JP3872925B2

JP3872925B2 - 研磨装置および半導体装置の製造方法

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Publication number: JP3872925B2
Application number: JP2000016951A
Authority: JP
Inventors: 大福島; 博之矢野; 学南幅
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2020-01-26
Also published as: JP2001205554A; US6312321B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造に使用される研磨装置および半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の製造分野において、半導体素子の微細化、半導体装置の高集積化に伴い、種々の微細加工技術が開発されている。その中でも、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）技術は、埋込み金属配線、埋込み素子分離等の埋込み構造を形成するために欠かすことのできない必須の要素技術になっている。
【０００３】
ＣＭＰによって表面に凹凸を有する被研磨面を平坦化する場合、研磨速度はＣＭＰ装置の研磨パッドの表面状態の影響を受ける。従来は、研磨パッドの表面形状を工夫し、研磨パッドの表面にスラリ中の砥粒が十分に保持されるようにしている。
【０００４】
しかし、パッド材料に疎水性の材料が用いられていることから、研磨パッドとスラリとの馴染みは悪いものとなり、研磨パッドと砥粒との間の物理的な吸着力は弱くなる。その結果、研磨パッドに保持されなくなる砥粒（浮遊砥粒）が多くなり、研磨に有効な砥粒の数が減少するので、十分な研磨速度は得られにくい。
【０００５】
また、浮遊砥粒の増加は、エロージョンの抑制を困難なものとする。特に、現在のダマシン配線プロセスにおいては、配線抵抗の増加および配線抵抗のバラツキを抑制し、多層配線の加工を容易にするために、エロージョンを小さく抑えることが最も重要な課題の一つとなっているため、浮遊砥粒の増加は大きな問題となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来のＣＭＰ装置は、研磨パッドの砥粒の保持力が弱く、研磨に有効な砥粒の数が減少し、その結果として十分な研磨速度を得ることが困難になったり、エロージョンを抑制することが困難になるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、研磨パッドが原因となって起こる研磨特性の劣化を防止できる研磨装置および半導体装置の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】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。すなわち、上記課題を解決するために、本発明に係る研磨装置は、前記研磨パッドの表面に砥粒を含むスラリを供給するスラリ供給手段とを備え、前記複数の官能基は、マイナスに帯電した複数の官能基と、プラスに帯電した複数の官能基とからなることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、表面に複数の官能基を有する研磨パッドの表面に砥粒を含むスラリを供給し、前記研磨パッドと接触した半導体基板上の被研磨面を研磨する工程を具備し、前記複数の官能基は、前記砥粒と反対に帯電していることを特徴とする。
【０００９】
このような構成であれば、スラリ中の砥粒に対して適切な官能基を選ぶことによって、研磨パッドに起因する研磨特性の劣化を防止できる。例えば、スラリ中の砥粒が正に帯電する場合、負に帯電する官能基を選べば、砥粒が官能基に電気的に吸着し、研磨パッドの砥粒の保持力が高くなり、その結果として研磨速度の低下およびエロージョンの発生を抑制できるようになる。
【００１０】
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記載および添付図面によって明らかになるであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態（以下、実施形態という）を説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＣｕダマシン配線の形成方法を示す工程断面図である。
【００１３】
まず、図１（ａ）に示すように、素子（不図示）が集積形成されたＳｉ基板１上に層間絶縁膜２を堆積する。
【００１４】
次に図１（ｂ）に示すように、層間絶縁膜２の表面に深さ４００ｎｍの配線溝３をフォトリソグラフィとエッチング（例えばＲＩＥ：Reactive Ion Etching）を用いて形成する。
【００１５】
次に図１（ｃ）に示すように、配線溝３の表面（底面および側面）を被覆するように、バリアメタル膜としての厚さ２０ｎｍのＴａＮ膜４をスパッタリング法を用いて全面に堆積し、続いてスパッタリング法を用いて配線溝３を埋め込むように、配線としての厚さ８００ｎｍのＣｕ膜５を全面に堆積する。
【００１６】
次に図１（ｄ）に示すように、表面にアニオン系官能基を有し、回転可能な研磨パッド６ａ、ｐＨが８．５の過硫酸アンモン、キナルジン酸、アルミナ系スラリを被研磨面に供給するスラリ供給管７を備えたＣＭＰ装置を用いて、配線溝３の外部の不要なＣｕ膜５を除去する（ファーストステップポリッシュ）。本ＣＭＰの他の条件は以下の通りである。すなわち、ＴＲ（Top Ring）／ＴＴ（Turn Table）比は６０／１００、研磨時間は２分間である。
【００１７】
ここで、図２に示すように、スラリ中のアルミナ（砥粒）はプラスに帯電し、パッド表面のアニオン系官能基はマイナスに帯電しているため、スラリ中のアルミナは電気的な引力によってパッド表面のアニオン系官能基に吸着する。
【００１８】
その結果、研磨パッド６ａのアルミナ（砥粒）の保持力が高くなり、図３に示すように、従来に比べて、研磨に有効なアルミナ（砥粒）の数および研磨速度は増加する。
【００１９】
研磨パッド６ａに保持されないアルミナ（浮遊砥粒）は、Ｃｕ膜５の凹部に溜まって凹部の研磨速度を上昇させるため、段差の解消を妨げる。すなわち、エロージョンの抑制を妨げる。
【００２０】
しかし、本発明によれば、図４に示すように、従来に比べて、研磨に有効な砥粒の数が増加し、浮遊砥粒の数が減少するので、エロージョンを抑制することができる。このような効果は、パッド表面にアニオン系官能基およびカチオン系官能基が混在しても期待できるが、十分な効果を期待するためには、パッド表面におけるアニオン系官能基／カチオン系官能基の比は大きい方が好ましい。
【００２１】
最後に、図１（ｅ）に示すように、研磨パッド６ａの代わりに表面にカチオン系官能基を有する研磨パッド６ｂ、ｐＨが１０．５のエチレンジアミン、シリカ系スラリを用いたＣＭＰによって、配線溝３の外部の不要なＴａＮ膜４および配線溝３上の不要なＣｕ膜５を除去して（セカンドステップポリッシュ）、Ｃｕダマシン配線が完成する。このとき、オーバーポリッシングにより層間絶縁膜２も研磨される。
【００２２】
本ＣＭＰの他の条件は以下の通りである。すなわち、ＴＲ（Top Ring）／ＴＴ（Turn Table）比は５０／５０、研磨時間は１分間である。
【００２３】
ここで、図５に示すように、スラリ中のシリカ（砥粒）はマイナスに帯電し、パッド表面のカチオン系官能基はプラスに帯電しているため、スラリ中のシリカは電気的な引力によってパッド表面のカチオン系官能基に吸着する。
【００２４】
その結果、ファーストステップポリッシュの場合と同様、研磨パッド６ｂの砥粒の保持力が高くなるので、研磨速度の増加およびエロージョンの抑制を図ることができる。
【００２５】
なお、セカンドステップポリッシュは、ファーストステップポリッシュに比べて、浮遊砥粒に起因するエロージョンが増大しやすい。その理由は以下の通りである。
【００２６】
セカンドステップポリッシュでは、ＴａＮ膜４、Ｃｕ膜５、層間絶縁膜２が研磨の対象となる。このように複数の異なる膜が被研磨膜として混在する場合、図６に示すように、浮遊砥粒は特定の被研磨膜（層間絶縁膜２）上に集中する。すなわち、被研磨対象によって砥粒集中の度合いが異なってしまう。その結果、被研磨対象の対象の違いによって研磨速度に差が出て期待した研磨速度の選択比（選択比の制御）を実現できなくなり、浮遊砥粒に起因するエロージョンが増大しやすくなる。
【００２７】
なお、本実施形態では、いわゆるシングルダマシン配線の場合について説明したが、本発明はプラグと配線を同時に形成するデュアルダマシン配線にも適用できる。さらに、本実施形態では、配線材料としてＣｕを使用した場合について説明したが、本発明はＡｌ等の他の配線材料を使用した場合に適用できる。
【００２８】
（第２の実施形態）
本実施形態では、パッド表面の官能基を利用した研磨パッドのコンディショニングについて説明する。
【００２９】
一般に、研磨（ＣＭＰ）が進行すると、パッド表面の形状が変化し、研磨パッドの砥粒の保持能力が低下する。したがって、研磨の進行に伴って研磨速度は低下する。
【００３０】
しかし、パッド表面に実質的にアニオン系官能基のみを有する研磨パッドまたは実質的にカチオン系官能基のみを有する研磨パッドを用いると、言い換えれば同一極性の官能基のみを有する研磨パッドを用いると、図７に示すように、官能基が互いに電気的な反発を起こすため、パッド表面の形態を維持することが可能となる。
【００３１】
すなわち、同一極性の官能基のみを有する研磨パッドはそれ自身でコンディショニングを行える。その結果、本発明によれば、図８に示すように、従来に比べて、速い研磨速度を長時間維持できるようになる。これにより、セカンドステップポリッシュを行わず、ファーストステップポリッシュでプロセスを終えることが可能となる。このとき、無論、スクラッチも生じない。
【００３２】
また、ウェハ間で行うコンディショニングにアルカリ性の薬液（ｐＨ１２）を用いれば、研磨パッドに吸着した削りかすおよび砥粒は官能基と同じ極性に帯電する。その結果、研磨パッドに吸着した削りかすおよび砥粒は官能基と互いに反発し合うので、これらの削りかすおよび砥粒をより効果的に除去できるようになる。
【００３３】
（第３の実施形態）
本実施形態では、パッド表面の官能基を利用した他のエロージョン抑制方法について説明する。
【００３４】
研磨パッドを硬くすれば、エロージョンを抑制できるが、スクラッチが増加してしまう。逆に、研磨パッドを柔らかくすれば、スクラッチを抑制できるが、エロージョンが増大してしまう。
【００３５】
本実施形態では、エロージョンおよびスクラッチを抑制するために、パッド表面にアニオン系官能基およびカチオン系官能基を有する研磨パッドを用いる。
【００３６】
このような研磨パッドを用いれば、図９に示すように、アニオン系官能基とカチオン系官能基との間に電気的な引力が働くことになる。その結果、パッド表面の研磨布が絡み合って、適切な硬さを有する研磨パッド、すなわちエロージョンおよびスクラッチを抑制できる程度の硬さの研磨パッドが得られる。また、研磨布が絡み合うことによって、研磨布の厚さは薄くなる。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、適切な官能基を用いることでエロージョンを抑制する例について説明したが、同じ官能基を用いた研磨パッドでも、パッド表面における官能基の密度を高くすることで、図１０に示すように、エロージョンを十分に抑制できるようになる。これは、官能基密度を高くすることで、スラリ中に浮遊砥粒が実質的に存在しなくなるからだと考えられる。
【００３８】
また、官能基としてはアニオン系、カチオン系のもののほかに、両性系または非イオン系のもの、さらにはこれらの少なくとも一種の官能基を含むものが使用可能である。
【００３９】
ここで、アニオン系の官能基は、例えばスルホン酸型、カルボン酸型、硫酸エステル型およびリン酸エステル型の少なくとも一種の官能基を含むもの、カチオン系の官能基は例えばアミン塩型および第４級アンモニウム塩型の少なくとも一種の官能基を含むもの、両性系の官能基は例えばカルボキシベタイン型およびグリシン型の少なくともの一種の官能基を含むもの、非イオン系の官能基は例えばエーテル型、エステル型およびアルカノールアミド型の少なくともの一種の官能基を含むものである。
【００４０】
また、本発明において使用可能な代表的なスラリを前述したものを含めてまとめて列挙すると、酸化アルミニウム、シリカ、ベンガラ、セリア、カーボンもしくは二酸化マンガン、またはこれらの中から選ばれた複数の物質の混合物を含むものである。同様に、研磨パッドと接触する被研磨面を前述したものを含めてまとめて列挙すると、アルミニウム、銅、タングステン、チタン、ニオブ、タンタル、銀、バナジウム、ルテニウムもしくはプラチナ、またはその酸化物、窒化物、ホウ化物もしくは合金からなる面、またはこれらの中から選ばれた複数の面である。
【００４１】
また、上記実施形態では、本発明のＣＭＰ装置をダマシン配線（埋込み金属配線）の形成プロセスに用いた場合について説明したが、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）における埋込み素子分離構造など他の埋込み構造の形成プロセスにも用いることができる。
【００４２】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、スラリ中の砥粒に対して適切な官能基を選ぶことによって、研磨パッドに起因する研磨特性の劣化を防止できる研磨装置および半導体装置の製造方法を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るＣｕダマシン配線の形成方法を示す工程断面図
【図２】第１の実施形態で使用する研磨パッドのアルミナを含むスラリ中での表面状態を示す模式図
【図３】本発明の研磨速度に関しての効果を説明するための図
【図４】本発明のエロージョンに関しての効果を説明するための図
【図５】第１の実施形態の研磨パッドのシリカを含むスラリ中での表面状態を示す模式図
【図６】セカンドステップポリッシュにおける問題点を説明するための断面図
【図７】第２の実施形態で使用する研磨パッドのスラリ中での表面状態を示す模式図
【図８】本発明の研磨速度の時間依存性に関しての効果を説明するための図
【図９】第３の実施形態で使用する研磨パッドのスラリ中での表面状態を示す模式図
【図１０】エロージョンの官能基密度依存性を示す図
【符号の説明】
１…Ｓｉ基板
２…層間絶縁膜
３…配線溝
４…ＴａＮ膜（バリアメタル膜）
５…配線（Ｃｕ膜）
６ａ，６ｂ…研磨パッド
７…スラリ供給管（スラリ供給手段）

Claims

表面に複数の官能基を有する研磨パッドと、
前記研磨パッドの表面に砥粒を含むスラリを供給するスラリ供給手段と
を具備し、前記複数の官能基は、マイナスに帯電した複数の官能基と、プラスに帯電した複数の官能基とからなることを特徴とする研磨装置。
表面に複数の官能基を有する研磨パッドの表面に砥粒を含むスラリを供給し、前記研磨パッドと接触した半導体基板上の被研磨面を研磨する工程を具備し、前記複数の官能基は、前記砥粒と反対に帯電していることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記スラリ中に浮遊砥粒が実質的に存在しなくなるように、前記研磨パッドの表面における前記複数の官能基の密度が選ばれていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記複数の官能基は、アニオン系、カチオン系、両性系および非イオン系の少なくとも一種の官能基を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記アニオン系の官能基はスルホン酸型、カルボン酸型、硫酸エステル型およびリン酸エステル型の少なくとも一種の官能基を含み、前記カチオン系の官能基はアミン塩型および第４級アンモニウム塩型の少なくとも一種の官能基を含み、前記両性系の官能基はカルボキシベタイン型およびグリシン型の少なくともの一種の官能基を含み、前記非イオン系の官能基はエーテル型、エステル型およびアルカノールアミド型の少なくともの一種の官能基を含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
前記砥粒は、酸化アルミニウム、シリカ、ベンガラ、セリア、カーボンもしくは二酸化マンガン、またはこれらの中から選ばれた複数の物質の混合物を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記研磨パッドと接触する被研磨面は、アルミニウム、銅、タングステン、チタン、ニオブ、タンタル、銀、バナジウム、ルテニウムもしくはプラチナ、またはその酸化物、窒化物、ホウ化物もしくは合金からなる面、またはこれらの中から選ばれた複数の面であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。