(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子の製造方法であって：
露出された金属層（２３）を含む基板（１９）を用意する段階；
粒子と有機塩とを有する混合物（２８）を用意する段階；および
前記混合物（２８）を前記基板（１９）に適用する段階；
とから成り、前記露出された金属層（２３）と接触した後、前記有機塩は酸化剤と界面活性剤とに分解することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記混合物（２８）を用意する段階は、前記有機塩のために、非キレート化有機塩を用意する段階を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
半導体素子の製造方法であって：
金属層を含む基板（１９）を用意する段階；
コロイド（１７）を用意する段階；
非キレート化有機塩（１８）を用意する段階；
露出された金属層を有する前記基板（１９）を処理ツール（１０）内に配置する段階；
前記コロイド（１７）を前記非キレート化有機塩（１８）と化合させて、スラリ（２８）を形成する段階；
前記処理ツール（１０）内において、前記スラリ（２８）を用いて前記基板（１９）を研磨する段階であって、前記金属層（２３）と接触した後、前記非キレート化有機塩（１８）は界面活性剤と酸化剤とに分解し、前記界面活性剤は、前記基板（１９）の一部および処理ツール（１０）の一部をパシベートする前記段階；および
前記処理ツールから前記基板（１９）を取り出す段階；
から成ることを特徴とする方法。
【請求項４】
前記非キレート化有機塩を用意する段階は、前記非キレート化有機塩に遷移金属を与える段階を含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記コロイドと前記非キレート化有機塩とを化合させる段階は、本質的に前記非キレート化有機塩および前記コロイドで構成するように、前記スラリを形成する段階を含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に化学機械式研磨プロセスに関し、更に特定すれば、化学機械式研磨プロセス用スラリ(slurries)に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の製造プロセスは、多くの場合、金属層の平面性を改善するために、化学機械研磨（ＣＭＰ）工程を含む。ＣＭＰ工程は、コロイド状スラリ(coloidal slurry) 内に懸濁されている研磨用粒子を使用する。異なる研磨剤または試薬(reagent) をスラリと組み合わせ、研磨速度やスラリの選択性を向上させることができる。一例として、硝酸鉄（Ｆｅ（ＮＯ3 ）3 ）または過酸化水素（Ｈ2 Ｏ2 ）のような種々のイオン塩が、金属ＣＭＰプロセスのための酸化剤として用いられてきた。また、他の試薬もスラリと組み合わせることによって、スラリの輸送特性(transport property)や流動学的特性(rheological property)を改善することができ、更に他の試薬をスラリに混合し、研磨された表面の腐食を防止することも可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の試薬全てを添加すると、スラリのコロイド特性の低下を招くことになる。更に、スラリの酸性または塩基性の度合い（即ち、ｐＨ値）、電気化学的特性、流動学的特性、およびコロイド特性は、独立して制御するのが非常に難しい。その結果、ＣＭＰプロセスは、均一性を欠いた研磨面を製作することになるが、不均一な研磨面は多くの欠点を有する。
【０００４】
したがって、スラリのｐＨ値，コロイド特性，電気化学的特性，および流動学的特性間に適切なバランスを与えつつ、金属および誘電体表面間の適当な研磨選択性を有し、ＣＭＰプロセスの間効率的な輸送特性を有し、更にＣＭＰプロセスの間金属表面の腐食を減少させるスラリが必要とされている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体素子の製造方法は、基板を用意する段階，粒子が懸濁液に保持されているコロイドを用意する段階，試薬を用意する段階，基板を処理ツールに配置する段階，コロイドおよび試薬を化合させ、スラリを形成する段階，試薬を界面活性剤および酸化剤に分解する段階，スラリを使用して、処理ツール内で基板を処理する段階，および基板を処理ツールから取り出す段階をから成る。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は、研磨パッド１１上にスラリ２８を分与するための分与管１２を含む、化学機械式研磨（ＣＭＰ）ツール１０の部分構成図である。ポンプ１３が混合または保持タンク１４から管１２に、スラリ２８を抽出する、即ち、吸い上げ、ポンプ１５，１６がコロイド１７および試薬１８をそれぞれタンク１４に抽出し、スラリ２８を形成する。別の実施例では、ツール１０においてタンク１４を用いない。代わりに、当技術では既知のインライン・ミキサ(in-line mixer) を、タンク１４の代わりに用い、ポンプ１３の使用はオプションとなる。
【０００７】
コロイド１７は約１ないし１２の酸性度または塩基性度（即ち、ｐＨ値）を有する。また、コロイド１７は研磨用粒子も含み、これら粒子は、典型的に、アルミナまたはシリカから成り、コロイド１７内に懸濁状に保持されている。一例として、シリカ粒子を含有するコロイドであるＳＣ−１１２，およびアルミナ粒子を含有するコロイドであるＷＡ３３５が、イリノイ州、Tuscola のCabot Corporation から入手可能である。試薬１８については、後により詳細に説明する。
【０００８】
基板１９はツール１０によって処理される。基板１９は、それぞれ誘電体層および金属層で構成可能な、電気的絶縁層２２および導電層２３を支持する半導体層２１を含むことができる。一例として、層２１，２２は、それぞれ、シリコンおよび酸化シリコンで構成することができ、層２３は、アルミニウム，銅，タングステン，タンタル，窒化タンタル，チタン，または窒化チタンで構成することができる。層２２は、溝またはバイア２６，２７を有し、その中に層２３の一部が位置する。基板１９の表面２４は、層２２，２３の一部を含む。
【０００９】
表面２４は、従来の方法で、スラリ２８およびパッド１１によって研磨する。即ち、表面２４を研磨する際、基板１９，パッド１１，または双方を回転させる。スラリ２８は、層２２，２３に対して適切な研磨選択性を有し、ＣＭＰプロセスが基板１９にほぼ平面な表面を生成できるようにしなければならない。したがって、層２３に対する研磨速度は、層２２に対する研磨速度よりも大幅に高くしなければならない。試薬１８は、スラリ２８におけるコロイド特性，電気化学的特性，および流動学的特性をほぼ維持する、即ち、均衡を取りつつ、好適な研磨選択性を与えることができる。また、試薬１８は、以下で説明するように、ＣＭＰプロセスの間、導電層２３の腐食を防止するためにも使用可能である。試薬１８に適切な物質については、以下で論ずる。
【００１０】
また、試薬１８は、パッド１１の寿命を延ばし、ＣＭＰプロセスの均一性を高めるためにも使用可能である。典型的に、パッド１１は、溝，穴，または孔を有し、パッド１１を横切るスラリ２８の輸送効率を高める。その理由は、基板１９の均一な研磨を保証するためには、スラリ２８の同一部分はパッド１１および基板１９間に残ってはならないからである。しかしながら、ＣＭＰプロセスの粒子即ち副産品が、溝，穴，または孔を塞いでしまうことがよくあり、パッド１１を横切るスラリ２８の一定分布または輸送が阻害され、これによって、ＣＭＰプロセスの質に有害な影響を与えることになる。試薬１８を用いると、溝，穴，または孔を目詰まりからパシベート即ち保護しつつ、溝，穴，または孔がスラリ２８の搬送を促進させることができる。これについては、以下で説明する。溝，穴，または孔の目詰まりを防止することによって、試薬１８はパッド１１の寿命を延ばし、更に、パッド１１の調整または交換に必要な保守量も減少することになる。
【００１１】
試薬１８を用いて上述の改善全てを達成することにより、スラリ２８のコロイド特性は、余りに多くの添加物の追加による有害な影響を受けずに済む。その結果、スラリ２８のコロイド特性，電気化学的特性，選択性，およびｐＨ値の保守および制御は、一層容易となる。試薬１８の使用により、従来技術に対して差別的な利点が得られることは明らかである。
【００１２】
図２は、基板の化学機械式研磨を行う方法５０の概要を示す。方法５０は、素子の製造、即ち、図１で既に説明した半導体素子の製造に関して説明する。方法５０のステップ５１において、例えば、層２２，２３を有する図１の基板１９のような基板を用意する。方法５０のステップ５２では、粒子、または、例えば図１のコロイド１７のようなコロイドを有する混合物を用意し、更に方法５０のステップ５３では、例えば、図１の試薬１８のような試薬即ち添加物を用意する。ステップ５３に適切な試薬には、キレート化された(chelated)またはキレート化されない(non-cheleted)有機塩、および陽イオン性または陰イオン性の有機塩が含まれるが、これらに限定される訳ではない。以下に提示する例は、本発明の理解を容易にするために与えるものであり、本発明の範囲を限定する目的で与えるものではない。陽イオン性の非キレート化有機塩の例は、ヨウ素酸テトラメチルアンモニウム（（ＣＨ3 ）4 ＮＩＯ3 ）(tetramethylammonium iodate)，過ヨウ素酸テトラメチルアンモニウム（（ＣＨ3 ）4 ＮＩＯ4 ））(tetramethylammonium periodate) ，硝酸テトラメチルアンモニウム（（ＣＨ3 ）4 Ｎ+ ＮＯ3-））(tetramethylammonium nitrate) ，硝酸テトラエチルアンモニウム（（Ｃ2 Ｈ5 ）4 Ｎ+ ＮＯ3-））(tetraethylammonium nitrate)，硫酸テトラメチルアンモニウム（（ＣＨ3 ）4 Ｎ+ ＳＯ4-））(tetramethylammonium sulfate) ，硫酸テトラエチルアンモニウム（（Ｃ2 Ｈ5 ）4 Ｎ+ ＳＯ4-））(tetraethylammonium sulfate)，および過硫酸ビステトラメティルアンモニウム（（ＣＨ3 ）4 Ｎ++Ｓ2 Ｏ8 --）(bistetramethylammonium persulfate) が含まれるが、これらに限定される訳ではない。陰イオン性である非キレート化有機塩の一例には、アンモニウム・メチルスルフェート（ＮＨ4+ＣＨ3 ＳＯ3-）(ammonium methylsulfate)が含まれるが、これに限定される訳ではない。あるいは、試薬１８は、遷移金属を含む非キレート化陽イオン性または陰イオン性有機塩で構成することもでき、例えば、硫酸テトラメチルアンモニウム鉄（Ｎ（ＣＨ3 ）4 Ｆｅ（ＳＯ4 ）2 ）(tetramethylammonum iron sulfate) ，硝酸テトラメチルアンモニウム・セリウム（Ｎ（ＣＨ3 ）4 Ｃｅ（ＮＯ3 ）6 ）(tetramethylammonium cerium nitrate)，硫酸テトラメチルアンモニウム・セリウム（Ｎ（ＣＨ3 ）4 Ｃｅ（ＳＯ4 ）4 ）(tetramethylammonium cerium sulfate)，硫酸テトラメチルアンモニウム・アルミニウム（Ｎ（ＣＨ3 ）4 Ａｌ（ＳＯ4 ）4 ）(tetramethylammonium aluminum sulfate)，硝酸テトラメチルアンモニウム・アルミニウム（Ｎ（ＣＨ3 ）4 Ａｌ（ＮＯ3 ）4 ）(tetramethylammonium aluminum nitrate)，アンモニウム鉄メチルスルフェート（ＮＨ4 ＦｅＣＨ3 ＳＯ3-）(ammonium iron methylsulfate) ，およびアンモニウム・アルミニウム・メチルスルフェート（ＮＨ4 ＡｌＣＨ3 ＳＯ3-）(ammonium aluminum methylsulfate) を含む。更にまた、試薬１８は、例えば、蓚酸テトラメティルアンモニウム（（（ＣＨ3 ）4 Ｎ）2 Ｃ2 Ｏ4 ）(tetramethylammonium oxalate) のようなキレート塩(chelating salt)を含むことができる。
【００１３】
方法５０のステップ５４では、例えば、図１のＣＭＰツール１０のような処理ツールの中に基板１９を配置する、即ち、位置づける。次に、ステップ５５の間に、ステップ５２の混合物即ちコロイドを、ステップ５３の試薬即ち有機塩と化合(combine) または混合(mix) させ、例えば、図１のスラリ２８のようなスラリを形成する。このスラリは、コロイドおよび有機塩間の重量比率を約１０：１ないし１００：１として構成すればよい。ステップ５５は、後続のステップ５７の前にまたはその最中に行うことができる。ステップ５７については、以下で説明する。
【００１４】
ステップ５６の間、試薬即ち有機塩を、２つの反応生成物に分解または分離する。より具体的には、試薬を、酸化剤および硫化剤に分解する。ＣＭＰの技術においては既知であるが、酸化剤のことをエッチャントと呼ぶことは一般的な慣例である。特に、アルミニウムまたは銅を含む層にＣＭＰプロセスを適用する場合に、このように呼ばれる。しかしながら、本発明の説明を容易にするために、「酸化剤」という用語は、「エッチャント」という用語と相互交換可能に用いることにする。酸化剤および硫化剤は、双方とも有機成分とすることができ、あるいはこれら反応生成物は、有機成分または無機成分で構成することも可能である。一例として、有機塩が硝酸テトラメチルアンモニウム・アルミニウムから成る場合、有機塩は、ステップ５６の間に、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）の有機成分および硝酸アルミニウムの無機成分に分解することができる。硝酸アルミニウムは、層２３の研磨速度を改善可能な酸化剤である。ＴＭＡＨは、立体障害(steric hindrance)または遮蔽(shielding) として当技術では既知の機構を用いて、基板１９の層２２をパシベートする界面活性剤であり、スラリの選択性を改善する。したがって、層２３の研磨速度は上昇し、層２２の研磨速度は低下し、スラリの研磨選択性は改善される。また、ＴＭＡＨは、研磨パッド１１のパシベーションも行い、スラリ，パッド１１，および基板１９間の界面力を変更することによって、パッド１１の溝、穴、または孔の目詰まりを防止する。したがって、パッド１１の寿命は延び、スラリの輸送効率は低下しない。その結果、プロセスの安定性が改善され、同一ウエハ上の不均一性およびウエハ間の不均一性は減少する。更に、ＴＭＡＨは、層２３がアルミニウムを含む場合、導電層２３に対して腐食防止剤として作用する。
【００１５】
ＴＭＡＨは塩基性であり、これを直接コロイドに添加すると、コロイドのｐＨレベルを大きくしかも有害的に変化させ、スラリの輸送性，スラリの流動学的特性，およびＣＭＰプロセスの多くの他の性能面において激しい劣化を招くので、直接添加を回避する。しかしながら、硝酸テトラメチルアンモニウム・アルミニウムは、補償された対イオンを含む塩の形態となているので、硝酸テトラメチルアンモニウム・アルミニウムの添加がコロイドの安定性を有害的に変化させることはない。硝酸テトラメチルアンモニウム・アルミニウムの添加に伴うｐＨレベルの変化は、尚も安定なコロイド懸濁液(colloidal suspension)を与える。
【００１６】
ＴＭＡＨおよび硝酸アルミニウムをコロイドと混合しながら、均衡したｐＨレベルを得るのは難しいので、ＴＭＡＨおよび硝酸アルミニウムは別個に添加したり、あるいは別個にコロイドと化合したりはしない。しかしながら、均衡の取れたｐＨレベルを維持するのに伴う困難は、対イオンを補償した塩をコロイドと混合することにより、軽減される。したがって、硝酸テトラメチルアンモニウム・アルミニウムの単一の試薬をコロイドに添加して、スラリのコロイド特性，電気化学的特性，または流動学的特性に有害的に影響を与えることなく、先に論じた利点を得ることができる。同様の理由で、ステップ５５のスラリは、本質的にコロイドおよび有機塩で構成することが好ましく、他の添加物を含有しないことが好ましい。したがって、有機塩の分解によって、ＣＭＰプロセスの他の性能面を低下させることなく、スラリの研磨性能の多くの面が改善されることになる。
【００１７】
ステップ５５のスラリは、ステップ５７の間、コロイドおよび試薬即ち有機塩を基板１９に適用し、基板１９を化学的かつ機械的に研磨することによって、ＣＭＰツールにおいて基板１９を処理するために用いられる。ステップ５７のＣＭＰプロセスの後、ステップ５８の間に基板１９をＣＭＰツールから取り出す。有機塩の金属との物理的および化学的反応は、ステップ５６における有機塩の分解のための触媒として作用する。金属は、基板１９の導電層２３、または研磨パッド１１上の研磨生成物（図１）内に、露出した金属を含む可能性がある。ステップ５７の間、追加の熱を供給し、有機塩の分解を更に促進することができる。ステップ５７の間の追加加熱、即ち、ダウン・フォース圧力(down force pressure) の増大は、研磨の間に与えることができる。したがって、使用時点における混合(point-of-use mixing) を用いることによって、ステップ５５，５６は、ステップ５７の間に行うことができる。ステップ５７におけるスラリの使用の前に、スラリのコロイド特性およびｐＨ値を劣化させないように、ステップ５２，５３，または５５の間、有機塩は分解しないことが好ましい。
【００１８】
一例として、導電層２３を銅層とし、電気絶縁層を酸化物層とする。硫酸テトラメチルアンモニウムの陽イオンを形成する、非キレート有機塩を含むスラリ配合(slurry formulation)を用いて、銅層および酸化物層を含む基板１９を研磨する。銅の研磨速度は毎分約４０００ないし６０００オングストロームの範囲であり、選択性は約１００：１ないし２００：１（酸化物の１オングストロームの研磨に対して、研磨される銅のオングストローム）の範囲である。
【００１９】
したがって、従来技術の欠点を克服した、金属層を化学機械的に研磨するための改良されたスラリが提供されたことは明白である。スラリに使用する試薬を減らすことによって、同時に、従来のスラリに対して先に述べた改善の全てを得ることができる。この場合、改善とは、研磨選択性の改善，研磨中の金属腐食の防止，スラリ輸送効率の改善，および研磨パッドの長寿命化が含まれるが、これらに限定される訳ではない。大多数の試薬を用いるのではなく、使用する試薬数を減らすことによって、ＣＭＰプロセスのコスト低減，コロイドの安定化，およびＣＭＰプロセスの簡略化が可能となる。更に、添加される試薬が従来技術よりも少ないため、スラリのコロイド特性，電気化学的特性，および流動学的特性が大幅に歪められることはない。
【００２０】
以上、好適実施例を参照しながら、本発明を特定的に示しかつ説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細における変更が可能であることは、当業者には理解されよう。例えば、有機塩の具体的な化学組成物のような、ここに記載した多数の詳細は、本発明の理解を容易にするために提供したものであり、本発明の範囲を限定するために提供したのではない。更に、図１では、試薬１８は半導体素子製造プロセスの間にコロイド１７に添加されるものとして示したが、試薬１８は、販売者によってコロイド１７に添加し、次いで半導体素子製造者に出荷し、半導体素子製造プロセスに用いてもよいことは理解されよう。したがって、本発明の開示は、限定を意図するものではない。逆に、本発明の開示は、特許請求の範囲に記載される、本発明の範囲を例示することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による化学機械研磨ツールの部分構成図。
【図２】本発明による化学機械的に基板を研磨する方法の概要を示す図。
【符号の説明】
１０    化学機械式研磨（ＣＭＰ）ツール
１１    研磨パッド
１２    分与管
１４    保持タンク
１５，１６    ポンプ
１７    コロイド
１８    試薬
１９    基板
２１    半導体層
２２    電気的絶縁層
２３    導電層
２４    表面
２６，２７    溝またはバイア
２８    スラリ
【図１】
0003977901.tif 000002
【図２】
0003977901.tif 000003