JP2003179007A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板の上に形成された金属膜を研磨パッドを
用いて研磨する工程において、平滑な表面を有する研磨
パッドで、低荷重で高速に金属膜を研磨し、かつスクラ
ッチ、ディッシング等研磨面の欠陥の発生も抑制できる
半導体基板の製造方法を提供する。 【解決手段】 エッチングレートが１０ｎｍ／ｍｉｎ．
未満であり、荷重１０ＫＰａの時の研磨レートが２００
ｎｍ／ｍｉｎ．以上、且つ上記の研磨レートとエッチン
グレートの比であるコントラストが２０以上である金属
用研磨液を用い、研磨パッド表面の平均面粗さＲａが１
０００ｎｍ以下である研磨パッドで、１５ＫＰａ以下の
荷重で研磨することを特徴とする半導体基板の製造方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板の製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ技術の急速な進展により、集積回
路は益々微細化や多層配線化の傾向にある。集積回路に
おける多層配線化は、半導体表面の凹凸が極めて大きく
なる要因であり、これが集積回路の微細化とも相まって
断線や電気容量の低下、エレクトロマイグレーションの
発生などをもたらし、歩留まりの低下や信頼性上の問題
をきたす原因となっている。このため、これまでに多層
配線基板における金属配線や層間絶縁膜を平坦化する種
々の加工技術が開発されてきており、その一つにＣＭＰ
（Chemical Mechanical Polishing：化学機械的研磨）
技術がある。ＣＭＰ技術は、半導体製造において層間絶
縁膜の平坦化、埋め込み配線形成、プラグ形成等に必要
となる技術である。

【０００３】ＣＭＰは、キャリヤーに装着された通常半
導体材料からなる平坦なウェハーを、湿ったポリッシン
グパッドに対し一定の圧力で押し付けながらキャリヤー
およびポリッシングパッド各々を回転することにより行
われる。この時ウェハーとポリッシングパッドの間に導
入される研磨用組成物により、配線や絶縁膜の凸部が研
磨され平坦化がなされる。

【０００４】従来、半導体基板の金属膜の研磨には種々
の研磨用組成物や研磨方法の提案がなされている。土肥
俊郎ら著「半導体平坦化ＣＭＰ技術」（1998年７月、工
業調査会発行）２３５頁に示されているように、金属の
ＣＭＰでは研磨用組成物中の酸化剤により金属の表面を
酸化し不動態化し、ｐＨを酸性にするなどしてわずかに
金属が腐蝕する（エッチング）条件下で研磨パッドと砥
粒で研磨が行われる。例えば基板上に形成されたアルミ
ニウム等金属膜の研磨用組成物としては、酸化アルミニ
ウムをｐＨ３以下の硝酸水溶液中に分散してなる研磨用
組成物（米国特許第４, ７０２, ７９２号明細書）、酸
化アルミニウムや酸化ケイ素を硫酸、硝酸、酢酸等の酸
性水溶液と混合してなる研磨用組成物（米国特許第４,
９４４,８３６号明細書）がある。また、酸化アルミニ
ウムを過酸化水素とリン酸水溶液中に分散した研磨用組
成物（米国特許第５, ２０９, ８１６号明細書）など、
酸化アルミニウムまたは酸化ケイ素等の研磨材と、過酸
化水素の酸化剤よりなる研磨用組成物が通常使用されて
いる。しかしながら、半導体基板の金属膜の平坦化に酸
化アルミニウムを用いた場合、α型では高い研磨速度を
示す反面、金属膜や絶縁膜の表面にマイクロスクラッチ
やオレンジピール等の欠陥を発生させることがあった。
一方、γ型や非晶質アルミナまたは酸化ケイ素等の研磨
材を用いた場合、金属膜や絶縁膜の表面のマイクロスク
ラッチやオレンジピール等の欠陥発生を抑えることがで
きるが、金属膜の研磨に際して十分な研磨速度が得られ
ないという問題があった。そこで研磨速度を高めるため
に、例えば研磨圧力（荷重）を高めることが行われる
が、これは通常研磨液中に含まれる砥粒とパッドによる
機械的研磨作用を高めることを狙ったものであるが、こ
のように研磨荷重を高くすると、基板へのストレスが増
大するため、今後主流となるポーラス型低誘電率絶縁膜
のような強度に問題がある材料の場合、基板上に形成さ
れた絶縁膜の破壊が起こり、研磨中に金属膜が剥離する
等の問題が起こる。また、研磨荷重の増大に伴いパッド
表面の劣化がより進み易くなり、これまで以上に頻繁に
パッドのドレッシングを行わなければならず、工程がさ
らに煩雑になるだけでなくパッドの消耗も激しくなるた
め、高価なパッドを頻繁に交換する必要が生じるなどプ
ロセスコストがさらにかさむという問題があり、ドレッ
シングにかかわるプロセスの簡素化が強く望まれてい
た。

【０００５】ここでドレッシングとは、微細なダイヤモ
ンド等を表面に埋め込んだコンディショナーと呼ばれる
円盤もしくはリング状のものを用いてパッドの表面を細
かく起毛し、あらす操作であり、これによりスラリー中
の砥粒はこの毛間に保持されると共に、パッド自身によ
る機械的研磨効果も高まることで所望の研磨速度が発現
する。また、表面の毛羽立ちは、基材とのクッションと
して働き、砥粒と基板との摩擦で生じる無用なスクラッ
チを防止する等の役割も果たす。

【０００６】従来研磨に用いられるパッドは、上記ドレ
ッシングによる表面粗化に加え、高研磨レートを発現、
維持し易くするためにスラリー中の砥粒の保持性を高め
るべく発泡構造を有したものが主に用いられている。し
かし、研磨の進行に伴い砥粒がこの穴に埋め込まれ、新
しい砥粒との置換が起きなくなり次第に研磨速度が低下
する等、経時の研磨性能劣化という問題があった。従っ
て、これを防止するため、パッド表面のリフレッシュを
目的としたドレッシングも行われる。このように、砥粒
を含有するスラリーの場合特にその影響は大きいが、ド
レッシング操作によるパッド表面の粗化は、研磨性能を
左右する重要な工程であるが、前述のようにこの操作に
よるパッドの表面状態の管理は難しく、荷重が高まると
パッド表面の影響を受け易くなることから研磨性能の制
御はより一層困難なものとなり、極力パッド表面の影響
を受けないプロセスが求められていた。

【０００７】一方、このような機械的研磨の要素を低減
し、化学エッチング性を高めることにより研磨速度を高
めることも行われている。例えば、前述のように液状酸
化剤である過酸化水素を用いた場合や、過硫酸アンモニ
ウム等の金属エッチャントを用いた場合（特開平６-３
１３１６４号公報）、ウェットエッチングが過度に進む
ことによりディッシング（例えば、後述する図１（Ｄ）
を用いて説明すると、基板１上の絶縁膜２に形成された
溝に埋め込まれる金属４の中央部分が周辺部分より過剰
に研磨され凹む現象）やピット、ボイド等の欠陥が発生
するなど実用化に際し問題があった。これを改良する目
的で、研磨用組成物中に金属膜表面に保護膜を形成する
化学試薬（キレート剤等）を添加する方法も提案されて
いる（特開平８-８３７８０号公報、特開平１１-１９５
６２８号公報）。しかしながらこのようなキレート剤を
用いると、確かにエッチングが抑制されディッシング等
の発生を防止することができるが、研磨すべき部位にも
保護膜が形成されるため研磨速度が極端に低下するとい
う問題が生じる。これを防ぐためエッチング剤やキレー
ト剤の種類や使用量を適正化する試みもなされている
が、両者の性能を満足する条件を見出すことは難しく、
プロセス条件の影響も受け易くなり再現性のある結果が
得られないという問題がある。そこで、高い研磨速度を
得るために研磨荷重を高め保護膜を除去することも行わ
れるが、前記と同様高荷重研磨由来の問題が発生する。
このように、これまでの知見では上記問題を克服するた
めの技術的指針、特に研磨液や研磨条件に対する要件が
明確になっておらず、その明確化に対して業界からの強
い要望があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、基板上の金
属膜を研磨するに際して、研磨パッドのドレッシング工
程を実施することなく、低荷重で高速に良好な研磨を実
施する方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決するために鋭意検討した結果、基板上に形成され
た金属膜を研磨パッドを用いて研磨する方法において、
エッチングレートが１０ｎｍ／ｍｉｎ．未満であり、荷
重１０ＫＰａの時の研磨レートが２００ｎｍ／ｍｉｎ．
以上、且つ上記の研磨レートとエッチングレートの比で
あるコントラストが２０以上である金属用研磨液を用
い、研磨パッド表面の平均面粗さ（Ｒａ）が１０００ｎ
ｍ以下である研磨パッドで、１５ＫＰａ以下の荷重で研
磨する方法が有効であることを見出し、本発明をなすに
至った。すなわち、本発明は下記の通りである。

【００１０】１．基板上に形成された金属膜を研磨パッ
ドを用いて研磨する方法において、エッチングレートが
１０ｎｍ／ｍｉｎ．未満であり、荷重１０ＫＰａの時の
研磨レートが２００ｎｍ／ｍｉｎ．以上、且つ上記の研
磨レートとエッチングレートの比であるコントラストが
２０以上である金属用研磨液を用い、研磨パッド表面の
平均面粗さ（Ｒａ）が１０００ｎｍ以下である研磨パッ
ドで、１５ＫＰａ以下の荷重で研磨することを特徴とす
る半導体基板の製造方法。 ２．前記研磨パッド表面のＲａ値が５００ｎｍ以下であ
ることを特徴とする１．記載の半導体基板の製造方法。 ３．前記金属用研磨液が１ｗｔ％未満の研磨砥粒を含む
ことを特徴とする１．または２．に記載の半導体基板の
製造方法。 ４．前記金属用研磨液がポリオキソ酸および／またはそ
の塩、非イオン性界面活性剤及び水を含有してなること
を特徴とする１．〜３．のいずれかに記載の半導体基板
の製造方法。 ５．前記ポリオキソ酸および／またはその塩がヘテロポ
リ酸および／またはその塩であることを特徴とする４．
に記載の半導体基板の製造方法。 ６．半導体基板を構成する絶縁膜の比誘電率（Ｋ）値が
２．５以下であることを特徴とする１．〜５．のいずれ
かに記載の半導体基板の製造方法。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい態様について、
以下に具体的に説明する。本発明で言うエッチングレー
トとは、強攪拌された研磨液中に金属膜が形成された半
導体基板を浸漬し、一定時間に消失した金属膜の厚みの
ことをいう。具体的には内径５ｃｍの容器に研磨液を８
０ｃｃ充填し、ＩＫＡ−ＷＥＲＫＥ社製ホモジナイザー
ＵＬＴＲＡ−ＴＵＲＲＡＸ Ｔ８（シャフトＳ８Ｎ−８
Ｇ）を用いて２５０００ｒｐｍで攪拌されている研磨液
中に１５ｍｍ角の金属膜が形成された半導体基板を２〜
３分ほど浸漬し、前後の金属膜の厚みを測定して単位時
間当たりに消失した金属の厚みを計算して求める。

【００１２】また、本発明で言う研磨レートとは汎用の
半導体基板用研磨装置を用い、所定の条件下に研磨を行
い、一定時間に消失した金属膜の厚みのことをいう。具
体的には武蔵野電子社製研磨装置ＭＡ−３００Ｄ（定盤
径３００ｍｍ）、研磨パッドとしてロデール・ニッタ社
製ＩＣ−１４００を用い、半導体基板として１μｍ厚の
Ｃｕ膜付きの４”シリコンウェハーを使用して、研磨液
を５０ｍｌ／ｍｉｎ．の割合で供給しながら所定の荷重
下に基板と研磨定盤との相対速度が５０ｍ／ｍｉｎ．の
条件で研磨し、その前後のＣｕ膜厚を測定して単位時間
当たりに消失した金属の厚みを計算して求める。なお本
発明で用いられる研磨条件については、特別の記載がな
い限りパッドのドレッシングは行っていない。

【００１３】本発明者らは、上記のように規格化して求
めた値が特定の範囲にある研磨液を用い、研磨パッド表
面の平均面粗さ（Ｒａ）が１０００ｎｍ以下という特定
の表面粗さを有する研磨パッドで、１５ＫＰａ以下とい
う低荷重で研磨することにより、高速に且つスクラッチ
やディッシング、エロージョン等の被研磨面の欠陥発生
を抑制した研磨が可能となることを見出したのである。
このように、低荷重で前記性能が発現できることから、
半導体基板に過大なストレスをかけることなく研磨が行
えるため、膜強度が弱いポーラス型低誘電率絶縁膜を用
いた半導体製造プロセスへの適用の可能性や、研磨パッ
ドの表面状態管理等のプロセス管理の簡素化、およびパ
ッド消耗の抑制に有効である。

【００１４】ここで研磨パッド表面の粗度は、セイコー
インスツルメンツ社製の卓上小型プローブ顕微鏡：Ｎａ
ｎｏｐｉｃｓを用い、コンタクトモードで針圧（フォー
スリファレンス）５０ｍＶ、測定範囲１００μｍ×１０
０μｍスキャンスピード１９０ｓｅｃ／フレーム（測定
範囲）の条件により測定し、それを平均面粗さＲａとし
て規定した値を用いたものである。本発明では、Ｒａが
１０００ｎｍ以下、好ましくは５００ｎｍ以下の表面粗
さを有するパッドが用いられ、これより大きい、すなわ
ち表面あれが大きなパッドを用いるとパッド表面の起毛
による研磨への影響が顕著に現れるため、パッドの表面
状態をドレッシングにより厳密に制御する必要が出てく
る。例えば、重要な研磨性能の一つであるディッシング
は、このパッド表面の影響を大きく受け、表面粗度の高
いパッドを用いて研磨を行うとディッシングが大きくな
り好ましくない。

【００１５】本発明で規格化されたパッドの表面状態を
得るには、最初から表面粗度の低いパッドを用いること
が好ましいが、規格値より大きな粗度を有するパッドを
使用する場合、粗度の低い、例えば＃１０００以上のド
レッサーやダミーウェハー、またはパッドおよびスラリ
ーを用いることによりパッド表面を平滑化処理すること
により、規格値以下にすることができれば使用すること
ができる。また、最初から表面粗度の低いパッドを用い
る場合、そのまま用いることも可能であるが、初期のパ
ッド表面には傷やバリ等の異物が存在することが多く、
そのまま基板の研磨に用いるとスクラッチ等の原因にな
るため、これを取り除くために前記平滑化処理を行うこ
ともできる。

【００１６】本発明で用いられる研磨液において、まず
エッチングレートが１０ｎｍ／ｍｉｎ．未満であれば、
金属表面の腐蝕が大きくならず研磨時に金属表面の荒れ
が大きくなることがない、またパターンを有する半導体
基板を研磨した場合にディッシングが大きくならない。
次に金属用研磨液が荷重１０ＫＰａの時の研磨レートが
２００ｎｍ／ｍｉｎ．以上、かつ研磨レートとエッチン
グレートの比であるコントラストが２０以上であれば、
ディッシング防止等の研磨性能の達成と研磨時間の短縮
というＣＭＰ工程に同時に求められる課題の両立が可能
となる。

【００１７】本発明には、１質量％未満の研磨砥粒を含
む研磨液が含まれるが、この場合前述のごとく機械的研
磨を目的とした砥粒を使用しないために、砥粒を保持す
るためのパッドの発泡構造は必ずしも必要ではない。こ
れにより、従来パッド表面上の微細孔に砥粒が目詰りす
ることが原因で発生していた研磨性能のバラツキや高価
パッドの原因ともなっていた前記要因がなくなることか
ら、ＣＭＰ行程におけるプロセスコストの大幅削減が可
能となる。

【００１８】また、本発明では、１５ＫＰａという低荷
重で研磨することが特徴の一つでもあり、これによって
パッド表面へのダメージも軽減されパッド表面状態の維
持管理が容易となり、ひいては研磨性能のバラツキを抑
える要因ともなる。本発明で規格化された性能を有する
研磨液の一例として、ポリオキソ酸および／またはその
塩、非イオン性界面活性剤および水を含有して成ること
を特徴とする金属膜研磨用組成物が挙げられる。

【００１９】ポリオキソ酸とりわけヘテロポリ酸は、日
本化学会編「ポリ酸の化学」（1993年8 月、学会出版セ
ンター発行）にも記載のように、強い酸性と酸化作用を
有するものであり、これを金属の不動態化処理やエッチ
ングに用いることは特表平９-５０５１１１号公報等に
記載されている。実際ヘテロポリ酸を半導体表面のエッ
チング剤として適用した例（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆ
ａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ

【００２０】ｖｏｌ．１３５、Ｎｏ．１／４、ｐｐ６５
-７０（１９９８．１０．８）や、ポリオキソ酸もしく
はその塩を研磨用エッチング剤として用いる試みもなさ
れている（特開２０００-１１９６３９号公報）。特に
後者においては、ポリオキソ酸もしくはその塩のみを研
磨用エッチング剤として用いる場合（第１研磨液組成
物）および、これにさらに砥粒として公知の研磨材を含
有させる場合（第２研磨液組成物）の二つの使用方法に
ついて記載されている。第１研磨液組成物の場合、ヘテ
ロポリ酸を単独で金属膜研磨用のエッチング剤として使
用すると、ヘテロポリ酸は水に可溶であるため液状酸化
剤として作用することから、前述の如く研磨速度とディ
ッシング性能の両方を満足することはできない。

【００２１】すなわち、研磨速度を上げるためにヘテロ
ポリ酸の濃度を高めると、同時にエッチングも進行しデ
ィッシングの発生が起こる。一方、上記ヘテロポリ酸に
アンモニア等の塩基性物質を作用させヘテロポリ酸塩と
して使用すると、エッチングは抑制されるが、同時に研
磨速度も低下してしまう。そのため、研磨速度を高める
目的で、この種の第１研磨液組成物に研磨材を含有させ
第２研磨液組成物とすることが提案されているが、これ
は研磨材を使用することにより機械的研磨を行おうとす
るものであり、研磨速度を高めるためには高い研磨荷重
が必要となる。このような性質をもつポリオキソ酸に非
イオン性界面活性剤を組み合わせた水を媒体として含有
して成る研磨用組成物は従来困難であったエッチングの
抑制、ディッシング発生の制御と低荷重における高研磨
速度の両立を可能とし、基板上の金属膜の研磨において
有効であり、本発明で規格化された性能を発現できる。

【００２２】ポリオキソ酸は、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎ
ｂ、Ｔａ等の元素から成る酸素酸が縮合したものであ
り、イソポリ酸とヘテロポリ酸がこれに当たる。イソポ
リ酸は前記ポリオキソ酸の構成元素のうち、単一の元素
からなる縮合酸素酸のことであり、ポリモリブデン酸、
ポリバナジン酸、ポリタングステン酸、ポリチタン酸、
ポリニオブ酸、ポリタンタル酸等が挙げられる。これら
のうち金属研磨を目的とした本発明の場合、金属を酸
化、エッチングさせる能力の観点からポリモリブデン
酸、ポリバナジン酸、ポリタングステン酸が好ましい。

【００２３】ヘテロポリ酸は、前記イソポリ酸にヘテロ
元素を中心元素として組み込むことによって得られるも
のであり、その構成は縮合配位元素、中心元素および酸
素から成る。ここで縮合配位元素とは、前記ポリオキソ
酸の構成元素を意味し、このうちＭｏ、Ｗ 及びＶ から
なる群より選ばれた少なくとも1 種を含むものが好まし
い例として挙げられ、その他Ｎｂ、Ｔａ等の元素を含ん
でも良い。また、ヘテロポリ酸の中心元素はＰ、Ｓｉ、
Ａｓ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｅ、Ｉ、Ｃ
ｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｂ、Ｖ、Ｐｔ、ＢｅおよびＺｎ
からなる群より選ばれた1 種であり縮合配位元素と中心
元素の原子比（縮合配位元素／中心元素）は２．５〜１
２である。

【００２４】前述したヘテロポリ酸の具体例としては、
リンモリブデン酸、ケイモリブデン酸、リンバナドモリ
ブデン酸、ケイバナドモリブデン酸、リンタングストモ
リブデン酸、ケイタングストモリブデン酸、リンバナド
タングストモリブデン酸、ケイバナドタングストモリブ
デン酸、リンバナドタングステン酸、ケイバナドタング
ステン酸、リンモリブドニオブ酸、ホウモリブデン酸、
ホウタングストモリブデン酸、ホウバナドモリブデン
酸、ホウバナドタングステン酸、コバルトモリブデン
酸、コバルトバナドタングステン酸、リンタングステン
酸、ケイタングステン酸、リンバナジン酸、ケイバナジ
ン酸等が挙げられるがこれらに限定されるものではな
い。前記ポリオキソ酸のうち、研磨用途として金属膜を
エッチングするに足る十分な酸強度、酸化力の観点から
ヘテロポリ酸が好ましく、好適にはリンモリブデン酸、
ケイモリブデン酸、および更にこれらにバナジウムを導
入したリンバナドモリブデン酸、ケイバナドモリブデン
酸等を挙げることができる。ポリオキソ酸は、上記を単
独でまたはそれらを混合して用いてもよい。また、得ら
れる研磨液組成物の酸性度を調整し研磨性能を制御する
目的で、これらのポリオキソ酸に塩基性物質を添加しポ
リオキソ酸塩として使用することも可能である。ポリオ
キソ酸塩は、上記ポリオキソ酸と金属、アンモニウム、
有機アミン類との塩が挙げられる。

【００２５】例示の研磨用組成物中のポリオキソ酸およ
び／またはその塩の含有量は、特に限定されるものでは
ないが、好ましくは０．１〜３０ｗｔ％の範囲で使用さ
れ、さらに好ましくは０．５〜１５ｗｔ％の範囲であ
る。前記範囲より小さい場合、十分な研磨速度が発現し
にくく、また前記範囲を超えても増量による研磨性能の
際立った向上は見られない。例示の研磨用組成物で用い
られる非イオン性界面活性剤は、前記ポリオキソ酸と組
み合わせて使用することにより、低荷重においても高い
研磨速度を維持したままエッチングの進行を抑制し、デ
ィッシングの発生を制御することが可能となる。特に、
これは界面活性剤として非イオン性界面活性剤を用いた
場合に顕著に認められる効果である。

【００２６】このような非イオン性界面活性剤として
は、「新・界面活性剤入門 藤本武彦著 昭和６０年１
１月１日発行 三洋化成工業株式会社」の９２頁 第２
・５・１表に記載のあるポリエチレングリコール型およ
び多価アルコール型の非イオン性界面活性剤が好まし
い。前記ポリエチレングリコール型の非イン性界面活性
剤としては、各種疎水性基にエチレンオキサイドを付加
させ親水性基を導入したものであり、高級アルコールエ
チレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレン
オキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、
多価アルコール脂肪酸エステルエチレンオキサイド付加
物、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、脂
肪酸アミドエチレンオキサイド付加物、油脂のエチレン
オキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレン
オキサイド付加物等が挙げられる。一方、多価アルコー
ル型の非イオン性界面活性剤は、親水性の多価アルコー
ルに疎水性の脂肪酸をエステルあるいはアミド基を介し
て結合させたもので、グリセロールの脂肪酸エステル、
ペンタエリスリトールの脂肪酸エステル、ソルビトール
およびソルビタンの脂肪酸エステル、ショ糖の脂肪酸エ
ステル、アルカノールアミン類の脂肪酸アミド等が挙げ
られる。

【００２７】これらの非イオン性界面活性剤のうち本発
明に用いられるものとしては、前記ポリエチレングリコ
ール型の界面活性剤が好ましく、そのうち特に高級アル
コールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノール
エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコール
エチレンオキサイド付加物が好ましい。高級アルコール
エチレンオキサイド付加物としては、例えばポリオキシ
エチレンデシルエーテル、ポリオキシエチレンラウリル
エーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル等が挙
げられる。アルキルフェノールエチレンオキサイド付加
物の例としては、ポリオキシエチレンオクチルフェニル
エーテル、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテ
ル、ポリオキシエチレンドデシルフェニルエーテル等が
挙げられる。ポリプロピレングリコールエチレンオキサ
イド付加物は、一般にプルロニック型非イオン性界面活
性剤と呼ばれるものであり、例えば疎水基であるポリオ
キシプロピレン基を中にはさんで両端に親水基であるポ
リオキシエチレン基を配したものや、その逆に親水基で
あるポリオキシエチレン基を中にはさんで両端に疎水基
であるポリオキシプロピレン基を配したもの等が挙げら
れる。

【００２８】例示の研磨用組成物に用いられる非イオン
性界面活性剤の含有量は、その種類や同時に使用するポ
リオキソ酸の種類や量によっても異なるが、通常、０．
１〜５０ｗｔ％の範囲が好ましく、より好ましくは０．
５〜２５ｗｔ％の範囲である。前記範囲内であれば、十
分なエンチング抑制効果を発揮し、ディッシング発生の
制御ができ、粘度の上昇を抑制する等取り扱いが容易で
ある。例示の研磨液は、通常、水を媒体に用いるが、イ
オン性物質を含まない脱イオン水、精製水、超純水が好
ましく用いられる。

【００２９】ポリオキソ酸および非イオン性界面活性剤
の溶解もしくは分散は、通常攪拌により行なわれるが、
ホモジナイザー、超音波、湿式媒体ミル等を用いて十分
に分散する方法が好ましく用いられる。こうして調整さ
れた研磨用組成物には、ポリオキソ酸（その塩）と非イ
オン性界面活性剤との相互作用により、大方のポリオキ
ソ酸（その塩）が非イオン性界面活性剤の形成するミセ
ル中に取り込まれた構造の複合体（微粒子）となって水
中に存在する。

【００３０】例示の研磨用組成物において、その研磨機
構の詳細は明らかではないが、ポリオキソ酸および非イ
オン性界面活性剤の相互作用により形成される微粒子が
化学的研磨作用を発現する研磨粒子として働き、低エッ
チング性を保ちながら、ひいてはディッシング発生を抑
制しながら、低荷重でも高い研磨速度を発現することが
できるものと考えられる。例示の研磨剤組成物は、上述
の通り、通常機械的研磨を目的に使用される砥粒を含ま
ないでも目的とする研磨を行うことができるが、スクラ
ッチ等の表面欠陥を起こさない範囲で、更に研磨速度を
高める目的で砥粒を用いることも可能である。その際用
いられる砥粒としては、アルミナ、シリカ、セリア、ジ
ルコニア、酸化マグネシウム等の無機粒子、有機ポリマ
ー、非晶質炭素、カーボンブラック等の有機粒子が挙げ
られるが、このうち好適にはコロイダルアルミナ、コロ
イダルシリカである。

【００３１】例示の研磨用組成物は、ディッシングの原
因となる金属膜のエッチング性は極めて低いものである
ため、通常防食剤を併用する必要はないが、実質研磨速
度を低下させない範囲内で必要に応じて、金属膜とキレ
ートまたは錯体を形成する化合物を添加し、更にエッチ
ング性を抑制することも可能である。特に金属が銅もし
くは銅を主成分とする銅合金の場合、ベンゾトリアゾー
ルやキナルジン酸を防食剤として添加する方法が効果的
である。防食剤としてはこの他にも、トリルトリアゾー
ル、ベンゾトリアゾールカルボン酸等のベンゾトリアゾ
ール誘導体やシスチン、ハロ酢酸、グルコース、ドデシ
ルメルカプタン等を挙げることができる。これらの防食
剤の添加量は、１００ｐｐｍ以下、好ましくは５０ｐｐ
ｍ以下と従来の研磨材に用いられてきた量に比べ極めて
少量で十分である。逆にこの添加量が多いと、研磨レー
トが低下し目的の研磨性能が得られにくくなる。

【００３２】例示の研磨用組成物には、更に金属膜の研
磨速度を向上させる目的で、過度のエッチングを引き起
こさない範囲内で公知の酸化剤を含有しても良い。含有
させる酸化剤としては、公知の酸化剤、例えば過酸化水
素等の過酸化物、過塩素酸、過塩素酸塩、過ヨウ素酸、
過ヨウ素酸塩、過硫酸、過硫酸塩、硝酸塩等を挙げるこ
とができる。例示の研磨用組成物には必要に応じて酸を
含有してもよく、用いる酸の種類や得られるスラリーの
ｐＨによって金属膜の研磨性能を制御することができ
る。含有される酸としては公知の無機酸、例えば硫酸、
リン酸、硝酸等、または公知の有機酸、例えばシュウ
酸、クエン酸、リンゴ酸、酢酸等が挙げられる。 本発
明の研磨用組成物には、必要に応じてエタノール、ｎ-
プロパノール、ｉｓｏ-プロパノール、エチレングリコ
ール、グリセリン等の水溶性アルコールを添加すること
もできる。研磨工程は、例えば図１（Ｃ）に示すよう
に、配線用の金属膜４を埋め込むことにより得られた半
導体基板について、図１（Ｄ）に示すように溝または開
口部以外の余分な金属膜４を研磨することにより取り除
き平坦化する際に適用される。

【００３３】次にこの研磨方法を用いて、製造される半
導体基板のプロセスの一例について説明する。まず初め
に、図１（Ａ）のようにシリコン基板等の基板上１に絶
縁膜２を形成した後に、フォトリソグラフィー法および
エッチング法で絶縁膜２に金属配線用の溝、あるいは接
続配線用の開口部を形成する。次に図１（Ｂ）に示すよ
うに、絶縁膜２に形成した溝あるいは開口部にスパッタ
リングやＣＶＤ等の方法により窒化チタニウム（Ｔｉ
Ｎ）、窒化タンタル（ＴａＮ）等よりなるバリヤーメタ
ル層３を形成する。次に図１（Ｃ）に示すように、厚み
が絶縁膜２に形成した溝または開口部の高さ以上となる
ように配線用の金属膜４を埋め込む。次に図１（Ｄ）に
示すように、溝または開口部以外の余分な金属膜を、本
発明の要件を満足する金属用研磨液を用いて研磨する方
法を適用することにより取り除く。さらに、上記の方法
を必要回数繰り返すことにより、電子部品として多層配
線構造を有する半導体基板を得ることができる。このよ
うに多層配線構造を有する半導体基板を製造するには、
上述したように本発明の要件を満足する金属用研磨液を
用い、所定の条件で金属膜を研磨、平坦化する方法を適
用すれば良い。

【００３４】本発明の製造方法は、特に近い将来導入さ
れ主流となる機械的に脆弱なポーラス型低誘電率絶縁膜
を用いた半導体の製造において有効に使用される。特
に、半導体基板を構成する絶縁膜の比誘電率（Ｋ）値が
２．５以下の場合については、その強度は極端に低下す
るため、本発明の製造方法は特に好適に使用できる。以
下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこ
れらによって制限されるものではない。

【００３５】なお、用いた研磨液の特性および研磨性能
の評価は以下の方法で行った。 ＜粒子径測定＞ 湿式粒度分析計：マイクロトラックＵＰＡ−９２３０
（日機装社製）を用いて測定した。 ＜表面欠陥（スクラッチ）評価＞前記、研磨レートの測
定に用いたシリコンウェハーを洗浄し乾燥した後、ウェ
ハー表面に暗室にてスポットライトを当て、目視でスク
ラッチの有無を判定した。 ＜ディッシング評価＞前記研磨レートを測定したのと同
様の方法により、荷重５ＫＰａで４”パターンウェハー
（ＳＫＷ６−２仕様：酸化膜０．８μｍＴａＮ２５ｎ
ｍ、Ｃｕ１．５μｍのウェハーから４”に切り出したも
のを使用）を研磨し、５０μｍ間隔のライン＆スペース
部を前記Ｎａｎｏｐｉｃｓを用い測定することにより、
スペース部に埋め込まれたＣｕ表面のディッシング量を
計測した。なお、このディッシング評価においては、測
定した研磨レートから所定の膜厚を完全に研磨するのに
要する時間を割り出し、さらにその値の１０％長い時間
（１０％オーバー研磨）を研磨時間とした。

【００３６】

【実施例１】ポリオキソ酸としてリンバナドモリブデン
酸（商品名ＰＶＭ−１−１１ 日本無機化学工業社製）
１２ｇを水６８ｇに溶解させ、ホモジナイザーで攪拌
下、これに非イオン性界面活性剤としてポリオキシエチ
レンセチルエーテル（商品名ＢＬＡＵＮＯＮ ＣＨ−３
０５、ＨＬＢ＝９．４、青木油脂工業社製）６ｇを純水
５４ｇに混合したものを添加し、次にこれに非イオン性
界面活性剤としてポリオキシエチレン合成アルコールエ
ーテル（商品名ＢＬＡＵＮＯＮ ＯＸ−２０、ＨＬＢ＝
５．７、青木油脂工業社製）２ｇを純水５８ｇに混合し
たものを添加することにより金属用研磨液を得た。この
研磨液のＵＰＡ−９２３０測定による平均粒子径は約１
６０ｎｍであった。この研磨液のエッチングレートは５
ｎｍ／ｍｉｎ．、荷重１０ＫＰａ時の研磨レートは５７
０ｎｍ／ｍｉｎ．で、コントラスト値１１４を示した。
この研磨液を用い、荷重５ＫＰａで行う以外は、前記研
磨レート測定に用いた条件と全く同様にして研磨を行っ
た場合の研磨レート、ディッシング、スクラッチ評価の
結果を表１に示す。なお、この研磨に用いたパッド：Ｉ
Ｃ−１４００の表面の平均面粗さＲａは４８２ｎｍであ
った。

【００３７】

【実施例２】ポリオキソ酸としてリンバナドモリブデン
酸１２ｇを水６８ｇに溶解させ、ホモジナイザーで攪拌
下、これに非イオン性界面活性剤としてポリオキシエチ
レンラウリルエーテル（商品名ＢＬＡＵＮＯＮ ＥＬ−
１５０３Ｐ、ＨＬＢ＝８．３、青木油脂工業社製）１８
ｇを純水１０２ｇに混合したものを添加し、金属用研磨
液を得た。この研磨液のＵＰＡ測定による平均粒子径は
約３０ｎｍであり、研磨砥粒は全く含まれていない。こ
の組成物のエッチングレートは６ｎｍ／ｍｉｎ．、荷重
１０ＫＰａの時の研磨レートは６００ｎｍ／ｍｉｎ．で
あり、コントラスト値１００を示した。この研磨液を用
い、荷重５ＫＰａで行う以外は、前記研磨レート測定に
用いた条件と全く同様にして研磨を行った場合の研磨レ
ート、ディッシング、スクラッチ評価の結果を表１に示
す。なお、この研磨に用いたのは、ＭＦプラスチック盤
みぞ付（ムサシノ電子社製）という無発泡型の研磨パッ
ドであり、表面の平均面粗さＲａは１２０ｎｍであっ
た。

【００３８】

【実施例３】実施例１で得られた研磨液を用い、比誘電
率２．１のポーラス構造を有するメチルシルセスキオキ
サン型の絶縁膜上に、約０．８μｍ厚のＣｕ膜を形成し
た半導体基板の研磨実験を行った。なお他の研磨条件
は、実施例１と同様にして行った。この場合、研磨途中
でのＣｕ膜の剥がれやクラックは全く観察されず、研磨
を行うことができた。ところで、上記実施例で得られた
微細粒子を含む研磨液を、カーボン支持膜付きグリッド
上に滴下、自然乾燥することにより検鏡試料とし、透過
型電子顕微鏡（ＨＩＴＡＣＨＩ ＨＦ−２０００ 加速
電圧２００ＫＶ）により粒子構造の観察を行った。その
結果、ポリオキソ酸が非イオン性界面活性剤に取り込ま
れた形態を有する粒子の存在が確認され、粒径は研磨液
組成にもよるが、約２０〜５０ｎｍのものから、さらに
それらが凝集したと思われるような構造のものが観察さ
れた。

【００３９】

【比較例１】荷重５ＫＰａで行う一連の研磨性能評価に
おいて、ダイヤモンドを埋め込んだ＃１００のコンディ
ショナーを用い荷重３ＫＰａで１時間ドレッシングを施
したパッドを用いる以外は、実施例１と同様に研磨を行
った。結果を表１に示す。なお、この研磨に用いたパッ
ド表面の平均面粗さＲａは２６５７ｎｍであった。

【００４０】

【比較例２】クエン酸６ｇを水６２ｇに加え溶解し、こ
れにＢＴＡ０．４ｇをエタノール３ｇに溶解して得られ
る溶液を加え、さらにこれに研磨液中の砥粒濃度が６％
となるようにコロイダルアルミナ（平均粒径１３０ｎｍ
触媒化成社製）１００ｇを加え、最後に過酸化水素水
（試薬特級、３０％水溶液）２８ｇを加えて金属用研磨
液を調整した。この組成物のＵＰＡ−９２３０測定によ
る平均粒子径は約１５０ｎｍであった。この組成物のエ
ッチングレートは１．２ｎｍ／ｍｉｎ．、荷重１０ＫＰ
ａでの研磨レートは６０ｎｍ／ｍｉｎ．で、コントラス
ト値５０を示した。この研磨液を用い、荷重３０ＫＰａ
とする以外は実施例１と同様の研磨条件により研磨した
場合の研磨レート、ディッシング、スクラッチ評価の結
果を表１に示す。

【００４１】

【比較例３】比較例１で行ったのと同様に、ドレッシン
グ処理を施したパッドを用いる以外は、比較例２と全く
同様にして研磨を行った。結果を表１に示す。以上の結
果から、本発明に示される規格化された範囲の性能を有
する研磨液を用いると、平均面粗さＲａが１０００ｎｍ
以下の平滑な表面を有するパッドを用いた場合において
も、低荷重で高い研磨レートを発現することが分かる。
従って、強度の低い低誘電率材料からなる基板にも問題
なく本発明の研磨方法を適用することで研磨が実施でき
る。また、平滑な表面を有するパッドを用いることによ
り、１００ｎｍ以下の良好なディッシング性能を発現す
ることも可能であることが分かる。これに対し、たとえ
規格化された範囲の性能を有する研磨液を用いても、ド
レッシングを行い表面の平均面粗さＲａが１０００ｎｍ
より大きいパッドで研磨を行うと、同様に高研磨レート
は得られるもののディッシング性能が低下していること
が分かる。また、砥粒を含む研磨液を用いた場合、ドレ
ッシング処理をせずに表面粗度が低い状態のパッドを用
いると、ディッシング性能は良好なものの、高い荷重で
研磨した場合においても高い研磨レートは得られず、ス
クラッチも多い。これに対し、ドレッシング処理を行い
Ｒａ＞１０００ｎｍの表面粗度を有するパッドを用いる
と、高研磨レートおよび低スクラッチ性能は得られる
が、満足すべきディッシング性能は得られず、両者の性
能を満足できないことが分かる。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【発明の効果】本発明の方法によれば、エッチングを抑
制すると同時に、平滑な表面を有するパッドを用いた場
合においても、低荷重で高速に銅膜等の金属膜を研磨す
ることが可能となる。本発明は、半導体基板の金属膜を
研磨する上で、煩雑でプロセスコスト高の原因となって
いたパッドのドレッシングを行わずに、さらには多孔質
パッドといった高価なパッドを使わなくても済むという
極めて有用な方法であり、且つ低荷重で高速研磨が可能
であることから、特に今後主流となる低強度のポーラス
型低誘電率材料を用いた配線層形成プロセスへの適用性
を有するものであり、産業上の利用価値は甚だ大きなも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＣＭＰ技術を用いた半導体基板の金属配線の形
成例を示す概略断面図であり、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）
および（Ｄ）は工程の順序を示す。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 絶縁膜 ３ バリヤーメタル層 ４ 金属膜

───────────────────────────────────────────────────── 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 21/308 Ｆ 21/308 21/306 Ｆ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成された金属膜を研磨パッド
   を用いて研磨する方法において、エッチングレートが１
   ０ｎｍ／ｍｉｎ．未満であり、荷重１０ＫＰａの時の研
   磨レートが２００ｎｍ／ｍｉｎ．以上、且つ上記の研磨
   レートとエッチングレートの比であるコントラストが２
   ０以上である金属用研磨液を用い、研磨パッド表面の平
   均面粗さ（Ｒａ）が１０００ｎｍ以下である研磨パッド
   で、１５ＫＰａ以下の荷重で研磨することを特徴とする
   半導体基板の製造方法。
2. 【請求項２】 前記研磨パッド表面のＲａ値が５００ｎ
   ｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体基
   板の製造方法。
3. 【請求項３】 前記金属用研磨液が１ｗｔ％未満の研磨
   砥粒を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の
   半導体基板の製造方法。
4. 【請求項４】 前記金属用研磨液がポリオキソ酸および
   ／またはその塩、非イオン性界面活性剤及び水を含有し
   てなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載
   の半導体基板の製造方法。
5. 【請求項５】 前記ポリオキソ酸および／またはその塩
   がヘテロポリ酸および／またはその塩であることを特徴
   とする請求項４に記載の半導体基板の製造方法。
6. 【請求項６】 半導体基板を構成する絶縁膜の比誘電率
   （Ｋ）値が２．５以下であることを特徴とする請求項１
   〜５のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。