JP2009059908A - 研磨液および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】スクラッチを低減しつつＳｉＯＣ膜を研磨可能な研磨液を提供する。
【解決手段】研磨粒子と界面活性剤とを含有する研磨液である。前記研磨粒子は、平均一次粒子径が４５ｎｍ以上８０ｎｍ以下の第１のコロイダルシリカと、平均一次粒子径が１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下の第２のコロイダルシリカとを含み、下記数式で表わされる関係を満たすことを特徴とする。０．６３≦ｗ1／（ｗ1＋ｗ2）≦０．８３ （１）（上記数式中、ｗ1およびｗ2は、それぞれ研磨液中の第１のおよび第２のコロイダルシリカの重量である。）
【選択図】なし
【解決手段】研磨粒子と界面活性剤とを含有する研磨液である。前記研磨粒子は、平均一次粒子径が４５ｎｍ以上８０ｎｍ以下の第１のコロイダルシリカと、平均一次粒子径が１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下の第２のコロイダルシリカとを含み、下記数式で表わされる関係を満たすことを特徴とする。０．６３≦ｗ1／（ｗ1＋ｗ2）≦０．８３ （１）（上記数式中、ｗ1およびｗ2は、それぞれ研磨液中の第１のおよび第２のコロイダルシリカの重量である。）
【選択図】なし
Description
本発明は、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）に用いられる研磨液、およびこれを用いた半導体装置の製造方法に関する。
次世代の高性能ＬＳＩでは、Ｃｕ等からなる配線の寄生容量を低減することが課題とされている。絶縁膜材料の比誘電率（ｋ）を減少させるとヤング率が減少し、ＣＭＰの機械的ダメージを受けやすくなる。また、低誘電率絶縁膜は表面が疎水性であることから、水を溶媒とする研磨液は有機絶縁膜上ではじかれる。その結果、粒子の粗大化や付着が起こりやすく、異常研磨の原因となり、スクラッチを十分に抑制することが困難である。ｋが２．６程度かつヤング率が１０ＧＰａ程度の膜（ＳｉＯＣ膜）を用いれば、ＣＭＰ後にも膜剥がれが生じないＬｏｗ−ｋ／Ｃｕ配線が作製可能であるとされている。
しかしながら、ＣＭＰ後の表面に生じるスクラッチを大幅に低減しなければ、配線の歩留まり・信頼性の観点から高性能ＬＳＩの量産化は難しい。
一次粒子径の異なる２種類のコロイダル粒子を含有する研磨液が、本発明者らによって提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかる研磨液を用いることによって、エロージョンやスクラッチを抑制しつつ、Ｔａ膜，ＳｉＯ2膜等を研磨可能である。しかしながら、Ｔａ膜やＳｉＯ2膜は硬い材料であり、機械的ダメージを受け易いＳｉＯＣ膜に適用した際には、スクラッチを低減することが困難である。
従来のバリアメタル膜用研磨液は、研磨粒子としてコロイダルシリカを含有し、アルカリ性である（例えば、特許文献２参照）。かかるスラリーでは、ＳｉＯＣ膜を研磨することはできるもののスクラッチの発生は避けられないことから、ＳｉＯＣ膜表面のスクラッチを大幅に低減できる研磨液が求められている。
特開２００５−１１９３２号公報
特開２００５−４５２２９号公報
本発明は、スクラッチを低減しつつＳｉＯＣ膜を研磨可能な研磨液を提供することを目的とする。また本発明は、高い信頼性を有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。
本発明の一態様にかかる研磨液は、研磨粒子と界面活性剤とを含有し、前記研磨粒子は、平均一次粒子径が４５ｎｍ以上８０ｎｍ以下の第１のコロイダルシリカと、平均一次粒子径が１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下の第２のコロイダルシリカとを含み、下記数式で表わされる関係を満たすことを特徴とする。
０．６３≦ｗ1／（ｗ1＋ｗ2）≦０．８３ （１）
（上記数式中、ｗ1およびｗ2は、それぞれ研磨液中の第１のおよび第２のコロイダルシリカの重量である。）
本発明の一態様にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板の上に複数の凸型配線を形成する工程と、
隣接する凸型配線の間にボイドを形成しつつ、前記凸型配線の上にＳｉＯＣ膜を堆積する工程と、
前述の研磨液を用いて、前記ＳｉＯＣ膜を研磨する工程と
を具備することを特徴とする。
（上記数式中、ｗ1およびｗ2は、それぞれ研磨液中の第１のおよび第２のコロイダルシリカの重量である。）
本発明の一態様にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板の上に複数の凸型配線を形成する工程と、
隣接する凸型配線の間にボイドを形成しつつ、前記凸型配線の上にＳｉＯＣ膜を堆積する工程と、
前述の研磨液を用いて、前記ＳｉＯＣ膜を研磨する工程と
を具備することを特徴とする。
本発明の他の態様にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板上に設けられ凹部を有するＳｉＯＣ膜の上および前記凹部内に、バリアメタルを介して配線材料膜を堆積する工程と、
前記凹部外の前記配線材料膜を除去して前記凹部内に前記配線材料膜を残置し、前記バリアメタルを露出する工程と、
酸化剤および酸化抑制剤をさらに含有する前述の研磨液を用いて前記凹部外の前記バリアメタルを研磨除去し、前記ＳｉＯＣ膜を露出する工程と
を具備することを特徴とする。
前記凹部外の前記配線材料膜を除去して前記凹部内に前記配線材料膜を残置し、前記バリアメタルを露出する工程と、
酸化剤および酸化抑制剤をさらに含有する前述の研磨液を用いて前記凹部外の前記バリアメタルを研磨除去し、前記ＳｉＯＣ膜を露出する工程と
を具備することを特徴とする。
本発明の一態様によれば、スクラッチを大幅に低減しつつＳｉＯＣ膜を研磨可能な研磨液が提供される。本発明の他の態様によれば、高い信頼性を有する半導体装置の製造方法が提供される。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
本発明の実施形態にかかる研磨液は、研磨粒子としてのコロイダルシリカと界面活性剤とを含有する。コロイダルシリカは、例えばＳｉ（ＯＣ2Ｈ5）4、Ｓｉ（ｓｅｃ−ＯＣ4Ｈ9）4、Ｓｉ（ＯＣＨ3）4、およびＳｉ（ＯＣ4Ｈ9）4などのシリコンアルコキシド化合物を、ゾルゲル法により加水分解することによって合成することができる。
得られるコロイダルシリカの平均一次粒子径は、通常、５〜２０００ｎｍの範囲内である。なお、平均一次粒子径は、ＳＥＭもしくはＴＥＭ観察により求めることができる。例えば、ＳＥＭ観察により１０〜５０万倍の倍率で写真を撮影して、ノギスなどによりコロイダルシリカ粒子の最長粒子径を計測し、この最長粒子径を一次粒子径とする。このような一次粒子径を３００個以上算出して粒度累積曲線を求め、５０％の一次粒子径を平均一次粒子径とする。
本発明の実施形態においては、平均一次粒子径の異なる２種類のコロイダルシリカによって、研磨粒子が構成される。第１のコロイダルシリカの平均一次粒子径は、４５ｎｍ以上８０ｎｍ以下である。第１のコロイダルシリカは、主として被研磨膜を研磨する作用を有する。平均一次粒子径が４５ｎｍ未満の場合には、十分な研磨力が得られないのに加えて、スクラッチを低減することができない。一方、８０ｎｍを越えると、スクラッチのみならずエロージョンも発生する。第１のコロイダルシリカの平均一次粒子径は、５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることが好ましい。
第２のコロイダルシリカの平均一次粒子径は、１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下である。この第２のコロイダルシリカは、研磨中における第１のコロイダルシリカの微凝集を抑制する作用を有する。さらに、第１のコロイダルシリカが被研磨膜に過度に侵入するのを防止して、被研磨膜を保護する作用も有していると考えられる。平均一次粒子径が１０ｎｍ未満の場合には、この第２のコロイダルシリカ自身が凝集体を形成して、第１のコロイダルシリカの微凝集を抑制することができない。一方、２５ｎｍを越えると、第１のコロイダルシリカの微凝集を抑制する効果が低減されるのに加えて、被研磨膜を第１のコロイダルシリカから保護する作用も小さくなる。第２のコロイダルシリカの平均一次粒子径は、１５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。
本発明者らは、上述したような平均一次粒子径を有する第１のコロイダルシリカと第２のコロイダルシリカとの混合物を研磨粒子として用いる際には、以下のような割合で配合することによってＳｉＯＣ膜表面のスクラッチを抑制できることを見出した。
０．６３≦ｗ1／（ｗ1＋ｗ2）≦０．８３ （１）
（上記数式中、ｗ1およびｗ2は、それぞれ研磨液中の第１のコロイダルシリカおよび第２のコロイダルシリカの重量である）
さらに、下記数式（２）で表わされる関係を満たしていれば、ＳｉＯＣ膜表面のスクラッチを十分に低減することができる。
（上記数式中、ｗ1およびｗ2は、それぞれ研磨液中の第１のコロイダルシリカおよび第２のコロイダルシリカの重量である）
さらに、下記数式（２）で表わされる関係を満たしていれば、ＳｉＯＣ膜表面のスクラッチを十分に低減することができる。
０．６７≦ｗ1／（ｗ1＋ｗ2）≦０．７７ （２）
本発明の実施形態にかかる研磨液は、第１および第２のコロイダルシリカを、純水等の水に分散させることにより調製することができる。第１のコロイダルシリカと第２のコロイダルシリカとの混合物からなる研磨粒子は、研磨液総量に対し１重量％以上１０重量％以下の割合で含有されることが好ましい。
本発明の実施形態にかかる研磨液は、第１および第２のコロイダルシリカを、純水等の水に分散させることにより調製することができる。第１のコロイダルシリカと第２のコロイダルシリカとの混合物からなる研磨粒子は、研磨液総量に対し１重量％以上１０重量％以下の割合で含有されることが好ましい。
研磨粒子の含有量が１重量％未満の場合には、実用的な速度でＳｉＯＣ膜を研磨することができない。一方、１０重量％を越えると、この研磨粒子を含む研磨液による研磨時において、エロージョンおよびスクラッチが発生するおそれがある。より好ましい研磨粒子の含有量は、３重量％以上８重量％以下である。
本発明の実施形態にかかる研磨液は、ＳｉＯＣ膜の平坦化などＳｉＯＣ膜表面を被研磨面とするＣＭＰに適用される。ＳｉＯＣ膜は疎水性であるため、その表面は水となじみ難い。ＳｉＯＣ膜表面に水をなじませるために、本発明の実施形態にかかる研磨液には界面活性剤が含有される。
界面活性剤としては、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、およびノニオン系界面活性剤のいずれを用いてもよい。アニオン系界面活性剤としては、例えば、ドデシルベンゼンスルホン酸およびその塩、並びにポリアクリル酸およびその塩が挙げられ、カチオン系界面活性剤としては、例えばポリオキシエチレンアルキルアミンなどが挙げられる。また、ノニオン系界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、アセチレンジオール系エチレンオキサイド付加物、パーフルオロアルキルエチレンオキシド付加物、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、およびポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などが挙げられる。
界面活性剤は、研磨液総量に対し、０．０００１〜１重量％の量で含有されることが好ましく、０．００１〜０．１重量％がさらに好ましい。少なすぎる場合には、その効果を十分に得ることができず、１重量％を越えて過剰に配合された場合には、大幅にＳｉＯＣ膜の研磨速度が低下し、また研磨液の粘度が上昇し研磨テーブル上への供給が困難となるなどといった不都合が生じるおそれがある。なお、界面活性剤はＳｉＯＣ膜の研磨速度調整剤として用いることもできる。
上述したような界面活性剤のなかでも、アセチレンジオール系エチレンオキサイド付加物、ドデシルベンゼンスルホン酸およびその塩、ポリアクリル酸およびその塩、並びにＰＶＡは、研磨時のエロージョンおよびスクラッチをさらに低減させる作用が特に大きい。
研磨液の安定性、ＳｉＯＣ膜への吸着力などを考慮すると、ノニオン系界面活性剤を用いる場合には、グリフィンの式によるＨＬＢ値は７〜１８の範囲が好ましい。
本発明の実施形態にかかる研磨液は、平均一次粒子径および配合比が特定された２種類のコロイダルシリカと界面活性剤とを含有するので、ＳｉＯＣ膜上に生じるスクラッチを低減することができる。
上述した成分に加えて酸化剤および酸化抑制剤などが配合された場合には、本発明の実施形態にかかる研磨液は、ＳｉＯＣ膜内に埋め込んだＣｕ膜等の金属膜の研磨に適用することも可能となる。
酸化剤としては、例えば過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム、および過酸化水素等が挙げられる。こうした酸化剤は、０．１〜５重量％の量で研磨液中に含有されていれば、ＳｉＯＣ膜のスクラッチを増加させることなく、その効果を発揮することができる。
酸化抑制剤としては、有機酸およびアミノ酸を用いることができる。具体的には、有機酸としては、キナルジン酸、キノリン酸、およびベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）などのヘテロ環有機化合物、マロン酸、シュウ酸、クエン酸、マレイン酸、フタル酸、ニコチン酸、ピコリン酸、およびコハク酸などが挙げられる。アミノ酸としては、例えば、グリシンおよびアラニンなどが挙げられる。
酸化抑制剤は、０．０１〜３重量％の量で研磨液中に含有されていれば、その効果が得られ、ＳｉＯＣ膜のスクラッチを増加させることもない。
工業的に量産され入手しやすいこと、従来の洗浄液でも容易に洗浄できることから、キナルジン酸、キノリン酸、マレイン酸およびグリシンが、酸化抑制剤として好ましい。
本発明の実施形態にかかる研磨液のｐＨは、８〜１１の領域で使用することが好ましい。こうした範囲内にｐＨが規定されていれば、実用的なＳｉＯＣ膜の研磨速度を得ることができる。ｐＨは、ｐＨ調整剤としてのＫＯＨ、アンモニア水、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロキシド）などを添加して調整することができる。なお、ｐＨが高いほど、ＳｉＯＣ膜の研磨速度は高められる。
（実施形態１）
第１のコロイダルシリカとして、平均一次粒子径（ｄ1）５０ｎｍのコロイダルシリカを用意した。第２のコロイダルシリカとしては、平均一次粒子径（ｄ2）の異なる６種類の粒子を用意した。第２のコロイダルシリカの平均一次粒子径は、７ｎｍ，１０ｎｍ，１５ｎｍ，２０ｎｍ，２５ｎｍ，および３０ｎｍとした。
第１のコロイダルシリカとして、平均一次粒子径（ｄ1）５０ｎｍのコロイダルシリカを用意した。第２のコロイダルシリカとしては、平均一次粒子径（ｄ2）の異なる６種類の粒子を用意した。第２のコロイダルシリカの平均一次粒子径は、７ｎｍ，１０ｎｍ，１５ｎｍ，２０ｎｍ，２５ｎｍ，および３０ｎｍとした。
配合比（ｗ1／（ｗ1＋ｗ2））が所定の値となるよう、第１のコロイダルシリカと第２のコロイダルシリカとを混合して、複数種の研磨粒子を準備した。ｗ1は第１のコロイダルシリカの重量、ｗ2は第２のコロイダルシリカの重量である。配合比は、０．５９，０．６３，０．６７，０．７１，０．７７，０．８３および０．９１とした。
各研磨粒子における配合比（ｗ1／（ｗ1＋ｗ2））を、第２のコロイダルシリカの平均一次粒子径（ｄ2）とともに、下記表１にまとめる。
こうして得られた研磨粒子５重量％、および界面活性剤としてのアセチレンジオールエチレンオキサイド付加物（ＨＬＢ値１８）０．００５重量％を純水に配合した。さらに、アンモニア水を用いてｐＨを１０．５に調整して、複数の研磨液を準備した。
各研磨液を用いてＳｉＯＣ膜を研磨し、研磨後のＳｉＯＣ膜表面のスクラッチを調べた。ここで用いた研磨液は、ＳｉＯＣ膜の研磨速度が５０〜８０ｎｍ／ｍｉｎであった。ＳｉＯＣの研磨速度は粒子濃度、界面活性剤の種類や濃度、ｐＨによって調整することができる。
ＳｉＯＣ膜の研磨に当たっては、直径３００ｍｍの半導体基板上にＳｉＯＣ膜を１６０ｎｍ堆積させて、被研磨基板を用意した。研磨に当たっては、図１に示すように、研磨布５としてＩＣ１０００（ニッタハース製）が貼付されたターンテーブル４を１００ｒｐｍで回転させつつ、半導体基板６を保持したトップリング７を３００ｇｆ/ｃｍ2の研磨荷重で当接させた。トップリング７の回転数は１０２ｒｐｍとし、研磨布５上には、研磨液供給ノズル２から３００ｃｃ/ｍｉｎの流量で研磨液を供給し６０秒間の研磨を行なった。図１には、純水供給ノズル１、洗浄液供給ノズル３、およびドレッサー８も併せて示してある。
研磨後のＳｉＯＣ膜の表面は、ＫＬＡ（Ｔｅｎｃｏｒ社製）を用いてスクラッチ数を調べ、ウェハー当たりのスクラッチ数として以下の基準で評価した。スクラッチは、１００個未満であれば、許容範囲内である。
１０個未満：“◎”
１０個以上３０個未満：“○”
３０個以上１００個未満：“△”
１００個以上：“×”
各研磨液を用いた際の結果を、下記表２にまとめる。
１０個以上３０個未満：“○”
３０個以上１００個未満：“△”
１００個以上：“×”
各研磨液を用いた際の結果を、下記表２にまとめる。
上記表２に示されるように、平均一次粒子径（ｄ1）が５０ｎｍの第１のコロイダルシリカを用いた場合には、第２のコロイダルシリカの平均一次粒子径（ｄ2）が１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下であり、配合比（（ｗ1／（ｗ1＋ｗ2））が０．６３以上０．８３以下の場合には、スクラッチを許容範囲内に抑えることができる。
特に、平均一次粒子径（ｄ2）が１５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の第２のコロイダルシリカを用い、配合比を０．６７以上０．７７以下に規定した場合には、スクラッチを大幅に低減することができる。
次に、Ｎｏ．２１の研磨粒子を用い、濃度を１重量％，１０重量％に変更した以外は前述と同様にして研磨液を調製した。得られた研磨液を用いて前述と同様にＳｉＯＣ膜の研磨を行なった結果、スクラッチは３０個未満であった。
また、Ｎｏ．２１の研磨粒子を用い、界面活性剤の種類および濃度を変更した以外は前述と同様にして、３種類の研磨液を調製した。各研磨液における界面活性剤の種類および濃度は、それぞれＰＶＡを０．０００１重量％、ドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウムを０．１重量％、およびポリアクリル酸アンモニウムを１重量％である。得られた研磨液を用いて前述と同様にＳｉＯＣ膜の研磨を行なった結果、いずれの場合もスクラッチは１０個未満／ウェハーにとどまっていた。
（実施形態２）
第２のコロイダルシリカとして、平均一次粒子径（ｄ2）１５ｎｍのコロイダルシリカを用意した。第１のコロイダルシリカとしては、平均一次粒子径（ｄ1）の異なる６種類の粒子を用意した。第１のコロイダルシリカの平均一次粒子径は、４０ｎｍ、４５ｎｍ、５０ｎｍ、６０ｎｍ、７０ｎｍ、８０ｎｍおよび９０ｎｍとした。
第２のコロイダルシリカとして、平均一次粒子径（ｄ2）１５ｎｍのコロイダルシリカを用意した。第１のコロイダルシリカとしては、平均一次粒子径（ｄ1）の異なる６種類の粒子を用意した。第１のコロイダルシリカの平均一次粒子径は、４０ｎｍ、４５ｎｍ、５０ｎｍ、６０ｎｍ、７０ｎｍ、８０ｎｍおよび９０ｎｍとした。
配合比（ｗ1／（ｗ1＋ｗ2））が０．７５となるよう、第１のコロイダルシリカと第２のコロイダルシリカとを混合して、６種類の研磨粒子を準備した。各研磨粒子を界面活性剤の成分とともに純水に配合して研磨液を調製した。具体的には、研磨粒子３重量％、界面活性剤としてポリアクリル酸０．０１重量％、添加剤としてマレイン酸０．５重量％、過酸化水素水０．２重量％を純水に配合した。さらに、ＫＯＨを用いてｐＨを９に調整して、研磨液を準備した。
各研磨液を用い、実施形態１と同様にしてＳｉＯＣ膜を研磨して、研磨後の表面のスクラッチを調べた。ウェハー当たりのスクラッチ数を前述と同様の基準で評価し、その結果を、下記表３にまとめる。
上記表３に示されるように、平均一次粒子径（ｄ2）が１５ｎｍの第２のコロイダルシリカを用い、配合比（（ｗ1／（ｗ1＋ｗ2））を０．７５とした場合には、第１のコロイダルシリカの平均一次粒子径（ｄ1）が４５ｎｍ以上８０ｎｍ以下であれば、スクラッチを許容範囲内に抑えることができる。
特に、平均一次粒子径（ｄ1）が５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下の第１のコロイダルシリカを用いた場合には、スクラッチを大幅に低減することができる。
なお、本実施形態で用いた研磨液には、酸化剤や有機酸（酸化抑制剤）といった添加剤が含有されているが、こうした添加剤が存在しても、ＳｉＯＣ膜表面のスクラッチは何等悪化することはない。酸化剤や酸化抑制剤を加えることにより、本発明の実施形態にかかる研磨液は、バリアメタルやＣｕ膜等の金属膜を研磨するタッチアップ用として用いることが可能である。
（実施形態３）
本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。
本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図２に示すように、半導体素子（図示せず）が形成された半導体基板１０上に、ＳｉＯ2からなる絶縁膜１１を設けて、バリアメタル１２を介してプラグ１３を形成した。バリアメタル１２はＴｉＮにより形成し、プラグ１３の材料としてはＷを用いた。その上に、第１の低誘電率絶縁膜１４および第２の低誘電率絶縁膜１５を順次形成して、積層絶縁膜を形成した。第１の低誘電率絶縁膜１４は、比誘電率が２．５未満の低誘電率絶縁材料により構成することができ、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、ポリメチルシロキサン、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、および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することができる。ここでは、ポリアリーレンエーテルを用いて、第１の低誘電率絶縁膜１４を１８０ｎｍの膜厚で形成した。
この上に形成される第２の低誘電率絶縁膜１５は、キャップ絶縁膜として作用し、第１の低誘電率絶縁膜１４より大きな比誘電率を有する絶縁材料により形成することができる。ここでは、ＳｉＯＣを用いて、第２の低誘電率絶縁膜１５を４０ｎｍの膜厚で形成した。溝加工（凹部形成）が困難な場合には、この第２の低誘電率絶縁膜１５の上に、ＳｉＯ2膜からなる第３の絶縁膜を形成することもできる。
第２の低誘電率絶縁膜１５および第１の低誘電率絶縁膜１４には、凹部としての配線溝を設けた。バリアメタル１６としてのＴａ膜を、常法により５ｎｍの厚さで全面に形成し、Ｃｕ膜１７を５５０ｎｍの厚さで堆積した。
次に、Ｃｕ膜用研磨液を用いたＣＭＰによりＣｕ膜１７を除去して、配線溝内に埋め込んで、図３に示すようにバリアメタル１６の表面を露出した。Ｃｕ膜用研磨液は、純水とＣＭＳ７５０１、ＣＭＳ７５５２（ＪＳＲ社製）を２：１：１で混合し、この液にさらに４重量％の過硫酸アンモニウム水溶液を、１：１の重量比で混合して調製した。
Ｃｕ膜１７の研磨に当たっては、図１を参照して説明したように、研磨布５としてＩＣ１０００（ニッタハース社製）が貼付されたターンテーブル４を１００ｒｐｍで回転させつつ、半導体基板６を保持したトップリング７を２５０ｇｆ/ｃｍ2の研磨荷重で当接させた。トップリング７の回転数は１０２ｒｐｍとし、研磨布５上に研磨液を３００ｃｃ／ｍｉｎで供給して、バリアメタル１６が露出するまでＣｕ膜１７を研磨した。
次いで、不要なＣｕ膜１７、バリアメタル１６、および第２の低誘電率絶縁膜１５を、研磨液を用いたＣＭＰにより除去し、図４に示すように第１の低誘電率絶縁膜１４を露出した。
研磨液は、平均一次粒子径の異なる２種類のコロイダルシリカと界面活性剤とを水に配合して調製した。具体的には、平均一次粒子径が５０ｎｍの第１コロイダルシリカを５重量％、および平均一次粒子径が１５ｎｍの第２のコロイダルシリカを２重量％、純水に分散させ、界面活性剤として０．００５重量％のアセチレンジオールエチレンオキサイド付加物（ＨＬＢ値１８）を加えた。さらに、酸化抑制剤としてマレイン酸を０．５重量％、Ｃｕ酸化剤としての過酸化水素水を０．２重量％加え、水酸化カリウムを用いてｐＨを１０に調整した。すなわち、本発明の実施形態にかかる研磨液であり、以下、タッチアップ用研磨液と称する。
得られた研磨液を用い、図１を参照して説明したような手法で研磨を行なった。具体的には、研磨布５としてのＩＣ１０００（ニッタハース社製）上に、研磨液を３００ｃｃ／ｍｉｎで供給しつつ、半導体基板６を保持したトップリング７を２００ｇｆ/ｃｍ2の研磨荷重で当接させた。ターンテーブル４を１００ｒｐｍで回転させつつ、トップリング７を１０２ｒｐｍで回転させて、６０秒間の研磨を行なったところ、図４に示すように第１の低誘電率絶縁膜１４が露出した。
次いで、アンモニアプラズマによりエッチングを行なうことによって図５に示すように第１の低誘電率絶縁膜１４を除去した。図示するように、Ｃｕ膜１７とバリアメタル１６とによって、凸型配線が絶縁膜１１上に形成される。
凸型配線および絶縁膜１１の上には、図６に示すようにＳｉＣＮ膜１８を形成した後、図７に示すように、ＳｉＯＣ膜１９を全面に形成した。ＳｉＣＮ膜１８は、Ｃｕの拡散バリア性を有する絶縁膜であり、膜厚は３０ｎｍとした。この上に形成されるＳｉＯＣ膜１９の厚さは２５０ｎｍとし、配線間の寄生容量を低減するために、凸型配線間にボイド２０を形成した。
ＳｉＯＣ膜１９は、前述のタッチアップ用研磨液を用いて１２０秒間のＣＭＰを行なって、図８に示すように研磨した。すでに説明したように、本発明の実施形態にかかる研磨液は、Ｃｕ酸化剤等を配合してタッチアップ用に用いることができ、こうした組成の場合も、ＳｉＯＣ膜へのスクラッチを抑制することができる。ここでの研磨の際、ＳｉＯＣ膜の表面にスクラッチが生じると、２層目の配線のショートなどの原因となる。本実施形態によれば、その問題は回避することができる。
研磨されたＳｉＯＣ膜１９には、配線溝および接続孔を形成し、図９に示すようにバリアメタル２１および配線材料膜２２を全面に堆積する。ここでは、Ｃｕ膜により配線材料膜２２を形成するが、Ｃｕを主成分とする合金、Ａｌ、Ｍｎ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎｉ、またはＭｇなどを用いて配線材料膜２２を形成してもよい。バリアメタル２１には、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、およびＲｕから選択される金属、またはその窒化物を用いることができる。こうした材料を、単層膜または積層膜として形成して、バリアメタル２１とすることができる。
次に、前述のＣｕ膜用研磨液を用いて配線材料膜２２のＣＭＰを行ない、図１０に示すようにバリアメタル２１を露出させる。Ｃｕ膜２２の研磨の条件は、前述と同様とすることができる。
最後に、前述のタッチアップ用研磨液を用い、前述と同様の方法により、不要な配線材料膜２２およびバリアメタル２１を除去し、図１１に示すようにＳｉＯＣ膜１９を露出する。ここでの研磨の際も、ＳｉＯＣ膜の表面にスクラッチが生じると、２層目の配線のショートなどの原因となる。本実施形態によれば、その問題は回避することができる。その結果、図示するように、下層配線にエアギャップを有するとともに、上層にＳｉＯＣ膜のホモジニアス構造を有する配線寄生容量が抑制された多層配線が得られる。
本実施形態によれば、ＳｉＯＣ膜表面のスクラッチを十分に抑制することができるので、例えば、次世代で要求されるエアギャップを有するホモジニアス構造を有する高性能・高速な半導体装置を製造することが可能となり、その工業的価値は絶大である。
１…純水供給ノズル； ２…研磨液供給ノズル； ３…洗浄液供給ノズル
４…ターンテーブル； ５…研磨布； ６…半導体基板； ７…トップリング
８…ドレッサー； １０…半導体基板； １１…絶縁膜； １２…バリアメタル
１３…プラグ； １４…第１の低誘電率絶縁膜； １５…第２の低誘電率絶縁膜
１６…バリアメタル； １７…Ｃｕ膜； １８…Ｃｕバリア絶縁膜
１９…ＳｉＯＣ膜； ２０…ボイド； ２１…バリアメタル； ２２…配線材料膜。
４…ターンテーブル； ５…研磨布； ６…半導体基板； ７…トップリング
８…ドレッサー； １０…半導体基板； １１…絶縁膜； １２…バリアメタル
１３…プラグ； １４…第１の低誘電率絶縁膜； １５…第２の低誘電率絶縁膜
１６…バリアメタル； １７…Ｃｕ膜； １８…Ｃｕバリア絶縁膜
１９…ＳｉＯＣ膜； ２０…ボイド； ２１…バリアメタル； ２２…配線材料膜。
Claims (5)
- 研磨粒子と界面活性剤とを含有し、前記研磨粒子は、平均一次粒子径が４５ｎｍ以上８０ｎｍ以下の第１のコロイダルシリカと、平均一次粒子径が１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下の第２のコロイダルシリカとを含み、下記数式で表わされる関係を満たすことを特徴とする研磨液。
０．６３≦ｗ1／（ｗ1＋ｗ2）≦０．８３ （１）
（上記数式中、ｗ1およびｗ2は、それぞれ研磨液中の第１のおよび第２のコロイダルシリカの重量である。） - 前記界面活性剤は、アセチレンジオール系エチレンオキサイド付加物、ドデシルベンゼンスルホン酸およびその塩、ポリアクリル酸およびその塩、ポリビニルアルコールからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の研磨液。
- 酸化剤および酸化抑制剤をさらに含有することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨液。
- 半導体基板の上に複数の凸型配線を形成する工程と、
隣接する凸型配線の間にボイドを形成しつつ、前記凸型配線の上にＳｉＯＣ膜を堆積する工程と、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の研磨液を用いて、前記ＳｉＯＣ膜を研磨する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上に設けられ凹部を有するＳｉＯＣ膜の上および前記凹部内に、バリアメタルを介して配線材料膜を堆積する工程と、
前記凹部外の前記配線材料膜を除去して前記凹部内に前記配線材料膜を残置し、前記バリアメタルを露出する工程と、
請求項３に記載の研磨液を用いて前記凹部外の前記バリアメタルを研磨除去し、前記ＳｉＯＣ膜を露出する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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