(57)【要約】【課題】  半導体基板上に設けられた膜の表面を、研磨パッドによって化学機械的に研磨するプロセス（ＣＭＰプロセス）における研磨速度のバラツキを低減し、プロセス制御が容易な半導体基板の研磨方法を提供すること。【解決手段】  ＣＭＰプロセス時に、研磨パッド洗浄プロセスを追加し、洗浄された研磨パッドを用いて研磨を実施する。研磨パッド洗浄プロセスは、半導体基板の研磨前に実施する。研磨パッド洗浄プロセスにおいて、有機酸濃度が０．５〜１０．０質量％のパッド洗浄液を用いる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に設けられた膜の表面を研磨パッドによって化学機械的に研磨するＣＭＰプロセス時に、研磨パッド洗浄プロセスを追加する半導体基板の研磨方法。
【請求項２】
研磨パッド洗浄プロセスを半導体基板の研磨前に実施する請求項１に記載の半導体基板の研磨方法。
【請求項３】
研磨パッド洗浄プロセスにおいて、有機酸水溶液を含むパッド洗浄液を用いる請求項１又は２に記載の半導体基板の研磨方法。
【請求項４】
パッド洗浄液の有機酸濃度が０．５〜１０．０質量％である請求項３に記載の半導体基板の研磨方法。
【請求項５】
研磨が、被研磨膜とＣＭＰ用研磨パッドとの間に、研磨剤を供給しながら、被研磨膜とＣＭＰ用研磨パッドとを相対的に動かすことにより被研磨膜を研磨することで行われる請求項１〜４のいずれかに記載の半導体基板の研磨方法。
【請求項６】
半導体基板が、その基板上に銅配線を形成されている請求項１〜５のいずれかに記載の半導体基板の研磨方法。
【請求項７】
酸化金属溶解剤、水、金属防食剤、金属の酸化剤を含有する研磨液を用いる請求項１〜６のいずれかに記載の半導体基板の研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子製造技術に好適に使用されるＣＭＰ用研磨パッドを用いる半導体基板の研磨方法に関し、特に、層間絶縁膜、銅配線の平坦化工程において使用される、銅配線用ＣＭＰ用研磨パッドを使用した半導体基板の研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の超々大規模集積回路では、実装密度を高める傾向にあり、種々の微細加工技術が研究、開発されている。そして、デザインルールは、既にサブハーフミクロンオーダー（５００ｎｍ以下）になっている。このような厳しい微細化の要求を満足するために開発されている技術の一つにＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシング）技術がある。この技術は、半導体装置の製造工程において、露光を施す層を完全に平坦化し、露光技術の負担を軽減し、歩留まりを安定させることができるため、例えば、層間絶縁膜、ＢＰＳＧ膜（ボロン、リンをドープした二酸化珪素膜）、銅配線の平坦化、シャロートレンチ分離等を行う際に必須となる技術である。
【０００３】
従来、半導体装置の製造工程において、プラズマ−ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，化学気相成長）、低圧−ＣＶＤ等の方法で形成される酸化珪素絶縁膜等の無機絶縁膜、メッキにより形成された銅配線を平坦化するための研磨方法としては、研磨される膜を形成した基板をＣＭＰ用研磨パッドに押し当て加圧し、研磨剤を被研磨膜とＣＭＰ用研磨パッドとの間に供給しながら、基板又はＣＭＰ用研磨パッドを動かして行う方法がある。
【０００４】
この際、研磨剤としては、シリカ系やアルミナ系が、ＣＭＰ用研磨パッドとしては、発泡ウレタン系の研磨布が一般的に用いられている（特許文献１参照）。
【０００５】
さらに、上記発泡ウレタン系の研磨布を用いて研磨する場合、ドレッシングと呼ばれる前処理を定期的に行う必要がある。このドレッシング処理の目的は、研磨中に発生し、発泡ウレタンの気孔に詰まった研磨屑を除去することや、研磨布の表面に一定以上の粗さを持たせることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１９７４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、研磨剤としてシリカ系やアルミナ系、ＣＭＰ用研磨パッドとして発泡ウレタン系の研磨布を用いる従来の研磨方法には、無機絶縁膜や金属膜に対して適用すると、充分な研磨速度が得られないという課題があった。
【０００８】
また、層間膜や銅配線を平坦化するＣＭＰ技術では、適切な平坦性を維持する必要があり、研磨量の制御を研磨時間で行うプロセス管理が、一般的に行われている。しかし、パターン段差形状の変化だけでなく、ＣＭＰ用研磨パッドの表面状態等でも、研磨速度が顕著に変化してしまうため、プロセス管理が難しいという問題があった。従来のドレッシング処理のみでは、ＣＭＰ用研磨パッド表面状態を適切に制御しているとは言いがたく、結果として、研磨特性の不安定さを招いている。この研磨特性の不安定さを解決し、安定した研磨速度を得るためには、ＣＭＰ用研磨パッドの状態をどのようにすれば良いのか明確ではなかった。
【０００９】
一方、高研磨速度の研磨剤として、シリカ系やアルミナ系の研磨剤が、現在注目されており、このシリカ系、アルミナ系の研磨剤に最適な状態のＣＭＰ用研磨パッドを用いた研磨方法が望まれている。
【００１０】
近年、銅配線層における絶縁膜として、シリコン系や有機ポリマ等のＬｏｗ−ｋ（低誘電率）材の適用が検討されている。Ｌｏｗ−ｋ材は、従来の絶縁膜材料に比べて、研磨圧力や回転数等のＣＭＰプロセス条件の影響を受けやすく、同一スラリ使用下においても、研磨速度のバラツキが大きい。そのため、ＣＭＰによる一定形状の確保の難しさが、新たな問題となっている。この問題に対しては、従来技術で使用されている研磨剤の組成改良も行われているが、研磨前のドレッシング処理によるパッドの目詰まり解消が不充分であるために、問題解決には至っていなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、半導体基板研磨前に、有機酸水溶液を含むパッド洗浄液をＣＭＰ用研磨パッドに滴下しながら研磨パッド洗浄プロセスを実施し、洗浄された研磨パッドを用いて研磨を実施する方法である。具体的には、研磨パッド洗浄プロセスの追加により、本プロセスの１枚前の半導体基板研磨時に生成した副生成物や砥粒詰まりを完全に除去し、研磨を行うことで、研磨特性を維持しながら安定した研磨速度を得ることが出来る研磨方法である。尚、研磨パッド洗浄プロセスを、半導体基板研磨後、半導体基板を取り外す前に導入してしまうと、パッド洗浄液と研磨後の半導体基板表面の配線が接触し、配線腐食が進行することから、１枚前の研磨プロセス終了後（研磨後の半導体基板を取り外した後）、次の半導体基板研磨前に導入することが好ましい。
【００１２】
すなわち、本発明は、以下の通りである。
（１）半導体基板上に設けられた膜の表面を研磨パッドによって化学機械的に研磨するＣＭＰプロセス時に、研磨パッド洗浄プロセスを追加する半導体基板の研磨方法。
（２）研磨パッド洗浄プロセスを半導体基板の研磨前に実施する（１）に記載の半導体基板の研磨方法。
（３）研磨パッド洗浄プロセスにおいて、有機酸水溶液を含むパッド洗浄液を用いる（１）又は（２）に記載の半導体基板の研磨方法。
（４）パッド洗浄液の有機酸濃度が０．５〜１０．０質量％である（３）に記載の半導体基板の研磨方法。
（５）研磨が、被研磨膜とＣＭＰ用研磨パッドとの間に、研磨剤を供給しながら、被研磨膜とＣＭＰ用研磨パッドとを相対的に動かすことにより被研磨膜を研磨することで行われる（１）〜（４）のいずれかに記載の半導体基板の研磨方法。
（６）半導体基板が、その基板上に銅配線を形成されている（１）〜（５）のいずれかに記載の半導体基板の研磨方法。
（７）酸化金属溶解剤、水、金属防食剤、金属の酸化剤を含有する研磨液を用いる（１）〜（６）のいずれかに記載の半導体基板の研磨方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ＣＭＰプロセスにおいて、研磨パッド洗浄プロセスを追加することにより、常に安定した研磨速度を得ることができ、プロセス制御が容易な半導体基板の研磨方法を提供すること
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の半導体基板の研磨方法のプロセスフローの一例を示したものである。
【図２】本発明の実施例及び比較例における銅研磨速度の標準偏差の相対値を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に用いられるパッド洗浄液は、有機酸水溶液を含むものであり、このパッド洗浄液をパッドに滴下しながら、通常のドレッシング処理を行う、研磨パッド洗浄プロセスを導入することで、研磨パッド洗浄プロセスを導入しない従来のプロセスに比べて安定した研磨速度が得られる。
【００１６】
研磨プロセスは、通常（Ａ）純水リンス、（Ｂ）研磨前の研磨ヘッド回転数アップ、（Ｃ）研磨、（Ｄ）研磨後の研磨ヘッド回転数ダウン、  純水リンス、の順番で構成されているが、研磨パッド洗浄プロセスは、半導体基板研磨前である（Ｃ）研磨の前に入れることが好ましく、（Ａ）純水リンスの前に入れることがより好ましい。パッド洗浄液の流量は１００〜３００ｍｌ／ｍｉｎが好ましく、１５０〜２５０ｍｌ／ｍｉｎがより好ましい。流量が１００ｍｌ／ｍｉｎ以上であると、洗浄効果が充分であり、３００ｍｌ／ｍｉｎを超えると、半導体基板の腐食を抑制することができる。
【００１７】
本発明に用いるパッド洗浄液の有機酸には、特に制限はないが、例えば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、２−メチル酪酸、ｎ−ヘキサン酸、３，３−ジメチル酪酸、２−エチル酪酸、４−メチルペンタン酸、ｎ−ヘプタン酸、２−メチルヘキサン酸、ｎ−オクタン酸、２−エチルヘキサン酸、安息香酸、グリコ−ル酸、サリチル酸、グリセリン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、マレイン酸、フタル酸、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸等が挙げられる。これらは１種類単独で、又は２種類以上混合して用いることができる。
【００１８】
有機酸濃度については、パッド洗浄液の総量に対して０．５〜１０質量％とすることが好ましく、１〜８質量％とすることがより好ましく、３〜６質量％とすることが特に好ましい。この濃度が０．５質量％以上であれば、充分なパッド洗浄効果があるため研磨速度が安定する傾向がある。一方、濃度が１０質量％以下であると、銅メッキの腐食を抑制することができる。
【００１９】
さらに、本発明の半導体基板の研磨方法は、研磨剤を被研磨膜とＣＭＰ用研磨パッドとの間に供給しながら、被研磨膜とＣＭＰ用研磨パッドとを相対的に動かすことにより被研磨膜を研磨する。また、半導体基板上には、銅配線が形成されていることが好ましい。
【００２０】
本発明に用いる研磨液としては、酸化金属溶解剤、砥粒、金属防食剤、金属の酸化剤、水、を含有する研磨液が好ましい。
【００２１】
本発明に用いる研磨液の酸化金属溶解剤は、特に制限はないが、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、２−メチル酪酸、ｎ−ヘキサン酸、３，３−ジメチル酪酸、２−エチル酪酸、４−メチルペンタン酸、ｎ−ヘプタン酸、２−メチルヘキサン酸、ｎ−オクタン酸、２−エチルヘキサン酸、安息香酸、グリコ−ル酸、サリチル酸、グリセリン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、マレイン酸、フタル酸、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸等の有機酸、これらの有機酸エステル及びこれら有機酸のアンモニウム塩等が挙げられる。また塩酸、硫酸、硝酸等の無機酸、これら無機酸のアンモニウム塩類、例えば、過硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、塩化アンモニウム等、クロム酸等が挙げられる。これらの中では、実用的なＣＭＰ速度を維持しつつ、銅、銅合金及び銅又は銅合金の酸化物から選ばれた少なくとも１種の金属層を含む積層膜に対するエッチング速度を効果的に抑制できるという点で、ギ酸、マロン酸、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸が好ましい。これらは１種類単独で、又は２種類以上混合して用いることができる。
【００２２】
本発明に用いる研磨液の砥粒としては、シリカ、アルミナ、ジルコニア、セリア、チタニア、炭化珪素等の無機物砥粒、ポリスチレン、ポリアクリル、ポリ塩化ビニル等の有機物砥粒のいずれでもよい。
【００２３】
本発明に用いる研磨液の金属防食剤としては、例えば、２−メルカプトベンゾチアゾ−ル、１，２，３−トリアゾ−ル、１，２，４−トリアゾ−ル、３−アミノ−１Ｈ−１，２，４−トリアゾ−ル、ベンゾトリアゾ−ル、１−ヒドロキシベンゾトリアゾ−ル、１−ジヒドロキシプロピルベンゾトリアゾ−ル、２，３−ジカルボキシプロピルベンゾトリアゾ−ル、４−ヒドロキシベンゾトリアゾ−ル、４−カルボキシル（−１Ｈ−）ベンゾトリアゾ−ル、４−カルボキシル（−１Ｈ−）ベンゾトリアゾ−ルメチルエステル、４−カルボキシル（−１Ｈ−）ベンゾトリアゾ−ルブチルエステル、４−カルボキシル（−１Ｈ−）ベンゾトリアゾ−ルオクチルエステル、５−ヘキシルベンゾトリアゾ−ル、［１，２，３−ベンゾトリアゾリル−１−メチル］［１，２，４−トリアゾリル−１−メチル］［２−エチルヘキシル］アミン、トリルトリアゾ−ル、ナフトトリアゾ−ル、ビス［（１−ベンゾトリアゾリル）メチル］ホスホン酸等が挙げられる。
【００２４】
本発明に用いる研磨剤の金属の酸化剤としては、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、硝酸、過ヨウ素酸カリウム、次亜塩素酸、オゾン水等が挙げられ、中でも過酸化水素が特に好ましい。これらは１種類単独で、又は２種類以上混合して用いることができる。基体が集積回路用素子を含むシリコン基板である場合、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン化物などによる汚染は望ましくないので、不揮発成分を含まない酸化剤が望ましい。但し、オゾン水は組成の時間変化が激しいので過酸化水素が最も適している。但し、適用対象の基体が半導体素子を含まないガラス基板などである場合は、不揮発成分を含む酸化剤であっても差し支えない。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
（研磨パッド洗浄プロセス）
図１のプロセスフローに示すように、半導体基板研磨前に研磨パッド洗浄プロセスを追加する。研磨パッド洗浄プロセスは、有機酸水溶液を含むパッド洗浄液を研磨パッドの研磨面に滴下しながら、番手＃６０〜＃１００のコンディショナを用いて、荷重：７．０  ｌｂｆ（３．１ｋｇｆ）、回転数：６０ｍｉｎ−１でドレッシング処理を行うものである。
（研磨液の作製）
本発明に用いる研磨液として、水：９３９ｇ、リンゴ酸：５ｇ、ベンゾトリアゾール：１ｇ、３０％過酸化水素水：５ｇを混合したものを準備した。
【００２６】
（実施例）
半導体基板として、銅膜厚が１０００ｎｍのブランケットウエハを作製し、キャリアーに取り付けた。研磨前に、有機酸としてマロン酸を４質量％含むパッド洗浄液を用いて研磨パッド洗浄プロセスを導入した。ＣＭＰ用研磨パッドを貼り付けた定盤上に銅膜面を下にしてキャリアーを載せ、加工圧力を１０ｋＰａ、１４ｋＰａ及び２１ｋＰａにした。定盤上に上記の研磨液を１５０ｍｌ／ｍｉｎの速度で滴下しながら、定盤及びウエハの付いたキャリアーを６０ｍｉｎ−１で３分間回転させ、銅膜を研磨した。研磨後のウエハを純水でよく洗浄後、乾燥した。比抵抗膜厚測定装置を用いて、研磨前後の膜厚差を測定し、研磨速度を計算した。この作業を、各加工圧力で、ウエハ２５枚について行い、研磨速度の安定性を調べた。銅研磨速度の標準偏差の相対値を図２に示す。研磨速度のバラツキ（１σ／平均研磨速度×１００）の相対値は良好であった。
【００２７】
（比較例）
実施例と同様に、半導体基板として、銅膜厚が１０００ｎｍのブランケットウエハを作製し、キャリアーに取り付けた。比較例では、研磨前に、研磨パッド洗浄プロセスを導入せず、ＣＭＰ用研磨パッドを貼り付けた定盤上に銅膜面を下にしてキャリアーを載せ、加工圧力を１０ｋＰａ、１４ｋＰａ及び２１ｋＰａにした。定盤上に上記の研磨液を１５０ｍｌ／ｍｉｎの速度で滴下しながら、定盤及びウエハの付いたキャリアーを６０ｍｉｎ−１で３分間回転させ、銅膜を研磨した。研磨後のウエハを純水でよく洗浄後、乾燥した。比抵抗膜厚測定装置を用いて、研磨前後の膜厚差を測定し、研磨速度を計算した。この作業を、各加工圧力で、ウエハ２５枚について行い、研磨速度の安定性を調べた。銅研磨速度の標準偏差の相対値を図２に示す。研磨速度のバラツキ（１σ／平均研磨速度×１００）の相対値は、実施例よりも大きく、研磨速度が不安定である結果となった。
【図１】
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【図２】
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