JP2001269860A - Slurry for polishing copper-based metal and polishing method for copper-based metal membrane - Google Patents
Slurry for polishing copper-based metal and polishing method for copper-based metal membraneInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、銅系金属研磨用ス
ラリーおよび半導体装置等の銅系金属配線を形成するた
めの銅系金属膜の研磨方法に関する。The present invention relates to a slurry for polishing a copper-based metal and a method for polishing a copper-based metal film for forming a copper-based metal wiring for a semiconductor device or the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体装置の製造工程の一つである配線
層の形成においては、表面の段差を解消する目的でエッ
チバック技術が採用されている。また、配線材料として
はＡｌに代わってより低抵抗で、マイグレーションが生
じない銅または銅合金を使用することが試みられ、一部
実用化されている。このような銅または銅合金の配線材
料として用いるエッチバック技術は、半導体基板上の絶
縁膜に配線形状の溝を形成し、前記溝を含む前記絶縁膜
上にＣｕ膜またはＣｕ合金膜を形成し、前記Ｃｕ膜また
はＣｕ合金膜をポリシング装置および研磨スラリーを用
いて研磨処理し、前記溝内のみにＣｕ膜またはＣｕ合金
膜を残存させて埋め込み配線層を形成する方法である。2. Description of the Related Art In forming a wiring layer, which is one of the manufacturing steps of a semiconductor device, an etch-back technique is employed in order to eliminate a step on a surface. In addition, as a wiring material, use of copper or a copper alloy which has lower resistance and does not cause migration has been tried in place of Al, and some of them have been put to practical use. The etch-back technique used as such a copper or copper alloy wiring material forms a wiring-shaped groove in an insulating film on a semiconductor substrate, and forms a Cu film or a Cu alloy film on the insulating film including the groove. And polishing the Cu film or Cu alloy film using a polishing apparatus and a polishing slurry to form a buried wiring layer by leaving the Cu film or Cu alloy film only in the groove.
【０００３】ところで、前記研磨スラリーとしては従来
よりコロイダルシリカ、アルミナのような研磨砥粒が分
散された純水からなるものが用いられている。しかしな
がら、前記研磨スラリーおよびポリシング装置を用いる
Ｃｕ膜の研磨終点時期において前記Ｃｕ膜が過度に研磨
されて形成されたＣｕ配線層が表面凹型に変形する、い
わゆるディシングを生じる。このようなディシングの発
生は、半導体装置の表面に段差が生じたり、配線層その
もののシート抵抗が高くなったりするという問題があ
る。As the polishing slurry, a slurry composed of pure water in which abrasive grains such as colloidal silica and alumina are dispersed has been used. However, at the end point of polishing the Cu film using the polishing slurry and the polishing apparatus, the Cu wiring layer formed by excessively polishing the Cu film is deformed into a concave shape on the surface, so-called dishing occurs. The occurrence of such dishing has a problem that a step is formed on the surface of the semiconductor device and that the sheet resistance of the wiring layer itself is increased.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、銅系金属膜
の研磨終了時におけるディシングの発生を抑制すること
が可能な銅系金属研磨用スラリーを提供しようとするも
のである。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a copper-based metal polishing slurry capable of suppressing the occurrence of dishing at the end of polishing of a copper-based metal film.
【０００５】本発明は、ディシングの発生を抑制した銅
系金属からなる埋込み配線層やビアフィルを形成するこ
とが可能な銅系金属膜の研磨方法を提供しようとするも
のである。An object of the present invention is to provide a method of polishing a copper-based metal film capable of forming a buried wiring layer or a via fill made of a copper-based metal in which occurrence of dishing is suppressed.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明に係る銅系金属研
磨用スラリーは、研磨砥粒、増粘剤および水を含むこと
を特徴とするものである。The slurry for polishing a copper-based metal according to the present invention is characterized by containing abrasive grains, a thickener and water.
【０００７】本発明に係る銅系金属膜の研磨方法は、基
板上の凹部および開口部から選ばれる少なくとも１つの
埋込み用部材を形成し、この埋込み用部材を含む全面に
銅系金属膜を形成する工程と、前記基板の銅系金属膜を
研磨パッド上で、それらの間に少なくとも研磨砥粒、増
粘剤および水を存在させた状態にて研磨して前記銅系金
属を埋込み用部材内に埋込む工程とを具備したことを特
徴とするものである。In the method of polishing a copper-based metal film according to the present invention, at least one embedding member selected from a concave portion and an opening on a substrate is formed, and the copper-based metal film is formed on the entire surface including the embedding member. And polishing the copper-based metal film of the substrate on a polishing pad in a state where at least a polishing abrasive grain, a thickener and water are present between the polishing pad and the copper-based metal film in a member for embedding. And a step of embedding in the substrate.
【０００８】[0008]
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail.
【０００９】本発明の銅系金属研磨用スラリーは、研磨
砥粒、増粘剤および水を含有する。[0009] The slurry for polishing a copper-based metal of the present invention contains abrasive grains, a thickener and water.
【００１０】前記研磨砥粒としては、例えばコロイダル
シリカ、コロイダルアルミナ、α−アルミナ、γ−アル
ミナ、θ−アルミナ、酸化セリウム等を挙げることがで
きる。この研磨砥粒は、スラリー中に１〜２０重量％含
有されることが好ましい。Examples of the abrasive grains include colloidal silica, colloidal alumina, α-alumina, γ-alumina, θ-alumina, and cerium oxide. The abrasive grains are preferably contained in the slurry in an amount of 1 to 20% by weight.
【００１１】前記研磨砥粒は、０．０２〜０．１μｍの
平均粒径を有し、球状もしくは球に近似した形状を有す
ることが好ましい。このような研磨砥粒を含む研磨組成
物によりＣｕまたはＣｕ合金の研磨処理を行うと、Ｃｕ
またはＣｕ合金表面への損傷を抑制が可能になる。The abrasive grains preferably have an average particle size of 0.02 to 0.1 μm and have a spherical or spherical shape. When a polishing treatment of Cu or Cu alloy is performed by the polishing composition containing such polishing abrasive grains, Cu
Alternatively, damage to the Cu alloy surface can be suppressed.
【００１２】前記増粘剤としては、例えばカゼイン、ゼ
ラチン、アルギン酸塩、でんぷん、デキストリン、ペク
チン、寒天、カラゲニン、ローカストビーンゴム、ベン
ドナイト、ポリアクリル酸ソーダのようなポリアクリル
酸塩、ポリエチレングリコール、セチルトリメチルアン
モニウムプロミド（陽イオン性界面活性剤）、セチルピ
リジウムプロミド（陽イオン性界面活性剤）、ポバー
ル、カルボキシメルセルロース、ヒドロキシプロピルセ
ルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒド
ロキシエチルセルロース、メチルセルロースおよびポリ
ビニルアルコールから選ばれる１種または２種以上の混
合物を用いることができる。これらの増粘剤は、前記ス
ラリー中に０．１〜１０重量％含有されることが好まし
い。Examples of the thickener include casein, gelatin, alginate, starch, dextrin, pectin, agar, carrageenin, locust bean gum, bendonite, polyacrylates such as sodium polyacrylate, polyethylene glycol, From cetyltrimethylammonium bromide (cationic surfactant), cetylpyridium bromide (cationic surfactant), poval, carboxymercellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, hydroxyethylcellulose, methylcellulose and polyvinyl alcohol One or more selected mixtures can be used. These thickeners are preferably contained in the slurry in an amount of 0.1 to 10% by weight.
【００１３】本発明に係る銅系金属研磨用スラリーは、
さらに銅と反応して水に実質的に不溶性で、かつ銅より
も機械的に脆弱な銅錯体を生成する水溶性の有機酸（第
１有機酸）および酸化剤を含有することを許容する。The slurry for polishing a copper-based metal according to the present invention comprises:
Furthermore, it is allowed to contain a water-soluble organic acid (a first organic acid) and an oxidizing agent which react with copper to form a copper complex which is substantially insoluble in water and which is more brittle than copper.
【００１４】前記第１有機酸としては、銅もしくは銅合
金に前記研磨用スラリーを接触させた際に前記酸化剤に
より生成された銅の水和物と反応して水に溶解されない
ものの、Ｃｕに比べて脆弱である銅錯体を生成する作用
を有する。かかる第１有機酸としては、例えば２−キノ
リンカルボン酸（キナルジン酸）、２−ピリジンカルボ
ン酸、２，６−ピリジンカルボン酸、キノン等を挙げる
ことができる。The first organic acid is not dissolved in water by reacting with the copper hydrate generated by the oxidizing agent when the polishing slurry is brought into contact with copper or a copper alloy. It has the effect of producing a copper complex that is more fragile. Examples of the first organic acid include 2-quinoline carboxylic acid (quinaldic acid), 2-pyridine carboxylic acid, 2,6-pyridine carboxylic acid, and quinone.
【００１５】前記第１有機酸は、前記研磨用スラリー中
に０．１重量％以上含有されることが好ましい。前記有
機酸の含有量を０．１重量％未満にすると、Ｃｕまたは
Ｃｕ合金の表面に銅よりも機械的に脆弱な銅錯体を十分
に生成することが困難になる。その結果、研磨時におい
てＣｕまたはＣｕ合金の研磨速度を十分に高めることが
困難になる。より好ましい前記第１有機酸の含有量は、
０．３〜１．２重量％である。Preferably, the first organic acid is contained in the polishing slurry in an amount of 0.1% by weight or more. When the content of the organic acid is less than 0.1% by weight, it is difficult to sufficiently generate a copper complex that is more mechanically weaker than copper on the surface of Cu or a Cu alloy. As a result, it becomes difficult to sufficiently increase the polishing rate of Cu or Cu alloy during polishing. A more preferred content of the first organic acid is
0.3 to 1.2% by weight.
【００１６】前記酸化剤は、銅もしくは銅合金に前記研
磨用スラリーを接触させた際に銅の水和物を生成する作
用を有する。かかる酸化剤としては、例えば過酸化水素
（Ｈ 2 Ｏ2 ）、次亜塩素酸ソーダ（ＮａＣｌＯ）のよう
な酸化剤を用いることができる。The oxidizing agent is used for polishing the copper or copper alloy.
A product that produces copper hydrate when brought into contact with polishing slurry.
Having Such oxidizing agents include, for example, hydrogen peroxide
(H TwoOTwo), Like sodium hypochlorite (NaClO)
Any oxidizing agent can be used.
【００１７】前記酸化剤は、前記研磨組成物中に前記第
１有機酸に対して重量割合で１０倍以上含有することが
好ましい。前記酸化剤の含有量を重量割合で前記第１有
機酸に対して１０倍未満にすると、ＣｕまたはＣｕ合金
の表面への銅錯体生成を十分に促進することが困難にな
る。より好ましい前記酸化剤の含有量は、前記第１有機
酸に対して重量割合で３０倍以上、さらに好ましくは５
０倍以上である。It is preferable that the oxidizing agent is contained in the polishing composition in a weight ratio of at least 10 times the first organic acid. If the content of the oxidizing agent is less than 10 times the weight of the first organic acid by weight, it becomes difficult to sufficiently promote the formation of a copper complex on the surface of Cu or a Cu alloy. The content of the oxidizing agent is more preferably 30 times or more by weight relative to the first organic acid, and still more preferably 5 times.
0 times or more.
【００１８】本発明に係る銅系金属研磨用スラリーは、
さらにカルボキシル基およびヒドロキシル基をそれぞれ
１つ持つ有機酸（第２有機酸）および界面活性剤を含有
することを許容する。この第２有機酸は、前記酸化剤に
よる銅の水和物の生成を促進する作用を有する。かかる
第２有機酸としては、例えば乳酸、酒石酸、マンデル酸
およびリンゴ酸等を挙げることができ、これらは１種ま
たは２種以上の混合物の形態で用いることができる。特
に、乳酸が好ましい。The slurry for polishing a copper-based metal according to the present invention comprises:
Furthermore, it is permitted to contain an organic acid (second organic acid) having one carboxyl group and one hydroxyl group, respectively, and a surfactant. The second organic acid has an effect of promoting the formation of copper hydrate by the oxidizing agent. Such second organic acids include, for example, lactic acid, tartaric acid, mandelic acid, malic acid and the like, and these can be used in the form of one kind or a mixture of two or more kinds. In particular, lactic acid is preferred.
【００１９】前記第２有機酸は、前記研磨組成物中に前
記第１有機酸に対して２０〜２５０重量％含有されるこ
とが好ましい。第２有機酸の含有量を２０重量％未満に
すると、前記酸化剤による銅の水和物の生成を促進する
作用を十分に発揮することが困難になる。一方、第２有
機酸の含有量が２５０重量％を超えると、銅膜もしくは
銅合金膜がエッチングされ、パターン形成ができなくな
る恐れがある。より好ましい前記第２有機酸の含有量
は、前記第１有機酸に対して４０〜２００重量％であ
る。It is preferable that the second organic acid is contained in the polishing composition in an amount of 20 to 250% by weight based on the first organic acid. When the content of the second organic acid is less than 20% by weight, it is difficult to sufficiently exert the effect of promoting the production of copper hydrate by the oxidizing agent. On the other hand, when the content of the second organic acid exceeds 250% by weight, the copper film or the copper alloy film may be etched, and the pattern may not be formed. More preferably, the content of the second organic acid is 40 to 200% by weight based on the first organic acid.
【００２０】次に、本発明に係る銅系金属膜の研磨方法
を説明する。Next, a method for polishing a copper-based metal film according to the present invention will be described.
【００２１】まず、基板上の凹部および開口部から選ば
れる少なくとも１つの埋込み用部材を形成し、この埋込
み用部材を含む全面に銅系金属膜を形成する。First, at least one embedding member selected from a concave portion and an opening portion on a substrate is formed, and a copper-based metal film is formed on the entire surface including the embedding member.
【００２２】前記基板としては、例えば半導体基板、ガ
ラス基板等を挙げることができる。Examples of the substrate include a semiconductor substrate and a glass substrate.
【００２３】前記埋込み用部材は、例えば前記基板上の
絶縁膜に形成される。この絶縁膜としては、例えばシリ
コン酸化膜、ボロン添加ガラス膜（ＢＰＳＧ膜）、リン
添加ガラス膜（ＰＳＧ膜）等を用いることができる。こ
の絶縁膜上には、窒化シリコン、炭素、アルミナ、窒化
ホウ素、ダイヤモンド等からなる研磨ストッパ膜が被覆
されることを許容する。The embedding member is formed, for example, in an insulating film on the substrate. As the insulating film, for example, a silicon oxide film, a boron-doped glass film (BPSG film), a phosphorus-doped glass film (PSG film), or the like can be used. A polishing stopper film made of silicon nitride, carbon, alumina, boron nitride, diamond, or the like is allowed to be coated on the insulating film.
【００２４】前記銅系金属としては、銅（Ｃｕ）または
Ｃｕ−Ｓｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金、Ｃｕ−Ｓｉ−Ａｌ合
金、Ｃｕ−Ａｇ合金のような銅合金（Ｃｕ合金）等を用
いることができる。As the copper-based metal, copper (Cu) or a copper alloy (Cu alloy) such as a Cu-Si alloy, a Cu-Al alloy, a Cu-Si-Al alloy, or a Cu-Ag alloy may be used. it can.
【００２５】前記銅系金属膜は、例えばスパッタ蒸着、
真空蒸着、またはメッキ等により形成される。The copper-based metal film is formed, for example, by sputtering deposition,
It is formed by vacuum evaporation or plating.
【００２６】次いで、前記基板の銅系金属膜を研磨パッ
ド上で、それらの間に少なくとも研磨砥粒、増粘剤およ
び水を存在させた状態にて研磨して前記銅系金属を埋込
み用部材内に埋込み、例えば銅系金属からなる埋め込み
配線層を形成する。Next, the copper-based metal film of the substrate is polished on a polishing pad in a state where at least polishing abrasive grains, a thickener and water are present therebetween, and the copper-based metal is embedded in the polishing pad. A buried wiring layer made of, for example, a copper-based metal is formed.
【００２７】前記研磨砥粒、増粘剤は、前記銅系金属研
磨用スラリーで説明したのと同様なものが用いられる。As the abrasive grains and the thickener, the same ones as described in the slurry for polishing a copper-based metal are used.
【００２８】前記銅系金属膜と前記研磨パッドの間に
は、前述した銅と反応して水に実質的に不溶性で、かつ
銅よりも機械的に脆弱な銅錯体を生成する水溶性の有機
酸（第１有機酸）および酸化剤をさらに存在させること
を許容する。また、前記銅系金属膜と前記研磨パッドの
間には前述したカルボキシル基およびヒドロキシル基を
それぞれ１つ持つ有機酸（第２有機酸）を存在させるこ
とを許容する。Between the copper-based metal film and the polishing pad, a water-soluble organic material which reacts with the above-mentioned copper to form a copper complex which is substantially insoluble in water and which is more brittle than copper. The acid (first organic acid) and the oxidizing agent are allowed to be further present. Further, the organic acid (second organic acid) having one carboxyl group and one hydroxyl group described above is allowed to exist between the copper-based metal film and the polishing pad.
【００２９】前記研磨は、例えば次に説明する図１の研
磨装置を用いてなされる。すなわち、図１のターンテー
ブル１上には例えば発泡樹脂から作られた研磨パッド２
が被覆されている。研磨砥粒、増粘剤および水を含む研
磨用スラリー（または研磨砥粒を含まず、増粘剤および
水を含む研磨組成物）を供給するための供給管３は、前
記研磨パッド２の上方に配置されている。上面に支持軸
４を有する基板ホルダ５は、研磨パッド２の上方に上下
動自在でかつ回転自在に配置されている。The polishing is performed using, for example, a polishing apparatus shown in FIG. 1 described below. That is, a polishing pad 2 made of, for example, a foamed resin is placed on the turntable 1 of FIG.
Is coated. A supply pipe 3 for supplying a polishing slurry containing a polishing abrasive, a thickener and water (or a polishing composition containing no thickening agent and water containing no polishing abrasive) is provided above the polishing pad 2. Are located in A substrate holder 5 having a support shaft 4 on its upper surface is arranged above the polishing pad 2 so as to be vertically movable and rotatable.
【００３０】このような図１に示す研磨装置による研磨
は、以下に説明する３つの形態、つまり（１）研磨砥
粒、増粘剤および水を含む研磨用スラリーを研磨パッド
上に供給する形態、（２）研磨パッド表面に研磨砥粒を
分散・固定し、この研磨パッド上に研磨砥粒を含まず、
増粘剤および水を含む研磨組成物を供給する形態、
（３）研磨パッドに研磨砥粒を分散・仮固定し、この研
磨パッド上に前記研磨組成物を供給する形態、のいずれ
かが採用される。The polishing by the polishing apparatus shown in FIG. 1 is performed in the following three modes, namely, (1) a mode in which a polishing slurry containing abrasive grains, a thickener and water is supplied onto a polishing pad. (2) disperse and fix abrasive grains on the surface of the polishing pad, and do not include abrasive grains on the polishing pad;
A form for supplying a polishing composition comprising a thickener and water,
(3) The polishing abrasive particles are dispersed and temporarily fixed on the polishing pad, and the polishing composition is supplied onto the polishing pad.
【００３１】（１）研磨砥粒、増粘剤および水を含む研
磨用スラリーを研磨パッド上に供給する形態 まず、ホルダ５により基板６上に形成した銅系金属膜が
研磨パッド２に対向するように保持する。つづいて、供
給管３から研磨砥粒、増粘剤および水を含む研磨用スラ
リー７を供給しながら、支持軸４により前記基板６を前
記研磨パッド２に向けて所望の加重を与え、さらに前記
ホルダ５およびターンテーブル１を同方向に回転させ
る。このとき、前記基板の銅系金属膜はこの金属膜と前
記研磨パッド間に供給された研磨用スラリー中の研磨砥
粒により研磨される。(1) A form in which a polishing slurry containing abrasive grains, a thickener and water is supplied onto a polishing pad First, a copper-based metal film formed on a substrate 6 by a holder 5 faces the polishing pad 2. So hold. Subsequently, while supplying a polishing slurry 7 containing abrasive grains, a thickener and water from a supply pipe 3, a desired load is applied to the substrate 6 by the support shaft 4 toward the polishing pad 2. The holder 5 and the turntable 1 are rotated in the same direction. At this time, the copper-based metal film on the substrate is polished by polishing grains in the polishing slurry supplied between the metal film and the polishing pad.
【００３２】（２）研磨パッド表面に研磨砥粒を分散・
固定し、この研磨パッド上に研磨砥粒を含まず、増粘剤
および水を含む研磨組成物を供給する形態 まず、ホルダ５により基板６上に形成した銅系金属膜が
研磨パッド２に対向するように保持する。つづいて、供
給管３から研磨砥粒を含まず、増粘剤および水を含む研
磨組成物７を供給しながら、支持軸４により前記基板６
を前記研磨パッド２に向けて所望の加重を与え、さらに
前記ホルダ５およびターンテーブル１を同方向に回転さ
せる。このとき、前記基板の銅系金属膜は前記研磨パッ
ド表面に固定、露出された研磨砥粒および供給された増
粘剤および水を含む研磨組成物の存在下で研磨される。(2) Disperse abrasive grains on the polishing pad surface
Fixing and supplying a polishing composition containing a thickener and water without containing abrasive grains on the polishing pad First, the copper-based metal film formed on the substrate 6 by the holder 5 faces the polishing pad 2 Hold as you do. Then, while supplying the polishing composition 7 containing a thickener and water without containing abrasive grains from the supply pipe 3, the substrate 6 is supported by the support shaft 4.
Is applied to the polishing pad 2 with a desired weight, and the holder 5 and the turntable 1 are further rotated in the same direction. At this time, the copper-based metal film on the substrate is polished in the presence of a polishing composition containing the polishing abrasive grains fixed and exposed to the polishing pad surface and the supplied thickener and water.
【００３３】（３）研磨パッド表面に研磨砥粒を分散・
仮固定し、この研磨パッド上に研磨砥粒を含まず、増粘
剤および水を含む研磨組成物を供給する形態 まず、ホルダ５により基板６上に形成した銅系金属膜が
研磨パッド２に対向するように保持する。つづいて、供
給管３から研磨砥粒を含まず、増粘剤および水を含む研
磨組成物７を供給しながら、支持軸４により前記基板６
を前記研磨パッド２に向けて所望の加重を与え、さらに
前記ホルダ５およびターンテーブル１を同方向に回転さ
せる。このとき、前記研磨パッドに仮固定された研磨砥
粒が前記基板の銅系金属膜と前記研磨パッドの間に供給
されるため、前記基板の銅系金属膜はこの研磨砥粒と別
途供給された増粘剤および水を含む研磨組成物の存在下
で研磨される。(3) Abrasive grains are dispersed on the surface of the polishing pad.
A mode in which the polishing composition is temporarily fixed and a polishing composition containing a thickener and water is supplied onto the polishing pad without containing abrasive grains. First, the copper-based metal film formed on the substrate 6 by the holder 5 is applied to the polishing pad 2. Hold so as to face each other. Then, while supplying the polishing composition 7 containing a thickener and water without containing abrasive grains from the supply pipe 3, the substrate 6 is supported by the support shaft 4.
Is applied to the polishing pad 2 with a desired weight, and the holder 5 and the turntable 1 are further rotated in the same direction. At this time, since the polishing abrasive grains temporarily fixed to the polishing pad are supplied between the copper-based metal film of the substrate and the polishing pad, the copper-based metal film of the substrate is separately supplied with the polishing abrasive grains. Is polished in the presence of a polishing composition comprising a thickener and water.
【００３４】以上説明したように本発明に係る本発明の
銅系金属研磨用スラリーは、研磨砥粒、増粘剤および水
を含有するため、銅系金属膜の研磨終了時における過度
な研磨、つまりディシングを抑制することができる。As described above, the slurry for polishing a copper-based metal according to the present invention according to the present invention contains abrasive grains, a thickener, and water. That is, dishing can be suppressed.
【００３５】具体的には、前記スラリーにより例えば基
板上の溝内を含む全面に形成した銅系金属膜を研磨する
と、前記溝以外の領域の銅系金属膜部分を研磨、除去し
た後に溝内に埋込まれた前記銅系金属の研磨を抑制、つ
まりディシングを抑制することができる。かかるディシ
ングの作用は、次のような挙動によるものと推定され
る。More specifically, when the copper-based metal film formed on the entire surface including the inside of the groove on the substrate is polished with the slurry, for example, the copper-based metal film portion in a region other than the above-mentioned groove is polished and removed. The polishing of the copper-based metal embedded in the substrate can be suppressed, that is, the dishing can be suppressed. The dishing operation is presumed to be caused by the following behavior.
【００３６】すなわち、一つは前述したような図１に示
す研磨装置を用い、そのホルダにより研磨パッドと銅系
金属膜の間に供給されるスラリー中の研磨砥粒に荷重が
加えると、その砥粒による銅系金属膜の研磨は前記荷重
がある値を超えた時点で始まる荷重依存性を示す。前述
したように研磨用スラリー中に研磨砥粒および水ととも
に、例えばセルロース、ポリビニルピロリドンのような
増粘剤を共存させると、前記研磨砥粒の表面に増粘剤が
付着して緩衝材として作用し、高い荷重下でも研磨砥粒
による銅系金属膜の研磨を抑制できる。その結果、溝内
に埋込まれた前記銅系金属のディシングを抑制できる。That is, one is to use the polishing apparatus shown in FIG. 1 as described above and apply a load to the polishing abrasive grains in the slurry supplied between the polishing pad and the copper-based metal film by using the holder. Polishing of a copper-based metal film with abrasive grains exhibits load dependency that starts when the load exceeds a certain value. As described above, when a thickening agent such as cellulose and polyvinylpyrrolidone coexists with the abrasive grains and water in the polishing slurry, the thickener adheres to the surface of the abrasive grains and acts as a buffer. However, the polishing of the copper-based metal film by the abrasive grains can be suppressed even under a high load. As a result, dishing of the copper-based metal embedded in the groove can be suppressed.
【００３７】もう一つは、前述したスラリーによる銅系
金属膜の研磨においてそのスラリー中の増粘剤が銅系金
属膜の表面に付着して前記研磨砥粒による研磨性を緩和
するため、結果として溝内に埋込まれた前記銅系金属の
ディシングを抑制することができる。The other is that, in the above-mentioned polishing of the copper-based metal film with the slurry, the thickener in the slurry adheres to the surface of the copper-based metal film and relaxes the abrasiveness of the abrasive grains. As a result, dishing of the copper-based metal buried in the groove can be suppressed.
【００３８】したがって、例えば溝内に埋込まれた銅系
金属のディシングを抑制できるため、例えば半導体装置
の埋込み配線に適用した場合、半導体装置の表面を平坦
化できるとともに、配線層そのもののシート抵抗の増大
を防止することが可能になる。Therefore, for example, the dishing of the copper-based metal buried in the trench can be suppressed. Therefore, when the present invention is applied to a buried wiring of a semiconductor device, for example, the surface of the semiconductor device can be flattened and the sheet resistance of the wiring layer itself can be reduced. Can be prevented from increasing.
【００３９】特に、銅と反応して水に実質的に不溶性
で、かつ銅よりも機械的に脆弱な銅錯体を生成する水溶
性の有機酸（第１有機酸）、酸化剤およびカルボキシル
基およびヒドロキシル基をそれぞれ１つ持つ有機酸（第
２有機酸）がさらに含有された銅系金属研磨用スラリー
は、銅系金属膜の研磨速度を高めつつ、研磨終了時での
銅系金属膜のディシングを抑制することができる。In particular, water-soluble organic acids (primary organic acids) that react with copper to form a copper complex that is substantially insoluble in water and that are more mechanically fragile than copper, an oxidizing agent, and a carboxyl group; The copper-based metal polishing slurry further containing an organic acid having one hydroxyl group (second organic acid) further increases the polishing rate of the copper-based metal film while dicing the copper-based metal film at the end of polishing. Can be suppressed.
【００４０】すなわち、研磨砥粒、増粘剤および水の他
にさらに前記有機酸および酸化剤が含有されたスラリー
を前述した図１に示すポリシング装置のホルダ５で保持
された基板６の銅系金属膜とターンテーブル１上の研磨
パッド２との間に供給して前記スラリーを前記銅系金属
膜に接触させると、そのスラリー中の酸化剤が水の存在
下で銅と反応してＣｕの水和物（Ｃｕイオン）を生成す
る。この時、前記スラリー中の第２有機酸（例えば乳
酸）により前記水和物の生成を促進することができる。
また、前記スラリー中の有機酸（例えば２−キノリンカ
ルボン酸）は、前記Ｃｕの水和物（Ｃｕイオン）と反応
して銅系金属膜表面に銅錯体層を生成する。このような
状態で前記ホルダ５により前記基板６の銅系金属膜を前
記研磨パッド２に向けて荷重を加え、前記ターンテーブ
ル１およびホルダ５を同一方向に回転させると、前記銅
系金属膜の表面に生成された銅錯体層は、水に溶解され
ないものの、銅に比べて脆弱であるため、前記スラリー
中の研磨砥粒により機械的に研磨される。つまり、前記
組成のスラリーは、前記銅系金属膜を化学機械的に研磨
されるため、研磨速度を高めることが可能になる。That is, the slurry containing the organic acid and the oxidizing agent in addition to the abrasive grains, the thickening agent and the water was used to form the copper-based slurry on the substrate 6 held by the holder 5 of the polishing apparatus shown in FIG. When the slurry is brought into contact with the copper-based metal film by being supplied between the metal film and the polishing pad 2 on the turntable 1, the oxidizing agent in the slurry reacts with copper in the presence of water to form Cu. Produces hydrates (Cu ions). At this time, the formation of the hydrate can be promoted by the second organic acid (for example, lactic acid) in the slurry.
Further, the organic acid (for example, 2-quinoline carboxylic acid) in the slurry reacts with the hydrate of Cu (Cu ion) to form a copper complex layer on the surface of the copper-based metal film. In this state, when a load is applied to the copper-based metal film of the substrate 6 by the holder 5 toward the polishing pad 2 and the turntable 1 and the holder 5 are rotated in the same direction, the copper-based metal film The copper complex layer formed on the surface is not dissolved in water, but is brittle compared to copper, and thus is mechanically polished by the abrasive grains in the slurry. In other words, the slurry of the above composition can polish the copper-based metal film chemically and mechanically, so that the polishing rate can be increased.
【００４１】また、前記第１有機酸、酸化剤および第２
有機酸がさらに含有された銅系金属研磨用スラリーによ
る銅系金属膜の研磨終了時において、前記スラリー中の
増粘剤が銅系金属膜表面の脆弱な銅錯体層の研磨を抑え
る作用をなすため、前記溝内に埋込まれた銅系金属のデ
ィシングを抑制することができる。The first organic acid, the oxidizing agent and the second
At the end of polishing of the copper-based metal film with the copper-based metal polishing slurry further containing an organic acid, the thickener in the slurry acts to suppress polishing of the fragile copper complex layer on the surface of the copper-based metal film. Therefore, dishing of the copper-based metal buried in the groove can be suppressed.
【００４２】本発明に係る銅系金属膜の研磨方法は、基
板上の凹部および開口部から選ばれる少なくとも１つの
埋込み用部材を形成し、この埋込み用部材を含む全面に
銅系金属膜を形成し、この基板の銅系金属膜を例えば前
述した図１に示す研磨装置の研磨パッド上で、それらの
間に少なくとも研磨砥粒、増粘剤および水の存在させた
状態にて研磨することによって、前記増粘剤の作用によ
り前述したように基板上の凹部および開口部から選ばれ
る少なくとも１つの埋込み用部材に埋込まれた銅系金属
のディシングを抑制できる。In the method of polishing a copper-based metal film according to the present invention, at least one embedding member selected from a concave portion and an opening on a substrate is formed, and the copper-based metal film is formed on the entire surface including the embedding member. Then, the copper-based metal film of the substrate is polished, for example, on a polishing pad of the polishing apparatus shown in FIG. 1 in a state where at least polishing grains, a thickener and water are present therebetween. As described above, the action of the thickener can suppress dishing of the copper-based metal embedded in at least one embedding member selected from the concave portion and the opening portion on the substrate.
【００４３】[0043]
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図２を参照
して詳細に説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A preferred embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to FIG.
【００４４】（実施例１）まず、コロイダルシリカ３．
６重量％、コロイダルアルミナ１．１重量％、２−キノ
リンカルボン酸（キナルジン酸）０．６重量％、乳酸
０．３５重量％、ドデシル硫酸アンモニウム１．８重量
％、過酸化水素３．９重量％、ヒドロキシエチルセルロ
ース０．５重量％および残部水からなる銅系金属研磨用
スラリーを調製した。Example 1 First, colloidal silica
6% by weight, colloidal alumina 1.1% by weight, 2-quinolinecarboxylic acid (quinaldic acid) 0.6% by weight, lactic acid 0.35% by weight, ammonium dodecyl sulfate 1.8% by weight, hydrogen peroxide 3.9% by weight , A slurry for polishing a copper-based metal, comprising 0.5% by weight of hydroxyethylcellulose and the balance water.
【００４５】次いで、図２の（Ａ）に示すように表面に
図示しないソース、ドレイン等の拡散層が形成されたシ
リコン基板２１上にＣＶＤ法により層間絶縁膜としての
例えば厚さ１０００ｎｍのＳｉＯ2 膜２２を堆積した
後、前記ＳｉＯ2 膜２２にフォトエッチング技術により
配線層に相当する形状を有する幅１００μｍ、深さ０．
８μｍの複数の溝２３を形成した。つづいて、図２の
（Ｂ）に示すように前記溝２３を含む前記ＳｉＯ2 膜２
２上にスパッタ蒸着により厚さ１５ｎｍのＴｉＮからな
るバリア層２４および厚さ１．６μｍのＣｕ膜２５をこ
の順序で形成した。Next, as shown in FIG. 2A, an SiO 2 film having a thickness of, for example, 1000 nm as an interlayer insulating film is formed on a silicon substrate 21 having a diffusion layer such as a source and a drain (not shown) formed on the surface thereof by CVD. After the film 22 is deposited, the SiO 2 film 22 has a width of 100 μm and a depth of 0.
A plurality of 8 μm grooves 23 were formed. Subsequently, as shown in FIG. 2B, the SiO 2 film 2 including the groove 23 is formed.
A barrier layer 24 made of TiN and having a thickness of 15 nm and a Cu film 25 having a thickness of 1.6 μm were formed in this order on the substrate 2 by sputtering.
【００４６】次いで、前述した図１に示すポリシング装
置を用いて基板ホルダ５に前記Ｃｕ膜２５が成膜された
シリコン基板２１をそのＣｕ膜２５が研磨パッド（ロー
デル社製商品名；ＩＣ１０００）２側に対向するように
逆さにして保持し、支持軸４により前記ウェハを研磨パ
ッド２に５００ｇｆ／ｃｍ2 の荷重を与え、さらに前記
ターンテーブル１およびホルダ５をそれぞれ１０３ｒｐ
ｍ、１００ｒｐｍの速度で同一方向に回転させながら、
前記研磨用スラリーを供給管３から５０ｍＬ／分の速度
で前記研磨パッド２に供給して前記溝２３を除く前記Ｓ
ｉＯ2膜２２表面が露出するまでＣｕ膜２５および前記
バリア層２４を研磨することにより図２の（Ｃ）に示す
ように周囲がバリア層２４で包まれた埋込みＣｕ配線層
２６を形成して半導体装置を製造した。Next, the silicon substrate 21 having the Cu film 25 formed on the substrate holder 5 is polished with a polishing pad (trade name: IC1000, manufactured by Rodel) 2 using the polishing apparatus shown in FIG. The wafer is held upside down so as to face the side, a load of 500 gf / cm 2 is applied to the polishing pad 2 by the support shaft 4 on the polishing pad 2, and the turntable 1 and the holder 5 are each set to 103 rpm.
m, while rotating in the same direction at a speed of 100 rpm,
The polishing slurry is supplied from the supply pipe 3 to the polishing pad 2 at a rate of 50 mL / min.
By polishing the Cu film 25 and the barrier layer 24 until the surface of the iO 2 film 22 is exposed, a buried Cu wiring layer 26 whose periphery is surrounded by the barrier layer 24 is formed as shown in FIG. A semiconductor device was manufactured.
【００４７】（比較例１）銅系金属研磨用スラリーとし
てコロイダルシリカ３．６重量％、コロイダルアルミナ
１．１重量％、２−キノリンカルボン酸（キナルジン
酸）０．６重量％、乳酸０．３５重量％、ドデシル硫酸
アンモニウム１．８重量％、過酸化水素３．９重量％お
よび残部水からなる組成ものを用いた以外、実施例１と
同様な方法によりＣｕ膜、バリア層を研磨してＣｕ埋込
み配線層を形成し、半導体装置を製造した。Comparative Example 1 As a slurry for polishing a copper-based metal, 3.6% by weight of colloidal silica, 1.1% by weight of colloidal alumina, 0.6% by weight of 2-quinolinecarboxylic acid (quinaldic acid), 0.35% of lactic acid % By weight, 1.8% by weight of ammonium dodecyl sulfate, 3.9% by weight of hydrogen peroxide and the balance water, except that the Cu film and the barrier layer were polished and embedded with the same method as in Example 1. A wiring layer was formed, and a semiconductor device was manufactured.
【００４８】実施例１および比較例１により形成された
Ｃｕ埋込み配線層のディシング量を測定した。その結
果、比較例１ではディシング量が１８０ｎｍであったの
に対し、実施例１ではディシング量が１３０ｎｍと減少
することが確認された。The dishing amount of the Cu-embedded wiring layers formed in Example 1 and Comparative Example 1 was measured. As a result, it was confirmed that the dicing amount was 180 nm in Comparative Example 1, whereas the dicing amount was reduced to 130 nm in Example 1.
【００４９】（実施例２）銅系金属研磨用スラリーとし
てθ−アルミナ２．２重量％、２−キノリンカルボン酸
（キナルジン酸）０．６重量％、乳酸０．３５重量％、
ドデシル硫酸アンモニウム１．８重量％、過酸化水素
３．９重量％、ヒドロキシエチルセルロース０．３重量
％および残部水からなる組成ものを用いた以外、実施例
１と同様な方法によりＣｕ膜、バリア層を研磨してＣｕ
埋込み配線層を形成し、半導体装置を製造した。Example 2 2.2% by weight of θ-alumina, 0.6% by weight of 2-quinolinecarboxylic acid (quinaldic acid), 0.35% by weight of lactic acid,
A Cu film and a barrier layer were formed in the same manner as in Example 1 except that a composition comprising 1.8% by weight of ammonium dodecyl sulfate, 3.9% by weight of hydrogen peroxide, 0.3% by weight of hydroxyethylcellulose and the balance water was used. Polishing Cu
A buried wiring layer was formed to manufacture a semiconductor device.
【００５０】（比較例２）銅系金属研磨用スラリーとし
てθ−アルミナ２．２重量％、２−キノリンカルボン酸
（キナルジン酸）０．６重量％、乳酸０．３５重量％、
ドデシル硫酸アンモニウム１．８重量％、過酸化水素
３．９重量％および残部水からなる組成ものを用いた以
外、実施例１と同様な方法によりＣｕ膜、バリア層を研
磨してＣｕ埋込み配線層を形成し、半導体装置を製造し
た。Comparative Example 2 2.2% by weight of θ-alumina, 0.6% by weight of 2-quinolinecarboxylic acid (quinaldic acid), 0.35% by weight of lactic acid,
A Cu film and a barrier layer were polished by the same method as in Example 1 except that a composition comprising 1.8% by weight of ammonium dodecyl sulfate, 3.9% by weight of hydrogen peroxide and the balance of water was used to form a Cu embedded wiring layer. Then, a semiconductor device was manufactured.
【００５１】実施例２および比較例２により形成された
Ｃｕ埋込み配線層のディシング量を測定した。その結
果、比較例２ではディシング量が１５０ｎｍであったの
に対し、実施例１ではディシング量が１００ｎｍと減少
することが確認された。The dishing amount of the Cu embedded wiring layers formed in Example 2 and Comparative Example 2 was measured. As a result, it was confirmed that the dicing amount was 150 nm in Comparative Example 2 whereas the dicing amount was 100 nm in Example 1.
【００５２】なお、前記実施例１，２では半導体装置の
埋込み配線層の形成に適用した例を説明したが、これに
限定されない。例えば半導体装置のビアフィルの形成ま
たは液晶表示装置の埋込み配線層やビアフィルの形成に
適用してもよい。In the first and second embodiments, an example is described in which the present invention is applied to the formation of a buried wiring layer of a semiconductor device. However, the present invention is not limited to this. For example, the present invention may be applied to formation of a via fill of a semiconductor device or formation of a buried wiring layer or a via fill of a liquid crystal display device.
【００５３】[0053]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば銅
系金属膜の研磨終了時におけるディシングの発生を抑制
することが可能な銅系金属研磨用スラリーを提供するこ
とができる。As described above, according to the present invention, it is possible to provide a copper-based metal polishing slurry capable of suppressing occurrence of dishing at the end of polishing of a copper-based metal film.
【００５４】本発明は、ディシングの発生を抑制した銅
系金属からなる埋込み配線層やビアフィルを形成するこ
とが可能で、半導体装置や液晶表示装置の配線形成工程
に有効に適用することができる銅系金属膜の研磨方法を
提供することができる。According to the present invention, it is possible to form a buried wiring layer or a via fill made of a copper-based metal in which occurrence of dishing is suppressed, and it is possible to effectively apply copper to a wiring forming step of a semiconductor device or a liquid crystal display device. A method for polishing a base metal film can be provided.
【図１】本発明の研磨方法に適用される研磨装置を示す
概略図。FIG. 1 is a schematic diagram showing a polishing apparatus applied to a polishing method of the present invention.
【図２】本発明の実施例１における半導体装置の製造工
程を示す断面図。FIG. 2 is a sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
１…ターンテーブル、 ２…研磨パッド、 ３…供給管、 ５…ホルダ ２１…シリコン基板、 ２２…ＳｉＯ2 膜、 ２３…溝、 ２６…Ｃｕ埋込み配線層。1 ... turntable 2 ... polishing pad, 3 ... supply pipe, 5 ... holder 21 ... silicon substrate, 22 ... SiO 2 film, 23 ... groove, 26 ... Cu buried wiring layer.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桜井 直明 神奈川県横浜市栄区笠間町1000番地１ 芝 浦メカトロニクス株式会社横浜事業所内 (72)発明者 小林 信雄 神奈川県横浜市栄区笠間町1000番地１ 芝 浦メカトロニクス株式会社横浜事業所内 (72)発明者 平林 英明 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株 式会社東芝生産技術センター内 (72)発明者 猪野 隆生 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株 式会社東芝生産技術センター内 (72)発明者 斎藤 晶子 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株 式会社東芝生産技術センター内 Ｆターム(参考） 3C058 AA07 CA01 CA04 CB01 CB03 DA02 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Naoaki Sakurai 1000-1, Kasama-cho, Sakae-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Shibaura Mechatronics Inc. Yokohama Office (72) Inventor Nobuo Kobayashi 1000-1, Kasama-cho, Sakae-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Shiba Ura Mechatronics Co., Ltd. Yokohama Office (72) Inventor Hideaki Hirabayashi 33 Shinisogocho, Isogo-ku, Yokohama, Kanagawa Prefecture Inside Toshiba Production Technology Center (72) Inventor Takao Ino 33 Shinisogocho, Isogo-ku, Yokohama, Kanagawa Prefecture Address: Toshiba Production Technology Center Co., Ltd. (72) Inventor: Akiko Saito 33, Shinisogo-cho, Isogo-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture F-term (reference) 3C058 AA07 CA01 CA04 CB01 CB03 DA02
Claims (4)
特徴とする銅系金属研磨用スラリー。1. A slurry for polishing a copper-based metal, comprising a polishing abrasive, a thickener and water.
つ銅よりも機械的に脆弱な銅錯体を生成する水溶性の有
機酸および酸化剤がさらに含有されることを特徴とする
請求項１記載の銅系金属研磨用スラリー。2. A water-soluble organic acid and an oxidizing agent which react with copper to form a copper complex which is substantially insoluble in water and which is more brittle than copper. The slurry for polishing a copper-based metal according to claim 1.
少なくとも１つの埋込み用部材を形成し、この埋込み用
部材を含む全面に銅系金属膜を形成する工程と、 前記基板の銅系金属膜を研磨パッド上で、それらの間に
少なくとも研磨砥粒、増粘剤および水を存在させた状態
にて研磨する工程とを具備したことを特徴とする銅系金
属膜の研磨方法。3. A step of forming at least one embedding member selected from a concave portion and an opening portion on a substrate, and forming a copper-based metal film on the entire surface including the embedding member; Polishing on a polishing pad in a state where at least polishing abrasive grains, a thickener and water are present between the polishing pad and the polishing pad.
銅と反応して水に実質的に不溶性で、かつ銅よりも機械
的に脆弱な銅錯体を生成する水溶性の有機酸および酸化
剤をさらに存在させることを特徴とする請求項３記載の
銅系金属膜の研磨方法。4. A water-soluble organic acid which reacts with copper between the copper-based metal film and the polishing pad to form a copper complex which is substantially insoluble in water and mechanically weaker than copper. 4. The method for polishing a copper-based metal film according to claim 3, further comprising an oxidizing agent.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6720250B2 (en) | 2001-11-30 | 2004-04-13 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Method of manufacturing a semiconductor device using a slurry for chemical mechanical polishing of copper |
| US8084363B2 (en) | 2001-10-31 | 2011-12-27 | Hitachi Chemical Co., Ltd. | Polishing slurry and polishing method |
| CN112259454A (en) * | 2019-07-22 | 2021-01-22 | 华邦电子股份有限公司 | Chemical mechanical polishing process |
-
2000
- 2000-03-27 JP JP2000087300A patent/JP2001269860A/en active Pending
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