(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダマシンまたはデュアルダマシンプロセスによって形成された金属配線を有する半導体ウェハの表面のケミカルメカニカル研磨方法であって、
(i)  絶縁体を覆う共形のバリア層を覆う金属層を有する前記半導体ウェハの表面を研磨パッドおよび第１スラリーで研磨する工程と、
(ii)  前記研磨パッドおよび第１スラリーで研磨する工程の第１停止点を検出し、前記半導体ウェハの表面に第２研磨工程のための第２スラリーを受け入れるための準備をする工程と、
(iii)  前記半導体ウェハの表面を、絶縁体について対金属比で１．２倍から４倍の除去速度を有する第２スラリーで第２停止点に達するまで研磨する工程とを含み、
前記金属層は、周囲の前記絶縁体の中に窪んだプラグを有し、前記半導体ウェハの表面の前記金属配線は、銅、銀、金、およびアルミニウムからなる金属群の中から選択される金属を含み、
前記第１停止点は、前記金属層がほぼ完全に除去され、前記バリア層が前記半導体ウェハの表面の上に露出し、前記プラグの上面が前記露出したバリア層よりも下になったときとし、
前記第２停止点は、前記露出したバリア層が除去され、前記プラグの前記上面が前記周囲の絶縁体に対して平坦になったときとする、
方法。
【請求項２】
前記第２スラリーで研磨する工程は、絶縁体について対金属比でおおよそ１．５倍から２．５倍の除去速度を有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第２スラリーで研磨する工程は、絶縁体について対金属比でおおよそ１．８倍から２．３倍の除去速度を有する、請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は半導体の製造に関し、さらに詳細には、ダマシンおよび／またはデュアルダマシン回路構造を有するウェハに適用されるケミカル・メカニカル（Chemical Mechanical)半導体ウェハ研磨(Polishing）プロセスであって、効果的に「ディッシング(dishing)」および侵食(erosion)を減少させて平坦度を改善するＣＭＰプロセスに関する。
【０００２】
（発明の背景）
シリコンウェハへの超大規模半導体回路は、その回路が超微細化されているために、その製造プロセスにおいても非常な精密さが要求される。回路配線の幅は、技術の進歩にともない継続的に細くなり、現在では0.18から100ミクロンのレンジである。これらの回路はリソグラフィック技術を用いて製造されるため、微細構造を実現するためには、非常に正確にグラウンド(ground）されたレンズが必要となる。そのような精密な焦点合わせが必要とされる結果、レンズの被写界深度(Depth of field)が浅くなり、画像はレンズからある特定の距離においてしか正確に投影されなくなり、この特定の距離から少しでもずれると、だんだんと焦点の合っていない、ぼやけた画像になる。
したがって、焦点ずれによる画像の「ぼけ」を防止するためには、画像が投影される表面は可能な限り平坦でなければならない。平坦度を維持できない場合、表面に追加の層が形成されて、廃棄されるべき、欠陥を持つ半導体の比率が増えるなどの問題を生じさせる。
【０００３】
絶縁体層にデュアルダマシン構造の金属を埋め込み(inlaying)した後で、表面の平坦度を回復させる標準的な技術は、ケミカル・メカニカル平坦化(Chemical-Mechanical Planarization; CMP)である。このプロセスにおいて、ウェハの表面は、研磨パッドおよび化学スラリーによって、所定の間隔で研磨され、余分な金属を取り除いて再び平坦化される。このスラリーは、例えばシリカ(silica)またはアルミナ(alumina)のような研磨材、および化学添加剤を含む。この化学添加剤は、これらの構成成分と選択的に反応して、これらの構成成分からなる合成物を柔軟にし、この合成物がウェハ表面において平坦になるようにする。よって、研磨スラリーは、ウェハ表面の特定の組成物の除去速度を高めるために選択される。選択は、ある組成物が固有に、純粋に研磨動作により、より容易に除去されるということを考慮して行われる。
【０００４】
従来、アルミニウムは、半導体回路の導電金属として好適なものとされてきたが、最近の傾向はダマシンおよびデュアル・ダマシン（埋め込み(inlaid)金属化として知られる）プロセス技術の利用である。このプロセス技術においては、現在のところ優れた導電金属である銅を使用している。このダマシンおよびデュアル・ダマシンを用いて金属配線やビア(Vias)を埋め込もうとする傾向により、半導体製造においてあらたな問題が生じている。それは、ＣＭＰにおいて、しばしば許容できないレベルのディッシングや侵食が銅の表面に生じるということである。実際、１０００Åまたはそれ以上の窪みが形成されうる。
上述したように、最新の微細配線回路を実現するためには、ほぼ完全に平坦な表面が必要である。したがって、ディッシングおよび侵食は、新規なダマシンおよびデュアル・ダマシン技術においては深刻な問題であり、その解決が求められていた。
【０００５】
（発明の概要）
本発明は、第１の研磨工程および第２の研磨工程を含み、ダマシンおよびデュアル・ダマシンプロセスによって形成された回路を有するウェハに用いる、ケミカル・メカニカル平坦化技術を提供する。第２の研磨工程は特に重要であり、金属よりも絶縁体に対して高い除去速度を有するスラリーの使用を含んでいる。
さらに詳細には、本発明に従って、第１の工程において、半導体ウェハは、研磨パッドおよび第１スラリーによって停止点が検出されるまで研磨される。この停止点は、当該技術分野において知られた様々な技術によって検出可能であり、または単純に所定の研磨時間が経過したときであってもよい。ＣＭＰの次の段階へ自動的な移行を実現できるようなタイプの検出方法が望ましい。
【０００６】
好適には、第１の研磨工程の終了後、半導体ウェハの表面をリンスして表面の研磨くずおよび実質的にすべての第１スラリーを洗い流す。リンスの終了後、金属成分よりも絶縁体を高い速度で除去する第２スラリーを用いて、第２の研磨工程を開始する。絶縁体の除去速度は、金属の除去速度よりも、おおよそ１．２倍から４倍速いことが望ましい。
この第２の研磨工程がディッシングや侵食を減少させ、第１の研磨工程後に残されたウェハ表面の形状の非均一性を修復することがわかっている。結果として、ディッシングは実質的に減少し、半導体ウェハ表面の平坦度は改善される。これによって、仕様に合った半導体を高い割合で生産することができる。
【０００７】
（図面の簡単な説明）
図１は、ダマシンプロセスによって形成された半導体ウェハの表面部分の断面図であって、絶縁体のトレンチ構造の上に薄い共形(conformal)のバリア層が形成され、さらにその上に金属層が形成されている様子を示している。
図２は、図１に示された半導体ウェハの部分を示す図であって、ＣＭＰが金属層のほとんどを除去した様子を示している。
図３は、図１に示された半導体ウェハの部分を示す図であって、ＣＭＰが金属層を除去し、さらに余分の金属が完全に除去されて、残存の金属プラグが絶縁体トレンチの中に形成された様子を示している。
図４Ａは、図１の半導体ウェハの一部分の断面図であって、ＣＭＰの第１工程の終了後の様子を示している。
図４Ｂは、図４Ａの半導体ウェハの部分を示す図であって、（金属、バリア、絶縁体）のそれぞれに対し、１：１：１の選択比を持つスラリーを用いたＣＭＰの第２工程の終了後の様子を示している。
図５Ａは、スラリーを用いたＣＭＰの第１工程を実施した図１の半導体ウェハの一部分の断面図であって、一般的な大きさの金属のディッシングおよび研磨された表面における金属の残存の様子を示している。
図５Ｂは、図５Ａの半導体ウェハの部分を示す図であって、本発明にしたがって、（金属、バリア、絶縁体）のそれぞれに対し、１：１：２の選択比を持つ第２の工程のスラリーを用いたＣＭＰの終了後において、修復された実質的に平坦な表面形状を示している。
【０００８】
（詳細な説明）
本発明は、ダマシンおよびデュアル・ダマシンプロセスによって形成された回路配線を有する半導体ウェハの研磨の際の「ディッシング」および「侵食」を実質的に減少させる、ケミカル・メカニカル平坦化技術を提供する。本明細書の特許請求の範囲および発明の詳細な説明の欄において、「金属」という用語はウェハ回路配線上の導電金属成分を指すものとして広義に用いられ、それは銅、銀、金およびアルミニウムのいずれかによって、それぞれ実質的に純粋な形態で、または合金の主要な合金成分の形態で形成されるものである。「金属」には、ダマシンおよびデュアル・ダマシンプロセスにおいて使用可能な類似の導電金属も含まれる。
【０００９】
本発明に従って、２つの分離したケミカル・メカニカル研磨工程が用いられる。第１の工程において、取り除く必要があるすべての余分な金属を実質的にすべて除去し、停止点が検出されるまで継続される。次に、絶縁体に対して対金属比でおおよそ１．２倍から４倍速い除去速度を持つスラリーを使用した第２のＣＭＰ工程が実行される。絶縁体の除去速度は、好適には、対金属比で、おおよそ１．５倍から２．５倍であり、もっとも好適には、対金属比でおおよそ１．８倍から２．３倍である。後述するように、第２研磨工程によって、平坦度を改良することができ、従来のプロセスにおいて見られたディッシングや侵食を効果的に減少させることができる。
【００１０】
本発明は、添付の図面を参照することによってさらによく理解することができる。それらの図面は発明を図案化したものであるが、これらの図面は発明の詳細な説明および特許請求の範囲に記載された発明を限定するものではない。
【００１１】
まず最初に、図１は、ダマシンプロセスによって形成された半導体ウェハ表面の一部分の断面図であって、３つの層を示している。最上部の金属層（例えば、銅、アルミニウム、銀、金など）２が、共形バリア（例えば、タンタル）層４の上に形成されており、共形バリア層４は絶縁体（例えば、ＴＥＯＳのような酸化物）層６の上に形成されている。この代表的な初期構造を用いて本発明を説明することとし、単一工程の従来型ＣＭＰおよびその他の２ステップの従来型ＣＭＰと比較する。
【００１２】
図２は、単一工程のスラリープロセスを用いて平坦化した後の、ウェハの同じ部分を示している。この図で、バリア層４の上方に延びた薄い残存金属層２が示されているが、これはさらに取り除く必要があるものである。単一工程プロセスにおいて、絶縁体よりも金属に対する選択性を有するスラリーを用いて、さらに研磨を続けると、結果として図３に示すような構造になる。この図に示されるように、金属を優先的に除去した結果、窪んだ金属プラグ（ディッシング）が絶縁体のなかのトレンチに形成される。
【００１３】
図２または図３を参照して説明した単一工程の従来型プロセスに代わる他のプロセスとして、第１の工程において金属に対してより高い除去速度、例えば金属について対絶縁体比で２０倍の除去速度を有するスラリーを用いる、従来型の２ステッププロセスがある。第１の研磨工程は、図１に示される金属の大部分を除去して図４Ａに示される構造を得るために実施されるが、この第１の研磨工程を停止させるための停止点をます選択する必要がある。図１の構造から図４Ａの構造を得るための研磨工程において、停止点を検出することができないのは明らかである。それは、表面が未だ金属の連続した層によって実質的に覆われているからである。しかしながら、経験に基づき、薄い金属層が得られるように研磨時間を選択することができる。そのような停止点において、第１のスラリーを取り除くためのリンスを行った後、図４Ｂに示されるような構造を形成するために１：１：１の選択性を持った第２のスラリーを用いてさらに研磨を継続する。しかしながら、そのような構造を形成するためには、研磨中の半導体ウェハ表面の各組成物に対して厳密に１：１：１の選択性を必要とする。これらの比は、プロセスおよびウェハ表面上の特定のパターンの両方について安定している必要がある。一般的に、実際の処理においては、そのような安定性をいつも達成できるわけではない。
【００１４】
本発明に従ったプロセスは、実用的にみて、ずっと有用である。本発明に従って、図１に示された余分の金属の大部分を除去する第１の研磨工程の後、図５Ａに示されるような構造が形成される。この構造では、絶縁体６のトレンチ内において金属２に典型的なディッシングが発生している。さらに、金属の残留物８がバリア層の表面に残っている。研磨領域から実質的に第１スラリーを取り除くためのリンス（好適には脱イオン水を用いる）の後で、本発明に従った第２スラリーを用いたケミカル・メカニカル研磨が行われる。この第２スラリーは、絶縁体について、対金属比で高い選択性（除去速度）を持つ。従って、例えば、（金属：バリア：絶縁体について）１：１：２の選択を持つ第２工程のスラリーは、図５Ｂに示されるような構造を形成する。この図面において、金属残留物８は取り除かれ、共形バリア層４の水平部分も取り除かれ、絶縁体６が金属２と平坦になるように研磨されている。したがって、ウェハ表面は、図３において従来技術として示されたものよりも、よりずっと平坦である。
【００１５】
本発明のプロセスは、容易に検出可能な停止点を提供するので、図４Ａ、Ｂを参照して説明した従来技術のプロセスよりもより一層使い易い。第１の研磨工程が実質的にすべての余分の金属を除去するまで実行されるので、当該技術分野において既知の光学的手法、モータ電流の検出、または温度監視の技術を用いて、停止点を検出できる。対照的に、図４Ａの従来技術の方法では第１の工程の終了時において薄い金属層が残っているので、停止点の検出は困難である。プロセス時間による停止点の予測も可能であるが、ウェハごとに相当な不均一性がつきまとうことになり、信頼性の高いものではない。
【００１６】
上述したように、本発明のプロセスは、前述の従来技術（図３）およびその他の２ステップの従来技術（図４Ａ，Ｂ）に対して著しい特長を有し、容易に自動化可能な方法において改良された平坦度を提供できる。
【００１７】
さらに、本発明に従って、現在のＣＭＰ装置に、本発明の２ステッププロセスを実行可能にするような変更を加えることができる。そのために必要な変更は、上記本発明の説明に基づいて、当業者が容易に理解できるものである。
【００１８】
以上、図面を参照して本発明の説明を行ったが、これは好適な実施例についての説明をしたものであり、発明の詳細な説明およびその記載が当業者に示唆する事項の全体により、ならびに本来的な範囲を定めた添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ダマシンプロセスによって形成された半導体ウェハの表面部分の断面図。
【図２】  図１に示された半導体ウェハの部分を示す図。
【図３】  図１に示された半導体ウェハの部分を示す図。
【図４Ａ】図１の半導体ウェハの一部分の断面図。
【図４Ｂ】図４Ａの半導体ウェハの部分を示す図
【図５Ａ】スラリーを用いたＣＭＰの第１工程を実施した図１の半導体ウェハの一部分の断面図。
【図５Ｂ】図５Ａの半導体ウェハの部分を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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