(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶材料の表面に沿う複数の異なる結晶面からの材料除去速度を制御するためのスラリーであって、
水からなる主キャリア成分；
酸化剤成分；および
極性調節成分を含み、
前記極性調節成分として酢酸を除き、
極性調節成分がスラリーの１０体積％より多く含まれる
スラリー。
【請求項２】
前記極性調節成分が、水の極性より小さい極性を有する材料を含む請求項１に記載のスラリー。
【請求項３】
前記極性調節成分が、１．８より小さい双極子モーメントを有する材料を含む請求項２に記載のスラリー。
【請求項４】
水からなる主キャリア成分と、酸化剤成分と、酢酸を除く極性調節成分とを含むスラリーを用いて、多結晶材料の表面に沿う複数の結晶面からの材料除去速度を制御するスラリー研磨プロセスであって、前記極性調節成分がスラリーの１０体積％より多く含まれるスラリーの極性を制御することによって、各結晶面からの材料除去速度を、水成分により支配される極性を有するスラリーを用いた場合に差を生じる各結晶面からの材料除去速度とは異なるように修正する工程を含む
スラリー研磨プロセス。
【請求項５】
表面に沿うそれぞれの結晶面の相対的面積分率に応じてスラリーの極性を制御することをさらに含む請求項４に記載のスラリー研磨プロセス。
【請求項６】
極性調節成分をスラリーの主キャリア成分に添加することによりスラリーの極性を制御することをさらに含む請求項４に記載のスラリー研磨プロセス。
【請求項７】
主キャリア成分が水を含み、かつ水の極性より小さい極性を有する極性調節成分を添加することをさらに含む請求項６に記載のスラリー研磨プロセス。
【請求項８】
主キャリア成分が水を含み、また双極子モーメントが１．８より小さい、極性調節成分を添加することをさらに含む請求項７に記載のスラリー研磨プロセス。
【請求項９】
実質的に非極性である極性調節成分をスラリーの主キャリア成分に添加することによって、スラリーの極性を制御することをさらに含む請求項４に記載のスラリー研磨プロセス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロエレクトロニクス・デバイス、より詳細には多結晶材料の化学機械研磨（ＣＭＰ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願は、２００２年２月２２日出願の米国仮出願特許第６０／３５９，２２２号の利益を請求する。
【０００３】
超大規模集積（ＵＬＳＩ）回路などのマイクロエレクトロニクス・デバイスは導体および誘電体材料からなる層を交互に有する多層デバイスとして通常形成される。これら各層は独立に堆積され、これらの層は多くの場合、オーバーレイ層を堆積する前に高度の平坦度が得られるまで研磨される。化学機械研磨は最新ＵＬＳＩ回路の平面多層金属配線システムを製造するために用いられる先端プロセスである。
【０００４】
金属配線もしくは導体層を堆積する前に、比較的厚い誘電体層が基材あるいは基材上に形成された何らかの集積回路デバイス上に堆積される。次に、誘電体層は化学的に活性なスラリーおよび研磨パッドを用いて研磨されて、非常に平坦なまたは平面的な表面となる。コンタクト・ホールもしくはビアが誘電体材料にエッチングで形成される。次に、ビアを充填するために障壁金属およびタングステン薄膜がエッチングされた誘電体上に堆積される。次に、タングステン薄膜は表面から研磨除去されて、障壁金属およびタングステンのプラグで充填されたコンタクト・ホールもしくはビアを有する平坦な表面が残される。次に、金属配線層が研磨誘電体層上に堆積されて、タングステン・プラグと電気配線を形成する。
【０００５】
ＣＭＰ工程での知られている問題点は、材料除去速度がウェハ表面で不均一な場合があるということである。Ｃｈｉｏｕ他に発行された米国特許第５，８７３，７６９号はウェハ表面全体で均一な除去速度を達成する方法および装置を記載する。Ｃｈｉｏｕの特許はウェハ上のさまざまな機械的条件から生じる除去速度の変動のみを扱い、ウェハ材料の材料特性の変化から生じる除去速度の変動を扱っていない。
【０００６】
ＣＭＰプロセスの継続期間は、過剰な量の材料を除去することなく十分な量の材料が確実に除去されるように、注意深く制御されなければならない。ＣＭＰプロセスを終える適当な時間を決めるためにさまざまな終点検出技法が用いられている。終点検出技法の１つは、研磨プロセスが進行するにつれてプラテンでの抵抗が増加するので、出力曲線を追跡することである。このプロセスは、材料除去速度は除去されている材料の深さによらず一定であるという単純化された仮定に依存している。実際には、特定の材料のある瞬間の除去速度は深さに応じて変化しうるし、またその抵抗曲線は時間に関して膨らむかあるいは凹むことがある。
このため適当な終点を逃してしまうことがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、さまざまな材料の条件から生じる材料除去速度の変動を考慮する、改良された化学機械研磨プロセスが求められている。さらに、研磨プロセスの終点をより正確に制御できる、改良された化学機械研磨プロセスが求められている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
多結晶材料の表面に沿う複数の異なる結晶面からの材料除去速度を制御するためのスラリーは、主キャリア成分；酸化剤成分；極性調節（ｐｏｌａｒｉｔｙ−ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ）成分を含むものとして本明細書において記載される。極性調節成分はスラリーの１０体積％より多くてもよい。一実施形態においては、主キャリア成分が水であり、また極性調節成分が、極性が水のそれより小さく、例えば双極子モーメントが１．８より小さい材料でありうる。極性調節成分はベンゼンでありうる。
【０００９】
多結晶材料の表面に沿う複数の結晶面からの材料除去速度を制御するスラリー研磨プロセスは、スラリーの極性を制御して、水成分により支配される極性を有するスラリーを用いて達成されると思われる、それぞれの結晶面からの相対的材料除去速度と異なるように、異なる結晶面からの相対的材料除去速度を加減するステップを含むものとして本明細書において記載される。表面に沿うそれぞれの結晶面の相対面積分率に応じてスラリーの極性を制御してもよい。
本発明の特徴および利点は、添付図と共に読まれるならば、以下の発明の実施の形態から明らかとなるであろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
マイクロエレクトロニクス・デバイスの製作には、能動半導体デバイスおよび回路を形成するために半導体基板上で多数の材料層を堆積し除去することが含まれる。このようなデバイスは、層内および層間でデバイス要素を選択的に結合または絶縁することができる多数の金属および誘電体材料層を用いる。６レベルまでの配線を用いる集積回路が報告されており、将来はより一層複雑な回路が期待されている。デバイス形状寸法は０．５０ミクロンから０．１２ミクロンとなり、間もなく０．０８ミクロンとなるであろう。このようなデバイスでは多レベルの金属配線が必要とされる。デバイス形状寸法のこのような縮小により、次のレベルを形成する前に各金属間のレベルを平坦化しなければならない。十分に平坦な表面を作り出すための一般的に認められたプロセスは化学機械研磨（ＣＭＰ）である。半導体ウェハの表面から局所的な変動を除去し、欠陥、かき傷もしくは埋め込まれた粒子を除去するために、ＣＭＰを用いることができる。デュアル・ダマシン銅およびタングステン配線構造を形成するためにＣＭＰは用いられる。
【００１１】
ＣＭＰプロセスには一般に、化学的スラリーの存在下に、制御された圧力、温度および回転速度のもとで半導体ウェハを研磨パッドの表面に対して擦りつけることが含まれる。研磨材料が、研磨パッド自体に付けられた粒子、あるいは化学的スラリーの流体サスペンションの粒子としてウェハと研磨パッドの間に導かれる。化学的作用は表面材料を酸化して機械的除去を容易にする機能を果たす。擦り取る（ａｂｒａｓｉｖｅ）作用は研磨（ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）作用においてウェハの表面のある部分を物理的に除去するように機能する。スラリーの運動は温度制御をもたらし、ウェハから研磨残渣が離れていきやすくする。
【００１２】
図１からわかるように、化学機械研磨システム１０は、回転式プラテン１８に支持される研磨パッド１６に対して半導体ウェハ１４を保持し運動させるキャリア１２を通常含む。ウェハ１４を研磨パッド１６に対して押しつけ回転させるとき、スラリー２０は望ましい化学的相互作用と摩損をもたらすために用いられる。ウェハ１４からの材料除去速度は、ウェハ１４と研磨パッド１６の間に働く力Ｆの大きさ、キャリアの回転速度Ｒ１およびプラテンのＲ２、プラテン１８の回転軸に対するキャリア１２の横方向位置、スラリー２０の化学組成、温度、ならびに研磨パッド１６の構成および使用歴を含む多くの変数に依存するであろう。数多くの配置形態のＣＭＰ装置が知られており、その業界で市販されている。このようなＣＭＰ装置製造業者の１つは、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．（ｗｗｗ．ａｐｐｌｉｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓ．ｃｏｍ）である。研磨パッド製造業者の１つは、アリゾナ州フェニックスのＲｏｄｅｌ，Ｉｎｃ．（ｗｗｗ．ｒｏｄｅｌ．ｃｏｍ）である。
【００１３】
半導体ウェハ１６上の金属層などの多結晶材料は通常、微結晶粒の複数の配向を有する。多結晶材料は試料表面で核形成し成長するので、表面ギブス・エネルギーにより結晶表面が成長する速さが定まる。表面の配向が結合に利用できる軌道の角度を定めるので、配向が異なるとこの表面エネルギーは異なる。アルミニウムなどのいくつかの材料では単一の配向へと核形成する傾向があり、またタングステンなどのいくつかの材料では異なる配向へと核形成する傾向がある。ミラー指数が結晶相の配向を定めるのに用いられる。アルミニウムは（１１１）の強い繊維組織配向を有し、アルミニウム薄膜の断面は非常に高い（１１１）配向のパーセント面積分率を有するであろう。
【００１４】
半導体ウェハの表面に金属タングステンの層を堆積するときは、（１１０）および（１１４）粒子構造の面積分率はタングステン薄膜の深さの関数として変化するであろう。図２は、ＣＭＰの途中の２つの異なる深さで取られた２つのタングステン薄膜試料を並べて比較する。図２は、２つのタングステン薄膜試料についてＣＭＰの途中の２つの異なる深さで取られた、走査電子顕微鏡の結晶配向画像化システムによる配向分布図を示す。左側の試料２２には高いパーセンテージで（１１０）微結晶粒構造２４が、また低いパーセンテージで（１１４）微結晶粒構造２６が存在する。右側の試料２８には低いパーセンテージで（１１０）微結晶粒構造２４が、また高いパーセンテージで（１１４）微結晶粒構造２６が存在する。図３はそれぞれの配向の面積分率（ＡＦ）と基材表面から測ったタングステン薄膜の深さ（ｄ）との間の関係を示す。曲線３０は、タングステン薄膜の深さが増加するにつれて（１１０）材料の面積分率が減少する様子を示し、曲線３２は、薄膜の深さが増加するにつれて（１１４）材料の面積分率が増加する様子を示す。（１１０）配向は障壁支配であるように見え、一方（１１４）配向は表面ギブス自由エネルギーにより支配されているので、（１１０）配向のパーセンテージは基材（障壁）材料に最も近い部分でより大きい。タングステン薄膜の面積分率は堆積温度、ウェハ・ビアおよび他の変数の関数としてさらに変わりうる。
【００１５】
ＣＭＰプロセス中の材料除去速度は、多結晶材料の異なる面配向の間で、２倍を超える大きさで変わりうる。図２に示された各試料は終点検出に失敗した；１つは深くて失敗し、１つは浅くて失敗した。これらの異なる結果の原因は、ＣＭＰプロセスで用いられるスラリーの酸化剤に曝されたときの（１１０）および（１１４）粒子構造の異なる酸化速度にある。試料２２の除去速度は約１００オングストローム／秒であり、試料２８の除去速度は約４０オングストローム／秒であった。このように、除去速度が一定であると仮定する終点検出スキームは正確さを欠いていた。
【００１６】
この問題を克服するために、図１のＣＭＰシステム１０は、予め決められた極性をもつスラリー２０を組み入れる。スラリー２０は通常、基礎溶剤、例えば水などの主キャリア成分に加えて、極性のある溶質などの極性調節成分、および酸化剤成分を含む。スラリー２０はまた通常、コロイダル・シリカなどの研磨性のある材料も含む。極性調節成分は通常、異なる結晶面に沿う材料除去速度に測定可能な影響を与えるようにスラリー溶液２０全体の極性を加減するのに十分な量と正味の極性を有する１種または複数の材料である。選択された溶質は、研磨されている多結晶材料の異なる配向相の酸化速度を効果的に平衡に保つ（すなわち、よりよく一致させる）であろう。さまざまな結晶面の酸化速度を制御することにより、多結晶材料のさまざまな結晶配向の材料除去速度を平衡に保つことができる。異なる溶質はある特定の結合サイトに親和性があるので、ある特定の溶質は異なる結晶面の酸化速度に特異的な影響を与えることができる。各結晶面の酸化は、反応が起こる利用可能サイトの数と速さの関数である。したがって、ある特定のタイプのサイトに親和性を有する、特定の極性調節成分の導入は、酸化に利用できるサイトの数を増加あるいは減少させて、酸化速度に影響を与えるであろう。選択される（複数の）溶質の濃度と極性は、酸化速度に関して平衡が保たれなければならない配向相に依存するであろう。スラリー２０に特別に選択された溶質を用いることにより、異なる配向の材料除去速度をよりよく一致させて、より均一な研磨プロセスを作り出し、より正確な終点予測を容易にすることが可能である。スラリー溶液全体の極性は、基礎溶剤以外に溶質の選択により影響されているということを理解することができるであろう。別法として、特定の極性をもつ基礎溶剤を選択して、溶質の選択に影響を与えるかあるいは望ましい極性にするための別の溶剤を全く不要にすることさえできる。水は極性が高くて本明細書に記載された材料除去速度の違いの問題を引き起こすので、一実施形態において、主キャリア成分が水ではないように選択され、例えばそれはアルコールでありうる。
【００１７】
経験的データから導かれたデータベースを用いることにより、あるいは特定の溶剤の存在下の各結晶面の酸化速度に関するギブス自由エネルギーの計算を用いることにより、特定の多結晶材料の化学機械研磨に対して溶質を選択することができる。一実施形態において、研磨性の材料としてコロイダル・シリカ、酸化剤として過酸化水素、ならびに極性が水のそれより小さく、スラリー２０の１０体積％より多い溶質を含む化学的に活性な水系溶液を用いて、多結晶タングステン層が研磨される。別の実施形態においては、その主キャリア成分としての水ならびに双極子モーメントが水より大きく、例えば１．９より大きいような極性調節成分を有するスラリー２０を利用することが望ましい。水成分に支配される極性特性を有する従来技術のスラリーの比較的大きな極性により、タングステン薄膜の（１１０）および（１１４）面配向の材料除去速度の大きな違いが生じると考えられている。水成分に支配されるスラリーとは、水以外に正味の極性に実質的に影響を与える成分がなく、また酸化剤成分、例えば５体積％までの過酸化水素を有するスラリーのことである。本発明の極性調節成分は例えば、ベンゼンのような双極子モーメントの極性がゼロの材料、または双極子モーメントが１．８より小さいか、１．６より小さいか、もしくは１．４より小さい材料であるか、あるいはそれは実質的に非極性である、すなわち双極子モーメントが１．０より小さい材料である。さまざまな材料の極性の表は一般化学の教科書から、またインターネットを通しても入手可能である。典型的な双極子モーメントの極性値には以下のものが含まれる：水１．８５；メタノール１．７０；エタノール１．６９；１−プロパノール１．６８；１−ブタノール１．６６；ギ酸１．４１；酢酸１．７４；ホルムアミド３．７３；アセトン２．８８；メチルエチルケトン１．７８；アセトニトリル３．９２；Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド３．８２；ジメチルスルホキシド３．９６；ヘキサン２．０２；ベンゼン０；ジエチルエーテル１．１５；テトラヒドロフラン１．６３；メチレンクロライド１．６０；および四塩化炭素０。前記材料または他のいずれかを、望ましい極性値をスラリー２０に与える溶剤としてあるいは溶質として用いることができる。化学的に活性なスラリーの極性の適当な制御は、多結晶材料表面のさまざまな結晶配向からの除去速度の違いを最小化することにより、仮定された一定の材料除去速度に依存する何らかの終点検出スキームの正確さを向上させる。改良されたＣＭＰプロセスを提供するに先立って、金属薄膜の断面に沿うと予想される結晶面の面積分率の予測に基づいてスラリー２０の極性を選択するか、あるいは研磨されている表面に沿うそれぞれの結晶面の実際の相対面積分率に応じてそれを制御してもよい。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態が本明細書に示され説明されたが、このような実施形態は例として与えられたにすぎないということは明らかであろう。それゆえに、本発明は添付の特許請求の範囲の精神と範囲によってのみ限定されると想定されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】化学機械研磨装置の概略図である。
【図２】２つの異なるタングステン薄膜試料表面のＳＥＭ配向分布図の比較である。
【図３】タングステン薄膜の、２つの異なる微結晶配向の相対面積分率を薄膜の深さの関数として示すグラフである。
【図１】
0004593882.tif 000002
【図２】
0004593882.tif 000003
【図３】
0004593882.tif 000004