JP2001203178A

JP2001203178A - 化学機械研磨方法及び化学機械研磨装置

Info

Publication number: JP2001203178A
Application number: JP2000009447A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Sugai; 和己菅井
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2000-01-18
Filing date: 2000-01-18
Publication date: 2001-07-27

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体ウエハに半導体装置の配線を形成する
時、配線溝以外の層間絶縁膜上に堆積した不要なバリア
メタルを研磨する際、配線溝に形成した銅配線でのディ
ッシングやリセスの発生を低減でき、また密パターンな
銅配線間の層間絶縁膜でのエロージョンの発生を低減で
きる化学機械研磨方法及び化学機械研磨装置を提供す
る。【解決手段】本発明の化学機械研磨方法は、プラテン
（研磨定盤）１の研磨パッド２上にスラリー（研磨液）
５を滴下すると共に銅イオン溶液７を滴下しながら、半
導体ウエハ１１に形成したバリアメタルを研磨する。本
発明の化学機械研磨装置は、プラテン（研磨定盤）１の
研磨パッド２上にスラリー（研磨液）５を滴下するスラ
リー供給ライン４と銅イオン溶液７を滴下する銅イオン
溶液供給ライン６とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学機械研磨方法
及び化学機械研磨装置に関し、特に半導体装置の配線を
形成する化学機械研磨方法及び化学機械研磨装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の化学機械研磨方法及び化学機械研
磨装置（従来例１）は、図３の化学機械研磨装置の模式
図で説明される。図３に示すように、化学機械研磨（Ｃ
ＭＰ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏ
ｌｉｓｈｉｎｇ）装置は、研磨パッド２を主面に貼った
プラテン（研磨定盤）１、半導体ウエハ（以下ウエハと
いう）１１を保持するヘッド３、プラテン１の研磨パッ
ド２上にスラリー（研磨液）５を滴下するスラリー供給
ライン４から構成されている。そして、プラテン１とヘ
ッド３には、通常は同じ方向に回転させる（逆回転の場
合もある）図示しない機構がそれぞれ設けられている。
また、ヘッド３には、ヘッド３を（つまりヘッド３に保
持したウエハ１１を）プラテン１の研磨パッド２に一定
圧力で加圧する図示しない機構が設けられている。そし
て、スラリー（研磨液）５は、研磨粒子例えばシリカ粒
子を含んでいる。

【０００３】そして、化学機械研磨方法は、研磨パッド
２を主面に貼ったプラテン１を回転させ、ウエハ１１を
保持するヘッド３を回転させながらプラテン１の主面に
貼り付けられた研磨パッド２に一定圧力で加圧してウエ
ハ１１の表面を押し付け、スラリー供給ライン４からプ
ラテン１の主面に貼り付けられた研磨パッド２上にスラ
リー５を滴下しながら、ヘッド３に保持されたウエハ１
１の表面を研磨する。

【０００４】そして、従来の化学機械研磨方法を用いウ
エハ１１に半導体装置の配線を形成する方法は、図４の
断面図で説明される。まず図４（ａ）に示すように、シ
リコンよりなる半導体基板１２上に通常のトランジスタ
の作成方法、素子分離方法を用いてトランジスタ、ダイ
オードなどの半導体素子を形成する。そして、この上に
シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜１３を堆積する。そ
して、層間絶縁膜１３にコンタクトホール（図示せず）
と呼ばれる接続孔を設け、形成した半導体素子と配線と
の電気的接点を取り出す。そして、層間絶縁膜１３に通
常のリソグラフィとドライエッチングとを用いて配線を
形成するための配線溝１４を形成する。

【０００５】そして、図４（ｂ）に示すように、形成し
た配線溝１４に配線を形成する。ここで、配線は銅（Ｃ
ｕ）を用いた埋め込み配線であるダマシン配線とする。
このダマシン配線の形成において、まず、配線材料であ
る銅の層間絶縁膜１３および半導体素子層中への拡散防
止、層間絶縁膜１３との密着性確保を目的としてバリア
メタル１５を堆積する。そして、続いて配線材料である
銅を堆積して、銅膜１６を形成する。ここでバリアメタ
ル１５としては、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（Ｔ
ａＮ）、タンタル（Ｔａ）化合物あるいはこれらの積層
膜を用いる。そして、形成した銅膜１６を化学機械研磨
方法を用いて研磨し、配線溝１４以外の層間絶縁膜１３
上に堆積した不要な銅膜１６を除去する。そして続い
て、同じスラリー５を用いて、バリアメタル１５も研磨
し、配線溝１４以外の層間絶縁膜１３上に堆積した不要
なバリアメタル１５を除去する。このようにして、配線
溝１４にバリアメタル１３を介して研磨した銅膜１６の
残部である銅からなる配線（以下銅配線１７という）を
形成する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の化学機
械研磨方法を用いウエハ１１に半導体装置の配線を形成
する方法は、化学機械研磨方法を用いて研磨し、配線溝
１４以外の層間絶縁膜１３上に堆積した不要な銅膜１６
およびバリアメタル１５を除去する時に、同一のスラリ
ー５を用いているため、バリアメタル１５の機械研磨速
度（以下研磨速度という）は銅膜１６の研磨速度に対し
て小さく、銅膜１６の研磨速度を１とするとバリアメタ
ル１５の研磨速度は０．０５から０．３しかない。そし
てまた、スラリー５は銅膜１６に対して大きなウェット
エッチング（化学研磨）速度を持つ。

【０００７】そのため、図４（ｃ）に示すように、バリ
アメタル１５の研磨を進め、配線溝１４以外の層間絶縁
膜１３上に堆積した不要なバリアメタル１５を完全に除
去すると、配線溝１４に形成した銅配線１７にも研磨が
進み、太幅な銅配線１７では皿状の窪みであるディッシ
ング１８が発生し、細幅な銅配線１７では窪みであるリ
セス１９が発生する。また、隣接した銅配線１７が近接
し密パターンであると、密パターンな銅配線１７間の層
間絶縁膜１３にも研磨が進み、層間絶縁膜１３に窪みで
あるエロージョン２０が発生する。このため、銅配線１
７の配線幅に依存して配線抵抗（シート抵抗）が異な
り、半導体装置の正常な回路動作ができないという問題
がある。また、一部の銅配線１７で電流密度が増加する
ため、銅配線１７のエレクトロマイグレーション耐性が
劣化するという問題がある。

【０００８】従って、本発明の目的は、ウエハに半導体
装置の配線を形成する時、配線溝以外の層間絶縁膜上に
堆積した不要なバリアメタルを研磨する際、配線溝に形
成した銅配線でのディッシングやリセスの発生を低減で
き、また密パターンな銅配線間の層間絶縁膜でのエロー
ジョンの発生を低減できる化学機械研磨方法及び化学機
械研磨装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の化学機械研磨方
法は、研磨パッドを主面に貼った研磨定盤を回転させ、
被研磨物を保持するヘッドを回転させながら前記研磨定
盤の主面に貼り付けられた前記研磨パッドに加圧して前
記被研磨物の表面を押し付け、前記研磨パッド上に研磨
液を滴下しながら、前記ヘッドに保持された前記被研磨
物の表面を研磨する化学機械研磨方法において、銅イオ
ンを含む溶液を前記研磨パッド上に前記研磨液を滴下す
ると同時に滴下しながら、前記被研磨物の表面を研磨す
ることを特徴とする。

【００１０】また、前記被研磨物は、タンタル、窒化タ
ンタル、タンタル化合物またはこれらの積層物からなる
ものである。また、前記被研磨物は、半導体ウエハに形
成したバリアメタルである。

【００１１】また、前記銅イオンを含む溶液は、硫酸銅
水溶液、またはシアン化銅、またはピロリン酸銅、また
は銅をアンモニアに溶かした水溶液である。そして、前
記銅イオンを含む溶液は、濃度が０．０１重量％〜１０
重量％である。

【００１２】本発明の化学機械研磨装置は、研磨パッド
を主面に有し回転する回転手段を有する研磨定盤と、被
研磨物を保持し回転する回転手段を有し前記保持した被
研磨物を前記研磨定盤の研磨パッドに一定圧力で加圧す
る加圧手段を有するヘッドと、前記研磨定盤の研磨パッ
ド上に研磨液を滴下する研磨液供給ラインとを備えた化
学機械研磨装置において、前記研磨定盤の研磨パッド上
に銅イオンを含む溶液である銅イオン溶液を滴下する銅
イオン溶液供給ラインをも備えたことを特徴とする。

【００１３】この様な本発明によれば、半導体ウエハに
形成したタンタル、窒化タンタル、タンタル化合物また
はこれらの積層物からなるバリアメタルを研磨する時、
研磨パッド上に研磨液を滴下すると共に銅イオンを含む
溶液を滴下しながら研磨することにより、バリアメタル
の研磨速度が３倍〜１０倍増加する。

【００１４】本発明者は、タンタル、窒化タンタル、タ
ンタル化合物またはこれらの積層物からなるものの研磨
速度が、研磨パッド上の銅イオン濃度の増加とともに増
加することを見出し、タンタル、窒化タンタル、タンタ
ル化合物またはこれらの積層物からなるものの研磨時
に、銅イオンを含む溶液を研磨液と共に研磨パッド上に
供給することにより、高濃度の銅イオンが存在するよう
にしたものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の化学
機械研磨装置の一実施形態を示す模式図、図２は図１の
一実施形態の化学機械研磨装置を用いウエハに半導体装
置の配線を形成する方法を示す断面図である。

【００１６】図１に示すように、本実施形態の化学機械
研磨装置は、研磨パッド２を主面に貼ったプラテン（研
磨定盤）１、ウエハ１１を保持するヘッド３、プラテン
１の研磨パッド２上にスラリー（研磨液）５を滴下する
スラリー供給ライン４およびプラテン１の研磨パッド２
上に銅イオン溶液（銅イオンを含む溶液）７を滴下する
銅イオン溶液供給ライン６から構成されている。そし
て、プラテン１とヘッド３には、通常は同じ方向に回転
させる（逆回転の場合もある）図示しない機構がそれぞ
れ設けられている。また、ヘッド３には、ヘッド３を
（つまりヘッド３に保持したウエハ１１を）プラテン１
の研磨パッド２に一定圧力で加圧する図示しない機構が
設けられている。そして、スラリー（研磨液）５は、研
磨粒子例えばシリカ粒子を含んでいる。また、銅イオン
溶液７として、０．０１ｗｔ（重量）％〜１０ｗｔ（重
量）％の濃度の硫酸銅水溶液を用いる。

【００１７】そして、化学機械研磨方法は、研磨パッド
２を主面に貼ったプラテン１を回転させ、ウエハ１１を
保持するヘッド３を回転させながらプラテン１の主面に
貼り付けられた研磨パッド２に一定圧力で加圧してウエ
ハ１１の表面を押し付け、スラリー供給ライン４からプ
ラテン１の主面に貼り付けられた研磨パッド２上にスラ
リー５を滴下しながら、または同時に銅イオン溶液供給
ライン６からプラテン１の主面に貼り付けられた研磨パ
ッド２上に銅イオン溶液７を滴下しながら、ヘッド３に
保持されたウエハ１１の表面を研磨する。

【００１８】そして、本実施形態の化学機械研磨方法を
用いウエハ１１に半導体装置の配線を形成する方法は、
図２の断面図で説明される。まず図２（ａ）に示すよう
に、シリコンよりなる半導体基板１２上に通常のトラン
ジスタの作成方法、素子分離方法を用いてトランジス
タ、ダイオードなどの半導体素子を形成する。そして、
この上にシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜１３を堆積
する。そして、層間絶縁膜１３にコンタクトホール（図
示せず）と呼ばれる接続孔を設け、形成した半導体素子
と配線との電気的接点を取り出す。そして、層間絶縁膜
１３に通常のリソグラフィとドライエッチングとを用い
て配線を形成するための配線溝１４を形成する。

【００１９】そして、図２（ｂ）に示すように、形成し
た配線溝１４に配線を形成する。ここで、配線は銅（Ｃ
ｕ）を用いた埋め込み配線であるダマシン配線とする。
このダマシン配線の形成において、まず、配線材料であ
る銅の層間絶縁膜１３および半導体素子層中への拡散防
止、層間絶縁膜１３との密着性確保を目的としてバリア
メタル１５を堆積する。そして、続いて配線材料である
銅を堆積して、銅膜１６を形成する。

【００２０】ここでバリアメタル１５としては、タンタ
ル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、タンタル（Ｔ
ａ）化合物あるいはこれらの積層膜を用いる。そして、
スパッタリング法を用い、１００Å〜１０００Åの厚さ
に堆積する。

【００２１】そして、銅膜１６はめっき法を用い形成す
る。まずめっき銅膜のシード（種の膜）となる銅を、ス
パッタリング法を用い、５００Å〜３０００Åの厚さに
堆積する。そしてめっき法を用い、シード上に４０００
Å〜３００００Åの厚さに銅のめっき膜を堆積する。

【００２２】そして、形成した銅膜１６を化学機械研磨
方法を用いて研磨し、配線溝１４以外の層間絶縁膜１３
上に堆積した不要な銅膜１６を除去する。このとき、ス
ラリー供給ライン４からプラテン１の主面に貼り付けら
れた研磨パッド２上にスラリー５を滴下しながら、研磨
する。そしてこのときの研磨圧力（ヘッド３のプラテン
１への加圧圧力）は１ｐｓｉ〜１０ｐｓｉ、プラテン１
の回転数は１０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍ、ヘッド３の回転
数は１０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍである。

【００２３】そしてこのとき、スラリー５のみを用いて
いるため、バリアメタル１５の研磨速度は銅膜１６の研
磨速度に対して小さく、銅膜１６の研磨速度を１とする
とバリアメタル１５の研磨速度は０．０５から０．３し
かない。そのため、配線溝１４以外の層間絶縁膜１３上
に堆積した不要な銅膜１６がウエハ１１全面で除去され
た時に、層間絶縁膜１３上のバリアメタル１５はまだ残
った状態にすることができる。

【００２４】そして続いて、バリアメタル１５も研磨
し、配線溝１４以外の層間絶縁膜１３上に堆積した不要
なバリアメタル１５を除去する。このとき、スラリー供
給ライン４からプラテン１の主面に貼り付けられた研磨
パッド２上にスラリー５を滴下しながら、そして同時
に、銅イオン溶液供給ライン６から銅イオン溶液７を滴
下しながら、研磨する。そしてこのときの銅イオン溶液
７である硫酸銅水溶液の供給流量は、１０ｃｃ／ｍｉｎ
〜１０００ｃｃ／ｍｉｎ（好ましくは１００ｃｃ／ｍｉ
ｎ〜３００ｃｃ／ｍｉｎ）である。

【００２５】このとき、銅イオン溶液７である硫酸銅水
溶液を滴下しながら研磨することにより、バリアメタル
１５の研磨速度は３倍〜１０倍増加し、銅膜１６の研磨
速度とほぼ等しくなる。つまり、バリアメタル１５と銅
膜１６をほぼ同じ研磨速度で研磨することができる。

【００２６】この状態で研磨することにより、図２
（ｃ）に示すように、配線溝１４に形成した研磨した銅
膜１６の残部である銅配線１７でのディッシングやリセ
ス、また密パターンな銅配線１７間の層間絶縁膜１３で
のエロージョンが大きく進行することなく、バリアメタ
ル１５の研磨が完了する。

【００２７】このようにして、配線溝１４にバリアメタ
ル１３を介してダマシン配線である銅配線１７を形成す
る。

【００２８】また、本実施形態では、銅イオン溶液７と
して硫酸銅水溶液を用いたが、本発明はこれに限定され
ず、例えばシアン化銅、ピロリン酸銅、または銅をアン
モニアに溶かした水溶液を用いても良い。いずれも濃度
０．０１ｗｔ％〜１０ｗｔ％で用いることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、ウ
エハに半導体装置の配線を形成する時、配線溝以外の層
間絶縁膜上に堆積した不要なバリアメタルを研磨する
際、バリアメタルの研磨速度が３倍〜１０倍増加し、銅
膜の研磨速度とほぼ等しくなるので、配線溝に形成した
銅配線でのディッシングやリセスの発生を低減でき、ま
た密パターンな銅配線間の層間絶縁膜でのエロージョン
の発生を低減できるという効果が得られる。また、バリ
アメタルの研磨速度が３倍〜１０倍増加するので、バリ
アメタルの研磨時間を短縮でき、研磨時のスループット
が向上するという効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の化学機械研磨装置の一実施形態を示す
模式図である。

【図２】図１の一実施形態の化学機械研磨装置を用い、
ウエハに半導体装置の配線を形成する方法を示す断面図
である。

【図３】従来の化学機械研磨装置を説明する模式図であ
る。

【図４】従来の化学機械研磨方法を用い、ウエハに半導
体装置の配線を形成する方法を説明する断面図である。

【符号の説明】

１プラテン（研磨定盤）２研磨パッド３ヘッド４スラリー供給ライン５スラリー（研磨液）６銅イオン溶液供給ライン７銅イオン溶液１１半導体ウエハ（ウエハ）１２半導体基板１３層間絶縁膜１４配線溝１５バリアメタル１６銅膜１７銅配線１８ディッシング１９リセス２０エロージョン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨パッドを主面に貼った研磨定盤を回
転させ、被研磨物を保持するヘッドを回転させながら前
記研磨定盤の主面に貼り付けられた前記研磨パッドに加
圧して前記被研磨物の表面を押し付け、前記研磨パッド
上に研磨液を滴下しながら、前記ヘッドに保持された前
記被研磨物の表面を研磨する化学機械研磨方法におい
て、銅イオンを含む溶液を前記研磨パッド上に前記研磨
液を滴下すると同時に滴下しながら、前記被研磨物の表
面を研磨することを特徴とする化学機械研磨方法。
【請求項２】前記被研磨物は、タンタル、窒化タンタ
ル、タンタル化合物またはこれらの積層物からなるもの
である請求項１記載の化学機械研磨方法。
【請求項３】前記被研磨物は、半導体ウエハに形成し
たバリアメタルである請求項１または２記載の化学機械
研磨方法。
【請求項４】前記銅イオンを含む溶液は、硫酸銅水溶
液、またはシアン化銅、またはピロリン酸銅、または銅
をアンモニアに溶かした水溶液である請求項１記載の化
学機械研磨方法。
【請求項５】前記銅イオンを含む溶液は、濃度が０．
０１重量％〜１０重量％である請求項４記載の化学機械
研磨方法。
【請求項６】研磨パッドを主面に有し回転する回転手
段を有する研磨定盤と、被研磨物を保持し回転する回転
手段を有し前記保持した被研磨物を前記研磨定盤の研磨
パッドに一定圧力で加圧する加圧手段を有するヘッド
と、前記研磨定盤の研磨パッド上に研磨液を滴下する研
磨液供給ラインとを備えた化学機械研磨装置において、
前記研磨定盤の研磨パッド上に銅イオンを含む溶液であ
る銅イオン溶液を滴下する銅イオン溶液供給ラインをも
備えたことを特徴とする化学機械研磨装置。