JP4064943B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特にシステムＬＳＩや、高速ＬＯＧＩＣ−ＬＳＩのＣｕダマシン配線等を形成するＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）工程に関する。
次世代の高性能ＬＳＩは、素子の高集積化が必須であり、ＣＭＰにより形成されるダマシン配線のデザインルールは、配線幅が０．０７〜３０μｍ、膜厚は１００ｎｍと厳しい設計となりつつある。
通常、膜厚が１００ｎｍのダマシン配線を形成するには、スラリーを用いたＣＭＰが行なわれる。ＣＭＰ後の洗浄工程が不充分で配線の仕上がり状態が悪い場合、例えば局所的な異常が存在していると、半導体装置の性能が急激に低下する。また、動作中に断線するおそれもあることから、ＣＭＰ後のウェハーの洗浄に関して研究が進められている（例えば、特許文献１参照）。
Ｃｕダマシン配線が形成される場合、洗浄後には、Ｃｕ腐食、Ｃｕ溶解、スクラッチ、およびダストの再付着（研磨粒子、研磨生成物、研磨布からの汚染など）といった欠陥を極力低減することが必須である。最近では、半導体デバイスの微細化が進んで欠陥の歩留に対する影響が明確になってきたため、欠陥低減の要求はさらに高まってきた。欠陥評価のレベルを高めることによって、特殊なパターン部にのみ発生する腐食や非常に僅かな配線端でのえぐれが生じていることが確認されている。また、ダストやスクラッチも無視できない状況であることも判明してきた。
こうした欠陥の発生を回避して、信頼性の高い半導体装置を製造する方法は、未だ得られていないのが現状である。
特開２００１−３５８１１１号公報
本発明は、欠陥の発生を回避して高い信頼性を有する半導体装置を製造する方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板上に設けられた凹部を有する絶縁膜上に導電性膜を堆積する工程と、被処理面としての前記導電性膜の表面を、研磨布上でアルカリ性のスラリーで研磨して、前記導電性膜を前記凹部内に選択的に残置させて前記絶縁膜の表面を露出する工程と、
前記アルカリ性のスラリーで研磨して前記絶縁膜の表面が露出した被処理面を純水、酸性洗浄液の順で研磨処理し、前記被処理面を酸性にする工程と、
前記被処理面を酸性に保ったまま、前記半導体基板を前記研磨布上から洗浄ユニットに移動させる工程とを具備することを特徴とする。
前記アルカリ性のスラリーで研磨して前記絶縁膜の表面が露出した被処理面を純水、酸性洗浄液の順で研磨処理し、前記被処理面を酸性にする工程と、
前記被処理面を酸性に保ったまま、前記半導体基板を前記研磨布上から洗浄ユニットに移動させる工程とを具備することを特徴とする。
本発明の態様によれば、欠陥の発生を回避して高い信頼性を有する半導体装置を製造する方法が提供される。
以下、本発明の実施形態を説明する。
本発明者らは、特殊なパターン部にのみ発生する腐食や、非常に僅かな配線端に生じるえぐれについて鋭意検討した結果、こうした欠陥が発生するのは、ＣＭＰ自体に原因があるのではなく、仕上げ方や洗浄研磨の方法に原因があることを見出した。例えばＣｕ膜の場合、スラリーでの研磨、およびその後の純水による研磨の段階では、Ｃｕ膜の表面はスラリー中の錯化剤に保護されて保護膜が形成されているので、腐食や配線端のえぐれは生じない。しかしながら、洗浄液を用いた研磨の後に純水での研磨を行なうと、特殊パターン部の腐食やえぐれが発生する。この原因を追求したところ、洗浄液を用いた研磨によってＣｕ膜表面の保護膜が取り除かれてしまうこと、さらに、保護膜が除去された後には、純水で研磨することによって欠陥が発生することを見出した。
また、ダストやスクラッチについても、その増加に純水が関与していることを見出した。具体的には、洗浄液で研磨している間は、ウェハー上および研磨布上のいずれのダストも洗い流されやすい環境である。しかしながら、純水で研磨をすると、研磨布からの逆汚染を招いて、ウェハーおよび研磨布のいずれの表面もダストが残りやすい環境となる。したがって、最終的な仕上げに純水が用いられることによって研磨布からの逆汚染が発生してダストが増加し、副次的にスクラッチも増加してしまう。純水に起因した逆汚染は、洗浄後の純水研磨の際に研磨布上で発生する。
こうした知見に基づいて、洗浄液により研磨してピュアなＣｕ面が露出した後には純水での研磨を避けること、具体的には、研磨布上での処理によりＣｕ面が露出した後の被処理面を酸性にすることにより、欠陥の低減を可能とした。本発明の実施形態にかかる方法においては、洗浄液での研磨が終了した後、一般的には洗浄ユニットに搬送される前に、被処理面は純水で洗浄されてはならず、酸性状態であることが必要である。また、洗浄液を用いずにスラリーのみで研磨して洗浄ユニットに搬送する場合には、スラリー研磨の後の被処理面が酸性状態でなければならない。研磨布上での処理後の被処理面のｐＨあるいは酸濃度を所定の範囲に保つことによって、被処理面を酸性に維持することができる。ｐＨの場合は７未満であり、酸濃度は、用いられる酸に依存するが、例えばクエン酸の場合には０．０５ｗｔ％以上である。
具体的には、酸性処理液を用いて研磨布上で被処理面を処理し、処理後の半導体基板を洗浄ユニットに直接搬送することによって、これを達成することができる。酸性処理液は、スラリーおよび洗浄液のいずれであってもよい。酸性スラリーで研磨を行なった場合には、研磨後の半導体基板を、そのまま直接、洗浄ユニットに移動すればよい。酸性洗浄液が用いられる場合には、中性またはアルカリ性のスラリーを用いることもでき、この場合は、中性またはアルカリ性のスラリーによる研磨の後、純水研磨を行なったうえで酸性洗浄液で洗浄研磨してもよい。
（実施形態１）
Ｃｕダマシン配線の形成方法を例に挙げて説明する。図１は、Ｃｕ−ＣＭＰを示す工程断面図である。
Ｃｕダマシン配線の形成方法を例に挙げて説明する。図１は、Ｃｕ−ＣＭＰを示す工程断面図である。
まず、図１（ａ）に示すように、素子（図示せず）が形成された半導体基板１０上に、膜厚６０００Åの絶縁膜１１を堆積し、溝１４を形成した。ここでは、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を用いて絶縁膜１１を形成した。
絶縁膜１１の全面に、ライナー材１２としてのＴａＮ膜（１００Å）、および配線材料膜１３としてのＣｕ膜（６０００Å）を、スパッタリング法およびメッキにより堆積した。
Ｃｕ膜１３およびＴａＮ膜１２の不要部分をＣＭＰにより除去することによって、Ｃｕダマシン配線が形成される。具体的には、まず、図２に示すように、研磨布２１が貼付されたターンテーブル２０を１００ｒｐｍで回転させつつ、半導体基板２２を保持したトップリング２３を３００ｇｆ/ｃｍ2の研磨荷重で当接させた。トップリング２３の回転数は１００ｒｐｍとし、研磨布２１上には、処理液供給ノズル２５から２００ｃｃ/ｍｉｎの流量で、処理液２７としてのスラリーを供給した。ここでは、スラリーとしてＣＭＳ７４０１／ＣＭＳ７４５２（ＪＳＲ社）を用い、研磨布としてはＩＣ１０００（ＲＯＤＥＬ社）を用いて、８０秒間の研磨を行なった。なお、図２には、水供給ノズル２４およびドレッサー２６も併せて示してある。
その後、ＴａＮ膜１２の不要部分をＣＭＰにより除去して、図１（ｂ）に示すように絶縁膜１１の表面を露出した。ここでは、トップリング２３およびターンテーブル２０の回転数をいずれも５０ｒｐｍに変更し、研磨荷重を４００ｇｆ／ｃｍ2に変更し、スラリーとしてＣＭＳ８３０１（ＪＳＲ社）を用いた以外は、前述と同様の条件で６０秒間の研磨を行なった。ＣＭＳ８３０１は、ｐＨ９．５のアルカリ性のスラリーであり、腐食防止剤（防食剤）が配合されている。酸性のスラリーが好ましいものの、防食剤が添加されていればアルカリ性スラリーを用いることもできる。
この研磨に引き続いて、水供給ノズル２４から純水を供給して１５秒研磨して酸性側にシフトする準備をし、さらに、洗浄液供給ノズル（図示せず）から、洗浄液としてのクエン酸水溶液０．２ｗｔ％を供給して３０秒研磨を行なった。ここまでの工程は、図２に示したように1つのターンテーブル２０上で連続的に行ない、その後、ロール洗浄などの次工程へ直接引き継ぐ。クエン酸水溶液のｐＨは３であることから、被処理面は酸性状態のまま、ロール洗浄に供されることになる。洗浄液としては、クエン酸、シュウ酸、マレイン酸、マロン酸等、酸性の水溶液を用いることもできる。
図３には、本発明の実施形態にかかる方法に用いられる研磨装置の構成を模式的に示す。図示する研磨装置は一般的な構成であり、二系統で研磨が行なわれるＣＭＰ部３０と、それぞれから搬送されたウェハーを洗浄する洗浄部３１とを有している。半導体ウェハー３３は、ＣＭＰ部３０において、ターンテーブル３２上でＣＭＰが行なわれた後、ポリッシングユニット３４に保持される。上述した例においては、クエン酸水溶液での研磨が終了した後、表面が酸性のままの状態でウェハー３３が搬送される。なお、ＣＭＰ部３０には、ドレッシングユニット３５も併せて示してある。
洗浄部３１においては、ウェハー搬送ロボット３６のウェハーハンガー（図示せず）が、ポリッシングユニット３４から半導体ウェハー３３を受け取り、両面ロール洗浄機３７に搬送する。ウェハーは、両面ロール洗浄機３７で水等により両面が洗浄され、さらにウェハー搬送ロボット３６により反転機３８に搬送される。反転されたウェハーは、ペンシル洗浄機３９で洗浄・乾燥が行なわれた後、カセット４０に収容される。
本実施形態においては、被処理面は酸性のままロール洗浄が行なわれる。ロール洗浄前の被処理面の表面には、Ｃｕの腐食やＣｕ配線端のえぐれといった欠陥は存在せず、こうした欠陥は、ロール洗浄後にも確認されなかった。また、Ｃｕ膜上のスクラッチは１０個／ｃｍ2にとどまっており、欠陥評価装置での観察の結果、ダストは６０個／ｃｍ2であった。
比較のため、従来の手法により研磨を行なった。具体的には、前述と同様にクエン酸水溶液での研磨まで行なった後、さらに、純水で１５秒間研磨した。純水研磨後の絶縁膜１１には、図４に示すようにＣｕ配線端にえぐれ５０が発生しており、その深さは最大で５００Åにも及んでいた。また、Ｃｕ膜上のスクラッチは９８個/ｃｍ2、ダストは１７０個／ｃｍ2であり、純水研磨により欠陥が増加することが確認された。
（実施形態２）
図５に示すように絶縁膜１１を、ＬＫＤ５１０９（ＪＳＲ製）からなる第１の絶縁膜（膜厚３０００Å）５１とＬＫＤ２７（ＪＳＲ製）からなる第２の絶縁膜（膜厚１５００Å）５２との積層膜に変更し、ライナー１２をＴａ／ＴａＮ膜５３に変更した以外は、図１（ａ）と同様の構成で、半導体基板１０上に各膜を形成した。第２の絶縁膜５２の形成に用いたＬＫＤ２７は、疎水性の材料である。
図５に示すように絶縁膜１１を、ＬＫＤ５１０９（ＪＳＲ製）からなる第１の絶縁膜（膜厚３０００Å）５１とＬＫＤ２７（ＪＳＲ製）からなる第２の絶縁膜（膜厚１５００Å）５２との積層膜に変更し、ライナー１２をＴａ／ＴａＮ膜５３に変更した以外は、図１（ａ）と同様の構成で、半導体基板１０上に各膜を形成した。第２の絶縁膜５２の形成に用いたＬＫＤ２７は、疎水性の材料である。
さらに、前述と同様の条件でＣＭＰを行なってＣｕ膜１３の不要部分を除去し、Ｔａ／ＴａＮ膜５３表面を露出した後、前述と同様の条件でＣＭＰを行なって、第２の絶縁膜５２の表面を露出した。
この研磨に引き続いて、水供給ノズル２４から純水を供給して１５秒研磨した後、洗浄液供給ノズル（図示せず）から、洗浄液を供給して３０秒研磨を行なった。洗浄液としては、ＣＩＲＥＸ（和光純薬工業）を純水で希釈して、クエン酸濃度が１ｗｔ％の水溶液を用いた。Ｔａ／ＴａＮ膜５３のスラリーによる研磨以降の処理は、研磨布上のクエン酸濃度をモニターしつつ行なった。具体的には、近赤外分光装置を用いて酸度を測定し、研磨布上のクエン酸濃度をモニターした。
被処理面に供給していた洗浄液を純水に切り替えたところ、研磨布上のクエン酸濃度は０．１ｗｔ％未満になったので、半導体基板を研磨布上から待避させて、直ちに洗浄ユニットに移動させた。
こうした動作は、連動して行なわれるよう制御してもよい。すなわち、センサーが検知したクエン酸の濃度が、予め設定した所定値（例えば０．１ｗｔ％）を越えて低下したところで、研磨装置本体にインターロックがかかるように連動させる。研磨布上のクエン酸濃度をセンサーでモニターしつつ洗浄研磨を行ない、そのクエン酸濃度が所定値を越えると、本体装置はセンサーからのインターロックを受ける。トップリングは、直ちに待避位置に誘導され、半導体基板は洗浄ユニットに搬送される。
クエン酸濃度が０．１ｗｔ％よりも若干低い程度であれば、十分に酸性状態であることから、本実施形態においても、被処理面を酸性状態に維持したままで洗浄ユニットにて洗浄が行なわれる。クエン酸研磨後の表面を観察したところ、実施形態１の場合と同様に欠陥は何等認められず、Ｃｕ異常は回避された。
酸濃度の所定値は、研磨布に当接した被処理面が酸性状態となり得る最小の酸濃度に応じた値であり、用いる酸に応じて適宜決定することができる。一般的には、０．０５ｗｔ％の酸濃度であれば酸性状態であるといえるが、被処理面を確実に酸性状態に維持するために、所定値は０．１ｗｔ％程度に設定することが望まれる。
比較のために、洗浄液による洗浄研磨の後、純水で１５秒間の研磨を行なった。純水研磨後の被処理面の表面には、図４に示したようなえぐれが発生していた。
一般的に、疎水性材料からなる絶縁膜は、純水により逆汚染が加速される傾向がある。ＬＫＤ２７以外にも、Ｓｉｌｋ（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ，Ｃｏ．製），Ｃｏｒａｌ（Ｎｏｖｅｌｌｕｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．製），およびＢＤ（ブラックダイアモンド、アプライド・マテリアルズ社製）等が疎水性の絶縁膜材料として知られている。上述したように、研磨布上の酸濃度を所定の範囲に維持することにより純水の使用は回避され、これによって絶縁膜の逆汚染を低減することができた。
（実施形態３）
前述の実施形態２と同様にして、図５に示すようにＴａ／ＴａＮ膜５３を露出した。
前述の実施形態２と同様にして、図５に示すようにＴａ／ＴａＮ膜５３を露出した。
Ｔａ／ＴａＮ膜５３を研磨するためのスラリーは、砥粒としてのコロイダルシリカ５ｗｔ％、腐食防止剤としてのＢＴＡ（ベンゾトリアゾール）０．１ｗｔ％、およびｐＨ調整剤としての硝酸０．１ｗｔ％を純水に加えて調製した。得られたスラリーのｐＨは１．５である。こうしたスラリーを用いた以外は、前述の実施形態１と同様の条件でＴａ／ＴａＮ膜５３の不要部分を除去した。本実施形態においては、Ｔａ／ＴａＮ膜５３の研磨は、ｐＨ２．５付近の分解能の高いセンサーにより被処理面のｐＨをモニターしつつ行なった。具体的には、導電率計を用いてイオン濃度を測定して、研磨布上のｐＨをモニターした。
スラリーでの研磨に引き続いて、水供給ノズル２４から純水を供給したところ、被処理面のｐＨが２．５を越えたので、半導体基板を研磨布上から待避させて、直ちに洗浄ユニットに移動させた。
こうした動作は、連動して行なわれるよう制御してもよい。すなわち、センサーが検知したｐＨが予め設定された所定値（例えば２．５）を越えたところで、研磨装置本体にインターロックがかかるように連動させる。研磨布上のｐＨをセンサーでモニターしつつ純水研磨を行ない、そのｐＨが所定値を越えると、本体装置はセンサーからのインターロックを受ける。トップリングは、直ちに待避位置に誘導され、半導体基板は洗浄ユニットに搬送される。
ｐＨが略２．５以下であれば酸性状態であることから、本実施形態においても、被処理面を酸性状態に維持したままで洗浄ユニットにて洗浄が行なわれる。ロール洗浄前の被処理面の表面を観察したところ、実施形態１の場合と同様に欠陥は何等認められず、Ｃｕ異常は回避された。
ｐＨの所定値は、研磨布に当接した被処理面が酸性状態となり得る最大のｐＨである。ｐＨが７未満であれば酸性ということができるが、被処理面を確実に酸性状態に維持するために、ｐＨの所定値は３以下程度に小さいことが望まれる。
比較のために、被処理面のｐＨが７．０を越えるまで純水を供給した以外は前述と同様にして、研磨布上で研磨を行なった。純水研磨後の被処理面には、図４に示したようなえぐれが発生していた。酸性スラリーを用いて被処理面を研磨した場合であっても、引き続く工程で、被処理面が中性になるまで純水で研磨を行なうと、欠陥が発生することが確認された。
以上、Ｃｕダマシン配線の形成を例に挙げて説明したが、配線材料はＣｕに限定されるものではなく、ＡｌやＷを用いた場合も同様に、酸性状態で洗浄ユニットに移動することによって、研磨後の異常を回避することができる。
１０…半導体基板； １１…絶縁膜； １２…ライナー材； １３…配線材料膜
１４…溝； ２０…ターンテーブル； ２１…研磨布； ２２…半導体基板
２３…トップリング； ２４…水供給ノズル； ２５…処理液供給ノズル
２６…ドレッサー； ２７…処理液； ３０…ＣＭＰ部； ３１…洗浄部
３２…ターンテーブル； ３３…半導体ウェハー； ３４…ポリッシングユニット
３５…ドレッシングユニット； ３６…ウェハー搬送ロボット
３７…両面ロール洗浄機； ３８…反転機； ３９…ペンシル洗浄機
４０…カセット； ５０…えぐれ； ５１…第１の絶縁膜； ５２…第２の絶縁膜
５３…Ｔａ／ＴａＮ膜。
１４…溝； ２０…ターンテーブル； ２１…研磨布； ２２…半導体基板
２３…トップリング； ２４…水供給ノズル； ２５…処理液供給ノズル
２６…ドレッサー； ２７…処理液； ３０…ＣＭＰ部； ３１…洗浄部
３２…ターンテーブル； ３３…半導体ウェハー； ３４…ポリッシングユニット
３５…ドレッシングユニット； ３６…ウェハー搬送ロボット
３７…両面ロール洗浄機； ３８…反転機； ３９…ペンシル洗浄機
４０…カセット； ５０…えぐれ； ５１…第１の絶縁膜； ５２…第２の絶縁膜
５３…Ｔａ／ＴａＮ膜。
Claims (2)
- 半導体基板上に設けられた凹部を有する絶縁膜上に導電性膜を堆積する工程と、
被処理面としての前記導電性膜の表面を、研磨布上でアルカリ性のスラリーで研磨して、前記導電性膜を前記凹部内に選択的に残置させて前記絶縁膜の表面を露出する工程と、
前記アルカリ性のスラリーで研磨して前記絶縁膜の表面が露出した被処理面を純水、酸性洗浄液の順で研磨処理し、前記被処理面を酸性にする工程と、
前記被処理面を酸性に保ったまま、前記半導体基板を前記研磨布上から洗浄ユニットに移動させ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。 - 前記絶縁膜の表面が露出した被処理面の研磨処理は、前記研磨布上の酸濃度をモニターしつつ行なわれ、
前記酸性洗浄液を純水に切り替えて、前記被処理面を研磨処理する工程をさらに具備し、
前記半導体基板を前記研磨布上から前記洗浄ユニットに移動させる工程は、前記酸濃度が予め設定された所定値未満になったことを検知して行なわれることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
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