JP2002511192A

JP2002511192A - 絶緑体、金属及びチタニウムからなる複合物の研磨方法

Info

Publication number: JP2002511192A
Application number: JP55053798A
Authority: JP
Inventors: アナンサアール．セズラマン; リーメルボルンクック; ヘイ−ミンワン; グァンウェイウー
Original assignee: ローデルホールディングスインコーポレイテッド
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1998-05-19
Publication date: 2002-04-09
Also published as: WO1998053488A1; US6001269A

Abstract

(57)【要約】絶縁層（２１）、金属（２４）およびチタニウム（２２）からなる複合物を研磨するための工程である。ここで、複合物は、研磨パッド（２）を備えた研磨機によって、極微研磨粒、ヨウ素酸塩および過酸化物（１０）からなる水性スラリー（９）を使用して研磨される。他の工程においては、チタニウム（２２）又は窒化チタン（２３）の層が研磨されるときだけ、過酸化物（１０）が水性スラリー（９）に添加される。さらに、この発明は、研磨機から流出しているスラリー流に塩基（１１）を添加して、使用するスラリーのｐＨを約７以上にする工程を加えることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】絶縁体、金属及びチタニウムからなる複合物の研磨方法発明の背景発明の技術分野この発明は、基板、特に絶縁体、金属及びチタニウムからなる基板のケミカル −メカニカル研磨の工程に関する。より詳細には、この発明は、シリカ、タングステン及びチタニウムからなる基板の研磨に関する。関連技術の説明金属のケミカル−メカニカル研磨（以下、ＣＭＰ）は、半導体ウェーハの製造において一般的である。ヴァイア（回路）がシリコンウェーハにエッチングされ、ウェーハ表面がその後で金属で被覆されることによりヴァイアが充填される。この表面はその後ＣＭＰで平坦化されて完全に平坦な表面が形成され、ウェーハはその後の加工処理にまわされる。このように形成される回路構造にしばしば選択される金属はタングステンである。図１に示すように、チタニウム２２がシリカ２１の絶縁ベース上に被覆され、絶縁層へのタングステン２４の拡散を防止している。ここで、構造体（ストラクチャー）へのタングステン２４の接着を促進するために窒化チタン２３が使用される。この構造体は、集積回路の製造における次の段階に進む前に、平坦化されて絶縁ベースを露出することが理想的である。ラッテン他(Rutten et al)(「タングステンＣＭＰにおけるパターン密度の効果」1995年６月27-29日のＶＭＩＣ会議、ＩＳＭＩＣ−104/95/0491)は、タングステン、チタニウム及び窒化チタンが使用されている構造体の平坦化のときに生じる問題について記載している。理想的には、チタニウムと窒化チタンの層は、タングステンの除去速度に匹敵する速度で除去されるのがよい。金属層を効果的に除去するためには、金属の表面を酸化させ、その後、酸化物がＣＭＰによって除去される。ヨウ素酸カリウム等のヨウ素酸塩が、タングステンの平坦化に使用する一般的なオキシダントとなってきており、オキシダントとして早くから使用されていた過酸化水素、H₂O₂、に取って変わっている。なぜなら、H₂O₂はタングステン及びチタニウムの双方に対して高い除去速度をもたらすが、ヴァイアのタングステンの中心部分から大きく除去するので、図１ｂに示す凹み（ディッシング）が起こるからである。また、溶着中に金属層に生じた空所が図１ｃに示すように露出し、金属構造中に「キーホール（鍵穴）」を作る。このことは、特に、好ましくない。また、金属及びチタニウム層の平坦化において、絶縁層すなわちシリカの除去速度はできるだけ低い方がよい。しばしば、シリカの除去速度を抑制する合成物が、研磨スラリーに使用される。このような合成物については、ブランカレオニ他(Brancaleoni et al)の米国特許第5,391,248号及び同第5,476,606号に記載されている。発明の概要絶縁層、金属及びチタニウムからなる複合物の研磨工程は、研磨パッドを備えた研磨機に複合物を載置する段階、及び、水、極微（サブミクロン）研磨粒、ヨウ素酸塩並びに過酸化物からなるスラリーを介在させてこの複合物を研磨パッドを使用して研磨する段階からなる。絶縁層、金属及びチタニウムからなる複合物の研磨工程は、研磨パッドを備えた研磨機に複合物を載置する段階、及び、水、極微（サブミクロン）研磨粒、金属の酸化物としてのヨウ素酸塩からなるスラリーを介在させて、この複合物を研磨パッドを使用して研磨する段階からなるものであって、研磨されている複合物の表面にチタニウムが現れたときは、スラリーがさらに約0.5から約10重量％の過酸化水素を含むものである。この発明の他の局面は、上記工程がさらに、研磨機から流出するスラリーの流れに塩基を添加する段階を有していて、研磨工程において使用されるスラリーのｐＨを約７以上にしていることである。この発明の更なる曲面は、上記工程において、スラリーがシリカの除去速度を抑制する化合物を含んでいることである。チタニウムを含む複合物の金属は、タングステン、銅あるいはアルミニウムである。図面の簡単な説明図１ａは、絶縁体に金属、窒化チタン、チタニウムが付された半導体ウェーハヴァイアの断面図である。図１ｂは、凹みが生じている研磨後の図１ａの断面図である。図１ｃは、キーホールが形成されている研磨後の図１ａの断面図である。図２は、この発明の工程を実施するのに使用する装置の概略図である。好ましい実施例の詳細な説明タングステン等の金属を研磨する際にヨウ素酸カリウム（KIO₃）を酸化剤として使用する利益、チタニウムと窒化チタンを研磨する際に過酸化水素（H₂O₂）を酸化剤として使用する利益を奏するために、これら酸化剤の双方を使用する工程が開発された。図２に示す以下の一般的な工程は、シリカ等の絶縁層に、金属、チタニウム、窒化チタン層を付した複合物を研磨するための安全で非常に効果的な方法を提供する。集積回路半導体ウェーハ３の形態とした複合構造体は、研磨パッド２が装着されている図２の概略図に示すようなプラテン１を有する標準的なウェーハ研磨機に載置される。ウェーハキャリヤ−４のウェーハ３は、パッドとウェーハが相互に動く間、研磨パッド２の表面に押し当てられる。研磨スラリーが、手段５によって、研磨パッドヴァイアの表面に注がれる。研磨工程に注がれたスラリーは、この実施例に示されているように、円形回転パッドを横切って流れ、パッドの縁からキャッチベースン（排水マス）６へと流れ出る。キャッチベースンは、使用されたスラリーを保水タンク８へ導く。図１ａに示すように、この発明の工程において除去される層は、まず、タングステン２４、次に窒化チタン２３、そしてチタニウム２２である。最初の段階で、酸化物としてKIO₃をスラリーに使用すると最も都合がよい。研磨機から流出しているスラリーを通してチタニウムが見え始めると、流入してくるスラリー９が研磨パッド上に注入される直前に、そのスラリーにH₂O₂の水溶液１０が添加される。このことによって、容易には酸化しないのでケミカル−メカニカル研磨工程で簡単には除去されないチタニウム又は窒化チタンの層の研磨を速める。研磨工程のこの段階をできるだけ短時間にすることが好ましく、こうすると、研磨工程のこの段階で露出しているタングステンにへこみや「キーホール」ができない。絶縁ベース（シリカ）が露出すると、工程は完了する。全研磨工程において、この発明で使用されるスラリーに過酸化水素を添加することも可能である。例えば、ヨウ素酸塩と過酸化物の両方から成る不変の合成物を含むスラリーを、研磨工程を通して使用することができる。これによって、工程中に合成物を変化させることが不必要になる。この場合、研磨機からの流出物を中和させて、ヨウ素酸塩が排出流の中で容易には酸化しないようにすると都合がよい。チタニウム及び／又は窒化チタンの研磨の際にのみ過酸化水素を添加する場合、研磨工程に入るスラリーにいつ過酸化水素を添加するかを決める方法としては幾つかある。それまでの経験に基づいて、金属層が除去される時間を見積もるという方法が可能である。また、ウェーハの表面を観察する検知器を使用して、チタニウム又はチタニウムイオンの有無を検知することもできる。第三の可能性としては、流出しているスラリーにインジケータ（指示薬）を使用してチタニウムイオンの有無を検知する方法であろう。最後の方法によると、容易に、チタニウム層の研磨の始期と終期を検知することができる。例上述した工程を使用する効果を示すために、ストラウスバー(Strausbaugh)６ＤＳ−ＳＰ研磨機を用いて以下の条件の下に、６インチウェーハを研磨した。プレッシャー８ｐｓｉキャリヤー（速度）５０ｒｐｍプラテン（速度）４０ｒｐｍバックプレッシャー３ｐｓｉ使用パッドＩＣ１４００−Ｋ／ＳｕｂａＴＭ IV パッド（デラウェア州ニューアークのローデルインコーポレイテッド製造）第一の研磨スラリー９は以下の合成物であった。ヨウ素酸カリウム約３重量％フタル酸水素アンモニウム約２．５重量％極微アルミナ約５．０重量％脱イオン水（残量）６インチウェーハは、タングステン、チタニウム又はシリカでコーティングされた。各コーティングの除去速度は、設定時間経過後のコーティングの厚みの変化を測定することで行った。上述の研磨スラリー９およびこれに３０％の過酸化水素を添加して、使用スラリーが過酸化水素を約１．５％及び約３％の含むものとして行った研磨の結果が表１に示されている。これらのデータから、Ti除去速度が、スラリー９に単に過酸化水素を添加することによって、スラリー９を使用したときのＷが除去される速度まで引き上げられた。このような状況にあって、タングステンの除去速度は幾らか高くなるが、タングステンとチタニウムの研磨速度は全体としては１対１に近い。このデータは、流入するスラリーに添加される過酸化水素の量は、過酸化水素を約０．５から１０重量％含むスラリーをつくるものであることを示している。流入するスラリーが約１から５重量％の過酸化水素を含むことことがさらに好ましい。シリカの除去速度は低く保たれるので、シリカに対するタングステンの除去速度の選択度は、２０以上に維持されている。この発明に使用するスラリーは、適宜、シリカの除去速度を抑制する化合物を含むものとすることができる。SiO₂の錯化剤またはキレート化剤として作用し、それ故にシリカの除去速度を抑制することになる化合物が、米国特許第5,391,258号及び同第5,476,606号に記載されている。これらの化合物は、シリカを錯化させ得る少なくとも二つの酸基をその構造内に有していることが必要である。酸の種類は、ここでは、分離可能陽子を有する官能基であると定義される。例えば、カルボキシル基、水酸基、スルフォン基、ホスホン基があるが、これらに限定されるものではない。カルボキシル基および水酸基は、最も多様な効果的な種類に存在するので好ましい。特に効果的なのは、水酸基をアルファ位にもつ二つ以上のカルボキシル基を有する構造である。例えば、直鎖状モノ及びジカルボン酸と塩であり、リンゴ酸とリンゴ酸塩、酒石酸と酒石酸塩およびグルコン酸グルコン酸塩等である。また、クエン酸とクエン酸塩等の、トリ及びポリカルボン酸とカルボキシル基に対してアルファ位に第二又は第三水酸基を有する塩も効果的である。またベンゼン環を有する化合物、例えば、オルトジ-及びポリ-ヒドロキシ安息香酸と酸性塩、フタル酸と酸性塩、ピロカテコール、ピロガロール、没食子酸と没食子酸塩及びタンニン酸とタンニン酸塩等が効果的である。一般に、これらの錯化剤は、ＣＭＰ用のスラリーに約２から約７重量％使用される。このような化合物の例としては、フタル酸水素カリウムとフタル酸水素アンモニウムがある。ヨウ素酸塩が過酸化水素と反応して下記の反応が起こることが知られている。２ＩＯ₃ ^-＋２Ｈ⁺＋５Ｈ₂Ｏ₂＜＝＞Ｉ₂＋６Ｈ₂Ｏ＋５Ｏ₂ この反応は酸性環境においては急速に進むが、アルカリ性あるいは中性の環境においては非常に緩やかに進むことが判った。さらに、シリカの除去速度を抑制する化合物等の有機酸は、この反応を促進することが観察された。従って、研磨工程からのスラリー排出流においてこの反応を抑制するためには、図２が示すように、塩基１１を排出スラリー８に添加して、ヨウ素酸塩からヨウ素への還元が殆どあるいは全く起こらない中性あるいアルカリ性の状態にスラリーを維持することが好ましい。水酸化物等のどんな塩基も、この発明の研磨工程からでる排出スラリー流を中和させるために使用することができる。水酸化カリウムや水酸化ナトリウム等の水酸化物が使用することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/306 Ｈ０１Ｌ 21/306 Ｍ (72)発明者クックリーメルボルンアメリカ合衆国ペンシルヴェニア州 19310 スティールヴィルブライソンロード 20 (72)発明者ワンヘイ−ミンアメリカ合衆国デラウェア州 19707 ホクシンフォレストクリークドライヴ 29 (72)発明者ウーグァンウェイアメリカ合衆国デラウェア州 19808 ウィルミングトンクロスフォークドライヴ 2909 アパートメント１Ａ

Claims

【特許請求の範囲】１．絶縁層、金属、チタニウムからなる複合物を研磨する工程であって、（a ）前記複合物を研磨パッドを備えた研磨機に載置する段階と、（b）水、極微研磨粒、ヨウ素酸塩及び過酸化物からなるスラリーを用いて、前記複合物を研磨パッドで研磨する段階とからなる工程。２．絶縁層、金属、チタニウムからなる複合物を研磨する工程であって、（a ）前記複合物を研磨パッドを備えた研磨機に載置する段階と、（b）水、極微研磨粒、金属の酸化剤としてのヨウ素酸塩からなるスラリーを用いて、前記複合物を研磨パッドで研磨する段階とから成り、研磨されている複合物の表面にチタニウムが現れたときには、前記スラリーがさらに約０．５から約１０重量％の過酸化水素を含むことを特徴とする工程。３．さらに、（c）塩基を研磨機から流出するスラリーの流れに添加して使用されるスラリーのｐＨを７以上にすること特徴とする請求項１記載の工程。４．さらに、（c）塩基を研磨機から流出するスラリーの流れに添加して使用されるスラリーのｐＨを７以上にすること特徴とする請求項２記載の工程。５．前記スラリーがさらに、シリカの除去速度を抑制する化合物を含むことを特徴とする請求項１記載の工程。６．前記スラリーがさらに、シリカの除去速度を抑制する化合物を含むことを特徴とする請求項２記載の工程。７．前記スラリーがさらに、シリカの除去速度を抑制する化合物を含むことを特徴とする請求項３記載の工程。８．前記スラリーがさらに、シリカの除去速度を抑制する化合物を含むことを特徴とする請求項４記載の工程。９．前記金属がタングステンであることを特徴とする請求項１記載の工程。１０．前記金属がタングステンであることを特徴とする請求項２記載の工程。１１．前記金属がタングステンであることを特徴とする請求項３記載の工程。１２．前記金属がタングステンであることを特徴とする請求項４記載の工程。１３．前記金属がアルミニウムであることを特徴とする請求項１記載の工程。１４．前記金属がアルミニウムであることを特徴とする請求項２記載の工程。１５．前記金属がアルミニウムであることを特徴とする請求項３記載の工程。１６．前記金属がアルミニウムであることを特徴とする請求項４記載の工程。１７．前記金属が銅であることを特徴とする請求項１記載の工程。１８．前記金属が銅であることを特徴とする請求項２記載の工程。１９．前記金属が銅であることを特徴とする請求項３記載の工程。２０．前記金属が銅であることを特徴とする請求項４記載の工程。