JP4400795B2 - Evaluation substrate and CMP condition evaluation method - Google Patents

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Description

本発明は、特に、ダマシン配線構造におけるCu膜のCMP(Chemical Mechanical Polishing)において、CMP条件の検討に用いる評価用基板、及び該評価用基板を用いてCMPの条件を決定(評価)する評価方法に関する。中でも、平坦性とCu残り除去性とに優れた複数層の配線膜を有するダマシン配線構造を提供する技術に関する。   The present invention particularly relates to an evaluation substrate used for studying CMP conditions in CMP (Chemical Mechanical Polishing) of a Cu film in a damascene wiring structure, and an evaluation method for determining (evaluating) CMP conditions using the evaluation substrate. About. In particular, the present invention relates to a technique for providing a damascene wiring structure having a multi-layered wiring film that is excellent in flatness and Cu remaining removability.

LSIの多層配線形成に用いられるCu及びバリア膜のCMPプロセスでは、0.1μm以下の微細配線から100μm程度のグローバル配線までの広い範囲に亘って、Cu配線の膜厚を一定範囲内に制御することが求められている。そして、CMPプロセスで生じるCu及びバリア膜のディッシングやエロージョンは、Cu配線膜厚の大きな変動要因である為、これらの量を小さくするCMP方法が必要となる。   In the CMP process of Cu and barrier film used for the formation of multilayer wiring of LSI, the film thickness of Cu wiring is controlled within a certain range over a wide range from fine wiring of 0.1 μm or less to global wiring of about 100 μm. It is demanded. Further, the dishing and erosion of Cu and the barrier film generated in the CMP process are large fluctuation factors of the Cu wiring film thickness, and therefore, a CMP method for reducing these amounts is required.

ところで、Cu配線形成プロセスでは、配線溝を形成した基板上に、先ず、Cu拡散バリア膜を形成し、この後でCuシード膜を形成し、続いてめっき法によりCu膜を配線溝深さの1.5〜3倍程度の厚さ形成する。この後、CMPによって不要な膜を研磨・除去する。すなわち、始めに、Cu用のスラリーを用いて配線となる部分以外のCu膜を研磨・除去する。そして、下層のCu拡散バリア膜が露出した時点で研磨を、一旦、停止する。次いで、Cu用とは異なるスラリーを用いてCu拡散バリア膜を研磨して除去する。このような技術では、Cu膜を除去し、Cu拡散バリア膜が露出した段階で、ディッシングやエロージョンによる平坦性の劣化が小さく、かつ、配線となる部分以外の余分なCuが完全に除去されていることが重要である。   By the way, in the Cu wiring formation process, first, a Cu diffusion barrier film is formed on a substrate on which a wiring groove is formed, and then a Cu seed film is formed, and then the Cu film is formed to a wiring groove depth by plating. A thickness of about 1.5 to 3 times is formed. Thereafter, unnecessary films are polished and removed by CMP. That is, first, a Cu film other than a portion to be a wiring is polished and removed using a slurry for Cu. Then, the polishing is temporarily stopped when the underlying Cu diffusion barrier film is exposed. Next, the Cu diffusion barrier film is polished and removed using a slurry different from that for Cu. In such a technique, when the Cu film is removed and the Cu diffusion barrier film is exposed, the deterioration of flatness due to dishing and erosion is small, and excess Cu other than the portion that becomes the wiring is completely removed. It is important that

このような技術において、Cu研磨後の状態でCu膜を部分的に残し、バリア研磨の際に、残ったCu膜を同時に研磨する方法が提案されているものの、この場合、バリア膜とCu膜の研磨速度を略1:1にする必要がある。しかしながら、このようにしてCMPを行うと、Cu拡散バリア膜の研磨時におけるCu研磨量が大きくなり、平坦性の低下、配線抵抗の増大を招く。   In such a technique, a method is proposed in which a Cu film is partially left in a state after Cu polishing, and the remaining Cu film is simultaneously polished at the time of barrier polishing. In this case, the barrier film and the Cu film are used. It is necessary to make the polishing rate of about 1: 1. However, when CMP is performed in this manner, the amount of Cu polishing during polishing of the Cu diffusion barrier film increases, leading to a decrease in flatness and an increase in wiring resistance.

さて、LSIの多層配線膜の形成において、第1層目(最下層)の配線膜形成時における下地は比較的平坦である場合が多い。しかしながら、第2層目以降(第1層目より上の層)における配線膜の形成では、下層配線膜形成の為のCu膜及びCu拡散バリア膜のCMPによって生じるディッシングやエロージョンによって凹凸が形成されており、このような凹凸の上に配線膜を形成する必要がある。   In forming a multilayer wiring film of an LSI, the base is often relatively flat when the first (lowermost) wiring film is formed. However, in the formation of wiring films in the second and subsequent layers (layers above the first layer), irregularities are formed by dishing and erosion caused by CMP of the Cu film and Cu diffusion barrier film for forming the lower wiring film. It is necessary to form a wiring film on such irregularities.

ところで、第2層目以降のCu膜のCMPにおいては、配線間の短絡を起こさせない為、下層配線膜形成による凹部分における余分なCuを完全に除去する必要がある。そして、前記凹部分の局所的なCu残りを除去する為、Cu膜が除去され、そして下層のバリア膜が露出した後に、オーバー研磨を行う必要が有る。しかしながら、Cu膜のCMP条件によっては、下層配線の凹凸が無い場合よりも長時間のオーバー研磨をすることが必要となる場合がある。ところが、オーバー研磨時間が長くなるとディッシングが増大する。そして、上層に進むほどオーバー研磨時間を長くする研磨方法では、上層ほどディッシングが大きくなり、配線層数が多い場合には、多層配線膜の形成が困難となる。かつ、配線層毎に、オーバー研磨時間を設定する必要があり、工程の管理が複雑になると言う問題も有る。   By the way, in the CMP of the second layer and subsequent Cu films, it is necessary to completely remove excess Cu in the concave portion due to the formation of the lower wiring film in order not to cause a short circuit between the wirings. Then, in order to remove the local Cu residue for the concave portion, it is necessary to perform over-polishing after the Cu film is removed and the underlying barrier film is exposed. However, depending on the CMP conditions of the Cu film, it may be necessary to perform overpolishing for a longer time than when there is no unevenness in the lower layer wiring. However, dishing increases as the overpolishing time increases. In the polishing method in which the over-polishing time is increased as the layer progresses, the dishing increases as the upper layer increases, and when the number of wiring layers is large, it is difficult to form a multilayer wiring film. In addition, it is necessary to set an over-polishing time for each wiring layer, and there is a problem that process management becomes complicated.

このような問題を回避する方法として、多層配線の形成工程の途中で、絶縁膜を厚く形成し、その絶縁膜をCMPして下地の凹凸を平坦に均す方法が提案されている。しかしながら、この手法は、工程数が増えることになり、コストが増大する。   As a method for avoiding such a problem, a method has been proposed in which a thick insulating film is formed in the middle of a multi-layer wiring forming process, and the underlying film is flattened by CMP. However, this method increases the number of steps and increases the cost.

ところで、特開2001−7114「半導体装置およびその製造方法」の実施例においては、CMPの検討として、平坦な基板上に配線溝を形成し、その上に金属膜を成膜した基板を用いている。   By the way, in the example of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-7114 “Semiconductor Device and Method of Manufacturing the Same”, as a study of CMP, a substrate in which a wiring groove is formed on a flat substrate and a metal film is formed thereon is used. Yes.

しかしながら、このような基板を用いた評価では、上述したような多層配線膜形成時の、下層配線膜による凹凸の影響が考慮されていない。   However, in the evaluation using such a substrate, the influence of unevenness due to the lower wiring film at the time of forming the multilayer wiring film as described above is not taken into consideration.

上述の如く、従来から提案されていた評価用配線パターン付ウエハーは、平坦なシリコン基板の上に1層配線を形成したものに過ぎないことから、CMPに際しての条件の検討に前記ウエハーを用いても、下層配線のディッシングやエロージョンによる凹凸の影響が評価できていない。従って、下層配線膜の凹凸の影響を評価しようとすると、実際に、多層配線膜を形成する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、第1層目の配線膜形成のCMPをした後、第2層目の配線膜を形成する為、再度、CMPを行う必要が有る。この為、最適なCMP条件を求めるのに長時間を要することから、開発効率が低下してしまう。更に、上記の方法では、下層配線膜による凹部が、どの程度深い場合までCuが除去可能かと言うマージンの確認が出来なかった。従って、下層配線膜による凹部のCu残り除去性に対して十分なマージンを有するCMP条件を選択することが出来なかった。
特開2001−7114
As described above, a wafer with an evaluation wiring pattern that has been proposed in the past is merely a single-layer wiring formed on a flat silicon substrate. Therefore, the wafer is used for examination of conditions during CMP. However, the influence of unevenness due to dishing or erosion of the lower layer wiring has not been evaluated. Therefore, in order to evaluate the influence of the unevenness of the lower wiring film, a method of actually forming a multilayer wiring film can be considered. However, in this method, it is necessary to perform the CMP again in order to form the second-layer wiring film after performing the CMP for forming the first-layer wiring film. For this reason, since it takes a long time to obtain the optimum CMP conditions, the development efficiency is lowered. Furthermore, in the above method, it has not been possible to confirm the margin of how deep Cu can be removed by the recesses formed by the lower wiring film. Therefore, it was not possible to select a CMP condition having a sufficient margin for removing Cu remaining in the recess by the lower wiring film.
JP2001-7114

従って、下層配線による凹凸の影響を簡便に評価できる評価用基板や評価方法が開発されたならば、CMP用スラリーやCMPプロセスの開発効率が大幅に改善する。又、LSIの製造においては、マージンの広いCMP条件を用いることにより歩留まりが向上する。   Therefore, if an evaluation substrate and an evaluation method that can easily evaluate the influence of unevenness due to the lower layer wiring are developed, the development efficiency of the slurry for CMP and the CMP process is greatly improved. In the manufacture of LSI, the yield is improved by using CMP conditions with a wide margin.

よって、本発明が解決しようとする課題は、平坦性とCu残り除去性とに優れた複数層の配線膜を有するダマシン配線構造を提供することである。中でも、前記特長を有するダマシン配線構造を得る為のCMP技術を提供することである。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a damascene wiring structure having a multi-layered wiring film excellent in flatness and Cu removability removal. Among other things, it is to provide a CMP technique for obtaining a damascene wiring structure having the above features.

前記の課題は、半導体素子における上下方向に複数の配線膜を形成する為に行われるCMPの条件を評価する為に用いられる評価用基板であって、
基板と、
前記基板に形成された深さがAの第1の溝と、
前記第1の溝と同じ基準面から前記基板に形成された深さがBの第2の溝と、
前記第1の溝及び第2の溝に設けられた配線膜の材
とを具備してなり、
前記第2の溝の深さBは前記第1の溝の深さAよりも浅い
ことを特徴とする評価用基板によって解決される。
The above-described problem is an evaluation substrate used for evaluating the conditions of CMP performed to form a plurality of wiring films in the vertical direction of a semiconductor element,
A substrate,
A first groove having a depth A formed in the substrate;
A second groove having a depth B formed on the substrate from the same reference surface as the first groove;
A wiring film material provided in the first groove and the second groove;
The depth B of the second groove is solved by a substrate for evaluation characterized by being shallower than the depth A of the first groove.

特に、半導体素子における上下方向に複数の配線膜を形成する為に行われるCMPの条件を評価する為に用いられる評価用基板であって、
基板と、
前記基板に形成された深さがAの第1の溝と、
前記第1の溝と同じ基準面から前記基板に形成された深さがBの第2の溝と、
前記第1の溝及び第2の溝に設けられた配線膜の材
とを具備してなり、
前記第2の溝の深さBは前記第1の溝の深さAの5〜60%である
ことを特徴とする評価用基板によって解決される。
In particular, an evaluation substrate used for evaluating the conditions of CMP performed to form a plurality of wiring films in a vertical direction in a semiconductor element,
A substrate,
A first groove having a depth A formed in the substrate;
A second groove having a depth B formed on the substrate from the same reference surface as the first groove;
A wiring film material provided in the first groove and the second groove;
The depth B of the second groove is 5 to 60% of the depth A of the first groove, which is solved by the evaluation substrate.

又、上記の評価用基板であって、(第2の溝の深さ)≧(第1の溝におけるディッシングの深さ)であるよう構成されてなることを特徴とする評価用基板によって解決される。   In addition, the above-described evaluation substrate can be solved by the evaluation substrate characterized in that (depth of the second groove) ≧ (depth of dishing in the first groove). The

又、上記の評価用基板であって、深さが異なる以外は第2の溝と同様な溝を更に具備してなり、
該溝は、その深さが第1の溝の深さAの5〜60%である
ことを特徴とする評価用基板によって解決される。
In addition, the evaluation substrate further includes a groove similar to the second groove except for a different depth,
The groove is solved by an evaluation substrate characterized in that the depth is 5 to 60% of the depth A of the first groove.

又、上記の評価用基板であって、溝は、その平面形状が互いに略同じであることを特徴とする評価用基板によって解決される。   Further, in the above-described evaluation substrate, the groove is solved by the evaluation substrate characterized in that the planar shapes thereof are substantially the same.

又、上記の評価用基板であって、第1の溝は半導体素子における配線膜構成用の溝に相当するものであることを特徴とする評価用基板によって解決される。   In addition, the above-described evaluation substrate is solved by the evaluation substrate characterized in that the first groove corresponds to a wiring film forming groove in a semiconductor element.

又、上記の評価用基板であって、溝は、そのパターンがL&Sパターン又は孤立パターンであることを特徴とする評価用基板によって解決される。   Further, in the above-described evaluation substrate, the groove is solved by the evaluation substrate characterized in that the pattern is an L & S pattern or an isolated pattern.

又、上記の評価用基板をCMPするCMP工程と、
前記CMP工程後における第1の溝に設けられた配線膜の材のディッシングの深さ又は該ディッシングの深さより深い深さにおいて、第2の溝に設けられた配線膜の材が除去されているか否かを判別する判別工程
とを具備することを特徴とするCMP条件評価方法によって解決される。
Also, a CMP process for CMPing the evaluation substrate,
Whether the wiring film material provided in the second groove is removed at the depth of the dishing of the wiring film material provided in the first groove after the CMP process or deeper than the depth of the dishing. It is solved by a CMP condition evaluation method characterized by comprising a determination step for determining whether or not.

すなわち、本発明は、基板上に、深さが異なる二つ以上の溝を形成し、その上に被研磨膜(配線膜、例えばCuなどの導体膜)を設けて溝を埋設することによって構成されたパターンを有するCMP評価用の基板と、該基板をCMPすることにより、該CMPが適切なものであるか否かを判定(評価)する方法とに関するものである。すなわち、前記基板のCu膜およびCu拡散バリア膜をCMPした後、配線膜に相当するパターン部分におけるディッシングの深さと同じかそれより深い溝深さのパターンのCuが除去されるものとなる範囲に該CMPの条件を設定するものである。つまり、前記条件が満たされるようにCMP条件を設定し、複数層の配線膜を有するものに対して該条件でのCMPを行うことによって、問題が無い研磨が行われる。すなわち、研磨し過ぎとか研磨不足と言った支障が起きないものとなる。   That is, the present invention is configured by forming two or more grooves having different depths on a substrate and providing a film to be polished (a wiring film, for example, a conductor film such as Cu) on the substrate to bury the grooves. The present invention relates to a CMP evaluation substrate having a patterned pattern, and a method for determining (evaluating) whether or not the CMP is appropriate by performing CMP on the substrate. That is, after CMP of the Cu film and the Cu diffusion barrier film of the substrate, Cu having a groove depth equal to or deeper than the dishing depth in the pattern portion corresponding to the wiring film is removed. The conditions for the CMP are set. That is, by setting CMP conditions so that the above conditions are satisfied and performing CMP under these conditions on a film having a plurality of wiring films, polishing without problems is performed. That is, troubles such as excessive polishing or insufficient polishing do not occur.

Cu配線膜形成のCMPプロセスの検討に本発明を用いる場合、基板に設けるパターンの平面形状としては、各種の溝幅、溝占有率のL&S(Line & Space)パターンや、各種溝幅の孤立パターンを用いることが出来る。L&Sパターンの占有率は(溝パターンの幅(L)/溝パターンのピッチ(L+S))×100%で定義される。Cu膜のCMPにおいて、ディッシングが最も大きくなるのは、配線幅が広く、配線占有率が大きい場合である。そして、そのような配線膜が下層にあると、上層のCMPにおけるCu残りが発生し易い。通常のLSIにおける配線幅としては、100μm程度が最大と考えられることから、配線幅100μm程度で、配線占有率が異なる数種類のパターンを使用するのが適している。又、配線幅が異なる数種類の孤立パターンを使用することも可能で、その場合の配線幅は、1〜1000μm程度が適している。   When the present invention is used for studying the CMP process for forming a Cu wiring film, the planar shape of the pattern provided on the substrate includes L & S (Line & Space) patterns with various groove widths and groove occupation ratios, and isolated patterns with various groove widths. Can be used. The occupation ratio of the L & S pattern is defined by (groove pattern width (L) / groove pattern pitch (L + S)) × 100%. In the CMP of the Cu film, dishing becomes the largest when the wiring width is wide and the wiring occupation ratio is large. If such a wiring film is in the lower layer, Cu residue is likely to occur in the upper CMP. Since the maximum wiring width in a normal LSI is considered to be about 100 μm, it is suitable to use several types of patterns having a wiring width of about 100 μm and different wiring occupation ratios. It is also possible to use several types of isolated patterns having different wiring widths. In this case, the wiring width is preferably about 1 to 1000 μm.

配線膜を想定(Cu配線膜形成)したパターンの溝深さは、素子(LSI)の配線膜の厚さと同程度にするのが望ましい。LSIにおける配線膜の厚さは、150nm〜2μm程度である。尚、デザインルールや適用される配線膜の層(下層、中層、上層)によって異なることから、対象とするLSIに合わせて前記溝の深さを、適宜、選択する。下層配線による凹みを想定したパターンの溝深さは、ディッシング量の目標が配線膜の厚さの約10%程度であることから、配線溝深さの5〜60%(特に、7.5%以上、更には10%以上。そして、50%以下、更には40%以下)の範囲が好ましい。そして、このような範囲内の深さの溝は一つでも良いが、二つ以上あっても良い。好ましくは、前記範囲内で段階的に深さが異なる溝を2〜6個形成しているのが好ましい。すなわち、前記のような溝を複数個形成しておくことによって、より適切なCMP条件を評価できるものとなる。   It is desirable that the groove depth of the pattern assuming the wiring film (Cu wiring film formation) is approximately the same as the thickness of the wiring film of the element (LSI). The thickness of the wiring film in the LSI is about 150 nm to 2 μm. Note that the depth of the groove is appropriately selected according to the target LSI because it differs depending on the design rule and the layer (lower layer, middle layer, upper layer) of the applied wiring film. The groove depth of the pattern assuming the depression due to the lower layer wiring is 5 to 60% (especially 7.5%) of the wiring groove depth because the target of dishing amount is about 10% of the thickness of the wiring film. The above range is preferably 10% or more, and 50% or less, and more preferably 40% or less. The number of grooves having a depth within such a range may be one, or two or more. Preferably, 2 to 6 grooves having different depths in the above range are formed. That is, by forming a plurality of grooves as described above, more appropriate CMP conditions can be evaluated.

CMP条件の評価(決定)は、CuやCu拡散バリア膜のCMP後に、配線を想定したパターンのディッシング量と、下層配線による凹みを想定したパターンのCu残りの状態を比較して行うものである。この時の比較は、深さを除けば同一形状(平面形状が同一)のパターンの溝についての比較である。そして、比較・検討の結果、ディッシング量と同じか、それより深い溝深さのパターンにCu残りが無い条件が、多層配線のCMP条件として適していることが突き止められたのである。すなわち、前記のような条件でCMPを第1層(最下層)目の配線膜から行うと、第2層目以降の配線膜のCMPにおいても、第1層目と同じ時間のCuのCMPのオーバー研磨によって、下層配線による凹部のCu残りが除去される。この時、第2層目以降の配線のディッシングは、CuのCMPのオーバー研磨時間が一定である為、第1層目と同程度に保たれる。従って、このようなCMP条件は、多層配線膜の形成に極めて有効である。逆に、ディッシング量より溝深さが浅いパターンでCu残りが発生するCMP条件では、第2層目のCMPを同じ条件で行うと、下地の凹部により、Cu残りが発生する。このCu残りを除去する為、オーバー研磨時間を第1層目のCMP条件より長くすると、第2層目の配線膜のディッシング量が第1層目の配線膜のディッシングより大きくなる。このようなCMP条件は、上層の配線膜になるほどディッシングが増大し、配線抵抗が増大することから、多層配線膜のCMP条件としては適さないと考えられる。又、このような場合、上層配線膜ほど基板表面の凹凸が大きくなる為、フォトレジストによる微細パターンが困難になることも予想される。   Evaluation (determination) of CMP conditions is performed by comparing the dishing amount of the pattern assuming wiring and the remaining Cu state of the pattern assuming depression due to the lower layer wiring after CMP of Cu or Cu diffusion barrier film. . The comparison at this time is a comparison of grooves having the same shape (the same planar shape) except for the depth. As a result of comparison and examination, it has been found that a condition in which there is no Cu residue in a pattern having a groove depth equal to or deeper than the dishing amount is suitable as a CMP condition for multilayer wiring. That is, when CMP is performed from the first layer (lowermost layer) wiring film under the above-described conditions, the CMP of Cu at the same time as the first layer is also performed in the CMP of the second and subsequent wiring films. By over-polishing, the remaining Cu in the recesses due to the lower layer wiring is removed. At this time, dishing of the wirings after the second layer is maintained at the same level as the first layer because the over-polishing time of Cu CMP is constant. Therefore, such CMP conditions are extremely effective for forming a multilayer wiring film. Conversely, under the CMP conditions in which Cu residue is generated in a pattern having a groove depth shallower than the dishing amount, if the second layer CMP is performed under the same conditions, Cu residue is generated due to the underlying recess. If the over-polishing time is made longer than the CMP condition of the first layer in order to remove this Cu residue, the dishing amount of the second-layer wiring film becomes larger than the dishing of the first-layer wiring film. Such CMP conditions are considered to be unsuitable as CMP conditions for multilayer wiring films because dishing increases and wiring resistance increases as the upper wiring film is formed. Further, in such a case, the upper layer wiring film becomes more uneven on the surface of the substrate, so that it is expected that a fine pattern using a photoresist becomes difficult.

異なる深さを有する溝に対してCu拡散バリア膜やCu膜を設けたパターンのものに対してCMPを行い、Cu残りを評価することによって、該CMPが適切なCMPであるか否かを知ることが出来る。すなわち、下層配線膜による下地の凹凸の影響を評価できる。   By performing CMP on a pattern having a Cu diffusion barrier film or Cu film for grooves having different depths and evaluating the remaining Cu, it is known whether or not the CMP is appropriate CMP. I can do it. That is, it is possible to evaluate the influence of the underlying irregularities due to the lower wiring film.

そして、実際の複数層の多層配線膜を形成して評価すると言った煩瑣な作業を要さい。従って、例えばCMPの為のスラリーやCMPプロセスの開発効率が大幅に向上する。   Further, it is necessary to perform a cumbersome work of forming and evaluating an actual multilayer wiring film having a plurality of layers. Therefore, for example, the development efficiency of the slurry for CMP and the CMP process is greatly improved.

更には、従来の方法では出来なかった下層配線膜による凹み部分のCu残りに対するマージンの確認が可能であることから、Cu残りに対するマージンが広い条件を選択することが出来る。従って、LSIの製造歩留まり、性能の向上が可能となる。   Furthermore, since it is possible to confirm the margin for the Cu remaining in the recessed portion due to the lower wiring film, which cannot be achieved by the conventional method, it is possible to select a condition with a wide margin for the Cu remaining. Therefore, the manufacturing yield and performance of LSI can be improved.

本発明になる評価用基板は、半導体素子における上下方向に複数の配線膜を形成する為に行われるCMPの条件を評価する為に用いられる評価用基板であって、基板と、前記基板に形成された深さがAの第1の溝と、前記第1の溝と同じ基準面から前記基板に形成された深さがBの第2の溝と、前記第1の溝及び第2の溝に設けられた配線膜の材とを具備してなり、前記第2の溝の深さBは前記第1の溝の深さAよりも浅い。特に、第2の溝の深さBは第1の溝の深さAの5〜60%である。中でも、特に、7.5%以上、更には10%以上である。又、特に、50%以下、更には40%以下である。又、好ましくは、(第2の溝の深さ)≧(第1の溝におけるディッシングの深さ)を満たすことである。又、好ましくは、深さが異なる以外は第2の溝と同様な溝を更に具備してなり、該溝は、その深さが第1の溝の深さAの5〜60%である。特に、7.5%以上、更には10%以上である。又、特に、50%以下、更には40%以下である。溝は、好ましくは、その平面形状が互いに略同じである。第1の溝は半導体素子における配線膜構成用の溝に相当するものである。溝は、そのパターンがL&Sパターン又は孤立パターンである。   An evaluation substrate according to the present invention is an evaluation substrate used for evaluating the conditions of CMP performed to form a plurality of wiring films in a vertical direction in a semiconductor element, and is formed on the substrate and the substrate. A first groove having a depth of A, a second groove having a depth of B formed on the substrate from the same reference plane as the first groove, and the first and second grooves. The depth B of the second groove is shallower than the depth A of the first groove. In particular, the depth B of the second groove is 5 to 60% of the depth A of the first groove. Especially, it is 7.5% or more, Furthermore, it is 10% or more. In particular, it is 50% or less, further 40% or less. Preferably, (depth of the second groove) ≧ (depth of dishing in the first groove) is satisfied. Preferably, the groove further includes a groove similar to the second groove except that the depth is different, and the depth of the groove is 5 to 60% of the depth A of the first groove. In particular, it is 7.5% or more, and further 10% or more. In particular, it is 50% or less, further 40% or less. The grooves preferably have substantially the same planar shape. The first groove corresponds to a groove for forming a wiring film in the semiconductor element. The groove has an L & S pattern or an isolated pattern.

本発明になるCMP条件評価方法は、上記の評価用基板をCMPするCMP工程と、前記CMP工程後における第1の溝に設けられた配線膜の材のディッシングの深さ又は該ディッシングの深さより深い深さにおいて、第2の溝に設けられた配線膜の材が除去されているか否かを判別する判別工程とを具備するものである。   The CMP condition evaluation method according to the present invention includes a CMP process for CMPing the evaluation substrate, a dishing depth of the wiring film material provided in the first groove after the CMP process, or a depth of the dishing. And a determination step of determining whether or not the material of the wiring film provided in the second groove is removed at a deep depth.

更に詳しく説明すると次の通りである。
図1は評価用基板の一部の断面図である。
ここでは、実際の配線膜構造に出来るだけ近い構造のものとする為、配線膜を想定した溝の絶縁膜としてLow k膜(低誘電率絶縁膜)にキャップ膜を積層した構造を用いる。すなわち、下地段差を想定した溝を構成する為の下地段差用絶縁膜1を基板上に設けた後、該下地段差用絶縁膜1をエッチングして溝を形成する。この後、絶縁膜2、エッチングストッパ膜3、Low k膜4、キャップ膜5の順に積層する。そして、キャップ膜5上にフォトレジスト膜を設け、露光・現像して配線膜のパターンを形成し、次いでエッチング・アッシングにより溝を形成する。尚、Low k膜4としては、必要に応じて、塗布型絶縁膜、プラズマCVD(Chemical
Vapor Deposition)膜のどちらを用いてもよい。塗布型絶縁膜を用いた場合には、塗布型絶縁膜による下層配線による凹凸の平坦化の効果を評価できる。配線膜における絶縁膜の種類に格別な制限は無く、図1に示すようなLow k膜4にキャップ膜5を積層した構造にする必要は無い。尚、図1中、右側のパターンは、下地段差による影響を調べる為のものであり、左側のパターンは配線膜に相当するパターンのものである。尚、図1中、6はCu拡散バリア膜、7はCu膜である。
This will be described in more detail as follows.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a part of the evaluation substrate.
Here, in order to make the structure as close as possible to the actual wiring film structure, a structure in which a cap film is laminated on a low k film (low dielectric constant insulating film) is used as the insulating film of the trench assuming the wiring film. That is, after a base step insulating film 1 for forming a groove assuming a base step is provided on the substrate, the base step insulating film 1 is etched to form a groove. Thereafter, the insulating film 2, the etching stopper film 3, the low k film 4, and the cap film 5 are laminated in this order. Then, a photoresist film is provided on the cap film 5, exposed and developed to form a wiring film pattern, and then a groove is formed by etching and ashing. As the low k film 4, a coating type insulating film, plasma CVD (Chemical
Either a Vapor Deposition film may be used. When the coating type insulating film is used, the effect of flattening the unevenness by the lower layer wiring by the coating type insulating film can be evaluated. There is no particular limitation on the type of insulating film in the wiring film, and it is not necessary to have a structure in which the cap film 5 is laminated on the low k film 4 as shown in FIG. In FIG. 1, the pattern on the right side is for investigating the influence of the base step, and the pattern on the left side is a pattern corresponding to the wiring film. In FIG. 1, 6 is a Cu diffusion barrier film, and 7 is a Cu film.

図2は評価用基板の形成工程を示すものである。
先ず、図2(a)に示される如く、Si基板11上に、作製する溝の中で最も浅い溝の深さと同じ厚さの絶縁膜12を形成する。続いて、図2(b)に示される如く、フォトレジスト膜13を塗布によって設け、そして露光・現像して所定パターンのものを形成する。この後、図2(c)に示される如く、プラズマエッチングにより溝14を形成する。エッチング条件としては、Si基板11に対して、選択比が大きい条件を用いる。これによって、溝14の深さを絶縁膜12とほぼ同じに出来、基板面内の溝深さのバラツキを小さく出来る。この後、図2(d)に示される如く、残ったフォトレジスト膜13をアッシングにより除去し、残渣除去の為の洗浄を行う。
FIG. 2 shows a process for forming an evaluation substrate.
First, as shown in FIG. 2A, an insulating film 12 having the same thickness as that of the shallowest groove to be manufactured is formed on the Si substrate 11. Subsequently, as shown in FIG. 2B, a photoresist film 13 is provided by coating, and is exposed and developed to form a predetermined pattern. Thereafter, as shown in FIG. 2C, a groove 14 is formed by plasma etching. As an etching condition, a condition with a high selectivity with respect to the Si substrate 11 is used. As a result, the depth of the groove 14 can be made substantially the same as that of the insulating film 12, and the variation of the groove depth in the substrate surface can be reduced. After that, as shown in FIG. 2D, the remaining photoresist film 13 is removed by ashing, and cleaning for removing the residue is performed.

次に、図2(e)に示される如く、2番目に浅い溝の深さと絶縁膜12の厚さの差分の厚さの絶縁膜15を形成する。絶縁膜12と絶縁膜15とは同じ種類のものを用いる。その後、図2(f)に示される如く、フォトレジスト膜16を塗布によって設け、そして最初のエッチングで溝が形成されて無い領域に溝が形成されるように露光・現像し、所定のフォトレジストパターンを形成する。次いで、図2(g)(h)に示される如く、エッチング・アッシングにより溝を形成し、そしてフォトレジスト膜16を除去する。   Next, as shown in FIG. 2E, an insulating film 15 having a thickness that is the difference between the depth of the second shallowest groove and the thickness of the insulating film 12 is formed. The insulating film 12 and the insulating film 15 are of the same type. Thereafter, as shown in FIG. 2 (f), a photoresist film 16 is provided by coating, and exposure and development are performed so that grooves are formed in a region where grooves are not formed by the first etching, and a predetermined photoresist is formed. Form a pattern. Next, as shown in FIGS. 2G and 2H, grooves are formed by etching and ashing, and the photoresist film 16 is removed.

以下、同様にして、必要な深さの溝が形成されるように同様の工程を繰り返す。尚、各溝深さに対して、同じ平面形状のパターンを同一チップ内に重ならないように形成する必要がある為、複数のマスクを準備する必要がある。マスクの数に制限がある場合は、ウエハーごとに溝深さを変えることで、必要な溝深さのパターンを形成しても良い。パターンの段差形成方法に格別な制限は無く、異なる深さで所定パターンの溝が形成できれば、上記以外の方法を用いても良い。   In the same manner, the same process is repeated so that a groove having a required depth is formed. In addition, since it is necessary to form the pattern of the same planar shape so that it may not overlap in the same chip | tip with respect to each groove depth, it is necessary to prepare a some mask. When the number of masks is limited, a pattern having a required groove depth may be formed by changing the groove depth for each wafer. There is no particular limitation on the pattern step forming method, and a method other than the above may be used as long as grooves of a predetermined pattern can be formed at different depths.

図3は評価パターンの例である。
パターンの形状や大きさに格別な制約は無いが、既に述べた通り、配線占有率が異なる配線幅100μm程度のL&Sパターンや、配線幅が1〜1000μmの孤立配線を並べたパターン等が実際の配線パターンを模していて好ましい。
FIG. 3 is an example of an evaluation pattern.
Although there are no particular restrictions on the shape and size of the pattern, as already mentioned, an L & S pattern with a wiring width of about 100 μm, a pattern in which isolated wirings with a wiring width of 1 to 1000 μm are arranged, etc. It is preferable to simulate a wiring pattern.

尚、必要な溝を形成した後は、最後のアッシング洗浄工程に続いて、Cu拡散を防ぐバリア膜を設け、そしてCuシード膜をスパッタ法で形成した後、めっき法によってCu膜を形成し、水素アニールを行う。設けられるCu膜厚は、通常、配線を想定した溝の深さの1.5〜3倍程度である。   After forming the necessary grooves, following the final ashing cleaning step, a barrier film for preventing Cu diffusion is provided, and after forming a Cu seed film by a sputtering method, a Cu film is formed by a plating method, Perform hydrogen annealing. The Cu film thickness to be provided is normally about 1.5 to 3 times the depth of the groove assuming wiring.

Cu膜表面の凹凸は、下地の凹凸の影響を受けており、図1に示す如く、下層配線の凹凸部分と配線部分における凹凸の形状は異なる。これを同じ評価パターンで形成して同時にCMPを行うことにより、良好な平坦性とCu残りのないCMPの好適(最適)条件を求めることが出来る。   The unevenness on the surface of the Cu film is affected by the unevenness of the base, and as shown in FIG. 1, the unevenness of the lower layer wiring and the unevenness of the wiring are different. By forming this with the same evaluation pattern and performing CMP at the same time, favorable (optimum) conditions for good flatness and no Cu residue can be obtained.

図4はCMP装置を示す。被研磨基板を保持したヘッドを、研磨パッドを貼り付けたプラテンに押し付け、パッド表面にスラリーを供給しながら、ヘッドとプラテンを同方向に回転させながら研磨を行う。パッドは市販のポリウレタン発泡体パッドを用いることができる。スラリーの供給系は2系統あり、2種類のスラリーを供給することが可能である。表面にダイヤモンドの粒が埋め込まれたディスクを研磨パッドに押し当て、ディスクとプラテンとを回転させてパッドの表面を削り取ることにより、研磨による反応物やスラリーの砥粒によるパッド表面の目詰まりを防止できる。これは、必要に応じて、研磨中、又は研磨の合間に実施できる。研磨中のCu膜の膜厚変化をプラテンに設置された渦電流式終点検出器で検出することが出来る。これにより、第1の条件で一定膜厚まで研磨し、そこで一旦研磨を停止し、続いて第2の研磨条件で研磨を行うことが出来る。また、Cu膜が除去されてCu拡散バリアが露出した時の終点の検出も可能で、続いて行うオーバー研磨の時間を一定に制御することが可能である。   FIG. 4 shows a CMP apparatus. The head holding the substrate to be polished is pressed against the platen to which the polishing pad is attached, and polishing is performed while rotating the head and the platen in the same direction while supplying slurry to the pad surface. A commercially available polyurethane foam pad can be used as the pad. There are two slurry supply systems, and two types of slurry can be supplied. Pressing a disk with diamond grains embedded on the surface against the polishing pad and rotating the disk and platen to scrape off the pad surface prevents clogging of the pad surface due to abrasives from reactants and slurry from polishing. it can. This can be done during polishing or between polishings as required. The film thickness change of the Cu film during polishing can be detected by an eddy current type end point detector installed on the platen. As a result, it is possible to polish to a certain film thickness under the first condition, stop the polishing once, and then perform polishing under the second polishing condition. Further, it is possible to detect the end point when the Cu film is removed and the Cu diffusion barrier is exposed, and it is possible to control the time of the subsequent overpolishing to be constant.

本研磨装置は、Cu研磨に続いてCu拡散バリア研磨を行う為、Cu研磨用とは別のプラテンとヘッドとを有している。これを用いて、バリア用スラリーによってバリア研磨を実施することが出来る。必要に応じて、Cu研磨とバリア研磨とを自動搬送により、連続処理することも、Cu研磨のみ、又はバリア研磨のみを単独で実施することも出来る。又、研磨後は、自動搬送により、薬液洗浄、超音波洗浄などを必要に応じて実施した後、基板をスピン乾燥させて処理を終了する。   Since this polishing apparatus performs Cu diffusion barrier polishing following Cu polishing, it has a platen and a head different from those for Cu polishing. Using this, barrier polishing can be carried out with a slurry for barrier. If necessary, Cu polishing and barrier polishing can be continuously processed by automatic conveyance, or only Cu polishing or only barrier polishing can be performed alone. In addition, after polishing, chemical cleaning, ultrasonic cleaning, and the like are performed as necessary by automatic conveyance, and then the substrate is spin-dried to complete the processing.

CMP後の平坦性の測定には、触針式の段差計を用いることが出来る。Cu膜とCu拡散バリア膜の研磨後に配線を想定したパターンの平坦性測定を行う。L&Sパターンの平坦性測定は、一定の配線占有率のブロックごとにディッシング量を測定する。L&Sスペースパターンの平坦性の定義を図5に示す。図5には、バリア研磨によって、配線間の絶縁膜が削られた様子を示している。図6に孤立配線の平坦性の定義を示す。孤立配線は各配線毎にディッシング量を測定する。   For measuring the flatness after CMP, a stylus-type step gauge can be used. After polishing the Cu film and the Cu diffusion barrier film, the pattern flatness is measured assuming wiring. In the flatness measurement of the L & S pattern, the dishing amount is measured for each block having a certain wiring occupation ratio. The definition of the flatness of the L & S space pattern is shown in FIG. FIG. 5 shows a state in which the insulating film between the wirings has been removed by barrier polishing. FIG. 6 shows the definition of the flatness of the isolated wiring. For isolated wiring, the dishing amount is measured for each wiring.

Cu残りの観察は、光学顕微鏡で行う。L&Sパターンの場合は各ブロックごとにCuの有無を観察する。孤立パターンの場合は、各配線幅毎にCuの有無を観察する。観察するチップ数に特に制限はないが、少なくとも直径方向に1列以上のチップについて観察するのが望ましい。   The remaining Cu is observed with an optical microscope. In the case of the L & S pattern, the presence or absence of Cu is observed for each block. In the case of an isolated pattern, the presence or absence of Cu is observed for each wiring width. The number of chips to be observed is not particularly limited, but it is desirable to observe at least one row of chips in the diameter direction.

以下、具体的な実施例を挙げて本発明を説明する。
基板として、300mmφのSiウェハを使用し、図1に示す如きの断面構造の評価用基板を作製した。パターン形成のマスクとして、配線溝形成用として1枚、下層配線による凹み形成用として2枚のマスクを使用し、1チップ内に三つの異なる深さの溝を形成できるようにした。そして、これらのマスクを用い、下層配線による凹みを想定したパターンの溝深さが異なる二種類の仕様の評価用基板を作製した。尚、二種類の仕様の評価用基板を基板Aと基板Bとする。基板Aと基板Bとにおける配線膜を想定したパターンの溝深さは同じである。下層配線による凹みを想定したパターンの段差形成のための絶縁膜としてはSiCN膜を用いた。尚、CF4を主としたガスでエッチングを行った時のSi基板とSiCNのエッチング速度比は1:5程度で、十分な選択比が得られた。
Hereinafter, the present invention will be described with specific examples.
A 300 mmφ Si wafer was used as the substrate, and an evaluation substrate having a cross-sectional structure as shown in FIG. 1 was produced. As a mask for pattern formation, one mask is used for forming a wiring groove and two masks are used for forming a recess by a lower layer wiring so that three different depth grooves can be formed in one chip. Then, using these masks, two types of evaluation substrates with different groove depths of patterns assuming a depression due to the lower layer wiring were produced. Note that the substrates for evaluation of two types of specifications are substrate A and substrate B. The groove depth of the pattern assuming the wiring film in the substrate A and the substrate B is the same. A SiCN film was used as an insulating film for forming a step in a pattern assuming a depression due to a lower layer wiring. The etching rate ratio between the Si substrate and SiCN when etching was performed with a gas mainly containing CF 4 was about 1: 5, and a sufficient selection ratio was obtained.

評価用基板Aは以下のようにして作製された。先ず、プラズマCVD法により、300mmφのSi基板上に20nm厚の下地段差用絶縁膜(SiCN膜)1を形成した。そして、凹み形成用マスクXを用いて所定パターンのレジスト膜を形成した後、該レジスト膜をマスクとしたエッチングによって、深さ20nmの溝Mを形成した。尚、エッチング後は、残ったレジスト膜をアッシングによって除去し、残渣除去の洗浄を行った。この後、更に20nm厚のSiCN膜(下地段差用絶縁膜)を形成し、前記溝Mの位置とは異なる位置に、凹み形成用マスクYを用いて所定パターンのレジスト膜を形成した後、該レジスト膜をマスクとしたエッチングによって、深さ40nmの溝Nを形成した。尚、エッチング後は、残ったレジスト膜をアッシングによって除去し、残渣除去の洗浄を行った。従って、深さ20nmの溝(段差)と深さ40nmの溝(段差)とが形成されていることになる。この後、溝Mと溝Nとの上に500nm厚のSiO膜(絶縁膜)2を設け、更に50nm厚のSiCN膜(エッチングストッパ膜)3を設け、そして150nm厚のSiOC膜(Low k膜)4、更に50nm厚のSiO膜(キャップ膜)5を積層した。尚、これ等の膜はプラズマCVD法によって成膜された。次に、溝M,Nとは異なる位置に、配線膜形成用のマスクを用いて所定パターンのレジスト膜を形成し、該レジスト膜をマスクとしたエッチングにより所定パターンの配線膜用の溝(溝深さ:200nm)を形成した。この後、アッシング、及び洗浄を行った。そして、スパッタ法によって、10nm厚のTaN膜および10nm厚のTa膜を設けてCu拡散バリア膜6とした。Cu拡散バリア膜6の成膜後は真空中でウェハを搬送し、連続してCuシード膜を60nm厚スパッタ法で設けた。この後、めっき法により540nm厚のCu膜7を設けた。そして、220℃で60秒間の水素アニール処理を行った。これによって、所定の配線膜(配線膜構成用溝深さ:200nm)パターンと所定の溝M(深さ:20nm),N(深さ:40nm)パターンとを持つ評価用基板Aが作製された。   The evaluation substrate A was produced as follows. First, a 20 nm-thick underlying step insulating film (SiCN film) 1 was formed on a 300 mmφ Si substrate by plasma CVD. Then, after forming a resist film having a predetermined pattern using the recess forming mask X, a groove M having a depth of 20 nm was formed by etching using the resist film as a mask. After the etching, the remaining resist film was removed by ashing and cleaning for removing the residue was performed. Thereafter, an SiCN film (insulating film for base step) having a thickness of 20 nm is further formed, and a resist film having a predetermined pattern is formed at a position different from the position of the groove M by using a recess forming mask Y. A groove N having a depth of 40 nm was formed by etching using the resist film as a mask. After the etching, the remaining resist film was removed by ashing and cleaning for removing the residue was performed. Accordingly, a groove (step) having a depth of 20 nm and a groove (step) having a depth of 40 nm are formed. Thereafter, an SiO film (insulating film) 2 having a thickness of 500 nm is provided on the grooves M and N, an SiCN film (etching stopper film) 3 having a thickness of 50 nm is further provided, and an SiOC film (Low k film) having a thickness of 150 nm is provided. 4) Furthermore, a 50 nm thick SiO film (cap film) 5 was laminated. These films were formed by the plasma CVD method. Next, a resist film having a predetermined pattern is formed at a position different from the grooves M and N by using a mask for forming a wiring film, and a groove (groove) for the wiring film having a predetermined pattern is formed by etching using the resist film as a mask. Depth: 200 nm). Thereafter, ashing and cleaning were performed. Then, a Cu diffusion barrier film 6 was formed by providing a 10 nm thick TaN film and a 10 nm thick Ta film by sputtering. After the formation of the Cu diffusion barrier film 6, the wafer was conveyed in vacuum, and a Cu seed film was continuously provided by a 60 nm thick sputtering method. Thereafter, a Cu film 7 having a thickness of 540 nm was provided by a plating method. Then, a hydrogen annealing treatment was performed at 220 ° C. for 60 seconds. As a result, an evaluation substrate A having a predetermined wiring film (wiring film constituting groove depth: 200 nm) pattern and predetermined groove M (depth: 20 nm), N (depth: 40 nm) pattern was produced. .

評価用基板Aと同様にして評価用基板Bが作製された。尚、評価用基板Aの溝M,Nの深さが20nm,40nmであったのに対して、評価用基板Bにあっては、60nm及び80nmの深さの溝が構成された点が相違(即ち、60nmの深さの溝を形成する為に、最初に設けるSiCN膜の厚さを60nmとした点が相違)するのみで、その他は評価用基板Aの作製と同様に行われ、評価用基板Bが作製された。   An evaluation substrate B was produced in the same manner as the evaluation substrate A. Note that the depths of the grooves M and N of the evaluation substrate A were 20 nm and 40 nm, whereas the evaluation substrate B was different in that grooves having a depth of 60 nm and 80 nm were formed. (That is, the difference is that the thickness of the SiCN film provided first is 60 nm in order to form a groove having a depth of 60 nm). Substrate B was produced.

そして、次のようにしてCMPが行われた。尚、スラリーは、シリカ系砥粒を用いた市販のCu用スラリーを用いた。Cu研磨を行う際には、濃度30wt%の過酸化水素水を予めスラリーと混合して使用した。研磨条件は以下の通りである。研磨圧力:7kPa、プラテン回転数:60rpm、ヘッド回転数:61rpm、スラリー流量:300cc/minである。研磨開始からCu残り膜厚が300nm(半分)になるまで、スラリーと過酸化水素水の混合比率を重量比で8:2としたスラリーを用いて研磨を行った。Cu残り膜厚が300nm(半分)になった段階でスラリーの供給を停止し、パッド上のスラリーを、一旦、純水で洗い流した後、スラリーと過酸化水素水の混合比率を重量比で4:6にしたスラリーを供給して研磨を行った。スラリーと過酸化水素水の混合比が8:2の条件は、研磨速度のパターン依存性が小さく、研磨速度のウェハ面内均一性が良い条件となっている。これに対して、混合比が4:6の条件は、研磨速度のパターン依存性は大きいが、段差解消性が良く、オーバー研磨時のディッシングの増加が小さい条件となっている。これにより、良好な平坦性とCu残り解消性の両立が可能になる。混合比8:2におけるCuブランケット膜の研磨速度は400nm/minであり、混合比が4:6におけるCuブランケット膜の研磨速度は300nm/min程度である。   Then, CMP was performed as follows. As the slurry, a commercially available slurry for Cu using silica-based abrasive grains was used. When performing Cu polishing, a hydrogen peroxide solution having a concentration of 30 wt% was previously mixed with the slurry. The polishing conditions are as follows. Polishing pressure: 7 kPa, platen rotation speed: 60 rpm, head rotation speed: 61 rpm, slurry flow rate: 300 cc / min. Polishing was performed using a slurry in which the mixing ratio of the slurry and the hydrogen peroxide solution was 8: 2 from the start of polishing until the Cu remaining film thickness became 300 nm (half). Slurry supply was stopped when the Cu remaining film thickness reached 300 nm (half), and the slurry on the pad was once washed away with pure water, and then the mixing ratio of the slurry and hydrogen peroxide solution was 4 by weight. : The slurry made into 6 was supplied and it grind | polished. The condition that the mixing ratio of the slurry and the hydrogen peroxide solution is 8: 2 is a condition that the pattern dependency of the polishing rate is small and the uniformity of the polishing rate within the wafer surface is good. On the other hand, when the mixing ratio is 4: 6, the pattern dependency of the polishing rate is large, but the step resolution is good and the dishing increase during over-polishing is small. This makes it possible to achieve both good flatness and Cu residue elimination. The polishing rate of the Cu blanket film at a mixing ratio of 8: 2 is 400 nm / min, and the polishing rate of the Cu blanket film at a mixing ratio of 4: 6 is about 300 nm / min.

Cu膜の研磨中は、渦電流終点検出器によってCu残り膜厚をモニターした。終点検出器からの出力により、Cu残り膜厚が300nmになった時と、Cu膜が除去され、下地バリア膜がほぼ無くなった時が判る。尚、図7に研磨中の終点検出器の出力を示す。不要なCu膜がほぼ除去された後は、終点検出器からの出力がほぼ一定になる。従って、第2の研磨条件で研磨中、終点検出器からの出力の傾き、即ち、微分値が0になった時を終点とし、その後の研磨時間をオーバー研磨時間とする。第2の研磨条件で連続してオーバー研磨を行い、研磨後は、パッド上と基板表面のスラリーを純水によって洗い流した。続いて、基板をバリア研磨用のプラテンに自動搬送し、市販のバリア用スラリーを使用して、バリア膜研磨を実施した。研磨条件は、以下の条件を用いた。研磨圧力:14kPa、プラテン回転数:60rpm、ヘッド回転数:61rpm、スラリー流量:200cc/minである。この条件におけるバリア膜の研磨速度はTa及びTaN共に80nm/minで、研磨速度比は、バリア膜:SiO膜:Cu膜=2:1:0.2である。研磨後は、パッドと基板表面のスラリーを純水によって洗い流した後、基板を洗浄装置に自動搬送し、市販の薬液を使用したブラシ洗浄、超音波洗浄を行った後、水洗し、スピン乾燥した。   During polishing of the Cu film, the remaining Cu film thickness was monitored by an eddy current end point detector. From the output from the end point detector, it can be seen when the Cu remaining film thickness is 300 nm and when the Cu film is removed and the underlying barrier film is almost eliminated. FIG. 7 shows the output of the end point detector during polishing. After the unnecessary Cu film is almost removed, the output from the end point detector becomes almost constant. Accordingly, during the polishing under the second polishing condition, the slope of the output from the end point detector, that is, when the differential value becomes 0, is set as the end point, and the subsequent polishing time is set as the over polishing time. Over-polishing was continuously performed under the second polishing conditions. After polishing, the slurry on the pad and the substrate surface was washed away with pure water. Subsequently, the substrate was automatically conveyed to a platen for barrier polishing, and barrier film polishing was performed using a commercially available barrier slurry. The following conditions were used for the polishing conditions. Polishing pressure: 14 kPa, platen rotation speed: 60 rpm, head rotation speed: 61 rpm, slurry flow rate: 200 cc / min. Under these conditions, the polishing rate of the barrier film is 80 nm / min for both Ta and TaN, and the polishing rate ratio is barrier film: SiO film: Cu film = 2: 1: 0.2. After polishing, the pad and the substrate surface slurry are washed away with pure water, then the substrate is automatically transported to a cleaning device, brush cleaning using a commercially available chemical solution, ultrasonic cleaning is performed, followed by water cleaning and spin drying. .

CuのCMPにおいて、渦電流検出器の出力の微分値が0となる終点では、バリア膜上に極薄いCu膜が残っている可能性が有る。特に、下地に凹凸がある場合には、凹部にCuが残り易く、オーバー研磨によって、それを除去する必要がある。この時、オーバー研磨時間が短すぎると、Cu残りが除去し切れない可能性が有り、逆に、長すぎると、ディッシングが増大する。そこで、下層配線膜による凹凸がある場合の最適なオーバー研磨時間を検討する為、上記の評価用基板A,Bを用いて検討する。   In Cu CMP, at the end point where the differential value of the output of the eddy current detector becomes 0, there is a possibility that an extremely thin Cu film remains on the barrier film. In particular, when there is unevenness on the base, Cu tends to remain in the recesses, and it is necessary to remove it by overpolishing. At this time, if the over-polishing time is too short, there is a possibility that the Cu residue cannot be completely removed. Conversely, if it is too long, dishing increases. Therefore, in order to examine the optimum over-polishing time when there is unevenness due to the lower wiring film, the above-described evaluation substrates A and B are used.

上記評価用基板A,BにおけるCu膜のオーバー研磨の時間を20秒、40秒、60秒、80秒としてCMPを行った。Cu拡散バリア膜の研磨時間は20秒と30秒とにした。そして、Cu配線膜パターンの平坦性の測定と、凹みパターンにおけるCu残りの観察を行った。評価パターンとしては、図3(a)に示した配線幅100μmのL&Sパターンを用いた。図8に、ウェハ上のチップ配列と平坦性の測定位置及びCu残り観察チップを示す。そして、上記8種類の条件でCu膜とCu拡散バリア膜のCMPを行った基板A,Bの平坦性測定結果、及びCu残りの観察結果を表−1〜表−3に示す。ディッシング量は、基板A,Bの測定結果の平均値を示す。Cu残りの状態を、一定の配線占有率と溝深さを有するL&Sパターン毎に観察し、図8に示す11チップ全てにCu残りが無い場合をCu残り無と判定する。11チップ中1チップでもCu残りが発生した場合はCu残り有りと判定する。表−1〜表−3には、Cu残りが無い凹みパターンの最大の溝深さを示している。何れの研磨条件及びパターンにおいても、この溝深さより浅い凹みパターンではCuは除去されており、逆に、これより深い凹みパターンではCu残りが発生している。表−1〜表−3に、パターン占有率10%,50%,91%のパターンについての評価結果を示す。作製したパターンの中で最も浅い凹みパターンの溝深さが20nmである為、そのパターンにCu残りが発生している場合は、Cu残りが除去されるのは更に低い段差である。従って、その場合は<20と表している。   CMP was performed with Cu film overpolishing times of 20 seconds, 40 seconds, 60 seconds, and 80 seconds on the evaluation substrates A and B. The polishing time for the Cu diffusion barrier film was 20 seconds and 30 seconds. Then, the flatness of the Cu wiring film pattern was measured and the remaining Cu in the dent pattern was observed. As the evaluation pattern, the L & S pattern having a wiring width of 100 μm shown in FIG. FIG. 8 shows the chip arrangement on the wafer, the flatness measurement position, and the Cu remaining observation chip. Tables 1 to 3 show the flatness measurement results of the substrates A and B subjected to CMP of the Cu film and the Cu diffusion barrier film under the above eight conditions, and the observation results of the remaining Cu. The dishing amount indicates an average value of the measurement results of the substrates A and B. The state of remaining Cu is observed for each L & S pattern having a constant wiring occupancy and groove depth, and it is determined that there is no remaining Cu in all 11 chips shown in FIG. If Cu remains even in one of 11 chips, it is determined that there is Cu remaining. Tables 1 to 3 show the maximum groove depths of the recess patterns with no Cu residue. In any polishing condition and pattern, Cu is removed in the recess pattern shallower than the groove depth, and conversely, Cu residue is generated in the recess pattern deeper than this. Tables 1 to 3 show the evaluation results for patterns with pattern occupancy rates of 10%, 50%, and 91%. Since the groove depth of the shallowest concave pattern among the produced patterns is 20 nm, when Cu residue is generated in the pattern, it is a lower step that the Cu residue is removed. Therefore, in this case, <20 is indicated.

表−1(パターン占有率10%のL&Sの平坦性とCu残り評価結果)

Figure 0004400795
表−2(パターン占有率50%のL&Sの平坦性とCu残り評価結果)
Figure 0004400795
表−3(パターン占有率91%のL&Sの平坦性とCu残り評価結果)
Figure 0004400795
Table 1 (L & S flatness with 10% pattern occupancy and Cu remaining evaluation result)
Figure 0004400795
Table-2 (L & S flatness with 50% pattern occupancy and Cu remaining evaluation results)
Figure 0004400795
Table 3 (L & S flatness of pattern occupancy 91% and Cu remaining evaluation result)
Figure 0004400795

表−1〜表−3に示す全てのパターン占有率において、Cu残りが無い凹みパターンの最大の溝深さが、ディッシング量と同じかそれより大きいのは、Cuオーバー研磨時間が60秒以上、バリア研磨時間が20秒及び30秒の場合であることが判る。そして、このような研磨条件によるCMPが適切(最適)なCMPである。特に、バリア研磨時間が30秒のCMP条件では、ディッシング量より10nm以上大きい凹みパターンのCu残りが除去されており、下層配線のディッシングによる凹み部分のCu残り除去性に対してマージンが大きいと考えられる。   In all pattern occupancy ratios shown in Table-1 to Table-3, the maximum groove depth of the concave pattern having no Cu residue is equal to or larger than the dishing amount because the Cu over polishing time is 60 seconds or more, It can be seen that the barrier polishing time is 20 seconds and 30 seconds. Then, CMP under such polishing conditions is appropriate (optimal) CMP. In particular, under the CMP conditions with a barrier polishing time of 30 seconds, the Cu residue of the recessed pattern larger than the dishing amount by 10 nm or more is removed, and it is considered that the margin is large with respect to the Cu remaining removal property of the recessed portion by dishing of the lower layer wiring. It is done.

そして、表−1〜表−3の結果から、Cuオーバー研磨時間、バリア研磨時間が長い程、Cu残りに対するマージンが広がると考えられる。しかしながら、研磨時間を長くする程、Cu配線膜の削れ量が大きくなり、配線抵抗の増大を招く。従って、ディッシング量の1.0〜1.6程度の段差量を有する溝のCu残りが除去されるCMP条件が最も適したものであると考えられる。   From the results shown in Tables 1 to 3, it is considered that the longer the Cu over polishing time and the barrier polishing time, the wider the margin with respect to the remaining Cu. However, the longer the polishing time, the greater the amount of chipping of the Cu wiring film, leading to an increase in wiring resistance. Therefore, it is considered that the CMP condition for removing the Cu residue in the groove having the step amount of about 1.0 to 1.6 as the dishing amount is most suitable.

既に述べた通り、上記のようなCMP条件を多層配線膜の形成に適用した場合、各層毎のオーバー研磨時間は一定であることから、各層の配線膜のディッシングはほぼ一定に保たれる。又、下層配線膜のディッシングの深さより深い凹みパターンのCu残りも除去可能であることから、Cu残りに対して十分なマージンを有すると考えられる。   As described above, when the above-described CMP conditions are applied to the formation of the multilayer wiring film, the over-polishing time for each layer is constant, so that the dishing of the wiring film in each layer is kept substantially constant. Further, since the Cu residue of the recessed pattern deeper than the dishing depth of the lower wiring film can be removed, it is considered that there is a sufficient margin with respect to the Cu residue.

そして、上記の最適なCuオーバー研磨時間とCu拡散バリア膜研磨時間でCMPをすることによって、多層配線膜の形成が形成可能か否かを実際に確認する為、90nm/90nmのL&Sから25μm/25μmのL&Sまでの各種のL&Sパターンを有する6層配線膜を形成し、第6層目の配線の配線間の絶縁耐圧を測定した結果、配線間のショートは無く、歩留まりが100%の良好な結果が得られた。   Then, by performing CMP with the above optimal Cu over-polishing time and Cu diffusion barrier film polishing time, whether or not a multilayer wiring film can be formed is actually confirmed. From the 90 nm / 90 nm L & S to 25 μm / As a result of forming a 6-layer wiring film having various L & S patterns up to 25 μm L & S and measuring the dielectric breakdown voltage between the wirings of the 6th layer wiring, there is no short circuit between the wirings, and the yield is 100% good. Results were obtained.

これに対して、従来の方法で、同様の検討を行う為には、下層配線膜のCMPを行った後、上層配線膜を形成し、再度、CMPを行う必要が有り、迅速な評価が出来ない。又、下層配線膜のディッシング量と比較して、どの程度大きな深さを有する凹みまでCuの除去が可能かと言うようなマージンの確認ができない為、適切な研磨条件の設定が出来なかった。   On the other hand, in order to perform the same examination with the conventional method, it is necessary to form the upper layer wiring film after CMP of the lower layer wiring film, and perform CMP again, so that quick evaluation can be performed. Absent. In addition, since it is impossible to confirm a margin that indicates how deep Cu can be removed in comparison with the dishing amount of the lower wiring film, it is not possible to set appropriate polishing conditions.

評価パターンの断面構造Cross-sectional structure of evaluation pattern 評価パターンの段差形成手順Step formation procedure for evaluation pattern 評価パターンの例Example of evaluation pattern CMP装置の概略図Schematic diagram of CMP equipment L&Sパターンの平坦性の定義Definition of flatness of L & S pattern 孤立パターンの平坦性の定義Definition of flatness of isolated patterns 渦電流終点検出器の出力Output of eddy current end point detector 平坦性測定位置とCu残り観察チップの位置Flatness measurement position and Cu remaining observation tip position

符号の説明Explanation of symbols

1 下地段差用絶縁膜
2 絶縁膜
3 エッチングストッパ膜
4 Low k膜
5 キャップ膜
6 Cu拡散バリア膜
7 Cu膜

代 理 人 宇 高 克 己
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Insulating film 2 for base level | step differences Insulating film 3 Etching stopper film 4 Low k film 5 Cap film 6 Cu diffusion barrier film 7 Cu film

Representative Katsumi Udaka

Claims (8)

半導体素子における上下方向に複数の配線膜を形成する為に行われるCMPの条件を評価する為に用いられる評価用基板であって、
基板と、
前記基板に形成された深さがAの半導体素子における配線膜構成用の溝に相当する第1の溝と、
前記第1の溝と同じ基準面から前記基板に形成された深さがBの第2の溝と、
前記第1の溝及び第2の溝に設けられた配線膜の材
とを具備してなり、
前記第2の溝の深さBは前記第1の溝の深さAの5〜60%である
ことを特徴とする評価用基板。
An evaluation substrate used for evaluating the conditions of CMP performed to form a plurality of wiring films in a vertical direction in a semiconductor element,
A substrate,
A first groove corresponding to a groove for forming a wiring film in a semiconductor element having a depth of A formed in the substrate;
A second groove having a depth B formed on the substrate from the same reference surface as the first groove;
A wiring film material provided in the first groove and the second groove;
The evaluation substrate, wherein the depth B of the second groove is 5 to 60% of the depth A of the first groove.
第2の溝の深さBは第1の溝の深さAの10〜40%である
ことを特徴とする請求項1の評価用基板。
The evaluation substrate according to claim 1, wherein the depth B of the second groove is 10 to 40% of the depth A of the first groove .
第1の溝と第2の溝とは上下方向において重なってない
ことを特徴とする請求項1又は請求項2の評価用基板。
The evaluation substrate according to claim 1 or 2, wherein the first groove and the second groove do not overlap in the vertical direction .
深さが異なる以外は第2の溝と同様な溝を更に具備してなり、
該溝は、その深さが第1の溝の深さAの5〜60%である
ことを特徴とする請求項1〜請求項3いずれかの評価用基板。
Further comprising a groove similar to the second groove except for the depth,
4. The evaluation substrate according to claim 1, wherein the groove has a depth of 5 to 60% of a depth A of the first groove.
第1の溝と第2の溝とは、その平面形状が互いに同じである
ことを特徴とする請求項1〜請求項4いずれかの評価用基板。
The evaluation substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein the first groove and the second groove have the same planar shape.
第1の溝と第2の溝とは、そのパターンがL&Sパターン又は孤立パターンである
ことを特徴とする請求項1〜請求項5いずれかの評価用基板。
The evaluation substrate according to any one of claims 1 to 5, wherein the first groove and the second groove are L & S patterns or isolated patterns.
第2の溝は第1の溝の横に形成されている
ことを特徴とする請求項1〜請求項6いずれかの評価用基板。
The evaluation substrate according to any one of claims 1 to 6, wherein the second groove is formed beside the first groove .
請求項1〜請求項7いずれかの評価用基板をCMPするCMP工程と、
前記CMP工程後における第1の溝に設けられた配線膜の材のディッシングの深さ又は該ディッシングの深さより深い深さにおいて、第2の溝に設けられた配線膜の材が除去されているか否かを判別する判別工程
とを具備することを特徴とするCMP条件評価方法。
A CMP step of CMPing the evaluation substrate according to claim 1;
Whether the wiring film material provided in the second groove is removed at the depth of the dishing of the wiring film material provided in the first groove after the CMP process or deeper than the depth of the dishing. A CMP condition evaluation method comprising: a determination step of determining whether or not.
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