JP2003100679A

JP2003100679A - 研磨用組成物

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Publication number: JP2003100679A
Application number: JP2001292759A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Takeda; 敏郎竹田; Toshihiko Ogawa; 俊彦小川; Michio Kimura; 道生木村
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2003-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】銅膜およびタンタル化合物を有する半導体デ
バイスを研磨すると、銅とタンタル化合物の研磨選択比
が充分でなかったり、銅に対する選択比を高めると配線
溝や孔の銅膜が削られ過ぎたり、銅膜表面の平滑性が損
なわれる等の問題があり、これらの問題点を改善した研
磨用組成物を提供する。【解決手段】（Ａ）研磨材、（Ｂ）ベンゾトリアゾー
ル、（Ｃ）酒石酸、（Ｄ）過酸化水素（Ｅ）ポリビニル
アルコール及び（Ｆ）水からなり、研磨材が、平均粒径
５〜１００ｎｍの範囲にある有機高分子化合物からな
り、研磨材の研磨用組成物中の濃度が５〜３０重量％で
あり、ベンゾトリアゾールの研磨用組成物中の濃度が
０．０１〜３重量％でる研磨用組成物である。

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、各種メモ
リーハードディスク用基板等の研磨に使用される研磨用
組成物に関し、特に半導体のデバイスウエハーの表面平
坦化加工に好適に用いられる研磨用組成物に関するもの
である。【０００２】【従来の技術】エレクトロニクス業界の最近の著しい発
展により、トランジスター、IC、LSI、超LSIと進化して
きており、これら半導体素子に於ける回路の集積度が急
激に増大するに伴って半導体デバイスのデザインルール
は年々微細化が進み、デバイス製造プロセスでの焦点深
度は浅くなり、パターン形成面の平坦性はますます厳し
くなってきている。【０００３】一方で配線の微細化による配線抵抗の増大
をカバーするために、配線材料としてアルミニウムやタ
ングステンからより電気抵抗の小さな銅配線が検討され
てきている。しかしながら銅を配線層や配線間の相互接
続に用いる場合には、絶縁膜上に配線溝や孔を形成した
後、スパッタリングやメッキによって銅膜を形成して不
要な部分を化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）によって絶縁
膜上の不要な銅を取り除く必要がある。【０００４】かかるプロセスでは銅が絶縁膜中に拡散し
てデバイス特性を低下させるので、通常は銅の拡散防止
のために絶縁膜上にバリア層としてタンタルやタンタル
ナイトライドの層を設けることが一般的になっている。【０００５】このようにして最上層に銅膜を形成させた
デバイスの平坦化ＣＭＰプロセスにおいては、初めに不
要な部分の銅膜を絶縁層上に形成されたタンタル化合物
の表面層まで研磨し、次のステップでは絶縁膜上のタン
タル化合物の層を研磨しＳｉＯ₂面が出たところで研磨
が終了していなければならない。このようなプロセスを
図１に示したが、かかるプロセスにおけるＣＭＰ研磨で
は銅、タンタル化合物、ＳｉＯ₂などの異種材料に対し
て研磨レートに選択性があることが必要である。【０００６】即ちステップ１では銅に対する研磨レート
が高く、タンタル化合物に対してはほとんど研磨能力が
ない程度の選択性が必要である。さらにステップ２では
タンタル化合物に対する研磨レートは大きいがＳｉＯ₂
に対する研磨レートが小さいほどＳｉＯ₂の削りすぎを
防止できるので好ましい。【０００７】このプロセスを理想的には一つの研磨材で
研磨できることが望まれるが、異種材料に対する研磨レ
ートの選択比をプロセスの途中で変化させることはでき
ないのでプロセスを２ステップに分けて異なる選択性を
有する２つのスラリーでそれぞれのＣＭＰ工程を実施す
る。通常溝や孔の銅膜の削りすぎ（ディッシング、リセ
ス、エロージョン）を防ぐためにステップ１ではタンタ
ル化合物上の銅膜は少し残した状態で研磨を終了させ
る。ついでステップ２ではＳｉＯ₂層をストッパーとし
て残ったわずかな銅とタンタル化合物を研磨除去する。【０００８】ステップ１に用いられる研磨用組成物に対
しては、ステップ２で修正できないような表面上の欠陥
（スクラッチ）を発生させることなく銅膜に対してのみ
大きい研磨レートを有することが必要である。【０００９】このような銅膜用の研磨用組成物として
は、特開平７−２３３４８５号公報に示されているが、
アミノ酢酸およびアミド硫酸から選ばれる少なくとも１
種類の有機酸と酸化剤と水とを含有する研磨用組成物で
ある。銅に対して比較的大きな研磨レートが得られてい
るが、これは酸化剤によってイオン化された銅が上記の
有機酸とキレートを形成して機械的に研磨されやすくな
ったためと推定できる。【００１０】しかしながら前記研磨用組成物を用いて、
銅膜およびタンタル化合物を有する半導体デバイスを研
磨すると、銅とタンタル化合物の研磨選択比が充分でな
かったり、銅に対する選択比を高めると配線溝や孔の銅
膜が削られ過ぎたり、銅膜表面の平滑性が損なわれる等
の問題があった。【００１１】【発明が解決しようとする課題】本発明は、銅膜とタン
タル化合物を有する半導体デバイスのＣＭＰ加工プロセ
スにおいて、銅の研磨レートは大きいがタンタル化合物
の研磨レートが小さいという選択性の高い研磨用組成物
を提供することにあり、更に銅膜表面の平滑性にも優れ
たＣＭＰ加工用の研磨用組成物である。【００１２】【課題を解決するための手段】（Ａ）研磨材、（Ｂ）ベ
ンゾトリアゾール、（Ｃ）酒石酸、（Ｄ）過酸化水素
（Ｅ）ポリビニルアルコール及び（Ｆ）水からなり、研
磨材が、平均粒径５〜１００ｎｍの範囲にある有機高分
子化合物からなり、研磨材の研磨用組成物中の濃度が５
〜３０重量％であり、ベンゾトリアゾールの研磨用組成
物中の濃度が０．０１〜３重量％であり、酒石酸の研磨
組成物中の濃度が０．０５〜５重量％であり、過酸化水
素の研磨用組成物中の濃度が０．０３〜５重量％であ
り、ポリビニルアルコールの研磨組成物中の濃度が０．
０１〜５重量％である研磨用組成物である。【００１３】【発明の実施の形態】本発明はかかる上記の問題点を解
決するために種々検討した結果、特定の研磨材、化合
物、酸化剤および水を含有する研磨用組成物を用いるこ
とにより、銅膜に対する研磨レートが大きく、タンタル
化合物に対する研磨レートが小さい、高い選択性を得る
ことができ銅膜表面の平滑性にも優れた結果が得られる
ことを見いだし、発明を完成するに至ったものである。【００１４】本発明に用いられる研磨材は、有機高分子
化合物であり、有機高分子で有れば特に限定されない
が、例えば、ビニルモノマーの乳化重合などによって得
られる有機高分子化合物の微粒子やポリエステル、ポリ
アミド、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾールなど重縮
合によって得られる有機高分子の微粒子やフェノール樹
脂、メラミン樹脂などの付加縮合によって得られる有機
高分子の微粒子をあげることができ、単独或いは任意に
組み合わせて用いることができる。好ましくは比較的安
価で粒径の揃った極性の低いビニル系高分子である。そ
の有機高分子化合物は微粒子形状で用いられ、その平均
粒径は５〜１００ｎｍの範囲にある有機高分子化合物か
らなるものである。【００１５】また、これらの研磨材は被研磨物表面に研
磨材起因のスクラッチの発生を防止したり、保存中に沈
殿して組成変化することがないよう粒子径が比較的そろ
い径の小さなものが好ましい。【００１６】研磨材の一次粒子平均径は走査型電子顕微
鏡によって観察することができるが、平均粒径５ｎｍ〜
１００ｎｍの範囲にあることが好ましい。５ｎｍより小
さいと研磨レートが大きくなりにくいので好ましくな
く、１００ｎｍを越えると被研磨物表面にスクラッチを
発生しやすくなったり、タンタル化合物の研磨レートを
押さえることが難しくなるので好ましくない。また特性
を損なわない程度でコロイダルシリカ等の無機微粒子を
研磨剤として併用することももちろん可能である。【００１７】研磨材の研磨用組成物中の濃度は５〜３０
重量％であることが望ましい。研磨材の濃度が５重量％
未満であると機械的な研磨能力が減少し研磨レートが低
下するので好ましくなく、３０重量％を越えると機械的
研磨能力が増大してタンタル化合物の研磨レートをおさ
えることができなくなり、選択性が低下するので好まし
くない。【００１８】本発明の研磨用組成物はベンゾトリアゾー
ルを含有する。研磨用組成物中の濃度は０．０１〜３重
量％であることが望ましい。ベンゾトリアゾールの量が
０．０１重量％未満であると銅膜の研磨レートが大きく
なって研磨面の制御が難しくなったり、過研磨になりや
すいので好ましくなく、３重量％を越えると銅膜の研磨
レートが小さくなって好ましくない。【００１９】本発明の研磨用組成物は酒石酸が含まれ
る。本発明における酒石酸は銅とのキレートを形成し、
銅の研磨速度を制御しやすくなるので好ましい。酒石酸
の添加量については研磨組成物中、０．０５〜５重量％
の範囲で使用する。０．０５重量％未満ではキレート形
成効果が不十分であり、５重量％を越えると研磨速度が
制御できなくなり過研磨になるので好ましくない。【００２０】本発明の研磨用組成物は過酸化水素を含有
する。本発明における研磨用組成物において過酸化水素
は酸化剤として作用しているものである。過酸化水素は
銅膜に対して酸化作用を発揮し、イオン化を促進するこ
とによって銅膜の研磨レートを高める働きがあるが、研
磨用組成物中の濃度は０．０３〜５重量％であることが
望ましい。この範囲の濃度から高くなっても低くなり過
ぎても銅膜の研磨レートが低下するので好ましくない。【００２１】本発明の研磨用組成物の媒体は水であり、
イオン性不純物や金属イオンを極力減らしたものである
ことが望ましい。研磨用組成物中の水の量は、８０〜９
４重量％である。８０重量％未満であるとスラリー粘度
が高くなり作業性が低下したり、研磨時に発熱したりす
るので好ましくなく、９４重量％を超えると研磨速度が
低下したり、研磨選択性が低下するので好ましくない。【００２２】本発明の研磨用組成物は、前述の各成分で
ある研磨材、ベンゾトリアゾール、酒石酸、ポリビニル
アルコール等を水に混合、溶解、分散させて製造する。
過酸化水素は研磨直前に前述の各成分を混合した混合液
に添加、混合して使用する方が好ましい。混合方法は任
意の装置で行うことができる。例えば、翼式回転攪拌
機、超音波分散機、ビーズミル分散機、ニーダー、ボー
ルミルなどが適用可能である。【００２３】また上記成分以外に種々の研磨助剤を配合
してもよい。このような研磨助剤の例としては、分散助
剤、防錆剤、消泡剤、ｐＨ調整剤、防かび剤等が挙げら
れるが、これらはスラリーの分散貯蔵安定性、研磨速度
の向上の目的で加えられる。分散助剤としてはヘキサメ
タリン酸ソーダ等が挙げられる。もちろん各種界面活性
剤などを添加して分散性を向上させることができること
は言うまでもない。ｐＨ調整剤としては酢酸、塩酸、硝
酸等が挙げられる。消泡剤としては流動パラフィン、ジ
メチルシリコーンオイル、ステアリン酸モノ、ジグリセ
リド混合物、ソルビタンモノパルミチエート等が挙げら
れる。【００２４】【実施例】本発明を実施例で具体的に説明する。＜実施例１〜８、比較例１〜７＞研磨材として表１の有
機高分子化合物を用い、過酸化水素、ベンゾトリアゾー
ル（ＢＴ）、酒石酸が表１に示された濃度になるように
０．５μｍのカートリッジフィルターで濾過されたイオ
ン交換水に混合し、高速ホモジナイザーで攪拌して均一
に分散させて実施例１〜８、比較例１〜７の研磨用組成
物を得た。過酸化水素については研磨直前に混合して用
いた。【００２５】＜研磨性評価＞被研磨物として６インチの
シリコンウエハー上にスパッタリングで２０００Åのタ
ンタル（Ｔａ）及び電解メッキで１００００Åの銅を製
膜したものを準備し、銅、Ｔａ面を研磨した。【００２６】研磨は定盤径６００ｍｍの片面研磨機を用
いた。研磨機の定盤にはロデール社製（米国）のポリウ
レタン製研磨パッドＩＣ−１０００／Ｓｕｂａ４００を
専用の両面テープ張り付け、研磨液組成物（スラリー）
を流しながら１分間、銅、タンタル膜を研磨した。研磨
条件としては加重を３００ｇ／ｃｍ²、定盤の回転数を
４０ｒｐｍ、ウエハー回転数４０ｒｐｍ、研磨材組成物
の流量を２００ｍｌ／ｍｉｎとした。【００２７】ウエハーを洗浄、乾燥後減少した膜厚を求
めることにより研磨速度（Å／ｍｉｎ）を求めた。タン
タルの研磨速度に対する銅の研磨速度の比を選択比とし
た。また光学顕微鏡で研磨面を観察して研磨状態を調べ
以下のランク分けをした。 ◎：良好、○：一部にやや平滑不足があるが使用可能、
△：平滑性良好なるもスクラッチ発生、×：平滑不足【００２８】評価結果を表１に示した。【表１】【００２９】【発明の効果】本発明によれば、銅膜、タンタル膜を含
む半導体デバイスのＣＭＰ加工プロセスにおいて、銅膜
を優先的に研磨可能な研磨液組成物が得られ、半導体デ
バイスを効率的に製造することができる。

【図面の簡単な説明】【図１】銅膜を形成させたデバイスの研磨プロセスの概
略図【符号の説明】１．Ｃｕ２．Ｔａ３．ＳｉＯ₂

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】（Ａ）研磨材、（Ｂ）ベンゾトリアゾー
ル、（Ｃ）酒石酸、（Ｄ）過酸化水素、（Ｅ）ポリビニ
ルアルコール及び（Ｆ）水よりなる研磨用組成物であ
り、該研磨材が平均粒径５〜１００ｎｍの範囲にある有
機高分子化合物であり、研磨用組成物中の濃度が該研磨
材で５〜３０重量％、該ベンゾトリアゾールで０．０１
〜３重量％、該酒石酸で０．０５〜５重量％、該過酸化
水素で０．０３〜５重量％、該ポリビニルアルコールで
０．０１〜５重量％であることを特徴とする研磨用組成
物。