JP2005228828A

JP2005228828A - 半導体ウェハの製造方法

Info

Publication number: JP2005228828A
Application number: JP2004034167A
Authority: JP
Inventors: Shinji Funakoshi; 真二船越
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】低研磨圧力下においても半導体基板上の金属膜を高速に研磨でき、かつディッシングの原因となるエッチング性も低いレベルに制御され、同時にスクラッチやエロージョン等の被研磨面の欠陥発生も抑制することのできる半導体ウェハの製造方法を提供する。
【解決手段】基板上５に形成された金属膜を、研磨パッド７を用いて研磨する方法において、ポリオキソ酸、アニオン性界面活性剤および水を含有する金属用研磨組成物を用い、前記研磨パッド７の表面に湾曲放射状の研磨組成物ガイド溝６を設けた研磨パッド７で研磨する半導体ウェハの製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体基板上に形成された金属膜の研磨に用いられる研磨方法および半導体ウェハの製造方法に関する。

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。

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半導体ウエハを、湿った研磨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研磨パッド各々を回転することにより行われる。この時半導体ウエハと研磨パッドの間に導入される研磨組成物により、配線や絶縁膜の凸部が研磨され平坦化がなされる。
従来、半導体基板の金属膜の研磨には種々の研磨組成物や研磨方法の提案がなされている。例えば非特許文献1に示されているように、金属のＣＭＰでは研磨組成物中の酸化剤により金属の表面を酸化しつつ、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研磨粒子で研磨が行われる。例えば半導体基板上に形成されたアルミニウム等金属膜の研磨組成物としては、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組成物（例えば特許文献1参照）、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組成物（例えば特許文献２参照）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組成物（例えば特許文献３参照）など、酸化アルミニウムまたは酸化ケイ素等の研磨粒子と、過酸化水素等の酸化剤よりなる研磨組成物が通常使用されている。しかしながら、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。

また、この他にも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エッチング剤を用いた場合（例えば特許文献４参照）、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（図１（Ｄ）の金属膜４の中央部が周辺部より過剰に研磨される現象）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、研磨組成物中に金属膜表面に保護膜を形成する化学試薬（防食剤、キレート剤等）を添加する方法も提案されている（例えば特許文献５、特許文献６参照）。しかしながらこのような保護膜形成剤を用いると、確かにエッチングが抑制されディッシング等の発生を抑制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保護膜形成剤の使用量の適正化を図る試みがなされているが、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やすいため再現性のある結果が得られないという問題がある。また、３００ｎｍ／分以上という高い研磨速度を得るために２００ｇ／ｃｍ^２以上の高い研磨圧力で、前記保護膜を除去することも行われるが（例えば特許文献７参照）、半導体ウェハに過大なストレスがかかると該絶縁膜の破壊その他、半導体ウェハ内各所にて故障、不具合が発生する原因となる。

ところで、ポリオキソ酸、とりわけヘテロポリ酸は、例えば非特許文献２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例えば特許文献８等に記載されており、さらに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（例えば特許文献９参照）。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研磨組成物）および、これにさらに研磨材として公知の研磨粒子を含有させる場合（第２研磨組成物）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。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研磨組成物に研磨材を含有させ第２研磨組成物とすることが提案されているが、この場合も、低研磨圧力で高い研磨速度とディッシング性能の両方を満足することは困難である。

従って、ディッシングの発生を抑制しつつ、低研磨圧力で高い研磨速度を得ようとする本目的に合致するものではない。
米国特許第４７０２７９２号明細書米国特許第４９４４８３６号明細書米国特許第５２０９８１６号明細書特開平０６-３１３１６４号公報特開平０８-８３７８０号公報特開平１１-１９５６２８号公報特開２０００-２５２２４２号公報特表平０９-５０５１１１号公報特開２０００-１１９６３９号公報土肥俊郎ら著、「半導体平坦化ＣＭＰ技術」、初版、工業調査会発行、1998年７月１５日、２３５頁日本化学会編、「ポリ酸の化学」、初版、学会出版センター、1993年8 月２５日、８６〜８７頁、１１２〜１２３頁

本発明は、低研磨圧力下においても半導体基板上の金属膜を高速に研磨でき、かつディッシングの原因となるエッチング性も低いレベルに制御され、同時にスクラッチやエロージョン（図１（Ｄ）の金属膜４の周辺の絶縁膜２が研磨される現象）等の被研磨面の欠陥発生も抑制することのできる半導体ウェハの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、前記課題を解決するために鋭意検討した結果、半導体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、ポリオキソ酸、アニオン性界面活性剤および水を含有する金属用研磨組成物を用い、前記研磨パッドの表面に湾曲放射状の研磨組成物ガイド溝を設けた研磨パッドで研磨することを特徴とする半導体ウェハの製造方法が、従来困難であったエッチング、ディッシングの抑制と低研磨圧力における高研磨速度の両立を可能とし、半導体基板上の金属膜の研磨において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、本発明は以下の通りである。
１）半導体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、ポリオキソ酸および／またはその塩、アニオン性界面活性剤および水を含有する金属用研磨組成物（Ａ）を用い、前記研磨パッドの表面に湾曲放射状の研磨組成物ガイド溝を設けた研磨パッド（Ｂ）で研磨することを特徴とする半導体ウェハの製造方法。
２）１５０ｇ／ｃｍ^２以下の荷重で研磨することを特徴とする１）の発明の半導体ウェハの製造方法。
３）前記ポリオキソ酸がヘテロポリ酸であることを特徴とする１）または２）の発明の半導体ウェハの製造方法。
４）前記アニオン性界面活性剤が酸型であることを特徴とする１）〜３）のいずれかの発明の半導体ウェハの製造方法。
５）前記金属用研磨組成物（Ａ）が実質的に砥粒を含まないことを特徴とする１）〜４）のいずれかの発明の半導体ウェハの製造方法。

本発明の半導体ウェハの製造方法によれば、従来技術では困難であった、エッチング、ディシングや被研磨面の欠陥発生も抑制すると同時に低研磨圧力下においても高速に半導体基板上の銅膜等の金属膜を研磨することが可能となる。本発明は、半導体基板上の金属膜を研磨する上で極めて有用な製造方法を見出したものであり、産業上の利用価値は甚だ大きなものである。

本発明について、以下に具体的に説明する。
本発明の半導体ウェハの製造方法は、半導体基板上に形成された金属膜を、研磨パッドで研磨する方法において、ポリオキソ酸および／またはその塩、アニオン性界面活性剤および水を含有する金属用研磨組成物（Ａ）を用い、前記研磨パッドの表面に湾曲放射状の研磨組成物ガイド溝を設けた研磨パッド（Ｂ）で研磨することを特徴とする。
本発明において低研磨圧力とは１５０ｇ／ｃｍ^２以下を意味し、高速研磨とは３００nm／分以上の研磨速度を意味する。

本発明に用いる金属用研磨組成物（Ａ）は、ポリオキソ酸および／または、アニオン性界面活性剤および水を含有し、さらに後述する通り本件発明の効果を阻害しない範囲で、あるいは目的に応じて、通常用いられている研磨粒子や添加剤等の成分を含むことができるが、基本的に上記３成分のみでも本発明の目的を達成できることが特徴である。即ち、金属用研磨組成物（Ａ）は、実質的に砥粒を含まないでも優れた研磨性能を示すという特徴を有する。ここで、実質的に砥粒を含まないとは、研磨組成物全質量中に占める砥粒の質量の割合が、１％未満である状態を言う。

本発明で用いられるポリオキソ酸は、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、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、得られる金属用研磨組成物の研磨速度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。

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、Ｃｏ、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２．５〜１２である。

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。

得られる金属用研磨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、ポリオキソ酸の一部または全部を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。
ただし、金属用研磨組成物（Ａ）の研磨速度の観点から、上記ポリオキソ酸は塩を形成しているものよりも酸型のものが好ましい。
金属用研磨組成物（Ａ）中のポリオキソ酸の含有量は、特に限定されるものではないが、好ましくは０．１〜３０質量％の範囲で使用され、さらに好ましくは０．５〜１５質量％の範囲である。即ち、高い研磨速度が得られるという観点から０．１質量％以上が好ましく、ディッシング抑制の容易さという観点から３０質量％以下が好ましい。
金属用研磨組成物（Ａ）にアニオン性界面活性剤を含有することにより、ポリオキソ酸による研磨対象金属のエッチングを抑制することが可能となり、研磨対象金属膜の平坦化、ディッシングの抑制などの研磨性能を有する研磨組成物が得られる。

本発明に用いられるアニオン性界面活性剤としては特に制限はないが、脂肪酸またはその塩、アルキルスルホン酸またはその塩、アルキルベンゼンスルホン酸またはその塩、アルキルスルホコハク酸またはその塩、ポリオキシエチレンアルキル硫酸またはその塩、ポリオキシエチレンアルキルアリール硫酸またはその塩、ｐ−スチレンスルホン酸またはその塩、アルキルナフタレンスルホン酸またはその塩、ナフタレンスルホン酸またはその塩、ナフテン酸またはその塩等、アルキルエーテルカルボン酸またはその塩、α−オレフィンスルホン酸またはその塩、Ｎ−アシルメチルタウリン、アルキルエーテル硫酸またはその塩、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル硫酸またはその塩、アルキルエーテル燐酸エステルまたはその塩、アルキル燐酸エステルまたはその塩、アシル化ペプチド、ホルマリン重縮合物、高級脂肪酸とアミノ酸の縮合物、モノグリサルフェート、第二級高級アルコールエトキシサルフェート、ジアルキルスルホコハク酸エステル塩等が挙げられる。本発明においては、炭素-炭素二重結合（ベンゼン環を除く）を全く含まない飽和型のものが酸化による変質を受け難く経時の性能劣化が起こらないことから好ましく、アルキルスルホン酸またはその塩、アルキルベンゼンスルホン酸またはその塩、アルキルスルホコハク酸またはその塩、ポリオキシエチレンアルキル硫酸またはその塩、ポリオキシエチレンアルキルアリール硫酸またはその塩が好ましく用いられる。さらに好ましくはアルキルスルホン酸、アルキルベンゼンスルホン酸、アルキルスルホコハク酸、ポリオキシエチレンアルキル硫酸、ポリオキシエチレンアルキルアリール硫酸が用いられる。

金属用研磨組成物（Ａ）のディッシング抑制の観点から、上記アニオン性界面活性剤は塩を形成しているものよりも酸型のものが好ましい。
本発明においては、前記アニオン性界面活性剤を１種単独で使用することもできるし、また、その２種以上を併用することもできる。
金属用研磨組成物（Ａ）に用いられるアニオン性界面活性剤の含有量は、その種類や使用するポリオキソ酸の種類や量によっても異なるが、好ましくは０．００１〜５０質量％の範囲で使用され、より好ましくは０．１〜２０質量％の範囲である。ディッシング抑制の観点からアニオン性界面活性剤の含有量は０．００１質量％以上が好ましく、また研磨速度の観点から５０質量％以下が好ましい。
金属用研磨組成物（Ａ）は、通常、水を媒体に用いる。ポリオキソ酸およびアニオン性界面活性剤の溶解は、一般に使用される撹拌翼を使用した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撹拌することは好ましい。

金属用研磨組成物（Ａ）の研磨機構の詳細は明らかではないが、ポリオキソ酸のみを溶解させた研磨組成物を用いた場合、研磨対象金属に対するその高いエッチング性のため、極めて高い研磨速度が得られるが、金属膜表面の平坦化は起こらず、かつ、激しいディッシングも生じてしまうが、ポリオキソ酸にアニオン性界面活性剤を適した割合で混合し金属用研磨組成物（Ａ）とした場合、ポリオキソ酸の持つエッチング性が抑制され、研磨対象の金属膜の凸部が研磨パッドと接触する部分のみ研磨が進み、平坦な金属膜表面が得られ、ディッシングの発生も抑制されることが判った。このことから、アニオン性界面活性剤が何らかの作用により、ポリオキソ酸のエッチング性を抑制し、さらに研磨パッドと金属膜の凸部で生じる摩擦あるいは液膜に生じる高いシェアによって、アニオン性界面活性剤によるポリオキソ酸のエッチング性抑制効果が阻害され、金属膜の凸部のみ研磨が進行するものと推定している。

従って、金属用研磨組成物（Ａ）は、従来、機械的研磨を目的に添加されていた砥粒を必要としないことが特徴であり、砥粒由来の問題点であった、凝集粒子による金属膜表面へのスクラッチや砥粒の沈降などが解消される。さらに、砥粒による機械的研磨を必要とする従来の研磨組成物では、研磨速度は研磨圧力に比例することが知られているが、金属用研磨組成物（Ａ）においては、研磨速度は研磨圧力に比例するものではなく、研磨圧力のある一定の閾値以下では研磨は進行せず、該閾値を越える研磨圧力において急激に高い研磨速度が得られるという特徴がある。該閾値は金属用研磨組成物（Ａ）の組成によって異なるが、該閾値が低い組成を選択することによって、低研磨圧力で高い研磨速度を得ることが可能となり、研磨時の研磨圧力による半導体ウェハへのダメージ等の問題が解消される。

本発明の金属用研磨組成物（Ａ）を用いる方法としては、該金属用研磨組成物を定盤上の研磨パッド（Ｂ）に供給し、被研磨面と接触させて被研磨面と研磨パッド（Ｂ）を相対運動させて研磨する研磨方法である。研磨する装置としては、被研磨面を有する半導体ウェハ等を保持するホルダ−と研磨パッドを貼り付けた（回転数が変更可能なモ−タ−等を取り付けてある）定盤を有する一般的な研磨装置が使用できる。定盤の回転速度は半導体ウェハが飛び出さないように２００ｒｐｍ以下の低回転が好ましい。被研磨面を有する半導体ウェハの研磨パッドへの押し付け圧力が研磨速度のウェハ面内均一性およびパタ−ンの平滑性を満足させる意味から１５０ｇ／ｃｍ²以下が好ましい。研磨している間、研磨パッドには本発明の金属用研磨組成物（Ａ）をポンプ等で連続的に供給する。この際、研磨パッドの表面が常に金属用研磨組成物（Ａ）で覆われていることが好ましい。

本発明者らは上述のように、金属用研磨組成物（Ａ）を用い、後述する本発明で規定された研磨パッド（Ｂ）で研磨することにより、高速に研磨でき、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り、さらに、研磨対象物（基板上に形成された金属膜）の研磨面内の研磨状態の均一性（面内均一性）がきわめて良好であることを見出したのである。さらに、本発明によれば１５０ｇ／ｃｍ^２以下という低荷重で前記性能が発現可能であることから、半導体ウェハ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ウェハ製造プロセスへ好適に用いることが出来る。

本発明に用いる研磨パッドの表面に湾曲放射状の研磨組成物ガイド溝を設けた研磨パッド（Ｂ）の1例として、図２のように、研磨面に中心から放射状に延びる湾曲形状の研磨組成物ガイド溝が複数本設けられている研磨パッドが挙げられる。研磨組成物ガイド溝は研磨パッド（Ｂ）の外周に達して開放されているため、図２に示す湾曲放射状の研磨組成物ガイド溝を設けた研磨パッド（Ｂ）の場合、定盤を反時計回りに回転運動させることにより、基板上の金属膜が研磨され、その研磨により生成された研磨廃液が研磨組成物ガイド溝により研磨パッド（Ｂ）の外方に排出されるようになり、さらにそれに伴う研磨面への研磨組成物の供給などが効率的に行なわれ、研磨効率を向上することができる。また、研磨パッド（Ｂ）の湾曲放射状の研磨組成物ガイド溝が図２に示す形状と鏡像関係にある場合、定盤の回転方向は時計回りに回転運動させることで、前述の効果が有効に発現される。該効果は本発明の研磨組成物（Ａ）と本発明の研磨パッド（Ｂ）の組み合わせによって発現でき得る。

研磨パッド（Ｂ）の湾曲放射状の研磨組成物ガイド溝の本数および各溝の長さは、研磨速度と研磨組成物の消費速度の兼合いによって決定することができる。この兼ね合いについては、金属用研磨組成物の組成によって変化するので必ずしも一概には言えないが、高い研磨速度を得たい場合には該溝の本数は多いほうが有利であり、該溝の長さは長いほうが研磨組成物を有効に使用でき、研磨組成物の消費を抑制することが可能である。

該湾曲放射状の研磨組成物ガイド溝の形状は、好ましくは円の伸開線、螺線、サイクロイド曲線、レムニスケートなどの数式を利用して決定することができる。また、さらに好ましい数式の一例を挙げれば、研磨パッドの中心から湾曲放射状の研磨組成物ガイド溝の任意の一点の距離をＬとすると、
Ｌ＝ａｅ^Pθ …（１）
で表される。ここで、ａ、Ｐは任意の係数であり、θは極座標の角度である。２π／ｍ間隔で座標変換することで、研磨パッドの中心軸回りに等角度ピッチでｍ本の湾曲放射溝を配設することができる。

本発明に用いる研磨パッド（Ｂ）の材質としては発泡ウレタン材や他の発泡樹脂材あるいはＡＢＳ樹脂材を含むビニル系コポリマー材などの無発泡高分子材などを用いることができるが、ＡＢＳ樹脂材などが好ましく用いられる。
研磨対象物の表面の平坦化をより一層向上し得る研磨装置を実現するために、例えば、回転する定盤上に研磨パッド（Ｂ）を貼り付け、前記定盤の上方にて前記定盤の回転中心から偏倚して回転するホルダにより研磨対象物をその表面を前記研磨パッドに対峙させた状態に保持すると共に、研磨組成物を研磨パッド（Ｂ）上に供給して前記研磨対象物の表面を研磨するようにした精密研磨装置をもちいることができる。

本発明で用いられる研磨組成物（Ａ）を用いるにおいては、前述のごとく機械的研磨を目的とした砥粒を必要としないために、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低下やバラツキが大きく低減され好ましい。

本発明においては、必要に応じて金属用研磨組成物（Ａ）に、窒素原子およびカルボキシル基を分子内に併せ持つ有機化合物を用いることも可能である。該窒素原子およびカルボキシル基を分子内に併せ持つ有機化合物としては、シスチン、グリシン、グルタミン酸、アスパラギン酸、キナルジン酸、キノリン酸、ピコリン酸、ニコチン酸、ヒスチジン、ベンゾトリアゾールカルボン酸、グルタミン、グルタチオン、グリシルグリシン、アラニン、γ-アミノ酪酸、ε-アミノカプロン酸、アルギニン、チトルリン、トリプトファン、スレオニン、システイン、Ｎ-アセチルシステイン、オキシプロリン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、フェニルグリシン、プロリン、セリン、チロシン、バリンなどが好ましい例として挙げられ、より好ましい例としてキナルジン酸、ヒスチジンが挙げられる。

窒素原子およびカルボキシル基を分子内に併せ持つ有機化合物の添加量は、研磨速度の観点およびディッシング抑制の効果発現の観点から、３質量％以下、好ましくは０．３質量％以下、さらに好ましくは０．１質量％以下である。
金属用研磨組成物（Ａ）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、当該業界において知られている保護膜形成剤を併用する必要はないが、研磨速度の低下が実用上許容される範囲内で、必要に応じて、該保護膜形成剤を添加し、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、ベンゾイミダゾール、トリルトリアゾール、キノリン、イソキノリン、インドール、イソインドール、キナゾリン、シンノリン、グルコース、キノキサリン、フタラジン、アクリジン、ドデシルメルカプタン等を好ましい一例として挙げることができる。

これらの保護膜形成剤の添加量は、研磨速度の観点およびディッシング抑制の効果発現の観点から、１質量％以下、好ましくは０．１質量％以下、さらに好ましくは０．０１質量％以下である。
金属用研磨組成物（Ａ）に水溶性高分子化合物および／または多価アルコール化合物を含有させることは、得られる研磨面の研磨の均一性を向上させる観点から好ましい。
本発明で用いられる水溶性高分子としては、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコールアルキルエーテル等のエーテル類；ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドンおよびポリアクロレイン等のビニル系ポリマー；ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリアミド酸、ポリアクリル酸アンモニウム塩等のポリカルボン酸およびその塩；メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、カルボキシメチルセルロース、酢酸セルロース、硝酸セルロース、硫酸セルロース、ペクチン等の多糖類、他ではゼラチン、でんぷん、アルブミン等が好ましい例として挙げられ、ポリエチレングリコール、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、カルボキシメチルセルロース、がより好ましい例として挙げられる。

本発明において用いることができる多価アルコール化合物とは上記の水溶性高分子化合物以外の低分子化合物であって、一分子内に複数の水酸基を有する化合物をいい、エチレングリコール、グリセリン、プロパンジオール、ペンタエリスリトール、果糖、ショ糖、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールなどが好ましい例として挙げられ、エチレングリコール、グリセリン、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールがより好ましい例として挙げられる。

金属用研磨組成物（Ａ）に用いられる水溶性高分子化合物および／または多価アルコール化合物の含有量は、その種類や使用するポリオキソ酸の種類や量によっても異なるが、添加による粘度の上昇の観点から、好ましくは５０質量％以下であり、より好ましくは２０質量％以下である。
金属用研磨組成物（Ａ）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、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。

金属用研磨組成物（Ａ）は、半導体基板上に形成された金属膜の研磨、平坦化に適用される。研磨対象となる半導体基板上の金属膜は、公知の配線用、プラグ用、コンタクトメタル層用、バリヤーメタル層用金属膜であり、例えばアルミニウム、銅、タングステン、チタニウム、タンタル、アルミニウム合金、銅合金、窒化チタニウム、窒化タンタル等からなる群より選ばれる金属膜等が挙げられる。特に表面硬度が低く、傷やディシングといった欠陥が生じ易い銅および銅合金からなる金属膜への適用が推奨される。

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ウェハについて、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を、金属用研磨組成物（Ａ）を用いて研磨することにより取り除き平坦化する。

本発明の半導体ウェハの製造方法は、シリコン基板等の半導体基板上の金属膜を、金属用研磨組成物（Ａ）を用いて研磨するプロセスを含む。以下、半導体ウェハの製造方法の一例の概要について説明する。
初めに、図１（Ａ）のようにシリコン基板等の半導体基板上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（ＴｉＮ）、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、本発明の方法により取り除く。さらに、得られた該平坦化された表面上に絶縁膜を形成し上記の工程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ウェハを得ることができる。

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。
研磨組成物の特性および研磨性能の評価は以下の方法で行った。
＜研磨条件＞
武蔵野電子社製研磨装置：ＭＡ-３００Ｄ（定盤径３００ｍｍ）
研磨パッド：本発明の研磨パッドあるいは比較用の研磨パッド
ドレッシング：１００番のドレッサーを用い、加重３０ｇ／ｃｍ^２、ドレッサーと研磨定盤との相対速度が５０ｍ／分の条件で３分行った。
半導体ウェハ：１μｍ厚のＣｕ膜付きの４インチ径半導体ウェハ
研磨組成物供給速度：７０ｍｌ／分
半導体ウェハと研磨定盤との相対速度：５０ｍ／分
研磨荷重：任意

＜研磨速度測定＞
前記研磨条件で１分間研磨を行い、研磨前後の金属膜厚の変化を電気抵抗値から換算して求めた。
＜面内均一性評価＞
前記研磨条件にて研磨した半導体ウェハを洗浄し乾燥した後、半導体ウェハ表面に暗室にてスポットライトを当て、目視で半導体ウェハ表面全体の研磨状態の均一性を判定した。
◎：均一性極めて良好
○：均一性良好
△：部分的に不均一な研磨状態が確認される
×：均一性不良

＜ディッシング評価＞
前記研磨条件で、４インチ径パターン付半導体ウェハ（ＳＫＷ６-２仕様：酸化膜０．８μｍＴａＮ２５ｎｍ、Ｃｕ１．５μｍ半導体ウェハから４インチ径に切り出したものを使用）を研磨し、５０μｍ間隔のライン＆スペース部を卓上小型プローブ顕微鏡：Ｎａｎｏｐｉｃｓ（セイコーインスツルメンツ社製）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、前記研磨速度測定の方法で測定した研磨速度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３０％長い時間（３０％オーバー研磨）を研磨時間とした。

［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）６ｇを水２００ｇに溶解させ、アニオン性界面活性剤としてドデシルベンゼンスルホン酸（和光純薬工業社製）３ｇを添加、混合することにより研磨組成物を得た。この研磨組成物を用い荷重１００ｇ／ｃｍ^２で研磨を行った場合の結果を表１に示す。なお、この研磨においては無発泡ＡＢＳ樹脂製で図２に示す湾曲放射溝を有る研磨パッドを用いた。

［実施例２］
発泡ポリウレタン製で図２に示す湾曲放射溝を有する研磨パッドを用いる以外は実施例１と全く同様にして研磨を行った。結果を表１に示す。

［実施例３］
ポリオキソ酸としてケイモリブデン酸（商品名ＳＭ日本無機化学工業製）６ｇを水２００ｇに溶解させた後、アニオン性界面活性剤としてドデシルベンゼンスルホン酸２ｇ、ヒスチジン０．０２ｇ、キナルジン酸（和光純薬工業製）０．０１ｇを添加、混合することにより研磨組成物を得た。この研磨組成物を用い荷重７０ｇ／ｃｍ^２で研磨を行った場合の結果を表１に示す。なお、この研磨においては無発泡ＡＢＳ樹脂製で図２に示す湾曲放射溝を有る研磨パッドを用いた。

［実施例４］
ポリオキソ酸としてリンバナドタングステン酸（商品名ＰＶW-１-１１日本無機化学工業製）６ｇを水２００ｇに溶解させた後、アニオン性界面活性剤としてドデシルベンゼンスルホン酸０．５ｇ、ヒスチジン０．０３ｇ、ジエチレングリコール（和光純薬工業製）２０ｇを添加、混合することで研磨組成物を得た。この研磨組成物を用い荷重７０ｇ／ｃｍ^２で研磨を行った場合の結果を表１に示す。なお、この研磨においては無発泡ポリウレタン樹脂製で図２に示す湾曲放射溝を有る研磨パッドを用いた。

［比較例１］
研磨パッドとして発泡ポリウレタン製で格子間隔１．５ｃｍの直交格子溝を有する研磨パッドを、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３０ｇ／ｃｍ^２で５分間ドレッシングを施した後用いる以外は実施例１と全く同様にして研磨を行った。結果を表１に示す。

［比較例２］
クエン酸６ｇを水６２ｇに加え溶解し、これにベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）０．３ｇをエタノール３ｇに溶解して得られる溶液を加え、さらにこれに研磨組成物中の砥粒濃度が４％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を加えて研磨組成物を調整した。この研磨組成物と、実施例1とまったく同様の研磨パッドとを用い、荷重１００ｇ／ｃｍ^２で研磨した結果を表１に示す。

本発明は、低研磨圧力下においても半導体基板上の金属膜を高速に研磨でき、かつディッシングの原因となるエッチング性も低いレベルに制御され、同時にスクラッチやエロージョン等の被研磨面の欠陥発生も抑制することのできる半導体ウェハの製造方法を見出したものであり、産業上の利用価値は甚だ大きなものである。

ＣＭＰ技術を用いた金属配線の形成例を示す概略断面図。本発明に用いられる研磨組成物ガイド溝の形状を示す平面図。

符号の説明

１半導体基板
２絶縁膜
３バリヤーメタル層
４金属膜
５半導体ウェハ
６湾曲放射溝
７研磨パッド

Claims

半導体基板上に形成された金属膜を、研磨パッドで研磨する方法において、ポリオキソ酸および／またはその塩、アニオン性界面活性剤および水を含有する金属用研磨組成物（Ａ）を用い、前記研磨パッドの表面に湾曲放射状の研磨組成物ガイド溝を設けた研磨パッド（Ｂ）で研磨することを特徴とする半導体ウェハの製造方法。
１５０ｇ／ｃｍ^２以下の荷重で研磨することを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェハの製造方法。
前記ポリオキソ酸がヘテロポリ酸であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体ウェハの製造方法。
前記アニオン性界面活性剤が酸型であ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ウェハの製造方法。
前記金属用研磨組成物（Ａ）が実質的に砥粒を含まないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体ウェハの製造方法。