JP4774669B2 - 研磨液及び研磨方法 - Google Patents
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Description
CMPに用いられる金属用研磨液は、一般には酸化剤及び研磨粒子からなっており、必要に応じてさらに酸化金属溶解剤、保護膜形成剤が添加される。まず酸化剤によって金属膜表面を酸化し、その酸化層を研磨粒子によって削り取るのが基本的なメカニズムと考えられている。凹部(溝部)の金属表面の酸化層は研磨パッドにあまり触れず、研磨粒子による削り取りの効果が及ばないので、CMPの進行とともに凸部の金属層が除去されて基板表面は平坦化される。この詳細についてはジャーナル・オブ・エレクトロケミカルソサエティ誌の第138巻11号(1991年発行)の3460〜3464頁に開示されている。
銅または銅合金のディッシングや研磨中の腐食を抑制し、信頼性の高いLSI配線を形成するために、グリシン等のアミノ酢酸又はアミド硫酸からなる酸化金属溶解剤及び保護膜形成剤としてベンゾトリアゾールを含有するCMP用研磨液を用いる方法が提唱されている。この技術は、例えば特許文献1に記載されている。
さらに、本発明は、表面が凹部および凸部からなる層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜を表面に沿って被覆するバリア層と、前記凹部を充填してバリア層を被覆する導電性物質層とを有する基体の、導電性物質層を研磨して前記凸部のバリア層を露出させる第1の研磨工程と、バリア層と層間絶縁膜および凹部の導電性物質層とを研磨して平坦化させる第2の研磨工程とを含み、前記第1の研磨工程及び第2の研磨工程の少なくともいずれかで上記本発明の研磨液を供給しながら化学機械研磨する研磨方法に関する。
また本発明の研磨液には、上述した各種成分のほかに、必要に応じて、水と混合可能な溶剤、水溶性ポリマ、着色剤等を含有させてもよい。
第1及び第2の研磨工程の両方で本発明の研磨液を供給しながら化学機械研磨するのが好ましい。この場合、第1の研磨工程と第2の研磨工程とで、研磨液の組成を変えても良い。
ここで、化学機械研磨には、被研磨面を有する基体を研磨定盤の研磨布(パッド)上に押圧した状態で研磨液を供給しながら研磨定盤と基体とを相対的に動かすことによって被研磨面を研磨する方法が挙げられる。平坦化させるには、他に、金属製または樹脂製のブラシを接触させる方法、研磨液を所定の圧力で吹きつける方法が挙げられる。
まず、シリコンの基板上に二酸化ケイ素、Low−k等の層間絶縁膜を積層する。次いで、レジスト層形成、エッチング等の公知の手段によって、層間絶縁膜表面に所定パターンの凹部(基板露出部)を形成して凸部と凹部とを有する層間絶縁膜とする。この層間絶縁膜上に、表面の凸凹に沿って層間絶縁膜を被覆するタンタル等のバリア層を蒸着、スパッタ、CVD等により成膜する。さらに、前記凹部を充填するようにバリア層を被覆する銅等の金属導電性物質層を蒸着、めっきまたはCVD等により形成する。層間絶縁膜、バリア層および導電性物質の形成厚さは、それぞれ0.01〜2.0μm、1〜100nm、0.01〜2.5μm程度が好ましい。
(研磨液作製方法)
研磨液(a): 1,2,4−トリアゾールを10g、平均粒径が30nmのコロイダルシリカを25g、リンゴ酸を25g、過酸化水素30%水溶液を1000g、純水を3940g混合して5000gの研磨液を調製した。
研磨液(b): 1,2,4−トリアゾールを10g、平均粒径が70nmのコロイダルシリカを150g、リンゴ酸を25g、過酸化水素30%水溶液を50g、純水を4765g混合して5000gの研磨液を調製した。
研磨液(a)1000gに硫酸銅(II)5水和物を3.6g加え、よく撹拌する。この液に沈殿物はみられなかった。ここで、生成される銅と1,2,4−トリアゾールとの錯体は2.9gと推定される。つぎにこの液を減圧乾燥機で濃縮し、200gにして、液温を25℃にしたところ、やはり沈殿物はみられなかった。よって研磨液(a)において、硫酸銅を添加した際に生成される銅錯体の研磨液への溶解度が液温25℃で1.45重量%以上であることがわかった。
同様に研磨液(b)1000gに硫酸銅(II)5水和物を3.6g加え、上記の操作を行ったところ、やはり沈殿物はみられなかった。よって研磨液(b)において、硫酸銅を添加した際に生成される銅錯体の研磨液への溶解度が液温25℃で1.45重量%以上であることがわかった。
[パターン基板の作製] シリコン基板上に層間絶縁層として二酸化ケイ素(厚さ:500nm)をCVD法で成膜した。この層間絶縁層にフォトリソ法によって、配線金属部幅100μm、層間絶縁膜部幅100μmが交互に並ぶように、溝を深さ500nmで形成して表面に凹部(溝部分)と凸部(非溝部分)を作製した。さらにこの表面にそって、スパッタ法によってバリア層として厚さ20nmの窒化タンタル膜を形成した。前記窒化タンタル膜の上に、めっき法により前記溝を全て埋める様に導電性物質層として銅膜を1100nm形成した。
[エッチング測定用基板] シリコン基板上に銅が厚さ1500nmで製膜されているものを使用した。
研磨パッド:発泡ポリウレタン樹脂(ロデール社製型番:IC1000)
研磨圧力:14kPa
基板と研磨定盤との相対速度:70m/min
研磨液の供給量:200ml/min
パターン基板を、上記で調製した研磨液(a)で、上記研磨条件で180秒間化学機械研磨した。これは第1の研磨工程に相当し、バリア層が露出した。さらに上記で調製した研磨液(b)で、90秒間化学機械研磨した。これは第2の研磨工程に相当し、約30秒で凸部の層間絶縁層は全て被研磨面に露出し、残りの約60秒は凸部ではこの層間絶縁膜を研磨した。
上記で研磨したパターン基板の被研磨面にスポンジブラシ(ポリビニルアルコール製)を押し付け、蒸留水を基板に供給しながら基板とスポンジブラシを回転させ、90秒間洗浄した。つぎにスポンジブラシを取り除き、基板の被研磨面に蒸留水を60秒間供給した。最後に基板を高速で回転させることで蒸留水を弾き飛ばして基板を乾燥し、以下のように評価した。
(1) 基板上の異物:KLA Tencor社製異物検出装置SurfScan6220を用いて、上記研磨および洗浄したパターン基板上の直径1μm以上の大きさの異物を測定し、1平方cm当たりの平均個数で評価した。
(2) 平坦性(ディッシング量):パターン基板の、配線金属(銅)部幅100μm、層間絶縁膜部幅100μmが交互に並んだストライプ状パターン部の表面形状から、触針式段差計で層間絶縁膜部に対する配線金属部の膜減り量を求めた。
(3) 研磨傷:パターン基板から、研磨傷の量をKLA Tencor社製パターンウエハ欠陥検出装置2138を用いて測定し、1平方cm当たりの平均個数で評価した。
(4) 銅エッチング速度:上記エッチング測定用基板を、攪拌している液温25℃の研磨液へ60秒間浸漬した前後の平均銅膜厚差を電気抵抗値から換算して求めた。
(1) 基板上の異物:0.3個であった。
(2) 平坦性(ディッシング量):平均して50nmであった。
(3) 研磨傷:0.2個であった。
(4) 銅エッチング速度:研磨液(a)は0.8nm/min、研磨液(b)は0.4nm/minであった。
(研磨液作製方法)
研磨液(c): 3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを10g、平均粒径が30nmのコロイダルシリカを25g、リンゴ酸を25g、過酸化水素30%水溶液を1000g、純水を3940g混合して5000gの研磨液を調製した。
研磨液(d): 3−アミノ−1,2,4−トリアゾールを10g、平均粒径が70nmのコロイダルシリカを150g、リンゴ酸を25g、過酸化水素30%水溶液を50g、純水を4765g混合して5000gの研磨液を調製した。
研磨液(c)1000gに硫酸銅(II)5水和物を2.9g加え、よく撹拌した後、液温を25℃に保ち、静置すると緑色の沈殿物がみられた。ここで、生成される銅と3−アミノ−1,2,4−トリアゾールの錯体は2.8gと推定され、緑色の沈殿物は銅と3−アミノ−1,2,4−トリアゾールの錯体と考えられる。よって研磨液(c)において、硫酸銅を添加した際に生成される銅錯体の研磨液への溶解度が液温25℃で0.28重量%未満であることがわかった。
同様に研磨液(d)1000gに硫酸銅(II)5水和物を2.9g加え、上記の操作を行ったところ、やはり沈殿物がみられた。よって研磨液(d)において、硫酸銅を添加した際に生成される銅錯体の研磨液への溶解度が液温25℃で0.28重量%未満であることがわかった。
(1) 基板上の異物:6.7個であった。
(2) 平坦性(ディッシング量):平均して55nmであった。
(3) 研磨傷:0.4個であった。
(4) 銅エッチング速度:研磨液(c)は1.2nm/min、研磨液(d)は0.5nm/minであった。
Claims (8)
- 銅防食剤と、研磨粒子と、酸化金属溶解剤と、
過酸化水素、硝酸、過ヨウ素酸カリウム、次亜塩素酸及びオゾン水から選ばれる少なくとも1種である金属の酸化剤と、
水と、
を含む研磨液であって、
前記銅防食剤は、硫酸銅(II)を添加した際に生成される銅錯体の研磨液への溶解度が液温25℃で1.45重量%以上となるものであることを特徴とする研磨液。 - 銅防食剤が、1,2,4−トリアゾール、1,2,3−トリアゾール、イミダゾール、2−メチル−4−メチルイミダゾール、1−ヒドロキシ−ベンゾトリアゾール、ジフェニルグアニジンから選ばれる少なくとも1種である請求項1記載の研磨液。
- 銅防食剤が、1,2,4−トリアゾール、1,2,3−トリアゾール、イミダゾール、2−メチル−4−メチルイミダゾールから選ばれる少なくとも1種である請求項2記載の研磨液。
- 研磨粒子が、シリカ、アルミナ、セリア、チタニア、ジルコニア、ゲルマニアから選ばれる少なくとも1種である請求項1〜3のいずれか記載の研磨液。
- 酸化金属溶解剤が、有機酸、有機酸エステル、有機酸のアンモニウム塩及び硫酸から選ばれる少なくとも1種である請求項1〜4のいずれか記載の研磨液。
- 表面が凹部および凸部からなる層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜を表面に沿って被覆するバリア導体層と、前記凹部を充填してバリア導体層を被覆する導電性物質層とを有する基体の、導電性物質層を研磨して前記凸部のバリア導体層を露出させる第1の研磨工程と、バリア導体層と層間絶縁膜および凹部の導電性物質層とを研磨して平坦化させる第2の研磨工程とを含み、前記第1の研磨工程及び第2の研磨工程の少なくともいずれかで請求項1〜5のいずれか記載の研磨液を供給しながら化学機械研磨することを特徴とする研磨方法。
- 導電性物質が銅を主成分とする請求項6記載の研磨方法。
- バリア導体層が前記層間絶縁膜へ前記導電性物質が拡散するのを防ぐバリア層であって、タンタル、窒化タンタル、タンタル合金、その他のタンタル化合物、チタン、窒化チタン、チタン合金、その他のチタン化合物、タングステン、窒化タングステン、タングステン合金、その他のタングステン化合物から選ばれる少なくとも1種を含む請求項6あるいは7記載の研磨方法。
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