JP2004342751A - Cmp slurry, polishing method, and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

Cmp slurry, polishing method, and method of manufacturing semiconductor device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a slurry which is capable of reducing both dishing and erosion and polishing a target surface as an object of polishing at a practical polishing speed. <P>SOLUTION: The CMP (chemical mechanical polishing) slurry contains composite particles including a composite resin component and an inorganic component and resin particles. The CMP slurry is characterised by having a viscosity of below 10 mPaS. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、CMP(Chemical Mechanical Polishing)に用いられるスラリー、これを用いた研磨方法および半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
次世代の高性能LSIは、素子の高集積化が必須であり、CMPにより形成されるダマシン配線のデザインルールは、配線幅が0.07〜30μm、膜厚は100nmと厳しい設計となりつつある。
【0003】
膜厚が100nmのダマシン配線を形成する場合、従来のCMPでは、研磨中に研磨布から遊離した研磨粒子が遊離粒子となって被研磨面に押し込まれ、約80nmのディッシングが生じる。この場合には、溝内に埋め込まれるべき配線材料(Cu、Al、Wなど)のほとんどが除去されてしまう。過剰なディッシングが生じると配線抵抗が高くなるため、半導体装置の性能が低下する。また、動作中に断線するおそれもあり信頼性の面でも懸念される。このため、ディッシングは20nm以下に抑えることが要求される。
【0004】
従来、研磨中の遊離粒子を低減することによって、こうした要求に対応できると考えられており、遊離粒子の少ない固定砥粒タイプのCMPパッド(例えば、3M社固定砥粒型パッドなど)を用いる方法が検討されている。こうしたパッドを用いることによってディッシングは20nm以下に抑制されるものの、加工能率、価格、加工面品位、安定性といった課題が残っている。
【0005】
また、研磨粒子と研磨パッドとの相互作用を高めるといった方法も提案されている(例えば、特許文献1参照)。例えば、研磨粒子としての複合型粒子と界面活性剤や有機酸などの有機化合物とを用いたスラリーが用いられるが、研磨力が乏しく実用性がない。
【0006】
さらに、2種類の樹脂粒子を研磨粒子として含有する著しく高粘度のスラリーが提案されている(例えば、特許文献2参照)。かかるスラリーは、ブラシを用いた研磨に適用する粘度を高めたものであり、スラリー供給管から滴下して通常の手法でCMPすることができない。
【0007】
【特許文献1】
特開2001−152133号公報
【0008】
【特許文献2】
特開2003−109919号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ディッシングやエロージョンを低減するとともに、実用的な研磨速度で被研磨面を研磨可能なスラリーを提供することを目的とする。
【0010】
また本発明は、ディッシングやエロージョンを低減するとともに、実用的な研磨速度で被研磨面を研磨する方法を提供することを目的とする。
【0011】
さらに本発明は、高い信頼性を有する半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様にかかるCMP用スラリーは、複合化された樹脂成分と無機成分とを含む複合型粒子、および樹脂粒子を含有し、粘度が10mPaS未満であることを特徴とする。
【0013】
本発明の一態様にかかる研磨方法は、ターンテーブル上に貼付された研磨布に、被研磨面を有する半導体基板を回転させつつ当接させる工程、および、前記研磨布上に、前述のCMP用スラリーを滴下して、前記被研磨面を研磨する工程を具備することを特徴とする。
【0014】
本発明の一態様にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、前記凹部の内部および前記絶縁膜の上に導電性材料を堆積して、導電性を有する層を形成する工程と、前記絶縁膜の上に堆積された前記導電性材料を除去して前記絶縁膜の表面を露出させることにより、前記導電性材料を前記凹部内部に残置する工程とを具備し、前記絶縁膜上に堆積された前記導電性材料の除去は、前述のスラリーを用いたCMPにより行なわれることを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【0016】
本発明者らは、研磨布上に供給されたスラリーを効率よく被研磨面に適用して、ディッシングやエロージョンを低減しつつ研磨を行なうには、複合型粒子と樹脂粒子との粒子混合物を研磨粒子として用い、しかも粘度を10mPaS未満に規定することが有効であることを見出した。
【0017】
図1は、複合型粒子および樹脂粒子の模式図である。複合型粒子10は、樹脂成分11としての重合体粒子と、この重合体粒子に複合化された無機成分12とにより構成される。複合化とは、化学的または非化学的に結合していることをさす。無機成分12は、例えばシリコン化合物部または金属化合物部とすることができる。無機成分12は、図示するように樹脂成分11の表面に結合するのみならず、内部に取り込まれていてもよい。一方、樹脂粒子13は、例えばCOOHなどの官能基を表面に有することが好ましい。
【0018】
複合型粒子10としては、例えば、特開2000−204352号公報に記載されているものを用いることができ、一般的には、以下のような手法により合成することができる。まず、樹脂成分11となるジビニルベンゼン重合体粒子等にシランカップリング剤などを結合させ、これに特定のシランアルコキシド、コロイド状のシリカを反応させる。こうして、重合体粒子の内部および表面に、無機成分12としてのポリシロキサン構造等からなるシリコン化合物部等を形成する。シリコン化合物部等は、シランカップリング剤などを用いずに形成することもできる。無機成分は、シランカップリング剤等を介して、あるいは直接、重合体粒子に結合されていることが好ましい。さらに、アルミニウム、チタニウムあるいはジルコニウム等の化合物を無機成分12として使用し、同様の構成の複合型粒子10を得ることもできる。
【0019】
以下に、複合型粒子10における樹脂成分11としての重合体粒子について詳細に説明する。
【0020】
重合体粒子は、各種の単量体を重合させて得られる重合体からなる粒子である。単量体としては、スチレン、α−メチルスチレン、ハロゲン化スチレンおよびジビニルベンゼン等の不飽和芳香族化合物類、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等の不飽和エステル類、ならびにアクリロニトリル等の不飽和ニトリル類などを使用することができる。さらに、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルアクリレート、エチルメタクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、ラウリルアクリレート、ラウリルメタクリレート、エチレングリコールジアクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、グリシジルアクリレート、グリシジルメタクリレート、2−ヒドロキシエチルアクリレート、アクリルアクリレートおよびアリルメタクリレート等のアクリル酸エステル類あるいはメタクリル酸エステル類を用いることもできる。
【0021】
また、ブタジエン、イソプレン、アクリル酸、メタクリル酸、アクリルアミド、メタクリルアミド、N−メチロールアクリルアミドおよびN−メチロールメタクリルアミド等を使用することもできる。これらの単量体は単独でも、2種以上を併用してもよい。
【0022】
重合体粒子は、上述したような単量体を乳化重合、懸濁重合および分散重合等、各種の方法により重合することによって得ることができる。重合条件を制御することによって、重合体粒子の粒径を任意に調整することが可能である。さらに、塊状等の重合体を粉砕して、所望の粒径の重合体粒子としてもよい。特に、強度等が大きく、耐熱性に優れる重合体粒子が求められる場合は、重合体粒子を製造する際に多官能の単量体を併用し、分子内に架橋構造を導入することもできる。架橋構造は、重合体粒子の製造中または重合体粒子を製造した後、化学架橋、電子線架橋等の方法によって導入することもできる。
【0023】
重合体粒子の形状は特に限定されないが、より球形に近いことが望まれる。その平均粒径は、球相当径として0.03〜100μmであることが好ましく、より好ましくは0.05〜20μmであり、最も好ましくは0.05〜1.0μmである。平均粒径が0.03μm未満の場合には、粒径が小さすぎて十分な研磨性能を得ることが困難となる。一方、平均粒径が100μmを越えると、複合型粒子の分散性が悪化して保存安定性が著しく低下するおそれがある。
【0024】
得られた重合体粒子には、水酸基、エポキシ基、カルボキシル基等の官能基を導入することが好ましい。この場合には、シランカップリング剤等の連結用化合物を介することなく、重合体粒子に無機成分を直接結合させることができる。重合体粒子に導入された官能基と反応し得る官能基を有するシランカップリング剤等を併用した場合には、無機成分と重合体粒子との結合がより促進され、さらに優れた性能の複合型粒子が得られる。
【0025】
重合体粒子としては、さらに、ポリアミド、ポリエステル、ポリカーボネートおよびポリオレフィン等の各種の重合体からなる粒子を用いることもできる。これらの重合体粒子においても、前述と同様に官能基を導入することができ、さらに、粒子内に架橋構造を導入することもできる。
【0026】
上述したように種々の重合体を用いることができるが、工業的に容易に入手可能なことから、ポリメチルメタクリレート(PMMA)およびポリスチレン(PST)が特に好ましい。
【0027】
次に、無機成分12としてのシリコン化合物部および金属化合物部について詳細に説明する。無機成分は、それらの少なくとも一部が、直接的にあるいは間接的に重合体粒子に結合されているが、化学的に結合されていることが好ましい。それによって、研磨時、無機成分が容易に重合体粒子から脱落して、被研磨面に残留するといった問題を生ずることがない。化学結合としては、イオン結合および配位結合等が挙げられるが、より強固に結合されることから共有結合が好ましい。無機成分12は、水素結合、表面電荷結合、絡み合い結合、アンカー効果結合といった非化学な結合により重合体粒子に結合していてもよい。
【0028】
図1に示したように樹脂成分11の表面に結合するために、無機成分は、樹脂成分としての重合体粒子よりも小さいことが必要である。無機成分の最長径が、重合体粒子の粒径の1/4以下程度であれば、均一に結合可能であることが計算により求められている。ただし、研磨力を確保するために、無機成分の最長径は10nm以上であることが望まれる。
【0029】
無機成分としてのシリコン化合物部は、シロキサン結合含有部およびシリカ粒子部の少なくとも一方により構成することができる。また、金属化合物部は、メタロキサン結合含有部、アルミナ粒子部、チタニア粒子部、およびジルコニア粒子部からなる群から選択される少なくとも1種により構成することができる。
【0030】
こうした無機成分は、重合体粒子の内部およびその全表面に渡って形成されていてもよいし、それらの一部に形成されていてもよい。シロキサン結合含有部およびメタロキサン結合含有部は、単分子によって構成されていてもよいが、2分子以上の連鎖構造であることが好ましい。連鎖構造の場合には、線状であってもよいが、3次元構造がより好ましい。
【0031】
無機成分は、直接、あるいはシランカップリング剤等の連結用化合物を介して重合体粒子に結合することができる。連結用化合物としては、例えば、シランカップリング剤、アルミニウム系カップリング剤、チタニウム系カップリング剤、およびジルコニウム系カップリング剤等が挙げられるが、シランカップリング剤が特に好ましい。シランカップリング剤としては、下記の(a)、(b)および(c)が挙げられる。
【0032】
(a)ビニルトリクロルシラン、ビニルトリス(β−メトキシエトキシ)シラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、およびγ−クロロプロピルトリメトキシシラン等。
【0033】
(b)γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、およびγ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン等。
【0034】
(c)N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、およびγ−アミノプロピルトリエトキシシラン等。
【0035】
シランカップリング剤としては、重合体粒子に導入される官能基と容易に反応し得る官能基を有するものが好ましい。例えば、表面にカルボキシル基が導入された重合体粒子の場合には、エポキシ基、アミノ基を有する(b)および(c)のシランカップリング剤が好ましい。これらのなかでも、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランおよびN−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルトリメトキシシランが特に好ましい。
【0036】
アルミニウム系カップリング剤としては、アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレート等が挙げられる。チタニウム系カップリング剤としては、イソプロピルトリイソステアロイルチタネート、イソプロピルトリデシルベンゼンスルホニルチタネート等を挙げることができる。これらの各種カップリング剤は、単独で用いても2種以上を併用してもよい。また、異なる種類のカップリング剤を併用することもできる。
【0037】
カップリング剤の使用量は、重合体粒子に導入される官能基1モルに対して、0.1〜50モルとすることが好ましい。この使用量は、より好ましくは0.5〜30モルであり、最も好ましくは1.0〜20モルである。カップリング剤の使用量が0.1モル未満の場合には、無機成分が重合体粒子に十分に強固に結合されず、研磨中に、重合体粒子から脱落し易くなる。一方、使用量が50モルを越えると、カップリング剤分子の縮合反応が進行して意図しない重合体が生じるおそれがある。この場合には、無機成分の重合体粒子への結合が妨げられることがある。
【0038】
カップリング剤を重合体粒子に化学的に結合させる際、酸および塩基等の触媒を用いることによって反応を促進させることができる。反応を促進するために、反応系を昇温させてもよい。
【0039】
また、下記一般式(1)で表わされる化合物を、無機成分の原料として用いることもできる。
【0040】
M(OR’)z−n (1)
ここで、Rは炭素数1〜8の1価の有機基であり、具体的には、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基およびn−ペンチル基等のアルキル基、フェニル基、ビニル基、およびにグリシドプロピル基などが挙げられる。R’は、炭素数1〜5のアルキル基、炭素数2〜6のアシル基または炭素数6〜9のアリール基であり、具体的には、メチル基、エチル基、n−プロピル基およびiso−プロピル基、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、バレリル基およびカプロイル基、フェニル基およびトリル基などが挙げられる。RおよびR’が2個以上存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。
【0041】
Mは、Al、Si、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Sn、Sb、Ta、W、PbまたはCeである。特に、Al、Si、TiおよびZrが好ましい。
【0042】
また、zはMの原子価であり、nは0〜(z−1)の整数である。
【0043】
ここで、MとしてAl、Si、TiまたはZrが含有されている化合物について説明する。MがSiである化合物としては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン(TEOS)、テトラ−iso−プロポキシシラン、テトラ−tert−ブトキシシラン、メチルトリメトキシシランおよびメチルトリエトキシシラン等が挙げられる。これらの化合物によって無機成分としてのシリコン化合物部が形成される。さらに、MがAlであるアルミニウムエトキシド等、MがTiであるチタン(IV)エトキシド等、およびMがZrであるジルコニウム−tert−ブトキシド等が挙げられる。こうした化合物によって、無機成分としてのメタロキサン結合含有部、アルミナ粒子部、チタニア粒子部またはジルコニア粒子部が形成される。
【0044】
上述したような化合物は、単独で用いても2種以上を併用してもよい。また、MがSi、Al、TiまたはZrである化合物を併用することもできる。前記一般式(1)における(z−n)が2以上の場合には、より緻密なシロキサン結合含有部またはメタロキサン結合含有部が形成されるので好ましい。
【0045】
前記一般式(1)で表わされる化合物のみならず、この加水分解物および部分縮合物の少なくとも一方を使用してもよい。一般式(1)で表わされる化合物は、特に操作をしなくても加水分解あるいは部分縮合するが、必要に応じて予め所要割合を加水分解あるいは部分縮合させることができる。
【0046】
これらの化合物の使用量は、SiO、Al、TiOまたはZrO換算で、重合体粒子に対して重量比で0.001〜100とすることが好ましい。この重量比は、より好ましくは0.005〜50であり、最も好ましくは0.01〜10である。この重量比が0.001未満である場合には、無機成分が重合体粒子の内部および表面に十分に形成されず、研磨性能が低下するおそれがある。一方、100を超えて重量比を大きくしても、研磨性能の著しい向上は期待できない。
【0047】
また、コロイド状のシリカ、コロイド状のアルミナ、コロイド状のチタニアおよびコロイド状のジルコニアからなる群から選択される少なくとも1種を、無機成分の原料として用いてもよい。こうしたコロイド状の成分は、平均粒径5〜500nmの微粒子状のシリカ、アルミナ、チタニアあるいはジルコニアを、水等の分散媒に分散させることによって調製することができる。微粒子は、アルカリ水溶液中で粒成長させる方法、あるいは気相法等によって得られる。
【0048】
これらの微粒子は、上述したようなシロキサン結合含有部またはメタロキサン結合含有部等を介して重合体粒子に結合されてもよい。あるいは、微粒子に導入された水酸基などにより、重合体粒子、あるいはシロキサン結合含有部、メタロキサン結合含有部等に結合することによって、各粒子部を構成することもできる。コロイドの使用量は、SiO、Al、TiOまたはZrOに換算して、重合体粒子に対して重量比で0.001〜100とすることが好ましい。この重量比は、より好ましくは0.01〜50、最も好ましくは0.1〜10である。重量比が0.001未満の場合には、無機成分を十分に形成することが困難となる。一方、100を越えても、研磨性能の更なる向上はみられない。
【0049】
重合体粒子に上述したような成分を反応させるに当たっては、水またはアルコール等の各種の有機溶媒を分散媒とする分散系で行なうことができる。分散媒は単独でも2種以上の混合物として用いてもよい。水を含む分散媒の場合には、重合体粒子を分散系に安定かつ均一に分散させるために、水酸基、エポキシ基およびカルボキシル基等の親水性の官能基を重合体粒子に導入しておくことが好ましい。これらの官能基を導入することによって、上述したような無機成分を、より容易に重合体粒子に結合させることができる。
【0050】
分散媒として使用し得るアルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、tert−ブタノール等の低級飽和脂肪族アルコールが挙げられる。アルコールは、単独で用いても、2種以上を併用してもよい。アルコール以外の有機溶媒としては、例えば、メチルエチルケトンおよびジメチルホルムアミド等が挙げられる。こうした有機溶媒、水およびアルコールを所定の割合で混合して使用してもよい。
【0051】
この際の反応において、分散媒中の重合体粒子の含有量は、0.001〜70重量%であることが好ましい。より好ましくは0.01〜50重量%であり、最も好ましくは0.1〜25重量%である。0.001重量%未満の場合には、十分な収量で複合型粒子を得ることが困難となる。一方、70重量%を越えると、重合体粒子の分散安定性が低下して、複合化の段階でゲルが発生し易くなるという不都合が生じる。
【0052】
無機成分を結合させる反応は、加熱または触媒の添加によって促進させることができる。加熱する場合には、反応系の温度を40〜100℃とすることが好ましい。触媒としては、例えば酸、塩基、アルミニウム化合物およびスズ化合物等を用いることができる。特に、酸触媒およびアルミニウム触媒は反応促進の効果が大きいために好ましい。
【0053】
また、メカノフュージョン現象による熱接着された複合型粒子を使用することもできる(粒子設計工学、P97、産業図書株式会社)。
【0054】
上述したような種々の複合型粒子を用いることができる。
【0055】
一方、樹脂粒子13としては、例えば特開2000−204275号公報に記載されているものを用いることができる。具体的には、樹脂粒子13は、上述した複合型粒子における樹脂成分と同様の材料から構成することができ、その形状は球状であることが好ましい。球状とは、鋭角部分を有さない略球形であることをも意味し、必ずしも真球である必要はない。
【0056】
樹脂粒子は架橋構造を有することが好ましく、例えば、架橋性単量体とその他の単量体とを共重合させることによって合成することできる。共重合させるに当たって、架橋性単量体の割合は、好ましくは5〜80重量%、より好ましくは5〜60重量%、最も好ましくは7〜60重量%である。架橋性単量体が5重量%未満の場合には、十分な硬度を有する樹脂粒子を得ることが困難となる。一方、80重量%を超えると、硬度は高くなるものの樹脂粒子が脆くなるおそれがある。架橋構造を有することによって、樹脂粒子の硬度および強度を高めることができる。
【0057】
樹脂粒子は、官能基としての親水性基を表面に有することが好ましい。親水性基によって、樹脂粒子表面のζ電位の極性を制御することができ、また、硬度や強度に加えて帯電防止性、耐熱性および耐変色性といった特性も高められる。しかも、表面に親水性基を有する樹脂粒子は、極性基を有する化合物との相溶性にも優れる。
【0058】
親水性基を有する樹脂粒子は、水酸基、カルボキシル基およびその塩、酸無水物基、スルホン酸基およびその塩、リン酸基およびその塩、アミノ基およびその塩等の親水性基を、樹脂粒子100g当たり0.1ミリモル以上、好ましくは1〜100ミリモル導入することによって形成することができる。
【0059】
スラリー中で親水性基が樹脂粒子の表面に結合するよう、所定の親水性基を有する界面活性剤を別途配合してもよい。界面活性剤としては、カチオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、および非イオン系界面活性剤等、いずれも使用することができる。カチオン系界面活性剤としては、例えば、脂肪族アミン塩および脂肪族アンモニウム塩等が挙げられる。アニオン系界面活性剤としては、例えば、脂肪酸石鹸、アルキルエーテルカルボン酸塩等のカルボン酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩等のスルホン酸塩、高級アルコール硫酸エステル塩、アルキルエーテル硫酸塩、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル等の硫酸エステル塩、およびアルキルリン酸エステル等のリン酸エステル塩などを挙げることができる。非イオン系界面活性剤としては、例えばポリオキシエチレンアルキルエーテル等のエーテル型、グリセリンエステルのポリオキシエチレンエーテル等のエーテルエステル型、ポリエチレングリコール脂肪酸エステル、グリセリンエステル、およびソルビタンエステル等のエステル型などを挙げることができる。
【0060】
本発明の実施形態にかかるスラリーは、上述したような複合型粒子および樹脂粒子の極性が所定の関係となるように組み合わせて、水中に分散させることにより調製することができる。具体的には、表面が同極性となるように複合型粒子と樹脂粒子とを組み合わせる。
【0061】
ζ電位は、例えば、レーザードップラー法ゼータ電位測定器(BROOKHAVEN INSTRUMENTS社製、品名「ゼータプラス」)により測定することができる。ζ電位の測定に当たって、無機成分は水等に分散させて所定のpHの分散体を調製しておく。分散体を、前述のゼータ電位測定器で測定することにより、任意のpHにおける無機成分のζ電位が得られる。官能基のζ電位を測定するには、目的の官能基を樹脂粒子の表面に結合させて水等に分散させ、所定のpHの溶液として同様に測定すればよい。
【0062】
複合型粒子の極性は無機成分に依存し、例えばシリカのζ電位はpH1.4でゼロ(等電点)であり、pH1.4を越えるとマイナスとなる。アルミナのζ電位は、pH7でゼロであり、pH7未満でプラスである。一方、樹脂粒子は、表面に存在する官能基に応じてζ電位が決定される。例えば、カルボキシル基(COOH)の場合、等電点は存在せず、全pH領域(0.5〜14)でζ電位はマイナスである。アミノ基(NH)のζ電位は、全pH領域でプラスである。
【0063】
あるいは、複合型粒子および樹脂粒子のいずれか一方が、等電点であってもよい。等電点とは、前述のゼータ電位測定器で測定したζ電位が0±5mVの範囲内であることをさす。ζ電位が0になるpHを基準として、これよりもpHが±1の範囲内でも、粒子表面の電位は不安定である。したがって、こうした範囲も、等電点と同様に扱うことができる。例えば、官能基としてスルホン酸基(SOH)を有するポリスチレン粒子のζ電位は、pH2近傍でほぼゼロである。すなわち、複合型粒子と樹脂粒子とは、表面が逆極性とならないように組み合わせて用いられる。
【0064】
互いに逆極性の複合型粒子と樹脂粒子との粒子混合物を研磨粒子として含有するスラリーにおいては、粒子が電気的に強く引き付け合って凝集が生じるため、スラリーの粘度は10mPaS以上と著しく高くなる。このように高粘度のスラリーは、研磨布上に滴下して被研磨面のCMPを行なうことができない。現在使用されているスラリー供給システムは、ポンプによる液体循環タイプであり、高粘度のスラリーを用いた場合にはスラリー詰まりが生じてしまう。また、高粘度のスラリーは保管安定性も悪いことから、容易に沈降して再分散しにくい。
【0065】
スラリーの粘度を10mPaS未満に制限するために、互いに同極性の複合型粒子および樹脂粒子が用いられる。複合型粒子および樹脂粒子の一方が等電点の場合も、スラリーの粘度は10mPaS未満に制限される。
【0066】
いずれの組み合わせとする場合も、樹脂粒子の粒径が、複合型粒子における無機成分の最長径より大きいことが好ましい。具体的には、樹脂粒子の粒径は、無機成分の最長径の2倍以上であることが望まれる。すでに説明したように、複合型粒子においては、無機成分は樹脂成分の1/4以下程度であることが望まれる。また、複合型粒子の粒径は樹脂粒子の粒径の2倍以上であることが好ましい。さらに、CMPのストレスで複合型粒子が変形、破壊された時に、樹脂粒子が複合型粒子の樹脂成分の代替え粒子となりうるように、少なくとも、無機成分よりも大きいことが望ましい。これらを考慮すると、樹脂粒子の粒径は、複合型粒子における無機成分の2倍以上であることが望まれる。ただし、研磨力を確保するためには、無機成分の最長径は10nm以上であることが好ましく、研磨パッドとの相互作用を考慮すると、樹脂粒子の粒径は300nm程度にとどめておくことが特に好ましい。
【0067】
より高い研磨速度を確保するために、複合型粒子の平均粒子径dと樹脂粒子の平均粒子径dとの粒径比(d/d)は、2以上であることが好ましい。粒径比を制御することによって、所望の研磨速度を得ることができる。ただし、粒子を混合する効果を十分に確保するためには、粒径比の上限は10程度に制限される。複合型粒子に対して樹脂粒子が小さすぎる場合には、体積の小さい界面活性剤を添加した状態に近づくためであると考えられる。
【0068】
樹脂粒子の平均粒子径は、好ましくは0.05〜1μmである。0.05μm未満の場合には、球体を得ることが困難となる。一方、1μmを越えると、上述したように粒径比(d/d)を2以上とした際の複合型粒子の平均粒子径が2μmを越えてしまう。この場合には、粒子表面積低下により研磨力不足になるおそれがある。なお、樹脂粒子の平均粒子径は、より好ましくは0.1〜0.5μm、最も好ましくは0.1〜0.3μmである。複合型粒子、樹脂粒子の平均粒子径は、TEM観察により得られる。
【0069】
また、複合型粒子と樹脂粒子との粒子混合物中における樹脂粒子の割合は、10wt%以上90wt%以下の範囲内とすることが好ましい。こうした割合で樹脂粒子を含有する粒子混合物を用いる場合には、特に高い研磨速度が得られる。例えばW膜であれば100nm/min以上の高い研磨速度を確保することができる。
【0070】
複合型粒子と樹脂粒子との粒子混合物の総粒子濃度は、スラリー中0.1wt%以上40wt%以下であることが好ましい。0.1wt%未満の場合には、十分な研磨効果を得ることが困難となる。一方、40wt%を越えると、粒子が凝集するおそれがある。総粒子濃度は、より好ましくはスラリー中0.5wt%以上30wt%以下である。
【0071】
必要に応じて、酸化剤、pH調整剤等の各種の添加剤を加えて、本発明の実施形態にかかるスラリーを調製することができる。
【0072】
本発明の実施形態にかかるスラリーには、複合型粒子と樹脂粒子との粒子混合物が研磨粒子として含有されているので、これらの粒子は、研磨中に研磨布上で最密充填構造を形成する。これによって、適切な目詰まりが生じ、粒子を研磨布表面に固定化して遊離粒子を低減することができる。その結果、ディッシングを抑制しつつ、十分に高い研磨速度で研磨を行なうことが可能となった。しかも、複合型粒子および樹脂粒子の表面は、同極性、あるいは一方が等電点であるので、スラリーの粘度は十分に低減される。
【0073】
複合型粒子における無機成分は、研磨ストレスを受けても樹脂成分としての重合体粒子から外れることなく強固に結合し、一方の樹脂成分は、研磨ストレスを受けて変形や破壊が可能である。このため、研磨中には、破壊された樹脂成分の表面に、研磨力のある無機成分が結合されて、小径化された複合型粒子となる。こうした小径化された複合型粒子は、樹脂粒子と均一に混合される。
【0074】
なお、樹脂粒子は疎水性であり、研磨布表面もまた疎水性である。したがって、樹脂粒子は、小径化された複合型粒子を巻き込みつつ研磨布表面に吸着される。その結果、遊離粒子を低減して研磨を行なうことが可能となった。
【0075】
本発明の実施形態にかかる複合型粒子における樹脂成分と無機成分とを、別個の成分として、樹脂粒子とともに用いたところで、上述したような効果を得ることはできない。この場合には、樹脂粒子と無機成分とが、樹脂成分の隙間に埋め込まれるように粒子が固定化される。研磨力のある無機成分が表面に十分に存在しないため、研磨は進行しない。
【0076】
また、複合型粒子を同等の粒径の無機粒子に置き換えた場合には、研磨力を有する無機粒子の粒径が樹脂粒子に対して大きすぎる。きめ細かい研磨を行なうためには、無機成分の粒径は100nm以下であることが要求され、ディッシングを十分に抑制するためには50nm以下であることが好ましい。複合型粒子と同等の無機粒子が含有された場合には、ディッシングを抑制することが困難となり、目的を達成することができない。
【0077】
本発明の実施形態にかかるスラリーを用いることによって、加工能率、価格、加工面品位、および安定性といった従来の固定砥粒型パッドの課題を全て解決することができる。
【0078】
なお、半導体基板を保持するトップリングを適切に選択することによって、研磨粒子をより効果的に研磨布に固定して、本発明の実施形態にかかるスラリーの効果をさらに高めることができる。
【0079】
図2は、使用し得るトップリングの一例の概略構造を表わす断面図である。
【0080】
図2(a)に示されるトップリング67は、エア供給管64が設けられた筐体63、リテーナリング61、チャッキングプレート65、およびエアバック66により構成される。こうした構造のトップリング67に保持される半導体基板60の被研磨面は、リテーナリング61の端面と実質的に同一面となる。被研磨面がリテーナリング61の端面より0.2mm程度上方に位置するように、半導体基板60を保持してもよい。
【0081】
したがって、リテーナリング61は、半導体基板60と同程度の圧力で研磨布62に押し込まれる。場合によっては、リテーナリング61は、半導体基板60以上の圧力で研磨布62に押し込まれる。研磨布62上に供給されたスラリー(図示せず)は、まず、リテーナリング61により研磨布62に押し込まれて、研磨粒子が固定化される。その後、スラリーは半導体基板60の被研磨面に供給されるため、遊離粒子が低減された状態で研磨が行なわれる。
【0082】
これに対し、図2(b)に示すようなトップリング68を用いた場合には、被研磨面の研磨に先立って、研磨粒子を研磨布62に固定化することができない。すなわち、バッキングフィルム69を介してトップリングに68保持された半導体基板60の被研磨面がリテーナリング61の端面より突出しているので、研磨布62上に供給されたスラリー(図示せず)は、半導体基板60の被研磨面に直接供給される。このため、研磨粒子は半導体基板60によって研磨布62に固定化され、研磨粒子の固定化と研磨とが同時に行なわれることになる。
【0083】
本発明の実施形態にかかるスラリーは、複合型粒子と樹脂粒子とを含有しているので、粒子の固定化と研磨とが同時に行なわれる場合であっても、遊離粒子を低減することは可能である。しかしながら、粒子の固定化の効果をよりいっそう高めるためには、図2(a)に示した構造のトップリングと組み合わせて用いることが特に好ましい。
【0084】
(実施形態1)
まず、メチルメタクリレ−ト94部(以下において、「部」とは「重量部」をさす。)、メタクリル酸1部、ヒドロキシメチルメタクリレート5部、ラウリル硫酸アンモニウム0.03部、過硫酸アンモニウム0.6部、およびイオン交換水400部を、容量2リットルのフラスコに収容した。この混合物を、窒素ガス雰囲気下、攪拌しながら70℃に昇温し、6時間重合させた。これによって、表面にカルボキシル基を有する平均粒子径200nmのPMMA粒子を20wt%の濃度で含有する樹脂粒子の原液を得た。
【0085】
一方、複合型粒子は、樹脂成分としてのPMMA粒子に無機成分としてのシリカ粒子を結合させて調製した。PMMA粒子としては、前述の手法により合成されたものを用いた。シリカ粒子の粒子径は15nmとし、PMMA粒子の平均粒子径を変化させることによって、複合型粒子全体の平均粒子径(d)を変化させた。具体的には、100nm、200nm、300nm、400nmおよび1000nmの5種類の平均粒子径の複合型粒子を準備した。
【0086】
複合化に当たっては、まず、PMMA粒子を10重量%含む水分散体100部を、容量2リットルのフラスコに収容し、メチルトリメトキシシラン1部を添加した。この混合物を、40℃で2時間攪拌した。その後、硝酸を添加してpHを2に調整し、樹脂成分の水分散体を得た。また、水中にコロイダルシリカ(日産化学株式会社製、商品名「スノーテックスO」)を10重量%の濃度で分散させ、水酸化カリウムによりpHを8に調整して、無機成分の水分散体を得た。その後、樹脂成分の水分散体100部に無機成分の水分散体50部を、2時間かけて徐々に添加し、混合した。さらに、2時間攪拌して、樹脂成分としてのPMMA粒子にシリカ粒子が付着した予備粒子を含有する水分散体を得た。次いで、この水分散体にビニルトリエトキシシラン2部を添加し、1時間攪拌した後、TEOS1部を添加して60℃に昇温した。その後、3時間攪拌を継続し、冷却することによって、複合型粒子を10wt%の濃度で含む複合型粒子の原液を得た。
【0087】
こうして得られた複合型粒子の原液を前述の樹脂粒子の原液と組み合わせることによって、5種類(0.5、1、1.5、2および5)の粒径比(複合型粒子d/樹脂粒子d)の粒子混合物が得られる。
【0088】
複合型粒子と樹脂粒子との粒子混合物を研磨粒子として用いて、以下のような処方で本実施形態にかかるスラリーを調製した。
【0089】
まず、5wt%の濃度で研磨粒子が含有されるように、前述の樹脂粒子の原液および複合型粒子の原液を混合し、水で希釈した。さらに、酸化剤としての硝酸第二鉄:5wt%、および溶媒としての純水90wt%を混合して調製した。硝酸第二鉄を含有するので、得られるスラリーのpHは2.5程度と酸性領域となる。さらに、2種類の原液の配合割合を変化させることにより樹脂粒子と複合型粒子との割合を変化させて、複数のスラリーを調製した。
【0090】
こうして準備された種々のスラリーを用いて、以下のような手法によりW−CMPを行ない、W研磨速度を調べた。
【0091】
図3は、W−CMPを示す工程断面図である。
【0092】
まず、図3(a)に示すように、半導体基板20上に絶縁膜21を300nmの膜厚で堆積し、ホール22(0.1μmφ)を形成した。さらに、その全面に10nmのTiN膜23を介して200nmのW膜24を堆積した。
【0093】
TiN膜23およびW膜24の不要部分は、CMPにより除去して図3(b)に示すように絶縁膜21の表面を露出した。
【0094】
W膜24の研磨は、研磨布としてIC1000(ロデール・ニッタ社製)を用い、上述のスラリーにより以下のように行なった。すなわち、図4に示すように、研磨布31が貼付されたターンテーブル30を100rpmで回転させつつ、半導体基板32を保持したトップリング33を300gf/cmの研磨荷重で当接させた。トップリング33の回転数は102rpmとし、研磨布31上には、スラリー供給ノズル35から200cc/minの流量でスラリー37を供給した。なお、図4には、水供給ノズル34およびドレッサー36も併せて示してある。
【0095】
W膜24の研磨速度と、スラリー中の粒子混合物における樹脂粒子の割合との関係を図5のグラフに示す。図5のグラフ中、曲線a,b,c,dおよびeは、それぞれ、粒子混合物における粒径比(d/d)が0.5、1、1.5、2および5のスラリーについての結果を示す。
【0096】
図5のグラフに示されるように、複合型粒子あるいは樹脂粒子をそれぞれ単独で用いた場合には、W研磨速度は10nm/min以下である。これに対して、複合型粒子と樹脂粒子とを混合して用いたスラリーの場合には、いずれの粒径比でもW研磨速度は上昇する傾向を示している。これは、複合型粒子と樹脂粒子とが、研磨布上で最密充填構造を形成することにより適切な目詰まりが生じて、粒子が固定化されているためと考えられる。
【0097】
特に、曲線d,eに示されるように、粒径比が2以上で、かつ樹脂粒子の割合が10〜90重量%の領域では、100nm/min以上の高い研磨速度でW膜を研磨することができる。
【0098】
次に、粒径比を2とし、樹脂粒子の割合を10wt%に固定して、複合型粒子および樹脂粒子の材質を変更した以外は、前述と同様の処方で種々のスラリーを調製した。得られたスラリーを用いて前述と同様の条件でW膜を研磨し、W膜の研磨速度を調べた。その結果を、各スラリーの粘度、粒子混合物の組成および各粒子のζ電位の極性とともに下記表1にまとめる。スラリーのpHは2.5であるので、各粒子のζ電位の極性は、pH2.5の環境下での測定結果である。
【0099】
【表1】

Figure 2004342751
【0100】
表1に示されるように、複合型粒子および樹脂粒子のζ電位がいずれもマイナスの場合(No.1〜5,10)、およびいずれもプラスの場合(No.7)には、スラリーの粘度は1mPaSである。同様に、樹脂粒子のζ電位が零の場合(No.8,9)のスラリーも、1mPaSと低粘度である。これらのスラリーを用いた場合には、110nm/min以上の高い研磨速度でW膜を研磨することができた。いずれの場合も、研磨後の表面のディッシングは、10nm以下に抑制されていた。
【0101】
樹脂粒子表面の官能基の種類を変更した場合、さらに、界面活性剤を添加した場合にも同様に高い研磨速度が得られた。複合型粒子における樹脂成分は、樹脂粒子の材料と必ずしも同一である必要はなく、異なる場合にも同等の効果が得られる。また、複合型粒子および樹脂粒子は、それぞれ2種以上を組み合わせて用いた場合にも、高い研磨速度が期待される。
【0102】
No.1〜10のスラリーはpHが2.5程度であり、このようにpHが低い場合でも、本発明の実施形態にかかるスラリーは、十分に高い研磨速度を確保することができる。逆に、10以上の高いpHにおいても、本発明の実施形態にかかるスラリーは同様の効果を発揮することが期待される。
【0103】
研磨粒子として、樹脂粒子または複合型粒子を単独で含有する従来のスラリーは、3〜7程度の狭いpH範囲でしか使用することができなかった。これは、研磨粒子と研磨パッドとの相互作用を高めるために界面活性剤や有機化合物が添加されていたことによる。強酸や強アルカリの領域では、こうした添加剤が失活するために効果を得ることができなかった。
【0104】
本発明の実施形態においては、複合型粒子と樹脂粒子とを混合して研磨粒子として用いるために、研磨粒子と研磨パッドとの間に十分な相互作用を得ることができる。したがって、従来は不可能であった広いpH範囲においても使用することが可能となった。
【0105】
表1に示されるように、ζ電位がプラスの複合型粒子と、ζ電位がマイナスの樹脂粒子との粒子混合物を含有する場合(No.6)には、スラリーの粘度は12mPaSと非常に高い。このように高粘度のスラリーは、スラリー供給ノズル37から研磨布31上に滴下することが困難となり、CMPを行なうことができなかった。
【0106】
(実施形態2)
Cuのダマシン配線形成プロセスにおいてCu2ndポリッシュの際には、Cu膜に加えて、例えばTaN膜やSiO膜といった異種材料を平坦に研磨することになる。従来、こうした場合には、研磨速度比を1として非選択性の研磨が行なわれてきた。しかしながら、有機系絶縁膜の場合には、硬度や表面の疎水性といった物性的な影響により、前述の条件で研磨するとエロージョンが大きく生じてしまう。
【0107】
本発明の実施形態にかかるスラリーを用いることによって、研磨速度比を1以上として選択性の研磨を行なっても、低エロージョンでCuダマシン配線を形成することができる。しかも、研磨後の有機絶縁膜やCu膜の表面には、スクラッチはほとんど生じることがない。
【0108】
図6は、Cu−CMPを示す工程断面図である。
【0109】
まず、図6(a)に示すように、素子(図示せず)が形成された半導体基板40上に絶縁膜41を堆積し、コンタクト42を形成しておく。絶縁膜41上には、低誘電率膜43としてのLKD5109(JSR製)を200nm堆積し、さらに、キャップ膜44としてのブラックダイヤモンド(AMAT製、以下BDと称する)を100nm、CVD法により堆積する。低誘電率絶縁膜43およびキャップ膜44に溝45をRIEにより形成した後、全面にTaN膜46(20nm)およびCu膜47(500nm)を、スパッタリング法およびメッキにより堆積した。
【0110】
次に、Cu膜47の不要部分を以下の条件でCMPにより除去して、図6(b)に示すようにTaN膜46を露出させた。
【0111】
スラリー:CMS7303/7304(JSR社)
流量:250cc/min
研磨布:IC1000(ロデール・ニッタ社)
荷重:300gf/cm
キャリアおよびテーブルの回転数はいずれも100rpmとして、1分間の研磨を行なった。この工程では、TaN膜46で研磨を停止しているため、疎水性であるキャップ膜44は露出していない。したがって、市販のスラリーを用いて研磨することができる。
【0112】
その後、タッチアップ工程により、図6(c)に示すようTaN膜46の不要部分を除去した。この際のCMPには、本発明の実施形態にかかるスラリーが用いられる。
【0113】
スラリーの調製に当たっては、平均粒子径(d)が200nmの複合型粒子と、平均粒子径(d)が100nmの樹脂粒子との粒子混合物を研磨粒子として準備した。複合型粒子と樹脂粒子との粒径比(d/d)は2である。複合型粒子は、樹脂成分としての平均粒子径150nmのPMMA粒子と、無機成分としての平均粒子径25nmのシリカ粒子とを含む。樹脂粒子はPMMAからなり、官能基としてのCOOH基を表面に有する。複合型粒子および樹脂粒子は、前述と同様の手法により、同様の濃度の原液として準備した。
【0114】
複合型粒子の濃度が2.7wt%、樹脂粒子の濃度が0.3wt%となるように、前述の複合型粒子の原液と樹脂粒子の原液とを混合して、純水で希釈した。さらに、酸化剤としての過酸化水素水0.1wt%、酸化抑制剤としてのキノリン酸0.8wt%、および添加剤などを加え、pH調整剤としてのKOHによりpHを10に調整した。
【0115】
また、研磨粒子を、平均粒径の異なる2種類のコロイダルシリカに変更した以外は、前述と同様の処方により比較例のスラリーを調製した。具体的には、平均粒径40nmのコロイダルシリカ0.6wt%と、平均粒径20nmのコロイダルシリカ2.4wt%との混合物を研磨粒子として用いた。
【0116】
各スラリーを用いて前述と同様の条件で2分間の研磨を行なって、Cu膜47、TaN膜46およびキャップ膜44の研磨速度を調べた。研磨時間は、キャップ膜44としてのBDが50nm研磨される時間に調整した。その結果、本発明の実施形態にかかるスラリーを用いた場合、Cu膜、TaN膜、およびキャップ膜の研磨速度は、それぞれ100nm/min、45nm/min、および20nm/minであった。これに対し、比較例のスラリーを用いた場合には、Cu膜の研磨速度は70nm/minであり、TaN膜およびキャップ膜の研磨速度は、いずれも60nm/minであった。
【0117】
このように、比較例のスラリーを用いた場合には、キャップ膜44の研磨速度が60nm/minと大きいためにエロージョンが生じて、その一部が抜けてしまっていた。Cu膜とキャップ膜44との段差は、Cu膜の方が飛び出した形状となり、エロージョンは120nmであった。キャップ膜44は、次工程で生じるダメージから絶縁膜43を保護する必要があるため、破れることは極力避けなければならない。これに対して、本発明の実施形態にかかるスラリーを用いた場合には、エロージョンは20nmと低い値を示し、キャップ膜44が破れることはなかった。有機材料からなる樹脂粒子が含有されているので、本発明の実施形態にかかるスラリーは、有機膜との間に適切な相互作用を生じることができる。
【0118】
また、研磨後のCu膜47表面におけるディッシングは20nm以下に抑制された。さらに、研磨後のCu膜47上およびキャップ膜44上の1cmにおけるスクラッチは、比較例のスラリーを用いた場合には約10000個であったのに対し、本発明の実施形態にかかるスラリーを用いた場合には、100個以下に低減された。添加成分を最適化することによって、スクラッチをさらに低減することも可能である。
【0119】
(実施形態3)
本発明の実施形態にかかるスラリーは、STI(Shallow trench isolation)の形成に適用することも可能である。図7は、STIの形成プロセスを示す工程断面図である。
【0120】
まず、図7(a)に示すように、CMPストッパー膜51が設けられた半導体基板50に溝を形成し、その上に絶縁膜52を堆積する。ここで、CMPストッパー膜51としてはSiNが用いられ、絶縁膜52としては、例えば、有機SOGなどの塗布型絶縁膜を用いることができる。
【0121】
次いで、絶縁膜52の不要部分を、本発明の実施形態にかかるスラリーを用いたCMPにより除去して、図7(b)に示すようにCMPストッパー膜51表面を露出した。スラリーは、平均粒子径(d)が200nmの複合型粒子と、平均粒子径(d)が100nmの樹脂粒子との粒子混合物を研磨粒子として用いて調製した。複合型粒子と樹脂粒子との粒径比(d/d)は2である。複合型粒子は、樹脂成分としての平均粒子径200nmのPST粒子と、無機成分としての平均粒子径40nmのシリカ粒子とを含む。こうした複合型粒子の合成に当たっては、まず、スチレン92部、メタクリル酸4部、ヒドロキシエチルアクリレート4部、ラウリル硫酸アンモニウム0.1部、過硫酸アンモニウム0.5部、およびイオン交換水400部を、容量2リットルのフラスコに収容した。この混合物を、窒素ガス雰囲気下、攪拌しながら70℃に昇温し、6時間重合させた。これによって、カルボキシル基を有するPST粒子を20wt%の濃度で含有する樹脂粒子の原液を得た。なお、PST粒子の合成に当たっては、架橋剤として、ジビニルベンゼン(純度;55%)1部を添加した。COOH以外の官能基を形成する場合には、ピリジン環化合物(アミノ基)、スルホン酸塩(スルホン基)などを用いることができる。
【0122】
複合化に当たっては、まず、PST粒子を10重量%含む水分散体100部を、容量2リットルのフラスコに収容し、メチルトリメトキシシラン1部を添加した。この混合物を、40℃で2時間攪拌した。その後、硝酸を添加してpHを2に調整し、樹脂成分の水分散体を得た。また、水中にコロイダルシリカ(日産化学株式会社製、商品名「スノーテックスO」)を10重量%の濃度で分散させ、水酸化カリウムによりpHを8に調整して、無機成分の水分散体を得た。その後、樹脂成分の水分散体100部に無機成分の水分散体50部を、2時間かけて徐々に添加し、混合した。さらに、2時間攪拌して、重合体粒子にシリカ粒子が付着した予備粒子を含む水分散体を得た。次いで、この水分散体にビニルトリエトキシシラン2部を添加し、1時間攪拌した後、TEOS1部を添加して60℃に昇温した。その後、3時間攪拌を継続し、冷却することによって、複合型粒子を10wt%の濃度で含む複合型粒子の原液を調製した。
【0123】
複合型粒子の濃度が18wt%、樹脂粒子の濃度が2wt%となるように、前述の複合型粒子の原液の濃縮液と樹脂粒子の原液とを混合し、純水で希釈した。なお、ここでは、複合型粒子の原液の上澄み液を粒子沈降法により除去して、複合型粒子の濃度を20wt%とした濃縮液と、上述した20wt%の濃度で架橋PST粒子を含有する樹脂粒子の原液を用いた。さらに、pH調整剤としてのKOHによりpHを11に調整した。
【0124】
得られたスラリーを用いて、以下の条件で絶縁膜52を研磨した。
【0125】
スラリー流量:300cc/min
研磨布:IC1000(ロデール・ニッタ社製)
研磨荷重:300gf/cm
トップリングおよびテーブルの回転数はいずれも100rpmとして、3分間の研磨を行なった。
【0126】
CMPストッパー膜51の材質として用いられるCやSiNは、多くの場合、疎水性を有しており、ζ電位が等電点である。このため、スクラッチを生じやすい環境にある。
【0127】
本実施形態にかかるスラリーを用いることによって、研磨後のウェハー表面におけるスクラッチは2個にとどまり、エロージョンは30nm以下に抑制された。こうして、スクラッチを生じ易いCMPストッパー膜上の絶縁膜をCMPする際にも効果を確認することができた。
【0128】
【発明の効果】
上述したように、本発明の態様によれば、ディッシングやエロージョンを低減するとともに、実用的な研磨速度で被研磨面を研磨可能なスラリーが提供される。本発明の他の態様によれば、ディッシングやエロージョンを低減するとともに、実用的な研磨速度で被研磨面を研磨する方法が提供される。本発明の他の態様によれば、高い信頼性を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【0129】
本発明によれば、例えば、次世代で要求されるデザインルール0.1μm以下の配線を有する高性能・高速な半導体装置を製造することが可能となり、その工業的価値は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】複合型粒子および樹脂粒子の断面の状態を模式的に示す概略図。
【図2】トップリングの断面図。
【図3】本発明の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を表わす工程断面図。
【図4】CMPの状態を示す概略図。
【図5】W膜の研磨速度とスラリー中の樹脂粒子の含有量との関係を示す図。
【図6】本発明の他の実施形態にかかる半導体装置の製造方法を表わす工程断面図。
【図7】本発明の他の実施形態にかかる半導体装置の製造方法を表わす工程断面図。
【符号の説明】
10…複合型粒子,11…樹脂成分,12…無機成分,13…樹脂粒子,20…半導体基板,21…絶縁膜,22…ホール,23…TiN膜,24…W膜,30…ターンテーブル,31…研磨布,32…半導体基板,33…トップリング,34…水供給ノズル,35…スラリー供給ノズル,36…ドレッサー,37…スラリー,40…半導体基板,41…絶縁膜,42…コンタクト,43…低誘電率膜,44…キャップ膜,45…溝,46…TaN膜,47…Cu膜,50…半導体基板,51…CMPストッパー膜,52…絶縁膜,60…半導体基板,61…リテーナリング,62…研磨布,63…筐体,64…エア供給管,65…チャッキングプレート,66…エアバック,67…トップリング,68…トップリング、69…バッキングフィルム。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a slurry used for CMP (Chemical Mechanical Polishing), a polishing method using the slurry, and a method for manufacturing a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
In the next-generation high-performance LSI, high integration of elements is indispensable, and design rules for damascene wiring formed by CMP are becoming stricter with a wiring width of 0.07 to 30 μm and a film thickness of 100 nm.
[0003]
In the case of forming a damascene wiring having a thickness of 100 nm, in conventional CMP, abrasive particles released from the polishing cloth during polishing become loose particles and are pushed into the surface to be polished, resulting in dishing of about 80 nm. In this case, most of the wiring material (Cu, Al, W, etc.) to be buried in the groove is removed. When excessive dishing occurs, the wiring resistance increases, and the performance of the semiconductor device decreases. In addition, there is a risk of disconnection during operation, which is a concern in terms of reliability. For this reason, dishing is required to be suppressed to 20 nm or less.
[0004]
Conventionally, it is considered that such a demand can be met by reducing free particles during polishing, and a method using a fixed abrasive type CMP pad (for example, a 3M company fixed abrasive type pad) with a small amount of free particles is used. Is being considered. Although dishing is suppressed to 20 nm or less by using such a pad, there remain problems such as processing efficiency, price, processed surface quality, and stability.
[0005]
In addition, a method of increasing the interaction between the polishing particles and the polishing pad has been proposed (for example, see Patent Document 1). For example, a slurry using composite particles as abrasive particles and an organic compound such as a surfactant and an organic acid is used, but the polishing power is poor and the method is not practical.
[0006]
Further, an extremely high-viscosity slurry containing two types of resin particles as abrasive particles has been proposed (for example, see Patent Document 2). Such a slurry has an increased viscosity applied to polishing using a brush, and cannot be dropped by a slurry supply pipe and subjected to CMP by a normal method.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2001-152133 A
[0008]
[Patent Document 2]
JP 2003-109919 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a slurry capable of reducing dishing and erosion and polishing a surface to be polished at a practical polishing rate.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a method for polishing a surface to be polished at a practical polishing rate while reducing dishing and erosion.
[0011]
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device having high reliability.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
A slurry for CMP according to one embodiment of the present invention is characterized by containing composite particles containing a composite resin component and an inorganic component, and resin particles, and having a viscosity of less than 10 mPaS.
[0013]
The polishing method according to one embodiment of the present invention includes a step of rotating and contacting a semiconductor substrate having a surface to be polished with a polishing cloth stuck on a turntable, and the above-mentioned CMP for polishing on the polishing cloth. The method further comprises a step of polishing the surface to be polished by dropping a slurry.
[0014]
A method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a step of forming an insulating film on a semiconductor substrate, a step of forming a recess in the insulating film, and a step of forming a conductive layer inside the recess and on the insulating film. Depositing a material to form a layer having conductivity, and removing the conductive material deposited on the insulating film to expose the surface of the insulating film, thereby forming the conductive material. And removing the conductive material deposited on the insulating film by CMP using the above-mentioned slurry.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0016]
In order to efficiently apply the slurry supplied on the polishing cloth to the surface to be polished and perform polishing while reducing dishing and erosion, the present inventors polish a particle mixture of composite type particles and resin particles. It has been found that it is effective to use the particles as particles and to regulate the viscosity to less than 10 mPaS.
[0017]
FIG. 1 is a schematic diagram of composite particles and resin particles. The composite particles 10 are composed of polymer particles as a resin component 11 and an inorganic component 12 composited with the polymer particles. Complexation refers to chemical or non-chemical association. The inorganic component 12 can be, for example, a silicon compound part or a metal compound part. The inorganic component 12 may not only bind to the surface of the resin component 11 as shown in the figure, but may be incorporated inside. On the other hand, the resin particles 13 preferably have a functional group such as COOH on the surface.
[0018]
As the composite particles 10, for example, those described in JP-A-2000-204352 can be used, and can be generally synthesized by the following method. First, a silane coupling agent or the like is bonded to divinylbenzene polymer particles or the like serving as the resin component 11, and a specific silane alkoxide and colloidal silica are reacted with the silane coupling agent. In this way, a silicon compound part having a polysiloxane structure or the like as the inorganic component 12 is formed inside and on the surface of the polymer particles. The silicon compound part and the like can also be formed without using a silane coupling agent or the like. It is preferable that the inorganic component is bonded to the polymer particles via a silane coupling agent or the like or directly. Further, a compound such as aluminum, titanium or zirconium can be used as the inorganic component 12 to obtain the composite type particles 10 having the same configuration.
[0019]
Hereinafter, the polymer particles as the resin component 11 in the composite particles 10 will be described in detail.
[0020]
The polymer particles are particles made of a polymer obtained by polymerizing various monomers. Examples of the monomer include unsaturated aromatic compounds such as styrene, α-methylstyrene, halogenated styrene and divinylbenzene, unsaturated esters such as vinyl acetate and vinyl propionate, and unsaturated nitriles such as acrylonitrile. Can be used. Further, methyl acrylate, methyl methacrylate, ethyl acrylate, ethyl methacrylate, 2-ethylhexyl acrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, lauryl acrylate, lauryl methacrylate, ethylene glycol diacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, glycidyl acrylate, glycidyl methacrylate, 2-hydroxyethyl Acrylic esters such as acrylate, acrylic acrylate and allyl methacrylate or methacrylic esters can also be used.
[0021]
Also, butadiene, isoprene, acrylic acid, methacrylic acid, acrylamide, methacrylamide, N-methylolacrylamide, N-methylolmethacrylamide, and the like can be used. These monomers may be used alone or in combination of two or more.
[0022]
The polymer particles can be obtained by polymerizing the above-described monomers by various methods such as emulsion polymerization, suspension polymerization, and dispersion polymerization. By controlling the polymerization conditions, the particle size of the polymer particles can be arbitrarily adjusted. Further, a polymer such as a lump may be pulverized into polymer particles having a desired particle size. In particular, when polymer particles having high strength and the like and excellent heat resistance are required, a cross-linked structure can be introduced into the molecule by using a polyfunctional monomer when producing the polymer particles. The crosslinked structure can be introduced by a method such as chemical crosslinking or electron beam crosslinking during the production of the polymer particles or after the production of the polymer particles.
[0023]
Although the shape of the polymer particles is not particularly limited, it is desired that the shape is more spherical. The average particle diameter is preferably 0.03 to 100 μm, more preferably 0.05 to 20 μm, and most preferably 0.05 to 1.0 μm as a sphere equivalent diameter. When the average particle size is less than 0.03 μm, it is difficult to obtain sufficient polishing performance because the particle size is too small. On the other hand, if the average particle size exceeds 100 μm, the dispersibility of the composite particles may be deteriorated, and the storage stability may be significantly reduced.
[0024]
It is preferable to introduce a functional group such as a hydroxyl group, an epoxy group, and a carboxyl group into the obtained polymer particles. In this case, the inorganic component can be directly bonded to the polymer particles without using a linking compound such as a silane coupling agent. When a silane coupling agent or the like having a functional group capable of reacting with the functional group introduced into the polymer particles is used in combination, the bonding between the inorganic component and the polymer particles is further promoted, and a composite type having further excellent performance is provided. Particles are obtained.
[0025]
Further, as the polymer particles, particles composed of various polymers such as polyamide, polyester, polycarbonate, and polyolefin can also be used. In these polymer particles, a functional group can be introduced in the same manner as described above, and further, a crosslinked structure can be introduced into the particles.
[0026]
Although various polymers can be used as described above, polymethyl methacrylate (PMMA) and polystyrene (PST) are particularly preferable because they are easily available industrially.
[0027]
Next, the silicon compound part and the metal compound part as the inorganic component 12 will be described in detail. At least a part of the inorganic component is directly or indirectly bonded to the polymer particles, but is preferably chemically bonded. Thereby, at the time of polishing, there is no problem that the inorganic component easily falls off from the polymer particles and remains on the surface to be polished. Examples of the chemical bond include an ionic bond and a coordination bond, and a covalent bond is preferable because the bond is more strongly bonded. The inorganic component 12 may be bonded to the polymer particles by a non-chemical bond such as a hydrogen bond, a surface charge bond, an entanglement bond, and an anchor effect bond.
[0028]
As shown in FIG. 1, in order to bond to the surface of the resin component 11, the inorganic component needs to be smaller than the polymer particles as the resin component. It is calculated by calculation that if the longest diameter of the inorganic component is about 1/4 or less of the particle diameter of the polymer particles, it can be uniformly bonded. However, in order to secure the polishing force, it is desired that the longest diameter of the inorganic component is 10 nm or more.
[0029]
The silicon compound part as an inorganic component can be constituted by at least one of a siloxane bond-containing part and a silica particle part. Further, the metal compound part can be composed of at least one selected from the group consisting of a metalloxane bond-containing part, an alumina particle part, a titania particle part, and a zirconia particle part.
[0030]
Such an inorganic component may be formed inside the polymer particles and over the entire surface thereof, or may be formed on a part thereof. The siloxane bond-containing portion and the metalloxane bond-containing portion may be composed of a single molecule, but preferably have a chain structure of two or more molecules. In the case of a chain structure, it may be linear, but a three-dimensional structure is more preferable.
[0031]
The inorganic component can be bonded to the polymer particles directly or via a linking compound such as a silane coupling agent. Examples of the linking compound include a silane coupling agent, an aluminum-based coupling agent, a titanium-based coupling agent, and a zirconium-based coupling agent, with the silane coupling agent being particularly preferred. Examples of the silane coupling agent include the following (a), (b) and (c).
[0032]
(A) vinyltrichlorosilane, vinyltris (β-methoxyethoxy) silane, vinyltriethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane, γ-mercaptopropyltrimethoxysilane, and γ-chloropropyltrimethoxy Silane and the like.
[0033]
(B) γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane, γ-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane and the like.
[0034]
(C) N-β (aminoethyl) γ-aminopropyltrimethoxysilane, N-β (aminoethyl) γ-aminopropylmethyldimethoxysilane, γ-aminopropyltriethoxysilane and the like.
[0035]
As the silane coupling agent, those having a functional group that can easily react with a functional group introduced into the polymer particles are preferable. For example, in the case of polymer particles having a carboxyl group introduced on the surface, the silane coupling agents (b) and (c) having an epoxy group and an amino group are preferred. Among them, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane and N-β (aminoethyl) γ-aminopropyltrimethoxysilane are particularly preferred.
[0036]
Examples of the aluminum-based coupling agent include acetoalkoxyaluminum diisopropylate. Examples of the titanium-based coupling agent include isopropyl triisostearoyl titanate and isopropyl tridecylbenzenesulfonyl titanate. These various coupling agents may be used alone or in combination of two or more. Also, different types of coupling agents can be used in combination.
[0037]
The amount of the coupling agent to be used is preferably 0.1 to 50 mol per 1 mol of the functional group introduced into the polymer particles. This amount is more preferably 0.5 to 30 mol, and most preferably 1.0 to 20 mol. When the amount of the coupling agent used is less than 0.1 mol, the inorganic component is not sufficiently firmly bonded to the polymer particles, and easily falls off from the polymer particles during polishing. On the other hand, if the amount used exceeds 50 mol, the condensation reaction of the coupling agent molecules proceeds, and an unintended polymer may be generated. In this case, the binding of the inorganic component to the polymer particles may be hindered.
[0038]
When the coupling agent is chemically bonded to the polymer particles, the reaction can be promoted by using a catalyst such as an acid and a base. To promote the reaction, the temperature of the reaction system may be raised.
[0039]
Further, a compound represented by the following general formula (1) can also be used as a raw material of an inorganic component.
[0040]
RnM (OR ')z-n        (1)
Here, R is a monovalent organic group having 1 to 8 carbon atoms, specifically, a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an iso-propyl group, an n-butyl group, a sec-butyl group, Examples include an alkyl group such as a tert-butyl group and an n-pentyl group, a phenyl group, a vinyl group, and a glycidpropyl group. R ′ is an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, an acyl group having 2 to 6 carbon atoms or an aryl group having 6 to 9 carbon atoms, specifically, a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group and an iso group. -Propyl, acetyl, propionyl, butyryl, valeryl and caproyl, phenyl and tolyl. When two or more R and R 'are present, they may be the same or different.
[0041]
M is Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Zr, Nb, Mo, Sn, Sb, Ta, W, Pb or Ce. Particularly, Al, Si, Ti and Zr are preferable.
[0042]
Z is the valence of M, and n is an integer of 0 to (z-1).
[0043]
Here, a compound containing Al, Si, Ti or Zr as M will be described. Examples of the compound in which M is Si include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane (TEOS), tetra-iso-propoxysilane, tetra-tert-butoxysilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, and the like. These compounds form a silicon compound portion as an inorganic component. Further, examples include aluminum ethoxide in which M is Al, titanium (IV) ethoxide in which M is Ti, and zirconium-tert-butoxide in which M is Zr. Such a compound forms a metalloxane bond-containing portion, an alumina particle portion, a titania particle portion, or a zirconia particle portion as an inorganic component.
[0044]
The compounds as described above may be used alone or in combination of two or more. Further, a compound in which M is Si, Al, Ti or Zr can be used in combination. It is preferable that (z−n) in the general formula (1) be 2 or more, since a denser siloxane bond-containing portion or metalloxane bond-containing portion is formed.
[0045]
Not only the compound represented by the general formula (1) but also at least one of the hydrolyzate and the partial condensate may be used. The compound represented by the general formula (1) is hydrolyzed or partially condensed without any particular operation. However, if necessary, the compound can be hydrolyzed or partially condensed at a required ratio in advance.
[0046]
The amount of these compounds used is SiO2, Al2O3, TiO2Or ZrO2In terms of conversion, the weight ratio is preferably set to 0.001 to 100 with respect to the polymer particles. This weight ratio is more preferably from 0.005 to 50, and most preferably from 0.01 to 10. When the weight ratio is less than 0.001, the inorganic component is not sufficiently formed inside and on the surface of the polymer particles, and the polishing performance may be reduced. On the other hand, even if the weight ratio is increased beyond 100, remarkable improvement in polishing performance cannot be expected.
[0047]
Further, at least one selected from the group consisting of colloidal silica, colloidal alumina, colloidal titania, and colloidal zirconia may be used as a raw material of the inorganic component. Such a colloidal component can be prepared by dispersing silica, alumina, titania or zirconia in the form of fine particles having an average particle size of 5 to 500 nm in a dispersion medium such as water. Fine particles can be obtained by a method of growing particles in an aqueous alkaline solution, a gas phase method, or the like.
[0048]
These fine particles may be bonded to the polymer particles via a siloxane bond-containing portion or a metalloxane bond-containing portion as described above. Alternatively, each particle portion can be formed by bonding to a polymer particle, a siloxane bond-containing portion, a metalloxane bond-containing portion, or the like by a hydroxyl group or the like introduced into the fine particles. The amount of colloid used is SiO2, Al2O3, TiO2Or ZrO2It is preferable that the weight ratio is 0.001 to 100 based on the polymer particles. This weight ratio is more preferably 0.01 to 50, most preferably 0.1 to 10. When the weight ratio is less than 0.001, it is difficult to sufficiently form an inorganic component. On the other hand, if it exceeds 100, no further improvement in polishing performance is observed.
[0049]
The reaction of the above components with the polymer particles can be carried out in a dispersion system using various organic solvents such as water or alcohol as a dispersion medium. The dispersion medium may be used alone or as a mixture of two or more. In the case of a dispersion medium containing water, hydrophilic functional groups such as a hydroxyl group, an epoxy group, and a carboxyl group should be introduced into the polymer particles in order to stably and uniformly disperse the polymer particles in the dispersion system. Is preferred. By introducing these functional groups, the inorganic component as described above can be more easily bonded to the polymer particles.
[0050]
Examples of the alcohol that can be used as a dispersion medium include lower saturated aliphatic alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, and tert-butanol. The alcohol may be used alone or in combination of two or more. Examples of the organic solvent other than alcohol include methyl ethyl ketone and dimethylformamide. Such an organic solvent, water and alcohol may be mixed and used at a predetermined ratio.
[0051]
In the reaction at this time, the content of the polymer particles in the dispersion medium is preferably 0.001 to 70% by weight. It is more preferably 0.01 to 50% by weight, most preferably 0.1 to 25% by weight. If the amount is less than 0.001% by weight, it is difficult to obtain composite particles with a sufficient yield. On the other hand, when the content exceeds 70% by weight, the dispersion stability of the polymer particles is reduced, and a problem occurs in that a gel is easily generated at the stage of complexing.
[0052]
The reaction for binding the inorganic component can be promoted by heating or adding a catalyst. When heating, the temperature of the reaction system is preferably set to 40 to 100 ° C. As the catalyst, for example, an acid, a base, an aluminum compound, a tin compound and the like can be used. In particular, an acid catalyst and an aluminum catalyst are preferable since they have a large effect of accelerating the reaction.
[0053]
Also, composite particles thermally bonded by the mechanofusion phenomenon can be used (Particle Design Engineering, P97, Sangyo Tosho Co., Ltd.).
[0054]
Various composite particles as described above can be used.
[0055]
On the other hand, as the resin particles 13, for example, those described in JP-A-2000-204275 can be used. Specifically, the resin particles 13 can be made of the same material as the resin component in the above-described composite particles, and the shape is preferably spherical. The spherical shape also means a substantially spherical shape having no acute angle portion, and does not necessarily have to be a true sphere.
[0056]
The resin particles preferably have a crosslinked structure, and can be synthesized, for example, by copolymerizing a crosslinkable monomer with another monomer. In the copolymerization, the proportion of the crosslinkable monomer is preferably 5 to 80% by weight, more preferably 5 to 60% by weight, and most preferably 7 to 60% by weight. When the crosslinkable monomer is less than 5% by weight, it becomes difficult to obtain resin particles having sufficient hardness. On the other hand, if it exceeds 80% by weight, the resin particles may become brittle, though the hardness is increased. By having a crosslinked structure, the hardness and strength of the resin particles can be increased.
[0057]
The resin particles preferably have a hydrophilic group as a functional group on the surface. The polarity of the ζ potential on the surface of the resin particles can be controlled by the hydrophilic group, and the properties such as antistatic property, heat resistance and discoloration resistance can be enhanced in addition to hardness and strength. Moreover, the resin particles having a hydrophilic group on the surface are also excellent in compatibility with a compound having a polar group.
[0058]
Resin particles having a hydrophilic group include hydrophilic groups such as hydroxyl groups, carboxyl groups and salts thereof, acid anhydride groups, sulfonic acid groups and salts thereof, phosphoric acid groups and salts thereof, amino groups and salts thereof, and the like. It can be formed by introducing 0.1 mmol or more, preferably 1 to 100 mmol, per 100 g.
[0059]
A surfactant having a predetermined hydrophilic group may be separately added so that the hydrophilic group is bonded to the surface of the resin particles in the slurry. As the surfactant, any of a cationic surfactant, an anionic surfactant, a nonionic surfactant and the like can be used. Examples of the cationic surfactant include an aliphatic amine salt and an aliphatic ammonium salt. Examples of the anionic surfactant include fatty acid soap, carboxylate such as alkyl ether carboxylate, sulfonate such as alkylbenzene sulfonate, alkylnaphthalene sulfonate, α-olefin sulfonate, and higher alcohol sulfate. Examples thereof include sulfate salts such as ester salts, alkyl ether sulfates and polyoxyethylene alkylphenyl ethers, and phosphate ester salts such as alkyl phosphate esters. Examples of the nonionic surfactant include ether type such as polyoxyethylene alkyl ether, ether ester type such as polyoxyethylene ether of glycerin ester, and ester type such as polyethylene glycol fatty acid ester, glycerin ester, and sorbitan ester. Can be mentioned.
[0060]
The slurry according to the embodiment of the present invention can be prepared by combining the composite particles and the resin particles as described above so that the polarities thereof have a predetermined relationship, and dispersing the particles in water. Specifically, the composite particles and the resin particles are combined so that the surfaces have the same polarity.
[0061]
The ζ potential can be measured, for example, by a laser Doppler zeta potential measuring device (manufactured by BROOKHAVEN INSTRUMENTS, product name “Zetaplus”). In measuring the potential, the inorganic component is dispersed in water or the like to prepare a dispersion having a predetermined pH. The zeta potential of the inorganic component at an arbitrary pH can be obtained by measuring the dispersion with the above-mentioned zeta potential measuring device. In order to measure the zeta potential of the functional group, the target functional group may be bonded to the surface of the resin particles, dispersed in water or the like, and similarly measured as a solution having a predetermined pH.
[0062]
The polarity of the composite particles depends on the inorganic component. For example, the zeta potential of silica is zero (isoelectric point) at pH 1.4, and becomes negative when the pH exceeds 1.4. The zeta potential of alumina is zero at pH 7 and positive below pH 7. On the other hand, the ζ potential of the resin particles is determined according to the functional groups present on the surface. For example, in the case of a carboxyl group (COOH), there is no isoelectric point, and the ζ potential is negative in the entire pH range (0.5 to 14). Amino group (NH2) Potential is positive in the whole pH range.
[0063]
Alternatively, one of the composite particles and the resin particles may have an isoelectric point. The isoelectric point means that the ζ potential measured by the aforementioned zeta potential measuring device is within the range of 0 ± 5 mV. ζ Based on the pH at which the potential becomes 0, the potential on the particle surface is unstable even when the pH is within a range of ± 1. Therefore, such a range can be treated similarly to the isoelectric point. For example, a sulfonic acid group (SO3The ζ potential of the polystyrene particles having H) is almost zero near pH2. That is, the composite particles and the resin particles are used in combination such that the surfaces do not have opposite polarities.
[0064]
In a slurry containing a particle mixture of composite particles and resin particles having opposite polarities as abrasive particles, the particles are electrically strongly attracted to each other to cause agglomeration, so that the viscosity of the slurry is extremely high at 10 mPaS or more. The slurry having such a high viscosity cannot be dropped on the polishing pad to perform the CMP of the surface to be polished. The currently used slurry supply system is a liquid circulation type using a pump, and when a high-viscosity slurry is used, clogging of the slurry occurs. Further, since the slurry having a high viscosity has poor storage stability, it is difficult for the slurry to easily settle and be re-dispersed.
[0065]
In order to limit the viscosity of the slurry to less than 10 mPaS, composite particles and resin particles having the same polarity are used. Even when one of the composite particles and the resin particles has an isoelectric point, the viscosity of the slurry is limited to less than 10 mPaS.
[0066]
In any case, the particle diameter of the resin particles is preferably larger than the longest diameter of the inorganic component in the composite particles. Specifically, it is desired that the particle size of the resin particles be at least twice the longest diameter of the inorganic component. As described above, in the composite particles, it is desired that the inorganic component is about 1 / or less of the resin component. The particle size of the composite particles is preferably at least twice the particle size of the resin particles. Further, it is desirable that the resin particles be at least larger than the inorganic component so that the resin particles can be substituted for the resin component of the composite particles when the composite particles are deformed or broken by the stress of CMP. Taking these into consideration, it is desired that the particle size of the resin particles be at least twice as large as the inorganic component in the composite particles. However, in order to secure the polishing force, the longest diameter of the inorganic component is preferably 10 nm or more, and in consideration of the interaction with the polishing pad, the particle diameter of the resin particles is particularly limited to about 300 nm. preferable.
[0067]
In order to ensure a higher polishing rate, the average particle diameter d of the composite particles is1And the average particle diameter d of the resin particles2And the particle size ratio (d1/ D2) Is preferably 2 or more. By controlling the particle size ratio, a desired polishing rate can be obtained. However, in order to sufficiently secure the effect of mixing particles, the upper limit of the particle size ratio is limited to about 10. This is considered to be because when the resin particles are too small relative to the composite type particles, the state approaches a state where a surfactant having a small volume is added.
[0068]
The average particle size of the resin particles is preferably 0.05 to 1 μm. If it is less than 0.05 μm, it will be difficult to obtain a sphere. On the other hand, if it exceeds 1 μm, the particle size ratio (d1/ D2) Is 2 or more, the average particle diameter of the composite particles exceeds 2 μm. In this case, there is a possibility that the polishing power becomes insufficient due to the decrease in the particle surface area. The average particle size of the resin particles is more preferably 0.1 to 0.5 μm, and most preferably 0.1 to 0.3 μm. The average particle diameter of the composite particles and the resin particles can be obtained by TEM observation.
[0069]
Further, the ratio of the resin particles in the particle mixture of the composite particles and the resin particles is preferably in the range of 10 wt% or more and 90 wt% or less. When a particle mixture containing resin particles at such a ratio is used, a particularly high polishing rate can be obtained. For example, in the case of a W film, a high polishing rate of 100 nm / min or more can be secured.
[0070]
The total particle concentration of the particle mixture of the composite particles and the resin particles is preferably from 0.1 wt% to 40 wt% in the slurry. If the amount is less than 0.1 wt%, it is difficult to obtain a sufficient polishing effect. On the other hand, if it exceeds 40 wt%, the particles may aggregate. The total particle concentration is more preferably 0.5 wt% or more and 30 wt% or less in the slurry.
[0071]
If necessary, various additives such as an oxidizing agent and a pH adjuster can be added to prepare the slurry according to the embodiment of the present invention.
[0072]
Since the slurry according to the embodiment of the present invention contains a particle mixture of composite particles and resin particles as abrasive particles, these particles form a close-packed structure on the polishing cloth during polishing. . As a result, appropriate clogging occurs, and the particles can be fixed to the surface of the polishing pad to reduce free particles. As a result, it has become possible to perform polishing at a sufficiently high polishing rate while suppressing dishing. Moreover, since the surfaces of the composite particles and the resin particles have the same polarity or one of them has an isoelectric point, the viscosity of the slurry is sufficiently reduced.
[0073]
The inorganic components in the composite particles are firmly bound without coming off from the polymer particles as resin components even when subjected to polishing stress, and one resin component can be deformed or broken by receiving polishing stress. For this reason, during polishing, the inorganic component having abrasive power is bonded to the surface of the broken resin component, resulting in composite particles having a reduced diameter. The composite particles having such a reduced diameter are uniformly mixed with the resin particles.
[0074]
The resin particles are hydrophobic, and the polishing cloth surface is also hydrophobic. Therefore, the resin particles are adsorbed on the polishing cloth surface while entraining the composite type particles having a reduced diameter. As a result, it has become possible to perform polishing while reducing free particles.
[0075]
When the resin component and the inorganic component in the composite particles according to the embodiment of the present invention are used together with the resin particles as separate components, the above-described effects cannot be obtained. In this case, the particles are fixed so that the resin particles and the inorganic component are embedded in the gaps between the resin components. The polishing does not proceed because the inorganic component having abrasive power is not sufficiently present on the surface.
[0076]
When the composite particles are replaced with inorganic particles having the same particle size, the particle size of the inorganic particles having abrasive power is too large with respect to the resin particles. The particle size of the inorganic component is required to be 100 nm or less in order to perform fine polishing, and it is preferably 50 nm or less in order to sufficiently suppress dishing. When inorganic particles equivalent to the composite particles are contained, it becomes difficult to suppress dishing, and the object cannot be achieved.
[0077]
By using the slurry according to the embodiment of the present invention, it is possible to solve all the problems of the conventional fixed abrasive type pad such as processing efficiency, price, processed surface quality, and stability.
[0078]
By properly selecting the top ring that holds the semiconductor substrate, the abrasive particles can be more effectively fixed to the polishing pad, and the effect of the slurry according to the embodiment of the present invention can be further enhanced.
[0079]
FIG. 2 is a sectional view showing a schematic structure of an example of a top ring that can be used.
[0080]
The top ring 67 shown in FIG. 2A includes a housing 63 provided with an air supply pipe 64, a retainer ring 61, a chucking plate 65, and an airbag 66. The polished surface of the semiconductor substrate 60 held by the top ring 67 having such a structure is substantially the same as the end surface of the retainer ring 61. The semiconductor substrate 60 may be held so that the surface to be polished is positioned about 0.2 mm above the end face of the retainer ring 61.
[0081]
Therefore, the retainer ring 61 is pressed into the polishing pad 62 at a pressure similar to that of the semiconductor substrate 60. In some cases, the retainer ring 61 is pressed into the polishing pad 62 at a pressure higher than the semiconductor substrate 60. First, the slurry (not shown) supplied on the polishing cloth 62 is pushed into the polishing cloth 62 by the retainer ring 61 to fix the abrasive particles. Thereafter, since the slurry is supplied to the surface to be polished of the semiconductor substrate 60, the polishing is performed in a state where the free particles are reduced.
[0082]
On the other hand, when the top ring 68 as shown in FIG. 2B is used, the abrasive particles cannot be fixed to the polishing pad 62 prior to polishing the surface to be polished. That is, since the polished surface of the semiconductor substrate 60 held on the top ring 68 via the backing film 69 protrudes from the end surface of the retainer ring 61, the slurry (not shown) supplied on the polishing pad 62 is The semiconductor substrate 60 is supplied directly to the surface to be polished. Therefore, the abrasive particles are fixed to the polishing pad 62 by the semiconductor substrate 60, and the fixing of the abrasive particles and the polishing are performed simultaneously.
[0083]
Since the slurry according to the embodiment of the present invention contains the composite type particles and the resin particles, it is possible to reduce the free particles even when the immobilization and polishing of the particles are performed simultaneously. is there. However, in order to further enhance the effect of immobilizing particles, it is particularly preferable to use in combination with the top ring having the structure shown in FIG.
[0084]
(Embodiment 1)
First, 94 parts of methyl methacrylate (hereinafter, "part" means "part by weight"), 1 part of methacrylic acid, 5 parts of hydroxymethyl methacrylate, 0.03 part of ammonium lauryl sulfate, 0.6 part of ammonium persulfate Parts and 400 parts of ion-exchanged water were placed in a flask having a capacity of 2 liters. The mixture was heated to 70 ° C. while stirring under a nitrogen gas atmosphere, and polymerized for 6 hours. Thus, a stock solution of resin particles containing PMMA particles having a carboxyl group on the surface and having an average particle diameter of 200 nm at a concentration of 20 wt% was obtained.
[0085]
On the other hand, composite particles were prepared by bonding PMMA particles as a resin component to silica particles as an inorganic component. As PMMA particles, those synthesized by the above-described method were used. The particle diameter of the silica particles was set to 15 nm, and the average particle diameter (d) of the entire composite particles was changed by changing the average particle diameter of the PMMA particles.1) Was changed. Specifically, composite particles having five average particle diameters of 100 nm, 200 nm, 300 nm, 400 nm, and 1000 nm were prepared.
[0086]
In the compounding, first, 100 parts of an aqueous dispersion containing 10% by weight of PMMA particles was placed in a flask having a capacity of 2 liters, and 1 part of methyltrimethoxysilane was added. The mixture was stirred at 40 ° C. for 2 hours. Thereafter, the pH was adjusted to 2 by adding nitric acid to obtain an aqueous dispersion of the resin component. In addition, colloidal silica (trade name “Snowtex O” manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) is dispersed in water at a concentration of 10% by weight, the pH is adjusted to 8 with potassium hydroxide, and the aqueous dispersion of inorganic components is dispersed. Obtained. Thereafter, 50 parts of an aqueous dispersion of an inorganic component was gradually added to and mixed with 100 parts of an aqueous dispersion of a resin component over 2 hours. Further, the mixture was stirred for 2 hours to obtain an aqueous dispersion containing preliminary particles in which silica particles adhered to PMMA particles as a resin component. Next, 2 parts of vinyltriethoxysilane was added to this aqueous dispersion, and after stirring for 1 hour, 1 part of TEOS was added and the temperature was raised to 60 ° C. Thereafter, stirring was continued for 3 hours, and the mixture was cooled to obtain a stock solution of composite particles containing the composite particles at a concentration of 10 wt%.
[0087]
By combining the stock solution of composite particles thus obtained with the stock solution of resin particles described above, five types (0.5, 1, 1.5, 2, and 5) of particle size ratios (composite particles d1/ Resin particles d2) Is obtained.
[0088]
A slurry according to the present embodiment was prepared according to the following formulation using a particle mixture of composite particles and resin particles as abrasive particles.
[0089]
First, the above-described stock solution of the resin particles and the stock solution of the composite particles were mixed and diluted with water so that the abrasive particles were contained at a concentration of 5 wt%. Further, it was prepared by mixing 5 wt% of ferric nitrate as an oxidizing agent and 90 wt% of pure water as a solvent. Since ferric nitrate is contained, the pH of the resulting slurry is in the acidic range of about 2.5. Further, a plurality of slurries were prepared by changing the mixing ratio of the two types of stock solutions to change the ratio between the resin particles and the composite particles.
[0090]
Using the various slurries thus prepared, W-CMP was performed by the following method, and the W polishing rate was examined.
[0091]
FIG. 3 is a process sectional view showing the W-CMP.
[0092]
First, as shown in FIG. 3A, a 300 nm-thick insulating film 21 was deposited on a semiconductor substrate 20 to form a hole 22 (0.1 μmφ). Further, a W film 24 of 200 nm was deposited on the entire surface via a TiN film 23 of 10 nm.
[0093]
Unnecessary portions of the TiN film 23 and the W film 24 were removed by CMP to expose the surface of the insulating film 21 as shown in FIG.
[0094]
Polishing of the W film 24 was performed as follows using the above slurry with IC1000 (manufactured by Rodale Nitta) as a polishing cloth. That is, as shown in FIG. 4, while rotating the turntable 30 to which the polishing pad 31 is attached at 100 rpm, the top ring 33 holding the semiconductor substrate 32 is moved to 300 gf / cm.2Abrasion load. The rotational speed of the top ring 33 was set to 102 rpm, and the slurry 37 was supplied onto the polishing pad 31 from the slurry supply nozzle 35 at a flow rate of 200 cc / min. FIG. 4 also shows the water supply nozzle 34 and the dresser 36.
[0095]
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the polishing rate of the W film 24 and the ratio of the resin particles in the particle mixture in the slurry. In the graph of FIG. 5, curves a, b, c, d and e respectively represent the particle size ratio (d1/ D2) Shows the results for slurries of 0.5, 1, 1.5, 2, and 5.
[0096]
As shown in the graph of FIG. 5, when the composite particles or the resin particles are used alone, the W polishing rate is 10 nm / min or less. On the other hand, in the case of a slurry using a mixture of the composite type particles and the resin particles, the W polishing rate tends to increase at any particle size ratio. This is presumably because the composite particles and the resin particles form a close-packed structure on the polishing cloth, so that appropriate clogging occurs and the particles are fixed.
[0097]
In particular, as shown by the curves d and e, in the region where the particle size ratio is 2 or more and the ratio of the resin particles is 10 to 90% by weight, the W film is polished at a high polishing rate of 100 nm / min or more. Can be.
[0098]
Next, various slurries were prepared in the same manner as described above, except that the particle size ratio was set to 2, the ratio of the resin particles was fixed to 10 wt%, and the materials of the composite particles and the resin particles were changed. Using the obtained slurry, the W film was polished under the same conditions as described above, and the polishing rate of the W film was examined. The results are summarized in Table 1 below together with the viscosity of each slurry, the composition of the particle mixture, and the polarity of the zeta potential of each particle. Since the pH of the slurry is 2.5, the polarity of the zeta potential of each particle is the result of measurement under an environment of pH 2.5.
[0099]
[Table 1]
Figure 2004342751
[0100]
As shown in Table 1, when the zeta potentials of the composite particles and the resin particles were both negative (Nos. 1 to 5, 10) and both were positive (No. 7), the viscosity of the slurry was high. Is 1 mPaS. Similarly, when the 樹脂 potential of the resin particles is zero (Nos. 8, 9), the slurry also has a low viscosity of 1 mPaS. When these slurries were used, the W film could be polished at a high polishing rate of 110 nm / min or more. In each case, dishing on the surface after polishing was suppressed to 10 nm or less.
[0101]
Similarly, when the type of the functional group on the surface of the resin particles was changed, and when a surfactant was added, a high polishing rate was similarly obtained. The resin component in the composite particles does not necessarily have to be the same as the material of the resin particles, and the same effect can be obtained even when different. A high polishing rate is also expected when two or more composite particles and resin particles are used in combination.
[0102]
No. The pH of the slurries 1 to 10 is about 2.5, and even when the pH is low, the slurry according to the embodiment of the present invention can ensure a sufficiently high polishing rate. Conversely, even at a high pH of 10 or more, the slurry according to the embodiment of the present invention is expected to exhibit the same effect.
[0103]
Conventional slurries containing resin particles or composite particles alone as abrasive particles could only be used in a narrow pH range of about 3 to 7. This is because a surfactant or an organic compound was added to enhance the interaction between the polishing particles and the polishing pad. In the region of strong acids and strong alkalis, no effect was obtained because these additives were deactivated.
[0104]
In the embodiment of the present invention, a sufficient interaction between the abrasive particles and the polishing pad can be obtained because the composite particles and the resin particles are mixed and used as the abrasive particles. Therefore, it has become possible to use it in a wide pH range, which was impossible in the past.
[0105]
As shown in Table 1, in the case of containing a particle mixture of composite particles having a positive ζ potential and resin particles having a negative ζ potential (No. 6), the viscosity of the slurry was as high as 12 mPaS. . As described above, it was difficult to drop the high-viscosity slurry from the slurry supply nozzle 37 onto the polishing pad 31, and the CMP could not be performed.
[0106]
(Embodiment 2)
In the Cu2nd polishing in the Cu damascene wiring formation process, in addition to the Cu film, for example, a TaN film or SiO2A different material such as a film is polished flat. Conventionally, in such a case, non-selective polishing has been performed with a polishing rate ratio of 1. However, in the case of an organic insulating film, erosion is greatly caused by polishing under the above-described conditions due to physical effects such as hardness and hydrophobicity of the surface.
[0107]
By using the slurry according to the embodiment of the present invention, a Cu damascene wiring can be formed with low erosion even when selective polishing is performed with a polishing rate ratio of 1 or more. Moreover, scratches hardly occur on the surface of the polished organic insulating film or Cu film.
[0108]
FIG. 6 is a process sectional view showing Cu-CMP.
[0109]
First, as shown in FIG. 6A, an insulating film 41 is deposited on a semiconductor substrate 40 on which elements (not shown) are formed, and contacts 42 are formed. On the insulating film 41, LKD5109 (manufactured by JSR) as the low dielectric constant film 43 is deposited to a thickness of 200 nm, and black diamond (AMAT, hereinafter referred to as BD) as the cap film 44 is deposited to a thickness of 100 nm by a CVD method. . After grooves 45 were formed in the low dielectric constant insulating film 43 and the cap film 44 by RIE, a TaN film 46 (20 nm) and a Cu film 47 (500 nm) were deposited on the entire surface by sputtering and plating.
[0110]
Next, unnecessary portions of the Cu film 47 were removed by CMP under the following conditions to expose the TaN film 46 as shown in FIG.
[0111]
Slurry: CMS7303 / 7304 (JSR)
Flow rate: 250cc / min
Polishing cloth: IC1000 (Rodale Nitta)
Load: 300gf / cm2
The rotation speed of the carrier and the table was set to 100 rpm, and polishing was performed for 1 minute. In this step, since the polishing is stopped at the TaN film 46, the hydrophobic cap film 44 is not exposed. Therefore, polishing can be performed using a commercially available slurry.
[0112]
Thereafter, an unnecessary portion of the TaN film 46 was removed by a touch-up process as shown in FIG. In this case, the slurry according to the embodiment of the present invention is used for CMP.
[0113]
In preparing the slurry, the average particle size (d1) Is 200 nm and the average particle diameter (d2) Was prepared as abrasive particles with a particle mixture of 100 nm and resin particles. The particle size ratio between the composite particles and the resin particles (d1/ D2) Is 2. The composite particles include PMMA particles having an average particle size of 150 nm as a resin component and silica particles having an average particle size of 25 nm as an inorganic component. The resin particles are made of PMMA and have a COOH group as a functional group on the surface. The composite particles and the resin particles were prepared as stock solutions having the same concentration by the same method as described above.
[0114]
The above-described stock solution of the composite particles and the stock solution of the resin particles were mixed and diluted with pure water such that the concentration of the composite particles was 2.7 wt% and the concentration of the resin particles was 0.3 wt%. Further, 0.1 wt% of a hydrogen peroxide solution as an oxidizing agent, 0.8 wt% of a quinolinic acid as an oxidation inhibitor, an additive and the like were added, and the pH was adjusted to 10 with KOH as a pH adjusting agent.
[0115]
Also, a slurry of a comparative example was prepared according to the same formulation as described above, except that the abrasive particles were changed to two types of colloidal silica having different average particle sizes. Specifically, a mixture of 0.6 wt% of colloidal silica having an average particle diameter of 40 nm and 2.4 wt% of colloidal silica having an average particle diameter of 20 nm was used as abrasive particles.
[0116]
Each slurry was polished for 2 minutes under the same conditions as described above, and the polishing rates of the Cu film 47, the TaN film 46, and the cap film 44 were examined. The polishing time was adjusted so that the BD as the cap film 44 was polished by 50 nm. As a result, when the slurry according to the embodiment of the present invention was used, the polishing rates of the Cu film, the TaN film, and the cap film were 100 nm / min, 45 nm / min, and 20 nm / min, respectively. On the other hand, when the slurry of the comparative example was used, the polishing rate of the Cu film was 70 nm / min, and the polishing rates of the TaN film and the cap film were both 60 nm / min.
[0117]
As described above, when the slurry of the comparative example was used, erosion occurred because the polishing rate of the cap film 44 was as large as 60 nm / min, and a part of the erosion was lost. The step between the Cu film and the cap film 44 had a shape in which the Cu film protruded, and the erosion was 120 nm. Since the cap film 44 needs to protect the insulating film 43 from damage caused in the next step, it must be prevented from being broken as much as possible. On the other hand, when the slurry according to the embodiment of the present invention was used, the erosion showed a low value of 20 nm, and the cap film 44 was not broken. Since the resin particles made of an organic material are contained, the slurry according to the embodiment of the present invention can generate an appropriate interaction with an organic film.
[0118]
Further, dishing on the surface of the Cu film 47 after polishing was suppressed to 20 nm or less. Furthermore, 1 cm on the polished Cu film 47 and the cap film 442The number of scratches was about 10,000 when the slurry of the comparative example was used, but was reduced to 100 or less when the slurry according to the embodiment of the present invention was used. By optimizing the added components, it is possible to further reduce scratches.
[0119]
(Embodiment 3)
The slurry according to the embodiment of the present invention can also be applied to formation of STI (Shallow trench isolation). FIG. 7 is a process cross-sectional view showing the process of forming the STI.
[0120]
First, as shown in FIG. 7A, a groove is formed in a semiconductor substrate 50 provided with a CMP stopper film 51, and an insulating film 52 is deposited thereon. Here, SiN is used as the CMP stopper film 51, and a coating type insulating film such as organic SOG can be used as the insulating film 52, for example.
[0121]
Next, unnecessary portions of the insulating film 52 were removed by CMP using the slurry according to the embodiment of the present invention, and the surface of the CMP stopper film 51 was exposed as shown in FIG. The slurry has an average particle size (d1) Is 200 nm and the average particle diameter (d2) Was prepared using a particle mixture of 100 nm and resin particles as abrasive particles. The particle size ratio between the composite particles and the resin particles (d1/ D2) Is 2. The composite particles include PST particles having an average particle size of 200 nm as a resin component and silica particles having an average particle size of 40 nm as an inorganic component. In synthesizing such composite particles, first, 92 parts of styrene, 4 parts of methacrylic acid, 4 parts of hydroxyethyl acrylate, 0.1 part of ammonium lauryl sulfate, 0.5 part of ammonium persulfate, and 400 parts of ion-exchanged water were added in a capacity of 2 parts. Housed in liter flask. The mixture was heated to 70 ° C. while stirring under a nitrogen gas atmosphere, and polymerized for 6 hours. Thus, a stock solution of resin particles containing PST particles having a carboxyl group at a concentration of 20 wt% was obtained. In synthesizing the PST particles, 1 part of divinylbenzene (purity: 55%) was added as a crosslinking agent. When forming a functional group other than COOH, a pyridine ring compound (amino group), a sulfonate (sulfone group), or the like can be used.
[0122]
At the time of compounding, first, 100 parts of an aqueous dispersion containing 10% by weight of PST particles was placed in a flask having a capacity of 2 liters, and 1 part of methyltrimethoxysilane was added. The mixture was stirred at 40 ° C. for 2 hours. Thereafter, the pH was adjusted to 2 by adding nitric acid to obtain an aqueous dispersion of the resin component. In addition, colloidal silica (trade name “Snowtex O” manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) is dispersed in water at a concentration of 10% by weight, the pH is adjusted to 8 with potassium hydroxide, and the aqueous dispersion of inorganic components is dispersed. Obtained. Thereafter, 50 parts of an aqueous dispersion of an inorganic component was gradually added to and mixed with 100 parts of an aqueous dispersion of a resin component over 2 hours. Further, stirring was performed for 2 hours to obtain an aqueous dispersion containing preliminary particles in which silica particles were attached to polymer particles. Next, 2 parts of vinyltriethoxysilane was added to this aqueous dispersion, and after stirring for 1 hour, 1 part of TEOS was added and the temperature was raised to 60 ° C. Thereafter, stirring was continued for 3 hours, and the mixture was cooled to prepare a stock solution of composite particles containing the composite particles at a concentration of 10 wt%.
[0123]
The above-mentioned concentrated solution of the stock solution of the composite particles and the stock solution of the resin particles were mixed and diluted with pure water so that the concentration of the composite particles became 18 wt% and the concentration of the resin particles became 2 wt%. Here, the supernatant liquid of the stock solution of the composite particles was removed by a particle sedimentation method to reduce the concentration of the composite particles to 20 wt%, and the above-mentioned resin containing the cross-linked PST particles at a concentration of 20 wt%. A stock solution of particles was used. Further, the pH was adjusted to 11 with KOH as a pH adjuster.
[0124]
The insulating film 52 was polished using the obtained slurry under the following conditions.
[0125]
Slurry flow rate: 300cc / min
Polishing cloth: IC1000 (Rodel Nitta)
Polishing load: 300gf / cm2
Polishing was performed for 3 minutes with the rotation speed of both the top ring and the table set to 100 rpm.
[0126]
C and SiN used as the material of the CMP stopper film 51 have hydrophobicity in many cases, and the ζ potential is the isoelectric point. For this reason, it is in an environment where scratches easily occur.
[0127]
By using the slurry according to the present embodiment, the number of scratches on the polished wafer surface was limited to two, and the erosion was suppressed to 30 nm or less. In this manner, the effect was confirmed even when the insulating film on the CMP stopper film, which easily causes scratches, was subjected to CMP.
[0128]
【The invention's effect】
As described above, according to the aspect of the present invention, a slurry capable of reducing dishing and erosion and polishing a surface to be polished at a practical polishing rate is provided. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of polishing a surface to be polished at a practical polishing rate while reducing dishing and erosion. According to another aspect of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor device having high reliability is provided.
[0129]
According to the present invention, for example, it is possible to manufacture a high-performance and high-speed semiconductor device having wiring of a design rule of 0.1 μm or less required in the next generation, and its industrial value is enormous.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing a state of a cross section of a composite particle and a resin particle.
FIG. 2 is a sectional view of a top ring.
FIG. 3 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a state of CMP.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the polishing rate of a W film and the content of resin particles in a slurry.
FIG. 6 is a process sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a process sectional view illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Composite particle, 11 ... Resin component, 12 ... Inorganic component, 13 ... Resin particles, 20 ... Semiconductor substrate, 21 ... Insulating film, 22 ... Hole, 23 ... TiN film, 24 ... W film, 30 ... Turntable, 31 polishing pad, 32 semiconductor substrate, 33 top ring, 34 water supply nozzle, 35 slurry supply nozzle, 36 dresser, 37 slurry, 40 semiconductor substrate, 41 insulating film, 42 contact, 43 .. Low dielectric constant film, 44 cap film, 45 groove, 46 TaN film, 47 Cu film, 50 semiconductor substrate, 51 CMP stopper film, 52 insulating film, 60 semiconductor substrate, 61 retaining ring , 62 ... polishing cloth, 63 ... housing, 64 ... air supply pipe, 65 ... chucking plate, 66 ... air bag, 67 ... top ring, 68 ... top ring, 69 ... backing Lum.

Claims (7)

複合化された樹脂成分と無機成分とを含む複合型粒子、および樹脂粒子を含有し、粘度が10mPaS未満であることを特徴とするCMP用スラリー。A slurry for CMP, comprising composite particles containing a resin component and an inorganic component, and resin particles, having a viscosity of less than 10 mPaS. 前記複合型粒子と前記樹脂粒子とは、同極性であることを特徴とする請求項1に記載のCMP用スラリー。The slurry according to claim 1, wherein the composite particles and the resin particles have the same polarity. 前記複合型粒子および前記樹脂粒子のいずれか一方は、等電点であることを特徴とする請求項1に記載のCMP用スラリー。The slurry for CMP according to claim 1, wherein one of the composite particles and the resin particles has an isoelectric point. 前記複合型粒子の平均粒子径dと、前記樹脂粒子の平均粒子径dの粒子径比率(d/d)は、2以上であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のCMP用スラリー。The particle diameter ratio (d 1 / d 2 ) of the average particle diameter d 1 of the composite particles and the average particle diameter d 2 of the resin particles is 2 or more. The slurry for CMP according to claim 1 or 2. 前記樹脂粒子の含有量は、前記複合型粒子と前記樹脂粒子との総量の10wt%以上90wt%以下であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のCMP用スラリー。The slurry for CMP according to any one of claims 1 to 4, wherein the content of the resin particles is 10 wt% or more and 90 wt% or less of the total amount of the composite particles and the resin particles. ターンテーブル上に貼付された研磨布に、被研磨面を有する半導体基板を回転させつつ当接させる工程、および
前記研磨布上に、請求項1乃至5のいずれか1項に記載のCMP用スラリーを滴下して、前記被研磨面を研磨する工程を具備することを特徴とする研磨方法。
The slurry for CMP according to any one of claims 1 to 5, wherein a semiconductor substrate having a surface to be polished is brought into contact with the polishing cloth adhered on the turntable while rotating, and the polishing cloth is coated on the polishing cloth. And polishing the surface to be polished by dropping.
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の内部および前記絶縁膜の上に導電性材料を堆積して、導電性を有する層を形成する工程と、
前記絶縁膜の上に堆積された前記導電性材料を除去して前記絶縁膜の表面を露出させることにより、前記導電性材料を前記凹部内部に残置する工程とを具備し、
前記絶縁膜上に堆積された前記導電性材料の除去は、請求項1ないし5のいずれか1項に記載のスラリーを用いたCMPにより行なわれることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a recess in the insulating film;
Depositing a conductive material inside the recess and on the insulating film to form a layer having conductivity;
Removing the conductive material deposited on the insulating film to expose the surface of the insulating film, thereby leaving the conductive material inside the concave portion,
6. A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the removal of the conductive material deposited on the insulating film is performed by CMP using a slurry according to claim 1.
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