JP2003059868A - Ｃｍｐ研磨剤及び基板の研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 層間絶縁膜、シャロートレンチ分離用絶縁膜
を平坦化するＣＭＰ技術において、高速研磨と高平坦化
を可能にする研磨剤および研磨法を提供する。 【解決手段】 酸化セリウム粒子、被研磨膜の凹部充填
粒子、分散剤及び水を含むＣＭＰ研磨剤。

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。及びこれらＣＭＰ（Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎ
ｇ）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】超大規模集積回路製造の分野において実
装密度を高めるために種々の微細加工技術が研究、開発
されており、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Ｃ
ＭＰ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】半導体装置の製造工程において、プラズマ
−ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ、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を平坦化するためのＣＭＰ
研磨剤としては、従来、ヒュームドシリカを研磨粒子と
するｐＨが９を超えるアルカリ性のシリカ系研磨剤が広
く用いられてきた。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多用されてきた酸化セリウムを研
磨粒子とする研磨剤が近年ＣＭＰ研磨剤として注目され
るようになった。この技術は、例えば特開平５−３２６
４６９号公報に開示されている。酸化セリウム系研磨剤
はシリカ系研磨剤と比べて酸化珪素膜の研磨速度が早
く、研磨傷も比較的少ないという点で優るため種々の適
用検討がなされ、その一部は半導体用研磨剤として実用
化されるようになっている。この技術は、例えば特開平
９−２７０４０２号公報に開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体素子の多
層化・高精細化が進むにつれ、半導体素子の歩留り及び
スループットのさらなる向上が要求されるようになって
きている。それに伴い研磨剤を用いたＣＭＰプロセスに
対しても、研磨傷フリーで且つより高速な研磨が望まれ
るようになっている。酸化セリウム研磨剤を用いたＣＭ
Ｐプロセスにおいて研磨傷をさらに低減する方法として
は、研磨圧力もしくは定盤回転数低減といったプロセス
改良法や砥粒の濃度もしくは密度低減といった研磨剤改
良法が挙げられる。しかし、いずれの方法を用いた場合
にも研磨速度が低下してしまう問題点があった。本発明
は、被研磨膜より硬度が小さい粒子が研磨中に被研磨膜
の凹部に充填されることにより研磨速度と平坦性が向上
するＣＭＰ研磨剤を提供するものである。また本発明
は、高速研磨と高平坦性が可能になる研磨方法を提供す
るものである。

【０００５】

【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、被研磨膜の凹部充填粒子、分
散剤及び水を含むＣＭＰ研磨剤。 （２）被研磨膜の凹部充填粒子の硬度が被研磨膜の硬度
より小さい、（１）記載のＣＭＰ研磨剤。 （３）被研磨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、酸化セリウム粒子、被研磨膜の凹部充填
粒子、分散剤及び水を含むＣＭＰ研磨剤を研磨膜と研磨
布との間に供給しながら、半導体チップである基板の被
研磨面と研磨パッドを接触させながら相対運動させ、凹
凸を低減しながら基板表面を研磨することを特徴とする
基板の研磨方法。

【０００６】上記のＣＭＰ研磨剤を用いて層間絶縁膜の
平坦化やシャロートレンチ分離を行うと、研磨初期は非
常に研磨速度が遅いという現象がみられる。凹凸のある
膜を研磨する場合、凸部に酸化セリウムに粒子が接触し
て研磨が行われるのであるが、このとき粒子が凹部の方
に逃げてしまい研磨が進行しないものと思われる。実
際、平坦な酸化珪素絶縁膜を研磨すると研磨初期から高
速に研磨が行われ、研磨中は研磨速度が一定である。そ
こで研磨粒子とは別の粒子を凹凸のある膜の凹部に充填
することにより凹凸をなくすことが考えられる。凹凸が
なくなることにより、凸部に接触した酸化セリウム粒子
が逃げることなく研磨を行う。また凹部は粒子が充填さ
れているため研磨が進行せず、凸部のみが選択的に研磨
されるので平坦化性能が向上する。

【０００７】

【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。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研磨剤
は、一次粒子径が大きく、かつ結晶ひずみが少ないほ
ど、すなわち結晶性が良いほど高速研磨が可能である
が、研磨傷が入りやすい傾向がある。そこで、本発明で
用い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５ｎｍ以上３０
０ｎｍ以下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。

【０００８】酸化セリウム粉末を作製する方法として
は、焼成また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℃以上９００℃以下が好ましい。

【０００９】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（１９
８０）５２７〜５３２頁に説明されている。

【００１０】本発明におけるＣＭＰ研磨剤は、上記方法
にて作製した酸化セリウム粒子、被研磨膜の凹部充填粒
子、分散剤及び水を含んでなる組成物を分散させること
によって得られる。

【００１１】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重量％以上２０重量
％以下の範囲が好ましい。

【００１２】被研磨膜の凹部を充填する粒子としてはイ
ライト、カオリナイト、クロライト、タルク、パイロフ
ィライト、バーミキュライト、ハロイサイト、モンモリ
ロナイト等の粘度鉱物；硫酸カルシウムや硫酸バリウム
等の硫酸塩；炭酸カルシウム、炭酸ストロンチウム、炭
酸マグネシウム等の炭酸塩；フッ化カルシウム等のフッ
化物；リン酸カルシウム等のリン酸塩；酸化マグネシウ
ム、酸化亜鉛、酸化スズ等の酸化物；等の無機化合物粒
子、アクリル酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチ
ル、アクリル酸−２−エチルヘキシル、アクリル酸−２
−ヒドロキシエチル、メタクリル酸、メタクリル酸メチ
ル、メタクリル酸エチル、アクリルアミド等のモノマを
原料とするアクリル系ポリマ；スチレン、ビニルアルコ
ール、ビニルピロリドン等のモノマを原料とするアクリ
ル系ポリマ；アルギン酸、ペクチン酸、プルラン、寒
天、カルボキシメチルセルロース、デンプン、デキスト
リン類等の単糖類又は多糖類；等の有機化合物粒子が挙
げられる。

【００１３】上記充填粒子は、被研磨膜より硬度の小さ
い粒子であることが望ましい。これは被研磨膜より硬度
が大きいと凹部に充填された粒子により凹部が研磨され
平坦化性能が悪くなる恐れがあるためと、研磨傷が発生
するからである。例えば、被研磨膜がＳｉＯ２膜である
場合は、そのモース硬度が約７であることから、モース
硬度が７より小さいもの、カルシウム塩（モース硬度約
２）等が挙げられる。

【００１４】粒子の凹部への粒子の充填は研磨初期に速
やかに行われることが好ましい。それには被研磨膜より
硬度の小さい粒子が、酸化セリウム粒子と体積換算で同
等以上の割合で含まれていることが望ましい。被研磨膜
より硬度の小さい粒子の大きさは充填される半導体素子
上のパターンの幅より小さくなければならない。ただし
粒子が塑性または弾性変形する場合や粉砕されて細かく
なる場合はこの限りではない。

【００１５】充填粒子の平均粒径は、ＣＭＰ研磨剤中の
酸化セリウム粒子とほぼ同等の０．０１μｍ〜１．０μ
ｍであることが好ましい。充填粒子の平均粒径が０．０
１μｍ未満であると充填粒子の効果がみられず、１．０
μｍを超えると酸化セリウム粒子による研磨を妨げ研磨
速度が低下する。

【００１６】分散剤としては、半導体素子研磨に使用す
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、イオウの含有率を１０ｐｐｍ以
下に抑えることが好ましいので、例えば、共重合成分と
してのアクリル酸アンモニウム塩を含む高分子分散剤が
好ましい。分散剤添加量は、スラリー中の粒子の分散性
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５．０重量部以下の範囲が好ましい。分散剤の
重量平均分子量は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
散剤及び高分子添加剤の分子量が５０，０００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
低下するからである。なお、重量平均分子量は、ゲルパ
ーミエーションクロマトグラフィーで測定し、標準ポリ
スチレン換算した値である。

【００１７】これらの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、湿式ボールミルなどを
用いることができる。

【００１８】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径は、０．０１μｍ〜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、
１．０μｍ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。

【００１９】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：ＳｉＨ_４、酸素源として酸素：Ｏ
_２を用いる。このＳｉＨ_４−Ｏ_２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。

【００２０】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
Ｈ_４、酸素源としてＮ_２Ｏを用いたＳｉＨ_４−Ｎ_２Ｏ系
ガスとテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）をＳｉ源に用
いたＴＥＯＳ−Ｏ_２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源としてジクロロシラン：ＳｉＨ
_２Ｃｌ_２、窒素源としてアンモニア：ＮＨ_３を用いる。
このＳｉＨ _２Ｃｌ_２−ＮＨ_３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ＳｉＨ_４、窒素源
としてＮＨ_３を用いたＳｉＨ_４−ＮＨ_３系ガスが挙げら
れる。基板温度は３００℃〜４００℃が好ましい。

【００２１】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。

【００２２】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２００ｒｐｍ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１００ｋＰａ（１ｋｇｆ／ｃｍ^２）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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】

【実施例】（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３０〜１
００μｍ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。

【００２６】（充填粒子の作製）水酸化カルシウム１ｋ
ｇと脱イオン水１９ｋｇをビーズミルで湿式粉砕を行っ
た。この懸濁液をポリエチレン製容器にいれて、二酸化
炭素を１Ｌ／ｍｉｎの割合で６時間吹き込み炭酸カルシ
ウムを沈殿させた。この炭酸カルシウムの沈殿物を乾燥
し、ジェットミルで乾式粉砕を行った。粉末の平均粒子
径は０．４μｍであった。

【００２７】（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１０００ｇとポリアクリル酸アンモ
ニウム塩水溶液（４０重量％）４０ｇと脱イオン水８９
６０ｇ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０．２μｍであった。

【００２８】（酸化セリウムスラリーと充填粒子の混
合）上記の酸化セリウムスラリー５０００ｇと上記の炭
酸カルシウム粉末５００ｇと脱イオン水４５００ｇ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３μｍフィルターでろ過した。

【００２９】（層間絶縁膜の研磨）２００ｍｍＳｉウエ
ハにＴＥＯＳ−プラズマＣＶＤ法で酸化珪素絶縁膜を
１．０μｍの厚さで形成し、さらにウエハ全面に幅０．
３５μｍ、深さ０．４μｍの溝を縞状に形成した。この
ウエハをホルダーにセットし、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３０ｋＰａになるよ
うに重しを載せた。上記のスラリーを脱イオン水で５倍
に希釈したスラリー（固形分：２重量％）を容器に入
れ、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。このとき、容器、配管内ともに沈降は
見られなかった。定盤上にスラリーを５０ｍｌ／ｍｉｎ
の速度で滴下しながら、定盤を５０／ｍｉｎで９０秒間
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、純水を流しながらＰＶＡスポンジブラ
シで洗浄した。洗浄後、ウエハをスピンドライヤーで水
滴を除去した。触針式段差測定装置を用いてウエハ面内
の段差を測定したところ、段差は最大で２０ｎｍで、ウ
エハ上の溝は平坦化されていることがわかった。光干渉
式膜厚測定装置を用いて、絶縁膜の膜厚を測定した結
果、０．５μｍでウエハ全面に渡って均一の厚みになっ
ていることがわかった。また、光学顕微鏡を用いて絶縁
膜表面を観察したところ、明確な傷は見られなかった。

【００３０】

【発明の効果】本発明により酸化セリウム粒子、被研磨
膜の凹部充填粒子、分散剤及び水を含むＣＭＰ研磨剤を
提供することができる。また、このＣＭＰ研磨剤を用い
て、被研磨部の凹部を充填して凹凸を低減しながら研磨
することにより、研磨傷を発生することなく高速研磨
し、高平坦化することが可能な基板の研磨方法を適用で
きる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 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、被研磨膜の凹部充填
   粒子、分散剤及び水を含むＣＭＰ研磨剤。
2. 【請求項２】 被研磨膜の凹部充填粒子の硬度が被研磨
   膜の硬度より小さい、請求項１記載のＣＭＰ研磨剤。
3. 【請求項３】 被研磨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、酸化セリウム粒子、被研磨膜の
   凹部充填粒子、分散剤及び水を含むＣＭＰ研磨剤を研磨
   膜と研磨布との間に供給しながら、半導体チップである
   基板の被研磨面と研磨パッドを接触させながら相対運動
   させ、凹凸を低減しながら基板表面を研磨することを特
   徴とする基板の研磨方法。