JP4720089B2

JP4720089B2 - 半導体装置の配線の形成方法

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Publication number: JP4720089B2
Application number: JP2004041104A
Authority: JP
Inventors: 英朗吉田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2024-02-18
Also published as: JP2005235901A

Description

本発明は、半導体装置において、特に、化学的機械研磨（ＣＭＰ）を用いて配線を形成する方法に関するものである。

近年、半導体集積回路の形成の高集積化に伴い、微細化、多層化がますます加速されている。しかしながら、微細化が実現された多層配線構造を形成する場合には、配線表面のわずかな段差であっても軽視できず、配線表面に形成された凹凸によりさまざまな欠陥が引き起こされる。例えば、配線表面に形成された凹凸により研磨残り及び配線間ショート等が発生することがある。また、配線の多層化によってグローバル段差が形成されると、配線パターンあるいはホールパターンを形成するためのリソグラフィー工程で、アライメントずれ、フォーカスずれによるパターン異常を引き起こし、所望サイズのパターンが形成できないため、上層配線と下層配線の接続不良を引き起こすことがある。そこで、配線表面に形成される段差を減少させることにより、配線表面の平坦性を向上させ、配線構造の更なる微細化、多層化を可能とする技術が求められるようになっている。

以下に、従来のＣｕ配線の形成方法であるダマシン法を用いた配線の形成方法について、図５（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、基板１０１の上に絶縁膜１０２を堆積する。

次に、図５（ｂ）に示すように、絶縁膜１０２にフォトリソグラフィー法およびドライエッチング法を用いて、配線を形成するための配線溝１０３ａ、及び、配線溝１０３ａに隣り合う配線溝１０３ｂを形成する。

次に、図５（ｃ）に示すように、絶縁膜１０２の表面を覆うように、配線溝１０３ａ及び配線溝１０３ｂの上にバリアメタル１０４を堆積する。その後、配線溝１０３ａ及び配線溝１０３ｂを埋め込むように、バリアメタル１０４上に金属膜１０５を形成する。

次に、図５（ｄ）に示すように、配線溝１０３ａ及び配線溝１０３ｂからはみ出した金属膜１０５をバリアメタル１０４が埋め込み配線が形成された絶縁膜の表面に露出するまで除去し、金属膜１０５ａを形成する。以下、この工程を第一研磨という。

次に、図５（ｅ）に示すように、配線溝１０３ａ及び配線溝１０３ｂからはみ出したバリアメタル１０４を除去し、バリアメタル１０４ａを形成する。以下、この工程を第二研磨という。ここで、第二研磨は、配線溝１０３ａ及び配線溝１０３ｂからはみ出したバリアメタル１０４を絶縁膜１０２の表面が露出するまで除去する研磨と、その後の、埋め込み配線が形成された絶縁膜表面に残留した部分であって配線溝１０３ａ及び配線溝１０３ｂからはみ出したバリアメタル１０４及び金属くずを除去する研磨に分けられる。以下、前者の工程をバリアメタル除去研磨といい、後者の工程をオーバー研磨という。

上記方法において、金属膜１０５及びバリアメタル１０４を除去するために、一般に、被研磨面である配線表面を酸化するという化学的メカニズムと、酸化層を機械的に削りとるという機械的メカニズムの両方を利用して研磨する化学的機械研磨法（ＣＭＰ）が採られている。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。
特開平１０−２１４８３４号公報

しかしながら、従来の方法では、次のような問題点がある。以下、図６〜図８を用いて従来の方法における課題を説明する。

図６は、図５（ｅ）に示す第二研磨でのバリアメタル１０４ａ、絶縁膜１０２及び金属膜１０５ａの単位時間当たりに研磨される研磨量である。以下、この単位時間当たりに研磨される研磨量を研磨レートという。ダマシン配線において、埋め込み配線の表面の面積は基板全体の表面の面積の２０〜３０％であり、金属膜の埋め込み配線が形成された絶縁膜の表面の面積は基板全体の表面の面積の７０〜８０％である。そのため、従来の方法では、第二研磨において、基板全体の表面の面積の７０〜８０％を占める絶縁膜上に形成されたバリアメタルの研磨レートを高くしている。また、バリアメタル除去後には、基板全体の表面の面積の７０〜８０％を占める絶縁膜が露出するため、この絶縁膜の研磨レートを高くしている。ここで、第二研磨は、絶縁膜上のバリアメタルを除去することが目的である。したがって、従来の配線の形成方法では、第二研磨において、バリアメタルの研磨レートが被研磨膜の中で最も高い研磨レートとなるようなバリアメタルを除去するためのスラリーを用いている。また、絶縁膜の研磨レートをバリアメタルの研磨レートに比べて少し低い研磨レートとし、金属膜の研磨レートをバリアメタルの研磨レート及び絶縁膜の研磨レートに比べて非常に低い研磨レートとしている。

図７（ａ）〜（ｄ）は、図６に示す研磨レートにより研磨を行った場合における課題を説明するための半導体装置の図面である。ここで、図７（ａ）は、半導体装置のある配線層を上から見た図であり、図７（ｂ）〜（ｄ）は、図７（ａ）に示す配線層をそれぞれＡＡ’、ＢＢ’、及びＣＣ’で切断した様子を示した断面図である。

図６に示す研磨レートにより研磨を行った場合には、バリアメタル除去段階では、バリアメタル１０４が選択的に削られる。また、オーバー研磨段階では、絶縁膜１０２が選択的に研磨される。

ここで、絶縁膜１０２の研磨は、絶縁膜１０２表面に水和膜を形成し、これを砥粒により除去するものである。そのため、第二研磨のスラリーは、砥粒を大量に含むことにより絶縁膜の研磨レートを高くしている。このとき、大量の砥粒を水溶液に分散したスラリーは、砥粒間における化学的な相互作用、例えば、ファンデスワールス力等があるため、不安定な状態にある。このように、分散したスラリーが不安定な状態にある場合には、スラリーは凝集するため、配線表面を均一に研磨することができない。したがって、スラリーに分散剤等を加えて砥粒の凝集を防ぐ必要がある。しかしながら、分散剤を用いても、砥粒は二次粒子体（数十ナノメートル〜百数十ナノメートル）で存在し、その後になんら手当てをしなければ砥粒は凝集しつつ大きな粒子に成長して沈殿することになる。

砥粒が凝集した場合には、バリアメタル１０４及び絶縁膜１０２が研磨されている間に、バリアメタル１０４及び絶縁膜１０２に比べて非常に柔らかい金属膜１０５ａは、凝集により大きくなった砥粒により研磨されて、破損されることがある。特に、第二研磨の初期段階において、研磨パッドによる大きな圧力がかかるため、凝集した砥粒によって金属膜が大きく破損されやすい。

このように、被研磨面が凝集した砥粒に削られることにより、他の露出した膜よりも柔らかい膜である金属膜１０５ａにスクラッチ１０８ができ、金属くずが発生した場合には、図７（ｂ）に示すように、配線溝１０３ａの埋め込み配線及び配線溝１０３ｂの埋め込み配線を繋ぐ、例えば粒状の金属膜１０５ｂからなる架橋構造を形成することがある。このような架橋構造が残存すると、絶縁されるはずの隣り合う配線が接合されてしまい、配線間ショートを発生させる。さらに、研磨により絶縁膜にスクラッチ１０９が発生した場合には、絶縁膜のスクラッチの中に金属くずが入り込むことがある。この絶縁膜のスクラッチ１０９の中に入り込んだ金属くずが、隣り合う複数の配線溝の中の金属膜を繋げる場合には、絶縁されるはずの隣り合う配線が接合されてしまい、配線間ショートを発生させる。

また、被研磨膜が凝集した砥粒に削られることにより展性のある金属膜１０５ａが擦られて延びた場合には、図７（ｃ）に示すように、金属膜は、配線溝１０３ａの埋め込み配線と、配線溝１０３ｂの埋め込み配線とを繋ぐ、例えば帯状の金属膜１０５ｃからなる架橋構造を形成することがある。このような架橋構造が残存すると、絶縁されるはずの隣り合う配線が接合されてしまい、配線間ショートを発生させる。さらに、金属膜１０５ａが砥粒によって削られた後の金属膜の表面には、砥粒との摩擦により金属膜が塑性変形し、凸凹部分１１０を生じることがある。この凸凹部分１１０に砥粒が接触した場合には、凸部に砥粒がぶつかり、強い摩擦力が働くため、金属膜にはさらなる破損が引き起こされる。

また、被研磨膜が凝集した砥粒に削られることにより、金属膜１０５ａが大きく欠落した場合には、図７（ｄ）に示すように、絶縁膜１０２に対し凹凸のある、例えば欠損した金属膜１０５ｄが発生することがある。このような欠損した金属膜１０５ｄが発生すると、配線の断面積が部分的に小さくなることにより、配線抵抗が増加する。また、欠損部分が大きい場合には、さらに配線の断線が生じる。

また、絶縁膜の研磨レートが高い場合にあっては、配線が密集した配線密集領域では、単位面積当たりの金属膜の面積が多く、単位面積当たりの絶縁膜の面積が少ない。そのため、配線孤立領域などの配線間のスペースが広く配線密度の低い領域に比べて過剰に研磨が進行しやすい。これにより、図８（ｂ）に示すように、配線密集領域の表面が他の領域より窪むエロージョンが発生する。このようなエロージョンが発生すると、絶縁膜中に配線となる金属膜が形成される場合には、絶縁膜の高さの減少により絶縁膜の絶縁性が損なわれたり、金属膜の減少により配線抵抗が増加したりする。また、第二研磨終了後に、ある領域では絶縁膜が露出しているが、他の領域ではバリアメタルがまだ残存していることとなり、残存したバリアメタルが隣り合う金属膜同士を繋げて配線間ショートを引き起こすことがある。さらに、配線表面に形成された凹凸によりグローバル段差が形成されると、配線パターンあるいはホールパターンを形成するためのリソグラフィー工程で、アライメントずれ、フォーカスずれによるパターン異常を引き起こし、所望サイズのパターンが形成できないため、上層配線と下層配線の接続不良を引き起こすことがある。

さらに、オーバー研磨において、配線幅が広い領域を研磨する場合、及び、オーバー研磨の時間が長い場合には、特に幅広配線部で、配線溝１０３ａ及び配線溝１０３ｂ中の金属膜１０５ａが過剰に研磨されてしまい、図８（ａ）に示すように、絶縁膜１０２に対して金属膜１０５ｅが両端に比べて中央部の凹みが大きい、例えば皿状に窪むディッシングが発生する。このようなディッシングが発生すると、金属膜の体積が減少することにより配線抵抗が増加することがある。

本発明の目的は、第二研磨において、バリアメタル、絶縁膜及び金属膜の研磨レートを被研磨面全体に整合するように制御することにより、スクラッチの発生を抑えて配線抵抗の増加を抑制し、配線間ショート及び配線の断線を防ぎ、かつ、配線表面の平坦性を向上することである。また、エロージョン及びディッシングの発生を効果的に防ぎ、あわせて、配線表面の平坦性を図るものである。その結果、製品の歩留まりや信頼性の低下の課題を解決し、ダマシン法による高信頼の配線の形成方法を提供することができる。

上記課題を解決するために、本発明の配線の形成方法は、基板上に絶縁膜を堆積する工程と、絶縁膜上に第一の溝及び第一の溝と隣り合う第二の溝を形成する工程と、第一の溝及び第二の溝を覆うように第一の金属を堆積する工程と、第一の溝及び第二の溝を埋め込むように第二の金属を堆積する工程と、第一の溝及び第二の溝からはみ出した第二の金属を化学的機械研磨法により除去する第一の研磨工程と、第二の金属の研磨レート及び絶縁膜の研磨レートが第一の金属の研磨レートの１／３から１／２の範囲内になるようにして、第一の溝及び第二の溝からはみ出した第一の金属及び第二の金属及び絶縁膜を化学的機械研磨法により除去する第二の研磨工程とを備えることを特徴とするものである。

このように、第二研磨において、第二の金属の研磨レートを第一の金属の研磨レートの１／３以上１／２以下とすることにより、第二の金属に発生したスクラッチを研磨して除去することができるため、金属膜の欠損を防ぐことができる。また、第二金属のエッチングを抑制することができるため、ディッシングを効果的に抑えることができる。

さらに、第二研磨において、絶縁膜の研磨レートを第一の金属の研磨レートの１／３以上１／２以下とすることにより、絶縁膜を除去するための砥粒の粒子数を減少させ、粒子の凝集を抑えられるため、凝集した砥粒による第二の金属へのスクラッチ等の形成を抑制することができる。また、配線の密な領域に発生する第二の金属の過剰な研磨を防ぐことができ、エロージョンの発生を効果的に抑えることができる。

また、第一の研磨工程の後において、第一の溝及び第二の溝内に形成された第二の金属の表面は第一の金属の表面に比べて低い位置にあることを特徴とするものである。

これにより、第二研磨において、第二の金属の表面が研磨パッドにより押圧されないため、第二の金属が砥粒により研磨されにくく、大きな金属の欠損及び金属の伸びによる架橋構造の発生を抑制できる。

また、第一の研磨において、第二の金属の研磨レートが第一の金属の研磨レートより１０倍以上大きいスラリーを使用することを特徴とする。

これにより、第一の研磨において、第二の金属が選択的に効率よく研磨されるため、研磨時間の短縮を図ることができ、生産性を向上させ、パーティクルの発生を抑制することができる。

また、絶縁膜がＳｉＯ及びＳｉＯＦを含む積層膜であることを特徴とする。

これにより、絶縁膜の誘電率が低下し、半導体装置の高速情報処理が図れるため、性能を向上させることができる。

本発明によれば、配線形成の研磨工程におけるバリアメタルの研磨において、研磨レートを制御することにより、金属膜のスクラッチの発生を抑え、配線抵抗の増加を抑制するとともに、配線の断線、及び、金属膜の架橋構造の残存による配線間ショートの発生を防ぐことができる。また、エロージョン及びディッシングも効果的に防ぐことができ、さらに、配線表面の平坦性を図ることができる。その結果、高信頼の半導体装置が得られる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

まず、ＣＭＰの留意点について説明する。

ＣＭＰにおいて、化学的メカニズムとは、酸化膜・水和膜等の表面膜の生成の作用をいうものであり、機械的メカニズムとは、砥粒の切削作用をいうものである。また、化学的メカニズム及び機械的メカニズムは、単独的でなく複合的に作用する。つまり、ＣＭＰは、研磨圧力、研磨パッドの種類、定盤、研磨ヘッドの回転数、研磨量のウエハ面均一性、スラリーの含有化合物の組成比等の条件によって、機械的メカニズム及び化学的メカニズムが、影響を及ぼす割合は変化するものの、共に作用するものである。すなわち、研磨をする際には、被研磨面に合わせて研磨レートを制御するために、被研磨面、砥粒、液体間の機械的メカニズム及び化学的メカニズムの作用を考慮しなければならない。

ここで、本発明におけるバリアメタル、絶縁膜、金属膜のＣＭＰについて説明する。

まず、バリアメタルを研磨する際のスラリーを構成する成分について説明する。スラリーの大部分は純水であり、全体の約９０％を占める。もう一つの主成分は砥粒で、全体の約１０％を占める。砥粒には、二酸化珪素から構成されるシリカが一般的に用いられる。特に、銅表面へのスクラッチの発生を抑制するために、シリカの中でもコロイダルシリカがよく用いられている。純水と砥粒以外の成分の濃度は、全て数％以下である。有機系薬液は、スラリーの使用直前に混合される酸化剤との反応によって、バリアメタル材であるタンタル系化合物の溶解を促進させる効果がある。防食剤は、バリアメタル研磨中に銅の表面が腐食するのを防止するための薬剤で、銅の表面に配位結合して、銅表面を腐食から守る。ベンゾトリアゾールが用いられる場合が多い。ｐＨ調整剤は、バリアメタルと有機系薬液や酸化剤の反応が最も安定的に進行するための液質にするために添加される。一般的に、ｐＨが２〜５になるように調整される。ｐＨ調整剤には、硝酸やアンモニアが使用されることが多い。

バリアメタルのＣＭＰは、バリアメタル表面に薄く柔らかい反応層を形成しながら、形成された反応層を機械的作用の小さい、例えば微小シリカ砥粒で高速に除去することにより起こる。ここで、バリアメタルとしてＴａＮを例にとって説明する。ＴａＮ表面の反応層としては、酸化剤によりＴａ表面にＴａ₂Ｏ₅が形成された後に、その表面にできたＴａＯ^-とシリカ表面のシラノール基（ＳｉＯＨ）の反応物がある。これは、化学的作用が強いものであり、化学的作用は、粒子数が多く、比表面積が大きいほど活発になるため、ＴａＮの研磨レートは砥粒の粒子数、及び、比表面積に依存する。

また、ＴａＮの研磨において、ｐＨが４以上の場合には、Ｓｉのゼータ電位とＴａのゼータ電位がともにマイナスとなり、粒子間で電気的な反発作用を発生させる。この反発作用は、研磨速度を抑制する。したがって、研磨速度を抑制しないためには、ｐＨ調整剤によりｐＨを４以下に調整する必要がある。

絶縁膜のＣＭＰは、絶縁膜表面に水和膜を形成しながら、この水和膜を砥粒で除去することにより研磨する。ここで、絶縁膜の研磨では、水和膜は順次形成されていくため、砥粒の粒子数が多いほど水和膜が早く除去される。そのため、絶縁膜の研磨レートは、砥粒の粒子数に依存するものである。また、研磨中にスラリー中の砥粒は酸化膜よりもはるかに大きな比表面積を有するので効果的に周りの水分によって冷却される。これにより、摩擦熱で塑性変形が促進されるとともに、酸化膜の含水表面が高温になり、酸化膜の硬度が低下して軟質となりやすい。このような発熱作用が酸化膜の含水表面が塑性変形を容易にさせ、さらに砥粒による機械的除去作用を有利にする。

金属膜のＣＭＰは、金属膜表面に形成された酸化膜を砥粒によって除去することにより研磨する。すなわち、スラリー中の酸化剤により金属膜表面で酸化反応を生じさせ、形成された酸化膜を砥粒により研磨するものである。そのため、金属膜の研磨は、研磨中の酸化還元電位を調整する酸化剤の量に依存する。

次に、配線形成の研磨工程におけるバリアメタルを除去する研磨でのＣＭＰの留意点について説明する。配線形成の研磨工程におけるバリアメタル研磨は連続的なものである。そのため、配線形成の研磨工程におけるバリアメタル研磨は、研磨圧力、研磨パッドの種類、定盤、研磨ヘッドの回転数、研磨量のウエハ面均一性、スラリーの含有化合物の組成比等のＣＭＰの条件が変わるものではない。しかしながら、配線形成の研磨工程におけるバリアメタルを除去する研磨は、研磨の進行により被研磨面の膜の種類が変わってくる。したがって、第二研磨においては、被研磨膜の種類を考慮して研磨レートを調整し、基板面内の平坦性を図ることが必要である。

例えば、絶縁膜の研磨レートを高くするために、砥粒を多く含むスラリーを用いて研磨する場合には、砥粒が凝集しやすくなるため、バリアメタル及び絶縁膜に比べて柔らかい金属膜が砥粒の大きい第二研磨のスラリーにより研磨される。その結果、金属膜に欠損及びスクラッチが発生し、配線抵抗の増加及び配線間ショートを引き起こすことがある。したがって、第二研磨では、配線表面の平坦性を図ることに加えて、さらに、金属膜、バリアメタル、絶縁膜の三種の膜のうちの一の膜の研磨レートを制御するスラリーの含有化合物が、他の膜に及ぼす腐食特性等の効果を考慮しなければならない。つまり、第二研磨では、単に平坦性を図るためにそれぞれの膜の研磨レートを制御するだけでなく、スラリーやパッドによる他の膜への影響も考えて、研磨レートの設定をすることが必要である。

さらに、特に、オーバー研磨は本発明中の最終工程であり、被研磨面の平坦性はＣｕ配線の特性に大きく影響を与えるものであるため、エロージョン及びディッシングの問題も考慮しなければならない。

したがって、第二研磨では、各膜の研磨レートを整合的に制御し、スラリー含有化合物が及ぼす腐蝕特性の影響による金属膜の欠損等を考慮し、エロージョン及びディッシングを防ぐことが必要となる。

以上のことを踏まえて、以下に、本発明の実施形態に係る半導体装置の配線の形成方法について図面を用いて説明する。

（実施形態１）
図１（ａ）〜（ｄ）及び図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態１に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。

まず、図１（ａ）に示すように、基板１上にＣＶＤ法により、例えば厚さ３００ｎｍ〜５００ｎｍの、ＳｉＯ及びＳｉＯＦを含む積層からなる絶縁膜２を堆積する。

次に、図１（ｂ）に示すように、リソグラフィー技術を用いてレジストパターンを形成し（図示せず）、このレジストパターンをマスクとして絶縁膜２をエッチングすることにより配線を形成するための第一の溝である配線溝３ａ（深さ２００ｎｍ〜４００ｎｍ）及び配線溝３ａに隣り合う第二の溝である配線溝３ｂ（深さ２００ｎｍ〜４００ｎｍ）を形成する。

次に、図１（ｃ）に示すように、スパッタ技術により、配線溝３ａ及び配線溝３ｂの表面を覆うように、絶縁膜２の上に、例えば厚さ２５ｎｍ〜４５ｎｍのバリアメタル４を蒸着する。ここで、バリアメタル４には、Ｔａ（タンタル）またはＴａ系化合物またはそれらの積層膜が使用される。ＴａまたはＴａ系化合物またはそれらの積層膜は、金属膜５が絶縁膜２中へ拡散するのを防止することができるだけでなく、積層膜と金属膜５との接触電位差が小さいため、金属膜５の腐蝕を起こりにくくする性質がある。

次に、図１（ｄ）に示すように、スパッタ法を用いて、配線溝３ａ及び配線溝３ｂの表面を覆うように、バリアメタル４上にシード層６を形成する。ここで、シード層６には、Ｃｕ（銅）またはＣｕ合金が使用される。例えば、Ｃｕ合金としては、ＣｕとＡｇ（銀）からなる合金、ＣｕとＡｌ（アルミニウム）からなる合金、ＣｕとＡｌとＳｉ（シリコン）からなる合金等がある。

次に、図２（ａ）に示すように、配線溝３ａ及び配線溝３ｂを十分に埋めるように、シード層６上に電解メッキ技術により、例えば厚さ５５０ｎｍの金属膜５を堆積する。ここで、金属膜５には、ＣｕまたはＣｕ合金が使用される。例えば、Ｃｕ合金としては、ＣｕとＡｇからなる合金、ＣｕとＡｌからなる合金、ＣｕとＡｌとＳｉからなる合金等がある。

次に、図２（ｂ）に示すように、ＣＭＰを用いて配線溝３ａ及び配線溝３ｂからはみ出した余剰な金属膜５を除去し、配線溝３ａ及び配線溝３ｂ内に金属膜５ａを形成する（第一研磨）。このとき、バリアメタル４と金属膜５は化学的特性が異なるため、金属膜５は、配線溝３ａ及び配線溝３ｂからはみ出したバリアメタル４を研磨時のストッパー膜として、比較的均一に、かつ、研磨残りが少ない状態で除去される。

次に、図２（ｃ）に示すように、ＣＭＰにより配線溝３ａ及び配線溝３ｂからはみ出した余剰なバリアメタル４を除去し、配線溝３ａ及び配線溝３ｂ内にバリアメタル４ａで覆われた金属膜５ａからなる配線構造を形成する。ここで、バリアメタル除去研磨の前において、図２（ｂ）に示すように、バリアメタル４と共に配線溝３ａ及び配線溝３ｂ中の金属膜５ａは埋め込み配線が形成された絶縁膜２の表面に露出している。しかし、通常、第一研磨の終了後に、配線溝３ａ及び配線溝３ｂ中の金属膜５ａがリセスとなり、バリアメタル４の表面に対して低い位置にあるため、バリアメタル除去段階で金属膜５ａの表面が研磨パッドにより押圧されない。そのため、金属膜５ａに機械的研磨作用が働きにくく、バリアメタル除去段階では主にバリアメタル４のみが研磨されることになる。

次に、図２（ｄ）に示すように、第一研磨及びバリアメタル除去研磨により、埋め込み配線が形成された絶縁膜の表面に部分的に残留した配線溝３ａ及び配線溝３ｂからはみ出した余剰なバリアメタル４及び金属くずを除去する。これは、絶縁膜表面上の配線溝３ａ及び配線溝３ｂからはみ出したバリアメタル４がほぼ完全になくなるまで、配線表面全面に研磨を行なうものである。

ここで、前述のように、第二研磨では、各膜の研磨レートを整合的に制御し、スラリー含有化合物が及ぼす腐蝕特性の影響による金属膜の欠損等を考慮し、ディッシング及びエロージョンを防ぐことが必要である。そこで、以下に、これらの条件を満たす研磨レートについて検討する。

本発明における第二研磨では、まず、バリアメタル除去段階の初期の段階では、バリアメタルのみが研磨される。次に、リセスにより凹んでいる金属膜がバリアメタルと共に研磨される。その後、金属膜とバリアメタルは配線表面に絶縁膜が露出するまで研磨される。続いて、オーバー研磨段階でバリアメタルが除去されることにより露出する絶縁膜がバリアメタル及び金属膜と共に研磨されることになる。そこで、被研磨膜として、バリアメタル除去段階では、まず、バリアメタルのみを考え、研磨パッドが金属膜に達した後には、被研磨膜として、バリアメタルと金属膜を考える。また、オーバー研磨段階では、被研磨膜として、絶縁膜と金属膜とバリアメタルを考える。なお、バリアメタルは、絶縁膜、金属膜、に比べて薄いため、オーバー研磨段階では、バリアメタルの除去については、ほとんど考慮しなくてもよい。

図３（ａi）〜（ｄi）は、第二研磨におけるＣｕ（金属膜）、ＴａＮ（バリアメタル）、ＳｉＯ₂（絶縁膜）の各研磨レートの比を示しており、図３（ａii）〜（ｄii）はそれぞれの研磨レート比により研磨した後の配線の断面図を示したものである。縦軸は研磨レートを示している。

(i）図３（ａi）及び図３（ａii）は、まず、金属膜の研磨レートと絶縁膜の研磨レートの関係について検討したものである。具体的には、図３（ａi）に示すように、バリアメタルであるＴａＮの研磨レートを被研磨膜の研磨レートの中で最も高いものとし、金属膜であるＣｕの研磨レートをＴａＮの研磨レートに比べて少し低いものとし、絶縁膜であるＳｉＯ₂の研磨レートをＣｕの研磨レートに比べて非常に低くした。以下に、図３（ａi）に示す研磨レートを用いた研磨について説明する。

バリアメタル除去段階の初期段階では、第一研磨終了時に配線部分の金属膜がリセスとなり凹んでいるため、配線表面のバリアメタルが選択的に研磨される。これにより、金属膜の被研磨面はバリアメタル表面よりも低い位置にあり、金属膜は研磨パッドにより摩擦をほとんど受けることなく、破損されにくい。しかしながら、金属膜の研磨レートを高くするために、酸化剤を多く含んだスラリーを用いているため、金属膜は化学的エッチング作用により減少する。

次に、研磨パッドが金属膜に達した後では、金属膜の研磨レートが高いため、金属膜はさらに減少が進む。

次に、オーバー研磨段階では、研磨レートの低い絶縁膜が化学的作用をほとんど受けないため研磨が進行せず、研磨時のストッパー膜となる。これにより、埋め込み配線が形成された絶縁膜表面全体の研磨は停止する。しかしながら、依然として、金属膜は研磨レートが高いため、金属膜厚の減少が進む。

この結果、金属膜は絶縁膜に対し凹となり、図３（ａii）に示すようなディッシングが発生する。このようなディッシングが発生すると、配線溝内の金属膜の体積が減少し、埋め込み配線のサイズが小さくなる。これにより、配線全体の抵抗の増加及び部分的な配線の断線を生じさせることがある。

したがって図３（ａi）及び図３（ａii）の結果より、第二研磨工程におけるスラリー、つまり第二研磨のスラリーは、金属膜の研磨レートと絶縁膜の研磨レートの差が大きい場合にあっては、金属膜の減少が顕著となり、配線抵抗の増加及び配線の断線という課題を発生させるため、金属膜の研磨レート及び絶縁膜の研磨レートが同程度、つまり大きな差がない研磨レートになるように選択する必要がある。

（ii）図３（ｂi）及び図３（ｂii）は、図３（ａi）及び図３（ａii）の結果を踏まえて、金属膜の研磨レートと絶縁膜の研磨レートを同程度であるものとした。例えば、金属膜の研磨レート及び絶縁膜の研磨レートをバリアメタルの研磨レートに比べて非常に低くした場合を検討したものである。具体的には、図３（ｂi）に示すように、ＴａＮの研磨レートを最も高くし、Ｃｕの研磨レート及びＳｉＯ₂の研磨レートをＴａＮの研磨レートに比べて非常に低くしたスラリーを用いた。以下に、図３（ｂi）に示す研磨レートのスラリーを用いた研磨について説明する。

バリアメタル除去段階の初期段階では、第一研磨終了時に配線部分の金属膜がリセスとなり凹んでいるため、配線表面のバリアメタルが選択的に研磨される。これにより、金属膜の被研磨面はバリアメタル表面よりも低い位置にあり、金属膜は研磨パッドにより摩擦をほとんど受けることなく、破損されにくい。

次に、研磨パッドが金属膜に達した後では、バリアメタルの研磨レートに比べて金属膜の研磨レートが非常に低いため、金属膜の研磨は抑制される。しかしながら、金属膜は研磨レートが低い場合でも、被研磨表面に露出した金属膜が研磨パッドに接触すると、研磨パッドを押して圧力をかけたときに不活性な金属膜表面と砥粒の間の摩擦を生じ、金属膜が機械的に削られる。

次に、オーバー研磨段階では、絶縁膜及び金属膜の研磨が進行しにくくなる。つまり、絶縁膜及び金属膜の研磨レートが、バリアメタルの研磨レートに比べて非常に低い研磨レートになるようなスラリーを用いているため、被研磨面に露出する絶縁膜が研磨時のストッパー膜のような働きを示し、埋め込み配線が形成された絶縁膜表面全体の研磨がほとんど進行しなくなる。しかしながら、依然として金属膜は研磨パッドにより機械的に削られる。

この結果、金属膜に欠損が生じ、図３（ｂii）に示すように、金属膜が削られてスクラッチが発生したり、金属膜が延びたりして架橋構造を形成する。このような架橋構造が残存すると、絶縁されるはずの隣り合う配線が接合してしまい、配線間ショートを生じさせることとなる。また、金属膜が大きく欠損した場合には、配線抵抗の増加及び配線の断線を生じることとなる。

したがって、図３（ｂi）及び図３（ｂii）の結果より、第二研磨のスラリーは、金属膜の研磨レート及び絶縁膜の研磨レートが同程度の場合であっても、金属膜の研磨レート及び絶縁膜の研磨レートがバリアメタルの研磨レートに比べて非常に低い場合には、金属膜及び絶縁膜に研磨パッドが接触することにより大きな機械的作用が働いてしまい、金属膜の欠損が発生することがある。また、スクラッチ等が発生し、そこに導電物が埋め込まれた架橋構造等を発生させることがある。よって、金属膜の研磨レート及び絶縁膜の研磨レートがバリアメタルの研磨レートに比べて非常に低くないことが必要である。

(iii）図３（ｃi）及び図３（ｃii）は、さらに図３（ｂi）及び図３（ｂii）の結果を踏まえて、金属膜の研磨レートと絶縁膜の研磨レートは同程度であり、金属膜の研磨レート及び絶縁膜の研磨レートは、バリアメタルの研磨レートに比べて非常に低くないものとした。例えば、金属膜の研磨レート及び絶縁膜の研磨レートをバリアメタルの研磨レートと同程度にした場合を検討したものである。具体的には、図３（ｃi）に示すように、Ｃｕの研磨レート、ＴａＮの研磨レート及びＳｉＯ₂の研磨レートを全てほぼ同等に高くしたスラリーを用いた。以下に、図３（ｃi）に示す研磨レートのスラリーを用いた研磨について説明する。

次に、研磨パッドが金属膜に達した後では、バリアメタルと同じ高い研磨レートで研磨が進行するため金属膜はさらに減少が進む。

次に、オーバー研磨段階では、表面に露出している絶縁膜、バリアメタル、金属膜間の研磨レートに大きな差がないため、被研磨表面は比較的均一な状態で研磨が進行する。そのため、金属膜の欠損及び架橋構造は発生しにくい。しかしながら、金属膜及び絶縁膜は、バリアメタルと同等の高い研磨レートで研磨が進行していく。

この結果、ストッパー膜として働く膜がないため、被研磨膜全体の研磨が進行し、特に配線密集領域では、図３（ｃii）に示すような絶縁膜の減少によるエロージョンが拡大する。これにより、絶縁膜の絶縁性が損なわれたり、配線抵抗の増加が生じたりする。さらに、配線表面に形成された凸凹によりグローバル段差が形成されると、リソグラフィー工程で、アライメントずれ、フォーカスずれによるパターン異常を引き起こし、所望サイズのパターンが形成できないため、上層配線と下層配線が接続不良となり、配線抵抗の増加や配線の断線を発生させることになる。

また、オーバー研磨において、ストッパー膜として働く膜がないため、オーバー研磨の時間が長くなる。そのため、配線溝中の金属膜が過剰に研磨されてしまい、ディッシングが発生する。このようなディッシングが発生すると、金属膜の体積が減少することにより配線抵抗が増加することとなる。

したがって図３（ｃi）及び図３（ｃii）の結果より、第二研磨のスラリーは、金属膜の研磨レートと絶縁膜の研磨レートが同程度であって、かつ、バリアメタルの研磨レートに比べて非常に低くないものであればスラリーの機械的作用を抑制できるが、金属膜の研磨レートと絶縁膜の研磨レートがバリアメタルの研磨レートと同程度に高い場合には、絶縁膜の過剰研磨により、配線の疎密に依存して研磨が進行するエロージョン及び過剰研磨によるディッシングを発生させ、これらが配線抵抗の増加及び配線の断線を生じさせる。よって、金属膜の研磨レートと絶縁膜の研磨レートがバリアメタルの研磨レートと同程度に高くないことが必要である。

(iv）図３（ｄi）及び図３（ｄii）は、さらに図３（ｃi）及び図３（ｃii）の結果を踏まえて、金属膜の研磨レートは絶縁膜の研磨レートと同程度であり、金属膜の研磨レート及び絶縁膜の研磨レートはバリアメタルの研磨レートに比べて非常に低くなく、かつ、バリアメタルの研磨レートと同程度に高くないものとした。例えば、金属膜の研磨レート及び絶縁膜の研磨レートをバリアメタルの研磨レートの１／３以上１／２以下とした場合を検討したものである。具体的には、図３（ｄi）に示すように、ＴａＮの研磨レートを最も高くし、Ｃｕの研磨レートとＳｉＯ₂の研磨レートをＴａＮの研磨レートの約１／３以上１／２以下としたスラリーを用いた。以下に、図３（ｄi）に示す研磨レートのスラリーを用いた研磨について説明する。

次に、研磨パッドが金属膜に達した後では、金属膜の研磨レートはバリアメタルの研磨レートの１／３以上１／２以下の研磨レートで研磨が進行している。そのため、研磨パッドを押して圧力をかけたときに不活性な金属膜表面と砥粒の間の摩擦は発生しない。また、研磨パッドで押圧したときに、金属膜にスクラッチが発生した場合であっても、スクラッチを除去しながら研磨する。さらに、この場合に、金属膜の研磨が抑制され、ディッシングの発生が抑えられる。

次に、オーバー研磨段階では、絶縁膜の研磨レートはバリアメタルの研磨レートの１／３以上１／２以下の研磨レートに調整するために粒子量の少ない砥粒を用いているため、凝集した砥粒の発生は抑えられ、金属膜の欠損が防止される。また、絶縁膜の研磨レートはバリアメタルの研磨レートの１／２以下の研磨レートであるため、研磨の進行により配線の密な領域に発生する金属膜の過剰な研磨を防ぐことができ、エロージョンの発生が抑制される。さらに、金属膜は、依然としてスクラッチを除去してディッシングを効果的に抑制しながら研磨されている。

この結果、図３（ｄii）に示すように、配線間ショートを誘発する架橋構造及び金属膜の欠損の発生が防止され、ディッシングもしくはエロージョンがない、平坦性の高い配線表面が得られる。

ここで、金属膜の研磨レートと絶縁膜の研磨レートをバリアメタルの研磨レートの１／３以上とすると望ましい理由について説明する。

まず、第二研磨においてスクラッチを除去する金属膜の研磨量を規定する。図４に、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、第二研磨終了後の基板表面に形成された段差を測定した結果を示す。図４において、縦軸は表面段差であり、横軸は走査距離である。

図４より、被研磨膜中に含まれる異物を研磨に巻き込むことにより発生するスクラッチの深さの最大値は最大１０ｎｍ程度である。このため、オーバー研磨段階でスクラッチの発生を防ぐには、適切なマージンを考慮して、例えば、金属膜及び絶縁膜の研磨量を、スクラッチの最大予測値の１．５倍の、１５ｎｍ以上とすることが望ましい。ここで、深さが１０ｎｍよりも浅いスクラッチについては、深さ１０ｎｍのスクラッチが除去できる金属膜の研磨レートを用いているのであるから、それよりも浅いスクラッチについては研磨で除去することができると考えられる。

次に、第二研磨におけるバリアメタルの研磨量を規定する。オーバー研磨では、配線間の短絡を防ぐために、バリアメタルが配線溝以外の部分からほぼ完全になくなるまで、埋め込み配線が形成された絶縁膜表面全面に研磨を行なう必要がある。このため、オーバー研磨では、バリアメタルの最大の全体膜厚ばらつき分を考慮して研磨する必要がある。ここで、バリアメタル成膜の基板面内膜厚ばらつきが最大１０％、バリアメタル成膜の基板間膜厚ばらつきが最大１０％、ＣＭＰ法による基板面内膜厚ばらつきが最大２０％、ＣＭＰ法による基板間膜厚ばらつきが最大１０％となり、全体の膜厚ばらつきはこれらの二乗の和の平均で表される（ばらつきの伝播法則）。

Σ＝√（σａ²＋ σｂ² ＋ σｃ²＋σｄ²)・・・（１）
σａ：バリアメタル成膜の基板面内膜厚ばらつき
σｂ：バリアメタル成膜の基板面内膜厚ばらつき
σｃ：ＣＭＰの基板面内膜厚ばらつき
σｄ：ＣＭＰの基板面間膜厚ばらつき
式（１）より、この配線構造では、バリアメタルの最大の全体膜厚ばらつきは、２６％であり、膜厚ばらつきのマージンを考慮すると、オーバー研磨ではバリアメタル除去研磨に加えて、膜厚ばらつき３０％程度のオーバー研磨が必要である。このことから、例えば、バリアメタルの堆積膜厚を３５ｎｍとすると、第二研磨におけるバリアメタルの研磨量は４５．５ｎｍが望ましい。

以上より、第二研磨におけるスクラッチを発生させないような金属膜の研磨レートとバリアメタルの研磨レートの比を検討すると、金属膜もバリアメタルも研磨時間は同じなので、第二研磨における研磨量の比ということになる。そして、前述したように、金属膜は１５ｎｍ以上の研磨量が必要であり、バリアメタルは４５．５ｎｍの研磨量である。ここで、金属膜の研磨量１５ｎｍとバリアメタルの研磨量４５．５ｎｍの比は１対３となる。したがって、金属膜の研磨レートは、バリアメタルの研磨レートの１／３となる。

このように、第二研磨におけるスクラッチを発生させないような金属膜の研磨レートは、バリアメタルの研磨レートの１／３以上が必要である。

ここで、バリアメタルの堆積膜厚が３５ｎｍよりも大きい場合、つまり、バリアメタルの堆積量が３５ｎｍよりも多い場合について考える。この場合、バリアメタルの膜厚は厚くなっているため、研磨時間が長くなり、金属膜の研磨量は１５ｎｍ以上期待される。そのため、１０ｎｍのスクラッチは十分除去できる。

次に、金属膜の研磨レートと絶縁膜の研磨レートをバリアメタルの研磨レートの１／２以下とすることについて説明する。

金属膜の研磨レートと絶縁膜の研磨レートをバリアメタルの研磨レートの１／２以下とする説明は以下の二つがある。

まず一つ目は、絶縁膜が積層膜である場合を考える。積層膜は、例えば、配線表面から順に、膜厚が２０〜３０ｎｍ程度のＳｉＯ膜、膜厚が２００〜４００ｎｍ程度のＳｉＯＦ膜とする。ここで、絶縁膜を積層膜とするのは、層間容量の低減を図り、比誘電率の低い絶縁膜を実現するためである。

この場合において、第二研磨で上層のＳｉＯ膜が全て研磨されてしまうと、下層のＳｉＯＦ膜が表面に露出することとなる。下層のＳｉＯＦ膜が表面に露出してしまうと、ＳｉＯＦは吸湿により誘電率が上昇してしまう。また、吸湿した絶縁膜がダマシン配線に残存すると、埋め込まれた金属膜が腐蝕してしまう。そのため、上層のＳｉＯ膜を下層のＳｉＯＦ膜の上に残す必要がある。そこで、絶縁膜の積層の上層のＳｉＯ膜を残すために、絶縁膜の研磨量は１ｎｍ〜２０ｎｍ程度である。そのため、絶縁膜の研磨量は２０ｎｍ以下にする必要がある。

ところで、前述したように、バリアメタルの堆積膜厚を３５ｎｍとすると、膜内ばらつき及びマージンを考慮して、第二研磨におけるバリアメタルの研磨量は４５．５ｎｍが期待される。ここで、絶縁膜の研磨量２０ｎｍとバリアメタルの研磨量４５．５ｎｍの比は、約１対２となる。したがって、絶縁膜の研磨レートは、バリアメタルの研磨レートの１／２となる。

次に、二つ目は、図３（ｃi）及び図３（ｃii）に示す、金属膜及び絶縁膜の研磨レートがバリアメタルの研磨レートと同程度に高いスラリーで研磨した場合に発生する、配線の疎密に依存するエロージョンに着目して考える。このとき、第二研磨で発生するエロージョンは３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度である。

ここで、絶縁膜の減少が顕著なときには、絶縁膜の絶縁性が損なわれたり、金属膜の減少により配線抵抗が増加したりする。

前述のように、ＳｉＯＦの露出を防ぐために、第二研磨においてエロージョンをＳｉＯが残るように２０ｎｍ以下に抑えなければならない。ここで、第二研磨での良好な絶縁膜の研磨量２０ｎｍと絶縁膜のエロージョンの最大値である５０ｎｍは、約１対２の関係にある。また、図３（ｃi）及び図３（ｃii）において、絶縁膜の研磨レートはバリアメタルの研磨レートと同程度である。したがって、絶縁膜の研磨レートは、バリアメタルの研磨レートの１／２となる。

これらの二つのことから、第二研磨における絶縁膜の研磨レートは、バリアメタルの研磨レートの１／２以下が必要である。

ここで、バリアメタルの堆積膜厚が３５ｎｍよりも小さい場合、つまり、バリアメタルの堆積量が３５ｎｍよりも薄い場合について考える。この場合、バリアメタルの膜厚が薄くなっているため、研磨時間が短くなり、絶縁膜の研磨量は２０ｎｍ以下に抑えられる。そのため、ＳｉＯは残存し、ＳｉＯＦの吸湿は防止できると考えられる。

なお、本発明において、金属膜と絶縁膜の研磨レートが同程度であるとは、金属膜及び絶縁膜の研磨レートがそれぞれ独立にバリアメタルの研磨レートの１／２〜１／３の範囲内であることをいう。その範囲であれば、例えば、金属膜の研磨レートがバリアメタルの研磨レートの１／２で、絶縁膜の研磨レートがバリアメタルの研磨レートの１／３の場合又は、金属膜の研磨レートがバリアメタルの研磨レートの１／３で、絶縁膜の研磨レートがバリアメタルの研磨レートの１／２の場合であってもよい。

また、本発明において、金属膜及び絶縁膜の研磨レートが低すぎないとは、金属膜及び絶縁膜の研磨レートが、バリアメタルの研磨レートの１／３以上であることをいう。

また、本発明において金属膜及び絶縁膜の研磨レートがバリアメタルの研磨レートと同程度に高くないとは、金属膜及び絶縁膜の研磨レートが、バリアメタルの研磨レートの１／２以下であることをいう。

以上より、図３（ｄi）に示すような、研磨レート比がバリアメタル除去に最も適していることは明確である。そして、本実施形態は、第二研磨において、金属膜の研磨レート及び絶縁膜の研磨レートをバリアメタルの研磨レートの１／２以上１／３以下とする配線の形成方法を提供するものである。このように、第二研磨において、金属膜の研磨レートをバリアメタルの研磨レートの１／２以上１／３以上とすることにより、金属膜に発生したスクラッチを研磨して除去することができため、金属膜の欠損を防ぐことができる。また、金属膜の過剰なエッチングを抑制することができるため、ディッシングを効果的に抑えることができる。

さらに、絶縁膜の研磨レートをバリアメタルの研磨レートの１／３以上１／２以下とすることにより、絶縁膜を除去するための砥粒の粒子数を減少させ、粒子の凝集を抑えられるため、凝集砥粒による金属膜の欠損を抑制することができる。また、配線の密な領域に発生する金属膜の過剰な研磨を防ぐことができ、エロージョンの発生を効果的に抑えることができる。

これにより、第二研磨における各膜の研磨レートを整合的に制御し、金属膜の欠損等の腐蝕効果を抑制し、エロージョン及びディッシングを防ぐことができるため、半導体装置の配線抵抗の増加を抑え、配線間ショートの発生及び配線の断線を防止することができる。そして、本発明により高信頼の半導体装置を得ることができる。

以上、本発明は、スラリーを用いた配線の形成方法等に有用である。

本発明の第一の実施形態における配線の形成方法の工程断面図本発明の第一の実施形態における配線の形成方法の工程断面図本発明の第一の実施形態におけるスラリーの選択比と配線の断面図スクラッチの段差を示す図従来の配線の形成方法の工程断面図従来の配線の形成方法におけるスラリーの選択比を示す図従来の配線の形成方法における課題を説明するための配線の断面図従来の配線の形成方法における課題を説明するための配線の断面図

符号の説明

１基板
２絶縁膜
３ａ配線溝
３ｂ配線溝
４バリアメタル
４ａバリアメタル
５金属膜
５ａ金属膜
７ａ金属膜
７ｂ金属膜
１０１基板
１０２絶縁膜
１０３ａ配線溝
１０３ｂ配線溝
１０４バリアメタル
１０４ａバリアメタル
１０５金属膜
１０５ａ金属膜
１０５ｂ金属膜
１０５ｃ金属膜
１０５ｄ金属膜
１０５ｅ金属膜
１０８スクラッチ
１０９スクラッチ
１１０凸凹部分

Claims

基板上に、上層が膜厚２０〜３０ｎｍのＳｉＯ膜、下層がＳｉＯＦ膜からなる絶縁膜を堆積する工程と、
前記絶縁膜上に第一の溝及び前記第一の溝と隣り合う第二の溝を形成する工程と、
前記第一の溝及び前記第二の溝を覆うように、膜厚が３５ｎｍ以上のＴａＮ（窒化タンタル）を堆積する工程と、
前記第一の溝及び前記第二の溝を埋め込むように金属を堆積する工程と、
前記第一の溝及び前記第二の溝からはみ出した前記金属を化学的機械研磨法により除去する第一の研磨工程と、
前記金属の研磨レート及び前記ＳｉＯ膜の研磨レートがＴａＮ（窒化タンタル）の研磨レートの１／３から１／２の範囲内になるようにして、前記第一の溝及び前記第二の溝からはみ出した前記ＴａＮ（窒化タンタル）及び前記金属を化学的機械研磨法により除去する第二の研磨工程とを備えることを特徴とする配線の形成方法。
前記第一の研磨工程の後において、前記第一の溝及び前記第二の溝にある前記金属は前記ＴａＮ（窒化タンタル）に比べて凹んでいることを特徴とする請求項１に記載の配線の形成方法。
前記金属はＣｕ（銅）であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の配線の形成方法。
前記第一の研磨工程において、前記金属の研磨レートが前記ＴａＮ（窒化タンタル）の研磨レートより１０倍以上大きいスラリーを使用することを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項に記載の配線の形成方法。
前記第一の溝及び前記第二の溝における配線の形成方法は、ダマシン法を用いて行われることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項に記載の配線の形成方法。