JP2000290637A

JP2000290637A - 金属膜用研磨剤および研磨方法

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Publication number: JP2000290637A
Application number: JP11103294A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Hayashi; 和彦林; Hiroshi Kato; 寛加藤; Hiroyuki Kono; 博之河野
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2000-10-17
Anticipated expiration: 2019-04-09
Also published as: JP4083342B2

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体基板表面に金属配線用の凹部を有する
絶縁膜を形成し、その上にバリア膜を介して該凹部を埋
めるように金属膜を形成した後、金属膜及びバリア膜を
研磨することにより除去して絶縁膜と凹部に存在する金
属膜との平坦化された面を形成するに際し、上記金属膜
の研磨を選択的に行うことのできる研磨剤と研磨方法を
提供する。【解決手段】ＢＥＴ法によって測定した比表面積が８
０〜４００ｍ²／ｇのシリカ、シュウ酸、酸化剤及び水
よりなる、金属膜用研磨剤である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は新規な研磨剤および
それを用いた研磨方法に関する。詳しくは、金属膜の選
択研磨性に優れ、且つ金属膜の溶解特性が低く抑えられ
た研磨剤及び半導体デバイスの製造を上記研磨剤を使用
して精度良く行うことが可能な研磨方法を提供する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの高集積化に伴って、配
線技術は益々微細化かつ多層化の方向に進んでいる。そ
して、上記配線技術の多層化の進展によって半導体基板
表面の段差は大きくなり、さらにその上に形成される配
線の加工精度や信頼性を低下させ、微細化を妨げるとい
う問題を有する。

【０００３】上記の多層化による問題点を解決するため
に、配線パターンや電極等（以下、配線等という）が形
成された層を平坦化し、その上にさらに配線等を形成す
る技術が開発されている。即ち、図１に示すように、
（ａ）半導体基板１の表面に金属配線用の凹部Ａを有す
る絶縁膜２を形成し、（ｂ）その上にバリア膜３を介し
て該凹部を埋めるように金属膜４を形成した後、（ｃ）
凹部以外に存在する金属膜及びバリア膜を研磨すること
により除去して絶縁膜と凹部に存在する金属膜との平坦
化された面を形成する方法である。上記技術において、
バリア膜は、金属膜として用いるアルミニウムや銅が絶
縁膜中に拡散するのを防止し、且つそれら金属膜の半導
体基板表面への密着性を良くする機能を有するものであ
り、一般に、窒化チタンや窒化タンタルなどが使用され
る。

【０００４】上記研磨方法は、高い研磨性能を実現する
ため、機械的な研磨とそれを促進するような化学反応と
を併用する方法が採られる。この方法は、化学機械研磨
（以下、ＣＭＰと略記する）法と呼ばれ、金属膜、絶縁
膜、バリア膜等の研磨対象に応じて使用する研磨剤の組
成が種々提案されている。上記研磨剤の一般的な組成
は、研磨砥粒と薬剤とよりなる。

【０００５】ところで、上記研磨剤のうち、各膜間の研
磨速度の比（以下、選択比とも言う）が大きい場合に
は、研磨の停止層としてバリア膜や絶縁膜を利用するこ
とができる。

【０００６】特開平１０−４４０４７号には、水系媒体
と研磨材と酸化剤と有機酸からなり、絶縁膜に対する金
属膜又はバリア膜の選択比が５０以上の研磨剤が開示さ
れている。その実施例において具体的に示されている研
磨剤組成は、アルミナを砥粒とするスラリーに、薬剤と
して過硫酸アンモニウムと有機酸を添加したものであ
る。

【０００７】上記研磨剤を使用すれば、絶縁膜を停止層
とした、金属膜とバリア膜との研磨が可能である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記研
磨方法においては、金属膜とバリア膜との研磨を行うた
めの選択比が１の理想的な研磨剤は存在せず、金属膜或
いはバリア膜のいずれかが優先して研磨されることによ
り多少の凹凸が生じるため、これを研磨して微調整する
必要がある。そのため、絶縁膜まで研磨した後、選択比
の異なる他の研磨剤を使用して研磨が行われるが、かか
る研磨により、絶縁膜の厚みが低減し、配線等の断面積
の減少、惹いては、回路の信頼性が低下するおそれがあ
る。

【０００９】また、ＣＭＰ法においては、一般に、薬剤
により研磨対象の金属が溶解し、配線として残したい絶
縁膜表面の凹部を埋めた金属までが薄くなる（以下、こ
の現象をディッシングという）場合がある。ディッシン
グが起こると配線不良が発生し易くなるため、ディッシ
ングの発生をできる限り抑える必要がある。また、明ら
かなディッシングは見られなくても、金属膜の表面は薄
い腐食層（酸化膜）が生成している場合が多い。

【００１０】以上のように、金属膜とバリア膜との両方
を絶縁膜に対して選択的に研磨する研磨材を使用した従
来の研磨方法においては、絶縁膜の過剰研磨という現象
を避けざるを得なく、また、上記薬剤によるディッシン
グの問題も、十分に解決されるに至っていないのが現状
であった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記問題
を解決するための研究を重ねた結果、金属膜の研磨速度
が大きく、バリア膜の研磨速度が小さく、且つ選択比が
大きい研磨剤により、該バリア膜を停止層として研磨工
程の制御を行う方法に着目した。即ち、図２に示すよう
に、（ａ）前記凹部を有する絶縁膜２上に順次積層され
たバリア膜３及び金属膜４を（ｂ）研磨剤を使用して研
磨することにより、バリア膜３の存在する位置で研磨を
停止させることができ、これにより、研磨工程における
管理を容易とすることができる。次いで、（ｃ）バリア
膜と金属膜、更には、金属膜、バリア膜及び絶縁膜を同
時研磨することにより、前記平坦化の調整のための研磨
をバリア膜の厚みを主に利用して行うことができ、絶縁
膜の研磨量を減少でき、配線等の断面積を減少させるこ
となく、平坦な表面を得ることができる。

【００１２】そして、上記工程を実現するために更に研
究を進めた結果、上記（ｂ）の工程において、実用化レ
ベルで金属膜を選択的に研磨でき、しかも、ディッシン
グの問題の極めて少ない研磨剤の開発に成功し、本発明
を提案するに至った。

【００１３】即ち、本発明は、ＢＥＴ法によって測定し
た比表面積が８０〜４００ｍ²／ｇのシリカ、シュウ
酸、酸化剤及び水よりなる、金属膜用研磨剤である。ま
た、本発明は、半導体基板表面に金属配線用の凹部を有
する絶縁膜を形成し、その上にバリア膜を介して該凹部
を埋めるように金属膜を形成した後、金属膜及びバリア
膜を研磨することにより除去して絶縁膜と凹部に存在す
る金属膜との平坦化された面を形成するに際し、上記金
属膜用研磨剤によって上記金属膜の研磨を選択的に行う
ことを特徴とする研磨方法をも提供する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る研磨剤及び研
磨方法を詳細に説明する。

【００１５】本発明は、砥粒として特定の比表面積を有
するシリカを使用することが重要である。即ち、砥粒と
して他の種類の砥粒、例えば、アルミナを使用した場合
は、研磨傷（スクラッチ）の発生が多いという問題があ
る。ＣＭＰ研磨工程においてスクラッチが発生すると、
デバイスの配線が断線したりショートしたりするため、
デバイスの歩留まりを大幅に低下させる原因となる。

【００１６】本発明に使用されるシリカとしては、公知
のものを特に制限なく用いることができる。例えば、火
炎中で四塩化ケイ素やシラン系ガスを燃焼させて製造さ
れるヒュームドシリカ、アルコキシシランを原料に用い
て加水分解して製造されるゾル−ゲルシリカ（以下、高
純度コロイダルシリカともいう）、珪酸ソーダを原料に
して鉱酸で中和して製造される湿式シリカ、同じく珪酸
ソーダを原料にしてオストワルド法で製造されるコロイ
ダルシリカなどが挙げられる。

【００１７】また、上記シリカの比表面積は８０〜４０
０ｍ²／ｇの範囲であることが極めて重要であり、２０
０〜４００ｍ²／ｇの範囲が特に好適である。即ち、比
表面積が８０ｍ²／ｇよりも小さくなると、研磨砥粒の
機械的作用が大きくなるため、バリア膜及び絶縁膜の研
磨性が向上し、金属膜の該バリア膜及び絶縁膜に対する
選択比が小さくなるため、バリア膜で研磨を停止せしめ
ることが難しくなる。一方、比表面積が４００ｍ²／ｇ
よりも大きい場合、研磨剤がゲル化するなど安定性にお
いて特に問題が生じる。

【００１８】本発明の金属膜用研磨剤における上記シリ
カの濃度は０．１〜２０重量％の範囲が良く、好ましく
は０．１〜１０重量％の範囲である。シリカの濃度が
０．１重量％よりも小さいと、金属膜の研磨速度が低下
し、２０重量％よりも大きい場合には、研磨剤がゲル化
するなど安定性が低下する傾向がある。

【００１９】本発明に用いるシリカとしては、金属膜の
バリア膜に対する選択比や純度などを勘案すれば、８０
〜４００ｍ²／ｇの比表面積のヒュームドシリカが特に
好ましい。

【００２０】本発明の金属膜用研磨剤において、酸とし
てシュウ酸を使用することが極めて重要である。即ち、
シュウ酸を使用することにより、金属の研磨速度を十分
維持しながら、研磨がバリア層に達した際における、金
属膜の溶解を効果的に防止でき、前記絶縁層凹部におけ
る金属膜のディッシングを防止することができる。

【００２１】本発明の金属膜用研磨剤において、上記シ
ュウ酸の濃度は、０．１〜１重量％の範囲が好ましく、
さらに好ましくは０．２〜１重量％の範囲が好ましい。
本発明の研磨剤は、金属膜の研磨速度が研磨剤中のシュ
ウ酸濃度に大きく依存する傾向にある。そのため、シュ
ウ酸濃度が０．１重量％未満では研磨速度が非常に低く
なるため、研磨に要する時間が長くなり過ぎる傾向があ
る。また、シュウ酸濃度が１重量％を越えると、逆に研
磨速度が非常に大きくなり過ぎるため、研磨の制御が難
しくなる傾向がある。

【００２２】本発明において、酸化剤は特に制限無く公
知のものが使用できる。例えば、過酸化物、過塩素酸
塩、過硫酸塩、酸化性金属塩、酸化性金属錯体などが挙
げられるが、それらの中でも、取り扱いやすさ、純度等
のうえで過酸化水素と過硫酸アンモニウムが好ましい。

【００２３】また、本発明の金属膜用研磨剤において、
上記酸化剤の濃度は０．１〜１０重量％の範囲が良く、
好ましくは０．２〜６重量％の範囲が適当である。酸化
剤の濃度が０．１重量％未満であると研磨速度が低下す
る傾向がある。また、酸化剤の濃度が１０重量％を越え
ても研磨速度の向上効果はあまり見られない場合が多
く、濃度の高い酸化剤を使用することは危険性の面でも
問題があり、また廃水処理の負担が増えるなどの問題が
生じることが懸念される。

【００２４】本発明の金属膜用研磨剤の使用において、
各成分の添加順序は特に制限されるものではなく、使用
時、即ち、研磨時に全成分が含まれていればよい。しか
し、一般に、酸化剤は空気中に放置しておくと徐々に分
解して、その酸化力が低下する場合が多いので使用時に
添加することが望ましい。

【００２５】なお、酸化剤として過酸化水素を用いた場
合には、０．５〜６重量％の範囲で金属膜の研磨速度が
ほぼ一定であるので、上記のように酸化剤が多少分解し
たとしても安定した研磨速度が得られるため、研磨速度
の再現性、制御性の上で極めて好適に使用される。

【００２６】なお、これまでに述べてきた、シリカ、シ
ュウ酸、酸化剤の各濃度は、主に研磨剤として使用する
時の最適な濃度範囲を述べており、上述した濃度よりも
高いものを製造して、使用時に希釈して使っても何ら問
題はない。

【００２７】本発明の金属膜用研磨剤中のシリカは水中
に良く分散している方が望ましいため予め調製しておく
必要があるが、シュウ酸と酸化剤は少なくとも研磨する
ときに共存していれば良いので、研磨装置中または配管
中で混合しても良い。

【００２８】従って、シュウ酸と酸化剤に関しては、研
磨工程中においてそれらの濃度を前記好適な範囲内で可
変にすることによって、より高度な研磨を行うことも可
能である。例えば、初期には比較的高濃度のシュウ酸と
過酸化水素を添加して金属膜の研磨速度を高くし、終盤
にはそれらの添加剤の両方もしくは一方の濃度を下げる
ことによって研磨速度を下げるような態様も実施可能で
ある。

【００２９】そうすることによって、金属膜とバリア膜
あるいはバリア膜と絶縁膜との選択比を最適な範囲に調
整したり、配線パターンや電極上の金属膜の溶解性（デ
ィッシング）を一層低下させることも可能である。

【００３０】本発明は、上記の金属膜用研磨剤を用いる
研磨方法をも提供する。

【００３１】即ち、本発明は、半導体基板表面に金属配
線用の凹部を有する絶縁膜を形成し、その上にバリア膜
を介して該凹部を埋めるように金属膜を形成した後、金
属膜及びバリア膜を研磨することにより除去して絶縁膜
と凹部に存在する金属膜との平坦化された面を形成する
に際し、本発明の金属膜用研磨剤によって上記金属膜の
研磨を選択的に行うことを特徴とする研磨方法である。

【００３２】ここで言う半導体基板とは、ＩＣやＬＳＩ
などの半導体デバイスに使用されるシリコン基板が代表
的であるが、ゲルマニウムや化合物半導体などの半導体
基板にも適用できる。

【００３３】また、絶縁膜とは配線層間の電気的分離に
用いられるものであって、絶縁性のものであれば特に制
限はない。一般には、酸化シリコン膜（プラズマ−ＴＥ
ＯＳ膜やＳＯＧ膜と呼ばれているものなど）や有機ＳＯ
Ｇ膜等が挙げられる。

【００３４】更に、バリア膜は配線用金属の絶縁膜中へ
の拡散を防止すると共に、金属膜の絶縁膜への密着性を
良くするために絶縁膜と金属膜の間に形成される薄膜で
あって、タンタル膜、窒化タンタル膜、チタン膜、窒化
チタン膜、窒化タングステン膜などが挙げられる。中で
も、窒化タンタル膜が好適である。

【００３５】更にまた、金属膜は、配線パターンや電極
を形成するための配線材料であり、アルミニウム膜、銅
膜、タングステン膜などが挙げられる。中でも、銅膜に
対して本発明は特に有効である。

【００３６】本発明の上記研磨方法を図２に従って詳細
に説明する。

【００３７】前記半導体基板表面に形成される絶縁膜に
設けられる凹部Ａは、配線等を形成するために絶縁膜上
に形成される溝や接続孔である。

【００３８】先ず、（ａ）上記凹部Ａを有する絶縁膜２
上に順次積層されたバリア膜３及び金属膜４を（ｂ）本
発明の金属膜用研磨剤を使用して研磨することにより、
バリア膜３の存在する位置で研磨を停止させる（以下、
この研磨を第一段研磨といい、これに使用する研磨剤を
第一の研磨剤という）。

【００３９】第一段研磨においては、本発明の金属膜用
研磨剤を用いることにより、スクラッチやディッシング
の発生を抑えながら金属膜を選択的に除去できるため、
バリア膜と金属膜とよりなる平坦な表面を形成すること
ができる。

【００４０】次いで、（ｃ）第一の研磨剤とは選択比が
異なる研磨剤（以下、第二の研磨剤という）を使用して
バリア膜と金属膜を同時研磨し、（以下、第二段研磨と
いう）、更に必要に応じて、金属膜、バリア膜及び絶縁
膜を同時研磨する（以下、第三段研磨という）。

【００４１】第一段研磨において研磨剤で金属膜を除去
した後の被研磨面には、バリア膜と凹部に埋められた金
属膜が露出した状態で存在する。

【００４２】本発明の第二の研磨剤は、該被研磨面から
バリア膜を除去する必要があるため、金属膜に対してバ
リア膜を同等以上の研磨速度で研磨することが望まし
い。従って、金属膜に対するバリア膜の選択比（バリア
膜／金属膜研磨速度比）は０．８以上が好ましく、さら
に好ましくは１．５以上である。

【００４３】上記選択比が１未満ではバリア膜よりも金
属膜が研磨されすぎる場合があり、ディッシングが発生
する可能性がある。

【００４４】本発明において、第二の研磨剤は、シリカ
と水よりなる研磨剤が好ましく、さらに比表面積が２０
〜８０ｍ２／ｇの範囲のシリカを用いた場合には、バリ
ア膜の研磨速度が高いため好ましい。さらに好ましく
は、ゾル−ゲル法などの液相中で合成され、且つ乾燥工
程を経ずに製造されたシリカを用いることが好ましい。

【００４５】即ち、液相中で合成されたシリカは分散性
に優れており、且つ粒子の形状が球状で軟らかいため、
研磨の際に研磨対象のスクラッチの発生が非常に少ない
という特徴がある。

【００４６】なお、半導体基板上に形成するバリア膜の
厚みは、一般的に１００〜５００オングストロームの範
囲にあることが多いため、第二の研磨剤のバリア膜に対
する研磨速度は５０〜１０００オングストローム／ｍｉ
ｎの範囲、好ましくは２００〜５００オングストローム
／ｍｉｎの範囲にある方が制御し易く、バリア膜の除去
に要する時間は２分以内、好ましくは１分以内であるこ
とがさらに好ましい。

【００４７】上記研磨速度が５０オングストローム／ｍ
ｉｎ未満では生産性が低下する場合があり、１０００オ
ングストローム／ｍｉｎ以上ではバリア膜のみならず、
その下部の絶縁膜または配線の金属膜まで研磨してしま
う場合があり、所望の位置で研磨を停止することが難し
くなり、制御性が低下する場合がある。

【００４８】かかる研磨特性を達成するため、第二の研
磨剤中のシリカの濃度としては１〜２０重量％の範囲が
好ましい。バリア膜の研磨においてはシリカの機械的作
用によって研磨する場合が多いため、シリカの濃度を変
えることにより、上記の所望の研磨速度に制御すること
ができる。

【００４９】また、第二の研磨剤は、ｐＨが５〜９の範
囲、好ましくは６〜８の範囲にある場合には、金属膜と
絶縁膜とをほぼ同じ研磨速度で研磨できる傾向があり、
好適である。研磨剤のｐＨが５未満では金属膜の研磨速
度が、９を超えると絶縁膜の研磨速度が、バリア膜の研
磨速度と比較してそれぞれ著しく高くなる場合がある。
そのような場合には、金属膜や絶縁膜にディッシングが
発生し易くなり、半導体基板表面の平坦性が低下する場
合がある。また、ｐＨが５未満または９を超えた場合に
は、金属膜が腐食し易くなる傾向にある。

【００５０】上記で説明したように、シリカと水よりな
る第二の研磨剤で研磨することによって、半導体基板の
表面を高度に平坦に仕上げることが可能である。

【００５１】また、第二の研磨剤には酸化剤や水溶性高
分子など、その他の添加剤を加えることができる。しか
しながら、Ｃｕ膜などの金属膜は一般に酸化され易く、
表面に酸化膜が形成されると、続けて表面に他の膜を形
成するときに、密着性が低下するなどの問題が発生する
場合がある。そのため、第二の研磨剤は酸化剤を含まな
い方が好ましい場合が多い。

【００５２】また、バリア膜と金属膜との研磨、即ち、
第二段研磨に次いで、必要に応じて、第三段研磨が行わ
れる。かかる研磨に使用される第三の研磨剤は、金属
膜、バリア層及び絶縁膜をほぼ等しい研磨速度で研磨で
きることが好ましい。特に好ましくは、絶縁膜に対する
金属膜とバリア膜との選択比（金属膜／絶縁膜研磨速度
比及びバリア膜／絶縁膜研磨速度比）は、好ましくは、
０．３〜３、さらに好ましくは０．５〜２、特に、０．
８〜１．２である。

【００５３】上記範囲を超えると、どちらかの膜が選択
的に研磨され、ディッシングが発生し易くなる。

【００５４】上記第三の研磨剤は、公知の研磨剤より上
記選択比のものを選択して使用しても良いし、第二の研
磨剤の中から、上記選択比のものを選択して使用しても
良い。後者の場合、第二段研磨と第三段研磨を連続して
行うことができ好ましい。

【００５５】

【発明の効果】本発明の研磨剤は、ＢＥＴ法によって測
定した比表面積が８０〜４００ｍ²／ｇのシリカ、シュ
ウ酸、酸化剤及び水よりなる、金属膜用研磨剤であり、
２０００オングストローム／ｍｉｎ以上の比較的高い研
磨速度を示し、バリア膜に対する金属膜の選択比が高
く、さらには金属膜に対する溶解性が低いという特徴を
有する。

【００５６】また、本発明の研磨剤は、半導体基板表面
に金属配線用の凹部を有する絶縁膜を形成し、その上に
バリア膜を介して該凹部を埋めるように金属膜を形成し
た後、金属膜及びバリア膜を研磨することにより除去し
て絶縁膜と凹部に存在する金属膜との平坦化された面を
形成するに際し、上記金属膜の研磨を選択的に行うこと
ができる。

【００５７】さらに、上記の方法によって金属膜を選択
的に研磨した後、次いで、シリカと水よりなる研磨剤を
使用して金属膜及びバリア膜を同時研磨し、さらに、金
属膜及び絶縁膜を同時研磨することによって、極めて平
坦性の高い半導体基板表面を得ることができる。

【００５８】

【実施例】以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明
するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限され
るものではない。

【００５９】（研磨試験）銅（Ｃｕ）膜あるいは窒化タ
ンタル（ＴａＮ）膜あるいは酸化シリコン（ＳｉＯ₂）
膜が表面に形成された４インチのシリコンウェハを用い
て研磨試験を行った。研磨パッドにはロデール製のＩＣ
１０００／ＳＵＢＡ４００を用い、加工圧力３００ｇ／
ｃｍ²、定盤回転数４０ｒｐｍ、研磨剤の滴下速度８０
ｍｌ／ｍｉｎの条件で研磨試験を行い、研磨速度を求め
た。

【００６０】（溶解性試験）Ｃｕ膜が表面に形成された
シリコンウェハを用いて溶解性の試験を行った。研磨剤
中に試験片を浸漬し、それらの入った容器を５０℃に保
持された恒温振盪器中に入れた。１０分後に恒温振盪器
から取出した後、直ちにウエハを研磨剤中から純水中に
移し、表面に残存する研磨剤を洗い流した。浸漬前後の
Ｃｕ膜の膜厚変化から研磨剤に対するＣｕ膜の溶解速度
を求めた。

【００６１】実施例１及び比較例比表面積が９０ｍ²／ｇのヒュームドシリカあるいは比
表面積が９０ｍ²／ｇのヒュームドアルミナと、シュウ
酸と水と過酸化水素水を所定量混合し、シリカ濃度ある
いはアルミナ濃度が７重量％、シュウ酸の濃度が０．２
重量％、過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）の濃度が４重量％の研磨
剤をそれぞれ調整した。

【００６２】研磨試験の結果を表１に示した。尚、Ｎ
ｏ．２は比較例である。

【００６３】Ｃｕ膜の研磨速度はシリカを用いた研磨剤
の方がアルミナを用いた研磨剤よりも遥かに高かったの
に対して、ＴａＮ膜の研磨速度は逆にアルミナを用いた
研磨剤の方がシリカを用いた研磨剤よりも高かった。そ
のため、シリカを砥粒に用いた研磨剤では、ＴａＮ膜に
対するＣｕ膜の研磨速度の比（以下、Ｃｕ／ＴａＮの選
択比と略記する）が４９程度あり、本発明の目的であ
る、金属膜（ここでは、Ｃｕ膜）を高速で研磨し、バリ
ア膜（ここでは、ＴａＮ膜）で研磨を停止することが十
分可能なことが実証された。それに対して、アルミナを
砥粒に用いた研磨剤では、Ｃｕ／ＴａＮの選択比が２程
度であり、本発明の目的である、ＴａＮ膜に対するＣｕ
膜の選択的研磨が不十分であることがわかった。また、
研磨後のウエハ表面を集光灯を用いて観察したところ、
シリカを含む研磨剤で研磨したウエハよりもアルミナを
含む研磨剤で研磨したウエハの方が、表面に多くのスク
ラッチが発生していた。

【００６４】

【表１】

【００６５】実施例２及び比較例各種のシリカとシュウ酸と水と過酸化水素水を所定量混
合し、シリカ濃度が７重量％、シュウ酸の濃度が０．２
重量％、Ｈ₂Ｏ₂の濃度が４重量％の研磨剤を数種類調整
した。シリカには、比表面積が３０ｍ²／ｇの高純度コ
ロイダルシリカと比表面積が５０〜３８０ｍ²／ｇの範
囲の数種類のヒュームドシリカを用いた。

【００６６】研磨試験の結果を表２に示した。尚、Ｎ
ｏ．１，２は比較例である。

【００６７】Ｃｕ膜の研磨速度は、シリカの比表面積に
ほとんど依存しなかったが、ＴａＮ膜とＳｉＯ₂膜の研
磨速度は３０〜５０ｍ²／ｇのシリカを用いたときに比
較的高かった。そのため、９０〜３８０ｍ²／ｇのシリ
カを用いた場合には、Ｃｕ／ＴａＮの選択比は約５０以
上、Ｃｕ／ＳｉＯ₂の選択比は約３００以上であった
が、比表面積が３０〜５０ｍ²／ｇのシリカでは上記選
択比が小さくなり、Ｃｕ膜のみを選択的に研磨すること
が難しくなることがわかった。

【００６８】

【表２】

【００６９】実施例３及び比較例比表面積が２００ｍ²／ｇのヒュームドシリカとシュウ
酸と水と過酸化水素水を所定量混合し、シュウ酸の濃度
を０．２重量％、Ｈ₂Ｏ₂の濃度を１重量％に固定し、シ
リカ濃度を０〜１０重量％の範囲で変化させたときのい
くつかの研磨剤を調整した。

【００７０】研磨試験の結果を表３に示した。尚、Ｎ
ｏ．１は比較例である。

【００７１】シリカ濃度が０重量％のときは他と比べて
明らかにＣｕ膜の研磨速度が低いことがわかった。した
がって、少量でもシリカは添加した方が望ましいことが
わかった。シリカ濃度が１重量％以上の範囲ではＣｕ膜
の研磨速度が５０００オングストローム／ｍｉｎを越
え、シリカ濃度に依存せずほぼ一定であった。ＴａＮ膜
の研磨速度もすべてのシリカ濃度においてほぼ一定であ
り、Ｃｕ／ＴａＮの選択比は５０以上、Ｃｕ／ＳｉＯ₂
の選択比も１００以上であった。

【００７２】

【表３】

【００７３】実施例４及び比較例比表面積が２００ｍ²／ｇのヒュームドシリカとシュウ
酸と水と過酸化水素水を所定量混合し、シリカの濃度を
７重量％、Ｈ₂Ｏ₂の濃度を１重量％に固定し、シュウ酸
の濃度を０〜０．４重量％の範囲で変化させたときのい
くつかの研磨剤を調整した。

【００７４】研磨試験の結果を表４に示した。尚、Ｎ
ｏ．１は比較例である。

【００７５】

【表４】

【００７６】実施例５及び比較例比表面積が２００ｍ²／ｇのヒュームドシリカとシュウ
酸と水と過酸化水素水を所定量混合し、シリカ濃度を７
重量％、シュウ酸の濃度を０．２重量％に固定し、Ｈ₂
Ｏ₂の濃度を０．１〜６重量％の範囲で変化させて各種
の研磨剤を調整した。

【００７７】研磨試験の結果を表５に示した。尚、Ｎ
ｏ．１は比較例である。

【００７８】

【表５】

【００７９】実施例６比表面積が２００ｍ²／ｇのヒュームドシリカとシュウ
酸と水と過硫酸アンモニウムを所定量混合し、シリカ濃
度を７重量％、シュウ酸の濃度を０．２重量％に固定
し、過硫酸アンモニウムの濃度を４〜６重量％の範囲で
変化させて各種の研磨剤を調整した。

【００８０】研磨試験の結果を表６に示した。

【００８１】過硫酸アンモニウムの濃度が１重量％では
Ｃｕ膜の研磨速度は低かったが、４及び６重量％のとき
には４０００〜６０００オングストローム／ｍｉｎの実
用的な研磨速度を出せることがわかった。また、Ｃｕ／
ＴａＮの選択比も３０を越えることがわかった。以上の
ことから、酸化剤としては過酸化水素以外にも過硫酸ア
ンモニウムも好ましいことが確認できた。

【００８２】

【表６】

【００８３】実施例７及び比較例比表面積が２００ｍ²／ｇのヒュームドシリカと各種の
酸類と水と過酸化水素水を所定量混合し、シリカ量が７
重量％、Ｈ₂Ｏ₂の濃度が１重量％でｐＨが２〜３の範囲
の各種研磨剤を調整した。

【００８４】Ｃｕ膜の溶解性試験の結果を表７に示し
た。尚、Ｎｏ．１〜５，７〜１１は比較例である。

【００８５】酸の種類によってＣｕ膜の溶解速度は大き
く依存することがわかった。これらの中でも、シュウ酸
は際立って溶解速度が低いことがわかる。参考のため
に、同様な試験を純水（ｐＨ７）中で行うとＣｕ膜の溶
解速度は２オングストローム／ｍｉｎ程度であった。

【００８６】以上のことから、酸の種類としてシュウ酸
を使えばディッシングの起こり難い研磨ができることが
確認できた。

【００８７】

【表７】

【００８８】実施例８比表面積が２００ｍ²／ｇのヒュームドシリカとシュウ
酸と水と過酸化水素水を所定量混合し、シリカの濃度が
７重量％、シュウ酸の濃度が０．２重量％、Ｈ₂Ｏ₂の濃
度が１重量％となる第一の研磨剤を調製した。また、比
表面積が３０ｍ²／ｇの高純度コロイダルシリカと水を
所定量混合し、シリカの濃度が７重量％の中性（ｐＨ
６．８）の第二の研磨剤を調製した。

【００８９】シリコンウエハ表面に形成されたＳｉＯ₂
膜上に幅１００μｍの配線用溝が１００μｍの間隔で形
成され、その上に厚さ約２００オングストロームのＴａ
Ｎ膜と厚さ約１．５μｍのＣｕ膜が順次積層されたＴＥ
Ｇウエハを用いて、そのシリコンウエハ表面をまず第一
の研磨剤で３分間研磨した。その結果、ＳｉＯ₂膜の配
線溝以外の部分の上にあるＣｕ膜が除去され、ＴａＮ膜
と配線溝のＣｕ膜が露出した状態となった。続いて、第
二の研磨剤で４０秒間研磨を行ったところ、ＴａＮ膜が
除去され、配線溝以外の部分のＳｉＯ₂膜と配線溝のＣ
ｕ膜が露出した状態になった。研磨後のシリコンウエハ
表面を電子顕微鏡で観察したところ、スクラッチやディ
ッシングは全く見られず、配線溝以外の部分のＳｉＯ₂
膜と配線溝のＣｕ膜の表面にはほとんど段差は無く、平
坦な表面が形成されていることが確認できた。

【００９０】以上の結果より、本発明の研磨剤とそれを
用いた本発明の研磨方法を採用することによって、極め
て平坦な半導体基板表面が形成できることがわかった。

【００９１】なお、参考のために第二の研磨剤のＣｕ
膜、ＴａＮ膜、ＳｉＯ₂膜に対するそれぞれの研磨速度
を表８に示した。これからわかるように、ここで用いた
第二の研磨剤は、金属膜、バリア膜、絶縁膜をほぼ同じ
研磨速度で研磨できることがわかる。

【００９２】

【表８】

【図面の簡単な説明】

【図１】一般的な研磨方法を示す概略図

【図２】本発明の研磨方法の代表的な態様を示す概略図

【符号の説明】

Ａ凹部１半導体基板２絶縁膜３バリア膜４金属膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＢＥＴ法によって測定した比表面積が８
０〜４００ｍ²／ｇのシリカ、シュウ酸、酸化剤及び水
よりなることを特徴とする金属膜用研磨剤。
【請求項２】半導体基板表面に金属配線用の凹部を有
する絶縁膜を形成し、その上にバリア膜を介して該凹部
を埋めるように金属膜を形成した後、金属膜及びバリア
膜を研磨することにより除去して絶縁膜と凹部に存在す
る金属膜との平坦化された面を形成するに際し、請求項
１に記載の金属膜用研磨剤によって上記金属膜の研磨を
選択的に行うことを特徴とする研磨方法。
【請求項３】金属膜を選択的に研磨した後、次いで、
シリカと水よりなる研磨剤を使用して金属膜及びバリア
膜を同時研磨し、さらに、金属膜及び絶縁膜を同時研磨
する、請求項６記載の研磨方法。