JP6817896B2 - 基板研磨装置および基板研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は基板研磨装置および基板研磨方法に関する。

近年、処理対象物（例えば半導体基板などの基板、又は基板の表面に形成された各種の膜）に対して各種処理を行うために処理装置が用いられている。処理装置の一例としては、処理対象物の研磨処理等を行うためのＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）装置が挙げられる。

特開２００５−２３５９０１号公報

昨今の半導体デバイスの製造における各工程への要求精度は既に数ｎｍのオーダーに達しており、ＣＭＰもその例外ではない。また、半導体集積回路の形成の高集積化に伴い、微細化、多層化がますます加速されている。微細化が実現された多層配線構造を形成する場合には、配線表面のわずかな段差であっても軽視できず、表面に形成された凹凸によりさまざまな欠陥が引き起こされ得る。そこで、半導体デバイスの製造過程の研磨においても、数ｎｍのオーダーでの平坦化が求められ、原子層レベルで基板の研磨のコントロール性が求められる。

［形態１］形態１によれれば、基板を化学機械的に研磨する方法が提供され、かかる方法は、処理液を使用して基板を研磨するステップと、基板の研磨に寄与する前記処理液の有効成分の濃度を変更するステップと、を有する。

［形態２］形態２によれば、形態１による方法において、前記処理液の有効成分は、（１）基板の被研磨層を酸化させる成分、（２）基板の被研磨層を溶解させる成分、および（３）基板の被研磨層を剥離させる成分、の少なくとも１つを有する。

［形態３］形態３によれば、形態１または形態２による方法において、さらに、基板の被研磨層の厚さを測定するステップを有し、測定された基板の被研磨層の厚さに基づいて、前記処理液の有効成分の濃度を変更する。

［形態４］形態４によれば、形態１または形態２による方法において、さらに、前記処理液のｐＨを測定するステップを有し、測定された処理液のｐＨに基づいて、前記処理液の有効成分の濃度を変更する。

［形態５］形態５によれば、形態１または形態２による方法において、前記処理液は砥粒を含み、前記処理液中の砥粒濃度を測定するステップを有し、測定された砥粒濃度に基づいて、前記処理液の有効成分の濃度を変更する。

［形態６］形態６によれば、形態１から形態５のいずれか１つの形態による方法において、前記処理液を純水で希釈することで、前記処理液の有効成分の濃度を変更する。

［形態７］形態７によれば、形態１、２、４のいずれか１つの形態による方法において、前記処理液は酸化性成分を有し、前記処理液の酸化作用を抑制するための還元剤を添加することで実効的に前記処理液の酸化性成分の濃度を変更する。

［形態８］形態８によれば、形態１、２、４のいずれか１つの形態による方法において、前記処理液は、溶解性成分として酸を有し、前記処理液にアルカリ剤を添加することで、溶解性成分濃度を変更する。

［形態９］形態９によれば、形態１、２、４のいずれか１つの形態による方法において、前記処理液は、溶解性成分としてアルカリを有し、前記処理液に酸を添加することで、溶解性成分濃度を変更する。

［形態１０］形態１０によれば、基板を化学機械的に研磨する方法が提供され、かかる方法は、処理液を使用して基板を研磨するステップと、基板の研磨中に処理液の温度を変更するステップと、を有する。

［形態１１］形態１１によれば、形態１０による方法において、さらに、基板の被研磨層の厚さを測定するステップを有し、測定された基板の被研磨層の厚さに基づいて、前記処理液の温度を変更する。

［形態１２］形態１２によれば、同一種類の複数の基板を化学機械的に研磨する方法が提供され、かかる方法は、第１処理液を用いて第１基板を研磨するステップと、第２処理液を用いて第２基板を研磨するステップと、を有し、前記第２処理液は、基板の研磨に寄与する処理液の有効成分の濃度が前記第１処理液の濃度と異なる。

［形態１３］形態１３によれば、基板に形成された金属層を除去するための方法が提供され、かかる方法は、基板の金属層に酸化剤および／または錯体形成剤を断続的に供給することで、前記金属層の表面に脆弱反応層を形成するステップと、処理液存在下で前記脆弱反応層にパッドを押圧し、前記脆弱反応層を研磨して除去するステップと、を有する。

［形態１４］形態１４によれば、形態１３による方法において、さらに、純水の存在下で基板にパッドを押圧して基板を研磨するステップを有する。

［形態１５］形態１５によれば、形態１３または形態１４による方法において、基板とパッドとが接触していない状態において、パッド上に酸化剤および／または錯体形成剤を供給した後に、基板とパッドとを接触させるステップを有する。

［形態１６］形態１６によれば、形態１３または形態１４による方法において、パッド側から基板側に向けて、酸化剤および／または錯体形成剤を断続的に供給するステップを有する。

［形態１７］形態１７によれば、形態１６による方法において、パッド側から基板側に向けて、酸化剤および／または錯体形成剤を含む第１処理液を供給するステップと、パッドの上方からパッドに向けて、前記第１処理液とは異なる成分を含む第２処理液を供給するステップと、を有する。

［形態１８］形態１８によれば、形態１７による方法において、前記処理液は還元剤を含む。

［形態１９］形態１９によれば、基板に形成された金属層を除去するための方法が提供
され、基板の金属層に電解液を供給するステップと、基板の金属層に電解液を介して電流を供給するステップと、基板にパッドを押圧して基板を研磨するステップと、を有する。

［形態２０］形態２０によれば、形態１３から形態１９のいずれか１つの形態による方法において、金属層の除去中に、酸化剤および／または錯体形成剤の供給量を変化させるステップを有する。

［形態２１］形態２１によれば、形態１９による方法において、基板の研磨中に、基板に供給される電流の大きさを変化させるステップを有する。

［形態２２］形態２２によれば、形態１３から形態２１のいずれか１つの形態において、金属層の除去中に、基板にパッドを押圧している時間を変化させるステップを有する。

［形態２３］形態２３によれば、形態１３から形態２１のいずれか１つの形態において、金属層は、アルミニウム、タングステン、銅、ルテニウム、およびコバルトを含むグループの少なくとも１つを含む。

［形態２４］形態２４によれば、基板に形成されたシリコン酸化層を除去するための方法が提供され、かかる方法は、シリコン酸化層に吸着性界面活性剤を供給して、シリコン酸化層の表面に保護層を形成するステップと、処理液存在下で前記保護層にパッドを押圧し、前記保護層を研磨することでシリコン酸化層を除去するステップと、砥粒のパッドへの吸着を促進する添加剤を断続的にパッドに供給するステップと、を有する。

一実施形態による基板研磨装置を概略的に示す斜視図である。 一実施形態による基板研磨装置を概略的に示す側面図である。 一実施形態による基板研磨装置を概略的に示す側面図である。 一実施形態による基板研磨装置を概略的に示す上面図である。 図４Ａ中に示される矢印４Ｂの方向からみた、反応液槽および基板を保持するトップリングの側面図である。 一実施形態による基板研磨装置を概略的に示す上面図である。 図５Ａ中に示される矢印５Ｂの方向からみた、電解液槽および基板を保持するトップリングの側面図である。 一実施形態による研磨方法の概略的なフローチャートである。 一実施形態による、基板の表面に形成された金属層を除去方法の概略的なフローチャートである。 一実施形態による基板の研磨による平坦化の例を示している。 一実施形態による基板の研磨による平坦化の例を示している。 一実施形態による基板の研磨による平坦化の例を示している。 ＣＭＰを使用した銅配線埋め込みにおける平坦化工程の例を示す図である。

以下に、本発明に係る基板研磨装置および基板研磨方法の実施形態を添付図面とともに説明する。添付図面において、同一または類似の要素には同一または類似の参照符号が付され、各実施形態の説明において同一または類似の要素に関する重複する説明は省略することがある。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。

図１は、一実施形態による基板研磨装置３００を概略的に示す斜視図である。基板研磨
装置３００は、研磨テーブル３２０と、トップリング３３０と、を備える。研磨テーブル３２０は、図示していない駆動源によって回転駆動される。研磨テーブル３２０には、研磨パッド３１０が貼り付けられる。トップリング３３０は、基板を保持して研磨パッド３１０に押圧する。トップリング３３０は、図示していない駆動源によって回転駆動される。基板は、トップリング３３０に保持されて研磨パッド３１０に押圧されることによって研磨される。

基板研磨装置３００は、研磨パッド３１０に処理液又はドレッシング液を供給するための処理液供給ノズル３４０を備える。処理液は、例えば砥粒を含むスラリーである。ドレッシング液は、例えば純水である。一実施形態として、処理液供給ノズル３４０は、研磨パッド３１０の面に平行な方向に移動可能に構成することができる。そのため、基板の研磨中に、処理液を研磨パッド３１０上の任意の位置に供給することができる。たとえば、基板ＷＦの研磨中に、基板ＷＦを保持するトップリング３３０の移動に同期させて処理液供給ノズル３４０を移動させることができる。

また、基板研磨装置３００は、研磨パッド３１０のコンディショニングを行うためのドレッサ３５０を備える。また、基板研磨装置３００は、液体、又は、液体と気体との混合流体、を研磨パッド３１０に向けて噴射するためのアトマイザ３６０を備える。液体は、例えば、純水である。気体は、例えば、窒素ガスである。ドレッサ３５０およびアトマイザ３６０は、任意の構造のものを採用することができる。また、アトマイザ３６０は無くてもよい。

トップリング３３０は、トップリングシャフト３３２によって支持される。トップリング３３０は、図示していない駆動部によって、矢印ＡＢで示すように、トップリングシャフト３３２の軸心周りに回転可能に構成される。また、トップリングシャフト３３２は、図示しない駆動部により研磨パッド３１０の面に垂直な方向にトップリング３３０を移動可能に構成される。さらに、トップリングシャフト３３２は、揺動可能なアーム４００（図４Ａ参照）に接続される。揺動可能なアーム４００により、トップリング３３０は、研磨パッド３１０の面に平行な方向（たとえば、半径方向）に移動可能である。

研磨テーブル３２０は、テーブルシャフト３２２に支持される。研磨テーブル３２０は、図示していない駆動部によって、矢印ＡＣで示すように、テーブルシャフト３２２の軸心周りに回転するようになっている。研磨テーブル３２０上には、研磨パッド３１０が貼り付けられる。研磨パッド３１０は、任意のものを使用することができ、研磨対象である基板ＷＦの材質や、求められる研磨条件に応じて選択することができる。また、一実施形態において、研磨テーブル３２０は、研磨パッド３１０を冷却するための冷却機構を備えてもよい。研磨パッド３１０の温度を制御することで、研磨パッド３１０の剛性を制御することができる。たとえば、研磨パッド３１０を冷却して剛性を大きくすることで、研磨対象の基板ＷＦの表面の凹凸に対する研磨パッド３１０の選択性を高めることができる。冷却機構として、たとえば、研磨テーブル３２０にペルチェ素子を設けてもよく、また、冷却流体が通る流体通路を研磨テーブル３２０内に設けて、温度制御された冷却流体を研磨テーブル３２０内の流体通路を通すようにしてもよい。また、研磨パッド３１０の冷却機構として、前記研磨パッド３１０の表面に接触するパッド接触部材と、温度調整された液体をパッド接触部材内に供給する液体供給システムと、を有する冷却機構してもよい。ここで、液体として、温水および冷水を用い、それぞれのパッド接触部材への供給量を制御することで、パッド接触部材、ひいては研磨パッド３１０が所定温度になるように制御しても良い。なお、これら手法による研磨パッド３１０の温度制御については、基板研磨装置３００に例えば放射温度計のような温度計測器を別途設け、本計測器により測定した温度信号を冷却機構にフィードバックさせることで、研磨パッド３１０表面を所定温度に制御することができる。

基板ＷＦは、トップリング３３０の研磨パッド３１０と対向する面に真空吸着によって保持される。研磨時には、処理液供給ノズル３４０から研磨パッド３１０の研磨面に処理液が供給される。また、研磨時には、研磨テーブル３２０及びトップリング３３０が回転駆動される。基板ＷＦは、トップリング３３０によって研磨パッド３１０の研磨面に押圧されることによって研磨される。

一実施形態において、基板研磨装置３００は、基板ＷＦの研磨の終点を検知するための終点検知機構を備えることができる。終点検知機構は、公知の終点検知機構を含めて任意のものを採用することができる。たとえば、渦電流センサ、光学式センサ、ファイバーセンサ等を使用することができる。渦電流センサ、光学式センサ、ファイバーセンサは、たとえば、研磨テーブル３２０またはトップリング３３０に設けることができる。また、終点検知機構として、基板研磨装置３００の駆動機構のトルク変動を測定して研磨の終点を検知することができる。研磨パッド３１０により基板ＷＦを研磨しているとき、基板ＷＦ上の研磨する層の研磨が終了し、下の層が現れるときに研磨パッド３１０と基板ＷＦの表面との間の摺動抵抗が変化する。かかる変化をトルク変動として検知することで基板ＷＦの研磨の終点検知を行うことができる。たとえば、揺動可能なアーム４００の揺動トルクの変動や、トップリングシャフト３３２の回転トルクの変動を測定することで、研磨の終点を検知することができる。

一実施形態において、基板研磨装置３００は、制御装置９００を備え、基板研磨装置３００の動作は制御装置９００により制御される。制御装置９００は、記憶装置、入出力装置、メモリ、ＣＰＵなどのハードウェアを備える一般的な汎用コンピュータおよび専用コンピュータ等から構成することができる。制御装置９００は、１つのハードウェハから構成してもよいし、複数のハードウェハから構成してもよい。

図２は、一実施形態による基板研磨装置３００を概略的に示す側面図である。図２に示されるように、処理液供給ノズル３４０は、処理液供給ライン５００Ａに接続される。図２に示されるように、処理液供給ライン５００Ａは、複数の液体源５０２（第１液体源５０２Ａ〜第Ｎ液体源５０２Ｎ）を備える。液体源５０２は、処理液である処理液や、純水、各種の調整剤などを保持するものとすることができる。液体源５０２の数は任意である。複数の液体源５０２は、図示しない各種弁を介してミキサ５０４に接続されている。ミキサ５０４では、複数の液体源５０２から供給された液体を混合することができる。例えば、第１液体源５０２Ａに基準となる濃度の処理液を保持させ、第２液体源５０２Ｂに純水を保持させる。第１液体源からの処理液を第２液体源５０２Ｂからの純水と混合することで、所望の濃度に処理液を希釈することができる。また、液体源５０２として、砥粒濃度の異なる処理液、ｐＨ調整剤、酸化剤、還元剤、酸性成分、アルカリ性成分、電解液、錯体形成剤、界面活性剤などの処理液を調整するための液体を保持させ、ミキサ５０４で所望の成分を備える処理液を調整するようにすることができる。一実施形態として、ミキサ５０４は、温度計および温度調整機構を備えるものとしてもよい。温度計および温度調整機構を備えることで、処理液供給ノズル３４０から所望の温度の処理液を研磨パッド３１０上に供給することができる。なお、温度計および温度調整機構はミキサ５０４とは別に設けてもよい。

一実施形態として、図２に示されるように処理液供給ライン５００Ａは、ミキサ５０４の下流側にセンサ５０６を備える。センサ５０６は、ミキサ５０４で調整された処理液の各種成分の濃度などを検出するためのものである。たとえば、センサ５０６は、ｐＨメータ、酸化還元電位計、処理液中の砥粒濃度を測定するパーティクルセンサ、などとすることができる。なお、一実施形態として、センサ５０６は、ミキサ５０４に設けてもよい。ミキサ５０４にセンサ５０６を設けることで、所望の濃度の処理液がミキサ５０４内で得
られるように、各液体源５０２からの供給量を調整することができる。

図３は、一実施形態による基板研磨装置３００を概略的に示す側面図である。図３に示される実施形態においては、基板研磨装置３００は、処理液供給ライン５００Ｂを備える。図３の実施形態において、処理液供給ライン５００Ｂは、複数の液体源５０２、ミキサ５０４、センサ５０６を備える点については図２の実施形態と同様である。しかし、図３に示される実施形態においては、処理液は、テーブルシャフト３２２および研磨テーブル３２０を通る管路を通じて、研磨パッド３１０の表面に供給されるように構成される。具体的には、センサ５０６から管路がテーブルシャフト３２２および研磨テーブル３２０まで延びる。研磨テーブル３２０内で管路は分岐しており、分岐した各管路が研磨テーブル３２０の表面に出口開口３４２ａ，３４２ｂ，〜３４２ｎを画定する。出口開口３４２ａ〜３４２ｎの位置および数は任意である。また、分岐した各管路には、図示しない電磁弁等が配置され、任意の出口開口３４２ａ〜３４２ｎから処理液を供給可能に構成される。また、出口開口３４２ａ〜３４２ｎに対応する位置において、研磨パッド３１０に貫通孔３１２ａ〜３１２ｎが形成されており、研磨テーブル３２０の出口開口３４２ａ〜３４２ｎおよび研磨パッド３１０の貫通孔３１２ａ〜３１２ｎを介して、処理液を研磨パッド３１０の表面に供給することができる。たとえば、基板ＷＦの研磨中に、基板ＷＦが存在している位置における出口開口３４２ａ〜３４２ｎおよび貫通孔３１２ａ〜３１２ｎから処理液を供給することで、効率的に処理液を基板ＷＦと研磨パッド３１０の接触面に供給することができる。なお、一実施形態として、図２に示される処理液供給ライン５００Ａおよび図３に示される処理液供給ライン５００Ｂの両方を備える基板研磨装置３００とすることもできる。その場合、処理液供給ライン５００Ａを介して供給される処理液と、処理液供給ライン５００Ｂを介して供給される処理液の種類や所定の成分の濃度を異なるものとしてもよい。なお、図２、３は、図示の明瞭化のために、研磨テーブル３２０、トップリング３３０、処理液供給ノズル３４０、および処理液供給ライン５００Ａ、５００Ｂ以外の構成は省略しているが、たとえば図１に示されるドレッサ３５０、アトマイザ３６０などの構成、あるいはその他の任意の構成を追加することができる。

図４Ａは、一実施形態による基板研磨装置３００を概略的に示す上面図である。図示の基板研磨装置３００は、図１に示される基板研磨装置３００と同様に、研磨パッド３１０が貼り付けられた研磨テーブル３２０、基板ＷＦを保持するトップリング３３０、トップリング３３０を揺動させるためのアーム４００を備える。図４Ａに示される基板研磨装置３００は、さらに、反応液を保持するための反応液槽６００を備える。図４Ｂは、図４Ａ中に示される矢印４Ｂの方向からみた、反応液槽６００および基板ＷＦを保持するトップリング３３０の側面図である。なお、図４に示される基板研磨装置３００において、反応液槽６００は１つであるが、後述のように複数の反応液槽６００を備えるように基板研磨装置３００を構成してもよい。図４Ｂに示されるように、反応液槽６００には反応液が保持される。反応液槽６００は、温度制御機能を保持し、反応液を所定の温度に維持できるように構成される。図４Ａに示されるように、アーム４００は、トップリング３３０を揺動させて基板ＷＦを研磨パッド３１０から退避させて、反応液槽６００の位置まで基板ＷＦを移動させて（図４Ａの破線で示される）、基板ＷＦを反応液に接触させることができる（図４Ｂ）。反応液は、基板ＷＦの被研磨面の表面に脆弱な反応層を形成するための酸化剤、錯化剤などを含む液体とすることができる。たとえば、基板ＷＦの被研磨面が酸化膜含む場合、反応液は、ＫＯＨ等のアルカリ剤を含むものとすることができる。また、基板ＷＦの被研磨面がタングステンを含む場合は、反応液は、ヨウ素酸カリウムや過酸化水素等の酸化剤等を含むものとすることができる。また、基板ＷＦの被研磨面が銅を含む場合は、反応液は、過酸化水素や過硫酸アンモニウム等の酸化剤とＢＴＡや各種キレート剤(キナルジン酸等)のような表面に不溶性錯体を形成するための錯体形成剤等を含むものとすることができる。通常の半導体デバイス形成工程における平坦化工程では、上記除去対象の材料が複数混在し、それらの複数の材料を同時に研磨することで平坦化を実現するこ
とが行われる。そのため、上記の反応液成分は１つの反応液内に含有されていても良い。また、１つの溶液中に同時に含有することで反応液成分が劣化する場合は、反応液槽６００を複数設けて各反応液槽６００にそれぞれの反応液成分を保持させてもよい。その場合、各反応溶液槽６００に基板Ｗｆを接触させることで反応層を形成させることができる。また、基板ＷＦの被研磨面に上記のような材料が複数存在している状態で基板ＷＦの平坦化を行う場合、各材料の除去速度に差を持たせる必要がある場合がある。この際は、各材料への反応層の形成量(反応層の厚さ)に差を持たせ、後述の研磨除去の工程にて除去する量に差を持たせることが可能である。反応層の形成量に差を持たせる方法としては、上記成分の濃度にてコントロールしても良い。また、反応層の形成反応を抑制するような抑制剤を含有させることで、反応層の形成量に差を持たせても良い。そのような抑制剤としては、例えば界面活性剤のような除去対象材料に吸着することで反応層の形成を抑制するタイプ、もしくは例えば酸化剤に対する還元剤のような反応成分自身を中和・相殺するタイプが挙げられる。また、基本的に反応層の形成は化学反応によるものが多いことから、例えば反応液の温度を制御することで、各材料への反応層形成量に差を持たせるようにしても良い。また、複数の反応液槽６００を備える構成であれば、各反応液槽６００の液温に差を持たせることで、反応層の形成量に差をもたせても良い。更に複数の反応液槽６００を配置する場合は、各反応液槽６００での基板Ｗｆの反応液への接触時間をコントロールすることで反応層形成量に差を持たせることも可能である。なお、通常の半導体デバイス形成工程における平坦化工程では、除去対象材料自身がその形成工程において段差を有することが多く、平坦化においては該段差の除去も同時に必要である。その際、反応層形成前後に、後述の保護層を形成することで、平坦化の効率を促進させることができる。その場合、例えば保護膜を形成するための薬液を含む別液槽を更に設け、基板研磨装置３００において、反応液槽６００と保護膜形成用の液槽との間でトップリング３３０を適宜移動させることで、基板Ｗｆへの保護層の形成が可能となる。こうして、基板ＷＦの表面に脆弱な反応層を形成した後に、基板ＷＦを研磨パッド３１０に押圧して脆弱な反応層を除去するように研磨することができる。基板ＷＦを反応液に接触させる工程、および基板ＷＦの表面に形成された反応層を研磨除去する工程を繰り返し、所望の研磨を達成することができる。

図５Ａは、一実施形態による基板研磨装置３００を概略的に示す上面図である。図示の基板研磨装置３００は、図１に示される基板研磨装置３００と同様に、研磨パッド３１０が貼り付けられた研磨テーブル３２０、基板ＷＦを保持するトップリング３３０、トップリング３３０を揺動させるためのアーム４００を備える。図５Ａに示される基板研磨装置３００は、さらに、電解液を保持するための電解液槽６５０を備える。図５Ｂは、図５Ａ中に示される矢印５Ｂの方向からみた、電解液槽６５０および基板ＷＦを保持するトップリング３３０の側面図である。電解液槽６５０には電解液が保持される。電解液槽６５０は、温度制御機能を保持し、電解液を所定の温度に維持できるように構成される。図５Ａに示されるように、アーム４００は、トップリング３３０を揺動させて基板ＷＦを研磨パッド３１０から退避させて、電解液槽６５０の位置まで基板ＷＦを移動させて（図５Ａの破線で示される）、基板ＷＦを電解液に接触させることができる（図５Ｂ）。電解液は、基板ＷＦの被研磨面の表面に電気的作用を与えるための電解質および錯化剤などを含む液体とすることができる。たとえば、基板ＷＦの被研磨面が銅を含む場合、電解液は、支持電解質としてたとえば硫酸カリウムのような無機系の中性塩や有機塩、ｐＨ調整剤としては各種無機酸・無機アルカリ及びその塩であり、たとえばアルカリ側ではＫＯＨが挙げられる。また、錯体形成剤としてたとえばＢＴＡやキレート剤(キナルジン酸等)を含むものとすることができる。また、電解反応による反応層形成の場合、副反応として電解エッチングが生じてしまう可能性もあることから、これを防止するようなエッチング抑制剤を導入しても良い。抑制剤としてはいわゆる腐食抑制剤があり、例えば窒素含有複素環化合物では、加工の対象となる銅等の金属と化合物を形成し、金属表面に保護膜を形成することで、金属の腐食を抑制する化合物として知られているものでよい。

図５Ｂに示されるように、電解液槽６５０は、底部に対向電極６５２が配置される。対向電極６５２は、電源６５４のマイナス側の端子に接続される。図５Ｂに示される実施形態における基板研磨装置３００は、電源６５４のプラスの端子に接続される給電ピン６５６を備える。給電ピン６５６は、基板ＷＦの表面の導電層（金属層）に接触させることができる。そのため、電解液槽６５０内の電解液を介して基板ＷＦの表面の導電層に電流を与えて、導電層の表面に脆弱な反応層や電解酸化による酸化層を形成することができる。なお、酸化層については電解液中に錯体形成剤を導入することで最終的に反応層として形成させても良い。基板ＷＦの導電層に与える電荷量を制御することで、形成される反応層を制御することができる。一実施形態として、クーロンメータにより基板ＷＦの導電層に与えられる電荷量を測定することで、電荷量を制御することができる。基板ＷＦの表面に脆弱な酸化層および錯体などからなる反応層を形成した後に、基板ＷＦを研磨パッド３１０に押圧して脆弱な反応層を除去するように研磨することができる。基板ＷＦを電解層に接触させて基板ＷＦの表面に電流を与える工程、および基板ＷＦの表面に形成された反応層を研磨除去する工程を繰り返し、所望の研磨を達成することができる。

以下に、本発明にかかる研磨方法の実施形態を説明する。一実施形態において、基板ＷＦに対して化学機械的研磨（ＣＭＰ）を行う。たとえば、半導体デバイスの製造過程で基板ＷＦを平坦化するためにＣＭＰが一般的に行われている。半導体デバイスの製造工程では、平坦化への要求がますます高まっており、たとえば数ナノメートルレベルの平坦性を実現することが望まれる。以下で説明する研磨方法は、上述の基板研磨装置３００を用いて行うことができる。

図６は一実施形態による研磨方法の概略的なフローチャートである。一実施形態による研磨方法においては、従来から行われている一般的なＣＭＰの研磨条件で基板ＷＦの研磨を行う。研磨条件は、たとえば使用する処理液の種類や濃度、基板ＷＦや研磨パッド３１０の回転数、基板ＷＦと研磨パッド３１０との押圧力、研磨時間などである。かかる一般的なＣＭＰ研磨においては、基板ＷＦの研磨による平坦性を確保しつつ迅速に研磨を行うように研磨条件が選択される。一実施形態において、一般的な研磨条件によりＣＭＰを行うことで研磨目標近くまで研磨したら、より精細に基板ＷＦを平坦化するために、研磨条件を変更する。より具体的には、基板ＷＦの研磨に寄与する処理液の有効成分の濃度を小さくすることができる。処理液の有効成分としては、（１）基板の被研磨層を酸化させる成分、（２）基板の被研磨層を溶解させる成分、および（３）基板の被研磨層を剥離させる成分、などが挙げられる。処理液の有効成分の濃度の変更は、上述の処理液供給ライン５００Ａや処理液供給ライン５００Ｂの構成により実現することができる。たとえば、複数の液体源５０２に基準となる処理液、純水、各種成分を調整するための液体などを保持させ、各種成分の所望の量をミキサ５０４で混合して、処理液濃度を変更することができる。一例として、基準となる処理液と純水を混合することで、処理液中のあらゆる成分を希釈することができる。たとえば、基板ＷＦの被研磨層が酸化膜を含む場合、ｐＨを上げることにより酸化膜のＳｉＯ_２をシラノール化させて脆弱化させるので、アルカリ剤濃度を低下させてもよい。基板ＷＦの被研磨層が銅やタングステンのような金属を含む場合、これらの金属を酸化させたのち錯体化するなどして脆弱化させるので、酸化剤濃度を低下させてもよい。また、いずれの場合も最終的にはコロイダルシリカ等の砥粒によって、基板ＷＦの表面に形成された脆弱層を吸着等の作用によって剥離させるので、砥粒濃度を低下させてもよい。

一実施形態による研磨方法においては、基板の被研磨層の厚さを測定する。基板の被研磨層の厚さを測定することで、たとえば、上述の一般的なＣＭＰにおいて研磨目標近くまで研磨した状態を検知することができ、また、最終的な研磨目標まで基板を研磨できたことを検知することができる。一実施形態として、基板の被研磨層の厚さを測定しながら、
段階的に処理液の有効成分の濃度を変更してもよい。基板の被研磨層の厚さの測定は、上述した渦電流センサなどの各種の終点検知機構を使用することができる。

一実施形態による研磨方法において、基板を研磨しているときに、処理液のｐＨを測定する。ＣＭＰにおいて、処理液のｐＨは研磨速度に影響を与える。そのため、処理液のｐＨをモニタリングしながら、測定されたｐＨに基づいて処理液の有効成分を変更することで、研磨速度を調整することができる。また、たとえば酸化剤として過酸化水素を使用する場合は、アルカリ側の方が酸化反応が進むので、ｐＨを変更することで酸化剤の作用を調整することができる。そのため、処理液のｐＨモニタリングすることで、研磨反応に寄与する各成分の効果を調整することができる。

一実施形態による研磨方法において、基板を研磨しているときに、処理液は砥粒を含み、処理液中の砥粒濃度を測定する。ＣＭＰにおいて、処理液中の砥粒濃度は研磨速度に影響を与える。そのため、処理液中の砥粒濃度をモニタリングしながら、測定された砥粒濃度に基づいて処理液の有効成分を変更することで、研磨速度を調整することができる。たとえば、原子層レベルでの研磨を実現するために、研磨される反応層を薄く形成する場合、必要以上の砥粒が研磨空間に存在すると、基板表面に機械的な傷、スクラッチが発生する可能性がある。そのようなスクラッチを回避するためにも砥粒濃度の監視は有効である。

一実施形態による研磨方法において、処理液は、基板の被研磨層を酸化させる酸化性成分を含む。そして、処理液中の酸化作用を抑制するための還元剤を添加することで、実効的に処理液の酸化性成分の濃度を変更することができる。たとえば、銅配線を形成するためのダマシンプロセスにおける研磨の場合、銅層を研磨除去した後、バリア層を研磨除去する。引き続き、原子層オーダーの平坦化を行う場合、前工程に相当するバリア層の研磨に用いた処理液から酸化剤を取り除いたものを使用して研磨を行うことが考えられる。しかし、銅は残留する過酸化水素等の酸化剤のみならず処理液中の溶存酸素によってもある程度酸化が進むので、酸化還元電位計で電位をモニターしつつ亜硫酸塩等の還元剤を添加して酸化反応を制御することができる。

一実施形態による研磨方法において、処理液は、溶解性成分として酸を含む。そして、処理液にアルカリ剤を添加することで処理液中の溶解性成分の濃度を変更することができる。たとえば、基板ＷＦの被研磨層にタングステンを含む場合、研磨速度を十分なものとするために、酸化剤として酸化力の強いヨウ素酸カリウムを使用する場合がある。ヨウ素酸は低ｐＨにおいて高い酸化力を発揮する。したがって、原子層オーダーの平坦化に際しては、通常のＣＭＰにおいて使用する処理液に対してＫＯＨ等のアルカリ剤を添加してｐＨを高めることにより所望の研磨速度に落とすことができる。

一実施形態による研磨方法において、処理液は、溶解性成分としてアルカリを含む。そして、処理液に酸を添加することで処理液中の溶解性成分の濃度を変更することができる。たとえば、基板ＷＦの被研磨層が酸化膜を含む場合、ｐＨを上げることにより酸化膜のＳｉＯ_２をシラノール化させて脆弱化させるので、アルカリ剤濃度を低下させることで、研磨速度を小さくすることができる。

一実施形態による研磨方法において、基板の研磨中に処理液の温度を変更する。処理液の温度はＣＭＰの研磨速度に影響を与える。そのため、基板の研磨中に処理液の温度を変更することで、研磨速度を調整することができる。一実施形態による研磨方法において、処理液の温度の変更は、基板の被研磨層の厚さに基づいて行うことができる。

上述の実施形態による研磨方法は、１つ基板を研磨する場合の方法であるが、複数の基
板を連続的に研磨する場合にも適用することができる。たとえば、第１基板を研磨するときに第１処理液を用い、第２基板を研磨するときに第２処理液を用いることができる。このとき、第１処理液と第２処理液とは、有効成分の濃度が異なるものとすることができる。そして、有効成分の濃度の変更は、各基板の研磨結果に応じて変更することができる。たとえば、研磨後の基板の表面の層の厚さや平坦性を検査して、その検査結果や、基板を研磨しているときに使用した処理液の成分濃度などに基づいて、後続の基板の研磨処理の処理液を変更することができる。

一実施形態による研磨方法において、基板の表面に形成された金属層を除去することができる。図７は、一実施形態による、基板の表面に形成された金属層を除去方法の概略的なフローチャートである。一実施形態による方法において、基板の表面の金属層に酸化剤および／または錯体形成剤を断続的に供給することで、金属層の表面に脆弱な反応層を形成する。酸化剤および／または錯体形成剤の供給は、上述の処理液供給ライン５００Ａを使用して処理液供給ノズル３４０から研磨パッド３１０および基板ＷＦの表面に供給することができる。あるいは、上述の処理液供給ライン５００Ｂを用いて、研磨パッド３１０の下から基板ＷＦに向けて酸化剤および／または錯体形成剤を供給してもよい。処理液供給ライン５００Ａおよび処理液供給ライン５００Ｂの両方を用いることもできる。さらに、一実施形態として、金属層の表面に脆弱な反応層を形成するために、図４Ａ、Ｂとともに説明した反応液槽６００に酸化剤および／または錯体形成剤を保持させ、図４Ｂに示されるように、基板ＷＦを反応液槽６００内の反応液に接触させるようにしてもよい。また、酸化剤および／または錯体形成剤の供給量は、基板の処理中に変更してもよい。たとえば、基板の処理中に酸化剤の供給を段階的に増加させるようにしてもよい。数ナノメートル程度の研磨除去を実現するためには、反応層は非常に薄く、原子層オーダーの厚さで形成することが望ましい。そのため、反応層を形成するための酸化剤および／または錯体形成剤は非常に希薄であり、たとえば、１０μｍｏｌ／Ｌの薬液などとなる。また、基板ＷＦの内部へ薬液が浸透するのを抑制する観点から、酸化剤、錯体形成剤は分子量が大きいものが望ましい。また、形成される反応層は緻密であることが好ましい。また、基板ＷＦの金属層に反応層を形成する前に、基板ＷＦの表面を洗浄してもよい。これは、基板ＷＦの表面に自然酸化膜や意図しない膜が形成されている場合があるので、これら取り除くためである。あるいは、基板ＷＦの表面に形成された自然酸化膜を除去するために還元剤を用いてもよい。

上述のように基板ＷＦの表面の金属層に脆弱な反応層を形成したら、砥粒を含む処理液の存在下で研磨パッド３１０を反応層に押圧して反応層を研磨して除去する。このとき処理液の有効成分の濃度を上述の実施形態のように変更してもよい。基板ＷＦの表面に反応層を形成する工程と、反応層を研磨除去する工程を繰り返して、所望の研磨を達成することができる。かかる実施形態においては、酸化剤および／または錯体形成剤の供給を断続的に行うことで、反応層の形成を断続的にし、研磨速度を精細に制御することができる。なお、本研磨除去においては、反応層のみを除去することが理想であることから、通常のＣＭＰのような研磨速度は必要ではなく、例えば１０ｎｍ/ｍｉｎ以下の研磨速度であることが望ましい。同時に平坦化も必要であることから、通常のＣＭＰ以上に研磨パッドと基板ＷＦとの接触をコントロールすることが必要であり、基板ＷＦの除去対象材料表面の凹凸に対する研磨パッドの接触圧力の選択性が高い方が好ましい。例えば研磨条件としては、研磨圧力は小さい方が良く、好ましくは１psi以下、より好ましくは０．１psi以下が好ましい。また、ドレッシング条件等の調整による研磨パッド表面の平滑化や、研磨パッド３１０の冷却機構にて研磨パッド表面を冷却することなどにより研磨パッド３１０表面の剛性を増加させる方法でもよい。また、固定砥粒のような剛性の高い研磨パッドを使用してもよい。

一実施形態による方法において、上述の反応層を研磨除去した後に、純水のみの存在下
で、研磨パッド３１０を基板ＷＦの表面に押圧して、基板を研磨することができる。かかる実施形態においては、研磨パッド３１０により基板ＷＦ上の脆弱な反応層を除去した後に、処理液中の砥粒が反応層の下の金属層にダメージを与えることを防止することができる。

一実施形態による方法において、基板ＷＦと研磨パッド３１０とが接触していない状態において、研磨パッド３１０上に酸化剤および／または錯体形成剤を供給する。基板ＷＦと研磨パッド３１０が接触している状態だと、酸化剤および／または錯体形成剤が研磨パッド３１０ひいては基板ＷＦ上に均一に供給されない可能性がある。そこで、本実施形態においては、基板ＷＦと研磨パッド３１０とが接触していない状態において、予め研磨パッド３１０上に酸化剤および／または錯体形成剤を供給することで、酸化剤および／または錯体形成剤を均一に供給することができる。より具体的には、トップリング３３０を研磨パッド３１０から引き上げた状態で、処理液供給ライン５００Ａまたは処理液供給ライン５００Ｂを用いて酸化剤および／または錯体形成剤を研磨パッド３１０に供給することができる。なお、酸化剤および／または錯体形成剤を研磨パッド３１０に供給する際、研磨テーブル３２０を回転させてもよい。研磨テーブル３２０の回転による遠心力により、研磨パッド３１０面内に短時間に酸化剤および／または錯体形成剤を均一に行きわたらせることが可能である。

一実施形態による方法において、基板の研磨の際の処理液の一部の成分を研磨パッド３１０の上方から供給し、処理液の一部の成分を研磨パッド３１０の下方から供給することができる。具体的には、上述の処理液供給ライン５００Ａから供給される処理液と、処理液供給ライン５００Ｂから供給される処理液との成分を異なるものとすることができる。たとえば、基板ＷＦの表面の金属膜を研磨する場合においては、金属の酸化が工程を律速する。したがって、原子層オーダーで研磨するためにはそれに必要なごく少量の酸化剤のみを供給することになる。ところが、通常のＣＭＰ装置での処理液供給方法であるパッド上方からすべての処理液成分を供給する方法では、基板ＷＦの周縁部がまず最初に新鮮な処理液と接触するので、酸化剤量が少ないと周縁部のみが選択的に酸化され、基板ＷＦの中央部の金属膜の研磨が行われなくなる。また、酸化膜の研磨においては砥粒による脆弱層の剥離が研磨反応を律速することが多い。この場合は、砥粒量を減少させることで原子層オーダーの研磨を実現することになる。この場合も、パッド上方からすべての処理液成分を供給する方法では基板ＷＦの周縁部がまず最初に新鮮な処理液と接触するので、有効な砥粒が周縁部での研磨によって消耗してしまい、基板ＷＦの中央部の金属膜の研磨が行われなくなる。したがって、一例として、研磨反応を律速する成分を研磨パッド３１０の下方から供給し、それ以外の成分を従来通り研磨パッド３１０の上方から供給すると有効である。

一実施形態による基板ＷＦの表面に形成された金属層を除去するための方法において、基板の金属層に電解液を供給する。そして、電解液を介して基板ＷＦの金属層に電流を供給することで、金属層の表面に脆弱な反応層や電解酸化による酸化層を形成することができる。なお、酸化層については電解液中に錯体形成剤を導入することで最終的に反応層として形成されてもよい。このとき、電流の大きさおよび供給時間により、形成される反応層の厚さを制御することができる。また、基板ＷＦの導電層に与える電荷量を制御することで、形成される反応層を制御することができる。一実施形態として、クーロンメータにより基板ＷＦの導電層に与えられる電荷量を測定することで、電荷量を制御することができる。所望の反応層の厚さを実現するために、基板に供給される電流の大きさや供給時間を変更してもよい。本実施形態による方法は、たとえば、図５Ａ、Ｂとともに説明した構成により実現することができる。本実施形態において、金属層に電気的な作用により反応層を形成したら、基板ＷＦの表面に研磨パッド３１０を押圧して、反応層を研磨除去する。なお、本研磨除去においては、反応層のみを除去することが理想であることから、通常
のＣＭＰのような研磨速度は必要ではなく、例えば１０ｎｍ/ｍｉｎ以下の研磨速度であることが望ましい。同時に平坦化も必要であることから、通常のＣＭＰ以上に研磨パッドと基板ＷＦとの接触をコントロールすることが必要であり、基板ＷＦの除去対象材料表面の凹凸に対する研磨パッドの接触圧力の選択性が高い方が好ましい。例えば研磨条件としては、研磨圧力は小さい方が良く、好ましくは１psi以下、より好ましくは０．１psi以下が好ましい。また、ドレッシング条件等の調整による研磨パッド表面の平滑化や研磨パッド３１０の冷却機構にて研磨パッド３１０表面を冷却することなどにより研磨パッド３１０表面の剛性を増加させる方法でもよい。また、固定砥粒のような剛性の高い研磨パッドを使用してもよい。更に、処理液としては上述の砥粒等の有効成分を適宜調整したものを用いても良いが、反応層が十分に脆弱な場合は純水のみの存在下で、研磨パッド３１０を基板ＷＦの表面に押圧して、反応層を研磨除去することができる。これにより、反応層の下の金属層にダメージを与えることを防止することができる。

一実施形態による方法によれば、基板に形成されたシリコン酸化層を除去するための方法が提供される。かかる方法において、シリコン酸化層に吸着性界面活性剤を供給して、シリコン酸化層の表面に保護層を形成する。一実施形態として、吸着性界面活性剤の供給は、上述の処理液供給ライン５００Ａおよび／または処理液供給ライン５００Ｂを使用して行うことができる。本実施形態による方法において、保護層を形成した後に、処理液存在下で、基板ＷＦ上に形成された保護層に研磨パッド３１０を押圧して、保護層を研磨することでシリコン酸化層を研磨除去する。このとき、砥粒の研磨パッド３１０への吸着を促進する添加剤をパッドに供給することができる。たとえば、ピコリン酸を処理液に添加することで、砥粒であるセリア（酸化セリウム）の単位面積当たりの研磨パッド３１０への吸着量が増加することが知られている。そのため、このような添加剤を処理液に加えることで基板の研磨速度を制御することができる。
い。

上述してきた基板の研磨方法のいずれに実施形態においても、処理液の種類や各種成分の濃度、供給量、基板ＷＦと研磨パッド３１０との間の押圧力、接触時間、トップリング３３０および研磨テーブル３２０の回転速度、などは任意に変更可能である。これらの処理条件は、１つの基板の処理中に変更してもよいし、複数の基板を処理するときに処理する基板ごとに変更してもよい。また、研磨対象となる基板は、任意である。研磨される金属層として、たとえば、アルミニウム、タングステン、銅、ルテニウム、コバルト、チタン、タンタル、およびそれらの任意の合金ないし化合物の少なくともいずれか１つを含むものとすることができる。また、研磨される絶縁層としては、酸化シリコン層、窒化シリコン層、Ｌｏｗ−ｋ層、Ｈｉｇｈ−ｋ層の少なくとも１つを含むものとすることができる。

以下に、上述の実施形態による基板の研磨方法を使用した、基板を研磨する例を説明する。図８は、一実施形態による基板の研磨による平坦化の例を示している。図８（ａ）は基板表面に形成された除去対象層の初期状態を側面から見た図である。ここで、除去対象層は酸化シリコン層、窒化シリコン層、Ｌｏｗ−ｋ層、Ｈｉｇｈ−ｋ層のような絶縁層、またはアルミニウム、タングステン、銅、ルテニウム、コバルト、チタン、タンタル、およびそれらの合金ないし化合物の少なくとも１つを含むものとすることができる。かかる例において、基板ＷＦの除去対象層は、凸部１００および凹部１０２を備えている。一例として凸部１００は、ナノメートルレベルの大きさである。図８は、除去対象層の凸部１００を除去して、図８（ｄ）に示される平坦な基板を得るための方法を示している。図８の例において、基板ＷＦの表面に脆弱な反応層１０４を形成する（図８（ｂ））。反応層は基板ＷＦの凸部１００および凹部１０２の両方に形成される。反応層１０４は、好ましくは、数Åレベルの原子層単位の厚さで形成される。反応層１０４の形成は、上述の任意の装置および方法を使用して行うことができる。次に、段差選択制のある除去技術により
凸部１００上に形成された反応層１０４を除去する（図８（ｃ））。たとえば、上述の基板研磨装置３００や触媒基準エッチング（ＣＡＲＥ）法を用いて反応層１０４を除去することができる。反応層１０４の形成および反応層１０４の除去を繰り返すことで、基板ＷＦの凸部１００を除去し、平坦な基板ＷＦを得ることができる（図８（ｄ））。ここで、反応層１０４としては、除去対象層が酸化層の場合では、例えばｐＨを上げることによって基板ＷＦのＳｉＯ_２をシラノール化させて形成した脆弱化層であり、除去対象層がタングステンや銅のような金属層の場合では、酸化剤および／または錯体形成剤により形成された金属酸化物層もしくは錯体層である。基板研磨装置３００での反応層１０４の研磨除去においては、凸部１００上の反応層１０４のみを除去することが理想であることから、通常のＣＭＰのような研磨速度は必要ではなく、例えば１０ｎｍ/ｍｉｎ以下の研磨速度であることが望ましい。同時に平坦化も必要であることから、通常のＣＭＰ以上に研磨パッド３１０と基板ＷＦとの接触をコントロールすることが必要である。そのため、基板ＷＦの除去対象材料表面の凹凸に対する研磨パッド３１０の接触圧力の選択性が高い方が好ましい。例えば研磨条件としては、研磨圧力は小さい方が良く、好ましくは１psi以下、より好ましくは０．１psi以下が好ましい。また、ドレッシング条件等の調整による研磨パッド３１０表面の平滑化や研磨パッド３１０表面を冷却して研磨パッド３１０表面の剛性を増加させてもよい。また、研磨処理液は、基板ＷＦ上の脆弱な反応層１０４を除去した後に、処理液中の砥粒が反応層１０４の下層（未反応層）にダメージを与えることを防止する観点から、例えば砥粒成分のみを含み、砥粒サイズも除去単位を小さくするため通常のＣＭＰにおける砥粒サイズ以下、具体的には２０ｎｍ以下と小さくした方が良い。また、砥粒濃度も研磨量の基板Ｗｆ面内の均一性を損なわないレベルまで小さくしても良い。更に、砥粒の表面への吸着や砥粒自身の凝集にはｐＨも関係していることからｐＨ調整剤にて適宜調整しても良い。なお、上記は砥粒による反応層１０４の研磨除去の例であるが、反応層１０４が十分に脆弱である場合は、純水のみの存在下で、研磨パッド３１０を基板ＷＦの表面に押圧して、基板を研磨してもよい。

図９は、一実施形態による基板の研磨による平坦化の例を示している。図９の例においても、図８の例と同様に、凸部１００および凹部１０２を備える基板を平坦化する例を示している。図９（ａ）は基板表面に形成された除去対象層の初期状態を側面から見た図である。一例として凸部１００は、ナノメートルレベルの大きさである。図９の例においては、まず、基板ＷＦの表面全体に保護層１０６を形成する（図９（ｂ））。保護層１０６は、反応層１０４よりも研磨速度の研磨圧力への依存性が小さいものであることが望ましい。保護層１０６を形成したら、凸部１００上の保護層１０６を研磨除去する（図９（ｃ））。たとえば、上述の基板研磨装置３００や研磨方法を用いて保護層１０６を研磨除去することができる。凸部１００上の保護層１０６を除去したら、反応層１０４を形成する（図９（ｄ））。この時、凸部１００が露出し、凹部１０２は保護層１０６に覆われているので、反応層１０４は凸部１００に形成されることになる。反応層１０４は、好ましくは、数Åレベルの原子層単位の厚さで形成される。反応層１０４の形成は、上述の任意の装置および方法を使用して行うことができる。反応層１０４を形成したら、反応層１０４のみを除去する（図９（ｅ））。反応層１０４の除去は、上述の基板研磨装置３００や触媒基準エッチング（ＣＡＲＥ）法を用いて反応層１０４を除去することができる。また、保護層１０６がエッチング耐性のあるものであれば、反応層１０４をエッチングにより除去してもよい。上述の反応層１０４の形成および反応層１０４の除去を繰り返すことで、基板ＷＦの凸部１００を除去し、平坦な基板ＷＦを得ることができる（図９（ｆ））。図９の例では、保護層１０６を用いている。図９（ａ）に示されるような凸部１００および凹部１０２を備える基板を、たとえばＣＭＰなどでそのまま研磨すると、凸部１００だけでなく凹部１０２も同時に研磨されることがある。そのため、図９の例においては、凹部１０２が研磨されないように保護層１０６を用いて凸部１００を選択的に除去するようにしている。ここで、反応層１０４については図８の例と同様である。また、保護層１０６は特に凹凸差が小さいことにより凹凸部での研磨圧力差が小さい場合でも、凹部１０２の
研磨速度の抑制に寄与する必要があることから、（１）研磨速度の研磨圧力に対する依存性が高いこと、（２）反応層の研磨速度より小さいこと、が求められる。例としては、いわゆる腐食抑制剤やレジスト、ＳＯＧ等が候補であり、腐食抑制剤としてはベンゾトリアゾール及びその誘導体やインドール、２−エチルイミダゾール、ベンズイミダゾール、２−メルカプトベンズイミダゾール、３−アミノ−１，２，４−トリアゾール、３−アミノ−５メチル−４Ｈ−１，２，４−トリアゾール、５−アミノ−１Ｈ−テトラゾール、２−メルカプトベンゾチアゾール、２−メルカプトベンゾチアゾールナトリウム、２−メチルベンゾチアゾール、（２−ベンゾチアゾリルチオ）酢酸、３−（２−ベンゾチアゾリルチオ）プロピオン酸、２−メルカプト−２−チアゾリン、２−メルカプトベンズオキサゾール、２，５−ジメルカプト−１，３，４−チアジアゾール、５−メチル−１，３，４−チアジアゾール−２−チオール、５−アミノ−１，３，４−チアジアゾール−２−チオール、ピリジン、フェナジン、アクリジン、１−ヒドロキシピリジン−２−チオン、２−アミノピリジン、２−アミノピリミジン、トリチオシアヌル酸、２−ジブチルアミノ−４，６−ジメルカプト−ｓ−トリアジン、２−アニリノ−４，６−ジメルカプト−ｓ−トリアジン、６−アミノプリン、６−チオグアニン及びこれらの組合せからなる群より選ばれる１種類以上を挙げることができる。保護層１０６の形成方法としては、レジストやＳＯＧについては別チャンバ―でのスピン塗布等により成膜することができる。腐食抑制剤については、図４で説明したように反応液槽６００とは別途設置した保護膜形成用の液槽に基板ＷＦを接触させて形成しても良い。また、保護層１０６の別の形成方法としては、図２および図３で示した反応層形成と同様の方法で形成しても良いが、反応層成分とのコンタミネーションの防止の観点からは、保護層１０６の研磨除去は、反応層１０４の研磨除去とは別の研磨テーブルにて実施する方がより確実である。また、基板研磨装置３００での反応層１０４の研磨除去においては、反応層１０４のみを除去することが理想であることから、通常のＣＭＰのような研磨速度は必要ではなく、例えば１０ｎｍ/ｍｉｎ以下の研磨速度であることが望ましい。同時に平坦化も必要であることから、通常のＣＭＰ以上に研磨パッド３１０と基板ＷＦとの接触をコントロールすることが必要であり、基板ＷＦの除去対象材料表面の凹凸に対する研磨パッド３１０の接触圧力の選択性が高い方が好ましい。例えば研磨条件としては、研磨圧力は小さい方が良く、好ましくは１psi以下、より好ましくは０．１psi以下が好ましい。また、ドレッシング条件等の調整による研磨パッド３１０表面の平滑化や研磨パッド３１０表面を冷却して研磨パッド３１０表面の剛性を増加させてもよい。また、研磨処理液は、基板ＷＦ上の脆弱な反応層１０４を除去した後に、処理液中の砥粒が反応層１０４の下層（未反応層）にダメージを与えることを防止する観点から、例えば砥粒成分のみを含み、砥粒サイズも除去単位を小さくするため２０ｎｍ以下と小さくした方が良い。また、砥粒濃度も研磨量の基板ＷＦ面内の均一性を損なわないレベルまで小さくしても良い。更に、砥粒の表面への吸着や砥粒自身の凝集にはｐＨも関係していることからｐＨ調整剤にて適宜調整しても良い。なお、上記は砥粒による反応層１０４の研磨除去の例であるが、反応層１０４が十分に脆弱である場合は、純水のみの存在下で、研磨パッド３１０を基板ＷＦの表面に押圧して、基板を研磨してもよい。

図１０は、一実施形態による基板の研磨による平坦化の例を示している。図１０の例においても、図８の例と同様に、凸部１００および凹部１０２を備える基板を平坦化する例を示している。図１０（ａ）は基板表面に形成された除去対象層の初期状態を側面から見た図である。一例として凸部１００は、ナノメートルレベルの大きさである。図１０の例においては、まず、基板ＷＦの表面全体に犠牲層１０８を形成する（図１０（ｂ））。犠牲層１０８は、除去対象である凸部１００と同一の手法で反応層１０４を形成でき、除去対象である凸部１００と同等の除去速度が得られるものであることが好ましい。犠牲層１０８を形成したら、犠牲層１０８の表面全体に反応層１０４を形成する（図１０（ｃ））。反応層１０４は、好ましくは、数Åレベルの原子層単位の厚さで形成される。反応層１０４の形成は、上述の任意の装置および方法を使用して行うことができる。反応層１０４を形成したら、反応層１０４のみを除去する（図１０（ｄ））。反応層１０４の除去は、
上述の基板研磨装置３００や触媒基準エッチング（ＣＡＲＥ）法を用いて反応層１０４を除去することができる。上述の反応層１０４の形成および反応層１０４の除去を繰り返すことで、基板ＷＦの凸部１００を除去し、平坦な基板ＷＦを得ることができる（図１０（ｅ））。図１０の例では、犠牲層１０８を用いている。図１０（ａ）に示されるような凸部１００および凹部１０２を備える基板を、たとえばＣＭＰなどでそのまま研磨すると、凸部１００だけでなく凹部１０２も同時に研磨されることがある。そのため、図１０の例においては、凹部１０２が研磨されないように犠牲層１０８を用いることで、凸部１００と犠牲層１０８との研磨速度の選択性を合わせて、平坦化を行うようにしている。ここで、反応層１０４については図８の例と同様である。犠牲層１０８について、図１０のような構造の除去対象層の場合では、除去対象層と同一手段で反応層１０４が形成できること、および／または除去対象層と同等の研磨速度の反応層が得られることが望ましい。但し、例えば幅広の凸形状のようなＣＭＰでの平坦化が難しい（段差解消率が小さい）凸形状の解消においては、例えば犠牲層の研磨速度を除去対象層よりも同等以下にすることで、積極的に凸形状を解消させてもよい。犠牲層１０８の例としては、レジスト等の有機系材料やＳＯＧ等が挙げられ、これらについてはスピン塗布等による成膜が可能である。別チャンバにてＣＶＤ等他の成膜方法を用いても、上記の要求を満たしている材料であれば犠牲層１０８として採用可能である。また、除去対象層に含まれる材料を犠牲層１０８として使用してもよい。また、除去対象材料が後述の図１１の銅配線の平坦化の例で示すように複数存在する場合、犠牲層１０８は全てを被覆するように形成しても良いが、たとえば銅配線のみに無電解めっき等の手法で特定の除去対象材料のみに犠牲層１０８を形成してもよい。ここで、犠牲層１０８の形成のタイミングについて、銅配線の平坦化の例に示す。図１１はＣＭＰによる銅配線埋め込みにおける平坦化工程の例である。通常配線埋め込みのために電解めっきにて形成された銅層１１０の余剰分をまず除去し（図１１（ａ）から図１１（ｃ）の工程）、更に下層のバリアメタル１１２（銅層１１０の絶縁層１１４中への拡散防止が目的）を更に除去することで、最終的に配線部のみに銅を残す（図１１（ｃ）から図１１（ｄ）の工程）。ここで、電解めっき後の銅層１１０表面には下層に形成された配線溝の幅やメッキ条件に起因する凹凸が発生し、通常のＣＭＰだけでは、このような凹凸形状の大きさによっては凹凸の完全な解消が困難であり、その結果、銅配線が過度に研磨されるいわゆるディッシングや、絶縁層が過剰研磨されるいわゆるエロージョンが発生し（図１１（ｄ）参照）、ひいては配線高さのバラつきとなる。犠牲層１０８は本凹凸形状の影響を低減させるために形成するものであり、その形成タイミングとしては、図１１に示される（ａ）研磨前（銅層形成後）、（ｂ）銅層の研磨の途中段階（バリアメタル上の銅層除去直前）、（ｃ）バリアメタル上の銅層除去後、が挙げられる。原子レベルの反応層形成及び除去による平坦化の観点からは、（ｂ）または（ｃ）のタイミングで犠牲層１０８を形成するのが良いと考えられる。たとえば、（ｂ）のタイミングで犠牲層１０８を形成することで、銅層１１０の凸部の平坦化によるディッシングの抑制が可能であり、また（ｃ）のタイミングで犠牲層１０８を形成することで、次のバリアメタル１１２除去時において、ディッシング部の銅の研磨速度、すなわちディッシングの進行を抑制できる。ここで、犠牲層１０８については、（ｂ）または（ｃ）のタイミングで異なっていても良い。例えば（ｂ）のタイミングでは、犠牲層１０８の研磨速度を銅層１１０よりも同等以下にすることで、積極的に凸形状を解消させてもよい。また、（ｃ）のタイミングについて、（ｂ）にてディッシング発生が抑制された状態である場合、犠牲層１０８、銅層１１０及び絶縁層１１４の研磨速度は同等であることが望ましい。なお、基板研磨装置３００での反応層１０４の研磨除去においては、反応層１０４のみを除去することが理想であることから、通常のＣＭＰのような研磨速度は必要ではなく、例えば１０ｎｍ/ｍｉｎ以下の研磨速度であることが望ましい。同時に平坦化も必要であることから、通常のＣＭＰ以上に研磨パッド３１０と基板ＷＦとの接触をコントロールすることが必要であり、基板ＷＦの除去対象材料表面の凹凸に対する研磨パッド３１０の接触圧力の選択性が高い方が好ましい。例えば研磨条件としては、研磨圧力は小さい方が良く、好ましくは１psi以下、より好ましくは０．１psi以下が好ましい。また、ドレッシング条件等の調整によ
る研磨パッド３１０表面の平滑化や研磨パッド３１０表面を冷却することで研磨パッド３１０表面の剛性を増加させてもよい。また、研磨処理液は、基板ＷＦ上の脆弱な反応層１０４を除去した後に、処理液中の砥粒が反応層１０４の下層（未反応層）にダメージを与えることを防止する観点から、例えば砥粒成分のみを含み、砥粒サイズも除去単位を小さくするため２０ｎｍ以下と小さくした方が良い。また、砥粒濃度も研磨量の基板ＷＦ面内の均一性を損なわないレベルまで小さくしても良い。更に、砥粒の表面への吸着や砥粒自身の凝集にはｐＨも関係していることからｐＨ調整剤にて適宜調整しても良い。なお、上記は砥粒による反応層１０４の研磨除去の例であるが、反応層が十分に脆弱である場合は、純水のみの存在下で、研磨パッド３１０を基板ＷＦの表面に押圧して、基板を研磨してもよい。

以上、いくつかの例に基づいて本発明の実施形態について説明してきたが、上記した発明の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明には、その均等物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。

１００…凸部
１０２…凹部
１０４…反応層
１０６…保護層
１０８…犠牲層
３００…基板研磨装置
３１０…研磨パッド
３２０…研磨テーブル
３３０…トップリング
３４０…処理液供給ノズル
４００…アーム
５０２…液体源
５０４…ミキサ
５０６…センサ
６００…反応液槽
６５０…電解液槽
６５２…対向電極
６５４…電源
６５６…給電ピン
９００…制御装置
３１２ａ…貫通孔
３４２ａ…出口開口
５００Ａ…処理液供給ライン
５００Ｂ…処理液供給ライン
ＷＦ…基板

Claims (17)

1. 基板を化学機械的に研磨する方法であって、
   処理液を使用して基板を研磨するステップと、
   基板の研磨に寄与する前記処理液の有効成分の濃度を変更するステップと、を有し、
   前記処理液の有効成分は、（１）基板の被研磨層を酸化させる成分、（２）基板の被研磨層を溶解させる成分、および（３）基板の被研磨層を剥離させる成分、の少なくとも１つを有し、
   前記方法は、基板の被研磨層の厚さを測定するステップを有し、
   測定された基板の被研磨層の厚さに基づいて、前記処理液の有効成分の濃度を変更する、
   方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、さらに、
   前記処理液のｐＨを測定するステップを有し、
   測定された処理液のｐＨに基づいて、前記処理液の有効成分の濃度を変更する、
   方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   前記処理液は砥粒を含み、
   前記処理液中の砥粒濃度を測定するステップを有し、
   測定された砥粒濃度に基づいて、前記処理液の有効成分の濃度を変更する、
   方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法であって、
   前記処理液を純水で希釈することで、前記処理液の有効成分の濃度を変更する、
   方法。
5. 請求項１または２に記載の方法であって、
   前記処理液は酸化性成分を有し、
   前記処理液の酸化作用を抑制するための還元剤を添加することで実効的に前記処理液の酸化性成分の濃度を変更する、
   方法。
6. 請求項１または２に記載の方法であって、
   前記処理液は、溶解性成分として酸を有し、
   前記処理液にアルカリ剤を添加することで、溶解性成分濃度を変更する、
   方法。
7. 請求項１または２に記載の方法であって、
   前記処理液は、溶解性成分としてアルカリを有し、
   前記処理液に酸を添加することで、溶解性成分濃度を変更する、
   方法。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法であって、
   基板の研磨中に処理液の温度を変更するステップを有する、
   方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、さらに、
   測定された基板の被研磨層の厚さに基づいて、前記処理液の温度を変更する、
   方法。
10. 基板に形成された金属層を除去するための方法であって、
    基板とパッドとが接触していない状態において基板の金属層に酸化剤および／または錯体形成剤を断続的に供給することで、前記金属層の表面に脆弱反応層を形成するステップと、
    処理液存在下で前記脆弱反応層にパッドを押圧し、前記脆弱反応層を研磨して除去するステップと、を有する、
    方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、さらに、
    純水の存在下で基板にパッドを押圧して基板を研磨するステップを有する、
    方法。
12. 請求項１０または１１に記載の方法であって、
    パッド側から基板側に向けて、酸化剤および／または錯体形成剤を断続的に供給するステップを有する、
    方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、
    パッド側から基板側に向けて、酸化剤および／または錯体形成剤を含む第１処理液を供給するステップと、
    パッドの上方からパッドに向けて、前記第１処理液とは異なる成分を含む第２処理液を供給するステップと、を有する、
    方法。
14. 請求項１３に記載の方法であって、
    前記第２処理液は還元剤を含む、
    方法。
15. 請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の方法であって、
    金属層の除去中に、酸化剤および／または錯体形成剤の供給量を変化させるステップを有する、
    方法。
16. 請求項１０乃至１５のいずれか一項に記載の方法であって、
    金属層の除去中に、基板にパッドを押圧している時間を変化させるステップを有する、方法。
17. 請求項１０乃至１５のいずれか一項に記載の方法であって、
    金属層は、アルミニウム、タングステン、銅、ルテニウム、およびコバルトを含むグループの少なくとも１つを含む、
    方法。