(57)【要約】【課題】本発明は、オーバー研磨時間を短くし、ディッシング量が小さく、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基板の研磨方法を提供する。【解決手段】表面に凹凸の有る金属膜を有する基板を研磨定盤に貼り付けた研磨布に押し付け、研磨布上に研磨液を供給しながら前記基板と前記研磨定盤とを相対的に動かすことにより、前記金属積層膜を研磨し表面の凹凸を平坦化する研磨方法において、研磨速度面内バラツキが１０％以下であることを特徴とする基板の研磨方法。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に凹凸の有る金属膜を有する基板を研磨定盤に貼り付けた研磨布に押し付け、研磨布上に研磨液を供給しながら前記基板と前記研磨定盤とを相対的に動かすことにより、前記金属積層膜を研磨し表面の凹凸を平坦化する研磨方法において、研磨速度面内バラツキが１０％以下であることを特徴とする基板の研磨方法。
【請求項２】
研磨速度面内バラツキが８％以下である請求項１記載の基板の研磨方法。
【請求項３】
研磨速度面内バラツキが５％以下である請求項１記載の基板の研磨方法。
【請求項４】
研磨液が金属の酸化剤、酸化金属溶解剤、保護膜形成剤、水溶性高分子及び水を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の基板の研磨方法。
【請求項５】
金属の酸化剤が、過酸化水素、硝酸、過ヨウ素酸カリウム、次亜塩素酸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４記載の基板の研磨方法。
【請求項６】
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及び硫酸から選ばれる少なくとも１種である請求項４又は５に記載の基板の研磨方法。
【請求項７】
有機酸が、リンゴ酸、クエン酸、酒石酸、グリコール酸から選ばれる少なくとも１種である請求項４〜６のいずれかに記載の基板の研磨方法。
【請求項８】
保護膜形成剤が、ベンゾトリアゾール及びベンゾトリアゾール誘導体から選ばれる少なくとも１種である請求項４〜７のいずれかに記載の基板の研磨方法。
【請求項９】
水溶性高分子が、ポリアクリル酸及びポリアクリル酸の塩から選ばれる少なくとも１種である請求項４〜８のいずれかに記載の基板の研磨方法。
【請求項１０】
研磨液に、さらに砥粒を添加する請求項４〜９のいずれかに記載の基板の研磨方法。
【請求項１１】
砥粒が、シリカ、アルミナ、セリア、チタニア、ジルコニア、ゲルマニア、ダイヤモンド及び樹脂より選ばれた少なくとも１種である請求項１０記載の基板の研磨方法。
【請求項１２】
砥粒が平均粒径１００ｎｍ以下のコロイダルシリカまたはコロイダルアルミナから選ばれる少なくとも１種である請求項１０に記載の基板の研磨方法。
【請求項１３】
金属膜が銅、銅合金から選ばれる少なくとも１種を含む請求項１〜１２のいずれかに記載の基板の研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に半導体デバイスの配線形成工程に用いられる基板の研磨方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路（以下ＬＳＩと記す）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（以下ＣＭＰと記す）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に開示されている。
【０００３】
また、最近は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、いわゆる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。
【０００４】
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（以下研磨圧力と記す）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、保護膜形成剤が添加される。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の進行ととも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−ナル・オブ・エレクトロケミカルソサエティ誌（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。
【０００５】
ＣＭＰ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の粒を研磨液に溶解させてしまうと砥粒による削り取りの効果が増すためであると解釈できる。但し、凹部の金属膜表面の酸化層も溶解（以下エッチングと記す）されて金属膜表面が露出すると、酸化剤によって金属膜表面がさらに酸化され、これが繰り返されると凹部の金属膜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。
【０００６】
これを防ぐためにさらに保護膜形成剤が添加される。保護膜形成剤は金属膜表面の酸化層上に保護膜を形成し、酸化層の研磨液中への溶解を防止するものである。この保護膜は個体砥粒により容易に削り取る事が可能で、ＣＭＰによる研磨速度を低下させない事が望まれる。
銅及び銅合金のディッシングや研磨中の銅合金の腐食を抑制し、信頼性の高いＬＳＩ配線を形成するために、グリシン等のアミノ酢酸又はアミド硫酸からなる酸化金属溶解剤及びＢＴＡ（ベンゾトリアゾ−ル）を含有する金属用研磨液を用いる方法が提唱されている。この技術は例えば特開平８−８３７８０号公報に記載されている。
【０００７】
銅または銅合金のダマシン配線形成やタングステン等のプラグ配線形成等の金属埋め込み形成においては、埋め込み部分以外に形成される層間絶縁膜である二酸化シリコン膜の研磨速度も大きい場合には、層間絶縁膜ごと配線の厚みが薄くなるシニングが発生する。その結果、配線抵抗の増加やパターン密度等により抵抗のばらつきが生じるために、研磨される金属膜に対して二酸化シリコン膜の研磨速度が十分小さい特性が要求される。そこで、酸の解離により生ずる陰イオンにより二酸化シリコンの研磨速度を抑制することにより、研磨液のｐＨをｐＫａ−０．５よりも大きくする方法が提唱されている。この技術は、例えば特許第２８１９１９６号公報に記載されている。
【０００８】
一方、配線の銅或いは銅合金等の下層には、層間絶縁膜中への銅拡散防止のためにバリア層として、タンタルやタンタル合金及び窒化タンタルやその他のタンタル化合物等が形成される。したがって、銅或いは銅合金を埋め込む配線部分以外では、露出したバリア層をＣＭＰにより取り除く必要がある。しかし、これらのバリア層導体膜は、銅或いは銅合金に比べ硬度が高いために、銅または銅合金用の研磨材料の組み合わせでは十分なＣＭＰ速度が得られない場合が多い。そこで、銅或いは銅合金を研磨する第１工程と、バリア層導体を研磨する第２工程からなる２段研磨方法が検討されている。
【０００９】
銅或いは銅合金を研磨する第１工程と、バリア層を研磨する第２工程からなる２段研磨方法では、被研磨膜の硬度や化学的性質が異なるために、研磨液のｐＨ、砥粒及び添加剤等の組成物について、かなり異なる性質のものが検討されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、研磨速度面内バラツキ（研磨速度の標準偏差１σ／平均）が１０％以上の特性を示す金属用研磨液を用いてＣＭＰによる埋め込み配線形成を行う場合には、金属膜が均一に削れないためにウエハの局部に銅及び銅合金が残ってしまう。それを取り除くために、さらに研磨が必要（オーバー研磨）になりディッシングが大きくなるという問題があった。
本発明は、銅または銅合金を過剰に研磨することがなく、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基板の研磨方法を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のものに関する。
（１）表面に凹凸の有る金属膜を有する基板を研磨定盤に貼り付けた研磨布に押し付け、研磨布上に研磨液を供給しながら前記基板と前記研磨定盤とを相対的に動かすことにより、前記金属積層膜を研磨し表面の凹凸を平坦化する研磨方法において、研磨速度面内バラツキが１０％以下であることを特徴とする基板の研磨方法。
（２）研磨速度面内バラツキが８％以下である（１）に記載の基板の研磨方法。
（３）研磨速度面内バラツキが５％以下である（１）に記載の基板の研磨方法。
（４）研磨液が金属の酸化剤、酸化金属溶解剤、保護膜形成剤、水溶性高分子及び水を含有する（１）〜（３）に記載の基板の研磨方法。
（５）金属の酸化剤が、過酸化水素、硝酸、過ヨウ素酸カリウム、次亜塩素酸及びオゾン水から選ばれる少なくとも１種である（４）に記載の基板の研磨方法。
（６）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及び硫酸から選ばれる少なくとも１種である（４）又は（５）に記載の基板の研磨方法。
（７）有機酸が、リンゴ酸、クエン酸、酒石酸、グリコール酸から選ばれる少なくとも１種である（４）〜（６）に記載の基板の研磨方法。
（８）保護膜形成剤が、ベンゾトリアゾール及びベンゾトリアゾール誘導体から選ばれる少なくとも１種である（４）〜（７）に記載の基板の研磨方法。
（９）水溶性高分子が、ポリアクリル酸及びポリアクリル酸の塩から選ばれる少なくとも１種である（４）〜（８）に記載の基板の研磨方法。
（１０）研磨液に、さらに砥粒を添加する（４）〜（９）に記載の基板の研磨方法。
（１１）砥粒が、シリカ、アルミナ、セリア、チタニア、ジルコニア、ゲルマニア、ダイヤモンド及び樹脂より選ばれた少なくとも１種である（１０）に記載の基板の研磨方法。
（１２）砥粒が平均粒径１００ｎｍ以下のコロイダルシリカまたはコロイダルアルミナから選ばれる少なくとも１種である（１０）に記載の基板の研磨方法。
（１３）金属膜が銅、銅合金から選ばれる少なくとも１種を含む（１）〜（１２）のいずれかに記載の基板の研磨方法。
【００１２】
本発明においては、金属の酸化剤、酸化金属溶解剤、保護膜形成剤、水溶性高分子及び水を含有する研磨液を用いても良い。
金属の酸化剤としては、過酸化水素、硝酸、過ヨウ素酸カリウム、次亜塩素酸及びオゾン水から選ばれた少なくとも一種が好ましい。
酸化金属溶解剤としては、有機酸、有機酸エステル、有機酸のアンモニウム塩及び硫酸から選ばれた少なくとも一種が好ましい。
有機酸としては、リンゴ酸、クエン酸、酒石酸、グリコール酸から選ばれた少なくとも一種が好ましい。
保護膜形成剤としては、ベンゾトリアゾール及びベンゾトリアゾール誘導体から選ばれた少なくとも一種が好ましい。
水溶性ポリマーとしては、ポリアクリル酸及びポリアクリル酸の塩、から選ばれる少なくとも一種が好ましい。
【００１３】
本発明で使用する研磨液は、さらに砥粒を含有しても良い。砥粒は、シリカ、アルミナ、セリア、チタニア、ジルコニア、ゲルマニア、ダイヤモンド及び樹脂からから選ばれる少なくとも一種が好ましく、平均粒径は、１〜１０００ｎｍであることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明においては、表面に凹部を有する基体上に銅合金を含む金属膜を形成・充填する。この基体をＣＭＰすると、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導体パタ−ンが得られる。本発明の研磨方法では、研磨後の金属膜の面内の研磨速度面内バラツキが１０％以下になる金属用研磨液を使用することができる。
研磨速度面内バラツキは１０％以下であることが好ましく、８％以下であることがより好ましく、５％以下であることがさらに好ましい。研磨速度面内バラツキが１０％を超えると、高平坦化された導体パタ−ンが得られない。
【００１５】
また、本発明で使用する研磨液は金属の酸化剤、有機酸、金属表面に対する保護膜形成剤、水を含むことができる。必要に応じ水溶性高分子及び／又は砥粒を添加し、ｐＨは２以上５以下に調整することが好ましい。
【００１６】
金属の酸化剤としては、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、硝酸、過ヨウ素酸カリウム、次亜塩素酸、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。基体が集積回路用素子を含むシリコン基板である場合、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン化物などによる汚染は望ましくないので、不揮発成分を含まない酸化剤が望ましい。但し、オゾン水は組成の時間変化が激しいので過酸化水素が最も適している。但し、適用対象の基体が半導体素子を含まないガラス基板などである場合は不揮発成分を含む酸化剤であっても差し支えない。
【００１７】
有機酸は、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−ル酸、サリチル酸、グリセリン酸、シュウ酸、乳酸、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、クエン酸等が挙げられる。これらの中でリンゴ酸、酒石酸、クエン酸、グリコール酸、乳酸がＣＭＰによる研磨速度が大きく、エッチング速度を効果的に抑制できるという点で好ましい。
【００１８】
保護膜形成剤は、ＢＴＡ、ＢＴＡ誘導体、例えばＢＴＡのベンゼン環の一つの水素原子をメチル基で置換したもの（トリルトリアゾール）もしくはカルボキシル基等で置換したもの（ベンゾトリアゾール−４−カルボン酸、のメチル、エチル、プロピル、ブチル及びオクチルエステル）、又はナフトトリアゾ−ル、ナフトトリアゾ−ル誘導体及びこれらを含む混合物の中から選ばれる。
【００１９】
水溶性高分子としては、以下の群から選ばれたものが好適であることが分かった。ポリアクリル酸、ポリアクリル酸アンモニウム塩、ポリアクリル酸ナトリウム塩、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸アンモニウム塩、ポリメタクリル酸ナトリウム塩、ポリアクリルアミド等のカルボキシル基を持つモノマーを基本構成単位とするポリマーおよびその塩、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン等のビニル基を持つモノマーを基本構成単位とするポリマーが挙げられる。但し、適用する基体が半導体集積回路用シリコン基板などの場合はアルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン化物等による汚染は望ましくないため、酸もしくはそのアンモニウム塩が望ましい。基体がガラス基板等である場合はその限りではない。これらの水溶性高分子を添加することにより、保護膜形成剤によるエッチング抑止効果を向上させることができる。
【００２０】
砥粒としては、シリカ、アルミナ、ジルコニア、セリア、チタニア、炭化珪素等の無機物砥粒、ポリスチレン、ポリアクリル、ポリ塩化ビニル等の有機物砥粒のいずれでもよいが、研磨液中での分散安定性が良く、ＣＭＰにより発生する研磨傷（スクラッチ）の発生数の少ない、平均粒径が１００ｎｍ以下のコロイダルシリカ、コロイダルアルミナが好ましい。コロイダルシリカはシリコンアルコキシドの加水分解または珪酸ナトリウムのイオン交換による製造方法が知られており、コロイダルアルミナは硝酸アルミニウムの加水分解による製造方法が知られている。
【００２１】
研磨液のｐＨは、ＣＭＰによる研磨速度が大きく、エッチング速度を効果的に抑制できるという点で２以上５以下であることが好ましい。ｐＨが２未満ではエッチング速度が大きく、保護膜形成剤でのエッチング抑制は困難であり、ｐＨが５を超えるとＣＭＰによる研磨速度が遅く実用的な研磨液とはなり得ない。また、ｐＨは２．３以上４以下であることがより好ましい。
ｐＨは有機酸の添加量により調整することができる。またアンモニア、水酸化ナトリウム、テトラメチルアンモニウムハイドライド等のアルカリ成分の添加によっても調整可能である。
【００２２】
金属膜としては、銅もしくは銅を主体とする合金の膜、もしくは、それらと他の金属や合金もしくは化合物膜等とからなる積層膜を用いることができる。
【００２３】
酸化剤成分の添加量は、酸化剤、有機酸、保護膜形成剤及び水の総量１ｋｇに対して、０．０３ｍｏｌ〜７ｍｏｌとすることが好ましく、０．３ｍｏｌ〜５ｍｏｌとすることがより好ましい。この添加量が０．０３ｍｏｌ未満では、金属の酸化が不十分でＣＭＰによる研磨速度が低く、７ｍｏｌを超えると、研磨面に荒れが生じる傾向がある。
【００２４】
有機酸の添加量は、酸化剤、有機酸、保護膜形成剤及び水の総量１ｋｇに対して、０．００１ｍｏｌ〜０．５ｍｏｌとすることが好ましく、０．０１ｍｏｌ〜０．１ｍｏｌとすることがより好ましい。この添加量が０．５ｍｏｌを超えると、エッチングの抑制が困難となる傾向がある。
【００２５】
保護膜形成剤の添加量は、酸化剤、有機酸、保護膜形成剤及び水の総量１ｋｇに対して、０．００１ｍｏｌ〜０．１ｍｏｌとすることが好ましく、０．００５ｍｏｌ〜０．０５ｍｏｌとすることがより好ましい。この添加量が０．００１ｍｏｌ未満では、エッチングの抑制が困難となる傾向があり、０．１ｍｏｌを超えるとＣＭＰによる研磨速度が低くなる傾向がある。
【００２６】
水溶性高分子の添加量は、酸化剤、有機酸、保護膜形成剤、水溶性高分子及び水の総量に対して、０．００１〜０．５重量％とすることが好ましく、０．０１重量％〜０．２重量％とすることがより好ましい。この添加量が０．００１重量％未満では、エッチング抑制において保護膜形成剤との併用効果が現れない傾向があり、０．５重量％を超えると、ＣＭＰによる研磨速度が低下する傾向がある。
【００２７】
研磨液には、さらに砥粒を添加することもできる。砥粒の添加量は全重量に対して０．１重量％から１０重量％であることが好ましく、０．５重量％から５重量％の範囲であることがより好ましい。この添加量が０．１％以下では物理的な削り取り作用が小さいためＣＭＰによる研磨速度が小さく、１０％以上ではＣＭＰによる研磨速度は飽和し、それ以上加えても増加は見られない。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例により本発明を説明する。本発明はこれらの実施例により制限されるものではない。
【００２９】
（研磨液の作製方法）
実施例１
コロイダルシリカ１重量部、有機酸としてグリコール酸０．２重量部、水溶性高分子としてポリアクリル酸０．０５重量部、保護膜形成剤としてＢＴＡ０．２重量部、水７０重量部を加えて溶解し、過酸化水素水（試薬特級、３０％水溶液）３０重量部を加えて得られたものを研磨液とした。
実施例２〜４、比較例１についても表１に記載した有機酸種類、砥粒濃度が異なる点を除き、実施例１と同様にして研磨液を作製した。
実施例１〜４、比較例１では上記金属用研磨液を用いてＣＭＰした。
（研磨条件）
基体：厚さ１μｍの銅膜を形成したシリコン基板
研磨パッド：独立気泡を持つ発泡ポリウレタン樹脂
研磨圧力：２１ｋＰａ（２１０ｇｆ／ｃｍ２）
基体と研磨定盤との相対速度：３６ｍ／分
（研磨品評価項目）
ＣＭＰ研磨速度：８インチの銅膜で、ＣＭＰ前後での膜厚差をエッジ部分から５ｍｍを除いた範囲で、２．５ｍｍ間隔で垂直方向に選んだ７７ポイントについて電気抵抗を測定し、その７７ポイントにおける研磨速度を換算し、それらの平均値をＣＭＰ研磨速度とした。
研磨速度面内バラツキ：上記の７７ポイントにおける研磨速度の標準偏差（１σ）を研磨速度平均値で割り、１００をかけたものを研磨速度面内バラツキ（％）とした。
オーバー研磨時間：銅膜の下層のバリア膜が見え始めてから、完全に銅膜がなくなるまでの時間をオーバー研磨時間とした。
ディッシング量：絶縁膜中に深さ０．５μｍの溝を形成して公知のスパッタ法によって銅膜を形成して公知の熱処理によって埋め込んだシリコン基板についても基体として用いてＣＭＰを行い、触針式段差計で配線金属部幅１００μｍ、絶縁膜部幅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、絶縁膜部に対する配線金属部の膜減り量を求め、これをディッシング量とした。
実施例１〜４、比較例１における、ＣＭＰ研磨速度、研磨速度面内バラツキ、オーバー研磨時間、ディッシング量を表１に示した。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
実施例１〜４では表１に示す様に、研磨速度面内バラツキが小さく、それに伴い、オーバー研磨時間が短く、ディッシング量も小さくなっている。一方、比較例１では研磨速度面内バラツキが大きく、それに伴い、オーバー研磨時間も長くなり、ディッシング量も大きくなっている。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の基板の研磨方法を用いて、研磨速度面内バラツキが１０％以下になるような平坦性の高い研磨をすることにより、オーバー研磨時間を短くし、ディッシング量が小さく、信頼性の高い金属膜の埋め込みパタ−ンを形成することができる。