JP3255095B2

JP3255095B2 - 研磨液および研磨方法

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Publication number: JP3255095B2
Application number: JP26664397A
Authority: JP
Inventors: 務中島
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 2002-02-12
Anticipated expiration: 2017-09-30
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Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、半導体装置の配線
形成方法のうち特に配線材料の研磨方法およびそこに使
用する研磨液に関するものであり、詳しくは層間絶縁膜
に形成された配線溝に金属を埋め込むことで配線を形成
する際の研磨方法および研磨液に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】トランジスタの微細化に伴って、アルミ
等の金属配線の微細化が必要とされているが、従来の金
属膜のドライエチングを用いた配線形成では、エッチン
グガスによる金属コロージョン（金属腐食）による配線
信頼性劣化が問題となっている。そこで、あらかじめ層
間絶縁膜に配線溝や下地配線へのビアホールを形成して
おき、高温スパッタ法やＣＶＤ法でかかる配線溝やビア
ホールを埋め込みながら層間絶縁膜全面に金属膜を成長
し、この層間絶縁膜上の金属膜を化学機械研磨（ＣＭ
Ｐ）等の選択研磨によって除去することにより、配線溝
やビアホールへの埋め込み金属配線を形成する方法が注
目されている。上記工程により形成される金属埋め込み
型の配線は、ダマシン配線と呼ばれている。

【０００３】ダマシン配線には、ドライエッチングによ
る加工が困難な材料の適用や、配線溝に対して自己整合
的に形成されたビアホールに配線金属を埋め込んだ配線
／ビアの一体化構造が可能になるという利点がある。一
方、アルミニウムのような軟質金属を研磨する際には、
研磨後の金属表面の加工凹凸が懸念される。このような
研磨後の金属表面の性状は、研磨圧力、研磨パッド回転
数、研磨パッド硬度や研磨に用いる研磨液（スラリー）
の特性が複雑に絡み合った研磨因子に影響を受ける。

【０００４】図５に、従来のＣＭＰ装置の一例を示す。
従来のＣＭＰ装置は、基板を吸着する研磨ヘッド、研磨
定盤、研磨ヘッドの回転トルク計測部および研磨液供給
部からなる。研磨ヘッドの駆動は、前記回転トルク計測
部からのトルク信号により制御され、研磨液供給部はア
ルカリ性（ｐＨ＞７）、中性（ｐＨ＝７）および酸性
（ｐＨ＜７）の各研磨液を供給可能である。

【０００５】図６に、ＣＭＰ装置を用いたダマシン配線
形成プロセスの一例を示す。以下、図６を参照して、該
プロセスを工程順に簡単に説明する。

【０００６】あらかじめ基板６１上に下層配線６２及び
層間絶縁膜６３を形成し、さらにビアプラグを埋め込む
ためのビアホール６４を開口しておく。その後、層間絶
縁膜６３上の全面に、金属膜６５（例えばアルミニウ
ム）を成膜する（図６（Ａ））。この金属膜６５の成膜
手法には化学気相成長（ＣＶＤ）法やスパッタ法などを
用いることが可能であるが、埋め込み性の良好な成膜手
法によりビアホール６４内に金属膜６５を埋め込む必要
が有る。

【０００７】次に、金属研磨用の研磨液を用いて金属膜
６５を研磨する（図６（Ｂ））。この金属研磨用の研磨
液としては、例えば酸性（ｐＨ＝３程度）のアルミナス
ラリー等が用いられる。このような酸性研磨スラリー
は、一般に金属膜の研磨速度が層間絶縁膜に対して大き
いという特徴を有する。本工程における金属膜研磨の終
点検知は、図５の研磨装置において駆動制御部からの回
転トルク出力信号をモニタすることにより行う。これ
は、酸性研磨スラリーによる研磨において回転数を一定
として研磨を行う場合、研磨面に層間絶縁膜６３が現れ
ると研磨ヘッドの回転トルクが急上昇することを利用し
ている。すなわち、図７に示すように、研磨の進行に伴
い回転トルクが上昇し、あらかじめ設定したトルク信号
出力のレベルを越えた時点で金属研磨工程を終了する。
この時点では、図６（Ｂ）に示す通り、層間絶縁膜１３
上には金属膜６５が一部残存している。

【０００８】引き続き、シリカ粒子を分散させた中性シ
リカスラリーを用いて、金属膜６５と層間絶縁膜６３と
をさらに研磨する（図６（Ｃ））。この中性シリカスラ
リーは、金属膜と同時に層間絶縁膜をも研磨するという
特徴を有する。その結果、層間絶縁膜上に残存する金属
膜６５と層間絶縁膜６３の平坦化が同時に進行する。

【０００９】最後に、研磨液を中性シリカスラリーから
水酸化カリウム等を添加したアルカリ性シリカスラリー
に切り替えて更に研磨を続ける。このアルカリ性シリカ
研磨液は、層間絶縁膜の研磨速度が金属膜に対して大き
い特徴を有することから、研磨を続けることで、金属膜
６５のプラグを層間絶縁膜６３から突出させることがで
きる。この後に、上層配線金属の成膜・パターニングを
行うことにより、多層配線構造が形成される。

【００１０】以上述べた従来技術は、例えば特開平８−
１２４８８６号公報に記載されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた従来の研磨
方法においては、以下に述べる課題があった。

【００１２】まず、従来の研磨液を用いた金属研磨にお
いては、研磨後の金属表面に変質層が残留するという問
題があった。従来の金属研磨用研磨液には、例えばアル
ミナ粒子を分散させた酸性スラリーを用いるが、このス
ラリーには通常過酸化水素水等の酸化剤が含まれてお
り、金属表面に金属水酸化物あるいは酸化物を形成す
る。すなわち、金属研磨の進行は、研磨スラリー中の酸
化剤と金属との反応で金属表面に金属水酸化物（あるい
は酸化物）変質層を形成し、この表面の変質層を研磨パ
ッドと研磨粒子（ここでは、アルミナ粒子）とで削り取
ってゆくことで行われるのである。このため必然的に、
研磨後の金属表面も金属水酸化物または酸化物で覆われ
ることになる。このような金属表面の変質層は多くの場
合絶縁性であるため、研磨後の金属上に上層金属配線を
形成する際に、接続抵抗が増大をもたらすという問題が
あった。また、この金属表面に形成された水酸化物（ま
たは酸化物）は、場合によってはその一部が剥がれ落
ち、研磨後の表面が平滑でなくなるといった問題を引き
起こす。このような剥がれにより金属配線表面に局所的
な凹部が存在すると、その領域から断線する場合もあ
り、配線信頼性の著しい低下を引き起こす。

【００１３】また、従来の研磨液を用いた金属研磨にお
いては、その研磨速度等の研磨特性が、研磨の進行とと
もに変動してしまうという問題があった。金属膜の研磨
特性は、研磨液中の研磨粒子の凝集状態に大きく依存す
る。この研磨剤粒子の凝集状態は研磨液中の電解質濃度
やｐＨにより変化するため、金属膜研磨の進行とともに
研磨液中の成分と金属が反応する、あるいは研磨液中に
金属が溶解する等により研磨液の物性が変化すると、研
磨の初期と終期とで研磨特性が変化してしまうのであ
る。従来の研磨液では、酸化剤を含む酸性の金属研磨用
スラリーを使用していたため、研磨液中への金属膜ある
いはその水酸化物等の溶解が顕著であり、スラリー中の
金属イオン濃度は研磨進行に伴って増大する傾向を持っ
ていた。一般に、スラリー中の電解質濃度が増大すると
研磨剤粒子の周りに存在する電気二重層の厚みが減少し
て、研磨剤粒子の凝集が生じ易くなる。その結果、研磨
スラリーの粘度が研磨の進行に伴って増大してしまうと
いった課題があった。

【００１４】以上の問題は、金属研磨用の研磨スラリー
を単に中性にすることだけでは回避することが出来な
い。これは、研磨スラリーを中性にすることによって研
磨中の金属膜の研磨スラリーに対する溶解を抑制するこ
とは可能であるが、その一方で下地層間絶縁膜の研磨速
度が上昇し、絶縁膜に対する金属膜の選択研磨性が十分
にとれなくなるという問題が有るためである。この場
合、研磨工程の管理は非常に困難となる。

【００１５】本発明は、以上の課題を解決するためにな
されたものであり、金属の研磨における研磨特性の安定
性、下地絶縁膜に対する選択性を向上し、また同時に金
属表面への傷発生を防止することを目的とし、ひいては
研磨工程を用いて製造される半導体装置の信頼性を向上
することを目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】かかる技術課題を解決す
る手段として、第１の発明では、金属膜を研磨する方法
において、研磨剤粒子を水に分散させ、さらに研磨対象
となる金属膜を構成する金属元素を含む電解質塩を添加
した中性研磨液、およびこの研磨液を用いた研磨方法を
提供する。

【００１７】また、参考発明である第２の発明では、研
磨剤粒子を水に分散させ、さらに水溶性有機高分子を添
加した中性研磨液、およびこの研磨液を用いた研磨方法
を提供する。研磨液中の水溶性有機高分子としては、例
えばセルロースが使用可能であり、その濃度は１ｗｔ％
以下であることが望ましい。

【００１８】この第１および第２の発明において使用す
る研磨剤粒子は、単分散の球形微粒子であることが望ま
しい。

【００１９】また、本発明は、配線溝を有する絶縁膜上
に埋め込み成膜された金属膜を研磨する方法において、
まず第１の発明による研磨液を用いて金属膜の概略を研
磨除去し、さらに引き続き第２の発明による研磨液を用
いて絶縁膜の露出および金属膜の鏡面研磨を行う研磨方
法を開示する。さらにその後に、露出した絶縁膜と配線
溝に埋め込まれた金属膜からなる複合表面を洗浄する工
程を有しても良い。

【００２０】（作用）本発明においては、中性の研磨液
に研磨対象となる金属を含む電解質塩、もしくは有機高
分子を溶解させることにより研磨を行う。その基本とな
る中性研磨液とは、典型的には純水に研磨粒子（シリカ
等）を分散させただけのものであるため、研磨する金属
表面には酸化物や水酸化物等の変質層は形成されない。
この場合、金属と研磨粒子の直接の接触により研磨が進
行する。なお、厳密には中性とはｐＨ＝７のことを意味
するが、本発明でいう中性研磨液とはｐＨ６〜８程度の
研磨液であり、従来のｐＨ＝３程度の酸性研磨液やｐＨ
＝９〜１１程度のアルカリ性研磨液と区別するためのも
のである。

【００２１】第１の発明においては、半導体基板上の金
属膜を研磨する際、酸化剤を添加しない研磨液を用いる
ことにより、金属表面に絶縁体である金属水酸化膜や金
属酸化物を形成することなく研磨することが可能とな
る。また、研磨液にあらかじめ研磨対象となる金属の硝
酸塩、硫酸塩や塩化物等の電解質塩を溶解しておくこと
で、金属研磨進行にともなう研磨液中の金属イオン濃度
の変化を抑制することが可能となる。これにより、研磨
液中の研磨剤粒子の凝集状態が変化することが少なくな
り、金属研磨の速度安定性が増加するという作用を有す
る。

【００２２】また、第２の発明においては、酸化剤を添
加しない研磨液に水溶性有機高分子を溶解させてあらか
じめ研磨剤粒子を凝集させておくことにより、金属研磨
の速度安定性を増すことが可能となる。さらに、水溶性
有機高分子は金属膜下の層間絶縁膜に選択吸着して有機
膜の表面保護膜を形成するため、層間絶縁膜に対する金
属膜の研磨選択性を向上させるという効果も有する。こ
の水溶性有機高分子の添加量は、層間絶縁膜表面に極薄
い有機膜を形成するだけでよいため、１ｗｔ％以下程度
の微量添加においても十分にその機能を有する。

【００２３】これら第１、第２の発明による研磨液を用
いた場合、金属研磨面には金属酸化膜や金属水酸化膜が
形成されることなく、研磨剤粒子と金属との直接接触に
より研磨が進行する。このような場合に金属表面の傷発
生を防止するには、研磨粒子として粒子同士の固結のな
い単分散の球形粒子を使用することが極めて効果的であ
る。

【００２４】また、層間絶縁膜に形成された配線溝上の
金属膜を研磨して金属膜を埋め込むダマシン配線の形成
方法においては、第１の研磨工程として研磨安定性の高
い金属膜の電解質塩を添加した研磨液を用いて金属膜の
主なる部分を平坦化研磨し、引き続き第２の研磨工程と
して層間絶縁膜との選択比の高い水溶性有機高分子を添
加した研磨液を用いて層間絶縁膜上に残存する金属膜を
除去する研磨方法が有効である。さらに第３工程として
研磨剤を含まない中性洗浄液を滴下して洗浄基板表面の
洗浄を行ってもよい。

【００２５】

【発明の実施の形態】第１の発明の実施の形態において
は、金属研磨に用いる研磨液中にあらかじめ研磨対象と
なる金属膜と同一金属の硝酸塩、硫酸塩等の電解質塩を
予め研磨液に添加した研磨液を使用して研磨を行う。ま
た、従来金属研摩においては、過酸化水素水等の酸化剤
を添加して、金属表面を酸化あるいは水酸化してこの表
面反応層を研磨により除去することが通常であったが、
本発明の研磨液においては研磨液に酸化剤を添加せず、
中性研磨液中の研磨剤で直接金属膜を研磨する。研磨に
使用する装置構成は、従来通りのものでよい。

【００２６】研磨液中への上記電解質塩の溶解により、
研磨剤粒子を予めある程度凝集させておくことが可能と
なる。これにより研磨中の金属膜の研摩液への溶解を抑
制し、金属イオン濃度上昇による研磨液の粘度の上昇
と、それに伴う研磨速度等の研磨特性の変動を回避す
る。また、同時に研磨粒子の凝集により、層間絶縁膜に
対する金属膜研磨の選択性が得られる。上記電解質塩と
しては、例えば研磨対象となる金属膜がアルミニウムの
場合、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、塩化アル
ミニウム、酢酸アルミニウムやリン酸アルミニウムなど
を使用する。また金属膜が銅の場合、硝酸銅、硫酸銅、
塩化銅、酢酸銅やリン酸銅などである。つまり、研磨液
に研磨対象となる金属膜のイオンをあらかじめ溶解して
いることが肝要である。

【００２７】研磨対象となる金属膜が合金である場合
は、その合金を構成する元素全ての金属イオンを研磨液
中に溶解しておくことが最も望ましい。例えば、Ａｌ−
Ｃｕ合金の研磨を行う場合は、中性研磨液中に例えば硝
酸アルミニウムと硝酸銅の両者をあらかじめ溶解させて
おく。ただし、研磨対象金属が、主成分となる金属に微
量の他種金属を添加したような合金の場合は、主成分金
属のイオンを中性研磨液中に溶解させるだけでもよい。
おおむね、主成分金属の組成比が９５％以上の場合に
は、研磨液中には主成分金属イオンを溶解させるだけで
よい。例えば、半導体装置の配線に多用される銅の組成
比が１％程度以下のＡｌ−Ｃｕ合金の研磨を行う場合に
は、研磨液中にはアルミニウムを含有する電解質塩のみ
を溶解しておけばよいのである。

【００２８】研磨剤粒子としては、例えばテトラエチル
シリケイト（ＴＥＯＳ）の加水分解による液層析出法
（湿式法）で得た粒径１０〜３００ｎｍの微細球形シリ
カ粒子等の、粒子同士の焼結のない単分散の球形粒子を
使用することが望ましい。本発明においては、研磨液に
酸化剤を添加しないため、金属表面に水酸化物等の変質
層が形成されることがなく、研磨剤粒子と金属との直接
接触が生じる。この際、研磨剤粒子としては単分散の球
形研磨剤粒子を用いることにより、金属膜表面への傷の
発生を大幅に低減できるのである。上記微細球形シリカ
粒子以外では、アルミニウム、チタン、ジルコニウムの
アルコキシドを加水分解して得られるアルミナ粒子、酸
化チタン粒子、酸化ジルコニア等の酸化物粒子（それぞ
れ粒子径：１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度）を用いても同様
の効果が得られる。なお、研磨剤として塩化シリコンの
気相熱分解によるシリカ粒子（一般には、ヒュームドシ
リカと呼ばれる）を用いることも可能ではあるが、特に
アルミや銅といった柔らかい金属膜を研磨する場合の傷
発生防止の観点からは、上述の湿式法による単分散球形
粒子を用いて研磨することが望ましい。

【００２９】第２の発明の実施の形態においては、研磨
剤粒子を予めある程度凝集させておく別の手法として、
水溶性の有機高分子、例えばセルロースを研磨剤に添加
しておく。セルロース等の有機高分子は研磨剤粒子であ
るシリカ粒子の表面に吸着し、セルロース分子の絡み合
いでシリカ粒子の連鎖を生じさせる作用があり、その結
果として研磨液粘度が増加する。この場合、シリカ粒子
が直接凝集するのでなく、セルロース等の高分子鎖の絡
み合いで間接的に凝集した状態となる。

【００３０】また、セルロース等の有機高分子は、研磨
対象基板上でシリコン酸化膜やシリコン窒化膜、シリコ
ン酸窒化膜等の層間絶縁膜に選択的に吸着し、その一方
金属膜表面には吸着しない。このため、層間絶縁膜表面
が有機高分子膜で覆われて、層間絶縁膜の研磨を抑制し
つつ、金属膜の研磨を進めることが出来る。従って、こ
の研磨液を使用する研磨では、金属膜表面に傷等を発生
せさることなく直接金属膜を研磨し、かつ下地層間絶縁
膜に対する高選択比を持たせることが可能となる。この
水溶性有機高分子を添加した研磨液は、下地層間絶縁膜
が現れる研磨最終段階で用いると効果的である。また、
このような効果はアルミニウム、銅、タングステン、チ
タンといった金属膜のみならず、窒化チタンや窒化タン
グステンといった導伝性窒化膜、タングステンシリサイ
ドやチタンシリサイドといった金属シリサイド膜を研磨
する際にも有効である。

【００３１】上記水溶性有機高分子としては、セルロー
スの他にグリセリンやアクリル酸エステル等が使用可能
である。また、この第２の発明の実施の形態において使
用する研磨剤粒子は、第１の発明の場合と全く同様の理
由により、湿式法による微細球形シリカ粒子等の単分散
球形粒子を使用することが望ましい。

【００３２】以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例
を詳細に説明する。

【００３３】

【実施例１】あらかじめ層間絶縁膜に配線溝を形成して
おき、その後基板温度４５０℃の高温スパッタ法でＡｌ
−Ｃｕ０．５％（厚さ８００ｎｍ）を埋め込み成膜し、
研磨対象基板を形成した。Ａｌ−Ｃｕ成膜におけるスパ
ッタガスとしてはＡｒを用い、圧力は４ｍＴｏｒｒとし
た。以下では、上記工程により形成された高温スパッタ
Ａｌ−Ｃｕ膜を、本発明の研磨液を使用して研磨し、配
線溝にＡｌ−Ｃｕを埋め込んだ埋め込み配線を形成した
実施例を説明する。

【００３４】初めに、本実施例で使用した研磨液につい
て説明する。研磨液の調製においは、まず純水中に研磨
剤粒子としてテトラエチルオルソシリケイト（ＴＥＯ
Ｓ）を加水分解した湿式法による粒径１０〜４０ｎｍ球
形シリカ粒子を純水に分散させた中性シリカ研磨液を調
製した。研磨剤粒子として用いるシリカ粒子の濃度は１
０ｗｔ％とした。この中性シリカ研磨液の粘度は１．０
７ｃＰ（１．０７×１０^-3Ｐａ・ｓ）であった。本中性
シリカ研磨液に電解質塩、あるいは有機高分子を添加す
ることにより、実際に使用する研磨液を調製した。

【００３５】第１の研磨液として、上記中性シリカ研磨
液に硝酸アルミニウムを添加し、電解質添加中性シリカ
研磨液を調製した。硝酸アルミニウム濃度は１０―³〜
１ｗｔ％の範囲内とし、典型的には０．５ｗｔ％であ
る。硝酸アルミニウムの添加で研磨液粘度は５．０９ｃ
Ｐ（５．０９×１0^-3Ｐａ・ｓ）に増加した。すなわ
ち、中性シリカ研磨液に硝酸アルミニウムを添加するこ
とで、予めシリカ粒子を凝集させて研磨液粘度を４．５
倍程度大きくさせておいた。

【００３６】また、第２の研磨液として、上記中性シリ
カ研磨液にセルロースを添加し、高分子添加中性シリカ
研磨液を調製した。セルロース濃度は１０^-6〜１０^-1ｗ
ｔ％の範囲内とし、典型的には４．７×１０^-3ｗｔ％で
ある。このセルロースの添加で研磨液粘度は５．４ｃＰ
（５．４０×１０^-3Ｐａ・ｓ）に増加した。すなわち、
中性シリカ研磨液にセルロースを添加することで、予め
シリカ粒子を凝集させて研磨液粘度を５倍程度大きくさ
せておいた。

【００３７】以上の第１及び第２の研磨液を使用して、
Ａｌ−Ｃｕ膜を表面に有する研磨対象基板の研磨を行っ
た。使用した研磨装置は従来通りのものであり、研磨パ
ッドとしては発泡ポリウレタン（ロデールニッタ社：Ｉ
Ｃ−１０００積層パッド）を用いている。また、研磨ヘ
ッドおよび研磨定盤の回転速度を３５ｒｐｍ、研磨液の
供給速度は６０ｍｌ／分とした。

【００３８】図１に、研磨速度に及ぼす研磨圧力の影響
を示す図である。研磨速度は研磨圧力の増加とともに増
大するが、添加物種の依存性はほぼみられなかった。ま
た、図２は、研磨圧力が０．４ｋｇ／ｃｍ² として第
２の研磨液を用いて研磨した場合の、セルロース濃度に
対する研磨速度の依存性を示す図である。セルロース濃
度が１０^-6〜１０^-1ｗｔ％の実験範囲内では、研磨速度
は０．２μｍ／ｍｉｎで一定であり、セルロース濃度に
対する研磨速度の依存性はみられない。これは第１の研
磨液の場合も同様で、硝酸アルミニウム濃度が１０^-3〜
１ｗｔ％の実験範囲内においては、研磨速度に硝酸アル
ミニウム添加量依存性は認められなかった。以上より、
中性シリカ研磨液に予め電解質塩や有機高分子を添加し
て研磨剤粒子を予め凝集させておくことで、アルミニウ
ム膜を研磨できることが確認された。なお、研磨の進行
に対する研磨特性の安定性、例えば研磨速度の安定度
は、従来の研磨液と比較して本発明の第１、第２の研磨
液ともに大幅に向上していたが、電解質塩を添加してあ
らかじめ金属イオンを研磨液中に溶解した第１の研磨液
の方が安定性に優れていた。

【００３９】また、上記アルミニウム膜の研磨とは別
に、本発明の第１、第２の研磨液を用いてシリコン酸化
膜を研磨する実験を行った。その結果、硝酸アルミニウ
ム添加による第１の研磨液を用いた場合のシリコン酸化
膜の研磨速度はアルミニウム膜の場合の約１０分の１程
度であり、またセルロース添加による第２の研磨液では
約２０分の１程度であった。つまり、本発明による第
１、第２の研磨液を用いることにより、中性の研磨液で
あるにも関わらず、下地層間絶縁膜（ここでは、シリコ
ン酸化膜）に対するアルミ研磨の選択性が確保されてい
ることが確認できた。ただし、選択性の程度は、セルロ
ース添加による第２の研磨液の方が優れていることも確
認された。

【００４０】図３は、本発明による第１の研磨液（硝酸
アルミニウム添加、濃度０．５ｗｔ％）、及び第２の研
磨液（セルロース添加、濃度４．７×１０^-2ｗｔ％）を
用いてＡｌ−Ｃｕ合金膜研磨を行った場合の反射率を、
研磨前（成膜直後）と比較した図である。なお、図３の
反射率の測定は、金属膜の研磨が途中まで進行した段階
（すなわち、層間絶縁膜が露出していない時点）で行っ
た。図３より、高温スパッタ成膜直後のＡｌ−Ｃｕ膜表
面に比べて、いずれの研磨液を用いた場合でも最大７％
程度反射率が大きい。これは、研磨によりＡｌ−Ｃｕ膜
の表面平坦性が向上したためである。硝酸アルミニウム
添加とセルロース添加を比較すると、３００ｎｍ付近で
はセルロース添加中性シリカ研磨液を用いたアルミ表面
の反射率が硝酸アルミ添加中性研磨液に比べて１０％以
上反射率が大きく、研磨後のアルミ表面の平滑性により
優れていることがわかった。なお、セルロース濃度を変
化させた場合でも、１０^-6〜１０^-1ｗｔ％の実験範囲内
では、研磨面の反射率に変化はなかった。

【００４１】このように、硝酸アルミ添加中性シリカ研
磨液およびセルロース添加中性シリカ研磨液には、従来
の研磨液に添加されていた過酸化水素水等の酸化剤を添
加していないことから、研磨中に金属表面に金属酸化膜
や金属水酸化膜が形成されることはない。また、研磨液
が中性であることから金属膜が研磨液に溶解することは
ないのである。さらに、微少な球形研磨剤粒子を用いて
いることで、金属膜表面の傷発生を抑制しているのであ
る。

【００４２】なお、第１の発明に関連し、本実施例の研
磨対象金属は純アルミニウムではなく０．５％の銅を含
有したＡｌ−Ｃｕ合金であったが、第１の研磨液に添加
する電解質塩としては硝酸アルミニウムのみを使用し
た。これでも十分な研磨特性の安定性が得られた理由
は、合金中の銅の含有量が非常に小さいことによる。お
おむね、合金中の主成分以外の添加金属の含有量が５％
を越える場合には、その添加金属を含有する電解質塩も
合わせて添加して研磨液を調製することが望ましい。も
ちろん、合金中の添加成分金属の含有量が５％以下の微
量の場合でも、その電解質塩を添加して研磨液を調製し
てもよいことは言うまでもない。

【００４３】また、本実施例で研磨対象としたような埋
め込み配線構造においては、層間絶縁膜と金属配線との
間に、バリアメタル層（例えば厚さ数ｎｍから数１０ｎ
ｍ程度のチタン等）を挿入することがしばしば行われ
る。しかし、このようなバリアメタル層の厚さは通常非
常に薄く、また層間絶縁膜が露出する直前の研磨最終段
階でバリアメタル層を研磨することになるため、バリア
メタル層の研磨による研磨特性の変動は通常問題となら
ない。

【００４４】

【実施例２】上述の実施例１において、本発明の電解質
塩添加研磨液、および有機高分子添加研磨液のいずれを
用いても、安定した金属膜の研磨、および層間絶縁膜に
対する金属膜の選択研磨が可能であり、研磨後の表面で
の傷発生が抑制出来ることが明らかとなった。しかしな
がら、両研磨液間には研磨特性の違いも存在し、研磨の
進行に対する研磨特性の安定性では電解質添加研磨液が
勝っており、一方で金属膜表面の傷発生の抑制や層間絶
縁膜に対する選択性では有機高分子添加研磨液が優れて
いることも判明した。以上を考慮すると、電解質添加研
磨液は研磨初期からの平坦化研磨工程での使用に適して
いる。この工程は、金属膜表面の凹凸を平坦化し、また
層間絶縁膜上の金属膜の多くの部分を除去する工程であ
り、研磨特性の安定性が最も求められる。また有機高分
子添加研磨剤は、その後の残留金属を除去し層間絶縁膜
を露出する鏡面研磨工程での使用に適している。この工
程では、研磨における高選択比、および金属表面への傷
発生の抑制が強く求められる。

【００４５】そこで、実施例２では、第１ステップとし
て電解質添加研磨液を用いた平坦化研磨を行い、その後
第２ステップとして有機高分子添加研磨液を用いた鏡面
研磨を行い、さらに引き続き第３ステップとして洗浄工
程を行い、以上の一連の工程により埋め込み金属配線を
形成した例を説明する。

【００４６】本実施例で使用した研磨装置の概略を図４
に示す。本実施例における研磨工程は、上述の通り３つ
のステップを有している。本実施例の研磨装置は、この
各ステップに対応した３つの研磨ステージを有してお
り、第１研磨ステージ１０では金属膜の概略を除去する
平坦化研磨工程を、第２研磨ステージ２０では層間絶縁
膜を露出すると同時に金属膜表面の仕上げを行う高選択
鏡面研磨工程を、第３研磨ステージ３０では基板洗浄工
程を行うことが出来る。各研磨ステージは基本的に同一
の構成からなり、それぞれ上面に研磨パッドを備えた研
磨定盤１１、２１、３１、研磨ヘッド１２、２２、３
２、荷重印加機構１３、２３、３３、研磨液供給機構１
４、２４、３４を有する。研磨定盤および研磨ヘッド
は、それぞれ回転機構により任意の速度で回転させるこ
とができ、またその際研磨ヘッドには、荷重印加機構に
より任意の荷重をかけることができる。研磨対象となる
基板１５、２５、３５は表面を下向きとして研磨ヘッド
に保持され、研磨液供給機構から研磨液１６、２６、３
６を供給することにより基板の研磨または洗浄を行う。
なお、第３研磨ステージにおける工程の主目的は基板の
洗浄であるが、ここでは研磨液との表現を用いている。

【００４７】本実施例で使用した研磨装置においては、
以上の第１〜第３研磨ステージは、ひとつの支持台１上
に配置され、一体構成となっている。また、研磨前の基
板はまずローダー２に設置され、その後図示しない自動
搬送機構により順次第１〜第３研磨ステージに搬送され
て３段階の研磨工程を行い、研磨・洗浄終了後の基板が
アンローダー３に格納される。以下、各ステージ上の研
磨位置にある基板をそれぞれ基板１５、２５、３５とし
て区別する。

【００４８】研磨対象とした基板は、実施例１で使用し
た基板とほぼ同一である。すなわち、あらかじめ層間絶
縁膜に深さ５００ｎｍの配線溝を形成しておき、その後
基板温度４５０℃の高温スパッタ法でＡｌ−Ｃｕ０．５
％（厚さ７００ｎｍ）を埋め込み成膜したものである。
Ａｌ−Ｃｕ合金の成膜条件も、実施例１と同様である。
このＡｌ−Ｃｕ合金膜上部には、下地配線溝の段差を反
映した３００ｎｍ程度の表面凹凸がある。

【００４９】以下、図４における第１、第２、第３研磨
ステージでの研磨工程について説明する。

【００５０】第１研磨ステージにおける研磨工程は、Ａ
ｌ−Ｃｕ合金膜表面の表面凹凸を除去する平坦化研磨工
程である。ここで用いた研磨液１６は、研磨剤粒子とし
て湿式方による粒径４０〜８０ｎｍ球形シリカ微粒子を
純水に分散させ、さらに硝酸アルミニウムを０．５ｗｔ
％添加した電解質添加研磨液である。シリカ粒子の濃度
は１０〜２０ｗｔ％とした。研磨パッドには、硬度９０
〜１００程度（ＪＩＳ−Ａ規格、以下同様）の硬質研磨
パッドを用い、荷重印加機構１３により０．３〜０．４
ｋｇ／ｃｍ² の高研磨圧を印加した。研磨定盤１１お
よび研磨ヘッド１２の回転数は、３０〜９０ｒｐｍとし
た。本工程は、多量のＡｌ−Ｃｕ合金膜を研磨除去する
工程であり、研磨の高速性が非常に重要である。このた
めに、上記のようにやや粒径の大きい研磨粒子・硬質パ
ッドを使用し、また高圧印加・高速回転の条件下で研磨
を行っている。以上の構成により、アルミ残膜が１００
ｎｍになるまで研磨した。

【００５１】第２研磨ステージにおける研磨工程は、下
地層間絶縁膜の研磨を極力抑制して選択的にアルミ膜を
鏡面研磨する、高選択鏡面研磨工程である。本工程の研
磨液２６としては、１０ｎｍ〜４０ｎｍの球形シリカ微
粒子を１０〜２０ｗｔ％分散させた純水に、セルロース
を０．１ｗｔ％添加した有機高分子添加研磨液を用い、
軟質パッド（硬度６０〜９０）の研磨パッドで下地層間
絶縁膜が現れるまでＡｌ−Ｃｕ合金を鏡面研磨した。こ
の時の、荷重印加機構２３により印加する圧力は０．３
ｋｇ／ｃｍ² 以下の低圧力とし、また研磨定盤２１、
研磨ヘッド２２の回転数はそれぞれ１０〜４０ｒｐｍと
した。ここで、粒径の小さい粒子・軟質パッドを使用
し、また低圧・低速回転の条件下で研磨を行うのは、研
磨後のＡｌ−Ｃｕ合金膜における研磨面の平滑性を向上
させるため、および研磨の選択性をより高くするためで
ある。本工程により、表面凹凸のない埋め込みアルミニ
ウム配線（ダマシンーアルミニウム配線）が得られる。

【００５２】第３ステージにおける研磨工程は、第２ス
テージまでの研磨工程により形成された、Ａｌ−Ｃｕ膜
と層間絶縁膜からなる複合表面を洗浄する工程である。
本工程で使用する研磨液３６としては純水を使用した。
また、研磨パッドとしては硬度６０以下の軟質パッドを
使用し、荷重印加機構３３による印加圧力は０．３ｋｇ
／ｃｍ² 以下、研磨定盤３１、研磨ヘッドの回転数４
０ｒｐｍ以下の条件で研磨を行った。なお、本工程で用
いる研磨液３６としては、純水に０．１ｗｔ％以下のセ
ルロース等の有機高分子（界面活性剤）を添加したもの
を用いてもよい。

【００５３】以上の一連の研磨工程で、層間絶縁膜に厚
さ５００ｎｍのＡｌ−Ｃｕ合金が埋め込まれたダマシン
配線を形成した。このＡｌ−Ｃｕ配線表面の凹凸は１０
ｎｍ以下であり、平滑性に秀でていることが確認され
た。

【００５４】本実施例においては、図４に示すように第
１から第３の研磨ステージ接続し、基板をステージ間で
自動搬送できるような研磨装置を使用した。しかし、個
別の研磨装置を複数用意して、それぞれに第１、第２、
第３の研磨工程を行わせるようにしても本発明の効果は
全く同様である。また、以上の３工程の内で本質的に重
要な工程は第１および第２の研磨工程であり、第３の洗
浄工程は別の洗浄手段によっても良い。

【００５５】

【発明の効果】従来の金属研磨においては、微細研磨剤
粒子の分散液にｐＨ調製剤や酸化剤を添加した研磨液を
用いていたため、金属表面に表面絶縁膜が形成された
り、研磨により金属表面に凹凸が発生する、さらに研磨
の進行とともに研磨特性が変動するなどの技術課題があ
った。

【００５６】しかし、本発明によれば、中性研磨液に研
磨対象の金属膜を構成する金属元素を含む電解質塩ある
いはセルロース等の有機高分子を微量添加した研磨液を
使用することにより、上記課題を解決することが出来
た。すなわち、あらかじめ凝集させた研磨剤粒子で直接
金属面を研磨することで平滑性に優れた金属研磨を達成
し、また研磨に伴う研磨液の特性変化を防止することに
より研磨特性の安定が得られた。

【００５７】また、埋め込み金属配線の形成において
は、第１の研磨工程として電解質塩添加研磨剤を用いた
平坦化研磨を行い、第２の研磨工程として有機高分子添
加研磨液を用いた高選択鏡面研磨工程を行うことによ
り、表面凹凸のない埋め込み配線の形成を行うことが可
能になった。

【００５８】以上の結果、安定したダマシン配線の形成
が可能となり、配線信頼性が著しく向上するという顕著
な効果が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の研磨液によるＡｌ−Ｃｕ合金膜の研磨
速度と研磨圧力の関係を示す図である。

【図２】本発明の第２の研磨液中の有機高分子濃度とＡ
ｌ−Ｃｕ合金膜の研磨速度の関係を示す図である。

【図３】本発明に研磨液により研磨したＡｌ−Ｃｕ合金
の反射率を示す図である。

【図４】本発明による埋め込み配線形成研磨方法を示す
工程断面図である。

【図５】従来の研磨装置を示す図である。

【図６】従来の埋め込み配線形成工程を示す工程断面図
である。

【図７】従来の研磨方法における研磨ヘッドトルクの時
間依存性を示す図である。

【符号の説明】

１支持台２ローダー３アンローダー１０第１研磨ステージ２０第２研磨ステージ３０第３研磨ステージ１１、２１、３１研磨定盤１２、２２、３２研磨ヘッド１３、２３、３３荷重印加機構１４、２４、３４研磨液供給機構１５、２５、３５基板１６、２６、３６研磨液６１基板６２下層配線６３層間絶縁膜６４ビアホール６５金属膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/304 B24B 37/00 C09K 3/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】金属研磨用の研磨液において、中性溶媒中
に研磨剤粒子を分散させ、さらに少なくとも研磨対象金
属における主成分元素を含む電解質塩を添加したことを
特徴とする研磨液。
【請求項２】前記電解質塩が研磨対象金属における主成
分元素の硝酸塩、硫酸塩、塩化物、酢酸塩、またはリン
酸塩であることを特徴とする請求項１に記載の研磨液。
【請求項３】前記中性溶媒が水であり、かつ前記研磨剤
粒子が単分散の球形微粒子であることを特徴とする請求
項１または請求項２に記載の研磨液。
【請求項４】半導体基板上に絶縁膜を介して形成された
金属膜の研磨方法において、請求項１から請求項３のい
ずれかに記載の研磨液を使用することを特徴とする研磨
方法。
【請求項５】あらかじめ配線溝が形成された絶縁膜上の
該配線溝に埋め込んで成膜した金属膜の研磨方法におい
て、請求項１から請求項３のいずれかに記載の研磨液を
使用して前記絶縁膜より上部にある金属膜を研磨除去
し、前記絶縁膜と前記配線溝に埋め込まれた金属膜より
なる複合表面を露出することを特徴とする研磨方法。
【請求項６】あらかじめ配線溝が形成された絶縁膜上の
該配線溝に埋め込んで成膜した金属膜の研磨方法におい
て、請求項１から請求項３のいずれかに記載の研磨液を
使用して前記絶縁膜より上部にある金属膜の概略を研磨
する第１の研磨工程と、引き続き研磨剤粒子を水に分散
させさらにセルロース、グリセリン又はアクリル酸エス
テルを添加した研磨液を使用して前記絶縁膜より上部に
ある金属膜を研磨して前記絶縁膜と前記配線溝に埋め込
まれた金属膜よりなる複合表面を露出する第２の研磨工
程とを有することを特徴とする研磨方法。
【請求項７】前記第２の研磨工程に引き続き、前記複合
表面を洗浄する第３の工程をさらに有することを特徴と
する請求項６に記載の研磨方法。