JP2001332516A

JP2001332516A - Ｃｍｐ研磨剤及び基板の研磨方法

Info

Publication number: JP2001332516A
Application number: JP2000148537A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Omori; 義和大森
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2001-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】酸化珪素膜の研磨を高平坦、高速に行うこと
ができ、かつ安定性が高く、プロセス管理も容易に行う
ことができ、シャロー・トレンチ分離用絶縁膜の平坦化
に好適なＣＭＰ研磨剤及び酸化珪素膜の研磨を高平坦、
高速に行うことができ、かつかつ安定性が高く、プロセ
ス管理も容易に行うことができ、シャロー・トレンチ分
離用絶縁膜の平坦化に好適な基板の研磨方法を提供す
る。【解決手段】酸化セリウム粒子、分散剤、ポリビニル
ピロリドン及び水を含む半導体絶縁膜用ＣＭＰ研磨剤並
びに研磨する膜を形成した基板を研磨定盤の研磨布に押
し当て、前記ＣＭＰ研磨剤を研磨膜と研磨布との間に供
給しながら基板と研磨定盤を相対的に移動させて研磨す
る膜を研磨する基板の研磨方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子製造技
術である基板表面の平坦化工程、特に、シャロー・トレ
ンチ分離の形成工程において使用されるＣＭＰ研磨剤及
びこれらＣＭＰ研磨剤を使用した基板の研磨方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】現在の超々大規模集積回路では、実装密
度を高める傾向にあり、種々の微細加工技術が研究、開
発されている。既に、デザインルールは、サブハーフミ
クロンのオーダーになっている。このような厳しい微細
化の要求を満足するために開発されている技術の一つに
ＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシング）技術があ
る。この技術は、半導体装置の製造工程において、露光
を施す層を完全に平坦化し、露光技術の負担を軽減し、
歩留まりを安定させることができるため、例えば、層間
絶縁膜、ＢＰＳＧ膜の平坦化、シャロー・トレンチアイ
ソレーション分離等を行う際に必須となる技術である。

【０００３】従来、半導体装置の製造工程において、プ
ラズマ−ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition、化学的
蒸着法）、低圧−ＣＶＤ等の方法で形成される酸化珪素
絶縁膜等無機絶縁膜層を平坦化するためのＣＭＰ研磨剤
として、フュームドシリカ系の研磨剤が一般的に検討さ
れてきた。フュームドシリカ系の研磨剤は、シリカ粒子
を四塩化珪酸に熱分解する等の方法で粒成長させ、pH調
整を行って製造している。しかしながら、このような研
磨剤は無機絶縁膜の研磨速度が十分な速度を持たず、実
用化には低研磨速度という技術課題があった。

【０００４】デザインルール０．５μｍ以上の世代で
は、集積回路内の素子分離にＬＯＣＯＳ（シリコン局所
酸化）が用いられていた。その後さらに加工寸法が微細
化すると素子分離幅の狭い技術が要求され、シャロー・
トレンチ分離が用いられつつある。シャロー・トレンチ
分離では、基板上に成膜した余分の酸化珪素膜を除くた
めにＣＭＰが使用され、研磨を停止させるために、酸化
珪素膜の下に研磨速度の遅いストッパ膜が形成される。
ストッパ膜には窒化珪素などが使用され、酸化珪素膜と
ストッパ膜との研磨速度比が大きいことが望ましい。

【０００５】一方、フォトマスクやレンズ等のガラス表
面研磨剤として、酸化セリウム研磨剤が用いられてい
る。酸化セリウム粒子はシリカ粒子やアルミナ粒子に比
べ硬度が低く、したがって、研磨表面に傷が入りにくい
ことから、仕上げ鏡面研磨に有用である。しかしなが
ら、ガラス表面研磨用酸化セリウム研磨剤にはナトリウ
ム塩を含む分散剤を使用しているため、そのまま半導体
用研磨剤として適用することはできない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】請求項１〜４記載の発
明は、酸化珪素膜の研磨を高平坦、高速に行うことがで
き、かつ安定性が高く、プロセス管理も容易に行うこと
ができ、シャロー・トレンチ分離用絶縁膜の平坦化に好
適なＣＭＰ研磨剤を提供するものである。請求項５〜６
記載の発明は、酸化珪素膜の研磨を高平坦、高速に行う
ことができ、かつかつ安定性が高く、プロセス管理も容
易に行うことができ、シャロー・トレンチ分離用絶縁膜
の平坦化に好適な基板の研磨方法を提供するものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、酸化セリウム
粒子、分散剤、ポリビニルピロリドン及び水を含むＣＭ
Ｐ研磨剤に関する。また、本発明は、ポリビニルピロリ
ドン添加量が、酸化セリウム粒子１００重量部に対して
１〜４００重量部である前記のＣＭＰ研磨剤に関する。
また、本発明は、ポリビニルピロリドンの重量平均分子
量が１０，０００〜上１，２００，０００である前記の
ＣＭＰ研磨剤に関する。また、本発明は、pHが６．５〜
１０である前記のＣＭＰ研磨剤に関する。

【０００８】また、本発明は、研磨する膜を形成した基
板を研磨定盤の研磨布に押し当て、前記のＣＭＰ研磨剤
を研磨膜と研磨布との間に供給しながら基板と研磨定盤
を相対的に移動させて研磨する膜を研磨する基板の研磨
方法に関する。また、本発明は、研磨する膜が、研磨す
る膜の下地凹凸段差の１．０〜１．２倍である膜厚を有
する前記の基板の研磨方法に関する。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明における酸化セリウム粒子
は、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、しゅう酸塩のセリウム化
合物を酸化することによって得られる。酸化は、例え
ば、焼成（３５０〜９００℃）や過酸化水素等の使用に
より行える。酸化して得られた酸化セリウム粒子は通常
凝集しているため、機械的に粉砕することが好ましい。
粉砕方法として、ジェットミル等による乾式粉砕や遊星
ビーズミル等により湿式粉砕法が好ましい。ジェットミ
ルは、例えば化学工業論文集第６巻第５号(1980)527〜5
32頁に説明されている。

【００１０】酸化セリウム粒子の結晶子径は、高速研
磨、傷を少なくする点から、５〜３００nmであることが
好ましい。また、半導体チップ研磨に使用することか
ら、アルカリ金属及びハロゲン類の含有率は酸化セリウ
ム粒子中１０ppm以下に抑えることが好ましい。

【００１１】本発明のＣＭＰ研磨剤の酸化セリウム粒子
の濃度は、取り扱いやすさから、０．５〜２０重量％の
範囲が好ましい。

【００１２】本発明の分散剤としては、例えば、共重合
成分としてアクリル酸アンモニウム塩を含む高分子分散
剤、水溶性陰イオン性分散剤、水溶性非イオン性分散
剤、水溶性陽イオン性分散剤、水溶性両性分散剤等が挙
げられる。こららは、単独で又は２種以上を組み合わせ
て使用できる。

【００１３】上記共重合成分としてアクリル酸アンモニ
ウム塩を含む高分子分散剤としては、例えば、ポリアク
リル酸アンモニウム、アクリル酸アルキルとアクリル酸
との共重合体のアンモニウム塩等が挙げられ、水溶性陰
イオン性分散剤としては、例えば、ラウリル硫酸トリエ
タノールアミン、ラウリル硫酸アンモニウム、ポリオキ
シエチレンアルキルエーテル硫酸トリエタノールアミン
等が挙げられ、水溶性非イオン性分散剤としては、例え
ば、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシ
エチレンセチルエーテル、ポリオキシエチレンステアリ
ルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポ
リオキシエチレンエン高級アルコールエーテル、ポリオ
キシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエ
チレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシアルキレン
アルキルエーテル、ポリオキシエチレン誘導体、ポリオ
キシエチレンソルビタンモノラウレート、ポリオキシエ
チレンソルビタンモノパルミテート、ポリオキシエチレ
ンスルビタンモノステアレート、ポリオキシエチレンソ
ルビタントリステアレート、ポリオキシエチレンソルビ
タンモノオレート、ポリオキシエチレンソルビタントリ
オレエート、テトラオレイン酸ポリオキシエチレンソル
ビット、ポリエチレングリコールモノラウレート、ポリ
エチレングリコールモノステアレート、ポリエチレング
リコールジステアレート、ポリエチレングリコールモノ
オレエート、ポリオキシエチレンアルキルアミン、ポリ
オキシエチレン硬化ヒマシ油、アルキルアルカノールア
ミド等が挙げられ、水溶性陽イオン性分散剤としては、
例えば、ポリビニルピロリドン、ココナットアミンアセ
テート、ステアリンアミンアセテート等が挙げられ、水
溶性両性分散剤としては、例えば、ラウリルベタイン、
ステアリルベタイン、ラウリルジメチルアミンオキサイ
ド、２−アルキル−Ｎ−カルボキシメチル−Ｎ−ヒドロ
キシルエチルイミダゾリニウムベタイン等が挙げられ
る。

【００１４】これらの分散剤添加量は、分散性、沈降防
止、研磨傷等の点から、酸化セリウム粒子１００重量部
に対して、０．０１〜２．０重量部の範囲が好ましい。

【００１５】分散剤の重量平均分子量（ゲルパーミエー
ションクロマトグラフにより測定し標準ポリスチレン換
算した値、以下も同じ）は、１００〜５０，０００が好
ましく、１，０００〜１０，０００がより好ましい。分
散剤の重量平均分子量が１００未満の場合は、酸化珪素
膜あるいは窒化珪素膜を研磨するときに、研磨速度が不
充分となる傾向があり、分散剤の重量平均分子量が５
０，０００を超えた場合は、粘度が高くなり、ＣＭＰ研
磨剤の保存安定性が低下する傾向がある。

【００１６】酸化セリウム粒子を水中に分散させる方法
としては、通常の攪拌機による分散処理の他に、ホモジ
ナイザー、超音波分散機、湿式ボールミル等を用いるこ
とができる。

【００１７】ＣＭＰ研磨剤中の酸化セリウム粒子の平均
粒径は、０．０１〜１．０μｍであることが好ましい。
酸化セリウム粒子の平均粒径が０．０１μｍ未満である
と研磨速度が低くなりすぎる傾向があり、１．０μｍを
超えると研磨する膜に傷がつきやすくなる傾向がある。

【００１８】本発明のＣＭＰ研磨剤には、ポリビニルピ
ロリドンが含まれる。ポリビニルピロリドン添加量は、
酸化セリウム粒子１００重量部に対して、１〜４００重
量部の範囲が好ましく、１〜１００重量部の範囲がより
好ましく、１〜１０重量部の範囲が特に好ましい。１重
量部未満であると高平坦化特性が不充分となる傾向があ
り、４００重量部を超えると研磨速度が低下し、スルー
プットが低下する傾向がある。

【００１９】またポリビニルピロリドンの重量平均分子
量は、１０，０００〜１，２００，０００が好ましい。
１０，０００未満であると平坦化特性が不充分となる傾
向があり、２００，０００を超えると酸化セリウム粒子
が凝集しやすくなる傾向がある。

【００２０】本発明のＣＭＰ研磨剤は、酸化セリウム粒
子、分散剤、ポリビニルピロリドン及び水をほぼ一度に
混合して調整しこれを使用してもよいが、凝集による粒
径分布変化等の経時変化がないため、酸化セリウム粒
子、分散剤及び水からなる酸化セリウムスラリーと、ポ
リビニルピロリドン及び水からなる添加液とを別々に調
整しておいて、使用前にこれらを混ぜてＣＭＰ研磨剤を
作製することもできる。

【００２１】ＣＭＰ研磨剤で基板を研磨する際に、添加
液は、酸化セリウムスラリーと別途に研磨定盤上に供給
して研磨定盤上で混合するか、研磨直前に酸化セリウム
スラリーと混合してそれを供給するか、研磨直前より前
に予め酸化セリウムスラリーに混合しておきそれを研磨
定盤上に供給する方法がとられる。高平坦、高速研磨の
点から、ＣＭＰ研磨剤のpHは、６．５〜１０であること
が好ましい。

【００２２】本発明のＣＭＰ研磨剤により研磨できる無
機絶縁膜の作製方法として、低圧ＣＶＤ法、プラズマＣ
ＶＤ法等が挙げられる。

【００２３】低圧ＣＶＤ法による酸化珪素膜形成は、Ｓ
ｉ源としてモノシラン：ＳｉＨ₄、酸素源として酸素：
Ｏ₂を用いる。このＳｉＨ₄−Ｏ₂系酸化反応を４００℃
以下の低温で行わせることにより得られる。場合によっ
ては、ＣＶＤ後１０００℃またはそれ以下の温度で熱処
理される。高温リフローによる表面平坦化を図るために
リン：Ｐをドープするときには、ＳｉＨ₄−Ｏ₂−ＰＨ₃
系反応ガスを用いることが好ましい。

【００２４】プラズマＣＶＤ法は、通常の熱平衡下では
高温を必要とする化学反応が低温でできる利点を有す
る。プラズマ発生法には、容量結合型と誘導結合型の２
つが挙げられる。反応ガスとしては、Ｓｉ源としてＳｉ
Ｈ₄、酸素源としてＮ₂Ｏを用いたＳｉＨ₄−Ｎ₂Ｏ系ガス
とテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）をＳｉ源に用いた
ＴＥＯＳ−Ｏ₂系ガス（ＴＥＯＳ−プラズマＣＶＤ法）
が挙げられる。基板温度は２５０℃〜４００℃、反応圧
力は６７〜４００Paの範囲が好ましい。このように、本
発明の酸化珪素膜にはリン、ホウ素等の元素がドープさ
れていても良い。

【００２５】同様に、低圧ＣＶＤ法による窒化珪素膜形
成は、Ｓｉ源としてジクロルシラン：ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、窒
素源としてアンモニア：ＮＨ₃を用いる。このＳｉＨ₂Ｃ
ｌ₂−ＮＨ₃系酸化反応を９００℃の高温で行わせること
により得られる。プラズマＣＤＶ法は、反応ガスとして
は、Ｓｉ源としてＳｉＨ₄、窒差源としてＮＨ₃を用いた
ＳｉＨ₄−ＮＨ₃系ガスが挙げられる。基板温度は３００
℃〜４００℃が好ましい。

【００２６】シャロー・トレンチ分離に本発明のＣＭＰ
研磨剤を使用するには、研磨する膜（酸化珪素膜）が、
研磨する膜の下地凹凸段差の１．０〜１．２倍である膜
厚を有することが好ましく、１．０〜１．１倍がより好
ましい。膜厚が下地凹凸段差の１．２倍を超えると、研
磨時間が極端に長くなり、スループットが低下傾向があ
る。

【００２７】また、研磨の停止制御が容易な点から、酸
化珪素膜研磨速度と窒化珪素研磨速度の比、酸化珪素研
磨速度／窒化珪素研磨速度が１０以上であることが好ま
しい。この比が１０未満では、酸化珪素研磨速度と窒化
珪素研磨速度の差が小さく、シャロー・トレンチ分離を
する際、所定の位置で研磨を停止することが困難となる
傾向がある。

【００２８】研磨装置としては、半導体基板を保持する
ホルダーと研磨布（パッド）を貼り付けた（回転数が変
更可能なモータ等を取り付けてある）定盤を有する一般
的な研磨装置が使用できる。研磨布としては、一般的な
不織布、発泡ポリウレタン、多孔質フッ素樹脂などが使
用でき、特に制限がない。また、研磨布にはＣＭＰ研磨
剤がたまるような溝加工を施すことが好ましい。研磨条
件に制限はないが、定盤の回転速度は半導体基板が飛び
出さないように２００min^-1以下の低回転が好ましく、
半導体基板にかける圧力は研磨後に傷が発生しないよう
に９．８×１０ ⁴Pa以下が好ましい。研磨している間、
研磨布にはスラリーをポンプ等で連続的に供給する。こ
の供給量に制限はないが、研磨布の表面が常にスラリー
で覆われていることが好ましい。

【００２９】研磨終了後の半導体基板は、流水中で良く
洗浄後、スピンドライヤ等を用いて半導体基板上に付着
した水滴を払い落としてから乾燥させることが好まし
い。

【００３０】本発明のＣＭＰ研磨剤は、半導体用基板等
の基板に形成された酸化珪素膜だけでなく、所定の配線
を有する配線板等の基板に形成された酸化珪素膜、ガラ
ス、窒化珪素等の無機絶縁膜、ポリシリコン、Ａｌ、Ｃ
ｕ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、Ｔａ、ＴａＮ等を主として含有
する膜、フォトマスク・レンズ・プリズム等の光学ガラ
ス、ＩＴＯ等の無機導電膜、ガラス及び結晶質材料で構
成される光集積回路・光スイッチング素子・光導波路、
光ファイバーの端面、シンチレータ等の光学用単結晶、
固体レーザ単結晶、青色レーザＬＥＤ用サファイヤ基
板、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡＳ等の半導体単結晶、磁気
ディスク用ガラス基板、磁気ヘッド等を研磨することが
できる。

【００３１】

【実施例】以下、実施例により本発明を説明する。

【００３２】実施例１（酸化セリウム粒子の作製）炭酸セリウム水和物２kgを
白金製容器に入れ、８００℃で２時間空気中で焼成する
ことにより黄白色の粉末を約１kg得た。この粉末をＸ線
回折法で相同定を行ったところ酸化セリウムであること
を確認した。焼成粉末粒子径は３０〜１００μｍであっ
た。焼成粉末粒子表面を走査型電子顕微鏡で観察したと
ころ、酸化セリウムの粒界が観察された。粒界に囲まれ
た酸化セリウム一次粒子径を測定したところ、体積分布
の中央値が１９０nm、最大値が５００nmであった。酸化
セリウム粉末１kgをジェットミルを用いて乾式粉砕を行
った。粉砕粒子について走査型電子顕微鏡で観察したと
ころ、一次粒子径と同等サイズの小さな粒子の他に、１
〜３μｍの大きな粉砕残り粒子と０．５〜１μｍの粉砕
残り粒子が混在していた。

【００３３】（酸化セリウムスラリーの作製）上記作製
の酸化セリウム粒子１kgとポリアクリル酸アンモニウム
塩水溶液（４０重量％）２３ｇと脱イオン水８９７７ｇ
を混合し、攪拌しながら超音波分散を１０分間施した。
得られたスラリーを１ミクロンフィルターでろ過をし、
さらに脱イオン水を加えることにより５重量％スラリー
を得た。スラリーpHは８．３であった。スラリー粒子を
レーザ回折式粒度分布計で測定するために、適当な濃度
に希釈して測定した結果、粒子径の中央値が１９０nmで
あった。

【００３４】上記の酸化セリウムスラリー（固形分：５
重量％）６００ｇと添加剤として重量平均分子量２５，
０００のポリビニルピロリドン水溶液（２重量％）２２
５ｇと脱イオン水２１７５ｇを混合して、界面活性剤を
添加した酸化セリウム研磨剤（固形分：１重量％）を作
製した。その研磨剤pHは８．２であった。また、研磨剤
中の粒子をレーザ回折式粒度分布計で測定するために、
適当な濃度に希釈して測定した結果、粒子径の中央値が
１９０nmであった。

【００３５】（シャロートレンチ分離用絶縁膜の研磨）
表面に１０nmの酸化珪素膜がついた直径２００mmＳｉ基
板上に、低圧ＣＶＤ法で窒化珪素膜を９０nm形成する。
この基板上にレジストを形成し、マスクを介して露光、
次いで現像して、６０×６０μｍのレジストのない部分
を形成する。次に、反応性イオンエッチングにより上記
基板のレジストのない部分の窒化珪素膜、酸化珪素膜、
珪素をエッチングしてトレンチを形成し、この後レジス
トを除去した。こうしてできたパターンウエハの凹凸段
差（トレンチ深さ）は３８０nmであった。

【００３６】このパターンウエハ上に、ＴＥＯＳ−プラ
ズマＣＶＤ法で、酸化珪素膜を凹凸段差の１．２倍であ
る４６０nm形成した。ウエハ取り付け用の吸着パッドを
貼り付けたホルダーに上記パターンウエハをセットし、
多孔質ウレタン樹脂製の研磨パッドを貼り付けた直径６
００mmの定盤上に絶縁膜面を下にしてホルダーを載せ、
さらに加工荷重３０kPaに設定した。定盤上に上記の酸
化セリウム研磨剤（固形分：１重量％）を２００ml/min
の速度で滴下しながら、定盤及びウエハをそれぞれ３５
min^-1及び３４min^-1で４分間回転させ酸化珪素膜を研磨
した。

【００３７】研磨後のウエハを純水で良く洗浄後、乾燥
した。干渉式膜厚測定装置を用いてトレンチ部分とそれ
以外の部分の膜厚を測定した。トレンチ部分の酸化珪素
膜厚は３４０nmであり、トレンチ以外の部分の酸化珪素
膜は、完全に研磨されて膜がなくなっており、下地の窒
化珪素膜厚は８７nmであった。したがって、研磨は、所
定の位置である窒化膜表面まで進行しており、トレンチ
部分の酸化膜表面は、窒化膜の下端より高い状態にあ
る。

【００３８】実施例２酸化珪素膜を凹凸段差の１．３倍である５００nm形成し
た以外は実施例１と同様に行い、干渉式膜厚測定装置を
用いてトレンチ部分とそれ以外の部分の膜厚を測定し
た。トレンチ部分の酸化珪素膜厚は３９０nmであり、ト
レンチ以外の部分の酸化珪素膜は、１２０nmであり、４
分間の研磨では、研磨は所定の位置である窒化膜表面ま
で進行しておらず、研磨時間をさらに３分間延長し、研
磨を、所定の位置である窒化膜表面まで進行させ、トレ
ンチ部分の酸化膜表面が、窒化膜の下端より高い状態に
あることを確認した。

【００３９】

【発明の効果】請求項１〜４記載のＣＭＰ研磨剤は、酸
化珪素膜の研磨を高平坦、高速に行うことができ、かつ
安定性が高く、プロセス管理も容易に行うことができ、
シャロー・トレンチ分離用絶縁膜の平坦化に好適なもの
である。請求項５〜６記載の基板の研磨方法は、酸化珪
素膜の研磨を高平坦、高速に行うことができ、かつかつ
安定性が高く、プロセス管理も容易に行うことができ、
シャロー・トレンチ分離用絶縁膜の平坦化に好適なもの
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ０９Ｋ 13/00 Ｃ０９Ｋ 13/00 Ｈ０１Ｌ 21/306 Ｈ０１Ｌ 21/306 Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化セリウム粒子、分散剤、ポリビニル
ピロリドン及び水を含む半導体絶縁膜用ＣＭＰ研磨剤。
【請求項２】ポリビニルピロリドン添加量が、酸化セ
リウム粒子１００重量部に対して１〜４００重量部であ
る請求項１記載のＣＭＰ研磨剤。
【請求項３】ポリビニルピロリドンの重量平均分子量
が１０，０００〜上１，２００，０００である請求項１
又は２記載のＣＭＰ研磨剤。
【請求項４】 pHが６．５〜１０である請求項１、２又
は３項記載のＣＭＰ研磨剤。
【請求項５】研磨する膜を形成した基板を研磨定盤の
研磨布に押し当て、請求項１、２、３又は４記載のＣＭ
Ｐ研磨剤を研磨膜と研磨布との間に供給しながら基板と
研磨定盤を相対的に移動させて研磨する膜を研磨する基
板の研磨方法。
【請求項６】研磨する膜が、研磨する膜の下地凹凸段
差の１．０〜１．２倍である膜厚を有する請求項５記載
の基板の研磨方法。