JP4937536B2 - ケミカルメカニカルポリッシング組成物及びそれに関連する方法 - Google Patents

ケミカルメカニカルポリッシング組成物及びそれに関連する方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体ウェーハ材料のケミカルメカニカルプラナリゼーション(CMP)に関し、より具体的には、絶縁材及びバリヤ材料の存在で半導体ウェーハ上の金属配線を研磨するためのCMP組成物及び方法に関する。
通常、半導体ウェーハは、絶縁層を有するケイ素ウェーハであって、回路配線のためのパターンを形成するために設けられた多数のトレンチを絶縁層中に含むものである。パターン配置は通常、ダマシン構造又は二重ダマシン構造を有している。バリヤ層がパターン付き絶縁層を覆い、金属層がそのバリヤ層を覆っている。金属層は、パターン付きトレンチを金属で埋めて回路配線を形成するのに少なくとも十分な厚さを有する。
多くの場合、CMP加工は多数の研磨工程を含む。たとえば、第一工程が過剰な配線金属、たとえば銅を高い初期速度で除去する。第一工程の除去ののち、第二工程の研磨が、配線金属の外側のバリヤ層の上に残る金属を除去することができる。その後の研磨が、バリヤ層をその下に位置する半導体ウェーハの絶縁層から除去して、平坦な研磨面を絶縁層及び金属配線上に提供する。
半導体基材上のトレンチ又はトラフ中の金属は、金属回路を形成する金属ラインを提供する。解消されるべき問題の一つは、研磨作業が、各トレンチ又はトラフから金属を除去して、そのような金属を凹ませるディッシングを生じさせる傾向にあることである。ディッシングは、金属回路の臨界寸法の変化を生じさせるため、望ましくない。ディッシングを減らすためには、低めの研磨圧力で研磨を実施する。しかし、単に研磨圧力を下げるだけでは、研磨をより長い期間継続しなければならなくなる。しかも、そのより長い期間全体にわたってディッシングが形成され続けるであろう。要望されるものは、研磨作業の期間を延ばすことなくトレンチ又はトラフ中の金属のディッシングを減らす方法である。短い第二工程の研磨期間ののち配線金属残渣のない表面を残す研磨組成物が要望される。
米国特許第6,632,259号は、CMP用の水性研磨組成物における改変コポリマーの使用を記載している。これらには、アクリル酸モノマー及びメタクリル酸モノマーを約1:20〜約20:1のアクリル酸モノマー:メタクリル酸モノマーのモル比で含む混合物から誘導されるコポリマーがある。これらは、改質セルロースを含まない研磨組成物で開示されている。
第一の態様で、本発明は、金属を含有する半導体ウェーハのCMPに有用な水性組成物であって、酸化剤、非鉄金属のインヒビター、非鉄金属の錯化剤、改質セルロース、第一のコポリマーと第二のコポリマーとのコポリマーブレンド0.001〜10重量%及び残余としての水を含む組成物を提供する。
第二の態様で、本発明は、金属を含有する半導体ウェーハのCMPに有用な水性組成物であって、酸化剤、非鉄金属のインヒビター、非鉄金属の錯化剤、改質セルロース、アクリル酸とメタクリル酸とから形成される第一及び第二のコポリマーのコポリマーブレンドであって、第一のコポリマーと第二のコポリマーとは異なるコポリマーブレンド0.01〜5重量%及び残余としての水を含み、アクリル酸とメタクリル酸とのコポリマーが、1:30〜30:1の範囲のモノマー比(アクリル酸:メタクリル酸)を有し、1K〜1000Kの範囲の分子量を有するものである組成物を提供する。
第三の態様で、本発明は、半導体ウェーハ上の非鉄金属を研磨する方法であって、非鉄金属を含有するウェーハを、酸化剤、非鉄金属のインヒビター、非鉄金属の錯化剤、改質セルロース、アクリル酸とメタクリル酸とから形成される第一及び第二のコポリマーのコポリマーブレンドであって、第一のコポリマーと第二のコポリマーとは異なるコポリマーブレンド0.01〜5重量%及び残余としての水を含み、アクリル酸とメタクリル酸とのコポリマーブレンドが、1:9〜9:1の範囲のモノマー比(アクリル酸:メタクリル酸)を有し、1K〜1000Kの範囲の分子量を有するものである研磨組成物と接触させること、及びウェーハを研磨パッドで研磨することを含む方法を提供する。
組成物及び方法は、半導体ウェーハがCMPにさらされたとき、金属配線の過度なディッシングなしに良好な金属除去速度及び十分な金属掃去を提供する。本発明の組成物は、アクリル酸とメタクリル酸との水溶性コポリマーを、カルボン酸官能基で修飾された水溶性セルロースとともに使用する。本発明は銅配線で特に有用であるが、本水性研磨組成物はまた、他の非鉄金属配線、たとえばアルミニウム、金、ニッケル、白金属金属、銀、タングステン及びそれらの合金の研磨をも増強する。
本明細書に関して、コポリマーブレンドは、分子量又はモノマーブレンド比が異なるような二種以上の異なるコポリマーを含有する溶液を指す。通常、一方のコポリマーが第二のコポリマーとは異なる又はそれよりも大きい分子量を有する。あるいはまた、コポリマーは、異なるブレンド比又は異なるポリマー構造を有することができる。通常、コポリマーブレンドは、組成物の掃去能力及びディッシング性能を改善する。場合によっては、ブレンド中のコポリマーの比を調節することが、非鉄金属の除去速度、たとえば銅除去速度を制御又はそれに影響することができる。好ましくは、研磨組成物は、コポリマーブレンドを合計で0.001〜10重量%含有する。コポリマーブレンドを製造するために使用することができる適切なモノマーの例は、ケイ素含有化合物(たとえばシラン、環式シロキサン)、金属含有化合物(たとえばトリブチルスズメタクリレート、ビニルフェロセン)、ニトロソ含有化合物(たとえばトリフルオロニトロソメタン)、芳香族もしくは脂肪族(脂環式)エステル(たとえばジアリルフタレート)、ヘテロ原子/基によって置換されている芳香族化合物(たとえばビスフェノールアリルエーテル、ケイ皮酸、クマロン、ビニルベンゼンスルホン酸、クロロメチルスチレン、安息香酸ビニル)、アルケニル芳香族化合物もしくはヒドロカルビル基によって置換されている芳香族化合物(たとえばジビニルベンゼン、ジビニルトルエン、ビニルトルエン、スチレン、α−メチルスチレン)、脂肪族(脂環式)ニトリル(たとえばアクリロニトリル、シアノアクリル酸、シアノアクリレート、シアン化ビニリデン)、脂肪族(脂環式)アルデヒドもしくはケトン(たとえばアクロレイン、ジアセトンアクリルアミド)、脂肪族(脂環式)カルボン酸、無水物もしくは塩(アクリル酸、マレイン酸無水物、アクリル酸無水物)、アルコール(たとえばメタノール、エタノール、プロパノール、二価アルコール及び多価アルコール、エチレングリコール、ペンタエリトリトール、シクロヘキサンジメタノール)、脂環式アルコール(たとえばアリルアルコール)、脂肪族(脂環式)カルボン酸エステル(たとえば、メタクリル酸メチル、酢酸ビニル、マレイン酸ジブチル、アクリル酸アミノアルキル)、脂肪族(脂環式)ハロゲン化物(たとえば塩化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、フルオロアクリレート)、脂肪族(脂環式)炭化水素(たとえばエチレン、プロピレン、テトラフルオロエチレン、ジイソブチレン、ノルボルネン)、ヒドロカルビル基によって置換されている脂肪族(脂環式)炭化水素(たとえばブタジエン、イソプレン、アレン、ジシクロペンタジエン、ピペリレン)、トリアジン(たとえばメラミン、グアナミン)、イソチオシアネート(トルエンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート)、アミド(たとえば尿素)、ラクタム又はアミノ酸(たとえばカプロラクタム、アミノカプロン酸、グルタミン酸)、アミン(アニリン、ヘキサメチレンジアミン、ヘキサメチレンテトラミン、ピペリデン、エチレンイミン)、モノエポキシ化合物(エピハロヒドリン、エチレンオキシド、モノグリシジルエーテル/エステル、グリシドール、チイラン)、環式エーテル(たとえばテトラヒドロフラン)、アルデヒド、ケトン、環式チオエーテル、フェノール類(一価フェノール、多価フェノール、クレゾール、レゾルシノール、ビスフェノールA)、炭素−炭素二重結合を含有する化合物(トリメチロールプロパントリアクリレート、ジアリルマレエート、ペンタエリトリトールテトラアクリレート)、炭素−炭素三重結合を含有する化合物(アセチレン、プロパルギルアルコール)、炭素−炭素二重結合及び炭素−炭素三重結合を含有する化合物(たとえばビニルアセチレン、ジメチルビニルエチニルカルビノール)又は前記モノマーの少なくとも一つを含む組み合わせである。好ましくは、コポリマーブレンドは、アクリル酸とメタクリル酸とから形成される2種以上のコポリマーの組み合わせを構成する。たとえば、アクリル酸とメタクリル酸とから形成される第一のコポリマーは、1K〜100Kの分子量を有することができ、第二のコポリマーは、100K超〜1000Kの分子量を有することができる。本明細書に関して、分子量は重量平均分子量を指す。好ましくは、アクリル酸とメタクリル酸とから形成される第一のコポリマーは、1K〜100Kの分子量を有することができ、第二のコポリマーは、100K超〜1000Kの分子量を有することができる。
好ましくは、本発明のコポリマーは、アクリル酸モノマー及びメタクリル酸モノマーを1:30〜30:1の範囲、好ましくは1:9〜9:1の範囲、もっと好ましくは約2:3のモル比で使用して合成される。本発明のコポリマーは、1K〜1000Kの範囲、好ましくは10K〜500Kの範囲の分子量を有する。
本発明の研磨組成物は、カルボン酸官能基で修飾された水溶性セルロースを含有する。好ましくは、組成物は、水溶性セルロースを0.01〜5.0重量%含有する。もっとも好ましくは、組成物は水溶性セルロースを約0.3重量%含有する。典型的な改質セルロースは、アニオン性ガム、たとえばアガーガム、アラビアガム、ガッチガム、カラヤガム、グアーガム、ペクチン、ローカストビーンガム、トラガカントガム、タマリンドガム、カラゲナンガム及びキサンタンガム、化工デンプン、アルギン酸、マンヌロン酸、グルクロン酸(guluronic acid)ならびにそれらの改変物及び組み合わせである。好ましい水溶性セルロースであるカルボキシメチルセルロース(CMC)は、1K〜1000Kの分子量で0.1〜3.0の置換度を有する。より好ましいCMCは、40K〜250Kの分子量で0.7〜1.2の置換度を有する。CMCの置換度は、置換されるセルロース分子中の各無水グルコース単位上のヒドロキシル基の数である。これは、CMC中のカルボン酸基の「密度」の尺度と見なすことができる。
好ましくは、溶液は、酸化剤を25重量%まで含有する。より好ましくは、酸化剤は、5〜10重量%の範囲である。酸化剤は、低いpH範囲で銅を除去する場合に溶液を支援するのに特に有効である。酸化剤は、多数の酸化性化合物、たとえば過酸化水素(H22)、一過硫酸塩、ヨウ素酸塩、過フタル酸マグネシウム、過酢酸及び他の過酸、過硫酸塩、臭素酸塩、過ヨウ素酸塩、硝酸塩、鉄塩、セリウム塩、Mn(III)、Mn(IV)及びMn(VI)塩、銀塩、銅塩、クロム塩、コバルト塩、ハロゲン(酸塩)、次亜塩素酸塩ならびにそれらの混合物の少なくとも一つであることができる。さらには、酸化剤化合物の混合物を使用することがしばしば有利である。研磨スラリーが不安定な酸化剤、たとえば過酸化水素を含有する場合、多くの場合、使用の時点で酸化剤を組成物に混入することが非常に有利である。
さらには、溶液は、静的エッチング又は他の除去機構による銅配線除去速度を制御するため、インヒビターを含有する。インヒビターの濃度を調節することが、静的エッチングから金属を保護することによって配線金属除去速度を調節する。好ましくは、溶液は、インヒビターを0.05〜5.0重量%含有する。もっとも好ましくは、溶液は、インヒビターを0.2〜1.0重量%含有する。インヒビターは、インヒビターの混合物からなるものでもよい。銅及び銀配線にはアゾールインヒビターが特に有効である。典型的なアゾールインヒビターとしては、ベンゾトリアゾール(BTA)、メルカプトベンゾチアゾール(MBT)、トリトリアゾール(TTA)及びイミダゾールがある。銅及び銀にはBTAが特に効果的なインヒビターである。
インヒビターに加えて、組成物は、好ましくは、非鉄金属の錯化剤を含有する。錯化剤は、銅のような金属膜の除去速度を促進することができる。好ましくは、組成物は、非鉄金属の錯化剤を0.01〜15重量%含有する。もっとも好ましくは、組成物は、非鉄金属の錯化剤を0.1〜1重量%含有する。典型的な錯化剤としては、酢酸、クエン酸、アセト酢酸エチル、グリコール酸、乳酸、リンゴ酸、シュウ酸、サリチル酸、ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム、コハク酸、酒石酸、チオグリコール酸、グリシン、アラニン、アスパラギン酸、エチレンジアミン、トリメチルジアミン、マロン酸、gluteric(グルタル)酸、3−ヒドロキシ酪酸、プロピオン酸、フタル酸、イソフタル酸、3−ヒドロキシサリチル酸、3,5−ジヒドロキシサリチル酸、没食子酸、グルコン酸、ピロカテコール、ピロガロール、タンニン酸ならびにそれらの塩及び混合物がある。好ましくは、錯化剤は、酢酸、クエン酸、アセト酢酸エチル、グリコール酸、乳酸、リンゴ酸、シュウ酸及びそれらの混合物からなる群より選択される。もっとも好ましくは、錯化剤はリンゴ酸である。
化合物は、残余として水を含有する溶液中、広いpH範囲で効力を提供する。この溶液の有効pH範囲は少なくとも2〜5である。加えて、溶液は、好ましくは、偶発的な不純物を制限するため、残余として脱イオン水に依存する。本発明の研磨流体のpHは、好ましくは2.5〜4.2、より好ましくは2.6〜3.8である。本発明の組成物のpHを調節するために使用される酸は、たとえば硝酸、硫酸、塩酸、リン酸などである。本発明の組成物のpHを調節するために使用される典型的な塩基は、たとえば水酸化アンモニウム及び水酸化カリウムである。
さらには、研磨組成物は、場合によっては、金属層除去を促進するため、砥粒を3重量%まで含有してもよい。この範囲内で、砥粒は、1重量%以下の量で存在させることが望ましい。もっとも好ましくは、本発明の研磨組成物は無砥粒である。
過度の金属ディッシング、絶縁材エロージョンを防ぎ、平坦化を改善するため、砥粒は、平均粒度が500ナノメートル(nm)以下である。本明細書に関して、粒度は砥粒の平均粒度を指す。より好ましくは、平均粒度が100nm以下であるコロイド状砥粒を使用することが望ましい。さらに、平均粒度が70nm以下であるコロイダルシリカを用いると、絶縁材エロージョン及び金属ディッシングが抑えられる。加えて、好ましいコロイド状砥粒は、コロイド状砥粒の安定性を改善するための添加物、たとえば分散剤、界面活性剤、緩衝剤及び殺生剤を含むことができる。一つのこのようなコロイド状砥粒は、フランスPuteauxのClariant社のコロイダルシリカである。また、煙霧質、沈降状、凝集状などであるものをはじめとする他の砥粒を使用してもよい。
研磨組成物は、金属配線層の「機械的」除去のための砥粒を含むことができる。典型的な砥粒としては、無機酸化物、無機水酸化物、無機水酸化物の酸化物、金属ホウ化物、金属炭化物、金属窒化物、ポリマー粒子及び前記の少なくとも一つを含む混合物がある。適切な無機酸化物としては、たとえば、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al23)、ジルコニア(ZrO2)、セリア(CeO2)、酸化マンガン(MnO2)、酸化チタン(TiO2)又は前記酸化物の少なくとも一つを含む組み合わせがある。適切な無機水酸化物の酸化物としては、たとえば水酸化アルミニウム酸化物(「ベーマイト」)がある。望むならば、これらの無機酸化物の改変形態、たとえば有機ポリマー被覆無機酸化物粒子及び無機被覆粒子を使用してもよい。適切な金属炭化物、ホウ化物及び窒化物としては、たとえば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭窒化ケイ素(SiCN)、炭化ホウ素、炭化タングステン、炭化ジルコニウム、ホウ化アルミニウム、炭化タンタル、炭化チタン又は前記金属炭化物、ホウ化物及び窒化物の少なくとも一つを含む組み合わせがある。望むならば、ダイアモンドを砥粒として使用してもよい。また、代替砥粒として、ポリマー粒子、被覆ポリマー粒子及び界面活性剤安定化粒子がある。使用するのならば、好ましい砥粒はシリカである。
本発明の組成物は、導電性金属、たとえば銅、アルミニウム、タングステン、白金、パラジウム、金又はイリジウム、バリヤ又はライナー膜、たとえばタンタル、窒化タンタル、チタン又は窒化チタン及び下に位置する絶縁層を含有するあらゆる半導体ウェーハに適用可能である。本明細書に関して、絶縁材とは、low-k及び超low-k絶縁材料を含む、誘電率kの半導電性材料をいう。組成物及び方法は、多数のウェーハ成分、たとえば多孔性及び非孔性のlow-k絶縁材、有機及び無機low-k絶縁材、有機ケイ酸塩ガラス(OSG)、フルオロケイ酸塩ガラス(FSG)、炭素ドープ酸化物(CDO)、テトラエチルオルトシリケート(TEOS)及びTEOSから誘導されるシリカのエロージョンを防止するのに優れている。本発明の組成物はまた、ECMP(エレクトロケミカルメカニカルポリッシング)にも使用することができる。
高分子量(約200,000Mw)AA/MAA(モル比2:3)コポリマーを製造するため、AA(100%アクリル酸)75g、MAA(100%メタクリル酸)135g、NaPS(Na228、Mw=238.1)0.5g+1.9g、脱イオン水270g+42g+380g、50%NaOH20gを使用した。混合モノマー25gを四つ口2000ml反応器に仕込み、続けて脱イオン水270g及び過硫酸ナトリウム0.5gを仕込んだ。混合物を92℃に加熱したのち、混合モノマーの残り及び水42g中過硫酸ナトリウム1.9gの溶液を40分及び50分かけて反応器に同時供給した。反応混合物を92℃でさらに1時間保持したのち、室温まで放冷した。粗生成物のGC及びGPCを確認し、50%NaOH溶液によって10%酸を中和した。この手順で、Mw/Mn=198,000/30,000、AA=532ppm、MAA=38ppm、pH=3.7を得て、粗生成物の固形分は45.6%であった。50%NaOH20g及び水380gを使用して粗生成物を24.45%に希釈し、粗生成物800gをさらに10%溶液まで希釈した。
低Mw(約27,000)AA/MAA(モル比2:3)コポリマーを製造するため、AA(100%アクリル酸)179g、MAA(100%メタクリル酸)321g、NaPS(Na228)23.4g、脱イオン水815g+110g及び50%NaOH溶液49.7gを使用した。混合モノマー25gを四つ口2000ml反応器に仕込み、続けて脱イオン水815g及び過硫酸ナトリウム2.4gを仕込んだ。混合物を95℃に加熱したのち、混合モノマーの残り及び水110g中過硫酸ナトリウム21gの溶液をそれぞれ140分及び160分かけて反応器に同時供給した。反応混合物を92℃でさらに1時間保持したのち、室温まで放冷した。50%NaOH49.7gを使用して10%酸を中和した。この手順で、Mw/Mn=30860/6656、AA=0ppm、MAA=47ppm、pH=1.2を得た。50%NaOH49.7gを使用して粗生成物をpH=3.6に中和した。最終固形分=37.8%。
実施例中、すべての組成物は、pH2.8でBTA0.50重量%、リンゴ酸0.22重量%、カルボキシメチルセルロース(CMC)0.32重量%及び過酸化水素9.00重量%を含有するものであった。
実験は、銅研磨速度を計測し、適度なダウンフォース圧力での半導体ウェーハからの残留銅の掃去を測定した。特に、試験は、研磨速度、掃去時間及び残留銅掃去に対する、アクリル酸とメタクリル酸とのコポリマーの存在における改質セルロース化合物の使用の影響を測定した。掃去時間は、EPD2−EPD1と定義する。EPD1は、ウェーハ上の金属膜の反射が変化し始めた初期終点検出時である。EPD2は、ウェーハの金属膜での反射が変化しなくなった検出時である。図1は、この掃去時間の定義をグラフで示す。ISRM検出システムを備えたApplied Materials社のMirra 200mm研磨機により、IC1010(商標)ポリウレタン研磨パッド(Rohm and Haas Electronic Materials CMP社)を、約2psi(13.8kPa)のダウンフォース条件下、150cc/minの研磨溶液流量、80rpmのプラテン速度及び40rpmのキャリヤ速度で使用して、試料を平坦化した。研磨溶液は、硝酸によってpHを調節したものであった。すべての溶液は脱イオン水を含有するものであった。
Figure 0004937536
表1に示すように、アクリル酸とメタクリル酸とのモル比2:3のコポリマーブレンドを0.1重量%の量で添加した場合に、適切なディッシング及び掃去が得られた。ディッシングの結果は、200mm Sematech 854マスクTEOSウェーハ上、90%及び100umにおける中心位置及び縁部位置でのステップ高さASH結果の平均である。大部分の試料でいくらかの残留銅が認められたが、掃去時間はすべて30秒未満であった。高分子量コポリマー(約200K)を少なくとも0.033重量%含有するコポリマーブレンドが常に残留銅掃去を提供するということが見てとれる。高分子量コポリマーの存在がより優れたディッシング結果を与え、そのため、量及び分子量を調節して十分な掃去及び満足なディッシングを得ることができる。さらには、高分子量コポリマーと低分子量コポリマーとの比を調節すると、銅除去速度を制御(増減)することができる。
掃去時間をグラフで表した図である。

Claims (6)

  1. 金属を含有する半導体ウェーハのCMPに有用な水性組成物であって、
    前記水性組成物中に、
    酸化剤、非鉄金属のインヒビター、非鉄金属の錯化剤、改質セルロース0.01〜5重量%、
    第一のコポリマーと第二のコポリマーとのコポリマーブレンド0.001〜10重量%及び
    残余としての水を含み、
    前記改質セルロースがカルボン酸官能基を有し、
    前記第一及び第二のコポリマーが、それぞれアクリル酸モノマー及びメタクリル酸モノマーから形成され、
    前記アクリル酸モノマーと前記メタクリル酸モノマーのモノマー比(アクリル酸/メタクリル酸)が1:30〜30:1の範囲にあり、
    前記第一のコポリマーが1000〜100000の分子量を有し、前記第二のコポリマーが100000超〜1000000の重量平均分子量を有する水性組成物。
  2. 無砥粒である、請求項1記載の組成物。
  3. 前記コポリマーブレンドが1:9〜9:1の範囲のモノマー比(アクリル酸:メタクリル酸)を有する、請求項1記載の水性組成物。
  4. 前記コポリマーブレンドが2:3のモノマー比(アクリル酸:メタクリル酸)を有する、請求項1記載の組成物。
  5. カルボキシメチルセルロース、アガーガム、アラビアガム、ガッチガム、カラヤガム、グアーガム、ペクチン、ローカストビーンガム、トラガカントガム、タマリンドガム、カラゲナンガム及びキサンタンガム、化工デンプン、アルギン酸、マンヌロン酸、グルクロン酸ならびにそれらの改変物、コポリマー及び混合物から選択される、カルボン酸官能基で修飾された水溶性セルロースである改質セルロースを含む、請求項1記載の組成物。
  6. 前記改質セルロースがカルボキシメチルセルロースである、請求項記載の組成物。
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