JP3160545B2 - 埋め込み配線の形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、半導体集積回路装置の
製造工程等において、半導体基板や絶縁性基板等の基板
上に堆積された絶縁膜のスルーホール、コンタクトホー
ル又は凹状溝等の凹部に配線用金属を埋め込んでプラグ
や配線を形成する埋め込み配線形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、埋め込み配線を形成する方法とし
ては、基板上の絶縁膜にスルーホール、コンタクトホー
ル又は凹状溝等の凹部を形成した後、導電性材料を全面
に亘って堆積して導電膜を形成し、その後、凹部以外の
領域に堆積されている導電膜を化学機械研磨（ＣＭＰ）
法により除去することにより、絶縁膜の凹部にプラグや
配線を形成する方法が提案されている。尚、本件明細書
においては、基板上の絶縁膜に埋め込まれたプラグ及び
配線を埋め込み配線と総称する。

【０００３】以下、前記従来の埋め込み配線の形成方法
を、絶縁膜に形成されたスルーホールにプラグを形成す
る場合を例にとって図８（ａ）、（ｂ）を参照しながら
説明する。

【０００４】まず、図８（ａ）に示すように、半導体基
板１の上に絶縁膜としての例えば厚さ１μｍのシリコン
酸化膜（以下、単に酸化膜と称する。）２を堆積した
後、酸化膜２の所定領域に該酸化膜２を貫通する例えば
直径０．８μｍのスルーホール３をドライエッチング法
により形成する。次に、スルーホール３を含む酸化膜２
の上に全面に亘ってＰＶＤ法により、下層の導電膜とし
ての膜厚３０ｎｍのチタン膜４及び中間の導電膜層とし
ての膜厚１００ｎｍの窒化チタン膜５を順次堆積した
後、窒化チタン膜５の上に全面に亘ってＣＶＤ法により
上層の導電膜としての膜厚１μｍのタングステン膜６を
堆積する。これにより、３層構造の導電膜が堆積され
る。この場合、チタン膜４及び窒化チタン膜５は下地膜
を構成している。

【０００５】次に、研磨粒子としてアルミナを含むと共
に酸化剤として硝酸鉄、ヨウ素酸カリウム又は過酸化水
素を含む研磨剤を使用して化学機械研磨法を行なって、
図８（ｂ）に示すように、スルーホール３以外の領域に
堆積されているタングステン膜６、窒化チタン膜５及び
チタン膜４を除去することにより、スルーホール３以外
の領域の酸化膜２を完全に露出させて、スルーホール３
内にタングステンよりなるプラグ７を形成する。この場
合、前記の研磨剤を使用する場合、酸化膜２に対する研
磨速度は、タングステン膜６、窒化チタン膜５及びチタ
ン膜４に対する研磨速度に比べて小さいため、酸化膜２
が研磨のストッパーになるので、研磨の終点検出が可能
である。尚、タングステンよりなるプラグ７を形成する
場合に限らず、アルミニウムや銅等よりなるプラグや配
線を形成する場合には、アルミニウムや銅等の導電膜に
対する研磨速度が酸化膜に対する研磨速度に比べて大き
い研磨剤を用いるので、酸化膜はやはり研磨のストッパ
ーになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
３層の導電膜に対する研磨速度は、半導体基板を研磨パ
ッドに押圧する加圧力の基板面内におけるばらつき等に
起因して、基板面内において均一ではない。また、半導
体基板上の導電膜の膜厚もばらついているため、研磨時
に酸化膜よりなる絶縁膜が基板の全面において同時に露
出するのではなく、絶縁膜は或る領域では早く露出する
一方、他の領域では遅く露出する。つまり、或る領域で
は絶縁膜が露出しているが、他の領域では導電膜がまだ
残存していることがある。絶縁膜の上に導電膜が残存し
ていると、絶縁膜の上に形成されるアルミニウム等より
なる金属配線同士が短絡してしまう。

【０００７】従って、金属配線同士が短絡する事態を防
止するために、絶縁膜上の導電膜に対する研磨時間を十
分にとって導電膜を完全に除去する必要がある。

【０００８】ところが、前述したように、導電膜に対す
る研磨速度が絶縁膜に対する研磨速度よりも大きいため
に、プラグや配線等が多く形成されているパターン領域
の絶縁膜の表面に加わる研磨の圧力は、プラグや配線等
が殆ど形成されていない非パターン領域の絶縁膜の表面
に加わる研磨の圧力よりも大きくなる。このため、絶縁
膜におけるパターン領域においては、研磨速度が非パタ
ーン領域の研磨速度よりも大きくなるので、絶縁膜が研
磨のストッパーになり難い。従って、図８（ｂ）に示す
ように、パターン領域（図８における右側の領域）にお
いては、非パターン領域（図８における左側の領域）に
比べて、絶縁膜が大きく研磨されてしまう。このように
絶縁膜の表面が凹状になる現象を絶縁膜エロージョン
（Ｅｒｏｓｉｏｎ）という。

【０００９】絶縁膜エロージョンは、パターン領域にお
いてプラグや配線の占める面積の割合が大きくなればな
るほど顕著に現われ、絶縁膜におけるパターン領域の膜
厚は非パターン領域の膜厚に比べて小さくなる。また、
絶縁膜エロージョンの度合いは、パターン領域で絶縁膜
が露出してから研磨が続行される時間の長さに依存す
る。このため、導電膜に対する研磨速度が基板面内にお
いて均一でない場合には、絶縁膜に数１００ｎｍ程度の
膜厚差が発生することがある。

【００１０】前述のように、タングステンよりなるプラ
グ７を化学機械研磨法により形成する場合には、酸化膜
２の上に順次堆積されたチタン膜４、窒化チタン膜５及
びタングステン膜６を、研磨粒子としてアルミナを含む
と共に酸化剤として硝酸鉄、ヨウ素酸カリウム又は過酸
化水素を含む研磨剤を使用して酸化膜２を完全に露出さ
せているが、前記の研磨剤を用いて研磨すると、酸化膜
２例えばプラズマＴＥＯＳ膜に対する研磨速度はタング
ステン膜６に対する研磨速度の３分の１程度以下である
から、酸化膜２が研磨のストッパーの役割を果たす。

【００１１】これに対して、酸化膜２に対する研磨速度
とタングステン膜２に対する研磨速度とを同等にするこ
とも考慮されるが、このようにすると、研磨の終点検出
が困難になる。仮に定盤の回転トルクの変化等により終
点検出が可能であっても、酸化膜２に対する研磨速度が
大きいために酸化膜２が大きく研磨されてしまう可能性
がある。

【００１２】従って、研磨の終点検出を行なっても、酸
化膜に対する研磨速度が大きいために基板全面に亘って
酸化膜が大きく研磨されてしまうこと、及び研磨速度の
基板面内の不均一性により酸化膜の膜厚のばらつきが大
きくなることの２つの問題を避けるために、酸化膜に対
する研磨速度がタングステン膜に対する研磨速度よりも
十分に小さくなる方向で研磨剤の開発が行なわれている
ので、量産時においても、このような研磨速度の選択比
を持つ研磨剤が使用される可能性が高い。

【００１３】図９は、研磨粒子としてアルミナを含み、
酸化剤としてヨウ素酸カリウムを含む研磨剤を用いて化
学機械研磨を行なって、酸化膜にタングステンよりなる
プラグを形成した場合の酸化膜エロージョンの一例を示
しており、図１０は、研磨粒子としてアルミナを含み、
酸化剤として硝酸鉄を含む研磨剤を用いて化学機械研磨
を行なって、酸化膜にタングステンよりなるプラグを形
成した場合の酸化膜エロージョンの一例を示している。
尚、図９及び図１０において、ホールパターン領域とは
酸化膜の面積に対してタングステンよりなるプラグの占
める面積が１０％程度の領域を示しており、非パターン
領域とは酸化膜の面積に対してタングステンよりなるプ
ラグの占める面積が０％の領域を示している。

【００１４】図９及び図１０に示すように、ホールパタ
ーン領域において酸化膜エロージョンが発生している。
もっとも、図１０に示す場合には、図９に示す場合に比
べて、酸化膜エロージョンは小さいが、特異な現象つま
りホールパターン領域の周縁部において膜厚が極端に減
少する現象が生じている。これは、硝酸鉄の場合に用い
られるアルミナの粒子サイズが、他の酸化剤の場合のア
ルミナの粒子サイズに比べて小さいことに起因している
と考えられる。従って、図１０に示す場合にもホールパ
ターン領域の周縁部における酸化膜エロージョンが問題
になる。

【００１５】大きな酸化膜エロージョンが発生すると次
のような問題が発生する。すなわち、基板面内において
プラグ及び酸化膜の高さがばらつくために、配線容量又
は抵抗ばらつきが発生する。また、酸化膜エロージョン
が局所的に起きると、酸化膜上に堆積されるアルミニウ
ム等よりなる配線の断面積がエロージョン部分で減少し
て、抵抗の増大及び信頼性の低下が起きる。さらに、酸
化膜に配線が形成される場合には、配線の高さ（すなわ
ち断面積）が減少するので、配線抵抗の増大、信頼性の
低下及び抵抗ばらつきが起きる。

【００１６】また、パターン領域においては研磨速度が
相対的に大きい一方、非パターン領域においては研磨速
度が相対的に小さいために、パターン領域においてプラ
グや配線が露出してから後も、非パターン領域に残存す
る導電膜に対して研磨を続行しなければならないため、
パターン領域の酸化膜は長時間に亘って研磨剤に含まれ
るアルミナ粒子によって機械的に研磨されるので、研磨
時間の長さにも関係するが、パターン領域の酸化膜の表
面に直径数１０μｍ、深さ数１０〜数１００ｎｍ程度の
大きなキズ（マイクロスクラッチと称する。）が多数発
生してしまう。キズが発生した酸化膜の上にアルミニウ
ム等よりなる配線が形成されると、配線抵抗の増大及び
デバイスの信頼性の低下が起きる。

【００１７】そこで、研磨粒子としてシリカを含み、ｐ
Ｈ調整剤として水酸化カリウム等を含む研磨剤を用いて
酸化膜に対して若干の２次研磨を行なって、酸化膜の表
面を滑らかにする方法が提案されているが、キズが大き
い場合には若干の２次研磨ではキズを完全になくすこと
はできない。

【００１８】前記に鑑み、本発明は、絶縁膜エロージョ
ンを低減すると共に、絶縁膜の表面にキズができないよ
うにすることを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、絶縁膜にプラグや配線よりなる埋め込み
配線を形成する場合には、プラグや配線となる上層の導
電膜の材料と、下地膜となる下層の導電膜の材料とが異
なることを利用し、下層の導電膜に対する研磨速度が上
層の導電膜に対する研磨速度よりも遅くなるような研磨
剤を用いて第１の研磨工程を行なった後、下層の導電膜
に対する研磨速度が絶縁膜に対する研磨速度に比べて同
程度以上である研磨剤を用いて第２の研磨工程を行なう
ものである。すなわち、従来の１次研磨を第１の研磨工
程と第２の研磨工程とに分けて行なうものである。従っ
て、第２の研磨工程が終了した後に、従来と同様の２次
研磨を行なってもよい。

【００２０】本発明に係る埋め込み配線の形成方法は、
基板上に絶縁膜を堆積する絶縁膜堆積工程と、前記絶縁
膜におけるプラグ又は配線の形成領域に凹部を形成する
凹部形成工程と、前記絶縁膜の上における前記凹部を含
む領域に下層の導電膜を堆積する下層導電膜堆積工程
と、前記下層の導電膜の上における前記凹部を含む領域
にプラグ又は配線の主材料よりなる上層の導電膜を堆積
する上層導電膜堆積工程と、前記上層の導電膜に対し
て、前記下層の導電膜に対する研磨速度が前記上層の導
電膜に対する研磨速度よりも小さい研磨速度選択比を有
する第１の研磨剤を用いて、前記上層の導電膜が前記凹
部の領域を除いて除去される一方前記下層の導電膜が残
存するように化学機械研磨を行なう第１の研磨工程と、
前記下層の導電膜に対して、前記下層の導電膜に対する
研磨速度が前記絶縁膜に対する研磨速度に比べて同程度
以上である第２の研磨剤を用いて、前記下層の導電膜が
前記凹部の領域を除いて完全に除去される一方前記絶縁
膜が残存するように化学機械研磨を行なう第２の研磨工
程とを備えている。

【００２１】本発明に係る埋め込み配線の形成方法によ
ると、基板を研磨パッドに押圧する加圧力が基板面内に
おいてばらついていたり、上層の導電膜の膜厚がばらつ
いていたりするために、上層の導電膜に対する研磨時に
下層の導電膜が露出する部分と上層の導電膜が残存する
部分とが混在して、上層の導電膜及び下層の導電膜の合
計膜厚にばらつきが生じても、第１の研磨工程において
は、上層の導電膜に対する研磨速度が下層の導電膜に対
する研磨速度よりも大きい研磨速度選択比を持つ第１の
研磨剤を用いて研磨するので、露出した下層の導電膜に
対する研磨速度が遅くなる一方、残存する上層の導電膜
に対する研磨速度が速くなる。

【００２２】また、第２の研磨工程においては、下層の
導電膜に対する研磨速度が絶縁膜に対する研磨速度に比
べて同程度以上である研磨速度選択比を持つ第２の研磨
剤を用いて研磨するため、プラグや配線が多く形成され
ているパターン領域とプラグや配線が殆ど形成されてい
ない非パターン領域とがほぼ等しい研磨速度で研磨され
る。

【００２３】本発明に係る埋め込み配線の形成方法にお
いて、前記第１の研磨工程における前記第１の研磨剤
は、前記絶縁膜に対する研磨速度が前記上層の導電膜に
対する研磨速度の３分の１以下であるような研磨速度選
択比を有していることが好ましい。

【００２４】本発明に係る埋め込み配線の形成方法にお
いて、前記第１の研磨剤は、前記下層の導電膜に対する
研磨速度が前記上層の導電膜に対する研磨速度の２分の
１以下である研磨速度選択比を有していることが好まし
い。

【００２５】本発明に係る埋め込み配線の形成方法にお
いて、前記第２の研磨剤は、前記上層の導電膜に対する
研磨能力を有していることが好ましい。

【００２６】本発明に係る埋め込み配線の形成方法にお
いて、前記第２の研磨剤は、前記上層の導電膜に対する
研磨速度が前記絶縁膜に対する研磨速度の３倍以下であ
る研磨速度選択比を有していることが好ましい。

【００２７】本発明に係る埋め込み配線の形成方法にお
いて、前記第１の研磨工程は、前記上層の導電膜が前記
凹部の領域を除いて完全に除去されるまで化学機械研磨
を行なうことが好ましい。

【００２８】本発明に係る埋め込み配線の形成方法は、
前記下層導電膜堆積工程と前記上層導電膜堆積工程との
間に、前記下層の導電膜の上における前記凹部を含む領
域に中間層の導電膜を堆積する中間層導電膜堆積工程を
さらに備えており、前記第１の研磨工程は、前記中間層
の導電膜を前記凹部の領域を除いて除去する工程を含む
ことが好ましい。

【００２９】この場合、前記第２の研磨剤は、前記中間
層の導電膜に対する研磨速度が前記下層の導電膜に対す
る研磨速度よりも大きい研磨速度選択比を有しているこ
とがより好ましい。

【００３０】前記の場合、前記第１の研磨工程は、前記
中間層の導電膜が前記凹部の領域を除いて完全に除去さ
れるまで化学機械研磨を行なうことがより好ましい。

【００３１】本発明に係る埋め込み配線の形成方法にお
いて、前記下層の導電膜がチタン膜であると共に前記上
層の導電膜はタングステン膜であり、前記第１の研磨工
程における前記第１の研磨剤は、研磨粒子としてアルミ
ナ又はシリカを含むと共に酸化剤として硝酸鉄又はヨウ
素酸カリウムを含むことが好ましい。

【００３２】本発明に係る埋め込み配線の形成方法にお
いて、前記絶縁膜はシリコン酸化膜であると共に前記下
層の導電膜はチタン膜であり、前記第２の研磨工程にお
ける前記第２の研磨剤は、研磨粒子としてシリカを含む
と共にｐＨ調整剤として水酸化アンモニウム又は水酸化
カリウムを含むことが好ましい。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態に係る
埋め込み配線形成方法として、酸化膜よりなる絶縁膜に
タングステンよりなるプラグを形成する方法について図
１（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。

【００３４】（導電膜堆積工程）まず、図１（ａ）に示
すように、半導体基板１１の上に、例えばＣＶＤ法によ
り絶縁膜としての例えば厚さ１．２μｍの酸化膜１２を
堆積する。次に、酸化膜１２の上に、プラグ形成領域に
開口部を有するレジストパターンを形成した後、該レジ
ストパターンをマスクとして酸化膜１２に対してエッチ
ングを行なって、酸化膜１２に例えば直径０．５μｍの
スルーホール１３を形成し、その後、レジストを除去す
る。尚、スルーホール１３の代わりに、コンタクトホー
ルであってもよい。スルーホールとは、上層の配線と下
層の配線とを接続するためのホールを意味し、コンタク
トホールとは、配線と基板とを接続するためのホールを
意味する。

【００３５】次に、スルーホール１３を含む酸化膜１２
の上に全面に亘って、例えばＰＶＤ法により、下層の導
電膜としての膜厚３０ｎｍのチタン膜１４と、中間層の
導電膜としての膜厚１００ｎｍの窒化チタン膜１５とを
順次堆積する。その後、例えばＣＶＤ法により、全面に
亘って主プラグ材料であるタングステンよりなる上層の
導電膜としての膜厚６００ｎｍのタングステン膜１６を
堆積する。尚、窒化チタン膜１５は、タングステン膜１
６のタングステンと下層のアルミニウム配線のアルミニ
ウムとが相互に拡散すること（コンタクトホールの場合
には、タングステンと基板のシリコンとが相互に拡散す
ること）を防止するために堆積され、チタン膜１４は窒
化チタン膜１５の酸化膜１２に対する密着性を向上させ
るために堆積される。尚、コンタクトホールの場合に
は、密着性の向上のほかに、タングステンと基板との間
の接触抵抗を小さくする働きがある。すなわち、窒化チ
タン膜１５はバリア層としての機能を有し、チタン膜１
４は密着層としての機能を有している。

【００３６】（第１の研磨工程）次に、タングステン膜
１６及び窒化チタン膜１５に対して、タングステン膜１
６に対する研磨速度がチタン膜１４に対する研磨速度よ
りも大きい研磨剤を用いて第１の研磨工程を行なって、
図１（ｂ）に示すように、チタン膜１４を残存させると
共に、スルーホール１３の外部に堆積されているタング
ステン膜１６及び窒化チタン膜１５を除去する。尚、こ
の第１の研磨工程においては、タングステン膜１６及び
窒化チタン膜１５が多少残存してもよいし、酸化膜１２
が部分的に若干露出してもよい。

【００３７】タングステン膜１６に対する研磨速度がチ
タン膜１４に対する研磨速度よりも大きい研磨剤として
は、研磨粒子としてアルミナを含むと共に酸化剤として
硝酸鉄を含む研磨剤が挙げられる。このような研磨剤を
用いて第１の研磨工程を行なう場合、タングステン膜１
６に対する研磨速度と窒化チタン膜１５に対する研磨速
度とはほぼ等しいが、チタン膜１４に対する研磨速度は
タングステン膜１６に対する研磨速度の５分の１程度で
あるため、第１の研磨工程をチタン膜１４が残存する状
態で終了することが容易である。尚、ここで言う研磨速
度とは、パターンが形成されていない半導体基板の上に
全面に堆積された膜に対して研磨を行なう場合の速度で
ある。

【００３８】このような観点から、チタン膜１４のよう
な下層の導電膜に対する研磨速度が、タングステン膜１
６のような上層の導電膜に対する研磨速度よりも小さい
ことが好ましい。この場合、研磨速度比が２分の１程度
以下になるように、上層の導電膜及び下層の導電膜の材
料を選択したり又は研磨剤を選択したりすることがより
好ましい。

【００３９】尚、前記のように、上層の導電膜の下に、
中間層の導電膜及び下層の導電膜よりなる積層構造の下
地膜が堆積される場合においても、下層の導電膜に対す
る研磨速度が上層の導電膜に対する研磨速度よりも小さ
ければよい。

【００４０】前述したように、第１の研磨工程の終了時
において、酸化膜１２が若干露出してもよいが、酸化膜
エロージョンの回避という観点からは、酸化膜１２は全
く露出しない方が好ましい。もっとも、実際には、研磨
速度の基板面内の不均一性により、プラグホール以外の
タングステン膜１６つまり酸化膜１２の上に堆積された
タングステン膜１６を完全に除去しようとする場合、基
板に対する加圧力のばらつき又は導電膜の膜厚のばらつ
きに起因して酸化膜１２が露出してしまう可能性があ
る。前記の研磨剤によると、チタン膜１４に対する研磨
速度は、タングステン膜１６や窒化チタン膜１５に対す
る研磨速度の５分の１程度であるから、研磨速度の基板
面内における均一性が或る程度確保されれば、酸化膜１
２が露出しない状態で第１の研磨工程を終了することは
可能である。

【００４１】しかしながら、研磨速度の基板面内におけ
る均一性が悪い場合には、前記の研磨速度選択比では不
十分であり、酸化膜１２が露出してしまう可能性があ
る。従って、チタン膜１４が殆ど研磨されないような研
磨剤を用いる必要がある。但し、この場合には、酸化膜
１２は露出しないため、酸化膜１２に対する研磨速度は
考量する必要がない。

【００４２】ところで、酸化膜エロージョンは酸化膜１
２が露出してからの研磨時間にほぼ比例するため、酸化
膜１２が露出してからの研磨時間が短ければ酸化膜エロ
ージョンは小さくなる。従って、第１の研磨工程の終了
時において、酸化膜１２が若干露出しても差し支えな
い。

【００４３】尚、第１の研磨工程に用いる研磨剤に含ま
れる酸化剤としては、硝酸鉄に代えて、ヨウ素酸カリウ
ム又は過酸化水素等であってもよい。酸化剤としてヨウ
素酸カリウム又は過酸化水素を用いる場合には、チタン
膜１４に対する研磨速度のタングステン膜１６に対する
研磨速度比は硝酸鉄の場合の研磨速度選択比の２分の１
程度であるが、タングステン膜１６及び窒化チタン膜１
５を除去する一方、チタン膜１４を残存させる状態で第
１の研磨工程を終了することは可能である。

【００４４】また、第１の研磨工程に用いる研磨剤に含
まれる研磨粒子としては、アルミナに代えて、シリカ等
でもよい。

【００４５】第１の研磨工程の終了のタイミングは、研
磨時間の制御により行なってもよいが、チタン膜１４に
対する研磨速度が小さいので、定盤の回転トルクの変
化、研磨パッドの表面温度の変化又は半導体基板１１を
保持するキャリアーの振動の変化等を終点検出に用いる
ことが好ましい。このようにすると、チタン膜１４が残
存する状態で第１の研磨工程を確実に終了することがで
きる。

【００４６】（第２の研磨工程）次に、チタン膜１４に
対して、チタン膜１４に対する研磨速度が酸化膜１２に
対する研磨速度と同程度か又はそれ以上である研磨剤を
用いて第２の研磨工程を行なって、図１（ｃ）に示すよ
うに、タングステン膜１６よりなるプラグ１７を形成す
ると共に酸化膜１２を完全に露出させる。

【００４７】この場合、チタン膜１４に対する研磨速度
が酸化膜１２に対する研磨速度よりも小さいと、例え
ば、チタン膜１４に対する研磨速度が酸化膜１２に対す
る研磨速度の０．５倍程度未満であると、酸化膜１２の
上に残存しているチタン膜１４の膜厚ばらつきよりも大
きな酸化膜の膜厚ばらつきが発生するので好ましくな
い。

【００４８】また、チタン膜１４に対する研磨速度は、
酸化膜１２に対する研磨速度と同程度か又はそれ以上で
あると前述したが、チタン膜１４に対する研磨速度が酸
化膜１２に対する研磨速度よりもかなり大きくなると、
酸化膜１２が露出してから後、タングステンよりなるプ
ラグ１７の側面に堆積しているチタン膜１４に対する研
磨がどんどん進むので、酸化膜エロージョンが起きる。
従って、酸化膜エロージョンが大きくならないように、
チタン膜１４に対する研磨速度と酸化膜１２に対する研
磨速度との研磨速度比を選択することが好ましい。

【００４９】チタン膜１４に対する研磨速度と酸化膜１
２に対する研磨速度とが同程度となる研磨剤としては、
研磨粒子としてシリカを含むと共にｐＨ調整剤として水
酸化アンモニウムを含む研磨剤が挙げられる。

【００５０】尚、第２の研磨工程に用いる研磨剤に含ま
れる研磨粒子としては、シリカに代えてセリウムを用い
ることができ、ｐＨ調整剤としては、水酸化アンモニウ
ムに代えて水酸化カリウム等を用いることができる。ま
た、第２の研磨工程に用いる研磨剤としては、中性の研
磨剤又は有機アルカリを含む研磨剤等を用いることがで
きる。

【００５１】この第２の研磨工程においては、酸化膜１
２の上に残存している窒化チタン膜１５やチタン膜１４
の膜厚が小さいため、研磨の終点検出に払う注意が少な
くてもよいので、時間制御によって研磨を終了すること
ができる。もっとも、定盤の回転トルクの変化等から終
点検出を行なってもよい。

【００５２】尚、第１の研磨工程及び第２の研磨工程に
おいては、窒化チタン膜１５に対する研磨については特
に説明しなかったが、第１の研磨工程に用いる前記の研
磨剤は、窒化チタン膜１５に対する研磨速度とタングス
テン膜１６に対する研磨速度とがほぼ等しく、第２の研
磨工程に用いる前記の研磨剤は、窒化チタン膜１５に対
する研磨速度とチタン膜１４に対する研磨速度とがほぼ
等しいので、特に問題にならない。

【００５３】ところで、酸化膜を研磨のストッパーとす
るべく、酸化膜に対する研磨速度が、タングステン膜、
窒化チタン膜及びチタン膜に対する研磨速度よりも小さ
い研磨剤を用いると、酸化膜エロージョンが発生すると
いう点に鑑みて、タングステン膜１６、窒化チタン膜１
５、チタン膜１４及び酸化膜１２に対する研磨速度がほ
ぼ等しい研磨剤を用いて、１回の研磨工程のみによって
プラグ又は配線を形成する方法も考慮されるが、このよ
うにすると、次のような弊害が発生する。

【００５４】第１の弊害として、チタン膜１４に対する
研磨速度と酸化膜１２に対する研磨速度とがほぼ等しい
ため、研磨の終点検出が難しいので、酸化膜１２を大き
く研磨してしまう可能性がある。

【００５５】第２の弊害として、半導体基板１１を研磨
パッドに押圧する加圧力のばらつきに起因して、半導体
基板１１の面内において研磨速度が均一でない場合、研
磨速度の大きい部分では、酸化膜１２が大きく研磨され
てしまうので、酸化膜１２の膜厚のばらつきが大きくな
る。研磨速度の基板面内不均一性ＮＵ（Ｎｏｎ Ｕｎｉ
ｆｏｒｍｉｔｙ）は、最大研磨速度Ｍａｘ、最小研磨速
度Ｍｉｎ及び平均研磨速度Ａｖｅを用いると、以下の式
で表される。すなわち、 ＮＵ＝（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）／（２×Ａｖｅ） 以下、プラグ材料として厚さ６００ｎｍのタングステン
膜を用い、下地材料として厚さ１００ｎｍの窒化チタン
膜及び厚さ３０ｎｍのチタン膜を用い、絶縁膜として酸
化膜を用いる場合における、導電膜（タングステン、窒
化チタン及びチタン）の膜厚と研磨時間との関係につい
て、図２〜図６を参照しながら説明する。尚、図２〜図
４は従来例を示しており、図５及び図６は本発明の実施
例を示している。また、図２〜図６において、導電膜の
膜厚がマイナスの領域は、酸化膜１２に対する研磨の膜
厚を示している。

【００５６】図２は、酸化膜１２に対する研磨速度と導
電膜に対する研磨速度とが等しい場合における導電膜の
膜厚と研磨時間との関係を示しており、具体的には、タ
ングステン膜１６、窒化チタン膜１５、チタン膜１４及
び酸化膜１２に対する平均研磨速度Ａｖｅがすべて３０
０ｎｍ／ｍｉｎ、研磨速度の基板面内不均一性ＮＵが±
１５％であるの導電膜の膜厚と研磨時間との関係を示し
ている。この場合、最大研磨速度Ｍａｘは３３０ｎｍ／
ｍｉｎ、最小研磨速度Ｍｉｎは２７０ｎｍ／ｍｉｎとな
る。この条件で研磨を行なう場合、酸化膜１２に対する
研磨速度と導電膜に対する研磨速度とが等しいため、研
磨の終点（つまり、酸化膜１２の上に堆積されている導
電膜が除去されるタイミング）の検出が確実でないため
に、Ｍｉｎの箇所において酸化膜１２が露出してからさ
らに２０秒間程度の超過研磨を行なう。図２に示すよう
に、Ｍｉｎの箇所において酸化膜１２が露出してから２
０秒間の超過研磨を行なうと、Ｍａｘの箇所とＭｉｎの
箇所とにおける酸化膜１２の膜厚差は３００ｎｍ程度と
非常に大きくなる。また、酸化膜１２に対する研磨の膜
厚もＭａｘの箇所においては４００ｎｍ程度と非常に大
きくなってしまう。

【００５７】図３及び図４は、酸化膜１２が完全に露出
するまで研磨を行なう場合における導電膜の膜厚と研磨
時間との関係を示しており、図３は硝酸鉄系の研磨剤を
用いる場合であり、図４はヨウ素酸カリウム系の研磨剤
を用いる場合である。尚、酸化膜の研磨量域において
は、Ｍａｘの箇所ではパターン領域（すなわち、エロー
ジョン部）の酸化膜の研磨膜厚を示し、Ｍｉｎの箇所で
は非パターン領域の酸化膜の研磨膜厚を示している。

【００５８】具体的には、図３及び図４は、酸化膜１２
が研磨のストッパーとなるような、つまりタングステン
膜１６の研磨に一般的に用いられている、酸化剤として
硝酸鉄を含み、研磨粒子としてアルミナを含む研磨剤
（図３の場合）と、酸化剤としてヨウ素酸カリウムを含
み、研磨粒子としてアルミナを含む研磨剤（図４の場
合）との２種類の研磨剤を用いて、酸化膜１２が完全に
露出するまで研磨を行なう従来の研磨方法を示してい
る。尚、その他の研磨条件として、両研磨剤において、
研磨圧力３００ｇ／ｃｍ² 定盤回転数６０ｒｐｍ、不織
布よりなる研磨布を使用する。この条件下における、パ
ターンのない基板上に全面に堆積されたタングステン、
窒化チタン、チタン及び酸化膜（プラズマＴＥＯＳ膜）
の平均研磨速度Ａｖｅは、硝酸鉄系の研磨剤の場合に
は、それぞれ６６０ｎｍ／ｍｉｎ、５００ｎｍ／ｍｉ
ｎ、８０ｎｍ／ｍｉｎ及び１０ｎｍ／ｍｉｎ、ヨウ素酸
カリウム系の研磨剤の場合には、それぞれ、３００ｎｍ
／ｍｉｎ、３５０ｎｍ／ｍｉｎ、１２０ｎｍ／ｍｉｎ及
び２５ｎｍ／ｍｉｎであった。但し、チタンは下地の酸
化膜と反応してチタン酸化膜となっている可能性が高い
ため、実際のチタン膜１４に対する研磨速度はさらに小
さく、前述した値の１／２とする。また、研磨速度の基
板面内の不均一性ＮＵは±１５％とする。また、両研磨
剤において、チタン膜１４に対する研磨速度が小さいた
め、研磨の終点検出を行なったとしても、Ｍｉｎの箇所
において酸化膜１４が露出してから３０秒間程度の超過
研磨を行なってしまうとする。

【００５９】図３及び図４から、超過研磨時間の増大に
伴って、Ｍａｘの箇所とＭｉｎの箇所とにおける酸化膜
１２の膜厚差も増大し、３０秒間の超過研磨では、硝酸
鉄系の研磨剤の場合１００ｎｍ程度の膜厚差が生じ、ヨ
ウ素酸カリウム系の研磨剤の場合９０ｎｍ程度の膜厚差
が生じる。よって、酸化膜の膜厚差は十分に小さいとは
言えないが、導電膜に対する研磨速度と酸化膜に対する
研磨速度とが等しい場合（図２に示す場合）に比べれ
ば、かなり改善されていることが分かる。

【００６０】これに対して、本実施形態に係る研磨方法
の具体的な実施例として、前記の両研磨剤（すなわち、
図１において、タングステン膜１６に対する研磨速度が
チタン膜１４に対する研磨速度よりも大きいと共に、酸
化膜１２に対する研磨速度がタングステン膜１６に対す
る研磨速度よりも小さいような研磨剤）を用いて、Ｍｉ
ｎの箇所においてチタン膜１４が露出してから１０秒程
度後に第１の研磨を終了し、引き続いて、酸化膜１６の
研磨速度に対するタングステン膜１６の研磨速度の比が
第１の研磨の場合よりも小さく、また、チタン膜１４に
対する研磨速度が酸化膜１２に対する研磨速度と同程度
以上であるような研磨剤を使用して酸化膜１２が完全に
露出するまで第２の研磨を施す。チタン膜１４が露出し
てから１０秒程度後に第１の研磨を終了するのは、研磨
の終点検出が若干遅れるためである。第２の研磨で使用
する研磨剤は、ｐＨ調整剤として例えば水酸化アンモニ
ウムや水酸化カリウム、研磨粒子として例えばシリカを
含有し、この研磨剤と、第１の研磨時に使用した条件を
使用すると、チタン膜１４と酸化膜１２（プラズマＴＥ
ＯＳ膜）の平均研磨速度Ａｖｅは共に１００ｎｍ／ｍｉ
ｎ程度となり、また、タングステン膜１６は殆ど研磨さ
れないので、前記の条件に当てはまる。この研磨剤に
て、基板面内の研磨速度の不均一性ＮＵが±１５％であ
る状態で第２の研磨を時間制御により３０秒程度行な
う。但し、そのうちの１０秒間は超過研磨とする。超過
研磨時間を１０秒間（従来例では３０秒間）としたの
は、研磨速度が１００ｎｍ／ｍｉｎと大きいため、１０
秒間の超過研磨を行なえば、チタン膜１４は残存するこ
とがないためである。また、前述した研磨剤にて第２の
研磨を施すため、酸化膜１２の表面にはキズは殆ど発生
しない。

【００６１】図５及び図６は、本発明の一実施例の場合
における導電膜の膜厚と研磨時間との関係を示してお
り、図５は第１の研磨時に硝酸鉄系の研磨剤を使用する
場合であり、図６は第１の研磨時にヨウ素酸カリウム系
の研磨剤を使用する場合である。図５及び図６に示す場
合は、図３及び図４の場合と比較して、Ｍａｘの箇所と
Ｍｉｎの箇所とにおける酸化膜の膜厚差は減少している
ことが分かる。さらに、研磨時間も大幅に短縮している
ことが分かる。

【００６２】また、図５（第１の研磨時の研磨剤が硝酸
鉄系である場合）と図６（第１の研磨時の研磨剤がヨウ
素酸カリウム系）とを比較すると、硝酸鉄系の方がチタ
ン膜１４の研磨速度が小さいため、チタン膜１４内で膜
厚のばらつきが緩和され、Ｍａｘの箇所とＭｉｎの箇所
とにおける酸化膜の膜厚差が小さくなっていることが分
かる。

【００６３】以下、前記のような第１の研磨工程及び第
２の研磨工程を行なう、前記実施形態に係る埋め込み配
線の形成方法の効果について説明する。

【００６４】まず、半導体基板１１を研磨パッドに押圧
する加圧力が基板面内においてばらついていたり、タン
グステン膜１６の膜厚がばらついていたりするために、
タングステン膜１６に対する研磨時に、チタン膜１４が
露出する部分とタングステン膜１６が残存する部分とが
混在しても、第１の研磨工程においては、タングステン
膜１６に対する研磨速度がチタン膜１４に対する研磨速
度よりも大きい研磨剤を用いて研磨を行なうため、露出
したチタン膜１４に対する研磨が遅くなる一方、残存す
るタングステン膜１６に対する研磨が速くなるので、残
存するタングステン膜１６は速やかに除去される。

【００６５】また、第２の研磨工程においては、酸化膜
１２の研磨速度に対するタングステン膜１６の研磨速度
の比が第１の研磨時よりも小さく、またチタン膜１４の
研磨速度が酸化膜１２の研磨速度と同程度以上である研
磨剤を用いて研磨を行なうため、プラグや配線が多く形
成されているパターン領域とプラグや配線が殆ど形成さ
れていない非パターン領域とがほぼ等しい研磨速度で研
磨されるので、酸化膜エロージョンが発生し難い。

【００６６】また、第１の研磨工程において、基板に対
する加圧力のばらつきや導電膜の膜厚のばらつきに起因
して酸化膜１２が露出することがあり、露出した酸化膜
１２の表面にキズが発生する恐れはある。しかしなが
ら、第１の研磨工程は、チタン膜１４が露出したときに
研磨を終了するので、酸化膜１２に対する研磨時間は極
めて短いので、キズが発生してもキズは小さい。また、
第２の研磨工程においては、研磨粒子として例えばシリ
カやセリウムを含み、ｐＨ調整剤として例えば水酸化ア
ンモニウムや水酸化カリウム等を含む研磨剤を使用して
いるため、第１の研磨工程において酸化膜１２の表面に
発生した小さいキズを第２の研磨工程においてほぼ完全
になくすことができる。

【００６７】また、第２の研磨工程において、研磨粒子
としてシリカやセリウムを含み、ｐＨ調整剤として水酸
化アンモニウムや水酸化カリウム等を含む研磨剤を用い
るため、窒化チタン膜１５、チタン膜１４及び酸化膜１
２はほぼ同等の研磨速度で研磨されるが、タングステン
膜１６は殆ど研磨されないので、タングステンよりなる
プラグ１７の上部は酸化膜１２の表面から突出する。こ
のため、プラグ１７と該プラグ１７の上に形成される金
属配線との接触抵抗の減少が期待される。従来の研磨方
法においては、プラグ１７の上部を酸化膜１２の表面か
ら突出させるための条件は、タングステン膜１６に対す
る研磨速度と酸化膜１２に対する研磨速度との差のみに
よって実現可能であったが、本実施形態によると、タン
グステン膜１６に対する研磨速度と酸化膜１２に対する
研磨速度との差のほかに、タングステン膜１６に対する
研磨速度と、窒化チタン膜１５及びチタン膜１４に対す
る研磨速度との差によっても実現できる。

【００６８】さらに、第２の研磨工程において、研磨粒
子としてシリカやセリウムを含み、ｐＨ調整剤として水
酸化アンモニウムや水酸化カリウム等を含む研磨剤を用
いるため、第１の研磨工程の研磨剤に含まれているアル
ミナ粒子や鉄等の重金属が第２の研磨工程において研磨
面から除去される利点も有している。

【００６９】以下、前記の実施形態に対してより好まし
い研磨条件について説明する。

【００７０】第１の研磨工程に用いる研磨剤は、タング
ステン膜１６に対する研磨速度がチタン膜１４に対する
研磨速度よりも大きいと共に、タングステン膜１６に対
する研磨速度が酸化膜１２に対する研磨速度よりも大き
いことがより好ましい。

【００７１】このようにすると、半導体基板１１に対す
る加圧力やタングステン膜１６の膜厚が大きくばらつい
ているために、第１の研磨工程において、タングステン
膜１６が残存するにも拘わらず酸化膜１２が或る部分に
おいて露出することがあっても、残存するタングステン
膜１６が速やかに除去される。もっとも、チタン膜１４
の研磨速度が非常に小さいならば、第１の研磨工程にお
いて酸化膜１２が露出することがないので、この場合に
は酸化膜の研磨速度は考慮する必要はない。

【００７２】第２の研磨工程に用いる研磨剤として、チ
タン膜１４に対する研磨速度が酸化膜１２に対する研磨
速度と同等か又はそれ以上であると共に、タングステン
膜１６を研磨する能力を有していること、つまり、タン
グステン膜１６に対する研磨速度は、酸化膜１２に対す
る研磨速度の０．５倍以上であることがより好ましい。

【００７３】このようにすると、第１の研磨工程が終了
した時点でタングステン膜１６が残存しても、第２の研
磨工程において、残存するタングステン膜１６は速やか
に除去される。

【００７４】もっとも、タングステン膜１６に対する研
磨速度が酸化膜１２に対する研磨速度に比べて大き過ぎ
ると、酸化膜１２の上に残存する導電膜を完全に除去す
るべく酸化膜１２が露出してからも行なう研磨によっ
て、パターン領域の研磨が進み過ぎて酸化膜エロージョ
ンが発生してしまう恐れがある。従って、酸化膜１２に
対するタングステン膜１６の研磨速度比は、第１の研磨
時における酸化膜１２に対するタングステン膜１６の研
磨速度比よりも小さいことが好ましく、特に３倍以下で
あることが好ましい。以上の観点から、タングステン膜
１６に対する研磨速度は、酸化膜１２に対する研磨速度
の０．５倍以上で且つ３倍以下であることが好ましい。

【００７５】尚、第１の研磨工程においては、酸化膜１
２の上にタングステン膜１６が多少残存してもよいと説
明したが、第２の研磨工程に用いる研磨剤が、タングス
テン膜１６に対する研磨能力を殆ど有していない場合に
は、第１の研磨工程をタングステン膜１６が完全に除去
されるまで行なう必要がある。

【００７６】また、前記の実施形態においては、下層の
チタン膜１４及び中間層の窒化チタン膜１５よりなる下
地膜の上にタングステン膜１６を堆積してタングステン
よりなるプラグ１７を形成する場合であったが、プラグ
１７に代えて配線を形成する場合にも前記の研磨方法は
適用できる。酸化膜１２に配線を形成する場合には、酸
化膜エロージョンの問題のほかに、配線用溝の幅が大き
い場合、配線の中央部で配線の膜厚が減少するディッシ
ング現象が発生する恐れがあり、両方の問題によって、
配線の断面積が極めて小さくなって、配線抵抗の増大及
び信頼性の低下を引き起こしてしまう恐れがあるが、本
発明を適用すると、前記の両問題は解決する。

【００７７】また、前記の実施形態においては、主プラ
グ材料又は主配線材料としてタングステンを用いたが、
これに代えて、アルミニウム、アルミニウム合金又は銅
等を用いることができる。ここで言うアルミニウム合金
とは、アルミニウム・銅合金やアルミニウム・シリコン
・銅合金等である。

【００７８】また、前記の実施形態においては、中間層
の導電膜及び下層の導電膜を構成する材料としては、チ
タン、タングステン、タンタル若しくはモリブデン等の
金属材料、これらの金属材料の合金、これらの金属材料
にシリコンを添加した導電材料、又は、前記の金属材料
若しくは導電材料の窒化化合物や炭化化合物等が挙げら
れ、これらの各材料よりなる導電膜を単層又は積層で用
いることができる。もっとも、前記のすべての材料が、
前述した第１の研磨工程及び第２の研磨工程で用いた研
磨剤によって前記の研磨条件を実現できるとは限らない
が、その場合には、適宜の研磨剤及び研磨条件を設定す
る必要がある。

【００７９】また、前記の実施形態においては、下層の
導電膜に対する研磨速度が、プラグや配線の主材料（タ
ングステン、アルミニウム、アルミニウム合金、銅等）
よりなる上層の導電膜に対する研磨速度よりも小さいた
めに、下層の導電膜が露出し且つ絶縁膜が露出しない状
態で第１の研磨工程を終了することは容易であるが、研
磨速度の基板面内の不均一性が極めて大きい等の理由に
より、絶縁膜が露出してしまうことがある。このような
場合には、スルーホールや凹状溝等の凹部以外の領域に
堆積する下層の導電膜の膜厚を凹部に堆積する下層の導
電膜の膜厚に比べて大きくすることが好ましい。このよ
うにすると、絶縁膜を露出させることなく第１の研磨工
程を終了させることは可能である。

【００８０】もっとも、下層の導電膜がチタン膜である
場合には、チタン膜は通常スパッタ法により堆積するた
め、凹部以外の領域に堆積するチタン膜の膜厚を大きく
しようとすると、凹部の内部にもチタン膜が厚く堆積さ
れてしまうので、主プラグ材料又は主配線材料の凹部内
に占める割合が減少して、配線抵抗が増大する恐れがあ
る。そこで、凹部の内部に堆積されるチタン膜の膜厚を
大きくすることなく、凹部以外の領域に堆積されるチタ
ン膜の膜厚を大きくする方法を採用する必要がある。

【００８１】第１の方法としては、スパッタ時におい
て、基板とターゲットの距離を近くすると共にスパッタ
時間を長くすることにより、凹部内の側面チタン膜の膜
厚を大きくすることなく凹部以外の領域のチタン膜の膜
厚を大きくすることができる。もっとも、凹部内の底に
もチタン膜が厚く堆積する可能性があるので、溝の場合
は、深さを大きくする必要がある。ここでは、チタン膜
を例に説明したが、チタン膜と同程度の研磨速度を持
ち、スパッタ法により堆積可能な導電膜であればチタン
膜以外のものでもよい。

【００８２】第２の方法としては、凹部を有しない絶縁
膜の上に全面に亘ってチタン膜を堆積した後、チタン膜
の上に凹部と対応する部分に開口部を持つレジストパタ
ーンを形成し、該レジストパターンをマスクとしてチタ
ン膜及び酸化膜に対してエッチングを施すものである。
このようにすると、エッチングによって、凹部領域のチ
タン膜が除去されると共に酸化膜の凹部が形成される。
次に、レジストパターンを除去した後、チタン膜、中間
層及び上層の導電膜を堆積し、その後、前記の条件で第
１の研磨工程及び第２の研磨工程を行なう。ここでは、
チタン膜を例に説明したが、チタン膜と同程度の研磨速
度を持つ膜であれば他の種類の膜でもよく、レジストの
堆積の前に絶縁膜上に堆積する膜は凹部内から除去され
るため電流が流れなくてもよいので、絶縁性の膜でもよ
い。

【００８３】

【発明の効果】本発明に係る埋め込み配線の形成方法に
よると、基板に対する加圧力又は上層の導電膜の膜厚に
ばらつきがあっても、第１の研磨工程においては、露出
した下層の導電膜に対する研磨速度が遅くなる一方、残
存する上層の導電膜に対する研磨速度が速くなるため、
残存する上層の導電膜が速やかに除去されるので、上層
の導電膜及び下層の導電膜の合計膜厚のばらつきが減少
する。また、第２の研磨工程においては、プラグや配線
は第１の研磨時ほど大きく研磨されず、また、プラグや
配線が多く形成されているパターン領域とプラグや配線
が殆ど形成されていない非パターン領域とがほぼ等しい
研磨速度で研磨される。第１の研磨工程の終了後におけ
る導電膜の合計膜厚のばらつきが少ないと共に、第２の
研磨工程においては、プラグや配線は第１の研磨時ほど
大きく研磨されず、また、パターン領域と非パターン領
域とがほぼ等しい研磨速度で研磨されるので、絶縁膜に
エロージョンが発生し難く、基板面内に亘って絶縁膜の
膜厚のばらつきが小さくなる。

【００８４】従って、本発明に係る埋め込み配線の形成
方法によると、絶縁膜にエロージョンが発生し難いと共
に絶縁膜の膜厚のばらつきを小さくすることができるの
で、プラグを含めた配線抵抗や配線間容量はばらつくこ
とがない。

【００８５】本発明に係る埋め込み配線の形成方法にお
いて、第１の研磨剤が、絶縁膜に対する研磨速度が上層
の導電膜に対する研磨速度の３分の１以下である研磨速
度選択比を有していると、従来から用いられている研磨
剤を第１の研磨工程に用いても、第１の研磨工程は、上
層の導電膜が凹部の領域を除いて除去される一方下層の
導電膜が残存するように研磨が行なわれるので、絶縁膜
にエロージョンを発生させることなく、上層の導電膜及
び下層の導電膜の合計膜厚のばらつきを減少させること
ができる。また、仮に、絶縁膜が或る箇所において若干
露出したとしても、絶縁膜は殆ど研磨されることはな
い。

【００８６】本発明に係る埋め込み配線の形成方法にお
いて、第１の研磨剤が、下層の導電膜に対する研磨速度
が上層の導電膜に対する研磨速度の２分の１以下である
ような研磨速度選択比を有していると、下層の導電膜が
露出した時点で確実に第１の研磨工程を終了することが
できる。

【００８７】本発明に係る埋め込み配線の形成方法にお
いて、第２の研磨剤が上層の導電膜に対する研磨能力を
有していると、下層の導電膜が露出した時点で上層の導
電膜が残存していても、第２の研磨工程で残存している
上層の導電膜を除去することができる。

【００８８】本発明に係る埋め込み配線の形成方法にお
いて、第２の研磨剤が、上層の導電膜に対する研磨速度
が絶縁膜に対する研磨速度の３倍以下であるような研磨
速度の選択を有していると、絶縁膜上に残存する導電膜
を完全に除去するために絶縁膜が露出した後に研磨を継
続しても、凹部内に堆積されている上層の導電膜に対す
る研磨が進み過ぎないので、絶縁膜エロージョンが発生
し難い。

【００８９】本発明に係る埋め込み配線の形成方法にお
いて、第１の研磨工程において、上層の導電膜が凹部の
領域を除いて完全に除去されるまで研磨を行なうと、第
２の研磨剤が上層の導電膜に対する研磨能力を有してい
なくても、上層の導電膜が残存して膜厚にばらつきが生
じる事態を回避できる。

【００９０】本発明に係る埋め込み配線の形成方法が、
下層導電膜堆積工程と上層導電膜堆積工程との間に、下
層の導電膜の上における凹部を含む領域に中間層の導電
膜を堆積する中間層導電膜堆積工程を備えており、第１
の研磨工程が中間層の導電膜を凹部の領域を除いて除去
する工程を含むと、凹部内の上層の導電膜を構成する主
材料が拡散することを防止するべく中間の導電層を堆積
しても、下層の導電膜が露出した時点で第１の研磨工程
を終了することができる。

【００９１】この場合、第２の研磨剤が、中間層の導電
膜に対する研磨速度が下層の導電膜に対する研磨速度よ
りも大きいような研磨速度選択比を有していると、第１
の研磨工程において膜厚のばらつきが発生しても、第２
の工程において膜厚のばらつきを低減することができ
る。

【００９２】また、前記の場合、第１の研磨工程におい
て、中間層の導電膜が凹部の領域を除いて完全に除去さ
れるまで研磨を行なうと、第２の研磨剤が中間層の導電
膜に対する研磨能力を有していなくても、中間層の導電
膜が残存して膜厚にばらつきが生じる事態を回避でき
る。

【００９３】本発明に係る埋め込み配線の形成方法にお
いて、下層の導電膜がチタン膜であると共に上層の導電
膜はタングステン膜であり、第１の研磨剤が研磨粒子と
してアルミナを含むと共に酸化剤として硝酸鉄又はヨウ
素酸カリウムを含むと、第１の研磨工程において、下層
の導電膜に対する研磨速度が上層の導電膜に対する研磨
速度よりも小さいような研磨を確実に行なうことができ
る。

【００９４】本発明に係る埋め込み配線の形成方法にお
いて、絶縁膜はシリコン酸化膜であると共に下層の導電
膜はチタン膜であり、第２の研磨工程における第２の研
磨剤が研磨粒子としてシリカを含むと共にｐＨ調整剤と
して水酸化アンモニウム又は水酸化カリウムを含むと、
第２の研磨工程において、絶縁膜に対する研磨速度と下
層の導電膜に対する研磨速度とがほぼ等しいような研磨
を確実に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態に係る埋
め込み配線の形成方法の各工程を示す断面図である。

【図２】酸化膜に対する研磨速度と導電膜に対する研磨
速度とが等しい場合（従来例）における導電膜の膜厚と
研磨時間との関係を示す図である。

【図３】硝酸鉄系の研磨剤を用いて酸化膜が完全に露出
するまで研磨を行なう場合（従来例）における導電膜の
膜厚と研磨時間との関係を示す図である。

【図４】ヨウ素酸カリウム系の研磨剤を用いて酸化膜が
完全に露出するまで研磨を行なう場合（従来例）におけ
る導電膜の膜厚と研磨時間との関係を示す図である。

【図５】硝酸鉄系の研磨剤を用いて本発明の一実施例の
方法で研磨を行なう場合における導電膜と研磨時間との
関係を示す図である。

【図６】ヨウ素酸カリウム系の研磨剤を用いて本発明の
一実施例の方法で研磨を行なう場合における導電膜と研
磨時間との関係を示す図である。

【図７】前記一実施形態に係る埋め込み配線の形成方法
により形成した埋め込みプラグにおける、半導体基板上
の位置と酸化膜の膜厚との関係を示す特性図である。

【図８】（ａ）及び（ｂ）は従来の埋め込み配線の形成
方法の各工程を示す断面図である。

【図９】従来の埋め込み配線の形成方法において、ヨウ
素酸カリウムを含む研磨剤を用いて研磨したときの半導
体基板の位置と酸化膜の膜厚との関係を示す特性図であ
る。

【図１０】従来の埋め込み配線の形成方法において、硝
酸鉄を含む研磨剤を用いて研磨したときの半導体基板の
位置と酸化膜の膜厚との関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１１ 半導体基板 １２ 酸化膜 １３ スルーホール １４ チタン膜 １５ 窒化チタン膜 １６ タングステン膜 １７ プラグ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/768 Ｈ０１Ｌ 21/90 Ａ (56)参考文献 特開 平10−74764（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−288391（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−4972（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−307385（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−83780（ＪＰ，Ａ) 米国特許5380546（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3205 H01L 21/321 H01L 21/3213 H01L 21/768 H01L 21/28 - 21/288 H01L 21/44 - 21/445 H01L 29/40 - 29/51 H01L 29/872 H01L 21/304

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に絶縁膜を堆積する絶縁膜堆積工
   程と、 前記絶縁膜におけるプラグ又は配線が形成される領域に
   凹部を形成する凹部形成工程と、 前記絶縁膜の上における前記凹部を含む領域に金属材料
   の窒化化合物又は炭化化合物若しくは金属材料にシリコ
   ンを添加した導電材料の窒化化合物又は炭化化合物から
   なる下層の導電膜を堆積する下層導電膜堆積工程と、 前記下層の導電膜の上における前記凹部を含む領域にプ
   ラグ又は配線の主材料よりなる上層の導電膜を堆積する
   上層導電膜堆積工程と、 前記上層の導電膜に対して、前記下層の導電膜に対する
   研磨速度が前記上層の導電膜に対する研磨速度よりも小
   さい研磨速度選択比を有する第１の研磨剤を用いて、前
   記上層の導電膜が前記凹部の領域を除いて除去される一
   方前記下層の導電膜が露出するように化学機械研磨を行
   なう第１の研磨工程と、 前記露出した下層の導電膜に対して、前記下層の導電膜
   に対する研磨速度が前記絶縁膜に対する研磨速度に比べ
   て同程度以上である第２の研磨剤を用いて、前記下層の
   導電膜が前記凹部の領域を除いて完全に除去される一方
   前記絶縁膜が残存するように化学機械研磨を行なう第２
   の研磨工程とを備えていることを特徴とする埋め込み配
   線の形成方法。
2. 【請求項２】 基板上に絶縁膜を堆積する絶縁膜堆積工
   程と、 前記絶縁膜におけるプラグ又は配線が形成される領域に
   凹部を形成する凹部形成工程と、 前記絶縁膜の上における前記凹部を含む領域に下層の導
   電膜を堆積する下層導電膜堆積工程と、 前記下層の導電膜の上における前記凹部を含む領域にプ
   ラグ又は配線の主材料よりなる上層の導電膜を堆積する
   上層導電膜堆積工程と、 前記上層の導電膜に対して、前記下層の導電膜に対する
   研磨速度が前記上層の導電膜に対する研磨速度よりも小
   さい研磨速度選択比を有する第１の研磨剤を用いて、前
   記上層の導電膜が前記凹部の領域を除いて除去される一
   方前記下層の導電膜が露出するように化学機械研磨を行
   なう第１の研磨工程と、 前記下層の導電膜に対して、前記下層の導電膜に対する
   研磨速度が前記絶縁膜に対する研磨速度に比べて同程度
   以上である第２の研磨剤を用いて、前記下層の導電膜が
   前記凹部の領域を除いて完全に除去される一方前記絶縁
   膜が残存するように化学機械研磨を行なう第２の研磨工
   程とを備えていることを特徴とする埋め込み配線の形成
   方法であって、 前記第１の研磨剤は、前記絶縁膜に対する研磨速度が前
   記上層の導電膜に対する研磨速度の３分の１以下である
   ような研磨速度選択比を有していることを特徴とする埋
   め込み配線の形成方法。
3. 【請求項３】 前記第１の研磨剤は、前記下層の導電膜
   に対する研磨速度が前記上層の導電膜に対する研磨速度
   の２分の１以下である研磨速度選択比を有していること
   を特徴とする請求項１に記載の埋め込み配線の形成方
   法。
4. 【請求項４】 前記第２の研磨剤は、前記上層の導電膜
   に対する研磨能力を有していることを特徴とする請求項
   １に記載の埋め込み配線の形成方法。
5. 【請求項５】 前記第２の研磨剤は、前記上層の導電膜
   に対する研磨速度が前記絶縁膜に対する研磨速度の３倍
   以下である研磨速度選択比を有していることを特徴とす
   る請求項１に記載の埋め込み配線の形成方法。
6. 【請求項６】 前記第１の研磨工程は、前記上層の導電
   膜が前記凹部の領域を除いて完全に除去されるまで化学
   機械研磨を行なうことを特徴とする請求項１に記載の埋
   め込み配線の形成方法。
7. 【請求項７】 基板上に絶縁膜を堆積する絶縁膜堆積工
   程と、 前記絶縁膜におけるプラグ又は配線が形成される領域に
   凹部を形成する凹部形成工程と、 前記絶縁膜の上における前記凹部を含む領域に下層の導
   電膜を堆積する下層導電膜堆積工程と、 前記下層の導電膜の上における前記凹部を含む領域にプ
   ラグ又は配線の主材料よりなる上層の導電膜を堆積する
   上層導電膜堆積工程と、 前記上層の導電膜に対して、前記下層の導電膜に対する
   研磨速度が前記上層の導電膜に対する研磨速度よりも小
   さい研磨速度選択比を有する第１の研磨剤を用いて、前
   記上層の導電膜が前記凹部の領域を除いて除去される一
   方前記下層の導電膜が露出するように化学機械研磨を行
   なう第１の研磨工程と、 前記下層の導電膜に対して、前記下層の導電膜に対する
   研磨速度が前記絶縁膜に対する研磨速度に比べて同程度
   以上である第２の研磨剤を用いて、前記下層の導電膜が
   前記凹部の領域を除いて完全に除去される一方前記絶縁
   膜が残存するように化学機械研磨を行なう第２の研磨工
   程とを備えていることを特徴とする埋め込み配線の形成
   方法であって、 前記下層導電膜堆積工程と前記上層導電膜堆積工程との
   間に、前記下層の導電膜の上における前記凹部を含む領
   域に中間層の導電膜を堆積する中間層導電膜堆積工程を
   さらに備えており、 前記第１の研磨工程は、前記中間層の導電膜を前記凹部
   の領域を除いて除去する工程を含むことを特徴とする埋
   め込み配線の形成方法。
8. 【請求項８】 前記第２の研磨剤は、前記中間層の導電
   膜に対する研磨速度が前記下層の導電膜に対する研磨速
   度よりも大きい研磨速度選択比を有していることを特徴
   とする請求項７に記載の埋め込み配線の形成方法。
9. 【請求項９】 前記第１の研磨工程は、前記中間層の導
   電膜が前記凹部の領域を除いて完全に除去されるまで化
   学機械研磨を行なうことを特徴とする請求項７に記載の
   埋め込み配線の形成方法。
10. 【請求項１０】 基板上に絶縁膜を堆積する絶縁膜堆積
    工程と、 前記絶縁膜におけるプラグ又は配線が形成される領域に
    凹部を形成する凹部形成工程と、 前記絶縁膜の上における前記凹部を含む領域に下層の導
    電膜を堆積する下層導電膜堆積工程と、 前記下層の導電膜の上における前記凹部を含む領域にプ
    ラグ又は配線の主材料よりなる上層の導電膜を堆積する
    上層導電膜堆積工程と、 前記上層の導電膜に対して、前記下層の導電膜に対する
    研磨速度が前記上層の導電膜に対する研磨速度よりも小
    さい研磨速度選択比を有する第１の研磨剤を用いて、前
    記上層の導電膜が前記凹部の領域を除いて除去される一
    方前記下層の導電膜が露出するように化学機械研磨を行
    なう第１の研磨工程と、 前記下層の導電膜に対して、前記下層の導電膜に対する
    研磨速度が前記絶縁膜に対する研磨速度に比べて同程度
    以上である第２の研磨剤を用いて、前記下層の導電膜が
    前記凹部の領域を除いて完全に除去される一方前記絶縁
    膜が残存するように化学機械研磨を行なう第２の研磨工
    程とを備えていることを特徴とする埋め込み配線の形成
    方法であって、 前記下層の導電膜がチタン膜であると共に前記上層の導
    電膜はタングステン膜であり、 前記第１の研磨剤は、研磨粒子としてアルミナ又はシリ
    カを含むと共に酸化剤として硝酸鉄又はヨウ素酸カリウ
    ムを含むことを特徴とする埋め込み配線の形成方法。
11. 【請求項１１】 基板上に絶縁膜を堆積する絶縁膜堆積
    工程と、 前記絶縁膜におけるプラグ又は配線が形成される領域に
    凹部を形成する凹部形成工程と、 前記絶縁膜の上における前記凹部を含む領域に下層の導
    電膜を堆積する下層導 電膜堆積工程と、 前記下層の導電膜の上における前記凹部を含む領域にプ
    ラグ又は配線の主材料よりなる上層の導電膜を堆積する
    上層導電膜堆積工程と、 前記上層の導電膜に対して、前記下層の導電膜に対する
    研磨速度が前記上層の導電膜に対する研磨速度よりも小
    さい研磨速度選択比を有する第１の研磨剤を用いて、前
    記上層の導電膜が前記凹部の領域を除いて除去される一
    方前記下層の導電膜が露出するように化学機械研磨を行
    なう第１の研磨工程と、 前記下層の導電膜に対して、前記下層の導電膜に対する
    研磨速度が前記絶縁膜に対する研磨速度に比べて同程度
    以上である第２の研磨剤を用いて、前記下層の導電膜が
    前記凹部の領域を除いて完全に除去される一方前記絶縁
    膜が残存するように化学機械研磨を行なう第２の研磨工
    程とを備えていることを特徴とする埋め込み配線の形成
    方法であって、 前記絶縁膜はシリコン酸化膜であると共に前記下層の導
    電膜はチタン膜であり、 前記第２の研磨剤は、研磨粒子としてシリカを含むと共
    にｐＨ調整剤として水酸化アンモニウム又は水酸化カリ
    ウムを含むことを特徴とする埋め込み配線の形成方法。