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JP2004023068A - Polishing slurry for copper-based metal and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Polishing slurry for copper-based metal and method for manufacturing semiconductor device Download PDF

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JP2004023068A
JP2004023068A JP2002180227A JP2002180227A JP2004023068A JP 2004023068 A JP2004023068 A JP 2004023068A JP 2002180227 A JP2002180227 A JP 2002180227A JP 2002180227 A JP2002180227 A JP 2002180227A JP 2004023068 A JP2004023068 A JP 2004023068A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
copper
polishing
film
polishing slurry
alumina
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002180227A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Nobuo Kobayashi
小林 信雄
Mikio Nonaka
野中 幹男
Katsuhiko Yamauchi
山内 克彦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shibaura Mechatronics Corp
Original Assignee
Shibaura Mechatronics Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shibaura Mechatronics Corp filed Critical Shibaura Mechatronics Corp
Priority to JP2002180227A priority Critical patent/JP2004023068A/en
Publication of JP2004023068A publication Critical patent/JP2004023068A/en
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  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an abrasive slurry for copper-based metals, which contains alumina abrasive grains that are restrained from subsiding, condensing and solidifying and stably dispersed in the slurry when the slurry is stored. <P>SOLUTION: The abrasive slurry contains a water-soluble organic acid that produces a complex reacting on copper, the alumina abrasive grains, and polyacrylic alkyl oxide. The amount (wt.%) of polyacrylic alkyl oxide contained in the abrasive slurry for copper-based metals is calculated through formula, 3146.9×A<SP>-0.6166</SP>(wherein, A denotes weight-average molecular weight). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銅系金属用研磨スラリーおよび半導体装置の製造方法関する。
【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形成においては、次のようなケミカルメカニカルポリシング(CMP)技術を用いて埋め込み配線層を形成し、表面の段差を解消する方法が知られている。すなわち、半導体基板上の例えばSiOからなる層間絶縁膜に溝を形成し、この溝を含む前記層間絶縁膜全面に銅または銅合金からなる配線材料膜を前記溝を十分に埋めるように形成した後、ポリシング装置および研磨スラリーを用いて前記配線材料膜にCMP処理を施すことにより前記溝内に銅または銅合金の膜を残存させて埋め込み配線層を形成する。このような埋込み配線層の形成において、必要に応じて前記溝形成後、前記配線材料膜の形成前にTa膜のような銅拡散防止膜が前記溝内面を含む前記層間絶縁膜に形成される。
【0003】
ところで、前記配線材料膜をCMP処理するための従来の研磨スラリーとしてはキナルジン酸のような銅と反応して錯体を生成する水溶性の有機酸と、コロイダルアルミナのようなアルミナからなる研磨砥粒とを含む組成のものが用いられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、研磨砥粒としてアルミナを用いる研磨スラリーは保管時等において沈降凝縮して固化するため、研磨スラリー中のアルミナからなる研磨砥粒の分散性が損なわれて分散された研磨砥粒の量が変動する。その結果、前記Cuのような配線材料膜をCMP処理する際、ロット間およびロット内で研磨速度が変動するため、研磨時間をある設計範囲に定めると配線材料膜の研磨が過少または過多になり、所期目的の加工形状を有する埋込み配線層の形成が困難になる。
【0005】
本発明は、保管時等においてアルミナからなる研磨砥粒の沈降凝縮、固化を抑制して前記研磨砥粒が安定して分散された銅系金属用研磨スラリーを提供しようとするものである。
【0006】
本発明は、銅または銅合金からなる配線材料膜をCMP処理して埋め込み配線層を形成する工程において前記配線材料膜のロット間およびロット内での研磨ばらつきを生じることなく、配線材料膜を安定的に研磨することが可能な半導体装置の製造方法を提供しようとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る銅系金属用研磨スラリーは、銅と反応して錯体を生成する水溶性の有機酸と、アルミナからなる研磨砥粒と、重量平均分子量が10,000〜8,000,000のポリアクリルアルキルオキサイドとを含み、
前記ポリアクリルアルキルオキサイドは、3146.9×A−0.6166(ただし、Aはポリアクリルアルキルオキサイドの重量平均分子量を示す)から算出される量(重量%)を含有することを特徴とするものである。
【0008】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上の絶縁膜に配線層の形状に相当する溝およびビアフィルの形状に相当する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する工程;
前記埋込み用部材の内面を含む前記絶縁膜上に銅または銅合金からなる配線材料膜を形成する工程;
前記銅系金属用研磨スラリーを用いて前記配線材料膜を化学機械研磨することにより前記埋込み用部材内に配線層およびビアフィルから選ばれる少なくとも1つの導電部材を形成する工程;
を含むことを特徴とするものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る銅系金属用研磨スラリーを詳細に説明する。
【0010】
この銅系金属用研磨スラリーは、銅と反応して錯体を生成する水溶性の有機酸と、アルミナからなる研磨砥粒と、重量平均分子量が10,000〜8,000,000のポリアクリルアルキルオキサイド(以下PAAOと称す)とを含む組成を有する。前記PAAOの含有量(重量%)は、3146.9×A−0.6166(ただし、AはPAAOの重量平均分子量を示す)から算出される。具体的には、前記PAAOの重量平均分子量とPAAOの含有量とは図1に示す関係を有する。
【0011】
前記有機酸としては、例えば酢酸、アミノ酢酸(グリシン)、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、キノリン等を挙げることができる。特に、2−キノリンカルボン酸(キナルジン酸)が好ましい。
【0012】
前記アルミナとしては、例えばコロイダルアルミナ、θ−アルミナから選ばれる少なくとも1つを挙げることができる。
【0013】
前記研磨砥粒は、0.02〜0.1μmの平均一次粒径を有し、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スラリーを用いてCuまたはCu合金を研磨処理すると、CuまたはCu合金の研磨表面への損傷を抑制することができる。
【0014】
前記ポリアクリルアルキルオキサイド(PAAO)としては、例えばポリアクリルエチルオキサイド、ポリアクリルプロピルオキサイド、ポリアクリルブチルオキサイド等を挙げることができる。
【0015】
本発明に係る研磨スラリーにおいて、錯体生成促進剤を含有することを許容する。この錯体生成促進剤としては、例えば過酸化水素(H2 2 )、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。
【0016】
本発明に係る銅系金属用研磨スラリーは、さらに非イオン性、両性イオン性、陰イオン性、陽イオン性の界面活性剤が添加されることを許容する。このような界面活性剤をさらに含む研磨スラリーは、後述するようにCuまたはCu合金とSiN膜およびSiO2 のような絶縁膜との選択研磨性を高めることが可能になる。
【0017】
前記非イオン性界面活性剤としては、例えばポリエチレングリコールフェニルエーテル、エチレングリコール脂肪酸エステルを挙げることができる。
【0018】
前記両性イオン性界面活性剤としては、例えばイミダゾリベタイン等を挙げることができる。
【0019】
前記陰イオン性界面活性剤としては、例えばドデシル硫酸ナトリウム、ドデシル硫酸アンモニウム等を挙げることができる。
【0020】
前記陽イオン性界面活性剤としては、例えばステアリントリメチルアンモニウムクロライド等を挙げることができる。
【0021】
前述した界面活性剤は、2種以上の混合物の形態で用いてもよい。
【0022】
本発明に係る銅系金属用研磨スラリーを用いて例えば基板上の絶縁膜に溝を形成し、この溝を含む前記絶縁膜上にCu膜またはCu合金膜を成膜し、これらCu膜またはCu合金膜を研磨するには、図2に示すポリシング装置が用いられる。すなわち、ターンテーブル1上には例えば布、独立気泡を有するポリウレタン発泡体から作られた研磨パッド2が被覆されている。研磨スラリー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。
【0023】
このようなポリシング装置において、前記ホルダ5により基板6をその研磨面(例えばCu膜)が前記研磨パッド2に対向するように保持し、前記供給管3から前述した組成の研摩液7を供給しながら、前記支持軸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、さらに前記ホルド5および前記ターンテーブル1をそれぞれ同方向に回転させることにより前記基板6上のCu膜が研磨される。
【0024】
以上説明した本発明に係る銅系金属用研磨スラリーは、例えばキナルジン酸のような銅と反応して錯体を生成する水溶性の有機酸と、アルミナからなる研磨砥粒と、重量平均分子量が10,000〜8,000,000のポリアクリルアルキルオキサイド(PAAO)とを含み、かつ前記PAAOが3146.9×A−0. 6166(ただし、AはPAAPの重量平均分子量を示す)から算出される量(重量%)を含有することによって、保管時等において前記アルミナからなる研磨砥粒が沈降凝縮して固化するのを前記PAAOにより抑制することができるため、保管前後の研磨スラリーに分散されるアルミナの研磨砥粒量をほぼ一定にすることができる。その結果、Cu膜を本発明の研磨スラリーを用いてCMP処理する際、処理ロット間で研磨速度が変動することなく一定にできるため、前記Cu膜を安定的に研磨処理することができる。
【0025】
次に、本発明に係わる半導体装置の製造方法を説明する。
【0026】
まず、半導体基板上の絶縁膜に配線層の形状に相当する溝およびビアフィルの形状に相当する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する。つづいて、この埋込み用部材の内面を含む前記絶縁膜上に銅または銅合金からなる配線材料膜を形成した後、前述した組成の銅系金属用研磨スラリーを用いて前記配線材料膜をCMP処理を施すことによって前記埋込み用部材内に銅または銅合金からなる配線層およびビアフィルから選ばれる少なくとも1つの導電部材を形成して半導体装置の製造する。
【0027】
前記絶縁膜としては、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)、SiOF、有機スピンオングラス、ポリイミド、フッ素添加ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ポリアリルエーテル、フッ素添加パレリン、Low−K膜等を用いることができる。
【0028】
前記Cu合金としては、例えばCu−Si合金、Cu−Al合金、Cu−Si−Al合金、Cu−Ag合金等を用いることができる。
【0029】
前記CuまたはCu合金からなる配線材料膜は、スパッタ蒸着、真空蒸着、または無電解メッキ等により形成される。具体的には、銅もしくは銅合金をスパッタ法またはCVD法により堆積し、さらに無電解銅メッキを施して銅または銅合金からなる配線材料膜を形成する。
【0030】
前記銅系金属用研磨スラリーによるCMP処理は、例えば前述した図2に示すポリシング装置が用いて行われる。
【0031】
図2に示すポリシング装置を用いる研磨処理において、基板ホルダで保持された基板を前記研磨パッドに与える荷重は研磨スラリーの組成により適宜選定されるが、例えば50〜1000g/cm2 にすることが好ましい。
【0032】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記埋込み用部材の形成後、前記配線材料膜の形成前にこの埋込み部材を含む前記絶縁膜に銅拡散防止膜を形成することを許容する。この銅拡散防止膜としては、例えばTa,TaN、Wから選ばれる1層または2層以上から作られる。
【0033】
以上説明した本発明に係る半導体装置の製造方法は、埋込み用部材の内面を含む絶縁膜上に銅または銅合金からなる配線材料膜を形成した後、この配線材料膜をCMP処理する際、キナルジン酸のような銅と反応して錯体を生成する水溶性の有機酸と、アルミナからなる研磨砥粒と、重量平均分子量が10,000〜8,000,000のポリアクリルアルキルオキサイド(PAAO)とを含み、かつ前記PAAOが3146.9×A−0.6166(ただし、AはPAAOの重量平均分子量を示す)から算出される量(重量%)を含有する銅系金属用研磨スラリーを用いてなされる。このような研磨スラリーは、前述したように保管時等において前記アルミナからなる研磨砥粒が沈降凝縮して固化するのを前記PAAOにより抑制することができるため、研磨スラリー中のアルミナ研磨砥粒の分散性を保管前の状態にほぼ維持でき、分散されたアルミナの研磨砥粒量をほぼ一定にすることができる。その結果、前記配線材料膜を前記研磨スラリーを用いてCMP処理することによって、ロット(半導体装置)間およびロット内で前記配線材料膜の研磨速度が変動することなく一定にできるため、所期目的の加工形状を有する埋込み配線層のような導電部材が再現性よく形成された半導体装置を製造することができる。
【0034】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照しして詳細に説明する。
【0035】
(実施例1)
まず、ソース、ドレイン等の拡散層が形成されたシリコン基板上にCVD法によりSiO2 膜を堆積した後、このSiO2 膜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深さ500nmの複数の溝23を形成した。つづいて、前記溝を含む前記SiO2 膜上にスパッタ蒸着により厚さ600nmのCu膜を形成した。
【0036】
次いで、前述した図2に示すポリシング装置の基板ホルダ5に前記基板を逆さにして保持し、前記ホルダ5の支持軸4により前記基板をターンテーブル1上のロデール社製商品名;IC1000からなる研磨パッド2に500g/cm2 の荷重を与え、前記ターンテーブル1およびホルダ5をそれぞれ103rpm、100rpmの速度で同方向に回転させながら、保管日数が7日間、60日間、180日間経過した後の下記組成の銅系金属用研磨スラリーを供給管3から50ml/分の速度で前記研磨パッド2に供給して前記基板に形成したCu膜を前記SiO2 膜表面が露出するまで研磨した。
【0037】
<銅系金属用研磨スラリー;各成分量は水に対する割合>
・2−キノリンカルボン酸(キナルジン酸);0.67重量%、
・θアルミナ;1.67重量%、
・過酸化水素;4.67重量%、
・重量平均分子量が6000のポリアクリルエチルオキサイド;20重量%。
【0038】
その結果、銅系金属用研磨スラリーの保管日数に関係なく、ロット間、ロット内の研磨の均一性は10%以内に保たれ、SiO2 膜表面とほぼ面一な所期加工形状を有する埋め込みCu配線層を形成することができた。
【0039】
(比較例1)
保管日数が1日間、7日間、60日間、180日間経過した後の下記組成を有する4つの銅系金属用研磨スラリーを用いた以外、実施例1と同一条件で埋め込みCu配線層を形成した。
【0040】
<銅系金属用研磨スラリー;各成分量は水に対する割合>
・2−キノリンカルボン酸(キナルジン酸);0.67重量%、
・θアルミナ;1.67重量%、
・過酸化水素;4.67重量%。
【0041】
その結果、ロット間およびロット内においてSiO2 膜の溝に形成された埋め込みCu配線層の形状にばらつきを生じた。特に、保管日数が多い銅系金属用研磨スラリーを用いた場合ほど、Cuからなる配線材料膜のCMP処理が十分になされず、同一のSiO2 膜の複数の溝に形成された埋め込みCu配線層の形状にばらつきを生じた。
【0042】
(実施例2)
まず、図3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法により絶縁膜としての例えば厚さ1000nmのSiO2 膜22を堆積した後、この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深さ500nmの複数の溝23を形成した。つづいて、図3の(B)に示すように前記溝23を含む前記SiO2 膜22上にスパッタ蒸着により厚さ15nmのTaNからなる銅拡散防止膜24および厚さ600nmのCu膜25をこの順序で形成した。
【0043】
次いで、前述した図2に示すポリシング装置の基板ホルダ5に図3の(B)に示す基板21を逆さにして保持し、前記ホルダ5の支持軸4により前記基板をターンテーブル1上のロデール社製商品名;IC1000からなる研磨パッド2に500g/cm2 の荷重を与え、前記ターンテーブル1およびホルダ5をそれぞれ103rpm、100rpmの速度で同方向に回転させながら、保管日数が1日間経過した後の下記組成の銅系金属用研磨スラリーを供給管3から50ml/分の速度で前記研磨パッド2に供給して前記基板21に形成したCu膜25を前記SiO2 膜22上の前記銅拡散防止膜24の表面が露出するまで研磨した。
【0044】
<銅系金属用研磨スラリー;各成分量は水に対する割合>
・2−キノリンカルボン酸(キナルジン酸);0.67重量%、
・θアルミナ;1.67重量%、
・過酸化水素;4.67重量%、
・重量平均分子量が6000のポリアクリルエチルオキサイド;20重量%。
【0045】
前記研磨工程において、前記研磨スラリーはCu膜との接触時にエッチングが全く起こらず、前記研磨パッドによる研磨時の研磨速度が約800nm/分であった。このため、研磨工程において図3の(B)に示す凸状のCu膜25は前記研磨パッドと機械的に接触する表面から優先的にポリシングされた。
【0046】
次いで、前述したCu膜研磨に用いたポリシング装置に隣接された図2と同構造を有する別のポリシング装置の基板ホルダ5に図3の(B)に示す基板21を逆さにして保持し、前記ホルダ5の支持軸4により前記基板をターンテーブル1上のロデール社製商品名;IC1000からなる研磨パッド2に500g/cm2 の荷重を与え、前記ターンテーブル1およびホルダ5をそれぞれ103rpm、100rpmの速度で同方向に回転させながら、下記組成の銅拡散防止材料用研磨スラリーを供給管3から100ml/分の速度で前記研磨パッド2に供給して前記基板21に形成した銅拡散防止膜24を前記SiO2 膜22表面が露出するまで研磨した。その結果、図3の(C)に示すように前記溝23内に銅拡散防止膜24が残存すると共に、前記銅拡散防止膜24で覆われた前記溝23内に前記SiO2 膜22表面とほぼ面一な所期加工形状を有する埋め込みCu配線層26が形成された。
【0047】
<銅拡散防止材料用研磨スラリー;各成分量は水に対する割合>
・2−キノリンカルボン酸(キナルジン酸);0.67重量%、
・Θ−アルミナ;1.67重量%、
・過酸化水素;17重量%。
【0048】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば保管時等においてアルミナからなる研磨砥粒の沈降凝縮、固化を抑制して前記砥粒が安定して分散された銅系金属用研磨スラリーを提供することができる。
【0049】
また、本発明によれば銅または銅合金からなる配線材料膜をCMP処理して埋込み配線層のような導電部材を形成する工程においてロット間およびロット内での研磨ばらつきを生じることなく、配線材料膜を安定的に研磨でき、ロット間およびロット内で所期目的の加工形状を有する導電部材を形成することが可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】PAAOの重量平均分子量とPAAOの含有量とは関係を示すグラフ。
【図2】本発明の研磨工程に使用されるポリシング装置を示す概略図。
【図3】本発明の実施例2における半導体装置の製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
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、
25…Cu膜、
22…SiO2 膜、
23…溝、
24…銅拡散防止膜、
26…Cu配線層。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a polishing slurry for copper-based metal and a method for manufacturing a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In forming a wiring layer, which is one of the manufacturing steps of a semiconductor device, there is known a method of forming a buried wiring layer by using the following chemical mechanical polishing (CMP) technique to eliminate a step on a surface. That is, a groove is formed in an interlayer insulating film made of, for example, SiO 2 on a semiconductor substrate, and a wiring material film made of copper or a copper alloy is formed on the entire surface of the interlayer insulating film including the groove so as to sufficiently fill the groove. Thereafter, the wiring material film is subjected to a CMP process using a polishing apparatus and a polishing slurry to leave a copper or copper alloy film in the groove to form a buried wiring layer. In forming such a buried wiring layer, a copper diffusion prevention film such as a Ta film is formed on the interlayer insulating film including the inner surface of the groove, if necessary, after the formation of the groove and before the formation of the wiring material film. .
[0003]
By the way, as a conventional polishing slurry for performing the CMP treatment on the wiring material film, a polishing abrasive made of a water-soluble organic acid which reacts with copper such as quinaldic acid to form a complex and alumina such as colloidal alumina is used. The composition containing the following is used.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the polishing slurry using alumina as abrasive grains is settled and condensed during storage and the like and solidified, the dispersibility of the abrasive grains composed of alumina in the polishing slurry is impaired, and the amount of dispersed abrasive grains is reduced. fluctuate. As a result, when the wiring material film such as Cu is subjected to the CMP process, the polishing rate fluctuates between lots and between lots. Therefore, if the polishing time is set within a certain design range, the polishing of the wiring material film becomes too small or too large. In addition, it becomes difficult to form a buried wiring layer having an intended processing shape.
[0005]
An object of the present invention is to provide a polishing slurry for copper-based metal in which the polishing abrasive grains are stably dispersed by suppressing the sedimentation and solidification of the abrasive grains made of alumina during storage or the like.
[0006]
According to the present invention, in a step of forming a buried wiring layer by performing a CMP process on a wiring material film made of copper or a copper alloy, the wiring material film can be stably formed without causing polishing variation between lots and within a lot. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device which can be polished.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The polishing slurry for a copper-based metal according to the present invention comprises a water-soluble organic acid which reacts with copper to form a complex, abrasive grains made of alumina, and a weight average molecular weight of 10,000 to 8,000,000. Including polyacrylalkyl oxide,
The polyacrylalkyl oxide contains an amount (% by weight) calculated from 3146.9 × A− 0.6166 (where A represents the weight average molecular weight of the polyacrylalkyl oxide). It is.
[0008]
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of forming at least one embedding member selected from a groove corresponding to a shape of a wiring layer and an opening corresponding to a shape of a via fill in an insulating film on a semiconductor substrate;
Forming a wiring material film made of copper or a copper alloy on the insulating film including the inner surface of the embedding member;
Forming at least one conductive member selected from a wiring layer and a via fill in the embedding member by chemically and mechanically polishing the wiring material film using the copper-based metal polishing slurry;
It is characterized by including.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the polishing slurry for copper-based metal according to the present invention will be described in detail.
[0010]
This polishing slurry for a copper-based metal is composed of a water-soluble organic acid that reacts with copper to form a complex, abrasive grains made of alumina, and a polyacrylalkyl having a weight average molecular weight of 10,000 to 8,000,000. Oxide (hereinafter referred to as PAAO). The content (% by weight) of the PAAO is calculated from 3146.9 × A− 0.6166 (where A indicates the weight average molecular weight of PAAO). Specifically, the weight average molecular weight of PAAO and the content of PAAO have the relationship shown in FIG.
[0011]
Examples of the organic acid include acetic acid, aminoacetic acid (glycine), 2-quinoline carboxylic acid (quinaldic acid), 2-pyridine carboxylic acid, 2,6-pyridine carboxylic acid, quinoline, and the like. Particularly, 2-quinoline carboxylic acid (quinaldic acid) is preferable.
[0012]
Examples of the alumina include at least one selected from colloidal alumina and θ-alumina.
[0013]
It is preferable that the abrasive grains have an average primary particle size of 0.02 to 0.1 μm, and have a spherical shape or a shape close to a sphere. When Cu or a Cu alloy is polished using a polishing slurry containing such polishing abrasive grains, damage to the polished surface of Cu or the Cu alloy can be suppressed.
[0014]
Examples of the polyacrylalkyl oxide (PAAO) include polyacrylethyl oxide, polyacrylpropyl oxide, and polyacrylbutyloxide.
[0015]
The polishing slurry according to the present invention is allowed to contain a complex formation promoter. An oxidizing agent such as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) or sodium hypochlorite (NaClO) can be used as the complex formation promoter.
[0016]
The polishing slurry for copper-based metal according to the present invention allows the addition of a nonionic, zwitterionic, anionic, or cationic surfactant. The polishing slurry further containing such a surfactant can enhance selective polishing of Cu or a Cu alloy and an insulating film such as a SiN film and SiO 2 as described later.
[0017]
Examples of the nonionic surfactant include polyethylene glycol phenyl ether and ethylene glycol fatty acid ester.
[0018]
Examples of the zwitterionic surfactant include imidazoribetaine and the like.
[0019]
Examples of the anionic surfactant include sodium dodecyl sulfate and ammonium dodecyl sulfate.
[0020]
Examples of the cationic surfactant include stearin trimethylammonium chloride and the like.
[0021]
The aforementioned surfactants may be used in the form of a mixture of two or more.
[0022]
For example, a groove is formed in an insulating film on a substrate using the polishing slurry for a copper-based metal according to the present invention, and a Cu film or a Cu alloy film is formed on the insulating film including the groove. To polish the alloy film, a polishing apparatus shown in FIG. 2 is used. That is, the turntable 1 is covered with a polishing pad 2 made of, for example, a cloth or a polyurethane foam having closed cells. A supply pipe 3 for supplying the polishing slurry is disposed above the polishing pad 2. A substrate holder 5 having a support shaft 4 on the upper surface is arranged above the polishing pad 2 so as to be vertically movable and rotatable.
[0023]
In such a polishing apparatus, the substrate 6 is held by the holder 5 so that the polishing surface (eg, Cu film) faces the polishing pad 2, and the polishing liquid 7 having the above-described composition is supplied from the supply pipe 3. While applying a desired weight to the substrate 6 by the support shaft 4 toward the polishing pad 2, and further rotating the holder 5 and the turntable 1 in the same direction, the Cu film on the substrate 6 is formed. Polished.
[0024]
The polishing slurry for a copper-based metal according to the present invention described above is, for example, a water-soluble organic acid which reacts with copper such as quinaldic acid to form a complex, abrasive grains made of alumina, and a weight average molecular weight of 10 8,000 to 8,000,000 polyacrylalkyl oxide (PAAO), and the PAAO is 3146.9 × A- 0. 6166 (where A represents the weight-average molecular weight of PAAP), by containing the amount (% by weight) calculated from the abrasive grains made of alumina during storage and the like to prevent solidification by sedimentation and condensation during storage and the like. Since it can be suppressed by PAAO, the amount of alumina abrasive particles dispersed in the polishing slurry before and after storage can be made substantially constant. As a result, when the Cu film is subjected to the CMP processing using the polishing slurry of the present invention, the polishing rate can be kept constant without changing between the processing lots, so that the Cu film can be polished stably.
[0025]
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described.
[0026]
First, at least one embedding member selected from a groove corresponding to the shape of a wiring layer and an opening corresponding to the shape of a via fill is formed in an insulating film on a semiconductor substrate. Subsequently, after forming a wiring material film made of copper or a copper alloy on the insulating film including the inner surface of the embedding member, the wiring material film is subjected to a CMP process using a polishing slurry for a copper-based metal having the above-described composition. To form at least one conductive member selected from a wiring layer made of copper or a copper alloy and a via fill in the embedding member, thereby manufacturing a semiconductor device.
[0027]
Examples of the insulating film include a silicon oxide film, a boron-doped glass film (BPSG film), a phosphorus-doped glass film (PSG film), SiOF, organic spin-on glass, polyimide, fluorinated polyimide, polytetrafluoroethylene, and polyallyl fluoride. Ether, fluorinated parelin, Low-K film, or the like can be used.
[0028]
As the Cu alloy, for example, a Cu-Si alloy, a Cu-Al alloy, a Cu-Si-Al alloy, a Cu-Ag alloy, or the like can be used.
[0029]
The wiring material film made of Cu or Cu alloy is formed by sputter deposition, vacuum deposition, electroless plating, or the like. Specifically, copper or a copper alloy is deposited by a sputtering method or a CVD method, and further subjected to electroless copper plating to form a wiring material film made of copper or a copper alloy.
[0030]
The CMP process using the copper-based metal polishing slurry is performed using, for example, the above-described polishing apparatus shown in FIG.
[0031]
In the polishing process using the polishing apparatus shown in FIG. 2, the load applied to the polishing pad by the substrate held by the substrate holder is appropriately selected according to the composition of the polishing slurry, but is preferably, for example, 50 to 1000 g / cm 2. .
[0032]
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, after the formation of the burying member and before the formation of the wiring material film, a copper diffusion preventing film may be formed on the insulating film including the burying member. This copper diffusion prevention film is made of, for example, one layer or two or more layers selected from Ta, TaN, and W.
[0033]
The above-described method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes the steps of: forming a wiring material film made of copper or a copper alloy on an insulating film including an inner surface of an embedding member; A water-soluble organic acid which forms a complex by reacting with copper such as an acid, abrasive grains made of alumina, and a polyacrylalkyl oxide (PAAO) having a weight average molecular weight of 10,000 to 8,000,000. And a polishing slurry for copper-based metal containing PAAO in an amount (% by weight) calculated from 3146.9 × A −0.6166 (where A represents the weight average molecular weight of PAAO). Done. Such a polishing slurry can suppress, by the PAAO, the polishing abrasive grains made of the alumina from settling and consolidating during storage or the like as described above. The dispersibility can be almost maintained in a state before storage, and the amount of the dispersed abrasive grains of alumina can be made substantially constant. As a result, by subjecting the wiring material film to the CMP treatment using the polishing slurry, the polishing rate of the wiring material film can be kept constant between lots (semiconductor devices) and within a lot, so that the intended purpose can be maintained. It is possible to manufacture a semiconductor device in which a conductive member such as a buried wiring layer having the above processed shape is formed with good reproducibility.
[0034]
【Example】
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0035]
(Example 1)
First, a SiO 2 film is deposited by a CVD method on a silicon substrate on which a diffusion layer such as a source and a drain is formed, and a plurality of 500 nm-thick portions having a shape corresponding to a wiring layer are formed on the SiO 2 film by a photoetching technique. Grooves 23 were formed. Subsequently, a Cu film having a thickness of 600 nm was formed on the SiO 2 film including the groove by sputtering deposition.
[0036]
Then, the substrate is held upside down on the substrate holder 5 of the polishing apparatus shown in FIG. 2 described above, and the substrate is polished on the turntable 1 by a support shaft 4 of the holder 5; applying a load of 500 g / cm 2 to the pad 2, the turntable 1 and the holder 5, respectively 103 rpm, while rotating in the same direction at 100rpm speed, storage days is 7 days, 60 days, following after the lapse of 180 days The polishing slurry for copper-based metal having the composition was supplied from the supply pipe 3 to the polishing pad 2 at a rate of 50 ml / min, and the Cu film formed on the substrate was polished until the surface of the SiO 2 film was exposed.
[0037]
<Polishing slurry for copper-based metal; each component is in proportion to water>
-2-quinolinecarboxylic acid (quinaldic acid); 0.67% by weight,
· Θ alumina; 1.67% by weight,
Hydrogen peroxide; 4.67% by weight,
-Polyacrylethyl oxide having a weight average molecular weight of 6000; 20% by weight.
[0038]
As a result, irrespective of the storage days of the polishing slurry for copper-based metal, the uniformity of polishing between lots and within a lot is kept within 10%, and the embedding has an intended processing shape almost flush with the surface of the SiO 2 film. A Cu wiring layer could be formed.
[0039]
(Comparative Example 1)
A buried Cu wiring layer was formed under the same conditions as in Example 1 except that four copper-based metal polishing slurries having the following composition after storage days of 1, 7, 60 and 180 days were used.
[0040]
<Polishing slurry for copper-based metal; each component is in proportion to water>
-2-quinolinecarboxylic acid (quinaldic acid); 0.67% by weight,
· Θ alumina; 1.67% by weight,
-Hydrogen peroxide: 4.67% by weight.
[0041]
As a result, the shape of the buried Cu wiring layer formed in the groove of the SiO 2 film between lots and within the lot varied. In particular, when the polishing slurry for a copper-based metal having a long storage time is used, the CMP treatment of the wiring material film made of Cu is not sufficiently performed, and the embedded Cu wiring layer formed in the plurality of grooves of the same SiO 2 film is not sufficiently processed. The shape of the sample varied.
[0042]
(Example 2)
First, as shown in FIG. 3A, an SiO 2 film 22 having a thickness of, for example, 1000 nm as an insulating film is deposited on a silicon substrate 21 having a diffusion layer such as a source and a drain (not shown) formed on the surface thereof by a CVD method. After that, a plurality of trenches 23 having a shape corresponding to the wiring layer and having a depth of 500 nm were formed in the SiO 2 film 22 by photoetching technology. Subsequently, as shown in FIG. 3B, a copper diffusion preventing film 24 made of TaN having a thickness of 15 nm and a Cu film 25 having a thickness of 600 nm are formed on the SiO 2 film 22 including the groove 23 by sputter deposition. Formed in order.
[0043]
Next, the substrate 21 shown in FIG. 3B is held upside down on the substrate holder 5 of the polishing apparatus shown in FIG. 2 described above, and the substrate is mounted on the turntable 1 by the Rodel Company on the support shaft 4 of the holder 5. A trade name: After a load of 500 g / cm 2 is applied to the polishing pad 2 made of IC1000, and the turntable 1 and the holder 5 are rotated in the same direction at a speed of 103 rpm and 100 rpm, respectively, after a storage period of one day, Is supplied to the polishing pad 2 at a rate of 50 ml / min from a supply pipe 3 at a rate of 50 ml / min to prevent the Cu film 25 formed on the substrate 21 from diffusing into the copper on the SiO 2 film 22. Polishing was performed until the surface of the film 24 was exposed.
[0044]
<Polishing slurry for copper-based metal; each component is in proportion to water>
-2-quinolinecarboxylic acid (quinaldic acid); 0.67% by weight,
· Θ alumina; 1.67% by weight,
Hydrogen peroxide; 4.67% by weight,
-Polyacrylethyl oxide having a weight average molecular weight of 6000; 20% by weight.
[0045]
In the polishing step, the polishing slurry did not undergo any etching at the time of contact with the Cu film, and the polishing rate at the time of polishing with the polishing pad was about 800 nm / min. For this reason, in the polishing step, the convex Cu film 25 shown in FIG. 3B was preferentially polished from the surface that is in mechanical contact with the polishing pad.
[0046]
Next, the substrate 21 shown in FIG. 3B is held upside down on the substrate holder 5 of another polishing apparatus having the same structure as that of FIG. 2 and adjacent to the polishing apparatus used for polishing the Cu film. A load of 500 g / cm 2 is applied to the polishing pad 2 made of Rodel on the turntable 1 by the support shaft 4 of the holder 5, and the turntable 1 and the holder 5 are put at 103 rpm and 100 rpm, respectively. While rotating in the same direction at a speed, a polishing slurry for a copper diffusion preventing material having the following composition is supplied from the supply pipe 3 to the polishing pad 2 at a rate of 100 ml / min to remove the copper diffusion preventing film 24 formed on the substrate 21. Polishing was performed until the surface of the SiO 2 film 22 was exposed. As a result, as shown in FIG. 3C, the copper diffusion preventing film 24 remains in the groove 23 and the surface of the SiO 2 film 22 is formed in the groove 23 covered with the copper diffusion preventing film 24. The buried Cu wiring layer 26 having a desired processed shape which is almost even was formed.
[0047]
<Polishing slurry for copper diffusion prevention material; each component is in proportion to water>
-2-quinolinecarboxylic acid (quinaldic acid); 0.67% by weight,
* Θ-alumina; 1.67% by weight,
-Hydrogen peroxide: 17% by weight.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a polishing slurry for copper-based metal in which the abrasive grains are stably dispersed by suppressing sedimentation and condensation of the abrasive grains made of alumina during storage and the like, and solidifying the abrasive grains. Can be.
[0049]
Further, according to the present invention, in a process of forming a conductive member such as a buried wiring layer by performing a CMP process on a wiring material film made of copper or a copper alloy, polishing variation between lots and within a lot does not occur. A method for manufacturing a semiconductor device capable of stably polishing a film and forming a conductive member having an intended processing shape between lots and within a lot can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the weight average molecular weight of PAAO and the content of PAAO.
FIG. 2 is a schematic view showing a polishing apparatus used in the polishing step of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1. Turntable,
2. Polishing pad,
3 ... supply pipe,
5. Holder,
21 ... silicon substrate,
25 ... Cu film,
22 ... SiO 2 film,
23 ... groove,
24 ... Copper diffusion prevention film,
26 ... Cu wiring layer.

Claims (5)

銅と反応して錯体を生成する水溶性の有機酸と、アルミナからなる研磨砥粒と、重量平均分子量が10,000〜8,000,000のポリアクリルアルキルオキサイドとを含み、
前記ポリアクリルアルキルオキサイドは、3146.9×A−0.6166(ただし、Aはポリアクリルアルキルオキサイドの重量平均分子量を示す)から算出される量(重量%)を含有することを特徴とする銅系金属用研磨スラリー。
A water-soluble organic acid which reacts with copper to form a complex, abrasive grains made of alumina, and a polyacrylalkyl oxide having a weight average molecular weight of 10,000 to 8,000,000,
The said polyacrylalkyl oxide contains 3146.9xA- 0.6166 (however, A shows the weight average molecular weight of polyacrylalkyl oxide), The copper content contains the amount (weight%) calculated. Polishing slurry for base metals.
前記アルミナは、コロイダルアルミナおよびΘ−アルミナから選ばれる少なくとも1つであることを特徴とする請求項1記載の銅系金属用研磨スラリー。The polishing slurry for copper-based metal according to claim 1, wherein the alumina is at least one selected from colloidal alumina and Θ-alumina. さらに、錯体生成促進剤を含有することを特徴とする請求項1記載の銅系金属用研磨スラリー。The polishing slurry for copper-based metals according to claim 1, further comprising a complex formation promoter. 半導体基板上の絶縁膜に配線層の形状に相当する溝およびビアフィルの形状に相当する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する工程;
前記埋込み用部材の内面を含む前記絶縁膜上に銅または銅合金からなる配線材料膜を形成する工程;
請求項1記載の銅系金属用研磨スラリーを用いて前記配線材料膜を化学機械研磨することにより前記埋込み用部材内に配線層およびビアフィルから選ばれる少なくとも1つの導電部材を形成する工程;
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming at least one embedding member selected from a groove corresponding to the shape of the wiring layer and an opening corresponding to the shape of the via fill in the insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a wiring material film made of copper or a copper alloy on the insulating film including the inner surface of the embedding member;
A step of forming at least one conductive member selected from a wiring layer and a via fill in the burying member by chemically and mechanically polishing the wiring material film using the polishing slurry for copper-based metal according to claim 1;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
さらに前記埋込み用部材の形成後、前記配線材料膜の形成前に前記埋込み用部材を含む前記絶縁膜上に銅拡散防止膜を形成することを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。5. The method according to claim 4, further comprising forming a copper diffusion prevention film on the insulating film including the burying member after forming the burying member and before forming the wiring material film. .
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