(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜をパターニングする工程と、
前記パターニングされた絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜を化学的機械的研磨法により平坦化する工程とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記化学的機械的研磨法は、表面に官能基を有する高分子粒子及び前記官能基と逆電位を有し、前記高分子表面に電気的に吸着された無機粒子を含む凝集体を含有する化学的機械的研磨用スラリーを用いて行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記高分子粒子は、アニオン系、カチオン系、両性系、非イオン系官能基から選択される官能基を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記官能基は、カルボン酸型、スルホン酸型、硫酸エステル型、リン酸エステル型、アミン塩型、第４級アンモニウム塩型、エーテル型、エステル型、アルカノールアミド型、カルボキシベタイン型、及びグリシン型官能基からなる群から選択されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜をパターニングする工程と、
前記パターニングされた絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜を化学的機械的研磨法により平坦化する工程とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記化学的機械的研磨法は、高分子粒子、該高分子粒子上に吸着された界面活性剤、該界面活性剤の親水部と逆電位を有し、前記界面活性剤上に電気的に吸着された無機粒子を含む凝集体を含有する化学的機械的研磨用スラリーを用いて行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記界面活性剤は、アニオン系、非イオン部を有するアニオン系、カチオン系、両性系、非イオン系界面活性剤から選択されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記界面活性剤の官能基は、カルボン酸型、スルホン酸型、硫酸エステル型、リン酸エステル型、アミン塩型、第４級アンモニウム塩型、エーテル型、エステル型、アルカノールアミド型、カルボキシベタイン型、およびグリシン型官能基からなる群から選択される請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記高分子粒子は、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、及びポリカーボネイト樹脂からなる粒子からなる群から選択されることを特徴とする請求項１または４に記載の方法。
【請求項８】
前記高分子粒子は、一次粒径が５０〜１００００オングストロームであることを特徴とする請求項１または４に記載の方法。
【請求項９】
前記無機粒子は、アルミナ、シリカ、ベンガラ、セリア、カーボン、及び二酸化マンガンからなる群から選択される少なくとも１種の材料からなることを特徴とする請求項１または４に記載の方法。
【請求項１０】
過酸化水素、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、リン酸、硝酸、及び硝酸二アンモニウムセリウムからなる群から選択される標準電極電位−３Ｖ〜＋３Ｖの酸化剤をさらに含むことを特徴とする請求項１または４に記載の方法。
【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、高速ロジックＬＳＩに搭載する埋め込み配線を化学的機械的研磨を用いて形成する方法及びこの技術を用いた半導体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置製造分野では、微細化および高密度化が進み、種々の微細加工技術が研究開発されている。その中でも化学的機械的研磨技術（ＣＭＰ）は、埋め込み金属配線（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な技術である。
【０００３】
従来技術で、金属を化学的機械的研磨により研磨する技術（メタルＣＭＰ）を行う場合、アルミナやシリカといった無機粒子をベースとしたスラリが用いられてきた。この場合、エロージョンを制御するため弾性変化の小さい硬質研磨パッドが用いられるが、研磨粒子自体の弾性が乏しいため、また配線にスクラッチが生じてしまう問題がある。さらに、このスクラッチに砥粒が集中し、スクラッチ部分が拡大されるためエロージョンを抑制することができなかった。
【０００４】
一方、樹脂のような高分子粒子を用いたスラリの検討も進められている。高分子粒子は、無機粒子に比べて柔らかい特徴がある。従って、粒子自体に弾性があるため、硬質研磨パッドを用いてもスクラッチは生じない利点がある。しかし、粒子の研磨能力がほとんどないため、高分子粒子単独を用いたスラリは実用的なレベルではなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、研磨時にスクラッチ等によるエロージョンの進行を抑え、被加工膜の効率のよい平坦化を可能にする機械的化学的研磨用スラリーを用いた半導体の製造方法を提供することにある。
【０００６】
また、本発明の第２の目的は、研磨時にスクラッチ等によるエロージョンの進行を抑制し、被加工膜を効率良く平坦化し、良好な埋め込み配線を形成する方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１に、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜をパターニングする工程と、
前記パターニングされた絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜を化学的機械的研磨法により平坦化する工程とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記化学的機械的研磨法は、表面に官能基を有する高分子粒子及び前記官能基と逆電位を有し、前記高分子表面に電気的に吸着された無機粒子を含む凝集体を含有する化学的機械的研磨用スラリーを用いて行われることを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【０００８】
本発明は、第２に、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜をパターニングする工程と、
前記パターニングされた絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜を化学的機械的研磨法により平坦化する工程とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記化学的機械的研磨法は、高分子粒子、該高分子粒子上に吸着された界面活性剤、該界面活性剤の親水部と逆電位を有し、前記界面活性剤上に電気的に吸着された無機粒子を含む凝集体を含有する化学的機械的研磨用スラリーを用いて行われ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】
【発明の実施の形態】
本発明者は、金属層の化学的機械的研磨に使用されるスラリーの研磨粒子に着目し、その改良を行なうことにより、本発明をなすに至った。
本発明では、研磨粒子として、高分子粒子と無機粒子とを混合して使用し、かつ所望の研磨作用に応じて、高分子粒子と無機粒子との好適な組み合わせを適用する。
【００１２】
まず、第１及び第２の発明について、順に説明する。これらは、各々高分子粒子と無機粒子との異なる組み合わせを有するスラリーを用いた半導体の製造方法に関する。
【００１３】
第１の発明に用いられる化学的機械的研磨用スラリーは、高分子粒子及び該高分子粒子上に吸着された無機粒子を含む凝集体を含有する半導体の製造方法に関する。
この高分子粒子は、好ましくは、その表面にアニオン部または非イオン部を有するアニオン系、カチオン系、両性系、あるいは非イオン系の官能基を有する。
また、無機粒子は、好ましくは、アルミナ、シリカ、ベンガラ、セリア、カーボン、及び二酸化マンガンからなる群から選択される少なくとも１種が使用される。
【００１４】
第１の発明では、高分子粒子に対し、その官能基と表面電位の異なる無機粒子を組み合わせて使用する。
例えば高分子粒子が、アニオン系官能基を有する場合には、例えばアルミナ等の正電荷を有する無機粒子を組み合わせることができる。
また、例えば高分子粒子が、カチオン系官能基を有する場合には、例えばシリカ等の負電荷を有する無機粒子を組み合わせることができる。
【００１５】
図１に、研磨工程における第１の発明にかかるスラリー中の高分子粒子と無機粒子との状態を表すモデル図を示す。図中、１は高分子粒子、２は無機粒子、３は研磨バフ、４は金属層、５は絶縁層を表す。図示するように、第１の発明によれば、高分子粒子１と、無機粒子２との表面電位が異なるため、スラリー中に、高分子粒子１表面上に無機粒子２が吸着した凝集体が得られる。
【００１６】
この凝集体は、表面の硬質の無機粒子２が十分な研磨能力を示し、かつ高分子粒子１の適度な弾性がスクラッチの発生、及びエロージョンの進行を防ぐ。
【００１７】
また、アルミナ粒子が吸着していない過剰の高分子粒子（研磨力のない粒子）がアルミニウム層に吸着したり、砥粒に入り込み、過剰な研磨を妨げるダミー砥粒効果を表すことによって、エロージョンを格段に抑制することができると考えられる。
【００１８】
また、研磨粒子の実効的な粒子径が大きくなるため、研磨効率が上がり、効率よく良好な平坦化を行なうことができる。また、スラリー中に無機粒子２のみを適用すると、無機粒子２がバフ３の間に入り込み、使用される無機粒子２の一部が研磨に寄与しないことがあり得るが、第１の発明に用いられる凝集体は、適度な大きさを有することにより、バフ３の間に入り込み難いので、効率よく研磨に寄与することができる。
【００１９】
高分子粒子の官能基の具体例としては、例えばカルボン酸型、スルホン酸型、硫酸エステル型、リン酸エステル型、アミン塩型、第４級アンモニウム塩型、エーテル型、エステル型、アルカノールアミド型、カルボキシベタイン型、及びグリシン型官能基があげられる。
【００２０】
また、高分子粒子は、その一次粒径が５０〜１００００オングストロームであることが好ましい。
【００２１】
上述の第１の発明に用いられるスラリーは、高分子粒子のもつ官能基によって、無機粒子を吸着させる組合わせが用いられているが、高分子粒子が官能基をもたない場合でも、界面活性剤を添加することによって同様の現象を起こすことができる。
【００２２】
第２の発明にかかる製造方法に用いられる化学的機械的研磨用スラリーは、高分子粒子、高分子粒子上に吸着された界面活性剤、界面活性剤を介して、高分子粒子上に吸着された無機粒子を含む凝集体を含有する。
【００２３】
第２の発明に使用される高分子粒子としては、好ましくは、官能基をもたないものを利用する。
【００２４】
第２の発明に使用される無機粒子は、第１の発明に使用し得る無機粒子から選択することができる。
【００２５】
第２の発明に使用されるスラリーは、第１の発明にかかるスラリーと同様の作用を示し、このスラリー中には、高分子粒子表面上に界面活性剤を介して無機粒子が吸着した凝集体が得られ、表面が硬質の無機粒子が十分な研磨能力を示し、一方で、高分子粒子の適度な弾性がスクラッチの発生、及びエロージョンの進行を防ぐ。また、凝集体を構成することにより、研磨粒子の実効的な粒子径が大きくなるため、研磨効率が上がり、効率よく良好な平坦化を行なうことができる。さらに、この凝集体は、適度な大きさを有することにより、研磨バフの間に入り込み難いので、効率よく研磨に寄与することができる。
【００２６】
また、界面活性剤は、アニオン系、非イオン部を有するアニオン系、カチオン系、両性系、非イオン系界面活性剤から選択することができる。
【００２７】
この界面活性剤に好ましく用いられる官能基の具体例としては、例えばカルボン酸型、スルホン酸型、硫酸エステル型、リン酸エステル型、アミン塩型、第４級アンモニウム塩型、エーテル型、エステル型、アルカノールアミド型、カルボキシベタイン型、及びグリシン型官能基等があげられる。
【００２８】
なお、本発明において、研磨対象とするメタルとしては、例えばアルミ、銅、タングステン、チタン、ニオブ、タンタル、銀、バナジウム、ルテニウム、プラチナ、およびこれらの酸化物、窒化物、ホウ化物、それらの合金等があげられる。
【００２９】
また、本発明に用いられるスラリーには、必要に応じて、酸化剤を添加することができる。酸化剤を添加することにより、機械的研磨に化学的作用が加わるため、研磨速度が向上する。このような酸化剤としては、過酸化水素、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、リン酸、硝酸、及び硝酸二アンモニウムセリウムからなる群から選択される標準電極電位−３Ｖ〜＋３Ｖの酸化剤が好ましく用いられる。
【００３０】
第３及び４の発明は、各々、第１及び第２の発明にかかる半導体の製造方法に対応する。
【００３１】
第３の発明にかかる埋め込み配線の形成方法は、第１の発明にかかるスラリーを用いて被加工物を研磨する工程を具備する。
【００３２】
第４の発明にかかる埋め込み配線の形成方法は、第２の発明にかかるスラリーを用いて被加工物を研磨する工程を具備する。
【００３３】
【実施例】
以下、実施例を示し、本発明を具体的に説明する。
【００３４】
図２ないし図４、アルミニウムダマシン配線の形成方法の一例を示す。
【００３５】
まず、図２に示すように、図示しない半導体素子が設けられた基板１００上に、深さ４０００オングストロームの溝１０５のパターニングを施し、絶縁膜１０１を形成し、次いで、ニオブライナ１０２を３００オングストローム堆積し、この後にアルミニウム膜１０３を６０００オングストローム堆積した。
【００３６】
次に、フィールド上のＡｌ膜１０３およびＮｂライナ１０２をＣＭＰにより除去した。
【００３７】
その後、図３に示すように、Ａｌ膜１０３を除去するポリッシュと、図４に示すように、Ｎｂライナ１０２を除去するセカンドステップポリッシュの２ステップポリッシュを行なった。
【００３８】
実施例１
以下に示すスラリーを用いて、ポリッシュを行なった。
【００３９】
（１）  ポリッシュ
まず、ポリッシュ用のスラリーとしては、アニオン系官能基を有する高分子粒子と、正電荷を有する無機粒子とを使用した。その組成を下記に示す。
【００４０】
ポリッシュ用のスラリー
ポリメチルメタクリレート（一次粒子径２０００オングストローム）
（官能基…カルボキシル基）              ０.５重量部
アルミナ粒子（一次粒子径２００オングストローム）  ３.０重量部
（ゼータ電位  ｐＨ２で＋３５ｍＶ、ｐＨで＋３４ｍＶ）
水                                        残部
ｐＨ        ７
上記スラリーを用いて、荷重３００ｇ／ｃｍ２、トップリング回転数６０ｒｐｍ、テーブル回転数１００ｒｐｍの条件でファーストポリッシュを行なったところ、２０００オングストローム／分のＡｌ研磨速度が得られた。
【００４１】
比較として、上記ポリメチルメタクリレート単独及びアルミナ粒子単独をそれぞれ研磨粒子として混入したスラリーを作成し、同条件でアルミニウム研磨速度を測定した。その結果を図５に示す。
【００４２】
図５から明らかなように、高分子粒子、あるいはアルミナ単独ではほとんど研磨能力はないことが、両者を混合すると研磨能力は大幅に上昇することが確認された。
【００４３】
図６に、アルミナ粒子の粒子径と、これを単独で含むスラリーを用いた研磨における研磨速度との関係を表すグラフ図を表す。このグラフに示すように、スラリー中のアルミナ粒子の粒子径が大きくなるほど研磨速度が上昇する傾向にある。これに対し、本発明のスラリーに使用される高分子粒子は、スラリ中でマイナスに帯電し、これにゼロもしくはプラスに帯電しているアルミナ粒子が吸着されてその実効的な粒径が大きくなっているので、アルミナ粒子と同様に、研磨速度が上昇すると考えられる。図７に得られた凝集体のモデル図を示す。図中、１２０はポリメチルメタクリレート粒子、１２１はアルミナ粒子を各々示す。
【００４４】
単純に大粒径のアルミナを用いた場合、スクラッチとトレードオフの関係にあるため、残念ながら実用的レベルではない。
【００４５】
一方、高分子粒子はスクラッチと研磨速度に粒子径依存性はほとんどない。しかしながら、無機粒子と混合した場合、スクラッチ低減と、スラリー分散性（安定性）の観点から、以下に述べる理由により好ましい粒子径が存在する。
【００４６】
図８に、上述のポリメチルメタクリレートの粒子径と、無機粒子を混入してスラリーを形成して研磨を行なった場合のスクラッチの発生数との関係、及びこの粒子径と、このスラリー中の粒子の沈降速度との関係を表すグラフ図を示す。
【００４７】
グラフ８１に示すように、高分子粒子径が５０オングストローム以下になると、クッション効果が弱まり、無機粒子によるスクラッチを回避できなくなる。一方、グラフ８２に示すように、高分子粒子径が１００００オングストローム以上になるとホモ凝集の発生が顕著になり、沈殿しやすくなるため、スラリの分散性が悪化する。したがって、無機粒子とミックスした場合の実用的な高分子粒子径は５０〜１００００オングストロームである。
【００４８】
また、本スラリでは、高分子粒子のクッション効果により、比較的硬質のパッドで研磨してもスクラッチが入ることはない。
【００４９】
図９に、上記スラリーと、アルミナ粒子及び酸化剤を用いたスラリーについて、種々のライン幅の被加工物を研磨したときに発生するエロージョンの深さを測定した結果を表すグラフ図を示す。
【００５０】
図示するように、本発明のスラリーを使用すると、そのライン幅が増加しても、エロージョンがほとんど進行しないことがわかった。
【００５１】
実施例２
以下に示すスラリーを用いて、ポリッシュを行なった。
【００５２】
（１）  ポリッシュ
ここでは、ポリッシュ用のスラリーとしては、カチオン系官能基を有する高分子粒子と、負電荷を有する無機粒子とを使用した。その組成を下記に示す。
【００５３】
ポリッシュ用のスラリー
ポリスチレン（一次粒径２０００オングストローム）
（官能基…アミノ基）                    ０．５重量部
シリカ粒子（一次粒子径２００オングストローム）    ３．０重量部
ｐＨ        ７
水                                              残部
上記スラリーを用いる以外は実施例１と同様にして、ポリッシュを行ない、その研磨速度を測定した。なお、比較のため、シリカ粒子単独、及びポリスチレン粒子単独を使用したスラリーについても同様の測定を行なった。得られた結果を図１０に示す。
【００５４】
図示するように、シリカ粒子単独を用いたスラリでも１５００オングストローム／分程度の高研磨速度が得られ、第２の発明にかかるスラリーを用いると、さらに高い３５００オングストローム／分の研磨速度が実現し得る。
【００５５】
これは、実施例１と同様に、スラリー中でアミノ基の存在によりプラスに帯電しているポリスチレン粒子の表面に、マイナスに帯電しているシリカ粒子が吸着することにより凝集体が形成され、シリカの実効的な粒子径が増大するためであると考えられる。図１１にこの凝集体のモデル図を示す。図中、１２２はポリスチレン粒子、１２３はシリカ粒子を各々示す。
【００５６】
また、実施例１と同様に、柔らかい高分子粒子のクッション効果により硬いパッドで研磨してもスクラッチを生じない。さらに、実施例１と同様にエロージョンの進行を抑制する効果があった。
【００５７】
なお、実施例１および２ではアニ才ン系およびカチオン系官能基を有する高分子粒子と、アルミナ粒子およびシリカ粒子のコンビネーションについて説明したが、有機の官能基としては、非イオン部を有するアニオン系、カチオン系で、これらと相反する表面電荷をもつ無機粒子、たとえばアルミナ、シリカあるいはベンガラなどの組み合わせでも同様の効果が得られる。
【００５８】
実施例３
以下に示すスラリーを用いて
ポリッシュを行なった。
【００５９】
（１）  ポリッシュ
まず、ポリッシュ用のスラリーとしては、官能基を持たない高分子粒子と、アニオン性界面活性剤と、無電荷または正電荷に帯電された無機粒子とを使用した。その組成を下記に示す。
【００６０】
ポリッシュ用のスラリー
ポリスチレン（一次粒子径２０００オングストローム）
（官能基…カルボキシル基）              ０.５重量部
アルミナ粒子（一次粒子径２００オングストローム）  ３.０重量部
ドデシル硫酸ナトリウム                          ０．０５重量部
水                                                残部
ｐＨ        ７
上記スラリーを用いる以外は、実施例１と同様にしてポリッシュを行なった。
【００６１】
図１２に、スラリー中の凝集体のモデル図を示す。
【００６２】
このスラリーでは、高分子粒子１２４表面に親油部が吸着し、この高分子粒子１２４はマイナスに帯電する。そして、無電荷もしくはプラスに帯電したアルミナ粒子１２１が親水部に吸着し、高分子粒子１２４と無機粒子１２１がこの界面活性剤１２５を介して吸着している。
【００６３】
結果、官能基を持たないポリスチレン粒子１２４とアルミナ粒子１２５は凝集しているので、実施例１のスラリーと同様の効果が得られる。
【００６４】
実施例４
ここでも、実施例１で述べたＡｌダマシン配線の形成方法におけるポリッシュ用のスラリについて説明する。
【００６５】
以下に示すスラリーを用いて、ポリッシュを行なった。
【００６６】
（１）  ポリッシュ
ここでは、ポリッシュ用のスラリーとしては、カチオン系官能基を有する高分子粒子と、負電荷を有する無機粒子とを使用した。その組成を下記に示す。
【００６７】
ポリッシュ用のスラリー
ポリスチレン（一次粒径２０００オングストローム）
（官能基…アミノ基）                  ０．５重量部
シリカ粒子（一次粒子径２００オングストローム）  ３．０重量部
過酸化水素（酸化剤）                            １．０重量部
ｐＨ                                            ５
上記スラリーを用いる以外は実施例１と同様にして、ポリッシュを行なった。
【００６８】
このスラリーは、酸化剤を添加したため、酸化剤無添加のスラリーと比較して、研磨時に化学的作用が加わるため、その相互作用によって研磨速度がさらに向上した。
【００６９】
なお、上記実施例は、これに限定されるものでなく、研磨時の荷重、トップリングおよびターンテーブルの回転数等は、適宜、変更可能である。
【００７０】
また、本発明における使用ｐＨ領域は好ましくはpＨ３〜１２の範囲であり、Ａｌダマシン配線形成の場合、特に好ましくはｐＨ約７である。
【００７１】
【発明の効果】
本発明の方法を用いると、研磨時に、スクラッチ等によるエロージョンの進行を抑え、被加工膜の効率のよい平坦化が可能となる。
【００７２】
このため、スクラッチフリーかつエロージョンの小さい埋め込み配線を安定して形成することが可能となり、信頼性の高い半導体装置が容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１の発明にかかるスラリー中の高分子粒子と無機粒子との状態を表すモデル図
【図２】  アルミニウムダマシン配線の形成工程の一例を表す図
【図３】  アルミニウムダマシン配線の形成工程の一例を表す図
【図４】  アルミニウムダマシン配線の形成工程の一例を表す図
【図５】  第１の発明にかかるスラリーの一例を用いた研磨の速度を表すグラフ図
【図６】  アルミナ粒子の粒子径と、研磨速度との関係を表すグラフ図
【図７】  第１の発明にかかるスラリー中の凝集体の一例のモデル図
【図８】  スクラッチ発生数を表すグラフ図
【図９】  エロージョンの深さを表すグラフ図
【図１０】  第１の発明にかかるスラリーの他の一例を用いた研磨の速度を表すグラフ図
【図１１】  第１の発明にかかるスラリー中の凝集体の他の一例のモデル図
【図１２】  第２の発明にかかるスラリー中の凝集体の一例のモデル図
【符号の説明】
１，１１…高分子粒子
２，１２…無機粒子
３…バフ
４…金属層
５…絶縁層
１００…半導体基板
１０１…パターニングを施した絶縁膜
１０２…Ｎｂライナ
１０３…Ａｌ膜
１０５…配線溝
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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