(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ系化合物膜を、５〜３０ｎｍの１次粒子径を有するコロイダルシリカと有機酸とを含むＣＭＰ用研磨スラリーにより化学機械研磨する方法であって、前記有機酸は、ベンゼン環を有するアミノ酸、およびヘテロ環を有する有機酸からなる群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする研磨方法。
【請求項２】
基板上に形成されたＳｉＣ系化合物からなる層を表面に有する絶縁膜に溝および孔の少なくとも一方を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、前記溝および孔の少なくとも一方を埋めるように金属を主成分とする導電膜を堆積する工程と、
前記溝および孔の少なくとも一方の外側の導電膜を除去する工程と、
前記ＳｉＣ系化合物からなる層の少なくとも一部をＣＭＰ用研磨スラリーにより研磨して除去する工程と
を具備し、
前記ＣＭＰ用研磨スラリーは、５〜３０ｎｍの１次粒子径を有するコロイダルシリカおよび有機酸を含み、前記有機酸は、ベンゼン環を有するアミノ酸、およびヘテロ環を有する有機酸からなる群から選ばれた少なくとも１種であるＳｉＣ系化合物のＣＭＰ用研磨スラリーであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
基板上の絶縁膜に設けられた溝および孔の少なくとも一方に金属を主成分とする導電膜を埋める工程と、
前記導電膜の上部を除去し、凹部を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、前記凹部を埋めるようにＳｉＣ系化合物膜を堆積する工程と、
前記絶縁膜上のＳｉＣ系化合物膜をＣＭＰ用研磨スラリーにより研磨して除去し、前記導電膜上に選択的にＳｉＣ系化合物膜を残す工程と
を具備し、
前記ＣＭＰ用研磨スラリーは、５〜３０ｎｍの１次粒子径を有するコロイダルシリカおよび有機酸を含み、前記有機酸は、ベンゼン環を有するアミノ酸、およびヘテロ環を有する有機酸からなる群から選ばれた少なくとも１種であるＳｉＣ系化合物のＣＭＰ用研磨スラリーであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ＳｉＣ系化合物は、ＯおよびＮからなる群から選ばれた少なくとも1種を含有するＳｉＣであることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記コロイダルシリカおよび有機酸の研磨スラリー中の濃度は、それぞれ０．５〜１０重量％、０．１〜３重量％であることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記ベンゼン環を有するアミノ酸は、フェニルアラニンおよびチロシンからなる群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記ヘテロ環を有する有機酸は、キノリン酸、キナルジン酸、ニコチン酸、ピコリン酸、シンコメロン酸、およびトリプトファンからなる群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項２又は３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、半導体装置の製造方法に係り、特に、ＤＲＡＭや、高速ＬＯＧＩＣ-ＬＳＩにおけるＣｕ、Ｗ等のダマシン配線の形成に用いることが可能な研磨スラリー、研磨方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、ＬＳＩの絶縁膜材料としては、ＳｉＯ２やＳｉＮが用いられてきた。特に、ＳｉＯ２は主要な絶縁膜であり、ＳｉＮは、例えばＳｉＯ２をＲＩＥにより除去する時のマスクやストッパーとして、あるいは、水や金属の拡散バリア膜として用いられてきた。
【０００３】
しかしながら、ＳｉＮの比誘電率は７と大きいという問題がある。次世代のＬＳＩでは、素子の動作スピードに遅れをとらないように、配線の伝達スピード（ＲＣ遅延）を改善しなければならない。誘電率の大きいＳｉＮを用いたのではＣ（容量）が大きくなるため、好ましくない。また、金属との密着力が不足しているなどの問題もある。
【０００４】
そこで、近年、ＳｉＮの代替品として、ＳｉＣが検討されはじめている。
ＳｉＣは、比誘電率は５と低く、金属との密着性も良好であるため、物性的にはＳｉＮが有する問題を解決することの可能な理想的な材料である。
【０００５】
但し、ＳｉＣの比誘電率が小さいとは言っても、低誘電率絶縁体材料（ポーラス）の比誘電率が２．２〜２．８であるのと比較すると、それよりも大きい。従って、実際多層配線を形成する場合には、密着層あるいはバリア層として残す必要のないＳｉＣ部分は、可及的に除去することが求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＳｉＣを容易に除去できる研磨方法はこれまで見出されていない。従って、特に多層配線の形成において、不要なＳｉＣを容易に除去し得る方法が望まれている。
【０００７】
本発明は、このような事情の下になされ、不要なＳｉＣを容易に研磨により除去することを可能とする、ＳｉＣ系化合物膜のＣＭＰ用スラリー、それを用いた研磨方法、および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、ＳｉＣ系化合物膜を、５〜３０ｎｍの１次粒子径を有するコロイダルシリカと有機酸とを含むＣＭＰ用研磨スラリーにより化学機械研磨する方法であって、前記有機酸は、ベンゼン環を有するアミノ酸、およびヘテロ環を有する有機酸からなる群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする研磨方法を提供する。
【００１０】
更に、本発明は、基板上に形成されたＳｉＣ系化合物からなる層を表面に有する絶縁膜に溝および孔の少なくとも一方を形成する工程と、前記絶縁膜上に、前記溝および孔の少なくとも一方を埋めるように金属を主成分とする導電膜を堆積する工程と、前記溝および孔の少なくとも一方の外側の導電膜を除去する工程と、前記ＳｉＣ系化合物からなる層の少なくとも一部を上述のＣＭＰ用研磨スラリーにより研磨して除去する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００１１】
更にまた、本発明は、基板上の絶縁膜に設けられた溝および孔の少なくとも一方に金属を主成分とする導電膜を埋める工程と、前記導電膜の上部を除去し、凹部を形成する工程と、前記絶縁膜上に、前記凹部を埋めるようにＳｉＣ系化合物膜を堆積する工程と、前記絶縁膜上のＳｉＣ系化合物膜を、上述のＣＭＰ用研磨スラリーにより研磨して除去し、前記導電膜上に選択的にＳｉＣ系化合物膜を残す工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１３】
本実施形態に係る研磨スラリーの対象となる被研磨体は、ＳｉＣ系化合物膜であり、ＳｉＣ系化合物中には、ＯおよびＮの少なくとも1種が含有されていてもよい。
【００１４】
本実施形態に係る研磨スラリーに含まれる研磨粒子は、５〜３０ｎｍ、好ましくは８〜２０ｎｍの１次粒子径を有するコロイダルシリカである。例えば、一般に研磨粒子として用いられるフュームドアルミナ（１次粒子径：２０ｎｍ）およびフュームドシリカ（１次粒子径：７ｎｍ、２０ｎｍ）では、ＳｉＣ膜を殆ど研磨することが出来ない。
【００１５】
また、コロイダルシリカの１次粒子径が５ｎｍ未満では、粒子の分散性、安定性の点で問題があるため、実用上好ましくない。一方、コロイダルシリカの１次粒子径が３０ｎｍを超えると、ＳｉＣを研磨することが困難となる。
【００１６】
以下に、コロイダルシリカの種々の１次粒子径に対するＳｉＣ膜の除去速度を示す。なお、研磨スラリーは、５ｗｔ％のコロイダルシリカおよび１．５ｗｔ％のキノリン酸を含み、ｐＨ２のものを用いた。
【００１７】
一次粒子径    ＳｉＣ除去速度（ｎｍ／分）
７ｎｍ        ３８
１５ｎｍ      ４２
２０ｎｍ      ４０
３０ｎｍ      ３５
４０ｎｍ        ３
以上により、コロイダルシリカの１次粒子径が３０ｎｍを超え、４０ｎｍでは、ＳｉＣの除去速度が大幅に低下することがわかる。
【００１８】
ここで、粒子径は平均粒子径であり、例えば、１００個以上の粒子の直径をＴＥＭ写真から求め、対数正規プロットし、累積度数が５０％における粒子径により決定する。なお、ＳｉＣの研磨以外の目的で、３０ｎｍを超える平均粒子径の粒度分布をもつ粒子が混合されている場合には、上記プロットに平均粒子径が５〜３０ｎｍの範囲内にある粒度分布と平均粒子径が３０ｎｍを超える範囲にある粒度分布の２種類の粒子分布が観測されるが、その場合も本発明に含まれるものとする。複数の粒度分布が観測されたとしても、その中に平均粒子径が５〜３０ｎｍの範囲内にある粒度分布が存在すればよい。
【００１９】
例えば、図３に示すように、コロイダルシリカが、平均粒子径１５ｎｍの粒度分布Ａと、平均粒子径４０．６ｎｍの粒度分布Ｂとを有し、更にフュームドシリカによる粒子径５８．４ｎｍの粒度分布Ｃを有していても、コロイダルシリカによる平均粒子径１５ｎｍの粒度分布Ａが存在するので、このような研磨粒子は本発明で使用可能である。
【００２０】
本実施形態の研磨スラリー中のコロイダルシリカの濃度は、好ましくは０．５〜１０ｗｔ％、より好ましくは０．５〜５ｗｔ％である。コロイダルシリカの濃度が０．５ｗｔ％未満では、研磨速度が不安定となり、１０ｗｔ％を越えると、研磨スラリー中におけるコロイダルシリカの分散状態が不安定となり、好ましくない。
【００２１】
以上説明したコロイダルシリカとともに、本実施形態の研磨スラリー中に含まれる有機酸は、ベンゼン環を有するアミノ酸、またはヘテロ環を有する有機酸である。
【００２２】
ベンゼン環を有するアミノ酸としては、フェニルアラニン、チロシン等を挙げることが出来る。また、ヘテロ環を有する有機酸としては、キノリン酸、キナルジン酸、ニコチン酸、ピコリン酸、シンコメロン酸、トリプトファン等を挙げることが出来る。これらの中では、キノリン酸が特に好ましい。
【００２３】
本発明者らは、Ｃｕの溶解度の低い種々の有機酸を含む研磨スラリーを用いてＳｉＣを研磨した場合の研磨速度を求める実験を行った。即ち、３ｗｔ％のコロイダルシリカ（粒子径：２０ｎｍ）および１ｗｔ％の有機酸を含む水分散液からなる研磨スラリーを用い、ＳｉＣを研磨し、それぞれの研磨速度を測定した。その結果を以下に示す。
【００２４】
クエン酸（カルボキシル基を有する３価の鎖式有機酸）：８ｎｍ／分
マロン酸（カルボキシル基を有する２価の鎖式有機酸）：７ｎｍ／分
マレイン酸（カルボキシル基を有する２価の鎖式有機酸）：１０ｎｍ／分
キノリン酸（ヘテロ環を有する２価の有機酸）：３２ｎｍ／分
キナルジン酸（ヘテロ環を有する１価の有機酸）：２６ｎｍ／分
ニコチン酸（ヘテロ環を有する１価の有機酸）：２７ｎｍ／分
フェニルアラニン（ベンゼン環を有する１価のアミノ酸）：２２ｎｍ／分
以上の結果から、鎖式有機酸よりもヘテロ環やベンゼン環を有する環式有機酸のほうが研磨速度が速いことがわかる。これは、ヘテロ環やベンゼン環が疎水性が強く、この疎水性とＳｉＣの疎水性との間の相互作用により、研磨摩擦力が上昇するためと考えられる。なお、ヘテロ環やベンゼン環を有する有機酸であっても、界面活性剤のような鎖長の長い直鎖が導入されてしまうと、疎水性が顕著に強くなって、ＳｉＣ系化合物膜に吸着し、ＳｉＣ系化合物膜が親水化するため、好ましくない。
【００２５】
また、親水基としては、酸と塩基性の両方を兼ね備えた構造を有することが望ましい。アミノ酸はカルボキシル基とアミノ基を有するため、ベンゼン環を有するアミノ酸は、酸と塩基性の両方を兼ね備えている。一方、ヘテロ環を有する有機酸は、ヘテロ環内に塩基性を示す元素、例えばＮ等が含まれていれば、酸と塩基性の両方を兼ね備えるため、望ましい。このようなヘテロ環を有する有機酸の場合、特に、カルボキシル基を有する有機酸には限定されず、例えばスルホ基を有する有機酸であっても使用可能である。
【００２６】
本実施形態の研磨スラリー中の有機酸の濃度は、０．１〜３ｗｔ％であるのが好ましい。有機酸の濃度が０．１ｗｔ％未満では、研磨速度が不安定となり、３ｗｔ％を越えると、塩析効果により粒子の分散状態が不安定となり、好ましくない。
【００２７】
本実施形態の研磨スラリーは、中性領域ではＳｉＣが研磨されにくい傾向にあるので、酸性（ｐＨ１〜５）およびアルカリ性（ｐＨ：８〜１１）の範囲で使用することが望ましい。酸性領域では、コロイダルシリカ（＋）と有機酸（−）とがイオン結合して、凝集体を形成し、アルカリ領域では、塩析効果により適度な凝集体を形成し、いずれも研磨速度が向上するものと考えられる。
【００２８】
図４に、研磨スラリーのｐＨとＳｉＣに対する研磨速度との関係を示す。図４から、酸性領域およびアルカリ領域において、特にアルカリ領域において高い研磨速度が得られることがわかる。
【００２９】
以下、本発明の種々の実施例について説明する。
【００３０】
実施例１
本発明をＣｕダマシン配線の形成に適用した実施例について、図１（a）〜（b）を参照して説明する。
【００３１】
まず、半導体基板１００上に絶縁膜１０１を形成し、この絶縁膜１０１をパターニングして、深さ３０００オングストロームの溝１０２を形成した。絶縁膜１０１の構成は、膜厚６０００オングストロームの低誘電率絶縁膜（ＬＫＤ２７：ＪＳＲ社製）１０３と、膜厚５００オングストロームのＳｉＣＯ膜１０４の２層構造である。次いで、溝１０２が形成された絶縁膜１０１上に、膜厚１００オングストロームのＴａＮライナー１０５を形成し、更にその上に６０００オングストロームのＣｕ膜１０６を堆積し、溝１０２内をＣｕ膜で埋めた（図１（ａ））。なお、Ｃｕ膜１０６は、最初にスパッタ法によりシード層を形成し、次いでこのシード層上に鍍金法により形成した。
【００３２】
次に、ＣＭＰによりＣｕ膜１０６を研磨し、溝１０２の外側のＴａＮライナー１０５上にあるＣｕ膜１０６の部分を除去した。研磨の条件は、以下の通りである。
【００３３】
研磨スラリー：ＣＭＳ７３０１（商品名：ＪＳＲ社製）、
スラリー流量：２００ｃｃ／分、
研磨パッド：ＩＣ１０００（ＲＯＤＥＬ社）、
荷重：３００ｇ/ｃｍ２、
キャリアおよびテーブルの回転数：１００ｒｐｍ、
以上の研磨条件で２分間、研磨処理を行い、図１（ｂ）に示す構造を得た。
【００３４】
次に、ＴａＮライナー１０５の溝１０２の外側にある部分、およびＳｉＣＯ膜１０４を研磨により除去した。研磨の条件は、以下の通りである。
【００３５】
研磨スラリー：０．２ｗｔ％の過酸化水素（酸化剤）、１ｗｔ％のキノリン酸、および３ｗｔ％のコロイダルシリカ（平均粒径：２０ｎｍ）をＫＯＨにてｐＨを１０にコントロールした水分散液、
スラリー流量：２００ｃｃ／分、
研磨パッド：ＩＣ１０００（ＲＯＤＥＬ社）、
荷重：３００ｇ/ｃｍ２、
キャリアおよびテーブルの回転数：１００ｒｐｍ、
以上の研磨条件で２分間、研磨処理を行なったところ、ＳｉＣＯ膜１０４を容易に除去することが出来た。その結果、図１（ｃ）に示す構造の低誘電率の絶縁膜１０３に埋め込まれたＣｕダマシン配線を得た。
【００３６】
実施例２
本発明を、上部にＳｉＣＮからなる拡散・酸化防止膜を有するＣｕダマシン配線の形成に適用した実施例について、図２（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
【００３７】
まず、実施例１において、図１（ｃ）に示すようにＣｕダマシン配線を形成した後、過酸化水素と塩酸の混合液を用いて、Ｃｕダマシン配線１０６の上部を約５００オングストロームの深さにエッチング除去した（図２（ａ））。
【００３８】
次に、全面に８００オングストロームの厚さのＳｉＣＮ膜２０１を堆積した。その後、ＳｉＣＮ膜２０１の、Ｃｕダマシン配線１０６上を除く部分を研磨により除去した。研磨の条件は、以下の通りである。
【００３９】
研磨スラリー：１．５ｗｔ％のピコリン酸、および５ｗｔ％のコロイダルシリカ（平均粒径：１５ｎｍ）を含有する水分散液（ｐＨ：２）、
スラリー流量：２００ｃｃ／分、
研磨パッド：ＩＣ１０００（ＲＯＤＥＬ社）、
荷重：３００ｇ/ｃｍ２、
キャリアおよびテーブルの回転数：１００ｒｐｍ
以上の研磨条件で２分間、研磨処理を行い、図２（ｃ）に示す構造の、上部にＳｉＣＮからなる拡散・酸化防止膜２０１を有するＣｕダマシン配線を得た。
このようにして得たＣｕダマシン配線の層間容量は、全面にＳｉＣ膜がある構造に対し、５％の改善がみられた。
【００４０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、従来困難であったＳｉＣ系化合物膜の化学機械研磨による除去を容易に行うことが可能となった。また、本発明の研磨スラリー、研磨方法により、ＲＣ遅延の緩和された高性能のダマシン配線を備えた半導体装置を製造することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るＣｕダマシン配線の形成プロセスを工程順に示す断面図。
【図２】本発明の他の実施例に係るＣｕダマシン配線の形成プロセスを工程順に示す断面図。
【図３】シリカ粒子の粒径分布を示す特性図。
【図４】ＳｉＣの研磨速度のpＨ依存性を示す特性図。
【符号の説明】
１００・・・半導体基板
１０１・・・絶縁膜
１０２・・・溝
１０３・・・低誘電率絶縁膜
１０４・・・ＳｉＣ膜
１０５・・・ＴａＮライナー
１０６・・・Ｃｕ膜
２０１・・・拡散・酸化防止膜
【図１】
0003748410.tif 000002
【図２】
0003748410.tif 000003
【図３】
0003748410.tif 000004
【図４】
0003748410.tif 000005