JP2001015461A - 研磨液および研磨方法 - Google Patents

研磨液および研磨方法

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JP2001015461A
JP2001015461A JP18391599A JP18391599A JP2001015461A JP 2001015461 A JP2001015461 A JP 2001015461A JP 18391599 A JP18391599 A JP 18391599A JP 18391599 A JP18391599 A JP 18391599A JP 2001015461 A JP2001015461 A JP 2001015461A
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polishing
wafer
particles
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pressing load
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Katsuiku Shiba
克育 柴
Hiroshi Kosukegawa
広志 小助川
Yoshikuni Tateyama
佳邦 竪山
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】CMPに際して、研磨粒子の分散性を向上さ
せ、ウエハ研磨速度をほぼ一定とし得る研磨液および研
磨方法を実現する。 【解決手段】純水中に研磨粒子が分散され、研磨粒子の
分散性を向上させるための界面活性剤が添加されてなる
研磨液を用いて、半導体ウエハ上に形成された膜のCM
Pを行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
に際して半導体ウエハ上の絶縁膜あるいは金属膜などを
化学機械研磨(CMP)法を用いて研磨する工程で使用
される研磨液および研磨方法に係り、特に研磨液の成分
および当該研磨液を用いた研磨方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】半導体ウエハ上の絶縁膜あるいは金属膜
をCMP法を用いて研磨する工程において、従来は、純
水中にシリカ粒子を重量比で数%分散させた研磨液(ス
ラリー液)を使用している。
【0003】ここで、それぞれ粒子濃度が異なる3種類
の従来の研磨液1、研磨液2、研磨液3を用いてCMP
法により研磨した場合について、ウエハ研磨速度の粒子
濃度とウエハ押し付け荷重とウエハ研磨速度との関係を
測定した結果を表1および図2に示す。
【0004】なお、試料としては、半導体ウエハ上の全
面に例えば800nmの厚さに形成されたアルミニウム
膜を用い、研磨液としては、一次粒子径が約10nmの
シリカ粒子を純水中に分散させた研磨液1、研磨液2、
研磨液3を用いた。
【0005】上記研磨液1は純水中にシリカ粒子を2.
5重量(wt)%分散させたもの、研磨液2は純水中に
シリカ粒子を5wt%分散させたもの、研磨液3は純水
中にシリカ粒子を7.5wt%分散させたものである。
【0006】
【表1】
【0007】図2から、ウエハ研磨速度のウエハ押し付
け荷重依存性には変極点が存在することが分かる。即
ち、研磨液1を用いた場合には、ウエハ押し付け荷重2
00(gf/cm2 )付近まではウエハ研磨速度がウエ
ハ押し付け荷重に比例して増加し、ウエハ押し付け荷重
が200(gf/cm2 )付近以上ではウエハ研磨速度
がほぼ一定となる。また、研磨液2を用いた場合には、
ウエハ押し付け荷重400(gf/cm2 )付近までは
ウエハ研磨速度がウエハ押し付け荷重に比例して増加
し、ウエハ押し付け荷重が400(gf/cm2 )付近
以上ではウエハ研磨速度がほぼ一定となる。なお、研磨
液3を用いた場合には、ウエハ押し付け荷重〜800
(gf/cm2 )付近まではウエハ研磨速度がウエハ押
し付け荷重に比例して増加するが、ウエハ押し付け荷重
がある程度以上ではウエハ研磨速度がほぼ一定となるも
のと思われる。
【0008】そこで、従来のCMPにおいては、ウエハ
研磨速度が一定となるように、ウエハ研磨速度のウエハ
押し付け荷重依存性の比例領域内でウエハ押し付け荷重
が一定となるように微妙に制御している。
【0009】しかし、ウエハ押し付け荷重のウエハ面内
分布の均一性を維持するようにウエハ押し付け荷重を制
御することは困難であり、ウエハ押し付け荷重のウエハ
面内分布が不均一であると、ウエハ研磨速度もウエハ押
し付け荷重のウエハ面内分布にしたがってウエハ面内分
布が不均一になってしまう。
【0010】ところで、前記したウエハ研磨速度のウエ
ハ押し付け荷重依存性に変極点が存在するメカニズムに
ついて、本願発明者は以下に説明するように考える。
【0011】図3は、CMPの様子を説明するために、
ウエハ30、ウエハホルダー31、研磨布32、研磨液
中の研磨粒子を拡大して概略的に示す断面図である。
【0012】純水中に研磨粒子を分散させると、最小粒
子径で存在する一次粒子33aの状態と、一次粒子が数
個凝集した二次粒子33bの状態との2種類の状態が存
在する。研磨は、研磨粒子がウエハ30の被研磨膜に接
触して被研磨膜表面を削りとりながら進行する。この
間、研磨液中の二次粒子33bは、ウエハ押し付け荷重
の増加につれて一次粒子33aの状態に分散し、研磨粒
子と被研磨膜との接触面積は増加するので、ウエハ研磨
速度はウエハ押し付け荷重に依存する。やがて、研磨液
中の粒子が全て一次粒子33aの状態に分散してしまう
と、研磨粒子と被研磨膜との接触面積は一定となり、ウ
エハ研磨速度も一定となる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
CMP用の研磨液を用いた研磨方法は、ウエハ押し付け
荷重のウエハ面内分布の均一性を維持するようにウエハ
押し付け荷重を制御することは困難であり、ウエハ押し
付け荷重のウエハ面内分布が不均一であると、ウエハ研
磨速度もウエハ押し付け荷重のウエハ面内分布にしたが
ってウエハ面内分布が不均一になってしまうという問題
があった。
【0014】本発明は上記の問題点を解決すべくなされ
たもので、CMPに際して、研磨粒子の分散性を向上さ
せることができ、研磨粒子が被研磨膜に接触して被研磨
膜表面を削りとりながら進行する時に研磨粒子と被研磨
膜との接触面積を一定とし、ウエハ研磨速度もほぼ一定
とし得る研磨液を提供することを目的とする。
【0015】また、本発明の他の目的は、CMPに際し
て、ウエハ研磨速度のウエハ押し付け荷重依存性のほぼ
平坦領域にウエハ押し付け荷重を設定することにより、
ウエハ押し付け荷重のウエハ面内分布が不均一であって
も、ウエハ研磨速度がほぼ一定になる研磨方法を提供す
ることにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明の研磨液は、純水
中に研磨粒子が分散され、前記研磨粒子の分散性を向上
させるための界面活性剤が添加されてなることを特徴と
する。
【0017】上記界面活性剤としては、PVP(ポリビ
ニルピロリドン)、セルロース、ヒドロキシプロピルセ
ルロース、ヒドロキシエチルセルロース、アルギン酸エ
チレングリコールのいずれか1つを使用することが可能
である。
【0018】また、本発明の研磨方法は、半導体ウエハ
上に形成された膜を化学機械研磨法を用いて研磨する工
程で本発明の研磨液を用いることを特徴とする。
【0019】上記半導体ウエハ上に形成された膜の材質
として、Al、SiON、SiOF、BPSG、PS
G、SiN、アモルファスSi、多結晶Si、W、T
i、TiN、Cu、Nb、NbN、Ta、TaN、Ru
のいずれかに適用可能である。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。
【0021】本発明に係る研磨液および研磨方法の第1
の実施の形態では、純水中に、一次粒子径が約10nm
のシリカ粒子を例えば7.5wt%分散させるとともに
研磨粒子の分散性を向上させるための界面活性剤として
PVP(ポリビニルピロリドン)を添加し、粒子濃度が
7.5wt%の研磨液を製造した。
【0022】なお上記粒子濃度が7.5wt%の研磨液
として、PVP添加量を変えてPVP濃度が例えば0.
1%、0.2%、0.3%、0.5%の4種類の研磨液
を製造した。
【0023】そして、試料として、半導体ウエハ上の全
面に例えば800nmの厚さに形成されたAl(アルミ
ニウム)膜を用い、前記4種類の研磨液を別々に用いて
それぞれCMPを行った。このCMPにおけるウエハ押
し付け荷重とウエハ研磨速度との関係を測定した結果を
表2および図1に示す。
【0024】
【表2】
【0025】なお、表2中および図1中には、比較のた
め、PVP濃度が0%の研磨液(従来例の研磨液3に相
当する)を用いてCMPを行った場合についても測定結
果を示している。
【0026】表2および図1によれば、PVPを添加し
た本発明の研磨液を使用した場合の特性は、図2中に示
した従来の研磨液3を使用した場合の特性と比べて、ウ
エハ押し付け荷重が小さい領域から大きい領域までの広
い範囲においてウエハ研磨速度がほぼ一定となることが
分かる。特に、PVP添加量を0.3%以上にすると、
ウエハ押し付け荷重が400(gf/cm2 )付近から
800(gf/cm2)付近までの広い範囲においてウ
エハ研磨速度がほぼ一定となることが分かる。
【0027】なお、ウエハ研磨速度がほぼ一定となるウ
エハ押し付け荷重の範囲は、研磨粒子、界面活性剤の種
類に依存する。
【0028】即ち、上記したような本発明の実施の形態
に係る研磨液は、純水中に、研磨粒子を分散させるとと
もに、研磨粒子の分散性を向上させるための界面活性剤
としてPVPを添加した。これにより、上記研磨液を用
いたウエハのCMPに際して、研磨粒子の分散性を向上
させることができ、研磨粒子が被研磨膜に接触して被研
磨膜表面を削りとりながら進行する時、研磨粒子の殆ん
どが全てが一次粒子の状態に分散して存在する。
【0029】したがって、CMPが進行する時、研磨粒
子と被研磨膜との接触面積は大きく、かつ一定となり、
ウエハ研磨速度も一定となる。この場合、ウエハ研磨速
度はウエハ押し付け荷重に殆んど依存しなくなり、ウエ
ハ押し付け荷重が小さい領域から大きい領域までの広い
範囲において研磨粒子とウエハ研磨速度がほぼ一定とな
ることが確認された。
【0030】換言すれば、上記したような本発明の実施
の形態に係る研磨液を用いた研磨方法によれば、従来の
ようにウエハ研磨速度がほぼ一定となるようにウエハ研
磨速度のウエハ押し付け荷重依存性の比例領域内でウエ
ハ押し付け荷重が一定となるように微妙に制御しなくて
も、ウエハ押し付け荷重が小さい領域から大きい領域ま
での広い範囲においてウエハ研磨速度がほぼ一定とな
る。
【0031】つまり、ウエハ押し付け荷重のウエハ面内
分布が不均一であったとしても、ウエハ押し付け荷重を
広い範囲内で維持するように制御するだけで、ウエハ押
し付け荷重のウエハ面内分布に関係なくウエハ研磨速度
をほぼ一定とすることが可能になる。結果として、ウエ
ハのCMPに際して、ウエハ面内の均一性を向上させる
ことができる。
【0032】なお、本発明の研磨液は、研磨粒子の分散
性を向上させるために添加する界面活性剤として、前記
PVPに限らず、セルロース、ヒドロキシプロピルセル
ロース、ヒドロキシエチルセルロース、アルギン酸エチ
レングリコールのいずれか1つを使用することが可能で
ある。
【0033】また、本発明の研磨方法は、被研磨膜とし
て、前記Al膜に限らず、SiON、SiOF、BPS
G、PSG、SiN、α(アモルファス)−Si、多結
晶Si、W、Ti、TiN、Cu、Nb、NbN、T
a、TaN、Ruにも適用することが可能である。
【0034】なお、従来、CMPに際して、被研磨膜の
表面に付着させて表面の平坦性を向上させるための界面
活性剤を使用する場合はあったが、研磨粒子の分散性を
向上させるための界面活性剤は使用されていなかった。
【0035】
【発明の効果】上述したように本発明の研磨液によれ
ば、CMPに際して、研磨粒子の分散性を向上させるこ
とができ、研磨粒子が被研磨膜に接触して被研磨膜表面
を削りとりながら進行する時に研磨粒子と被研磨膜との
接触面積を一定とし、ウエハ研磨速度もほぼ一定とする
ことができる。
【0036】また、本発明の研磨方法によれば、CMP
に際して、ウエハ研磨速度のウエハ押し付け荷重依存性
のほぼ平坦領域にウエハ押し付け荷重を設定することに
より、ウエハ押し付け荷重のウエハ面内分布が不均一で
あっても、ウエハ研磨速度をほぼ一定にすることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る研磨液を用いてCM
Pを行った場合について研磨液のPVP濃度をパラメー
タとして、ウエハ研磨速度のウエハ押し付け荷重依存性
を測定した結果を示す図。
【図2】粒子濃度が異なる3種類の従来の研磨液1、研
磨液2、研磨液3を用いてCMP法により研磨した場合
についてウエハ研磨速度の研磨粒子濃度とウエハ押し付
け荷重とウエハ研磨速度との関係を測定した結果を示す
特性図。
【図3】CMPの様子を説明するために、研磨布、ウエ
ハ、ウエハホルダー、研磨粒子を拡大して概略的に示す
断面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竪山 佳邦 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Fターム(参考) 3C058 AA07 AC04 CB01 DA02 DA17

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 純水中に研磨粒子が分散され、前記研磨
    粒子の分散性を向上させるための界面活性剤が添加され
    てなることを特徴とする研磨液。
  2. 【請求項2】 前記界面活性剤として、ポリビニルピロ
    リドン、セルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、
    ヒドロキシエチルセルロース、アルギン酸エチレングリ
    コールのいずれか1つが使用されることを特徴とする請
    求項1記載の研磨液。
  3. 【請求項3】 半導体ウエハ上に形成された膜を化学機
    械研磨法を用いて研磨する際、請求項1または2記載の
    研磨液を用いて研磨することを特徴とする研磨方法。
  4. 【請求項4】 前記半導体ウエハ上に形成された膜の材
    質は、Al、SiON、SiOF、BPSG、PSG、
    SiN、アモルファスSi、多結晶Si、W、Ti、T
    iN、Cu、Nb、NbN、Ta、TaN、Ruのいず
    れかであることを特徴とする請求項3記載の研磨方法。
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