(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の各種被膜を研磨開始から研磨終了までの間に研磨砥粒、酸化剤、界面活性剤および水を含み、かつ組成の異なる複数の研磨スラリーに切り替えて連続して化学機械研磨する方法であって、
前記各研磨スラリーは、前記各界面活性剤が同じイオン性を持ち、それらの中の研磨砥粒は互いに材料が異なると共に、各研磨砥粒が示すゼータ電位の極性が同一であることを特徴とする化学機械研磨方法。
【請求項２】
前記各研磨スラリーは、さらにキレート剤を含有することを特徴とする請求項１記載の化学機械研磨方法。
【請求項３】
前記各研磨スラリーは、さらにｐＨ調整剤を含有することを特徴とする請求項１または２記載の化学機械研磨方法。
【請求項４】
前記各種被膜のいずれか一つは、Ｃｕを有する膜であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の化学機械研磨方法。
【請求項５】
半導体基板上に各種被膜を形成する工程と、
前記各種被膜を研磨開始から研磨終了までの間に、研磨砥粒、酸化剤、界面活性剤および水を含み、かつ組成の異なる複数の研磨スラリーに切り替えて、連続して化学機械研磨を行う工程とを有し、
前記各研磨スラリーは、前記各界面活性剤が同じイオン性を持ち、それらの中の研磨砥粒は互いに材料が異なると共に、各研磨砥粒が示すゼータ電位の極性が同一であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記各研磨スラリーは、さらにキレート剤を含有することを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記各研磨スラリーは、さらにｐＨ調整剤を含有することを特徴とする請求項５または６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記各種被膜は、Ｃｕを有する膜および銅拡散膜であることを特徴とする請求項５ないし７いずれか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、半導体装置の製造工程に用いられる化学機械研磨（CMP; Chemical Mechanical Polishing）方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体装置の動作速度の向上化等を目的としてＡｌ配線層に比べてより低抵抗であるＣｕ配線層を用いることが検討され、一部実用化されている。このＣｕ配線層は、表面の段差を解消する目的でＣＭＰ方法により形成されている。具体的には、半導体基板上の絶縁膜に配線形状の溝を形成し、前記溝を含む前記絶縁膜上にＣｕ膜を堆積し、前記Ｃｕ膜を研磨砥粒、酸化剤および水を含む研磨スラリーとポリシング装置とを用いてＣＭＰ処理し、前記溝内のみにＣｕ膜を残存させて埋め込み配線層を形成する。
【０００３】
ところで、Ｃｕ配線層の形成において研磨開始から研磨終了までの間に前記研磨砥粒、酸化剤および水を含み、かつ組成の異なる複数の研磨スラリーに切り替えて連続してＣＭＰ処理することが行われている。具体的には、Ｃｕ膜を半導体基板の絶縁膜に形成した溝に堆積するに先立って、埋込まれたＣｕ配線からのＣｕの拡散を防止する目的でＴａＮのような銅拡散防止膜を堆積した場合、Ｃｕの研磨途中で銅拡散防止膜が表面に露出するため、Ｃｕ膜の研磨スラリーと異なる組成の研磨スラリーに切り替えることが行われている。
【０００４】
しかしながら、前記連続的なＣＭＰにおいて始めに使用する研磨スラリーと次に使用する研磨スラリーをそれぞれ単体で研磨を行っても支障がない場合でも、連続して研磨すると後続の研磨スラリー中の研磨砥粒が凝集して研磨面（例えばＣｕ膜表面）にスクラッチが生じる虞があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、連続的な研磨途中で組成の異なる研磨スラリーに切り替えてもその中の研磨砥粒の凝集を防止することが可能な化学機械研磨方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る化学機械研磨方法は、基板上の各種被膜を研磨開始から研磨終了までの間に研磨砥粒、酸化剤、界面活性剤および水を含み、かつ組成の異なる複数の研磨スラリーに切り替えて連続して化学機械研磨する方法であって、
前記各研磨スラリーは、前記各界面活性剤が同じイオン性を持ち、それらの中の研磨砥粒は互いに材料が異なると共に、各研磨砥粒が示すゼータ電位の極性が同一であることを特徴とするものである。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に各種被膜を形成する工程と、
前記各種被膜を研磨開始から研磨終了までの間に、研磨砥粒、酸化剤、界面活性剤および水を含み、かつ組成の異なる複数の研磨スラリーに切り替えて、連続して化学機械研磨を行う工程とを有し、
前記各研磨スラリーは、前記各界面活性剤が同じイオン性を持ち、それらの中の研磨砥粒は互いに材料が異なると共に、各研磨砥粒が示すゼータ電位の極性が同一であることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る化学機械研磨方法を詳細に説明する。
【０００８】
この化学機械研磨方法は、基板上の各種被膜を研磨開始から研磨終了までの間に研磨砥粒、酸化剤および水を含み、かつ組成の異なる複数の研磨スラリーに切り替えて連続して化学機械研磨するに際し、前記各研磨スラリーとしてそれらの中の研磨砥粒がスラリー中で示すゼータ電位の極性を同一にしたものを用いる。
【０００９】
前記基板上の各種被膜としては、例えばＣｕ膜、Ｃｕ合金膜、またはＴａＮ、ＴａＮｂ、Ｗ，ＷＮ，ＴａＮ，ＴａＳｉＮ，Ｔａ，Ｃｏ，Ｚｒ，ＺｒＮおよびＣｕＴａ合金から選ばれる１層または２層以上の銅拡散防止膜等を挙げることができる。
【００１０】
前記研磨スラリー中の研磨砥粒としては、例えばシリカ（コロイダルシリカを含む）、アルミナ（コロイダルアルミナを含む）、酸化セリウム等を挙げることができる。
【００１１】
前記各研磨スラリー中の前記酸化剤としては、例えば過酸化水素（Ｈ2 Ｏ2 ）、次亜塩素酸ソーダ（ＮａＣｌＯ）等を用いることができる。
【００１２】
前記各研磨スラリー中には、さらに両性イオン性、陰イオン性、陽イオン性の界面活性剤が添加されることを許容する。このような界面活性剤の使用においては、同じイオン性を持つものが選ばれる。前記両性イオン性界面活性剤としては、例えばイミダゾリベタイン等を挙げることができる。前記陰イオン性界面活性剤としては、例えばドデシル硫酸ナトリウム、ドデシル硫酸アンモニウム等を挙げることができる。前記陽イオン性界面活性剤としては、例えばステアリントリメチルアンモニウムクロライド等を挙げることができる。
【００１３】
前記各研磨スラリー中には、さらにキレート剤が添加されることを許容する。このキレート剤としては、各種の有機酸を用いることができるが、特に各種被膜としてＣｕ膜またはＣｕ合金膜を用いる場合には２−キノリンカルボン酸（キナルジン酸）、２−ピリジンカルボン酸、２，６−ピリジンカルボン酸、キノン等が好ましい。
【００１４】
前記各研磨スラリー中には、さらに乳酸等のｐＨ調整剤が添加されることを許容する。
【００１５】
前述したＣＭＰにあたっては、例えば図１に示すポリシング装置が用いられる。すなわち、ターンテーブル１上には例えば布、独立気泡を有するポリウレタン発泡体から作られた研磨パッド２が被覆されている。研磨スラリーを供給するための供給管３は、前記研磨パッド２の上方に配置されている。上面に支持軸４を有する基板ホルダ５は、研磨パッド２の上方に上下動自在でかつ回転自在に配置されている。
【００１６】
このようなポリシング装置において、前記ホルダ５により基板６をその研磨面（被膜）が前記研磨パッド２に対向するように保持し、前記供給管３から前述した組成の研摩スラリー７を供給しながら、前記支持軸４により前記基板６を前記研磨パッド２に向けて所望の加重を与え、さらに前記ホルダ５および前記ターンテーブル１をそれぞれ同方向に回転させることにより前記基板６上の被膜が研磨される。
【００１７】
本発明に係る化学機械研磨方法は、次のような半導体装置の製造方法に適用することができる。
【００１８】
まず、半導体基板上の絶縁膜に配線層の形状に相当する溝およびビアフィルの形状に相当する開口部から選ばれる少なくとも１つの埋込み用部材を形成する。この埋込み用部材の内面を含む前記絶縁膜上に銅拡散防止膜を形成する。この銅拡散防止膜上に銅または銅合金からなる配線材料膜を形成する。研磨砥粒と酸化剤と水とを含有する第１研磨組成物を用いて前記配線材料膜を研磨する。この研磨過程で前記銅拡散防止膜が露出する直前もしくは直後に表面が前記第１研磨組成物により濡れた状態で研磨砥粒と酸化剤と水とを含有する第２研磨組成物に切り替えて前記銅拡散防止膜を研磨して前記埋込み部材内に前記銅拡散防止膜で覆われた状態で埋込まれた配線層（またはビアフィル）を形成する。このような配線層等の形成において、第２研磨スラリーとしてその研磨砥粒が示すゼータ電位と前記第１研磨スラリー中で研磨砥粒が示すゼータ電位とが同一極性で、かつ前記第１研磨組成物中の酸化剤より多い量の酸化剤を含む組成のものを用いる。
【００１９】
前記銅拡散防止膜としては、例えばＴａＮ、ＴａＮｂ、Ｗ，ＷＮ，ＴａＮ，ＴａＳｉＮ，Ｔａ，Ｃｏ，Ｚｒ，ＺｒＮおよびＣｕＴａ合金から選ばれる１層または２層以上のものを挙げることができる。
【００２０】
前記第１，第２の研磨スラリー中の研磨砥粒、酸化剤は、前述したのと同様なものを用いることができる。
【００２１】
前記第１，第２の研磨スラリー中には、さらに前述した両性イオン性、陰イオン性、陽イオン性の界面活性剤、キレート剤、ｐＨ調整剤が添加されることを許容する。
【００２２】
前記第１研磨スラリーは、ＣｕまたはＣｕ合金の配線材料膜に対した高い研磨性を示し、前記第２研磨スラリーは配線材料膜と銅拡散防止膜の両者を略同じ速度で研磨する性質を有する。
【００２３】
前記配線材料膜、配線材料膜と銅拡散防止膜の研磨にあたっては、前述したポリシング装置が用いられる。
【００２４】
以上説明した本発明に係る化学機械研磨方法は、基板上の各種被膜を研磨開始から研磨終了までの間に研磨砥粒、酸化剤および水を含み、かつ組成の異なる複数の研磨スラリーに切り替えて連続して化学機械研磨するに際し、前記各研磨スラリーとしてそれらの中の研磨砥粒がスラリー中で示すゼータ電位の極性を同一にしたものを用いる。
【００２５】
このような方法によれば、研磨開始から研磨終了までの間に複数の研磨スラリーに切り替えて連続的に研磨するに際し、研磨砥粒がスラリー中で示すゼータ電位の極性を同一にした研磨スラリーを用いることによって、初期研磨後の第２研磨以降において研磨スラリー中の研磨砥粒の凝集を防止できるため、基板上の各種被膜にスクラッチが発生するのを防止できる。
【００２６】
【実施例】
以下、好ましい実施例を詳細に説明する。
【００２７】
下記表１に示す組成、ｐＨおよびゼータ電位（研磨砥粒がスラリー中で示すゼータ電位）を有する４種の研磨スラリーＡ〜研磨スラリーＤを調製した。
【００２８】
【表１】
0004077192.tif 000002
【００２９】
（実施例１）
まず、表面に厚さ１０００ｎｍのＣｕ膜を成膜した８インチシリコンウェハ（シリコン基板）を用意した。
【００３０】
次いで、前述した図１に示すポリシング装置のホルダ５により前記基板６をそのＣｕ膜が研磨パッド２に対向するように保持し、供給管３から前記表１の研磨スラリーＡを２００ｃｃ／分を供給しながら、支持軸４により前記基板６を前記研磨パッド２に向けて２００ｇ／ｃｍ2の荷重を与え、さらに前記ホルダ５および前記ターンテーブル１をそれぞれ６０ｒｐｍ，６３ｒｐｍの速度で同方向に回転させることにより前記基板６上Ｃｕ膜を３０秒間研磨した（第１研磨）。つづいて、供給管３から前記研磨スラリーＡの供給を停止し、供給管３から前記表１に示す研磨スラリーＣを研磨スラリーＡが付着された研磨パッド２に供給しながら、同様な条件で前記基板６のＣｕ膜を３０秒間研磨した（第２研磨）。その後、純水ブラシで１分間洗浄した後に２０００ｒｐｍの条件でスピン乾燥を行った。
【００３１】
（実施例２）
第１研磨を前記表１に示す研磨スラリーＢ、第２研磨を前記表１に示す研磨スラリーＤを用いて行った以外、実施例１と同様な条件で基板表面のＣｕ膜を連続して研磨し、洗浄、乾燥した。
【００３２】
（比較例１）
第１研磨を前記表１に示す研磨スラリーＡ、第２研磨を前記表１に示す研磨スラリーＢを用いて行った以外、実施例１と同様な条件で基板表面のＣｕ膜を連続して研磨し、洗浄、乾燥した。
【００３３】
（比較例２）
第１研磨を前記表１に示す研磨スラリーＡ、第２研磨を前記表１に示す研磨スラリーＤを用いて行った以外、実施例１と同様な条件で基板表面のＣｕ膜を連続して研磨し、洗浄、乾燥した。
【００３４】
実施例１，２および比較例１，２の連続研磨後にＣｕ膜表面の１μｍ以上のスクラッチを検査装置（KLA-Tencor社製商品名;SFS6420）と電子顕微鏡を用いて調べた。その結果を下記表２に示す。
【００３５】
【表２】
0004077192.tif 000003
【００３６】
前記表２から明らかなように第１，第２のＣｕ研磨においてゼータ電位の極性が異なる研磨スラリーを用いる比較例１，２では連続研磨後のＣｕ膜表面のスクラッチ数が３５，１８と多くなることがわかる。これに対し、第１，第２のＣｕ研磨においてゼータ電位の極性が同じ研磨スラリーを用いる実施例１，２では連続研磨後のＣｕ膜表面のスクラッチ数が１以下と優れた研磨特性を示すことがわかる。
【００３７】
（実施例３）
まず、図２の（Ａ）に示すように表面に図示しないソース、ドレイン等の拡散層が形成されたシリコン基板１１上にＣＶＤ法により層間絶縁膜としての例えば厚さ１０００ｎｍのＳｉＯ2 膜１２を堆積した後、前記ＳｉＯ2 膜１２にフォトエッチング技術により配線層に相当する形状を有する深さ５００ｎｍの複数の溝１３を形成した。つづいて、図２の（Ｂ）に示すように前記溝１３を含む前記ＳｉＯ2 膜１２上にスパッタ蒸着により厚さ１５ｎｍのＴａＮからなる銅拡散防止膜１４および厚さ６００ｎｍのＣｕ膜１５をこの順序で形成した。
【００３８】
次いで、前述した図１に示すポリシング装置の基板ホルダ５に図２の（Ｂ）に示す基板１１を逆さにして保持し、前記ホルダ５の支持軸４により前記基板をターンテーブル１上のローデル社製商品名；ＩＣ１０００からなる研磨パッド２に５００ｇ／ｃｍ2 の荷重を与え、前記ターンテーブル１およびホルダ５をそれぞれ１０３ｒｐｍ、１００ｒｐｍの速度で同方向に回転させながら、第１研磨スラリーを供給管３から５０ｍｌ／分の速度で前記研磨パッド２に供給して前記基板１１に形成したＣｕ膜１５を前記ＳｉＯ2 膜１２上の前記銅拡散防止膜１４の表面が露出するまで研磨した。ここで、前記第１研磨スラリーとして２−キノリンカルボン酸（キナルジン酸）０．５７重量％、過酸化水素３．７８重量％、アルミナ１．０９重量％、乳酸０．６７重量％、ドデシル硫酸アンモニウム１．００重量％および水の組成（ｐＨ；３、ゼータ電位；−２０ｍＶ）を有するものを用いた。
【００３９】
次いで、前記供給管３から前記第１研磨スラリーの供給を停止し、供給管３から下記組成の第２研磨スラリーを第１研磨スラリーが付着された研磨パッド２に供給しながら、同様な条件で前記基板１１の銅拡散防止膜およびＣｕ膜を連続的に研磨した。ここで前記第２研磨スラリーとして２−キノリンカルボン酸０．５７重量％、過酸化水素４．６７重量％、コロイダルシリカ５．０重量％、乳酸０．６７重量％、ドデシル硫酸アンモニウム１．００重量％および水の組成（ｐＨ；３、ゼータ電位；−２５ｍＶ）を有するものを用いた。このような第２研磨スラリーによる研磨によって、図２の（Ｃ）に示すように前記溝１３内に銅拡散防止膜１４が残存すると共に、前記銅拡散防止膜１４で覆われた前記溝１３内に前記ＳｉＯ2 膜１２表面とほぼ面一な埋め込みＣｕ配線層１６が形成された。
【００４０】
また、前記Ｃｕ配線層１６表面を検査装置（KLA-Tencor社製商品名;SFS6420）と電子顕微鏡を用いて調べたところ、前記Ｃｕ配線層１６表面へのスクラッチの発生は殆ど認められなかった。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、連続的な研磨途中で組成の異なる研磨スラリーに切り替えてもその中の研磨砥粒の凝集を防止して研磨表面へのスクラッチの発生を防止することが可能な化学機械研磨方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の研磨工程に使用されるポリシング装置を示す概略図。
【図２】本発明の実施例３における半導体装置の製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
１…ターンテーブル、
２…研磨パッド、
３…供給管、
５…ホルダ、
１１，…シリコン基板、
１３…溝、
１４…銅拡散防止膜、
１５…Ｃｕ膜、
１６…Ｃｕ配線層。
【図１】
0004077192.tif 000004
【図２】
0004077192.tif 000005