(57)【要約】【課題】銅拡散防止膜を高速度で研磨することが可能な銅拡散防止膜用研磨組成物を提供しようとものである。【解決手段】コロイダルシリカ粒子およびこのコロイダルシリカ粒子のゼータ電位をプラス側にシフトさせる量のｐＨ調整剤を含むことを特徴とする。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
コロイダルシリカ粒子およびこのコロイダルシリカ粒子のゼータ電位をプラス側にシフトさせる量のｐＨ調整剤を含むことを特徴とする銅拡散防止膜用研磨組成物。
【請求項２】
半導体基板上の絶縁膜に配線層の形状に相当する溝およびビアフィルの形状に相当する開口部から選ばれる少なくとも１つの埋込み用部材を形成する工程；
前記埋込み用部材の内面を含む前記絶縁膜上に銅拡散防止膜を形成する工程；
前記銅拡散防止膜上に銅または銅合金からなる配線材料膜を形成する工程；
銅系金属用研磨組成物を用いて前記配線材料膜を少なくとも前記埋込み用部材を除く前記絶縁膜上の前記銅拡散防止膜部分が露出するまで研磨する工程；および
コロイダルシリカからなる研磨砥粒およびこの研磨砥粒のゼータ電位をプラス側にシフトさせる量のｐＨ調整剤を含む銅拡散防止膜用研磨組成物を用いて少なくとも前記埋込み用部材を除く前記絶縁膜上の前記銅拡散防止膜部分を研磨し、それによって前記埋込み用部材内に表面を除く周囲が前記銅拡散防止膜で覆われた配線層およびビアフィルから選ばれる少なくとも１つの導電部材を形成する工程；
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記銅拡散防止膜は、Ｔａ，ＴａＮおよびＷＮから選ばれる１層または２層以上から作られることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銅拡散防止膜用研磨組成物および半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化により、回路配線の微細化が進み、配線材料がＡｌから比抵抗が低く許容電流密度が高いＣｕを用いることが検討され、盛んに研究、開発が進められている。
【０００３】
このようなＣｕ配線を有する半導体装置は、次のようなケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）技術を用いて埋め込み配線層を形成し、表面の段差を解消する方法が採用されている。
【０００４】
すなわち、半導体基板上の例えばＳｉＯ２からなる層間絶縁膜に溝を形成し、この溝を含む前記層間絶縁膜全面にＴａ膜のような銅拡散防止膜を形成し、さらに前記銅拡散防止膜上に銅または銅合金からなる配線材料膜を前記溝を十分に埋めるように形成した後、ポリシング装置および研磨組成物を用いて前記配線材料膜をＣＭＰ処理を施す第１研磨、さらにポリシング装置および別の研磨組成物を用いて前記溝を除く層間絶縁膜上の銅拡散防止膜をＣＭＰ処理する第２研磨、により前記溝内に表面を除く周囲が前記銅拡散防止膜で覆われた銅または銅合金の膜を残存させて埋め込み配線層を形成する。
【０００５】
ところで、前記第２研磨により銅拡散防止膜をＣＭＰ処理するための従来の研磨組成物としてはヒュームドシリカのような研磨砥粒を含有するものが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ヒュームドシリカのような研磨砥粒を含有する研磨組成物は、Ｔａのような銅拡散防止膜を必ずしも高い速度で研磨することが困難であった。
【０００７】
本発明は、銅拡散防止膜を高速度で研磨することが可能な銅拡散防止膜用研磨組成物を提供しようとするものである。
【０００８】
本発明は、半導体基板上の絶縁膜に溝および開口部から選ばれる少なくとも１つの埋込み用部材を形成し、前記絶縁膜上に銅（Ｃｕ）または銅合金（Ｃｕ合金）からなる配線材料膜を第１研磨し、さらに表面に露出する銅拡散防止膜を第２研磨により高速度で除去し、周囲が銅拡散防止膜で覆われた埋め込み配線層のような導電部材を形成することが可能な半導体装置の製造方法を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る銅拡散防止膜用研磨組成物は、コロイダルシリカ粒子およびこのコロイダルシリカ粒子のゼータ電位をプラス側にシフトさせる量のｐＨ調整剤を含むことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上の絶縁膜に配線層の形状に相当する溝およびビアフィルの形状に相当する開口部から選ばれる少なくとも１つの埋込み用部材を形成する工程；
前記埋込み用部材の内面を含む前記絶縁膜上に銅拡散防止膜を形成する工程；
前記銅拡散防止膜上に銅または銅合金からなる配線材料膜を形成する工程；
銅系金属用研磨組成物を用いて前記配線材料膜を少なくとも前記埋込み用部材を除く前記絶縁膜上の前記銅拡散防止膜部分が露出するまで研磨する工程；および
コロイダルシリカからなる研磨砥粒およびこの研磨砥粒のゼータ電位をプラス側にシフトさせる量のｐＨ調整剤を含む銅拡散防止膜用研磨組成物を用いて少なくとも前記埋込み用部材を除く前記絶縁膜上の前記銅拡散防止膜部分を研磨し、それによって前記埋込み用部材内に表面を除く周囲が前記銅拡散防止膜で覆われた配線層およびビアフィルから選ばれる少なくとも１つの導電部材を形成する工程；
を含むことを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る銅拡散防止膜用研磨組成物を詳細に説明する。
【００１２】
この銅拡散防止膜用研磨組成物は、コロイダルシリカ粒子およびこのコロイダルシリカ粒子のゼータ電位をプラス側にシフトさせる量のｐＨ調整剤を含有する。
【００１３】
前記コロイダルシリカ粒子は、０．０２〜０．１μｍの平均一次粒径を有し、球状もしくは球に近似した形状を有することが好ましい。
【００１４】
前記研磨砥粒は、前記研磨組成物中に０．８〜２０重量％含有されることが好ましい。前記研磨砥粒の含有量を０．８重量％未満にすると、その効果を十分に達成することが困難になる。一方、前記研磨砥粒の含有量が２０重量％を越えると、研磨組成物の粘度等が高くなるなど取扱い難くなる。より好ましい研磨砥粒の含有量は、０．８〜１０重量％である。
【００１５】
前記ｐＨ調整剤としては、例えば塩酸、乳酸、２−キノリンカルボン酸（キナルジン酸）等を挙げることができる。
【００１６】
本発明に係る銅拡散防止材料用研磨組成物において、非イオン性、両性イオン性、陰イオン性、陽イオン性の界面活性剤が添加されることを許容する。
【００１７】
本発明に係る銅拡散防止材料用研磨組成物を用いて例えば基板上の絶縁膜に凹部を形成し、この凹部を含む前記絶縁膜上にチタン（Ｔａ）膜のような銅拡散防止膜を成膜し、さらにＣｕ膜またはＣｕ合金膜を成膜し、これらＣｕ膜またはＣｕ合金膜を研磨後に銅拡散防止膜を研磨するには、図１に示すポリシング装置が用いられる。すなわち、ターンテーブル１上には例えば布、独立気泡を有するポリウレタン発泡体から作られた研磨パッド２が被覆されている。研磨組成物を供給するための供給管３は、前記研磨パッド２の上方に配置されている。上面に支持軸４を有する基板ホルダ５は、研磨パッド２の上方に上下動自在でかつ回転自在に配置されている。
【００１８】
このようなポリシング装置において、前記ホルダ５により基板６をその研磨面（例えばＴａ膜）が前記研磨パッド２に対向するように保持し、前記供給管３から前述した組成の研摩液７を供給しながら、前記支持軸４により前記基板６を前記研磨パッド２に向けて所望の加重を与え、さらに前記ホルド５および前記ターンテーブル１をそれぞれ同方向に回転させることにより前記基板６上のＴａ膜が研磨される。
【００１９】
次に、本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する。
【００２０】
まず、半導体基板上の絶縁膜に配線層の形状に相当する溝およびビアフィルの形状に相当する開口部から選ばれる少なくとも１つの埋込み用部材を形成する。つづいて、この埋込み用部材の内面を含む前記絶縁膜上に銅拡散防止膜を形成する。
【００２１】
次いで、前記銅拡散防止膜上に銅または銅合金からなる配線材料膜を形成した後、銅系金属用研磨組成物を用いて前記配線材料膜を前記埋込み用部材を除く前記絶縁膜上の前記銅拡散防止膜部分が露出するまでＣＭＰ処理する第１研磨を行う。つづいて、前記銅系金属用研磨組成物に代えて前述した組成の銅拡散防止材料用研磨組成物を用いて前記埋込み用部材を除く前記絶縁膜上の前記銅拡散防止膜部分をＣＭＰ処理する第２研磨を行うことによって、前記埋込み用部材内に表面を除く周囲が前記銅拡散防止膜で覆われた配線層およびビアフィルから選ばれる少なくとも１つの導電部材を形成して半導体装置の製造する。
【００２２】
前記絶縁膜としては、例えばシリコン酸化膜、ボロン添加ガラス膜（ＢＰＳＧ膜）、リン添加ガラス膜（ＰＳＧ膜）、Ｌｏｗ−Ｋ膜、ＳｉＯＦ、有機スピンオングラス、ポリイミド、フッ素添加ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ポリアリルエーテル、フッ素添加パレリン等を挙げることができる。
【００２３】
前記銅拡散防止膜は、例えばＴａ，ＴａＮ、ＴａＮｂ、Ｗ，ＷＮ，ＴａＮ，ＴａＳｉＮ，Ｃｏ，Ｚｒから選ばれる１層または２層以上から作られる。このような銅拡散防止膜は、１５〜５０ｎｍの厚さを有することが好ましい。
【００２４】
前記Ｃｕ合金としては、例えばＣｕ−Ｓｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金、Ｃｕ−Ｓｉ−Ａｌ合金、Ｃｕ−Ａｇ合金等を用いることができる。
【００２５】
前記ＣｕまたはＣｕ合金からなる配線材料膜は、スパッタ蒸着、真空蒸着、または無電解メッキ等により形成される。具体的には、銅もしくは銅合金をスパッタ法またはＣＶＤ法により堆積し、さらに無電解銅メッキを施して銅または銅合金からなる配線材料膜を形成する。
【００２６】
前記第１研磨に用いられる銅系金属用研磨組成物としては、例えば水溶性の有機酸と、アルミナおよびシリカから選らればれる少なくとも１つの研磨砥粒と、酸化剤と、水とを含有する。前記有機酸は、銅と反応してこの有機酸および前記酸化剤の水溶液に実質的に不溶性で、かつ銅よりも機械的に脆弱な銅錯体を生成する性質を有する。
【００２７】
前記有機酸としては、例えば２−キノリンカルボン酸（キナルジン酸）、２−ピリジンカルボン酸、２，６−ピリジンカルボン酸、キノリン等を挙げることができる。
【００２８】
前記有機酸は、前記研磨組成物中に０．１重量％以上含有されることが好ましい。
【００２９】
前記研磨砥粒は、０．０２〜０．１μｍの平均一次粒径を有し、球状もしくは球に近似した形状を有することが好ましい。
【００３０】
前記研磨砥粒は、前記研磨組成物中に０．８〜２０重量％含有されることが好ましい。前記研磨砥粒の含有量を０．８重量％未満にすると、その効果を十分に達成することが困難になる。一方、前記研磨砥粒の含有量が２０重量％を越えると、研磨組成物の粘度等が高くなるなど取扱い難くなる。より好ましい研磨砥粒の含有量は、０．８〜１０重量％である。
【００３１】
前記酸化剤としては、例えば過酸化水素（Ｈ２  Ｏ２  ）、次亜塩素酸ソーダ（ＮａＣｌＯ）のような酸化剤を用いることができる。この酸化剤は、前記有機酸に対して重量割合で１０〜１００倍配合することが好ましい。
【００３２】
前記銅系金属用研磨組成物は、さらにカルボキシル基およびヒドロキシル基をそれぞれ１つ持つ別の有機酸を含有することを許容する。この別の有機酸は、前記酸化剤による銅の水和物の生成を促進する作用を有する。かかる別の有機酸としては、例えば乳酸、酒石酸、マンデル酸およびリンゴ酸等を挙げることができ、これらは１種または２種以上の混合物の形態で用いることができる。この別の第２有機酸としては、特に乳酸を用いるが好ましい。
【００３３】
前記銅系金属用研磨組成物および銅拡散防止材料研磨組成物による研磨処理は、例えば前述した図１に示すポリシング装置が用いて行われる。
【００３４】
図１に示すポリシング装置を用いる研磨処理において、基板ホルダで保持された基板を前記研磨パッドに与える荷重は研磨組成物の組成により適宜選定されるが、例えば５０〜１０００ｇ／ｃｍ２  にすることが好ましい。
【００３５】
以上説明した本発明に係る銅拡散防止材料用研磨組成物は、コロイダルシリカ粒子およびこのコロイダルシリカ粒子のゼータ電位をプラス側にシフトさせるためのｐＨ調整剤を含有するため、チタン（Ｔａ）膜のような銅拡散防止膜の研磨において従来のようにヒュームドシリカを研磨砥粒として含有する研磨組成物に比べて研磨条件が同じである場合、高速度で銅拡散防止膜を研磨することができる。
【００３６】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上の絶縁膜に配線層の形状に相当する溝およびビアフィルの形状に相当する開口部から選ばれる少なくとも１つの埋込み用部材を形成し、前記埋込み用部材の内面を含む前記絶縁膜上に銅拡散防止膜を形成し、さらに前記銅拡散防止膜上に銅または銅合金からなる配線材料膜を形成し、つづいて前述した銅系金属用研磨組成物と例えば前述した図１に示すポリシング装置とを用いて前記配線材料膜を前記埋込み用部材を除く前記絶縁膜上の前記銅拡散防止膜部分が露出するまでＣＭＰ処理する第１研磨を行なう。絶縁膜表面に位置する銅拡散防止膜部分上の前記ＣｕまたはＣｕ合金の配線材料膜の研磨終了において、前記銅系金属用研磨組成物に代えて銅拡散防止材料用研磨組成物を用いて前記絶縁膜上に露出した銅拡散防止をＣＭＰ処理する第２研磨を行うことによって、前記絶縁膜表面に位置する銅拡散防止膜部分を高速度で除去できる。
【００３７】
したがって、銅拡散防止膜で囲まれた前記溝および開口部から選ばれる少なくとも１つの埋込み用部材に配線層およびビアフィルから選ばれる少なくとも１つの埋め込み導電部材を形成することができるため、配線材料であるＣｕが前記絶縁膜に拡散するのを前記銅拡散防止膜で阻止し、Ｃｕによる半導体基板の汚染を防止することが可能な半導体装置を製造することができる。
【００３８】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照しして詳細に説明する。
【００３９】
（実施例１）
平均一次粒子径が０．０２μｍのコロイダルシリカを５重量％分散させたスラリーにｐＨ調整剤である塩酸をそのスラリーのｐＨ値が変化するように添加して銅拡散防止膜用研磨組成物を調製した。
【００４０】
（比較例１）
平均一次粒子径が０．０２μｍのヒュームドシリカを５重量％分散させたスラリーにｐＨ調整剤である塩酸をそのスラリーのｐＨ値が変化するように添加して銅拡散防止膜用研磨組成物を調製した。
【００４１】
前述した図１に示すポリシング装置を用いて基板ホルダ５にＴａ膜が成膜されたシリコンウェハをそのＴａ膜が研磨パッド（ローデル社製商品名；ＩＣ１０００）２側に対向するように逆さにして保持し、支持軸４により前記ウェハを研磨パッド２に３００ｇｆ／ｃｍ２  の荷重を与え、さらに前記ターンテーブル１およびホルダ５をそれぞれ６３ｒｐｍ、６０ｒｐｍの速度で同方向に回転させながら、前記組成の銅拡散防止膜用研磨組成物を供給管３から２００ｍＬ／分の速度で前記研磨パッド２に供給することによって、前記Ｔａ膜の研磨を行なった。
【００４２】
このような実施例１および比較例１の銅拡散防止膜用研磨組成物によるＴａ膜の研磨速度を図２、図３にそれぞれ示す。なお、図２、図３にはｐＨの変化に伴う銅拡散防止膜用研磨組成物中のコロイダルシリカ、ヒュームドシリカのゼータ電位を示す。
【００４３】
図２、図３から明らかなようにコロイダルシリカを研磨砥粒として含む実施例１の銅拡散防止膜用研磨組成物はそのコロイダルシリカのゼータ電位がプラス側にシフトするｐＨ値において高いＴａの研磨速度を示すことがわかる。これに対し、ヒュームドシリカを研磨砥粒として含む比較例１の銅拡散防止膜用研磨組成物はそのヒュームドシリカのゼータ電位を変えてもＴａの研磨速度が低い状態で変化しないことがわかる。
【００４４】
（実施例２）
平均一次粒子径が０．０２μｍのコロイダルシリカを５重量％分散させたスラリーにｐＨ調整剤である乳酸をそのスラリーのｐＨ値が変化するように添加して銅拡散防止膜用研磨組成物を調製した。
【００４５】
実施例１と同様に前述した図１に示すポリシング装置および前記組成の銅拡散防止膜用研磨組成物を用いてＴａ膜の研磨速度を測定した。その結果を図４に示す。なお、図４にはｐＨの変化に伴う銅拡散防止膜用研磨組成物中のコロイダルシリカのゼータ電位を示す。
【００４６】
図４から明らかなようにコロイダルシリカを研磨砥粒として含む実施例２の銅拡散防止膜用研磨組成物はそのコロイダルシリカのゼータ電位がプラス側にシフトするｐＨ値において高いＴａの研磨速度を示すことがわかる。
【００４７】
なお、ｐＨ調整剤として乳酸の代わりにキナルジン酸を用いても同様な結果を得た。
【００４８】
（実施例３）
まず、図５の（Ａ）に示すように表面に図示しないソース、ドレイン等の拡散層が形成されたシリコン基板２１上にＣＶＤ法により層間絶縁膜としての例えば厚さ１０００ｎｍのＳｉＯ２  膜２２を堆積した後、前記ＳｉＯ２  膜２２にフォトエッチング技術により配線層に相当する形状を有する深さ５００ｎｍの複数の溝２３を形成した。つづいて、図５の（Ｂ）に示すように前記溝２３を含む前記ＳｉＯ２  膜２２上にスパッタ蒸着により厚さ１５ｎｍのＴａからなる銅拡散防止膜２４および厚さ６００ｎｍのＣｕ膜２５をこの順序で形成した。
【００４９】
次いで、前述した図１に示すポリシング装置の基板ホルダ５に図５の（Ｂ）に示す基板２１を逆さにして保持し、前記ホルダ５の支持軸４により前記基板をターンテーブル１上のローデル社製商品名；ＩＣ１０００からなる研磨パッド２に５００ｇ／ｃｍ２  の荷重を与え、前記ターンテーブル１およびホルダ５をそれぞれ１０３ｒｐｍ、１００ｒｐｍの速度で同方向に回転させながら、下記組成の銅系金属用研磨組成物を供給管３から５０ｍｌ／分の速度で前記研磨パッド２に供給して前記基板２１に形成したＣｕ膜２５を前記ＳｉＯ２  膜２２上の前記銅拡散防止膜２４の表面が露出するまで研磨した。この研磨工程において、前記研磨組成物はＣｕ膜との接触時のエッチングが全く起こらず、前記研磨パッドによる研磨時の研磨速度が約６００ｎｍ／分であった。このため、研磨工程において図５の（Ｂ）に示す凸状のＣｕ膜２５は前記研磨パッドと機械的に接触する表面から優先的にポリシングされた。
【００５０】
＜銅系金属用研磨組成物；各成分量は水に対する割合＞
・２−キノリンカルボン酸（キナルジン酸）；０．６７重量％、
・乳酸；０．６７重量％、
・コロイダルアルミナ；１．６７重量％、
・過酸化水素；４．６７重量％、
・ドデシル硫酸アンモニウム；０．５７６重量％、
・ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）；０．４重量％。
【００５１】
次いで、前述したＣｕ膜研磨に用いたポリシング装置に隣接された図１と同構造を有する別のポリシング装置の基板ホルダ５に図５の（Ｂ）に示す基板２１を逆さにして保持し、前記ホルダ５の支持軸４により前記基板をターンテーブル１上のローデル社製商品名；ＩＣ１０００からなる研磨パッド２に５００ｇ／ｃｍ２  の荷重を与え、前記ターンテーブル１およびホルダ５をそれぞれ１０３ｒｐｍ、１００ｒｐｍの速度で同方向に回転させながら、下記組成の銅拡散防止材料用研磨組成物を供給管３から１００ｍｌ／分の速度で前記研磨パッド２に供給して前記基板２１に形成した銅拡散防止膜２４を前記ＳｉＯ２  膜２２表面が露出するまで研磨した。
【００５２】
＜銅拡散防止材料用研磨組成物；各成分量は水に対する割合＞
・コロイダルシリカ；５重量％、
・塩酸；ｐＨ値が３．００になる量。
【００５３】
その結果、図５の（Ｃ）に示すように前記溝２３内に銅拡散防止膜２４が残存すると共に、前記銅拡散防止膜２４で覆われた前記溝２３内にデッシングが抑制された前記ＳｉＯ２  膜２２表面とほぼ面一な埋め込みＣｕ配線層２６が形成された。
【００５４】
さらに、前記ポリシング装置のホルダ５による前記研磨パッド２への荷重を解除し、かつターンテーブル１およびホルダ５の回転の停止した後において、前記Ｃｕ配線層２６が前記研磨組成物に接触されても溶解（エッチング）されることがなかった。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば銅拡散防止膜を高速度で研磨することが可能な銅拡散防止膜用研磨組成物を提供することができる。
【００５６】
さらに、本発明によれば半導体基板上の絶縁膜に溝および開口部から選ばれる少なくとも１つの埋込み用部材を形成し、前記絶縁膜上に銅（Ｃｕ）または銅合金（Ｃｕ合金）からなる配線材料膜を第１研磨し、さらに表面に露出する銅拡散防止膜を第２研磨により高速度で除去し、周囲が銅拡散防止膜で覆われた埋め込み配線層のような導電部材を形成することが可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の研磨工程に使用されるポリシング装置を示す概略図。
【図２】本発明の実施例１における銅拡散防止膜用研磨組成物によるＴａ膜の研磨速度とｐＨ値の変化に伴う中のコロイダルシリカのゼータ電位とを示す特性図。
【図３】比較例１における銅拡散防止膜用研磨組成物によるＴａ膜の研磨速度とｐＨ値の変化に伴う中のコロイダルシリカのゼータ電位とを示す特性図。
【図４】本発明の実施例２における銅拡散防止膜用研磨組成物によるＴａ膜の研磨速度とｐＨ値の変化に伴う中のコロイダルシリカのゼータ電位とを示す特性図。
【図５】本発明の実施例３における半導体装置の製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
１…ターンテーブル、
２…研磨パッド、
３…供給管、
５…ホルダ、
１１…シリコン基板、
１５…Ｃｕ膜、
１２…ＳｉＯ２  膜、
２３…溝、
１４…銅拡散防止膜、
２６…Ｃｕ配線層。
【図１】
2004152785.tif 000002
【図２】
2004152785.tif 000003
【図３】
2004152785.tif 000004
【図４】
2004152785.tif 000005
【図５】
2004152785.tif 000006