(57)【要約】【課題】酸化膜を研磨する際に用いていた研磨液でＬｏｗ−ｋ膜を研磨する場合に比べて、膜そのものの組成を分解することなくＬｏｗ−ｋ膜への研磨速度を向上すること。更に、Ｌｏｗ−ｋ膜を研磨した後の洗浄後の残留異物量を、酸化膜を研磨した後の洗浄後の残留異物量と同等以下にすること。【解決手段】本発明に係わる化学機械的研磨方法は、シリコンウェハ上に形成されてメチル基を含み誘電率３．０以下の低誘電率膜を、水酸基を含む研磨液を用いて研磨すること、更に研磨後に低誘電率膜の表面を完全に乾燥させることなく低誘電率膜の表面に研磨液を付着させたままシリコンウェハを洗浄することを特徴とする。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられるメチル基を含む絶縁膜を、水酸基を含む研磨液を用いて研磨する化学機械的研磨方法。
【請求項２】
メチル基を含む絶縁膜は誘電率が３．０以下の低誘電率膜であり、前記低誘電率膜はメチルシルセスキオキサン膜又はＳｉＣＯＨ膜である請求項１記載の化学機械的研磨方法。
【請求項３】
前記研磨液は、ｐＨ３〜６の酸性である請求項１又は２記載の化学機械的研磨方法。
【請求項４】
前記研磨液は、１種類以上のアルミ酸化物であるアルミ化合物を含有する請求項１，２又は３記載の化学機械的研磨方法。
【請求項５】
基板上に設けられるメチル基を含む絶縁膜を水酸基を含む研磨液を用いて研磨し、前記基板に前記研磨液を付着させたまま前記基板を洗浄する化学機械的研磨方法。
【請求項６】
前記洗浄は、前記基板を蓚酸又は希釈フッ酸に浸し、次に前記基板を純水に浸すことにより行われる請求項５記載の化学機械的研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は化学機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；ＣＭＰ）方法に関する。より具体的には半導体素子が形成されたウェハ表面を研磨して平坦化する方法に関し、また、研磨後にウェハを洗浄する方法にも
関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の多層配線を形成するにはまず、半導体基板上の絶縁膜上に互いに隣接する複数本の配線を下層配線として形成する。次に、下層配線を覆って酸化膜からなる層間絶縁膜を形成し、更にこの層間絶縁膜上に複数本の配線を上層配線として形成する。この場合、下層配線の段差によりその上層の層間絶縁膜にも凹凸が形成される。そのままこの層間絶縁膜上に上層配線を形成しようとすると、段差が大きい箇所に配置される配線が所望の形状に形成されない、配線そのものが形成されない不具合が生じる可能性がある。そこで一般的に、層間絶縁膜を研磨して平坦化した上で上層配線を形成している。
【０００３】
図１に、層間絶縁膜の平坦化に用いられる通常のＣＭＰ研磨装置の概略側面図を示す。研磨用テーブル１１上に研磨パッド１２が貼り付けられている。また、キャリア１３はウェハ１６を真空吸着などで固定するウェハ保持用パッド１４を有している。ノズル１５は研磨液を流すものである。ウェハ１６の研磨は次のように行なう。すなわち、研磨用テーブル１１を回転させながら、ノズル１５から研磨液を研磨パッド１２のなるべく中央部分上に定量で流し、ウェハ１６を保持しているキャリア１３を回転させながら研磨パッド１２に押し付ける。研磨液には、例えば主成分がヒュームドシリカという研磨材を水の中に含めたものを用いる。この研磨液には、一般的に研磨材以外の添加剤は含まれていない。この研磨液のｐＨは中性、又は弱アルカリ性である。
【０００４】
次に図２に研磨処理後のウェハを薬液で洗浄する装置の、図３に研磨処理後のウェハを純水でリンスする装置の斜視図を示す。図２において、ウェハ１６の表裏両面に各ノズル２２よりそれぞれ薬液を吹きかけ、円柱（ロール）状のブラシ２１の中心軸を中心に各ブラシを互いに反対方向に回転させる。次に、図１の研磨装置による研磨後のウェハ１６を２つのブラシ２１により挟み、ウェハ１６を回転させることにより、ウェハ表裏面に付着した異物を除去する構造となっている。洗浄処理のための薬液には、蓚酸（Ｃ２Ｈ２Ｏ４）又は濃度０．５％程度の希釈フッ酸（ＤＨＦ）を用いる。いずれの薬液も低濃度で構わない。このような薬液を用いることで、ウェハ上に残留する金属を錯体化させ、残留金属のウェハへの付着力を弱めることができる。一般的に上述した酸化膜のＣＭＰ後の洗浄にはＤＨＦを用い、絶縁膜に形成した溝内に埋め込む銅（Ｃｕ）やタングステン（Ｗ）のＣＭＰ後の洗浄には蓚酸を用いている。次に、図３の洗浄用テーブル３１にウェハ１６を移すと共に真空吸着により固定し、ノズル３２から純水をウェハ１６上に流しながらテーブルを回転させて、ウェハ１６上の薬液を残った異物と共に洗い流す。最後に純水を止め、テーブルを高速回転させることでウェハ１６上の水を振り切って洗浄処理を完了する。
【０００５】
【特許文献１】ＵＳＰ６４２３６３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体素子の高集積化が進むにしたがって配線相互間の間隔が狭くなるが、配線間の絶縁物としては依然として酸化膜が使用される。これにより、配線間に付く浮遊容量が大きくなる。そして、この大きな浮遊容量によって配線を伝搬する信号の伝搬遅延が増加し、集積回路を設計する上で問題となる。
【０００７】
この伝搬遅延を減らすために、配線間の絶縁物として酸化膜よりも誘電率の低い絶縁膜が用いられる。この低誘電率の絶縁膜又は層間膜（以降、いずれもＬｏｗ−ｋ膜と呼称する）を用いると、配線間に形成される浮遊容量を従来の酸化膜を用いた場合よりも小さくすることができる。配線層間の絶縁膜としてＬｏｗ−ｋ膜を用いた層間絶縁膜をＣＭＰにより研磨する際に、酸化膜を研磨する際のスラリーをそのまま流用することが、ＵＳＰ６４２３６３０のカラム６の１３行目〜２９行目に記載されている。なお、この文献の"an oxide slurry"という記載は酸化膜を研磨する際のスラリーという技術用語である。
【０００８】
第１の問題点は、酸化膜をＣＭＰする際に従来用いている研磨液では、Ｌｏｗ−ｋ膜を研磨する際に十分な研磨速度を得られないことである。プラズマ成膜シリコン酸化膜（Ｐ−ＳｉＯ２膜）とＬｏｗ−ｋ膜とをそれぞれ研磨する実験を行い、図４にその結果を示す。この図から分かるように、Ｐ−ＳｉＯ２膜の場合は約３００ｎｍ／ｍｉｎの研磨速度であり、Ｌｏｗ−ｋ膜であるＳｉＣＯＨ膜の研磨速度は約１０ｎｍ／ｍｉｎであった。Ｌｏｗ−ｋ膜を従来の研磨液で研磨すると研磨時間がかかり過ぎ、製造コストが増大してしまう。なお試料は、８インチのシリコンウェハ上に厚さ４００ｎｍのＣＶＤ形成したＳｉＣＯＨ膜（ｋ＝２．９）を成膜したものである。また、図１の装置によりキャリアがウェハを研磨パッドに押し付ける荷重を３〜５ｐｓｉ（低荷重）とし、キャリアと研磨用テーブルとを同じ回転方向かつ両回転数をそれぞれ２８〜３６ｒｐｍ（低速回転数）として研磨した。図４におけるＰ−ＳｉＯ２膜とＬｏｗ−ｋ膜の研磨条件は、同一とした。更に、Ｌｏｗ−ｋ膜に対しては荷重を増やして、８ｐｓｉという高研磨圧でも研磨したが低荷重の場合と大差ない結果となっている。
【０００９】
第２の問題点は、研磨後にウェハを洗浄しても研磨かす、研磨材、及びその他の異物が除去されず、洗浄後のウェハ上に残留してしまうことである。研磨前と研磨後にウェハを洗浄し、研磨前の段階から研磨後の段階で増加したウェハ上の異物の数をカウントした結果を図５に示す。この図より分かるように、Ｐ−ＳｉＯ２膜に対してＬｏｗ−ｋ膜においては、異物増加数が格段に多い。このように異物が残留したまま製造を続けると製造欠陥を招きやすく、歩留まりを落とし、製造原価を上げてしまう。なお、研磨後の洗浄は薬液洗浄と純水リンスである。異物数は、異物検査装置により０．２ｕｍ以上の異物を異物の直径毎に段階的に測定したものである。
【００１０】
本発明の目的はＬｏｗ−ｋ膜の研磨速度を向上することである。更にＬｏｗ−ｋ膜を研磨後に洗浄した後の残留異物の数を、酸化膜を研磨後に洗浄した後の残留異物の数と同等以下にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、
（１）本発明に係わる化学機械的研磨方法は、基板上に設けられるメチル基を含む絶縁膜を、水酸基を含む研磨液を用いて研磨することを特徴とする。
（２）（１）に記載した化学機械的研磨方法において、前記メチル基を含む絶縁膜は誘電率が３．０以下の低誘電率膜であり、前記低誘電率膜はメチルシルセスキオキサン膜又はＳｉＣＯＨ膜であることを特徴とする。
（３）（１），（２）に記載した化学機械的研磨方法において、前記研磨液は、ｐＨ３〜６の酸性であることを特徴とする。
（４）（１），（２），（３）に記載した化学機械的研磨方法において、前記研磨液は、１種類以上のアルミ酸化物であるアルミ化合物を含有することを特徴とする。
（５）本発明に係わる化学機械的研磨方法は、基板上に設けられるメチル基を含む絶縁膜を水酸基を含む研磨液を用いて研磨し、前記基板に前記研磨液を付着させたまま前記基板を洗浄することを特徴とする。
（６）（５）に記載した化学機械的研磨方法において、前記洗浄は、前記基板を蓚酸又は希釈フッ酸に浸し、次に前記基板を純水に浸すことにより行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように本発明の研磨方法によれば、Ｌｏｗ−ｋ膜を変質させること無く研磨速度を大幅に向上でき、製造コストが下がり、Ｌｏｗ−ｋ膜の研磨処理をはじめて実用化できる。
【００１３】
さらに本発明の研磨方法によれば、研磨に用いる研磨液をＬｏｗ−ｋ膜表面に付けたまま乾燥させずに洗浄するので、Ｌｏｗ−ｋ膜上の残留異物の数を、酸化膜を研磨して洗浄した場合の酸化膜上の残留異物の数と同等以下に抑えることができる。
【００１４】
以上のように本発明の研磨方法は、Ｌｏｗ−ｋ膜の平坦化処理が半導体装置の歩留まりに及ぼす悪影響を取り除き、製造コストを下げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（実施例１）
本発明で用いる研磨装置と洗浄装置は、従来の技術で図１、２と３を用いて説明したものと同じ装置を用いる。
【００１６】
Ｌｏｗ−ｋ膜には例えば、メチル・シルセス・キオキサン膜（以降、ＭＳＱ膜と呼称する）とＳｉＣＯＨ膜がある。酸化膜をＣＭＰ研磨する際の研磨液ではＬｏｗ−ｋ膜が研磨され難いのは、これらのＬｏｗ−ｋ膜の成分中にメチル基（ＣＨ３）があり、このために膜表面が疎水性になっているためである。従って、組成の大部分を水が占める従来の研磨液は、Ｌｏｗ−ｋ膜表面ではじかれてしまう。そのために、酸化膜をＣＭＰするのに用いる研磨液はＬｏｗ−ｋ膜表面ではじかれ、研磨液中に含まれている研磨材の大部分が膜表面に接することなく流されてしまうものと考えられる。従って、酸化膜研磨用の従来の研磨液はＬｏｗ−ｋ膜の研磨速度を大幅に低下させ、通常の製造ラインでは使用できない。
【００１７】
そこで本発明においては、コロイダルシリカ砥粒を主成分とした研磨液に、更に１種類以上のアルミの酸化物であるアルミ化合物を添加剤として加えた。これによってＬｏｗ−ｋ膜表面のメチル基に、研磨中、必ず研磨液中のアルミ化合物のＯＨ基を付着させ続けながら研磨することができる。このようにメチル基にＯＨ基が付着したＬｏｗ−ｋ膜表面は疎水性から親水性へ変化する。そして、Ｌｏｗ−ｋ膜表面で研磨液がはじかれることなく、研磨液中に含まれている研磨材の大部分が膜表面に接するようになり、研磨速度を大幅に向上させることができる。
【００１８】
本発明においては、研磨液には酸化物であるアルミ化合物を０．００１〜２ｗｔ％の範囲で添加した。しかし、単に酸化物を研磨液に加えただけでは問題が発生する。つまり、研磨液がアルカリ性だとＬｏｗ−ｋ膜を分解してしまう恐れがある。分解されたＬｏｗ−ｋ膜は、組成が分離してもはや本来の絶縁膜として機能しなくなる恐れがある。そこで本発明においては、上記添加剤を加えた状態で研磨液をｐＨ３〜６の範囲内の酸性に保つこととした。なお、研磨材としてのコロイダルシリカは、研磨液中に２０ｗｔ％の割合で含ませるようにした。また、酸化物としてアルミ化合物の代わりにＫＯＨを加えても研磨速度を上げられる。更に実用上は、研磨液をｐＨ３．４〜４．４の範囲とすることがＬｏｗ−ｋ膜の膜質の安定性の観点から、より望ましい。研磨材としてコロイダルシリカに代えて、従来と同じヒュームドシリカを用いることも可能である。
【００１９】
この研磨液により、試料には８インチのシリコンウェハ上に厚さ４００ｎｍのＣＶＤ形成したＳｉＣＯＨ膜（ｋ＝２．９）を成膜したものを使用し、図１の装置により荷重３〜５ｐｓｉ、回転数２８〜３６ｒｐｍの条件（従来と同じ条件）で研磨した。研磨液は、研磨中においてウェハ上に１５０ｍｌ／ｍｉｎの研磨レートで流し続けた。この研磨結果を図４に示す。従来の研磨液でＬｏｗ−ｋ膜であるＳｉＣＯＨ膜を研磨すると約１０ｎｍ／ｍｉｎの研磨レートしか得られなかった。これに対して、本発明の研磨液を用いると約１２０ｎｍ／ｍｉｎの研磨レートが得られ、実用に耐えうる結果であった。なお、Ｌｏｗ−ｋ膜はＰ−ＳｉＯ２膜と比べてもろいので、ウェハ表面にスクラッチが発生しにくい低荷重、低速回転数での研磨が望ましい。図４における研磨条件は、従来の研磨液を使用した場合も本発明の研磨液を使用した場合もともに、Ｌｏｗ−ｋ膜を研磨する際のスクラッチ発生を考慮して低荷重、低速回転としている。また、本発明の研磨方法に用いた研磨液によるＬｏｗ−ｋ膜の研磨ではスクラッチを無視すれば、研磨液流量、研磨荷重又は回転数を増やせば研磨速度が上がる。しかし、従来の研磨方法に用いた研磨液では研磨液流量、研磨圧又は回転数を増やしてもＬｏｗ−ｋ膜への研磨レートは上がらない。
【００２０】
次に、上述のように研磨したウェハに対して、図２の洗浄装置を用いて薬液洗浄を行う。従来は研磨処理の後においても、この洗浄処理するウェハ上に露出しているＬｏｗ−ｋ膜表面はメチル基の存在により膜表面が疎水性になっていた。従って、組成の大部分を水が占める洗浄液は、Ｌｏｗ−ｋ膜表面ではじかれてしまう。そのために、従来の洗浄液を酸化膜をＣＭＰした後の洗浄に使用すると、Ｌｏｗ−ｋ膜表面で洗浄液がはじかれて、洗浄液中に含まれている薬液の大部分が膜表面に接することなく流されるものと考えられる。従って、研磨後のＬｏｗ−ｋ膜表面を洗浄した後においても、残留異物の数が異常に多くなる。
【００２１】
そこで本発明の研磨方法では、研磨後のウェハ表面を完全に乾燥させるのではなく、ウェハ表面に研磨液を残したまま、薬液による洗浄を行うようにした。研磨後のＬｏｗ−ｋ膜の表面は、研磨後においても残された研磨液によって親水性になったままになっている。この状態で洗浄することで薬液がＬｏｗ−ｋ膜表面に接することができ、異物を除去し易くなる。その他の洗浄液、洗浄装置と洗浄方法は従来と同じものを用いることができる。薬液での洗浄後、従来と同じ図３の純水での洗浄を行った。以上による研磨前と洗浄完了後に従来と同じ異物検査方法を用いて残留異物数の検査を行い、異物増加数を求めた結果を図５に示す。従来の研磨方法では、酸化膜を研磨後に酸化膜を洗浄した段階の異物数に比べ、Ｌｏｗ−ｋ膜を研磨後にＬｏｗ−ｋ膜を洗浄した段階の異物数が１０００個以上増加する。しかし、本発明の研磨方法における同様の増加数は、いずれも５０個以内であった。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の技術と、発明の実施の形態に係わるＣＭＰ研磨装置の側面図である。
【図２】従来の技術と、発明の実施の形態に係わる薬液を用いる洗浄装置の斜視図である。
【図３】従来の技術と、発明の実施の形態に係わる純水を用いる洗浄装置の斜視図である。
【図４】従来の技術と発明の実施の形態に係わる被研磨膜に対する研磨レートの比較図である。
【図５】従来の技術と発明の実施の形態に係わる被研磨膜に対する異物増加数の比較図である。
【符号の説明】
【００２３】
１１    研磨用テーブル
１２    研磨パッド
１３    キャリア
１４    ウェハ保持用パッド
１５    ノズル
１６    ウェハ
２１    ブラシ
２２    ノズル
３１    ウェハ洗浄用テーブル
３２    ノズル
【図１】
2004253775.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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