JP4469737B2

JP4469737B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4469737B2
Application number: JP2005034541A
Authority: JP
Inventors: 大福島; 学南幅; 博之矢野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2025-02-10
Also published as: JP2006222285A; US20060175296A1; US7465668B2

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特にシステムＬＳＩや、高速ＬＯＧＩＣ−ＬＳＩのＣｕダマシン配線等を形成するＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）工程に関する。

次世代の高性能ＬＳＩは、素子の高集積化が必須であり、ＣＭＰにより形成されるダマシン配線のデザインルールは、配線幅が０．０７〜３０μｍ、膜厚は１００ｎｍと厳しい設計となりつつある。

通常、膜厚が１００ｎｍのダマシン配線を形成するには、スラリーを用いたＣＭＰが行なわれる。ＣＭＰ後のデバイス表面および研磨布には、削りかすやスラリー成分の残留物などが付着している。ほとんどの残留物は、純水を用いた研磨により洗い流されるものの、Ｃｕ表面の酸化物や研磨布上に残留したＣｕ化合物は、純水では十分に除去することが困難である。Ｃｕ酸化物やＣｕ化合物を除去するためには、アンモニアや塩酸などの無機酸やクエン酸などの有機酸を主成分とする専用の洗浄液を用いて、洗浄研磨が行なわれる（例えば、特許文献１および２参照）。

こうした洗浄液による研磨では、洗浄液専用の設備を新たに準備しなければならない。しかも、スラリーとの混合などによるＣｕ腐食のリスクが発生する。一方で、洗浄研磨中におけるダストやスクラッチの発生、さらには比誘電率２．９以下のＬｏｗ−ｋ膜へのクラックなども問題視されている。

こうした欠陥の発生を回避して、信頼性の高い半導体装置を製造する方法は、未だ得られていないのが現状である。
米国特許第６，４５５，４３２号特開２００４−３３５８９６号公報

本発明は、欠陥の発生を回避して高い信頼性を有する半導体装置を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板上に設けられ凹部を有する絶縁膜上に導電性膜を堆積して、被処理膜を形成する工程、酸化剤を含有せずに研磨粒子を含む第１の薬液と酸化剤を含む第２の薬液とを研磨布上に供給しつつ、前記被処理膜を前記研磨布に当接させて、前記被処理膜を研磨する工程、および、前記研磨工程に引き続いて、前記第２の薬液の供給を停止する一方で前記第１の薬液を供給して、前記研磨工程での研磨荷重よりも小さい荷重で前記被処理膜の表面を削りかすの発生なしに洗浄研磨する工程を具備することを特徴とする。
本発明の他の態様にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板上に設けられ凹部を有する絶縁膜上に導電性膜を堆積して、被処理膜を形成する工程、酸化剤を含有せずに研磨粒子を含む第１の薬液と酸化剤を含む第２の薬液とを研磨布上に供給しつつ、前記絶縁膜が露出するまで前記被処理膜を前記研磨布に当接させて研磨する工程、および、前記研磨工程に引き続いて、前記第２の薬液の供給を停止する一方で前記第１の薬液を前記研磨布上に供給しつつ、前記研磨布への前記被処理膜の荷重を前記研磨工程での研磨荷重よりも低減して、前記被処理膜および露出した前記絶縁膜を前記研磨布に前記第１の薬液を介して削りかすの発生なしに摺接させる工程を具備することを特徴とする。

本発明の態様によれば、欠陥の発生を回避して高い信頼性を有する半導体装置を製造する方法が提供される。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法における研磨工程の状態を表わす概略図である。

研磨工程においては、まず、図１に示すように研磨布１１が貼付されたターンテーブル１０を回転させつつ、半導体基板１２を保持したトップリング１３を当接させる。ターンテーブル１０の回転数は、例えば１０〜１５０ｒｐｍとすることができ、トップリング１３の回転数は、通常、１０〜１２０ｒｐｍ程度である。研磨工程における研磨荷重は、通常、１００〜７００ｇｆ／ｃｍ²程度である。

研磨布１１上には、第１の供給口１４から研磨粒子を含有する第１の薬液１７を供給するとともに、第２の供給口１５からは、酸化剤を含有する第２の薬液１８を供給する。第１の薬液１７および第２の薬液１８は、研磨布１１上のＵｓｅＰｏｉｎｔにて混合されることによりスラリー１９が調製される。こうして得られたスラリー１９によって、半導体基板１２の被処理膜（図示せず）が研磨される。なお、図１には、ドレッサー１６も併せて示してある。

ここで、研磨粒子を含有する第１の薬液１７と、酸化剤を含有する第２の薬液１８との２液に分けて供給するのは、次のような理由による。すなわち、酸化剤は、経時変化により分解が生じたり、研磨粒子の凝集や溶解などを引き起こすことがある。この場合には、研磨速度の低下やスクラッチの増加など、様々な問題が生じるおそれがある。こうした酸化剤に起因した問題を回避するため、研磨粒子を含有する第１の薬液１７と、酸化剤を含有する第２の薬液１８との２種類に分けて保存し、研磨直前でこれらを混合してスラリー１９を調製して使用される。

２種類の薬液は、研磨布１１に供給する前に混合することもできる。この場合には、例えば、図２に示すように、第１の薬液１７を供給する第１の供給口１４の先端と、第２の薬液１８を供給する第２の供給口１５の先端とを連結しておく。第１の薬液１７および第２の薬液１８の流量は、第１および第２の供給口１４，１５にそれぞれ設けられた第１および第２のバルブＶ₁，Ｖ₂によって調節することができ、研磨布１１上には、混合されたスラリー１９が供給されることになる。

第１の薬液１７に含有される研磨粒子としては、例えば、コロイダルシリカ、フュームドシリカ、コロイダルアルミナ、フュームドアルミナ、セリア、およびチタニアといった無機粒子が挙げられる。また、有機粒子や、無機粒子と有機粒子とが一体化した複合型粒子を用いることもできる。

こうした研磨粒子の平均粒子径や濃度は、ＣＭＰスラリーにおける通常の範囲内で選択することができる。具体的には、平均粒子径は、５〜２０００ｎｍの範囲内で選択することができ、０．０１〜２０ｗｔ％程度の濃度で純水等の水に分散させて、第１の薬液１７が調製される。第１の薬液１７は、例えば５〜４５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で、第１の供給口１４から供給することができる。流量が小さすぎる場合には、薬液の供給が不十分となり、過剰に供給したところで効果が著しく向上するわけでもない。

第１の薬液１７には、錯体形成剤、有機酸、界面活性剤、およびｐＨ調整剤といった添加剤が含有されていてもよい。錯体形成剤としては、例えば、キナルジン酸、キノリン酸、ベンゾトリアゾール、アラニン、およびグリシン等が挙げられ、有機酸としては、例えば、マレイン酸、シュウ酸、クエン酸、リンゴ酸、およびマロン酸等が挙げられる。また、界面活性剤としては、例えば、ドデシルベンゼンスルホン酸カリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウム、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸カリウム、ポリアクリル酸アンモニウム、ポリビニルピロリドン、およびアセチレングリコール系の非イオン系界面活性剤等が挙げられる。ｐＨ調整剤としては、例えば、水酸化カリウム、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロキシド）、硝酸、塩酸、および酢酸等を用いることができる。上述したような添加剤は、単独でも２種以上を組み合わせて用いてもよく、通常の使用量で第１の薬液１７に配合すればよい。

ただし、第１の薬液１７には酸化剤は含有されず、この酸化剤は、第２の供給口１５から供給される第２の薬液１８に含まれる。酸化剤としては、例えば、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム、および過酸化水素水等が挙げられる。こうした酸化剤は、０．１〜２０ｗｔ％程度の濃度で、純水等の水に溶解して第２の薬液が調製される。第２の薬液１８には、上述したような錯体形成剤、有機酸、界面活性剤、およびｐＨ調整剤といった添加剤を配合することができる。さらに、研磨粒子が第２の薬液１８に含有されていてもよい。第２の薬液１８は、例えば５〜４５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で、第２の供給口１５から供給することができる。

必要に応じて、第３の供給口を設けて第３の薬液を研磨布上に供給し、例えば、ＵｓｅＰｏｉｎｔにてスラリーを調製してもよい。第３の薬液としては、例えば、界面活性剤等を含有する水溶液が挙げられ、５〜４５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で供給することができる。

第１の薬液１７と第２の薬液１８とを供給することによって、図１に示すように研磨布１１上でスラリー１９が調製され、こうした研磨布１１の表面に半導体基板１２が当接される。研磨工程における半導体基板１２の保持状態を、図３を参照して説明する。図１に示したように半導体基板１２は、トップリング１３に保持され、このトップリング１３は、図３に示されるように筐体２０およびリテーナリング２１から構成される。図示するように、加圧シート２２およびメンブレン２３が配置されて、加圧チャンバー室２４およびエアバック領域２６が確定される。図中、参照符号２７は、加圧シート２２およびメンブレン２３を保持するためのチャッキングプレートである。エアバック領域２６内は、空気導管２５から図中の矢印方向に空気を導入することで加圧され、メンブレン２３を介して半導体基板１２を研磨布１１に押し付けつつ被処理膜の研磨が行なわれる。

エアバック領域２６内の圧力が研磨荷重に相当し、通常、１００〜７００ｇｆ／ｃｍ²程度である。研磨荷重は、空気導管２５から導入する空気の圧力を、圧力コントローラー（図示せず）により調整して制御することができる。

本発明の実施形態にかかる半導体装置の製造方法においては、研磨工程が終了したところで第２の薬液１８の供給を停止し、図４に示すように第１の薬液１７のみを研磨布１１上に供給して洗浄研磨を行なう。第２の薬液１８の供給を停止して洗浄研磨を行なうことによって、被処理膜の表面のダストを大幅に低減することが可能となる。これは、次のように説明される。すなわち、第２の薬液１８には酸化剤が含有されているので、この第２の薬液１８の作用によって被処理膜である金属の表面が酸化して、脆弱な保護膜が形成される。この状態で研磨が行なわれるので、削りかすが発生してダストとなる。第２の薬液１８の供給を停止して洗浄研磨することによって、金属表面はほとんど酸化されることはなく、削りかすが発生しない。ダストの発生は大幅に低減でき、その結果、洗浄効果が著しく高められる。

洗浄研磨の際には、研磨粒子を含有する第１の薬液１７のみが供給されて、次のような作用によって、被処理膜の表面の洗浄研磨が行なわれる。すなわち、第１の薬液１７は、研磨粒子を含有しており、この研磨粒子によって、研磨布１１と被処理膜の表面（被処理面）との摩擦が低減される。その結果、被処理面が洗浄研磨されることとなる。こうした洗浄作用を考慮すると、第１の薬液１７に含有される研磨粒子としては、平均粒子径５〜２００ｎｍ程度の小粒径のコロイダルシリカが好ましい。

また、ｐＨ調整剤や酸化剤以外の添加剤が第１の薬液１７に含有されている場合には、こうした成分の作用によってダストや研磨粒子が被処理面と反発する。これによって、被処理面を洗浄する効果はよりいっそう高められる。

また、研磨中に用いたスラリー１９の一部である第２の薬液１８を除いているのみなので、スラリー成分と洗浄研磨に用いる薬液（第１の薬液）１７の成分との相性には、何等問題がない。これに起因して、研磨工程と洗浄研磨工程との間の純水によるリンスが不要であり、スループットが高められる。しかも、洗浄液専用の付帯設備を新たに設ける必要もないので、生産性が向上するといった点でも有利である。

上述したように、洗浄研磨の際には第２の薬液の供給を停止して酸化作用のみを無くしているので、従来のように研磨に用いたスラリーと洗浄液との相性や混合に起因したリスクが発生することはない。酸化作用がほとんどないことから、Ｃｕ表面には弱い酸化力によって強固な保護膜が形成され、良好な仕上がりが得られることになる。

本発明の実施形態にかかる方法においては、先立って行なわれる研磨工程により、被処理膜としての導電性膜が研磨される。この導電性膜は、凹部を有する絶縁膜上に、バリアメタルを介して配線材料膜を堆積することにより構成することができる。研磨工程は、配線材料膜を研磨してバリアメタルの表面を露出する１ｓｔポリッシュ、およびバリアメタルを除去するタッチアップＣＭＰのいずれであってもよい。タッチアップＣＭＰの場合には、この研磨によって絶縁膜が露出することになる。特に、絶縁膜がＬｏｗ−ｋ膜から構成されていると、洗浄研磨の際にスクラッチやクラックが生じるおそれがある。こうした不都合は、研磨工程よりも荷重を低減して洗浄研磨を行なうことによって回避することができる。この際の半導体基板１２の保持状態を、図５を参照して説明する。

空気導管２５を介してエアバック領域２６内の圧力を制御することによって、洗浄研磨工程における研磨荷重を調整することができる。荷重を低減することにより、絶縁膜表面におけるスクラッチやクラックの発生が抑制される。

また、半導体基板１２が研磨布１１に押し付けられないように制御することも可能であり、これは、図５に示すように空気導管２５を介して図中矢印方向に吸引することによって達成することができる。圧力コントローラー（図示せず）を制御して空気導管２５を吸引することによってエアバック領域２６が減圧され、半導体基板１２は引き上げられる。その結果、半導体基板１２は研磨布１１に押し付けられることなく、被処理膜の洗浄研磨が行なわれる。

研磨工程よりも低い荷重で洗浄研磨を行なえば、絶縁膜表面に発生するスクラッチ等を低減するといった効果が得られるが、特に、７０ｇｆ／ｃｍ²以下の研磨荷重とすることが好ましい。この場合には、スクラッチの個数を５個／ｃｍ²未満に低減することが可能である。

（実施形態１）
図６および図７を参照して、本実施形態を説明する。

まず、図６に示すように、素子（図示せず）が形成された半導体基板３０上に、ＬＫＤ２７（ＪＳＲ社製）を６０００Åの膜厚で堆積して絶縁膜３１を形成し、深さ３０００Åの溝３５を設けた。ここで絶縁膜３１の形成に用いたＬＫＤ２７は、比誘電率２．９程度の低誘電率絶縁膜である。さらに、導電性膜３４としてバリアメタル３２および配線材料膜３３をスパッタ（シード層）＋めっき法により形成した。バリアメタル３２としては膜厚１００ÅのＴａＮ膜を形成し、配線材料膜３３としては膜厚６０００ÅのＣｕ膜を形成した。なお、絶縁膜３１は、例えばＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン），ＳｉＬＫ（米ＤｏｗＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．製），Ｃｏｒａｌ（米ＮｏｖｅｌｌｕｓＳｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．製），およびＢＤ（米アプライド・マテリアルズ社製）等により形成することもできる。バリアメタル３２は、ＴａＮ以外にもＴａ，Ｔｉ，およびＴｉＮ等からなる膜を単層で、またはこれらを積層して形成すればよく、配線材料膜３３は、ＡｌおよびＷ等により形成することもできる。

次いで、被処理膜としての配線材料膜３３を研磨して、図７に示すようにバリアメタル３２の表面を露出した。具体的には、図１に示したように、研磨布１１が貼付されたターンテーブル１０を１００ｒｐｍで回転させつつ、半導体基板１２を保持したトップリング１３を４００ｇｆ／ｃｍ²の研磨荷重で当接させた。研磨布１１としてはＩＣ１０００（ロデール社製）を用い、トップリング１３は１００ｒｐｍの回転数で回転させた。

第１の供給口１４から供給する第１の薬液１７としては、ＣＭＳ７４０１（ＪＳＲ社）とＣＭＳ７４５２（ＪＳＲ社）と純水（ＤＩＷ：ｄｅｉｏｎｉｚｅｄｗａｔｅｒ）とを、（１：１：２）の重量比で混合してなる混合物を用いた。第２の供給口１５からは、過硫酸アンモニウム水溶液（６ｗｔ％）を第２の薬液１８として供給した。なお、ＣＭＳ７４０１は、酸化剤以外の添加剤を含有し、ＣＭＳ７４５２は研磨粒子を含有している。第１および第２の薬液の流量は、いずれも２００ｍｌ／ｍｉｎとして研磨布１１上のＵｓｅＰｏｉｎｔにて混合してスラリー１９を調製し、得られたスラリーで配線材料膜３３としてのＣｕ膜を研磨した。Ｃｕ膜の研磨速度は、約１００００Å／分であった。

引き続いて、第２の薬液１８としての過硫酸アンモニウム水溶液（６ｗｔ％）の供給を停止し、図４に示したように第１の薬液１７のみにより洗浄研磨を１５秒間行なった。洗浄研磨後のウエハ全面を欠陥評価装置により観察したところ、ダストの個数は２１個／ｗａｆｅｒ程度であった。

比較のために、上述と同様に２種類の薬液を用いて研磨した後、従来どおりに純水を用いて１５秒間の洗浄研磨を行なった。洗浄研磨後のウエハの表面には、１０４２個／ｗａｆｅｒものダストが発生していた。

以上の結果から、本実施形態の方法によって、洗浄研磨後のダストを激減できることが確認された。ダストは次工程でもスクラッチや膜剥がれの要因となるおそれがあるので、この工程でダストを低減することは、得られる半導体装置の信頼性を高めることにつながる。

（実施形態２）
前述の実施形態１と同様の手法により、図７に示すようにバリアメタル３２表面を露出した。絶縁膜３１、バリアメタル３２および配線材料膜３３は、いずれも前述と同様の材料を用いて同様の膜厚で形成した。

次いで、バリアメタル３２を研磨して、図８に示すように絶縁膜３１の表面を露出した。具体的には、図１に示したように、研磨布１１が貼付されたターンテーブル１０を１００ｒｐｍで回転させつつ、半導体基板１２を保持したトップリング１３を４００ｇｆ／ｃｍ²の研磨荷重で当接させた。研磨布１１としてはＩＣ１０００（ロデール社製）を用い、トップリング１３は１００ｒｐｍで回転させた。

第１の供給口１４から供給する第１の薬液１７としては、ＣＭＳ８４０１（ＪＳＲ社）とＣＭＳ８４５２（ＪＳＲ社）と純水（ＤＩＷ）とを（１：２：３）の重量比で混合してなる混合物を用いた。第２の供給口１５からは、過酸化水素水（２ｗｔ％）を第２の薬液１８として供給した。なお、ＣＭＳ８４０１は、酸化剤以外の添加剤を含有し、ＣＭＳ８４５２は研磨粒子を含有している。第１の薬液の流量は２００ｍｌ／ｍｉｎとし、第２の薬液の流量は２０ｍｌ／ｍｉｎとして研磨布１１上のＵｓｅＰｏｉｎｔにて混合してスラリー１９を調製し、得られたスラリーでバリアメタル３２としてのＴａＮ膜を研磨した。ＴａＮ膜の研磨速度は、約７００Å／分であった。

引き続いて、第２の薬液１８としての過酸化水素（２ｗｔ％）の供給を停止し、第１の薬液１７のみで洗浄研磨を３０秒間行なった。洗浄研磨後のウエハ表面を前述と同様にして観察したところ、ダストの個数は１２個／ｗａｆｅｒ程度であった。

比較のために、上述と同様に２種類の薬液を用いて研磨した後、従来どおりに純水を用いて３０秒間の洗浄研磨を行なったところ、ダスト個数は５６０個／ｗａｆｅｒにも及んでいた。

さらに、第２の薬液の供給を停止するとともに研磨荷重を低減して、前述と同様の洗浄研磨を行なった。具体的には、図５に示したように空気導管２５を介して半導体基板１２を吸着保持することによって、研磨荷重を低減した。圧力コントローラーにより吸着圧力を制御して研磨荷重を変更し、数種の研磨荷重で洗浄研磨を行なった。

洗浄研磨後、絶縁膜３１表面のスクラッチを欠陥評価装置により観察し、研磨荷重とスクラッチとの関係を調べた。得られた結果を、図９のグラフに示す。研磨荷重を低減することによって、スクラッチが減少することがわかる。特に、７０ｇｆ／ｃｍ²以下の場合には、スクラッチは５個／ｃｍ²以下に抑制することができる。このように、洗浄研磨の際に荷重を低減することによって、ＬＫＤ２７膜のようなＬｏｗ−ｋ膜へのスクラッチやクラックの発生を抑制できることが確認された。

本発明の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法における研磨工程の状態を示す概略図。本発明の他の実施形態にかかる半導体装置の製造方法における研磨工程の状態を示す概略図。研磨工程における半導体基板の保持状態を示す概略図。本発明の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法における洗浄研磨工程の状態を示す概略図。洗浄研磨工程における半導体基板の保持状態を示す概略図。本発明の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を表わす工程断面図。図６に続く工程を表わす断面図。図７に続く工程を表わす断面図。研磨荷重とスクラッチとの関係を表わすグラフ図。

符号の説明

１０…ターンテーブル；１１…研磨布；１２…半導体基板；１３…トップリング
１４…第１の供給口；１５…第２の供給口；１６…ドレッサー
１７…第１の薬液；１８…第２の薬液；１９…スラリー；Ｖ₁…第１のバルブ
Ｖ₂…第２のバルブ；２０…筐体；２１…リテーナリング；２２…加圧シート
２３…メンブレン；２４…加圧チャンバー室；２５…空気導管
２６…エアバック領域；２７…チャッキングプレート；３０…半導体基板
３１…絶縁膜；３２…バリアメタル；３３…配線材料膜；３４…導電性膜
３５…溝。

Claims

半導体基板上に設けられ凹部を有する絶縁膜上に導電性膜を堆積して、被処理膜を形成する工程、
酸化剤を含有せずに研磨粒子を含む第１の薬液と酸化剤を含む第２の薬液とを研磨布上に供給しつつ、前記被処理膜を前記研磨布に当接させて、前記被処理膜を研磨する工程、および
前記研磨工程に引き続いて、前記第２の薬液の供給を停止する一方で前記第１の薬液を供給して、前記研磨工程での研磨荷重よりも小さい荷重で前記被処理膜の表面を削りかすの発生なしに洗浄研磨する工程
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記導電性膜は、バリアメタルを介して設けられた配線材料膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記研磨工程は、前記配線材料膜を前記凹部に残置しつつ前記バリアメタルの表面を露出する工程であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記研磨工程は、前記絶縁膜上の前記バリアメタルを除去して、前記絶縁膜の表面を露出する工程であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
半導体基板上に設けられ凹部を有する絶縁膜上に導電性膜を堆積して、被処理膜を形成する工程、
酸化剤を含有せずに研磨粒子を含む第１の薬液と酸化剤を含む第２の薬液とを研磨布上に供給しつつ、前記絶縁膜が露出するまで前記被処理膜を前記研磨布に当接させて研磨する工程、および
前記研磨工程に引き続いて、前記第２の薬液の供給を停止する一方で前記第１の薬液を前記研磨布上に供給しつつ、前記研磨布への前記被処理膜の荷重を前記研磨工程での研磨荷重よりも低減して、前記被処理膜および露出した前記絶縁膜を前記研磨布に前記第１の薬液を介して削りかすの発生なしに摺接させる工程
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。