JP2005082649A - 研磨用スラリー - Google Patents
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Abstract
【課題】性質の異なる複数の研磨対象を同時に研磨する場合のように、従来複数の研磨工程を必要としていた研磨作業において、一度の研磨作業によって所望の研磨を短時間で行うことができ、研磨作業の効率を高めることのできる研磨用スラリーを提供する。
【解決手段】研磨砥粒と、少なくとも２種以上の異なる酸化剤とを含有することを特徴とする研磨用スラリーであって、研磨砥粒は非真球状のコロイダルシリカであり、このコロイダルシリカの含有率は、０．０１〜１０重量％であり、酸化剤は、過酸化化合物と、ヨウ素酸塩化合物、塩素酸塩化合物、硫黄化合物から選択された少なくとも１種類の非過酸化化合物とからなる。
【選択図】 図１
【解決手段】研磨砥粒と、少なくとも２種以上の異なる酸化剤とを含有することを特徴とする研磨用スラリーであって、研磨砥粒は非真球状のコロイダルシリカであり、このコロイダルシリカの含有率は、０．０１〜１０重量％であり、酸化剤は、過酸化化合物と、ヨウ素酸塩化合物、塩素酸塩化合物、硫黄化合物から選択された少なくとも１種類の非過酸化化合物とからなる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、半導体、電子部品の製造工程で使用される研磨用スラリーに関し、例えば、各種の半導体製造過程における基板の薄膜などを研磨するのに供される研磨用スラリーに関する。
近年、水系媒体中にシリカ粒子を分散させて形成される研磨用スラリーを用いた化学機械研磨（ＣＭＰ）技術が注目されている。ＣＭＰ技術では、図２に示すように、研磨装置の研磨プレート１上に研磨パッド２を配置し、この研磨パッド２上にノズル６を介して研磨用スラリー３を供給しながら、研磨プレート１とウェハ４とを回転させつつ、ウェハ４上に形成された配線金属や層間絶縁膜等の表面を研磨パッド２上に押し付け、研磨用スラリー３による化学的、物理的研磨作用によって、ウェハ４の配線金属や層間絶縁膜等の表面を研磨し、平坦化する。
このような研磨用スラリー３には、機械的研磨性能を上げるため酸化剤を含ませたものが知られている（特許文献１参照）。
特開２００３−１００６７２号公報（全頁、図１）
ところで、従来の研磨用スラリーの場合、酸化剤が１種類しか含ませられていなかった。したがって、従来においては、ウェハなどにおける配線金属（タングステン、銅、アルミニウムなど）に対して研磨レート（単位時間当たりの研磨速度）が比較的高いものとなっているが、バリア金属（チタン、窒化チタン、タリウム、窒化タリウムなど）に対しては、酸化剤の機能が十分でなく研磨レートが低いものとなっていた。
このため、配線金属のみならず、バリア金属を形成したウェハに対する研磨作業を行う場合、一回の研磨工程によって配線金属とともにバリア金属をも研磨することが望ましいのであるが、配線金属層をおもに研磨する工程（一次研磨）と、バリア金属とともに配線金属を研磨する工程（二次研磨）との複数段階に別けて研磨を行うことがあった。そのため、先の研磨と後の研磨とで研磨スラリーを変更調整することがあった。詳述すると、配線金属とバリア金属とでその研磨速度が異なるため、おもに配線金属を研磨除去するときの研磨用スラリーと、おもにバリア金属を研磨するときの研磨用スラリーとで異なる組成の研磨用スラリーを準備して、それぞれの工程に合わせて研磨用スラリーを使い分ける研磨作業を行っていた。
したがって、研磨用スラリーの変更など工程変更に要する時間が必要となり、研磨作業の効率は低いものとなっていた。
本発明は、性質の異なる複数の研磨対象を同時に研磨する場合のように、従来複数の研磨工程を必要としていた研磨作業において、一度の研磨作業によって所望の研磨を短時間で行うことができ、研磨作業の効率を高めることのできる研磨用スラリーの提供を解決しようとする課題としている。
本発明による研磨用スラリーは、研磨砥粒と、少なくとも２種以上の異なる酸化剤とを含有することを特徴とするものである。
本発明の研磨用スラリーによれば、複数の金属層を有する研磨対象物に対しての研磨において、上記異なる酸化剤に対応してそれぞれの金属層を高い研磨レートで研磨することができるので、従来のごとく金属層毎に研磨工程を分けて研磨する必要がなくて済み、研磨工程数の削減が可能となるうえ研磨時間も短くて済み、高い効率での研磨作業が可能となる。
上記研磨砥粒はシリカ系、特に非真球状のコロイダルシリカ０．０１〜１０重量％含有していることが好ましい。非真球状のコロイダルシリカを用いることによって、被研磨面への傷などを抑制した状態で良好な研磨が行える。
上記酸化剤は、過酸化化合物と、非過酸化化合物とを含み、その非過酸化化合物は、ヨウ素酸塩化合物、塩素酸塩化合物、硫黄化合物からなる群の中から選択された少なくとも１種以上であることが好ましい。この場合、過酸化化合物が特にバリア金属に対する酸化剤として有効に機能し、研磨レートを高いものにでき、作業効率を向上できる。
酸化剤全体の濃度は、０．０１〜２０重量％、特に、０．０１〜１０重量％が好ましい。
特に、０．０１〜２０重量％の有機酸を含むことが好ましい。
本発明によれば、複数の金属層を有する研磨対象物に対しての研磨において、金属層毎に研磨工程を分けて研磨する必要がなくて済み、研磨工程数の削減が可能となるうえ研磨時間も短くて済み、高い効率での研磨作業が可能となる。
本発明のこの実施の形態に係る研磨用スラリーは、純水等の水系媒体と、研磨砥粒として、非真球状のコロイダルシリカと、２種の酸化剤と、有機酸とを含有している。これら各成分の好ましい配合割合は、１００重量部の純水に対して、コロイダルシリカが０．１〜２０重量部、酸化剤全体が０．１〜２０重量部、有機酸が０．１〜１０重量部である。さらに好ましくは、１００重量部の純水に対して、コロイダルシリカが０．１〜１０重量部、酸化剤全体が０．１〜１０重量部、有機酸が０．１〜５重量部である。
なお、研磨用スラリーには、分散剤や、界面活性剤など各種添加剤が含有されることがある。
酸化剤としては、第１の酸化剤と第２の酸化剤との２種があり、具体例として、第１の酸化剤としては、非過酸化化合物（非過酸化物）であるヨウ素酸カリウム（ＫＩＯ３）であり、第２の酸化剤は、過酸化化合物（過酸化物）である過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）である。
なお、本発明の研磨用スラリーでは、酸化剤としては、２種以上の異なる種類の酸化剤が混合されたものであればよい。
酸化剤の具体例としては、上述のヨウ素酸カリウムや、過酸化水素のほかに、以下のようなものが挙げられる。
第１の酸化剤は、ヨウ素酸塩化合物、塩素酸塩化合物、硫黄化合物から選択された少なくとも１種以上の非過酸化化合物である。
このヨウ素酸塩化合物としては、ヨウ素酸カリウム、ヨウ素酸ナトリウムがあり、塩素酸塩化合物としては、塩素酸カリウム、塩素酸ナトリウム、塩素酸カルシウムがあり、硫黄化合物としては、硫酸アンモニウムがある。
第２の酸化物は、過酸化化合物であり、この過酸化化合物として、過酸化水素の他に、過塩素酸アンモニウム、過塩素酸カリウム、過塩素酸ナトリウム、過ヨウ素酸アンモニウム、過マンガン酸ナトリウム、過マンガン酸カリウムなどがある。
なお、研磨用スラリー中における酸化剤全体の濃度は、０．０１〜２０重量％であることが好ましい。酸化剤の濃度が０．０１重量％よりも小さいと、化学研磨としての機能が十分でなく、研磨レートが研磨作業上低くなり過ぎる。また、酸化剤の濃度が２０重量％よりも大きいと、研磨レートが高くなり過ぎて、研磨作業の良好な制御が難しいものとなる。
さらに、既存の研磨用スラリーのｐＨが２であることを考慮し、かつ、第２酸化剤として用いた過酸化水素の安定性を高めるため、上述したように有機酸が添加されている。この場合、有機酸としては、マロン酸を２．０重量％添加している。マロン酸以外にも、例えば、乳酸、酢酸、蟻酸、ニコチン酸、リンゴ酸、クエン酸、サリチル酸、アジピン酸、コハク酸、マレイン酸、酒石酸、アスコルビン酸、キナルジン酸、吉草酸、酪酸、没食子酸、アミノ酸などを用いてもよい。特にカルボン酸基を含む有機化合物であることが好ましい。この有機酸はｐＨ緩衝剤として機能する。
特に、マロン酸の場合、研磨用スラリーのｐＨを２近くに調整するのに適しているとともに、第１の酸化剤としてヨウ素酸カリウムを用いた場合、そのヨウ素酸カリウムによる研磨用スラリーの発色を抑制する作用がある。
なお、研磨用スラリー中における有機酸の濃度は、０．０１〜２０重量％であることが好ましい。研磨用スラリー中における有機酸の濃度が０．０１重量％よりも小さいと、例えばｐＨが２に調節できないという問題点がある。研磨用スラリー中における有機酸の濃度が２０％よりも大きいと、スラリーが強酸になり、粒子が凝集するという問題点がある。
非真球状コロイダルシリカは、テトラメトキシシラン等の有機ケイ素化合物を原料としたゾルゲル法（加水分解法）で作製されたものを用いることができる。なお、非真球状コロイダルシリカのサイズは、短径が３０〜８０ｎｍで、長径／短径比が１．０〜１．８であることが好ましい。また、非真球状のコロイダルシリカの研磨用スラリー中における含有率は、０．０１〜１０重量％であることが好ましい。研磨用スラリー中における非真球状のコロイダルシリカの含有率が０．０１重量％よりも小さいと、機械的な研磨能力が低下するという問題点がある。研磨用スラリー中における非真球状のコロイダルシリカの含有率が１０％よりも大きいと、機械的な研磨能力が増大してディッシング量やエロージョン量が高くなるという問題点がある。
研磨用スラリーの水系媒体としては、水、エタノール、メタノール等、およびこれらの混合溶媒が使用できるが、好ましくは脱イオンされた純水である。
この研磨用スラリーを用いてタングステン、窒化チタン、チタン、ＴＥＯＳ膜に対して研磨することができた。
この研磨用スラリーを用いてタングステン、窒化チタン、チタン、ＴＥＯＳ膜に対して研磨することができた。
本発明に係る研磨用スラリーとして、純水８９重量％に対して、第１の酸化剤としてヨウ素酸カリウムを３．０重量％、第２の酸化剤として過酸化水素を４．５重量％、有機酸としてマロン酸を２．０重量％を混合し、攪拌分散して研磨用スラリーを作製した。
タングステン（Ｗ）膜、窒化チタン（ＴｉＮ）膜、チタン（Ｔｉ）膜、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）膜をそれぞれ表面に形成したウェハを研磨試料として用意し、それぞれのウェハについて上記作製された研磨用スラリーにて研磨し、それぞれの膜について研磨レート（研磨速度）を測定し、その結果を図１のグラフに示している。また、その研磨の比較を行うため、重量％に対して、酸化剤としてヨウ素酸カリウムを３．０重量％のみ含有し、有機酸として乳酸を６．５４重量％を混合し、攪拌分散して作製した研磨用スラリーについても、上記各研磨試料を研磨する実験を行った。なお、この実験については、研磨装置は、ＳｐｅｅｄＦａｍ−ＩＰＥＣ社製のＡＶＡＮＴＩ４７２を用いた。研磨圧力は、５ｐｓｉ、定盤回転数は１００ｒｐｍ、キャリア回転数は９４ｒｐｍ、スラリー流量は、１７０ｍｌ／ｍｉｎ、研磨時間は１ｍｉｎとした。また、パッドは、Ｒｏｄｅｌ−Ｎｉｔｔａ社製ＩＣ１４００ ｋ−ｇｒｏｏｖｅを用いた。
研磨レートの測定は、ＴＥＯＳ膜に対してはＮＡＮＯＭＥＴＲＩＣＳ社製のＮａｎｏｓｐｅｃ／ＡＦＴ５１００を、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ膜に対してはＰｒｏｍｅｔｒｉｘ社製のＯｍｎｉＭａｐ ＲＳ３５Ｃを用いて複数点測定し、その平均を算出することで行なった。
本発明に係る研磨用スラリーと比較例の研磨用スラリーとについて、その研磨レートの測定結果について、図１に基づいて説明する。
タングステンについての本発明に係る研磨用スラリーによる研磨レートは、３０４３（Å／ｍｉｎ）であり、比較例の研磨用スラリーによる研磨レートは、２４８２（Å／ｍｉｎ）である。窒化チタンについての本発明に係る研磨用スラリーによる研磨レートは、２４７４（Å／ｍｉｎ）であり、比較例の研磨用スラリーによる研磨レートは、２０５３（Å／ｍｉｎ）である。チタンについての本発明に係る研磨用スラリーによる研磨レートは、１４６１（Å／ｍｉｎ）であり、比較例の研磨用スラリーによる研磨レートは、９４９（Å／ｍｉｎ）である。ＴＥＯＳについての本発明に係る研磨用スラリーによる研磨レートは、６７（Å／ｍｉｎ）であり、比較例の研磨用スラリーによる研磨レートは、５５（Å／ｍｉｎ）である。
この結果、タングステン膜については、比較例と比して本発明の研磨用スラリーでは、研磨レートが２３％高いものとなり、窒化チタン膜については、同じく２１％高いものとなり、チタン膜については、同じく５４％高いものとなった。
上記実施の形態で示した本発明は、一例であって、例えば次のような変形例や応用例も考えられる。
（１）上記実施の形態では、研磨用スラリーに含まれる砥粒としてシリカ系の非真球状コロイダルシリカを用いたが、例えばフュームドシリカなどを用いてもよい。
（２）上記実施の形態では、本発明に係る研磨用スラリー中に２種の異なる酸化剤を含ませたものを示したが、３種以上の異なる酸化剤を含ませた研磨用スラリーであってもよい。
本発明は、半導体、電子部品の製造工程で使用される研磨用スラリーに関し、例えば、各種の半導体製造過程における基板の薄膜などを研磨するのに供される研磨用スラリーに利用可能である。
Claims (6)
- 研磨砥粒と、少なくとも２種以上の異なる酸化剤とを含有することを特徴とする研磨用スラリー。
- 研磨砥粒はシリカ系であることを特徴とする請求項１に記載の研磨用スラリー。
- 研磨砥粒は非真球状のコロイダルシリカであり、このコロイダルシリカの含有率は、０．０１〜１０重量％であることを特徴とする請求項２に記載の研磨用スラリー。
- 前記酸化剤は、過酸化化合物と、非過酸化化合物とを含み、その非過酸化化合物は、ヨウ素酸塩化合物、塩素酸塩化合物、硫黄化合物からなる群の中から選択された少なくとも１種以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の研磨用スラリー。
- 前記酸化剤全体の濃度は、０．０１〜２０重量％であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の研磨用スラリー。
- 有機酸を含むとともに、この有機酸の濃度は、０．０１〜２０重量％であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の研磨用スラリー。
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