(57)【要約】ウェーハ内で、リセスの状態にある銅配線の面粗さを低減させる塩化物イオン供給源を溶液中に含む」、半導体ウェーハを研磨するための研磨用組成物である。塩化物イオンが、銅配線上の高点に集中した電場まで移動する一方で、研磨作業中にこれらの高点が研磨される。高点にある塩化物イオンは、高点上への溶液からの銅イオンの再メッキを阻止する。銅イオンは、配線上で表面全体にわたり均一に再メッキし、こうして配線の面粗さが低減される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェーハの研磨方法であって、
塩化物イオンを有する研磨用流体組成物を供給する工程、
研磨用流体組成物で、半導体ウェーハ上のバリア層を研磨して、バリア層を除去し、そして銅配線上の高点を研磨し、研磨用組成物中に銅イオンを可溶化する工程、及び、
塩化物イオンが高点近傍に移動し、高点上への銅イオンの再メッキを阻止する一方で、研磨用流体組成物中、溶解している銅イオンを再メッキさせ、銅配線の表面を平坦化する工程、
を含む方法。
【請求項２】
塩化物イオンを有する研磨用組成物を供給する工程が、塩化物イオン供給源として可溶化された塩化アンモニウムを有する研磨用組成物を供給する工程をさらに含む、請求項１に記載の半導体ウェーハの研磨方法。
【請求項３】
銅の除去に対し選択的である酸化剤を有する研磨用流体組成物を供給する工程、及び塩化物イオンが高点近傍に移動し、高点上への銅イオンの再メッキを阻止する一方で、研磨用流体組成物で銅配線上の高点を研磨し、高点を除去する工程をさらに含む、請求項１に記載の半導体ウェーハの研磨方法。
【請求項４】
酸化剤を有する研磨用流体組成物を供給する工程が、酸化剤として過塩素酸アンモニウムを有する研磨用流体組成物を供給する工程をさらに含む、請求項３に記載の半導体ウェーハの研磨方法。
【請求項５】
塩化物イオンを有する研磨用組成物を供給する工程が、塩化物イオン供給源として可溶化された塩化アンモニウムを有する研磨用組成物を供給する工程をさらに含む、請求項４に記載の半導体ウェーハの研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、さまざまな薄膜、極めて具体的には半導体ウェーハ上の金属層、バリア層又はライナー層、及び絶縁層を含む集積回路表面の平坦化に使用される研磨方法及びスラリー組成物に関する。
【０００２】
米国特許第５，６７６，５８７号は、Ｃｕ配線構造と共に使用される２段階の研磨プロセスを開示している。第１段階を実施して、過剰のＣｕの大部分を除去し、そして第２段階を実施して、Ｔａ，ＴａＮ，Ｔｉ又はＴｉＮのバリア層又はライナー層を除去する。第２段階については、ほぼ中性のｐＨのシリカベースのスラリーが開示されている。
【０００３】
ＣＭＰによる半導体ウェーハの研磨に起因する問題の１つは、電気回路配線を供給する銅配線構造が、製造基準で規定されている許容限度を超える面粗さをもつことにある。過度の面粗さが、苛酷なＣＭＰ研磨によって生ずることが認識されていた。面粗さを許容限度まで平坦化する半導体ウェーハの研磨方法に対するニーズが存在していた。さらに、許容限度内の面粗さをもつ配線を有する半導体ウェーハを研磨するための研磨用組成物に対するニーズも存在していた。
【０００４】
本発明は、以下の工程：塩化物イオンを有する研磨用流体組成物を供給する工程；研磨用流体組成物で、半導体ウェーハ上のバリア層を研磨して、バリア層を除去し、そして銅配線上の高点を研磨し、研磨用組成物中に銅イオンを可溶化する工程；及び、塩化物イオンが高点近傍に移動し、高点上への銅イオンの再メッキ（replating）を阻止する一方で、研磨用流体組成物中、溶解している銅イオンを再メッキさせ、銅配線の表面を平坦化する工程、を含む半導体ウェーハの研磨方法を包含する。
【０００５】
このように、銅の再メッキを高点から阻止することによって、銅配線の表面は平坦化され、製造基準により規定される許容限度内の面粗さをもつ状態となる。
【０００６】
さらに、本発明は、半導体ウェーハの研磨された表面よりも低い銅の配線上の高点に移動する塩化物イオン供給源を溶液中に含む、半導体ウェーハを研磨するための研磨用組成物を包含する。
【０００７】
本発明の実施形態について、以下の詳細な説明を参照して、例示により述べる。
【０００８】
ますます複雑かつ高密度になる半導体構造体の製造における要求の１つは、平坦化する能力であり、この能力なしでは半導体ウェーハ上に構築される構造の複雑さ及び密度は、大幅に制限される。化学機械平坦化、すなわちＣＭＰは、半導体基板上の表面薄膜を平坦化する、最も有効な方法であることが実証されてきた。
【０００９】
半導体ウェーハは、３つの異なる薄膜又は層、すなわち導電性金属層、導電性金属層と絶縁層の間のバリア層又はライナー層、及び絶縁層で構築されている。例えば、半導体ウェーハは、導電性銅層、タンタル又は窒化タンタルのバリア層、及び二酸化ケイ素の絶縁層で構築されている。ＣＭＰの実施による研磨は、Ｃｕ及びＴａ／ＴａＮバリア層をできるかぎり迅速に除去する一方、ＳｉＯ2絶縁層をできるかぎりゆっくりと除去する。さらに、研磨されている表面よりも低く、リセスの状態に、導電性回路配線を保持することが極めて重要である。配線構造内のＣｕの除去は、望ましくなく、「ディッシング」として知られている。配線構造内のＳｉＯ2絶縁層の除去もまた、望ましくなく、「エロージョン」として知られている。
【００１０】
本発明の一の態様によれば、塩化物イオンは半導体表面に結合することになり、表面全体にわたり迅速に移動することのできる可動種として存在する。これらの可動種は、特定の部位まで平衡化して、この系のエネルギーを最小にする。高い表面エネルギーが同様に局在化された部位は、欠陥が始まる部位である。これらの部位に存在する塩化物イオンは、これらの部位における表面エネルギーを減少させ、それらを、いかなる他の部位の表面エネルギーとも実質的に区別できなくする。均一な表面エネルギーは、ウェーハの表面状態において、局在化された不均一な処理、及び変動を打ち消す。これは、表面の現象のため、この局在化された変動の打ち消しを起こすのに必要な塩化物イオンを与える化合物の量は、５ppmという低さであり得る。好ましくは、使用される化合物の量は、７〜２０００ppmである。最も好ましくは、１０〜１０００ppmである。
【００１１】
ＣＭＰに使用される水性組成物に対する塩化物イオンの添加は、金属を含む半導体ウェーハにとって特に有用であり、金属が銅である場合、特に有効である。
【００１２】
銅を研磨する上で有用な組成物には、クエン酸といったような、組成物中、溶解状態の銅イオンを与える錯化剤；ベンゾトリアゾールといったような、初期腐食抑制剤；及びポリビニルピロリドンといったような、有機ポリマーが、典型的には含まれる。さらに、組成物には、流体懸濁液中、コロイダルシリカ粒子の形態の研磨剤が含まれるが、研磨剤をもたない研磨パッドと共に使用されるべきである。あるいは、組成物中に研磨剤が存在せず、組成物は研磨剤なしで、それ自体研磨剤を有する研磨パッドと共に使用されるべきである。
【００１３】
実施例
コロイダルシリカ、クエン酸、ＢＴＡ（ベンゾトリアゾール）及びＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）を含む組成物Ａ及びＢを調製した。さらに、組成物Ｂには、塩化アンモニウム５〜１００００ppm、及び過塩素酸アンモニウム０．０１％を含有させた（なお、全て重量パーセントである）。銅配線を含むパターニングされたウェーハを、組成物Ａ及びＢを用いて、標準的な条件の下、ＩＰＥＣWestech３７２研磨機で研磨した。Digital Instruments Inc.から販売されているＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を使用して、面粗さを測定した。Tappin Mode（登録商標）を用いるDigital Instrument Dimension（登録商標） ５０００測定器を使用して、ＰＶ（山から谷の粗さ）、ＲＭＳ（二乗平均粗さ）及びＲａ（算術平均粗さ）を決定した。以下の表１に、パターニングされたウェーハを組成物Ａ及び組成物Ｂで研磨した場合に得られた粗さの値を示す。
【００１４】
【表１】
2004523123.tif 000002
【００１５】
この表は、研磨用組成物に少量の塩化物イオンを添加した場合の粗さの改善を開示している。このような塩化物イオンは、研磨用組成物中に存在して、第１段階の研磨及び／又は第２段階の研磨の結果として銅配線の面粗さを改善する。
【００１６】
一例として、第１段階の研磨は、バリア層の研磨済み表面より低く、トレンチの形態でパターニングされた銅を残しつつ、下側のバリア層から過剰な銅金属を除去するための既知のＣＭＰプロセスに従って、研磨パッドと研磨組成物を使用して実施される。パターニングされた銅が、トレンチにおいて電気回路配線を与える。
【００１７】
しかしながら、特に粗い研磨剤で実施されるような第１段階の研磨は、製造基準により規定されている許容限度を超える面粗さをもつパターニングされた銅とする傾向にある。面粗さは、パターニングされた銅の表面上に高点を有するものということができる。高点の中には、極めて鋭利なものもあり得る。他は、さほど鋭利ではないものの、それでも面粗さの許容限度を超えている。面粗さは、第１段階の研磨に付随する研磨用組成物中に、塩化物イオンを供給することによって回避することができるはずである。しかし、第１段階の研磨に起因する過度の面粗さは、塩化物イオンを含有する研磨用組成物を用いて第２段階の研磨を実施することによって、低減される。
【００１８】
このような高点は、パターニングされた銅が研磨用組成物により濡らされて電荷を有し、結果として高点に集中した電場がもたらされている状況の場合と同様に、高エネルギー領域ということができる。
【００１９】
第１段階の研磨作業後、既知のＣＭＰプロセスによって第２段階の研磨を実施し、下側の絶縁層からバリア層を除去し、絶縁層の研磨済み表面より低く、リセスの状態にあるトレンチ中に銅配線が残される。本発明によれば、研磨用流体組成物中に供給された塩化物イオンは、銅配線の面粗さを低減させ、こうして面粗さは許容限度内に入る。
【００２０】
既知のＣＭＰプロセスによる第２段階の研磨は、バリア層を形成する材料の除去に対し選択的であり、かつ銅の除去に対して選択的である酸化剤を有するか、又はバリア層の除去に対して選択的でありつつ、銅の除去に対して選択である酸化剤を有しない研磨用流体組成物を用いて実施される。第２段階の研磨は、研磨作用によってバリア層を除去するため、そしてそれよりも低い範囲で、研磨作用により銅の高点を除去し研磨用流体組成物を有する溶液中に可溶化する銅イオンを供給するために、実施される。
【００２１】
第１段階の研磨又は第２段階の研磨のいずれかの研磨に使用される研磨用流体組成物中に、いかなる銅の酸化剤も存在しない場合、銅イオンは、存在する高エネルギー領域まで移動する傾向をもち、溶液から再メッキし、望ましくない瘤及び／又は樹状突起を形成する。本発明によれば、塩化物イオンが研磨用流体組成物中に供給される。塩化物イオンは、高エネルギー領域まで移動する傾向をもち、かつ電場を消失させ、銅イオンの再メッキ、並びに高エネルギー領域上での瘤及び／又は樹状突起の形成を防ぐ傾向にある。塩化物イオンは、配線の表面全体にわたり均一に覆い、このため面粗さは許容限度内まで低減される。
【００２２】
研磨中、高点への塩化物イオンの移動は、高エネルギー部分に集中した電場を消失させ、それによりパターニングされた銅上の高点に、溶液から再メッキするため銅イオンが引き付けられるのを抑止する。銅イオンは、銅表面上に分散した形で溶液から再メッキし、より好ましくないが、高点上に蓄積する。さらに、研磨用組成物中に酸化剤を有するか、又は有しない研磨が、高点を研磨し、そこから銅を除去する。したがって、高点の研磨は、高エネルギー部分を除去し、分散した形で溶液から銅イオンが再メッキするようにするのに役立ち、このことは、面粗さを許容限度内まで平坦化するのに貢献する。
【００２３】
例えば、一定量の過塩素酸アンモニウムといった酸化剤が、第２段階の研磨のために使用される研磨用流体組成物中に存在する場合、この酸化剤は、パターニングされた銅の表面上の高点を酸化する傾向をもつ（さらに、この酸化剤は、第１段階の研磨が時期尚早に停止した場合、下にあるバリア層上に残された残留銅のスポットを酸化する傾向をもつ）。第２段階の研磨は、高点から酸化した銅を除去し、ＣＭＰ研磨の分野で知られているように除去された酸化物イオンは研磨用流体組成物をもつ溶液中に留まる傾向をもつ。酸化剤は、銅表面上の高点の除去に貢献し、これは面粗さが許容限度内になるまで平坦化するのに貢献する。酸化剤の濃度と塩化物イオンの濃度がバランスをとり、そのため塩化物イオンは、高エネルギー領域の各々の近くにあり、かつ高エネルギー領域上への再メッキのため溶液から銅イオンを引き付けるのを阻止するのに充分な濃度で存在する。
【００２４】
研磨用組成物中の塩化物イオンは、イオンの可動種である。パターニングされた銅の表面が充分に平坦であるか、又は研磨作業中に平坦になると、高エネルギー領域は実質的に消去し、研磨用組成物中の塩化物イオンは、可動であり、かつ高エネルギー領域への引き付けられることがない状態となる。可動の塩化物イオンは、振動により研磨済み表面から容易に排除され、それにより研磨作業を塩化物イオンによる妨害なしで行なうことが可能となる。
【００２５】
本発明について第２段階の研磨に関して記述してきたが、本発明は、有利にも、銅及び下にあるバリア層の両方の除去に対し選択的である研磨用組成物を用いた単一段階の研磨作業方法を供給しているが、その両方共が、本発明による研磨用組成物を用いた単一段階の研磨により除去される。
【国際公開パンフレット】
2004523123.tif 000003
2004523123.tif 000004
2004523123.tif 000005
2004523123.tif 000006
2004523123.tif 000007
2004523123.tif 000008
2004523123.tif 000009
2004523123.tif 000010
2004523123.tif 000011
【国際調査報告】
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2004523123.tif 000013
2004523123.tif 000014