KR20100031530A - 금속막용 연마액 및 연마방법 - Google Patents

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Abstract

에로젼 및 심의 발생을 억제하고, 피연마면의 평탄성이 높은 금속막용 연마액 및 연마방법을 제공한다. 지립, 메타크릴산계 폴리머 및 물을 함유하는 것을 특징으로 하는 금속막용 연마액 및 그를 이용하는 연마방법.

Description

금속막용 연마액 및 연마방법{POLISHING LIQUID FOR METAL FILM AND POLISHING METHOD}
본 발명은, 반도체 디바이스의 배선 형성 공정 등에 있어서의 연마에 사용되는 금속막용 연마액 및 연마방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 집적회로(이하, LSI라고 기재한다.)의 고집적화, 고성능화에 수반하여 새로운 미세 가공 기술이 개발되고 있다. 화학 기계 연마(이하, CMP라고 기재한다.)법도 그 하나이고, LSI 제조 공정, 특히 다층 배선 형성 공정에 있어서의 층간 절연막의 평탄화, 금속 플러그 형성, 매입 배선 형성에 있어서 빈번히 이용되는 기술이다. 이 기술은, 예를 들면 미국특허 제4944836호 명세서에 개시되어 있다.
또한, 최근에는 LSI를 고성능화하기 위해서, 배선 재료로 되는 도전성 물질로서 구리 및 구리 합금의 이용이 시도되고 있다. 그러나, 구리 또는 구리 합금은 종래의 알루미늄 합금 배선의 형성에 빈번히 사용된 드라이 에칭법에 의한 미세 가공이 곤란하다.
그래서, 미리 홈(溝)을 형성하고 있는 절연막상에 구리 또는 구리 합금의 박막을 퇴적하여 메우고, 홈부(溝部) 이외의 상기 박막을 CMP에 의해 제거하여 매입 배선을 형성하는, 이른바 다마신법이 주로 채용되고 있다. 이 기술은, 예를 들면 일본 특허공개공보 평2-278822호에 개시되어 있다.
구리 또는 구리 합금 등의 배선 금속을 연마하는 금속 CMP의 일반적인 방법은, 원형의 연마 정반(platen) 상에 연마포(패드)를 첩부하고, 연마포 표면을 금속막용 연마액으로 침지하면서, 기판의 금속막을 형성한 면을 연마포 표면에 밀어붙이고, 연마포의 이면으로부터 소정의 압력(이하, 연마 압력이라고 기재한다.)을 금속막에 가한 상태로 연마 정반을 돌려, 연마액과 금속막의 볼록부와의 상대적 기계적 마찰에 의해서 볼록부의 금속막을 제거하는 것이다.
CMP에 사용되는 금속막용 연마액은, 일반적으로는 산화제, 지립(砥粒) 및 물로 이루어져 있고, 필요에 따라서 또한 산화 금속 용해제, 보호막 형성제 등이 첨가된다. 우선 산화제에 의해 금속막 표면을 산화하여 산화층을 형성하고, 그 산화층을 지립에 의해서 깍아내는 것이 기본적인 메카니즘이다라고 생각되고 있다. 오목부의 금속막 표면의 산화층은 연마 패드에 너무 접하지 않고, 지립에 의한 깍아냄의 효과가 미치지 않기 때문에, CMP의 진행과 함께 볼록부의 금속막의 산화층이 제거되어 기판 표면은 평탄화된다. 이 상세한 것에 관하여는 저널·오브·일렉트로케미컬소사이어티지의 제138권 11호(1991년 발행), 3460~3464페이지에 개시되어 있다.
CMP에 의한 연마 속도를 높이는 방법으로서 금속막용 연마액에 산화 금속 용해제를 첨가하는 것이 유효하다고 되어 있다. 지립에 의해서 깍아내어진 금속 산화물의 입자를 연마액에 용해(이하, 에칭이라고 기재한다.)시켜 버리면 지립에 의한 깍아냄의 효과가 증대되기 때문이다고 해석된다. 산화 금속 용해제의 첨가에 의해 CMP에 의한 연마 속도는 향상하지만, 한편, 오목부의 금속막 표면의 산화층도 에칭되어 금속막 표면이 노출하면, 산화제에 의해 금속막 표면이 더욱 산화되고, 이것이 반복되면 오목부의 금속막의 에칭이 진행하여 버린다. 이 때문에 연마 후에 매입된 금속 배선의 표면 중앙 부분이 접시와 같이 움푹 패는 현상(이하, 디싱이라고 기재한다.)이 발생하여, 평탄화 효과가 손상된다.
이것을 방지하기 위해서, 금속막용 연마액에 보호막 형성제가 더 첨가된다. 보호막 형성제는 금속막 표면의 산화층상에 보호막을 형성하고, 산화층이 에칭되는 것을 방지하는 것이다. 이 보호막은 지립에 의해 용이하게 깍아내는 것이 가능하고, CMP에 의한 연마 속도를 저하시키지 않는 것이 요망된다.
금속막의 디싱이나 에칭을 억제하고, 신뢰성이 높은 LSI 배선을 형성하기 위해서, 산화 금속 용해제로서 글리신 등의 아미노아세트산 또는 아미드황산을, 보호막 형성제로서 벤조트리아졸을 함유하는 금속막용 연마액을 이용하는 방법이 제창되고 있다. 이 기술은, 예를 들면 일본 특허공개공보 평8-83780호에 기재되어 있다.
구리 또는 구리 합금 등의 다마신 배선 형성이나 텅스텐 등의 플러그 배선 형성 등의 금속 매입 형성에 있어서는, 매입 부분 이외에 형성되는 층간 절연막인 이산화 규소막의 연마 속도도 큰 경우에는, 층간 절연막마다 배선의 두께가 얇아지는 현상(이하, 에로젼(erosion)이라고 기재한다.) 및 배선 금속부 근방의 층간 절연막이 국소적으로 깍아지는 현상(이하, 심이라고 기재한다.)이 발생하여, 평탄성이 악화된다. 그 결과, 배선 저항의 증가 등의 문제가 생겨 버리므로, 에로젼 및 심은 가능한 한 작게 하는 것으로 요구된다.
한편, 구리 또는 구리 합금 등의 배선 금속의 하층에는, 층간 절연막 중에의 금속의 확산 방지나 밀착성 향상을 위한 배리어 도체층(이하, 배리어층이라고 한다.)으로서, 예를 들면 탄탈, 탄탈 합금, 질화 탄탈 등의 도체로 이루어지는 층이 형성된다. 따라서, 구리 또는 구리 합금 등의 배선 금속을 매입 배선부 이외에는, 노출한 배리어층을 CMP에 의해 제거할 필요가 있다. 그러나, 이들 배리어층의 도체는, 구리 또는 구리 합금에 비해 경도가 높기 때문에, 구리 또는 구리 합금용의 연마 재료를 조합해도 충분한 연마 속도를 얻지 못하고, 또한 피연마면의 평탄성이 악화되는 경우가 많다. 그래서, 배선 금속을 연마하는 제 1의 연마 공정과, 배리어층을 연마하는 제 2의 연마 공정으로 이루어지는 2단 연마방법이 검토되고 있다.
도 1에 일반적인 다마신프로세스에 의한 배선 형성을 단면 모식도로 나타낸다. 도 1의 (a)는 연마 전 상태를 나타내고, 표면에 홈을 형성한 층간 절연막(1), 층간 절연막(1)의 표면 요철에 추종하도록 형성된 배리어층(2), 요철을 메우도록 퇴적된 구리 또는 구리 합금의 배선 금속(3)을 갖는다.
우선, 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이, 배선 금속 연마용의 연마액으로, 배리어층(2)이 노출할 때까지 배선 금속(3)을 연마한다. 다음에, 도 1의 (c)에 나타낸 바와 같이, 배리어층 연마용의 연마액으로 층간 절연막(1)의 볼록부가 노출할 때까지 연마한다.
이러한 배리어층 연마용의 연마액으로서, 산화제와, 금속 표면에 대한 보호막 형성제와, 산과, 물을 포함하고, pH가 3 이하이며, 상기 산화제의 농도가 0.01~3 중량%인 화학 기계 연마용 연마제가 제안되어 있다(예를 들면 재공표 특허WO01/13417호 팜플렛 참조.).
상기 2단 연마방법에 있어서, 배리어층을 연마하는 제 2의 연마 공정에 있어서, 피연마면의 평탄화 때문에, 층간 절연막을 여분으로 연마하는, 오버 연마 공정이 요구되는 경우가 있다. 상기 층간 절연막으로서는, 예를 들면, 이산화 규소, 또한 Low-k(저유전율)막인 오르가노실리케이트 글래스나 전체 방향환계 Low-k막 등을 들 수 있다. 이들 층간 절연막을 오버 연마하는 경우, CMP 연마액의 조성에 의해서는, 배선 금속이 밀집하고 있는 부분이, 그 이외의 부분과 비교하여 과잉으로 연마되어, 배선 금속부 근방의 층간 절연막의 두께가 얇아져 버리는 에로젼이나, 배선 금속 근방의 층간 절연막을 국소적으로 도려내어져 버리는 심이 발생하고, 피연마면의 평탄성이 악화되는 경우가 있으며, 배선 저항이 증가하는 등의 문제가 생기는 일이 있었다.
본 발명자들은, 상기의 에로젼이나 심의 발생을 저감하는 방법으로서, 배선 금속, 예를 들면, 구리의 표면을 보호하기 위해서 수용성 폴리머를 포함하여 이루어지는 연마액을 이용하는 방법을 검토하고, 이 방법에 따라, 에로젼이나 심의 발생을 저감할 수 있는 것을 발견하였다. 그러나, 한편, 상기 제 2의 연마 공정 후의 기판상에, 상기 수용성 폴리머와 배선 금속의 구리로 구리착체가 형성되어, 이 구리착체가 기판 상에 흡착하여 유기 잔사로 되어 기판을 오염하는 경우가 있다. 또한, 수용성 폴리머의 작용으로 지립이 응집하고, 기판의 피연마면에 스크래치(연마손상)를 일으켜, 평탄성이 악화될 가능성도 있다. 이들 결함이 발생하는 것으로, 미세 배선의 형성이 필요 불가결한 고성능 반도체 디바이스 제조에 있어서, 단락(短絡), 단선, 수율, 신뢰성의 저하 등의 불량이 발생한다.
본 발명의 과제는, 층간 절연막에 대한 양호한 연마 속도를 유지하면서, 에로젼 및 심의 발생을 억제하고, 피연마면의 평탄성이 높은 금속막용 연마액 및 연마방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 과제는, 또한 연마 후의 기판상에 스크래치의 발생이나 유기 잔사가 발생하는 것을 억제할 수 있는 금속막 연마액 및 연마방법을 제공하는 것이다.
발명의 개시
본 발명자들은, 상기 에로젼이나 심의 발생을 저감하기 위해서는, 배선 금속인 구리에 대한 흡착능이 높은 첨가제를 이용하는 것이 유효하다고 착상하여, 특정한 폴리머를 첨가제로서 사용한 경우에, 이것을 달성할 수 있는 것을 발견했다.
즉, 본 발명은, (1)지립, 메타크릴산계 폴리머 및 물을 함유하는 것을 특징으로 하는 금속막용 연마액에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, (2)상기 메타크릴산계 폴리머가, 메타크릴산의 호모 폴리머 및, 메타크릴산과 그 메타크릴산과 공중합 가능한 모노머와의 코폴리머로부터 선택되는 적어도 1종인 상기 (1)에 기재된 금속막용 연마액에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, (3)상기 지립은, 실리카, 알루미나, 세리아, 티타니아, 지르코니아, 게르마니아 또는 이들 변성물로부터 선택되는 적어도 1종인 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 금속막용 연마액에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, (4)유기용매를 더 함유하는 상기 (1) 내지 (3)의 어느 한 항에 기재된 금속막용 연마액에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, (5)산화 금속 용해제를 더 함유하는 상기 (1) 내지 (4)의 어느 한 항에 기재된 금속막용 연마액에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, (6)금속의 산화제를 더 함유하는 상기 (1) 내지 (4)의 어느 한 항에 기재된 금속막용 연마액에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, (7)금속의 방식제를 더 함유하는 상기 (1) 내지 (6)의 어느 한 항에 기재된 금속막용 연마액에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, (8)표면에 배선 밀도가 50% 이상인 배선 형성부를 가지는 피연마막을 연마하기 위한 연마액이다, 상기 (1) 내지 (7)의 어느 한 항에 기재된 금속막용 연마액에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, (9)표면이 오목부 및 볼록부로 이루어지는 층간 절연막과, 상기 층간 절연막을 표면을 따라서 피복하는 배리어층과, 상기 오목부를 충전하여 배리어층을 피복하는 도전성 물질층을 가지는 기판의 도전성 물질층을 연마하여 상기 볼록부의 배리어층을 노출시키는 제 1의 연마 공정과,
상기 제 1의 연마 공정으로 노출한 상기 기판의 배리어층을 상기 1 내지 8의 어느 한 항에 기재된 금속막용 연마액을 이용하여 연마하여 상기 볼록부의 층간 절연막을 노출시키는 제 2의 연마 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, (10)상기 층간 절연막이 실리콘계 피막 또는 유기 폴리머막인 상기 (9)에 기재된 연마방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, (11)상기 도전성 물질이 구리를 주성분으로 하는 상기 (9) 또는 (10)에 기재된 연마방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, (12)상기 배리어층이 탄탈, 탄탈 화합물, 티탄, 티탄 화합물, 텅스텐, 텅스텐 화합물, 루테늄 및 루테늄 화합물로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 상기 (9) 내지 (11)의 어느 한 항에 기재된 연마방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 메타크릴산계 폴리머를 함유하는 것에 의해서, 층간 절연막에 대한 양호한 연마 속도를 유지하면서, 에로젼 및 심의 발생을 억제하고, 피연마면의 평탄성이 높은 금속막용 연마액 및 연마방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 메타크릴산계 폴리머로부터 최적인 것을 선택함으로써, 상기의 효과에 더하여, 연마 후의 기판상에 스크래치의 발생이나 유기 잔사가 발생하는 것을 억제할 수 있는 금속막연마액 및 연마방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 지립, 금속의 산화제, 금속의 방식제 등을 포함시킴으로써, 상기의 효과에 더하여, 배선 금속 및 배리어 금속에 대한 양호한 연마 속도를 얻을 수 있고, 이것에 의해 상기 제 2의 연마 공정에 적합한 금속막용 연마액을 얻을 수 있다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명의 금속막용 연마액은, 메타크릴산계 폴리머를 함유하는 것을 특징으로 한다. 메타크릴산계 폴리머는 다른 수용성 폴리머와 비교하여 구리에 대한 흡착성이 높고, 특히 배선 밀도가 높은 부위에 있어서의 구리에 대한 흡착성이 높고 보호 성능이 뛰어나기 때문에, 피연마막을 연마할 때에, 에로젼이나 심의 발생을 저감하는 것이 가능해진다고 추정된다. 상기 메타크릴산계 폴리머로서는, 메타크릴산의 호모 폴리머 및, 메타크릴산과 그 메타크릴산과 공중합 가능한 모노머와의 코폴리머로부터 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다.
메타크릴산계 폴리머가 메타크릴산과 그 메타크릴산과 공중합 가능한 모노머와의 코폴리머인 경우, 모노머 전체 양에 대한 메타크릴산의 비율은, 바람직하게는 40몰% 이상 100몰% 미만, 보다 바람직하게는 50몰% 이상 100몰% 미만, 더욱 바람직하게는 60몰% 이상 100몰% 미만, 특히 바람직하게는 70몰% 이상 100몰% 미만이다. 상기 메타크릴산의 비율을 40몰% 이상으로 하는 것에 의해, 에로젼 및 심의 발생을 효과적으로 억제하고, 피연마면의 평탄성을 높이기 쉬워진다.
메타크릴산계 폴리머의 중량 평균 분자량은, 바람직하게는 3000 이상, 보다 바람직하게는 5000 이상이다. 상기 메타크릴산계 폴리머의 중량 평균 분자량을 3000 이상으로 하는 것에 의해, 에로젼 및 심의 발생을 효과적으로 억제하고, 피연마면의 평탄성을 높이기 쉬워진다. 또한, 상기 중량 평균 분자량의 상한은 특별히 규정하는 것은 아니지만, 용해성의 관점에서 500만 이하인 것이 바람직하다. 또한, 합성하기 쉬움, 분자량 제어의 용이함 등의 관점에서, 상기 중량 평균 분자량은 100만 이하인 것이 바람직하고, 물에의 용해성이 뛰어나고, 첨가량의 자유도가 상승하는 관점에서는 10만 이하인 것이 보다 바람직하다.
메타크릴산계 폴리머의 중량 평균 분자량은, 겔퍼미에이션크로마토그래피에 의해 표준 폴리스티렌의 검량선을 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 하기와 같은 측정 조건을 들 수 있다.
사용 기기: 시차굴절계(주식회사 히타치제작소제, 제품번호 L-3300)를 갖춘 HPLC 펌프(주식회사 히타치제작소제, L-7100)
컬럼: Shodex Asahipak GF-710HQ(쇼와전공주식회사제, 제품명)
이동상: 50mM 인산수소이나트륨 수용액/아세토니트릴=90/10(V/V) 혼합액
유량: 0.6ml/min
컬럼 온도: 25℃
상기 메타크릴산과 공중합 가능한 모노머로서는, 예를 들면, 아크릴산, 크로톤산, 비닐아세트산, 티글산(tiglic acid), 2-트리플루오로메틸아크릴산, 이타콘산, 푸말산, 말레산, 시트라콘산, 메사콘산, 글루콘산 등의 카르본산류;
2-아크릴아미드-2-메틸프로판설폰산 등의 설폰산류;
아크릴산메틸, 아크릴산에틸, 아크릴산프로필, 아크릴산부틸, 아크릴산2-에틸헥실, 메타크릴산메틸, 메타크릴산에틸, 메타크릴산프로필, 메타크릴산부틸, 메타크릴산2-에틸헥실 등의 아크릴산계 에스테르류;
및 이들 암모늄염, 알칼리 금속염, 알킬아민염 등의 염 등을 들 수 있다. 적용하는 기판이 반도체 집적회로용 실리콘 기판 등의 경우는 알칼리 금속에 의한 오염은 바람직하지 않기 때문에, 산 혹은 그 암모늄염이 바람직하다. 기판이 유리 기판 등인 경우는 그러하지 아니하다.
상기한 바와 같이, 메타크릴산계 폴리머에 있어서 메타크릴산의 함유량이 많은 편이 에로젼 및 심의 발생의 저감에는 유효하다. 그러나 한편, 본 발명의 연마액에 있어서, 연마 후의 피연마면 상에 유기 잔사의 발생이나 스크래치의 발생 등의 결함을 저감할 수 있다고 하는 점에 착목하면, 상기 메타크릴산계 폴리머는, 메타크릴산과 그 메타크릴산과 공중합 가능한 모노머와의 코폴리머를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 메타크릴산과 공중합 가능한 모노머로서는, 상기 결함의 저감에 유효한 점에서, 아크릴산, 아크릴산계 에스테르류가 보다 바람직하고, 또한 에로젼과 심의 발생의 저감과의 균형이 맞는 점에서, 아크릴산 및 아크릴산 에스테르가 보다 바람직하다.
메타크릴산계 폴리머의 배합량은, 금속막용 연마액의 전체 성분의 총량 100g에 대하여, 바람직하게는 0.001~15g, 보다 바람직하게는 0.01~5g이다. 상기 메타크릴산계 폴리머의 배합량을 0.001g 이상으로 하는 것에 의해, 에로젼 및 심의 발생을 효과적으로 억제하고, 피연마면의 평탄성을 높이기 쉬워지고, 15g 이하로 하는 것에 의해, 에로젼 및 심의 발생을 억제하면서, 금속막용 연마액에 포함되는 지립의 안정성을 유지하고, 지립의 분산성을 양호하게 한다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 금속막용 연마액은, 에로젼이나 심의 발생을 효과적으로 억제하는 점에서, 하기 (1) 및 (2)의 적어도 하나를 만족시키는 것이 바람직하다.
(1) 메타크릴산계 폴리머를 구성하는 모노머 전체 양에 대한 메타크릴산의 비율을 높이는 것.
(2) 메타크릴산과 공중합시키는 단량체 성분으로서, 아크릴산 또는 아크릴산계 에스테르류를 사용하는 것.
또한, 상기 (1) 및 (2)를 만족시키는 것이 에로젼과 심의 발생을 억제하면서, 스크래치나 유기 잔사 등의 결함을 저감할 수 있는 점에서 바람직하다. 즉, 메타크릴산과 아크릴산의 공중합체, 또는 메타크릴산과 아크릴산계 에스테르류의 공중합체인 것이 바람직하다. 그 중에서도, 메타크릴산과 아크릴산의 공중합체 또는 메타크릴산과 아크릴산 에스테르의 공중합체인 것이,에로젼 및 심의 발생 저감의 관점에서 바람직하다. 메타크릴산계 폴리머를 구성하는 모노머 전체 양에 대한 메타크릴산의 비율이 70몰% 이상 100몰% 미만인 것이 바람직하고, 80몰% 이상인 것이 보다 바람직하고, 90몰% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 결함을 효과적으로 억제하기 위해서는, 상기 모노머 전체 양에 대한 메타크릴산의 비율은 99몰% 이하인 것이 바람직하고, 95%몰 이하인 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 금속막용 연마액은, 적어도 지립을 포함하는 슬러리와, 적어도 메타크릴산계 폴리머를 포함하는 첨가액의 2액으로 나눌 수도 있다. 이와 같이 하는 것에 의해서, 메타크릴산계 폴리머를 대량으로 첨가했을 때에 생기는 지립의 안정성의 문제를 회피할 수 있다. 2액으로 나누는 경우, 슬러리 측에 메타크릴산계 폴리머가 포함되어 있어도 상관없다. 이 경우, 슬러리 중의 메타크릴산계 폴리머의 함유량은 지립의 분산성을 손상하지 않는 범위로 한다.
본 발명의 금속막용 연마액은, 상기의 제 2의 연마 공정에 사용하기 위해서는, 지립, 유기용매, 산화 금속 용해제 및 물을 함유하고 있는 것이 바람직하다. 이하, 이들 성분에 관하여 상세하게 설명한다.
( 지립 )
본 발명의 금속막용 연마액에는, 배리어층 및 층간 절연막에 대한 양호한 연마 속도를 얻는 점에서, 지립입자를 함유하는 것이 바람직하다. 사용할 수 있는 지립으로서는, 실리카, 알루미나, 지르코니아, 세리아, 티타니아, 게르마니아 또는 이들의 변성물로부터 선택되는 적어도 1종이다. 상기 변성물은, 실리카, 알루미나, 지르코니아, 세리아, 티타니아, 게르마니아 등의 지립입자의 표면을 알킬기로 변성한 것이다.
지립입자의 표면을 알킬기로 변성하는 방법에는, 특별히 제한은 없지만, 지립입자의 표면에 존재하는 수산기와 알킬기를 가지는 알콕시실란을 반응시키는 방법을 들 수 있다. 알킬기를 가지는 알콕시실란으로서는, 특별히 제한은 없지만, 모노메틸트리메톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 트리메틸모노메톡시실란, 모노에틸트리메톡시실란, 디에틸디메톡시실란, 트리에틸모노메톡시실란, 모노메틸트리에톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 트리메틸모노에톡시실란을 들 수 있다. 반응 방법으로서는, 특별히 제한은 없고, 예를 들면 지립입자와 알콕시실란을 연마액 중에서 실온에서도 반응하지만, 반응을 가속하기 위해서 가열해도 좋다.
상기 지립 중에서도, 연마액 중에서의 분산 안정성이 좋고, CMP에 의해 발생하는 연마상처(스크래치)의 발생수가 적고, 평균 입경이 200nm 이하의 콜로이달 실리카, 콜로이달 알루미나가 바람직하고, 평균 입경이 100nm 이하의 콜로이달 실리카, 콜로이달 알루미나가 보다 바람직하다.
또한, 여기서 말하는 입경이란, 연마액에 배합하기 전의 지립입자의 이차 입자경을 말한다. 상기 입경(이차 입자경)은, 예를 들면, 상기 지립을 물에 분산시킨 시료를 제작하고, 광회절 산란식 입도 분포계에 의해 측정할 수 있다. 구체적으로는 예를 들면, COULTER Electronics사 제의 COULTER N4SD를 이용하고, 측정 온도: 20℃, 용매 굴절률: 1.333(물), 입자 굴절률: Unknown(설정), 용매 점도: 1.005cp(물), Run Time: 200초, 레이저 입사각: 90°, Intensity(산란 강도, 탁도에 상당): 5E＋04~4E＋05의 범위에 들어가도록 측정하고, 4E＋05보다도 높은 경우에는 물로 희석하여 측정할 수 있다. 콜로이달 입자는, 통상, 물에 분산된 상태로 얻을 수 있으므로, 상기 산란 강도의 범위에 들어가도록 적당히 희석하여 측정할 수도 있다. 기준으로서는, 입자가 0.5~2.0중량% 포함되도록 하면 좋다.
또한, 배선 금속막, 배리어 메탈막 및 층간 절연막의 연마 속도의 관점에서, 상기 지립은 일차 입자가 평균 2입자 미만 밖에 응집하고 있지 않은 입자가 바람직하고, 일차 입자가 평균 1.2입자 미만 밖에 응집하고 있지 않은 입자가 보다 바람직하다. 회합도의 상한은, 사용하는 지립의 일차 입자경에 의해 달라지고, 이차 입자경이 상기에서 설명한 범위로 들어가 있으면 좋다고 생각된다. 또한 상기의 회합도는, 이차 입자경과 일차 입자경을 구하고, 그 비(이차 입자경/일차 입자경)로서 얻을 수 있다.
상기 일차 입자경의 측정 방법으로서는, 공지의 투과형 전자현미경(예를 들면 주식회사 히타치제작소제의 H-7100FA)에 의해 측정할 수 있다. 예를 들면, 상기 전자현미경을 사용하여, 입자의 화상을 촬영하고, 소정수의 임의의 입자에 관하여 2축 평균 일차 입자경을 산출하고, 이들의 평균치를 구한다. 입도 분포가 넓은 경우, 상기 소정수는, 평균치가 안정되는 수량으로 해야 한다. 지립으로서 콜로이달 실리카 또는 콜로이달 알루미나를 사용하는 경우, 일반적으로 입경이 고르기 때문에, 측정하는 입자수는 예를 들면 20입자 정도가 좋다.
구체적으로는, 선택한 입자에 외접하고, 그 장경(長徑)이 가장 길어지도록 배치한 장방형(외접 장방형)을 이끈다. 그리고 그 외접 장방형의 장경을 L, 단경을 B로 하고, (L＋B)/2로 하여 한 입자의 2축 평균 일차 입자경을 산출한다. 이 작업을 임의의 20입자에 대하여 실시하고, 얻어진 값의 평균치를, 본 발명에 있어서의 2축 평균 일차 입자경(R1)이라고 한다. 이 조작은 컴퓨터 프로그램으로 자동화하는 것도 가능하다.
동시에, 평균 입도 분포의 표준 편차가 10nm 이하인 것이 바람직하고, 평균 입도 분포의 표준 편차가 5nm 이하인 것이 보다 바람직하다. 이들은 1종류를 단독으로, 또는 2종류 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 입도 분포의 측정 방법으로서는, 연마액 중의 지립을 COULTER Electronics사 제의 COULTER N4SD에 투입하고, 입도 분포의 차트에 의해 표준 편차의 값을 얻을 수 있다.
지립의 배합량은, 금속막용 연마액의 전체 성분의 총량 100g에 대하여, 바람직하게는 0.01~50g, 보다 바람직하게는 0.02~30g, 특히 바람직하게는 0.05~20g이다. 상기 지립입자의 배합량을 0.01g 이상으로 하는 것에 의해 연마 속도를 양호하게 하고, 50g 이하로 하는 것에 의해 스크래치의 발생을 억제하기 쉬워진다.
(유기용매)
본 발명의 금속막용 연마액은, 금속막용 연마액의 기판에 대한 젖음성을 향상시키고, 층간 절연막에 유기계의 막을 사용하는 경우에도 양호한 연마 속도를 얻을 수 있는 점에서 유기용매를 함유하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 사용되는 유기용매로서는 특별히 제한은 없지만, 물과 임의로 혼합할 수 있는 것이 바람직하다.
예를 들면;
에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트 등의 탄산 에스테르류;
부티로락톤, 프로피오락톤 등의 락톤류;
에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 트리프로필렌글리콜 등의 글리콜류;
글리콜류의 유도체로서, 에틸렌글리콜 모노메틸에테르, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜 모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 모노메틸에테르, 트리프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 에틸렌글리콜 모노에틸에테르, 프로필렌글리콜 모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜 모노에틸에테르, 디프로필렌글리콜 모노에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 모노에틸에테르, 트리프로필렌글리콜 모노에틸에테르, 에틸렌글리콜 모노프로필에테르, 프로필렌글리콜 모노프로필에테르, 디에틸렌글리콜 모노프로필에테르, 디프로필렌글리콜 모노프로필에테르, 트리에틸렌글리콜 모노프로필에테르, 트리프로필렌글리콜 모노프로필에테르, 에틸렌글리콜 모노부틸에테르, 프로필렌글리콜 모노부틸에테르, 디에틸렌글리콜 모노부틸에테르, 디프로필렌글리콜 모노부틸에테르, 트리에틸렌글리콜 모노부틸에테르, 트리프로필렌글리콜 모노부틸에테르 등의 글리콜 모노에테르류;
에틸렌글리콜 디메틸에테르, 프로필렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디프로필렌글리콜 디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 트리프로필렌글리콜 디메틸에테르, 에틸렌글리콜 디에틸에테르, 프로필렌글리콜 디에틸에테르, 디에틸렌글리콜 디에틸에테르, 디프로필렌글리콜 디에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디에틸에테르, 트리프로필렌글리콜 디에틸에테르, 에틸렌글리콜 디프로필에테르, 프로필렌글리콜 디프로필에테르, 디에틸렌글리콜 디프로필에테르, 디프로필렌글리콜 디프로필에테르, 트리에틸렌글리콜 디프로필에테르, 트리프로필렌글리콜 디프로필에테르, 에틸렌글리콜 디부틸에테르, 프로필렌글리콜 디부틸에테르, 디에틸렌글리콜 디부틸에테르, 디프로필렌글리콜 디부틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디부틸에테르, 트리프로필렌글리콜 디부틸에테르 등의 글리콜디에테르류;
테트라히드로푸란, 디옥산, 디메톡시에탄, 폴리에틸렌옥사이드, 에틸렌글리콜 모노메틸아세테이트, 디에틸렌글리콜 모노에틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르아세테이트 등의 에테르류;
메탄올, 에탄올, 프로판올, n-부탄올, n-펜탄올, n-헥산올, 이소프로판올 등의 알코올류;
아세톤, 메틸에틸케톤 등의 케톤류;
그 외, 페놀, 디메틸포름아미드, n-메틸피롤리돈, 아세트산에틸, 젖산에틸, 설포란 등을 들 수 있다. 바람직한 유기용매는, 글리콜 모노에테르류, 알코올류, 탄산 에스테르류로부터 선택되는 적어도 1종이다.
유기용매의 배합량은, 금속막용 연마액의 전체 성분의 총량 100g에 대하여, 바람직하게는 0.1~95g, 보다 바람직하게는 0.2~50g, 특히 바람직하게는 0.5~10g이다. 상기 유기용매의 배합량을 0.1g 이상으로 하는 것에 의해, 금속막용 연마액의 기판에 대한 젖음성이 양호하게 되고, 95g 이하로 하는 것에 의해 용매의 휘발을 저감하여 제조 프로세스의 안전성을 확보하기 쉬워진다.
(산화 금속 용해제)
본 발명의 금속막용 연마액은, 산화제에 의해 산화된 배선 금속 및 배리어 금속의 용해를 촉진하고, 연마 속도를 향상시킬 수 있는 점에서, 산화 금속 용해제를 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 사용되는 산화 금속 용해제는, 산화된 배리어 금속 또는 배선 금속을 물에 용해시킬 수 있으면 특별히 제한은 없지만, 예를 들면, 포름산, 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 발레르산, 2-메틸부티르산, n-헥산산, 3,3-디메틸부티르산, 2-에틸부티르산, 4-메틸펜탄산, n-헵탄산, 2-메틸헥산산, n-옥탄산, 2-에틸헥산산, 벤조산, 글리콜산, 살리실산, 글리세린산, 옥살산, 말론산, 숙신산, 글루탈산, 아디프산, 피메린산, 말레산, 프탈산, 사과산, 주석산, 구연산, p-톨루엔설폰산 등의 유기산, 이들의 유기산 에스테르 및 이들 유기산의 암모늄염 등을 들 수 있다. 또한 염산, 황산, 질산 등의 무기산, 이들 무기산의 암모늄염류, 예를 들면 과황산암모늄, 질산암모늄, 염화암모늄, 크롬산 등을 들 수 있다. 이들 중에서는, 실용적인 연마 속도를 유지하면서, 에칭 속도를 효과적으로 억제할 수 있다고 하는 점에서 포름산, 말론산, 사과산, 주석산, 구연산, 살리실산, 아디프산으로부터 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다. 또한, 이들은 1종류를 단독으로, 또는 2종류 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
산화 금속 용해제의 배합량은, 금속막용 연마액의 전체 성분의 총량 100g에 대하여, 바람직하게는 0.001~20g, 보다 바람직하게는 0.002~10g, 특히 바람직하게는 0.005~5g이다. 상기 산화 금속 용해제의 배합량을 0.001g 이상으로 하는 것에 의해, 배선 금속 및 배리어 금속의 연마 속도를 양호하게 하고, 20g 이하로 하는 것에 의해 에칭을 억제하여 피연마면의 거침이 저감되기 쉬워진다.
또한, 물의 배합량은 잔부로 좋고, 함유되어 있으면 특별히 제한은 없다.
본 발명의 금속막용 연마액은, 금속의 산화제를 함유할 수 있다. 금속의 산화제로서는, 과산화수소, 질산, 과요오드산칼륨, 차아염소산, 오존수 등을 들 수 있고, 그 중에서도 과산화수소가 특히 바람직하다. 이들은 1종류를 단독으로, 또는 2종류 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 기판이 집적회로용 소자를 포함하는 실리콘 기판인 경우, 알칼리 금속, 알칼리 토류 금속, 할로겐화물 등에 의한 오염은 바람직하지 않기 때문에, 불휘발 성분을 포함하지 않는 산화제가 바람직하다. 단, 오존수는 조성의 시간 변화가 심하기 때문에 과산화수소가 가장 적합하다. 단, 적용 대상의 기판이 반도체소자를 포함하지 않는 유리 기판 등인 경우는 불휘발 성분을 포함하는 산화제이어도 상관없다.
금속의 산화제의 배합량은, 금속막용 연마액의 전체 성분의 총량 100g에 대하여, 바람직하게는 0.01~50g, 보다 바람직하게는 0.02~30g, 특히 바람직하게는 0.05~15g이다. 상기 금속의 산화제의 배합량을 0.01g이상으로 하는 것에 의해, 연마 속도가 양호하게 되고, 50g 이하로 하는 것에 의해, 피연마면의 거침이 저감되기 쉬워진다.
본 발명의 금속막용 연마액은, 금속의 방식제를 함유할 수 있다. 금속의 방식제로서, 구리계 금속 등의 배선 금속에 대하여 보호막을 형성할 수 있는 재료를 선택할 수 있고, 구체적으로는 예를 들면, 2-메르캅토벤조티아졸, 1,2,3-트리아졸, 1,2,4-트리아졸, 3-아미노-1H-1,2,4-트리아졸, 벤조트리아졸, 1-히드록시벤조트리아졸, 1-디히드록시프로필벤조트리아졸, 2,3-디카르복시프로필벤조트리아졸, 4-히드록시벤조트리아졸, 4-카르복실(-1H-)벤조트리아졸, 4-카르복실(-1H-)벤조트리아졸메틸에스테르, 4-카르복실(-1H-)벤조트리아졸부틸에스테르, 4-카르복실(-1H-)벤조트리아졸옥틸에스테르, 5-헥실벤조트리아졸, [1,2,3-벤조트리아졸-1-메틸][1,2,4-트리아졸-1-메틸][2-에틸헥실]아민, 톨릴트리아졸, 나프토트리아졸, 비스[(1-벤조트리아졸)메틸]포스폰산 등의 트리아졸계 방식제를 들 수 있다. 배선 금속이 구리를 포함하는 경우는, 방식 작용이 뛰어난 점에서, 이들 트리아졸계 방식제를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 피리미딘 골격을 가지는 피리미딘, 1,2,4-트리아조로[1,5-a]피리미딘, 1,3,4,6,7,8-헥사하이드로-2H-피리미드[1,2-a]피리미딘, 1,3-디페닐-피리미딘-2,4,6-트리온, 1,4,5,6-테트라하이드로피리미딘, 2,4,5,6-테트라아미노피리미딘설페이트, 2,4,5-트리하이드록시피리미딘, 2,4,6-트리아미노피리미딘, 2,4,6-트리클로로피리미딘, 2,4,6-트리메톡시피리미딘, 2,4,6-트리페닐피리미딘, 2,4-디아미노-6-히드록실피리미딘, 2,4-디아미노피리미딘, 2-아세트아미드피리미딘, 2-아미노피리미딘, 2-메틸-5,7-디페닐-(1,2,4)트리아조로(1,5-a)피리미딘, 2-메틸설퍼닐-5,7-디페닐-(1,2,4)트리아조로(1,5-a) 피리미딘, 2-메틸설퍼닐-5,7-디페닐-4,7-디히드로-(1,2,4)트리아조로(1,5-a)피리미딘, 4-아미노피라조로[3,4-d]피리미딘 등을 들 수 있다. 이들은 1종류를 단독으로, 또는 2종류 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
금속의 방식제의 배합량은, 금속막용 연마액의 전체 성분의 총량 100g에 대하여, 바람직하게는 0.001~10g, 보다 바람직하게는 0.005~5g, 특히 바람직하게는 0.01~2g이다. 상기 방식제의 배합량을 0.001g 이상으로 하는 것에 의해, 배선 금속의 에칭을 억제하여 피연마면의 거침이 저감되기 쉬워진다. 또한, 10g 이하로 하는 것에 의해 배선 금속 및 배리어층용 금속의 연마 속도가 양호하게 되는 경향이 있다.
이상, 설명해 온 바와 같이, 본 발명의 금속막용 연마액은, 메타크릴산계 폴리머, 지립, 산화 금속 용해제, 금속의 방식제 및 금속의 산화제를 포함하는 것이 가장 바람직하다. 이들 성분을 포함함으로써, 메타크릴산계 폴리머에 의한 에로젼 및 심의 발생 억제 효과를 최대한 얻을 수 있다.
본 발명의 금속막용 연마액은, 반도체 디바이스에 있어서의 배선층의 형성에 적용할 수 있다. 예를 들면 배선 금속층과, 배리어층과, 층간 절연막과의 화학 기계 연마(CMP)에 사용할 수 있다. 동일 조건하의 CMP에 있어서 배선 금속층/배리어층/층간 절연막의 연마 속도비는, (0.1~2)/(1)/(0.1~2)의 비로 연마되는 것이 바람직하고, (0.5~1.5)/(1)/(0.5~1.5)의 비로 연마되는 것이 보다 바람직하다. 이들 연마 속도비는, 각각의 층의 재질로 이루어지는 블랭킷 웨이퍼를 연마했을 때의 연마 속도를 비교하는 것으로 구할 수 있다.
층간 절연막으로서는, 실리콘계 피막이나 유기 폴리머막을 들 수 있다. 실리콘계 피막으로서는, 이산화규소, 플루오로실리케이트 글래스, 트리메틸실란이나 디메톡시디메틸실란을 출발 원료로 하여 얻어지는 오르가노실리케이트 글래스, 실리콘옥시나이트라이드, 수소화실세스퀴옥산 등의 실리카계 피막이나, 실리콘카바이드 및 실리콘나이트라이드를 들 수 있다. 또한, 유기 폴리머막으로서는, 전체 방향족계 저유전율 층간 절연막을 들 수 있다. 특히, 오르가노실리케이트 글래스가 바람직하다. 이들 막은, CVD법, 스핀 코트법, 딥 코트법, 또는 스프레이법에 의해 성막된다. 층간 절연막의 구체예로서는, LSI 제조 공정, 특히 다층 배선 형성 공정에 있어서의 층간 절연막 등을 들 수 있다.
배선 금속으로서는, 도전성 물질을 사용할 수 있다. 이러한 도전성 물질로서는, 구리, 구리 합금, 구리의 산화물 또는 구리 합금의 산화물, 텅스텐, 텅스텐 합금, 은, 금 등의, 금속이 주성분의 물질을 들 수 있고, 구리, 구리 합금, 구리의 산화물, 구리 합금의 산화물 등의 구리가 주성분인 것이 바람직하다. 배선 금속층은, 공지의 스패터법, 도금법에 의해 상기 물질을 성막한 막을 사용할 수 있다.
배리어층으로서는, 층간 절연막 중에의 도전성 물질이 확산하는 것을 방지하기 위해, 및 층간 절연막과 도전성 물질과의 밀착성을 향상시키기 위해 형성된다. 배리어층의 조성은, 텅스텐, 질화 텅스텐, 텅스텐 합금 등의 텅스텐 화합물, 티탄, 질화 티탄, 티탄 합금 등의 티탄 화합물, 탄탈, 질화 탄탈, 탄탈 합금 등의 탄탈 화합물, 루테늄, 루테늄 화합물로부터 선택되는 것이 바람직하다.
배리어층은, 이들의 1종으로 이루어지는 단층 구조이어도, 2종 이상으로 이루어지는 적층 구조이어도 좋다.
본 발명의 금속막용 연마액은, 배선 밀도가 50% 이상인 배선 형성부를 가지는 피연마막을 연마하는 경우에 적합하게 사용할 수 있다. 여기서 배선 밀도란, 배선이 형성되어 있는 부위에 있어서, 층간 절연막부와 배선 금속부(배리어 금속을 포함한다)의 각각의 폭으로부터 계산되는 값이며, 예를 들면 라인 앤드 스페이스가 100㎛/100㎛인 경우는, 그 부분의 배선 밀도는 50%이다.
배선 밀도가 50% 이상이면, 배선 금속부가 차지하는 면적이 커지기 때문에, 그 부분에 있어서의 에로젼 및 심의 문제가 현저하게 되는 경향이 있지만, 본 발명의 금속막용 연마액을 이용하여 연마를 실시하는 것에 의해, 이들 문제를 저감할 수 있다. 본 발명의 금속막용 연마액은, 상기 배선 밀도가 80% 이상인 배선 형성부를 가지는 피연마막을 연마하는 경우에도 매우 적합하게 사용할 수 있다.
연마하는 장치로서는, 예를 들면 연마포에 의해 연마하는 경우, 연마되는 기판을 유지할 수 있는 홀더와, 회전수가 변경 가능한 모터 등과 접속하고, 연마포를 첩부한 연마 정반을 가지는 일반적인 연마 장치를 사용할 수 있다. 연마포로서는, 일반적인 부직포, 발포 폴리우레탄, 다공질 불소 수지 등을 사용할 수 있고, 특별히 제한이 없다.
연마 조건에는 제한은 없지만, 정반의 회전 속도는 기판이 튀어 나오지 않도록 200rpm 이하의 저회전이 바람직하다. 피연마면을 가지는 반도체 기판의 연마포에의 압부 압력이 1~100kPa인 것이 바람직하고, 연마 속도의 피연마면 내 균일성 및 패턴의 평탄성을 만족시키기 위해서는, 5~50kPa인 것이 보다 바람직하다. 연마하고 있는 사이, 연마포에는 본 발명의 금속막용 연마액을 펌프 등으로 연속적으로 공급한다. 이 공급량에 제한은 없지만, 연마포의 표면이 항상 연마액으로 덮여 있는 것이 바람직하다.
연마 종료 후의 기판은, 유수 중에서 잘 세정 후, 스핀 드라이 등을 이용하여 기판상에 부착한 물방울을 떨어뜨리고 나서 건조시키는 것이 바람직하다.
연마포의 표면 상태를 항상 동일하게 하여 화학 기계 연마를 실시하기 위해서, 연마 전에 연마포의 컨디셔닝 공정을 넣는 것이 바람직하다. 예를 들면, 다이아몬드 입자가 붙은 드레서를 이용하여 적어도 물을 포함하는 액으로 연마포의 컨디셔닝을 실시한다. 이어서 본 발명의 연마방법을 실시하고, 또한, 기판 세정 공정을 가하는 것이 바람직하다.
본 발명의 연마방법은, 표면이 오목부 및 볼록부로 이루어지는 층간 절연막과, 상기 층간 절연막을 표면을 따라서 피복하는 배리어층과, 상기 오목부를 충전하여 배리어층을 피복하는 도전성 물질층(배선 금속층)을 가지는 기판을 준비하고, 상기 기판의 도전성 물질층을 연마하여 상기 볼록부의 배리어층을 노출시키는 제 1의 연마 공정과, 상기 제 1의 연마 공정으로 노출한 상기 기판의 배리어층을 본 발명의 금속막용 연마액을 사용하여 연마하여 상기 볼록부의 층간 절연막을 노출시키는 제 2의 연마 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 연마방법은, 예를 들면, 반도체 디바이스에 있어서의 배선층의 형성에 적용할 수 있다.
이하, 본 발명의 연마방법의 실시형태를, 반도체 디바이스에 있어서의 배선층의 형성에 따라 설명한다.
우선, 실리콘의 기판상에 이산화 규소 등의 층간 절연막을 적층한다. 뒤이어, 레지스트층 형성, 에칭 등의 공지의 수단에 의해서, 층간 절연막 표면에 소정 패턴의 오목부(기판 노출부)를 형성하고, 볼록부와 오목부를 가지는 층간 절연막으로 한다. 이 층간 절연막상에, 표면의 요철에 따라 층간 절연막을 피복하는 탄탈 등의 배리어층을 증착 또는 CVD 등에 의해 성막한다.
또한, 상기 오목부를 충전하도록 배리어층을 피복하는 구리 등의 도전성 물질층을 증착, 도금 또는 CVD 등에 의해 형성한다. 기판상에 형성된 층간 절연막의 두께는 0.01~2.0㎛정도, 배리어층의 두께는 0.01~2.5㎛정도, 도전성 물질층의 두께는 0.01~2.5㎛정도가 바람직하다. 이들 공정을 거쳐, 도 1의 (a)에 나타내는 것과 같은 구조를 가지는 기판을 얻을 수 있다.
다음에, 이 기판의 표면의 도전성 물질층을, 예를 들면 도전성 물질층/배리어층의 연마 속도비가 충분히 큰 도전성 물질용의 연마액을 사용하여, CMP에 의해 연마한다(제 1의 연마 공정). 이것에 의해, 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이, 기판상의 볼록부의 배리어층이 표면에 노출하고, 오목부에 상기 도전성 물질층이 남겨진 소망하는 도체 패턴이 얻어진다. 이 연마가 진행할 때에, 도전성 물질층과 동시에 볼록부의 배리어층의 일부가 연마되어도 좋다. 제 1의 연마 공정에 의해 얻어진 패턴면을, 제 2의 연마 공정용의 피연마면으로 하여, 본 발명의 금속막용 연마액을 사용하여 연마할 수 있다.
제 2의 연마 공정에서는, 상기 기판을 연마포상에 압압한 상태로 상기 연마포와 기판의 사이에 본 발명의 금속막용 연마액을 공급하면서 연마 정반과 상기 기판을 상대적으로 움직이는 것에 의해, 상기 제 1의 연마 공정에 의해 노출한 배리어층을 연마한다. 본 발명의 금속막용 연마액은, 도전성 물질층, 배리어층 및 층간 절연막을 연마할 수 있고, 제 2의 연마 공정에서는, 적어도, 상기 노출하고 있는 배리어층 및 오목부의 도전성 물질층을 연마한다.
볼록부의 배리어층 아래의 층간 절연막이 모두 노출하고, 오목부에 배선층으로 되는 상기 도전성 물질층이 남겨져, 볼록부와 오목부와의 경계에 배리어층의 단면이 노출한 소망하는 패턴이 얻어진 시점에서 연마를 종료한다. 이 상태는 도 1의 (c)로 표시된다.
연마 종료시의 보다 뛰어난 평탄성을 확보하기 위해서, 더욱 오버 연마(예를 들면, 제 2의 연마 공정으로 소망하는 패턴이 얻어질 때까지의 시간이 100초인 경우, 이 100초의 연마에 가하여 50초 추가하여 연마하는 것을 오버 연마 50%라고 한다.)하여 볼록부의 층간 절연막의 일부를 포함하는 깊이까지 연마해도 좋다(도시하지 않음).
이와 같이 하여 형성된 금속 배선상에, 더욱, 층간 절연막 및 제 2층째의 금속 배선을 형성하고, 그 배선간 및 배선상에 재차 층간 절연막을 형성 후, 연마하여 반도체 기판 전면에 걸쳐 평활한 면으로 한다. 이 공정을 소정수 반복하는 것에 의해, 소망하는 배선층수를 가지는 반도체 디바이스를 제조할 수 있다.
본 발명의 금속막용 연마액은, 상기와 같은 반도체 기판에 형성된 금속막의 연마뿐만이 아니라, 자기헤드 등의 기판을 연마하기 위해서도 사용할 수 있다.
[도 1] 도 1은, 다마신프로세스에 의한 배선 형성에 관한 단면 모식도이다.
[도 2] 도 2는, 구리배선 부착 패턴 기판의 배선 금속부와 층간 절연막부가 번갈아 병렬한 스트라이프상 패턴부와 에로젼을 나타내는 단면 모식도이다.
[도 3] 도 3은, 구리배선 부착 패턴 기판의 배선 금속부와 층간 절연막부가 번갈아 병렬한 부분과 심을 나타내는 단면 모식도이다.
이하에, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 않는 한, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 연마액의 재료의 종류나 그 배합 비율은, 본 실시예 기재의 종류나 비율 이외에도 상관없고, 연마 대상의 조성이나 구조도, 본 실시예 기재 이외의 조성이나 구조이어도 상관없다.
실시예 1~ 14 및 비교예 1~6
( 연마액작성 방법)
표 1~표 3에 나타내는 각 성분을 소정량 혼합하여, 실시예 1~14 및 비교예 1~6의 각 금속막용 연마액을 조제했다.
또한, 표 1~표 3의 공중합체 *1~*5에 있어서의 모노머의 몰비율(몰%)은 이하와 같다.
*1: 메타크릴산/아크릴산=94/6
*2: 메타크릴산/아크릴산=73/27
*3: 메타크릴산/메타크릴산메틸=90/10
*4: 메타크릴산/아크릴산부틸=95/5
*5: 메타크릴산/메타크릴산부틸=95/5
(구리패턴 기판의 연마)
구리배선 부착 패턴 기판(ATDF제 854CMP 패턴: 이산화 규소로 이루어지는 두께 500nm의 층간 절연막)의 홈부 이외의 구리막을, 구리막 연마용 연마액(히타치화성공업(주) 제, HS-H635)을 사용하여 공지의 CMP법에 의해 연마하여 볼록부의 배리어층을 피연마면에 노출시킨 도 1의 (b)에 나타내는 것과 같은 상태의 기판을 얻었다. 이 기판을 본 발명의 금속막용 연마액의 연마 특성 평가에 사용했다. 또한, 상기 패턴 기판의 배리어층은 두께 250Å의 질화 탄탈막으로 이루어져 있었다.
[연마 조건]
연마 장치: 편면 금속막용 연마기(어플라이드머테리얼즈제, MIRRA)
연마포: 스웨드상 발포 폴리우레탄 수지제 연마포
정반 회전수: 93회/min
헤드 회전수: 87회/min
연마 압력: 14kPa
연마액의 공급량: 200ml/min
<기판의 연마 공정>
상기 패턴 기판을 상기 연마액 작성 방법으로 조제한 각 금속막용 연마액으로, 상기 연마 조건으로 60초간 화학 기계를 연마했다. 이것은, 제 2의 연마 공정에 상당하고, 약 30초에 볼록부의 층간 절연막은 모두 피연마면에 노출하고, 나머지의 30초는, 볼록부에서는 이 노출한 층간 절연막을 연마했다.
<기판의 세정 공정>
상기 기판의 연마 공정에서 연마한 패턴 기판의 피연마면에 스펀지 브러쉬(폴리비닐알코올계 수지제)를 밀어붙이고, 증류수를 기판에 공급하면서 기판과 스펀지 브러쉬를 회전시켜, 60초간 세정했다. 다음에 스펀지 브러쉬를 제거하고, 기판의 피연마면에 증류수를 60초간 공급했다. 최후에 기판을 고속으로 회전시키는 것으로 증류수를 튀기면서 기판을 건조하고, 이하의 평가에서 사용하는 패턴 기판을 얻었다.
<평가 항목>
상기 기판의 세정 공정에서 얻은 패턴 기판에 관하여, 하기 (1) 및 (2)에 나타내는 평가를 실시했다.
(1)에로젼량: 상기 기판의 세정 공정에서 얻은 패턴 기판에 있어서, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 폭 90㎛의 배선 금속부, 폭 10㎛의 층간 절연막부가 번갈아 병렬한 총폭 2990㎛의 스트라이프상 패턴부의 표면 형상을 촉침식 단차계에 의해 측정했다. 뒤이어, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 스트라이프상 패턴부의 층간 절연막의 연마량의 최대치(B)와, 스트라이프상 패턴부 외연의 층간 절연막부의 (A)와의 차 (B)-(A), 즉 에로젼량을 구하여, 평탄성의 지표로 했다.
(2)심량: 상기 기판의 세정 공정에서 얻은 패턴 기판에 있어서, 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 폭 100㎛의 배선 금속부, 폭 100㎛의 층간 절연막부가 번갈아 병렬한 총폭 2900㎛의 스트라이프상 패턴부의 표면 형상을 촉침식 단차계에 따라 측정했다. 뒤이어, 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 배선 금속부 근방(6)의 층간 절연막상단으로부터, 과잉으로 제거된 층간 절연막부 하단까지의 거리(C), 즉 심량을 구하여, 평탄성의 지표로 했다.
또한, 층간 절연막부의 막두께의 측정은, 구리배선 부착 패턴 기판을 사용하여 연마를 실시하고, 폭 100㎛의 배선 금속부, 폭 100㎛의 층간 절연막부가 번갈아 병렬한 총폭 2900㎛의 스트라이프상 패턴부의 층간 절연막의 막두께를 광학식 막두께계에 의해 구하고, 층간 절연막 연마량으로 했다.
또한, 도 2는, 상기 구리배선 부착 패턴 기판의, 폭 90㎛의 배선 금속부, 폭 10㎛의 층간 절연막부가 번갈아 병렬한 스트라이프상 패턴부의 단면 모식도이며, 1은 층간 절연막, 2는 배리어층, 3은 배선 금속층, 4는 에로젼, 5는 연마전 상태, A는 스트라이프상 패턴부 외연의 층간 절연막부의 연마량, B는 스트라이프상 패턴부의 층간 절연막부의 연마량의 최대치를 각각 나타낸다.
도 3은, 상기 구리배선 부착 패턴 기판의 폭 100㎛의 배선 금속부, 100㎛의 층간 절연막부가 번갈아 병렬한 부분의 단면 모식도이며, 1은 층간 절연막, 2는 배리어층, 3은 배선 금속층, 5는 연마전 상태, 6은 층간 절연막의 배선 금속부 근방, 7은 심, C는 배선 금속부 근방의 층간 절연막부 상단으로부터, 과잉으로 깍여진 층간 절연막부 하단까지의 거리를 나타낸다.
(3)결함: 결함 검사 장치(어플라이드머테리얼제, Complus 3T)로 기판상의 결함을 조사한 후, 측장 주사형전자현미경을 사용하여, 1㎠ 당의 모든 결함(스크래치·유기잔사)수를 조사하여, 평가를 실시했다.
[표 1]
Figure pct00001

[표 2]
Figure pct00002

[표 3]
Figure pct00003
표 1~표 3에 실시예 1~14 및 비교예 1~6의 금속용 연마액을 사용하여 연마한 평가 결과를 나타낸다. 폴리머를 미첨가의 비교예 1 및 2에서는, 에로젼이 600~640Å, 심이 350~380Å으로 크게 발생하여 피연마면의 평탄성이 낮다. 폴리메타크릴산계 폴리머 이외의 폴리머를 첨가한 비교예 3~6에서는, 비교예 1 및 2에 비하여 에로젼 및 심의 발생이 약간 억제되지만, 여전히 피연마면의 평탄성은 낮다. 그들에 대하여, 본 발명의 금속용 연마액을 이용한 실시예 1~14에서는, 에로젼 및 심이 효과적으로 억제되고, 피연마면이 높은 평탄성이 얻어진다. 또한, 메타크릴산과 아크릴산 또는 아크릴산계 에스테르류와의 공중합체를 사용한 실시예 5~14는, 메타크릴산의 호모폴리머를 사용한 실시예 1~4와 비교하여, 에로젼 및 심을 동일한 정도 억제하고, 또한 결함이 적다.

Claims (12)

  1. 지립, 메타크릴산계 폴리머 및 물을 함유하는 것을 특징으로 하는 금속막용 연마액.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 메타크릴산계 폴리머가, 메타크릴산의 호모 폴리머 및, 메타크릴산과 그 메타크릴산과 공중합 가능한 모노머와의 코폴리머로부터 선택되는 적어도 1종인 금속막용 연마액.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 지립은, 실리카, 알루미나, 세리아, 티타니아, 지르코니아, 게르마니아 또는 이들의 변성물로부터 선택되는 적어도 1종인 금속막용 연마액.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 유기용매를 더 함유하는 금속막용 연마액.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 산화 금속 용해제를 더 함유하는 금속막용 연마액.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 금속의 산화제를 더 함유하는 금속막용 연마액.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 금속의 방식제를 더 함유하는 금속막용 연마액.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 표면에 배선 밀도가 50% 이상인 배선 형성부를 가지는 피연마막을 연마하기 위한 연마액인, 금속막용 연마액.
  9. 표면이 오목부 및 볼록부로 이루어지는 층간 절연막과, 상기 층간 절연막을 표면에 따라 피복하는 배리어층과, 상기 오목부를 충전하여 배리어층을 피복하는 도전성 물질층을 가지는 기판의 도전성 물질층을 연마하여 상기 볼록부의 배리어층을 노출시키는 제 1의 연마 공정과,
    상기 제 1의 연마 공정에서 노출한 상기 기판의 배리어층을 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 기재된 금속막용 연마액을 사용하여 연마하여 상기 볼록부의 층간 절연막을 노출시키는 제 2의 연마 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 층간 절연막이 실리콘계 피막 또는 유기 폴리머막인 연마방법.
  11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서, 상기 도전성 물질이 구리를 주성분으로 하는 연마방법.
  12. 제 9항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배리어층이 탄탈, 탄탈 화합물, 티탄, 티탄 화합물, 텅스텐, 텅스텐 화합물, 루테늄 및 루테늄 화합물로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 연마방법.
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