[发明专利]金属膜用研磨液及研磨方法

说明书

本发明是申请号为2008800233324(国际申请号为PCT/JP2008/062159)、申请日为2008年7月4日、发明名称为“金属膜用研磨液及研磨方法”的发明申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及在半导体装置的配线形成工序等中研磨所使用的金属膜用研磨液及研磨方法。

背景技术

近年来，随着半导体集成电路(以下记作LSI)的高集成化、高性能化，开发出新的微细加工技术。化学机械研磨(以下记作CMP)法就是其中之一。其为在LSI制造工序特别是在多层配线形成工艺中，层间绝缘膜的平坦化、金属插塞的形成、埋入式配线形成中频繁利用的技术。该技术公开于例如美国专利第4944836号的说明书中。

另外，最近，为了使LSI高性能化，尝试利用铜和铜合金作为构成配线材料的导电性物质。但是，铜或者铜合金很难通过以往的铝合金配线形成中频繁使用的干式蚀刻法进行微细化加工。

因此，主要采用镶嵌(damascene)法，所谓镶嵌法是指，在预先形成有沟槽的绝缘膜上沉积并埋入铜或者铜合金薄膜，通过CMP除去沟槽部以外的上述薄膜，从而形成埋入式配线的方法。该技术公开于例如日本特开平2-278822号公报。

研磨铜或者铜合金等配线金属的金属CMP的通常方法为，将研磨布(垫)贴附在圆形的研磨定盘(压磨板)上，一边用金属膜用研磨液浸渍研磨布表面，一边将基板的形成有金属膜的面按压在研磨布的表面，在从研磨布的背面向金属膜施加规定的压力(以下记作研磨压力)的状态下，旋转研磨定盘，通过研磨液和金属膜的凸部的相对机械摩擦，除去凸部的金属膜。

CMP所使用的金属膜用研磨液通常包括氧化剂、磨粒和水，根据需要还可以进一步添加氧化金属溶解剂、保护膜形成剂等。认为基本的机理是，首先通过氧化剂将金属膜表面氧化形成氧化层，再通过磨粒磨削该氧化层。因为凹部的金属膜表面的氧化层不怎么与研磨垫接触，没有磨粒产生的磨削效果，所以随着CMP的进行，凸部金属膜的氧化层被除去，实现基板表面平坦化。关于详细情况，公开于Journal of Electrochemical Society(电化学会志期刊)的第138卷11号(1991年发行)的3460～3464页。

作为提高CMP的研磨速度的方法，将氧化金属溶解剂添加到金属膜用研磨液中是有效的。这被解释为，因为磨粒磨削的金属氧化物粒溶解于研磨液中(以下记作蚀刻)时，磨粒磨削的效果增强。氧化金属溶解剂的添加提高了CMP的研磨速度，另一方面，凹部的金属膜表面的氧化层也被蚀刻，金属膜表面露出时，氧化剂将对金属膜表面进一步氧化，如此反复进行，对凹部金属膜进行蚀刻。因此，研磨后，埋入的金属配线的表面中央部分会出现蝶形洼陷的现象(以下记作蝶陷)，平坦化效果会受到影响。

为了防止这种情况，在金属膜用研磨液中进一步添加保护膜形成剂。保护膜形成剂在金属膜表面的氧化层上形成保护膜，防止氧化层被蚀刻。该保护膜可以容易地被磨粒磨削，希望不使CMP的研磨速度降低。

为了抑制金属膜的蝶陷或者蚀刻，形成可靠性高的LSI配线，提倡使用如下所述金属膜用研磨液的方法：含有作为氧化金属溶解剂的甘氨酸等氨基乙酸或者酰胺硫酸以及作为保护膜形成剂的苯并三唑。该技术记载于例如日本特开平8-83780号公报中。

在铜或者铜合金等的镶嵌配线形成或钨等插塞配线形成等金属埋入式形成中，作为在埋入部分以外形成的层间绝缘膜的二氧化硅膜的研磨速度也较大的情况下，发生配线连同层间绝缘膜在内的厚度变薄的现象(以下记作侵蚀)以及配线金属部附近的层间绝缘膜局部被磨削的现象(以下记作裂缝)，因此平坦性变差。导致的结果是，会发生配线电阻增加等的问题，所以要求侵蚀和裂缝尽可能小的发生。

另一方面，在铜或者铜合金等配线金属的下层，形成有例如含有钽、钽合金、氮化钽等导体的层，作为用于防止金属向层间绝缘膜中扩散和提高密合性的阻挡导体层(以下也称为阻挡层)。所以，除了埋入铜或铜合金等配线金属的配线部以外，还需要通过CMP除去露出的阻挡层。但是，由于这些阻挡层的导体比铜或者铜合金的硬度高，因此，即使组合铜或者铜合金用的研磨材料，也不能获得充分的研磨速度，并且经常有被研磨面的平坦性变差的情况。因此，研究包含研磨配线金属的第1研磨工序和研磨阻挡层的第2研磨工序的2段研磨方法。

图1用截面示意图示出采用一般的镶嵌工艺的配线形成。图1(a)示出研磨前的状态，包括在表面形成沟槽的层间绝缘膜1、按追随层间绝缘膜1的表面凹凸的方式形成的阻挡层2、为填埋凹凸而沉积了铜或铜合金的配线金属3。