JP2004319609A - 配線形成方法及び研磨パッド - Google Patents
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Abstract
【課題】ダマシン法を用いた配線形成方法及びこれに用いる研磨パッドに関し、低い研磨圧力でも研磨速度が高く被研磨表面の平坦性が良好な配線形成方法及びこれに好適な研磨パッドを提供する。
【解決手段】開口部３４が形成された絶縁膜３６上に配線材料３８を堆積し、配線材料３８を化学的機械的に除去することにより開口部３４内に埋め込まれた配線４２を形成する配線形成方法において、配線材料３８と化学反応を起こす薬液６２を供給しながら、その化学反応を促進する物質２２を含んだ研磨パッド２０を配線材料３８に接触させることにより、配線材料３８を平坦に除去する。
【選択図】 図２
【解決手段】開口部３４が形成された絶縁膜３６上に配線材料３８を堆積し、配線材料３８を化学的機械的に除去することにより開口部３４内に埋め込まれた配線４２を形成する配線形成方法において、配線材料３８と化学反応を起こす薬液６２を供給しながら、その化学反応を促進する物質２２を含んだ研磨パッド２０を配線材料３８に接触させることにより、配線材料３８を平坦に除去する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダマシン法を用いた配線形成方法並びにこれに用いる研磨パッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の大規模高集積化に伴い、配線の設計ルールも世代と共に縮小化されている。従来、配線層は、配線材料を堆積した後、リソグラフィー及びドライエッチングを用いてパターニングすることにより形成されてきたが、世代が進むにつれて技術的な限界が生じ始めている。
【０００３】
このため、従来の配線層の形成プロセスに代わる新たな形成プロセスとして、溝やホールが形成された絶縁膜上に銅などの配線材料を堆積した後、この配線材料を化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により平坦に除去し、配線溝内に選択的に残存させる、いわゆるダマシン法と呼ばれる手法が利用されつつある。
【０００４】
ダマシン法における平坦化の実現は、研磨パッドが砥粒などを介して被研磨物の表面を擦り取るという作用によるところが大きい。ミクロにみると、被研磨物である銅膜の表面の凸部においては研磨パッドが強い圧力で当たるために研磨速度が速くなり、凹部においては弱い圧力で当たるか若しくは当たらないため、研磨速度が遅くなる。この原理においてより精密な平坦化を行うために、研磨の圧力に対して研磨速度が顕著に変わるような研磨特性をもつ研磨剤が用いられている。
【０００５】
従来、銅の化学的機械的研磨では、水溶性若しくは非水溶性の銅の錯体を作るような薬液をベースに、この銅錯体若しくは酸化銅などの化合物を研磨パッドや砥粒により機械的に除去することを行っていた（特許文献１及び特許文献２を参照）。
【０００６】
従来の化学的機械的研磨による銅配線の形成方法について、図５及び図６を用いて説明する。
【０００７】
図５は、遊離砥粒を含むスラリーを用いた配線形成方法を示す図である。
【０００８】
まず、研磨パッド１００上に、水溶性若しくは非水溶性の銅の錯体を作るような薬液１０２と、薬液１０２の添加剤としての酸化防止剤（図示せず）と、砥粒１０４とを含むスラリーを塗布し、絶縁膜１１２及び配線材料１１４が形成された基板１１０を押しつける（図５（ａ））。
【０００９】
これにより、薬液１０２と配線材料１１４とが接する領域では配線材料１１４と薬液１０２とが反応し、配線材料の凸部に錯体層や酸化層などの反応層１１６が形成される（図５（ｂ））。なお、配線材料１１４の凹部では、酸化防止剤により反応の進行が抑制される。
【００１０】
次いで、研磨パッド１００と基板１１０とを擦り合わせる。これにより、反応前の配線材料１１４よりも強度が劣る反応層１１６が、砥粒１０４により削り取られる。
【００１１】
次いで、反応層１１６の形成と砥粒１０４による除去とが繰り返し行われることにより、配線材料１１４の凸部が選択的に除去され、配線材料１１４が平坦化される（図５（ｃ））。
【００１２】
図６は、砥粒を含まないスラリーを用いた配線形成方法を示す図である。
【００１３】
まず、研磨パッド１００上に、水溶性若しくは非水溶性の銅の錯体を作るような薬液と、銅錯体若しくは酸化銅を溶解する薬液と、酸化防止剤とを含むスラリー１０６を塗布し、絶縁膜１１２及び配線材料１１４が形成された基板１１０を押しつける（図６（ａ））。
【００１４】
これにより、スラリー１０６と配線材料１１４とが接する領域では配線材料１１４と薬液とが反応し、配線材料１１４の凸部に錯体層や酸化層などの反応層１１６が形成される（図６（ｂ））。なお、配線材料１１４の凹部では、酸化防止剤により反応の進行が抑制される。
【００１５】
次いで、研磨パッド１００と基板１１０とを擦り合わせる。これにより、反応層１１６がスラリー１０６に含まれる薬液に溶かされる。
【００１６】
次いで、反応層１１６の形成と薬液による除去とが繰り返し行われることにより、配線材料１１４の凸部が選択的に除去され、配線材料１１４が平坦化される（図６（ｃ））。
【００１７】
【特許文献１】
特開２０００−２６５１６１号公報
【特許文献２】
特開２０００−３３６３４５号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
近年の半導体装置の微細化及び多層化に伴い、より精密な加工技術が要求されている。銅配線を用いたダマシンプロセスでは、銅配線部分のディッシングやエロージョンによる凹みが１０〜３０ｎｍ以下となるような加工精度が必要とされている。
【００１９】
しかしながら、図５に示す従来の配線形成方法では、砥粒の粒径に相当する厚み分だけ配線材料が余計に削り取られるため、砥粒の粒径に相当するディッシングが生じていた。また、図６に示す従来の配線形成方法では、砥粒を使用しないためディッシング量が減少するが、研磨速度の低下を補うために研磨パッドの押しつけ圧力を高くする必要があり、研磨パッドの押しつけ圧力に相当する変形によるディッシングを回避することはできなかった。
【００２０】
一方では、半導体装置の微細化により配線間絶縁膜の誘電率は低く抑える必要があり、より柔らかい絶縁膜が使用されるようになってきている。これに合わせ、絶縁膜に直接ストレスをかける研磨プロセスも低圧化することが要求されている。しかしながら、上述のように、研磨速度と研磨圧力とに強い相関がある場合、低い圧力で研磨しようとすると研磨速度が顕著に低下するため、実用的な研磨速度と平坦性と低い研磨圧力とを総て満たすことは困難であった。
【００２１】
本発明の目的は、ダマシン法を用いた配線形成方法及びこれに用いる研磨パッドに関し、低い研磨圧力でも研磨速度が高く被研磨表面の平坦性が良好な配線形成方法及びこれに好適な研磨パッドを提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、開口部が形成された絶縁膜上に配線材料を堆積し、前記配線材料を化学的機械的に除去することにより前記開口部内に埋め込まれた配線を形成する配線形成方法であって、前記配線材料と化学反応を起こす薬液を供給しながら、前記化学反応を促進する物質を含む研磨パッドを前記配線材料に接触させることにより、前記絶縁膜上の前記配線材料を除去する配線形成方法によって達成される。
【００２３】
また、上記目的は、金属材料と化学反応を起こす薬液を供給しながら前記金属材料を化学的機械的に研磨する研磨装置の研磨パッドであって、前記化学反応を促進する物質を含む研磨パッドによっても達成される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態による配線形成方法について図１乃至図４を用いて説明する。
【００２５】
図１は、本実施形態による配線形成方法に用いる研磨装置の構造を示す概略図、図２は本実施形態による配線形成方法を示す工程断面図、図３は研磨速度と研磨圧力との関係を示すグラフ、図４はディッシング量と研磨圧力との関係を示すグラフである。
【００２６】
はじめに、本実施形態による配線形成方法に用いる研磨装置について図１を用いて説明する。
【００２７】
プラテン（定盤）１０の表面上には、研磨パッド２０が形成されている。プラテン１０の上方には、研磨対象のウェーハ３０を保持するウェーハ保持ヘッド５０と、研磨パッド２０上に研磨液を供給するための薬液供給ノズル６０が設けられている。プラテン１０及びウェーハ保持ヘッド５０は、それぞれ独立して回転するようになっている。また、ウェーハ保持ヘッド５０は、ウェーハ３０を所定の圧力で研磨パッド２０上に押圧できるようになっている。
【００２８】
このように、本実施形態における研磨装置は、基本的には、従来の回転式研磨装置と同様の構造である。本実施形態における研磨装置の主たる特徴は、研磨パッド２０にある。すなわち、研磨パッド２０には、配線材料やその化合物が化学反応することを促進する物質（固体触媒）が含まれている。固体触媒は、配線材料が例えば銅の場合、例えば銅の酸化電位を下げる物質であり、硫黄化合物、イリジウム、酸化白金などの物質を適用可能である。硫黄化合物としては、エタンスルホン酸、ベンジルスルホン酸、ヨウ化トリメチルスルホニウムなどのスルホン酸官能基を有する化合物を適用することができる。
【００２９】
固体触媒を含む研磨パッド２０は、１）固体触媒を含まない研磨パッドを作製後、固体触媒を固着して研磨パッド中に拡散させる、２）固体触媒を含まない研磨パッド中にイオン注入により固体触媒を導入する、３）研磨パッドを成形する過程で固体触媒を混入する、等の方法により作成することができる。
【００３０】
薬液供給ノズル６０から供給する研磨液は、配線材料を化学反応によりエッチングする薬液或いは配線材料の化合物を化学反応によりエッチングする薬液を主成分とするものであり、ｐＨを４〜８に制御する。薬液のｐＨを４〜８とするのは、ｐＨが８よりも高いと固体触媒無しに配線材料のエッチングが進行してしまい、ｐＨが４よりも低いと十分な研磨レートが確保できないからである。なお、ｐＨの下限値は、所望のエッチングレートに応じて適宜設定することが望ましい。研磨液中は、砥粒は含まない。研磨液の主成分としては、有機酸のアミン化合物若しくはアルカリ化合物を主成分とする薬液、例えば有機酸アンモニウムを適用することができる。
【００３１】
研磨液には、配線材料のエッチング反応を抑制する効果のある添加剤や、配線材料を構成する元素の化合物を形成する効果のある添加剤を添加してもよい。添加剤としては、例えば酸化防止剤や酸化剤を適用することができる。
【００３２】
次に、本実施形態による配線形成方法について、図２を用いて具体的に説明する。なお、図２は、研磨パッド１２とウェーハ１４の接触部分の拡大断面図である。
【００３３】
ウェーハ３０は、基板３２上に形成され、配線溝３４が形成された層間絶縁膜３６と、層間絶縁膜３６上に形成された銅を主体とする配線材料３８とを有している。このウェーハ３０を、配線材料３８が研磨パッド２０に接するようにウェーハ保持ヘッド５０に取り付け、所定の圧力で研磨パッド２０に押圧し、薬液供給ノズル６０から研磨液６２を供給する（図２（ａ））。
【００３４】
なお、研磨パッド２０は、ポリウレタンベースの有機ポリマから合成したものである。これに、硫化物を含んだセラミックの母材を５ｐｓｉほどの圧力で１〜６時間擦りつけることにより、硫化物を内部に固相拡散させた。こうして、硫黄化合物よりなる固体触媒２２を含有する研磨パッド２０を作成した。
【００３５】
研磨液６２は、通常のスラリーに含まれている砥粒を含まず、有機酸アンモニウムが主成分で、ｐＨを７．５〜８．０に調整した。また、添加剤として、酸化防止剤及び酸化剤を適量混入した。なお、酸化防止剤及び酸化剤は、配線材料と接しただけでは酸化反応が進行しないように、その濃度が制御されている。
【００３６】
薬液供給ノズル５０から研磨液を供給しながらプラテン１０及びウェーハ保持ヘッド５０を回転すると、配線材料３８の凸部では、研磨パッド２０と配線材料３８とが接する。これにより、研磨パッド２０中に含まれる固体触媒２２が触媒となって、研磨液と配線材料３８との酸化反応を促進する。これにより、配線材料３８の凸部上には、反応層４０が形成される（図２（ｂ））。
【００３７】
反応層４０は、研磨液に含まれる有機酸アンモニウムにより溶解・除去される。したがって、反応層４０の形成と除去とが繰り返されることにより、配線材料３８が平坦に除去され、配線溝３４に埋め込まれた配線層４２を形成することができる（図２（ｃ））。
【００３８】
配線材料３８の凹部では、固体触媒２２が接触しないため、エッチング反応の速度は低く抑えられる。この作用により、配線材料３８は、凹凸が平坦化されながら除去されていく。これは、圧力による平坦化効果が、化学反応の促進効果と固相同士の接触作用とにより置き換えられたことに他ならない。このため、研磨パッドと被研磨体との接触の圧力を高くすることなく、配線材料の除去速度を高く保ち、且つ高い平坦化効果を得ることが可能となる。
【００３９】
表１は、中性の研磨液を用いた場合における固体触媒の量と研磨速度との関係をまとめたものである。表１では、固体触媒２２の量の目安として、硫黄の平面濃度を用いている。
【００４０】
【表１】
表１に示すように、研磨パッド２０中に故意に固体触媒を導入していない試料（硫黄濃度：１．５×１０９ａｔｏｍｓ・ｃｍ−２）では研磨速度は１９０ｎｍ／ｍｉｎであるが、硫黄濃度が５．１×１０１１ａｔｏｍｓ・ｃｍ−２、８．２×１０１２ａｔｏｍｓ・ｃｍ−２と増加するに伴い、研磨速度も３１５ｎｍ／ｍｉｎ、４３２ｎｍ／ｍｉｎと増加しており、固体触媒を導入することにより研磨速度が大幅に増加することが判る。
【００４１】
図３は、研磨速度と研磨圧力との関係を示すグラフである。図中、■印は固体触媒を導入した研磨パッドを用いた場合であり、◆印は固体触媒を導入していない研磨パッドを用いた場合である。
【００４２】
図３に示すように、固体触媒を導入していない試料（◆）では、研磨圧力が低くなるにつれて研磨速度が大幅に低減しているが、固体触媒を導入した試料（■）では、研磨圧力が低くなったときの研磨速度の低下を小さく抑えることができる。このように、固体触媒を導入した場合、研磨圧力が１〜２ｐｓｉと低くても十分実用的な速度を得ることができる。
【００４３】
図４は、１００μｍ□のパッドにおけるディッシングと研磨圧力との関係を示すグラフである。図中、■印は固体触媒を導入した研磨パッドを用いた場合であり、◆印は固体触媒を導入していない研磨パッドを用いた場合である。
【００４４】
図４に示すように、固体触媒を導入した試料（■）の場合、いずれの研磨圧力においても、固体触媒を導入していない試料（◆）よりも、ディッシングの量を抑えることができる。また、研磨圧力を低下すると研磨速度が減少して研磨時間が長くなることから、ディッシングの量が増加する傾向が現れるが、固体触媒を導入した試料（■）の場合、研磨圧力を低下することに伴うディッシングの増加量も大幅に低減することができる。
【００４５】
このように、本実施形態によれば、研磨パッドに、配線材料の反応を促進する固体触媒を添加し、配線材料の化合物をエッチングする薬液を供給しながら、配線材料を研磨するので、研磨圧力による平坦化効果を、化学反応の促進効果と固相同士の接触作用とで置き換えることができる。これにより、低い研磨圧力でも研磨速度が高く被研磨表面の平坦性が良好な配線を形成することができる。
【００４６】
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００４７】
例えば、上記実施形態では、配線材料の化合物をエッチングする薬液を供給しながら、配線材料が化合物を形成する化学反応を促進する固体触媒を含んだ研磨パッドを接触させることにより、配線材料を研磨したが、配線材料自体をエッチングする薬液を供給しながら、エッチング反応を促進する固体触媒を含んだ研磨パッドを接触させることにより、配線材料を研磨するようにしてもよい。但し、前者の場合、固体触媒の存在無しに配線材料が溶け出すことがないため、後者と比較して効果は大きい。
【００４８】
配線材料自体をエッチングする薬液としては、配線材料が銅の場合、燐酸系の薬液やアンモニアを適用することができる。燐酸系の薬液を用いた場合の触媒としては上記実施形態に記載の物質（例えば硫黄）などを用いることができ、アンモニアを用いた場合の触媒としてはリンなどを用いることができる。
【００４９】
また、上記実施形態では、研磨パッド中に固体触媒を添加したが、必ずしも研磨パッドである必要はない。研磨パッドに代えて、固体触媒を含む板状の固体物の表面にウェーハを接触させるようにしてもよい。本発明では、圧力による平坦化効果を、化学反応の促進効果と固相同士の接触作用とにより置き換えている。したがって、研磨パッドによる物理的な研磨は必ずしも必要はなく、固体触媒を含む板状の固体物をウェーハ表面に接触させることのみによっても、配線材料を平坦に除去することが可能である。
【００５０】
また、上記実施形態では、配線材料として銅配線を用いた場合について説明したが、他の配線材料を用いた場合にも本発明を適用することができる。例えば、配線材料にアルミニウム若しくはアルミニウム合金を用いた場合、固体触媒としてリン化合物を適用することにより、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
上述したとおり、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。
【００５２】
（付記１） 開口部が形成された絶縁膜上に配線材料を堆積し、前記配線材料を化学的機械的に除去することにより前記開口部内に埋め込まれた配線を形成する配線形成方法であって、
前記配線材料と化学反応を起こす薬液を供給しながら、前記化学反応を促進する物質を含む研磨パッドを前記配線材料に接触させることにより、前記絶縁膜上の前記配線材料を除去する
ことを特徴とする配線形成方法。
【００５３】
（付記２） 付記１記載の配線形成方法において、
前記薬液は、前記配線材料の化合物を形成し、前記化合物をエッチングする薬液であり、
前記物質は、前記化合物を形成する前記化学反応を促進する物質である
ことを特徴とする配線形成方法。
【００５４】
（付記３） 付記１記載の配線形成方法において、
前記薬液は、前記配線材料をエッチングする薬液であり、
前記物質は、前記配線材料をエッチングする前記化学反応を促進する物質である
ことを特徴とする配線形成方法。
【００５５】
（付記４） 付記１乃至３のいずれか１項に記載の配線形成方法において、
前記薬液に、前記化学反応を抑制する添加剤が添加されている
ことを特徴とする配線形成方法。
【００５６】
（付記５） 付記１乃至４のいずれか１項に記載の配線形成方法において、
前記化合物をエッチングする薬液は、ｐＨ４〜８の有機アミン化合物又はアルカリ化合物である
ことを特徴とする配線形成方法。
【００５７】
（付記６） 付記１乃至５のいずれか１項に記載の配線形成方法において、
前記化学反応を促進する元素は、前記配線材料の前記化学反応の触媒である
ことを特徴とする配線形成方法。
【００５８】
（付記７） 付記１乃至６のいずれか１項に記載の配線形成方法において、
前記配線材料は、銅又は銅合金を主体とする材料であり、前記化学反応を促進する物質は硫黄である
ことを特徴とする配線形成方法。
【００５９】
（付記８） 金属配線材料を化学反応によりエッチングする薬液を供給しながら、前記化学反応を促進する物質を含む研磨パッドを前記金属材料に接触させることにより、前記金属材料を平坦に除去することを特徴とする研磨方法。
【００６０】
（付記９） 金属材料の化合物をエッチングする薬液を供給しながら、前記金属材料が前記化合物を形成する化学反応を促進する物質を含む研磨パッドを前記金属材料に接触させることにより、前記金属材料を平坦に除去することを特徴とする研磨方法。
【００６１】
（付記１０） 上面に研磨パッドが貼り付けられた定盤と、
金属材料が形成された半導体ウェーハを保持し、前記研磨パッドに前記半導体ウェーハの前記金属材料の形成面を接触させるウェーハ保持ヘッドと、
前記研磨パッド上に、化学反応により前記金属材料をエッチングする薬液を供給する薬液供給ノズルとを有し、
前記研磨パッドは、前記金属材料の前記化学反応を促進する物質を含む
ことを特徴とする研磨装置。
【００６２】
（付記１１） 上面に研磨パッドが貼り付けられた定盤と、
金属材料が形成された半導体ウェーハを保持し、前記研磨パッドに前記半導体ウェーハの前記金属材料の形成面を接触させるウェーハ保持ヘッドと、
前記研磨パッド上に、前記金属材料の化合物をエッチングする薬液を供給する薬液供給ノズルとを有し、
前記研磨パッドは、前記金属材料の前記化合物を形成する前記化学反応を促進する物質を含む
ことを特徴とする研磨装置。
【００６３】
（付記１２） 金属材料と化学反応する薬液を供給しながら前記金属材料を化学的機械的に研磨する研磨装置の研磨パッドであって、前記化学反応を促進する物質を含むことを特徴とする研磨パッド。
【００６４】
（付記１３） 金属材料を化学反応によりエッチングする薬液を供給しながら前記金属材料を化学的機械的に研磨する研磨装置の研磨パッドであって、前記化学反応を促進する物質を含むことを特徴とする研磨パッド。
【００６５】
（付記１４） 金属材料の化合物をエッチングする薬液を供給しながら前記金属材料を化学的機械的に研磨する研磨装置の研磨パッドであって、前記化合物を形成する化学反応を促進する物質を含むことを特徴とする研磨パッド。
【００６６】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、開口部が形成された絶縁膜上に配線材料を堆積し、配線材料を化学的機械的に除去することにより開口部内に埋め込まれた配線を形成する配線形成方法において、配線材料を化学反応によりエッチングする薬液を供給しながら、化学反応を促進する物質を含んだ研磨パッドを配線材料に接触させることにより、配線材料を平坦に除去するので、低い研磨圧力でも研磨速度が高く被研磨表面の平坦性が良好な配線を形成することができる。
【００６７】
また、開口部が形成された絶縁膜上に配線材料を堆積し、配線材料を化学的機械的に除去することにより開口部内に埋め込まれた配線を形成する配線形成方法において、配線材料の化合物をエッチングする薬液を供給しながら、配線材料が化合物を形成する化学反応を促進する物質を含んだ研磨パッドを配線材料に接触させることにより、配線材料を平坦に除去するので、低い研磨圧力でも研磨速度が高く被研磨表面の平坦性が良好な配線を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による配線形成方法に用いる研磨装置の構造を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による配線形成方法を示す工程断面図である。
【図３】研磨速度と研磨圧力との関係を示すグラフである。
【図４】ディッシング量と研磨圧力との関係を示すグラフである。
【図５】従来の配線形成方法を示す工程断面図（その１）である。
【図６】従来の配線形成方法を示す工程断面図（その２）である。
【符号の説明】
１０…プラテン
２０…研磨パッド
２２…固体触媒
３０…ウェーハ
３２…基板
３４…配線溝
３６…層間絶縁膜
３８…配線材料
４０…反応層
４２…配線層
５０…ウェーハ保持ヘッド
６０…薬液供給ノズル
６２…研磨液
１００…研磨パッド
１０２…薬液
１０４…砥粒
１０６…スラリー
１１０…基板
１１２…層間絶縁膜
１１４…配線材料
１１６…反応層
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダマシン法を用いた配線形成方法並びにこれに用いる研磨パッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の大規模高集積化に伴い、配線の設計ルールも世代と共に縮小化されている。従来、配線層は、配線材料を堆積した後、リソグラフィー及びドライエッチングを用いてパターニングすることにより形成されてきたが、世代が進むにつれて技術的な限界が生じ始めている。
【０００３】
このため、従来の配線層の形成プロセスに代わる新たな形成プロセスとして、溝やホールが形成された絶縁膜上に銅などの配線材料を堆積した後、この配線材料を化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により平坦に除去し、配線溝内に選択的に残存させる、いわゆるダマシン法と呼ばれる手法が利用されつつある。
【０００４】
ダマシン法における平坦化の実現は、研磨パッドが砥粒などを介して被研磨物の表面を擦り取るという作用によるところが大きい。ミクロにみると、被研磨物である銅膜の表面の凸部においては研磨パッドが強い圧力で当たるために研磨速度が速くなり、凹部においては弱い圧力で当たるか若しくは当たらないため、研磨速度が遅くなる。この原理においてより精密な平坦化を行うために、研磨の圧力に対して研磨速度が顕著に変わるような研磨特性をもつ研磨剤が用いられている。
【０００５】
従来、銅の化学的機械的研磨では、水溶性若しくは非水溶性の銅の錯体を作るような薬液をベースに、この銅錯体若しくは酸化銅などの化合物を研磨パッドや砥粒により機械的に除去することを行っていた（特許文献１及び特許文献２を参照）。
【０００６】
従来の化学的機械的研磨による銅配線の形成方法について、図５及び図６を用いて説明する。
【０００７】
図５は、遊離砥粒を含むスラリーを用いた配線形成方法を示す図である。
【０００８】
まず、研磨パッド１００上に、水溶性若しくは非水溶性の銅の錯体を作るような薬液１０２と、薬液１０２の添加剤としての酸化防止剤（図示せず）と、砥粒１０４とを含むスラリーを塗布し、絶縁膜１１２及び配線材料１１４が形成された基板１１０を押しつける（図５（ａ））。
【０００９】
これにより、薬液１０２と配線材料１１４とが接する領域では配線材料１１４と薬液１０２とが反応し、配線材料の凸部に錯体層や酸化層などの反応層１１６が形成される（図５（ｂ））。なお、配線材料１１４の凹部では、酸化防止剤により反応の進行が抑制される。
【００１０】
次いで、研磨パッド１００と基板１１０とを擦り合わせる。これにより、反応前の配線材料１１４よりも強度が劣る反応層１１６が、砥粒１０４により削り取られる。
【００１１】
次いで、反応層１１６の形成と砥粒１０４による除去とが繰り返し行われることにより、配線材料１１４の凸部が選択的に除去され、配線材料１１４が平坦化される（図５（ｃ））。
【００１２】
図６は、砥粒を含まないスラリーを用いた配線形成方法を示す図である。
【００１３】
まず、研磨パッド１００上に、水溶性若しくは非水溶性の銅の錯体を作るような薬液と、銅錯体若しくは酸化銅を溶解する薬液と、酸化防止剤とを含むスラリー１０６を塗布し、絶縁膜１１２及び配線材料１１４が形成された基板１１０を押しつける（図６（ａ））。
【００１４】
これにより、スラリー１０６と配線材料１１４とが接する領域では配線材料１１４と薬液とが反応し、配線材料１１４の凸部に錯体層や酸化層などの反応層１１６が形成される（図６（ｂ））。なお、配線材料１１４の凹部では、酸化防止剤により反応の進行が抑制される。
【００１５】
次いで、研磨パッド１００と基板１１０とを擦り合わせる。これにより、反応層１１６がスラリー１０６に含まれる薬液に溶かされる。
【００１６】
次いで、反応層１１６の形成と薬液による除去とが繰り返し行われることにより、配線材料１１４の凸部が選択的に除去され、配線材料１１４が平坦化される（図６（ｃ））。
【００１７】
【特許文献１】
特開２０００−２６５１６１号公報
【特許文献２】
特開２０００−３３６３４５号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
近年の半導体装置の微細化及び多層化に伴い、より精密な加工技術が要求されている。銅配線を用いたダマシンプロセスでは、銅配線部分のディッシングやエロージョンによる凹みが１０〜３０ｎｍ以下となるような加工精度が必要とされている。
【００１９】
しかしながら、図５に示す従来の配線形成方法では、砥粒の粒径に相当する厚み分だけ配線材料が余計に削り取られるため、砥粒の粒径に相当するディッシングが生じていた。また、図６に示す従来の配線形成方法では、砥粒を使用しないためディッシング量が減少するが、研磨速度の低下を補うために研磨パッドの押しつけ圧力を高くする必要があり、研磨パッドの押しつけ圧力に相当する変形によるディッシングを回避することはできなかった。
【００２０】
一方では、半導体装置の微細化により配線間絶縁膜の誘電率は低く抑える必要があり、より柔らかい絶縁膜が使用されるようになってきている。これに合わせ、絶縁膜に直接ストレスをかける研磨プロセスも低圧化することが要求されている。しかしながら、上述のように、研磨速度と研磨圧力とに強い相関がある場合、低い圧力で研磨しようとすると研磨速度が顕著に低下するため、実用的な研磨速度と平坦性と低い研磨圧力とを総て満たすことは困難であった。
【００２１】
本発明の目的は、ダマシン法を用いた配線形成方法及びこれに用いる研磨パッドに関し、低い研磨圧力でも研磨速度が高く被研磨表面の平坦性が良好な配線形成方法及びこれに好適な研磨パッドを提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、開口部が形成された絶縁膜上に配線材料を堆積し、前記配線材料を化学的機械的に除去することにより前記開口部内に埋め込まれた配線を形成する配線形成方法であって、前記配線材料と化学反応を起こす薬液を供給しながら、前記化学反応を促進する物質を含む研磨パッドを前記配線材料に接触させることにより、前記絶縁膜上の前記配線材料を除去する配線形成方法によって達成される。
【００２３】
また、上記目的は、金属材料と化学反応を起こす薬液を供給しながら前記金属材料を化学的機械的に研磨する研磨装置の研磨パッドであって、前記化学反応を促進する物質を含む研磨パッドによっても達成される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態による配線形成方法について図１乃至図４を用いて説明する。
【００２５】
図１は、本実施形態による配線形成方法に用いる研磨装置の構造を示す概略図、図２は本実施形態による配線形成方法を示す工程断面図、図３は研磨速度と研磨圧力との関係を示すグラフ、図４はディッシング量と研磨圧力との関係を示すグラフである。
【００２６】
はじめに、本実施形態による配線形成方法に用いる研磨装置について図１を用いて説明する。
【００２７】
プラテン（定盤）１０の表面上には、研磨パッド２０が形成されている。プラテン１０の上方には、研磨対象のウェーハ３０を保持するウェーハ保持ヘッド５０と、研磨パッド２０上に研磨液を供給するための薬液供給ノズル６０が設けられている。プラテン１０及びウェーハ保持ヘッド５０は、それぞれ独立して回転するようになっている。また、ウェーハ保持ヘッド５０は、ウェーハ３０を所定の圧力で研磨パッド２０上に押圧できるようになっている。
【００２８】
このように、本実施形態における研磨装置は、基本的には、従来の回転式研磨装置と同様の構造である。本実施形態における研磨装置の主たる特徴は、研磨パッド２０にある。すなわち、研磨パッド２０には、配線材料やその化合物が化学反応することを促進する物質（固体触媒）が含まれている。固体触媒は、配線材料が例えば銅の場合、例えば銅の酸化電位を下げる物質であり、硫黄化合物、イリジウム、酸化白金などの物質を適用可能である。硫黄化合物としては、エタンスルホン酸、ベンジルスルホン酸、ヨウ化トリメチルスルホニウムなどのスルホン酸官能基を有する化合物を適用することができる。
【００２９】
固体触媒を含む研磨パッド２０は、１）固体触媒を含まない研磨パッドを作製後、固体触媒を固着して研磨パッド中に拡散させる、２）固体触媒を含まない研磨パッド中にイオン注入により固体触媒を導入する、３）研磨パッドを成形する過程で固体触媒を混入する、等の方法により作成することができる。
【００３０】
薬液供給ノズル６０から供給する研磨液は、配線材料を化学反応によりエッチングする薬液或いは配線材料の化合物を化学反応によりエッチングする薬液を主成分とするものであり、ｐＨを４〜８に制御する。薬液のｐＨを４〜８とするのは、ｐＨが８よりも高いと固体触媒無しに配線材料のエッチングが進行してしまい、ｐＨが４よりも低いと十分な研磨レートが確保できないからである。なお、ｐＨの下限値は、所望のエッチングレートに応じて適宜設定することが望ましい。研磨液中は、砥粒は含まない。研磨液の主成分としては、有機酸のアミン化合物若しくはアルカリ化合物を主成分とする薬液、例えば有機酸アンモニウムを適用することができる。
【００３１】
研磨液には、配線材料のエッチング反応を抑制する効果のある添加剤や、配線材料を構成する元素の化合物を形成する効果のある添加剤を添加してもよい。添加剤としては、例えば酸化防止剤や酸化剤を適用することができる。
【００３２】
次に、本実施形態による配線形成方法について、図２を用いて具体的に説明する。なお、図２は、研磨パッド１２とウェーハ１４の接触部分の拡大断面図である。
【００３３】
ウェーハ３０は、基板３２上に形成され、配線溝３４が形成された層間絶縁膜３６と、層間絶縁膜３６上に形成された銅を主体とする配線材料３８とを有している。このウェーハ３０を、配線材料３８が研磨パッド２０に接するようにウェーハ保持ヘッド５０に取り付け、所定の圧力で研磨パッド２０に押圧し、薬液供給ノズル６０から研磨液６２を供給する（図２（ａ））。
【００３４】
なお、研磨パッド２０は、ポリウレタンベースの有機ポリマから合成したものである。これに、硫化物を含んだセラミックの母材を５ｐｓｉほどの圧力で１〜６時間擦りつけることにより、硫化物を内部に固相拡散させた。こうして、硫黄化合物よりなる固体触媒２２を含有する研磨パッド２０を作成した。
【００３５】
研磨液６２は、通常のスラリーに含まれている砥粒を含まず、有機酸アンモニウムが主成分で、ｐＨを７．５〜８．０に調整した。また、添加剤として、酸化防止剤及び酸化剤を適量混入した。なお、酸化防止剤及び酸化剤は、配線材料と接しただけでは酸化反応が進行しないように、その濃度が制御されている。
【００３６】
薬液供給ノズル５０から研磨液を供給しながらプラテン１０及びウェーハ保持ヘッド５０を回転すると、配線材料３８の凸部では、研磨パッド２０と配線材料３８とが接する。これにより、研磨パッド２０中に含まれる固体触媒２２が触媒となって、研磨液と配線材料３８との酸化反応を促進する。これにより、配線材料３８の凸部上には、反応層４０が形成される（図２（ｂ））。
【００３７】
反応層４０は、研磨液に含まれる有機酸アンモニウムにより溶解・除去される。したがって、反応層４０の形成と除去とが繰り返されることにより、配線材料３８が平坦に除去され、配線溝３４に埋め込まれた配線層４２を形成することができる（図２（ｃ））。
【００３８】
配線材料３８の凹部では、固体触媒２２が接触しないため、エッチング反応の速度は低く抑えられる。この作用により、配線材料３８は、凹凸が平坦化されながら除去されていく。これは、圧力による平坦化効果が、化学反応の促進効果と固相同士の接触作用とにより置き換えられたことに他ならない。このため、研磨パッドと被研磨体との接触の圧力を高くすることなく、配線材料の除去速度を高く保ち、且つ高い平坦化効果を得ることが可能となる。
【００３９】
表１は、中性の研磨液を用いた場合における固体触媒の量と研磨速度との関係をまとめたものである。表１では、固体触媒２２の量の目安として、硫黄の平面濃度を用いている。
【００４０】
【表１】
【００４１】
図３は、研磨速度と研磨圧力との関係を示すグラフである。図中、■印は固体触媒を導入した研磨パッドを用いた場合であり、◆印は固体触媒を導入していない研磨パッドを用いた場合である。
【００４２】
図３に示すように、固体触媒を導入していない試料（◆）では、研磨圧力が低くなるにつれて研磨速度が大幅に低減しているが、固体触媒を導入した試料（■）では、研磨圧力が低くなったときの研磨速度の低下を小さく抑えることができる。このように、固体触媒を導入した場合、研磨圧力が１〜２ｐｓｉと低くても十分実用的な速度を得ることができる。
【００４３】
図４は、１００μｍ□のパッドにおけるディッシングと研磨圧力との関係を示すグラフである。図中、■印は固体触媒を導入した研磨パッドを用いた場合であり、◆印は固体触媒を導入していない研磨パッドを用いた場合である。
【００４４】
図４に示すように、固体触媒を導入した試料（■）の場合、いずれの研磨圧力においても、固体触媒を導入していない試料（◆）よりも、ディッシングの量を抑えることができる。また、研磨圧力を低下すると研磨速度が減少して研磨時間が長くなることから、ディッシングの量が増加する傾向が現れるが、固体触媒を導入した試料（■）の場合、研磨圧力を低下することに伴うディッシングの増加量も大幅に低減することができる。
【００４５】
このように、本実施形態によれば、研磨パッドに、配線材料の反応を促進する固体触媒を添加し、配線材料の化合物をエッチングする薬液を供給しながら、配線材料を研磨するので、研磨圧力による平坦化効果を、化学反応の促進効果と固相同士の接触作用とで置き換えることができる。これにより、低い研磨圧力でも研磨速度が高く被研磨表面の平坦性が良好な配線を形成することができる。
【００４６】
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００４７】
例えば、上記実施形態では、配線材料の化合物をエッチングする薬液を供給しながら、配線材料が化合物を形成する化学反応を促進する固体触媒を含んだ研磨パッドを接触させることにより、配線材料を研磨したが、配線材料自体をエッチングする薬液を供給しながら、エッチング反応を促進する固体触媒を含んだ研磨パッドを接触させることにより、配線材料を研磨するようにしてもよい。但し、前者の場合、固体触媒の存在無しに配線材料が溶け出すことがないため、後者と比較して効果は大きい。
【００４８】
配線材料自体をエッチングする薬液としては、配線材料が銅の場合、燐酸系の薬液やアンモニアを適用することができる。燐酸系の薬液を用いた場合の触媒としては上記実施形態に記載の物質（例えば硫黄）などを用いることができ、アンモニアを用いた場合の触媒としてはリンなどを用いることができる。
【００４９】
また、上記実施形態では、研磨パッド中に固体触媒を添加したが、必ずしも研磨パッドである必要はない。研磨パッドに代えて、固体触媒を含む板状の固体物の表面にウェーハを接触させるようにしてもよい。本発明では、圧力による平坦化効果を、化学反応の促進効果と固相同士の接触作用とにより置き換えている。したがって、研磨パッドによる物理的な研磨は必ずしも必要はなく、固体触媒を含む板状の固体物をウェーハ表面に接触させることのみによっても、配線材料を平坦に除去することが可能である。
【００５０】
また、上記実施形態では、配線材料として銅配線を用いた場合について説明したが、他の配線材料を用いた場合にも本発明を適用することができる。例えば、配線材料にアルミニウム若しくはアルミニウム合金を用いた場合、固体触媒としてリン化合物を適用することにより、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
上述したとおり、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。
【００５２】
（付記１） 開口部が形成された絶縁膜上に配線材料を堆積し、前記配線材料を化学的機械的に除去することにより前記開口部内に埋め込まれた配線を形成する配線形成方法であって、
前記配線材料と化学反応を起こす薬液を供給しながら、前記化学反応を促進する物質を含む研磨パッドを前記配線材料に接触させることにより、前記絶縁膜上の前記配線材料を除去する
ことを特徴とする配線形成方法。
【００５３】
（付記２） 付記１記載の配線形成方法において、
前記薬液は、前記配線材料の化合物を形成し、前記化合物をエッチングする薬液であり、
前記物質は、前記化合物を形成する前記化学反応を促進する物質である
ことを特徴とする配線形成方法。
【００５４】
（付記３） 付記１記載の配線形成方法において、
前記薬液は、前記配線材料をエッチングする薬液であり、
前記物質は、前記配線材料をエッチングする前記化学反応を促進する物質である
ことを特徴とする配線形成方法。
【００５５】
（付記４） 付記１乃至３のいずれか１項に記載の配線形成方法において、
前記薬液に、前記化学反応を抑制する添加剤が添加されている
ことを特徴とする配線形成方法。
【００５６】
（付記５） 付記１乃至４のいずれか１項に記載の配線形成方法において、
前記化合物をエッチングする薬液は、ｐＨ４〜８の有機アミン化合物又はアルカリ化合物である
ことを特徴とする配線形成方法。
【００５７】
（付記６） 付記１乃至５のいずれか１項に記載の配線形成方法において、
前記化学反応を促進する元素は、前記配線材料の前記化学反応の触媒である
ことを特徴とする配線形成方法。
【００５８】
（付記７） 付記１乃至６のいずれか１項に記載の配線形成方法において、
前記配線材料は、銅又は銅合金を主体とする材料であり、前記化学反応を促進する物質は硫黄である
ことを特徴とする配線形成方法。
【００５９】
（付記８） 金属配線材料を化学反応によりエッチングする薬液を供給しながら、前記化学反応を促進する物質を含む研磨パッドを前記金属材料に接触させることにより、前記金属材料を平坦に除去することを特徴とする研磨方法。
【００６０】
（付記９） 金属材料の化合物をエッチングする薬液を供給しながら、前記金属材料が前記化合物を形成する化学反応を促進する物質を含む研磨パッドを前記金属材料に接触させることにより、前記金属材料を平坦に除去することを特徴とする研磨方法。
【００６１】
（付記１０） 上面に研磨パッドが貼り付けられた定盤と、
金属材料が形成された半導体ウェーハを保持し、前記研磨パッドに前記半導体ウェーハの前記金属材料の形成面を接触させるウェーハ保持ヘッドと、
前記研磨パッド上に、化学反応により前記金属材料をエッチングする薬液を供給する薬液供給ノズルとを有し、
前記研磨パッドは、前記金属材料の前記化学反応を促進する物質を含む
ことを特徴とする研磨装置。
【００６２】
（付記１１） 上面に研磨パッドが貼り付けられた定盤と、
金属材料が形成された半導体ウェーハを保持し、前記研磨パッドに前記半導体ウェーハの前記金属材料の形成面を接触させるウェーハ保持ヘッドと、
前記研磨パッド上に、前記金属材料の化合物をエッチングする薬液を供給する薬液供給ノズルとを有し、
前記研磨パッドは、前記金属材料の前記化合物を形成する前記化学反応を促進する物質を含む
ことを特徴とする研磨装置。
【００６３】
（付記１２） 金属材料と化学反応する薬液を供給しながら前記金属材料を化学的機械的に研磨する研磨装置の研磨パッドであって、前記化学反応を促進する物質を含むことを特徴とする研磨パッド。
【００６４】
（付記１３） 金属材料を化学反応によりエッチングする薬液を供給しながら前記金属材料を化学的機械的に研磨する研磨装置の研磨パッドであって、前記化学反応を促進する物質を含むことを特徴とする研磨パッド。
【００６５】
（付記１４） 金属材料の化合物をエッチングする薬液を供給しながら前記金属材料を化学的機械的に研磨する研磨装置の研磨パッドであって、前記化合物を形成する化学反応を促進する物質を含むことを特徴とする研磨パッド。
【００６６】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、開口部が形成された絶縁膜上に配線材料を堆積し、配線材料を化学的機械的に除去することにより開口部内に埋め込まれた配線を形成する配線形成方法において、配線材料を化学反応によりエッチングする薬液を供給しながら、化学反応を促進する物質を含んだ研磨パッドを配線材料に接触させることにより、配線材料を平坦に除去するので、低い研磨圧力でも研磨速度が高く被研磨表面の平坦性が良好な配線を形成することができる。
【００６７】
また、開口部が形成された絶縁膜上に配線材料を堆積し、配線材料を化学的機械的に除去することにより開口部内に埋め込まれた配線を形成する配線形成方法において、配線材料の化合物をエッチングする薬液を供給しながら、配線材料が化合物を形成する化学反応を促進する物質を含んだ研磨パッドを配線材料に接触させることにより、配線材料を平坦に除去するので、低い研磨圧力でも研磨速度が高く被研磨表面の平坦性が良好な配線を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による配線形成方法に用いる研磨装置の構造を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による配線形成方法を示す工程断面図である。
【図３】研磨速度と研磨圧力との関係を示すグラフである。
【図４】ディッシング量と研磨圧力との関係を示すグラフである。
【図５】従来の配線形成方法を示す工程断面図（その１）である。
【図６】従来の配線形成方法を示す工程断面図（その２）である。
【符号の説明】
１０…プラテン
２０…研磨パッド
２２…固体触媒
３０…ウェーハ
３２…基板
３４…配線溝
３６…層間絶縁膜
３８…配線材料
４０…反応層
４２…配線層
５０…ウェーハ保持ヘッド
６０…薬液供給ノズル
６２…研磨液
１００…研磨パッド
１０２…薬液
１０４…砥粒
１０６…スラリー
１１０…基板
１１２…層間絶縁膜
１１４…配線材料
１１６…反応層
Claims (5)
- 開口部が形成された絶縁膜上に配線材料を堆積し、前記配線材料を化学的機械的に除去することにより前記開口部内に埋め込まれた配線を形成する配線形成方法であって、
前記配線材料と化学反応を起こす薬液を供給しながら、前記化学反応を促進する物質を含む研磨パッドを前記配線材料に接触させることにより、前記絶縁膜上の前記配線材料を除去する
ことを特徴とする配線形成方法。 - 請求項１記載の配線形成方法において、
前記薬液は、前記配線材料の化合物を形成し、前記化合物をエッチングする薬液であり、
前記物質は、前記化合物を形成する前記化学反応を促進する物質である
ことを特徴とする配線形成方法。 - 請求項１記載の配線形成方法において、
前記薬液は、前記配線材料をエッチングする薬液であり、
前記物質は、前記配線材料をエッチングする前記化学反応を促進する物質である
ことを特徴とする配線形成方法。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の配線形成方法において、
前記薬液に、前記化学反応を抑制する添加剤が添加されている
ことを特徴とする配線形成方法。 - 金属材料と化学反応する薬液を供給しながら前記金属材料を化学的機械的に研磨する研磨装置の研磨パッドであって、前記化学反応を促進する物質を含むことを特徴とする研磨パッド。
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