JP2002158194A

JP2002158194A - 化学的機械的研磨用スラリ及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2002158194A
Application number: JP2000352443A
Authority: JP
Inventors: Fukugaku Minami; 学南幅; Hiroyuki Yano; 博之矢野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2002-05-31

Abstract

(57)【要約】【課題】長時間研磨しても研磨速度が著しく低下せ
ず、絶縁膜に損傷を与えない処理を行うことができるＣ
ＭＰ方法を提供する。【解決手段】溶媒と、この溶媒に分散した研磨粒子と
を有するスラリに、少なくとも１種類の弗素有機化合物
を添加してウエハなどの半導体基板表面の被研磨面にＣ
ＭＰ処理を施す。スラリには研磨粒子としてＡｌ、Ｃ
ｕ、Ｓｉ等を主成分とする酸化物、炭化物又は窒化物も
しくはこれらの混合物や混晶物を用いる。弗素有機化合
物は、界面活性剤、界面活性作用を有し、疎水部及び親
水部を有する試薬もしくは弗化剤などを含んでいる。被
研磨膜は金属膜或いはこれらの積層膜又はこれらの合
金、窒化物、ホウ化物、酸化物から選ばれた材料の膜で
ある。研磨面と研磨パッドとの摩擦が小さく、研磨面の
スクラッチを低減し、剥がれを小さくすることが可能に
なる。Ｃｕ削れ速度も時間の経過に対して一定である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＤＲＡＭや高速ロ
ジックＬＳＩに搭載される半導体基板にＡｌ、Ｃｕ、Ｗ
などのダマシン配線を形成するための化学的機械的研磨
（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing ）用スラリ
及びこのスラリを用いた半導体装置の製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の製造技術では、ＬＳ
Ｉの高性能化に伴い、配線の微細化、高密度化及び多層
化が急速に進んでいる。また、デザインルールがシュリ
ンクされていくばかりではなく、新しい材料の導入も活
発に行われている。例えば、配線材料にはＣｕを主成分
とするものや有機系や多孔質など低誘電率系の層間絶縁
膜などの開発が進んでいる。とくに、ＣＭＰ技術は、配
線もしくは接続配線を絶縁膜に埋め込み形成するデュア
ルダマシンプロセスに適用すると工程数が削減でき、さ
らに、ウエハ最表面の凸凹を緩和することにより、リソ
グラフィプロセスのフォーカスマージンを確保すること
もできる。また、ＣＭＰ技術は、Ｃｕなどドライエッチ
ングが困難である材料で配線を形成することも可能であ
るため、欠かすことのできない重要技術となっている。

【０００３】現在のメタルダマシン配線プロセスでは、
スループットを向上させるために高研磨速度が望まれ、
また、高性能配線を形成するためには、配線などのメタ
ル部や層間絶縁膜などの低エロージョン（Ｅｒｏｓｉｏ
ｎ）及び配線などのメタル部や層間絶縁膜などの低スク
ラッチが達成できるＣＭＰプロセスが望まれている。Ｃ
ＭＰ方法では配線などに対するオーバーポリッシングが
原因で発生するディッシング（Ｄｉｓｈｉｎｇ）による
メタルロス及び絶縁膜に対するオーバーポリッシングで
生じるシニング（Ｔｈｉｎｎｉｎｇ）によるメタルロス
が起き易く、これらを合わせてエロージョンという。Ｃ
ＭＰ特性は、主として、スラリと研磨パッドにより決ま
るものと発明者等は考えている。研磨パッドは、低エロ
ージョンを得るために、ある程度の堅さは必要である。
現在、Ｒｏｄｅｌ社で市販されているハードＰａｄ（Ｉ
Ｃ１０００−Ｐａｄ）よりも柔らかいものではエロージ
ョンを制御することはどんなスラリを用いても困難であ
ると考えている。しかしながら、前記ハードＰａｄで
は、低エロージョンは実現できるが、スラリ中に含まれ
る粗大粒子、過度の凝集体によるスクラッチあるいはス
クラッチに起因する膜剥がれを無くすことは難しく、し
たがって、現状では低エロージョンと低スクラッチ化は
トレードオフの関係にある。

【０００４】したがって、低エロージョン及び低スクラ
ッチの両方を実現するためには、前記ハードＰａｄを用
いてもスクラッチの生じないようにスラリ側の改善を図
る必要がある。一般的にスラリをデザインする時には研
磨面の表面状態、とくに表面に形成される変質層あるい
は保護膜と、それを研磨する研磨粒子の２つに注目する
必要がある。変質層あるいは保護膜は、メタルの酸化
物、錯化物などから形成されるものであるが、これら
は、高研磨速度、低エロージョン、保護膜が形成された
表面を有するメタル部のスクラッチに対しては重要な要
素である。また、ダマシン配線を形成する際には層間絶
縁膜に対してもケアしなければならない。すなわち、低
研磨速度、低エロージョン、低スクラッチであることが
望ましい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、現在の
ＬＳＩなどの半導体装置の製造分野においてＣＭＰは必
須のプロセスである。とくに、配線を形成する工程にお
いて、従来のＲＩＥ(Reactive Ion Ething) プロセスで
は、極めて難しいＣｕの加工及び１μｍ以上の厚膜のメ
タル、とくにアルミニウム（Ａｌ）の加工といった次世
代ＬＳＩには欠かせない配線構造の形成が対応できなく
なってきている。これらを解決するために、ＣＭＰを用
いた層間絶縁膜に配線を埋め込むダマシン配線プロセス
の研究・開発が急速に進んでいる。現在のＣＭＰ技術の
課題は、トレードオフの関係にある高研磨速度と低エロ
ージョンを両立することにあり、本発明はこの課題を解
決するものである。従来の半導体装置の製造技術におい
て、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)プロセスでは解決する
ことの難しいＲＩＥ加工が困難なＣｕやＴｉなどの材料
の加工は、配線歩留まりが確保できなくなってきてい
る。ＲＩＥの場合、配線スペースが小さくなるほど削り
難くくなり削り残りが生じ、配線間がショ−トする。製
造コストダウンのための工程数削減の要求に対して、Ｒ
ＩＥは、絶縁膜の平坦化、ビア（ｖｉａ）ホールの形成
といった具合に、１つ１つ積み重ねて多層化していくた
めに工程数削減が困難であるなどの問題がある。

【０００６】これらのことを解決するために、現在、Ｃ
ＭＰを用いた埋め込み配線（ダマシン配線）プロセスの
研究・開発が急速に進められている。現在のメタルを被
研磨膜とするＣＭＰ、すなわち、メタルＣＭＰの主な課
題は、（１）研磨速度の向上、（２）エロージョンの抑
制、（３）欠陥の低減、（４）スラリのＣＭＰ特性及び
研磨粒子の分散状態の安定化などがあげられる。（１）
は、スループットを向上するために必要である。とく
に、１μｍを超える厚膜のメタルを研磨する場合には、
研磨速度の時間依存性が生じる。一般的には研磨速度は
時間と共に減少傾向にある。膜厚２μｍを３分程度で、
且つ１ｓｔステッププロセスで行えれば理想的である。
（２）は、配線の形成すら難しくなってきている状況の
中で配線抵抗の値やバラツキを小さく抑えなけれればな
らない。とくに、ＬＳＩの動作スピードが配線のＲＣ遅
延に律速されるためエロージョンで生じるメタルロスに
よる配線抵抗の上昇を防がなければならない。（３）
は、配線信頼性や歩留まりにかかわり、（４）は、プロ
セスコストを低減するためには、安定した特性を長時間
維持できれば頻繁にスラリ交換をしなくて済むためスラ
リコストを抑えることができる。

【０００７】これら一連の問題点を解決する手段の１つ
として、スラリ中に界面活性剤を添加する方法がある。
しかし、従来技術の疎水部にアルキル基を有する界面活
性剤では、（１）と（２）、（３）、（４）は、トレー
ドオフの関係にありＣＭＰ特性を劣化させずに安定化を
図るのは困難であり、未だ実用化までには至っていな
い。この原因は、アルキル基の界面活性力によるところ
が大きいと考えられる。一方、Ｃｕ、Ａｌダマシン配線
のライナやバリアメタルにはＴｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂなど
を主成分とした材料が用いられている。これらは、ＨＦ
以外の酸には不溶であるためＣＭＰする際には適当な反
応剤がない。したがって、ケミカルプアなメカニカル主
体のＣＭＰとなってしまう。通常、削れ難い膜を削り続
けると剥がれが生じ易い。Ｔａなどは削り難くく、且つ
硬い材料であるため、剥がれた場合に研磨面を激しく傷
をつけてしまう。また、ＨＦは取り扱いが難しく、研磨
粒子であるシリカが溶けてしまう。アルミナは溶けない
が次世代の多層配線には欠かせない低誘電率化絶縁膜
（Ｌｏｗ−Ｋ膜）の研磨レートが速すぎてしまうといっ
た問題があるので実用的ではない。本発明は、このよう
な事情によりなされたものであり、長時間研磨しても研
磨速度が著しく低下せず、絶縁膜に損傷を与えない処理
を行うことができるＣＭＰ方法を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、溶媒と、この
溶媒に分散した研磨粒子とを有するスラリに、少なくと
も１種類の弗素有機化合物を添加してウエハなどの半導
体基板表面の被研磨面にＣＭＰ処理を施すことを特徴と
している。スラリには研磨粒子としてＡｌ、Ｃｕ、Ｓ
ｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃ、Ｆｅの少なくとも１つを主成分と
する酸化物、炭化物及び窒化物あるいはこれらの混合物
や混晶物を用いることができる。弗素有機化合物は、界
面活性剤、界面活性作用を有し、疎水部及び親水部を有
する試薬もしくは弗化剤などを含んでいる。前記絶縁膜
はシラン系ガス、ＴＥＯＳ系ガスを用いて形成された無
機質の絶縁膜、また、これらに誘電率を低くすることを
目的として弗素（Ｆ）を含んだＳｉＯ₂を主成分とする
絶縁膜や、有機系多孔質膜のように、柔らかく、脆く、
はがれ易く、疎水性を有するような誘電率ε（比誘電
率）が３以下のＬｏｗ−Ｋ膜に対してもダメージをほと
んど与えることがない。被研磨膜は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、
Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｒｕ、Ａｇから選ばれた
材料からなる膜或いはこれらの積層膜、もしくはこれら
を主成分とする合金、窒化物、ホウ化物、酸化物から選
ばれた材料の膜である。研磨面と研磨パッドとの摩擦が
小さく、研磨面のスクラッチを低減し、剥がれを小さく
することが可能になる。

【０００９】即ち、本発明の化学的機械的研磨用スラリ
は、溶媒と、この溶媒に分散した研磨粒子と、少なくと
も１種類の弗素有機化合物とを備えることを特徴として
いる。前記弗素有機化合物は、疎水基としてフルオロメ
チル基、ペルフルオロアルキル基を分子内に有している
ようにしても良い。前記弗素有機化合物は、求電子弗素
化として用いられる弗素を含有しているようにしても良
い。前記弗素有機化合物は、ペルフルオロアルキルベダ
イン、ペルフルオロアルキルエチレンオキシド付加物、
ペルフルオロアルキルオリゴマ、ペルフルオロアルキル
カルボン酸塩、ペルフルオロアルキル第四級アンモニウ
ム塩、フルオロベンゼン系中間体、ベンゼントリフルオ
リド系中間体、脂肪族系中間体、Ｎ−フルオロピリジニ
ウム塩、Ｎ−フルオロピロリドン、Ｎ−フルオロ−Ｎ−
アルキル−アレーンスルホンアミド、ＦＣｌＯ₃、ＣＦ
₃ＣＯＯＦ、ＣＨ₃ＣＯＯＦのすくなくともいずれかで
あるようにしても良い。前記弗素有機化合物は、アルキ
ル基、芳香環、複素芳香環のいずれかを含むようにして
も良い。前記弗素有機化合物は、官能基としてアニオ
ン、カチオン、非イオン性若しくは両性のいずれかを少
なくとも有しているようにしても良い。前記弗素有機化
合物濃度は、０．００１ｗｔ％〜０．５ｗｔ％であるよ
うにしても良い。

【００１０】前記研磨粒子として、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、
Ｃｒ、Ｃｅ、Ｔｉ、Ｃ、Ｆｅから選択された少なくとも
１つの元素を主成分とする酸化物、炭化物もしくは窒化
物、或いはこれらの混合物、混晶物であるようにしても
良い。酸化剤として、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリ
ウム、過酸化水素水、硝酸第二鉄、硝酸第二アンモニウ
ムセリウムから選ばれた少なくとも１つをさらに含むよ
うにしても良い。添加剤として、キナルジン酸、キノリ
ン酸、ニコチン酸、ピコリン酸、マロン酸、シュウ酸、
コハク酸、グリシン、アラニン、トリプトファンの少な
くとも１つを含むようにしても良い。本発明の半導体装
置の製造方法は、半導体基板上に形成された絶縁膜表面
に配線溝を形成する工程と、前記配線溝内部を含む前記
絶縁膜上に金属膜を堆積させる工程と、前記金属膜表面
を上記のスラリを用いて化学的機械的研磨を行い、前記
配線溝に埋め込まれた前記金属膜以外の金属膜を除去す
る工程とを備えたことを特徴としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して発明の実施
の形態を説明する。まず、図１を参照して第１の実施例
を説明する。本発明は、疎水部にフルオロアルキル基を
有する界面活性剤を化学的機械的研磨用スラリに加える
ことにより、アルキル基を有する界面活性剤を用いたの
では得られなかった、（１）研磨速度の向上、（２）エ
ロージョンの抑制、（３）ポリッシング欠陥の低減、
（４）スラリのＣＭＰ特性及び分散状態の安定化などを
達成することができる。フルオロアルキル基を有する界
面活性剤は、アルキル基と比較して、高い界面活性特性
を示し、且つ少量でその効果を発揮する。この実施例で
は、半導体基板上に配線溝を形成した絶縁膜にライナ及
びＣｕ膜を積層形成し、まずライナをストッパ−として
Ｃｕを研磨し（１ｓｔステップ）、次いで、ライナの不
要部分を除去する（２ｎｄステップ）２ステッププロセ
スでＣＭＰ処理を行う。そして、Ｃｕを研磨する（Ｃｕ
タッチアップ）１ｓｔステップでＣＭＰスラリにペルフ
ルオロアルキルエチレンオキシドノニオン界面活性剤を
添加して安定したプロセスの達成を期する。弗素有機化
合物は、界面活性剤、界面活性作用を有し親水部及び疎
水部を含む試薬もしくは弗化剤などを含んでいる。

【００１２】図１は、Ｃｕデュアルダマシン配線形成を
説明する製造工程断面図である。まず、半導体素子（図
示しない）を形成したシリコンなどの半導体基板１００
上にシリコン酸化膜などから形成された絶縁膜１０１を
形成する。絶縁膜１０１の表面には配線が形成される深
さ６００ｎｍの配線溝１０４及び半導体基板１００とコ
ンタクトを取るための深さ５００ｎｍのコンタクト孔１
０５が配線溝１０４の底面に開孔する。次に、ＴａＮラ
イナ１０２を２００ｎｍ程度スパッタリングにより堆積
させ、Ｃｕ膜１０３を１２００ｎｍ程度シード層をスパ
ッタリングにより、残りをメッキ法により堆積させる
（図１（ａ））。配線溝１０４及びコンタクト孔１０５
の内部には、ＴａＮライナ１０２及びＣｕ膜１０３が埋
め込まれる。次に、Ｃｕ膜１０３の不要部分をＣＭＰ処
理により除去する（図１（ｂ））。この１ｓｔステップ
ではＴａＮライナ１０１でストップさせる。

【００１３】ここでは従来のスラリを用い、このスラリ
に酸化剤として過硫酸アンモニウム（１ｗｔ％）、酸化
抑制剤としてキナルジン酸（０．５ｗｔ％）、研磨粒子
としてアルミナ（０．５ｗｔ）を純水などの溶媒に加
え、スラリｐＨを水酸化カリウム水溶液で９．２にコン
トロールする。このコントロールしたスラリを用い、ス
ラリフロー：２００ｃｃ、研磨パッドにＩＣ１０００／
ＳＵＢＡ４００（ロデール社の商品名）、荷重（Ｄ
Ｆ）：３００ｇ／ｃｍ²、トップリング（ＴＲ）回転
数：１００ｒｐｍ、ターンテーブル（ＴＴ）回転数：１
００ｒｐｍの条件で２００秒ＣＭＰ処理を行なう。次
に、本発明の弗素有機化合物を含むスラリを用いてＴａ
Ｎライナ１０２の不要部分を除去するタッチアップ（２
ｎｄステップ）を行う（図１（ｃ））。このタッチアッ
プは、配線の仕上げ工程であるため不要なメタルの完
全除去、配線部及び絶縁膜上の傷の除去、配線部及
び絶縁膜上のパーティクル、腐食を誘発するような酸な
どを除去しなくてはならない、など難しい工程である。

【００１４】まず、Ｃｕ膜１０３／ＴａＮライナ／絶縁
膜１０１と，異なった材料をバランス良く研磨する必要
がある。ＴａＮは耐薬品性に優れているためケミカルよ
りもメカニカルでの研磨力を強める。この場合、研磨粒
子濃度は高めに設定される。即ち、５ｗｔ％程度が一般
的である。これによりが達成されるが、研磨粒子濃度
が高くなると、供給タンク中で研磨粒子が凝集し易くな
る。さらに、スラリ中に酸、イオンなどが存在すると、
塩析効果により、凝集が加速され研磨粒子同士が固まっ
てしまい、再分散しない状態（ハードケーキ化）となり
易い。しかし、粗大な粒子が混入したスラリでの研磨と
なるため傷を取るどころか逆に傷をつけてしまう。そし
て、は達成されない。さらに、ハードケーキ化した場
合、研磨に寄与するスラリ中の研磨粒子濃度が低下して
しまうため、レートバランスがくずれて研磨自体ができ
なくなってしまう。粒子の凝集、ハードケーキ化を防ぐ
ためには、界面活性剤の添加が有効であるが、従来のア
ルキル基を含む場合には、高濃度で添加しなければ効果
が小さくなる。分散効果を高めようとすると研磨レート
バランスが崩れてしまい研磨できない問題がある。ま
た、界面活性剤の添加はに対しても非常に有効であ
る。つまり、タッチアップでは界面活性剤がキーであ
る。

【００１５】本発明の弗素系有機化合物であるフルオロ
アルキル基を有する界面活性剤をスラリに用いると、従
来のアルキル基の界面活性剤に対し、少量で分散効果が
高められるので狙いの研磨レートバランスを保つことが
できる。図２は、本発明のスラリの界面活性剤を添加し
た効果を説明する特性図であり、図２（ａ）が従来のア
ルキル鎖を有する界面活性剤をスラリを用いてＣＭＰを
行ったときの特性図、図２（ｂ）が本発明弗素系化合物
を加えたスラリを用いてＣＭＰを行ったときの特性図で
ある。いずれの特性図にもＣｕ研磨速度−界面活性剤濃
度曲線（−■−）及び粗大粒子数−界面活性剤曲線（−
◆−）が示されている。横軸が界面活性剤濃度（ｗｔ
％）を表し、縦軸がＣｕ研磨速度（ｎｍ／ｍｉｎ）及び
粗大粒子数（個／ｍｌ）を表している。Ｃｕの研磨速度
を２００ｍｎ／ｍｉｎ以上、粗大粒子数（３次粒子径：
１μｍ以上）５０００個／ｍｌ以下、Ｃｕ腐食防止の条
件を満たす界面活性剤濃度は、従来の場合存在しない
が、本発明では０．００１〜０．５ｗｔ％と広い範囲で
使用できる。

【００１６】例えば、酸化剤として過酸化水素：１ｗｔ
％、キノリン酸：０．１ｗｔ％、研磨粒子としてシリ
カ：３ｗｔ％を純水などの溶媒に加えたスラリ中にペル
フルオロアルキルエチレンオキシド系界面活性剤（ノニ
オン）を０．０２５ｗｔ％添加してＣＭＰ用スラリと
し、これを用いて、スラリフロー：２００ｃｃ／ｍｉ
ｎ、研磨パッド：ポリテックス（Ｐｏｌｉｔｅｘ）（ロ
デール社の商品名）、ＤＦ：３００ｇ／ｃｍ²、ＴＲ回
転数：５２ｒｐｍ、ＴＴ回転数：５０ｒｐｍの条件で８
０秒間ＣＭＰ処理を行った。その結果、不要メタルを完
全に除去することができた。その結果、配線幅０．２μ
ｍ、長さ１０ｍの配線歩留まりは、１００％であり
（１）は、達成されて、欠陥（傷、粒子残り）も１０個
／１ウエハ以下であり、（２）、（３）も達成された。
勿論、残留粒子も完全に除去されている。Ｃｕの腐食も
観測されなかった。また、２週間は安定にプロセスを実
施することができた。これは界面活性剤により、研磨粒
子が安定分散し、ハードケーキ化を防止することができ
たことによる。さらに、エロージョンを小さく押さえら
れる効果も確認されている。この実施例においてエロー
ジョンを配線幅５０μｍ、配線被覆率８０％で４０ｎｍ
に抑えられた。従来技術では８５ｎｍであった。

【００１７】従来技術のアルキル基を有する界面活性剤
を用いた場合、研磨レートバランスを保ち、研磨粒子の
凝集化を防止することが難しい。しかし、本発明によれ
ば、０．００１ｗｔ％以上の弗素系有機化合物を添加す
ることによりこのような問題を解決することができた。
この実施例では、弗素系有機化合物として弗素系のノニ
オン（非イオン性）界面活性剤を用いて説明したが、研
磨粒子の電位と同電位の親水部を有する弗素系界面活性
剤を用いても同様の効果が得られる。

【００１８】次に、図３及び図４を参照して第２の実施
例を説明する。図４は、Ｃｕダマシン配線形成を説明す
る製造工程断面図である。この実施例ではＣｕ厚膜をＣ
ＭＰする際にペルフルオロオリゴマを添加したスラリを
用いて安定したプロセスが達成されるＣｕダマシン配線
を形成する。ＬＳＩなどの半導体装置の製造工程の中で
１μｍ以上の厚膜のＣｕを研磨するプロセスがあるが、
研磨速度の低下が問題となっている（図３参照）。図３
は、ＣＭＰ処理における研磨時間とＣｕ削れ量との関係
を示す特性図であり、横軸が研磨時間（秒）、縦軸がＣ
ｕ削れ量（ｎｍ）を表している。実線が本発明のＣＭＰ
特性を示す特性線であり、点線が従来のＣＭＰ特性を示
す特性線である。例えば、６０秒の研磨では５００ｎｍ
削れるが、一気に１２０秒研磨すると、８００ｎｍしか
削れない。６０〜１２０秒の削れ量が３００ｎｍと減少
してしまうのである。これは、研磨中に生成される反応
物、スラリ成分（主として研磨粒子）が研磨パッドに付
着してメズマリを生じるためと考えられる。したがっ
て、各々の適度な親水化処理が必要となってくる。

【００１９】また、有機系の低誘電率化（Ｌｏｗ−Ｋ）
材料の絶縁膜を用いてＣｕダマシン配線を形成する場合
には、無機質の絶縁膜を取り扱う時以上に欠陥、剥れに
対し注意が必要である。また、有機系の絶縁膜は疎水性
である場合が多い。そして、半導体基板表面が疎水性の
場合、パーティクルが付着し易い問題もある。したがっ
て、絶縁膜表面、反応生成物、スラリ成分、研磨パッド
表面の親水化がポイントとなる。次に、図４を参照して
膜厚のＣｕ膜に対してＣＭＰを行う際のプロセスフロー
を説明する。まず、シリコンなどの半導体基板２００上
にシリコン酸化膜などの絶縁膜２０１を形成する。この
絶縁膜２０１の表面に深さ８００ｎｍの配線溝２０４を
パターン形成する。ここで絶縁膜２０１は、有機系絶縁
膜であり、柔らかく、脆く、剥がれ易い膜である。ま
た、絶縁膜２０１自体は疎水性である。次いで、ＴａＮ
ライナ２０２を１０ｎｍ及びＣｕ膜２０３を１４００ｎ
ｍ順次堆積させる。Ｃｕ膜２０３は、シード層をスパッ
タリング法で形成し、残りをメッキにより形成する（図
４（ａ））。

【００２０】次に、Ｃｕ膜２０３及びＴａＮライナ２０
２の配線溝２０４に埋め込まれた部分を除く不要部分を
ＣＭＰ処理により除去する（図４（ｂ））。この実施例
では１度にＣＭＰ方法による研磨を完了させる１ステッ
ププロセスを用いている。スラリ成分は、酸化剤：過硫
酸アンモニウム（１ｗｔ％）、酸化抑制剤：キナルジン
酸（０．５ｗｔ％）、研磨粒子：コロイダルシリカ（１
ｗｔ％）、アラニン（０．３ｗｔ％）、調整剤などを純
水などの溶媒に添加し、弗素系有機化合物である界面活
性剤としてペルフルオロオリゴマ（０．０２５ｗｔ％）
を加え、水酸化カリウム水溶液によりｐＨを９にコント
ロールする。そして、スラリフロー：２００ｃｃ／ｍｉ
ｎ、研磨パッド：ＩＣ１０００／ＳＵＢＡ４００、Ｄ
Ｆ：３００ｇ／ｃｍ²、ＴＲ回転数：１００ｒｐｍ、Ｔ
Ｔ回転数：１００ｒｐｍの条件で、１５０秒間ＣＭＰ処
理を行った。本発明では、１５０秒のＣＭＰ処理により
ウエハ全面の不要なメタルを研磨することができた。し
かし、従来のアルキル基を有する界面活性剤を用いた場
合には、３００秒のＣＭＰを行っても不要メタルを完全
に除去することはできなかった（図３参照）。

【００２１】従来技術でメタルを除去しきれなかったの
は、反応生成物及び研磨パッド表面の親水化が不充分で
あったため、研磨パッド表面に削れカスがたまり、めず
まりが生じやすい状態となっているとこと、さらに、界
面活性剤が研磨パッド上に蓄積されて、見かけ上研磨中
の界面活性剤濃度が高くなることによるものと考えられ
る。研磨パッド表面の親水化あるいは疎水性材料の親水
化は、とくに電気的に中性である場合、電気的引力が働
かないため、削れカス（例えば、シリカはマイナス
（−）に帯電し、Ｃｕ錯体はプラス（＋）に帯電してい
る）がスムーズに研磨面から排出される。本発明では、
欠陥及びスクラッチについても、有機系絶縁膜や多孔質
絶縁膜のように、柔らかく、脆く、剥がれ易い膜に対し
てもダメージを与えること無く、且つ研磨中の摩擦（テ
ーブルモータのトルクセンサ電流値）も小さいことから
剥がれに対しても有利な方向であると推測される。さら
に、界面活性剤は、酸化したＣｕを保護するためＣｕの
腐食防止効果が期待できるが，本発明の弗素系有機化合
物においても、０．００１ｗｔ％以上添加することによ
り、その効果が確認された。

【００２２】ここでは、０．５ｗｔ％以上の弗素系有機
化合物を添加すると、表面保護膜の削れ易さに影響が現
れて研磨速度が著しく低下する。その原因は保護膜の界
面活性剤の割合が増えることによるものと考えられる。
したがって、界面活性剤の使用濃度は０．５ｗｔ％以下
とすることが望ましい。この実施例では、弗素系有機化
合物として弗素系ノニオン（非イオン性）界面活性剤を
用い説明したが、研磨粒子の電位と同電位の親水部を有
する弗素系界面活性剤を用いても、同様の効果が得られ
る。

【００２３】次に、第３の実施例を説明する。この実施
例では弗素化剤を用いて、ＴａＮを研磨する方法につい
て説明する。そして、第１の実施例と同様に、Ｃｕダマ
シン配線形成のタッチアップ工程に適用する。従来技術
で述べたように、Ｔａのケミカル力を効かせたＣＭＰ
は、不活性であるがために難しい。しかし、弗素のみに
対しては極めて活性である。発明者は、この弗素に注目
したものである。即ち、本発明ではＴａＮの弗化を目的
としている。弗化剤としてはフルオロピリジンを用い
る。フルオロピリジンは、Ｔａの弗化によりＦが解離し
た後、ピリジンがＣｕに吸着してＣｕ表面を保護するた
めにＣｕとＴａが共存する場合に適した有機系化合物で
ある。スラリ成分は、フルオロピリジン（０．２ｗｔ
％）、シリカ（０．５ｗｔ％）を塩化エチレン溶媒に溶
かしたものを用いた。研磨条件は、スラリフロー：２０
０ｃｃ／ｍｉｎ、研磨パッド：ＩＣ１０００／ＳＵＢＡ
４００、ＤＦ：３００ｇ／ｃｍ²、ＴＲ回転数：１００
ｒｐｍ、ＴＴ回転数：１００ｒｐｍの条件で４５秒間Ｃ
ＭＰ処理を行った。

【００２４】これにより、研磨粒子主体でのメカニカル
リッチなＣＭＰを行わなくてもよいので、研磨粒子濃度
を低減することができる。スクラッチ及び剥れ耐性の観
点からは有利な方向である。また、従来技術ではタッチ
アップの際には粗大粒子によるスクラッチの回避及びメ
カニカル効率を良くするために摩擦の大きなソフトパッ
ドにより研磨を行う必要があった。しかし、本発明によ
り研磨粒子濃度を低くしたスラリを用いるのでハードパ
ッドの使用も可能になるのでエロージョンを抑制すると
いった観点からは大変大きなメリットがある。

【００２５】次に、図５を参照して第４の実施例を説明
する。図５は、Ａｌダマシン配線形成を説明する製造工
程断面図である。この実施例ではピリジン環にフルオロ
メチル基と、官能基としてスルホン酸を有する化合物を
用いてＡｌのＣＭＰを行う方法について説明する。弗素
系有機化合物の役割は、フルオロメチル基の疎水性とス
ルホン酸の親水性を利用して、Ａｌ表面の保護膜形成
と、研磨粒子の研磨パッドへの固定（即ち、アンカー効
果）とを狙うものである。アンカー効果とは、研磨粒子
を研磨パッドに固定化することにより、研磨効率（研磨
速度）を向上させることをいう。まず、シリコンなどの
半導体基板３００上にシリコン酸化膜などの絶縁膜３０
１を形成する。この絶縁膜３０１表面に深さ３００ｎｍ
の配線溝３０４をパターニングする。ここで、絶縁膜３
０１は、有機系膜のように、柔らかく、脆く、剥がれ易
い膜である。次に、Ｎｂライナ３０２を１５ｎｍ及びＡ
ｌ膜３０３を８００ｎｍ程度スパッタリングにより堆積
する（図５（ａ））。

【００２６】次に、不要なＡｌ膜３０３及びＮｂライナ
３０２を一気にＣＭＰにより研磨し除去する。この実施
例に用いられる本発明のスラリ成分は、酸化剤：過硫酸
アンモニウム（２ｗｔ％）、酸化抑制剤（表面保護膜形
成）：キノリン酸（０．６ｗｔ％）、フルオロピリジン
塩（０．５ｗｔ％）、研磨粒子：アルミナ（３ｗｔ％）
を純水などの溶媒に加えて得られる。スラリのｐＨは、
５にコントロールされている。アルミナは、＋に帯電さ
れているのでピリジンに配位しているスルホン基（−に
帯電）に付く。スラリ中では疎水性の強い研磨粒子群が
形成されると予想される。そして、このスラリを用い
て、スラリフロー：２００ｃｃ／ｍｉｎ、研磨パッド：
ＩＣ１０００／ＳＵＢＡ４００、ＤＦ：３００ｇ／ｃｍ
²、ＴＲ回転数：１００ｒｐｍ、ＴＴ回転数：１００ｒ
ｐｍの条件で１５０秒間のＣＭＰ処理を行った（図５
（ｂ））。この実施例のスラリが研磨時、研磨パッド
（ターンテーブル）上に供給されると研磨パッドが疎水
性であるため、疎水性の粒子群とよくなじむことにな
る。その結果、本発明ではＡｌの研磨速度５００ｎｍ／
ｍｉｎが得られる。

【００２７】一方、従来技術であるフルオロメチル基が
無く、ピリジンスルホン酸を用いた場合は、研磨速度が
２２０ｎｍ／ｍｉｎと小さい。本発明は、研磨速度が２
倍以上向上するのでプロセス時間が短縮される。また、
研磨粒子が効率良く働くため研磨粒子の低濃度化が可能
となり、その結果、研磨面に生じるスクラッチ減及び残
留粒子減が期待される。また、スラリコストの低減とい
った利点もある。また、Ａｌ表面に吸着したピリジン
は、Ａｌの腐食防止の効果があり、さらには、エロージ
ョンを小さく抑える効果があることが確認された。この
実施例では、弗素系有機化合物の親水部にアニオンを用
いているが、研磨粒子の電位と逆電位の親水部を有する
フッ素系界面活性剤を用いても、同様の効果が得られる。

【００２８】なお、前述の実施例は一例にすぎず、本発
明は、これらに限定されるものではない。例えば、弗素
系界面活性剤は、アニオン、カチオン、非イオン性（ノ
ニオン）であってもよい。またこれらを混合して使用し
てもよい。弗化剤及びフルオロピリジン塩についても、
これらを混合して使用してもよいし、弗素系界面活性剤
あるいはアルキル鎖などの界面活性剤との併用も可能で
ある。研磨時の荷重（ＤＦ）、トップリング（ＴＲ）及
びターンテーブル（ＴＴ）の回転数などに関しても、適
宜、変更可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形可能である。

【００２９】次に、図６を参照して本発明を実施するＣ
ＭＰ処理について説明する。本発明のスラリを用いてＣ
ＭＰ処理を実施するＣＭＰ装置は、回転可能な研磨盤
（ターンテーブル（ＴＴ））１が取り付けられている。
研磨盤１上にはシリコンなどのウエハを研磨する研磨パ
ッド２が張り付けられている。ウエハは、研磨パッド２
と対向する位置に配置され、真空又は水張りにより吸着
盤（トップリング（ＴＲ））３に取り付けられた吸着布
及びテンプレートに固定されている。トップリング（Ｔ
Ｒ）３は、駆動シャフト４に接続され、駆動シャフト４
は、モーターにより回転される。トップリング３に固定
されたウエハと研磨パッド２の間にはスラリが供給され
る。このようにしてウエハのＣＭＰが行われる。図６
は、上記スラリを用いて実際にウエハをＣＭＰ処理する
ＣＭＰ装置の斜視図である。例えば、約３０回転／分で
回転する研磨盤１に張り付けられた研磨パッド２に、例
えば、約３０回転／分で回転する駆動シャフト４に取り
付けられたトップリング３に固定されたウエハを所定の
荷重（ＤＦ）で押し付け、スラリタンクより導出された
スラリ供給パイプ３８から供給されるスラリを加工点に
滴下しながらＣＭＰ研磨を行う。

【００３０】

【発明の効果】以上、本発明は、弗素有機化合物を含有
するスラリを用いてＣＭＰ行うので高研磨速度が達成さ
れ、且つ研磨レートバランスを保ちながら研磨粒子の安
定した分散化が可能になるというＣＭＰ特性が改善さ
れ、さらにエロージョンの少ない高性能のメタルダマシ
ン配線を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例のスラリを用いたＣＭＰ方法を説
明する半導体装置の製造工程断面図。

【図２】スラリ中の界面活性剤濃度と研磨粒子の分散性
及び研磨レートバランスとの関係を示す特性図。

【図３】ＣＭＰ処理におけるＣｕ削れ量と研磨時間との
関係を示す特性図。

【図４】第１の実施例のスラリを用いたＣＭＰ方法を説
明する半導体装置の製造工程断面図。

【図５】第１の実施例のスラリを用いたＣＭＰ方法を説
明する半導体装置の製造工程断面図。

【図６】本発明のＣＭＰ方法を説明するＣＭＰ装置の部
分斜視図。

【符号の説明】

１・・・研磨盤（ターンテーブルＴＴ）、２・・・
研磨パッド、３・・・トップリング、４・・・駆動
シャフト、３８・・・スラリ供給パイプ、１００、２０
０、３００・・・半導体基板、１０１、２０１、３０１
・・・絶縁膜、１０２、２０２・・・ＴａＮライナ、
１０３、２０３・・・Ｃｕ膜、１０４、２０４、３０
４・・・配線溝、１０５・・・コンタクト孔、３０
２・・・Ｎｂライナ、３０３・・・Ａｌ膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶媒と、この溶媒に分散した研磨粒子
と、少なくとも１種類の弗素有機化合物とを備えたこと
を特徴とする化学的機械的研磨用スラリ。
【請求項２】前記弗素有機化合物は、疎水基として、
フルオロメチル基、ペルフルオロアルキル基を分子内に
有していることを特徴とする請求項１に記載の化学的機
械的研磨用スラリ。
【請求項３】前記弗素有機化合物は、求電子弗素化と
して用いられる弗素を含有していることを特徴とする請
求項１又は請求項２に記載の化学的機械的研磨用スラ
リ。
【請求項４】前記弗素有機化合物は、ペルフルオロア
ルキルベダイン、ペルフルオロアルキルエチレンオキシ
ド付加物、ペルフルオロアルキルオリゴマ、ペルフルオ
ロアルキルカルボン酸塩、ペルフルオロアルキル第四級
アンモニウム塩、フルオロベンゼン系中間体、ベンゼン
トリフルオリド系中間体、脂肪族系中間体、Ｎ−フルオ
ロピリジニウム塩、Ｎ−フルオロピロリドン、Ｎ−フル
オロ−Ｎ−アルキル−アレーンスルホンアミド、ＦＣｌ
Ｏ₃、ＣＦ₃ＣＯＯＦ、ＣＨ₃ＣＯＯＦのすくなくとも
いずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項３
のいずれかに記載の化学的機械的研磨用スラリ。
【請求項５】前記弗素有機化合物は、アルキル基、芳
香環、複素芳香環のいずれかを含むことを特徴とする請
求項１乃至請求項４のいずれかに記載の化学的機械的研
磨用スラリ。
【請求項６】前記弗素有機化合物は、官能基としてア
ニオン、カチオン、非イオン性若しくはアニオン及びカ
チオンの両性のいずれかを少なくとも有していることを
特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の化
学的機械的研磨用スラリ。
【請求項７】前記弗素有機化合物濃度は、０．００１
ｗｔ％〜０．５ｗｔ％であることを特徴とする請求項１
乃至請求項６のいずれかに記載の化学的機械的研磨用ス
ラリ。
【請求項８】酸化剤として、過硫酸アンモニウム、過
硫酸カリウム、過酸化水素水、硝酸第二鉄、硝酸第二ア
ンモニウムセリウムから選ばれた少なくとも１つをさら
に含むことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれ
かに記載の化学的機械的研磨用スラリ。
【請求項９】添加剤として、キナルジン酸、キノリン
酸、ニコチン酸、ピコリン酸、マロン酸、シュウ酸、コ
ハク酸、グリシン、アラニン、トリプトファンの少なく
とも１つを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項８
のいずれかに記載の化学的機械的研磨用スラリ。
【請求項１０】半導体基板上に形成された絶縁膜表面
に配線溝を形成する工程と、前記配線溝内部を含む前記絶縁膜上に金属膜を堆積させ
る工程と、前記金属膜表面を請求項１乃至請求項１０のいずれかに
記載されたスラリを用いて化学的機械的研磨を行い、前
記配線溝に埋め込まれた前記金属膜以外の金属膜を除去
する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造
方法。