JPH10116804A - 化学機械研磨方法およびそれに用いる組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体デバイスの表面を研磨する化学機械研
磨組成物および方法を提供する。 【解決手段】 化学機械研磨のための組成物は、半導体
デバイスの表面に銅が再付着することを抑制する。抑制
剤は、半導体デバイスにおいて、アルミニウム−銅合金
を使用することを容易にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップ用の
化学機械研磨組成物に関し、特に、銅および銅合金を含
む金属の化学機械研磨用の組成物および化学機械研磨の
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】多数の半導体チップが、１つのウェハ上
に作り込まれている。各半導体チップは、金属配線パタ
ーンで相互接続された導電端子を有するデバイスのアレ
イである。大規模集積（ＶＬＳＩ）のチップでは、これ
らの金属配線パターンは、多層化されている。各配線層
は、絶縁材料の層によって他の導電層から分離されてい
る。異なる配線層間の相互接続は、絶縁材料層にエッチ
ングされたスルーホール（バイア）によって形成され
る。

【０００３】ＶＬＳＩチップ・フィーチャが小さくな
り、配線層の数が増大すると、各層の表面凹凸は、連続
する層に移り、連続する各層の表面をさらに凹凸にす
る。これらの凹凸は、凹凸面上に形成される形状をひず
ませ、レベル対レベルのアライメントを困難にする。あ
る場合には、このひずみは非常に厳しく、目的とする形
状を正確に複製（印刷）し、レベルを前のレベルにアラ
インすることをほとんど不可能にする。表面凹凸を軽減
する一つの方法は、配線パターンを表面に印刷する前
に、バイアを導電材料で充てんする（すなわち、バイア
内にスタッドを形成する）ことである。しかし、スタッ
ドを用いた後でさえも、表面上の盛上り配線形状が、連
続する層の表面に凹凸を依然として生じさせる。したが
って、高い寸法的および幾何学的精度を実現するため
に、ほぼ完全な平坦な面、すなわちプレーナ面を作製す
るのに種々のレベルで用いられる技術が開発されてき
た。これらの技術は、平坦化技術として、技術上知られ
ている。

【０００４】１つのこのような平坦化技術は、ＣＭＰと
しても知られている化学機械研磨である。ＣＭＰは、研
磨粒子を含有するスラリをウェハ面に供給し、研磨パッ
ドでウェハ面を研磨することを含んでいる。スラリ中の
添加剤は、材料と化学的に反応し、材料をおそらく軟化
させ、軟化材料の最も高いフィーチャは、研磨粒子によ
って除去される。

【０００５】ワイヤは、多くの場合、アルミニウムまた
はその合金によって作られている。アルミニウムは、抵
抗率が低く、酸化シリコンへの接着性が優れ、パターニ
ングが容易であり、かつ、純度が高いからである。アル
ミニウムの欠点は、チップ動作中のエレクトロマイグレ
ーションである。エレクトロマイグレーションは、チッ
プ動作中に設定された電界内でのアルミニウムの拡散に
よって引き起こされる。エレクトロマイグレーション
は、流れる電流によって発生する熱の熱勾配によって増
大する。アルミニウム金属は、エレクトロマイグレーシ
ョンによって薄くなり、最後には完全に分離して、回路
内に開口を生じさせる。その結果、チップ障害を発生さ
せる。問題は、ＶＬＳＩでは一層悪化する。というの
は、金属ラインは、ラインを互いに接近して配置しなけ
ればならないために細いからである。細いラインは、太
い金属ラインよりもアルミニウム金属が早く分離し、よ
り早く障害を生じるようになる。

【０００６】アルミニウムのエレクトロマイグレーショ
ンによって生じる問題のいくつかを最小限にするには、
アルミニウム合金は一つの選択である。しかし、残念な
ことには、ＣＭＰ中に、銅イオンが発生し、研磨パッド
に蓄積し、ウェハ面上のアルミニウムまたは他の金属上
に自然に再付着し、ウェハ面を凹凸およびノンプレーナ
にし、ＣＭＰの目的を阻止する。再付着した銅は、ま
た、パターン寸法を不所望に変化させ、ウェハ上のフィ
ーチャ間にブリッジを形成し、電気的な短絡さを生じさ
せる。

【０００７】ＣＭＰ中の銅の再付着を軽減するＣＭＰ組
成物および化学機械研磨方法が、非常に望まれている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体デバイ
スの表面を研磨する化学機械研磨（ＣＭＰ）組成物およ
び方法を提供する。半導体デバイスは、ウェハ上にあ
り、表面上で銅または銅含有合金を含んでいる。組成物
は、研磨プロセス中に除去された銅が表面に再付着する
ことを抑制する銅付着抑制剤と、ＣＭＰスラリ中に普通
に存在する他の成分とを含んでいる。抑制剤は、ベンゼ
ン環，ピリジン環，ピラジン環，ベンゾキノン環，メラ
ミン環よりなるグループから選ばれた芳香族六員環と、
この芳香族環にある、または芳香族環と結合した、窒素
原子，酸素原子，硫黄原子よりなるグループから選ばれ
た少なくとも２個のヘテロ原子とを有する芳香族有機化
合物である。

【０００９】化学機械研磨方法では、抑制剤含有ＣＭＰ
組成物を表面に供給し、表面を研磨する。

【００１０】本発明の多くの他の利点および特徴は、以
下の好適な実施例から容易に明らかになるであろう。

【００１１】

【発明の実施の形態】表面に銅または銅含有合金を有す
る半導体デバイスを化学機械研磨（ＣＭＰ）するのに適
した組成物は、ＣＭＰの際に表面への銅の再付着を抑制
する銅付着抑制剤を含んでいる。再付着が抑制される銅
は、研磨の際に表面から除去された銅または銅含有合金
からのものである。

【００１２】この明細書において種々に用いられる“半
導体デバイス”という用語は、未完成および完成状態で
の半導体デバイスを示し、ウェハ上で作製されつつある
デバイスを含んでいる。

【００１３】抑制剤は、ベンゼン環，ピリジン環，ピラ
ジン環，ベンゾキノン環，メラミン環よりなるグループ
から選ばれた芳香族六員環と、芳香族環内にある、また
は芳香族環と結合した、窒素原子，酸素原子，硫黄原子
よりなるグループから選ばれた少なくとも２個のヘテロ
原子とを有する芳香族有機化合物である。組成物の化学
的に活性な性質は、反応、例えばニトロ化，酸化，また
は結合を生じさせて、他の化合物を形成する。この化合
物は、抑制剤を化学的に変化させ、その結果、抑制剤
は、組成物に添加されたときのものとは異なってくる。
このように化学的に変化した抑制剤は、化学的に変化し
た抑制剤が依然として再付着を抑制できるならば、抑制
剤の中に含まれる。

【００１４】抑制剤は、芳香族環にある、または芳香族
環と結合した少なくとも２個のヘテロ原子を有する芳香
族環化合物（ヘテロ芳香族環を含む）である。芳香族環
は、好ましくは、ベンゼン環であるが、ナフタレン環，
ピリジン環，ピラジン環，または他のヘテロ芳香族環と
することができる。ヘテロ原子は、好ましくは、芳香族
環と結合した電子対を有する窒素，酸素，硫黄原子であ
る。

【００１５】ヘテロ原子は、アミノまたはイミノ基，ヒ
ドロキシル基，キノンのケト基，あるいはトリアゾー
ル，チアゾールまたはチアジアゾール環のような複素環
の一部とすることができる。

【００１６】好ましくは、抑制剤は、複素環、例えば五
員複素環に縮合したベンゼン環またはベンゾ環を有して
いる。例えば、ベンゾトリアゾール（以下の化学構造で
示される）

【００１７】

【化１】

【００１８】が特に有効である。ベンゼン環が、例え
ば、ヒドロキシル基，アルコキシ基，アミノ基，ニトロ
基，あるいはアルキル基を含む置換ベンゾトリアゾール
も、ハロ−置換ベンゾトリアゾールとして作用する。使
用できる他のトリアゾール化合物は、ナフタレントリア
ゾールおよびナフタレンビストリアゾールを含んでい
る。

【００１９】ベンゾフロキサン（以下に示す化学構造を
有する）

【００２０】

【化２】

【００２１】およびニトロ，ヒドロキシ，アルコキシ，
アミノ，アルキル，またはハロ−ベンゾフロキサンのよ
うな置換ベンゾフロキサンは、代わりの抑制剤である。
他の抑制剤は、ベンゾチアジアゾール（以下に示す化学
構造を示す）

【００２２】

【化３】

【００２３】，置換ベンゾチアジアゾール，ベンゾチア
ゾール，以下の化学構造

【００２４】

【化４】

【００２５】を有するベンゾチアゾールを含む置換ベン
ゾチアゾールを含んでいる。化学式３において、Ｒは、
水素、またはアルキル基，ヒドロキシ基，アルコキシ
基，アミノ基，メルカプト基，アルキルサルファイド
基，または他の基であり、例えば２−メルカプトベンゾ
チアゾールである。ベンゾイミダゾールおよび下記化学
構造

【００２６】

【化５】

【００２７】の置換ベンゾイミダゾールは、ベンゼン環
に置換基を有するベンゾイミダゾールとしての抑制剤で
ある。ベンゾオキサゾールと、下記化学構造

【００２８】

【化６】

【００２９】の置換ベンゾオキサゾールと、環置換ベン
ゾオキサゾールは、代わりの抑制剤である。化学式６に
おいて、Ｒは、前記ベンゾチアゾールのＲと同じ変数で
ある。

【００３０】少なくとも２つの置換基が、アミノ基，ニ
トロ基，ヒドロキシ基，アルコキシ基の中から選ばれる
ジ−およびポリ−置換ベンゼン、例えば、ｏ−フェニレ
ンジアミン，ｏ−アミノフェノール，ｍ−フェニレンジ
アミン，カテコール，ジニトロベンゼンが適切である。
同様に、テトラアミノナフタレンのようなジ−およびポ
リ−置換ナフタレンが適切である。ｏ−およびｐ−ベン
ゾキノン、およびそれらのモノ−およびジ−イミンが適
切であり、芳香族環系に１つ以上のヘテロ原子を含むヘ
テロ芳香族化合物、例えばヘテロ−置換ピリジン，ピラ
ジン，置換ピラジン，メラミンも適切である。

【００３１】ヘテロ基に加えて、アルキル，ハロアルキ
ル，ヒドロキシアルキル，アミノアルキル，アルケニ
ル，アラルキル，ケトアルキル，カルボキシアルキル，
ポリオキシアルキレン，ホスホノアルキル，スルホアル
キルなどを含む他の種々の基によって、芳香族環を置き
換えることもできる。必須芳香族環が存在し、この環に
存在する、あるいは環に結合するヘテロ原子があるなら
ば、唯一の他の必要な制限は、抑制剤が、組成物中に好
適に溶解することである。このことは、一般に、分子の
サイズに或る制限を課す。抑制剤は、３〜２５個、好ま
しくは４〜２０個、最も好ましくは５〜１８個、典型的
には６〜１５個、例えば６〜１０個の炭素原子を含むこ
とができる。しかし、この基準に対する多くの例外は、
当業者には明らかであろう。例えば、ポリオキシアルキ
レン化合物は、分子量の範囲で得られるが、組成におい
てさらに小さい単位に分解することができる。アルキル
またはアルコキシ置換基は、通常、１〜４個の炭素原子
を有し、例えば、メチル基，メトキシ基，エチル基，エ
トキシ基，ブチル基，またはブトキシ基である。

【００３２】代表的な抑制剤およびその化学構造を、以
下に示す。

【００３３】

【化７】

【００３４】抑制剤は、下記の化学式を有するものとし
て、説明することもできる。

【００３５】

【化８】 O０３６】ここに、原子Ｘ，Ｙ，Ｚの少なくとも１つ
は、ヘテロ原子、好ましくは窒素および／または硫黄で
あり、特に好ましくは、Ｘ，Ｙ，Ｚの少なくとも１つが
窒素である。

【００３７】本発明で用いられる抑制剤は、固体である
ベンゾトリアゾール化合物，ベンゾチアゾール化合物，
ベンゾイミダゾール化合物である。これら化合物は、以
下のタイプの二環式芳香族窒素含有環構造を含む有機化
合物である。

【００３８】

【化９】

【００３９】二環構造を、種々の置換基によって置き換
えることができるが、これは、これら置換基が、抑制剤
の再付着抑制特性を妨げない場合である。したがって、
本発明の実施に有用な、典型的なベンゾトリアゾール化
合物，ベンゾチアゾール化合物，ベンゾイミダゾール化
合物は、以下の一般的構造を含んでいる。

【００４０】

【化１０】

【００４１】ここに、Ｒ¹ ，Ｒ² ，Ｒ³ ，Ｒ⁴ ，Ｒ⁵
は、それぞれ独立した水素原子またはアルキル（例え
ば、Ｃ₁ −Ｃ₄ アルキル）である。

【００４２】

【化１１】

【００４３】ここに、Ｒ⁶ ，Ｒ⁷ ，Ｒ⁸ ，Ｒ⁹ は、それ
ぞれ独立した水素原子またはアルキル（例えば、Ｃ₁ −
Ｃ₄ アルキル）であり、Ｒ¹⁰は、水素，アルキル（例え
ばＣ₁−Ｃ₄ アルキル）または好ましくは−−ＳＨであ
る。

【００４４】

【化１２】

【００４５】ここに、Ｒ¹¹ ，Ｒ¹² ，Ｒ¹³ ，Ｒ¹⁴ ，Ｒ
¹⁵は、それぞれ独立した水素原子またはアルキル（例え
ば、Ｃ₁ −Ｃ₄ アルキル）であり、Ｒ¹⁶は、水素，アル
キル（例えばＣ₁ −Ｃ₄ アルキル）または好ましくは−
−ＳＨである。

【００４６】好適なベンゾトリアゾール化合物，ベンゾ
チアゾール化合物，ベンゾイミダゾール化合物の例は、
ベンゾトリアゾール，トリルトリアゾール，２−メルカ
プトベンゾチアゾール，トリルトリアゾールナトリウム
および２−メルカプトベンゾチアゾールナトリウム、２
−メルカプトベンゾイミダゾール，２−メルカプトベン
ゾイミダゾールナトリウムを含んでいる。

【００４７】好適な抑制剤は、ヒドロキシ−，アミノ
−，アルコキシ−，イミノ−，カルボキシ−，メルカプ
ト−，ニトロ−，アルキル置換ベンゾトリアゾールであ
る。ここに、アルキルおよびアルコキシ置換基は、１〜
約２０個の炭素原子を有している。

【００４８】抑制剤は、銅（ウェハ面を凹凸およびノン
プレーナにし、パターンの寸法を変化させ、ウェハ上の
フィーチャ間にブリッジを形成する）の再付着を軽減す
るのに有効な量だけ存在する。好ましくは、抑制剤は、
組成物１リットルあたり約０．２５〜約５グラムの範囲
の量、組成物中に存在する。

【００４９】抑制剤に加えて、組成物は、スラリを作製
するのに、研磨剤，水などのような他の普通の成分を含
んでいる。さらに、組成物は、酸化剤と、ＰＨレベル
（酸，塩基，緩衝液）を調整する化合物と、界面活性剤
とを含んでいる。ウェハ面に供給する前の組成物は、実
質的に銅を含まない。

【００５０】普通の成分は、好ましくは、次の範囲で存
在する。すなわち、約５〜約１５重量％（ｗｔ％）（組
成物の全重量に対して）の研磨剤と、水（好ましくは、
蒸留水あるいは脱イオン水）と、組成物の残部とであ
る。

【００５１】抑制剤を添加することのできる普通の組成
物は、Ｆｕｊｉｍｉ，Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ Ｔｅｃｈｎ
ｏｌｏｇｙ，Ｒｏｄｅｌ，Ｃａｂｏｔ Ｃｏｒｐｏｒａ
ｔｉｏｎおよび他の会社から、各会社の商品名で市販さ
れている。

【００５２】化学機械研磨方法においては、抑制剤がウ
ェハ面に供給され、ウェハ面が研磨される。この方法を
実行するのに用いられる装置は、普通のものである。

【００５３】以下の実施例は、本発明を説明するための
ものであるが、これら実施例は本発明を限定するもので
はない。

【００５４】

【実施例】化学機械研磨組成物 本発明の化学機械研磨組成物は、１グラム／リットルの
ベンゾトリアゾールと、７．５ｗｔ％のシリカと、組成
物の全重量を達成する量の脱イオン水とを、適切な容器
に入れ、混合して、ほぼ均一な組成物を作製することに
より用意することができる。

【００５５】組成物および化学機械研磨方法は、銅また
は銅含有合金を含む半導体デバイスの表面のＣＭＰを、
銅の再付着を最少にし、あるいは排除して可能にする。
ウェハ面を凹凸およびノンプレーナにする、パターンの
寸法を変化させる、あるいはウェハ上のフィーチャ間に
ブリッジを形成するといったＣＭＰに関連する問題は、
研磨の際にウェハ面から排除される。銅は、典型的に、
比較的少量存在し、他の金属と合金となり、あるいは合
金とならない。アルミニウム−銅合金を、半導体デバイ
スに用いて、両金属の利点と、それらの欠点の軽減とを
達成することができる。許容できない銅を、金属の粒界
に存在させることができる。

【００５６】抑制剤の効果は、銅の再付着に対して有し
ているので、前述の利点を達成できることは、現在では
理論化されている。また、プロセスが利点を得るのに貢
献することも理論化されている。

【００５７】組成物および化学機械研磨方法は、銅また
はアルミニウム−銅合金のような銅含有合金を含む半導
体デバイスの層のＣＭＰに特に適しており、半導体デバ
イスの表面の平坦化を可能にして、その製造、特に異な
る層のフィーチャのアライメントを容易にする。

【００５８】本発明を、特定の実施例について詳細に説
明した。しかし、これらの実施例は説明のためにのみ提
示されたものであり、本発明は必ずしもこれら実施例に
限定されるものではないことを理解すべきである。本発
明の趣旨および範囲内での変形，変更は、実施例の説明
から当業者には明らかであろう。

【００５９】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。 （１）半導体デバイスの層の表面上の、銅または銅含有
合金を含む金属の化学機械研磨に用いるのに適した組成
物であって、前記表面への銅の再付着を軽減する抑制剤
を、銅の再付着を抑制するのに有効な量含む、ことを特
徴とする組成物。 （２）前記抑制剤の有効量は、組成物１リットルあたり
約０．２５〜約５グラムの範囲の量であることを特徴と
する上記（１）に記載の組成物。 （３）前記抑制剤は、ベンゼン環，ピリジン環，ピラジ
ン環，ベンゾキノン環，メラミン環よりなるグループか
ら選ばれた芳香族六員環と、この芳香族環にある、また
は芳香族環と結合した、窒素原子，酸素原子，硫黄原子
よりなるグループから選ばれた少なくとも２個のヘテロ
原子とを有する芳香族有機化合物である、ことを特徴と
する上記（１）に記載の組成物。 （４）前記抑制剤は、ヒドロキシ−，アルコキシ−，ア
ミノ−，イミノ−，カルボキシ−，メルカプト−，ニト
ロ−，アルキル−，置換ベンゾトリアゾールよりなるグ
ループから選ばれ、アルキル置換基およびアルコキシ置
換基は、１〜約２０個の炭素原子を有する、ことを特徴
とする上記（１）に記載の組成物。 （５）前記抑制剤は、ベンゾトリアゾールである、こと
を特徴とする上記（１）に記載の組成物。 （６）前記ベンゾトリアゾールの有効量は、組成物１リ
ットルあたり約０．２５〜約５グラムの範囲の量であ
る、ことを特徴とする上記（５）に記載の組成物。 （７） 前記表面に供給する前の前記組成物は、銅を実
質的に含まない、ことを特徴とする上記（１）に記載の
組成物。 （８）上記（１）に記載の組成物を用いて作製された半
導体デバイス。 （９）半導体デバイスの層の表面上の、銅または銅含有
合金の化学機械研磨に用いるのに適した組成物であっ
て、ベンゾトリアゾールを、前記表面への銅の再付着を
抑制するのに有効な量含む、ことを特徴とする組成物。 （１０）前記ベンゾトリアゾールの有効量は、組成物１
リットルあたり約０．２５〜約５グラムの範囲の量であ
る、ことを特徴とする上記（９）に記載の組成物。 （１１）半導体デバイスの層の表面上の、銅または銅含
有合金を含む金属の化学機械研磨方法であって、ベンゼ
ン環，ピリジン環，ピラジン環，ベンゾキノン環，メラ
ミン環よりなるグループから選ばれた芳香族六員環と、
芳香族環にある、または芳香族環と結合した、窒素原
子，酸素原子，硫黄原子よりなるグループから選ばれた
少なくとも２個のヘテロ原子とを有する芳香族有機化合
物である銅付着抑制剤を含む組成物を、前記表面に供給
する工程と、前記抑制剤を有する表面を研磨する工程
と、を含むことを特徴とする化学機械研磨方法。 （１２）前記抑制剤の量は、組成物１リットルあたり約
０．２５〜約５グラムの範囲の量である、ことを特徴と
する上記（１１）に記載の化学機械研磨方法。 （１３）前記抑制剤は、ベンゾトリアゾールである、こ
とを特徴とする上記（１１）に記載の化学機械研磨方
法。 （１４）上記（１１）に記載の化学機械研磨方法を用い
て作製された半導体デバイス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウィリアム・フランシス・ランダース アメリカ合衆国 12508 ニューヨーク州 ビーコンサンドラ プレイス ３

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体デバイスの層の表面上の、銅または
   銅含有合金を含む金属の化学機械研磨に用いるのに適し
   た組成物であって、 前記表面への銅の再付着を軽減する抑制剤を、銅の再付
   着を抑制するのに有効な量含む、ことを特徴とする組成
   物。
2. 【請求項２】前記抑制剤の有効量は、組成物１リットル
   あたり約０．２５〜約５グラムの範囲の量であることを
   特徴とする請求項１記載の組成物。
3. 【請求項３】前記抑制剤は、ベンゼン環，ピリジン環，
   ピラジン環，ベンゾキノン環，メラミン環よりなるグル
   ープから選ばれた芳香族六員環と、この芳香族環にあ
   る、または芳香族環と結合した、窒素原子，酸素原子，
   硫黄原子よりなるグループから選ばれた少なくとも２個
   のヘテロ原子とを有する芳香族有機化合物である、こと
   を特徴とする請求項１記載の組成物。
4. 【請求項４】前記抑制剤は、ヒドロキシ−，アルコキシ
   −，アミノ−，イミノ−，カルボキシ−，メルカプト
   −，ニトロ−，アルキル−，置換ベンゾトリアゾールよ
   りなるグループから選ばれ、アルキル置換基およびアル
   コキシ置換基は、１〜約２０個の炭素原子を有する、こ
   とを特徴とする請求項１記載の組成物。
5. 【請求項５】前記抑制剤は、ベンゾトリアゾールであ
   る、ことを特徴とする請求項１記載の組成物。
6. 【請求項６】前記表面に供給する前の前記組成物は、銅
   を実質的に含まない、ことを特徴とする請求項１記載の
   組成物。
7. 【請求項７】請求項１の組成物を用いて作製された半導
   体デバイス。
8. 【請求項８】半導体デバイスの層の表面上の、銅または
   銅含有合金の化学機械研磨に用いるのに適した組成物で
   あって、 ベンゾトリアゾールを、前記表面への銅の再付着を抑制
   するのに有効な量含む、ことを特徴とする組成物。
9. 【請求項９】半導体デバイスの層の表面上の、銅または
   銅含有合金を含む金属の化学機械研磨方法であって、 ベンゼン環，ピリジン環，ピラジン環，ベンゾキノン
   環，メラミン環よりなるグループから選ばれた芳香族六
   員環と、芳香族環にある、または芳香族環と結合した、
   窒素原子，酸素原子，硫黄原子よりなるグループから選
   ばれた少なくとも２個のヘテロ原子とを有する芳香族有
   機化合物である銅付着抑制剤を含む組成物を、前記表面
   に供給する工程と、 前記抑制剤を有する表面を研磨する工程と、を含むこと
   を特徴とする化学機械研磨方法。