JP2007194540A - 半導体装置の製造方法及び研磨装置 - Google Patents
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Abstract
【目的】配線とバリアメタル界面のコロージョンを抑制する半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【構成】本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、開口部が形成された基板上にバリアメタル膜を形成するバリアメタル膜形成工程(S108)と、バリアメタル膜が前記基板表面と前記開口部の内壁に形成された後、前記バリアメタル膜上に銅含有膜を形成するめっき工程(S112)と、前記銅含有膜と前記バリアメタル膜とが露出した状態で、前記基板に電圧を印加しながら前記銅含有膜と前記バリアメタル膜とを研磨する研磨工程(S114)と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図1
【構成】本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、開口部が形成された基板上にバリアメタル膜を形成するバリアメタル膜形成工程(S108)と、バリアメタル膜が前記基板表面と前記開口部の内壁に形成された後、前記バリアメタル膜上に銅含有膜を形成するめっき工程(S112)と、前記銅含有膜と前記バリアメタル膜とが露出した状態で、前記基板に電圧を印加しながら前記銅含有膜と前記バリアメタル膜とを研磨する研磨工程(S114)と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
本発明は、半導体装置の製造方法及び研磨装置に係り、例えば、バリアメタル膜と銅(Cu)膜とを研磨してダマシン配線を形成する半導体装置の製造方法及び半導体基板を化学機械研磨(CMP)するCMP装置に関する。
近年、半導体集積回路(LSI)の高集積化、及び高性能化に伴って新たな微細加工技術が開発されている。特に、最近はLSIの高速化を達成するために、配線材料を従来のアルミ(Al)合金から低抵抗の銅(Cu)或いはCu合金(すなわち、銅含有物、以下、まとめてCuと称する。)に代える動きが進んでいる。Cuは、Al合金配線の形成において頻繁に用いられたドライエッチング法による微細加工が困難であるので、溝加工が施された絶縁膜上にCu膜を堆積し、溝内に埋め込まれた部分以外のCu膜を化学機械研磨(ケミカル・メカニカル・ポリッシング:chemical mechanical polishing:CMP)法により除去して埋め込み配線を形成する、いわゆるダマシン(damascene)法が主に採用されている。Cu膜はスパッタ法などで薄いシード層を形成した後に電解めっき法により数100nm程度の厚さの積層膜を形成することが一般的である。さらに、多層Cu配線を形成する場合は、特に、デュアルダマシン構造と呼ばれる配線形成方法を用いることもできる。かかる方法では、下層配線上に絶縁膜を堆積し、所定のヴィアホール(孔)及び上層配線用のトレンチ(配線溝)を形成した後に、ヴィアホールとトレンチに配線材料となるCuを同時に埋め込み、さらに、上層の不要なCuをCMPにより除去し平坦化することにより埋め込み配線を形成する。
ここで、最近は層間絶縁膜として比誘電率の低い低誘電率材料膜(low−k膜)を用いることが検討されている。すなわち、比誘電率kが、約3.9のシリコン酸化膜(SiO2膜)から比誘電率kが例えば3.0以下のlow−k膜を用いることにより、配線間の寄生容量を低減することが試みられている。
また、low−k膜へのCuの拡散を防止するために、Cu膜とlow−k膜との間には、タンタル(Ta)等のバリアメタル膜を形成することが一般的である。そして、かかるバリアメタル膜も不要な部分をCMPにより除去し平坦化される。
以上のように、LSIで使用されるダマシンCu配線はCMP法により形成されるが、CMPでCu膜とバリアメタル膜が同時に露出した表面を研磨する場合には、異種金属接触による局部電池が形成される。その結果、ガルバニック・コロージョンが発生する。一般に、CMPで研磨に使用するスラリー(砥液)は、複数の薬液が混合され、Cuがカソード、バリアメタルがアノードになるように設計される。Cuがアノードになると、Cu全体が溶解して、配線が消失してしまうからである。この場合、バリアメタル表面で活発なアノード反応(酸化など)が起これば、カソードであるCuに電荷が十分に供給されて、コロージョンは発生しにくくなる。また、このようなCu配線のコロージョンを抑制するために、スラリーに水素(H2)等が溶解された薬液を供給する技術も文献に開示されている(例えば、特許文献1参照)。
ここで、通常使用されているTa系材料を用いたバリアメタルの場合には、Taが非常に安定で酸化の進行が遅いため、アノードとなるTaからカソードとなるCuに十分な電荷が供給されない。その結果、Taの替わりにTaに隣接したCu配線の界面部分が代替アノードになって、その部分が溶解し、スリット状のコロージョンが発生してしまうおそれがあった。このようなCu/Ta界面のスリット状コロージョンは、配線の信頼性を損ない、デバイスの電気特性を悪化させるので、望ましくない。
特開2003−338464号公報
本発明は、上述した問題点を克服し、配線とバリアメタル界面のコロージョンを抑制する半導体装置の製造方法、及び配線とバリアメタル界面のコロージョンを抑制することが可能となる研磨装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、
開口部が形成された基板上にバリアメタル膜を形成するバリアメタル膜形成工程と、
前記バリアメタル膜が前記基板表面と前記開口部の内壁に形成された後、前記バリアメタル膜上に銅含有膜を形成する銅含有膜形成工程と、
前記銅含有膜と前記バリアメタル膜とが露出した状態で、前記基板に電圧を印加しながら前記銅含有膜と前記バリアメタル膜とを研磨する研磨工程と、
を備えたことを特徴とする。
開口部が形成された基板上にバリアメタル膜を形成するバリアメタル膜形成工程と、
前記バリアメタル膜が前記基板表面と前記開口部の内壁に形成された後、前記バリアメタル膜上に銅含有膜を形成する銅含有膜形成工程と、
前記銅含有膜と前記バリアメタル膜とが露出した状態で、前記基板に電圧を印加しながら前記銅含有膜と前記バリアメタル膜とを研磨する研磨工程と、
を備えたことを特徴とする。
また、本発明の他の態様の半導体装置の製造方法は、
銅含有膜とバリアメタル膜とが表面に露出した基板にスラリーが供給されたときの前記銅含有膜と前記バリアメタル膜との混成系の電位を測定する測定工程と、
前記測定結果に基づいて、前記基板に電圧を印加しながら前記銅含有膜と前記バリアメタル膜とを前記スラリーを用いて研磨する研磨工程と、
を備えたことを特徴とする。
銅含有膜とバリアメタル膜とが表面に露出した基板にスラリーが供給されたときの前記銅含有膜と前記バリアメタル膜との混成系の電位を測定する測定工程と、
前記測定結果に基づいて、前記基板に電圧を印加しながら前記銅含有膜と前記バリアメタル膜とを前記スラリーを用いて研磨する研磨工程と、
を備えたことを特徴とする。
また、本発明の一態様の研磨装置は、
薬液を用いて基板表面を研磨する研磨部と、
前記薬液を電解質として前記基板表面の電位を測定する電位測定部と、
を備えたことを特徴とする。
薬液を用いて基板表面を研磨する研磨部と、
前記薬液を電解質として前記基板表面の電位を測定する電位測定部と、
を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、銅含有膜のカソード電流密度とバリアメタル膜のアノード電流密度との差が小さくなるまで、銅含有膜とバリアメタル膜との混成系の電位を調整することができる。よって、バリアメタル膜から銅含有膜に十分な電荷を供給させることができ、配線とバリアメタル界面のコロージョンを抑制することができる。
実施の形態1.
実施の形態1では、low−k膜の絶縁層にCuダマシン配線を形成する場合について、以下、図面を用いて説明する。
実施の形態1では、low−k膜の絶縁層にCuダマシン配線を形成する場合について、以下、図面を用いて説明する。
図1は、実施の形態1における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。
図1において、本実施の形態では、低誘電率の絶縁性材料からなるlow−k膜の薄膜を形成するlow−k膜形成工程(S102)、キャップ膜を形成するキャップ膜形成工程(S104)、開口部を形成する開口部形成工程(S106)、導電性材料を用いた導電性材料膜を形成する導電性材料膜形成工程として、バリアメタル膜形成工程(S108)、シード膜形成工程(S110)、めっき工程(S112)と、Cu膜研磨工程(S114)、電位測定工程(S116)、電位制御工程(S118)、Cu膜/バリアメタル(BM)膜研磨工程(S120)という一連の工程を実施する。
図1において、本実施の形態では、低誘電率の絶縁性材料からなるlow−k膜の薄膜を形成するlow−k膜形成工程(S102)、キャップ膜を形成するキャップ膜形成工程(S104)、開口部を形成する開口部形成工程(S106)、導電性材料を用いた導電性材料膜を形成する導電性材料膜形成工程として、バリアメタル膜形成工程(S108)、シード膜形成工程(S110)、めっき工程(S112)と、Cu膜研磨工程(S114)、電位測定工程(S116)、電位制御工程(S118)、Cu膜/バリアメタル(BM)膜研磨工程(S120)という一連の工程を実施する。
図2は、図1のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
図2では、図1のlow−k膜形成工程(S102)から開口部形成工程(S106)までを示している。それ以降の工程は後述する。
図2では、図1のlow−k膜形成工程(S102)から開口部形成工程(S106)までを示している。それ以降の工程は後述する。
図2(a)において、low−k膜形成工程として、基板200の上に多孔質の低誘電率絶縁性材料を用いたlow−k膜220の薄膜を例えば200nmの厚さで形成する。low−k膜220を形成することで、比誘電率kが3.0以下の層間絶縁膜を得ることができる。ここでは、一例として、比誘電率が2.5未満の低誘電率絶縁材料となるポリメチルシロキサンを用いたLKD(Low−K Dielectric material:JSR製)を用いてlow−k膜220を形成する。low−k膜220の材料としては、ポリメチルシロキサンの他に、例えば、ポリシロキサン、ハイドロジェンシロセスキオキサン、メチルシロセスキオキサンなどのシロキサン骨格を有する膜、ポリアリーレンエーテル、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾシクロブテンなどの有機樹脂を主成分とする膜、および多孔質シリカ膜などのポーラス膜からなる群から選択される少なくとも一種を用いて形成しても構わない。かかるlow−k膜220の材料では、比誘電率が2.5未満の低誘電率を得ることができる。形成方法としては、例えば、溶液をスピンコートし熱処理して薄膜を形成するSOD(spin on dielectic coating)法を用いることができる。例えば、スピナーで成膜し、このウエハをホットプレート上で窒素雰囲気中でのベークを行った後、最終的にホットプレート上で窒素雰囲気中ベーク温度よりも高温でキュアを行なうことにより形成することができる。low−k材料や形成条件などを適宜調節することにより、所定の物性値を有する多孔質の絶縁膜が得られる。また、基板200として、例えば、直径300ミリのシリコンウェハを用いる。また、ここでは、low−k膜220の下層に位置するデバイス等の形成については説明を省略している。
図2(b)において、キャップ膜形成工程として、low−k膜220上にCVD法によってキャップ絶縁膜として炭酸化シリコン(SiOC)を例えば膜厚50nm堆積することで、SiOC膜222の薄膜を形成する。SiOC膜222を形成することで、直接リソグラフィを行うことが困難なlow−k膜220を保護し、low−k膜220にパターンを形成することができる。キャップ絶縁膜の材料として、SiOCの他に、TEOS(テトラエトキシシラン)、SiC、炭水化シリコン(SiCH)、炭窒化シリコン(SiCN)、SiOCH、およびシラン(SiH4)からなる群から選択される少なくとも一種の比誘電率2.5以上の絶縁材料を用いて形成しても構わない。ここでは、CVD法によって成膜しているが、その他の方法を用いても構わない。
図2(c)において、開口部形成工程として、リソグラフィ工程とドライエッチング工程でダマシン配線を作製するための配線溝構造である開口部150をSiOC膜222とlow−k膜220内に形成する。図示していないレジスト塗布工程、露光工程等のリソグラフィ工程を経てSiOC膜222の上にレジスト膜が形成された基板200に対し、露出したSiOC膜222とその下層に位置するlow−k膜220を異方性エッチング法により除去することで、基板200の表面に対し、略垂直に開口部150を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング法により開口部150を形成すればよい。
図3は、図1のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
図3では、図1のバリアメタル膜形成工程(S108)からめっき工程(S112)までを示している。それ以降の工程は後述する。
図3では、図1のバリアメタル膜形成工程(S108)からめっき工程(S112)までを示している。それ以降の工程は後述する。
図3(a)において、バリアメタル膜形成工程として、開口部形成工程により形成された開口部150及びSiOC膜222表面にバリアメタル材料を用いたバリアメタル膜240を形成する。物理気相成長法(physical vapor deposition:PVD)法の1つであるスパッタ法を用いるスパッタリング装置内でタンタル(Ta)膜の薄膜を例えば膜厚5nm堆積し、バリアメタル膜240を形成する。バリアメタル材料の堆積方法としては、PVD法に限らず、原子層気相成長(atomic layer deposition:ALD法、あるいは、atomic layer chemical vapor deposition:ALCVD法)やCVD法などを用いることができる。PVD法を用いる場合より被覆率を良くすることができる。また、バリアメタル膜の材料としては、Taの他、窒化タンタル(TaN)等のタンタル系のタンタル含有物質、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN)等のチタン系のチタン含有物質、もしくはTaとTaN等これらを組合せて用いた積層膜であっても構わない。
図3(b)において、シード膜形成工程として、スパッタ等の物理気相成長(PVD)法により、次の工程である電解めっき工程のカソード極となるCu薄膜をシード膜250(銅含有膜の一例)としてバリアメタル膜240が形成された開口部150内壁及び基板200表面に堆積(形成)させる。ここでは、シード膜250を例えば膜厚50nm堆積させる。
図3(c)において、銅含有膜形成工程の一例となるめっき工程として、シード膜250をカソード極として、電解めっき等の電気化学成長法によりCu膜260(銅含有膜の一例)の薄膜を開口部150内及び基板200表面に堆積させる。ここでは、例えば膜厚800nmのCu膜260を堆積させ、堆積させた後にアニール処理を例えば250℃の温度で30分間行なう。
そして、かかる状態から開口部150上に堆積した余分なCu膜260とバリアメタル膜240とをCMPにより除去してダマシン配線を形成することになる。
図4は、図1のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
図4では、図1のCu膜研磨工程(S114)からCu膜/BM膜研磨工程(S120)までを示している。
図4は、図1のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
図4では、図1のCu膜研磨工程(S114)からCu膜/BM膜研磨工程(S120)までを示している。
図4(a)において、第1のCMPステップとなるCu膜研磨工程として、CMP法によって、基板200の表面を研磨して、開口部以外にバリアメタル膜240の表面に堆積された導電部としての配線層となるシード膜250を含むCu膜260を研磨除去する。
図5は、CMP装置の断面構成を示す概念図である。
CMP装置は、研磨部500の一例となるヘッド510、ターンテーブル520、研磨パッド525、供給ノズル530等を備えている。また、CMP装置は、接点310、参照電極320、対向電極330等が接続されたポテンシオスタット400(電位測定部、電流密度測定部の一例)を備えている。研磨パッド525が貼付されたターンテーブル520を50〜120min−1(rpm)で回転させつつ、基板300を保持したヘッド510により基板300を研磨パッド525に100〜300hPaの研磨荷重Pで当接させる。ヘッド510の回転数は50〜120min−1(rpm)とし、研磨パッド525上には、供給ノズル530から0.1〜0.2L/min(100〜200ml/min)の流量でスラリー(研磨液)540(薬液の一例)を供給する。
CMP装置は、研磨部500の一例となるヘッド510、ターンテーブル520、研磨パッド525、供給ノズル530等を備えている。また、CMP装置は、接点310、参照電極320、対向電極330等が接続されたポテンシオスタット400(電位測定部、電流密度測定部の一例)を備えている。研磨パッド525が貼付されたターンテーブル520を50〜120min−1(rpm)で回転させつつ、基板300を保持したヘッド510により基板300を研磨パッド525に100〜300hPaの研磨荷重Pで当接させる。ヘッド510の回転数は50〜120min−1(rpm)とし、研磨パッド525上には、供給ノズル530から0.1〜0.2L/min(100〜200ml/min)の流量でスラリー(研磨液)540(薬液の一例)を供給する。
そして、まず、図4(a)に示すようなCu膜260とバリアメタル膜240とが露出した状態まで研磨する。
そして、電位測定工程として、Cu膜260とバリアメタル膜240とが表面に露出した基板200に対してCu膜260とバリアメタル膜240との混成系の電位を測定する。
図5において、Cu膜260とバリアメタル膜240との混成系の電位の測定は、外部電源と基板300を導通させ、外部電源と標準電極、対向電極を接続し、スラリー540を電解質として基板300と標準電極となる参照電極320と対向電極330とが互いに導通するようにする。すなわち、図5に示すように、基板300の表面を作用電極としたポテンシオスタット400と同じ装置構成をCMP装置に追加すればよい。外部電源と基板300を導通させる具体的な方法として、ポテンシオスタット400と接続された接点310を、基板300を保持するCMP装置のヘッド510を介して基板300の側面(Cu膜260或いはバリアメタル膜240が表面に残るベベル部も含む)に接触する位置に設ける。通常はCu膜260が基板300の側面にまで成膜されているため、図5では、基板側面に接点を設けている。そして、ポテンシオスタット400から接点310を通じて基板300の側面に導通させる。他方、ポテンシオスタット400と接続された参照電極320と対向電極330は基板300からなるべく近い箇所でスラリー540に浸漬できるように設ける。ここでは、参照電極320と対向電極330がスラリー540に確実に浸漬するように、ターンテーブル520外縁に溝状のスラリー溜りとなる廃液ポット522を設け、その部分に参照電極320と対向電極330を浸漬させるように構成した例を示している。例えば、かかる状態で、対向電極330と基板300との間に電流が流れないようにポテンシオスタット400で調整しながら電位を測定すればCu膜260とバリアメタル膜240との混成系の腐食電位を測定することができる。以上のように、作用電極及び参照電極320と対向電極330の3電極式のポテンシオスタット400を用いることで抵抗が小さく電流も小さい場合でも精度よく測定することができる。
図5において、Cu膜260とバリアメタル膜240との混成系の電位の測定は、外部電源と基板300を導通させ、外部電源と標準電極、対向電極を接続し、スラリー540を電解質として基板300と標準電極となる参照電極320と対向電極330とが互いに導通するようにする。すなわち、図5に示すように、基板300の表面を作用電極としたポテンシオスタット400と同じ装置構成をCMP装置に追加すればよい。外部電源と基板300を導通させる具体的な方法として、ポテンシオスタット400と接続された接点310を、基板300を保持するCMP装置のヘッド510を介して基板300の側面(Cu膜260或いはバリアメタル膜240が表面に残るベベル部も含む)に接触する位置に設ける。通常はCu膜260が基板300の側面にまで成膜されているため、図5では、基板側面に接点を設けている。そして、ポテンシオスタット400から接点310を通じて基板300の側面に導通させる。他方、ポテンシオスタット400と接続された参照電極320と対向電極330は基板300からなるべく近い箇所でスラリー540に浸漬できるように設ける。ここでは、参照電極320と対向電極330がスラリー540に確実に浸漬するように、ターンテーブル520外縁に溝状のスラリー溜りとなる廃液ポット522を設け、その部分に参照電極320と対向電極330を浸漬させるように構成した例を示している。例えば、かかる状態で、対向電極330と基板300との間に電流が流れないようにポテンシオスタット400で調整しながら電位を測定すればCu膜260とバリアメタル膜240との混成系の腐食電位を測定することができる。以上のように、作用電極及び参照電極320と対向電極330の3電極式のポテンシオスタット400を用いることで抵抗が小さく電流も小さい場合でも精度よく測定することができる。
図6は、CuとTa等の分極曲線を示す図である。
上述したように、一般に、CMPで研磨に使用するスラリーは、Cuがカソード、バリアメタルがアノードになるように設計される。Cuがアノードになると、Cu全体が溶解して、配線が消失してしまうからである。この場合、バリアメタル表面で活発なアノード反応(酸化など)が起これば、カソードであるCuに電荷が十分に供給されて、コロージョンは発生しにくくなる。しかし、通常使用されているTa系バリアメタルの場合には、Taが非常に安定で酸化の進行が遅いため、TaからCuに十分な電荷が供給されず、替わりにTaに隣接したCu配線部が代替アノードになって、その部分が溶解、コロージョンとなる。ここでさらに詳述すると、アノードでもアノード電流とカソード電流の両方が流れているが、アノード電流の方が大きいのでアノードとして作用しているだけである。カソードでも同様に、カソード電流とアノード電流の両方が流れているが、カソード電流の方が大きく、カソードとして作用する。測定でアノード電流とカソード電流のそれぞれの絶対値を求めることはできないが、アノード電流とカソード電流の差を測定することはできる。以下では、アノード電流とカソード電流の差が正値である場合には、これを単にアノード電流、負値である場合にはその絶対値を単にカソード電流と呼ぶことにする。
上述したように、一般に、CMPで研磨に使用するスラリーは、Cuがカソード、バリアメタルがアノードになるように設計される。Cuがアノードになると、Cu全体が溶解して、配線が消失してしまうからである。この場合、バリアメタル表面で活発なアノード反応(酸化など)が起これば、カソードであるCuに電荷が十分に供給されて、コロージョンは発生しにくくなる。しかし、通常使用されているTa系バリアメタルの場合には、Taが非常に安定で酸化の進行が遅いため、TaからCuに十分な電荷が供給されず、替わりにTaに隣接したCu配線部が代替アノードになって、その部分が溶解、コロージョンとなる。ここでさらに詳述すると、アノードでもアノード電流とカソード電流の両方が流れているが、アノード電流の方が大きいのでアノードとして作用しているだけである。カソードでも同様に、カソード電流とアノード電流の両方が流れているが、カソード電流の方が大きく、カソードとして作用する。測定でアノード電流とカソード電流のそれぞれの絶対値を求めることはできないが、アノード電流とカソード電流の差を測定することはできる。以下では、アノード電流とカソード電流の差が正値である場合には、これを単にアノード電流、負値である場合にはその絶対値を単にカソード電流と呼ぶことにする。
また、LSIで使用される配線は、配線主材料(Cuなど)とバリアメタル(Taなど)の少なくとも2種類のメタルから構成される。そのため、其々の金属単独の腐食だけではなく、配線とバリアメタルが混在する混成系の腐食を考える必要がある。この場合は、まず配線(Cuなど)とバリアメタル(Taなど)のそれぞれについて分極曲線を作成する。分極曲線とは、図6に示すような各電極(CuやTa)の電位(E)の変化に伴う電流密度(i)変化を、Eと電流密度(i)の絶対値の対数(log|i|)の関係で示したものである。二つの分極曲線の交点付近が混成系における腐食電位(Ecorr)、および腐食電流密度(icorr)に相当する。
図6においては、縦軸に電流密度対数値、横軸に電位を示している。そして、図6では、電解質となるスラリー540(薬液の一例)として、市販スラリーであるCMS74xx(JSR株式会社製)を用いた場合の分極曲線を示している。CuとTaの2種類のメタルが同時に電極として存在している混成系の腐食電位は、通常カソード側のCuの自然電位とアノード側のTaの自然電位との間に位置することになり、図6に示す分極曲線からは、二つの分極曲線の交点付近となる概略−0.2VvsAg/AgCl付近になることがわかる。CuとTaの2種類のメタルが同時に電極として存在している混成系の腐食電位は、上述したように通常Cuの自然電位とTaの自然電位との間に位置することになるため電位が負側に多少でもシフトした場合にはCuとTaの電流密度の差が非常に大きくなってしまう。例えば、Cu上に流れるカソード電流密度の絶対値は、Ta上で流れるアノード電流密度の絶対値の30倍程度になってしまう。かかるアノード電流とカソード電流の不均衡はCu/Ta界面での電荷授受の過不足を生じ、界面でのコロージョンを招くことになる。CuとTiの2種類のメタルが同時に電極として存在している混成系の腐食電位も概略同様である。
ここで、図6において、Cu上の電流密度とTa上の電流密度の差は、+0.6〜+1.0VvsAg/AgClの電位領域で小さく或いは最小になる。これは、かかる電位になるとCu上にCu錯体の保護膜が形成されることでアノード反応が抑制されCuの電流密度が下がるためと考えられる。すでに述べたとおり、スリット状の腐食(コロージョン)はCu上とバリアメタル上の反応電流密度の不均衡で発生するので、電流密度の差が最小となる電位領域でCMPを行うことが、腐食防止に有効である。
図7は、他のスラリーを用いた場合のCuとTa等の分極曲線を示す図である。
図7では、電解質となるスラリー540(薬液の一例)として、市販スラリーであるCMS83xx(JSR株式会社製)を用いた場合の分極曲線を示している。CuとTaの2種類のメタルが同時に電極として存在している混成系の腐食電位は、図7に示す分極曲線からは、二つの分極曲線の交点付近となる概略0VvsAg/AgCl付近になることがわかる。また、混成系の腐食電位は、上述したように通常Cuの自然電位とTaの自然電位との間に位置することになるため電位が負側に多少でもシフトした場合にはCuとTaの電流密度の差が非常に大きくなってしまう点で同様である。そして、図7において、Cu上の電流密度とTa上の電流密度の差は、+0.8〜+1.0VvsAg/AgClの電位領域で小さく或いは最小になる。すでに述べたとおり、スリット状の腐食(コロージョン)はCu上とバリアメタル上の反応電流密度の不均衡で発生するので、電流密度の差が最小となる電位領域でCMPを行うことが、腐食防止に有効である。
図7では、電解質となるスラリー540(薬液の一例)として、市販スラリーであるCMS83xx(JSR株式会社製)を用いた場合の分極曲線を示している。CuとTaの2種類のメタルが同時に電極として存在している混成系の腐食電位は、図7に示す分極曲線からは、二つの分極曲線の交点付近となる概略0VvsAg/AgCl付近になることがわかる。また、混成系の腐食電位は、上述したように通常Cuの自然電位とTaの自然電位との間に位置することになるため電位が負側に多少でもシフトした場合にはCuとTaの電流密度の差が非常に大きくなってしまう点で同様である。そして、図7において、Cu上の電流密度とTa上の電流密度の差は、+0.8〜+1.0VvsAg/AgClの電位領域で小さく或いは最小になる。すでに述べたとおり、スリット状の腐食(コロージョン)はCu上とバリアメタル上の反応電流密度の不均衡で発生するので、電流密度の差が最小となる電位領域でCMPを行うことが、腐食防止に有効である。
以上のように、ここでは2例のスラリーの分極曲線を示したが、その他多くのスラリーを評価した結果も、同様の電位範囲でCuとバリアメタルの電流密度差が小さく或いは最小であった。このことからも、Cu膜260とバリアメタル膜240との混成系の電位が+0.6〜+1.0VvsAg/AgClの電位領域になるように調整することが、一般的に腐食防止に有効であることが言える。さらに望ましくは+0.8〜+1.0VvsAg/AgClの電位領域になるように調整することが好適である。
よって、電位制御工程として、上述した工程で測定された結果、Cu膜260とバリアメタル膜240との混成系の電位が+0.6〜+1.0VvsAg/AgClよりも卑である場合には、混成系の電位が+0.6〜+1.0VvsAg/AgClになるようにポテンシオスタット400で調整する。すなわち、接点310を介して基板300に電圧を印加することで調整する。
そして、図4(b)において、Cu膜研磨工程の後半として、基板300に電圧を印加しながら基板300の表面に露出したCu膜260とバリアメタル膜240とを開口部150以外の基板300表面にCu膜260が無くなるまで研磨する。
混成系の電位が+0.6〜+1.0VvsAg/AgClになるようにポテンシオスタット400で調整することで、作用電極がCuとTaの複合電極であるので、Taの電位と共にCuの電位も+0.6VvsAg/AgCl以上になり、Cu上でも酸化や錯体形成などのアノード反応が進行する。一般に現在市販されているCu−CMP用スラリーでは、Cuの自然電位が−0.2〜+0.5VvsAg/AgClであるので、外部電源による電位操作でCuの電位を+0.6VvsAg/AgCl程度に変えても、Taの電位変化に比べて大きな電位変化はなく、CuのCMPに悪影響が現れる懸念は非常に少ない。ただしCuの電位を+1.0VvsAg/AgClよりも大きい程まで貴にすると、今度はCuのアノード反応が急激に進み、溶解する可能性があるので、Cuの電位は+0.6〜+1.0VvsAg/AgClであることが望ましい。
ここで、作用電極となる基板300への導通は、基板300側面からの接触に限らず、基板300の裏面に接触するように接点310を設けても構わない。かかる方法でもシリコンウェハを介してCu膜260とバリアメタル膜240とに導通させることができる。また、基板300の側面もしくは裏面に接触するような接点を設ける場合に、接点310の数に限定を設けるものでもない。一つ又は複数の接点を設けても良い。また、接点310の配置位置にも限定を設けるものでもない。最適な数や配置を選べばよい。
また、Cu膜260とバリアメタル膜240とに導通させる方法として、研磨パッド525などの研磨面に基板300表面のCuおよびバリアメタルに接触するような接点を設けてもよい。また、研磨パッド525は必ずしも従来から用いられている発泡ポリウレタンなどの樹脂製でなく、一例として、導電性を有する材料で形成されたパッドにより基板300表面のCu膜260とバリアメタル膜240とに導通させてもよい。例えば、導電性パッドとして、カーボン製のパッドなどが好適である。
また、図5の例では、参照電極320と対向電極330がスラリー540に確実に浸漬するように、ターンテーブル520外縁に溝状のスラリー溜りを設け、その部分にこれらの電極を浸漬させたがこれに限るものではない。例えば、研磨パッド525上に流れるスラリー540に直接、参照電極320と対向電極330を接触させてもかまわない。
また、上述した例では、+0.6〜+1.0VvsAg/AgClの範囲でCu膜260とバリアメタル膜240との電流密度差が最小になっていたが、今後いろいろなスラリーが開発されるのに伴い、他の電位領域でCuとバリアメタルの電流密度差が最小になることも予測される。その場合は、+0.6〜+1.0VvsAg/AgClにこだわることなく、最適な電位範囲を選ぶことができる。Cu膜260の電流密度がバリアメタル膜240の電流密度の3倍以内になるように最適な電位範囲を調整すると好適である。
以上のように作用電極の電位を高くするアノード分極は、特にCu−CMP処理の後半で、Cu膜260とバリアメタル膜240との両方が基板300表面に露出した状態で実施することが効果的である。後述する第2のCMPステップとなるCu膜/BM膜研磨工程(BM−CMP)用のスラリーに比べ、第1のCMPステップとなるCu膜研磨工程(Cu−CMP)用のスラリーの方がエッチング作用が強いためコロージョンが生じやすい。よって、Cu−CMP処理で電位制御を行なうことがより効果的となる。この場合には、CMPの途中でバリアメタル膜240が露出した時点で、電位測定すればよい。バリアメタル膜240の露出は、エンドポイントディテクタで検出すればよい。また、後述する第2のCMPステップとなるCu膜/BM膜研磨工程(BM−CMP)でも基板300表面のCu膜260とバリアメタル膜240とに導通がとれる間は、同様の電位制御を行なうことが望ましい。
また、CMP中にスラリー成分の吸着などでCuやバリアメタルの電位が変化する場合もある。通常は電位調整範囲が+0.6〜+1.0VvsAg/AgClと広いので電位の設定を再設定する必要は生じにくいが、必要に応じてCMP中に適宜、混成系の電位測定を行って、その都度、電位の設定をやり直しても構わない。
図8は、CuのpH−電位図(Pourbaix Diagram)を示す図である。
上述した電位制御によりアノード分極を行なうとバリアメタル膜240上だけでなく、Cu膜260上でもアノード反応が同時に進行する。しかしながら、Cu膜260のアノード反応がアノード酸化であれば腐食の問題はないので、図8からわかるように、極力Cuの溶出が起こりにくく酸化が進行しやすい中性からアルカリ性領域(pH4以上)に、スラリー540を調整することが望ましい。中性からアルカリ性のスラリーは、バリアメタルの酸化を促進する上でも有利である。このようなpH領域ではアノード反応を進めるために電位を貴にシフトしても、Cuは溶解せずにCu2O、CuOといった酸化膜の形成が進行する。スラリー540中にキレート剤(有機酸など)が含まれる場合には、Cu−有機酸錯体が形成されるが、難溶性錯体が形成されればCu表面が不動態化されることもある。一方アノード反応がCuの溶出となる恐れがあるスラリー組成の場合には、予め難溶性のキレート剤、防食剤や界面活性剤などを添加してCu表面に保護膜を作るように組成を調整するとよい。もしくは難溶性のキレート剤またはCuの溶出が起こらない電位領域内で、バリアメタル膜240のアノード酸化を行うようにするとよい。
上述した電位制御によりアノード分極を行なうとバリアメタル膜240上だけでなく、Cu膜260上でもアノード反応が同時に進行する。しかしながら、Cu膜260のアノード反応がアノード酸化であれば腐食の問題はないので、図8からわかるように、極力Cuの溶出が起こりにくく酸化が進行しやすい中性からアルカリ性領域(pH4以上)に、スラリー540を調整することが望ましい。中性からアルカリ性のスラリーは、バリアメタルの酸化を促進する上でも有利である。このようなpH領域ではアノード反応を進めるために電位を貴にシフトしても、Cuは溶解せずにCu2O、CuOといった酸化膜の形成が進行する。スラリー540中にキレート剤(有機酸など)が含まれる場合には、Cu−有機酸錯体が形成されるが、難溶性錯体が形成されればCu表面が不動態化されることもある。一方アノード反応がCuの溶出となる恐れがあるスラリー組成の場合には、予め難溶性のキレート剤、防食剤や界面活性剤などを添加してCu表面に保護膜を作るように組成を調整するとよい。もしくは難溶性のキレート剤またはCuの溶出が起こらない電位領域内で、バリアメタル膜240のアノード酸化を行うようにするとよい。
図4(c)において、第2のCMPステップとなるCu膜/BM膜研磨工程として、CMP法によって、基板200の表面を研磨して、開口部以外にSiOC膜222の表面に堆積されたバリアメタル膜240と開口部上の余分なシード膜250を含むCu膜260を研磨除去する。そして、図4(c)に示すように平坦化することでダマシン配線を形成することができる。上述したように、第2のCMPステップとなるCu膜/BM膜研磨工程(BM−CMP)でも基板300表面のCu膜260とバリアメタル膜240とに導通がとれる間は、上述した電位制御を行なうことが望ましい。よって、装置構成も図5と同様の装置構成にすればよい。スラリーの種類や研磨速度等は、適宜選択すればよい。
図9は、電位制御しないでCuダマシン配線を形成した場合の様子を説明するための概念図である。
図10は、実施の形態1における電位制御を行いながらCMP処理してCuダマシン配線を形成した場合の様子を説明するための概念図である。
図9に示すように、電位制御しないでCuダマシン配線を形成した場合には、バリアメタル膜240上のアノード電流が小さいため、アノード反応が小さくバリアメタル膜240の酸化膜となるMOx242が十分に形成されない。そのため、十分な電荷がCu膜260へと供給されないため、Cu膜260とバリアメタル膜240との界面でCu膜260自身が代替アノードとなり溶解してコロージョンが発生してしまう。そして、代替アノードによって供給された電荷によりCu膜260上のCu錯体262を還元する。これに対して、実施の形態1における電位制御を行いながらCMP処理してCuダマシン配線を形成した場合には、図10に示すように、一方でバリアメタル膜240のアノード反応が促進され、他方でCu膜260上のCu錯体262の形成が促進されることによりCu膜260のアノード反応は抑制される。そのためCu膜260上のカソード電流とバリアメタル膜240上のアノード電流との差が小さくなり、すなわち、Cu錯体262を還元するための十分な電荷がバリアメタル膜240側からCu膜260側へと供給されるためコロージョンを抑制することができる。以下、具体的な表面SEM写真を示す。
図10は、実施の形態1における電位制御を行いながらCMP処理してCuダマシン配線を形成した場合の様子を説明するための概念図である。
図9に示すように、電位制御しないでCuダマシン配線を形成した場合には、バリアメタル膜240上のアノード電流が小さいため、アノード反応が小さくバリアメタル膜240の酸化膜となるMOx242が十分に形成されない。そのため、十分な電荷がCu膜260へと供給されないため、Cu膜260とバリアメタル膜240との界面でCu膜260自身が代替アノードとなり溶解してコロージョンが発生してしまう。そして、代替アノードによって供給された電荷によりCu膜260上のCu錯体262を還元する。これに対して、実施の形態1における電位制御を行いながらCMP処理してCuダマシン配線を形成した場合には、図10に示すように、一方でバリアメタル膜240のアノード反応が促進され、他方でCu膜260上のCu錯体262の形成が促進されることによりCu膜260のアノード反応は抑制される。そのためCu膜260上のカソード電流とバリアメタル膜240上のアノード電流との差が小さくなり、すなわち、Cu錯体262を還元するための十分な電荷がバリアメタル膜240側からCu膜260側へと供給されるためコロージョンを抑制することができる。以下、具体的な表面SEM写真を示す。
図11は、電位制御しないでCuダマシン配線を形成した場合の表面SEM写真を示す図である。
図12は、実施の形態1における電位制御を行いながらCMP処理してCuダマシン配線を形成した場合の表面SEM写真を示す図である。
図11及び図12では、絶縁膜としてlow−k膜220ではなく、SiO2系の材料を用いた場合を示している。図11に示すように、電位制御しないでCuダマシン配線を形成した場合には、Cuと絶縁膜内側のバリアメタルとの界面でコロージョンが発生していることがわかる。他方、図12に示すように、電位制御を行いながらCMP処理してCuダマシン配線を形成した場合には、コロージョンが発生していないことがわかる。
図12は、実施の形態1における電位制御を行いながらCMP処理してCuダマシン配線を形成した場合の表面SEM写真を示す図である。
図11及び図12では、絶縁膜としてlow−k膜220ではなく、SiO2系の材料を用いた場合を示している。図11に示すように、電位制御しないでCuダマシン配線を形成した場合には、Cuと絶縁膜内側のバリアメタルとの界面でコロージョンが発生していることがわかる。他方、図12に示すように、電位制御を行いながらCMP処理してCuダマシン配線を形成した場合には、コロージョンが発生していないことがわかる。
実施の形態2.
実施の形態1では、図5に示すように基板300の側面或いは裏面に接点310を配置することで、CMP処理をしながら、或いはCMP処理の途中で電位測定を行なうことができる構成としていたが、これに限るものではない。
例えば、使用するスラリー540中におけるTaの自然電位を測定する。自然電位とはTaの試験片をスラリー540に浸漬しただけの状態で、参照電極とTa試験片との間に電流が流れないようにポテンシオスタットで調整しながら測定した電位である。Taの表面に付着物や反応膜がない場合には、自然電位と腐食電位は一致するが、一般的には大気中で保管した金属膜の表面には何らかの付着物等があるので、自然電位と腐食電位が一致することは稀である。次いで測定した自然電位が+0.6VvsAg/AgCl未満であった場合には、電位が+0.6〜+1.0VvsAg/AgClになるように外部電源から電位を操作する。そして、かかる電位操作と同じだけ図5に示すCMP装置でも電圧を印加する。その状態でCMPを行うようにしてもよい。Taの電位が+0.6〜+1.0VvsAg/AgClになるように制御した場合、基板300表面の作用電極がCu膜260とTaのバリアメタル膜240との複合電極であるので、Cuの電位もTaと同じく+0.6〜+1.0VvsAg/AgClにすることができる。よって、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
実施の形態1では、図5に示すように基板300の側面或いは裏面に接点310を配置することで、CMP処理をしながら、或いはCMP処理の途中で電位測定を行なうことができる構成としていたが、これに限るものではない。
例えば、使用するスラリー540中におけるTaの自然電位を測定する。自然電位とはTaの試験片をスラリー540に浸漬しただけの状態で、参照電極とTa試験片との間に電流が流れないようにポテンシオスタットで調整しながら測定した電位である。Taの表面に付着物や反応膜がない場合には、自然電位と腐食電位は一致するが、一般的には大気中で保管した金属膜の表面には何らかの付着物等があるので、自然電位と腐食電位が一致することは稀である。次いで測定した自然電位が+0.6VvsAg/AgCl未満であった場合には、電位が+0.6〜+1.0VvsAg/AgClになるように外部電源から電位を操作する。そして、かかる電位操作と同じだけ図5に示すCMP装置でも電圧を印加する。その状態でCMPを行うようにしてもよい。Taの電位が+0.6〜+1.0VvsAg/AgClになるように制御した場合、基板300表面の作用電極がCu膜260とTaのバリアメタル膜240との複合電極であるので、Cuの電位もTaと同じく+0.6〜+1.0VvsAg/AgClにすることができる。よって、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。実施の形態では、絶縁膜として、low−k膜220を用いたがこれに限るものではなく、その他の絶縁材料を用いた場合であっても構わない。例えば、シリコン酸化膜(SiO2)であっても構わない。
また、層間絶縁膜の膜厚や、開口部のサイズ、形状、数などについても、半導体集積回路や各種の半導体素子において必要とされるものを適宜選択して用いることができる。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置の製造方法、研磨方法及び研磨装置は、本発明の範囲に包含される。
また、説明の簡便化のために、半導体産業で通常用いられる手法、例えば、フォトリソグラフィプロセス、処理前後のクリーニング等は省略しているが、それらの手法が含まれ得ることは言うまでもない。
150 開口部
200 基板
220 low−k膜
240 バリアメタル膜
250 シード膜
260 Cu膜
400 ポテンシオスタット
500 研磨部
510 ヘッド
520 ターンテーブル
525 研磨パッド
530 供給ノズル
200 基板
220 low−k膜
240 バリアメタル膜
250 シード膜
260 Cu膜
400 ポテンシオスタット
500 研磨部
510 ヘッド
520 ターンテーブル
525 研磨パッド
530 供給ノズル
Claims (5)
- 開口部が形成された基板上にバリアメタル膜を形成するバリアメタル膜形成工程と、
前記バリアメタル膜が前記基板表面と前記開口部の内壁に形成された後、前記バリアメタル膜上に銅含有膜を形成する銅含有膜形成工程と、
前記銅含有膜と前記バリアメタル膜とが露出した状態で、前記基板に電圧を印加しながら前記銅含有膜と前記バリアメタル膜とを研磨する研磨工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記銅含有膜と前記バリアメタル膜との混成系の電位が0.6〜1.0VvsAg/AgClになるように前記電圧を印加す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。
- 前記バリアメタル膜の材料として、タンタル(Ta)含有材料とチタン(Ti)含有材料とのいずれかを用い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。
- 銅含有膜とバリアメタル膜とが表面に露出した基板にスラリーが供給されたときの前記銅含有膜と前記バリアメタル膜との混成系の電位を測定する測定工程と、
前記測定結果に基づいて、前記基板に電圧を印加しながら前記銅含有膜と前記バリアメタル膜とを前記スラリーを用いて研磨する研磨工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 薬液を用いて基板表面を研磨する研磨部と、
前記薬液を電解質として前記基板表面の電位を測定する電位測定部と、
を備えたことを特徴とする研磨装置。
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