JP2003514061A5

JP2003514061A5 -

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Publication number: JP2003514061A5
Application number: JP2001535478A
Authority: JP
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2011-10-27

Description

【特許請求の範囲】
【請求項１】フュ−ムド砥粒ならびに０．１〜２．０wt％の少なくとも１つのＣｓ＋塩基性塩を含む化学的機械研摩用組成物。
【請求項２】フュ−ムド砥粒がフュ−ムドアルミナである請求項１記載の化学的機械研摩用組成物。
【請求項３】フュ−ムド砥粒が１〜５０wt％のフュ−ムドシリカである請求項１記載の化学的機械研摩用組成物。
【請求項４】第２の砥粒を含む請求項１記載の化学的機械研研摩用組成物。
【請求項５】第２の砥粒がコロイダルシリカである請求項４記載の化学的機械研摩用組成物。
【請求項６】研摩用組成物が少なくとも５０％のオープンフィールド効率でシリコン含有基板を平坦化する請求項１記載の化学的機械研摩用組成物。
【請求項７】研磨用組成物が少なくとも８５％のアレイフィールド効率でシリコン含有基板を平坦化する請求項１記載の化学的機械研摩用組成物。
【請求項８】１〜２０wt％のフュ−ムドシリカを含む請求項１記載の化学的機械研摩用組成物。
【請求項９】Ｃｓ＋塩基性塩がＣｓＯＨである請求項１記載の化学的機械研摩用組成物。
【請求項１０】１〜２５wt％のフュ−ムドシリカおよび０．１〜２．０wt％のＣｓＯＨを含む化学的機械研摩用組成物。
【請求項１１】１〜５０wt％の金属酸化物砥粒ならびに０．１〜２．０wt％のＣｓ＋塩基性塩を含み、０．２５μｍより小さいゲート幅を有する集積回路を研摩することができる化学的機械研摩用組成物。
【請求項１２】Ｃｓ＋塩基性塩がＣｓＯＨである請求項１１記載の化学的機械研摩用組成物。
【請求項１３】（ａ）水および０．１〜２．０wt％の少なくとも１つのＣｓ＋塩基性塩を含む研摩用組成物を調製すること；
（ｂ）研摩用組成物を平坦化される基板表面に付着させること；
（ｃ）研摩パッドを、平坦化されるシリコン含有基板表面と接触させること；ならびに
（ｄ）平坦化されるシリコン含有基板表面に関してパッドを移動させ、砥粒は研摩用組成物とともに使用されること、の段階を含む、研摩パッドでシリコン含有基板を平坦化する方法。
【請求項１４】砥粒が研摩用組成物に添加され、その後に研摩用組成物が平坦化される基板の表面に付着される請求項１３記載の方法。
【請求項１５】砥粒が研摩パッドに配合される請求項１３記載の方法。
【請求項１６】研摩組成物が少なくとも５０％のオープンフィールド効率でシリコン含有誘電体層を研摩する請求項１３記載の方法。
【請求項１７】研摩用組成物が少なくとも８５％のアレイフィールド効率でシリコン含有誘電体層を研摩する請求項１３記載の方法。
【請求項１８】基板が０．２５μｍよりも小さいゲート幅を有する集積回路を含むウェハである請求項１３記載の方法。
【請求項１９】シリコン含有基板層が二酸化ケイ素である請求項１３記載の方法。
【請求項２０】研摩用組成物のＣｓ＋塩基性塩がＣｓＯＨである請求項１３記載の方法。
【請求項２１】砥粒がフュ−ムドシリカである請求項１３記載の方法。
【請求項２２】（ａ）水ならびに０．１〜２．０wt％のＣｓＯＨを含む研摩用組成物を調製すること；
（ｂ）その研摩用組成物を平坦化される基板表面に付着させること；
（ｃ）研摩パッドを二酸化ケイ素誘電層表面と接触させること；ならびに
（ｄ）二酸化ケイ素誘電体層に関してパッドを移動させ、そこではフュ−ムドシリカ砥粒が、研摩用組成物とともに用いられ、そして研摩用組成物が、少なくとも５０％のオープンフィールド効率および少なくとも８５％のアレイフィールド効率でシリコン含有誘電体層を研摩すること、
の段階を含む、０．２５μｍより小さい幅を有する少なくとも１つのゲートを持つ集積回路を含むウェハの二酸化ケイ素誘電体層を、研摩パッドを用いて平坦化する方法。
【請求項２３】フュ−ムドシリカが化学的機械研摩用組成物に添加され、その後に化学的機械研摩用組成物が平坦化される基板表面に付着される請求項２２記載の方法。
【請求項２４】フュ−ムドシリカが研摩パッドに配合される請求項２２記載の方法。

従来技術の説明
集積回路はシリコン基板内もしくは上に形成される多数の能動（active）デバイスから構成される。互いに初めに分離されている能動デバイスは相互接続されて機能的な回路およびコンポーネントを形成する。デバイスは多層配線（multilevel interconnections）の使用により相互接続される。相互接続構造はメタライゼーション（metallization）の第１層、相互接続層、第２レベルのメタライゼーション、および時には第３およびつづくレベルのメタライゼーションを有するのが通常である。ドープされたもしくはドープされない二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２），または低−κ誘電体窒化タンタルのような層間絶縁膜（interlevel dielectrics）（ＩＬＤ）がシリコン基板もしくはウェルにおける異なるレベルのメタライゼーションを電気的に分離するのに用いられる。

研摩用組成物成分はＣＭＰ段階の成功において重要な要因である。成分を注意深く選ぶことにより、研摩用組成物は所望の研摩速度で選択された層に有効な研摩を付与するが、一方で、表面の不完全さ、欠陥および腐食、ならびに隣の層の浸食を最小化するように適合されうる。

もう１つの態様において、本発明は水、約１〜約５０wt％のフュ−ムドシリカ、および約０．１〜２．０wt％のＣｓＯＨを含有する化学的機械研摩用組成物である。この研磨組成物は、シリコン含有基板を、少なくとも５０％のオープンフィールド効率および少なくとも８５％のアレイフィールド効率で平坦化する。

本発明の態様の説明
本発明は砥粒、および水酸化セシウムのような少なくとも１つのＣｓ＋塩基性塩を含有する化学的機械研摩用組成物に関する。さらに本発明は、Ｃｓ＋塩基性塩を含有する研摩用組成物を用いて集積回路が結合された誘電体層を研摩する方法に関する。

塩基性セシウム塩で安定化されたスラリーはアンモニアおよび水酸化カリウム安定化スラリーに比べて予想外の性能向上を示す。セシウムイオンはカリウムおよびナトリウムイオンより低い移動性を有する。しかも、セシウムイオン含有研摩用組成物はアンモニアスラリーよりも高速度で研摩し、アンモニア安定化スラリーのような悪臭を有さない。しかも、セシウムイオン含有研摩用組成物はカリウム、ナトリウムおよびアンモニア安定化スラリーに比べて、明視野点欠陥として測定される低い欠陥で、そして最も驚くべきことに改良された平坦化効率で研摩する。半導体ウェハが十分に平坦化されたかどうかを測定する重要な要因は、平坦化につづく処理ウェハ表面に残る欠陥の数である。１つの種類の欠陥は「ピット」（”pit”）(くぼみ)、すなわちウェハ表面の望ましくない沈下として産業において知られている。もう１つの欠陥は「ディッグ」（”dig”）（掘り）もしくは「スキッド」（”skid”）（すべり）として産業において知られ、互いに近接する一連の望ましくない粗いひっかき傷を示す。もう１つの種類の欠陥は基板を清浄にし得ない残留スラリー粒子である。欠陥の数および種類はレーザー光散乱を含む、この分野で認められた方法を用いて測定され得る。一般に、欠陥の数を最小にするのが望ましい。

本発明の化学的機械研摩スラリーは、約１．０〜約５０．０wt％以上の少なくとも１つの金属酸化物砥粒を含むのが通常である。しかし、本発明の化学的機械研摩スラリーは約１．０〜約３０wt％の金属酸化物砥粒を含むのが好適であり、そして最も好ましくは約５．０〜約２５．０wt％の金属酸化物砥粒を含む。砥粒の混合物が使用されるとき、本発明の組成物に使用される砥粒は約２５〜約６０％のフュ−ムド砥粒および約４０〜約７５％のコロイダル砥粒を含むことが好ましく、フュ−ムドシリカおよびコロイダルシリカを有するのが好ましい。

二酸化ケイ素、窒化タンタルのような誘電体層は組成物の存在下に表面を機械的ラビング（研摩）に供することにより上述の組成物で研摩される。ラビングは組成物もしくは研摩パッドにおいて砥粒により助けられる表面の機械的平滑化もしくは摩耗をもたらし、そして存在するとき砥粒に添加される成分により促進され誘電体層を含む成分を化学的に攻撃し溶解する化学的機械的研摩スラリーを得る。このように研摩は専ら機械的メカニズムにより、または化学的および機械的メカニズムの組合わせにより達成されうる。

上述のように、砥粒は化学的機械研摩スラリーを形成するために化学的機械研摩用組成物に配合され得、または研摩パッドに配合されうる。それぞれの場合、化学的機械組成物もしくはスラリーは研摩プロセスの間に、研摩される基板表面に、研摩パッドに、もしくはその両方に付着されうる。

さらに、塩基性セシウム塩を含む本発明の研摩用組成物は約０．２５μｍより小さいデバイス形状を有する集積回路層を研摩することができるのが知られている最初の研摩用組成物であることも本発明者は見出した。デバイス形状（”device geometries”）という用語は平均ゲート幅をいう。

図１は本発明による組成物および方法で使用するのに適切な代表的半導体ウェハの略図である。明快さのために、ドープされた領域、能動デバイス、エピタキシャル層、キャリアおよびフィールド酸化物層のような周知の特徴である。予め堆積された相互接続および予め堆積された誘電体膜は省略されている。基礎１０は単結晶シリコン、ガリウムひ素、およびこの分野で公知である他の半導体材料のような半導体材料を示すが、それらに限定されない。

基礎１０の頂部表面は数多くの不連続の金属相互接続ブロック２０（たとえば、金属導体ブロック）である。金属相互接続ブロック２０は、たとえば、アルミニウム、銅、アルミ二ウム銅合金、タングステン、ポリシリコン等で製造されうる。金属相互接続ブロック２０はこの分野で知られている典型的な方法で製造されうる。絶縁層３０は金属相互接続ブロック２０の頂部およびさらされた基礎部分１０’にわたって付着される。絶縁層３０は二酸化ケイ素、ＢＰＳＧ（ホウリン酸シリケートガラス）、ＰＳＧ（リンケイ酸塩ガラス）、またはそれらの組合わせのような金属酸化物であるのが通常である。得られる絶縁層３０は、微細構造（topography）を有する頂部表面３２を有することが多いが、それは、所望のような「平面」および／または「均一」ではない。

回路の付加層が、ビアおよびパターン化されたフォトリソグラフィーを適用されうる前に、所望の程度の平坦化および／または均一性を得るために絶縁層３０の頂部表面３２を研摩する必要があるのが通常である。要求される平坦度の特定の程度は多くの要因に依存し、個々のウェハおよび意図される用途、ならびにウェハが供される次の処理段階の性質を含む。簡単のために、この出願の残りの部分にわたって、このプロセスが「平坦化」もしくは「研摩」として言及される。

図２は、研摩もしくは平坦化後の図１に示されるウェハを例示する。平坦化の結果、絶縁層３０の研摩された表面３４は、十分に平坦であるべきであり、その結果、つづくフォトリソグラフィーが新しい回路デザインを創り出すのに用いられるとき、臨界的な寸法のフィーチャー（features）が解像されうる。ダイ金属ブロックもしくはデバイス（アレイ）内で密度が変わることが注目されるべきである。通常、絶縁層の希薄な領域３６は密な領域３８よりも高速で研摩する。図１および２において、希薄な領域３６は分離された金属ブロック４０の上方に位置され、そして比較的密な領域は密に詰め込まれた金属相互接続ブロック２０、２０’および２０”にわたって位置される。ダイを有する平坦な不均一性はＷＩＤＮＵ（ダイ内の不均一性）（within die non-uniformity）といわれる。

最先端技術で許容されうるこの種の不均一性の大きさはデバイスのフィーチャー（features）（すなわち、ゲート幅）が約０．２５μｍより小さくなるにつれて、劇的に減少した。不均一性を最小にする１つの方法は形状を取除くスラリーおよびプロセスを開発することであり、非常に効率的に絶縁層を含むが、最小限のフィールド損失、すなわち希薄領域での絶縁層の損失、しか有さない。このように希薄な領域をゆっくりと研摩するスラリーおよび研摩プロセスはもっと厳重なＷＩＤＮＵ許容を達成するのを可能にする。２つの要因はこれらをもっと厳重なＷＩＤＮＵ許容にさせる。両方の要因はもっと小さくて、もっと高速のコンピューターチップに関する。第１の要因はフォトリソグラフィー段階の間の焦点深さの考慮である。デバイスは０．２５μｍ以下に減少するので、ステッパーの開口はもっと小さく、焦点の深さ許容をもっと浅くすること、そして絶縁層厚さを全体的な平坦等により均一にすることを、もっと重要にする。加えて、いくつかの最先端のチップにおける実施速度を制限するのは後端の相互接続におけるＲＣ時間遅れである。ＲＣ時間遅れを制御し、全てのダイに亘って得られるクロック速度を一定に維持するために、誘電体絶縁層の改良された均一性が必要とされる。

浅いトレンチ分離（Shallow Trench Isolation ）は絶縁層が平坦化されるもう１つの方法である。浅いトレンチ分離（ＳＴＩ）は集積回路においてトランジスタと他のデバイスを分離するためのＩＣ製造における処理段階である。ＳＴＩは改良された最小の分離空間、ラッチアップ（latchup）および接合（junction）キャパシタンスにより他の分離構成に優越する。図３は直接ＳＴＩ研摩のための本発明による組成物および方法での使用に適した代表的な半導体ウェハの略図である。直接ＳＴＩ研摩において密度の効果も重要である。トレンチ（溝）は通常単結晶シリコンである半導体基礎８０にエッチングされる。硬いマスク窒化ケイ素６０はトレンチのエッチングの前にシリコン上に堆積される。ついでトレンチは二酸化ケイ素絶縁層７０で充填される。再び、構成は緻密および希薄領域を含む。中間誘電体研摩と異なり、ＳＴＩの目標は、窒化ケイ素が十分にさらされ、そして二酸化ケイ素のみがトレンチに残ることである。図４において、ＷＩＤＮＵの潜在的に有害な効果が示され、窒化ケイ素６０の上の「ストッピング」（”stopping”）の代わりに、窒化ケイ素が除去されて、露出したシリコン６２が曝される。この破滅的な破損は分離したフィーチャー（feature）６４の隅の摩耗により生じるのが通常である。ＳＴＩ研摩における密度効果を低滅する１つの方法はフィールド領域への高選択性を有するスラリーを用いることである。微細構造（topology）は高速で除去され、高程度のＷＩＤＮＵを有する「平坦な」（”planar”）表面を残す。次の研摩は窒化ケイ素９０を突破し、窒化ケイ素を薄くするのを最小にする。

研摩用スラリー組成物は下の表１に示される。各研摩用組成物はＣａｂｏｔＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより製造されたＣＡＢ−Ｏ−ＳＰＥＲＣＥ（登録商標）ＳＣ−Ｅフュ−ムドシリカを含んでいた。スラリーはスラリーｐＨを１０．８に増加させるために各スラリーに十分な量の各塩基（ＣｓＯＨもしくはＫＯＨ）を添加することによりＣｓＯＨもしくはＫＯＨで安定化された。研摩用組成物は試験ウェハを平坦化するために用いられた。試験ウェハは、アルミニウムのラインがシリコン基板上に創り出されるＭＩＴデザインマスクの試験パターンであった。ウェハは約９０００オングストロームの段差高さ（step hight）を有していた。パターンは１００〜８％の範囲の系統的に変動する密度を有する２５０μｍラインピッチであり、そこで１００％は１００％積層（stack）領域を意味し、そして２５％は、ラインが十分に厚くて、２５％が積層領域、そして７５％がフィールド領域であることを意味する。

フィールド測定は各ウェハの２つの領域−オープンフィールド（open field）およびアレイフィールド（array field）−から行なわれ、そして測定値は効率計算に用いられた。アレイフィールド測定は積層領域にきわめて接近して行なわれた。幅広いオープン（もしくは希薄な）領域は実際の研摩でもっと問題であるのが通常であるので、本発明者は最大オープンフィールド領域もしくは８％領域におけるフィールドを測定し、その測定値からオープンフィールドを計算することによりスラリー研摩効率も評価した。

オープンフィールドおよびアレイフィールド効率は研摩パラメータ、研摩機および他の消耗品およびスラリーに依存する。この出願のために、「オープンフィールド効率」および「アレイフィールド効率」という用語は、上述のような研摩パラメータで、ＩＰＥＣ４７２研摩機作動を用いて測定され、上述のように計算された研摩効率をいう。
例２
この例において、ＣｓＯＨ、ＫＯＨおよびＮＨ_４ＯＨを含む研摩スラリーの平坦化速度が評価された。各スラリーはＣａｂｏｔＣｏｒｐ．により製造された１２質量％のＣＡＢ−Ｏ−ＳＰＥＲＳＥ（登録商標）ＳＣ−Ｅフュ−ムドシリカを含んで、試験された。スラリーはスラリーｐＨを１０．８に増加させるために各スラリーに十分な量の各塩基を添加することによりＣｓＯＨ，ＫＯＨもしくはＮＨ_４ＯＨで安定された。各スラリーは例１に示される方法により例１に示されるウェハを研摩するのに用いられた。