JP2006049912A

JP2006049912A - Ｃｍｐスラリー、前記ｃｍｐスラリーを使用する化学機械的研磨方法、及び前記ｃｍｐスラリーを使用する金属配線の形成方法

Info

Publication number: JP2006049912A
Application number: JP2005225981A
Authority: JP
Inventors: Sung-Joon Kim; 成俊金; Jeong-Heon Park; 正憲朴; Changki Hong; 昌基洪; Jae-Dong Lee; 李　在　東
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】ＣＭＰスラリー、前記ＣＭＰスラリーを使用するＣＭＰ、及び前記ＣＭＰスラリーを使用する金属配線の形成方法を提供する。
【解決手段】ＣＭＰスラリーは研磨剤、酸化剤及び金属薄膜を保護するための少なくとも一つの欠陥防止剤を含む。このＣＭＰスラリーをＣＭＰ、または金属配線形成に使用することにより、金属薄膜の表面に生ずる欠陥を減らす、または防ぐことができ、信頼性の高い金属配線が形成できる。
【選択図】図１１

Description

本発明はＣＭＰスラリー、前記ＣＭＰスラリーを使用する化学機械的研磨方法、及び前記ＣＭＰスラリーを使用する金属配線の形成方法に関する。

アルミニウム合金を含むアルミニウムは、半導体デバイスで配線、またはプラグとして使用される導電性物質のうちの一つである。ここでアルミニウム合金は、アルミニウムが主成分であるあらゆる組成物を含むと定義する。

従来、アルミニウム薄膜は、スパッタリング、または化学気相成長法（ＣＶＤ）を使用して蒸着され、アルミニウムパターンは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を使用して、アルミニウム薄膜をエッチングして形成される。従来のＲＩＥ法は、熱による応力のために、アルミニウムパターンの間の連結、及び／またはアルミニウムパターン中のボイドの発生という欠点がある。

最近、アルミニウム配線を形成するために、ダマシン工程が広く使われている。従来のダマシン工程は、化学機械的平坦化、または化学機械的研磨法（ＣＭＰ）によって、相互連結した金属のラインを、絶縁体で互いに隔離させる工程である。従来のダマシン工程では、相互連結のパターンを、絶縁層内にフォトリソグラフィによって形成し、金属を堆積させて、その結果金属がパターンの溝を満たし、ＣＭＰによって余分な金属を除去する。アルミニウム配線、または銅配線のような金属配線を形成するための従来のダマシン工程について、図１乃至図５に図示している。

図１に示したように、従来のダマシン工程は、基板１０上に金属間絶縁膜（ＩＭＤ）１２を形成する工程と、図２に示したように、金属間絶縁膜１２をパターニングして、金属配線が形成される領域１４を形成する工程とを含む。

図３に示したように、従来のダマシン工程は、バリア膜１６を形成する工程と、図４に示したようにバリア膜１６上に、厚いアルミニウム膜１８を形成する工程と、図５に示したように、ＣＭＰ工程を使用して金属間絶縁膜１２の表面上部のアルミニウム膜１８、及びバリア膜１６を除去する工程とをさらに含む。

上述の、アルミニウム配線を形成するための従来のダマシン工程において、ＣＭＰの工程は、アルミニウム配線の一つ以上の電気特性に影響を与えうる。さらに具体的には、ＣＭＰスラリーの選択的な除去率が、アルミニウム配線の電気特性に影響を与える一つの因子になりうる。

図１〜５のＩＭＤ層１２に対するアルミニウム膜１８のように、シリコン酸化膜に対するアルミニウム膜１８の選択的な除去率が低い場合、アルミニウム膜１８がＣＭＰの工程の間、オーバーエッチングされる。オーバーエッチングによって、アルミニウム配線の表面にダマシンが発生し、これはアルミニウム配線の電気抵抗を増加させる。したがって、半導体デバイスのアルミニウム配線を通じて伝達される電気信号の速度が遅くなり、結局は、半導体デバイスの全体的な性能が低下する。

上述のシリコン酸化膜に対するアルミニウム膜のように、金属薄膜に対する選択的な除去率が低いと、アルミニウム膜のオーバーエッチングを誘発し、アルミニウム配線の表面領域の減少をもたらす。また、アルミニウム配線の電気抵抗を増加させ、半導体デバイスのアルミニウム配線を通じて伝達される電気信号の速度を減少させて、半導体デバイスの全体的な性能を低下させる。

従来、シリコン酸化物薄膜に対して、金属薄膜の高い選択的な除去率は、引っかき傷（スクラッチ）、腐食、及び／またはくぼみを誘発する。スクラッチ欠陥は図６に示しているが、これは研磨剤によりアルミニウム膜表面に発生する損傷に起因する、表面の荒れである。アルミニウム膜表面のくぼみ欠陥は図７に示しているが、この欠陥はスクラッチがより進行した状態で生じうる。腐食欠陥は図８に示しているが、他の物質との化学反応によって、アルミニウム膜からアルミニウムイオンが脱離したことを示す。

上述の欠陥は、例えばアルミニウムのように、相対的に硬度、及び耐応力が低い金属の柔らかい特性に起因する。アルミニウムのスクラッチ、腐食、またはくぼみは、金属の屈折率を減少させるだけでなく、金属配線の信頼性を低下させ、最も悪い場合には、金属配線が切断する結果に至る。このような柔らかい金属薄膜の、表面に生ずる欠陥を減らす、または防ぐＣＭＰスラリーは、これまでなかった。

したがって、本発明の目的は、信頼性の高い金属配線が形成できるＣＭＰスラリーを提供することにある。さらに本発明の目的は、前記ＣＭＰスラリーを利用したＣＭＰ、及び前記ＣＭＰスラリーを利用した金属配線の形成方法を提供することにある。

本発明の第一は、金属薄膜を研磨するための化学的機械研磨（ＣＭＰ）方法に使われるＣＭＰスラリーであって、前記ＣＭＰスラリーは研磨剤、酸化剤、及び前記金属薄膜を保護するための少なくとも一つの欠陥防止剤を含むことを特徴とする、ＣＭＰスラリーである。

また、本発明の第二は、基板上に形成された金属薄膜を研磨する化学機械的研磨方法において、研磨剤、酸化剤、及び前記金属薄膜を保護するための少なくとも一つの欠陥防止剤を含むＣＭＰスラリーを調製する工程と、前記ＣＭＰスラリーを使用して前記金属薄膜を化学機械的研磨する工程と、を含むことを特徴とする、化学機械的研磨方法である。

さらに、本発明の第三は、基板上に形成された金属薄膜のための化学機械的研磨方法において、研磨剤及び酸化剤を含む第１スラリーを調製する工程と、前記第１スラリーを使用して前記金属薄膜を化学機械的に研磨する工程と、研磨剤、酸化剤、及び前記金属薄膜を保護するための少なくとも一つの欠陥防止剤を含む第２スラリーを調製する工程と、前記第２スラリーを使用して前記金属薄膜を化学機械的に研磨する工程と、を含むことを特徴とする化学機械的研磨方法である。

本発明は金属配線を形成する方法に関し、前記方法は基板上に金属間絶縁膜を形成する工程と、前記金属間絶縁膜をパターニングして金属配線のための領域を形成する工程と、パターニングされた金属間絶縁膜上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜上に金属薄膜を形成する工程と、研磨剤、酸化剤、及び金属薄膜を保護するための欠陥防止剤を含むＣＭＰスラリーを使用して前記金属薄膜を研磨する工程と、を含む。

本発明は金属配線を形成する方法に関し、前記方法は半導体基板上に金属間絶縁膜を形成する工程と、前記金属間絶縁膜をパターニングして金属配線のための領域を形成する工程と、パターニングされた金属間絶縁膜上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜上に金属薄膜を形成する工程と、研磨剤及び酸化剤を含む第１スラリーを使用して前記金属薄膜を研磨する工程と、研磨剤、酸化剤、及び金属薄膜を保護するための欠陥防止剤を含む第２スラリーを使用して前記金属薄膜を研磨する工程と、を含む。

本発明のＣＭＰスラリーは、くぼみ、スクラッチなどの欠陥が発生せずに、アルミニウムまたはアルミニウム合金を化学機械的に研磨することができるので、信頼性の高い金属配線を形成することができる。

添付の図は、単に本発明の実施形態の方法、及びデバイスの一般的な特性を説明するためのものである。図において層及び領域の厚さは、明確にするために誇張している。また、層が他の層または基板“上”にあると言及する場合、それは他の層または基板上に直接形成される場合、及びそれらの間に第３の層が介在する場合を含む。明細書全体にわたって、同一の参照番号は同一の構成要素を示す。

本発明はＣＭＰ工程、または金属薄膜形成に使用するＣＭＰスラリーを提供する。本発明が提供するＣＭＰスラリーは、高い選択的な除去率を示し、このＣＭＰスラリー混合物は、アルミニウム薄膜のような金属薄膜の表面に吸着して、金属薄膜に対して保護膜形成機能を与え、それによりスクラッチ、くぼみ、腐食、ディッシング、もしくは浸食のような金属表面の欠陥形成を減らす、または防止する化合物を含む。

前記化合物は、陰イオンを発生することによって、金属薄膜に保護膜形成機能を与えることができる。前記化合物による陰イオンは、陽イオンを有する金属薄膜の表面に吸着して、保護膜を形成することができる。前記化合物はまた、Ｈ^＋のような陽イオンを発生してＣＭＰスラリー溶液の酸性度を増加させることができる。

前記ＣＭＰスラリー溶液中で、前記金属薄膜に対する前記化合物の吸着度は、ｐＨが増加するに従って減少する。なぜならば、金属薄膜とＣＭＰスラリー溶液との間のゼータ電位が、ｐＨが増加するにつれて減少するためである。

図９は例示的に、マイナスに帯電した粒子のゼータ電位を示している。マイナスに帯電した粒子は、表面にマイナスの電荷を有する。溶液中（例えば水）で、マイナスに帯電した粒子に、大部分が陽イオンである第１層が隣接し、その次に大部分が陰イオンである第２層が隣接する。第１層及び第２層は動くことができないイオンである。マイナスに帯電した粒子から遠くなるほど、陽イオン及び陰イオンの混合層が、バルク溶液（の陽イオン及び陰イオンの混合層に近付く。

図９に示したように、外部円は陽イオン及び陰イオンが大略的に均等に分布された領域である。

粒子表面の、二つの核（Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚｄｏｕｂｌｅｌａｙｅｒ：ヘルムホルツの電気二重層）へのイオンの運動は非常に制限される。イオンは粒子を伴って、電荷の一部分を失う。これら二つの核が形成された後に、すべり面が存在する。ゼータ電位は、液全体と固着したイオンを持つ粒子との間の、電荷の差である。ゼータ電位はイオン濃度、ｐＨ、粘度、及び分析される溶液の誘電定数に依存する。

図１０はアルミニウム基板、シリコン基板、及びテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）基板における、ｐＨとゼータ電位との関係を示している。

カルボキシル基を有する高分子化合物は、金属薄膜の表面に吸着する陰イオンと、ＣＭＰスラリー溶液を酸性化させる水素イオンとを発生させることができる、好適な化合物である。図１１に示したように、カルボキシル基を有する高分子化合物は、ＣＭＰスラリー溶液中でカルボン酸陰イオンＣＯＯ⁻、及び水素イオンＨ^＋に解離する。カルボン酸陰イオンは、アルミニウム膜１８に吸着して保護膜を形成し、水素イオンはＣＭＰスラリー溶液を酸性化させる。

前記ＣＭＰスラリーは研磨剤、酸化剤、及び一つ以上の欠陥防止剤を含み、必要に応じてｐＨ調節剤を含む。前記研磨剤はセリア、シリカ、ヒュームドシリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、及び酸化ゲルマニウムからなる群より選択される１種以上の物質であることが好ましい。前記研磨剤の含量は、前記ＣＭＰスラリーの総重量に対して０．５重量％乃至約２０重量％の範囲であることが好ましい。

前記酸化剤は過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、硝酸第二セリウムアンモニウム（（ＮＨ_４）_２Ｃｅ（ＮＯ_３）_６）、ヒドロキシルアミン（ＮＨ_２ＯＨ）、または過硫酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２Ｓ_２Ｏ_８）が好ましく、過酸化水素がさらに好ましい。前記酸化剤の含量は、前記ＣＭＰスラリーの総重量に対して約０．５重量％乃至約５重量％の範囲が好ましい。

前記ｐＨ調節剤は、水酸化カリウム、水酸化アンモニウム、水酸化ナトリウム、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）、及びコリンからなる群より選択される少なくとも一つの塩基、または硫酸、塩酸、燐酸、硝酸、琥珀酸、酒石酸、及び酢酸からなる群より選択される少なくとも一つの酸が好ましい。本発明の実施形態において、ＣＭＰスラリー溶液のｐＨは酸性領域である。なぜならば、ゼータ電位は酸性領域でプラスだからである。ＣＭＰスラリー溶液のｐＨは、好ましくは７より小さく、さらに好ましくは、ｐＨは２〜４である。

前記欠陥防止剤は、カルボキシル基を有する高分子化合物であることが好ましい。カルボキシル基を有する高分子化合物の例としては、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリメタクリル酸、アクリル酸−マレイン酸共重合体（ＰＡＭＡ）、メタクリル酸−マレイン酸共重合体、アクリル酸−アクリルアミド共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−アクリル酸共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−メタクリル酸共重合体、前記高分子化合物の誘導体、または前記高分子化合物の塩などである。さらに好ましくは、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、アクリル酸−マレイン酸共重合体（ＰＡＭＡ）、ＰＡＡの塩、ＰＡＭＡの塩、またはこれらの混合物であり、特に好ましくは、ＰＡＡの塩、またはＰＡＭＡの塩である。欠陥防止剤は、ＣＭＰスラリー溶液のｐＨを低くすること、水素イオンを有すること、及び／または金属薄膜表面のスクラッチ、腐食、くぼみ、ディッシング、もしくは浸食を減らすことができる。

また本発明のＣＭＰスラリーは、好ましくは０．０１乃至２０重量％のキレート剤を含んでもよい。キレート剤としては、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、シクロヘキサンジアミン四酢酸（ＣｙＤＴＡ）、ニトリロ三酢酸（ＮＴＡ）、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸（ＨＥＤＴＡ）、ジエチレントリアミン五酢酸（ＤＴＰＡ）、トリエチレンテトラミン六酢酸（ＴＴＨＡ）、Ｌ−グルタミン酸二酢酸（ＧＬＤＡ）、アミノトリメチレンホスホン酸、１−ヒドロキシエチリデン−１、１−ジホスホン酸、エチレンジアミンテトラキス（メチレンホスホン酸）、ジエチレントリアミンペンタ（メチレンホスホン酸）、β−アラニン二酢酸（β−ＡＤＡ）、α−アラニン二酢酸（α−ＡＤＡ）、Ｌ−アスパラギン酸二酢酸（ＡＳＤＡ）、エチレンジアミン２琥珀酸（ＥＤＤＳ）、イミノジ酢酸（ＩＤＡ）、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）イミノ二酢酸（ＨＥＩＤＡ）、１、３−プロパンジアミン四酢酸（１、３−ＰＤＴＡ）からなる群より選択される少なくとも１種の化合物が好ましく、また、上に例示したキレート剤の塩も好ましい。

前記欠陥防止剤は、金属薄膜の表面に保護膜を形成すること、及び金属薄膜の表面上に吸着することができる。

実施形態において、欠陥防止剤のうちの一つの量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０１〜２０重量％でありうる。実施形態において、欠陥防止剤のうちの一つの量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０１〜１０重量％でありうる。実施形態において、欠陥防止剤のうちの一つの量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約１０〜２０重量％でありうる。実施形態において、欠陥防止剤のうちの一つの量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０１〜５０重量％でありうる。実施形態において、欠陥防止剤のうちの一つの量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約５〜１０重量％でありうる。実施形態において、欠陥防止剤のうちの一つの量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約１０〜１５重量％でありうる。実施形態において、欠陥防止剤のうちの一つの量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約１５〜２０重量％でありうる。実施形態において、欠陥防止剤のうちの一つの量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０１〜３重量％でありうる。実施形態において、欠陥防止剤のうちの一つの量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０１〜１重量％でありうる。実施形態において、欠陥防止剤のうちの一つの量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０１〜０．５重量％でありうる。実施形態において、欠陥防止剤のうちの一つの量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０１〜０．１重量％でありうる。実施形態において、欠陥防止剤のうちの一つの量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０１〜０．０５重量％でありうる。実施形態において、欠陥防止剤のうちの一つの量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．１〜０．５重量％でありうる。実施形態において、欠陥防止剤のうちの一つの量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．２〜０．３重量％でありうる。

実施形態において、前記欠陥防止剤のうちの他の一つはキレート剤であることができる。実施形態において、前記キレート剤の量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０１〜２０重量％でありうる。実施形態において、前記キレート剤の量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０１〜１０重量％でありうる。実施形態において、前記キレート剤の量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約１０〜２０重量％でありうる。実施形態において、前記キレート剤の量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０１〜５重量％でありうる。実施形態において、前記キレート剤の量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約５〜１０重量％でありうる。実施形態において、前記キレート剤の量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約１０〜１５重量％でありうる。実施形態において、前記キレート剤の量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約１５〜２０重量％でありうる。実施形態において、前記キレート剤の量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０１〜３重量％でありうる。実施形態において、前記キレート剤の量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０１〜１重量％でありうる。実施形態において、前記キレート剤の量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０１〜０．５重量％でありうる。実施形態において、前記キレート剤の量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０１〜０．３重量％でありうる。実施形態において、前記キレート剤の量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０１〜０．２重量％でありうる。実施形態において、前記キレート剤の量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０５〜０．１５重量％でありうる。実施形態において、前記キレート剤の量は前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．０２〜０．３重量％でありうる。

実施形態において、前記キレート剤はエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、シクロヘキサンジアミン四酢酸（ＣｙＤＴＡ）、ニトリロ三酢酸（ＮＴＡ）、ヒドロキシルエチルエチレンジアミン三酢酸（ＨＥＤＴＡ）、ジエチレントリアミン五酢酸（ＤＴＰＡ）、トリエチレンテトラミン六酢酸（ＴＴＨＡ）、Ｌ-グルタミン酸二酢酸（ＧＬＤＡ）、アミノトリ（メチレンホスホン酸）、１−ヒドロキシエチリデン−１、１−ジホスホン酸、エチレンジアミンテトラキス（メチレンホスホン酸）、ジエチレントリアミンペンタ（メチレンホスホン酸）、β−アラニンニ酢酸（β−ＡＤＡ）、α−アラニンニ酢酸（α−ＡＤＡ）、アスパラギン酸ニ酢酸（ＡＳＤＡ）、エチレンジアミン琥珀酸（ＥＤＤＳ）、イミノジ酢酸ＩＤＡ、ヒドロキシルエチルイミノニ酢酸（ＨＥＩＤＡ）、１、３−プロパンジアミン４酢酸１、３−ＰＤＴＡ、これらの塩、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の化合物が好ましい。

実施形態において、研磨剤の量はＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．５〜２０重量％であることが好ましい。実施形態において、前記研磨剤はセリア、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、及び酸化ゲルマニウムからなる群より選択される少なくとも一つであることが好ましい。

実施形態において、酸化剤の量はＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．５〜５重量％であることが好ましい。実施形態において、酸化剤は過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、硝酸第二セリウムアンモニウム（（ＮＨ_４）_２Ｃｅ（ＮＯ_３）_６）、ヒドロキシルアミン（ＮＨ_２ＯＨ）、及び過硫酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２Ｓ_２Ｏ_８）からなる群より選択される少なくとも一つであることが好ましい。

実施形態において、ｐＨ調節剤はＣＭＰスラリーのｐＨを調節する。実施形態において、ｐＨ調節剤は硫酸、塩酸、燐酸、硝酸、琥珀酸、酒石酸、および酢酸のうちの少なくとも一つを含む。実施形態において、ｐＨ調節剤はＣＭＰスラリーのｐＨを低下させて、金属薄膜及びＣＭＰスラリーの間のゼータ電位を上昇させる。

金属薄膜はアルミニウム、アルミニウム合金、銅、または銅合金であることが好ましい。金属薄膜は金属配線、または金属プラグを形成するために使用されうる。

カルボキシル基を有する欠陥防止剤の効果をテストするため、約１０重量％のコロイダルシリカ、１重量％の過酸化水素、０．１重量％のＥＤＴＡ、及び０．２５重量％のＰＥＩ（ポリエチレンイミン）を含む従来のＣＭＰスラリー、約１０重量％のコロイダルシリカ、１重量％の過酸化水素、０．１重量％のＥＤＴＡ、及び０．２５重量％のＰＡＭＡを含む本発明によるＣＭＰスラリーを、アルミニウムのＣＭＰ工程に使用した。第１デバイスＦＮ７３に対する結果を図１２Ａ及び図１２Ｂに、第２デバイスＬ１３に対する結果を図１３Ａ及び図１３Ｂに示した。

キレート剤を有する欠陥防止剤の効果をテストするため、約１０重量％のコロイダルシリカ、１重量％の過酸化水素、０．２５重量％のポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、及び０．１重量％のＥＤＴＡを含む従来のＣＭＰスラリー、約１０重量％のコロイダルシリカ、１重量％の過酸化水素、及び０．２５重量％のＰＡＭＡを含む本発明の一つの実施形態によるＣＭＰスラリー、並びに約１０重量％のコロイダルシリカ、１重量％の過酸化水素、０．２５重量％のＰＡＭＡ、及び０．１重量％のＥＤＴＡを含む本発明のもう一つの実施形態によるＣＭＰスラリーを使用して、アルミニウムのＣＭＰを行い、得られた結果を各々図１４、図１５、及び図１６に示した。

図１４乃至図１６に示したテスト結果から、欠陥防止剤としてＰＡＭＡを含む本発明のＣＭＰスラリーは、ＰＥＩ及びＥＤＴＡを含む従来のＣＭＰスラリーに比べて、全体的に欠陥の数が少ないことが確認できる。そしてＰＡＭＡとＤＥＴＡとを含む本発明のＣＭＰスラリーは、ＰＥＩ及びＤＥＴＡを含む従来のＣＭＰスラリーに比べて、全体的に欠陥の数が少ないと同時に、スクラッチ欠陥が減ったことを確認することができる。したがって、ＣＭＰ工程によって金属配線を形成するときに発生する欠陥は、ＰＡＭＡのような第１欠陥防止剤、及びＥＤＴＡのような第２欠陥防止剤を同時に使用することによって、さらに減少させることができる。

本発明の実施形態は、金属薄膜の表面に保護膜を形成する、及び／または金属薄膜の除去率を減少させることで、スクラッチ、くぼみ、腐食、ディッシング、及び／または浸食のような欠陥が金属薄膜表面に発生することを防止している。

本発明によるＣＭＰスラリーは、金属配線がダマシンパターンにおいて保持するように、金属薄膜の表面を研磨するのに使用することができ、これによって金属間絶縁層の表面は露出する。図１７に示したように、本発明のＣＭＰの工程は、上述のように研磨剤、酸化剤、及び欠陥防止剤を含むＣＭＰスラリーを調製する工程（１００４）、及び前記ＣＭＰスラリーを使用してＣＭＰを行う工程（１００６）を含む。

一つの実施形態において、ＣＭＰスラリーの金属薄膜に対する選択的な除去率は２０：１〜１：１でありうる。他の実施形態において、ＣＭＰスラリーの金属薄膜に対する選択的な除去率は１７：１〜１．５：１でありうる。

他の実施形態において、本発明によるＣＭＰスラリーは、第１スラリーを使用する第１のＣＭＰ工程が進行した以後に、金属配線がダマシンパターンに保持されるように、金属薄膜の表面を研磨する第２スラリーとして使用することができ、これによって金属間絶縁層の表面は露出される。図１８に示したように、本発明による例示的なＣＭＰの工程は、研磨剤及び酸化剤を含む第１スラリーを調製する工程（１０００）、前記第１スラリーを使用してＣＭＰを行う工程（１００２）、研磨剤、酸化剤、及び欠陥防止剤を含む第２スラリーを調製する工程（１００４）、並びに前記第２スラリーを使用してＣＭＰを行う工程を（１００６）を含む。

第１スラリーの選択的な除去率は、第２スラリーの選択的な除去率より大きいことが好ましい。第１スラリーの選択的な除去率は５０：１以上であることが好ましい。一つの実施形態において、第２スラリーの選択的な除去率は２０：１〜１：１でありうる。他の実施形態において、第２スラリーの選択的な除去率は１７；１〜１．５：１でありうる。

図１９〜２１は、上記で説明をした第１スラリー及び第２スラリーを使用する、本発明によるＣＭＰの工程を説明する図である。図１９に示すように、基板１０上に金属間縁膜１２を形成し、金属間絶縁膜１２をパターニングして金属配線のための領域１４を形成する。金属間絶縁膜１２上に、バリア膜１６を形成し、バリア膜１６の上部にアルミニウム膜１８を形成する。図２０に示すように、研磨剤及び酸化剤を含む第１スラリーを使用して、アルミニウム膜に対する第１のＣＭＰ工程を行う。図２１に示すように、研磨剤、酸化剤、及び欠陥防止剤を含む第２スラリーを使用して、第２のＣＭＰ工程を行う。

本発明によるＣＭＰスラリーは、金属配線を形成するのに使用することができる。図２２に示したように、本発明の一実施形態による金属配線の形成方法は、金属間絶縁膜を形成する工程（１１００）、金属間絶縁膜をパターニングする工程（１１０２）、バリア膜を形成する工程（１１０４）、金属薄膜を形成工程（１１０６）、並びに研磨剤、酸化剤、及び欠陥防止剤を含むＣＭＰスラリーを使用してＣＭＰを行う工程（１１１０）を含む。

前記金属間絶縁膜はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、及びこれらの組み合わせの膜からなる群より選択されるいずれか一つであることが好ましい。金属薄膜はスパッタリング、またはＣＶＤによって形成されることが好ましい。

他の実施形態において、前記ＣＭＰスラリーの選択的な除去率は２０：１〜１：１でありうる。他の実施形態において、前記ＣＭＰスラリーの選択的な除去率は１７：１〜１．５：１でありうる。

他の実施形態において、本発明によるＣＭＰは、第１スラリーを使用した第１のＣＭＰの工程以後に、金属配線がダマシンパターンに保持されるように、金属薄膜の表面を研磨する第２スラリーを使用する、第２のＣＭＰの工程にも使用することができ、これによって金属間絶縁膜の表面は露出する。図２３に示したように、本発明による例示的なＣＭＰの工程は、金属間絶縁膜を形成する工程（１１００）、前記金属間絶縁膜をパターニングする工程（１１０２）、バリア膜を形成する工程（１１０４）、金属薄膜を形成する工程（１１０６）、酸化剤及び研磨剤を含む第１スラリーを使用して金属薄膜を研磨する第１のＣＭＰの工程（１１０８）、並びに研磨剤、酸化剤、及び欠陥防止剤を含む第２スラリーを使用して金属薄膜を研磨する第２のＣＭＰの工程（１１１０）を含む。

第１スラリーの選択的な除去率は第２スラリーの選択的な除去率より大きいことが好ましい。第１スラリーの選択的な除去率は５０：１以上が好ましい。一つの実施形態において、第２スラリーの選択的な除去率は２０：１〜１：１でありうる。他の実施形態において、第２スラリーの選択的な除去率は１７：１〜１．５：１でありうる。

第１のＣＭＰの工程中に発生するスクラッチ、腐食、くぼみなどの欠陥は、第２のＣＭＰの工程中に除去することができる。

上述の本発明の実施形態では、例としてカルボキシル基を含む重合体を記述したが、金属表面に吸着可能な陰イオン、及び／またはＣＭＰスラリー溶液を酸性化できる水素イオンを、発生させることができるどんな化合物も使用することができる。

上述の本発明の実施形態はＰＡＡ、ＰＡＭＡ、これらの塩、そしてこれらの混合物などを記述したが、カルボキシル基を有して金属表面に吸着することができるマイナスイオンそして／またはＣＭＰスラリーを酸性化させることができる水素イオンを発生させることができるどんな混合物も使用されることができる。

以上典型的な実施形態に準拠して、本発明を詳細に明示及び記述したが、特許請求の範囲に定義された本発明の技術的な思想、及び範囲から逸脱することなく、形式及び詳細の様々な変化がなされうるということが、当業者によって理解されるであろう。

従来のダマシン工程を説明する工程図である。従来のダマシン工程を説明する工程図である。従来のダマシン工程を説明する工程図である。従来のダマシン工程を説明する工程図である。従来のダマシン工程を説明する工程図である。従来のＣＭＰスラリーで研磨した、アルミニウム薄膜表面のスクラッチを示す写真である。従来のＣＭＰスラリーで研磨した、アルミニウム薄膜表面のくぼみを示す写真である。従来のＣＭＰスラリーで研磨した、アルミニウム薄膜表面の腐食を示す写真である。マイナスに帯電した粒子の、ゼータ電位を説明する図である。アルミニウム基板、シリコン基板、及びＴＥＯＳ基板において、ｐＨとゼータ電位との関係を示した図である。高分子化合物が金属層表面に吸着して、保護膜を形成する陰イオン、及びＣＭＰスラリーを酸性化する陽イオンに解離することを説明する図である。従来のＣＭＰスラリーを使用したＣＭＰ工程後の、第１デバイスのアルミニウム薄膜表面を示す仮想走査型電子顕微鏡（ｖＳＥＭ）写真である。本発明によるＣＭＰスラリーを使用したＣＭＰ工程後の、第１デバイスのアルミニウム薄膜表面を示すｖＳＥＭ写真である。従来のＣＭＰスラリーを使用したＣＭＰ工程後の、第２デバイスのアルミニウム薄膜表面を示すｖＳＥＭ写真である。本発明によるＣＭＰスラリーを使用したＣＭＰ工程後の、第２デバイスのアルミニウム薄膜表面を示すｖＳＥＭ写真である。従来のＣＭＰスラリー、及び本発明による二つのＣＭＰスラリーを使用する金属配線形成を示す図である。従来のＣＭＰスラリー、及び本発明による二つのＣＭＰスラリーを使用する金属配線形成を示す図である。従来のＣＭＰスラリー、及び本発明による二つのＣＭＰスラリーを使用する金属配線形成を示す図である。研磨剤、酸化剤、及び欠陥防止剤を含む本発明のＣＭＰスラリーを使用するＣＭＰを説明する工程図である。研磨剤、及び酸化剤を含む第１スラリー、並びに研磨剤、酸化剤、及び欠陥防止剤を含む第２スラリーを使用する、本発明のＣＭＰを説明する工程図である。本発明の実施形態に従って、二つのＣＭＰスラリーを使用する研磨によって金属薄膜を形成する方法を説明する工程図である。本発明の実施形態に従って、二つのＣＭＰスラリーを使用する研磨によって金属薄膜を形成する方法を説明する工程図である。本発明の実施形態に従って、二つのＣＭＰスラリーを使用する研磨によって金属薄膜を形成する方法を説明する工程図である。研磨剤、酸化剤、及び欠陥防止剤を含む本発明のＣＭＰスラリーを使用する、本発明の金属配線の形成方法を説明する工程図である。研磨剤、及び酸化剤を含む第１スラリー、並びに研磨剤、酸化剤及び欠陥防止剤を含む第２スラリーを使用する、本発明の金属配線の形成方法を説明する工程図である。

符号の説明

１０基板
１２金属間絶縁膜
１４金属配線のための領域
１６バリア膜
１８アルミニウム膜

Claims

金属薄膜を研磨するための化学的機械研磨（ＣＭＰ）方法に使われるＣＭＰスラリーであって、
前記ＣＭＰスラリーは研磨剤、酸化剤、及び前記金属薄膜を保護するための少なくとも一つの欠陥防止剤を含むことを特徴とする、ＣＭＰスラリー。
前記欠陥防止剤が、前記金属薄膜上に保護膜を形成することを特徴とする、請求項１に記載のＣＭＰスラリー。
前記欠陥防止剤が、前記金属薄膜の表面に吸着されることを特徴とする、請求項１または２に記載のＣＭＰスラリー。
前記欠陥防止剤が、カルボキシル基を有する高分子化合物を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＣＭＰスラリー。
前記欠陥防止剤が、アクリル酸を有する共重合体を含むことを特徴とする、請求項４に記載のＣＭＰスラリー。
前記欠陥防止剤の量は、前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に０．０１〜２０重量％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ＣＭＰスラリー。
前記欠陥防止剤は、ＰＡＡ、ＰＡＭＡ、これらの塩、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項４〜６のいずれか１項に記載のＣＭＰスラリー。
キレート剤をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のＣＭＰスラリー。
前記キレート剤の量は、前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に０．０１〜２０重量％であることを特徴とする、請求項８に記載のＣＭＰスラリー。
前記キレート剤は、ＥＤＴＡ、ＮＴＡ、ＤＴＰＡ、ＨＥＤＴＡ、ＭＧＤＡ、これらの塩、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項８または９に記載のＣＭＰスラリー。
前記研磨剤の量は、前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に０．５〜２０重量％であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のＣＭＰスラリー。
前記研磨剤は、コロイダルシリカ、及びヒュームドシリカからなる群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のＣＭＰスラリー。
前記酸化剤の量は、前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に０．５〜５重量％であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のＣＭＰスラリー。
前記酸化剤は過酸化水素、及び過硫酸アンモニウムからなる群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のＣＭＰスラリー。
前記ＣＭＰスラリーのｐＨを調節するためのｐＨ調節剤をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のＣＭＰスラリー。
前記ｐＨ調節剤は、燐酸、硝酸、及び硫酸からなる群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１５に記載のＣＭＰスラリー。
前記ｐＨ調節剤は、前記ＣＭＰスラリーのｐＨを低下させて、前記金属薄膜と前記ＣＭＰスラリーとの間のゼータ電位を増加させることを特徴とする、請求項１５または１６に記載のＣＭＰスラリー。
前記欠陥防止剤は、前記ＣＭＰスラリーのｐＨを低下させることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のＣＭＰスラリー。
前記欠陥防止剤は、水素イオンを含むことを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか１項に記載のＣＭＰスラリー。
前記金属薄膜は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１項に記載のＣＭＰスラリー。
前記金属薄膜は、配線またはプラグを形成することを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか１項に記載のＣＭＰスラリー。
基板上に形成された金属薄膜を研磨する化学機械的研磨方法において、
研磨剤、酸化剤、及び前記金属薄膜を保護するための少なくとも一つの欠陥防止剤を含むＣＭＰスラリーを調製する工程と、
前記ＣＭＰスラリーを使用して前記金属薄膜を化学機械的研磨する工程と、
を含むことを特徴とする、化学機械的研磨方法。
前記ＣＭＰスラリーの選択的な除去率は、２０：１〜１：１であることを特徴とする、請求項２２に記載の化学機械的研磨方法。
前記ＣＭＰスラリーの選択的な除去率は、１７：１〜１．５：１であることを特徴とする、請求項２３に記載の化学機械的研磨方法。
前記欠陥防止剤が、前記金属薄膜上に保護膜を形成することを特徴とする、請求項２２〜２４のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記欠陥防止剤が、前記金属薄膜の表面に吸着されることを特徴とする、請求項２２〜２５のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記欠陥防止剤が、カルボキシル基を含む高分子化合物を含むことを特徴とする、請求項２２〜２６のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記欠陥防止剤が、アクリル酸を含む共重合体を含むことを特徴とする、請求項２７に記載の化学機械的研磨方法。
前記欠陥防止剤の量は、前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に０．０１〜２０重量％であることを特徴とする、請求項２２〜２８のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記欠陥防止剤は、ＰＡＡ、ＰＡＭＡ、これらの塩、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項２７〜２９のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
キレート剤をさらに含むことを特徴とする、請求項２２〜３０のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記キレート剤の量は、前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に０．０１〜２０重量％であることを特徴とする、請求項３１に記載の化学機械的研磨方法。
前記キレート剤は、ＥＤＴＡ、ＮＴＡ、ＤＴＰＡ、ＨＥＤＴＡ、ＭＧＤＡ、これらの塩、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項３１または３２に記載の化学機械的研磨方法。
前記研磨剤の量は、前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に０．５〜２０重量％であることを特徴とする、請求項２２〜３３のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記研磨剤は、コロイダルシリカ、及びヒュームドシリカからなる群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項２２〜３４のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記酸化剤の量は、前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に０．５〜５重量％であることを特徴とする、請求項２２〜３５のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記酸化剤は、過酸化水素、及び過硫酸アンモニウムからなる群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項２２〜３６のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記ＣＭＰスラリーのｐＨを調節するためのｐＨ調節剤をさらに含むことを特徴とする、請求項２２〜３７のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記ｐＨ調節剤は、燐酸、硝酸、及び硫酸からなる群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項３８に記載の化学機械的研磨方法。
前記ｐＨ調節剤は、前記ＣＭＰスラリーのｐＨを低下させて、前記金属薄膜と前記ＣＭＰスラリーとの間のゼータ電位を増加させることを特徴とする、請求項３８または３９に記載の化学機械的研磨方法。
前記欠陥防止剤は、前記ＣＭＰスラリーのｐＨを低下させることを特徴とする、請求項２２〜４０のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記欠陥防止剤は、水素イオンを含むことを特徴とする、請求項２２〜４１のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記金属薄膜は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする、請求項２２〜４２のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記金属薄膜は、配線またはプラグを形成することを特徴とする、請求項２２〜４３にのいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
基板上に形成された金属薄膜のための化学機械的研磨方法において、
研磨剤及び酸化剤を含む第１スラリーを調製する工程と、
前記第１スラリーを使用して前記金属薄膜を化学機械的に研磨する工程と、
研磨剤、酸化剤、及び前記金属薄膜を保護するための少なくとも一つの欠陥防止剤を含む第２スラリーを調製する工程と、
前記第２スラリーを使用して前記金属薄膜を化学機械的に研磨する工程と、
を含むことを特徴とする化学機械的研磨方法。
前記第１スラリーの選択的な除去率は、前記第２スラリーの選択的な除去率より大きいことを特徴とする、請求項４５に記載の化学機械的研磨方法。
前記第１スラリーの選択的な除去率は、５０：１以上であり、前記第２スラリーの選択的な除去率は２０：１〜１：１であることを特徴とする、請求項４６に記載の化学機械的研磨方法。
前記第２スラリーの選択的な除去率は、１７：１〜１．５：１であることを特徴とする、請求項４７に記載の化学機械的研磨方法。
前記欠陥防止剤が、前記金属薄膜上に保護膜を形成することを特徴とする、請求項４５〜４８のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記欠陥防止剤が、前記金属薄膜の表面に吸着されることを特徴とする、請求項４５〜４９のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記欠陥防止剤が、カルボキシル基を含む高分子化合物を含むことを特徴とする、請求項４５〜５０のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記欠陥防止剤が、アクリル酸を含む共重合体を含むことを特徴とする、請求項５１に記載の化学機械的研磨方法。
前記欠陥防止剤の量は、前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に０．０１−２０重量％であることを特徴とする、請求項４５〜５２のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記欠陥防止剤は、ＰＡＡ、ＰＡＭＡ、これらの塩、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項５１〜５３のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
キレート剤をさらに含むことを特徴とする、請求項４５〜５４のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記キレート剤の量は、前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に０．０１〜２０重量％であることを特徴とする、請求項５５に記載の化学機械的研磨方法。
前記キレート剤は、ＥＤＴＡ、ＮＴＡ、ＤＴＰＡ、ＨＥＤＴＡ、ＭＧＤＡ、これらの塩、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項５５または５６に記載の化学機械的研磨方法。
前記研磨剤の量は、前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に約０．５〜２０重量％であることを特徴とする、請求項４５〜５７のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記研磨剤は、コロイダルシリカ、及びヒュームドシリカからなる群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項４５〜５８のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記酸化剤の量は、前記ＣＭＰスラリーの総重量を基準に０．５〜５重量％であることを特徴とする、請求項４５〜５９のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記酸化剤は、過酸化水素、及び過硫酸アンモニウムからなる群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項６０に記載の化学機械的研磨方法。
前記ＣＭＰスラリーのｐＨを調節するためのｐＨ調節剤をさらに含むことを特徴とする、請求項４５〜６１のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記ｐＨ調節剤は燐酸、硝酸、及び硫酸からなる群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項６２に記載の化学機械的研磨方法。
前記ｐＨ調節剤は前記ＣＭＰスラリーのｐＨを低下させて、前記金属薄膜と前記ＣＭＰスラリーとの間のゼータ電位を増加させることを特徴とする、請求項６２または６３に記載の化学機械的研磨方法。
前記欠陥防止剤が、前記ＣＭＰスラリーのｐＨを低下させることを特徴とする、請求項４５〜６４のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記欠陥防止剤が、水素イオンを含むことを特徴とする、請求項４５〜６５のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記金属薄膜は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする、請求項４５〜６６のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。
前記金属薄膜が、配線またはプラグを形成することを特徴とする、請求項４５〜６７のいずれか１項に記載の化学機械的研磨方法。