JP6499059B2 - 半導体装置の製造方法および化学機械研磨用スラリ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法および化学機械研磨用スラリに関する。

半導体プロセスにおいて、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：以下、単に「ＣＭＰ」という）は、配線溝やビア（Ｖｉａ）ホールなどに埋め込まれた膜、例えば絶縁膜、金属膜、多結晶珪素膜などの平坦化に使用される。

ＣＭＰにより、例えばタングステン膜などの金属材料による埋め込み膜を研磨する際は、タングステンのバルク膜を研磨する第１研磨工程と、タングステン膜と、その周囲の膜、例えば酸化膜とを同時に研磨する第２研磨工程とが実施される。第１研磨工程でタングステンのバルク膜を高速に研磨し、仕上げ工程となる第２研磨工程でタングステン膜と酸化膜とを同じ選択比で除去することで平坦性の確保を行うという技術が一般的に使用されている。

しかしながら、例えばブランケットウェーハでは平坦性が確保されても、実際のパターンウェハではパターンの粗密にばらつきがあるため、研磨を実行した結果、金属膜の占有率が局所的に高いパターンで大きなディッシングが確認されるなど、必ずしも良好な平坦性を得ることができないという問題がある。

特開Ｐ２０１０−７３９５３号公報 特開Ｐ２０１０−２４５１４８号公報

本発明が解決しようとする課題は、金属膜の占有率に局所的なばらつきがある被研磨膜についても良好な平坦化性能を得ることができる半導体製造方法および化学機械研磨用スラリを提供することである。

実施の一形態による半導体装置の製造方法は、（Ａ）カチオン性水溶性重合体と（Ｂ）硝酸鉄と（Ｃ）砥粒とを含有するスラリを用い、絶縁膜と前記絶縁膜内に設けられた溝または孔を埋め込む第１タングステン膜とを含む被研磨膜を化学機械研磨する工程を持つ。前記化学機械研磨工程は、前記第１タングステン膜を研磨する第１研磨工程と、第１研磨工程後に実施され、前記第１タングステン膜と前記絶縁膜をともに研磨する第２研磨工程を有する。（Ａ）成分の含有量をＭＡ［質量ｐｐｍ］、（Ｂ）成分の含有量をＭＢ［質量ｐｐｍ］とすると、前記第１研磨工程では、
ＭＡ／ＭＢ≦０．０５ ・・・式（１）となるスラリを使用し、前記第２研磨工程では、
０．０７≦ＭＡ／ＭＢ＜３００ ・・・式（２）となるスラリを使用する。前記第２研磨工程で使用される前記スラリ中の（Ａ）成分の含有量は３００ｐｐｍ未満であり、かつ（Ｂ）成分の含有量は１００ｐｐｍ以下である。

研磨対象となる金属膜が設けられた基板の一例を示す部分断面図の一例。 実施形態１による半導体装置の製造方法を実行するためのＣＭＰ装置の一例を示す略示斜視図の一例。 実施形態１による半導体装置の製造方法を説明するための部分断面図の一例。 実施形態１による半導体装置の製造方法を説明するための部分断面図の一例。 実施形態１による半導体装置の製造方法を説明するための部分断面図の一例。 ブランケットウェーハについて得られた、硝酸第二鉄の濃度と、タングステン／シリコン酸化膜の選択比との関係を示すグラフの一例。 金属膜の占有率に局所的なばらつきがあるパターンレイアウトの一例を示す模式図の一例。 硝酸第二鉄濃度の制御下で図５に示すレイアウトの研磨膜を研磨した結果の過剰研磨の一例を示すグラフの一例。 金属膜の占有率に局所的なばらつきがあるパターンレイアウトの他の一例を示す模式図の一例。 硝酸第二鉄濃度の制御下で図７に示すレイアウトの研磨膜を研磨した結果の過剰研磨の一例を示すグラフの一例。 金属膜密集部における過研磨の要因を説明するための略示断面図の一例。 図９Ａに示す要因により金属膜密集部で発生した過研磨の一例を示す略示断面図の一例。 スラリ内材料の組成比率の変更による金属膜密集部での過研磨防止を説明するための略示断面図の一例。 第１研磨工程におけるＰＥＩ添加量と金属膜研磨レートとの関係の一例を示すグラフの一例。 ７０ｐｐｍのＰＥＩ添加量で第２研磨工程を実行した場合の硝酸第二鉄添加量と金属膜ディッシング量との関係の一例を示すグラフの一例。 １４０ｐｐｍのＰＥＩ添加量で第２研磨工程を実行した場合の硝酸第二鉄添加量と金属膜ディッシング量との関係の一例を示すグラフの一例。 発泡ポリウレタンパッドの一例を示す模式図の一例。 単位面積あたりの気泡数と研磨レートとの関係の一例を示す表の一例。 図１５に示す３種類の研磨パッドによる研磨レートの例を示すグラフの一例。

以下、実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。また、添付の図面は、それぞれ発明の説明とその理解を促すためのものであり、各図における形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所がある点に留意されたい。

本願明細書において、説明中の上下等の方向を示す用語は、後述する基板の被加工面側、より具体的には基板表面のうちで配線溝やビアホールなどが形成される面側を上とした場合の相対的な方向を指し示す。そのため、重力加速度方向を基準とした現実の方向と異なる場合がある。

（１）実施形態１
（ａ）被研磨膜の準備
まず、研磨対象を準備する。
研磨対象となる金属膜が設けられた基板の一例を図１の略示断面図に示す。図１に示す研磨対象は、例えばシリコンウェーハＷの素子形成面にシリコン酸化膜４０を成膜して配線用のトレンチまたはビアホールを形成し、バリアメタルをスパッタリングなどにより成膜してバリアメタル膜４２とした後に、上記トレンチまたはホールが埋め込まれるように全面に金属膜、例えばタングステン膜４４を成膜することにより準備可能である。タングステン膜４４は、トレンチまたはホール内のタングステン膜４４ａと、タングステン膜４４ａ上およびシリコン酸化膜４０上のタングステン膜４４ｂとを含む。なお、タングステン膜４４ｂ上には酸化タングステン（ＷＯｘ）膜４６が形成される。

本実施形態においてシリコンウェーハＷは例えば基板に対応する。基板としてはシリコンウェーハに限るものでは勿論なく、例えばガラス基板やセラミック基板なども含まれる。

（ｂ）スラリの準備
次に、スラリＳＬ（図２参照）を準備する。本実施形態では、タングステンのバルク膜４４ｂを研磨する第１研磨工程と、タングステン膜４４ａ、バリアメタル膜４２およびシリコン酸化膜４２を同時に研磨する第２研磨工程との両方に亘って、同一材料を含むスラリを用いる。ただし、後述するように、含有する材料間の組成比率を第１研磨工程と第２研磨工程とで変更する。

具体的には、カチオン性水溶性重合体（以下、適宜「（Ａ）成分」という）と、硝酸鉄（以下、適宜「（Ｂ）成分」という）と、砥粒（以下、適宜「（Ｃ）成分」という）とを含有するスラリであって、（Ａ）成分の含有量をＭＡ［質量ｐｐｍ］、（Ｂ）成分の含有量をＭＢ［質量ｐｐｍ］とすると、第１研磨工程では
ＭＡ／ＭＢ≦０．０５ ・・・式（１）
となるスラリＳＬを使用し、この一方、第２研磨工程では
０．０７≦ＭＡ／ＭＢ＜３００ ・・・式（２）
となるスラリＳＬを使用する。

上記範囲の構成比の根拠については後に詳述する。

本実施形態では、カチオン性水溶性重合体としてポリエチレンイミン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｉｍｉｎｅ；以下、単に「ＰＥＩ」と称する）を使用し、硝酸鉄として硝酸第二鉄を使用し、砥粒としてコロイダルシリカ粒子を使用する。

（ｃ）ＣＭＰ装置の準備
次いで、ＣＭＰ装置を準備する。前述した通り、本実施形態では、同一材料で構成されるスラリＳＬを用いるので、途中で組成比率を変更できさえすれば、単一のＣＭＰ装置を用いて第１研磨工程から第２研磨工程まで連続して実施することが可能である。このようなＣＭＰ装置の一例を図２の略示斜視図に示す。

図２に示すＣＭＰ装置は、研磨テーブル１０と、研磨パッド１２と、研磨テーブル軸１４と、ノズル１６と、トップリング２０と、トップリング軸２２とを含む。

研磨テーブル１０は、研磨テーブル軸１４に連結され、研磨パッド１２をその上面にて支持する。研磨テーブル１０は、モータ（図示せず）などを含む駆動機構Ｄ１により研磨テーブル軸１４が回転することにより、例えば図１の符号ＡＲ１に示す回転方向に回転する。

トップリング２０は、トップリング軸２２に連結され、研磨対象の面が研磨パッド１２に対向するようにウェーハＷを保持しつつウェーハＷを研磨パッド１２に押圧する。

トップリング２０はまた、モータ（図示せず）などを含む駆動機構Ｄ２によりトップリング軸２２が回転することにより、例えば回転方向ＡＲ２に回転する。

研磨中は、ノズル１６を介して図示しない液供給制御機構によりスラリＳＬの研磨パッド１２上への供給を受けながら研磨テーブル１０が回転するとともに、トップリング２０がウェーハＷを研磨パッド１２に押圧しながら回転することで、研磨パッド１２とウェーハＷとの相対的回転によりウェーハＷの研磨対象面が研磨される。

なお、図２では、研磨パッド１２およびトップリング２０がそれぞれ矢印ＡＲ１，ＡＲ２の方向に回転する場合を示したが、勿論これに限ることなく相対回転運動さえしていれば、例えばこれらの方向と反対の方向に回転させてもよい。

（ｄ）ＣＭＰ実行
図１に示す研磨対象を例に挙げて本実施形態による半導体装置の製造方法をより具体的に説明する。

（ｉ）第１研磨工程
まず、酸化タングステン（ＷＯｘ）膜４６が研磨パッド１２に対向するように上下反転してシリコンウェーハＷをトップリング２０（図２参照）に保持させる。

スラリＳＬとしてＭＡ／ＭＢが式（１）の関係を満たすものをノズル１６から研磨パッド１２上へ供給しながら研磨テーブル軸１４を回転させる（図２の符号ＡＲ１参照）。シリコンウェーハＷを保持したトップリング２０を研磨パッド１２に接近させ、図３Ａに示すように、ウェーハＷを研磨パッド１２に押圧させながらトップリング２０を回転させる。これにより、酸化タングステン（ＷＯｘ）膜４６とタングステンのバルク膜４４ｂとを高速で研磨する。その結果、図３Ｂに示すように、酸化タングステン（ＷＯｘ）膜４６が除去され、バリアメタル膜４２と、トレンチまたはホール内のタングステン膜４４ａとが露出する。図３Ｂに示す例では、バルク膜４４ｂの一部４４１が削り残しとなり、また、バリアメタル膜４２を貫通してシリコン酸化膜４０に至るスクラッチ２００が形成されている。

（ｉｉ）第２研磨工程
次いで、仕上げ工程となる第２研磨工程に移行する。ここでは、式（１）の関係を満たすスラリＳＬの供給を止め、式（２）の関係を満たすスラリＳＬを研磨パッド１２上へ供給することにより、タングステン膜４４ａとシリコン酸化膜４０とを同じ選択比で除去し、これにより、図３Ｃに示すように、配線溝やビアホール内のみにタングステン膜を残し、所望の配線高さを実現しつつ被研磨面の平坦性を確保する。

（ｉｉｉ）各数値範囲の根拠
第１研磨工程と第２研磨工程とでスラリＳＬの材料組成比率を変更する理由、および、各数値範囲の根拠について図４乃至図１３を参照しながら説明する。

第２研磨工程において、タングステン膜４４ａとバリアメタル膜４２とシリコン酸化膜４０とを同じ選択比で研磨することは、タングステンの表面を酸化して脆弱化する硝酸鉄の濃度をコントロールすることで達成できる。図４は、ブランケットウェーハについて得られた、硝酸第二鉄の濃度を変えた際のタングステン／シリコン酸化膜の選択比の一例を示す。

図４に示すように、第１研磨工程での硝酸第二鉄濃度を６０，０００ｐｐｍ（６％）とし、第二研磨工程での硝酸第二鉄濃度を１０，０００ｐｐｍ（１％）にすれば（以下、「調整前条件」と称する）、ブランケットウェーハベースでは各研磨工程で要求される研磨性能を達成することができる。

しかしながら、様々なパターンが形成された実際のウェーハでは、パターンレイアウトに依存して金属膜の占有率には局所的なばらつきがある。

例えば図５に示すパターンレイアウトＡでは、タングステンを含まない（Ｗ占有率０％）狭い領域を間に挟んで５０％の占有率でタングステン膜が形成された領域が存在する。このようなパターンレイアウトＡに対して上記調整前条件で第２研磨工程を実施し、表面の高さを例えば原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以下、単に「ＡＦＭ」という）で検査したところ、例えば図６内に「Ｖ：（段差）」の記載で示すように、占有率が５０％部分のパターンがＷ占有率０％のパターンと比較して、約６５ｎｍも大きく削られていることが確認された。

また、例えば図７に示すパターンレイアウトＢでは、タングステンを相対的に多く含む（Ｗ占有率２５％）狭い領域を間に挟んでタングステンの占有率が比較的低い（Ｗ占有率５％）領域が存在する。このようなパターンレイアウトＢに対して上記調整前条件で第２研磨工程を実施し、表面の高さを同様にＡＦＭで検査したところ、例えば図８内に「Ｖ：（段差）」の記載で示すように、Ｗ占有率が２５％部分のパターンがＷ占有率５％のパターンと比較して、約９０ｎｍも大きく削られている箇所があることが確認された。

このように、パターンの粗密差が局所的に発生する領域では、タングステンの占有率が大きく変化し、その箇所で凹凸が発生して大きな段差が発生することが判明した。本願明細書では、研磨表面の凹凸を「ディッシング」といい、凹凸の段差を「ディッシング量」という。図６および図８に例示したような大きなディッシングが発生する原因としては以下のようなことが考えられる。

すなわち、図９Ａに示すように、第２研磨工程中にスラリＳＬ中のＦｅイオンがシリコン酸化膜４０中に侵入してシリコン酸化膜４０表面にＦｅイオンが付着し、これにより、シリコン酸化膜４０表面のゼータ電位が（−）から（＋）になり、この一方、例えば硝酸第二鉄６０，０００ｐｐｍでｐｈ２となってゼータ電位（＋）となったコロイダルシリカ砥粒がシリコン酸化膜４０のプラスチャージと反発することで、タングステン膜４４ａ上に集まったため、図９Ｂに示すように、タングステン密集部で過研磨を引き起こしていることものと考えられる。

そこで、パターン上でのタングステン膜の過研磨を抑制するためには、シリコン酸化膜４０上へのＦｅイオン付着を抑制するとともに、タングステン膜４４ａを保護する保護膜を形成すればよい。例えば、図１０に示すように、保護膜５０をタングステン膜４４ａ上に形成する。

保護膜５０は、ＰＥＩから形成可能である。従って、適量のＰＥＩを添加すれば、保護膜５０がタングステン膜４４ａ上に良好に形成されてタングステン膜４４ａの過剰研磨を抑制することができる。

この一方で、適量を超えてＰＥＩを添加するとタングステン膜の研磨レートが低減してしまう。図１１のグラフに、ＰＥＩ添加量とタングステン膜研磨レートとの関係の一例を示す。この例は、硝酸第二鉄の濃度を６０，０００ｐｐｍに固定して測定したものである。

図１１から、ＰＥＩ添加量が７０ｐｐｍから２００ｐｐｍの間ではタングステンの研磨レートに変化がなく、３００ｐｐｍ以上のＰＥＩ添加量でタングステンの研磨レートが低下する点が確認された。

ここで、硝酸第二鉄の添加濃度における適正範囲について説明する。

第１研磨工程では、研磨レートを高速に保つ必要がある。第１研磨工程での硝酸第二鉄添加濃度は、図４に示したように、硝酸第二鉄の濃度が６０，０００ｐｐｍに至るまでは硝酸第二鉄の添加量に応じて研磨レートが高速になる。

第２研磨工程では、タングステン膜のディッシングを抑制しながら平坦化の仕上げを行う必要がある。硝酸第二鉄の添加量が増えると研磨レートが高速になるということは、硝酸第二鉄の添加量が多いほどタングステン膜のディッシング量が多くなることを意味する。

図１２および図１３は、それぞれＰＥＩ添加量を７０ｐｐｍ，１４０ｐｐｍに固定した上で硝酸第二鉄添加量を変えた際のタングステン膜ディッシング量を測定して得られたグラフである。図１２および図１３におけるディッシング量は、各パターンレイアウトA，Ｂ中で占有率が変化する箇所でタングステン膜４４ａに発生する凹凸の高さの最大値または深さの最大値である。図１２および図１３から、いずれのＰＥＩ添加量でも硝酸第二鉄の添加量を下げていけばタングステン膜のディッシングを抑制できることが分かる。この一方で、硝酸第二鉄を全く添加しない（０ｐｐｍ）場合は、逆にタングステン膜４４ａが研磨されず、特に、パターンレイアウトＢにおいては被研磨面が逆に凸形状になってしまうことも観察される。

また、図１２と図１３とを相互に比較すると、図１３における１４０ｐｐｍのＰＥＩ添加量で硝酸第二鉄添加量を変えた際のディッシング量は、図１２において７０ｐｐｍのＰＥＩ添加量で発生していたディッシング量よりも全般的に改善されていることが確認される。

より具体的には、硝酸第二鉄の添加量が６０００ｐｐｍの場合、パターンレイアウトＡ，Ｂ共にディッシング量に差異は見られないが、１０００ｐｐｍでパターンレイアウトＢのディッシング量が図１３において図１２の場合よりも低減し、１００ｐｐｍから顕著に低減していることが分かる。また、パターンレイアウトＡについても、５００ｐｐｍまでは図１２と図１３との間でディッシング量に差異は見られないが、１００ｐｐｍで図１２の場合よりも図１３の場合が低減していることが見られ、３０ｐｐｍでディッシング量が０となり、１０ｐｐｍからは逆に凸形状になることが観察される。

したがって、図１１から分かるように７０ｐｐｍ以上−３００ｐｐｍ未満の範囲でＰＥＩを添加する一方で、第１研磨工程では、図４から分かるように硝酸第二鉄を６０，０００ｐｐｍ以上に制御し、第２研磨工程では、図１３から分かるように、硝酸第二鉄を１ｐｐｍ以上−１００ｐｐｍ以下に制御することが望ましい。

よって、スラリＳＬ中で、カチオン性水溶性重合体成分（（Ａ）成分）の含有量ＭＡ［質量ｐｐｍ］と硝酸鉄成分（（Ｂ）成分）の含有量ＭＢ［質量ｐｐｍ］との比であるＭＡ／ＭＢの値は、第１研磨工程において上限は３００／６００００＝０．０５未満となり、第２研磨工程において７０／１００＝０．７が最小値で、上限は３００／１＝３００未満となる。

本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上述の通りにスラリＳＬの成分を制御することにより、第１研磨工程においては高効率でのタングステン膜研磨を実現し、第２研磨工程においてはパターン研磨時の高占有率パターンでのディッシングの抑制を図りつつ、良好な平坦化性能を得ることができる。

また、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、スラリの種類を変更することなく同一種類のスラリのままでその含有材料間の組成比率を調整するだけで、選択比をコントロールできるので、組成の異なるスラリが混在することによる研磨特性の変動やスラリ凝集などのリスクが解消される。この結果、２つの研磨テーブルを用いることなく単一の研磨テーブルで第１研磨工程と第２研磨工程とを連続して実施でき、低コストでかつ高効率で良好な平坦化性能を得ることができる。

また、本実施形態のスラリによれば、含有する材料間での組成比率の調整だけで、研磨対象の選択比をコントロールできるので、低コストかつ高効率で良好な平坦化を実現することができる。

（２）実施形態２
本実施形態では、実施形態１のスラリＳＬを用いて研磨を実行することに加え、研磨の際の研磨パッド１２として発泡ポリウレタンパッドを使用する。

図１４は、本実施形態で使用する発泡ポリウレタンパッド１２０の一例の平面形状を示す模式図の一例である。発泡ポリウレタンパッド１２０は、例えばポリエステルフェルトを材料とする基材１２２の表面に多数形成された気泡（ポア）１２４を有する。研磨パッドの表面に気泡１２４を含めることにより、スラリＳＬの保持性が向上する。

また、研磨パッドの密度が一定の場合は、単位面積あたりの気泡数を増やすことにより研磨パッドの表面積が大きくなるので、スラリＳＬの保持性がさらに向上する。図１５は、密度が一定の値で単位面積あたりの気泡数が異なる３つの研磨パッド１２０Ａ〜１２０Ｃの特性を調べた表の一例であり、また、図１６は、研磨パッド１２０Ａ〜１２０Ｃをそれぞれ使用してＣＭＰを行った際の研磨レートの一例を示すグラフである。図１５および図１６からも、単位面積あたりの気泡数が大きい研磨パッドほどスラリＳＬの保持性に優れ、高い研磨レートを実現できることが分かる。

本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、表面に多数形成された気泡１２４を有する発泡ポリウレタンパッド１２０を用いてＣＭＰを実行するので、高い研磨レートで被研磨膜を平坦化することができる。

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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１０…研磨テーブル、４０…シリコン酸化膜、４４ａ，４４ｂ…タングステン膜、ＳＬ…スラリ。

Claims (3)

1. （Ａ）カチオン性水溶性重合体と（Ｂ）硝酸鉄と（Ｃ）砥粒とを含有するスラリを用い、絶縁膜と前記絶縁膜内に設けられた溝または孔を埋め込む第１タングステン膜とを備える被研磨膜を化学機械研磨する工程を備え、
   前記化学機械研磨工程は、前記第１タングステン膜を研磨する第１研磨工程と、第１研磨工程後に実施され、前記第１タングステン膜と前記絶縁膜をともに研磨する第２研磨工程を有し、
   （Ａ）成分の含有量をＭＡ［質量ｐｐｍ］、（Ｂ）成分の含有量をＭＢ［質量ｐｐｍ］とすると、
   前記第１研磨工程では、
   ＭＡ／ＭＢ≦０．０５ ・・・式（１）となるスラリを使用し、
   前記第２研磨工程では、
   ０．０７≦ＭＡ／ＭＢ＜３００ ・・・式（２）となるスラリを使用し、
   前記第２研磨工程で使用される前記スラリ中の（Ａ）成分の含有量は３００ｐｐｍ未満であり、かつ（Ｂ）成分の含有量は１００ｐｐｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第２研磨工程で使用される前記スラリ中の（Ａ）成分の含有量は７０ｐｐｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第１研磨工程で使用される前記スラリ中の（Ｂ）成分の含有量は６００００ｐｐｍ以上であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。