半导体装置的制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及半导体装置的制造方法，所述方法除去了在至少含有碳或硅的绝缘膜上形成的金属膜的至少一部分，使用由铜或以铜为主体的合金构成的金属膜、由高分子树脂构成的研磨垫、研磨中的动摩擦系数不足０．５的研磨液，利用所述研磨垫研磨所述金属膜。该方法能抑制研磨损伤，剥离，凹陷，磨蚀，能够对铜或以铜为主体的合金进行化学机械研磨。通过在无磨粒研磨液中并用多种防腐蚀剂，例如ＢＴＡ和咪唑，形成保护特性优异、通过机械摩擦容易除去的保护膜。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属膜的研磨，特别是涉及有关使用金属膜研磨的半导体装置的埋入配线形成的。
技术介绍
伴随着半导体集成电路(以下记作LSI)的高度集成化和高性能化，在层间绝缘膜的平坦化，多层配线的上下配线间的金属连接部(以下记作插头)的形成以及埋入配线形成等的LSI的制造工艺中，频繁地利用化学机械研磨法(以下记作CMP)(参照美国专利No.4,944,836号(图2A，2B图3A，3B等))。此外，为了达到LSI的高速性能化，开发了代替现有技术中铝合金(以下称为Al)，使用低电阻的铜或者以铜为主体的合金作为配线材料的技术为形成该铜或以铜为主体的合金配线，主要应用称为“金属镶嵌(ダマシン)”的制造方法。(参照特开平2-278822号公报等)。在利用金属镶嵌(ダマシン)法制造配线的方法中，在形成层间接触用的孔或者配线用槽(以下统记作槽)的二氧化硅(以下记作SiO2)和氮化硅(以下记作SiN)等叠层膜构成的绝缘膜上，依次形成兼作强化粘结力和防止铜或者以铜为主体的合金层扩散的隔离层，以及配线用的铜或者以铜为主体的合金层，并埋入槽的内部。这里，SiN层用作防止腐蚀的隔离层，选择性地将需要与下层配线连接的部分除掉。作为隔离层，主要使用厚度10-50nm左右的钛，钨，钽以及它们的氮化物或者氮化硅。进而，作为绝缘膜，代替SiO2和SiN，开始使用比这些材料的介电常数低的绝缘膜(以下记作low-k膜)材料用于LSI。这是由于通过降低配线间的静电容量(以下记作容量)可以降低通过配线的信号的延迟，进而提高LSI的性能。作为low-k膜，使用含氟的二氧化硅(氟化SiO2，记作FSG)以及碳化硅(记作SiC)等。FSG其机械性质与SiO2相比基本上不变，具有能够适用于与现有技术相同的LSI制造技术的优点。SiC用于代替SiN。有人提出利用电解腐蚀等代替对low-k膜的CMP的方法的方案(参照ProceedingsIEDM，2001 4.4.1-4.4.4.pp.84-87等)。用于金属膜的CMP的研磨液，一般地，以研磨磨粒和氧化剂为主成分。关于CMP的机理，如关于钨的CMP所发表的那样(J.Electrochem.Soc.，Vol.138，No.11，November 1991 pp.3460-3464等)，一边将金属膜表面氧化，一边利用磨粒将氧化物机械地削掉。在像铜或者以铜为主体的合金那样容易腐蚀的金属的CMP中，如后面所述，有时在研磨液中加入防腐蚀剂。作为磨粒，利用粒径为数十～数百nm的氧化铝粉末或二氧化硅粉末。作为氧化剂，可以使用过氧化氢(市售品，一般浓度为30重量％)，硝酸铁，过碘酸钾，其中，由于过氧化氢水中不含金属离子，所以广为使用。作为加入磨粒的研磨液的固有课题，可以列举出在CMP中容易发生研磨损伤等问题。其原因可以认为是由于在研磨液中磨粒凝聚异常成长为大的粒子，或者在CMP中磨粒浓度的偏差等造成的局部应力集中。此外，作为金属膜，特别是铜或以铜为主体的合金的新的研磨方法，有采用不含磨粒的研磨液(记作无磨粒研磨液)的金属镶嵌(ダマシン)配线技术(参照特开平11-135466号公报，号码0008～0009等)。利用含有氧化剂、将氧化物溶解的药液(记作腐蚀剂)和水、在铜或者以铜为主体的合金表面上形成对氧化剂的保护膜的药液(记作保护膜形成剂)的研磨液，通过机械摩擦金属膜表面进行CMP。对于铜或者以铜为主体的合金的CMP，用BTA作为防腐蚀剂。由于添加BTA可以抑制腐蚀速度，也降低研磨速度，所以不希望BTA浓度过高。即，在可以将铜或以铜为主体的合金的腐蚀速度抑制得十分低的范围内，一面尽可能地保持低的BTA浓度，一面选择可以获得大的CMP速度的腐蚀剂和氧化剂的浓度和种类。含有过氧化氢水、柠檬酸和BTA的研磨液就是其中的一个例子。其特征为，在几乎未研磨绝缘膜和隔离膜的情况下，可以将铜和以铜为主体的合金进行高精度地研磨。研磨液中的保护膜形成剂附着在铜或者以铜为主体合金膜的表面上，形成保护膜，抑制研磨液中的氧化剂和腐蚀剂对铜或者以铜为主体的合金膜的腐蚀。研磨垫压在铜或者以铜为主体的合金膜的表面上，当摩擦铜或者以铜为主体的合金膜的凸出部时，除去保护膜，将铜或以铜为主体的合金表面表面氧化，利用腐蚀剂除去氧化层。认为利用这种过程可以进行平坦化。在无磨粒的CMP中，CMP的速度依赖于通过研磨垫削去保护膜的速度，以及利用氧化剂和腐蚀剂腐蚀铜或者以铜为主体的合金膜的速度。两者越大，研磨速度越快。另一方面，作为判断CMP的结果是否良好的标准，有凹陷和磨蚀。所谓凹陷是指槽中的铜或者以铜为主体的合金等金属膜表面与周围的绝缘膜的表面相比成为碟形的凹入状。认为凹陷主要依赖于研磨液的化学作用，特别是腐蚀的速度的大小。所谓磨蚀是指由于CMP削掉绝缘膜本身的现象，主要依赖于磨粒等的机械削除的效果的大小。为了利用CMP实现高精度的铜或者以铜为主体的合金的配线，必须实现CMP速度足够大，并且凹陷和磨蚀少的CMP。特别是，使用将腐蚀速度控制得很低的研磨液对凹陷进行抑制是最重要的。适用于本专利技术的铜或者以铜为主体的合金膜的厚度至多为几个μm，利用CMP形成的铜或者以铜为主体的合金配线层的厚度一般地在1μm或者更低。此外，CMP之后的铜或者以铜为主体的合金膜表面的凹陷在配线厚度的10％以下，优选地将其控制在5％以下。铜或者以铜为主体的合金配线厚度在约500nm的情况下，必须把凹陷的深度抑制在25至50nm左右。一般地，为了在LSI的整个面上不产生研磨残余，需要多研磨20至30％左右的时间。进而，考虑到CMP工艺本身的CMP速度不均等，利用研磨液的铜或者以铜为主体的合金的腐蚀速度必须在10nm/分钟以下。有必要达到优选地在5nm/分钟以下，更优选地在3nm/分钟以下的特性。通过将铜或者以铜为主体的合金膜进行搅拌或者振动的研磨液中，测定单位时间的膜厚的减少获得腐蚀速度。在将腐蚀速度控制到规定的值以下的范围内，为了获得大的CMP速度，有必要将保护膜形成剂、腐蚀剂以及氧化剂的浓度最佳化。这样，在利用无磨粒的研磨液的CMP中，保护膜形成剂，特别是防腐蚀剂，在CMP的凹陷特性，腐蚀性，CMP速度等多方面起着关键性的作用。作为铜或者以铜为主体的合金用的保护膜形成剂，BTA是代表性的材料。为了提高保护效果，希望提高BTA的浓度，但即使摩擦铜或者以铜为主体的合金膜的表面也很难除去保护膜，降低CMP速度。可以认为，为了不降低CMP速度，在减弱保护膜强度的同时，需要提高研磨垫的摩擦效果。由于防腐蚀剂几乎仅限于BTA，所以研磨液的组分即使有所不同，其强度也不会有什么变化。即，可以认为，在现有技术的无磨粒的研磨液中，与利用表面活性剂形成机械强度弱的保护膜的同时，有必要增加CMP中的摩擦阻力。这样，为了增加摩擦阻力，增加CMP的速度，添加增粘剂是有效的(参照特开平2000-290638号公报，号码(0010～0011)等)。对于用于铜或者以铜为主体的合金用CMP的加入磨粒的研磨液，有采用磷酸水溶液的研磨方法。(参照特开平7-94455号公报，号码(0012～0013)等)。作为铜或者以铜为主体的合金的CMP用研磨液，有使用由研磨磨粒、氧化剂、配位用的有机酸、BTA或咪唑等保护膜形成剂和本文档来自技高网...

【技术保护点】
半导体装置的制造方法，所述方法除去了在至少含有碳或硅的绝缘膜上形成的金属膜的至少一部分，其特征为，使用由铜或以铜为主体的合金构成的金属膜、由高分子树脂构成的研磨垫、研磨中的动摩擦系数不足０．５的研磨液，利用所述研磨垫研磨所述金属膜。

【技术特征摘要】
JP 2002-3-27 087398/2002;JP 2002-12-27 378951/20021.半导体装置的制造方法，所述方法除去了在至少含有碳或硅的绝缘膜上形成的金属膜的至少一部分，其特征为，使用由铜或以铜为主体的合金构成的金属膜、由高分子树脂构成的研磨垫、研磨中的动摩擦系数不足0.5的研磨液，利用所述研磨垫研磨所述金属膜。2.半导体装置的制造方法，其使用由高分子树脂构成的研磨垫，由所述研磨垫摩擦、研磨在介电常数在3以下的绝缘膜上形成的铜或以铜为主体的合金，其特征为，作为研磨液，使用含有金属氧化性物质、溶解金属氧化物的物质、苯并三唑、咪唑的研磨液进行研磨。3.半导体装置的制造方法，其使用由高分子树脂构成的研磨垫体，由所述研磨垫摩擦、研磨表面上具有在介电常数在3以下的绝缘膜上形成的铜或以铜为主体的合金的8英寸以上的半导体基板，其特征为，作为研磨液，使用含有金属氧化性物质、溶解金属氧化物的物质、苯并三唑、咪唑的研磨液进行研磨。4.如权利要求1至3中任何一项所述的半导体装置的制造方法，其特征为，对前述铜或以铜为主体的合金进行研磨时的摩擦阻力在100g/cm2以下。5.如权利要求1至4中任何一项所述的半导体装置的制造方法，其特征为，前述绝缘膜为至少含有碳和氢、介电常数在3以下的材料。6.如权利要求1至4中任何一项所述的半导体装置的制造方法，其特征为，前述绝缘膜为至少含有碳、氢和硅，介电常数在3以下的材料。7.如权利要求1至6中任何一项所述的半导体装置的制造方法，其特征为，前述研磨液至少含有氧化性物质，选自无机酸或有机酸中的至少一种，选自由苯并三唑或其衍生物、咪唑或其衍生物、苯并咪唑或其衍生物、萘并三唑、苯并噻唑或其衍生物组成的防腐蚀剂中的至少两种，以及水。8.如权利要求7所述的半导体装置的制造方法，其特征为，前述有机酸为选自苹果酸、草酸、丙二酸、聚丙烯酸、乳酸的至少一种或者多种。9.如权利要求1至6中任何一项所述的半导体装置的制造方法，其特征为，在研磨开始时在研磨液中混合铜或以铜为主体的合金的配盐进行研磨，其后，不混合铜或以铜为主体的合金的配盐继续进行研磨。10.如权利要求7至9中任何一项所述的半导体装置的制造方法，其特征为，前述无机酸是磷酸或氨基磺酸中一者或者两者。11.如权利要求7至10中任何一项所述的半导体装置的制造方法，其特征为，前述防腐蚀剂含有苯并三唑和咪唑两种。12.如权利要求11所述的半导体装置的制造方法，其特征为，前述苯并三唑的浓度为0.05至2.0重量％。13.如权利要求11所述的半导体装置的制造方法，其特征为，前述咪唑的浓度为0.05至3.0重量％。14.如权利要求7至13中任何一项所述的半导体装置的制造方法，其特征为，在前述研磨液中，进一步添加作为表面活性剂的聚丙烯酸、或聚丙烯酸铵盐、或聚丙烯酸胺盐。15.如权利要求14所述的半导体装置的制造方法，其特征为，前述聚丙烯酸的浓度为0.01体积％至2.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲛岛贤二，木间喜夫，佐久间宪之，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]