JPH10209092A - ウェハ研磨剤およびこれを用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents

ウェハ研磨剤およびこれを用いた半導体装置の製造方法

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JPH10209092A
JPH10209092A JP993297A JP993297A JPH10209092A JP H10209092 A JPH10209092 A JP H10209092A JP 993297 A JP993297 A JP 993297A JP 993297 A JP993297 A JP 993297A JP H10209092 A JPH10209092 A JP H10209092A
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Mikiji Hayashi
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  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ブランケットタングステン(W)を化学機械
研磨(CMP)してWプラグを形成する際に、プラグロ
スと酸化膜上でのマイクロスクラッチの発生を防止でき
る研磨剤を提供する。 【構成】 平均一次粒子径40〜110nmのシリカ、
0.01〜0.03mol/lのNH4 OH、および有
機系酸化剤を含有することを特徴とするW−CMP用の
ウェハ研磨剤である。好ましくは、pHが8.0〜8.
5に設定され、また、酸化還元電位(ORP)は+55
0〜650mV(液温23℃)に設定される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェハ上の
タングステン膜を化学機械研磨法により研磨除去する際
に用いられる研磨剤およびこの研磨剤を用いた半導体装
置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年の半導体装置の微細化と配線の多層
化により、上下の導電体層間を接続するための接続孔
(コンタクトホールやビアホール)のアスペクト比は徐
々に高まってきており、スパッタ法によるAl膜では接
続孔内を埋め込むことが困難になってきている。これを
補う手段として、段差被覆性のよいCVD法によるタン
グステン(W)によって接続孔内を埋め込むタングステ
ンプラグ法が広く採用されるようになってきている。
【0003】この場合、タングステン膜の堆積後、ドラ
イエッチング法によるエッチバックを用いてビアホール
内以外のタングステンを除去するという方法が用いられ
ている。しかし、この方法はビアホール以外の部分のW
を除去するときに除去残りが発生しないように少し多め
に除去する必要があるため、ビアホール内の上部のタン
グステンも若干除去され、いわゆるプラグロスが形成さ
れてしまう。このプラグロスは、後の工程で配線を形成
する際に配線上に窪みとなるため、その上に次のビアホ
ールを形成しても、良好な導通が得られない。つまりビ
アホールの重ね置きができなくなる。そこで、プラグロ
スを解消する手段としてウェハ上のタングステンを化学
機械研磨(chemical mechanical polishing ;以下、C
MPともいう)法により除去する方法が用いられること
がある。
【0004】図3は、CMP法にてタングステンプラグ
を形成する例を説明するための工程順断面図である。半
導体基板1上の第1層間絶縁膜2上に下層Al配線層3
を設け、その上を第2層間絶縁膜4にて被覆する〔図3
(a)〕。フォトリソグラフィ法およびRIE(反応性
イオンエッチング)法などを用いて選択的に第2層間絶
縁膜4をエッチングして、下層Al配線3の表面を露出
させるビアホール5を形成する〔図3(b)〕。スパッ
タ法により、チタン(Ti)を堆積し続いて窒化チタン
(TiN)を堆積して若しくは窒化チタンのみを堆積し
てバリアメタル層6を形成した後、CVD法により、ビ
アホール5内を埋め込むタングステン膜7を形成する
〔図3(c)〕。
【0005】平均粒径が30nm程度のシリカを含有し
pH9〜12程度のアルカリ性コロイダルシリカ溶液を
研磨剤としてウェハ表面を研磨して第2層間絶縁膜4上
のタングステン膜7を研磨除去し、ビアホール5内を埋
め込むタングステンプラグ7aを形成する〔図3
(d)〕。次に、スパッタ法によりアルミニウム合金膜
を堆積し、フォトリソグラフィ法およびドライエッチン
グ法を用いてパターニングを行い、ビアホールを介して
下層Al配線3に接続された上層Al配線8を形成する
〔図3(e)〕。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】CMP法にてウェハ表
面のタングステン膜を研磨除去する従来例では、研磨剤
としてpHの高いスラリーが用いられているため、エッ
チング性が高くビアホール内上部のタングステンがエッ
チングされてしまい、エッチバック法を用いた場合と同
様にプラグロスが発生してしまう。これを避けるために
pHを7近くにまでさげたスラリーを用いた場合(例え
ばpH7.2、シリカ平均一次粒径20〜110nm)
には、タングステンがほとんど研磨されずスループット
が低下して実用的でなくなる。また、機械的研磨能力を
高める手法として、シリカの平均一次粒径を200nm
以上に大きくしたりあるいはアルミナを主成分とした酸
性の研磨剤(例えばpH3.2、アルミナ平均一次粒径
230nmなど)を用いる方法などが提案されている
が、これらの研磨剤を用いてCMPを行うとタングステ
ン膜除去後に露出するシリコン酸化膜表面にマイクロス
クラッチが多発する。よって、本発明の解決すべき課題
は、スループットを低下させることなく、プラグロスや
マイクロスクラッチの発生を防止することのできる、タ
ングステン膜化学機械研磨用のウェハ研磨剤を提供する
ことである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上述した本発明の課題
は、シリカの平均粒径とNH4 OHの添加量を適切に設
定することによって、解決することができる。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明によるタングステン膜化学
機械研磨用のウェハ研磨剤は、平均一次粒子径40〜1
10nmのシリカ、0.01〜0.03mol/lのN
4 OH、および有機系酸化剤を含有することを特徴と
するものである。そして、好ましくは、pHが8.0〜
8.5、酸化還元電位(ORP)が+550〜650m
V(液温23℃)であることを特徴とする。
【0009】[作用]平均一次粒子径80nmのシリカ
スラリー(20wt%)1250mlに有機系酸化剤
(例えばヘキサメチレンテトラミンなど)20gと純水
500mlを加え、濃度3%のアンモニア水溶液の添加
量を変えて研磨剤を作製し、CMPを行った。スラリー
中のNH4 OHの量と研磨レートとの関係を同じ研磨剤
によるウェットエッチングレートとともに図1に示す。
NH4 OHの量が0.03mol/lを越えると、ウェ
ットエッチングレートが高くなり、大きなプラグロスが
形成される。また、NH4 OHの量が0.01mol/
l以下では、研磨レートが低くなり過ぎ実用的ではなく
なる。次に、シリカの平均一次粒径による研磨レート依
存性を調べた。上記ウェハ研磨剤でのCMPでは、20
0Å/minの研磨レートが得られたが平均一次粒径3
0nmのシリカを用いた場合(他の条件は先の粒径80
nmの場合と同じ)、研磨レートは100Å/minに
まで低下した。しかし、40nmの粒径では140Åの
研磨レートを得ることができ、実用化可能な研磨レート
を確保できることが判明した。また、シリカの平均一次
粒径が110nmを越えると、研磨終了後にシリコン酸
化膜の表面にマイクロスクラッチが認められた。
【0010】ウェハ研磨剤には有機酸化剤を添加して一
定の酸化性能力を付与することが望ましい。図2に、研
磨剤の酸化還元電位(oxidation reduction potential
;ORP)(液温23℃)とタングステン研磨レート
との関係を示す。ORPを+550〜650mV(液温
23℃)に維持することにより高い研磨レートを得るこ
とができる。ウェハ研磨剤のpHは、ほぼNH4 OHの
濃度によって支配されるが有機酸化剤の添加量によって
も変化する。NH4 OHおよび有機酸化剤の添加量を調
整してpHを8〜8.5の範囲内に留めることにより、
より好ましい研磨剤を得ることができる。
【0011】
【実施例】
[第1の実施例]平均一次粒子径80nmのシリカスラ
リー(20wt%)1250mlに有機系酸化剤(例え
ばヘキサメチレンテトラミンなど)20gと純水500
mlを加え、濃度3%のアンモニア水溶液40mlを加
えてpHを8.2に調整し、下記条件にてシリコンウェ
ハ上のタングステン膜のCMPを行った。 スラリー滴下量=50cc/min 研磨パッド回転数=35rpm ウェハ保持ヘッド回転数=35rpm ウェハ加圧=0.44kg/cm2 タングステンの研磨レートは200Å/minであり、
同条件でのシリコン酸化膜の研磨レートは約180Å/
minであった。この研磨の結果、ビアホール内のタン
グステンの溶解およびシリコン酸化膜上のマイクロスク
ラッチは生じなかった。
【0012】[第2の実施例]一般に市販されているア
ルカリ性のスラリー(例えばフジミ製PLANERLI
TE5101、平均一次粒子径30nm、pH9.6
4、酸化還元電位+555mV)を用いて、下記条件に
てウェハ上タングステン膜のCMPを行った。 スラリー滴下量=50cc/min 研磨パッド回転数=35rpm ウェハ保持ヘッド回転数=35rpm ウェハ加圧=0.44kg/cm2 タングステンの研磨レートは約1100Å/minであ
った。
【0013】ただし、上記条件のスラリーではビアホー
ル内のタングステンまで溶解してしまうため、まだウェ
ハ全面にタングステンが残っている状態で一旦CMPを
止め、その後に平均一次粒子径100nmのシリカスラ
リー(20wt%)1250mlに有機系酸化剤(例え
ばヘキサメチレンテーラミンなど)20gと純水500
mlを加え、濃度3%のアンモニア水溶液40mlを加
えpH=8.3、酸化還元電位=595mVに調整した
スラリーを用いて最終的にビアホール内にのみタングス
テンを残した。この方法では2種類のスラリーを用いる
という手間はあるが、スループットが向上する。この研
磨の結果、ビアホール内のタングステンの溶解およびシ
リコン酸化膜上のマイクロスクラッチは生じなかった。
【0014】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によるスラ
リーでタングステンのCMPを行うことにより、研磨レ
ートを実用化可能な範囲に維持しつつビアホール内のタ
ングステンを溶解させないようにすることができプラグ
ロスのないタングステンプラグを形成することができ
る。また、シリコン酸化膜上のマイクロクラッチの発生
を防止することができ、製品歩留りを向上させることが
できる。また、タングステン膜を途中まで通常用いられ
ているスラリーにより研磨を行い、その後に本発明によ
るスラリーを用いる実施例によれば、高いスループット
でプラグロス、マイクロスクラッチのない半導体装置を
得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の作用を説明するための、スラリーに加
えたNH4 OHと研磨レートとの関係を示すグラフ。
【図2】本発明の作用を説明するための、スラリーの酸
化還元電位と研磨レートとの関係を示すグラフ。
【図3】タングステンプラグの製造工程を説明するため
の工程順断面図。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 第1層間絶縁膜 3 下層Al配線 4 第2層間絶縁膜 5 ビアホール 6 バリアメタル層 7 タングステン膜 7a タングステンプラグ 8 上層Al配線

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平均一次粒子径40〜110nmのシリ
    カ、0.01〜0.03mol/lのNH4 OH、およ
    び有機系酸化剤を含有することを特徴とする化学機械研
    磨用のウェハ研磨剤。
  2. 【請求項2】 pHが8.0〜8.5であることを特徴
    とする請求項1記載のウェハ研磨剤。
  3. 【請求項3】 酸化還元電位(ORP)が+550〜6
    50mV(液温23℃)であることを特徴とする請求項
    1記載のウェハ研磨剤。
  4. 【請求項4】 (1)下層導電体層上に層間絶縁膜を堆
    積する工程と、 (2)前記層間絶縁膜を選択的にエッチング除去して前
    記下層導電体層の表面を露出させる接続孔を開孔する工
    程と、 (3)全面にタングステンを堆積して前記接続孔内を埋
    め込むタングステン膜を形成する工程と、 (4)平均一次粒子径40〜110nmのシリカ、0.
    01〜0.03mol/lのNH4 OHおよび有機系酸
    化剤を含有するウェハ研磨剤を用いた化学機械研磨によ
    り前記層間絶縁膜上の前記タングステン膜を研磨除去
    し、前記接続孔内にのみタングステンを残す工程と、 (5)金属膜を堆積しこれをパターニングして前記下層
    導電体層に接続される上層配線層を形成する工程と、を
    含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記第(3)の工程の後、前記第(4)
    の工程に先立って、pHが9以上のアルカリ性コロイダ
    ルシリカ溶液を研磨剤として、前記層間絶縁膜の表面を
    露出させない範囲で、前記タングステン膜を化学機械研
    磨することを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製
    造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008187163A (ja) * 2007-01-04 2008-08-14 Fujitsu Ltd 半導体装置の製造方法及び該半導体装置の製造方法に用いられる研磨装置
JP2022108907A (ja) * 2021-01-14 2022-07-27 株式会社フジミインコーポレーテッド 研磨用組成物、研磨用組成物の製造方法、研磨方法、基板の製造方法

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