JP2000269169A - 半導体装置の製造方法及び埋め込み配線の形成方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法及び埋め込み配線の形成方法Info
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Abstract
進行を抑え、被加工膜の効率のよい平坦化を可能にす
る。 【解決手段】 高分子粒子及び高分子粒子上に吸着され
た無機粒子を含む凝集体を含有するスラリーを用いた半
導体の製造方法。
Description
方法に係り、特に、DRAMや、高速ロジックLSIに
搭載する埋め込み配線を化学的機械的研磨を用いて形成
する方法及びこの技術を用いた半導体の製造方法に関す
る。
および高密度化が進み、種々の微細加工技術が研究開発
されている。その中でも化学的機械的研磨技術(CM
P)は、埋め込み金属配線(ダマシン配線)を形成する
上で欠かすことのできない重要な技術である。
り研磨する技術(メタルCMP)を行う場合、アルミナ
やシリカといった無機粒子をベースとしたスラリが用い
られてきた。この場合、エロージョンを制御するため弾
性変化の小さい硬質研磨パッドが用いられるが、研磨粒
子自体の弾性が乏しいため、また配線にスクラッチが生
じてしまう問題がある。さらに、このスクラッチに砥粒
が集中し、スクラッチ部分が拡大されるためエロージョ
ンを抑制することができなかった。
ラリの検討も進められている。高分子粒子は、無機粒子
に比べて柔らかい特徴がある。従って、粒子自体に弾性
があるため、硬質研磨パッドを用いてもスクラッチは生
じない利点がある。しかし、粒子の研磨能力がほとんど
ないため、高分子粒子単独を用いたスラリは実用的なレ
ベルではなかった。
は、研磨時にスクラッチ等によるエロージョンの進行を
抑え、被加工膜の効率のよい平坦化を可能にする機械的
化学的研磨用スラリーを用いた半導体の製造方法を提供
することにある。
クラッチ等によるエロージョンの進行を抑制し、被加工
膜を効率良く平坦化し、良好な埋め込み配線を形成する
方法を提供することにある。
子粒子及び該高分子粒子上に吸着された無機粒子を含む
凝集体を含有する化学的機械的研磨用スラリーを用いる
ことを特徴とする半導体の製造方法を提供する。
粒子上に吸着された界面活性剤、該界面活性剤上に吸着
された無機粒子を含む凝集体を含有する化学的機械的研
磨用スラリーを用いることを特徴とする半導体の製造方
法を提供する。
子粒子上に吸着された無機粒子を含む凝集体を含有する
化学的機械的研磨用スラリーを用いることを特徴とする
埋め込み配線の形成方法を提供する。
粒子上に吸着された界面活性剤、該界面活性剤上に吸着
された無機粒子を含む凝集体を含有する化学的機械的研
磨用スラリーを用いることを特徴とする埋め込み配線の
形成方法を提供する。
的研磨に使用されるスラリーの研磨粒子に着目し、その
改良を行なうことにより、本発明をなすに至った。本発
明では、研磨粒子として、高分子粒子と無機粒子とを混
合して使用し、かつ所望の研磨作用に応じて、高分子粒
子と無機粒子との好適な組み合わせを適用する。
説明する。これらは、各々高分子粒子と無機粒子との異
なる組み合わせを有するスラリーを用いた半導体の製造
方法に関する。
用スラリーは、高分子粒子及び該高分子粒子上に吸着さ
れた無機粒子を含む凝集体を含有する半導体の製造方法
に関する。この高分子粒子は、好ましくは、その表面に
アニオン部または非イオン部を有するアニオン系、カチ
オン系、両性系、あるいは非イオン系の官能基を有す
る。また、無機粒子は、好ましくは、アルミナ、シリ
カ、ベンガラ、セリア、カーボン、及び二酸化マンガン
からなる群から選択される少なくとも1種が使用され
る。
官能基と表面電位の異なる無機粒子を組み合わせて使用
する。例えば高分子粒子が、アニオン系官能基を有する
場合には、例えばアルミナ等の正電荷を有する無機粒子
を組み合わせることができる。また、例えば高分子粒子
が、カチオン系官能基を有する場合には、例えばシリカ
等の負電荷を有する無機粒子を組み合わせることができ
る。
かるスラリー中の高分子粒子と無機粒子との状態を表す
モデル図を示す。図中、1は高分子粒子、2は無機粒
子、3は研磨バフ、4は金属層、5は絶縁層を表す。図
示するように、第1の発明によれば、高分子粒子1と、
無機粒子2との表面電位が異なるため、スラリー中に、
高分子粒子1表面上に無機粒子2が吸着した凝集体が得
られる。
十分な研磨能力を示し、かつ高分子粒子1の適度な弾性
がスクラッチの発生、及びエロージョンの進行を防ぐ。
の高分子粒子(研磨力のない粒子)がアルミニウム層に
吸着したり、砥粒に入り込み、過剰な研磨を妨げるダミ
ー砥粒効果を表すことによって、エロージョンを格段に
抑制することができると考えられる。
なるため、研磨効率が上がり、効率よく良好な平坦化を
行なうことができる。また、スラリー中に無機粒子2の
みを適用すると、無機粒子2がバフ3の間に入り込み、
使用される無機粒子2の一部が研磨に寄与しないことが
あり得るが、第1の発明に用いられる凝集体は、適度な
大きさを有することにより、バフ3の間に入り込み難い
ので、効率よく研磨に寄与することができる。
えばカルボン酸型、スルホン酸型、硫酸エステル型、リ
ン酸エステル型、アミン塩型、第4級アンモニウム塩
型、エーテル型、エステル型、アルカノールアミド型、
カルボキシベタイン型、及びグリシン型官能基があげら
れる。
〜10000Aであることが好ましい。
は、高分子粒子のもつ官能基によって、無機粒子を吸着
させる組合わせが用いられているが、高分子粒子が官能
基をもたない場合でも、界面活性剤を添加することによ
って同様の現象を起こすことができる。
化学的機械的研磨用スラリーは、高分子粒子、高分子粒
子上に吸着された界面活性剤、界面活性剤を介して、高
分子粒子上に吸着された無機粒子を含む凝集体を含有す
る。
は、好ましくは、官能基をもたないものを利用する。
の発明に使用し得る無機粒子から選択することができ
る。
の発明にかかるスラリーと同様の作用を示し、このスラ
リー中には、高分子粒子表面上に界面活性剤を介して無
機粒子が吸着した凝集体が得られ、表面が硬質の無機粒
子が十分な研磨能力を示し、一方で、高分子粒子の適度
な弾性がスクラッチの発生、及びエロージョンの進行を
防ぐ。また、凝集体を構成することにより、研磨粒子の
実効的な粒子径が大きくなるため、研磨効率が上がり、
効率よく良好な平坦化を行なうことができる。さらに、
この凝集体は、適度な大きさを有することにより、研磨
バフの間に入り込み難いので、効率よく研磨に寄与する
ことができる。
ン部を有するアニオン系、カチオン系、両性系、非イオ
ン系界面活性剤から選択することができる。
基の具体例としては、例えばカルボン酸型、スルホン酸
型、硫酸エステル型、リン酸エステル型、アミン塩型、
第4級アンモニウム塩型、エーテル型、エステル型、ア
ルカノールアミド型、カルボキシベタイン型、及びグリ
シン型官能基等があげられる。
タルとしては、例えばアルミ、銅、タングステン、チタ
ン、ニオブ、タンタル、銀、バナジウム、ルテニウム、
プラチナ、およびこれらの酸化物、窒化物、ホウ化物、
それらの合金等があげられる。
必要に応じて、酸化剤を添加することができる。酸化剤
を添加することにより、機械的研磨に化学的作用が加わ
るため、研磨速度が向上する。このような酸化剤として
は、過酸化水素、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、リン
酸、硝酸、及び硝酸二アンモニウムセリウムからなる群
から選択される標準電極電位−3V〜+3Vの酸化剤が
好ましく用いられる。
の発明にかかる半導体の製造方法に対応する。
法は、第1の発明にかかるスラリーを用いて被加工物を
研磨する工程を具備する。
法は、第2の発明にかかるスラリーを用いて被加工物を
研磨する工程を具備する。
する。
線の形成方法の一例を示す。
体素子が設けられた基板100上に、深さ4000Aの
溝105のパターニングを施し、絶縁膜101を形成
し、次いで、ニオブライナ102を300A堆積し、こ
の後にアルミニウム膜103を6000A堆積した。
Nbライナ102をCMPにより除去した。
を除去するポリッシュと、図4に示すように、Nbライ
ナ102を除去するセカンドステップポリッシュの2ス
テップポリッシュを行なった。
能基を有する高分子粒子と、正電荷を有する無機粒子と
を使用した。その組成を下記に示す。
リング回転数60rpm、テーブル回転数100rpm
の条件でファーストポリッシュを行なったところ、20
00A/分のAl研磨速度が得られた。
ト単独及びアルミナ粒子単独をそれぞれ研磨粒子として
混入したスラリーを作成し、同条件でアルミニウム研磨
速度を測定した。その結果を図5に示す。
るいはアルミナ単独ではほとんど研磨能力はないこと
が、両者を混合すると研磨能力は大幅に上昇することが
確認された。
単独で含むスラリーを用いた研磨における研磨速度との
関係を表すグラフ図を表す。このグラフに示すように、
スラリー中のアルミナ粒子の粒子径が大きくなるほど研
磨速度が上昇する傾向にある。これに対し、本発明のス
ラリーに使用される高分子粒子は、スラリ中でマイナス
に帯電し、これにゼロもしくはプラスに帯電しているア
ルミナ粒子が吸着されてその実効的な粒径が大きくなっ
ているので、アルミナ粒子と同様に、研磨速度が上昇す
ると考えられる。図7に得られた凝集体のモデル図を示
す。図中、120はポリメチルメタクリレート粒子、1
21はアルミナ粒子を各々示す。
クラッチとトレードオフの関係にあるため、残念ながら
実用的レベルではない。
に粒子径依存性はほとんどない。しかしながら、無機粒
子と混合した場合、スクラッチ低減と、スラリー分散性
(安定性)の観点から、以下に述べる理由により好まし
い粒子径が存在する。
の粒子径と、無機粒子を混入してスラリーを形成して研
磨を行なった場合のスクラッチの発生数との関係、及び
この粒子径と、このスラリー中の粒子の沈降速度との関
係を表すグラフ図を示す。
50A以下になると、クッション効果が弱まり、無機粒
子によるスクラッチを回避できなくなる。一方、グラフ
82に示すように、高分子粒子径が10000A以上に
なるとホモ凝集の発生が顕著になり、沈殿しやすくなる
ため、スラリの分散性が悪化する。したがって、無機粒
子とミックスした場合の実用的な高分子粒子径は50〜
10000Aである。
ョン効果により、比較的硬質のパットで研磨してもスク
ラッチが入ることはない。
び酸化剤を用いたスラリーについて、種々のライン幅の
被加工物を研磨したときに発生するエロージョンの深さ
を測定した結果を表すグラフ図を示す。
すると、そのライン幅が増加しても、エロージョンがほ
とんど進行しないことがわかった。
系官能基を有する高分子粒子と、負電荷を有する無機粒
子とを使用した。その組成を下記に示す。
リッシュを行ない、その研磨速度を測定した。なお、比
較のため、シリカ粒子単独、及びポリスチレン粒子単独
を使用したスラリーについても同様の測定を行なった。
得られた結果を図10に示す。
スラリでも1500A/分程度の高研磨速度が得られ、
第2の発明にかかるスラリーを用いると、さらに高い3
500A/分の研磨速度が実現し得る。
アミノ基の存在によりプラスに帯電しているポリスチレ
ン粒子の表面に、マイナスに帯電しているシリカ粒子が
吸着することにより凝集体が形成され、シリカの実効的
な粒子径が増大するためであると考えられる。図11に
この凝集体のモデル図を示す。図中、122はポリスチ
レン粒子、123はシリカ粒子を各々示す。
粒子のクッション効果により硬いパットで研磨してもス
クラッチを生じない。さらに、実施例1と同様にエロー
ジョンの進行を抑制する効果があった。
よびカチオン系官能基を有する高分子粒子と、アルミナ
粒子およびシリカ粒子のコンビネーションについて説明
したが、有機の官能基としては、非イオン部を有するア
ニオン系、カチオン系で、これらと相反する表面電荷を
もつ無機粒子、たとえばアルミナ、シリカあるいはベン
ガラなどの組み合わせでも同様の効果が得られる。
ない高分子粒子と、アニオン性界面活性剤と、無電荷ま
たは正電荷に帯電された無機粒子とを使用した。その組
成を下記に示す。
リッシュを行なった。
を示す。
に親油部が吸着し、この高分子粒子124はマイナスに
帯電する。そして、無電荷もしくはプラスに帯電したア
ルミナ粒子121が親水部に吸着し、高分子粒子124
と無機粒子121がこの界面活性剤125を介して吸着
している。
124とアルミナ粒子125は凝集しているので、実施
例1のスラリーと同様の効果が得られる。
法におけるポリッシュ用のスラリについて説明する。
を行なった。
系官能基を有する高分子粒子と、負電荷を有する無機粒
子とを使用した。その組成を下記に示す。
リッシュを行なった。
酸化剤無添加のスラリーと比較して、研磨時に化学的作
用が加わるため、その相互作用によって研磨速度がさら
に向上した。
のでなく、研磨時の荷重、トップリングおよびターンテ
ーブルの回転数等は、適宜、変更可能である。
しくはpH3〜12の範囲であり、Alダマシン配線形
成の場合、特に好ましくはpH約7である。
クラッチ等によるエロージョンの進行を抑え、被加工膜
の効率のよい平坦化が可能となる。
ョンの小さい埋め込み配線を安定して形成することが可
能となり、信頼性の高い半導体装置が容易に得られる。
と無機粒子との状態を表すモデル図
を表す図
を表す図
を表す図
研磨の速度を表すグラフ図
を表すグラフ図
例のモデル図
用いた研磨の速度を表すグラフ図
他の一例のモデル図
一例のモデル図
Claims (20)
- 【請求項1】 高分子粒子及び該高分子粒子上に吸着さ
れた無機粒子を含む凝集体を含有する化学的機械的研磨
用スラリーを用いることを特徴とする半導体装置の製造
方法。 - 【請求項2】 前記高分子粒子は、アニオン系、カチオ
ン系、両性系、非イオン系官能基から選択される官能基
を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 前記官能基は、カルボン酸型、スルホン
酸型、硫酸エステル型、リン酸エステル型、アミン塩
型、第4級アンモニウム塩型、エーテル型、エステル
型、アルカノールアミド型、カルボキシベタイン型、及
びグリシン型官能基からなる群から選択されることを特
徴とする請求項2に記載の方法。 - 【請求項4】 高分子粒子、該高分子粒子上に吸着され
た界面活性剤、該界面活性剤上に吸着された無機粒子を
含む凝集体を含有する化学的機械的研磨用スラリーを用
いた半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】 前記界面活性剤は、アニオン系、非イオ
ン部を有するアニオン系、カチオン系、両性系、非イオ
ン系界面活性剤から選択されることを特徴とする請求項
4に記載の方法。 - 【請求項6】 前記界面活性剤の官能基は、カルボン酸
型、スルホン酸型、硫酸エステル型、リン酸エステル
型、アミン塩型、第4級アンモニウム塩型、エーテル
型、エステル型、アルカノールアミド型、カルボキシベ
タイン型、およびグリシン型官能基からなる群から選択
される請求項5に記載の方法。 - 【請求項7】 前記高分子粒子は、メタクリル樹脂、フ
ェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリスチレ
ン樹脂、ポリアセタール樹脂、及びポリカーボネイト樹
脂からなる粒子からなる群から選択されることを特徴と
する請求項1または4に記載の方法。 - 【請求項8】 前記高分子粒子は、一次粒径が50〜1
0000Aであることを特徴とする請求項1または4に
記載の方法。 - 【請求項9】 前記無機粒子は、アルミナ、シリカ、ベ
ンガラ、セリア、カーボン、及び二酸化マンガンからな
る群から選択される少なくとも1種の材料からなること
を特徴とする請求項1または4に記載の方法。 - 【請求項10】 過酸化水素、ペルオキソ二硫酸アンモ
ニウム、リン酸、硝酸、及び硝酸二アンモニウムセリウ
ムからなる群から選択される標準電極電位−3V〜+3
Vの酸化剤をさらに含むことを特徴とする請求項1また
は4に記載の方法。 - 【請求項11】 高分子粒子及び該高分子粒子上に吸着
された無機粒子を含む凝集体を含有する化学的機械的研
磨用スラリーを用いることを特徴とする埋め込み配線の
形成方法。 - 【請求項12】 前記高分子粒子は、アニオン系、カチ
オン系、両性系、非イオン系官能基から選択される官能
基を有することを特徴とする請求項11に記載の方法。 - 【請求項13】 前記官能基は、カルボン酸型、スルホ
ン酸型、硫酸エステル型、リン酸エステル型、アミン塩
型、第4級アンモニウム塩型、エーテル型、エステル
型、アルカノールアミド型、カルボキシベタイン型、及
びグリシン型官能基からなる群から選択されることを特
徴とする請求項12に記載の方法。 - 【請求項14】 高分子粒子、該高分子粒子上に吸着さ
れた界面活性剤、該界面活性剤上に吸着された無機粒子
を含む凝集体を含有する化学的機械的研磨用スラリーを
用いた埋め込み配線の製造方法。 - 【請求項15】 前記界面活性剤は、アニオン系、非イ
オン部を有するアニオン系、カチオン系、両性系、非イ
オン系界面活性剤から選択されることを特徴とする請求
項14に記載の方法。 - 【請求項16】 前記界面活性剤の官能基は、カルボン
酸型、スルホン酸型、硫酸エステル型、リン酸エステル
型、アミン塩型、第4級アンモニウム塩型、エーテル
型、エステル型、アルカノールアミド型、カルボキシベ
タイン型、およびグリシン型官能基からなる群から選択
される請求項15に記載の方法。 - 【請求項17】 前記高分子粒子は、メタクリル樹脂、
フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリスチ
レン樹脂、ポリアセタール樹脂、及びポリカーボネイト
樹脂からなる粒子からなる群から選択されることを特徴
とする請求項12または14に記載の方法。 - 【請求項18】 前記高分子粒子は、一次粒径が50〜
10000Aであることを特徴とする請求項11または
14に記載の方法。 - 【請求項19】 前記無機粒子は、アルミナ、シリカ、
ベンガラ、セリア、カーボン、及び二酸化マンガンから
なる群から選択される少なくとも1種の材料からなるこ
とを特徴とする請求項11また14に記載の方法。 - 【請求項20】 過酸化水素、ペルオキソ二硫酸アンモ
ニウム、リン酸、硝酸、及び硝酸二アンモニウムセリウ
ムからなる群から選択される標準電極電位−3V〜+3
Vの酸化剤をさらに含むことを特徴とする請求項11ま
たは14に記載の方法。
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