半導体装置の製造方法
【課題】生産性の向上を図る。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体基板１０上に、被処理膜１３，１６，２１を形成する工程と、前記被処理膜の表面をＣＭＰ法により研磨する工程と、を具備し、前記ＣＭＰ法は、回転する研磨パッド３１を第１温度から前記第１温度よりも高い第２温度に上昇させる工程と、前記被処理膜の表面を前記第２温度に上昇した前記研磨パッドに当接させる工程と、を有する。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体基板１０上に、被処理膜１３，１６，２１を形成する工程と、前記被処理膜の表面をＣＭＰ法により研磨する工程と、を具備し、前記ＣＭＰ法は、回転する研磨パッド３１を第１温度から前記第１温度よりも高い第２温度に上昇させる工程と、前記被処理膜の表面を前記第２温度に上昇した前記研磨パッドに当接させる工程と、を有する。
【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。ＣＭＰとしては、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）のためのシリコン酸化膜等のＣＭＰや、コンタクトプラグ、配線形成のためのタングステン、銅、またはアルミニウム膜等のＣＭＰがある。
【０００３】
次世代デバイスに対応したＣＭＰの課題として、高平坦性、低欠陥、さらに高生産性が求められている。平坦性に関しては、リソグラフィー工程でのフォーカスエラーに直結する段差低減が求められている。また、欠陥に関しては、微細化に伴い、歩留まりへの影響が強くなるため、きわめて低い欠陥密度が求められている。さらに、生産性向上に関しては、処理時間短縮に向けた研磨レートの向上が必要とされている。
【０００４】
上記要求に大きく寄与するＣＭＰ構成要素としては、研磨スラリーや研磨パッドが挙げられる。しかし、いずれの構成要素も温度変化に伴い、研磨特性が変化することが予想される。また、ＣＭＰでは、研磨する材料に応じて研磨特性の高い所望の温度が存在する。
【０００５】
これに対し、温度の観点から研磨特性を改善するため、冷却機構を用いて研磨中における研磨スラリーや研磨パッドの温度を冷却して一定に制御する方法が提案されている。また、冷却機構を用いることで、研磨特性の高い所望の温度に制御することも可能である。
【０００６】
しかしながら、研磨初期は低温であり、研磨特性の高い所望の温度に上昇するまでは研磨特性が変動する。すなわち、ＣＭＰにおいて、より早く所望の温度に上昇させ、その所望の温度を一定に維持することが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２４９４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
生産性の向上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】
【０００９】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、被処理膜を形成する工程と、前記被処理膜の表面をＣＭＰ法により研磨する工程と、を具備し、前記ＣＭＰ法は、回転する研磨パッドを第１温度から前記第１温度よりも高い第２温度に上昇させる工程と、前記被処理膜の表面を前記第２温度に上昇した前記研磨パッドに当接させる工程と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る半導体装置における配線の製造工程を示す断面図。
【図２】本実施形態に係る半導体装置におけるＳＴＩの製造工程を示す断面図。
【図３】本実施形態に係るＣＭＰ装置の構成を示す斜視図。
【図４】ＣＭＰにおける被処理膜の研磨レートの温度依存性を示すグラフ。
【図５】本実施形態に係る第１のＣＭＰ方法における研磨パッド３１の温度特性とその比較例とを示す図。
【図６】本実施形態に係るＣＭＰ工程における昇温機構３７の圧力と研磨パッド３１の到達温度との関係を示す図。
【図７】本実施形態に係る第１のＣＭＰ方法において複数のウェハが研磨される場合の研磨パッド３１の温度特性を示すグラフ。
【図８】本実施形態に係る第２のＣＭＰ方法における研磨パッド３１の温度変移を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本実施形態を以下に図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一の参照符号を付す。
【００１２】
［配線構造およびＳＴＩの製造方法］
以下に図１および図２を用いて、本実施形態に係る半導体装置における配線およびＳＴＩの製造方法について説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る半導体装置における配線の製造工程を示す断面図である。
【００１４】
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Ａが形成される。次に、全面に、バリアメタル１２が形成される。バリアメタル１２は、例えばＴｉＮで構成される。その後、全面に、常法（例えば、ＣＶＤ法）によりコンタクトプラグとなるＷ膜１３が形成される。このとき、Ｗ膜１３は、コンタクトホールＡ外にも形成される。
【００１５】
次に、図１（ｂ）に示すように、Ｗ膜１３およびバリアメタル１２を被処理膜としてＣＭＰが行われ、表面が平坦化される。このＣＭＰ工程の詳細については、後述する。これにより、コンタクトホールＡ外のＷ膜１３およびバリアメタル１２が除去され、絶縁膜１１、バリアメタル１２、およびＷ膜１３で構成されるコンタクト層が形成される。なお、コンタクトとしてＷ膜１３に限らず、Ｃｕ膜が形成されてもよい。
【００１６】
次に、図１（ｃ）に示すように、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に、凹部としての配線溝Ｂが形成される。次に、全面に、常法（例えば、ＣＶＤ法）によりバリアメタル１５が形成される。バリアメタル１５は、例えば、Ｔｉで構成される。次に、全面に、常法（例えば、ＣＶＤ法）により配線となるＣｕ膜１６が形成される。このとき、Ｃｕ膜１６は、配線溝Ｂ外にも形成される。
【００１７】
次に、図１（ｄ）に示すように、Ｃｕ膜１６およびバリアメタル１５を被処理膜としてＣＭＰが行われ、表面が平坦化される。このＣＭＰ工程の詳細については、後述する。これにより、配線溝Ｂ外のＣｕ膜１６およびバリアメタル１５が除去され、絶縁膜１４、バリアメタル１５、およびＣｕ膜１６で構成される配線層が形成される。なお、配線としてＣｕ膜１６に限らず、Ｗ膜が形成されてもよい。
【００１８】
図２は、本実施形態に係る半導体装置におけるＳＴＩの製造工程を示す断面図である。
【００１９】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１０上に、ストッパー膜となるシリコン窒化膜２０が形成される。その後、シリコン酸化膜等をエッチングマスクとして、半導体基板１０に、ＳＴＩパターンＣが形成される。なお、半導体基板１０とシリコン窒化膜２０との間に、例えばシリコン酸化膜等を設けてもよい。
【００２０】
次に、全面に、例えば高密度プラズマＣＶＤ法（ＨＤＰ−ＣＶＤ）等によりシリコン酸化膜２１が形成される。このとき、シリコン酸化膜２１は、ＳＴＩパターンＣ外にも形成される。
【００２１】
次に、図２（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜２１を被処理膜としてＣＭＰが行われ、表面が平坦化される。このＣＭＰ工程の詳細については、後述する。これにより、配線溝Ｃ外のシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）２１が除去されＳＴＩ構造が形成される。
【００２２】
上述したように、半導体装置における配線やＳＴＩ等の形成工程において、ＣＭＰが行われる。これらのＣＭＰ工程について、以下に詳説する。すなわち、本実施形態では、配線構造におけるＷ膜１３、Ｃｕ膜１６等、またはＳＴＩ構造におけるシリコン酸化膜２１等をＣＭＰの被処理膜として用いた例を示す。しかし、これに限らず、本実施形態は、種々の金属材料、絶縁材料を被処理膜として行うＣＭＰに対して適用可能である。
【００２３】
［ＣＭＰ装置］
以下に図３を用いて、本実施形態に係るＣＭＰ装置の構成について説明する。
【００２４】
図３は、本実施形態に係るＣＭＰ装置の構成を示す斜視図である。
【００２５】
図３に示すように、本実施形態に係るＣＭＰ装置は、ターンテーブル３０、研磨パッド３１、研磨ヘッド３２、スラリー供給ノズル３３、冷却ノズル３５、および昇温機構３７を備えている。
【００２６】
ターンテーブル３０上に貼付された研磨パッド３１上には、表面に半導体基板（ウェハ）１０が保持された研磨ヘッド３２が当接される。半導体基板１０上には、被処理膜（Ｗ膜１３、Ｃｕ膜１６、シリコン酸化膜２１等）が形成されている。すなわち、研磨パッド３１に、研磨ヘッド３２を当接することで、被処理膜の研磨が行われる。
【００２７】
ターンテーブル３０は１〜２００ｒｐｍで回転可能であり、研磨ヘッド３２は１〜２００ｒｐｍで回転可能である。これらターンテーブル３０および研磨ヘッド３２は、同じ方向に回転し、例えば時計回りに回転する。しかし、これに限らず、逆方向に回転してもよい。また、ＣＭＰ中、ターンテーブル３０および研磨ヘッド３２はそれぞれ、一定方向に回転する。これらの圧力は、通常５０〜５００ｈＰａ程度である。
【００２８】
また、研磨パッド３１上には、スラリー供給ノズル３３が配置されている。このスラリー供給ノズル３３からは、スラリー３４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。このスラリー３４としては、被処理膜に対する研磨レートが大きい薬液が用いられる。また、スラリー供給ノズル３３は、例えばターンテーブル３０の中心付近に設けられているが、これに限らず、スラリー３４が研磨パッド３１の全面に供給されるように適宜配置されてもよい。
【００２９】
さらに、研磨パッド３１上には、圧縮空気または窒素ガスなどを研磨パッド３１に向けて噴出する冷却ノズル３５が配置されている。冷却ノズル３５は、スラリー供給ノズル３３（ターンテーブル３０の回転軸）を中心にして研磨パッド３１の半径上に配置されている。このため、研磨パッド３１が回転することによって、その全面に圧縮空気等を噴出することができる。この冷却ノズル３５は、０〜１０００ｌ／ｍｉｎ程度の範囲で圧縮空気を研磨パッド３１に噴出する。これにより、冷却ノズル３５は、研磨パッド３１やその表面に供給されたスラリー３４の温度を下降させて制御することができる。
【００３０】
ここで、本実施形態におけるＣＭＰ装置において、研磨パッド３１上には、昇温機構３７が配置されている。この昇温機構３７は、ＣＭＰ工程において、回転しながら研磨パッド３１に当接されることで摩擦熱を発生し、研磨パッド３１およびスラリー３４の温度を上昇させる機能を有する。昇温機構３７の各構成要素について、以下に詳説する。
【００３１】
昇温機構３７は、駆動軸によって回転可能なヘッド部３８、およびヘッド部の表面に保持されたプレート３６で構成されている。
【００３２】
ヘッド部３８は、駆動軸に接続され、１〜２００ｒｐｍで回転可能である。また、ヘッド部３８は、駆動軸から力を加えられることで、５０〜５００ｈＰａの圧力で研磨パッド３１に当接される。これらヘッド部３８の回転数および研磨パッド３１への圧力は、適宜調整可能である。
【００３３】
プレート３６は、ヘッド部３８の表面に保持され、ヘッド部３８とともに回転する。また、プレート３６は、ヘッド部３８の圧力に応じて、研磨パッド３１に当接される。すなわち、駆動軸から力を加えられることで、プレート３６が研磨パッド３１に直接押し付けられる。
【００３４】
プレート３６は、表面が平滑でかつ硬度な材料からなり、例えば炭素（Ｃ）および／またはシリコン（Ｓｉ）を含む材料からなる。炭素（Ｃ）および／またはシリコン（Ｓｉ）を含む材料としては、例えばダイヤモンドや炭化珪素（ＳｉＣ）が挙げられる。しかし、これに限らず、スラリー３４による研磨レートが被処理膜よりも小さく、望ましくは１／１００以下である材料であればよい。これにより、プレート３６が回転しながら研磨パッド３１およびスラリー３４に当接されても、プレート３６が研磨されることはない。また、プレート３６は、研磨パッド３１およびスラリー３４の温度上昇を容易にするため、研磨パッド３１との接触時において摩擦力が大きくなるような材料であることが望ましい。
【００３５】
昇温機構３７に取り付けられるプレート３６は、表面が平滑であり、砥粒等は凝着していない。このため、プレート３６は、研磨パッド３１に対する研削能力はなく、低発塵性である。すなわち、表面に砥粒が凝着され、回転しながら研磨パッド３１に当接されることで研磨パッド３１の表面を研削してコンディショニングを行う、いわゆるドレッサーと、昇温機構３７とは異なる。昇温機構３７は、研磨パッド３１に当接されても、研磨パッド３１に対して摩擦熱（温度上昇）以外の影響を与えない。
【００３６】
なお、本実施形態における昇温機構３７は、ドレッサーとは研磨能力等の機能が異なるが、回転しながら研磨パッド３１に当接されるといった基本動作は同様である。このため、ドレッサー着脱機能を有するＣＭＰ装置において、ドレッサーと本実施形態における昇温機構３７とを付け替えることも可能である。
【００３７】
上述したように、本実施形態に係るＣＭＰ装置によれば、冷却ノズル３５による冷却のみならず、昇温機構３７による昇温の温度制御も行うことができる。
【００３８】
［第１のＣＭＰ方法］
以下に図４乃至図７を用いて、本実施形態に係る第１のＣＭＰ方法について説明する。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。
【００３９】
ＣＭＰ装置：荏原製作所製 ＦＲＥＸ３００Ｅ
研磨パッド：ニッタハース製 発泡性パッド（ＩＣ１０００）
酸化膜研磨用スラリー：日立化成製 セリアスラリー（ＤＬＳ２）
Ｃｕ膜研磨用スラリー：ＪＳＲ製 シリカスラリー（ＣＭＳ７６ｘｘ系）
Ｗ膜研磨用スラリー：Ｃａｂｏｔ製 シリカスラリー（Ｗ７５７３Ｂ）
研磨パッド冷却方法： 高圧空気噴射
研磨パッド昇温方法： 接触摩擦
図４は、ＣＭＰにおける被処理膜の研磨レートの温度依存性を示すグラフである。より具体的には、図４（ａ）は被処理膜がＣｕ膜の場合、図４（ｂ）は被処理膜がＷ膜の場合、図４（ｃ）は被処理膜がＳｉＯ２膜の場合をそれぞれ示している。
【００４０】
図４（ａ）乃至図４（ｃ）に示すように、通常、ＣＭＰにおいて研磨パッド３１の温度が上昇すると、被処理膜の研磨レートは大きくなっていく。これは、研磨パッド３１の温度とともにスラリー３４の温度が上昇することで、スラリー３４による被処理膜の機械的研磨力と化学的研磨力が大きくなるためである。
【００４１】
しかし、さらに研磨パッド３１の温度が上昇し、温度Ｔ（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）を越えると、被処理膜の研磨レートは小さくなっていく。これは、温度Ｔを境にスラリー３４による被処理膜の化学的研磨力が小さくなるためである。
【００４２】
すなわち、ＣＭＰにおいて生産性を向上させるためには、研磨パッド３１を研磨レートの最も大きくなる温度Ｔに設定してＣＭＰを行うことが重要である。なお、温度Ｔは、被処理膜の材料や研磨パッド３１またはスラリー３４に応じて異なるが、２０℃〜７０℃程度である。
【００４３】
図５は、本実施形態に係る第１のＣＭＰ方法における研磨パッド３１の温度特性とその比較例とを示す図である。より具体的には、図５（ａ）は本実施形態に係る第１のＣＭＰ方法における研磨パッド３１の温度変移とその比較例とを示すグラフであり、図５（ｂ）は本実施形態に係る第１のＣＭＰ方法における研磨パッド３１の温度の制御条件とその比較例を示す図である。
【００４４】
なお、図５において、被処理膜は特に限定されていないが、種々の材料に対して同様に適用され得る。
【００４５】
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、比較例１は、冷却ノズル３３による冷却制御および昇温機構３７による昇温制御をともに行わない例である。この場合、研磨パッド３１と研磨ヘッド３２（被処理膜）との摩擦によって、自然に研磨パッド３１が温度Ｔ０から温度Ｔ’（例えば、６０℃）に上昇し、この温度Ｔ’で一定となる。この温度Ｔ’は、研磨レートが大きい温度Ｔよりも高い温度である。また、研磨パッド３１が温度Ｔ０から温度Ｔに上昇するまでに、後述する時間ｔ１よりも長い時間ｔ３がかかる。すなわち、比較例１によれば、到達する温度Ｔ’が高くなりすぎ、かつ到達温度Ｔ’に達するまでの時間が長いため、生産性が低下する。
【００４６】
比較例２は、冷却ノズル３３による冷却制御を行い、昇温機構３７による昇温制御を行わない例である。この場合、研磨パッド３１と研磨ヘッド３２（被処理膜）との摩擦および冷却ノズル３３による冷却制御によって、研磨パッド３１が温度Ｔ０から温度Ｔ（例えば、４０℃）に上昇し、この温度Ｔで一定となる。この温度Ｔは、研磨レートが大きい温度である。また、研磨パッド３１が温度Ｔ０から温度Ｔに上昇するまでに、後述する時間ｔ１よりも長い時間ｔ２がかかる。すなわち、比較例２によれば、冷却制御によって、到達する温度を研磨レートの大きい温度Ｔに制御しているため、比較例１よりも生産性は高くなる。しかし、冷却制御のみであるため、温度Ｔに上昇させるまでの制御はできず、温度Ｔに上昇させるまでの時間が長いという問題がある。
【００４７】
これに対し、本実施形態における第１のＣＭＰ方法は、冷却ノズル３３による冷却制御および昇温機構３７による昇温制御を行う。この場合、研磨パッド３１と研磨ヘッド３２（被処理膜）との摩擦、昇温機構３７による昇温制御（研磨パッド３１と昇温機構３７との摩擦）、および冷却ノズル３３による冷却制御によって、研磨パッド３１が温度Ｔ０（常温、例えば２０℃）から温度Ｔ（例えば、４０℃）に上昇し、この温度Ｔで一定となる。また、研磨パッド３１が温度Ｔ０から温度Ｔに上昇するまでに、時間ｔ２よりも短い時間ｔ１がかかる。
【００４８】
すなわち、第１のＣＭＰ方法における研磨初期の研磨パッド３１の温度上昇（温度Ｔ０から温度Ｔへの上昇）は、研磨パッド３１と研磨ヘッド３２との摩擦だけではなく、昇温機構３７による昇温制御も行うことにより、比較例１および比較例２における研磨初期の研磨パッド３１の温度上昇よりも急峻にすることができる。このとき、時間ｔ１は、被処理膜の研磨工程（ＣＭＰの全工程）が終了するまでの時間ｔ４の２５％以下の時間である。なお、図５（ａ）において、研磨終了時の比較例１および比較例２は省略している。
【００４９】
また、第１のＣＭＰ方法においては、研磨パッド３１の温度上昇の初期（時間０）から研磨パッド３１に昇温機構３７および研磨ヘッド３２（被処理膜）を当接させている。すなわち、研磨パッド３１と研磨ヘッド３２との摩擦熱、および研磨パッド３１と昇温機構３７との摩擦熱によって、研磨パッド３１の温度を上昇させている。この際、スラリー３４の供給は、研磨パッド３１に被処理膜を当接させると同時に、すなわち、時間０から開始される。
【００５０】
図６は、本実施形態に係るＣＭＰ工程における昇温機構３７の圧力と研磨パッド３１の到達温度との関係を示す図である。ここでは、昇温機構３７にプレート３６としてＳｉプレートを取り付け、Ｓｉプレートと研磨パッド３１とを接触させた例を示している。
【００５１】
上述したように、本実施形態では、図３に示す昇温機構３７を熱源として用いる。すなわち、昇温機構３７と研磨パッド３１との接触面で摩擦熱を発生させ、その熱を研磨パッド３１へと伝播させることで、研磨パッド３１の温度を上昇させる。この際、昇温機構３７の研磨パッド３１への圧力を変えることで、研磨パッド３１の到達温度（図４における温度Ｔ）を変えることが可能である。
【００５２】
より具体的には、図６に示すように、実施例１において、Ｓｉプレートを５００ｈＰａの圧力で研磨パッド３１に当接させた場合、研磨パッド３１の到達温度は、７０℃となる。また、実施例２において、Ｓｉプレートを３００ｈＰａの圧力で研磨パッド３１に当接させた場合、研磨パッド３１の到達温度は、４０℃となる。
【００５３】
このように、プレート３６の研磨パッド３１への圧力を大きくすることで摩擦力が上がり、研磨パッド３１の到達温度を高くすることができる。一方、プレート３６の研磨パッド３１への圧力を小さくすることで摩擦力が下がり、研磨パッド３１の到達温度を低くすることができる。これにより、研磨パッド３１の温度を被処理膜の材料に応じて研磨レートの高い最適な温度に設定することができる。なお、プレート３６の研磨パッド３１への圧力は、ＣＭＰの動作中においても適宜変えることが可能であり、また圧力を０にする（プレート３６を研磨パッド３１から離す）ことも可能である。
【００５４】
また、プレート３６の研磨パッド３１への圧力のみならず、プレート３６（ヘッド部３８）の回転速度を変えることでも研磨パッド３１の到達温度を変えることが可能である。より具体的には、プレート３６の回転速度を大きくすることで摩擦力が下がり、到達温度を低くすることができる。一方、プレート３６の回転速度を小さくすることで摩擦力が上がり、到達温度を高くすることができる。
【００５５】
すなわち、研磨パッド３１の到達温度はプレート３６と研磨パッド３１との摩擦力を調整することで制御することが可能であり、この摩擦力はプレート３６の研磨パッド３１への圧力、およびプレート３６の回転速度によって制御される。
【００５６】
また、研磨パッド３１の到達温度のみならず、到達温度までの温度上昇速度も同様に制御され得る。
【００５７】
図７は、本実施形態に係る第１のＣＭＰ方法において複数のウェハが研磨される場合の研磨パッド３１の温度特性を示すグラフである。
【００５８】
図７に示すように、まず、時間ｔ４までの間で第１ウェハの被処理膜の研磨が行われる。このとき、図５に示すＣＭＰと同様の温度制御が行われる。その後、昇温機構３７がドレッサーに付け替えられ、研磨パッド３１の表面のコンディショニングが行われる。これにより、第１ウェハの研磨初期と同様、研磨パッド３１の温度がＴ０に下降する。
【００５９】
このとき、ドレッサーの表面には砥粒が凝着されており、回転しながら研磨パッド３１に当接されることで研磨パッド３１の表面を研削してコンディショニングが行われる。また、コンディショニングは、研磨パッド３１の表面が研削された残留物を除去するため、例えば常温の純水を供給しながら行われる。すなわち、コンディショニングでは、温度が上昇した研磨パッド３１の表面を研削して除去するため、研磨パッド３１の温度が上昇することはなく、Ｔ０に下降する。
【００６０】
次に、第２ウェハの被処理膜の研磨が行われる。すなわち、図示するように、第２ウェハの被処理膜の研磨の開始（時間０’）も第１ウェハの研磨の開始（時間０）と同様、研磨パッド３１の温度はＴ０である。このため、第２ウェハの被処理膜の研磨においても第１ウェハの被処理膜の研磨と同様の温度制御が行われる。すなわち、時間０’から時間ｔ１’までに研磨パッド３１を温度Ｔまで上昇させ、時間ｔ４’まで被処理膜の研磨が行われる。このとき、時間０’から時間ｔ１’までの時間は、第２ウェハの被処理膜の研磨工程（第２ウェハの被処理膜のＣＭＰの全工程）が終了するまでの時間（時間０’から時間ｔ４’までの時間）の２５％以下の時間である。
【００６１】
なお、複数のウェハが研磨される場合において、ドレッサーによる研磨パッド３１の表面のコンディショニングが行われる間（時間ｔ４から時間０’の間）、昇温機構３７も動作させることで、研磨パッド３１の温度を温度Ｔに維持してもよい。これにより、第２ウェハの研磨を研磨パッド３１の温度変移なく行うことができる。しかし、研磨パッド３１が高温（温度Ｔ）を維持することで、研磨パッド３１の研磨特性が劣化することが懸念される。このため、図７に示すように、第１ウェハの研磨と第２ウェハの研磨の間に、一旦温度を温度Ｔ０に下げることが望ましい。
【００６２】
［第１のＣＭＰ方法による効果］
上記第１のＣＭＰ方法によれば、研磨パッド３１に対して昇温機構３７による昇温制御が行われる。これにより、被処理膜の研磨初期において、研磨パッド３１の温度を早急に、初期温度Ｔ０から研磨レートの高い温度Ｔまで上昇させることができる。したがって、ＣＭＰにおける生産性の向上を図ることができる。
【００６３】
より具体的には、研磨パッド３１の温度を初期温度Ｔ０から研磨レートの高い温度Ｔまで上昇させる時間ｔ１を被処理膜の研磨工程（ＣＭＰの全工程）が終了するまでの時間ｔ４の２５％以下の時間にする。これにより、図５に示す比較例２に対して、研磨時間を１０％程度短縮することができる。
【００６４】
また、昇温機構３７による昇温制御とともに冷却ノズル３３による冷却制御も行われる。これにより、研磨パッド３１のより精密な温度制御が可能となる。すなわち、生産性のみならず、その他の研磨特性の向上も図ることができる。
【００６５】
［第２のＣＭＰ方法］
以下に図８を用いて、本実施形態に係る第２のＣＭＰ方法について説明する。なお、第２のＣＭＰ方法において、上記第１のＣＭＰ方法と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。
【００６６】
図８は、本実施形態に係る第２のＣＭＰ方法における研磨パッド３１の温度変移を示すグラフである。
【００６７】
なお、図８において、被処理膜は特に限定されていないが、種々の材料に対して同様に適用され得る。また、図８に示す時間０，ｔ１，ｔ４は、図５および図７に示す時刻０，ｔ１，ｔ４と同様の時間とは限らない。
【００６８】
本実施形態における第２のＣＭＰ方法は、冷却ノズル３３による冷却制御および昇温機構３７による昇温制御を行う。この場合、昇温機構３７による昇温制御（研磨パッド３１と昇温機構３７との摩擦）、および冷却ノズル３３による冷却制御によって、研磨パッド３１が温度Ｔ０から温度Ｔ（例えば、４０℃）に上昇し、この温度Ｔで一定となる。
【００６９】
ここで、第２のＣＭＰ方法においては、研磨パッド３１の温度上昇の初期から研磨パッド３１が温度Ｔで一定になるまでの間（時間０から時間ｔ１までの間）、研磨パッド３１に昇温機構３７のみを当接させている。すなわち、研磨パッド３１に研磨ヘッド３２（被処理膜）は当接していない。このため、研磨パッド３１と昇温機構３７との摩擦熱のみによって、研磨パッド３１の温度を上昇させている。そして、研磨パッド３１が温度Ｔまで上昇した時間ｔ１から研磨パッド３１に被処理膜を当接させて研磨を開始している。すなわち、被処理膜の研磨は、初めから研磨パッド３１が温度Ｔで一定の状態で行われる。また、この際、スラリー３４の供給は、研磨パッド３１に被処理膜を当接させると同時に、すなわち、時間ｔ１から開始される。
【００７０】
［第２のＣＭＰ方法による効果］
上記第２のＣＭＰ方法によれば、被処理膜の研磨前に昇温機構３７による昇温制御が行われ、研磨パッド３１の温度を初期温度Ｔ０から研磨レートの高い温度Ｔまで上昇させる。その後、研磨パッド３１が温度Ｔになった後に、研磨パッド３１に被処理膜を当接させて被処理膜の研磨を開始する。すなわち、研磨パッド３１の温度を研磨レートの高い温度Ｔに維持したまま、被処理膜を研磨することができる。このため、ＣＭＰにおける生産性の向上を図ることができる。
【００７１】
より具体的には、Ｃｕ膜１６のＣＭＰにおいて時間ｔ１（温度上昇の時間）が３０秒である場合に上記第２のＣＭＰ方法を適用すると、図５に示す比較例２に対して、研磨時間を１０％程度短縮することができる。
【００７２】
また、上記第２のＣＭＰ方法によれば、研磨パッド３１の温度を温度Ｔで一定にした状態で被処理膜の研磨を行う。すなわち、被処理膜の研磨中の研磨パッド３１の温度変化がなくなる。これにより、被処理膜の研磨中の温度変化による研磨特性の変化を抑制することができる。
【００７３】
さらに、上記第２のＣＭＰ方法によれば、スラリー３４は、研磨パッド３１が温度Ｔに上昇してから使用される。すなわち、スラリー３４の供給は、研磨レートの高い温度Ｔで行われる。このため、スラリー３４の供給時間のうち、研磨レートの高い状態で処理する時間が増加する。実質的には、スラリー３４の供給時間の全てが研磨レートの高い状態である。その結果、スラリー３４の使用量を削減することができる。
【００７４】
その他、本発明は、上記各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】
【００７５】
１０…半導体基板、１３…Ｗ膜、１６…Ｃｕ膜、２１…シリコン酸化膜、３１…研磨パッド、３２…研磨ヘッド、３３…冷却ノズル、３４…スラリー、３６…プレート、３７…昇温機構。
【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。ＣＭＰとしては、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）のためのシリコン酸化膜等のＣＭＰや、コンタクトプラグ、配線形成のためのタングステン、銅、またはアルミニウム膜等のＣＭＰがある。
【０００３】
次世代デバイスに対応したＣＭＰの課題として、高平坦性、低欠陥、さらに高生産性が求められている。平坦性に関しては、リソグラフィー工程でのフォーカスエラーに直結する段差低減が求められている。また、欠陥に関しては、微細化に伴い、歩留まりへの影響が強くなるため、きわめて低い欠陥密度が求められている。さらに、生産性向上に関しては、処理時間短縮に向けた研磨レートの向上が必要とされている。
【０００４】
上記要求に大きく寄与するＣＭＰ構成要素としては、研磨スラリーや研磨パッドが挙げられる。しかし、いずれの構成要素も温度変化に伴い、研磨特性が変化することが予想される。また、ＣＭＰでは、研磨する材料に応じて研磨特性の高い所望の温度が存在する。
【０００５】
これに対し、温度の観点から研磨特性を改善するため、冷却機構を用いて研磨中における研磨スラリーや研磨パッドの温度を冷却して一定に制御する方法が提案されている。また、冷却機構を用いることで、研磨特性の高い所望の温度に制御することも可能である。
【０００６】
しかしながら、研磨初期は低温であり、研磨特性の高い所望の温度に上昇するまでは研磨特性が変動する。すなわち、ＣＭＰにおいて、より早く所望の温度に上昇させ、その所望の温度を一定に維持することが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２４９４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
生産性の向上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】
【０００９】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、被処理膜を形成する工程と、前記被処理膜の表面をＣＭＰ法により研磨する工程と、を具備し、前記ＣＭＰ法は、回転する研磨パッドを第１温度から前記第１温度よりも高い第２温度に上昇させる工程と、前記被処理膜の表面を前記第２温度に上昇した前記研磨パッドに当接させる工程と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る半導体装置における配線の製造工程を示す断面図。
【図２】本実施形態に係る半導体装置におけるＳＴＩの製造工程を示す断面図。
【図３】本実施形態に係るＣＭＰ装置の構成を示す斜視図。
【図４】ＣＭＰにおける被処理膜の研磨レートの温度依存性を示すグラフ。
【図５】本実施形態に係る第１のＣＭＰ方法における研磨パッド３１の温度特性とその比較例とを示す図。
【図６】本実施形態に係るＣＭＰ工程における昇温機構３７の圧力と研磨パッド３１の到達温度との関係を示す図。
【図７】本実施形態に係る第１のＣＭＰ方法において複数のウェハが研磨される場合の研磨パッド３１の温度特性を示すグラフ。
【図８】本実施形態に係る第２のＣＭＰ方法における研磨パッド３１の温度変移を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本実施形態を以下に図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一の参照符号を付す。
【００１２】
［配線構造およびＳＴＩの製造方法］
以下に図１および図２を用いて、本実施形態に係る半導体装置における配線およびＳＴＩの製造方法について説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る半導体装置における配線の製造工程を示す断面図である。
【００１４】
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Ａが形成される。次に、全面に、バリアメタル１２が形成される。バリアメタル１２は、例えばＴｉＮで構成される。その後、全面に、常法（例えば、ＣＶＤ法）によりコンタクトプラグとなるＷ膜１３が形成される。このとき、Ｗ膜１３は、コンタクトホールＡ外にも形成される。
【００１５】
次に、図１（ｂ）に示すように、Ｗ膜１３およびバリアメタル１２を被処理膜としてＣＭＰが行われ、表面が平坦化される。このＣＭＰ工程の詳細については、後述する。これにより、コンタクトホールＡ外のＷ膜１３およびバリアメタル１２が除去され、絶縁膜１１、バリアメタル１２、およびＷ膜１３で構成されるコンタクト層が形成される。なお、コンタクトとしてＷ膜１３に限らず、Ｃｕ膜が形成されてもよい。
【００１６】
次に、図１（ｃ）に示すように、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に、凹部としての配線溝Ｂが形成される。次に、全面に、常法（例えば、ＣＶＤ法）によりバリアメタル１５が形成される。バリアメタル１５は、例えば、Ｔｉで構成される。次に、全面に、常法（例えば、ＣＶＤ法）により配線となるＣｕ膜１６が形成される。このとき、Ｃｕ膜１６は、配線溝Ｂ外にも形成される。
【００１７】
次に、図１（ｄ）に示すように、Ｃｕ膜１６およびバリアメタル１５を被処理膜としてＣＭＰが行われ、表面が平坦化される。このＣＭＰ工程の詳細については、後述する。これにより、配線溝Ｂ外のＣｕ膜１６およびバリアメタル１５が除去され、絶縁膜１４、バリアメタル１５、およびＣｕ膜１６で構成される配線層が形成される。なお、配線としてＣｕ膜１６に限らず、Ｗ膜が形成されてもよい。
【００１８】
図２は、本実施形態に係る半導体装置におけるＳＴＩの製造工程を示す断面図である。
【００１９】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１０上に、ストッパー膜となるシリコン窒化膜２０が形成される。その後、シリコン酸化膜等をエッチングマスクとして、半導体基板１０に、ＳＴＩパターンＣが形成される。なお、半導体基板１０とシリコン窒化膜２０との間に、例えばシリコン酸化膜等を設けてもよい。
【００２０】
次に、全面に、例えば高密度プラズマＣＶＤ法（ＨＤＰ−ＣＶＤ）等によりシリコン酸化膜２１が形成される。このとき、シリコン酸化膜２１は、ＳＴＩパターンＣ外にも形成される。
【００２１】
次に、図２（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜２１を被処理膜としてＣＭＰが行われ、表面が平坦化される。このＣＭＰ工程の詳細については、後述する。これにより、配線溝Ｃ外のシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）２１が除去されＳＴＩ構造が形成される。
【００２２】
上述したように、半導体装置における配線やＳＴＩ等の形成工程において、ＣＭＰが行われる。これらのＣＭＰ工程について、以下に詳説する。すなわち、本実施形態では、配線構造におけるＷ膜１３、Ｃｕ膜１６等、またはＳＴＩ構造におけるシリコン酸化膜２１等をＣＭＰの被処理膜として用いた例を示す。しかし、これに限らず、本実施形態は、種々の金属材料、絶縁材料を被処理膜として行うＣＭＰに対して適用可能である。
【００２３】
［ＣＭＰ装置］
以下に図３を用いて、本実施形態に係るＣＭＰ装置の構成について説明する。
【００２４】
図３は、本実施形態に係るＣＭＰ装置の構成を示す斜視図である。
【００２５】
図３に示すように、本実施形態に係るＣＭＰ装置は、ターンテーブル３０、研磨パッド３１、研磨ヘッド３２、スラリー供給ノズル３３、冷却ノズル３５、および昇温機構３７を備えている。
【００２６】
ターンテーブル３０上に貼付された研磨パッド３１上には、表面に半導体基板（ウェハ）１０が保持された研磨ヘッド３２が当接される。半導体基板１０上には、被処理膜（Ｗ膜１３、Ｃｕ膜１６、シリコン酸化膜２１等）が形成されている。すなわち、研磨パッド３１に、研磨ヘッド３２を当接することで、被処理膜の研磨が行われる。
【００２７】
ターンテーブル３０は１〜２００ｒｐｍで回転可能であり、研磨ヘッド３２は１〜２００ｒｐｍで回転可能である。これらターンテーブル３０および研磨ヘッド３２は、同じ方向に回転し、例えば時計回りに回転する。しかし、これに限らず、逆方向に回転してもよい。また、ＣＭＰ中、ターンテーブル３０および研磨ヘッド３２はそれぞれ、一定方向に回転する。これらの圧力は、通常５０〜５００ｈＰａ程度である。
【００２８】
また、研磨パッド３１上には、スラリー供給ノズル３３が配置されている。このスラリー供給ノズル３３からは、スラリー３４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。このスラリー３４としては、被処理膜に対する研磨レートが大きい薬液が用いられる。また、スラリー供給ノズル３３は、例えばターンテーブル３０の中心付近に設けられているが、これに限らず、スラリー３４が研磨パッド３１の全面に供給されるように適宜配置されてもよい。
【００２９】
さらに、研磨パッド３１上には、圧縮空気または窒素ガスなどを研磨パッド３１に向けて噴出する冷却ノズル３５が配置されている。冷却ノズル３５は、スラリー供給ノズル３３（ターンテーブル３０の回転軸）を中心にして研磨パッド３１の半径上に配置されている。このため、研磨パッド３１が回転することによって、その全面に圧縮空気等を噴出することができる。この冷却ノズル３５は、０〜１０００ｌ／ｍｉｎ程度の範囲で圧縮空気を研磨パッド３１に噴出する。これにより、冷却ノズル３５は、研磨パッド３１やその表面に供給されたスラリー３４の温度を下降させて制御することができる。
【００３０】
ここで、本実施形態におけるＣＭＰ装置において、研磨パッド３１上には、昇温機構３７が配置されている。この昇温機構３７は、ＣＭＰ工程において、回転しながら研磨パッド３１に当接されることで摩擦熱を発生し、研磨パッド３１およびスラリー３４の温度を上昇させる機能を有する。昇温機構３７の各構成要素について、以下に詳説する。
【００３１】
昇温機構３７は、駆動軸によって回転可能なヘッド部３８、およびヘッド部の表面に保持されたプレート３６で構成されている。
【００３２】
ヘッド部３８は、駆動軸に接続され、１〜２００ｒｐｍで回転可能である。また、ヘッド部３８は、駆動軸から力を加えられることで、５０〜５００ｈＰａの圧力で研磨パッド３１に当接される。これらヘッド部３８の回転数および研磨パッド３１への圧力は、適宜調整可能である。
【００３３】
プレート３６は、ヘッド部３８の表面に保持され、ヘッド部３８とともに回転する。また、プレート３６は、ヘッド部３８の圧力に応じて、研磨パッド３１に当接される。すなわち、駆動軸から力を加えられることで、プレート３６が研磨パッド３１に直接押し付けられる。
【００３４】
プレート３６は、表面が平滑でかつ硬度な材料からなり、例えば炭素（Ｃ）および／またはシリコン（Ｓｉ）を含む材料からなる。炭素（Ｃ）および／またはシリコン（Ｓｉ）を含む材料としては、例えばダイヤモンドや炭化珪素（ＳｉＣ）が挙げられる。しかし、これに限らず、スラリー３４による研磨レートが被処理膜よりも小さく、望ましくは１／１００以下である材料であればよい。これにより、プレート３６が回転しながら研磨パッド３１およびスラリー３４に当接されても、プレート３６が研磨されることはない。また、プレート３６は、研磨パッド３１およびスラリー３４の温度上昇を容易にするため、研磨パッド３１との接触時において摩擦力が大きくなるような材料であることが望ましい。
【００３５】
昇温機構３７に取り付けられるプレート３６は、表面が平滑であり、砥粒等は凝着していない。このため、プレート３６は、研磨パッド３１に対する研削能力はなく、低発塵性である。すなわち、表面に砥粒が凝着され、回転しながら研磨パッド３１に当接されることで研磨パッド３１の表面を研削してコンディショニングを行う、いわゆるドレッサーと、昇温機構３７とは異なる。昇温機構３７は、研磨パッド３１に当接されても、研磨パッド３１に対して摩擦熱（温度上昇）以外の影響を与えない。
【００３６】
なお、本実施形態における昇温機構３７は、ドレッサーとは研磨能力等の機能が異なるが、回転しながら研磨パッド３１に当接されるといった基本動作は同様である。このため、ドレッサー着脱機能を有するＣＭＰ装置において、ドレッサーと本実施形態における昇温機構３７とを付け替えることも可能である。
【００３７】
上述したように、本実施形態に係るＣＭＰ装置によれば、冷却ノズル３５による冷却のみならず、昇温機構３７による昇温の温度制御も行うことができる。
【００３８】
［第１のＣＭＰ方法］
以下に図４乃至図７を用いて、本実施形態に係る第１のＣＭＰ方法について説明する。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。
【００３９】
ＣＭＰ装置：荏原製作所製 ＦＲＥＸ３００Ｅ
研磨パッド：ニッタハース製 発泡性パッド（ＩＣ１０００）
酸化膜研磨用スラリー：日立化成製 セリアスラリー（ＤＬＳ２）
Ｃｕ膜研磨用スラリー：ＪＳＲ製 シリカスラリー（ＣＭＳ７６ｘｘ系）
Ｗ膜研磨用スラリー：Ｃａｂｏｔ製 シリカスラリー（Ｗ７５７３Ｂ）
研磨パッド冷却方法： 高圧空気噴射
研磨パッド昇温方法： 接触摩擦
図４は、ＣＭＰにおける被処理膜の研磨レートの温度依存性を示すグラフである。より具体的には、図４（ａ）は被処理膜がＣｕ膜の場合、図４（ｂ）は被処理膜がＷ膜の場合、図４（ｃ）は被処理膜がＳｉＯ２膜の場合をそれぞれ示している。
【００４０】
図４（ａ）乃至図４（ｃ）に示すように、通常、ＣＭＰにおいて研磨パッド３１の温度が上昇すると、被処理膜の研磨レートは大きくなっていく。これは、研磨パッド３１の温度とともにスラリー３４の温度が上昇することで、スラリー３４による被処理膜の機械的研磨力と化学的研磨力が大きくなるためである。
【００４１】
しかし、さらに研磨パッド３１の温度が上昇し、温度Ｔ（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）を越えると、被処理膜の研磨レートは小さくなっていく。これは、温度Ｔを境にスラリー３４による被処理膜の化学的研磨力が小さくなるためである。
【００４２】
すなわち、ＣＭＰにおいて生産性を向上させるためには、研磨パッド３１を研磨レートの最も大きくなる温度Ｔに設定してＣＭＰを行うことが重要である。なお、温度Ｔは、被処理膜の材料や研磨パッド３１またはスラリー３４に応じて異なるが、２０℃〜７０℃程度である。
【００４３】
図５は、本実施形態に係る第１のＣＭＰ方法における研磨パッド３１の温度特性とその比較例とを示す図である。より具体的には、図５（ａ）は本実施形態に係る第１のＣＭＰ方法における研磨パッド３１の温度変移とその比較例とを示すグラフであり、図５（ｂ）は本実施形態に係る第１のＣＭＰ方法における研磨パッド３１の温度の制御条件とその比較例を示す図である。
【００４４】
なお、図５において、被処理膜は特に限定されていないが、種々の材料に対して同様に適用され得る。
【００４５】
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、比較例１は、冷却ノズル３３による冷却制御および昇温機構３７による昇温制御をともに行わない例である。この場合、研磨パッド３１と研磨ヘッド３２（被処理膜）との摩擦によって、自然に研磨パッド３１が温度Ｔ０から温度Ｔ’（例えば、６０℃）に上昇し、この温度Ｔ’で一定となる。この温度Ｔ’は、研磨レートが大きい温度Ｔよりも高い温度である。また、研磨パッド３１が温度Ｔ０から温度Ｔに上昇するまでに、後述する時間ｔ１よりも長い時間ｔ３がかかる。すなわち、比較例１によれば、到達する温度Ｔ’が高くなりすぎ、かつ到達温度Ｔ’に達するまでの時間が長いため、生産性が低下する。
【００４６】
比較例２は、冷却ノズル３３による冷却制御を行い、昇温機構３７による昇温制御を行わない例である。この場合、研磨パッド３１と研磨ヘッド３２（被処理膜）との摩擦および冷却ノズル３３による冷却制御によって、研磨パッド３１が温度Ｔ０から温度Ｔ（例えば、４０℃）に上昇し、この温度Ｔで一定となる。この温度Ｔは、研磨レートが大きい温度である。また、研磨パッド３１が温度Ｔ０から温度Ｔに上昇するまでに、後述する時間ｔ１よりも長い時間ｔ２がかかる。すなわち、比較例２によれば、冷却制御によって、到達する温度を研磨レートの大きい温度Ｔに制御しているため、比較例１よりも生産性は高くなる。しかし、冷却制御のみであるため、温度Ｔに上昇させるまでの制御はできず、温度Ｔに上昇させるまでの時間が長いという問題がある。
【００４７】
これに対し、本実施形態における第１のＣＭＰ方法は、冷却ノズル３３による冷却制御および昇温機構３７による昇温制御を行う。この場合、研磨パッド３１と研磨ヘッド３２（被処理膜）との摩擦、昇温機構３７による昇温制御（研磨パッド３１と昇温機構３７との摩擦）、および冷却ノズル３３による冷却制御によって、研磨パッド３１が温度Ｔ０（常温、例えば２０℃）から温度Ｔ（例えば、４０℃）に上昇し、この温度Ｔで一定となる。また、研磨パッド３１が温度Ｔ０から温度Ｔに上昇するまでに、時間ｔ２よりも短い時間ｔ１がかかる。
【００４８】
すなわち、第１のＣＭＰ方法における研磨初期の研磨パッド３１の温度上昇（温度Ｔ０から温度Ｔへの上昇）は、研磨パッド３１と研磨ヘッド３２との摩擦だけではなく、昇温機構３７による昇温制御も行うことにより、比較例１および比較例２における研磨初期の研磨パッド３１の温度上昇よりも急峻にすることができる。このとき、時間ｔ１は、被処理膜の研磨工程（ＣＭＰの全工程）が終了するまでの時間ｔ４の２５％以下の時間である。なお、図５（ａ）において、研磨終了時の比較例１および比較例２は省略している。
【００４９】
また、第１のＣＭＰ方法においては、研磨パッド３１の温度上昇の初期（時間０）から研磨パッド３１に昇温機構３７および研磨ヘッド３２（被処理膜）を当接させている。すなわち、研磨パッド３１と研磨ヘッド３２との摩擦熱、および研磨パッド３１と昇温機構３７との摩擦熱によって、研磨パッド３１の温度を上昇させている。この際、スラリー３４の供給は、研磨パッド３１に被処理膜を当接させると同時に、すなわち、時間０から開始される。
【００５０】
図６は、本実施形態に係るＣＭＰ工程における昇温機構３７の圧力と研磨パッド３１の到達温度との関係を示す図である。ここでは、昇温機構３７にプレート３６としてＳｉプレートを取り付け、Ｓｉプレートと研磨パッド３１とを接触させた例を示している。
【００５１】
上述したように、本実施形態では、図３に示す昇温機構３７を熱源として用いる。すなわち、昇温機構３７と研磨パッド３１との接触面で摩擦熱を発生させ、その熱を研磨パッド３１へと伝播させることで、研磨パッド３１の温度を上昇させる。この際、昇温機構３７の研磨パッド３１への圧力を変えることで、研磨パッド３１の到達温度（図４における温度Ｔ）を変えることが可能である。
【００５２】
より具体的には、図６に示すように、実施例１において、Ｓｉプレートを５００ｈＰａの圧力で研磨パッド３１に当接させた場合、研磨パッド３１の到達温度は、７０℃となる。また、実施例２において、Ｓｉプレートを３００ｈＰａの圧力で研磨パッド３１に当接させた場合、研磨パッド３１の到達温度は、４０℃となる。
【００５３】
このように、プレート３６の研磨パッド３１への圧力を大きくすることで摩擦力が上がり、研磨パッド３１の到達温度を高くすることができる。一方、プレート３６の研磨パッド３１への圧力を小さくすることで摩擦力が下がり、研磨パッド３１の到達温度を低くすることができる。これにより、研磨パッド３１の温度を被処理膜の材料に応じて研磨レートの高い最適な温度に設定することができる。なお、プレート３６の研磨パッド３１への圧力は、ＣＭＰの動作中においても適宜変えることが可能であり、また圧力を０にする（プレート３６を研磨パッド３１から離す）ことも可能である。
【００５４】
また、プレート３６の研磨パッド３１への圧力のみならず、プレート３６（ヘッド部３８）の回転速度を変えることでも研磨パッド３１の到達温度を変えることが可能である。より具体的には、プレート３６の回転速度を大きくすることで摩擦力が下がり、到達温度を低くすることができる。一方、プレート３６の回転速度を小さくすることで摩擦力が上がり、到達温度を高くすることができる。
【００５５】
すなわち、研磨パッド３１の到達温度はプレート３６と研磨パッド３１との摩擦力を調整することで制御することが可能であり、この摩擦力はプレート３６の研磨パッド３１への圧力、およびプレート３６の回転速度によって制御される。
【００５６】
また、研磨パッド３１の到達温度のみならず、到達温度までの温度上昇速度も同様に制御され得る。
【００５７】
図７は、本実施形態に係る第１のＣＭＰ方法において複数のウェハが研磨される場合の研磨パッド３１の温度特性を示すグラフである。
【００５８】
図７に示すように、まず、時間ｔ４までの間で第１ウェハの被処理膜の研磨が行われる。このとき、図５に示すＣＭＰと同様の温度制御が行われる。その後、昇温機構３７がドレッサーに付け替えられ、研磨パッド３１の表面のコンディショニングが行われる。これにより、第１ウェハの研磨初期と同様、研磨パッド３１の温度がＴ０に下降する。
【００５９】
このとき、ドレッサーの表面には砥粒が凝着されており、回転しながら研磨パッド３１に当接されることで研磨パッド３１の表面を研削してコンディショニングが行われる。また、コンディショニングは、研磨パッド３１の表面が研削された残留物を除去するため、例えば常温の純水を供給しながら行われる。すなわち、コンディショニングでは、温度が上昇した研磨パッド３１の表面を研削して除去するため、研磨パッド３１の温度が上昇することはなく、Ｔ０に下降する。
【００６０】
次に、第２ウェハの被処理膜の研磨が行われる。すなわち、図示するように、第２ウェハの被処理膜の研磨の開始（時間０’）も第１ウェハの研磨の開始（時間０）と同様、研磨パッド３１の温度はＴ０である。このため、第２ウェハの被処理膜の研磨においても第１ウェハの被処理膜の研磨と同様の温度制御が行われる。すなわち、時間０’から時間ｔ１’までに研磨パッド３１を温度Ｔまで上昇させ、時間ｔ４’まで被処理膜の研磨が行われる。このとき、時間０’から時間ｔ１’までの時間は、第２ウェハの被処理膜の研磨工程（第２ウェハの被処理膜のＣＭＰの全工程）が終了するまでの時間（時間０’から時間ｔ４’までの時間）の２５％以下の時間である。
【００６１】
なお、複数のウェハが研磨される場合において、ドレッサーによる研磨パッド３１の表面のコンディショニングが行われる間（時間ｔ４から時間０’の間）、昇温機構３７も動作させることで、研磨パッド３１の温度を温度Ｔに維持してもよい。これにより、第２ウェハの研磨を研磨パッド３１の温度変移なく行うことができる。しかし、研磨パッド３１が高温（温度Ｔ）を維持することで、研磨パッド３１の研磨特性が劣化することが懸念される。このため、図７に示すように、第１ウェハの研磨と第２ウェハの研磨の間に、一旦温度を温度Ｔ０に下げることが望ましい。
【００６２】
［第１のＣＭＰ方法による効果］
上記第１のＣＭＰ方法によれば、研磨パッド３１に対して昇温機構３７による昇温制御が行われる。これにより、被処理膜の研磨初期において、研磨パッド３１の温度を早急に、初期温度Ｔ０から研磨レートの高い温度Ｔまで上昇させることができる。したがって、ＣＭＰにおける生産性の向上を図ることができる。
【００６３】
より具体的には、研磨パッド３１の温度を初期温度Ｔ０から研磨レートの高い温度Ｔまで上昇させる時間ｔ１を被処理膜の研磨工程（ＣＭＰの全工程）が終了するまでの時間ｔ４の２５％以下の時間にする。これにより、図５に示す比較例２に対して、研磨時間を１０％程度短縮することができる。
【００６４】
また、昇温機構３７による昇温制御とともに冷却ノズル３３による冷却制御も行われる。これにより、研磨パッド３１のより精密な温度制御が可能となる。すなわち、生産性のみならず、その他の研磨特性の向上も図ることができる。
【００６５】
［第２のＣＭＰ方法］
以下に図８を用いて、本実施形態に係る第２のＣＭＰ方法について説明する。なお、第２のＣＭＰ方法において、上記第１のＣＭＰ方法と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。
【００６６】
図８は、本実施形態に係る第２のＣＭＰ方法における研磨パッド３１の温度変移を示すグラフである。
【００６７】
なお、図８において、被処理膜は特に限定されていないが、種々の材料に対して同様に適用され得る。また、図８に示す時間０，ｔ１，ｔ４は、図５および図７に示す時刻０，ｔ１，ｔ４と同様の時間とは限らない。
【００６８】
本実施形態における第２のＣＭＰ方法は、冷却ノズル３３による冷却制御および昇温機構３７による昇温制御を行う。この場合、昇温機構３７による昇温制御（研磨パッド３１と昇温機構３７との摩擦）、および冷却ノズル３３による冷却制御によって、研磨パッド３１が温度Ｔ０から温度Ｔ（例えば、４０℃）に上昇し、この温度Ｔで一定となる。
【００６９】
ここで、第２のＣＭＰ方法においては、研磨パッド３１の温度上昇の初期から研磨パッド３１が温度Ｔで一定になるまでの間（時間０から時間ｔ１までの間）、研磨パッド３１に昇温機構３７のみを当接させている。すなわち、研磨パッド３１に研磨ヘッド３２（被処理膜）は当接していない。このため、研磨パッド３１と昇温機構３７との摩擦熱のみによって、研磨パッド３１の温度を上昇させている。そして、研磨パッド３１が温度Ｔまで上昇した時間ｔ１から研磨パッド３１に被処理膜を当接させて研磨を開始している。すなわち、被処理膜の研磨は、初めから研磨パッド３１が温度Ｔで一定の状態で行われる。また、この際、スラリー３４の供給は、研磨パッド３１に被処理膜を当接させると同時に、すなわち、時間ｔ１から開始される。
【００７０】
［第２のＣＭＰ方法による効果］
上記第２のＣＭＰ方法によれば、被処理膜の研磨前に昇温機構３７による昇温制御が行われ、研磨パッド３１の温度を初期温度Ｔ０から研磨レートの高い温度Ｔまで上昇させる。その後、研磨パッド３１が温度Ｔになった後に、研磨パッド３１に被処理膜を当接させて被処理膜の研磨を開始する。すなわち、研磨パッド３１の温度を研磨レートの高い温度Ｔに維持したまま、被処理膜を研磨することができる。このため、ＣＭＰにおける生産性の向上を図ることができる。
【００７１】
より具体的には、Ｃｕ膜１６のＣＭＰにおいて時間ｔ１（温度上昇の時間）が３０秒である場合に上記第２のＣＭＰ方法を適用すると、図５に示す比較例２に対して、研磨時間を１０％程度短縮することができる。
【００７２】
また、上記第２のＣＭＰ方法によれば、研磨パッド３１の温度を温度Ｔで一定にした状態で被処理膜の研磨を行う。すなわち、被処理膜の研磨中の研磨パッド３１の温度変化がなくなる。これにより、被処理膜の研磨中の温度変化による研磨特性の変化を抑制することができる。
【００７３】
さらに、上記第２のＣＭＰ方法によれば、スラリー３４は、研磨パッド３１が温度Ｔに上昇してから使用される。すなわち、スラリー３４の供給は、研磨レートの高い温度Ｔで行われる。このため、スラリー３４の供給時間のうち、研磨レートの高い状態で処理する時間が増加する。実質的には、スラリー３４の供給時間の全てが研磨レートの高い状態である。その結果、スラリー３４の使用量を削減することができる。
【００７４】
その他、本発明は、上記各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】
【００７５】
１０…半導体基板、１３…Ｗ膜、１６…Ｃｕ膜、２１…シリコン酸化膜、３１…研磨パッド、３２…研磨ヘッド、３３…冷却ノズル、３４…スラリー、３６…プレート、３７…昇温機構。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、被処理膜を形成する工程と、
前記被処理膜の表面をＣＭＰ法により研磨する工程と、
を具備し、
前記ＣＭＰ法は、
回転する研磨パッドを第１温度から前記第１温度よりも高い第２温度に上昇させる工程と、
前記被処理膜の表面を前記第２温度に上昇した前記研磨パッドに当接させる工程と、
を有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２温度における前記被処理膜の研磨レートは、前記第１温度における研磨レートよりも高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３】
前記被処理膜の表面を前記研磨パッドに当接させる工程において、前記研磨パッドは前記第２温度で一定に維持され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４】
前記ＣＭＰ法は、前記研磨パッドを前記第２温度に上昇させた後に、前記研磨パッドの表面にスラリーを供給する工程をさらに有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５】
半導体基板上に、被処理膜を形成する工程と、
前記被処理膜の表面をＣＭＰ法により研磨する工程と、
を具備し、
前記ＣＭＰ法は、
回転する研磨パッドを第１温度から前記第１温度よりも高い第２温度に上昇させる工程と、
前記被処理膜の表面を前記研磨パッドに当接させる工程と、
を有し、
前記研磨パッドを前記第１温度から前記第２温度に上昇させる工程は、前記ＣＭＰ法の全工程の時間の２５％以下の時間で行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第２温度における前記被処理膜の研磨レートは、前記第１温度における研磨レートよりも高い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】
前記研磨パッドを前記第１温度から前記第２温度に上昇させる工程の開始と前記被処理膜の表面を前記研磨パッドに当接させる工程の開始とは、同時である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８】
前記ＣＭＰ法は、前記研磨パッドを前記第１温度から前記第２温度に上昇させる工程および前記被処理膜の表面を前記研磨パッドに当接させる工程と同時に、前記研磨パッドの表面にスラリーを供給する工程をさらに有することを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
回転する研磨パッドと、
前記研磨パッドにスラリーを供給するスラリー供給ノズルと、
表面に被処理膜を保持し、前記研磨パッドに当接することで前記被処理膜を研磨する研磨ヘッドと、
表面に前記スラリーによる研磨レートが前記被処理膜よりも小さい材料で構成されるプレートを有し、回転しながら前記研磨パッドに当接することで前記研磨パッドの温度を上昇させる昇温機構と、
を具備することを特徴とする研磨装置。
【請求項１０】
前記研磨パッドの温度を下降させる冷却ノズルをさらに具備することを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
【請求項１１】
前記プレートは、表面が平滑であり、砥粒が凝着していないことを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
【請求項１２】
前記昇温機構は、回転速度および前記研磨パッドへの圧力を調整することにより前記研磨パッドの温度上昇を制御することを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
【請求項１】
半導体基板上に、被処理膜を形成する工程と、
前記被処理膜の表面をＣＭＰ法により研磨する工程と、
を具備し、
前記ＣＭＰ法は、
回転する研磨パッドを第１温度から前記第１温度よりも高い第２温度に上昇させる工程と、
前記被処理膜の表面を前記第２温度に上昇した前記研磨パッドに当接させる工程と、
を有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２温度における前記被処理膜の研磨レートは、前記第１温度における研磨レートよりも高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３】
前記被処理膜の表面を前記研磨パッドに当接させる工程において、前記研磨パッドは前記第２温度で一定に維持され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４】
前記ＣＭＰ法は、前記研磨パッドを前記第２温度に上昇させた後に、前記研磨パッドの表面にスラリーを供給する工程をさらに有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５】
半導体基板上に、被処理膜を形成する工程と、
前記被処理膜の表面をＣＭＰ法により研磨する工程と、
を具備し、
前記ＣＭＰ法は、
回転する研磨パッドを第１温度から前記第１温度よりも高い第２温度に上昇させる工程と、
前記被処理膜の表面を前記研磨パッドに当接させる工程と、
を有し、
前記研磨パッドを前記第１温度から前記第２温度に上昇させる工程は、前記ＣＭＰ法の全工程の時間の２５％以下の時間で行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第２温度における前記被処理膜の研磨レートは、前記第１温度における研磨レートよりも高い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】
前記研磨パッドを前記第１温度から前記第２温度に上昇させる工程の開始と前記被処理膜の表面を前記研磨パッドに当接させる工程の開始とは、同時である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８】
前記ＣＭＰ法は、前記研磨パッドを前記第１温度から前記第２温度に上昇させる工程および前記被処理膜の表面を前記研磨パッドに当接させる工程と同時に、前記研磨パッドの表面にスラリーを供給する工程をさらに有することを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
回転する研磨パッドと、
前記研磨パッドにスラリーを供給するスラリー供給ノズルと、
表面に被処理膜を保持し、前記研磨パッドに当接することで前記被処理膜を研磨する研磨ヘッドと、
表面に前記スラリーによる研磨レートが前記被処理膜よりも小さい材料で構成されるプレートを有し、回転しながら前記研磨パッドに当接することで前記研磨パッドの温度を上昇させる昇温機構と、
を具備することを特徴とする研磨装置。
【請求項１０】
前記研磨パッドの温度を下降させる冷却ノズルをさらに具備することを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
【請求項１１】
前記プレートは、表面が平滑であり、砥粒が凝着していないことを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
【請求項１２】
前記昇温機構は、回転速度および前記研磨パッドへの圧力を調整することにより前記研磨パッドの温度上昇を制御することを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−４２０６６（Ｐ２０１３−４２０６６Ａ）
【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２０１１−１７９４７０（Ｐ２０１１−１７９４７０）
【出願日】平成２３年８月１９日（２０１１．８．１９）
【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１９日（２０１１．８．１９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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