WO2003092945A1 - Liquide et procede de polissage electrolytique et procede de fabrication d'un dispositif a semi-conducteurs - Google Patents

Liquide et procede de polissage electrolytique et procede de fabrication d'un dispositif a semi-conducteurs Download PDF

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WO2003092945A1
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metal film
polishing
electrolytic
oxidizing
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Shuzo Sato
Takeshi Nogami
Shingo Takahashi
Naoki Komai
Kaori Tai
Hiroshi Horikoshi
Hiizu Ohtorii
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Sony Corporation
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    • H01L21/3212—Planarisation by chemical mechanical polishing [CMP]
    • H01L21/32125—Planarisation by chemical mechanical polishing [CMP] by simultaneously passing an electrical current, i.e. electrochemical mechanical polishing, e.g. ECMP

Definitions

  • Electropolishing liquid electropolishing method, and method of manufacturing semiconductor device
  • the present invention relates to an electropolishing liquid containing at least polishing grains.
  • the present invention relates to a method for polishing a polishing pad using the electrolytic polishing solution and a method for manufacturing a semiconductor device.
  • an aluminum (A 1) -based alloy has been used as a material for fine wiring of a semiconductor device such as an LSI (Large Scale Integration) formed on a semiconductor wafer.
  • LSI Large Scale Integration
  • the circuit delay due to the parasitic resistance and parasitic capacitance of the wiring becomes dominant as the wiring becomes finer, and as a wiring material, it has lower resistance and lower capacitance than A1 series alloys, and high reliability.
  • the use of copper (Cu) to be realized is being considered.
  • Cu has a low specific resistance of 1.8 cm, which is advantageous for increasing the speed of LSIs, and it is expected to be a next-generation material because the migration resistance of the electron port is about an order of magnitude higher than that of A1-based alloys. Is what is being done.
  • the so-called damascene method is generally used because dry etching of Cu is not easy.
  • a predetermined groove is formed in advance in an interlayer insulating film made of, for example, silicon oxide, and Cu is buried in the groove, and then the excess wiring material is subjected to chemical mechanical polishing.
  • connection holes Via
  • wiring grooves Trench
  • porous silica with a dielectric constant of 2 or less can be used.
  • the use of ultra-low dielectric constant materials for interlayer insulating films is being studied.
  • the processing pressure applied during conventional CMP is 4 PSI to 6 PSI (1 PSI is about 70 g / cm 2 ; Under 0 to 420 g / cm 2 ), crushing, cracking, peeling, and the like occur in the insulating film formed of the low dielectric constant material, and it becomes impossible to form a favorable wiring.
  • the pressure is about 1.5 PSI (105 g / cm 2 ), which is the pressure at which the insulating film formed of the low dielectric constant material can withstand mechanically. If the CMP pressure is reduced, the polishing rate required for normal production rates cannot be obtained. As described above, there is a fundamental problem in performing CMP in forming wiring using ultra-low-k material.
  • the electroplating is performed for the purpose of achieving complete embedding without causing defects such as pits and pits.
  • various additives added to the plating solution cause swelling (hump) of a predetermined value or more in a dense portion of fine wiring and a dent in a wide wiring portion, and large irregularities remain on the surface.
  • problems such as partial loss of wiring, over-polishing such as dicing (recess), recess (indentation), or short-circuiting between wiring and under polishing of islands and the like are caused.
  • a metal film for example, a Cu film
  • the metal film for example, a Cu film
  • Electrolytic polishing is performed by applying an electrolytic voltage through an electrolytic solution to supply an electrolytic current.
  • the oxide reacts with the complex-forming agent contained in the electrolyte to form a deteriorated layer such as a high electric resistance layer, an insoluble complex film, and a passive film on the surface of the metal film.
  • the altered layer is removed by wiping the altered layer with a pad as described above.
  • only the altered layer on the convex surface of the metal film having irregularities is removed and the underlying metal is exposed, whereas the altered layer on the concave surface remains. Therefore, only the convex portion where the base metal is exposed is partially re-electrolyzed, and the wiping is further performed, whereby polishing of the convex portion proceeds. By repeating such a cycle, the surface of the semiconductor wafer is flattened.
  • an electrolyte is added to a slurry based on CMP containing polishing abrasive grains such as alumina abrasive grains.
  • an electropolishing liquid having the necessary conductivity for flowing an electrolytic current is used.
  • the polishing abrasive grains are completely removed in the electropolishing liquid.
  • the alumina abrasive grains are positively charged and repel each other by their own zeta potential, and a good dispersion state is obtained depending on the added electrolyte.
  • the pH of the electropolishing liquid is tilted toward the neutral or alkaline side, causing a decrease in the potential of the alumina abrasive grains over time, and consequently, aggregation and precipitation of the alumina abrasive grains.
  • huge defects such as generation of scratches and remaining alumina abrasive grains during polishing may occur, and short-circuiting and opening between wirings may be caused.
  • the electropolishing liquid has an etching effect, the excess portion is removed from the 100% state where the metal film area on the surface of the semiconductor wafer is 100% formed over the entire surface at the beginning of polishing.
  • the removal rate difference between the huge remaining part and the wide wiring part left behind due to concentration of the elution rate on the fine wiring part and the independent fine wiring part is reduced.
  • the elution rate of fine wiring may increase at an accelerated rate, and wiring may be lost.
  • An object of the present invention is to provide an electropolishing liquid capable of improving conductivity without causing aggregation and precipitation of abrasive grains.
  • Another object of the present invention is to provide an electrolytic polishing method and a method for manufacturing a semiconductor device, which can realize good flattening without causing a defect in a metal film or wiring to be polished. Disclosure of the invention
  • the electropolishing liquid according to the present invention performs planarization by sliding a polishing pad on the surface of a metal film while oxidizing the surface of the metal film to be polished by an electrolytic action.
  • An electropolishing liquid used in an electropolishing method comprising at least polishing abrasive grains and an electrolyte for maintaining the charged state of the polishing abrasive grains.
  • an electrolyte that maintains the charged state of the abrasive grains is used as an electrolyte for imparting conductivity. For this reason, while the electropolishing liquid has high conductivity, the charged state of the abrasive grains repels each other without being neutralized, so that the abrasive grains do not aggregate and precipitate.
  • the polishing pad in the electropolishing liquid, is slid on the surface of the metal film while the surface of the metal film to be polished is oxidized by an electrolytic action, thereby planarizing the surface.
  • An electropolishing method characterized in that the electropolishing liquid contains at least polishing abrasive grains and an electrolyte that maintains the charged state of the polishing abrasive grains.
  • the method of manufacturing a semiconductor device includes a step of forming a wiring groove for forming a metal wiring in an insulating film formed on a substrate; and forming the wiring groove on the insulating film so as to fill the wiring groove.
  • the electropolishing liquid contains at least polishing abrasive grains and an electrolyte that maintains a charged state of the polishing abrasive grains.
  • FIG. 1 is a characteristic diagram showing the zeta potential and the pH dependence of the dispersion state of alumina abrasive grains.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an electropolishing apparatus to which the present invention is applied.
  • FIG. 3 is a plan view for explaining a sliding state between the polishing pad and the pad 18 of the electrolytic polishing apparatus.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIG. 5 is an enlarged sectional view of a circle B in FIG.
  • FIG. 6 is an enlarged plan view of a circle C in FIG.
  • FIGS. 7A to 7G are views for explaining a method for manufacturing a semiconductor device to which the present invention is applied.
  • 7A is a sectional view showing an interlayer insulating film forming step
  • FIG. 7B is a sectional view showing a dual damascene structure forming step
  • FIG. 7C is a sectional view showing a barrier metal film forming step
  • FIG. 7D is a seed film forming step.
  • FIG. 7E is a cross-sectional view showing a Cu embedding step
  • FIG. 7F is a cross-sectional view showing an electrolytic polishing step.
  • FIG. 7G is a cross-sectional view showing the cap film forming process.
  • the electrolytic polishing liquid of the present invention is used in an electrolytic polishing method for oxidizing the surface of a metal film to be polished by an electrolytic action and moving a polishing pad on the surface of the metal film to planarize the surface. It is.
  • the metal film is a Cu film
  • the electrolytic polishing liquid state are those based on slurry used in CMP, abrasive grains containing alumina (A 1 2 0 3) to enhance the flattening capability (hereinafter referred to as alumina abrasive grains.) It contains various additives such as abrasive dispersants, oxidizing agents, complexing agents, anticorrosives and brighteners. Further, the electropolishing liquid of the present invention contains an electrolyte for improving the conductivity required for flowing an electrolytic current.
  • Alumina abrasive grains are pressed and slid on the Cu film by a polishing pad disposed opposite to the Cu film, thereby causing the surface of the Cu film that has been altered by the formation of an oxide complex due to electrolytic action or the like.
  • the protrusions are mechanically shaved and removed.
  • the alumina abrasive preferably has a primary particle diameter of about 0.05 zm and a secondary particle diameter of about 0.1 to 0.3 m.
  • Alumina abrasive grains in the electropolishing liquid have a large fluctuating potential depending on the pH of the electropolishing liquid, and particularly have an isoelectric point near pH 9 where the fog potential becomes zero. This At the isoelectric point, the electrostatic repulsion between the alumina abrasive grains disappears, and the aggregation of the alumina abrasive grains becomes remarkable. Also, the dispersion effect of the surfactant greatly varies depending on the pH. Therefore, in order to stabilize the dispersion state of the alumina abrasive grains in the electropolishing liquid, it is necessary to adjust the pH within an appropriate range. 0 to pH 3.5.
  • the electrolyte added to the electropolishing liquid must exhibit sufficient conductivity in an acidic region where the alumina abrasive grains are well dispersed, specifically, in the range of pH 3.0 to pH 3.5. Is required. Therefore, directly using an alkali metal such as sodium potassium as the electrolyte is not suitable because the pH of the electropolishing liquid is shifted to the alkali side.
  • the electrolytic polishing is carried out by combining the above-described alumina abrasive grains with a specific electrolyte that does not greatly change the PH at which the alumina abrasive grains exhibit a high zeta potential.
  • the conductivity of the polishing liquid is increased, the positively charged state of the alumina abrasive grains is maintained and repel each other, thereby suppressing the aggregation and precipitation of the alumina abrasive grains.
  • a metal film can be formed without generating defects such as scratches caused by aggregation and precipitation of alumina abrasive grains. Is realized.
  • the electrolyte contained in the electropolishing liquid is required to have various characteristics in addition to the above-mentioned large fluctuation of the pH of the electropolishing liquid.
  • electrolytes are required to have no oxidizing power. The reason is that when an acid having a strong oxidizing power such as nitric acid or hydrochloric acid or an oxidizing electrolyte such as iodine is added to the electropolishing liquid, the oxidizing electrolyte oxidizes the Cu film surface. This is because the Cu oxide may react with the complex-forming agent in the electropolishing liquid to form a complex, and Cu may be eluted.
  • the electrolyte is required not to directly act on the Cu film, that is, to have no dissolving effect on the Cu film.
  • the reason is that when sulfate ions, ammonium ions, chloride ions, etc. are added to the electropolishing liquid in the form of, for example, ammonium sulfate, they react with the Cu film to form a water-soluble complex and elute Cu. This is because the Cu film may be directly dissolved to elute Cu.
  • the electrolyte is required to have no corrosiveness or specific adsorption property to the Cu film.
  • chlorinated propionate or the like which shows corrosiveness or specific adsorptivity to the Cu film, is added to the electropolishing liquid, the surface of the Cu film will be corroded, roughened, and pitted at the end point of polishing. This is because the flatness of the Cu film surface is impaired.
  • the electrolytic polishing liquid of the present invention can oxidize a Cu film, dissolve Cu by acting directly on the Cu film, There is no adverse effect such as corrosion of the film. For this reason, when the electropolishing liquid is used in an electropolishing method as described later, more excellent flatness and better wiring formation can be realized.
  • Electrolyte that satisfies the conditions described above can be broadly classified into non-oxidizing acids, non-oxidizing neutral salts, non-oxidizing neutral metal salts, and Cu ions.
  • the acid having no oxidizing power includes, for example, phosphoric acid.
  • examples of neutral salts having no oxidizing power include sodium sulfate and potassium sulfate.
  • examples of the neutral metal salt having no oxidizing power include aluminum sulfate, aluminum phosphate, cobalt sulfate, nickel sulfate and the like.
  • the Cu ions may be generated by adding copper oxide (CuO), anhydrous copper sulfate, copper phosphate, or the like to the electropolishing liquid, or may be Cu ions to be polished. By applying electricity to the u film, Cu is electrolyzed and electrolyzed. It may be dissolved in a polishing liquid.
  • phosphoric acid is particularly preferably used.
  • the amount of these electrolytes to be added there is an optimum range for the amount of these electrolytes to be added.
  • phosphoric acid when used as the electrolyte, it is preferable to add about 4 g to 8 g of phosphoric acid to 100 g of the electropolishing liquid containing no electrolyte.
  • the pH can be within the range of pH 3.0 to pH 3.5 without a large variation in pH, and the conductivity required for electrolytic polishing can be obtained.
  • sodium sulfate is used as the electrolyte, it is preferable to add sodium sulfate at a ratio of about 2 g to 4 g with respect to 100 g of the electrolytic polishing liquid containing no electrolyte.
  • the conductivity required for electrolytic polishing can be obtained without a large change in pH.
  • the conductivity required for the above-mentioned electropolishing is defined as a current density of 10 m when a voltage of 2 V is applied with a distance of 20 mm using the electropolishing liquid. A / cm 2 330 m AZ cm 2 or more.
  • the surfactant is a component added for the purpose of stabilizing the dispersion state of the originally insoluble alumina abrasive grains in the electropolishing liquid.
  • a surfactant forms a micellar structure in the individual alumina abrasive grains and hydrates them to stabilize the dispersion of the alumina abrasive grains in the electropolishing liquid and prevent aggregation and precipitation of the alumina abrasive grains.
  • Representative surfactants include anionic surfactants, nonionic surfactants, cationic surfactants, amphoteric surfactants, etc., but positively charged alumina abrasives In order to improve the dispersion of the surfactant, it is particularly preferable to use an anionic surfactant or a nonionic surfactant. Good.
  • anionic surfactants include fatty acid salts such as fatty acid sodium and fatty acid rim, alkyl sulfate ester salts such as sodium alkyl sulfate, alkylbenzene sulfonates such as sodium alkylbenzene sulfonate, and alkyl naphthalene sulfonic acid. Salts, polyoxyethylene alkyl phosphate, polyoxyethylene alkyl sulfate, polyoxyethylene alkyl ether acetate, and the like.
  • nonionic surfactants include polyoxyethylene alkyl ether, polyoxyalkylene alkyl ether, sorbin fatty acid ester, glycerin fatty acid ester, polyoxyethylene fatty acid ester, and polyoxyethylene glyceride. No.
  • the oxidizing agent is used to oxidize the surface of the Cu film so that the complexing agent can generate chelate to form a Cu oxide.
  • Specific oxidizing agents can be used with H 2 0 2, etc. In example embodiment. In this case, it H 2 0 2 concentration is about 5 volume%, i.e., when used, for example 3 0% H 2 ⁇ 2, electrolytic polishing solution of this 3 0% H 2 0 2 solution 1 It is preferable to add about 5% by volume.
  • the complexing agent reacts with the Cu oxide formed on the Cu film surface by the above-mentioned oxidizing agent to form a fragile insoluble chelate.
  • Specific examples of the complex forming agent include quinaldic acid and anthranilic acid, and the concentration thereof is preferably about 1% by weight.
  • additives such as an anticorrosive and a brightener may be added to the electropolishing liquid.
  • the electrolytic polishing liquid having the above composition is used in an electrolytic polishing method using an electrolytic polishing apparatus 1 as shown in FIG.
  • This electropolishing apparatus 1 uses a Cu film, which is an object to be polished and is formed on a wafer, and which is energized as an anode. This is a device for flattening by solution action and mechanical polishing.
  • the electrolytic polishing method of the present invention is not limited to the electrolytic polishing method using the electrolytic polishing apparatus described below, and it goes without saying that the present invention can be applied to various electrolytic polishing methods.
  • the electropolishing apparatus 1 of the present invention comprises: an apparatus main body 2 for polishing to about 18 W; a power supply 3 for supplying a predetermined electrolytic current to the apparatus main body 2; and an electrolytic polishing in an electrolytic tank in the apparatus main body 2.
  • Electropolishing liquid tank 4 for supplying the liquid, wafer feeder / discharge unit 5 for introducing AW-8 into electropolishing device 1, and cleaning of wafer W from wafer feeder / discharge unit 5
  • Wafer cleaning section 6, wafer transport section 7 for transporting and removing the wafer W to and from the apparatus body 2, these apparatus body 2, electropolishing liquid tank 4, wafer ejection section 5, a control section 8 for controlling the wafer cleaning section 6 and the wafer transport section 7 and an operation section 9 for operating the control section 8.
  • the apparatus main body 2 includes a wafer chuck 10 that chucks the surface of the wafer W having the Cu film formed thereon in a downward direction, and a wafer chuck 10 that is rotated at a predetermined rotational speed in the direction of arrow r.
  • a wafer rotating shaft 11 that is driven to rotate by a wafer, and a wafer pressurizing means 12 that guides the wafer chuck 10 in the vertical direction, that is, the Z-axis direction, and presses the wafer chuck 10 downward at a predetermined pressure.
  • the wafer pressurizing means 12 has a counter weight 13, cancels its own weight of the wafer chuck 10, the wafer rotating shaft 11, etc., and then sets 0.1 PSI ′.
  • the apparatus main body 2 is provided with an electrolytic tank 14 for storing a predetermined amount of the electropolishing liquid E of the present invention at a position facing the above-mentioned wafer chuck 10. Further, in the electrolytic cell 14, a flat donut-shaped polishing pad 15 slidably contacting the surface of the wafer W while being immersed in the electrolytic polishing liquid E is provided. The polishing pad 15 is attached to the surface plate 16 and the surface plate 16 The pad is rotated at a predetermined rotational speed in the direction of arrow R by a pad rotating shaft 17 that supports the motor.
  • the polishing pad '15 is made of, for example, foamed polyurethane, foamed polypropylene, polyvinyl acetal, etc., has a hardness (Young's modulus) of 0.02 GPa to 0.10 GPa, and penetrates in the thickness direction. It has a slurry supply hole through which the electropolishing liquid E is interposed.
  • the inner and outer peripheral edges of the polishing pad 15 on the surface plate 16 are provided with an anode energizing ring 18, 1 that contacts and slides on an edge of the wafer W described later to energize the wafer W as an anode. 9 are placed each.
  • the electrode material of the anode energizing rings 18 and 19 is made of, for example, graphite, sintered Cu alloy, sintered silver alloy, or other carbon-based alloys, or Pt, Cu, or the like.
  • a cathode plate 20 is arranged further below the polishing pad 15 so as to face the wafer W via the surface plate 16.
  • the cathode plate 20 is supplied with a cathode through an electropolishing liquid E.
  • the cathode plate 20 has a disk shape, and the electrode material is made of, for example, Cu, Pt, or the like.
  • a waste liquid pipe 21 is attached to the electrolytic cell 14, and the waste liquid pipe 21 discharges the used electrolytic polishing liquid E to the outside of the apparatus body 2.
  • a method of polishing the Cu film 22 formed on the wafer W by the electropolishing apparatus 1 having the above-described configuration will be described with reference to FIGS. 3 to 6.
  • the wafer transport unit will be described.
  • the wafer W carried in from 7 is chucked downward by the wafer chuck 10.
  • the wafer W is rotated in the direction of the arrow r at 10 rpm to 30 rpm by the wafer rotating shaft 11 and the wafer pressing means 12.
  • the polishing pad 15 is pressed with a processing pressure of about 0.5 PSI to 1.5 PSI (35 gZ cm 2 to 105 gZ cm 2 ).
  • the polishing pad 15 attached to the surface plate 16 is rotated in the direction of arrow R at 60 rpm to 120 rpm by the pad rotating shaft 17 so that the electrolytic polishing solution Slide in contact with the surface of the wafer W via E. 05366
  • the polishing pad 15 has a slurry supply hole 15a penetrating in the film thickness direction and a wafer W surface (Cu film 2). From 2), the electropolishing liquid E is interposed to the cathode plate 20 through the pad support net 15b and the surface plate 16.
  • the anode is energized to the Cu film 22 via the anode energizing rings 18 and 19, and the polishing pad facing the Electrolytic current (current density of 10 mA / cm 2 to 50 mA / cm 2 ) required for electropolishing flows to the cathode plate 20 through the slurry supply hole 15 a of 15. Then, the surface of the Cu film 22 which receives an electrolytic action as an anode is anodized, and a Cu oxide film is formed on the surface layer.
  • the Cu oxide reacts with the complex forming agent contained in the electropolishing liquid E to form a Cu complex forming product, and the Cu complex forming product forms a high electric resistance layer, an insoluble complex coating, and an insoluble complex coating.
  • An altered layer such as a dynamic film is formed on the surface of the Cu film 22.
  • wiping is performed as described above.
  • the altered layer existing on the surface of the projections of the Cu film 22 having irregularities is mechanically removed. While exposing the underlying Cu, the altered layer in the recess remains without being removed.
  • the part where Cu is exposed after the removal of the denatured layer of the protrusions is again subjected to electrolytic action.
  • the electropolishing solution contains a combination of a specific electrolyte that does not significantly change the pH indicating the data potential, it does not cause defects such as scratches caused by coagulation and precipitation of alumina abrasive grains, Realizes film flattening.
  • the electropolishing liquid having high conductivity since the electropolishing liquid having high conductivity is used, the electrolytic current at the same applied voltage can be increased as compared with, for example, a case where a general CMP slurry is used as the electropolishing liquid.
  • the distance between the electrodes can be increased, so that the uniformity of the electrolytic action is improved and a uniform altered layer can be formed on the surface of the Cu film.
  • the flatness of the Cu film can be further improved.
  • the Cu film is efficiently removed at a low contact pressure. Specifically, at a processing pressure of 1 PSI (70 g / cm 2 ) of the polishing pad 15, a polishing rate as high as 500 A / min can be realized.
  • an energization sequence when performing the electropolishing method for example, the following four energization sequences can be exemplified, but are not limited thereto.
  • Simultaneous electrolysis A method in which an energizing operation for generating an electrolytic action and a mechanical polishing operation using a polishing pad are simultaneously performed.
  • Sequential current A method of turning on and off the current during mechanical polishing operation by a polishing pad.
  • the current is intermittently applied while the sliding operation by the polishing pad is continued, thereby suppressing the growth of defects such as the roughening of the Cu film surface and minute pits due to the electrolytic action, and the polishing pad.
  • the non-energizing time required to recover by the polishing action by the slag is provided. For example, by setting a non-energizing time of about one second to several tens of seconds, the polishing action completely recovers the defective electrolytic surface to the defect-free polished surface.
  • the above-described electrolytic polishing method can be applied to a polishing step of removing excess metal from a metal film formed for filling a wiring groove and flattening the same to form a metal wiring in the manufacture of a semiconductor device such as an LSI. it can.
  • a method of manufacturing a semiconductor device in which the above-described electrolytic polishing method is performed during the manufacturing process will be described.
  • a metal wiring made of Cu is formed by using a so-called damascene method.
  • a device such as a transistor (not shown) is formed on a wafer substrate 31 made of silicon or the like in advance and an interlayer made of a material having a low dielectric constant such as a porous silicon force.
  • the insulating film 32 is formed.
  • the interlayer insulating film 32 is formed by, for example, a low pressure CVD (Chemical Vapor Deposition) method.
  • the contact hole CH and the wiring groove M leading to the impurity diffusion region (not shown) of the wafer substrate 31 are formed by, for example, a known photolithography technique. It is formed using an etching technique.
  • a non-metal film 33 is formed on the interlayer insulating film 32, in the contact hole CH and in the wiring groove M.
  • the barrier metal film 33 is made of a material such as Ta, Ti, W, Co, TaN, Tin, WN, CoW, CoWP, etc. by using a sputtering device, a vacuum deposition device, or the like. It is formed by the PVD (Physical Vapor Deposition) method used. This barrier metal film 33 is formed for the purpose of preventing the diffusion of Cu into the interlayer insulating film.
  • Cu is buried in the wiring groove M and the contact hole CH.
  • the burying of Cu can be performed by various known techniques, such as electrolytic plating, CVD, sputtering and reflow, high-pressure reflow, and electroless plating.
  • Cu is preferably embedded by the electrolytic plating method from the viewpoints of the film forming speed, the film forming cost, the purity of the formed metal material, and the adhesion.
  • a shield film made of Cu which is the same material as the wiring forming material, ie, Cu, is formed on the metal film 33. Is formed by a sputtering method or the like.
  • the seed film 34 is formed to promote the growth of Cu grains when Cu is buried in the wiring groove M and the contact hole CH.
  • the Cu is buried in the wiring groove M and the contact hole CH by the above-described various methods, as shown in FIG.7E, over the entire surface of the interlayer insulating film 32 including the inside of the wiring groove M and the contact hole CH. This is performed by forming a Cu film 35.
  • the Cu film 35 has a thickness at least equal to or greater than the depth of the wiring groove M and the contact hole CH, and is formed on the interlayer insulating film 32 having a step called the wiring groove M and the contact hole CH. Therefore, the film has a step corresponding to the pattern.
  • the electrolytic plating method When Cu is buried, the shield film 34 formed on the barrier metal film 33 is integrated with the Cu film 35.
  • a polishing process is performed on the wafer substrate 31 on which the above-described Cu film 35 is formed.
  • the above-described electrolytic polishing using the electrolytic polishing solution and wiping by the polishing pad are performed. Is performed simultaneously. That is, current is supplied using the Cu film 35 as an anode, and the Cu film 35 and the cathode plate are opposed to each other in an electrolytic polishing solution, and electrolytic polishing is performed by flowing an electrolytic current.
  • 1.5 PSI 105 gZ
  • 1.5 PSI which is the breaking pressure of an ultra-low dielectric material such as porous silica
  • the polishing pad is pressed and slid with a pressure of about 2 cm 2 ) or less to perform wiping to remove the altered layer of the convex portion of the Cu film 35.
  • the electrolytic polishing is advanced to further anodize the underlying Cu film 35.
  • the electrolytic polishing does not proceed, and as a result, only the convex portions of the Cu film 35 are polished.
  • the Cu film 35 is planarized as shown in FIG. 7F, and the wiring groove M and the contact hole are formed.
  • Cu wiring 36 is formed in CH.
  • the barrier metal film 33 is polished and cleaned, and as shown in FIG. 7G, the cap film is formed on the wafer substrate 31 on which the Cu wiring 36 is formed. 3 7 is formed. Then, the above-described steps from the formation of the interlayer insulating film 32 (shown in FIG. 7A) to the formation of the cap film 37 are repeated to form a multilayer. '.
  • the electropolishing liquid as described above is used.
  • the electropolishing method using the above-mentioned electropolishing liquid does not require mechanical strength of the material constituting the non-polished surface, and therefore can be applied to the manufacturing process of a semiconductor device using a fragile ultra-low dielectric constant material. . Therefore, according to the present invention, an ultra-low dielectric constant material can be adopted as an insulating material of a semiconductor device, and it is possible to contribute to a further increase in speed and power consumption of LSI in the future.
  • electrolytic polishing can achieve both high conductivity and a stable dispersion state of the polishing abrasive. It is possible to provide a liquid.
  • an electrolytic polishing method capable of highly flattening a metal film by using an electrolytic polishing solution that achieves both the above-described high conductivity and a favorable dispersion state of abrasive grains. Can be provided. 366
  • the electropolishing method when flattening the wiring surface, is performed using the electropolishing liquid that achieves both the high conductivity and the favorable dispersion state of the abrasive grains as described above. It is possible to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of forming a wiring on a surface having a stable electric resistance without causing a defect such as a short circuit or an open circuit.

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Description

電解研磨液、 電解研磨方法及び半導体装置の製造方法
技術分野
明
本発明は、 少なくとも研磨砥粒を含む電解研磨液に関する。 また、 本 発明は、 この電解研磨液を用いた電田解研磨方法及び半導体装置の製造方 法に関する。
背景技術
従来、 半導体ゥェ一ハ上に形成する L S I (Large Scale Integration ：大規模集積回路） 等の半導体装置の微細な配線の材料として、 アルミ ニゥム （A 1 ) 系合金が用いられている。 しかしながら、 配線の微細化 が進むにつれて配線の寄生抵抗 · 寄生容量による回路遅延が支配的にな るため、 配線用材料として、 A 1系合金より低抵抗 ·低容量であり、 高 い信頼性を実現する銅 （C u) の採用が検討されている。 C uは、 比抵 抗が 1. 8 c mと低く、 L S Iの高速化に有利な上に、 エレク ト口 マイグレーション耐性が A 1 系合金に比べて一桁ほど高いため、 次世代 の材料として期待されているものである。
C uを用いた配線形成では、 一般に C uのドライエッチングが容易で ないために、 いわゆるダマシン法が用いられている。 これは、 例えば酸 化シリコンからなる層間絶縁膜に予め所定の溝を形成し、 その溝に配線 材料である C uを埋め込んだ後、 余剰の配線材料を化学機械研磨
(Chemical Mechanical Pol isliing： 以下、 CMPと称する。 ） により除 去し、配線を形成する方法である。さらに、接続孔（Via)と配線溝（Trench) とを形成した後、 一括して配線材料を埋め込み、 余剰配線材料を により除去するデュアルダマシン法も知られている。
また、 今後のさらなる L S Iの高速化及び低消費電力化の要求に応え るとともに配線の R C遅延を低減させるために、 上述した C u配線技術 に加えて、 例えば誘電率 2以下のポーラスシリカのような超低誘電率材 料を層間絶縁膜に採用することが検討されている。
しかしながら、 これらの低誘電率材料は、 いずれも極めて脆弱である ため、 従来の C M Pの実施時に印加される加工圧力 4 P S I 〜 6 P S I ( 1 P S I は約 7 0 g / c m 2。したがって、 2 8 0〜 4 2 0 g / c m 2 ) の下では、 低誘電率材料にて成膜された絶縁膜に圧壊やクラック、 剥離 等が生じ、 良好な配線形成を行うことができなくなる。 また、 このよう な圧壊等を防ぐために、 上述した低誘電率材料にて成膜した絶縁膜が機 械的に耐え得る圧力である 1 . 5 P S I ( 1 0 5 g / c m 2 ) 程度にま で C M Pの圧力を下げると、 通常の生産速度に必要な研磨レートを得ら れなくなる。 このように、 超低誘電率材料を用いた配線形成で C M Pを 実施するには根本的な問題がある。
そこで、 上記 C M Pのもつ問題点を解決すべく、 逆電解による電解研 磨によって余剰の C uを研磨してダマシン構造又はデュアルダマシン構 造を形成する試みがなされつつある。 - しかしながら、 単純なめっきの逆電解は、 コンフォーマルに表層から 余剰の C uを一様に溶出除去するので、平坦化能力に乏しい技術である。 特に、 通常のダマシン法やデュアルダマシン法によって卜レンチやビア に C uを電解めつきで埋め込んだ場合には、 単純なめっきの逆電解では 電解めつき後の表面に形成される凹凸を完全に平坦化することができな い。 その理由は、 C uの電解めつき時に、 ポイ ドやピッ ト等の不良を発 生させることなく完全な埋め込みを達成することを目的として電解めつ き液に添加された各種の添加剤が、 微細配線密集部において所定の値以 上の盛り上がり（ハンプ）や幅広配線部におけるへこみ等を生じせしめ、 巨大な凹凸が表面に残存するためである。 この結果、 研磨終了後には部 分な配線の消失、 デイツシング （へこみ） 、 リセス （ひけ） 等のオーバ —研磨、 又は配線間のショート、 アイランド等のアンダ一研磨等の問題 点を引き起こしてしまう。
そこで、 上述したような逆電解による電解研磨とパッドによるワイピ ングとを同時に行うことによって、 低圧力でかつ通常の生産速度に必要 な研磨レートを得ることができる研磨方法が提案されている。
この方法は、 被研磨対象である半導体ゥエーハ表面の金属膜 （例えば C u膜） に陽極として通電し、 この半導体ゥェ一八と対向する位置に配 置した陰極である対向電極との間に電解液を介して電解電圧を印加して 電解電流を通電させ、 電解研磨を行う。 この電解研磨によって、 陽極と して電解作用を受ける金属膜表面が陽極酸化され、 表層に酸化物被膜が 形成される。 さらに、 この酸化物と電解液中に含まれる錯体形成剤とが 反応することで、 金属膜表面に高電気抵抗層や不溶性錯体被膜、 不動態 被膜等の変質層が形成される。 そして、 この電解研磨と同時に、 上述し たような変質層をパッドによってワイビングすることで変質層の除去を 行う。 このとき、 凹凸を有する金属膜の凸部表層の変質層のみが除去さ れて下地の金属が露出するのに対し、 凹部表層の変質層は残留する。 し たがって、 下地金属が露出した凸部部分のみが部分的に再電解され、 'さ らにワイビングされることによって凸部部分の研磨が進行する。 このよ うなサイクルを繰り返し行うことによって、 半導体ゥエーハ表面の平坦 化が行われる。
この技術では、 平坦化能力を高めるために、 例えばアルミナ砥粒等の 研磨砥粒を含む C M P用スラリ一をベースとしてこれに電解質を添加す ることにより、 電解電流を流すために必要な導電性を確保した電解研磨 液が用いられる。
ところで、 電解研磨液中のアルミナ砥粒が凝集を起こしてしまうとス クラツチ等の致命的な欠陥を発生し易くなるため、 電解研磨を行う際に は電解研磨液中で研磨砥粒が完全に分散している必要がある。このため、 電解研磨液の p Hを酸側に維持することで、 アルミナ砥粒をプラスに帯 電させて自らのゼ一タ電位によって互いに反発させ、 良好な分散状態を しかしながら、 添加する電解質によっては、 電解研磨液の p Hが中性 又はアルカリ側に傾き、 アルミナ砥粒のゼ一夕電位の減少、 ひいてはァ ルミナ砥粒同士の凝集 ·沈殿を招く。 この結果、 研磨時にスクラッチの 発生やアルミナ砥粒の残存等の巨大な欠陥を生じ、 配線間のショートゃ オープン等を引き起こすおそれがある。
また、 電解研磨液に導電性を付与するために用いられる電解質によつ ては、 研磨終点における C u膜表面の腐食による荒れや、 電流集中によ るピッ ト等が生じ、 良好な終点表面を形成することが困難となる。 すな わち、 単純に電解質を添加するだけでは、 表面粗度が粗く配線電気抵抗 が不安定な面が形成されてしまう。
さらに、 電解研磨液にはエッチング作用があるため、 半導体ゥェ一ハ 表面の金属膜面積の割合が研磨開始当初の全面にわたって成膜されてい る 1 0 0 %の状態から、 余剰部分の除去を終了し配線パターンのみが残 つた状態まで減少させる場合に、 微細な配線部へ溶出レートが集中する ことにより取り残される巨大残存部分や幅広配線部と、 独立した微細配 線部との除去速度差が増大し、 微細配線の溶出レートが加速的に上昇し て配線が消失するおそれがある。
そこで本発明はこのような従来の実情に鑑みて提案されたものであり 5 研磨砥粒の凝集沈殿を発生することなく導電性を向上することが可能な 電解研磨液を提供することを目的とする。 また、 本発明は、 研磨対象と なる金属膜や配線の欠陥を引き起こすことなく良好な平坦化を実現する ことが可能な電解研磨方法及び半導体装置の製造方法を提供することを 目的とする。 発明の開示
上述の目的を達成するために、 本発明に係る電解研磨液は、 研磨対象 となる金属膜表面を電解作用によって酸化しながら当該金属膜表面に研 磨パッ ドを摺動させて平坦化を行う電解研磨方法に用いられる電解研磨 液であって、 少なくとも研磨砥粒と、 上記研磨砥粒の帯電状態を維持す る電解質とを含有することを特徴とする。
以上のように構成された電解研磨液は、 導電性を付与するための電解 質として、 研磨砥粒の帯電状態を維持する電解質を用いる。 このため、 電解研磨液は高い導電性を有しつつ、 研磨砥粒の帯電状態が中和せずに 互いに反発しあうので研磨砥粒の凝集沈殿を引き起こすことがない。
また、 本発明に係る電解研磨方法は、 電解研磨液中で、 研磨対象とな る金属膜表面を電解作用によって酸化しながら当該金属膜表面に研磨パ ッ ドを摺動させて平坦化を行う電解研磨方法であって、 上記電解研磨液 は、 少なく とも研磨砥粒と、 上記研磨砥粒の帯電状態を維持する電解質 とを含有することを特徴とする。
以上のような構成の電解研磨方法では、 上述したような高い導電性を 示す電解研磨液を用いるので、 高い電解電流値が得られるとともに、 極 間距離を大きくすることができる。 また、 本発明の電解研磨方法では、 研磨砥粒の分散状態が良好な電解研磨液を用いるので、 研磨後に砥粒残 りゃスクラツチ等の欠陥の発生がない。 また、 本発明に係る半導体装置の製造方法は、 基板上に形成された絶 縁膜に金属配線を形成するための配線溝を形成する工程と、 上記配線溝 を埋め込むように上記絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、 電解研磨液 中で、 上記絶縁膜上に形成した金属膜表面を電解作用によって酸化しな がら当該金属膜表面に研磨パッ ドを摺動させて平坦化を行う工程とを有 し、 上記電解研磨液は、 少なくとも研磨砥粒と、 上記研磨砥粒の帯電状 態を維持する電解質とを含有することを特徴とする。
以上のような構成の半導体装置の製造方法では、 配線の表面の平坦化 に際して、 上述したような高い導電性を示すとともに研磨砥粒の分散状 態が良好な電解研磨液を用いた電解研磨方法を実施するので、 研磨後に 欠陥等を発生することなく、 配線の表面を高度に平坦化する。 図面の簡単な説明
図 1はアルミナ砥粒のゼ一タ電位及び分散状態の p H依存性を示す 特性図である。
図 2は本発明を適用した電解研磨装置を示す模式図である。
図 3は電解研磨装置の研磨パッ ドとゥェ一八との摺動状態を説明す るための平面図である。
図 4は図 3中の A— A線断面図である。
図 5は図 4中の円 Bの拡大断面図である。
図 6は図 3中の円 Cの拡大平面図である。
図 7 A〜図 7 Gは本発明を適用した半導体装置の製造方法を説明す るための図である。 図 7 Aは層間絶縁膜形成工程を示す断面図、 図 7 B はデュアルダマシン構造形成工程を示す断面図、 図 7 Cはバリアメタル 膜成膜工程を示す断面図、 図 7 Dはシード膜成膜工程を示す断面図、 図 7 Eは C u埋め込み工程を示す断面図、 図 7 Fは電解研磨工程を示す断 面図、 図 7 Gはキャップ膜成膜工程を示す断面図である
発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明を適用した電解研磨液、 電解研磨方法及び半導体装置の 製造方法について、 図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明の電解研磨液は、 研磨対象となる金属膜表面を電解作用によつ て酸化しながらこの金属膜表面に研磨パッドを搢動させて平坦化を行う 電解研磨方法に用いられる電解研磨液である。 なお、 以下の説明では、 金属膜が C u膜である場合を例に挙げて説明する。
この電解研磨液は、 C M Pに用いるスラリーをベースとしたものであ り、 平坦化能力を高めるためのアルミナ （A 1 2 0 3 ) を含有する研磨砥 粒 （以下、 アルミナ砥粒と称する。 ） 、 砥粒分散剤、 酸化剤、 錯体形成 剤、 防食剤や光沢剤等の種々の添加剤等を含有する。 さらに、 本発明の 電解研磨液は、 電解電流を流すために必要な導電性を向上するための電 解質を含有している。
アルミナ砥粒は、 C u膜と対向して配される研磨パッ ドによって C u 膜に押圧されるとともに摺動されることによって、 電解作用による酸化 ゃ錯体形成等によって変質した C u膜表面の凸部を機械的に削り取り、 除去するものである。 このアルミナ砥粒の粒子径は、 一次粒子径が 0 . 0 5 z m程度であり、 二次粒子径が 0 . l ^ m〜 0 . 3 ^ m程度である ことが好ましい。
ここで、 アルミナ砥粒のゼ一タ電位及び平均粒径の変化すなわち分散 状態の P H依存性について、 図 1を参照しながら説明する。 電解研磨液 中のアルミナ砥粒は、 電解研磨液の p Hによってゼ一夕電位が大きく変 動し、 特に p H 9付近にゼ一夕電位がゼロになる等電点を有する。 この 等電点においてはアルミナ砥粒同士の静電的な反発力が消失するので、 アルミナ砥粒の凝集が顕著となる。 .また、 界面活性剤による分散効果も p Hによって大きく変動する。 そこで、 電解研磨液のアルミナ砥粒の分 散状態を安定化させるためには p Hを適正範囲に調整する必要があり、 具体的には電解研磨液を酸性領域又は中性領域、 特に P H 3 . 0 〜 p H 3 . 5の範囲内とする必要がある。
そして、 電解研磨液に添加される電解質には、 アルミナ砥粒が良好に 分散する酸性領域、 具体的には P H 3 . 0〜 p H 3 . 5の範囲内で充分 な導電性を発現することが要求される。 このため、 電解質としてナトリ ゥムゃカリウム等のアルカリ金属類を直接用いることは、 電解研磨液の p Hをアルカリ側にシフトさせるため不向きである。
本発明の電解研磨液では、 上述したようなアルミナ砥粒と、 アルミナ 砥粒が高いゼ一タ電位を示す P Hを大きく変動させないような特定の電 解質とを組み合わせて含有することで、 電解研磨液の導電性が高められ るとともに、 アルミナ砥粒のプラスの帯電状態が維持されて互いに反発 しあい、 アルミナ砥粒の凝集沈殿が抑制される。 このため、 この電解研 磨液を後述するような電解研磨方法及び半導体装置の製造方法に適用す ることで、 アルミナ砥粒の凝集沈殿に起因するスクラツチ等の欠陥を生 じることなく金属膜の平坦化を実現する。
また、 電解研磨液が含有する電解質には、 上述した電解研磨液の P H を大きく変動させること以外にも、 様々な特性が要求される。 例えば、 電解質には酸化力がないことが要求される。 その理由は、 硝酸や塩酸等 の強い酸化力を示す酸や、 ョゥ素等の酸化力のある電解質を電解研磨液 に添加すると、 これら酸化力のある電解質が C u膜表面を酸化して、 こ の酸化 C uと電解研磨液中の錯体形成剤とが反応することで錯体を形成 し、 C uが溶出するおそれがあるためである。 また、 電解質には、 C u膜と直接作用しないこと、 すなわち C u膜に 対する溶解作用を持たないことが要求される。その理由は、硫酸イオン、 アンモニゥムイオン、 塩素イオン等を例えば硫酸アンモニゥム等の形で 電解研磨液に添加すると、 C u膜と反応して水溶性錯体を形成して C u を溶出させたり、 直接 C u膜を溶解して C uを溶出させたりするおそれ があるためである。
さらに、 電解質には、 C u膜に対する腐食性又は特異吸着性を持たな いことが要求される。 その理由は、 C u膜に対する腐食性又は特異吸着 性を示すプロピオン酸ゃ塩素イオン等を電解研磨液に添加すると、 研磨 終点で C u膜表面の腐食、 荒れやピッ ト等の欠陥を生じ、 C u膜表面の 平坦性が損なわれるためである。
本発明の電解研磨液は、 上述したような条件を満足する電解質を用い ることで、 C u膜を酸化させたり、 C u膜に対して直接作用して C uを 溶解させたり、 C u膜の腐食を引き起こしたりする等の悪影響を及ぼす ことがない。 このため、 電解研磨液は、 後述するような電解研磨方法に 用いられたときに、 さらに優れた平坦性及び良好な配線形成を実現する ことができる。
上述したような条件を満足する電解質は、 酸化力のない酸、 酸化力の ない中性塩、 酸化力のない中性金属塩、 C uイオン等に大別される。
このうち酸化力のない酸としては、 例えばリン酸等が挙げられる。 ま た、 酸化力のない中性塩としては、 硫酸ナトリウム、 硫酸カリウム等が 挙げられる。 また、 酸化力のない中性金属塩としては、 硫酸アルミニゥ ム、 リン酸アルミニウム、硫酸コバルト、硫酸ニッケル等が挙げられる。 また、 C uイオンは、 酸化銅 （C u O ) 、 無水硫酸銅、 リン酸銅等を電 解研磨液に添加することによって生成したものであってもよいし、 被研 磨対象である C u膜に通電することによって C uを電気分解させて電解 研磨液に溶解させたものであってもよい。 これら電解質の中でも、 特に リン酸を用いることが好ましい。
これら電解質の添加量には最適範囲がそれぞれ存在する。 例えば電解 質としてリン酸を用いる場合には、 電解質未添加の電解研磨液を 1 0 0 gに対してリン酸を 4 g〜 8 g程度の割合で添加することが好ましく、 リン酸の添加量を上記範囲内とすることで、 p Hの大きな変動を伴うこ となく p H 3 . 0〜 p H 3 . 5の範囲内とし、 電解研磨に必要な導電性 を得ることができる。 また、 例えば電解質として硫酸ナトリウムを用い る場合には、 電解質未添加の電解研磨液を 1 0 0 gに対して硫酸ナトリ ゥムを 2 g〜 4 g程度の割合で添加することが好ましく、 硫酸ナトリウ ムの添加量を上記範囲内とすることで、 p Hの大きな変動を伴うことな く電解研磨に必要な導電性を得ることができる。 なお、 本明細書におい ては、 上述した電解研磨に必要な導電性とは、 この電解研磨液を用いて 極間 2 0 mmで 2 Vの電圧を印加した場合に、 電流密度が 1 0 m A / c m 2〜 3 0 m A Z c m 2程度以上であることを示す。
また、 上述したアルミナ砥粒及び電解質の他の、 電解研磨液の組成に ついて説明する。
界面活性剤は、 元来水溶しないアルミナ砥粒の、 電解研磨液中での分 散状態を安定化させることを目的として添加される成分である。 すなわ ち、 界面活性剤によって個々のアルミナ砥粒にミセル構造を形成し、 水 和させることで電解研磨液中のアルミナ砥粒の分散を安定化させ、 アル ミナ砥粒の凝集 ·沈殿を防止する。
代表的な界面活性剤としては、 ァニオン系界面活性剤、 ノニオン系界 面活性剤、 カチオン系界面活性剤、 両性イオン系界面活性剤等が挙げら れるが、プラスに帯電しているアルミナ砥粒の分散向上を図るためには、 特にァニオン系界面活性剤又はノニオン系界面活性剤を用いることが好 ましい。
具体的なァニオン系界面活性剤としては、 脂肪酸ナトリゥムゃ脂肪酸 力リゥム等の脂肪酸塩、 アルキル硫酸ナトリゥム等のアルキル硫酸エス テル塩、 アルキルベンゼンスルフォン酸ナトリゥム等のアルキルべンゼ ンスルフォン酸塩、 アルキルナフタレンスルフォン酸塩、 ポリオキシェ チレンアルキルリン酸塩、ポリォキシエチレンアルキル硫酸エステル塩、 ポリォキシエチレンアルキルエーテル酢酸塩等が挙げられる。
また、 具体的なノニオン系界面活性剤としては、 ポリオキシエチレン アルキルエーテル、 ポリオキシアルキレンアルキルエーテル、 ソルビ夕 ン脂肪酸エステル、 グリセリン脂肪酸エステル、 ポリオキシエチレン脂 肪酸エステル、 ポリオキシエチレングリセリ ド等が挙げられる。
酸化剤は、 錯体形成剤がキレ一トを生成可能なように C u膜表面を酸 化して C u酸化物とするためのものである。 具体的な酸化剤としては例 えば H 2 0 2等を使用可能である。 この場合、 H 2 0 2の濃度は 5容積％ 程度であること、 すなわち、 例えば 3 0 % H 2〇 2を用いる場合には、 電 解研磨液にこの 3 0 % H 2 0 2溶液を 1 5容積％程度添加することが好 ましい。
錯体形成剤は、 上述した酸化剤によって C u膜表面に形成された C u 酸化物と反応して、 脆弱な不溶性キレートを生成するものである。 具体 的な錯体形成剤としてはキナルジン酸、 アントラニル酸等が挙げられ、 その濃度は 1重量％程度であることが好ましい。
また、 電解研磨液には、 上述したような成分の他に、 防食剤、 光沢剤 等の種々の添加剤が添加されていても良い。
以上のような組成の電解研磨液は、 図 2に示すような電解研磨装置 1 を用いた電解研磨方法に用いられる。 この電解研磨装置 1は、 ゥェ一ハ 上に形成される被研磨対象であり且つ陽極として通電される C u膜を電 解作用と機械的研磨とによって平坦化するための装置である。 なお、 本 発明の電解研磨方法は、 以下に説明する電解研磨装置を用いた電解研磨 方法に限定されず、 様々な電解研磨方法に適用しうることは言うまでも ない。
本発明の電解研磨装置 1は、 ゥェ一八 Wに研磨を行うための装置本体 2と、 装置本体 2に所定の電解電流を供給する電源 3と、 装置本体 2内 の電解槽に電解研磨液を供給する電解研磨液タンク 4と、 ゥエー八 Wを 電解研磨装置 1へ導入するためのゥェ一ハ投排部 5と、 ゥェ一ハ投排部 5からのゥエーハ Wを洗浄するゥェ一ハ洗浄部 6と、 装置本体 2へのゥ エー八 Wの搬送及び脱着を行うゥェ一八搬送部 7と、これら装置本体 2 、 電解研磨液タンク 4、 ゥェ一ハ投排部 5、 ゥエーハ洗浄部 6及びゥェ一 ハ搬送部 7を制御する制御部 8と、 制御部 8を操作するための操作部 9 とを備える。
このうち装置本体 2は、 ゥエーハ Wの C u.膜が形成された面側を下向 きにチヤッキングするゥェ一ハチャック 1 0と、 ゥェ一ハチャック 1 0 を矢印 r方向に所定の回転数で回転駆動するゥェ一八回転軸 1 1 と、 ゥ ェ一ハチャック 1 0を上下方向、 すなわち Z軸方向に案内するとともに 下向きに所定の圧力で加圧するゥェ一ハ加圧手段 1 2とを備える。また、 ゥエーハ加圧手段 1 2は、 カウンタ一ウェイ ト 1 3を有し、 ゥェ一ハチ ャック 1 0やゥェ一ハ回転軸 1 1等の自重をキャンセルしたうえで、 0 . 1 P S I ' (約 7 g / c m 2 )単位で加工圧力の設定が可能な構造である。 また、 装置本体 2には、 上述したゥエーハチャック 1 0と対向する位 置に、 所定量の本発明の電解研磨液 Eを溜めておく電解槽 1 4が設置さ れている。 そして電解槽 1 4内には、 電解研磨液 Eに没した状態で、 ゥ エーハ W表面に接触摺動する平面ドーナツ型の研磨パッ ド 1 5が配設さ れる。 研磨パッ ド 1 5は、 定盤 1 6に貼り付けられた状態で、 定盤 1 6 を支持するパッ ド回転軸 1 7によって矢印 R方向に所定の回転数で回転 駆動される。 研磨パッド' 1 5は、 例えば発泡ポリウレタン、 発泡ポリプ ロピレン、 ポリビニルァセタール等からなり、 硬度 (ヤング率) が 0. 0 2 G P a〜 0. 1 0 GP aであり、 厚み方向に貫通して電解研磨液 E を介在させるスラリー供給穴を有している。 また、 定盤 1 6上の研磨パ ッ ド 1 5の内周縁及び外周縁には、 後述するゥエーハ Wのエッジに部に 接触摺動しゥエーハ Wを陽極として通電する陽極通電リング 1 8 , 1 9 がそれぞれ配される。 陽極通電リング 1 8 , 1 9の電極材料は、 例えば 黒鉛、 焼結 C u合金、 焼結銀合金等の力一ボン系合金や、 P t、 C u等 からなる。 また、 研磨パッ ド 1 5のさらに下方には、 定盤 1 6を介して ゥエーハ Wに対向するように陰極板 2 0が配される。 陰極板 2 0は、 電 解研磨液 Eを介して陰極通電される。 陰極板 2 0は円盤形状を呈し、 電 極材料は例えば C u、 P t等からなる。 また、 電解槽 1 4には廃液用配 管 2 1が取り付けられ、 この廃液用配管 2 1は、 使用済みの電解研磨液 Eを装置本体 2の外部へ排出する。
図 3〜図 6を参照しながら、 上述のような構成の電解研磨装置 1にて ゥエーハ W上に形成された C u膜 2 2を研磨する方法について説明する, 先ず、 ゥェ一ハ搬送部 7から搬入されたゥェ一ハ Wをゥェ一ハチャック 1 0により下向きにチヤッキングする。
次に図 3及び図 4に示すように、 ゥエーハ回転軸 1 1 とゥエーハ加圧 手段 1 2とにより、 矢印 r方向にゥェ一ハ Wを 1 0 r pm〜 3 0 r pm にて回転させるとともに、 研磨パッ ド 1 5に対して 0. 5 P S I〜 1. 5 P S I ( 3 5 gZ c m2〜 l 0 5 gZ c m2) 程度の加工圧力で押圧す る。 これと同時に、 定盤 1 6に貼り付けられた研磨パッ ド 1 5を、 パッ ド回転軸 1 7により矢印 R方向に 6 0 r pm〜 l 2 0 r pmにて回転さ せ、 電解研磨液 Eを介してゥエーハ W表面に接触摺動させる。 05366
14 このとき、 図 3及び図 5に示すように、 研磨パッ ド 1 5の内周に配さ れた陽極通電リング 1 8の一部及び研磨パッド 1 5の外周に配された陽 極通電リング 1 9の一部と、 ゥエーハ W上に形成された C u膜 2 2の外 周部の一部とが常に接触摺動するようになされている。 また、 図 5及び 図 6に示すように、 研磨パッ ド 1 5には膜厚方向に貫通するスラリー供 給穴 1 5 aが形成されているとともに、 ゥェ一ハ W表面 （C u膜 2 2 ) からパッ ド支え網 1 5 b、 定盤 1 6を通じて陰極板 2 0まで電解研磨液 Eが介在するようになされている。
このため、 電源 3から例えば 1 V〜 3 Vの電圧を印加することによつ て、 陽極通電リング 1 8 , 1 9を経由して C u膜 2 2に陽極通電し、 対 向する研磨パッド 1 5のスラリ一供給穴 1 5 aを介して陰極板 2 0へ電 解研磨に必要な電解電流 （電流密度 1 0mA/c m2〜 5 0mA/ c m 2) が流れる。 そして、 陽極として電解作用を受ける C u膜 2 2表面が 陽極酸化され、 表層に C u酸化物被膜が形成する。 この C u酸化物と電 解研磨液 E中に含まれる錯体形成剤とが反応することで C u錯体形成物 を生成し、この C u錯体形成物によって高電気抵抗層、不溶性錯体被膜、 不動態被膜等の変質層が C u膜 2 2表面に形成される。
この電解作用による C u膜 2 2の陽極酸化と同時に、 上述したように ワイピングを行う。 すなわち C u膜 2 2の表面に対して研磨パッ ド 1 5 を加圧しながら摺動させることによって、 凹凸を有する C u膜 2 2の凸 部の表層に存在する変質層を機械的に除去して下地の C uを露出させる 一方で、 凹部の変質層は除去せずそのまま残存する。 さらに、 凸部の変 質層除去後の、 C uが露出した部分が再び電解作用を受けるようになる。 このような電解研磨及びワイビングのサイクルを繰り返し行うことによ つて、 ゥエーハ W上に形成された C u膜 2 2の平坦化が進行する。
本発明では、 上述したようなアルミナ砥粒と、 アルミナ砥粒が高いゼ 66
15
—タ電位を示す p Hを大きく変動させないような特定の電解質とを組み 合わせて含有する電解研磨液を用いるので、 アルミナ砥粒の凝集沈殿に 起因するスクラッチ等の欠陥を生じることなく、 C u膜の平坦化を実現 する。 また、 本発明では高い導電性を示す電解研磨液を用いるので、 例 えば通常の C M P用スラリーを電解研磨液として用いる場合に比べて、 同じ印加電圧での電解電流を高めることができる。 また、 同じ理由によ り、 極間距離を大きくできるので、 電解作用の均一性が良好となり、 均 一な変質層を C u膜表層に形成できる。 この結果、 C u膜の平坦性をさ らに高めることができる。 さらに本発明によれば、 低い接触圧力にて C u膜の除去が効率よく行われる。 具体的には、 研磨パッ ド 1 5の加工圧 力 1 P S I ( 7 0 g / c m 2 ) において、 5 0 0 0 A /分もの高研磨レ —トを実現することができる。
なお、 電解研磨方法を実施する際の通電シーケンスとしては、 例えば 以下の 4つの通電シーケンスを例示できるが、 これに限定されるもので はない。
( 1 ) 同時電解：電解作用を生じさせるための通電動作と研磨パッドに よる機械的な研磨動作とを同時に行う方法である。
( 2 ) シーケンシャル電流：研磨パッ ドによる機械的な研磨動作中に通 電をオンノオフする方法である。 この方法では、 研磨パッ ドによる摺動 動作の継続中に電流印加を間欠的に行うことで電解作用による C u膜表 面の荒れ、 微小ピッ ト等の欠陥の成長を抑えて、 研磨パッ ドによる研磨 作用によって回復するために必要な非通電時間を設ける。 例えば 1秒〜 数十秒程度の非通電時間を設定することで、 研磨作用によって欠陥のあ る電解面から欠陥のない研磨面に完全に回復する。
( 3 ) 完全分離シーケンス ：通電しない状態での研磨パッ ドによる研磨 動作の終了後、 研磨パッ ドが C u膜に接触しない状態で通電動作のみを 行う方法、 及びこの動作シーケンスを繰り返す方法である。 表層が不安 定となる電解作用中には C u膜表面に研磨パッ ドが接触しないようにす るので、 表面欠陥の発生を抑制することができる。
(4) 同時パルス ： 上記 （ 2 ) に示すシーケンシャル電流の変形例であ る。 例えば、 ONZO F F時間 = 1 O m s〜 1 0 Om s Z l Om s〜 1
0 0 0 m sの D C又は矩形波状の D Cパルス電流を印加することで、 電 解面からの回復時間を電気的に設定する方法である。
上述した電解研磨方法は、 L S I等の半導体装置の製造において、 配 線溝埋め込みのために成膜された金属膜の余剰金属を除去して平坦化し 金属配線を形成する研磨工程に適用することができる。 以下、 上述した 電解研磨方法がその製造工程中に行われる半導体装置の製造方法につい て説明する。 この半導体装置の製造方法は、 C uからなる金属配線を、 いわゆるダマシン法を用いて形成するものである。 なお、 以下の説明で は、 配線溝とコンタク トホ一ルとを同時に加工するデュアルダマシン構 造における C u配線形成について説明するが、 配線溝のみ又は接続孔の みが形成されるシングルダマシン構造における C u配線形成についても 適用し得ることは勿論である。
先ず、 図 7 Aに示すように、 トランジスタ等のデバイス （図示は省略 する。 ） が予め作製されたシリコン等からなるゥエーハ基板 3 1上に、 ポ一ラスシリ力等の低誘電率材料からなる層間絶縁膜 3 2が形成される この層間絶縁膜 3 2は、 例えば減圧 CVD (Chemical Vapor Deposi tion) 法等によって形成される。
次に、 図 7 Bに示すように、 ゥェ一ハ基板 3 1の不純物拡散領域 （図 示は省略する。 ） に通じるコンタク トホール CH及び配線溝 Mを、 例え ば公知のフォ トリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて形成す る。 次に、 図 7 Cに示すように、 ノ リ.ァメタル膜 3 3を、 層間絶縁膜 3 2 上、 コンタク トホール CH及び配線溝 M内に形成する。 バリアメタル膜 3 3は、 例えば T a、 T i、 W、 C o、 T a N、 T i N、 WN、 C o W、 C oWP等の材料をスパッ夕'リング装置、 真空蒸着装置などを用いた P V D (Physical Vapor Deposition) 法によって形成される。 このバリア メタル膜 3 3は、 層間絶縁膜への C uの拡散を防止する目的で形成され るものである。
上述したバリアメタル膜 3 3の形成後に、 配線溝 M及びコンタク トホ ール CHに対する C uの埋め込みが行われる。 この C uの埋め込みは、 従来から用いられている種々の公知技術、 例えば電解めつき法、 CVD 法、 スパッタリングとリフロー法、 高圧リフロー法、 無電解めつき等に より行うことができる。 なお、 成膜速度や成膜コスト、 形成される金属 材料の純度、 密着性などの観点からは、 電解めつき法により C uの埋め 込みを行うことが好ましい。 この電解めつき法により C uの埋め込みを 行う場合には、 図 7 Dに示すように、 ノ リアメタル膜 3 3上に、 配線形 成材料と同じ材料、 すなわち C uからなるシ一ド膜 34をスパッタリン グ法等により形成する。 このシード膜 34は、 C uを配線溝 M及びコン タクトホール CH内に埋め込んだ際に、 C uグレインの成長を促すため • に形成される。
配線溝 M及びコンタクトホール CHに対する C uの埋め込みは、 上述 した各種の方法で、 図 7 Eに示すように、 配線溝 M及びコンタク トホー ル CH内を含む層間絶縁膜 3 2上の全体にわたって. C u膜 3 5を形成す ることにより行われる。 この C u膜 3 5は、 少なくとも配線溝 M及びコ ンタク トホール CHの深さ以上の膜厚を有し、 また配線溝 M及びコンタ ク トホール CHという段差のある層間絶縁膜 3 2上に形成されるため、 そのパターンに応じた段差を有する膜となる。 なお、 電解めつき法によ り C uの埋め込みを行った場合、 バリアメタル膜 3 3上に形成されたシ —ド膜 3 4は、 C u膜 3 5と一体化する。
そして、 上述した C u膜 3 5が形成されたゥェ一ハ基板 3 1に対して 研磨工程が行われるが、 この研磨工程では上述した電解研磨液を用いた 電解研磨及び研磨パッ ドによるワイピングを同時に行う電解研磨方法が 実施される。 すなわち、 C u膜 3 5を陽極として通電するとともに C u 膜 3 5と陰極板とを電解研磨液中で対向させ、 電解電流を流して電解研 磨を行う。 これと同時に、 電解研磨作用によって C u膜 3 5表面に生じ た変質層に対して、 ポ一ラスシリカ等の超低誘電率材料の破壊圧力であ る例えば 1 . 5 P S I ( 1 0 5 g Z c m 2 ) 程度以下の圧力で研磨パッ ドを押圧し且つ摺動させてワイビングを行い、 C u膜 3 5の凸部の変質 層を除去する。 この研磨パッドによるワイビングでは、 〇 11膜3 5の凸 部の変質層のみが除去され、凹部の変質層はそのまま残存する。そして、 電解研磨を進行させ、 下地の C u膜 3 5をさらに陽極酸化させる。 この とき、 C u膜 3 5の凹部には変質層が残存しているため、 電解研磨が進 行せず、 その結果 C u膜 3 5の凸部のみが研磨されことになる。 このよ うに、 電解研磨による変質層の形成と、 ワイビングによる変質層の除去 とを繰り返し行うことによって図 7 Fに示すように C u膜 3 5が平坦化 され、 配線溝 M及びコンタクトホ一ル C H内に C u配線 3 6が形成され る。
半導体装置は、 上述した研磨工程の後に、 バリアメタル膜 3 3の研磨 及び洗浄が行われ、 図 7 Gに示すように、 C u配線 3 6が形成されたゥ エーハ基板 3 1上にキャップ膜 3 7が形成される。 そして、 上述した層 間絶縁膜 3 2の形成 （図 7 Aにて図示） からキャップ膜 3 7の形成まで の各工程が繰り返されて多層化される。'.
以上のように、 半導体装置の製造工程中に上述したような電解研磨液 66
19 を用いた電解研磨方法を行う とで、 アルミナ砥粒の凝集沈殿に起因す る砥粒残りゃスクラッチ等の欠陥がな ので、 配線のショ一トゃォ一プ ン等の不良がない。 また、 導電性の高い電解研磨液を用いて配線を研磨 するので、 極間距離を広く確保するとともに安定して均一な電流密度分 布で通電され、 電流集中によるピッ ト等の不都合を生じることなく配線 表面の粗度が良好となり、 電気抵抗の安定な C u配線が得られる。
また、 上述した電解研磨液を用いるので、 腐食による荒れ等の欠陥が 生じることがなく、 C uを溶解させないので、 微細な C u配線 3 6に対 する溶出レートの増大を抑え、 配線消失や配線断面積の不足等の不良発 生を回避することができる。
さらに、 上述の電解研磨液を用いた電解研磨方法では非研磨面を構成 する材料に機械的強度が要求されないので、 脆弱な超低誘電率材料を用 いた半導体装置の製造工程に適用可能である。 したがって本発明によれ ば、 半導体装置の絶縁材料として超低誘電率材料の採用が可能となり、 今後のさらなる L S Iの高速化及び低消費電力化に寄与することができ る。
なお、 本発明は上述の記載に限定されることはなく、 本発明の要旨を 逸脱しない範囲において適宜変更可能である。 産業上の利用可能性 ..
以上の説明からも明らかなように、 本発明によれば、 特定の研磨砥粒 と特定の電解質とを組み合わせることで、 高い導電性と研磨砥粒の安定 な分散状態とを両立可能な電解研磨液を提供することが可能である。
また、 本発明によれば、 上述したような高い導電性と研磨砥粒の良好 な分散状態とを両立した電解研磨液を用いることで、 金属膜の高度な平 坦化が可能な電解研磨方法を提供することができる。 366
20 また、 本発明によれば、 配線表面の平坦化に際して、 上述したような 高い導電性と研磨砥粒の良好な分散状態とを両立した電解研磨液を用い て電解研磨方法を実施するので、 ショートやオープン等の不良を引き起 こすことなく、 電気抵抗の安定な表面の配線を形成可能な半導体装置の 製造方法を提供することができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 研磨対象となる金属膜表面を電解作用によって酸化しながら当該 金属膜表面に研磨パッ ドを摺動させて平坦化を行う電解研磨方法に用い られる電解研磨液であって、
少なくとも研磨砥粒と、 上記研磨砥粒の帯電状態を維持する電解質と を含有することを特徴とする電解研磨液。
2 . 上記電解質は、上記金属膜に対する溶解作用を持たないことを特徴 とする請求項 1記載の電解研磨液。
3 . 上記電解質は、上記金属膜に対する腐食性又は特異吸着性を持たな いことを特徴とする請求項 1記載の電解研磨液。
4 . 上記電解質は、 酸化力のない酸、 酸化力のない中性塩、 酸化力のな い中性金属塩、 上記金属膜を構成する金属イオンのうち少なくとも 1種 であることを特徴とする請求項 1記載の電解研磨液。
5 . 上記酸化力のない酸は、リン酸であることを特徵とする請求項 4記 載の電解研磨液。
6 . 上記酸化力のない中性塩は、 硫酸ナトリウム、 硫酸力リウムのうち 少なくとも一種であることを特徴とする請求項 4記載の電解研磨液。
7 . 上記酸化力のない中性金属塩は、 硫酸アルミニウム、 リン酸アルミ 二ゥム、 硫酸コバルト、 硫酸ニッケルのうち少なくとも一種であること を特徴とする請求項 4記載の電解研磨液。
8 . 上記金属膜を酸化して酸化物を生成する酸化剤を含有することを 特徴とする請求項 1記載の電解研磨液。
9 . 上記酸化物と反応して不溶性キレートを生成する錯体形成剤を含 有することを特徴とする請求項 8記載の電解研磨液。
1 0 . 界面活性剤を含有することを特徴とする請求項 1記載の電解研
1 1 . 上記金属膜は C uを含有することを特徴とする請求項 1記載の 電解研磨液。
1 2 . 上記研磨砥粒はアルミナを含有することを特徴とする請求項 1 記載の電解研磨液。
1 3 . 酸性又は中性であることを特徴とする請求項 1 2記載の電解研 磨液。
1 4 . p H 3 . 0〜 p H 3 . 5の範囲内であることを特徴とする請求項 1 3記載の電解研磨液。
1 5 . 電解研磨液中で、研磨対象となる金属膜表面を電解作用によって 酸化しながら当該金属膜表面に研磨パッ ドを摺動させて平坦化を行う電 解研磨方法であって、
上記電解研磨液は、 少なくとも研磨砥粒と、 上記研磨砥粒の帯電状態 を維持する電解質とを含有することを特徴とする電解研磨方法。
1 6 . 上記電解質は、上記金属膜に対する溶解作用を持たないことを特 徵とする請求項 1 5記載の電解研磨方法。
1 7 . 上記電解質は、上記金属膜に対する腐食性又は特異吸着性を持た ないことを特徴とする請求項 1 5記載の電解研磨方法。
1 8 . 上記電解質は、 酸化力のない酸、 酸化力のない中性塩、 酸化力の ない中性金属塩、 上記金属膜を構成する金属イオンのうち少なく とも 1 種であることを特徴とする請求項 1 5記載の電解研磨方法。
1 9 . 上記酸化力のない酸は、リン酸であることを特徴とする請求項 1 8記載の電解研磨方法。
2 0 . 上記酸化力のない中性塩は、 硫酸ナトリゥム、硫酸力リゥムのう ち少なくとも一種であることを特徴とする請求項 1 8記載の電解研磨方 法。
2 1 . 上記酸化力のない中性金属塩は、 硫酸アルミニウム、 リン酸アル ミニゥム、 硫酸コバルト、 硫酸ニッケルのうち少なくとも一種であるこ とを特徴とする請求項 1 8記載の電解研磨方法。
2 2 . 上記電解研磨液は、上記金属膜を酸化して酸化物を生成する酸化 剤を含有することを特徴とする請求項 1 5記載の電解研磨方法。
2 3 . 上記電解研磨液は、上記酸化物と反応して不溶性キレートを生成 する錯体形成剤を含有することを特徴とする請求項 2 2記載の電解研磨 方法。
2 4 . 上記電解研磨液は、界面活性剤を含有することを特徴とする請求 項 1 5記載の電解研磨方法。
2 5 . 上記金属膜は C uを含有することを特徴とする請求項 1 5記載 の電解研磨方法。
2 6 . 上記研磨砥粒はアルミナを含有することを特徴とする請求項 1 5記載の電解研磨方法。
2 7 . 上記電解研磨液は酸性又は中性であることを特徴とする請求項 2 6記載の電解研磨方法。
2 8 . . 上記電解研磨液は p H 3 . 0〜 p H 3 . 5の範囲内であることを 特徴とする請求項 2 7記載の電解研磨方法。
2 9 . 基板上に形成された絶縁膜に金属配線を形成するための配線溝 を形成する工程と、 上記配線溝を埋め込むように上記絶縁膜上に金属膜 を形成する工程と、
電解研磨液中で、 上記絶縁膜上に形成した金属膜表面を電解作用によ つて酸化しながら当該金属膜表面に研磨パッ ドを摺動させて平坦化を行 う工程とを有し、
上記電解研磨液は、 少なくとも研磨砥粒と、 上記研磨砥粒の帯電状態 を維持する電解質とを含有することを特徴とする半導体装置の製造方法-
3 0 . 上記電解質は、上記金属膜に対する溶解作用を持たないことを特 徴とする請求項 2 9記載の半導体装置の製造方法。
3 1 . 上記電解質は、上記金属膜に対する腐食性又は特異吸着性を持た ないことを特徴とする請求項 2 9記載の半導体装置の製造方法。
3 2 . 上記電解質は、 酸化力のない酸、 酸化力のない中性塩、 酸化力の ない中性金属塩、 上記金属膜を構成する金属イオンのうち少なくとも 1 種であることを特徴とする請求項 2 9記載の半導体装置の製造方法。
3 3 . 上記酸化力のない酸は、リン酸であることを特徴とする請求項 3
2記載の半導体装置の製造方法。
3 4 . 上記酸化力のない中性塩は、 硫酸ナトリゥム、硫酸力リゥムのう ち少なく とも一種であることを特徴とする請求項 3 2記載の半導体装置 の製造方法。
3 5 . 上記酸化力のない中性金属塩は、 硫酸アルミニウム、 リン酸アル ミニゥム、 硫酸コバルト、 硫酸ニッケルのうち少なくとも一種であるこ とを特徴とする請求項 3 2記載の半導体装置の製造方法。
3 6 . 上記電解研磨液は、上記金属膜を酸化して酸化物を生成する酸化 剤を含有することを特徴とする請求項 2 9記載の半導体装置の製造方法 <
3 7 . 上記電解研磨液は、上記酸化物と反応して不溶性キレートを生成 する錯体形成剤を含有することを特徴とする請求項 3 6記載の半導体装 置の製造方法。
3 8 . 上記電解研磨液は、界面活性剤を含有することを特徴とする請求 項 2 9記載の半導体装置の製造方法。
3 9 . 上記金属膜は C uを含有することを特徴とする請求項 2 9記載 の半導体装置の製造方法。
4 0 . 上記研磨砥粒はアルミナを含有することを特徴とする請求項 2 9記載の半導体装置の製造方法。
4 1. 上記電解研磨液は酸性又は中性であることを特徴とする請求項 4 0記載の半導体装置の製造方法。
4 2. 上記電解研磨液は p H 3. 0〜p H 3. 5の範囲内であることを 特徴とする請求項 4 1記載の半導体装置の製造方法。
4 3. 上記絶縁膜は低誘電率材料であることを特徴とする請求項 2 9 記載の半導体装置の製造方法。
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