(57)【要約】【課題】  半導体装置の配線を良好に形成可能な研磨方法を提供する。【解決手段】  本発明の研磨方法は、バリア層１３の上面を露出させるべく、導体層１４の外側部分の一部を化学機械研磨により除去する工程と、絶縁体層１２の上面を露出させるべく、導体層１４の外側部分の残部及びバリア層１３の外側部分を化学機械研磨により除去する工程とを含む。導体層１４の外側部分の一部を除去する際にはまず、膜形成剤を含有する第１研磨用組成物を用いて、研磨対象物の上面が化学機械研磨される。続いて、第１研磨用組成物中の膜形成剤の作用により導体層１４の上面に形成される保護膜を取り除くべく、研磨対象物の上面が洗浄される。その後、膜形成剤を含有する第２研磨用組成物を用いて、研磨対象物の上面が再度研磨される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の配線を形成するべく研磨対象物を化学機械研磨する研磨方法であって、研磨対象物は、トレンチを有する絶縁体層と、絶縁体層の上に設けられたバリア層と、バリア層の上に設けられた導体層とを備え、バリア層及び導体層はそれぞれ、トレンチの外に位置する外側部分及びトレンチの中に位置する内側部分を有し、前記研磨方法は、
バリア層の上面を露出させるべく、導体層の外側部分の一部を化学機械研磨により除去する工程と、
導体層の外側部分の一部を除去した後に、絶縁体層の上面を露出させるべく、導体層の外側部分の残部及びバリア層の外側部分を化学機械研磨により除去する工程とを含み、
導体層の外側部分の一部を除去する工程は、
膜形成剤を含有する第１研磨用組成物を用いて、研磨対象物の上面を化学機械研磨する工程と、
第１研磨用組成物中の膜形成剤の作用により導体層の上面に形成される保護膜を取り除くべく、化学機械研磨された後の研磨対象物の上面を洗浄する工程と、
膜形成剤を含有する第２研磨用組成物を用いて、洗浄後の研磨対象物の上面を再度化学機械研磨する工程と
を含むことを特徴とする研磨方法。
【請求項２】
研磨対象物の上面の洗浄が水研磨によって行われる請求項１に記載の研磨方法。
【請求項３】
水研磨の際の水の供給速度が１０００ｍＬ／分以上である請求項２に記載の研磨方法。
【請求項４】
前記第１研磨用組成物と前記第２研磨用組成物の組成は同じであり、洗浄後の研磨対象物の上面を第２研磨用組成物を用いて化学機械研磨する際の研磨圧力は、第１研磨用組成物を用いて研磨対象物の上面を化学機械研磨する際の研磨圧力よりも低い請求項１〜３のいずれか一項に記載の研磨方法。
【請求項５】
前記第１研磨用組成物と前記第２研磨用組成物の組成は同じであり、洗浄後の研磨対象物の上面を第２研磨用組成物を用いて化学機械研磨する際の研磨圧力は５０ｈＰａ以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載の研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の配線を形成するべく研磨対象物を化学機械研磨する研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の配線を形成する場合にはまず、トレンチを有する絶縁体層の上にバリア層及び導体層が順に設けられる。その後、トレンチの外に位置する導体層の部分（導体層の外側部分）及びトレンチの外に位置するバリア層の部分（バリア層の外側部分）が化学機械研磨により除去される。この導体層の外側部分及びバリア層の外側部分を除去する工程は通常、バリア層の上面を露出させるべく、導体層の外側部分の一部を化学機械研磨により除去する工程と、絶縁体層の上面を露出させるべく、導体層の外側部分の残部及びバリア層の外側部分を化学機械研磨により除去する工程とを含む。特許文献１〜３には、導体層の外側部分の一部を除去するための化学機械研磨の際に用いられる研磨用組成物が開示されている。
【０００３】
しかしながら、特許文献１〜３に記載の研磨用組成物を用いて化学機械研磨を行った場合には、除去されるべき導体層の部分、すなわち導体層の外側部分が除去されることなく残ったり、除去されるべき導体層の部分以外の導体層の部分、すなわちトレンチの中に位置する導体層の部分（導体層の内側部分）が除去されたりする虞がある。導体層の外側部分が除去されることなく残ると、その残渣のせいで短絡が起きるため、半導体装置の製造歩留まりが低下したり半導体装置の品質が低下したりする。逆に、導体層の内側部分が除去されてしまうと、導体層の上面のレベルが低下するディッシングと呼ばれる現象が起こり、その結果、配線抵抗の増大や表面平坦性の低下が生じることになる。
【特許文献１】特開平８−８３７８０号公報
【特許文献２】特開平１０−１１６８０４号公報
【特許文献３】国際公開第００／１３２１７号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、半導体装置の配線を良好に形成可能な研磨方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体装置の配線を形成するべく研磨対象物を化学機械研磨する研磨方法を提供する。研磨対象物は、トレンチを有する絶縁体層と、絶縁体層の上に設けられたバリア層と、バリア層の上に設けられた導体層とを備える。バリア層及び導体層はそれぞれ、トレンチの外に位置する外側部分及びトレンチの中に位置する内側部分を有する。研磨方法は、バリア層の上面を露出させるべく、導体層の外側部分の一部を化学機械研磨により除去する工程と、導体層の外側部分の一部を除去した後に、絶縁体層の上面を露出させるべく、導体層の外側部分の残部及びバリア層の外側部分を化学機械研磨により除去する工程とを含む。導体層の外側部分の一部を除去する工程は、膜形成剤を含有する第１研磨用組成物を用いて、研磨対象物の上面を化学機械研磨する工程と、第１研磨用組成物中の膜形成剤の作用により導体層の上面に形成される保護膜を取り除くべく、化学機械研磨された後の研磨対象物の上面を洗浄する工程と、膜形成剤を含有する第２研磨用組成物を用いて、洗浄後の研磨対象物の上面を再度化学機械研磨する工程とを含む。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、研磨対象物の上面の洗浄が水研磨によって行われる請求項１に記載の研磨方法を提供する。
請求項３に記載の発明は、水研磨の際の水の供給速度が１０００ｍＬ／分以上である請求項２に記載の研磨方法を提供する。
【０００７】
請求項４に記載の発明は、第１研磨用組成物と第２研磨用組成物の組成が同じであり、洗浄後の研磨対象物の上面を第２研磨用組成物を用いて化学機械研磨する際の研磨圧力が、第１研磨用組成物を用いて研磨対象物の上面を化学機械研磨する際の研磨圧力よりも低い請求項１〜３のいずれか一項に記載の研磨方法を提供する。
【０００８】
請求項５に記載の発明は、第１研磨用組成物と第２研磨用組成物の組成が同じであり、洗浄後の研磨対象物の上面を第２研磨用組成物を用いて化学機械研磨する際の研磨圧力が５０ｈＰａ以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載の研磨方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体装置の配線を良好に形成可能な研磨方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態を説明する。
本実施形態においては、半導体装置の配線は以下のようにして形成される。まず、図１（ａ）に示すように、トレンチ１１を有する絶縁体層１２の上にバリア層１３及び導体層１４が形成される。
【００１１】
絶縁体層１２は、例えば、化学蒸着法（ＣＶＤ）によりシリコン酸化物から形成されている。トレンチ１１は、所定の設計パターンを有するように、例えばリソグラフィ技術及びパターンエッチング技術により、絶縁体層１２の上面に形成されている。
【００１２】
バリア層１３は、導体層１４の形成に先立って絶縁体層１２の上に形成され、バリア層１３と導体層１４の間に設けられている。バリア層１３は、例えば、スパッタリング法によりタンタル又は窒化タンタルから形成されている。バリア層１３の厚さは、トレンチ１１の深さに比べて十分に小さいことが望ましい。
【００１３】
導体層１４は、バリア層１３の形成に引き続いて絶縁体層１２の上に形成され、少なくともトレンチ１１を埋めるようにしてバリア層１３の上に設けられている。導体層１４は、例えば、めっき法や物理蒸着法（ＰＶＤ）により銅又は銅合金から形成されている。
【００１４】
バリア層１３及び導体層１４の形成の後、トレンチ１１の外に位置する導体層１４の部分（導体層１４の外側部分）及びトレンチ１１の外に位置するバリア層１３の部分（バリア層１３の外側部分）が化学機械研磨により除去される。かくして、トレンチ１１の中に位置するバリア層１３の部分（バリア層１３の内側部分）及びトレンチ１１の中に位置する導体層１４の部分（導体層１４の内側部分）が絶縁体層１２の上に残る。導体層１４の内側部分は半導体装置の配線として機能し、バリア層１３の内側部分は、導体層１４の内側部分中の金属原子（例えば銅原子）が絶縁体層１２に拡散するのを防止する働きをする。
【００１５】
導体層１４の外側部分及びバリア層１３の外側部分を化学機械研磨により除去する際にはまず、図１（ｂ）に示すようにバリア層１３の上面を露出させるべく、導体層１４の外側部分の一部が化学機械研磨により除去される（第１研磨ステップ）。続いて、図１（ｃ）に示すように絶縁体層１２の上面を露出させるべく、導体層１４の外側部分の残部及びバリア層１３の外側部分が化学機械研磨により除去される（第２研磨ステップ）。
【００１６】
導体層１４の外側部分の一部を化学機械研磨により除去する際にはまず、絶縁体層１２、バリア層１３及び導体層１４を備える研磨対象物の上面が化学機械研磨される（主研磨サブステップ）。続いて、研磨対象物の上面が洗浄され（洗浄サブステップ）、その後に再度研磨対象物の上面が化学機械研磨される（補助研磨サブステップ）。
【００１７】
洗浄の前に行われる最初の化学機械研磨の際には、膜形成剤を含有する第１研磨用組成物が用いられる。膜形成剤は、導体層１４を構成する材料と反応することにより導体層１４の上面に保護膜を形成する作用を有する。膜形成剤の作用により導体層１４の上面に形成される保護膜は、導体層１４の過剰な研磨を抑制することによりディッシングの発生防止に寄与する。第１研磨用組成物中の膜形成剤は、界面活性剤からなることが好ましいが、ベンゾトリアゾール又はそれの誘導体を少量含有してもよい。第１研磨用組成物を用いた化学機械研磨は、研磨対象物の上面に研磨パッド等の研磨部材を所定の圧力でもって接触させて、研磨部材に第１研磨用組成物を供給しながら研磨対象物及び研磨部材の少なくともいずれか一方を他方に対して摺動させることにより行われる。この化学機械研磨の際の研磨圧力は１４０ｈＰａ前後が好ましい。
【００１８】
最初の化学機械研磨に引き続いて行われる洗浄は、第１研磨用組成物中の膜形成剤の作用により導体層１４の上面に形成される保護膜を取り除くために行われる。この洗浄は、例えば、研磨、すすぎ洗浄（リンス）、及びスクラブ洗浄のいずれによって行われてもよい。ただし、研磨により洗浄を行う場合、研磨対象物及び研磨部材の少なくともいずれか一方を他方に対して摺動させるときに研磨部材に供給される液体は、研磨用組成物ではなくて純水などの水であることが好ましい。水を供給しながら行われる研磨は特に水研磨と呼ばれる。水研磨の場合、研磨用組成物を用いた通常の研磨と違って、研磨中に導体層１４の上面に保護膜が形成される虞がない。また水研磨は、すすぎ洗浄やスクラブ洗浄と違って、洗浄の前後の化学機械研磨の際に用いられる研磨装置をそのまま利用して行うことができる。従って、洗浄サブステップ用に洗浄装置を用意する必要もないし、主研磨サブステップ及び補助研磨サブステップの際に使用する研磨装置と洗浄サブステップの際に使用する洗浄装置との間で研磨対象物を移動させる必要もない。
【００１９】
水研磨の際の水の供給速度が２００ｍＬ／分以下の場合、さらに言えば１０００ｍＬ／分よりも低い場合には、導体層１４の上面の保護膜を十分に取り除くことができず、その結果、除去されるべき導体層１４の部分が除去されることなくバリア層１３の上に少し残る虞がある。従って、水研磨の際の水の供給速度は、２００ｍＬ／分よりも高いことが好ましく、１０００ｍＬ／分以上であることがより好ましい。ただし、２００ｍＬ／分以下の場合でも洗浄時間を長くするなどすれば、導体層１４の上面の保護膜を十分に取り除くことは可能である。
【００２０】
洗浄に引き続いて行われる二度目の化学機械研磨の際には、膜形成剤を含有する第２研磨用組成物が用いられる。第２研磨用組成物の組成は、第１研磨用組成物と同じであっても異なってもよいが、もし同じであれば第１研磨用組成物と第２研磨用組成物の共通化を図ることができる。第１研磨用組成物と第２研磨用組成物が共通である場合には、研磨プロセスが単純化されるのでコストを低減することができるだけでなく、補助研磨サブステップの際に第１研磨用組成物と第２研磨用組成物が混合することに起因する不具合を回避することができるという利点もある。第２研磨用組成物を用いた化学機械研磨は、研磨対象物の上面に研磨パッド等の研磨部材を所定の圧力でもって接触させて、研磨部材に第２研磨用組成物を供給しながら研磨対象物及び研磨部材の少なくともいずれか一方を他方に対して摺動させることにより行われる。
【００２１】
洗浄後の化学機械研磨の際の研磨圧力が洗浄前の化学機械研磨の際の研磨圧力と同じかそれよりも高い場合には、研磨後の研磨対象物に軽度のディッシングが発生する虞がある。従って、洗浄後の化学機械研磨の際の研磨圧力は、洗浄前の化学機械研磨の際の研磨圧力よりも低いことが好ましい。また、洗浄後の化学機械研磨の際の研磨圧力が５０ｈＰａよりも高い場合、さらに言えば１０ｈＰａよりも高い場合にも、研磨後の研磨対象物に軽度のディッシングが発生する虞がある。従って、洗浄後の化学機械研磨の際の研磨圧力は、５０ｈＰａ以下が好ましく、１０ｈＰａ以下がより好ましい。
【００２２】
本実施形態は以下の利点を有する。
・  導体層１４の外側部分の一部を除去する第１研磨ステップの際には、研磨対象物の上面が化学機械研磨された後に、研磨対象物の上面が洗浄され、その後に再度研磨対象物の上面が化学機械研磨される。除去されるべき導体層１４の部分の一部が最初の化学機械研磨により除去されることなく残ってしまった場合、洗浄を実施しないでそのまま化学機械研磨を継続したとしても、その残渣部分の上面には第１研磨用組成物中の膜形成剤の作用により保護膜が形成されているために残渣部分の除去は殆ど進まない。そればかりか、かえって除去されるべき導体層１４の部分以外の導体層１４の部分（導体層１４の内側部分）の除去が進行してしまう虞がある。それに対し、最初の化学機械研磨に引き続いて洗浄を行った場合には、導体層１４の残渣部分の保護膜が取り除かれるため、洗浄後に再度化学機械研磨を行うことにより導体層１４の残渣部分を除去することができる。しかも、洗浄後の化学機械研磨の際に用いられる第２研磨用組成物にも膜形成剤が含まれているため、その膜形成剤の作用によりディッシングの発生も防止される。従って、半導体装置の配線を良好に形成可能である。
【００２３】
・  導体層１４の外側部分の一部を除去する第１研磨ステップの際に除去されるべき導体層１４の部分が除去されることなく残ると、導体層１４の外側部分の残部及びバリア層１３の外側部分を除去する第２研磨ステップの際にその導体層１４の残渣部分も同時に除去する必要が生じる。その場合には、第２研磨ステップの化学機械研磨の条件設定が複雑となる。それに対し、第１研磨ステップの際に途中に洗浄を実施した場合には、上述したように、除去されるべき導体層１４の部分がより確実に除去される。そのため、第２研磨ステップの化学機械研磨の条件設定が複雑になる虞がない。
【００２４】
次に、本発明の実施例及び比較例を説明する。
タンタル製のバリア層と銅製の導体層とを備えたＳＥＭＡＴＥＣＨ社製の８５４マスクパターンウエハを用意し、実施例１〜６及び比較例１〜８においては、バリア層の上面を露出させるべく、導体層の外側部分の一部を化学機械研磨により除去した。ウエハの上面を化学機械研磨する主研磨サブステップ、その後に水研磨によりウエハの上面を洗浄する洗浄サブステップ、及びその後に再度ウエハの上面を化学機械研磨する補助研磨サブステップの詳細は表１に示す通りである。なお、各サブステップで使用した研磨パッドはポリウレタン製パッド、研磨ヘッドのスイープ幅は４０ｍｍ、ガイドリング圧力は３５０ｈＰａ、主研磨サブステップ及び補助研磨サブステップの際に研磨パッドに供給する研磨用組成物の温度並びに洗浄サブステップの際に研磨パッドに供給する水の温度は常温とした。主研磨サブステップで使用した研磨用組成物と補助研磨サブステップで使用した研磨用組成物の組成は表２に示すとおりである。
【００２５】
表１の“供給速度”欄中の各数値は、研磨用組成物又は洗浄水の研磨パッドへの供給速度を表す。表１の“研磨圧力”欄中の各数値は、ウエハと研磨パッドとの間の接触圧力を表す。表１の“線速度”欄中の各数値は、ウエハと研磨パッドとの間の相対線速度を表す。表１の“スイープ速度”欄中の各数値は、単位時間当たりの研磨ヘッドのスイープ回数を表す。表１の“研磨厚さ”欄中の各数値は、その厚さの導体層を研磨するのに要する時間だけ化学機械研磨を実施したことを表す。表１の“洗浄時間”欄中の各数値は水研磨の実施時間を表す。
【００２６】
研磨後のウエハにおいて表３に示す測定条件に従ってディッシング深さを測定した。具体的には、９μｍ幅のトレンチが１μｍ間隔毎に並んだ高密度配線領域でのディッシング深さ、１０μｍ幅のトレンチが１０μｍ間隔毎に並んだ中密度配線領域でのディッシング深さ、及び１００μｍ幅のトレンチが１００μｍ間隔毎に並んだ低密度配線領域でのディッシング深さを測定した。高密度配線領域で測定されるディッシング深さを表１の“ディッシング量*1”欄に示し、中密度配線領域で測定されるディッシング深さを表１の“ディッシング量*2”欄に示し、低密度配線領域で測定されるディッシング深さを表１の“ディッシング量*3”欄に示す。
【００２７】
光学顕微鏡を用いて倍率５０倍で研磨後のウエハを観察し、除去されるべき導体層の部分が残存しているか否かに基づいて、研磨後のウエハを良（○）、不良（×）の二段階で評価した。すなわち、除去されるべき導体層の部分が残存していない場合には良、除去されるべき導体層の部分が残存している場合には不良と評価した。この評価の結果を表１の“残渣の有無”欄に示す。
【００２８】
【表１】
2006135072.tif 000003
【００２９】
【表２】
2006135072.tif 000004
【００３０】
【表３】
2006135072.tif 000005
表１に示すように、比較例１〜８においては、研磨後に測定されるディッシング深さは小さいものの、除去されるべき導体層の部分の一部が除去されないで残存する。それに対し、実施例１〜６においては、除去されるべき導体層の部分が残存することなく除去されるとともに、研磨後に測定されるディッシング深さも大きくない。この結果は、本発明の研磨方法によれば半導体装置の配線が良好に形成されうることを示唆するものである。また、実施例１及び４で測定されるディッシング深さは、実施例２及び３で測定されるディッシング深さに比べて小さい。この結果は、洗浄後の化学機械研磨の際の研磨圧力を洗浄前の化学機械研磨の際の研磨圧力よりも低くすること、さらに言えば洗浄後の化学機械研磨の際の研磨圧力を５０ｈＰａ以下にすることにより、ディッシング深さが低減されることを示唆する。
【００３１】
前記実施形態より把握できる技術的思想について以下に記載する。
・  第１研磨用組成物中の膜形成剤は界面活性剤である請求項１〜５のいずれか一項に記載の研磨方法。
【００３２】
・  前記導体層は銅製又は銅合金製である請求項１〜５のいずれか一項に記載の研磨方法。
・  請求項１〜５のいずれか一項に記載の研磨方法に従って研磨対象物を化学機械研磨することにより半導体装置の配線を形成することを特徴とする配線形成方法。
【００３３】
・  請求項１〜５のいずれか一項に記載の研磨方法に従って研磨対象物を化学機械研磨することにより形成される配線を備えることを特徴とする半導体装置。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態に係る研磨方法を説明するための研磨対象物の断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１１…トレンチ、１２…絶縁体層、１３…バリア層、１４…導体層。
【図１】
2006135072.tif 000006