(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板表面に金属配線用の凹部を有する絶縁膜を形成し、その上にバリア膜を介して該凹部を埋めるように金属膜を形成した後、金属膜及びバリア膜を研磨することにより除去して絶縁膜と凹部に存在する金属膜との平坦化された面を形成するに際し、ＢＥＴ法によって測定した比表面積が２０ｍ２／ｇ以上、８０ｍ２／ｇ未満のシリカを０．１〜２０重量％、シュウ酸を０．１〜１重量％及び酸化剤を０．１〜１０重量％含み、残部が水よりなる研磨剤を用いて上記金属膜を研磨し、次いで、ＢＥＴ法によって測定した比表面積が２０ｍ２／ｇ以上、８０ｍ２／ｇ未満のシリカを２〜２０重量％、シュウ酸を０〜０．１重量％及び酸化剤を０〜１０重量％含み、残部が水よりなる研磨剤を用いて金属膜及びバリア膜を同時研磨することを特徴とする研磨方法。
【請求項２】
請求項１記載の研磨方法に続いて、ＢＥＴ法によって測定した比表面積が２０ｍ２／ｇ以上、８０ｍ２／ｇ未満のシリカを０．１〜２０重量％含み、残部が水よりなる、シュウ酸と酸化剤を含まない、ｐＨ５〜９の範囲の研磨剤を用いて金属膜、バリア膜及び絶縁膜を同時研磨することを特徴とする研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な研磨剤及びそれを用いた研磨方法に関する。詳しくは、金属膜の溶解特性を低く抑えながら、且つ、金属膜または金属膜及びバリア膜を実用的な研磨速度で研磨でき、しかも、成分の割合を変化させることにより、研磨速度を任意に可変できる研磨剤、及び半導体デバイスの製造を上記研磨剤を使用して精度良く行うことが可能な研磨方法を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの高集積化に伴って、配線技術は益々微細化かつ多層化の方向に進んでいる。そして、上記配線技術の多層化の進展によって半導体基板表面の段差は大きくなり、更にその上に形成される配線の加工精度や信頼性を低下させ、微細化を妨げるという問題を有する。
【０００３】
上記の多層化による問題点を解決するために、配線パターンや電極等（以下、配線等という）が形成された層を平坦化し、その上に更に配線等を形成する技術が開発されている。即ち、図１に示すように、（ａ）半導体基板１の表面に金属配線用の凹部Ａを有する絶縁膜２を形成し、（ｂ）その上にバリア膜３を介して該凹部を埋めるように金属膜４を形成した後、（ｃ）凹部を埋める金属膜以外の金属膜及びバリア膜を研磨することにより除去して絶縁膜と凹部を埋める金属膜との平坦化された面を形成する方法である。
【０００４】
上記技術において、バリア膜は、金属膜として用いるアルミニウムや銅が絶縁膜中に拡散するのを防止し、且つそれら金属膜の半導体基板表面への密着性を良くする機能を有するものであり、一般に、窒化チタンや窒化タンタルなどが使用される。
【０００５】
上記研磨方法は、高い研磨性能を実現するため、機械的な研磨とそれを促進するような化学反応とを併用する方法が採られる。この方法は、化学機械研磨（以下、ＣＭＰと略記する）法と呼ばれ、金属膜、絶縁膜、バリア膜等の研磨対象に応じて使用する研磨剤の組成が種々提案されている。上記研磨剤の一般的な組成は、研磨砥粒と薬剤とよりなる。
【０００６】
上記研磨剤において、各膜における研磨速度の比（以下、選択比とも言う）を１にすることができれば、かかる研磨剤を用いて全ての膜を均一に研磨することが可能である。
【０００７】
ところが、上記選択比が１の理想的な研磨剤は存在せず、通常は、金属膜の選択比の高い研磨剤を使用し、バリア膜を停止層として金属膜を研磨し、続いて、金属膜及びバリア膜の選択比が低い研磨剤に変えて、バリア膜の研磨を行うという方法が採用されている。また、この場合でも、実用的な研磨速度を有し、且つ選択比が１に近い研磨剤は存在せず、金属膜或いはバリア膜のいずれかが優先して研磨されることにより多少の凹凸が生じる場合があり、そのため、絶縁膜まで研磨した後、更に選択比の異なる他の研磨剤を使用して研磨が行われるという方法を行う場合が多々あった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記研磨方法は、金属膜の研磨、バリア膜及び金属膜の研磨、及び金属膜、バリア膜及び絶縁膜を研磨する全ての研磨工程を修了するまでに、研磨砥粒や酸などの種類を変えて選択比を調整した数種類の研磨剤の使用を余儀なくされる。
【０００９】
そのため、研磨装置が複数台必要になったり、また、一台の研磨装置で処理するには、研磨剤の交換やその準備のために多大の時間と手間を要するなどの問題点があった。
【００１０】
また、上記従来の研磨剤においては、たとえ選択比を調整しても、実際の研磨工程においては、薬剤により研磨対象の金属が溶解し、配線として残したい絶縁膜表面の凹部を埋めた金属までが薄くなる（以下、この現象をディッシングという）現象を伴う場合がある。このディッシングが起こると配線不良が発生し易くなるため、ディッシングの発生をできる限り抑える必要がある。また、明らかなディッシングは見られなくても、金属膜の表面は薄い腐食層（酸化膜）が生成している場合が多い。
【００１１】
以上のように、従来の研磨方法においては、複数の研磨剤を使用する必要性から、複数台の研磨装置を要したり、研磨剤を交換するための手間と時間が必要であったり、また、上記薬剤によるディッシングの問題も、十分に解決されるに至っていないのが現状であった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題を解決するため鋭意研究を重ねた。その結果、特定の比表面積を有するシリカを砥粒とし、これとシュウ酸、酸化剤及び水よりなる磨剤が、その成分量のみを適宜調整することによって、金属膜、バリア膜及び絶縁膜の研磨速度を任意に変えることができるため、一台の研磨機で連続的に半導体基板を研磨可能で、また、より平坦な半導体基板表面を形成できることを見い出した。また、上記研磨剤は、金属膜の耐溶解性（ディッシング）にも優れていることを見い出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
即ち、本発明は、半導体基板表面に金属配線用の凹部を有する絶縁膜を形成し、その上にバリア膜を介して該凹部を埋めるように金属膜を形成した後、金属膜及びバリア膜を研磨することにより除去して絶縁膜と凹部に存在する金属膜との平坦化された面を形成するに際し、ＢＥＴ法によって測定した比表面積（以下、単に比表面積という）が２０ｍ２／ｇ以上、８０ｍ２／ｇ未満のシリカを０．１〜２０重量％、シュウ酸を０．１〜１重量％及び酸化剤を０．１〜１０重量％含み、残部が水よりなる研磨剤を用いて上記金属膜を研磨し、次いで、比表面積が２０ｍ２／ｇ以上、８０ｍ２／ｇ未満のシリカを２〜２０重量％、シュウ酸を０〜０．１重量％及び酸化剤を０〜１０重量％含み、残部が水よりなる研磨剤を用いて金属膜及びバリア膜を同時研磨することを特徴とする研磨方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る研磨剤及び研磨方法を詳細に説明する。
【００１５】
本発明は、砥粒として比表面積が２０ｍ2／ｇ以上、８０ｍ2／ｇ未満の範囲、好ましくは、２５〜８０ｍ2／ｇにあるシリカを使用することが、それ自身の濃度、他の成分であるシュウ酸及び酸化剤の濃度を変えて、選択比を任意に調整するために重要である。例えば、上記比表面積の範囲の上限である８０ｍ2／ｇ以上のシリカを使用した場合、バリア膜及び絶縁膜の研磨速度が十分上がらず、金属膜とバリア膜、或いは、金属膜、バリア膜及び絶縁膜の研磨においては、殆ど使用することができない。また、２０ｍ2／ｇ未満のシリカを使用する場合は、シリカが沈降し易くなり、研磨剤の安定性が低下すると共に、スクラッチが増えることが懸念される。
【００１６】
また、砥粒として、シリカ以外の砥粒、例えば、アルミナを使用した場合は、上記問題に加えて、研磨傷（スクラッチ）の発生が多いという他の問題がある。ＣＭＰ研磨工程においてスクラッチが発生すると、デバイスの配線が断線したりショートしたりするため、デバイスの歩留まりを大幅に低下させる原因となる。
【００１７】
本発明に使用されるシリカは、前記比表面積を満足する範囲において、公知のものが特に制限なく使用される。例えば、火炎中で四塩化ケイ素やシラン系ガスを燃焼させて製造されるヒュームドシリカ、アルコキシシランを原料に用いて加水分解して製造されるゾル−ゲルシリカ（以下、高純度コロイダルシリカとも言う）、珪酸ソーダを原料にして鉱酸で中和して製造される湿式シリカ、同じく珪酸ソーダを原料にしてオストワルド法で製造されるコロイダルシリカなどが挙げられる。上記の中でも、高純度コロイダルシリカは純度が高い上に粒子の形状が球状のためにスクラッチが発生し難いなどの特徴を有しており、極めて好適である。
【００１８】
本発明の研磨剤における上記シリカの濃度は０．１〜２０重量％の範囲が好ましい。シリカの濃度が０．１重量％よりも小さいと、被研磨膜の研磨速度が低下する場合があり、２０重量％よりも大きい場合には、研磨剤がゲル化するなど安定性に問題が生じる場合がある。
【００１９】
本発明の研磨剤において、酸としてシュウ酸を使用することが極めて重要である。即ち、シュウ酸を使用することにより、金属膜の研磨速度を十分維持しながら、研磨がバリア膜に達した際における、金属膜の溶解を効果的に防止でき、前記絶縁膜凹部における金属膜のディッシングを防止することができる。
【００２０】
本発明の研磨剤において、上記シュウ酸の濃度は、０〜１重量％の範囲が好ましい。本発明の研磨剤は、前記シリカとの組み合わせにおいて、金属膜の研磨速度が研磨剤中のシュウ酸濃度に大きく依存する傾向にある。そのため、金属膜を研磨したい場合にはシュウ酸濃度を高めに設定し、金属膜の研磨速度を落としたいときにはシュウ酸濃度を低めに設定すれば良い。なお、シュウ酸濃度が１重量％を超えた場合には、金属膜に対する研磨速度が非常に大きくなり過ぎるため、研磨の制御が難しくなる傾向にある。
【００２１】
本発明において、酸化剤の種類は特に制限無く公知のものが使用できる。例えば、過酸化物、過塩素酸塩、過硫酸塩、酸化性金属塩、酸化性金属錯体などが挙げられるが、それらの中でも、取り扱いやすさ、純度等のうえで過酸化水素と過硫酸アンモニウムが好ましい。
【００２２】
また、本発明の研磨剤において、上記酸化剤の濃度は０〜１０重量％の範囲が好ましい。本発明の研磨剤は、前記シリカとの組み合わせにおいて、金属膜の研磨速度が研磨剤中の酸化剤濃度に大きく依存する傾向にある。そのため、金属膜を研磨したい場合には酸化剤の濃度を高めに設定し、金属膜の研磨速度を落としたいときには酸化剤の濃度を低めに設定すれば良い。
【００２３】
尚、酸化剤の濃度が１０重量％を越えても金属膜に対する研磨速度の向上効果はあまり見られない場合が多く、濃度の高い酸化剤を使用することは危険性の面でも問題があり、また廃水処理の負担が増えるなどの問題が生じることが懸念される。
【００２４】
本発明の研磨剤の使用において、各成分の添加順序は特に制限されるものではなく、使用時、即ち、研磨時に全成分が含まれていればよい。しかし、一般に、酸化剤は空気中に放置しておくと徐々に分解して、その酸化力が低下する場合が多いので使用時に添加することが望ましい。
【００２５】
なお、本発明の研磨剤は、酸化剤として過酸化水素を用いて金属膜を研磨した場合には、過酸化水素の濃度が０．２〜６重量％の範囲で金属膜の研磨速度がほぼ一定であるので、上述のように酸化剤が多少分解したとしても安定した研磨速度が得られるため、研磨速度の再現性、制御性の上で極めて好適に使用される。
【００２６】
本発明の研磨剤中のシリカは水中に良く分散している方が望ましいため予め調製しておく必要があるが、シュウ酸と酸化剤は少なくとも研磨するときに共存していれば良いので、研磨装置中または配管中で混合しても良い。
【００２７】
従って、シュウ酸と酸化剤に関しては、研磨工程中においてそれらの濃度を前記好適な範囲内で可変することによって、より高度な研磨を行うことも可能である。例えば、初期には比較的高濃度のシュウ酸と過酸化水素を添加して金属膜の研磨速度を高くし、終盤にはそれらの添加剤の両方もしくは一方の濃度を下げることによって研磨速度を下げるような態様も実施可能である。
【００２８】
そうすることによって、金属膜とバリア膜あるいはバリア膜と絶縁膜との選択比を最適な範囲に調整したり、配線パターンや電極上の金属膜の溶解性（ディッシング）を一層低下させることも可能である。
【００２９】
上記好適な研磨方法を示せば、半導体基板表面に金属配線用の凹部を有する絶縁膜を形成し、その上にバリア膜を介して該凹部を埋めるように金属膜を形成した後、金属膜及びバリア膜を研磨することにより除去して絶縁膜と凹部に存在する金属膜との平坦化された面を形成するに際し、シリカを０．１〜２０重量％、シュウ酸を０．１〜１重量％、酸化剤を０．１〜１０重量％含む本発明の研磨剤（以下、第一の研磨剤ともいう）を用いて上記金属膜を研磨し（以下、第一段研磨という）、次いで、シリカを２〜２０重量％、シュウ酸を０〜０．１重量％、酸化剤を０〜１０重量％含む本発明の研磨剤（以下、第二の研磨剤ともいう）を用いて金属膜及びバリア膜を同時研磨する（以下、第二段研磨という）ことを特徴とする研磨方法である。
【００３０】
また、上記研磨後、シリカを０．１〜２０重量％含み、シュウ酸と酸化剤を実質的に含まない、ｐＨ５〜９の範囲の本発明の研磨剤（以下、第三の研磨剤ともいう）を用いて金属膜、バリア膜及び絶縁膜を同時研磨する（以下、第三段研磨という）ことを特徴とする上記の研磨方法をも提供する。
【００３１】
上記のように、本発明の研磨剤は、同一成分内で、即ち、研磨剤成分を他の砥粒や酸等に変えることなく、各成分の濃度を変えることによって、前記研磨工程のあらゆる研磨にも対応することが可能であり、これにより、研磨工程を１台の研磨装置で連続的に、各成分の濃度を変えておこなうことができる。また、研磨後の廃水処理の面でも、同一の処理設備で、全ての工程からの廃液を処理することができ、工業的に有利である。
【００３２】
本発明の研磨方法において、半導体基板としては、ＩＣやＬＳＩなどの半導体デバイスに使用されるシリコン基板が代表的であるが、ゲルマニウムや化合物半導体などの半導体基板にも適用できる。
【００３３】
また、絶縁膜とは配線層間の電気的分離に用いられるものであって、絶縁性のものであれば特に制限はない。酸化シリコン膜（プラズマ−ＴＥＯＳ膜やＳＯＧ膜と呼ばれているものなど）や有機ＳＯＧ膜等が挙げられる。
【００３４】
更に、バリア膜は配線用金属の絶縁膜中への拡散を防止すると共に、金属膜の絶縁膜への密着性を良くするために絶縁膜と金属膜の間に形成される薄膜であって、タンタル膜、窒化タンタル膜、チタン膜、窒化チタン膜、窒化タングステン膜などが挙げられる。中でも、窒化タンタル膜が好適である。
【００３５】
更にまた、金属膜は、配線パターンや電極を形成するための配線材料であり、アルミニウム膜、銅膜、タングステン膜などが挙げられる。中でも、本発明は銅膜に対して特に有効である。
【００３６】
本発明の上記研磨方法を図２に従って詳細に説明する。
【００３７】
前記半導体基板表面に形成される絶縁膜に設けられる凹部Ａは、配線等を形成するために絶縁膜上に形成される溝や接続孔である。
【００３８】
先ず、(ａ)上記凹部Ａを有する絶縁膜２上に順次積層されたバリア膜３及び金属膜４を（ｂ）第一の研磨剤を使用して研磨する第一段研磨を実施することにより、金属膜４を研磨により除去する。
【００３９】
次いで、（ｃ）第二の研磨剤を使用してバリア膜と金属膜を同時研磨し、更に必要に応じて、第三の研磨剤を使用して金属膜、バリア膜及び絶縁膜を同時研磨する。
【００４０】
上記の第一段研磨においては、酸としてシュウ酸を、また、特定のシリカを使用する本発明の研磨剤を用いることにより、スクラッチやディッシングの発生を抑えながら金属膜を除去でき、バリア膜と金属膜とよりなる極めて平坦な表面を形成することができる。
【００４１】
ここで、第一段研磨においては、金属膜を比較的高い研磨速度で効率よく研磨することが望ましい。一般に、研磨すべき金属膜の厚みは５０００〜２００００オングストロームの範囲であるので、金属膜の研磨速度は３０００オングストローム／ｍｉｎ以上、好ましくは５０００オングストローム／ｍｉｎ以上が好適である。
【００４２】
そのため、第一の研磨剤としては、シリカを０．１〜２０重量％、好ましくは０．１〜５重量％、シュウ酸を０．１〜１重量％、酸化剤を０．１〜１０重量％含むものが好適に採用される。
【００４３】
上記第一段研磨により金属膜を除去した後の被研磨面には、バリア膜と凹部に埋められた金属膜が露出した状態で存在する。
【００４４】
尚、本発明の研磨剤は、第一段研磨時にシリカ濃度を変えることによって、金属膜とバリア膜との選択比を制御することが可能である。即ち、第一の研磨剤のシリカ濃度が２重量％未満においては、上記選択比は５０以上となり、バリア膜を停止層とした研磨が可能であり、また、シリカ濃度が２重量％以上の場合は、上記選択比は５０未満となり、金属膜に引き続き、バリア膜まで連続して研磨が可能である。
【００４５】
第二段研磨においては該被研磨面からバリア膜を除去する必要がある。また、第二段研磨においては、金属膜に対してバリア膜を同等以上の研磨速度で研磨した方がディッシングが発生し難いというメリットがある。従って、バリア膜に対する金属膜の選択比（金属膜／バリア膜研磨速度比）は１．２以下が好ましく、更に好ましくは１である。
【００４６】
なお、半導体基板上に形成するバリア膜の厚みは、一般的に１００〜５００オングストロームの範囲にあることが多いため、第二段研磨においてはバリア膜の研磨速度は１００〜１０００オングストローム／ｍｉｎの範囲、好ましくは２００〜５００オングストローム／ｍｉｎの範囲にある方が制御し易く、バリア膜の除去に要する時間は２分以内、好ましくは１分以内であることが更に好ましい。
【００４７】
上記研磨速度が１００オングストローム／ｍｉｎ未満では生産性が低下する場合があり、１０００オングストローム／ｍｉｎ以上ではバリア膜のみならず、その下部の絶縁膜または配線の金属膜まで研磨し過ぎてしまう場合があり、所望の位置で研磨を停止することが難しくなり、制御性が低下する場合がある。
【００４８】
上記要件を満たすために、第二の研磨剤として、シリカを２〜２０重量％、好ましくは５重量％を超え、１０重量％以下、シュウ酸を０〜０．１重量％、酸化剤を０〜１０重量％含むものを使用することが望ましい。そのうち、シュウ酸の濃度が上記範囲内で０重量％を超える場合、酸化剤の濃度は０〜０．２重量％とすることが好ましい。特に、シュウ酸を０重量％、酸化剤を０重量％で使用することは、続いて後記の第三段研磨に使用する第三の研磨剤に組成変更する際、シリカ濃度のみを調整して容易に上記変更ができるため好ましい。
【００４９】
前述したように、本発明の研磨剤は、金属膜の研磨速度が、上記構成成分の中でも、特にシュウ酸と酸化剤の濃度に大きく依存する傾向があるため、所望の選択比を得るためには、上記シュウ酸と酸化剤の濃度を上記範囲に調整すれば良い。また、本発明の研磨剤は、バリア膜の研磨速度が、シリカ濃度に依存する傾向があるため、所望の研磨速度を得るためには、上記シリカ濃度を上記範囲に調整すれば良い。そうすることによって、金属膜に対するバリア膜の選択比を所望の値に調節することができる。
【００５０】
また、上記第二の研磨剤は、第一の研磨剤に比べて、シュウ酸の濃度が低いため、凹部に埋め込んだ金属膜に対するディッシングがより一層起こり難いという特徴も有している。
【００５１】
本発明において、更に高度に平坦化された半導体基板表面を得るために、必要に応じて、金属膜、バリア膜、絶縁膜の三種類の膜をそれぞれほぼ等しい研磨速度で研磨する第三段研磨を実施することができる。かかる研磨に使用される第三の研磨剤は、金属膜、バリア膜及び絶縁膜をほぼ等しい研磨速度で研磨できることが好ましい。特に好ましくは、バリア膜に対する金属膜及び絶縁膜に対する金属膜との選択比（バリア膜／金属膜研磨速度比及び絶縁膜／金属膜研磨速度比）は、好ましくは、０．２〜５、更に好ましくは０．５〜２、特に、０．８〜１．２である。
【００５２】
上記第三の研磨剤の研磨速度は、金属膜、バリア膜、絶縁膜に対して、それぞれ、３０〜５００オングストローム／ｍｉｎの範囲、好ましくは５０〜３００オングストローム／ｍｉｎの範囲である。上記研磨速度が５００オングストローム／ｍｉｎを超えると、絶縁膜が研磨されすぎ、制御性が乏しくなることが懸念される。３０オングストローム／ｍｉｎ未満では時間がかかりすぎる場合がある。
【００５３】
上記要件を満足するために、シリカを０．１〜２０重量％、好ましくは０．１〜５重量％含み、シュウ酸と酸化剤を実質的に含まない、ｐＨが５〜９の範囲の第三の研磨剤が好適に採用できる。
【００５４】
本発明の研磨剤は、金属膜の研磨速度がシュウ酸と酸化剤の濃度に大きく依存するため、上記二つの構成成分を実質的に含まない方が研磨の制御性が高く、好ましい。また、シリカの濃度を調整することによって、金属膜、バリア膜、絶縁膜の研磨速度を調節可能である。
【００５５】
また、上記第三の研磨剤のｐＨは、５〜９の範囲、好ましくは６〜８の範囲にある場合には、金属膜が腐食され難く、好ましい。また、該ｐＨが上記範囲にある場合には、金属膜、バリア膜及び絶縁膜をほぼ同じ研磨速度で研磨できる傾向があり、好適である。研磨剤のｐＨが５未満では金属膜の研磨速度が、９を超えると絶縁膜の研磨速度が、バリア膜の研磨速度と比較してそれぞれ著しく高くなる場合がある。そのような場合には、金属膜や絶縁膜にディッシングが発生し易くなり、半導体基板表面の平坦性が低下する場合がある。
【００５６】
上述したような三段階の各研磨工程（１．金属膜の研磨。２．金属膜及びバリア膜の同時研磨。３．金属膜、バリア膜及び絶縁膜の同時研磨）において、本発明の研磨剤の各構成成分の濃度を調整し、且つ研磨時間を制御するには以下のような方法が挙げられる。一つは、各工程に必要な時間を予め計測しておき、各工程の時間毎に研磨剤の各構成成分の濃度を変えていく方法である。同一の半導体基板を繰り返し研磨する際には、上記方法でも十分制御可能である。もう一つの方法は、各種の原理を利用したエンドポイントディテクターを使用する方法である。エンドポイントディテクターには、研磨機の定盤のトルク（動力）の変化を検出するものや被研磨基板の表面状態を光学的に検出するものなど、多くの機種が市販されている。エンドポイントディテクターによって検出された信号を用いて、研磨剤の構成成分の濃度を変更するようにシーケンスを組むこともできる。
【００５７】
また、研磨剤の各構成成分の濃度を調整するには、各構成成分の濃度を調整した三種類の研磨剤を最初から準備しておき、各工程毎に切り替えて使用しても良いし、各構成成分毎に溶液を準備しておいて、各工程毎に、研磨装置中または配管中で所望の混合比で混合して使用しても良い。
【００５８】
【発明の効果】
以上の説明より理解されるように、本発明の研磨剤によれば、金属膜、バリア膜及び絶縁膜の研磨における選択比を任意に変え得ることのでき、金属膜、金属膜及びバリア膜を同時に研磨可能で、更に、金属膜、バリア膜及び絶縁膜をほぼ同等の研磨速度で研磨することもできる研磨剤である。
【００５９】
従って、研磨工程、研磨後の廃水処理工程等の簡略化を図ることができ、その工業的な寄与は極めて大きいものである。
【００６０】
また、本発明の第一の研磨剤は、金属膜を３０００オングストローム／ｍｉｎ以上の高い研磨速度で研磨でき、更に、金属膜に対する溶解性が低いという特徴を有している。
【００６１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。
【００６２】
（研磨試験）
金属膜として銅（Ｃｕ）膜、バリア膜として窒化タンタル（ＴａＮ）膜、絶縁膜として酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜が表面に形成された４インチのシリコンウェハを用いて研磨試験を行った。研磨パッドにはロデール・ニッタ製のＩＣ１０００／ＳＵＢＡ４００を用い、加工圧力３００ｇ／ｃｍ2、定盤回転数４０ｒｐｍ、研磨剤の滴下速度８０ｍｌ／ｍｉｎの条件で研磨試験を行い、研磨速度を求めた。
【００６３】
実施例１〜２４及び比較例１〜６
表１に示す各種のシリカと酸と過酸化水素水を表１に示す濃度となるように水に配合して研磨剤をそれぞれ調整し、研磨試験を実施した。
【００６４】
表１に示すコロイダルシリカは、純度分析の結果、Ｎａ、Ｋ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ等の不純物金属元素がすべて０．１ｐｐｍ以下であり、ＳＥＭ観察の結果、平均粒子径がそれぞれ約９０ｎｍと約４０ｎｍの単分散性の高い球状のシリカ粒子であった。また、上記シリカの代りに、アルミナを用いた研磨剤も同時に試験した。
【００６５】
研磨試験の結果として、各種膜の研磨速度、該研速度より計算される選択比を表２に示した。
【００６６】
尚、研磨後のウエハ表面を集光灯を用いて観察したところ、シリカを含む研磨剤で研磨したウエハよりもアルミナを含む研磨剤で研磨したウエハの方が、表面に多くのスクラッチが発生していることが確認できた。
【００６７】
以上の結果より、第一の研磨剤の砥粒としては比表面積２０ｍ2／ｇ以上、８０ｍ2／ｇ未満の範囲のシリカが有効であり、これにより、金属膜を高速で研磨でき且つバリア膜をも２００オングストローム／ｍｉｎ以上の好適な研磨速度で研磨できる点で優れていることがわかった。上記第一の研磨剤において、シリカ濃度が２重量％以下では、Ｃｕ／ＴａＮ比が５０以上となり、金属膜の選択研磨性にも優れていることがわかった。
【００６８】
また、Ｃｕ膜を効率良く研磨するためには、シリカ濃度は０．１重量％以上、シュウ酸濃度は０．１重量％以上、酸化剤濃度は０．１重量％以上であることが望ましいことがわかった。
【００６９】
第二の研磨剤において、ＴａＮ膜の研磨速度は、比表面積が２０ｍ2／ｇ以上、８０ｍ2／ｇ未満のシリカを用いた時に１００オングストローム／ｍｉｎ以上が達成できることがわかった。
【００７０】
尚、酸化剤として過酸化水素の代わりに過硫酸アンモニウムを使用した場合もＣｕ膜を５０００オングストローム／ｍｉｎ以上の研磨速度で研磨できることがわかった。
【００７１】
本発明の研磨剤において、酸の種類によってＣｕ膜の溶解速度は大きく依存することをが本発明者らの実験により確認された。実験は、酸による溶解速度のみを測定したが、その結果、硝酸３６１オングストローム／ｍｉｎ、塩酸３７８オングストローム／ｍｉｎ、硫酸４４１オングストローム／ｍｉｎ、酢酸５００オングストローム／ｍｉｎ以上、シュウ酸１４オングストローム／ｍｉｎ、コハク酸７１オングストローム／ｍｉｎ、クエン酸２２７オングストローム／ｍｉｎ、マロン酸２８４オングストローム／ｍｉｎであった。この結果より、シュウ酸は際だって溶解速度が低いことがわかる。参考のために、同様な試験を純水（ｐＨ７）中で行うとＣｕ膜の溶解速度は２オングストローム／ｍｉｎ程度であった。
【００７２】
以上のことから、酸の種類としてシュウ酸を使えばディッシングの起こり難い研磨ができることが確認できた。
【００７３】
【表１】
0004189079.tif 000002
【００７４】
【表２】
0004189079.tif 000003
【００７５】
実施例２５
シリコンウエハ表面に形成されたＳｉＯ2膜上に幅１００μｍの配線用溝が１００μｍの間隔で形成され、その上に厚さ約２００オングストロームのＴａＮ膜と厚さ約１．５μｍのＣｕ膜が順次積層されたＴＥＧウエハを用いて、そのシリコンウエハ表面をまず実施例１の研磨剤で１５０秒間研磨した。その結果、ＴａＮ膜の面より上にあるＣｕ膜が除去され、ＴａＮ膜と配線溝のＣｕ膜が露出した状態となった。続いて、実施例１６の研磨剤で３０秒間研磨を行ったところ、ＴａＮ膜が除去され、配線溝以外の部分のＳｉＯ2膜と配線溝のＣｕ膜が露出した状態になった。更に、実施例２３の研磨剤を用いて２０秒間研磨した。
【００７６】
研磨後のシリコンウエハ表面を電子顕微鏡で観察したところ、スクラッチやディッシングは全く見られず、配線溝以外の部分のＳｉＯ2膜と配線溝のＣｕ膜の表面にはほとんど段差は無く、平坦な表面が形成されていることが確認できた。
【００７７】
以上の結果より、本発明の研磨剤は、その構成成分であるシュウ酸と酸化剤、更にはシリカの濃度を調整することによって、金属膜、バリア膜及び絶縁膜の研磨速度を任意に変え得ることが確認できた。
【００７８】
また、上記構成成分の濃度を変化させるだけで、金属膜の研磨（第一段研磨）、金属膜及びバリア膜の研磨（第二段研磨）、更に金属膜、バリア膜及び絶縁膜の研磨（第三段研磨）を連続して行うことができるので生産性が極めて高いことがわかった。更にまた、本発明の研磨剤とそれを用いた本発明の研磨方法を採用することによって、極めて平坦な半導体基板表面が形成できることがわかった。
【００７９】
比較例７
実施例２５において、第一段研磨の酸をシュウ酸に代えて塩酸を使用した（ｐＨ２．０に調整）以外は同様にして研磨を行った。その結果、ＳＥＭでの観察により、ＳｉＯ2膜の配線溝に存在する金属膜の表面にディッシングが確認された。
【００８０】
また、上記酸をコハク酸、クエン酸、マロン酸に代えて同様の研磨を実施した結果、ＳＥＭでの観察により、ＳｉＯ2膜の配線溝に存在する金属膜の表面に同様なディッシングが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な研磨方法を示す概略図
【図２】本発明の研磨方法の代表的な態様を示す概略図
【符号の説明】
Ａ  凹部
１  半導体基板
２  絶縁膜
３  バリア膜
４  金属膜
【図１】
0004189079.tif 000004
【図２】
0004189079.tif 000005