JP2009514196A - タンタルバリア層用の化学的機械的研磨スラリー - Google Patents
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Abstract
本発明は、砥粒Ａと、砥粒Ａよりも大きい寸法の砥粒Ｂと、トリアゾール系化合物と、有機酸と、ビヒクルとを含有するタンタルバリア層用の化学的機械的研磨スラリーを公開する。本発明の化学的機械的研磨スラリーは、欠陥、擦り傷、粘着及び他の残留を顕著に減少させることができ、且つ異なる寸法の砥粒を使用することによってバリア層と酸化物層の研磨選択比を調節することにより、二種の基質の除去速度をそれぞれ調整することが困難であるという難題を解決し、そして、金属研磨の過程中生じる部分又は全体的な腐食を防止することによって、製品の歩留りを向上させることができる。
Description
本発明は、化学的機械的研磨スラリー、特に、タンタルバリア層用の化学的機械的研磨スラリーに関する。
マイクロ電子技術の発展に伴って、ＵＬＳＩ（Ｕｌｔｒａ−Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）チップは集積度が数十億の素子となり、特徴寸法が既にナノレベルに至り、これによってマイクロ電子プロセスにおける数百の工程、特に多層配線、基板、媒質が化学的機械的平坦化されていなければならないことが要求されている。ＵＬＳＩ配線は伝統のＡｌからＣｕに変わっている。Ａｌと比べ、Ｃｕ配線は抵抗値が低く、エレクトロマイグレーション抑制能が高く、ＲＣ遅延時間が短く、積層層数を半分減らせ、コストが３０％低下し、加工時間が４０％短縮するという利点がある。Ｃｕ配線の優勢が全世界で幅広く注目されている。
Ｃｕ配線と媒質の特性を確保するため、現在、ＵＬＳＩチップにおける多層銅配線にはＴａやＴａＮがバリア層として用いられるから、ＴａやＴａＮバリア層を研磨するめの化学的機械的研磨（ＣＮＰ）スラリーが続いて現れる。例えば、ＵＳ６，５０３，４１８号特許には、有機添加剤を含有するＴａバリア層の研磨スラリーが、ＵＳ６，６３８，３２６号特許には、ＴａとＴａＮ用の化学的機械的平坦化蘇生物が、ＣＮ０２１１６７６１．３号特許には、超大規模集積回路の多層銅配線における銅とタンタルの化学的機械的全局平面化研磨液が、それぞれ開示されている。
しかし、これらの研磨スラリーは、部分的又は全体的に腐食し、欠陥率が高く、Ｔａバリア層用と酸化物層の研磨選択比が合理的でなく、この二種の気質の除去速度をそれぞれ調整することが困難であるという欠点がある。そのため、新たなＴａバリア層用の化学的機械的研磨スラリーの開発が切望されている。
本発明は、Ｔａと酸化物層との研磨選択比を調整し、また銅の除去速度を調整するため、タンタルバリア層用の化学的機械的研磨スラリーを提供することを目的とする。
本発明の上述目的は、以下の要旨によって実現される。本発明のタンタルバリア層用の化学的機械的スラリーは、砥粒Ａと、砥粒Ａよりも大きい寸法の砥粒Ｂと、トリアゾール系化合物と、有機酸と、ビヒクルと、を含有する。本発明の化学的機械的研磨スラリーの特徴は、異なる寸法の砥粒を使用することによってＴａと酸化物層との研磨比率を調整し、有機酸とトリアゾール系化合物を使用することによって銅の除去速度を変えることにより、金属のディッシングを防止し、ウエハ表面の有機物、二酸化ケイ素の沈積と他の金属イオンの残留を顕著に減少させることにある。
本発明の一つの望ましい実施形態において、前記砥粒Ａの寸法は、１５〜５０ｎｍ、好ましくは３０〜５０ｎｍであり、前記砥粒Ｂの寸法は、６０〜１００ｎｍ、好ましくは６０〜８０ｎｍである。
本発明の化学的機械的研磨スラリーに用いられる各種の成分は全て既存技術を参照しても良いが、望ましくは、化学的機械的研磨スラリー全体に対する重量百分率で、前記砥粒Ａの濃度は、０．１〜５％、好ましくは０．２〜１％であり、前記砥粒Ｂの濃度は、０．１〜５％、好ましくは１〜５％であり、前記トリアゾール系化合物の濃度は、０．０１〜１％であり、前記有機酸の濃度は、０．０１〜０．５％で、前記ビヒクル濃度は、残りの割合である。本発明のスラリーは、低い砥粒の含有率で適切な研磨速度と選択比となることにより、表面の汚れ及び金属の腐食を顕著に減少させることができる。
基板の研磨性能を更に向上させるため、本発明の化学的機械的研磨スラリーは、更に、００１〜５％の酸化剤を含有することが好ましい。前記酸化剤は、既存技術中の各種酸化剤であっても良いが、過酸化水素、過酢酸、過硫酸カリウム及び過硫酸アンモニウムの少なくとも一つが好ましく、過酸化水素がより好ましい。
本発明において、前記砥粒Ａは、既存技術中の各種砥粒であっても良いが、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化セリウム及び重合体顆粒（例えば、ポリエチレン又はポリテトラフルオロエチレン）の少なくとも一つが好ましく、酸化ケイ素がより好ましい。また、 前記砥粒Ｂは、既存技術中の各種砥粒であっても良いが、酸化ケイ素、酸化アルミニウム及び酸化セリウム、重合体顆粒の少なくとも一つが好ましく、酸化ケイ素がより好ましい。
前記有機酸は、各種の有機酸であっても良いが、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、クエン酸、リンゴ酸、アミノ酸及び有機ホスホン酸の少なくとも一つが好ましく、２−ホスホノブタン−１，２，４−トリカルボン酸がより好ましい。
前記トリアゾール系化合物は、各種のトリアゾール系化合物であっても良く、ベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）及びメチルベンゾトリアゾールの少なくとも一つが好ましく、ベンゾトリアゾールがより好ましい。
本発明の一つの望ましい実施形態において、前記化学的機械的研磨スラリーのｐＨ値は、２．０〜４．０が好ましく、ｐＨ３．０がより好ましい。また、ｐＨ調整剤は、水酸化カリウム、硝酸、エタノールアミン及びトリエタノールアミン等があげられる。
本発明において、前記ビヒクルは水が好ましい。
本発明の化学的機械的研磨スラリーは、更に、例えば、界面活性剤、配合剤、抑制剤、不活性化剤及び成膜剤などの添加剤うちの少なくとも一つを含有しても良く、これらの添加剤は、全て既存技術を参照することができる。
本発明の、積極的な進歩効果は以下の通りである。すなわち、本発明の化学的機械的研磨スラリーは、異なる寸法の砥粒を使用することによってバリア層と酸化物層との研磨選択比を調節し、砥粒の含有量が比較的に低い場合でも、二種の気質の除去速度をそれぞれ調整することが困難であるという難題を解決することができることにより、欠陥、擦り傷、粘着及び他の残留を顕著に減少させる。そして、本発明の化学的機械的研磨スラリーは、金属研磨の過程中生じる部分的又は全体的な腐食を防止し、製品の歩留まりを向上させることができる。
実施例１〜８及び比較例である実施例１０，１１を以下に示す。
上記表１中、PBTCAは２−ホスホノブタン−１，２，４−トリカルボン酸であり、前記化学的機械的研磨スラリーの残余成分は水であり、１０及び１１は比較例１０と１１である。
各素材を砥粒A、砥粒B、使用量の半分の脱イオン水、有機酸、BTA、H2O2という順で反応器に加え、均一に攪拌し、余分の脱イオン水を補充し、最後にｐH調節剤（２０％KOH又は希HNO3、ｐHの要求にあわせて選択する）で所定のｐH値に調節し、均一な流体になるまで攪拌し、１０分間静置し、化学的機械的研磨スラリーが得られた。
Ｔａ、Ｃｕ及びＳｉＯ２のブランケットウエハについて、それぞれ上述の実施例１〜８及び実施例１０，１１の化学的機械的研磨スラリーで研磨紙、研磨条件は同様とし、研磨パラメータは、Ｌｏｇｉｔｅｃｈ研磨パッド、下向き圧力２ｐｓｉ、ディスク回転数／ヘッド回転数＝６０／８０ｒｐｍ、研磨時間１２０ｓ、化学的機械的研磨スラリーの流速１００ｍＬ／ｍｉｎである。研磨結果を以下の表２に示す。なお、表２中のＳｕｒｆは基底表面の汚れの状況を表したものである。
この結果から、本発明の化学的機械的研磨スラリーは、友好的にバリア層と酸化物層の研磨選択比を調節することができ、砥粒の含有量が比較的低い場合であっても、二種の気質の除去速度をそれぞれ調整することが困難であるという難題を解決することができ、且つ、研磨後のウエハの表面には汚れがない又は少ないことが明らかになった。また、研磨前後のＴａのブランケットウエハの顕微鏡の図は図１と図２（図２は、実施例１の化学的機械的研磨スラリーで研磨した後のＴａのブランケットウエハの表面の顕微鏡の図）に示し、図面によると、研磨前Ｔａのブランケットウエハの表面に孔食があり、研磨後のＴａのブランケットウエハの表面に孔食がないことが明らかになった。
Ｔａスパッタ／Ｃｕメッキの二酸化ケイ素のテストウエハについて、銅を研磨した後、それぞれ上述の実施例１１、１、３の化学的機械的研磨スラリーで研磨し、研磨条件は同じで、研磨パラメータは、Ｌｏｇｉｔｅｃｈ研磨パッド、下向き圧力２ｐｓｉ、ディスク回転数／ヘッド回転数＝６０／８０ｒｐｍ、研磨時間１２０ｓ、化学的機械的研磨スラリーの流速１００ｍＬ／ｍｉｎである。研磨結果を以下の表３に示す。なお、表３はテストウエハの表面の状況を示したものである。
この結果から、実施例１１における２種の寸法の異なる砥粒を含有しない化学的機械的研磨スラリーと比べ、本発明の化学的機械的研磨スラリーは、テストウエハ表面のディッシングの大きさを顕著に（６５０オングストロームから４８４オングストロームに）減少させ、テストウエハ表面に汚れがないことが明らかになった。図３と図４は実施例１の化学的機械的研磨スラリーで研磨した後のテストウエハ表面の相関状況を示し、図５は研磨前のテストウエハの断面図であり、図６は実施例３の化学的機械的研磨スラリーで研磨した後のテストウエハの断面図である。これらの図面によると、研磨後、テストウエハ表面には、顕著な欠陥、ディッシングが無く、導線が比較的に平坦であることが明らかになった。
結論として、本発明の化学的機械的研磨スラリーは、異なる寸法の砥粒を使用することによってバリア層と酸化物層との研磨選択比を調節し、砥粒の含有量が比較的低い場合であっても、二種の気質の除去速度をそれぞれ調節することが困難であるという難題を解決することができることにより、欠陥、擦り傷、粘着及び他の残留を顕著に減少させる。そして、本発明の化学的機械的研磨スラリーは、金属研磨の過程中生じる部分的又は全体的な腐食を防止し、製品の歩留りを向上させることができる。
なお、上述した実施例に関する原料は全て市販されているものである。
Claims (12)
- 砥粒Ａと、
砥粒Ａよりも大きい寸法の砥粒Ｂと、
トリアゾール系化合物と、
有機酸と、
ビヒクルと、
を含有するタンタルバリア層用の化学的機械的研磨スラリー。 - 前記砥粒Ａの寸法は、１５〜５０ｎｍであり、
前記砥粒Ｂの寸法は、６０〜１００ｎｍである、
請求項１に記載の化学的機械的研磨スラリー。 - 前記砥粒Ａの寸法は、３０〜５０ｎｍであり、
前記砥粒Ｂの寸法は、６０〜８０ｎｍである、
請求項２に記載の化学的機械的研磨スラリー。 - 前記砥粒Ａの濃度は、０．１〜５％であり、
前記砥粒Ｂの濃度は、０．１〜５％であり、
前記トリアゾール系化合物の濃度は、０．０１〜１％であり、
前記有機酸の濃度は、０．０１〜０．５％であり、
前記ビヒクル濃度は、残りの割合である、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の化学的機械的研磨スラリー。 - 前記砥粒Ａの濃度は、０．２〜１％であり、
前記砥粒Ｂの濃度は、１〜５％である、
請求項４に記載の化学的機械的研磨スラリー。 - 請求項４に記載の化学的機械的研磨スラリーであって、
更に、０．００１〜５％の酸化剤を含有する、
化学的機械的研磨スラリー。 - 前記酸化剤は、過酸化水素、過酢酸、過硫酸カリウム及び過硫酸アンモニウムの少なくとも一つである、
請求項６に記載の化学的機械的研磨スラリー。 - 前記砥粒Ａは、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化セリウム及び重合体顆粒の少なくとも一つであり、
前記砥粒Ｂは、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化セリウム及び重合体顆粒の少なくとも１つである、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の化学的機械的研磨スラリー。 - 前記有機酸は、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、クエン酸、リンゴ酸、アミノ酸及び有機ホスホン酸の少なくとも一つである、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の化学的機械的研磨スラリー。 - 前記有機ホスホン酸は、２−ホスホノブタン−１，２，４−トリカルボン酸である、
請求項９に記載の化学的機械的研磨スラリー。 - 前記トリアゾール系化合物は、ベンゾトリアゾール及びメチルベンゾトリアゾールの少なくとも一つである、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の化学的機械的研磨スラリー。 - 前記化学的機械的研磨スラリーのｐＨ値は、２．０〜４．０である、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の化学的機械的研磨スラリー。
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