JP2005327782A - 半導体銅金属層用化学的機械的研磨スラリー - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体銅金属層に使用するための化学的機械的研磨過程において、高研磨除去率と高均一度を有する研磨スラリーの提供。
【解決手段】 コロイダルシリカ及び、過酸化水素、酢酸及びフタル酸からなるケミカルエッチング剤を含み、このうち過酸化水素は銅金属層の表面を酸化させ、それに続いて酢酸と銅酸化物が反応して酢酸銅を形成し、この選択的、機能的な化学反応機構により、研磨除去率が加速し、同時に表面欠陥現象も低下する。フタル酸はｐＨ緩衝剤と錯化剤として作用し、金属表面の反応濃度を更に均一に促進することができる。

Description

本発明は化学的機械的研磨スラリーに関するものであり、特に特殊ケミカルエッチング剤を利用してコロイダルシリカを組み合わせ粒子を研磨する研磨スラリーで、半導体上における銅金属層に適用される化学的機械的研磨スラリーに関する。

ＩＣ電子部品が小型化されるに従い、チップ上の金属銅線もそれに伴って細微化された。しかし、細い銅線の幅は大きな電気抵抗をもたらし、狭い間隔は大きな電気容量を引き起こした。それと同時に、部品のサイズの絶え間ない縮小化が、導線の電磁波による信号の遅延現象をますます増加させた。よって信号の伝送速度を向上させるため、導電性のよい銅線がすでに伝統的なアルミニウム線に取って代わるようになった。

高密度化した多層銅線の製造過程においては、化学的機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を利用することによって、ウエハーを平坦化するという高度な要求を満足させることができる。その原理は研磨スラリー（ｓｌｕｒｒｙ）中のケミカルエッチング剤とウエハー表面で発生する反応作用を利用し、さらに研磨粒子（ａｂｒａｓｉｖｅ）の機械的作用を組合せ、ウエハー上の凹凸状に起伏した誘電層、遮断層或いは金属層を除去して平らに研磨するもので、この技術はウエハーを全面的に平坦化（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｌａｎａｒｉｔｙ）させる能力を有している。化学的機械的研磨の磨耗構造では、化学と機械の作用力は必ず最も良い動態交互反応を形成し、そのようにしてはじめて高品質の研磨結果を得ることができる。もし単に化学的作用だけを使用したならば、全面的な平坦化に達することはできず、同様に、機械的作用だけを考慮したならば除去速度率が低く、ウエハー表面を傷つけやすい。材料除去のエネルギーを調和するためには、研磨スラリーの設計は必要不可欠であり、化学的作用を利用して適切に材料表面の構造強度を下げ、機械的作用によって粒子の研磨、材料の研磨除去過程において必要とする応力（正向力とせん断応力を含む）を連動させて低下させ、しかしながら無傷で高除去率、しかも全面平坦化という効果に到達することができる。

半導体ウエハーにおける化学的機械的研磨を活用したスラリーは、スラリー液（ケミカルエッチング剤）と研磨粒子から構成され、スラリー液は化学的エッチング効果を導き、研磨粒子は機械的研磨効果を導く。研磨スラリーの性能検査では、研磨除去率、均一性、表面傷、安定性などを含み、同時に産業の需要に答えるよう低コストで高安全性を必ず備えていなければならない。

銅金属層に使用するための研磨スラリーを例にとると、従来技術が使用した研磨粒子では、ほとんど硬度が高く、形状が不規則の「焼成アルミナ（Ｆｕｍｅｄ ａｌｕｍｉｎａ）」（例えば、特許文献１、特許文献２参照）或いは「焼成シリカ（Ｆｕｍｅｄ ｓｉｌｉｃａ）」（例えば、特許文献３参照）」であり、これは銅金属層の表面に形成された銅酸化物（ｃｏｐｐｅｒ ｏｘｉｄｅ）を直接除去する。この類の火炎燃焼法を利用し合成した研磨粒子は、価格が非常に高いだけでなく、それが分散しにくいという特性により、別に分散剤を添加することが必要不可欠であり、研磨の性能上高除去率を示すが、往々にしてウエハーの表面を傷つけるという現象を引き起こしやすい。

コロイダルシリカ（ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ｓｉｌｉｃａ）は研磨除去率において、焼成アルミナ或いは焼成シリカに及ばないが、その粒径は均一で、分散性にすぐれ、価格は安く、しかも球形であり、硬度は低く表面欠陥を防止することができる。従ってその応用はすでに段々と重視されつつある。ただ従来技術においては、ちょうどよいケミカルエッチング剤の調合がなく、コロイダルシリカと結合させ、人々が満足することのできる研磨効果に達することができる。
アメリカ特許第６２１７４１６号 アメリカ特許第６４３２８２８号 アメリカ特許第６３０９５６０号

以上周知の技術的問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、低コストで高性能の研磨スラリーの調合を提供し、半導体ウエハーの銅金属層の化学的機械研磨作業に活用することである。

上記課題を達するために、本発明の半導体銅金属層用化学的機械的研磨スラリーは、コロイダルシリカ及び過酸化水素、酢酸、フタル酸から構成されるケミカルエッチング剤を含んでいる。その化学的機械的研磨除去機構は過酸化水素が銅金属層表面で銅酸化物を形成し、そして酢酸と銅酸化物によって酢酸銅が形成されることを利用して研磨除去効率を上げ（酢酸は銅金属と化学反応を起こさない）、すぐにコロイダルシリカ研磨粒子によって酢酸銅をウエハー表面から除去し、同時にフタル酸が研磨スラリーのｐＨ緩衝剤及び錯化剤として作用し、さらに研磨スラリーをウエハー表面の反応速度を均一に維持し、高い均一効果を達成する。その上、本発明が要するケミカルエッチング剤濃度はかなり低く、大幅に材料コストを低下することができる。

本発明の研磨スラリーの調合は、高研磨除去率と高い均一化の効果を達成することができ、さらに、本発明の半導体銅金属層用化学的機械的研磨スラリーにおいては、まず過酸化水素と銅金属層表面に銅酸化物を形成し、酢酸と銅酸化物が形成する酢酸銅を利用し、コロイダルシリカ研磨粒子によって酢酸銅をウエハー表面から除去することにより、高研磨除去率を達成することができる。また本発明ではフタル酸は研磨スラリーのｐＨ緩衝剤、錯化剤として作用し、更に研磨均一度を上昇させることができる。

その上、本発明はそのケミカルエッチング剤をその他研磨粒子に組み合わせて調合したものにも適用でき、それもまた研磨除去率と均一度を上昇させることができる。

以下、実施例にあった式を列挙し、詳細な説明を次に述べることにする。

本発明のすぐれた実施例が提供する化学的機械的研磨スラリーの調合は、次の成分を含んでいる。
（１） 平均粒径が１０〜１００ｎｍのナノメートル級コロイダルシリカを０．５〜１０ｗt％（重量１００分率）
（２） 濃度が０．６〜２．５Ｖ％（体積百分率）である過酸化水素
（３） 濃度が０．１〜１Ｖ％である酢酸
（４） 濃度が０．１〜０．８Ｖ％であるフタル酸
また、過酸化水素、酢酸及びフタル酸の３種類の濃度は、過酸化水素／酢酸の比値が０．６〜２５、酢酸／フタル酸の比値が０．１２５〜１０、研磨スラリーｐＨ値が２．５〜５．５となるように調合することにより優れた研磨効果を得ることができる。本例が提供する化学的機械的研磨スラリーの調合は、後述の試験において実証する。

後述の試験が採用する研磨機械は、中山科学研究院、型番号ＣＭＰ−３００Ｐの化学的機械研磨機（中華民国公告番号第４４０５００号特許）であり、浮動式研磨ヘッドを8時間採用した（中華民国公告番号第４６８５３０号特許）。パラメーター圧力（ｄｏｗｎ ｆｏｒｃｅ）は３ｐｓｉ、載皿回転速度（ｐｌａｔｅｎ ｓｐｅｅｄ）は４７ｒｐｍ、研磨ヘッド回転速度（ｈｅａｄ ｓｐｅｅｄ）は４９ｒｐｍ、研磨スラリー注入速度率は１５０ｍｌ／ｍｉｎ、研磨クッションはＲｏｄｅｌ ＩＣ−１４００を使用した。研磨湿潤時間は３０ｓｅｃ、除去率及び均一度測定にはＮＡＰＳＯＮ社の型番号ＲＴ−８０／ＲＧ−１２０の表面電気抵抗計量測定器を使用した。

本試験はコロイダルシリカの粒径サイズを選定して、研磨効果の影響をみたものである。本発明実施例において、各種粒径のコロイダルシリカ、原料の固体含有量（ｓｏｌｉｄ ｃｏｎｔｅｎｔ）及びｐＨ値を表１に示した。研磨スラリーの過酸化水素濃度は１．２Ｖ％に固定し、酢酸濃度は０．３７５Ｖ％、フタル酸濃度は０．２ｗｔ％、研磨粒子濃度は３．０ｗｔ％とし、表２は本発明実施例において、各種の研磨粒子の粒径サイズ別における除去率と非均一度に対する影響を示したもので、調合完成した研磨スラリーのｐＨ値及び研磨結果を示した。結果が示すように、本発明の研磨スラリーは、高研磨除去率と高均一性能を有し、該除去率は粒径３５．７ｎｍが最も高かったが、均一性は粒径１９．７ｎｍと９０．５ｎｍには及ばなかった。

本試験はコロイダルシリカの固体含有量を選定して、研磨除去率及び均一性に対する影響をみたものである。即ち研磨スラリーの研磨粒子の粒径が９０．５ｎｍ、過酸化水素濃度が１．２Ｖ％、酢酸濃度が０．３７５Ｖ％、フタル酸濃度が０．２ｗｔ％で調合して得られた研磨スラリーのｐＨ値及び研磨結果を表3に示した。その結果によって、研磨粒子の固体含有量が１〜３ｗｔ％の間の除去率は顕著なる増加を示さないが、固体含有量が３ｗｔ％以上の時、銅除去率及び不均一度が同時に増加することがわかった。

本試験は研磨スラリーの組成の調合条件を同一にした上で、ｐＨ値を変化させた場合の影響をみたものである。表４は本発明実施例において、研磨スラリー組成の調合が同じである条件で、異なるｐＨ値が研磨除去率及び非均一度をもたらす変化を示したもので、その調合条件は、研磨スラリーの研磨粒子濃度を３ｗｔ％、粒径は９０．５ｎｍ、過酸化水素濃度を１．２Ｖ％、酢酸濃度を０．３７５Ｖ％、フタル酸濃度を０．２ｗｔ％で調合し、完成した研磨スラリーは薄いアンモニア水を利用してｐＨ値を調整したものを示したものである。その結果、同一の調合組成では、銅除去率はｐＨ値の増加に伴って徐々に下降し、不均一度はこれに伴って増加することがわかった。

本試験は研磨スラリーのケミカルエッチング剤の調合及びその濃度の影響をみたものである。本発明実施例において、研磨スラリーの研磨粒子濃度は３ｗｔ％、粒径は９０．５ｎｍで調合完成した研磨スラリーｐＨ値及び研磨結果を表５に示した。その結果、酢酸を添加したものだけが研磨均一度効果がよくなく、またフタル酸と酢酸を加えた研磨スラリーは、除去率が大幅に上昇し、不均一度が下降した。過酸化水素／酢酸濃度の比値、及び酢酸／フタル酸濃度の比値条件を固定して、過酸化水素、酢酸、フタル酸濃度を増加させると、除去率は上昇し、不均一度は下降した。過酸化水素／酢酸濃度比値とフタル酸濃度を同一にした条件では、酢酸／フタル酸濃度比値が増加（或いは過酸化水素と酢酸濃度を同時に増加）すると、除去率は上昇したが、均一度はほとんど影響がなかった。しかし過酸化水素及び酢酸濃度が同一の条件では、酢酸／フタル酸濃度比値が下がる（或いはフタル酸濃度が同時に増加する）と、除去率は上昇し、不均一度は下降した。

以上は本発明の優れた実施例を述べたが、本発明の実施範囲を限定するものではない。しかし本発明が公表された後、この分野に熟知した技術者が本発明の技術思想の範囲を離れることなく行なった発明の均等、変更及び付加は、すべて本発明における特許出願の範囲内に含まるべきである。

Claims (9)

1. 研磨粒子、過酸化水素、酢酸及びフタル酸を含む半導体銅金属層用化学的機械的研磨スラリー。
2. 該研磨粒子が粒径１０〜１００ｎｍのコロイダルシリカである請求項１記載の半導体銅金属層用化学的機械的研磨スラリー。
3. 該研磨粒子の濃度が０．５〜１０ｗｔ％である請求項１記載の半導体銅金属層用化学的機械的研磨スラリー。
4. 該過酸化水素濃度が０．６〜２．５Ｖ％である請求項１記載の半導体銅金属層用化学的機械的研磨スラリー。
5. 該酢酸濃度が０．１〜１．０Ｖ％である請求項１記載の半導体銅金属層用化学的機械的研磨スラリー。
6. 該フタル酸濃度が０．１〜０．８ｗｔ％である請求項１記載の半導体銅金属層用化学的機械的研磨スラリー。
7. ｐＨ値が２．５〜５．５である請求項１記載の半導体銅金属層用化学的機械的研磨スラリー。
8. 該過酸化水素／フタル酸比値が０．６〜２５である請求項１記載の半導体金属層における化学的機械的研磨用スラリー。
9. 該酢酸／フタル酸比値が０．１２５〜１０である請求項１記載の半導体金属層における化学的機械的研磨用スラリー。