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JP2001144060A - 金属積層膜を有する基板の研磨方法 - Google Patents

金属積層膜を有する基板の研磨方法

Info

Publication number
JP2001144060A
JP2001144060A JP32171899A JP32171899A JP2001144060A JP 2001144060 A JP2001144060 A JP 2001144060A JP 32171899 A JP32171899 A JP 32171899A JP 32171899 A JP32171899 A JP 32171899A JP 2001144060 A JP2001144060 A JP 2001144060A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
polishing
acid
metal
polishing method
abrasive grains
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP32171899A
Other languages
English (en)
Inventor
Hiroki Terasaki
裕樹 寺崎
Yasuo Kamigata
康雄 上方
Takeshi Uchida
剛 内田
Yasushi Kurata
靖 倉田
Akiko Igarashi
明子 五十嵐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Resonac Corp
Original Assignee
Hitachi Chemical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Chemical Co Ltd filed Critical Hitachi Chemical Co Ltd
Priority to JP32171899A priority Critical patent/JP2001144060A/ja
Publication of JP2001144060A publication Critical patent/JP2001144060A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Landscapes

  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 2段研磨方法で研磨剤を変えて研磨しなくて
も良い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
板を研磨定盤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研磨定盤とを相
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、前記研磨液には
砥粒を含まない研磨液または1重量%以下の砥粒を含む
研磨液を使用し、前記研磨布は金属積層膜の材料によっ
て研磨布を変えて使用する研磨方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に半導体デバイ
スの配線工程に用いられる金属積層膜を有する基板の研
磨方法に関連し、特に埋め込み配線の形成工程に関す
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、円形の研
磨定盤(プラテン)上に研磨布(パッド)を貼り付け、
研磨パッド表面を研磨液で浸し、基体の金属膜を形成し
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)を加えた状態で研磨定盤を回し、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、C
MP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 Elect
rochemical Society)の第138巻11号(1991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】しかしながら、従来の固体砥粒を含む金属
用研磨液を用いてCMPによる埋め込み配線形成を行う
場合には、(1)埋め込まれた金属配線の表面中央部分
が等方的に腐食されて皿の様に窪む現象(以下ディッシ
ングと記す)の発生、(2)固体砥粒に由来する研磨傷
(スクラッチ)の発生、(3)研磨後の基体表面に残留
する固体砥粒を除去するための洗浄プロセスが複雑であ
ること、(4)固体砥粒そのものの原価や廃液処理に起
因するコストアップ、等の問題が生じる。
【0009】ディッシングや研磨中の銅合金の腐食を抑
制し、信頼性の高いLSI配線を形成するために、グリ
シン等のアミノ酢酸又はアミド硫酸からなる酸化金属溶
解剤及びBTA(ベンゾトリアゾ−ル)を含有する金属
用研磨液を用いる方法が提唱されている。この技術は例
えば特開平8−83780号公報に記載されている。
【0010】銅または銅合金のダマシン配線形成やタン
グステン等のプラグ配線形成等の金属埋め込み形成にお
いては、埋め込み部分以外に形成される層間絶縁膜であ
る二酸化シリコン膜の研磨速度も大きい場合には、層間
絶縁膜ごと配線の厚みが薄くなるシニングが発生する。
その結果、配線抵抗の増加やパターン密度等により抵抗
のばらつきが生じるために、研磨される金属膜に対して
二酸化シリコン膜の研磨速度が十分小さい特性が要求さ
れる。そこで、酸の解離により生ずる陰イオンにより二
酸化シリコンの研磨速度を抑制することにより、研磨液
のpHをpKa−0.5よりも大きくする方法が提唱さ
れている。この技術は、例えば特許第2819196号
公報に記載されている。
【0011】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、タンタルやタンタル合金及び窒化タンタルやその他
のタンタル化合物等が形成される。したがって、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
のバリア層導体膜は、銅或いは銅合金に比べ硬度が高い
ために、銅また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、バリア層導体を研
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。
【0012】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、砥粒及び添加剤等の組成物について、かなり異な
る性質のものが検討されている。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】従来の固体砥粒を含む
研磨液を用いてCMPによる埋め込み配線形成を行う場
合の、前記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、研磨剤を変えて研磨せざるを得
ず、配線形成工程が複雑化する要因となった。本発明
は、2段研磨方法で研磨剤を変えて研磨しなくても良い
研磨方法を提供する。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明は、(1)表面に
凹凸の有る金属積層膜を有する基板を研磨定盤に貼り付
けた研磨布に押し付け、研磨布上に研磨液を供給しなが
ら前記基板と前記研磨定盤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、前記研磨液には砥粒を含まない研磨液
または1重量%以下の砥粒を含む研磨液を使用し、前記
研磨布は金属積層膜の材料によって研磨布を変えて使用
することを特徴とする研磨方法である。(2)銅或いは
銅合金を研磨する第1工程を砥粒を含まない研磨布で、
バリア層導体を研磨する第2工程を砥粒を含有した研磨
布で研磨する上記(1)に記載の研磨方法、(3)研磨
液が金属の酸化剤、酸化金属溶解剤、保護膜形成剤、水
溶性高分子及び水を含有する上記(1)または(2)に
記載の研磨方法、(4)金属の酸化剤が、過酸化水素、
硝酸、過ヨウ素酸カリウム、次亜塩素酸及びオゾン水か
ら選ばれる少なくとも1種である上記(3)に記載の研
磨方法、(5)酸化金属溶解剤が、有機酸、有機酸エス
テル、有機酸のアンモニウム塩及び硫酸から選ばれる少
なくとも1種である上記(3)または(4)に記載の研
磨方法、(6)有機酸が、リンゴ酸、クエン酸、酒石
酸、グリコール酸から選ばれる少なくとも1種である上
記(5)に記載の研磨方法、(7)保護膜形成剤が、ベ
ンゾトリアゾール及びベンゾトリアゾール誘導体から選
ばれる少なくとも1種である上記(3)ないし(6)の
いずれかに記載の研磨方法、(8)水溶性高分子が、ポ
リアクリル酸及びポリアクリル酸の塩から選ばれる少な
くとも1種である上記(3)ないし(7)のいずれかに
記載の研磨方法、(9)研磨布がウレタン、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネー
ト、ポリテトラフルオロエチレン、アイオノマから選ば
れる少なくとも1種である上記(1)ないし(8)のい
ずれかに記載の研磨方法、(10)砥粒を含有した研磨
布の砥粒が、シリカ、アルミナ、セリア、ダイヤモンド
及び樹脂から選ばれる少なくとも1種である上記(2)
ないし(9)のいずれかに記載の研磨方法、(11)砥
粒の粒径が、1〜1000nmである上記(1)ないし
(10)のいずれかに記載の研磨方法、(12)研磨さ
れる金属膜が、銅、銅合金から選ばれる少なくとも1種
を含む請求項1ないし上記(1)ないし(11)のいず
れかに記載の研磨方法、(13)研磨される金属膜が、
タンタル、タンタル合金から選ばれる少なくとも1種を
含む上記(1)ないし(11)のいずれかに記載の研磨
方法、(14)研磨される金属膜が、チタン、チタン合
金から選ばれる少なくとも1種を含む上記(1)ないし
(11)のいずれかに記載の研磨方法である。
【0015】
【発明の実施の形態】本発明は、表面に凹凸の有る金属
積層膜を有する基板を研磨定盤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
記研磨定盤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、前記研磨液には砥粒を含まない研磨液または1重量
%以下の砥粒を含む研磨液を使用し、前記研磨布は金属
積層膜の材料によって研磨布を変えて使用する研磨方法
である。銅或いは銅合金を研磨する第1工程を砥粒を含
まない研磨布で、バリア層導体を研磨する第2工程を砥
粒を含有した研磨布で2段研磨する研磨方法である。本
発明で使用する研磨液は、金属の酸化剤、酸化金属溶解
剤、保護膜形成剤、水溶性高分子及び水を含有すると好
ましい。金属の酸化剤としては、過酸化水素、硝酸、過
ヨウ素酸カリウム、次亜塩素酸及びオゾン水から選ばれ
た少なくとも1種が好ましい。酸化金属溶解剤として
は、有機酸、有機酸エステル、有機酸のアンモニウム塩
及び硫酸から選ばれた少なくとも1種が好ましい。有機
酸としては、リンゴ酸、クエン酸、酒石酸、グリコール
酸から選ばれた少なくとも1種が好ましい。保護膜形成
剤としては、ベンゾトリアゾール及びベンゾトリアゾー
ル誘導体から選ばれた少なくとも一種が好ましい。水溶
性高分子としては、ポリアクリル酸及びポリアクリル酸
の塩から選ばれる少なくとも1種が好ましい。本発明で
使用する研磨布としては、ウレタン、ポリエチレン、ポ
リプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ
テトラフルオロエチレン、アイオノマからから選ばれる
少なくとも1種が好ましい。本発明で使用する砥粒を含
有した研磨布の砥粒としては、シリカ、アルミナ、セリ
ア、ダイヤモンド及び樹脂からから選ばれる少なくとも
1種が好ましい。砥粒の粒径としては、1〜1000n
mであることが好ましい。本発明の研磨方法を用いて銅
及び銅合金から選ばれる少なくとも1種の金属層を含む
積層膜からなる金属膜を研磨する工程によって少なくと
も金属膜の一部を除去することができる。本発明の研磨
方法を用いてタンタル及びタンタル合金から選ばれる少
なくとも1種の金属層を含む積層膜からなる金属膜を研
磨する工程によって少なくとも金属膜の一部を除去する
ことができる。本発明の研磨方法を用いてチタン及びチ
タン合金から選ばれる少なくとも1種の金属層を含む積
層膜からなる金属膜を研磨する工程によって少なくとも
金属膜の一部を除去することができる。
【0016】本発明者らは、保護膜形成剤と水溶性高分
子を組み合わせた研磨剤を用いて、銅或いは銅合金を研
磨する第1工程を砥粒を含有しない研磨布で研磨し、バ
リア層導体を研磨する第2工程を砥粒を含有した研磨布
で研磨する研磨方法を用いることにより2段研磨工程を
簡素化でき、しかも、このような研磨方法を用いること
により、高いCMP速度が得られることを見出した。
【0017】研磨剤のエッチング速度の値としては10
nm/min以下に抑制できれば好ましい平坦化効果が
得られることが分かった。CMP速度の低下が許容でき
る範囲であればエッチング速度はさらに低い方が望まし
く、5nm/min以下に抑制できれば例えば50%程
度の過剰CMP(金属膜をCMP除去するに必要な時間
の1.5倍のCMPを行うこと)を行ってもディッシン
グは問題とならない程度にとまる。さらにエッチング速
度を1nm/min以下に抑制できれば、100%以上
の過剰CMPを行ってもディッシングは問題とならな
い。本発明の研磨方法は、金属の酸化剤、酸化金属溶解
剤、保護膜形成剤、水溶性高分子及び水を含有する研磨
剤を用いて銅或いは銅合金を研磨する第1工程を砥粒を
含まない研磨布で、バリア層導体を研磨する第2工程を
砥粒を含有した研磨布で2段研磨する研磨方法で、使用
する研磨剤が、pHが3以下であり、かつ酸化剤の濃度
が0.01〜3重量%になるように調整すると好まし
い。本発明で使用する研磨液のpHは、3を超えて大き
いとタンタルやタンタル合金及び窒化タンタルやその他
のタンタル化合物のCMP速度が小さくなる。pHはそ
の添加量により調整することができる。また、アンモニ
ア、水酸化ナトリウム、テトラメチルアンモニウムハイ
ドライド等のアルカリ成分の添加によっても調整可能で
ある。
【0018】本発明においては、表面に凹部を有する基
板上に層間絶縁膜中への銅拡散防止のためにバリア層と
して、タンタルやタンタル合金及び窒化タンタルやその
他のタンタル化合物等を形成した後、銅、銅合金(銅/
クロム等)を含む金属膜を形成・充填する。この基板を
同一の研磨液を使用し、銅或いは銅合金を研磨する第1
工程を砥粒を含まない研磨布で、バリア層導体を研磨す
る第2工程を砥粒を含有した研磨布で2段研磨すると基
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
研磨方法では、通常の研磨剤を変えて行う2段研磨方法
よりも、研磨剤が固定使用されているために研磨工程が
簡素化する。
【0019】本発明において好ましく用いる研磨液は、
酸化剤の濃度が0.15重量%付近でタンタルやタンタ
ル合金及び窒化タンタルやその他のタンタル化合物のC
MP速度が極大になる。酸化剤によりタンタルやタンタ
ル合金及び窒化タンタルやその他のタンタル化合物等の
導体膜表面に、機械的に研磨されやすい一次酸化層が形
成され、高いCMP速度が得られる。一般にpHが3よ
り小さい場合には、銅及び銅合金膜のエッチング速度が
大きくなり、ディッシング等が発生し易くなるだけでな
く、タンタルやタンタル合金及び窒化タンタルやその他
のタンタル化合物等の導体膜表面に、一次酸化層よりも
研磨されにくい二次酸化層が形成されるためにCMP速
度が低下する。酸化剤の濃度が0.01重量%未満であ
ると、酸化層が十分形成されないためにCMP速度が小
さくなり、タンタル膜の剥離等が発生することもある。
【0020】研磨液中の酸化剤の濃度は、水溶性高分子
を含有する場合には、濃度が0.01〜1.5重量%で
あると好ましい。水溶性高分子は、タンタルやタンタル
合金及び窒化タンタルやその他のタンタル化合物或いは
その酸化膜表面に吸着するために、高いCMP速度が得
られる酸化剤濃度範囲が小さくなる。また、水溶性高分
子は、特に窒化タンタルや窒化チタン等の窒化化合物膜
の表面に吸着し易いために、窒化タンタルや窒化チタン
等の窒化化合物膜のCMP速度が小さくなる。一方、水
溶性高分子は、金属の表面保護膜形成効果を有し、ディ
ッシングやエロージョン等の平坦化特性を向上させる。
金属の酸化剤としては、過酸化水素(H22)、硝酸、
過ヨウ素酸カリウム、次亜塩素酸、オゾン水等が挙げら
れ、その中でも過酸化水素が特に好ましい。基体が集積
回路用素子を含むシリコン基板である場合、アルカリ金
属、アルカリ土類金属、ハロゲン化物などによる汚染は
望ましくないので、不揮発成分を含まない酸化剤が望ま
しい。但し、オゾン水は組成の時間変化が激しいので過
酸化水素が最も適している。但し、適用対象の基板が半
導体素子を含まないガラス基板などである場合は不揮発
成分を含む酸化剤であっても差し支えない。
【0021】酸化金属溶解剤は、水溶性のものが望まし
い。以下の群から選ばれたものの水溶液が適している。
ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、2−メチル
酪酸、n−ヘキサン酸、3,3−ジメチル酪酸、2−エ
チル酪酸、4−メチルペンタン酸、n−ヘプタン酸、2
−メチルヘキサン酸、n−オクタン酸、2−エチルヘキ
サン酸、安息香酸、グリコ−ル酸、サリチル酸、グリセ
リン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、
アジピン酸、ピメリン酸、マレイン酸、フタル酸、リン
ゴ酸、酒石酸、クエン酸等、及びそれらの有機酸のアン
モニウム塩等の塩、硫酸、硝酸、アンモニア、アンモニ
ウム塩類、例えば過硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウ
ム、塩化アンモニウム等、クロム酸等又はそれらの混合
物等が挙げられる。これらの中ではギ酸、マロン酸、リ
ンゴ酸、酒石酸、クエン酸、グリコール酸が銅、銅合金
及び銅又は銅合金の酸化物から選ばれた少なくとも1種
の金属層を含む積層膜に対して好適である。これらは第
1及び第2の保護膜形成剤とのバランスが得やすい点で
好ましい。特に、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸について
は実用的なCMP速度を維持しつつ、エッチング速度を
効果的に抑制できるという点で好ましい。
【0022】保護膜形成剤は、以下の群から選ばれたも
のが好適である。アンモニア;ジメチルアミン、トリメ
チルアミン、トリエチルアミン、プロピレンジアミン等
のアルキルアミンや、エチレンジアミンテトラ酢酸(E
DTA)、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム及び
キトサン等のアミン;グリシン、L−アラニン、β−ア
ラニン、L−2−アミノ酪酸、L−ノルバリン、L−バ
リン、L−ロイシン、L−ノルロイシン、L−イソロイ
シン、L−アロイソロイシン、L−フェニルアラニン、
L−プロリン、サルコシン、L−オルニチン、L−リシ
ン、タウリン、L−セリン、L−トレオニン、L−アロ
トレオニン、L−ホモセリン、L−チロシン、3,5−
ジヨ−ド−L−チロシン、β−(3,4−ジヒドロキシ
フェニル)−L−アラニン、L−チロキシン、4−ヒド
ロキシ−L−プロリン、L−システィン、L−メチオニ
ン、L−エチオニン、L−ランチオニン、L−シスタチ
オニン、L−シスチン、L−システィン酸、L−アスパ
ラギン酸、L−グルタミン酸、S−(カルボキシメチ
ル)−L−システィン、4−アミノ酪酸、L−アスパラ
ギン、L−グルタミン、アザセリン、L−アルギニン、
L−カナバニン、L−シトルリン、δ−ヒドロキシ−L
−リシン、クレアチン、L−キヌレニン、L−ヒスチジ
ン、1−メチル−L−ヒスチジン、3−メチル−L−ヒ
スチジン、エルゴチオネイン、L−トリプトファン、ア
クチノマイシンC1、アパミン、アンギオテンシンI、
アンギオテンシンII及びアンチパイン等のアミノ酸;
ジチゾン、クプロイン(2,2’−ビキノリン)、ネオ
クプロイン(2,9−ジメチル−1,10−フェナント
ロリン)、バソクプロイン(2,9−ジメチル−4,7
−ジフェニル−1,10−フェナントロリン)及びキュ
ペラゾン(ビスシクロヘキサノンオキサリルヒドラゾ
ン)等のイミン;ベンズイミダゾール−2−チオール、
2−[2−(ベンゾチアゾリル)]チオプロピオン酸、
2−[2−(ベンゾチアゾリル)チオブチル酸、2−メ
ルカプトベンゾチアゾール、1,2,3−トリアゾー
ル、1,2,4−トリアゾール、3−アミノ−1H−
1,2,4−トリアゾール、ベンゾトリアゾール、1−
ヒドロキシベンゾトリアゾール、1−ジヒドロキシプロ
ピルベンゾトリアゾール、2,3−ジカルボキシプロピ
ルベンゾトリアゾール、4−ヒドロキシベンゾトリアゾ
ール、4−カルボキシル−1H−ベンゾトリアゾール、
4−メトキシカルボニル−1H−ベンゾトリアゾール、
4−ブトキシカルボニル−1H−ベンゾトリアゾール、
4−オクチルオキシカルボニル−1H−ベンゾトリアゾ
ール、5−ヘキシルベンゾトリアゾール、N−(1,
2,3−ベンゾトリアゾリル−1−メチル)−N−
(1,2,4−トリアゾリル−1−メチル)−2−エチ
ルヘキシルアミン、トリルトリアゾール、ナフトトリア
ゾール、ビス[(1−ベンゾトリアゾリル)メチル]ホ
スホン酸等のアゾール;ノニルメルカプタン、ドデシル
メルカプタン、トリアジンチオール、トリアジンジチオ
ール、トリアジントリチオール等のメルカプタン;及び
グルコース、セルロース等の糖類が挙げられる。その中
でもキトサン、エチレンジアミンテトラ酢酸、L−トリ
プトファン、キュペラゾン、トリアジンジチオール、ベ
ンゾトリアゾール、4−ヒドロキシベンゾトリアゾー
ル、4−カルボキシルベンゾトリアゾールブチルエステ
ル、トリルトリアゾール、ナフトトリアゾールが高いC
MP速度と低いエッチング速度を両立する上で好まし
い。
【0023】水溶性高分子としては、以下の群から選ば
れたものが好適である。アルギン酸、ペクチン酸、カル
ボキシメチルセルロ−ス、寒天、カ−ドラン及びプルラ
ン等の多糖類;グリシンアンモニウム塩及びグリシンナ
トリウム塩等のアミノ酸塩;ポリアスパラギン酸、ポリ
グルタミン酸、ポリリシン、ポリリンゴ酸、ポリメタク
リル酸、ポリメタクリル酸アンモニウム塩、ポリメタク
リル酸ナトリウム塩、ポリアミド酸、ポリマレイン酸、
ポリイタコン酸、ポリフマル酸、ポリ(p−スチレンカ
ルボン酸)、ポリアクリルアミド、アミノポリアクリル
アミド、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸アンモニウム
塩、ポリアクリル酸ナトリウム塩、ポリアミド酸、ポリ
アミド酸アンモニウム塩、ポリアミド酸ナトリウム塩及
びポリグリオキシル酸等のポリカルボン酸及びその塩;
ポリビニルアルコ−ル、ポリビニルピロリドン及びポリ
アクロレイン等のビニル系ポリマ等が挙げられる。但
し、適用する基体が半導体集積回路用シリコン基板など
の場合はアルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン化
物等による汚染は望ましくないため、酸もしくはそのア
ンモニウム塩が望ましい。基板がガラス基板等である場
合はその限りではない。その中でもペクチン酸、寒天、
ポリリンゴ酸、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポ
リアクリル酸アンモニウム塩、ポリメタクリル酸アンモ
ニウム塩、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール
及びポリビニルピロリドン、それらのエステル及びそれ
らのアンモニウム塩が好ましい。
【0024】研磨布としては、ウレタン、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネー
ト、ポリテトラフルオロエチレン、アイオノマ、エチレ
ン・酢酸ビニル共重合体(EVA)、スチレン・ブタヂ
エン・スチレン共重合体(SBS)、アクリル、アクリ
ロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体(AB
S)、それらの発泡体が好ましい。
【0025】研磨布に含有する砥粒としては、シリカ、
アルミナ、セリア、ダイヤモンド、樹脂が高研磨速度が
得られる上で好ましく、コロイダルシリカ、コロイダル
アルミナが研磨面に傷が発生しない上でより好ましい。
【0026】研磨布に固定する砥粒の粒径は、1〜10
00nmであることが好ましく、1〜100nmである
ことが研磨面に傷が発生しない上でより好ましい。
【0027】酸化剤成分の配合量は、金属の酸化剤、酸
化金属溶解剤、保護膜形成剤、水溶性高分子及び水の総
量100gに対して、0.003〜0.7molとする
ことが好ましく、0.03〜0.5molとすることが
より好ましく、0.2〜0.3molとすることが特に
好ましい。この配合量が、0.003mol未満では、
金属の酸化が不十分でCMP速度が低く、0.7mol
を超えると、研磨面に荒れが生じる傾向がある。
【0028】本発明における酸化金属溶解剤成分の配合
量は、金属の酸化剤、酸化金属溶解剤、保護膜形成剤、
水溶性高分子及び水の総量100gに対して0〜0.0
05molとすることが好ましく、0.00005〜
0.0025molとすることがより好ましく、0.0
005〜0.0015molとすることが特に好まし
い。この配合量が0.005molを超えると、エッチ
ングの抑制が困難となる傾向がある。
【0029】保護膜形成剤の配合量は、金属の酸化剤、
酸化金属溶解剤、保護膜形成剤、水溶性高分子及び水の
総量100gに対して0.0001〜0.05molと
することが好ましく0.0003〜0.005molと
することがより好ましく、0.0005〜0.0035
molとすることが特に好ましい。この配合量が0.0
001mol未満では、エッチングの抑制が困難となる
傾向があり、0.05molを超えるとCMP速度が低
くなってしまう傾向がある。
【0030】水溶性高分子の配合量は、金属の酸化剤、
酸化金属溶解剤、保護膜形成剤、水溶性高分子及び水の
総量100gに対して0.001〜0.3重量%とする
ことが好ましく0.003重量%〜0.1重量%とする
ことがより好ましく0.01重量%〜0.08重量%と
することが特に好ましい。この配合量が0.001重量
%未満では、エッチング抑制において保護膜形成剤との
併用効果が現れない傾向があり0.3重量%を超えると
CMP速度が低下してしまう傾向がある。水溶性高分子
の重量平均分子量は500以上とすることが好ましく、
1500以上とすることがより好ましく5000以上と
することが特に好ましい。重量平均分子量の上限は特に
規定するものではないが、溶解性の観点から500万以
下である。重量平均分子量が500未満では高いCMP
速度が発現しない傾向にある。本発明では、水溶性高分
子の重量平均分子量が500以上の重量平均分子量が異
なる少なくとも2種以上を用いることが好ましい。同種
の水溶性高分子であっても、異種の水溶性高分子であっ
てもよい。
【0031】本発明の研磨方法は、表面に凹凸の有る金
属積層膜を有する基板を研磨定盤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
前記研磨定盤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、前記研磨液には砥粒を実質的に含まない研磨液を使
用し、前記研磨布は金属積層膜によって研磨布を変えて
使用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(回転数が変更可能なモータ等を取り付けてある)定
盤を有する一般的な研磨装置が使用できる。研磨条件に
は制限はないが、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。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が9.8
〜98kPa(100〜1000gf/cm2)である
ことが好ましく、CMP速度のウエハ面内均一性及びパ
ターンの平坦性を満足するためには、9.8から49k
Pa(100〜500gf/cm2)であることがより
好ましい。研磨している間、研磨布には金属用研磨液を
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。研磨終了後の半導体基板は、流水中でよく洗浄
後、スピンドライ等を用いて半導体基板上に付着した水
滴を払い落としてから乾燥させることが好ましい。
【0032】
【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。 (研磨液作製方法)酸化金属溶解剤として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、これに保護膜形成剤としてベンゾトリアゾール
0.2重量部のメタノ−ル0.8重量部溶液を加え、さ
らに、水溶性高分子としてポリアクリル酸アンモニウム
0.05重量部(固形分量)を加えた。最後に金属の酸
化剤として過酸化水素水(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研磨液とし
た。
【0033】実施例1〜5では、上記の研磨液を用い
て、下記の研磨条件でCMPした。 (第1工程用研磨布作製方法:実施例1)熱可塑性ポリ
ウレタンを湿式凝固させ、さらに130℃で熱乾燥した
ものを研磨布とした。 (第2工程用研磨布作製方法:実施例2)熱可塑性ポリ
ウレタンに砥粒(砥粒の種類、配合量については表中に
表記)を混錬した後湿式凝固させ、さらに130℃で熱
乾燥したものを研磨布とした。
【0034】(研磨条件) 基板:厚さ1μmの銅膜を形成したシリコン基板 厚さ0.2μmのタンタル膜を形成したタンタル基板 研磨圧力:20.6kPa(210g/cm2) 基体と研磨定盤との相対速度:36m/min (研磨品の評価) CMP速度:銅膜のCMP前後での膜厚差を電気抵抗値
から換算して求めた。エッチング速度:攪拌した金属用
研磨液(室温、25℃、攪拌100rpm)への浸漬前
後の銅層膜厚差を電気抵抗値から換算して求めた。ディ
ッシングを評価するため、絶縁層中に深さ0.5μmの
溝を形成して公知のスパッタ法によって銅膜を形成して
公知の熱処理によって埋め込んだシリコン基板を用いて
CMPを行った。CMP後の基板の目視、光学顕微鏡観
察及び電子顕微鏡観察によりディッシング、エロ−ジョ
ン及び研磨傷発生の有無を確認した。その結果、ディッ
シング、エロ−ジョン及び研磨傷の発生は見られなかっ
た。また、エッチング速度は、0.2nm/minであ
った。実施例1〜5における、CMP速度の評価結果を
表1に示した。
【0035】
【表1】 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 項目 研磨布材料 含有砥粒 砥粒重量部 CMP速度(Cu/Ta) (%) (nm/min) −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 実施例 1 ウレタン 無添加 ― 156/4 実施例 2 ウレタン コロイダルシリカ 10 193/170 実施例 3 ウレタン コロイダルシリカ 30 200/183 実施例 4 ウレタン コロイダルアルミナ 10 196/175 実施例 5 ウレタン コロイダルアルミナ 30 210/196 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
【0036】実施例1に示したように砥粒を含有しない
研磨布を使用すると、配線層で用いられる銅(Cu)が
研磨され、バリア層に用いられるタンタル(Ta)が研
磨されない。これに対し、実施例2〜5に示したよう
に、砥粒を含有した研磨布を使用し研磨すると、Taも
研磨される。
【0037】
【発明の効果】本発明の研磨方法は、砥粒を含まない研
磨剤または砥粒は1重量%以下含有した研磨液を固定し
使用して、金属積膜層の材料によって研磨布を変えるこ
とにより2段研磨工程を簡素化できなお且つ、信頼性の
高い埋め込みパタ−ンを形成することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B24B 37/00 B24B 37/00 H (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 倉田 靖 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 Fターム(参考) 3C058 AA07 AA09 CA01 CB03 DA02 DA12

Claims (14)

    【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
    板を研磨定盤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研磨定盤とを相
    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、前記研磨液には
    砥粒を含まない研磨液または1重量%以下の砥粒を含む
    研磨液を使用し、前記研磨布は金属積層膜の材料によっ
    て研磨布を変えて使用することを特徴とする研磨方法。
  2. 【請求項2】 銅或いは銅合金を研磨する第1工程を砥
    粒を含まない研磨布で、バリア層導体を研磨する第2工
    程を砥粒を含有した研磨布で研磨する請求項1に記載の
    研磨方法。
  3. 【請求項3】 研磨液が金属の酸化剤、酸化金属溶解
    剤、保護膜形成剤、水溶性高分子及び水を含有する請求
    項1または請求項2に記載の研磨方法。
  4. 【請求項4】 金属の酸化剤が、過酸化水素、硝酸、過
    ヨウ素酸カリウム、次亜塩素酸及びオゾン水から選ばれ
    る少なくとも1種である請求項3に記載の研磨方法。
  5. 【請求項5】 酸化金属溶解剤が、有機酸、有機酸エス
    テル、有機酸のアンモニウム塩及び硫酸から選ばれる少
    なくとも1種である請求項3または請求項4に記載の研
    磨方法。
  6. 【請求項6】 有機酸が、リンゴ酸、クエン酸、酒石
    酸、グリコール酸から選ばれる少なくとも1種である請
    求項5に記載の研磨方法。
  7. 【請求項7】 保護膜形成剤が、ベンゾトリアゾール及
    びベンゾトリアゾール誘導体から選ばれる少なくとも1
    種である請求項3ないし請求項6のいずれかに記載の研
    磨方法。
  8. 【請求項8】 水溶性高分子が、ポリアクリル酸及びポ
    リアクリル酸の塩から選ばれる少なくとも1種である請
    求項3ないし請求項7のいずれかに記載の研磨方法。
  9. 【請求項9】 研磨布がウレタン、ポリエチレン、ポリ
    プロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリテ
    トラフルオロエチレン、アイオノマから選ばれる少なく
    とも1種である請求項1ないし請求項8のいずれかに記
    載の研磨方法。
  10. 【請求項10】 砥粒を含有した研磨布の砥粒が、シリ
    カ、アルミナ、セリア、ダイヤモンド及び樹脂から選ば
    れる少なくとも1種である請求項2ないし請求項9のい
    ずれかに記載の研磨方法。
  11. 【請求項11】 砥粒の粒径が、1〜1000nmであ
    る請求項1ないし請求項10のいずれかに記載の研磨方
    法。
  12. 【請求項12】 研磨される金属膜が、銅、銅合金から
    選ばれる少なくとも1種を含む請求項1ないし請求項1
    1のいずれかに記載の研磨方法。
  13. 【請求項13】 研磨される金属膜が、タンタル、タン
    タル合金から選ばれる少なくとも1種を含む請求項1な
    いし請求項11のいずれかに記載の研磨方法。
  14. 【請求項14】 研磨される金属膜が、チタン、チタン
    合金から選ばれる少なくとも1種を含む請求項1ないし
    請求項11のいずれかに記載の研磨方法。
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