JPH10270399A - 半導体素子内の異なる導電層を研磨する方法 - Google Patents
半導体素子内の異なる導電層を研磨する方法Info
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- Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 ２つの異なる導電性物質を効果的に研磨可能
な費用効率が高い研磨方法を提供する。 【解決手段】 半導体素子基板上に堆積された２種類の
異なる導電性物質を研磨する方法は、各導電性物質の研
磨を独立して最適化しつつ、製造効率のために同一の研
磨機器を利用する。研磨装置（１０）を用いて、半導体
素子基板（２５０）のタングステン層（２５８）および
チタン層（２５６）を研磨するが、その際異なる２種類
のスラリ調合を用いる。２種類のスラリは、２つの異な
る供給元容器（１１１，１１２）から同じ研磨プラテン
（１３２）上に順次施与することができる。タングステ
ンを除去するまで第１スラリを施与し、続いてスラリ施
与をチタン除去のための第２スラリに切り替える。好適
実施例では、第１スラリ調合品は硝酸第二鉄スラリであ
り、第２スラリ調合品は蓚酸スラリである。
な費用効率が高い研磨方法を提供する。 【解決手段】 半導体素子基板上に堆積された２種類の
異なる導電性物質を研磨する方法は、各導電性物質の研
磨を独立して最適化しつつ、製造効率のために同一の研
磨機器を利用する。研磨装置（１０）を用いて、半導体
素子基板（２５０）のタングステン層（２５８）および
チタン層（２５６）を研磨するが、その際異なる２種類
のスラリ調合を用いる。２種類のスラリは、２つの異な
る供給元容器（１１１，１１２）から同じ研磨プラテン
（１３２）上に順次施与することができる。タングステ
ンを除去するまで第１スラリを施与し、続いてスラリ施
与をチタン除去のための第２スラリに切り替える。好適
実施例では、第１スラリ調合品は硝酸第二鉄スラリであ
り、第２スラリ調合品は蓚酸スラリである。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に研磨方法
に関し、更に特定すれば、半導体素子基板の研磨方法に
関するものである。
に関し、更に特定すれば、半導体素子基板の研磨方法に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】今日半導体素子に見られる種々の物質を
研磨するには、化学機械式研磨（ＣＭＰ：chemical mec
hanical polishing ）が用いられている。かかる物質に
は、タングステン，アルミニウム，および銅のような金
属が含まれる。研磨対象の物質の種類には無関係に、同
様の技法が用いられている。例えば、研磨システムは、
典型的に、研磨プラテンを含み、その上に研磨パッドを
取り付ける。プラテンを回転させながら、スラリを施与
しつつ、半導体ウエハをパッドに対して押し付ける。ス
ラリおよび研磨対象層間の化学的反応、ならびにスラリ
内の研磨剤および研磨対象層間の機械的相互作用の組み
合わせによって、層の平面化が行われる。場合によって
は、半導体基板には異なる物質の２層が互いに堆積され
ており、好ましくはサイクル・タイムを最少に抑えるた
めに連続研磨処理で、双方の物質を研磨なければならな
いことがある。商業的に入手可能な研磨スラリには、同
一研磨処理の間に２つの異なる物質を研磨する理想的な
特性を与えるものはない。例えば、チタン／窒化チタン
層上に堆積されているタングステンを研磨する場合、タ
ングステンおよびチタン層の研磨特性は大きく異なる。
チタンは、タングステンの研磨に最適化されたスラリ調
合品(slurry composition)を用いて研磨するには、比較
的困難な物質である。チタンを首尾良く研磨するスラリ
の調合は、典型的に、他のスラリ程早くタングステンを
研磨しない。殆どの場合、一方の物質、例えば、タング
ステンに研磨条件を最適化した場合、チタンのような他
の物質の研磨特性の低下を招く。
研磨するには、化学機械式研磨（ＣＭＰ：chemical mec
hanical polishing ）が用いられている。かかる物質に
は、タングステン，アルミニウム，および銅のような金
属が含まれる。研磨対象の物質の種類には無関係に、同
様の技法が用いられている。例えば、研磨システムは、
典型的に、研磨プラテンを含み、その上に研磨パッドを
取り付ける。プラテンを回転させながら、スラリを施与
しつつ、半導体ウエハをパッドに対して押し付ける。ス
ラリおよび研磨対象層間の化学的反応、ならびにスラリ
内の研磨剤および研磨対象層間の機械的相互作用の組み
合わせによって、層の平面化が行われる。場合によって
は、半導体基板には異なる物質の２層が互いに堆積され
ており、好ましくはサイクル・タイムを最少に抑えるた
めに連続研磨処理で、双方の物質を研磨なければならな
いことがある。商業的に入手可能な研磨スラリには、同
一研磨処理の間に２つの異なる物質を研磨する理想的な
特性を与えるものはない。例えば、チタン／窒化チタン
層上に堆積されているタングステンを研磨する場合、タ
ングステンおよびチタン層の研磨特性は大きく異なる。
チタンは、タングステンの研磨に最適化されたスラリ調
合品(slurry composition)を用いて研磨するには、比較
的困難な物質である。チタンを首尾良く研磨するスラリ
の調合は、典型的に、他のスラリ程早くタングステンを
研磨しない。殆どの場合、一方の物質、例えば、タング
ステンに研磨条件を最適化した場合、チタンのような他
の物質の研磨特性の低下を招く。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】タングステンおよびチ
タンの組み合わせを研磨する既知の方法に、デラウエア
州のRodel, Inc. が製造するSuba 500のような、比較的
硬質な即ち研磨性の強い研磨パッドと、タングステン研
磨用に調合されたスラリ（例えば、硝酸第二鉄）とを用
いるものがある。この研磨スラリは、チタンとの化学的
反応はさほど強くないので、チタンを機械的に除去する
際に、硬度が高い研磨パッドを用いるのは効果的であ
る。しかしながら、この方法に伴う問題として、１）軟
性のパッドを用いる場合よりも、タングステンの研磨速
度が低下すること、および２）研磨の間に酸化物が多量
に除去される即ち浸食が発生することが含まれる。酸化
物の除去即ち浸食は、ウエハ全体で非均一であり、密度
の高いアレイ構造では速く周辺領域では遅いので、望ま
しくない。また、これもデラウエア州WilmingtonのRode
l, Inc. によるPolitex パッドのような軟質のパッドを
用いると、酸化物の除去は減少するが、チタンの除去も
不適当となる。
タンの組み合わせを研磨する既知の方法に、デラウエア
州のRodel, Inc. が製造するSuba 500のような、比較的
硬質な即ち研磨性の強い研磨パッドと、タングステン研
磨用に調合されたスラリ（例えば、硝酸第二鉄）とを用
いるものがある。この研磨スラリは、チタンとの化学的
反応はさほど強くないので、チタンを機械的に除去する
際に、硬度が高い研磨パッドを用いるのは効果的であ
る。しかしながら、この方法に伴う問題として、１）軟
性のパッドを用いる場合よりも、タングステンの研磨速
度が低下すること、および２）研磨の間に酸化物が多量
に除去される即ち浸食が発生することが含まれる。酸化
物の除去即ち浸食は、ウエハ全体で非均一であり、密度
の高いアレイ構造では速く周辺領域では遅いので、望ま
しくない。また、これもデラウエア州WilmingtonのRode
l, Inc. によるPolitex パッドのような軟質のパッドを
用いると、酸化物の除去は減少するが、チタンの除去も
不適当となる。
【０００４】タングステンおよびチタンを研磨する問題
を克服するための他の方法に、タングステンは研磨して
取り去るが、チタン層は適所に残すというものがある。
アルミニウムのような相互接続金属層（群）を、残留す
るチタン層上に堆積し、アルミニウム層およびチタン層
に対して同時にパターニングおよびエッチングを行う。
チタン層をアルミニウムと共にエッチングすることによ
り、チタンを研磨して取り去る必要性がなくなる。しか
しながら、タングステンの研磨の間、チタン層が研磨プ
ロセスに晒される。その結果、アルミニウムの下にある
チタンの質が低くなり、結果的に得られるアルミニウム
の相互接続部の信頼性低下を招く。
を克服するための他の方法に、タングステンは研磨して
取り去るが、チタン層は適所に残すというものがある。
アルミニウムのような相互接続金属層（群）を、残留す
るチタン層上に堆積し、アルミニウム層およびチタン層
に対して同時にパターニングおよびエッチングを行う。
チタン層をアルミニウムと共にエッチングすることによ
り、チタンを研磨して取り去る必要性がなくなる。しか
しながら、タングステンの研磨の間、チタン層が研磨プ
ロセスに晒される。その結果、アルミニウムの下にある
チタンの質が低くなり、結果的に得られるアルミニウム
の相互接続部の信頼性低下を招く。
【０００５】したがって、２つの異なる導電性物質を効
果的に研磨可能な費用効率が高い研磨方法を確立し、製
造環境改善に役立てることが当業界では必要とされてい
る。
果的に研磨可能な費用効率が高い研磨方法を確立し、製
造環境改善に役立てることが当業界では必要とされてい
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】概して言えば、本発明
は、半導体素子基板上に堆積された２つの異なる導電性
物質を研磨する方法を提供する。連続的に堆積された異
なる物質を研磨する従来技術の技法では、共通のスラリ
および１組の研磨パラメータを用いるが、本発明は各導
電性物質の研磨を独立して最適化しつつ、製造効率のた
めに同じ研磨機器を利用する。一実施例では、タングス
テン層がチタン層上に堆積されており、これら２層を研
磨する際に、１種類の研磨装置および２種類の異なるス
ラリ調合を用いる。第１スラリ調合品は、タングステン
の研磨に最適化され、第２スラリ調合品はチタンの研磨
に最適化されている。これら２種類のスラリは、同一研
磨プラテンおよびパッド上に、異なる２つの供給源から
連続的に施与することができ、タングステンが除去され
るまで第１スラリを施与し、次いでスラリの施与を第２
スラリに切り替えて、チタンの除去を行う。好適実施例
では、第１スラリ調合品は、硝酸第二鉄を基本としたス
ラリであり、第２スラリ調合品は蓚酸を基本としたスラ
リである。この実施例では、双方のスラリは同一のｐＨ
を有する（硝酸第二鉄および蓚酸は双方とも酸性であ
る）。蓚酸のスラリを第２スラリ調合品として用いるこ
とによって、従来のタングステン用スラリ調合よりも効
果的にチタンが研磨されるだけでなく、鉄の分子と結合
して、半導体素子基板の誘電体層に鉄が合体(incorpora
tion) されるという望ましくない現象を防止する。好ま
しくは、２つの導電層の研磨を行う際、同一の研磨パッ
ドを用い、半導体基板は連続的に回転パッドと接触し続
けるが、２つの異なる研磨スラリは順次同一パッド上に
施与され、２つの異なる導電性物質を研磨する。２つの
異なるスラリを同一研磨プラテンおよびパッド上に単に
施与することによって、研磨作業間のウエハ搬送が不要
となるため、製造時間に悪影響を与えることはない。
は、半導体素子基板上に堆積された２つの異なる導電性
物質を研磨する方法を提供する。連続的に堆積された異
なる物質を研磨する従来技術の技法では、共通のスラリ
および１組の研磨パラメータを用いるが、本発明は各導
電性物質の研磨を独立して最適化しつつ、製造効率のた
めに同じ研磨機器を利用する。一実施例では、タングス
テン層がチタン層上に堆積されており、これら２層を研
磨する際に、１種類の研磨装置および２種類の異なるス
ラリ調合を用いる。第１スラリ調合品は、タングステン
の研磨に最適化され、第２スラリ調合品はチタンの研磨
に最適化されている。これら２種類のスラリは、同一研
磨プラテンおよびパッド上に、異なる２つの供給源から
連続的に施与することができ、タングステンが除去され
るまで第１スラリを施与し、次いでスラリの施与を第２
スラリに切り替えて、チタンの除去を行う。好適実施例
では、第１スラリ調合品は、硝酸第二鉄を基本としたス
ラリであり、第２スラリ調合品は蓚酸を基本としたスラ
リである。この実施例では、双方のスラリは同一のｐＨ
を有する（硝酸第二鉄および蓚酸は双方とも酸性であ
る）。蓚酸のスラリを第２スラリ調合品として用いるこ
とによって、従来のタングステン用スラリ調合よりも効
果的にチタンが研磨されるだけでなく、鉄の分子と結合
して、半導体素子基板の誘電体層に鉄が合体(incorpora
tion) されるという望ましくない現象を防止する。好ま
しくは、２つの導電層の研磨を行う際、同一の研磨パッ
ドを用い、半導体基板は連続的に回転パッドと接触し続
けるが、２つの異なる研磨スラリは順次同一パッド上に
施与され、２つの異なる導電性物質を研磨する。２つの
異なるスラリを同一研磨プラテンおよびパッド上に単に
施与することによって、研磨作業間のウエハ搬送が不要
となるため、製造時間に悪影響を与えることはない。
【０００７】これらおよびその他の特徴ならびに利点
は、図１ないし図５と関連付けた以下の詳細な説明から
一層明確に理解されよう。尚、図は必ずしも同一拡縮率
で描かれている訳ではなく、具体的に図示していない他
の実施例も本発明には可能であることを指摘しておくの
は重要である。
は、図１ないし図５と関連付けた以下の詳細な説明から
一層明確に理解されよう。尚、図は必ずしも同一拡縮率
で描かれている訳ではなく、具体的に図示していない他
の実施例も本発明には可能であることを指摘しておくの
は重要である。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１は、本発明を実施する際に使
用する、機械化学式研磨装置１０の一部の構成図であ
る。化学機械式研磨装置１０は、供給部分１１および研
磨部分１３を含む２部分を有する。供給部分内には、２
つの容器１１１，１１２がある。これら２つの容器１１
１，１１２には、本発明にしたがって半導体素子基板の
２つの異なる導電層を研磨するための、２種類の異なる
研磨流体が含まれている。例えば、容器１１１は、硝酸
第二鉄のようなタングステン研磨スラリを含み、容器１
１２は、蓚酸スラリのようなチタンを研磨するために選
択された研磨スラリを含む。図１に示す好適実施例で
は、２つの異なる研磨スラリは予め混合されたものとし
て示されているが（即ち、スラリの３つの主要成分、酸
化剤，研磨粒子，および水が容器の中で混合一体化され
ている）、研磨スラリの酸化剤成分および希釈研磨成分
は、別個に貯蔵および送出し、研磨パッドに施与する地
点付近で混合することも可能である。これを理解するの
は重要なことである。
用する、機械化学式研磨装置１０の一部の構成図であ
る。化学機械式研磨装置１０は、供給部分１１および研
磨部分１３を含む２部分を有する。供給部分内には、２
つの容器１１１，１１２がある。これら２つの容器１１
１，１１２には、本発明にしたがって半導体素子基板の
２つの異なる導電層を研磨するための、２種類の異なる
研磨流体が含まれている。例えば、容器１１１は、硝酸
第二鉄のようなタングステン研磨スラリを含み、容器１
１２は、蓚酸スラリのようなチタンを研磨するために選
択された研磨スラリを含む。図１に示す好適実施例で
は、２つの異なる研磨スラリは予め混合されたものとし
て示されているが（即ち、スラリの３つの主要成分、酸
化剤，研磨粒子，および水が容器の中で混合一体化され
ている）、研磨スラリの酸化剤成分および希釈研磨成分
は、別個に貯蔵および送出し、研磨パッドに施与する地
点付近で混合することも可能である。これを理解するの
は重要なことである。
【０００９】容器１１１，１１２内のスラリは、それぞ
れ供給ライン１１３，１１４を通過してマニフォルド１
２１に達する。ポンプ１１５，１１６が、それぞれ供給
ライン１１３，１１４を通過する流れを調整する。マニ
フォルド１２１は、研磨パッドへのスラリの流れを調整
する。２種類のスラリのどちらを研磨パッドに送出すべ
きかに応じて、研磨装置によってバルブ（図示せず）の
開閉が行われる。
れ供給ライン１１３，１１４を通過してマニフォルド１
２１に達する。ポンプ１１５，１１６が、それぞれ供給
ライン１１３，１１４を通過する流れを調整する。マニ
フォルド１２１は、研磨パッドへのスラリの流れを調整
する。２種類のスラリのどちらを研磨パッドに送出すべ
きかに応じて、研磨装置によってバルブ（図示せず）の
開閉が行われる。
【００１０】マニフォルドを通過した後、所望の研磨ス
ラリは施与配管１２２の一部を通過し、研磨部分１３に
送出される。研磨部分１３は、タブ１３１，プラテン１
３２および研磨パッドを含む。簡略化のために、プラテ
ンおよび研磨パッドの組み合わせを、単にプラテン１３
２として示すことにする。プラテン１３２の上部には、
基板ホルダ１３３および半導体素子基板１３４がある。
研磨の間、研磨スラリは配管１２２からプラテン１３２
上に施与され、過剰なスラリは最終的にタブ１３１によ
って受け取られ、この時点で研磨スラリは再使用するこ
とも、破棄することも可能である。スラリが施与されて
いる間、およびプラテンを回転させて基板の露出層を研
磨している間、基板１３４はパッドに対して保持されて
いる。
ラリは施与配管１２２の一部を通過し、研磨部分１３に
送出される。研磨部分１３は、タブ１３１，プラテン１
３２および研磨パッドを含む。簡略化のために、プラテ
ンおよび研磨パッドの組み合わせを、単にプラテン１３
２として示すことにする。プラテン１３２の上部には、
基板ホルダ１３３および半導体素子基板１３４がある。
研磨の間、研磨スラリは配管１２２からプラテン１３２
上に施与され、過剰なスラリは最終的にタブ１３１によ
って受け取られ、この時点で研磨スラリは再使用するこ
とも、破棄することも可能である。スラリが施与されて
いる間、およびプラテンを回転させて基板の露出層を研
磨している間、基板１３４はパッドに対して保持されて
いる。
【００１１】図２ないし図５は、本発明を実施する際
に、例えば、図１の研磨装置を用い、半導体素子基板２
５０を処理する工程の一例を示す断面図である。図２の
半導体素子基板２５０は金属相互接続部２５２を含み、
その上を反射防止コーティング（ＡＲＣ：anti-reflect
ive coating ）２５４が覆っている。金属相互接続部２
５２は、アルミニウム，銅またはシリコンとのアルミニ
ウム合金，銅，銅合金等で形成することができる。ＡＲ
Ｃ２５４は、典型的に、窒化チタン，窒化タンタル，窒
化アルミニウム等のような、金属窒化物である。金属相
互接続部２５２およびＡＲＣ２５４上にレベル間誘電体
（ＩＬＤ：interlevel dielectric ）層２５５を堆積
し、エッチングを行ってバイア開口（接触開口としても
知られている）を形成し、金属相互接続部２５２の最上
部分を露出させる。ＩＬＤ層２５５は通常酸化物であ
り、化学蒸着され、ドープする場合もドープしない場合
もあり得る。バイア開口をエッチングする際、従来から
の異方性ドライ酸化物エッチング技法を用いる。これま
で説明してきたように、半導体素子基板２５０は、従来
の半導体製造技術を用いて形成することが可能である。
に、例えば、図１の研磨装置を用い、半導体素子基板２
５０を処理する工程の一例を示す断面図である。図２の
半導体素子基板２５０は金属相互接続部２５２を含み、
その上を反射防止コーティング（ＡＲＣ：anti-reflect
ive coating ）２５４が覆っている。金属相互接続部２
５２は、アルミニウム，銅またはシリコンとのアルミニ
ウム合金，銅，銅合金等で形成することができる。ＡＲ
Ｃ２５４は、典型的に、窒化チタン，窒化タンタル，窒
化アルミニウム等のような、金属窒化物である。金属相
互接続部２５２およびＡＲＣ２５４上にレベル間誘電体
（ＩＬＤ：interlevel dielectric ）層２５５を堆積
し、エッチングを行ってバイア開口（接触開口としても
知られている）を形成し、金属相互接続部２５２の最上
部分を露出させる。ＩＬＤ層２５５は通常酸化物であ
り、化学蒸着され、ドープする場合もドープしない場合
もあり得る。バイア開口をエッチングする際、従来から
の異方性ドライ酸化物エッチング技法を用いる。これま
で説明してきたように、半導体素子基板２５０は、従来
の半導体製造技術を用いて形成することが可能である。
【００１２】バイア開口を形成した後、図２に示すよう
に、ＩＬＤ層の上面上およびバイア開口内にチタン層２
５６を連続的に堆積することによって、プラグ層を形成
する。チタン層２５６を堆積した後、プラグ充填物質を
堆積する。一実施例では、この物質は、図２に示すよう
な、タングステン層２５８である。チタン層２５６に加
えて、チタン層２５６およびタングステン層２５８間に
は、窒化チタン層（図示せず）を用いることも可能であ
る。チタン層および／または窒化チタン層は、相互接続
メタライゼーションにおいて、接着層およびバリア層と
して機能する。チタン層は、典型的に、プラグ充填物質
よりも格段に薄い。例えば、チタン層２５６は厚さが
１，０００オングストローム未満であり、タングステン
層はバイア開口の幅の少なくとも半分であり、通常２，
０００ないし１０，０００オングストロームの間であ
る。
に、ＩＬＤ層の上面上およびバイア開口内にチタン層２
５６を連続的に堆積することによって、プラグ層を形成
する。チタン層２５６を堆積した後、プラグ充填物質を
堆積する。一実施例では、この物質は、図２に示すよう
な、タングステン層２５８である。チタン層２５６に加
えて、チタン層２５６およびタングステン層２５８間に
は、窒化チタン層（図示せず）を用いることも可能であ
る。チタン層および／または窒化チタン層は、相互接続
メタライゼーションにおいて、接着層およびバリア層と
して機能する。チタン層は、典型的に、プラグ充填物質
よりも格段に薄い。例えば、チタン層２５６は厚さが
１，０００オングストローム未満であり、タングステン
層はバイア開口の幅の少なくとも半分であり、通常２，
０００ないし１０，０００オングストロームの間であ
る。
【００１３】開口の外側にあるタングステン層２５８お
よびチタン層２５６は双方共、バイア開口内にプラグを
生成するために除去する必要がある。これを行う際に本
発明による研磨を用いる。まず、前述の研磨装置１０を
用いて、タングステン層を除去する。好ましくは、用い
る研磨パッドは比較的軟質なもの（前述のPolitex 研磨
パッドのような、ショアＤ硬度が４５未満のもの）であ
るが、これより硬質のパッド物質（Suba 500パッドのよ
うな、ショアＤ硬度が４５を超えるもの）が相応しい場
合もある。第１研磨スラリは、容器１１１から吸い上げ
られ、供給ライン１１３，マニフォルド１２１を通過
し、施与配管を通じてプラテン１３２上に施与される。
タングステン層を研磨する場合、好適なスラリは酸性硝
酸第二鉄（Ｆｅ（NO3 ）3 ）化学薬品を水およびアルミ
ナ研磨粒子と組み合わせたものである。図３に示すよう
に、バイア開口以外のあらゆる場所からタングステン層
２５８を除去するまで研磨を行い、バイア開口内にタン
グステン・プラグ２６０を生成する。時限研磨(timed p
olishing) またはいずれかの形式の研磨終点検出を用い
て、タングステンが適切に除去されるときを判定するこ
とも可能である。タングステンを除去するための施与速
度，回転速度ならびに研磨時間および圧力は、従来の範
囲以内で最適化される。一例として、６，０００オング
ストロームのタングステン層を研磨するには、約２分
間、５ポンド／平方インチ（ＰＳＩ：pounds per inch
）の圧力、毎分３０回転（ＲＰＭ：revolutions per m
inute）の回転速度、ならびに重量百分率が１０％の硝
酸第二鉄溶液および重量百分率が６％のアルミニウム研
磨剤を１：１の比率で脱イオン水に含むスラリを用い
る。かかるスラリはｐＨが２未満であり、通常１．２な
いし１．５の範囲内である。かかる条件の下では、タン
グステンは毎分６，０００オングストロームの速度で研
磨され、一方チタンは毎分３００ないし４００オングス
トロームの速度で研磨される。
よびチタン層２５６は双方共、バイア開口内にプラグを
生成するために除去する必要がある。これを行う際に本
発明による研磨を用いる。まず、前述の研磨装置１０を
用いて、タングステン層を除去する。好ましくは、用い
る研磨パッドは比較的軟質なもの（前述のPolitex 研磨
パッドのような、ショアＤ硬度が４５未満のもの）であ
るが、これより硬質のパッド物質（Suba 500パッドのよ
うな、ショアＤ硬度が４５を超えるもの）が相応しい場
合もある。第１研磨スラリは、容器１１１から吸い上げ
られ、供給ライン１１３，マニフォルド１２１を通過
し、施与配管を通じてプラテン１３２上に施与される。
タングステン層を研磨する場合、好適なスラリは酸性硝
酸第二鉄（Ｆｅ（NO3 ）3 ）化学薬品を水およびアルミ
ナ研磨粒子と組み合わせたものである。図３に示すよう
に、バイア開口以外のあらゆる場所からタングステン層
２５８を除去するまで研磨を行い、バイア開口内にタン
グステン・プラグ２６０を生成する。時限研磨(timed p
olishing) またはいずれかの形式の研磨終点検出を用い
て、タングステンが適切に除去されるときを判定するこ
とも可能である。タングステンを除去するための施与速
度，回転速度ならびに研磨時間および圧力は、従来の範
囲以内で最適化される。一例として、６，０００オング
ストロームのタングステン層を研磨するには、約２分
間、５ポンド／平方インチ（ＰＳＩ：pounds per inch
）の圧力、毎分３０回転（ＲＰＭ：revolutions per m
inute）の回転速度、ならびに重量百分率が１０％の硝
酸第二鉄溶液および重量百分率が６％のアルミニウム研
磨剤を１：１の比率で脱イオン水に含むスラリを用い
る。かかるスラリはｐＨが２未満であり、通常１．２な
いし１．５の範囲内である。かかる条件の下では、タン
グステンは毎分６，０００オングストロームの速度で研
磨され、一方チタンは毎分３００ないし４００オングス
トロームの速度で研磨される。
【００１４】図３に示すように、バイア開口以外の部分
からタングステン層２５８を除去した後、スラリ化学薬
品を切り替え、容器１１２の研磨スラリを研磨プラテン
に送出し、チタン層２５６を除去する。スラリの切り替
えを行うには、第１スラリと連動するマニフォルドのバ
ルブを閉じ、第２スラリと連動するバルブを開く。する
と、第２スラリが容器１１２から、供給ライン１１４，
マニフォルド１２１を通過して送出され、施与配管１２
２を通じてプラテン１３２上に施与される。第１スラリ
から第２スラリへの切り替えの間、プラテンは回転し続
け、基板はある程度の圧力で研磨パッドに対して保持さ
れ続ける。スラリ化学薬品の交換が行われると、第１研
磨スラリを用いた基板の研磨の間の露出されたチタンの
いずれよりも高速に、チタン層が研磨される。
からタングステン層２５８を除去した後、スラリ化学薬
品を切り替え、容器１１２の研磨スラリを研磨プラテン
に送出し、チタン層２５６を除去する。スラリの切り替
えを行うには、第１スラリと連動するマニフォルドのバ
ルブを閉じ、第２スラリと連動するバルブを開く。する
と、第２スラリが容器１１２から、供給ライン１１４，
マニフォルド１２１を通過して送出され、施与配管１２
２を通じてプラテン１３２上に施与される。第１スラリ
から第２スラリへの切り替えの間、プラテンは回転し続
け、基板はある程度の圧力で研磨パッドに対して保持さ
れ続ける。スラリ化学薬品の交換が行われると、第１研
磨スラリを用いた基板の研磨の間の露出されたチタンの
いずれよりも高速に、チタン層が研磨される。
【００１５】好適実施例では、チタンを研磨する場合、
第２研磨スラリは、蓚酸［（ＨＣＯＯＨ）2 またはＨＯ
2 ＣＣＯ2 Ｈ］を水およびアルミナ研磨粒子と組み合わ
せた蓚酸スラリである。図４に示すように、バイア開口
以外のあらゆる場所からチタン層２５６が除去されるま
で研磨を行う。この場合も、時限研磨またはいずれかの
形式の研磨終点検出を用いて、チタンが適切に除去され
るときを判定することが可能である。チタンを除去する
ための施与速度，回転速度ならびに研磨時間および圧力
は、従来の範囲以内で最適化される。一例として、４０
０オングストロームのチタン層を研磨するには、約３０
秒間、５ＰＳＩの圧力、毎分３０ＲＰＭの回転速度、な
らびに重量百分率が０．５％の蓚酸溶液および重量百分
率が６％のアルミニウム研磨剤を１：１の比率で脱イオ
ン水に含むスラリを用いる。かかるスラリはｐＨが２未
満であり、通常１．２ないし１．５の範囲内である。蓚
酸スラリは、ＩＬＤ層２５５に対する選択性が高くない
ので、過剰な、そして不均一となる可能性がある酸化物
の除去を回避するために、軟質のパッド（先に説明した
ような）を用いてチタン層２５６を研磨することが好ま
しい。かかる条件の下では、タングステンは毎分２００
オングストローム未満の速度で研磨され、一方チタンは
毎分約１，５００オングストロームの速度で研磨され
る。
第２研磨スラリは、蓚酸［（ＨＣＯＯＨ）2 またはＨＯ
2 ＣＣＯ2 Ｈ］を水およびアルミナ研磨粒子と組み合わ
せた蓚酸スラリである。図４に示すように、バイア開口
以外のあらゆる場所からチタン層２５６が除去されるま
で研磨を行う。この場合も、時限研磨またはいずれかの
形式の研磨終点検出を用いて、チタンが適切に除去され
るときを判定することが可能である。チタンを除去する
ための施与速度，回転速度ならびに研磨時間および圧力
は、従来の範囲以内で最適化される。一例として、４０
０オングストロームのチタン層を研磨するには、約３０
秒間、５ＰＳＩの圧力、毎分３０ＲＰＭの回転速度、な
らびに重量百分率が０．５％の蓚酸溶液および重量百分
率が６％のアルミニウム研磨剤を１：１の比率で脱イオ
ン水に含むスラリを用いる。かかるスラリはｐＨが２未
満であり、通常１．２ないし１．５の範囲内である。蓚
酸スラリは、ＩＬＤ層２５５に対する選択性が高くない
ので、過剰な、そして不均一となる可能性がある酸化物
の除去を回避するために、軟質のパッド（先に説明した
ような）を用いてチタン層２５６を研磨することが好ま
しい。かかる条件の下では、タングステンは毎分２００
オングストローム未満の速度で研磨され、一方チタンは
毎分約１，５００オングストロームの速度で研磨され
る。
【００１６】異なる導電層を除去した後、基板２５０を
研磨装置の仕上げ用プラテン（図示せず）に移動し、基
板２５０の表面から残留粒子を除去することが好まし
い。一実施例では、塩基性スラリを用いた短時間の誘電
体研磨を仕上げ用プラテン上で行って、滑らかな表面を
ＩＬＤ層２５５に与えるとよい。次に水による洗浄(wat
er rinse) を行って、残留する塩基性スラリを除去す
る。他の実施例では、仕上げプラテン上に水のみ（塩基
性スラリを用いない）を導入する。仕上げ用プラテン
は、典型的に、軟性のパッドを有し、前述の研磨パッド
と同一としてもよい（例えば、Kim et al.による、"Pro
cess for Polishing a Semiconductor DeviceSubstrat
e"と題し、１９９６年１２月２６日に出願され、本願と
同一譲受人に譲渡された、同時係属中の米国特許出願番
号第０８／７８０，１１３号を参照のこと）。商業的に
入手可能な研磨装置の殆どは丁度２種類のプラテンを有
する（典型的に、研磨用に１つ、バフ即ち仕上げ用に１
つ）ので、更に、ＩＬＤ層２５５の仕上げ即ちバフ研磨
は金属層を除去した後に行うことが好ましいので、本発
明による異なる導電性物質の研磨は、同一プラテン上で
行うことにより、床空間および投下資本(capital expen
diture) の利用度を最高に高めることが好ましい。この
ように、研磨装置の第２プラテンは、仕上げ用に用いる
ことができる。あるいは、仕上げ工程は別個の機械で行
い、研磨装置１０の２種類のプラテン各々を、導電層の
異なる一方を除去するために用いることも可能である。
あるいは、仕上げ工程を全く省略することも可能であ
る。
研磨装置の仕上げ用プラテン（図示せず）に移動し、基
板２５０の表面から残留粒子を除去することが好まし
い。一実施例では、塩基性スラリを用いた短時間の誘電
体研磨を仕上げ用プラテン上で行って、滑らかな表面を
ＩＬＤ層２５５に与えるとよい。次に水による洗浄(wat
er rinse) を行って、残留する塩基性スラリを除去す
る。他の実施例では、仕上げプラテン上に水のみ（塩基
性スラリを用いない）を導入する。仕上げ用プラテン
は、典型的に、軟性のパッドを有し、前述の研磨パッド
と同一としてもよい（例えば、Kim et al.による、"Pro
cess for Polishing a Semiconductor DeviceSubstrat
e"と題し、１９９６年１２月２６日に出願され、本願と
同一譲受人に譲渡された、同時係属中の米国特許出願番
号第０８／７８０，１１３号を参照のこと）。商業的に
入手可能な研磨装置の殆どは丁度２種類のプラテンを有
する（典型的に、研磨用に１つ、バフ即ち仕上げ用に１
つ）ので、更に、ＩＬＤ層２５５の仕上げ即ちバフ研磨
は金属層を除去した後に行うことが好ましいので、本発
明による異なる導電性物質の研磨は、同一プラテン上で
行うことにより、床空間および投下資本(capital expen
diture) の利用度を最高に高めることが好ましい。この
ように、研磨装置の第２プラテンは、仕上げ用に用いる
ことができる。あるいは、仕上げ工程は別個の機械で行
い、研磨装置１０の２種類のプラテン各々を、導電層の
異なる一方を除去するために用いることも可能である。
あるいは、仕上げ工程を全く省略することも可能であ
る。
【００１７】タングステン層２５８およびチタン層２５
６を除去することによってプラグの形成を完了した後、
図５に示すような、ほぼ完成した半導体素子基板２５０
が形成される。別のチタン層２６２，またはチタンおよ
び窒化チタンの組み合わせを堆積し、続いて第２レベル
のメタライゼーション２６４を形成する。メタライゼー
ション２６４は、金属相互接続部２５２と同様であり、
例えば、アルミニウム，アルミニウム合金，銅，銅合金
等によって作られる。第２レベルのメタライゼーション
が半導体素子内の相互接続部のメタライゼーションの最
上位レベルである場合、パシベーション層２６６を堆積
して素子を完成させる。パシベーション層２６６は、ド
ープされた酸化物，窒化物，酸窒化シリコン，ポリイミ
ドまたは同様の既知のパシベーション物質とすることが
適当である。
６を除去することによってプラグの形成を完了した後、
図５に示すような、ほぼ完成した半導体素子基板２５０
が形成される。別のチタン層２６２，またはチタンおよ
び窒化チタンの組み合わせを堆積し、続いて第２レベル
のメタライゼーション２６４を形成する。メタライゼー
ション２６４は、金属相互接続部２５２と同様であり、
例えば、アルミニウム，アルミニウム合金，銅，銅合金
等によって作られる。第２レベルのメタライゼーション
が半導体素子内の相互接続部のメタライゼーションの最
上位レベルである場合、パシベーション層２６６を堆積
して素子を完成させる。パシベーション層２６６は、ド
ープされた酸化物，窒化物，酸窒化シリコン，ポリイミ
ドまたは同様の既知のパシベーション物質とすることが
適当である。
【００１８】これまで、タングステンおよびチタンを研
磨するという具体的な実施例を参照しながら本発明の説
明を行ってきたが、本発明は、２つの重なり合う別種の
導電性物質を研磨する際、いかなる導電性物質であって
も有用であることを注記しておくのは重要である。例え
ば、本発明は、図６における半導体素子基板３５０に示
すように、インレイ相互接続用途(inlaid interconnect
application) において、アルミニウムのメタライゼー
ション層２６４および下地のチタン層２５６を研磨する
際にも使用可能である。インレイ用途では、下地の金属
相互接続部２５２に接続するプラグは、相互接続メタラ
イゼーションとは異なる物質で形成しない。代わりに、
次の相互接続メタライゼーション、例えば、アルミニウ
ムまたは銅が、バイア開口２６６、およびＩＬＤ２５５
内に形成される相互接続溝即ちチャネル２６８を充填す
る。単一の研磨処理を用いて、ＩＬＤの上からアルミニ
ウムおよびチタンを除去し、図示のように、バイア開口
および相互接続溝内に同じ金属を残す。更に、下地の金
属層はチタンである必要がなく、蓚酸スラリ調合品を用
いることができるという利点が得られる。他の高融点金
属を含有する物質も、異なる物質の１つとして使用可能
である。
磨するという具体的な実施例を参照しながら本発明の説
明を行ってきたが、本発明は、２つの重なり合う別種の
導電性物質を研磨する際、いかなる導電性物質であって
も有用であることを注記しておくのは重要である。例え
ば、本発明は、図６における半導体素子基板３５０に示
すように、インレイ相互接続用途(inlaid interconnect
application) において、アルミニウムのメタライゼー
ション層２６４および下地のチタン層２５６を研磨する
際にも使用可能である。インレイ用途では、下地の金属
相互接続部２５２に接続するプラグは、相互接続メタラ
イゼーションとは異なる物質で形成しない。代わりに、
次の相互接続メタライゼーション、例えば、アルミニウ
ムまたは銅が、バイア開口２６６、およびＩＬＤ２５５
内に形成される相互接続溝即ちチャネル２６８を充填す
る。単一の研磨処理を用いて、ＩＬＤの上からアルミニ
ウムおよびチタンを除去し、図示のように、バイア開口
および相互接続溝内に同じ金属を残す。更に、下地の金
属層はチタンである必要がなく、蓚酸スラリ調合品を用
いることができるという利点が得られる。他の高融点金
属を含有する物質も、異なる物質の１つとして使用可能
である。
【００１９】本明細書に含まれるこれまでの説明および
図示は、本発明に伴う利点の多くを実証するものであ
る。即ち、各物質のために研磨速度および条件を最適化
するように設計された安定なスラリ調合品を用いて、２
つの異なる導電性物質を研磨可能であることを明らかに
した。更に、この研磨プロセスは、既存の研磨プロセス
に容易に統合することができる。今日の研磨装置は、既
に、その分配系統を通じて、１つ以上の成分を受け取る
ように装備されており、殆どの研磨装置は１つ以上の研
磨プラテンを有する（しかしながら、これは、本発明を
実施するための必須要件ではない）。本発明の更に他の
利点は、研磨に蓚酸を用いることによって、重金属（ア
ルカリ金属，アルカリ土類金属および遷移元素）を含有
するスラリを使用することによる悪影響のいくつかを回
避することである。例えば、タングステンを研磨するた
めに硝酸第二鉄を用いると、その結果ＩＬＤ酸化物層の
鉄汚染を招く。硝酸第二鉄スラリの使用に続いて蓚酸を
用いると、研磨パッド内または基板上に残留している可
能性がある鉄と蓚酸が結合することによって、鉄が酸化
物ＩＬＤを汚染するのを防止するという利点がある。本
発明を実施する場合、ＩＬＤ内の鉄濃度は、硝酸第二鉄
のスラリのみを用いた場合の１Ｅ１４原子／ｃｍ2 と比
較して、露出されたＩＬＤ表面の上部２００オングスト
ローム以内において、１Ｅ１２原子／ｃｍ2 未満であっ
た。
図示は、本発明に伴う利点の多くを実証するものであ
る。即ち、各物質のために研磨速度および条件を最適化
するように設計された安定なスラリ調合品を用いて、２
つの異なる導電性物質を研磨可能であることを明らかに
した。更に、この研磨プロセスは、既存の研磨プロセス
に容易に統合することができる。今日の研磨装置は、既
に、その分配系統を通じて、１つ以上の成分を受け取る
ように装備されており、殆どの研磨装置は１つ以上の研
磨プラテンを有する（しかしながら、これは、本発明を
実施するための必須要件ではない）。本発明の更に他の
利点は、研磨に蓚酸を用いることによって、重金属（ア
ルカリ金属，アルカリ土類金属および遷移元素）を含有
するスラリを使用することによる悪影響のいくつかを回
避することである。例えば、タングステンを研磨するた
めに硝酸第二鉄を用いると、その結果ＩＬＤ酸化物層の
鉄汚染を招く。硝酸第二鉄スラリの使用に続いて蓚酸を
用いると、研磨パッド内または基板上に残留している可
能性がある鉄と蓚酸が結合することによって、鉄が酸化
物ＩＬＤを汚染するのを防止するという利点がある。本
発明を実施する場合、ＩＬＤ内の鉄濃度は、硝酸第二鉄
のスラリのみを用いた場合の１Ｅ１４原子／ｃｍ2 と比
較して、露出されたＩＬＤ表面の上部２００オングスト
ローム以内において、１Ｅ１２原子／ｃｍ2 未満であっ
た。
【００２０】このように、本発明によれば、半導体素子
基板内の異なる導電性物質を研磨する方法が提供され、
前述の必要性を満たすと共に利点が得られることは明白
である。本発明の説明および図示を行った際、その特定
実施例を参照したが、本発明はこれら図示した実施例に
限定されることを意図する訳ではない。本発明の精神か
ら逸脱することなく変更や改造が可能であることを当業
者は認めよう。したがって、かかる改造および変更は全
て、特許請求の範囲に該当することを意図するものであ
る。
基板内の異なる導電性物質を研磨する方法が提供され、
前述の必要性を満たすと共に利点が得られることは明白
である。本発明の説明および図示を行った際、その特定
実施例を参照したが、本発明はこれら図示した実施例に
限定されることを意図する訳ではない。本発明の精神か
ら逸脱することなく変更や改造が可能であることを当業
者は認めよう。したがって、かかる改造および変更は全
て、特許請求の範囲に該当することを意図するものであ
る。
【図１】本発明による半導体素子を研磨するための化学
機械式研磨装置の構成図。
機械式研磨装置の構成図。
【図２】本発明の一実施例にしたがって研磨された半導
体素子基板の一部の断面図。
体素子基板の一部の断面図。
【図３】本発明の一実施例にしたがって研磨された半導
体素子基板の一部の断面図。
体素子基板の一部の断面図。
【図４】本発明の一実施例にしたがって研磨された半導
体素子基板の一部の断面図。
体素子基板の一部の断面図。
【図５】本発明の一実施例にしたがって研磨された半導
体素子基板の一部の断面図。
体素子基板の一部の断面図。
【図６】本発明の他の実施例にしたがって形成された半
導体素子基板の一部の断面図。
導体素子基板の一部の断面図。
１０ 化学機械式研磨装置 １１ 供給部分 １３ 研磨部分 １１１，１１２ 容器 １１３，１１４ 供給ライン １１５，１１６ ポンプ １２１ マニフォルド １３１ タブ １３２ プラテン ２５０ 半導体素子基板 ２５２ 金属相互接続部 ２５４ 反射防止コーティング ２５５ レベル間誘電体 ２５６ チタン層 ２５８ タングステン層 ２６２ チタン層 ２６４ 第２レベルのメタライゼーション ２６６ パシベーション層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 サン・シー・キム アメリカ合衆国テキサス州フルガービル、 ツイン・クリーク・ドライブ1108 (72)発明者 ジャイム・サラビア アメリカ合衆国テキサス州ラウンド・ロッ ク、パークサイド・サークル1109
Claims (5)
- 【請求項１】半導体素子の形成方法であって：半導体物
質；前記半導体物質を覆うパターニングされた絶縁層
（２５５）であって、開口を含むようにパターニングさ
れた絶縁層（２５５）；第１物質を含み、前記パターニ
ングされた絶縁層上を覆い、前記開口内を充填する第１
導電層（２５６）；および前記第１物質とは異なる第２
物質を含み、前記第１導電層を覆う第２導電層（２５
８）；を有する基板（２５０）を用意する段階；第１酸
化成分を含む第１研磨流体を用いて前記第２導電層を研
磨し、前記第１導電層の一部を露出させる段階；ならび
に前記第１酸化成分とは異なる第２酸化成分を含む第２
研磨流体を用いて前記第１導電層を研磨し、前記パター
ニングされた絶縁層の一部を露出させる段階；から成る
ことを特徴とする方法。 - 【請求項２】前記用意する段階は、アルミニウム，銅，
およびタングステンから成る群から前記第２物質を選択
し、前記第１物質を高融点金属含有物質として、基板を
用意する段階を含むことを特徴とする請求項１記載の方
法。 - 【請求項３】前記基板を用意する段階は、前記第１物質
をチタンとして基板を用意する段階を含み、前記第１導
電層を研磨する段階は、前記第２酸化成分が蓚酸である
前記第２研磨流体を用いて前記第１導電層を研磨する段
階を含むことを特徴とする請求項２記載の方法。 - 【請求項４】前記基板を研磨装置（１０）内に装填する
段階を更に含み、前記第２導電層を研磨する前記段階お
よび前記第１導電層を研磨する前記段階は前記研磨装置
内で行われることを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項５】半導体素子の形成方法であって：導電性部
材（２５２）を有する半導体基板（２５０）を用意する
段階；前記導電性部材上を含む前記半導体基板上に絶縁
層（２５５）を堆積する段階；前記絶縁層にバイア開口
を形成し、前記導電性部材を露出させる段階；前記バイ
ア開口内を含み、前記絶縁層上に第１導電層（２５６）
を堆積する段階；前記第１導電層上に、前記第１導電層
とは異なる組成の第２導電層（２５８）を堆積する段
階；研磨パッドを有する研磨装置（１０）を用意する段
階；第１研磨流体を用い、少なくとも前記第１導電層を
露出させるまで、前記研磨パッドに施与しながら、前記
第２導電層を研磨する段階；および第２研磨流体を用い
て前記第２導電層を研磨する段階であって、前記第１研
磨流体の酸化成分とは異なる酸化成分の前記第２研磨流
体を用いて研磨する段階；から成ることを特徴とする方
法。
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|---|---|---|---|
| US822025 | 1997-03-24 | ||
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