JP2003309090A

JP2003309090A - 銅系金属用研磨液及び研磨方法

Info

Publication number: JP2003309090A
Application number: JP2002113709A
Authority: JP
Inventors: Setsuo Yoshida; 節夫吉田
Original assignee: Tosoh Corp
Current assignee: Tosoh Corp
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2003-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体デバイス上に施したＣｕ及びＣｕ
合金を有する面を研磨する際の研磨液として、ディッシ
ング等の表面欠陥発生の要因となる砥粒を全く含有せ
ず、実用的な加工速度２００ｎｍ／ｍｉｎが達成でき、
エッチング速度も極めて低い高加工特性を提供する。【解決手段】ピロリン酸、トリリン酸、ヘキサメタリ
ン酸及びそれらの塩等の縮合リン酸塩を０．２重量％以
上、過ヨウ素酸塩を０．１〜０．５重量％及びベンゾト
リアゾール等の反応抑制剤を０．０１〜０．１重量％含
んでなるスラリーであって、該スラリーのｐＨが３をこ
え６以下である銅系金属用研磨液。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、銅系金属用研磨液
及び研磨方法に関するものであり、更に詳しくは、半導
体集積回路の銅配線工程における化学機械研摩技術によ
るデバイス平坦化に用いられる研磨液に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報化技術の急速な発展に伴い大
規模集積回路（ＬＳＩ、ＵＬＳＩ、ＶＬＳＩ）の微細
化、高密度化、高集積化による高速化が要求され、精度
の高い配線の多層化技術の開発が鋭意行われている。配
線の多層化を達成するためには、配線ピッチ幅の縮小及
び配線間容量の低減等を行なうことが必要となり、現有
の金属配線材料等であるアルミニウムから電気抵抗率の
低い銅（Ｃｕ）への変更技術開発が精力的に行なわれて
いる。

【０００３】Ｃｕ配線は、ドライエッチング法では生成
物の蒸気圧の関係で配線形成が困難とされており、埋め
込みによるダマシンプロセスが主流となりつつある。

【０００４】また、配線材料をＣｕとすることにより、
ウエハ素材のシリコン（Ｓｉ）及び熱酸化膜（Ｓｉ
Ｏ₂）への拡散速度が極めて大きくなり、トランジスタ
機能に影響を及ぼすためにＣｕ拡散を阻止するバリアメ
タルを介在させた構造が適用される方向にある。

【０００５】配線の多層化における課題の一つの要素
は、各層の配線パターン及び配線層に段差欠陥のない高
平滑化、高平坦化を確立することにあり、高精度の平坦
化技術として、ダマシン法により埋め込み形成された配
線を機械的研摩及び化学的研摩の相乗作用を適用した所
謂、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌ
Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術が用いられる。

【０００６】Ｃｕは柔らかく貴な金属であり、酸素の存
在下で容易に酸化被膜を形成し不働態化する特性を有す
る。Ｃｕの電気化学的溶出を誘起するには水素イオンよ
り強い酸化力が必要であり、通常は酸化剤を添加するこ
とにより溶出を図る。また、酸化剤が存在しない系で
は、ＣＮ^-やＮＨ₄ ⁺のようなイオンを含有する薬剤を添
加することにより成される。

【０００７】ＣＭＰの研磨機構は、酸化剤により表面に
形成された酸化被膜をパッド及び砥粒により機械的に除
去し、除去された面に再形成される被膜を再除去する、
繰り返し機構により研磨加工は進行するものと考えられ
る。また、Ｃｕ表面において溶出したＣｕイオンとの錯
体を形成する錯体形成剤は、Ｃｕ表面での反応を助長
し、表面に形成された酸化被膜を変質化させ、研磨加工
を容易にすると共に研磨により溶液中に遊離、溶出する
Ｃｕイオンを固定化する働きを行ない、加工特性を向上
させる機能を有するものと考えられる。

【０００８】酸化剤及び錯体形成剤の相乗作用により化
学反応が著しくなると、酸化被膜形成よりもＣｕ表面の
溶解が優先し、表面の凹凸性は激しくなる。また、研磨
においては機械的作用が同伴することにより部分的研磨
の進行が顕著となり、Ｃｕ表面上の平滑性は著しく低下
する現象を生じる。

【０００９】この対処法として、Ｃｕとの反応を制御す
る反応抑制剤が添加されている。

【００１０】一般的なＣＭＰスラリーの構成としては、
金属表面の酸化反応を促進することを目的とする酸化
剤、Ｃｕの溶出及び錯体化を促進し、水素イオン供与体
として作用する酸、金属のオーバーエッチングを制御す
る反応抑制剤及び表面に形成された酸化被膜を機械的に
除去し、加工特性を増大させることを目的とする砥粒で
構成されている。

【００１１】ここで砥粒は、被研磨表面とスラリー構成
剤との化学反応により形成された酸化被膜及び錯体被膜
を機械的に除去し、加工速度を増大させることを主目的
とするものであるが、一方、金属配線層の過剰研磨を誘
発し、ディッシングと称する皿状欠陥、また、スクラッ
チと称する表面傷の発生を招く要因となる。よって、砥
粒濃度を含有することなく、実用的な加工速度が得られ
るスラリーとすることが望ましい。また、平滑性を向上
させるには、Ｃｕに対する研磨液の腐食性、所謂、エッ
チング作用が著しく低いことが重要となる。

【００１２】砥粒を含有しない、或いは低砥粒濃度で、
Ｃｕ又はＣｕを主成分とする金属膜を研磨するＣＭＰス
ラリー技術の一態様としては、例えば、特開平７−２３
３４８５公報及び特開平１１−１３５４６６号公報が開
示されている。

【００１３】特開平７−２３３４８５公報は、アミノ酢
酸及びアミド硫酸から選ばれる少なくとも１種の有機酸
と酸化剤と水を含有する研磨液で銅系金属を研磨する方
法であり、また、特開平１１−１３５４６６号公報は、
１重量％未満の研磨砥粒と、酸化性物質と、酸化物を水
溶化する物質を含み、ｐＨ及び酸化還元電位が金属膜の
腐食域となる研磨液を用い、金属表面を機械的に摩擦す
る方法である。

【００１４】しかしながら、これらの公報に記載のある
研磨速度は１００ｎｍ／ｍｉｎ以下の加工速度であり実
用的な特性を有していない。事実、本発明者等の検討に
おいても、砥粒を含有しないスラリーでは加工特性は殆
ど発現できないことを確認した。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ディッシン
グ等の表面欠陥発生の要因となる砥粒を全く含有しない
高表面特性を発現する特性を有し、しかも、実用的な加
工速度２００ｎｍ／ｍｉｎが達成でき、エッチング速度
も極めて低い高加工特性が発現できる、これまでにない
新規な銅系金属用研磨液及び研磨方法を提供するもので
ある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
を達成するために鋭意検討を行なった結果、本発明の構
成成分とすることにより、砥粒を含有しなくとも高加工
速度及び高表面特性を両立することが可能となる、新規
な銅系金属用研磨液及び研磨方法を完成し、上記課題を
達成したものである。

【００１７】すなわち、本発明は、縮合リン酸塩、過ヨ
ウ素酸塩及び反応抑制剤から構成される、ｐＨが３をこ
え６以下のスラリーからなる銅系金属用研磨液を提供す
るものである。

【００１８】この銅系金属用研磨液の組成割合は、縮合
リン酸塩濃度が０．２重量％以上、過ヨウ素酸塩濃度が
０．1重量％〜０．５重量％及び反応抑制剤濃度が０.０
１重量％〜０．１重量％であるのが好ましい。

【００１９】本発明を更に詳述する。

【００２０】本発明における縮合リン酸塩としては、縮
合リン酸及び／又はその塩であり、具体的には、オルト
リン酸を脱水縮合して合成される、鎖状に結合した二量
体のピロリン酸、三量体のトリリン酸、ヘキサメタリン
酸及び／又はそれらのカリウム塩、ナトリウム塩、カル
シウム塩等の少なくとも一種からなるものである。

【００２１】縮合リン酸塩の濃度としては、加工速度及
び表面特性の低下を生じさせることなく、また、除去物
の溶解を抑制、固定化し被研磨体上への再析出を阻止す
る効果を損なわない濃度として０．２重量％以上、１０
重量％以下とすることが好ましく、０．５重量％以上、
５重量％以下とすることがより好ましい。

【００２２】この範囲外の低濃度側においては、表面特
性は比較的満足できる特性を示すものの、実用的なレベ
ルの加工速度が安定的に得られにくい場合があり、ま
た、高濃度側においては、濃度の上昇に見合う加工速度
が得られず、経済的に好ましくない場合がある。

【００２３】本発明における過ヨウ素酸塩とは、過ヨウ
素酸及び／又はその塩であり、具体的にはカリウム塩、
ナトリウム塩をあげることができるが、塩を用いる場
合、研磨後の洗浄工程における被研磨体上への残存不純
物の影響を考慮すると、イオン半径が大きく、洗浄除去
性が比較的容易なカリウム塩を用いることが望ましい。

【００２４】過ヨウ素酸塩の濃度としては、加工速度及
び表面特性の両者が安定して取得できる、０．１重量％
〜０．５重量％とすることが好ましい。

【００２５】この範囲以外の低濃度側においては、被研
磨体表面を酸化させるに十分な作用が得られず、加工速
度が低下する場合がある。また、高濃度側においては、
溶解度の面より好ましくない場合がある。

【００２６】本発明に用いられる反応抑制剤としては、
ベンゾトリアゾール、ベンゾチアゾール、メルカプトベ
ンゾチアゾール、トリルトリアゾール及びこれらの誘導
体等を用いることができるが、Ｃｕに対する反応性より
ベンゾトリアゾール及びその誘導体であるアジミドー
ル、１−Ｎ−ベンゾイル等を用いることが好ましい。

【００２７】反応抑制剤の濃度としては、優れた加工速
度及び表面特性を発現する濃度としては、０.０１重量
％〜０．１重量％が好ましい。

【００２８】その範囲以外においては、低濃度側では、
防食性が不充分となる場合があり、また、高濃度側で
は、防食性が十分となり過ぎ加工速度が低下する場合が
ある。

【００２９】本発明に用いられる研磨液のｐＨは、３を
こえ６以下とすることが必要であり、好ましくは３．４
〜５である。

【００３０】本発明のスラリーは、構成剤である縮合リ
ン酸塩により未調整時のｐＨは２．５以下を呈する。よ
って、水酸化アンモニウム、水酸化カリウム、炭酸カリ
ウム等のアリカリ性を呈する調整剤の添加によりスラリ
ーｐＨを調整することが必要である。

【００３１】ｐＨ調整剤は、特に限定されるものではな
いが、不純物の混入を抑制する意味で水酸化アンモニウ
ム（アンモニア水）を適用することが望ましい。

【００３２】研磨液のｐＨが３以下の場合、Ｃｕ²⁺とし
ての溶出が著しくなり、加工速度は高い値を示すものの
表面特性が著しく低下する。一方、ｐＨが６を超える場
合、Ｃｕの溶出特性が減少し、酸化膜の形成が優勢とな
ることより加工速度は低下し、加工速度と表面特性の両
立を達成することが困難となる。

【００３３】本発明の研磨液には、一般的な粘度調整
剤、ｐＨ安定剤及び消泡剤等を添加することができる。

【００３４】本発明の研磨液は、通常適用されるＣＭＰ
用研磨機器の付帯設備である、プラテンに装着したパッ
ド上或いはウエハ上に任意の速度で滴下し、ウエハ上に
ダマシン法で形成された銅及び銅含有配線を含む面を研
磨する方法に適用されるものである。

【００３５】

【実施例】以下、本発明を実施例により詳述するが、本
発明はこれらの実施例に何ら制限されるものではない。（実施例1）過ヨウ素カリウム（ＫＩＯ₄）の濃度が０．
２ｗｔ％、ベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）の濃度が０．
０１ｗｔ％及び０．０５ｗｔ％となるように調整した液
に、任意の濃度のピロリン酸を添加し、各研磨液のｐＨ
をアンモニア水を用いて３．５に調整した。

【００３６】次に、電解Ｃｕメッキを施したウエハを１
５ｍｍ角にダイシングした試料を、図１に示すワークプ
レート１に装着し、修正リング２に挿入した。

【００３７】先に調整した研磨液を図１のスラリー供給
ノズル４より、３０ｍｌ／ｍｉｎの滴下速度で供給しつ
つ図１の定盤３の回転速度を３０ｒｐｍとして研磨を行
った。荷重量は２５０ｇ／ｃｍ²とし、パッドはロデール
・ニッタ社製、商品名「ＩＣ１０００／ＳＵＢＡ４００」
を用いた。

【００３８】加工速度は、四端子法によるシート抵抗器
を用いて加工前後のシート抵抗を測定し算出した。ま
た、表面特性は、微分干渉顕微鏡により観察評価した。

【００３９】結果を表1に示す。ここで、表中、表面特
性の評価記号において、○印は、鏡面で高光沢、△印
は、光沢（半光沢を含む）、×無光沢を表すものであ
る。

【００４０】ピロリン酸濃度を０．２ｗｔ％以上に設定
することにより、加工速度及び表面特性ともに良好な結
果が得られた。（実施例２）ピロリン酸濃度を０．５ｗｔ％、ＢＴＡ濃
度を０．０１ｗｔ％とし、任意の濃度のＫＩＯ₄を添加
した液のｐＨをアンモニア水で３．５に調整し、実施例
１と同様の評価を行なった。

【００４１】結果を、表１に示した。

【００４２】ＫＩＯ₄濃度が０．１ｗｔ％以上、０．５
ｗｔ％以下の領域では良好な加工特性が得られた。（実施例３）ピロリン酸濃度を１ｗｔ％、ＫＩＯ₄濃度
を０．２ｗｔ％とし、任意の濃度のＢＴＡを添加した液
のｐＨをアンモニア水で３．５に調整し、実施例１と同
様の評価を行なった。また、調整した各研磨液中にＣｕ
メッキサンプルを室温で３０分間浸漬し、エッチング特
性を調べた。エッチングの腐食性は、Cuメッキサンプル
の浸漬前後のシート抵抗値より算出した。

【００４３】加工速度及び表面特性の結果を、表１に示
したが、ＢＴＡ濃度が０．０１ｗｔ％〜０．１ｗｔ％で
安定した加工特性が発現できることが確認できた。ま
た、各研磨液によるエッチング速度は、０．０１ｗｔ％
ＢＴＡ濃度の時、５ｎｍ／ｍｉｎ、それ以上の濃度では
０〜２ｎｍ／ｍｉｎと極めて低い腐食性を示した。（実施例４）ピロリン酸濃度を０．５ｗｔ％、ＫＩＯ₄
濃度を０．２ｗｔ％、ＢＴＡ濃度を０．０１ｗｔ％と
し、液のｐＨをアンモニア水により任意に変化させて、
実施例１と同様の評価を行なった。

【００４４】結果を、表１に示した。

【００４５】研磨液のｐＨが４〜６の領域で、目標の両
特性を満足する性能を示した。（比較例１）実施例２で、ＫＩＯ₄を含有しない研磨液
とした以外は、同一の条件で評価を行なった。

【００４６】結果を、表１に示したが、加工特性は発現
しなかった。（比較例２）実施例３で、ＢＴＡを未添加とした以外
は、同一の条件で評価を行なった。

【００４７】結果を、表１に示した。加工速度は十分な
特性を示したが、表面はエッチングされた無光沢面を呈
した。（比較例３）実施例４のｐＨを３及び７に調整した以外
は、同一の条件で評価を行なった。

【００４８】結果を、表１に示した。ｐＨが３のとき
は、加工速度は大きいが表面粗さが著しい特性となっ
た。また、ｐＨが６を超える条件では、加工速度及び表
面特性とも不充分な結果を示した。

【００４９】

【表１】

【発明の効果】以上、詳述したように本発明は、縮合リ
ン酸塩、過ヨウ素酸塩及び反応抑制剤の構成からなる、
砥粒を含有しない研磨液を提案するものであり、本発明
の構成成分及び組成割合とすることにより、半導体デバ
イス上に施したＣｕ及びＣｕ合金を有する面を、実用的
に必要な加工特性で処理することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の研磨液の評価に用いた研磨装置の概略
図である。

【符号の説明】

１ワークプレート２修正リング３定盤４スラリー供給ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/3205 Ｈ０１Ｌ 21/88 ＭＫ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】縮合リン酸塩、過ヨウ素酸塩及び反応抑
制剤からなるスラリーであって、該スラリーのｐＨが３
をこえ６以下である銅系金属用研磨液。
【請求項２】縮合リン酸塩濃度が０．２重量％以上、
過ヨウ素酸塩濃度が０．１重量％〜０．５重量％及び反
応抑制剤濃度が０.０１重量％〜０．１重量％である請
求項１記載の銅系金属用研磨液。
【請求項３】縮合リン酸塩が、ピロリン酸、トリリン
酸、ヘキサメタリン酸及び／又はそれらの塩からなる群
より選ばれる少なくとも一種である請求項１又は２記載
の銅系金属研磨液用酸。
【請求項４】過ヨウ素酸塩が、過ヨウ素酸及び／又は
その塩である請求項１又は２記載の銅系金属用研磨液。
【請求項５】反応抑制剤が、ベンゾトリアゾール又は
その誘導体である請求項１又は２記載の銅系金属用研磨
液。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかの項に記載の銅
系金属用研磨液を用いて、銅又は銅合金を含む面を研磨
する方法。