JP5909157B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置の製造過程では、多層配線や素子分離などの工程において、ウェーハ表面を平坦化するために化学的機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：CMP）法が用いられる。例えば、ウェーハ表面に形成されたシリコン酸化膜、タングステン(W)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)膜などを研磨し、配線やコンタクトプラグを形成する。そして、半導体装置の微細化の進展にともない、平坦性の向上、表面欠陥の低減、および、生産性の向上が求められている。特に、コロージョン、金属残渣などの表面欠陥は、製造歩留まりへの影響が大きいため、その低減が強く求められている。
実施形態は、コロージョンを抑制しつつ金属残渣を低減し、配線のショートを抑制できる半導体装置の製造方法を提供する。
実施形態は、研磨パッドにスラリーを供給し、ウェーハの表面に形成された金属層を研磨する半導体装置の製造方法である。前記スラリーは、無機粒子と、前記無機粒子と同極性の官能基を表面に有しポリスチレンを含む樹脂粒子であって０．００１重量％以上０．１重量％以下の濃度で配合され平均粒子径２００ｎｍ以上１μｍ以下の樹脂粒子と、前記金属層を酸化する酸化剤と、前記金属層の表面に有機錯体を形成する錯体形成剤と、前記有機錯体の表面に親水性膜を形成する界面活性剤と、を含有する。そして、前記研磨パッドにガスを吹き付けながら前記金属層を研磨する。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。
本実施形態は、半導体装置の製造方法に関わり、例えば、メモリ、システムＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）、高速ロジックＬＳＩ、メモリ・ロジック混載ＬＳＩなどの配線工程におけるシリコン絶縁膜や金属配線層の研磨方法に関する。
図１は、実施形態に係る研磨装置１０を模式的に表す斜視図である。研磨装置１０は、研磨ステージ３と、ウェーハホルダ１５と、スラリーノズル２３と、ガスノズル２７と、を備える。研磨ステージ３の上面には、研磨パッド７が取り付けられる。一方、ウェーハホルダ１５の研磨パッド７に対向する面には、ウェーハが固定される。そして、研磨ステージ３を研磨面７ａに平行に回転させ、ウェーハホルダ１５を研磨パッド７の表面に当接させることにより、ウェーハ２０の表面に形成された金属層を研磨する。
研磨パッド７の表面には、スラリーノズル２３を介してスラリー２５が供給される。本実施形態に係る研磨過程はＣＭＰであり、スラリー２５は、無機粒子と、樹脂粒子と、酸化剤と、錯体形成剤と、界面活性剤と、を含む。
無機粒子は、例えば、コロイダルシリカ、フュ−ムドシリカ、コロイダルアルミナ、フュ−ムドアルミナ、コロイダルチタニア、およびフュームドチタニアから選択される少なくとも一種を含む。無機粒子は、一次粒子径１０〜５０ｎｍ、二次粒子径１０〜１００ｎｍであることが好ましい。この範囲を逸脱した場合には、コロージョンやスクラッチ等の表面欠陥が発生するおそれがある。ここで言うコロージョンとは、例えば、金属層の表面における局部的な化学反応の進行による表面欠陥を言い、腐食やディッシング等の窪みとして表れる。
無機粒子の粒子径は、例えば、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）またはＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）により直接測定することができる。
樹脂粒子は、ポリスチレンを含む樹脂からなり、無機粒子と同極性の官能基を表面に有する。ポリスチレンを加えることにより、樹脂粒子は適切な硬さに形成される。また、樹脂粒子は、その表面に、例えば、カルボキシル基およびスルフォニル基の少なくともいずれか一方を有する。これにより、無機粒子と、樹脂粒子と、の凝集を防ぐ。
また、樹脂粒子は、０．００１重量％以上、０．１重量％以下の濃度で配合され、２００ｎｍ以上、１μｍ以下の平均粒子径を有する。樹脂粒子の平均粒子径は、例えば、ＢＥＴ法により粒子の表面積を測定し、この値を球状換算して粒子径を得て、その平均から求めることができる。あるいは、ＴＥＭまたはＳＥＭにより粒子径を測定し、平均粒子径を算出してもよい。
酸化剤は、金属層の表面を酸化し、錯体形成剤は、金属酸化物と結合した有機錯体を金属層の表面に形成する。有機錯体は、金属層の表面を保護し、その化学反応を抑制する。界面活性剤は、疎水性の有機錯体の表面に親水性膜を形成する。そして、金属層の表面に形成された有機錯体を、無機粒子と、親水性の樹脂粒子と、が削り取ることにより研磨が進行する。すなわち、ＣＭＰの過程では、有機錯体を形成して金属層の表面を保護しながら、その有機錯体を削り取ることにより研磨が進行する。これにより、コロージョンの発生を抑制し、金属層を均一に研磨することができる。
金属層が銅（Ｃｕ）の場合、酸化剤には、例えば、過硫酸アンモニウムおよび過酸化水素水などを用いることができる。Ｃｕ層の表面の酸化を促進するために、酸化剤の濃度は、少なくとも０．１重量％以上であることが好ましい。一方、酸化剤が過剰に含有された場合、Ｃｕ層の表面に形成された有機錯体の溶解度が高くなり、コロージョンが増加するおそれがある。このため、濃度の上限は５重量％以下にとどめることが好ましい。
錯体形成剤には、例えば、キナルジン酸（キノリンカルボン酸）、キノリン酸（ピリジン−２，３−ジカルボン酸）、ベンゾートリアゾール（ＢＴＡ）、ニコチン酸（ピリジン−３−ジカルボン酸）、ピコリン酸、マロン酸、シュウ酸、コハク酸、マレイン酸、クエン酸、グリシン、アラニン、アンモニア水などから選ばれる少なくとも一種を用いることができる。
錯体形成剤の濃度は、０．０１〜１重量％程度とすることが好ましい。０．０１重量％未満の場合には、有機錯体の形成が不十分となる。一方、１重量％を越えた場合には、有機錯体が厚くなり、研磨速度が低下する。
界面活性剤には、ドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウム、ドデシルベンゼンスルホン酸カリウム、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸アンモニウム、ヒドロキシセルロース、アセチレンジオール系ノニオン、ポリオキシエチレンアルキレンエーテルなどを挙げることができる。有機錯体の表面に親水性の膜を形成するため、界面活性剤の濃度は、少なくとも０．０１重量％以上とすることが望ましい。また、有機錯体の溶解を避けるために、その上限は０．５重量％とすることが好ましい。
さらに、研磨装置１０は、ガスノズル２７を備え、研磨パッド７の研磨面７ａにガス３３を吹き付けながら金属層を研磨する。ガス３３は、例えば、圧縮空気、窒素などである。
研磨面７ａの温度は、例えば、ウェーハ２０と、研磨面７ａと、の間に生じる摩擦熱もしくは反応熱により上昇する。これにより、金属層の表面の化学反応が進みコロージョンが発生し易くなる。このため、本実施形態では、研磨パッド７にガス３３を吹き付けることによりその温度を下げ、コロージョンの発生を抑制する。
次に、図２を参照して、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、ウェーハ２０の表面に配線を形成する過程を表す模式断面図である。
図２（ａ）に示すように、例えば、図示しないトランジスタ等が形成されたシリコン基板１３の上に、絶縁層４３を形成する。絶縁層４３は、例えば、シリコン酸化膜である。絶縁層４３には、配線溝４１を形成する。配線溝４１は、シリコン基板１３に形成されたコンタクト領域１７に連通するコンタクトホール４２を含む。
次に、図２（ｂ）に示すように、絶縁層４３の上面および配線溝４１の内面を覆う第１の金属層であるバリアメタル（ＢＭ）層４５を形成する。ＢＭ層４５は、例えば、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）あるいはこれら窒化物などが用いられる。コンタクトホール４２では、その底面において、ＢＭ層４５がコンタクト領域１７に接する。
続いて、ＢＭ層４５の上に第２の金属層４７（以下、金属層４７）を形成する。金属層４７は、例えば、銅（Ｃｕ）の電界メッキ層であり、配線溝４１の内部を埋め込み、ＢＭ層４５の表面を覆う。
次に、図２（ｃ）に示すように、ＢＭ層４５の上に形成された金属層４７を、ＣＭＰ法を用いて除去する（メイン研磨）。配線溝４１の内部には、金属層４７を残す。この際、研磨パッド７にガスを吹き付け冷却する。
続いて、図２（ｄ）に示すように、絶縁層４３の上面に形成されたＢＭ層４５を、ＣＭＰ法を用いて除去する（タッチアップ研磨）。これにより、絶縁層４３の上面のＢＭ層４５および金属層４７を除去し、配線溝４１の内部に金属層４７およびＢＭ層４５を含む配線４９が形成される。
次に、図３および図４を参照して、本実施形態に係る研磨方法について説明する。図３および図４は、ウェーハ２０の表面に設けられた配線層４０〜６０を模式的に表す部分断面図である。なお、研磨過程を表す意味で、図２の上下を逆にしている。
図３（ａ）は、層間絶縁膜４３の上面に形成された金属層４７を除去し、層間絶縁膜４３に形成された配線溝４１の中に金属層４７を残す研磨過程を示している。
同図に示すように、研磨過程の終盤において、配線層４０の研磨面に薄く残る有機錯体５１は、粒子径の小さな無機粒子５３では完全に削り取ることができず、金属残滓として残る場合がある。配線層の上に残る有機錯体５１は導電性を有するため、隣接する配線間をショートさせる。そこで、スラリー２５に粒子径の大きな樹脂粒子５７を添加し、無機粒子５３では除去できない有機錯体５１を削り取る。これにより、配線層４０の表面に残る金属残渣を低減する。
図３（ｂ）は、配線層５０における研磨過程を示している。層間絶縁膜４３は、横幅の異なる配線溝４１ａおよび４１ｂを有する。同図に示すように、粒子径の大きい樹脂粒子５７を加えたスラリー２５を用いた場合、横幅の広い配線溝４１ａの方が、横幅の狭い配線溝４１ｂよりも深く研磨される。このため、配線溝４１ａの金属面６３の段差ｄＳは、配線溝４１ｂの金属面６５の段差よりも大きくなる。
このように、樹脂粒子５７を添加することにより、下地の構造に追従する研磨が可能となる。例えば、配線層は、下層のデバイス構造を反映した凹凸を有する。そして、配線層の表面に形成された金属層４７を除去する際には、凹凸の形状に沿って研磨することが望ましい。
図４（ａ）に示す配線層６０は、その表面に凹部７１を有する。凹部７１の上に形成される金属層４７は、横幅の広い配線溝を埋め込んだ金属層４７と同等であり、その研磨量は、横幅の狭い配線溝４１ｃの研磨面７５よりも多くなる。これにより、例えば、凹部７１における金属面７３の研磨がより進行し、図４（ｂ）に示すように、配線層６０の凹部７１に沿って金属層４７を除去することができる。その結果、凹部７１の表面に残る金属層４７の残渣を減らすことが可能となり、配線間のショートを防ぐことができる。
このように、スラリーに粒子径の大きな樹脂粒子を添加することにより、下地に対する研磨量の追従性を向上させることができる。
次に、図５〜図７を参照して、実施例を説明する。本実施例では、研磨パッドとして、ニッタハース製 発泡性パッド（ＩＣ１０００）を用いた。
スラリーの成分は、以下の通りである。
無機粒子：コロイダルシリカ（０．４重量％、平均粒子径３０ｎｍ）、
樹脂粒子：ポリスチレン粒子（０．１重量％、平均粒子径２００ｎｍ、カルボキシル基およびスルフォニル基を表面に有する。）、
酸化剤：過硫酸アンモニウム（１．５重量％）、
錯体形成剤：キナルジン酸（０．１重量％）、ＢＴＡ（０．０００１重量％）、アラニン（０．４重量％）、ドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウム（０．０２重量％）、アンモニア水（０．２重量％）、
界面活性剤：アセチレンジオールエチレンオキシド付加物（ＨＬＢ値１８、０．１ｗｔ％）、
ｐＨ調整剤：水酸化カリウム適量（ｐＨ９）、
残部：水。
無機粒子：コロイダルシリカ（０．４重量％、平均粒子径３０ｎｍ）、
樹脂粒子：ポリスチレン粒子（０．１重量％、平均粒子径２００ｎｍ、カルボキシル基およびスルフォニル基を表面に有する。）、
酸化剤：過硫酸アンモニウム（１．５重量％）、
錯体形成剤：キナルジン酸（０．１重量％）、ＢＴＡ（０．０００１重量％）、アラニン（０．４重量％）、ドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウム（０．０２重量％）、アンモニア水（０．２重量％）、
界面活性剤：アセチレンジオールエチレンオキシド付加物（ＨＬＢ値１８、０．１ｗｔ％）、
ｐＨ調整剤：水酸化カリウム適量（ｐＨ９）、
残部：水。
なお、比較例１として、上記の成分のうちの樹脂粒子を添加しないスラリーを用いた例を示す。また、比較例２として、研磨パッドへのガスの吹きつけない例を示す。
図５は、研磨後の配線層の表面を例示する写真である。図５（ａ）は、樹脂粒子を添加しない比較例１に係る研磨後の表面である。図５（ｂ）は、研磨パッドに空気を吹きつけない比較例２に係る研磨後の表面である。図５（ｃ）は、本実施例による研磨後の表面である。
図５（ａ）に示す比較例１の表面では、金属層４７の表面、および、それを囲む層間絶縁膜４３の表面に白い金属残渣が多数見られる。これらは、有機錯体４１であり研磨が不足していることを示す。すなわち、比較例１のスラリーは樹脂粒子を含まないため、有機錯体を除去しきれないことを示している。
これに対し、図５（ｂ）および図５（ｃ）に示すように、本実施例および比較例２の研磨後の表面に有機錯体４１は残らない。また、図５（ｂ）および図５（ｃ）に示す表面の間に差は見られないことから、樹脂粒子を添加したスラリーを用いた研磨力に、ガスの吹きつけの有無による差は生じないことがわかる。
図６は、金属層４７の平坦性を、配線幅（横幅）に対して示したグラフである。グラフＡは、本実施例の特性を示し、グラフＢは、比較例１、グラフＣは、比較例２の特性をそれぞれ示している。配線の被覆率（Density）は、５０％である。
グラフＣは、配線幅が１０μｍを越えると段差が増加することを示している。一方、グラフＡでは、配線幅が３０μｍを越えると段差が増加する。この差は、研磨パッドへの空気の吹きつけの有無によるものであり、研磨パッドの表面を冷却することにより研磨力が低くなることがわかる。さらに、グラフＢでは、配線幅が５０μｍを越えると段差が増加する。
グラフＣをグラフＢと比較すると、スラリーに樹脂粒子を加えたことによる段差の増加が顕著である。すなわち、比較例２では、樹脂粒子の効果により、下地の形状に対する追随性が大幅に向上する。一方、本実施例では、比較例２に比べて劣るものの、比較例１に比べると、下地形状に対する追随性は大きいと言える。
さらに、樹脂粒子の種類を変えて実験を行った。表１は、樹脂粒子として、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）とＰＳＴ（ポリスチレン樹脂）とを用いた実験１〜４の結果を示している。表中の○は、Ｃｕ残り無し、Ｃｕコロージョン無し、および、下地追従性が良好であることを示す。ここで、Ｃｕ残り無し、および、Ｃｕコロージョン無しとは、それぞれ、Ｃｕ膜残り及びＣｕコロージョンが発生したとしても実用上問題無いレベルである状態も含む。×は、Ｃｕ残り有り、Ｃｕコロージョン有り、および、下地追従性が悪いことを示す。
表１に示すように、いずれの樹脂粒子でも下地追従性は良好である。しかしながら、ＰＭＭＡを用いた実験１の結果では、Ｃｕ残りおよびＣｕコロージョンが発生している。ＰＳＴを用いた実験２の場合は、Ｃｕ残りについては良好であるが、Ｃｕコロージョンが発生している。一方、実験３の結果に示すように、ＰＳＴであっても、無機粒子と官能基の極性が異なる場合にはＣｕ残りが生じる。また、実験４に示すように、ＰＭＭＡにＰＳＴを加えるとＣｕ残りが改善される。
このように、無機粒子と同極性の官能基を有し、ＰＳＴを含む樹脂粒子を用いれば、下地追従性を向上させ、Ｃｕ残りを低減できることがわかる。
次に、ＰＳＴの粒子径および配合濃度を変えて実験した。樹脂粒子の径は、１５０ｎｍ、２００ｎｍおよび５００ｎｍとし、それぞれの配合濃度を０．０００１重量％（ｗｔ％）〜０．１重量％の範囲で変化させた。
表２に実験の結果を示す。ここで、○および×は、表１と同じ判定を示し、△は、一応の効果が見られるものの、不十分であることを示す。
表２に示すように、粒子径１５０ｎｍのＰＳＴを用いた場合（実験５〜６）、Ｃｕ残りおよび下地追従性は、樹脂粒子の濃度を高くするにしたがい向上するが、十分なレベルには至らない。一方、Ｃｕコロージョンは、樹脂粒子の濃度を高くするほど多くなる。粒子径２００ｎｍ、５００ｎｍの場合（実験９〜１６）、０．００１重量％以上の濃度において、Ｃｕ残りが無く、下地追従性が良好な結果が得られる。一方、濃度が高くなるほどＣｕコロージョンが多くなる傾向は変わらない。
これらの結果より、粒径２００ｎｍ以上、配合濃度０．００１％以上のＰＳＴを含む樹脂粒子を用いることにより、Ｃｕ残り、および、下地追従性が良好な状態を実現できることが分かる。一方、Ｃｕコロージョンは、樹脂粒子の濃度が高くなるほど多く発生する。
図７は、研磨後の金属層４７に生じるコロージョンの数を比較したグラフである。同図に示す比較例１のコロージョン数と、比較例２のコロージョン数と、を比べると、樹脂粒子を加えた比較例２に係る研磨方法の方が、コロージョンの発生が多いことがわかる。すなわち、樹脂粒子を含むスラリーにより研磨力が向上するため、有機錯体に覆われない銅表面の露出頻度が高くなり、化学反応が促進されるためと考えられる。
一方、本実施例では、樹脂粒子を含むスラリーを使用するにもかかわらず、比較例２よりもコロージョンの数が少なく、比較例１のコロージョンの数と同じレベルである。すなわち、研磨パッドに空気を吹きつけ冷却することにより、金属層４７の表面における化学反応が抑制され、コロージョンの発生を抑えることができるものと考えられる。
表３は、樹脂粒子の濃度を０．００１重量％以上とした実験１０〜１２および１４〜１６と同条件において、研磨パッドに空気を吹き付けた場合（圧縮空気５００Ｌ／分）の結果を示している。
配合濃度０．００１重量％（実験１０および１４）の結果では、Ｃｕが残り、下地追従性がやや劣化するが、それ以上の濃度では、Ｃｕ残り、下地追従性のいずれも良好な結果が得られている。そして、Ｃｕコロージョンの発生は、０．００１重量％以上のどの濃度においも抑制される。
上記の結果によれば、樹脂粒子を添加したスラリーを用いることにより研磨力を向上させ、配線層の表面に残る金属残渣（有機錯体）を低減できる。さらに、下地の形状に対する追随性を向上させることが可能であることを示している。しかしながら、樹脂粒子の添加により研磨力が向上すれば、コロージョンが発生し易くなるデメリットも生じる。そして、研磨パッドにガスを吹き付ける冷却方法が、この相反関係を緩和するために有効である。すなわち、スラリーに樹脂粒子を加え、研磨パッドにガスを吹き付けながら研磨を行うことにより、金属残渣の低減（金属残渣のクリア性）と、下地追従性と、を向上させ、且つ、コロージョンの発生を抑制する研磨方法を実現することができる。
また、金属残渣のクリア性と、下地追従性と、を向上させるため、平均粒子形２００ｎｍ以上の樹脂粒子をスラリーに添加することが望ましい。また、樹脂粒子の平均粒子径は、１μｍを越えないことが望ましい。平均粒子径が１μｍを越えると沈降を生じ、スラリー中に均等に分散させることが難しくなる。
さらに、樹脂粒子の濃度は、０．００１重量％以上、０．１重量％以下であることが望ましい。樹脂粒子の濃度が０．００１重量％を下回ると、金属残渣のクリア性および下地追従性が低下する。一方、０．１重量％を越えると研磨力が過剰となり、コロージョンが増える。
上記の通り、本実施形態は、金属層の表面におけるコロージョンの発生を抑制しながら、金属残渣のクリア性、および、下地追従性を向上させた研磨方法を実現する。そして、この研磨方法を用いた半導体装置の製造過程では、配線間のショートの発生が抑制され、製造歩留まりを向上させることができる。
上記の実施例では、樹脂粒子を添加したスラリーを用いたＣｕ層のＣＰＭを例に説明したが、これに限定される訳ではない。例えば、アルミ配線の形成過程にも適用可能である。また、研磨パッドの冷却方法は、ガスの吹きつけに限定されるものではなく、例えば、スラリーを冷却して供給しても良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
３・・・研磨ステージ、 ７・・・研磨パッド、 ７ａ・・・研磨面、 １０・・・研磨装置、 １３・・・シリコン基板、 １５・・・ウェーハホルダ、 １７・・・コンタクト領域、 ２０・・・ウェーハ、 ２３・・・スラリーノズル、 ２５・・・スラリー、 ２７・・・ガスノズル、 ３３・・・ガス、 ４０、５０、６０・・・配線層、 ４１、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ・・・ビアホール、 ４３・・・層間絶縁膜、 ４５・・・バリアメタル層、 ４７、４７ａ・・・金属層、 ４９・・・配線、 ５１・・・有機錯体、 ５３・・・無機粒子、 ５７・・・樹脂粒子、 ６３、６５、７３、７５・・・金属面、 ７１・・・凹部、
Claims (5)
- 研磨パッドにスラリーを供給し、ウェーハの表面に形成された金属層を研磨する半導体装置の製造方法であって、
前記スラリーは、無機粒子と、前記無機粒子と同極性の官能基を表面に有しポリスチレンを含む樹脂粒子であって０．００１重量％以上０．１重量％以下の濃度で配合され平均粒子径２００ｎｍ以上１μｍ以下の樹脂粒子と、前記金属層を酸化する酸化剤と、前記金属層の表面に有機錯体を形成する錯体形成剤と、前記有機錯体の表面に親水性膜を形成する界面活性剤と、を含有し、
前記研磨パッドにガスを吹き付けながら前記金属層を研磨する半導体装置の製造方法。 - 前記樹脂粒子の平均粒子径は、前記無機粒子の平均粒子径よりも大きい請求項１記載の半導体装置の製造方法。
- 前記金属層は、銅（Ｃｕ）を含む請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ガスは、空気または窒素ガスである請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記樹脂粒子は、その表面にカルボキシル基およびスルフォニル基の少なくともいずれか一方を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
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