JP2003133265A - 研磨用組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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であり、銅膜表面の平滑性にも優
れたＣＭＰ加工用の研磨用組成物を提供する。 【解決手段】 （Ａ）研磨材、（Ｂ）キノリンカルボン
酸、（Ｃ）有機酸、（Ｄ）過酸化水素および（Ｄ）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る組成物であって研磨材の研磨
用組成物中の濃度が１〜３０重量％である研磨用組成物
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、化
学的機械的研磨法（ＣＭＰ）によって絶縁膜上の不要な
銅が取り除かれる。 【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でリカバー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】本発明は（Ａ）研磨材、
（Ｂ）式（１）であらわされるキノリンカルボン酸、
（Ｃ）有機酸、（Ｄ）過酸化水素および（Ｅ）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る組成物であって研磨材の研磨用
組成物中の濃度が１〜３０重量％であり、キノリンカル
ボン酸の研磨用組成物中の濃度が０．０１〜５重量％で
あり、有機酸がクエン酸、酒石酸、リンゴ酸の中から選
択された少なくとも一つ以上のものであり、研磨組成物
中の濃度が０．０１〜５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％である研磨用
組成物である。 【化２】 【００１３】 ［発明の詳細な説明］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子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】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、平均粒径は５ｎｍ
〜１００ｎｍの範囲にあることがより好ましい。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。 【００１６】研磨材の研磨用組成物中の濃度は１〜３０
重量％であることが望ましい。研磨材の濃度が小さくな
りすぎ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、濃度が高すぎると機械的研磨能
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。 【００１７】本発明の研磨用組成物は式（１）で示され
るキノリンカルボン酸誘導体を含有する。例を挙げると
５−キノリンカルボン酸、６−キノリンカルボン酸、７
−キノリンカルボン酸、８−キノリンカルボン酸であ
る。研磨用組成物中の濃度は０．０１〜５重量％である
ことが望ましい。キノリンカルボン酸の量が０．０１重
量％未満であると銅膜の研磨レートが小さいので好まし
くなく、５重量％を超えると銅膜の研磨レートが過度に
大きくなり制御できなくなるので好ましくない。 【００１８】本発明の研磨用組成物は有機酸が含まれ
る。本発明における有機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。具体的
な例を挙げるとクエン酸、酒石酸、リンゴ酸の中から選
ばれた少なくとも一つの有機酸である。添加量について
は研磨組成物中、０．０１〜５重量％の範囲で使用す
る。０．０１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。 【００１９】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。 【００２０】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。 【００２１】本発明の研磨用組成物は、研磨材、キノリ
ンカルボン酸、有機酸、過酸化水素等を水に混合、溶
解、分散させて製造する。過酸化水素は、研磨直前に前
記の混合液に添加、混合するが予め混合しておくことも
可能である。それらの混合方法は、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。 【００２２】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調整剤としてはアンモニアなど
の塩基性化合物や酢酸、塩酸、硝酸等の酸性化合物が挙
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。 【００２３】 【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１〜６＞研磨剤、過酸化水素、
キノリンカルボン酸、有機酸が表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１〜６の研
磨用組成物を得た。 【００２４】＜研磨性評価＞被研磨物は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）並びに電解メッキで１００００Åの銅を製膜
したものを準備し、銅、Ｔａ面を研磨した。 【００２５】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
専用の両面テープで張り付け、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。 【００２６】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、○：ごく一部にやや平滑不足があるも全般に
良好、×：平滑不足、××：著しく腐食され平滑性ＮＧ 【００２７】評価結果を表１に示した。 【表１】【００２８】 【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模
式図 【符号の説明】 １．Ｃｕ ２．Ｔａ ３．ＳｉＯ₂

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C058 AA07 CA01 CB01 DA02 DA12 DA17

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 （Ａ）研磨材、（Ｂ）式（１）であらわ
   されるキノリンカルボン酸、（Ｃ）有機酸、（Ｄ）過酸
   化水素、および（Ｅ）水からなる研磨用組成物であり、
   （Ａ）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１〜３０重量％であり、（Ｂ）キノリンカルボン酸
   の研磨用組成物中の濃度が０．０１〜５重量％であり、
   （Ｃ）有機酸がクエン酸、酒石酸、リンゴ酸の中から選
   択された少なくとも一つ以上の酸であり、研磨用組成物
   中の濃度が０．０１〜５重量％であり、（Ｄ）過酸化水
   素の研磨用組成物中の濃度が０．０３〜５重量％である
   ことを特徴とする研磨用組成物。 【化１】