JP2001144050A - 研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 銅或いは銅合金の研磨において、ディッシン
グ、エロージョンの発生を抑制し、信頼性の高い金属膜
の埋め込みパタ−ン形成を可能とする研磨方法を提供す
る。 【解決手段】 表面に凹凸の有る金属積層膜を有する基
板を支持基体に貼り付けた研磨布に押し付け、研磨布上
に研磨液を供給しながら前記基板と前記支持基体とを相
対的に動かすことにより、前記金属積層膜を研磨し表面
の凹凸を平坦化する研磨方法において、前記金属積層膜
の1層目の研磨を前記研磨液に固体砥粒を含まない研磨
液を使用し、研磨の初期において高荷重で研磨を行い、
研磨の進行に従い研磨圧力を低下させる研磨方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスの
配線形成工程に用いられる研磨方法に関連し、特に埋め
込み配線の形成工程において使用される研磨方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路（以下ＬＳＩと記
す）の高集積化、高性能化に伴って新たな微細加工技術
が開発されている。化学機械研磨（以下ＣＭＰと記す）
法もその一つであり、ＬＳＩ製造工程、特に多層配線形
成工程における層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、
埋め込み配線形成において頻繁に利用される技術であ
る。この技術は、例えば米国特許第４９４４８３６号に
開示されている。

【０００３】また、最近はＬＳＩを高性能化するため
に、配線材料として銅合金の利用が試みられている。し
かし、銅合金は従来のアルミニウム合金配線の形成で頻
繁に用いられたドライエッチング法による微細加工が困
難である。そこで、あらかじめ溝を形成してある絶縁膜
上に銅合金薄膜を堆積して埋め込み、溝部以外の銅合金
薄膜をＣＭＰにより除去して埋め込み配線を形成する、
いわゆるダマシン法が主に採用されている。この技術
は、例えば特開平２−２７８８２２号公報に開示されて
いる。

【０００４】金属のＣＭＰの一般的な方法は、円形の支
持基体（プラテン）上に研磨布（パッド）を貼り付け、
研磨布表面を金属用研磨液で浸し、基板の金属膜を形成
した面を押し付けて、その裏面から所定の圧力（以下研
磨圧力と記す）を加えた状態で支持基体を回し、研磨液
と金属膜の凸部との機械的摩擦によって凸部の金属膜を
除去するものである。

【０００５】ＣＭＰに用いられる金属用研磨液は、一般
には酸化剤及び固体砥粒からなっており必要に応じてさ
らに酸化金属溶解剤、保護膜形成剤が添加される。まず
酸化によって金属膜表面を酸化し、その酸化層を固体砥
粒によって削り取るのが基本的なメカニズムと考えられ
ている。凹部の金属表面の酸化層は研磨パッドにあまり
触れず、固体砥粒による削り取りの効果が及ばないの
で、ＣＭＰの進行とともに凸部の金属層が除去されて基
体表面は平坦化される。この詳細についてはジャ−ナル
・オブ・エレクトロケミカルソサエティ誌（Journal of
ElectrochemicalSociety）の第１３８巻１１号（１９
９１年発行）の３４６０〜３４６４頁に開示されてい
る。

【０００６】ＣＭＰによる研磨速度を高める方法として
酸化金属溶解剤を添加することが有効とされている。固
体砥粒によって削り取られた金属酸化物の粒を研磨液に
溶解させてしまうと固体砥粒による削り取りの効果が増
すためであると解釈できる。但し、凹部の金属膜表面の
酸化層も溶解（以下エッチングと記す）されて金属膜表
面が露出すると、酸化剤によって金属膜表面がさらに酸
化され、これが繰り返されると凹部の金属膜のエッチン
グが進行してしまい、平坦化効果が損なわれることが懸
念される。これを防ぐためにさらに保護膜形成剤が添加
される。酸化金属溶解剤と保護膜形成剤の効果のバラン
スを取ることが重要であり、凹部の金属膜表面の酸化層
はあまりエッチングされず、削り取られた酸化層の粒が
効率良く溶解されＣＭＰによる研磨速度が大きいことが
望ましい。

【０００７】このように酸化金属溶解剤と保護膜形成剤
を添加して化学反応の効果を加えることにより、ＣＭＰ
速度（ＣＭＰによる研磨速度）が向上すると共に、ＣＭ
Ｐされる金属層表面の損傷（ダメ−ジ）も低減される効
果が得られる。

【０００８】一方、配線の銅或いは銅合金等の下層に
は、層間絶縁膜中への銅拡散防止のためにバリア層とし
て、チタンやチタン合金及び窒化チタン等のチタン化合
物、タンタルやタンタル合金及び窒化タンタル等のタン
タル化合物等が形成される。これらの材料は導体である
ため、銅或いは銅合金を埋め込む配線部分以外では、露
出したバリア層をＣＭＰにより取り除く必要がある。し
かし、これらのバリア層は、銅或いは銅合金に比べ硬度
が高いために、銅或いは銅合金用の研磨材料の組み合わ
せでは十分なＣＭＰ速度が得られない場合が多い。そこ
で、銅或いは銅合金を研磨する第１工程と、バリア層を
研磨する第２工程からなる２段研磨方法が検討されてい
る。またバリア層材料は銅或いは銅合金に比べて抵抗率
が大きいため、なるべく薄く形成することが求められて
おり、一般的にその膜厚は５０ｎｍ以下とされている。

【０００９】銅或いは銅合金を研磨する第１工程と、バ
リア層を研磨する第２工程からなる２段研磨方法では、
被研磨膜の硬度や化学的性質が異なるために、研磨液の
ｐＨ、固体砥粒及び添加剤等の組成物について、異なる
性質のものが検討されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の固体砥粒を含む
金属用研磨液を用いて2段研磨によりＣＭＰによる埋め
込み配線形成を行う場合には、銅或いは銅合金用の研磨
液を用い銅或いは銅合金層を研磨した後、バリヤ層用の
研磨液を用いてバリア層の研磨を行い下地絶縁膜が露出
するまで研磨を行う。金属積層膜の最上層に形成された
銅或いは銅合金は、膜形成時の不均一性および研磨速度
の不均一性等により、研磨終了時間が同一基板内で異な
っている。このため研磨が早く進んだ部分では下地のバ
リヤ層も研磨されてバリヤ層の膜厚が薄くなるという問
題があった。第１段目の銅或いは銅合金研磨時にバリヤ
層の薄い部分が生じると、続く第２段目のバリヤ層の研
磨でバリヤ層の研磨時間に分布が生じ、下地の絶縁膜が
研磨される結果として配線膜厚の薄い部分（エロージョ
ン）が発生するという問題があった。また生産性の面か
ら研磨速度が大きいことが要求されるため、一般に研磨
圧力を大きくして、研磨速度を大きくして研磨すること
が行われている。高荷重で研磨すると、研磨速度を向上
させることができるが、配線の中央部が過剰に研磨され
て凹んでしまう、ディッシングと呼ばれる問題が生じや
すい。これは基板と接触する研磨布は樹脂でできている
ため、荷重により変形するために生じると考えられる。
このためディッシングは幅の広い配線部分で生じやす
い。本発明は、銅或いは銅合金の研磨において、ディッ
シング、エロージョンの発生を抑制し、信頼性の高い金
属膜の埋め込みパタ−ン形成を可能とする研磨方法を提
供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、表面に凹凸の
有る金属積層膜を有する基板を支持基体に貼り付けた研
磨布に押し付け、研磨布上に研磨液を供給しながら前記
基板と前記支持基体とを相対的に動かすことにより、前
記金属積層膜を研磨し表面の凹凸を平坦化する研磨方法
において、前記金属積層膜の1層目の研磨を前記研磨液
に固体砥粒を含まない研磨液を使用し、研磨の初期にお
いて高荷重で研磨を行い、研磨の進行に従い研磨圧力を
低下させることを特徴とする研磨方法である。本発明の
研磨方法は、金属積層膜の1層目が銅或いは銅合金であ
る場合に有効である。また、本発明の研磨方法は、研磨
圧力を初期においては１９．６〜４９ＫＰａ（２００〜
５００ｇｆ／ｃｍ²）で行い、研磨が進行し金属積層膜
の1層目の残膜量が１００ｎｍ以下になった時点で９．
８〜１９．６ＫＰａ（１００〜２００ｇｆ／ｃｍ²）で
研磨を行うと好ましい。さらに、本発明の研磨方法は、
固体砥粒を含まない研磨液が、過酸化水素、リンゴ酸、
ベンゾトリアゾール、ポリアクリル酸及び水を含む研磨
液であることが好ましい。本発明では埋め込み配線形成
のための研磨方法として、銅或いは銅合金（これらの酸
化物を含む）の研磨に、バリヤ層の研磨速度が非常に小
さい固体砥粒を含まない研磨液を使用し、研磨の初期に
いては高荷重研磨を行い、研磨の進行に伴い研磨圧力を
低下させることにより、研磨速度を維持しながらディッ
シングを抑制した研磨を行うことが可能である。また、
固体砥粒を含まない研磨液を使用することにより、研磨
速度の面内分布等において、バリヤメタルが早く露出し
た部分でもバリヤメタルの研磨が進まないため、基板の
面内均一性を向上させることができる。このため引き続
いてバリヤメタルを研磨した後の均一性が向上し、エロ
ージョン等による配線膜厚の低減を防止することができ
るため、信頼性が向上させることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明においては、表面に凹部を
有する絶縁膜を形成した基板上に、Ｔａ（タンタル），
Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）等の高融点金属膜
またはそれらの窒化物膜、続いて銅或いは銅合金膜を形
成・充填する。この基板を本発明による研磨方法でＣＭ
Ｐすると、基板の凸部の金属膜が選択的にＣＭＰされ
て、凹部に金属膜が残されて所望の導体パタ−ンが得ら
れる。本発明の研磨方法は、支持基体に貼り付けた研磨
布上に前記の研磨液を供給しながら、被研磨膜を有する
基板を研磨布に押圧した状態で支持基体と基板を相対的
に動かすことによって被研磨膜を研磨する研磨方法であ
る。研磨する装置としては、半導体基板を保持するホル
ダと研磨布（パッド）を貼り付けた定盤を有する一般的
な研磨装置が使用できる。研磨布としては、一般的な不
織布、発泡ポリウレタン、多孔質フッ素樹脂などが使用
でき、特に制限がない。銅或いは銅合金の研磨には、固
体砥粒を含まない研磨液を使用する。ここで固体砥粒を
含まない研磨液とは固体砥粒濃度が１重量％未満の研磨
液であり、好ましくは０．１重量％未満である。Ｔａ，
Ｔｉ、Ｗ等の高融点金属膜またはそれらの窒化物膜は硬
度の大きい材料であるため固体砥粒を含まない研磨液で
はほとんど研磨されない。このため銅或いは銅合金の研
磨速度に分布があり、銅或いは銅合金の研磨速度の早い
部分でバリヤメタルが早く露出しても、バリヤメタルで
研磨が停止するため銅或いは銅合金のみ選択的に研磨す
ることができる。このため均一性を向上させることが可
能となる。また、この固体砥粒を含まない研磨液を使用
すると、従来の固体砥粒を含む研磨液に比べてディッシ
ング量が少ないことが分かった。さらに被研磨膜を有す
る半導体基板の研磨布への押し付け圧力（研磨圧力）を
低減すればディシング量を低減することが可能であるこ
とが分かった。しかし研磨圧力を低くすると研磨速度が
低下し、生産性が悪化するという問題が生じる。このた
め銅或いは銅合金の研磨の初期に於いては高研磨圧力で
研磨し、一定の研磨速度を確保し、ディッシング特性に
影響の大きい研磨終了前に研磨圧力を低下させることが
有効である。このため低研磨圧力で連続研磨した場合と
同様にディシング量の低減が可能である。銅或いは銅合
金の研磨圧力は初期においては１９．６ＫＰａ（２００
ｇｆ／ｃｍ²）以上、４９ＫＰａ（５００ｇｆ／ｃｍ²）
未満で行い、研磨が進行し銅或いは銅合金の残膜量が１
００ｎｍ以下になった時点で９．８ＫＰａ（１００ｇｆ
／ｃｍ²）以上、１９．６ＫＰａ（２００ｇｆ／ｃｍ²）
未満で行うことが好ましい。一方、固体砥粒入りの研磨
液で継続して全ての銅或いは銅合金が研磨除去されるま
で研磨すると、固体砥粒による研磨作用が大きいためバ
リヤメタルも研磨されてしまう。このバリヤメタルが一
部研磨された状態で、バリヤメタル用の研磨液で2段目
の研磨を行うと、バリヤメタルの下地層であるシリカ膜
も研磨され、エロージョンと呼ばれる配線深さの小さい
部分が生じ信頼性の低下が生じる。この傾向は特に配線
密度が高い部分で顕著である。研磨圧力以外の研磨条件
に制限はないが、定盤の回転速度は基板が飛び出さない
ように２００ｒｐｍ以下の低回転が好ましい。研磨して
いる間、研磨布には研磨液をポンプ等で連続的に供給す
る。この供給量に制限はないが、研磨布の表面が常に研
磨液で覆われていることが好ましい。固体砥粒を含まな
い研磨液としては、スループットを向上させるため、銅
及び銅合金の研磨速度が大きいことが望ましく、過酸化
水素、リンゴ酸、ベンゾトリアゾール、ポリアクリル酸
を含む研磨液であることが好ましい。本研磨液は固体砥
粒を含まなくても２００ｎｍ／ｍｉｎ以上の研磨速度が
得られる。

【００１３】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。本発明はこれらの実施例により限定されるものでは
ない。 （基板の作製）シリコンウエハーにプラズマＣＶＤ法で
酸化シリコン膜を８００ｎｍ形成し、フォトリソグラフ
ィー法で幅１００μｍ、溝深さ８００ｎｍの凹部からな
る埋め込み配線形成部分と幅１００μｍの凸部からなる
スペース部を交互に形成したディッシング評価部と、幅
４．５μｍ、溝深さ８００ｎｍの凹部からなる埋め込み
配線部分と幅０．５μｍの凸部からなるスペース部を交
互に形成したエロージョン評価部を形成した。次にスパ
ッタ法でバリヤメタルとしてタンタル膜を５０ｎｍ形成
し、続いてメッキ膜のシード層としてスパッタ法で銅を
１００ｎｍ、メッキ法で銅を１４００ｎｍ形成し、凹凸
を持つ絶縁膜上にタンタル、銅の２層膜をもつ半導体基
板を作製した。

【００１４】（研磨液の作製）ＤＬ−リンゴ酸（試薬特
級）０．１５重量部に水７０重量部を加えて溶解し、こ
れにベンゾトリアゾール０．２重量部、分子量１５００
０のポリアクリル酸０．０５重量部を加えた。最後に過
酸化水素水（試薬特級、３０重量％水溶液）３３．２重
量部を加えて得られたものを固体砥粒を含まない研磨液
とした。 （研磨条件）研磨布に独立気泡を持つ発泡ポリウレタン
樹脂を使用し、研磨圧力：２９．４ＫＰａ（３００ｇ／
ｃｍ²）、基板と支持基体との相対速度：３６ｍ／ｍｉ
ｎ、研磨液流量：１００ｍｌ／ｍｉｎで６分研磨を行
い、続いて研磨圧力：１４．７ＫＰａ（１５０ｇｆ／ｃ
ｍ²）に低下させて１分３０秒間研磨を行い、銅膜を研
磨した。 （研磨品の評価）ＣＭＰ後の基板の目視および光学顕微
鏡による表面観察および触針式段差計によるディッシン
グ及びエロ−ジョン量の評価を行った。目視及び光学顕
微鏡により表面観察をその結果、銅残りなく完全に研磨
されていることが分かった。触針式段差計でディッシン
グ及びエロ−ジョンを測定したところ、ディッシングは
１００／１００μｍライン／スペース部で２０ｎｍ、エ
ロージョンは４．５／０．５μｍライン／スペース部で
１０ｎｍであった。

【００１５】（比較例１）上記の実施例において研磨圧
力を研磨圧力：２９．４ＫＰａ（３００ｇ／ｃｍ²）で
継続して７分研磨した以外は実施例と同様に銅膜を研磨
した。目視及び光学顕微鏡による表面観察の結果、銅膜
は残りなく完全に研磨されていることが分かった。触針
式段差計でディッシング及びエロ−ジョンを測定したと
ころ、ディッシングは１００／１００μｍライン／スペ
ース部で４０ｎｍ、エロージョンは４．５／０．５μｍ
ライン／スペース部で１０ｎｍであった。

【００１６】（比較例２）上記実施例において研磨液に
珪酸ナトリウムのイオン交換法で作製した平均粒径８０
ｎｍのコロイダルシリカを４重量％添加したものを研磨
圧力２９．４ＫＰａ（３００ｇｆ／ｃｍ²）で５分間研
磨を行った以外は実施例と同様に銅膜の研磨を行った。
目視及び光学顕微鏡による表面観察の結果、銅膜は残り
なく完全に研磨されていることが分かった。触針式段差
計でディッシング及びエロ−ジョンを測定したところ、
ディッシングは１００／１００μｍライン／スペース部
で１００ｎｍ、エロージョンは４．５／０．５μｍライ
ン／スペース部で１１０ｎｍであった。

【００１７】本発明の研磨方法によれば、固体砥粒を含
まない研磨液を使用することによりディッシングおよび
エロージョンを低下させることが可能になる。また、研
磨後半の研磨圧力を低下せせることによりさらにディッ
シング量の低下が可能になり、信頼性の高い埋め込み配
線形成が可能であることが分かる。

【００１８】

【発明の効果】本発明の研磨方法は、銅或いは銅合金の
研磨において固体砥粒を含まない研磨液を使用し、研磨
後半の研磨圧力を低下させることにより、ディッシン
グ、エロージョンを生じることなく銅或いは銅合金層の
均一な研磨を達成し、よって信頼性の高い埋め込み配線
パタ−ンを形成することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内田 剛 茨城県つくば市和台48 日立化成工業株式 会社総合研究所内 (72)発明者 寺崎 裕樹 茨城県つくば市和台48 日立化成工業株式 会社総合研究所内 (72)発明者 五十嵐 明子 茨城県つくば市和台48 日立化成工業株式 会社総合研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に凹凸の有る金属積層膜を有する基
   板を支持基体に貼り付けた研磨布に押し付け、研磨布上
   に研磨液を供給しながら前記基板と前記支持基体とを相
   対的に動かすことにより、前記金属積層膜を研磨し表面
   の凹凸を平坦化する研磨方法において、前記金属積層膜
   の1層目の研磨を前記研磨液に固体砥粒を含まない研磨
   液を使用し、研磨の初期において高荷重で研磨を行い、
   研磨の進行に従い研磨圧力を低下させることを特徴とす
   る研磨方法。
2. 【請求項２】 前記金属積層膜の1層目が銅或いは銅合
   金であることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
3. 【請求項３】 研磨圧力は初期においては１９．６〜４
   ９ＫＰａで行い、研磨が進行し金属積層膜の1層目の残
   膜量が１００ｎｍ以下になった時点で９．８〜１９．６
   ＫＰａで研磨を行う請求項１または請求項２に記載の研
   磨方法。
4. 【請求項４】 前記固体砥粒を含まない研磨液が、過酸
   化水素、リンゴ酸、ベンゾトリアゾール、ポリアクリル
   酸及び水を含むことを特徴とする請求項1ないし請求項
   ３のいずれかに記載の研磨方法。