JP2006231436A - 研磨用スラリーおよび研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 研磨パッドの目詰まりを低減して研磨レートの低下を抑制できるようにする。
【解決手段】 研磨砥粒として、表面のシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）の単位面積当たりの数（ｃｏｕｎｔｓ／ｎｍ^２）が、１以上９以下であるシリカ砥粒１０を含有する研磨用スラリー３を用いて研磨を行うようにしており、従来のシリカ砥粒に比べて、シラノール基の数が少ないので、シラノール基と研磨パッド２の極性基との結びつきを抑制して研磨パッド２の目詰まりを低減している。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学的機械研磨）に好適な研磨用スラリーおよびこの研磨用スラリーを用いた研磨方法に関する。

現在、ＣＭＰは、例えば、層間絶縁膜の平坦化、ビアホール内のプラグの形成、埋め込み金属配線の形成などに欠かせない技術となっている(例えば、特許文献１参照)。

かかるＣＭＰ工程では、図４に示すように、研磨定盤１の表面に取付けられた研磨パッド２には、研磨用スラリー３’がスラリー供給用のノズル４から供給される。研磨対象（被研磨物）としての半導体ウェハ５は、加圧ヘッド６に、バッキングフィルム７を介して保持される。加圧ヘッド６に荷重が加えられることによって、半導体ウェハ５は、研磨パッド２に押し付けられ、研磨用スラリー３’を研磨パッド２表面に供給しながら、研磨パッド２と研磨ヘッド６とを回転させることによって、半導体ウェハ３の研磨が行われる。
特開２００４−１９３４９５号公報

かかるＣＭＰに用いられる従来の研磨用スラリーでは、研磨砥粒や研磨カスが研磨パッドの微細な孔（ポア）に滞留、付着しやすく、連続した研磨において研磨パッドの目詰まりを引き起こし、研磨レートの低下を引き起こすため、研磨パッドのドレッシングを頻繁に行う必要があり、作業性、生産性が低下する。

このため、かかる研磨パッドの目詰まりを低減して安定して研磨を行えるようにすることが望まれる。

本発明は、上述のような課題に鑑みて為されたものであって、研磨パッドの目詰まりを低減して研磨レートの低下を抑制できるようにすることを目的としている。

本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。

すなわち、本発明は、研磨砥粒を含有する研磨用スラリーであって、前記研磨砥粒がシリカ砥粒であって、該シリカ砥粒は、表面のシラノール基の単位面積当たりの数（ｃｏｕｎｔｓ／ｎｍ^２）が、１以上９以下である。

シリカ砥粒は、ヒュームドシリカであるのが好ましく、化学的機械研磨に用いて、絶縁膜が形成された半導体ウェハを研磨対象とするのに好適である。

本発明によると、研磨砥粒として含有されているシリカ砥粒は、表面のシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）の単位面積当たりの数（ｃｏｕｎｔｓ／ｎｍ^２）が、１以上９以下であるので、従来のシリカ砥粒に比べて、シラノール基の数が少なく、研磨パッドの目詰まりを低減することができる。

ここで、研磨パッドの目詰まりを低減できる理由は、次のように考えることができる。

研磨対象である半導体ウェハの絶縁膜（ＴＥＯＳ）の表面は、マイナスにチャージした状態で安定している。シリカ砥粒のシラノール基（ＳｉＯＨ）もＨ^＋がとれて、ＳｉＯ⁻の状態で安定している。このため、シリカ表面のシラノール基が多いと、半導体ウェハとは、より反発することになり、このように半導体ウェハと反発関係にある余剰のシラノール基が多いと、研磨パッドの極性基とより結びつき易く、研磨パッドの目詰まりを促進するものと考えられ、従来のシリカ砥粒に比べて、シラノール基の数が少ない本発明では、シリカ砥粒と研磨パッドとの結びつきが抑制され、これによって、研磨パッドの目詰まりを低減して研磨レートの低下を抑制することができるものと考えられる。

本発明の研磨方法は、研磨定盤に取り付けられた研磨パッドと、加圧ヘッドに取り付けられた半導体ウェハとの間に、本発明に係る研磨用スラリーを供給しながら前記研磨パッドと前記半導体ウェハとを回転させながら圧接して研磨を行うものである。

本発明によると、従来のシリカ砥粒に比べて、シラノール基の数が少ないシリカ砥粒を含有した研磨用スラリーを用いて化学的機械研磨を行うので、研磨パッドの目詰まりを低減して研磨レートの低下を抑制することができる。

本発明によれば、表面のシラノール基の数が、特定の範囲にあるシリカ砥粒を研磨砥粒として含有しているので、シラノールの基の数が多いシリカ砥粒を含有する従来例に比べて、シリカ表面のシラノール基と研磨パッドの極性基との結びつきが抑制されて研磨パッドの目詰まりを低減して研磨レートの低下を抑制することができる。これによって、研磨パッドのドレッシングの回数を削減して生産性を高めることができるとともに、研磨パッドを交換するまでの期間を延ばして研磨パッドの長寿命化を図ることができる。

以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る研磨用スラリーを用いるＣＭＰ研磨装置の概略構成図である。

研磨定盤１の表面に取付けられた研磨パッド２には、本発明に係る研磨用スラリー３がスラリー供給用のノズル４から連続的に供給される。研磨対象（被研磨物）としての半導体ウェハ５は、加圧ヘッド６に、バッキングフィルム７を介して保持される。加圧ヘッド６に荷重が加えられることによって、半導体ウェハ５は、研磨パッド２に押し付けられる。

研磨パッド２上に供給される研磨用スラリー３は、研磨パッド２上を広がって半導体ウェハ５に到達する。研磨定盤１と加圧ヘッド６とは、矢符Ａで示すように同方向に回転して相対的に移動し、研磨パッド２と半導体ウェハ５との間に研磨用スラリー３が侵入して研磨が行われる。なお、８は研磨パッド２の表面を目立てするためのドレッサーである。

この実施の形態の研磨用スラリー３は、研磨砥粒としてヒュームドシリカを含有する水系媒体のスラリーである。

このヒュームドシリカは、その表面の単位面積当たりのシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）の数（ｃｏｕｎｔｓ／ｎｍ^２）が、１以上９以下であり、好ましくは、２以上９以下である。

このシラノール基は、例えば、研磨用スラリーを、ｐＨ４〜ｐＨ９の範囲で、０．１ＮのＮａＯＨによって滴定し、０．１ＮのＮａＯＨの使用量から求めることができる。

研磨砥粒として、シリカ砥粒以外に、アルミナ、セリア、チタニア、などの他の研磨砥粒を加えてもよい。

この研磨用スラリー３は、従来と同様に、酸化剤を含有し、この酸化剤としては、過酸化水素や過塩素酸アンモニウムなどの過酸化化合物、ヨウ素酸カリウムやヨウ素酸ナトリウムなどのヨウ素酸塩化合物、硝酸鉄などを挙げることができる。

この研磨用スラリー３のｐＨは、好ましくは、４以上１４以下の範囲である。

このｐＨ調整に使用する物質は、特に限定されないが、アルカリ性物質としては、アンモニア、トリエチルアミン、ジエチルアミン、エチルアミン、トリメチルアミン、ジメチルアミン、メチルアミン等のアミン類、ＮａＯＨ、ＫＯＨ等の無機類を挙げられる。また、酸性物質としては、塩酸、硝酸等の無機酸類、酢酸、シュウ酸、クエン酸等の有機酸類が挙げられる。

この研磨用スラリー３は、その好ましい特性を損なわない範囲で、従来からＣＭＰ工程における研磨用スラリーに常用されている各種の添加剤の１種または２種以上を含んでいてもよい。この添加剤の具体例としては、例えば、ポリカルボン酸アンモニウムなどの分散剤、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコール、グリセリンなどの水溶性アルコール、界面活性剤、粘度調節剤などが挙げられる。

以下に、実施例および比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明する。

表１に示すように、表面のシラノール基の単位面積当たりの数（ｃｏｕｎｔｓ／ｎｍ^２）が３、比表面積が９０（ｍ^２／ｇ）、平均粒径が９０（ｎｍ）のヒュームドシリカを研磨砥粒として含有する実施例の研磨用スラリーと、表面のシラノール基の単位面積当たりの数（ｃｏｕｎｔｓ／ｎｍ^２）が１０、比表面積が５０（ｍ^２／ｇ）、平均粒径が１２５（ｎｍ）のヒュームドシリカを研磨砥粒として含有する比較例の研磨用スラリーとを同様に調整した。

すなわち、実施例および比較例のいずれも、ヒュームドシリカ以外の組成を同じとし、研磨用スラリーの全量に対するヒュームドシリカの含有量を、１２．５重量％とし、ＰＨを、１０．８とした。

実施例および比較例の研磨用スラリーを用いて、表面に酸化ケイ素（ＴＥＯＳ）膜が形成されたシリコンウェハを研磨し、研磨レートを算出した。研磨条件は、次の通りである。
［研磨条件］
研磨装置 株式会社東京精密製 量産型ＣＭＰ装置 ＣｈａＭＰ３３２
被研磨物 １２インチウェハ 酸化ケイ素（ＴＥＯＳ）膜
研磨パッド ニッタ・ハース株式会社製 ＩＣ１０００
研磨時間 ６０秒
研磨圧力 ２ｐｓｉ（ポンド／平方インチ）
研磨定盤回転数 ５０（ｒｐｍ）
研磨ヘッド回転数 ５０（ｒｐｍ）
スラリー流量 １２０（ｃｃ／ｍｉｎ）
研磨結果を、図２に示す。

この図２においては、初期の研磨レートを１とした相対値で示しており、実施例の研磨スラリーによる研磨レートの相対値を−○−で示し、比較例の研磨スラリーによる研磨レートの相対値を−■−で示している。

図２から分かるように、本発明の実施例の研磨用スラリーでは、研磨枚数の増加に拘わらず、研磨レートの低下が穏やかで比較的安定しているのに対して、比較例の研磨ス用ラリーでは、研磨枚数が増加するにつれて研磨レートの低下がはげしい。

このように実施例の研磨用スラリーでは、研磨枚数の増加に拘わらず、研磨レートの低下が緩やかで安定しているのは、次のように考えることができる。

すなわち、測定して求めた固体のゼータ電位の結果から、図３に示すように、研磨対象であるシリコンウェハ５の絶縁膜（ＴＥＯＳ）の表面は、マイナスにチャージした状態で安定している。これに対して、シリカ１０の表面のシラノール基（ＳｉＯＨ）もＨ^＋がとれて、ＳｉＯ⁻の状態で安定している。このため、シリカ１０表面のシラノール基が多いと、シリコンウェハ５とは、より反発することになり、このようにシリコンウェハ５と反発関係にある余剰のシラノール基が多いと、研磨パッド２のプラスにチャージしている極性基とより結びつき易く、研磨パッド２の目詰まりを促進し、研磨レートが低下するものと考えられる。

この実施の形態の研磨用スラリーは、従来のシリカ砥粒に比べて、シラノール基の数が少ないので、シリカ砥粒１０と研磨パッド２との結びつきが抑制され、研磨パッド２の目詰まりを低減して研磨レートの低下を抑制することができ、これによって、研磨パッド２のドレッシングの回数を削減して生産性を高めることができるとともに、研磨パッド２を交換するまでの期間を延ばして研磨パッド２の長寿命化を図ることができる。

上述の実施の形態では、シリカ砥粒としてヒュームドシリカを用いたけれども、本発明の他の実施の形態として、コロイダルシリカを用いてもよく、あるいは、ヒュームドシリカおよびコロイダルシリカの両シリカを混合して用いてもよい。

本発明は、半導体ウェハや光学部品レンズなどの研磨に有用である。

本発明の一つの実施の形態に係る化学的機械研磨方法を実施するためのＣＭＰ装置の概略構成図である。 実施例および比較例の研磨レートの変化を示す図である。 研磨パッド、シリカ砥粒および半導体ウェハの作用を概念的に説明するための図である。 従来例のＣＭＰ装置の概略構成図である。

符号の説明

２ 研磨パッド ５ 半導体ウェハ
３，３’ 研磨用スラリー １０ シリカ砥粒

Claims (4)

1. 研磨砥粒を含有する研磨用スラリーであって、
   前記研磨砥粒がシリカ砥粒であって、該シリカ砥粒は、表面のシラノール基の単位面積当たりの数（ｃｏｕｎｔｓ／ｎｍ^２）が、１以上９以下であることを特徴とする研磨用スラリー。
2. 前記シリカ砥粒がヒュームドシリカである請求項１に記載の研磨用スラリー。
3. 化学的機械研磨に用いるものであって、研磨対象が、絶縁膜が形成された半導体ウェハである請求項１または２に記載の研磨用スラリー。
4. 研磨定盤に取り付けられた研磨パッドと、加圧ヘッドに取り付けられた半導体ウェハとの間に、前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の研磨用スラリーを供給しながら前記研磨パッドと前記半導体ウェハとを回転させながら圧接して研磨を行うことを特徴とする研磨方法。

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