JP2005297111A

JP2005297111A - シリカ微粒子のアルカリ性懸濁液による研磨方法

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Publication number: JP2005297111A
Application number: JP2004115149A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Yoshida; 和昭吉田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-04-09
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】半導体基板、ハードディスク基板などの研磨処理に関する。詳しくは、シリカ微粒子、水、塩基性物質を含んでいる研磨液による研磨速度が向上した研磨方法に関する。
【解決手段】シリカ微粒子のアルカリ性懸濁液による研磨方法において、シリカ微粒子を含む懸濁液２１と塩基性物質の水溶液２２を混合し、混合液１３を速やかに研磨面に供給し研磨することにより研磨速度の向上を図るものである。すなわち、研磨液１３として使う直前にシリカ微粒子を含む懸濁液２１を高ｐＨにすることである。高ｐHのシリカ微粒子を含くむ懸濁液ではシリカ微粒子が溶解し研磨力が低下するので、懸濁液を高ｐHに調製した後直ちに使用すると高い研磨力が維持できることを利用したのが本研磨方法である。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体基板、ハードディスク基板などの研磨処理に関する。詳しくは、シリカ微粒子、水、塩基性物質を含んでいる研磨液による研磨速度が向上した研磨方法に関する。

近年、半導体素子やハードディスクの小型化、大容量化などの高機能化が著しい。このため、半導体素子の基板であるシリコン・ウエハーやハードディスク基板には極めて高い平坦性、無傷性の表面を有するものが求められ、無擾乱鏡面研磨とかプラナリゼーション加工が広く実用化されている。このような表面加工には、シリカ微粒子をｐＨ１０前後のアルカリ性溶液に懸濁させた研磨液（スラリー）と特殊構造の不織布（研磨パッド）を用いた、いわゆるメカニカル・ケミカル・ポリシング（ＣＭＰ）と呼ばれる研磨方法が行われている。

この研磨装置の概略を図１に示す。研磨は研磨パッド１１とウエハー１２の界面にスラリー１３（スラリーの供給部は図示されていない）を連続的に供給しながら行われる。このとき研磨パッド１１は研磨定盤１４に貼り付けられ、ウエハー１２はウエハー・キャリア１５に貼り付けられている。そして、研磨定盤１４とウエハー・キャリア１５は回転しその相対速度差が付与され、研磨定盤１４とウエハー１２の間に研磨圧が負荷されている。

この研磨に用いるスラリーは、例えば、商品名３９００ＲＳ（株式会社フジミ製）あるいは商品名ＩＬＤ−１３００（ロデール・ニッタ株式会社製）などであり、これらはシリカ微粒子を含むアルカリ性研磨液である。

研磨剤粒子としては製造法や形状の異なる各種のシリカ微粒子が使われている。しかし、基板材料を極めて高い平坦性、無傷性の表面に加工するという観点からは、アルコキシシランから製造したコロイダルシリカが、フュームドシリカや水ガラスを原料としたコロイダルシリカなどに比較して極めて優れている。この理由は、アルコキシシランからのコロイダルシリカの表面平滑性にあると思われる。しかしながら、このコロイダルシリカには研磨速度が遅いという欠点がある。

研磨速度が遅いと、その適用範囲はシリコン・ウエハーのファイナル研磨工程におけるスクラッチ傷を消すためのタッチポリシュや半導体基板のメタル膜研磨の一部に脇役的に使われるに過ぎない。このような状況から、基板材料を極めて高い平坦性、無傷性の表面に加工しうるシリカ微粒子による研磨速度の早い研磨方法の開発が強く望まれていた。

本発明者は、コロイダルシリカ含有の市販の研磨液にアンモニアを添加してシリコン・ウエハーの研磨速度の変化を調べた。その結果、アルカリ性（ｐＨ）を高くすると研磨速度が速くなるということを見いだした。しかし、ｐＨが高すぎると、研磨液を調製した直後は市販の研磨液の数倍という非常に高い研磨速度を示すが、調製後急速に研磨速度が減少して行くことがわかった。例えば、ｐＨ１３．２のアルカリ性研磨液では、研磨液の調製後６時間でほとんど研磨力が失われることを見いだした。この理由は、シリカ微粒子の粒子径が高ｐＨ下で急速に減少することにあった。そこで、本発明者は高いｐＨ下でも、高い研磨速度を発揮できる研磨方法の開発を鋭意検討して、本発明に到った。

本発明は、シリカ微粒子を含む懸濁液と塩基性物質の水溶液を混合し、混合液を速やかに研磨面に供給し研磨することを特徴とするシリカ微粒子のアルカリ性懸濁液による研磨方法により研磨速度の向上を図るものである。すなわち、研磨液として使う直前にシリカ微粒子を含む懸濁液を高ｐＨにすることである。

本発明ではシリカ微粒子を含む懸濁液と塩基性物質の水溶液の混合液（スラリー）を速やかに研磨面に供給することが重要であるが、その供給方法としては、シリカ微粒子を含む懸濁液２１と塩基性物質の水溶液２２を供給ライン中で混合しながらこの混合液２３を研磨面に供給する図２に示す方法（供給方法（１））、或いはシリカ微粒子を含む懸濁液２１と塩基性物質の水溶液２２を混合槽２４で混合し、この混合液を研磨面に供給する図３に示す方法（供給方法（２））、或いはシリカ微粒子を含む懸濁液２１と塩基性物質の水溶液２２の混合操作をバッチ式で行い、その混合液を研磨面に供給する方法（供給方法（３））などがある。供給方法（１）および（２）は連続式或いは半連続式に混合が行われ、供給方法（３）ではバッチ式の混合である。混合後は６時間で研磨能力が全く失われることもあるので、混合後速やかに研磨面に供給しなければならない。しかし、混合後の粒子の粒子径が数ナノメートルになる前ならば研磨が可能であるので、その前に供給するということも供給方法の目安となる。

供給方法（１）は、貯槽３１内のシリカ微粒子を含む懸濁液２１と貯槽３２内の塩基性物質の水溶液２２を供給ライン中で混合し、供給口３６から直接研磨面にスラリー１３を供給する方法である。このとき、必要によっては混合後の供給ライン中に充填物３５などを配置して混合を促進することも有効である。

供給方法（２）は、貯槽３１内のシリカ微粒子を含む懸濁液２１と貯槽３２内の塩基性物質の水溶液２２を混合槽３７に供給し、撹拌機（図示していない）により撹拌混合し、混合液３８を連続的に取り出し供給口３６から研磨面に供給する方法である。このときは、撹拌を十分に行い、短い滞留時間で供給することが重要である。

本発明のシリカ微粒子を含む懸濁液２１は、シリカ微粒子を水に懸濁すれば得られるが、この懸濁液に少量の塩基性物質を加えたシリカ微粒子のアルカリ性懸濁液である方が好ましい。アルカリ性にすることにより、シリカ微粒子の凝集がなくなり、長期間安定に保存することも可能になるからである。アルカリ性が高すぎるとシリカ微粒子が溶解してしまうことに注意することが必要である。このアルカリ性としては、ｐＨで７．５から１１．０の範囲が好ましい。

本発明に使用しうるシリカ微粒子は、いかなる製造法で製造したものでもよく、いかなる形状のものでもよい。しかし、フュームドシリカよりもコロイダルシリカの方が好ましい。特に、アルコキシシランから合成したコロイダルシリカが好ましい。このコロイダルシリカの合成方法は特許文献１や特許文献２にも記載されている。すなわち、アルコキシシランをアンモニアを触媒にして加水分解する方法である。コロイダルシリカが好ましい理由は、コロイダルシリカが球状或いは繭形であり表面が平滑であるのに対して、フュームドシリカは高温の火炎中で合成されるため、往々にして、微粒子が互いに溶融して、表面が滑らかでないからである。従って、表面が滑らかであれば、高温で微粒子同士を溶融したものでもよい。例えば、フュームドシリカを溶融してやや大粒子化した球状シリカも好ましいシリカ微粒子である。

本発明に用いられるシリカ微粒子の粒子径には特に制限がないが、５〜５００ｎｍであることが好ましく、さらにより好ましくは２０〜２００ｎｍである。シリカ粒子の粒子径が微細すぎると、研磨処理時に研磨パッド内の凸凹に埋没し、研磨能力を発揮できないからである。また、粒子径が大きすぎると研磨パッドとウエファーの研磨界面に粒子が到達できなくなるからである。

本発明の塩基性物質の水溶液２２は、塩基性物質を水に溶解したものであるが、塩基性物質としてはＫＯＨやＮａＯＨなどのアルカリ金属水酸化物若しくはアンモニアなどが好ましい。この塩基性物質の水溶液２２のｐHは、少なくともシリカ微粒子を含む懸濁液２１のｐHより大きい。

本発明のシリカ微粒子を含む懸濁液２１と塩基性物質の水溶液２２を混合したところの混合後のスラリー１３のｐＨとしては、１２．０以上が好ましい。さらに好ましくは、１３．０以上である。また、このスラリー１３のシリカ微粒子の含有量は、スラリー全体の重量を基準として、０．１〜５．０％であることが好ましく、０．２〜１．０％であることがより好ましい。多過ぎるとシリカ微粒子が凝集しやすくなり、研磨速度の低下を招くためである。
特願平０９−２２７０６６特願２００２−３７１７８１

本発明の研磨方法は、シリカ微粒子を含んだｐＨ１０前後の研磨液による従来知られている研磨方法に比較し格段に研磨速度が向上したものである。この研磨方法は半導体基板、ハードディスク基板などの研磨処理に広く使用することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明するが、本発明の実施例を説明する前に、本発明の研磨方法の概略を述べる。

スラリーによる研磨処理は図２の研磨装置で行った。ここでは、研磨機にマルトー製ダイヤラップＭＬ−１５０Ｐを用い、研磨パッドにフジボー製ＥＸＰ−２を使い、２インチのシリコン・ウエハーを以下の研磨条件で研磨した。
スラリーの供給速度２０ｍｌ／ｍｉｎ
研磨圧力０．１８ｋｇｆ／ｃｍ２
研磨速度８０ｒｐｍ
研磨時間３０分
研磨速度の評価は、研磨前後にシリコン・ウエハーの質量を測定し、その減量値から計算した。研磨速度を表示するのに、評価基準とした標準研磨の研磨速度を１００％として、それとの相対値を用いた。下記の比較例１がこの標準研磨である。

シリカ微粒子としてはアルコキシシランから製造したシリカ微粒子（平均粒子径４６ｎｍ、長径／短径＝１．２６の繭形粒子）を用いた。このシリカ微粒子にアンモニア、ヒロドキシエチルセルロース（ＨＥＣ）、純水、ジエチレングリコールなどを加えて懸濁液を調製した。この組成は、シリカ微粒子１０重量％、アンモニア５０００ｗｔ．ｐｐｍ、ＨＥＣ３５００ｗｔ．ｐｐｍ、ジエチレングリコール１３００ｗｔ．ｐｐｍを含んでいる。この懸濁液を研磨原料液と呼ぶことにする。この研磨原料液１３０容量部に純水２６２９容量部を加え、シリカ微粒子を含む懸濁液を調製した。この懸濁液に５ｍｏｌ／ｌＫＯＨ水溶液４０容量部を加え、撹拌して研磨用スラリ−を調製した。このスラリーは、シリカを０．５重量％、アンモニア２５０ｗｔ．ｐｐｍ、ＨＥＣ１７５ｗｔ．ｐｐｍ、ジエチレングリコール６５ｗｔ．ｐｐｍを含んでおり、ｐＨは１３．２である。調製後４０分後に、このスラリーを用いて前記の研磨条件でシリコンウエファーを研磨したところ、研磨速度は３４４％となった。

実施例１で調製したスラリーを使って調製後４時間４５分後に前記の研磨条件で研磨した。その結果、研磨速度は１０８％となった。

比較例１

実施例１と同様の研磨原料液の１０００容量部に純水２０５２４容量部を加えてスラリーを調製した。このスラリーは、シリカを０．５重量％、アンモニア２５０ｗｔ．ｐｐｍ、ＨＥＣ１７５ｗｔ．ｐｐｍ、ジエチレングリコール６５ｗｔ．ｐｐｍを含んでおり、ｐＨは９．９である。このスラリーを用いて前記の研磨条件で研磨したところ、研磨速度は１００％となった。尚、この比較例１は、本特許願の全実施例に対する標準研磨である。

実施例１と同様の研磨原料液の１３０容量部に純水２６６０容量部を加えシリカ微粒子を含む懸濁液を調製した。この懸濁液に５ｍｏｌ／ｌＫＯＨ水溶液８容量部を加えて撹拌しスラリーを調製した。このスラリーは、シリカを０．５重量％、アンモニア２５０ｗｔ．ｐｐｍ、ＨＥＣ１７５ｗｔ．ｐｐｍ、ジエチレングリコール６５ｗｔ．ｐｐｍを含んでおり、ｐＨは１２．４である。調製後４５分後に、このスラリーを用いて前記の研磨条件で研磨したところ、研磨速度は１５８％となった。

比較例２

実施例１と同様の研磨原料液の１３０容量部に純水２６６０容量部を加え、シリカ微粒子を含む懸濁液を調製した。この懸濁液に０．５ｍｏｌ／ｌＫＯＨ水溶液８容量部を加えて撹拌しスラリーを調製した。このスラリーは、シリカを０．５重量％、アンモニア２５０ｗｔ．ｐｐｍ、ＨＥＣ１７５ｗｔ．ｐｐｍ、ジエチレングリコール６５ｗｔ．ｐｐｍを含んでおり、ｐＨは１１．４である。調製後４５分後に、このスラリーを用いて前記の研磨条件で研磨したところ、研磨速度は９３％となった。

実施例１と同様の研磨原料液の１３０容量部に純水２４７０容量部を加え、シリカ微粒子を含む懸濁液を作製した。この懸濁液に１ｍｏｌ／ｌＮａＯＨ水溶液１００容量部を加えて撹拌しスラリーを調製した。このスラリーは、シリカを０．５重量％、アンモニア２５０ｗｔ．ｐｐｍ、ＨＥＣ１７５ｗｔ．ｐｐｍ、ジエチレングリコール６５ｗｔ．ｐｐｍを含んでおり、ｐＨは１３．０である。調製後４５分後に、このスラリーを用いて前記の研磨条件で研磨したところ、研磨速度は２１９％となった。

図２の供給方法により次のようにして研磨を行った。すなわち、貯槽３１に実施例１と同様の研磨原料液２６０容量部に純水２５３９容量部を加えて調製したシリカ微粒子を含む懸濁液２１を用意した。貯槽３２に純水２５３９容量部と１．５４ｍｏｌ／ｌＫＯＨ水溶液２６０容量部を混合した塩基性物質の水溶液２２を用意した。そして、ポンプ３３およびポンプ３４を通して、２つの液を各々１０ｍｌ／分で流し、混合のためのプラスチック製充填物を充填した充填物部（長さ約１ｍ）３５を通して供給口３６からスラリーを研磨部に供給した。このスラリーのｐＨは１３．２である。このスラリーを用いて前記の研磨条件で研磨したところ、研磨速度は３８０％となった。

図３の供給方法により次のようにして研磨を行った。すなわち、貯槽３１に実施例５と同様のシリカ微粒子を含む懸濁液２１を用意し、貯槽３２に実施例５と同様の塩基性物質の水溶液２２を用意した。そして、ポンプ３３およびポンプ３４を通して、２つの液を各々１０ｍｌ／分で流し、混合槽３７で平均滞留時間１０分となるように撹拌し、混合液３８を連続的に取り出しこのスラリーを供給口３６から研磨部に供給した。このスラリーを用いて前記の研磨条件で研磨したところ、研磨速度は３５０％となった。

研磨装置の説明図である。スラリーの供給方法を示した説明図である。（実施例５）スラリーの供給方法を示した説明図である。（実施例６）

符号の説明

１１研磨パッド
１２ウエハー
１３スラリー
１４研磨定盤
１５ウエハー・キャリアー
２１シリカ微粒子を含む懸濁液
２２塩基性物質の水溶液
３１貯槽
３２貯槽
３３定量ポンプ
３４定量ポンプ
３５充填物部
３６供給口
３７混合槽
３８混合液（スラリ−）

Claims

シリカ微粒子を含む懸濁液と塩基性物質の水溶液を混合し、混合後混合液を速やかに研磨面に供給し研磨することを特徴とするシリカ微粒子のアルカリ性懸濁液による研磨方法