JP2004022748A

JP2004022748A - 半導体集積回路の有機絶縁膜の研磨方法

Info

Publication number: JP2004022748A
Application number: JP2002174636A
Authority: JP
Inventors: Yukie Mamaru; 真丸　幸恵
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd; Seimi Chemical Co Ltd
Current assignee: Seimi Chemical Co Ltd; AGC Inc
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2004-01-22
Also published as: TW200405452A; WO2003107407A1; AU2003242395A8; AU2003242395A1

Abstract

【課題】半導体基板上の有機絶縁膜をクラック、スクラッチ、膜剥がれなどの発生を抑制し、大きい研磨速度にて研磨する方法を提供する。
【解決手段】芳香族系ポリマーからなり、好ましくは誘電率が３．５以下である半導体集積回路の有機絶縁膜を、研磨砥粒と水とアルコールとを含み、かつ好ましくは粘性付与剤を含む研磨剤組成物にて研磨する。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路における層間絶縁膜などの有機ポリマー材料からなる有機絶縁膜を平坦化するための研磨に使用される、優れた研磨特性を有する研磨方法およびそのための研磨剤組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路は低電力化、高速化を求め、急激な高密度化、高集積化が要求されており、銅、アルミニウム等による配線のパターンの微細化と回路の多層化が行われている。加工線幅の微細化では配線の間隔が狭くなることで配線間容量が増え、信号遅延時間が長くなり、半導体集積回路の高速化が妨げられる。そこで誘電率の低い材料でこれらの配線の間を隙間無く埋めて、微細な配線間隔を絶縁することが要求されている。
【０００３】
また、回路の多層化にあたっては半導体基板上に形成された層間絶縁膜をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により平坦化し、更にその上にフォトリソグラフィーにより新たな配線を光学露光して回路を形成し、この操作を繰り返すことにより回路が積み重ねられている。
【０００４】
この回路の多層化では、光学露光により回路が形成される表面に凹凸があると、多層化された回路は上層の配線パターンに行くほどその影響を大きく受け、回路の断線等の不良が起こる要因となる。このため、ＣＭＰにおいては研磨表面の凹凸の原因となるクラック、スクラッチの発生や膜剥がれなどの半導体基板表面の不具合を極力抑制しなければならない。
【０００５】
一方、従来、層間絶縁膜の材料としてはＳｉＯ_２膜（誘電率約４．２）等の無機材料が用いられてきたが、近年、更なる配線の高密度化により、一層の低誘電率の層間絶縁膜が求められている。かかる層間絶縁膜として、有機ポリマー材料からなる有機絶縁膜が提案されている。例えば、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、芳香族ジアミンとテトラカルボン酸二無水物との反応物やＰＩＱ（ポリイミド　イソインドロキナゾリンジオン）などのポリイミドなどが注目されている。この有機絶縁膜は、一般的に誘電率も低く、熱安定性も遜色なく、また平坦化性、間隙を埋める特性などの多くの点で、従来のＳｉＯ_２膜を超える性能を有する。
【０００６】
しかし、このような有機絶縁膜が使用される場合、ＣＭＰにおいて、従来通常用いられる、シリカ、アルミナ、セリア等の研磨砥粒に水を主媒体するスラリー状の研磨剤を使用し、高い研磨速度（研磨レート）を得ようとして従来の無機材料からなる層間絶縁膜を研磨するのと同様の圧力（２．８×１０^４〜３．４×１０^４Ｐａ）で研磨した場合、有機絶縁膜が無機材料の絶縁膜に比べて機械的強度が低いために、有機絶縁膜に凹凸の原因となるクラック、スクラッチ、膜剥がれを生じてしまい、実用的な特性を有する多層化した半導体集積回路を製造するのは困難であった。
【０００７】
一方、有機絶縁膜に生じるクラック、スクラッチや膜剥がれを防ぐために、ＣＭＰにおける研磨時の圧力を低くすることも考えられるが、このような低い研磨圧力では充分な研磨速度を得ることができず、これまた実用的な特性を有する半導体集積回路を製造することは困難であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、半導体集積回路における層間絶縁膜などの半導体基板上の有機絶縁膜をＣＭＰを用いて研磨するにあたり、被研磨面の欠陥である、クラック、スクラッチ、膜剥がれなどの発生を抑制し、かつ大きい研磨速度が得られる研磨方法を提供する。
また、本発明は、上記研磨方法に使用される研磨剤組成物を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は前記の課題を解決すべく半導体基板上の有機絶縁膜の研磨について鋭意研究した結果、以下のような新規な知見を得た。すなわち、半導体基板上の有機絶縁膜が、誘電率３．５以下の芳香族系ポリマーからなる場合、研磨砥粒と水とアルコールを含む研磨剤組成物をもって研磨することにより、凹凸の原因となるクラック、スクラッチ、膜剥がれの発生を著しく低減し、また、大きい研磨速度が得られることを見出した。
また、本発明では、上記の研磨剤組成物が特定量の粘性付与剤を含有することにより更に優れた研磨速度が得られることが見出された。
【００１０】
かくして、本発明は下記の構成を有するものである。
（１）半導体集積回路における有機絶縁膜を、研磨砥粒と水とアルコールとを含む研磨剤組成物にて研磨することを特徴とする半導体集積回路の有機絶縁膜の研磨方法。
（２）アルコールがイソプロピルアルコールである（１）に記載の半導体集積回路の有機絶縁膜の研磨方法。
（３）前記有機絶縁膜が芳香族系ポリマーからなり、かつ誘電率が３．５以下である（１）または（２）に記載の半導体集積回路の有機絶縁膜の研磨方法。
（４）前記芳香族系ポリマーは、ベンゼン環とベンゼン環に直接結合したエーテル結合性の酸素原子とを含む（１）、（２）または（３）に記載の半導体集積回路の有機絶縁膜の研磨方法。
（５）前記研磨剤組成物における、前記研磨砥粒の含有量が０．１〜１０質量％であり、かつアルコールの含有量が０．１〜３０質量％である（１）〜（４）のいずれかに記載の半導体集積回路の有機絶縁膜の研磨方法。
（６）前記研磨剤組成物にさらに粘性付与剤が含有される（１）〜（５）のいずれかに記載の半導体集積回路の有機絶縁膜の研磨方法。
（７）研磨砥粒がα−アルミナであり、かつ前記粘性付与剤がヒドロキシプロピルセルロースである（６）に記載の半導体集積回路の有機絶縁膜の研磨方法。
（８）芳香族系ポリマーからなり、かつ誘電率が３．５以下である有機絶縁膜を有する半導体集積回路における前記有機絶縁膜を研磨するための研磨用組成物であって、研磨砥粒と水とアルコールとを含むことを特徴とする半導体集積回路の有機絶縁膜用の研磨剤組成物。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の研磨方法の対象となる、半導体集積回路の基板上に形成され、研磨される有機絶縁膜は、芳香族系ポリマーが好ましく、誘電率が３．５以下のものであることがより好ましい。有機系材料であっても芳香族ポリマーから形成されない、たとえば、トリメチルシラン系ポリマーの有機系絶縁膜の場合には、充分な研磨レートが得られない場合が多い。また、本発明では、有機絶縁膜の有する誘電率は３．５以下が好ましく、これを超える誘電率を有する有機絶縁膜の場合には、そもそも有機絶縁膜を使用する利点がない上に、本発明の研磨方法により研磨効果も小さい場合が多い。さらに、誘電率は、３．０以下であるのがより好ましい。
【００１２】
本発明における有機絶縁膜を形成する芳香族系ポリマーは、なかでも、芳香族系ポリマーはベンゼン環とベンゼン環に直接結合したエーテル結合性の酸素原子とを含むポリマーであるのが好ましい。かかるポリマーからなる有機絶縁膜は、１．０〜３．０という低い誘電率を有するとともに、本発明の研磨方法により優れた研磨特性が得られる。このような有機絶縁膜を構成する有機ポリマー材料の好ましい例としては、芳香族ジアミンとテトラカルボン酸二無水物との反応物やＰＩＱ（ポリイミド　イソインドロキナゾリンジオン）などのポリイミド、ＳｉＬＫ（ダウケミカル社商品名），ＢＣＢ（ダウケミカル社商品名），Ｆｌａｒｅ（ハネウェル社商品名）が挙げられる。
【００１３】
さらに、本発明では、ベンゼン環とベンゼン環に直接結合したエーテル結合性の酸素原子に加えて、シクロペンタジエノニル基と芳香族アルキニル基を少なくとも含むオリゴマーからなる有機絶縁膜に対しても本発明の研磨方法により良好な結果が得られる。
【００１４】
本発明において使用される研磨剤組成物は研磨砥粒と水とアルコールとを含む組成物である。研磨砥粒としては、平均粒子径が好ましくは０．０１μｍ〜０．５μｍのアルミナ、シリカ、セリアなどが単独もしくは組み合わせて用いられる。なかでも、平均粒子径が好ましくは０．０１μｍ〜０．５μｍ、特に好ましくは０．０５〜０．２μｍである。中でも当該平均粒子径のα−アルミナは、スクラッチ、クラックの発生や膜剥がれが抑制され、かつ高い研磨レートが得られる。α−アルミナを研磨砥粒として用いた場合、その平均粒子径が０．０１μｍより小さいと所望の研磨速度を得難く、０．５μｍより大きいとスクラッチが発生する不具合が生じるものである。
【００１５】
アルコールとしては、好ましくは、炭素数が好ましくは１〜５のアルキル基を有する脂肪族アルコールが使用される。その好ましい例としてはエタノール、プロパノール、ブタノールなどが挙げられる。なかでも、第２級アルコールが好ましく、特に、イソプロピルアルコールは、研磨レートが他のアルコールと比べて高くなるため特に好適である。
【００１６】
本発明の研磨剤組成物における各構成成分の組成は、水を主成分とするスラリーを形成するようにするのが好ましい。このため、研磨砥粒の組成物における含有量は、０．１〜１０質量％が好ましく、０．５〜５質量％が特に好ましい。研磨砥粒の含有量が０．１質量％より少ないと所望の研磨速度が得られず、一方、１０質量％を越えるとクラック、スクラッチが発生する原因となる恐れがある。また、アルコールの含有量は０．１〜３０質量％が好ましく、特には５〜１５質量％が好ましい。アルコールの含有量が０．１質量％より少ないと所望の研磨特性が得られず、一方、３０％を越えた場合には含有量の増加に見合う研磨レートの向上が望めない。
【００１７】
また、本発明の研磨剤組成物には、粘性付与剤を含有させることが好ましく、それにより、スクラッチ、クラック、絶縁膜の剥がれが抑制され、研磨効果を更に向上させることができる。かかる粘性付与剤としては、ポリエチレングリコールなどのポリアルキレングリコール、ヒドロキシプロピルセルロースなどのヒドロキシアルキルセルロース、アルキルアルカノールアミドなどの水溶性粘性付与剤が単独または混合して使用される。ポリエチレングリコールの場合、その平均分子量は１０万〜５００万が好ましく、特には１００万〜３００万が好ましい。水溶性粘性付与剤の含有量は研磨剤組成物中、０．００１〜５質量％が好ましく、特には０．００３〜０．１質量％がさらに好ましい。ヒドロキシプロピルセルロースを使用する場合、２０℃において、２０ｇ／リットルの粘度が１０ｃＰ〜１０万ｃＰ、特に好ましくは１００ｃＰ〜１万ｃＰのものが、優れた研磨レートが得られる。
【００１８】
本発明の研磨剤組成物には、研磨レートを阻害しない限り、ｐＨ調整剤、界面活性剤、キレート化剤、酸化剤、還元剤等を必要に応じて適宜含有させることができる。
上記ｐＨ調整剤は、研磨剤組成物を塩基性側に調整する場合には、水溶液中で塩基性を呈するものであれば特に限定されず、既知の酸やアルカリが用いられる。例えば、塩基性側へのｐＨ調整剤としては、アンモニア、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリ金属化合物、１級〜３級アミンやヒドロキシルアミン、水酸化テトラメチルアンモニウムアンモニウムや水酸化テトラエチルアンモニウムアンモニウムなどの４級アンモニウム塩であってもよい。また、酸性側へのｐＨ調整剤としては、硝酸、硫酸、塩酸などの無機酸、酢酸、プロピオン酸、乳酸、クエン酸、シュウ酸、コハク酸などの有機酸が挙げられる。
【００１９】
上記界面活性剤も、特に制限されず、陰イオン性界面活性剤、陽イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤または両性界面活性剤のなかから適宜選択される。陰イオン性界面活性剤としては、ラウリル硫酸アンモニウム、ポリアクリル酸、アルキル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルフォン酸塩などが挙げられる。陽イオン性界面活性剤としては、アルキルアミン塩、第四級アンモニウム塩などが挙げられる。非イオン性界面活性剤としては、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脂肪酸エステル、グリセリン脂肪酸エステルなどが挙げられる。両性界面活性剤としては、アルキルベタイン、アミンオキサイドなどが挙げられる。
【００２０】
上記キレート化剤も、特に制限されず、既知のものが使用できる。例えば、グリシン、アラニン、グルタミン、アスパラギンなどのアミノ酸、グリシルグリシン、グリシルアラニンなどのペプチド、ＥＤＴＡなどのポリアミノカルボン酸、クエン酸などのオキシカルボン酸、縮合リン酸などが挙げられる。
【００２１】
上記酸化剤も、特に制限されず、既知の過酸化水素、過酸化尿素、過酢酸、硝酸鉄、ヨウ素酸塩などが使用できる。上記還元剤も、特に制限されず、既知のものが使用できる。例えば、ヨウ化水素、硫化水素などの水素化合物やアルデヒド類、糖類、ギ酸、シュウ酸などの有機化合物を用いることができる。
【００２２】
本発明において、上記研磨剤組成物を使用して有機絶縁膜を研磨する方法は特に限定されるものではないが、層間絶縁膜などの有機絶縁膜が表面に形成された半導体集積回路の裏面を回転可能な支持台上に固定し、該半導体集積回路の表面に研磨パッドが取り付けられた研磨ヘッドを当接し回転させる方法が採用される。ここで支持台には研磨時の圧力を緩衝し、半導体集積回路に対して均一に圧力をかけるためのクッション材を介して半導体集積回路を取り付けてもよい。また、研磨パッドには研磨剤組成物のスラリーが半導体集積回路の表面に対して均一に供給可能なようにチャネルや供給孔が設けられていてもよい。
【００２３】
研磨パッドの材質としてはポリエステルやポリウレタンなどがあり、本発明の実施例では、ＩＣ−１４００のＫ−Ｇｒｏｏｖｅｄ（ポリウレタン材質、ロデール・ニッタ社製）を用いたが、用いられる研磨パッドの材質はこれに限定されるものではなく、使用される研磨剤組成物のスラリーなどとの組み合わせにより適宜選択することができる。
【００２４】
研磨圧力は、研磨パッドの種類、上記クッション材の有無や種類、研磨速度、研磨剤組成物のスラリーの粘性等の物性により設定できるが、本発明では層間絶縁膜などの有機絶縁膜の研磨においては、好ましくは０．７×１０^３Ｐａ〜２．１×１０^４Ｐａ、特に好ましくは、１×１０^４Ｐａ〜１．７×１０^４Ｐａが採用される。研磨圧力が０．７×１０^３Ｐａより小さいと充分な研磨レートが得られず、逆に、２．１×１０^４Ｐａより大きいと、研磨過程でクラックやスクラッチや絶縁膜の剥がれが生じ、半導体基板上に形成された回路や、回路の多層化に悪影響を与える。
【００２５】
本発明の研磨方法において、研磨組成物スラリーの供給量としては、５０ｍｌ／ｍｉｎ〜５００ｍｌ／ｍｉｎが好ましく、特には１００ｍｌ／ｍｉｎ〜４００ｍｌ／ｍｉｎが好適である。該供給量が５０ｍｌ／ｍｉｎより少ないと充分な研磨レートが得られない恐れがあり、逆に５００ｍｌ／ｍｉｎを越えると研磨に必要とされる量を超えるため、経済的でない。
本発明の研磨用組成物を使用して研磨された半導体集積回路は、通常の研磨方法のごとく流水により十分に洗浄し、乾燥せしめられる。
【００２６】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定して解釈されるべきでないことは言うまでもない。なお、特に断りのない限り「％」は「質量％」を表す。
表１に各実施例と比較例の研磨レートを記した。
【００２７】
［実施例１］
α−アルミナ（平均粒子径：０．１５μｍ）：１．０％と、イソプロピルアルコール：　１０．０％と、水：　残部とからなるスラリー状の研磨剤組成物を得た。
この研磨剤組成物を用い、以下の方法で半導体基板上に設けられた有機絶縁膜を有する集積回路表面を研磨した。なお、有機絶縁膜は、ＳｉＬＫＩ５５０（誘電率：２．７、ダウケミカル社商品名）であり、赤外線スペクトルを測定すると、図１のとおりとなり、この赤外線チャートより、ベンゼン環とベンゼン環に直結するエーテル結合性の酸素原子を有するポリマーであることがわかる。赤外線チャートは、ニコレ社製　マグナ７６０型、付属顕微ＩＲ：ニックプランで得た。
【００２８】
研磨機として、Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製研磨機Ｍｉｒｒａを使用し、研磨パッドとして、ＩＣ−１４００　Ｋ−Ｇｒｏｏｖｅｄ（同心円状グルーブ）を使用して、上記研磨剤組成物を１分間あたり２００ミリリットルの割合で研磨パッドに供給しながら１分間研磨した。研磨圧力は１．３８×１０^４Ｐａ、研磨パッドの回転数は、ｈｅａｄ　５７
ｒｐｍ，　ｐｌａｔｅｎ　６３　ｒｐｍである。
上記のようにして研磨における、時間あたりの研磨速度を測定し表１に示した。
【００２９】
［実施例２］
実施例１の研磨剤組成物に代えて、以下の研磨剤組成物を用いた他は実施例１と同様にして半導体基板上に設けられた有機絶縁膜を有する集積回路表面を研磨し、時間あたりの研磨速度を測定し表１に示した。
研磨剤組成物
α−アルミナ（平均粒子径：０．１５μｍ）：　　１．０％
イソプロピルアルコール：　　　　　　　　　１０．０％
ポリエチレングリコール：　　　　　　　　　　０．００５％
（平均分子量２００万）
水　　　　　　　　　　：　　　　　　　　　　残部
【００３０】
［実施例３］
実施例１の研磨剤組成物に代えて、以下の研磨剤組成物を用いた他は実施例１と同様にして、半導体基板上に設けられた有機絶縁膜を有する集積回路表面を研磨し、時間あたりの研磨速度を測定し、表１に示した。
研磨剤組成物
α−アルミナ（平均粒子径：０．１５μｍ）：　　１．０％
イソプロピルアルコール：　　　　　　　　　１０．０％
ヒドロキシプロピルセルロース：　　　　　　　０．１％
（１，０００〜４，０００ｃＰ：和光純薬製）
水　　　　　　　　　　：　　　　　　　　　　残部
【００３１】
［比較例１］
実施例１の研磨剤組成物に代えて、平均粒子径：０．１５μｍのα−アルミナ：１．０％と、水：残部とからなるスラリー状研磨剤組成物を用いた他は実施例１と同様にして、半導体基板上に設けられた有機絶縁膜を有する集積回路表面を研磨し、時間あたりの研磨速度を測定し、表１に示した。
【００３２】
［比較例２］
また、比較例１において、その研磨圧力に代えて、研磨圧力２．８×１０^４Ｐａとした他は、比較例１の条件と同様に研磨し、時間あたりの研磨速度を測定し、表１に示した。
【００３３】
【表１】

【００３４】
また、上記実施例および比較例において、研磨後の集積回路表面のスクラッチ、膜剥がれの性状を観察しその結果を表２に示した。なお、スクラッチの測定は暗室でＨＩＧＨ　ＩＮＴＥＳＩＴＹ　ＬＡＭＰで光をあて、目視観察した。
【００３５】
【表２】

【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体集積回路上に設けられた、層間絶縁膜などの有機ポリマー材料からなる有機絶縁膜を、従来の研磨面の欠陥であるクラック、スクラッチ、膜剥がれの発生を抑制した上で、低い研磨圧力でも優れた研磨速度にて研磨できる新規な方法が提供される。
さらに、本発明によれば、研磨剤組成物に粘性付与剤が添加されることにより、スクラッチや剥がれを生じず、より優れた研磨速度にて半導体集積回路の有機絶縁膜の研磨を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１で使用した有機絶縁膜を構成するＳｉＬＫＩ５５０の赤外線チャート。

Claims

半導体集積回路における有機絶縁膜を、研磨砥粒と水とアルコールとを含む研磨剤組成物にて研磨することを特徴とする半導体集積回路の有機絶縁膜の研磨方法。
アルコールがイソプロピルアルコールである請求項１に記載の半導体集積回路の有機絶縁膜の研磨方法。
前記有機絶縁膜が芳香族系ポリマーからなり、かつ誘電率が３．５以下である請求項１または２に記載の半導体集積回路の有機絶縁膜の研磨方法。
前記芳香族系ポリマーは、ベンゼン環とベンゼン環に直接結合したエーテル結合性の酸素原子とを含む請求項１、２または３に記載の半導体集積回路の有機絶縁膜の研磨方法。
前記研磨剤組成物における、前記研磨砥粒の含有量が０．１〜１０質量％であり、かつアルコールの含有量が０．１〜３０質量％である請求項１〜４のいずれかに記載の半導体集積回路の有機絶縁膜の研磨方法。
前記研磨剤組成物にさらに粘性付与剤が含有される請求項１〜５のいずれかに記載の半導体集積回路の有機絶縁膜の研磨方法。
前記研磨砥粒がα−アルミナであり、かつ前記粘性付与剤がヒドロキシプロピルセルロースである請求項６に記載の半導体集積回路の有機絶縁膜の研磨方法。
芳香族系ポリマーからなり、かつ誘電率が３．５以下である有機絶縁膜を有する半導体集積回路における前記有機絶縁膜を研磨するための研磨用組成物であって、研磨砥粒と水とアルコールとを含むことを特徴とする半導体集積回路の有機絶縁膜用の研磨剤組成物。