JP4730358B2 - 半導体装置の製造に用いる化学機械研磨用水系分散体 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造に用いる化学機械研磨用水系分散体（以下、「化学機械研磨用水系分散体」という。また、「水系分散体」と略記することもある。）に関する。更に詳しくは、本発明は、半導体基板上に設けられる各種の被加工膜及びバリアメタル層の研磨において、特に、バリアメタル層を効率よく研磨することができ、且つ十分に平坦化された精度の高い仕上げ面を得ることができる化学機械研磨用水系分散体に関する。

半導体装置の製造における最近の技術として、プロセスウェハ上の絶縁膜に形成された孔若しくは溝などに、タングステン及び銅などの配線材を埋め込んだ後、絶縁膜の表面より上の配線材を研磨によって除去することによって配線を形成する手法がある。この手法により形成される配線をダマシン配線という。この研磨において、タンタル等の硬度の高い金属からなるバリアメタル層を効率よく研磨することは容易ではない。一方、銅等の比較的柔らかい配線材は研磨され易く、配線部分においてディッシングを生じ、平坦な仕上げ面が得られないことがある。また、ｐＨが高い場合には、特に、誘電率の低い多孔質の絶縁膜等では、この絶縁膜が過度に研磨されてしまって良好なダマシン配線を形成することができないという問題がある。

本発明は、上記の従来の問題を解決するものであり、タンタル等からなるバリアメタル層を十分な速度で研磨することができ、銅等からなる配線材は適度に研磨され、且つ絶縁膜が過度に研磨されることもなく、十分に平坦な仕上げ面が得られ、良好なダマシン配線を形成することができる、半導体装置の製造において有用な化学機械研磨用水系分散体を提供することを目的とする。

半導体基板上に設けられる被加工膜の研磨において、仕上げ面を十分に平坦化することができる化学機械研磨用水系分散体を得ることを目的として検討した結果、特に、アミノ基等を有する複素環化合物からなる研磨速度調整剤を含有させることにより、バリアメタル層の研磨が促進され、銅等の配線材の研磨が抑えられ、更には絶縁膜が過度に研磨されることもなく、十分に平坦化された精度の高い仕上げ面が得られることが見出された。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

上記課題は、第１に特定の研磨速度調整剤を含有する水系分散体（以下、第１発明という。）により達成される。また、上記課題は、第２に特定の作用を有する研磨速度調整剤を含有する水系分散体（以下、第２発明という。）により達成される。

第１発明によれば、研磨速度調整剤を含有する水系分散体とすることにより、バリアメタル層を十分な速度で研磨することができ、被加工膜を適度な速度で研磨することができ、且つ絶縁膜が過度に研磨されることがなく、ディッシングを生ずることのない半導体装置の製造において有用な化学機械研磨用水系分散体を得ることができる。更に、第２発明によれば、研磨速度調整剤の作用により、容易にバリアメタル層を十分な速度で研磨することができ、被加工膜を適度な速度で研磨することができ、且つ絶縁膜が過度に研磨されることがなく、ディッシングを生ずることのない半導体装置の製造において有用な化学機械研磨用水系分散体を得ることができる。

第１発明の化学機械研磨用水系分散体は、研磨剤、水及び研磨速度調整剤を含有し、研磨速度調整剤が、５−アミノ−１Ｈ−テトラゾール、グアニン、又は１−フェニル−５−メルカプト−１Ｈ−テトラゾールであり、ｐＨが１〜７であることを特徴とする。

上記「研磨剤」としては、シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア及びチタニア等の無機粒子を使用することができる。この無機粒子としては、気相法により合成されたものが特に好ましい。この気相法による無機粒子としては、ヒュームド法（高温火炎加水分解法）、ナノフェーズテクノロジー社法（金属蒸着酸化法）等により合成されたものが高純度であってより好ましい。

また、研磨剤としては、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン及びスチレン系共重合体、ポリアセタール、飽和ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−１−ブテン、ポリ−４−メチル−１−ペンテン等のポリオレフィン及びオレフィン系共重合体、フェノキシ樹脂、ポリメチルメタクリレート等の（メタ）アクリル樹脂、並びにアクリル系共重合体などの熱可塑性樹脂からなる有機粒子を用いることもできる。更に、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂からなる有機粒子を使用することもできる。
これらの無機粒子及び有機粒子は、それぞれ１種のみを使用してもよいし、２種以上を併用してもよく、無機粒子と有機粒子とを併用することもできる。

無機粒子及び有機粒子の平均粒子径は０．０１〜３μｍであることが好ましい。この平均粒子径が０．０１μｍ未満では、研磨速度が低下する傾向にある。一方、この平均粒子径が３μｍを越える場合は、研磨剤が沈降し、分離してしまって、安定な化学機械研磨用水系分散体とすることが容易ではない。この平均粒子径は０．０５〜１．０μｍ、更には０．１〜０．７μｍであることが特に好ましく、この範囲の平均粒子径を有する研磨剤であれば、特に、バリアメタル層を十分な速度で研磨することができ、且つ粒子の沈降、及び分離を生ずることのない、安定な化学機械研磨用水系分散体とすることができる。尚、この平均粒子径は、透過型電子顕微鏡によって観察することにより測定することができる。

また、研磨剤の含有量は、化学機械研磨用水系分散体を１００部とした場合に、０．３〜１５部とすることができ、特に１〜８部、更には２〜６部とすることが好ましい。研磨剤の含有量が０．３部未満では十分な速度で研磨することができず、一方、１５部を超えて含有させた場合はコスト高になるとともに、化学機械研磨用水系分散体の安定性が低下するため好ましくない。

第２発明は、第１発明の研磨速度調整剤が銅膜の研磨を抑制し、タンタル層及び／又は窒化タンタル層の研磨を促進するものであることを明らかにするものである。
この特定の作用を有する研磨速度調整剤を含有させることにより、特定の研磨速度の比を有する化学機械研磨用水系分散体を容易に得ることができる。

第１発明では、上述のように研磨速度調整剤としては、５−アミノ−１Ｈ−テトラゾール、グアニン、又は１−フェニル−５−メルカプト−１Ｈ−テトラゾールが使用される。

これらの研磨速度調整剤のうち、特に好ましい研磨速度調整剤は、５−アミノ−１Ｈ−テトラゾール、グアニンである。

研磨速度調整剤の含有量は、化学機械研磨用水系分散体を１００重量部（以下、「部」と略記する。）とした場合に、０．００１〜３部とすることができ、特に０．０１〜３部、更には０．０５〜３部とすることが好ましい。研磨速度調整剤の含有量が０．００１部未満であると、タンタル層及び/又は窒化タンタル層を十分な速度で研磨することができず、この水系分散体を半導体基板上に設けられるバリアメタル層の研磨に用いた場合に、その研磨に長時間を要する。一方、この研磨速度調整剤は、３部含有させれば所期の効果が十分に得られ、これを越えて含有させる必要はない。

本発明では、水系分散体のｐＨは１〜７であり、特に１〜５、更には１．５〜４．５であることがより好ましい。化学機械研磨用水系分散体のｐＨが１未満、又は８を越える場合は、特に、シルセスキオキサンを主成分とする絶縁膜のように、誘電率が低く多孔質の絶縁膜などでは、絶縁膜が過度に研磨され、良好なダマシン配線を形成し得ないことがある。
ｐＨの調整は硝酸、硫酸、リン酸等の無機酸、或いはギ酸、酢酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸及び安息香酸等の有機酸によって行うことができる。

また、ｐＨが酸性側である場合は、銅膜を研磨する速度が小さくなり、タンタル層及び／又は窒化タンタル層を研磨する速度は大きくなる。そのため、この酸性の水系分散体を、半導体基板上に設けられる被加工膜の研磨に用いた場合に、被加工膜とバリアメタル層とをよりバランスよく研磨することができる。この水系分散体は、２段階研磨法における２段目の研磨において特に有用である。一方、ｐＨが中性付近である場合は、銅膜を研磨する速度が大きく、タンタル層及び／又は窒化タンタル層を研磨する速度は小さい。そのため、バリアメタル層がストッパー層として十分に機能する。この中性の水系分散体は、２段階研磨法における１段目の研磨においても使用することができる。

本発明の化学機械研磨用水系分散体には、通常、酸化剤は含有されていない。 これは、酸化剤により銅膜等の被加工膜の研磨が促進され、相対的にバリアメタル層の研磨速度が小さくなるためである。しかし、銅膜とタンタル層及び／又は窒化タンタル層との研磨速度の比が第１発明の範囲内となる酸化剤及び含有量であれば、酸化剤を含有させることもできる。この酸化剤の具体例としては、過酸化水素、過酢酸、過安息香酸及びｔｅｒｔ−ブチルハイドロパーオキサイド等の有機過酸化物、並びに硝酸及び硝酸鉄等の硝酸化合物などが挙げられる。また、この酸化剤の他、必要に応じて各種の添加剤を配合することもできる。それによって分散状態の安定性を更に向上させたり、研磨速度を高めたり、２種以上の被加工膜等、硬度の異なる被研磨膜の研磨に用いた場合の研磨速度の差異を調整したりすることができる。

本発明の化学機械研磨用水系分散体は、超ＬＳＩ等の半導体装置の製造過程において、半導体基板上に設けられる各種の被加工膜及びバリアメタル層の研磨に用いることができる。この被加工膜としては、純銅膜、純アルミニウム膜、純タングステン膜等の他、銅、アルミニウム、タングステン等と他の金属との合金からなる膜などが挙げられる。本発明の水系分散体は、これらの各種の被加工膜のうちでも、純銅膜等の硬度の低いものの研磨において特に有用である。また、バリアメタル層としては、タンタル、チタン等の金属、或いはそれらの酸化物及び窒化物などからなるものが挙げられる。
尚、バリアメタル層は、タンタル、チタン等のうちの１種のみにより形成されることが多いが、タンタルと窒化タンタルなどが同一基板上において併用されることもある。

半導体装置の被加工膜及びバリアメタル層の研磨は市販の化学機械研磨装置（ラップマスターＳＦＴ社製、型式「ＬＧＰ５１０、ＬＧＰ５５２」等）を用いて行なうことができる。
この研磨において、研磨後、被研磨面に残留する研磨剤は除去することが好ましい。この研磨剤の除去は通常の洗浄方法によって行うことができるが、有機粒子の場合は、被研磨面を、酸素の存在下、高温にすることにより粒子を燃焼させて除去することもできる。燃焼の方法としては、酸素プラズマに晒したり、酸素ラジカルをダウンフローで供給すること等のプラズマによる灰化処理等が挙げられ、これによって残留する有機粒子を被研磨面から容易に除去することができる。

以下、実施例によって本発明を更に詳しく説明する。
（１）研磨剤を含むスラリーの調製
容量２リットルのポリエチレン製の瓶に、１００ｇのヒュームド法シリカ粒子（日本アエロジル株式会社製、商品名「アエロジル＃５０」）、又はヒュームド法アルミナ粒子（日本アエロジル株式会社製、商品名「アルミナＣ」）を入れた後、イオン交換水を投入して全量を１０００ｇとし、超音波分散機によって分散させ、調製した。

（２）研磨速度調整剤を含む水溶液の調製
容量１リットルのポリエチレン製の瓶に、５ｇの５−アミノ−１Ｈ−テトラゾール、グアニン又は３−メルカプト−１，２，４−トリアゾールを入れた後、イオン交換水を投入し、溶解させ、全量５００ｇの水溶液を調製した。

実施例１〜５、参考例１及び比較例１
容量２リットルのポリエチレン製の瓶に、上記（１）の研磨剤を含むスラリー（実施例１及び３〜５、参考例１並びに比較例１では５００ｇ、実施例２では３００ｇ）と、上記（２）の研磨速度調整剤を含む水溶液（実施例１〜３及び５、参考例１では２００ｇ、実施例４では５ｇ）とを入れ、硝酸によってｐＨを調整した後、イオン交換水を投入して全量を１０００ｇとし、実施例１〜５、参考例１の化学機械研磨用水系分散体を調製した。また、上記（２）の水溶液を含まない他は実施例１と同様にして比較例１の水系分散体を調製した。それぞれの水系分散体の配合組成は表１のとおりである。

以上、実施例１〜５、参考例１及び比較例１の化学機械研磨用水系分散体を使用し、８インチ銅膜付きウェーハ、８インチタンタル膜付きウェーハ、８インチ窒化タンタル膜付きウェーハ及び８インチプラズマＴＥＯＳ膜付きウェーハを研磨した。結果を表１に示す。

研磨装置としてラップマスター社製の型式「ＬＧＰ−５１０」を使用し、以下の条件で各ウェーハに設けられた膜を研磨し、下記の式によって研磨速度を算出した。
テーブル回転数；５０ｒｐｍ、ヘッド回転数；５０ｒｐｍ、研磨圧力；３００ｇ／ｃｍ^２、水系分散体供給速度；１００ｃｃ／分、研磨時間；１分、研磨パッド；ロデール・ニッタ株式会社製、品番ＩＣ１０００／ＳＵＢＡ４００の２層構造
研磨速度（Å／分）＝（研磨前の各膜の厚さ−研磨後の各膜の厚さ）／研磨時間

尚、各膜の厚さは、抵抗率測定機（ＮＰＳ社製、型式「Σ−５」）により直流４探針法でシート抵抗を測定し、このシート抵抗値と銅、タンタル、窒化タンタル又はプラズマＴＥＯＳの抵抗率から下記の式によって算出した。
各膜の厚さ（Å）＝［シート抵抗値（Ω／ｃｍ^２）×銅、タンタル、窒化タンタル又はプラズマＴＥＯＳの抵抗率（Ω／ｃｍ）］×１０^８

表１の結果によれば、実施例１〜５、参考例１の水系分散体を用いて半導体基板上に設けられた被加工膜及びバリアメタル層を研磨した場合、十分に平坦化された精度の高い仕上げ面が得られることが推察される。一方、比較例１の水系分散体では、銅膜と絶縁膜との研磨速度の比は問題ないものの、銅膜と、タンタル膜又は窒化タンタル膜との研磨速度の比が大きく、平坦化が不十分な仕上げ面になることが推察される。

Claims (2)

1. 研磨剤、水及び研磨速度調整剤を含有する半導体装置の製造に用いる化学機械研磨用水系分散体であって、
   上記研磨速度調整剤が、５−アミノ−１Ｈ−テトラゾール、グアニン、又は１−フェニル−５−メルカプト−１Ｈ−テトラゾールであり、
   ｐＨが１〜７であることを特徴とする半導体装置の製造に用いる化学機械研磨用水系分散体。
2. 上記研磨速度調整剤は、上記銅膜の研磨を抑制し、上記タンタル層及び／又は窒化タンタル層の研磨を促進する請求項１記載の半導体装置の製造に用いる化学機械研磨用水系分散体。