JP2001358100A - Cmp研磨剤及び基板の研磨方法 - Google Patents

Cmp研磨剤及び基板の研磨方法

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JP2001358100A
JP2001358100A JP2000177702A JP2000177702A JP2001358100A JP 2001358100 A JP2001358100 A JP 2001358100A JP 2000177702 A JP2000177702 A JP 2000177702A JP 2000177702 A JP2000177702 A JP 2000177702A JP 2001358100 A JP2001358100 A JP 2001358100A
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cerium oxide
water
oxide particles
film
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Koji Haga
浩二 芳賀
Keizo Hirai
圭三 平井
Takashi Sakurada
剛史 櫻田
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Hitachi Chemical Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸化珪素膜絶縁膜等の被研磨面を傷なく高速
に研磨でき、酸化珪素膜と窒化珪素膜の研磨速度比が高
く(高選択性がある)、高平坦化が可能なCMP研磨剤
及び酸化珪素膜絶縁膜等の被研磨面を傷なく高速に研磨
でき、酸化珪素膜と窒化珪素膜の研磨速度比が高く、高
平坦化が可能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、アニオン系
水溶性高分子及び水を含むCMP研磨剤において、酸化
セリウム粒子のζ電位が−250〜−120mVであるC
MP研磨剤並びに研磨する膜を形成した基盤を研磨定盤
と研磨布に押し当て加圧し、前記CMP研磨剤を研磨膜
と研磨布との間に供給しながら、基盤と研磨定盤を動か
して研磨する基盤の研磨方法。

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
チ分離の形成工程等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
絶縁膜の平坦化、シャロー・トレンチ分離等を行う際に
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
れていた。しかし、フュームドシリカ系の研磨剤は、無
機絶縁膜の研磨速度が充分な速度をもたない。また、研
磨傷も多く酸化珪素膜と窒化珪素膜の研磨速度比が小さ
いという技術課題があった。
【0004】従来の層間絶縁膜を平坦化するCMP技術
では、研磨速度の基板上被研磨膜のパターン依存性が大
きく、パターン密度差或いはサイズ差の大小により凸部
の研磨速度が大きく異なり、また凹部の研磨も進行して
しまうため、ウエハ面内全体での高いレベルの平坦化を
実現することができないという技術課題があった。
【0005】また、層間膜を平坦化するCMP技術で
は、層間膜の途中で研磨を終了する必要があり、研磨量
の制御を研磨時間で行うプロセス管理方法が一般的に行
われている。しかし、パターン段差形状の変化だけでな
く、研磨布の状態等でも、研磨速度が顕著に変化してし
まうため、プロセス管理が難しいという問題があった。
【0006】近年の集積回路内の素子分離で主流となり
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。従来のフュームドシリカ系の
研磨剤は、上記の酸化珪素膜とストッパ膜の研磨速度比
が3程度と小さい。また、研磨傷も多く発生するため、
シャロー・トレンチ分離用としては実用に耐える特性を
有していなかった。
【0007】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
べ硬度が低くいため、被研磨膜表面に傷が入りにくく、
また研磨速度が高い。しかしながら、これまで高研磨速
度比及び高平坦化を実現する半導体用酸化セリウム研磨
剤はなかった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】請求項1〜5記載の発
明は、酸化珪素膜絶縁膜等の被研磨面を傷なく高速に研
磨でき、酸化珪素膜と窒化珪素膜の研磨速度比が高く
(高選択性がある)、高平坦化が可能なCMP研磨剤を
提供するものである。請求項6記載の発明は、酸化珪素
膜絶縁膜等の被研磨面を傷なく高速に研磨でき、酸化珪
素膜と窒化珪素膜の研磨速度比が高く、高平坦化が可能
な基板の研磨方法を提供するものである。
【0009】
【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、アニオン系水溶性高分子及び水を含むC
MP研磨剤において、酸化セリウム粒子のζ電位が−2
50〜−120mVであるCMP研磨剤に関する。また、
本発明は、酸化セリウム粒子、分散剤、アニオン系水溶
性高分子及び水を含むCMP研磨剤において、アニオン
系水溶性高分子と酸化セリウム粒子が水素結合を介し付
着している前記CMP研磨剤に関する。
【0010】また、本発明は、酸化セリウム粒子、分散
剤、アニオン系水溶性高分子及び水を含むCMP研磨剤
が、酸化セリウム粒子、分散剤及び水を含む液A及びア
ニオン系水溶性高分子と水を含む液Bの混合液である前
記CMP研磨剤に関する。また、本発明は、酸化セリウ
ム粒子、分散剤及び水を含む液Aにおいて、酸化セリウ
ム粒子のζ電位が−100〜0mVである前記CMP研磨
剤に関する。また、本発明は、酸化セリウム粒子、分散
剤及び水を含む液Aにおいて分散剤を加える前の酸化セ
リウム粒子のζ電位が0〜30mVである前記CMP研磨
剤に関する。
【0011】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あて加圧し、上記の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
研磨定盤を動かして研磨する膜を研磨する基盤の研磨方
法に関する。
【0012】
【発明の実施の形態】一般に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。TEOS−CVD法等で
形成される酸化珪素膜の研磨に使用する酸化セリウム粒
子は、その製造方法を限定するものではないが、酸化セ
リウム結晶子径は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10
ppm以下に抑えることが好ましい。
【0013】本発明において、酸化セリウム粉末を作製
する方法として焼成又は過酸化水素等による酸化法が使
用できる。焼成温度は350〜900℃が好ましい。上
記の方法により製造された酸化セリウム粒子は凝集して
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
ル等による湿式粉砕方法が好ましい。ジェットミルは例
えば化学工業論文集第6巻第5号(1980)527〜532頁に説
明されている。
【0014】本発明におけるCMP研磨剤は、例えば、
酸化セリウム粒子と分散剤及び水を含む組成物に、アニ
オン系水溶性高分子を添加することによって得られる。
ここで、酸化セリウム粒子の濃度に制限はないが、分散
液の取り扱いやすさから0.5〜20重量%の範囲が好
ましい。
【0015】分散剤としては、例えば、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、これらは単独
で又は組み合わせて使用される。
【0016】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るが、後述するア
ニオン系水溶性高分子を用いてもよい。
【0017】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ソ
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
モノオレエート、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
ド等が挙げられる。
【0018】水溶性陽イオン性分散剤としては、例え
ば、ココナットアミンアセテート、ステアリルアミンア
セテート等が挙げられる。
【0019】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−ヒドロキシエチルイミダゾリニウムベタイン等
が挙げられる。
【0020】これらの分散剤の添加量は、分散性及び沈
降防止、さらに研磨傷低減の観点から、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。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。
【0021】本発明におけるアニオン系水溶性高分子と
しては、例えば、特殊ポリカルボン酸型高分子(アクリ
ル酸/アクリル酸メチル等のアクリル酸アルキルの共重
合体、アクリル酸の単独重合体、これらのアンモニウム
塩又はカリウム塩)、ポリビニルスルホン酸、ポリメタ
クリル酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアクリル酸、
ポリアクリル酸誘導体、ポリ(4−ビニルピリジニウム
塩)、ポリ(1−(3−スルホニル)−2−ビニルピリ
ジニウムベタイン−co−p−スチレンスルホン酸)、
ポリビニルアルコール誘導体、ポリアクロレイン、ポリ
(酢酸ビニル−co−メタクリル酸メチル)、ポリ(ス
チレン−co−無水マレイン酸)、ポリ(オレフィン−
co−無水マレイン酸)、ポリアクリルアミド部分加水
分解物、ポリ(アクリルアミド−co−アクリル酸)、
アルギン酸、ポリメタクリル酸メチル、これらのアンモ
ニウム塩又はカリウム塩などが挙げられる。
【0022】これらのアニオン系水溶性高分子の使用量
は、CMP研磨剤中の酸化セリウム粒子のζ電位の制御
性、選択研磨性、高平坦性等の観点から、酸化セリウム
粒子100重量部に対して、0.01〜1,000重量
部の範囲が好ましい。またアニオン系水溶性高分子の重
量平均分子量(ゲルパーミエーションクロマトグラフで
測定し、標準ポリスチレン換算した値)は、500〜5
0,000が好ましい。アニオン系水溶性高分子と酸化
セリウム粒子は、選択性、平坦性等の観点から、水素結
合を介し付着していることが好ましい。
【0023】本発明のCMP研磨剤のζ電位は、−25
0〜−120mVとされる。研磨中の酸化セリウム粒子の
ζ電位が−120mVを超えると充分な平坦性が得られ
ず、−250mV未満だと研磨速度が遅くなる。酸化セリ
ウム粒子のζ電位は−220〜−140mVが好ましく、
−200〜−150mVがより好ましい。
【0024】酸化セリウム粒子、分散剤及び水を含む液
Aと、アニオン系水溶性高分子及び水を含む液Bとを別
々に調整しておき、基板を研磨する際にこれらを混合し
て使用することにより酸化セリウム粒子とアニオン性水
溶性高分子の相対濃度を調節できる。
【0025】液Aにおいて、酸化セリウム粒子のζ電位
は、−100〜0mVであることが好ましい。0mVを超え
ると粒子の分散性が悪くなる傾向があり、−100mV未
満だと粒子は凝集する傾向がある。酸化セリウム粒子の
ζ電位は−20〜−100mVが好ましく、−40〜−9
0mVがより好ましい。液Aにおいて、高選択性、高平坦
性等の観点から、分散剤を加える前の酸化セリウム粒子
のζ電位は、0〜30mVであることが好ましい。
【0026】液Bは液Aと別々に研磨定盤上に供給し、
研磨定盤上で混合するか、研磨前に予め液Aと液Bとを
混合し、研磨定盤上に供給する方法がとられる。なお、
分散剤として水溶性陰イオン性分散剤のアニオン系水溶
性高分子を使用する場合は、本発明のCMP研磨剤は、
酸化セリウム粒子、アニオン系水溶性高分子及び水を含
むものと言うことができる。
【0027】本発明において基板としては、半導体基板
すなわち回路素子と配線パターンが形成された段階の半
導体基板、回路素子が形成された段階の半導体基板等の
半導体基板上に酸化珪素膜層あるいは窒化珪素膜層が形
成された基板が使用できる。
【0028】このような半導体基板上に形成された酸化
珪素膜層あるいは窒化珪素膜層を上記CMP研磨剤で研
磨することによって、酸化珪素膜層表面の凹凸を解消
し、半導体基板全面にわたって平滑な面とすることがで
きる。また、シャロー・トレンチ分離にも使用できる。
シャロー・トレンチ分離に使用するためには、酸化珪素
膜研磨速度と窒化珪素膜研磨速度の比、酸化珪素膜研磨
速度/窒化珪素膜研磨速度が大きいことが必要である。
この比が小さいと、酸化珪素膜研磨速度と窒化珪素膜研
磨速度の差が小さく、シャロー・トレンチ分離をする
際、窒化珪素膜を過剰研磨する恐れがある。本発明によ
る研磨剤を用いれば、窒化珪素膜上での研磨の停止が容
易になる。
【0029】本発明のCMP研磨剤は、半導体基板に形
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、Cu、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、Ga
P、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。
【0030】
【実施例】以下、実施例により本発明を説明する。
【0031】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
アルミナ製容器に入れ、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
い、酸化セリウム粒子を得た。
【0032】(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と分散剤としての重量平均分子
量10,000のポリアクリル酸アンモニウム塩水溶液
(固形分:40重量%)23gと脱イオン水8977g
を混合し、撹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
(液Aとする)を得た。
【0033】上記の液A50gにアニオン系水溶性高分
子としての重量平均分子量10,000のポリアクリル
酸アンモニウム塩(固形分:40重量%)112.5g
と脱イオン水1887.5gを混合して、酸化セリウム
粒子濃度1重量%、アニオン系水溶性高分子濃度1.8
重量%のCMP研磨剤を作製した。
【0034】(酸化セリウム粒子のζ電位の測定)酸化
セリウム粒子のζ電位はWyatt Technology Corporation
社製のESA−9800で測定した(通常のζ電位計は
液を希釈しないと測定ができないが、本装置は液に高周
波の交流電流を供給することにより、濃厚状態での測定
が可能)。ζ電位測定の結果、液Aにおける分散剤を入
れる前の酸化セリウム粒子のζ電位は、6.2mV、分散
剤を入れた後の酸化セリウム粒子のζ電位は−88mVで
あった。また、液Bにおいてアニオン系水溶性高分子を
混合したときの酸化セリウム粒子のζ電位は−173mV
であった。
【0035】(絶縁膜層及びシャロートレンチ分離層の
研磨)8インチSi基板上にLine/Space幅が0.05〜
5mmで高さが1000nmのAl配線Line部を形成した
後、その上にTEOS−プラズマCVD法で酸化珪素膜
を2000nm形成した絶縁膜層パターンウエハを作製す
る。上記のCMP研磨剤(酸化セリウム粒子:1.0重
量%、アニオン性水溶性高分子1.8重量%、ζ電位:
−173mV)で、3分間研磨(定盤回転数:50mi
n-1、研磨荷重:30kPa、研磨剤供給量:200ml/
分)した。その結果、研磨後の凸部と凹部の段差が40
nmとなり高平坦性を示した。
【0036】また、8インチウエハ上の酸化珪素膜及び
窒化珪素膜を上記のCMP研磨剤で研磨(定盤回転数:
50min-1、研磨荷重:30kPa、研磨剤供給量:200
ml/分)した結果、酸化珪素膜の研磨速度は150nm/
分、窒化珪素膜の研磨速度は6nm/分となり、研磨速度
比は25であった。8インチSi基板に一辺350nm〜
0.1mm四方の凸部、深さが400nmの凹部を形成し、
凸部密度がそれぞれ2〜40%となるようなシャロート
レンチ分離層パターンウエハを作製した。凸部上に酸化
窒素膜を100nm形成し、その上にTEOS−プラズマ
CVD法で酸化珪素膜を500nm成膜した。上記のCM
P研磨剤で、このパターンウエハを3分間研磨(定盤回
転数:50min-1、研磨荷重:30kPa、研磨剤供給量:
200ml/分)した。その結果、研磨後の段差は40nm
となり、高平坦性を示した。
【0037】比較例1 (絶縁膜層及びシャロートレンチ分離層の研磨)上記、
実施例1と同様の絶縁膜層パターンウエハを、上記の液
A(酸化セリウム粒子:1.0重量%ζ電位:−88m
V)で、3分間研磨(定盤回転数:50min-1、研磨荷
重:30kPa、研磨剤供給量:200ml/分)した。そ
の結果、研磨後の凸部と凹部の段差が100nmとなっ
た。
【0038】また、8インチウエハ上の酸化珪素膜及び
窒化珪素膜を液Aで研磨(定盤回転数:50min-1、研
磨荷重:30kPa、研磨剤供給量:200ml/分)した
結果、酸化珪素膜の研磨速度は570nm/分、窒化珪素
膜の研磨速度は61nm/分となり、研磨速度比は9.3
であった。また、上記実施例1と同様のシャロートレン
チ分離層パターンウエハを、定盤上に上記の液Aで、3
分間研磨(定盤回転数:50min-1、研磨荷重:30kP
a、研磨剤供給量:200ml/分)した。その結果、凸
部上の窒化珪素膜を過剰研磨し、研磨後の段差は100
nmであった。
【0039】比較例2 (絶縁膜層及びシャロートレンチ分離層の研磨)上記、
実施例1と同様の絶縁膜層パターンウエハを、定盤上に
市販のシリカスラリ(SiO2粒子:12.5重量%)
で、3分間研磨(定盤回転数:50min-1、研磨荷重:
25kPa、研磨剤供給量:200ml/分)した。その結
果、研磨後の凸部と凹部の段差が100nmとなった。
【0040】また、8インチウエハ上の酸化珪素膜及び
窒化珪素膜を上記シリカスラリで研磨(定盤回転数:5
0min-1、研磨荷重:30kPa、研磨剤供給量:200ml
/分)した結果、酸化珪素膜の研磨速度は200nm/
分、窒化珪素膜の研磨速度は60nm/分となり、研磨速
度比は3.3であった。また、上記実施例1と同様のシ
ャロートレンチ分離層パターンウエハを、定盤上に上記
シリカスラリで、3分間研磨(定盤回転数:50mi
n-1、研磨荷重:30kPa、研磨剤供給量:200ml/
分)した。その結果、凸部上の窒化珪素膜を過剰研磨
し、研磨後の段差は120nmであった。
【0041】
【発明の効果】請求項1〜5記載のCMP研磨剤は、酸
化珪素膜絶縁膜等の被研磨面を傷なく高速に研磨でき、
酸化珪素膜と窒化珪素膜の研磨速度比が高く、高平坦化
が可能なものである。請求項6記載の基板の研磨方法
は、酸化珪素膜絶縁膜等の被研磨面を傷なく高速に研磨
でき、酸化珪素膜と窒化珪素膜の研磨速度比が高く、高
平坦化が可能なものである。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸化セリウム粒子、分散剤、アニオン系
    水溶性高分子及び水を含むCMP研磨剤において、酸化
    セリウム粒子のζ電位が−250〜−120mVであるC
    MP研磨剤。
  2. 【請求項2】 酸化セリウム粒子、分散剤、アニオン系
    水溶性高分子及び水を含むCMP研磨剤において、アニ
    オン系水溶性高分子と酸化セリウム粒子が水素結合を介
    し付着している請求項1記載のCMP研磨剤。
  3. 【請求項3】 酸化セリウム粒子、分散剤、アニオン系
    水溶性高分子及び水を含むCMP研磨剤が、酸化セリウ
    ム粒子、分散剤及び水を含む液A及びアニオン系水溶性
    高分子と水を含む液Bとの混合液である請求項1又は2
    記載のCMP研磨剤。
  4. 【請求項4】 酸化セリウム粒子、分散剤及び水を含む
    液Aにおいて、酸化セリウム粒子のζ電位が−100〜
    0mVである請求項3記載のCMP研磨剤。
  5. 【請求項5】 酸化セリウム粒子、分散剤及び水を含む
    液Aにおいて、分散剤を加える前の酸化セリウム粒子の
    ζ電位が0〜30mVである請求項3又は4記載のCMP
    研磨剤。
  6. 【請求項6】 研磨する膜を形成した基盤を研磨定盤と
    研磨布に押し当て加圧し、請求項1〜5記載のCMP研
    磨剤を研磨膜と研磨布との間に供給しながら、基盤と研
    磨定盤を動かして研磨する基盤の研磨方法。
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