す図。
【図１０】本実施形態に係るＣＭＰ方法の薬液処理の化学反応を示す図。
【図１１】本実施形態に係るＣＭＰ方法による配線の平坦性とその比較例とを示すグラフ。
【図１２】本実施形態に係るＣＭＰ方法による欠陥数とその比較例とを示すグラフ。
【図１３】本実施形態に係るＣＭＰ方法における第１研磨において用いられるスラリーの研磨レートを示すグラフ。
【図１４】本実施形態に係るＣＭＰ装置における研磨パッドの弾性率の温度依存性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本実施形態を以下に図面を参照して説明する。なお、図面において、同一部分には同一の参照符号を付す。また、重複する説明は、必要に応じて行う。
【００１４】
＜実施形態＞
図１乃至図１４を用いて、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、配線構造の製造工程におけるＣＭＰ工程に関するものであり、メタルＣＭＰとバリアメタル（ＢＭ）ＣＭＰとを同一チャンバーで連続的に行う例である。これにより、生産性の向上を図ることができる。また、このとき、メタルＣＭＰの後に、有機酸によって研磨パッドおよび半導体基板の表面を洗浄する。これにより、メタルＣＭＰで用いたスラリーの成分で、かつその後のバリアメタルＣＭＰの研磨レートを変動させる成分を除去することができ、連続処理による研磨特性の劣化を抑制することができる。以下に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について詳説する。
【００１５】
［配線構造の製造方法］
図１および図２を用いて、本実施形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程について説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。図２は、ＣＭＰ後の配線構造を示す断面図である。
【００１７】
まず、図１（ａ）に示すように、半導体素子（図示せず）が形成された半導体基板１０上に、絶縁膜１１が形成される。絶縁膜１１は、例えばＳｉＯ２で構成される。この絶縁膜１１にコンタクトホールが形成され、このコンタクトホール内にバリアメタル１２を介してコンタクトプラグ１３が形成される。バリアメタル１２は例えばＴｉもしくはＴａまたはこれらの窒化物で構成され、コンタクトプラグ１３は例えばＷで構成される。これにより、絶縁膜１１、バリアメタル１２およびコンタクトプラグ１３を含むコンタクト層が形成される。
【００１８】
次に、コンタクト層上に、絶縁膜１４が形成される。絶縁膜１４は、例えばＳｉＯ２で構成される。この絶縁膜１４内に、凹部としての配線溝Ａが形成される。配線溝Ａは、例えば、被覆率が５０％の配線となるように形成される。
【００１９】
次に、全面に、常法（例えば、ＣＶＤ法）により配線の下地膜となるバリアメタル１５が形成される。すなわち、配線溝Ａ内および配線溝Ａ外の絶縁膜１４上に、バリアメタル１５が形成される。バリアメタル１５は、例えば、ＴｉもしくはＴａまたはこれらの窒化物で構成される。
【００２０】
次に、全面に、常法（例えば、ＣＶＤ法）により配線溝Ａ内が埋まるように配線となる金属膜１６が形成される。すなわち、配線溝Ａ内および配線溝Ａ外のバリアメタル１５上に、金属膜１６が形成される。金属膜１６は、例えばＷまたはＣｕで構成される。
【００２１】
次に、全面に、ＣＭＰが行われる。このＣＭＰ工程において、第１研磨（メタルＣＭＰ）および第２研磨（バリアメタルＣＭＰ）が行われる。なお、第２研磨はタッチアップとも称される。
【００２２】
より具体的には、図１（ｂ）に示すように、第１研磨において、配線溝Ａ外に形成された余分な金属膜１６が除去される。これにより、配線溝Ａ内に、金属膜１６が埋め込まれる。また、配線溝Ａ外において、バリアメタル１５の表面が露出される。すなわち、第１研磨では、主に金属膜１６（例えば、ＷまたはＣｕ）が被研磨膜となる。
【００２３】
その後、図１（ｃ）に示すように、第２研磨において、配線溝Ａ外に形成されたバリアメタル１５が除去される。これにより、配線溝Ａ外において、絶縁膜１４の表面が露出される。このとき、金属膜１６やバリアメタル１５を完全に除去するために、絶縁膜１４の表面の一部も除去される。すなわち、第２研磨では、主に金属膜１６（例えば、ＷまたはＣｕ）、バリアメタル１５（例えば、ＴｉもしくはＴａまたはこれらの窒化物）、および絶縁膜１４（例えば、ＳｉＯ２）が被研磨膜となる。これにより、絶縁膜１４、バリアメタル１５および金属膜１６を含む配線層が形成される。本実施形態に係るＣＭＰの詳細については、後述する。
【００２４】
図２に示すように、ＣＭＰ工程後において、金属膜１６に、ディッシング２１、エロージョン２２が生じる。また、絶縁膜１４に、欠陥（defect）２３が生じる。これらは、配線の特性を劣化させる要因となる。
【００２５】
通常、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にて連続に行う場合、別のターンテーブルにて非連続に行う場合に比べて、研磨特性が劣化する。このため、連続処理の場合、ディッシング２１、エロージョン２２および欠陥２３が増大する。
【００２６】
これに対し、本実施形態は、第１研磨および第２研磨を連続処理しながらも、研磨特性の劣化を抑制するＣＭＰ方法の例である。
【００２７】
［ＣＭＰ装置］
図３乃至図６を用いて、本実施形態に係るＣＭＰ装置３００について説明する。なお、ここでは、ＣＭＰ装置３００として荏原製作所製のＦＲＥＸ３００Ｘを用いる例を示している。
【００２８】
図３は、本実施形態に係るＣＭＰ装置３００を示す平面図である。
【００２９】
図３に示すように、ＣＭＰ装置３００は、第１ＣＭＰユニット３１０および第２ＣＭＰユニット３２０を備えている。
【００３０】
第１ＣＭＰユニット３１０は、第１研磨ユニット３１１、第１ロール洗浄ユニット３１２、および第１ペンシル洗浄ユニット３１３を有している。半導体基板１０（被研磨膜）は、図示せぬ輸送ユニットによって、第１研磨ユニット３１１、第１ロール洗浄ユニット３１２、および第１ペンシル洗浄ユニット３１３の順に輸送される。すなわち、半導体基板１０は、第１研磨ユニット３１１において研磨された後、第１ロール洗浄ユニット３１２においてロール洗浄され、第１ペンシル洗浄ユニット３１３においてペンシル洗浄される。以下に、各ユニットについて詳説する。
【００３１】
図４は、図３における第１研磨ユニット３１１の構成を示す図である。
【００３２】
図４に示すように、第１研磨ユニット３１１には、表面に研磨パッド４１が貼付されたターンテーブル４０が設置されている。
【００３３】
被研磨膜の研磨において、ターンテーブル４０上に貼付された研磨パッド４１に、半導体基板１０（被研磨膜）が当接される。ターンテーブル４０は１〜２００ｒｐｍで回転可能であり、トップリング４２は１〜２００ｒｐｍで回転可能である。これらターンテーブル４０およびトップリング４２はそれぞれ、例えば反時計回りに回転する。また、研磨中、ターンテーブル４０およびトップリング４２は、一定方向に回転する。これらの研磨荷重は、通常５０〜５００ｈＰａ程度であるが、これに限らず適宜調整可能である。
【００３４】
また、研磨パッド４１上には、スラリー供給ノズル４３が配置されている。このスラリー供給ノズル４３からは、スラリーとして所定の薬液を５０〜５００ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給することができる。
【００３５】
また、研磨パッド４１上には、圧縮空気、あるいは窒素ガスなどを研磨パッド４１に向けて噴出する冷却ノズル４５が配置されている。この冷却ノズル４５は、０〜１０００ｌ／ｍｉｎ程度の範囲で圧縮空気を研磨パッド４１に噴出し、研磨中の研磨パッド４１の表面の温度を制御する。
【００３６】
さらに、図４において、研磨パッド４１上には、ドレッサー４６も併せて示してある。このドレッサー４６は、被研磨膜の研磨終了後、１〜２００ｒｐｍで回転させつつ、５０〜５００ｈＰａの荷重で研磨パッド４１に当接される。これにより、ドレッサー４６は、研磨パッド４１の表面のコンディショニングを行なう。
【００３７】
図５は、図３における第１ロール洗浄ユニット３１２の構成を示す図である。
【００３８】
図５に示すように、第１ロール洗浄ユニット３１２には、ロール洗浄を行うロールブラシ５０が設置されている。
【００３９】
被研磨膜のロール洗浄において、ロールブラシ５０は、半導体基板１０の表面（被研磨膜側）および裏面に各１つずつ設置される。このロールブラシ５０は、半導体基板１０の直径分の長さを有し、半導体基板１０の直径上に設置される。また、ロールブラシ５０は、円柱状であり、円柱の中心軸を回転軸として回転することで半導体基板１０の両面を洗浄する。このとき、半導体基板１０は、図示せぬ保持部に保持され、一定方向に回転している。ロール洗浄において、半導体基板１０は、ロールブラシ５０によって物理的に洗浄されるとともに、薬液が供給されることによって化学的にも洗浄される。ロール洗浄は、次工程のペンシル洗浄よりも粗い洗浄である。
【００４０】
図６は、図３における第１ペンシル洗浄ユニット３１３の構成を示す図である。
【００４１】
図６に示すように、第１ペンシル洗浄ユニット３１３には、ペンシル洗浄を行うペンシルブラシ６０が設置されている。
【００４２】
被研磨膜のペンシル洗浄において、ペンシルブラシ６０は、半導体基板１０（被研磨膜）の表面に設置される。このペンシルブラシ６０は、半導体基板１０上において左右に駆動しながら半導体基板１０の表面を洗浄する。このとき、半導体基板１０は、図示せぬ保持部に保持され、一定方向に回転している。ペンシル洗浄において、半導体基板１０は、ペンシルブラシ６０によって物理的に洗浄されるとともに、薬液が供給されることによって化学的にも洗浄される。ペンシル洗浄は、前工程のロール洗浄よりも細かい洗浄である。
【００４３】
また、半導体基板１０は、ペンシル洗浄後、第１ペンシル洗浄ユニット３１３においてドライアウト（乾燥）される。
【００４４】
第２ＣＭＰユニット３２０は、第２研磨ユニット３２１、第２ロール洗浄ユニット３２２、および第２ペンシル洗浄ユニット３２３を有している。半導体基板１０（被研磨膜）は、第１ＣＭＰユニット３１０において処理が終了した後、図示せぬ輸送ユニットによって、第２研磨ユニット３２１、第２ロール洗浄ユニット３２２、および第２ペンシル洗浄ユニット３２３の順に輸送される。
【００４５】
第２ＣＭＰユニット３２０における第２研磨ユニット３２１、第２ロール洗浄ユニット３２２、および第２ペンシル洗浄ユニット３２３はそれぞれ、第１ＣＭＰユニット３１０における第１研磨ユニット３１１、第１ロール洗浄ユニット３１２、および第１ペンシル洗浄ユニット３１３と同様の構成を有している。
【００４６】
しかし、図３に示すように、第２研磨ユニット３２１には、第１研磨ユニット３１１のターンテーブル４０とは異なるターンテーブル４０’が設置されている。このため、第２ＣＭＰユニット３２０では、被研磨膜に対して第１ＣＭＰユニット３１０と異なるＣＭＰ工程が行われ得る。また、これに限らず、第１ＣＭＰユニット３１０と第２ＣＭＰユニット３２０とで、別々の半導体基板１０に対して同時にＣＭＰ工程を行うことも可能である。
【００４７】
［ＣＭＰ方法］
図７乃至図１０を用いて、本実施形態に係るＣＭＰ方法およびその比較例について説明する。なお、ここでは、配線構造における金属膜１６としてＷが形成された場合におけるＣＭＰ方法について説明するが、金属膜１６としてはこれに限らない。
【００４８】
図７は、本実施形態に係るＣＭＰ方法の比較例を示すフローチャートである。
【００４９】
図７に示すように、比較例によれば、まず、ステップＳ１１において、被研磨膜に対して第１研磨が行われる。第１研磨は、半導体基板１０が第１研磨ユニット３１１に輸送された後、その第１研磨ユニット３１１において行われる。このとき、被研磨膜として主に図１に示す金属膜１６（Ｗ）が研磨される。このため、研磨パッド４１に供給されるスラリーとしては、例えばＣａｂｏｔ製のシリカスラリー（Ｗ７５２３Ｂ）が用いられる。この第１研磨におけるスラリー（第１ＣＭＰスラリー）は、酸化剤、添加剤、砥粒（シリカ）、および触媒としてのＦｅを含み、Ｗに対する研磨レートが大きいスラリーである。ここで、酸化剤としては、過硫酸アンモニウムまたは過酸化水素水が挙げられる。
【００５０】
次に、ステップＳ１２において、スラリーの供給がとめられ、純水を供給することで研磨パッド４１および被研磨膜（半導体基板１０）に対して純水研磨（純水洗浄）が行われる。純水研磨は、第１研磨と同様、第１研磨ユニット３１１において行われる。この純水研磨は、被研磨膜を研磨することなく、研磨パッド４１や被研磨膜の表面の薬液等を除去する。
【００５１】
次に、ステップＳ１３において、被研磨膜（半導体基板１０）に対してロール洗浄が行われる。第１研磨後のロール洗浄は、半導体基板１０が第１研磨ユニット３１１から第１ロール洗浄ユニット３１２に輸送された後、その第１ロール洗浄ユニット３１２において行われる。このとき、半導体基板１０は、ロールブラシ５０によって物理的に洗浄されるとともに、薬液が供給されることによって化学的にも洗浄される。
【００５２】
次に、ステップＳ１４において、被研磨膜（半導体基板１０）に対してペンシル洗浄が行われる。第１研磨後のペンシル洗浄は、半導体基板１０が第１ロール洗浄ユニット３１２から第１ペンシル洗浄ユニット３１３に輸送された後、その第１ペンシル洗浄ユニット３１３において行われる。このとき、半導体基板１０は、ペンシルブラシ６０によって物理的に洗浄されるとともに、薬液が供給されることによって化学的にも洗浄される。ロール洗浄およびペンシル洗浄によって、第１研磨による半導体基板１０の表面異物（スラリーの薬液等）が除去される。
【００５３】
その後、半導体基板１０に対してドライアウトが行われ、半導体基板１０の表面の水分が除去される。ドライアウトは、ペンシル洗浄と同様、第１ペンシル洗浄ユニット３１３において行われる。
【００５４】
このように、被研磨膜を金属膜１６とした第１研磨工程、およびその後の洗浄工程（第１研磨後のロール洗浄およびペンシル洗浄）は、第１ＣＭＰユニット３１０において行われる。
【００５５】
次に、ステップＳ１５において、被研磨膜に対して第２研磨（タッチアップ）が行われる。第２研磨は、半導体基板１０が第２研磨ユニット３２１に輸送された後、その第２研磨ユニット３２１において行われる。このとき、被研磨膜として主に図１に示す金属膜１６（Ｗ）、バリアメタル１５、および絶縁膜１４（ＳｉＯ２）が研磨される。このため、研磨パッド４１に供給されるスラリーとしては、例えばＣａｂｏｔ製のシリカスラリー（Ｗ７２０３）が用いられる。この第２研磨におけるスラリー（第２ＣＭＰスラリー）は、酸化剤、および砥粒（シリカ）を含み、金属膜１６（Ｗ）、バリアメタル１５、および絶縁膜１４（ＳｉＯ２）に対する研磨レートが同程度のスラリーである。なお、金属膜１６（Ｗ）に対する研磨レートは、バリアメタル１５、および絶縁膜１４（ＳｉＯ２）に対する研磨レートより低いほうが望ましい。ここで、酸化剤としては、過硫酸アンモニウムまたは過酸化水素水が挙げられる。
【００５６】
次に、ステップＳ１６において、スラリーの供給がとめられ、純水を供給することで研磨パッド４１および被研磨膜に対して純水研磨が行われる。純水研磨は、第２研磨と同様、第２研磨ユニット３２１において行われる。この純水研磨は、被研磨膜を研磨することなく、研磨パッド４１や被研磨膜の表面の薬液等を除去する。
【００５７】
次に、ステップＳ１７において、被研磨膜（半導体基板１０）に対してロール洗浄が行われる。第２研磨後のロール洗浄は、半導体基板１０が第２研磨ユニット３２１から第２ロール洗浄ユニット３２２に輸送された後、その第２ロール洗浄ユニット３２２において行われる。このとき、半導体基板１０は、ロールブラシ５０によって物理的に洗浄されるとともに、薬液が供給されることによって化学的にも洗浄される。
【００５８】
次に、ステップＳ１８において、被研磨膜（半導体基板１０）に対してペンシル洗浄が行われる。第２研磨後のペンシル洗浄は、半導体基板１０が第２ロール洗浄ユニット３２２から第２ペンシル洗浄ユニット３２３に輸送された後、その第２ペンシル洗浄ユニット３２３において行われる。このとき、半導体基板１０は、ペンシルブラシ６０によって物理的に洗浄されるとともに、薬液が供給されることによって化学的にも洗浄される。ロール洗浄およびペンシル洗浄によって、第２研磨による半導体基板１０の表面異物（スラリーの薬液等）が除去される。
【００５９】
その後、半導体基板１０に対してドライアウトが行われ、半導体基板１０の表面の水分が除去される。ドライアウトは、ペンシル洗浄と同様、第２ペンシル洗浄ユニット３２３において行われる。
【００６０】
このように、被研磨膜を金属膜１６、バリアメタル１５、および絶縁膜１４とした第２研磨工程、およびその後の洗浄工程（第２研磨後のロール洗浄およびペンシル洗浄）は、第２ＣＭＰユニット３２０において行われる。
【００６１】
上述したように、比較例によれば、第１研磨後に２段階の洗浄（ロール洗浄およびペンシル洗浄）を行うことで被研磨膜表面のスラリー成分を除去した後、第１研磨とは異なる研磨ユニット（ターンテーブル）にて第２研磨を行う。すなわち、第１研磨と第２研磨とを非連続に行う。しかし、このような非連続処理では、２段階の洗浄やユニット間の半導体基板１０の搬送によって、ＣＭＰ時間が増大してしまう。また、１つの半導体基板１０に対するＣＭＰのために、２つのＣＭＰユニット（第１ＣＭＰユニット３１０および第２ＣＭＰユニット３２０）を用いる必要があるため、生産性に問題が生じてしまう。
【００６２】
上記非連続処理に対し、第１研磨と第２研磨とを同一の研磨ユニットにて連続処理で行う場合、研磨特性が劣化してしまう。これは、連続処理の場合、第１研磨後にロール洗浄およびペンシル洗浄を行わず、洗浄が不十分であるため、第２研磨において第１研磨のスラリー成分が研磨パッド４０上や被研磨膜の表面に残留することが原因であると考えられる。特に、第１研磨におけるスラリーに含まれるＦｅイオンは、金属膜１６であるＷの研磨レートを大きくする。このため、第２研磨においても金属膜１６の研磨レートが大きくなり、結果として研磨特性の劣化が生じる。
【００６３】
これに対し、本実施形態は、第１研磨と第２研磨とを連続処理で行いながら、研磨特性の劣化を抑制するＣＭＰ方法である。
【００６４】
図８は、本実施形態に係るＣＭＰ方法を示すフローチャートである。
【００６５】
図８に示すように、本実施形態によれば、まず、ステップＳ２１において、被研磨膜に対して第１研磨が行われる。第１研磨は、半導体基板１０が第１研磨ユニット３１１に輸送された後、その第１研磨ユニット３１１において行われる。このとき、被研磨膜として主に図１に示す金属膜１６（Ｗ）が研磨される。このため、研磨パッド４１に供給されるスラリーとしては、例えばＣａｂｏｔ製のシリカスラリー（Ｗ７５２３Ｂ）が用いられる。この第１研磨におけるスラリー（第１ＣＭＰスラリー）は、酸化剤、添加剤、砥粒（シリカ）、および触媒としてのＦｅを含み、Ｗに対する研磨レートが大きいスラリーである。ここで、酸化剤としては、過硫酸アンモニウムまたは過酸化水素水が挙げられる。
【００６６】
また、第１研磨は、冷却ノズル４５や研磨パッド４１と被研磨膜との研磨荷重を調整することにより、研磨パッド４１の表面の温度を制御しながら行われる。より具体的には、第１研磨中、研磨パッド４１の表面の温度は一定になるように制御され、その温度は３０〜６５℃程度である。これにより、研磨パッド４１の特性（例えば、弾性率）を変移させることなく研磨することができる。また、被研磨膜の研磨レートが高くなるような所望の温度で行われてもよい。
【００６７】
次に、ステップＳ２２において、スラリーの供給がとめられ、有機酸および純水（有機酸溶液）を供給することで研磨パッド４１および被研磨膜に対して有機酸および純水研磨（有機酸および純水洗浄）が行われる。有機酸および純水研磨は、第１研磨と同様、第１研磨ユニット３１１において行われる。これにより、第１研磨に用いられたスラリー成分を研磨パッド４１および被研磨膜の表面から除去することができる。また、このとき、被研磨膜は研磨されない。この有機酸および純水研磨の詳細については、後述する。
【００６８】
次に、ステップＳ２３において、有機酸の供給がとめられ、純水のみを供給することで研磨パッド４１および被研磨膜に対して純水研磨が行われる。純水研磨は、第１研磨と同様、第１研磨ユニット３１１において行われる。この純水研磨は、被研磨膜を研磨することなく、研磨パッド４１や被研磨膜の表面の薬液（有機酸等）を除去する。これにより、次工程である第２研磨において、有機酸が残留することによって研磨レートに影響を与えることを抑制できる。
【００６９】
次に、ステップＳ２４において、被研磨膜に対して第２研磨（タッチアップ）が行われる。第２研磨は、第１研磨と同様、第１研磨ユニット３１１において行われる。このとき、被研磨膜として主に図１に示す金属膜１６（Ｗ）、バリアメタル１５、および絶縁膜１４（ＳｉＯ２）が研磨される。このため、研磨パッド４１に供給されるスラリーとしては、例えばＣａｂｏｔ製のシリカスラリー（Ｗ７２０３）が用いられる。この第２研磨におけるスラリー（第２ＣＭＰスラリー）は、酸化剤、および砥粒（シリカ）を含み、金属膜１６（Ｗ）、バリアメタル１５、および絶縁膜１４（ＳｉＯ２）に対する研磨レートが同程度のスラリーである。なお、金属膜１６（Ｗ）に対する研磨レートは、バリアメタル１５、および絶縁膜１４（ＳｉＯ２）に対する研磨レートより低いほうが望ましい。また、第２ＣＭＰスラリーは、第１ＣＭＰスラリーに比べて、バリアメタル１５、および絶縁膜１４に対して大きい研磨レートを有する。ここで、酸化剤としては、過硫酸アンモニウムまたは過酸化水素水が挙げられる。
【００７０】
また、第１研磨と同様、有機酸および純水研磨、純水研磨、および第２研磨は、冷却ノズル４５や研磨パッド４１と被研磨膜との研磨荷重を調整することにより、研磨パッド４１の表面の温度を制御しながら行われる。すなわち、第１研磨工程から第２研磨工程まで、研磨パッド４１の表面の温度を一定にするように被研磨膜の研磨が行われる。これにより、研磨パッド４１の特性を変移させることなく安定させてこれらの工程が行われる。
【００７１】
次に、ステップＳ２５において、スラリーの供給がとめられ、純水を供給することで研磨パッド４１および被研磨膜に対して純水研磨が行われる。純水研磨は、第１研磨と同様、第１研磨ユニット３１１において行われる。この純水研磨は、被研磨膜を研磨することなく、研磨パッド４１や被研磨膜の表面の薬液等を除去する。
【００７２】
次に、ステップＳ２６において、被研磨膜（半導体基板１０）に対してロール洗浄が行われる。ロール洗浄は、半導体基板１０が第１研磨ユニット３１１から第１ロール洗浄ユニット３１２に輸送された後、その第１ロール洗浄ユニット３１２において行われる。このとき、半導体基板１０は、ロールブラシ５０によって物理的に洗浄されるとともに、薬液が供給されることによって化学的にも洗浄される。
【００７３】
次に、ステップＳ２７において、被研磨膜（半導体基板１０）に対してペンシル洗浄が行われる。ペンシル洗浄は、半導体基板１０が第１ロール洗浄ユニット３１２から第１ペンシル洗浄ユニット３１３に輸送された後、その第１ペンシル洗浄ユニット３１３において行われる。このとき、半導体基板１０は、ペンシルブラシ６０によって物理的に洗浄されるとともに、薬液が供給されることによって化学的にも洗浄される。ロール洗浄およびペンシル洗浄によって、第２研磨による半導体基板１０の表面異物（スラリーの薬液等）が除去される。
【００７４】
その後、半導体基板１０に対してドライアウトが行われ、半導体基板１０の表面の水分が除去される。ドライアウトは、ペンシル洗浄と同様、第１ペンシル洗浄ユニット３１３において行われる。
【００７５】
このように、本実施形態におけるＣＭＰでは、第１研磨および第２研磨が第１ＣＭＰユニット３１０において連続的に行われる。この際、第１研磨後に、研磨パッド４１および被研磨膜に対して有機酸による洗浄が行われる。有機酸による洗浄の原理について、以下に詳説する。
【００７６】
図９は、本実施形態に係るＣＭＰ方法の薬液処理を模式的に示す図である。図１０は、本実施形態に係るＣＭＰ方法の薬液処理の化学反応を示す図である。なお、ここでは、被研磨膜となる金属膜１６としてＷが用いられる場合について説明する。
【００７７】
図９に示すように、第１研磨（ステップＳ２１）において、スラリー供給ノズル４３によって研磨パッド４１上に金属膜１６用スラリー（第１ＣＭＰ用スラリー）が供給される。金属膜１６用スラリーには、酸化剤、添加剤、砥粒（シリカ）、および触媒としてのＦｅが含まれている。第１研磨において被研磨膜は金属膜１６であり、スラリー成分のうち触媒であるＦｅが金属膜１６の研磨レートを大きくする。第１研磨の終了後、研磨パッド４１や被研磨膜の表面に上記スラリー成分が残留する。
【００７８】
次に、有機酸および純水研磨（ステップＳ２２）において、スラリー供給ノズル４３によって有機酸溶液（有機酸および純水）が研磨パッド４１上に供給される。有機酸溶液には、有機酸として、例えばクエン酸が含まれている。クエン酸は、２つ以上の配位子を含んでいる。すなわち、図１０に示すように、研磨パッド４１上にクエン酸を供給することにより、研磨パッド４１や被研磨膜の表面のＦｅイオンとクエン酸とが反応して錯体化合物（キレート化合物）を形成する。このキレート化合物は、水溶性であるため、純水に溶解されて除去される。すなわち、残留しているＦｅイオンは、クエン酸および純水が供給されることによって、クエン酸とキレート化合物を形成し、純水に溶解されて除去される。また、残留している添加剤や砥粒は、純水等によって除去される。
【００７９】
その後、第２研磨（ステップＳ２４）において、スラリー供給ノズル４３によって研磨パッド４１上にバリアメタル１５用スラリー（第２ＣＭＰ用スラリー）が供給される。バリアメタル１５用スラリーには、酸化剤、および砥粒（シリカ）が含まれている。第２研磨において被研磨膜は金属膜１６、バリアメタル１５、および絶縁膜１４であり、バリアメタル１５用スラリーは金属膜１６、バリアメタル１５、および絶縁膜１４に対する研磨レートが同程度のスラリーである。このとき、研磨パッド４１や被研磨膜の表面には、Ｆｅが残留していないため、第２研磨において研磨レートの変移を抑制することができる。
【００８０】
なお、本実施形態において、有機酸としてクエン酸を例に説明したがこれに限らない。有機酸としては、第１ＣＭＰスラリーに含まれる触媒である金属イオンと反応してキレート化合物を形成するものであればよく、例えばリンゴ酸でもよい。また、第１ＣＭＰスラリーの触媒としてはＦｅに限らず、Ｃｕであってもよい。また、被研磨膜である金属膜１６としてはＷに限らず、Ｃｕであっても本実施形態は適用可能である。
【００８１】
［効果］
上記本実施形態によれば、ＣＭＰ工程における第１研磨（メタルＣＭＰ）と第２研磨（バリアメタルＣＭＰ）とをＣＭＰ装置３００内の同一チャンバー（同一ＣＭＰユニット、例えば第１ＣＭＰユニット３１０）において連続的に行う。これにより、ＣＭＰ装置３００内のユニット間の搬送回数を減らすことができ、ＣＭＰ時間を短縮することができる。
【００８２】
また、１つの半導体ウェハ（半導体基板１０）に対するＣＭＰ工程を一方のＣＭＰユニット（例えば、第１ＣＭＰユニット３１０）で行うことができる。このため、同時に他方のＣＭＰユニット（例えば、第２ＣＭＰユニット３２０）を用いて、別の半導体ウェハに対してＣＭＰ工程を行うことができる。したがって、生産性の向上を図ることができる。
【００８３】
また、本実施形態によれば、第１研磨後に、研磨パッド４１および被研磨膜の表面を有機酸によって洗浄することで、第１研磨のスラリー成分を除去している。これにより、第２研磨において第１研磨のスラリー成分が残留することによる研磨特性の劣化の抑制を図ることができる。言い換えると、第１研磨および第２研磨を同一チャンバーにて連続的に行うことによって生じる研磨特性の劣化を抑制することができる。以下に、本実施形態に係るＣＭＰ方法による研磨特性について説明する。なお、以下に示す検証結果等は、下記条件により実施されたものである。
【００８４】
ＣＭＰ装置：荏原製作所製 ＦＲＥＸ３００Ｘ
研磨パッド：ニッタハース製 発泡性パッド（ＩＣ１０００）
第１研磨スラリー：Ｃａｂｏｔ製 シリカスラリー（Ｗ７５７３Ｂ）
第２研磨スラリー：Ｃａｂｏｔ性 シリカスラリー（Ｗ７２０３）
有機酸：和光純薬製 有機酸水溶液（ＣＬＥＡＮ−１００）
研磨パッド冷却方法：高圧空気噴射
図１１は、本実施形態に係るＣＭＰ方法による配線の平坦性（金属膜１６のディッシング２１およびエロージョン２２の平坦性）とその比較例とを示すグラフである。図１２は、本実施形態に係るＣＭＰ方法による欠陥数（絶縁膜１４の欠陥２３の数）とその比較例とを示すグラフである。より具体的には、図１１および図１２は、第１研磨と第２研磨とを同一チャンバーにて連続的に行い、かつ第１研磨後に有機酸による洗浄を行った例（本実施形態）と、第１研磨と第２研磨とを別のチャンバーにて非連続で行った例（比較例）とを示している。
【００８５】
図１１に示すように、連続処理（本実施形態）の配線の平坦性と非連続処理（比較例）の配線の平坦性とは、ほぼ同等である。これは、第１研磨後の有機酸洗浄によりＦｅイオンを除去することで、第２研磨における金属膜１６の研磨レートが小さくなったためであると考えられる。すなわち、第２研磨において、金属膜１６と、バリアメタル１５および絶縁膜１４との研磨レートを同程度にすることで、金属膜１６のディッシング２１およびエロージョン２２を小さくすることができる。このように、本実施形態では、連続的にＣＭＰを行っても平坦性の劣化を抑制することができ、非連続にＣＭＰを行う場合に比べても同等の平坦性を有することができる。
【００８６】
一方、図１２に示すように、連続処理（本実施形態）の欠陥数は、非連続処理（比較例）の欠陥数に比べて減少している。欠陥２３は、第１研磨後および第２研磨後のそれぞれにおいて生じる。欠陥２３が生じた後に乾燥工程（ドライアウト）が行われると、その後、その欠陥２３の除去は困難になる。
【００８７】
非連続処理のＣＭＰ方法において、第１研磨後および第２研磨後にそれぞれ乾燥工程（ドライアウト）が行われる。すなわち、第１研磨において生じた欠陥２３と第２研磨において生じた欠陥２３とは、その後除去することが困難になるため、ともに残留することになる。
【００８８】
一方、連続処理のＣＭＰ方法において、第１研磨後、ウェット状態で有機酸および純水研磨、および純水研磨が行われた後、ドライアウトが行われずに第２研磨が行われる。すなわち、第１研磨において生じた欠陥２３に対して、ウェット状態で第２研磨が行われる。このため、第２研磨によって、第１研磨において生じた欠陥２３が除去され得る。すなわち、連続処理における欠陥２３は、主に第２研磨によって生じたもののみである。このため、連続処理の欠陥数は、非連続処理の欠陥数に比べて減少したと考えられる。
【００８９】
図１３は、本実施形態に係るＣＭＰ方法における第１研磨において用いられるスラリーの研磨レートを示すグラフである。より具体的には、図１３は、第１研磨において用いられるスラリー（Ｗ７５２３Ｂ）に有機酸を加えた場合（本実施形態）のＷおよびＳｉＯ２の研磨レートと、純水を加えた場合（比較例）のＷおよびＳｉＯ２の研磨レートとを示している。
【００９０】
図１３に示すように、第１研磨において用いられるスラリー（Ｗ７５２３Ｂ）に純水を加えて研磨を行う場合、Ｗの研磨レートはＳｉＯ２の研磨レートよりも高い。これは、スラリー中に存在する触媒成分（例えば、Ｆｅ）がＷの研磨レートを大きくしているためである。
【００９１】
これに対し、第１研磨において用いられるスラリー（Ｗ７５２３Ｂ）に有機酸を加えて研磨を行う場合、Ｗの研磨レートは小さくなる。これは、スラリー中に存在する触媒成分と有機酸が反応し、Ｗの酸化力を減少させたものと考えられる。すなわち、有機酸を加えることにより、Ｗの研磨レートを大きくする触媒の効果を抑制できる。
【００９２】
また、第１研磨において用いられるスラリー（Ｗ７５２３Ｂ）に有機酸を加えて研磨を行う場合、ＳｉＯ２の研磨レートは大きくなる。また、図示はしないが、バリアメタルの研磨レートは変わらない。
【００９３】
ところで、図１４に示すように、研磨パッド４１の弾性率は温度に依存する。より具体的には、研磨パッド４１の弾性率は、その温度が上昇すると低下する。研磨パッド４１の弾性率が変移することで、研磨特性も変移する。すなわち、研磨パッド４１の表面温度が変動することで、研磨特性も変移する。その結果、研磨特性が劣化する。
【００９４】
これに対し、本実施形態によれば、冷却ノズル４５や研磨パッド４１と被研磨膜との研磨荷重を調整することにより、第１研磨工程から第２研磨工程まで研磨パッド４１の表面の温度を一定に制御しながら行われる。これは、第１研磨工程から第２研磨工程までを同一テーブルにて連続的に行うことで可能になる。すなわち、第１研磨工程と第２研磨工程とを連続処理することにより、その間に研磨パッド４１表面のドレッサー工程を行わない。このため、第１研磨工程から第２研磨工程まで研磨パッド４１表面のコンディション（温度）を変えずに処理することができる。したがって、第１研磨工程から第２研磨工程まで研磨特性を安定させたまま処理を行うことができる。
【００９５】
その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【符号の説明】
【００９６】
１０…半導体基板、１４…絶縁膜、１５…バリアメタル、１６…金属膜、４１…研磨パッド、Ａ…配線溝。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置における多層配線や素子分離の形成工程において、表面を平坦化する工程として、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法が多用されている。特に、多層配線における平坦化プロセスにおいては、配線となる金属膜のＣＭＰ（メタルＣＭＰ）と、配線の表面に形成される下地膜のＣＭＰ（バリアメタルＣＭＰ）とがある。これら２つのＣＭＰ工程は、通常、非連続に処理される。すなわち、ＣＭＰ装置内において、これらのＣＭＰは、別チャンバー内（別研磨パッド上）で行われる。
【０００３】
メタルＣＭＰとバリアメタルＣＭＰとを非連続で行う理由としては、メタルＣＭＰとバリアメタルＣＭＰとで使用されるスラリー構成が異なること、また連続処理による研磨時間増加によって研磨特性の安定性が低下すること等が挙げられる。
【０００４】
例えば、金属膜としてＷが用いられるメタルＣＭＰにおいて、Ｗの研磨速度が配線間絶縁膜であるＳｉＯ２の研磨速度より大きくなるようなスラリーが用いられる。このとき、スラリーによるＷとＳｉＯ２との研磨レート比は、Ｗ／ＳｉＯ２が１０以上であることが望ましい。このため、Ｗの研磨レートの促進のために、スラリーに酸化剤が添加されることが一般的である。また、酸化剤の酸化力を高めるために、触媒としてＦｅイオンが含有される場合もある。
【０００５】
一方、バリアメタルＣＭＰにおいて、ＷおよびＳｉＯ２に対して実用的な研磨速度を得るため、またこれらの研磨レートのバランスをとるために、スラリーのｐＨはアルカリ性であることが多い。また、Ｗの研磨レートを抑制するために、スラリーに酸化力を抑えた酸化剤、もしくは酸化抑制剤が添加されることが一般的である。
【０００６】
これに対し、生産性の観点からメタルＣＭＰおよびバリアメタルＣＭＰを連続的に処理する（同一チャンバー内で処理する）ことが提案されている。しかし、メタルＣＭＰおよびバリアメタルＣＭＰを連続処理する際に各ＣＭＰにおけるスラリーの液性が逆の場合、有効成分を互いに相殺しあうことが多い。また、砥粒同士の凝集も発生し、所望の研磨特性を得ることができない。仮に、メタルＣＭＰおよびバリアメタルＣＭＰで液性が同じ、すなわち同極性かつ類似成分のスラリーを用いた場合であっても、メタルＣＭＰにおけるスラリーに含有される高酸化力を有する酸化剤や触媒が、バリアメタルＣＭＰ中もパッド表面に残留し、研磨レートを変動させる。
【０００７】
また、研磨条件、パッドコンディションによってスラリーの成分残留量も変動するため、研磨特性が安定しない。さらに、２種類のＣＭＰ工程を連続して行うため、連続する研磨時間の増加にともないパッド弾性率も変化する。このため、後工程であるバリアメタルＣＭＰの研磨特性の変動も大きくなる。
【０００８】
このように、２つのＣＭＰ工程を連続的に処理した場合、非連続で処理した場合に比べて、研磨特性が劣化する。ＣＭＰ工程の連続処理に向けた対策として、メタルＣＭＰのスラリーとバリアメタルＣＭＰのスラリーとの成分をより類似性の高いものにして処理する方法が有力である。しかし、２つのＣＭＰ工程におけるスラリーの類似性を高めることには限界があり、連続処理における研磨特性を非連続処理における研磨特性と同程度にすることは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３９１７５９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＣＭＰ工程において、生産性の向上を図りつつ、ＣＭＰ特性の劣化の抑制を図る半導体装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面上に、絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜内に、溝を形成する工程と、前記絶縁膜上に、下地膜を形成する工程と、前記下地膜上に、前記溝が埋まるように金属膜を形成する工程と、前記半導体基板の表面を回転する研磨パッドに当接させ、前記研磨パッド上に金属イオンを含む第１ＣＭＰスラリーを供給することで、前記溝外の前記金属膜を除去する第１研磨を行う工程と、前記半導体基板の表面を前記研磨パッドに当接させ、前記研磨パッド上に有機酸および純水を供給することで、前記研磨パッドおよび前記半導体基板の表面を洗浄する工程と、前記半導体基板の表面を前記研磨パッドに当接させ、前記研磨パッド上に前記第１ＣＭＰスラリーと異なる第２ＣＭＰスラリーを供給することで、前記溝外の前記下地膜を除去する第２研磨を行う工程と、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図。
【図２】ＣＭＰ後の配線構造を示す断面図。
【図３】本実施形態に係るＣＭＰ装置を示す平面図。
【図４】図３における第１研磨ユニットの構成を示す図。
【図５】図３における第１ロール洗浄ユニットの構成を示す図。
【図６】図３における第１ペンシル洗浄ユニットの構成を示す図。
【図７】本実施形態に係るＣＭＰ方法の比較例を示すフローチャート。
【図８】本実施形態に係るＣＭＰ方法を示すフローチャート。
【図９】本実施形態に係るＣＭＰ方法の薬液処理を模式的に示す図。
【図１０】本実施形態に係るＣＭＰ方法の薬液処理の化学反応を示す図。
【図１１】本実施形態に係るＣＭＰ方法による配線の平坦性とその比較例とを示すグラフ。
【図１２】本実施形態に係るＣＭＰ方法による欠陥数とその比較例とを示すグラフ。
【図１３】本実施形態に係るＣＭＰ方法における第１研磨において用いられるスラリーの研磨レートを示すグラフ。
【図１４】本実施形態に係るＣＭＰ装置における研磨パッドの弾性率の温度依存性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本実施形態を以下に図面を参照して説明する。なお、図面において、同一部分には同一の参照符号を付す。また、重複する説明は、必要に応じて行う。
【００１４】
＜実施形態＞
図１乃至図１４を用いて、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、配線構造の製造工程におけるＣＭＰ工程に関するものであり、メタルＣＭＰとバリアメタル（ＢＭ）ＣＭＰとを同一チャンバーで連続的に行う例である。これにより、生産性の向上を図ることができる。また、このとき、メタルＣＭＰの後に、有機酸によって研磨パッドおよび半導体基板の表面を洗浄する。これにより、メタルＣＭＰで用いたスラリーの成分で、かつその後のバリアメタルＣＭＰの研磨レートを変動させる成分を除去することができ、連続処理による研磨特性の劣化を抑制することができる。以下に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について詳説する。
【００１５】
［配線構造の製造方法］
図１および図２を用いて、本実施形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程について説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。図２は、ＣＭＰ後の配線構造を示す断面図である。
【００１７】
まず、図１（ａ）に示すように、半導体素子（図示せず）が形成された半導体基板１０上に、絶縁膜１１が形成される。絶縁膜１１は、例えばＳｉＯ２で構成される。この絶縁膜１１にコンタクトホールが形成され、このコンタクトホール内にバリアメタル１２を介してコンタクトプラグ１３が形成される。バリアメタル１２は例えばＴｉもしくはＴａまたはこれらの窒化物で構成され、コンタクトプラグ１３は例えばＷで構成される。これにより、絶縁膜１１、バリアメタル１２およびコンタクトプラグ１３を含むコンタクト層が形成される。
【００１８】
次に、コンタクト層上に、絶縁膜１４が形成される。絶縁膜１４は、例えばＳｉＯ２で構成される。この絶縁膜１４内に、凹部としての配線溝Ａが形成される。配線溝Ａは、例えば、被覆率が５０％の配線となるように形成される。
【００１９】
次に、全面に、常法（例えば、ＣＶＤ法）により配線の下地膜となるバリアメタル１５が形成される。すなわち、配線溝Ａ内および配線溝Ａ外の絶縁膜１４上に、バリアメタル１５が形成される。バリアメタル１５は、例えば、ＴｉもしくはＴａまたはこれらの窒化物で構成される。
【００２０】
次に、全面に、常法（例えば、ＣＶＤ法）により配線溝Ａ内が埋まるように配線となる金属膜１６が形成される。すなわち、配線溝Ａ内および配線溝Ａ外のバリアメタル１５上に、金属膜１６が形成される。金属膜１６は、例えばＷまたはＣｕで構成される。
【００２１】
次に、全面に、ＣＭＰが行われる。このＣＭＰ工程において、第１研磨（メタルＣＭＰ）および第２研磨（バリアメタルＣＭＰ）が行われる。なお、第２研磨はタッチアップとも称される。
【００２２】
より具体的には、図１（ｂ）に示すように、第１研磨において、配線溝Ａ外に形成された余分な金属膜１６が除去される。これにより、配線溝Ａ内に、金属膜１６が埋め込まれる。また、配線溝Ａ外において、バリアメタル１５の表面が露出される。すなわち、第１研磨では、主に金属膜１６（例えば、ＷまたはＣｕ）が被研磨膜となる。
【００２３】
その後、図１（ｃ）に示すように、第２研磨において、配線溝Ａ外に形成されたバリアメタル１５が除去される。これにより、配線溝Ａ外において、絶縁膜１４の表面が露出される。このとき、金属膜１６やバリアメタル１５を完全に除去するために、絶縁膜１４の表面の一部も除去される。すなわち、第２研磨では、主に金属膜１６（例えば、ＷまたはＣｕ）、バリアメタル１５（例えば、ＴｉもしくはＴａまたはこれらの窒化物）、および絶縁膜１４（例えば、ＳｉＯ２）が被研磨膜となる。これにより、絶縁膜１４、バリアメタル１５および金属膜１６を含む配線層が形成される。本実施形態に係るＣＭＰの詳細については、後述する。
【００２４】
図２に示すように、ＣＭＰ工程後において、金属膜１６に、ディッシング２１、エロージョン２２が生じる。また、絶縁膜１４に、欠陥（defect）２３が生じる。これらは、配線の特性を劣化させる要因となる。
【００２５】
通常、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にて連続に行う場合、別のターンテーブルにて非連続に行う場合に比べて、研磨特性が劣化する。このため、連続処理の場合、ディッシング２１、エロージョン２２および欠陥２３が増大する。
【００２６】
これに対し、本実施形態は、第１研磨および第２研磨を連続処理しながらも、研磨特性の劣化を抑制するＣＭＰ方法の例である。
【００２７】
［ＣＭＰ装置］
図３乃至図６を用いて、本実施形態に係るＣＭＰ装置３００について説明する。なお、ここでは、ＣＭＰ装置３００として荏原製作所製のＦＲＥＸ３００Ｘを用いる例を示している。
【００２８】
図３は、本実施形態に係るＣＭＰ装置３００を示す平面図である。
【００２９】
図３に示すように、ＣＭＰ装置３００は、第１ＣＭＰユニット３１０および第２ＣＭＰユニット３２０を備えている。
【００３０】
第１ＣＭＰユニット３１０は、第１研磨ユニット３１１、第１ロール洗浄ユニット３１２、および第１ペンシル洗浄ユニット３１３を有している。半導体基板１０（被研磨膜）は、図示せぬ輸送ユニットによって、第１研磨ユニット３１１、第１ロール洗浄ユニット３１２、および第１ペンシル洗浄ユニット３１３の順に輸送される。すなわち、半導体基板１０は、第１研磨ユニット３１１において研磨された後、第１ロール洗浄ユニット３１２においてロール洗浄され、第１ペンシル洗浄ユニット３１３においてペンシル洗浄される。以下に、各ユニットについて詳説する。
【００３１】
図４は、図３における第１研磨ユニット３１１の構成を示す図である。
【００３２】
図４に示すように、第１研磨ユニット３１１には、表面に研磨パッド４１が貼付されたターンテーブル４０が設置されている。
【００３３】
被研磨膜の研磨において、ターンテーブル４０上に貼付された研磨パッド４１に、半導体基板１０（被研磨膜）が当接される。ターンテーブル４０は１〜２００ｒｐｍで回転可能であり、トップリング４２は１〜２００ｒｐｍで回転可能である。これらターンテーブル４０およびトップリング４２はそれぞれ、例えば反時計回りに回転する。また、研磨中、ターンテーブル４０およびトップリング４２は、一定方向に回転する。これらの研磨荷重は、通常５０〜５００ｈＰａ程度であるが、これに限らず適宜調整可能である。
【００３４】
また、研磨パッド４１上には、スラリー供給ノズル４３が配置されている。このスラリー供給ノズル４３からは、スラリーとして所定の薬液を５０〜５００ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給することができる。
【００３５】
また、研磨パッド４１上には、圧縮空気、あるいは窒素ガスなどを研磨パッド４１に向けて噴出する冷却ノズル４５が配置されている。この冷却ノズル４５は、０〜１０００ｌ／ｍｉｎ程度の範囲で圧縮空気を研磨パッド４１に噴出し、研磨中の研磨パッド４１の表面の温度を制御する。
【００３６】
さらに、図４において、研磨パッド４１上には、ドレッサー４６も併せて示してある。このドレッサー４６は、被研磨膜の研磨終了後、１〜２００ｒｐｍで回転させつつ、５０〜５００ｈＰａの荷重で研磨パッド４１に当接される。これにより、ドレッサー４６は、研磨パッド４１の表面のコンディショニングを行なう。
【００３７】
図５は、図３における第１ロール洗浄ユニット３１２の構成を示す図である。
【００３８】
図５に示すように、第１ロール洗浄ユニット３１２には、ロール洗浄を行うロールブラシ５０が設置されている。
【００３９】
被研磨膜のロール洗浄において、ロールブラシ５０は、半導体基板１０の表面（被研磨膜側）および裏面に各１つずつ設置される。このロールブラシ５０は、半導体基板１０の直径分の長さを有し、半導体基板１０の直径上に設置される。また、ロールブラシ５０は、円柱状であり、円柱の中心軸を回転軸として回転することで半導体基板１０の両面を洗浄する。このとき、半導体基板１０は、図示せぬ保持部に保持され、一定方向に回転している。ロール洗浄において、半導体基板１０は、ロールブラシ５０によって物理的に洗浄されるとともに、薬液が供給されることによって化学的にも洗浄される。ロール洗浄は、次工程のペンシル洗浄よりも粗い洗浄である。
【００４０】
図６は、図３における第１ペンシル洗浄ユニット３１３の構成を示す図である。
【００４１】
図６に示すように、第１ペンシル洗浄ユニット３１３には、ペンシル洗浄を行うペンシルブラシ６０が設置されている。
【００４２】
被研磨膜のペンシル洗浄において、ペンシルブラシ６０は、半導体基板１０（被研磨膜）の表面に設置される。このペンシルブラシ６０は、半導体基板１０上において左右に駆動しながら半導体基板１０の表面を洗浄する。このとき、半導体基板１０は、図示せぬ保持部に保持され、一定方向に回転している。ペンシル洗浄において、半導体基板１０は、ペンシルブラシ６０によって物理的に洗浄されるとともに、薬液が供給されることによって化学的にも洗浄される。ペンシル洗浄は、前工程のロール洗浄よりも細かい洗浄である。
【００４３】
また、半導体基板１０は、ペンシル洗浄後、第１ペンシル洗浄ユニット３１３においてドライアウト（乾燥）される。
【００４４】
第２ＣＭＰユニット３２０は、第２研磨ユニット３２１、第２ロール洗浄ユニット３２２、および第２ペンシル洗浄ユニット３２３を有している。半導体基板１０（被研磨膜）は、第１ＣＭＰユニット３１０において処理が終了した後、図示せぬ輸送ユニットによって、第２研磨ユニット３２１、第２ロール洗浄ユニット３２２、および第２ペンシル洗浄ユニット３２３の順に輸送される。
【００４５】
第２ＣＭＰユニット３２０における第２研磨ユニット３２１、第２ロール洗浄ユニット３２２、および第２ペンシル洗浄ユニット３２３はそれぞれ、第１ＣＭＰユニット３１０における第１研磨ユニット３１１、第１ロール洗浄ユニット３１２、および第１ペンシル洗浄ユニット３１３と同様の構成を有している。
【００４６】
しかし、図３に示すように、第２研磨ユニット３２１には、第１研磨ユニット３１１のターンテーブル４０とは異なるターンテーブル４０’が設置されている。このため、第２ＣＭＰユニット３２０では、被研磨膜に対して第１ＣＭＰユニット３１０と異なるＣＭＰ工程が行われ得る。また、これに限らず、第１ＣＭＰユニット３１０と第２ＣＭＰユニット３２０とで、別々の半導体基板１０に対して同時にＣＭＰ工程を行うことも可能である。
【００４７】
［ＣＭＰ方法］
図７乃至図１０を用いて、本実施形態に係るＣＭＰ方法およびその比較例について説明する。なお、ここでは、配線構造における金属膜１６としてＷが形成された場合におけるＣＭＰ方法について説明するが、金属膜１６としてはこれに限らない。
【００４８】
図７は、本実施形態に係るＣＭＰ方法の比較例を示すフローチャートである。
【００４９】
図７に示すように、比較例によれば、まず、ステップＳ１１において、被研磨膜に対して第１研磨が行われる。第１研磨は、半導体基板１０が第１研磨ユニット３１１に輸送された後、その第１研磨ユニット３１１において行われる。このとき、被研磨膜として主に図１に示す金属膜１６（Ｗ）が研磨される。このため、研磨パッド４１に供給されるスラリーとしては、例えばＣａｂｏｔ製のシリカスラリー（Ｗ７５２３Ｂ）が用いられる。この第１研磨におけるスラリー（第１ＣＭＰスラリー）は、酸化剤、添加剤、砥粒（シリカ）、および触媒としてのＦｅを含み、Ｗに対する研磨レートが大きいスラリーである。ここで、酸化剤としては、過硫酸アンモニウムまたは過酸化水素水が挙げられる。
【００５０】
次に、ステップＳ１２において、スラリーの供給がとめられ、純水を供給することで研磨パッド４１および被研磨膜（半導体基板１０）に対して純水研磨（純水洗浄）が行われる。純水研磨は、第１研磨と同様、第１研磨ユニット３１１において行われる。この純水研磨は、被研磨膜を研磨することなく、研磨パッド４１や被研磨膜の表面の薬液等を除去する。
【００５１】
次に、ステップＳ１３において、被研磨膜（半導体基板１０）に対してロール洗浄が行われる。第１研磨後のロール洗浄は、半導体基板１０が第１研磨ユニット３１１から第１ロール洗浄ユニット３１２に輸送された後、その第１ロール洗浄ユニット３１２において行われる。このとき、半導体基板１０は、ロールブラシ５０によって物理的に洗浄されるとともに、薬液が供給されることによって化学的にも洗浄される。
【００５２】
次に、ステップＳ１４において、被研磨膜（半導体基板１０）に対してペンシル洗浄が行われる。第１研磨後のペンシル洗浄は、半導体基板１０が第１ロール洗浄ユニット３１２から第１ペンシル洗浄ユニット３１３に輸送された後、その第１ペンシル洗浄ユニット３１３において行われる。このとき、半導体基板１０は、ペンシルブラシ６０によって物理的に洗浄されるとともに、薬液が供給されることによって化学的にも洗浄される。ロール洗浄およびペンシル洗浄によって、第１研磨による半導体基板１０の表面異物（スラリーの薬液等）が除去される。
【００５３】
その後、半導体基板１０に対してドライアウトが行われ、半導体基板１０の表面の水分が除去される。ドライアウトは、ペンシル洗浄と同様、第１ペンシル洗浄ユニット３１３において行われる。
【００５４】
このように、被研磨膜を金属膜１６とした第１研磨工程、およびその後の洗浄工程（第１研磨後のロール洗浄およびペンシル洗浄）は、第１ＣＭＰユニット３１０において行われる。
【００５５】
次に、ステップＳ１５において、被研磨膜に対して第２研磨（タッチアップ）が行われる。第２研磨は、半導体基板１０が第２研磨ユニット３２１に輸送された後、その第２研磨ユニット３２１において行われる。このとき、被研磨膜として主に図１に示す金属膜１６（Ｗ）、バリアメタル１５、および絶縁膜１４（ＳｉＯ２）が研磨される。このため、研磨パッド４１に供給されるスラリーとしては、例えばＣａｂｏｔ製のシリカスラリー（Ｗ７２０３）が用いられる。この第２研磨におけるスラリー（第２ＣＭＰスラリー）は、酸化剤、および砥粒（シリカ）を含み、金属膜１６（Ｗ）、バリアメタル１５、および絶縁膜１４（ＳｉＯ２）に対する研磨レートが同程度のスラリーである。なお、金属膜１６（Ｗ）に対する研磨レートは、バリアメタル１５、および絶縁膜１４（ＳｉＯ２）に対する研磨レートより低いほうが望ましい。ここで、酸化剤としては、過硫酸アンモニウムまたは過酸化水素水が挙げられる。
【００５６】
次に、ステップＳ１６において、スラリーの供給がとめられ、純水を供給することで研磨パッド４１および被研磨膜に対して純水研磨が行われる。純水研磨は、第２研磨と同様、第２研磨ユニット３２１において行われる。この純水研磨は、被研磨膜を研磨することなく、研磨パッド４１や被研磨膜の表面の薬液等を除去する。
【００５７】
次に、ステップＳ１７において、被研磨膜（半導体基板１０）に対してロール洗浄が行われる。第２研磨後のロール洗浄は、半導体基板１０が第２研磨ユニット３２１から第２ロール洗浄ユニット３２２に輸送された後、その第２ロール洗浄ユニット３２２において行われる。このとき、半導体基板１０は、ロールブラシ５０によって物理的に洗浄されるとともに、薬液が供給されることによって化学的にも洗浄される。
【００５８】
次に、ステップＳ１８において、被研磨膜（半導体基板１０）に対してペンシル洗浄が行われる。第２研磨後のペンシル洗浄は、半導体基板１０が第２ロール洗浄ユニット３２２から第２ペンシル洗浄ユニット３２３に輸送された後、その第２ペンシル洗浄ユニット３２３において行われる。このとき、半導体基板１０は、ペンシルブラシ６０によって物理的に洗浄されるとともに、薬液が供給されることによって化学的にも洗浄される。ロール洗浄およびペンシル洗浄によって、第２研磨による半導体基板１０の表面異物（スラリーの薬液等）が除去される。
【００５９】
その後、半導体基板１０に対してドライアウトが行われ、半導体基板１０の表面の水分が除去される。ドライアウトは、ペンシル洗浄と同様、第２ペンシル洗浄ユニット３２３において行われる。
【００６０】
このように、被研磨膜を金属膜１６、バリアメタル１５、および絶縁膜１４とした第２研磨工程、およびその後の洗浄工程（第２研磨後のロール洗浄およびペンシル洗浄）は、第２ＣＭＰユニット３２０において行われる。
【００６１】
上述したように、比較例によれば、第１研磨後に２段階の洗浄（ロール洗浄およびペンシル洗浄）を行うことで被研磨膜表面のスラリー成分を除去した後、第１研磨とは異なる研磨ユニット（ターンテーブル）にて第２研磨を行う。すなわち、第１研磨と第２研磨とを非連続に行う。しかし、このような非連続処理では、２段階の洗浄やユニット間の半導体基板１０の搬送によって、ＣＭＰ時間が増大してしまう。また、１つの半導体基板１０に対するＣＭＰのために、２つのＣＭＰユニット（第１ＣＭＰユニット３１０および第２ＣＭＰユニット３２０）を用いる必要があるため、生産性に問題が生じてしまう。
【００６２】
上記非連続処理に対し、第１研磨と第２研磨とを同一の研磨ユニットにて連続処理で行う場合、研磨特性が劣化してしまう。これは、連続処理の場合、第１研磨後にロール洗浄およびペンシル洗浄を行わず、洗浄が不十分であるため、第２研磨において第１研磨のスラリー成分が研磨パッド４０上や被研磨膜の表面に残留することが原因であると考えられる。特に、第１研磨におけるスラリーに含まれるＦｅイオンは、金属膜１６であるＷの研磨レートを大きくする。このため、第２研磨においても金属膜１６の研磨レートが大きくなり、結果として研磨特性の劣化が生じる。
【００６３】
これに対し、本実施形態は、第１研磨と第２研磨とを連続処理で行いながら、研磨特性の劣化を抑制するＣＭＰ方法である。
【００６４】
図８は、本実施形態に係るＣＭＰ方法を示すフローチャートである。
【００６５】
図８に示すように、本実施形態によれば、まず、ステップＳ２１において、被研磨膜に対して第１研磨が行われる。第１研磨は、半導体基板１０が第１研磨ユニット３１１に輸送された後、その第１研磨ユニット３１１において行われる。このとき、被研磨膜として主に図１に示す金属膜１６（Ｗ）が研磨される。このため、研磨パッド４１に供給されるスラリーとしては、例えばＣａｂｏｔ製のシリカスラリー（Ｗ７５２３Ｂ）が用いられる。この第１研磨におけるスラリー（第１ＣＭＰスラリー）は、酸化剤、添加剤、砥粒（シリカ）、および触媒としてのＦｅを含み、Ｗに対する研磨レートが大きいスラリーである。ここで、酸化剤としては、過硫酸アンモニウムまたは過酸化水素水が挙げられる。
【００６６】
また、第１研磨は、冷却ノズル４５や研磨パッド４１と被研磨膜との研磨荷重を調整することにより、研磨パッド４１の表面の温度を制御しながら行われる。より具体的には、第１研磨中、研磨パッド４１の表面の温度は一定になるように制御され、その温度は３０〜６５℃程度である。これにより、研磨パッド４１の特性（例えば、弾性率）を変移させることなく研磨することができる。また、被研磨膜の研磨レートが高くなるような所望の温度で行われてもよい。
【００６７】
次に、ステップＳ２２において、スラリーの供給がとめられ、有機酸および純水（有機酸溶液）を供給することで研磨パッド４１および被研磨膜に対して有機酸および純水研磨（有機酸および純水洗浄）が行われる。有機酸および純水研磨は、第１研磨と同様、第１研磨ユニット３１１において行われる。これにより、第１研磨に用いられたスラリー成分を研磨パッド４１および被研磨膜の表面から除去することができる。また、このとき、被研磨膜は研磨されない。この有機酸および純水研磨の詳細については、後述する。
【００６８】
次に、ステップＳ２３において、有機酸の供給がとめられ、純水のみを供給することで研磨パッド４１および被研磨膜に対して純水研磨が行われる。純水研磨は、第１研磨と同様、第１研磨ユニット３１１において行われる。この純水研磨は、被研磨膜を研磨することなく、研磨パッド４１や被研磨膜の表面の薬液（有機酸等）を除去する。これにより、次工程である第２研磨において、有機酸が残留することによって研磨レートに影響を与えることを抑制できる。
【００６９】
次に、ステップＳ２４において、被研磨膜に対して第２研磨（タッチアップ）が行われる。第２研磨は、第１研磨と同様、第１研磨ユニット３１１において行われる。このとき、被研磨膜として主に図１に示す金属膜１６（Ｗ）、バリアメタル１５、および絶縁膜１４（ＳｉＯ２）が研磨される。このため、研磨パッド４１に供給されるスラリーとしては、例えばＣａｂｏｔ製のシリカスラリー（Ｗ７２０３）が用いられる。この第２研磨におけるスラリー（第２ＣＭＰスラリー）は、酸化剤、および砥粒（シリカ）を含み、金属膜１６（Ｗ）、バリアメタル１５、および絶縁膜１４（ＳｉＯ２）に対する研磨レートが同程度のスラリーである。なお、金属膜１６（Ｗ）に対する研磨レートは、バリアメタル１５、および絶縁膜１４（ＳｉＯ２）に対する研磨レートより低いほうが望ましい。また、第２ＣＭＰスラリーは、第１ＣＭＰスラリーに比べて、バリアメタル１５、および絶縁膜１４に対して大きい研磨レートを有する。ここで、酸化剤としては、過硫酸アンモニウムまたは過酸化水素水が挙げられる。
【００７０】
また、第１研磨と同様、有機酸および純水研磨、純水研磨、および第２研磨は、冷却ノズル４５や研磨パッド４１と被研磨膜との研磨荷重を調整することにより、研磨パッド４１の表面の温度を制御しながら行われる。すなわち、第１研磨工程から第２研磨工程まで、研磨パッド４１の表面の温度を一定にするように被研磨膜の研磨が行われる。これにより、研磨パッド４１の特性を変移させることなく安定させてこれらの工程が行われる。
【００７１】
次に、ステップＳ２５において、スラリーの供給がとめられ、純水を供給することで研磨パッド４１および被研磨膜に対して純水研磨が行われる。純水研磨は、第１研磨と同様、第１研磨ユニット３１１において行われる。この純水研磨は、被研磨膜を研磨することなく、研磨パッド４１や被研磨膜の表面の薬液等を除去する。
【００７２】
次に、ステップＳ２６において、被研磨膜（半導体基板１０）に対してロール洗浄が行われる。ロール洗浄は、半導体基板１０が第１研磨ユニット３１１から第１ロール洗浄ユニット３１２に輸送された後、その第１ロール洗浄ユニット３１２において行われる。このとき、半導体基板１０は、ロールブラシ５０によって物理的に洗浄されるとともに、薬液が供給されることによって化学的にも洗浄される。
【００７３】
次に、ステップＳ２７において、被研磨膜（半導体基板１０）に対してペンシル洗浄が行われる。ペンシル洗浄は、半導体基板１０が第１ロール洗浄ユニット３１２から第１ペンシル洗浄ユニット３１３に輸送された後、その第１ペンシル洗浄ユニット３１３において行われる。このとき、半導体基板１０は、ペンシルブラシ６０によって物理的に洗浄されるとともに、薬液が供給されることによって化学的にも洗浄される。ロール洗浄およびペンシル洗浄によって、第２研磨による半導体基板１０の表面異物（スラリーの薬液等）が除去される。
【００７４】
その後、半導体基板１０に対してドライアウトが行われ、半導体基板１０の表面の水分が除去される。ドライアウトは、ペンシル洗浄と同様、第１ペンシル洗浄ユニット３１３において行われる。
【００７５】
このように、本実施形態におけるＣＭＰでは、第１研磨および第２研磨が第１ＣＭＰユニット３１０において連続的に行われる。この際、第１研磨後に、研磨パッド４１および被研磨膜に対して有機酸による洗浄が行われる。有機酸による洗浄の原理について、以下に詳説する。
【００７６】
図９は、本実施形態に係るＣＭＰ方法の薬液処理を模式的に示す図である。図１０は、本実施形態に係るＣＭＰ方法の薬液処理の化学反応を示す図である。なお、ここでは、被研磨膜となる金属膜１６としてＷが用いられる場合について説明する。
【００７７】
図９に示すように、第１研磨（ステップＳ２１）において、スラリー供給ノズル４３によって研磨パッド４１上に金属膜１６用スラリー（第１ＣＭＰ用スラリー）が供給される。金属膜１６用スラリーには、酸化剤、添加剤、砥粒（シリカ）、および触媒としてのＦｅが含まれている。第１研磨において被研磨膜は金属膜１６であり、スラリー成分のうち触媒であるＦｅが金属膜１６の研磨レートを大きくする。第１研磨の終了後、研磨パッド４１や被研磨膜の表面に上記スラリー成分が残留する。
【００７８】
次に、有機酸および純水研磨（ステップＳ２２）において、スラリー供給ノズル４３によって有機酸溶液（有機酸および純水）が研磨パッド４１上に供給される。有機酸溶液には、有機酸として、例えばクエン酸が含まれている。クエン酸は、２つ以上の配位子を含んでいる。すなわち、図１０に示すように、研磨パッド４１上にクエン酸を供給することにより、研磨パッド４１や被研磨膜の表面のＦｅイオンとクエン酸とが反応して錯体化合物（キレート化合物）を形成する。このキレート化合物は、水溶性であるため、純水に溶解されて除去される。すなわち、残留しているＦｅイオンは、クエン酸および純水が供給されることによって、クエン酸とキレート化合物を形成し、純水に溶解されて除去される。また、残留している添加剤や砥粒は、純水等によって除去される。
【００７９】
その後、第２研磨（ステップＳ２４）において、スラリー供給ノズル４３によって研磨パッド４１上にバリアメタル１５用スラリー（第２ＣＭＰ用スラリー）が供給される。バリアメタル１５用スラリーには、酸化剤、および砥粒（シリカ）が含まれている。第２研磨において被研磨膜は金属膜１６、バリアメタル１５、および絶縁膜１４であり、バリアメタル１５用スラリーは金属膜１６、バリアメタル１５、および絶縁膜１４に対する研磨レートが同程度のスラリーである。このとき、研磨パッド４１や被研磨膜の表面には、Ｆｅが残留していないため、第２研磨において研磨レートの変移を抑制することができる。
【００８０】
なお、本実施形態において、有機酸としてクエン酸を例に説明したがこれに限らない。有機酸としては、第１ＣＭＰスラリーに含まれる触媒である金属イオンと反応してキレート化合物を形成するものであればよく、例えばリンゴ酸でもよい。また、第１ＣＭＰスラリーの触媒としてはＦｅに限らず、Ｃｕであってもよい。また、被研磨膜である金属膜１６としてはＷに限らず、Ｃｕであっても本実施形態は適用可能である。
【００８１】
［効果］
上記本実施形態によれば、ＣＭＰ工程における第１研磨（メタルＣＭＰ）と第２研磨（バリアメタルＣＭＰ）とをＣＭＰ装置３００内の同一チャンバー（同一ＣＭＰユニット、例えば第１ＣＭＰユニット３１０）において連続的に行う。これにより、ＣＭＰ装置３００内のユニット間の搬送回数を減らすことができ、ＣＭＰ時間を短縮することができる。
【００８２】
また、１つの半導体ウェハ（半導体基板１０）に対するＣＭＰ工程を一方のＣＭＰユニット（例えば、第１ＣＭＰユニット３１０）で行うことができる。このため、同時に他方のＣＭＰユニット（例えば、第２ＣＭＰユニット３２０）を用いて、別の半導体ウェハに対してＣＭＰ工程を行うことができる。したがって、生産性の向上を図ることができる。
【００８３】
また、本実施形態によれば、第１研磨後に、研磨パッド４１および被研磨膜の表面を有機酸によって洗浄することで、第１研磨のスラリー成分を除去している。これにより、第２研磨において第１研磨のスラリー成分が残留することによる研磨特性の劣化の抑制を図ることができる。言い換えると、第１研磨および第２研磨を同一チャンバーにて連続的に行うことによって生じる研磨特性の劣化を抑制することができる。以下に、本実施形態に係るＣＭＰ方法による研磨特性について説明する。なお、以下に示す検証結果等は、下記条件により実施されたものである。
【００８４】
ＣＭＰ装置：荏原製作所製 ＦＲＥＸ３００Ｘ
研磨パッド：ニッタハース製 発泡性パッド（ＩＣ１０００）
第１研磨スラリー：Ｃａｂｏｔ製 シリカスラリー（Ｗ７５７３Ｂ）
第２研磨スラリー：Ｃａｂｏｔ性 シリカスラリー（Ｗ７２０３）
有機酸：和光純薬製 有機酸水溶液（ＣＬＥＡＮ−１００）
研磨パッド冷却方法：高圧空気噴射
図１１は、本実施形態に係るＣＭＰ方法による配線の平坦性（金属膜１６のディッシング２１およびエロージョン２２の平坦性）とその比較例とを示すグラフである。図１２は、本実施形態に係るＣＭＰ方法による欠陥数（絶縁膜１４の欠陥２３の数）とその比較例とを示すグラフである。より具体的には、図１１および図１２は、第１研磨と第２研磨とを同一チャンバーにて連続的に行い、かつ第１研磨後に有機酸による洗浄を行った例（本実施形態）と、第１研磨と第２研磨とを別のチャンバーにて非連続で行った例（比較例）とを示している。
【００８５】
図１１に示すように、連続処理（本実施形態）の配線の平坦性と非連続処理（比較例）の配線の平坦性とは、ほぼ同等である。これは、第１研磨後の有機酸洗浄によりＦｅイオンを除去することで、第２研磨における金属膜１６の研磨レートが小さくなったためであると考えられる。すなわち、第２研磨において、金属膜１６と、バリアメタル１５および絶縁膜１４との研磨レートを同程度にすることで、金属膜１６のディッシング２１およびエロージョン２２を小さくすることができる。このように、本実施形態では、連続的にＣＭＰを行っても平坦性の劣化を抑制することができ、非連続にＣＭＰを行う場合に比べても同等の平坦性を有することができる。
【００８６】
一方、図１２に示すように、連続処理（本実施形態）の欠陥数は、非連続処理（比較例）の欠陥数に比べて減少している。欠陥２３は、第１研磨後および第２研磨後のそれぞれにおいて生じる。欠陥２３が生じた後に乾燥工程（ドライアウト）が行われると、その後、その欠陥２３の除去は困難になる。
【００８７】
非連続処理のＣＭＰ方法において、第１研磨後および第２研磨後にそれぞれ乾燥工程（ドライアウト）が行われる。すなわち、第１研磨において生じた欠陥２３と第２研磨において生じた欠陥２３とは、その後除去することが困難になるため、ともに残留することになる。
【００８８】
一方、連続処理のＣＭＰ方法において、第１研磨後、ウェット状態で有機酸および純水研磨、および純水研磨が行われた後、ドライアウトが行われずに第２研磨が行われる。すなわち、第１研磨において生じた欠陥２３に対して、ウェット状態で第２研磨が行われる。このため、第２研磨によって、第１研磨において生じた欠陥２３が除去され得る。すなわち、連続処理における欠陥２３は、主に第２研磨によって生じたもののみである。このため、連続処理の欠陥数は、非連続処理の欠陥数に比べて減少したと考えられる。
【００８９】
図１３は、本実施形態に係るＣＭＰ方法における第１研磨において用いられるスラリーの研磨レートを示すグラフである。より具体的には、図１３は、第１研磨において用いられるスラリー（Ｗ７５２３Ｂ）に有機酸を加えた場合（本実施形態）のＷおよびＳｉＯ２の研磨レートと、純水を加えた場合（比較例）のＷおよびＳｉＯ２の研磨レートとを示している。
【００９０】
図１３に示すように、第１研磨において用いられるスラリー（Ｗ７５２３Ｂ）に純水を加えて研磨を行う場合、Ｗの研磨レートはＳｉＯ２の研磨レートよりも高い。これは、スラリー中に存在する触媒成分（例えば、Ｆｅ）がＷの研磨レートを大きくしているためである。
【００９１】
これに対し、第１研磨において用いられるスラリー（Ｗ７５２３Ｂ）に有機酸を加えて研磨を行う場合、Ｗの研磨レートは小さくなる。これは、スラリー中に存在する触媒成分と有機酸が反応し、Ｗの酸化力を減少させたものと考えられる。すなわち、有機酸を加えることにより、Ｗの研磨レートを大きくする触媒の効果を抑制できる。
【００９２】
また、第１研磨において用いられるスラリー（Ｗ７５２３Ｂ）に有機酸を加えて研磨を行う場合、ＳｉＯ２の研磨レートは大きくなる。また、図示はしないが、バリアメタルの研磨レートは変わらない。
【００９３】
ところで、図１４に示すように、研磨パッド４１の弾性率は温度に依存する。より具体的には、研磨パッド４１の弾性率は、その温度が上昇すると低下する。研磨パッド４１の弾性率が変移することで、研磨特性も変移する。すなわち、研磨パッド４１の表面温度が変動することで、研磨特性も変移する。その結果、研磨特性が劣化する。
【００９４】
これに対し、本実施形態によれば、冷却ノズル４５や研磨パッド４１と被研磨膜との研磨荷重を調整することにより、第１研磨工程から第２研磨工程まで研磨パッド４１の表面の温度を一定に制御しながら行われる。これは、第１研磨工程から第２研磨工程までを同一テーブルにて連続的に行うことで可能になる。すなわち、第１研磨工程と第２研磨工程とを連続処理することにより、その間に研磨パッド４１表面のドレッサー工程を行わない。このため、第１研磨工程から第２研磨工程まで研磨パッド４１表面のコンディション（温度）を変えずに処理することができる。したがって、第１研磨工程から第２研磨工程まで研磨特性を安定させたまま処理を行うことができる。
【００９５】
その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【符号の説明】
【００９６】
１０…半導体基板、１４…絶縁膜、１５…バリアメタル、１６…金属膜、４１…研磨パッド、Ａ…配線溝。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜内に、溝を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、下地膜を形成する工程と、
前記下地膜上に、前記溝が埋まるように金属膜を形成する工程と、
前記半導体基板の表面を回転する研磨パッドに当接させ、前記研磨パッド上に金属イオンを含む第１ＣＭＰスラリーを供給することで、前記溝外の前記金属膜を除去する第１研磨を行う工程と、
前記半導体基板の表面を前記研磨パッドに当接させ、前記研磨パッド上に有機酸および純水を供給することで、前記研磨パッドおよび前記半導体基板の表面を洗浄する工程と、
前記半導体基板の表面を前記研磨パッドに当接させ、前記研磨パッド上に前記第１ＣＭＰスラリーと異なる第２ＣＭＰスラリーを供給することで、前記溝外の前記下地膜を除去する第２研磨を行う工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１研磨を行う工程から前記第２研磨を行う工程まで前記研磨パッドの温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記研磨パッドの温度を一定にするように制御することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記研磨パッドの温度は、３０〜６５℃であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記有機酸は、前記金属イオンとキレート化合物を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記有機酸は、クエン酸またはリンゴ酸を含むことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記金属イオンは、ＦｅイオンまたはＣｕイオンを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第２ＣＭＰスラリーの前記下地膜に対する研磨レートは、前記第１ＣＭＰスラリーの前記下地膜に対する研磨レートよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
半導体基板の表面上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜内に、溝を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、下地膜を形成する工程と、
前記下地膜上に、前記溝が埋まるように金属膜を形成する工程と、
前記半導体基板の表面を回転する研磨パッドに当接させ、前記研磨パッド上に金属イオンを含む第１ＣＭＰスラリーを供給することで、前記溝外の前記金属膜を除去する第１研磨を行う工程と、
前記半導体基板の表面を前記研磨パッドに当接させ、前記研磨パッド上に有機酸溶液を供給することで、前記研磨パッドおよび前記半導体基板の表面を洗浄する工程と、
を具備し、
前記第１研磨を行う工程において前記研磨パッドの温度を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
半導体基板の表面上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜内に、溝を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、下地膜を形成する工程と、
前記下地膜上に、前記溝が埋まるように金属膜を形成する工程と、
前記半導体基板の表面を回転する研磨パッドに当接させ、前記研磨パッド上に金属イオンを含む第１ＣＭＰスラリーを供給することで、前記溝外の前記金属膜を除去する第１研磨を行う工程と、
前記半導体基板の表面を前記研磨パッドに当接させ、前記研磨パッド上に有機酸および純水を供給することで、前記研磨パッドおよび前記半導体基板の表面を洗浄する工程と、
前記半導体基板の表面を前記研磨パッドに当接させ、前記研磨パッド上に前記第１ＣＭＰスラリーと異なる第２ＣＭＰスラリーを供給することで、前記溝外の前記下地膜を除去する第２研磨を行う工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１研磨を行う工程から前記第２研磨を行う工程まで前記研磨パッドの温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記研磨パッドの温度を一定にするように制御することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記研磨パッドの温度は、３０〜６５℃であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記有機酸は、前記金属イオンとキレート化合物を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記有機酸は、クエン酸またはリンゴ酸を含むことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記金属イオンは、ＦｅイオンまたはＣｕイオンを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第２ＣＭＰスラリーの前記下地膜に対する研磨レートは、前記第１ＣＭＰスラリーの前記下地膜に対する研磨レートよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
半導体基板の表面上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜内に、溝を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、下地膜を形成する工程と、
前記下地膜上に、前記溝が埋まるように金属膜を形成する工程と、
前記半導体基板の表面を回転する研磨パッドに当接させ、前記研磨パッド上に金属イオンを含む第１ＣＭＰスラリーを供給することで、前記溝外の前記金属膜を除去する第１研磨を行う工程と、
前記半導体基板の表面を前記研磨パッドに当接させ、前記研磨パッド上に有機酸溶液を供給することで、前記研磨パッドおよび前記半導体基板の表面を洗浄する工程と、
を具備し、
前記第１研磨を行う工程において前記研磨パッドの温度を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−４１９４３（Ｐ２０１３−４１９４３Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７７２０８（Ｐ２０１１−１７７２０８）
【出願日】平成２３年８月１２日（２０１１．８．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１２日（２０１１．８．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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