JP2000265161A - Cmp用スラリおよびcmp法 - Google Patents

Cmp用スラリおよびcmp法

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JP2000265161A
JP2000265161A JP7161099A JP7161099A JP2000265161A JP 2000265161 A JP2000265161 A JP 2000265161A JP 7161099 A JP7161099 A JP 7161099A JP 7161099 A JP7161099 A JP 7161099A JP 2000265161 A JP2000265161 A JP 2000265161A
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ディッシングやシニングを招かずにAlダマシ
ン配線を形成すること。 【解決手段】配線溝3が形成されたSiO2 膜2上にA
lダマシン配線となるAl膜4を堆積した後、研磨粒子
がシリカとアルミナとの混晶粒子であるスラリを用いた
CMPによって、配線溝3の外部の余剰なAl膜4を除
去する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、Al膜やW膜等の
金属膜の研磨に有効なCMP用スラリおよびCMP法に
関する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体装置の製造分野では、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CMP技術は、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技術である。
【0003】従来技術でメタルCMPを行う場合、アル
ミナ粒子をベースとしたスラリが用いられる。その理由
としてはアルミナ自体に高い研磨能力があることと、酸
化剤として硝酸などの強酸(pH:〜2)が使用される
ことが多く、この領域でアルミナ粒子の分散性が良いこ
となどがあげられる。
【0004】しかしながら、アルミナベースのスラリに
は、以下に示す3つの問題が存在する。
【0005】第1の問題は、Cu膜やAl膜などの金属
膜を研磨するためには、スラリのpHを中性付近にする
必要があるが、アルミナベースのスラリは中性付近で分
散性が不安定であるため、安定したポリッシュ特性を得
ることが難しいということである。
【0006】第2の問題は、絶縁膜に対する金属膜の選
択比(金属膜研磨速度/絶縁膜研磨速度)を十分に確保
できないということである。ダマシン配線を形成する場
合、絶縁膜に対する金属膜の選択比を十分に確保する必
要がある。そのために一般にアルミナ濃度を下げるなど
して絶縁膜の研磨速度を下げるようにしている。しか
し、同時に金属膜の研磨速度も低下してしまうため、高
選択比を得ることは難しく、シンニング(絶縁膜の膜減
り)を抑制することができない。
【0007】第3の問題は、ディッシング(溝内の金属
膜膜の後退)が大きいことである。特に、オーバーポリ
ッシュマージンが小さく、ウェハ全面で深さが均一のダ
マシン配線を形成することができない。その対策とし
て、弾性変形の小さい硬質研磨パッドが用いられている
が、Alのように柔らかい材料の場合には、傷とのトレ
ードオフの関係にあるため、スラリを工夫しなければ解
決することは難しい。
【0008】また、シリカ粒子をベースとしたスラリを
用いたメタルCMPも試みられているが、十分な研磨速
度が得られなかったり、研磨面のモフォロジが悪いなど
の問題がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のメ
タルCMPでは、アルミナ粒子をベースとしたスラリが
用いられていたが、この種のスラリを用いた場合には、
中性付近で安定したポリッシュ特性を得ることが難しか
ったり、絶縁膜に対する金属膜の選択比を十分に確保で
きなかったり、ディッシングが大きいなどの問題があっ
た。
【0010】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、中性付近での安定した
ポリッシュ特性、絶縁膜と導電膜との間での高い選択
性、ディッシングの抑制を実現できるCMP用スラリお
よびCMP法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、CMP用スラリ(以下、単にスラリと
いう)として、シリカとアルミナとの混晶粒子からなる
研磨粒子を含むものを使用する。
【0012】本発明者らの研究によれば、研磨粒子がシ
リカとアルミナとの混晶粒子であるスラリを用いたCM
Pは研磨速度の荷重依存性が大きく、ディッシングの増
加を効果的に抑制できることが分かった。
【0013】また、この種のスラリは、シリカに対する
アルミナの混合比を1〜9の範囲に設定することによ
り、CMP用スラリのpHに関係なく、絶縁膜に対する
導電膜の選択比、または導電膜に対する絶縁膜の選択比
を十分に大きくすることができ、絶縁膜と導電膜との間
での高い選択性が取れることが分かった。
【0014】さらに、この種のスラリは、pHを4〜9
の範囲に設定すると、研磨粒子のアグリゲーション化
(凝集しても元に戻れる可逆的な凝集)を実現でき、こ
れにより分散性が低下せず、安定したポリッシュ特性が
得られることが分かった。また、アグリゲーション化し
た粒子を効率良く基板にこすりつけるために、有機酸を
添加すると、研磨速度が向上することが分かった。これ
は粒子の研磨パッドの保持が改善されるからである。
【0015】さらにまた、酸化剤としてペルオキソニ硫
酸アンモニウムまたは過酸化水素水を使用すれば、4〜
9の範囲でCMP用スラリのpHを変えずに済むことが
分かった。
【0016】したがって、このようなスラリおよびこれ
を用いたCMP法によれば、中性付近での安定したポリ
ッシュ特性、絶縁膜と導電膜との間での高い選択性、デ
ィッシングの抑制を実現できるようになる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。
【0018】(第1の実施形態)図1は、本発明の第1
の実施形態に係るAlダマシン配線の形成方法を示す工
程断面図である。
【0019】まず、図1(a)に示すように、素子(不
図示)が形成されたシリコン基板1上に層間絶縁膜とし
てのSiO2 膜2を堆積する。
【0020】次に図1(b)に示すように、SiO2
2の表面に配線溝3を形成した後、配線溝3の内部を充
填する厚さ600nmのAl膜4を全面に堆積する。
【0021】最後に、図1(c)に示すように、研磨粒
子がシリカとアルミナとの混晶粒子、pHが7のスラリ
を用いたCMPによって、配線溝3の外部の余剰なAl
膜4を除去することによって、Alダマシン配線4が完
成する。
【0022】本実施形態のスラリを用いれば、図2に示
すように、シリカに対するアルミナのアルミナ濃度
[%](アルミナ/シリカ混晶比)を変えるだけで、S
iO2 膜に対するAl膜の選択比(Al研磨速度/Si
2 研磨速度)を制御できるようになる。
【0023】例えば、アルミナ濃度が10%、シリカ濃
度が90%のシリカとアルミナとの混晶粒子(固形分:
3wt%)、pHが7のスラリを用い、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CMPを行えば、SiO
2 膜に対するAl膜の選択比は106(=Al研磨速
度:159[nm/min]/SiO2 研磨速度:1.
5[nm/min])となる。
【0024】従来のCMPでは30程度の選択比しか取
れないので、本実施形態によれば従来に比べて3倍以上
も高い選択比が得られることになる。したがって、本実
施形態によれば、従来に比べてシンニングが十分に小さ
いAlダマシン配線4を実現できるようになる。また、
第2の実施形態で詳細に説明するように、ディッシング
の増加も効果的に抑制できる。
【0025】また、本実施形態によれば、従来に比べて
速い研磨速度が得られるので、従来よりも速い研磨速度
を保ったまま、スラリ濃度を低くすることが可能とな
る。スラリ濃度を低くできれば、その分コストを削減で
き、またスラリの廃棄量が減り環境に対して優しいプロ
セスが可能となる。
【0026】(第2の実施形態)図3は、本発明の第2
の実施形態に係るAlダマシン配線の形成方法を示す工
程断面図である。本実施例ではライナ膜としてNb膜を
使用したAlダマシン配線の形成方法について説明す
る。
【0027】まず、図3(a)に示すように、シリコン
基板11上に層間絶縁膜としてのSOG膜12を堆積
し、次にSOG膜12の表面に配線溝13を形成する。
ここまでは、層間絶縁膜の種類を除いて第1の実施形態
と同じである。
【0028】次に図3(b)に示すように、厚さ30n
mのNbライナ膜14を全面に堆積した後、配線溝13
の内部を充填する厚さ600nmのAl膜15をNbラ
イナ膜14上に堆積する。
【0029】次に図3(c)に示すように、研磨粒子が
シリカ(40%)とアルミナ(60%)との混晶粒子
(固形分:0.5wt%)、pHが5〜6.5、酸化剤
としてペルオキソニ硫酸アンモニウムを1%、パッド上
の粒子の保持力を上げることおよび酸化抑制のためのキ
ナルジン酸を0.05wt%含む含むスラリを用い、荷
重:300g/cm2 、トップリング回転数:60rp
m、テーブル回転数:100rpm、研磨時間:2分の
条件のCMPによって、Nbライナ膜14の表面が現れ
るまでAl膜15を研磨する。
【0030】この工程で、ペルオキソニ硫酸アンモニウ
ムとキナルジン酸を含むスラリを用いた理由は、Al膜
15の研磨速度を速めることができるからである。
【0031】具体的には、従来のシリカベースのスラリ
およびアルミナベースのスラリにそれぞれ酸化剤を添加
した場合には、図4に示すように、Al膜の研磨速度は
それぞれ高々200nm/min、280nm/min
であるのに対し、研磨粒子としてシリカとアルミナとの
混晶粒子を用いたスラリにペルオキソニ硫酸アンモニウ
ムとキナルジン酸を添加した場合には、Al膜の研磨速
度は700nm/minとなる。すなわち、本実施形態
によれば、従来の2倍の研磨速度が得られる。
【0032】Al膜15の膜厚は通常600〜800n
mである。一方、Al膜15の研磨時間はスループット
の観点から2分程度であることが好ましい、したがっ
て、本実施形態のスラリを用いなければ、このような好
ましい研磨時間でもって余剰なAl膜15を除去するこ
とは困難なことであるといえる。
【0033】また、酸化剤であるペルオキソニ硫酸アン
モニウムは、スラリのpHを変えないという利点もあ
る。以上述べた効果は、酸化剤として過酸化水素水を用
いた場合にも得られる。
【0034】また、図3(c)の工程を従来のスラリを
用いて行うと、従来技術の問題の一つであるAl膜15
にディッシングが大きく入ってしまうが、本方法によれ
ばディッシングの発生を効果的に抑制することができ
る。
【0035】実際にオーバーポリッシング(ジャスト+
50%)を行ってディッシングの配線幅依存性を調べた
ところ、図5に示すように本方法によれば従来の1/5
程度にディッシングを押さえ込むことができるようにな
る。
【0036】この結果は、図6に示すように、シリカと
アルミナとの混晶粒子(本発明)は従来の研磨粒子に比
べて研磨速度の荷重依存性、すなわち荷重の増加に対し
ての研磨速度の増加が大きいからだと考えられる。
【0037】その理由は次の通りである。研磨中、パッ
ドの弾性変形により配線溝3内のAl膜15上面の研磨
は進行する。基本的にはこの部部は低荷重であり、一方
他の部分すなわちSOG膜12は高荷重である。そのた
め、荷重が低いほど研磨速度の遅いスラリほどディシン
グは小さくなることになる。
【0038】したがって、シリカとアルミナとの混晶粒
子のように、荷重の増加に対しての研磨速度の増加が大
きい研磨粒子を用いたスラリであれば、ディッシングの
発生を効果的に抑制できるようになる。
【0039】また、シリカとアルミナとの混晶粒子はS
OG膜12上での研磨速度が速い(例えば荷重300g
/cm2 で研磨速度700nm/min)ため、オーバ
ーポリッシング時間を短くできるようになる。
【0040】最後に、図3(d)に示すように、配線溝
13の外部の余剰なAl膜15およびNbライナ膜14
をCMPまたはCDE等のドライエッチングによって除
去してAlダマシン配線15が完成する。
【0041】ここで、CMPで除去する場合には、例え
ば研磨粒子がシリカ(40%)とアルミナ(60%)と
の混晶粒子(固形分:3Wt%)、キナルジン酸を0.
05%含むスラリを用いる。
【0042】いわゆるタッチアップCMP(例えば図8
(c)のCMP)では、凹部の金属膜の残りや、配線部
および絶縁膜部の傷を取ることを目的とするため、柔ら
かい研磨パッドを用いる。このため、ディッシングが大
きく生じてしまう。例えば、荷重300g/cm2 、ト
ップリング@転数60rpm、テーブル@転数100の
条件で行う。
【0043】本発明のスラリでは、図7に示すように、
フィールド上の研磨速度よりもディッシング速度を小さ
くすることができるため、エロージョンの小さなダマシ
ン配線を形成できる。これはキナルジン酸によって研磨
パッドと研磨粒子の相互作用が大きくなり、ディッシン
グの原因となる遊離粒子の溝部への溜まりが少なくなる
ためと考えられる。
【0044】また、スラリは酸化剤を含んでいなくても
良い。CDEで除去する場合には、反応ガスとして例え
ばCF4 /O2 ガスを用いる。
【0045】(第3の実施形態)図7は、本発明の第3
の実施形態に係るWダマシン配線の形成方法を示す工程
断面図である。
【0046】まず、図8(a)に示すように、素子(不
図示)が形成されたシリコン基板21上に層間絶縁膜と
してのSiO2 膜22を堆積し、次にSiO2 膜22の
表面に配線溝23を形成する。
【0047】次に図8(b)に示すように、厚さ30n
mのTiライナ膜24を全面に堆積し、続いて500℃
の窒化アニールによってTiライナ膜24の表面にTi
Nライナ膜25を形成した後、配線溝23の内部を充填
する厚さ500nmのW膜26をTiNライナ膜25上
に堆積する。
【0048】次に図8(c)に示すように、酸化剤とし
て過酸化水素3%、酸化抑制剤にコハク酸3%、シリカ
(60%)アルミナ(40%)混晶粒子3%のスラリを
用い、加重250g/cm2 、トップリング@転数50
rpm、テーブル@転数50rpmの条件のスラリを用
いたCMPによってTiNライナ膜25の表面が現れる
までW膜26を研磨する。
【0049】最後に、図8(d)に示すように、研磨粒
子がシリカ(40%)とアルミナ(60%)との混晶粒
子(固形分:0.5wt%)のスラリを用い、荷重:3
00g/cm2 、トップリング回転数:60rpm、テ
ーブル回転数:100rpm、研磨時間:1分の条件の
CMPによって、シリコン基板1の表面が現れるまでW
膜26、TiNライナ膜25およびTiライナ膜24を
研磨して、Wダマシン配線26が完成する。
【0050】図8(d)の工程での各膜22,24,2
5の研磨速度は速くないほうが好ましい。図8の工程で
使用したスラリの場合には、各膜22,24,25の研
磨速度は10〜20nm/minの範囲で収まり、研磨
速度が速くなりすぎないようにできる。さらに各膜2
2,24,25の研磨を同じ条件で行うことができ、ま
たオーバーポリッシュマージンも大きく、ディッシング
やシニングの無い安定したポリッシングを実現できるよ
うになる。
【0051】また、従来のW膜のCMPはpH1〜2の
強酸で行っていたが、本実施形態によれば、W膜のCM
PをpH5の中性領域で行えるので、W膜の腐食の問題
も無い。
【0052】なお、上記実施形態では本発明が適用され
るデバイスについては言及しなかったが、例えばDRA
M等の半導体メモリがあげられる。さらにはロジック混
載回路、ロジック回路等があげられる。
【0053】また、配線となる導電膜(Al膜,W膜)
は上述した実施形態で説明したものに限定されるもので
はなく、W、Ti、Mo、Nb、TaおよびVからなる
金属群から選ばれた金属からなる単層金属膜もしくはC
u、Al、W、Ti、Mo、Nb、TaおよびVからな
る金属群から選ばれた積層金属膜、または上記金属群か
ら選ばれた金属を主成分とする合金膜、窒化膜、ホウ化
膜もしくは酸化膜を用いることもできる。いずれの導電
膜の場合にもアルミナとシリカの混晶比を変えることで
ディッシングやシニングを防止することが可能となる。
【0054】また、CMPを行う際には、研磨すべき導
電膜の表面に予め酸化膜を形成しておく方が好ましい。
【0055】また、上記実施形態ではダマシン配線の場
合について説明したが、本発明はデュアルダマシン配線
に対しても有効である。
【0056】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施できる。
【0057】
【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、研
磨粒子としてシリカとアルミナとの混晶粒子を用いるこ
とにより、中性付近での安定したポリッシュ特性、絶縁
膜と金属膜との間での高い選択性、ディッシングの抑制
を実現できるCMP用スラリおよびCMP法を実現でき
るようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るAlダマシン配
線の形成方法を示す工程断面図
【図2】シリカとアルミナとの混晶粒子のアルミナ濃度
(アルミナ/シリカ混晶比)と選択比(Al膜研磨速度
/SiO2 膜研磨速度)との関係を示す特性図
【図3】本発明の第2の実施形態に係るAlダマシン配
線の形成方法を示す工程断面図
【図4】シリカとアルミナとの混晶粒子、シリカベース
およびアルミナベースのスラリに酸化剤を添加した場合
のそれぞれのAl研磨速度を示す特性図
【図5】シリカとアルミナとの混晶粒子およびアルミナ
ベースのスラリを用いた場合のそれぞれの配線幅とディ
シングとの関係を示す特性図
【図6】シリカとアルミナとの混晶粒子およびアルミナ
ベースのスラリを用いた場合のそれぞれの荷重とAl研
磨速度との関係を示す特性図
【図7】シリカとアルミナとの混晶粒子およびアルミナ
ベースのスラリにキナルジン酸を添加した場合のアルミ
研磨速度を示す特性図
【図8】本発明の第3の実施形態に係るWダマシン配線
の形成方法を示す工程断面図
【符号の説明】
1…シリコン基板 2…SiO2 膜 3…配線溝 4…Al膜(Alダマシン配線) 11…シリコン基板 12…SOG膜 13…配線溝 14…Nbライナ膜 15…Al膜(Alダマシン配線) 21…シリコン基板 22…SiO2 膜 23…配線溝 24…Tiライナ膜 25…TiNライナ膜 26…W膜(Wダマシン配線)

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリカとアルミナとの混晶粒子からなる研
    磨粒子を含むことを特徴とするCMP用スラリ。
  2. 【請求項2】前記シリカに対する前記アルミナの混晶比
    が1〜9の範囲であることを特徴とする請求項1に記載
    のCMP用スラリ。
  3. 【請求項3】pHが4〜9の範囲に設定されていること
    を特徴とする請求項1に記載のCMP用スラリ。
  4. 【請求項4】酸化剤としてペルオキソニ硫酸アンモニウ
    ムまたは過酸化水素水を含むことを特徴とする請求項1
    に記載のCMP用スラリ。
  5. 【請求項5】酸化抑制剤、研磨粒子、分散剤および粒子
    の研磨パッドの保持の改善を目的とする有機酸を含むこ
    とを特徴とする請求項1に記載のCMP用スラリ。
  6. 【請求項6】請求項1ないし請求項5のいずれかに記載
    のCMP用スラリを用いて、導電膜を研磨することを特
    徴とするCMP法。
  7. 【請求項7】請求項1ないし請求項5のいずれかに記載
    のCMP用スラリを用いて、溝を有する絶縁膜上に形成
    された導電膜を、前記絶縁膜の表面が露出するまで研磨
    することによって、前記溝の内部に前記導電膜を選択的
    に残置させることを特徴とするCMP法。
  8. 【請求項8】前記導電膜は、Al、W、Cu、Ti、M
    o、Nb、TaおよびVからなる金属群から選ばれた金
    属からなる単層金属膜もしくは積層金属膜、または前記
    金属群から選ばれた金属を主成分とする合金膜、窒化
    膜、ホウ化膜もしくは酸化膜であることを特徴とする請
    求項5または請求項7に記載のCMP法。
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