JP2002530861A - 金属半導体構造体におけるｃｍｐ時のディッシング速度を低下させる方法 - Google Patents
金属半導体構造体におけるｃｍｐ時のディッシング速度を低下させる方法Info
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract
(57)【要約】
少なくとも２つの異なる膜を含む複合半導体構造体のディッシングあるいはエロージョンの速度を減少させる方法を提供する。より好ましくは、構造体は、金属層、誘電体層、バリア層からなる。その方法は、研磨スラリーと平坦化面を有する研磨パッドを使用した、複合半導体構造体の平坦化からなる。研磨パッドにおける平坦化面の粗さを最小化することにより、残りの構造体のディッシングあるいはエロージョンの増加速度が低下する。好ましい実施形態において、銅膜のディッシング速度は、低い表面粗さを示す研磨パッドを使用することによってタンタル及び二酸化ケイ素の膜に対して減少する。
Description
本出願は、米国仮特許出願第６０／１０８, ９３６号（１９９８年１１月１８
日出願）の利益を主張する。
日出願）の利益を主張する。
【０００１】
本特許に記載されている発明は、化学機械的平坦化（ＣＭＰ）による半導体構
造体、特に、金属、バリア層および絶縁層を含む構造体の、研磨および平坦化に
関する。
造体、特に、金属、バリア層および絶縁層を含む構造体の、研磨および平坦化に
関する。
【０００２】
化学的／機械的平坦化（または研磨）、すなわちＣＭＰは、集積回路の製造時
における薄膜の除去／平坦化を可能にする半導体産業で役立っている有力な技術
である。この技術の最初の適用は、ＳｉＯ2 などの誘電体膜の平坦化に集中して
いた。しかし、ＣＭＰがより広く採用されるようになるに従い、この技術は、よ
り多様な複雑な構造体に適用されている。例えば、金属の連結構造体の研磨がよ
り広く受け入れられるようになってきている。
における薄膜の除去／平坦化を可能にする半導体産業で役立っている有力な技術
である。この技術の最初の適用は、ＳｉＯ2 などの誘電体膜の平坦化に集中して
いた。しかし、ＣＭＰがより広く採用されるようになるに従い、この技術は、よ
り多様な複雑な構造体に適用されている。例えば、金属の連結構造体の研磨がよ
り広く受け入れられるようになってきている。
【０００３】 より一般的になりつつある構造体の１つのタイプは、ダマシン構造体またはデ
ュアルダマシン構造体と呼ばれることがある埋め込み金属配線を含む。最も一般
的なこのような構造体は、典型的にはＳｉＯ2 から構成される誘電体膜にパター
ン化された金属導電性構造体（典型的には、タングステン、アルミニウムまたは
銅から構成される）を含む。金属膜の誘電体への移動を阻げるために、バリア層
（典型的には、Ｔａ、ＴａＮ、ＴｉまたはＴｉＮから構成される）が、金属層と
誘電体層との間に存在する。ＣＭＰを使用して複数の異なる膜層から構成される
構造体を平坦化する場合、最終の構造体が各層に対して同じ平面レベルを示すこ
とが望ましい。上記の構造体において、バリア層または誘電体層に対する金属層
の選択的な除去は、典型的には「ディッシング(dishing) 」または「リセス(rec
ess)」と呼ばれる。逆に、誘電体層の初期の膜厚または金属層に対する誘電体層
の選択的な除去は、典型的には「エロージョン(erosion) 」または「オキサイド
シンニング(oxide thinning)」と呼ばれている。
ュアルダマシン構造体と呼ばれることがある埋め込み金属配線を含む。最も一般
的なこのような構造体は、典型的にはＳｉＯ2 から構成される誘電体膜にパター
ン化された金属導電性構造体（典型的には、タングステン、アルミニウムまたは
銅から構成される）を含む。金属膜の誘電体への移動を阻げるために、バリア層
（典型的には、Ｔａ、ＴａＮ、ＴｉまたはＴｉＮから構成される）が、金属層と
誘電体層との間に存在する。ＣＭＰを使用して複数の異なる膜層から構成される
構造体を平坦化する場合、最終の構造体が各層に対して同じ平面レベルを示すこ
とが望ましい。上記の構造体において、バリア層または誘電体層に対する金属層
の選択的な除去は、典型的には「ディッシング(dishing) 」または「リセス(rec
ess)」と呼ばれる。逆に、誘電体層の初期の膜厚または金属層に対する誘電体層
の選択的な除去は、典型的には「エロージョン(erosion) 」または「オキサイド
シンニング(oxide thinning)」と呼ばれている。
【０００４】 半導体構造体の異なる層が均一に除去されないことの一因になり得る研磨プロ
セスの１つの特徴は、研磨スラリーである。種々の添加剤および研磨材を含む、
あるいは種々の化学的性質（すなわち、ｐＨ）を示すスラリーは、様々な膜を異
なる速度で研磨する。例えば、スラリーが金属連結材料を誘電体材料よりも早く
除去する場合、結果として、金属材構造体のディッシングまたはリセスが、おそ
らく増大する。さらに、研磨プロセスパラメーター（例えば、ウエハーの押さえ
圧、プラテンの回転速度）もまた、半導体構造体の最終状態に強い影響を有し得
る。
セスの１つの特徴は、研磨スラリーである。種々の添加剤および研磨材を含む、
あるいは種々の化学的性質（すなわち、ｐＨ）を示すスラリーは、様々な膜を異
なる速度で研磨する。例えば、スラリーが金属連結材料を誘電体材料よりも早く
除去する場合、結果として、金属材構造体のディッシングまたはリセスが、おそ
らく増大する。さらに、研磨プロセスパラメーター（例えば、ウエハーの押さえ
圧、プラテンの回転速度）もまた、半導体構造体の最終状態に強い影響を有し得
る。
【０００５】 研磨プロセスの品質に対するパッド特性の作用もまた大いに注目されている。
ＣＭＰを使用して満足できる半導体構造体を製造するために重要であるとして、
パッドの多様な性質が詳述されている。例えば、パッドの弾性特性は、ＣＭＰプ
ロセス時の平坦化効率に重要であることが知られている。ブライフォーゲル (Breivogel) は、米国特許第５，２１２，９１０号において、研磨されている膜
の均一でない表面に適合するパッドの能力を改善する、３つの異なる材料からな
る複合パッド構造体を示している。研磨に使用されるパッドの化学的組成物、構
造体および構成もまた大きく注目されている。様々なパッド構造体が特許明細書
に記載されている。種々のパッド構造体が明記されており、例えば、ウレタン含
有フェルト（米国特許第４，９２７，４３２号）、ボイド空隙を含有するポリマ
ーマトリックス（米国特許第５，５７８，３６２号）および固体ポリマー物質（
米国特許第５，４８９，２３３号）がある。
ＣＭＰを使用して満足できる半導体構造体を製造するために重要であるとして、
パッドの多様な性質が詳述されている。例えば、パッドの弾性特性は、ＣＭＰプ
ロセス時の平坦化効率に重要であることが知られている。ブライフォーゲル (Breivogel) は、米国特許第５，２１２，９１０号において、研磨されている膜
の均一でない表面に適合するパッドの能力を改善する、３つの異なる材料からな
る複合パッド構造体を示している。研磨に使用されるパッドの化学的組成物、構
造体および構成もまた大きく注目されている。様々なパッド構造体が特許明細書
に記載されている。種々のパッド構造体が明記されており、例えば、ウレタン含
有フェルト（米国特許第４，９２７，４３２号）、ボイド空隙を含有するポリマ
ーマトリックス（米国特許第５，５７８，３６２号）および固体ポリマー物質（
米国特許第５，４８９，２３３号）がある。
【０００６】 殆ど注目されていなかった研磨の一面は、半導体構造体のディッシング、リセ
ス及びエロージョンに対するパッド粗さの関係である。研磨パッドのきめを出す
こと（テクスチャリング）が、多くの場合、研磨中の薄膜の妥当な除去速度を達
成するために必要であると広く認識されている。実際問題として、典型的には研
磨時にパッドの表面を連続的または半連続的に削ることにより行われる。米国特
許第５，４８９，２３３号には、このことが、「パッドの使用時に、一定の所定
の間隔で多数の小さな研磨点による摩滅により生じる微小きめ(microtexture)」
として記載されている。典型的には、ダイヤモンド回転盤が「小さな研磨点」の
源として使用される。しかし、微小きめの必要性は、パッドの粗さに関してでは
なく、パッド内の小さな流路チャンネルのサイズに関してであり、このチャンネ
ルは「ランダムに配置された直線的な経路、または幅および深さがランダムに変
化している溝」であることが好ましいと記載されている。さらに、研磨性能との
関係は明らかにされていない。
ス及びエロージョンに対するパッド粗さの関係である。研磨パッドのきめを出す
こと（テクスチャリング）が、多くの場合、研磨中の薄膜の妥当な除去速度を達
成するために必要であると広く認識されている。実際問題として、典型的には研
磨時にパッドの表面を連続的または半連続的に削ることにより行われる。米国特
許第５，４８９，２３３号には、このことが、「パッドの使用時に、一定の所定
の間隔で多数の小さな研磨点による摩滅により生じる微小きめ(microtexture)」
として記載されている。典型的には、ダイヤモンド回転盤が「小さな研磨点」の
源として使用される。しかし、微小きめの必要性は、パッドの粗さに関してでは
なく、パッド内の小さな流路チャンネルのサイズに関してであり、このチャンネ
ルは「ランダムに配置された直線的な経路、または幅および深さがランダムに変
化している溝」であることが好ましいと記載されている。さらに、研磨性能との
関係は明らかにされていない。
【０００７】 米国特許第５，９３２，４８６号は、化学機械的研磨（ＣＭＰ）に使用される
パッドの表面の粗さについて記載している。半導体ウエハーの表面からの十分な
除去速度を得るためには、ある程度のパッド表面粗さ（約０．１ミクロン）が、
ＣＭＰにおいて必要であることが明らかにされた。
パッドの表面の粗さについて記載している。半導体ウエハーの表面からの十分な
除去速度を得るためには、ある程度のパッド表面粗さ（約０．１ミクロン）が、
ＣＭＰにおいて必要であることが明らかにされた。
【０００８】
少なくとも２つの異なる薄膜を含む複合半導体構造体であつてその薄膜が相互
に異なる除去速度を示すものの研磨方法が提供される。より好ましくは、導電性
金属連結層、絶縁性誘電体層、およびこれらの２つの間のバリア層であり、最も
好ましくは、銅金属層、二酸化ケイ素誘電体層、およびタンタルのバリア層から
なるものである。この方法は、前記の構造体において、少なくとも１つの膜をそ
れ以外の膜に対して選択的に除去することを促進する研磨スラリーと、平坦化面
を有する研磨パッドとを備えている。研磨パッドにおける平坦化面の粗さを最小
限にすることによって、この場合、研磨パッドは、平均粗さが６ミクロン未満で
あり、二乗平均粗さが７ミクロン未満である平坦化面を有するが、残った構造体
のディッシング又はエロージョンの速度が低下する。より好ましくは、パッドは
、平均粗さが４ミクロン未満であり、二乗平均粗さが５ミクロン未満である平坦
化面を有する。さらに好ましくは、研磨パッドは、平均粗さが２ミクロン未満で
あり、二乗平均粗さが２ミクロン未満である平坦化面を有する。最も好ましくは
、研磨パッドは、平均粗さが１ミクロン未満であり、二乗平均粗さが１ミクロン
未満である平坦化面を有する。
に異なる除去速度を示すものの研磨方法が提供される。より好ましくは、導電性
金属連結層、絶縁性誘電体層、およびこれらの２つの間のバリア層であり、最も
好ましくは、銅金属層、二酸化ケイ素誘電体層、およびタンタルのバリア層から
なるものである。この方法は、前記の構造体において、少なくとも１つの膜をそ
れ以外の膜に対して選択的に除去することを促進する研磨スラリーと、平坦化面
を有する研磨パッドとを備えている。研磨パッドにおける平坦化面の粗さを最小
限にすることによって、この場合、研磨パッドは、平均粗さが６ミクロン未満で
あり、二乗平均粗さが７ミクロン未満である平坦化面を有するが、残った構造体
のディッシング又はエロージョンの速度が低下する。より好ましくは、パッドは
、平均粗さが４ミクロン未満であり、二乗平均粗さが５ミクロン未満である平坦
化面を有する。さらに好ましくは、研磨パッドは、平均粗さが２ミクロン未満で
あり、二乗平均粗さが２ミクロン未満である平坦化面を有する。最も好ましくは
、研磨パッドは、平均粗さが１ミクロン未満であり、二乗平均粗さが１ミクロン
未満である平坦化面を有する。
【０００９】 本発明の方法は、１つの材料が他の材料に対して選択的に除去される少なくと
も２つの異なる材料から構成される基板を、平均粗さが６ミクロン未満であり、
二乗平均粗さが７ミクロン未満である平坦化面を有する研磨パッドと接触させる
こと、および、１つの材料の除去を他の材料よりも早い速度で容易にする研磨組
成物の存在下において、基板および平坦化面を相互に運動させることを含む。
も２つの異なる材料から構成される基板を、平均粗さが６ミクロン未満であり、
二乗平均粗さが７ミクロン未満である平坦化面を有する研磨パッドと接触させる
こと、および、１つの材料の除去を他の材料よりも早い速度で容易にする研磨組
成物の存在下において、基板および平坦化面を相互に運動させることを含む。
【００１０】 本発明の別の態様は、化学機械研磨に有用な研磨パッドであって、平均粗さが
６ミクロン未満であり、二乗平均粗さが７ミクロン未満である平坦化面を有する
研磨パッドである。
６ミクロン未満であり、二乗平均粗さが７ミクロン未満である平坦化面を有する
研磨パッドである。
【００１１】
複雑な半導体構造体を平坦化するときに使用される研磨プロセスの重要な特性
は、パッドの表面粗さであることが見出された。多くのＣＭＰ適用では、２つ以
上の異なる材料の膜を含む構造体を平坦化することが望ましい。例えば、Ｃｕ連
結構造体は、基層の誘電体層（典型的には、ＳｉＯ2）だけでなく、Ｔａまたは
ＴａＮのバリア膜を含む。好ましい最終的な構造体を得るために、Ｃｕ膜および
ＳｉＯ2膜を同じ平面レベルにすることが望ましい。この目的を達成する１つの
方法は、バリア膜（ＴａまたはＴａＮ）または誘電体膜（ＳｉＯ2）のいずれか
の除去速度よりも、Ｃｕ膜の除去速度の方が大きなスラリーを用いて研磨するこ
とである。
は、パッドの表面粗さであることが見出された。多くのＣＭＰ適用では、２つ以
上の異なる材料の膜を含む構造体を平坦化することが望ましい。例えば、Ｃｕ連
結構造体は、基層の誘電体層（典型的には、ＳｉＯ2）だけでなく、Ｔａまたは
ＴａＮのバリア膜を含む。好ましい最終的な構造体を得るために、Ｃｕ膜および
ＳｉＯ2膜を同じ平面レベルにすることが望ましい。この目的を達成する１つの
方法は、バリア膜（ＴａまたはＴａＮ）または誘電体膜（ＳｉＯ2）のいずれか
の除去速度よりも、Ｃｕ膜の除去速度の方が大きなスラリーを用いて研磨するこ
とである。
【００１２】 しかしながら、選択性の高いスラリーを用いた場合であっても、Ｃｕ層の一部
がバリア層または誘電体層のいずれかの面よりもいくらか過剰に除去されること
が一般的である。この現象の１つの考えられる原因は、研磨スラリーによっては
制御されない化学的エッチングである。機械的作用が存在しないときに問題とす
る膜（すなわち、Ｃｕ）の除去速度が著しい場合、研磨面と接触していない半導
体構造体の領域がさらに除去される。従って、Ｃｕ（または金属）膜に対して小
さい静的エッチング能または腐食能を示す研磨スラリーを設計することが望まし
い。金属構造体のディッシングに関する別の考えられる機構は、金属構成体への
パッドの変形である。周囲の誘電体膜の除去速度が小さい場合、このような領域
は研磨パッドの支持体として作用し得る。これにより、研磨パッドは、金属構造
体に対して弾性的に変形し、さらなる物質を除去する。しかし、半導体構造体に
おいて問題とされる構成体の大きさ（＜１ミクロン〜１００ミクロン）では、こ
の機構が大きく寄与しているとは考えにくい。
がバリア層または誘電体層のいずれかの面よりもいくらか過剰に除去されること
が一般的である。この現象の１つの考えられる原因は、研磨スラリーによっては
制御されない化学的エッチングである。機械的作用が存在しないときに問題とす
る膜（すなわち、Ｃｕ）の除去速度が著しい場合、研磨面と接触していない半導
体構造体の領域がさらに除去される。従って、Ｃｕ（または金属）膜に対して小
さい静的エッチング能または腐食能を示す研磨スラリーを設計することが望まし
い。金属構造体のディッシングに関する別の考えられる機構は、金属構成体への
パッドの変形である。周囲の誘電体膜の除去速度が小さい場合、このような領域
は研磨パッドの支持体として作用し得る。これにより、研磨パッドは、金属構造
体に対して弾性的に変形し、さらなる物質を除去する。しかし、半導体構造体に
おいて問題とされる構成体の大きさ（＜１ミクロン〜１００ミクロン）では、こ
の機構が大きく寄与しているとは考えにくい。
【００１３】 本発明において、本発明者らは、ＣＭＰプロセスにおける別のディッシング／
エロージョン源（即ち、使用されている研磨パッドの粗さ）を明らかにした。上
記に記載されている構造体において、構造体のディッシング速度は、研磨パッド
の粗さレベルが増大するにつれて大きくなることが見出された。この観察は、研
磨に関するパッド−凸凹機構(a pad-asperity mechanism)と一致する。このモデ
ルでは、加えられた研磨負荷が、パッド表面の個々の凸凹を介して研磨されてい
る部分に伝えられ、従って、研磨に伴う圧力を局所的に増大させる。パターン化
された半導体構造体を研磨しているとき、研磨パッドの表面に高低差があるため
、凸凹もまた金属構成体内に伸延し、くぼんだ領域と接触することによってディ
ッシングが誘導される。凸凹のサイズが大きいほど、より粗い研磨面として現れ
るので、くぼんだ領域内に達したときには、その特徴が大きく生じ、従って、金
属配線のディッシング速度が早くなる。
エロージョン源（即ち、使用されている研磨パッドの粗さ）を明らかにした。上
記に記載されている構造体において、構造体のディッシング速度は、研磨パッド
の粗さレベルが増大するにつれて大きくなることが見出された。この観察は、研
磨に関するパッド−凸凹機構(a pad-asperity mechanism)と一致する。このモデ
ルでは、加えられた研磨負荷が、パッド表面の個々の凸凹を介して研磨されてい
る部分に伝えられ、従って、研磨に伴う圧力を局所的に増大させる。パターン化
された半導体構造体を研磨しているとき、研磨パッドの表面に高低差があるため
、凸凹もまた金属構成体内に伸延し、くぼんだ領域と接触することによってディ
ッシングが誘導される。凸凹のサイズが大きいほど、より粗い研磨面として現れ
るので、くぼんだ領域内に達したときには、その特徴が大きく生じ、従って、金
属配線のディッシング速度が早くなる。
【００１４】 パッド粗さを定量化するために、本発明者らは触針式表面粗さ測定装置（スタ
イラスプロファイルメーター）を用いて、平均粗さ（Ｒａ）および二乗平均粗さ
（Ｒｑ）を測定した。平均粗さは、平均表面レベルから測定された表面高さ変動
の絶対値の平均として定義される。二乗平均粗さは、平均表面レベルからの各点
の距離の平方の平均値の平方根として定義される（ベネットおよびマットソン (Bennett and Mattsson) 著「表面の粗さ及びばらつきに関する序説」、オプテ
ィカル ソサエティ オブ アメリカ (Optical Society of America) 、ワシン
トン ディーシー、１９８９年、３８頁〜３９頁）。表面粗さまたは表面凸凹の
大きさを測定するために好適な技術はどれでも用いることができる。例えば、こ
のような技術には、微分干渉コントラスト顕微鏡測定法、電子顕微鏡測定法、原
子間力顕微鏡測定法、走査トンネル顕微鏡測定法及び光学的干渉測定法があるが
、これらに限定されるものではない。また、平均粗さおよび二乗平均粗さは、粗
さの測定に一般に使用されている尺度であるが、表面粗さのレベルを示すために
好適な任意のパラメーターまたは適当な表面状態を表す統計値を使用することも
できる。例えば、最高点−最低点測定値、十点高さ、二乗平均傾斜、表面高さ分
布関数に伴う任意のパラメーター（歪度および尖度等）、表面空間波長、および
パワースペクトル密度関数に伴うパラメーターがあるが、これらに限定されない
。
イラスプロファイルメーター）を用いて、平均粗さ（Ｒａ）および二乗平均粗さ
（Ｒｑ）を測定した。平均粗さは、平均表面レベルから測定された表面高さ変動
の絶対値の平均として定義される。二乗平均粗さは、平均表面レベルからの各点
の距離の平方の平均値の平方根として定義される（ベネットおよびマットソン (Bennett and Mattsson) 著「表面の粗さ及びばらつきに関する序説」、オプテ
ィカル ソサエティ オブ アメリカ (Optical Society of America) 、ワシン
トン ディーシー、１９８９年、３８頁〜３９頁）。表面粗さまたは表面凸凹の
大きさを測定するために好適な技術はどれでも用いることができる。例えば、こ
のような技術には、微分干渉コントラスト顕微鏡測定法、電子顕微鏡測定法、原
子間力顕微鏡測定法、走査トンネル顕微鏡測定法及び光学的干渉測定法があるが
、これらに限定されるものではない。また、平均粗さおよび二乗平均粗さは、粗
さの測定に一般に使用されている尺度であるが、表面粗さのレベルを示すために
好適な任意のパラメーターまたは適当な表面状態を表す統計値を使用することも
できる。例えば、最高点−最低点測定値、十点高さ、二乗平均傾斜、表面高さ分
布関数に伴う任意のパラメーター（歪度および尖度等）、表面空間波長、および
パワースペクトル密度関数に伴うパラメーターがあるが、これらに限定されない
。
【００１５】 上述のように、本発明の方法を使用して研磨され得る１つの典型的な半導体構
造体は、銅の金属連結層、タンタルのバリア層、および二酸化ケイ素の誘電体層
から構成される。この構造体の場合、上述の方法は、構造体において少なくとも
２つの異なる点で適用され得る。先ず、タンタルおよび二酸化ケイ素よりも銅に
対して大きな選択性を有するスラリーが使用された場合、銅の表層が除かれてタ
ンタルのバリア層に達した点において、この方法を適用して、銅の金属化構造体
のディッシング速度を低下させることができる（このケースは下記の実施例に含
まれる）。さらに、二酸化ケイ素よりも銅およびタンタルに対して大きな選択性
を有するスラリーが使用された場合、銅とタンタルの表層が除かれて二酸化ケイ
素誘電体に達した点において、この方法を適用して、銅構造体のディッシング速
度を低下させることができる。ところで、この方法が、１つの材料が研磨時に他
の材料に対して選択的に除かれる２つ以上の材料から構成される任意の半導体構
造体に適用できることに注目すべきである。また、この方法が、１つの膜が多数
の他の膜に対して選択的に除かれる場合、あるいは多数の膜が少なくとも１つの
他の膜に対して選択的に除かれるときの複合膜の場合においても適用できること
に注目すべきである。
造体は、銅の金属連結層、タンタルのバリア層、および二酸化ケイ素の誘電体層
から構成される。この構造体の場合、上述の方法は、構造体において少なくとも
２つの異なる点で適用され得る。先ず、タンタルおよび二酸化ケイ素よりも銅に
対して大きな選択性を有するスラリーが使用された場合、銅の表層が除かれてタ
ンタルのバリア層に達した点において、この方法を適用して、銅の金属化構造体
のディッシング速度を低下させることができる（このケースは下記の実施例に含
まれる）。さらに、二酸化ケイ素よりも銅およびタンタルに対して大きな選択性
を有するスラリーが使用された場合、銅とタンタルの表層が除かれて二酸化ケイ
素誘電体に達した点において、この方法を適用して、銅構造体のディッシング速
度を低下させることができる。ところで、この方法が、１つの材料が研磨時に他
の材料に対して選択的に除かれる２つ以上の材料から構成される任意の半導体構
造体に適用できることに注目すべきである。また、この方法が、１つの膜が多数
の他の膜に対して選択的に除かれる場合、あるいは多数の膜が少なくとも１つの
他の膜に対して選択的に除かれるときの複合膜の場合においても適用できること
に注目すべきである。
【００１６】 本発明の方法は、半導体構造体における工程中での選択的な膜除去に適用でき
ることにも注目すべきである。例えば、金属の除去速度とその周囲のバリア金属
の除去速度とがほぼ等しい構造体では、金属のディッシングが、研磨工程におけ
る他の作用（すなわち、パターン密度作用、電食作用など）のために認められる
こともある。最も一般的な実施形態において、この方法は、なんらかの差別的な
膜除去が半導体構造体で認められる場合には適用可能であり、他の膜に対して選
択的に除かれるどんな膜であってもその除去速度は低下する。
ることにも注目すべきである。例えば、金属の除去速度とその周囲のバリア金属
の除去速度とがほぼ等しい構造体では、金属のディッシングが、研磨工程におけ
る他の作用（すなわち、パターン密度作用、電食作用など）のために認められる
こともある。最も一般的な実施形態において、この方法は、なんらかの差別的な
膜除去が半導体構造体で認められる場合には適用可能であり、他の膜に対して選
択的に除かれるどんな膜であってもその除去速度は低下する。
【００１７】
複数の異なる表面膜を有する２００ｍｍのウエハーをアイペック (IPEC) 社ウ
ェステック(WESTECH) ３７２Ｕ研磨機で研磨した。ＩＣ１０００研磨パッドを、
水、サブミクロンの研磨材、酸化剤、および誘電性絶縁層の除去速度を抑えるよ
うに作用する界面活性剤または化合物を含む水性スラリー配合物とともに使用し
た。水酸化カリウムを使用して、ｐＨを２〜３に調節する。研磨条件は以下の通
りであった。５ｐｓｉの押さえ圧、４０ｒｐｍの担体回転、１ｐｓｉの背圧、１
５０ｍｌ／分のスラリー流量。様々なシート状ウエハー（３枚のウエハーの平均
値）での除去速度を、得られた選択性とともに表１に示す。
ェステック(WESTECH) ３７２Ｕ研磨機で研磨した。ＩＣ１０００研磨パッドを、
水、サブミクロンの研磨材、酸化剤、および誘電性絶縁層の除去速度を抑えるよ
うに作用する界面活性剤または化合物を含む水性スラリー配合物とともに使用し
た。水酸化カリウムを使用して、ｐＨを２〜３に調節する。研磨条件は以下の通
りであった。５ｐｓｉの押さえ圧、４０ｒｐｍの担体回転、１ｐｓｉの背圧、１
５０ｍｌ／分のスラリー流量。様々なシート状ウエハー（３枚のウエハーの平均
値）での除去速度を、得られた選択性とともに表１に示す。
【００１８】
【表１】 セマテック(SEMATECH)社（テキサス州オースチン）のＣｕパターン化ウエハー
を上記の研磨機および条件で研磨した。このＣｕパターン化ウエハーは、深さが
８０００Ａで、その幅、形状は様々である構成体を含む。５００ＡのＴａ層は、
Ｃｕ層と基層のＳｉＯ2 誘電体層との間のバリア層として機能している。４枚の
異なるウエハーを研磨した。各ウエハーを、ＯＸＰ３０００パッドまたはＩＣ１
０００パッド（共に、米国デラウェア州ニューアークのロデール社(Rodel, Inc)
製）のいずれかで研磨した。サンプル１および４に対して使用されたパッドは、
事前調整（すなわち、摩滅用のダイヤモンド回転盤を使用して表面を粗くするこ
と）を行うことなく使用した。サンプル２については、パッドを水およびダイヤ
モンドの調整用回転盤で１０分間調整（２０回のプレスイープ、２スイープ／分
、プラテン速度＝７５ｒｐｍ、７ｐｓｉの押さえ圧）した。サンプル３について
は、パッドを水およびダイヤモンドの調整用回転盤で２０分間調整（２０回のプ
レスイープ、２スイープ／分、プラテン速度＝７５ｒｐｍ、７ｐｓｉの押さえ圧
）した。研磨条件は以下の通りであった。５ｐｓｉの押さえ圧、４０ｒｐｍの担
体回転、１ｐｓｉの背圧、１５０ｍｌ／分のスラリー流量。
を上記の研磨機および条件で研磨した。このＣｕパターン化ウエハーは、深さが
８０００Ａで、その幅、形状は様々である構成体を含む。５００ＡのＴａ層は、
Ｃｕ層と基層のＳｉＯ2 誘電体層との間のバリア層として機能している。４枚の
異なるウエハーを研磨した。各ウエハーを、ＯＸＰ３０００パッドまたはＩＣ１
０００パッド（共に、米国デラウェア州ニューアークのロデール社(Rodel, Inc)
製）のいずれかで研磨した。サンプル１および４に対して使用されたパッドは、
事前調整（すなわち、摩滅用のダイヤモンド回転盤を使用して表面を粗くするこ
と）を行うことなく使用した。サンプル２については、パッドを水およびダイヤ
モンドの調整用回転盤で１０分間調整（２０回のプレスイープ、２スイープ／分
、プラテン速度＝７５ｒｐｍ、７ｐｓｉの押さえ圧）した。サンプル３について
は、パッドを水およびダイヤモンドの調整用回転盤で２０分間調整（２０回のプ
レスイープ、２スイープ／分、プラテン速度＝７５ｒｐｍ、７ｐｓｉの押さえ圧
）した。研磨条件は以下の通りであった。５ｐｓｉの押さえ圧、４０ｒｐｍの担
体回転、１ｐｓｉの背圧、１５０ｍｌ／分のスラリー流量。
【表２】 ２つの構成体（１２ミクロンの配線および１１５×１１５ミクロンのボンドパ
ッド）に対するディッシング／リセスを、３０秒〜４５秒の研磨間隔でウエハー
の中央部および端部（合計で４個の構成体）でモニターした。ウエハーのディッ
シング／リセスを、テンコール (Tencor) Ｐ−１表面粗さ測定装置を使用して測
定した。１１５ミクロンのパッドに対する表面粗さ測定装置の設定は以下の通り
であった。走査長さ＝０．３ｍｍ、走査速度＝０．０１ｍｍ／秒、探針力＝１５
ミリグラム、および探針半径＝１．５ミクロン。１２ミクロンの配線に対する表
面粗さ測定装置の設定は以下の通りであった。走査長さ＝０．０５ｍｍ、走査速
度＝０．００５ｍｍ／秒、探針力＝１５ミリグラム、および探針半径＝１．５ミ
クロン。ウエハー中央部において１２ミクロンの構成体から得られた表２に記載
されている４つの試験から得られたデータを図１〜図４に示す。
ッド）に対するディッシング／リセスを、３０秒〜４５秒の研磨間隔でウエハー
の中央部および端部（合計で４個の構成体）でモニターした。ウエハーのディッ
シング／リセスを、テンコール (Tencor) Ｐ−１表面粗さ測定装置を使用して測
定した。１１５ミクロンのパッドに対する表面粗さ測定装置の設定は以下の通り
であった。走査長さ＝０．３ｍｍ、走査速度＝０．０１ｍｍ／秒、探針力＝１５
ミリグラム、および探針半径＝１．５ミクロン。１２ミクロンの配線に対する表
面粗さ測定装置の設定は以下の通りであった。走査長さ＝０．０５ｍｍ、走査速
度＝０．００５ｍｍ／秒、探針力＝１５ミリグラム、および探針半径＝１．５ミ
クロン。ウエハー中央部において１２ミクロンの構成体から得られた表２に記載
されている４つの試験から得られたデータを図１〜図４に示す。
【００１９】 最初に、基層のダマシン構造体（すなわち、溝、パッド及び配線）のために、
表面は平坦ではなく、５０００Ａ〜６５００Ａのディッシング（階段高さとも呼
ばれる）が存在する。研磨が進むにつれ、構造体は徐々に平坦化されるが、一定
の研磨時間の後では、ディッシングは認められない。一定の時間の間、Ｃｕ表層
の最終層が除かれているので、ディッシングは存在していない。Ｔａのバリア層
に達した場合、Ｃｕ膜の除去速度がＴａよりも大きいために、Ｃｕ構成体のディ
ッシングが増大し始める。ウエハーが研磨され過ぎた場合、ディッシングが、表
３に示されているように、それぞれの試験について異なる速度で増大する。
表面は平坦ではなく、５０００Ａ〜６５００Ａのディッシング（階段高さとも呼
ばれる）が存在する。研磨が進むにつれ、構造体は徐々に平坦化されるが、一定
の研磨時間の後では、ディッシングは認められない。一定の時間の間、Ｃｕ表層
の最終層が除かれているので、ディッシングは存在していない。Ｔａのバリア層
に達した場合、Ｃｕ膜の除去速度がＴａよりも大きいために、Ｃｕ構成体のディ
ッシングが増大し始める。ウエハーが研磨され過ぎた場合、ディッシングが、表
３に示されているように、それぞれの試験について異なる速度で増大する。
【００２０】
【表３】 試験が完了した後、４つの研磨パッドの後測定をテンコール (Tencor) 表面粗
さ測定装置で行った。平均粗さ（Ｒａ）及び二乗平均粗さ（Ｒｑ）を測定した。
各パッドの粗さ値を表４に示す。
さ測定装置で行った。平均粗さ（Ｒａ）及び二乗平均粗さ（Ｒｑ）を測定した。
各パッドの粗さ値を表４に示す。
【００２１】
【表４】 上記に示される結果に基づくと、ウエハーからＣｕが除かれた後、ディッシン
グ／リセス速度は、パッドの粗さが増大するにつれて増大している（図５参照）
。従って、プロセスの過剰研磨（オーバーポリッシュ）の許容範囲を改善する（
即ち、増大させる）ためには、小さい粗さのパッドが望ましい。
グ／リセス速度は、パッドの粗さが増大するにつれて増大している（図５参照）
。従って、プロセスの過剰研磨（オーバーポリッシュ）の許容範囲を改善する（
即ち、増大させる）ためには、小さい粗さのパッドが望ましい。
【００２２】 本発明の方法及びスラリーが有用であり得る金属層には、タングステン、アル
ミニウム、銅、白金、パラジウム、金、イリジウム、およびそれらの任意の組合
せまたは合金が含まれるが、これらに限定されない。
ミニウム、銅、白金、パラジウム、金、イリジウム、およびそれらの任意の組合
せまたは合金が含まれるが、これらに限定されない。
【００２３】 本発明のプロセス及びスラリーが有用であり得るバリア層には、タンタル、窒
化タンタル、チタン、窒化チタン、およびそれらの任意の組合せが含まれるが、
これらに限定されない。
化タンタル、チタン、窒化チタン、およびそれらの任意の組合せが含まれるが、
これらに限定されない。
【００２４】 本発明のプロセス及びスラリーが有用であり得る絶縁層または誘電体層には、
ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、ＴＥＯＳ、ＳｉＯ2、および任意の低Ｋポリマー材料が含ま
れるが、これらに限定されない。
ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、ＴＥＯＳ、ＳｉＯ2、および任意の低Ｋポリマー材料が含ま
れるが、これらに限定されない。
【００２５】 使用される化学薬品によって、本発明のスラリーは、酸性、中性またはアルカ
リ性の範囲で任意のｐＨを有することができる。
リ性の範囲で任意のｐＨを有することができる。
【００２６】 本発明の具体的な実施形態が上記に示されているが、本発明の範囲は、添付さ
れた請求項によって定義される。
れた請求項によって定義される。
【図１】この発明の実施例（表２／サンプル１）の試験から得られたデータ
示すグラフ。
示すグラフ。
【図２】この発明の実施例（表２／サンプル２）の試験から得られたデータ
示すグラフ。
示すグラフ。
【図３】この発明の実施例（表２／サンプル３）の試験から得られたデータ
示すグラフ。
示すグラフ。
【図４】この発明の実施例（表２／サンプル４）の試験から得られたデータ
示すグラフ。
示すグラフ。
【図５】この発明の実施例において、ウェハーからＣｕが除かれた後のディ
ッシング速度を示すグラフ。
ッシング速度を示すグラフ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラングロイス エリザベス エー． アメリカ合衆国 デラウェア州 19711 ニューアーク クリスティナ ミル ドラ イブ 413 (72)発明者 ゲットマン デイヴィット アメリカ合衆国 デラウェア州 19701 ベア クリスティアナ メドーズ 3909 (72)発明者 サチャン ヴァイカス アメリカ合衆国 デラウェア州 19707 ホクシン ブルック ラン 121 (72)発明者 ブルク ピーター エー． アメリカ合衆国 ペンシルヴァニア州 19311 エイヴォンデール インターラッ チェン コート 104 Ｆターム(参考） 5F033 HH07 HH08 HH09 HH11 HH12 HH13 HH18 HH19 HH21 HH32 HH33 MM01 MM12 MM13 QQ48 RR04 RR14 RR15 RR21 WW01 XX01
Claims (18)
- 【請求項１】 一つの材料が他の材料に対して選択的に除去される少なくと
も二つの異なる材料からなる基板と、平均粗さが６ミクロン未満で、二乗平均粗
さが７ミクロン未満の平坦化面を有する研磨パッドとを接触させること、および
、一つの材料の除去が他の材料の除去よりも早い速度で行われることを促進する
研磨組成物の存在の下に、基板と平坦化面を相互に運動させることからなる半導
体基板の化学機械的研磨の方法。 - 【請求項２】 研磨パッドが、平均粗さが４ミクロン未満で、二乗平均粗さ
が５ミクロン未満の平坦化面を有することを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項３】 研磨パッドが、平均粗さが２ミクロン未満で、二乗平均粗さ
が２ミクロン未満の平坦化面を有することを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項４】 研磨パッドが、平均粗さが１ミクロン未満で、二乗平均粗さ
が１ミクロン未満の平坦化面を有することを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項５】 より早い速度で除去される基板材料が導電性材料であり、他
の材料がバリア材料であることを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項６】 より早い速度で除去される基板材料が導電性材料であり、他
の材料が誘電性材料であることを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項７】 より早い速度で除去される基板材料が導電性材料であり、他
の材料がバリア材料と誘電性材料の双方を含むものであることを特徴とする請求
項１記載の方法。 - 【請求項８】 導電性材料が、タングステン、アルミニウム、銅、白金、パ
ラジウム、金、イリジウム、及びこれらの任意の組合せあるいは合金からなるグ
ループから得られるものであることを特徴とする請求項５記載の方法。 - 【請求項９】 導電性材料が、タングステン、アルミニウム、銅、白金、パ
ラジウム、金、イリジウム、及びこれらの任意の組合せあるいは合金からなるグ
ループから得られるものであることを特徴とする請求項６記載の方法。 - 【請求項１０】 導電性材料が、タングステン、アルミニウム、銅、白金、
パラジウム、金、イリジウム、及びこれらの任意の組合せあるいは合金からなる
グループから得られるものであることを特徴とする請求項７記載の方法。 - 【請求項１１】 バリア材料が、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チ
タン、およびこれらの任意の組合せからなるグループから得られるものであるこ
とを特徴とする請求項５記載の方法。 - 【請求項１２】 バリア材料が、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チ
タン、およびこれらの任意の組合せからなるグループから得られるものであるこ
とを特徴とする請求項７記載の方法。 - 【請求項１３】 誘電材料が、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、ＴＥＯＳ、ＳｉＯ2 およ
び任意の低Ｋポリマー材料からなるグループから得られるものであることを特徴
とする請求項６記載の方法。 - 【請求項１４】 誘電材料が、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、ＴＥＯＳ、ＳｉＯ2 およ
び任意の低Ｋポリマー材料からなるグループから得られるものであることを特徴
とする請求項７記載の方法。 - 【請求項１５】 平均粗さが６ミクロン未満で、二乗平均粗さが７ミクロン
未満の平坦化面を有する化学機械的研磨において有用な研磨パッド。 - 【請求項１６】 平坦化面が、平均粗さが４ミクロン未満で、二乗平均粗さ
が５ミクロン未満であることを特徴とする請求項１５に記載の研磨パッド。 - 【請求項１７】 平坦化面が、平均粗さが２ミクロン未満で、二乗平均粗さ
が２ミクロン未満であることを特徴とする請求項１５に記載の研磨パッド。 - 【請求項１８】 平坦化面が、平均粗さが１ミクロン未満で、二乗平均粗さ
が１ミクロン未満であることを特徴とする請求項１５に記載の研磨パッド。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US10893698P | 1998-11-18 | 1998-11-18 | |
| US60/108,936 | 1998-11-18 | ||
| PCT/US1999/027225 WO2000030159A1 (en) | 1998-11-18 | 1999-11-17 | Method to decrease dishing rate during cmp in metal semiconductor structures |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002530861A true JP2002530861A (ja) | 2002-09-17 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000583074A Pending JP2002530861A (ja) | 1998-11-18 | 1999-11-17 | 金属半導体構造体におけるｃｍｐ時のディッシング速度を低下させる方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1147546A1 (ja) |
| JP (1) | JP2002530861A (ja) |
| KR (1) | KR20010093086A (ja) |
| WO (1) | WO2000030159A1 (ja) |
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