JP2004022855A - Process for producing semiconductor device - Google Patents

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JP2004022855A
JP2004022855A JP2002176761A JP2002176761A JP2004022855A JP 2004022855 A JP2004022855 A JP 2004022855A JP 2002176761 A JP2002176761 A JP 2002176761A JP 2002176761 A JP2002176761 A JP 2002176761A JP 2004022855 A JP2004022855 A JP 2004022855A
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JP
Japan
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copper
polishing
wiring layer
film
forming
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Application number
JP2002176761A
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Japanese (ja)
Inventor
Nobuo Kobayashi
小林 信雄
Mikio Nonaka
野中 幹男
Katsuhiko Yamauchi
山内 克彦
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Shibaura Mechatronics Corp
Original Assignee
Shibaura Mechatronics Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a process for producing a semiconductor device in which the surface of a buried wiring layer formed by CMP processing can be cleaned by removing copper complex effectively from the surface. <P>SOLUTION: The process for producing a semiconductor device comprises a step for forming grooves corresponding to the shape of the wiring layer in an insulating film formed on a semiconductor substrate, a step for forming a wiring material film of copper or a copper alloy on the insulating film including the inner surface of the groove, a step for forming the wiring layer in the groove by polishing the wiring material film chemomechanically using polishing slurry for copper based metal containing an organic acid for forming a copper complex and an oxidizing agent, and a step for cleaning the surface of the insulating film including the wiring layer with cleaning liquid containing organoalkali and chelating agent. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化により、回路配線の微細化が進み、配線材料がAlから比抵抗が低く許容電流密度が高いCuを用いることが検討され、盛んに研究、開発が進められている。
【0003】
このようなCu配線を有する半導体装置は、次のような化学機械研磨(ケミカルメカニカルポリシング:CMP)技術を用いて埋め込み配線層を形成し、表面の段差を解消する方法が採用されている。
【0004】
すなわち、半導体基板上の例えばSiOからなる層間絶縁膜に溝を形成し、この溝を含む前記層間絶縁膜全面に銅または銅合金からなる配線材料膜を前記溝を十分に埋めるように形成した後、研磨装置と銅錯体形成用有機酸(例えば2−キノリンカルボン酸)および酸化剤(例えば過酸化水素)を含む銅系金属用研磨スラリーを用いて前記配線材料膜にCMP処理を施すことにより前記溝内に銅または銅合金の膜を残存させて埋め込み配線層を形成する。
【0005】
ところで、前記研磨スラリーを用いたCMP処理による埋込み配線層の形成後においてその配線層表面に銅錯体が残留するため、配線抵抗の増大やばらつきを生じる。
【0006】
このようなことから、従来、埋込み配線層の形成後にテトラメチル・アンモニウム・ハイドロオキサイドのような有機アルカリを含む洗浄液で洗浄することが行われている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の洗浄方法では埋込み配線層表面の銅錯体を必ずしも十分に除去することが困難であった。
【0008】
本発明は、CMP処理により形成された埋込み配線層表面の銅錯体を効果的に除去してその表面を清浄化することが可能な半導体装置の製造方法を提供しようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上の絶縁膜に配線層の形状に相当する溝を形成する工程と、
前記溝内面を含む前記絶縁膜上に銅または銅合金からなる配線材料膜を形成する工程と、
銅錯体形成用有機酸および酸化剤を含む銅系金属用研磨スラリーを用いて前記配線材料膜を化学機械研磨することにより前記溝内に配線層を形成する工程と、有機アルカリおよびキレート剤を含む洗浄液により前記配線層を含む絶縁膜表面を洗浄する工程と
を含むことを特徴とするものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する
(第1工程)
まず、半導体基板上の絶縁膜に配線層の形状に相当する溝を形成する。つづいて、この溝内面を含む前記絶縁膜上に銅または銅合金からなる配線材料膜を形成する。
【0011】
前記絶縁膜としては、例えばシリコン酸化膜、ボロン添加ガラス膜(BPSG膜)、リン添加ガラス膜(PSG膜)等を用いることができる。また、前記絶縁膜としては、例えばSiOF、有機スピンオングラス、ポリイミド等の絶縁材料からなる膜を用いることができる。
【0012】
前記Cu合金としては、例えばCu−Si合金、Cu−Al合金、Cu−Si−Al合金、Cu−Ag合金等を用いることができる。
【0013】
前記CuまたはCu合金からなる配線材料膜は、スパッタ蒸着、真空蒸着、または無電解メッキ等により形成される。具体的には、銅もしくは銅合金をスパッタ法またはCVD法により堆積し、さらに無電解銅メッキを施して銅または銅合金からなる配線材料膜を形成する。
【0014】
前記溝内に配線材料膜を形成するに先立って銅拡散防止膜を形成することを許容する。この銅拡散防止膜としては、例えばTa,TaN、TaNb、Wから選ばれる1層または2層以上から作られる。このような銅拡散防止膜は、15〜50nmの厚さを有することが好ましい。
【0015】
(第2工程)
前記配線材料膜を銅錯体形成用有機酸および酸化剤を含む銅系金属用研磨スラリーを用いて化学機械研磨(CMP)を行い、前記溝内に埋込み配線層を形成する。
【0016】
前記CMPは、図1に示す研磨装置および前記銅系金属用研磨スラリーを用いてなされる。すなわち、ターンテーブル1上には例えば布、独立気泡を有するポリウレタン発泡体等から作られた研磨パッド2が被覆されている。銅系金属用研磨スラリーを供給するための第1供給管3は、前記研磨パッド2の上方に配置されている。上面に支持軸4を有する基板ホルダ5は、研磨パッド2の上方に上下動自在でかつ回転自在に配置されている。このような研磨装置において、前記ホルダ5により基板6をその研磨面(例えばCu膜)が前記研磨パッド2に対向するように保持し、前記第1供給管3から前述した組成の研摩スラリー7を供給しながら、前記支持軸4により前記基板6を前記研磨パッド2に向けて所望の加重を与え、さらに前記ホルド5および前記ターンテーブル1をそれぞれ同方向に回転させることにより前記基板6上のCu膜が研磨される。
【0017】
前記有機酸としては、例えば2−キノリンカルボン酸(キナルジン酸)、2−ピリジンカルボン酸、2,6−ピリジンカルボン酸、キノリン等を挙げることができる。
【0018】
前記有機酸は、前記研磨スラリー中に0.1重量%以上含有されることが好ましい。
【0019】
前記酸化剤は、銅もしくは銅合金に前記研磨用組成物を接触させた際に銅の水和物を生成する作用を有する。かかる酸化剤としては、例えば過酸化水素(H2 2 )、次亜塩素酸ソーダ(NaClO)のような酸化剤を用いることができる。
【0020】
前記酸化剤の含有量を重量割合で前記有機酸に対して3倍〜20倍にすることが好ましい。
【0021】
前記銅系金属用研磨スラリーは、さらに研磨砥粒を含有することを許容する。この研磨砥粒としては、例えばコロイダルアルミナのようなアルミナ粉末、コロイダルシリカのようなシリカ粉末等を挙げることができる。
【0022】
前記研磨砥粒は、前記研磨スラリー中に0.8〜20重量%含有されることが好ましい。前記研磨砥粒の含有量を0.8重量%未満にすると、その効果を十分に達成することが困難になる。一方、前記研磨砥粒の含有量が20重量%を越えると、研磨組成物の粘度等が高くなるなど取扱い難くなる。より好ましい研磨砥粒の含有量は、0.8〜3重量%である。
【0023】
前記銅系金属用研磨スラリーは、さらにカルボキシル基およびヒドロキシル基をそれぞれ1つ持つ別の有機酸を含有することを許容する。この別の有機酸は、前記酸化剤による銅の水和物の生成を促進する作用を有する。かかる別の有機酸としては、例えば乳酸、酒石酸、マンデル酸およびリンゴ酸等を挙げることができ、これらは1種または2種以上の混合物の形態で用いることができる。この別の第2有機酸としては、特に乳酸を用いるが好ましい。
【0024】
前記銅系金属用研磨スラリーは、さらに非イオン性、両性イオン性、陰イオン性、陽イオン性の界面活性剤が添加されることを許容する。このような界面活性剤をさらに含む研磨組成物は、後述するようにCuまたはCu合金とSiN膜およびSiO2 のような絶縁膜との選択研磨性を高めることが可能になる。
【0025】
前記銅系金属用研磨スラリーは、さらに前記研磨砥粒の分散剤を含有すること許容する。この分散剤としては、例えばポリビニルピロリドン(PVP)等を挙げることができる。
【0026】
前記研磨装置を用いる研磨処理において、基板ホルダで保持された基板を前記研磨パッドに与える荷重は研磨組成物の組成により適宜選定されるが、例えば50〜1000g/cm2 にすることが好ましい。
【0027】
なお、前記溝内に配線材料膜を形成するに先立って銅拡散防止膜を形成した場合は、前記配線材料膜を前記銅系金属用研磨スラリーを用いて化学機械研磨(CMP)を行い、さらに露出した前記銅拡散防止膜をCMPを行って前記溝内に表面を除く周囲が前記銅拡散防止膜で覆われた埋込み配線層を形成する。
【0028】
(第3工程)
前記半導体基板の埋込み配線層を含む絶縁膜表面を有機アルカリおよびキレート剤を含む洗浄液により洗浄して半導体装置を製造する。
【0029】
前記洗浄操作は、例えば前述した図1に示す研磨装置による配線材料膜のCMP処理にひきつづいて、同研磨装置の前記研磨パッド2に第2供給管8を通して前記組成の洗浄液9を供給することによりなされる。
【0030】
前記有機アルカリとしては、例えばテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド、テトラメチルアンモニウムクロライド、テトラメチルハイドロオキサイド等の第4級アンモニウム塩を挙げることができる。
【0031】
前記洗浄液中の有機アルカリの量は、1〜10重量%にすることが好ましい。この有機アルカリの量を1重量%未満にすると、埋込み配線層表面の銅錯体を十分に除去することが困難になる。一方、有機アルカリの量が10重量%を超えると、配線層表面にダメージを与える虞がある。
【0032】
前記キレート剤は、銅とキレートを作りかつそのキレート化合物が水に溶解する性質を有し、pH10〜12で使用可能なものであればよい。このようなキレート剤としては、例えばベンゾトリアゾールおよびその誘導体を用いることができる。このベンゾトリアゾール誘導体としては、例えば1−(2,3−ジヒドロキシプロピル)ベンゾトリアゾール、1−[N,N−ビス(ヒドロキシジエチル)アミノメチル]ベンゾトリアゾール等を挙げることができる。
【0033】
前記洗浄液中のキレート剤の量は、0.01〜10重量%にすることが好ましい。このキレート剤の量を0.01重量%未満にすると、埋込み配線層表面の銅錯体を十分に除去することが困難になる。一方、キレート剤の量が10重量%を超えると、配線層表面に厚い被膜を形成する虞がある。
【0034】
なお、本発明は半導体装置の製造のみならず、液晶表示装置のような他の半導体装置の製造にも同様に適用できる。
【0035】
以上説明した本発明によれば、半導体基板上の絶縁膜に配線層の形状に相当する溝を形成し、この溝内面を含む前記絶縁膜上に銅または銅合金からなる配線材料膜を形成し、銅錯体形成用有機酸および酸化剤を含む銅系金属用研磨スラリーを用いて前記配線材料膜を化学機械研磨することにより前記溝内に配線層を形成した後、有機アルカリおよびキレート剤を含む洗浄液により前記配線層を含む絶縁膜表面を洗浄することによって、前記埋込み配線層表面の銅錯体を効果的に除去でき、清浄化することができる。その結果、銅または銅合金本来の抵抗値を有する低抵抗の埋込み配線層が形成された高信頼性の半導体装置を製造することができる。
【0036】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
【0037】
(実施例1)
テトラメチル・アンモニウム・ハイドロオキサイド2.5重量%および1−[N,N−ビス(ヒドロキシジエチル)アミノメチル]ベンゾトリアゾール0.1重量%が溶解された洗浄液を調製した。
【0038】
(比較例1)
テトラメチル・アンモニウム・ハイドロオキサイド2.5重量%が溶解された洗浄液を調製した。
【0039】
前述した図1に示す研磨装置を用いて基板ホルダ5にCu膜が成膜されたシリコンウェハ6をそのCu膜が研磨パッド(ロデール社製商品名;IC1000)2側に対向するように逆さにして保持し、支持軸4により前記ウェハ6を研磨パッド2に300gf/cm2 の荷重を与え、さらにターンテーブル1およびホルダ5をそれぞれ63rpm、60rpmの速度で同方向に回転させながら、下記組成の銅系金属用研磨スラリーを第1供給管3から100mL/分の速度で前記研磨パッド2に供給することによって、前記Cu膜の研磨を行なった。
【0040】
<銅系金属用研磨スラリー;各成分量は水に対する割合>
・2−キノリンカルボン酸(キナルジン酸);0.67重量%、
・乳酸;0.67重量%、
・コロイダルアルミナ;1.67重量%、
・過酸化水素;4.67重量%、
・ドデシル硫酸アンモニウム;0.576重量%、
・ポリビニルピロリドン(PVP);0.4重量%。
【0041】
次いで、図1の研磨装置の第1供給管3からの銅系金属用研磨スラリーの供給を停止し、ターンテーブル1およびホルダ5の回転を続行しながら、第2供給管8から前記実施例1および比較例1の洗浄液を200mL/分の速度で前記研磨パッド2にそれぞれ供給することによって、前記研磨後のCu膜表面を洗浄した。
【0042】
実施例1および比較例1の洗浄液による洗浄後におけるCu膜表面の0.2μm以上のパーティクル数をパーティクル検査装置(Tencor社製商品名;SFS6420)で測定した。その結果を図2に示す。なお、図2において実施例1は比較例1の洗浄後のパーティクル数を100としたときの相対値として示した。
【0043】
図2から明らかなように実施例1の洗浄液で洗浄したCu膜表面のパーティクル数は比較例1の洗浄液で洗浄したCu膜表面のそれに比べて激減していることがわかる。
【0044】
また、実施例1および比較例1の洗浄液による洗浄後のCu膜表面の接触角(銅錯体が残留していれば、疎水性になって接触角が大きくなる)を測定した。その結果、無垢のCu膜表面の接触角それが66°であるのに対し、実施例1のそれは57°、比較例1のそれは89°であった。
【0045】
これらの結果から実施例1の洗浄液を用いることによって、研磨後のCu膜表面を清浄化できることがわかる。
【0046】
(実施例2)
まず、図3の(A)に示すように表面に図示しないソース、ドレイン等の拡散層が形成されたシリコン基板21上にCVD法により層間絶縁膜としての例えば厚さ1000nmのSiO2 膜22を堆積した後、前記SiO2 膜22にフォトエッチング技術により配線層に相当する形状を有する深さ500nmの複数の溝23を形成した。つづいて、図3の(B)に示すように前記溝23を含む前記SiO2 膜22上にスパッタ蒸着により厚さ15nmのTaからなる銅拡散防止膜24および厚さ600nmのCu膜25をこの順序で形成した。
【0047】
次いで、前述した図1に示す研磨装置の基板ホルダ5に図3の(B)に示す基板21を逆さにして保持し、前記ホルダ5の支持軸4により前記基板をターンテーブル1上のロデール社製商品名;IC1000からなる研磨パッド2に500g/cm2 の荷重を与え、前記ターンテーブル1およびホルダ5をそれぞれ103rpm、100rpmの速度で同方向に回転させながら、前記組成の銅系金属用研磨スラリーを第1供給管3から50ml/分の速度で前記研磨パッド2に供給して前記基板21に形成したCu膜25を前記SiO2 膜22上の前記銅拡散防止膜24の表面が露出するまで研磨した。この研磨工程において、前記研磨スラリーはCu膜との接触時のエッチングが全く起こらず、前記研磨パッドによる研磨時の研磨速度が約600nm/分であった。このため、研磨工程において図3の(B)に示す凸状のCu膜25は前記研磨パッドと機械的に接触する表面から優先的に研磨された。
【0048】
次いで、同じ研磨装置の基板ホルダ5に図3の(B)に示す基板21を逆さにして保持し、前記ホルダ5の支持軸4により前記基板をターンテーブル1上のロデール社製商品名;IC1000からなる研磨パッド2に500g/cm2 の荷重を与え、前記ターンテーブル1およびホルダ5をそれぞれ103rpm、100rpmの速度で同方向に回転させながら、前記銅系金属用研磨スラリーより研磨砥粒量の多い銅拡散防止材料用研磨スラリーを第1供給管3から100ml/分の速度で前記研磨パッド2に供給して前記基板21に形成した銅拡散防止膜24を前記SiO2 膜22表面が露出するまで研磨した。
【0049】
その結果、図3の(C)に示すように前記溝23内に銅拡散防止膜24が残存すると共に、前記銅拡散防止膜24で覆われた前記SiO2 膜22表面とほぼ面一な埋め込みCu配線層26が形成された。
【0050】
次いで、図1の研磨装置の第1供給管3からの銅拡散防止材料用研磨スラリーの供給を停止し、ターンテーブル1およびホルダ5の回転を続行しながら、第2供給管8から前記実施例1と同様な組成の洗浄液を200mL/分の速度で前記研磨パッド2に供給することによって、前記研磨後の埋め込みCu配線層26を洗浄することにより半導体装置を製造した。
【0051】
実施例2で得られた半導体装置は、銅本来の低抵抗性を有する埋め込みCu配線層が形成されていた。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればCMP処理により形成された埋込み配線層表面の銅錯体を効果的に除去してその表面を清浄化することができ、銅または銅合金本来の低抵抗性を有する埋込み配線層が形成された信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の研磨工程に使用される研磨装置を示す概略図。
【図2】本発明の実施例1および比較例1の洗浄液による洗浄後のCu膜表面のパーティクル数(相対値)を示す特性図。
【図3】本発明の実施例2における半導体装置の製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
1…ターンテーブル、
2…研磨パッド、
3,8…供給管、
5…ホルダ、
11…シリコン基板、
15…Cu膜、
12…SiO2 膜、
23…溝、
14…銅拡散防止膜、
26…Cu配線層、
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the increase in the degree of integration of semiconductor devices, circuit wiring has become finer. The use of Al as a wiring material and Cu having a low specific resistance and a high allowable current density has been studied, and research and development have been actively conducted. .
[0003]
In a semiconductor device having such a Cu wiring, a method of forming a buried wiring layer by using the following chemical mechanical polishing (Chemical Mechanical Polishing: CMP) technique to eliminate a step on the surface is adopted.
[0004]
That is, a groove is formed in an interlayer insulating film made of, for example, SiO 2 on a semiconductor substrate, and a wiring material film made of copper or a copper alloy is formed on the entire surface of the interlayer insulating film including the groove so as to sufficiently fill the groove. Thereafter, the wiring material film is subjected to a CMP process using a polishing apparatus and a polishing slurry for a copper-based metal containing an organic acid for forming a copper complex (for example, 2-quinolinecarboxylic acid) and an oxidizing agent (for example, hydrogen peroxide). A buried wiring layer is formed by leaving a copper or copper alloy film in the trench.
[0005]
By the way, since the copper complex remains on the surface of the wiring layer after the formation of the buried wiring layer by the CMP treatment using the polishing slurry, the wiring resistance increases and varies.
[0006]
For this reason, conventionally, after the formation of the buried wiring layer, cleaning with a cleaning liquid containing an organic alkali such as tetramethyl ammonium hydroxide is performed.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, it has been difficult to always sufficiently remove the copper complex on the surface of the embedded wiring layer by the conventional cleaning method.
[0008]
An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of effectively removing a copper complex on a surface of an embedded wiring layer formed by a CMP process and cleaning the surface.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a groove corresponding to a shape of a wiring layer in an insulating film on a semiconductor substrate;
Forming a wiring material film made of copper or a copper alloy on the insulating film including the groove inner surface,
A step of forming a wiring layer in the groove by chemically and mechanically polishing the wiring material film using a polishing slurry for a copper-based metal containing an organic acid for forming a copper complex and an oxidizing agent, comprising an organic alkali and a chelating agent Cleaning the surface of the insulating film including the wiring layer with a cleaning liquid.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described (first step).
First, a groove corresponding to the shape of a wiring layer is formed in an insulating film on a semiconductor substrate. Subsequently, a wiring material film made of copper or a copper alloy is formed on the insulating film including the inner surface of the groove.
[0011]
As the insulating film, for example, a silicon oxide film, a boron-doped glass film (BPSG film), a phosphorus-doped glass film (PSG film), or the like can be used. Further, as the insulating film, for example, a film made of an insulating material such as SiOF, organic spin-on-glass, or polyimide can be used.
[0012]
As the Cu alloy, for example, a Cu-Si alloy, a Cu-Al alloy, a Cu-Si-Al alloy, a Cu-Ag alloy, or the like can be used.
[0013]
The wiring material film made of Cu or Cu alloy is formed by sputter deposition, vacuum deposition, electroless plating, or the like. Specifically, copper or a copper alloy is deposited by a sputtering method or a CVD method, and further subjected to electroless copper plating to form a wiring material film made of copper or a copper alloy.
[0014]
It is allowed to form a copper diffusion preventing film before forming a wiring material film in the trench. This copper diffusion prevention film is made of, for example, one layer or two or more layers selected from Ta, TaN, TaNb, and W. Such a copper diffusion barrier film preferably has a thickness of 15 to 50 nm.
[0015]
(2nd process)
The wiring material film is subjected to chemical mechanical polishing (CMP) using a polishing slurry for a copper-based metal containing an organic acid for forming a copper complex and an oxidizing agent to form a buried wiring layer in the groove.
[0016]
The CMP is performed using the polishing apparatus shown in FIG. 1 and the polishing slurry for copper-based metal. That is, the turntable 1 is covered with a polishing pad 2 made of, for example, cloth, polyurethane foam having closed cells, or the like. A first supply pipe 3 for supplying the polishing slurry for copper-based metal is disposed above the polishing pad 2. A substrate holder 5 having a support shaft 4 on the upper surface is arranged above the polishing pad 2 so as to be vertically movable and rotatable. In such a polishing apparatus, the substrate 6 is held by the holder 5 so that the polishing surface (eg, Cu film) of the polishing pad 2 faces the polishing pad 2, and the polishing slurry 7 having the above-described composition is supplied from the first supply pipe 3. While supplying, the substrate 6 is given a desired weight toward the polishing pad 2 by the support shaft 4, and the holder 5 and the turntable 1 are respectively rotated in the same direction so that Cu on the substrate 6 is The film is polished.
[0017]
Examples of the organic acid include 2-quinoline carboxylic acid (quinaldic acid), 2-pyridine carboxylic acid, 2,6-pyridine carboxylic acid, and quinoline.
[0018]
The organic acid is preferably contained in the polishing slurry in an amount of 0.1% by weight or more.
[0019]
The oxidizing agent has an action of generating a hydrate of copper when the polishing composition is brought into contact with copper or a copper alloy. As such an oxidizing agent, for example, an oxidizing agent such as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) or sodium hypochlorite (NaClO) can be used.
[0020]
It is preferable that the content of the oxidizing agent is 3 to 20 times the weight of the organic acid by weight.
[0021]
The polishing slurry for a copper-based metal is allowed to further contain abrasive grains. Examples of the abrasive grains include alumina powder such as colloidal alumina and silica powder such as colloidal silica.
[0022]
It is preferable that the abrasive grains are contained in the polishing slurry at 0.8 to 20% by weight. When the content of the abrasive grains is less than 0.8% by weight, it is difficult to sufficiently achieve the effect. On the other hand, when the content of the abrasive grains exceeds 20% by weight, the polishing composition becomes difficult to handle, for example, the viscosity of the polishing composition increases. A more preferable content of the abrasive grains is 0.8 to 3% by weight.
[0023]
The polishing slurry for a copper-based metal is allowed to further contain another organic acid having one carboxyl group and one hydroxyl group. This other organic acid has an effect of promoting the formation of copper hydrate by the oxidizing agent. Such other organic acids include, for example, lactic acid, tartaric acid, mandelic acid, malic acid and the like, and these can be used in the form of one or a mixture of two or more. Lactic acid is particularly preferably used as the other second organic acid.
[0024]
The polishing slurry for copper-based metal allows the addition of a nonionic, zwitterionic, anionic, or cationic surfactant. The polishing composition further containing such a surfactant makes it possible to enhance selective polishing of Cu or a Cu alloy and an insulating film such as a SiN film and SiO 2 as described later.
[0025]
The polishing slurry for copper-based metal is allowed to further contain a dispersant for the polishing abrasive grains. Examples of the dispersant include polyvinylpyrrolidone (PVP).
[0026]
In the polishing process using the polishing apparatus, the load applied to the polishing pad by the substrate held by the substrate holder is appropriately selected depending on the composition of the polishing composition, and is preferably, for example, 50 to 1000 g / cm 2 .
[0027]
When a copper diffusion preventing film is formed prior to forming a wiring material film in the groove, the wiring material film is subjected to chemical mechanical polishing (CMP) using the copper-based metal polishing slurry, and The exposed copper diffusion preventing film is subjected to CMP to form a buried wiring layer in the trench, the periphery of which is covered with the copper diffusion preventing film except for the surface.
[0028]
(3rd step)
The surface of the insulating film including the embedded wiring layer of the semiconductor substrate is cleaned with a cleaning liquid containing an organic alkali and a chelating agent to manufacture a semiconductor device.
[0029]
The cleaning operation is performed, for example, by supplying the cleaning liquid 9 having the composition through the second supply pipe 8 to the polishing pad 2 of the polishing apparatus following the CMP processing of the wiring material film by the polishing apparatus shown in FIG. Done.
[0030]
Examples of the organic alkali include quaternary ammonium salts such as tetramethylammonium hydroxide, tetramethylammonium chloride, and tetramethylhydroxide.
[0031]
The amount of the organic alkali in the cleaning solution is preferably set to 1 to 10% by weight. If the amount of the organic alkali is less than 1% by weight, it becomes difficult to sufficiently remove the copper complex on the surface of the embedded wiring layer. On the other hand, when the amount of the organic alkali exceeds 10% by weight, the wiring layer surface may be damaged.
[0032]
The chelating agent may be any as long as it has a property of forming a chelate with copper and dissolving the chelate compound in water, and can be used at pH 10 to 12. As such a chelating agent, for example, benzotriazole and its derivatives can be used. Examples of the benzotriazole derivative include 1- (2,3-dihydroxypropyl) benzotriazole, 1- [N, N-bis (hydroxydiethyl) aminomethyl] benzotriazole and the like.
[0033]
It is preferable that the amount of the chelating agent in the cleaning liquid is 0.01 to 10% by weight. When the amount of the chelating agent is less than 0.01% by weight, it becomes difficult to sufficiently remove the copper complex on the surface of the embedded wiring layer. On the other hand, if the amount of the chelating agent exceeds 10% by weight, a thick coating may be formed on the surface of the wiring layer.
[0034]
The present invention is applicable not only to the manufacture of semiconductor devices but also to the manufacture of other semiconductor devices such as liquid crystal display devices.
[0035]
According to the present invention described above, a groove corresponding to the shape of a wiring layer is formed in an insulating film on a semiconductor substrate, and a wiring material film made of copper or a copper alloy is formed on the insulating film including the inner surface of the groove. After forming a wiring layer in the groove by chemically and mechanically polishing the wiring material film using a polishing slurry for a copper-based metal containing an organic acid for forming a copper complex and an oxidizing agent, containing an organic alkali and a chelating agent By cleaning the surface of the insulating film including the wiring layer with a cleaning liquid, the copper complex on the surface of the buried wiring layer can be effectively removed and the surface can be cleaned. As a result, a highly reliable semiconductor device in which a low-resistance buried wiring layer having the original resistance value of copper or a copper alloy is formed can be manufactured.
[0036]
【Example】
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
[0037]
(Example 1)
A washing solution was prepared in which 2.5% by weight of tetramethyl ammonium hydroxide and 0.1% by weight of 1- [N, N-bis (hydroxydiethyl) aminomethyl] benzotriazole were dissolved.
[0038]
(Comparative Example 1)
A washing solution in which 2.5% by weight of tetramethyl ammonium hydroxide was dissolved was prepared.
[0039]
The silicon wafer 6 having the Cu film formed on the substrate holder 5 is turned upside down using the polishing apparatus shown in FIG. 1 so that the Cu film faces the polishing pad (trade name: IC1000, manufactured by Rodale) 2. The wafer 6 is applied with a load of 300 gf / cm 2 to the polishing pad 2 by the support shaft 4, and the turntable 1 and the holder 5 are rotated in the same direction at a speed of 63 rpm and 60 rpm, respectively. The Cu film was polished by supplying the polishing slurry for copper-based metal to the polishing pad 2 at a rate of 100 mL / min from the first supply pipe 3.
[0040]
<Polishing slurry for copper-based metal; each component is in proportion to water>
-2-quinolinecarboxylic acid (quinaldic acid); 0.67% by weight,
-Lactic acid: 0.67% by weight,
Colloidal alumina; 1.67% by weight;
Hydrogen peroxide; 4.67% by weight,
Ammonium dodecyl sulfate; 0.576% by weight
-Polyvinylpyrrolidone (PVP); 0.4% by weight.
[0041]
Next, the supply of the polishing slurry for copper-based metal from the first supply pipe 3 of the polishing apparatus of FIG. 1 is stopped, and the rotation of the turntable 1 and the holder 5 is continued, while the rotation of the turntable 1 and the holder 5 is continued. By supplying the cleaning liquid of Comparative Example 1 to the polishing pad 2 at a rate of 200 mL / min, the polished Cu film surface was cleaned.
[0042]
The number of particles of 0.2 μm or more on the surface of the Cu film after cleaning with the cleaning liquids of Example 1 and Comparative Example 1 was measured with a particle inspection device (trade name: SFS6420 manufactured by Tencor). The result is shown in FIG. In FIG. 2, the value of Example 1 is shown as a relative value when the number of particles after cleaning in Comparative Example 1 is set to 100.
[0043]
As is clear from FIG. 2, the number of particles on the surface of the Cu film cleaned with the cleaning liquid of Example 1 is significantly reduced as compared with that on the surface of the Cu film cleaned with the cleaning liquid of Comparative Example 1.
[0044]
In addition, the contact angle of the Cu film surface after cleaning with the cleaning liquids of Example 1 and Comparative Example 1 (if the copper complex remains, the contact angle becomes hydrophobic and the contact angle increases). As a result, the contact angle of the pure Cu film surface was 66 °, whereas that of Example 1 was 57 ° and that of Comparative Example 1 was 89 °.
[0045]
These results show that the use of the cleaning liquid of Example 1 can clean the polished Cu film surface.
[0046]
(Example 2)
First, as shown in FIG. 3A, an SiO 2 film 22 having a thickness of, for example, 1000 nm as an interlayer insulating film is formed on a silicon substrate 21 having a diffusion layer such as a source and a drain (not shown) formed on a surface thereof by a CVD method. After the deposition, a plurality of trenches 23 having a shape corresponding to the wiring layer and having a depth of 500 nm were formed in the SiO 2 film 22 by a photoetching technique. Subsequently, as shown in FIG. 3B, a copper diffusion preventing film 24 made of Ta and having a thickness of 15 nm and a Cu film 25 having a thickness of 600 nm are formed on the SiO 2 film 22 including the groove 23 by sputtering deposition. Formed in order.
[0047]
Next, the substrate 21 shown in FIG. 3B is held upside down on the substrate holder 5 of the polishing apparatus shown in FIG. 1 and the substrate is turned on the turntable 1 by the support shaft 4 of the holder 5. Ltd. trade name; the polishing pad 2 consisting of IC1000 applying a load of 500 g / cm 2, 103 rpm the turntable 1 and the holder 5, respectively, while rotating in the same direction at 100rpm speed, polishing copper-based metal of the composition The slurry is supplied from the first supply pipe 3 to the polishing pad 2 at a rate of 50 ml / min to expose the Cu film 25 formed on the substrate 21 to the surface of the copper diffusion preventing film 24 on the SiO 2 film 22. Polished until. In this polishing step, the polishing slurry did not undergo any etching at the time of contact with the Cu film, and the polishing rate at the time of polishing with the polishing pad was about 600 nm / min. Therefore, in the polishing step, the convex Cu film 25 shown in FIG. 3B was preferentially polished from the surface that mechanically contacts the polishing pad.
[0048]
Next, the substrate 21 shown in FIG. 3B is held upside down on the substrate holder 5 of the same polishing apparatus, and the substrate is mounted on the turntable 1 by the support shaft 4 of the holder 5; the polishing pad 2 consisting of applying a load of 500 g / cm 2, 103 rpm the turntable 1 and the holder 5, respectively, while rotating in the same direction at 100rpm speed, abrasive grains weight than the copper-based metal polishing slurry A large amount of the polishing slurry for copper diffusion preventing material is supplied from the first supply pipe 3 to the polishing pad 2 at a rate of 100 ml / min to expose the copper diffusion preventing film 24 formed on the substrate 21 to the surface of the SiO 2 film 22. Polished until.
[0049]
As a result, as shown in FIG. 3C, the copper diffusion prevention film 24 remains in the trench 23 and is buried substantially flush with the surface of the SiO 2 film 22 covered with the copper diffusion prevention film 24. The Cu wiring layer 26 was formed.
[0050]
Then, the supply of the polishing slurry for the copper diffusion preventing material from the first supply pipe 3 of the polishing apparatus of FIG. 1 is stopped, and the rotation of the turntable 1 and the holder 5 is continued, and the second supply pipe 8 is used to stop the polishing. A semiconductor device was manufactured by cleaning the buried Cu wiring layer 26 after polishing by supplying the polishing pad 2 with a cleaning liquid having the same composition as that of No. 1 at a rate of 200 mL / min.
[0051]
In the semiconductor device obtained in Example 2, a buried Cu wiring layer having a low resistance inherent to copper was formed.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the copper complex on the surface of the buried wiring layer formed by the CMP treatment can be effectively removed to clean the surface, and the low resistivity inherent to copper or copper alloy can be obtained. And a method for manufacturing a highly reliable semiconductor device having a buried wiring layer having
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a polishing apparatus used in a polishing step of the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the number of particles (relative value) on the surface of a Cu film after cleaning with a cleaning liquid of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1. Turntable,
2. Polishing pad,
3, 8 ... supply pipe,
5. Holder,
11 ... silicon substrate,
15 ... Cu film,
12: SiO 2 film,
23 ... groove,
14. Copper diffusion preventing film,
26 ... Cu wiring layer,

Claims (3)

半導体基板上の絶縁膜に配線層の形状に相当する溝を形成する工程と、
前記溝内面を含む前記絶縁膜上に銅または銅合金からなる配線材料膜を形成する工程と、
銅錯体形成用有機酸および酸化剤を含む銅系金属用研磨スラリーを用いて前記配線材料膜を化学機械研磨することにより前記溝内に配線層を形成する工程と、有機アルカリおよびキレート剤を含む洗浄液により前記配線層を含む絶縁膜表面を洗浄する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a groove corresponding to the shape of the wiring layer in the insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a wiring material film made of copper or a copper alloy on the insulating film including the groove inner surface,
A step of forming a wiring layer in the groove by chemically and mechanically polishing the wiring material film using a polishing slurry for a copper-based metal containing an organic acid for forming a copper complex and an oxidizing agent, comprising an organic alkali and a chelating agent Cleaning the surface of the insulating film including the wiring layer with a cleaning liquid.
前記有機アルカリは、テトラメチル・アンモニウム・ハイドロオキサイドであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein the organic alkali is tetramethyl ammonium hydroxide. 前記キレート剤は、ベンゾトリアゾールまたはその誘導体であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。The method according to claim 1, wherein the chelating agent is benzotriazole or a derivative thereof.
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