JP3365375B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、特に絶縁膜に溝又はスルーホールを形成
し、そこに銅を主体とする金属を埋め込む構造の配線の
形成方法に関する。
方法に関し、特に絶縁膜に溝又はスルーホールを形成
し、そこに銅を主体とする金属を埋め込む構造の配線の
形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の配線形成方法として、特開平８−
２６４４８０号公報に示される埋込配線、或いは、埋込
電極の形成方法について図２を用いて説明する。
２６４４８０号公報に示される埋込配線、或いは、埋込
電極の形成方法について図２を用いて説明する。
【０００３】まず、半導体基板１１上にはゲート電極２
５とそれを覆う層間絶縁膜１２を形成し、層間絶縁膜１
２をリソグラフィー・エッチング技術でエッチング除去
して、ソース・ドレイン電極用コンタクトホール１３及
びゲート電極用コンタクトホール２３を形成する（図２
（ａ））。
５とそれを覆う層間絶縁膜１２を形成し、層間絶縁膜１
２をリソグラフィー・エッチング技術でエッチング除去
して、ソース・ドレイン電極用コンタクトホール１３及
びゲート電極用コンタクトホール２３を形成する（図２
（ａ））。
【０００４】次に、スパッタリング法を使用して５０ｎ
ｍの密着性補強膜である窒化チタン（ＴｉＮ）膜１４を
堆積し、更にその上にＣＶＤ法でタングステン（Ｗ）膜
１６を堆積してコンタクトホール１３及びゲート電極用
コンタクトホール２３を上記電極材料膜で埋める。この
配線材料としてはＷ膜に限られず、銅（Ｃｕ）、アルミ
ニウム（Ａｌ）等を適宜採用することが出来る（図２
（ｂ））。
ｍの密着性補強膜である窒化チタン（ＴｉＮ）膜１４を
堆積し、更にその上にＣＶＤ法でタングステン（Ｗ）膜
１６を堆積してコンタクトホール１３及びゲート電極用
コンタクトホール２３を上記電極材料膜で埋める。この
配線材料としてはＷ膜に限られず、銅（Ｃｕ）、アルミ
ニウム（Ａｌ）等を適宜採用することが出来る（図２
（ｂ））。
【０００５】次に、この電極材料膜を研磨し、コンタク
トホール以外の部分に層間絶縁膜１２を露出させ，埋込
Ｗ電極１７を得る（図２（ｃ））。この研磨条件として
は２５０〜５００ｇ／ｃｍ2の圧力、ウェハーヘッドの
回転数１００ｒｐｍ、テーブルの回転数４０〜５０ｒｐ
ｍを使用し、研磨布には米国ロデール社製のＩＣ１００
０とＳＵＢＡ４００の積層構造か、或いは、ＳＵＢＡ４
００の単層構造パッドを使用する。また、研磨剤にはＡ
ｌ２Ｏ３粒子を用いる研磨剤を使用し、フタル酸アミド
等の添加剤を使用する。
トホール以外の部分に層間絶縁膜１２を露出させ，埋込
Ｗ電極１７を得る（図２（ｃ））。この研磨条件として
は２５０〜５００ｇ／ｃｍ2の圧力、ウェハーヘッドの
回転数１００ｒｐｍ、テーブルの回転数４０〜５０ｒｐ
ｍを使用し、研磨布には米国ロデール社製のＩＣ１００
０とＳＵＢＡ４００の積層構造か、或いは、ＳＵＢＡ４
００の単層構造パッドを使用する。また、研磨剤にはＡ
ｌ２Ｏ３粒子を用いる研磨剤を使用し、フタル酸アミド
等の添加剤を使用する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の製造方法で
は、電極材料膜としてＣｕ膜、ＴｉＮ膜を、層間絶縁膜
に酸化膜を使用したときに、バリア膜としてのＴｉＮ膜
は、層間酸化膜との密着性が悪く、又、Ｃｕ膜から層間
酸化膜へのＣｕの拡散を防止する力が弱くＣｕの酸化膜
への拡散が懸念される。そのため、下地酸化膜に対して
密着性が良く、下地酸化膜へのＣｕ拡散の生じない金属
膜構造に対して適切な研磨方法を適用する必要がある。
は、電極材料膜としてＣｕ膜、ＴｉＮ膜を、層間絶縁膜
に酸化膜を使用したときに、バリア膜としてのＴｉＮ膜
は、層間酸化膜との密着性が悪く、又、Ｃｕ膜から層間
酸化膜へのＣｕの拡散を防止する力が弱くＣｕの酸化膜
への拡散が懸念される。そのため、下地酸化膜に対して
密着性が良く、下地酸化膜へのＣｕ拡散の生じない金属
膜構造に対して適切な研磨方法を適用する必要がある。
【０００７】本発明の目的は、層間絶縁膜に設けられた
溝に銅を主体とするバリア性の良い配線を埋め込むため
に、制御性、生産性の両面から最適な製造方法を提供す
ることにある。
溝に銅を主体とするバリア性の良い配線を埋め込むため
に、制御性、生産性の両面から最適な製造方法を提供す
ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、絶縁膜に溝を設け、前記溝を含む前記絶縁膜
上に少なくとも銅を含む金属膜を堆積して、前記溝の中
心部上方における前記金属膜の表面を前記絶縁膜の表面
よりも高くし、銅よりも硬度の高い金属研磨粒子を含む
研磨剤を用いて前記金属膜の表面を前記絶縁膜の表面が
露出するまで研磨し、前記絶縁膜の表面に前記金属研磨
粒子を溶解させる溶媒を供給して研磨を停止させること
を特徴とし、前記金属膜は、下層から順に窒化タンタル
（ＴａＮ）、銅（Ｃｕ）の順に堆積した積層膜である
か、或いは、前記金属膜は、下層から順に窒化タンタル
（ＴａＮ）、タンタル（Ｔａ）、銅（Ｃｕ）の順に堆積
した積層膜である、というもので、前記銅は、スパッタ
法により堆積した銅シード膜と、その上に電解メッキ法
により堆積した銅メッキ膜とからなり、前記金属研磨粒
子は、少なくとも窒素原子（Ｎ）が添加されたタンタル
（Ｔａ）粒子又はチタン（Ｔｉ）粒子からなる、という
ものである。
造方法は、絶縁膜に溝を設け、前記溝を含む前記絶縁膜
上に少なくとも銅を含む金属膜を堆積して、前記溝の中
心部上方における前記金属膜の表面を前記絶縁膜の表面
よりも高くし、銅よりも硬度の高い金属研磨粒子を含む
研磨剤を用いて前記金属膜の表面を前記絶縁膜の表面が
露出するまで研磨し、前記絶縁膜の表面に前記金属研磨
粒子を溶解させる溶媒を供給して研磨を停止させること
を特徴とし、前記金属膜は、下層から順に窒化タンタル
（ＴａＮ）、銅（Ｃｕ）の順に堆積した積層膜である
か、或いは、前記金属膜は、下層から順に窒化タンタル
（ＴａＮ）、タンタル（Ｔａ）、銅（Ｃｕ）の順に堆積
した積層膜である、というもので、前記銅は、スパッタ
法により堆積した銅シード膜と、その上に電解メッキ法
により堆積した銅メッキ膜とからなり、前記金属研磨粒
子は、少なくとも窒素原子（Ｎ）が添加されたタンタル
（Ｔａ）粒子又はチタン（Ｔｉ）粒子からなる、という
ものである。
【０００９】又、上記半導体装置の製造方法の主たる構
成要件の一つとして、前記溶媒は、弗酸系溶液である、
というものである。
成要件の一つとして、前記溶媒は、弗酸系溶液である、
というものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態の説明にいる前
に、本発明の特徴を簡記しておく。
に、本発明の特徴を簡記しておく。
【００１１】酸化膜に溝又はスルーホールを形成して、
そこにＣｕ膜を埋め込むに当たって、主成分がタンタル
またはチタンと同等の硬度を有する粒子の研磨剤をＣｕ
膜及びＴａ系バリア膜の研磨に使用し、酸化膜が露出し
た時に研磨粒子を溶解させる溶媒を研磨パッド上に供給
して、研磨を停止させると同時に酸化膜表面をクリーニ
ングするものである。
そこにＣｕ膜を埋め込むに当たって、主成分がタンタル
またはチタンと同等の硬度を有する粒子の研磨剤をＣｕ
膜及びＴａ系バリア膜の研磨に使用し、酸化膜が露出し
た時に研磨粒子を溶解させる溶媒を研磨パッド上に供給
して、研磨を停止させると同時に酸化膜表面をクリーニ
ングするものである。
【００１２】研磨剤の主成分はＴａ粒子のＴａ系研磨
剤、またはＴｉ粒子のＴｉ系研磨剤（ともに分散剤添加
の純水中、０．２μｍサイズで存在可能）を使用し、Ｃ
ｕ膜とＴａ系膜のみの研磨に用いる。トルク検出による
酸化膜が露出した時にＴａ系研磨剤の供給を停止する。
この時Ｔａ粒子、またはＴｉ粒子である研磨粒子を溶解
させる溶媒を研磨パッド上に供給するが、この溶媒は例
えばフッ酸系溶液が望ましい。
剤、またはＴｉ粒子のＴｉ系研磨剤（ともに分散剤添加
の純水中、０．２μｍサイズで存在可能）を使用し、Ｃ
ｕ膜とＴａ系膜のみの研磨に用いる。トルク検出による
酸化膜が露出した時にＴａ系研磨剤の供給を停止する。
この時Ｔａ粒子、またはＴｉ粒子である研磨粒子を溶解
させる溶媒を研磨パッド上に供給するが、この溶媒は例
えばフッ酸系溶液が望ましい。
【００１３】次に、本発明の実施形態について、図１を
用いて説明する。図１（ａ）〜（ｄ）は、酸化膜に溝を
設けて、そこにＣｕ膜を配線主体とするＣｕ膜ダマシン
配線を形成する製造方法を工程順に示す断面図である。
用いて説明する。図１（ａ）〜（ｄ）は、酸化膜に溝を
設けて、そこにＣｕ膜を配線主体とするＣｕ膜ダマシン
配線を形成する製造方法を工程順に示す断面図である。
【００１４】図１（ａ）に示すように、半導体基板１上
に形成した層間酸化膜２中にリソグラフィー・エッチン
グ技術で溝３を形成する。次に、スパッタリング法を使
用して３０ｎｍの密着性補強及び拡散防止膜であるＴａ
Ｎ膜４、続いてシードＣｕ膜５を成膜後、電解メッキ法
でメッキＣｕ膜６を全面に埋設する。
に形成した層間酸化膜２中にリソグラフィー・エッチン
グ技術で溝３を形成する。次に、スパッタリング法を使
用して３０ｎｍの密着性補強及び拡散防止膜であるＴａ
Ｎ膜４、続いてシードＣｕ膜５を成膜後、電解メッキ法
でメッキＣｕ膜６を全面に埋設する。
【００１５】次に、図１（ｂ）に示すように、この電極
材料膜をメッキＣｕ膜６、シードＣｕ膜５、ＴａＮ膜４
の順に研磨するが、図は、研磨中の様子を示している。
材料膜をメッキＣｕ膜６、シードＣｕ膜５、ＴａＮ膜４
の順に研磨するが、図は、研磨中の様子を示している。
【００１６】次に、図１（ｃ）に示すように、研磨を溝
３以外の部分に層間酸化膜２の表面が露出するまで行
い、Ｃｕ溝配線７を形成する。研磨剤は主成分がＴａ粒
子のＴａ系研磨剤８、またはＴｉ粒子のＴｉ系研磨剤を
使用する。この研磨剤はＣｕ膜とＴａ系膜のみに使用
し、トルク検出により層間酸化膜２表面が露出した時に
Ｔａ粒子、またはＴｉ粒子である研磨粒子を溶解させる
フッ酸系溶液９を研磨パッド上に供給し、Ｔａ系研磨剤
８の供給を停止する。
３以外の部分に層間酸化膜２の表面が露出するまで行
い、Ｃｕ溝配線７を形成する。研磨剤は主成分がＴａ粒
子のＴａ系研磨剤８、またはＴｉ粒子のＴｉ系研磨剤を
使用する。この研磨剤はＣｕ膜とＴａ系膜のみに使用
し、トルク検出により層間酸化膜２表面が露出した時に
Ｔａ粒子、またはＴｉ粒子である研磨粒子を溶解させる
フッ酸系溶液９を研磨パッド上に供給し、Ｔａ系研磨剤
８の供給を停止する。
【００１７】この研磨パッド上でのリンス効果により、
図１（ｄ）に示すように、Ｔａ粒子で発生したスクラッ
チも除去されたクリーンな表面を有する半導体装置が得
られる。
図１（ｄ）に示すように、Ｔａ粒子で発生したスクラッ
チも除去されたクリーンな表面を有する半導体装置が得
られる。
【００１８】Ｃｕと純Ｔａの硬さは同じであるが、Ｔａ
に不純物が添加されると硬さは増大する。例えば重量％
で表すと、Ｃ；０．００２％、Ｏ；０．００６％、Ｎ；
＜０．００１％含有されているＴａの硬度に比べ、Ｃ；
０．００３％、Ｏ；０．０７７％、Ｎ；０．０２７％含
有されているＴａは２倍の硬度を示す。このことによ
り、硬度はＣｕ＜不純物含有Ｔａと推測出来、Ｔａ系粒
子を主成分とした研磨剤でＣｕ膜を研磨することが可能
になる。又、上記の不純物添加をＴｉに対して行い、Ｔ
ｉ系粒子を主成分とした研磨剤を用いてＣｕ膜を研磨す
ることも可能である。
に不純物が添加されると硬さは増大する。例えば重量％
で表すと、Ｃ；０．００２％、Ｏ；０．００６％、Ｎ；
＜０．００１％含有されているＴａの硬度に比べ、Ｃ；
０．００３％、Ｏ；０．０７７％、Ｎ；０．０２７％含
有されているＴａは２倍の硬度を示す。このことによ
り、硬度はＣｕ＜不純物含有Ｔａと推測出来、Ｔａ系粒
子を主成分とした研磨剤でＣｕ膜を研磨することが可能
になる。又、上記の不純物添加をＴｉに対して行い、Ｔ
ｉ系粒子を主成分とした研磨剤を用いてＣｕ膜を研磨す
ることも可能である。
【００１９】また、フッ酸に対して、Ｔａは溶解し、Ｃ
ｕは溶解しない性質をもつ。一般に窒素の化合物は単体
金属と異なり、きわめて硬く、高融点であることから、
ＴａＮはＴａに比べフッ酸でのエッチングレートが小さ
い。よって、Ｔａ系粒子を用い研磨した後、下地の層間
酸化膜上の傷を除去する目的でパッド上にフッ酸を供給
しても、密着層であるＴａＮ膜はエッチングされない。
ｕは溶解しない性質をもつ。一般に窒素の化合物は単体
金属と異なり、きわめて硬く、高融点であることから、
ＴａＮはＴａに比べフッ酸でのエッチングレートが小さ
い。よって、Ｔａ系粒子を用い研磨した後、下地の層間
酸化膜上の傷を除去する目的でパッド上にフッ酸を供給
しても、密着層であるＴａＮ膜はエッチングされない。
【００２０】Ｃｕ膜のバリア層であるＴａＮ膜の研磨時
に高研磨速度を維持したまま、絶縁膜にスクラッチの無
いダマシン配線形成が容易になる。なぜなら、Ｔａ系粒
子またはＴｉ系粒子の研磨剤をＣｕ膜とＴａ系膜に使用
し、層間酸化膜が露出した時に粒子を溶解させる溶媒を
研磨パッドに供給しているからである。
に高研磨速度を維持したまま、絶縁膜にスクラッチの無
いダマシン配線形成が容易になる。なぜなら、Ｔａ系粒
子またはＴｉ系粒子の研磨剤をＣｕ膜とＴａ系膜に使用
し、層間酸化膜が露出した時に粒子を溶解させる溶媒を
研磨パッドに供給しているからである。
【００２１】上記の実施形態においては、バリア膜とし
てＴａＮ膜単層膜を用いたが、ＴａＮ膜単層膜に代え
て、ＴａＮ膜の上にＴａ膜を積層させたバリア膜を使用
し、Ｃｕ膜／Ｔａ膜／ＴａＮ膜（左側が上層を意味す
る）構造の積層膜に対して、第１の実施形態と同様の研
磨方法を適用すれば、Ｃｕ膜／Ｔａ膜／ＴａＮ膜（左側
が上層を意味する）構造のダマシン配線が得られる。本
発明による研磨方法は、Ｔａ膜をＴａＮ膜とＣｕ膜との
間に挟んでＣｕの層間酸化膜への拡散防止力を更に強化
させた配線構造にも有効である。
てＴａＮ膜単層膜を用いたが、ＴａＮ膜単層膜に代え
て、ＴａＮ膜の上にＴａ膜を積層させたバリア膜を使用
し、Ｃｕ膜／Ｔａ膜／ＴａＮ膜（左側が上層を意味す
る）構造の積層膜に対して、第１の実施形態と同様の研
磨方法を適用すれば、Ｃｕ膜／Ｔａ膜／ＴａＮ膜（左側
が上層を意味する）構造のダマシン配線が得られる。本
発明による研磨方法は、Ｔａ膜をＴａＮ膜とＣｕ膜との
間に挟んでＣｕの層間酸化膜への拡散防止力を更に強化
させた配線構造にも有効である。
【００２２】
【発明の効果】上述のように、Ｃｕ膜／ＴａＮ膜（左側
が上層を意味する）構造のダマシン配線を形成するに当
たって、Ｃｕ膜及びＴａＮ膜をＣｕよりも硬度の高いＴ
ａ系研磨剤又はＴｉ系研磨剤を用いて研磨し、下地の酸
化膜表面が露出した時点で研磨剤を溶解するフッ酸系溶
液を研磨パッド上に供給して研磨剤の供給を停止させる
ことにより、研磨を高速に行えると共に、研磨で発生し
たスクラッチもフッ酸系溶液によるリンス効果により除
去できる、という効果がある。
が上層を意味する）構造のダマシン配線を形成するに当
たって、Ｃｕ膜及びＴａＮ膜をＣｕよりも硬度の高いＴ
ａ系研磨剤又はＴｉ系研磨剤を用いて研磨し、下地の酸
化膜表面が露出した時点で研磨剤を溶解するフッ酸系溶
液を研磨パッド上に供給して研磨剤の供給を停止させる
ことにより、研磨を高速に行えると共に、研磨で発生し
たスクラッチもフッ酸系溶液によるリンス効果により除
去できる、という効果がある。
【図１】本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を工
程順に示す断面図である。
程順に示す断面図である。
【図２】従来の半導体装置の製造方法を工程順に示す断
面図である。
面図である。
１、１１ 半導体基板
２ 層間酸化膜
３ 溝
４ ＴａＮ膜
５ シードＣｕ膜
６ メッキＣｕ膜
７ Ｃｕ溝配線
８ 研磨剤
９ フッ酸系溶液
１２ 層間絶縁膜
１３、２３ コンタクトホール
１４ ＴｉＮ膜
１６ Ｗ膜
１７ 埋込Ｗ電極
２５ ゲート電極
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ
Ｈ０１Ｌ 21/3205 Ｈ０１Ｌ 21/88 Ｍ
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 21/3213
H01L 21/28 301
H01L 21/304 621
H01L 21/304 622
H01L 21/3205
Claims (7)
- 【請求項１】 絶縁膜に溝を設け、前記溝を含む前記絶
縁膜上に少なくとも銅を含む金属膜を堆積して、前記溝
の中心部上方における前記金属膜の表面を前記絶縁膜の
表面よりも高くし、銅よりも硬度の高い金属研磨粒子を
含む研磨剤を用いて前記金属膜の表面を前記絶縁膜の表
面が露出するまで研磨し、前記絶縁膜の表面に前記金属
研磨粒子を溶解させる溶媒を供給して研磨を停止させる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項２】 前記金属膜は、下層から順に窒化タンタ
ル（ＴａＮ）、銅（Ｃｕ）の順に堆積した積層膜である
請求項１記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項３】 前記金属膜は、下層から順に窒化タンタ
ル（ＴａＮ）、タンタル（Ｔａ）、銅（Ｃｕ）の順に堆
積した積層膜である請求項１記載の半導体装置の製造方
法。 - 【請求項４】 前記銅は、スパッタ法により堆積した銅
シード膜と、その上に電解メッキ法により堆積した銅メ
ッキ膜とからなる請求項２又は３記載の半導体装置の製
造方法。 - 【請求項５】 前記金属研磨粒子は、少なくとも窒素原
子（Ｎ）が添加されたタンタル（Ｔａ）粒子からなる請
求項１、２、３又は４記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項６】 前記金属研磨粒子は、少なくとも窒素原
子（Ｎ）が添加されたチタン（Ｔｉ）粒子からなる請求
項１、２、３又は４記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項７】 前記溶媒は、弗酸系溶液である請求項
１、２、３、４、５又は６記載の半導体装置の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30332699A JP3365375B2 (ja) | 1999-10-26 | 1999-10-26 | 半導体装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30332699A JP3365375B2 (ja) | 1999-10-26 | 1999-10-26 | 半導体装置の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001127065A JP2001127065A (ja) | 2001-05-11 |
| JP3365375B2 true JP3365375B2 (ja) | 2003-01-08 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30332699A Expired - Fee Related JP3365375B2 (ja) | 1999-10-26 | 1999-10-26 | 半導体装置の製造方法 |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP3365375B2 (ja) |
-
1999
- 1999-10-26 JP JP30332699A patent/JP3365375B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2001127065A (ja) | 2001-05-11 |
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