JP5202258B2 - 金属研磨用組成物、及び化学的機械的研磨方法 - Google Patents
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Description
円形の研磨定盤(プラテン)上に研磨パッドを貼り付け、研磨パッド表面を研磨液で浸す。研磨パッドに基盤(ウェハ)の表面を押しつけ、その裏面から所定の圧力(研磨圧力)を加えた状態で、研磨定盤及び基盤の双方を回転させる。
CMPでは、上記操作によって発生する機械的摩擦により、基盤の表面を平坦化する。
(1)酸化剤
(2)砥粒
(3)下記一般式(I)で表される化合物及び下記一般式(II)で表される化合物から選択される少なくとも1種の化合物
R3−Ar1−O−Ar2−SO3 −M1 + 一般式(III)
一般式(III)中、R3は、炭素数8〜20の直鎖又は分岐のアルキル基を表し、Ar1及びAr2は各々独立にアリーレン基を表し、M1 +は、水素イオン、アルカリ金属イオン、又はアンモニウムを表す。
R4−Ar3−SO3 −M2 + 一般式(IV)
一般式(IV)中、R4は、炭素数8〜20の直鎖又は分岐のアルキル基を表し、Ar3は、アリーレン基を表し、M2 +は、水素イオン、アルカリ金属イオン、又はアンモニウムを表す。
R5−O−(CH2CH2O)n-R6−COO−M3 + 一般式(V)
一般式(V)中、R5は、炭素数8〜20の直鎖又は分岐のアルキル基を表し、nは1〜20の整数を表し、R6は、炭素数1〜5の直鎖又は分岐のアルキレン基を表す。M3 +は、水素イオン、アルカリ金属イオン、又はアンモニウムを表す。
本発明の金属研磨用組成物は、下記(1)から(3)の各成分を少なくとも含有することを特徴とする。
(1)酸化剤
(2)砥粒
(3)下記一般式(I)で表される化合物及び下記一般式(II)で表される化合物から選択される少なくとも1種の化合物
本発明の金属研磨用組成物は、下記一般式(I)で表される化合物及び下記一般式(II)で表される化合物から選択される少なくとも1種の化合物を含有することを特徴とし、該化合物は本発明の金属研磨用組成物において、不動膜形成剤として機能しうる。以下では、一般式(I)で表される化合物、及び、一般式(II)で表される化合物を、適宜「特定の不動膜形成剤」と総称して説明する。
一般式(II)中、R2は水素原子又はアルキル基を表し、Phはフェニル環を表す。
一般式(II)におけるインダゾール骨格に更に置換基が導入される場合、該置換基の置換位置としては、5位、又は6位であることが好ましい。
本発明の研磨用組成物は、その研磨対象である金属を酸化できる化合物(酸化剤)を含有する。
N,N,N’,N’−四酢酸、1,3−ジアミノプロパン−N,N,N’,N’−四酢酸及びエチレンジアミンジコハク酸(SS体)の錯体が好ましく、ペルオキソ二硫酸塩が最も好ましい。
本発明の研磨用組成物は、砥粒を含有する。好ましい砥粒としては、例えば、酸化ケイ素粒子(シリカ:沈降シリカ、フュームドシリカ、コロイダルシリカ、合成シリカ)、セリア、アルミナ、チタニア、ジルコニア、ゲルマニア、酸化マンガンなどが挙げられる。これらの中も、酸化ケイ素粒子が好ましく、特にコロイダルシリカ(特に、20nm以上50nm未満のコロイダルシリカ)が好ましい。
また、コロイダルシリカとしては、会合度が2以下であることが好ましい。ここで、会合度とは、一次粒子が凝集してなる二次粒子の径を一次粒子の径で除した値(二次粒子の径/一次粒子の径)を意味する。会合度が1とは、単分散した一次粒子のみのものを意味する。なお、二次粒子径は電子顕微鏡等で測定することができる。
本発明の研磨用組成物は、上記した成分の他、必要に応じて下記の成分を含有してもよい。以下、本発明の研磨用組成物に適用しうる任意成分について説明する。
本発明に係る金属研磨用組成物は、更に少なくとも1種の有機酸を含有することが好ましい。ここでいう有機酸は、金属の酸化剤ではなく、酸化の促進、pH調整、緩衝剤としての作用を有する。有機酸の例としては、例えば下記に示す化合物が挙げられる。
また、これらの有機酸は、常法に従って合成できるほか、市販品を使用してもよい。
本発明の金属研磨用組成物は、界面活性剤を含有することが好ましい。
界面活性剤としては、酸型が望ましく、塩構造をとる場合には、アンモニウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩等が挙げられ、特にアンモニウム塩およびカリウム塩が好ましい。
R3−Ar1−O−Ar2−SO3 −M1 + 一般式(III)
一般式(III)において、R3は、炭素数8〜20の直鎖又は分岐のアルキル基を表し、Ar1及びAr2−は各々独立にアリーレン基を表し、M1 +は、水素イオン、アルカリ金属イオン、又はアンモニウムを表す。
また、M1 +で表されるアンモニウム(NH4 +)には、アンモニウムの水素原子をアルキル基で置換したものも含まれる。例えば、アルキル基で置換したアンモニウムとしては、メチルアンモニウム、エチルアンモニウム等が挙げられる。
M1 +としてより好ましくは、水素イオン、又はアンモニウムであり、特に、水素イオンが好ましい。
ルジスルホン酸、テトラデシルジフェニルエーテルジスルホン酸、ヘキサデシルジフェニルエーテルジスルホン酸、オクタデシルジフェニルエーテルジスルホン酸、エイコシルジフェニルエーテルジスルホン酸等のアルキルジフェニルエーテルジスルホン酸及びその塩、ドデシルジフェニルエーテルモノスルホン酸、テトラデシルジフェニルエーテルモノスルホン酸、ヘキサデシルジフェニルエーテルモノスルホン酸、オクタデシルモノフェニルエーテルジスルホン酸、エイコシルモノフェニルエーテルジスルホン酸等のアルキルジフェニルエーテルモノスルホン酸及びその塩、ドデシルジナフチルエーテルジスルホン酸、ドデシルジアントリルエーテルジスルホン酸、ドデシルジナフチルエーテルモノスルホン酸、ドデシルジアントリルエーテルモノスルホン酸、及びそれらの塩等が挙げられる。
R4−Ar3−SO3 −M2 + 一般式(IV)
一般式(IV)中、R4は、炭素数8〜20の直鎖又は分岐のアルキル基を表し、Ar3は、アリーレン基を表し、M2 +は、水素イオン、アルカリ金属イオン、又はアンモニウムを表す。
また、M2 +で表されるアンモニウム(NH4 +)には、アンモニウムの水素原子をアルキル基で置換したものも含まれる。例えば、アルキル基で置換したアンモニウムとしては、メチルアンモニウム、エチルアンモニウム等が挙げられる。
M2 +としてより好ましくは、水素イオン、又はアンモニウムであり、特に、水素イオンが好ましい。
中でも、一般式(IV)で表される界面活性剤としては、ディッシングを低減する点から、ドデシルベンゼンスルホン酸又はその塩であることが好ましい。特に好ましくは、生分解性の容易さから、直鎖のドデシルベンゼンスルホン酸又はその塩である。
R5−O−(CH2CH2O)n-R6−COO−M3 + 一般式(V)
一般式(V)中、R5は、炭素数8〜20の直鎖又は分岐のアルキル基を表し、nは1〜20の整数を表し、R6は、炭素数1〜5の直鎖又は分岐のアルキレン基を表す。M3 +は、水素イオン、アルカリ金属イオン、又はアンモニウムを表す。
他の陰イオン界面活性剤としては、前述の陰イオン界面活性剤のうち、一般式(III)(IV)、及び/又は(V)で表される界面活性剤以外のものを挙げることができ、カルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸エステル塩、リン酸エステル塩が挙げられる。
陽イオン界面活性剤としては、脂肪族アミン塩、脂肪族4級アンモニウム塩、塩化ベンザルコニウム塩、塩化ベンゼトニウム、ピリジニウム塩、イミダゾリニウム塩が挙げられる。
両性界面活性剤としては、カルボキシベタイン型、アミノカルボン酸塩、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、アルキルアミンオキサイドを挙げられる。
非イオン界面活性剤としては、エーテル型、エーテルエステル型、エステル型、含窒素型が挙げられる。
また、フッ素系界面活性剤も用いることもできる。
%であることがより好ましく、0.01〜0.2質量%であることが更に好ましい。
本発明の研磨用組成物においては、研磨面への反応性や吸着性、研磨金属の溶解性、被研磨面の電気化学的性質、化合物官能基の解離状態、液としての安定性などにより、適宜、前記した成分の種類、添加量、或いは、pHを設定することが好ましい。
本発明の化学的機械的研磨方法(以下、単に「研磨方法」と称する場合がある。)は、本発明の金属研磨用組成物を研磨定盤上の研磨パッドに供給し、該研磨定盤を回転させることで、該研磨パッドを被研磨体の被研磨面と接触させつつ相対運動させて研磨することを特徴とする。以下、この化学的機械的研磨方法について詳細に説明する。
まず、本発明の研磨方法を実施できる装置について説明する。
本発明に適用可能な研磨装置としては、被研磨面を有する被研磨体(半導体基板等)を保持するホルダーと、研磨パッドを貼り付けた(回転数が変更可能なモータ等を取り付けてある)研磨定盤と、を備える一般的な研磨装置が使用できる。そのような装置としては、例えば、FREX300(荏原製作所)を用いることができる。
本発明の研磨方法では、研磨圧力、即ち、被研磨面と研磨パッドとの接触圧力が3000Pa〜25000Paで研磨を行うことが好ましく、6500Pa〜14000Paで研磨を行うことがより好ましい。
本発明の研磨方法では、研磨定盤の回転数が50rpm〜200rpmで研磨を行うことが好ましく、60rpm〜150rpmで研磨を行うことがより好ましい。
本発明の研磨方法では被研磨体(対象金属)を研磨する間、研磨定盤上の研磨パッドに金属研磨用組成物をポンプ等で連続的に供給する。この供給量に制限はないが、研磨パッドの表面が常に金属研磨用組成物で覆われていることが好ましい。
更に、1つの容器に、所定量の濃縮された金属研磨用組成物と水又は水溶液を入れて混合し、所定の濃度に希釈した後に、その混合液を研磨パッドに供給する方法も、本発明に適用することができる。
本発明の研磨方法において、金属研磨用組成物の研磨定盤上への供給量は、50ml/min〜500ml/minとすることが好ましく、100ml/min〜300ml/minであることがより好ましい。
本発明の研磨方法において用いうる研磨パッドは、特に制限はなく、無発泡構造パッドでも発泡構造パッドでもよい。前者はプラスチック板のように硬質の合成樹脂バルク材をパッドに用いるものである。また、後者は更に独立発泡体(乾式発泡系)、連続発泡体(湿式発泡系)、2層複合体(積層系)の3つがあり、特には2層複合体(積層系)が好ましい。発泡は、均一でも不均一でもよい。
本発明における被研磨体は、銅又は銅合金からなる配線を持つ基板(ウエハ)であることが好ましい。配線金属材料としては、銅合金の中でも銀を含有する銅合金が適している。銅合金に含有される銀含量は、10質量%以下、更には1質量%以下で優れた効果を発揮し、0.00001〜0.1質量%の範囲である銅合金において最も優れた効果を発揮する。
本発明における被研磨体は、例えば、DRAMデバイス系では、ハーフピッチで、好ましくは0.15μm以下、より好ましくは0.10μm以下、更に好ましくは0.08μm以下の配線を有することが好ましい。
一方、MPUデバイス系では、好ましくは0.12μm以下、より好ましくは0.09μm以下、更に好ましくは0.07μm以下の配線を有することが好ましい。
このような配線を有する被研磨体に対して、本発明に使用される金属研磨用組成物は特に優れた効果を発揮する。
本発明における被研磨体において、銅配線と絶縁膜(層間絶縁膜を含む)との間には、銅の拡散を防ぐためのバリア層が設けられる。このバリア層を構成するバリア金属材料としては、低抵抗のメタル材料、例えば、TiN、TiW、Ta、TaN、W、WNが好ましく、中でもTa、TaNが特に好ましい。
下記表1に示す研磨用組成物101〜121、201〜203を調製し、研磨試験及び評価を行った。
表1に従って、下記組成を純水中に混合し、研磨用組成物101〜121、201〜203を調整した。
・特定の不動膜形成剤又は比較用化合物:表1に示す化合物 ・・・7mmol/L
・酸化剤:表1に示す化合物 ・・・1.0質量%
・砥粒:表1に示す砥粒 ・・・0.5質量%
・有機酸:表1に示す化合物 ・・・0.5質量%
・界面活性剤:表1に示す化合物 ・・・0.03質量%
pHは、表1に示すpH調整剤を用いて、9.5に調整した。
得られた研磨用組成物101〜121、201〜203(研磨液)を用い、以下に示す研磨方法により研磨を行い、研磨性能(Cu研磨速度、Cu/バリアメタル選択比)を評価した。評価結果を表1に示す。
研磨装置として荏原製作所製装置「FREX−300」を使用し、下記の条件で、スラリーを供給しながらウェハに設けられた膜を研磨し、その研磨速度を算出した。
・テ−ブル回転数:104rpm
・ヘッド回転数 :85rpm(加工線速度=2.0m/s)
・研磨圧力 :10.5kPa
・研磨パッド :ローム アンド ハース社製 品番IC−1400
(XY−K−grv)+(A21)
・スラリー供給速度:300ml/分
研磨速度(nm/分)=(研磨前の銅膜又はバリア膜の厚さ−研磨後の銅膜又はバリア膜の厚さ)/研磨時間
また、銅膜の研磨速度とバリア膜の研磨速度から銅/バリアメタル選択比を求めた。
APS:ペルオキソ二硫酸アンモニウム
KPS:ペルオキソ二硫酸カリウム
KOH:水酸化カリウム
コロイダルシリカA:扶桑化学工業(株)製「PL−3H」、1次粒子径35nm
コロイダルシリカB:扶桑化学工業(株)製「PL−7」、1次粒子径70nm
コロイダルシリカC:扶桑化学工業(株)製「PL−20」、一次粒子径200nm
アルキルジフェニルエーテルスルホン酸:ペレックスSS−H(花王(株)製)
アルキルベンゼンスルホン酸:パイオニンA−40−S(竹本油脂(株)製)
アルキルベンゼンスルホン酸アンモニウム:パイオニンA−40−Sを アンモニア水で中和することにより調製した。
Claims (7)
- 更に、有機酸を含むことを特徴とする請求項1に記載の金属研磨用組成物。
- 前記酸化剤が、ペルオキソ二硫酸塩であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の金属研磨用組成物。
- 更に、界面活性剤を含むことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の金属研磨用組成物。
- 前記界面活性剤が、下記一般式(III)で表される界面活性剤、下記一般式(IV)で表される界面活性剤、及び下記一般式(V)で表される界面活性剤から選択される少なくとも1種の界面活性剤であることを特徴とする請求項4に記載の金属研磨用組成物。
R3−Ar1−O−Ar2−SO3 −M1 + 一般式(III)
一般式(III)中、R3は、炭素数8〜20の直鎖又は分岐のアルキル基を表し、Ar1及びAr2は各々独立にアリーレン基を表し、M1 +は、水素イオン、アルカリ金属イオン、又はアンモニウムを表す。
R4−Ar3−SO3 −M2 + 一般式(IV)
一般式(IV)中、R4は、炭素数8〜20の直鎖又は分岐のアルキル基を表し、Ar3は、アリーレン基を表し、M2 +は、水素イオン、アルカリ金属イオン、又はアンモニウムを表す。
R5−O−(CH2CH2O)n-R6−COO−M3 + 一般式(V)
一般式(V)中、R5は、炭素数8〜20の直鎖又は分岐のアルキル基を表し、nは1〜20の整数を表し、R6は、炭素数1〜5の直鎖又は分岐のアルキレン基を表す。M3 +は、水素イオン、アルカリ金属イオン、又はアンモニウムを表す。 - 前記砥粒が、1次粒径20nm以上150nm以下のコロイダルシリカであることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の金属研磨用組成物。
- 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の金属研磨用組成物を、研磨定盤上の研磨パッドに供給し、該研磨定盤を回転させることで、該研磨パッドを被研磨体の被研磨面と接触させつつ相対運動させて研磨することを特徴とする化学的機械的研磨方法。
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