(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅のパシベーション・ドメインのｐＨと酸化還元電位を持つよう形成されている第１研磨組成を用いて、第１プラテン上で基板表面を研磨し、第１除去速度で銅層または銅合金層を低減するステップ（ａ）と、
第２プラテン上で基板を研磨し、前記第１除去速度よりも遅い第２除去速度で前記銅層または銅合金層を除去するステップ（ｂ）と、
を備える、バリア層上に堆積された銅層または銅合金層を含有する基板表面の平坦化方法。
【請求項２】
前記第１研磨組成は、０．５重量％〜１０重量％の酸化剤、０．０５重量％〜０．２０重量％の抑制剤、０．５重量％〜５．０重量％の間の第１のキレート剤、３．０重量％〜１５．０重量％の間の第２のキレート剤、及び、バランスの純水を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１研磨組成は、ｐH５〜８である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
第２研磨組成を用いて、前記第２プラテン上で基板を研磨し、前記第２研磨組成は、０．３重量％〜６．０重量％の酸化剤、０．０３重量％〜０．５重量％の抑制剤、０．２５重量％〜５．０重量％の第３のキレート剤、１．０重量％〜６．０重量％の第４のキレート剤、及び、バランスの純水を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記第２研磨組成は、ｐH５〜８である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
第３プラテン上で前記バリア層を除去することをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１除去速度が毎分５，０００Åよりも速く、前記第２除去速度が毎分２５０Å〜毎分３，０００Åの間である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記バリア層がタンタル（Ｔａ）またはタンタル窒化物（ＴａＮ）を備え、誘電物質の上に堆積される、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記ステップ（ｂ）が、１００：１よりも高い、銅：バリア層の選択性をもって遂行される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ステップ（ｂ）が、密な配列中のディッシングが６００Å以下である条件下で遂行される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）が、前記第１および第２プラテン上にそれぞれ取り付けられた、回転研磨パッド、静止研磨パッド、またはリニア固定砥粒研磨パッド上で、砥粒フリーの複数の化学薬品を使用して遂行される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１および第２プラテンが、前記ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）中に、６０ｒｐｍ未満で回転されるか、あるいは前記第１および第２プラテンにそれぞれ配置された第１および第２ベルトが、毎秒３０インチ未満の速度で直線的に移動される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ステップ（ａ）の完了時で、前記第２プラテン上での前記ステップ（ｂ）開始前と、前記第２プラテン上での前記ステップ（ｂ）完了点で、別のプラテン上でのバリア層除去の開始前に、前記基板表面および／または前記研磨パッドを洗浄することをさらに備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の化学薬品を再利用することをさらに備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の化学薬品が前記研磨パッドまたは前記基板表面に、毎分３００ミリリットル以上の流速で供給される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板表面のある静的除去速度が、毎分２００Å以下である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記研磨パッドまたは前記基板表面を、前記ステップ（ａ）終了後、前記ステップ（ｂ）開始前に、抑制剤にさらすことをさらに備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記研磨パッドまたは前記基板表面を、前記ステップ（ｂ）終了後、前記バリア層の除去開始前に、抑制剤にさらすことをさらに備える、請求項６に記載の方法。
【請求項１９】
前記研磨パッドまたは前記基板表面を、前記ステップ（ａ）終了後、前記ステップ（ｂ）開始前に、抑制剤にさらし、前記研磨パッドまたは前記基板表面を、前記ステップ（ｂ）終了後に、抑制剤にさらし、前記複数の化学薬品を再循環することをさらに備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
前記研磨パッドの温度が、５０℃以下である、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
前記固定砥粒研磨パッドが、７５ミクロン〜１５０ミクロンの間の直径と、前記基板表面との１０％〜２５％の間の接触面積比を有する砥粒ポストを備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項２２】
前記砥粒ポストが４０ミクロン以下の厚さを持つ支持シートに付着されている、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ステップ（ｂ）が、０．２重量％〜１．０重量％の間の抑制剤を有する化学薬品を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記バリア層が前記基板表面から、１０：１よりも大きいバリア層対誘電層比で除去される、請求項８に記載の方法。
【請求項２５】
前記ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）の間、前記第１および第２プラテンを、６０ｒｐｍ未満でそれぞれ回転するか、あるいは前記第１および第２ベルトを、毎秒３０インチで直線的に移動して、ここで前記研磨パッドの温度を５０℃以下にすることにより、密な配列中のディッシングを制御する工程、を更に備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
前記ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）の間、少なくとも毎分３００ミリリットルの流速で、前記研磨パッドまたは前記基板表面に前記化学薬品を供給し、前記化学薬品中の抑制剤の量を制御して、毎分２００Å以下の前記基板表面の静的除去速度を提供することにより、粒子の除去を制御する工程を更に備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
前記ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）の間、前記第１および第２プラテンを、６０ｒｐｍ未満でそれぞれ回転するか、あるいは前記第１および第２ベルトを、毎秒３０インチで直線的に移動して、ここで前記研磨パッドの温度を５０℃以下にすることにより、密な配列中のディッシングを制御する工程、前記ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）の間、少なくとも毎分３００ミリリットルの流速で、前記研磨パッドまたは前記基板表面に前記化学薬品を供給し、前記化学薬品中の抑制剤の量を制御して、毎分２００Å以下の前記基板表面の静的除去速度を提供することにより、粒子の除去を制御する工程を更に備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
コンピュータに基礎付けられた制御システムが使用されて、前記基板表面の平坦化方法のステップを順序付け及び制御する、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
第１研磨組成を用いて、第１プラテン上で基板表面を研磨し、第１除去速度で銅層または銅合金層を低減するステップ（ａ）と、
第２プラテン上で基板を研磨し、前記第１除去速度よりも遅い第２除去速度で前記銅層または銅合金層を除去するステップ（ｂ）と、
を実行する研磨システムを、命令は、１つ以上のプロセッサにより命令が実行されるときに、１つ以上のプロセッサに制御させるように、取り決められており、前記第１研磨組成は、銅のパシベーション・ドメインのｐＨと酸化還元電位を持つよう形成されている、前記基板表面を平坦化するための命令を保持するコンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
関連出願
本出願は、１９９９年１２月２１日に提出され、ここに参照して具体化されている、同時係属する米国特許出願番号０９／４６９，７０９［ＡＭＡＴ／３７８６］の一部継続出願である。
【０００２】
発明の分野
本発明は、平坦性が改善された半導体デバイスにおける、銅（Ｃｕ）および／または銅合金のメタライゼーションに関係する。
【０００３】
関連技術の背景
超大規模集積回路半導体の配線に関する、高密度化および高性能化への要求の高まりにより、相互接続技術における敏感な変化が求められている。このような要求の高まりに対し、ＲＣ（抵抗と静電容量）の低い相互接続パターンを提供するという観点から要求を満たすことは困難であることがわかっており、特に、サブミクロンのバイア、コンタクト、トレンチが、小型化によって高アスペクト比とされるような適用においては困難である。
【０００４】
従来の半導体デバイスは、通常ドープされた単結晶シリコンである半導体基板と、複数の連続形成された誘電層および導電パターンを備える。集積回路は、相互配線スペースにより隔てられた導電ラインからなる複数の導電パターンと、複数の相互接続ラインを含有して形成される。通常、異なる層の導電パターンは、すなわちバイアホールを充填する導電プラグにより電気的に接続され、一方、コンタクトホールを充填する導電プラグが、ソース／ドレイン領域などの半導体基板上の能動領域との電気的接触を確立する。導電性ラインは、半導体基板に対して通常ほぼ水平に広がるトレンチ中に形成される。５つ以上のメタライゼーションのレベルを備える半導体「チップ」は、デバイス幾何がサブミクロンレベルに縮小されるにつれ、さらに一般的になっている。
【０００５】
バイアホールを充填する導電性プラグは通常、少なくとも１つの導電パターンを備える導電層上に誘電層を堆積し、従来の露光とエッチング技術によって誘電層を貫く開口を形成し、開口を、タングステン（Ｗ）などの導電性物質により充填することによって形成される。中間誘電層表面上の余分な、あるいは堆積しすぎた導電物質は、通常、化学機械研磨（ＣＭＰ）によって除去される。このような方法の１つがダマシンとして知られており、基本的に中間誘電層中に開口を形成し、開口を金属で充填することを含有する。デュアル・ダマシン技術には、下コンタクトあるいは、上トレンチ部と連絡するバイアホール部を備える開口を形成することを包含する。開口全体が、通常は金属である導電性物質により充填され、導電ラインと電気的に接触する導電性プラグが同時に形成される。
【０００６】
銅（Ｃｕ）および銅合金は、相互接続メタライゼーションにおけるアルミニウム（Ａｌ）の交換候補として非常に注目されている。銅および銅合金は比較的安価であり、処理が容易で、アルミニウムよりも抵抗が低い。さらに銅および銅合金はタングステン（Ｗ）に対する電気的特性が向上していることから、銅および銅合金は、導電配線としても導電プラグとしても使用に望ましい金属となっている。
【０００７】
銅および銅合金のプラグおよび配線を形成する接近法は、ダマシン構造の使用を備える。しかし、酸化シリコンなど誘電層物質中を銅が拡散するため、銅相互接続構造に対する拡散バリア層が、銅または銅合金の相互接続構造と、周囲の誘電物質との間に備えられる。典型的な拡散バリア金属として、銅および銅合金用には、タンタル（Ｔａ）、タンタル窒化物（ＴａＮ）、チタン窒化物（ＴｉＮ）、チタン−タングステン（ＴｉＷ）、タングステン（Ｗ）、タングステン窒化物（ＷＮ）、チタン−チタン窒化物（Ｔｉ−ＴｉＮ）、チタン・シリコン窒化物（ＴｉＳｉＮ）、タングステン・シリコン窒化物（ＷＳｉＮ）、タンタル・シリコン窒化物（ＴａＳｉＮ）およびシリコン窒化物が含まれる。これらの、銅を包むバリア金属の使用は、銅と中間誘電層間の境界に限られるものではなく、他の金属との境界も含まれる。
【０００８】
従来の研磨技術において、基板キャリア・アセンブリは、研磨装置中の研磨パッドに接触しながら回転される。研磨パッドは回転する回転台またはプラテン上に取り付けられるか、あるいは静止した研磨台の上で、外部駆動力により駆動されて移動する。基板は通常、制御可能な圧力を提供するキャリア上に取り付けられ、その圧力により、基板が研磨パッドに向けて促される。このようにＣＭＰ装置は、各薄い半導体基板と研磨パッドの間に研磨または摩擦の動作をもたらし、一方で基板と研磨パッド間に力を加えている間、化学的および機械的両方に活性をもたらすために、反応性溶液中に砥粒粒子入りもしくは砥粒粒子フリーの研磨化学薬品を分散させる。
【０００９】
研磨スラリー処理に採用される従来の研磨パッドは、通常ポリウレタンなどの溝付きの多孔性ポリマー表面と研磨スラリーを備えており、研磨スラリーは研磨を受ける特定の物質に応じて異なる。基本的に、研磨スラリーはポリマー表面の微細孔に含浸され、一方で溝が研磨スラリーを、研磨を受けている基板へ運ぶ。ＣＭＰスラリー処理に使用する研磨パッドが、Ｋｒｙｗａｎｃｚｙｋらにより米国特許５，８４２，９１０中に開示されている。
【００１０】
上述の研磨スラリータイプの研磨パッドとは極めて異なるタイプの砥粒用品は、たとえば固定砥粒研磨パッドなどの固定砥粒用品である。そのような固定砥粒用品は、通常、複数の幾何学的な砥粒構成要素が付着された支持シートを備える。砥粒要素は通常、たとえばポリマー製バインダなどのバインダ中に複数の砥粒粒子を備える。固定砥粒用品を採用して研磨する間に、基板、あるいはＣＭＰを受けている基板が固定砥粒用品を磨耗するため、持続して砥粒粒子が露出される。したがって固定砥粒用品を採用する研磨中、化学的活性を与えるために化学薬品が分散され、一方、固定砥粒要素および、研磨を受けている基板との磨耗により露出した砥粒粒子によって、機械的活性が備えられる。固定砥粒用品は、Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄらにより米国特許番号５，６９２，９５０に、Ｃａｌｈｏｕｎにより米国特許番号５，８２０，４５０に、Ｈａａｓらにより米国特許番号５，４５３，３１２に、およびＨｉｂｂａｒｄらにより米国特許番号５，４５４，８４４に開示されている。
【００１１】
ダマシン埋め込みの研磨によるように、銅または銅合金の表面を平坦化して高度の表面平坦性を実現することは極めて困難であり、特に、銅または銅合金特徴の高密度配列と基板表面フィールドにわたって広がる表面を横切る場合に困難である。銅または銅合金の特徴の高密度配列は、一般に酸化シリコン層などの誘電層中に、始めにトレンチを形成するダマシン技術により形成される。次に、たとえばタンタル（Ｔａ）、タンタル窒化物（Ｔａ）など、タンタル含有層などのバリア層が、トレンチの露出表面上と誘電層の上面に正角に堆積される。次に銅または銅合金が、電気めっき、無電解めっき、物理気相成長法（ＰＶＤ）または化学気相成長法（ＣＶＤ）などにより、バリア層上に通常約８，０００Å〜約１８，０００Åの膜厚で堆積される。
【００１２】
その後、研磨が行なわれ、銅または銅合金の過剰分を除去してバリア層の上で止まり、続いて化学薬品と砥粒粒子の混合物を採用してバリア層が除去され、銅または銅合金とバリア層が除去されて誘電層が出される。銅または銅合金の過剰分は、基板表面上に形成された特徴を充填するのに必要な量よりも多く、基板上に堆積された材料である。
【００１３】
銅のメタライゼーション処理後、基板表面の平坦化においては、一般に侵食やディッシングを受ける。ディッシングとは、基板表面上に形成された特徴の銅および銅合金層中に、くぼみや陥没など、地形的な欠陥が形成されることである。さらにディッシングの結果、表面が平坦でなくなり、続く露光ステップ中、高解像度の線を印刷する能力が損なわれ、その後の基板の表面幾何およびデバイス形成に悪影響を及ぼす。ディッシングはまた、銅のような高伝導性物質を使用する利点に反し、デバイスのコンダクタンスを下げ、抵抗を上げることによりデバイス性能に悪影響を及ぼす。ディッシングはさらに、続く研磨ステップにおけるバリア層の除去を不均一に導き得る。侵食とは、基板表面上に形成された特徴を囲む誘電物質を、余計に除去してしまうことである。
【００１４】
基板表面の侵食やディッシングを最小限にするか低減させ、それにより高度の表面平坦性を実現する、高い生産スループットの、銅または銅合金を研磨することが必要とされている。
【００１５】
【発明の概要】
発明の態様は一般に、表面欠陥や表面腐食の低減された、銅および銅合金などの金属の平坦化を含む、基板表面の平坦化の方法および構成を提供する。
【００１６】
１態様において、本発明は基板表面の平坦化方法を提供し、該方法は第１プラテン上の基板表面を研磨して、ここに堆積された銅層または銅合金層を第１除去速度で低減することと、第２プラテン上の基板を研磨して、第１除去速度よりも低い第２除去速度で銅層または銅合金層を除去することを備える。
【００１７】
別の態様において、コンピュータ可読媒体が備えられ命令を保持し、命令は、１つ以上のプロセッサにより命令が実行されるときに、１つ以上のプロセッサに、研磨システムを、第１プラテン上で第１除去速度で基板表面を研磨するよう制御させ、次に第２プラテン上で第１除去速度よりも低い第２除去速度で基板表面を研磨するよう制御させるように、取り決められている。
【００１８】
好適実施形態の詳細な説明
ここに記述される本発明の実施形態は、サブミクロン領域の特徴寸法を持つ、信頼性ある相互接続パターンへの要求の高まりに応じて、銅または銅合金含有の特徴を持つ基板表面を、高い生産スループットで、侵食やディッシングを低減または最小限にして効果的に平坦化することが可能である。本開示全体に使用されるように、銅（Ｃｕ）は、高純度元素の銅と共に、たとえば少なくとも８０重量．％の銅を含有する銅ベース合金のような、銅ベース合金も網羅するものとする。
【００１９】
ここに記述される発明の実施形態は、最小限または低減されたディッシングおよび侵食で、連続研磨ステップを含むマルチステップ処理に有利に使用可能である。研磨ステップはバリア層上で停止でき、また固定砥粒研磨技術において使用されてよい。その後、バリア層を除去する研磨ステップで、研磨スラリーを使用できる。
【００２０】
本発明のマルチステップ方法論は、銅または銅合金の特徴、たとえばオープン・フィールドに隣接するラインなどの密な配列を平坦化する際の、侵食やディッシングに強い影響を与える因子の研究から由来している。「密な配列」という表現には、約１００ミクロン未満の様々な距離により隔てられた金属特徴を網羅するものとし、一方「オープン・フィールド」という表現には、約１００ミクロンを超えて広がる金属特徴のないフィールドを網羅するものとする。
【００２１】
本発明の実施形態は、銅または銅合金の過剰分の大部分を除去するために、第１除去速度で基板表面を研磨し、第１除去速度よりも低い第２除去速度で基板表面を研磨することを備える、マルチステップ処理を含む。第２除去速度を持つ研磨技術は、後のバリア層に対して高い選択性を持ち、バリア層上で停止できる。
【００２２】
研磨ステップは第１および第２の、回転プラテン、静止プラテン、またはリニア・プラテンのそれぞれの上で遂行され、  両方の研磨処理で固定砥粒研磨パッドか、砥粒入りまたは砥粒フリーの化学薬品を使用した従来の非固定砥粒研磨パッドを採用している。ここに記述された処理にしたがって、基板表面を研磨できる適切な化学機械研磨装置の例が図５に示され、また以下により詳細に記述される。
【００２３】
タンタルやタンタル窒化物などのバリア層物質は、第３の回転研磨パッド、静止研磨パッド、または研磨スラリーを用いたリニア研磨パッド上で除去され得る。適したバリア除去技術が、１９９９年９月２２日提出の同時係属する米国特許出願連番０９／４０１，６４３と、２０００年５月１１日に提出の同時係属する米国特許出願連番０９／５６９，９６８に開示されており、開示全体がここに、発明に矛盾しない範囲で参照して具体化されている。誘電層は、基板表面のスクラッチや欠陥を低減、もしくはなくすために、バフ研磨されてよい。
【００２４】
ここに記述されている処理の実施形態を、マルチステップ処理によって銅または銅合金の金属膜を平坦化するために使用して、基板表面の侵食およびディッシングを最小限にするまたは低減することができる。基板表面の侵食やディッシングを最小限にするまたは低減することにより、従来の露光方法を使用して深くはサブミクロン領域、すなわち約０．１ミクロンなどの約０．２ミクロン未満の寸法を持つ金属特徴を形成することが可能となる。
【００２５】
典型的な銅のメタライゼーションまたは相互接続システムには、基板を覆う誘電層の堆積し、開口すなわちダマシン開口を誘電層中へ形成し、タンタル含有物質すなわちＴａＮまたはＴａなど拡散バリアを堆積し、および銅または銅合金による開口を充填することが含まれる。誘電層中の開口は、最初にシード層を堆積し、次に銅層または銅合金層を、通常約８，０００Å〜約１８，０００Åの膜厚で電気めっきまたは無電解めっきすることにより、有利に充填することができる。ダマシン開口はまた、銅または銅合金で約５０℃〜約１５０℃の温度におけるＰＶＤ、または約２００℃未満の温度におけるＣＶＤにより充填することも可能である。
【００２６】
従来の基板および誘電物質は、本発明により網羅される。たとえば、基板はドープされた単結晶シリコンまたはガリウムヒ素でありうる。誘電層は、従来半導体デバイスの製造に採用されている様々な誘電物質のいずれかを備えることができる。たとえば、二酸化珪素、リン珪酸塩ガラス（ＰＳＧ）、ホウ素燐ケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）、およびテトラエチル・オルトシリケート（ＴＥＯＳ）から誘導された二酸化珪素またはプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）によるシランなどの誘電物質が採用可能である。本発明による誘電層はまた低誘電率の物質を備えてよく、ポリイミドなどのポリマーや、たとえばカリフォルニア州、サンタクララに位置するＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｉｎｃ．社から市販のＢｌａｃｋ  ＤｉａｍｏｎｄRなどの炭素含有二酸化珪素が含まれる。開口は従来の露光技術およびエッチング技術により誘電層中に形成される。
【００２７】
銅または銅合金がメタライズされた基板表面は、まず第１除去速度で研磨されて大部分の銅または大部分の銅合金の除去がもたらされる。基板は回転プラテン、静止プラテンまたはリニアプラテン上に取り付けられた研磨パッドの上で研磨される。第１除去速度は、スループットを速くするために、比較的高速の、たとえば１分間に約５，０００Åよりも速い除去速度である。銅または銅合金がメタライズされた表面は、約５００Å〜約３，０００Åの膜厚まで薄く研磨される。基本的にＣＭＰは化学作用または機械研磨の組み合わせを包含する。
【００２８】
研磨処理は金属表面、すなわち銅または銅合金の金属表面を酸化する化学作用を含み、金属表面はその後、研磨パッド、たとえば研磨パッド中に配列された固定砥粒要素あるいは砥粒ポストにより機械的に研磨され得る。ここに開示される手引きおよび開示される方針を仮定すれば、特定の状況で適切な研磨条件および化学薬品を容易に決定することができる。
【００２９】
適切な化学薬品は、Ｃａｒｐｉｏにより米国特許番号５，８４０，６２９に開示されるようにクロム酸ナトリウム四水化物を、および／またはＷａｔｔｓらにより米国特許番号５，８９７，３７５に開示されているように、クエン酸アンモニウムなどのカルボン酸塩を含むことができる。たとえば１，２，４−トリアゾールやベンゾトリアゾールといった、トリアゾールまたはトリアゾール誘導体などの抑制剤を有利に採用可能である。化学薬品には、純水やアルコールなどの溶媒も含まれる。
【００３０】
たとえば、二酸化珪素誘電層とＴａＮバリア層を含む銅のメタライゼーションでは、第１の研磨処理の化学薬品には、約０．５重量％〜約１０重量％の酸化剤、たとえば約６重量％の過酸化水素など、約０．０５重量％〜約０．２０重量％の抑制剤、たとえば約０．１５重量％の５−メチル・ベンゾトリアゾール、約０．５重量％〜約５．０重量％の間の、たとえば約３．０重量％のイミノ２酢酸などのキレート剤、および約３．０重量％〜約１５．０重量％の間、たとえば９．０重量％のリン酸水素アンモニウムなど別のキレート剤、バランスの純水を含み得る。圧力は通常約３ｐｓｉであるが、組成や所望の除去速度によって変化しうる。第１の研磨ステップにおいて、銅層または銅合金層の大部分を研磨する際、研磨組成がＣｕのパシベーション・ドメインのｐＨと酸化還元電位を持つよう、研磨組成を定式化するのが適当であることが分かった。いくつかの組成の態様においては、約５〜約８のｐＨなど、約３〜約１０の間のｐＨが使用される。その他の適した化学薬品が、２０００年４月５日に提出の、同時係属する米国特許出願連番０９／５４３，７７７、および２０００年４月６日に提出の、同時係属する米国特許出願連番０９／５４４，２８１に記述されている。
【００３１】
抑制剤の濃度は、発明の研磨ステップにわたり、静的除去速度を制御するために効果的に調節され得る。たとえば、抑制剤の量を増やして、銅または銅合金の化学薬品中のキレート剤化合物による化学的な錯体化反応を低減することにより、静的除去速度を減らすことができる。
【００３２】
バリア層を覆う大部分の銅または銅合金の残余、または残りの銅または銅合金は、通常約５００Å〜約３，０００Åの膜厚を含んでいる。残りの銅または銅合金は、回転研磨パッドや、固定砥粒研磨パッドなどの静止またはリニア研磨パッド上で基板を研磨し、タンタルやタンタル窒化物などの、タンタル含有バリア層に対して高い選択性を持つ化学薬品を採用し、それによってタンタル含有バリア層の上で研磨を停止させることによる、第２の研磨処理によって除去される。
【００３３】
第２の研磨処理は、第１の研磨ステップよりも低い第２除去速度で実施される。第２除去速度は毎分約２５０Å〜約３，０００Åの間である。第２除去速度は、たとえば約３ｐｓｉ以下の圧力を採用するなどして減圧する等、適切な条件調整によって第１除去速度から低減することも可能である。第２除去速度は化学薬品を採用することによって第１除去速度よりも低くすることができ、化学薬品には約０．３重量％〜約６．０重量％の、たとえば約３重量％の過酸化水素などの酸化剤、約０．０３重量％〜約０．５重量％の、たとえば約０．０６重量％のたとえば５−メチル・ベンゾトリアゾールなどの抑制剤、約０．２５重量％〜約５．０重量％の、たとえば約１．０重量％のたとえばイミノ２酢酸などのキレート剤、約１．０重量％〜約６．０重量％の、たとえば約３．０重量％のリン酸水素アンモニウムなど別のキレート剤、バランスの純水を含む。圧力は通常約２ｐｓｉであるが、組成と所望の除去速度によって変化し得る。第２の研磨ステップにおける銅層または銅合金層の研磨では、研磨組成がＣｕのパシベーション・ドメインのｐＨと酸化還元電位を持つよう、研磨組成を定式化するのが適当であることが分かった。いくつかの組成の態様においては、約５〜約８のｐＨなど、約３〜約１０の間のｐＨが使用される。その他の適した化学薬品が、２０００年４月５日に提出の、同時係属する米国特許出願連番０９／５４３，７７７、および２０００年４月６日に提出の、同時係属する米国特許出願連番０９／５４４，２８１に記述されている。
【００３４】
第２除去速度のために使用される化学薬品は、ＴａまたはＴａＮバリア金属層に対して選択性が高く、銅または銅合金を完全に除去し、またバリア層の除去を最小限に抑えるよう、ＴａまたはＴａＮバリア層の上で停止する。銅または銅合金、およびタンタルの選択性は、タンタルに対する銅の除去速度比が約１０：１（Ｃｕ：Ｔａ）よりも大きく、通常、約１００：１（Ｃｕ：Ｔａ）よりも大きくできる。
【００３５】
ＴａまたはＴａＮバリア層へ達する研磨終点は、米国特許番号５，８９３，７９６に開示の、ここに参照により具体化されているレーザー干渉計技術のような、従来の光学システムを採用して正確に決定され得る。カリフォルニア州、サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｉｎｃ．社により市販のＩｎ  Ｓｉｔｕ  Ｒａｙ  Ｍｏｎｉｔｏｒ（ＩＳＲＭR）システムを終点決定に採用すれば、過剰研磨をきわめて最小限に抑えることが可能である。
【００３６】
ＴａまたはＴａＮバリア層などのバリア層はその後、酸化シリコン誘電層、バリア層、および銅または銅合金の間の選択性を逆転した条件下で除去される。タンタルなどバリア層の除去速度比、あるいは選択性は、誘電層（ＤＬ）に対するタンタルの除去速度比を約１０：１（Ｔａ：ＤＬ）よりも大きくできる。適切なバリア層除去処理の例が、１９９９年９月２２日提出の係属する米国特許出願連番０９／４０１，６４３と、２０００年５月１１日提出の同時係属する米国特許出願連番０９／５６９，９６８に開示されている。
【００３７】
本発明の実施形態は、ディッシングおよび侵食を最小限に抑えるためのさらなる改良点を備える。第１および／または第２の研磨ステップ中、１つ以上の処理の特徴あるいはパラメータを制御することによってディッシングを制御できることが分かった。
【００３８】
たとえば本発明の実施形態は、プラテンの回転速度を６０ｒｐｍ以下に、あるいはリニア・パッド速度を毎秒３０インチ以下に下げるなどして、研磨パッド表面を約５０℃以下、たとえば約４４℃などの温度に制御することを備えており、それによって静的除去を低減させ、したがってディッシングが低減する。研磨中に生成された研磨副生成物を除去、たとえば溶解できない程度まで、静的除去速度を低減してはいけないことは理解されるべきである。
【００３９】
研磨中に生成された研磨副生成物は、消耗品のコストを低減するために再利用または再循環可能な化学薬品の高速流によって洗い流すことができる。化学薬品は研磨パッドおよび／または基板表面に、毎分約３００ミリリットル以上の流速で供給される。
【００４０】
銅または銅合金のくぼみ、したがってディッシングを、銅または銅合金の表面に接触する砥粒研磨パッドの平らなポスト上端の、化学薬品の不足を低減することによって低減できることも分かった。従来の固定砥粒研磨パッドは複数の固定砥粒合成要素を備え、備えている砥粒粒子はポリマーバインダ中に分散されており、しばしばポストと呼ばれる。このようなポストは通常、高さ約３０ミクロン〜約４０ミクロンを有し、円柱形の場合には直径約２００ミクロンで、約１０％〜約２５％の接触面積比を与える。ポストは、多角形、円、楕円など、様々な幾何学構成の形状に形成することができる。本開示にわたって使用されるように、直径という用語は、研磨を受ける表面に向かい合う、ポスト上部の作業面の最大断面寸法を意味するものである。
【００４１】
化学薬品の不足は、ポストの直径を低減する一方で、ポストの数を増やすことによって、約１０％〜約２５％のほぼ同じ接触面積比を維持することにより低減できることが分かった。したがって本発明の実施形態は、約７５ミクロン〜約１５０ミクロン、たとえば約１００ミクロン〜約１５０ミクロンの直径を持つ砥粒ポストを備える固定砥粒研磨パッドを使用して、それにより化学薬品の不足を低減し、したがってディッシングを低減する、第１および第２の研磨ステップの実施を備える。
【００４２】
砥粒ポストが付着している支持シートの堅さ、すなわち剛性を増すことにより、第１および第２の研磨ステップ中のディッシングを低減できることも分かった。これは、適切なヤング率（弾性係数）を持つ支持シートを選択することによって実現される。あるいは従来の支持シート、たとえばポリカーボネート支持シートの厚さを増やして、パッドの柔軟性を低減することにより、密な配列内の圧力を低減してディッシングを低減することもできる。適切なパッドの例は、約４０ミクロン以下の厚さを持つ支持シートに砥粒ポストが付着しているパッドである。
【００４３】
さらにディッシングは、第２の研磨ステップにおいて、化学薬品中の抑制剤の量を増やすことにより、約６００Å以下に減少できることが分かった。したがって、本発明の実施形態は、約０．２重量％〜約１．０重量％の抑制剤、たとえば５−メチル・ベンゾトリアゾールと、その他少なくとも１つのアゾール基を含有する化合物を含む化学薬品により、第２の研磨ステップを実施することを備える。
【００４４】
化学薬品の活性成分、たとえば酸化剤やキレート剤の濃度を、約３倍まで増やすことによって、ディッシングにさらに改善が見られた。
【００４５】
本発明の実施形態は、基板および／または研磨パッドに、化学薬品を、毎分約３００ミリリットルの流速で流し、その化学薬品を再利用することによって、研磨ステップ（ａ）および（ｂ）中に生成された粒子を効果的に除去することを備える。そのような粒子の除去は、毎分約１５０Å以下などの毎分約２００Å以下で静的除去速度を維持することによっても実現され得る。
【００４６】
ディッシングや侵食を低減するさらなる改善が、本発明の実施形態中、１つのプラテン上での第１の研磨ステップ完了時で、第２プラテン上での第２の研磨ステップ開始前と、第２プラテン上での第２の研磨ステップ完了点で、別のプラテン上でのバリア層除去の開始前に、基板表面および／または研磨パッドを、ベンゾトリアゾールなどの抑制剤に適用、あるいはさらすことによって実現され、それにより静的除去を避ける一方で研磨岩屑を効果的に除去される。したがって、約０．２重量％〜約１．０重量％の抑制剤、たとえば５−メチル・ベンゾトリアゾールと、その他少なくとも１つのアゾール基を含有する化合物、および純水を含む溶剤が適用され得る。各研磨ステップを終了する際に、純水に対して抑制剤を使用することにより、過度の静的除去を効果的に防ぎ、続くステップを開始する前に比較的きれいな、欠陥の少ない基板が提供される。
【００４７】
本発明の実施形態が、図１〜図４に模式的に図示されており、ここで類似の特徴は類似の参照番号をもっている。図１に言及すると、たとえば酸化シリコンなどの誘電層１０が基板（示されない）を覆って形成される。複数の開口１１が指定区域Ａに形成され、指定区域Ａにはオープン・フィールドＢに隣接して導電線の密な配列が形成されることになる。ＴａＮなどのバリア層１２が、酸化シリコン誘電層１０の上面に、開口１１に沿って堆積される。通常、開口１１は約１ミクロン未満で、たとえば約０．１ミクロンなど、約０．２ミクロン未満の距離Ｃで隔てられている。次に銅層１３が、約８，０００Å〜約１８，０００Åの膜厚Ｄで堆積される。
【００４８】
図２に言及すると、第１の研磨ステップが、銅層１３を約５００Å〜約３，０００Åの膜厚Ｅまで低減するように、毎分約５，０００Åを越す除去速度で実施される。
【００４９】
図３に示されるように、第２の研磨ステップがＴａＮバリア層１２に対して高い選択性をもって実施され、ＴａＮバリア層１２上で停止する。
【００５０】
図４に示されるように、ＴａＮ層１２を除去し、酸化シリコン表面をバフ研磨してスクラッチや欠陥を除去したり低減したりするために、逆転した選択性をもってバフ研磨が実施され、それにより平坦化が完了する。結果形成された銅の相互接続構造は、オープン・フィールドＢに隣接した銅線１３の密な配列Ａを備える。上面４０は、侵食やディッシングが実質上ない、非常に高度の平坦性を示す。
【００５１】
本発明の１態様は、基板平坦化のためにＣＭＰシステムを制御する、コンピュータ・システムの使用に関連する。図５は、ＣＭＰシステム１２２を制御するためのソフトウェアを実行するよう構成された、汎用コンピュータ・システム１００を描いている。コンピュータ・システム１００は、コンピュータ１０２、１つ以上のディスプレイ・デバイス１０４、および１つ以上の入力デバイス１０６を含有する。コンピュータ１０２はＩｎｔｅｌ４８６マイクロプロセッサなどの中央演算処理装置（ＣＰＵ）１０８、メモリ１１０および、数値計算コプロセッサ、電源その他の各種支持回路１１２を含有する。そのようなコンピュータ・システムは一般にパーソナル・コンピュータとして知られているが、本発明はパーソナル・コンピュータに限られるものではなく、実際にはワークステーション、ミニコンピュータ、メインフレームやスーパコンピュータ上で履行され得る。そのようなコンピュータと共に用いられる入力デバイス１０６には、キーボード、マウス、トラックボールなどが含まれる。ディスプレイ・デバイス１０４はコンピュータ・モニタ、プリンタおよびプロッタを含む。
【００５２】
コンピュータ・システム１００はまた、情報やＣＰＵ１０８によって実行されるべき命令を格納するために、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）や、その他の動的記憶デバイスなどのメモリ１１０を含む。メモリ１１０は、ＣＰＵ１０８によって実行されるべき命令の実行中、一時変数やその他の中間非情報を格納するためにも使用される。メモリ１１０はさらに、静的情報やＣＰＵ１０８のための命令を格納する、読出専用記憶素子（ＲＯＭ）またはその他の静的記憶デバイスを含む。メモリ１１０はまた、情報や命令を格納するために備えられる、磁気ディスクや光ディスクなどの記憶デバイスを含んでもよい。
【００５３】
インタフェース１２４はコンピュータ・システム１００がＣＭＰシステム１２２と、特にＣＭＰシステム・コントローラ１５４と通信できるようにする。ＣＭＰシステム１２２は小さいパッド・システムにも、大きいパッド・システムにも、あるいはリニア・ベルト研磨システムにもすることができる。例として、小さいパッド・システムが描かれている。小さいパッド・システムは通例、回転板１２８を回転可能に支持する土台１２６と、回転板１２８の上に吊るされ、腕木１３２に支持される可動管状研磨アーム１３０を含む。腕木は土台上に回転板越しに、土台から上に延びて向き合った直立材１３４、１３４ａによって維持される。回転板は、好ましくは、適合パッドをその上面に固定されて含む。研磨される上面１３８を持つ基板１３６は、基板が研磨されるときに基板を研磨アームの下位置に維持するために、研磨パッド上に設置される。管状研磨アーム１３０は、その下の開放端１４２に位置する研磨パッド１４０を持ち、通例基板の上面全体を、放射状に移動して研磨を行なう。研磨パッドは、好ましくは、回転する基板全体に直線状に、端から中央へ、研磨終点（たとえばあらかじめ定めた表面の非均一性の度合い）に到達するまで連続して移動される。
【００５４】
ＣＭＰシステム・コントローラ１５４は、回転板（または直線的に移動するベルト）の動きと研磨アームの動きを制御する。具体的には、制御システムは回転板１２８に連結するモータ１５２の回転速度を制御する。また、腕木１３２に連結されるモータ１５０によってリニアの動きが提供される。コントローラ１５４の制御によるリニア位置決め機構１４４が、負荷機構１４８を通してパッドの基板表面への圧力を制御し、またモータ１４６を通してパッドの回転を制御する。このように、コントローラ１５４が、この小さいパッドのＣＭＰ研磨システムの、すべての態様を制御する。
【００５５】
本発明の実施形態によれば、基板表面の平坦化がコンピュータ・システム１００によって提供され、コンピュータ・システム１００はＣＰＵ１０８に応じてＣＭＰシステム１２２を制御し、ＣＰＵ１０８はメモリ１１０内のプログラム１２０に含有される１つ以上の命令の、１つ以上の手順を実行する。たとえば、命令は格納デバイスなど別のコンピュータ可読媒体から、主メモリに読み込まれ得る。メモリ１１０に含有される命令の手順を実行することによって、ＣＰＵ１０８がそこに記述されている処理ステップを遂行する。マルチプロセッシング構成された１つ以上のプロセッサも、メモリ１１０に含有される命令の手順を実行するために採用されてよい。別の実施形態では、ハード配線された回路がソフトウェアの命令に代わって、またはそれと共に、本発明を実施するために使用され得る。このように、本発明の実施形態は、特定のハードウェア回路とソフトウェアの組み合わせに制限されるものではない。
【００５６】
ここに使用されているように、「コンピュータ可読媒体」とは、実行のためにＣＰＵ１０８へ命令を提供することに関わる、いかなる媒体も指す。そのような媒体は多くの形式をとることができ、不揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体を、それに制限せずに含む。不揮発性媒体には、たとえば記憶デバイスなどの光ディスクや磁気ディスクを含む。揮発性媒体には、主メモリなどの動的メモリを含む。伝送媒体は、同軸ケーブル、銅線および光ファイバを含み、これにはシステム・バスを備えるワイアが含まれる。伝送媒体はまた、無線（ＲＦ）データ通信および赤外線（ＩＲ）データ通信中に発生するような、音波または光波の形をとることもできる。コンピュータ可読媒体の一般の形式には、たとえばフロッピー・ディスク、フレキシブル・ディスク、ハード・ディスク、磁気テープ、その他の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、その他の光媒体、パンチ・カード、紙テープ、その他の穴パターンを持つ物理媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ，およびＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、その他のメモリ・チップまたはカートリッジ、以下記述される搬送波、またはその他のコンピュータが可読のいかなる媒体が含まれる。
【００５７】
コンピュータ可読媒体の様々な形式は、１つ以上の命令の１つ以上の手順を、実行のためにＣＰＵ１０８へ運ぶことに関わる。たとえば、命令は最初リモート・コンピュータの磁気ディスク上に保持される。リモート・コンピュータは命令をその動的メモリにロードして、モデムを使用して電話線を通じ命令を送ることができる。コンピュータ・システム１００にローカルなモデム（示されない）が、電話線上のデータを受信し、赤外線転送処理を使用してデータを赤外線信号に変換できる。入力デバイス１０６のような赤外線検出器により、データをシステム・バス上に置くことができ、システム・バスがメモリ１１０へデータを運び、ＣＰＵ１０８はメモリ１１０から命令を検索して実行する。メモリ１１０で受信された命令は、ＣＰＵ１０８により実行の前、または後のいずれにも、任意で記憶デバイス上に格納してよい。
【００５８】
本発明は、様々の半導体製造段階中の平坦化に適用できる。本発明は、深くはサブミクロン範囲の金属特徴を持つ高密半導体デバイスの製造において、特に適用性を享受する。
【００５９】
本開示では、本発明の好適実施形態のみ、その汎用性のうちのいくつかの例が示され記述されている。本発明は、その他の様々な組み合わせや環境においても使用可能であり、またここに表されている発明の概念の範囲内で、変更や修正が可能であることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
上に列挙された、本発明の特徴、利点および目的が達成され、また詳細にわたり理解されるために、添付図面に図示されたその実施形態を参照して、上に簡潔にまとめた発明を、より詳細に記述する。
しかしながら、添付図面は本発明の典型的な実施形態のみを図示し、発明はその他の等しく効果的な実施形態を認め得るものであるため、したがって添付図面は発明の範囲を制限するものとは考えられないことに注意されるべきである。
【図１】本発明の実施形態にしたがう方法の、連続的段階を図示する。
【図２】本発明の実施形態にしたがう方法の、連続的段階を図示する。
【図３】本発明の実施形態にしたがう方法の、連続的段階を図示する。
【図４】本発明の実施形態にしたがう方法の、連続的段階を図示する。
【図５】発明の１実施形態にしたがうＣＭＰシステムを制御するため構成された、コンピュータ・システムのブロック図を描く。
【符号の説明】
１０…誘電層、１１…開口、１２…バリア層、１３…銅層、Ａ…指定区域、Ｂ…オープン・フィールド、Ｃ…距離、Ｄ…膜厚、Ｅ…膜厚、４０…上面、１００…汎用コンピュータ・システム、１０２…コンピュータ、１０４…ディスプレイ・デバイス、１０６…入力デバイス、１０８…中央演算処理装置（ＣＰＵ）、１１０…メモリ、１１２…支持回路、１２０…プログラム、１２２…ＣＭＰシステム、１２４…インタフェース、１２６…土台、１２８…回転板、１３０…管状研磨アーム、１３２…腕木、１３４および１３４ａ…直立材、１３６…基板、１３８…上面、１４０…研磨パッド、１４２…開放端、１４４…リニア位置決め機構、１４６…モータ、１４８…負荷機構、１５０…モータ、１５２…モータ、１５４…ＣＭＰシステム・コントローラ。
【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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