JP2000357675A - ディッシング及びエロージョンを低減させるための銅ｃｍｐ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ディッシング及びエロージョンを低減した銅
の平坦化。 【解決手段】 化学的機械研磨を用いて、ディッシング
及びエロージョンが低減された、集積回路の銅配線を形
成する方法が提供される。誘電体膜（１０）のトレンチ
（１５）を満たす銅の膜（３０）上に共形障壁体層（４
０）が形成される。化学的機械研磨を用いて、トレンチ
に重ならない領域から銅の膜を取除く前に、トレンチに
重ならない共形障壁体の部分が取除かれる。その結果の
構造は、化学的機械研磨を用いて平坦化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、全般的に半導体デ
バイス製造の分野に関し、更に詳細には、集積回路の金
属配線を形成する方法に関連する。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】クロック速度が一層高速に
なるのに伴って集積回路の複雑さがますます増してお
り、回路相互接続を形成するために、アルミニウム以外
の金属を用いるようになってきた。アルミニウムと比較
し、銅は、その高い導電性、及びエレクトロ・マイグレ
ーションに対する改良された抵抗のため、信号レベル及
び電力供給レベルの配線のための高性能集積回路の相互
接続を形成する用途に用いられることがますます増えて
いる。現在、最も一般的に用いられている銅配線形成方
法は、ダマシン型のプロセスに基づく。ここで、電解め
っき技術を用いて厚い銅の膜が形成され、化学的機械研
磨（ＣＭＰ）を用いて余分な銅が取除かれる。半導体デ
バイス製造においてＣＭＰに用いられる最も一般的な方
式は、取付けパッドを介してキャリア（これは、回転し
ても回転しなくてもよい）に半導体ウェハを取り付け、
それを研磨パッド（これは、回転する又は回転しないプ
ラテンに搭載される）に接触させることによって、ウェ
ハの露出された表面を研磨することである。ウェハ表面
と研磨パッドとの間の機械的研磨により、ウェハ表面が
研磨される。研磨、及びこのプロセスで放出される粒子
の除去を助けるために、ウェハ表面と研磨パッドの間に
スラリを導入することができる。スラリはウェハ表面と
相互作用し、それにより、ウェハがより容易に研磨され
るようにし、余剰なスラリは、この研磨工程中にウェハ
から放出された材料を運び去る。

【０００３】ダマシン型のプロセスにおいて、トレンチ
は、集積回路の種々の金属配線を隔てる誘電体層に形成
される。回路レイアウトに依って、ウェハ表面に、幅の
広いトレンチの領域と、近接した幅の狭いトレンチの領
域が存在し得る。これらのトレンチが銅で満たされる
と、銅電解めっきプロセスの共形の性質により、銅表面
は実質的に非平坦となる。後に続く回路製造のために平
坦な表面を得るため、通常、ＣＭＰを用いて、種々のト
レンチの外側の領域に形成された銅を取除く。集積回路
にわたる非均一なトレンチの分布は、集積回路密度の幅
を考慮することができ、均一な平坦表面を生成すること
ができるＣＭＰプロセスを必要とする。従来の銅ＣＭＰ
方法では、幅の広いトレンチの上の銅領域にディッシン
グ（dishing）が起こり易い。このディッシングは、低
い領域でのＣＭＰパッド変形及び銅の高速な除去速度に
よって起こる。これは、研磨の銅の量を減らすことによ
って幾らか低減され得る。更に、ＣＭＰ障壁体の除去の
後、銅配線の中心から酸化物の端までの高さを減小させ
るため、酸化物バフ研磨（buff）を行うことができる。
これらの方法はディッシングの影響を減らすことはでき
るが、それでもディッシングは起こり、トレンチ領域か
ら銅の著しい損失が生じることがある。この材料の損失
は銅配線の抵抗を増大させ、集積回路の性能低下となり
得る。このディッシングは、銅配線のエレクトロ・マイ
グレーションの影響を増大させることもある。このた
め、トレンチに形成される銅のディッシング及びエロー
ジョン（erosion）を生じさせることなく銅を平坦化す
るためのＣＭＰの制約を克服する方法が必要とされてい
る。

【０００４】

【課題を達成するための手段及び作用】本発明は、化学
的機械研磨を用いて、ディッシング及びエロージョンが
低減された銅配線を形成する方法を説明する。この方法
の一実施例は、誘電体層に形成されるトレンチを有する
半導体基板を提供し、前記トレンチを含む前記半導体基
板の上に第１の共形障壁体層を形成し、前記第１の共形
障壁体層の上に銅の層を形成し、前記銅の層は前記トレ
ンチを満たし、前記銅の層の上に第２の共形障壁体層を
形成し、前記第２の共形障壁体層と前記銅の層を化学的
機械的に研磨して、平坦化された構造をつくる工程を含
む。

【０００５】

【実施例】次に、本発明を図１Ａ−図１Ｆを参照して説
明する。当業者であれば、本発明の利点は、別の金属の
ＣＭＰプロセスにも適用され得ることは明白であろう。
図１Ａに示されているのは、上面層として誘電体層１０
を有する半導体ウェハ５である。この誘電体層の下に、
金属配線及び相互接続だけでなく、トランジスタ及び他
の集積回路構成要素が存在し得る。誘電体層１０は、二
酸化シリコン、窒化シリコン、オキシ窒化シリコン、又
は同様の性質を有する任意のその他の誘電体材料を用い
て形成され得る。更に、誘電体層１０は、エーロゲルな
どの低ｋ誘電体膜又は同様の性質を有する材料を用いて
形成されてもよい。トレンチ１５は、共形障壁体層２０
を伴う誘電体層１０に形成される。この共形障壁体層２
０は、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、又は同様の性質を
有する任意の材料から構成され得る。本発明の一実施例
では、障壁体を形成するために物理的蒸着（ＰＶＤ）Ｔ
ａＮが用いられる。障壁体層２０の厚みは、信号レベル
導線用の約２５０Åから電力導線用の約５００Åまで変
えることができる。障壁体層２０の形成に続いて、銅の
厚い層３０を形成する電解めっきプロセスの後、ＰＶＤ
銅の約７５０Å−１１００Åのシード層が形成される。
銅の層３０の共形の性質により、図１Ａに示すように、
非平坦表面となる。銅の層の形成に続いて、銅の層３０
の上面に第２の障壁体層４０が形成される。第２の障壁
体層４０は、ＣＭＰの後、平坦な表面となる。一実施例
では、この第２の障壁体層は、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、Ｔ
ｉＮ膜、又は同様の性質を有する任意の膜から構成され
る。別の実施例において、第２の障壁体層４０は、Ｔ
ａ、ＴａＮ、Ｔｉ、又はＴｉＮ膜の交互の積層から構成
される。図１Ｂは、短時間ＣＭＰ障壁体研磨の後の図１
Ａの構造を示す。この短時間研磨は、表面の一層高い領
域から優先的に障壁体４０を取除く。第２の障壁体４０
がＴａＮで構成される本発明の実施例において、ＣＭＰ
プロセスは、６０−１５０ rpmのパッド速度、１−６ p
siのパッド下向き圧力、及びRodel（商標）：ＳＳ１１
スラリで構成される。ここで用いるＣＭＰプロセスは、
障壁体４０及び下にある銅の膜３０に関して、高い研磨
選択性を有さなければならない。

【０００６】図１Ｃは、銅ＣＭＰ研磨後の図１Ｂの構造
を示す。第２の障壁体４０がＴａＮで構成される本発明
の実施例において、銅ＣＭＰプロセスは、６０−１４０
rpmのパッド速度、１−４ psiのパッド下向き圧力、及
びRodel（商標）：ＣｕＳ３１２０ スラリで構成され
る。銅ＣＭＰプロセスの１つの要求は、第２の障壁体４
０によって保護された銅の層３０の領域を、保護されて
いない即ち被覆されていない領域よりも遅い速度で研磨
することである。このように、第２の障壁体４０は、先
行技術において起こり得たディッシング及びエロージョ
ンの防止を助ける。この研磨速度の差により、銅の層３
０の表面の輪郭は図１Ｃに示すようになる。図１Ｄは、
短時間ＣＭＰ障壁体研磨後の図１Ｃの構造を示す。この
工程は、上述の第１の障壁体研磨工程に類似しており、
第２の障壁体層４０の残存している領域を取除くように
機能する。短時間障壁体研磨に続いて、別の銅ＣＭＰ研
磨工程が行われ、これは第１の障壁体層２０で終了す
る。第１の障壁体２０がＴａＮで構成される本発明の実
施例において、この障壁体、即ちＴａＮ、に対して高い
選択性を有するＣＭＰ研磨は、ウェハの表面の反射率に
よって決まるエンドポイントと共に、９０−１２０ rpm
のパッド速度、１−４ psiのパッド下向き圧力、及びRo
del（商標）：ＣｕＳ３１２０ スラリで構成される。図
１Ｆは、銅によって覆われていない第１の障壁体層２０
の領域を取除くための最終的な障壁体研磨の後の図１Ｅ
の構造を示す。本発明の別の実施例を図２Ａ−２Ｃに示
す。図２Ａに示すように、幅の広いトレンチ構造１６内
の銅の膜３０の厚みは、この層の表面が、誘電体層１０
の表面と同一平面にあるように形成される。その後、第
２の障壁体層４０が銅の層３０の表面上に形成される。
一実施例では、この第２の障壁体層４０は、Ｔａ、Ｔａ
Ｎ、Ｔｉ、ＴｉＮ膜、又は同様の性質を有する任意の膜
から構成される。別の実施例において、第２の障壁体層
４０は、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、又はＴｉＮ膜の交互の積
層から構成される。図２Ｂは、短時間障壁体研磨の後、
銅研磨が後に続いた図２Ａの構造を示す。第２の障壁体
がＴａＮである実施例において、その後、上述の研磨プ
ロセスが用いられ得る。図２Ｃは、第２の障壁体層４０
の残存している部分、及び銅３０で覆われていない第１
の障壁体層２０を取除くための障壁体研磨の後の図２Ｂ
の構造を示す。幾つかの事例において、第１の障壁体２
０及び第２の障壁体４０双方が、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、
又はＴｉＮであるこの材料と同じ材料で構成されるよう
にすることが利点となり得る。本発明は例示用の実施例
を参照して説明されたが、本説明が限定的な意味に解釈
されることを意図しているのではない。これら例示用の
実施例の種々の変形及び組合せばかりでなく本発明の他
の実施例も、本説明を参照すれば当業者にとって明白で
あろう。したがって、添付の特許請求の範囲はあらゆる
これらの変形又は実施例を包含することを意図する。

【０００７】以上の説明に関し、更に以下の項目を開示
する。 （１） 化学的機械研磨を用いて銅配線を形成する方法
であって、誘電体膜を有する半導体ウェハを提供し、前
記誘電体膜は少なくとも１つのトレンチを含み、前記誘
電体膜の上及び前記トレンチに少なくとも１つの第１の
共形障壁体層を形成し、前記トレンチを第１の厚みの銅
の層で満たし、前記銅の層の上に少なくとも１つの第２
の共形障壁体層を形成し、化学的機械研磨を用いて、前
記トレンチに実質的に重ならない領域から前記第２の共
形障壁体層を取除き、化学的機械研磨を用いて、前記ト
レンチに実質的に重ならない領域から前記銅の層の第１
の厚みを減小させ、化学的機械研磨を用いて、前記トレ
ンチに重なる領域から第２の共形障壁体層を取除き、そ
の結果の構造を、化学的機械研磨を用いて平坦化させる
ことを含む方法。 （２） 第１項に記載の方法であって、化学的機械研磨
を用いる前記結果の構造の平坦化が、前記誘電体膜に重
なる前記第１の共形障壁体の上面と、トレンチ内の前記
銅の層の上面とが実質的に同一平面になるように、化学
的機械研磨を用いて前記銅の層を取除き、前記誘電体膜
の前記上面と、トレンチ内の前記銅の層の上面とが実質
的に同一平面になるように、化学的機械研磨を用いて前
記第１の共形障壁体を取除くことを含む方法。

【０００８】（３） 化学的機械研磨を用いて銅配線を
形成する方法であって、最上層として誘電体膜を有する
半導体ウェハを提供し、前記誘電体膜は上面と少なくと
も１つのトレンチを含み、前記誘電体膜の前記上面及び
前記トレンチに、上面と層厚を有する少なくとも１つの
第１の共形障壁体層を形成し、前記トレンチを、前記誘
電体膜の前記上面と実質的に同一平面である上面を有す
る第１の厚みの銅の層で満たし、前記銅の層の前記上面
に少なくとも１つの第２の共形障壁体層を形成し、化学
的機械研磨を用いて、前記トレンチに実質的に重ならな
い領域から前記第２の共形障壁体層を取除き、化学的機
械研磨を用いて、前記トレンチに実質的に重ならない領
域から前記銅の層を取除き、その結果の構造を、化学的
機械研磨を用いて平坦化させることを含む方法。 （４） 第３項に記載の方法であって、化学的機械研磨
を用いる前記結果の構造の平坦化は、前記誘電体膜の前
記上面とトレンチ内の前記銅の層の上面とが同一面とな
るように、化学的機械研磨を用いて、前記第１の共形障
壁体と前記第２の共形障壁体を取除くことを含む方法。 （５） 第３項に記載の方法であって、前記第２の共形
障壁体層の厚みが、前記第１の共形障壁体層の前記層厚
に等しい方法。 （６） 銅配線を形成する方法であって、誘電体層に形
成されたトレンチを有する半導体基板を提供し、前記ト
レンチを含む前記半導体基板の上に第１の共形障壁体を
形成し、前記第１の共形障壁体層の上に銅の層を形成
し、前記銅の層は前記トレンチを満たし、前記銅の層の
上に第２の共形障壁体層を形成し、前記第２の共形障壁
体層と前記銅の層を化学的機械的に研磨して、平坦化さ
れた構造をつくる工程を含む方法。

【０００９】（７） 第６項に記載の方法であって、前
記化学的機械的に研磨する工程は、化学的機械研磨（Ｃ
ＭＰ）を用いて、前記第２の共形障壁体層の前記トレン
チに重ならない部分を取除き、ＣＭＰを用いて、前記ト
レンチに重ならない前記銅の層の第１の部分を取除き、
前記第２の共形障壁体層の残りを取除き、前記銅の層の
第２の部分を取除いて、第２の平坦化された構造をつく
る工程を含む方法。 （８） 化学的機械研磨を用いて、ディッシング及びエ
ロージョンが低減された、集積回路の銅配線を形成する
方法が提供される。誘電体膜（１０）のトレンチ（１
５）を満たす銅の膜（３０）上に共形障壁体層（４０）
が形成される。化学的機械研磨を用いて、トレンチに重
ならない領域から銅の膜を取除く前に、トレンチに重な
らない共形障壁体の部分が取除かれる。その結果の構造
は、化学的機械研磨を用いて平坦化される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図。

【図２】本発明の別の実施例を示す断面図。

【符号の説明】

１０ 誘電体膜 １５ トレンチ ２０，４０ 障壁体層 ３０ 銅の層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化学的機械研磨を用いて銅配線を形成す
   る方法であって、 誘電体膜を有する半導体ウェハを提供し、前記誘電体膜
   は少なくとも１つのトレンチを含み、 前記誘電体膜の上及び前記トレンチに少なくとも１つの
   第１の共形障壁体層を形成し、 前記トレンチを第１の厚みの銅の層で満たし、 前記銅の層の上に少なくとも１つの第２の共形障壁体層
   を形成し、 化学的機械研磨を用いて、前記トレンチに実質的に重な
   らない領域から前記第２の共形障壁体層を取除き、 化学的機械研磨を用いて、前記トレンチに実質的に重な
   らない領域から前記銅の層の第１の厚みを減小させ、 化学的機械研磨を用いて、前記トレンチに重なる領域か
   ら第２の共形障壁体層を取除き、 その結果の構造を、化学的機械研磨を用いて平坦化させ
   ることを含む方法。