[发明专利]化学机械研磨用水系分散体及半导体装置的化学机械研磨方法

说明书

技术领域

本发明涉及在制造半导体装置之际优选使用的化学机械研磨用水系分散体及使用了该化学机械研磨用水系分散体的化学机械研磨方法。

背景技术

近年来，伴随着半导体装置的高密度化，形成于半导体装置内的配线的微细化不断推进。作为可以实现该配线的进一步微细化的技术，已知有被称作镶嵌法的技术。该方法在向形成于绝缘层中的槽等中嵌入了配线材料后，通过使用化学机械研磨，将堆积在槽以外的多余的配线材料除去，从而形成所需的配线。这里，在作为配线材料使用铜或铜合金的情况下，为了避免铜原子向绝缘层中的迁移，通常在铜或铜合金与绝缘体的界面上形成以钽、氮化钽、氮化钛等为材料的高强度的高介电常数绝缘层(屏蔽层)。

在将铜或铜合金作为配线材料使用的半导体装置的制造中，在采用镶嵌法的情况下，虽然其化学机械研磨的方法有各种方法，然而进行的是由主要进行铜或铜合金除去的第一研磨工序、和主要除去屏蔽层的第二研磨工序构成的两阶段的化学机械研磨。

伴随着形成于半导体装置内的配线的微细化，第一研磨工序例如被要求以800nm/分钟研磨铜，基本上不切削屏蔽层，将铜凹陷(dishing)控制为20nm以下。在作为绝缘层使用低介电常数材料(low-k材料)的情况下，由于研磨摩擦大会产生层剥离或层自身的破损，因此如果是以往的研磨摩擦大的化学机械研磨用水系分散体，则会变得难以应用。

另外，所述第二研磨工序最好与所述第一研磨工序相同地以低摩擦进行研磨，从而提高被处理面与砂布的亲水性，减少铜上擦痕或铜腐蚀(corrosion)、绝缘层上的擦痕，并且改善铜凹陷、绝缘层磨蚀(erosion)。

为了满足如上所述的第一研磨工序及第二研磨工序的要求，提出过各种使用了聚乙烯基吡咯烷酮等水溶性高分子的化学机械研磨用水系分散体。

例如，日本特开2003-282494号公报中，提出过由多氧酸或其盐、水溶性高分子、水构成的化学机械研磨用水系分散体。根据记载，该化学机械研磨用水系分散体可以抑制擦痕、凹陷等研磨面缺陷的产生。

日本特开2002-270549号公报中记载，作为化学机械研磨用水系分散体中所含的磨料的分散剂，可以添加聚乙烯基吡咯烷酮。

日本特表2002-517593号公报中，提出过由水、磨料、氧化剂及有机聚合物构成的化学机械研磨用水系分散体。另外还记载，该有机聚合物可以是聚乙烯基吡咯烷酮。根据记载，该化学机械研磨用水系分散体可以抑制磨料的研磨速度。

即，上述的专利文献所记载的发明中，在化学机械研磨用水系分散体中添加有聚乙烯基吡咯烷酮等水溶性高分子，其目的在于，使水溶性高分子吸附在磨料或被研磨面上，提高磨料的分散性，或降低被研磨面的研磨速度。

但是，当使用该水溶性高分子时，虽然由于可以提高磨料的分散性，并且可以降低被研磨面的研磨速度，从而可以抑制铜凹陷、绝缘层磨蚀等，然而另一方面，由于在应当研磨的区域也吸附有水溶性高分子，因此研磨速度就会极度降低，从而有产生铜残留等的问题。

另外，作为本发明所要解决的新课题，可以举出对“尖牙”(fang)的抑制。本说明书中所用的所谓“尖牙”，是指特别是在金属层由铜或铜合金构成的情况下明显产生的现象，是在含有铜或铜合金的微细配线的区域与不含有铜或铜合金的微细配线的区域(衬底部分)的界面中，因化学机械研磨而成为作为半导体装置的缺陷的槽状伤痕。

对于尖牙产生的要因，可以认为如下情况是一个原因，即，在含有铜或铜合金的微细配线的区域与不含有铜或铜合金的微细配线的区域(衬底部分)的界面中，化学机械研磨用水系分散体中所含的成分不均一地局部存在，界面附近被过度地研磨。例如，当化学机械研磨用水系分散体中所含的磨料成分高浓度地存在于上述界面附近时，则该界面的研磨速度就会局部地增大而被过度研磨。如果像这样被过度研磨，则会作为尖锐钉状的平坦性不良而显现。即，它是被称作“尖牙”的研磨缺陷。

尖牙随配线图案不同而有多种产生形态。对于尖牙产生的要因，以图1A至图1C所示的被处理体100作为一个例子来具体地说明。

被处理体100如图1A所示构成，在基体10上，依次层叠形成了槽等配线用凹部20的绝缘层12、以覆盖绝缘层12的表面以及配线用凹部20的底部及内壁面的方式设置的屏蔽层14、填充配线用凹部20且形成于屏蔽层14之上的由铜或铜合金构成的层16。另外，被处理体100包含：含有铜或铜合金的微细配线的区域22、不含有铜或铜合金的微细配线的区域24。而且，在含有微细配线的区域22中，容易形成铜或铜合金的凸部。