JP2002212545A - Ｃｍｐ研磨剤及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸化セリウムスラリーの製造工程における不
純物混入を低減させ、且つ高平坦化可能であり酸化珪素
絶縁膜等の被研磨面を傷なく高速に研磨することが可能
なＣＭＰ研磨剤の製造方法を提供する。 【解決手段】 酸化セリウム粒子を分散剤及び水を含む
溶媒中添加し、９０ＭＰａ以上の圧力で酸化セリウムど
うしを衝突させることにより粉砕し、酸化セリウム粒子
の平均粒子径を０．１５〜１μmにすることを特徴とす
るＣＭＰ研磨剤の製造法。

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、層間絶縁膜の平
坦化工程、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研磨剤の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、酸化セリウム粒子はセリウム化合
物を焼成し、酸化セリウムを形成する。焼成された酸化
セリウムは凝集しているため、一定の粒子径に調整する
方法として酸化セリウムの粉砕を行っている。従来の粉
砕方法としてビーズミル、ボールミルなどの湿式粉砕法
がある。湿式粉砕のビーズミル法は粉砕メディアとして
ガラスビーズやジルコニアビーズなどが用いられるが、
粉砕時にビーズからナトリウムやジルコニアなどの不純
物が混入するため、半導体用ＣＭＰ研磨剤として適さな
いという問題があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、酸化セリウ
ムスラリーの製造工程における不純物混入を低減させ、
且つ高平坦化可能であり酸化珪素絶縁膜等の被研磨面を
傷なく高速に研磨することが可能なＣＭＰ研磨剤の製造
方法を提供するものである。又本発明は、基板の被研磨
面を、傷なく、また被研磨面の膜厚均一性を向上させる
ことが可能な基板の研磨方法を提供するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、次のものに関
する。 （１）酸化セリウム粒子を分散剤及び水を含む溶媒中添
加し、９０ＭＰａ以上の圧力で酸化セリウムどうしを衝
突させることにより粉砕し、酸化セリウム粒子の平均粒
子径を０．１５〜１μmにすることを特徴とするＣＭＰ
研磨剤の製造法。 （２）酸化セリウム粒子を分散剤及び水を含む溶媒中添
加し、９０ＭＰａ以上の圧力で酸化セリウムどうしを衝
突させることにより粉砕し、酸化セリウム粒子の平均粒
子径を０．１５〜１μmにすることを特徴とするＣＭＰ
研磨剤。 （３）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、（１）記載のＣＭＰ研磨剤を研磨膜と
研磨布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板の研磨方法。

【０００５】

【発明の実施の形態】一般に酸化セリウムは、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。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法が使用できる。焼成
温度は４００℃以上９００℃以下が好ましい。

【０００６】上記の方法により製造された酸化セリウム
粒子は分散剤と水からなる組成物を分散させることによ
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１重量％以上３
０重量％以下の範囲が好ましい。また、分散剤として、
半導体チップ研磨に使用することから、ナトリウムイオ
ン、カリウムイオン等のアルカリ金属及びハロゲン、イ
オウの含有率は１０ｐｐｍ以下に抑えることが好まし
く、例えば、共重合成分としてアクリル酸アンモニウム
塩を含む高分子界面活性剤が好ましい。また、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界面活
性剤と水溶性陰イオン性分散剤から選ばれた少なくとも
１種類を含む２種類以上の界面活性剤を使用してもよ
い。水溶性陰イオン性界面活性剤としては、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、特殊ポリカルボン酸型高分子分散剤
等が挙げられる。これらの界面活性剤添加量は、酸化セ
リウム粒子の分散剤としては、分散性及び沈降防止、さ
らに研磨傷と分散剤添加量との関係から酸化セリウム粒
子１００重量部に対して、０．０１重量部以上２．０重
量部以下の範囲が好ましい。分散剤の分子量は、１００
〜５０，０００が好ましく、１，０００〜１０，０００
がより好ましい。分散剤の分子量が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、
十分な研磨速度が得られず、分散剤の分子量が５０，０
００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からである。

【０００７】上記の方法により分散された酸化セリウム
研磨剤の粉砕方法として、９０ＭＰａの圧力で衝突させ
ることにより酸化セリウム粒子の平均粒子径を０．１５
〜１μmに処理する。本発明において使用できる高圧ホ
モジナイザーに制限は無いが高圧で処理できる装置とし
てアルティマイザー((株)スギノマシン)、ジーナスＰＹ
(白水化学工業(株))等が挙げられる。粉砕処理する部分
の接液部分は燒結ダイヤモンドまたは単結晶ダイヤモン
ドで有ることが好ましい。接液部分が金属やセラミック
の場合、磨耗による粉砕効率の低下や金属不純物が混入
するため適さない。粉砕圧力は９０〜２５０が好ましく
９０ＭＰａ以下では粉砕効率が低下し、２５０ＭＰａ以
上は設備への負荷が増大するため適さない。粉砕処理回
数は所定の粒径になるまで複数回処理しても良い。

【０００８】こうして作製されたＣＭＰ研磨剤中の酸化
セリウム粒子の平均粒子径は０．１５〜１μmであるこ
とが好ましい。酸化セリウム粒子の平均粒径が０．１５
μｍ未満であると研磨速度が低くなりすぎ、１μｍを超
えると研磨する膜に傷がつきやすくなるからである。

【０００９】本発明の研磨剤が使用される無機絶縁膜の
作製方法として、定圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等が
挙げられる。定圧ＣＶＤ法による酸化珪素絶縁膜形成
は、Ｓｉ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ＳｉＨ ₄−Ｏ₂系酸化反応を、
４００℃程度以下の低温で行わせることにより得られ
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。プラズマＣＤ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ＳｉＨ₄、酸素源としてＮ₂Ｏを用いたＳｉ
Ｈ₄−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、本発明の酸化珪素絶縁膜にはリン、
ホウ素等の元素がドープされていても良い。

【００１０】所定の基板として、半導体基板すなわち回
路素子とアルミニウム配線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
基板上に酸化珪素絶縁膜層が形成された基板等が使用で
きる。このような半導体基板上に形成された酸化珪素絶
縁膜層を、上記酸化セリウム研磨剤で研磨することによ
って、酸化珪素絶縁膜層表面の凹凸を解消し、半導体基
板全面に渡って平滑な面とする。ここで、研磨する装置
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、研磨布にはスラリーが溜まる様な溝加工を施
すことが好ましい。研磨条件には制限はないが、ホルダ
ーと定盤の回転速度は、半導体基板が飛び出さない様に
それぞれ１００ｒｐｍ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様に１ｋ
ｇ/ｃｍ²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。

【００１１】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。このようにして平坦化された酸化珪素絶縁膜層の上
に、第２層目のアルミニウム配線を形成し、その配線間
および配線上に再度上記方法により、酸化珪素絶縁膜を
形成後、上記酸化セリウム研磨剤を用いて研磨すること
によって、絶縁膜表面の凹凸を解消し、半導体基板全面
に渡って平滑な面とする。この工程を所定数繰り返すこ
とにより、所望の層数の半導体を製造する。

【００１２】半導体基板に形成された酸化珪素絶縁膜だ
けでなく、所定の配線を有する配線板に形成された酸化
珪素絶縁膜、ガラス、窒化ケイ素等の無機絶縁膜、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−
の端面、シンチレ−タ等の光学用単結晶、固体レ−ザ単
結晶、青色レ−ザ用ＬＥＤサファイア基板、ＳｉＣ、Ｇ
ａＰ、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ために使用される。

【００１３】このように本発明において所定の基板と
は、酸化珪素絶縁膜が形成された半導体基板、酸化珪素
絶縁膜が形成された配線板、ガラス、窒化ケイ素等の無
機絶縁膜、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−の端面、シンチレ−タ等の光学用単結
晶、固体レ−ザ単結晶、青色レ−ザ用ＬＥＤサファイア
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、磁気ヘッド等を含む。

【００１４】本発明のＣＭＰ研磨剤が使用される無機絶
縁膜の作製方法として、低圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ
法等が挙げられる。低圧ＣＶＤ法による酸化珪素膜形成
は、Ｓｉ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４
００℃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。プラズマＣ
ＶＤ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ＳｉＨ₄、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。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ＳｉＨ₂Ｃｌ₂−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ＣＶＤ法は、反応ガスとしては、Ｓｉ源と
してＳｉＨ₄、窒素源としてＮＨ₃を用いたＳｉＨ₄−Ｎ
Ｈ₃系ガスが挙げられる。基板温度は３００℃〜４００
℃が好ましい。

【００１５】基板として、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。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１０以上であることが必要で
ある。この比が１０未満では、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、所定の位置で研磨を停止することができな
くなるためである。この比が１０以上の場合は窒化珪素
膜の研磨速度がさらに小さくなって研磨の停止が容易に
なり、シャロー・トレンチ分離により好適である。ま
た、シャロー・トレンチ分離に使用するためには、研磨
時に傷の発生が少ないことが必要である。

【００１６】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。このようにして平坦化されたシャーロー・トレンチ
を形成したあと、酸化珪素絶縁膜層の上に、アルミニウ
ム配線を形成し、その配線間及び配線上に再度上記方法
により酸化珪素絶縁膜を形成後、上記ＣＭＰ研磨剤を用
いて研磨することによって、絶縁膜表面の凹凸を解消
し、半導体基板全面にわたって平滑な面とする。この工
程を所定数繰り返すことにより、所望の層数の半導体を
製造する。

【００１７】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。

【００１８】

【実施例】実施例 炭酸セリウム水和物３０ｋｇを白金製容器に入れ、８５
０℃で２時間空気中で焼成することにより酸化セリウム
を得た。酸化セリウム粉末１５ｋｇに１５重量％になる
ように脱イオン水を８５ｋｇ加え、アクリル酸とアクリ
ル酸メチルを１：１で共重合した重量平均分子量１０,
０００のポリアクリル酸アンモニウム塩を１２０ｇ添加
し１時間撹拌混合した。

【００１９】次に、得られた酸化セリウム分散液を高圧
ホモジナイザー(アルティマイザー:ＨＪＰ−２５０６
６、(株)スギノマシン製)を用い２００ＭＰａで１５パ
ス処理した。得られた酸化セリウム研磨剤をマスターサ
イザー(マルバーン製)(屈折率１．９３ 吸収０)を用い
て平均粒子径を測定したところ０．１９μｍであった。
また、原子吸光光度計ＡＡ−６７０Ｇ(島津製作所製)を
用い不純物イオン(Ｎａ,Ｋ,Ｆｅ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｃｕ，
Ｓｉ，Ｔｉ)は１ｐｐｍ以下であった。

【００２０】ＴＥＯＳ−プラズマＣＶＤ法で作製した酸
化珪素絶縁膜を形成させた８インチＳｉ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
工荷重が３００ｇ／ｃｍ２になるように重しを載せた。
上記作製の研磨剤を攪拌しながらポンプで配管を通じて
定盤上に供給できるようにした。定盤上にスラリーを１
００ｃｃ／ｍｉｎの速度で滴下しながら、定盤を５０ｒ
ｐｍで5分間回転させ、絶縁膜を研磨した。研磨後ウエ
ハをホルダーから取り外して、流水で良く洗浄後、超音
波洗浄機によりさらに２０分間洗浄した。洗浄後、ウエ
ハをスピンドライヤーで水滴を除去し、１２０℃の乾燥
機で１０分間乾燥させた。光学顕微鏡を用いて絶縁膜表
面を観察したところ、明確な傷は全く観察されなかっ
た。

【００２１】比較例 炭酸セリウム水和物２ｋｇを白金製容器に入れ、８５０
℃で２時間空気中で焼成することにより酸化セリウム粉
末を約１ｋｇ得た。酸化セリウム粉末１０重量％になる
ように脱イオン水と混合し、横型湿式超微粒分散粉砕機
(粉砕メディア：ジルコニアビーズ)を用いて１４００ｒ
ｐｍで１２０分間粉砕処理をした。得られた酸化セリウ
ム研磨剤の平均粒子径は０．２１μｍであり、不純物イ
オン(Ｚｒ)は３０００ｐｐｍであった。また、実施例と
同様の条件で酸化珪素絶縁膜を形成させた８インチＳｉ
ウエハを研磨したところ研磨傷が３００個観察できた。

【００２２】

【発明の効果】本発明のＣＭＰ研磨剤は、高純度で酸化
珪素絶縁膜等の被研磨面を傷なく、高速に研磨すること
ができ、さらには保存安定性に優れる。

フロントページの続き (72)発明者 杉本 淳 茨城県日立市東町四丁目13番１号 日立化 成工業株式会社山崎事業所内 (72)発明者 鈴木 浩之 茨城県日立市東町四丁目13番１号 日立化 成工業株式会社山崎事業所内 (72)発明者 北村 健悦 茨城県日立市東町四丁目13番１号 日立化 成工業株式会社山崎事業所内 (72)発明者 芦沢 寅之助 茨城県日立市東町四丁目13番１号 日立化 成工業株式会社山崎事業所内 Ｆターム(参考） 3C047 FF08 GG15 3C058 AA07 AC04 CB01 CB03 DA02 DA12 DA17

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸化セリウム粒子を分散剤及び水を含む
   溶媒中添加し、９０ＭＰａ以上の圧力で酸化セリウムど
   うしを衝突させることにより粉砕し、酸化セリウム粒子
   の平均粒子径を０．１５〜１μmにすることを特徴とす
   るＣＭＰ研磨剤の製造法。
2. 【請求項２】 酸化セリウム粒子を分散剤及び水を含む
   溶媒中添加し、９０ＭＰａ以上の圧力で酸化セリウムど
   うしを衝突させることにより粉砕し、酸化セリウム粒子
   の平均粒子径を０．１５〜１μmにすることを特徴とす
   るＣＭＰ研磨剤。
3. 【請求項３】 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、請求項１項記載のＣＭＰ研磨
   剤を研磨膜と研磨布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板の研磨方法。