JP3913196B2

JP3913196B2 - 配線の形成方法

Info

Publication number: JP3913196B2
Application number: JP2003162217A
Authority: JP
Inventors: 健司小林
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2023-06-06
Also published as: JP2004363464A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＭＰ（化学機械的研磨）法を用いてダマシン構造の配線を形成する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＣＭＰ法を用いてダマシン構造のＣｕ配線を形成する方法は、例えば特許文献１に示されている。この従来のＣｕ配線を形成する方法は、層間絶縁膜にドライエッチングにより配線溝を形成して、配線溝を含む層間絶縁膜の上にバリア層（例えばＴａＮ層）、シードＣｕを堆積させめっきによりＣｕを埋め込んでいく。そして、ＣＭＰにより余剰なＣｕを取り除き、Ｃｕ配線を形成する。この時、ダマシン構造形成時に使用するＣＭＰに、腐食、スクラッチ、研磨粒子など、表面欠陥を発生させず平坦化を行う事は非常に困難である。それはＣＭＰ自体がスラリーを用いて機械的に研磨を行っているからである。
【０００３】
そのため、Ｃｕ−ＣＭＰ、バリア層ＣＭＰの後に、溶液を用いてバフ研磨（仕上げ研磨：ソフトな研磨）を行うステップと、抑制剤溶液又は脱イオン水を用いてリンスするステップと、研磨スラリーを使用してバフ研磨を行うステップと、抑制剤溶液又は脱イオン水でリンスを行うステップとを備える事により、Ｃｕ−ＣＭＰ、バリア層ＣＭＰで発生したスクラッチ（傷）等の表面欠陥を低減している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１５６０２９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような従来技術によれば、ＣＭＰの後にバフ上で研磨を行うことにより、基板上にできたスクラッチ（傷）を少なくできるため、配線間のショートを低減する効果がある。これは、配線溝と配線溝との間にスクラッチがあると、それに導電膜（銅）が埋め込まれて、配線間にショートが発生してしまうので、スクラッチを少なくすることで配線間のショートを低減できるのである。
【０００６】
しかしながら、Ｃｕ−ＣＭＰ後（銅配線を形成した後）、スクラッチに埋め込まれた導電膜を除去するために、銅除去用のスラリーでバフ研磨を行うと、銅と層間絶縁膜である酸化膜（ＳｉＯ₂膜）との選択比が、一般的にＣｕ：ＳｉＯ₂＝５００：１程度である為、酸化膜は除去されず、銅がより研磨されるので、ディッシング（銅配線のへこみ：余分に銅配線が除去され配線表面がへこむ）が大きくなって配線膜厚が減少し、配線抵抗が増大してしまう。
【０００７】
さらに銅除去用のスラリーでバフ研磨を行うと、基板上は配線が形成された状態のため、配線に対し過剰にケミカルエッチングがかかり腐食を起こしやすくなる。逆に銅を研磨しにくい、バリア層用ＣＭＰスラリー（例えばＴａＮ除去用スラリー）を用いて研磨を行うと、配線間のショートを引き起こしている原因である、Ｃｕを取り除く事は難しくなる。
【０００８】
そこで本発明は、配線膜厚の減少（膜減り）を抑え配線抵抗の増大を防止することができるとともに、配線間のショートを防止することができる配線の形成方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線の形成方法は、基板上に形成された絶縁膜に、第１の配線用溝と第１の配線用溝に近接する第２の配線用溝を形成する工程と、第１、第２の配線用溝にバリア膜、配線用導電膜をその順に堆積する工程と、次に、第１、第２の配線用溝からはみ出した部分の配線用導電膜を除去する第１の研磨工程と、次に、第１、第２の配線用溝からはみ出した部分のバリア膜を除去する第２の研磨工程と、次に、第１、第２の配線用溝間の絶縁膜表面上に酸化剤を供給する酸化処理工程と、次に、腐食抑制剤を含むスラリーを用いて、第１、第２の配線用溝間の絶縁膜表面を研磨する第３の研磨工程とを含んでいる。
【００１０】
本発明によれば、第１、第２の研磨工程の後に、酸化処理工程を行うことにより、研磨時に発生した第１の配線と第２の配線との間の絶縁膜表面の傷（スクラッチ）中に入った導電膜材料を酸化することができ、その後の第３の研磨工程において、第１の配線と第２の配線との間の絶縁膜表面の傷（スクラッチ）中の酸化された導電膜材料を除去できるため、配線間ショートの発生を防止することができる。
【００１１】
また、従来例のように金属配線用スラリー（銅除去用スラリー）を使用して研磨を行うと、配線の膜減りが拡大するが、酸化剤により配線用導電膜の最表面のみを酸化させ、酸化部分のみを除去することでそれ以上の配線の膜減りを抑えることができるので、配線抵抗の増大を抑制した、高性能な配線を形成することができる。
【００１２】
本発明において、第３の研磨工程ではスクラッチ中に浅く埋め込まれ酸化された導電膜材料を除去するだけなので、第３の研磨工程の研磨時間は、第１、第２の各研磨工程の研磨時間よりも短くすることが好ましい。
【００１３】
また、第１の配線用溝と第２の配線用溝との間隔は、０．２５μｍ以下であることが本発明による効果がより顕著となる。これは上記の０．２５μｍ以下の場合に第１、第２の配線間をまたぐスクラッチが形成されやすくなるからである。
【００１４】
また、配線用導電膜は銅膜であり、バリア膜はタンタル膜、窒化タンタル膜またはそれらの積層構造膜であることが好ましい。
【００１５】
また、第２の研磨工程の後で酸化処理工程の前に、基板表面の異物を除去する工程を有することにより、後の酸化物を除去する第３の研磨工程において、基板表面の異物が原因となって再度発生する傷（スクラッチ）を防止できる。
【００１６】
この場合、異物を除去する工程は、第１、第２、または第３の研磨工程と同一装置で行うことにより、ウエハ（基板）の装置間の移動を少なくし、スループットの向上を図れる。
【００１７】
また、異物を除去する工程は、基板表面に有機酸、有機アルカリ、もしくは純水を供給することにより行うことができる。
【００１９】
また、本発明において、バリア膜を設けない配線構造としても構わない。この場合、第１、第２の配線用溝にバリア膜を堆積する処理と、第１、第２の配線用溝からはみ出した部分のバリア膜を除去する研磨工程とが省略される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照ながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態における製造方法を示す工程順断面図、図２は同製造方法で用いるＣＭＰ装置の概略図である。
【００２１】
まず、図１（ａ）に示すように、Ｓｉ等の基板１上に絶縁膜２、例えばＳｉＯ₂膜を堆積する。
【００２２】
次に、図１（ｂ）に示すように、リソグラフィー技術を用いて絶縁膜２上にレジストパターン（図示せず）を形成し、それをマスクにして、ドライエッチングにより配線溝３を形成する。このとき図１（ｂ）に示すように配線溝３の間隔Ｌは０．２０μｍである。
【００２３】
その後、図１（ｃ）に示すように、配線溝３を完全に埋め込まないように、バリア膜４、例えばＴａＮ膜を堆積し、その後バリア膜４上に導電膜５、例えばＣｕ膜をめっき法により配線溝３を埋め込むように堆積する。
【００２４】
続いて、図１（ｄ）に示すように、配線溝３からはみ出した導電膜５をＣＭＰ工程により除去する（第１の研磨工程）。この工程は図２のＣＭＰ装置内の第１のプラテン１０で行う。基板１は、図２に示すＣＭＰ装置の外部からアンロードした後、第１のプラテン１０に移動させて第１の研磨工程を実施する。
【００２５】
次に、図１（ｅ）に示すように、ＣＭＰを用いて配線溝３からはみ出したバリア膜４を除去する（第２の研磨工程）。この工程は、図２に示す第２のプラテン１１で行う。ここで、ＣＭＰ時に発生するスクラッチ等により配線溝３間の絶縁膜２表面に傷（スクラッチ）が付き、その傷の中に、図１（ｄ）のＣＭＰ時に除去された導電膜５の一部分である導電膜材料６が埋め込まれる場合がある。このことにより、隣接した配線溝３、３間をつなぐＣｕなどの導電膜材料による「擬似的な架橋構造」が形成されてしまい、配線間がショートする状態となる場合がある。
【００２６】
その後、図１（ｆ）に示すように、図２の第３のプラテン１２上で、基板表面に残っている研磨くず７などの異物を除去するため洗浄を行う。このとき用いる溶液は、例えば有機酸、有機アルカリ、超純水などである。ここで研磨くず７を除去する理由は以下の通りである。次の工程で「酸化剤を供給した後、第３の研磨（酸化物を除去するＣＭＰ研磨）」を行うが、第３の研磨時に研磨くず７が基板の表面に残っていると、またその研磨くず７が原因となって余分な「スクラッチ」が発生してしまう。よってここでいったんプラテン１２上に残り、スクラッチを発生させる研磨くず７などの異物を除去してから、酸化処理、第３の研磨を実施するのである。
【００２７】
続いて、第３のプラテン１２上で図１（ｇ）に示すように、Ｃｕなどの導電膜５を酸化する酸化剤８を基板表面上に供給する（酸化剤リンス工程）。この酸化剤８を用いた酸化処理により、絶縁膜２表面の傷中に埋め込まれた導電膜材料６を酸化し、酸化物（酸化されたＣｕ）６ａをつくる。この時、配線溝３内の導電膜５の表面部分にも酸化物（酸化されたＣｕ）９が形成される。ここで用いる酸化剤８は、例えば過酸化水素水などである。酸化剤８は、極端に酸化力の強い酸化剤を使用すると、Ｃｕに対し膜減りや腐食などの不良を発生させてしまうし、また酸化力が弱いと銅表面を十分に酸化できないので適度な酸化力をもつ酸化剤を用いる。
【００２８】
この第３のプラテン１２上で酸化剤リンスを使用した場合、プラテン１２上に酸化剤８が残ってしまう。酸化剤８が残った状態で、次の工程の酸化物除去のＣＭＰ研磨を行うと、酸化剤とスラリーが化学反応を起こしたり、酸化剤を用いながら研磨を行うことになるので、ディッシング（銅配線のへこみ：余分に銅配線が除去され配線表面がへこむ）が拡大するおそれがある為、酸化剤８が残らないように、プラテン１２上に超純水を供給してプラテン１２上を洗浄しておく。
【００２９】
次に、図１（ｈ）に示すように、第３のプラテン１２で、Ｃｕなどの導電膜５の腐食（酸化）を抑制する腐食抑制剤（酸化抑制剤）の入ったスラリーを用いたＣＭＰにより酸化物（酸化されたＣｕ）６ａ，９を除去する（第３の研磨工程）。第３の研磨工程の後、図２に示すようにＣＭＰ装置から外部へ基板をロードする。第３の研磨工程での研磨は、研磨時にあらたにスクラッチの発生、配線間ショートの発生、配線用導電膜の膜減りを抑えるため、通常の研磨工程よりも低荷重、低回転で行う。その結果、配線間の絶縁膜２表面の傷中に埋め込まれた導電膜材料６を除去することができるため、配線間ショートの発生を防ぐことが出来る。さらに、導電膜に対する腐食（酸化）抑制剤の効果により配線表面が酸化されるのを防止できるため、形成された配線の大幅な膜減りも抑えられる。なお、図１（ｅ）〜（ｇ）では、見やすくするため、傷中に埋め込まれた導電膜材料６および酸化物（酸化されたＣｕ）６ａ，９の厚みを拡大して示している。
【００３０】
以上のようにこの実施の形態によれば、研磨時に発生した基板表面の異物を除去した後、基板表面の配線用導電膜５を酸化させる溶液を用いてリンスし、腐食抑制剤の入ったスラリーで研磨することにより、傷中の導電膜材料６の銅を除去することができ、配線間ショートの発生頻度を低減できる。
【００３１】
また、従来例のように金属配線用スラリー（銅除去用スラリー）を使用して研磨を行うと、配線の膜減りが拡大する。本実施の形態では酸化剤により配線用導電膜５の最表面のみを酸化させ、腐食抑制剤（酸化抑制剤）の入っているスラリーで研磨する方法を用いる。これにより、酸化された部分（酸化物９）を選択的に除去し、酸化されていない部分の配線の膜減りを抑えることができるので、配線抵抗の増大を抑制した、高性能な配線を形成することができる。本実施の形態では、腐食抑制剤（酸化抑制剤）にはベンゾトリアゾールを用いている。
【００３２】
例えば、従来例のように銅除去用スラリーを使用して研磨した場合、傷中に埋め込まれた導電膜材料６の銅を除去できるが、除去したくない配線部分の銅も研磨され、配線抵抗が増大してしまう。これに対しこの実施の形態では、除去される酸化部分を薄くすることが可能である。スクラッチ（傷）の深さは１０ｎｍ以下であるので、酸化させる部分は少なくてすみ、配線部分表面で酸化される部分も１０ｎｍ以下である。この酸化部分だけが除去されるので、従来例よりも配線部分の表面で除去される部分は少なくて済む。
【００３３】
なお、この実施の形態では、第３の研磨工程の研磨時間は、第１、第２の各研磨工程の研磨時間よりも短くしている。これは第３の研磨工程ではスクラッチ中に浅く埋め込まれた導電膜材料の酸化物６ａを除去するだけなので、第３の研磨工程の研磨時にあらたにスクラッチ等の発生を抑制するためである。
【００３４】
さらにこの実施の形態では、配線間の距離Ｌが０．２５μｍ以下になると配線溝３と配線溝３との間に架橋構造が形成しやすいので、この配線間距離Ｌが０．２５μｍ以下であるときに効果的である。
【００３５】
また、この実施の形態では、配線用導電膜５を銅膜とし、バリア膜４に窒化タンタル（ＴａＮ）膜を用いたが、バリア膜４には、ＴａＮ膜に代えてタンタル（Ｔａ）膜を用いてもよいし、Ｔａ膜の上にＴａＮ膜を積層した積層膜などの、Ｔａ膜とＴａＮ膜の積層構造膜を用いてもよい。
【００３６】
また研磨くず７などの異物を除去する工程は、第１、第２または第３の研磨工程と同一装置で行うと装置間をウェハを移動させることがなく、スループットが向上する。
【００３７】
また研磨くず７などの異物を除去する工程は、前述のように基板表面に有機酸、有機アルカリ、もしくは超純水のほか、純水を供給することにより行うことができる。
【００３８】
なお、この実施の形態では、バリア膜４を形成しているが、バリア膜４はなくてもかまわない。その場合、バリア膜４を形成（堆積）する工程と、バリア膜４をＣＭＰ研磨する工程とがない以外は上記の実施の形態と同様である。またこの場合、バリア膜４がないので、配線溝３からはみ出した導電膜５をＣＭＰ工程により除去したときに、第１、第２の配線用溝間の絶縁膜２表面に傷が付き、その傷の中に導電膜５の一部分が埋め込まれ（導電膜材料６）、第１、第２の配線間のショートが発生する。この後、上記の実施の形態と同様に、基板表面の研磨くず７などの異物を除去した後、傷の中に埋め込まれた導電膜材料６を酸化処理して酸化物６ａとした後、この酸化物６ａの除去を行うことになる。これにより配線間のショートを防止できる。
【００３９】
このバリア膜４を形成しない場合、酸化物６ａを除去する研磨工程の研磨時間は、浅く埋め込まれた導電膜材料の酸化物６ａを除去するだけなのでその研磨時でのあらたなスクラッチ等の発生を抑制するため、導電膜５をＣＭＰ研磨する研磨時間よりも短くすることが好ましい。またこの場合、研磨くず７などの異物を除去する工程は、導電膜５をＣＭＰ研磨する工程または酸化物６ａを除去する研磨工程と同一装置で行うと装置間をウェハを移動させることがなく、スループットが向上する。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、第１、第２の研磨工程の後に、酸化処理工程を行うことにより、研磨時に発生した絶縁膜表面の傷中に入った導電膜材料を酸化することができ、その後の第３の研磨工程において、傷中の酸化された導電膜材料を除去できるため、配線間ショートの発生頻度の低減を図ることができる。
【００４１】
また、従来例のように金属配線用スラリー（銅除去用スラリー）を使用して研磨を行うと、配線の膜減りが拡大するが、酸化剤により配線用導電膜の最表面のみを酸化させ、酸化部分のみを除去することでそれ以上の配線の膜減りを抑えることができるので、配線抵抗の増大を抑制した、高性能な配線を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における製造方法を示す工程順断面図
【図２】本発明の実施の形態で用いるＣＭＰ装置の概略図
【符号の説明】
１基板
２絶縁膜
３配線溝
４バリア膜
５導電膜
６傷中に埋め込まれた導電膜材料
６ａ酸化物
７研磨くず
８酸化剤
９酸化物
１０第１のプラテン
１１第２のプラテン
１２第３のプラテン

Claims

基板上に形成された絶縁膜に、第１の配線用溝と前記第１の配線用溝に近接する第２の配線用溝を形成する工程と、
前記第１、第２の配線用溝にバリア膜、配線用導電膜をその順に堆積する工程と、
次に、前記第１、第２の配線用溝からはみ出した部分の前記配線用導電膜を除去する第１の研磨工程と、
次に、前記第１、第２の配線用溝からはみ出した部分の前記バリア膜を除去する第２の研磨工程と、
次に、前記第１、第２の配線用溝間の前記絶縁膜表面上に酸化剤を供給する酸化処理工程と、
次に、腐食抑制剤を含むスラリーを用いて、前記第１、第２の配線用溝間の前記絶縁膜表面を研磨する第３の研磨工程とを含む配線の形成方法。
前記第３の研磨工程の研磨時間は、前記第１、第２の各研磨工程の研磨時間よりも短いことを特徴とする、請求項１に記載の配線の形成方法。
前記第１の配線用溝と前記第２の配線用溝との間隔は、０．２５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の配線の形成方法。
前記配線用導電膜は銅膜であり、前記バリア膜はタンタル膜、窒化タンタル膜またはそれらの積層構造膜であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の配線構造の形成方法。
前記第２の研磨工程の後で前記酸化処理工程の前に、基板表面の異物を除去する工程を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の配線の形成方法。
前記異物を除去する工程は、前記第１、前記第２、または前記第３の研磨工程と同一装置で行うことを特徴とする、請求項５に記載の配線の形成方法。
前記異物を除去する工程は、前記基板表面に有機酸、有機アルカリ、もしくは純水を供給することにより行うことを特徴とする、請求項５または６に記載の配線の形成方法。
基板上に形成された絶縁膜に、第１の配線用溝と前記第１の配線用溝に近接する第２の配線用溝を形成する工程と、
前記第１、第２の配線用溝に配線用導電膜を堆積する工程と、
次に、前記第１、第２の配線用溝からはみ出した部分の前記配線用導電膜を除去する第１の研磨工程と、
次に、前記第１、第２の配線用溝間の前記絶縁膜表面上に酸化剤を供給する酸化処理工程と、
次に、腐食抑制剤を含むスラリーを用いて、前記第１、第２の配線用溝間の前記絶縁膜表面を研磨する第２の研磨工程とを含む配線の形成方法。
前記第２の研磨工程の研磨時間は、前記第１の研磨工程の研磨時間よりも短いことを特徴とする、請求項８に記載の配線の形成方法。
前記第１の配線用溝と前記第２の配線用溝との間隔は、０．２５μｍ以下であることを特徴とする、請求項８または９に記載の配線の形成方法。
前記配線用導電膜は銅膜であることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれかに記載の配線構造の形成方法。
前記第１の研磨工程の後で前記酸化処理工程の前に、基板表面の異物を除去する工程を有する、請求項８〜１１のいずれかに記載の配線の形成方法。
前記異物を除去する工程は、前記第１または前記第２の研磨工程と同一装置で行うことを特徴とする、請求項１２に記載の配線の形成方法。
前記異物を除去する工程は、前記基板表面に有機酸、有機アルカリ、もしくは純水を供給することにより行うことを特徴とする、請求項１２または１３に記載の配線の形成方法。