JP2002198350A - 半導体基板の精密エッチング方法及び平坦化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体素子の配線工程で、絶縁膜上の金属配
線層を平坦化あるいは除去する際に、平坦化後の金属表
面に傷（スクラッチ）を発生させず、表面近傍に研磨剤
が埋め込まれる可能性がない金属膜の平坦化及び除去方
法と平坦化装置を提供すること。 【解決手段】被エッチング物表面の凹部を選択的にマス
キングする手段として、エッチング溶液より比重が大き
く球形状の固体微粒子を混ぜたエッチング溶液を流入
し、凹部に固体微粒子が沈澱し堆積することにより、マ
スキングされ、エッチングの進行が抑制されるため、除
去すべき凸部のエッチングが選択的に進行し、配線膜の
平坦化あるいは除去が行われる。研磨剤砥粒を使用しな
いので、表面の微小なスクラッチ、配線材料への砥粒の
埋没も発生しない理想的な金属膜の平坦化あるいは除去
が行なえる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板の精密
平坦化方法及びその装置、特に、半導体集積回路の製造
工程で行われる半導体素子の絶縁膜上の配線材料膜を平
坦化あるいは除去するための方法及びその装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＣＭＰ装置とよばれるこの種の研
磨装置は、図６に示すようにウエーハの研磨面が下方を
向く状態で保持し、回転させ、ウエーハよりも大口径の
回転する研磨定盤上に貼り付けた研磨パッド面に、研磨
剤を滴下し、そこにウエーハの被研磨面を押し付ける方
法で研磨を行っている。この種の装置で、通常スラリー
と呼ばれている研磨剤は、酸化シリコン、酸化セリウ
ム、アルミナの微粉末を水酸化カリウム水溶液、あるい
はアンモニア溶液に混合した懸濁液である。

【０００３】しかし、これらのスラリーは、半導体素子
の層間絶縁膜の研磨を主目的に考えられたものであり、
配線工程で使用される金属膜、特に、延性材料であるＣ
ｕ、Ａ１、あるいは、これらを主とした金属化合物の研
磨では、従来の絶縁膜と異なり、研磨後の傷、研磨剤が
金属面に埋め込まれるなどの問題が発生する可能性が高
い。さらに、従来のタングステンプラグの埋め込みで
は、プラグの直径が0.5〜1μmと小さく、タングステン
材料及び絶縁膜の材料自体が脆性材料であるため、被研
磨面上での絶縁膜面とタングステンプラグの露出面の面
積は、絶縁膜面積の方が極端に大きく、適度な圧縮性を
有する研磨パッドを使用すれば、ディッシングの問題も
有る程度軽減できた。しかし、金属膜の配線プロセス、
特に銅を主体としたDamascene process、あるいはDual
damascene processでは、絶縁膜面と露出する配線材料
面の面積比は、上記の場合よりも１に近くなる。従っ
て、従来の研磨方法では、配線部分のディッシングが大
きくなることは、容易に推測できる。また、従来の方法
では、研磨のために200〜500gr/cm²の加工圧力を被加工
面に加えるために、被研磨材の表面近傍に加工変質層が
形成されるという問題もあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】延性金属である銅を主
体としたDamascene processあるいは、Dual Damascenep
rocessに対応して、平坦化後の金属表面に加工変質層を
生成しない、表面に傷（スクラッチ）を発生させず、金
属表面近傍に研磨剤が埋め込まれる可能性のない、ウエ
ット処理での選択的エッチングによる金属膜の平坦化お
よび配線材料の除去方法を提案する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】従来、ＣＭＰはメカニカ
ルな研磨が主体であり、ケミカル作用を研磨に直接利用
しているとは言い難い面がある。上述の目的達成のため
に本発明は、ケミカル作用を主体にした方法、すなわ
ち、従来選択性がないと言われていたケミカルウエット
エッチングに、選択性を付加して配線層の金属膜の平坦
化あるいは、金属膜の除去を行う方法、および、その装
置についての発明である。

【０００６】例えば、銅を主体としたDual damascene pr
ocessを適用した場合、図５に示すように、あらかじめ
種々の素子が形成された半導体基板上に成膜され、ＣＭ
Ｐにより表面が平坦化された絶縁膜（図５の（ａ）参
照）に配線用溝や接続孔用溝を形成する（図５の（ｂ）
参照）。なお、これらの配線用溝と接続孔用溝はそれぞ
れ別にフォトリソグラフィ法により絶縁膜上に所定形状
のレジストパターンを形成してＲＩＥ法等によりエッチ
ングすることにより形成する。その後にＣｕ、ＡＩ、Ｗ
あるいは、これらを主とする金属化合物等の配線用金属
をＣＶＤあるいはスパッター等により配線用溝や接続孔
用溝内に埋め込むように絶縁膜上に成膜する（図５の
（ｃ）参照）。また、配線用金属の成膜の前にＴＩＮな
どのバリア膜をスパッター等により絶縁膜の表面や配線
用溝や接続孔用溝の内面に形成することもある。その
後、図５の（ｄ）に示すように、これらの配線用金属膜
は、本発明のエッチングにより下地の絶縁膜が露出する
までエッチングされ、配線用溝及び接続孔用溝の部分以
外の配線用金属膜を除去して、各溝内に埋め込まれた金
属配線および接続配線を形成する。

【０００７】精密エッチングしようとする半導体基板の
被エッチング物表面は、前述したように、表面が研磨さ
れ平坦化された絶縁膜に配線用溝や接続孔用溝が形成さ
れ、銅等の配線用金属がこれらの溝内に埋め込まれるよ
うに絶縁膜上に成膜された状態（図５の（ｃ）参照）に
あり、この配線用金属膜を平坦化し除去するために使用
するエッチング溶液として、超純水に塩酸及び硝酸を加
えた溶液、あるいは、超純水と過酸化水素とアンモニア
を混合した溶液などを使用する。配線材料が、銅と異な
る場合には、その材料の特性にあったエッチング溶液を
選択すればよいことは言うまでもない。これらのエッチ
ング溶液は、比重が0.79から2.1の範囲にある。

【０００８】平坦化パッドと被エッチング物表面の非接
触状態を保ち凹部をマスキングする目的で、前記エッチ
ング溶液に混ぜる球形状の微粒子の平均直径が、１ｎｍ
〜０.２μｍで、そのウエット状態での比重が２.２以上
で、エッチング溶液に溶解しない、あるいは溶解しにく
い、または、溶解するため表面を改質やコーティング等
の処理をすることにより溶解しにくくした物質からなる
微粒子を添加した溶液を使用する。さらに、酸化防止、
エッチング抑制、エッチング促進などの目的で、安定
剤、表面活性剤などを添加してもよい。

【０００９】本発明で使用する装置は、ウエーハの被エ
ッチング面が上方を向く状態でウエーハチャックに保持
し、平坦化パット表面と金属配線膜表面を僅かな間隙を
隔てて平行におき、その間隙にエッチング溶液よりも比
重が大きく、固体微粒子を含むエッチング溶液を流入
し、表面に沿う方向に両者を相対運動させると、比重の
重い固体微粒子が凹部に沈澱し堆積することにより、マ
スキングされ、凹部のエッチング溶液が少なくなり、エ
ッチングの進行が抑制されるため、除去すべき凸部のエ
ッチングが選択的に進行し、配線膜の平坦化あるいは除
去が行われる。また、凹部を選択的にマスキングする手
段として混ぜる物質が、エッチング溶液に沈降すること
のない固体微粒子、あるいは粘度または比重の違いによ
りエッチング溶液と遊離し浮遊する液体及び気体を使用
する場合、ウエーハの被エッチング表面が下方を向く状
態にウエーハチャックで保持し、軽い加圧力を加えなが
ら表面に沿う方向に両者を相対運動させることで凹部が
マスキングされる。

【００１０】エッチングでは、原理的に加工圧力が不要
なことから、ウエーハの被エッチング面が下方を向く状
態に保持する場合でも、従来の加工圧力に比べて格段に
少なく設定することが可能となり、残留応力の発生が押
さえられると同時に加工変質層が生成されないという利
点もある。加えて、このようなケミカルエッチング溶液
は、絶縁膜に対してのエッチング作用がないことから、
オーバーポリッシュの問題は発生しないので、ストッパ
ー膜が不要になるなどの利点もある。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について、
図面を参考に説明する。図１は、本発明の半導体集積回
路の製造工程で行われる半導体素子の絶縁膜上の配線金
属膜を平坦化あるいは除去する第１の方法を説明するた
めの複式的な断面図である。

【００１２】図１に示すように、ウエーハの被エッチン
グ面が上方を向く状態でウエーハチャックに保持され、
平坦化パット表面と金属配線膜表面を僅かな間隙を隔て
て平行におき、その間隙にエッチング溶液よりも比重が
大きく、エッチング溶液に溶解しない、もしくは溶解し
にくい固体微粒子を含むエッチング溶液を流入し、表面
に沿う方向に両者を相対運動させると、比重の重い固体
微粒子が凹部に沈澱し堆積することにより、マスキング
され、凹部のエッチング溶液が少なくなり、エッチング
の進行が抑制される。

【００１３】図２は、本発明の精密平坦化装置の実施例
１で、本実施例１の精密平坦化装置は、ウエーハの被エ
ッチング面が上方を向く状態でウエーハチャックに保持
され、第一の駆動手段によりウエーハテーブルを回転さ
せ、平坦ヘッドの直下に送り込む。平坦化パッドを張り
付けた平坦ヘッドは、図２に示すように、ウエーハの直
径より大きい直径の平坦化パッドを矢印の方向に回転さ
せる第２の駆動手段、エッチング溶液をパッド中心から
供給するための機構及び液体の温度を制御する手段とパ
ッドをウエーハに近づけるためのヘッド上下機構、ウエ
ーハ及びウエーハチャックを矢印の方向に回転させるた
めの第１の駆動手段を有している。

【００１４】上述のウエーハが、この平坦ヘッドの直下
に送り込まれると、ヘッド上下機構により、パッド面が
ウエーハ面に近づき、平坦ヘッドの中心付近から、純水
に１０〜５０％の硝酸と５〜２５％の塩酸を混合して比
重を１.２程度に調整し、それに比重が７．３程度で一
次粒径が０.０２〜０.０８μｍの酸化セリウム粒を加え
たエッチンゲ溶液がウエーハ表面に滴下され、同時に平
坦化パッド及びウエーハがほぼ同じ回転数で回転するこ
とにより、凹部に酸化セリウム粒が沈殿し堆積するの
で、除去すべき凸部のエッチングが選択的に進行し、配
線膜の平坦化あるいは除去が行われる。エッチング溶液
に添加する固体微粒子は、エッチング溶液よりも比重が
大きなものを選択すればよいので、比重が３.０〜３.４
で粒径が５〜１５ｎｍの超微粒ダイヤモンド粒等でもよ
い。また、配線膜の平坦化あるいは除去時、両者の回転
数に影響を与えない範囲で、平坦ヘッドあるいはウエー
ハに揺動動作を加えることも可能である。

【００１５】図３は、本発明の配線金属膜を平坦化ある
いは除去する第２の方法を説明するための複式的な断面
図である。図３に示すように、ウエーハの被エッチング
面が下方を向く状態でウエーハチャックに保持され、平
坦化パット表面と金属配線膜表面を僅かな間隙を隔てて
平行におき、その間隙にエッチング溶液に沈降すること
なく、溶解しないもしくは溶解しにくい固体微粒子を含
むエッチング溶液を流入し、表面に沿う方向に両者を相
対運動させると、比重の軽い固体微粒子が浮遊し凹部に
堆積することにより、マスキングされ、エッチングの進
行が抑制される。

【００１６】図４は、本発明の精密平坦化装置の実施例
２で、本実施例２の精密平坦化装置は、ウエーハの被エ
ッチング面が下方を向く状態でウエーハチャックに保持
され、第一の駆動手段により回転するウエーハチャック
と、前記ウエーハの直径よりも口径の大きな平坦化パッ
ドを回転させる第２の駆動手段を設け、ウエーハ上に形
成された金属配線膜表面、あるいは平坦化パッド表面
に、エッチング溶液を加圧、供給する手段及び液体の温
度を制御する手段と平坦化パッドをウエーハ上に形成さ
れた金属配線膜表面に近づけるための移動手段を備えて
おり、第２の駆動手段で駆動される平坦化パッドの回転
数と、第１の駆動手段で駆動されるウエーハの回転数が
ほぼ等しくなるように設定されている。

【００１７】上述の平坦化パッド表面に、純水に５〜４
０％の過酸化水素と１５〜５０％のアンモニアを混合
し、それに平均粒径が０．０５〜０．１μｍでエッチン
グ溶液に沈降することのないコロイド状微細シリカ粒を
加えたエッチング溶液が滴下され、同時に平坦化パッド
及びウエーハが同じ回転数で回転し、ヘッド上下機構に
より、パッド面がウエーハ面に近づき、更に加圧機構に
より軽い加圧力を加えることで、微細シリカ粒が凹部に
堆積するので、除去すべき凸部のエッチングが選択的に
進行し、配線膜の平坦化あるいは除去が行われる。凹部
を選択的にマスキングする手段として、微細シリカ粒で
はなく、エッチング溶液と遊離し浮遊するエッチング抑
制剤や微小な気泡を使用することも可能である。また、
エッチング溶液は、フィルターを通した後に、成分を調
整し、再循環させて繰り返し利用することも可能であ
る。

【００１８】Damascene processあるいはヽDual Damasc
ene processの場合、銅イオンの拡散防止のためにＴｉ
Ｎなどのバリア膜を使用するが、このバリア膜の一部あ
るいは全てを除去する場合は、ＴｉＮをエッチングでき
る溶液に切り替えて使用すればよい。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、ケミカル作用を主
体としたウエット処理での選択的エッチングにより、凹
部がマスキングされエッチングの進行が抑制されるた
め、除去すべき凸部のエッチングが選択的に進行し、配
線膜の平坦化あるいは除去が行われるので、Damascene
processあるいは、Dual Damascene processの場合、そ
の下地となる絶縁膜が、従来の方法でＣＭＰされてお
り、平坦性が確保されているため、凸部の選択的エッチ
ングがある程度進行すると、金属膜は、ほぼ被平坦化物
の表面全域で平坦となり、以降は、均一なエッチング作
用で金属膜を除去することになる。研磨剤砥粒を使用し
ないので、表面の微小なスクラッチ、配線材料への砥粒
の埋没も発生しない。マスキングのための固体微粒子を
混合する場合、非常に微細な粒径の微粒子を使用するこ
とから、表面の微小なスクラッチ、配線材料への砥粒の
埋没も殆ど発生しない。また、ケミカル作用が主体であ
ることから、従来のＣＭＰのような、研磨後の表面近傍
に加工変質層が形成されることもなく、理想的な平坦
化、あるいは、金属膜の除去が行なえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の金属膜を平坦化する第１の方法を示
す断面図

【図２】 本発明の実施例１の主要部を示す側面図

【図３】 本発明の金属膜を平坦化する第２の方法を示
す断面図

【図４】 本発明の実施例２の主要部を示す側面図

【図５】 配線形成工程を説明するための概略的な工程
図

【図６】 従来例の主要部の側面図

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F033 HH08 HH11 HH18 HH19 HH21 HH32 HH33 HH35 JJ01 JJ08 JJ11 JJ18 JJ19 JJ21 JJ32 JJ33 JJ35 KK01 MM02 MM12 MM13 NN06 NN07 QQ48 QQ50 WW00 XX01 5F043 AA22 BB15 EE05 EE07 EE08 EE23 EE30 EE33 GG02 GG10

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体素子の配線工程で、絶縁膜上の金
   属配線層を平坦化する場合に、被エッチング物と平坦化
   工具表面を僅かな間隙を隔てて平行におき、その間隙に
   固体微粒子を含むエッチング溶液を流人もしくは圧入
   し、同時に被エッチング物と平坦化工具を相対的に移動
   させ、固体微粒子を凹部において滞留させ、そのマスキ
   ング効果を利用して、金属膜を平坦化することを特徴と
   する半導体基板の精密エッチング方法及び平坦化装置。
2. 【請求項２】 被エッチング物表面の凹部を選択的にマ
   スキングする手段として、エッチング溶液に溶解しな
   い、もしくは溶解しにくい、ほぼ球形状の固体微粒子を
   混ぜ、被エッチング物の表面と平坦化工具の隙間を介し
   て流人させ、同時に被エッチング物表面に沿う方向に両
   者を相対運動させて、被エッチング物表面の凹部に固体
   微粒子を沈澱あるいは堆積させることを特徴とする半導
   体基板の精密エッチング方法。
3. 【請求項３】 前記、請求項１及び請求項２のエッチン
   グ溶液は、 （１）超純水と過酸化水素とアンモニアを混合した溶液
   あるいはこれに水酸化カリウムを加えた溶液、 （２）超純水と塩酸及び塩化鉄を主体とする溶液あるい
   はこれにエタノールを加えた溶液、 （３）超純水に塩酸及び硝酸を加えた溶液、 （４）超純水と硝酸及びリン酸からなる溶液あるいはこ
   れに塩酸を加えた溶液、 （５）超純水と硝酸を主体にした溶液あるいはこれに硝
   酸銀または酸化クロムを添加した溶液、 （６）超純水とリン酸を主体とした溶液あるいはこれに
   メタノールまたは酢酸アンモニウムまたはエチレングリ
   コールを添加した溶液、 （７）超純水と硫酸を主体とした溶液あるいはこれにリ
   ン酸または水酸化カリウムまたは水酸化ナトリウムを添
   加した溶液、 （８）超純水と硝酸を主体とした溶液あるいはこれにフ
   ッ酸または氷酢酸を加えた溶液、 （９）超純水と過酸化水素を主体とした溶液あるいはこ
   れに水酸化カリウムまたはフッ酸またはメタノールを加
   えた溶液、 （10）超純水と塩酸から成る溶液またはこれに硝酸また
   はフッ酸または硝酸とフッ酸を加えた溶液で構成され、
   その比重が0.79から2.1の範囲にあり、これら（１）か
   ら（10）のいずれかの溶液に混ぜるほぼ球形状の微粒子
   の平均直径が、１ｎｍ〜０.２μｍで、そのウエット状
   態での比重がエッチング溶液の比重より大きく、前記エ
   ッチング溶液に溶解しない、あるいは溶解しにくい、ま
   たは、溶解するため表面を改質やコーティング等の処理
   をすることにより溶解しにくくした物質であることを特
   徴とする半導体基板の精密エッチング方法。
4. 【請求項４】 前記、請求項３の（１）から（10）のい
   ずれかの溶液に、被エッチング物表面の凹部を選択的に
   マスキングする手段として混ぜる物質が、エッチング溶
   液に沈降することのない固体微粒子、あるいは粘度また
   は比重の違いによりエッチング溶液と遊離し浮遊する液
   体のいずれか、あるいはこれらを組み合わせて使用する
   ことを特徴とする半導体基板の精密エッチング方法。
5. 【請求項５】 前記、請求項３の（１）から（10）の各
   溶液に表面活性剤、エッチング抑制剤、エッチング促進
   剤のいずれか、あるいはこれらを組み合わせてなる溶液
   を使用することを特徴とする半導体基板の精密エッチン
   グ方法。
6. 【請求項６】 前記、請求項１から請求項５のほぼ球形
   状の固体微粒子が、平坦化工具と被エッチング物表面の
   間で固体潤滑剤の役目をしている、あるいは、被エッチ
   ング物表面と平坦化工具表面の間でエッチング溶液が流
   れるようにスペーサーの役目をさせたことを特徴とする
   半導体基板の精密エッチング方法。
7. 【請求項７】 前記、請求項１から請求項２の半導体素
   子の配線材料が、銅、アルミニウム、タングステンある
   いはそれらを含む合金、さらに、バリアーとして使用さ
   れる材料がチタン、窒化チタン、酸化チタン、タンタ
   ル、酸化タンタル、窒化タンタルのいずれか、あるい
   は、それらの組合せで構成されていることを特徴とする
   半導体基板の精密エッチング方法。
8. 【請求項８】 前記、請求項１から請求項７を適用する
   製造プロセスが、Damascene process、あるいはDual Dam
   ascene processであることを特徴とする半導体基板の精
   密エッチング方法及び平坦化装置。
9. 【請求項９】 前記、請求項８を適用する製造プロセス
   が、銅の配線材料を主体としたDamascene process、あ
   るいはDual Damascene processであることを特徴とする
   半導体基板の精密エッチング方法及び平坦化装置。
10. 【請求項１０】 請求項１から請求項６を適用する平坦
    化装置が、エッチング溶液の回収手段、ろ過手段、成分
    分析手段、成分調整手段、溶液の温度管理手段、排液の
    回収手段、排液の処理手段のいずれか、または幾つかの
    組合わせ、あるいは全てを有することを特徴とする半導
    体基板の精密エッチング方法及び平坦化装置。