(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化作用を有する無機粒子と有機粒子とがメカノフュージョン現象により熱接着してなる研磨粒子を含むＣＭＰ用スラリーを用いて、導電膜を研磨することによりダマシン配線を形成する工程を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記ＣＭＰ用スラリーに含有される前記無機粒子は、二酸化マンガンまたはセリアであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記ＣＭＰ用スラリーは、酸化剤、および前記有機粒子にメカノフュージョン現象により熱接着され、前記酸化剤の分解を促す触媒作用を有する無機粒子をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ＣＭＰ用スラリーに含有される前記酸化剤は、過酸化水素、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、過硫酸アンモニウム、リン酸、硝酸または硝酸二アンモニウムセリウムであることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記ＣＭＰ用スラリーに含有される前記触媒作用を有する前記無機粒子は、鉄、銀、ルテニウムまたはチタンを含む粒子であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記ＣＭＰ用スラリーに含有される前記有機粒子は、メタクリル樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアセタール樹脂もしくはポリカーボネイト樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記導電膜は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｇ、Ｖ、ＲｕおよびＰｔからなる元素群から選ばれた金属からなる単層もしくは積層の金属膜、または前記元素群から選ばれた少なくとも一つの元素を主成分とする合金、窒化物、ホウ化物、酸化物もしくは混合物からなる膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＭＰ工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の製造分野において、半導体装置の高集積化や、半導体素子の微細化に伴い、種々の微細加工技術が開発されている。その中でもＣＭＰ技術は、ダマシン配線を形成する上で欠かすことのできない重要技術となっている。
【０００３】
ダマシン配線をメタルＣＭＰで形成する場合、スクラッチを回避しつつエロージョンを抑制することが最大の課題である。エロージョンの抑制のためには、硬質の研磨布を用い、かつオーバーポリッシングに対してマージンのあるＣＭＰ用スラリー（以下、単にスラリーという。）が必要である。
【０００４】
オーバーポリッシングのマージンを拡大するためには、荷重の変化をいかに効率よく被研磨基体である金属膜に伝達するかがキーとなる。すなわち、荷重の変化に対して敏感に研磨速度が応答するという、研磨速度の荷重依存性が高いＣＭＰ特性が求められる。
【０００５】
このようなＣＭＰ特性を実現する方法としては、有機粒子と無機粒子とを一体化したものを研磨粒子として含むスラリーを用いることが有効である。これは、研磨力の無い有機粒子の周りに無機粒子を凝集させ、有機粒子を無機粒子のアシスト粒子として利用するという方法である。
【０００６】
すなわち、有機粒子の持つ弾性によって荷重の変化が効率良く被研磨基体に伝わり、研磨速度の荷重依存性が高くなる。さらに、有機粒子の弾性によって、硬質の研磨布を用いてもスクラッチを回避することが可能となる。
【０００７】
従来技術では、無機粒子を含むスラリーと有機粒子を含むスラリーを混合し、ファンデルワース力あるいは静電気力を利用して両粒子を一体化させ、無機粒子と有機粒子との凝集体を形成していた。
【０００８】
しかしながら、この種の液体混合による方法では、粒子間の引力が不十分であるため、速い研磨速度が得られず、期待通りの大きな荷重依存性が得られないという問題があった。
【０００９】
さらに、静電気力を利用する場合にはさらに以下のような問題もある。静電気力を利用する場合、有機粒子の表面に電荷を持たせるために、帯電した官能基（例えばＣＯＯ- ）を有機粒子の表面に導入する必要がある。一方、有機粒子と無機粒子を凝集させるためには両者は互いにその表面電荷が異符号でなければならない。このため、使用できる粒子種類およびスラリーのｐＨ域に制限が生じてしまう。さらに、表面に官能基を導入した有機粒子は疎水部および親水部を有する界面活性粒子になり、スラリーの泡化が激しくなってしまうという問題がある。このため、スラリー供給が困難になる場合が生じる。
【００１０】
また、各々のスラリー自体の不安定性が、一体化後のスラリーの特性に大きく影響する。このため、スラリーの制御が困難であるという問題があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、エロージョンの抑制およびオーバーポリッシングのマージンの拡大を実現する方法として、有機粒子と無機粒子とを一体化した研磨粒子を含んだスラリーを用いることが提案されていた。しかし、従来の液体混合による有機粒子と無機粒子との一体化の方法では、有機粒子と無機粒子との間の引力が弱く、期待通りのＣＭＰ特性が得られないという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、エロージョンかつ高オーバーポリッシングマージンのＣＭＰを実現できるＣＭＰ工程を有する半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
【００１６】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、酸化作用を有する無機粒子と有機粒子とがメカノフュージョン現象により熱接着してなる研磨粒子を含むＣＭＰ用スラリーを用いて、導電膜を研磨することによりダマシン配線を形成する工程を具備することを特徴とする。
【００１７】
無機粒子と有機粒子とが熱接着してなる研磨粒子は、無機粒子と有機粒子とが従来方法で一体化された研磨粒子に比べて、無機粒子と有機粒子との間の引力が大きい。そのため、無機粒子と有機粒子とを一体化した研磨粒子を含むスラリーを用いたＣＭＰにより本来得られるべき効果、すなわち低エロージョンかつ高オーバーポリッシングマージンのＣＭＰを十分に享受できるようになる。
【００１８】
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記載および添付図面によって明らかになるであろう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態（以下、実施形態という）を説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
本実施形態では、Ｗダマシン配線を形成する際に用いるＷ−ＣＭＰ用スラリーについて説明する。本実施形態のＷ−ＣＭＰ用スラリーの研磨粒子は、有機粒子であるＰＭＭＡと無機粒子である二酸化マンガンとをそれぞれ粉体の状態で混合し（粉体混合し）、メカノフュージョン現象により両粒子を熱接着してなる、ＰＭＭＡと二酸化マンガンとの凝集体である。
【００２１】
このようなメカノフュージョン現象を用いた具体的な研磨粒子の製造方法を以下に述べる（図９参照）。まず、回転する容器２１の内壁に遠心力により両粉体を固定させる。これらの粉体は中心軸に固定されたインナーピース２２で瞬間的に圧密される。その後、この作用を受けた粉体はスクレーバ２３によりかきとられる。これらのことが高速で繰り返されることにより圧密／せん断作用が活用されて粒子複合化処理がなされ、メカノフュージョン現象により両粒子が熱接着してなる凝集体が得られる。
【００２２】
このように粉体混合により形成したＷ−ＣＭＰ用スラリーは、従来の液体混合により形成したＷ−ＣＭＰ用スラリー、すなわち静電気的引力またはファンデルワース力により有機粒子と無機粒子とを一体化してなる凝集体よりも、粒子間引力が強いものとなり、その結果として研磨速度、スラリー安定性およびスラリー供給に関してのＣＭＰ特性は向上する。図１に、本発明および従来のスラリーについて、上記ＣＭＰ特性の良否についてまとめたものを示す。
【００２３】
また、荷重依存性に関しては、図２（ａ）に示すように、低荷重の場合、ＰＭＭＡ１と二酸化マンガン２との凝集体は変形せず、二酸化マンガンはほとんどＷ膜３に作用しない。Ｗ膜３は酸化されないと非常に硬い膜であるため、酸化が起こらないとＷ膜３の研磨はほとんど進行しない。
【００２４】
一方、高荷重の場合、図２（ｂ）に示すように、ＰＭＭＡ１が弾性変形を起こし、多くの二酸化マンガン２がＷ膜３に作用し、二酸化マンガン２がＷ膜３との相互作用は大きくなる。このとき、二酸化マンガン２の酸化作用により非常に脆弱な酸化膜（ＷＯx膜）４がＷ膜３の表面に形成されるとともに、砥粒でもある二酸化マンガン２によって酸化膜４が除去される。その結果、十分に速い研磨速度でＷ膜３の研磨が進行する。
【００２５】
本実施形態のＷ−ＣＭＰ用スラリーは、ＰＭＭＡと二酸化マンガンとが熱接着により強く接着しているため、粒子間引力は大きい。そのため、本実施形態のＷ−ＣＭＰ用スラリーを用いたＣＭＰは、従来の混合液体による粒子間引力が小さいＷ−ＣＭＰ用スラリーを用いたＣＭＰに比べて、Ｗ膜に荷重を効率的に伝えることができる。
【００２６】
その結果、高荷重では二酸化マンガンの酸化作用（ケミカル作用）がＷ膜に効果的に働くために、図３に示すように、従来よりも研磨速度が速く、かつ従来よりも荷重依存性が大きなＣＭＰを実現することが可能となる。これにより、図４に示すように、本発明によれば、配線幅の大きさに関係なく、オーバーポリッシュ時のエロージョン（ディッシング＋シニング）を従来よりも抑制することが可能となる。すなわち、エロージョンのオーバーポリッシュマージンを拡大することが可能となる。
【００２７】
また、有機粒子と無機粒子とを粉体状態で混合するため、液体混合の場合のようなｐＨ制限が無く、かつ任意の有機粒子と無機粒子との組み合わせが可能である。
【００２８】
さらに、液体混合の場合のような個々のスラリーの不安定性の影響を受けない。その結果、スラリーの制御性が向上し、安定したＣＭＰ特性が得られる。
【００２９】
さらにまた、有機粒子の表面に官能基を導入する必要がないので、スラリーの泡化が起こらず、安定したスラリー供給が可能となる。
【００３０】
なお、本実施形態では、酸化作用を有する無機粒子として二酸化マンガンを用いたが、セリアなど他の酸化作用を有する無機粒子を用いても同様な効果が得られる。
【００３１】
（第２の実施形態）
本実施形態では、Ｗダマシン配線を形成する際に用いるＷ−ＣＭＰ用スラリーについて説明する。本実施形態のＷ−ＣＭＰ用スラリーの研磨粒子は、有機粒子であるＰＭＭＡと無機粒子であるベンガラとをそれぞれ粉体の状態で混合（粉体混合）し、メカノフュージョン現象により両粒子を熱的に接着してなる、ＰＭＭＡとベンガラとの凝集体である。本実施形態のＷ−ＣＭＰ用スラリーは酸化剤として過酸化水素を含んでいる。
【００３２】
低荷重の場合、第１の実施形態と同様の理由により、図５（ａ）に示すように、ベンガラ５はほとんどＷ膜３に作用しない。このため、過酸化水素によって脆い酸化膜（ＷＯx 膜）４がＷ膜３の表面に形成されても、Ｗ膜３の研磨速度は非常に遅いものとなる。
【００３３】
一方、高荷重の場合、第１の実施形態と同様の理由により、図５（ｂ）に示すように、ベンガラ５とＷ膜３との相互作用が大きくなり、さらにベンガラ５中の鉄イオンによる触媒作用によって過酸化水素の酸化力が格段にアップする。その結果、ベンガラ５のケミカル作用、すなわちベンガラ５によるケミカルな研磨が増強され、非常に速い研磨速度でＷ膜３の研磨が進行する。
【００３４】
このように無機粒子として触媒作用を有するベンガラを用いることで、第１の実施形態に比べて、容易に荷重依存性をさらに高くでき、かつ容易にオーバーポリッシュマージンをさらに拡大することができる。その他、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００３５】
なお、本実施形態では酸化剤の分解を促す触媒作用を有する無機粒子として、鉄を成分として含むベンガラを用いたが、鉄を成分として含む他の無機粒子、または銀、ルテニウムもしくはチタンを成分として含む無機粒子を用いても同様の効果が得られる。
【００３６】
（参考例１）
図６は、参考例１に係るＡｌダマシン配線の形成方法を示す工程断面図である。上記Ａｌダマシン配線は、例えばＤＲＡＭや高速ロジックＬＳＩに用いるものである。
【００３７】
まず、図６（ａ）に示すように、シリコン基板１１上にＳｉＯ2 系の層間絶縁膜１２を堆積する。シリコン基板１１には図示しない例えばＤＲＡＭや高速ロジックＬＳＩのための素子が集積形成されている。シリコン基板１１はバルク基板でもＳＯＩ基板でも良い。
【００３８】
次に図６（ｂ）に示すように、層間絶縁膜１２の表面に深さ４００ｎｍの配線溝１３を形成し、次に厚さ１５ｎｍのＮｂライナー膜１４を堆積し、その後Ｎｂライナー膜１４上に厚さ８００ｎｍのＣｕが添加されたＡｌ膜（Ａｌ−Ｃｕ膜）１５を続いて堆積する。Ｎｂライナー膜１４およびＡｌ膜１５は例えばスパッタリング法を用いて形成する。
【００３９】
次に図６（ｃ）に示すように、配線溝１３の外部の不要なＡｌ膜１５を、上述のＡｌ−ＣＭＰ用のスラリーを用いたＣＭＰ法により除去する（ファーストポリッシング）。
【００４０】
ここでのＡｌ−ＣＭＰ用のスラリーの研磨粒子は、有機粒子としてのＰＭＭＡと無機粒子としてのアルミナとを粉体混合し、メカノフュージョン現象により両粒子を熱的に接着して、２層構造の凝集体（第１の凝集体）を形成し、その後再度２層構造の凝集体とＰＭＭＡとを粉体混合して、メカノフュージョン現象により２層構造の凝集体とＰＭＭＡとを熱的に接着してなる３層構造の凝集体（第２の凝集体）である。この３層構造の凝集体を通常のスラリー溶液に添加し、分散させてＡｌ−ＣＭＰ用のスラリーが完成する。
【００４１】
低荷重の場合、図７（ａ）に示すように、３層構造の凝集体の最表面が研磨力のないＰＭＭＡであるために、Ａｌ膜１５の研磨はほとんど進行しない。
【００４２】
一方、高荷重の場合、図７（ｂ）に示すように、上記ＰＭＭＡが粉砕され、２層構造の凝集体のアルミナの多くがＡｌ膜１５に作用する。すなわち、アルミナが持つメカニカル研磨作用によるＡｌ膜１５の研磨が顕著になる。その結果、非常に速い研磨速度でＡｌ膜１５の研磨が進行する。
【００４３】
このように研磨粒子として３層構造（ＰＭＭＡ／アルミナ／ＰＭＭＡ）の凝集体を用いることで、２層構造の凝集体を用いた場合に比べて、容易に荷重依存性をさらに高くでき、かつ容易にオーバーポリッシュマージンをさらに拡大することができる。
【００４４】
その後、図６（ｄ）に示すように、配線溝１３の外部の不要なＮｂライナー膜１４およびファーストポリッシングで取り残した不要なＡｌ膜１５を通常のＣＭＰ法により除去する（セカンドポリッシュ）。
【００４５】
（参考例２）
本参考例では、Ａｌダマシン配線の形成方法について説明する。参考例１と異なる点は、ファーストポリッシングで使用するスラリーにある。参考例２では、母粒子（核粒子）として無機粒子、具体的にはシリカを使用し、子粒子として有機粒子、具体的にはＰＭＭＡを使用する。
【００４６】
低荷重の場合、図８（ａ）に示すように、凝集体の最表面のＰＭＭＡはＡｌ膜１５と接触せず、かつＰＭＭＡは研磨力が無いため、Ａｌ膜１５の研磨はほとんど進行しない。
【００４７】
一方、高荷重の場合、図８（ｂ）に示すように、ＰＭＭＡが粉砕され、Ａｌに対して研磨力の大きいシリカが直接Ａｌ膜１５と接するため、アルミナが持つメカニカル研磨作用によるＡｌ膜１５の研磨が顕著になり、その結果として非常に速い研磨速度でＡｌ膜１５の研磨が進行する。
【００４８】
このように研磨粒子として母粒子（核粒子）が無機粒子、子粒子が有機粒子の凝集体を用いることでも、容易に荷重依存性をさらに高くでき、かつ容易にオーバーポリッシュマージンをさらに拡大することができる。
【００４９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、第１の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせても良い。すなわち、酸化作用を有する無機粒子と酸化剤の分解を促進する無機粒子と有機粒子とが熱接着してなる研磨粒子を含むスラリーを用い、メタルＣＭＰを行っても良い。
【００５０】
また、上記実施形態では、有機粒子としてメタクリル樹脂の一つであるＰＭＭＡからなる粒子を用いたが、他のメタクリル樹脂からなる粒子を用いても良く、さらにメタクリル樹脂と実質的に同等の硬度を有するフェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアセタール樹脂またはポリカーボネイト樹脂からなる粒子を用いても良い。
【００５１】
また、上記実施形態では、酸化剤として過酸化水素を用いたが、その他にペルオキソニ硫酸アンモニウム（過硫酸アンモニウム）、リン酸、硝酸または硝酸アンモニウムなどの酸化剤も使用可能である。
【００５２】
また、上記実施形態では、Ｃｕ膜、Ａｌ膜、Ｎｂ膜のＣＭＰについて述べたが、被研磨膜となり得る膜は、上記実施形態で述べたものを含めて、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｇ、Ｖ、ＲｕおよびＰｔからなる元素群から選ばれた金属からなる単層もしくは積層の金属膜、または前記元素群から選ばれた少なくとも一つの元素を主成分とする合金、窒化物、ホウ化物、酸化物もしくは混合物からなる膜があげられる。
【００５３】
また、上記実施形態ではいわゆるシングルダマシン配線の場合について説明したが、本発明はデュアルダマシン配線にも適用できる。さらにまた、本発明は配線以外にも、例えばダマシンゲート型ＭＯＳトランジスタのメタルゲート電極のＣＭＰ工程にも適用できる。
【００５４】
さらにまた、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、低エロージョンかつ高オーバーポリッシングマージンのＣＭＰを実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明および従来のスラリーについて、研磨速度、スラリー安定性およびスラリー供給の良否についてまとめた図
【図２】第１の実施形態のスラリーを用いた場合の荷重依存性を説明するための図
【図３】本発明および従来のスラリーを用いた場合のそれぞれの荷重依存性を示す図
【図４】本発明および従来のスラリーを用いた場合のそれぞれのエロージョンの配線幅依存性を示す図
【図５】第２の実施形態のスラリーを用いた場合の荷重依存性を説明するための図
【図６】本発明の第３の実施形態に係るＡｌダマシン配線の形成方法を示す工程断面図
【図７】第３の実施形態のスラリーを用いた場合の荷重依存性を説明するための図
【図８】第４の実施形態のスラリーを用いた場合の荷重依存性を説明するための図
【図９】メカノフュージョン現象を用いた研磨粒子を製造するために使用する製造装置を示す模式図
【符号の説明】
１…ＰＭＭＡ
２…二酸化マンガン（無機粒子）
３…Ｗ膜
４…酸化膜（ＷＯx 膜）
５…ベンガラ
１１…シリコン基板
１２…層間絶縁膜
１３…配線溝
１４…Ｎｂライナー膜
１５…Ａｌ膜（配線）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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