化学机械研磨浆料、化学机械研磨法及半导体装置的制法.pdf

提供能够确保有机膜的平坦性、且能够抑制刮痕产生的有机膜研磨用化学机械研磨浆料和化学机械研磨方法，以及布线阻抗和布线间容量被减少、且布线收率高的半导体装置的制造方法。有机膜研磨用化学机械研磨浆料含有表面具有官能团的聚合物粒子和水溶性高分子。

1、  有机膜研磨用化学机械研磨浆料，其特征在于，含有表面具有官能团的聚合物粒子和水溶性高分子。

2、  化学机械研磨方法，其特征在于，包括使用含有表面具有官能团的聚合物粒子和水溶性高分子的浆料来研磨有机膜的工序。

3、  半导体装置的制造方法，其特征在于，包括如下工序：在基板上形成绝缘膜的工序，在所述绝缘膜上形成凹部的工序，在形成有所述凹部的所述绝缘膜上依次形成下层膜、中间层和抗蚀剂膜的工序，将所述抗蚀剂膜进行图案曝光的工序，其中，形成所述下层膜的工序包括在形成有所述凹部的所述绝缘膜上形成有机膜以掩埋该凹部的工序、使用权利要求1所述的浆料化学机械研磨所述有机膜而使所述有机膜平坦化的工序。

4、  半导体装置的制造方法，其特征在于，包括如下工序：在基板上形成绝缘膜的工序，在所述绝缘膜上形成凹部的工序，在形成有所述凹部的所述绝缘膜上依次形成含有第1及第2有机膜的下层膜、中间层和抗蚀剂膜的工序，将所述抗蚀剂膜进行图案曝光的工序，其中，形成所述下层膜的工序包括在形成有所述凹部的所述绝缘膜上形成所述第1有机膜以掩埋该凹部的工序、使用权利要求1所述的浆料化学机械研磨所述第1有机膜而使所述第1有机膜平坦化的工序、所述平坦化后在所述绝缘膜和所述第1有机膜的上方形成所述第2有机膜的工序。

5、  半导体装置的制造方法，其特征在于，包括如下工序：在基板上形成含有有机材料的有机系绝缘膜的工序，在所述有机系绝缘膜上依次层叠含有无机材料的第1和第2硬掩膜的工序，在所述第2硬掩膜上形成凹部的工序，在形成有所述凹部的第2硬掩膜上依次形成含有第1及第2有机膜的下层膜、中间层和抗蚀剂膜的工序，将所述抗蚀剂膜进行图案曝光的工序，其中，形成所述下层膜的工序包括在形成有所述凹部的所述第2硬掩膜上形成所述第1有机膜以掩埋该凹部的工序、使用权利要求1所述的浆料化学机械研磨所述第1有机膜而使所述第1有机膜平坦化的工序、所述平坦化后在所述第2硬掩膜和所述第1有机膜的上方形成所述第2有机膜的工序。

6、  半导体装置的制造方法，其特征在于，包括如下工序：在基板上形成含有有机材料的有机系绝缘膜的工序，在所述有机系绝缘膜上依次层叠含有无机材料的第1、第2和第3硬掩膜的工序，在所述第3硬掩膜上形成凹部的工序，在形成有所述凹部的第3硬掩膜上依次形成含有第1及第2有机膜的下层膜、中间层和抗蚀剂膜的工序，将所述抗蚀剂膜进行图案曝光的工序，其中，形成所述下层膜的工序包括在形成有所述凹部的所述第3硬掩膜上形成所述第1有机膜以掩埋该凹部的工序、使用权利要求1所述的浆料化学机械研磨所述第1有机膜而使所述第1有机膜平坦化的工序、所述平坦化后在所述第3硬掩膜和所述第1有机膜的上方形成所述第2有机膜的工序。

7、  如权利要求4～6中任一项所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，形成所述第1有机膜的工序包括涂布用于形成所述第1有机膜的材料的工序、在90℃～160℃烘培所述材料的工序，进一步包括在250℃～400℃烘培所述第1及第2有机膜的工序。

化学机械研磨浆料、化学机械研磨法及半导体装置的制法
技术领域
本发明涉及有机膜研磨用化学机械研磨浆料、化学机械研磨方法及半导体装置的制造方法。
背景技术
在半导体装置的制造工艺中，为了形成所希望的结构，使用抗蚀剂膜。要求抗蚀剂膜的厚度在晶片整体是均匀的。例如，在半导体基板上形成沟槽、或者在绝缘膜上形成孔之后，涂布光致抗蚀剂来形成抗蚀剂膜，接着，将抗蚀剂膜形成凹槽或进行剥离，由此可以得到所希望的结构。
在这种情况下，要求抗蚀剂膜的厚度在晶片整体上是均匀的。
抗蚀剂膜厚的偏差在其后实施的凹槽中进一步扩大，从而使装置形状变差。还会引起焦深的降低或收率变差。
为了解决以如此形成的抗蚀剂膜厚的偏差所致的问题，提出了涂布抗蚀剂后通过化学机械的研磨法(CMP：Chemical Mechanical Polishing)将抗蚀剂膜平坦化的方法(例如，参照专利文献1)。
但是，难以抑制平坦化时产生的碟形凹陷(デイツシング)，而且缺乏晶片面内的均匀性。碟形凹陷的面内均匀性低时，导致其后的凹槽深度的偏差，难以在晶片面内均匀地得到所希望的形状，其结果产生图案的尺寸偏差。
此外，在研磨高温下烘培后硬度得到提高了的抗蚀剂膜时，为了确保实用的工艺裕度和生产性，使用二氧化硅或氧化铝等无机粒子作为研磨粒子。在这种情况下有如下问题：沟槽内易残留无机粒子，产生刮痕，而使表面状态变差，并且残留粒子形成CMP后的凹槽工序时的掩膜。
专利文献1：特开2004-363191号公报
发明内容
本发明的目的是提供能够显著提高图案的尺寸偏差和收率的有机膜研磨用化学机械研磨浆料和化学机械研磨方法。
本发明的其他目的是提供使用平坦性高的、且缺陷少的有机膜的平坦化方法的收率高的半导体装置的制造方法。
本发明的一种方式所述的化学机械研磨浆料含有表面具有官能团的聚合物粒子和水溶性高分子。
本发明的一种方式所述的化学机械研磨方法包括使用含有表面具有官能团的聚合物粒子和水溶性高分子的浆料来研磨有机膜的工序。
本发明的一种方式所述的半导体装置的制造方法，其包括如下工序：在基板上形成绝缘膜的工序，在所述绝缘膜上形成凹部的工序，在形成有所述凹部的所述绝缘膜上依次形成下层膜、中间层和抗蚀剂膜的工序，将所述抗蚀剂膜进行图案曝光的工序，其中，形成所述下层膜的工序包括在形成有所述凹部的所述绝缘膜上形成有机膜以掩埋该凹部的工序、使用含有表面具有官能团的聚合物粒子和水溶性高分子的有机膜研磨用化学机械研磨浆料化学机械研磨所述有机膜而使所述有机膜平坦化的工序。
本发明的另外一种方式所述的半导体装置的制造方法，其包括如下工序：在基板上形成绝缘膜的工序，在所述绝缘膜上形成凹部的工序，在形成有所述凹部的所述绝缘膜上依次形成含有第1及第2有机膜的下层膜、中间层和抗蚀剂膜的工序，将所述抗蚀剂膜进行图案曝光的工序，其中，形成所述下层膜的工序包括在形成有所述凹部的所述绝缘膜上形成所述第1有机膜以掩埋该凹部的工序、使用含有表面具有官能团的聚合物粒子和水溶性高分子的有机膜研磨用化学机械研磨浆料化学机械研磨所述第1有机膜而使所述第1有机膜平坦化的工序、所述平坦化后在所述绝缘膜和所述第1有机膜的上方形成所述第2有机膜的工序。
本发明的其他一种方式所述的半导体装置的制造方法，其包括如下工序：在基板上形成含有有机材料的有机系绝缘膜的工序，在所述有机系绝缘膜上依次层叠含有无机材料的第1和第2硬掩膜的工序，在所述第2硬掩膜上形成凹部的工序，在形成有所述凹部的第2硬掩膜上依次形成含有第1及第2有机膜的下层膜、中间层和抗蚀剂膜的工序，将所述抗蚀剂膜进行图案曝光的工序，其中，形成所述下层膜的工序包括在形成有所述凹部的所述第2硬掩膜上形成所述第1有机膜以掩埋该凹部的工序、使用含有表面具有官能团的聚合物粒子和水溶性高分子的有机膜研磨用化学机械研磨浆料化学机械研磨所述第1有机膜而使所述第1有机膜平坦化的工序、所述平坦化后在所述第2硬掩膜和所述第1有机膜的上方形成所述第2有机膜的工序。
本发明的另外其他一种方式所述的半导体装置的制造方法，其包括如下工序：在基板上形成含有有机材料的有机系绝缘膜的工序，在所述有机系绝缘膜上依次层叠含有无机材料的第1、第2和第3硬掩膜的工序，在所述第3硬掩膜上形成凹部的工序，在形成有所述凹部的第3硬掩膜上依次形成含有第1及第2有机膜的下层膜、中间层和抗蚀剂膜的工序，将所述抗蚀剂膜进行图案曝光的工序，其中，形成所述下层膜的工序包括在形成有所述凹部的所述第3硬掩膜上形成所述第1有机膜以掩埋该凹部的工序、使用含有表面具有官能团的聚合物粒子和水溶性高分子的有机膜研磨用化学机械研磨浆料化学机械研磨所述第1有机膜而使所述第1有机膜平坦化的工序、所述平坦化后在所述第3硬掩膜和所述第1有机膜的上方形成所述第2有机膜的工序。
在上述方式的半导体装置的制造方法中，形成所述第1有机膜的工序包括涂布用于形成所述第1有机膜的材料的工序、在90℃～160℃烘培所述材料的工序，还可以包括在250℃～400℃烘培所述第1及第2有机膜的工序。
通过上述本发明的一种方式所述的有机研磨用化学机械研磨浆料，含有表面具有官能团的聚合物粒子和水溶性高分子，由此，在化学机械研磨有机膜时，能够确保有机膜的平坦性，并能够抑制刮痕的产生。由此，可以显著提高图案的尺寸偏差和收率。
根据上述本发明一种方式所述的化学机械研磨方法，使用含有表面具有官能团的聚合物粒子和水溶性高分子的有机膜研磨用化学机械研磨浆料来研磨有机膜，由此可以确保所述有机膜的平坦性，并且可以抑制刮痕的产生。由此，可以显著提高图案的尺寸偏差和收率。
此外，根据上述本发明一种方式所述的半导体装置的制造方法，使用平坦性高、且缺陷少的有机膜的平坦化方法，由此可以实现高收率。
附图说明
[图1]模式化地表示使用了本实施方式的有机膜研磨用化学机械研磨浆料的有机膜的研磨机构的截面图。
[图2]模式化地表示使用了通过以往方法制成的聚合物粒子的有机膜的研磨机构的截面图。
[图3]表示本发明一个实施例所述的半导体装置的制造方法的工序截面图。
[图4]模式化地表示接续图3的工序的截面图。
[图5]模式化地表示接续图4的工序的截面图。
[图6]模式化地表示接续图5的工序的截面图。
[图7]表示布线宽与焦深损失之间的关系的曲线图。
[图8]模式化地表示接续图6的工序的截面图。
[图9]模式化地表示接续图8的工序的截面图。
[图10]模式化地表示接续图9的工序的截面图。
[图11]模式化地表示接续图10的工序的截面图。
[图12]模式化地表示通过以往方法制成的半导体装置的制造方法的工序截面图。
[图13]模式化地表示本发明其他方式所述的半导体装置的制造方法的工序截面图。
[图14]模式化地表示接续图13的工序的截面图。
[图15]模式化地表示接续图14的工序的截面图。
[图16]表示布线宽与焦深损失之间的关系的曲线图。
[图17]模式化地表示接续图15的工序的截面图。
[图18]模式化地表示接续图17的工序的截面图。
[图19]模式化地表示接续图18的工序的截面图。
[图20]模式化地表示接续图19的工序的截面图。
[图21]模式化地表示接续图20的工序的截面图。
[图22]模式化地表示通过以往方法制成的半导体装置的制造方法的截面图。
符号说明
1：蚀刻阻止膜；     2：第1有机系绝缘膜；    3：第2有机系绝缘膜；
4：有机系绝缘膜；   5：第1硬掩膜；          6：第2硬掩膜；
7：第3硬掩膜；      8a：布线沟图案；        8b：布线沟图案；
9：第1有机膜；      10：高低差别；          11：第2有机膜；
12：下层膜；  13：中间层；    14：抗蚀剂膜；  15：接续孔；
16：布线沟；  17：研磨粒子；  18：研磨布；    19：水溶性高分
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。
应说明的是，本发明并不限定于下述的实施方式，还包括在不改变本发明主旨的范围内所实施的各种变例。
1.有机膜研磨用化学机械研磨浆料
在本发明的一种实施方式中，使用含有表面具有官能团的聚合物粒子和水溶性高分子的有机膜研磨用化学机械研磨浆料(以下称为“有机膜研磨用CMP浆料”)。有机膜研磨用化学机械研磨浆料特别优选用于高速逻辑LSI、系统LSI、内存·逻辑混载LSI等高速装置等的制造中。
下面，说明本实施方式的有机膜研磨用CMP浆料的构成成分和具体例子。
1-1.表面具有官能团的聚合物粒子(下面称为“聚合物粒子”)
聚合物粒子是以树脂为基质的粒子。在此，聚合物粒子可以含有选自如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等丙烯酸类树脂、PST(聚苯乙烯)类树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、聚缩醛树脂、聚碳酸酯树脂以及它们的复合树脂中的至少一种以上的树脂。特别是从具有适于CMP的硬度和弹性出发，聚合物粒子优选为含有PMMA、PST或苯乙烯丙烯酸共聚物的粒子。
本发明中，将聚合物粒子聚合时以全部单体的0.1～20重量％、优选1～10重量％的比例使其含有具有官能团的乙烯性不饱和单体，由此可以制造表面具有官能团的聚合物粒子。这里所谓的具有官能团的乙烯性不饱和单体可以举出(甲基)丙烯酸、衣康酸、马来酸、马来酸酐等含羧基的不饱和单体或其酐类；(甲基)丙烯酸羟甲酯、(甲基)丙烯酸2-羟基乙酯等2元醇的一(甲基)丙烯酸羟烷基酯类；甘油的一-或二-(甲基)丙烯酸酯、三羟甲基丙烷的一-或二-(甲基)丙烯酸酯等三元以上的多元醇的含游离羟基的(甲基)丙烯酸酯类；烯丙基缩水甘油醚、(甲基)丙烯酸缩水甘油酯等不饱和环氧化物；(甲基)丙烯酰胺、N-甲氧基甲基(甲基)丙烯酰胺、马来酰胺、马来酰亚胺等不饱和羧酸的酰胺或酰亚胺类；N-羟甲基(甲基)丙烯酰胺、N，N-二羟甲基(甲基)丙烯酰胺等N-羟甲基化不饱和羧酸酰胺类；2-二甲基氨基乙基丙烯酰胺、2-二乙基氨基乙基丙烯酰胺、2-二甲基氨基丙基丙烯酰胺等含氨基烷基的丙烯酰胺类；2-二甲基氨基乙基(甲基)丙烯酸酯、2-二乙基氨基乙基(甲基)丙烯酸酯、2-二甲基氨基丙基(甲基)丙烯酸酯等含氨基烷基的(甲基)丙烯酸酯类等。
其中，优选(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酸2-羟基乙酯、(甲基)丙烯酰胺等，特别优选(甲基)丙烯酸。具有这些官能团的乙烯性不饱和单体可以单独使用，还可以组合2种以上使用。
上述聚合物粒子可以具有交联结构。由于聚合物粒子具有交联结构，可以提高粒子的硬度和弹性，可以制成更适于CMP的聚合物粒子。例如，通过在将聚合物粒子聚合时使用多官能性单体，可以得到具有交联结构的聚合物粒子。在此，所谓的“多官能性单体”是具有2个以上聚合性不饱和键的单体。作为这样的多官能性单体，可以举出如二乙烯芳香族化合物、多元(甲基)丙烯酸酯等。
将交联聚合物粒子聚合时，以全部单体的1～50重量％、优选5～30重量％的比例含有多官能性单体，由此可以提高所得交联聚合物粒子的硬度和弹性，在本工艺中，具有提高有机膜研磨速度的效果。
另外，为了使具有交联结构的聚合物粒子在溶剂中形成不溶的聚合物，例如，使不溶于甲苯的比例达到95重量％以上，优选达到98重量％以上。这样，由于聚合物粒子不溶于甲苯的比例为95重量％以上，因此可以提高粒子的硬度和弹性，可以说是更适于CMP的聚合物粒子。不溶于甲苯的比例可以通过测定下述聚合物粒子的不溶解物质来求出，所述聚合物粒子是向100g甲苯中添加0.3g聚合物粒子、在50℃搅拌2小时后得到的。
在如此得到的聚合物粒子表面导入选自阴离子型、阳离子型、两性型和非离子型官能团中的至少一种官能团。作为阴离子型官能团，可举出如羧酸型、磺酸型、硫酸酯型、磷酸酯型等，作为阳离子型官能团，可举出如胺盐型、季铵盐型等。作为两性型官能团，可举出如烷醇酰胺型、羧基甜菜碱型和甘氨酸型等，作为非离子型官能团，可举出如醚型、酯型等。从粒子的制造容易出发，特别优选羧基型。
为表面具有羧基(COOH)的聚合物粒子时，羧基在浆料中以方式解离，而使粒子表面带负电。因此，可以利用电排斥力防止粒子之间的凝聚，提高分散性来延长寿命。此外，由于羧基存在于聚合物粒子的表面，即使不添加表面活性剂，也可以利用粒子之间的电排斥力来提高分散性。
从研磨特性上、进而从保存稳定性的观点出发，确保粒子的分散性是非常重要的要因。粒子没有得到良好的分散时，很可能形成粗大粒子而形成刮痕的原因，或者浆料形成硬块，保存稳定性变差。
本发明中，为了使聚合物粒子更稳定地分散，优选ζ电位的绝对值为规定值以上。具体地说，优选ζ电位的绝对值为20mV左右以上。
聚合物粒子表面的羧基的量优选为0.01mol/kg以上，更优选为0.05～1.0mol/kg。
本发明中，聚合物粒子的平均粒径超过5μm时，或者小于10nm时，难以控制粒子的分散性，浆料容易沉降。因此，本发明的实施方式中，聚合物粒子的平均粒径优选为10nm～5μm，更优选为30nm～500nm。
此外，本实施方式所述的有机膜研磨用CMP浆料的聚合物粒子的浓度优选为0.01～10重量％，更优选为0.1～5重量％，进一步优选为0.3～3重量％。在此，聚合物粒子的浓度小于0.01重量％时，研磨速度有时会极度降低，另一方面，超过10重量％时，碟形凹陷会加剧。
1-2.水溶性高分子
作为本实施方式所述的有机研磨用CMP浆料所含的水溶性高分子，没有限定，例如，可举出甲基纤维素、甲基羟乙基纤维素、甲基羟丙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素、羧乙基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素等水溶性纤维素类；聚氨基葡糖、透明质酸、软骨素、软骨素硫酸、软骨素聚硫酸、硫酸软骨素、肝素、硫酸角质素、角质素聚硫酸、淀粉、糊精、聚右旋糖、苍耳烷胶、瓜尔豆胶等水溶性多糖类；除此之外，还可举出聚乙二醇、聚乙烯亚胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸及其盐、聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯等水溶性高分子，其中，优选能够获得高平坦性的聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮。这些水溶性高分子可以单独使用，还可以混合2种以上使用。
水溶性高分子的分子量优选为500～1000000，更优选为1000～500000，进一步优选为5000～300000。在此，如果水溶性高分子的分子量小于500，则与抗蚀剂(有机膜)的相互作用弱，吸附效果变弱，保护效果变小，有时不能抑制碟形凹陷。另一方面，如果水溶性高分子的分子量超过1000000，则吸附效果变得过大，研磨速度降低，除此之外，粘性变得过高，有时供给浆料变得困难。
本实施方式所述的有机膜研磨用CMP浆料的水溶性高分子的浓度为0.001～10重量％，优选为0.01～1重量％，进一步优选为0.05～0.5重量％。在此，水溶性高分子的浓度小于0.001重量％时，不能发挥作为研磨布与晶片之间的润滑剂的功能，使其产生膜剥落的同时，有时不能抑制碟形凹陷。另一方面，如果水溶性高分子的浓度超过10重量％，则由于在抗蚀剂(有机膜)中过度吸附，有时研磨速度会极度降低。
1-3.其它成分
本实施方式所述的有机膜研磨用CMP浆料中，根据需要可以以通常使用的量来配合氧化剂、有机酸或表面活性剂之类的添加剂。
此外，本实施方式所述的有机膜研磨用CMP浆料可以规定pH为2～8。pH小于2时，COOH等官能团难以解离，分散性会变差。另一方面，如果pH超过8，则抗蚀剂(有机膜)中的化学损害变大，从而碟形凹陷会增大。
例如，通过适当配合pH调整剂，可以将本实施方式所述的有机膜研磨用CMP浆料调整到上述范围的pH。作为pH调整剂，例如，可以使用无机酸(例如硝酸、磷酸、盐酸、硫酸)、有机酸(例如柠檬酸)等。
1-4.有机膜研磨用CMP浆料的作用效果
1-4-1.以往技术
说明本实施方式的有机膜研磨用CMP浆料的作用效果时，首先，作为比较对照，对以往技术中的有机膜的研磨进行说明。
近年来，为了减少半导体集成电路装置中的金属布线的布线阻抗和布线间电容，大马士革(Damascene)布线成为主流。
对于这种大马士革布线，从减少工程数或提高收率的观点出发，采用将布线沟和接点(导通孔)一起加工的所谓的“双重大马士革结构”。作为双重大马士革结构，从加工形状的控制性等观点出发，一直采用将布线部和导通孔部的低介电膜制成2种不同材料的混合结构。
采用了混合结构的双重大马士革结构，可以通过使用了含有多种无机膜的硬掩膜的双重大马士革法或三重硬掩膜法来形成。
对于这样的加工工艺，在有高低差别的底层上形成图案时，广泛采用所谓的多层抗蚀剂法，特别是下层膜、中间层、抗蚀剂膜的3层抗蚀剂法。即，利用下层膜、中间层将底层高低差别平坦化之后，使抗蚀剂膜形成图案的方法。
在以往技术中，用于下层膜的有机膜(抗蚀剂)平坦化这一技术被用于形成孔图案(导通孔)后在形成沟图案(沟槽)的“先形成孔”、所谓的“先孔”的双重大马士革工艺。
此时，有机膜的研磨用仅含聚合物粒子的浆料进行。之所以这样，是因为由于掩埋有机膜的导通孔洞的大小小于聚合物粒子的大小，聚合物粒子不进入到孔洞内，从而能够抑制碟形凹陷的扩大。即，通过将聚合物的粒径调整到大于孔洞的孔径，可以容易地抑制碟形凹陷(例如，参照上述专利文献1)。
然而，混合双重大马士革工艺中，在导通孔洞加工之前先进行布线沟加工的(形成导通孔图案之前先进行沟槽掩膜的形成)、所谓的“先沟槽掩膜”的双重大马士革工艺成为主流。
图2是模式化表示仅用聚合物粒子将第1有机膜9平坦化时的研磨机构的截面图。即，在第1硬掩膜5上层叠第2硬掩膜6，在第1和第2硬掩膜5、6上形成布线沟图案8a、8b，进而在其上形成第1有机膜9。
在此，布线沟图案8a、8b之间的沟宽为数μm～数百μm。如果仅用聚合物粒子17将掩埋于沟宽为数μm～数百μm布线沟的第1有机膜9平坦化，则如图2所示，由于沟宽大于聚合物粒子17的粒径，因此聚合物粒子17进入布线沟内，使其扩大碟形凹陷。其结果不能确保第1有机膜9的平坦性，并成为其后的导通孔图案的光刻技术工序中的焦点错误的原因。
作为下层膜中使用的第1有机膜9，例如，广泛使用以掩埋特性优异的热塑性酚醛树脂为主成分的i线用抗蚀剂(例如JSR(株)制造的商品名“IX370G”)，或者加工转化差小、以即使对使用了ArF受激准分子激光器的光刻技术也能够发挥反射防止膜功能的环己酮为主成分的有机膜(例如JSR(株)制造的商品名“CT01”)。
这些有机膜根据涂布后进行的烘培温度，膜硬度大为改变。即，在高温下进行烘培，则有机膜中的聚合物进行交联，硬度变高。
为了抑制对于上述布线图案的有机膜的碟形凹陷，还考虑了在300℃左右的高温下烘培有机膜来进行热固化的方法。但是，在这种情况下，化学机械研磨中所用的聚合物粒子一般对有机膜(抗蚀剂)的硬度过于柔软，因此研磨速度几乎为零。即，为了使用以聚合物粒子为基质的浆料来研磨有机膜，必须在160℃以下的低温范围进行烘培。
1-4-2.作用效果
与此相对，本实施方式的有机膜研磨用化学机械研磨浆料含有表面具有官能团的聚合物粒子和水溶性高分子。这样，通过用含有表面具有官能团的聚合物粒子和水溶性高分子的浆料进行研磨，可以将对布线图案的第1有机膜9的碟形凹陷抑制到20nm以下，可以显著改善第1有机膜9的平坦性。
此外，对于上述的以往技术而言，仅使用聚合物粒子进行研磨时，如图2所示，在聚合物粒子17和第1有机膜9之间产生大摩擦力的状态下边剥取第1有机膜9边进行研磨。
与此相对，使用本实施方式的有机膜研磨用化学机械研磨浆料进行第1有机膜9的研磨时，如图1所示，由于水溶性高分子19在第1有机膜9和研磨垫18之间发挥润滑剂的功能，可以降低粒子(表面具有官能团的聚合物粒子)17和第1有机膜9之间的摩擦，阶段性地除去第1有机膜9。除此之外，由于水溶性高分子19吸附在第1有机膜9的表面，因此可以保护第1有机膜9的表面免受粒子17的损害。
其结果为，如后述的实施例1～6在表1中所示，通过使用含有表面具有官能团的聚合物粒子17和水溶性高分子的浆料，可以确保第1有机膜9的平坦性，并且可以利用表面具有官能团的聚合物粒子17的柔软性抑制刮痕的产生。进而，由于表面具有官能团的聚合物粒子17与抗蚀剂(第1有机膜9)性质相同，因此聚合物粒子17即使残留，在其后的加工中，不会如使用氧化铝粒子作为研磨粒子时那样形成蚀刻掩膜，能够降低对于粒子残留的风险。其结果为，在后工序的导通孔的光刻技术中，能够降低焦点错误，显著提高收率。
另一方面，如后述的比较例3和比较例6在表1中所示，即使仅用水溶性高分子进行研磨，也可以利用上述机理将碟形凹陷抑制在20nm以下，但研磨速度变得非常慢。因此，为了得到实用的研磨速度，必须并用表面具有官能团的聚合物粒子和水溶性高分子。
另外，第1有机膜可以被平坦化至在布线沟图案外硬掩膜露出为止，或者，也可以在布线沟图案外而在硬掩膜上残存第1有机膜的阶段停止第1有机膜的平坦化。后者的情况下，可以在第2硬掩膜上介由第1有机膜适当形成第2有机膜。
1-5.有机膜研磨用CMP浆料的具体例子
下面，对有机膜研磨用CMP浆料的具体例子及其制造方法进行说明，但本发明的有机膜研磨用CMP浆料并不限于这些。
应说明的是，不溶于甲苯的比例是通过以下方法测定的。即，将0.3g聚合物粒子添加到100g甲苯中，在50℃下搅拌2小时后，用滤纸过滤，干燥残留物(不溶解物质)，测定重量，以相对于添加到甲苯前的重量(0.3g)的溶解于甲苯后的不溶解物质的重量的比例作为不溶于甲苯的比例。
1-5-1.浆料1
首先，将92重量份苯乙烯、4重量份甲基丙烯酸、4重量份甲基丙烯酸羟乙酯、0.1重量份十二烷基硫酸铵、0.5重量份过硫酸铵和400重量份离子交换水装在容量为2升的烧瓶中。在氮气氛围下边搅拌边升温到70℃，使其聚合6小时。由此，可以得到表面具有羧基和羟基的平均粒径200nm的聚苯乙烯类粒子(PST类粒子)。所得PST类粒子的不溶于甲苯的比例为10重量％。
将该PST类粒子以0.83重量％的浓度分散在纯水中，添加0.16重量％的分子量17600的聚乙烯醇(水溶性高分子)，得到有机膜研磨用CMP浆料1。
1-5-2.浆料2
用上述方法得到平均粒径为200nm的PST类粒子之后，将该PST类粒子以0.83重量％的浓度分散在纯水中，添加0.16重量％的分子量120000的聚乙烯吡咯烷酮(水溶性高分子)，得到有机膜研磨用CMP浆料2。
1-5-3.浆料3
首先，将77重量份苯乙烯、3重量份丙烯酸、20重量份二乙烯基苯、2.0重量份十二烷基苯磺酸铵、1.0重量份过硫酸铵和400重量份离子交换水装在容量为2升的烧瓶中。在氮气氛围下边搅拌边升温到70℃，使其聚合6小时。由此，可以得到表面具有羧基的平均粒径50nm的交联PST类粒子(交联聚合物粒子)。所得交联PST类粒子的不溶于甲苯的比例为98重量％。
将该交联PST类粒子以0.83重量％的浓度分散在纯水中，添加0.16重量％的分子量17600的聚乙烯醇(水溶性高分子)，得到有机膜研磨用CMP浆料3。
1-5-4.浆料4
首先，将35重量份甲基丙烯酸甲酯、35重量份苯乙烯、5重量份甲基丙烯酸、25重量份三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、0.5重量份十二烷基苯磺酸铵、0.5重量份过硫酸铵和400重量份离子交换水装在容量为2升的烧瓶中。在氮气氛围下边搅拌边升温到70℃，使其聚合6小时。由此，可以得到表面具有羧基的平均粒径100nm的交联苯乙烯丙烯酸类粒子(交联聚合物粒子)。所得交联苯乙烯丙烯酸类粒子的不溶于甲苯的比例为97重量％。
将该交联苯乙烯丙烯酸类粒子以1.67重量％的浓度分散在纯水中，添加0.33重量％的分子量17600的聚乙烯醇(水溶性高分子)，得到有机膜研磨用CMP浆料4。
2.实施例
下面，对本发明的实施例进行说明，但本发明并不限于以下实施例。在以下的实施例中，参照图3～图11，具体说明使用了本实施方式的有机膜研磨用CMP浆料的化学机械研磨方法和半导体装置的制造方法。
2-1.实施例1
本实施例中，说明通过导入了用CMP进行有机膜平坦化的、使用ArF受激准分子激光器的双重硬掩膜法进行的混合双重大马士革加工方法。
此外，本实施例中，对使用上述浆料1化学机械研磨第1有机膜9的情况进行说明。
首先，如图3所示，在形成元件(没有图示)的半导体基板20上依次形成有机系绝缘膜4和含有无机材料的第1硬掩膜5、第2硬掩膜6，在第2硬掩膜6上形成作为凹部的布线沟图案8a和8b。在图示的例子中，有机系绝缘膜4是第1有机系绝缘膜2和第2有机系绝缘膜3的二层结构，在它们的下层形成蚀刻阻止膜1。
虽然没有图示，但是在蚀刻阻止膜1与半导体基板20之间设有掩埋第1布线层而形成的层间绝缘膜。层间绝缘膜可以使用如氧化硅膜，介由屏蔽层掩埋Cu而形成第1布线层。蚀刻阻止膜1具有防止该Cu扩散的作用，可以沉积如SiN膜来形成。
第1有机系绝缘膜2和第2有机系绝缘膜3分别通过PE-CVD(等离子体增强化学气相沉积)法和旋涂法各自沉积SiOC和PAE(聚芳基醚)来形成。有机膜的材料也可以使用聚芳基醚(ALLIED-SIGNAL公司制造(商品名：FLARE)、DOW CHEMICAL公司制造(商品名：SiLK))、苯丙环丁烯(DOW CHEMICAL公司制造)和聚酰亚胺等。第1有机系绝缘膜2和第2有机系绝缘膜3的膜厚没有特别的限定，可在50～400nm范围内选择。
应说明的是，作为通过CVD法形成的有机膜的材料，已知CORAL(商品名、NOVELLUS公司制造)、AURORA(商品名、AMS公司制造)和BLACKDIAMOND(商品名、APPLIED MATERIAL公司制造)等，作为通过涂布法形成的有机膜的材料，已知LKD(商品名、JSR(株)制造)、甲基倍半硅氧烷等。
在由第1有机系绝缘膜2和第2有机系绝缘膜3构成的有机系绝缘膜4上，通过CVD法，形成硅烷类SiO₂膜作为第1硬掩膜5。作为第2硬掩膜6，可以使用如SiN膜。可以使用任意材料，形成第1硬掩膜5和第2硬掩膜6，进而还可以利用形成碳化硅膜来形成硬掩膜。在此，第1硬掩膜5和第2硬掩膜6的膜厚分别为160nm和50nm。
在第2硬掩膜6上形成抗蚀剂图案(没有图示)，使用CH₂F₂/CF₄/Ar/O₂气体，干蚀刻该第2硬掩膜6，由此，如图3所示，形成作为凹部的布线沟图案8a和8b。虽然在图3中没有显示，但此时第2硬掩膜6加工时没有充分获得与第1硬掩膜5的选择比，因此将第1硬掩膜5过蚀刻至10nm左右。
布线沟图案8a和8b的宽分别为3000nm和90nm。
在设有布线沟图案8a和8b的第2硬掩膜6上，如图4所示地形成第1有机膜9。第1有机膜9与在底面以SiH₄为原料而形成的第1硬掩膜5相接触。形成第1有机膜9时，首先，涂布以热塑性酚醛树脂为主成分的材料(抗蚀剂(商品名：IX370G、JSR(株)制造))，形成膜厚300nm的涂布膜。通过对其在130℃下弱烘培60秒，得到第1有机膜9。
从能够容易进行平坦化的观点出发，与例如以环己酮为主成分的有机膜(商品名：CT01、JSR(株)制造)相比，优选以热塑性酚醛树脂为主成分的有机膜。而且，与以环己酮为主成分的有机膜相比，以热塑性树脂为主成分的有机膜与第1硬掩膜5的附着力强，CMP时的剥落较少。因此，第1有机膜9优选是以热塑性树脂为主成分的有机膜。
在此，烘培温度为90℃～160℃。这是因为，如果在超过160℃的温度范围进行烘培，则所得第1有机膜9的硬度变得过高，用软树脂磨粒进行的研磨变得困难，反之，如果烘培温度小于90℃，则溶剂难以挥发，不发挥作为下层膜的功能。
如图4所示，第1有机膜9的表面产生反映布线沟图案8a的高低差别10，其深度为60nm左右。高低差别10大于第2硬掩膜6的膜厚：50nm，如上所述，这是因为第1硬掩膜5过度蚀刻引起的。
本实施例中，如图5所示，用CMP将该高低差别10平坦化之后，如图6所示，沉积有机膜(第2有机膜11)形成下层膜12。
使用CMP装置(商品名：EPO-222、(株)荏原制作所制造)，进行第1有机膜9的研磨。边以30rpm旋转粘附有研磨垫的转台，边以100gf/cm²的研磨荷重接触保持有半导体晶片的顶板(トツプリング)。研磨垫使用IC1000/Suba4000(NITTAHAAS公司制造)，以31rpm的转数旋转顶板。在研磨垫上以300cc/min的流量供给上述浆料，进行180秒的研磨-1。其结果可以将平坦性抑制在20nm以下。
应说明的是，将第1有机膜9平坦化时，不必将第1有机膜9研磨至第2硬掩膜6露出为止。与第1有机膜9残留在第2硬掩膜6上的情况(抛光不足)相比，第2硬掩膜6露出后(抛光过度)平坦性容易变差。之所以这么说，是因为与第2硬掩膜6(SiN)的硬度(18GPa)相比，第1有机膜9的硬度为0.4GPa，非常脆，因此由于研磨布的弹性变形而容易出现碟形凹陷。
进而，如图6所示，涂布CT01形成第2有机膜(抗蚀剂)11，进而在300℃烘培60秒，得到含有第1有机膜9和第2有机膜11的下层膜12。在此，形成具有300nm膜厚的第2有机膜11。
通过在第1有机膜9上形成第2有机膜11(也就是说，并用掩埋特性和平坦化特性均优异的IX370G(第1有机膜9的原材料)以及在用ArF受激准分子激光器进行的光刻时能够作为反射防止膜发挥功能的CT01(第2有机膜11的原材料))，可以改善光刻性能。
此外，涂布第2有机膜11之后，在300℃烘培60秒下层膜12，由此在其后的蚀刻工艺中，可以通过热固化提高蚀刻耐性。
该烘培温度优选为250℃～400℃。如果小于250℃，则热固化有时会不充分，另一方面，如果超过400℃，则构成有机膜的聚合物有时会分解。
如上所述形成下层膜12之后，接着，依次形成作为中间层13的SOG(旋制氧化硅)膜和抗蚀剂膜14。在此，中间层13和抗蚀剂膜14的膜厚分别为45nm和200nm。
其后，介由具有规定的孔图案的曝光掩膜，通过ArF受激准分子激光器对抗蚀剂膜14进行曝光。
图7表示曝光时焦点错误的布线依存性。图7中，如实线c所示，此时，以CMP进行的平坦化为起因，在布线宽3000nm的布线沟图案8a上形成导通孔时的焦点错误被抑制在20nm以下。根据本实施例，其结果可以显著提高图案的大小偏差。
接着，通过干蚀刻中间层13和下层膜12来形成图案，剥离抗蚀剂图案。以形成图案的中间层13和下层膜12作为掩膜，在第1硬掩膜5上通过干蚀刻形成接续孔15。蚀刻气体使用CHF₃/Ar/O₂气体。加工第1硬掩膜5时，中间层13被除去。进而，使用NH₃气体进行干蚀刻，如图8所示，在第2有机系绝缘膜3上形成接续孔15。下层膜12在加工第2有机系绝缘膜3时被除去。
接着，使用C₅F₈/Ar/O₂气体进行干蚀刻，如图9所示，在第1硬掩膜5上形成布线沟16。此时，在第1有机系绝缘膜2上形成接续孔15，使其到达蚀刻阻止膜1。接着，通过使用NH₃气体的干蚀刻，如图10所示，在第2有机系绝缘膜3上形成布线沟16。
最后，使用CH₂F₂/CF₄/Ar/O₂气体，如图11所示，除去第2硬掩膜6。此时，接续孔15底部的蚀刻阻止膜1也被除去。
其后，在接续孔15和布线沟16的凹部的内面形成屏蔽层(没有图示)，在凹部内埋入Cu(没有图示)之后，除去作为第1硬掩膜5的氧化硅膜上多余的Cu膜和屏蔽层。如此，在凹部内形成Cu大马士革布线，形成混合双重大马士革布线。
本实施例中，在第1有机膜9上进一步形成第2有机膜11而多层化之前，通过CMP将该第1有机膜9平坦化。因此，可以将曝光时的焦深损失抑制在20nm以下，可以显著提高图案的大小偏差和收率。
在表1中的布线收率的表示中，“S”表示收率为90％以上，“A”表示收率为80％以上，“B”表示收率为70％以下。
2-2.比较例1
本比较例中，通过不进行下层膜的平坦化的以往方法来形成混合双重大马士革布线。
首先，通过上述方法得到图3所示的结构之后，如图12所示，在第2硬掩膜6上依次形成下层膜12、含有SOG的中间层13和抗蚀剂膜14。第2硬掩膜6以膜厚50nm形成。
与上述实施例1相同，在第2硬掩膜6上设有宽3000nm的布线沟图案8a和宽90nm的布线沟图案8b。下层膜12除了不进行将第1有机膜9平坦化的操作以外，通过与上述实施例1相同的方法形成。
如图12所示，宽3000nm的布线沟图案8a上的下层膜12的膜厚薄于宽90nm的布线沟图案8b上的下层膜12的膜厚，其差为60nm左右。这必然使焦深降低，进而成为大小偏差、收率降低的原因。
接着，介由规定的曝光掩膜，通过ArF受激准分子激光器对抗蚀剂膜14实施曝光。将此时的布线沟图案的宽(布线宽)与焦深损失之间的关系在图7中以虚线d示出。宽3000nm的布线沟图案(8a)的焦深损失为80nm，并形成焦点错误。
2-3.实施例2
本实施例中，与实施例1相同，通过导入了用CMP进行的有机膜的平坦化的、使用ArF受激准分子激光器的双重大马士革法进行混合双重大马士革加工。
此外，本实施例中，使用上述的浆料3化学机械研磨第1有机膜9。
更具体地说，根据实施例1所述的方法，在第2硬掩膜6(SiN膜)上形成布线沟图案8a、8b，通过涂布形成第1有机膜9，通过CMP法将第1有机膜9平坦化。
本实施例中，除了使用浆料3作为CMP浆料之外，用实施例1所述的装置、研磨布、荷重、转数进行平坦化。也就是说，作为磨粒，使用将粒径小于实施例1中所使用的聚合物粒子的平均粒径为50nm的交联PST类粒子(交联聚合物粒子)和分子量为17600的聚乙烯醇(PVA)混合而得到的浆料(浆料3)。
如表1所示，通过使用小粒径的交联PST类粒子，可以将有机膜的研磨速度显著提高到4倍左右。认为这是因为，由于聚合物粒子具有交联结构而使粒子硬度得到提高，且由于形成小粒径，即使磨粒浓度为相同重量％浓度，与有机膜9接触的粒子的表面积也增加，实际上发挥作用的粒子数增加。进而，为了减少每1个粒子相对于有机膜9的切入深度，可以抑制特别是第2硬掩膜6(SiN膜)露出后的碟形凹陷形成。
SiN膜露出后，使用浆料3进行过度抛光60秒。由此，可以将对于宽3000nm的布线沟图案8a的碟形凹陷抑制在小于10nm。
接着，与实施例1相同，再次涂布CT01作为第2有机膜11，得到含有第1有机膜9和第2有机膜11的下层膜12。接着，依次形成作为中间层13的SOG膜和抗蚀剂膜14。第2有机膜11、中间层13和抗蚀剂膜14的膜厚分别与上述实施例1相同。
其后，介由具有规定的孔图案的曝光掩膜，通过ArF受激准分子激光器对抗蚀剂膜14进行曝光。此时，以CMP进行的第1有机膜9的平坦化为起因，在形成宽3000nm的布线沟图案8a中的导通孔时的焦点错误被抑制在10nm以下。根据本实施例，其结果可以显著提高图案的大小偏差和收率。
2-4.比较例2
本比较例中，通过实施例1所述的方法，在第2硬掩膜6上形成布线沟图案8a、8b，涂布作为用于形成第1有机膜9的材料的IX370G，在130℃下弱烘培60秒之后，在300℃下强烘培60秒，得到第1有机膜9。
其后，通过CMP法进行第1有机膜9的平坦化。第1有机膜9的平坦化用实施例1所述的装置、研磨布、荷重、转数进行，但CMP浆料仅使用平均粒径为200nm的PST类粒子。该PST类粒子是浆料1所含有的粒子。
此时，第1有机膜9的研磨速度为1nm/min以下。认为其理由是，由于在300℃将第1有机膜9强烘培60秒来热固化，而不能用软聚合物粒子(PST类粒子)来进行研磨。综上所述，使用本比较例的方法是不可能将第1有机膜9平坦化的，难以降低导通孔的光刻时的焦点错误，也不能改善收率。
2-5.比较例3
本比较例中，除了使用分子量为17600的聚乙烯醇代替上述比较例2中的平均粒径为200nm的PST类粒子作为CMP浆料之外，与上述比较例2进行同样的操作。
此时，第1有机膜9的研磨速度与比较例2相同，为1nm/min以下。其理由可举出，由于在300℃强烘培60秒来将第1有机膜9热固化，而不能用含有不含研磨粒子的聚乙烯醇的浆料来进行研磨。综上所述，在本比较例中，第1有机膜9的平坦化是不可能的，难以降低光刻时的焦点错误，也不能改善收率。即使使用并用PST类粒子和聚乙烯醇而得到的浆料进行研磨时也得到同样的结果。
2-6.比较例4
本比较例中，除了使用1次粒径为30nm的γ氧化铝粒子代替平均粒径为200nm的PST类粒子作为CMP浆料之外，通过与上述比较例2相同的方法进行第1有机膜9的研磨。
在此，第1有机膜9的研磨速度为300nm/min左右，平坦性为10nm以下。其理由为，通过强烘培而热固化的第1有机膜9，可以用硬且具有研磨力的氧化铝粒子除去，高硬度的膜在平坦化上有利，并且利用亲水性的氧化铝粒子与疏水性的有机膜(第1有机膜9)的排斥，沟内的粒子不停留，从而可以抑制碟形凹陷。其结果可以显著降低光刻时的焦点错误。
但是，在本比较例中，由氧化铝粒子导致的刮痕一直产生到硬掩膜，并诱发加工形状的异常。用光学检查装置(KLA TENCOR公司制造；KLA2129)测定该CMP后的划痕数，相对于实施例1的划痕数为0.34个/cm²，本比较例中的划痕数为449个/cm²。此外，磨粒残留在第1有机膜9或硬掩膜上，该磨粒残渣在其后的蚀刻工序中形成掩膜而引起加工形状的异常，结果布线收率降低。
2-7.比较例5
本比较例中，使用与实施例1中所述的方法相同的方法，在第2硬掩膜6(SiN膜)上形成布线沟图案8a、8b，涂布IX370G，在130℃下进行弱烘培60秒，由此得到第1有机膜9。
其后，使用平均粒径为200nm的PST类粒子作为CMP浆料进行研磨。
此时的研磨速度为1μm/min以上。其理由可以举出，通过在低温(130℃)下进行烘培而形成第1有机膜9，因而第1有机膜9的强度小且脆，因此即使用软的聚合物粒子(PST类粒子)也能够除去。
但是，在130℃下进行烘培而得到第1有机膜9脆且易剥落，因而难以抑制碟形凹陷。因此，不能确保第1有机膜9的平坦性，不能减少光刻时的焦点错误，布线收率也没有改善。
2-6.比较例6
本比较例中，除了以0.01重量％的浓度使用分子量为17600的聚乙烯醇代替平均粒径为200nm的PST类粒子作为CMP浆料之外，与上述比较例5进行同样的操作。此时第1有机膜9的研磨速度仅为80nm/min左右。
另一方面，第1有机膜9的平坦性为20nm以下，非常良好。这是因为，聚乙烯醇发挥研磨布与晶片之间的润滑剂的作用，减少摩擦，从而不产生膜剥落，实现更加分步的研磨，同时聚乙烯醇吸附在第1有机膜9的表面而抑制碟形凹陷。结果形成孔时的焦点错误减少，布线收率也得到了改善。
但是，本比较例中，由于仅用聚乙烯醇作为浆料，因此不能得到充分的研磨速度，产生生产率显著变差的问题。
2-9.比较例7
本比较例中，除了使用1次粒径为30nm的γ氧化铝粒子代替比较例5中平均粒径为200nm的PST类粒子作为CMP浆料之外，与上述比较例5进行同样的操作。
此时的研磨速度为1μm/min以上。根据比较例5所述的理由，不能抑制碟形凹陷。此外，本比较例中，由于氧化铝粒子的进入，60nm的碟形凹陷产生到宽90nm的布线沟图案8b。
进而，根据比较例4所述的理由，由于刮痕和磨粒残渣，布线收率降低。
2-10.实施例3
本实施例中，通过导入了用CMP进行的有机膜的平坦化的、使用ArF受激准分子激光器的双重大马士革法进行混合双重大马士革加工。
实施例1中，使用2种有机膜作为下层膜12。也就是说，实施例1中，涂布以热塑性酚醛树脂为主成分的抗蚀剂(商品名：IX370G、JSR(株)制造)形成第1有机膜9，通过CMP将该第1有机膜9平坦化，然后涂布CT01形成第2有机膜11。其理由为，如上所述，通过并用掩埋特性和平坦化特性均优异的IX370G(第1有机膜9)及用ArF受激准分子激光器进行光刻时能够发挥反射防止膜作用的CT01(第2有机膜11)，而改善光刻性能。
本实施例中，使用以热塑性酚醛树脂为主成分的第1有机膜(商品名：ODL-50、JSR(株)制造)9作为下层膜12。ODL-50发挥掩埋特性和平坦化特性均优异，进而能够发挥作为ArF受激准分子激光器的反射防止膜的功能。因此，不像实施例1那样使用2种有机膜，一次涂布来平坦化，从而可以得到具有高平坦性的下层膜12。由此，可以实现工序的减少，可以减少工艺成本。
此外，本实施例中，使用上述浆料2来化学机械研磨下层膜12(有机膜9)。
通过实施例1所述的方法，在第2硬掩膜6(SiN膜)上形成布线沟图案8a、8b，通过涂布ODL-50形成有机膜9，通过CMP法将有机膜9平坦化。
应说明的是，ODL-50与硬掩膜的附着力小于IX370G与硬掩膜的附着力。因此，为了抑制CMP时的膜剥落，在第2硬掩膜6上加工沟时，进行过度蚀刻，形成布线沟图案，使得硬掩膜高低差别为100nm左右。
有机膜9的膜厚可以通过粘度和旋涂时的转数进行调整。涂布后，在130℃下进行弱烘培60秒，由此得到有机膜9。在此，烘培温度优选为90℃～160℃。
平坦化用实施例1所述的装置、研磨布、荷重、转数进行，使用上述浆料2(含有平均粒径为200nm的PST类粒子和分子量为120000的聚乙烯吡咯烷酮)作为CMP浆料。
在此，将有机膜9削去200nm，在不露出第2硬掩膜6(SiN膜)时停止研磨。此时，研磨时间为2分钟左右，可以将对于宽3000nm的布线沟图案8a的挖沟抑制在小于20nm。在此，用于实现抗蚀剂切削厚度的研磨时间的确定，可以通过如下方法进行：监测研磨台的转矩电流的方法，或由台内面向晶片照射光来直接测定膜厚的方法。
其后，不涂布第2有机膜11，在300℃进行60秒的强烘培之后，在有机膜9上直接依次形成作为中间层13的SOG膜和抗蚀剂膜14。中间层13和抗蚀剂膜14的膜厚分别与实施例1相同。
其后，介由具有规定的导通孔图案的曝光掩膜，通过ArF受激准分子激光器对抗蚀剂膜14进行曝光。此时，以CMP进行的有机膜的平坦化为起因，在形成宽3000nm的布线图案8a中的导通孔时的焦点错误被抑制在20nm以下。根据本实施例，其结果可以显著提高图案的大小偏差和收率。
2-11.实施例4
参照图13～图21，说明本实施例中的方法。在本实施例中，通过导入了用CMP进行的有机膜的平坦化的、使用ArF受激准分子激光器的三重硬掩膜法进行混合双重大马士革加工。
此外，本实施例中，使用上述的浆料1化学机械研磨第1有机膜9。
如图13所示，在形成元件(没有图示)的半导体基板20上形成第1铜布线层(没有图示)和蚀刻阻止膜1之后，依次形成有机系绝缘膜4和含有无机材料的第1硬掩膜5、第2硬掩膜6。蚀刻阻止膜、有机系绝缘膜、含有无机材料的硬掩膜可以使用上述实施例1中所述的材料。
本实施例中，作为第1硬掩膜5，使用通过CVD法形成的硅烷类SiO₂膜，作为第2硬掩膜6，使用SiN膜。在此，第1硬掩膜5和第2硬掩膜6的膜厚分别为145nm和50nm。其后，作为第3硬掩膜7，可以通过CVD法将TEOS类SiO₂膜形成膜厚为50nm。
在第3硬掩膜7上形成抗蚀剂图案(没有图示)，使用C₄F₈/CO/Ar气体，对该第3硬掩膜7进行干蚀刻，如图13所示，形成作为凹部的布线沟图案8a和8b。布线沟图案8a和8b的宽分别为3000nm和90nm。
在形成第3硬掩膜7时，与干蚀刻相比，三重硬掩膜法可以提高与第2硬掩膜6的选择比，因此能够减少第2硬掩膜6过度蚀刻的量。因此，通过上述双重硬掩膜法可以进一步减少硬掩膜的高低差别，可以稍微抑制以此为起因的导通孔形成时的焦点错误。
在此基础上，导入本发明所述的有机膜的CMP法，由此可以显著改善平坦性，可以大为减少以硬掩膜高低差别为起因的焦点错误。
形成布线图案8a、8b后，通过涂布形成第1有机膜9，如图14所示，通过CMP法将第1有机膜9平坦化。第1有机膜9是涂布以热塑性酚醛树脂为主成分的抗蚀剂(商品名：IX370G、JSR(株)制造)，形成膜厚300nm的涂布膜来形成的。通过对其在130℃下进行弱烘培60秒，得到第1有机膜9。
平坦化用实施例1所述的装置、研磨布、CMP浆料、荷重、转数进行。此时，对宽3000nm的布线沟图案8a的碟形凹陷可以抑制在小于20nm。
进而，涂布CT01形成第2有机膜11，得到含有第1有机膜9和第2有机膜11的下层膜12。接着，如图15所示，依次形成作为中间层13的SOG膜和抗蚀剂膜14。在此，以300nm的厚度形成第2有机膜11。此外，中间层13和抗蚀剂膜14的膜厚分别为45nm和200nm。
其后，通过ArF受激准分子激光器对抗蚀剂膜14进行曝光。此时，以CMP进行的平坦化为起因，在形成宽3000nm的布线图案8a和宽90nm的布线沟图案8b中的导通孔时的焦深损失被抑制在20nm以下，可以减少焦点错误。
在图16的曲线中，显示了布线宽与焦深损失(焦点错误)之间的关系。本实施例的结果用实线a表示。由图16可知，焦深损失与布线宽无关，几乎是一定的。根据本实施例，其结果可以显著提高图案的大小偏差和收率。图16中的虚线b是对通过以往方法形成的抗蚀剂膜进行曝光的情况，对此在后叙述。
用显影液将曝光后的抗蚀剂膜14显影后，得到抗蚀剂图案(没有图示)，以其作为蚀刻掩膜，通过CHF₃/O₂气体加工中间层13。进而，通过NH₃/O₂/CH₄气体加工下层膜12，利用O₂研磨加工来剥离抗蚀剂图案。
以形成图案的中间层13和下层膜12(没有图示)为掩膜，干蚀刻第2硬掩膜6和第1硬掩膜5，由此，如图17所示，形成接续孔15。蚀刻气体使用CHF₃/Ar/O₂气体。加工第1硬掩膜5时，中间层13被除去。进而，使用NH₃气体进行干蚀刻，在第2有机系绝缘膜3上用于蚀刻形成接续孔15。下层膜12在加工第2有机系绝缘膜3时被除去。
接着，使用CH₂F₂/CF₄/Ar/O₂气体进行干蚀刻，如图18所示，在第2硬掩膜6上形成布线沟图案8。如图18所示，此时的接续孔15被不断挖至第1有机系绝缘膜2中。接着，使用C₅F₈/Ar/O₂气体来除去第3硬掩膜7，并且如图19所示，在第1硬掩膜5上形成布线沟16。此时，接续孔15到达蚀刻阻止膜1。这样，通过2阶段的加工工序，在第1有机系绝缘膜2上形成接续孔15。这从能够确实地贯穿接续孔15的角度出发是有利的，是三重硬掩膜法的优点。
接着，使用NH₃气体进行干蚀刻，如图20所示，在第2有机系绝缘膜3上形成布线沟16。最后，如图21所示，使用CH₂F₂/CF₄/Ar/O₂气体除去第2硬掩膜6。此时，接续孔15底部的蚀刻阻止膜1也被除去。
其后，在接续孔15和布线沟16的凹部的内面形成屏蔽层(没有图示)，在凹部内埋入Cu(没有图示)之后，除去作为第1硬掩膜5的氧化硅膜上多余的Cu膜和屏蔽层。如此，在凹部内形成Cu大马士革布线，形成混合双重大马士革布线。
本实施例中，在第1有机膜9上进一步形成第2有机膜11而多层化之前，通过CMP将该第1有机膜9平坦化。根据本实施例，其结果可以将曝光时的焦深损失抑制在20nm以下，可以显著提高图案的大小偏差和收率。
2-12.比较例8
本比较例中，通过不进行下层膜的平坦化的以往方法形成混合双重大马士革布线。
首先，通过上述方法得到图13所示的结构之后，如图22所示，在第3硬掩膜7上依次形成下层膜12、含有SOG的中间层13和抗蚀剂膜14。如上所述，在第3硬掩膜7上设有宽3000nm的布线沟图案8a和宽90nm的布线沟图案8b。下层膜12是第3硬掩膜7上沉积的第1有机膜9本身，不进行平坦化地形成该下层膜12，下层膜12的膜厚为300nm。下层膜12的膜厚如此薄时，不能缓和硬掩膜高低差别。
如图22所示，宽3000nm的布线沟图案8a上的下层膜12的膜厚薄于宽90nm的布线沟图案8b上的下层膜12的膜厚，其差为40nm左右。这必然使焦深降低，进而成为大小偏差、收率降低的原因。
接着，介由规定的曝光掩膜，通过ArF受激准分子激光器对抗蚀剂膜14实施曝光。将此时的布线沟图案的宽(布线宽)与焦深损失之间的关系在图16中以虚线b示出。宽3000nm的布线沟图案8a的焦深损失为40nm。
2-13.实施例5
本实施例中，通过导入了用CMP进行的有机膜的平坦化的、使用ArF受激准分子激光器的三重硬掩膜法进行混合双重大马士革加工。
此外，本实施例中，使用上述的浆料4化学机械研磨第1有机膜9。
根据本实施例4所述的方法，在第3硬掩膜7上形成布线沟图案8a、8b，通过涂布形成第1有机膜9，通过CMP法将第1有机膜9平坦化。
本实施例中，除了使用浆料4作为CMP浆料之外，用实施例1所述的装置、研磨布、荷重、转数进行第1有机膜9的平坦化。也就是说，本实施例中，使用将平均粒径为100nm的交联苯乙烯丙烯酸类粒子以1.67重量％的浓度分散在纯水中，并以0.33重量％添加分子量为17600的聚乙烯醇而得到的浆料作为CMP浆料。
本实施例中，使用浆料4进行研磨，直到第3硬掩膜7(SiN膜)露出为止，其结果可以将对于宽3000nm的布线沟图案8a的挖沟抑制在小于10nm。
进而，与实施例1相同，涂布CT01作为第2有机膜11，得到含有第1有机膜9和第2有机膜11的下层膜12。接着，依次形成作为中间层13的SOG膜和抗蚀剂膜14。第2有机膜11、中间层13和抗蚀剂膜14的膜厚分别与上述实施例1相同。
其后，介由具有规定的孔图案的曝光掩膜，通过ArF受激准分子激光器对抗蚀剂膜14进行曝光。此时，以CMP进行的平坦化为起因，在形成宽3000nm的布线图案8a中的孔时的焦点错误被抑制在20nm以下。其结果可以显著提高图案的大小偏差和收率。
2-14.实施例6
本实施例中，通过导入了用CMP进行的有机膜的平坦化的、使用ArF受激准分子激光器的三重硬掩膜法进行混合双重大马士革加工。
首先，根据本实施例4中所述的方法，在第3硬掩膜7上形成布线沟图案8a、8b，通过涂布形成第1有机膜9，通过CMP法将第1有机膜9平坦化。
第1有机膜9的平坦化用实施例1中所述的装置、研磨布、荷重、转数进行，但在本实施例中，使用平均粒径为200nm的PST类粒子和分子量为17600的聚乙烯醇作为CMP浆料，将它们在研磨布上混合后进行研磨。
在通常的CMP工艺中，用浆料进行研磨之后，为了除去附着于研磨布或晶片表面的浆料或切削渣等，用纯水进行研磨(水抛光)数秒～数十秒。但是，在低温下烘培的有机膜非常脆弱，用水抛光来进行研磨，由此使碟形凹陷扩大。因此，在低温下烘培的有机膜的CMP中，从确保平坦性的观点出发，优选不进行水抛光。
另一方面，排除水抛光的情况，如上所述，除去研磨布上或晶片表面附着的浆料或切削渣等成为问题。只要使用聚合物粒子作为研磨粒子，则即使有机膜的切削渣或聚合物粒子在有机膜上有残留，在后续工序的蚀刻工序和研磨加工工序中也会被除去。但是，这些残留粉屑在CMP后立即进行的第2有机膜11的涂布工序、或者上述实施例的SOG涂布工序中，可以成为刮痕的原因。
这种情况下，为了除去这些残留粉屑，用浆料进行研磨之后，用高浓度的聚乙烯醇代替水抛光来进行抛光是有效的。也就是说，聚乙烯醇保护有机膜的表面，因此能够抑制碟形凹陷的形成，并且还具有洗涤效果，因此有效地除去残留粉屑。
因此，在本实施例中，首先，为了进行使用了浆料的第1有机膜9的研磨，使用上述浆料1所含有的平均粒径为200nm的PST类粒子的1重量％水溶液(1)和分子量为17600的聚乙烯醇的1重量％水溶液(2)，将它们在研磨布上混合。水溶液(1)和(2)的流量分别为250cc/min和50cc/min。使用与上述实施例1相同的研磨压力、转数，第1有机膜9的研磨速度为100nm/min。研磨速度可以根据聚合物粒子、水溶性高分子的浓度、流量、流量比例、分子量、材质等容易地控制。在该条件下，将膜厚300nm的第1有机膜9研磨3分钟。
其后，停止供给水溶液(1)，使用水溶液(2)以300cc/min将第1有机膜9研磨20秒。其间，几乎没有碟形凹陷。
其结果可以大幅度地减少残留粉屑，且可以确保第1有机膜9的平坦性。
进而，与实施例1相同，再次涂布CT01作为第2有机膜11，得到含有第1有机膜9和第2有机膜11的下层膜12。接着，依次形成作为中间层13的SOG膜和抗蚀剂膜14。第2有机膜11、中间层13和抗蚀剂膜14的膜厚分别与实施例1相同。
其后，介由具有规定的孔图案的曝光掩膜，通过ArF受激准分子激光器对抗蚀剂膜14进行曝光。此时，以CMP进行的平坦化为起因，在形成宽3000nm的布线沟图案8a中的孔时的焦点错误被抑制在20nm以下。本实施例中，其结果可以显著提高图案的大小偏差和收率。
表1