JP2011014552A - 基板の研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】層間絶縁膜１０上にバリア層２０を介して金属層３０が設けられた基板の金属層３０を研磨するに際し、高い研磨速度と被研磨面の平坦性とを両立することが可能な基板の研磨方法を提供すること。
【解決手段】まず、酸化金属溶解剤、金属防食剤、酸化金属溶解調整剤及び水を含有する第１の液と、金属酸化剤を含有する第２の液と、を所定の割合で混合した第１の研磨液を用いて、バリア層２０が露出しないように金属層３０を研磨する。次に、第１の液と第２の液とを、第１の研磨液よりも第２の液の割合が大きくなるように混合した第２の研磨液を用いて金属層３０を研磨し、バリア層３０のうち層間絶縁膜１０の***部１２の上方に位置する部分を露出させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に半導体デバイスの配線工程において好適な基板の研磨方法に関する。

近年、半導体集積回路（ＬＳＩ）の高集積化、高性能化に伴って新たな微細加工技術が開発されている。化学機械研磨（ＣＭＰ）法もその一つであり、ＬＳＩ製造工程、特に多層配線形成工程における層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、埋め込み配線形成において頻繁に利用される技術である（例えば、下記特許文献１を参照。）。

近年、ＬＳＩを高性能化するために、配線材料として銅合金の利用が試みられている。しかし、銅合金は従来のアルミニウム合金配線の形成で頻繁に用いられたドライエッチング法による微細加工が困難である。そこで、あらかじめ溝部及び***部を形成してある絶縁膜上に銅合金薄膜を堆積して溝部に銅合金を埋め込み、次いで、***部上に堆積した銅合金薄膜（溝部以外の銅合金薄膜）をＣＭＰにより除去して埋め込み配線を形成する、いわゆるダマシン法が主に採用されている（例えば、下記特許文献２を参照。）。

金属のＣＭＰの一般的な方法は、円形の研磨定盤（プラテン）上に研磨パッドを貼り付け、研磨パッド表面を金属用研磨液で浸し、基体の金属膜を形成した面を押し付けて、その裏面から所定の圧力（研磨圧力或いは研磨荷重）を加えた状態で研磨定盤を回し、研磨液と金属膜の***部との機械的摩擦によって金属膜の***部を除去するものである。

ＣＭＰに用いられる金属用研磨液（以下、単に「研磨液」という。）は、一般には金属酸化剤及び固体砥粒を含有し、必要に応じてさらに酸化金属溶解剤、金属防食剤等が添加される。まず酸化によって金属膜表面を酸化し、その酸化層を固体砥粒によって削り取るのが基本的なメカニズムと考えられている。ここで、絶縁膜の溝部の金属表面の酸化層は研磨パッドにあまり触れず、固体砥粒による削り取りの効果が及ばないので、ＣＭＰの進行とともに主として***部上の金属層が除去されて基体表面が平坦化される（例えば、下記非特許文献１を参照。）。
米国特許第４９４４８３６号公報 特開平２−２７８８２２号公報 ジャ−ナル・オブ・エレクトロケミカルソサエティ、第１３８巻１１号（１９９１年発行）、３４６０〜３４６４頁

ＣＭＰによる埋め込み配線形成を行う場合には、ＣＭＰによる研磨速度を高める方法として酸化金属溶解剤を添加することが有効とされている。砥粒によって削り取られた金属 酸化物の粒の研磨液への溶解（以下、「エッチング」という。）が起こると砥粒による削り取りの効果が増すためであると解釈される。

しかし、酸化金属溶解剤の添加によりＣＭＰによる研磨速度を向上させる場合、溝部に埋め込まれた金属層の表面の酸化層もエッチングされて金属層表面が露出すると、金属酸化剤によって金属層表面がさらに酸化され、これが繰り返されると溝部に埋め込まれた金属層に対してもエッチングが進行してしまう。このため研磨後に埋め込まれた金属配線の表面中央部分が皿のように窪む現象（以下、「ディッシング」という。）が発生し、被研磨面の平坦化効果が損なわれる。一方、ディッシングが生じないように酸化金属溶解剤を減量すると、実用上十分な研磨速度が得られなくなる。

また、研磨定盤、ウエハを装着した研磨ヘッドのいずれかもしくは両方の回転数を上げるか、あるいはウエハに対する研磨荷重を上昇させることによっても研磨速度が向上するが、その反面十分な平坦化効果は得られない。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、層間絶縁膜上にバリア層を介して金属層が設けられた基板の該金属層を研磨するに際し、高い研磨速度と被研磨面の平坦性とを両立することが可能な基板の研磨方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、相互に隣接する***部と溝部とにより定められる段差部を一方面側に有する層間絶縁膜と、該層間絶縁膜の段差部を有する面に追従して設けられたバリア層と、該バリア層を被覆するように設けられた金属層と、を備える基板の研磨方法であって、
酸化金属溶解剤、金属防食剤、酸化金属溶解調整剤及び水を含有する第１の液と、金属酸化剤を含有する第２の液と、を所定の割合で混合して第１の研磨液を得、該第１の研磨液を用いてバリア層が露出しないように金属層を研磨する第１の工程と、
第１の液と第２の液とを、第１の研磨液よりも第２の液の割合が大きくなるように混合して第２の研磨液を得、該第２の研磨液を用いて第１の工程後の金属層を研磨し、バリア層のうち層間絶縁膜の***部の上方に位置する部分を露出させる第２の工程と、
を備えることを特徴とする研磨方法を提供する。

この研磨方法によれば、２つの化学機械研磨（ＣＭＰ）工程における研磨液として、酸化金属溶解剤、金属防食剤、酸化金属溶解調整剤及び水を含有する第１の液と、金属酸化剤を含有する第２の液との混合割合を変えて調製したものを用いることで、各研磨工程における研磨速度の向上効果とディッシングの抑制効果を制御することができ、その結果、全体としての高い研磨速度と最終的に得られる基板の被研磨面の平坦性とを両立することが可能となる。

また、本発明の研磨方法に使用される第１及び第２の研磨液は、上記の通り、第１の液及び第２の液という共通の原料液を混合して得られるものである。したがって本発明の研磨方法は、研磨液の調製工程の簡便化や原料コストの削減の観点からも有用である。

本発明の研磨方法においては、第１の研磨液中の金属酸化剤の含有割合が、第１の研磨液の全重量を基準として、０．５〜１５重量％であることが好ましい。他方、第２の研磨液中の金属酸化剤の含有割合は、第２の研磨液の全重量を基準として、１０〜２０重量％であることが好ましい。

また、第１の研磨液中の酸化金属溶解剤の含有割合は、第１の研磨液の全重量を基準として、０．００１〜１０重量％であることが好ましい。他方、第２の研磨液中の酸化金属溶解剤の含有割合は、第２の研磨液の全重量を基準として、０．００１〜１０重量％であることが好ましい。

また、本発明において用いられる金属酸化剤は、過酸化水素、硝酸、過ヨウ素酸カリウム、次亜塩素酸およびオゾン水から選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。

また、金属層は、銅、銅合金、銅の酸化物、銅合金の酸化物から選ばれる少なくとも１種を含有することが好ましい。

また、本発明の研磨方法に供される基板を準備するに際し、金属層はスパッタ法、めっき法などにより金属をバリア層上に堆積させることによって形成することができるが、このようにして形成された金属層は、層間絶縁膜の段差部に対応する段差部を有し得る。より詳しくは、層間絶縁膜の溝部の上方に金属が堆積することにより当該溝部に金属が埋め込まれるが、その一方で、金属は層間絶縁膜の***部の上方にも堆積する。そのため、金属層の被研磨面は実質的に層間絶縁膜の***部の上方に堆積した金属により構成され、金属層の層間絶縁層の溝部の上方の部分は被研磨面から窪んだ形状となる。このような基板を研磨する場合には、第１の工程において、金属層の段差部における研磨前後の段差が下記式（１）で表される条件を満たすように、金属層を研磨することが好ましい。なお、ここでいう「段差」とは、段差部における被研磨面からの深さを意味する。また、金属層が複数の段差部を有する場合にはＳ_１及びＳ_２はそれぞれ複数の段差部についての段差の平均値を意味する。また、金属層の段差部における研磨前の段差Ｓ_１を「初期段差」、研磨後の段差Ｓ_２を「残段差」と呼ぶこともある。
０≦Ｓ_２／Ｓ_１≦０．２ （１）
［式（１）中、Ｓ_１は金属層の段差部における研磨前の段差（単位：ｎｍ）を示し、Ｓ_２は金属層の段差部における研磨後の段差（単位：ｎｍ）を示す。］

また、第１の工程及び前記第２の工程のそれぞれにおいては、研磨定盤の研磨布に第１の研磨液又は第２の研磨液を供給しながら、金属層の被研磨面に研磨布を押圧した状態で、研磨定盤と基板とを相対的に動かすことによって金属層を研磨することが好ましい。

本発明の研磨方法によれば、層間絶縁膜上にバリア層を介して金属層が設けられた基板の該金属層を研磨するに際し、高い研磨速度と被研磨面の平坦性とを両立することが可能となる。

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

図１は本発明の研磨方法の好適な一実施形態を模式的に示す工程断面図である。まず、工程（ａ）では、研磨に供される基板１００が準備される。基板１００は、相互に隣接する***部１１と溝部１２とにより定められる段差部１３を面１４側に有する層間絶縁膜１０と、層間絶縁膜１０の段差部１３を有する面１４に追従して設けられたバリア層２０と、バリア層２０を被覆するように設けられた金属層３０と、を備える。なお、半導体デバイスの配線形成工程においては、通常、層間絶縁膜１０、バリア層２０及び金属層３０はシリコン基板等の基体上に形成されるが、図１では層間絶縁膜１０の下層の構造が省略されている。

層間絶縁膜１０としては、シリコン系皮膜や有機ポリマ膜などが挙げられる。シリコン系被膜としては、二酸化ケイ素、フルオロシリケートガラス、トリメチルシラン又はジメトキシジメチルシラン等を出発原料として得られるオルガノシリケートグラス、シリコンオキシナイトライド、水素化シルセスキオキサン等のシリカ系被膜、更にはシリコンカーバイド、シリコンナイトライドなどが挙げられる。また、有機ポリマ膜としては、例えば全芳香族系定誘電率層間絶縁膜が挙げられる。層間絶縁膜１０の形成には、ＣＶＤ法、スピンコート法、ディップコート法、スプレー法などを適用することができる。また、層間絶縁膜１０における段差部１３の形成には、フォトリソ法などを適用することができる。

バリア層２０は、金属層３０から層間絶縁膜１０中への金属の拡散を防止すると共に、層間絶縁膜１０と金属層３０との密着性を向上させる機能を有する。バリア層２０の構成材料としては、タンタル、窒化タンタル、タンタル合金及びその他のタンタル化合物、チタン、窒化チタン、チタン合金及びその他のチタン化合物、並びにタングステン、窒化タングステン、タングステン合金及びその他のタングステン化合物から選ばれる少なくとも１種であるのが好ましい。なお、図１にはバリア層２０が単層構造である場合の例を示したが、バリア層２０は２層以上の積層構造であってもよい。

金属層３０は、銅、銅合金、銅の酸化物、銅合金の酸化物、タングステン、タングステン合金、銀、金等の金属を主成分として構成される。これらの中でも、金属層３０の構成材料が銅、銅合金、銅の酸化物及び銅合金の酸化物から選ばれる少なくとも１種である場合に本発明の研磨方法は好適である。

金属層３０は、上記の金属をスパッタ法、めっき法によりバリア層２０上に堆積させることによって形成することができるが、このようにして形成された金属層３０は、層間絶縁膜１０の段差部１３に対応する段差部３１を有し得る。つまり、層間絶縁膜１０の溝部１１の上方に金属が堆積することにより溝部１１に金属が埋め込まれるが、その一方で、金属は層間絶縁膜１０の***部１２の上方にも堆積する。そのため、金属層３０の層間絶縁膜１０の***部１２の上方の部分３３が実質的に被研磨面を構成することになり、金属層３０の層間絶縁層１０の溝部１１の上方の部分３２は被研磨面から窪んだ形状となる。図１中の矢印Ｓ_１は、段差部３１における段差（初期段差）を示している。

上記のような構成を有する基板１００は、後述するように２段階の研磨工程（ｂ）、（ｃ）（第１の工程及び第２の工程）に供される。そして、第１の工程及び第２の工程においては、酸化金属溶解剤、金属防食剤、酸化金属溶解調整剤及び水を含有する第１の液、及び、金属酸化剤を含有する第２の液という共通の原料液を用いて２種類の研磨液が調製され、金属層３０の研磨に使用される。

第１の液に含まれる酸化金属溶解剤としては、１種類以上の酸及びアンモニウム塩が好適である。酸化金属溶解剤は水溶性のものであれば特に制限されないが、マロン酸、クエン酸、リンゴ酸、グリコール酸、グルタミン酸、グリコン酸、シュウ酸、酒石酸、ピコリン酸、ニコチン酸、マンデル酸、ピコリン酸、酢酸、硫酸、硝酸、燐酸、酢酸、塩酸、ギ酸、コハク酸、アジピン酸、グルタル酸、安息香酸、キナルジン酸、酪酸、吉草酸、乳酸、フタル酸、フマル酸、マレイン酸、アミノ酢酸、サリチル酸、グリセリン酸、ピメリン酸等が挙げられる。また、これら酸のアンモニウム塩及びこれらの有機酸エステル等が挙げられる。実用的なＣＭＰ速度を維持しつつ、エッチング速度を効果的に抑制できるという点で、２種以上の酸あるいはアンモニウム塩を併用することも有効である。

また、金属防食剤としては、トリアゾール骨格、ピリミジン骨格、イミダゾール骨格、グアニジン骨格、チアゾール骨格又はピラゾール骨格を有する化合物が好適である。研磨液における金属防食剤の含有割合を低くし、実用的なＣＭＰ速度とエッチング速度のバランスを維持しつつ、研磨摩擦を効果的に抑制できるという点で、２種以上の金属防食剤を併用することも有効である。

金属防食剤のうち、トリアゾール骨格を有する化合物としては、２−メルカプトベンゾチアゾ−ル、１，２，３−トリアゾ−ル、１，２，４−トリアゾ−ル、３−アミノ−１Ｈ−１，２，４−トリアゾ−ル、ベンゾトリアゾ−ル、１−ヒドロキシベンゾトリアゾ−ル、１−ジヒドロキシプロピルベンゾトリアゾ−ル、２，３−ジカルボキシプロピルベンゾトリアゾ−ル、４−ヒドロキシベンゾトリアゾ−ル、４−カルボキシル（−１Ｈ−）ベンゾトリアゾ−ル、４−カルボキシル（−１Ｈ−）ベンゾトリアゾ−ルメチルエステル、４−カルボキシル（−１Ｈ−）ベンゾトリアゾ−ルブチルエステル、４−カルボキシル（−１Ｈ−）ベンゾトリアゾ−ルオクチルエステル、５−ヘキシルベンゾトリアゾ−ル、［１，２，３−ベンゾトリアゾリル−１−メチル］［１，２，４−トリアゾリル−１−メチル］［２−エチルヘキシル］アミン、トリルトリアゾ−ル、ナフトトリアゾ−ル、ビス［（１−ベンゾトリアゾリル）メチル］ホスホン酸、３−アミノトリアゾール、５−メチルベンゾトリアゾール等を例示することができる。その中でも、ＣＭＰ速度とエッチング速度のバランスの点で、１，２，３−トリアゾ−ル、１，２，４−トリアゾ−ル、３−アミノ−１Ｈ−１，２，４−トリアゾ−ル、４−アミノ−４Ｈ−１，２，４−トリアゾ−ル、ベンゾトリアゾ−ル、１−ヒドロキシベンゾトリアゾ−ル、５−メチルベンゾトリアゾールがより好ましい。これら金属防食剤は１種類単独で、もしくは２種類以上混合して用いることができる。

また、イミダゾール骨格を有する化合物としては、２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、２−イソプロピルイミダゾール、２−プロピルイミダゾール、２−ブチルイミダゾール、４−メチルイミダゾール、２、４−ジメチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−ウンデシルイミダゾール、２−アミノイミダゾール等を例示することができる。これら金属防食剤は１種類単独で、もしくは２種類以上混合して用いることができる。

また、ピリミジン骨格を有する化合物としては、ピリミジン、１，２，４−トリアゾロ［１，５−ａ］ ピリミジン、１，３，４，６，７，８−ヘキサハイドロ−２Ｈ−ピリミド［１，２−ａ］ ピリミジン、１，３−ジフェニル−ピリミジン−２，４，６−トリオン、１，４，５，６−テトラハイドロピリミジン、２，４，５，６−テトラアミノピリミジンサルフェイト、２，４，５−トリハイドロキシピリミジン、２，４，６−トリアミノピリミジン、２，４，６−トリクロロピリミジン、２，４，６−トリメトキシピリミジン、２，４，６−トリフェニルピリミジン、２，４−ジアミノ−６−ヒドロキシルピリミジン、２，４−ジアミノピリミジン、２−アセトアミドピリミジン、２−アミノピリミジン、２−メチル−５，７−ジフェニル−（１，２，４）トリアゾロ（１，５−ａ）ピリミジン、２−メチルサルファニル−５，７−ジフェニル−（１，２，４）トリアゾロ（１，５−ａ）ピリミジン、２−メチルサルファニル−５，７−ジフェニル−４，７−ジヒドロ−（１，２，４）トリアゾロ（１，５−Ａ）ピリミジン、４−アミノピラゾロ［３，４，−ｄ］ピリミジン等が挙げられ、特に、ＣＭＰ速度とエッチング速度のバランスの点から４−アミノピラゾロ［３，４，−ｄ］ピリミジン、１，２，４−トリアゾロ［１，５−ａ］ピリミジン、２−メチル−５，７−ジフェニル−（１，２，４）トリアゾロ（１，５−ａ）ピリミジン、２−メチルサルファニル−５，７−ジフェニル−（１，２，４）トリアゾロ（１，５−ａ）ピリミジンが好ましい。これらは１種類単独で、もしくは２種類以上混合して用いることができる。

また、グアニジン骨格を有する化合物としては、１，３−ジフェニルグアニジン、１−メチル−３−ニトログアニジン等を例示することができる。これら金属防食剤は１種類単独で、もしくは２種類以上混合して用いることができる。

酸化金属溶解調整剤としては、例えばアルギン酸、ペクチン酸、カルボキシメチルセルロ−ス、寒天、カ−ドラン及びプルラン等の多糖類；ポリアスパラギン酸、ポリグルタミン酸、ポリリシン、ポリリンゴ酸、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸アンモニウム塩、ポリメタクリル酸ナトリウム塩、ポリアミド酸、ポリマレイン酸、ポリイタコン酸、ポリフマル酸、ポリ（ｐ−スチレンカルボン酸）、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、アミノポリアクリルアミド、ポリアクリル酸アンモニウム塩、ポリアクリル酸ナトリウム塩、ポリアミド酸、ポリアミド酸アンモニウム塩、ポリアミド酸ナトリウム塩及びポリグリオキシル酸等のポリカルボン酸及びその塩が挙げられる。さらに、ポリカルボン酸の塩としては、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、ハロゲン化物などが挙げられる。基板１００が半導体集積回路用シリコン基板などの場合はアルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン化物等による汚染は望ましくないため、ポリカルボン酸及びそのアンモニウム塩を用いることが望ましい。一方、基板１００がガラス基板等である場合はその限りではない。上記の酸化金属溶解調製剤の中でも、研磨速度、エッチング速度の点から、ペクチン酸、寒天、ポリリンゴ酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリル酸アンモニウム塩、ポリアクリルアミド、それらのエステル及びそれらのアンモニウム塩が好ましい。

また、第１の液に含まれる水としては、蒸留水、イオン交換水又は純水が好適である。

一方、第２の液に含まれる金属酸化剤としては、過酸化水素、過硫酸アンモニウム、硝酸第二鉄、硝酸、過ヨウ素酸カリウム、次亜塩素酸及びオゾン水等が挙げられ、中でも過酸化水素が好ましい。金属酸化剤は、１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。なお、基板１００が集積回路用素子を含むシリコン基板である場合には、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン化物などによる汚染は望ましくないので、不揮発成分を含まない金属酸化剤を用いることが好ましい。但し、オゾン水は組成の経時変化が大きいので、過酸化水素が最も適している。なお、基板１００が半導体素子を含まないガラス基板などである場合には不揮発成分を含む金属酸化剤を用いても差し支えない。

また、第２の液は、水を更に含有してもよい。

前段の研磨工程である工程（ｂ）では、上記の第１の液と第２の液を所定の割合で混合した第１の研磨液を用いて、金属層３０の研磨が行われる。研磨方法としては、例えば、研磨定盤の研磨布上に第１の研磨液を供給しながら、金属層３０の被研磨面を研磨布に押圧した状態で研磨定盤と基板を相対的に動かすことによって被研磨膜を研磨する方法が好適である。研磨装置としては、半導体基板を保持するホルダ（ヘッド）と研磨布（パッド）を貼り付けた（回転数が変更可能なモータ等を取り付けてある）定盤を有する一般的な研磨装置が使用できる。研磨布としては、一般的な不織布、発泡ポリウレタン、多孔質フッ素樹脂などが使用でき、特に制限がない。研磨条件には制限はないが、定盤の回転速度は基板が飛び出さないように２００ｒｐｍ以下の低回転が好ましい。被研磨膜を有する半導体基板の研磨布への押し付け圧力が１〜１００ｋPaであることが好ましく、研磨速度のウエハ面内均一性及び被研磨面の平坦性の観点から、５〜５０ｋPaであることがより好ましい。研磨している間、研磨布には第１の研磨液をポンプ等で連続的に供給する。この供給量に制限はないが、研磨布の表面が常に第１の研磨液で覆われていることが好ましい。研磨終了後の基板は、流水中でよく洗浄後、スピンドライ等を用いて半導体基板上に付着した水滴を払い落としてから乾燥させることが好ましい。

なお、第１の液と第２の液の混合方法は、これらの液が研磨前に混合されて第１の研磨液として用いられる限り特に制限されない。例えば、第１の液と第２の液とを予め混合し、混合液を研磨定盤に供給してもよく、あるいは、第１の液、第２の液をそれぞれ別々に供給し配管内で２液を混合してもよい。

第１の研磨液中の酸化金属溶解剤の含有割合は、第１の研磨液の全重量を基準として、０．００１〜１０重量％とすることが好ましく、０．０１〜１重量％とすることがより好ましく、０．０１〜０．５重量％とすることが特に好ましい。この含有割合が０．００１重量％未満になると研磨速度が低下する傾向にある。また、この含有割合が１０重量％を超えると、エッチング速度が大きくなり、金属配線の腐食が起こりやすくなる傾向にある。なお、金属防食剤の含有割合を高くすることでエッチング速度を抑えることができるが、その場合は研磨摩擦が増加する傾向がある。

また、第１の研磨液中の金属防食剤の含有割合は、第１の研磨液の全重量を基準として、０．００１〜２．０重量％とすることが好ましく、０．０１〜０．５重量％とすることがより好ましく、０．０２〜０．２重量％とすることが特に好ましい。この含有割合が０．００１重量％未満では、エッチングの抑制が困難となる傾向があり、２重量％を超えると実用上十分な研磨速度が得られない傾向にある。

また、第１の研磨液中の酸化金属溶解調整剤の含有割合は、第１の研磨液の全重量を基準として、０．００１〜１０重量％とすることが好ましく、０．０１〜５重量％とすることがより好ましく、０．１〜２重量％とすることが特に好ましい。この含有割合が０．００１重量％未満になると金属配線のディッシングが悪化し、研磨布上への被研磨物の蓄積が増加する傾向にある。また、この含有割合が１０重量％を超えると、エッチング速度が大きくなり、また研磨速度と被研磨面の平坦性の両立が難しくなる傾向にある。

また、第１の研磨液中の金属酸化剤の含有割合は、第１の研磨液の全重量を基準として、０．５〜１５重量％であることが好ましく、１．０〜１５重量％であることがより好ましく、３．０〜１３重量％であることが特に好ましい。金属酸化剤の含有割合が０．５重量％未満の場合又は１５重量％を超える場合には、研磨速度が低下する傾向にある。

また、第１の研磨液のｐＨは２〜５であることが好ましく、２．５〜４．５であることがより好ましく、３．０〜４．３であることが特に好ましい。ｐＨが２より小さいと、金属の腐食や表面あれ等の問題が発生し易く、それを低減するために防食剤の含有割合が高くなることにより研磨摩擦も大きくなり、配線不良が発生し易い。またｐＨが５よりも大きいと、金属の腐食作用が少ないので防食剤含有割合を低減することができるが、十分な研磨速度が得られにくい。本発明において、研磨液のｐＨは、ｐＨメータ（例えば、横河電機(株)製の Ｍｏｄｅｌ ｐＨ８１）を用いて測定した。より具体的には、標準緩衝液（フタル酸塩ｐＨ緩衝液ｐＨ：４．２１（２５℃）、中性りん酸塩ｐＨ緩衝液ｐＨ６．８６（２５℃））を用いて、２点校正した後、電極を研磨液に入れて、２分以上経過して安定した後の値を測定した。

第１の研磨液は、上述した材料のほかにアルミナ、シリカ、セリア等の固体砥粒、界面活性剤、ビクトリアピュアブルー等の染料、フタロシアニングリーン等の顔料等の着色剤などを更に含有してもよい。

砥粒としては、シリカ、アルミナ、ジルコニア、セリア、チタニア、炭化珪素等の無機物砥粒、ポリスチレン、ポリアクリル、ポリ塩化ビニル等の有機物砥粒のいずれでもよいが、研磨液中での分散安定性が良く、ＣＭＰにより発生する研磨傷（スクラッチ）の発生数の少ない、平均粒径が１００ｎｍ以下のコロイダルシリカ、コロイダルアルミナが好ましく、平均粒径が８０ｎｍ以下のコロイダルシリカ、コロイダルアルミナがより好ましく、平均粒径が６０ｎｍ以下のコロイダルシリカが最も好ましい。コロイダルシリカはシリコンアルコキシドの加水分解または珪酸ナトリウムのイオン交換による製造方法が知られており、コロイダルアルミナは硝酸アルミニウムの加水分解による製造方法が知られている。また、本発明において、砥粒の粒径は、光回折散乱式粒度分布計（例えば、ＣＯＵＬＴＥＲ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社製の ＣＯＵＬＴＥＲ Ｎ４ＳＤ）で測定した。また、粒子の凝集度は、透過型電子顕微鏡（例えば(株)日立製作所製のＨ−７１００ＦＡ）で測定した。Ｃｏｕｌｔｅｒの測定条件は、測定温度２０℃、溶媒屈折率１．３３３（水）、粒子屈折率Ｕｎｋｎｏｗｎ（設定）、溶媒粘度１．００５ｃｐ（水）、Ｒｕｎ Ｔｉｍｅ２００ｓｅｃ、レーザ入射角９０°、Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ（散乱強度、濁度に相当）が５Ｅ＋０４〜４Ｅ＋０５の範囲に入るように、４Ｅ＋０５よりも高い場合には水で希釈して測定した。

第１の研磨液中の砥粒の含有割合は、第１の研磨液の全重量を基準として、０．０１〜１０．０重量％が好ましく、０．０５〜２．０重量％がより好ましく、０．１〜１．０重量％が最も好ましい。砥粒の含有割合が０．０１重量％では、砥粒の添加による効果が得られない傾向にあり、また、１０．０重量％以上では、含有割合に見合う更なる効果の向上がみられない傾向にある。

工程（ｂ）は、第１の研磨液を用いてバリア層２０が露出しないように金属層３０を研磨する工程であり、工程（ｂ）で研磨を行った後の基板２００においては、段差部３１における段差（残段差）Ｓ_２は初期段差Ｓ_１よりも小さくなるものの、層間絶縁膜１０の***部１２の上方には依然として金属層３０が存在する。工程（ｂ）における研磨は、金属層３０の段差部３１における初期段差Ｓ_１及び残段差Ｓ_２が下記式（１）で表される条件を満たすように、金属層を研磨することが好ましい。
０≦Ｓ_２／Ｓ_１≦０．２ （１）
［式（１）中、Ｓ_１は金属層の段差部における研磨前の段差（単位：ｎｍ）を示し、Ｓ_２は金属層の段差部における研磨後の段差（単位：ｎｍ）を示す。］

続いて、工程（ｃ）では、第１の液と第２の液とを、第１の研磨液よりも第２の液の割合が大きくなるように混合した第２の研磨液を用いて研磨を行う。なお、工程（ｃ）における研磨方法、研磨装置、研磨布、研磨条件、並びに、第１の液と第２の液との混合方法は上記工程（ｂ）の場合と同様であるため、ここでは重複する説明を省略する。

第２の研磨液は第１の研磨液よりも第２の液の割合が大きくなるように混合して得られるものである。そのため、第２の研磨液においては、第１の研磨液と比較して、第１の液に由来する酸化金属溶解剤等の含有割合が小さくなり、第２の液に由来する金属酸化剤の割合が大きくなる。さらに、第２の研磨液における各成分の含有割合は、後述する条件を満たすことが好ましい。

第２の研磨液中の酸化金属溶解剤の含有割合は、第２の研磨液の全重量を基準として、０．００１〜１０重量％とすることが好ましく、０．０１〜１重量％とすることがより好ましく、０．０１〜０．５重量％とすることが特に好ましい。この含有割合が０．００１重量％未満になると研磨速度が低下する傾向にある。また、この含有割合が１０重量％を超えると、エッチング速度が大きくなり、金属配線の腐食が起こりやすくなる傾向にある。なお、金属防食剤の含有割合を高くすることでエッチング速度を抑えることができるが、その場合は研磨摩擦が増加する傾向がある。

また、第２の研磨液中の金属防食剤の含有割合は、第２の研磨液の全重量を基準として、０．００１〜２．０重量％とすることが好ましく、０．０１〜０．５重量％とすることがより好ましく、０．０２〜０．１５重量％とすることが特に好ましい。この含有割合が０．００１重量％未満では、エッチングの抑制が困難となる傾向があり、２重量％を超えると実用上十分な研磨速度が得られない傾向にある。

また、第２の研磨液中の酸化金属溶解調整剤の含有割合は、第２の研磨液の全重量を基準として、０．００１〜１０重量％とすることが好ましく、０．０１〜５重量％とすることがより好ましく、０．１〜２重量％とすることが特に好ましい。この含有割合が０．００１重量％未満になると金属配線のディッシングが悪化して被研磨面の平坦性が低下し、更には研磨布上への被研磨物の蓄積が増加する傾向にある。また、この含有割合が１０重量％を超えると、エッチング速度が大きくなり、また研磨速度と被研磨面の平坦性の両立が難しくなる傾向にある。

また、第２の研磨液中の金属酸化剤の含有割合は、第２の研磨液の全重量を基準として、０．５〜１５重量％であることが好ましく、１．０〜１５重量％であることがより好ましく、３．０〜１３重量％であることが特に好ましい。金属酸化剤の含有割合が０．５重量％未満の場合又は１５重量％を超える場合には、研磨速度が低下する傾向にある。

また、第２の研磨液のｐＨは２〜５であることが好ましく、２．５〜４．５であることがより好ましく、３．０〜４．３であることが特に好ましい。ｐＨが２より小さいと、金属の腐食や表面あれ等の問題が発生し易く、それを低減するために防食剤の含有割合が高くなることにより研磨摩擦も大きくなり、配線不良が発生し易い。またｐＨが５よりも大きいと、金属の腐食作用が少ないので防食剤の含有割合を低減することができるが、十分な研磨速度が得られにくい。

また、第２の研磨液は、第１の研磨液と同様に、固体砥粒、界面活性剤、着色剤などを更に含有してもよい。

工程（ｃ）は、工程（ｂ）に続いて、第２の研磨液を用いて金属層３０を研磨し、バリア層２０のうち層間絶縁膜１０の***部１２の上方に位置する部分を露出させるものであり、工程（ｃ）で研磨を行った後の基体３００においては、層間絶縁膜１０の溝部１１に金属層３０が埋め込まれ、***部１２の上方は層間絶縁膜１０を被覆するバリア層２０が露出した状態となる。

本実施形態に係る研磨方法によれば、２つのＣＭＰ工程（ｂ）、（ｃ）における研磨液として、酸化金属溶解剤、金属防食剤、酸化金属溶解調整剤及び水を含有する第１の液と、金属酸化剤を含有する第２の液との混合割合を変えて調製したものを用いることで、工程（ｂ）、（ｃ）のそれぞれにおける研磨速度の向上効果及びディッシングの抑制効果を制御することができ、その結果、全体の研磨速度を十分に高水準に維持しつつ、工程（ｃ）の後に得られる基板３００の被研磨面を十分に平坦化することができる。

また、工程（ｂ）に用いられる第１の研磨液及び工程（ｃ）に用いられる第２の研磨液は、上記の通り、第１の液及び第２の液という共通の原料液を混合して得られるものであり、当該研磨方法は研磨液の調製工程の簡便化や原料コストの削減の観点からも有用である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では工程（ｂ）、（ｃ）を連続的に行う場合の例を示したが、必要に応じて、工程（ｂ）と工程（ｃ）との間に被研磨面の洗浄工程や乾燥工程等を設けてもよい。さらに、工程（ｂ）と工程（ｃ）との間で、研磨定盤や研磨布の交換、加工荷重の変更、更にはそれらの作業のための装置の停止を行ってもよい。

以下、実施例及び比較例に基づき本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

［実施例１〜４、比較例１、２］
（研磨液の調製）
まず、ポリアクリル酸が１．２重量％、平均粒径３５ｎｍのコロイダルシリカ砥粒が０．４０重量％、酸化金属溶解剤としてリンゴ酸が０．２０重量％、コハク酸が０．２０重量％、金属防食剤としてベンゾトリアゾールが０．２０重量％、および純水が残部（すなわち合計が１００重量％）となるように、上記の成分を混合し、混合液のｐＨをアンモニアを用いて３．６に調整して、Ａ液（本発明に係る第１の液に相当する。）を得た。また、本発明に係る第２の液として、過酸化水素水（試薬特級、３０％水溶液）を用意した。次に、実施例１〜３及び比較例１〜２のそれぞれにおいて、Ａ液とＢ液とを表１に示す割合で混合し、２種類の研磨液を調製した。

（基板）
研磨に供する基板として、下記の基板１、２を用意した。
基板１（パターン無し８インチブランケットシリコン基板）：シリコン基板／層間絶縁膜（二酸化シリコン、平均膜厚３００ｎｍ）／バリア層（窒化タンタル、平均膜厚２５nm）／金属層（銅、平均膜厚１．５μｍ）
基板２（パターン付８インチシリコン基板）：深さ０．５μｍの溝が形成されたシリコン基板／層間絶縁膜（二酸化シリコン、平均膜厚３００ｎｍ）／バリア層（窒化タンタル、★平均膜厚２５nm）／金属層（銅、平均膜厚８５０ｎｍ）。

上記の基板２（パターン付８インチシリコン基板）は以下のようにして作製した。まず、シリコン基板上に層間絶縁膜として二酸化珪素（平均膜厚：５００ｎｍ）をＣＶＤ法により成膜した。この層間絶縁膜に、フォトリソ法により、幅１００μｍ、深さ５００ｎｍの溝部（配線金属部に対応）と幅１００μｍの***部（層間絶縁部に対応）が交互に並んだ段差部を形成した。次に、スパッタ法により、層間絶縁膜表面の段差部の形状に沿って、バリア層としての窒化タンタル膜（平均膜厚：２５ｎｍ）を形成した。さらに、めっき法により、窒化タンタル膜上の溝を全て埋めるように、金属層として銅膜（平均膜厚：８５０ｎｍ）を形成した。

（研磨速度及び被研磨面の評価）
上記の基板１、２のそれぞれについて、第１の研磨液を用いた研磨工程Ｉ及び第２の研磨液を用いた研磨工程ＩＩを実施した。研磨工程Ｉ、ＩＩにおいては、研磨定盤の研磨布に研磨液Ｉ又は研磨液ＩＩを供給しながら、金属層の被研磨面に研磨布を押圧した状態で、研磨定盤と基板とを相対的に動かすことによって金属層を研磨した。研磨工程Ｉ、ＩＩにおける研磨条件を以下に示す。また、研磨工程Ｉ、ＩＩにおいては、電気抵抗値から換算される研磨前後の金属層の膜厚と研磨時間とから研磨速度を求め、触針式段差計を用いて基板２の残段差を求めた。

また、研磨工程Ｉでは、***部１２のCu平均残膜厚が１８０〜２００ｎｍなるまで研磨を行い、研磨工程ＩＩでは、ウエハ全面で層間絶縁膜の***部１２上の窒化タンタルが露出するまで研磨を行った。実施例４においては、研磨工程Ｉ後に膜厚測定、および段差測定を行わずに、研磨工程Ｉ、ＩＩを連続して研磨した。

（研磨条件）
研磨パッド：ＩＣ１０１０（ロデ−ル社製）
研磨圧力：
研磨工程Ｉ：１４．０ｋＰａ
研磨工程ＩＩ：７．０ｋＰａ
研磨定盤回転数：９３ｒｐｍ
ウエハを装着したヘッド回転数：８７ｒｐｍ
研磨液供給量：２００ｍｌ／分

研磨液Ｉに比べて研磨液ＩＩの方がＢ液／A液の混合比が大きい実施例１〜３の場合、研磨工程Ｉでは良好な研磨速度を示し、一方、研磨工程ＩＩの後の基板の被研磨面は良好な平坦性を示した。研磨工程Ｉ、ＩＩを連続で研磨した実施例４においても、同様に良好な平坦性を示した。一方、研磨液Ｉ、ＩＩが同一組成を有する比較例１では、研磨工程Iにおいて研磨速度が低くなり、パターン基板の研磨時間が長くなった。また、研磨液Ｉに比べて研磨液ＩＩの方がＢ液／Ａ液の混合比が小さい比較例２の場合、研磨工程Ｉにおける研磨速度が低くなってパターン基板の研磨時間が長くなり、一方、研磨工程ＩＩでは平坦性が悪化した。

本発明の研磨方法の好適な一実施形態を模式的に示す工程断面図である。

符号の説明

１０…層間絶縁膜、１１…溝部、１２…***部、１３…段差部、１４…面、２０…バリア層、３０…金属層、３１…段差部、３２…溝部、３３…***部、１００、２００、３００…基板。

Claims (9)

1. 相互に隣接する***部と溝部とにより定められる段差部を一方面側に有する層間絶縁膜と、該層間絶縁膜の前記段差部を有する面に追従して設けられたバリア層と、該バリア層を被覆するように設けられた金属層と、を備える基板の研磨方法であって、
   酸化金属溶解剤、金属防食剤、酸化金属溶解調整剤及び水を含有する第１の液と、金属酸化剤を含有する第２の液と、を所定の割合で混合して第１の研磨液を得、該第１の研磨液を用いて前記バリア層が露出しないように前記金属層を研磨する第１の工程と、
   前記第１の液と前記第２の液とを、前記第１の研磨液よりも前記第２の液の割合が大きくなるように混合して第２の研磨液を得、該第２の研磨液を用いて前記第１の工程後の前記金属層を研磨し、前記バリア層のうち前記層間絶縁膜の前記***部の上方に位置する部分を露出させる第２の工程と、
   を備えることを特徴とする研磨方法。
2. 前記第１の研磨液中の前記金属酸化剤の含有割合が、前記第１の研磨液の全重量を基準として、０．５〜１５重量％であることを特徴とする、請求項１に記載の研磨方法。
3. 前記第２の研磨液中の前記金属酸化剤の含有割合が、前記第２の研磨液の全重量を基準として、１０〜２０重量％であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の研磨方法。
4. 前記第１の研磨液中の前記酸化金属溶解剤の含有割合が、前記第１の研磨液の全重量を基準として、０．００１〜１０重量％であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の研磨方法。
5. 前記第２の研磨液中の前記酸化金属溶解剤の含有割合が、前記第２の研磨液の全重量を基準として、０．００１〜１０重量％であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の研磨方法。
6. 前記金属酸化剤が過酸化水素、硝酸、過ヨウ素酸カリウム、次亜塩素酸およびオゾン水から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の研磨方法。
7. 前記金属層が銅、銅合金、銅の酸化物、銅合金の酸化物から選ばれる少なくとも１種を含有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の研磨方法。
8. 前記第１の工程前の前記金属層は前記層間絶縁膜の前記段差部に対応する段差部を有しており、前記第１の工程において、前記金属層の前記段差部における研磨前後の段差が下記式（１）で表される条件を満たすように、前記金属層を研磨することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の研磨方法。
   ０≦Ｓ_２／Ｓ_１≦０．２ （１）
   ［式（１）中、Ｓ_１は前記金属層の前記段差部における研磨前の段差（単位：ｎｍ）を示し、Ｓ_２は前記金属層の前記段差部における研磨後の段差（単位：ｎｍ）を示す。］
9. 前記第１の工程及び前記第２の工程のそれぞれにおいて、研磨定盤の研磨布に前記第１の研磨液又は前記第２の研磨液を供給しながら、前記金属層の被研磨面に前記研磨布を押圧した状態で、前記研磨定盤と前記基板とを相対的に動かすことによって前記金属層を研磨することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の研磨方法。

Images