(57)【要約】【課題】研磨パッドを用いず、さらに砥粒を用いないスラリー液による絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法を提供する。【解決手段】スラリー液に微細気泡（マイクロバブル）を分散させ、微細気泡の平均直径より微細な寸法のパターンを形成した基板に金属膜を堆積させ、微細気泡を分散したスラリー液に金属膜を堆積した基板を浸漬することにより、堆積した金属膜のうち凹部のものを残留させ、絶縁膜への金属の平坦化埋め込みを行う。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に含有される気泡の平均直径より微細な寸法のパターンを形成した基板に堆積した金属膜を、前記気泡を含有する前記液体に浸漬し、前記金属膜のうち凹部のものを残留させることを、特徴とする絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法。
【請求項２】
前記液体がエッチング液もしくはスラリー液であることを、特徴とする請求項１記載の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法。
【請求項３】
前記液体がエッチング液もしくはスラリー液に砥粒を含んでいることを、特徴とする請求項２記載の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法。
【請求項４】
前記金属膜の主成分が銅、アルミニウム、金、銀、白金のいずれかであることを、特徴とする請求項１、２または３記載の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法。
【請求項５】
前記液体中に含有される前記気泡が、気泡径1 mm以下の微細気泡（マイクロバブル）であることを、特徴とする請求項１、２、３または４記載の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法。
【請求項６】
前記微細気泡（マイクロバブル）は、界面活性剤やアルコール類を含む添加剤により形成され、気泡密度が1%以上に高密度化されていることを、特徴とする請求項５記載の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法。
【請求項７】
前記気泡に吸着した被エッチング材・被平坦化材の変性物を前記気泡の浮上後に回収することを、特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法。
【請求項８】
前記気泡に吸着した被エッチング材・被平坦化材の変性物を前記気泡の浮上後に回収するためにオーバーフロー槽を設置することを、特徴とする請求項７記載の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板もしくは被膜のエッチングと、平坦化のための装置および方法に関するものであり、具体的には半導体デバイスと金属配線の平坦化工程を含むデバイスを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路(LSI)の微細化・多層化のためには、各層ごとに平坦化を行い、凹凸をなくすことが必須である。もし凹凸が存在すると、半導体リソグラフィ工程において焦点深度不足による焦点合わせが困難になるという問題が生じ、微細パターニングを行うことができない。また、凹凸により半導体素子性能のばらつきを引き起こし、その結果LSIの高性能化を行うことができない。
【０００３】
化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing,  以下CMPと称する）は、LSIにおいて平坦化を行う方法であり、化学機械研磨装置（CMP装置）はCMPを行う装置である。一般的なCMP装置は、上面に研磨パッドを置いた平坦な定盤（プラテン）、半導体基板を保持しながら回転と加圧とを行う研磨ヘッド部、スラリーの供給機構、研磨パッドのドレシング機構から成る。従来技術においては、スラリーと呼ばれる研磨剤を研磨パッドに滴下し、研磨パッドを回転することによりスラリーを研磨パッド上に広げ、このスラリーを研磨ヘッドに支持された半導体基板と研磨パッド間に介在させ、研磨ヘッドを加圧回転することにより、半導体基板の平坦化を行う。
【０００４】
この技術の確立により、LSI配線層の多層化が可能になり、LSI微細化により顕在化した配線層におけるRC信号遅延を回避・低減し、LSIの高性能化が可能になった。更なるRC信号遅延の回避・低減を行うため、配線抵抗低減（R低減）のために配線金属をアルミ(Al)から抵抗値の低い銅（Cu）にし、また配線間容量低減（C低減）のために配線層絶縁膜を低誘電率絶縁膜（Low-k膜）にし、使用している。しかし、絶縁膜の低誘電率化（Low-k化）により絶縁膜の機械的強度が低下しており、低圧な平坦化プロセスの開発が求められている。
【０００５】
Cu CMPの方法としては、Cu表面にCu錯体層を形成し、これを研磨パッドにより除去することで、除去律速エッチングが実現し、Cu平坦化を行うものがある（例えば、非特許文献１参照）。Cuスラリー剤としては、例えば、キナルジン酸を用いたものなどが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
マイクロバブルは、直径数百μm以下の微細気泡である。通常このような気泡が発生すると、気泡同士が合一化するため微細気泡にはならないが、適切な添加剤を加えることで気泡を安定化させることができる。気泡表面の気液界面を液体中で用いることができるため、低環境負荷と高洗浄度とを両立する洗浄方法として注目されている（例えば、非特許文献２参照）。油脂洗浄では、微細気泡の表面に油脂を吸着させることで洗浄を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−７４２３７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Akira Ishikawa,Hisanori Matsuo, and Takamaro Kikkawa, ”Influence ofSlurry Chemistry on Frictional Force in Copper Chemical Mechanical Polishing”, J. Electrochem. Soc., 2005年, 152, G695
【非特許文献２】MakotoMiyamoto, Satoshi Ueyama, Nobuhide Hinomoto1, Tadashi Saitoh, Shigeki Maekawa1,and Junji Hirotsuji, “Degreasing of Solid Surfaces by Microbubble Cleaning”, Jpn. J. Appl. Phys., 2007年, 46, p.1236-1243
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、従来の技術では、CMPは半導体集積回路チップの製造には必須のものであるが、基板を研磨パッドにより加圧し、平坦化を行うため、研磨パッドを用いない、より低圧で平坦化可能な平坦化技術が求められている。さらに、CMP装置の研磨パッドへのスラリー目詰まりを引き起こすため、定期的なパッドドレシングが必要である。また、砥粒を含む通常のスラリー液を使用した場合、砥粒と被エッチング・平坦化材変性物との混合物が、CMP装置及び周辺部に固着し、この固着したスラリーの洗浄に多くのコストが必要となる。さらに、通常のスラリー液は砥粒を多く含むため、廃液として処理する際の環境負荷とコストが問題となっている。
【００１０】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、研磨パッドを用いず、さらに砥粒を用いないスラリー液による絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、研磨パッドを用いず、また砥粒を用いないスラリー液による平坦化を行う方法及び装置が提供される。スラリー液に微細気泡（マイクロバブル）を分散させ、これに基板を浸漬することで絶縁膜への金属の平坦化埋め込みを行う。
【００１２】
本発明に係る絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法は、液体中に含有される気泡の平均直径より微細な寸法のパターンを形成した基板に堆積した金属膜を、前記気泡を含有する前記液体に浸漬し、前記金属膜のうち凹部のものを残留させることを、特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明に係る絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法では、前記液体がエッチング液もしくはスラリー液であることを、特徴とする。
さらに、本発明に係る絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法では、前記液体がエッチング液もしくはスラリー液に砥粒を含んでいることを、特徴とする。
また、本発明に係る絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法では、前記金属膜の主成分が銅、アルミニウム、金、銀、白金のいずれか、もしくは炭素であり、またバリアメタル膜として用いられるTi、TiN、Ta、TaN、CoWP、Ruであることを、特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法では、前記液体中に含有される前記気泡が、気泡径1 mm以下の微細気泡（マイクロバブル）であることを、特徴とする。
また、本発明に係る絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法は、前記微細気泡（マイクロバブル）は、界面活性剤やアルコール類を含む添加剤により形成され、気泡密度が1%以上に高密度化されていることを、特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法は、前記気泡に吸着した被エッチング材・被平坦化材の変性物を前記気泡の浮上後に回収することを、特徴とする。
また、本発明に係る絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法は、前記気泡に吸着した被エッチング材・被平坦化材の変性物を前記気泡の浮上後に回収するためにオーバーフロー槽を設置することを、特徴とする。
【００１６】
マイクロバブル表面には、マイクロバブル添加剤によるイオン分布に起因する電気的二重層が形成されており、この電気的二重層の形成により気泡が微細な状態で安定化している。図１に、これを図示する。液体中では、マイクロバブル表面のイオン分布（電気的二重層）による浸透圧に起因した力であるDLVO（Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek）力が働いており、マイクロバブルが基板表面に近づくと、この力が働き、基板表面の変質物をマイクロバブルに吸着させることができる。特に本発明では、スラリーとの反応で生じた金属表面の金属変質物に、マイクロバブルを接触させ、DLVO力により金属変質物を吸着し、これによりマイクロバブルの接触に律速した金属エッチングを行うことができる。図２に、これを図示する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、研磨パッドを用いない、より低圧な平坦化方法であるため、高信頼なプロセスが構築できる。例えば半導体集積回路多層配線では、配線絶縁膜部での負荷が小さくなるため、さらなる低誘電率化（Low-k化）を図ることができる。また、研磨パッドを用いないため、パッドドレシングは必要ない。スラリー液に砥粒を用いないため、装置及び周辺部へのスラリー固着は低減し、装置洗浄のコストが低減する。さらに砥粒を用いないため、スラリー廃液中の固形分が低減し、そのため環境負荷とコストが低減する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】マイクロバブル表面の電気的二重層を示す正面図、拡大断面図、および電荷分布を示すグラフである。
【図２】マイクロバブル接触による金属表面の変質層の吸着を示す側面図および拡大断面図である。
【図３】従来のCMP装置の一部を示す側面図である。
【図４】本発明の実施の形態の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法で使用されるエッチング・平坦化装置の概略構成を示す側面図である。
【図５】従来のCMPにおけるCu平坦化のメカニズムを示した側面図である。
【図６】本発明の実施の形態の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法によるエッチング・平坦化のメカニズムを示す（ａ）研磨パッド不使用のときの側面図、（ｂ）砥粒を使用しないとき（砥粒レスプロセス）の側面図である。
【図７】本発明の実施の形態の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法の、Cuエッチング及び平坦化における、マイクロバブルがあるとき（with Microbubble）およびマイクロバブルがないとき（withoutMicrobubble）の、エッチング率（Etching Rate）のグリシン濃度（Glycine Concentration）依存性を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法の、Cuエッチング及び平坦化における、マイクロバブルがあるとき（with Microbubble）およびマイクロバブルがないとき（withoutMicrobubble）の、エッチング率（Etching Rate）のキナルジン酸濃度（Qunaldic Acid Concentration）依存性を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法の、Cuエッチング及び平坦化における、砥粒を0.5 wt%添加しマイクロバブルがあるとき（with Microbubble）、ならびに、マイクロバブルがあるとき（withMicrobubble）およびマイクロバブルがないとき（without Microbubble）の砥粒レスプロセスにおける、グリシン濃度（GlycineConcentration）に対するエッチングレートを示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法の、Cuエッチング及び平坦化における砥粒レスプロセスをCuダマシン構造に適用したときの電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
半導体集積回路の金属配線形成では、配線層絶縁膜にトレンチ構造もしくはビア構造の凹部を形成し、バリア膜を形成後、Cuシード薄膜がスパッタリング法により形成され、その後メッキ法により主なCu配線部が成膜される。これら金属膜は、配線層絶縁膜上全面にわたり成膜されるので、エッチング・平坦化を行い凹部のみにCuを残す必要がある。このために用いられるのは化学的機械的研磨法（Chemical-Mechanical Polishing, CMP）であり、図３にこれを行う装置を示す。
【００２０】
図３に示すように、研磨ヘッド１に半導体基板２を固定し、研磨パッド３に対向接触させ、研磨ヘッド１と研磨パッド３が貼られたプラテン４とを回転させ、Cuの平坦化を行う。これに対し、図４は、本発明の実施の形態の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法で使用されるエッチング・平坦化装置の概略構成を示す。図４を参照すると、半導体基板もしくは被膜２は、微細気泡（マイクロバブル）を分散させたスラリー液７で満たしたエッチング槽１０に浸漬している。スラリー液はベンチュリー管１１から微細気泡を伴い供給される。エッチング槽１０からオーバーフローした気泡を伴うスラリー液８は、オーバーフロー槽９に一旦溜められ、ここでエッチング及び平坦化により生じた半導体基板もしくは被膜２の変質物が回収され、その後オーバーフロー槽９に設けられた取水口１６を通して取水され、液体用ポンプ１５を通してベンチュリー管１１にスラリー液を供給する。
【００２１】
通常のウェットエッチングでは、反応が等方的なので、Cu配線部上部には大きなディッシング（金属層の窪み）が形成される。マイクロバブルをスラリー液に導入し、エッチングを行うと、マイクロバブルがCu表面に接触することで、エッチングが促進され、更にスラリー液に含まれるキレート剤の割合を変化させることで、マイクロバブル接触律速のエッチングを行うことができる。
【００２２】
図５に従来のCMPにおけるCu平坦化のメカニズムを示す。図５に示すように、従来のCMPでは、研磨パッドを通して砥粒に荷重をかけ、砥粒をCu表面に接触させ、Cu表面に形成されたCu錯体を砥粒表面に吸着することで、Cu表面のCu錯体層を除去する。この後、再度Cu錯体層が形成されるため、これを砥粒に吸着させて除去し、この繰り返しにより平坦なCu表面が得られる。Cuが絶縁膜に埋め込まれている場合には、絶縁膜表面に至るまでこのCu平坦化プロセスを行い、絶縁膜へのCu埋め込みを行うことができる。
【００２３】
図６に本発明の実施の形態の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法のメカニズムを示す。図６（ａ）に示すように、従来のCMPで用いられた研磨パッドは用いず、気泡が砥粒を介してCu表面に接触し、Cu表面に形成されたCu錯体を砥粒と気泡表面とに吸着することで、Cu表面のCu錯体層を除去する。この後、再度Cu錯体層が形成されるため、これを砥粒と気泡表面とに吸着させて除去し、この繰り返しにより平坦なCu表面が得られる。Cuが絶縁膜に埋め込まれている場合には、絶縁膜表面に至るまでこのCu平坦化プロセスを行い、絶縁膜へのCu埋め込みを行うことができる。この平坦化は図６（ｂ）に示すように、スラリー液に砥粒が含まれていないときにも行うことができる。このときは、気泡表面にのみCu錯体を吸着させ、Cu表面のCu錯体層を除去する。
【００２４】
図７は、本発明の実施の形態の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法の、Cuエッチング及び平坦化における、マイクロバブルがあるとき（with Microbubble）およびマイクロバブルがないとき（without Microbubble）の、エッチング率（Etching Rate）のグリシン濃度（Glycine Concentration）依存性を示すグラフである。図７に示すように、マイクロバブルの導入により、エッチング率が増加し、例えばグリシン濃度0.05 mol/Lのとき、レート比は6.6倍となる。これは、マイクロバブルがCu表面に接触することによりCu錯体層が除去され、エッチングを促進した効果による。グリシン濃度を増加させていくと、グリシンによるCuの化学エッチングが促進されるため、マイクロバブル有り無しの両方ともエッチング率が増加するが、マイクロバブル接触律速のエッチングから離れ、通常の化学エッチング性が増すため、レート比は低下する。
【００２５】
図８は、本発明の実施の形態の絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法の、Cuエッチング及び平坦化における、マイクロバブルがあるとき（with Microbubble）およびマイクロバブルがないとき（without Microbubble）の、エッチング率（Etching Rate）のキナルジン酸濃度（Qunaldic Acid Concentration）依存性を示すグラフである。図８に示すように、キナルジン酸をスラリー液に添加することによりエッチング率は低下するが、マイクロバブル有り無しでのレート比は増加し、最大16.5倍となる。このとき、表１に示す濃度比のうちグリシン 0.1 mol/L、キナルジン酸 3.0×10-3 mol/L である。この濃度比は、平坦化可能なキレート剤の割合となる。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
また、図９に示すように、スラリー液から砥粒を取り除いた場合でも、マイクロバブルによるエッチング促進の効果がある。砥粒を使用しない場合、エッチング後Cu表面に残る表面残渣低減と、砥粒不使用による生産及びスラリー廃棄コスト低減の効果がある。図１０に示すのは、砥粒を使用しない場合での、平坦化を行った実施例である。
【００２８】
ここで、凹凸のある基板に堆積したCu膜をエッチングして、凹部に残留させるためには、気泡の平均直径より微細な凹パターン寸法であることが必須となる。さらにエッチングを効果的に行うためには、気泡密度を1%以上に高密度化することが有効である。
【００２９】
本発明では、エッチングもしくは平坦化を行う基板は、エッチング槽に浸漬できればよいので、例えば、フラットパネルディスプレイなどで用いられる面積1 m２を超える大型ガラス基板にも使用できる。特に、レーザー結晶化により形成された低温ポリシリコン薄膜トランジスタでは、ポリシリコン表面に凹凸を有しており、これを平坦化する必要があるが、基板が大きいため、通常のCMPが行えないことが問題であった。本発明による平坦化では、基板の大きさに依らないので、この平坦化を行うことができる。
【００３０】
本発明では、エッチング槽に同時に複数の基板を浸漬することで、同時に複数枚の基板のエッチング・平坦化処理すること（バッチ処理）もできる。また，本発明の実施例として、Cu配線を例にとって説明したが、本発明はこれに限るものではなく、配線材料として考えられるAl、Au、Ag、Pt、あるいはそれらを主成分とする合金に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明に係る絶縁膜への金属の平坦化埋め込み方法は、半導体基板や被膜等の様々な分野に適用できる。また本発明によって製造された半導体基板や被膜は、半導体集積回路やフラットパネルディスプレイとして広く用いることが出来る。
【符号の説明】
【００３２】
１  研磨ヘッド
２  半導体基板もしくは被膜
３  研磨パッド
４  プラテン
５  スラリー液供給機構
６  スラリー液
７  微細気泡（マイクロバブル）を分散させたスラリー液
８  オーバーフローしたスラリー液
９  オーバーフロー槽
１０  エッチング槽
１１  ベンチュリー管
１２  気体用流量計
１３  エアコンプレッサ
１４  液体用流量計
１５  液体用ポンプ
１６  取水口
１７  仕切り板
【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図１０】
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