JP2002208574A - 化学的機械研磨方法及び研磨剤 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 貴金属の化学的機械研磨を実現し、貴金属配
線をダマシン法で形成する。 【解決手段】 化学的機械研磨方法において、研磨スラ
リーに過酸化水素水を含む研磨材を用いる。シリコン酸
化膜１２と、ＰＢＯ膜１４と、チタン層、金層の順に成
膜して形成されたシード層１５と、金メッキにより形成
された突起部１８とがこの順番に形成されたシリコン基
板１１に、平均粒径０．３μｍのα−アルミナを分散質
とし、懸垂剤と純水を分散媒としたスラリーに体積比
１：１の割合で市販の電子工業用過酸化水素水（公称濃
度３５％）を加えて製造した研磨剤と、市販の研磨パッ
ドとを用いて化学的機械研磨を行い、金メッキにより形
成された突起部１８と、ＰＢＯ膜１４上のシード層１５
を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学的機械研磨方
法（chemical mechanical polishing,ＣＭＰ）に関し、
特に、耐薬品性の強い貴金属である金若しくは白金族金
属又はこれらの合金からなる部分を有する部材の化学的
機械研磨方法及びこれに用いる研磨剤に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、エレクトロニクス分野における
ＭＭＩＣ（Microwave Monolithic IC）などの高速デバ
イスに形成する伝送線には、抵抗が低いこと、表皮効果
による伝送損失を低減するため表面の酸化による抵抗増
大のないこと、および電界を配線間に閉じこめるために
高さの高い配線であることが要求される。従来、ＭＭＩ
Ｃなどの配線には金が用いられており、これら要求のう
ち、前二者の要求に対しては、金を材料とすること自体
により解決される。

【０００３】従来、金配線の形成には電解メッキ法が用
いられている。電解メッキは、メッキしようとする部分
に導電性のシード層を必要とするため、例えば図５に示
すようにシード層上に金配線が形成される。図５に示す
構成の金配線３７は、表面にシリコン酸化膜３２を有す
るシリコン基板３１の全面にシード層３５を形成し、フ
ォトレジスト３６でパタンニングした後、金メッキを行
って形成している。しかしながら、この方法は、下地全
面にシード層が形成されているので、必ず不要なシード
層を除去するための工程が必要となる欠点がある。

【０００４】上述した方法の欠点を解決する方法とし
て、図６に示すリフトオフ法を用いた方法がある。図６
に示す方法では、図６（ａ）に示すように、表面にシリ
コン酸化膜４２を有するシリコン基板４１にフォトレジ
スト４６でパタンニングし、シード層４５を形成した
後、金メッキを行って金膜４７を形成する。次に図６
（ｂ）に示すように、リフトオフ法によりフォトレジス
ト４６とともに不要な金膜４７を剥離して金配線４８を
形成する。

【０００５】しかしながら、背の高い配線は、厚膜プロ
セスを要求するため、厚さが１０μｍ以上の膜の剥離が
困難なリフトオフ法では不可能である。そこで期待され
ているのがＬＳＩ分野において開発されたダマシン法で
ある。ダマシン法は、ビア（コンタクト）ホールや配線
の溝に成膜による埋め込みを行い、研磨により余分な堆
積部分を除去することにより、ホールの埋め込み配線を
行う技術である。ＣＭＰは、ダマシン工程において必須
のプロセスとして、銅薄膜などＬＳＩ配線材料の平坦化
のために開発された技術であり、デバイスの多層構造化
に伴う凹凸面を化学研磨剤、パッドなどを使用し、機械
的に削って平坦化する方法である。

【０００６】従来、ＣＭＰでは銅を研磨するために、コ
ロイダルシリカやアルミナの研磨砥粒を分散質とし、懸
垂剤と純水を基本とする分散媒に硝酸鉄溶液を添加した
懸濁液を研磨スラリーとして用いている。もちろん、上
述のような添加剤を加えなくとも研磨は可能であるが、
ＣＭＰの要諦はこの添加剤によって研磨速度を著しく増
大できることにある。その理由は、添加剤で研磨表面を
化学的に改質し、研磨砥粒によって機械的に研磨しやす
い表面を形成できるからであるとされている。ＬＳＩ分
野では、近年の微細化の進展によって研磨すべき膜厚が
最大でも１μｍ程度であることや、銅が化学的に酸化な
どの表面改質を受けやすいことも手伝って、実用的なＣ
ＭＰ技術が開発され導入されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、金は、
厚い膜を作ることは銅同様、メッキによって可能である
ものの、研磨が極めて難しい材料である。すなわち、金
は耐薬品性が強く、容易に表面改質を受けないため、従
来の研磨剤を用いたＣＭＰでは研磨の際に化学的作用に
よる研磨速度の増速を期待できず、そのために上述のＣ
ＭＰを含むダマシン工程を採用することができなかっ
た。また、エレクトロニクス分野において用いられる、
金同様に耐薬品性の強い貴金属である白金族金属、又は
金若しくは白金族金属の合金についても従来の研磨剤を
用いたＣＭＰでは研磨の際に化学的作用による研磨速度
の増速を期待できなかった。

【０００８】本発明は、耐薬品性の強い貴金属である金
若しくは白金族金属又はこれらの合金からなる部分を有
する部材の化学的機械研磨方法及びこれに用いる研磨剤
を提供することを目的とする。また、金のＣＭＰの際に
金の研磨速度の増速を達成し、ひいては金配線形成にお
いてもダマシン工程を可能ならしめることを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、被研磨面に金
若しくは白金族金属又はこれらの合金からなる部分を有
する部材の化学的機械研磨方法であって、上述した課題
を解決するために、少なくとも酸化剤を含む研磨スラリ
ーを用いることによって特徴づけられる。本発明の化学
的機械研磨方法による研磨の一例は、被研磨面が金であ
る部材を対象とする。また、研磨スラリーに添加する酸
化剤の一構成例は、過酸化水素水である。また、本発明
の研磨剤は、化学的機械研磨に用いる研磨剤であって、
研磨スラリーに過酸化水素水を含むことによって特徴づ
けられる。この場合、研磨スラリーの過酸化水素水混合
比率は、２０％以上６５％以下とすることが望ましく、
最も望ましい混合比率は５０％である。

【００１０】金は、過酸化水素水ではバルクとして酸化
を受けることはないが、研磨スラリーに過酸化水素水を
加えてＣＭＰを行うことにより、表面層のみの酸化改質
と、研磨砥粒による機械的研削との複合作用によって、
過酸化水素水を加えない場合に比較して研磨速度の増速
ができる。このため、実用的に金のＣＭＰを行うことが
可能となり、高速デバイスの金配線においても、ダマシ
ン工程を採用することが可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に図を用いて発明の実施の形
態を説明する。図１は、本発明の化学的機械研磨方法に
かかる第１の実施の形態の工程を示す説明図であり、こ
の実施の形態は、基板上に所望の金配線を形成する過程
で形成される不要なシード層とこのシード層上の金突起
を本発明の化学的機械研磨方法で除去するものである。
まず、図１（ａ）に示すように、表面にシリコン酸化膜
１２を有するシリコン基板１１上に感光性ポリベンゾオ
キサゾール（以後、ＰＢＯと記す）を塗布し、フォトリ
ソグラフィーによりパタンニングを行った後、３００℃
に加熱して３０分保つハードベークを行うことにより、
一部のＰＢＯが取り除かれてシリコン酸化膜１２が露出
した配線構造形成部１３を有するＰＢＯ膜１４を形成す
る。

【００１２】次に、図１（ｂ）に示すように、ＰＢＯ膜
１４が形成されたシリコン基板１１上にシード層１５を
形成する。シード層１５は、膜厚１０ｎｍのチタン（Ｔ
ｉ）層と、膜厚１００ｎｍの金（Ａｕ）層からなり、蒸
着法を用いてチタン層、金層の順に成膜して形成する。
次に、図１（ｃ）に示すように、シード層１５上にフォ
トレジスト１６を塗布し、フォトリソグラフィーにより
パタンニングを行って配線構造形成部１３からフォトレ
ジスト１６を取り除き、シード層１５を露出させる。

【００１３】次に、図１（ｄ）に示すように、上記処理
を行ったシリコン基板１１を６５℃に保った亜硫酸金ナ
トリウム溶液中に漬けて金メッキを行った後、フォトレ
ジスト１６を除去し、金配線１７を形成する。この際、
ＰＢＯ膜１４上のフォトレジスト１６に覆われていなか
ったシード層１５上にも金メッキによる突起部１８が形
成される。ここで、金メッキする領域をフォトレジスト
１６によって制限したのは、後のＣＭＰの際に研磨する
面積を小さくし、研磨面に加わる圧力を増大させて機械
的な研磨速度を増大させるためである。もちろん、この
ような制限をすることなしに金のＣＭＰを行ってもよ
い。

【００１４】次に、図１（ｅ）に示すように、平均粒径
０．３μｍのα−アルミナを分散質とし、懸垂剤と純水
を分散媒としたスラリーに体積比１：１の割合で市販の
電子工業用過酸化水素水（公称濃度３５％）を加えて製
造した研磨剤と、ＲＯＤＥＬ社製１４００型パッドとを
用いてＣＭＰを行い、金メッキにより形成された突起部
１８と、ＰＢＯ膜１４上のシード層１５を除去する。次
に、図１（ｆ）に示すように、灰化処理を行ってＰＢＯ
膜１４を除去し、金配線１７を露出させる。このように
して所望のパターンの金配線１７が作製される。なお、
ＰＢＯ膜１４は、高速デバイスに適した低誘電率層間膜
となりうるので、灰化処理をせずに図１（ｅ）に示す構
成のままにしてもよい。

【００１５】この実施の形態の要諦は、本発明の化学的
機械研磨方法を用いて図１（ｅ）に示す構造を製造する
ことにあり、ここで示した以外の方法や材料を用いても
よいことは言うまでもない。例えば、メッキではなく蒸
着で金を成膜してもよいし、配線構造形成部１３以外を
覆う膜をＰＢＯ以外の感光性膜で形成してもよい。

【００１６】次に、この実施の形態にかかる研磨剤の増
速効果について図２を参照して説明する。図２は、この
実施の形態にかかる研磨剤の増速効果を示すグラフであ
り、金の研磨量の時間依存性を測定しグラフ化したもの
である。同図において、縦軸は金の研磨量を示し単位は
μｍであり、横軸は研磨時間を示し単位は分である。ま
た、ａは平均粒径０．３μｍのα−アルミナを分散質と
し、懸垂剤と純水を分散媒としたスラリーを研磨剤に用
いたときの測定結果を示し、ｂはａのスラリーに体積比
１：１の割合で市販の電子工業用過酸化水素水（公称濃
度３５％）を加えて製造した研磨剤を用いたときの測定
結果を示す。この図のａとｂを比較すると、スラリーに
過酸化水素水を加えることにより、研磨速度が３倍程度
増速していることが分かる。

【００１７】次に、第２の実施の形態について説明す
る。この実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、
第１の実施の形態では純水を基本とする分散媒を持つス
ラリーを用いたが、この実施の形態ではスラリーに一般
的なＣＭＰで多用されている市販のＲＯＤＥＬ社製ＭＳ
Ｗ２０００を用いたことである。スラリーとしてＲＯＤ
ＥＬ社製ＭＳＷ２０００を用いた場合も、過酸化水素水
を加えることにより第１の実施の形態と同様の研磨速度
の増速効果が得られる。

【００１８】図３は、ＲＯＤＥＬ社製のＭＳＷ２０００
と過酸化水素水の混合比率と金の研磨速度の関係を示す
グラフであり、直径１５０ｍｍのシリコンウェハの全面
にメッキされた金の研磨をＭＳＷ２０００と過酸化水素
水の混合比率を変えて行った結果を示す。同図におい
て、縦軸は金の研磨速度を示し単位はｎｍ／ｍｉｎであ
り、横軸は過酸化水素水混合比率を示し単位は％であ
る。ここで、過酸化水素水混合比率は、ＭＳＷ２０００
と過酸化水素水の体積の和を１００％としたときの過酸
化水素水の体積の割合をパーセントで示したものであ
る。

【００１９】図３からわかるように、過酸化水素水の混
合比率に対して研磨速度は明瞭な依存性を示し、過酸化
水素水の添加による研磨速度の増速現象が見られる。こ
の場合、研磨速度に対する過酸化水素水の混合比率には
最適値があり、過酸化水素水の混合比率を高めるにした
がい研磨速度は増速するが、混合比率が最適値を超える
と次第に研磨速度は減速する。ここでは、ＲＯＤＥＬ社
製のＭＳＷ２０００をスラリーとし体積比１：１の割合
で市販の電子工業用過酸化水素水（公称濃度３５％）を
加えて製造した研磨剤（図３で過酸化水素水の混合比率
が５０％のもの）が最も高い研磨速度を示した。すなわ
ち、図３によれば、過酸化水素水の混合比率は、２０％
以上６５％以下とすることが望ましく、最も望ましい混
合比率は５０％である。

【００２０】このような研磨速度の増速が化学的に安定
な金のＣＭＰで起こる理由は必ずしも明らかではない
が、金の清浄表面の実験で酸素が原子層レベルの化学吸
着をすることが知られており、この実施の形態において
も研磨中に表面最表層が酸化改質され、不安定な表面と
なることが研磨速度増大の要因であると推察される。

【００２１】図４は、この推察を支持する実験データで
ある。図４において、（ａ）はメッキ直後の、すなわち
ＣＭＰ前の金の表面のＸ線光電子分光（X-ray Photoele
ctron Spectroscopy、以後ＸＰＳと記す）によるＡｕ４
ｆ領域のスペクトルであり、（ｂ）はＲＯＤＥＬ社製Ｍ
ＳＷ２０００をスラリーに用いた研磨途中における砥粒
表面のＸＰＳによるＡｕ４ｆ領域のスペクトルであり、
（ｃ）はＲＯＤＥＬ社製ＭＳＷ２０００と前述の過酸化
水素水を体積比１：１の割合で混合したスラリーを用い
た研磨途中における砥粒表面のＸＰＳによるＡｕ４ｆ領
域のスペクトルである。ここで、図４の（ｂ）と（ｃ）
のＸＰＳスペクトルの測定に用いた砥粒は、いずれも研
磨途中の研磨液を一部取り出して濾過し、乾燥して得た
ものである。

【００２２】まず、図４の（ｂ）と（ｃ）のＸＰＳスペ
クトルを比較すると、（ｂ）では金の吸着はほとんど認
められないが、（ｃ）では明らかに金の吸着が認められ
る。すなわち、研磨速度の極大を示す混合比率の過酸化
水素水を添加した研磨液を用いたＣＭＰでは、過酸化水
素水を添加しないときに比べて砥粒に吸着する金の量が
明らかに多い。この結果は、過酸化水素水添加により金
の研磨速度が増速される事実を支持するものである。さ
らに、（ａ）と（ｃ）のＸＰＳスペクトルを比較する
と、（ｃ）の方がピークの半値幅が大きく、かつピーク
が高結合エネルギー側にシフトしている。これは、砥粒
表面の金がいくつかの化合物を形成し、かつ酸化状態で
研磨されていることを示しており、上述の推察を支持す
る実験結果である。

【００２３】この実施の形態では、金を研磨対象とした
が、同様に化学的に酸化されにくい白金（Ｐｔ）やイリ
ジウム（Ｉｒ）などの白金族元素でも、酸素の原子レベ
ル化学吸着は可能であり、これら白金族元素や金若しく
は白金族元素の合金においても研磨剤への過酸化水素水
の添加によりＣＭＰにおける研磨速度が増速すること
は、当業者であれば容易に推察可能である。また、酸化
剤として、過マンガン酸カリウム溶液、過塩素酸カリウ
ム溶液などのいわゆるペルオキシドの溶液を用いてもよ
く、さらに、実際に金をエッチングできる王水やハロゲ
ン系の薬剤、例えばヨウ素−ヨウ化カリウム溶液や臭素
液を用いてもよいことは言うまでもない。なお、金をエ
ッチングする薬剤を添加する場合は、過度のエッチング
を防止するために添加薬剤の濃度を十分希薄に制御すべ
きことは言うまでもない。

【００２４】以上説明したように、金若しくは白金族元
素又はこれらの合金のＣＭＰにおいて、研磨スラリーと
して過酸化水素などの酸化剤を含む研磨剤を用いると、
研磨速度が増速され、リフトオフ法の不可能な１０μｍ
以上の膜厚でも実用可能な研磨速度が得られる。よっ
て、この実施の形態にかかるＣＭＰによれば、この実施
の形態で説明した金の研磨に限らず、従来のＣＭＰでは
研磨速度が遅く実用化できなかった白金族金属、又は金
若しくは白金族金属の合金の研磨が可能である。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の化学的機
械研磨方法によれば、被研磨面に金若しくは白金族金属
又はこれらの合金からなる部分を有する部材の化学的機
械研磨において、研磨スラリーとして過酸化水素などの
酸化剤を含む研磨剤を用いることにより研磨速度が増速
されるので、従来のＣＭＰでは研磨速度が遅く実用化で
きなかったリフトオフ法の不可能な１０μｍ以上の膜厚
でも実用可能な研磨速度が得られる。これにより、金の
ＣＭＰを含むダマシン工程が可能となるので、厚膜の金
配線が形成でき、低損失の伝送線や配線を用いた高速デ
バイスを作製することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の化学的機械研磨方法にかかる第１の
実施の形態の工程を示す説明図である。

【図２】 本発明の第１の実施の形態にかかる研磨剤の
増速効果を示すグラフである。

【図３】 本発明の第２の実施の形態にかかるＲＯＤＥ
Ｌ社製のＭＳＷ２０００スラリーと過酸化水素水の混合
比率と金の研磨速度の関係を示すグラフである。

【図４】 本発明の第２の実施の形態にかかる研磨前の
金表面および研磨中の砥粒表面のＸ線光電子分光スペク
トルを示す図である。

【図５】 下地全面にシード層を形成後、金メッキを行
って金配線を形成する従来方法の工程を示す説明図であ
る。

【図６】 リフトオフ法を用いて金配線を形成する従来
方法の工程を示す説明図である。

【符号の説明】

１１、３１，４１…シリコン基板、１２，３２，４２…
シリコン酸化膜、１３…配線構造形成部、１４…ＰＢＯ
膜、１５，３５，４５…シード層、１６，３６，４６…
フォトレジスト、１７，３７，４８…金配線、１８…突
起部、４７…金膜。

フロントページの続き (72)発明者 美濃谷 直志 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 ヤコヴ ロイター 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 町田 克之 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 久良木 億 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 3C058 AA07 CB03 DA02 DA12 DA17 5F033 HH07 HH13 HH18 MM01 MM05 MM12 MM13 PP19 PP27 QQ48 QQ50 RR04 XX01

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被研磨面に金若しくは白金族金属又はこ
   れらの合金からなる部分を有する部材の化学的機械研磨
   方法であって、 少なくとも酸化剤を含む研磨スラリーを用いることを特
   徴とする化学的機械研磨方法。
2. 【請求項２】 前記被研磨面が金であることを特徴とす
   る請求項１記載の化学的機械研磨方法。
3. 【請求項３】 前記酸化剤が過酸化水素水であることを
   特徴とする請求項１又は２記載の化学的機械研磨方法。
4. 【請求項４】 化学的機械研磨に用いる研磨剤であっ
   て、 研磨スラリーに過酸化水素水を含むことを特徴とする研
   磨剤。