(57)【要約】半導体装置構造体の銅の導電性構造体と隣接する障壁層とを実質的に同時に研磨する方法。この方法は、タングステンを始めとする障壁層材を除去する速度と実質的に同一かまたはそれより高速で銅を除去する、実質的に研磨剤を含まないスラリーと共に固定研磨剤型の研磨パッドを使用することを含む。スラリーは、実質的に障壁層材を酸化するのと実質的に同一かまたはそれより高速で銅を酸化するように調剤される。したがって、銅と障壁層材は、スラリー中で実質的に同じ酸化エネルギーを有するか、またはスラリー中の障壁層材の酸化エネルギーは銅のそれより大きい。半導体装置構造体上の銅の導電性構造体と隣接する障壁構造体を実質的に研磨するシステムもまた開示する。
2004507899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの酸化剤と、少なくとも１つのｐＨ（ペーハ）制御剤と、少なくとも１つの抑制剤とを含むスラリーから成る第１の構成要素を含む、化学的機械的研磨プロセスで使用するシステムであって、前記スラリーは、前記少なくとも１つの酸化剤、前記少なくとも１つのｐＨ調整剤、および前記少なくとも１つの抑制剤の相対量が、銅を含む第１構造体と、銅が除去される速度と実質的に同一速度かまたはそれより遅い速度で除去されるタングステンを含む第２構造体とを、実質的に同時に研磨することを促進するようなバランスにされるように調剤されるシステム。
【請求項２】
前記スラリーは、実質的に研磨剤を含まない請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記相対量は、タングステンを前記銅が酸化される速度と実質的に同一かまたはそれより遅い速度で酸化するようなバランスにされる請求項１または２記載のシステム。
【請求項４】
前記相対量は、前記スラリー中のタングステンの酸化エネルギーが前記スラリー中の銅の酸化エネルギーと実質的に同一になるようなバランスにされる請求項１または２記載のシステム。
【請求項５】
前記相対量は、前記スラリー中のタングステンの酸化エネルギーが、前記スラリー中の銅の酸化エネルギーよりも約０．２５Ｖ大きい値から約０．２０小さい値にバランスした請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記相対量は、前記スラリーによるタングステンの除去速度を前記スラリーによる銅の除去速度より約１０倍以下の遅い速度になるようにバランスした請求項４記載のシステム。
【請求項７】
前記少なくとも１つのｐＨ調整剤は、フタル酸水素カリウム、酢酸アンモニウム、シュウ酸アンモニウム、カルバミン酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、リン酸水素アンモニウム、リン二水素酸アンモニウム、クエン酸二塩基アンモニウム、クエン酸三塩基アンモニウム、酢酸、リン酸、および硫酸の少なくとも１つを含む請求項１または２記載のシステム。
【請求項８】
約２〜約６のｐＨを有する請求項１または２記載のシステム。
【請求項９】
前記少なくとも１つの酸化剤は、アンモニウム化合物、硝酸塩化合物、およびアミン化合物の少なくとも１つを含む請求項１または２記載のシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの酸化剤は、過酸化水素、ヨウ素酸カリウム、過マンガン酸カリウム、加硫酸アンモニウム、モリブデン酸アンモニウム、硝酸鉄、硝酸、硝酸カリウム、アンモニア、および他のアミン化合物の少なくとも１つを含む請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
スラリーの約０．１〜約５重量％の前記少なくとも１つの酸化剤を含む請求項９記載のシステム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの抑制剤は、アゾール、アミンおよび環式化合物の少なくとも１つを含む請求項１または２記載のシステム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの抑制剤は、ベンゼントリアゾール（ＢＴＡ）、メルカプトベンゾチアゾール、トリチアゾール、メチルアミン、ジエチルアミン、ピリジン、キノリン、硝酸ジシクロヘキサミン、ケイ酸カリウム、硼酸アンモニウム、リン酸アンモニウムおよび重クロム酸カリウムの少なくとも１つを含む請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
スラリーの約０．０５〜約２重量％の前記少なくとも１つの抑制剤を含む請求項１２記載のシステム。
【請求項１５】
さらに、少なくとも１つの錯化剤を含む請求項１または２記載のシステム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの錯化剤は、グリシン、クエン酸アンモニウム、硫酸アンモニウムおよび酢酸アンモニウムの少なくとも１つを含む請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
前記スラリーの約３〜約５重量％の少なくとも１つの錯化剤を含む請求項１６記載のシステム。
【請求項１８】
さらに、少なくとも１つの界面活性剤を含む請求項１または２記載のシステム。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの界面活性剤は、ポリエチレングリコール、ポリオキシエチレンエーテル、グリセリン、ポリプロピレングリコール、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンセチルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテルおよびポリオキシエチレンオレイルエーテルの少なくとも１つを含む請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
前記スラリーの約１〜約２重量％の前記少なくとも１つの界面活性剤を含む請求項１９記載のシステム。
【請求項２１】
周囲温度において約１０〜２０ｃｐｓの粘性を有する請求項１または２記載のシステム。
【請求項２２】
さらに増粘剤を含む請求項２１記載のシステム。
【請求項２３】
前記スラリーは、約２７℃かそれより低温で銅を除去する請求項１または２記載のシステム。
【請求項２４】
さらに、研磨パッドを有する第２の構成要素を含む請求項１〜２３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２５】
前記研磨パッドは固定研磨剤型研摩パッドから成る請求項２４記載のシステム。
【請求項２６】
前記固定研磨剤型研摩パッドは、酸化アルミニウム、二酸化チタン、二酸化ケイ素、および二酸化セリウムの少なくとも１つからなる研磨粒子を含む請求項２５記載のシステム。
【請求項２７】
前記研磨パッドは、円形研磨パッド、ベルト形式研磨パッド、およびウェブ形式研磨パッドのうちの１つから成る請求項２４〜２６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２８】
前記研磨パッドは、半導体装置構造体を研磨すべくその使用に伴い漸増的に移動するように構成されている請求項２４〜２７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２９】
前記研磨パッドは、該パッドで研磨される半導体装置構造体の両端距離の約１％以下に等しい増分で横方向に移動するように構成されている請求項２８記載のシステム。
【請求項３０】
銅を含む導電性構造体と、該導電性構造体に隣接する障壁層とを含む、半導体装置構造体の表面を研磨する方法であって、導電性構造体が研磨される速度と実質的に同一速度かまたはそれより遅い速度で障壁層材を実質的に同時に研磨する方法。
【請求項３１】
前記実質的に同時に研磨することは、スラリーの使用を含む請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
前記スラリーの使用は、研磨粒子を実質的に含まないスラリーの使用から成る請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記実質的に同時に研磨することは、固定研磨剤型研摩パッドの使用を含む請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記スラリーの使用は、銅を酸化する速度と実質的に同一速度かまたはそれより遅い速度で前記障壁層材を酸化するスラリーの使用から成る請求項３１記載の方法。
【請求項３５】
前記スラリーの使用は、銅と前記障壁層材が実質的に同一酸化エネルギーを示すスラリーの使用から成る請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
前記スラリーの使用は、前記障壁層材の酸化エネルギーが銅の酸化エネルギーよりも約０．２５Ｖ大きい値から約０．２０小さい値であるスラリーの使用から成る請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記スラリーの使用は、前記障壁層材の除去速度が銅の除去速度より約１０倍以下の遅いスラリーの使用から成る請求項３２記載の方法。
【請求項３８】
タングステンを含む障壁層を半導体装置構造体に備える請求項３０〜３７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３９】
前記実質的に同時に研磨することは、導電性構造体の残存部分の下層にある障壁層の部分を実質的に溶解しないように行われる請求項３０〜３８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４０】
半導体装置構造体の表面を研磨するのに使用されるスラリーを調剤する方法であって、
少なくとも１つの酸化剤、少なくとも１つのｐＨ調整剤、および少なくとも１つの抑制剤を選択すること、および
スラリーがタングステンを酸化する速度と実質的に同一速度かまたはそれより高速で銅を酸化させる、前記少なくとも１つの酸化剤、前記少なくとも１つのｐＨ調整剤、および前記少なくとも１つの抑制剤の濃度を決定すること、
から成る方法。
【請求項４１】
前記濃度の前記決定は、前記スラリー中の銅とタングステンの酸化エネルギーを評価することから成る請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
前記酸化エネルギーを評価することは、前記両者の酸化エネルギーが実質的に同一である少なくとも１組の濃度を決定することから成る請求項４１の記載の方法。
【請求項４３】
前記少なくとも１組の濃度の決定は、タングステンの酸化エネルギーが銅の酸化エネルギーよりも約０．２５Ｖ大きい値から約０．２０小さい値である前記少なくとも１つの酸化剤、前記少なくとも１つのｐＨ調整剤、および前記少なくとも１つの抑制剤の濃度を決定することから成る請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
前記濃度の決定は、タングステンの除去速度が銅の除去速度よりも約１０倍以下の遅い、前記少なくとも１つの酸化剤、前記少なくとも１つのｐＨ調整剤、および前記少なくとも１つの抑制剤の濃度を決定することから成る請求項４０の記載の方法。
【請求項４５】
前記少なくとも１つの酸化剤、前記少なくとも１つのｐＨ調整剤、および前記少なくとも１つの抑制剤は、スラリーと共に使用する固定研磨剤型研摩パッド上の研磨剤の種類と融和性を有するように選択される請求項４０記載の方法。
【請求項４６】
前記濃度の前記決定は、前記少なくとも１つの酸化剤の濃度を前記スラリーの約０．１〜約５重量％の範囲に決定することから成る請求項４０〜４５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４７】
前記濃度の前記決定は、前記少なくとも１つの抑制剤の濃度を前記スラリーの約０．０５〜約０．２重量％の範囲に決定することから成る請求項４０〜４５のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般的には化学的機械的研磨または化学的機械的平坦化プロセスに有用なスラリーに関し、より詳細には銅と隣接するタングステン障壁を含む半導体装置の導電性構造体を研磨または平坦化するのに使用されるスラリーに関する。本発明はまた、銅とタングステンから形成した構造体を実質的に同時に研磨または平坦化する方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
ＣＭＰ
化学的機械的研磨および化学的機械的平坦化は、いずれも当該技術分野では「ＣＭＰ」と称され、一般に、装置の製作中に半導体材料基板の表面の材料を平坦化するかまたは他の方法で除去する化学的な作用物質と機械的な作用物質を組み合せて使用することを含む研摩技術である。化学成分、一般に１または複数の酸化剤、研磨剤、錯化剤、および抑制剤を含むスラリーは、研磨または平坦化することになっている１または複数の材料層の表面を酸化させる（すなわち部分的に除去する）。ポリウレタンやアクリルのような材料から形成した研磨パッドをそのようなスラリーと共に使用し、スラリー中の研磨剤と結合させて、半導体装置構造体の表面から１または複数の層を機械的に除去する。例えば、材料の除去をもたらす活性化学物質を使用しない、研磨剤のみでの研磨と平坦化が、環境問題のためにさらに普及してきていることは注意すべきである。したがって、本明細書に使用する用語「ＣＭＰ」は、そのような研磨剤のみの（つまり、厳密に機械的な）方法および装置を包含する。
【０００３】
従来のＣＭＰパッドは、円形または平面で、平坦化するか別の方法で研磨される構造体または層を上に形成する半導体基板（例えばシリコン、ガリウム砒素、リン化インジウム等を含むウェーハまたは他の基板）よりも大きな寸法を有する。基板上に形成された１または複数の層または構造体を研磨する際には、基板と従来のＣＭＰパッドが互いに相対回転され、基板上に形成した層または構造体の１または複数を研磨するのにパッドの異なる領域が使用されるように、基板の位置がパッドの研磨面に対して連続的に移動される。
【０００４】
他の研磨形式としては、パッドが長尺の平面構成を有する、いわゆる「ウェブ」形式がある。このウェブは、半導体基板上に形成した１または複数の層または構造体を研磨するための「新しい」領域を提供するように、繰出リールから巻取りリールへ横方向に移動される。同様のより新規の研磨形式に、パッドが研磨材料のベルトすなわち連続ループとして構成される、いわゆる「ベルト」形式がある。「ウェブ」および「ベルト」形式のいずれでも、半導体基板は、パッドと接触されている時に回転する。「新しい」研磨面が必要とされるか望まれる場合に、パッドは移動される。
【０００５】
固定研磨剤パッドとして当該技術分野で知られている新しいタイプの研磨パッドを、半導体基板上に形成した層を研磨または平坦化するのに使用してもよい。従来のウェブまたはベルト形式に具現化され得る固定研磨剤パッドは、一般に、アクリル材料から形成され、研磨材の粒子が埋め込まれている。このパッドと埋め込まれた研磨剤は、ＣＭＰプロセスの機械的部分を遂行する。半導体装置の製作中にその表面上の１または複数の層を平坦化または研磨するのに固定研磨剤パッドを使用している間、研磨材はパッドの研磨面に露出される。また、研磨材の一部をパッドから浸出させてもよい。パッドに研磨粒子を含ませた結果、化学的機械的研磨または化学的機械的平坦化の化学的部分を遂行するのに使用する化学的スラリーは、従来の研磨剤を含まないパッドを使用した時にしばしば必要となる研磨剤を含む必要がない。
【０００６】
銅の導電性構造
半導体装置の導電材料としての銅の使用も、いっそう増えている。しかし、銅を半導体装置で使用する場合には、通常、銅と隣接する構造体または層との間に障壁層が必要となる。障壁層は、いずれも銅を含む半導体装置の電気的短絡を引き起こす恐れがある、隣接する層または構造体への銅の核酸や、銅のケイ素化合物の形成を防止する。タンタルは、銅の障壁として有用な材料の例である。タンタルを使用する場合、銅を配置する任意の特徴（例えばトレンチ）を有する半導体装置にはタンタル層が裏当てされる。その後、タンタル層を、多くはＰＶＤ法（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 、物理蒸着法）プロセスで形成した銅薄膜で通常被覆する。その後、銅薄膜は、例えば、電気めっきプロセスにより導電線のような銅の構造体を形成するための、いわゆる「シード層（ｓｅｅｄ ｌａｙｅｒ）」として機能する。
【０００７】
いったん、タンタル層と銅層を形成すると、個別のタンタル−銅の導電性構造体を互いに分離することが必要になる。一般に、製作する半導体装置の活性表面から構造体間にあるタンタルと銅を除去するために、ＣＭＰプロセスを使用する。通常、銅ＣＭＰプロセスで使用されるスラリーは、約７．０のｐＨを有する。これらのスラリーの多くは、酸化剤として過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を含む。過酸化水素は水酸基の遊離基（ＯＨ・）を容易に生成するため、過酸化水素は非常に強い酸化剤である。しかしながらタンタルは実質的に化学的に不活性である。従って、銅を除去するＣＭＰスラリーの酸化剤は、タンタルを有効に酸化せず、タンタルを十分に除去できない。同様に、ＣＭＰプロセスでタンタルを除去するのに有効なスラリーは、銅の除去には同様に有効でない。その結果、従来のＣＭＰプロセスを半導体装置のタンタル−銅導電性構造体を分離するのに使用する場合には、２種類の別個のスラリーを使用しなければならない。
【０００８】
タングステンを半導体装置において銅の導電性構造の障壁材としてタンタルの代わりに使用することが提案されている。それでもなお、既知の銅のＣＭＰスラリーをタングステンと銅を実質的に同時にＣＭＰするのに使用すると、タングステン障壁層は、銅より高速で溶解または除去され得る。この理由の少なくとも一部には、以下の化学方程式に示すように、タングステン（Ｗ）が銅（Ｃｕ）より容易に酸化するためである。
【０００９】
Ｗ＋２Ｈ２Ｏ　→　４Ｈ＋＋４ｅ−＋ＷＯ２　　　Ｅ０＝０．１２
Ｃｕ　→　Ｃｕ２＋＋２ｅ−　　　　　　　　　　Ｅ０＝−０．３４
したがって、従来のスラリーでは、同じ酸化剤に対して銅とタングステンがいずれも同時に露出されるが、通常、タングステンが最初に酸化される。その結果、銅の導電性構造体と、導電性構造体を製作する半導体装置構造体の隣接する部分との間のバリヤ材を設けるべき位置に、ギャップが形成される恐れがある。
【００１０】
この現象を、約７のｐＨを有するアルミナ固定研磨剤型研摩パッドと銅ＣＭＰスラリーとを使用したＣＭＰ後の、半導体装置構造体１０の基板１２の活性表面１６に形成されたへこみ１４内に配置した銅層２０の部分とその下層にあるタングステン障壁層１８の部分とを含む半導体装置構造体１０を例証する電子顕微鏡写真を図１に示す。いったん障壁層１８と銅層２０間の界面１９がＣＭＰプロセスの間に露出され、障壁層１８のタングステンが隣接する銅層２０の銅よりも高速で酸化、溶解され、基板１２の銅層２０と隣接領域との間にギャップ２１が残り、かつ望まないことではあるが、銅層２０の銅が基板１２の保護されていない隣接領域と接触し、場合によっては拡散する。
【００１１】
発明者らは、ＣＭＰプロセスに有用で、タングステンの酸化または溶解を引き起こさずに効果的に銅とタングステンの両方を研磨または平坦化するスラリーに気づいていない。
【００１２】
（発明の開示）
本発明は、固定研磨剤型研磨パッドで、銅の導電性構造体と隣接する障壁層とを実質的に同時に化学的機械的に研磨する方法と、固定研磨剤型研磨パッドに対する、銅の導電性構造体とそれに隣接する障壁層とを実質的に同時に研磨するのに有用なスラリーとを包含する。
【００１３】
本発明の方法は、本明細書で「実質的に研磨剤を含まないスラリー」または単に「スラリー」と称する実質的に研磨剤を含まない液体研磨製剤と共に、固定研磨剤型研磨パッドを使用することを含む。スラリーは、銅と、タングステンを始めとする障壁層材とを、実質的に同じ速度で酸化させるように調剤される。したがって、本発明の教示を取り入れたスラリーでは、銅およびバリヤ材の酸化エネルギーは実質的に同一である。スラリーでは、タングステンを始めとするバリヤ材の酸化エネルギー（すなわち酸化電位）は、銅の酸化エネルギー（すなわち酸化電位）より約０．２５Ｖ大きい値から約０．２０小さい値までであることが好ましい。バリヤ材は銅とほぼ同じ速度かまたは銅より遅い速度でスラリーによって酸化されるので、銅の導電性構造体と隣接する障壁層を実質的に同時に研磨すべく調剤されたスラリーを使用して、障壁層の溶解が防止される。固定研磨剤型研摩パッドを使用する場合、本発明のスラリーは、タングステンを始めとするバリヤ材を、スラリーが銅を除去する速度とほぼ同じ速度かまたは１０倍以下の遅い速度で除去するが、スラリーが銅を除去する速度より約２〜４倍遅い速度で除去するのが好ましい。
【００１４】
本発明の方法に有用なスラリーは、少なくとも１つの酸化剤、少なくとも１つの錯化剤、および少なくとも１つの抑制剤を含む。少なくとも酸化剤、ｐＨ調整剤、および抑制剤の相対量は、銅の構造体とタングステンで形成した障壁層のようなそれに隣接する他の構造体とを実質的に同時に研磨することを促進するようなにされる。したがって、スラリーは、酸化剤、錯化剤、および抑制剤の相対量が、銅とタングステンを始めとするバリヤ材とを実質的に同一速度で酸化させるように、または銅とバリヤ材の酸化エネルギーがスラリー中で実質的に同一となるように調剤される。また、スラリーのｐＨは、銅とタングステンを始めとするバリヤ材とを実質的に同一速度で酸化するように最適化される。
【００１５】
本発明はまた、半導体装置の銅の導電性構造体と隣接する障壁層とを実質的に同時に研磨するシステムも包含する。そのようなシステムは、固定研磨剤型研磨パッドと、その中で銅および障壁層材が実質的に同一速度で酸化されるかまたは実質的に同一酸化エネルギーを有する、実質的に研磨剤を含まないスラリーとから成る。
本発明の他の特徴および利点が、以下の説明、添付図面、および特許請求の範囲を考慮すれば当業者には明白になるであろう。
【００１６】
（発明を実施するためのベストモード）
本発明の教示を取り入れた方法を図２〜５に例示する。図２を参照すると、活性表面１６にへこみ１４が形成された基板１２を備えた半導体装置構造体１０が示されている。半導体装置構造体１０の隣接する絶縁領域へ銅が拡散するのを防止する、タングステンを始めとする材料の障壁層１８を、活性表面１６とへこみ１４の表面１５の上に設ける。その上に銅層２０を形成し、障壁層１８と接触させる。銅層２０はさらに、実質的にへこみ１４を充填している。基板１２は、へこみ１４、障壁層１８、および銅層２０の下に様々な他の構造を含んでもよいが、簡単にするために、図２〜５に示す半導体装置構造体１０には付加的な構造体を示していない。
【００１７】
銅層２０から導電性構造体を形成する際には、へこみ１４内にない銅層２０と障壁層１８の部分を半導体装置構造体１０から除去しなければならない。本明細書で上記に説明したように、銅層の不必要な部分を除去するには、通常、ＣＭＰプロセスを使用する。図３を参照すると、銅層２０上にスラリー３０が適用される。その後、当該技術分野で周知の、従来の研磨パッド、ウェブ型研磨パッド、ベルト型研磨パッド、または他の研磨パッド形式で具現化される固定研磨剤型研摩パッド４０を、銅層２０と摩擦接触させ（例えば半導体装置構造体１０または研磨パッド４０を回転させて）、スラリー３０と共同して銅層２０を除去する。スラリー３０の抑制剤成分３２は銅層２０のへこみ領域２２を充填し、それにより銅層２０のより高いところにある領域２４の材料が除去されるまでへこみ領域２２から材料が除去されるのを防止する。
【００１８】
最終的に、図４に示すように、活性表面１６を覆う障壁層１８の領域が銅層２０を介して露出される。この時点では、スラリー３０と固定研磨剤型研摩パッド４０は、障壁層１８の１または複数の材料と銅層２０の銅を実質的に同一速度で除去する。
【００１９】
スラリー３０と固定研磨剤型研摩パッド４０で継続的に研磨することにより障壁層１８は活性表面１６から除去される。いったん、障壁層１８を活性表面１６から実質的に除去し、へこみ１４の内に残存する銅層２０の部分の表面２６を活性表面１６の面と実質的に同一面にすれば、図５に示すように、研磨プロセスは終了する。図５に示すように、障壁層１８の残存部分は、実質的にへこみ１４の裏当てを形成し、銅層２０の残存部分を基板１２の隣接する部分から分離する。
【００２０】
ＣＭＰにより銅と隣接する障壁層１８または他の構造体の１または複数の材料（例えば、タングステン）とを実質的に同一速度で除去するために、スラリー３０は、銅と障壁層材（または複数の障壁材）１８とが実質的に同じ割合で酸化するように調剤する。言い換えると、銅と隣接する障壁層１８の１または複数の材料（例えばタングステン）とは、スラリー３０中で実質的に同じ酸化エネルギーを有する。その結果、層１８と層２０間の界面１９はスラリー３０に対して露出しているので、障壁層１８の１または複数の材料は、銅層２０の銅が溶解するかまたは半導体装置構造体１０から除去されるよりも大幅に速い速度では溶解せず、または半導体装置構造体１０から除去されない。あくまで例示であって本発明の範囲を制限するものではないが、スラリー３０中のタングステンの酸化エネルギー（すなわち酸化電位）は、スラリー３０中の銅の酸化エネルギー（すなわち酸化電位）よりも約０．２５Ｖ大きい値から約０．２０小さい値までであることが好ましい。スラリー３０は、固定研磨剤型研摩パッドを使用した時にスラリー３０が銅を除去する速度とほぼ同じ速度かまたは１０倍以下の遅い速度で、タングステンを始めとするバリヤ材を除去するのが好ましく、スラリー３０が銅を除去する速度より約２〜４倍遅い速度で除去するのがさらに好ましい。
【００２１】
続けて図２〜５を参照すると、スラリー３０は、ミネソタ州セントポール所在の３Ｍ社により製造されているアクリル性の固定研磨剤型研摩パッドのような固定研磨剤型研摩パッド４０と共に使用するように意図されている。そのような固定研磨剤型研摩パッド４０には、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）および二酸化セリウム（ＣｅＯ２）を含むがそれらに限定されない微粒子の研磨剤をしみ込ませていてもよい。一般に、固定研磨剤型研摩パッド４０中の研磨剤は、半導体装置構造体１０の研磨中にパッド４０から浸出する。したがって、スラリー３０は研磨剤を含んでいる必要がなく、実質的に研磨剤を含まないことが好ましい。スラリー３０は、銅層２０の高い領域２４が実質的に同じ面まで除去されるまで、銅層２０のへこみまたはそれより低い領域２２が除去されるのを防止する抑制剤成分３２を含む。また、スラリー３０は、化学的に材料を軟化し、それによって固定研磨剤型研摩パッド４０による半導体装置構造体１０からの機械的除去を促進するために、銅層２０の銅と障壁層１８の１または複数の材料（例えばタングステン）の両方を酸化する酸化剤成分を含む。さらに、スラリー３０は、反応イオンの溶解を促進し層１８，２０が酸化される位置から反応イオンを取り去るために、除去される層１８，２０のイオン（例えば銅層２０からの銅のイオン）を錯化する１または複数の錯化剤を含む。その結果、スラリー３０による材料層１８，２０の連続酸化は最適速度で起こり、層１８，２０の材料を半導体装置構造体１０から除去する速度もまた最適化してもよい。
【００２２】
スラリー３０の酸化剤成分として有用な酸化剤の非限定的な例としては、過酸化水素、ヨウ素酸カリウム、過マンガン酸カリウム、アンモニア、他のアミン化合物、アンモニウム化合物、硝酸塩化合物、およびそれらの組み合わせが挙げられる。典型的なアンモニウム化合物としては、加硫酸アンモニウムとモリブデン酸アンモニウムが挙げられるが、それらに限定されるものではない。典型的な硝酸塩化合物としては、硝酸鉄、硝酸、および硝酸カリウムが挙げられるがそれらに限定されるものではない。酸化剤成分は、スラリー３０の約０．１〜約２０重量％からなることが好ましい。スラリー３０は、酸化剤成分の約０．１重量〜約５．０重量％を含むのが好ましい。ヨウ素酸カリウム酸化剤成分が、スラリー３０の約３〜約５重量％を構成することがより一層好ましい。
【００２３】
スラリー３０の１または複数の錯化剤には、グリシン、クエン酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、酢酸アンモニウム、およびそれらの組み合わせが含まれるが、それらに制限されるものではない。スラリー３０は、約１重量〜約１５重量％の１または複数の錯化剤を含むのが好ましい。１または複数の錯化剤はスラリー３０の約３重量〜約重量５％を構成することがより一層好ましい。例えば、スラリー３０は、スラリー３０の重量で０．１Ｍ（モル）の濃度のポリエチレングリコール（ＰＥＧ）からなる錯化剤グリシンを約１％含む。他の例として、スラリー３０は、約３％重量の酢酸アンモニウムを含んでいてもよい。
【００２４】
スラリー３０の抑制剤成分３２は研磨中の銅の腐食を防止する。抑制剤成分は、ベンゼントリアゾール（ＢＴＡ）のようなアゾール、メルカプトベンゾチアゾール、トリチアゾール、メチルアミンやジエチルアミンのようなアミン、ピリジン、キノリンおよび硝酸ジシクロヘキサミンのような環式化合物と共に、ケイ酸カリウム、硼酸アンモニウム、リン酸アンモニウムおよび重クロム酸カリウムのような他の化合物、またはこれらの腐食抑制剤のうちのいずれかの混合物を含んでいてもよい。抑制剤成分３２は、スラリー３０の約０．０５〜約２重量％を構成してもよく、抑制剤成分３２はスラリー３０の約０．０５〜約０．２重量％を含むことが好ましい。例えば、スラリー３０は約０．１重量％のＢＴＡを含んでいてもよい。
【００２５】
スラリー３０は、約２〜約６のｐＨの範囲でもよいが、スラリー３０のｐＨは約３〜約５の範囲が好ましく、約ｐＨ４がさらに好ましい。また、当業者には既知であるが、本明細書でｐＨ調整剤とも称する１または複数のバッファーを使用して、スラリー３０のｐＨを適切なレベルに調整してもよい。スラリー３０に使用できる典型的なバッファーには、フタル酸水素カリウム、酢酸アンモニウム、シュウ酸アンモニウム、カルバミン酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、リン酸水素アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム、クエン酸二塩基アンモニウム、クエン酸三塩基アンモニウム、およびそれらの混合物を含むが、それらに限定されるものではない。酢酸、リン酸、および硫酸は、本発明の教示を取り入れたスラリー３０に使用できるその他のｐＨ調整剤の例である。このｐＨ調整剤は、研磨する１または複数の層の下層にある絶縁体（例えば、ボロリンガラス（ＢＰＳＧ）、リン酸シリケートガラス（ＰＳＧ）、またはボロシリケートガラス（ＢＳＧ））をあまりエッチングせずに、スラリー３０のｐＨを望ましい範囲または点に調節するだろう。酢酸は、スラリー３０のｐＨを調節するのに使用できる、下層にあるガラス絶縁体をエッチングしないバッファーの非限定的な例である。
【００２６】
さらにスラリー３０は、スラリー３０の堆積の約１〜約１５％、さらに好ましいのはスラリー３０の重量の約１〜約２％の界面活性剤成分を含んでいてもよい。界面活性剤成分には、例えば、ポリエチレングリコール、ポリオキシエチレンエーテル、グリセリン、ポリプロピレングリコール、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンセチルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、およびそれらの混合物が含まれる。
【００２７】
また、適切な粘性（例えば、周囲温度で約１０〜２０ｃｐｓ）をスラリー３０に与えるために、スラリー３０に増粘剤が含まれていてもよい。スラリー３０に含まれ得る典型的な増粘剤には、コネチカット州ダンブリ所在のユニオンカーバイド社（Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ ）から入手可能なポリオックス（ＰＯＬＹＯＸ）、およびオハイオ州クリーブランド所在のビーエフグッドリッチ（Ｂ．Ｆ．Ｇｏｏｄｒｉｃｈ）から入手可能なカーボポール（ＣＡＲＢＯＰＯＬ）が含まれるがこれに限定されるものではない。
【００２８】
水をスラリー３０の収支を合わせるものとして使用してもよい。
スラリー３０の成分の特定の量は、銅層２０と実質的に同時に研磨される障壁層１８のタングステンを始めとするバリヤ材と実質的に同一速度で銅が電子を放出する、スラリー３０の製剤を識別することにより決定され得る。言い換えると、スラリー３０は、銅とタングステンを始めとするそのバリヤ材とが実質的に同一酸化エネルギーを有するか、または実質的に同一速度で酸化されるように、スラリー３０を調剤してもよい。スラリー３０中のタングステンまたは他のバリヤ材の酸化エネルギーは、スラリー３０中の銅の酸化エネルギーよりも約０．２５Ｖ大きい値から約０．２０小さい値までの範囲にあるのが好ましく、その範囲はそのエンドポイント値を含む。スラリー３０のこうした製剤は、半導体装置構造体１０からの銅とタングステンを始めとするバリヤ材との除去を、実質的に同一速度で促進するだろう。
【００２９】
こうした特性を有するスラリー３０の製剤は、スラリー３０の銅とタングステンを始めとするバリヤ材との開回路電位を測定することなどにより、当該技術分野で周知の通りに決定することができる。
【００３０】
さて、図６を参照すると、本発明の方法による銅と隣接するバリヤ材を実質的に同時に研磨することを遂行する研磨システム５０について説明する。研磨システム５０は、半導体装置構造体１０を保持し、それを固定研磨剤型研摩パッド４０と摩擦接触させ、好ましくは、固定研磨剤型研摩パッド４０に対して半導体装置構造体１０を回転させるように構成された、固定研磨剤型研摩パッド４０と基板４４を支持または搬送する研磨装置４２を備えている。また、研磨システム５０は、スラリーアプリケータ（スラリー適用装置）４７も備える。図６に研磨装置４２はウェブタイプ研磨装置として示されているが、ベルト型および従来の回転型の研磨装置を含むがそれらに限定されない他の既知のタイプの研磨装置を、本発明の教示を取り入れた研磨システムで代わりに使用してもよい。
【００３１】
従来の、回転式ＣＭＰ装置、ウェブ形式ＣＭＰ装置、およびベルト形式ＣＭＰ装置を含むどんな既知のＣＭＰ装置も、研磨システム５０の研磨装置４２、基板支持４４、およびスラリーアプリケータ４７を含んでよい。同様に、固定研磨剤型研摩パッド４０は、任意の既知のパッド形式（例えば従来型、ウェブ型またはベルト型）で、３Ｍ社から入手可能なアクリル製の固定研磨剤型研摩パッドのような、いかなる既知の固定研磨剤型研摩パッドを含んでいてもよい。
【００３２】
研磨システム５０を使用する際には、化学的機械的に研磨されることになっている１または複数の層を有する１または複数の半導体装置構造体１０は、基板支持４４に固定される。必要ならば、また、固定研磨剤型研摩パッド４０も研磨装置４２に固定される。スラリー３０はスラリーアプリケータ４７により、半導体装置構造体１０と固定研磨剤型研摩パッド４０の一方または両方の上に導入される。いったん、スラリー３０を固定研磨剤型研摩パッド４０に適用すると、半導体装置構造体１０と固定研磨剤型研摩パッドの４０の一方または両方が実質的に連続的に横方向に移動して（例えば、回転、振動、さもなければ端から端への移動）、ＣＭＰプロセスを遂行するように互いに摩擦接触する。例えば、ウェブ形式またはベルト形式の研磨装置を使用する場合、研磨パッドを実質的に静止状態にしながら、装置が半導体装置構造体１０を歳差運動させてもよい（すなわち、支持軸を中心に半導体装置構造体１０を回転させる）。
【００３３】
いったん、１または複数の層１８，２０（図２〜５）の所望部分を半導体装置構造体１０から除去してしまったら、半導体装置構造体１０を固定研磨剤型研摩パッド４０から取り外す。半導体装置構造体１０上に残存しているスラリー３０は、洗い落とすか、または既知のプロセスでそこから他の方法で除去する。その後、当該技術分野で周知のように、半導体装置構造体１０上で後続の製作プロセスを行ってもよい。半導体装置構造体１０を研磨するのに利用されなかった新しいパッド部分を供給するために、研磨パッド４０を漸増的に移動してもよい。研磨パッド４０を、バッド４０により研磨される半導体装置構造体１０の両端距離（例えば直径）未満の距離だけ移動してもよい。半導体装置構造体１０を均一に研磨し、研磨パッド４０の有効寿命を最大限にするためには、研磨パッド４０を半導体装置構造体１０の両端の最大距離の約１％以下の距離だけ移動するのが好ましい。例として、１または複数の２０ｃｍ（８インチ）のウェーハの研磨に研磨パッド４０を使用した後、その研磨パッド４０を、研磨する各ウェーハまたは複数のウェーハのセット間で約１／２〜３／４センチメートル（例えば約０．６３５ｃｍ）だけ漸増的に移動してもよい。
【００３４】
本発明に従う研磨は、いかなる適切な研磨温度で行ってもよいが、スラリー３０と固定研磨剤型研摩パッド４０による研磨は、従来の研磨プロセスよりも低温で行うのがよい。例えば、本発明の教示を取り入れた研磨方法は、ほぼ室温（例えば約２３−２７℃）かまたはそれより低温で行われ得る。より低温で行った場合には、研磨による欠陥の発生が少ないことがわかっている。しかし、従来のスラリーの研磨成分は、より低温では、溶解しないで残り、従って、そのようなスラリーの全体にわたって均一に分散しない。
【００３５】
上述の説明は、多くの詳細を含むが、これらは本発明の範囲の制限として解釈すべきでなく、むしろ単に好ましい実施形態のうちの一部の例示を提供しているものと解釈すべきである。同様に、本発明の精神または範囲から外れることなく本発明の他の実施形態が創作されてもよい。異なる実施実施形態の特徴を組み合わせて使用してもよい。したがって、本発明の範囲は、上述の説明によってではなく、請求項とそれらの法的等価物によってのみ示されかつ制限される。請求項の意味と範囲内にある本明細書に開示された本発明に対する追加、削除、および修正はすべて包含されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】銅およびタングステンを同時に除去するのに従来のスラリーを使用した場合の、半導体装置構造体の銅の構造体の下層にあるタングステン障壁層領域の溶解を例証する電子顕微鏡写真。
【図２】銅とバリヤ材を半導体装置構造体から実質的に同一速度で同時に除去する研磨方法を示す典型的な実施形態の概略図。
【図３】銅とバリヤ材を半導体装置構造体から実質的に同一速度で同時に除去する研磨方法を示す典型的な実施形態の概略図。
【図４】銅とバリヤ材を半導体装置構造体から実質的に同一速度で同時に除去する研磨方法を示す典型的な実施形態の概略図。
【図６】本発明の方法の機能を達成するために固定研磨剤型研摩パッドおよびスラリーを使用するシステムを示す典型的な実施例の概略図。
【国際公開パンフレット】
2004507899.tif 000003
2004507899.tif 000004
2004507899.tif 000005
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004507899.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成14年9月4日(2002.9.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
少なくとも１つの酸化剤と、少なくとも１つのｐＨ（ペーハ）制御剤と、少なくとも１つの抑制剤とを含むスラリーから成る第１の構成要素を含む、化学的機械的研磨プロセスで使用するシステムであって、前記スラリーは、前記少なくとも１つの酸化剤、前記少なくとも１つのｐＨ調整剤、および前記少なくとも１つの抑制剤の相対量が、銅を含む第１構造体と、銅が除去される速度と実質的に同一速度で除去されるタングステンを含む第２構造体とを、実質的に同時に研磨することを促進するようなバランスにされるように調剤されるシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３０】
銅を含む導電性構造体と、該導電性構造体に隣接する障壁層とを含む、半導体装置構造体の表面を研磨する方法であって、導電性構造体が研磨される速度と実質的に同一速度で障壁層材を実質的に同時に研磨する方法。
【手続補正書】
【提出日】平成14年11月22日(2002.11.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項４０】
半導体装置構造体の表面を研磨するのに使用されるスラリーを調剤する方法であって、
少なくとも１つの酸化剤、少なくとも１つのｐＨ調整剤、および少なくとも１つの抑制剤を選択すること、および
スラリーがタングステンを酸化する速度と実質的に同一速度で銅を酸化させる、前記少なくとも１つの酸化剤、前記少なくとも１つのｐＨ調整剤、および前記少なくとも１つの抑制剤の濃度を決定すること、
から成る方法。
【国際調査報告】
2004507899.tif 000027
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