JP4068323B2 - 研磨方法、および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨方法および半導体装置の製造方法に係り、特に、ＤＲＡＭや高速ロジックＬＳＩに搭載されるＡｌ、Ｃｕ、Ｗなどのダマシン配線の形成や、絶縁膜の平坦化のための研磨技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の半導体製造分野において、ＣＭＰは必須のプロセスとされており、特に、図８に示すようなテーブルタイプの研磨装置が主流とされている。こうした従来のテーブルタイプの研磨装置においては、図示するように定盤５００上に研磨パッド５０１が配置され、ウエハ５０２は、被研磨面を下方のパッド５０１に向けてパッド５０１の上方に設けられる。定盤５００は所定の回転数で回転し、ウエハ５０２は、定盤５００上を円形軌道に沿って移動しつつ所定の回転数で回転する。研磨パッド５０１表面のコンディショニングは、ダイヤモンドドレッサー５０３により行なわれる。
【０００３】
また、研磨パッド５０１には、スラリー供給ノズル５０６からスラリーが供給され、純水供給ノズル５０７および薬液供給ノズル５０８から、純水および薬液がそれぞれ供給される。
【０００４】
さらに従来のテーブルタイプの研磨装置は、上述の部材に加えてウエハ５０２の被研磨面の研磨状態をモニターするための光学式センサー５０５、およびダイヤモンドドレッサー５０３を洗浄するためのドレッサー洗浄部５０４を具備している。そのため、装置幅は２．５ｍという大きなものとなる。
【０００５】
将来的には、配線深さ０．２μｍ以下の超薄膜ダマシン配線を形成することが要求される。また、ＬＳＩチップを多量に得るためにシリコンウエハは１２インチ以上の大きさになり、大口径化されたウエハの処理が必要とされる。こうした要求に応えて量産レベルで安定したプロセスを行なうことは、従来のテーブルタイプでは難しくなりつつある。
【０００６】
例えば、エロージョンの小さいダマシン配線を形成するためには、研磨パッドのきめ細かいコンディショニングが不可欠である。従来の研磨装置では、図８に示されるようにダイヤモンドドレッサー５０３によって、研磨パッド５０１のコンディショニングが行なわれる。研磨パッド５０１の表面には、図９に示されるように２０μｍ未満程度の凹凸を形成することが必要であるものの、こうした凹凸を安定に制御することは難しい。これは、研磨パッド５０１の最も難しい技術課題の一つである。
【０００７】
エロージョンは、研磨時間を最適化することによって、ある程度は抑制することができ、研磨時間の最適化は、光学的、流体式、静電容量的あるいは電気的に研磨の終点を求めることによって行なわれる。従来のテーブルタイプの研磨装置においては、ウエハ５０２表面が研磨パッド５０１と向き合い接触している。このため、ウエハ５０２の表面状態を直接モニターする場合には、図８に示されるようにウエハ５０２をパッド５０１のないところまで移動させて、下方に配置された光学式センサー５０５によりウエハ５０２の表面状態を観察する。あるいはパッド５０１に穴を形成し、その穴を介してウエハ５０２の表面状態がモニターされる。いずれの場合も、スループットを落としたり、ＣＭＰ特性を劣化させるといった懸念がある。
【０００８】
また従来の研磨装置では、ウエハ５０２の一部に削れ残りのメタルが存在した場合、その残り部だけを研磨することはできず、ウエハ全体を研磨しなければならなかった。このため、過剰に研磨される領域が発生し、配線深さにばらつきが生じてしまう。ウエハ５０２が大口径化されるにつれて、この影響が大きくなる。
【０００９】
さらに、研磨パッド５０１を介して純水や薬液が供給されるため、従来の研磨装置におけるウエハ５０２の洗浄は間接的である。スラリーの供給から薬液の供給に切り替える際には、純水が研磨パッド５０１を介してウエハ５０２に供給される。このとき、パッド５０１上からスラリーの残留物を完全に除去することが困難であるため、ウエハ５０２を十分に洗浄することが難しい。
【００１０】
次世代の１２インチウエハを研磨する際には、図８に示した構成の装置はさらに大型化するため、装置スペースが非常に大きくなる。また、重いテーブルを回転させるために電気代も無視できなくなる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、被研磨面を局所的に研磨可能であり、被研磨面の研磨状態を直接モニターし、被研磨面を直接洗浄することができる研磨方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また本発明は、超薄膜ダマシン配線を形成でき、大口径化されたウエハの処理に対応して、量産レベルで安定して半導体装置を製造し得る方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、被処理面を有する半導体基板を、前記被処理面を上向きにして回転させる工程と、前記被処理面にスラリーを供給して、研磨の進行状態をｉｎ−ｓｉｔｕでモニターしつつブラシにより研磨する工程とを具備し、前記スラリーは、１０ｍＰａＳ以上１００ｍＰａＳ以下の粘度を有し、カチオン性ポリマーの粒子とアニオン性ポリマーの粒子と研磨粒子とを含有することを特徴とする研磨方法を提供する。
【００１６】
また本発明は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に溝を形成する工程と、前記溝の内部および前記絶縁膜の上に導電性材料を堆積して、導電性層を形成する工程と、前記絶縁膜の上に堆積された前記導電性材料を除去して前記絶縁膜の表面を露出させることにより、前記導電性材料を前記溝内部に残置する工程とを具備し、前記絶縁膜上に堆積された前記導電性材料の除去は、前記導電性層にスラリーを供給してブラシで研磨することにより行なわれ、前記スラリーは、１０ｍＰａＳ以上１００ｍＰａＳ以下の粘度を有し、カチオン性ポリマーの粒子とアニオン性ポリマーの粒子と研磨粒子とを含有することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００１７】
さらに本発明は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に溝を形成する工程と、前記溝の内部および前記絶縁膜の上に導電性材料を堆積して、導電性層を形成する工程と、前記絶縁膜の上に堆積された前記導電性材料を除去して前記絶縁膜の表面を露出させることにより、前記導電性材料を前記溝内部に残置する工程とを具備し、前記絶縁膜上に堆積された前記導電性材料の除去は、前記導電性層を上向きにして前記半導体基板を回転させ、前記導電性層にスラリーを供給して、研磨の進行状態をｉｎ−ｓｉｔｕでモニターしつつブラシで研磨することにより行なわれ、前記スラリーは、１０ｍＰａＳ以上１００ｍＰａＳ以下の粘度を有し、カチオン性ポリマーの粒子とアニオン性ポリマーの粒子と研磨粒子とを含有することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の一実施形態にかかる研磨装置の構成を表わす概略図を示す。
【００１９】
図示する研磨装置においては、ウエハ保持機６００は、ウエハ６０１の被研磨面（被処理面）を上方に向けてこれを保持し、所定の回転数で回転可能である。ウエハ６０１の被研磨面には、スラリー供給ノズル６０４からスラリーが供給され、水供給ノズル６０５および薬液供給ノズル６０６から、水および薬液がそれぞれ供給される。スラリーを除去するために水供給ノズル６０５から供給される水としては、純水およびイオン水等を用いることができる。また、薬液供給ノズル６０６から供給される薬液としては、コロージョン抑制のための界面活性剤、パーティクル除去（リフトオフ）するためのアンモニア水、および有機酸等が用いられる。
【００２０】
ウエハ６０１の被研磨面は、スラリー供給ノズル６０４からスラリーを供給して移動式ブラシ６０２により研磨され、この研磨中には、移動式光学式センサー６０３によって研磨の進行状態がｉｎ−ｓｉｔｕでモニターされる。
【００２１】
所望の研磨が達成されたことがモニター６０３により検知されると、被研磨面には水供給ノズル６０５から水が供給される。これによって、被研磨面からスラリーが除去され、さらに、薬液供給ノズル６０６から薬液が供給されて、被研磨面の洗浄が行なわれる。水や薬液を被研磨面に供給する際には、必ずしもブラシ６０２を用いる必要はなく、こうした液体を単に被研磨面に供給するだけでもよい。あるいは、水や薬液を供給しながら、例えばロールスポンジ等（図示せず）によって、スラリーを除去したり、被研磨面を洗浄することもできる。場合によっては、水や薬液の供給時にブラシを用いてもよい。このとき、ブラシの作用によって機械的に研磨される量は無視できる程度であるので、被研磨面に特に問題は生じない。
【００２２】
図８に示した従来のテーブルタイプの装置幅２．５ｍと比較すると、図１に示される研磨装置の幅は０．５ｍとコンパクトである。図８に示したように従来の研磨装置では、大きな研磨パッド５０１を用いることが前提とされていた。そのため、パッド５０１のコンディショニングを行なう装置であるダイヤモンドドレッサー５０３およびその洗浄部５０４、さらに研磨の進行を観察する装置である光学式センサー５０５を、研磨位置近く（同じステージ上）に備える必要があった。これは研磨処理を迅速に行なうためであり、こうした理由から、従来のテーブルタイプの研磨装置は大型になっていた。
【００２３】
これに対して図１に示す研磨装置では研磨材はブラシ６０２なので、大きな研磨パッドや、そのためのコンディショナーは必要とされない。さらに、ウエハ６０１の被研磨面が上方を向いて載置されるので、モニター装置６０３は、研磨部の横ではなくウエハの上方に取り付けられる。したがって、横方向に付加的なスペースを必要とせず装置内の空間が効率よく利用され、装置の小型化を図ることが可能となった。
【００２４】
すでに説明したように、ウエハ６０１の研磨はブラシ６０２により行なわれるため、図１に示される研磨装置においては、従来の研磨パッドのコンディショニングをするための設備は必要とされない。ブラシの清浄（コンディショニング）は、研磨中に吸着した研磨くずおよび／またはスラリーを、ブラシ清浄機構で除去することによって行なうことができる。例えば、待機中に純水および／または薬液のプール６０７中で、ブラシを超音波洗浄することによって行なうことができる。あるいは、ブラシと同様の有機系材料からなるプレートに擦り付けて行なってもよい。
【００２５】
図１に示す装置において用いられるブラシは、図２（ａ）に示すような円柱状のカップタイプ、図２（ｂ）に示すようなスタンダードタイプ、図２（ｃ）に示すようなロールタイプ、および図２（ｄ）に示すような剣山タイプとすることができる。図２（ａ）に示されるカップタイプのブラシおよび図２（ｄ）に示される剣山タイプのブラシは自転可能であり、図２（ｂ）に示されるスタンダードタイプのブラシは横運動（よう動）可能である。また、図２（ｃ）に示したロールタイプのブラシは、長手に延びる軸の周りを回転する。
【００２６】
こうしたタイプのブラシの毛は、塩化ビニール製、ナイロン製、あるいはポリプロピレン製とすることができ、その毛先の直径は３０μｍ以下であることが好ましい。図３に模式的に示すように、ブラシがウエハに押し付けられたとき、ブラシの毛と隣接するブラシの毛の間の隙間との関係、すなわちブラシの毛先の断面に沿った形状は、従来のパッド表面の凹凸に相当する。なお、図３中、参照符号３０１はブラシの毛先の断面を表わしている。従来のパッドの表面には、例えばエロージョンの小さいダマシン配線を形成するために、２０μｍ未満の微細な凹凸が形成される必要があり、ブラシの場合には、ブラシの毛先の半径がその程度の大きさであることが要求される。
【００２７】
ブラシの毛先の直径を３０μｍ以下とすることによって、その半径は１５μｍ以下となるので、被研磨面との間に最適な接触が得られ、エロージョンの小さいダマシン配線を形成することができる。
【００２８】
なお、ブラシの毛先の直径は、製造可能な範囲で小さいことが望まれ、通常、その下限は５μｍ程度である。
【００２９】
（実施例１）
実施例１では、ブラシを用いた研磨によりＣｕダマシン配線を形成した例を挙げて説明する。
【００３０】
図１に示した装置を用いてＣｕダマシン配線を形成する工程図を、図４（ａ）および（ｂ）に示す。
【００３１】
まず、図４（ａ）に示すように、半導体基板１００上に絶縁膜１０１を形成し、深さ３００ｎｍの溝を設けた。なお、半導体基板１００は、バルク基板またはＳＯＩ基板とすることができ、この基板には素子（図示せず）が集積形成されている。次いで、ＴａＮライナ１０２を１０ｎｍ、およびＣｕ膜１０３を６００ｎｍ、スパッタリング（シード層）＋メッキ法により堆積した。
【００３２】
続いて、図１に示す装置を用いてＣｕ膜１０３およびＴａＮライナ１０２からなる導電性層の不要部分をブラシで研磨することにより除去し、図４（ｂ）に示すように溝内部にＣｕ膜１０３およびＴａＮライナ１０２を埋め込んだ。
【００３３】
まず、導電性層の研磨に用いられるスラリーについて、以下に詳細に説明する。スラリーは、ブラシに良好になじむものがよい。よって、研磨剤成分、特にスラリー中に配合される粒子などは疎水性として粘性を高めたものが好ましく用いられる。
【００３４】
このようなスラリーは、例えば以下のようにして調製することができる。具体的には、溶媒としての純水に、酸化剤としての過硫酸アンモニウム２ｗｔ％、酸化抑制剤としてのキナルジン酸０．３ｗｔ％、界面活性剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸０．０３ｗｔ％、グリシン０．２ｗｔ％を配合し、ｐＨ調整剤としてのＫＯＨによりｐＨを９．２に調整したケミカル成分中に、以下の成分を加える。
【００３５】
研磨粒子としては、コロイダルシリカ（一次粒子径２０ｎｍ）が用いられる。前述のケミカル成分の中に、このコロイダルシリカ１０ｗｔ％、およびアミノ基を有するＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）粒子１（一次粒子径１５０ｎｍ）５ｗｔ％を加える。これによって、コロイダルシリカ（親水性）とＰＭＭＡ粒子１との凝集体１が形成される。ＰＭＭＡ粒子１に吸着して凝集体１を形成可能であれば、コロイダルシリカ以外の研磨粒子、例えばコロイダルアルミナ、チタニア、およびセリア等を用いてもよい。アミノ基を有するＰＭＭＡ粒子１はカチオン性ポリマーであり、増粘剤として作用する。アミノ基は、カチオン性を付与するのに十分な濃度でＰＭＭＡ粒子の表面に存在する。アミノ基以外の官能基でも十分なカチオン性を付与できるものであれば、ＰＭＭＡ粒子の表面に結合させて増粘剤として用いることができる。ＰＭＭＡ粒子は、アシスト粒子として重要と考えられる柔らかさ、および粒子破壊耐性といった性質を有しているために好ましく用いられる。ＰＭＭＡ粒子と同様の性質を有していることから、ポリスチレン粒子の表面に同様の官能基を結合させて、増粘剤として用いてもよい。
【００３６】
なお、用いられるコロイダルシリカの一次粒子径は、通常１０〜３０ｎｍ程度であり、ＰＭＭＡ粒子の一次粒子径は、１００〜３００ｎｍ程度とすることが好ましい。ＰＭＭＡ粒子が小さすぎる場合には、その表面にコロイダルシリカを充分に吸着させることができない。一方、ＰＭＭＡ粒子が大きすぎる場合には、粗大粒子となりエロージョンを劣化させるおそれがある。
【００３７】
また、コロイダルシリカとＰＭＭＡ粒子１との配合割合（コロイダルシリカ：ＰＭＭＡ粒子１）は、重量で１：１〜０．５：１程度とすることが好ましい。ＰＭＭＡ粒子１が少なすぎる場合には、凝集体１を形成しないコロイダルシリカが増加し、一方、ＰＭＭＡ粒子１が多すぎる場合には、凝集体１を形成しないＰＭＭＡ粒子１が増加するおそれがある。
【００３８】
こうして得られた凝集体１は、ＰＭＭＡ粒子１の表面にコロイダルシリカが吸着した状態である。これによってスラリーの粘性は向上するが、凝集体自体は親水化されているので、次のような手法によって疎水性を高める。
【００３９】
具体的には、カルボキシル基を有するＰＭＭＡ粒子２（一次粒子径１５０ｎｍ）を５ｗｔ％、さらに添加する。このカルボキシル基を有するＰＭＭＡ粒子２はアニオン性ポリマーであり、疎水化剤として作用する。すでに説明したＰＭＭＡ粒子１の場合と同様に、ＰＭＭＡ粒子２においてもカルボキシル基は、アニオン性を付与するのに十分な濃度でＰＭＭＡ粒子の表面に存在する。カルボキシル基以外にも、スルホン酸基等の官能基をＰＭＭＡ粒子の表面に結合させて、疎水化剤として用いることができる。さらに、ポリスチレン粒子の表面に同様の官能基を形成して、疎水化剤としてもよい。
【００４０】
こうしたＰＭＭＡ粒子２で、前述の凝集体１を吸着させて凝集体２を形成することによって、スラリーの疎水性と粘性とを増加させることができる。
【００４１】
なお、カルボキシル基を有するＰＭＭＡ粒子２の一次粒子径は、前述のＰＭＭＡ粒子１と同程度の１００〜３００ｎｍとすることが好ましい。ＰＭＭＡ粒子２が小さすぎる場合には、前述の凝集体１を充分に吸着することができない。一方、ＰＭＭＡ粒子２が大きすぎる場合には、ＰＭＭＡ粒子１の場合と同様にエロージョンを劣化させるおそれがある。
【００４２】
こうした粒子の状態を図５に模式的に示した。図５に示されるように、参照符号４００で表わされるアミノ基を有するＰＭＭＡ粒子１の表面には、コロイダルシリカ４０１が吸着して、凝集体１が形成されている。この凝集体１は、参照符号４０２で表わされるカルボキシル基を有するＰＭＭＡ粒子２に吸着して、凝集体２が形成される。
【００４３】
なお、１つのＰＭＭＡ粒子の表面に、カチオンおよびアニオンの両方の官能基を結合させて、増粘剤かつ疎水化剤として用いてもよい。
【００４４】
このように凝集体が形成されることによって、スラリーの粘度は４０ｍＰａＳまで上昇した。なお、上述したようなカチオン性ポリマーおよびアニオン性ポリマーの併用による疎水化および増粘化処理を施さない通常のスラリーの粘度は、１．３ｍＰａＳ程度であった。この粘度は、純水の１．０ｍＰａＳとほぼ同程度である。
【００４５】
上述したように疎水化および増粘化処理を施したスラリーと、従来のスラリーとをそれぞれ用いて、図１に示される装置のブラシによりＣｕ膜を研磨し、Ｃｕ研磨速度を調べた。ウエハ回転数は２００ｒｐｍとし、ブラシ回転数は２００ｒｐｍとした。その結果、増粘化および疎水化を施したスラリーを用いた場合には、Ｃｕの研磨速度３５０ｎｍ／ｍｉｎが得られたのに対して、従来のスラリーを用いた場合では３ｎｍ／ｍｉｎであった。
【００４６】
なお、疎水性が高く、粘性の高いＰＭＭＡ粒子のみ（コロイダルシリカなし）での研磨速度も、２ｎｍ／ｍｉｎと低かった。これらの結果から、カチオン性およびアニオン性の２種類のＰＭＭＡ粒子を含有することによって、ＰＭＭＡ粒子がコロイダルシリカのブラシへの付着を助長したものと考えられる。こうして、研磨力の高いコロイダルシリカがブラシに良好に吸着してなじみ、Ｃｕ膜を効率よく研磨することが可能となった。
【００４７】
ここで、スラリーの粘度とＣｕ研磨速度との関係を図６のグラフに示す。Ｃｕの実用的な研磨速度は、３００ｎｍ／ｍｉｎ程度であるので、この値を得るためには、スラリーは１０ｍＰａＳ以上の粘度が必要である。特に、Ｃｕ研磨速度のマージンを考慮すると、スラリーの粘度は２０ｍＰａＳ以上であることが好ましい。なお、従来のテーブルタイプの研磨装置に用いられていたスラリーの粘度は１．３ｍＰａＳであり、この場合には、Ｃｕの研磨速度は４００ｎｍ／ｍｉｎであった。スラリーの増粘化および疎水化によって、ブラシを用いた研磨の効率が高められたと考えられる。
【００４８】
しかしながら、粘度が１００ｍＰａＳを越えるとスラリーの流動性が失われて、ウエハやブラシへのなじみが薄れるおそれがある。このため、スラリーの粘度の上限は１００ｍＰａＳとすることが望まれる。
【００４９】
１０ｍＰａＳ以上の粘度を得るためには、スラリー中におけるＰＭＭＡ粒子１およびＰＭＭＡ粒子２の合計添加量は１０ｗｔ％以上とすることが望ましい。しかしながら、こうした粒子が過剰に添加されると、スラリーの粘度が１００ｍＰａＳを越えるおそれがあるので、ＰＭＭＡ粒子の添加量の上限は、スラリーの粘度を考慮して決定することが好ましい。また、スラリーの粘度を適切な範囲内とするために、ＰＭＭＡ粒子１およびＰＭＭＡ粒子２は、同程度の量で添加されることが望まれる。
【００５０】
このように、導電性層などの被研磨面がブラシを用いて研磨される図１に示した装置においては、十分な研磨速度を得るために、１０ｍＰａＳ以上の粘度を有するスラリーを用いることが望まれる。
【００５１】
図４（ｂ）に示したＣｕダマシン配線の形成に当たっては、上述したように調製された粘度４０ｍＰａＳのスラリーを用いて、図１に示す装置で３分間、モニター６０３により研磨の進行状態をｉｎ−ｓｉｔｕで検知しつつ研磨を行なった。なお、ブラシ６０２としては、図２（ａ）に示したカップタイプのものを用いた。このブラシの毛は塩化ビニール製であり、毛先の太さは３０μｍである。所望の研磨が達成された後には、一旦純水でスラリーを流し落とし、シュウ酸をウエハに滴下しながら洗浄を行なった。
【００５２】
その結果、５０μｍ配線におけるＣｕエロージョンは４０ｎｍであった。次世代ＬＳＩでは、エロージョンを５０ｎｍ未満に抑えることが要求されている。このことを考慮すると、粘度４０ｍＰａＳのスラリーを用いてブラシで研磨する本実施例により、十分に小さいエロージョンが達成されたことがわかる。
【００５３】
なお、特開平８−１５３６９５号公報に記載されている研磨方法においては、ウエハ上に形成されたシリコン酸化膜をスラリーで研磨した後、パーティクルを除去する仕上げ研磨工程にブラシが用いられている。ここで用いられるブラシは、大きな定盤の表面に植立されたものであり、ウエハの被研磨面はブラシに対向して下向きに配置される。しかも、ウエハは円形軌道に沿って定盤上を搬送されるので、装置の小型化を図ることは不可能である。
【００５４】
また、シリコン酸化膜の仕上げ研磨工程にブラシを用いることが意図されているのみであり、ダマシン配線を形成するためのＣＭＰ（例えばメインポリッシュ）は、この公報では考慮されていない。当然ながら、削れ残りの部分を局所的に研磨することや、研磨の進行状態を直接モニターすることもまた、この公報に記載されている研磨装置および研磨方法では不可能である。
【００５５】
Ｃｕ膜やＴａＮライナ等の導電性層の不要部分をブラシで研磨してダマシン配線を形成することは、本実施例により始めて可能となった。特に、１０ｍＰａＳ以上の粘度を有するスラリーを用いることによって、３００ｎｍ／ｍｉｎという実用的な研磨速度、および低エロージョンを達成することができる。
【００５６】
上述したように研磨剤の増粘化および疎水化を図ることによって、研磨粒子等のスラリーの成分を変更しても、テーブルタイプの研磨速度以上の研磨速度を得ることができる。
【００５７】
スラリーには、通常用いられる添加剤を、必要に応じて配合することができる。具体的には、添加剤としては、酸化剤、界面活性剤、酸化抑制剤、およびｐＨ調整剤などが挙げられる。
【００５８】
酸化剤としては、Ｈ2Ｏ2、（ＮＨ4）2Ｓ2Ｏ8、Ｋ2Ｓ2Ｏ8、硝酸鉄、および硝酸アンモニウムセリウムなどが挙げられる。
【００５９】
界面活性剤としては、ドデシルスルホン酸塩、ドデシルベンゼンスルホン酸塩、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、脂肪酸塩、およびポリオキシエチレンアルキルアミンなどが挙げられる。
【００６０】
酸化抑制剤としては、ＢＴＡ（ベンゾトリアゾール）、カルボキシ基を有するアミンなどが挙げられ、ｐＨ調整剤としてはアンモニア水、ＫＯＨ、硝酸、クエン酸、シュウ酸、およびコハク酸などが挙げられる。
【００６１】
こうした添加剤は、ＣＭＰ用スラリーに通常使用される量で配合すればよい。
【００６２】
さらに、Ｃｕ以外にも、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、あるいはＶを主成分とする導電性層を、ブラシを用いて研磨した場合にも、スラリーの増粘化および疎水化を図ることによって、テーブルタイプの研磨速度と同等以上の研磨速度が得られる。
【００６３】
（参考例２）
参考例２では、ブラシを用いた研磨によりＡｌダマシン配線を形成した例を挙げて説明する。特に、ウエハの被研磨面が上面を向いているため、薬液での洗浄が直接的であり、その効果が大きい点について説明する。
【００６４】
ここでのＡｌダマシン配線の形成工程は、図４（ａ）におけるライナ１０２のＴａＮをＴｉＮに置き換え、Ｃｕ膜１０３をＡｌ膜に置き換えた以外は、前述の実施例１の場合と同様である。
【００６５】
Ａｌ膜およびＴｉＮライナからなる導電性層の不要部分を、図１に示す装置を用いてブラシにより研磨した。ブラシ６０２としては、図２（ｂ）に示したスタンダードブラシを用いた。このブラシの毛はナイロン製であり、毛先の太さは３０μｍ程度である。
【００６６】
研磨に用いられるスラリーは、以下のようにして調製した。まず、溶媒としての純水に、研磨粒子としてのコロイダルシリカ（一次粒子径３０ｎｍ）を加えて、固形分２０ｗｔ％のスラリーを得た。ｐＨは、ＫＯＨより６に調製した。さらに、フッ素系のノニオン界面活性剤としてのユニダイン（ダイキン（株）社製）を５ｗｔ％加えて、スラリーの粘度を３０ｍＰａＳに高めるとともに疎水化処理を施した。
【００６７】
スラリーの粘度を高めるために界面活性剤を用いる場合には、ノニオン界面活性剤を用いることが望ましい。電位をもった被研磨面にイオン性界面活性剤が吸着すると、研磨速度が著しく低下するおそれがある。特に、スラリーの増粘化および疎水化を同時に達成するためには、フッ素系あるいはシリコン系のノニオン界面活性剤を用いることが望まれる。
【００６８】
フッ素系あるいはシリコン系のノニオン界面活性剤は、増粘剤かつ疎水化剤として作用する。スラリー全体の疎水性を高めるために、こうしたノニオン界面活性剤は、臨界ミセル濃度以上で使用することが好ましい。例えば、界面活性剤のＨＬＢ（親水疎水バランス）値を１０以下とすることによって、十分な疎水性をスラリーに付与することができ、Ａｌ研磨速度も十分に大きなものとなる。また、実用的なＡｌ研磨速度を確保するためには分子量５００以下とすることが望まれる。さらに、スラリー中におけるノニオン界面活性剤の濃度は、０．１ｗｔ％以上であることが好ましい。ただし、過剰に含有されると、疎水性が強くなりすぎて純水に溶けにくくなるおそれがあるので、その上限は１０ｗｔ％程度とすることが望まれる。
【００６９】
フッ素系あるいはシリコン系のノニオン界面活性剤としては、上述したような条件を満たす任意のものを用いることができる。
【００７０】
ＣＭＰ特性を劣化させないように、上述したような低ＨＬＢ値および低分子量を両立することは、炭化水素系のノニオン界面活性剤では困難である。フッ素系あるいはシリコン系のノニオン界面活性剤を用いることによって、初めて可能となった。
【００７１】
なお、被研磨面と逆電位の親水部を有するものを選択すれば、イオン性の界面活性剤を増粘剤として用いることもできる。さらには、グリシンのような両性界面活性剤を用いて、スラリーの増粘化と疎水化とを図ることもできる。
【００７２】
Ａｌ膜およびＴｉＮライナからなる導電性層の研磨に当たっては、上述したように調製されたスラリーをスラリー供給ノズルから供給しつつ、ウエハを３００ｒｐｍで回転させ、ブラシは５ｃｍの距離を１０回／秒の速度でよう動させた。研磨中には、モニターによりｉｎ−ｓｉｔｕでウエハ表面を観察した。
【００７３】
なお、Ａｌの研磨では、コロージョンを防止することが課題の一つである。従来のＡｌの研磨の場合には、次のようにコロージョンが発生していた。例えば、ウエハ面内でＡｌ残りがないように所定の削り量よりも多めに研磨を行なう、いわゆるオーバーポリッシュの際、早く削れた領域でコロージョンが発生した。また、コロージョン防止液に浸すまでに時間を要し、防食に間に合わなかったという問題がある。
【００７４】
これに対し本実施例では、被研磨面が上面を向いてウエハが載置されているので、ウエハ内での局所的な研磨、また、研磨位置での薬液洗浄が可能である。このため、例えば、約３分間の粗研磨によりウエハの８割程度大まかに削り、その直後に防食液（例えば、ポリカルボン酸０．０１ｗｔ％）を、ウエハ表面に直接供給することができる。ウエハ表面に研磨不足の領域が発見された場合には、引き続き、速やかにその不足部分をｉｎ−ｓｉｔｕモニターしつつ、部分的に研磨を行なえばよい。
【００７５】
これによって、エロージョンおよびコロージョンを抑制したダマシン配線を形成することが可能となる。
【００７６】
本実施例により形成されたＡｌダマシン配線においては、Ａｌエロージョンは３５ｎｍであり、コロージョンは、従来の１０００個／ウエハから３０個／ウエハ程度に抑制された。
【００７７】
（実施例２）
以上の実施例では導電性層の研磨について説明したが、ブラシを用いた研磨を絶縁膜の平坦化に適用することもできる。
【００７８】
図７に、絶縁膜としてのＳｉＯ2膜平坦化の工程図を示す。
【００７９】
まず、素子２０１（高さ１５０ｎｍ）を形成した半導体基板２００上に、図７（ａ）に示すように、ＳｉＯ2膜２０２を８００ｎｍの膜厚で堆積する。次いで、ＳｉＯ2膜２０２における素子２０１の高さ分程度の段差を、図１に示した装置によりブラシで研磨して平坦化する。
【００８０】
ブラシ６０２としては、図２（ｃ）に示したロールタイプのものを用いた。このブラシはポリプロピレン製であり、毛先の太さは２０μｍ程度である。
【００８１】
ＳｉＯ2膜２０２の研磨に用いるスラリーは、以下のようにして調製した。まず、溶媒としての純水に、研磨粒子としてのコロイダルシリカ（一次粒子径３０ｎｍ）を加えて固形分１５ｗｔ％のスラリーを得た。ｐＨは、ＫＯＨにより１１に調製した。さらに、前述の実施例１と同様のアミノ基を有するＰＭＭＡ粒子１と、カルボキシル基を有するＰＭＭＡ粒子２とをそれぞれ５ｗｔ％順番に加えて、スラリーの粘度を２５ｍＰａＳに高めるとともに疎水化処理を施した。
【００８２】
ブラシ回転数およびウエハ回転数は、いずれも２００ｒｐｍとし、モニターによりウエハの状態を観察しながら、ＳｉＯ2膜２０２の研磨を行なった。その結果、図７（ｂ）に示すように段差を１０ｎｍ以下まで平坦化することができた。
【００８３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、被研磨面を局所的に研磨可能であり、被研磨面の研磨状態を直接モニターし、被研磨面を直接洗浄することができる研磨方法が提供される。また本発明によれば、超薄膜ダマシン配線を形成でき、大口径化されたウエハの処理に対応して、量産レベルで安定して半導体装置を製造し得る方法が提供される。本発明は、導電性層や絶縁膜の研磨、特にＤＲＡＭや高速ロジックＬＳＩに搭載されるＡｌ、Ｃｕ、Ｗなどのダマシン配線の形成に極めて有効に用いられ、その工業的価値は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる研磨装置を説明する概略図。
【図２】図１に示した研磨装置に用いられるブラシを説明する概略図。
【図３】ブラシの研磨時の表面状態を説明する概略図。
【図４】本発明の一実施例にかかる半導体装置の製造方法を表わす工程断面図。
【図５】スラリー中の粒子の凝集状態を説明する概略図。
【図６】Ｃｕ研磨速度とスラリー粘度との関係を説明するグラフ図。
【図７】本発明の他の実施例にかかる研磨方法を表わす工程断面図。
【図８】従来のテーブルタイプの研磨装置を説明する概略図。
【図９】従来のテーブルタイプの研磨装置におけるパッドの表面を表わす概略図。
【符号の説明】
１００…半導体基板
１０１…溝を形成した絶縁膜
１０２…ＴａＮライナ
１０３…Ｃｕ膜
２００…半導体基板
２０１…素子
２０２…ＳｉＯ2膜
３０１…ブラシの断面
４００…ＰＭＭＡ粒子１
４０１…コロイダルシリカ粒子
４０２…ＰＭＭＡ粒子２
５００…定盤
５０１…研磨パッド
５０２…被研磨面が下を向いたウエハ
５０３…ダイヤモンドドレッサー
５０４…ドレッサー洗浄部
５０５…光学式センサー
５０６…スラリー供給ノズル
５０７…純水供給ノズル
５０８…薬液供給ノズル
６００…ウエハ保持機
６０１…被研磨面が上を向いたウエハ
６０２…移動式ブラシ
６０３…移動式光学式センサー
６０４…スラリー供給ノズル
６０５…純水供給ノズル
６０６…薬液供給ノズル
６０７…ブラシ清浄機構
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨方法および半導体装置の製造方法に係り、特に、ＤＲＡＭや高速ロジックＬＳＩに搭載されるＡｌ、Ｃｕ、Ｗなどのダマシン配線の形成や、絶縁膜の平坦化のための研磨技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の半導体製造分野において、ＣＭＰは必須のプロセスとされており、特に、図８に示すようなテーブルタイプの研磨装置が主流とされている。こうした従来のテーブルタイプの研磨装置においては、図示するように定盤５００上に研磨パッド５０１が配置され、ウエハ５０２は、被研磨面を下方のパッド５０１に向けてパッド５０１の上方に設けられる。定盤５００は所定の回転数で回転し、ウエハ５０２は、定盤５００上を円形軌道に沿って移動しつつ所定の回転数で回転する。研磨パッド５０１表面のコンディショニングは、ダイヤモンドドレッサー５０３により行なわれる。
【０００３】
また、研磨パッド５０１には、スラリー供給ノズル５０６からスラリーが供給され、純水供給ノズル５０７および薬液供給ノズル５０８から、純水および薬液がそれぞれ供給される。
【０００４】
さらに従来のテーブルタイプの研磨装置は、上述の部材に加えてウエハ５０２の被研磨面の研磨状態をモニターするための光学式センサー５０５、およびダイヤモンドドレッサー５０３を洗浄するためのドレッサー洗浄部５０４を具備している。そのため、装置幅は２．５ｍという大きなものとなる。
【０００５】
将来的には、配線深さ０．２μｍ以下の超薄膜ダマシン配線を形成することが要求される。また、ＬＳＩチップを多量に得るためにシリコンウエハは１２インチ以上の大きさになり、大口径化されたウエハの処理が必要とされる。こうした要求に応えて量産レベルで安定したプロセスを行なうことは、従来のテーブルタイプでは難しくなりつつある。
【０００６】
例えば、エロージョンの小さいダマシン配線を形成するためには、研磨パッドのきめ細かいコンディショニングが不可欠である。従来の研磨装置では、図８に示されるようにダイヤモンドドレッサー５０３によって、研磨パッド５０１のコンディショニングが行なわれる。研磨パッド５０１の表面には、図９に示されるように２０μｍ未満程度の凹凸を形成することが必要であるものの、こうした凹凸を安定に制御することは難しい。これは、研磨パッド５０１の最も難しい技術課題の一つである。
【０００７】
エロージョンは、研磨時間を最適化することによって、ある程度は抑制することができ、研磨時間の最適化は、光学的、流体式、静電容量的あるいは電気的に研磨の終点を求めることによって行なわれる。従来のテーブルタイプの研磨装置においては、ウエハ５０２表面が研磨パッド５０１と向き合い接触している。このため、ウエハ５０２の表面状態を直接モニターする場合には、図８に示されるようにウエハ５０２をパッド５０１のないところまで移動させて、下方に配置された光学式センサー５０５によりウエハ５０２の表面状態を観察する。あるいはパッド５０１に穴を形成し、その穴を介してウエハ５０２の表面状態がモニターされる。いずれの場合も、スループットを落としたり、ＣＭＰ特性を劣化させるといった懸念がある。
【０００８】
また従来の研磨装置では、ウエハ５０２の一部に削れ残りのメタルが存在した場合、その残り部だけを研磨することはできず、ウエハ全体を研磨しなければならなかった。このため、過剰に研磨される領域が発生し、配線深さにばらつきが生じてしまう。ウエハ５０２が大口径化されるにつれて、この影響が大きくなる。
【０００９】
さらに、研磨パッド５０１を介して純水や薬液が供給されるため、従来の研磨装置におけるウエハ５０２の洗浄は間接的である。スラリーの供給から薬液の供給に切り替える際には、純水が研磨パッド５０１を介してウエハ５０２に供給される。このとき、パッド５０１上からスラリーの残留物を完全に除去することが困難であるため、ウエハ５０２を十分に洗浄することが難しい。
【００１０】
次世代の１２インチウエハを研磨する際には、図８に示した構成の装置はさらに大型化するため、装置スペースが非常に大きくなる。また、重いテーブルを回転させるために電気代も無視できなくなる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、被研磨面を局所的に研磨可能であり、被研磨面の研磨状態を直接モニターし、被研磨面を直接洗浄することができる研磨方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また本発明は、超薄膜ダマシン配線を形成でき、大口径化されたウエハの処理に対応して、量産レベルで安定して半導体装置を製造し得る方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、被処理面を有する半導体基板を、前記被処理面を上向きにして回転させる工程と、前記被処理面にスラリーを供給して、研磨の進行状態をｉｎ−ｓｉｔｕでモニターしつつブラシにより研磨する工程とを具備し、前記スラリーは、１０ｍＰａＳ以上１００ｍＰａＳ以下の粘度を有し、カチオン性ポリマーの粒子とアニオン性ポリマーの粒子と研磨粒子とを含有することを特徴とする研磨方法を提供する。
【００１６】
また本発明は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に溝を形成する工程と、前記溝の内部および前記絶縁膜の上に導電性材料を堆積して、導電性層を形成する工程と、前記絶縁膜の上に堆積された前記導電性材料を除去して前記絶縁膜の表面を露出させることにより、前記導電性材料を前記溝内部に残置する工程とを具備し、前記絶縁膜上に堆積された前記導電性材料の除去は、前記導電性層にスラリーを供給してブラシで研磨することにより行なわれ、前記スラリーは、１０ｍＰａＳ以上１００ｍＰａＳ以下の粘度を有し、カチオン性ポリマーの粒子とアニオン性ポリマーの粒子と研磨粒子とを含有することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００１７】
さらに本発明は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に溝を形成する工程と、前記溝の内部および前記絶縁膜の上に導電性材料を堆積して、導電性層を形成する工程と、前記絶縁膜の上に堆積された前記導電性材料を除去して前記絶縁膜の表面を露出させることにより、前記導電性材料を前記溝内部に残置する工程とを具備し、前記絶縁膜上に堆積された前記導電性材料の除去は、前記導電性層を上向きにして前記半導体基板を回転させ、前記導電性層にスラリーを供給して、研磨の進行状態をｉｎ−ｓｉｔｕでモニターしつつブラシで研磨することにより行なわれ、前記スラリーは、１０ｍＰａＳ以上１００ｍＰａＳ以下の粘度を有し、カチオン性ポリマーの粒子とアニオン性ポリマーの粒子と研磨粒子とを含有することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の一実施形態にかかる研磨装置の構成を表わす概略図を示す。
【００１９】
図示する研磨装置においては、ウエハ保持機６００は、ウエハ６０１の被研磨面（被処理面）を上方に向けてこれを保持し、所定の回転数で回転可能である。ウエハ６０１の被研磨面には、スラリー供給ノズル６０４からスラリーが供給され、水供給ノズル６０５および薬液供給ノズル６０６から、水および薬液がそれぞれ供給される。スラリーを除去するために水供給ノズル６０５から供給される水としては、純水およびイオン水等を用いることができる。また、薬液供給ノズル６０６から供給される薬液としては、コロージョン抑制のための界面活性剤、パーティクル除去（リフトオフ）するためのアンモニア水、および有機酸等が用いられる。
【００２０】
ウエハ６０１の被研磨面は、スラリー供給ノズル６０４からスラリーを供給して移動式ブラシ６０２により研磨され、この研磨中には、移動式光学式センサー６０３によって研磨の進行状態がｉｎ−ｓｉｔｕでモニターされる。
【００２１】
所望の研磨が達成されたことがモニター６０３により検知されると、被研磨面には水供給ノズル６０５から水が供給される。これによって、被研磨面からスラリーが除去され、さらに、薬液供給ノズル６０６から薬液が供給されて、被研磨面の洗浄が行なわれる。水や薬液を被研磨面に供給する際には、必ずしもブラシ６０２を用いる必要はなく、こうした液体を単に被研磨面に供給するだけでもよい。あるいは、水や薬液を供給しながら、例えばロールスポンジ等（図示せず）によって、スラリーを除去したり、被研磨面を洗浄することもできる。場合によっては、水や薬液の供給時にブラシを用いてもよい。このとき、ブラシの作用によって機械的に研磨される量は無視できる程度であるので、被研磨面に特に問題は生じない。
【００２２】
図８に示した従来のテーブルタイプの装置幅２．５ｍと比較すると、図１に示される研磨装置の幅は０．５ｍとコンパクトである。図８に示したように従来の研磨装置では、大きな研磨パッド５０１を用いることが前提とされていた。そのため、パッド５０１のコンディショニングを行なう装置であるダイヤモンドドレッサー５０３およびその洗浄部５０４、さらに研磨の進行を観察する装置である光学式センサー５０５を、研磨位置近く（同じステージ上）に備える必要があった。これは研磨処理を迅速に行なうためであり、こうした理由から、従来のテーブルタイプの研磨装置は大型になっていた。
【００２３】
これに対して図１に示す研磨装置では研磨材はブラシ６０２なので、大きな研磨パッドや、そのためのコンディショナーは必要とされない。さらに、ウエハ６０１の被研磨面が上方を向いて載置されるので、モニター装置６０３は、研磨部の横ではなくウエハの上方に取り付けられる。したがって、横方向に付加的なスペースを必要とせず装置内の空間が効率よく利用され、装置の小型化を図ることが可能となった。
【００２４】
すでに説明したように、ウエハ６０１の研磨はブラシ６０２により行なわれるため、図１に示される研磨装置においては、従来の研磨パッドのコンディショニングをするための設備は必要とされない。ブラシの清浄（コンディショニング）は、研磨中に吸着した研磨くずおよび／またはスラリーを、ブラシ清浄機構で除去することによって行なうことができる。例えば、待機中に純水および／または薬液のプール６０７中で、ブラシを超音波洗浄することによって行なうことができる。あるいは、ブラシと同様の有機系材料からなるプレートに擦り付けて行なってもよい。
【００２５】
図１に示す装置において用いられるブラシは、図２（ａ）に示すような円柱状のカップタイプ、図２（ｂ）に示すようなスタンダードタイプ、図２（ｃ）に示すようなロールタイプ、および図２（ｄ）に示すような剣山タイプとすることができる。図２（ａ）に示されるカップタイプのブラシおよび図２（ｄ）に示される剣山タイプのブラシは自転可能であり、図２（ｂ）に示されるスタンダードタイプのブラシは横運動（よう動）可能である。また、図２（ｃ）に示したロールタイプのブラシは、長手に延びる軸の周りを回転する。
【００２６】
こうしたタイプのブラシの毛は、塩化ビニール製、ナイロン製、あるいはポリプロピレン製とすることができ、その毛先の直径は３０μｍ以下であることが好ましい。図３に模式的に示すように、ブラシがウエハに押し付けられたとき、ブラシの毛と隣接するブラシの毛の間の隙間との関係、すなわちブラシの毛先の断面に沿った形状は、従来のパッド表面の凹凸に相当する。なお、図３中、参照符号３０１はブラシの毛先の断面を表わしている。従来のパッドの表面には、例えばエロージョンの小さいダマシン配線を形成するために、２０μｍ未満の微細な凹凸が形成される必要があり、ブラシの場合には、ブラシの毛先の半径がその程度の大きさであることが要求される。
【００２７】
ブラシの毛先の直径を３０μｍ以下とすることによって、その半径は１５μｍ以下となるので、被研磨面との間に最適な接触が得られ、エロージョンの小さいダマシン配線を形成することができる。
【００２８】
なお、ブラシの毛先の直径は、製造可能な範囲で小さいことが望まれ、通常、その下限は５μｍ程度である。
【００２９】
（実施例１）
実施例１では、ブラシを用いた研磨によりＣｕダマシン配線を形成した例を挙げて説明する。
【００３０】
図１に示した装置を用いてＣｕダマシン配線を形成する工程図を、図４（ａ）および（ｂ）に示す。
【００３１】
まず、図４（ａ）に示すように、半導体基板１００上に絶縁膜１０１を形成し、深さ３００ｎｍの溝を設けた。なお、半導体基板１００は、バルク基板またはＳＯＩ基板とすることができ、この基板には素子（図示せず）が集積形成されている。次いで、ＴａＮライナ１０２を１０ｎｍ、およびＣｕ膜１０３を６００ｎｍ、スパッタリング（シード層）＋メッキ法により堆積した。
【００３２】
続いて、図１に示す装置を用いてＣｕ膜１０３およびＴａＮライナ１０２からなる導電性層の不要部分をブラシで研磨することにより除去し、図４（ｂ）に示すように溝内部にＣｕ膜１０３およびＴａＮライナ１０２を埋め込んだ。
【００３３】
まず、導電性層の研磨に用いられるスラリーについて、以下に詳細に説明する。スラリーは、ブラシに良好になじむものがよい。よって、研磨剤成分、特にスラリー中に配合される粒子などは疎水性として粘性を高めたものが好ましく用いられる。
【００３４】
このようなスラリーは、例えば以下のようにして調製することができる。具体的には、溶媒としての純水に、酸化剤としての過硫酸アンモニウム２ｗｔ％、酸化抑制剤としてのキナルジン酸０．３ｗｔ％、界面活性剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸０．０３ｗｔ％、グリシン０．２ｗｔ％を配合し、ｐＨ調整剤としてのＫＯＨによりｐＨを９．２に調整したケミカル成分中に、以下の成分を加える。
【００３５】
研磨粒子としては、コロイダルシリカ（一次粒子径２０ｎｍ）が用いられる。前述のケミカル成分の中に、このコロイダルシリカ１０ｗｔ％、およびアミノ基を有するＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）粒子１（一次粒子径１５０ｎｍ）５ｗｔ％を加える。これによって、コロイダルシリカ（親水性）とＰＭＭＡ粒子１との凝集体１が形成される。ＰＭＭＡ粒子１に吸着して凝集体１を形成可能であれば、コロイダルシリカ以外の研磨粒子、例えばコロイダルアルミナ、チタニア、およびセリア等を用いてもよい。アミノ基を有するＰＭＭＡ粒子１はカチオン性ポリマーであり、増粘剤として作用する。アミノ基は、カチオン性を付与するのに十分な濃度でＰＭＭＡ粒子の表面に存在する。アミノ基以外の官能基でも十分なカチオン性を付与できるものであれば、ＰＭＭＡ粒子の表面に結合させて増粘剤として用いることができる。ＰＭＭＡ粒子は、アシスト粒子として重要と考えられる柔らかさ、および粒子破壊耐性といった性質を有しているために好ましく用いられる。ＰＭＭＡ粒子と同様の性質を有していることから、ポリスチレン粒子の表面に同様の官能基を結合させて、増粘剤として用いてもよい。
【００３６】
なお、用いられるコロイダルシリカの一次粒子径は、通常１０〜３０ｎｍ程度であり、ＰＭＭＡ粒子の一次粒子径は、１００〜３００ｎｍ程度とすることが好ましい。ＰＭＭＡ粒子が小さすぎる場合には、その表面にコロイダルシリカを充分に吸着させることができない。一方、ＰＭＭＡ粒子が大きすぎる場合には、粗大粒子となりエロージョンを劣化させるおそれがある。
【００３７】
また、コロイダルシリカとＰＭＭＡ粒子１との配合割合（コロイダルシリカ：ＰＭＭＡ粒子１）は、重量で１：１〜０．５：１程度とすることが好ましい。ＰＭＭＡ粒子１が少なすぎる場合には、凝集体１を形成しないコロイダルシリカが増加し、一方、ＰＭＭＡ粒子１が多すぎる場合には、凝集体１を形成しないＰＭＭＡ粒子１が増加するおそれがある。
【００３８】
こうして得られた凝集体１は、ＰＭＭＡ粒子１の表面にコロイダルシリカが吸着した状態である。これによってスラリーの粘性は向上するが、凝集体自体は親水化されているので、次のような手法によって疎水性を高める。
【００３９】
具体的には、カルボキシル基を有するＰＭＭＡ粒子２（一次粒子径１５０ｎｍ）を５ｗｔ％、さらに添加する。このカルボキシル基を有するＰＭＭＡ粒子２はアニオン性ポリマーであり、疎水化剤として作用する。すでに説明したＰＭＭＡ粒子１の場合と同様に、ＰＭＭＡ粒子２においてもカルボキシル基は、アニオン性を付与するのに十分な濃度でＰＭＭＡ粒子の表面に存在する。カルボキシル基以外にも、スルホン酸基等の官能基をＰＭＭＡ粒子の表面に結合させて、疎水化剤として用いることができる。さらに、ポリスチレン粒子の表面に同様の官能基を形成して、疎水化剤としてもよい。
【００４０】
こうしたＰＭＭＡ粒子２で、前述の凝集体１を吸着させて凝集体２を形成することによって、スラリーの疎水性と粘性とを増加させることができる。
【００４１】
なお、カルボキシル基を有するＰＭＭＡ粒子２の一次粒子径は、前述のＰＭＭＡ粒子１と同程度の１００〜３００ｎｍとすることが好ましい。ＰＭＭＡ粒子２が小さすぎる場合には、前述の凝集体１を充分に吸着することができない。一方、ＰＭＭＡ粒子２が大きすぎる場合には、ＰＭＭＡ粒子１の場合と同様にエロージョンを劣化させるおそれがある。
【００４２】
こうした粒子の状態を図５に模式的に示した。図５に示されるように、参照符号４００で表わされるアミノ基を有するＰＭＭＡ粒子１の表面には、コロイダルシリカ４０１が吸着して、凝集体１が形成されている。この凝集体１は、参照符号４０２で表わされるカルボキシル基を有するＰＭＭＡ粒子２に吸着して、凝集体２が形成される。
【００４３】
なお、１つのＰＭＭＡ粒子の表面に、カチオンおよびアニオンの両方の官能基を結合させて、増粘剤かつ疎水化剤として用いてもよい。
【００４４】
このように凝集体が形成されることによって、スラリーの粘度は４０ｍＰａＳまで上昇した。なお、上述したようなカチオン性ポリマーおよびアニオン性ポリマーの併用による疎水化および増粘化処理を施さない通常のスラリーの粘度は、１．３ｍＰａＳ程度であった。この粘度は、純水の１．０ｍＰａＳとほぼ同程度である。
【００４５】
上述したように疎水化および増粘化処理を施したスラリーと、従来のスラリーとをそれぞれ用いて、図１に示される装置のブラシによりＣｕ膜を研磨し、Ｃｕ研磨速度を調べた。ウエハ回転数は２００ｒｐｍとし、ブラシ回転数は２００ｒｐｍとした。その結果、増粘化および疎水化を施したスラリーを用いた場合には、Ｃｕの研磨速度３５０ｎｍ／ｍｉｎが得られたのに対して、従来のスラリーを用いた場合では３ｎｍ／ｍｉｎであった。
【００４６】
なお、疎水性が高く、粘性の高いＰＭＭＡ粒子のみ（コロイダルシリカなし）での研磨速度も、２ｎｍ／ｍｉｎと低かった。これらの結果から、カチオン性およびアニオン性の２種類のＰＭＭＡ粒子を含有することによって、ＰＭＭＡ粒子がコロイダルシリカのブラシへの付着を助長したものと考えられる。こうして、研磨力の高いコロイダルシリカがブラシに良好に吸着してなじみ、Ｃｕ膜を効率よく研磨することが可能となった。
【００４７】
ここで、スラリーの粘度とＣｕ研磨速度との関係を図６のグラフに示す。Ｃｕの実用的な研磨速度は、３００ｎｍ／ｍｉｎ程度であるので、この値を得るためには、スラリーは１０ｍＰａＳ以上の粘度が必要である。特に、Ｃｕ研磨速度のマージンを考慮すると、スラリーの粘度は２０ｍＰａＳ以上であることが好ましい。なお、従来のテーブルタイプの研磨装置に用いられていたスラリーの粘度は１．３ｍＰａＳであり、この場合には、Ｃｕの研磨速度は４００ｎｍ／ｍｉｎであった。スラリーの増粘化および疎水化によって、ブラシを用いた研磨の効率が高められたと考えられる。
【００４８】
しかしながら、粘度が１００ｍＰａＳを越えるとスラリーの流動性が失われて、ウエハやブラシへのなじみが薄れるおそれがある。このため、スラリーの粘度の上限は１００ｍＰａＳとすることが望まれる。
【００４９】
１０ｍＰａＳ以上の粘度を得るためには、スラリー中におけるＰＭＭＡ粒子１およびＰＭＭＡ粒子２の合計添加量は１０ｗｔ％以上とすることが望ましい。しかしながら、こうした粒子が過剰に添加されると、スラリーの粘度が１００ｍＰａＳを越えるおそれがあるので、ＰＭＭＡ粒子の添加量の上限は、スラリーの粘度を考慮して決定することが好ましい。また、スラリーの粘度を適切な範囲内とするために、ＰＭＭＡ粒子１およびＰＭＭＡ粒子２は、同程度の量で添加されることが望まれる。
【００５０】
このように、導電性層などの被研磨面がブラシを用いて研磨される図１に示した装置においては、十分な研磨速度を得るために、１０ｍＰａＳ以上の粘度を有するスラリーを用いることが望まれる。
【００５１】
図４（ｂ）に示したＣｕダマシン配線の形成に当たっては、上述したように調製された粘度４０ｍＰａＳのスラリーを用いて、図１に示す装置で３分間、モニター６０３により研磨の進行状態をｉｎ−ｓｉｔｕで検知しつつ研磨を行なった。なお、ブラシ６０２としては、図２（ａ）に示したカップタイプのものを用いた。このブラシの毛は塩化ビニール製であり、毛先の太さは３０μｍである。所望の研磨が達成された後には、一旦純水でスラリーを流し落とし、シュウ酸をウエハに滴下しながら洗浄を行なった。
【００５２】
その結果、５０μｍ配線におけるＣｕエロージョンは４０ｎｍであった。次世代ＬＳＩでは、エロージョンを５０ｎｍ未満に抑えることが要求されている。このことを考慮すると、粘度４０ｍＰａＳのスラリーを用いてブラシで研磨する本実施例により、十分に小さいエロージョンが達成されたことがわかる。
【００５３】
なお、特開平８−１５３６９５号公報に記載されている研磨方法においては、ウエハ上に形成されたシリコン酸化膜をスラリーで研磨した後、パーティクルを除去する仕上げ研磨工程にブラシが用いられている。ここで用いられるブラシは、大きな定盤の表面に植立されたものであり、ウエハの被研磨面はブラシに対向して下向きに配置される。しかも、ウエハは円形軌道に沿って定盤上を搬送されるので、装置の小型化を図ることは不可能である。
【００５４】
また、シリコン酸化膜の仕上げ研磨工程にブラシを用いることが意図されているのみであり、ダマシン配線を形成するためのＣＭＰ（例えばメインポリッシュ）は、この公報では考慮されていない。当然ながら、削れ残りの部分を局所的に研磨することや、研磨の進行状態を直接モニターすることもまた、この公報に記載されている研磨装置および研磨方法では不可能である。
【００５５】
Ｃｕ膜やＴａＮライナ等の導電性層の不要部分をブラシで研磨してダマシン配線を形成することは、本実施例により始めて可能となった。特に、１０ｍＰａＳ以上の粘度を有するスラリーを用いることによって、３００ｎｍ／ｍｉｎという実用的な研磨速度、および低エロージョンを達成することができる。
【００５６】
上述したように研磨剤の増粘化および疎水化を図ることによって、研磨粒子等のスラリーの成分を変更しても、テーブルタイプの研磨速度以上の研磨速度を得ることができる。
【００５７】
スラリーには、通常用いられる添加剤を、必要に応じて配合することができる。具体的には、添加剤としては、酸化剤、界面活性剤、酸化抑制剤、およびｐＨ調整剤などが挙げられる。
【００５８】
酸化剤としては、Ｈ2Ｏ2、（ＮＨ4）2Ｓ2Ｏ8、Ｋ2Ｓ2Ｏ8、硝酸鉄、および硝酸アンモニウムセリウムなどが挙げられる。
【００５９】
界面活性剤としては、ドデシルスルホン酸塩、ドデシルベンゼンスルホン酸塩、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、脂肪酸塩、およびポリオキシエチレンアルキルアミンなどが挙げられる。
【００６０】
酸化抑制剤としては、ＢＴＡ（ベンゾトリアゾール）、カルボキシ基を有するアミンなどが挙げられ、ｐＨ調整剤としてはアンモニア水、ＫＯＨ、硝酸、クエン酸、シュウ酸、およびコハク酸などが挙げられる。
【００６１】
こうした添加剤は、ＣＭＰ用スラリーに通常使用される量で配合すればよい。
【００６２】
さらに、Ｃｕ以外にも、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、あるいはＶを主成分とする導電性層を、ブラシを用いて研磨した場合にも、スラリーの増粘化および疎水化を図ることによって、テーブルタイプの研磨速度と同等以上の研磨速度が得られる。
【００６３】
（参考例２）
参考例２では、ブラシを用いた研磨によりＡｌダマシン配線を形成した例を挙げて説明する。特に、ウエハの被研磨面が上面を向いているため、薬液での洗浄が直接的であり、その効果が大きい点について説明する。
【００６４】
ここでのＡｌダマシン配線の形成工程は、図４（ａ）におけるライナ１０２のＴａＮをＴｉＮに置き換え、Ｃｕ膜１０３をＡｌ膜に置き換えた以外は、前述の実施例１の場合と同様である。
【００６５】
Ａｌ膜およびＴｉＮライナからなる導電性層の不要部分を、図１に示す装置を用いてブラシにより研磨した。ブラシ６０２としては、図２（ｂ）に示したスタンダードブラシを用いた。このブラシの毛はナイロン製であり、毛先の太さは３０μｍ程度である。
【００６６】
研磨に用いられるスラリーは、以下のようにして調製した。まず、溶媒としての純水に、研磨粒子としてのコロイダルシリカ（一次粒子径３０ｎｍ）を加えて、固形分２０ｗｔ％のスラリーを得た。ｐＨは、ＫＯＨより６に調製した。さらに、フッ素系のノニオン界面活性剤としてのユニダイン（ダイキン（株）社製）を５ｗｔ％加えて、スラリーの粘度を３０ｍＰａＳに高めるとともに疎水化処理を施した。
【００６７】
スラリーの粘度を高めるために界面活性剤を用いる場合には、ノニオン界面活性剤を用いることが望ましい。電位をもった被研磨面にイオン性界面活性剤が吸着すると、研磨速度が著しく低下するおそれがある。特に、スラリーの増粘化および疎水化を同時に達成するためには、フッ素系あるいはシリコン系のノニオン界面活性剤を用いることが望まれる。
【００６８】
フッ素系あるいはシリコン系のノニオン界面活性剤は、増粘剤かつ疎水化剤として作用する。スラリー全体の疎水性を高めるために、こうしたノニオン界面活性剤は、臨界ミセル濃度以上で使用することが好ましい。例えば、界面活性剤のＨＬＢ（親水疎水バランス）値を１０以下とすることによって、十分な疎水性をスラリーに付与することができ、Ａｌ研磨速度も十分に大きなものとなる。また、実用的なＡｌ研磨速度を確保するためには分子量５００以下とすることが望まれる。さらに、スラリー中におけるノニオン界面活性剤の濃度は、０．１ｗｔ％以上であることが好ましい。ただし、過剰に含有されると、疎水性が強くなりすぎて純水に溶けにくくなるおそれがあるので、その上限は１０ｗｔ％程度とすることが望まれる。
【００６９】
フッ素系あるいはシリコン系のノニオン界面活性剤としては、上述したような条件を満たす任意のものを用いることができる。
【００７０】
ＣＭＰ特性を劣化させないように、上述したような低ＨＬＢ値および低分子量を両立することは、炭化水素系のノニオン界面活性剤では困難である。フッ素系あるいはシリコン系のノニオン界面活性剤を用いることによって、初めて可能となった。
【００７１】
なお、被研磨面と逆電位の親水部を有するものを選択すれば、イオン性の界面活性剤を増粘剤として用いることもできる。さらには、グリシンのような両性界面活性剤を用いて、スラリーの増粘化と疎水化とを図ることもできる。
【００７２】
Ａｌ膜およびＴｉＮライナからなる導電性層の研磨に当たっては、上述したように調製されたスラリーをスラリー供給ノズルから供給しつつ、ウエハを３００ｒｐｍで回転させ、ブラシは５ｃｍの距離を１０回／秒の速度でよう動させた。研磨中には、モニターによりｉｎ−ｓｉｔｕでウエハ表面を観察した。
【００７３】
なお、Ａｌの研磨では、コロージョンを防止することが課題の一つである。従来のＡｌの研磨の場合には、次のようにコロージョンが発生していた。例えば、ウエハ面内でＡｌ残りがないように所定の削り量よりも多めに研磨を行なう、いわゆるオーバーポリッシュの際、早く削れた領域でコロージョンが発生した。また、コロージョン防止液に浸すまでに時間を要し、防食に間に合わなかったという問題がある。
【００７４】
これに対し本実施例では、被研磨面が上面を向いてウエハが載置されているので、ウエハ内での局所的な研磨、また、研磨位置での薬液洗浄が可能である。このため、例えば、約３分間の粗研磨によりウエハの８割程度大まかに削り、その直後に防食液（例えば、ポリカルボン酸０．０１ｗｔ％）を、ウエハ表面に直接供給することができる。ウエハ表面に研磨不足の領域が発見された場合には、引き続き、速やかにその不足部分をｉｎ−ｓｉｔｕモニターしつつ、部分的に研磨を行なえばよい。
【００７５】
これによって、エロージョンおよびコロージョンを抑制したダマシン配線を形成することが可能となる。
【００７６】
本実施例により形成されたＡｌダマシン配線においては、Ａｌエロージョンは３５ｎｍであり、コロージョンは、従来の１０００個／ウエハから３０個／ウエハ程度に抑制された。
【００７７】
（実施例２）
以上の実施例では導電性層の研磨について説明したが、ブラシを用いた研磨を絶縁膜の平坦化に適用することもできる。
【００７８】
図７に、絶縁膜としてのＳｉＯ2膜平坦化の工程図を示す。
【００７９】
まず、素子２０１（高さ１５０ｎｍ）を形成した半導体基板２００上に、図７（ａ）に示すように、ＳｉＯ2膜２０２を８００ｎｍの膜厚で堆積する。次いで、ＳｉＯ2膜２０２における素子２０１の高さ分程度の段差を、図１に示した装置によりブラシで研磨して平坦化する。
【００８０】
ブラシ６０２としては、図２（ｃ）に示したロールタイプのものを用いた。このブラシはポリプロピレン製であり、毛先の太さは２０μｍ程度である。
【００８１】
ＳｉＯ2膜２０２の研磨に用いるスラリーは、以下のようにして調製した。まず、溶媒としての純水に、研磨粒子としてのコロイダルシリカ（一次粒子径３０ｎｍ）を加えて固形分１５ｗｔ％のスラリーを得た。ｐＨは、ＫＯＨにより１１に調製した。さらに、前述の実施例１と同様のアミノ基を有するＰＭＭＡ粒子１と、カルボキシル基を有するＰＭＭＡ粒子２とをそれぞれ５ｗｔ％順番に加えて、スラリーの粘度を２５ｍＰａＳに高めるとともに疎水化処理を施した。
【００８２】
ブラシ回転数およびウエハ回転数は、いずれも２００ｒｐｍとし、モニターによりウエハの状態を観察しながら、ＳｉＯ2膜２０２の研磨を行なった。その結果、図７（ｂ）に示すように段差を１０ｎｍ以下まで平坦化することができた。
【００８３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、被研磨面を局所的に研磨可能であり、被研磨面の研磨状態を直接モニターし、被研磨面を直接洗浄することができる研磨方法が提供される。また本発明によれば、超薄膜ダマシン配線を形成でき、大口径化されたウエハの処理に対応して、量産レベルで安定して半導体装置を製造し得る方法が提供される。本発明は、導電性層や絶縁膜の研磨、特にＤＲＡＭや高速ロジックＬＳＩに搭載されるＡｌ、Ｃｕ、Ｗなどのダマシン配線の形成に極めて有効に用いられ、その工業的価値は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる研磨装置を説明する概略図。
【図２】図１に示した研磨装置に用いられるブラシを説明する概略図。
【図３】ブラシの研磨時の表面状態を説明する概略図。
【図４】本発明の一実施例にかかる半導体装置の製造方法を表わす工程断面図。
【図５】スラリー中の粒子の凝集状態を説明する概略図。
【図６】Ｃｕ研磨速度とスラリー粘度との関係を説明するグラフ図。
【図７】本発明の他の実施例にかかる研磨方法を表わす工程断面図。
【図８】従来のテーブルタイプの研磨装置を説明する概略図。
【図９】従来のテーブルタイプの研磨装置におけるパッドの表面を表わす概略図。
【符号の説明】
１００…半導体基板
１０１…溝を形成した絶縁膜
１０２…ＴａＮライナ
１０３…Ｃｕ膜
２００…半導体基板
２０１…素子
２０２…ＳｉＯ2膜
３０１…ブラシの断面
４００…ＰＭＭＡ粒子１
４０１…コロイダルシリカ粒子
４０２…ＰＭＭＡ粒子２
５００…定盤
５０１…研磨パッド
５０２…被研磨面が下を向いたウエハ
５０３…ダイヤモンドドレッサー
５０４…ドレッサー洗浄部
５０５…光学式センサー
５０６…スラリー供給ノズル
５０７…純水供給ノズル
５０８…薬液供給ノズル
６００…ウエハ保持機
６０１…被研磨面が上を向いたウエハ
６０２…移動式ブラシ
６０３…移動式光学式センサー
６０４…スラリー供給ノズル
６０５…純水供給ノズル
６０６…薬液供給ノズル
６０７…ブラシ清浄機構
Claims (7)
- 被処理面を有する半導体基板を、前記被処理面を上向きにして回転させる工程と、
前記被処理面にスラリーを供給して、研磨の進行状態をｉｎ−ｓｉｔｕでモニターしつつブラシにより研磨する工程とを具備し、
前記スラリーは、１０ｍＰａＳ以上１００ｍＰａＳ以下の粘度を有し、カチオン性ポリマーの粒子とアニオン性ポリマーの粒子と研磨粒子とを含有することを特徴とする研磨方法。 - 前記カチオン性ポリマーの粒子は、アミノ基を有するポリメチルメタクリレート粒子またはポリスチレン粒子であることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
- 前記アニオン性ポリマーの粒子は、カルボキシル基を有するポリメチルメタクリレート粒子またはポリスチレン粒子であることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法。
- 前記研磨粒子は、コロイダルシリカ、コロイダルアルミナ、チタニア、およびセリアからなる群から選択されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の研磨方法。
- 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に溝を形成する工程と、
前記溝の内部および前記絶縁膜の上に導電性材料を堆積して、導電性層を形成する工程と、
前記絶縁膜の上に堆積された前記導電性材料を除去して前記絶縁膜の表面を露出させることにより、前記導電性材料を前記溝内部に残置する工程とを具備し、
前記絶縁膜上に堆積された前記導電性材料の除去は、前記導電性層にスラリーを供給してブラシで研磨することにより行なわれ、前記スラリーは、１０ｍＰａＳ以上１００ｍＰａＳ以下の粘度を有し、カチオン性ポリマーの粒子とアニオン性ポリマーの粒子と研磨粒子とを含有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に溝を形成する工程と、
前記溝の内部および前記絶縁膜の上に導電性材料を堆積して、導電性層を形成する工程と、
前記絶縁膜の上に堆積された前記導電性材料を除去して前記絶縁膜の表面を露出させることにより、前記導電性材料を前記溝内部に残置する工程とを具備し、
前記絶縁膜上に堆積された前記導電性材料の除去は、前記導電性層を上向きにして前記半導体基板を回転させ、前記導電性層にスラリーを供給して、研磨の進行状態をｉｎ−ｓｉｔｕでモニターしつつブラシで研磨することにより行なわれ、前記スラリーは、１０ｍＰａＳ以上１００ｍＰａＳ以下の粘度を有し、カチオン性ポリマーの粒子とアニオン性ポリマーの粒子と研磨粒子とを含有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記研磨粒子は、コロイダルシリカ、コロイダルアルミナ、チタニア、およびセリアからなる群から選択されることを特徴とする請求項５または６に記載の半導体装置の製造方法。
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