JP2002164308A

JP2002164308A - 化学的機械的研磨用スラリー

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Publication number: JP2002164308A
Application number: JP2000357795A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Tsuchiya; 泰章土屋; Tomoko Wake; 智子和氣; Tetsuyuki Itakura; 哲之板倉; Shin Sakurai; 伸櫻井; Kenichi Aoyanagi; 健一青柳
Original assignee: Tokyo Magnetic Printing Co Ltd; NEC Corp
Current assignee: NEC Corp; Toppan Infomedia Co Ltd
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2002-06-07
Anticipated expiration: 2020-11-24
Also published as: JP3768401B2; KR20020040636A; US20020095872A1; TW593647B; KR100450984B1; US6530968B2

Abstract

(57)【要約】【課題】基板上の凹部を有する絶縁膜上に形成された
金属膜の化学的機械的研磨において、ディッシングの発
生を抑制し、且つ高い研磨速度での研磨を可能とする化
学的機械的研磨用スラリーを提供する。【解決手段】研磨材粒子表面の電荷と反対符号のイオ
ン性基をもたない増粘剤をスラリー全体に対して０．０
０１質量％以上０．０５質量％未満含有させ、スラリー
粘度を１ｍＰａ・ｓ以上５ｍＰａ・ｓ以下の範囲に調整
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学的機械的研磨
用スラリーに関し、特に半導体装置の製造において、埋
め込み金属配線の形成時に用いる研磨液として好適な化
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があ
ることから次のようにして行われている。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「ＣＭ
Ｐ」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
法により銅膜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法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金
属配線の形成においては、銅等の導電性金属の絶縁膜中
への拡散防止等のために下地膜としてＴａやＴａＮ等の
タンタル系金属等からなるバリア金属膜が形成される。
しかし、このような異種材料を同時に研磨する場合、バ
リア金属膜の研磨速度は、銅等の導電性金属膜の研磨速
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
込み金属配線の形成を行うと、導電性金属膜とバリア金
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
部内の銅等の導電性金属膜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金属膜の中央部が
窪んだ状態になることをいう。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、バ
リア金属膜の研磨速度が小さいため、研磨時間を十分に
とらなければならない。しかし、バリア金属膜の研磨速
度に対して銅膜の研磨速度が大きいため、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。

【００１１】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。

【００１２】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
は、銅研磨平坦性を改善するために、トリアゾール派生
物をＣＭＰ用スラリーに含有させることが記載されてい
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る
ため、銅膜の研磨時間が長くなり、スループットが低下
する。

【００１３】一方、研磨用スラリーの粘度を調整するこ
とによってスラリーの研磨性を改善しようとする技術が
開示されている。

【００１４】特開２０００−１６９８３１号公報には、
ＣＭＰにおいて、ディッシング防止を目的として、グリ
セロール又はポリエチレングリコールから選択される非
反応性多価アルコールを増粘剤として含有するスラリー
組成物を用いることが記載されている。このスラリー組
成物は、上記増粘剤が０．１〜５０容量％添加され、ス
ラリー粘度が３．４〜１２ｃｐｓ（ｍＰａ・ｓ）に調整
されている。

【００１５】また特開平１１−３０７４８４号公報に
は、ＣＭＰにおいて、ディッシングの防止を目的とし
て、カルボキシビニルポリマーを含有しビンガム流動性
をもつ研磨液を用いることが記載されている。この研磨
液の粘度について具体的数値範囲の記載はないが、カル
ボキシビニルポリマーを０．１重量％加えた研磨液が例
示されている。

【００１６】また特開２０００−１６０１３７号公報に
は、金属膜の研磨用ではないが、シャロー・トレンチ分
離へ適用可能な、酸化セリウム粒子、水、陰イオン性界
面活性剤を含むＣＭＰ用研磨剤が記載されている。この
研磨剤は、酸化珪素膜研磨速度と窒化硅素膜研磨速度の
比が大きくなるように調製され、その際、この研磨剤の
粘度は１．０〜２．５ｍＰａ・ｓが好ましいことが記載
されている。

【００１７】しかしながら、上記従来技術のように研磨
用スラリーの粘度を調整するだけでは、ディッシングの
発生を防止しながら、且つ高い研磨速度でＣＭＰを行う
ことは困難であった。

【００１８】そこで本発明の目的は、基板上の凹部を有
する絶縁膜上に形成された金属膜の研磨において、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
ングを抑制して、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。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上の凹部
を有する絶縁膜上に形成された金属膜を研磨するための
化学的機械的研磨用スラリーであって、研磨材粒子表面
の電荷と反対符号のイオン性基をもたない増粘剤をスラ
リー全体に対して０．００１質量％以上０．０５質量％
未満含有し、スラリー粘度が１ｍＰａ・ｓ以上５ｍＰａ
・ｓ以下の範囲にあ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。

【００２０】本発明の化学的機械的研磨用スラリー（以
下、適宜「研磨用スラリー」という）は、基板上の凹部
を有する絶縁膜上に形成された金属膜をＣＭＰ法により
研磨する際に好適に用いることができる。

【００２１】特に、バリア金属膜が下地膜として凹部を
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、バリア金属膜あるいは絶縁膜が露出するまで
基板表面を平坦化し、凹部に導電性金属が埋め込まれて
なる埋め込み配線やプラグ、コンタクト等の電気的接続
部を形成する工程において効果的に用いることができ
る。さらに、導電性金属が銅系金属であり、バリア金属
がタンタル系金属である場合においてより効果的であ
る。

【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を抑制し、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。

【００２３】

【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。

【００２４】本発明の研磨用スラリーは、研磨材、酸化
剤、増粘剤および水を含有する。さらに、酸化剤による
金属膜に対する酸化作用を促進し、安定した研磨を行う
ために、酸化補助剤としてプロトン供給剤を含有させる
ことが好ましい。また、研磨用スラリーの化学的作用に
よる過剰なエッチングを抑制するために酸化防止剤を含
有させることが好ましい。

【００２５】本発明に用いられる研磨材としては、α−
アルミナやθ−アルミナ等のアルミナ、フュームドシリ
カやコロイダルシリカ等のシリカ、チタニア、ジルコニ
ア、ゲルマニア、セリア、又は、これら金属酸化物研磨
砥粒からなる群から選ばれる２種以上の混合物を用いる
ことができる。中でもアルミナ又はシリカが好ましい。
但し、研磨材を混合して用いる場合は、砥粒表面の電荷
が同じ符号のもの同士を混合することが好ましい。

【００２６】研磨材の平均粒径は、研磨速度、分散安定
性、研磨面の表面粗さ等の点から、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、１０ｎｍ以
上がより好ましく、また５００ｎｍ以下が好ましく、３
００ｎｍ以下がより好ましい。

【００２７】研磨材の研磨用スラリー中の含有量は、研
磨用スラリー全体に対して０．１〜５０質量％の範囲で
研磨効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％以上であり、また１０質量％以下である
ことが望ましい。

【００２８】本発明に用いられる酸化剤は、研磨精度や
研磨効率等を考慮して適宜、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、Ｎａ₂
Ｏ₂、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、有害な副生成物
を発生しない過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）が好ましい。

【００２９】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
全体に対して０．０１質量％以上が好ましく、０．０５
質量％以上がより好ましく、０．１質量％以上がさらに
好ましい。また、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
物を別個に調製しておき、使用直前に両者を混合しても
よい。

【００３０】本発明における増粘剤には、研磨材粒子表
面の電荷と反対符号のイオン性基を持たない化合物を用
いる必要がある。増粘剤として、研磨材粒子表面の電荷
と反対符号のイオン性基をもつ化合物を用いると、研磨
材粒子表面に増粘剤が吸着し、所望の増粘効果が得られ
なかったり、スラリーのゲル化が起こりやすくなる等、
所望の研磨用スラリーが得られなくなる。

【００３１】研磨材としてアルミナを用いた場合、アル
ミナ粒子の表面は正に帯電しているため、カチオン系又
はノニオン系の増粘剤を用いる。但し、スラリー中のア
ルミナ研磨材の分散性向上のため、アニオン系分散剤を
含有させる場合は、分散系を破壊しないようにノニオン
系の増粘剤を用いることが好ましい。なお、分散剤を含
有させる場合、その含有量は、研磨用スラリー全体に対
して通常０．０５質量％以上０．５質量％以下である。

【００３２】研磨材としてシリカを用いた場合、シリカ
粒子の表面は負に帯電しているため、アニオン系又はノ
ニオン系の増粘剤を用いることができるが、特にアニオ
ン系の増粘剤を用いることが好ましい。なお、シリカ研
磨材、特にフュームドシリカ及びコロイダルシリカは分
散性に優れ、分散剤の必要性が低いため、分散剤を用い
なくても良好な研磨用スラリーを得ることができる。

【００３３】本発明における増粘剤の含有量は、研磨用
スラリー全体に対して０．００１質量％以上０．０５質
量％未満であることが必要であるが、さらに、０．００
２質量％以上が好ましく、０．００５質量％以上がより
好ましく、また、０．０２質量％以下が好ましく、０．
０１５質量％以下がより好ましい。増粘剤の含有量が少
なすぎると、ディッシングやエロージョンに対する所望
の防止効果が得られず、増粘剤の含有量が多すぎると、
十分な研磨速度が得られなくなる。

【００３４】増粘剤添加後の研磨用スラリーの粘度は、
１ｍＰａ・ｓ以上５ｍＰａ・ｓ以下であることが必要で
あり、１．５ｍＰａ・ｓ以上であることが好ましく、ま
た４ｍＰａ・ｓ以下であることが好ましい。スラリー粘
度が低すぎるとディッシングやエロージョンに対する所
望の防止効果が得られず、スラリー粘度が高すぎると十
分な研磨速度が得られなくなる。

【００３５】本発明における増粘剤としては、界面活性
剤または水溶性高分子を挙げることができ、用いた研磨
材粒子の表面電荷に応じてアニオン系、カチオン系およ
びノニオン系のものから適宜選択する。

【００３６】アニオン系界面活性剤（陰イオン界面活性
剤）としては、スルホン酸塩、硫酸エステル塩、カルボ
ン酸塩、リン酸エステル塩、ホスホン酸塩等の可溶性塩
が挙げられ、これらの可溶性塩の種類としてはアルカリ
金属塩、アルカリ土類金属塩、アンモニウム塩、アミン
塩等が挙げられる。中でもアンモニウム塩が好ましい。
これらの可溶性塩の例として、アルキルベンゼンスルホ
ン酸塩、ドデシル硫酸塩等のアルキル硫酸塩、ステアリ
ン酸塩等の脂肪酸塩、ポリカルボン酸塩、アルキルリン
酸塩、ヘキサメタリン酸塩が挙げられる。

【００３７】カチオン系界面活性剤（陽イオン界面活性
剤）としては、造塩し得る第１〜第３級アミンを含有す
るアミン塩、これらの変性塩類、第４級アンモニウム
塩、ホスホニウム塩やスルホニウム塩などのオニウム化
合物、ピリジニウム塩やキノリニウム塩、イミダゾリニ
ウム塩等の環状窒素化合物や複素環化合物が挙げられ
る。これらのカチオン系界面活性剤の具体例としては、
ラウリルトリメチルアンモニウムクロライド、塩化セチ
ルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＣ）、臭化セチルト
リメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）、臭化セチルジメチ
ルベンジルアンモニウム、塩化セチルピリジニウム、塩
化ドデシルピリジニウム、塩化アルキルジメチルクロロ
ベンジルアンモニウム、塩化アルキルナフタレンピリジ
ニウムが挙げられる。

【００３８】ノニオン系界面活性剤（非イオン界面活性
剤）としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテルや
ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル等のエー
テル型、ポリオキシエチレングリセリン脂肪酸エステル
等のエーテルエステル型、ポリエチレングリコール脂肪
酸エステル等のエステル型など、酸化エチレンを付加重
合させて得られる、酸化エチレン縮合型界面活性剤が挙
げられる。これらの具体例としては、ＰＯＥ（１０）モ
ノラウレート、ＰＯＥ（１０、２５、４０、４５又は５
５）モノステアレート、ＰＯＥ（２１又は２５）ラウリ
ルエーテル、ＰＯＥ（１５、２０、２３、２５、３０又
は４０）セチルエーテル、ＰＯＥ（２０）ステアリルエ
ーテル、ＰＯＥ（２、３、５、７、１０、１５、１８又
は２０）ノニルフェニルエーテルが挙げられる（ＰＯＥ
はポリオキシエチレンを示し、括弧内の数字は酸化エチ
レンの付加モル数を表す）。

【００３９】水溶性高分子としては、アニオン系（陰イ
オン性）のものとしてポリカルボン酸系水溶性高分子を
用いることができ、例えばポリアクリル酸又はその塩や
アクリル酸−（メタ）アクリル酸エステル共重合体又は
その塩などのポリアクリル酸系水溶性高分子、アルギン
酸塩、カルボキシメチルセルロース等のセルロース誘導
体が挙げられる。ノニオン系（非イオン性）のものとし
ては、ヒドロキシルエチルセルロース等のセルロース誘
導体、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、
ポリエチレングリコール、ポリアクリルアミドが挙げら
れる。

【００４０】カチオン系（陽イオン性）の水溶性高分子
としてはポリエチレンイミンを挙げることができる。

【００４１】水溶性高分子を用いる場合は、適当な分子
量をもつものを適宜選択して用いることが好ましい。分
子量が小さすぎると、所望の増粘効果が発現しにくくな
るためディッシングやエロージョンの十分な防止が困難
となる。一方、分子量が大きすぎると、十分な研磨速度
を得ることが困難となったり、溶解性が低下するため研
磨用スラリーの調製が困難となる。水溶性高分子の分子
量、特にポリアクリル酸系高分子の分子量は１万以上が
好ましく、５万以上がより好ましく、１０万以上がさら
に好ましい。また、５００万以下が好ましく、２００万
以下がより好ましい。

【００４２】研磨用スラリー中の酸化剤の酸化を促進
し、安定した研磨を行うため添加されるプロトン供与剤
（酸化補助剤）としては、公知のカルボン酸やアミノ酸
等の有機酸が挙げられる。

【００４３】カルボン酸としては、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、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。

【００４４】アミノ酸は、単体で添加される場合もあれ
ば、塩および水和物の状態で添加される場合もある。例
えば、アルギニン、アルギニン塩酸塩、アルギニンピク
ラート、アルギニンフラビアナート、リシン、リシン塩
酸塩、リシン二塩酸塩、リシンピクラート、ヒスチジ
ン、ヒスチジン塩酸塩、ヒスチジン二塩酸塩、グルタミ
ン酸、グルタミン酸一塩酸塩、グルタミン酸ナトリウム
一水和物、グルタミン、グルタチオン、グリシルグリシ
ン、アラニン、β−アラニン、γ−アミノ酪酸、ε−ア
ミノカプロン酸、アスパラギン酸、アスパラギン酸一水
和物、アスパラギン酸カリウム、アスパラギン酸カルシ
ウム三水塩、トリプトファン、スレオニン、グリシン、
シスチン、システイン、システイン塩酸塩一水和物、オ
キシプロリン、イソロイシン、ロイシン、メチオニン、
オルチニン塩酸塩、フェニルアラニン、フェニルグリシ
ン、プロリン、セリン、チロシン、バリンが挙げられ
る。

【００４５】上記のカルボン酸やアミノ酸等の有機酸
は、異なる二種以上を混合して用いてもよい。

【００４６】研磨用スラリー中の有機酸の含有量は、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、５質量％以
下が好ましく、３質量％以下がより好ましい。なお、二
種以上の有機酸を含有する場合は、上記含有量はそれぞ
れの有機酸の総和を意味する。

【００４７】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することが望まし
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、またディッシングもより充分に抑
制できる。

【００４８】このような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、そのベンゼン環部分にヒドロキシル基、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、１，２，４−
トリアゾール誘導体としては、その５員環に上記の置換
基を有する置換１，２，４−トリアゾールが挙げられ
る。

【００４９】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
からは、５質量％以下が好ましく、２．５質量％以下が
より好ましい。

【００５０】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、ｐＨ３以上が好ましく、ｐＨ４以上がより好まし
く、またｐＨ９以下が好ましく、ｐＨ８以下がより好ま
しい。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、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。

【００５１】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
されている分散剤や緩衝剤などの種々の添加剤を含有さ
せてもよい。

【００５２】本発明の研磨用スラリーは、ＣＭＰによる
金属膜の研磨速度が好ましくは４００ｎｍ／分以上、よ
り好ましくは５００ｎｍ／分以上になるようにその組成
比を調整することが望ましい。また、研磨精度やディシ
ング防止の等の点から、好ましくは１５００ｎｍ／分以
下、より好ましくは１０００ｎｍ／分以下になるように
組成比を調整することが望ましい。

【００５３】本発明の研磨用スラリーの製造方法は、一
般的な遊離砥粒の水系研磨スラリー組成物の製造方法が
適用できる。すなわち、水系溶媒に研磨砥粒（研磨材粒
子）を適量混合し、必要に応じて分散剤を適量混合す
る。この状態では、研磨砥粒は凝集状態で存在してい
る。そこで、凝集した研磨砥粒を所望の粒径を有する粒
子とするため、研磨砥粒混合物の分散処理を実施する。
この分散工程では、例えば超音波分散機、ビーズミル分
散機、ニーダー分散機、ボールミル分散機などを用いて
実施できる。本発明における増粘剤は、この分散工程前
に添加混合してもよいし、分散終了後に添加混合しても
よい。

【００５４】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。絶縁膜が
形成され、その絶縁膜に所定のパターン形状を持つ凹部
が形成され、その上に金属膜が成膜された基板を容易す
る。この基板をスピンドル等のウェハキャリアに設置す
る。この基板の金属膜表面を、回転プレート等の定盤上
に貼り付けられた研磨パッドに所定の圧力をかけて接触
させ、基板と研磨パッドの間に研磨用スラリーを供給し
ながら、ウェハと研磨パッドを相対的に動かして（例え
ば両方を回転させて）研磨する。研磨用スラリーの供給
は、別途に設けた供給管から研磨パッド上へ供給しても
よいし、定盤側から研磨パッド表面へ供給してもよい。
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
行ってもよい。

【００５５】以上に説明した本発明の研磨用スラリー
は、バリア金属膜が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場合に最も効果的に用いるこ
とができる。絶縁膜としては、シリコン酸化膜、ＢＰＳ
Ｇ膜、ＳＯＧ膜が挙げられる。導電性金属膜としては、
銅、銀、金、白金、チタン、タングテン、アルミニウ
ム、これらの合金からなる膜を挙げることができる。バ
リア金属膜としては、タンタル（Ｔａ）やタンタル窒化
物、タンタル窒化シリコン等のタンタル系金属膜、チタ
ン（Ｔｉ）やチタン窒化物等のチタン系金属膜、タング
ステン（Ｗ）やタングステン窒化物、タングステン窒化
シリコン等のタングステン系金属膜を挙げることができ
る。中でも、本発明の研磨用スラリーは、導電性金属膜
が銅系金属膜（銅膜又は銅を主成分とする銅合金膜）で
ある場合においてより効果的に用いることができ、特
に、導電性金属膜が銅系金属膜であり且つバリア金属膜
がタンタル系金属膜である場合に効果的に用いることが
できる。

【００５６】

【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。

【００５７】（被研磨基板）凹部を持つ絶縁膜上に金属
膜が形成された被研磨基板は以下のようにして作製し
た。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）上に下層配線を有する
シリコン酸化膜からなる下層配線層を設け、その上にシ
リコン窒化膜を形成し、その上に厚さ５００ｎｍ程度の
シリコン酸化膜を形成した。次に、フォトリソグラフィ
工程と反応性イオンエッチング工程によりシリコン酸化
膜をパターニングして、幅０．２３μｍ〜１０μｍ、深
さ５００ｎｍの配線用溝と接続孔を形成した。次に、ス
パッタリング法により厚さ５０ｎｍのＴａ膜を形成し、
続いてスパッタリング法により厚さ５０ｎｍの銅膜を形
成後、メッキ法により厚さ８００ｎｍ程度の銅膜を形成
した。

【００５８】（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）をはり付けて使用した。研磨条件は、研磨荷
重（研磨パッドの接触圧力）：２７．６ｋＰａ、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／分とした。

【００５９】（研磨速度の測定）研磨速度は、以下のよ
うに研磨前後の表面抵抗率から算出した。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
二探針間に一定電流を流し、内側の二探針間に生じる電
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、さ
ら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。表面抵抗率の測定には、三菱化学
社製四探針抵抗測定器（Ｌｏｒｅｓｔａ−ＧＰ）を用い
た。

【００６０】（スラリー粘度の測定）研磨用スラリーの
粘度は、回転式粘度計（ＨＡＡＫＥ社製 Rotovisco RV2
0）を用い、剪断速度を０から１０００［１／sec］に変
化させ、２５℃にて剪断応力を測定して求めた。

【００６１】（ディッシング及びエロージョンの測定）
研磨されたウェハ表面の配線形成領域を触針でトレース
する方法で段差の測定を行った。段差測定装置としてＫ
ＬＡテンコール社製ＨＲＰ−１００を用い、層間絶縁膜
上の配線が形成されていない部分から配線部あるいは配
線密集領域を横断し、反対側の層間絶縁膜部まで走査を
行った。

【００６２】（実施例１〜３、比較例１）平均粒径５０
ｎｍのθアルミナ５質量％、過酸化水素水（濃度：３０
wt％）５質量％、クエン酸０．５質量％、グリシン１質
量％、ベンゾトリアゾール０．０１質量％、下記の増粘
剤０．０１質量％を含有する研磨用スラリーを作製し
た。

【００６３】増粘剤は、実施例１としてノニオン系界面
活性剤であるＰＯＥ（１０）ノニルフェニルエーテルを
用い、実施例２としてカチオン系界面活性剤であるラウ
リルトリメチルアンモニウムクロライドを用い、実施例
３として水溶性高分子であるヒドロキシエチルセルロー
スを用いた。

【００６４】増粘剤を添加しなかった以外は上記実施例
と同様に作製した研磨用スラリー（比較例１）の測定結
果とともに上記実施例の研磨用スラリーの測定結果を表
１に示す。本発明によれば、研磨速度を大きく低下させ
ることなく、ディシング量を半分程度あるいはそれ以下
に抑えられたことがわかる。

【００６５】

【表１】

【００６６】（実施例４〜９、比較例２）平均粒径２０
ｎｍのコロイダルシリカ３質量％、過酸化水素水（濃
度：３０wt％）５質量％、グリシン２質量％、１，２，
４−トリアゾール０．３質量％、下記の増粘剤０．０１
質量％を含有する研磨用スラリーを作製した。

【００６７】増粘剤は、表２に示す分子量をもつアニオ
ン系水溶性高分子であるポリアクリル酸アンモニウムを
用いた。なお、この分子量は、下記測定条件のＧＰＣに
より測定した重量平均分子量（Ｍｗ）である。ＧＰＣ測
定条件；カラム：SHODEX GF-7MHQ、検出器：ＵＶ(波長2
14nm）、溶離液：０．１％リン酸ナトリウム水溶液（ｐ
Ｈ７）、流量：０．５ｍｌ／分、温度：３５℃、標準試
料：ポリアクリル酸スタンダード（創和科学製）。

【００６８】増粘剤を添加しなかった以外は上記実施例
と同様に作製した研磨用スラリー（比較例２）の測定結
果とともに上記実施例の研磨用スラリーの測定結果を表
２に示す。本発明によれば、研磨速度を低下させること
なく、ディシング量を半分以下に抑えられたことがわか
る。

【００６９】

【表２】

【００７０】（実施例１０、比較例３）増粘剤の含有量
をそれぞれ表３に示す量とした以外は、実施例７と同様
な研磨用スラリーを作製した。これらの測定結果を比較
例２及び実施例７の測定結果とともに表３に示す。増粘
剤の添加量が多すぎると研磨速度が大きく低下すること
がわかる。

【００７１】

【表３】

【００７２】実施例１１及び比較例４平均粒径３０ｎｍのコロイダルシリカ３質量％、過酸化
水素水（濃度：３０wt%）５質量％、グリシン２質量
％、１，２，４−トリアゾール０．３質量％、増粘剤と
してポリアクリル酸アンモニウム塩（Ｍｗ：８０万）
０．０１質量％を含有する研磨用スラリー（実施例１
１）を作製した。また、増粘剤を含有していない以外は
同様な組成の研磨用スラリー（比較例４）を作製した。

【００７３】これらの研磨用スラリーを用いて被研磨基
板のＣＭＰを行った結果、配線密集領域（配線／スペー
ス＝４μｍ／１μｍ）におけるエロージョン量は、比較
例４の場合は８０ｎｍであったが実施例１１では５０ｎ
ｍに低減していた。また、幅１０μｍの孤立配線のディ
ッシング量は、比較例４の場合は８０ｎｍであったが実
施例１１では５５ｎｍに低減されていた。

【００７４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、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を抑制し、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埋
め込み銅配線を形成した場合の配線部の断面形状を示す
模式図である。

【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)発明者和氣智子東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内 (72)発明者板倉哲之東京都台東区台東一丁目５番１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５番１号東京磁気印刷株式会社内 (72)発明者青柳健一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 CB02 CB03 CB10 DA02 DA12 DA17 5F043 AA22 AA27 DD16 GG10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上の凹部を有する絶縁膜上に形成さ
れた金属膜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、研磨材粒子表面の電荷と反対符号のイオン
性基をもたない増粘剤をスラリー全体に対して０．００
１質量％以上０．０５質量％未満含有し、スラリー粘度
が１ｍＰａ・ｓ以上５ｍＰａ・ｓ以下の範囲にあること
を特徴とする化学的機械的研磨用スラリー。
【請求項２】前記の増粘剤として、界面活性剤または
水溶性高分子を含有する請求項１記載の化学的機械的研
磨用スラリー。
【請求項３】アルミナからなる研磨材粒子と、前記の
増粘剤としてノニオン系もしくはカチオン系の界面活性
剤または水溶性高分子を含有する請求項１記載の化学的
機械的研磨用スラリー。
【請求項４】アルミナからなる研磨材粒子と、該研磨
材粒子を分散させるためのアニオン系分散剤と、前記の
増粘剤としてノニオン系の界面活性剤または水溶性高分
子を含有する請求項１記載の化学的機械的研磨用スラリ
ー。
【請求項５】シリカからなる研磨材粒子と、前記の増
粘剤としてアニオン系の界面活性剤または水溶性高分子
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６】シリカからなる研磨材粒子と、前記の増
粘剤としてポリカルボン酸系水溶性高分子を含有する請
求項１記載の化学的機械的研磨用スラリー。