JP2001023940A - 半導体集積回路の平坦化方法及びそのための化学的機械研磨スラリ - Google Patents
半導体集積回路の平坦化方法及びそのための化学的機械研磨スラリInfo
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】半導体集積回路製造における銅系配線化学的機
械研磨において銅系配線層、バリア層、絶縁層を含む面
を均一に研磨できる平坦化方法の提供。 【解決手段】銅系配線層１、バリア層２、絶縁層３に対
して特定の研磨速度比を有する異なる研磨スラリを用い
て３工程の化学的機械研磨を順次行うことによる。銅系
配線層が研磨され表角にバリア層が現れてくる。この時
抵抗が変るので終点検出が可能になり、研磨作業停止の
判断を容易に行える。バリア層の研磨速度を重視する場
合と絶縁層の研磨を重視する場合とでスラリーの特性を
変えて検出するバリア層重視の場合のスラリー特性 １．５≧銅系配線層の研磨速度／バリア層の研磨速度≧
０．８ かつ銅系配線層の研磨速度／絶縁層の研磨速度≧２．０ 絶縁層重視の場合のスラリ特性 絶縁層の研磨速度／銅系配線層の研磨速度≧５．０
械研磨において銅系配線層、バリア層、絶縁層を含む面
を均一に研磨できる平坦化方法の提供。 【解決手段】銅系配線層１、バリア層２、絶縁層３に対
して特定の研磨速度比を有する異なる研磨スラリを用い
て３工程の化学的機械研磨を順次行うことによる。銅系
配線層が研磨され表角にバリア層が現れてくる。この時
抵抗が変るので終点検出が可能になり、研磨作業停止の
判断を容易に行える。バリア層の研磨速度を重視する場
合と絶縁層の研磨を重視する場合とでスラリーの特性を
変えて検出するバリア層重視の場合のスラリー特性 １．５≧銅系配線層の研磨速度／バリア層の研磨速度≧
０．８ かつ銅系配線層の研磨速度／絶縁層の研磨速度≧２．０ 絶縁層重視の場合のスラリ特性 絶縁層の研磨速度／銅系配線層の研磨速度≧５．０
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路の
化学的機械研磨による平坦化方法に関する。また、上記
化学的機械研磨に用いられる化学的機械研磨スラリに関
する。
化学的機械研磨による平坦化方法に関する。また、上記
化学的機械研磨に用いられる化学的機械研磨スラリに関
する。
【０００２】
【従来の技術】現在、種々のデジタル家電製品、モバイ
ルコンピュータ、携帯情報通信機器等のさらなる小型
化、高機能化、高速化、低消費電力化の要請に応じて、
これら機器のキーコンポーネントとして組み込まれて使
用される半導体集積回路においても微細化・高密度化の
検討が続けられている。基板上に形成した絶縁層上に、
サブミクロンオーダの微細な線幅の配線を埋め込み、そ
の微細な配線を絶縁層を介してより多層積層化し高密度
化した多層配線構造が追求されている。
ルコンピュータ、携帯情報通信機器等のさらなる小型
化、高機能化、高速化、低消費電力化の要請に応じて、
これら機器のキーコンポーネントとして組み込まれて使
用される半導体集積回路においても微細化・高密度化の
検討が続けられている。基板上に形成した絶縁層上に、
サブミクロンオーダの微細な線幅の配線を埋め込み、そ
の微細な配線を絶縁層を介してより多層積層化し高密度
化した多層配線構造が追求されている。
【０００３】このように多層配線構造による半導体装置
の微細化・高密度化が進むと、各層表面の凹凸が激しく
なり、その凹凸段差がリソグラフィ光学系の焦点深度を
超えるようになる。そして多層配線における断線やショ
ートの原因となる等種々の問題を惹起するので、製造プ
ロセスのしかるべき段階で、ウエハ表面を平坦化するこ
とが必須である。
の微細化・高密度化が進むと、各層表面の凹凸が激しく
なり、その凹凸段差がリソグラフィ光学系の焦点深度を
超えるようになる。そして多層配線における断線やショ
ートの原因となる等種々の問題を惹起するので、製造プ
ロセスのしかるべき段階で、ウエハ表面を平坦化するこ
とが必須である。
【０００４】したがって、平坦化処理の重要なキーテク
ノロジーとして、多層配線構造の半導体集積回路の製造
工程において、その各々の層（半導体基板上）に形成さ
れた絶縁層及び／又は金属層を超精密に平坦化しうるポ
リシング技術である化学的機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；以下、
ＣＭＰという。）が、注目されている。
ノロジーとして、多層配線構造の半導体集積回路の製造
工程において、その各々の層（半導体基板上）に形成さ
れた絶縁層及び／又は金属層を超精密に平坦化しうるポ
リシング技術である化学的機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；以下、
ＣＭＰという。）が、注目されている。
【０００５】従来、多層配線の配線材料として、ドライ
エッチング等で容易にパターニングしうることから、主
としてアルミニウム（Ａｌ）系の材料が使用されている
が、Ａｌ系の配線の場合、配線幅０．２５μｍ以下のデ
ザインルールのもとでは、素子間の絶縁抵抗が無視でき
なくなり大きな配線遅延時間が生じるようになる。ま
た、Ａｌ系配線間の寄生容量に起因する充放電によるパ
ワーロスが、モバイル機器等の低消費電力化に対する大
きな障害となっている。
エッチング等で容易にパターニングしうることから、主
としてアルミニウム（Ａｌ）系の材料が使用されている
が、Ａｌ系の配線の場合、配線幅０．２５μｍ以下のデ
ザインルールのもとでは、素子間の絶縁抵抗が無視でき
なくなり大きな配線遅延時間が生じるようになる。ま
た、Ａｌ系配線間の寄生容量に起因する充放電によるパ
ワーロスが、モバイル機器等の低消費電力化に対する大
きな障害となっている。
【０００６】このため、より低抵抗の材料である銅（Ｃ
ｕ）配線及びＣｕ合金配線（以下、合わせてＣｕ等と略
する。）等を次世代半導体集積回路の多層配線として使
用することが試みられている．Ｃｕ等についてはドライ
エッチング温度が高くなりＡｌのように容易にはドライ
エッチングによる薄膜のパターニングを行うことができ
ない。そこで、通常、層間絶縁膜上の配線溝及び／又は
コンタクト溝へ電解メッキ等の手段でＣｕ等を埋め込
み、これをＣＭＰ研磨して余分なＣｕ等の平坦化が行わ
れる。これがＩＢＭ社の提唱にかかるダマシン（Ｄａｍ
ａｓｃｉｎｅ）法と称される技術であり、かくしてＣｕ
等の金属のＣＭＰ技術は今後の半導体集積回路における
多層配線の主要技術となりつつある。
ｕ）配線及びＣｕ合金配線（以下、合わせてＣｕ等と略
する。）等を次世代半導体集積回路の多層配線として使
用することが試みられている．Ｃｕ等についてはドライ
エッチング温度が高くなりＡｌのように容易にはドライ
エッチングによる薄膜のパターニングを行うことができ
ない。そこで、通常、層間絶縁膜上の配線溝及び／又は
コンタクト溝へ電解メッキ等の手段でＣｕ等を埋め込
み、これをＣＭＰ研磨して余分なＣｕ等の平坦化が行わ
れる。これがＩＢＭ社の提唱にかかるダマシン（Ｄａｍ
ａｓｃｉｎｅ）法と称される技術であり、かくしてＣｕ
等の金属のＣＭＰ技術は今後の半導体集積回路における
多層配線の主要技術となりつつある。
【０００７】ところが、Ｃｕは、ケイ素（Ｓｉ）やＳｉ
Ｏ2の絶縁膜中に拡散しやすいため、絶縁膜とＣｕ配線
の間にＣｕ拡散防止のためにタンタル（Ｔａ）やＴａＮ
膜等をバリア層として用いることが多い。このことか
ら、一般にＣｕ配線を用いた系では、ＣｕとＴａとＳｉ
Ｏ2の三層を含んだ構造になっている。ダマシン法では
Ｃｕの研磨の終点付近でＴａ面とＳｉＯ2面も出てくる
ため、ＣｕとＴａとＳｉＯ2の研磨速度比が問題となっ
てくる。
Ｏ2の絶縁膜中に拡散しやすいため、絶縁膜とＣｕ配線
の間にＣｕ拡散防止のためにタンタル（Ｔａ）やＴａＮ
膜等をバリア層として用いることが多い。このことか
ら、一般にＣｕ配線を用いた系では、ＣｕとＴａとＳｉ
Ｏ2の三層を含んだ構造になっている。ダマシン法では
Ｃｕの研磨の終点付近でＴａ面とＳｉＯ2面も出てくる
ため、ＣｕとＴａとＳｉＯ2の研磨速度比が問題となっ
てくる。
【０００８】本発明者らの検討によれば、理想的にはＣ
ｕとＴａとＳｉＯ2の研磨速度比が１：１：１で研磨で
きれば１回の研磨で終了するが、この方法では、現在、
Ｔａの研磨速度の高い研磨剤が存在しないので、全体の
研磨速度が遅くなる。また、１段階目の研磨でＣｕ層を
高速に取り除き２段階目で研磨速度比が１：１：１の研
磨剤を用いてＴａ層を除去する方法も考えられるが、研
磨速度比が１：１：１の研磨剤の開発は難しく、研磨速
度比が１：１：１でも、その他の問題点を含んでおり、
２段階で研磨するのも現状では難しい。そのために、半
導体集積回路の微小微細化に適した、銅系配線を用いる
（デュアル）ダマシン配線形成に適した研磨剤や研磨プ
ロセスが望まれていた。
ｕとＴａとＳｉＯ2の研磨速度比が１：１：１で研磨で
きれば１回の研磨で終了するが、この方法では、現在、
Ｔａの研磨速度の高い研磨剤が存在しないので、全体の
研磨速度が遅くなる。また、１段階目の研磨でＣｕ層を
高速に取り除き２段階目で研磨速度比が１：１：１の研
磨剤を用いてＴａ層を除去する方法も考えられるが、研
磨速度比が１：１：１の研磨剤の開発は難しく、研磨速
度比が１：１：１でも、その他の問題点を含んでおり、
２段階で研磨するのも現状では難しい。そのために、半
導体集積回路の微小微細化に適した、銅系配線を用いる
（デュアル）ダマシン配線形成に適した研磨剤や研磨プ
ロセスが望まれていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、かくして、
半導体集積回路製造における銅系配線ＣＭＰにおいて銅
系配線層、バリア層、絶縁層を含む面を均一に研磨でき
る平坦化方法を提供することを目的としている。
半導体集積回路製造における銅系配線ＣＭＰにおいて銅
系配線層、バリア層、絶縁層を含む面を均一に研磨でき
る平坦化方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、以下の工程
Ａ、工程Ｂ、工程Ｃの３工程をこの順で行うことを特徴
とする、絶縁層とバリア層と銅系配線層とを有する半導
体集積回路の平坦化方法を提供する。 工程Ａ：（銅系配線層の研磨速度／バリア層の研磨速
度）≧１０．０である化学的機械研磨スラリを用いて研
磨を行い、バリア層が研磨表面に出てきたときのトルク
抵抗の変化を検出し研磨作業を停止する工程。 工程Ｂ：１．５≧（銅系配線層の研磨速度／バリア層の
研磨速度）≧０．８であり、かつ、（銅系配線層の研磨
速度／絶縁層の研磨速度）≧２．０である化学的機械研
磨スラリを用いて研磨を行い、絶縁層が研磨表面に出て
きたときのトルク抵抗の変化を検出し研磨作業を停止す
る工程。 工程Ｃ：（絶縁層の研磨速度／銅系配線層の研磨速度）
≧５．０である化学的機械研磨スラリを用いて研磨を行
い、絶縁層と銅系配線層が同じ平面上に出てきたときの
トルク抵抗の変化を検出し研磨作業を停止する工程。
Ａ、工程Ｂ、工程Ｃの３工程をこの順で行うことを特徴
とする、絶縁層とバリア層と銅系配線層とを有する半導
体集積回路の平坦化方法を提供する。 工程Ａ：（銅系配線層の研磨速度／バリア層の研磨速
度）≧１０．０である化学的機械研磨スラリを用いて研
磨を行い、バリア層が研磨表面に出てきたときのトルク
抵抗の変化を検出し研磨作業を停止する工程。 工程Ｂ：１．５≧（銅系配線層の研磨速度／バリア層の
研磨速度）≧０．８であり、かつ、（銅系配線層の研磨
速度／絶縁層の研磨速度）≧２．０である化学的機械研
磨スラリを用いて研磨を行い、絶縁層が研磨表面に出て
きたときのトルク抵抗の変化を検出し研磨作業を停止す
る工程。 工程Ｃ：（絶縁層の研磨速度／銅系配線層の研磨速度）
≧５．０である化学的機械研磨スラリを用いて研磨を行
い、絶縁層と銅系配線層が同じ平面上に出てきたときの
トルク抵抗の変化を検出し研磨作業を停止する工程。
【００１１】また、本発明は、以下の化学的機械研磨ス
ラリ（Ｘ）、（Ｙ）及び（Ｚ）を提供する。 化学的機械研磨スラリ（Ｘ）：Ａｌ2Ｏ3及び／又はＣｅ
Ｏ2０．５〜５重量％、過酸化水素０．１〜１０重量％
並びにサリチル酸及び／又はペプチド類０．１〜８重量
％を含み、ｐＨが７〜１０となるようにアンモニアを含
み、かつ、（銅系配線層の研磨速度／バリア層の研磨速
度）≧１０．０であることを特徴とする化学的機械研磨
スラリ。 化学的機械研磨スラリ（Ｙ）：Ａｌ2Ｏ3及び／又はＣｅ
Ｏ2０．５〜５重量％、水酸化カリウム及び／又は四級
アンモニウム化合物１〜５重量％、ペプチド類０．１〜
５重量％並びに過酸化水素０．０１〜３重量％を含み、
ｐＨが１０以上であり、１．５≧（銅系配線層の研磨速
度／バリア層の研磨速度）≧０．８であり、かつ、（銅
系配線層の研磨速度／絶縁層の研磨速度）≧２．０であ
ることを特徴とする化学的機械研磨スラリ。 化学的機械研磨スラリ（Ｚ）：ＣｅＯ2及び／又はＳｉ
Ｏ2０．５〜１５重量％並びにペプチド類０．０１〜５
重量％を含み、かつ、（絶縁層の研磨速度／銅系配線層
の研磨速度）≧５．０であることを特徴とする化学的機
械研磨スラリ。
ラリ（Ｘ）、（Ｙ）及び（Ｚ）を提供する。 化学的機械研磨スラリ（Ｘ）：Ａｌ2Ｏ3及び／又はＣｅ
Ｏ2０．５〜５重量％、過酸化水素０．１〜１０重量％
並びにサリチル酸及び／又はペプチド類０．１〜８重量
％を含み、ｐＨが７〜１０となるようにアンモニアを含
み、かつ、（銅系配線層の研磨速度／バリア層の研磨速
度）≧１０．０であることを特徴とする化学的機械研磨
スラリ。 化学的機械研磨スラリ（Ｙ）：Ａｌ2Ｏ3及び／又はＣｅ
Ｏ2０．５〜５重量％、水酸化カリウム及び／又は四級
アンモニウム化合物１〜５重量％、ペプチド類０．１〜
５重量％並びに過酸化水素０．０１〜３重量％を含み、
ｐＨが１０以上であり、１．５≧（銅系配線層の研磨速
度／バリア層の研磨速度）≧０．８であり、かつ、（銅
系配線層の研磨速度／絶縁層の研磨速度）≧２．０であ
ることを特徴とする化学的機械研磨スラリ。 化学的機械研磨スラリ（Ｚ）：ＣｅＯ2及び／又はＳｉ
Ｏ2０．５〜１５重量％並びにペプチド類０．０１〜５
重量％を含み、かつ、（絶縁層の研磨速度／銅系配線層
の研磨速度）≧５．０であることを特徴とする化学的機
械研磨スラリ。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明におけるバリア層として
は、その銅の拡散防止性能、銅や絶縁層等との密着性か
らＴａ又はＴａ化合物が好ましく、Ｔａ化合物としては
窒化タンタルが好ましい。ここでバリア層とは、配線層
成分の拡散や劣化を防止する等のために配線層と絶縁層
との間に設ける層をいう。本発明における銅系配線層と
は、Ｃｕ又はＣｕ合金を主成分とする配線層を示し、そ
の抵抗値等の配線性能からＣｕが好ましい。
は、その銅の拡散防止性能、銅や絶縁層等との密着性か
らＴａ又はＴａ化合物が好ましく、Ｔａ化合物としては
窒化タンタルが好ましい。ここでバリア層とは、配線層
成分の拡散や劣化を防止する等のために配線層と絶縁層
との間に設ける層をいう。本発明における銅系配線層と
は、Ｃｕ又はＣｕ合金を主成分とする配線層を示し、そ
の抵抗値等の配線性能からＣｕが好ましい。
【００１３】また、本発明を通じて化学的機械研磨スラ
リの溶媒としては、研磨工程における作業性から、水、
又は、アルコール等の水溶性有機溶媒を１０重量％以下
含有する水系溶媒が好ましい。また、各スラリ中には、
使用条件に応じて、さらに分散剤、増粘剤、防カビ剤等
を添加してもよい。
リの溶媒としては、研磨工程における作業性から、水、
又は、アルコール等の水溶性有機溶媒を１０重量％以下
含有する水系溶媒が好ましい。また、各スラリ中には、
使用条件に応じて、さらに分散剤、増粘剤、防カビ剤等
を添加してもよい。
【００１４】本発明において、研磨速度とは時間当りに
研磨される研磨深さをいう。いわゆる研磨レートと同意
である。本発明の工程Ａに用いられる化学的機械研磨ス
ラリとしては、必要な研磨速度比を有しながら、半導体
集積回路の他の部分に悪影響を及ぼさない点で化学的機
械研磨スラリ（Ｘ）が好ましい。本発明の工程Ｂに用い
られる化学的機械研磨スラリとしては、必要な研磨速度
比を有しながら、半導体集積回路の他の部分に悪影響を
及ぼさない点で化学的機械研磨スラリ（Ｙ）が好まし
い。本発明の工程Ｃに用いられる化学的機械研磨スラリ
としては、必要な研磨速度比を有しながら、半導体集積
回路の他の部分に悪影響を及ぼさない点で化学的機械研
磨スラリ（Ｚ）が好ましい。
研磨される研磨深さをいう。いわゆる研磨レートと同意
である。本発明の工程Ａに用いられる化学的機械研磨ス
ラリとしては、必要な研磨速度比を有しながら、半導体
集積回路の他の部分に悪影響を及ぼさない点で化学的機
械研磨スラリ（Ｘ）が好ましい。本発明の工程Ｂに用い
られる化学的機械研磨スラリとしては、必要な研磨速度
比を有しながら、半導体集積回路の他の部分に悪影響を
及ぼさない点で化学的機械研磨スラリ（Ｙ）が好まし
い。本発明の工程Ｃに用いられる化学的機械研磨スラリ
としては、必要な研磨速度比を有しながら、半導体集積
回路の他の部分に悪影響を及ぼさない点で化学的機械研
磨スラリ（Ｚ）が好ましい。
【００１５】本発明に用いられるペプチド類とは、２個
以上のアミノ酸がペプチド結合したものをいう。具体的
には、β−アラニル−Ｌ−ヒスチジン、Ｇｌｕ（Ｃｙｓ
−Ｇｌｙ）、Ｇｌｕ−Ｇｌｕ、Ｇｌｙ−Ｇｌｙ、Ｇｌｙ
−Ｇｌｙ−Ｇｌｙ、Ｇｌｙ−Ｇｌｙ−Ｈｉｓ、Ｇｌｙ−
Ｇｌｙ−Ｔｙｒ−Ａｒｇ、Ｇｌｕ−Ｌｅｕｕ、Ｇｌｙ−
Ｐｈｅ、Ｇｌｙ−Ｐｒｏ、Ｈｉｓ−Ｌｅｕ、Ｌｅｕ−Ｇ
ｌｙ、Ｌｅｕ−Ｇｌｙ−Ｇｌｙ、Ｍｅｔ−Ｍｅｔ、Ｐｙ
ｒ−Ａｌａ、（Ｐｒｏ−Ｈｙｐ−Ｇｌｙ）5、（Ｐｒｏ
−Ｈｙｐ−Ｇｌｙ）10、（Ｐｒｏ−Ｐｒｏ−Ｇｌ
ｙ）5、（Ｐｒｏ−Ｐｒｏ−Ｇｌｙ）10、ポリ−Ｌ−グ
ルタミン酸、ポリ−Ｌ−リジン、又はそれらの水和物や
塩等が、コスト等から好ましく挙げられる。特に安価で
あること、研磨速度からＧｌｙ−Ｇｌｙ（グリシルグリ
シン）が好ましい。
以上のアミノ酸がペプチド結合したものをいう。具体的
には、β−アラニル−Ｌ−ヒスチジン、Ｇｌｕ（Ｃｙｓ
−Ｇｌｙ）、Ｇｌｕ−Ｇｌｕ、Ｇｌｙ−Ｇｌｙ、Ｇｌｙ
−Ｇｌｙ−Ｇｌｙ、Ｇｌｙ−Ｇｌｙ−Ｈｉｓ、Ｇｌｙ−
Ｇｌｙ−Ｔｙｒ−Ａｒｇ、Ｇｌｕ−Ｌｅｕｕ、Ｇｌｙ−
Ｐｈｅ、Ｇｌｙ−Ｐｒｏ、Ｈｉｓ−Ｌｅｕ、Ｌｅｕ−Ｇ
ｌｙ、Ｌｅｕ−Ｇｌｙ−Ｇｌｙ、Ｍｅｔ−Ｍｅｔ、Ｐｙ
ｒ−Ａｌａ、（Ｐｒｏ−Ｈｙｐ−Ｇｌｙ）5、（Ｐｒｏ
−Ｈｙｐ−Ｇｌｙ）10、（Ｐｒｏ−Ｐｒｏ−Ｇｌ
ｙ）5、（Ｐｒｏ−Ｐｒｏ−Ｇｌｙ）10、ポリ−Ｌ−グ
ルタミン酸、ポリ−Ｌ−リジン、又はそれらの水和物や
塩等が、コスト等から好ましく挙げられる。特に安価で
あること、研磨速度からＧｌｙ−Ｇｌｙ（グリシルグリ
シン）が好ましい。
【００１６】本発明は、各工程に応じた研磨剤を化学的
機械研磨装置の研磨布に担持させて、すなわち具体的に
は研磨剤スラリを化学的機械研磨装置の研磨布に供給し
ながら、半導体基板上に形成された絶縁層、バリア層又
は銅系配線層の少なくとも一部を研磨する半導体集積回
路の平坦化方法を提供する。
機械研磨装置の研磨布に担持させて、すなわち具体的に
は研磨剤スラリを化学的機械研磨装置の研磨布に供給し
ながら、半導体基板上に形成された絶縁層、バリア層又
は銅系配線層の少なくとも一部を研磨する半導体集積回
路の平坦化方法を提供する。
【００１７】以下、本発明を図１を用いて説明する。図
１は本発明の半導体集積回路の平坦化方法の手順を半導
体集積回路の断面図により示し、（ａ）〜（ｂ）が本発
明の工程Ａ、（ｂ）〜（ｃ）が本発明の工程Ｂ、（ｃ）
〜（ｄ）が本発明の工程Ｃを示す。
１は本発明の半導体集積回路の平坦化方法の手順を半導
体集積回路の断面図により示し、（ａ）〜（ｂ）が本発
明の工程Ａ、（ｂ）〜（ｃ）が本発明の工程Ｂ、（ｃ）
〜（ｄ）が本発明の工程Ｃを示す。
【００１８】本発明は、半導体デバイスの製造工程にお
ける化学的機械研磨において、工程Ａ、工程Ｂ及び工程
Ｃの３段階でこの順に研磨することにより、銅系配線層
１、バリア層２、絶縁層３の三層を含む被研磨面の平坦
化を行う研磨プロセスである。
ける化学的機械研磨において、工程Ａ、工程Ｂ及び工程
Ｃの３段階でこの順に研磨することにより、銅系配線層
１、バリア層２、絶縁層３の三層を含む被研磨面の平坦
化を行う研磨プロセスである。
【００１９】工程Ａにおいては銅系配線層１の研磨速度
を重視し、（ａ）の段階から（ｂ）の段階まで研磨す
る。研磨剤は、化学的機械研磨スラリ（Ｘ）を用いる。
このとき絶縁層３は表面に現れないので絶縁層３の研磨
速度は特に考慮しなくてよい。この工程では、銅系配線
層１が研磨され、表面にバリア層２が現れてくる
（ｂ）。このときにトルク抵抗が変わるので終点検出が
可能になり、研磨作業の停止の判断を容易に行える。こ
こでいうトルク抵抗は、化学的機械研磨装置において、
モータ等によりヘッド及び／又は定盤を回転して研磨す
る際のモータへの負荷（電流値）を測定することにより
算出される。
を重視し、（ａ）の段階から（ｂ）の段階まで研磨す
る。研磨剤は、化学的機械研磨スラリ（Ｘ）を用いる。
このとき絶縁層３は表面に現れないので絶縁層３の研磨
速度は特に考慮しなくてよい。この工程では、銅系配線
層１が研磨され、表面にバリア層２が現れてくる
（ｂ）。このときにトルク抵抗が変わるので終点検出が
可能になり、研磨作業の停止の判断を容易に行える。こ
こでいうトルク抵抗は、化学的機械研磨装置において、
モータ等によりヘッド及び／又は定盤を回転して研磨す
る際のモータへの負荷（電流値）を測定することにより
算出される。
【００２０】次の（ｂ）の段階から（ｃ）の段階まで研
磨する工程Ｂの研磨においてはバリア層２の研磨速度を
重視する。研磨剤は、化学的機械研磨スラリ（Ｙ）を用
いる。このとき絶縁層３の表面が現れてくる（ｃ）とト
ルク抵抗が変化するので終点検出が可能になり、研磨作
業の停止の判断を容易に行える。このときに、表面に残
存する銅系配線層１及びバリア層２を完全に除くため研
磨しすぎておいた方が望ましいので、トルク抵抗の変化
を検出した後、一定時間研磨した後、研磨作業を停止す
ることが好ましい。
磨する工程Ｂの研磨においてはバリア層２の研磨速度を
重視する。研磨剤は、化学的機械研磨スラリ（Ｙ）を用
いる。このとき絶縁層３の表面が現れてくる（ｃ）とト
ルク抵抗が変化するので終点検出が可能になり、研磨作
業の停止の判断を容易に行える。このときに、表面に残
存する銅系配線層１及びバリア層２を完全に除くため研
磨しすぎておいた方が望ましいので、トルク抵抗の変化
を検出した後、一定時間研磨した後、研磨作業を停止す
ることが好ましい。
【００２１】最後の（ｃ）の段階から（ｄ）の段階まで
研磨する工程Ｃでは絶縁層３の研磨速度が重要となる。
研磨剤は、化学的機械研磨スラリ（Ｚ）を用いる。この
ときの絶縁層３が銅系配線層１の表面と同じ高さになっ
たところ（ｄ）でトルク抵抗が変化するので終点検出が
でき、研磨作業の停止の判断が容易になる。このこと
で、研磨しすぎによる配線の断線等の問題を生じること
なく、適切な終点で平坦化を完了できる。
研磨する工程Ｃでは絶縁層３の研磨速度が重要となる。
研磨剤は、化学的機械研磨スラリ（Ｚ）を用いる。この
ときの絶縁層３が銅系配線層１の表面と同じ高さになっ
たところ（ｄ）でトルク抵抗が変化するので終点検出が
でき、研磨作業の停止の判断が容易になる。このこと
で、研磨しすぎによる配線の断線等の問題を生じること
なく、適切な終点で平坦化を完了できる。
【００２２】工程Ａで使用するスラリは、銅系配線層表
面の反応を活性化させるため過酸化水素０．１〜１０重
量％とアンモニアとを含有する。アンモニアを含有する
ことによりスラリはｐＨ７〜１０程度の弱アルカリとな
り、この範囲のｐＨであると銅系配線層に対するダメー
ジが少なく研磨速度が高いので好ましい。また、過酸化
水素は分解しやすいので使用直前の添加が好ましい。さ
らに、サリチル酸やペプチド類などの化合物を０．１〜
８重量％含有させることにより、さらに研磨速度を高め
られる。また、このサリチル酸やペプチド類などは、ｐ
Ｈを安定させる緩衝作用も併有する。砥粒としては、Ａ
ｌ2Ｏ3、ＣｅＯ2のいずれを用いても特に性能は変わら
ないが、スラリの安定性から考えるとＡｌ2Ｏ3が望まし
い。また、この組成に他の成分を加えることもできる。
面の反応を活性化させるため過酸化水素０．１〜１０重
量％とアンモニアとを含有する。アンモニアを含有する
ことによりスラリはｐＨ７〜１０程度の弱アルカリとな
り、この範囲のｐＨであると銅系配線層に対するダメー
ジが少なく研磨速度が高いので好ましい。また、過酸化
水素は分解しやすいので使用直前の添加が好ましい。さ
らに、サリチル酸やペプチド類などの化合物を０．１〜
８重量％含有させることにより、さらに研磨速度を高め
られる。また、このサリチル酸やペプチド類などは、ｐ
Ｈを安定させる緩衝作用も併有する。砥粒としては、Ａ
ｌ2Ｏ3、ＣｅＯ2のいずれを用いても特に性能は変わら
ないが、スラリの安定性から考えるとＡｌ2Ｏ3が望まし
い。また、この組成に他の成分を加えることもできる。
【００２３】工程Ｂで使用するスラリは、強アルカリに
することでＴａ等のバリア層の研磨速度を上げ、銅系配
線層の研磨速度を抑制できる。アルカリとしては水酸化
カリウムや四級アンモニウム化合物が好ましい。四級ア
ンモニウム化合物の具体例としては、テトラメチルアン
モニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒド
ロキシド、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド、
テトラブチルアンモニウムヒドロキシド、などが好まし
く挙げられる。ここで、過酸化水素を添加することによ
り銅系配線層とバリア層の研磨速度比を調節できる。ア
ルカリ濃度としてはｐＨ１０以上が望ましく、特に１２
以上が望ましい。過酸化水素濃度としては０．１〜５重
量％が望ましい。高いｐＨでは、銅系配線層表面が酸化
されるのでペプチド類を添加することにより銅系配線層
表面の酸化が防止できる。砥粒としては、Ａｌ2Ｏ3、Ｃ
ｅＯ2のいずれを用いても特に性能は変わらないが、ス
ラリの安定性から考えるとＡｌ2Ｏ3が望ましい。この組
成に他の成分を加えることもできる。
することでＴａ等のバリア層の研磨速度を上げ、銅系配
線層の研磨速度を抑制できる。アルカリとしては水酸化
カリウムや四級アンモニウム化合物が好ましい。四級ア
ンモニウム化合物の具体例としては、テトラメチルアン
モニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒド
ロキシド、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド、
テトラブチルアンモニウムヒドロキシド、などが好まし
く挙げられる。ここで、過酸化水素を添加することによ
り銅系配線層とバリア層の研磨速度比を調節できる。ア
ルカリ濃度としてはｐＨ１０以上が望ましく、特に１２
以上が望ましい。過酸化水素濃度としては０．１〜５重
量％が望ましい。高いｐＨでは、銅系配線層表面が酸化
されるのでペプチド類を添加することにより銅系配線層
表面の酸化が防止できる。砥粒としては、Ａｌ2Ｏ3、Ｃ
ｅＯ2のいずれを用いても特に性能は変わらないが、ス
ラリの安定性から考えるとＡｌ2Ｏ3が望ましい。この組
成に他の成分を加えることもできる。
【００２４】工程Ｃで使用するスラリは、絶縁層を主と
して研磨するもので、従来のＣｅＯ 2系やＳｉＯ2系の研
磨剤のみでもある程度平坦化はできるが銅系配線層に酸
化等のダメージを与える。そこでペプチド類を０．１〜
５重量％添加することで銅系配線層にダメージを与える
ことなく研磨できる。
して研磨するもので、従来のＣｅＯ 2系やＳｉＯ2系の研
磨剤のみでもある程度平坦化はできるが銅系配線層に酸
化等のダメージを与える。そこでペプチド類を０．１〜
５重量％添加することで銅系配線層にダメージを与える
ことなく研磨できる。
【００２５】
【実施例】以下に本発明を実施例（例１〜６）及び比較
例（例７〜１３）により説明するが、本発明はこれに限
定されない。下記のように、研磨砥粒の調整を行い、そ
の研磨砥粒を用いて研磨剤スラリを製造し、以下の方法
で研磨速度及びトルク抵抗を測定した。
例（例７〜１３）により説明するが、本発明はこれに限
定されない。下記のように、研磨砥粒の調整を行い、そ
の研磨砥粒を用いて研磨剤スラリを製造し、以下の方法
で研磨速度及びトルク抵抗を測定した。
【００２６】［例１］市販の高純度アルミナ（大明化学
社製）を重量平均粒径０．２μｍとなるように分級し、
アルミナ砥粒とした。このアルミナ砥粒を３重量％、サ
リチル酸を５重量％、過酸化水素を３重量％となるよう
にイオン交換水に添加し、アンモニアでｐＨを９とし、
研磨剤スラリとした。
社製）を重量平均粒径０．２μｍとなるように分級し、
アルミナ砥粒とした。このアルミナ砥粒を３重量％、サ
リチル酸を５重量％、過酸化水素を３重量％となるよう
にイオン交換水に添加し、アンモニアでｐＨを９とし、
研磨剤スラリとした。
【００２７】［例２］市販の高純度炭酸セリウム（阿南
化成社製）を湿式粉砕した後、乾燥し、７００℃で焼成
して酸化セリウムとした。これを重量平均粒径０．２μ
ｍに分級して酸化セリウム砥粒とした。上記の酸化セリ
ウム砥粒を３重量％、サリチル酸を５重量％、過酸化水
素を３重量％となるようにイオン交換水に添加し、アン
モニアでｐＨを９とし、研磨剤スラリとした。
化成社製）を湿式粉砕した後、乾燥し、７００℃で焼成
して酸化セリウムとした。これを重量平均粒径０．２μ
ｍに分級して酸化セリウム砥粒とした。上記の酸化セリ
ウム砥粒を３重量％、サリチル酸を５重量％、過酸化水
素を３重量％となるようにイオン交換水に添加し、アン
モニアでｐＨを９とし、研磨剤スラリとした。
【００２８】［例３］例１のアルミナ砥粒を３重量％、
グリシルグリシンを５重量％、過酸化水素を３重量％と
なるようにイオン交換水に添加し、アンモニアでｐＨを
９とし、研磨スラリとした。
グリシルグリシンを５重量％、過酸化水素を３重量％と
なるようにイオン交換水に添加し、アンモニアでｐＨを
９とし、研磨スラリとした。
【００２９】［例４］例１のアルミナ砥粒を３重量％、
水酸化カリウムを３．３重量％、グリシルグリシンを２
重量％、過酸化水素を０．５重量％となるようにイオン
交換水に添加し、研磨スラリとした。ｐＨは１０以上で
あった。
水酸化カリウムを３．３重量％、グリシルグリシンを２
重量％、過酸化水素を０．５重量％となるようにイオン
交換水に添加し、研磨スラリとした。ｐＨは１０以上で
あった。
【００３０】［例５］例１のアルミナ砥粒を３重量％、
テトラメチルアンモニウムヒドロキシドを５重量％、グ
リシルグリシンを２重量％、過酸化水素を０．５重量％
添加し、研磨スラリとした。ｐＨは１０以上であった。
テトラメチルアンモニウムヒドロキシドを５重量％、グ
リシルグリシンを２重量％、過酸化水素を０．５重量％
添加し、研磨スラリとした。ｐＨは１０以上であった。
【００３１】［例６］例２の酸化セリウム砥粒を３重量
％、グリシルグリシンを１重量％となるようにイオン交
換水に添加し、研磨スラリとした。
％、グリシルグリシンを１重量％となるようにイオン交
換水に添加し、研磨スラリとした。
【００３２】［例７］例１のアルミナ砥粒を３重量％、
サリチル酸を５重量％、過酸化水素を３重量％となるよ
うにイオン交換水に添加しトリス（ヒドロキシメチル）
アミノメタンでｐＨを９とし、研磨スラリとした。
サリチル酸を５重量％、過酸化水素を３重量％となるよ
うにイオン交換水に添加しトリス（ヒドロキシメチル）
アミノメタンでｐＨを９とし、研磨スラリとした。
【００３３】［例８］例１のアルミナ砥粒を３重量％、
サリチル酸を５重量％となるようにイオン交換水に添加
しアンモニアでｐＨを９とし、研磨スラリとした。
サリチル酸を５重量％となるようにイオン交換水に添加
しアンモニアでｐＨを９とし、研磨スラリとした。
【００３４】［例９］例１のアルミナ砥粒を３重量％、
サリチル酸を５重量％となるようにイオン交換水に添加
しトリス（ヒドロキシメチル）アミノメタンでｐＨを９
とし、研磨スラリとした。
サリチル酸を５重量％となるようにイオン交換水に添加
しトリス（ヒドロキシメチル）アミノメタンでｐＨを９
とし、研磨スラリとした。
【００３５】［例１０］例１のアルミナ砥粒を３重量
％、過酸化水素を３重量％となるようにイオン交換水に
添加しアンモニアでｐＨを９とし、研磨スラリとした。
％、過酸化水素を３重量％となるようにイオン交換水に
添加しアンモニアでｐＨを９とし、研磨スラリとした。
【００３６】［例１１］例１のアルミナ砥粒を３重量
％、水酸化カリウムを３．３重量％となるようにイオン
交換水に添加し、研磨スラリとした。
％、水酸化カリウムを３．３重量％となるようにイオン
交換水に添加し、研磨スラリとした。
【００３７】［例１２］例１のアルミナ砥粒を３重量
％、水酸化カリウムを３．３重量％、過酸化水素を３重
量％となるようにイオン交換水に添加し、研磨スラリと
した。
％、水酸化カリウムを３．３重量％、過酸化水素を３重
量％となるようにイオン交換水に添加し、研磨スラリと
した。
【００３８】［例１３］例２の酸化セリウム砥粒を３重
量％となるようにイオン交換水に添加し、研磨スラリと
した。
量％となるようにイオン交換水に添加し、研磨スラリと
した。
【００３９】［研磨速度の測定］上記の例１〜例１３の
研磨剤スラリについて、以下の研磨条件で２分間、Ｃｕ
板、Ｔａ板及び石英（ＳｉＯ2）ガラス板の研磨試験
を、それぞれ行った。研磨前後のＣｕ板の重量差を測定
し、被研磨物の面積及び被研磨物の密度から重量減少分
の被研磨物の厚さに換算し、研磨速度（単位：ｎｍ／ｍ
ｉｎ）を求めた。結果を表１に示す。
研磨剤スラリについて、以下の研磨条件で２分間、Ｃｕ
板、Ｔａ板及び石英（ＳｉＯ2）ガラス板の研磨試験
を、それぞれ行った。研磨前後のＣｕ板の重量差を測定
し、被研磨物の面積及び被研磨物の密度から重量減少分
の被研磨物の厚さに換算し、研磨速度（単位：ｎｍ／ｍ
ｉｎ）を求めた。結果を表１に示す。
【００４０】（研磨条件） 研磨機：ＮＦ−３００（ナノファクター社製）、 研磨対象：Ｃｕ板（ニラコ社製）、Ｔａ板（ニラコ社
製）、又は石英（ＳｉＯ 2）ガラス板、 研磨圧力：２００ｇ／ｃｍ2、 研磨パッド：ＩＣ１４００（ロデール社製）、 回転数：ヘッド６０ｒｐｍ、定盤６０ｒｐｍ、 スラリ供給速度：３０ｍｌ／ｍｉｎ。
製）、又は石英（ＳｉＯ 2）ガラス板、 研磨圧力：２００ｇ／ｃｍ2、 研磨パッド：ＩＣ１４００（ロデール社製）、 回転数：ヘッド６０ｒｐｍ、定盤６０ｒｐｍ、 スラリ供給速度：３０ｍｌ／ｍｉｎ。
【００４１】
【表１】
【００４２】［トルク抵抗（電流値）の測定］トルク抵
抗の変化はモータの消費電力（電流値）が変化すること
により検出できる。そこで作動している研磨機の電流を
電流計で測定すればトルク抵抗との相関がとれる。例
１、例４及び例６のスラリの研磨試験中の電流値をクリ
ップオンアンメータ（横河電機社製）で測定した。測定
した電流値（単位：Ａ）を表２に示す。
抗の変化はモータの消費電力（電流値）が変化すること
により検出できる。そこで作動している研磨機の電流を
電流計で測定すればトルク抵抗との相関がとれる。例
１、例４及び例６のスラリの研磨試験中の電流値をクリ
ップオンアンメータ（横河電機社製）で測定した。測定
した電流値（単位：Ａ）を表２に示す。
【００４３】
【表２】
【００４４】以上の結果から、絶縁層、バリア層、銅系
配線層からなる銅系配線を有する半導体集積回路の平坦
化プロセスにおいて、工程Ａとして主として銅系配線層
の研磨を、工程Ｂとして主として銅系配線層とバリア層
の研磨を、工程Ｃとして主として絶縁層の研磨を行うと
いう３段階の本発明の研磨プロセスにより、効率良く平
坦化が行える。各研磨の終点検出は、各研磨剤で削れな
いストッパとして働く材料の表面が出てきたときのモー
タのトルク抵抗（電流値）の変化を測定することにより
比較的容易にできる。したがって、銅系配線を有する半
導体集積回路の平坦化プロセスで有効に利用できる。本
発明の平坦化方法と研磨剤を用いて製造した半導体集積
回路は優れた性能を有する。
配線層からなる銅系配線を有する半導体集積回路の平坦
化プロセスにおいて、工程Ａとして主として銅系配線層
の研磨を、工程Ｂとして主として銅系配線層とバリア層
の研磨を、工程Ｃとして主として絶縁層の研磨を行うと
いう３段階の本発明の研磨プロセスにより、効率良く平
坦化が行える。各研磨の終点検出は、各研磨剤で削れな
いストッパとして働く材料の表面が出てきたときのモー
タのトルク抵抗（電流値）の変化を測定することにより
比較的容易にできる。したがって、銅系配線を有する半
導体集積回路の平坦化プロセスで有効に利用できる。本
発明の平坦化方法と研磨剤を用いて製造した半導体集積
回路は優れた性能を有する。
【００４５】
【発明の効果】本発明の平坦化方法及び化学的機械研磨
スラリは、半導体素子の微小微細化のためのキーテクノ
ロジーである銅系配線を有する半導体集積回路の平坦化
工程に好適である。
スラリは、半導体素子の微小微細化のためのキーテクノ
ロジーである銅系配線を有する半導体集積回路の平坦化
工程に好適である。
【図１】本発明の半導体集積回路の平坦化における各研
磨工程のウェハの断面図。
磨工程のウェハの断面図。
１：銅系配線層 ２：バリア層 ３：絶縁層
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｃ０９Ｋ 13/06 Ｃ０９Ｋ 13/06 １０１ １０１ (72)発明者 次田 克幸 神奈川県茅ヶ崎市茅ヶ崎３丁目２番10号 セイミケミカル株式会社内 (72)発明者 真丸 幸恵 神奈川県茅ヶ崎市茅ヶ崎３丁目２番10号 セイミケミカル株式会社内
Claims (8)
- 【請求項１】以下の工程Ａ、工程Ｂ、工程Ｃの３工程を
この順で行うことを特徴とする、絶縁層とバリア層と銅
系配線層とを有する半導体集積回路の平坦化方法。 工程Ａ：（銅系配線層の研磨速度／バリア層の研磨速
度）≧１０．０である化学的機械研磨スラリを用いて研
磨を行い、バリア層が研磨表面に出てきたときのトルク
抵抗の変化を検出し研磨作業を停止する工程。 工程Ｂ：１．５≧（銅系配線層の研磨速度／バリア層の
研磨速度）≧０．８であり、かつ、（銅系配線層の研磨
速度／絶縁層の研磨速度）≧２．０である化学的機械研
磨スラリを用いて研磨を行い、絶縁層が研磨表面に出て
きたときのトルク抵抗の変化を検出し研磨作業を停止す
る工程。 工程Ｃ：（絶縁層の研磨速度／銅系配線層の研磨速度）
≧５．０である化学的機械研磨スラリを用いて研磨を行
い、絶縁層と銅系配線層が同じ平面上に出てきたときの
トルク抵抗の変化を検出し研磨作業を停止する工程。 - 【請求項２】バリア層が、タンタル又はタンタル化合物
からなる請求項１に記載の半導体集積回路の平坦化方
法。 - 【請求項３】工程Ａにおける化学的機械研磨スラリは、
Ａｌ2Ｏ3及び／又はＣｅＯ2０．５〜５重量％、過酸化
水素０．１〜１０重量％並びにサリチル酸及び／又はペ
プチド類０．１〜８重量％を含み、ｐＨが７〜１０とな
るようにアンモニアを含む請求項１又は２に記載の半導
体集積回路の平坦化方法。 - 【請求項４】工程Ｂにおける化学的機械研磨スラリは、
Ａｌ2Ｏ3及び／又はＣｅＯ2０．５〜５重量％、水酸化
カリウム及び／又は四級アンモニウム化合物１〜５重量
％、ペプチド類０．１〜５重量％並びに過酸化水素０．
０１〜３重量％を含み、かつ、ｐＨが１０以上である請
求項１、２又は３に記載の半導体集積回路の平坦化方
法。 - 【請求項５】工程Ｃにおける化学的機械研磨スラリは、
ＣｅＯ2及び／又はＳｉＯ2０．５〜１５重量％並びにペ
プチド類０．０１〜５重量％を含む請求項１、２、３又
は４に記載の半導体集積回路の平坦化方法。 - 【請求項６】Ａｌ2Ｏ3及び／又はＣｅＯ2０．５〜５重
量％、過酸化水素０．１〜１０重量％並びにサリチル酸
及び／又はペプチド類０．１〜８重量％を含み、ｐＨが
７〜１０となるようにアンモニアを含み、かつ、（銅系
配線層の研磨速度／バリア層の研磨速度）≧１０．０で
あることを特徴とする化学的機械研磨スラリ。 - 【請求項７】Ａｌ2Ｏ3及び／又はＣｅＯ2０．５〜５重
量％、水酸化カリウム及び／又は四級アンモニウム化合
物１〜５重量％、ペプチド類０．１〜５重量％並びに過
酸化水素０．０１〜３重量％を含み、ｐＨが１０以上で
あり、１．５≧（銅系配線層の研磨速度／バリア層の研
磨速度）≧０．８であり、かつ、（銅系配線層の研磨速
度／絶縁層の研磨速度）≧２．０であることを特徴とす
る化学的機械研磨スラリ。 - 【請求項８】ＣｅＯ2及び／又はＳｉＯ2０．５〜１５重
量％並びにペプチド類０．０１〜５重量％を含み、か
つ、（絶縁層の研磨速度／銅系配線層の研磨速度）≧
５．０であることを特徴とする化学的機械研磨スラリ。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11196052A JP2001023940A (ja) | 1999-07-09 | 1999-07-09 | 半導体集積回路の平坦化方法及びそのための化学的機械研磨スラリ |
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|---|---|---|---|
| JP11196052A JP2001023940A (ja) | 1999-07-09 | 1999-07-09 | 半導体集積回路の平坦化方法及びそのための化学的機械研磨スラリ |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001023940A true JP2001023940A (ja) | 2001-01-26 |
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|---|---|---|---|
| JP11196052A Pending JP2001023940A (ja) | 1999-07-09 | 1999-07-09 | 半導体集積回路の平坦化方法及びそのための化学的機械研磨スラリ |
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|---|---|
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1999
- 1999-07-09 JP JP11196052A patent/JP2001023940A/ja active Pending
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