JP3192968B2 - Polishing liquid for copper-based metal and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Polishing liquid for copper-based metal and method for manufacturing semiconductor device

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JP3192968B2
JP3192968B2 JP13503896A JP13503896A JP3192968B2 JP 3192968 B2 JP3192968 B2 JP 3192968B2 JP 13503896 A JP13503896 A JP 13503896A JP 13503896 A JP13503896 A JP 13503896A JP 3192968 B2 JP3192968 B2 JP 3192968B2
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polishing
polishing liquid
copper
semiconductor device
film
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英明 平林
直明 桜井
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、銅系金属用研磨液
および半導体装置の製造方法に関する。
The present invention relates to a polishing liquid for copper-based metal and a method for manufacturing a semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体装置の製造工程の一つである配線
層形成においては、表面の段差を解消する目的でエッチ
バック技術が採用されている。このエッチバック技術
は、半導体基板上の絶縁膜に配線形状の溝を形成し、前
記溝を含む前記絶縁膜上にCu膜を堆積し、前記Cu膜
をポリシング装置および研磨液を用いて研磨処理し、前
記溝内のみにCu膜を残存させて埋め込み配線層を形成
する方法である。
2. Description of the Related Art In forming a wiring layer, which is one of the manufacturing steps of a semiconductor device, an etch-back technique is employed for the purpose of eliminating a step on a surface. In this etch-back technique, a wiring-shaped groove is formed in an insulating film on a semiconductor substrate, a Cu film is deposited on the insulating film including the groove, and the Cu film is polished using a polishing apparatus and a polishing liquid. Then, a buried wiring layer is formed by leaving a Cu film only in the trench.

【0003】ところで、前記研磨液としては従来よりコ
ロイダルシリカのような研磨砥粒が分散された純水から
なるものが用いられている。しかしながら、前記研磨液
をポリシング装置の研磨パッドに供給して基板上に成膜
されたCu膜を前記研磨パッドに所定の加重を与えなが
ら研磨する場合には、単に前記研磨砥粒と研磨パッドに
よる機械的な研磨が前記Cu膜になされるのみである。
このため、研磨速度が10nm/分と低いという問題が
あった。
Meanwhile, as the polishing liquid, a liquid made of pure water in which polishing grains such as colloidal silica are dispersed has been used. However, when the polishing liquid is supplied to a polishing pad of a polishing apparatus and a Cu film formed on a substrate is polished while applying a predetermined load to the polishing pad, simply using the polishing abrasive grains and the polishing pad. Only mechanical polishing is performed on the Cu film.
For this reason, there was a problem that the polishing rate was as low as 10 nm / min.

【0004】一方、J.Electrochem.So
c.,VoL.138.No11,3460(199
1)、VMIC Conference,ISMIC−
101/92/0156(1992)またはVMIC
Conference,ISMIC−102/93/0
205(1993)には、アミン系コロイダルシリカの
スラリーまたはK3 Fe(CN)6 、K4 (CN)6
Co(NO32 が添加されたスラリーからなるCu膜
またはCu合金膜の研磨液が開示されている。
On the other hand, J. A. Electrochem. So
c. , VoL. 138. No. 11, 3460 (199
1), VMIC Conference, ISMIC-
101/92/0156 (1992) or VMIC
Conference, ISMIC-102 / 93/0
205 (1993) includes amine-based colloidal silica slurry or K 3 Fe (CN) 6 , K 4 (CN) 6 ,
A polishing liquid for a Cu film or a Cu alloy film made of a slurry to which Co (NO 3 ) 2 is added is disclosed.

【0005】しかしながら、前記研磨液は浸漬時と研磨
時との間でCu膜のエッチング速度に差がない。その結
果、前述したエッチバック工程後において前記溝内のC
u配線層は研磨液に接触されると、浸漬時と研磨時との
間でCu膜のエッチング速度に差がないため、前記Cu
配線層がさらに前記研磨液によりエッチングされる。し
たがって、前記溝内のCu配線層の表面位置が前記絶縁
膜の表面より低くなるため、前記絶縁膜の表面と面一の
配線層の形成が困難になり、平坦性が損なわれる。ま
た、形成された埋め込みCu配線層は、絶縁膜の表面と
面一に埋め込まれたCu配線層に比べて抵抗値が高くな
る。
However, there is no difference in the etching rate of the Cu film between the time of immersion and the time of polishing of the polishing liquid. As a result, after the above-described etch-back step, C
When the u wiring layer is in contact with the polishing solution, there is no difference in the etching rate of the Cu film between the time of immersion and the time of polishing.
The wiring layer is further etched by the polishing liquid. Therefore, since the surface position of the Cu wiring layer in the groove is lower than the surface of the insulating film, it is difficult to form a wiring layer flush with the surface of the insulating film, and the flatness is impaired. Further, the formed buried Cu wiring layer has a higher resistance value than the Cu wiring layer buried flush with the surface of the insulating film.

【0006】特開平7−233485号公報には、アミ
ノ酢酸およびアミド硫酸から選ばれる少なくとも1種の
有機酸と酸化剤と水とを含有する銅系金属用研磨液が開
示されている。この銅系研磨液は、銅(Cu)または銅
合金(Cu合金)の浸漬時と研磨処理時との間で数倍な
いし数十倍のエッチング速度差を示す。すなわち、前記
研磨液の一成分であるアミノ酢酸は、下記反応式に示す
ようにCuの水和物と反応して水に溶解する錯体を生成
する。
Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-233485 discloses a polishing liquid for copper-based metal containing at least one organic acid selected from aminoacetic acid and amidosulfuric acid, an oxidizing agent and water. This copper-based polishing liquid exhibits an etching rate difference of several times to several tens times between immersion of copper (Cu) or copper alloy (Cu alloy) and polishing. That is, aminoacetic acid, which is a component of the polishing liquid, reacts with Cu hydrate to form a complex that dissolves in water, as shown in the following reaction formula.

【0007】Cu(H2 O)4 2++2H2 NCH2 CO
OH→Cu(H2 NCH2 COOH)2 +4H2 O+2
+ Cuは、前記アミノ酢酸と水との混合液とは反応しな
い。このような反応系において、酸化剤(例えば過酸化
水素)を添加することにより前記反応式の矢印に示す方
向に反応が進み、Cuのエッチングがなされる。前記研
磨液に例えばCu膜を浸漬すると、その表面に酸化層が
生成されてCuのエッチング(溶解)が抑制される。一
方、前記Cu膜を前記研磨液が存在する研磨パッドで研
磨すると、酸化層が前記研磨パッドにより機械的に研磨
されて純Cuが表面に露出し、研磨液中のアミノ酢酸お
よび過酸化水素の作用により化学的研磨が急激になされ
る。つまり、研磨処理工程ではCu膜の研磨面に常に純
Cuが露出して研磨液中のアミノ酢酸および過酸化水素
による化学的エッチングがなされる。ただし、前記研磨
液はCuまたはCu合金の研磨直後の表面に酸化層が生
成されない期間においてCuまたはCu合金を多少溶解
する恐れがある。
Cu (H 2 O) 4 2+ + 2H 2 NCH 2 CO
OH → Cu (H 2 NCH 2 COOH) 2 + 4H 2 O + 2
H + Cu does not react with the mixed liquid of aminoacetic acid and water. In such a reaction system, by adding an oxidizing agent (for example, hydrogen peroxide), the reaction proceeds in a direction indicated by an arrow in the above reaction formula, and Cu is etched. For example, when a Cu film is immersed in the polishing liquid, an oxide layer is generated on the surface of the Cu film, and etching (dissolution) of Cu is suppressed. On the other hand, when the Cu film is polished with a polishing pad in which the polishing liquid is present, the oxide layer is mechanically polished by the polishing pad, so that pure Cu is exposed on the surface, and amino acid and hydrogen peroxide in the polishing liquid are removed. The action sharpens the chemical polishing. That is, in the polishing process, pure Cu is always exposed on the polished surface of the Cu film, and chemical etching is performed by aminoacetic acid and hydrogen peroxide in the polishing liquid. However, the polishing liquid may slightly dissolve Cu or Cu alloy during a period in which no oxide layer is formed on the surface immediately after polishing of Cu or Cu alloy.

【0008】また、前記特開平7−233485号公報
には前記銅系金属用研磨液を用いて銅または銅合金から
なる配線材料膜をエッチバックして埋め込み配線を形成
する半導体装置の製造方法が開示されている。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-233485 discloses a method of manufacturing a semiconductor device in which a wiring material film made of copper or a copper alloy is etched back by using the polishing liquid for a copper-based metal to form a buried wiring. It has been disclosed.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、銅
(Cu)または銅合金(Cu合金)の浸漬時において前
記Cu等を全く溶解せず、かつ研磨処理時に前記Cuま
たはCu合金を実用的な速度で研磨することが可能な銅
系金属用研磨液を提供しようとするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to dissolve the Cu or the like at all during immersion of copper (Cu) or a copper alloy (Cu alloy), and to use the Cu or Cu alloy at the time of polishing. It is an object of the present invention to provide a copper-based metal polishing liquid capable of polishing at a specific speed.

【0010】本発明の別の目的は、半導体基板上の絶縁
膜に溝および開口部から選ばれる少なくとも一つの部材
を形成し、前記絶縁膜上に堆積された銅(Cu)または
銅合金(Cu合金)からなる配線材料膜を短時間でエッ
チバックできると共に絶縁膜表面と面一で高精度の埋め
込み配線層を形成することが可能な半導体装置の製造方
法を提供しようとするものである。
Another object of the present invention is to form at least one member selected from a groove and an opening in an insulating film on a semiconductor substrate, and to form copper (Cu) or copper alloy (Cu) deposited on the insulating film. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of etching back a wiring material film made of an alloy) in a short time and forming a highly accurate embedded wiring layer flush with the surface of an insulating film.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明に係わる銅系金属
用研磨液は、銅と反応して水に難溶性で、かつ銅よりも
機械的に脆弱な銅錯体を生成する水溶性の有機酸、研磨
砥粒および水を含有することを特徴とするものである。
The polishing liquid for copper-based metal according to the present invention is a water-soluble organic compound which reacts with copper to form a copper complex which is hardly soluble in water and which is more brittle than copper. It is characterized by containing an acid, abrasive grains and water.

【0012】本発明に係わる半導体装置の製造方法は、
半導体基板上の絶縁膜に配線層の形状に相当する溝およ
び開口部から選ばれる少くとも一つの部材を形成する工
程と、前記溝および開口部から選ばれる少くとも一つの
部材を含む前記絶縁膜上に銅または銅合金からなる配線
材料膜を形成する工程と、銅と反応して水に難溶性で、
かつ銅よりも機械的に脆弱な銅錯体を生成する水溶性の
有機酸、研磨砥粒および水を含有する研磨液を用いて前
記配線材料膜を前記絶縁膜の表面が露出するまで研磨処
理することにより前記配線材料膜を前記絶縁膜に埋め込
み配線層を形成する工程とを具備することを特徴とする
ものである。本発明に係わる多層配線構造を有する半導
体装置の製造方法は、拡散層が形成された半導体基板上
の第1絶縁膜に埋め込み配線層の形状に相当する溝およ
び第1ビアフィルの形状に相当する第1開口部から選ば
れる少なくとも一つの部材を形成する工程と、 前記部材
の内側面および底面を含む前記第1絶縁膜上にバリア層
を形成する工程と、 前記部材を含む前記バリア層上に銅
または銅合金からなる第1配線材料膜を形成する工程
と、 銅と反応して水に難溶性で、かつ銅よりも機械的に
脆弱な銅錯体を生成する水溶性の有機酸、研磨砥粒およ
び水を含有する研磨液を用いて前記第1配線材料膜およ
び前記バリア層を順次研磨処理することにより前記溝に
埋め込み配線層を形成するか、前記第1開口部に第1ビ
アフィルを形成するか、もしくは両方を形成する工程
と、 前記埋め込み配線層および前記第1ビアフィルから
選ばれる少なくとも1つの配線部を含む前記第1絶縁膜
上に第2絶縁膜を形成する工程と、 前記第2絶縁膜に底
部が前記第1ビアフィルに達する第2開口部を形成する
工程と、 前記第2開口部を含む前記第2絶縁膜上に銅ま
たは銅合金からなる第2配線材 料膜を形成する工程と、
銅と反応して水に難溶性で、かつ銅よりも機械的に脆弱
な銅錯体を生成する水溶性の有機酸、研磨砥粒および水
を含有する研磨液を用いて前記第2配線材料膜を研磨処
理することにより前記第2開口部に第2ビアフィルを形
成する工程とを具備したことを特徴とするものである。
[0012] A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention comprises:
Forming at least one member selected from a groove and an opening corresponding to the shape of a wiring layer in an insulating film on a semiconductor substrate; and the insulating film including at least one member selected from the groove and the opening A step of forming a wiring material film made of copper or a copper alloy thereon, and reacting with copper to be hardly soluble in water,
The wiring material film is polished until the surface of the insulating film is exposed using a water-soluble organic acid that forms a copper complex that is more mechanically weaker than copper, a polishing solution containing abrasive grains and water. Forming the wiring material film in the insulating film to form a wiring layer. Semiconductor having a multilayer wiring structure according to the present invention
The manufacturing method of the body device is performed on a semiconductor substrate on which a diffusion layer is formed.
A groove corresponding to the shape of the buried wiring layer in the first insulating film of FIG.
And the first opening corresponding to the shape of the first via fill
Forming at least one member is said member
A barrier layer on the first insulating film including the inner side surface and the bottom surface of the substrate
Forming a copper layer on the barrier layer including the member
Or forming a first wiring material film made of a copper alloy
If, by reacting with copper sparingly soluble in water, and mechanically than copper
Water-soluble organic acids that form fragile copper complexes, abrasive grains and
The first wiring material film and the polishing liquid containing water and water are used.
And the barrier layer is sequentially polished to form the grooves.
A buried wiring layer is formed or a first via is formed in the first opening.
Step of forming an afill or both
And from the embedded wiring layer and the first via fill.
The first insulating film including at least one selected wiring portion
Forming a second insulating film on the bottom in the second insulating film
Part forms a second opening reaching the first via fill
A step, Doma on said second insulating film including the second opening
Other forming a second wiring materials film made of copper alloy,
Reacts with copper and is hardly soluble in water, and is more mechanically weaker than copper
Water soluble organic acids, abrasive grains and water
Polishing the second wiring material film using a polishing solution containing
Forming a second via fill in the second opening.
And a step of forming.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる銅系金属用
研磨液を詳細に説明する。この銅系金属用研磨液は、銅
と反応して水に難溶性で、かつ銅よりも機械的に脆弱な
銅錯体を生成する水溶性の有機酸、研磨砥粒および水を
含有する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, a polishing liquid for a copper-based metal according to the present invention will be described in detail. The polishing liquid for a copper-based metal contains a water-soluble organic acid, a polishing abrasive, and water that react with copper to form a copper complex that is hardly soluble in water and that is mechanically more brittle than copper.

【0014】前記有機酸としては、例えば2−キノリン
カルボン酸(キナルジン酸)、2−ピリジンカルボン
酸、2,6−ピリジンカルボン酸、キノン等を挙げるこ
とができる。
Examples of the organic acid include 2-quinoline carboxylic acid (quinaldic acid), 2-pyridine carboxylic acid, 2,6-pyridine carboxylic acid, and quinone.

【0015】前記有機酸は、前記研磨液中に0.1重量
%以上含有されることが好ましい。前記有機酸の含有量
を0.1重量%未満にすると、CuまたはCu合金の表
面に銅よりも機械的に脆弱な銅錯体を十分に生成するこ
とが困難になる。その結果、研磨時においてCuまたは
Cu合金の研磨速度を十分に高めることが困難になる。
より好ましい前記有機酸の含有量は、0.3〜1.2重
量%である。
Preferably, the organic acid is contained in the polishing liquid in an amount of 0.1% by weight or more. When the content of the organic acid is less than 0.1% by weight, it is difficult to sufficiently generate a copper complex that is more mechanically weaker than copper on the surface of Cu or a Cu alloy. As a result, it becomes difficult to sufficiently increase the polishing rate of Cu or Cu alloy during polishing.
More preferably, the content of the organic acid is 0.3 to 1.2% by weight.

【0016】前記研磨砥粒は、シリカ、ジルコニア、酸
化セリウムおよびアルミナから選ばれる少なくとも1つ
の材料から作られる。前記研磨砥粒は、特に研磨に適し
た硬度を有するアルミナ粒子をベースとすることが好ま
しい。すなわち、アルミナ粒子単独もしくはアルミナ粒
子とコロイダルシリカのようなシリカ粒子との混合粒子
から研磨砥粒を形成することが好ましい。
The abrasive grains are made of at least one material selected from silica, zirconia, cerium oxide and alumina. The abrasive grains are preferably based on alumina particles having a hardness particularly suitable for polishing. That is, it is preferable to form abrasive grains from alumina particles alone or mixed particles of alumina particles and silica particles such as colloidal silica.

【0017】前記研磨砥粒は、0.02〜0.1μmの
平均粒径を有し、球状もしくは球に近似した形状を有す
ることが好ましい。このような研磨砥粒を含む研磨液に
よりCuまたはCu合金を研磨処理を行うと、Cuまた
はCu合金表面への損傷を抑制できる。特に、γ−アル
ミナ粒子はその製造上、球状のものを簡単に作れるため
に好適である。
Preferably, the abrasive grains have an average particle size of 0.02 to 0.1 μm and have a spherical shape or a shape close to a sphere. When the Cu or Cu alloy is polished with a polishing liquid containing such polishing abrasive grains, damage to the Cu or Cu alloy surface can be suppressed. In particular, γ-alumina particles are preferable because spherical particles can be easily produced in their production.

【0018】前記研磨砥粒は、前記研磨液中に1〜20
重量%含有されることが好ましい。前記研磨砥粒の含有
量を1重量%未満にすると、その効果を十分に達成する
ことが困難になる。一方、前記研磨砥粒の含有量が20
重量%を越えると、研磨液の粘度等が高くなって取扱い
難くなる。より好ましい研磨砥粒の含有量は、2〜10
重量%である。
The polishing abrasive grains are contained in the polishing liquid in an amount of 1 to 20.
% By weight. When the content of the abrasive grains is less than 1% by weight, it is difficult to sufficiently achieve the effect. On the other hand, when the content of the abrasive grains is 20
If the amount is more than 10% by weight, the viscosity and the like of the polishing liquid are increased, and the handling becomes difficult. More preferably, the content of the abrasive grains is 2 to 10
% By weight.

【0019】本発明に係わる研磨液は、さらに銅錯体生
成促進剤を含有することを許容する。このような銅錯体
生成促進剤としては、例えば過酸化水素(H22 )、
次亜塩素酸ソーダ(NaClO)のような酸化剤を用い
ることができる。
The polishing liquid according to the present invention is allowed to further contain a copper complex formation promoter. Examples of such a copper complex formation promoter include hydrogen peroxide (H 2 O 2 ),
An oxidizing agent such as sodium hypochlorite (NaClO) can be used.

【0020】前記酸化剤は、前記研磨液中に前記有機酸
に対して重量割合で10倍以上含有することが好まし
い。前記酸化剤の含有量を重量割合で前記有機酸に対し
て10倍未満にすると、CuまたはCu合金の表面への
銅錯体生成を十分に促進することが困難になる。より好
ましい前記酸化剤の含有量は、前記有機酸に対して重量
割合で30倍以上、さらに好ましくは50倍以上であ
る。
It is preferable that the oxidizing agent is contained in the polishing liquid at a weight ratio of 10 times or more of the organic acid. If the content of the oxidizing agent is less than 10 times the weight of the organic acid by weight, it becomes difficult to sufficiently promote the formation of a copper complex on the surface of Cu or a Cu alloy. The content of the oxidizing agent is more preferably 30 times or more, more preferably 50 times or more, by weight based on the organic acid.

【0021】本発明に係わる研磨液は、さらにアルカリ
剤のようなpH調節剤を含有することを許容する。この
ようなアルカリ剤としては、例えば水酸化カリウム、コ
リンが好適である。
The polishing liquid according to the present invention is allowed to further contain a pH adjuster such as an alkaline agent. As such an alkaline agent, for example, potassium hydroxide and choline are preferable.

【0022】本発明に係わる研磨液は、さらに非イオン
性、両性イオン性、陰イオン性、陽イオン性の界面活性
剤が添加されることを許容する。前記非イオン性界面活
性剤としては、例えばポリエチレングリコールフェニル
エーテル、エチレングリコール脂肪酸エステルを挙げる
ことができる。前記両性イオン性界面活性剤としては、
例えばイミダゾリベタイン等を挙げることができる。前
記陰イオン性界面活性剤としては、例えばドデシル硫酸
ナトリウム等を挙げることができる。前記陽イオン性界
面活性剤としては、例えばステアリントリメチルアンモ
ニウムクロライド等を挙げることができる。これらの界
面活性剤は、2種以上の混合物の形態で用いてもよい。
このような界面活性剤をさらに含む研磨液は、後述する
ようにCuまたはCu合金とSiN膜およびSiO2
ような絶縁膜との選択研磨性を高めることが可能にな
る。
The polishing liquid according to the present invention allows the addition of a nonionic, zwitterionic, anionic or cationic surfactant. Examples of the nonionic surfactant include polyethylene glycol phenyl ether and ethylene glycol fatty acid ester. As the zwitterionic surfactant,
For example, imidazoribetaine and the like can be mentioned. Examples of the anionic surfactant include sodium dodecyl sulfate. Examples of the cationic surfactant include stearin trimethylammonium chloride. These surfactants may be used in the form of a mixture of two or more.
The polishing liquid further containing such a surfactant can enhance selective polishing of Cu or a Cu alloy and an insulating film such as a SiN film and SiO 2 as described later.

【0023】前記界面活性剤は、前記研磨液中に1モル
/リットル以上添加されることが好ましい。前記界面活
性剤の添加量を1モル/リットル未満にすると、研磨時
においてCuまたはCu合金とSiO2 のような絶縁膜
との選択研磨性を高めることが困難になる。より好まし
い界面活性剤の添加量は、10〜100モル/リットル
の範囲である。
It is preferable that the surfactant is added to the polishing liquid at a rate of 1 mol / liter or more. When the addition amount of the surfactant is less than 1 mol / liter, it becomes difficult to enhance selective polishing of Cu or a Cu alloy and an insulating film such as SiO 2 during polishing. A more preferable addition amount of the surfactant is in the range of 10 to 100 mol / liter.

【0024】本発明に係わる銅系金属用研磨液により例
えば基板上に成膜されたCu膜またはCu合金膜を研磨
するには、図1に示すポリシング装置が用いられる。す
なわち、ターンテーブル1上には例えば布から作られた
研磨パッド2が被覆されている。研磨液を供給するため
の供給管3は、前記研磨パッド2の上方に配置されてい
る。上面に支持軸4を有する基板ホルダ5は、研磨パッ
ド2の上方に上下動自在でかつ回転自在に配置されてい
る。このようなポリシング装置において、前記ホルダ5
により基板6をその研磨面(例えばCu膜)が前記研磨
パッド2に対向するように保持し、前記供給管3から前
述した組成の研摩液7を供給しながら、前記支持軸4に
より前記基板6を前記研磨パッド2に向けて所望の加重
を与え、さらに前記ホルド5および前記ターンテーブル
1を互いに反対方向に回転させることにより前記基板上
のCu膜が研磨される。
For polishing a Cu film or a Cu alloy film formed on a substrate, for example, with the polishing liquid for a copper-based metal according to the present invention, a polishing apparatus shown in FIG. 1 is used. That is, the turntable 1 is covered with a polishing pad 2 made of cloth, for example. A supply pipe 3 for supplying a polishing liquid is disposed above the polishing pad 2. A substrate holder 5 having a support shaft 4 on the upper surface is arranged above the polishing pad 2 so as to be vertically movable and rotatable. In such a polishing apparatus, the holder 5
By holding the substrate 6 with its polishing surface (eg, Cu film) facing the polishing pad 2 and supplying the polishing liquid 7 having the above-described composition from the supply pipe 3, the substrate 6 is supported by the support shaft 4. Is applied to the polishing pad 2, and the Cu film on the substrate is polished by rotating the holder 5 and the turntable 1 in opposite directions.

【0025】以上説明した本発明に係わる銅系金属用研
磨液は、銅と反応して水に難溶性で、かつ銅よりも機械
的に脆弱な銅錯体を生成する水溶性の有機酸、研磨砥粒
および水を含有するため、CuまたはCu合金の浸漬時
において前記Cu等を全く溶解せず、研磨時においてC
uまたはCu合金を実用的な速度で研磨することができ
る。ここで、実用的な研磨速度とは従来の研磨砥粒のみ
を含有する研磨液を用いた場合の3倍以上であることを
意味する。
The polishing liquid for a copper-based metal according to the present invention described above is a water-soluble organic acid which reacts with copper to form a copper complex which is hardly soluble in water and which is more brittle than copper. Since it contains abrasive grains and water, it does not dissolve the Cu or the like at the time of immersion of Cu or Cu alloy,
The u or Cu alloy can be polished at a practical rate. Here, the practical polishing rate means three times or more that in the case of using a polishing liquid containing only conventional polishing abrasive grains.

【0026】すなわち、前記研磨液の一成分である有機
酸、例えば2−キノリンカルボン酸は、下記化1に示す
反応式に示すようにCuの水和物(Cuイオン)と反応
して水に難溶性の錯体を生成する性質を有する。
That is, an organic acid, eg, 2-quinoline carboxylic acid, which is a component of the polishing liquid, reacts with Cu hydrate (Cu ion) as shown in the following reaction formula 1 to form water. It has the property of forming poorly soluble complexes.

【0027】[0027]

【化1】 Embedded image

【0028】前記反応式によりCuまたはCu合金の表
面に生成された銅錯体は、水に溶解されないものの、C
uに比べて脆弱であるため、研磨処理により容易に研磨
される。
The copper complex formed on the surface of Cu or Cu alloy by the above reaction formula is not dissolved in water,
Since it is more fragile than u, it is easily polished by a polishing process.

【0029】また、さらに酸化剤のような銅錯体生成促
進剤を含有する前記研磨液は、前記反応式による銅錯体
の生成が促進され、研磨時においてCuまたはCu合金
を従来の研磨砥粒のみを含有する研磨液をに比べて5倍
以上の速度で研磨することが可能になる。
Further, the polishing solution containing a copper complex formation accelerator such as an oxidizing agent promotes the formation of a copper complex according to the above reaction formula, and reduces the amount of Cu or Cu alloy during polishing by using only conventional abrasive grains. Can be polished at a speed 5 times or more as compared with a polishing liquid containing.

【0030】図2は、本発明の研磨液と従来の研磨液を
用いて、基板上に成膜されたCu膜を研磨処理した時の
研磨速度(加工速度)を前記研磨液の温度との関係でプ
ロットしたものである。本発明の研磨液は、有機酸(例
えば2−キノリンカルボン酸)0.3重量%、銅錯体生
成促進剤(例えば過酸化水素)16.7重量%、γ−ア
ルミナ粒子1.3重量%、コロイダルシリカ4.0重量
%および水からなる組成を有する。従来の研磨液は、γ
−アルミナ粒子1.3重量%、コロイダルシリカ4.0
重量%および水からなる組成を有する。図2中のaは、
本発明の研磨液による特性線、bは従来の研磨液による
特性線、である。なお、研磨処理は前述した図1に示す
ポリシング装置を用いて行った。すなわち、基板ホルダ
5にCu膜が成膜された基板をそのCu膜が例えばロー
デル・ニッタ社製商品名;SUBA800からなる研磨
パッド2側に対向するように逆さにして保持し、支持軸
4により前記基板を研磨パッド2に300g/cm2
加重を与え、さらにターンテーブル1および前記ホルダ
5をそれぞれ100rpmの速度で互いに反対方向に回
転させながら、研磨液を供給管3から12.5ml/分
の速度で前記研磨パッド2に供給することによって研磨
処理を行った。
FIG. 2 shows the relationship between the polishing rate (processing rate) and the temperature of the polishing liquid when the Cu film formed on the substrate was polished using the polishing liquid of the present invention and the conventional polishing liquid. It is plotted in relation. The polishing liquid of the present invention contains 0.3% by weight of an organic acid (for example, 2-quinoline carboxylic acid), 16.7% by weight of a copper complex formation promoter (for example, hydrogen peroxide), 1.3% by weight of γ-alumina particles, It has a composition consisting of 4.0% by weight of colloidal silica and water. Conventional polishing liquid is γ
1.3% by weight of alumina particles, 4.0 of colloidal silica
It has a composition consisting of weight percent and water. A in FIG.
A characteristic line by the polishing liquid of the present invention, and b is a characteristic line by the conventional polishing liquid. The polishing was performed using the polishing apparatus shown in FIG. That is, the substrate on which the Cu film is formed on the substrate holder 5 is held upside down so that the Cu film faces the polishing pad 2 side made of, for example, SUBA800 (trade name, manufactured by Rodel-Nitta), and is supported by the support shaft 4. A polishing liquid is applied from the supply pipe 3 to the polishing pad 2 at a rate of 300 g / cm 2 while the turntable 1 and the holder 5 are rotated in the opposite directions at a speed of 100 rpm. The polishing process was performed by supplying to the polishing pad 2 at the speed described above.

【0031】図2から明らかなように、本発明の研磨液
によるCu膜の研磨速度(特性線a)は研磨砥粒のみを
含む従来の研磨液による研磨速度(特性線b)の約6倍
程度になることがわかる。
As is apparent from FIG. 2, the polishing rate of the Cu film by the polishing liquid of the present invention (characteristic line a) is about six times the polishing rate by the conventional polishing liquid containing only the abrasive grains (characteristic line b). It turns out that it becomes about.

【0032】図3は、2−キノリンカルボン酸、過酸化
水素、研磨砥粒(γ−アルミナ粒子とコロイダルシリ
カ)および水からなる組成の研磨液において、過酸化水
素、γ−アルミナ粒子およびコロイダルシリカの含有量
をそれぞれ16.7重量%、1.3重量%、4.0重量
%と一定とし、2−キノリンカルボン酸の含有量を変化
させた時の基板上に成膜されたCu膜の研磨処理時の研
磨速度(加工速度)をプロットしたものである。なお、
研磨処理は図1に示すポリシング装置を用い、前述した
のと同様な手順で行った。
FIG. 3 shows a polishing liquid composed of 2-quinolinecarboxylic acid, hydrogen peroxide, abrasive grains (γ-alumina particles and colloidal silica), and water. Is constant at 16.7% by weight, 1.3% by weight and 4.0% by weight, respectively, and when the content of 2-quinolinecarboxylic acid is changed, the Cu film formed on the substrate is changed. It is a plot of the polishing rate (processing rate) during the polishing process. In addition,
The polishing treatment was performed using the polishing apparatus shown in FIG. 1 in the same procedure as described above.

【0033】図3から明らかなように研磨液中の2−キ
ノリンカルボン酸の含有量が多くなるに従ってCuの研
磨速度が増大することがわかる。図4は、2−キノリン
カルボン酸、過酸化水素、研磨砥粒(γ−アルミナ粒子
とコロイダルシリカ)および水からなる組成の研磨液に
おいて、2−キノリンカルボン酸、γ−アルミナ粒子お
よびコロイダルシリカの含有量をそれぞれ0.3重量
%、1.3重量%、4.0重量%と一定とし、過酸化水
素の含有量を変化させた時の基板上に成膜されたCu膜
の研磨処理時の研磨速度(加工速度)をプロットしたも
のである。なお、研磨処理は図1に示すポリシング装置
を用い、前述したのと同様な手順で行った。
As is apparent from FIG. 3, the polishing rate of Cu increases as the content of 2-quinolinecarboxylic acid in the polishing liquid increases. FIG. 4 shows a polishing liquid having a composition consisting of 2-quinoline carboxylic acid, hydrogen peroxide, abrasive grains (γ-alumina particles and colloidal silica) and water. During the polishing treatment of the Cu film formed on the substrate when the content is fixed at 0.3 wt%, 1.3 wt% and 4.0 wt%, respectively, and the content of hydrogen peroxide is changed. 2 is a plot of the polishing rate (processing rate) of the sample. The polishing was performed using the polishing apparatus shown in FIG. 1 in the same procedure as described above.

【0034】図4から明らかなようにCu膜の研磨処理
時において、過酸化水素を含有しない研磨液を用いた場
合にはCu膜の加工速度は約51nm/分であるが、過
酸化水素の含有量の増加に伴ってCu膜の加工速度は上
昇し、9重量%以上含有した研磨液では約90nm/分
にまで達する。つまり、過酸化水素水は前記錯体形成の
促進剤として寄与し、研磨パットおよび研磨液中の研磨
砥粒による機械的な研磨過程で露出する下地のCuまた
はCu合金が速やかに前記反応式にしたがって脆弱な性
質を有する銅錯体を生成するものと考えられる。
As is clear from FIG. 4, when a polishing liquid containing no hydrogen peroxide is used during the polishing treatment of the Cu film, the processing speed of the Cu film is about 51 nm / min. As the content increases, the processing speed of the Cu film increases, reaching up to about 90 nm / min with a polishing liquid containing 9% by weight or more. In other words, the hydrogen peroxide solution contributes as an accelerator for the complex formation, and the underlying Cu or Cu alloy exposed in the mechanical polishing process by the polishing pad and the polishing abrasive grains in the polishing solution is quickly changed according to the above reaction formula. It is thought to produce a copper complex with fragile properties.

【0035】事実、図5の(A)に示すように基板11
上に凹凸を有するCu膜12を形成し、この基板11を
図4に示す研磨速度が高い組成の研磨液(2−キノリン
カルボン酸、γ−アルミナ粒子、コロイダルシリカおよ
び過酸化水素がそれぞれ0.3重量%、1.3重量%、
4.0重量%、16.7重量%含有)に3分間浸漬する
と、図5の(B)に示すようにCu膜12表面に銅錯体
層13が生成される。前記研磨液浸漬後のCu膜表面を
XPS(X線光電子分光法)で分析した。その結果、C
u膜表面において多量の炭素が検出され、Cuは少量し
か検出されなかった。また、AES(オージェ電子分光
法)によって前記銅錯体層の厚さを調べた。その結果、
前記銅錯体層の厚さは約20nmであった。
In fact, as shown in FIG.
A Cu film 12 having irregularities is formed thereon, and a polishing liquid (2-quinoline carboxylic acid, γ-alumina particles, colloidal silica, and hydrogen peroxide each having a composition of high polishing rate) shown in FIG. 3% by weight, 1.3% by weight,
After immersion for 3 minutes in 4.0 wt% and 16.7 wt%), a copper complex layer 13 is formed on the surface of the Cu film 12 as shown in FIG. The surface of the Cu film immersed in the polishing liquid was analyzed by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). As a result, C
A large amount of carbon was detected on the surface of the u film, and only a small amount of Cu was detected. Further, the thickness of the copper complex layer was examined by AES (Auger electron spectroscopy). as a result,
The thickness of the copper complex layer was about 20 nm.

【0036】図1に示すポリシング装置および前記組成
の研磨液を用いて図5の(B)に示す変質層13が表面
に形成されたCu膜12を前記研磨液が存在する研磨パ
ッドで研磨すると、図5の(C)に示すようにCu膜1
2の凸部に対応する銅錯体層13が前記パッドにより機
械的に容易に研磨されて純Cuが表面に露出する。この
研磨直後のCu表面をXPS(X線光電子分光法)で分
析すると、Cuのみが検出され、酸化も殆どなされてい
なかった。つまり、研磨処理工程ではCu膜表面にCu
よりも脆弱な銅錯体層が生成されながら、その銅錯体層
を研磨パッド等で機械的に除去(研磨)することによっ
て、Cu膜の表面加工が進行する。
When the Cu film 12 having the altered layer 13 shown in FIG. 5B on its surface is polished with a polishing pad in which the polishing liquid is present as shown in FIG. And Cu film 1 as shown in FIG.
The copper complex layer 13 corresponding to the second convex portion is mechanically easily polished by the pad, so that pure Cu is exposed on the surface. When the Cu surface immediately after this polishing was analyzed by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), only Cu was detected and almost no oxidation was performed. That is, in the polishing process, Cu surface
By mechanically removing (polishing) the copper complex layer with a polishing pad or the like while the more fragile copper complex layer is being generated, the surface processing of the Cu film proceeds.

【0037】なお、前述した図3に示す2−キノリンカ
ルボン酸無添加の研磨液を用いた時のCu研磨速度(約
15nm/min)と図4に示す過酸化水素無添加の研
磨液(2−キノリンカルボン酸、研磨砥粒および水から
なる組成)を用いた時のCu研磨速度(約51nm/m
in)とを比較すれば明らかなように、2−キノリンカ
ルボン酸、研磨砥粒および水からなる組成を有する本発
明の研磨液は、2−キノリンカルボン酸が無添加の従来
の研磨液に比べて3倍以上の高い研磨速度を有すること
がわかる。
The Cu polishing rate (about 15 nm / min) when using the above-mentioned polishing liquid without 2-quinolinecarboxylic acid shown in FIG. 3 and the polishing liquid (2 -Cu polishing rate (approximately 51 nm / m) when quinoline carboxylic acid, abrasive grains and water are used.
As apparent from the comparison with (i), the polishing liquid of the present invention having a composition consisting of 2-quinoline carboxylic acid, polishing abrasive grains and water is less than the conventional polishing liquid without the addition of 2-quinoline carboxylic acid. It can be seen that the polishing rate is at least three times higher.

【0038】したがって、本発明に係わる研磨液はCu
またはCu合金の浸漬時において前記Cu等を全く溶解
せず、研磨時においてCuまたはCu合金を実用的な速
度(従来の研磨砥粒を含む研磨液を用いた場合の3倍以
上の速度)で研磨することができる。このため、研磨処
理工程において研磨液の供給タイミング等によりCuの
エッチング量が変動する等の問題を回避でき、その操作
を簡便に行うことができる。
Therefore, the polishing liquid according to the present invention is Cu
Alternatively, the Cu or the like is not dissolved at all during the immersion of the Cu alloy, and the Cu or the Cu alloy is polished at a practical speed (three times or more the speed in the case of using a polishing liquid containing conventional abrasive grains) during the polishing. Can be polished. Therefore, it is possible to avoid a problem that the etching amount of Cu fluctuates due to the supply timing of the polishing liquid or the like in the polishing process, and the operation can be performed easily.

【0039】また、前記ポリシング装置により前記基板
上のCu膜を研磨する際、前記Cu膜は研磨パッドが所
定の加重で当接(摺接)されている間のみ研磨され、前
記研磨パッドが前記Cu膜から離れると、研磨が直ちに
停止されるため、研磨処理後においてCu膜がさらにエ
ッチングされる、いわゆるオーバーエッチングを阻止す
ることができる。
When polishing the Cu film on the substrate by the polishing apparatus, the Cu film is polished only while the polishing pad is in contact (sliding contact) with a predetermined load, and the polishing pad is polished. Since polishing is stopped immediately after leaving the Cu film, so-called over-etching, in which the Cu film is further etched after the polishing process, can be prevented.

【0040】さらに、図5の(C)に示すように凹凸を
有するCu膜12は研磨工程において側面からのエッチ
ングがなされず、前記研磨パッドと当接する凸部表面か
ら順次エッチングすることができるため、後述するエッ
チバック技術に極めて好適である。また、研磨加工が施
されたCu膜表面は研磨液に接触して前述した銅錯体層
が生成されるものの、その厚さは20nmと極めて薄い
ため、前記銅錯体層を除去して純Cu表面を露出させる
際にCu膜が過度に膜減りするのを回避できる。
Further, as shown in FIG. 5C, the Cu film 12 having the irregularities is not etched from the side in the polishing step, and can be etched sequentially from the surface of the convex portion in contact with the polishing pad. This is extremely suitable for an etch-back technique described later. The surface of the polished Cu film is brought into contact with the polishing solution to form the above-mentioned copper complex layer, but since its thickness is extremely thin at 20 nm, the copper complex layer is removed to remove the pure Cu surface. When the film is exposed, it is possible to prevent the Cu film from being excessively reduced.

【0041】本発明に係わる研磨液において、コリンの
ようなアルカリ剤を加えてpHを調節することによっ
て、Cuの研磨速度(加工速度)を制御できる。図6
は、例えば2−キノリンカルボン酸、γ−アルミナ粒
子、コロイダルシリカおよび過酸化水素がそれぞれ0.
3重量%、1.3重量%、4.0重量%、16.7重量
%を含み、コリンを添加してpHを4〜9.5に調節し
た研磨液を用いて基板上に成膜されたCu膜を研磨処理
した時の前記Cu膜の研磨速度(加工速度)を示す特性
図である。この図6に示すようにpHが高くなるに伴っ
てCu膜の研磨速度が低下し、特にpHが8以上で研磨
速度が極端に低下する。
The polishing rate (processing rate) of Cu can be controlled by adjusting the pH of the polishing liquid according to the present invention by adding an alkaline agent such as choline. FIG.
Is 2-quinoline carboxylic acid, γ-alumina particles, colloidal silica, and hydrogen peroxide, respectively.
3% by weight, 1.3% by weight, 4.0% by weight, 16.7% by weight, and a film is formed on a substrate using a polishing liquid containing choline and adjusted to a pH of 4 to 9.5. FIG. 4 is a characteristic diagram showing a polishing rate (processing speed) of the Cu film when the Cu film obtained is polished. As shown in FIG. 6, as the pH increases, the polishing rate of the Cu film decreases, and particularly when the pH is 8 or more, the polishing rate extremely decreases.

【0042】本発明に係わる研磨液において、非イオン
性、両性イオン性、陰イオン性、陽イオン性の界面活性
剤を添加することによって、研磨時においてCuまたは
Cu合金とSiO2 のような絶縁膜との選択研磨性を高
めることができる。図7は、例えば2−キノリンカルボ
ン酸、γ−アルミナ粒子、コロイダルシリカおよび過酸
化水素がそれぞれ0.3重量%、1.3重量%、4.0
重量%、16.7重量%を含み、陰イオン性界面活性剤
であるドデシル硫酸ナトリウム(SDS)の添加量を変
化させた研磨液を用いて基板上に成膜されたCu膜、プ
ラズマ窒化シリコン膜(P−SiN膜)およびSiO2
膜を研磨処理した時のそれらの膜の研磨速度(加工速
度)を示す特性図である。なお、図7中のAはCu膜の
研磨速度を示す特性線、BはP−SiN膜の研磨速度を
示す特性線、CはSiO2 膜の研磨速度を示す特性線、
である。この図7に示すようにSDSの添加量の増加に
伴ってCu膜の研磨速度は上昇する。一方、SDSの添
加量の増加に伴って前記P−SiN膜およびSiO2
の研磨速度は低下し、SDSの添加量が10mモル/リ
ットルになると、前記P−SiN膜およびSiO2 膜の
研磨速度はほぼ零になる。したがって、SDSの添加に
よってCuとP−SiN膜およびSiO2 のような絶縁
膜との選択研磨性を高めることができる。このような選
択研磨性を高める界面活性剤は、陰イオン性界面活性剤
であるSDSのみならず、図8に示すように両生界面活
性剤、陽イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤で
も同様に達成することができる。
By adding a nonionic, zwitterionic, anionic or cationic surfactant to the polishing liquid according to the present invention, Cu or Cu alloy and an insulating material such as SiO 2 can be used during polishing. Selective polishing with the film can be improved. FIG. 7 shows, for example, 0.3% by weight, 1.3% by weight, 4.0% by weight of 2-quinolinecarboxylic acid, γ-alumina particles, colloidal silica and hydrogen peroxide, respectively.
Cu film formed on a substrate using a polishing liquid containing 16.7% by weight of sodium dodecyl sulfate (SDS), which is an anionic surfactant, and plasma silicon nitride. Film (P-SiN film) and SiO 2
FIG. 4 is a characteristic diagram showing polishing rates (processing rates) of the films when the films are polished. In FIG. 7, A is a characteristic line indicating the polishing rate of the Cu film, B is a characteristic line indicating the polishing rate of the P-SiN film, C is a characteristic line indicating the polishing rate of the SiO 2 film,
It is. As shown in FIG. 7, the polishing rate of the Cu film increases as the amount of SDS added increases. On the other hand, the polishing rate of the P-SiN film and the SiO 2 film with an increase in the amount of SDS is lowered, the amount of SDS is 10m mol / liter, the polishing of the P-SiN film and the SiO 2 film The speed becomes almost zero. Therefore, the selective polishing of Cu with a P-SiN film and an insulating film such as SiO 2 can be enhanced by the addition of SDS. Surfactants that enhance such selective polishing properties include not only SDS, which is an anionic surfactant, but also an amphoteric surfactant, a cationic surfactant, and a nonionic surfactant, as shown in FIG. But it can be achieved as well.

【0043】なお、本発明に係わる研磨液において2−
キノリンカルボン酸以外の銅と反応して水に難溶性で、
かつ銅よりも機械的に脆弱な銅錯体を生成する水溶性の
有機酸である2−ピリジンカルボン酸、2,6−ピリジ
ンカルボン酸、キノン等を用いた場合でも前述したよう
にCuまたはCu合金の浸漬時において前記Cu等を全
く溶解せず、研磨時においてCuまたはCu合金を実用
的な速度で研磨することができる。
In the polishing liquid according to the present invention, 2-
Reacts with copper other than quinoline carboxylic acid and is hardly soluble in water,
Even when water-soluble organic acids, such as 2-pyridinecarboxylic acid, 2,6-pyridinecarboxylic acid, and quinone, which form copper complexes that are more mechanically weaker than copper, are used as described above, Cu or Cu alloy is used. Cu or the Cu alloy can be polished at a practical rate during the polishing without dissolving the Cu or the like at all.

【0044】次に、本発明に係わる半導体装置の製造方
法を説明する。この半導体装置の製造方法は、半導体基
板上の絶縁膜に配線層の形状に相当する溝および開口部
から選ばれる少くとも一つの部材(member)を形成する
工程と、前記溝および開口部から選ばれる少くとも一つ
の部材を含む前記絶縁膜上に銅または銅合金からなる配
線材料膜を堆積する工程と、銅と反応して水に難溶性
で、かつ銅よりも機械的に脆弱な銅錯体を生成する水溶
性の有機酸、研磨砥粒および水を含有する研磨液を用い
て前記配線材料膜を前記絶縁膜の表面が露出するまで研
磨処理することにより前記配線材料膜を前記絶縁膜にそ
の表面と面一の埋め込み配線層を形成する工程とを具備
する。
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described. The method of manufacturing a semiconductor device includes a step of forming at least one member selected from a groove and an opening corresponding to the shape of a wiring layer in an insulating film on a semiconductor substrate; Depositing a wiring material film made of copper or a copper alloy on the insulating film including at least one member, and a copper complex which reacts with copper, is hardly soluble in water, and is mechanically weaker than copper. The wiring material film is formed on the insulating film by subjecting the wiring material film to a polishing treatment until the surface of the insulating film is exposed using a polishing liquid containing a water-soluble organic acid, polishing abrasive grains and water. Forming a buried wiring layer flush with the surface.

【0045】前記絶縁膜としては、例えばシリコン酸化
膜、ボロン添加ガラス膜(BPSG膜)、リン添加ガラ
ス膜(PSG膜)等を用いることができる。この絶縁膜
上には、窒化シリコン、炭素、アルミナ、窒化ホウ素、
ダイヤモンド等からなる研磨ストッパ膜が被覆されるこ
とを許容する。
As the insulating film, for example, a silicon oxide film, a boron-doped glass film (BPSG film), a phosphorus-doped glass film (PSG film), or the like can be used. On this insulating film, silicon nitride, carbon, alumina, boron nitride,
The polishing stopper film made of diamond or the like is allowed to be covered.

【0046】前記Cu合金としては、例えばCu−Si
合金、Cu−Al合金、Cu−Si−Al合金、Cu−
Ag合金等を用いることができる。前記CuまたはCu
合金からなる配線材料膜は、スパッタ蒸着、真空蒸着等
により堆積される。
As the Cu alloy, for example, Cu—Si
Alloy, Cu-Al alloy, Cu-Si-Al alloy, Cu-
An Ag alloy or the like can be used. Cu or Cu
The wiring material film made of an alloy is deposited by sputter deposition, vacuum deposition, or the like.

【0047】前記研磨液中の前記有機酸の含有量は、前
述した銅系金属用研磨液と同様な範囲にすることが好ま
しい。前記研磨液中の前記研磨砥粒としては、例えばア
ルミナ粒子、シリカ粒子、酸化セリウム粒子、ジルコニ
ア粒子等を挙げることができる。前記研磨砥粒は、特に
研磨に適した硬度を有するアルミナ粒子をベースとする
ことが好ましい。すなわち、アルミナ粒子単独もしくは
アルミナ粒子とコロイダルシリカのようなシリカ粒子と
の混合粒子から研磨砥粒を形成することが好ましい。
It is preferable that the content of the organic acid in the polishing liquid is in the same range as the above-mentioned polishing liquid for copper-based metal. Examples of the abrasive grains in the polishing liquid include alumina particles, silica particles, cerium oxide particles, and zirconia particles. The abrasive grains are preferably based on alumina particles having a hardness particularly suitable for polishing. That is, it is preferable to form abrasive grains from alumina particles alone or mixed particles of alumina particles and silica particles such as colloidal silica.

【0048】前記研磨砥粒は、0.02〜0.1μmの
平均粒径を有し、球状もしくは球に近似した形状を有す
ることが好ましい。このような研磨砥粒を含む研磨液に
より研磨処理を行うと、CuまたはCu合金表面への損
傷を抑制できる。特に、γ−アルミナ粒子はその製造
上、球状のものを簡単に作れるために好適である。
The abrasive grains preferably have an average particle size of 0.02 to 0.1 μm and have a spherical or spherical shape. When the polishing treatment is performed using a polishing liquid containing such polishing abrasive grains, damage to the Cu or Cu alloy surface can be suppressed. In particular, γ-alumina particles are preferable because spherical particles can be easily produced in their production.

【0049】前記研磨砥粒の含有量は、前述した銅系金
属用研磨液と同様な1〜20重量%、より好ましくは2
〜7重量%の範囲にすることが好ましい。前記研磨液
は、さらに銅錯体生成促進剤を含有することを許容す
る。このような銅錯体生成促進剤としては、例えば過酸
化水素(H22 )、次亜塩素酸ソーダ(NaClO)
のような酸化剤を用いることができる。
The content of the abrasive grains is preferably 1 to 20% by weight, more preferably 2 to 20% by weight, as in the above-mentioned polishing liquid for copper-based metal.
It is preferably in the range of 77% by weight. The polishing liquid is allowed to further contain a copper complex formation promoter. Examples of such a copper complex formation promoter include hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and sodium hypochlorite (NaClO).
An oxidizing agent such as

【0050】前記酸化剤は、前記研磨液中に前記有機酸
に対して重量割合で10倍以上含有することが好まし
い。前記酸化剤の含有量を重量割合で前記有機酸に対し
て10倍未満にすると、CuまたはCu合金の表面への
銅錯体生成を十分に促進することが困難になる。より好
ましい前記酸化剤の含有量は、前記有機酸に対して重量
割合で30倍以上、さらに好ましくは50倍以上であ
る。
The oxidizing agent is preferably contained in the polishing liquid at a weight ratio of at least 10 times the weight of the organic acid. If the content of the oxidizing agent is less than 10 times the weight of the organic acid by weight, it becomes difficult to sufficiently promote the formation of a copper complex on the surface of Cu or a Cu alloy. The content of the oxidizing agent is more preferably 30 times or more, more preferably 50 times or more, by weight based on the organic acid.

【0051】前記研磨液は、さらにアルカリ剤のような
pH調節剤を含有することを許容する。このようなアル
カリ剤としては、例えば水酸化カリウム、トリメチルア
ンモニウムヒドロキシドが好適である。
The polishing liquid is allowed to further contain a pH adjuster such as an alkaline agent. As such an alkali agent, for example, potassium hydroxide and trimethylammonium hydroxide are preferable.

【0052】前記研磨液は、さらに非イオン性、両性イ
オン性、陰イオン性、陽イオン性の界面活性剤が添加さ
れることを許容する。前記非イオン性界面活性剤として
は、例えばポリエチレングリコールフェニルエーテル、
エチレングリコール脂肪酸エステルを挙げることができ
る。両性イオン性界面活性剤としては、例えばイミダゾ
リベタイン等を挙げることができる。陰イオン性界面活
性剤としては、例えばドデシル硫酸ナトリウム等を挙げ
ることができる。陽イオン性界面活性剤としては、例え
ばステアリントリメチルアンモニウムクロライド等を挙
げることができる。これらの界面活性剤は、2種以上の
混合物の形態で用いてもよい。
The polishing liquid allows a nonionic, zwitterionic, anionic or cationic surfactant to be further added. Examples of the nonionic surfactant include polyethylene glycol phenyl ether,
Examples include ethylene glycol fatty acid esters. Examples of the zwitterionic surfactant include imidazoribetaine and the like. Examples of the anionic surfactant include sodium dodecyl sulfate. Examples of the cationic surfactant include stearin trimethylammonium chloride and the like. These surfactants may be used in the form of a mixture of two or more.

【0053】前記研磨液による研磨処理は、例えば前述
した図1に示すポリシング装置が用いて行われる。図1
に示すポリシング装置を用いる研磨処理において、基板
ホルダで保持された基板を前記研磨パッドに与える加重
は研磨液の組成により適宜選定される。例えば、有機酸
である2−キノリンカルボン酸、研磨砥粒および水をか
らなる組成の研磨液では前記加重を50〜1000g/
cm2 にすることが好ましい。
The polishing process using the polishing liquid is performed using, for example, the above-described polishing apparatus shown in FIG. FIG.
In the polishing process using the polishing apparatus shown in (1), the weight applied to the polishing pad by the substrate held by the substrate holder is appropriately selected according to the composition of the polishing liquid. For example, in the case of a polishing liquid having a composition comprising 2-quinolinecarboxylic acid, which is an organic acid, polishing abrasive grains, and water, the weight is 50 to 1000 g /
cm 2 is preferred.

【0054】本発明に係わる半導体装置の製造におい
て、前記半導体基板上の前記溝および開口部から選ばれ
る少なくとも一つのmemberを含む前記絶縁膜には前記配
線材料膜を堆積する前にバリア層を形成することを許容
する。このようなバリア層を前記溝および開口部から選
ばれる少なくとも一つのmemberを含む前記絶縁膜に形成
することによって、Cuのような配線材料膜の堆積、エ
ッチバックにより前記バリア層で囲まれた埋め込み配線
層を前記溝および開口部の少なくとも一方に形成するこ
とが可能になる。その結果、配線材料であるCuが前記
絶縁膜に拡散するのを前記バリア層で阻止し、Cuによ
る半導体基板の汚染を防止することが可能になる。
In the manufacture of the semiconductor device according to the present invention, a barrier layer is formed on the insulating film including at least one member selected from the groove and the opening on the semiconductor substrate before depositing the wiring material film. Allow to do. By forming such a barrier layer in the insulating film including at least one member selected from the groove and the opening, a wiring material film such as Cu is deposited, and embedded by the etch back by the barrier layer. A wiring layer can be formed in at least one of the groove and the opening. As a result, the diffusion of Cu, which is a wiring material, into the insulating film is prevented by the barrier layer, so that contamination of the semiconductor substrate by Cu can be prevented.

【0055】前記バリア層は、例えばTiN、Ti、N
b、WまたはCuTa合金からなる。このようなバリア
層は、15〜50nmの厚さを有することが好ましい。
以上説明した本発明に係わる半導体装置の製造方法は、
半導体基板上の絶縁膜に配線層に相当する溝および開口
部から選ばれる少なくとも1つの部材(member)を形成
し、前記memberを含む前記絶縁膜上にCuまたはCu合
金からなる配線材料膜を堆積し、さらに銅と反応して水
に難溶性で、かつ銅よりも機械的に脆弱な銅錯体を生成
する水溶性の有機酸、研磨砥粒および水を含有する研磨
液と例えば前述した図1に示すポリシング装置とを用い
て前記配線材料膜を前記絶縁膜の表面が露出するまで研
磨する。前記研磨液は、既述したようにCu膜またはC
u合金膜の浸漬時において前記Cu膜またはCu合金膜
を全く溶解せず、かつ研磨時においてCu膜またはCu
合金膜を実用的な速度(従来の研磨砥粒を含む研磨液を
用いた場合の3倍以上の速度)で研磨することができ
る。特に、酸化剤のような銅錯体生成促進剤をさらに含
有する研磨液を用いた場合にはCu膜またはCu合金膜
を従来の研磨砥粒を含む研磨液に比べて5倍以上の速度
で研磨することが可能になる。その結果、前記研磨工程
において前記配線材料膜はその表面から順次ポリシング
される、いわゆるエッチバックがなされるため、前記絶
縁膜の溝および開口部から選ばれる少なくとも1のmemb
erにCuまたはCu合金からなる埋め込み配線層を前記
絶縁膜表面と面一に形成できる。また、エッチバック工
程後の前記配線層は前記研磨液と接触されるが、前述し
たようにCuまたはCu合金を全く溶解しないため、前
記配線層が溶解(エッチング)されるのを回避できる。
The barrier layer is made of, for example, TiN, Ti, N
b, W or CuTa alloy. Such a barrier layer preferably has a thickness of 15 to 50 nm.
The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention described above includes:
At least one member selected from a groove and an opening corresponding to a wiring layer is formed in an insulating film on a semiconductor substrate, and a wiring material film made of Cu or a Cu alloy is deposited on the insulating film including the member. Further, a polishing liquid containing a water-soluble organic acid, polishing abrasive grains and water, which react with copper to form a copper complex which is hardly soluble in water and mechanically weaker than copper, is used, for example, as shown in FIG. The wiring material film is polished until the surface of the insulating film is exposed using a polishing apparatus shown in FIG. The polishing liquid may be a Cu film or a C film as described above.
The Cu film or Cu alloy film is not dissolved at all during the immersion of the u alloy film, and the Cu film or Cu
The alloy film can be polished at a practical speed (three times or more the speed in the case of using a polishing liquid containing conventional polishing abrasive grains). In particular, when a polishing solution further containing a copper complex formation accelerator such as an oxidizing agent is used, the Cu film or Cu alloy film is polished at a rate five times or more as compared with a polishing solution containing conventional polishing abrasive grains. It becomes possible to do. As a result, in the polishing step, the wiring material film is sequentially polished from its surface, that is, so-called etch back is performed.
A buried wiring layer made of Cu or a Cu alloy can be formed on the surface of the insulating film flush with the surface of the insulating film. Further, the wiring layer after the etch-back step is brought into contact with the polishing liquid, but does not dissolve Cu or Cu alloy at all, as described above, so that the wiring layer can be prevented from being dissolved (etched).

【0056】したがって、高精度の埋め込み配線層を有
すると共に、表面が平坦な構造を有する半導体装置を製
造することができる。また、前記絶縁膜に形成された埋
め込み配線層の表面は、研磨液に接触して前述した銅錯
体層が生成されるものの、その厚さは20nmと極めて
薄いため、前記銅錯体層を除去して純Cu表面を露出さ
せる際に埋め込み配線層が過度に膜減りするのを回避で
きる。
Therefore, a semiconductor device having a buried wiring layer with high precision and a structure having a flat surface can be manufactured. The surface of the buried wiring layer formed in the insulating film is brought into contact with the polishing solution to form the above-mentioned copper complex layer, but since the thickness is extremely thin at 20 nm, the copper complex layer is removed. When the pure Cu surface is exposed, the buried wiring layer can be prevented from being excessively reduced in film thickness.

【0057】さらに、球状もしくは球に近似した形状の
研磨砥粒を含む研磨液を用いることによって、前記エッ
チバック工程において配線材料膜の割れや傷の発生を抑
制できるため、前記絶縁膜に信頼性の高い埋め込み配線
層を形成することができる。
Further, by using a polishing liquid containing polishing abrasive grains having a spherical shape or a shape close to a sphere, the occurrence of cracks and scratches in the wiring material film in the etch-back step can be suppressed. Buried wiring layer having a high density can be formed.

【0058】さらに、前記絶縁膜上に予め窒化シリコ
ン、炭素、アルミナ、窒化ホウ素、ダイヤモンド等から
なる研磨ストッパ膜を被覆すれば、前記配線材料膜のエ
ッチバック工程において絶縁膜が研磨されるを防止でき
る。その結果、下地の絶縁膜の膜減り(シンニング)を
抑制でき、絶縁耐圧の高い半導体装置を製造することが
可能になる。
Further, if a polishing stopper film made of silicon nitride, carbon, alumina, boron nitride, diamond, or the like is previously coated on the insulating film, the polishing of the insulating film in the etching back step of the wiring material film is prevented. it can. As a result, thinning of the underlying insulating film can be suppressed, and a semiconductor device with high withstand voltage can be manufactured.

【0059】さらに、非イオン性、両性イオン性、陰イ
オン性、陽イオン性の界面活性剤がさらに含有する研磨
液を用いれば、前記エッチバック工程においてCuまた
はCu合金からなる配線材料膜とSiO2 のような絶縁
膜との選択研磨性を高めることができる。その結果、下
地の絶縁膜の膜減り(シンニング)を抑制でき、絶縁耐
圧の高い半導体装置を製造することが可能になる。ま
た、このような界面活性剤を含む研磨液を用いることに
よって、前記エッチバック工程後の洗浄において前記絶
縁膜上に残留した微細な配線材料および有機物等の汚染
物質を容易に除去することが可能になる。その結果、絶
縁膜表面の有機物や残留配線材料が除去された清浄な表
面を有する半導体装置を製造することができる。
Further, if a polishing liquid further containing a nonionic, zwitterionic, anionic, or cationic surfactant is used, a wiring material film made of Cu or a Cu alloy can be used in the etch-back step. Selective polishing with an insulating film such as 2 can be improved. As a result, thinning of the underlying insulating film can be suppressed, and a semiconductor device with high withstand voltage can be manufactured. In addition, by using a polishing liquid containing such a surfactant, it is possible to easily remove contaminants such as fine wiring materials and organic substances remaining on the insulating film in cleaning after the etch-back step. become. As a result, it is possible to manufacture a semiconductor device having a clean surface from which organic substances and residual wiring materials on the surface of the insulating film have been removed.

【0060】[0060]

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
しして詳細に説明する。 (実施例1)まず、図9の(A)に示すように表面に図
示しないソース、ドレイン等の拡散層が形成されたシリ
コン基板21上にCVD法により層間絶縁膜としての例
えば厚さ1000nmのSiO2 膜22を堆積した後、
前記SiO2 膜22にフォトエッチング技術により配線
層に相当する形状を有する深さ500nmの複数の溝2
3を形成した。つづいて、図9の(B)に示すように前
記溝23を含む前記SiO2 膜22上にスパッタ蒸着に
より厚さ15nmのTiNからなるバリア層24および
厚さ600nmのCu膜25をこの順序で堆積した。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. (Embodiment 1) First, as shown in FIG. 9A, a 1000 nm-thick interlayer insulating film is formed on a silicon substrate 21 on which a diffusion layer such as a source and a drain (not shown) is formed by a CVD method. After depositing the SiO 2 film 22,
A plurality of grooves 2 having a shape corresponding to a wiring layer and having a depth of 500 nm are formed in the SiO 2 film 22 by a photoetching technique.
3 was formed. Subsequently, as shown in FIG. 9B, a barrier layer 24 made of TiN having a thickness of 15 nm and a Cu film 25 having a thickness of 600 nm are formed in this order on the SiO 2 film 22 including the groove 23 by sputtering. Deposited.

【0061】次いで、前述した図1に示すポリシング装
置の基板ホルダ5にFIG.9Bに示す基板21を逆さ
にして保持し、前記ホルダ5の支持軸4により前記基板
をターンテーブル1上のローデル・ニッタ社製商品名;
SUBA800からなる研磨パッド2に300g/cm
2 の加重を与え、前記ターンテーブル1およびホルダ5
をそれぞれ100rpmの速度で互いに反対方向に回転
させながら、研磨液を供給管3から12.5ml/分の
速度で前記研磨パッド2に供給して前記基板21に堆積
したCu膜25およびバリア層24を前記SiO2 膜2
2の表面が露出するまで研磨した。ここで、前記研磨液
として2−キノリンカルボン酸0.3重量%、平均粒径
30nmのγ−アルミナ粒子1.4重量%およびコロイ
ダルシリカ4.1重量%を含む純水からなものを用い
た。前記研磨工程において、前記研磨液はCu膜との接
触時のエッチングが全く起こらず、前記研磨パッドによ
る研磨時の研磨速度が約51nm/分であった。このた
め、研磨工程において図9の(B)に示す凸状のCu膜
25は前記研磨パッドと機械的に接触する表面から優先
的にポリシングされ、さらに露出したバリア層24がポ
リシングされる、いわゆるエッチバックがなされた。そ
の結果、図9の(C)に示すように前記溝23内にバリ
ア層24が残存すると共に、前記バリア層24で覆われ
た前記溝23内に前記SiO2 膜22表面と面一な埋め
込みCu配線層26が形成された。
Next, FIG. 1 is placed on the substrate holder 5 of the polishing apparatus shown in FIG. The substrate 21 shown in FIG. 9B is held upside down, and the substrate is supported on the turntable 1 by the support shaft 4 of the holder 5 (trade name of Rodel-Nitta);
300 g / cm for polishing pad 2 made of SUBA800
2 and the turntable 1 and the holder 5
The polishing liquid is supplied from the supply pipe 3 to the polishing pad 2 at a rate of 12.5 ml / min while rotating the polishing liquid in the opposite directions at a speed of 100 rpm, and the Cu film 25 and the barrier layer 24 deposited on the substrate 21 are rotated. To the SiO 2 film 2
Polishing was performed until the surface of No. 2 was exposed. Here, the polishing liquid used was pure water containing 0.3% by weight of 2-quinolinecarboxylic acid, 1.4% by weight of γ-alumina particles having an average particle diameter of 30 nm, and 4.1% by weight of colloidal silica. . In the polishing step, the polishing liquid did not undergo any etching at the time of contact with the Cu film, and the polishing rate at the time of polishing with the polishing pad was about 51 nm / min. For this reason, in the polishing step, the convex Cu film 25 shown in FIG. 9B is preferentially polished from the surface that is in mechanical contact with the polishing pad, and the exposed barrier layer 24 is polished. An etch back was made. As a result, as shown in FIG. 9C, the barrier layer 24 remains in the trench 23 and the trench 23 covered with the barrier layer 24 is buried flush with the surface of the SiO 2 film 22. The Cu wiring layer 26 was formed.

【0062】また、前記ポリシング装置のホルダ5によ
る前記研磨パッド2への加重を解除し、かつターンテー
ブル1およびホルダ5の回転の停止した後において、前
記Cu配線層26が前記研磨液に接触されても溶解(エ
ッチング)されることがなかった。
After the weight of the polishing pad 2 by the holder 5 of the polishing apparatus is released and the rotation of the turntable 1 and the holder 5 is stopped, the Cu wiring layer 26 is brought into contact with the polishing liquid. However, it was not dissolved (etched).

【0063】(実施例2)まず、表面にソース、ドレイ
ン等の拡散層が形成されたシリコン基板上にCVD法に
より層間絶縁膜としての例えば厚さ1000nmのSi
2 膜を堆積した後、前記SiO2 膜にフォトエッチン
グ技術により配線層に相当する形状を有する深さ500
nmの複数の溝を形成した。つづいて、前記溝を含む前
記SiO2膜上にスパッタ蒸着により厚さ15nmのT
iNからなるバリア層および厚さ600nmのCu膜を
この順序で堆積した。
(Example 2) First, for example, a 1000 nm-thick Si film as an interlayer insulating film was formed on a silicon substrate having a diffusion layer such as a source and a drain formed on the surface by CVD.
After the O 2 film is deposited, the SiO 2 film has a depth of 500 corresponding to the wiring layer by a photo-etching technique.
A plurality of grooves of nm were formed. Then, a 15 nm thick T is deposited on the SiO 2 film including the groove by sputtering.
A barrier layer made of iN and a Cu film having a thickness of 600 nm were deposited in this order.

【0064】次いで、前述した図1に示すポリシング装
置の基板ホルダ5に前記基板を逆さにして保持し、前記
ホルダ5の支持軸4により前記基板をターンテーブル1
上のローデル・ニッタ社製商品名;SUBA800から
なる研磨パッド2に300g/cm2 の加重を与え、前
記ターンテーブル1およびホルダ5をそれぞれ100r
pmの速度で互いに反対方向に回転させながら、研磨液
を供給管3から12.5ml/分の速度で前記研磨パッ
ド2に供給して前記基板に堆積したCu膜およびバリア
層を前記SiO2 膜の表面が露出するまで研磨した。こ
こで、前記研磨液として2−キノリンカルボン酸0.3
重量%、過酸化水素16.7重量%、平均粒径30nm
のγ−アルミナ粒子1.3重量%およびコロイダルシリ
カ4.0重量%を含む純水からなり、重量割合で2−キ
ノリンカルボン酸に対して過酸化水素が約56倍である
ものを用いた。前記研磨工程において、前記研磨液はC
u膜との接触時のエッチングが全く起こらず、前記研磨
パッドによる研磨時の研磨速度が約85nm/分であっ
た。このため、研磨工程において凸状のCu膜は前記研
磨パッドと機械的に接触する表面から優先的にポリシン
グされ、さらに露出した前記バリア層がポリシングされ
る、いわゆるエッチバックがなされた。その結果、前記
溝内にバリア層が残存すると共に、前記バリア層で覆わ
れた前記溝内に前記SiO2 膜表面と面一な埋め込みC
u配線層が形成された。
Then, the substrate is held upside down on the substrate holder 5 of the polishing apparatus shown in FIG. 1 and the substrate is turned on the turntable 1 by the support shaft 4 of the holder 5.
A load of 300 g / cm 2 was applied to a polishing pad 2 made of Rodel-Nitta above; SUBA800, and the turntable 1 and the holder 5 were each placed at 100 r.
A polishing liquid is supplied from the supply pipe 3 to the polishing pad 2 at a rate of 12.5 ml / min while rotating in the opposite direction at a speed of pm, and the Cu film and the barrier layer deposited on the substrate are converted to the SiO 2 film. Was polished until the surface was exposed. Here, as the polishing liquid, 2-quinolinecarboxylic acid 0.3 was used.
Wt%, hydrogen peroxide 16.7 wt%, average particle size 30 nm
Of pure water containing 1.3% by weight of γ-alumina particles and 4.0% by weight of colloidal silica, and having a weight ratio of hydrogen peroxide of about 56 times that of 2-quinolinecarboxylic acid. In the polishing step, the polishing liquid is C
No etching occurred at the time of contact with the u film, and the polishing rate at the time of polishing with the polishing pad was about 85 nm / min. For this reason, in the polishing step, the convex Cu film is polished preferentially from the surface that is in mechanical contact with the polishing pad, and the exposed barrier layer is polished, so-called etch back. As a result, the barrier layer remains in the trench and the embedded C is flush with the surface of the SiO 2 film in the trench covered with the barrier layer.
A u wiring layer was formed.

【0065】また、前記ポリシング装置のホルダ5によ
る前記研磨パッド2への加重を解除し、かつターンテー
ブル1およびホルダ5の回転の停止した後において、前
記Cu配線層が前記研磨液に接触されても溶解(エッチ
ング)されることがなかった。
After the weight of the polishing pad 2 by the holder 5 of the polishing apparatus is released and the rotation of the turntable 1 and the holder 5 is stopped, the Cu wiring layer is brought into contact with the polishing liquid. Was not dissolved (etched).

【0066】(実施例3)まず、表面にソース、ドレイ
ン等の拡散層が形成されたシリコン基板上にCVD法に
より層間絶縁膜としての例えば厚さ1000nmのSi
2 膜を堆積した後、前記SiO2 膜にフォトエッチン
グ技術により配線層に相当する形状を有する深さ500
nmの複数の溝を形成した。つづいて、前記溝を含む前
記SiO2膜上にスパッタ蒸着により厚さ15nmのT
iNからなるバリア層および厚さ600nmのCu膜を
この順序で堆積した。
Example 3 First, a 1000-nm-thick Si film as an interlayer insulating film was formed on a silicon substrate having a diffusion layer such as a source and a drain formed on the surface by CVD.
After the O 2 film is deposited, the SiO 2 film has a depth of 500 corresponding to the wiring layer by a photo-etching technique.
A plurality of grooves of nm were formed. Then, a 15 nm thick T is deposited on the SiO 2 film including the groove by sputtering.
A barrier layer made of iN and a Cu film having a thickness of 600 nm were deposited in this order.

【0067】次いで、前述した図1に示すポリシング装
置の基板ホルダ5に前記基板を逆さにして保持し、前記
ホルダ5の支持軸4により前記基板をターンテーブル1
上のローデル・ニッタ社製商品名;SUBA800から
なる研磨パッド2に300g/cm2 の加重を与え、前
記ターンテーブル1およびホルダ5をそれぞれ100r
pmの速度で互いに反対方向に回転させながら、研磨液
を供給管3から12.5ml/分の速度で前記研磨パッ
ド2に供給して前記基板に堆積したCu膜およびバリア
層を前記SiO2 膜の表面が露出するまで研磨した。こ
こで、前記研磨液として2−キノリンカルボン酸0.3
重量%、過酸化水素16.7重量%、平均粒径30nm
のγ−アルミナ粒子1.3重量%およびコロイダルシリ
カ4.0重量%、陰イオン性界面活性剤であるドデシル
硫酸ナトリウム10mモル/lを含む純水からなり、重
量割合で2−キノリンカルボン酸に対して過酸化水素が
約56倍であるものを用いた。前記研磨工程において、
前記研磨液はCu膜との接触時のエッチングが全く起こ
らず、前記研磨パッドによる研磨時の研磨速度が約85
nm/分であった。このため、研磨工程において凸状の
Cu膜は前記研磨パッドと機械的に接触する表面から優
先的にポリシングされ、さらに露出したバリア層がポリ
シングされる、いわゆるエッチバックがなされた。その
結果、前記溝内に前記バリア層が残存すると共に、前記
バリア層で覆われた前記溝内に前記SiO2 膜表面と面
一な埋め込みCu配線層が形成された。
Next, the substrate is held upside down on the substrate holder 5 of the polishing apparatus shown in FIG.
A load of 300 g / cm 2 was applied to a polishing pad 2 made of Rodel-Nitta above; SUBA800, and the turntable 1 and the holder 5 were each placed at 100 r.
A polishing liquid is supplied from the supply pipe 3 to the polishing pad 2 at a rate of 12.5 ml / min while rotating in the opposite direction at a speed of pm, and the Cu film and the barrier layer deposited on the substrate are converted to the SiO 2 film. Was polished until the surface was exposed. Here, as the polishing liquid, 2-quinolinecarboxylic acid 0.3 was used.
Wt%, hydrogen peroxide 16.7 wt%, average particle size 30 nm
Consisting of pure water containing 1.3% by weight of γ-alumina particles, 4.0% by weight of colloidal silica, and 10 mmol / l of sodium dodecyl sulfate as an anionic surfactant. Hydrogen peroxide having a ratio of about 56 times was used. In the polishing step,
The polishing liquid does not undergo any etching at the time of contact with the Cu film, and has a polishing rate of about 85 when polishing with the polishing pad.
nm / min. For this reason, in the polishing step, the convex Cu film is polished preferentially from the surface that is in mechanical contact with the polishing pad, and the exposed barrier layer is polished, so-called etch back. As a result, the barrier layer remained in the groove and a buried Cu wiring layer flush with the surface of the SiO 2 film was formed in the groove covered with the barrier layer.

【0068】また、界面活性剤を含む前記組成の研磨液
は前述した図7に示すようにCuとSiO2 との研磨選
択性が高いため、前記エッチバック工程においてSiO
2 膜(層間絶縁膜)の膜減り(シンニング)を防止する
ことができた。
Since the polishing liquid having the above-mentioned composition containing a surfactant has a high polishing selectivity between Cu and SiO 2 as shown in FIG.
It was possible to prevent the thinning of the two films (interlayer insulating films).

【0069】さらに、前記ポリシング装置のホルダ5に
よる前記研磨パッド2への加重を解除し、かつターンテ
ーブル1およびホルダ5の回転の停止した後において、
前記Cu配線層が前記研磨液に接触されても溶解(エッ
チング)されることがなかった。
Further, after the load on the polishing pad 2 by the holder 5 of the polishing apparatus is released and the rotation of the turntable 1 and the holder 5 is stopped,
Even when the Cu wiring layer was brought into contact with the polishing liquid, it was not dissolved (etched).

【0070】次いで、前記埋め込み配線層の形成後の基
板を純水を用いて超音波洗浄を行った。このように洗浄
処理を行うことによって、SiO2 膜(層間絶縁膜)等
の表面に残留したCu研磨片、Cu錯体の研磨片および
2−キノリンカルボン酸のような有機物が除去され、S
iO2 膜の表面を清浄化できた。
Next, the substrate after the formation of the buried wiring layer was subjected to ultrasonic cleaning using pure water. By performing such a cleaning treatment, Cu polishing pieces, Cu complex polishing pieces, and organic substances such as 2-quinoline carboxylic acid remaining on the surface of the SiO 2 film (interlayer insulating film) and the like are removed.
The surface of the iO 2 film could be cleaned.

【0071】したがって、実施例3によれば前記層間絶
縁膜の溝内にその深さと同様な厚さを有する埋め込みC
u配線層を前記層間絶縁膜表面と面一に形成することが
でき、配線層の形成後の基板表面を平坦化することがで
きた。また、界面活性剤を含む前記組成の研磨液を用い
たエッチバック工程によりCu配線層の形成した後、純
水で超音波洗浄を行うことによって、前記研磨液中の界
面活性剤の作用により層間絶縁膜表面が容易に清浄化さ
れるため、Cu本来の低抵抗性を持つ埋め込みCu配線
層を有する高信頼性の半導体装置を製造することができ
た。
Therefore, according to the third embodiment, the embedded C having the same thickness as the depth thereof is formed in the groove of the interlayer insulating film.
The u wiring layer could be formed flush with the surface of the interlayer insulating film, and the substrate surface after the formation of the wiring layer could be flattened. Further, after the Cu wiring layer is formed by an etch-back process using a polishing liquid having the above-mentioned composition containing a surfactant, ultrasonic cleaning is performed with pure water, whereby the interlayer is formed by the action of the surfactant in the polishing liquid. Since the surface of the insulating film was easily cleaned, a highly reliable semiconductor device having a buried Cu wiring layer having a low resistance inherent to Cu could be manufactured.

【0072】(実施例4)まず、表面にソース、ドレイ
ン等の拡散層が形成されたシリコン基板上にCVD法に
より層間絶縁膜としての例えば厚さ1000nmのSi
2 膜を堆積した後、前記SiO2 膜にフォトエッチン
グ技術により配線層に相当する形状を有する深さ500
nmの複数の溝を形成した。つづいて、前記溝を含む前
記SiO2膜上にスパッタ蒸着により厚さ15nmのT
iNからなるバリア層および厚さ600nmのCu膜を
この順序で堆積した。
(Example 4) First, on a silicon substrate having a diffusion layer such as a source and a drain formed on the surface thereof, for example, a 1000 nm thick Si
After the O 2 film is deposited, the SiO 2 film has a depth of 500 corresponding to the wiring layer by a photo-etching technique.
A plurality of grooves of nm were formed. Then, a 15 nm thick T is deposited on the SiO 2 film including the groove by sputtering.
A barrier layer made of iN and a Cu film having a thickness of 600 nm were deposited in this order.

【0073】次いで、前述した図1に示すポリシング装
置の基板ホルダ5に前記基板を逆さにして保持し、前記
ホルダ5の支持軸4により前記基板をターンテーブル1
上のローデル・ニッタ社製商品名;SUBA800から
なる研磨パッド2に300g/cm2 の加重を与え、前
記ターンテーブル1およびホルダ5をそれぞれ100r
pmの速度で互いに反対方向に回転させながら、研磨液
を供給管3から12.5ml/分の速度で前記研磨パッ
ド2に供給して前記基板に堆積したCu膜およびバリア
層を前記SiO2 膜の表面が露出するまで研磨した。こ
こで、前記研磨液として2−ピリジンカルボン酸0.6
重量%、平均粒径30nmのγ−アルミナ粒子1.4重
量%およびコロイダルシリカ4.1重量%を含む純水か
らなるものを用いた。前記研磨工程において、前記研磨
液はCu膜との接触時のエッチングが全く起こらず、前
記研磨パッドによる研磨時の研磨速度が約30nm/分
であった。このため、研磨工程において凸状のCu膜は
前記研磨パッドと機械的に接触する表面から優先的にポ
リシングされ、さらに露出した前記バリア層がポリシン
グされる、いわゆるエッチバックがなされた。その結
果、前記溝内にバリア層が残存すると共に、前記バリア
層で覆われた前記溝内に前記SiO2 膜表面と面一な埋
め込みCu配線層が形成された。
Then, the substrate is held upside down on the substrate holder 5 of the polishing apparatus shown in FIG. 1 and the substrate is turned on the turntable 1 by the support shaft 4 of the holder 5.
A load of 300 g / cm 2 was applied to a polishing pad 2 made of Rodel-Nitta above; SUBA800, and the turntable 1 and the holder 5 were each placed at 100 r.
A polishing liquid is supplied from the supply pipe 3 to the polishing pad 2 at a rate of 12.5 ml / min while rotating in the opposite direction at a speed of pm, and the Cu film and the barrier layer deposited on the substrate are converted to the SiO 2 film. Was polished until the surface was exposed. Here, 2-pyridinecarboxylic acid 0.6 as the polishing liquid was used.
A pure water containing 1.4% by weight of γ-alumina particles having an average particle diameter of 30 nm and 4.1% by weight of colloidal silica was used. In the polishing step, the polishing liquid did not undergo any etching at the time of contact with the Cu film, and the polishing rate at the time of polishing with the polishing pad was about 30 nm / min. For this reason, in the polishing step, the convex Cu film is polished preferentially from the surface that is in mechanical contact with the polishing pad, and the exposed barrier layer is polished, so-called etch back. As a result, a barrier layer remained in the trench and a buried Cu wiring layer flush with the surface of the SiO 2 film was formed in the trench covered with the barrier layer.

【0074】また、前記ポリシング装置のホルダ5によ
る前記研磨パッド2への加重を解除し、かつターンテー
ブル1およびホルダ5の回転の停止した後において、前
記Cu配線層が前記研磨液に接触されても溶解(エッチ
ング)されることがなかった。
After the weight of the polishing pad 2 by the holder 5 of the polishing apparatus is released and the rotation of the turntable 1 and the holder 5 is stopped, the Cu wiring layer is brought into contact with the polishing liquid. Was not dissolved (etched).

【0075】(実施例5)まず、図10の(A)に示す
ように表面に図示しないソース、ドレイン等の拡散層が
形成されたシリコン基板21上にCVD法により例えば
厚さ800nmのSiO2 膜22および研磨ストッパ膜
としての厚さ200nmのSi34 膜27をこの順序
で堆積して層間絶縁膜を形成した後、前記Si34
27および前記SiO2 膜22にフォトエッチング技術
により配線層に相当する形状を有する深さ500nmの
複数の溝23を形成した。つづいて、図10の(B)に
示すように前記溝23を含む前記Si34 膜27上に
スパッタ蒸着により厚さ15nmのTiNからなるバリ
ア層24および厚さ600nmのCu膜25をこの順序
で堆積した。
(Example 5) First, as shown in FIG. 10A, an SiO 2 film having a thickness of, for example, 800 nm is formed on a silicon substrate 21 having a diffusion layer such as a source and a drain (not shown) formed on the surface thereof by CVD. After depositing a film 22 and a Si 3 N 4 film 27 having a thickness of 200 nm as a polishing stopper film in this order to form an interlayer insulating film, a photo-etching technique is applied to the Si 3 N 4 film 27 and the SiO 2 film 22. Thus, a plurality of grooves 23 having a shape corresponding to the wiring layer and having a depth of 500 nm were formed. Subsequently, as shown in FIG. 10B, a barrier layer 24 made of TiN having a thickness of 15 nm and a Cu film 25 having a thickness of 600 nm are formed on the Si 3 N 4 film 27 including the groove 23 by sputtering deposition. Deposited in order.

【0076】次いで、前述した図1に示すポリシング装
置の基板ホルダ5に図10の(B)に示す基板21を逆
さにして保持し、前記ホルダ5の支持軸4により前記基
板をローデル・ニッタ社製商品名;SUBA800から
なる研磨パッド2に300g/cm2 の加重を与え、前
記ターンテーブル1およびホルダ5をそれぞれ100r
pmの速度で互いに反対方向に回転させながら、研磨液
を供給管3から12.5ml/分の速度で前記研磨パッ
ド2に供給して前記基板21に堆積したCu膜25およ
び前記バリア層24を前記Si34 膜27の表面が露
出するまで研磨した。ここで、前記研磨液として2−キ
ノリンカルボン酸0.3重量%、過酸化水素16.7重
量%、平均粒径30nmのγ−アルミナ粒子1.3重量
%および平均粒径30nmのコロイダルシリカ4.0重
量%を含む純水からなり、重量割合で2−キノリンカル
ボン酸に対して過酸化水素が約56倍であるものを用い
た。前記研磨工程において、前記研磨液はCu膜との接
触時のエッチングが全く起こらず、前記研磨パッドによ
る研磨時の研磨速度が約100nm/分であった。この
ため、図10の(B)に示す凸状のCu膜25は前記研
磨パッドと機械的に接触する表面から優先的にポリシン
グされ、さらに露出した前記バリア層24がポリシング
される、いわゆるエッチバックがなされた。
Next, the substrate 21 shown in FIG. 10B is held upside down on the substrate holder 5 of the polishing apparatus shown in FIG. 1, and the substrate is held by the support shaft 4 of the holder 5 by Rodel-Nitta. A 300 g / cm 2 load was applied to the polishing pad 2 made of SUBA800, and the turntable 1 and the holder 5 were each placed at 100 r.
The polishing liquid is supplied from the supply pipe 3 to the polishing pad 2 at a rate of 12.5 ml / min while rotating in the opposite direction at a speed of pm to the Cu film 25 and the barrier layer 24 deposited on the substrate 21. Polishing was performed until the surface of the Si 3 N 4 film 27 was exposed. Here, 0.3% by weight of 2-quinoline carboxylic acid, 16.7% by weight of hydrogen peroxide, 1.3% by weight of γ-alumina particles having an average particle diameter of 30 nm and colloidal silica 4 having an average particle diameter of 30 nm were used as the polishing liquid. A pure water containing 0.0% by weight of which the amount of hydrogen peroxide was about 56 times as much as that of 2-quinolinecarboxylic acid was used. In the polishing step, the polishing liquid did not undergo any etching at the time of contact with the Cu film, and the polishing rate at the time of polishing with the polishing pad was about 100 nm / min. For this reason, the convex Cu film 25 shown in FIG. 10B is preferentially polished from the surface that is in mechanical contact with the polishing pad, and the exposed barrier layer 24 is polished. It has been made.

【0077】その結果、図10の(C)に示すように前
記溝23内に前記バリア層24が残存すると共に、前記
バリア層24で覆われた前記溝23内に前記Si34
膜27表面と面一な埋め込みCu配線層26が形成され
た。また、前記ポリシング装置のホルダ5による前記研
磨パッド2への加重を解除し、かつターンテーブル1お
よびホルダ5の回転の停止した後において、前記Cu配
線層26が前記研磨液に接触されても溶解(エッチン
グ)されることがなかった。さらに、研磨砥粒を含む前
記研磨液を用いたポリシング工程において前記層間絶縁
膜は表面側に研磨ストッパ膜として機能するSi34
膜27を形成しているため、前記エッチバック工程での
膜減りを抑制することができた。このため、良好な絶縁
耐圧を有する層間絶縁膜を備えた半導体装置を製造する
ことができた。
As a result, as shown in FIG. 10C, the barrier layer 24 remains in the groove 23 and the Si 3 N 4 is formed in the groove 23 covered with the barrier layer 24.
A buried Cu wiring layer 26 flush with the surface of the film 27 was formed. Also, after the weight of the polishing pad 2 by the holder 5 of the polishing apparatus is released and the rotation of the turntable 1 and the holder 5 is stopped, the Cu wiring layer 26 is dissolved even if it comes into contact with the polishing liquid. (Etching) did not occur. Further, in the polishing step using the polishing liquid containing polishing abrasive grains, the interlayer insulating film is formed on the surface side by Si 3 N 4 functioning as a polishing stopper film.
Since the film 27 was formed, it was possible to prevent the film from being reduced in the etch-back step. Therefore, a semiconductor device provided with an interlayer insulating film having good withstand voltage can be manufactured.

【0078】(実施例6)まず、図11の(A)に示す
ように表面にn+ 型拡散層31が形成されたp型シリコ
ン基板32上にCVD法により第1層間絶縁膜としての
例えば厚さ1000nmのSiO2 膜33を堆積した
後、前記拡散層31に対応する前記SiO2膜33にフ
ォトエッチング技術によりビアホール34を形成した。
つづいて、図11の(B)に示すように前記ビアホール
34を含む前記SiO2 膜33上にスパッタ蒸着により
厚さ20nmのTiNからなるバリア層35を堆積した
後、スパッタ蒸着により厚さ1100nmのCu膜36
を堆積した。
(Embodiment 6) First, as shown in FIG. 11A, a p-type silicon substrate 32 having an n + -type diffusion layer 31 formed on the surface thereof is formed on a p-type silicon substrate 32 by a CVD method as a first interlayer insulating film. After depositing a SiO 2 film 33 having a thickness of 1000 nm, a via hole 34 was formed in the SiO 2 film 33 corresponding to the diffusion layer 31 by a photo-etching technique.
Subsequently, as shown in FIG. 11B, a barrier layer 35 made of TiN having a thickness of 20 nm is deposited on the SiO 2 film 33 including the via hole 34 by sputter deposition. Cu film 36
Was deposited.

【0079】次いで、前述した図1に示すポリシング装
置のホルダ5に図11の(B)に示す基板32を逆さに
して保持し、前記ホルダ5の支持軸4により前記基板を
ローデル・ニッタ社製商品名;SUBA800からなる
研磨パッド2に300g/cm2 の加重を与え、前記タ
ーンテーブル1およびホルダ5をそれぞれ100rpm
の速度で互いに反対方向に回転させながら、研磨液を供
給管3から12.5ml/分の速度で前記研磨パッド2
に供給して前記基板32に堆積したCu膜36およびバ
リア層35を前記SiO2 膜33の表面が露出するまで
研磨した。ここで、前記研磨液として2−キノリンカル
ボン酸0.3重量%、過酸化水素16.7重量%、平均
粒径30nmのγ−アルミナ粒子1.3重量%およびコ
ロイダルシリカ4.0重量%、陰イオン性界面活性剤で
あるドデシル硫酸ナトリウム10mモル/lを含む純水
からなり、重量割合で2−キノリンカルボン酸に対して
過酸化水素が約56倍であるものを用いた。前記研磨工
程において、前記研磨液はCu膜との接触時のエッチン
グが全く起こらず、前記研磨パッドによる研磨時の研磨
速度が約85nm/分であった。このため、図11の
(B)に示す凸状のCu膜36は前記研磨パッドと機械
的に接触する表面から優先的にポリシングされ、さらに
露出したバリア層35がポリシングされる、いわゆるエ
ッチバックがなされた。
Next, the substrate 32 shown in FIG. 11B is held upside down in the holder 5 of the polishing apparatus shown in FIG. 1, and the substrate is manufactured by Rodel-Nitta by the support shaft 4 of the holder 5. Product name: A polishing pad 2 made of SUBA800 was given a load of 300 g / cm 2 , and the turntable 1 and the holder 5 were each rotated at 100 rpm.
The polishing liquid is supplied from the supply pipe 3 at a speed of 12.5 ml / min while rotating the polishing pad 2 at a speed of 12.5 ml / min.
And the Cu film 36 and the barrier layer 35 deposited on the substrate 32 were polished until the surface of the SiO 2 film 33 was exposed. Here, as the polishing liquid, 0.3% by weight of 2-quinolinecarboxylic acid, 16.7% by weight of hydrogen peroxide, 1.3% by weight of γ-alumina particles having an average particle diameter of 30 nm, and 4.0% by weight of colloidal silica, Pure water containing 10 mmol / l of sodium dodecyl sulfate, which is an anionic surfactant, was used in which the amount of hydrogen peroxide was about 56 times that of 2-quinolinecarboxylic acid by weight. In the polishing step, the polishing liquid did not undergo any etching at the time of contact with the Cu film, and the polishing rate at the time of polishing with the polishing pad was about 85 nm / min. For this reason, the convex Cu film 36 shown in FIG. 11B is polished preferentially from the surface that is in mechanical contact with the polishing pad, and the exposed barrier layer 35 is polished. It was done.

【0080】その結果、図11の(C)に示すように前
記ビアホール34内にバリア層35が残存すると共に、
前記バリア層35で覆われた前記ビアホール34内に前
記SiO2 膜33表面と面一なCuからなるビアフィル
37が形成された。また、界面活性剤を含む前記組成の
研磨液は前述した図7に示すようにCuとSiO2 との
研磨選択性が高いため、前記エッチバック工程において
SiO2 膜(層間絶縁膜)の膜減り(シンニング)を防
止することができた。さらに、前記ポリシング装置のホ
ルダ5による前記研磨パッド2への加重を解除し、かつ
ターンテーブル1およびホルダ5の回転の停止した後に
おいて、前記ビアフィル37が前記研磨液に接触されて
もエッチングが進行することがなかった。つづいて、前
記ビアフィル37の形成後の基板を純水を用いた超音波
洗浄を行ってSiO2 膜33表面を清浄化した。
As a result, the barrier layer 35 remains in the via hole 34 as shown in FIG.
In the via hole 34 covered with the barrier layer 35, a via fill 37 made of Cu and flush with the surface of the SiO 2 film 33 was formed. In addition, since the polishing liquid having the above-described composition containing a surfactant has high polishing selectivity between Cu and SiO 2 as shown in FIG. 7, the film thickness of the SiO 2 film (interlayer insulating film) is reduced in the etch back step. (Thinning) could be prevented. Further, after the weight of the polishing pad 2 by the holder 5 of the polishing apparatus is released and the rotation of the turntable 1 and the holder 5 is stopped, the etching proceeds even if the via-fill 37 comes into contact with the polishing liquid. I never did. Subsequently, the substrate after the formation of the via-fill 37 was subjected to ultrasonic cleaning using pure water to clean the surface of the SiO 2 film 33.

【0081】次いで、図12の(D)に示すように前記
ビアフィル37を含む前記SiO2膜33上にCVD法
により第2層間絶縁膜としての例えば厚さ800nmの
Si34 膜38を堆積した後、前記Si34 膜38
にフォトエッチング技術により配線層に相当する形状を
有する深さ400nmの複数の溝39を形成した。さら
に、前記ビアフィル37上にに位置する前記溝39にフ
ォトエッチング技術によりスルーホール40を形成し
た。つづいて、図12の(E)に示すように前記溝39
およびスルーホール40を含む前記Si34 膜38上
にスパッタ蒸着により厚さ900nmのCu膜41を堆
積した。
Next, as shown in FIG. 12D, an Si 3 N 4 film 38 having a thickness of, for example, 800 nm as a second interlayer insulating film is deposited on the SiO 2 film 33 including the via fill 37 by a CVD method. After that, the Si 3 N 4 film 38
Then, a plurality of grooves 39 having a shape corresponding to the wiring layer and having a depth of 400 nm were formed by photoetching. Further, a through hole 40 was formed in the groove 39 located on the via fill 37 by a photo-etching technique. Subsequently, as shown in FIG.
A Cu film 41 having a thickness of 900 nm was deposited on the Si 3 N 4 film 38 including the through holes 40 by sputter deposition.

【0082】次いで、前述した図1に示すポリシング装
置の基板ホルダ5に図12の(E)に示す基板32を逆
さにして保持し、前記ホルダ5の支持軸4により前記基
板をローデル・ニッタ社製商品名;SUBA800から
なる研磨パッド2に300g/cm2 の加重を与え、前
記ターンテーブル1およびホルダ5をそれぞれ100r
pmの速度で互いに反対方向に回転させながら、前述し
たエッチバック工程で用いたのと同様な組成を有する研
磨液を供給管3から12.5ml/分の速度で前記研磨
パッド2に供給して前記基板32に堆積したCu膜41
を前記Si34 膜38の表面が露出するまで研磨し
た。
Next, the substrate 32 shown in FIG. 12E is held upside down on the substrate holder 5 of the polishing apparatus shown in FIG. 1, and the substrate is held by the support shaft 4 of the holder 5 by Rodel-Nitta. A 300 g / cm 2 load was applied to the polishing pad 2 made of SUBA800, and the turntable 1 and the holder 5 were each placed at 100 r.
A polishing liquid having a composition similar to that used in the above-described etch-back step is supplied to the polishing pad 2 at a rate of 12.5 ml / min from the supply pipe 3 while rotating in the opposite directions at a speed of pm. Cu film 41 deposited on the substrate 32
Was polished until the surface of the Si 3 N 4 film 38 was exposed.

【0083】その結果、図12の(E)に示す凸状のC
u膜41は前記研磨パッドと機械的に接触する表面から
優先的にポリシングされる、いわゆるエッチバックがな
された。このようなエッチバックにより図12の(F)
に示すように前記溝39内に前記Si34 膜38表面
と面一な埋め込みCu配線層42が形成された。同時
に、前記スルーホール40を通して前記ビアフィル37
と接続される埋め込みCu配線層42が形成された。ま
た、前記ポリシング装置のホルダ5による前記研磨パッ
ド2への加重を解除し、かつターンテーブル1およびホ
ルダ5の回転の停止した後において、前記Cu配線層4
2が前記研磨液に接触されてもエッチングが進行するこ
とがなかった。
As a result, the convex C shown in FIG.
The u film 41 is polished preferentially from the surface that is in mechanical contact with the polishing pad, so-called etch back is performed. By such an etch back, FIG.
As shown in FIG. 6, a buried Cu wiring layer 42 flush with the surface of the Si 3 N 4 film 38 was formed in the groove 39. At the same time, the via fill 37 passes through the through hole 40.
A buried Cu wiring layer 42 connected to was formed. After the weight of the polishing pad 2 by the holder 5 of the polishing apparatus is released and the rotation of the turntable 1 and the holder 5 is stopped, the Cu wiring layer 4 is removed.
Etching did not proceed even when No. 2 was brought into contact with the polishing liquid.

【0084】したがって、実施例6によれば第1、第2
の層間絶縁膜33、39を有し、前記第1層間絶縁膜3
3にその表面と面一なビアフィル37が形成され、第2
層間絶縁膜39にその表面と面一なCu配線層42が形
成された多層配線構造を有し、かつ表面が平坦化された
半導体装置を製造することができた。
Therefore, according to the sixth embodiment, the first and second
The first interlayer insulating film 3
3 is formed with a via fill 37 which is flush with the surface thereof.
A semiconductor device having a multilayer wiring structure in which a Cu wiring layer 42 flush with the surface thereof was formed on the interlayer insulating film 39 and having a flattened surface could be manufactured.

【0085】[0085]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば銅
(Cu)または銅合金(Cu合金)の浸漬時において前
記Cu等を全く溶解せず、かつ研磨処理時に前記Cuま
たはCu合金を実用的な速度で研磨することが可能な銅
系金属用研磨液を提供することができる。
As described above, according to the present invention, Cu or the like is not dissolved at all when copper (Cu) or copper alloy (Cu alloy) is immersed, and the Cu or Cu alloy is removed during polishing. A polishing liquid for a copper-based metal that can be polished at a practical speed can be provided.

【0086】また、本発明によれば半導体基板上の絶縁
膜に溝および開口部から選ばれる少なくとも1つの部材
を形成し、前記絶縁膜上に堆積されたCuまたはCu合
金からなる配線材料膜を短時間でエッチバックでき、ひ
いては前記絶縁膜にCuまたはCu合金からなる埋め込
み配線層を前記絶縁膜表面と面一となるように形成した
表面が平坦な半導体装置の製造方法を提供できる。
According to the present invention, at least one member selected from a groove and an opening is formed in an insulating film on a semiconductor substrate, and a wiring material film made of Cu or a Cu alloy deposited on the insulating film is formed. It is possible to provide a method of manufacturing a semiconductor device which can be etched back in a short time and, furthermore, has a buried wiring layer made of Cu or a Cu alloy formed in the insulating film so as to be flush with the surface of the insulating film.

【0087】さらに、本発明によれば半導体基板上の絶
縁膜に溝および開口部から選ばれる少なくとも1つの部
材を形成し、前記絶縁膜上に堆積されたCuまたはCu
合金からなる配線材料膜を短時間でエッチバックして絶
縁膜表面と面一の埋め込み配線層を形成することがで
き、その上エッチバック工程での絶縁膜の膜減りを抑制
でき、平坦な表面を有し、絶縁耐圧の優れた半導体装置
の製造方法を提供できる。
Further, according to the present invention, at least one member selected from a groove and an opening is formed in an insulating film on a semiconductor substrate, and Cu or Cu deposited on the insulating film is formed.
The wiring material film made of an alloy can be etched back in a short time to form a buried wiring layer flush with the surface of the insulating film. And a method for manufacturing a semiconductor device having excellent withstand voltage can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の研磨工程に使用されるポリシング装置
を示す概略図。
FIG. 1 is a schematic view showing a polishing apparatus used in a polishing step of the present invention.

【図2】本発明の研磨液および研磨砥粒のみを含む従来
の研磨液を用いて、基板上に成膜されたCu膜を研磨処
理した時の研磨速度(加工速度)を前記研磨液の温度と
の関係で示した特性図。
FIG. 2 shows a polishing rate (processing rate) when a Cu film formed on a substrate is polished using a polishing liquid of the present invention and a conventional polishing liquid containing only polishing abrasive grains. FIG. 3 is a characteristic diagram shown in relation to temperature.

【図3】2−キノリンカルボン酸、過酸化水素、研磨砥
粒および水からなる組成の研磨液における2−キノリン
カルボン酸の量とCu膜の研磨速度との関係を示す特性
図。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the amount of 2-quinoline carboxylic acid and the polishing rate of a Cu film in a polishing liquid having a composition comprising 2-quinoline carboxylic acid, hydrogen peroxide, abrasive grains and water.

【図4】2−キノリンカルボン酸、過酸化水素、研磨砥
粒および水からなる組成の研磨液における過酸化水素の
量とCu膜の研磨速度との関係を示す特性図。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the amount of hydrogen peroxide and the polishing rate of a Cu film in a polishing liquid having a composition comprising 2-quinolinecarboxylic acid, hydrogen peroxide, abrasive grains and water.

【図5】凹凸を有するCu膜を2−キノリンカルボン
酸、過酸化水素、研磨砥粒および水からなる組成の研磨
液に浸漬した時、ポリシング装置を用いて研磨処理した
時の状態を示す断面図。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state where a Cu film having irregularities is immersed in a polishing liquid having a composition comprising 2-quinoline carboxylic acid, hydrogen peroxide, polishing abrasive grains and water, and is polished using a polishing apparatus. FIG.

【図6】本発明のpH調整された研磨液によるCu膜の
研磨速度を示す特性図。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a polishing rate of a Cu film by a pH-adjusted polishing liquid of the present invention.

【図7】研磨液によるCu膜、P−SiN膜およびSi
2 膜の研磨において、界面活性剤(ドデシル硫酸ナト
リウム)の添加量と前記各膜の研磨速度との関係を示す
特性図。
FIG. 7 shows a Cu film, a P-SiN film, and Si by a polishing liquid.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the amount of a surfactant (sodium dodecyl sulfate) added and the polishing rate of each film in polishing of an O 2 film.

【図8】研磨液によるCu膜、P−SiN膜およびSi
2 膜の研磨において、添加される界面活性剤の種類と
前記各膜の研磨速度との関係を示す特性図。
FIG. 8 shows a Cu film, a P-SiN film and Si by a polishing liquid.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between a type of a surfactant to be added and a polishing rate of each film in polishing of an O 2 film.

【図9】本発明の実施例1における半導体装置の製造工
程を示す断面図。
FIG. 9 is a sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

【図10】本発明の実施例5における半導体装置の製造
工程を示す断面図。
FIG. 10 is a sectional view illustrating a manufacturing step of a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図11】本発明の実施例6おける半導体装置の製造工
程を示す断面図。
FIG. 11 is a sectional view illustrating a manufacturing step of a semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention.

【図12】本発明の実施例6おける半導体装置の製造工
程を示す断面図。
FIG. 12 is a sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device in the sixth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…ターンテーブル、 2…研磨パッド、 3…供給管、 5…ホルダ、 11、21、32…シリコン基板、 12、25、36、41…Cu膜、 13…酸化層、 22、33…SiO2 膜、 23、39…溝、 24、35…バリア層、 26、42…Cu配線層、 37…ビアフィル。1 ... turntable 2 ... polishing pad, 3 ... supply pipe, 5 ... holder, 11,21,32 ... silicon substrate, 12,25,36,41 ... Cu film, 13 ... oxide layer, 22 and 33 ... SiO 2 Films, 23, 39 ... grooves, 24, 35 ... barrier layers, 26, 42 ... Cu wiring layers, 37 ... via fills.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/304 622 H01L 21/3205 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/304 622 H01L 21/3205

Claims (35)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 銅と反応して水に難溶性で、かつ銅より
も機械的に脆弱な銅錯体を生成する水溶性の有機酸、研
磨砥粒および水を含有することを特徴とする銅系金属用
研磨液。
1. Copper containing a water-soluble organic acid, abrasive grains and water, which react with copper to form a copper complex which is hardly soluble in water and mechanically weaker than copper. Polishing liquid for base metals.
【請求項2】 前記有機酸は、2−キノリンカルボン酸
であることを特徴とする請求項1記載の銅系金属用研磨
液。
2. The polishing liquid according to claim 1, wherein the organic acid is 2-quinoline carboxylic acid.
【請求項3】 前記有機酸は、前記研磨液中に0.1重
量%以上含有されることを特徴とする請求項1記載の銅
系金属用研磨液。
3. The polishing liquid according to claim 1, wherein the organic acid is contained in the polishing liquid in an amount of 0.1% by weight or more.
【請求項4】 前記研磨砥粒は、シリカ、ジルコニア、
酸化セリウムおよびアルミナから選ばれる少なくとも1
つの材料から作られることを特徴とする請求項1記載の
銅系金属用研磨液。
4. The polishing abrasive grains are silica, zirconia,
At least one selected from cerium oxide and alumina
The polishing liquid for a copper-based metal according to claim 1, wherein the polishing liquid is made of two materials.
【請求項5】 前記研磨砥粒は、前記研磨液中に1〜2
0重量%含有されることを特徴とする請求項1記載の銅
系金属用研磨液。
5. The polishing abrasive according to claim 1, wherein said polishing slurry contains 1 to 2 abrasive grains.
The polishing liquid for copper-based metals according to claim 1, which is contained in an amount of 0% by weight.
【請求項6】 さらに銅錯体生成促進剤として酸化剤を
含有することを特徴とする請求項1記載の銅系金属用研
磨液。
6. The polishing liquid according to claim 1, further comprising an oxidizing agent as a copper complex formation promoter.
【請求項7】 前記有機酸に対する前記酸化剤の含有比
率は、重量比率で10倍以上であることを特徴とする請
求項6記載の銅系金属用研磨液。
7. The polishing liquid according to claim 6, wherein a content ratio of the oxidizing agent to the organic acid is 10 times or more by weight.
【請求項8】 さらに界面活性剤を含有することを特徴
とする請求項1記載の銅系金属用研磨液。
8. The polishing liquid for a copper-based metal according to claim 1, further comprising a surfactant.
【請求項9】 前記界面活性剤は、前記研磨液中に1モ
ル/リットル以上添加されることを特徴とする請求項8
記載の銅系金属用研磨液。
9. The polishing liquid according to claim 8, wherein the surfactant is added to the polishing liquid in an amount of 1 mol / liter or more.
The polishing liquid for a copper-based metal as described above.
【請求項10】 さらにpH調整剤を含有することを特
徴とする請求項1記載の銅系金属用研磨液。
10. The method according to claim 1, further comprising a pH adjuster.
The polishing liquid for a copper-based metal according to claim 1, wherein
【請求項11】 半導体基板上の絶縁膜に配線層の形状
に相当する溝および開口部から選ばれる少くとも一つの
部材を形成する工程と、 前記溝および開口部から選ばれる少くとも一つの部材を
含む前記絶縁膜上に銅または銅合金からなる配線材料膜
形成する工程と、 銅と反応して水に難溶性で、かつ銅よりも機械的に脆弱
な銅錯体を生成する水溶性の有機酸、研磨砥粒および水
を含有する研磨液を用いて前記配線材料膜を前記絶縁膜
の表面が露出するまで研磨処理することにより前記配線
材料膜を前記絶縁膜に埋め込み配線層を形成する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. A step of forming at least one member selected from a groove and an opening corresponding to a shape of a wiring layer in an insulating film on a semiconductor substrate; and at least one member selected from the groove and an opening. Forming a wiring material film made of copper or a copper alloy on the insulating film, comprising: a water-soluble compound that reacts with copper to form a copper complex that is sparingly soluble in water and mechanically more brittle than copper. The wiring material film is polished by using a polishing liquid containing an organic acid, polishing abrasive grains and water until the surface of the insulating film is exposed, thereby embedding the wiring material film in the insulating film to form a wiring layer. And a method of manufacturing a semiconductor device.
【請求項12】 前記絶縁膜に前記配線材料膜を形成す
る前に、前記溝および開口部から選ばれる少くとも一つ
の部材を含む前記絶縁膜上にバリア層を被覆することを
特徴とする請求項11記載の半導体装置の製造方法。
12. The wiring material film is formed on the insulating film.
12. The method according to claim 11 , wherein a barrier layer is coated on the insulating film including at least one member selected from the groove and the opening before the formation.
【請求項13】 前記バリア層は、TiN、Ti、N
b、WまたはCuTa合金から選ばれる材料から作られ
ることを特徴とする請求項11記載の半導体装置の製造
方法。
13. The method according to claim 1, wherein the barrier layer comprises TiN, Ti, N
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11 , wherein the semiconductor device is made of a material selected from b, W, and a CuTa alloy.
【請求項14】 前記銅合金は、Cu−Si合金、Cu
−Al合金、Cu−Si−Al合金、およびCu−Ag
合金からなる群から選ばれる材料であることを特徴とす
る請求項11記載の半導体装置の製造方法。
14. The copper alloy is a Cu—Si alloy, Cu
-Al alloy, Cu-Si-Al alloy, and Cu-Ag
The method according to claim 11 , wherein the material is selected from the group consisting of an alloy.
【請求項15】 前記研磨液中の前記有機酸は、2−キ
ノリンカルボン酸であることを特徴とする請求項11
載の半導体装置の製造方法。
The organic acid of 15. During the polishing liquid The method according to claim 11 semiconductor device, wherein the 2-quinolinecarboxylic acid.
【請求項16】 前記有機酸は、前記研磨液中に0.1
重量%以上含有されることを特徴とする請求項11記載
の半導体装置の製造方法。
16. The polishing composition according to claim 1, wherein the organic acid is contained in the polishing liquid in an amount of 0.1%.
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11 , wherein the content of the semiconductor device is at least 10 wt%.
【請求項17】 前記研磨液中の前記研磨砥粒は、シリ
カ、ジルコニア、酸化セリウムおよびアルミナから選ば
れる少なくとも1つの材料から作られることを特徴とす
る請求項11記載の半導体装置の製造方法。
17. The abrasive grains in the polishing liquid, silica, zirconia, a method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, characterized in that it is made from at least one material selected from cerium oxide and alumina.
【請求項18】 前記研磨砥粒は、前記研磨液中に1〜
20重量%含有されることを特徴とする請求項11記載
の半導体装置の製造方法。
18. The polishing slurry according to claim 1, wherein
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11 , wherein the content is 20% by weight.
【請求項19】 前記研磨液中には、さらに銅錯体生成
促進剤として酸化剤を含有することを特徴とする請求項
11記載の半導体装置の製造方法。
19. The polishing liquid further comprises an oxidizing agent as a copper complex formation promoter.
12. The method for manufacturing a semiconductor device according to item 11 .
【請求項20】 前記有機酸に対する前記酸化剤の含有
比率は、重量比率で10倍以上であることを特徴とする
請求項19記載の半導体装置の製造方法。
20. The method according to claim 19, wherein a content ratio of the oxidizing agent to the organic acid is 10 times or more by weight.
【請求項21】 前記研磨液には、さらに界面活性剤を
含有することを特徴とする請求項11記載の半導体装置
の製造方法。
The method according to claim 21, wherein the polishing liquid, a method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, characterized by further containing a surfactant.
【請求項22】 前記界面活性剤は、前記研磨液中に1
モル/リットル以上添加されることを特徴とする請求項
21記載の半導体装置の製造方法。
22. The method according to claim 19, wherein the surfactant is contained in the polishing liquid.
The compound is added in an amount of at least mol / liter.
22. The method for manufacturing a semiconductor device according to item 21 .
【請求項23】 前記研磨液中には、さらにpH調整剤
を含有することを特徴とする請求項11記載の半導体装
置の製造方法。
23. The polishing liquid further comprises a pH adjuster.
12. The semiconductor device according to claim 11, comprising:
Manufacturing method of the device.
【請求項24】 拡散層が形成された半導体基板上の第
1絶縁膜に埋め込み配線層の形状に相当する溝および第
1ビアフィルの形状に相当する第1開口部から選ばれる
少なくとも一つの部材を形成する工程と、 前記部材の内側面および底面を含む前記第1絶縁膜上に
バリア層を形成する工程と、 前記部材を含む前記バリア層上に銅または銅合金からな
る第1配線材料膜を形成する工程と、 銅と反応して水に難溶性で、かつ銅よりも機械的に脆弱
な銅錯体を生成する水溶性の有機酸、研磨砥粒および水
を含有する研磨液を用いて前記第1配線材料膜および前
記バリア層を順次研磨処理することにより前記溝に埋め
込み配線層を形成するか、前記第1開口部に第1ビアフ
ィルを形成するか、もしくは両方を形成する工程と、 前記埋め込み配線層および前記第1ビアフィルから選ば
れる少なくとも1つの配線部を含む前記第1絶縁膜上に
第2絶縁膜を形成する工程と、 前記第2絶縁膜に底部が前記第1ビアフィルに達する第
2開口部を形成する工程と、 前記第2開口部を含む前記第2絶縁膜上に銅または銅合
金からなる第2配線材料膜を形成する工程と、 銅と反応して水に難溶性で、かつ銅よりも機械的に脆弱
な銅錯体を生成する水溶性の有機酸、研磨砥粒および水
を含有する研磨液を用いて前記第2配線材料膜を研磨処
理することにより前記第2開口部に第2ビアフィルを形
成する工程とを具備したことを特徴とする多層配線構造
を有する半導体装置の製造方法。
24. A semiconductor device comprising a semiconductor substrate having a diffusion layer formed thereon.
1 A groove corresponding to the shape of a wiring layer embedded in an insulating film
Selected from the first opening corresponding to the shape of one via fill
Forming at least one member, and forming on the first insulating film including an inner side surface and a bottom surface of the member.
Forming a barrier layer; and forming a barrier layer comprising copper or a copper alloy on the barrier layer including the member.
Forming a first wiring material film, which reacts with copper, is hardly soluble in water, and is more mechanically weaker than copper.
Water soluble organic acids, abrasive grains and water
The first wiring material film using the polishing liquid containing
The barrier layer is sequentially polished to fill the groove.
A first via hole in the first opening.
Forming one or both of the first and second buried wiring layers and the first via fill.
On the first insulating film including at least one wiring portion to be formed.
Forming a second insulating film; and forming a second insulating film having a bottom reaching the first via fill.
Forming two openings, and forming copper or copper alloy on the second insulating film including the second openings.
Forming a second wiring material film made of gold; reacting with copper to be hardly soluble in water and mechanically weaker than copper
Water soluble organic acids, abrasive grains and water
Polishing the second wiring material film using a polishing solution containing
Forming a second via fill in the second opening.
Forming a multi-layer wiring structure.
A method for manufacturing a semiconductor device having:
【請求項25】 前記バリア層は、TiN,Ti,N
b,WまたはCuTa合金から選ばれる材料から作られ
ることを特徴とする請求項24記載の多層配線構造を有
する半導体装置の製造方法。
25. The barrier layer is made of TiN, Ti, N
made from a material selected from b, W or CuTa alloy
25. The multi-layer wiring structure according to claim 24, wherein
Semiconductor device manufacturing method.
【請求項26】 前記銅合金は、Cu−Si合金、Cu
−Al合金、Cu−Si−Al合金、およびCu−Ag
合金からなる群から選ばれる材料であること を特徴とす
る請求項24記載の多層配線構造を有する半導体装置の
製造方法。
26. The method according to claim 26, wherein the copper alloy is a Cu--Si alloy, Cu
-Al alloy, Cu-Si-Al alloy, and Cu-Ag
Characterized by being a material selected from the group consisting of alloys
25. A semiconductor device having a multilayer wiring structure according to claim 24.
Production method.
【請求項27】 前記研磨液中の前記有機酸は、2−キ
ノリンカルボン酸であることを特徴とする請求項24記
載の多層配線構造を有する半導体装置の製造方法。
27. The organic acid in the polishing liquid,
25. The method according to claim 24, which is a norincarboxylic acid.
A method for manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure as described above.
【請求項28】 前記有機酸は、前記研磨液中に0.1
重量%以上含有されることを特徴とする請求項24記載
の多層配線構造を有する半導体装置の製造方法。
28. The polishing composition according to claim 28, wherein the organic acid is contained in the polishing liquid in an amount of 0.1%.
25. The composition according to claim 24, wherein the content is at least 30% by weight.
A method for manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure.
【請求項29】 前記研磨液中の前記研磨砥粒は、シリ
カ、ジルコニア、酸化セリウムおよびアルミナから選ば
れる少なくとも1つの材料から作られることを特徴とす
る請求項24記載の多層配線構造を有する半導体装置の
製造方法。
29. The polishing abrasive in the polishing liquid,
Select from mosquito, zirconia, cerium oxide and alumina
Characterized by being made from at least one material
25. A semiconductor device having a multilayer wiring structure according to claim 24.
Production method.
【請求項30】 前記研磨砥粒は、前記研磨液中に1〜
20重量%含有されることを特徴とする請求項24記載
の多層配線構造を有する半導体装置の製造方法。
30. The polishing slurry according to claim 1 , wherein
25. The composition according to claim 24, wherein the content is 20% by weight.
A method for manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure.
【請求項31】 前記研磨液中には、さらに銅錯体生成
促進剤として酸化剤を含有することを特徴とする請求項
24記載の多層配線構造を有する半導体装置の製造方
法。
31. A copper complex is further formed in the polishing liquid.
An oxidizing agent is contained as a promoter.
24. A method for manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure according to item 24.
Law.
【請求項32】 前記有機酸に対する前記酸化剤の含有
比率は、重量比率で10倍以上であることを特徴とする
請求項31記載の多層配線構造を有する半導体装置の製
造方法。
32. The oxidizing agent contained in the organic acid.
The ratio is at least 10 times by weight.
32. Manufacturing of a semiconductor device having a multilayer wiring structure according to claim 31.
Construction method.
【請求項33】 前記研磨液中には、さらに界面活性剤
を含有することを特徴とする請求項24記載の多層配線
構造を有する半導体装置の製造方法。
33. The polishing liquid further comprises a surfactant.
25. The multilayer wiring according to claim 24, comprising:
A method for manufacturing a semiconductor device having a structure.
【請求項34】 前記界面活性剤は、前記研磨液中に1
モル/リットル以上添加されることを特徴とする請求項
35記載の多層配線構造を有する半導体装置の製造方
法。
34. The polishing composition according to claim 34, wherein the surfactant is contained in the polishing liquid.
The compound is added in an amount of at least mol / liter.
35. A method for manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure according to 35.
Law.
【請求項35】 前記研磨液中には、さらにpH調整剤
を含有することを特徴とする請求項24記載の多層配線
構造を有する半導体装置の製造方法。
35. The polishing liquid further comprises a pH adjuster.
25. The multilayer wiring according to claim 24, comprising:
A method for manufacturing a semiconductor device having a structure.
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