JP2001187878A

JP2001187878A - 化学的機械的研磨用スラリー

Info

Publication number: JP2001187878A
Application number: JP37448399A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Tsuchiya; 泰章土屋; Tetsuyuki Itakura; 哲之板倉; Shin Sakurai; 伸櫻井
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: TWI254072B; KR20010062825A; US20010018270A1; KR100406165B1

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】絶縁膜と該絶縁膜上に形成されたタンタ
ル系金属膜を有する基板を研磨するための化学的機械的
研磨用スラリーにおいて、シュウ酸、マロン酸、酒石
酸、リンゴ酸、グルタル酸、クエン酸、マレイン酸等の
多価カルボン酸とシリカ研磨材とを含有させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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。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。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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いる。その実施例として
は、カルボン酸としてリンゴ酸、クエン酸、酒石酸又は
シュウ酸、研磨材として酸化アルミニウムを含む研磨用
組成物（実施例１〜４、７、８、１１）、カルボン酸と
してリンゴ酸、研磨材として酸化シリコンを含む研磨用
組成物（実施例１２）が例示されている。しかしなが
ら、この公報には、クエン酸等のカルボン酸の添加効果
としては、研磨速度の向上と腐食痕に伴うディッシング
の発生防止について記載されているだけであり、タンタ
ル系金属に対する研磨やエロージョンに関しては何ら記
載されていない。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】

【課題を解決するための手段】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
リカ研磨材と下記化学式（１）又は（２）で示されるカ
ルボン酸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。

【００１８】

【化３】（ｎは０，１，２，３のいずれかを示し、Ｒ¹ 及びＲ²
は結合する炭素原子毎にそれぞれ独立に水素原子、−Ｏ
Ｈ又は−ＣＯＯＨを示す。）

【００１９】

【化４】（Ｒ³ 及びＲ⁴ はそれぞれ独立に水素原子又は−ＯＨを
示す。）

【００２０】

【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。

【００２１】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法により研磨
し、タンタル系金属膜をバリア金属膜として有する埋め
込み配線やプラグ、コンタクト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。

【００２２】本発明の研磨用スラリーを用いてＣＭＰを
行うことにより、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。

【００２３】本発明の研磨用スラリーは、シリカ研磨材
と、上記（１）式又は（２）式で示されるカルボン酸
と、水を含む。また、バリア金属膜上に形成された導電
性金属膜の研磨を促進するためには、酸化剤を含有させ
ることが好ましい。

【００２４】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。半導体装置の製造においては、これら二酸化
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含有量が小さい等の点でヒュームドシリカが好ま
しい。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】本発明の研磨用スラリーに用いられる上記
（１）式又は（２）式で示されるカルボン酸としては、
１分子中に２以上のカルボキシル基を有するカルボン酸
（多価カルボン酸）であり、例えば、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、又はこれらの塩、或いはこれらの２種以上か
らなる混合物を用いることできる。

【００２８】本発明に用いられる上記特定のカルボン酸
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
好ましく、０．０５質量％以上がより好ましい。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、
１質量％以下が好ましく、０．８質量％以下がより好ま
しい。

【００２９】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、上記（１）式又は（２）式で示される
特定のカルボン酸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。

【００３０】本発明に用いる（１）式又は（２）式で示
されるカルボン酸は、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、このカルボ
ン酸により凝集した凝集シリカ粒子によってメカニカル
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。

【００３１】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、ｐＨ４以上が好ましく、ｐＨ５以上がより好まし
く、またｐＨ８以下が好ましく、ｐＨ７以下がより好ま
しい。

【００３２】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、水酸化ナトリウム、
水酸化カリウム等のアルカリ金属の水酸化物、炭酸ナト
リウム、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。

【００３３】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。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。

【００３４】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公知のカルボン酸やア
ミノ酸を添加してもよい。（１）式又は（２）式で示さ
れるカルボン酸は、このプロトン供与剤としても機能す
ることが可能であるが、別途に異なるカルボン酸やアミ
ノ酸等の有機酸を添加してもよい。

【００３５】カルボン酸としては、前記（１）式又は
（２）式で示されるカルボン酸以外に、例えば、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，ニコチン酸及びこれらの塩などが挙げら
れる。

【００３６】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-バリンなどが挙
げられる。

【００３７】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。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、上記（１）式又は（２）式で
示されるカルボン酸を含めた含有量として、５質量％以
下が好ましく、３質量％以下がより好ましい。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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、（１）
式又は（２）式で示されるカルボン酸は、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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】

【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。

【００４７】（研磨用スラリーの組成）グルタル酸、ク
エン酸、リンゴ酸、酒石酸、シュウ酸、マレイン酸、マ
ロン酸、ベンゾトリアゾールはいずれも関東化学社製の
試薬、過酸化水素は関東化学社製の34％過酸化水素水の
試薬、シリカはトクヤマ社製のヒュームドシリカＱｓ−
９を使用し、常法により、表１〜４に示す組成の研磨用
スラリーを調製した。

【００４８】（ＣＭＰ条件）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IC 1400）
を張り付けて使用した。研磨条件は、研磨パッドの接触
圧力（研磨圧力）：27.6 kPa、定盤回転数：55rpm、キ
ャリア回転数：55rpm、スラリー研磨液供給量：100ml/m
inとした。

【００４９】（研磨速度の測定）研磨速度は、研磨前後
の表面抵抗率から算出した。具体的には、ウエハ上に一
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ＲＣ
Ｆ(Resistivity Correction Factor)を乗じて表面抵抗
率（ρs'）を求める。また厚みがＴ(nm)と既知であるウ
エハ膜の表面抵抗率（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。表面抵抗率の測定は、三菱化学社製四探針抵
抗測定器（Loresta-GP）を用いた。

【００５０】（実施例１）タンタル系金属膜に対するＣ
ＭＰにおいて、使用する研磨用スラリーの（１）式又は
（２）式で示されるカルボン酸の添加効果を示すため
に、６インチのシリコン基板上にスパッタリング法によ
り堆積させたＴａ膜に対して種々の研磨用スラリーを用
いてＣＭＰを行い、それぞれの研磨速度を測定した。

【００５１】Ｔａ研磨速度に対する研磨用スラリーへの
カルボン酸の添加効果を表２〜４に示す。表１は、カル
ボン酸としてグルタル酸を用い、その含有量が異なる種
々の研磨用スラリーを用いた結果を示す。表２は、カル
ボン酸としてグルタル酸を用い、ｐＨやｐＨ調製剤が異
なる種々の研磨用スラリーを用いた結果を示す。表３
は、種々のカルボン酸を含有する研磨用スラリーを用い
た結果を示す。

【００５２】表１から明かなように、グルタル酸を添加
することによりタンタル膜の研磨速度が著しく向上し、
グルタル酸の添加量（含有量）が増大することにより研
磨速度は増加している。

【００５３】また、研磨用スラリーの色もグルタル酸の
添加により半透明から白濁した。これは、凝集により粒
径が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。これらより、カルボン酸の添加によって、溶
液中のイオン強度が増加し電気二重層が圧迫され、粒子
間に働く電気的反発力が減少するとともに、一分子中に
２以上のカルボキシル基を有するカルボン酸とシリカ粒
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に凝集したシ
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。

【００５４】表１及び表２に示すように、研磨用スラリ
ーのｐＨが４．５〜６．５の範囲で変化しても高い研磨
速度でＣＭＰを行えた。また表２に示す結果から、ｐＨ
調整剤をＫＯＨからＮＨ₄ＯＨに代えても同様に高い研
磨速度を示した。

【００５５】表３に示す結果から、グルタル酸の他、
（１）式又は（２）式で示される特定の構造を有するカ
ルボン酸であれば、タンタル膜の研磨速度を向上できる
ことがわかる。また、表中に示したいずれのカルボン酸
を含有する場合でも添加により研磨用スラリーの色が半
透明から白濁した。

【００５６】

【表１】

【００５７】

【表２】

【００５８】

【表３】（実施例２）本発明の研磨用スラリーを使用したＣＭＰ
を行って、バリア金属膜としてＴａ膜を用いた銅の埋め
込み配線の形成を行った。

【００５９】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0.23〜10
μm、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800n
m程度銅膜５を形成した。このようにして作製された基
板を、種々の研磨用スラリーを用いてＣＭＰを行った。

【００６０】表４に、銅膜、Ｔａ膜、シリコン酸化膜に
対してそれぞれ研磨速度の異なる研磨用スラリーの組成
とその研磨速度を示す。

【００６１】この結果から、（１）式又は（２）式で示
されるカルボン酸単独或いはそれらの混合物と、酸化剤
（Ｈ₂Ｏ₂）、酸化防止剤（ベンゾトリアゾール（ＢＴ
Ａ））の組成比によって、タンタル膜と銅膜間の研磨速
度比を調整することができることがわかる。従来は、銅
膜の研磨速度を低下させることによって研磨速度比を調
整していたのに対して、本発明ではタンタル膜の研磨速
度を向上させることによっても研磨速度を調整（研磨速
度差を小さく）できるため、スループットを大幅に向上
することができる。

【００６２】表４に示す研磨用スラリーを用いてＣＭＰ
を行って銅の埋め込み配線およびコンタクトを形成した
ところ、いずれの系においても、高いＴａ研磨速度、良
好なＣｕ／Ｔａ研磨速度比、低いＳｉＯ₂研磨速度で研
磨でき、その結果、パターン断面はディッシングやエロ
ージョン、孤立配線部にリセスが生じず良好な形状とな
った。このことは、銅膜とタンタル膜間の研磨速度差が
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。また、研磨面を
ＳＥＭ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。

【００６３】

【表４】

【００６４】

【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)発明者板倉哲之東京都台東区台東一丁目五番一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一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、シリカ研磨材と下記化学式（１）又は（２）で示される
カルボン酸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。【化１】（ｎは０，１，２，３のいずれかを示し、Ｒ¹ 及びＲ²
は結合する炭素原子毎にそれぞれ独立に水素原子、−Ｏ
Ｈ又は−ＣＯＯＨを示す。）【化２】（Ｒ³ 及びＲ⁴ はそれぞれ独立に水素原子又は−ＯＨを
示す。）
【請求項２】前記カルボン酸として、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た１種以上を含有する
請求項１記載の化学的機械的研磨用スラリー。
【請求項３】ｐＨが４以上８以下である請求項１又は
２記載の化学的機械的研磨用スラリー。
【請求項４】前記カルボン酸の含有量が０．０１質量
％以上１質量％以下である請求項１、２又は３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１質量％以
上３０質量％以下である請求項１〜４のいずれか１項に
記載の化学的機械的研磨用スラリー。
【請求項６】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
膜を有する基板である請求項１〜５のいずれか１項に記
載の化学的機械的研磨用スラリー。
【請求項７】前記導電性金属膜が銅又は銅合金膜であ
る請求項６記載の化学的機械的研磨用スラリー。
【請求項８】酸化剤を含有する請求項１〜７のいずれ
か１項に記載の化学的機械的研磨用スラリー。
【請求項９】酸化剤および酸化防止剤を含有する請求
項１〜７のいずれか１項に記載の化学的機械的研磨用ス
ラリー。
【請求項１０】酸化剤およびベンゾトリアゾール又は
その誘導体を含有する請求項１〜７のいずれか１項に記
載の化学的機械的研磨用スラリー。