JP2001187876A

JP2001187876A - 化学的機械的研磨用スラリー

Info

Publication number: JP2001187876A
Application number: JP37448699A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Tsuchiya; 泰章土屋; Tomoko Wake; 智子和氣; Tetsuyuki Itakura; 哲之板倉; Shin Sakurai; 伸櫻井; Kenichi Aoyanagi; 健一青柳
Original assignee: Tokyo Magnetic Printing Co Ltd; NEC Corp
Current assignee: NEC Corp; Toppan Infomedia Co Ltd
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2001-07-10
Also published as: KR20010062729A; KR100402442B1; TWI255850B; US20010006224A1

Abstract

(57)【要約】【課題】タンタル系金属膜を有する基板のＣＭＰにお
いて、ディッシングやエロージョンの発生を抑制し、タ
ンタルに傷を発生することなく、高いタンタルの研磨速
度を実現すること。【解決手段】シリカ研磨材と、０．０１質量％以上１
０質量％以下の無機塩とを含有する化学的機械的研磨用
スラリーを使用してＣＭＰを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
に用いられる化学的機械的研磨用スラリーに関し、より
詳しくは、バリア金属膜材料としてタンタル系金属を用
いた埋め込み金属配線の形成に好適な化学的機械的研磨
用スラリーに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、微細化・高密度化が加速するＵＬ
ＳＩ等の半導体集積回路の形成において、銅は、エレク
トロマイグレーション耐性に優れ且つ低抵抗であるた
め、非常に有用な電気的接続材料として着目されてい
る。

【０００３】現在、銅を用いた配線の形成は、ドライエ
ッチングによるパターニングが困難である等の問題から
次のようにして形成される。すなわち、絶縁膜に溝や接
続孔等の凹部を形成し、バリア金属膜を形成した後に、
その凹部を埋め込むように銅膜をメッキ法により成膜
し、その後、化学的機械的研磨（以下「ＣＭＰ」とい
う）法によって凹部以外の絶縁膜表面が完全に露出する
まで研磨して表面を平坦化し、凹部に銅が埋め込まれた
埋め込み銅配線やビアプラグ、コンタクトプラグ等の電
気的接続部を形成している。

【０００４】以下、図１を用いて、埋め込み銅配線を形
成する方法について説明する。

【０００５】まず、半導体素子が形成されたシリコン基
板（図示せず）上に、下層配線（図示せず）を有する絶
縁膜からなる下層配線層１が形成され、図１（ａ）に示
すように、この上にシリコン窒化膜２及びシリコン酸化
膜３をこの順で形成し、次いでシリコン酸化膜３に、配
線パターン形状を有しシリコン窒化膜２に達する凹部を
形成する。

【０００６】次に、図１（ｂ）に示すように、バリア金
属膜４をスパッタリング法により形成する。次いで、こ
の上に、メッキ法により銅膜５を凹部が埋め込まれるよ
うに全面に形成する。

【０００７】その後、図１（ｃ）に示すように、ＣＭＰ
により銅膜５を研磨して基板表面を平坦化する。続い
て、図１（ｄ）に示すように、シリコン酸化膜３上の金
属が完全に除去されるまでＣＭＰによる研磨を継続す
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような埋め込み銅
配線の形成においては、銅の絶縁膜中への拡散防止等の
ために下地膜としてバリア金属膜が形成される。しか
し、バリア金属膜材料としてＴａやＴａＮ等のタンタル
系金属を用いた場合、ＴａやＴａＮは化学的に非常に安
定であるため、従来の研磨用スラリーでは、ＴａやＴａ
Ｎからなるバリア金属膜の研磨速度は、銅膜の研磨速度
に対して著しく小さくなるという問題がある。すなわ
ち、従来の研磨用スラリーを用いたＣＭＰによって埋め
込み銅配線等の形成を行うと、銅膜とバリア金属膜間の
研磨速度差が大きいため、ディッシングやエロージョン
が発生する。

【０００９】ディッシングとは、図２に示すように、凹
部内の銅が過剰に研磨されてしまい、基板上の絶縁膜平
面に対して凹部内の銅膜の中央部が窪んだ状態になるこ
とをいう。従来の研磨用スラリーでは、バリア金属膜の
研磨速度が非常に小さいため、絶縁膜（シリコン酸化膜
３）上のバリア金属膜４を完全に除去するためには研磨
時間を十分にとらなければならない。しかし、バリア金
属膜４の研磨速度に対して銅膜５の研磨速度が極めて大
きいため、銅膜が過剰に研磨されてしまい、その結果、
このようなディッシングが生じる。

【００１０】一方、エロージョンとは、図１（ｄ）に示
すように、配線密集領域の研磨が、配線孤立領域などの
配線密度の低い領域に比べて過剰に研磨が進行し、配線
密集領域の表面が他の領域より窪んでしまう状態をい
う。銅膜５の埋め込み部が多く存在する配線密集領域と
銅膜５の埋め込み部があまり存在しない配線孤立領域と
が無配線領域などによりウェハ内で大きく隔てられてい
る場合、バリア金属膜４やシリコン酸化膜３（絶縁膜）
より銅膜５の研磨が速く進行すると、配線密集領域で
は、配線孤立領域に比べてバリア金属膜４やシリコン酸
化膜３に加わる研磨パッド圧力が相対的に高くなる。そ
の結果、バリア金属膜４露出後のＣＭＰ工程（図１
（ｃ）以降の工程）では、配線密集領域と配線孤立領域
とではＣＭＰによる研磨速度が異なるようになり、配線
密集領域の絶縁膜が過剰に研磨され、エロージョンが発
生する。

【００１１】上述のように半導体装置の電気的接続部の
形成工程において、ディッシングが発生すると、配線抵
抗や接続抵抗が増加したり、また、エレクトロマイグレ
ーションが起きやすくなるため素子の信頼性が低下す
る。また、エロージョンが発生すると、基板表面の平坦
性が悪化し、多層構造においてはより一層顕著となるた
め、配線抵抗の増大やバラツキが発生するという問題が
起きる。

【００１２】特開平８−８３７８０号公報には、研磨用
スラリーにベンゾトリアゾールあるいはその誘導体を含
有させ、銅の表面に保護膜を形成することによって、Ｃ
ＭＰ工程におけるディッシングを防止することが記載さ
れている。また、特開平１１−２３８７０９号公報にも
同様にトリアゾール化合物によるディッシング防止効果
について記載がある。しかしながら、この方法は、銅膜
の研磨速度を低下させることによってディッシングを抑
制するものであり、銅膜とバリア金属膜間の研磨速度の
差は小さくなるものの、銅膜の研磨時間が長くなり、ス
ループットが低下する。

【００１３】また、特開平１０−４４０４７号公報に
は、その実施例の欄において、アルミナ研磨材、過硫酸
アンモニウム（酸化剤）、及び特定のカルボン酸を含有
する研磨用スラリーを用いてＣＭＰを行うと、配線用の
アルミニウム層とシリコン酸化物との研磨速度の差が大
きくなるとともに、バリア金属膜用のチタン膜の除去速
度を高められることが記載されている。しかしながら、
この実施例の方法では、タンタル系金属をバリア金属膜
に用いた埋め込み銅配線の形成において前記の問題を解
決することはできなかった。

【００１４】また、特開平１０−４６１４０号公報に
は、特定のカルボン酸、酸化剤及び水を含有し、アルカ
リによりｐＨが５〜９に調整されてなることを特徴とす
る化学的機械研磨用組成物が記載されており、実施例と
して、リンゴ酸を用い、この研磨用組成物にさらに研磨
材として酸化シリコンを添加して、銅およびアルミニウ
ムに対して高い研磨速度が得られることが記載されてい
る。しかしながら、タンタル系金属に対する研磨につい
ては何ら記載されていない。

【００１５】また、特開平１０−１６３１４１号公報に
は、研磨材および水を含んでなる銅膜の研磨用組成物で
あって、さらにこの組成物中に溶存している鉄（III）
化合物を含んでなることを特徴とする銅膜の研磨用組成
物が開示されており、その実施例として、研磨剤にコロ
イダルシリカを用い、鉄（III）化合物にクエン酸鉄（I
II）や、クエン酸アンモニウム鉄（III）、シュウ酸ア
ンモニウム鉄（III）を用いることによって、銅膜の研
磨速度が向上し、且つディッシングやスクラッチ等の表
面欠陥の発生が抑えられることが記載されている。しか
しながら、この公報においてもタンタル系金属に対する
研磨については何ら記載されていない。

【００１６】また、特開平１１−２１５４６号公報に
は、尿素、研磨材、酸化剤、膜生成剤および錯生成剤を
含む化学的・機械的研磨用スラリーが開示されており、
その実施例として、研磨剤にアルミナ、酸化剤に過酸化
水素、膜生成剤にベンゾトリアゾール、錯生成剤に酒石
酸またはシュウ酸アンモニウムを用いて調製したｐＨ
７．５のスラリーによって、Ｃｕ、Ｔａ及びＰＴＥＯＳ
を研磨した例が記載されている。しかしながら、この公
報の表６に示される結果は、Ｃｕ除去速度とＴａ除去速
度の差が著しく大きい。また、この公報には、酒石酸や
シュウ酸アンモニウム等の錯生成剤の添加効果として、
ベンゾトリアゾール等の膜生成剤により形成された不動
態層を攪乱すること、及び、酸化層の深さを制限するこ
とが記載されているだけであり、タンタル系金属膜に対
する研磨作用に関しては何ら記載されていない。

【００１７】そこで本発明の目的は、絶縁膜上にタンタ
ル系金属膜が形成された基板の研磨において、ディッシ
ングやエロージョンの発生を抑制し、且つ高い研磨速度
で、信頼性の高い電気的特性に優れた埋め込み型の電気
的接続部の形成を可能とする化学的機械的研磨用スラリ
ーを提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、絶縁膜と該絶縁膜上に形成されたタンタル
系金属膜とを有する基板を研磨するための化学的機械的
研磨用スラリーであって、シリカ研磨材と、該化学的機
械的研磨用スラリー全体に対して０．０１質量％以上１
０質量％以下の無機塩とを含有することを特徴とする化
学的機械的研磨用スラリーに関する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について説明する。

【００２０】本発明の化学的機械的研磨用スラリー（以
下「研磨用スラリー」ともいう）は、絶縁膜上に形成さ
れたタンタル（Ｔａ）又は窒化タンタル（ＴａＮ）等の
タンタル系金属膜の研磨に対して好適である。特に、タ
ンタル系金属膜が、バリア金属膜として凹部を有する絶
縁膜上に形成され、その上にこの凹部を埋め込むように
導電性金属膜が形成された基板をＣＭＰし、タンタル系
金属膜をバリア金属膜として有する埋め込み配線やビア
プラグ、コンタクトプラグ等の電気的接続部の形成工程
において好適に用いることができる。本発明の研磨用ス
ラリーは、そのＣＭＰ工程において、導電性金属膜を研
磨し、タンタル系金属膜が露出した時点から使用しても
よい。

【００２１】本発明の研磨用スラリーを用いてＣＭＰす
ることにより、高い研磨速度で、すなわち高スループッ
トで、且つディッシングやエロージョンの発生を抑え、
信頼性の高い電気的特性に優れた埋め込み形の電気的接
続部を形成することができる。

【００２２】本発明の研磨用スラリーに含有されるシリ
カ研磨材としては、ヒュームドシリカやコロイダルシリ
カ等の二酸化ケイ素からなる砥粒を用いることができ
る。シリカ研磨材は、種々の公知の方法で製造される
が、例えば、四塩化ケイ素を酸素と水素の火炎中で気相
合成したヒュームドシリカや、金属アルコキシドを液相
で加水分解し焼成したシリカを挙げることができる。

【００２３】本発明における研磨用スラリーを用いて半
導体装置を作製する場合、これらの二酸化ケイ素からな
る砥粒のうち、低価格であり、不純物としてＮａを実質
的に含まないなどの理由により、ヒュームドシリカが好
ましい。研磨用スラリーがＮａを含有すると、Ｎａは基
板の形成で多用されるＳｉと容易に反応するため、基板
に付着・残留し、ＣＭＰ工程後の洗浄工程においてもＮ
ａを除去することが困難となるためである。

【００２４】シリカ研磨材の平均粒径は、光散乱回折法
により測定した平均粒径で５ｎｍ以上が好ましく、５０
ｎｍ以上がより好ましく、また５００ｎｍ以下が好まし
く、３００ｎｍ以下がより好ましい。粒径分布は、最大
粒径（ｄ１００）で３μｍ以下が好ましく、１μｍ以下
がより好ましい。比表面積は、Ｂ.Ｅ.Ｔ.法により測定
した比表面積で５ｍ²／ｇ以上が好ましく、２０ｍ²／ｇ
以上がより好ましく、また１０００ｍ²／ｇ以下が好ま
しく、５００ｍ²／ｇ以下がより好ましい。

【００２５】シリカ研磨材の研磨用スラリー中の含有量
は、スラリー組成物全量に対して０．１〜５０質量％の
範囲で研磨能率や研磨精度等を考慮して適宜設定され
る。好ましくは１質量％以上が好ましく、２質量％以上
がより好ましく、３質量％以上がさらに好ましい。上限
としては、３０質量％以下が好ましく、１０質量％以下
が好ましく、８質量％以下がさらに好ましい。

【００２６】本発明の研磨用スラリーに用いられる前記
無機塩として、アンモニウムイオンを含む塩、アルカリ
金属イオンを含む塩、アルカリ土類金属イオンを含む
塩、第ＩＩＩＢ族金属イオンを含む塩、第ＩＶＢ族金属
イオンを含む塩、第ＶＢ族金属イオンを含む塩、及び遷
移金属イオンを含む塩から選ばれる１種以上の塩を用い
ることができる。

【００２７】アルカリ金属イオンとしては、Ｌｉイオ
ン、Ｎａイオン、Ｋイオン、Ｒｂイオン、Ｃｓイオン、
Ｆｒイオンなどを、アルカリ土類金属イオンとしては、
Ｂｅイオン、Ｍｇイオン、Ｃａイオン、Ｓｒイオン、Ｂ
ａイオン、Ｒａイオンなどを、第ＩＩＩＢ族金属イオン
としてはＡｌイオン、Ｇａイオン、Ｉｎイオン、Ｔｌイ
オンなどを、第ＩＶＢ族金属イオンとしてはＳｎイオ
ン、Ｐｂイオンなどを、第ＶＢ族金属イオンとしてはＢ
ｉイオンなどを、遷移金属イオンとしては、Ｓｃイオ
ン、Ｔｉイオン、Ｖイオン、Ｃｒイオン、Ｍｎイオン、
Ｆｅイオン、Ｃｏイオン、Ｎｉイオン、Ｃｕイオン、Ｚ
ｎイオン、Ｙイオン、Ｚｒイオン、Ｎｂイオン、Ｍｏイ
オン、Ｔｃイオン、Ｒｕイオン、Ｒｈイオン、Ｐｄイオ
ン、Ａｇイオン、Ｃｄイオン、Ｌａなどのランタノイド
金属のイオン、Ｈｆイオン、Ｔａイオン、Ｗイオン、Ｒ
ｅイオン、Ｏｓイオン、Ｉｒイオン、Ｈｇイオン、Ａｃ
などのアクチノイド金属のイオンなどを例示することが
できる。これらを含む塩は洗浄により容易に除去できる
ため好ましい。

【００２８】また本発明においては、前記無機塩とし
て、水素酸塩、オキソ酸塩、ペルオキソ酸塩、及びハロ
ゲンのオキソ酸塩から選ばれる１種以上の塩を用いるこ
とができる。

【００２９】水素酸の塩としては、フッ化水素酸、塩
酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸、硫化水素、シアン化水
素酸、アジ化水素酸、塩化金酸、塩化白金酸などの塩を
例示することができる。

【００３０】オキソ酸の塩としては硫酸、硝酸、リン
酸、炭酸、ホウ酸、ウラン酸、クロム酸、タングステン
酸、チタン酸、モリブデン酸などの塩を挙げることがで
きる。

【００３１】ペルオキソ酸の塩としてはペルオキソ一硫
酸、ペルオキソ二硫酸、ペルオキソ硝酸、ペルオキソ一
リン酸、ペルオキソ二リン酸、ペルオキソ一炭酸、ペル
オキソ二炭酸、ペルオキソホウ酸、ペルオキソウラン
酸、ペルオキソクロム酸、ペルオキソタングステン酸、
ペルオキソチタン酸、ペルオキソモリブデン酸などの塩
を挙げることができる。

【００３２】ハロゲンのオキソ酸の塩としては過塩素
酸、過臭素酸、過ヨウ素酸などの塩を挙げることができ
る。

【００３３】ペルオキソ酸およびハロゲンのオキソ酸の
塩は酸化剤として作用し、導電性金属膜の研磨速度を化
学的に向上するため好ましい。すなわち、半導体装置の
製造に使用される研磨用スラリーに添加される酸化剤の
代替や補助として、使用することができる。

【００３４】以上に示した無機塩のうちアンモニウム及
びカリウム塩が好ましく、特に好ましいものとして、硫
酸カリウム、硫酸アンモニウム、塩化カリウム、ペルオ
キソ二硫酸カリウム、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、
過ヨウ素酸アンモニウムなどを挙げることができる。

【００３５】なお、上記無機塩を２種類以上併用するこ
ともできる。

【００３６】また、本発明における研磨用スラリーを用
いて半導体装置を作製する場合は、無機塩としてＮａや
重金属を含有しないものが好ましい。ＮａはＳｉと容易
に反応するため、Ｓｉ基板に洗浄後でも付着・残留しや
すく、また重金属も残留しやすいためである。

【００３７】本発明に用いられる上記無機塩の含有量
は、タンタル系金属膜の研磨速度向上の点から、スラリ
ー組成物全量に対して０．０１質量％以上が必要であ
り、０．０５質量％以上が好ましい。上限としては、研
磨用スラリーのチクソトロピック性の発生を抑える点か
ら、１０質量％以下である必要があり、５質量％以下が
好ましい。なお２種類以上の無機塩を含有する場合、上
記含有量は総和を意味する。

【００３８】本願発明の研磨用スラリーは、研磨材とし
てシリカ砥粒と、無機塩とを含むことによって、研磨面
の傷の発生を抑えながら、タンタル系金属膜の研磨速度
を大幅に向上させることが可能となる。これにより、タ
ンタル系金属膜の研磨速度を向上させることによってバ
リア金属膜と導電性金属膜間の研磨速度差を小さくでき
るため、スループットを低下させることなく、ディッシ
ングやエロージョンの発生を抑えることができ、良好な
電気的接続部を形成することができる。

【００３９】本発明に用いる無機塩は、水中に分散する
シリカ粒子に対して凝集（フロキュレーション）作用を
有し、この無機塩により凝集した凝集シリカ粒子によっ
て機械的研磨作用が増大し、その結果、タンタル系金属
膜の良好な研磨が行われるものと考えられる。また、こ
の凝集は適度に弱く、比較的柔らかな凝集粒子が形成さ
れるため、研磨面での傷の発生を抑えながら、タンタル
系金属膜の研磨速度を向上させることができるものと思
われる。

【００４０】本発明の研磨用スラリーのｐＨは、研磨速
度や腐食、スラリー粘度、研磨剤の分散安定性等の点か
ら、下限としてはｐＨ３以上が好ましく、ｐＨ４以上が
より好ましく、上限としてはｐＨ９以下が好ましく、ｐ
Ｈ８以下がより好ましい。

【００４１】研磨用スラリーのｐＨ調整は、公知の方法
で行うことができ、例えば、シリカ研磨材を分散し且つ
カルボン酸を溶解したスラリーに、アルカリを直接添加
して行うことができる。あるいは、添加すべきアルカリ
の一部又は全部をカルボン酸のアルカリ塩と添加しても
よい。使用するアルカリとしては、水酸化カリウム等の
アルカリ金属の水酸化物、炭酸カリウム等のアルカリ金
属の炭酸塩、アンモニア、アミン等を挙げることができ
る。

【００４２】本発明の研磨用スラリーには、バリア金属
膜上に形成される導電性金属膜の研磨を促進するために
酸化剤を添加してもよい。酸化剤としては、導電性金属
膜の種類や研磨精度、研磨能率を考慮して適宜、公知の
水溶性の酸化剤から選択して用いることができる。例え
ば、重金属イオンのコンタミネーションを起こさないも
のとして、Ｈ₂Ｏ₂、Ｎａ₂Ｏ₂、Ｂａ₂Ｏ₂、（Ｃ₆Ｈ₅Ｃ）
₂Ｏ₂等の過酸化物、次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）、過塩素
酸、硝酸、オゾン水、過酢酸やニトロベンゼン等の有機
過酸化物を挙げることができる。なかでも、金属成分を
含有せず、有害な複生成物を発生しない過酸化水素（Ｈ
₂Ｏ₂）が好ましい。本発明の研磨用スラリーに含有させ
る酸化剤量は、十分な添加効果を得る点から、研磨用ス
ラリー全量に対して０．０１質量％以上が好ましく、
０．０５質量％以上がより好ましい。上限は、ディッシ
ングの抑制や適度な研磨速度に調整する点から、１５質
量％以下が好ましく、１０質量％以下がより好ましい。
なお、過酸化水素のように比較的経時的に劣化しやすい
酸化剤を用いる場合は、所定の濃度の酸化剤含有溶液
と、この酸化剤含有溶液を添加することにより所定の研
磨用スラリーとなるような組成物を別個に調整してお
き、使用直前に両者を混合してもよい。

【００４３】酸化剤の酸化を促進し、安定した研磨を行
うために、プロトン供与剤としてカルボン酸やアミノ酸
などの有機酸を添加してもよい。

【００４４】カルボン酸としては、シュウ酸、マロン
酸、酒石酸、リンゴ酸、グルタル酸、クエン酸、マレイ
ン酸、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、アク
リル酸、乳酸、コハク酸、ニコチン酸、これらの塩、及
びこれらのカルボン酸の混合物などが挙げることができ
る。

【００４５】上記のカルボン酸うち、タンタル系金属膜
の研磨速度をさらに向上するために、シュウ酸、マロン
酸、酒石酸、リンゴ酸、グルタル酸、クエン酸、マレイ
ン酸などを用いることができる。これらのカルボン酸
も、シリカ粒子のフロキュレーションを促進するからで
ある。また、これらのカルボン酸を２種類以上併用する
場合もあり、他の有機酸と併用する場合もある。

【００４６】アミノ酸としては、例えば、Ｌ−グルタミ
ン酸、Ｄ−グルタミン酸、Ｌ−グルタミン酸一塩酸塩、
Ｌ−グルタミン酸ナトリウム一水和物、Ｌ−グルタミ
ン、グルタチオン、グリシルグリシン、ＤＬ−アラニ
ン、Ｌ−アラニン、β−アラニン、Ｄ−アラニン、γ−
アラニン、γ−アミノ酪酸、ε−アミノカプロン酸、Ｌ
−アルギニン一塩酸塩、Ｌ−アスパラギン酸、Ｌ−アス
パラギン酸一水和物、Ｌ−アスパラギン酸カリウム、Ｌ
−アスパラギン酸カルシウム三水塩、Ｄ−アスパラギン
酸、Ｌ−チトルリン、Ｌ−トリプトファン、Ｌ−スレオ
ニン、Ｌ−アルギニン、グリシン、Ｌ−シスチン、Ｌ−
システイン、Ｌ−システイン塩酸塩一水和物、Ｌ−オキ
シプロリン、Ｌ−イソロイシン、Ｌ−ロイシン、Ｌ−リ
ジン一塩酸塩、ＤＬ−メチオニン、Ｌ−メチオニン、Ｌ
−オルチニン塩酸塩、Ｌ−フェニルアラニン、Ｄ−フェ
ニルグリシン、Ｌ−プロリン、Ｌ−セリン、Ｌ−チロシ
ン、Ｌ−バリン、これらアミノ酸の混合物などを挙げる
ことができる。

【００４７】有機酸の含有量は、プロトン供与剤として
の十分な添加効果を得る点から、研磨用スラリー全体量
に対して０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量
％以上がより好ましい。上限としては、ディッシングの
抑制や適度な研磨速度に調整する点から、５質量％以下
が好ましく、３質量％以下がより好ましい。なお、複数
の有機酸を含有する場合、上記含有量は総和を意味す
る。

【００４８】有機酸が、シュウ酸、マロン酸、酒石酸、
リンゴ酸、グルタル酸、クエン酸、マレイン酸などの多
価カルボン酸の場合、研磨用スラリーのチクソトロピッ
ク性の発生を抑える点から、含有量の上限は１質量％以
下が好ましく、０．８質量％以下がより好ましい。な
お、複数の多価カルボン酸を含有する場合、上記含有量
は総和を意味する。

【００４９】本発明の研磨用スラリーに酸化剤を添加す
る場合は、さらに酸化防止剤を添加してもよい。酸化防
止剤の添加により、導電性金属膜の研磨速度の調整が容
易となり、また、導電性金属膜の表面に被膜を形成する
ことによりディッシングも抑制できる。

【００５０】酸化防止剤としては、例えば、ベンゾトリ
アゾール、１，２，４−トリアゾール、ベンゾフロキサ
ン、２，１，３−ベンゾチアゾール、ｏ−フェニレンジ
アミン、ｍ−フェニレンジアミン、カテコール、ｏ−ア
ミノフェノール、２−メルカプトベンゾチアゾール、２
−メルカプトベンゾイミダゾール、２−メルカプトベン
ゾオキサゾール、メラミン、及びこれらの誘導体が挙げ
られる。中でもベンゾトリアゾール及びその誘導体が好
ましい。ベンゾトリアゾール誘導体としては、そのベン
ゼン環にヒドロキシル基、メトキシやエトキシ等のアル
コキシ基、アミノ基、ニトロ基、メチル基やエチル基、
ブチル等のアルキル基、又は、フッ素や塩素、臭素、ヨ
ウ素等のハロゲン置換基を有する置換ベンゾトリアゾー
ルが挙げられる。また、ナフタレントリアゾールや、ナ
フタレンビストリアゾール、上記と同様に置換された置
換ナフタレントリアゾールや、置換ナフタレンビストリ
アゾールを挙げることができる。

【００５１】このような酸化防止剤の含有量としては、
十分な添加効果を得る点から、研磨用スラリー全体量に
対して０．０００１質量％以上が好ましく、０．００１
質量％以上がより好ましい。上限としては、適度な研磨
速度に調整する点から、５質量％以下が好ましく、２．
５質量％以下がより好ましい。

【００５２】本発明の研磨用スラリーには、その特性を
損なわない範囲内で、広く一般に研磨用スラリーに添加
されている分散剤、緩衝剤、粘度調整剤などの種々の添
加剤を含有させてもよい。

【００５３】本発明の研磨用スラリーは、タンタル系金
属膜の研磨速度が、好ましくは２０ｎｍ／分以上、より
好ましくは３０ｎｍ／分以上、さらに好ましくは４０ｎ
ｍ／分以上になるように組成比を調整することが好まし
い。また、本発明の研磨用スラリーは、銅の研磨速度
が、好ましくは３０ｎｍ／分以上、より好ましくは４０
ｎｍ／分以上、さらに好ましくは５０ｎｍ／分以上にな
るように組成比を調整することが好ましい。さらに、本
発明の研磨用スラリーは、銅膜の研磨速度とタンタル系
金属膜の研磨速度の比（Ｃｕ／Ｔａ研磨比）が、好まし
くは３／１以下、より好ましくは２／１以下、さらに好
ましくは１．５／１以下となるように、下限としては、
好ましくは０．９／１以上、より好ましくは１／１以上
になるように組成比を調整することが好ましい。加え
て、本発明の研磨用スラリーは、タンタル系金属膜の研
磨速度と層間絶縁膜の研磨速度の比（Ｔａ／絶縁膜研磨
比）は大きいほど好ましく、好ましくは１０／１以上、
より好ましくは２０／１以上、さらに好ましくは３０／
１になるように組成比を調整することが望ましい。上限
は、特に制限されないが、１００／１以下、さらには２
００／１以下の範囲で調製される。

【００５４】本発明の研磨用スラリーの製造方法は、一
般的な遊離砥粒研磨スラリー組成物の製造方法が適用で
きる。すなわち、分散媒体に研磨材粒子を適量混合す
る。必要であるならば保護剤を適量混合する。この状態
では、研磨材粒子表面は空気が強く吸着しているため、
ぬれ性が悪く凝集状態で存在している。そこで、凝集し
た研磨材粒子を一次粒子の状態にするために粒子の分散
を実施する。分散工程では一般的な分散方法および分散
装置を使用することができる。具体的には、例えば超音
波分散機、各種のビーズミル分散機、ニーダー、ボール
ミルなどを用いて公知の方法で実施できる。なお、無機
塩は、シリカ粒子のフロキュレーション化を引き起こす
と同時にチキソトロピック性を高める場合もあるため、
良好に分散を行うためには、分散終了後に添加し、混合
することが好ましい。

【００５５】本発明の研磨用スラリーを用いたＣＭＰ
は、例えば次のようにして行うことができる。基板上に
絶縁膜や銅系金属膜等が成膜されたウェハは、スピンド
ルのウェハキャリアに設置される。このウェハの表面
を、回転プレート（定盤）上に貼り付けられた研磨パッ
ドに接触させ、研磨用スラリー供給口から研磨用スラリ
ーを研磨パッド表面に供給しながら、ウェハと研磨パッ
ドの両方を回転させて研磨する。必要により、パッドコ
ンディショナーを研磨パッドの表面に接触させて研磨パ
ッド表面のコンディショニングを行う。なお、研磨用ス
ラリーの供給は、回転プレート側から研磨パッド表面へ
供給してもよい。

【００５６】以上に説明した本発明の研磨用スラリー
は、タンタル系金属膜がバリア金属膜として溝や接続孔
等の凹部を有する絶縁膜上に形成され、その上にこの凹
部を埋め込むように全面に導電性金属膜が形成された基
板を、凹部以外の絶縁膜表面がほぼ完全に露出するまで
ＣＭＰ法により研磨して埋め込み配線やビアプラグ、コ
ンタクトプラグ等の電気的接続部を形成する方法に好適
に用いられる。絶縁膜としては、シリコン酸化膜、ＢＰ
ＳＧ膜、ＳＯＧ膜等の絶縁膜が挙げられ、導電性金属膜
として銅、銀、金、白金、チタン、タングテン、アルミ
ニウム、これらの合金を挙げることができる。特に本発
明の研磨用スラリーは、導電性金属膜が銅又は銅を主成
分とする銅合金膜である場合において好適に用いること
ができる。

【００５７】

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに詳細に説
明する。

【００５８】（実施例１〜８）トクヤマ社製のヒューム
ドシリカＱｓ−９を５質量％、関東化学社製の硫酸カリ
ウムを０．１〜３質量％を含むｐＨ４．５の研磨用スラ
リーを調製した。この研磨用スラリーを用いて、厚さ５
００ｎｍのシリコン酸化膜、５０ｎｍのタンタル膜、５
０ｎｍの銅膜が順次積層された基板をＣＭＰした。

【００５９】なお、比較例１として、硫酸カリウムを含
まないこと以外は実施例１〜８と同様にして研磨用スラ
リーを調製した。この研磨用スラリーを用いて、厚さ５
００ｎｍのシリコン酸化膜、５０ｎｍのタンタル膜、５
０ｎｍの銅膜が順次積層された基板をＣＭＰした。

【００６０】ＣＭＰは、スピードファム・アイペック社
製ＳＨ−２４型を使用して行った。研磨機の定盤には研
磨パッド（ロデール・ニッタ社製ＩＣ１４００）を張
り付けて使用した。研磨条件は、研磨荷重（研磨パッド
の接触圧力）：２７．６ｋＰａ、定盤回転数：５５ｒｐ
ｍ、キャリア回転数：５５ｒｐｍ、スラリー研磨液供給
量：１００ｍｌ／分とした。

【００６１】銅およびタンタルの研磨速度を以下のよう
に測定した。ウエーハ上に一定間隔に並んだ４本の針状
電極を直線上に置き、外側の２探針間に一定電流を流
し、内側の２探針間に生じる電位差を測定して抵抗
（Ｒ'）を求め、更に補正係数ＲＣＦ（Ｒｅｓｉｓｔｉ
ｖｉｔｙＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎＦａｃｔｏｒ）を乗
じて表面抵抗率（ρｓ'）を求める。また厚みがＴ（ｎ
ｍ）と既知であるウエーハ膜の表面抵抗率（ρｓ）を求
める。ここで表面抵抗率は、厚みに反比例するため、表
面抵抗率がρｓ'の時の厚みをｄとするとｄ（ｎｍ）＝
（ρｓ×Ｔ）／ρｓ'が成り立ち、これより厚みｄを算
出することができ、更に研磨前後の膜厚変化量を研磨時
間で割ることにより研磨速度を算出した。表面抵抗率の
測定には、三菱化学社製四探針抵抗測定器（Ｌｏｒｅｓ
ｔａ−ＧＰ）を用いた。

【００６２】得られた測定結果を表１に示した。表１か
ら明かなように、硫酸カリウムを添加することにより、
銅膜の研磨速度を低下させることなく、タンタル膜の研
磨速度を著しく増加でき、硫酸カリウムの添加量（含有
量）を増大することによりタンタルの研磨速度を増大さ
せることができた。

【００６３】また、研磨用スラリーの色も硫酸カリウム
の添加により半透明から白濁した。これは、凝集により
粒径の大きい粒子が形成され、散乱強度が増大したこと
を示している。このことから、無機塩の添加によって、
溶液中のイオン強度が増加し電気二重層が圧迫され、ヒ
ュームドシリカの粒子間に働く電気的反発力が減少する
とともに、無機塩とシリカ粒子との相互作用により凝集
化（フロキュレーション化）が起こり、この凝集化によ
り適度に柔らかく凝集したシリカ粒子が研磨材粒子とし
て作用し機械的研磨作用が増大したためタンタル膜の研
磨速度が向上したものと考えられる。

【００６４】

【表１】

【００６５】（実施例９及び１０）硫酸カリウムに代え
て硫酸アンモニウム及び塩化カリウムを用いた以外は、
それぞれ実施例５及び実施例８と同様にして研磨用スラ
リーを調製し、研磨速度を測定した。

【００６６】表２から明らかなとおり、硫酸カリウム以
外の無機塩として硫酸アンモニウム及び塩化カリウムを
添加した場合も、タンタルの研磨速度が上昇した。

【００６７】

【表２】

【００６８】（実施例１１〜１６）硫酸カリウムに代え
て、表３に示す酸化作用を有する種々の無機塩を含有す
る研磨用スラリーを調製した。研磨速度の測定方法は、
実施例３、５及び６と同様である。なお、比較のために
実施例１６では、酸化作用のない無機塩である硫酸カリ
ウムと２．５質量％の過酸化水素とを含有する研磨用ス
ラリーを調製した。また表３には参考のため、実施例５
の結果も再記した。

【００６９】表３から明らかなとおり、酸化作用を有す
る無機塩を添加した場合も、タンタルの研磨速度が上昇
した。更に、無機塩の酸化作用により、実施例５と比較
して、銅の研磨速度が著しく上昇した。また、実施例１
６と比較すると、酸化作用を有する無機塩を添加するこ
とにより、過酸化水素を含有する場合と同程度にまで、
銅の研磨速度が上昇している。

【００７０】

【表３】

【００７１】（実施例１７〜２０）本発明の研磨用スラ
リーを調製してＣＭＰを行い、バリア金属膜としてタン
タル膜を用いた銅の埋め込み配線の形成を行った。

【００７２】まず、トランジスタ等の半導体素子が形成
された６インチのウェハ（シリコン基板）上に（図示せ
ず）、下層配線（図示せず）を有するシリコン酸化膜か
らなる下層配線層１を形成し、図１（ａ）に示すよう
に、その上にシリコン窒化膜２を形成し、その上に厚さ
５００ｎｍ程度のシリコン酸化膜３を形成し、通常のフ
ォトリソグラフィー工程及び反応性イオンエッチング工
程によりシリコン酸化膜３をパターンニングして幅０．
２３〜１０μｍ、深さ５００ｎｍの配線用溝及び接続孔
を形成した。次いで、図１（ｂ）に示すように、スパッ
タリング法により厚さ５０ｎｍのＴａ膜４を形成し、引
き続きスパッタリング法により５０ｎｍ程度Ｃｕ膜を形
成後、メッキ法により８００ｎｍ程度銅膜５を形成し
た。

【００７３】このようにして作製された基板をＣＭＰす
るために、硫酸カリウム、関東化学社製の過酸化水素、
関東化学社製のシュウ酸またはリンゴ酸、関東化学社製
のベンゾトリアゾールを含有する研磨用スラリーを調製
した。

【００７４】表４から明らかなとおり、有機酸や酸化剤
の濃度を変化させることにより、タンタルの研磨速度を
維持したまま銅の研磨速度を変化させる、すなわち、タ
ンタルの研磨速度を維持したまま、銅／タンタル研磨速
度比を制御できることが判る。また、基板の断面をＳＥ
Ｍにより観察したところ、問題となるような傷の発生は
見受けられなかった。また、銅の埋め込み配線部のディ
ッシングは抑制され、エロージョンも抑制されていた。

【００７５】

【表４】

【００７６】（実施例２１及び２２）表５に示す研磨用
スラリーを調製し、この研磨用スラリーを用いてＣＭＰ
を行い、銅の埋め込み配線を作製した。

【００７７】実施例２１及び２２の結果より、ペルオキ
ソ二硫酸カリウムの一部を硫酸カリウムに置き換えるこ
とにより、タンタルの研磨速度を維持したまま銅の研磨
速度が低下している。このことから、酸化剤を用いなく
とも、無機塩を組合わせることにより、研磨速度比を調
整できることがわかる。

【００７８】以上の結果より、実施例１７〜２２に示す
研磨用スラリーを用いてＣＭＰを行い、銅の埋め込み配
線およびコンタクトを形成すれば、高いタンタルの研磨
速度、十分な銅の研磨速度、良好な銅／タンタル研磨速
度比、低いシリコン酸化膜の研磨速度が実現できること
が判った。その結果、スループットが高く、ディッシン
グやエロージョンが抑制され、孤立配線部のリセスも抑
制され、パターン断面は良好な形状となった。このこと
は、銅およびタンタル間の研磨速度比が適度に小さいた
め銅膜が過剰に研磨されることがなく、また、絶縁膜の
研磨速度が十分に低いため絶縁膜が十分にストッパーと
して働き、ディッシングやエロージョンの発生が防止さ
れたことを示している。

【００７９】

【表５】

【００８０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、タンタ
ル系金属膜が絶縁膜上に形成されている基板のＣＭＰに
おいて、本発明の研磨用スラリーを用いることにより、
高い研磨速度で、すなわち高スループットで、且つディ
ッシングやエロージョンの発生を抑え、信頼性の高い電
気的特性に優れた埋め込み型の電気的接続部を形成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の埋め込み銅配線の形成方法を説明するた
めの工程断面図である。

【図２】従来の化学的機械的研磨用スラリーを用いて銅
配線を形成した場合の配線部の断面の形状を示す図であ
る。

【符号の説明】

１下層配線層２シリコン窒化膜３シリコン酸化膜４バリア金属膜５銅膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者和氣智子東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内 (72)発明者板倉哲之東京都台東区台東一丁目五番１号東京磁気印刷株式会社内 (72)発明者櫻井伸東京都台東区台東一丁目五番１号東京磁気印刷株式会社内 (72)発明者青柳健一東京都台東区台東一丁目五番１号東京磁気印刷株式会社内Ｆターム(参考） 3C058 AA07 CA01 CB01 CB03 DA02 DA12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁膜と該絶縁膜上に形成されたタンタ
ル系金属膜とを有する基板を研磨するための化学的機械
的研磨用スラリーであって、シリカ研磨材と、該化学的
機械的研磨用スラリー全体に対して０．０１質量％以上
１０質量％以下の無機塩とを含有することを特徴とする
化学的機械的研磨用スラリー。
【請求項２】前記無機塩として、水素酸塩、オキソ酸
塩、ペルオキソ酸塩、及びハロゲンのオキソ酸塩からな
る群より選ばれる１種以上を含有することを特徴とする
請求項１記載の化学的機械的研磨用スラリー。
【請求項３】前記無機塩として、アンモニウムイオン
を含む塩、アルカリ金属イオンを含む塩、アルカリ土類
金属イオンを含む塩、第３族金属イオンを含む塩、第４
族金属イオンを含む塩、第５族金属イオンを含む塩、及
び遷移金属イオンを含む塩からなる群より選ばれる１種
以上を含有することを特徴とする請求項１又は２記載の
化学的機械的研磨用スラリー。
【請求項４】前記シリカ研磨材が、ヒュームドシリカ
よりなることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記
載の化学的機械的研磨用スラリー。
【請求項５】前記シリカ研磨材の含有量が、化学的機
械的研磨用スラリー全体に対して１質量％以上３０質量
％以下であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか
に記載の化学的機械的研磨用スラリー。
【請求項６】化学的機械的研磨用スラリー全体に対し
て０．０１質量％以上５質量％以下の有機酸を含むこと
を特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の化学的機
械的研磨用スラリー。
【請求項７】化学的機械的研磨用スラリー全体に対し
て０．０１質量％以上１質量％以下のシュウ酸、マロン
酸、酒石酸、リンゴ酸、グルタル酸、クエン酸、及びマ
レイン酸からなる群より選ばれる１種以上を含有するこ
とを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の化学的
機械的研磨用スラリー。
【請求項８】ｐＨが３以上９以下であることを特徴と
する請求項１乃至７いずれかに記載の化学的機械的研磨
用スラリー。
【請求項９】前記基板が、凹部を有する絶縁膜と、該
絶縁膜上にバリア金属膜として形成されたタンタル系金
属膜と、該凹部を埋め込むように形成された導電性金属
膜とを有する基板であることを特徴とする請求項１乃至
８いずれかに記載の化学的機械的研磨用スラリー。
【請求項１０】前記導電性金属膜が銅又は銅合金膜で
あることを特徴とする請求項９記載の化学的機械的研磨
用スラリー。
【請求項１１】化学的機械的研磨用スラリー全体に対
して０．０１質量％以上１５質量％以下の酸化剤を含有
することを特徴とする請求項１乃至１０いずれかに記載
の化学的機械的研磨用スラリー。
【請求項１２】化学的機械的研磨用スラリー全体に対
して０．０００１質量％以上５質量％以下の酸化防止剤
を含有することを特徴とする請求項１１に記載の化学的
機械的研磨用スラリー。