JP2003297781A - 水性分散液、その製造方法及びその使用 - Google Patents
水性分散液、その製造方法及びその使用Info
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Abstract
製造可能にし、該分散液が僅かな割合の不純物のみを有
し、かつ粒度を再現的に調整可能にする。 【解決手段】 ドープされた熱分解的に製造された低級
構造を有する二酸化ケイ素からなるコアから、セリウム
塩溶液又は懸濁液との混合、有利にはそれらによる噴霧
によって酸化セリウムシェルの形成下に得られる粉末を
含有し、その際、分散液中の粉末が0.2μmの平均二
次粒度を超えない水性分散液を提供する。
Description
れた二酸化ケイ素粉末を含有する水性分散液、その製造
並びに化学的機械研磨のためのその使用に関する。
酸化物の粉砕によって得られる酸化セリウム分散液は長
い間、ガラスの研磨のために使用されてきた。これらの
分散液は1000nmより大きい粒度を有し、かつ高い
割合の不純物を有する。これらは、表面の粗い研磨のた
めに適当であるが、精密な光学的表面、半導体基板又は
集積回路のポリッシング(化学的機械研磨、CMP)の
ためには不適である。
合成において得られる。この場合、セリウム(III)
塩は温度及び圧力の影響下に酸化的に酸化セリウムに変
換され、酸化セリウムは微粒子形で晶出する。この方法
により得られる酸化セリウムの粒度は、80〜100n
m(EP−A−947469号)、7〜50nm(US
5,389,352号)もしくは30nm未満及び60
nmより大(US5,772,780号)である。極め
て希釈されたセリウム(III)溶液から出発せねばな
らないことはこの方法における不利な点である。
の方法により製造される酸化セリウム及び二酸化ケイ素
からなる混合物が記載されている。この場合に、酸化セ
リウムは第1工程においてミルによって解凝集させねば
ならない。第2工程において、酸化セリウム分散液をシ
リカゾルをベースとする二酸化ケイ素分散液と混合し、
かつシリコンウェハの平坦化のために使用できる。
に必要な高い消費及び費用が欠点である。ミルによる酸
化セリウムの解凝集は該分散液に不純物をもたらす危険
性がある。更に、シリカゾルをベースとする二酸化ケイ
素分散液は、熱分解的に製造された二酸化ケイ素をベー
スとする分散液よりも高い割合の不純物を有することが
知られている。
有利には2質量%の酸化セリウム又は酸化ジルコニウム
分散液による二酸化ケイ素粒子の活性化を記載してい
る。この方法の特徴は、活性化作用が二酸化ケイ素分散
液の市販の酸化セリウム分散液もしくは酸化ジルコニウ
ム分散液での粉砕によって容易に調節されるべきである
ことである。こうして得られる混合された分散液は半導
体基板のポリッシングの際に純粋な酸化セリウム分散液
のような高い研磨速度で挙動するが、ポリッシングされ
るべき表面上に傷を残さない。他の従来の技術と比較し
て、コストは低く容易に実施できる。この方法におい
て、WO00/17282号A1に詳細に記載されるよ
うに、狭い粒度範囲を有する分散液の製造及び再現的な
ポリッシング成果の達成が特に不利である。
粉末の製造並びにそれから製造される水性分散液を記載
している。研磨粒子は、二酸化ケイ素又は酸化アルミニ
ウム並びに酸化セリウムからなるシェルからなり、かつ
2μm以下の平均粒度を有する。この場合、挙げられた
粒度が粉末に対するものなのか、又は分散液に対するも
のなのかが明確でない。
のために、一例で0.6μmの粒度が挙げられる。金属
酸化物はゾル−ゲル法又は熱分解法のいずれかにより得
られる。この方法においては、金属酸化物粒子、特に熱
分解由来の金属酸化物粒子の、セリウム化合物での被覆
の際の焼き付けケーキングが不利な点である。これは、
硬質の分散しにくい凝集物をもたらす。該分散液におい
ては、凝集物は非常に広い粒度分布になり、かつ時とし
て分散の際に酸化セリウムの形でシェルの一部が剥離す
ることがある。かかる分散液は均一でなく、かつ半導体
工業で進む小型化に際して酸化物表面の再現的なポリッ
シングに制限されてのみ適当である。
は二酸化ケイ素及び別の誘電性酸化物に対して際立って
高い酸化セリウムの活性を主に化学的機械研磨(CM
P)の分野で用いることにある。
は、容易に製造でき、僅かな割合の不純物のみを有し、
かつ粒度を再現的に調整できる、酸化セリウムを含有す
る水性分散液を提供することである。
た熱分解的に製造された低級構造を有する二酸化ケイ素
からなるコアから、セリウム塩溶液又は懸濁液との混
合、有利にはそれらによる噴霧によって酸化セリウムシ
ェルの形成下に得られる粉末を含有し、その際、分散液
中の粉末が0.2μmの平均二次粒度を超えない水性分
散液によって解決される。
分散液を表す。
化ケイ素からなるコアとは、ドープ成分を含有する塩溶
液又は懸濁液からなるエーロゾルによるドープがもたら
されるコアを表す。かかるコアの製造は例えばDE−A
−19650500号に記載されている。
一次粒子からなり、これらの粒子が僅かにのみ互いに融
合していることを表す。低級構造のための尺度はDBP
吸着(ジブチルフタレート吸着)である。これは、10
0gDBP/100g粉末より小さく、その際、ここで
は粉末という概念はドープされたコアに対するものであ
る。同様に、DBP吸着における終点が確認できないと
いうことも可能である。熱分解的に製造されたドープさ
れていない、一次粒子が強く融合している同じBET表
面積を有する二酸化ケイ素において、DBP吸着は通常
150gDBP/100g粉末より大である。例えば市
販の熱分解的に製造された二酸化ケイ素OX50(デグ
ッサAG社)は160gDBP/100g粉末のDBP
吸着を有する。
力吸収もしくは回転モーメント(Nm)を、定義された
量のDBPを添加して測定し、これは定量に匹敵する。
この場合、熱分解金属酸化物(例えば二酸化チタン又は
二酸化ケイ素)に関しては、DBPの規定の添加におい
て引き続き低下する鋭い顕著な極大値がもたらされてい
る。非常に僅かな融合を有する粒子においては、測定装
置が終点を検出できないことがある。
もできる。
セリウム、硝酸セリウム、酢酸セリウム、炭酸セリウ
ム、シュウ酸セリウム、硫酸セリウム、セリウム硫酸ア
ンモニウム、セリウム硝酸アンモニウムが使用される。
又はアルコール性のスラリーをセリウム塩溶液又は懸濁
液と混合、又はそれを噴霧する。反応混合物を乾燥さ
せ、場合により焼成させる。反応条件下で、セリウム塩
溶液又は懸濁液を酸化セリウムに変換する。酸化セリウ
ムシェルは部分的又は完全に形成されていてよい。
至10質量%である。覆われたコア中の酸化セリウムの
含量は10ppm乃至65質量%である。
である。
0.2μm未満である。これは例えば動的光散乱によっ
て測定できる。
又は酸化アルミニウムであるコアを使用してよい。
図された使用に依存する。輸送コストを削減するため
に、できるだけ多くの固体含量を有する分散液を得るこ
とが努められるが、規定の使用、例えばポリッシングに
おいては低い固体含量を有する分散液が使用される。有
利には本発明によれば固体含量は0.1〜70質量%、
特に有利には1〜30質量%の範囲である。
あってよい。
る物質、例えば酸、塩基及び/又は緩衝系、酸化剤、酸
化アクチベーター、腐食防止剤、研磨剤及び/又は表面
活性物質を含む群からの添加剤を含有してよい。
酸化物又はアミンの添加によって行ってよい。特に有利
には水酸化アルミニウム、水酸化カリウム及びテトラメ
チルアンモニウムヒドロキシドである。
酸性範囲に変えることができる。有利にはこのために一
般式:CnH2n+1CO2H[式中、n=0〜6、又
はn=8、10、12、14、16]のカルボン酸又は
一般式HO2C(CH2)nCO2H[式中、n=0〜
4]のジカルボン酸又は一般式R1R2C(OH)CO
2H[式中、R1=H、R2=CH3、CH2CO
2H、CH(OH)CO2H]のヒドロキシカルボン酸
又はグリコール酸、ピルビン酸、サリチル酸又は挙げら
れた酸の混合物を使用する。特に有利にはこのために、
酢酸、クエン酸及びサリチル酸である。
液を製造するにあたり、粉末を水性媒体中に、場合によ
り添加剤を添加して、まず前分散させ、かつ前分散液を
引き続き分散させることを特徴とする方法である。
する分散液を表す。前分散のために、例えば溶解機又は
歯状ディスクが適当である。
シン、例えばウルトラ ツラックス(Ultra Turrax)
(IKA社)、又はYstral社のローター−ステー
ターマシン、更にボールミル、撹拌機ボールミルが適当
である。
ー/遊星形ミキサが可能である。しかしながらこの系の
有用性は加工された混合物の充分に高い粘性に結びつ
き、粒子の粉砕のために必要な高い剪断エネルギーをも
たらす。
製造できる。これらの装置において、高圧下にある2種
の前分散された懸濁液流をノズルを介して減圧させる。
両方の分散液流は互いに正確に衝突し、粒子は互いに粉
砕される。もう一つの実施形において、前分散液は同様
に高圧下に置くが、補強壁領域に対して粒子の衝突が行
われる。この作業はより小さい粒度を得るために任意に
しばしば繰り返してよい。
利には高圧ホモジナイザーを使用してよい。
の上に施与された層の化学的機械研磨、特に酸化物層及
び金属層のポリッシングのための及びトレンチ分離プロ
セス(STIプロセス)における、本発明による分散液
の使用である。このプロセスにおいて、窒化ケイ素の施
与の後に、ウェハのシリコン層に絶縁構造をエッチング
し、生じるグレーブに引き続き二酸化ケイ素を充填し、
かつ過剰の二酸化ケイ素を化学的機械研磨によって除去
する。
製造された二酸化ケイ素粒子及びセリウム塩溶液又は懸
濁液から得られる粉末を、酸化セリウムが剥離せずかつ
粗い粒子を形成せずに再現的に最大0.2μmの二次粒
度にまで水性媒体中で分散させることができると判明し
た。この成果は、例えばUS5,697,992号によ
り得られた、コアとしてドープされていない二酸化ケイ
素を含有する分散液が再現的に分散できず、かつ酸化セ
リウムの剥離をもたらすことからも意想外である。
sizer3000Hsaを使用して測定した。
定する。乾燥損失TVをDIN/ISO787/II、
ASTM D280、JIS K5101/21の指示に
おいて105℃で2時間にわたり測定する。強熱減量G
VはDIN55921、ASTM D1208、JIS
K5101/23の指示において105℃で2時間乾燥
させた物質に対して、1000℃で2時間の時間にわた
り測定する。
レオメータ モデルMCR300及び測定カップCC2
7を用いて測定する。粘度値を100l/秒の剪断速度
で測定する。この剪断速度は、粘度が実質的に剪断要求
に無関係である範囲にある。
トハルス(Weithals)−ポリエチレンフラスコ中で1週
間の静置時間後に目視での評価によって行う。該フラス
コを慎重にひっくり返すことによって、場合により存在
する沈殿物を容易に確認できる。
ニウムでドープされた二酸化ケイ素粉末 DE−A−19847161号により得られる0.25
質量%のAl2O3でドープされた15kgの二酸化ケ
イ素粉末(DBP数:80g/100g)を3lの水中
の5kgの硝酸セリウム[(Ce(NO3)3×6H2
O)]からなる溶液で噴霧する。水を90℃で乾燥させ
る。引き続き500℃で3時間熱処理を行う。
つ酸化カリウムでドープされた二酸化ケイ素 DE−A−19650500号により得られる0.2質
量%の酸化カリウムでドープされた15kgの二酸化ケ
イ素(DBP数は測定不可能)を3lの水中の5kgの
硝酸セリウム[(Ce(NO3)3×6H2O)]から
なる溶液で噴霧する。水を90℃で乾燥させる。引き続
き500℃で3時間熱処理を行う。
塩水及び80gの30%のKOH溶液を装入する。Ys
tral社の分散機及び真空混合機を用いて(4500
rpmで)6.25kgの粉末P1からP3を吸入し、
かつ粗く前分散させる。粉末の供給の後に、分散を4つ
の加工リング、1mmのステータースロット幅及び11
500rpmの回転数を有するYstral社のロータ
ー/ステーター連続ホモジナイザータイプZ66で完全
なものにする。11500rpmでの15分の分散の間
に、pH値を更にKOH溶液を添加することによって1
0.5のpH値に調整し、かつ保持する。この場合には
更に150gのKOH溶液を使用し、かつ0.5kgの
水の添加によって25質量%の研磨体濃度に調整する。
方法Bのための12.5kgの分散液を得た後に、バッ
チ容器からの12.5kgの脱塩水を混合し、かつ目下
12.5%の分散液を5分間で、連続ホモジナイザーを
用いて11500rpmの回転数で均質化する。
られる。
高圧ホモジナイザーであるスギノマシンLtd社(Sugi
no machine Ltd)のウルティマイザー(Ultimaizer)シ
ステム モデルHJP−25050を用いて250MP
aの圧力並びに0.3mmのダイアモンドノズル直径及
び2つの粉砕路(Mahl-Durchgaengen)において5分間
粉砕する。
2.5kgの粉砕された分散液を60lの鋼製バッチ容
器中に添加し、かつ目下12.5%の分散液をYstr
ahl社の連続ホモジナイザータイプZ66を用いて1
1500rpmの回転数で5分間均質化する。
られる。
す。
法Bによってのみ得ることができる。方法Bによって得
られる分散液の平均粒度は方法Aによって得られる分散
液よりも明らかに低い。酸化セリウムで覆われた二酸化
ケイ素粒子を含有する分散液D1−B及びD2−Bは、
数に対してかつ容量に対して200nm未満の平均粒径
を示す。
0)ポリッシングパッドを有する550mmのポリッシ
ングテーブルを備えたプレシ ポリッシャ タイプ460
M(Presi Polisher Type 460M) ウェハ:500nmのSiO2(熱的に製造された)で
被覆された4”シリコンディスク、500nmのSi3
N4で被覆された4”シリコンディスク(LPCVD) ポリッシングパラメータを第3表に示す。
ometrix)FDT650装置(KLA-Tencor Corporatio
n)で被覆厚さを測定し、かつサトリウス(Satorius)
BP210Dバランスでウェハを秤量することによって
評価する。平均RRに関して10個のウェハをそれぞれ
ポリッシングしかつ評価する。
or)からの装置であるサーフスキャン(Surfscan)50
00モデルで評価した。
第4表にまとめる。
を高い研磨速度及び良好な選択性で使用する場合には、
スクラッチは二酸化ケイ素表面のポリッシングにおいて
検出できないことは明らかである。一方で分散液D1−
A及びD2−Aは高い研磨速度及び良好な選択性を示す
が、スクラッチ及び損傷が検出でき、これらはポリッシ
ング懸濁液としてのその使用を制限する。全体的に、調
査される酸化セリウムで被覆されたドープされた二酸化
ケイ素の全ての分散液は純粋な二酸化ケイ素(D3−
A、D3−B)をベースとする分散液よりも研磨速度、
選択性及び損傷の数に関して良好な値を示す。
SiO2/Si3N4
Claims (7)
- 【請求項1】 水性分散液であって、ドープされた熱分
解的に製造された二酸化ケイ素からなる低級構造を有す
るコアから、セリウム塩溶液又はセリウム懸濁液との混
合、有利にはそれによる噴霧によって、酸化セリウムシ
ェルの形成下に得られる粉末を含有し、その際、分散液
中の粉末が0.2μmの平均二次粒度を超えないことを
特徴とする水性分散液。 - 【請求項2】 ドープがアルカリ金属酸化物又は酸化ア
ルミニウムである、請求項1記載の水性分散液。 - 【請求項3】 分散液中の固体含量が0.1〜70質量
%である、請求項1又は2記載の水性分散液。 - 【請求項4】 分散液のpH値が3〜11である、請求
項1から3までのいずれか1項記載の水性分散液。 - 【請求項5】 pH値を調整する物質、例えば酸、塩基
及び/又は緩衝系、酸化剤、酸化アクチベーター、腐食
防止剤、研磨剤及び/又は表面活性物質からなる群から
の添加剤を含有する、請求項1から4までのいずれか1
項記載の水性分散液。 - 【請求項6】 粉末を水性媒体中に、場合により添加剤
を添加してまず前分散させて、引き続き前分散液を分散
させる、請求項1から5までのいずれか1項記載の水性
分散液の製造方法。 - 【請求項7】 半導体基板又はその上に施与された層の
化学的機械研磨のための及びトレンチ分離プロセスにお
ける、請求項1から5までのいずれか1項記載の水性分
散液の使用。
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