JPH081899B2 - 半導体装置を平坦化する方法 - Google Patents

半導体装置を平坦化する方法

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JPH081899B2 JP4275904A JP27590492A JPH081899B2 JP H081899 B2 JPH081899 B2 JP H081899B2 JP 4275904 A JP4275904 A JP 4275904A JP 27590492 A JP27590492 A JP 27590492A JP H081899 B2 JPH081899 B2 JP H081899B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に高性能超大規模
集積回路（ＶＬＳＩ）半導体チップの製造に関し、詳細
には、ダイアモンドまたはダイアモンド状エッチ・スト
ップ材料と組み合わせた化学・機械研磨技術により、基
板上の表面構造（フィーチャ）および皮膜を平坦化する
方法に関するものである。上記の方法は、平坦化した多
段金属被覆半導体構造の製造に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】半導体チップは、その接点がトレースと
呼ばれる金属線のパターンで相互接続された、装置のア
レイから構成される。ＶＬＳＩチップでは、これらの金
属パターンは、多層構造を構成し、絶縁材料の層で分離
されている。金属線パターンの間の段間接続は、貫通穴
（バイア・ホールと呼ばれる）によって行われ、これら
はエッチングにより絶縁材料の層を貫通して形成され
る。代表的なチップの設計は、１つまたは２つの配線段
からなり、最新の技術では３つの配線段のものもある。
回路のコストおよび性能上の理由から、製造工程に対す
る要求がきびしくなり続けており、加工工程の追加が必
要になるとしても、補充の配線段を追加しても見合うよ
うになっている。しかし、バイア・ホールを使用する技
術は、現在広く使用されているが、多くの制限と欠点を
有し、金属皮膜層の数が増すにつれて、配線および段間
の位置合せが次第に困難になる。
【０００３】ＶＬＳＩ半導体装置の製造技術では、シリ
コン・ウェーハを、通常は全体をＳｉＯ2によりスパッ
タ・コーティングしたアルミニウムと銅の合金の回路ト
レースおよびパッドで金属被覆するが、これにより、表
面形状が不規則になる。装置を段間で精密に位置合せす
るには、回路トレースおよびパッドまたは絶縁を損傷せ
ずに、平滑な表面形状を得ることが必要である。
【０００４】エッチ・ストップおよび研磨スラリは、従
来技術で知られている。たとえば、米国特許第４６７１
８５２号明細書には、化学・機械研磨と、低圧化学蒸着
（ＬＰＣＶＤ）により７００℃でブランケット付着させ
たＳｉ3Ｎ4との組合せを使って、「バーズ・ヘッド」と
呼ばれる不必要なＳｉＯ2突起を除去することが記載さ
れている。同特許には、他の記述も含まれるが、研磨パ
ッドの選択が重要なこと、および研磨の成否が研磨溶液
の化学組成に依存することを記載した点で有用である。
【０００５】米国特許第４９４４８３６号明細書には、
Ｓｉ3Ｎ4エッチ・ストップ層と共に使用する新規の化学
・機械研磨スラリが記載されている。これまでに使用さ
れてきた水性アルミナ・スラリは、ＡｌＣｕとＳｉＯ2
のエッチング速度の比の点で不十分なことが分かってい
る。
【０００６】半導体構造のすべてが７００℃もの高温で
の処理に適するとはいえない。たとえば、回路を実装し
たウェーハ上の多段相互接続段では、金属が下層のデバ
イスに拡散することを防止するため、すべての処理を約
４００℃以下に維持することが必要である。相互接続を
加工するのに適した温度、すなわち約３２５℃で付着さ
せた窒化シリコンは、このような「バックエンド・オブ
・ザ・ライン（ＢＥＯＬ）」処理でエッチ・ストップと
して有効に機能するには硬度が十分ではないことが分か
っている。酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）は、ＳｉＯ2
より硬度が高く、ＳｉＯ2より研磨速度が高いことが分
かっているが、研磨材との化学反応のため、エッチ・ス
トップ材料としては有効ではない。
【０００７】ダイアモンドおよび無定形の水素化ダイア
モンド状炭素（ＤＬＣ）の、高周波および直流スパッタ
リング、高温フィラメントＣＶＤ、電子支援ＣＶＤ、熱
ＣＶＤ、プラズマ強化ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）が報告され
ている。沢辺（Sawabe）他は、Thin Solid Films, Vol.
137, p.89〜99で、炭素皮膜の化学蒸着について、平面
間の間隔が反射高エネルギー電子回析（ＲＨＥＥＤ）で
測定した立方晶形ダイアモンドの値と良く一致すると報
告している。この筆者等はまた、その皮膜の硬度、熱伝
導率、および電気抵抗率も、天然のダイアモンドとほぼ
同じであると報じている。日本応用物理学会誌 (Japane
se Journal of Applied Physics), Part2, No.6, p.519
〜521で、広瀬他は、ＲＨＥＥＤ測定値、ラマン・スペ
クトル、ビッカース硬さ、および比重の測定値がダイア
モンド皮膜であることを示している皮膜について報告し
ている。
【０００８】しかし、従来の技術では、ダイアモンドま
たはダイアモンド状炭素皮膜を化学・機械研磨のエッチ
・ストップとして使用することも、様々な温度でこのよ
うな皮膜のＣＶＤを行ない、ＢＥＯＬ処理に適した特性
を持たせることも報告されていない。硬質の炭素皮膜は
知られているが、エッチ・ストップとしては使用されて
いない。また、このようなダイアモンドまたはダイアモ
ンド状炭素皮膜のＢＥＯＬ処理への適合性についても知
られていない。
【０００９】化学・機械研磨は、金属被覆されたウェー
ハ上のＳｉＯ2層のコーティングを、化学的に溶解し、
機械的に摩耗させるものである。研磨材はアルカリ性の
シリカ・スラリである。どのエッチ・ストップも、アル
カリ性スラリ中で、ＳｉＯ2、ＳｉＯ2の結晶である石
英、または金属被覆したウェーハ上にコーティングされ
る他のどんな材料よりも、研磨される速度が遅いことが
重要である。ダイアモンド、グラファイト、および無定
形炭素は、水、酸およびアルカリに不溶性であり、Ｓｉ
Ｏ2および石英より硬度が高く、ＤＬＣ層の硬度は約３
０００〜９０００ｋｇ／ｍｍ2である。エッチ・ストッ
プは、研磨工程の終点を決定する。ダイアモンドおよび
ＤＬＣは、ＳｉＯ2よりはるかに硬度が高いため、研磨
工程での終点の検出が制御可能となる。ダイアモンドお
よびＤＬＣがＳｉＯ2より硬度が高く、かつダイアモン
ドおよびＤＬＣが化学的に不活性なために、ＳｉＯ2と
ダイアモンドのエッチ速度の比は約１９：１ないし約３
１１：１となる。この比の範囲は、特にＢＥＯＬ工程で
のフィーチャ段の高さにとって有用である。ＤＬＣは、
Ｓｉ、ＳｉＯ2、炭化物を形成する金属等、ほとんどの
表面によく接着する。
【００１０】平坦化により、次のレベルの金属回路配線
およびパッドの形成のための後続のリソグラフィ工程制
御を改善することができる。さらに、金属配線が段のあ
る表面構造上に設けられた時に生ずる配線の亀裂を防ぐ
ことができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、表面
が平坦な半導体装置を提供することにある。
【００１２】本発明の他の目的は、段間が平坦なＶＬＳ
Ｉ装置を提供することにある。
【００１３】本発明の他の目的は、操作ごとにＳｉＯ2
除去の速度が予測できる技術および材料を使用した、化
学・機械エッチング／研磨により、半導体装置の表面を
平坦にすることにある。
【００１４】本発明の他の目的は、絶縁体の厚みの均一
性を損なわずに、装置表面のすべての高い所を平坦にす
ることにある。
【００１５】本発明の他の目的は、ＢＥＯＬ処理に適合
する条件で、エッチ・ストップ材料を提供することにあ
る。
【００１６】本発明の他の目的は、ＳｉＯ2より硬度が
高く、相対的に化学・機械研磨スラリに対する耐性の高
いエッチ・ストップ材料を提供することにある。
【００１７】本発明の他の目的は、エッチング後の平坦
化された装置を、使用後のエッチ・ストップ材料の痕跡
を非破壊で除去することを含めて、完全に清浄にするこ
とにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】これらおよび他の目的
は、本発明によれば、表面フィーチャを有し、全体を絶
縁材料の第１の層でコーティングした基板を設ける工程
と、絶縁材料層の上に、エッチ・ストップとしてダイア
モンドまたはダイアモンド状炭素（ＤＬＣ）の第２の層
を付着させる工程と、第１の層が第２の層より後で研磨
され、研磨終了時に残った絶縁材料の厚みが分かり、実
質的に平坦な、すなわち粗面度が５００Å未満となるよ
うに、スラリ中で所定の時間、研磨パッドを使用して化
学・機械研磨を行う工程と、ダイアモンドまたは炭素を
含有する残渣を除去する工程とを含む方法によって達成
される。
【００１９】本発明の一実施例では、Ａｌ−Ｃｕ等のア
ルミニウムを主体とする合金の導体トレースおよびパッ
ドを配設した半導体基板を、パッドその他の表面フィー
チャを含めて基板表面全体がガラスの層でコーティング
されるように、厚みが約１μｍの、ドーピングしたまた
はドーピングしないＳｉＯ2等のガラスでスパッタ・コ
ーティングする。ＣＶＤダイアモンドまたはＤＬＣの層
を、全体に非破壊温度で付着させ、平坦性が得られるの
に十分な時間、化学・機械研磨を行う。従来の技術によ
る方法で、ただし低温で、炭化水素前駆体等の炭素含有
材料、たとえば、メタン、エタン、エチレン、アセチレ
ン、アルコール、またはこれらの混合物の、熱、電気ま
たは触媒によるフラグメンテーションによってダイアモ
ンドまたはＤＬＣ皮膜を付着させる。残留炭素は、反応
性イオン・エッチング（ＲＩＥ）などにより除去する。
平坦化した装置は、ただちに次の加工を行える状態にあ
り、追加の装置を作成して、多段金属・半導体構造を形
成することができる。
【００２０】
【実施例】図１に示す金属線の上にバイアス・スパッタ
リングした石英（ＢＳＱ）の３．０μｍの被膜を有する
ウェーハを、図２に示すように、約７５〜２００℃でＣ
ＶＤにより炭化水素前駆体から付着させたＢＳＱの表面
形状に倣う表面形状の（コンフォーマルな）ダイアモン
ド状炭素（ＤＬＣ）でコーティングした。平坦研磨に必
要な最適ＤＬＣ厚みを決定するため、付着物は、厚み７
５０Åおよび１０００Åの皮膜に分割した。研磨前に皮
膜の厚みを測定した金属パッド上の表面凹凸は１．２μ
ｍであった。
【００２１】ウェーハは、標準の酸化物平坦化工程で、
すなわち水とコロイド状シリカの比が８：１のスラリを
用いて、圧力１ｋｇ／ｃｍ2、軸およびテーブルの回転
速度４０rpmで研磨した。異なる２種の研磨パッド、す
なわちローデル社（Rodel Inc.、米国デラウェア州ニュ
ーアーク）製の硬質パッドＩＣ−６０および軟質パッド
ＩＣ−４０（ショアＣ硬さはそれぞれ７０および５５）
の評価を行った。研磨後のＳｉＯ2の厚みを測定して終
点を決定した。研磨圧力は約０．１４〜０．７ｋｇ／ｃ
ｍ2の範囲であり、好ましい条件は低めの範囲であっ
た。
【００２２】ＤＬＣ使用の利点は、軟質のパッドを使用
したときに得られる。ＤＬＣ皮膜を被覆しないで軟質パ
ッドを用いて研磨すると、ウェーハ全体のＳｉＯ2の厚
みの不均一性が少なくなる。これは、軟質のパッドのほ
うがコンフォーマルであり、ウェーハ上の高い区域から
も低い区域からも、均一にＢＳＱを除去するためである
と推測される。しかしながら、ＤＬＣ皮膜を被覆する
と、低い区域のＤＬＣは、高い区域のＤＬＣが研磨除去
されて表面が平坦になるまで、ＢＳＱが研磨されるのを
防止する。固めのパッドを使用して処理したときは、Ｄ
ＬＣ皮膜を使用しても使用しなくても、厚みの均一性す
なわち平坦性に違いは認められなかった。高い表面凹凸
フィーチャ上の実際のＢＳＱの除去は、ＤＬＣ皮膜が除
去されるまで抑制された。
【００２３】ＤＬＣの効果は、軟質のＩＣ−４０パッド
を使用する場合、非常に明らかである。ＤＬＣで保護さ
れないウェーハは、研磨を開始したほぼ直後に、パッド
およびフィールド領域から材料の除去が行なわれる、こ
の効果により、大きなフィーチャの周囲に表面凹凸が残
る。パッドが軟いと、これらの領域の平坦化が防止され
る。ＤＬＣで保護されたウェーハは、低いフィールド領
域を保護しながら、パッド上のＢＳＱが除去されること
を示す。１０００ÅのＤＬＣ被膜は、７５０Åの被膜よ
りずっと長い盛上ったフィーチャからの材料の除去を抑
止する。パッドをフィールドまで研磨するには、薄い皮
膜のほうが適しており、ＤＬＣのないウェーハよりも表
面が平坦になる。段階的な平坦化を図３、図４、および
図５に示す。
【００２４】ＤＬＣ層の除去は、電力密度約２００〜５
００ｍＷ／ｃｍ2、圧力約３０〜１００ミリトルで、酸
素アッシングにより行う。１００ミリトルの圧力で、１
００ｎｍ／分の除去速度が得られた。このＤＬＣの酸素
アッシングにより、唯一の生成物としてＣＯ2が得ら
れ、これはウェーハから完全に除去され、最終製品に未
知の材料を添加することなく、この方法を順次使用する
ことができる。結局、得られた構造は平坦性が改善され
る以外は、変化していない。
【００２５】本発明を要約すると以下のようになる。 １．表面構造を配設した平坦な基板を用意する工程と、
基板および表面構造全体を、絶縁材料の第１の層でコー
ティングする工程と、第１の層を、ダイアモンドまたは
ダイアモンド状炭素を含む第２の層でコーティングする
工程と、第１の層と第２の層をスラリ中で研磨パッドを
使用して化学・機械研磨を行う工程と、全体が実質的に
平坦になった時点で加工を停止する工程とを含む、半導
体装置を平坦化する方法。 ２．さらに、残留炭素を除去する工程を含むことを特徴
とする、１の方法。 ３．さらに、複数の平坦化した半導体装置の整合層を使
用して、ＶＬＳＩ装置を形成する工程を含むことを特徴
とする、２の方法。 ４．表面構造が、回路トレースおよびパッドを含むこと
を特徴とする、１の方法。 ５．トレースおよびパッドが、アルミニウムと銅の合金
からなることを特徴とする、１の方法。 ６．第１の層が、非晶質または結晶ＳｉＯ2であること
を特徴とする、１の方法。 ７．ＳｉＯ2をスパッタリングによって付着させること
を特徴とする、６の方法。 ８．ダイアモンドまたはダイアモンド状炭素を、ＣＶＤ
またはスパッタリングによって付着させることを特徴と
する、１の方法。 ９．ダイアモンドまたはダイアモンド状炭素を、厚みが
約７５０〜１０００Åになるように付着させることを特
徴とする、８の方法。 １０．研磨パッドが、ショア硬さ７０未満のパッドを含
むことを特徴とする、１の方法。 １１．スラリが、水性コロイド状シリカ・スラリを含む
ことを特徴とする、１の方法。 １２．残留炭素をＲＩＥまたは酸素アッシングによって
除去することを特徴とする、２の方法。 １３．ダイアモンドまたはダイアモンド状炭素を、ほぼ
室温ないし約３００℃の温度範囲で付着させることを特
徴とする、８の方法。 １４．ダイアモンドまたはダイアモンド状炭素を、約２
００〜２５０℃の温度範囲で付着させることを特徴とす
る、１３の方法。 １５．ダイアモンドまたはダイアモンド状炭素の硬度
が、ビッカーズ硬度で約３０００〜５０００であること
を特徴とする、１の方法。 １６．ダイアモンドまたはダイアモンド状炭素の層を、
熱化学蒸着、プラズマ化学蒸着、電子支援化学蒸着、高
周波プラズマ強化化学蒸着、または直流強化化学蒸着に
よるＣＶＤによって付着させることを特徴とする、１の
方法。 １７．第２の層を、炭化水素前駆体から高エネルギーで
付着させることを特徴とする、１の方法。 １８．ＳｉＯ2とダイアモンドまたはダイアモンド状炭
素のエッチ速度の比が、約１９：１ないし３１１：１で
あることを特徴とする、１の方法。 １９．研磨パッドのショア硬さが、７０未満５５までで
あることを特徴とする、１１の方法。 ２０．研磨圧力が、約０．１４〜０．７ｋｇ／ｃｍ2で
あることを特徴とする、１１の方法。 ２１．ＲＩＥプラズマの電力密度を、約３０〜１００ミ
リトルの圧力で、約１００〜２００ｍＷ／ｃｍ2に保持
することを特徴とする、１４の方法。 ２２．ダイアモンドまたはダイアモンド状炭素を、室温
ないし約３５０℃の温度範囲で付着させることを特徴と
する、９の方法。 ２３．ダイアモンドまたはダイアモンド状炭素を、約１
５０〜２５０℃の温度範囲で付着させることを特徴とす
る、２２の方法。 ２４．ＳｉＯ2の厚みが約１μｍになるようにスパッタ
リングすることを特徴とする、７の方法。 ２５．ダイアモンドまたはダイアモンド状炭素の被膜を
含む層を、炭素含有材料の熱、電気または触媒によるフ
ラグメンテーションによって付着させることを特徴とす
る、１の方法。 ２６．炭化水素前駆体が、メタン、エタン、エチレン、
アセチレン、アルコール、およびそれらの混合物からな
る群から選択した炭化水素であることを特徴とする、１
７の方法。 本発明は、本発明の形態を修正しても実施できる。たと
えば、本発明の趣旨または中心的特徴から逸脱せずに、
他の材料を平坦化することができる。上記の実施例は、
あらゆる点で限定的ではなく、例示的なもので考えるべ
きであり、本発明は本明細書に示した詳細のみに限定さ
れるものではない。
【００２６】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、平
坦な表面を有する半導体装置、およびこれらを組み合わ
せたＶＬＳＩ装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の工程を示す断面図である。
【図２】本発明の工程を示す断面図である。
【図３】本発明の工程を示す断面図である。
【図４】本発明の工程を示す断面図である。
【図５】本発明の工程を示す断面図である。
フロントページの続き (72)発明者 ポール・ブラッドリー・ジョーンズ アメリカ合衆国12590、ニューヨーク州ワ ッピンガース・フォールズ、ワイルドウッ ド・ドライブ 50 (72)発明者 バーナード・スティール・マイナーソン アメリカ合衆国10598、ニューヨーク州ヨ ークタウン・ハイツ、カリフォルニア・ロ ード 235 (72)発明者 ヴィシュヌバーイ・ヴィンタルバーイ・パ テル アメリカ合衆国10598、ニューヨーク州ヨ ークタウン・ハイツ、ヴィロウェイ・スト リート 2289 (56)参考文献 特開 昭63−251164（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−240629（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−62954（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】表面に凹凸構造を有する平坦な基板を用意
    する工程と、 基板および表面凹凸構造全体を、絶縁材料の第１の層で
    コーティングする工程と、 ＣＶＤまたはスパッタリングにより７５°Ｃないし３５
    ０°Ｃの温度でダイアモンドまたはダイアモンド状炭素
    を含む第２の層を前記第１の層にコーティングする工程
    と、 第１の層と第２の層とを、スラリ中で研磨パッドを使用
    して化学・機械研磨を行う工程と、 全体が実質的に平坦になった時点で加工を停止する工程
    とを含む、半導体装置を平坦化する方法。
JP4275904A 1991-10-30 1992-10-14 半導体装置を平坦化する方法 Expired - Lifetime JPH081899B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US784280 1985-10-04
US07/784,280 US5246884A (en) 1991-10-30 1991-10-30 Cvd diamond or diamond-like carbon for chemical-mechanical polish etch stop

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH05218000A JPH05218000A (ja) 1993-08-27
JPH081899B2 true JPH081899B2 (ja) 1996-01-10

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ID=25131947

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP4275904A Expired - Lifetime JPH081899B2 (ja) 1991-10-30 1992-10-14 半導体装置を平坦化する方法

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US (1) US5246884A (ja)
EP (1) EP0540444B1 (ja)
JP (1) JPH081899B2 (ja)
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