KR20010085270A - 금속 배선 형성 방법 - Google Patents

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KR20010085270A
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KR1020000080444A
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츠치야야스아키
와케토모코
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니시가키 코지
닛뽄덴끼 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 기판상에 형성된 절연막에 오목부를 형성하는 공정과, 상기 절연막상에 배리어 금속막을 형성하는 공정과, 상기 오목부가 상기 금속으로 매립되도록 전면에 배선용 금속막을 형성하는 공정과, 이 기판 표면을 화학적 기계적 연마법에 의해 연마하는 공정을 갖는 금속 배선 형성 방법에 있어서,
상기 연마 공정은 배선용 금속막이 상기 오목부 이외의 표면상에 부분적으로 남도록 연마하는 제 1의 연마 공정과, 배리어 금속에 대한 배선용 금속의 연마 속도비를 1 이상 3 이하로 제어하는 연마용 슬러리를 사용하여 상기 오목부 이외의 절연막 표면이 거의 완전히 노출할 때까지 연마하는 제 2의 연마 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 디싱이나 침식의 발생이 억제되고, 배선 저항의 편차가 작고, 신뢰성이 높은 매립 배선의 형성이 가능해진다.

Description

금속 배선 형성 방법{Process for forming a metal interconnect}
발명의 배경
발명의 분야
본 발명은 반도체 장치 제조에 적합한 화학 기계 연마를 사용하여 다마신 금속 배선을 형성하기 위한 방법에 관한 것이다.
관련 기술의 설명
다마신 배선은 통상적으로 기판 상의 절연막 상에 그루브 또는 배선 구멍과 같은 오목부를 형성하고, 상기 절연막 상에 배리어 금속막을 형성하고, 상기 오목부가 금속으로 채워지도록 전면에 걸쳐 도전성 금속막을 형성하며, 화학 기계 연마(이하, "CMP"로 칭함)에 의해 표면을 연마함으로써 형성된다. 이하, 다마신 구리 배선 형성에 관해서 설명할 것이다.
상당히 개량되고 집적도가 향상되고 있는 ULSI와 같은 반도체 집적 회로 형성에 있어서, 구리는 양호한 일렉트로마이그레이션 내성(electromigration resistance)과 낮은 전기 저항으로 인해 전기 접속에 양호한 물질로 기대되어 왔다.
현재 구리 배선은 드라이 에칭에 의한 패턴화에서의 어려움과 같은 문제점으로 인해 상기 CMP와 같은 다마신 배선 형성 방법에 의해 형성된다. 구체적으로는, 배선 구멍과 그루브와 같은 오목부가 절연막 내에 형성되고, 배리어 금속막이 그 표면 상에 형성되며, 구리막이 도금에 의해 전면에 걸쳐 퇴적되어 상기 물질로 상기 오목부를 채우며, 상기 오목부 영역을 제외한 절연막의 표면이 완전히 노출될 때까지 표면을 CMP에 의해 연마하여 표면을 편평하게 하여 상기 오목부가 구리로 채워진 다마신 접속 배선과, 비어 플러그 및 콘택트 플러그와 같은 전기 접속을 형성한다.
도 1을 참조하여 다마신 구리 배선 형성 방법에 대해서 설명할 것이다.
도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(1) 상에는 실리콘 질화막(2)과 실리콘 산화막(3)이 차례로 형성된다. 실리콘 산화막(3) 상에는 배선 패턴을 구비하며 실리콘 질화막(2)에 이르는 오목부가 형성된다.
그 다음, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 스퍼터링에 의해 배리어 금속막(4)이 형성된다. 상기 막 상에는 도금에 의해 구리막(5)이 형성되어 오목부가 상기 재료로 채워지게 된다.
도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 구리막(5)은 CMP에 의해 연마되어 기판 표면은 편평하게 된다. 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이, CMP에 의한 연마는 실리콘 산화막(3) 위의 금속이 완전히 제거될 때가지 계속된다.
다마신 금속 배선을 형성하기 위한 상기 방법에 있어서, 배리어 금속막은, 예를 들면, 배선 금속이 절연막으로 확산하는 것을 방지하기 위한 베이스 막으로서 형성된다. 그러나, Ta 및 TaN과 같이 탄탈 함유 금속을 포함하는 화학적으로 아주 안정한 금속을 배리어 금속막으로서 사용하는 경우, 종래의 연마용 슬러리를 사용하는 CMP에서 배선 금속의 연마율보다 배리어 금속막에 대한 연마율은 더 적다. 즉, 배리어 금속막과 배선용 금속막에 대한 연마율 사이에는 상당한 차이가 있고, 이것은 디싱(dishing)이나 침식(erosion)을 유발할 것이다.
디싱은 오목부의 배선 금속이 과도하게 연마되어, 도 2에 도시된 바와 같이, 오목부 내의 배선용 금속막의 중심이 기판 상의 절연막의 면보다 낮아지는 현상이다. 배리어 금속막에 대한 낮은 연마율 때문에 종래의 연마용 슬러리를 사용하는 CMP는 절연막(실리콘 산화막(3)) 상의 배리어 금속막(4)을 완전히 제거하기 위해서는 충분히 많은 연마 시간을 필요로 한다. 배선용 금속막(구리막(5))에 대한 연마율은 배리어 금속막(4)에 대한 연마율보다 크고, 따라서 배선용 금속막(구리막(5))은 과도하게 연마되어, 디싱 현상이 나타나게 된다.
침식은 조밀한 배선 영역에서의 연마가 성긴 영역에서의 연마와 관련하여 과도하게 수행되어, 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이, 조밀한 배선 영역의 표면이 다른 표면에 비해 낮아지게 되는 현상이다. 많은 배선용 금속막(구리막(5))의 다마신을 포함하는 조밀한 배선 영역이 예를 들면 웨이퍼 내에 배선이 없는 영역에 의해 적은 배선용 금속막(구리막(5))의 다마신을 포함하는 고립된 배선 영역으로부터 상당히 분리되어 있다면, 배선용 금속막(구리막(5))은 배리어 금속막(4) 또는 절연막(실리콘 산화막(3))보다 더 빨리 연마되어, 조밀한 배선 영역에서 배리어 금속막(4) 또는 절연막(실리콘 산화막(3))에 대한 연마 패드 압력은 고립된 배선 영역에서의 압력보다 더 크게 된다. 결과적으로, 배리어 금속막(4)을 노광한 이후 CMP 공정에서(도 1의 (c)의 공정과 그 후), 조밀한 배선 영역과 고립된 배선 영역 사이의 연마율에서 차이가 발생되어, 조밀한 배선 영역에서의 절연막이 과도하게 연마되어, 결과적으로 침식이 일으나게 된다.
상기 상술된 바와 같이 반도체 장치에서 다마신 배선을 형성하기 위한 방법에서의 디싱은 배선 저항과 접촉 저항을 증가시키게 되고, 일렉트로마이그레이션을 유발하는 경향이 있기 때문에, 장치의 신뢰성을 저하시키게 된다. 침식은 기판 표면의 편평도에 좋지 않은 영향을 끼치며, 이것은 다층 구조에서 더 현저하게 되는데, 이것에 의해 배선 저항의 증가 및 분산과 같은 문제점을 일으키게 된다.
JP-A 8-83780호 공보는 CMP 공정에서의 디싱이 벤조트리아졸(benzotriazole)이나 그 유도체(derivative)를 포함하는 연마용 슬러리를 사용하고 구리 표면 상에 보호막을 형성함으로써 방지될 수 있다는 것을 상술하고 있다. 또한 JP-A 11-238709호 공보는 트리아졸 화합물이 디싱을 방지하는데 효과적이라는 것을 설명하고 있다. 그러나, 이 기술은 구리막에 대한 연마율을 감소함으로써 디싱을 제어한다. 따라서, 구리막과 배리어 금속막 사이의 연마율에서의 차이는 감소되지만, 구리막의 연마에 오랜 시간이 걸리게 되어, 처리량이 감소하게 된다. 이들 공보는 침식에 관해서는 언급하고 있지 않다.
JP-A 10-44047호 공보에는 그 실시예로서 알루미나 연마재(alumina polishing material), 과황산암모늄(ammonium persulfate)(산화제) 및 특정 카르본산을 포함하는 연마용 슬러리를 사용하여 CMP가 수행되어 배선용 알루미늄층과 실리콘 산화막 사이의 연마율의 차이를 증가시키고 배리어 금속막인 티타늄막에 대한 제거율을 증가시키는 것이 상술되어 있다. 상기 실시예에서의 기술은 배리어 금속막으로서 탄탈 함유 금속과 같은 화학적으로 안정적인 금속을 사용할 때 디싱과 침식의 상기 문제점을 해결할 수 없다.
JP-A 10-46140호 공보는 물과 산화제(oxidizing agent) 및 특정 카르복시산을 포함하며 알칼리에 의해 pH가 5 내지 9로 조절된 연마 조성물을 설명하고 있다. 상기 공보의 실시예는 카르복시산으로서 말산(malic acid), 시트르산(citricacid), 타르타르산(tartaric acid) 또는 옥살산(oxalic acid)과 연마재로서 산화알루미늄을 포함하는 연마 조성물(실시예 1 내지 4, 실시예 7, 8 및 실시예 11)과 카르복시산으로서 말산과 연마재로서 산화실리콘을 포함하는 연마 조성물(실시예 12)을 설명하고 있다. 그러나, 이 공보는 연마율의 향상과 시트르산과 같은 카르복시산의 첨가의 효과로서 부식 자국(corrosion mark)에 따른 디싱 발생의 방지에 관해서만 설명되어 있을 뿐, 배리어 금속막의 연마 또는 침식에 관해서는 언급되어 있지 않다.
또한, 일본 특개평 10-163141호 공보에는, 연마재 및 물을 포함하는 구리막용 연마 조성물이 개시되어 있는데, 이 조성물에 용존된 철(Ⅲ)화합물을 더 포함한다. 그 실시예로서, 연마재로서 콜로이드 실리카(colloidal silica)를 사용하고, 철(Ⅲ)화합물로서 시트르산철(Ⅲ)이나, 시트르산암모늄철(Ⅲ) 또는 옥살산암모늄철(Ⅲ)을 사용함으로써, 구리막의 연마 속도가 향상하고, 또한 디싱이나 스크래치 등의 표면 결함의 발생이 억제되는 것이 기재되어 있다. 그러나, 이 공보에 있어서도 탄탈 함유 금속과 같은 화학적으로 대단히 안정한 금속으로 이루어지는 배리어 금속막의 연마나, 침식에 관해서는 전혀 언급되어 있지 않다.
또한, 특개평 11-21546호 공보에는, 요소, 연마재, 산화제, 막 생성제 및 착물(錯物) 생성제(complex-forming agent)를 포함하는 화학적 기계적 연마용 슬러리가 개시되어 있고, 그 실시예로서, 연마재에 알루미나, 산화제에 과산화수소, 막 생성제에 벤조트리아졸, 착물 생성제에 타르타르산 또는 옥살산암모늄을 사용한 조제한 pH 7.5의 슬러리에 의해, Cu, Ta 및 PTEOS를 연마한 예가 기재되어 있다. 그렇지만, 이 공보에는, 타르타르산이나 옥살산암모늄 등의 착물 생성제의 첨가 효과로서, 벤조트리아졸 등의 막 생성제에 의해 형성된 부동태층(passive layer)의 교란, 및, 산화층의 깊이 제한에 효과적이다는 것이 기재되어 있을 뿐이다. 배리어 금속으로서 Ta나 TaN은 예시되어 있지만, 탄탈 함유 금속과 같은 화학적으로 대단히 안정한 금속으로 이루어지는 배리어 금속막에 대한 연마 작용이나 침식에 관해서는 전혀 기재되어 있지 않다.
본 발명의 목적은 디싱이나 침식의 발생을 억제하여, 배선 저항의 편차가 작고, 신뢰성이 높은 다마신 배선의 형성을 가능하게 하는 금속 배선 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 기판상에 형성된 절연막에 오목부를 형성하는 공정과, 상기 절연막상에 배리어 금속막을 형성하는 공정과, 상기 오목부가 상기 금속으로 매립되도록 전면에 배선용 금속막을 형성하는 공정, 및 이 기판 표면을 화학적 기계적 연마법에 의해 연마하는 공정을 포함하는 금속 배선 형성 방법을 제공하는데, 상기 연마 공정은,
배선용 금속막이 상기 오목부 이외의 표면상에 부분적으로 남도록 상기 표면을 연마하는 제 1의 연마 공정, 및 배리어 금속에 대한 배선용 금속의 연마 속도비를 1 이상 3 이하로 제어하는 연마용 슬러리를 사용하여 상기 오목부 이외의 절연막 표면이 거의 완전히 노출할 때까지 연마하는 제 2의 연마 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 금속 배선 형성 방법을 제공하는데, 상기 제 1의 연마 공정에서, 연마용 슬러리는 연마재, 산화제, 유기산 및 하기의 화학식 1로 표현되는 알칸올아민을 포함한다:
NR1 m(R2OH)n
여기서, R1은 수소 원자 또는 탄소수 1 이상 5 이하의 알킬기이고, R2는 탄소수 1 이상 5 이하의 알킬렌기이고, m은 0 이상 2 이하의 정수이고, n은 1 이상 3 이하의 자연수이며, 상기 m과 n은 m+n=3을 만족시킨다.
또한 본 발명은 기판상에 형성된 절연막에 오목부를 형성하는 공정과, 상기 절연막상에 배리어 금속막을 형성하는 공정과, 상기 오목부가 상기 금속으로 매립되도록 전면에 배선용 금속막을 형성하는 공정과, 이 기판 표면을 화학적 기계적 연마법에 의해 연마하는 공정을 포함하는 금속 배선 형성 방법을 제공하는데, 상기 연마 공정은,
연마재, 산화제, 유기산 및 상기 화학식 1로 표현되는 알칸올아민을 포함하는 연마용 슬러리를 사용하여 상기 오목부 이외의 표면상에 배선용 금속막이 남지 않도록 또한 배리어 금속막이 완전히 연마에 의해 제거되지 않도록 연마하는 제 1의 연마 공정, 및 배리어 금속에 대한 배선용 금속의 연마 속도비를 1 이하로 제어하는 연마용 슬러리를 사용하여 상기 오목부 이외의 절연막 표면이 거의 완전히 노출할 때까지 연마하는 제 2의 연마 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 기판상에 형성된 절연막에 오목부를 형성하는 공정과, 상기 절연막상에 배리어 금속막을 형성하는 공정과, 상기 오목부가 상기 금속으로 매립되도록 전면에 배선용 금속막을 형성하는 공정, 및 실리카 연마재와 하기의 화학식 2 또는 화학식 3으로 표현되는 카르복시산을 포함하는 연마용 슬러리를 사용하여 상기 기판의 표면을 화학적 기계적 연마법에 의해 연마하는 공정을 포함하는 금속 배선 형성 방법을 제공한다.
여기서 n은 0, 1, 2, 또는 3 중 어느 하나를 나타내고, R1및 R2는 결합하는 탄소 원자마다 각각 독립적으로 수소원자, -OH 또는 -COOH를 나타낸다.
여기서, R3및 R4는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 -OH를 나타낸다.
또한 본 발명은 기판상에 형성된 절연막에 오목부를 형성하는 공정과, 상기 절연막상에 배리어 금속막을 형성하는 공정과, 상기 오목부가 상기 금속으로 매립되도록 전면에 배선용 금속막을 형성하는 공정과, 실리카 연마재와 무기염을 함유하는 연마용 슬러리를 사용하여 화학적 기계적 연마법에 의해 상기 기판의 표면을연마하는 공정을 포함하는 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 있어서 "오목부"란 다마신 배선을 형성하기 위한 그루브나, 콘택트 홀이나 스루 홀 등의 접속 구멍을 말한다. 또한, "기판상에 형성된 절연막"은 하부 배선층상에 형성된 층간절연막을 포함한다.
본 발명에 의하면, 디싱이나 침식의 발생이 억제되고, 배선 저항의 편차가 작고, 신뢰성이 높은 다마신 배선의 형성이 가능해진다.
도 1은 종래 기술에 따른 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 금속 배선 형성 방법에 의해 다마신 구리 배선을 형성한 경우의 배선부의 단면 형상을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 다마신 배선층의 단면도.
♠도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명♠
1 : 실리콘 기판 2 : 실리콘 질화막
3 : 실리콘 산화막 4 : 배리어 금속막
5 : 구리막 23 : 절연막
24 : 배리어 금속막 25 : 배선용 금속막
이하, 본 발명이 양호한 실시예에 관해서 설명한다.
본 발명의 금속 배선 형성 방법에 있어서, 제 1의 연마 공정과 제 2의 연마 공정을 포함하는 CMP 공정은 이하의 2가지 방법이 있다. 우선, 제 1의 연마 방법에 관해서 설명한다.
제 1의 연마 방법은 배선용 금속막이 오목부 이외의 표면상에 부분적으로 남도록 기판을 연마하는 제 1의 연마 공정, 및 배리어 금속에 대한 배선용 금속의 연마 속도비를 1 이상 3 이하로 제어하는 연마용 슬러리를 사용하여 오목부 이외의 절연막 표면이 거의 완전히 노출할 때까지 연마하는 제 2의 연마 공정을 포함한다.
일반적으로, 배선 패턴에서 밀도 차이가 큰 경우, 상기 상술한 바와 같이, 고립된 배선 영역 부근이나 배선이 없는 영역 등의 배선 밀도가 낮은 영역(저밀도 배선 영역)에 비교하여 배선 밀집 영역에서의 연마가 빠르게 진행한다. 그 때문에, 배선 밀집 영역에서의 배선간의 절연막이 오목부 내의 금속과 함께 지나치게 연마되어, 침식이 발생한다. 그래서, 제 1의 연마 공정에서, 도 3의 (a)에 도시하는 바와 같이, 절연막(23)에 형성된 오목부 이외의 표면상에 배선용 금속막(25)이 부분적으로 남도록 CMP를 행하면, 저밀도 배선 영역에 배선용 금속막(25)이 부분적으로 남게 되고, 배선 밀집 영역의 배선간의 절연막(23)이 연마되기 전에 연마를 정지할 수 있다.
이 제 1의 연마 공정에서, 배선용 금속막(25)은 오목부를 제외한 표면적의 5% 이상 30% 이하로 남는 것이 바람직하고, 5% 이상 30% 이하로 남는 것이 더 바람직하다. 제 1의 연마 공정에서 기판상의 배선용 금속막(25)의 면적은 다음과 같이 하여 측정할 수 있다.
연마면의 가장 연마 속도가 늦어지는 영역 내에서 패턴 밀도가 가장 작은 영역이 노출되는 시점을 연마의 최종점으로 한다. 이 최종점과 배리어 금속막이 노출하기 시작한 시점 사이의 기간동안의 여러 연마 지점에서, 각각의 연마된 면을 광학현미경으로 미리 관측하고 그 다음 화상 처리를 행하여 연마 시간과 남은 배선용 금속막의 면적율 사이의 관계를 결정한다. 그리고, 실제로의 배선 형성시의 연마에 있어서, 배리어 금속막이 노출한 시점에서 남는 배선용 금속막의 소정의 면적에 상당하는 시간만큼 연마를 계속함으로써, 거의 소정 면적분의 배선용 금속막을 남길 수 있다. 또한, 배리어 금속막이 노출하기 시작하는 시점은 회전 토크의 검출에 의해 용이하게 판정할 수 있다. 또한, 연마 조작의 상기 최종점은 오목부 이외의 절연막이 완전히 노출하는 시점에 상당한다.
이상과 같이 하여 제 1의 연마 공정을 행한 후, 제 2의 연마 공정으로서, 배리어 금속에 대한 배선용 금속의 연마 속도비를 1 이상 3 이하로 제어하는 연마용슬러리를 사용하여 오목부 이외의 절연막 표면이 완전히 노출할 때까지 연마한다. 연마용 슬러리의 연마 속도비(배선용 금속/배리어 금속)가 1 미만이면, 즉 배리어 금속막의 연마 속도보다 배선용 금속막의 연마 속도가 작으면, 부분적으로 남은 배선용 금속막을 완전히 제거하기 곤란하게 되고, 불충분하게 연마된 부분에 의한 배선간의 단락이 생기거나, 이것을 막기 위해 연마 시간을 길게 할 필요가 생겨 처리량이 저하하거나, 연마 시간을 길게함으로써 이미 일차 연마에 의해 배리어 금속이나 절연막이 노출하고 있었던 영역을 지나치게 연마하게 되는(침식) 등의 문제가 생긴다. 한편, 연마용 슬러리의 연마 속도비(배선용 금속/배리어 금속)가 3 이상이면, 즉 배리어 금속막의 연마 속도보다 배선용 금속막의 연마 속도가 현저하게 크면, 오목부 내의 배선용 금속이 지나치게 연마되어, 디싱이 생기기 쉽게 되는데다가, 배리어 금속의 연마 속도가 작기 때문에 절연막상에 배리어 금속이 남기 쉬워 배선간의 단락이 생기거나, 이것을 막기 위해 연마 시간을 길게하면 처리량이 저하하거나, 디싱을 더욱 진행시키는 등의 문제가 생긴다. 따라서, 제 2의 연마 공정에서, 연마 속도비(배선용 금속/배리어 금속)가 1 이상 3 이하가 되는 연마용 슬러리를 사용하여 CMP를 행하면, 높은 처리량으로, 오목부 이외의 절연막상에 금속을 남기는 일 없이, 더구나 디싱이 억제되고, 또한 제 1의 및 제 2의 연마 공정을 통해서, 침식이 억제된 다마신 배선을 형성할 수 있다. 제 2의 연마 공정에 사용되는 연마용 슬러리의 보다 바람직한 연마 속도비(배선용 금속/배리어 금속)는 1.5 이상 2.5 이하이다.
다음에, 본 발명의 금속 배선 형성 방법에 있어서의 CMP 공정의 제 2의 연마방법에 관해서 설명한다.
이 제 2의 연마 방법은 연마재, 산화제, 유기산 및 상기 화학식 1로 표현되는 알칸올아민을 함유하는 연마용 슬러리를 사용하여, 절연막에 형성된 오목부 이외의 표면상에 배선용 금속막이 남지 않도록 또한 배리어 금속막이 연마에 의해 완전히 제거되지 않도록 연마하는 제 1의 연마 공정과, 배리어 금속에 대한 배선용 금속의 연마 속도비가 1 이하가 되는 연마용 슬러리를 사용하여 상기 오목부 이외의 절연막 표면이 거의 완전히 노출할 때까지 연마하는 제 2의 연마 공정을 포함한다.
제 2의 연마 방법의 제 1의 연마 공정에서는, 오목부 이외의 표면상에 배선용 금속막이 남지 않도록 또한 배리어 금속막이 연마에 의해 완전히 제거되지 않도록 CMP를 행한다. 이를 위해, 연마재, 산화제, 유기산 및 상기 화학식 1로 표현되는 알칸올아민을 함유하는 연마용 슬러리(이하 "알칸올아민 함유 슬러리"라고 한다)를 사용하여 연마하는 것이 필요하다. 이 알칸올아민 함유 슬러리를 사용하면, 배리어 금속막(4)을, 도 3의 (b)에 도시하는 바와 같이 배선용 금속막의 연마에 있어서의 실질적인 정지막으로 할 수 있고, 침식을 방지할 수 있다. 이 제 1의 연마 공정에서는, 오목부 내의 배선용 금속의 과도의 연마(디싱)를 억제하는 점에서, 될 수 있는 한 오목부 이외의 절연막상에 배리어 금속막이 남도록, 즉 절연막이 노출하지 않는 시점에서 연마를 정지하는 것이 바람직하다.
계속되는 제 2의 연마 공정에서는, 상기의 알칸올아민 함유 슬러리 대신에, 배리어 금속에 대한 배선용 금속의 연마 속도비가 1 이하가 되는, 즉 배선용 금속막보다 배리어 금속막의 연마 속도를 크게 할 수 있는 연마용 슬러리로 바꾸어 CMP를 행한다. 이로써, 디싱이 억제될 뿐만 아니라, 침식이 억제된 다마신 배선을 형성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 배선 밀집 영역에서, 침식은 오목부에 매립된 배선용 금속의 연마 속도가 배리어 금속막이나 절연막에 비해 비교적 크기 때문에 발생한다. 제 2의 연마 방법의 제 2의 연마 공정에서는, 제 1의 연마 공정에서 남은 배리어 금속막보다 배선용 금속막의 연마 속도가 느리기 때문에, 침식은 방지된다.
배리어 금속막의 과도한 연마를 방지하면서 또한 균일하게 배선용 금속막을 연마하기 위해서는, 제 1의 연마 공정에 사용되는 연마용 슬러리는 배리어 금속막에 대한 배선용 금속막의 연마 속도비(배선용 금속/배리어 금속)를 바람직하게는 30 이상, 보다 바람직하게는 50 이상, 더욱 바람직하게는 100 이상으로 제어할 수 있는 것이 바람직하다.
또한, 제 2의 연마 방법의 제 1의 연마 공정에서 사용되는 알칸올아민 함유 슬러리는, 배선용 금속막의 연마에 있어서 배리어 금속막의 연마 스토퍼로서의 기능을 증대시키고, 침식의 발생을 방지할 수 있기 때문에, 전술한 제 1의 연마 방법의 제 1의 연마 공정에서도 연마용 슬러리로서 적절하게 사용될 수 있다.
또한, 제 1의 및 제 2의 연마 방법에 있어서, 제 1의 연마 공정에서 사용되는 연마용 슬러리는, 연마 효율 등의 관점에서 바람직하게는 300nm/분 이상, 보다 바람직하게는 400nm/분 이상, 연마 정밀도나 디싱 방지 등의 관점에서 바람직하게는 1500nm/분 이하, 보다 바람직하게는 1000nm/분 이하로 배선용 금속막의 연마 속도를 제어할 수 있는 것이 바람직하다.
상기 화학식 1로 표현되는 알칸올아민로서는, 메탄올아민, 디메탄올아민, 트리메탄올아민, 에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 프로판올아민, 디프로판올아민, 트리프로판올아민, 부탄올아민, 디부탄올아민, 트리부탄올아민, N-메틸에탄올아민, N-에틸에탄올아민, N-프로필에탄올아민, N-부틸에탄올아민 등을 예시할 수 있다. 이들의 알칸올아민중, 수계 매체(aqueous medium)에의 용해도가 높고, 배리어 금속막의 연마 속도 저하의 효과가 높은 등의 이유에 의해, 에탄올아민, 디에탄올아민 및 트리에탄올아민이 바람직하고, 트리에탄올아민이 보다 바람직하다.
상기 특정한 알칸올아민의 함유량은, 배리어 금속막의 연마를 억제하는 점에서, 연마용 슬러리 전체에 대하여 0.01wt% 이상이 바람직하고, 0.2wt% 이상이 보다 바람직하고, 0.5wt% 이상이 더욱 바람직하다. 또한, 연마용 슬러리의 pH가 지나치게 높게 되는 것을 억제하는 점에서, 10wt% 이하가 바람직하고, 5wt% 이하가 보다 바람직하고, 2wt% 이하가 더욱 바람직하다.
연마용 슬러리에 함유되는 알칸올아민은 배리어 금속막의 연마 표면과 연마 그레인(polishing grains) 사이에 끼여, 연마 표면의 윤활성을 향상시키는 것으로 생각된다. 이 때문에, 알칸올아민 함유 슬러리를 사용하면, 연마 표면에서의 연마 그레인의 미끄러짐이 커져, 연마 그레인에 의한 기계적 연마의 효과가 저하된다. 탄탈 함유 금속 등의 화학적으로 안정한 금속으로 이루어지는 배리어 금속막의 경우, 탄탈 함유 금속막의 CMP는 화학적 연마의 기여가 작고 기계적 연마가 지배적이다. 따라서, 알칸올아민 함유 슬러리에 의하면, 배리어 금속막의 기계적 연마가 억제되어, 즉 배리어 금속막의 연마 속도가 저하한다. 한편, 배선용 금속막의 CMP에서는, 산화제에 의한 화학적 연마의 기여가 크기 때문에 배선용 금속막의 연마 속도가 지나치게 저하하는 것을 방지한다. 결과적으로, 알칸올아민 함유 슬러리에 의하면, 배리어 금속막의 연마 속도를 저하시킴과 동시에, 배리어 금속막과 배선용 금속막의 연마 속도 차이를 크게할 수 있고, 그 때문에, 배선용 금속막의 연마에 있어서, 배리어 금속막은 정지막(연마 스토퍼)으로서의 기능이 증대한다.
다음에, 제 1 또는 제 2의 연마 방법의 제 2의 연마 공정에 알맞은 연마용 슬러리에 관해서 설명한다.
본 발명의 금속 배선 형성 방법에 있어서, 제 2의 연마 공정에 사용되는 연마용 슬러리는 제 1의 연마 방법에서는 연마 속도비(배선용 금속/배리어 금속)를 1 이상 3 이하, 제 2의 연마 방법에서는 1 이하로 제어한다. 또한, 제 1 및 제 2의 연마 방법에 있어서, 제 2의 연마 공정에서 사용되는 연마용 슬러리는 배리어 금속에 대한 절연막의 연마 속도비를 0.01 이상 0.5 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
종래 기술에 있어서, 배리어 금속막으로서 탄탈 함유 금속과 같은 화학적으로 안정한 금속(예를 들면 산화되기 어려운 금속)을 이용한 경우, 연마 속도비(배선용 금속/배리어 금속)를 3 이하 또는 1 이하로 하기 위해서는, 산화제의 양을 감하거나 산화방지제를 첨가하여 화학적 연마 작용을 저하시켜, 배선용 금속의 연마 속도를 저하시킬 수 밖에 없었다. 이러한 방법으로서는, 배리어 금속막의 연마 속도는 낮은 그대로이고, 불충분하게 연마된 부분이 발생하기 쉽고 배선간의 단락이 발생한다. 이러한 문제점을 방지하기 위해 연마 시간을 길게하면 처리량이 저하하거나, 또한 기계 연마 작용을 지나치게 강화하면 연마면에 스크래치가 발생하거나침식이 발생하는 등의 문제가 일어난다. 그래서, 본 발명의 금속 배선 형성 방법에 있어서의 연마 공정에서는, 배리어 금속막의 연마 속도를 증가시킴으로써 소망의 연마 속도비(배선용 금속/배리어 금속)로 제어 가능한 연마용 슬러리를 쓴다.
이러한 연마용 슬러리로서는 두 종류가 있는데, 우선, 제 1의 슬러리에 관해서 설명한다.
제 1의 슬러리는 실리카 연마재와, 상기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표현되는 카르복시산(이하 "폴리카르복시산"으로 칭함), 및 물을 포함한다. 또한, 배리어 금속막상에 형성된 배선용 금속막의 연마를 촉진하기 위해서는, 산화제를 함유시키는 것이 바람직하다.
실리카 연마재로서는, 퓸드실리카(fumed silica)나 콜로이드실리카(colloidal silica) 등의 2산화규소로서 이루어지는 연마 그레인을 이용할 수 있다. 실리카 연마재는 여러가지의 공지의 방법으로 제조되는데, 예를 들면, 4염화규소를 산소와 수소의 화염 속에서 기상 합성한 퓸드실리카나, 금속알콕시드를 액상으로 가수분해하여 소성한 실리카를 들 수 있다. 반도체 장치의 제조에 있어서는, 이들 2산화규소로서 이루어지는 연마 그레인 중, 저가격이며, 불순물로서 Na 함유량이 적은 등의 점에서 퓸드실리카가 바람직하다.
실리카 연마재의 평균 입경은 광산란회절법에 의해 측정한 평균 입경으로 5nm 이상이 바람직하고, 50nm 이상이 보다 바람직하고, 또한 500nm 이하가 바람직하고, 300nm 이하가 보다 바람직하다. 입경 분포는 최대입경(d100)으로 3㎛ 이하가 바람직하고, 1㎛ 이하가 보다 바람직하다. 또한, 비표면적(specific surface area)은 B.E.T.법에 의해 측정한 비표면적으로 5m2/g 이상이 바람직하고, 20m2/g 이상이 보다 바람직하고, 또한 1000m2/g 이하가 바람직하고, 500m2/g 이하가 보다 바람직하다.
실리카 연마재의 연마용 슬러리 중의 함유량은 슬러리 조성물 전량에 대하여 0.1 내지 50wt%의 범위에서 연마 능률이나 연마 정밀도 등을 고려하여 적절히 설정된다. 바람직하게는 1wt% 이상이 바람직하고, 2wt% 이상이 보다 바람직하고, 3wt% 이상이 더욱 바람직하다. 상한으로서는, 30wt% 이하가 바람직하고, 10wt% 이하가 바람직하고, 8wt% 이하가 더욱 바람직하다.
제 1의 슬러리에 사용되는 폴리카르복시산으로서는, 1분자중에 2 이상의 카르복실기를 갖는 카르복시산이며, 예를 들면, 옥살산, 말론산, 타르타르산 , 말산, 글루타르산, 시트르산, 및 말레산, 또는 이들의 염 또는 이들의 2종 이상으로 이루어지는 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 폴리카르복시산의 함유량은, 탄탈 함유 금속막의 연마 속도 향상의 관점에서, 슬러리 조성물 전량에 대하여 0.01wt% 이상이 바람직하고, 0.05wt% 이상이 보다 바람직하다. 연마용 슬러리의 틱소트로피성(요변성)의 발생을 억제하는 점에서, 1wt% 이하가 바람직하고, 0.8wt% 이하가 보다 바람직하다.
연마재로서 실리카 그레인과, 상기 폴리카르복시산을 포함하는 제 1의 슬러리는 연마면의 스크래치의 발생을 억제하면서, 탄탈 함유 금속막의 연마 속도를 대폭 향상시키는 것이 가능해진다. 이에 의해, 탄탈 함유 금속막의 연마 속도를 향상시킴으로써 배리어 금속막과 배선용 금속막 사이의 연마 속도 차이를 작게 할 수 있기 때문에, 처리량을 저하시키지 않으면서 디싱이나 침식의 발생을 억제할 수 있고, 양호한 다마신 배선을 형성할 수 있다.
상기의 폴리카르복시산은 수중에 분산된 실리카 입자에 대하여 응집 작용을 가지며, 이 카르복시산에 의해 응집된 응집 실리카 입자에 의해 기계적 작용이 증대하여, 그 결과, 배리어 금속막의 양호한 연마가 행하여지는 것으로 생각된다. 또한, 이 응집은 적절히 약하고, 비교적 부드러운 응집 입자가 형성되기 때문에, 연마면에서의 스크래치의 발생을 억제하면서, 배리어 금속막의 연마 속도를 향상시킬 수 있는 것으로 생각된다.
다음에 제 2의 슬러리에 관해서 설명한다.
제 2의 슬러리는, 실리카연마재와 무기염과 물을 함유한다.
이 무기염으로서는, 수소산염, 옥소산염, 페르옥소산염, 및 할로겐옥소산염으로부터 선택되는 1종 이상의 염을 사용할 수 있다.
수소산염으로서는, 플루오르화수소산, 염산, 브롬화수소산, 요드화수소산, 황화수소, 시안화수소산, 아지드화수소산(hydrazoic acid), 염화금산(chloroauric acid), 염화백금산(chloroplatinic acid) 등의 염을 예시할 수 있다.
옥소산염으로서는, 황산염, 질산염, 인산염, 탄산염, 붕산염, 우라늄산염, 크롬산염, 텅스텐산염, 티탄산염, 몰리브덴산염 등을 들 수 있다.
페르옥소산염으로서는, 페르옥소황산염, 페르옥소2황산염, 페르옥소질산염, 페르옥소1인산염, 페르옥소2인산염, 페르옥소1탄산염, 페르옥소2탄산염, 페르옥소붕산염, 페르옥소우라늄산염, 페르옥소크롬산염, 페르옥소텅스텐산염, 페르옥소티탄산염, 페르옥소볼리브덴산염 등을 들 수 있다.
할로겐옥소산염으로서는, 과염소산염, 과브롬산염, 과요드산염 등을 들 수 있다.
또한, 페르옥소산염 및 할로겐옥소산염은 산화제로서 작용하여, 배선용 금속막의 연마 속도를 화학적으로 향상하기 때문에 바람직하다. 즉, 반도체 장치의 제조에 사용되는 연마용 슬러리에 첨가되는 산화제의 대체나 보조로서 사용할 수 있다.
또한, 무기염으로서는, 암모늄 이온을 포함하는 염, 알칼리금속 이온을 포함하는 염, 알칼리토류금속 이온을 포함하는 염, 제ⅢB족 금속 이온을 포함하는 염, 제ⅣB족 금속 이온을 포함하는 염, 제VB족 금속 이온을 포함하는 염, 및 천이금속 이온을 포함하는 염으로부터 선택되는 1종 이상의 염을 사용할 수 있다.
알칼리금속 이온으로서는, Li이온, Na이온, K이온, Rb이온, Cs이온, Fr이온 등을, 알칼리토류금속 이온으로서는, Be이온, Mg이온, Ca이온, Sr이온, Ba이온, Ra이온 등을, 제ⅢB족 금속 이온으로서는 Al이온, Ga이온, In이온, Tl이온 등을, 제ⅣB족 금속 이온으로서는 Sn이온, Pb이온 등을, 제VB족 금속 이온으로서는 Bi이온 등을, 천이금속 이온으로서는, Sc이온, Ti이온, V이온, Cr이온, Mn이온, Fe이온, Co이온, Ni이온, Cu이온, Zn이온, Y이온, Zr이온, Nb이온, Mo이온, Tc이온, Ru이온, Rh이온, Pd이온, Ag이온, Cd이온, La 등의 란탄족 금속의 이온, Hf이온, Ta이온, W이온, Re이온, Os이온, Ir이온, Hg이온, Ac 등의 악티늄족 금속의 이온 등을예시할 수 있다.
이상으로 나타낸 무기염 중, 칼륨염, 암모늄염이 바람직하고, 특히 바람직한 것으로서, 황산칼륨, 황산암모늄, 염화칼륨, 페르옥소2황산칼륨, 페르옥소2황산암모늄, 과요드산암모늄 등을 들 수 있다.
또한, 두 가지 이상의 상기 무기염을 병용하여도 좋다. 또한, 반도체 장치를 제작하는 경우는, 무기염은 Na나 중금속을 될 수 있는 한 함유하지 않는 것이 바람직하다. Na는 Si와 용이하게 반응하기 때문에, 세정 후에도 Si기판에 부착, 잔류하기 쉽고, 또한 중금속도 잔류하기 쉽기 때문이다.
상기 무기염의 함유량은, 배리어 금속막의 연마 속도 향상의 관점에서, 슬러리 조성물 전량에 대하여 0.01wt% 이상이 바람직하고, 0.05wt% 이상이 보다 바람직하다. 상한으로서는, 연마용 슬러리의 틱소트로피성의 발생을 억제하는 점에서, 10wt% 이하가 바람직하고, 5wt% 이하가 보다 바람직하다. 또한 두 가지 이상의 무기염을 함유하는 경우, 상기 함유량은 총합을 의미한다.
실리카 연마재로서는, 제 1의 슬러리와 같은 연마 그레인을 같은 함유량으로 사용할 수 있다.
제 2의 슬러리는, 실리카 그레인과 무기염을 포함함으로써, 연마면의 스크래치의 발생을 억제하면서, 배리어 금속막의 연마 속도를 대폭 향상시키는 것이 가능해진다. 이에 의해, 배리어 금속막의 연마 속도를 향상시킴으로써 배리어 금속막과 배선용 금속막 사이의 연마 속도 차이를 작게 할 수 있기 때문에, 처리량을 저하시키지 않으면서 디싱이나 침식의 발생을 억제할 수 있고, 양호한 다마신 배선을 형성할 수 있다.
상기의 무기염은 수중에 분산된 실리카 입자에 대하여 응집 작용을 가지며, 이 무기염에 의해 응집된 응집 실리카 입자에 의해 기계적 연마 작용이 증대하고, 그 결과, 배리어 금속막의 양호한 연마가 행하여지는 것으로 생각된다. 또한, 이 응집은 적절히 약하고, 비교적 부드러운 응집 입자가 형성되기 때문에, 연마면에서의 스크래치의 발생을 억제하면서, 배리어 금속막의 연마 속도를 향상시킬 수 있는 것으로 생각된다.
이상으로 설명한 제 1 또는 제 2의 슬러리를 이용한 CMP에 의하면, 높은 연마 속도로, 즉 높은 처리량으로, 또한 디싱이나 침식의 발생을 억제하며, 신뢰성이 높은 전기적 특성이 우수한 다마신 배선을 형성할 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2의 슬러리의 주요 성분인 폴리카르복시산과 무기염 둘 다를 함유하는 슬러리를 사용해 좋다.
또한, 제 1 및 제 2의 슬러리는, 배리어 금속막의 연마 속도를 바람직하게는 25nm/분 이상, 보다 바람직하게는 30nm/분 이상, 더욱 바람직하게는 35nm/분 이상으로 제어할 수 있는 것이 바람직하다. 상한으로서는, 특히 제 1의 연마 방법에 있어서는, 바람직하게는 100nm 이하, 보다 바람직하게는 80nm 이하, 더욱 바람직하게는 70nm 이하로 제어할 수 있는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 및 제 2의 슬러리는 연마 공정을 2단계로서 연마를 행하는 전술의 제 1 및 제 2의 연마 방법에 적절하게 사용될 수 있지만, 연마 공정을 1단계로서 행하는 경우에도, 연마 속도비(배선용 금속/배리어 금속)를 조정함으로써, 종래의 기술에 비해, 높은 처리량으로 또한 디싱이나 침식의 발생을 억제하며, 신뢰성이 높은 전기적 특성이 우수한 다마신 배선을 형성할 수 있다. 연마 공정을 1단계로서 행하는 경우의 바람직한 연마 속도비(배선용 금속/배리어 금속)는 약 1이며, 구체적으로는 0.5 이상이 바람직하고, 0.8 이상이 보다 바람직하고, 상한으로서 2 이하가 바람직하고, 1.5 이하가 보다 바람직하고, 1.2 이하가 더욱 바람직하다.
이하, 제 1의 슬러리, 제 2의 슬러리 및 전술의 알칸올아민 함유 슬러리에 관해서 더욱 설명한다. 또한, 특별히 언급하지 않는 한 연마용 슬러리라 하면 이들 3종의 슬러리를 말한다.
제 1의 슬러리 및 제 2의 슬러리에서는, 연마재로서 실리카로 이루어지는 연마 그레인을 연마재 주성분으로 포함하지만, 알칸올아민 함유 슬러리에서는 실리카 연마재에 한정되지 않고, 여러가지 연마재가 사용 가능하다. 예를 들면, α-알루미나, θ-알루미나, γ-알루미나, 퓸드알루미나 등의 알루미나, 퓸드실리카나 콜로이드실리카 등의 실리카, 티타니아, 지르코니아, 게르마니아, 세리아, 및 이들의 금속산화물 연마 그레인으로 이루어지는 군에서 선택된 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 그 중에서도 실리카 또는 알루미나가 바람직하다.
연마용 슬러리의 pH는, 연마 속도나 부식, 슬러리 점도, 연마제의 분산 안정성 등의 점에서, pH4 이상이 바람직하고, pH5 이상이 보다 바람직하고, 또한 pH9 이하가 바람직하고, pH8 이하가 보다 바람직하다.
연마용 슬러리의 pH 조정은, 공지의 방법으로 행할 수 있는데, 예를 들면, 연마재를 분산하고 또한 유기산을 용해한 슬러리에, 알칼리를 직접 첨가하여 행할수 있다. 또는, 첨가하여야 할 알칼리의 일부 또는 전부를 유기산의 알칼리염으로서 첨가하여도 좋다. 사용하는 알칼리로서는, 옥살산화나트륨, 옥살산화칼륨 등의 알칼리금속의 수산화물, 탄산나트륨, 탄산칼륨 등의 알칼리금속의 탄산염, 암모니아, 아민 등을 들 수 있다.
연마용 슬러리에는, 배선용 금속막의 연마를 촉진하기 위해 산화제를 첨가하는 것이 바람직하다. 단, 제 2의 연마 방법에 있어서는, 제 1의 연마 공정에서 오목부 이외의 배리어 금속막상의 배선용 금속막이 완전히 제거된 경우, 제 2의 연마 공정에서 사용되는 연마용 슬러리가 산화제를 함유하지 않는 것이 좋다.
산화제로서는, 배선용 금속막의 종류나 연마정밀도, 연마능률을 고려하여 적절히, 공지의 수용성의 산화제로부터 선택하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 중금속 이온의 오염을 일으키지 않는 것으로서, H2O2, Na2O2, Ba2O2, (C6H5C)2O2등의 과산화물, 차아염소산(hypochlorous acid; HClO), 과염소산, 질산, 오존수, 및 과아세트산이나 니트로벤젠 등의 유기 과산화물을 들 수 있다. 그 중에서도, 금속 성분을 함유하지 않고, 유해한 부산물을 발생하지 않는 과산화수소(H2O2)가 바람직하다. 연마용 슬러리에 함유시키는 산화제 양은, 충분한 첨가효과를 얻는 점에서, 연마용 슬러리 전량에 대하여 0.01wt% 이상이 바람직하고, 0.05wt% 이상이 보다 바람직하다. 디싱의 억제나 적절한 연마 속도로 조정하는 점에서, 15wt% 이하가 바람직하고, 10wt% 이하가 보다 바람직하다. 또한, 과산화수소와 같이 비교적 경시적으로 열화하기 쉬운 산화제를 사용하는 경우는, 소정 농도의 산화제 함유 용액과, 이 산화제 함유 용액을 첨가함으로써 소정의 연마용 슬러리가 되는 조성물을 별개로 준비해 두고, 사용 직전에 양자를 혼합하여도 좋다.
산화제의 산화를 촉진하고, 안정한 연마를 행하기 위해, 프로톤(proton) 공급제로서 공지의 카르복시산이나 아미노산 등의 유기산을 첨가하여도 좋다. 상기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표현되는 폴리카르복시산은 프로톤 공급제로서도 기능하는 것이 가능하지만, 별도로 다른 카르복시산이나 아미노산 등의 유기산을 첨가하여도 좋다.
카르복시산으로서는, 상기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표현되는 폴리카르복시산 이외에, 예를 들면, 포름산, 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 발레르산, 아크릴산, 락트산, 숙신산, 니코틴산 및 이들의 염 등을 들 수 있다.
아미노산은 단체로 첨가되는 경우도 있으며 염 및 수화물의 상태로 첨가되는 경우도 있다. 예를 들면, 아르기닌, 아르기닌염산염, 아르기닌피크레이트, 아르기닌플라비아네이트, 리신, 리신염산염, 리신2염산염, 리신피크레이트, 히스티딘, 히스티딘염산염, 히스티딘2염산염, 글루탐산, 글루탐산1염산염, 글루타민산산나트륨-1수화물, 글루타민, 글루타티온, 글리실글리신, 알라닌, β-알라닌, γ-아미노부티르산, ε-아미노카르프로산, 아스파르트산, 아스파르트산-1수화물, 아스파르트산칼륨, 아스파르트산칼륨3수염, 트립토판, 트레오닌, 글리신, 시스틴, 시스테인, 시스테인염산염-1수화물, 옥시프롤린, 이소류신, 류신, 메티오닌, 오르니틴염산염, 페닐알라닌, 페닐글리신, 프롤린, 세린, 티로신, 발린, 이들 아미노산의 혼합물 등을 첨가할 수 있다.
유기산의 함유량은, 프로톤 공급제로서의 충분한 첨가효과를 얻는 점에서, 연마용 슬러리 전체량에 대하여 0.01wt% 이상이 바람직하고, 0.05wt% 이상이 보다 바람직하다. 디싱의 억제나 적절한 연마 속도로 조정하는 점에서, 상기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표현되는 폴리카르복시산을 포함한 함유량으로서, 5wt% 이하가 바람직하고, 3wt% 이하가 보다 바람직하다.
연마용 슬러리에 산화제를 첨가하는 경우는, 또한 산화방지제를 첨가하여도 좋다. 산화방지제의 첨가에 의해, 배선용 금속막의 연마 속도의 조정이 용이하게 되고, 또한, 배선용 금속막의 표면에 피막을 형성함으로써 디싱도 억제할 수 있다.
산화방지제로서는, 예를 들면, 벤조트리아졸, 1,2,4-트리아졸 , 벤조푸록산, 2,1,3-벤조티아졸, o-페닐렌디아민, m-페닐렌디아민, 카테콜, o-아미노페놀, 2-메르캅토벤조티아졸, 2-메르캅토벤즈이미다졸, 2-메르캅토벤즈옥사졸, 멜라민, 및 이들의 유도체를 들 수 있다. 그 중에서도 벤조트리아졸 및 그 유도체가 바람직하다. 벤조트리아졸 유도체로서는, 그 벤젠환에 히들록시기; 메톡시나 에톡시 등의 알콕시기; 아미노기; 니트로기; 메틸, 에틸, 부틸 등의 알킬기; 플루오르, 염소, 브롬, 요드 등의 할로겐 치환기를 갖는 치환 벤조트리아졸을 들 수 있다. 또한, 나프탈렌트리아졸이나, 나프탈렌비스트리아졸, 상기와 같이 치환된 치환 나프탈렌트리아졸이나, 치환 나프탈렌비스트리아졸을 들 수 있다.
이러한 산화방지제의 함유량으로서는, 충분한 첨가효과를 얻는 점에서, 연마용 슬러리 전체량에 대하여 0.0001wt% 이상이 바람직하고, 0.001wt% 이상이 보다 바람직하다. 적절한 연마 속도로 조정하는 점에서, 5wt% 이하가 바람직하고,2.5wt% 이하가 보다 바람직하다.
연마용 슬러리에는, 그 특성을 손상하지 않는 범위 내에서, 널리 일반적으로 연마용 슬러리에 첨가되어 있는 분산제, 완충제, 점도 조정제 등의 여러가지 첨가제를 함유시켜도 좋다.
연마용 슬러리의 제조방법은 일반적인 유리 그레인(free grain) 연마용 슬러리 조성물의 제조방법이 적용될 수 있다. 즉, 분산 매체(dispersion medium)에 연마재 입자를 적당량 혼합한다. 필요하면 보호제를 적당량 혼합한다. 이 상태로서는, 연마재 입자 표면은 공기가 강하게 흡착하고 있기 때문에, 적심성(wettability)이 나쁘고 응집상태로 존재하고 있다. 그래서, 응집한 연마재 입자를 일차입자의 상태로 하기 위해 입자의 분산을 실시한다. 분산공정에서는 일반적인 분산방법 및 분산장치를 사용할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면 초음파 분산기, 각종의 비드밀 분산기, 니더, 볼밀 등을 사용하여 공지의 방법으로 실시할 수 있다. 또한, 상기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표현되는 폴리카르복시산이나 무기염은 실리카 입자의 응집을 야기하는 동시에 틱소트로피성을 높이는 경우도 있기 때문에, 양호하게 분산을 행하기 위해는, 분산 종료후에 첨가하여, 혼합하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서의 CMP법에 의한 연마는, 예를 들면 다음과 같은 일반적인 CMP장치를 사용하여 행할 수 있다. 배선용 금속막이 성막된 웨이퍼는, 스핀들의 웨이퍼 캐리어에 설치된다. 이 웨이퍼의 표면을, 회전판(정반(surface plate))상에 부착된 다공성 우레탄 등으로 이루어지는 연마 패드에 접촉시키고, 연마용 슬러리공급구로부터 연마용 슬러리를 연마 패드 표면에 공급하면서, 웨이퍼와 연마 패드의 양쪽을 회전시켜 연마한다. 필요에 의해, 패드 컨디셔너(pad conditioner)를 연마 패드의 표면에 접촉시켜, 연마 패드 표면의 컨디셔닝을 행한다.
다음에, CMP에서의 연마의 종료조작에 관해서 설명한다.
제 1의 연마 방법의 제 1의 연마 공정에 있어서는, 예를 들면, 전술한 바와 같이, 연마 시간과 잔류하는 배선용 금속막의 면적율과의 관계를 기초로 하여, 배리어 금속막이 노출하기 시작한 시점에서 소정 시간 경과 후에 연마를 종료한다.
그 밖의 연마 공정에서의 연마는 예를 들면 다음과 같이 하여 종료시킨다.
제 1의 예로서, 금속막의 연마 속도를 미리 측정해 두고, 소정 두께의 금속막을 제거하는데 필요한 시간을 산출하고, 연마 시작 후, 산출된 시간이 경과한 시점에서 소정의 시간이 경과 후에 연마를 종료한다.
제 2의 예로서, 연마 속도를 측정하면서 CMP를 행하고, 연마 속도가 급격히 저하하기 시작한 시점에서 소정의 시간이 경과 후에 연마를 종료한다.
제 3의 예로서, 회전 플레이트의 회전축 등에 회전토크계를 설치해 두고, 회전축에 가해지는 회전토크의 변화를 측정하면서 CMP를 행한다. 그리고, 배선용 금속막이 제거되어 배리어 금속막이 노출함에 따르는 회전토크의 변화를 검출한 시점에서 소정의 시간이 경과 후에 연마를 종료한다.
제 4의 예로서, 연마 표면에 광을 조사하고, 반사광을 측정하면서 CMP를 행한다. 즉, 배선용 금속막으로부터 배리어 금속막, 절연막에 연마가 진행하면, 연마 표면에 존재하는 재료가 변화되기 때문에, 반사광 강도가 변화된다. 이 반사광 강도가 변화되기 시작한 시점에서 소정의 시간이 경과 후에 연마를 종료한다.
또한, 이들의 방법을 적절히 조합시켜 연마의 종점을 결정하여도 좋다.
이상으로 설명한 본 발명의 금속 배선 형성 방법에 있어서, 절연막으로서는, 실리콘산화막, BPSG막, SOG막 등의 절연막을 들 수 있고, 배선용 금속으로서는, 구리, 은, 금, 백금, 티탄, 텅스텐, 알루미늄, 이들의 합금을 들 수 있고, 배리어 금속으로서는, Ta, TaN, Ti, TiN, W, WN, WSiN 등을 들 수 있다. 본 발명의 금속 배선 형성 방법은 특히, 배선용 금속막이 구리 또는 구리를 주성분으로 하는 구리 합금막이며, 배리어 금속막이 Ta막 또는 TaN막인 경우에 알맞다.
본 발명의 금속 배선 형성 방법은 종래의 여러가지의 다마신 배선 형성 방법에 적용 가능하고, 예를 들면 다층 배선 구조의 상부 배선층의 형성이나, 듀얼 다마신 배선의 형성에도 적용할 수 있다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
(CMP용 기판의 제작)
우선, 트랜지스터 등의 반도체 소자가 형성된 6인치의 웨이퍼(실리콘 기판)상에(도시하지 않음), 하부 배선(도시하지 않음)을 갖는 실리콘산화막으로 이루어지는 하부 배선층(1)을 형성하고, 도 1의 (a)에 도시하는 바와 같이, 그 위에 실리콘질화막(2)을 형성하고, 그 위에 두께 500nm 정도의 실리콘산화막(3)을 형성하고, 보통의 포토리소그래피 공정 및 반응성 이온 에칭 공정에 의해 실리콘산화막(3)을 패터닝하고 폭 0.23 내지 10㎛, 깊이 500nm의 배선용 그루브 및 접속 구멍을 형성하였다. 이어서, 도 1의 (b)에 도시하는 바와 같이, 스퍼터링법에 의해 두께 50nm의 Ta막(탄탈막)(4)을 형성하고, 계속해서 스퍼터링법에 의해 50nm 정도의 구리막을 형성 후, 도금법에 의해 800nm 정도의 구리막을 형성하였다.
또한, 실시예 20에 있어서는, Ta막(배리어 금속막)의 연마 속도의 측정을 목적으로, 6인치의 실리콘 기판상에 스퍼터링법에 의해 Ta막을 성막하고, 이 기판을 CMP용 기판으로 하였다.
(CMP 조건)
CMP는, Speedfam-Ipec사의 372M형을 사용하여 행하였다. 연마기의 정반(surface plate)에는 연마 패드(Rodel-Nitta사의 IC1400)를 부착하여 사용하였다. 연마 조건은 연마 하중(연마 패드의 접촉 압력): 27.6kPa, 정반 회전수: 55rpm, 캐리어 회전수: 55rpm, 슬러리 연마액 공급량: 100mL/분으로 하였다.
(연마 속도의 측정)
웨이퍼상에 일정 간격으로 나란히 선 4개의 바늘모양 전극을 직선상으로 배치하고, 외측의 2개의 탐침 사이에 일정 전류를 흘리고, 내측의 2개의 탐침 사이에 생기는 전위차를 측정하여 저항(R')을 구하고, 또한 보정계수(RCF: Resistivity Correction Factor)를 곱하여 표면저항율(ρs')을 구한다. 또한 두께가 T(nm)로 이미 알고 있는 웨이퍼막의 표면저항율(ρs)을 구한다. 여기서 표면저항율은 두께에 반비례하기 때문에, 표면저항율이 ρs'인 때의 두께를 d라고 하면, d(nm) =(ρs × T)/ρs'가 성립하며, 이것에 의해 두께(d)를 산출할 수 있고, 또한 연마 전후의 막 두께 변화량을 연마 시간으로 나눔으로써 연마 속도를 산출하였다. 표면저항율의측정에는, Mitsubishi Chemical Industries사의 4탐침 저항측정기(Loresta-GP)를 사용하였다.
(실시예 1 내지 6: 제 2의 연마 방법, 알칸올아민 함유 슬러리)
표 1에 표시하는 바와 같이, θ알루미나(Sumitomo Chemical Industries; AKP-G008)를 5wt%, 시트르산(Kanto Chemical Co.)을 1.5wt%, H2O2(Kanto Chemical Co.)를 2.5wt%, 트리에탄올아민(Kanto Chemical Co.)을 0.01 내지 10wt% 함유하고, KOH에 의해 pH를 5.5로 조정한 연마용 슬러리(알칸올아민 함유 슬러리)를 조제하고, 이 연마용 슬러리를 사용하여, 오목부 이외의 절연막상의 구리막이 완전히 제거될 때 까지 CMP를 행하였다. 다음에, 연마용 슬러리를 후술하는 실시예 21의 연마용 슬러리(연마 속도비(Cu/Ta) = 0.15)로 전환하고, 오목부를 제외한 절연막 표면이 완전히 노출할 때까지 CMP를 행하였다.
또한, 비교예 1로서, 트리에탄올아민을 첨가하지 않는 것 이외는 실시예 1 내지 6과 같이 하여 연마용 슬러리를 제작하고, 1단계에서 CMP를 행하였다.
결과를 표 1에 표시한다. 표 1로부터 분명한 바와 같이, 트리에탄올아민를 첨가함으로써, Ta막의 연마 속도가 현저히 저하하였다. 또한, 실시예의 기판의 단면을 SEM에 의해 관찰한 바, 디싱 및 침식이 억제되어 있는 것이 확인될 수 있었다.
(실시예 7, 8: 제 2의 연마 방법, 알칸올아민 함유 슬러리)
표 1에 표시하는 바와 같이, 트리에탄올아민을 디에탄올아민 또는 에탄올아민으로 바꾼 이외는, 실시예 3과 같은 연마용 슬러리를 조제하고, 마찬가지로 CMP를 행하였다.
결과를 표 1에 표시한다. 표 1로부터 분명한 바와 같이, 디에탄올아민 또는 에탄올아민을 첨가함으로써도, Ta막의 연마 속도가 현저히 저하하였다. 기판의 단면을 SEM에 의해 관찰한 바, 디싱 및 침식이 억제되어 있는 것이 확인될 수 있었다.
(실시예 9: 제 2의 연마 방법, 알칸올아민 함유 슬러리)
표 1의 실시예 9에 표시하는 바와 같이, 연마 그레인으로서 알루미나를 토쿠야마사제 퓸드실리카(Tokuyama Qs-9)로 바꾼 이외는, 실시예 3과 같은 연마용 슬러리를 조제하고, 마찬가지로 CMP를 행하였다.
결과를 표 1에 표시한다. 표 1로부터 분명한 바와 같이, 연마 그레인이 실리카인 경우도, 트리에탄올아민를 첨가함으로써, Ta막의 연마 속도가 현저히 저하하였다. 기판의 단면을 SEM에 의해 관찰한 바, 디싱 및 침식이 억제되어 있는 것이 확인될 수 있었다.
(실시예 10 내지 13: 제 2의 연마 방법, 알칸올아민 함유 슬러리)
시트르산을 표 1중의 실시예 10 내지 13에 나타낸 유기산으로 바꾼 이외는, 실시예 3과 같은 연마용 슬러리를 조제하고, 마찬가지로 CMP를 행하였다.
결과를 표 1에 표시한다. 표 1로부터 분명한 바와 같이, 시트르산 이외의 여러가지의 유기산을 이용한 경우도, 트리에탄올아민를 첨가함으로써, Ta막의 연마 속도가 현저히 저하하였다. 기판의 단면을 SEM에 의해 관찰한 바, 디싱 및 침식이억제되어 있는 것이 확인될 수 있었다.
(실시예 14 내지 19: 제 2의 연마 방법, 알칸올아민 함유 슬러리)
유기산으로서, 0.16wt%의 글루타르산, 1.5wt%의 시트르산 및 0.3wt%의 글리신으로 이루어지는 혼합산을 사용하고, 산화방지제로서 0.005wt%의 벤조트리아졸을 첨가한 이외는, 실시예 1 내지 6과 같은 연마용 슬러리를 조제하고, 마찬가지로 CMP를 행하였다.
또한, 비교예 2로서, 알칸올아민을 함유하지 않는 것 이외는, 실시예 14 내지 19와 같은 슬러리를 조제하고, 1단계에서 CMP를 행하였다.
결과를 표 2에 표시한다. 표 2로부터 분명한 바와 같이, Ta막의 연마 속도가 현저히 저하하고, Ta막의 연마 속도에 대한 구리막의 연마 속도의 비는 현저히 향상하였다. 즉, 트리에탄올아민를 첨가함으로써, 구리막의 연마 선택성이 향상하는 것을 알 수 있었다. 실시예의 기판의 단면을 SEM에 의해 관찰한 바, 디싱 및 침식이 억제되어 있는 것이 확인될 수 있었다.
(실시예 20: 제 1의 슬러리에 의한 Ta막의 연마)
연마용 슬러리 중의 상기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표현되는 폴리카르복시산의 효과를 나타내기 위해, 6인치의 실리콘 기판상에 스퍼터링법에 의해 퇴적시킨 Ta막에 대하여 표 3 내지 5에 표시하는 여러가지 연마용 슬러리를 사용하여 CMP를 행하고, 각각의 연마 속도를 측정하였다. 또한, 실리카 연마재는 퓸드실리카(Tokuyama Qs-9)를 사용하고, 슬러리 No.1은 비교를 위해 폴리카르복시산을 함유하지 않은 예이다. 표 3은 폴리카르복시산으로서 글루타르산을 사용하여, 그 함유량이 다른 여러가지 연마용 슬러리를 이용한 결과를 나타낸다. 표 4는, 폴리카르복시산으로서 글루타르산을 사용하여, pH나 pH 조정제(regulator)가 다른 여러가지의 연마용 슬러리를 이용한 결과를 나타낸다. 표 5는, 여러가지의 폴리카르복시산을 함유하는 연마용 슬러리를 이용한 결과를 나타낸다.
표 3으로부터 분명한 바와 같이, 글루타르산을 첨가함으로써 Ta막의 연마 속도가 현저히 향상하고, 글루타르산의 첨가량(함유량)이 증대함에 따라 연마 속도는 증가하고 있다.
또한, 연마용 슬러리의 색도 글루타르산의 첨가에 의해 반투명으로부터 백탁(自濁)하였다. 이것은 응집에 의해 입경이 큰 입자가 형성되어 산란 강도가 증대한 것을 나타내고. 이들에 의해, 폴리카르복시산의 첨가에 의해, 용액 중의 이온 강도가 증가하여 상기 2중층이 압박되어, 입자 사이에서 작용하는 전기적 반발력이 감소함과 동시에, 1분자 중에 2 이상의 카르복실기를 갖는 폴리카르복시산과 실리카 입자와의 상호작용에 의해 응집화가 일어나, 이 응집화에 의해 적절히 부드럽게 응집한 실리카 입자가 연마재 입자로서 작용하여 기계적 연마 작용이 증대하였기 때문에 Ta막의 연마 속도가 향상한 것으로 생각된다.
표 3 및 표 4에 표시하는 바와 같이, 연마용 슬러리의 pH가 4.5 내지 6.5의범위로 변화되더라도 높은 연마 속도로 연마할 수 있었다. 또한 표 4에 표시하는 결과로부터, pH 조정제를 KOH에서 NH4OH로 바꾸어도 마찬가지로 높은 연마 속도를 나타내였다.
표 5에 표시하는 결과로부터, 글루타르산 이외에타, (2)식 또는 (3)식으로 나타내지는 특정한 구조를 갖는 폴리카르복시산이면, Ta막의 연마 속도를 향상할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 표 중에 표시된 어느 카르복시산을 함유하는 경우라도 첨가에 의해 연마용 슬러리의 색이 반투명에서부터 백탁하였다.
(실시예 21: 제 1의 슬러리에 의한 1단계 연마)
표 6에 표시하는 여러가지 연마용 슬러리를 조제하고, 이들의 연마용 슬러리 사용하여, 오목부를 제외한 절연막 표면이 완전히 노출할 때까지 1단계에서 CMP를 행하고, 구리막, Ta막, 실리콘산화막(SiO2절연막)에 대하여 각각 연마 속도를 측정하였다.
이 결과로부터, (2)식 또는 (3)식으로 나타내지는 폴리카르복시산 단독 또는 그것들의 혼합물과, 산화제(H2O2), 산화방지제(벤조트리아졸(BTA))의 조성비에 의해, Ta막과 구리막 사이의 연마 속도비를 조정할 수 있는 것을 알 수 있다. 종래는, 구리막의 연마 속도를 저하시킴으로써 연마 속도비를 조정하고 있었음에 대하여, 본 발명에서 Ta막의 연마 속도를 향상시킴으로써 연마 속도를 조정(연마 속도 차이를 작게)할 수 있기 때문에, 처리량을 대폭 향상할 수 있다.
또한, 기판의 단면을 SEM에 의해 관찰한 바, 디싱 및 침식이 억제되어 있는 것이 확인될 수 있었다. 이것은 구리막과 Ta막 사이의 연마 속도 차이가 적절히 작기 때문에 구리막이 지나치게 연마되는 일이 없고, 또한, 절연막의 연마 속도가 충분히 낮기 때문에 절연막이 충분히 스토퍼로서 활동하고, 디싱이나 침식의 발생이 방지된 것을 나타내고 있다. 또한, 연마면을 SEM에 의해 관찰한 바, 문제가 되는 것 같은 스크래치의 발생은 보이지 않았다.
(실시예 22 내지 29: 제 2의 슬러리에 의한 1단계 연마)
퓸드실리카(Tokuyama Qs-9)를 5wt%, 황산칼륨(Kanto Chemical Co.)을 0.1 내지 3wt% 포함하는 pH4.5의 연마용 슬러리를 조제하였다. 이 연마용 슬러리를 사용하여, 오목부를 제외한 절연막 표면이 완전히 노출할 때까지 1단계에서 CMP를 행하고, 구리막 및 Ta막의 연마 속도를 측정하였다. 결과를 표 7에 표시한다.
표 7로부터 분명한 바와 같이, 황산칼륨을 첨가함으로써, 구리막의 연마 속도를 저하시키는 일 없이, Ta막의 연마 속도를 현저히 증가할 수 있고, 황산칼륨의 첨가량(함유량)을 증대함에 의해 탄탈의 연마 속도를 증대시킬 수 있었다.
또한, 연마용 슬러리의 색도 황산칼륨의 첨가에 의해 반투명으로부터 백탁하였다. 이것은 응집에 의해 입경이 큰 입자가 형성되어 산란 강도가 증대한 것을 나타내고 있다. 이로써, 무기염의 첨가에 의해, 용액 중의 이온 강도가 증가하여 상기 2중층이 압박되어, 퓸드실리카의 입자 사이에서 작용하는 전기적 반발력이 감소함과 동시에, 무기염과 실리카 입자와의 상호작용에 의해 응집화(플로큘레이션화)가 일어나, 이 응집화에 의해 적절히 부드럽게 응집한 실리카 입자가 연마재 입자로서 작용하여 기계적 연마 작용이 증대하였기 때문에 Ta막의 연마 속도가 향상한 것으로 생각된다.
(실시예 30, 31: 제 2의 슬러리에 의한 1단계 연마)
황산칼륨 대신에 황산암모늄 및 염화칼륨을 이용한 이외는, 각각 실시예 26 및 실시예 29와 같이 하여 연마용 슬러리를 조제하고, 마찬가지로 CMP를 행하고, 연마 속도를 측정하였다. 결과를 표 8에 표시한다.
표 8로부터 분명한 바와 같이, 황산칼륨 이외의 무기염으로서 황산암모늄 및 염화칼륨을 첨가한 경우도, Ta막의 연마 속도가 상승하였다.
(실시예 32 내지 37: 제 2의 슬러리에 의한 1단계 연마)
황산칼륨 대신에, 표 9에 표시하는 산화작용을 갖는 여러가지 무기염을 함유하는 이외는 실시예 24, 26 또는 27과 같은 연마용 슬러리를 조제하고, 마찬가지로 CMP를 행하였다. 또한, 비교를 위해, 실시예 37에서는 산화작용이 없는 무기염인 황산칼륨와 2.5wt%의 과산화수소를 함유하는 연마용 슬러리를 조제하고, 그 결과를 실시예 26의 결과와 함께 표중에 기재하였다.
표 9에 표시하는 바와 같이, 산화작용을 갖는 무기염을 첨가한 경우도, 탄탈의 연마 속도가 상승하였다. 또한, 무기염의 산화작용에 의해, 실시예 26와 비교하여, 구리의 연마 속도가 현저히 상승하였다. 또한, 실시예 37와 비교하면, 산화작용을 갖는 무기염을 첨가함으로써, 과산화수소를 함유하는 경우와 같은 정도까지, 구리의 연마 속도가 상승하고 있는 것을 알 수 있다.
(실시예 38 내지 41: 제 2의 슬러리에 의한 1단계 연마)
표 10에 표시하는 바와 같이, 황산칼륨, 과산화수소(Kanto Chemical Co.), 옥살산 또는 말산(Kanto Chemical Co.), 벤조트리아졸(Kanto Chemical Co.)을 함유하는 연마용 슬러리를 조제하고, 이들의 연마용 슬러리를 사용하여 1단계에서 CMP를 행하였다. 연마 속도의 측정결과를 표 10에 표시한다.
표 10으로부터, 유기산이나 산화제의 농도를 변화시킴에 의해, 탄탈의 연마 속도를 유지한 채로 구리의 연마 속도를 변화시킨다, 즉, 탄탈의 연마 속도를 유지한 채로, 구리/탄탈 연마 속도비를 제어할 수 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 기판 단면을 SEM 관찰한 바, 디싱 및 침식이 억제되어 있었다. 또한, 연마면을 SEM에 의해 관찰한 바, 문제가 되는 것 같은 스크래치는 발생하지 않았다.
(실시예 42및 43: 제 2의 슬러리에 의한 1단계 연마)
표 11에 표시하는 조성의 연마용 슬러리를 조제하고, 이 연마용 슬러리를 사용하여 마찬가지로 1단계에서 CMP를 행하였다. 그 때의 연마 속도의 측정결과를 표 11에 표시한다.
이 결과를 보면, 페르옥소2황산칼륨의 일부를 황산칼륨으로 치환함에 의해, Ta막의 연마 속도를 유지한 채로 구리의 연마 속도가 저하되어 있다. 이로써, 산화제를 사용하지 않아도, 무기염의 조합에 의해, 구리와 Ta막과의 연마 속도비가 조정될 수 있는 것을 알 수 있다.
(실시예 44: 제 1의 연마 방법)
제 1의 연마 공정에서는, 트리에탄올아민를 함유하는 실시예 18의 연마용 슬러리를 사용하여 CMP를 행하고, 오목부를 제외한 절연막상에, 오목부를 제외한 기판 표면의 약 15%의 면적분의 구리막이 남은 시점에서 연마를 정지하였다.
다음에, 제 2의 연마 공정에서, 실시예 21이서 이용한 슬러리 No.20의 연마용 슬러리를 사용하여, 오목부를 제외한 절연막 표면이 완전히 노출할 때까지 CMP를 행하였다. 또한 표 6로부터, 이 연마용 슬러리의 연마 속도비(Cu/Ta/산화실리콘)은 2.2/1/0.05이다.
연마후의 기판단면을 SEM에 의해 관찰한 바, 디싱 및 침식은 거의 완전히 방지되어 있었다. 또한, 연마면을 SEM에 의해 관찰한 바, 문제가 되는 것 같은 스크래치는 발생하지 않았다.
본 발명에 의하면, 디싱이나 침식의 발생이 억제되고, 배선 저항의 편차가 작고, 신뢰성이 높은 매립 배선의 형성이 가능해진다.

Claims (32)

  1. 기판상에 형성된 절연막에 오목부를 형성하는 단계와, 상기 절연막상에 배리어 금속막을 형성하는 단계와, 상기 오목부가 상기 금속으로 매립되도록 전면에 배선용 금속막을 형성하는 단계와, 이 기판 표면을 화학적 기계적 연마법에 의해 연마하는 단계를 포함하는 금속 배선 형성 방법에 있어서,
    상기 연마 공정은,
    배선용 금속막이 상기 오목부 이외의 표면상에 부분적으로 남도록 표면을 연마하는 제 1의 연마 단계, 및
    배리어 금속에 대한 배선용 금속의 연마 속도비를 1 이상 3 이하로 제어하는 연마용 슬러리를 사용하여 상기 오목부 이외의 절연막 표면이 거의 완전히 노출할 때까지 연마하는 제 2의 연마 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연마 단계는 배선용 금속막이 오목부를 제외한 기판 표면의 5% 이상 30% 이하의 면적만큼 남도록 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1의 연마 공정에 있어서, 상기 연마용 슬러리는 연마재, 산화제, 유기산 및 하기의 화학식, 즉
    NR1 m(R2OH)n
    (여기서, R1은 수소 원자 또는 탄소수 1 이상 5 이하의 알킬기이며, R2는 탄소수 1 이상 5 이하의 알킬렌기이며, m은 0 이상 2 이하의 정수이며, n은 1 이상 3 이하의 자연수이며, m+n=3을 만족시킨다)으로 표현되는 알칸올아민을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    사용되는 상기 연마용 슬러리에서의 알칸올아민은 에탄올아민, 디에탄올아민 및 트리에탄올아민로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2의 연마 공정에서 사용되는 연마용 슬러리는 배리어 금속에 대한 절연막의 연마 속도비를 0.01 이상 0.05 이하로 제어하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2의 연마 공정에서 사용되는 연마용 슬러리는 실리카 연마재와 하기의 화학식, 즉
    (n은 0, 1, 2, 3중 어느 하나를 나타내고, R1및 R2는 결합하는 탄소 원자마다 각각 독립적으로 수소원자, -OH 또는 -COOH를 나타낸다.)
    또는 하기의 화학식, 즉
    (R3및 R4는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 -OH를 나타낸다.)
    으로 표현되는 카르복시산을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    사용되는 상기 연마용 슬러리에서의 상기 카르복시산은 옥살산, 말론산, 타르타르산, 말산, 글루타르산, 시트르산 및 말레산으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2의 연마 공정에서 사용되는 연마용 슬러리는 실리카 연마재와 무기염을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    연마에서 사용되는 상기 연마용 슬러리에서의 상기 무기염은 수소산염, 옥소산염, 페르옥소산염, 및 할로겐옥소산염으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2의 연마 공정에 사용되는 연마용 슬러리는 산화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제 2의 연마 공정에 사용되는 연마용 슬러리는 벤조트리아졸 또는 그 유도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 배리어 금속막은 탄탈 함유 금속막이며, 상기 배선용 금속막은 구리 또는 구리 합금막인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  13. 기판상에 형성된 절연막에 오목부를 형성하는 단계와, 상기 절연막상에 배리어 금속막을 형성하는 단계와, 상기 오목부가 상기 금속으로 매립되도록 전면에 배선용 금속막을 형성하는 단계와, 이 기판 표면을 화학적 기계적 연마법에 의해 연마하는 단계를 포함하는 금속 배선 형성 방법에 있어서,
    상기 연마 단계는 연마재, 산화제, 유기산 및 하기의 화학식, 즉
    NR1 m(R2OH)n
    (여기서, R1은 수소 원자 또는 탄소수 1 이상 5 이하의 알킬기이며, R2는 탄소수 1 이상 5 이하의 알킬렌기이며, m은 0 이상 2 이하의 정수이며, n은 1 이상 3 이하의 자연수이며, m+n=3을 만족시킨다)
    으로 표현되는 알칸올아민을 포함하는 연마용 슬러리를 사용하여, 상기 오목부 이외의 표면상에 배선용 금속막이 남지 않도록 또한 배리어 금속막이 연마에 의해 완전히 제거되지 않도록 표면을 연마하는 제 1의 연마 단계, 및
    상기 배리어 금속에 대한 배선용 금속의 연마 속도비를 1 이하로 제어하는 연마용 슬러리를 사용하여 상기 오목부 이외의 절연막 표면이 거의 완전히 노출할 때까지 연마하는 제 2의 연마 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    사용되는 상기 연마용 슬러리에서의 상기 알칸올아민은 에탄올아민, 디에탄올아민 및 트리에탄올아민으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 제 2의 연마 공정에서 사용되는 연마용 슬러리는 배리어 금속에 대한 절연막의 연마 속도비를 0.01 이상 0.05 이하로 제어하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 제 2의 연마 공정에서 사용되는 연마용 슬러리는 실리카 연마재와 하기의 화학식, 즉
    (n은 0, 1, 2, 3중 어느 하나를 나타내고, R1및 R2는 결합하는 탄소 원자마다 각각 독립적으로 수소원자, -OH 또는 -COOH를 나타낸다.)
    또는 하기의 화학식, 즉
    (R3및 R4는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 -OH를 나타낸다.)
    으로 표현되는 카르복시산을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    사용되는 상기 연마용 슬러리에서의 상기 카르복시산은 옥살산, 말론산, 타르타르산, 말산, 글루타르산, 시트르산 및 말레산으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  18. 제 13항에 있어서,
    상기 제 2의 연마 공정에서 사용되는 연마용 슬러리는 실리카 연마재와 무기염을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    연마에서 사용되는 상기 연마용 슬러리에서의 상기 무기염은 수소산염, 옥소산염, 페르옥소산염, 및 할로겐옥소산염으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  20. 제 13항에 있어서,
    상기 제 2의 연마 공정에 사용되는 연마용 슬러리는 산화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 제 2의 연마 공정에 사용되는 연마용 슬러리는 벤조트리아졸 또는 그유도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  22. 제 13항에 있어서,
    상기 배리어 금속막은 탄탈 함유 금속막이며, 상기 배선용 금속막은 구리 또는 구리 합금막인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  23. 기판상에 형성된 절연막에 오목부를 형성하는 단계와, 상기 절연막상에 배리어 금속막을 형성하는 단계와, 상기 오목부가 상기 금속으로 매립되도록 전면에 배선용 금속막을 형성하는 단계와, 이 기판 표면을 실리카 연마재와 하기의 화학식, 즉
    (여기서, n은 0, 1, 2, 3중 어느 하나를 나타내고, R1및 R2는 결합하는 탄소 원자마다 각각 독립적으로 수소 원자, -OH 또는 -COOH를 나타낸다.)
    또는 하기의 화학식, 즉
    (R3및 R4는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 -OH를 나타낸다.)
    으로 표현되는 카르복시산을 포함하는 연마용 슬러리를 사용하여 화학적 기계적 연마법에 의해 연마하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  24. 제 23항에 있어서,
    연마에서 사용되는 상기 연마용 슬러리는 옥살산, 말론산, 타르타르산, 말산, 글루타르산, 시트르산 및 말레산으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나의 카르복시산을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  25. 제 23항에 있어서,
    상기 연마용 슬러리는 산화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 연마용 슬러리는 벤조트리아졸 또는 그 유도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  27. 제 23항에 있어서,
    상기 배리어 금속막은 탄탈 함유 금속막이며, 상기 배선용 금속막은 구리 또는 구리 합금막인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  28. 기판상에 형성된 절연막에 오목부를 형성하는 단계와, 상기 절연막상에 배리어 금속막을 형성하는 단계와,상기 오목부가 상기 금속으로 매립되도록 전면에 배선용 금속막을 형성하는 단계와, 이 기판 표면을 실리카 연마재와 무기염을 포함하는 연마용 슬러리를 사용하여 화학적 기계적 연마법에 의해 연마하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  29. 제 28항에 있어서,
    연마에서 사용되는 상기 연마용 슬러리에서의 상기 무기염은 수소산염, 옥소산염, 페르옥소산염, 및 할로겐옥소산염으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  30. 제 28항에 있어서,
    상기 연마용 슬러리는 산화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  31. 제 30항에 있어서,
    상기 연마용 슬러리는 벤조트리아졸 또는 그 유도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  32. 제 28항에 있어서,
    상기 배리어 금속막은 탄탈 함유 금속막이며, 상기 배선용 금속막은 구리 또는 구리 합금막인 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
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