JP2001189296A - 金属配線形成方法 - Google Patents

金属配線形成方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ディッシングやエロージョンの発生を抑え、
配線抵抗のバラツキが小さく、信頼性が高い埋め込み配
線の形成を可能とする金属配線形成方法を提供する。 【解決手段】 基板上に形成された絶縁膜に凹部を形成
する工程と、該絶縁膜上にバリア金属膜を形成する工程
と、前記凹部を埋め込むように全面に配線用金属膜を形
成する工程と、この基板表面を化学的機械的研磨法によ
り研磨する工程を有する金属配線形成方法において、前
記研磨工程では、配線用金属膜が前記凹部以外の表面上
に部分的に残るように研磨する第１の研磨工程と、バリ
ア金属に対する配線用金属の研磨速度比が１以上３以下
となる研磨用スラリーを用いて前記凹部以外の絶縁膜表
面がほぼ完全に露出するまで研磨する第２の研磨工程を
実施する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
において好適な、化学的機械的研磨法を用いた埋め込み
金属配線の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、埋め込み配線を形成する方法とし
ては、基板上に形成された絶縁膜に溝や接続孔等の凹部
を形成し、この絶縁膜上にバリア金属膜を形成した後、
凹部を埋め込むように全面に導電性金属膜を形成し、こ
の表面を化学的機械的研磨法（以下「ＣＭＰ」という）
により研磨を行う方法が採られている。以下、銅の埋め
込み配線を形成する場合を例に説明する。
【０００３】近年、微細化・高密度化が加速するＵＬＳ
Ｉ等の半導体集積回路の形成において、銅は、エレクト
ロマイグレーション耐性に優れ且つ低抵抗であるため、
非常に有用な電気的接続材料として着目されている。
【０００４】現在、銅を用いた配線の形成は、ドライエ
ッチングによるパターニングが困難である等の問題か
ら、上記のようなＣＭＰを用いた埋め込み配線形成法が
採られている。すなわち、絶縁膜に溝や接続孔等の凹部
を形成し、バリア金属膜を形成した後にその凹部を埋め
込むようにメッキ法により銅膜を全面に積層し、その
後、ＣＭＰによって凹部以外の絶縁膜表面が完全に露出
するまで研磨して表面を平坦化し、凹部に銅が埋め込ま
れた埋め込み銅配線やビアプラグ、コンタクトプラグ等
の電気的接続部を形成している。
【０００５】以下、図１を用いて、埋め込み銅配線を形
成する方法について説明する。
【０００６】まず、図１（ａ）に示すように、シリコン
基板１上にシリコン窒化膜２及びシリコン酸化膜３をこ
の順で形成し、次いでシリコン酸化膜３に、配線パター
ン形状を有しシリコン窒化膜２に達する凹部を形成す
る。
【０００７】次に、図１（ｂ）に示すように、バリア金
属膜４をスパッタリング法により形成する。次いで、こ
の上に、メッキ法により銅膜５を凹部が埋め込まれるよ
うに形成する。
【０００８】その後、図１（ｃ）に示すように、ＣＭＰ
により銅膜５を研磨して基板表面を平坦化する。続い
て、図１（ｄ）に示すように、シリコン酸化膜３上の金
属が完全に除去されるまでＣＭＰによる研磨を継続す
る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】このような埋め込み金
属配線の形成においては、配線用金属の絶縁膜中への拡
散防止等のために下地膜としてバリア金属膜が形成され
る。しかし、バリア金属膜材料としてＴａやＴａＮ等の
タンタル系金属のような化学的に非常に安定な金属を用
いた場合、従来の研磨用スラリーを用いたＣＭＰでは、
バリア金属膜の研磨速度が配線用金属膜の研磨速度に対
して小さく、すなわち配線用金属膜とバリア金属膜間の
研磨速度差が大きく、ディッシングやエロージョンが発
生する。
【００１０】ディッシングとは、図２に示すように、凹
部内の配線用金属が過剰に研磨されてしまい、基板上の
絶縁膜平面に対して凹部内の配線用金属膜の中央部が窪
んだ状態になることをいう。従来の研磨用スラリーを用
いたＣＭＰでは、バリア金属膜の研磨速度が小さいた
め、絶縁膜（シリコン酸化膜３）上のバリア金属膜４を
完全に除去するためには研磨時間を十分にとらなければ
ならない。しかし、バリア金属膜４の研磨速度に対して
配線用金属膜（銅膜５）の研磨速度が大きいため、配線
用金属膜（銅膜５）が過剰に研磨されてしまい、その結
果、このようなディッシングが生じる。
【００１１】一方、エロージョンとは、図１（ｄ）に示
すように、配線密集領域の研磨が、配線孤立領域などの
配線密度の低い領域に比べて過剰に研磨が進行し、配線
密集領域の表面が他の領域より窪んでしまう状態をい
う。配線用金属膜（銅膜５）の埋め込み部が多く存在す
る配線密集領域と配線用金属膜（銅膜５）の埋め込み部
があまり存在しない配線孤立領域とが無配線領域などに
よりウェハ内で大きく隔てられている場合、バリア金属
膜４や絶縁膜（シリコン酸化膜３）より配線用金属膜
（銅膜５）の研磨がより速く進行すると、配線密集領域
では、配線孤立領域に比べてバリア金属膜４や絶縁膜
（シリコン酸化膜３）に加わる研磨パッド圧力が相対的
に高くなる。その結果、バリア金属膜４露出後のＣＭＰ
工程（図１（ｃ）以降の工程）では、配線密集領域と配
線孤立領域とでは研磨速度が異なるようになり、配線密
集領域の絶縁膜が過剰に研磨され、エロージョンが発生
する。
【００１２】上述のように半導体装置の埋め込み配線の
形成工程において、ディッシングが発生すると、配線抵
抗や接続抵抗が増加したり、また、エレクトロマイグレ
ーションが起きやすくなるため素子の信頼性が低下す
る。また、エロージョンが発生すると、基板表面の平坦
性が悪化し、多層構造においてはより一層顕著となるた
め、配線抵抗の増大やバラツキが発生する等の問題が起
きる。
【００１３】特開平８−８３７８０号公報には、研磨用
スラリーにベンゾトリアゾールあるいはその誘導体を含
有させ、銅の表面に保護膜を形成することによって、Ｃ
ＭＰ工程におけるディッシングを防止することが記載さ
れている。また、特開平１１−２３８７０９号公報にも
同様にトリアゾール化合物によるディッシング防止効果
について記載がある。しかしながら、この方法は、銅膜
の研磨速度を低下させることによってディッシングを抑
制するものであり、銅膜とバリア金属膜間の研磨速度の
差は小さくなるものの、銅膜の研磨時間が長くなり、ス
ループットが低下する。また、エロージョンについては
何ら記載がない。
【００１４】また、特開平１０−４４０４７号公報に
は、その実施例の欄において、アルミナ研磨材、過硫酸
アンモニウム（酸化剤）、及び特定のカルボン酸を含有
する研磨用スラリーを用いてＣＭＰを行うと、配線用の
アルミニウム層とシリコン酸化物との研磨速度の差が大
きくなるとともに、バリア金属膜用のチタン膜の除去速
度を高められることが記載されている。しかしながら、
この実施例の方法では、バリア金属膜としてタンタル系
金属のような化学的に非常に安定な金属を用いた場合に
ついては、前記のディッシングやエロージョンの問題を
解決することはできなかった。
【００１５】特開平１０−４６１４０号公報には、特定
のカルボン酸、酸化剤及び水を含有し、アルカリにより
ｐＨが５〜９に調整されてなることを特徴とする化学的
機械研磨用組成物が記載されている。その実施例として
は、カルボン酸としてリンゴ酸、クエン酸、酒石酸又は
シュウ酸、研磨材として酸化アルミニウムを含む研磨用
組成物（実施例１〜４、７、８、１１）、カルボン酸と
してリンゴ酸、研磨材として酸化シリコンを含む研磨用
組成物（実施例１２）が例示されている。しかしなが
ら、この公報には、クエン酸等のカルボン酸の添加効果
としては、研磨速度の向上と腐食痕に伴うディッシング
の発生防止について記載されているだけであり、バリア
金属膜の研磨やエロージョンについては何ら記載がな
い。
【００１６】また、特開平１０−１６３１４１号公報に
は、研磨材および水を含んでなる銅膜の研磨用組成物で
あって、さらにこの組成物中に溶存している鉄（III）
化合物を含んでなることを特徴とする銅膜の研磨用組成
物が開示されており、その実施例として、研磨剤にコロ
イダルシリカを用い、鉄（III）化合物にクエン酸鉄（I
II）や、クエン酸アンモニウム鉄（III）、シュウ酸ア
ンモニウム鉄（III）を用いることによって、銅膜の研
磨速度が向上し、且つディッシングやスクラッチ等の表
面欠陥の発生が抑えられることが記載されている。しか
しながら、この公報においてもタンタル系金属のような
化学的に非常に安定な金属からなるバリア金属膜の研磨
や、エロージョンについては何ら記載されていない。
【００１７】また、特開平１１−２１５４６号公報に
は、尿素、研磨材、酸化剤、膜生成剤および錯生成剤を
含む化学的・機械的研磨用スラリーが開示されており、
その実施例として、研磨剤にアルミナ、酸化剤に過酸化
水素、膜生成剤にベンゾトリアゾール、錯生成剤に酒石
酸またはシュウ酸アンモニウムを用いて調製したｐＨ
７．５のスラリーによって、Ｃｕ、Ｔａ及びＰＴＥＯＳ
を研磨した例が記載されている。しかしながら、この公
報には、酒石酸やシュウ酸アンモニウム等の錯生成剤の
添加効果として、ベンゾトリアゾール等の膜生成剤によ
り形成された不動態層を攪乱すること、及び、酸化層の
深さを制限すること、が記載されているだけである。バ
リア金属としてＴａやＴａＮは例示されているものの、
タンタル系金属のような化学的に非常に安定な金属から
なるバリア金属膜に対する研磨作用や、エロージョンに
ついては何ら記載されていない。
【００１８】そこで本発明の目的は、ディッシングやエ
ロージョンの発生を抑え、配線抵抗のバラツキが小さ
く、信頼性が高い埋め込み配線の形成を可能とする金属
配線形成方法を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に形成
された絶縁膜に凹部を形成する工程と、該絶縁膜上にバ
リア金属膜を形成する工程と、前記凹部を埋め込むよう
に全面に配線用金属膜を形成する工程と、この基板表面
を化学的機械的研磨法により研磨する工程を有する金属
配線形成方法において、前記研磨工程は、配線用金属膜
が前記凹部以外の表面上に部分的に残るように研磨する
第１の研磨工程と、バリア金属に対する配線用金属の研
磨速度比が１以上３以下となる研磨用スラリーを用いて
前記凹部以外の絶縁膜表面がほぼ完全に露出するまで研
磨する第２の研磨工程を有することを特徴とする金属配
線形成方法に関する。
【００２０】また本発明は、第１の研磨工程では、研磨
材、酸化剤、有機酸および下記一般式（１）で示される
アルカノールアミンを含有する研磨用スラリーを用いて
研磨を行う上記本発明の金属配線形成方法に関する。
【００２１】 ＮＲ1 m（Ｒ2ＯＨ）n （１） （式中、Ｒ1は水素原子または炭素数１以上５以下のア
ルキル基であり、Ｒ2は炭素数１以上５以下のアルキレ
ン基であり、ｍは０以上２以下の整数であり、ｎは１以
上３以下の自然数であり、ｍ＋ｎ＝３を満たす。）
【００２２】また本発明は、基板上に形成された絶縁膜
に凹部を形成する工程と、該絶縁膜上にバリア金属膜を
形成する工程と、前記凹部を埋め込むように全面に配線
用金属膜を形成する工程と、この基板表面を化学的機械
的研磨法により研磨する工程を有する金属配線形成方法
において、前記研磨工程は、研磨材、酸化剤、有機酸お
よび上記一般式（１）で示されるアルカノールアミンを
含有する研磨用スラリーを用い、前記凹部以外の表面上
に配線用金属膜が残らないように且つバリア金属膜が完
全に研磨除去されないように研磨する第１の研磨工程
と、バリア金属に対する配線用金属の研磨速度比が１以
下となる研磨用スラリーを用いて前記凹部以外の絶縁膜
表面がほぼ完全に露出するまで研磨する第２の研磨工程
を有することを特徴とする金属配線形成方法に関する。
【００２３】また本発明は、基板上に形成された絶縁膜
に凹部を形成する工程と、該絶縁膜上にバリア金属膜を
形成する工程と、前記凹部を埋め込むように全面に配線
用金属膜を形成する工程と、この基板表面を、シリカ研
磨材と下記一般式（２）又は（３）で示されるカルボン
酸を含有する研磨用スラリーを用いて化学的機械的研磨
法により研磨する工程を有する金属配線形成方法に関す
る。
【００２４】
【化３】 （ｎは０，１，２，３のいずれかを示し、Ｒ1 及びＲ2
は結合する炭素原子毎にそれぞれ独立に水素原子、−Ｏ
Ｈ又は−ＣＯＯＨを示す。）
【００２５】
【化４】 （Ｒ3 及びＲ4 はそれぞれ独立に水素原子又は−ＯＨを
示す。）
【００２６】また本発明は、基板上に形成された絶縁膜
に凹部を形成する工程と、該絶縁膜上にバリア金属膜を
形成する工程と、前記凹部を埋め込むように全面に配線
用金属膜を形成する工程と、この基板表面を、シリカ研
磨材と無機塩とを含有する研磨用スラリーを用いて化学
的機械的研磨法により研磨する工程を有する金属配線形
成方法に関する。
【００２７】なお、本発明において「凹部」とは、埋め
込み配線を形成するための溝や、コンタクトホールやス
ルーホール等の接続孔をいう。また、「基板上に形成さ
れた絶縁膜」は、下層配線層上に形成された層間絶縁膜
を含む。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について説明する。
【００２９】本発明の金属配線形成方法において、第１
の研磨工程と第２の研磨工程を有するＣＭＰ工程は以下
の２通りの方法がある。まず、第１の研磨方法について
説明する。
【００３０】第１の研磨方法は、配線用金属膜が凹部以
外の表面上に部分的に残るように研磨する第１の研磨工
程と、バリア金属に対する配線用金属の研磨速度比が１
以上３以下となる研磨用スラリーを用いて凹部以外の絶
縁膜表面がほぼ完全に露出するまで研磨する第２の研磨
工程を有する方法である。
【００３１】一般に、配線パターンの疎密差が大きい場
合、前述のように、配線孤立領域付近や無配線領域など
の配線密度の低い領域（低密度配線領域）に比較して配
線密集領域における研磨が速く進行する。そのため、低
密度配線領域に比較して配線密集領域の配線間の絶縁膜
が凹部内の金属とともに過剰に研磨され、エロージョン
が発生する。そこで、第１の研磨工程において、図３
（ａ）に示すように、絶縁膜２４に形成された凹部以外
の表面上に配線用金属膜２５が部分的に残るようにＣＭ
Ｐを行うと、低密度配線領域に配線用金属膜２５が部分
的に残るとともに、配線密集領域の配線間の絶縁膜２３
が研磨される前に研磨を停止することができる。
【００３２】この第１の研磨工程において、配線用金属
膜２５は、凹部を除く基板表面の５％以上の面積分残す
ことが好ましく、また好ましくは３０％以下、より好ま
しくは１０％以下の面積分残すことが好ましい。第１の
研磨工程において基板上の配線用金属膜２５の面積は、
例えば次のようにして測定することができる。
【００３３】研磨面の最も研磨速度が遅くなる領域内で
且つ最もパターン密度が小さい領域が露出した時点を研
磨操作の最終点とし、この最終点とバリア金属膜が露出
し始めた時点の間において、予め、光学顕微鏡により数
点の研磨時間での各研磨面を観察し、画像処理を行っ
て、研磨時間と残った配線用金属膜の面積率との関係を
求めておく。そして、実際の配線形成時の研磨におい
て、バリア金属膜が露出した時点から、残す配線用金属
膜の所定の面積に相当する時間分だけ研磨を継続するこ
とにより、ほぼ所定の面積分の配線用金属膜を残すこと
ができる。なお、バリア金属膜が露出し始める時点は回
転トルクの検出により容易に判定できる。また、研磨操
作の上記最終点は、凹部以外の絶縁膜が完全に露出する
時点に相当する。
【００３４】以上のようにして第１の研磨工程を行った
後、第２の研磨工程として、バリア金属に対する配線用
金属の研磨速度比を１以上３以下にできる研磨用スラリ
ーを用いて凹部以外の絶縁膜表面が完全に露出するまで
研磨する。研磨用スラリーの研磨速度比（配線用金属／
バリア金属）が１未満であると、すなわちバリア金属膜
の研磨速度より配線用金属膜の研磨速度が小さいと、部
分的に残した配線用金属膜を完全に研磨除去することが
困難となり、研磨残りによる配線間の短絡が生じたり、
これを防ぐために研磨時間を長くする必要が生じてスル
ープットが低下したり、研磨時間を長くすることにより
既に一次研磨によりバリア金属や絶縁膜が露出していた
領域を過剰に研磨してしまう（エロージョン）等の問題
が生じる。一方、研磨用スラリーの研磨速度比（配線用
金属／バリア金属）が３を超えて大きいと、すなわちバ
リア金属膜の研磨速度より配線用金属膜の研磨速度が著
しく大きいと、凹部内の配線用金属が過剰に研磨されて
ディッシングが生じやすくなる上、バリア金属の研磨速
度が小さいため絶縁膜上にバリア金属が残りやすく配線
間の短絡が生じたり、これを防ぐために研磨時間を長く
するとスループットが低下したり、ディッシングをさら
に進行させる等の問題が生じる。よって、第２の研磨工
程において、研磨速度比（配線用金属／バリア金属）が
１以上３以下となる研磨用スラリーを用いてＣＭＰを行
えば、高いスループットで、凹部以外の絶縁膜上に金属
を残すことなく、しかもディッシングが抑えられ、さら
に第１及び第２の研磨工程を通して、エロージョンが抑
制された埋め込み配線を形成することができる。第２の
研磨工程に用いる研磨用スラリーのより好ましい研磨速
度比（配線用金属／バリア金属）は１．５以上２．５以
下である。
【００３５】次に、本発明の金属配線形成方法における
ＣＭＰ工程の第２の研磨方法について説明する。
【００３６】この第２の研磨方法は、研磨材、酸化剤、
有機酸および上記一般式（１）で示されるアルカノール
アミンを含有する研磨用スラリーを用い、絶縁膜に形成
された凹部以外の表面上に配線用金属膜が残らないよう
に且つバリア金属膜が完全に研磨除去されないように研
磨する第１の研磨工程と、バリア金属に対する配線用金
属の研磨速度比が１以下となる研磨用スラリーを用いて
前記凹部以外の絶縁膜表面がほぼ完全に露出するまで研
磨する第２の研磨工程を有する方法である。
【００３７】第２の研磨方法において、その第１の研磨
工程では、絶縁膜に形成された凹部以外の表面上に配線
用金属膜が残らないように且つバリア金属膜が完全に研
磨除去されないようにＣＭＰを行うが、そのためには、
研磨材、酸化剤、有機酸および一般式（１）で示される
アルカノールアミンを含有する研磨用スラリー（以下
「アルカノールアミン含有スラリー」という）を用いて
研磨することが必要である。このアルカノールアミン含
有スラリーを用いれば、バリア金属膜４を、図３（ｂ）
に示すように配線用金属膜の研磨における実質的な停止
膜とすることができ、エロージョンを防止することがで
きる。この第１の研磨工程においては、凹部内の配線用
金属の過度の研磨（ディッシング）を抑制する点から、
できるだけ凹部以外の絶縁膜上にバリア金属膜が残るよ
うに、すなわち絶縁膜が露出しない時点で研磨を停止す
ることが好ましい。
【００３８】続く第２の研磨工程では、上記のアルカノ
ールアミン含有スラリーに代えて、バリア金属に対する
配線用金属の研磨速度比が１以下となる、すなわち配線
用金属膜よりバリア金属膜の研磨速度を大きくできる研
磨用スラリーに切替えてＣＭＰを行う。これにより、デ
ィッシングが抑制されるだけでなく、エロージョンが抑
制された埋め込み配線を形成することができる。エロー
ジョンは、前述のように、配線密集領域において、凹部
に埋め込まれた配線用金属の研磨速度がバリア金属膜や
絶縁膜に対して比較的大きいことに起因して発生する。
第２の研磨方法の第２の研磨工程では、第１の研磨工程
において残したバリア金属膜より配線用金属膜の研磨速
度が遅いため、エロージョンは起きにくくなる。
【００３９】第１の研磨工程に用いられる研磨用スラリ
ーは、バリア金属膜が削れ過ぎず且つ均一に配線用金属
膜を研磨する等の点から、バリア金属膜に対する配線用
金属膜の研磨速度比（配線用金属／バリア金属）が好ま
しくは３０以上、より好ましくは５０以上、さらに好ま
しくは１００以上に制御できるものが望ましい。
【００４０】なお、第２の研磨方法に用いられるアルカ
ノールアミン含有スラリーは、上記のように配線用金属
膜の研磨においてバリア金属膜の研磨ストッパーとして
の機能を増大させ、エロージョンの発生を防止できるた
め、前述の第１の研磨方法における第１の研磨工程でも
好適な研磨用スラリーとして使用できる。
【００４１】また、第１および第２の研磨方法におい
て、第１の研磨工程に用いられる研磨用スラリーは、配
線用金属膜の研磨速度が、研磨効率等の点から好ましく
は３００ｎｍ／分以上、より好ましくは４００ｎｍ／分
以上、研磨精度やディッシング防止等の点から好ましく
は１５００ｎｍ以下、より好ましくは１０００ｎｍ／分
以下に制御できるものが好ましい。
【００４２】一般式（１）で示されるアルカノールアミ
ンとしては、メタノールアミン、ジメタノールアミン、
トリメタノールアミン、エタノールアミン、ジエタノー
ルアミン、トリエタノールアミン、プロパノールアミ
ン、ジプロパノールアミン、トリプロパノールアミン、
ブタノールアミン、ジブタノールアミン、トリブタノー
ルアミン、Ｎ−メチルエタノールアミン、Ｎ−エチルエ
タノールアミン、Ｎ−プロピルエタノールアミン、Ｎ−
ブチルエタノールアミンなどが例示できる。これらのア
ルカノールアミンのうち、水系媒体への溶解度が高く、
バリア金属膜の研磨速度低下の効果が高いなどの理由に
より、エタノールアミン、ジエタノールアミン及びトリ
エタノールアミンが好ましく、トリエタノールアミンが
より好ましい。
【００４３】上記特定のアルカノールアミンの含有量
は、バリア金属膜の研磨を抑制する点から、研磨用スラ
リー全体に対して０．０１質量％以上が好ましく、０．
２質量％以上がより好ましく、０．５質量％以上が更に
好ましい。また、研磨用スラリーのｐＨが高くなりすぎ
ることを抑制する点から、１０質量％以下が好ましく、
５質量％以下がより好ましく、２質量％以下が更に好ま
しい。
【００４４】研磨用スラリーに含有されるアルカノール
アミンは、バリア金属膜の研磨表面と研磨砥粒との間に
介在し、研磨表面の潤滑性を向上させるものと考えられ
る。このため、アルカノールアミン含有スラリーを用い
れば、研磨表面での研磨砥粒の滑りが大きくなり、研磨
砥粒による機械的研磨の効果が低下するものと考えられ
る。タンタル系金属等の化学的に安定な金属からなるバ
リア金属膜の場合、タンタル系金属膜のＣＭＰは化学的
研磨の寄与が小さく機械的研磨が支配的である。よっ
て、アルカノールアミン含有スラリーによれば、バリア
金属膜の機械的研磨が抑制され、すなわちバリア金属膜
の研磨速度が低下する。一方、配線用金属膜のＣＭＰに
おいては、酸化剤による化学的研磨の寄与が大きいため
配線用金属膜の研磨速度が低下しすぎることはない。結
果、アルカノールアミン含有スラリーによれば、バリア
金属膜の研磨速度を低下させるとともに、バリア金属膜
と配線用金属膜の研磨速度差を大きくすることができ、
そのため、配線用金属膜の研磨において、バリア金属膜
は停止膜（研磨ストッパー）としての機能が増大する。
【００４５】次に、第１及び第２の研磨方法の第２の研
磨工程に好適な研磨用スラリーについて説明する。
【００４６】本発明の金属配線形成方法において、第２
の研磨工程に用いる研磨用スラリーは、第１の研磨方法
では研磨速度比（配線用金属／バリア金属）が１以上３
以下、第２の研磨方法では１以下に制御できるものを用
いる。また、第２の研磨工程に用いる研磨用スラリー
は、第１及び第２の研磨方法のいずれにおいても、バリ
ア金属に対する絶縁膜の研磨速度比が０．０１以上０．
５以下に制御できるものであることが好ましい。
【００４７】バリア金属膜にタンタル系金属のような化
学的に安定な金属（例えば酸化されにくい金属）を用い
た場合、研磨速度比（配線用金属／バリア金属）を３以
下あるいは１以下にするためには、従来、酸化剤の量を
減らしたり酸化防止剤を添加する等して化学的研磨作用
を低下させ、配線用金属の研磨速度を低下させるしかな
かった。このような方法では、バリア金属膜の研磨速度
は低いままであり、研磨残りが発生しやく配線間の短絡
が起きたり、これを防ぐために研磨時間を長くするとス
ループットが低下したり、また機械研磨作用を強めすぎ
ると研磨面にスクラッチが発生したりエロージョンが発
生する等の問題が起きる。そこで、本発明の金属配線形
成方法における研磨工程では、バリア金属膜の研磨速度
を上げることで所望の研磨速度比（配線用金属／バリア
金属）に制御可能な研磨用スラリーを用いる。
【００４８】このような研磨用スラリーとしては２つの
タイプがあり、まず、第１のスラリーについて説明す
る。
【００４９】第１のスラリーは、シリカ研磨材と、上記
（２）式又は（３）式で示されるカルボン酸（以下「多
価カルボン酸」という）と、水を含む。また、バリア金
属膜上に形成された配線用金属膜の研磨を促進するため
には、酸化剤を含有させることが好ましい。
【００５０】シリカ研磨材としては、ヒュームドシリカ
やコロイダルシリカ等の二酸化ケイ素からなる砥粒を用
いることができる。シリカ研磨材は、種々の公知の方法
で製造されるが、例えば、四塩化ケイ素を酸素と水素の
火炎中で気相合成したヒュームドシリカや、金属アルコ
キシドを液相で加水分解し焼成したシリカを挙げること
ができる。半導体装置の製造においては、これら二酸化
ケイ素からなる砥粒のうち、低価格であり、不純物とし
てＮａ含有量が小さい等の点でヒュームドシリカが好ま
しい。
【００５１】シリカ研磨材の平均粒径は、光散乱回折法
により測定した平均粒径で５ｎｍ以上が好ましく、５０
ｎｍ以上がより好ましく、また５００ｎｍ以下が好まし
く、３００ｎｍ以下がより好ましい。粒径分布は、最大
粒径（ｄ１００）で３μｍ以下が好ましく、１μｍ以下
がより好ましい。また、比表面積は、Ｂ．Ｅ．Ｔ．法に
より測定した比表面積で５ｍ2／ｇ以上が好ましく、２
０ｍ2／ｇ以上がより好ましく、また１０００ｍ2／ｇ以
下が好ましく、５００ｍ2／ｇ以下がより好ましい。
【００５２】シリカ研磨材の研磨用スラリー中の含有量
は、スラリー組成物全量に対して０．１〜５０質量％の
範囲で研磨能率や研磨精度等を考慮して適宜設定され
る。好ましくは１質量％以上が好ましく、２質量％以上
がより好ましく、３質量％以上がさらに好ましい。上限
としては、３０質量％以下が好ましく、１０質量％以下
が好ましく、８質量％以下がさらに好ましい。
【００５３】第１のスラリーに用いられる多価カルボン
酸としては、１分子中に２以上のカルボキシル基を有す
るカルボン酸であり、例えば、シュウ酸、マロン酸、酒
石酸、リンゴ酸、グルタル酸、クエン酸、及びマレイン
酸、又はこれらの塩、或いはこれらの２種以上からなる
混合物を用いることできる。
【００５４】上記多価カルボン酸の含有量は、タンタル
系金属膜の研磨速度向上の点から、スラリー組成物全量
に対して０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量
％以上がより好ましい。研磨用スラリーのチクソトロピ
ック性の発生を抑える点から、１質量％以下が好まし
く、０．８質量％以下がより好ましい。
【００５５】第１のスラリーは、研磨材としてシリカ砥
粒と、上記多価カルボン酸を含むことによって、研磨面
の傷の発生を抑えながら、タンタル系金属膜の研磨速度
を大幅に向上させることが可能となる。これにより、タ
ンタル系金属膜の研磨速度を向上させることによってバ
リア金属膜と配線用金属膜間の研磨速度差を小さくでき
るため、スループットを低下させることなく、ディッシ
ングやエロージョンの発生を抑えることができ、良好な
埋め込み配線を形成することができる。
【００５６】上記の多価カルボン酸は、水中に分散する
シリカ粒子に対して凝集（フロキュレーション）作用を
有し、このカルボン酸により凝集した凝集シリカ粒子に
よってメカニカル作用が増大し、その結果、バリア金属
膜の良好な研磨が行われるものと考えられる。また、こ
の凝集は適度に弱く、比較的柔らかな凝集粒子が形成さ
れるため、研磨面での傷の発生を抑えながら、バリア金
属膜の研磨速度を向上させることができるものと思われ
る。
【００５７】次に第２のスラリーについて説明する。
【００５８】第２のスラリーは、シリカ研磨材と無機塩
と水を含有する。
【００５９】この無機塩としては、水素酸塩、オキソ酸
塩、ペルオキソ酸塩、及びハロゲンのオキソ酸塩から選
ばれる１種以上の塩を用いることができる。
【００６０】水素酸の塩としては、フッ化水素酸、塩
酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸、硫化水素、シアン化水
素酸、アジ化水素酸、塩化金酸、塩化白金酸などの塩を
例示することができる。
【００６１】オキソ酸の塩としては硫酸、硝酸、リン
酸、炭酸、ホウ酸、ウラン酸、クロム酸、タングステン
酸、チタン酸、モリブデン酸などの塩を挙げることがで
きる。
【００６２】ペルオキソ酸の塩としてはペルオキソ一硫
酸、ペルオキソ二硫酸、ペルオキソ硝酸、ペルオキソ一
リン酸、ペルオキソ二リン酸、ペルオキソ一炭酸、ペル
オキソ二炭酸、ペルオキソホウ酸、ペルオキソウラン
酸、ペルオキソクロム酸、ペルオキソタングステン酸、
ペルオキソチタン酸、ペルオキソモリブデン酸などの塩
を挙げることができる。
【００６３】ハロゲンのオキソ酸の塩としては過塩素
酸、過臭素酸、過ヨウ素酸などの塩を挙げることができ
る。
【００６４】また、ペルオキソ酸およびハロゲンのオキ
ソ酸の塩は酸化剤として作用し、配線用金属膜の研磨速
度を化学的に向上するため好ましい。すなわち、半導体
装置の製造に使用される研磨用スラリーに添加される酸
化剤の代替や補助として使用することができる。
【００６５】また、無機塩としては、アンモニウムイオ
ンを含む塩、アルカリ金属イオンを含む塩、アルカリ土
類金属イオンを含む塩、第IIIＢ族金属イオンを含む
塩、第IVＢ族金属イオンを含む塩、第ＶＢ族金属イオン
を含む塩、及び遷移金属イオンを含む塩から選ばれる１
種以上の塩を用いることができる。
【００６６】アルカリ金属イオンとしては、Ｌｉイオ
ン、Ｎａイオン、Ｋイオン、Ｒｂイオン、Ｃｓイオン、
Ｆｒイオン等を、アルカリ土類金属イオンとしては、Ｂ
ｅイオン、Ｍｇイオン、Ｃａイオン、Ｓｒイオン、Ｂａ
イオン、Ｒａイオン等を、第IIIＢ族金属イオンとして
はＡｌイオン、Ｇａイオン、Ｉｎイオン、Ｔｌイオン等
を、第IVＢ族金属イオンとしてはＳｎイオン、Ｐｂイオ
ン等を、第ＶＢ族金属イオンとしてはＢｉイオンなど
を、遷移金属イオンとしては、Ｓｃイオン、Ｔｉイオ
ン、Ｖイオン、Ｃｒイオン、Ｍｎイオン、Ｆｅイオン、
Ｃｏイオン、Ｎｉイオン、Ｃｕイオン、Ｚｎイオン、Ｙ
イオン、Ｚｒイオン、Ｎｂイオン、Ｍｏイオン、Ｔｃイ
オン、Ｒｕイオン、Ｒｈイオン、Ｐｄイオン、Ａｇイオ
ン、Ｃｄイオン、Ｌａ等のランタノイド金属のイオン、
Ｈｆイオン、Ｔａイオン、Ｗイオン、Ｒｅイオン、Ｏｓ
イオン、Ｉｒイオン、Ｈｇイオン、Ａｃ等のアクチノイ
ド金属のイオンなどを例示することができる。
【００６７】以上に示した無機塩のうち、カリウム塩、
アンモニウム塩が好ましく、特に好ましいものとして、
硫酸カリウム、硫酸アンモニウム、塩化カリウム、ペル
オキソ二硫酸カリウム、ペルオキソ二硫酸アンモニウ
ム、過ヨウ素酸アンモニウム等を挙げることができる。
【００６８】なお、２種類以上の上記無機塩を併用して
もよい。また、半導体装置を作製する場合は、無機塩と
してＮａや重金属をできるだけ含有しないものが好まし
い。ＮａはＳｉと容易に反応するため、洗浄後でもＳｉ
基板に付着・残留しやすく、また重金属も残留し易いた
めである。
【００６９】上記無機塩の含有量は、バリア金属膜の研
磨速度向上の点から、スラリー組成物全量に対して０．
０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより
好ましい。上限としては、研磨用スラリーのチクソトロ
ピック性の発生を抑える点から、１０質量％以下が好ま
しく、５質量％以下がより好ましい。なお２種類以上の
無機塩を含有する場合、上記含有量は総和を意味する。
【００７０】シリカ研磨材としては、第１のスラリーと
同様な研磨砥粒を同様な含有量で用いることができる。
【００７１】第２のスラリーは、シリカ砥粒と無機塩と
を含むことによって、研磨面の傷の発生を抑えながら、
バリア金属膜の研磨速度を大幅に向上させることが可能
となる。これにより、バリア金属膜の研磨速度を向上さ
せることによってバリア金属膜と配線用金属膜間の研磨
速度差を小さくできるため、スループットを低下させる
ことなく、ディッシングやエロージョンの発生を抑える
ことができ、良好な埋め込み配線を形成することができ
る。
【００７２】上記の無機塩は、水中に分散するシリカ粒
子に対して凝集（フロキュレーション）作用を有し、こ
の無機塩により凝集した凝集シリカ粒子によって機械的
研磨作用が増大し、その結果、バリア金属膜の良好な研
磨が行われるものと考えられる。また、この凝集は適度
に弱く、比較的柔らかな凝集粒子が形成されるため、研
磨面での傷の発生を抑えながら、バリア金属膜の研磨速
度を向上させることができるものと思われる。
【００７３】以上に説明した第１又は第２のスラリーを
用いたＣＭＰによれば、高い研磨速度で、すなわち高ス
ループットで、且つディッシングやエロージョンの発生
を抑え、信頼性の高い電気的特性に優れた埋め込み配線
を形成することができる。なお、第１及び第２のスラリ
ーの主要成分である多価カルボン酸と無機塩をいずれも
含有するスラリーを用いてもよい。
【００７４】また、第１及び第２のスラリーは、バリア
金属膜の研磨速度を、好ましくは２５ｎｍ／分以上、よ
り好ましくは３０ｎｍ／分以上、さらに好ましくは３５
ｎｍ／分以上に制御できるものであることが好ましい。
上限としては、特に第１の研磨方法においては、好まし
くは１００ｎｍ以下、より好ましくは８０ｎｍ以下、さ
らに好ましくは７０ｎｍ以下に制御できるものであるこ
とが好ましい。
【００７５】また、第１及び第２のスラリーは、研磨工
程を２段階で研磨を行う前述の第１及び第２の研磨方法
に好適に用いることができるが、研磨工程を１段階で行
う場合でも、研磨速度比（配線用金属／バリア金属）を
調整することにより、従来の技術に比べて、高スループ
ットで且つディッシングやエロージョンの発生を抑え、
信頼性の高い電気的特性に優れた埋め込み配線を形成す
ることができる。研磨工程を１段階で行う場合の好まし
い研磨速度比（配線用金属／バリア金属）は１付近であ
り、具体的には０．５以上が好ましく、０．８以上がよ
り好ましく、上限として２以下が好ましく、１．５以下
がより好ましく、１．２以下がさらに好ましい。
【００７６】以下、第１のスラリー、第２のスラリー及
び前述のアルカノールアミン含有スラリーについてさら
に説明する。なお、特にことわらない限り研磨用スラリ
ーといえばこれらの３種のスラリーをいう。
【００７７】第１のスラリー及び第２のスラリーでは、
研磨材としてはシリカからなる研磨砥粒を研磨材主成分
とすることが必要であるが、アルカノールアミン含有ス
ラリーではシリカ研磨材に限定されず、種々の研磨材が
使用可能である。例えば、α−アルミナやθ−アルミ
ナ、γアルミナ、ヒュームドアルミナ等のアルミナ、ヒ
ュームドシリカやコロイダルシリカ等のシリカ、チタニ
ア、ジルコニア、ゲルマニア、セリア、及びこれらの金
属酸化物研磨砥粒からなる群より選ばれる２種以上の混
合物を用いることができる。中でもシリカ又はアルミナ
が好ましい。
【００７８】研磨用スラリーのｐＨは、研磨速度や腐
食、スラリー粘度、研磨剤の分散安定性等の点から、ｐ
Ｈ４以上が好ましく、ｐＨ５以上がより好ましく、また
ｐＨ９以下が好ましく、ｐＨ８以下がより好ましい。
【００７９】研磨用スラリーのｐＨ調整は、公知の方法
で行うことができ、例えば、研磨材を分散し且つ有機酸
を溶解したスラリーに、アルカリを直接添加して行うこ
とができる。あるいは、添加すべきアルカリの一部又は
全部を有機酸のアルカリ塩と添加してもよい。使用する
アルカリとしては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム
等のアルカリ金属の水酸化物、炭酸ナトリウム、炭酸カ
リウム等のアルカリ金属の炭酸塩、アンモニア、アミン
等を挙げることができる。
【００８０】研磨用スラリーには、バリア金属膜上に形
成される配線用金属膜の研磨を促進するために酸化剤を
添加することが好ましい。但し、第２の研磨方法におい
ては、第１の研磨工程で凹部以外のバリア金属膜上の配
線用金属膜が完全に除去された場合、第２の研磨工程で
用いる研磨用スラリーに酸化剤を含有させなくてもよ
い。
【００８１】酸化剤としては、導電性金属膜の種類や研
磨精度、研磨能率を考慮して適宜、公知の水溶性の酸化
剤から選択して用いることができる。例えば、重金属イ
オンのコンタミネーションを起こさないものとして、Ｈ
2Ｏ2、Ｎａ2Ｏ2、Ｂａ2Ｏ2、（Ｃ6Ｈ5Ｃ）2Ｏ2等の過酸
化物、次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）、過塩素酸、硝酸、オゾ
ン水、過酢酸やニトロベンゼン等の有機過酸化物を挙げ
ることができる。なかでも、金属成分を含有せず、有害
な複生成物を発生しない過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）が好まし
い。研磨用スラリーに含有させる酸化剤量は、十分な添
加効果を得る点から、研磨用スラリー全量に対して０．
０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより
好ましい。ディッシングの抑制や適度な研磨速度に調整
する点から、１５質量％以下が好ましく、１０質量％以
下がより好ましい。なお、過酸化水素のように比較的経
時的に劣化しやすい酸化剤を用いる場合は、所定の濃度
の酸化剤含有溶液と、この酸化剤含有溶液を添加するこ
とにより所定の研磨用スラリーとなるような組成物を別
個に調整しておき、使用直前に両者を混合してもよい。
【００８２】酸化剤の酸化を促進し、安定した研磨を行
うために、プロトン供与剤として公知のカルボン酸やア
ミノ酸等の有機酸を添加してもよい。（２）式又は
（３）式で示される多価カルボン酸は、このプロトン供
与剤としても機能することが可能であるが、別途に異な
るカルボン酸やアミノ酸等の有機酸を添加してもよい。
【００８３】カルボン酸としては、（２）式又は（３）
式で示される多価カルボン酸以外に、例えば、ギ酸、酢
酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、アクリル酸、乳酸、
コハク酸，ニコチン酸及びこれらの塩などが挙げられ
る。
【００８４】アミノ酸としては、例えば、L-グルタミン
酸、D-グルタミン酸、L-グルタミン酸一塩酸塩、L-グル
タミン酸ナトリウム一水和物、L-グルタミン、グルタチ
オン、グリシルグリシン、DL-アラニン、L-アラニン、
β-アラニン、D-アラニン、γ-アラニン、γ-アミノ酪
酸、ε-アミノカプロン酸、L-アルギニン一塩酸塩、L-
アスパラギン酸、L-アスパラギン酸一水和物、L-アスパ
ラギン酸カリウム、L-アスパラギン酸カルシウム三水
塩、D-アスパラギン酸、L-チトルリン、L-トリプトファ
ン、L-スレオニン、L-アルギニン、グリシン、L-シスチ
ン、L-システイン、L-システイン塩酸塩一水和物、L-オ
キシプロリン、L-イソロイシン、L-ロイシン、L-リジン
一塩酸塩、DL-メチオニン、L-メチオニン、L-オルチニ
ン塩酸塩、L-フェニルアラニン、D-フェニルグリシン、
L-プロリン、L-セリン、L-チロシン、L-バリンなどが挙
げられる。
【００８５】有機酸の含有量は、プロトン供与剤として
の十分な添加効果を得る点から、研磨用スラリー全体量
に対して０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量
％以上がより好ましい。ディッシングの抑制や適度な研
磨速度に調整する点から、上記（２）式又は（３）式で
示される多価カルボン酸を含めた含有量として、５質量
％以下が好ましく、３質量％以下がより好ましい。
【００８６】研磨用スラリーに酸化剤を添加する場合
は、さらに酸化防止剤を添加してもよい。酸化防止剤の
添加により、導電性金属膜の研磨速度の調整が容易とな
り、また、導電性金属膜の表面に被膜を形成することに
よりディッシングも抑制できる。
【００８７】酸化防止剤としては、例えば、ベンゾトリ
アゾール、１，２，４−トリアゾール、ベンゾフロキサ
ン、２，１，３−ベンゾチアゾール、ｏ−フェニレンジ
アミン、ｍ−フェニレンジアミン、カテコール、ｏ−ア
ミノフェノール、２−メルカプトベンゾチアゾール、２
−メルカプトベンゾイミダゾール、２−メルカプトベン
ゾオキサゾール、メラミン、及びこれらの誘導体が挙げ
られる。中でもベンゾトリアゾール及びその誘導体が好
ましい。ベンゾトリアゾール誘導体としては、そのベン
ゼン環にヒドロキシル基、メトキシやエトキシ等のアル
コキシ基、アミノ基、ニトロ基、メチル基やエチル基、
ブチル等のアルキル基、又は、フッ素や塩素、臭素、ヨ
ウ素等のハロゲン置換基を有する置換ベンゾトリアゾー
ルが挙げられる。また、ナフタレントリアゾールや、ナ
フタレンビストリアゾール、上記と同様に置換された置
換ナフタレントリアゾールや、置換ナフタレンビストリ
アゾールを挙げることができる。
【００８８】このような酸化防止剤の含有量としては、
十分な添加効果を得る点から、研磨用スラリー全体量に
対して０．０００１質量％以上が好ましく、０．００１
質量％以上がより好ましい。適度な研磨速度に調整する
点から、５質量％以下が好ましく、２．５質量％以下が
より好ましい。
【００８９】研磨用スラリーには、その特性を損なわな
い範囲内で、広く一般に研磨用スラリーに添加されてい
る分散剤、緩衝剤、粘度調整剤などの種々の添加剤を含
有させてもよい。
【００９０】研磨用スラリーの製造方法は、一般的な遊
離砥粒研磨スラリー組成物の製造方法が適用できる。す
なわち、分散媒に研磨材粒子を適量混合する。必要であ
るならば保護剤を適量混合する。この状態では、研磨材
粒子表面は空気が強く吸着しているため、ぬれ性が悪く
凝集状態で存在している。そこで、凝集した研磨材粒子
を一次粒子の状態にするために粒子の分散を実施する。
分散工程では一般的な分散方法および分散装置を使用す
ることができる。具体的には、例えば超音波分散機、各
種のビーズミル分散機、ニーダー、ボールミルなどを用
いて公知の方法で実施できる。なお、（２）式又は
（３）式で示される多価カルボン酸や無機塩は、シリカ
粒子のフロキュレーション化を引き起こすと同時にチキ
ソトロピック性を高める場合もあるため、良好に分散を
行うためには、分散終了後に添加し、混合することが好
ましい。
【００９１】本発明におけるＣＭＰ法による研磨は、例
えば次のような一般的なＣＭＰ装置を用いて行うことが
できる。配線用金属膜が成膜されたウェハは、スピンド
ルのウェハキャリアに設置される。このウェハの表面
を、回転プレート（定盤）上に貼り付けられた多孔性ウ
レタン等よりなる研磨パッドに接触させ、研磨用スラリ
ー供給口から研磨用スラリーを研磨パッド表面に供給し
ながら、ウェハと研磨パッドの両方を回転させて研磨す
る。必要により、パッドコンディショナーを研磨パッド
の表面に接触させて、研磨パッド表面のコンディショニ
ングを行う。
【００９２】次に、ＣＭＰにおける研磨の終了操作につ
いて説明する。
【００９３】第１の研磨方法における第１の研磨工程
は、例えば、前述のとおり、予め求めた、研磨時間と残
った配線用金属膜の面積率との関係を基にして、バリア
金属膜が露出し始めた時点から所定時間経過後に研磨を
終了する。
【００９４】その他の研磨工程における研磨は例えば次
のようにして終了させる。
【００９５】第１の例として、金属膜の研磨速度を予め
測定しておき、所定の厚さの金属膜を除去するに必要な
時間を算出し、研磨開始後、算出された時間が経過した
時点から所定の時間が経過後に研磨を終了する。
【００９６】第２の例として、研磨速度を測定しながら
ＣＭＰを行い、研磨速度が急激に低下し始めた時点から
所定の時間が経過後に研磨を終了する。
【００９７】第３の例として、回転プレートの回転軸な
どに回転トルク計を設置しておき、回転軸に掛る回転ト
ルクの変化を測定しながらＣＭＰを行う。そして、金属
膜が除去されバリア金属膜が露出したことに伴う回転ト
ルクの変化を検出した時点から所定の時間が経過後に研
磨を終了する。
【００９８】第４の例として、研磨表面に光を照射し、
反射光を測定しながらＣＭＰを行う。すなわち、配線用
金属膜からバリア金属膜、絶縁膜へ研磨が進行すると、
研磨表面に存在する材料が変化するため、反射光強度が
変化する。この反射光強度が変化し始めた時点から所定
の時間が経過後に研磨を終了する。
【００９９】また、これらの方法を適宜組み合わせて研
磨の終点を決定してもよい。
【０１００】以上に説明した本発明の金属配線形成方法
において、絶縁膜としては、シリコン酸化膜、ＢＰＳＧ
膜、ＳＯＧ膜等の絶縁膜が挙げられ、配線用金属として
は、銅、銀、金、白金、チタン、タングテン、アルミニ
ウム、これらの合金を挙げることができ、バリア金属と
しては、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、ＷＮ、ＷＳ
ｉＮ等を挙げることができる。本発明の金属配線形成方
法は、特に、配線用金属膜が銅又は銅を主成分とする銅
合金膜であり、バリア金属膜がＴａ膜又はＴａＮ膜であ
る場合に好適である。
【０１０１】本発明の金属配線形成方法は、従来の種々
の埋め込み配線形成法に適用可能であり、例えば多層配
線構造の上層配線層の形成や、デュアルダマシン配線の
形成にも適用できる。
【０１０２】
【実施例】以下、実施例により本発明をさらに詳細に説
明する。
【０１０３】（ＣＭＰ用基板の作製）まず、トランジス
タ等の半導体素子が形成された６インチのウェハ（シリ
コン基板）上に（図示せず）、下層配線（図示せず）を
有するシリコン酸化膜からなる下層配線層１を形成し、
図１（ａ）に示すように、その上にシリコン窒化膜２を
形成し、その上に厚さ５００ｎｍ程度のシリコン酸化膜
３を形成し、通常のフォトリソグラフィー工程および反
応性イオンエッチング工程によりシリコン酸化膜３をパ
ターンニングして幅０．２３〜１０μｍ、深さ５００ｎ
ｍの配線用溝および接続孔を形成した。次いで、図１
（ｂ）に示すように、スパッタリング法により厚さ５０
ｎｍのＴａ膜（タンタル膜）４を形成し、引き続きスパ
ッタリング法により５０ｎｍ程度の銅膜を形成後、メッ
キ法により８００ｎｍ程度の銅膜を形成した。
【０１０４】また、実施例２０においては、Ｔａ膜（バ
リア金属膜）の研磨速度の測定を目的として、６インチ
のシリコン基板上にスパッタリング法によりＴａ膜を成
膜し、この基板をＣＭＰ用基板とした。
【０１０５】（ＣＭＰ条件）ＣＭＰは、スピードファム
・アイペック社製３７２Ｍ型を使用して行った。研磨機
の定盤には研磨パッド（ロデール・ニッタ社製ＩＣ １
４００）を張り付けて使用した。研磨条件は、研磨荷重
（研磨パッドの接触圧力）：２７．６ｋＰａ、定盤回転
数：５５ｒｐｍ、キャリア回転数：５５ｒｐｍ、スラリ
ー研磨液供給量：１００ｍＬ／分とした。
【０１０６】（研磨速度の測定）ウェハ上に一定間隔に
並んだ４本の針状電極を直線上に置き、外側の２探針間
に一定電流を流し、内側の２探針間に生じる電位差を測
定して抵抗（Ｒ'）を求め、更に補正係数ＲＣＦ（Resis
tivity Correction Factor）を乗じて表面抵抗率（ρ
ｓ'）を求める。また厚みがＴ（ｎｍ）と既知であるウ
エーハ膜の表面抵抗率（ρｓ）を求める。ここで表面抵
抗率は、厚みに反比例するため、表面抵抗率がρｓ'の
時の厚みをｄとするとｄ（ｎｍ）＝（ρｓ×Ｔ）／ρ
ｓ'が成り立ち、これより厚みｄを算出することがで
き、更に研磨前後の膜厚変化量を研磨時間で割ることに
より研磨速度を算出した。表面抵抗率の測定には、三菱
化学社製四探針抵抗測定器（Loresta-GP）を用いた。
【０１０７】（実施例１〜６：第２の研磨方法、アルカノール
アミン含有スラリー）表１に示すように、住友化学工業社製θ
アルミナ（ＡＫＰ−Ｇ００８）を５質量％、関東化学社
製クエン酸を１．５質量％、関東化学社製Ｈ2Ｏ2を２．
５質量％、関東化学社製トリエタノールアミンを０．０
１〜１０質量％含有し、ＫＯＨによりｐＨを５．５に調
整した研磨用スラリー（アルカノールアミン含有スラリー）を調製
し、この研磨用スラリーを用いて、凹部以外の絶縁膜上
の銅膜が完全に除去されるまでＣＭＰを行った。次に、
研磨用スラリーを後述の実施例２１の研磨用スラリー
（研磨速度比(Cu/Ta)＝０．１５）に切り替え、凹部を
除く絶縁膜表面が完全に露出するまでＣＭＰを行った。
【０１０８】なお、比較例１として、トリエタノールア
ミンを添加しないこと以外は実施例１〜６と同様にして
研磨用スラリーを作製し、１段階でＣＭＰを行った。
【０１０９】結果を表１に示す。表１から明らかなとお
り、トリエタノールアミンを添加することにより、Ｔａ
膜の研磨速度が著しく低下した。また、実施例の基板の
断面をＳＥＭにより観察したところ、ディッシング及び
エロージョンが抑制されていることが確認できた。
【０１１０】（実施例７、８：第２の研磨方法、アルカノール
アミン含有スラリー）表１に示すように、トリエタノールアミ
ンをジエタノールアミン又はエタノールアミンに代えた
以外は、実施例３と同様な研磨用スラリーを調製し、同
様なＣＭＰを行った。
【０１１１】結果を表１に示す。表１から明らかなとお
り、ジエタノールアミン又はエタノールアミンを添加す
ることによっても、Ｔａ膜の研磨速度が著しく低下し
た。基板の断面をＳＥＭにより観察したところ、ディッ
シング及びエロージョンが抑制されていることが確認で
きた。
【０１１２】（実施例９：第２の研磨方法、アルカノールアミン
含有スラリー）表１の実施例９に示すように、研磨砥粒とし
てアルミナをトクヤマ社製ヒュームドシリカＱｓ−９に
代えた以外は、実施例３と同様な研磨用スラリーを調製
し、同様なＣＭＰを行った。
【０１１３】結果を表１に示す。表１より明らかなとお
り、研磨砥粒がシリカの場合も、トリエタノールアミン
を添加することにより、Ｔａ膜の研磨速度が著しく低下
していた。基板の断面をＳＥＭにより観察したところ、
ディッシング及びエロージョンが抑制されていることが
確認できた。
【０１１４】（実施例１０〜１３：第２の研磨方法、アル
カノールアミン含有スラリー）クエン酸を実施例１０〜１３に示し
た有機酸に代えた以外は、実施例３と同様な研磨用スラ
リーを調製し、同様なＣＭＰを行った。
【０１１５】結果を表１に示す。表１から明らかなとお
り、クエン酸以外の種々の有機酸を用いた場合も、トリ
エタノールアミンを添加することにより、Ｔａ膜の研磨
速度が著しく低下した。基板の断面をＳＥＭにより観察
したところ、ディッシング及びエロージョンが抑制され
ていることが確認できた。
【０１１６】
【表１】 （実施例１４〜１９：第２の研磨方法、アルカノールアミン含有ス
ラリー）有機酸として、０．１６質量％のグルタル酸、
１．５質量％のクエン酸および０．３質量％のグリシン
からなる混合酸を用い、酸化防止剤として０．００５質
量％のベンゾトリアゾールを添加した以外は、実施例１
〜６と同様な研磨用スラリーを調製し、同様なＣＭＰを
行った。
【０１１７】なお、比較例２として、アルカノールアミ
ンを含有しないこと以外は、実施例１４〜１９と同様な
研磨用スラリーを調製し、１段階でＣＭＰを行った。
【０１１８】結果を表２に示す。表２から明らかなとお
り、Ｔａ膜の研磨速度が著しく低下し、Ｔａ膜の研磨速
度に対する銅膜の研磨速度の比は著しく向上した。すな
わち、トリエタノールアミンを添加することにより、銅
膜の研磨選択性が向上することが判った。実施例の基板
の断面をＳＥＭにより観察したところ、ディッシング及
びエロージョンが抑制されていることが確認できた。
【０１１９】
【表２】 （実施例２０：第１のスラリーによるＴａ膜の研磨）研
磨用スラリー中の（２）式又は（３）式で示される多価
カルボン酸の効果を示すために、６インチのシリコン基
板上にスパッタリング法により堆積させたＴａ膜に対し
て表３〜５に示す種々の研磨用スラリーを用いてＣＭＰ
を行い、それぞれの研磨速度を測定した。なお、シリカ
研磨材はトクヤマ社製のヒュームドシリカＱｓ−９を用
い、スラリーNo.１は比較のため多価カルボン酸を含有
していない例である。表３は、多価カルボン酸としてグ
ルタル酸を用い、その含有量が異なる種々の研磨用スラ
リーを用いた結果を示す。表４は、多価カルボン酸とし
てグルタル酸を用い、ｐＨやｐＨ調製剤が異なる種々の
研磨用スラリーを用いた結果を示す。表５は、種々の多
価カルボン酸を含有する研磨用スラリーを用いた結果を
示す。
【０１２０】表３から明かなように、グルタル酸を添加
することによりＴａ膜の研磨速度が著しく向上し、グル
タル酸の添加量（含有量）が増大することにより研磨速
度は増加している。
【０１２１】また、研磨用スラリーの色もグルタル酸の
添加により半透明から白濁した。これは、凝集により粒
径の大きい粒子が形成され散乱強度が増大したことを示
している。これらより、多価カルボン酸の添加によっ
て、溶液中のイオン強度が増加し電気二重層が圧迫さ
れ、粒子間に働く電気的反発力が減少するとともに、一
分子中に２以上のカルボキシル基を有する多価カルボン
酸とシリカ粒子との相互作用により凝集化（フロキュレ
ーション化）が起こり、この凝集化により適度に柔らか
に凝集したシリカ粒子が研磨材粒子として作用し機械的
研磨作用が増大したためＴａ膜の研磨速度が向上したも
のと考えられる。
【０１２２】表３及び表４に示すように、研磨用スラリ
ーのｐＨが４．５〜６．５の範囲で変化しても高い研磨
速度で研磨できた。また表４に示す結果から、ｐＨ調整
剤をＫＯＨからＮＨ4ＯＨに代えても同様に高い研磨速
度を示した。
【０１２３】表５に示す結果から、グルタル酸の他、
（２）式又は（３）式で示される特定の構造を有する多
価カルボン酸であれば、Ｔａ膜の研磨速度を向上できる
ことがわかる。また、表中に示したいずれのカルボン酸
を含有する場合でも添加により研磨用スラリーの色が半
透明から白濁した。
【０１２４】
【表３】
【０１２５】
【表４】
【０１２６】
【表５】 （実施例２１：第１のスラリーによる１段階研磨）表６
に示す種々の研磨用スラリーを調製し、これらの研磨用
スラリー用いて、凹部を除く絶縁膜表面が完全に露出す
るまで１段階でＣＭＰを行い、銅膜、Ｔａ膜、シリコン
酸化膜（ＳｉＯ2絶縁膜）に対してそれぞれ研磨速度を
測定した。
【０１２７】この結果から、（２）式又は（３）式で示
される多価カルボン酸単独或いはそれらの混合物と、酸
化剤（Ｈ2Ｏ2）、酸化防止剤（ベンゾトリアゾール（Ｂ
ＴＡ））の組成比によって、Ｔａ膜と銅膜間の研磨速度
比を調整することができることがわかる。従来は、銅膜
の研磨速度を低下させることによって研磨速度比を調整
していたのに対して、本発明ではＴａ膜の研磨速度を向
上させることによっても研磨速度を調整（研磨速度差を
小さく）できるため、スループットを大幅に向上するこ
とができる。
【０１２８】また、基板の断面をＳＥＭにより観察した
ところ、ディッシング及びエロージョンが抑制されてい
ることが確認できた。このことは、銅膜とＴａ膜間の研
磨速度差が適度に小さいため銅膜が過剰に研磨されるこ
とがなく、また、絶縁膜の研磨速度が十分に低いため絶
縁膜が十分にストッパーとして働き、ディッシングやエ
ロージョンの発生が防止されたことを示している。ま
た、研磨面をＳＥＭにより観察したところ、問題となる
ような傷の発生は見受けられなかった。
【０１２９】
【表６】 （実施例２２〜２９：第２のスラリーによる１段階研
磨）トクヤマ社製のヒュームドシリカＱｓ−９を５質量
％、関東化学社製の硫酸カリウムを０．１〜３質量％を
含むｐＨ４．５の研磨用スラリーを調製した。この研磨
用スラリーを用いて、凹部を除く絶縁膜表面が完全に露
出するまで１段階でＣＭＰを行い、銅膜およびＴａ膜の
研磨速度を測定した。結果を表７に示す。
【０１３０】表７から明かなように、硫酸カリウムを添
加することにより、銅膜の研磨速度を低下させることな
く、Ｔａ膜の研磨速度を著しく増加でき、硫酸カリウム
の添加量（含有量）を増大することによりタンタルの研
磨速度を増大させることができた。
【０１３１】また、研磨用スラリーの色も硫酸カリウム
の添加により半透明から白濁した。これは、凝集により
粒径の大きい粒子が形成され散乱強度が増大したことを
示している。このことから、無機塩の添加によって、溶
液中のイオン強度が増加し電気二重層が圧迫され、ヒュ
ームドシリカの粒子間に働く電気的反発力が減少すると
ともに、無機塩とシリカ粒子との相互作用により凝集化
（フロキュレーション化）が起こり、この凝集化により
適度に柔らかく凝集したシリカ粒子が研磨材粒子として
作用し機械的研磨作用が増大したためＴａ膜の研磨速度
が向上したものと考えられる。
【０１３２】
【表７】 （実施例３０、３１：第２のスラリーによる１段階研
磨）硫酸カリウムに代えて硫酸アンモニウム及び塩化カ
リウムを用いた以外は、それぞれ実施例２６及び実施例
２９と同様にして研磨用スラリーを調製し、同様にＣＭ
Ｐを行い、研磨速度を測定した。結果を表８に示す。
【０１３３】表８から明らかなとおり、硫酸カリウム以
外の無機塩として硫酸アンモニウム及び塩化カリウムを
添加した場合も、Ｔａ膜の研磨速度が上昇した。
【０１３４】
【表８】 （実施例３２〜３７：第２のスラリーによる１段階研
磨）硫酸カリウムに代えて、表９に示す酸化作用を有す
る種々の無機塩を含有する以外は実施例２４、２６又は
２７と同様な研磨用スラリーを調製し、同様なＣＭＰを
行った。なお、比較のため、実施例３７では酸化作用の
ない無機塩である硫酸カリウムと２．５質量％の過酸化
水素とを含有する研磨用スラリーを調製し、その結果を
実施例２６の結果とともに表中に記載した。
【０１３５】表９に示されているように、酸化作用を有
する無機塩を添加した場合も、タンタルの研磨速度が上
昇した。さらに、無機塩の酸化作用により、実施例２６
と比較して、銅の研磨速度が著しく上昇した。また、実
施例３７と比較すると、酸化作用を有する無機塩を添加
することにより、過酸化水素を含有する場合と同程度に
まで、銅の研磨速度が上昇していることがわかる。
【０１３６】
【表９】 （実施例３８〜４１：第２のスラリーによる１段階研
磨）表１０に示すように、硫酸カリウム、関東化学社製
の過酸化水素、関東化学社製のシュウ酸またはリンゴ
酸、関東化学社製のベンゾトリアゾールを含有する研磨
用スラリーを調製し、これらの研磨用スラリーを用いて
１段階でＣＭＰを行った。研磨速度の測定結果を表１０
に示す。
【０１３７】表１０から、有機酸や酸化剤の濃度を変化
させることにより、タンタルの研磨速度を維持したまま
銅の研磨速度を変化させる、すなわち、タンタルの研磨
速度を維持したまま、銅／タンタル研磨速度比を制御で
きることがわかる。
【０１３８】また、基板断面をＳＥＭ観察したところ、
ディッシング及びエロージョンが抑制されていた。ま
た、研磨面をＳＥＭにより観察したところ、問題となる
ような傷は発生していなかった。
【０１３９】
【表１０】 （実施例４２及び４３：第２のスラリーによる１段階研
磨）表１１に示す組成の研磨用スラリーを調製し、この
研磨用スラリーを用いて同様に１段階でＣＭＰを行っ
た。その際の研磨速度の測定結果を表１１に示す。
【０１４０】この結果をみると、ペルオキソ二硫酸カリ
ウムの一部を硫酸カリウムに置き換えることにより、Ｔ
ａ膜の研磨速度を維持したまま銅の研磨速度が低下して
いる。このことから、酸化剤を用いなくても、無機塩の
組み合わせにより、銅とＴａ膜との研磨速度比が調整で
きることがわかる。
【０１４１】
【表１１】 （実施例４４：第１の研磨方法）第１の研磨工程では、
トリエタノールアミンを含有する実施例１８の研磨用ス
ラリーを用いてＣＭＰを行い、凹部を除く絶縁膜上に、
凹部を除く基板表面の約１５％の面積分の銅膜が残った
時点で研磨を停止した。
【０１４２】次に、第２の研磨工程として、実施例２１
で用いたスラリーNo.２０の研磨用スラリーを用いて、
凹部を除く絶縁膜表面が完全に露出するまでＣＭＰを行
った。なお表６から、この研磨用スラリーの研磨速度比
（Ｃｕ／Ｔａ／酸化シリコン）は２．２／１／０．０５
である。
【０１４３】研磨後の基板断面をＳＥＭにより観察した
ところ、ディッシング及びエロージョンはほぼ完全に防
止されていた。また、研磨面をＳＥＭにより観察したと
ころ、問題となるような傷は発生していなかった。
【０１４４】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、ディッシングやエロージョンの発生を抑え、
配線抵抗のバラツキが小さく、信頼性が高い埋め込み配
線の形成がを可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の金属配線形成方法を説明するための工程
断面図である。
【図２】従来の金属配線形成方法により埋め込み銅配線
を形成した場合の配線部の断面の形状を示す図である。
【図３】本発明の金属配線形成方法を説明するための埋
め込み配線層の断面図である。
【符号の説明】
１ 下層配線層 ２ シリコン窒化膜 ３ シリコン酸化膜 ４ バリア金属膜 ５ 銅膜 ２３ 絶縁膜 ２４ バリア金属膜 ２５ 配線用金属膜
フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AC01 AC04 BC02 CA01 CB01 CB03 DA12 5F033 HH11 HH12 HH21 JJ11 JJ12 JJ21 MM01 MM12 MM13 NN06 NN07 PP15 PP26 PP33 QQ09 QQ13 QQ37 QQ48 QQ49 QQ50 RR04 WW00 XX00 XX01

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に形成された絶縁膜に凹部を形成
    する工程と、該絶縁膜上にバリア金属膜を形成する工程
    と、前記凹部を埋め込むように全面に配線用金属膜を形
    成する工程と、この基板表面を化学的機械的研磨法によ
    り研磨する工程を有する金属配線形成方法において、 前記研磨工程は、配線用金属膜が前記凹部以外の表面上
    に部分的に残るように研磨する第１の研磨工程と、バリ
    ア金属に対する配線用金属の研磨速度比が１以上３以下
    となる研磨用スラリーを用いて前記凹部以外の絶縁膜表
    面がほぼ完全に露出するまで研磨する第２の研磨工程を
    有することを特徴とする金属配線形成方法。
  2. 【請求項２】 第１の研磨工程では、配線用金属膜が、
    凹部を除く基板表面の５％以上３０％以下の面積分残る
    ように研磨する請求項１記載の金属配線形成方法。
  3. 【請求項３】 第１の研磨工程では、研磨材、酸化剤、
    有機酸および下記一般式（１）で示されるアルカノール
    アミンを含有する研磨用スラリーを用いて研磨を行う請
    求項１又は２記載の金属配線形成方法。 ＮＲ1 m（Ｒ2ＯＨ）n （１） （式中、Ｒ1は水素原子または炭素数１以上５以下のア
    ルキル基であり、Ｒ2は炭素数１以上５以下のアルキレ
    ン基であり、ｍは０以上２以下の整数であり、ｎは１以
    上３以下の自然数であり、ｍ＋ｎ＝３を満たす。）
  4. 【請求項４】 基板上に形成された絶縁膜に凹部を形成
    する工程と、該絶縁膜上にバリア金属膜を形成する工程
    と、前記凹部を埋め込むように全面に配線用金属膜を形
    成する工程と、この基板表面を化学的機械的研磨法によ
    り研磨する工程を有する金属配線形成方法において、 前記研磨工程は、研磨材、酸化剤、有機酸および上記一
    般式（１）で示されるアルカノールアミンを含有する研
    磨用スラリーを用い、前記凹部以外の表面上に配線用金
    属膜が残らないように且つバリア金属膜が完全に研磨除
    去されないように研磨する第１の研磨工程と、バリア金
    属に対する配線用金属の研磨速度比が１以下となる研磨
    用スラリーを用いて前記凹部以外の絶縁膜表面がほぼ完
    全に露出するまで研磨する第２の研磨工程を有すること
    を特徴とする金属配線形成方法。
  5. 【請求項５】 前記アルカノールアミンとして、エタノ
    ールアミン、ジエタノールアミン及びトリエタノールア
    ミンからなる群より選ばれる１種以上を含有する研磨用
    スラリーを用いる請求項３又は４記載の金属配線形成方
    法。
  6. 【請求項６】 第２の研磨工程では、バリア金属に対す
    る絶縁膜の研磨速度比が０．０１以上０．５以下となる
    研磨用スラリーを用いる請求項１〜５のいずれか１項に
    記載の金属配線形成方法。
  7. 【請求項７】 第２の研磨工程では、シリカ研磨材と下
    記一般式（２）又は（３）で示されるカルボン酸を含有
    する研磨用スラリーを用いて研磨を行う請求項１〜６の
    いずれか１項に記載の金属配線形成方法。 【化１】 （ｎは０，１，２，３のいずれかを示し、Ｒ1 及びＲ2
    は結合する炭素原子毎にそれぞれ独立に水素原子、−Ｏ
    Ｈ又は−ＣＯＯＨを示す。） 【化２】 （Ｒ3 及びＲ4 はそれぞれ独立に水素原子又は−ＯＨを
    示す。）
  8. 【請求項８】 前記カルボン酸として、シュウ酸、マロ
    ン酸、酒石酸、リンゴ酸、グルタル酸、クエン酸、及び
    マレイン酸からなる群より選ばれた１種以上を含有する
    研磨用スラリーを用いて研磨を行う請求項７記載の金属
    配線形成方法。
  9. 【請求項９】 第２の研磨工程では、シリカ研磨材と無
    機塩とを含有する研磨用スラリーを用いて研磨を行う請
    求項１〜８のいずれか１項に記載の金属配線形成方法。
  10. 【請求項１０】 前記無機塩として、水素酸塩、オキソ
    酸塩、ペルオキソ酸塩、及びハロゲンのオキソ酸塩から
    なる群より選ばれる１種以上を含有する研磨用スラリー
    を用いて研磨を行う請求項９記載の金属配線形成方法。
  11. 【請求項１１】 基板上に形成された絶縁膜に凹部を形
    成する工程と、該絶縁膜上にバリア金属膜を形成する工
    程と、前記凹部を埋め込むように全面に配線用金属膜を
    形成する工程と、この基板表面を、シリカ研磨材と上記
    一般式（２）又は（３）で示されるカルボン酸を含有す
    る研磨用スラリーを用いて化学的機械的研磨法により研
    磨する工程を有する金属配線形成方法。
  12. 【請求項１２】 前記カルボン酸として、シュウ酸、マ
    ロン酸、酒石酸、リンゴ酸、グルタル酸、クエン酸、及
    びマレイン酸からなる群より選ばれた１種以上を含有す
    る研磨用スラリーを用いて研磨を行う請求項１１記載の
    金属配線形成方法。
  13. 【請求項１３】 基板上に形成された絶縁膜に凹部を形
    成する工程と、該絶縁膜上にバリア金属膜を形成する工
    程と、前記凹部を埋め込むように全面に配線用金属膜を
    形成する工程と、この基板表面を、シリカ研磨材と、無
    機塩とを含有する研磨用スラリーを用いて化学的機械的
    研磨法により研磨する工程を有する金属配線形成方法。
  14. 【請求項１４】 前記無機塩として、水素酸塩、オキソ
    酸塩、ペルオキソ酸塩、及びハロゲンのオキソ酸塩から
    なる群より選ばれる１種以上を含有する研磨用スラリー
    を用いて研磨を行う請求項１３記載の金属配線形成方
    法。
  15. 【請求項１５】 前記研磨用スラリーが酸化剤を含有す
    る請求項７〜１４のいずれか１項に記載の金属配線形成
    方法。
  16. 【請求項１６】 前記研磨用スラリーが酸化防止剤を含
    有する請求項１５記載の金属配線形成方法。
  17. 【請求項１７】 前記研磨用スラリーが酸化防止剤とし
    てベンゾトリアゾール又はその誘導体を含有する請求項
    １６記載の金属配線形成方法。
  18. 【請求項１８】 前記バリア金属膜がタンタル系金属膜
    である請求項１〜１７のいずれか１項に記載の金属配線
    形成方法。
  19. 【請求項１９】 前記配線用金属膜が銅又は銅合金膜で
    ある請求項１〜１８のいずれか１項に記載の金属配線形
    成方法。
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