JP2007095843A - 研磨方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複素環化合物を含有する金属用研磨液を研磨定盤上の研磨パッドに供給し、上記パッドを被研磨体の被研磨面と接触させ相対運動させて研磨する半導体デバイスの研磨方法であって、研磨中の研磨パッドの最高温度が40℃以上60℃未満であり、かつ上記最高温度と研磨終了後の研磨パッドの温度との差が10℃以上であることを特徴とする研磨方法。
【選択図】 なし
Description
(1)複素環化合物を含有する金属用研磨液を研磨定盤上の研磨パッドに供給し、上記パッドを被研磨体の被研磨面と接触させ相対運動させて研磨する研磨方法であって、研磨中の研磨パッドの最高温度が40℃以上60℃未満であり、かつ上記最高温度と研磨終了後の研磨パッドの温度との差が10℃以上であることを特徴とする研磨方法。
である。
本発明の研磨方法は、複素環化合物を含有する金属用研磨液を研磨定盤上の研磨パッドに供給し、上記パッドを被研磨体の被研磨面と接触させ相対運動させて研磨する研磨方法であって、研磨中の研磨パッドの最高温度を40℃以上60℃未満、かつ研磨中の研磨パッドの最高温度と研磨終了後(オーバーポリッシュ終了直後)の研磨パッドの温度の差を10℃以上として、例えば、被研磨体として導電性材料膜(例えば金属層)が形成されたウェハ(半導体デバイス)を化学的機械的に平坦化することができるものである。
まず、本発明の研磨方法における研磨パッドの温度について説明する。
本発明において、研磨パッドの温度とはウェハ研磨面と接触する研磨パッド表面の平均温度のことであって、放射温度計による測定が適している。また、研磨終了後の研磨パッドの温度とは、オーバーポリッシュ終了直後の研磨パッドの温度のことである。
被研磨体(ウェハ):直径300mmのウェハ(金属配線パターンウェハ)
研磨圧力(被研磨面と研磨パッドの接触圧力):2psi
研磨液供給速度:300ml/min
被研磨体(ウェハ)と研磨パッドの平均相対運動速度:2m/s
本発明で用いる金属用研磨液(以下、単に研磨液と称することがある)は、構成成分として複素環化合物を含み、さらに有機酸、酸化剤及び砥粒を含有することが好ましく、通常は、各成分を溶解してなる水溶液に砥粒を分散させてなるスラリーの形態をとる。
金属用研磨液が含有する各成分については、以下に詳述するが、それぞれの成分は1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
(複素環化合物)
本発明の金属用研磨液には、研磨対象の金属表面に不動態膜を形成する化合物として少なくとも1種の複素環化合物を含有する。
ピロール環、チオフェン環、フラン環、ピラン環、チオピラン環、イミダゾール環、ピラゾール環、チアゾール環、イソチアゾール環、オキサゾール環、イソオキサゾール環、ピリジン環、ピラジン環、ピリミジン環、ピリダジン環、ピロリジン環、ピラゾリジン環、イミダゾリジン環、イソオキサゾリジン環、イソチアゾリジン環、ピペリジン環、ピペラジン環、モルホリン環、チオモルホリン環、クロマン環、チオクロマン環、イソクロマン環、イソチオクロマン環、インドリン環、イソインドリン環、ピリンジン環、インドリジン環、インドール環、インダゾール環、プリン環、キノリジン環、イソキノリン環、キノリン環、ナフチリジン環、フタラジン環、キノキサリン環、キナゾリン環、シンノリン環、プテリジン環、アクリジン環、ペリミジン環、フェナントロリン環、カルバゾール環、カルボリン環、フェナジン環、アンチリジン環、チアジアゾール環、オキサジアゾール環、トリアジン環、トリアゾール環、テトラゾール環、ベンズイミダゾール環、ベンズオキサゾール環、ベンズチアゾール環、ベンズチアジアゾール環、ベンズフロキサン環、ナフトイミダゾール環、ベンズトリアゾール環、テトラアザインデン環等が挙げられ、より好ましくはトリアゾール環、テトラゾール環が挙げられる。
すなわち、1,2,3,4−テトラゾール、5−アミノ−1,2,3,4−テトラゾール、5−メチル−1,2,3,4−テトラゾール、1,2,3−トリアゾール、4−アミノ−1,2,3−トリアゾール、4,5−ジアミノ−1,2,3−トリアゾール、1,2,4−トリアゾール、3−アミノ−1,2,4−トリアゾール、3,5−ジアミノ−1,2,4−トリアゾールである。
本発明の研磨液は、研磨対象の金属を酸化できる化合物(酸化剤)を含有することが好ましい。
具体的には、過酸化水素、過酸化物、硝酸塩、ヨウ素酸塩、過ヨウ素酸塩、次亜塩素酸塩、亜塩素酸塩、塩素酸塩、過塩素酸塩、過硫酸塩、重クロム酸塩、過マンガン酸塩、オゾン水及び銀(II)塩、鉄(III)塩が挙げられるが、過酸化水素がより好ましく用いられる。
酸化剤の添加量は、研磨に使用する際の金属用研磨液の1L中、0.003mol〜8molとすることが好ましく、0.03mol〜6molとすることがより好ましく、0.1mol〜4molとすることが特に好ましい。即ち、酸化剤の添加量は、金属の酸化が十分で高いCMP速度を確保する点で0.003mol以上が好ましく、研磨面の荒れ防止の点から8mol以下が好ましい。
本発明の研磨液は更に酸を含有することが好ましい。ここでいう酸は、金属の酸化剤ではなく、酸化の促進、pH調整、緩衝剤としての作用を有する。
酸の例として、その範囲で、例えば、無機酸、有機酸、アミノ酸が挙げられる。
無機酸としては、硫酸、硝酸、ホウ酸、燐酸などが挙げられ、無機酸の中では燐酸が好ましい。
本発明においては特に有機酸やアミノ酸が存在することが好ましい。
有機酸としては、水溶性のものが望ましい。以下の群から選ばれたものがより適している。ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、2−メチル酪酸、n−ヘキサン酸、3,3−ジメチル酪酸、2−エチル酪酸、4−メチルペンタン酸、n−ヘプタン酸、2−メチルヘキサン酸、n−オクタン酸、2−エチルヘキサン酸、安息香酸、グリコール酸、サリチル酸、グリセリン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、マレイン酸、フタル酸、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸、乳酸、ヒドロキシエチルイミノ二酢酸、イミノ二酢酸、ジヒドロキシエチルグリシン、及びそれらのアンモニウム塩やアルカリ金属塩等の塩、硫酸、硝酸、アンモニア、アンモニウム塩類、又はそれらの混合物等が挙げられる。これらの中ではギ酸、マロン酸、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸、ヒドロキシエチルイミノ二酢酸、イミノ二酢酸、ジヒドロキシエチルグリシン等が好適である。
グリシン、L−アラニン、β−アラニン、L−2−アミノ酪酸、L−ノルバリン、L−バリン、L−ロイシン、L−ノルロイシン、L−イソロイシン、L−アロイソロイシン、L−フェニルアラニン、L−プロリン、サルコシン、L−オルニチン、L−リシン、タウリン、L−セリン、L−トレオニン、L−アロトレオニン、L−ホモセリン、L−チロシン、3,5−ジヨ−ド−L−チロシン、β−(3,4−ジヒドロキシフェニル)−L−アラニン、L−チロキシン、
特に、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸、グリシン、グリコール酸、β−アラニン、ヒドロキシエチルイミノ二酢酸、イミノ二酢酸、ジヒドロキシエチルグリシンについては実用的なCMP速度を維持しつつ、エッチング速度を効果的に抑制できるという点で好ましい。
本発明の研磨液は砥粒を含有することが好ましい。好ましい砥粒としては、例えば、シリカ(沈降シリカ、フュームドシリカ、コロイダルシリカ、合成シリカ)、セリア、アルミナ、チタニア、ジルコニア、ゲルマニア、酸化マンガン、炭化ケイ素、ポリスチレン、ポリアクリル、ポリテレフタレートなどが挙げられる。特に、コロイダルシリカを用いると、本発明の顕著な効果が得られ、好ましい。
砥粒の添加量としては、使用する際の金属用研磨液1L中に0.05〜20gの砥粒を含むことが好ましく、特に0.2〜5gの砥粒を含むと本発明の効果が顕著に得られ、好ましい。
また、砥粒は平均粒径5〜200nmが好ましく、特に平均粒径20〜70nmの砥粒を用いると本発明の効果が顕著に得られ、好ましい。
ここで、平均粒径とは研磨液中に含まれる砥粒の全粒子についての粒径の算術平均であり、例えば動的光散乱法またはレーザー回折法もしくは電子顕微鏡法を用いて測定できる。
本発明の研磨液は、界面活性剤や親水性ポリマーを含有することが好ましい。
界面活性剤と親水性ポリマーは、いずれも被研磨面の接触角を低下させる作用を有して、均一な研磨を促す作用を有する。用いられる界面活性剤や親水性ポリマーとしては、以下の群から選ばれたものが好適である。
陰イオン界面活性剤として、カルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸エステル塩、リン酸エステル塩が挙げられ、陽イオン界面活性剤として、脂肪族アミン塩、脂肪族4級アンモニウム塩、塩化ベンザルコニウム塩、塩化ベンゼトニウム、ピリジニウム塩、イミダゾリニウム塩が挙げられ、両性界面活性剤として、カルボキシベタイン型、アミノカルボン酸塩、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、アルキルアミンオキサイドを挙げることができ、非イオン界面活性剤として、エーテル型、エーテルエステル型、エステル型、含窒素型が挙げられ、また、フッ素系界面活性剤などが挙げられる。
さらに、親水性ポリマーとしては、ポリエチレングリコール等のポリグリコール類、ポリビニルアルコール、ポロビニルピロリドン、アルギン酸等の多糖類、ポリメタクリル酸等のカルボン酸含有ポリマー等が挙げられる。
本発明の研磨液は、所定のpHとすべく、アルカリ剤又は緩衝剤を添加されることが好ましい。
アルカリ剤(及び緩衝剤)としては、水酸化アンモニウム及びテトラメチルアンモニウムハイドロキサイドなどの有機水酸化アンモニウム、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、トリイソプロパノールアミンなどのようなアルカノールアミン類などの非金属アルカリ剤、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウムなどのアルカリ金属水酸化物、炭酸ナトリウムなどの炭酸塩、リン酸三ナトリウムなどのリン酸塩、ホウ酸塩、四ホウ酸塩、ヒドロキシ安息香酸塩などを挙げることができる。
特に好ましいアルカリ剤として水酸化アンモニウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム及びテトラメチルアンモニウムハイドロキサイドである。
研磨に使用する際の研磨液のpHは3〜12が好ましく、より好ましくは4〜9であり、特に5〜8が好ましい。この範囲において本発明の研磨液は特に優れた効果を発揮する。上記アルカリ剤(緩衝剤)、酸剤によって研磨液のpHを上記好ましい範囲に調整するものである。
本発明の研磨液は、混入する多価金属イオンなどの悪影響を低減させるために、必要に応じてキレート剤(すなわち硬水軟化剤)を含有していてもよい。
キレート剤としては、カルシウムやマグネシウムの沈澱防止剤である汎用の硬水軟化剤やその類縁化合物を用いることができ、必要に応じてこれらを2種以上併用しても良い。
キレート剤の添加量は混入する多価金属イオンなどの金属イオンを封鎖するのに充分な量であれば良く、例えば、研磨に使用する際の金属用研磨液の1L中、0.0003mol〜0.07molになるように添加する。
(配線金属材料)
本発明における被研磨体(研磨対象)は銅又は銅合金からなる配線を持つLSIであり、銅合金の中でも銀を含有する銅合金が適している。銅合金に含有される銀含量は、10質量%以下、さらには1質量%以下で優れた効果を発揮し、0.00001〜0.1質量%の範囲である銅合金において最も優れた効果を発揮する。
本発明の対象である半導体デバイスは、例えばDRAMデバイス系ではハーフピッチで0.15μm以下で特には0.10μm以下、更には0.08μm以下、一方、MPUデバイス系では0.12μm以下で特には0.09μm以下、更には0.07μm以下の配線を持つLSIであることが好ましい。これらのLSIに対して、本発明の研磨液は特に優れた効果を発揮する。
銅配線と層間絶縁膜との間には、銅の拡散を防ぐ為のバリア層が設けられ、バリア層としては低抵抗のメタル材料例えばTiN、TiW、Ta、TaN、W、WNが好ましく、中でもTa、TaNが特に好ましい。
(研磨方法)
上記金属用研磨液は、濃縮液であって使用する際に水を加えて希釈して使用液とする場合、又は、各成分が次項に述べる水溶液の形態でこれらを混合し、必要により水を加え希釈して使用液とする場合、あるいは使用液として調製されている場合がある。本発明の金属用研磨液を用いた研磨方法は、いずれの場合にも適用でき、研磨液を研磨定盤上の研磨パッドに供給し、被研磨面と接触させて被研磨面と研磨パッドを相対運動させて研磨する研磨方法である。
本発明を実施できる装置は、被研磨面を有する半導体基板等を保持するホルダーと研磨パッドを貼り付けた(回転数が変更可能なモータ等を取り付けてある)研磨定盤を有する一般的な研磨装置が使用でき、直径300mmのウェハを研磨できる装置であれば特に限定されず、例えばFREX300(荏原製作所)を用いることができる。
本発明では対象金属を研磨する間、研磨定盤上の研磨パッドに金属用研磨液をポンプ等で連続的に供給する。この供給量に制限はないが、研磨パッドの表面が常に研磨液で覆われていることが好ましい。
さらに、1つの容器に所定量の濃縮された金属用研磨液と水又は水溶液を入れて混合し、所定の濃度に希釈した後に、その混合液を研磨パッドに供給する方法も本発明に適用することができる。
本発明の研磨液を用いて化学的機械的研磨方法を実施する際に用いる研磨用のパッドには特に制限はなく、無発泡構造パッドでも発泡構造パッドでもよい。前者はプラスチック板のように硬質の合成樹脂バルク材をパッドに用いるものである。また、後者は更に独立発泡体(乾式発泡系)、連続発泡体(湿式発泡系)、2層複合体(積層系)の3つがあり、特には2層複合体(積層系)が好ましい。発泡は、均一でも不均一でもよい。
研磨パッドの研磨面と被研磨面との相対運動は、回転式研磨である関係上、部位によって相違があるので、平均相対運動速度(平均相対速度)で表すのが適切であり、本発明では、平均相対速度は、被研磨面の中心を通る直線の、半径方向の相対運動速度の平均値として求める。
Rp>RwのときのA点、B点、C点の各点における相対運動速度Va、Vb、Vcは下記の式で表される。
A : Va = (L−Rw)*ωp + Rw*ωw
B : Vb = L*ωp
C : Vc = (L+Rw)*ωp − Rw*ωw
上記の要領で、被研磨面の半径方向A−Cの速度分布を求め、それらの和を測定点数で除した平均値を平均相対運動速度として求める。
<実施例1>
下記表1に示す研磨液101から108を調製し、研磨試験及び評価を行った。
下記組成を混合し、研磨液を調整した。
複素環化合物(化合物種は表1に示す) 1.2mmol/L
ジヒドロキシエチルグリシン(有機酸) 0.0953mol/L
過酸化水素(酸化剤) 9g/L
コロイダルシリカ(平均粒径と添加量は表1に示す)
純水を加えて全量 1000mL
pH(アンモニア水と硫酸で調整) 6.5
研磨装置:FREX300(荏原製作所)
ウェハ:1)研磨速度算出用;シリコン基板上に厚み1μmのCu膜を形成した直径300mmのブランケットウェハー
2)ディッシング評価用;直径300mmの銅配線ウェハ(パターンウェハ:マスクパターン754CMP(ATDF社))
研磨パッド:IC1400XY−K Groove(ロデール社製ポリウレタンフォーム)
研磨条件:研磨圧力 2psi
研磨液供給速度 300ml/min
研磨パッド/ウェハの平均相対運動速度 2m/s
研磨速度の算出:ブランケットウェハを60秒間研磨し、ウェハ面上の均等間隔の49箇所に対し、研磨前後での金属膜厚を電気抵抗値から換算して求め、それらを研磨時間で割って求めた値の平均値を研磨速度とした。
ディッシング:パターンウェハをTa露出までの時間に加え、さらにその時間の30%分だけオーバーポリッシュした試料について、触針式段差計DektakV320Si(Veeco社製)で、ライン100μm&スペース100μm部の段差として求めた。
研磨中の研磨パッドの最高温度及び研磨終了後(オーバーポリッシュ終了直後)の研磨パッドの温度:パターンウェハを研磨中あるいは研磨終了後の研磨パッド表面の平均温度を放射温度計を用いて測定した。
なお、何れの研磨液を用いた場合も700nm/min以上で実用的に十分な研磨速度が得られた(以下の実施例2から4で用いた研磨液についても同様であった)。
実施例1の研磨液105において砥粒の量を表2に示す量に置き換える以外は実施例1の研磨液105と同様にして研磨液を調製し、実施例1と同様にそれぞれ研磨試験を行い、ディッシングについて評価を行った。結果は以下の表2に示した。
実施例1の研磨液105において砥粒の平均粒径を表3に示すものに置き換える以外は実施例1の研磨液105と同様にして研磨液を調製し、実施例1と同様にそれぞれ研磨試験を行い、ディッシングについて評価を行った。結果は以下の表3に示した。
実施例1の研磨液105において砥粒をコロイダルシリカからヒュームドシリカあるいはアルミナに等重量で置き換える以外は実施例1の研磨液105と同様にして研磨液を調製し、実施例1と同様にそれぞれ研磨試験を行い、ディッシングについて評価を行った。
結果は以下の表4に示した。
Claims (5)
- 複素環化合物を含有する金属用研磨液を研磨定盤上の研磨パッドに供給し、上記パッドを被研磨体の被研磨面と接触させ相対運動させて研磨する研磨方法であって、研磨中の研磨パッドの最高温度が40℃以上60℃未満であり、かつ上記最高温度と研磨終了後の研磨パッドの温度との差が10℃以上であることを特徴とする研磨方法。
- 前記複素環化合物が3個以上の窒素原子を有する化合物であることを特徴とする請求項1記載の研磨方法。
- 複素環化合物が4個以上の窒素原子を有する化合物であることを特徴とする請求項1記載の研磨方法。
- 前記金属用研磨液が1L中に0.2〜5gの含有量でコロイダルシリカを含有することを特徴とする請求項1に記載の研磨方法。
- 前記金属用研磨液が平均粒径20〜70nmのコロイダルシリカを含有することを特徴とする請求項1記載の研磨方法。
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