JP2003297779A - 研磨用組成物並びに研磨方法 - 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、銅表面を研磨する際
は銅の研磨レートが大きいがタンタル化合物の研磨の際
には銅の研磨レートが減少し、タンタル化合物の研磨レ
ートが向上する研磨用組成物ならびに研磨方法を提供す
ることにある。 【解決手段】 （Ａ）研磨材、（Ｂ）有機酸、（Ｃ）過
酸化水素、（Ｄ）ベンゾトリアゾールまたはその誘導
体、（Ｅ）研磨速度調節剤および（Ｆ）水を有する研磨
用組成物であり、（Ａ）研磨材が、有機高分子化合物か
らなる有機粒子とフュームドシリカ、コロイダルシリ
カ、フュームドアルミナ、およびコロイダルアルミナの
中から選ばれる少なくとも１種類の無機粒子の混合物で
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的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。
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。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】

【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、銅表面を研磨する際は銅の研磨レートが大
きいがタンタル化合物の研磨の際には銅の研磨レートが
減少し、タンタル化合物の研磨レートが向上する研磨用
組成物ならびに研磨方法を提供することにあり、従来複
数の研磨組成物が必要だった研磨プロセスを１種類の研
磨組成物でカバーが可能で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。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、（Ａ）研磨
材、（Ｂ）有機酸、（Ｃ）過酸化水素、（Ｄ）ベンゾト
リアゾールまたはその誘導体、（Ｅ）研磨速度調節剤お
よび（Ｆ）水を有する研磨用組成物であり、（Ａ）研磨
材が、平均粒径１００ｎｍ−５００ｎｍの範囲にある有
機高分子化合物からなる有機粒子と平均粒径が２０ｎｍ
−１００ｎｍの範囲にあるフュームドシリカ、コロイダ
ルシリカ、フュームドアルミナ、およびコロイダルアル
ミナの中から選ばれる少なくとも１種類の無機粒子の混
合物であり、該有機粒子と該無機粒子の重量配合比は８
０／２０〜５／９５の範囲であり、研磨用組成物中の濃
度が３〜３０重量％であり、（Ｂ）有機酸の研磨用組成
物中の濃度が０．０１〜１０重量％であり、（Ｃ）過酸
化水素の研磨用組成物中の濃度が０．０３〜１０重量％
であり、（Ｄ）ベンゾトリアゾールまたはその誘導体の
研磨用組成物中の濃度が０．０１〜１０重量％であり、
（Ｅ）研磨速度調節剤が無機酸または有機酸と塩基性化
合物との塩であり、研磨用組成物中の濃度が０．００１
〜１重量％である研磨用組成物である。

【００１２】更に好ましい形態としては、有機酸が、シ
ュウ酸、コハク酸、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、乳
酸、アミノ酸の中から選ばれた少なくとも一つであり、
研磨速度調節剤が、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、硫
酸ナトリウム、硫酸カリウム、シュウ酸カリウム、シュ
ウ酸ナトリウム、シュウ酸アンモニウムの中から選ばれ
た少なくとも一つの塩である研磨用組成物である。ま
た、絶縁層、バリア金属層、配線金属層の３層からなる
層を平坦に研磨する際に、請求項１に記載された研磨用
組成物を用い、最上層の配線金属層を研磨する際には研
磨の圧力が７〜３５ＫＰａであり、２番目のバリア金属
層に達した時点で研磨圧力を３５〜７０ＫＰａに上げ、
バリア金属層の研磨が終了する前に再び研磨圧力を７〜
３５ＫＰａに下げて３層目の絶縁層までを研磨する研磨
方法である。更に好ましい形態としては、絶縁層がＳｉ
Ｏ₂、バリア金属層がＴａ又はＴａＮ、配線金属層がＣ
ｕ層である研磨方法である。

【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、特定の研磨用組成物を
用い、研磨圧力を配線金属層を研磨終了する際に上げ、
バリア金属層の初期研磨圧力を高めにして研磨した後、
再び研磨圧力を下げることにより、配線金属層を研磨す
る際には金属膜に対する研磨レートが大きく、バリア金
属層を研磨する際にはバリア金属に対する研磨レートが
大きく、配線金属層に対しては低い研磨レートを持つ一
種類の研磨用組成物スラリーで、研磨できることを見い
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特定の平均粒
径並びに特定の配合比の有機粒子と無機粒子の混合物で
ある。有機粒子の平均粒径は１００ｎｍ−５００ｎｍの
有機高分子化合物である。平均粒径が下限値未満では配
線金属層を研磨する際に研磨速度が低くなるので好まし
くなく、上限値を超えると配線金属層の金属表面にスク
ラッチを発生させるので好ましくない。

【００１５】有機高分子化合物からなる有機粒子は、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。

【００１６】本発明の無機粒子の平均粒径は２０ｎｍ−
１００ｎｍの範囲にあることが好ましい。下限値未満で
はバリア金属層を研磨する際の研磨速度が極端に低下す
るので好ましくなく、上限値を超えるとバリア金属層を
研磨する際にこれ以上の研磨速度で配線金属層が研磨さ
れ選択性が得られないので好ましくない。

【００１７】無機粒子はフュームドシリカ、コロイダル
シリカ、フュームドアルミナ、およびコロイダルアルミ
ナのうち少なくとも１種類からなる無機粒子の混合物で
あり、これらのものを単独或いは任意に組み合わせ用い
ることができる。組み合わせや比率などは特に限定され
るものではない。

【００１８】有機粒子と無機粒子の重量配合比は８０／
２０〜５／９５の範囲にあることが好ましい。この範囲
よりも有機粒子の割合が少ないと配線金属層を研磨する
際にスクラッチ入りやすくなるので好ましくなく、この
範囲よりも有機粒子が多いとバリア金属層を研磨する際
の研磨速度が低下するので好ましくない。

【００１９】研磨材の研磨用組成物中の濃度は３〜３０
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
力が増大してバリア金属層へ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。

【００２０】本発明の研磨用組成物は有機酸を含有す
る。有機酸としては特に限定されないが、シュウ酸、コ
ハク酸、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、乳酸、アミノ酸
の中から選ばれた少なくとも一つであることが好まし
い。研磨用組成物中の濃度は０．０１〜１０重量％であ
ることが望ましい。０．０１重量％未満であると銅膜の
研磨レートが小さくなるために好ましくなく１０重量％
を超えると銅膜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。

【００２１】本発明の研磨用組成物は過酸化水素を用い
る。過酸化水素は銅膜などの配線金属層の金属に対して
酸化作用を発揮し、イオン化を促進することによって金
属の研磨レートを高める働きがある。研磨用組成物中の
濃度は０．０３〜１０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配線金
属層の金属やバリア金属層の金属の研磨レートが低下す
るので好ましくない。

【００２２】本発明の研磨用組成物は酸化防止剤として
ベンゾトリアゾールまたはその誘導体を含有し、研磨用
組成物中の濃度は０．０１〜１０重量％である。０．０
１重量％未満であると酸化防止の効果に乏しく銅表面に
欠陥が発生しやすくなるので好ましくなく、１０重量％
を超えると銅膜の研磨レートが極端に減少するので好ま
しくない。

【００２３】本発明の研磨用組成物は研磨速度調節剤を
含有する。研磨速度調節剤は配線金属層の金属やバリア
金属層の金属の研磨レートを調整する。研磨速度調節剤
としては無機酸または有機酸と塩基性化合物が好まし
い。例を挙げると、例えば、炭酸ナトリウム、炭酸カリ
ウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、シュウ酸カリウ
ム、シュウ酸ナトリウム、シュウ酸アンモニウムなどで
ある。この中から選ばれた少なくとも一つであることが
好ましい。研磨組成物中の濃度は０．００１〜１重量％
である。下限値未満であると配線金属層の金属の研磨レ
ートを下げる効果に乏しいので好ましくなく、上限値を
超えるとバリア金属層の金属の研磨レートも低下するの
で好ましくない。

【００２４】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、４０〜９
５重量％である。下限値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、上限値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。

【００２５】本発明の研磨用組成物は上記の各成分、研
磨材、有機酸、酸化剤、酸化防止剤、研磨速度調節剤を
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。

【００２６】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。

【００２７】本発明の研磨方法として最も重要であるの
は圧力である。ＳｉＯ₂などの絶縁層、Ｔａなどのバリ
ア金属層、Ｃｕ層などの金属配線層の３層からなる層を
平坦に研磨する際に上記に示される研磨用組成物を用
い、最上層の配線金属層の金属を研磨する際には研磨の
圧力が７〜３５ＫＰａであり、Ｔａなどの２番目のバリ
ア金属層に達した時点で研磨圧力を３５〜７０ＫＰａに
上げ、バリア金属層の研磨が終了する前に再び研磨圧力
を７〜３５ＫＰａに下げて３層目のＳｉＯ₂などの絶縁
層まで研磨することが好ましい。このように研磨対象毎
に研磨圧力を変更するのは金属配線層の金属を研磨する
際には３５ＫＰａを超えない圧力で研磨することが望ま
しい。これは３５ＫＰａを超えなければ表面の有機樹脂
成分で研磨することになり金属に対してダメージを与え
ることなく研磨できるので好ましい。７ＫＰａ未満であ
ると金属の研磨レートが減少するので好ましくない。金
属配線層の金属層の研磨終了後に３５〜７０ＫＰａに研
磨圧力を上げバリア金属層の金属層を研磨することが好
ましい。この圧力の範囲では研磨粒子表面の有機樹脂微
粒子が容易に剥離し無機粒子で硬いバリア金属層を研磨
できるので好ましい。７０ＫＰａを超えると残っている
金属配線層の金属層に傷が入りやすくなるので好ましく
なく３５ＫＰａ未満では無機粒子が研磨中露出しないの
で好ましくない。絶縁層が研磨される前に再び研磨圧力
を７〜３５ＫＰａに下げる。３５ＫＰａを超えると金属
配線層の金属表面や下のＳｉＯ₂などの絶縁層に傷など
のダメージを与えるので好ましくなく、７ＫＰａ未満で
は実用上必要とされる研磨レートが得られないので好ま
しくない。絶縁層としてはＳｉＯ₂、バリア金属層とし
てはＴａ、ＴａＮ、金属配線層としてはＣｕ層が特性、
使いやすさなどの点より好ましい。

【００２８】

【実施例】本発明を実施例で具体的に説明する。 ＜実施例１＞研磨材として一次粒子の平均粒径が３０ｎ
ｍであるコロイダルシリカと平均粒径２００ｎｍｍのポ
リメチルメタクリレート、コハク酸、過酸化水素、ベン
ゾトリアゾール、炭酸カリウムが表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研磨用組成物を得た。

【００２９】＜研磨性評価＞被研磨物は８インチのシリ
コンウエハー上にＳｉＯ₂膜を形成し幅１０μｍ厚さ５
μｍの溝をフォトレジストを用いて形成し、２００Åの
厚みでタンタル膜をスパッタリングで形成した後、電解
メッキで１５０００Åの銅を製膜したものを準備し研磨
した。

【００３０】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）を流しながら研磨した。予めベタの電解メッキ銅の
研磨速度を各スラリーで測定しておき、約１５０００Å
の銅を研磨する時の荷重は２０ＫＰａ、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。

【００３１】その後研磨圧力を５０ＫＰａに上げ、２０
０Åのタンタル膜を研磨終わる前に圧力を２０ＫＰａに
下げて研磨を終了した。ウエハーを洗浄、乾燥後の１０
μｍ幅の銅配線のディッシング量を原子間力顕微鏡を用
いて測定した。銅膜、タンタル膜の研磨時間は予めベタ
のそれぞれの膜を上記研磨条件で測定しておき、それぞ
れの時間はそれぞれの膜の厚さを研磨レートで除した時
間を目安とした。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

【００３２】＜実施例２〜７、比較例１〜６＞表１に示
された配合によって研磨組成物を調整し研磨特性を評価
した。

【００３３】＜比較例６＞表１に示された配合で得られ
た研磨組成物を用い、研磨したが圧力は最初から最後ま
で２８ＫＰａで研磨した以外は全て実施例１と同様に研
磨評価を実施した。

【００３４】評価結果を表１に示した。

【表１】

【００３５】

【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 (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２４Ｂ 57/02 Ｂ２４Ｂ 57/02 Ｃ０９Ｋ 3/14 ５５０ Ｃ０９Ｋ 3/14 ５５０Ｄ ５５０Ｚ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）研磨材、（Ｂ）有機酸、（Ｃ）過
   酸化水素、（Ｄ）ベンゾトリアゾールまたはその誘導
   体、（Ｅ）研磨速度調節剤および（Ｆ）水を有する研磨
   用組成物であり、（Ａ）研磨材が、平均粒径１００ｎｍ
   −５００ｎｍの範囲にある有機高分子化合物からなる有
   機粒子と平均粒径が２０ｎｍ−１００ｎｍの範囲にある
   フュームドシリカ、コロイダルシリカ、フュームドアル
   ミナ、およびコロイダルアルミナの中から選ばれる少な
   くとも１種類の無機粒子の混合物であり、該有機粒子と
   該無機粒子の重量配合比は８０／２０〜５／９５の範囲
   であり、研磨用組成物中の濃度が３〜３０重量％であ
   り、（Ｂ）有機酸の研磨用組成物中の濃度が０．０１〜
   １０重量％であり、（Ｃ）過酸化水素の研磨用組成物中
   の濃度が０．０３〜１０重量％であり、（Ｄ）ベンゾト
   リアゾールまたはその誘導体の研磨用組成物中の濃度が
   ０．０１〜１０重量％であり、（Ｅ）研磨速度調節剤が
   無機酸または有機酸と塩基性化合物との塩であり、研磨
   用組成物中の濃度が０．００１〜１重量％であることを
   特徴とする研磨用組成物。
2. 【請求項２】 有機酸が、シュウ酸、コハク酸、クエン
   酸、酒石酸、リンゴ酸、乳酸、アミノ酸の中から選ばれ
   た少なくとも一つである請求項１記載の研磨用組成物。
3. 【請求項３】 研磨速度調節剤が、炭酸ナトリウム、炭
   酸カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、シュウ酸
   カリウム、シュウ酸ナトリウム、シュウ酸アンモニウム
   の中から選ばれた少なくとも一つの塩である請求項１記
   載の研磨用組成物。
4. 【請求項４】 絶縁層、バリア金属層、配線金属層の３
   層からなる層を平坦に研磨する際に、請求項１に記載さ
   れた研磨用組成物を用い、最上層の配線金属層を研磨す
   る際には研磨の圧力が７〜３５ＫＰａであり、２番目の
   バリア金属層に達した時点で研磨圧力を３５〜７０ＫＰ
   ａに上げ、バリア金属層の研磨が終了する前に再び研磨
   圧力を７〜３５ＫＰａに下げて３層目の絶縁層までを研
   磨することを特徴とする研磨方法。
5. 【請求項５】 絶縁層がＳｉＯ₂、バリア金属層がＴａ
   又はＴａＮ、配線金属層がＣｕ層である請求項４記載の
   研磨方法。