(57)【要約】【課題】半導体素子における金属配線部の金属膜研磨速度を維持しつつバリア層の研磨速度を抑制し、幅広配線部のディシングや、高密度配線部の金属配線部及び層間絶縁膜のエロージョンによる平坦性の悪化を防ぎ、信頼性の高い金属膜の埋め込みパターンを形成できる金属用研磨液を提供する。【解決手段】金属の酸化剤、酸化金属溶解剤、金属防食剤、砥粒、砥粒吸着剤及び水を含む金属用研磨液であり、好ましくは前記砥粒吸着剤が、シリカ粒子に吸着するノニオン性高分子材料である。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の酸化剤、酸化金属溶解剤、金属防食剤、砥粒、砥粒吸着剤及び水を含むことを特徴とする金属用研磨液。
【請求項２】
砥粒吸着剤が、ノニオン性高分子材料である請求項１記載の金属用研磨液。
【請求項３】
砥粒吸着剤が、シリカ粒子に吸着するノニオン性高分子材料であって、セルロース系化合物から選ばれる請求項２記載の金属用研磨液。
【請求項４】
砥粒吸着剤が、シリカ粒子に吸着するノニオン性高分子材料であって、ポリビニルアルコール系化合物およびポリエチレングリコール系化合物から選ばれる請求項２記載の金属用研磨液。
【請求項５】
砥粒吸着剤が、シリカ粒子に吸着するノニオン性高分子材料であって、１級窒素ポリマ化合物、２級窒素ポリマ化合物および３級窒素ポリマ化合物から選ばれる請求項２記載の金属用研磨液。
【請求項６】
砥粒が、シリカ粒子であって、研磨液に対して１重量％以下である請求項１〜５のいずれか記載の金属用研磨液。
【請求項７】
金属の酸化剤が、過酸化水素、硝酸、硝酸セリウムアンモニウム、過ヨウ素酸カリウム、過硫酸塩及びオゾン水から選ばれる少なくとも１種である請求項１〜６のいずれか記載の金属用研磨液。
【請求項８】
酸化金属溶解剤が、有機酸、有機酸エステル、有機酸のアンモニウム塩、イミダゾール化合物から選ばれる少なくとも１種である請求項１〜７のいずれか記載の金属用研磨液。
【請求項９】
金属防食剤が、１，２，３−トリアゾール、１，２，４−トリアゾール、３−アミノ−１，２，４−トリアゾール、ベンゾトリアゾール又は１−ヒドロキシルベンゾトリアゾールから選ばれる少なくとも１種である請求項１〜８のいずれか記載の金属用研磨液。
【請求項１０】
研磨される金属が、銅、銅合金、銅の酸化物、銅合金の酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種を含み、かつタンタル金属及びタンタル化合物の研磨速度が５ｎｍ／分以下である請求項１〜９のいずれか記載の金属用研磨液。
【請求項１１】
研磨定盤の研磨布と基体上に形成された金属膜との間に請求項１〜１０のいずれか記載の金属用研磨液を供給しながら、基体を研磨布に押圧した状態で研磨定盤と基体とを相対的に動かすことによって金属膜を研磨する研磨方法。
【請求項１２】
金属膜が銅、銅合金、銅の酸化物、銅合金の酸化物から選ばれる少なくとも１種を含む請求項１１記載の研磨方法。
【請求項１３】
表面が凹部および凸部からなる層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜を表面に沿って被覆するバリア導体層と、前記凹部を充填してバリア導体層を被覆する導電性物質層とを有する基板のうち、少なくとも導電性物質層を研磨して前記凸部のバリア導体層を露出させる第１研磨工程と、該第１研磨工程後に、少なくともバリア導体層および凹部の導電性物質層を研磨して凸部の層間絶縁膜を露出させる第２研磨工程とを含み、第１研磨工程で請求項１〜１０のいずれか記載の金属用研磨液を用いて研磨する研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの配線工程に好適な金属用研磨液及びそれを用いた研磨方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路（ＬＳＩ）の高集積化、高性能化に伴って新たな微細加工技術が開発されている。化学機械研磨（ＣＭＰ）法もその一つであり、ＬＳＩ製造工程、特に多層配線形成工程における層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、埋め込み配線形成において頻繁に利用される技術である。この技術は、例えば米国特許Ｎｏ．４９４４８３６号明細書に開示されている。
近年、ＬＳＩを高性能化するために、配線材料として銅合金の利用が試みられている。しかし、銅合金は従来のアルミニウム合金配線の形成で頻繁に用いられたドライエッチング法による微細配線加工が困難である。そこで、あらかじめ溝を形成してある絶縁膜上に銅合金薄膜を堆積して埋め込み、溝部以外の銅合金薄膜をＣＭＰにより除去して埋め込み配線を形成する、所謂ダマシン法が主に採用されている。この技術は、例えば特開平２−２７８８２２号公報に開示されている。
【０００３】
金属のＣＭＰの一般的な方法は、円形の研磨定盤（プラテン）上に研磨パッドを貼り付け、研磨パッド表面を金属用研磨液で浸し、基体の金属膜を形成した面を押し付けて、その裏面から所定の圧力（研磨圧力或いは研磨荷重）を加えた状態で研磨定盤を回し、研磨液と金属膜の凸部との機械的摩擦によって凸部の金属膜を除去するものである。
ＣＭＰに用いられる金属用研磨液は、一般には酸化剤及び砥粒からなっており、必要に応じてさらに酸化金属溶解剤、金属防食剤が添加される。まず、酸化によって金属膜表面を酸化し、その酸化層を砥粒によって削り取るのが基本的なメカニズムと考えられている。凹部の金属表面の酸化層は研磨パッドにあまり触れず、砥粒による削り取りの効果が及ばないので、ＣＭＰの進行と共に凸部の金属層が除去されて基体表面は平坦化される。この詳細については、ジャーナル・オブ・エレクトロソサイティー誌（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）の第１３８巻１１号（１９９１年発行）の３４６０〜３４６４頁に開示されている。
【０００４】
ＣＭＰによる研磨速度を高める方法として酸化金属溶解剤を添加することが有効とされている。砥粒によって削り取られた金属酸化物を研磨液で溶解させてしまうと砥粒による削り取り効果が増すためと解釈出来る。但し、凹部の配線金属膜表面の酸化層も溶解（エッチング）されて金属膜表面が露出すると、酸化剤によって金属表面がさらに酸化され、これが繰り返されると凹部のエッチングが進行してしまい、平坦化効果が損なわれることが懸念される。これを防ぐ為にさらに金属防食剤が添加される。平坦化特性を維持するためには、酸化金属溶解剤と金属防食剤の効果のバランスを取ることが重要であり、凹部の金属膜表面の酸化層はあまりエッチングされず、削り取られた酸化層が効率良く溶解されＣＭＰによる研磨速度が大きいことが望ましい。
【０００５】
このように酸化金属溶解剤と金属防食剤を添加して化学反応の効果を加えることにより、ＣＭＰによる研磨速度が向上すると共に、ＣＭＰされる金属層表面損傷（ダメージ）も低減される。
一方、配線金属の銅或いは銅合金等の下層には、絶縁膜中への銅拡散防止のためにバリア層として、タンタル金属や、タンタル化合物等が形成される。そして、配線金属を研磨する第１工程と、バリア層及び凹部の配線金属を研磨する第２工程とからなる２段研磨方法が検討されている。
従って、第１工程では、銅或いは銅合金を埋め込んだ配線部分を研磨した後に、タンタル等のバリア層が露出して来る。バリア層金属は、銅或いは銅合金に比べ、硬度が高いことから研磨速度は小さく、銅或いは銅合金のみを研磨し、バリア層が露出したところで銅の研磨が終了する。そして、第１工程と、第２工程とでは、被研磨膜の硬度や化学的性質が異なるために、酸化剤濃度等の組成を変更した２段研磨用の研磨剤が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−０８５３７６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この第１工程において、良好な電気特性を有する埋め込み配線を形成するために、バリア層を研磨しないようにしながらも金属配線部分の研磨しすぎを最小限に抑えることにより、平坦性を維持することが要求される。第１工程では、理想的には、バリア層の研磨速度が０ｎｍ／分であれば、バリア層上で研磨をストップすることが出来る。しかしながら、バリア層が削り取られると、銅配線部分も一緒に削り取られてしまい平坦性が悪化するという問題が生じる。
本発明は、銅或いはその合金の研磨速度を維持しつつ、タンタル金属或いはその化合物の研磨速度を抑制し、幅広配線部の銅の削れ過ぎ（ディシング）による平坦性の悪化を防ぎ、かつ高密度配線部の銅及び絶縁膜の削れ過ぎ（エロージョン）による平坦性の悪化を防ぎ、信頼性の高い金属膜の埋め込みパターン形成を可能とする金属用研磨液及びその研磨方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、以下の（１）〜（１３）に関する。
（１）金属の酸化剤、酸化金属溶解剤、金属防食剤、砥粒、砥粒吸着剤及び水を含む金属用研磨液。
（２）砥粒吸着剤が、ノニオン性高分子材料である前記（１）記載の金属用研磨液。
【０００９】
（３）砥粒吸着剤が、シリカ粒子に吸着するノニオン性高分子材料であって、セルロース系化合物から選ばれる前記（２）記載の金属用研磨液。
（４）砥粒吸着剤が、シリカ粒子に吸着するノニオン性高分子材料であって、ポリビニルアルコール系化合物およびポリエチレングリコール系化合物から選ばれる前記（２）記載の金属用研磨液。
（５）砥粒吸着剤が、シリカ粒子に吸着するノニオン性高分子材料であって、１級窒素ポリマ化合物、２級窒素ポリマ化合物および３級窒素ポリマ化合物から選ばれる前記（２）記載の金属用研磨液。
【００１０】
（６）砥粒が、シリカ粒子であって、研磨液に対して１重量％以下である前記（１）〜（５）のいずれか記載の金属用研磨液。
（７）金属の酸化剤が、過酸化水素、硝酸、硝酸セリウムアンモニウム、過ヨウ素酸カリウム、過硫酸塩及びオゾン水から選ばれる少なくとも１種である前記（１）〜（６）のいずれか記載の金属用研磨液。
【００１１】
（８）酸化金属溶解剤が、有機酸、有機酸エステル、有機酸のアンモニウム塩、イミダゾール化合物から選ばれる少なくとも１種である前記（１）〜（７）のいずれか記載の金属用研磨液。
（９）金属防食剤が、１，２，３−トリアゾール、１，２，４−トリアゾール、３−アミノ−１，２，４−トリアゾール、ベンゾトリアゾール又は１−ヒドロキシルベンゾトリアゾールから選ばれる少なくとも１種である前記（１）〜（８）のいずれか記載の金属用研磨液。
【００１２】
（１０）研磨される金属が、銅、銅合金、銅の酸化物、銅合金の酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種を含み、かつタンタル金属及びタンタル化合物の研磨速度が５ｎｍ／分以下である前記（１）〜（９）のいずれか記載の金属用研磨液。
【００１３】
（１１）研磨定盤の研磨布と基体上に形成された金属膜との間に前記（１）〜（１０）のいずれか記載の金属用研磨液を供給しながら、基体を研磨布に押圧した状態で研磨定盤と基体とを相対的に動かすことによって金属膜を研磨する研磨方法。
（１２）金属膜が銅、銅合金、銅の酸化物、銅合金の酸化物から選ばれる少なくとも１種を含む前記（１１）記載の研磨方法。
【００１４】
（１３）表面が凹部および凸部からなる層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜を表面に沿って被覆するバリア導体層と、前記凹部を充填してバリア導体層を被覆する導電性物質層とを有する基板のうち、少なくとも導電性物質層を研磨して前記凸部のバリア導体層を露出させる第１研磨工程と、該第１研磨工程後に、少なくともバリア導体層および凹部の導電性物質層を研磨して凸部の層間絶縁膜を露出させる第２研磨工程とを含み、第１研磨工程で前記（１）〜（１０）のいずれか記載の金属用研磨液を用いて研磨する研磨方法。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の金属用研磨液は、主要構成成分として金属の酸化剤、酸化金属溶解剤、金属防食剤、砥粒、砥粒吸着剤及び水を含有する。
【００１６】
本発明における金属の酸化剤としては、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、硝酸、硝酸セリウムアンモニウム、過ヨウ素酸カリウム、過硫酸塩及びオゾン水等が挙げられ、その中でも過酸化水素が特に好ましい。これらは１種単独で、若しくは２種類以上組合せて用いることができる。
【００１７】
酸化剤の配合量は、金属用研磨液の総量に対して１〜５０重量％とすることが好ましく、１０〜４０重量％とすることがより好ましく、２０〜３５重量％が特に好ましい。１重量％未満では、バリア層の研磨速度が増加し、バリア層と共に金属配線の削り過ぎ（ディシング）が増加する傾向があり、また、５０重量％を超えると研磨面に荒れが生じる傾向がある。
【００１８】
本発明における酸化金属溶解剤は、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、２−メチル酪酸、ｎ−ヘキサン酸、３，３−ジメチル酪酸、２−エチル酪酸、４−メチルペンタン酸、ｎ−ヘプタン酸、２−メチルヘキサン酸、ｎ−オクタン酸、２−エチルヘキサン酸、安息香酸、グリコール酸、サリチル酸、グリセリン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、マレイン酸、フタル酸、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸等の有機酸、これらの有機酸エステル及びこれら有機酸のアンモニウム塩類等が例示できる。また、イミダゾール骨格を有する化合物も酸化金属溶解剤として用いることが出来る。イミダゾール骨格を有する化合物としては、イミダゾール、２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、２−イソプロピルイミダゾール、２−プロピルイミダゾール、２−ブチルイミダゾール、４−メチルイミダゾール、２，４−ジメチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−アミノイミダゾール等を例示することが出来る。これらは１種類単独でも、２種類以上組合せても用いることが出来る。
酸化金属溶解剤成分の配合量は、金属用研磨液の総量に対して０．００１〜１０重量％とすることが好ましい。この配合量が０．００１重量％未満では、研磨速度が極端に低下し、１０重量％を超えるとエッチング抑制が困難となる傾向がある。
【００１９】
本発明における金属防食剤は、１，２，３−トリアゾール、１，２，４−トリアゾール、３−アミノ−１，２，４−トリアゾール、ベンゾトリアゾール又は１−ヒドロキシルベンゾトリアゾールが例示出来る。これらは１種類単独でも、２種類以上組合せても用いることが出来る。
金属防食剤の総配合量は、研磨液の総量に対して０．００１〜１０重量％とすることが好ましい。０．００１重量％未満ではエッチング抑制が難しく、また１０重量％を超えると研磨速度が低下する傾向がある。
【００２０】
本発明における砥粒は、シリカ粒子が好ましい。特に、コロイダルシリカ粒子が好ましい。セリア粒子は、酸化剤と反応し、粒子性状が変化する傾向がある。また、アルミナ粒子、ジルコニア粒子等は硬度が高く、研磨面へ傷が入りやすくなる。
砥粒の配合量は、研磨液の総量に対して１重量％以下であることが好ましい。特に０．１〜０．５重量％が好ましい。１重量％を超えるとタンタル金属或いはタンタル化合物等のバリア層研磨速度が増加し、平坦性がそこなわれる傾向にある。
【００２１】
本発明の砥粒吸着剤はノニオン性高分子材料であることが好ましい。特に、シリカ粒子に吸着するノニオン性高分子材料であるのが好ましい。例えば、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシルプロピルメチルセルロース等のセルロース系化合物；ポリビニルアルコール系、ポリエチレングリコール系等の化合物；ポリアクリルアミド等の１級窒素ポリマ化合物、ポリイソピルアクリルアミド等の２級窒素ポリマ化合物、ポリビニルピロリドン等の３級窒素ポリマ化合物などが好ましく挙げられる。これらノニオン性高分子材料に代表される砥粒吸着剤は単独または二種類以上選択されて使用される。
【００２２】
砥粒吸着剤の配合量は、砥粒重量に対して０．０１重量％〜５０重量％が好ましい。０．０１重量％未満ではタンタル金属或いはタンタル化合物等のバリア層研磨速度が増加し、平坦性がそこなわれる傾向にある。また、５０重量％を超えると銅或いは銅合金の研磨速度が著しく低下する傾向がある。
【００２３】
本発明の研磨液は、銅或いは銅合金と不溶化錯体を形成する水溶性ポリマを含むことが出来る。その水溶性ポリマとしては、アニオン性水溶性高分子材料が好ましく、特にポリアクリル酸、ポリメタクリル酸及びそれらの誘導体化合物が好ましい。
水溶性ポリマの配合量は、研磨液の総量に対して０〜１０重量％とすることが好ましい。１０重量％を超えると銅或いは銅合金の研磨速度が著しく低下する傾向がある。
【００２４】
本発明の第１の研磨方法は、研磨定盤の研磨布と基体上に形成された金属膜との間に上記本発明の金属用研磨液を供給しながら、基体を研磨布に押圧した状態で研磨定盤と基体とを相対的に動かすことによって金属膜を研磨することを特徴とする。
【００２５】
本発明の金属用研磨液および研磨方法を適用して研磨される金属膜の組成としては、銅、銅合金、銅の酸化物、銅合金の酸化物からなる群（以下、銅及び銅化合物という。）、タンタル、窒化タンタル、タンタル合金等（以下、タンタル及びタンタル化合物という。）、チタン、窒化チタン、チタン合金等（以下、チタン及びチタン化合物という。）、タングステン、窒化タングステン、タングステン合金等（以下、タングステン及びタングステン化合物という。）を例示することが出来る。これら金属膜は１種でまたは２種以上を組み合わせて研磨され、金属膜が、銅及び銅化合物から選ばれる少なくとも１種を含むのが好ましい。
【００２６】
金属膜は、二種以上の上記金属膜を組み合わせた積層膜であってもよい。本発明を適用する積層膜としては、研磨される金属膜の積層膜のうち、先に研磨される層が前記銅及びその化合物から選ばれる少なくとも一種であり、該層と積層している層すなわち次の層が前記タンタル及びその化合物、チタン及びその化合物、タングステン及びその化合物から選ばれる少なくとも一種である積層膜の組み合わせが挙げられる。
【００２７】
本発明によれば、表面が凹部および凸部からなる基体上に銅を含む金属膜が形成・充填されたものを化学機械研磨（ＣＭＰ）することができる。基体の凸部の金属膜が選択的にＣＭＰされて、凹部に金属膜が残されて所望のパターンが得られる。これを、半導体デバイスの配線層の形成における、金属配線用の導電性物質層と、層間絶縁膜へ前記導電性物質が拡散するのを防ぐバリア層と、層間絶縁膜とからなる積層膜の化学機械研磨に適用することができる。例えば、前記先に研磨される層が銅及び銅化合物等の導電性物質層であり、該層の次の層がタンタル及びタンタル化合物等のバリア層である積層膜が例示される。
【００２８】
すなわち本発明の第２の研磨方法は、表面が凹部および凸部からなる層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜を表面に沿って被覆するバリア層と、前記凹部を充填してバリア導体層を被覆する導電性物質層とを有する基板のうち、少なくとも導電性物質層を研磨して前記凸部のバリア層を露出させる第１研磨工程と、該第１研磨工程後に、少なくともバリア層および凹部の導電性物質層を研磨して凸部の層間絶縁膜を露出させる第２研磨工程とを含み、第１研磨工程で本発明の研磨液を用いて研磨することを特徴とする。
【００２９】
導電性物質としては、銅および銅化合物、タングステンおよびタングステン化合物、銀、金等の、金属が主成分の物質が挙げられ、銅および銅化合物が好ましい。導電性物質層として公知のスパッタ法、メッキ法により前記物質を成膜した膜を使用できる。
【００３０】
バリア層は絶縁膜中への導電性物質拡散防止、および絶縁膜と導電性物質との密着性向上のために形成される。バリア層の組成は、タンタル及びタンタル化合物、チタン及びチタン化合物、タングステン及びタングステン化合物等が挙げられ、タンタル、窒化タンタル、タンタル合金、チタン、窒化チタン、チタン合金、タングステン、窒化タングステン、タングステン合金のうちから選ばれるのが好ましい。
【００３１】
層間絶縁膜としては、シリコン系被膜や有機ポリマ膜が挙げられる。シリコン系被膜としては、二酸化ケイ素、フルオロシリケートグラス、トリメチルシランやジメトキシジメチルシランを出発原料として得られるオルガノシリケートグラス、シリコンオキシナイトライド、水素化シルセスキオキサン等のシリカ系被膜や、シリコンカーバイド及びシリコンナイトライドが挙げられる。また、有機ポリマ膜としては、全芳香族系低誘電率層間絶縁膜が挙げられる。特に、オルガノシリケートグラスが好ましい。これらの膜は、ＣＶＤ法、スピンコート法、ディップコート法、またはスプレー法によって成膜される。
【００３２】
本発明におけるタンタル及びタンタル化合物等のバリア層の研磨速度は５ｎｍ／分であることが好ましい。これらの研磨速度が５ｎｍ／分を超えると、配線部の銅及び銅合金が一緒に削り取られ、ディシングが増加し、平坦性が損なわれる傾向がある。
【００３３】
本発明の研磨方法において、研磨用装置としては、例えば研磨布（研磨パッド）により研磨する場合、被研磨面を有する基体を保持するためのホルダーと、研磨布を貼り付けてあり、回転数が変更可能なモータ等を取り付けてある研磨定盤とを有する一般的な研磨装置が使用できる。研磨定盤上の研磨布としては、一般的な不織布、発泡ポリウレタン、多孔質フッ素樹脂などが使用でき、特に制限がない。また、研磨布には研磨液がたまるような溝加工を施すことが好ましい。研磨条件に制限はないが、定盤の回転速度は基体が飛び出さないように２００ｒｐｍ以下の低回転が好ましく、基体にかける圧力は研磨後に傷が発生しないように１ｋｇ／ｃｍ２（９８ｋＰａ）以下が好ましい。研磨速度の被研磨面内均一性及びパターンの平坦性を満足するためには、５ｋＰａ〜５０ｋＰａであることがより好ましい。
【００３４】
研磨している間、研磨布と金属膜との間には本発明の研磨液をポンプ等で連続的に供給する。この供給量に制限はないが、研磨布の表面が常に研磨液で覆われていることが好ましい。
【００３５】
研磨終了後の基体は、流水中で良く洗浄後、スピンドライヤ等を用いて基体上に付着した水滴を払い落としてから乾燥させることが好ましい。
【００３６】
基体に形成された被研磨面である金属膜を研磨布に押圧した状態で研磨布と基体とを相対的に動かすには、研磨定盤を回転させる他に、ホルダーを回転や揺動させて研磨しても良い。また、研磨定盤を遊星回転させる研磨方法、ベルト状の研磨布を長尺方向の一方向に直線状に動かす研磨方法等が挙げられる。なお、ホルダーは固定、回転、揺動のいずれの状態でも良い。これらの研磨方法は、被研磨面や研磨装置により適宜選択できる。
【００３７】
以下、本発明の研磨方法の実施態様を、半導体デバイスの製造における配線層の形成に沿って説明する。
まず、シリコンの基板上に二酸化ケイ素等の層間絶縁膜を積層する。次いで、レジスト層形成、エッチング等の公知の手段によって、層間絶縁膜表面に所定パターンの凹部（基板露出部）を形成して凸部と凹部とを有する層間絶縁膜とする。この層間絶縁膜上に、表面の凸凹に沿って層間絶縁膜を被覆するタンタル等のバリア層を蒸着またはＣＶＤ等により成膜する。さらに、前記凹部を充填するようにバリア層を被覆する銅等の導電性物質層を蒸着、めっきまたはＣＶＤ等により形成する。
【００３８】
次に、この半導体基板の表面の導電性物質層を、本発明の研磨液を用いて、ＣＭＰにより研磨する（第１の研磨工程）。これにより、基板上の凸部のバリア層が表面に露出し、凹部に前記導電性物質膜が残された所望の配線パターンが得られる。この研磨が進行する際に、導電性物質層と同時に凸部のバリア層の一部が研磨されても良い。
【００３９】
第２の研磨工程では、導電性物質、バリア層および層間絶縁膜を研磨できる研磨液を使用して、化学機械研磨により、少なくとも、前記露出しているバリア層および凹部の導電性物質を研磨する。凸部のバリア層の下の層間絶縁膜が全て露出し、凹部に配線層となる前記導電性物質層が残され、凸部と凹部との境界にバリア層の断面が露出した所望のパターンが得られた時点で研磨を終了する。
研磨終了時のより優れた平坦性を確保するために、さらに、オーバー研磨（例えば、第２の研磨工程で所望のパターンを得られるまでの時間が１００秒の場合、この１００秒の研磨に加えて５０秒追加して研磨することをオーバー研磨５０％という。）して凸部の層間絶縁膜の一部を含む深さまで研磨しても良い。
【００４０】
このようにして形成された銅等の金属配線の上に、さらに、層間絶縁膜および第２層目の金属配線を形成し、その配線間および配線上に再度層間絶縁膜を形成後、研磨して半導体基板全面に渡って平滑な面とする。この工程を所定数繰り返すことにより、所望の配線層数を有する半導体デバイスを製造することができる。
【００４１】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
実施例１〜７
（金属用研磨液の作製１）
金属の酸化剤として過酸化水素を総量に対して３０重量％、酸化金属溶解剤としてリンゴ酸を総量に対して０．１５重量％、金属防食剤としてベンゾトリアゾール０．２重量％、砥粒としてコロイダルシリカ粒子（１次粒子径：２０ｎｍ）を０．３重量％、砥粒吸着剤としてヒドロキシルプロピルセルロース（実施例１）、ヒドロキシルプロピルメチルセルロース（実施例２）、ポリビニルアルコール（実施例３）、ポリエチレングリコール（実施例４）、ポリアクリルアミド（実施例５）、ポリイソピルアクリルアミド（実施例６）、ポリビニルピロリドン（実施例７）をそれぞれ砥粒粒子に対して１重量％、銅と不溶化錯体を形成する水溶性ポリマとしてポリアクリル酸を０．１５重量％加え、残部を水として金属用研磨液を得た。
【００４２】
実施例８
（金属用研磨液の作製２）
金属の酸化剤として過酸化水素を総量に対して３０重量％、酸化金属溶解剤としてリンゴ酸を総量に対して０．１５重量％、金属防食剤としてベンゾトリアゾール０．２重量％とイミダゾール０．０４重量％、砥粒としてコロイダルシリカ粒子（１次粒子径：２０ｎｍ）を０．３重量％、砥粒吸着剤としてヒドロキシルプロピルメチルセルロースを砥粒粒子に対して１重量％、銅と不溶化錯体を形成する水溶性ポリマとしてポリアクリル酸を０．１５重量％加え、残部を水として金属用研磨液を得た。
【００４３】
実施例９
（金属用研磨液の作製３）
金属の酸化剤として過酸化水素を総量に対して３０重量％、酸化金属溶解剤としてリンゴ酸を総量に対して０．０７５重量％とコハク酸を０．０７５重量％、金属防食剤としてベンゾトリアゾール０．２重量％とイミダゾール０．０４重量％、砥粒としてコロイダルシリカ粒子（１次粒子径：２０ｎｍ）を０．３重量％、砥粒吸着剤としてヒドロキシルプロピルメチルセルロースを砥粒粒子に対して１重量％、銅と不溶化錯体を形成する水溶性ポリマとしてポリアクリル酸を０．１５重量％加え、残部を水として金属用研磨液を得た。
【００４４】
実施例１０
（金属用研磨液の作製４）
金属の酸化剤として過酸化水素を総量に対して３０重量％、酸化金属溶解剤としてリンゴ酸を総量に対して０．１５重量％、金属防食剤としてベンゾトリアゾール０．１重量％と１，２，３−トリアゾール０．１重量％とイミダゾール０．０４重量％、砥粒としてコロイダルシリカ粒子（１次粒子径：２０ｎｍ）を０．３重量％、砥粒吸着剤としてヒドロキシルプロピルメチルセルロースを砥粒粒子に対して１重量％、銅と不溶化錯体を形成する水溶性ポリマとしてポリアクリル酸を０．１５重量％加え、残部を水として金属用研磨液を得た。
【００４５】
（評価方法１）
厚さ１５００ｎｍの銅金属を堆積したシリコンウエハ基板と、厚さ１００ｎｍの窒化タンタルを堆積したシリコンウエハ基板とを用意した。
上記二種のウエハ基板を、上記金属用研磨液の作製１〜４で作製した金属用研磨液を用いて次の条件で研磨し、それぞれの研磨速度を測定した。測定結果および研磨液のｐＨを表１に示す。
すなわち、研磨装置の、保持する基板取り付け用の吸着パッドを貼り付けたホルダーに上記二種のブランケットウエハをセットし、一方、多孔質ウレタン樹脂製の研磨パッドを貼り付けたφ６００ｍｍの定盤上に金属膜面を下にして前記ホルダーを載せ、さらに加工荷重３００ｇｆ／ｃｍ２（２９．４ｋＰａ）に設定した。定盤上に上記金属用研磨液を２００ｃｃ／分の速度で滴下しながら、定盤及びウエハを７５ｒｐｍで回転して２分間それぞれの金属膜を研磨した。研磨後のウエハを純水で良く洗浄後、乾燥した。それぞれの研磨速度は、各膜の研磨前後での膜厚差を電気抵抗値から換算して求めた。
表１に示すように、実施例１〜１０の銅膜の研磨速度はいずれも５００ｎｍ／分以上の研磨速度が得られた。また、窒化タンタルの研磨速度はすべて５ｎｍ／分以下の十分低い研磨速度であった。
【００４６】
（評価方法２）
二酸化珪素中に、配線金属部幅１００μｍ、窒化タンタル部幅１００μｍが交互に並んだストライプ状パターン部の表面形状を有する深さ０．５μｍの溝を形成し、その上に公知の方法によってバリア層として厚さ３０ｎｍの窒化タンタル層を形成し、さらにその上層に銅膜を１．１μｍ形成したウエハ基板を用意した。
研磨装置の、基板を保持する基板取り付け用の吸着パッドを貼り付けたホルダーに上記ブランケットウエハをセットし、多孔質ウレタン樹脂製の研磨パッドを貼り付けたφ６００ｍｍの定盤上に金属膜面を下にして前記ホルダーを載せ、さらに加工荷重３００ｇｆ／ｃｍ２（２９．４ｋＰａ）に設定した。定盤上に上記金属用研磨液を２００ｃｃ／分の速度で滴下しながら、定盤及びウエハを７５ｒｐｍで回転して基板表面全面において窒化タンタルが露出するまで研磨を行った。研磨後のウエハを純水で良く洗浄後、乾燥した。
触針式段差計で配線金属部幅１００μｍ、窒化タンタル部幅１００μｍが交互に並んだストライプ状パターン部の表面形状から窒化タンタル部に対する配線金属部の膜減り量（ディシング）を求めた測定結果を表１に併記する。表１に示すように、実施例１〜１０共に７５ｎｍ以下の十分実用的な値であった。
【００４７】
比較例
（金属用研磨液の作製）
金属の酸化剤として過酸化水素を総量に対して３０重量％、酸化金属溶解剤としてリンゴ酸を総量に対して０．１５重量％、金属防食剤としてベンゾトリアゾール０．２重量％と、砥粒としてコロイダルシリカ粒子（２次粒子径：３４ｎｍ）を０．３重量％、銅と不溶化錯体を形成する水溶性ポリマとしてポリアクリル酸を０．１５重量％加え、金属用研磨液を得た。この研磨液のｐＨは３．５であった。
【００４８】
（評価方法１、２）
比較例で作製した金属用研磨液を用いた以外は実施例と同様の評価方法で研磨し、研磨速度及びディシングを測定した。結果を表１に併記する。表１に示すように、銅膜の研磨速度は、５００ｎｍ／分以上の実用的な研磨速度が得られるものの、窒化タンタルの研磨速度は７．１ｎｍ／分と大きかった。また、ディシングは１００ｎｍであった。
【００４９】
【表１】
2004319759.tif 000002
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体素子における金属配線部の金属膜研磨速度を維持しつつバリア層の研磨速度を抑制し、幅広配線部のディシングや、高密度配線部の金属配線部及び層間絶縁膜のエロージョンによる平坦性の悪化を防ぐことにより、信頼性の高い金属膜の埋め込みパターンを形成できる。