配線形成方法及び半導体装置
【課題】 配線形成方法及び半導体装置に関し、ケミカルメカニズムとメカニカルメカニズムの少なくとも一方の要素を強化してＣｕ研磨レートを向上させる。
【解決手段】 化学的機械的に研磨して埋込配線７を形成する際に、研磨されるＣｕまたはＣｕを主成分とするＣｕ合金からなるＣｕ系導電材料３或いは研磨剤６の少なくとも一方に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質４を含有させる。
【解決手段】 化学的機械的に研磨して埋込配線７を形成する際に、研磨されるＣｕまたはＣｕを主成分とするＣｕ合金からなるＣｕ系導電材料３或いは研磨剤６の少なくとも一方に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質４を含有させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は配線形成方法及び半導体装置に関するものであり、特に、Ｃｕ或いはＣｕを主成分とするＣｕ合金からなるＣｕ系導電材料を用いた埋込配線構造をＣＭＰ（化学機械研磨）法によって形成する際のＣｕ研磨レートを向上するための構成に特徴のある配線形成方法及び半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、微細化・高速化するＣＭＯＳ型ＬＳＩ用の配線材料として、低抵抗でエレクトロマイグレーション耐性が高いＣｕ配線が適用されている。
このＣｕは従来のＡｌ配線とは異なり、ドライエッチングによる加工が困難であることから、絶縁膜に溝やビアホールを形成し、そこへＣｕを埋め込むダマシン法や、配線層とビアを一体に形成するデュアルダマシン法が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、従来のダマシン法を用いた配線形成方法の一例を説明すると、まず、例えば、ビアホールとトレンチを配線１層部（層間厚）が４４０ｎｍ、最小ビア・トレンチ径が９０ｎｍの配線用トレンチ及びビアホールを層間絶縁膜に形成する。
この場合の層間絶縁材料にはＬｏｗ−ｋ材料等を使用する。
【０００４】
次いで、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ等或いはそれらの窒化物からなる厚さが、約１０〜１５ｎｍのバリアメタル、厚さが、約５０〜１００ｎｍのＣｕシードをＰＶＤ法或いはＣＶＤ法によって作成する。
【０００５】
次いで、硫酸銅めっき液にて電解めっきを行い、めっき膜厚が１μｍ程度になるまで成膜してビアホール及びトレンチを埋め込んだのち、ＣＭＰにて配線に余分な層を研磨し、配線の平坦化を行う。
【０００６】
次いで、平坦化した埋込配線層或いはビアの表面をＳｉＣ、ＳｉＯ2 、ＳｉＯＣ、ＳｉＯ2 ＋ＳｉＣ、ＳｉＮのような膜を用いてキャップし、１つの層を形成する。
以後はこれを必要な層数分繰り返すことによって多層構造を形成する。
【特許文献１】特開２００６−３０３１７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、ＣＭＰによってＣｕ膜を研磨し、配線部分を作成する時、スループットの向上やコストの観点から、Ｃｕの研磨レートの向上が大きな課題となるので、ここで、図２４乃至図２６を参照してＣＭＰ法の研磨原理を説明する。
【０００８】
図２４参照
図２４は、ＣＭＰ法の概念的構成説明図であり、ＣＭＰは一般的に、研磨パッド１０１と呼ばれる研磨布上にスラリー１０２を供給しながら、研磨ヘッド１０３に固着した研磨対象となるウェーハ１０４を研磨パッド１０１に押し付けながら研磨する手法である。
【０００９】
したがって、ＣＭＰ研磨レートの向上に対して、
ａ．研磨パッド
ｂ．スラリー
ｃ．研磨される膜
の３つの観点からアプローチできる。
【００１０】
このＣＭＰで用いられるスラリー１０２は、表１に示すように、酸化剤、錯化剤（有機酸）、界面活性剤、防食剤、砥粒等から構成される。
なお、現在、酸化剤１０５は安定性・運用の観点から、Ｈ2 Ｏ2 が主流である。
【表１】
【００１１】
図２５参照
ＣＭＰのメカニズムは、ケミカルとメカニカルに分類でき、ケミカルメカニズムはスラリー１０２を構成する酸化剤１０５で配線材料のＣｕ１０６を酸化し、酸化により形成されたＣｕ酸化物１０７をスラリー１０２を構成する成分で化学的に溶解させる方法である。
【００１２】
図２６参照
一方、メカニカルメカニズムは、Ｃｕ１０６を酸化し、酸化により形成されたＣｕ酸化物１０７を研磨パッド１０１とＣｕ１０６との摺動摩擦によって物理的に削り取る方法である。
どちらのメカニズムでも、Ｃｕ酸化物１０７を作るという要素が不可欠であり、この酸化量を増やすことが研磨レートの向上に繋がる。
【００１３】
したがって、本発明は、ケミカルメカニズムとメカニカルメカニズムの少なくとも一方の要素を強化してＣｕ研磨レートを向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明するが、
なお、図における符号１は、シリコンウェーハ等の基板である。
図１参照
上記の課題を解決するために、本発明は、化学的機械的に研磨して埋込配線７を形成する配線形成方法において、研磨されるＣｕまたはＣｕを主成分とするＣｕ合金からなるＣｕ系導電材料３或いは研磨剤６の少なくとも一方に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質４を含有させることを特徴とする。
【００１５】
このように、Ｃｕ系導電材料３或いは研磨剤６の少なくとも一方に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質４を含有させることによって、Ｃｕ研磨レートを向上するとともに、局所的な過剰研磨が発生しにくくなるのでディッシングも発生しにくくなる。
【００１６】
この場合、Ｃｕ系導電材料３を凹部２に埋め込む際に、凹部２の内、幅或いは直径が相対的に小さな幅細凹部の埋め込みが終わった後に、Ｃｕ系導電材料３に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質４として研磨促進剤を添加して未だ埋め込みが終わらない幅細凹部より幅或いは直径が相対的に大きな幅太凹部を埋め込むことが望ましい。
【００１７】
めっき後のＣｕ配線は、図１の上図に示すように、幅細凹部、即ち、微細配線パターンの集合部分の上部が他の部分に比べて盛り上がるオーバープレート８や、幅太凹部、即ち、太幅配線部分が沈み込むアンダープレート９といった段差が形成されやすいが、この段差を化学的機械（ＣＭＰ）法で削り込む過程で平坦化する必要がある。
【００１８】
この時、研磨は研磨布５に接触した部分が最も削りやすいこと、めっき後に出来るオーバープレート８のこの２つを利用し、予め盛り上がる部分に研磨レートを促進させる効果を持つ物質４を添加しておくことによって、図１の下図に示すように研磨レートを促進させる効果を持つ物質４を添加した部分の研磨レートが上昇し、ディッシングを発生させることなく平坦化が可能となる。
【００１９】
この場合の研磨剤６は、少なくとも過酸化水素を含んでいることが望ましく、それによって、Ｃｕ系導電材料３の表面の酸化が効果的に行われるので、Ｃｕ研磨レートが向上する。
【００２０】
また、Ｃｕ系導電材料３に添加する研磨促進剤としては、鉄、銀、チタン、ルテニウム、白金、或いは、マンガンからなる金属等の無機系研磨促進剤、或いは、硫黄化合物、例えば、チオ硫酸塩、メルカプト塩、過硫酸塩、或いは、メチルスルホン酸塩のいずれかである有機系研磨促進剤が望ましく、これらを単独で或いは混合して使用すれば良い。
特に、研磨促進剤としては銀や白金のようなストレス・マイグレーション耐性の高い材料を用いることが望ましい。
【００２１】
また、Ｃｕ系導電材料３の成膜方法としては、物理的気相堆積（ＰＶＤ）法、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法、電解めっき方法、或いは、無電界めっき方法の少なくとも１つの堆積方法を用いれば良い。
【００２２】
また、上述の幅細凹部の幅或いは直径としては、０．４μｍ以下が典型的な値であり、０．４μｍ以上では研磨促進剤の添加効果が小さくなる。
【００２３】
一方、研磨剤６に含有させる研磨速度を向上させる効果をもたらす物質４としては、Ｒを分子量が４００以下の有機化合物、ＭをＮａ+ ，Ｋ+ ，ＮＨ4 + ，Ｈ+ のいずれかとした場合、チオ硫酸塩、メルカプトスルホン酸塩（Ｍ−Ｒ−ＳＨ）、或いは、ジスルフィドスルホン酸塩（Ｍ−Ｒ−Ｓ−Ｓ−Ｒ−Ｍ ）の少なくとも１種類からなる硫黄化合物が典型的なものである。
【００２４】
また、この場合にも、研磨剤６が、少なくとも過酸化水素を含んでいることが望ましい。
即ち、酸化剤Ｈ2 Ｏ2 の能力を向上させるためには、Ｈ2 Ｏ2 の分解を促進する触媒を添加する方法が考えられるが、触媒では、本来起こりえない反応を起こすことは出来ない。
【００２５】
そこで、硫黄化合物を用いることで、硫黄化合物中の硫黄がＨ2 Ｏ2 により酸化されてＨ2 ＳＯ4 を形成し、このＨ2 ＳＯ4 がより強いＣｕの酸化状態を作り上げることを可能にする。
その場合の研磨剤６のｐＨは、３〜５の範囲が望ましく、ｐＨ＜３の場合にはＣｕの溶解レートは高まるが、硫黄酸化物によるＣｕ酸化が促進され過ぎて、「酸化速度＞溶解速度」の溶解律速度の状態となり、一方、ｐＨ＞５の場合は、Ｃｕの溶解レート自体が低くなり、硫黄酸化物の添加効果が得られなくなる。
【００２６】
この場合、研磨剤６に含有させる硫黄化合物は、研磨剤６を蓄えておく研磨剤用タンク内で添加しても良いし、或いは、研磨剤６を蓄えておく研磨剤用タンクと配管で結合された添加剤用タンクに収容し、研磨剤６と硫黄化合物とを被研磨材に供給する直前で混合するようにしても良い。
【００２７】
或いは、研磨剤６に含有させる硫黄化合物は、研磨剤６と硫黄化合物とを被研磨材と研磨布５が接触した状態において混合するようにしても良く、その場合には、硫黄化合物を含んだ溶液を、研磨を開始する前に予め研磨布５に含ませておき、研磨剤６と研磨布５上で混ぜても良いし、硫黄化合物を含んだ溶液を、研磨布５の下側から噴出させて、研磨剤６と研磨布５上で混ぜるようにしても良い。
【００２８】
また、上述の配線形成方法によって、半導体装置における埋込配線７を形成することが望ましく、それによって、配線形成工程のスループットを向上することができるとともに、ディッシングが発生しないので、膜厚の目減りによる配線抵抗の増加が防止できる。
【００２９】
特に、半導体装置としては、絶縁膜と、絶縁膜に形成れた第一の幅を有する第一配線溝と、第一配線溝に埋め込まれた第一導電層と、絶縁膜に形成され、第一の幅よりも広い第二の幅を有する第二配線溝と、第二配線溝に埋め込まれた第二導電層とを有し、第二導電層に含まれる研磨促進剤の濃度が、第一導電層に含まれる研磨促進剤の濃度よりも高いことを特徴とする。
【００３０】
また、研磨装置としては、研磨剤６を蓄えておく研磨剤用タンクと、研磨剤用タンクと配管で結合されるとともに、研磨剤６を被研磨材に供給する直前で研磨剤６と研磨速度を向上させる効果をもたらす添加剤とを混合するための添加剤用タンクを備えるように構成しても良いし、或いは、研磨布５の裏面側から研磨速度を向上させる効果をもたらす添加剤を噴出させる添加剤噴出機構を備えるように構成しても良い。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、Ｃｕ研磨レートを向上することによってスループットを向上することができ、特に、幅細凹部の埋め込みが終わった後に、研磨促進剤を添加して大きな幅太凹部を埋め込むことにより、幅細凹部上に形成されたオーバープレートを速やかに研磨除去することができるので、ディッシングの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明は、研磨されるＣｕまたはＣｕを主成分とするＣｕ系導電材料或いは研磨剤、特に、Ｈ2 Ｏ2 を含む研磨剤の少なくとも一方に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質を含有させることによって、ＣＭＰ研磨におけるＣｕ研磨速度を向上させるものである。
【００３３】
この場合、Ｃｕ系導電材料に添加する研磨促進剤としては、鉄、銀、チタン、ルテニウム、白金、或いは、マンガンからなる金属等の無機系研磨促進剤、或いは、硫黄化合物、例えば、チオ硫酸塩、メルカプト塩、過硫酸塩、或いは、メチルスルホン酸塩のいずれかである有機系研磨促進剤を用いる。
また、含有量としては、無機系研磨促進剤の場合には３００００ｐｐｍ（３重量％）以下、有機系研磨促進剤の場合には１０００ｐｐｍ（０．１重量％）以下の範囲が望ましい。
なお、無機系研磨促進剤は、合金スパッタなどで制御可能であるが、有機系研磨促進剤は不純物として膜に取り込ませる成膜方法が主流となるため、高濃度の添加が困難である。
【００３４】
また、研磨剤に含有させる研磨促進剤としては、Ｒを分子量が４００以下の有機化合物、ＭをＮａ+ ，Ｋ+ ，ＮＨ4 + ，Ｈ+ のいずれかとした場合、チオ硫酸塩、メルカプトスルホン酸塩（Ｍ−Ｒ−ＳＨ）、或いは、ジスルフィドスルホン酸塩（Ｍ−Ｒ−Ｓ−Ｓ−Ｒ−Ｍ）を用いる。
また、この場合の含有量としては、３０００ｐｐｍ（０．３重量％）以下の範囲が望ましい。
なお、研磨剤中に０．１重量％以上の添加を行うと、添加剤ではなくスラリの有効成分となり、スラリ中の他の界面活性剤の特性を変えてしまうため、多量添加は避けたい。
【００３５】
ここで、図２乃至図４を参照して、まず、研磨促進剤の添加効果を検証する。
図２参照
図２は、めっき工程の説明図であり、シリコンウェーハ１１上にＳｉＯ2 膜１２及びＴａ膜１３を介して、めっき浴１４中において例えば、めっき電流は１０ｍＡ／ｃｍ2 の条件の電解めっき法によってＣｕめっきを行って、２μｍの膜厚の研磨促進剤１６を含んだＣｕ膜１５を形成する。
【００３６】
この時の電解めっき工程において、めっき浴１４は、
Ｃｕ：４０ｇ／Ｌ
Ｈ2 ＳＯ4 ：１０ｇ／Ｌ
Ｃｌイオン：６０ｐｐｍ
の組成液を基準液とし、この基準液に表２に示す硫黄化合物を３０００ｐｐｍ、平均分子量２０００のポリエチレングリコールを３００ｐｐｍ添加したものを使用した。
【表２】
【００３７】
図３参照
次いで、Ｈ2 Ｏ2 ：６重量％、クエン酸：３重量％の研磨液１７中に試料を浸漬して単位時間当たりのＣｕ溶解量を段差計測で測定した。
【００３８】
図４参照
図４は、各試料の測定結果の説明図であり、硫黄化合物を含む方がＣｕ溶解レートは高く、また、チオ硫酸ナトリウム（Ｎａ2 Ｓ2 Ｏ3 ）、メルカプトプロパンスルホン酸ナトリウム（Ｎａ+ −Ｏ3 Ｓ−ＣＨ2 ＣＨ2 ＣＨ2 −ＳＨ）、ジスルフィドプロパン酸ナトリウム、或いは、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを含んだ膜のＣｕ溶解レートが高くなることが分かる。
【００３９】
これは、Ｃｕ膜１５に含まれる研磨促進剤１６としての硫黄化合物中の硫黄がＨ2 Ｏ2 により酸化されてＨ2 ＳＯ4 を形成し、このＨ2 ＳＯ4 がより強いＣｕの酸化状態を作り上げるためと考えられ、このことは、硫黄を含んでいても既にＳＯ4 の完全に酸化された形で含まれている試料ＢのＮａ2 ＳＯ4 については添加効果が得られないことから推測される。
【００４０】
次に、図５乃至図７を参照して、段差解消効果を検証する。
図５参照
図５は、段差解消効果を検証するための試料の概念的構成図であり、シリコン基板２１に幅細配線用トレンチ２２が密集した領域と幅太配線用トレンチ２３を形成したのち、上述の条件で研磨促進剤１６を含んだＣｕ膜１５を成膜し、上述のＨ2 Ｏ2 ：６重量％、クエン酸：３重量％の研磨液１７を用いてＣＭＰ法で研磨したものである。
【００４１】
図６参照
図６は、上述の試料Ａ、試料Ｅ及び試料Ｆの研磨促進剤を添加した試料の段差解消の能力の説明図で、研磨力の評価は、研磨量に対する段差の減り方という形で示しており、研磨量＝０は、初期状態を意味している。
図から明らかなように、試料Ｆの段差解消能力は高く、図４に示すＣｕ溶解レートと傾向が一致している。
【００４２】
図７参照
図７は、試料Ａ，試料Ｅ及び試料ＦのＣｕ膜の硫黄濃度分布図であり、ここでは、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）による分析結果をしめしており、Ａ＜Ｅ＜Ｆの順に硫黄濃度が高い。
したがって、Ｃｕ膜１５に含まれる研磨促進剤、即ち、不純物が高いほど段差解消効果かが高いことが推測される。
【００４３】
次に、図８を参照してＳ−ｍｉｇ（ストレス・マイグレーション）耐性効果を検証する。
図８参照
図８は、上述の試料Ａ、試料Ｅ及び試料Ｆの研磨促進剤を添加した３．０μｍ幅の埋込配線層の２００℃の温度下における５０４時間の通電試験によるストレス・マイグレーション耐性を示したものであり、不純物濃度の高い試料Ｆの配線の故障率が低いことが分かる。
【００４４】
以上の結果より、Ｃｕ膜１５中にＣｕの溶解レートを促進するような研磨促進剤１６、即ち、完全に酸化されない状態のＳ（硫黄）を含む硫黄化合物を含ませることで、段差能力が解消されやすくなり、また不純物濃度が高くなることで、配線の故障率も下がることが分かる。
【００４５】
次に、図９を参照して、金属不純物の添加効果を説明する。
図９参照
図９は、Ｃｕ膜中にＦｅ，Ｐｔ，Ｍｎ，Ｔｉからなる金属不純物を添加した場合のＣｕ溶解レートの説明図であり、ここではＣｕ膜をスパッタ法で成膜するとともに、添加量を３重量％として評価した。
図から明らかなように、無添加時に比べ、Ｃｕ溶解レートが上昇していることが分かる。
【００４６】
次に、図１０を参照して、研磨促進剤を部分的に添加した場合の段差解消効果を説明する。
図１０参照
図１０は、段差解消効果を説明するための試料の概念的構成図であり、シリコン基板２１に幅細配線用トレンチ２２が密集した領域と幅太配線用トレンチ２３を形成したのち、上述の条件でまず、幅細配線用トレンチ２２が完全に埋め込まれるまで研磨促進剤２６が無添加のめっき浴を用いてＣｕ膜２４を成膜する。
【００４７】
次いで、研磨促進剤２６を添加した別のめっき浴を用いて電解めっきを行うことによって、幅太配線用トレンチ２３を研磨促進剤２６が添加されたＣｕ膜２５を完全に埋め込む。
但し、Ｃｕ膜２４には研磨促進剤２６が含まれても良く、この場合はＣｕ膜２４の研磨促進剤２６の含有量が、Ｃｕ膜２５の研磨促進剤２６の含有量より少なければ良い。
また、Ｃｕ膜２４及びＣｕ膜２５を成膜するには、必ずしも研磨促進剤２６が無添加のめっき浴と、研磨促進剤２６を添加した別のめっき浴を用いて行う必要はなく、研磨促進剤２６を添加しためっき浴にて、電界めっきの電流密度を制御して、Ｃｕ膜２４における研磨促進剤２６の含有量をＣｕ膜２５における研磨促進剤２６の含有量よりも少なくする工程を用いても良い。
なお、一般に、電界めっきの電流密度を下げると、Ｃｕ膜中に取り込まれるめっき液中の不純物濃度が多くなる傾向にあることが知られている。
【００４８】
次いで、上述のＨ2 Ｏ2 ：６重量％、クエン酸：３重量％の研磨液を用いてＣＭＰ法で研磨することによって、埋込配線２７及び埋込配線２８を形成する。
【００４９】
この場合、研磨が優先的に行われる幅細配線用トレンチ２２の上部に形成されたオーバープレーンには研磨促進剤２６が含まれているので研磨が迅速に行われるので、幅太配線用トレンチ２３の領域でディッシングが発生することなく平坦化が可能になる。
【００５０】
また、埋込配線２８には研磨促進剤２６が添加されたままであるが、高抵抗になりやすい幅細の埋込配線２７には研磨促進剤２６が添加されていないので、良好な導電性を保つことができる。
【００５１】
次に、研磨剤に研磨促進剤を添加した場合の効果を検証する。
ここでは、
酸化剤 Ｈ2 Ｏ2 ：６重量％
錯化剤 クエン酸：３重量％
を含みＫＯＨでｐＨを約４に調整したスラリーに、種々の硫黄化合物を添加した場合のｐＨ、ＯＲＰ（酸化還元電位）の変動、及び、その時のＣｕ溶解レートを比較した結果を示す。
なお、各薬品としては、関東化学社製の市薬特級を使用した。
【００５２】
この場合に添加する硫黄化合物としては、
硫酸ナトリウム：Ｎａ2 ＳＯ4
メルカプトプロパンスルホン酸ナトリウム：Ｎａ+-Ｏ3 Ｓ−ＣＨ2 ＣＨ2 ＣＨ2 −ＳＨ チオ硫酸ナトリウム：Ｎａ2 Ｓ2 Ｏ3
メルカプトベンゼンチアゾール
の４種を用いた。
【００５３】
図１１参照
図１１は、ｐＨ及びＯＲＰの測定方法の説明図であり、ｐＨ／ＯＲＰ電極３２をスラリー３１中に浸漬してスタラー３３でスラリー３１を攪拌しながら測定する。
なお、この場合のｐＨ／ＯＲＰ電極３２としては、カスタニーＤ５１電極（ＨＯＲＩＢＡ製商品名）を使用した。
なお、ＯＲＰ値は酸化電位を示す指標でもあり、数値が高い程、酸化電位が高く、酸化力が強くなることを示す。
【００５４】
また、Ｃｕ溶解レートは、Ｃｕ試料をスラリー３１に浸漬させた前後の膜厚差をＳＥＭ（Ｓ−５２００：日立製作所製商品型番）で観察し、その差分を浸漬時間で割って計算した。
【００５５】
表３は、各硫黄化合物を添加した場合のスラリーのｐＨ、ＯＲＰ値及びＣｕ溶解レートを纏めたものである。
【表３】
【００５６】
表３から明らかなように、硫酸ナトリウムの添加によるＣｕ溶解レート上昇の効果はみられない。 また、メルカプトプロパンスルホン酸ナトリウムは、添加によってＯＲＰ及びＣｕ溶解レートが上昇する。
チオ硫酸ナトリウムも、添加によってＯＲＰ及びＣｕ溶解レートが上昇する。
【００５７】
一方、メルカプトベンゾチアゾールは、添加によってＯＲＰは上昇するものの、Ｃｕ溶解レートは低下する。
これはチアゾールがＣｕの防食剤として作用するためで、硫黄化合物であっても、チアゾール系化合物の添加は好ましくない。
【００５８】
図１２参照
図１２は、表３に基づく硫黄化合物を添加によるＣｕ溶解レート上昇の効果の説明図であり、図から明らかなように、メルカプトプロパンスルホン酸ナトリウム或いはチオ硫酸ナトリウムを添加した場合に、Ｃｕ溶解レートが上昇する結果が得られた。
【００５９】
次に、図１３を参照して、硫黄化合物を添加によるＣｕ溶解レート上昇の効果のスラリーｐＨ依存性を説明する。
図１３参照
図１３は硫黄化合物を添加によるＣｕ溶解レート上昇の効果のスラリーｐＨ依存性の説明図であり、ｐＨ＝３〜５の範囲で大きな添加効果が確認された。
なお、ｐＨ＜３の場合にはＣｕ溶解レートは高まるが、添加しない場合のＣｕ溶解レートがもともと高く、硫黄酸化物によるＣｕ酸化が促進され過ぎて、「酸化速度＞溶解速度」の溶解律速度の状態となり、一方、ｐＨ＞５の場合は、Ｃｕ溶解レート自体が低くなり、表４に示すように硫黄酸化物の添加効果が得られなくなる。
【００６０】
【表４】
表４は、Ｃｕ溶解レート上昇率のｐＨ依存性を纏めたものであり、ｐＨ＞５、例えば、ｐＨ＝９の場合には、Ｃｕ溶解レート上昇率は３８．９％と非常に高いものの、Ｃｕ溶解レートの絶対値が小さくなるため、硫黄酸化物の添加効果が得られなくなる。
【００６１】
次に、図１４乃至図１７を参照して、スラリー中への研磨促進剤の添加方法を説明する。
図１４参照
図１４は、スラリー中への研磨促進剤の第１の添加方法の説明図であり、定盤４１上に固着した研磨パッド４２に研磨ヘッド４３に保持・固定したウェーハ４４を押しつけて研磨する際に、上述の研磨促進剤４７をスラリータンク４５中でスラリー４６に添加しておき、配管４８を介して研磨パッド４２上に供給する。
【００６２】
図１５参照
図１５は、スラリー中への研磨促進剤の第２の添加方法の説明図であり、定盤４１上に固着した研磨パッド４２に研磨ヘッド４３に保持・固定したウェーハ４４を押しつけて研磨する際に、上述の研磨促進剤４７を研磨促進剤タンク４９に収容し、スラリータンク４５からスラリー４６を配管４８を介して研磨パッド４２上に供給する際に、配管５０を介して研磨促進剤４７を同時に供給する。
【００６３】
図１６参照
図１６は、スラリー中への研磨促進剤の第３の添加方法の説明図であり、定盤４１上に固着した研磨パッド４２に研磨ヘッド４３に保持・固定したウェーハ４４を押しつけて研磨する際に、上述の研磨促進剤４７を研磨促進剤タンク５１に収容し、スラリータンク４５からスラリー４６を配管４８を介して研磨パッド４２上に供給する際に、配管５２を介して研磨促進剤４７を研磨パッド４２の下側から同時に供給する。
【００６４】
図１７参照
図１７は、スラリー中への研磨促進剤の第３の添加方法の説明図であり、定盤４１上に固着した研磨パッド４２に研磨ヘッド４３に保持・固定したウェーハ４４を押しつけて研磨する際に、上述の研磨促進剤４７を研磨ヘッド４３に予め含浸させておき、スラリータンク４５からスラリー４６を配管４８を介して研磨パッド４２上に供給するともに、研磨パッド４３から研磨促進剤４７を供給して研磨を行う。
【実施例１】
【００６５】
以上を前提として、次に、図１８乃至図２０を参照して本発明の実施例１の埋込配線の形成方法を説明する。
最初の工程は、図示を省略するが、まず、ｐ型シリコン基板に素子分離絶縁膜を形成したのち、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を設け、このゲート電極をマスクとしてｎ型不純物を導入することによってｎ型エクステンション領域を形成し、次いで、サイドウォールを形成したのち、再び、ｎ型不純物を導入することによって、ｎ型ソース・ドレイン領域を形成する。
【００６６】
図１８参照
次いで、全面にＣｏを堆積させたのち、熱処理することによってＣｏシリサイド電極を形成し、次いで、未反応のＣｏを除去したのち全面にＳｉＯ2 膜６１及びＢＰＳＧ膜６２を堆積させたのち、表面平坦化を行いＳｉＯＣＮからなるキャップ層６３を形成する。
【００６７】
次いで、ｎ型ソース・ドレイン領域に達するビアホールを形成したのち、ＴｉＮからなるバリア膜６４を介してＷを埋め込み、ＣＭＰ法によって不要部を除去することによってＷプラグ６５を形成する。
【００６８】
次いで、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮからなるエッチングストッパー膜６６、厚さが、例えば、２５０ｎｍのＳｉＯＣからなる第１層間絶縁膜６７及び厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮ膜からなるキャップ層６８を順次堆積させる。
【００６９】
次いで、レジストパターン（図示を省略）をマスクとし、フロロカーボン系のエッチングガスを用いたプラズマエッチングによって、一部においてＷプラグ６５を露出する埋込配線用溝６９を形成したのち、レジストパターンを除去する。
【００７０】
次いで、スパッタリング法を用いてＴａからなるバリア膜７０を成膜したのち、チオ硫酸ナトリウムを添加しためっき浴中で電解めっきを行うことにより、埋込配線用溝６９をＣｕ層７１で埋め込み、次いで、ＣＭＰ法によって不要部を除去することによって第１Ｃｕ埋込配線７２を形成する。
このＣＭＰ工程において、Ｃｕ層７１中に研磨促進剤となるチオ硫酸ナトリウムが含まれているので研磨速度が大きくなり、短時間でストッパーとなるキャップ層６８の位置で研磨が停止する。
【００７１】
図１９参照
次いで、再び、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮからなるエッチングストッパー膜７３、厚さが、例えば、４００ｎｍのＳｉＯＣからなる第２層間絶縁膜７４、厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮからなるキャップ膜７５を順次堆積させる。
【００７２】
次いで、再びレジストパターン（図示を省略）をマスクとし、フロロカーボン系のエッチングガスを用いたプラズマエッチングによって、第１Ｃｕ埋込配線７２に達するビアホール７６を形成するとともに、埋込配線用溝７７，７８を形成したのち、レジストパターンを除去し、次いで、再びスパッタリング法を用いてＴａからなるバリア膜７９を成膜する。
【００７３】
図２０参照
次いで、再び、チオ硫酸ナトリウムを添加しためっき浴中で電解めっきを行うことにより、ビアホール７６及び埋込配線用溝７７，７８をＣｕ層８０で埋め込む。
【００７４】
次いで、ＣＭＰ法によって不要部を除去することによってＣｕビア８１及び第２Ｃｕ埋込配線８２，８３を形成したのち、再びプラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮからなる拡散防止膜８４を成膜する。
なお、このＣＭＰ工程においても第２Ｃｕ埋込配線８２，８３中に研磨促進剤となるチオ硫酸ナトリウムが含まれているので研磨速度が大きくなり、短時間でストッパーとなるキャップ層７５で研磨が停止する。
【００７５】
以降は、必要とする多層配線層数に応じて拡散防止膜８４をエッチングストッパー膜として、層間絶縁膜及びキャップ層の堆積工程、配線用溝及びビアホールの形成工程、及び、ビア及び埋込配線の形成工程を繰り返すことによって半導体装置が完成する。
【００７６】
このように、本発明の実施例１においては、Ｃｕ層やＣｕビア中にＣＭＰ工程における研磨促進剤となるチオ硫酸ナトリウムを添加しているので、研磨速度が向上してスループットが向上するとともに、アンダープレート部におけるディッシングの発生が抑制される。
【実施例２】
【００７７】
次に、図２１乃至図２３を参照して本発明の実施例２の埋込配線の形成方法を説明する。
最初の工程は、図示を省略するが、上記の実施例１と全く同様に、まず、ｐ型シリコン基板に素子分離絶縁膜を形成したのち、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を設け、このゲート電極をマスクとしてｎ型不純物を導入することによってｎ型エクステンション領域を形成し、次いで、サイドウォールを形成したのち、再び、ｎ型不純物を導入することによって、ｎ型ソース・ドレイン領域を形成する。
【００７８】
図２１参照
次いで、全面にＣｏを堆積させたのち、熱処理することによってＣｏシリサイド電極を形成し、次いで、未反応のＣｏを除去したのち全面にＳｉＯ2 膜６１及びＢＰＳＧ膜６２を堆積させたのち、表面平坦化を行いＳｉＯＣＮからなるキャップ層６３を形成する。
【００７９】
次いで、ｎ型ソース・ドレイン領域に達するビアホールを形成したのち、ＴｉＮからなるバリア膜６４を介してＷを埋め込み、ＣＭＰ法によって不要部を除去することによってＷプラグ６５を形成する。
【００８０】
次いで、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮからなるエッチングストッパー膜６６、厚さが、例えば、２５０ｎｍのＳｉＯＣからなる第１層間絶縁膜６７及び厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮ膜からなるキャップ層６８を順次堆積させる。
【００８１】
次いで、レジストパターン（図示を省略）をマスクとし、フロロカーボン系のエッチングガスを用いたプラズマエッチングによって、一部においてＷプラグ６５を露出する埋込配線用溝６９を形成したのち、レジストパターンを除去する。
【００８２】
次いで、スパッタリング法を用いてＴａからなるバリア膜７０を成膜したのち、通常の硫酸系のめっき浴中で電解めっきを行うことにより、埋込配線用溝６９をＣｕ層９０で埋め込む。
【００８３】
次いで、上述の表２に示したチオ硫酸ナトリウムを添加したスラリー９１を用いてＣＭＰ法によって不要部を除去することによって第１Ｃｕ埋込配線９２を形成する。
このＣＭＰ工程において、スラリー９１中に研磨促進剤となるチオ硫酸ナトリウムが含まれているので研磨速度が大きくなり、短時間でストッパーとなるキャップ層６８の位置で研磨が停止する。
【００８４】
図２２参照
次いで、再び、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮからなるエッチングストッパー膜７３、厚さが、例えば、４００ｎｍのＳｉＯＣからなる第２層間絶縁膜７４、厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮからなるキャップ膜７５を順次堆積させる。
【００８５】
次いで、再びレジストパターン（図示を省略）をマスクとし、フロロカーボン系のエッチングガスを用いたプラズマエッチングによって、第１Ｃｕ埋込配線９２に達するビアホール７６を形成するとともに、埋込配線用溝７７，７８を形成したのち、レジストパターンを除去し、次いで、再びスパッタリング法を用いてＴａからなるバリア膜７９を成膜する。
【００８６】
図２３参照
次いで、再び、通常の硫酸系めっき浴中で電解めっきを行うことにより、ビアホール７６及び埋込配線用溝７７，７８をＣｕ層９３で埋め込む。
【００８７】
次いで、再び上述の表２に示したチオ硫酸ナトリウムを添加したスラリーを用いてＣＭＰ法によって不要部を除去することによってＣｕビア９４及び第２Ｃｕ埋込配線９５，９６を形成したのち、再びプラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮからなる拡散防止膜８４を成膜する。
なお、このＣＭＰ工程においてもスラリー中に研磨促進剤となるチオ硫酸ナトリウムが含まれているので研磨速度が大きくなり、短時間でストッパーとなるキャップ層７５で研磨が停止する。
【００８８】
以降は、必要とする多層配線層数に応じて拡散防止膜８４をエッチングストッパー膜として、層間絶縁膜及びキャップ層の堆積工程、配線用溝及びビアホールの形成工程、及び、ビア及び埋込配線の形成工程を繰り返すことによって半導体装置が完成する。
【００８９】
このように、本発明の実施例２においては、ＣＭＰ工程に用いるスラリー中に研磨促進剤となるチオ硫酸ナトリウムを添加しているので、研磨速度が向上してスループットが向上するとともに、アンダープレート部におけるディッシングの発生が抑制される。
【００９０】
以上、本発明の実施の形態及び各実施例を説明したが、本発明は実施の形態及び各実施例に示した構成、条件、数値に限られるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、配線及びビアをＣｕで形成しているが、純粋なＣｕに限られるものではなく、銀や白金等を含んだＣｕ合金を用いても良いものである。
【００９１】
また、実施例１においては、Ｃｕ中に添加する研磨促進剤としてチオ硫酸ナトリウムを用いているが、上述の実施の形態に示した硫黄が完全に酸化されていない他の硫黄化合物を用いても良いものであり、或いは、Ｆｅ，Ａｇ，Ｔｉ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｍｎ等の金属を添加しても良いものであり、金属を添加する場合には、スラリー中に硫黄化合物からなる研磨促進剤を添加しても良いものである。
【００９２】
例えば、硫黄が完全に酸化されていない他の硫黄化合物としては、チオ硫酸塩、メルカプトスルホン酸塩（Ｍ−Ｒ−ＳＨ）、或いは、ジスルフィドスルホン酸塩（Ｍ−Ｒ−Ｓ−Ｓ−Ｒ−Ｍ ）が挙げられる。
なお、ここでＲは分子量が４００以下の有機化合物、ＭはＮａ+ ，Ｋ+ ，ＮＨ4 + ，Ｈ+ のいずれかである。
【００９３】
ここで、再び図１を参照して、改めて、本発明の詳細な特徴を説明する。
再び、図１参照
（付記１） 化学的機械的に研磨して埋込配線７を形成する配線形成方法において、研磨されるＣｕまたはＣｕを主成分とするＣｕ合金からなるＣｕ系導電材料３或いは研磨剤６の少なくとも一方に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質４を含有させることを特徴とする配線形成方法。
（付記２） 上記Ｃｕ系導電材料３を凹部２に埋め込む際に、前記凹部２の内、幅或いは直径が相対的に小さな幅細凹部の埋め込みが終わった後に、前記Ｃｕ系導電材料３に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質４として研磨促進剤を添加して未だ埋め込みが終わらない前記幅細凹部より幅或いは直径が相対的に大きな幅太凹部を埋め込むことを特徴とする付記１記載の配線形成方法。
（付記３） 上記研磨剤６が、少なくとも過酸化水素を含んでいることを特徴とする付記１または２に記載の配線形成方法。
（付記４） 上記Ｃｕ系導電材料３に添加する研磨促進剤が、１種類以上であることを特徴とする付記２記載の配線形成方法。
（付記５） 上記Ｃｕ系導電材料３に添加する研磨促進剤が、鉄、銀、チタン、ルテニウム、白金、或いは、マンガンからなる金属であることを特徴とする付記５記載の配線形成方法。
（付記６） 上記Ｃｕ系導電材料３に添加する研磨促進剤が、硫黄化合物であるであることを特徴とする付記５記載の配線形成方法。
（付記７） 上記硫黄化合物が、チオ硫酸塩、メルカプト塩、過硫酸塩、或いは、メチルスルホン酸塩のいずれかであることを特徴とする付記７記載の配線形成方法。
（付記８） 上記Ｃｕ系導電材料３を、物理的気相堆積法、化学的気相堆積法、電解めっき方法、或いは、無電界めっき方法の少なくとも１つの堆積方法を用いて堆積することを特徴とする付記１乃至７のいずれか１に記載の配線形成方法。
（付記９） 上記幅細凹部の幅或いは直径が、０．４μｍ以下であることを特徴とする付記１乃至８のいずれか１に記載の配線形成方法。
（付記１０） 上記研磨剤６に含有させる研磨速度を向上させる効果をもたらす物質４が、Ｒを分子量が４００以下の有機化合物、ＭをＮａ+ ，Ｋ+ ，ＮＨ4 + ，Ｈ+ のいずれかとした場合、チオ硫酸塩、メルカプトスルホン酸塩（Ｍ−Ｒ−ＳＨ）、或いは、ジスルフィドスルホン酸塩（Ｍ−Ｒ−Ｓ−Ｓ−Ｒ−Ｍ ）の少なくとも１種類からなる硫黄化合物であることを特徴とする付記１乃至９のいずれか１に記載の配線形成方法。
（付記１１） 上記研磨剤６が、少なくとも過酸化水素を含んでいることを特徴とする付記１０に記載の配線形成方法。
（付記１２） 上記研磨剤６のｐＨが、３〜５であることを特徴とする付記１１記載の配線形成方法。
（付記１３） 絶縁膜と、前記絶縁膜に形成れた第一の幅を有する第一配線溝と、前記第一配線溝に埋め込まれた第一導電層と、前記絶縁膜に形成され、前記第一の幅よりも広い第二の幅を有する第二配線溝と、前記第二配線溝に埋め込まれた第二導電層とを有し、前記第二導電層に含まれる研磨促進剤の濃度が、前記第一導電層に含まれる前記研磨促進剤の濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明の活用例としては、半導体集積回路装置の埋込配線の形成工程が典型的なものであるが、液晶装置、光偏向素子等の強誘電体光デバイス、磁気ディスク装置におけるライトコイル等の製造工程にも適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】めっき工程の説明図である。
【図３】Ｃｕ溶解量の測定方法の説明図である。
【図４】各試料の測定結果の説明図である。
【図５】段差解消効果を検証するための試料の概念的構成図である。
【図６】試料Ａ、試料Ｅ及び試料Ｆの研磨促進剤を添加した試料の段差解消能力の説明図である。
【図７】試料Ａ，試料Ｅ及び試料ＦのＣｕ膜の硫黄濃度分布図である。
【図８】試料Ａ、試料Ｅ及び試料Ｆのストレス・マイグレーション耐性の説明図である。
【図９】Ｃｕ膜中に金属不純物を添加した場合のＣｕ溶解レートの説明図である。
【図１０】段差解消効果を説明するための試料の概念的構成図である。
【図１１】ｐＨ及びＯＲＰの測定方法の説明図である。
【図１２】表３に基づく硫黄化合物の添加によるＣｕ溶解レート上昇の効果の説明図である。
【図１３】硫黄化合物を添加によるＣｕ溶解レート上昇の効果のスラリーｐＨ依存性の説明図である。
【図１４】スラリー中への研磨促進剤の第１の添加方法の説明図である。
【図１５】スラリー中への研磨促進剤の第２の添加方法の説明図である。
【図１６】スラリー中への研磨促進剤の第３の添加方法の説明図である。
【図１７】スラリー中への研磨促進剤の第４の添加方法の説明図である。
【図１８】本発明の実施例１の埋込配線形成方法の途中までの説明図である。
【図１９】本発明の実施例１の埋込配線形成方法の図１８以降の途中までの説明図である。
【図２０】本発明の実施例１の埋込配線形成方法の図１９以降の説明図である。
【図２１】本発明の実施例２の埋込配線形成方法の途中までの説明図である。
【図２２】本発明の実施例２の埋込配線形成方法の図２１以降の途中までの説明図である。
【図２３】本発明の実施例２の埋込配線形成方法の図２２以降の説明図である。
【図２４】ＣＭＰ法の概念的構成説明図である。
【図２５】ＣＭＰのケミカルメカニズムの説明図である。
【図２６】ＣＭＰのメカニカルメカニズムの説明図である。
【符号の説明】
【００９６】
１ 基板
２ 凹部
３ Ｃｕ系導電材料
４ 研磨速度を向上させる効果をもたらす物質
５ 研磨布
６ 研磨剤
７ 埋込配線
８ オーバープレート
９ アンダープレート
１１ シリコンウェーハ
１２ ＳｉＯ2 膜
１３ Ｔａ膜
１４ めっき浴
１５，２４，２５ Ｃｕ膜
１６ 研磨促進剤
１７ 研磨液
２１ シリコン基板
２２ 幅細配線用トレンチ
２３ 幅太配線用トレンチ
２６，４７ 研磨促進剤
２７，２８ 埋込配線
３１，４６ スラリー
３２ ｐＨ／ＯＲＰ電極
３３ スタラー
４１ 定盤
４２ 研磨パッド
４３ 研磨ヘッド
４４ ウェーハ
４５ スラリータンク
６１ ＳｉＯ2 膜
６２ ＢＰＳＧ膜
６３ キャップ層
６４ バリア膜
６５ Ｗプラグ
６６ エッチングストッパー膜
６７ 第１層間絶縁膜
６８ キャップ層
６９ 埋込配線用溝
７０ バリア膜
７１，８０，９０，９３ Ｃｕ層
７２ 第１Ｃｕ埋込配線
７３ エッチングストッパー膜
７４ 第２層間絶縁膜
７５ キャップ膜
７６ ビアホール
７７，７８ 埋込配線用溝
７９ バリア膜
８１ Ｃｕビア
８２，８３ 第２Ｃｕ埋込配線
８４ 拡散防止膜
９１ スラリー
９２ 第１Ｃｕ埋込配線
９４ Ｃｕビア
９５，９６ 第２Ｃｕ埋込配線
１０１ 研磨パッド
１０２ スラリー
１０３ 研磨ヘッド
１０４ ウェーハ
１０５ 酸化剤
１０６ Ｃｕ
１０７ Ｃｕ酸化物
【技術分野】
【０００１】
本発明は配線形成方法及び半導体装置に関するものであり、特に、Ｃｕ或いはＣｕを主成分とするＣｕ合金からなるＣｕ系導電材料を用いた埋込配線構造をＣＭＰ（化学機械研磨）法によって形成する際のＣｕ研磨レートを向上するための構成に特徴のある配線形成方法及び半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、微細化・高速化するＣＭＯＳ型ＬＳＩ用の配線材料として、低抵抗でエレクトロマイグレーション耐性が高いＣｕ配線が適用されている。
このＣｕは従来のＡｌ配線とは異なり、ドライエッチングによる加工が困難であることから、絶縁膜に溝やビアホールを形成し、そこへＣｕを埋め込むダマシン法や、配線層とビアを一体に形成するデュアルダマシン法が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、従来のダマシン法を用いた配線形成方法の一例を説明すると、まず、例えば、ビアホールとトレンチを配線１層部（層間厚）が４４０ｎｍ、最小ビア・トレンチ径が９０ｎｍの配線用トレンチ及びビアホールを層間絶縁膜に形成する。
この場合の層間絶縁材料にはＬｏｗ−ｋ材料等を使用する。
【０００４】
次いで、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ等或いはそれらの窒化物からなる厚さが、約１０〜１５ｎｍのバリアメタル、厚さが、約５０〜１００ｎｍのＣｕシードをＰＶＤ法或いはＣＶＤ法によって作成する。
【０００５】
次いで、硫酸銅めっき液にて電解めっきを行い、めっき膜厚が１μｍ程度になるまで成膜してビアホール及びトレンチを埋め込んだのち、ＣＭＰにて配線に余分な層を研磨し、配線の平坦化を行う。
【０００６】
次いで、平坦化した埋込配線層或いはビアの表面をＳｉＣ、ＳｉＯ2 、ＳｉＯＣ、ＳｉＯ2 ＋ＳｉＣ、ＳｉＮのような膜を用いてキャップし、１つの層を形成する。
以後はこれを必要な層数分繰り返すことによって多層構造を形成する。
【特許文献１】特開２００６−３０３１７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、ＣＭＰによってＣｕ膜を研磨し、配線部分を作成する時、スループットの向上やコストの観点から、Ｃｕの研磨レートの向上が大きな課題となるので、ここで、図２４乃至図２６を参照してＣＭＰ法の研磨原理を説明する。
【０００８】
図２４参照
図２４は、ＣＭＰ法の概念的構成説明図であり、ＣＭＰは一般的に、研磨パッド１０１と呼ばれる研磨布上にスラリー１０２を供給しながら、研磨ヘッド１０３に固着した研磨対象となるウェーハ１０４を研磨パッド１０１に押し付けながら研磨する手法である。
【０００９】
したがって、ＣＭＰ研磨レートの向上に対して、
ａ．研磨パッド
ｂ．スラリー
ｃ．研磨される膜
の３つの観点からアプローチできる。
【００１０】
このＣＭＰで用いられるスラリー１０２は、表１に示すように、酸化剤、錯化剤（有機酸）、界面活性剤、防食剤、砥粒等から構成される。
なお、現在、酸化剤１０５は安定性・運用の観点から、Ｈ2 Ｏ2 が主流である。
【表１】
【００１１】
図２５参照
ＣＭＰのメカニズムは、ケミカルとメカニカルに分類でき、ケミカルメカニズムはスラリー１０２を構成する酸化剤１０５で配線材料のＣｕ１０６を酸化し、酸化により形成されたＣｕ酸化物１０７をスラリー１０２を構成する成分で化学的に溶解させる方法である。
【００１２】
図２６参照
一方、メカニカルメカニズムは、Ｃｕ１０６を酸化し、酸化により形成されたＣｕ酸化物１０７を研磨パッド１０１とＣｕ１０６との摺動摩擦によって物理的に削り取る方法である。
どちらのメカニズムでも、Ｃｕ酸化物１０７を作るという要素が不可欠であり、この酸化量を増やすことが研磨レートの向上に繋がる。
【００１３】
したがって、本発明は、ケミカルメカニズムとメカニカルメカニズムの少なくとも一方の要素を強化してＣｕ研磨レートを向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明するが、
なお、図における符号１は、シリコンウェーハ等の基板である。
図１参照
上記の課題を解決するために、本発明は、化学的機械的に研磨して埋込配線７を形成する配線形成方法において、研磨されるＣｕまたはＣｕを主成分とするＣｕ合金からなるＣｕ系導電材料３或いは研磨剤６の少なくとも一方に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質４を含有させることを特徴とする。
【００１５】
このように、Ｃｕ系導電材料３或いは研磨剤６の少なくとも一方に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質４を含有させることによって、Ｃｕ研磨レートを向上するとともに、局所的な過剰研磨が発生しにくくなるのでディッシングも発生しにくくなる。
【００１６】
この場合、Ｃｕ系導電材料３を凹部２に埋め込む際に、凹部２の内、幅或いは直径が相対的に小さな幅細凹部の埋め込みが終わった後に、Ｃｕ系導電材料３に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質４として研磨促進剤を添加して未だ埋め込みが終わらない幅細凹部より幅或いは直径が相対的に大きな幅太凹部を埋め込むことが望ましい。
【００１７】
めっき後のＣｕ配線は、図１の上図に示すように、幅細凹部、即ち、微細配線パターンの集合部分の上部が他の部分に比べて盛り上がるオーバープレート８や、幅太凹部、即ち、太幅配線部分が沈み込むアンダープレート９といった段差が形成されやすいが、この段差を化学的機械（ＣＭＰ）法で削り込む過程で平坦化する必要がある。
【００１８】
この時、研磨は研磨布５に接触した部分が最も削りやすいこと、めっき後に出来るオーバープレート８のこの２つを利用し、予め盛り上がる部分に研磨レートを促進させる効果を持つ物質４を添加しておくことによって、図１の下図に示すように研磨レートを促進させる効果を持つ物質４を添加した部分の研磨レートが上昇し、ディッシングを発生させることなく平坦化が可能となる。
【００１９】
この場合の研磨剤６は、少なくとも過酸化水素を含んでいることが望ましく、それによって、Ｃｕ系導電材料３の表面の酸化が効果的に行われるので、Ｃｕ研磨レートが向上する。
【００２０】
また、Ｃｕ系導電材料３に添加する研磨促進剤としては、鉄、銀、チタン、ルテニウム、白金、或いは、マンガンからなる金属等の無機系研磨促進剤、或いは、硫黄化合物、例えば、チオ硫酸塩、メルカプト塩、過硫酸塩、或いは、メチルスルホン酸塩のいずれかである有機系研磨促進剤が望ましく、これらを単独で或いは混合して使用すれば良い。
特に、研磨促進剤としては銀や白金のようなストレス・マイグレーション耐性の高い材料を用いることが望ましい。
【００２１】
また、Ｃｕ系導電材料３の成膜方法としては、物理的気相堆積（ＰＶＤ）法、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法、電解めっき方法、或いは、無電界めっき方法の少なくとも１つの堆積方法を用いれば良い。
【００２２】
また、上述の幅細凹部の幅或いは直径としては、０．４μｍ以下が典型的な値であり、０．４μｍ以上では研磨促進剤の添加効果が小さくなる。
【００２３】
一方、研磨剤６に含有させる研磨速度を向上させる効果をもたらす物質４としては、Ｒを分子量が４００以下の有機化合物、ＭをＮａ+ ，Ｋ+ ，ＮＨ4 + ，Ｈ+ のいずれかとした場合、チオ硫酸塩、メルカプトスルホン酸塩（Ｍ−Ｒ−ＳＨ）、或いは、ジスルフィドスルホン酸塩（Ｍ−Ｒ−Ｓ−Ｓ−Ｒ−Ｍ ）の少なくとも１種類からなる硫黄化合物が典型的なものである。
【００２４】
また、この場合にも、研磨剤６が、少なくとも過酸化水素を含んでいることが望ましい。
即ち、酸化剤Ｈ2 Ｏ2 の能力を向上させるためには、Ｈ2 Ｏ2 の分解を促進する触媒を添加する方法が考えられるが、触媒では、本来起こりえない反応を起こすことは出来ない。
【００２５】
そこで、硫黄化合物を用いることで、硫黄化合物中の硫黄がＨ2 Ｏ2 により酸化されてＨ2 ＳＯ4 を形成し、このＨ2 ＳＯ4 がより強いＣｕの酸化状態を作り上げることを可能にする。
その場合の研磨剤６のｐＨは、３〜５の範囲が望ましく、ｐＨ＜３の場合にはＣｕの溶解レートは高まるが、硫黄酸化物によるＣｕ酸化が促進され過ぎて、「酸化速度＞溶解速度」の溶解律速度の状態となり、一方、ｐＨ＞５の場合は、Ｃｕの溶解レート自体が低くなり、硫黄酸化物の添加効果が得られなくなる。
【００２６】
この場合、研磨剤６に含有させる硫黄化合物は、研磨剤６を蓄えておく研磨剤用タンク内で添加しても良いし、或いは、研磨剤６を蓄えておく研磨剤用タンクと配管で結合された添加剤用タンクに収容し、研磨剤６と硫黄化合物とを被研磨材に供給する直前で混合するようにしても良い。
【００２７】
或いは、研磨剤６に含有させる硫黄化合物は、研磨剤６と硫黄化合物とを被研磨材と研磨布５が接触した状態において混合するようにしても良く、その場合には、硫黄化合物を含んだ溶液を、研磨を開始する前に予め研磨布５に含ませておき、研磨剤６と研磨布５上で混ぜても良いし、硫黄化合物を含んだ溶液を、研磨布５の下側から噴出させて、研磨剤６と研磨布５上で混ぜるようにしても良い。
【００２８】
また、上述の配線形成方法によって、半導体装置における埋込配線７を形成することが望ましく、それによって、配線形成工程のスループットを向上することができるとともに、ディッシングが発生しないので、膜厚の目減りによる配線抵抗の増加が防止できる。
【００２９】
特に、半導体装置としては、絶縁膜と、絶縁膜に形成れた第一の幅を有する第一配線溝と、第一配線溝に埋め込まれた第一導電層と、絶縁膜に形成され、第一の幅よりも広い第二の幅を有する第二配線溝と、第二配線溝に埋め込まれた第二導電層とを有し、第二導電層に含まれる研磨促進剤の濃度が、第一導電層に含まれる研磨促進剤の濃度よりも高いことを特徴とする。
【００３０】
また、研磨装置としては、研磨剤６を蓄えておく研磨剤用タンクと、研磨剤用タンクと配管で結合されるとともに、研磨剤６を被研磨材に供給する直前で研磨剤６と研磨速度を向上させる効果をもたらす添加剤とを混合するための添加剤用タンクを備えるように構成しても良いし、或いは、研磨布５の裏面側から研磨速度を向上させる効果をもたらす添加剤を噴出させる添加剤噴出機構を備えるように構成しても良い。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、Ｃｕ研磨レートを向上することによってスループットを向上することができ、特に、幅細凹部の埋め込みが終わった後に、研磨促進剤を添加して大きな幅太凹部を埋め込むことにより、幅細凹部上に形成されたオーバープレートを速やかに研磨除去することができるので、ディッシングの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明は、研磨されるＣｕまたはＣｕを主成分とするＣｕ系導電材料或いは研磨剤、特に、Ｈ2 Ｏ2 を含む研磨剤の少なくとも一方に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質を含有させることによって、ＣＭＰ研磨におけるＣｕ研磨速度を向上させるものである。
【００３３】
この場合、Ｃｕ系導電材料に添加する研磨促進剤としては、鉄、銀、チタン、ルテニウム、白金、或いは、マンガンからなる金属等の無機系研磨促進剤、或いは、硫黄化合物、例えば、チオ硫酸塩、メルカプト塩、過硫酸塩、或いは、メチルスルホン酸塩のいずれかである有機系研磨促進剤を用いる。
また、含有量としては、無機系研磨促進剤の場合には３００００ｐｐｍ（３重量％）以下、有機系研磨促進剤の場合には１０００ｐｐｍ（０．１重量％）以下の範囲が望ましい。
なお、無機系研磨促進剤は、合金スパッタなどで制御可能であるが、有機系研磨促進剤は不純物として膜に取り込ませる成膜方法が主流となるため、高濃度の添加が困難である。
【００３４】
また、研磨剤に含有させる研磨促進剤としては、Ｒを分子量が４００以下の有機化合物、ＭをＮａ+ ，Ｋ+ ，ＮＨ4 + ，Ｈ+ のいずれかとした場合、チオ硫酸塩、メルカプトスルホン酸塩（Ｍ−Ｒ−ＳＨ）、或いは、ジスルフィドスルホン酸塩（Ｍ−Ｒ−Ｓ−Ｓ−Ｒ−Ｍ）を用いる。
また、この場合の含有量としては、３０００ｐｐｍ（０．３重量％）以下の範囲が望ましい。
なお、研磨剤中に０．１重量％以上の添加を行うと、添加剤ではなくスラリの有効成分となり、スラリ中の他の界面活性剤の特性を変えてしまうため、多量添加は避けたい。
【００３５】
ここで、図２乃至図４を参照して、まず、研磨促進剤の添加効果を検証する。
図２参照
図２は、めっき工程の説明図であり、シリコンウェーハ１１上にＳｉＯ2 膜１２及びＴａ膜１３を介して、めっき浴１４中において例えば、めっき電流は１０ｍＡ／ｃｍ2 の条件の電解めっき法によってＣｕめっきを行って、２μｍの膜厚の研磨促進剤１６を含んだＣｕ膜１５を形成する。
【００３６】
この時の電解めっき工程において、めっき浴１４は、
Ｃｕ：４０ｇ／Ｌ
Ｈ2 ＳＯ4 ：１０ｇ／Ｌ
Ｃｌイオン：６０ｐｐｍ
の組成液を基準液とし、この基準液に表２に示す硫黄化合物を３０００ｐｐｍ、平均分子量２０００のポリエチレングリコールを３００ｐｐｍ添加したものを使用した。
【表２】
【００３７】
図３参照
次いで、Ｈ2 Ｏ2 ：６重量％、クエン酸：３重量％の研磨液１７中に試料を浸漬して単位時間当たりのＣｕ溶解量を段差計測で測定した。
【００３８】
図４参照
図４は、各試料の測定結果の説明図であり、硫黄化合物を含む方がＣｕ溶解レートは高く、また、チオ硫酸ナトリウム（Ｎａ2 Ｓ2 Ｏ3 ）、メルカプトプロパンスルホン酸ナトリウム（Ｎａ+ −Ｏ3 Ｓ−ＣＨ2 ＣＨ2 ＣＨ2 −ＳＨ）、ジスルフィドプロパン酸ナトリウム、或いは、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを含んだ膜のＣｕ溶解レートが高くなることが分かる。
【００３９】
これは、Ｃｕ膜１５に含まれる研磨促進剤１６としての硫黄化合物中の硫黄がＨ2 Ｏ2 により酸化されてＨ2 ＳＯ4 を形成し、このＨ2 ＳＯ4 がより強いＣｕの酸化状態を作り上げるためと考えられ、このことは、硫黄を含んでいても既にＳＯ4 の完全に酸化された形で含まれている試料ＢのＮａ2 ＳＯ4 については添加効果が得られないことから推測される。
【００４０】
次に、図５乃至図７を参照して、段差解消効果を検証する。
図５参照
図５は、段差解消効果を検証するための試料の概念的構成図であり、シリコン基板２１に幅細配線用トレンチ２２が密集した領域と幅太配線用トレンチ２３を形成したのち、上述の条件で研磨促進剤１６を含んだＣｕ膜１５を成膜し、上述のＨ2 Ｏ2 ：６重量％、クエン酸：３重量％の研磨液１７を用いてＣＭＰ法で研磨したものである。
【００４１】
図６参照
図６は、上述の試料Ａ、試料Ｅ及び試料Ｆの研磨促進剤を添加した試料の段差解消の能力の説明図で、研磨力の評価は、研磨量に対する段差の減り方という形で示しており、研磨量＝０は、初期状態を意味している。
図から明らかなように、試料Ｆの段差解消能力は高く、図４に示すＣｕ溶解レートと傾向が一致している。
【００４２】
図７参照
図７は、試料Ａ，試料Ｅ及び試料ＦのＣｕ膜の硫黄濃度分布図であり、ここでは、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）による分析結果をしめしており、Ａ＜Ｅ＜Ｆの順に硫黄濃度が高い。
したがって、Ｃｕ膜１５に含まれる研磨促進剤、即ち、不純物が高いほど段差解消効果かが高いことが推測される。
【００４３】
次に、図８を参照してＳ−ｍｉｇ（ストレス・マイグレーション）耐性効果を検証する。
図８参照
図８は、上述の試料Ａ、試料Ｅ及び試料Ｆの研磨促進剤を添加した３．０μｍ幅の埋込配線層の２００℃の温度下における５０４時間の通電試験によるストレス・マイグレーション耐性を示したものであり、不純物濃度の高い試料Ｆの配線の故障率が低いことが分かる。
【００４４】
以上の結果より、Ｃｕ膜１５中にＣｕの溶解レートを促進するような研磨促進剤１６、即ち、完全に酸化されない状態のＳ（硫黄）を含む硫黄化合物を含ませることで、段差能力が解消されやすくなり、また不純物濃度が高くなることで、配線の故障率も下がることが分かる。
【００４５】
次に、図９を参照して、金属不純物の添加効果を説明する。
図９参照
図９は、Ｃｕ膜中にＦｅ，Ｐｔ，Ｍｎ，Ｔｉからなる金属不純物を添加した場合のＣｕ溶解レートの説明図であり、ここではＣｕ膜をスパッタ法で成膜するとともに、添加量を３重量％として評価した。
図から明らかなように、無添加時に比べ、Ｃｕ溶解レートが上昇していることが分かる。
【００４６】
次に、図１０を参照して、研磨促進剤を部分的に添加した場合の段差解消効果を説明する。
図１０参照
図１０は、段差解消効果を説明するための試料の概念的構成図であり、シリコン基板２１に幅細配線用トレンチ２２が密集した領域と幅太配線用トレンチ２３を形成したのち、上述の条件でまず、幅細配線用トレンチ２２が完全に埋め込まれるまで研磨促進剤２６が無添加のめっき浴を用いてＣｕ膜２４を成膜する。
【００４７】
次いで、研磨促進剤２６を添加した別のめっき浴を用いて電解めっきを行うことによって、幅太配線用トレンチ２３を研磨促進剤２６が添加されたＣｕ膜２５を完全に埋め込む。
但し、Ｃｕ膜２４には研磨促進剤２６が含まれても良く、この場合はＣｕ膜２４の研磨促進剤２６の含有量が、Ｃｕ膜２５の研磨促進剤２６の含有量より少なければ良い。
また、Ｃｕ膜２４及びＣｕ膜２５を成膜するには、必ずしも研磨促進剤２６が無添加のめっき浴と、研磨促進剤２６を添加した別のめっき浴を用いて行う必要はなく、研磨促進剤２６を添加しためっき浴にて、電界めっきの電流密度を制御して、Ｃｕ膜２４における研磨促進剤２６の含有量をＣｕ膜２５における研磨促進剤２６の含有量よりも少なくする工程を用いても良い。
なお、一般に、電界めっきの電流密度を下げると、Ｃｕ膜中に取り込まれるめっき液中の不純物濃度が多くなる傾向にあることが知られている。
【００４８】
次いで、上述のＨ2 Ｏ2 ：６重量％、クエン酸：３重量％の研磨液を用いてＣＭＰ法で研磨することによって、埋込配線２７及び埋込配線２８を形成する。
【００４９】
この場合、研磨が優先的に行われる幅細配線用トレンチ２２の上部に形成されたオーバープレーンには研磨促進剤２６が含まれているので研磨が迅速に行われるので、幅太配線用トレンチ２３の領域でディッシングが発生することなく平坦化が可能になる。
【００５０】
また、埋込配線２８には研磨促進剤２６が添加されたままであるが、高抵抗になりやすい幅細の埋込配線２７には研磨促進剤２６が添加されていないので、良好な導電性を保つことができる。
【００５１】
次に、研磨剤に研磨促進剤を添加した場合の効果を検証する。
ここでは、
酸化剤 Ｈ2 Ｏ2 ：６重量％
錯化剤 クエン酸：３重量％
を含みＫＯＨでｐＨを約４に調整したスラリーに、種々の硫黄化合物を添加した場合のｐＨ、ＯＲＰ（酸化還元電位）の変動、及び、その時のＣｕ溶解レートを比較した結果を示す。
なお、各薬品としては、関東化学社製の市薬特級を使用した。
【００５２】
この場合に添加する硫黄化合物としては、
硫酸ナトリウム：Ｎａ2 ＳＯ4
メルカプトプロパンスルホン酸ナトリウム：Ｎａ+-Ｏ3 Ｓ−ＣＨ2 ＣＨ2 ＣＨ2 −ＳＨ チオ硫酸ナトリウム：Ｎａ2 Ｓ2 Ｏ3
メルカプトベンゼンチアゾール
の４種を用いた。
【００５３】
図１１参照
図１１は、ｐＨ及びＯＲＰの測定方法の説明図であり、ｐＨ／ＯＲＰ電極３２をスラリー３１中に浸漬してスタラー３３でスラリー３１を攪拌しながら測定する。
なお、この場合のｐＨ／ＯＲＰ電極３２としては、カスタニーＤ５１電極（ＨＯＲＩＢＡ製商品名）を使用した。
なお、ＯＲＰ値は酸化電位を示す指標でもあり、数値が高い程、酸化電位が高く、酸化力が強くなることを示す。
【００５４】
また、Ｃｕ溶解レートは、Ｃｕ試料をスラリー３１に浸漬させた前後の膜厚差をＳＥＭ（Ｓ−５２００：日立製作所製商品型番）で観察し、その差分を浸漬時間で割って計算した。
【００５５】
表３は、各硫黄化合物を添加した場合のスラリーのｐＨ、ＯＲＰ値及びＣｕ溶解レートを纏めたものである。
【表３】
【００５６】
表３から明らかなように、硫酸ナトリウムの添加によるＣｕ溶解レート上昇の効果はみられない。 また、メルカプトプロパンスルホン酸ナトリウムは、添加によってＯＲＰ及びＣｕ溶解レートが上昇する。
チオ硫酸ナトリウムも、添加によってＯＲＰ及びＣｕ溶解レートが上昇する。
【００５７】
一方、メルカプトベンゾチアゾールは、添加によってＯＲＰは上昇するものの、Ｃｕ溶解レートは低下する。
これはチアゾールがＣｕの防食剤として作用するためで、硫黄化合物であっても、チアゾール系化合物の添加は好ましくない。
【００５８】
図１２参照
図１２は、表３に基づく硫黄化合物を添加によるＣｕ溶解レート上昇の効果の説明図であり、図から明らかなように、メルカプトプロパンスルホン酸ナトリウム或いはチオ硫酸ナトリウムを添加した場合に、Ｃｕ溶解レートが上昇する結果が得られた。
【００５９】
次に、図１３を参照して、硫黄化合物を添加によるＣｕ溶解レート上昇の効果のスラリーｐＨ依存性を説明する。
図１３参照
図１３は硫黄化合物を添加によるＣｕ溶解レート上昇の効果のスラリーｐＨ依存性の説明図であり、ｐＨ＝３〜５の範囲で大きな添加効果が確認された。
なお、ｐＨ＜３の場合にはＣｕ溶解レートは高まるが、添加しない場合のＣｕ溶解レートがもともと高く、硫黄酸化物によるＣｕ酸化が促進され過ぎて、「酸化速度＞溶解速度」の溶解律速度の状態となり、一方、ｐＨ＞５の場合は、Ｃｕ溶解レート自体が低くなり、表４に示すように硫黄酸化物の添加効果が得られなくなる。
【００６０】
【表４】
表４は、Ｃｕ溶解レート上昇率のｐＨ依存性を纏めたものであり、ｐＨ＞５、例えば、ｐＨ＝９の場合には、Ｃｕ溶解レート上昇率は３８．９％と非常に高いものの、Ｃｕ溶解レートの絶対値が小さくなるため、硫黄酸化物の添加効果が得られなくなる。
【００６１】
次に、図１４乃至図１７を参照して、スラリー中への研磨促進剤の添加方法を説明する。
図１４参照
図１４は、スラリー中への研磨促進剤の第１の添加方法の説明図であり、定盤４１上に固着した研磨パッド４２に研磨ヘッド４３に保持・固定したウェーハ４４を押しつけて研磨する際に、上述の研磨促進剤４７をスラリータンク４５中でスラリー４６に添加しておき、配管４８を介して研磨パッド４２上に供給する。
【００６２】
図１５参照
図１５は、スラリー中への研磨促進剤の第２の添加方法の説明図であり、定盤４１上に固着した研磨パッド４２に研磨ヘッド４３に保持・固定したウェーハ４４を押しつけて研磨する際に、上述の研磨促進剤４７を研磨促進剤タンク４９に収容し、スラリータンク４５からスラリー４６を配管４８を介して研磨パッド４２上に供給する際に、配管５０を介して研磨促進剤４７を同時に供給する。
【００６３】
図１６参照
図１６は、スラリー中への研磨促進剤の第３の添加方法の説明図であり、定盤４１上に固着した研磨パッド４２に研磨ヘッド４３に保持・固定したウェーハ４４を押しつけて研磨する際に、上述の研磨促進剤４７を研磨促進剤タンク５１に収容し、スラリータンク４５からスラリー４６を配管４８を介して研磨パッド４２上に供給する際に、配管５２を介して研磨促進剤４７を研磨パッド４２の下側から同時に供給する。
【００６４】
図１７参照
図１７は、スラリー中への研磨促進剤の第３の添加方法の説明図であり、定盤４１上に固着した研磨パッド４２に研磨ヘッド４３に保持・固定したウェーハ４４を押しつけて研磨する際に、上述の研磨促進剤４７を研磨ヘッド４３に予め含浸させておき、スラリータンク４５からスラリー４６を配管４８を介して研磨パッド４２上に供給するともに、研磨パッド４３から研磨促進剤４７を供給して研磨を行う。
【実施例１】
【００６５】
以上を前提として、次に、図１８乃至図２０を参照して本発明の実施例１の埋込配線の形成方法を説明する。
最初の工程は、図示を省略するが、まず、ｐ型シリコン基板に素子分離絶縁膜を形成したのち、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を設け、このゲート電極をマスクとしてｎ型不純物を導入することによってｎ型エクステンション領域を形成し、次いで、サイドウォールを形成したのち、再び、ｎ型不純物を導入することによって、ｎ型ソース・ドレイン領域を形成する。
【００６６】
図１８参照
次いで、全面にＣｏを堆積させたのち、熱処理することによってＣｏシリサイド電極を形成し、次いで、未反応のＣｏを除去したのち全面にＳｉＯ2 膜６１及びＢＰＳＧ膜６２を堆積させたのち、表面平坦化を行いＳｉＯＣＮからなるキャップ層６３を形成する。
【００６７】
次いで、ｎ型ソース・ドレイン領域に達するビアホールを形成したのち、ＴｉＮからなるバリア膜６４を介してＷを埋め込み、ＣＭＰ法によって不要部を除去することによってＷプラグ６５を形成する。
【００６８】
次いで、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮからなるエッチングストッパー膜６６、厚さが、例えば、２５０ｎｍのＳｉＯＣからなる第１層間絶縁膜６７及び厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮ膜からなるキャップ層６８を順次堆積させる。
【００６９】
次いで、レジストパターン（図示を省略）をマスクとし、フロロカーボン系のエッチングガスを用いたプラズマエッチングによって、一部においてＷプラグ６５を露出する埋込配線用溝６９を形成したのち、レジストパターンを除去する。
【００７０】
次いで、スパッタリング法を用いてＴａからなるバリア膜７０を成膜したのち、チオ硫酸ナトリウムを添加しためっき浴中で電解めっきを行うことにより、埋込配線用溝６９をＣｕ層７１で埋め込み、次いで、ＣＭＰ法によって不要部を除去することによって第１Ｃｕ埋込配線７２を形成する。
このＣＭＰ工程において、Ｃｕ層７１中に研磨促進剤となるチオ硫酸ナトリウムが含まれているので研磨速度が大きくなり、短時間でストッパーとなるキャップ層６８の位置で研磨が停止する。
【００７１】
図１９参照
次いで、再び、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮからなるエッチングストッパー膜７３、厚さが、例えば、４００ｎｍのＳｉＯＣからなる第２層間絶縁膜７４、厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮからなるキャップ膜７５を順次堆積させる。
【００７２】
次いで、再びレジストパターン（図示を省略）をマスクとし、フロロカーボン系のエッチングガスを用いたプラズマエッチングによって、第１Ｃｕ埋込配線７２に達するビアホール７６を形成するとともに、埋込配線用溝７７，７８を形成したのち、レジストパターンを除去し、次いで、再びスパッタリング法を用いてＴａからなるバリア膜７９を成膜する。
【００７３】
図２０参照
次いで、再び、チオ硫酸ナトリウムを添加しためっき浴中で電解めっきを行うことにより、ビアホール７６及び埋込配線用溝７７，７８をＣｕ層８０で埋め込む。
【００７４】
次いで、ＣＭＰ法によって不要部を除去することによってＣｕビア８１及び第２Ｃｕ埋込配線８２，８３を形成したのち、再びプラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮからなる拡散防止膜８４を成膜する。
なお、このＣＭＰ工程においても第２Ｃｕ埋込配線８２，８３中に研磨促進剤となるチオ硫酸ナトリウムが含まれているので研磨速度が大きくなり、短時間でストッパーとなるキャップ層７５で研磨が停止する。
【００７５】
以降は、必要とする多層配線層数に応じて拡散防止膜８４をエッチングストッパー膜として、層間絶縁膜及びキャップ層の堆積工程、配線用溝及びビアホールの形成工程、及び、ビア及び埋込配線の形成工程を繰り返すことによって半導体装置が完成する。
【００７６】
このように、本発明の実施例１においては、Ｃｕ層やＣｕビア中にＣＭＰ工程における研磨促進剤となるチオ硫酸ナトリウムを添加しているので、研磨速度が向上してスループットが向上するとともに、アンダープレート部におけるディッシングの発生が抑制される。
【実施例２】
【００７７】
次に、図２１乃至図２３を参照して本発明の実施例２の埋込配線の形成方法を説明する。
最初の工程は、図示を省略するが、上記の実施例１と全く同様に、まず、ｐ型シリコン基板に素子分離絶縁膜を形成したのち、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を設け、このゲート電極をマスクとしてｎ型不純物を導入することによってｎ型エクステンション領域を形成し、次いで、サイドウォールを形成したのち、再び、ｎ型不純物を導入することによって、ｎ型ソース・ドレイン領域を形成する。
【００７８】
図２１参照
次いで、全面にＣｏを堆積させたのち、熱処理することによってＣｏシリサイド電極を形成し、次いで、未反応のＣｏを除去したのち全面にＳｉＯ2 膜６１及びＢＰＳＧ膜６２を堆積させたのち、表面平坦化を行いＳｉＯＣＮからなるキャップ層６３を形成する。
【００７９】
次いで、ｎ型ソース・ドレイン領域に達するビアホールを形成したのち、ＴｉＮからなるバリア膜６４を介してＷを埋め込み、ＣＭＰ法によって不要部を除去することによってＷプラグ６５を形成する。
【００８０】
次いで、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮからなるエッチングストッパー膜６６、厚さが、例えば、２５０ｎｍのＳｉＯＣからなる第１層間絶縁膜６７及び厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮ膜からなるキャップ層６８を順次堆積させる。
【００８１】
次いで、レジストパターン（図示を省略）をマスクとし、フロロカーボン系のエッチングガスを用いたプラズマエッチングによって、一部においてＷプラグ６５を露出する埋込配線用溝６９を形成したのち、レジストパターンを除去する。
【００８２】
次いで、スパッタリング法を用いてＴａからなるバリア膜７０を成膜したのち、通常の硫酸系のめっき浴中で電解めっきを行うことにより、埋込配線用溝６９をＣｕ層９０で埋め込む。
【００８３】
次いで、上述の表２に示したチオ硫酸ナトリウムを添加したスラリー９１を用いてＣＭＰ法によって不要部を除去することによって第１Ｃｕ埋込配線９２を形成する。
このＣＭＰ工程において、スラリー９１中に研磨促進剤となるチオ硫酸ナトリウムが含まれているので研磨速度が大きくなり、短時間でストッパーとなるキャップ層６８の位置で研磨が停止する。
【００８４】
図２２参照
次いで、再び、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮからなるエッチングストッパー膜７３、厚さが、例えば、４００ｎｍのＳｉＯＣからなる第２層間絶縁膜７４、厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮからなるキャップ膜７５を順次堆積させる。
【００８５】
次いで、再びレジストパターン（図示を省略）をマスクとし、フロロカーボン系のエッチングガスを用いたプラズマエッチングによって、第１Ｃｕ埋込配線９２に達するビアホール７６を形成するとともに、埋込配線用溝７７，７８を形成したのち、レジストパターンを除去し、次いで、再びスパッタリング法を用いてＴａからなるバリア膜７９を成膜する。
【００８６】
図２３参照
次いで、再び、通常の硫酸系めっき浴中で電解めっきを行うことにより、ビアホール７６及び埋込配線用溝７７，７８をＣｕ層９３で埋め込む。
【００８７】
次いで、再び上述の表２に示したチオ硫酸ナトリウムを添加したスラリーを用いてＣＭＰ法によって不要部を除去することによってＣｕビア９４及び第２Ｃｕ埋込配線９５，９６を形成したのち、再びプラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、例えば、５０ｎｍのＳｉＯＣＮからなる拡散防止膜８４を成膜する。
なお、このＣＭＰ工程においてもスラリー中に研磨促進剤となるチオ硫酸ナトリウムが含まれているので研磨速度が大きくなり、短時間でストッパーとなるキャップ層７５で研磨が停止する。
【００８８】
以降は、必要とする多層配線層数に応じて拡散防止膜８４をエッチングストッパー膜として、層間絶縁膜及びキャップ層の堆積工程、配線用溝及びビアホールの形成工程、及び、ビア及び埋込配線の形成工程を繰り返すことによって半導体装置が完成する。
【００８９】
このように、本発明の実施例２においては、ＣＭＰ工程に用いるスラリー中に研磨促進剤となるチオ硫酸ナトリウムを添加しているので、研磨速度が向上してスループットが向上するとともに、アンダープレート部におけるディッシングの発生が抑制される。
【００９０】
以上、本発明の実施の形態及び各実施例を説明したが、本発明は実施の形態及び各実施例に示した構成、条件、数値に限られるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、配線及びビアをＣｕで形成しているが、純粋なＣｕに限られるものではなく、銀や白金等を含んだＣｕ合金を用いても良いものである。
【００９１】
また、実施例１においては、Ｃｕ中に添加する研磨促進剤としてチオ硫酸ナトリウムを用いているが、上述の実施の形態に示した硫黄が完全に酸化されていない他の硫黄化合物を用いても良いものであり、或いは、Ｆｅ，Ａｇ，Ｔｉ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｍｎ等の金属を添加しても良いものであり、金属を添加する場合には、スラリー中に硫黄化合物からなる研磨促進剤を添加しても良いものである。
【００９２】
例えば、硫黄が完全に酸化されていない他の硫黄化合物としては、チオ硫酸塩、メルカプトスルホン酸塩（Ｍ−Ｒ−ＳＨ）、或いは、ジスルフィドスルホン酸塩（Ｍ−Ｒ−Ｓ−Ｓ−Ｒ−Ｍ ）が挙げられる。
なお、ここでＲは分子量が４００以下の有機化合物、ＭはＮａ+ ，Ｋ+ ，ＮＨ4 + ，Ｈ+ のいずれかである。
【００９３】
ここで、再び図１を参照して、改めて、本発明の詳細な特徴を説明する。
再び、図１参照
（付記１） 化学的機械的に研磨して埋込配線７を形成する配線形成方法において、研磨されるＣｕまたはＣｕを主成分とするＣｕ合金からなるＣｕ系導電材料３或いは研磨剤６の少なくとも一方に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質４を含有させることを特徴とする配線形成方法。
（付記２） 上記Ｃｕ系導電材料３を凹部２に埋め込む際に、前記凹部２の内、幅或いは直径が相対的に小さな幅細凹部の埋め込みが終わった後に、前記Ｃｕ系導電材料３に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質４として研磨促進剤を添加して未だ埋め込みが終わらない前記幅細凹部より幅或いは直径が相対的に大きな幅太凹部を埋め込むことを特徴とする付記１記載の配線形成方法。
（付記３） 上記研磨剤６が、少なくとも過酸化水素を含んでいることを特徴とする付記１または２に記載の配線形成方法。
（付記４） 上記Ｃｕ系導電材料３に添加する研磨促進剤が、１種類以上であることを特徴とする付記２記載の配線形成方法。
（付記５） 上記Ｃｕ系導電材料３に添加する研磨促進剤が、鉄、銀、チタン、ルテニウム、白金、或いは、マンガンからなる金属であることを特徴とする付記５記載の配線形成方法。
（付記６） 上記Ｃｕ系導電材料３に添加する研磨促進剤が、硫黄化合物であるであることを特徴とする付記５記載の配線形成方法。
（付記７） 上記硫黄化合物が、チオ硫酸塩、メルカプト塩、過硫酸塩、或いは、メチルスルホン酸塩のいずれかであることを特徴とする付記７記載の配線形成方法。
（付記８） 上記Ｃｕ系導電材料３を、物理的気相堆積法、化学的気相堆積法、電解めっき方法、或いは、無電界めっき方法の少なくとも１つの堆積方法を用いて堆積することを特徴とする付記１乃至７のいずれか１に記載の配線形成方法。
（付記９） 上記幅細凹部の幅或いは直径が、０．４μｍ以下であることを特徴とする付記１乃至８のいずれか１に記載の配線形成方法。
（付記１０） 上記研磨剤６に含有させる研磨速度を向上させる効果をもたらす物質４が、Ｒを分子量が４００以下の有機化合物、ＭをＮａ+ ，Ｋ+ ，ＮＨ4 + ，Ｈ+ のいずれかとした場合、チオ硫酸塩、メルカプトスルホン酸塩（Ｍ−Ｒ−ＳＨ）、或いは、ジスルフィドスルホン酸塩（Ｍ−Ｒ−Ｓ−Ｓ−Ｒ−Ｍ ）の少なくとも１種類からなる硫黄化合物であることを特徴とする付記１乃至９のいずれか１に記載の配線形成方法。
（付記１１） 上記研磨剤６が、少なくとも過酸化水素を含んでいることを特徴とする付記１０に記載の配線形成方法。
（付記１２） 上記研磨剤６のｐＨが、３〜５であることを特徴とする付記１１記載の配線形成方法。
（付記１３） 絶縁膜と、前記絶縁膜に形成れた第一の幅を有する第一配線溝と、前記第一配線溝に埋め込まれた第一導電層と、前記絶縁膜に形成され、前記第一の幅よりも広い第二の幅を有する第二配線溝と、前記第二配線溝に埋め込まれた第二導電層とを有し、前記第二導電層に含まれる研磨促進剤の濃度が、前記第一導電層に含まれる前記研磨促進剤の濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明の活用例としては、半導体集積回路装置の埋込配線の形成工程が典型的なものであるが、液晶装置、光偏向素子等の強誘電体光デバイス、磁気ディスク装置におけるライトコイル等の製造工程にも適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】めっき工程の説明図である。
【図３】Ｃｕ溶解量の測定方法の説明図である。
【図４】各試料の測定結果の説明図である。
【図５】段差解消効果を検証するための試料の概念的構成図である。
【図６】試料Ａ、試料Ｅ及び試料Ｆの研磨促進剤を添加した試料の段差解消能力の説明図である。
【図７】試料Ａ，試料Ｅ及び試料ＦのＣｕ膜の硫黄濃度分布図である。
【図８】試料Ａ、試料Ｅ及び試料Ｆのストレス・マイグレーション耐性の説明図である。
【図９】Ｃｕ膜中に金属不純物を添加した場合のＣｕ溶解レートの説明図である。
【図１０】段差解消効果を説明するための試料の概念的構成図である。
【図１１】ｐＨ及びＯＲＰの測定方法の説明図である。
【図１２】表３に基づく硫黄化合物の添加によるＣｕ溶解レート上昇の効果の説明図である。
【図１３】硫黄化合物を添加によるＣｕ溶解レート上昇の効果のスラリーｐＨ依存性の説明図である。
【図１４】スラリー中への研磨促進剤の第１の添加方法の説明図である。
【図１５】スラリー中への研磨促進剤の第２の添加方法の説明図である。
【図１６】スラリー中への研磨促進剤の第３の添加方法の説明図である。
【図１７】スラリー中への研磨促進剤の第４の添加方法の説明図である。
【図１８】本発明の実施例１の埋込配線形成方法の途中までの説明図である。
【図１９】本発明の実施例１の埋込配線形成方法の図１８以降の途中までの説明図である。
【図２０】本発明の実施例１の埋込配線形成方法の図１９以降の説明図である。
【図２１】本発明の実施例２の埋込配線形成方法の途中までの説明図である。
【図２２】本発明の実施例２の埋込配線形成方法の図２１以降の途中までの説明図である。
【図２３】本発明の実施例２の埋込配線形成方法の図２２以降の説明図である。
【図２４】ＣＭＰ法の概念的構成説明図である。
【図２５】ＣＭＰのケミカルメカニズムの説明図である。
【図２６】ＣＭＰのメカニカルメカニズムの説明図である。
【符号の説明】
【００９６】
１ 基板
２ 凹部
３ Ｃｕ系導電材料
４ 研磨速度を向上させる効果をもたらす物質
５ 研磨布
６ 研磨剤
７ 埋込配線
８ オーバープレート
９ アンダープレート
１１ シリコンウェーハ
１２ ＳｉＯ2 膜
１３ Ｔａ膜
１４ めっき浴
１５，２４，２５ Ｃｕ膜
１６ 研磨促進剤
１７ 研磨液
２１ シリコン基板
２２ 幅細配線用トレンチ
２３ 幅太配線用トレンチ
２６，４７ 研磨促進剤
２７，２８ 埋込配線
３１，４６ スラリー
３２ ｐＨ／ＯＲＰ電極
３３ スタラー
４１ 定盤
４２ 研磨パッド
４３ 研磨ヘッド
４４ ウェーハ
４５ スラリータンク
６１ ＳｉＯ2 膜
６２ ＢＰＳＧ膜
６３ キャップ層
６４ バリア膜
６５ Ｗプラグ
６６ エッチングストッパー膜
６７ 第１層間絶縁膜
６８ キャップ層
６９ 埋込配線用溝
７０ バリア膜
７１，８０，９０，９３ Ｃｕ層
７２ 第１Ｃｕ埋込配線
７３ エッチングストッパー膜
７４ 第２層間絶縁膜
７５ キャップ膜
７６ ビアホール
７７，７８ 埋込配線用溝
７９ バリア膜
８１ Ｃｕビア
８２，８３ 第２Ｃｕ埋込配線
８４ 拡散防止膜
９１ スラリー
９２ 第１Ｃｕ埋込配線
９４ Ｃｕビア
９５，９６ 第２Ｃｕ埋込配線
１０１ 研磨パッド
１０２ スラリー
１０３ 研磨ヘッド
１０４ ウェーハ
１０５ 酸化剤
１０６ Ｃｕ
１０７ Ｃｕ酸化物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学的機械的に研磨して埋込配線を形成する配線形成方法において、研磨されるＣｕまたはＣｕを主成分とするＣｕ合金からなるＣｕ系導電材料或いは研磨剤の少なくとも一方に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質を含有させることを特徴とする配線形成方法。
【請求項２】
上記Ｃｕ系導電材料を凹部に埋め込む際に、前記凹部の内、幅或いは直径が相対的に小さな幅細凹部の埋め込みが終わった後に、前記Ｃｕ系導電材料に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質として研磨促進剤を添加して未だ埋め込みが終わらない前記幅細凹部より幅或いは直径が相対的に大きな幅太凹部を埋め込むことを特徴とする請求項１記載の配線形成方法。
【請求項３】
上記研磨剤が、少なくとも過酸化水素を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の配線形成方法。
【請求項４】
上記Ｃｕ系導電材料に添加する研磨促進剤が、鉄、銀、チタン、ルテニウム、白金、或いは、マンガンからなる金属或いは硫黄化合物のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の配線形成方法。
【請求項５】
絶縁膜と、前記絶縁膜に形成れた第一の幅を有する第一配線溝と、前記第一配線溝に埋め込まれた第一導電層と、前記絶縁膜に形成され、前記第一の幅よりも広い第二の幅を有する第二配線溝と、前記第二配線溝に埋め込まれた第二導電層とを有し、前記第二導電層に含まれる研磨促進剤の濃度が、前記第一導電層に含まれる前記研磨促進剤の濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項１】
化学的機械的に研磨して埋込配線を形成する配線形成方法において、研磨されるＣｕまたはＣｕを主成分とするＣｕ合金からなるＣｕ系導電材料或いは研磨剤の少なくとも一方に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質を含有させることを特徴とする配線形成方法。
【請求項２】
上記Ｃｕ系導電材料を凹部に埋め込む際に、前記凹部の内、幅或いは直径が相対的に小さな幅細凹部の埋め込みが終わった後に、前記Ｃｕ系導電材料に研磨速度を向上させる効果をもたらす物質として研磨促進剤を添加して未だ埋め込みが終わらない前記幅細凹部より幅或いは直径が相対的に大きな幅太凹部を埋め込むことを特徴とする請求項１記載の配線形成方法。
【請求項３】
上記研磨剤が、少なくとも過酸化水素を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の配線形成方法。
【請求項４】
上記Ｃｕ系導電材料に添加する研磨促進剤が、鉄、銀、チタン、ルテニウム、白金、或いは、マンガンからなる金属或いは硫黄化合物のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の配線形成方法。
【請求項５】
絶縁膜と、前記絶縁膜に形成れた第一の幅を有する第一配線溝と、前記第一配線溝に埋め込まれた第一導電層と、前記絶縁膜に形成され、前記第一の幅よりも広い第二の幅を有する第二配線溝と、前記第二配線溝に埋め込まれた第二導電層とを有し、前記第二導電層に含まれる研磨促進剤の濃度が、前記第一導電層に含まれる前記研磨促進剤の濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２００８−１５３５６９（Ｐ２００８−１５３５６９Ａ）
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４２２８９（Ｐ２００６−３４２２８９）
【出願日】平成１８年１２月２０日（２００６．１２．２０）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２０日（２００６．１２．２０）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]