JP2738291B2 - 機械・化学研磨方法および研磨装置 - Google Patents

機械・化学研磨方法および研磨装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は平坦化ポリッシング（研
磨）方法に関するものであり、詳しくは研磨加工液の添
加方法とそれに関連する装置である。
【０００２】
【従来の技術】配線層が立体的に配置された多層配線層
を有する半導体集積回路を形成するには、多層配線間の
層間絶縁膜（シリコン酸化膜）の表面を平坦にする必要
がある。すなわち、第１層目（最下層）のアルミ配線を
形成した後、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を成膜する
と、配線層の存在によりシリコン酸化膜表面に凹凸が生
じてしまう。フォトリソグラフィーおよびドライエッチ
ング工程で、この凹凸の存在する酸化膜上に第２のアル
ミ配線層を形成しようとすると、凹凸部でレジストパタ
ーニングの露光焦点が合わない、あるいは段差部にドラ
イエッチング残りが生じる等の不具合が生じる。このた
め、ポリッシングにより層間絶縁膜表面の凹凸を取り除
いて平坦にしている（特願平４−９４６７７号明細
書）。シリコン酸化膜のポリッシングは、酸化シリコン
の化学的エッチング作用と研磨剤粒子との摩擦による機
械的作用により進行し、通常、加工液には粒径２０nm程
度のシリカ粒子（研磨剤粒子）を、アンモニア水溶液に
１０〜３０ｗｔ％程度分散させた加工液が用いられてい
る（特開平４−７５３３８号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、層間絶縁膜
平坦化ポリッシングの時間を短縮するには、酸化膜の加
工速度が速いことが必要とされる。高速ポリッシングを
行うためには、シリカ粒子（研磨剤粒子）の粒径を大き
くしてやればよい。しかしながら、粒径の大きなシリカ
粒子を用いると、酸化膜加工面に傷が発生してしまう。
また、図３に示すように重力によるシリカ粒子の沈降速
度が速いため、常に加工液を攪拌していなければなら
ず、ポリッシング装置が複雑になってしまう。加工液の
研磨剤シリカ粒子に極力小さな粒径のものを用いた場合
（特開昭５１−２８２９５号公報）、傷の発生は抑制で
きるものの、加工速度が遅い。シリカ粒子の粒径そのも
のを大きくすることなく加工速度を増加させる方法とし
て、凝集剤として電解質塩をスラリーに加えてシリカ粒
子を凝集させ、実効的な粒径を大きくさせる方法もある
が（「身近な現象の化学」、２００〜２０３ページ、日
本化学会編、培風館）、図４に示すがごとく凝集した粒
子の沈降速度が速いため、常に加工液を攪拌していなけ
ればならない等の課題があった。
【０００４】すなわち、本発明はかかる従来技術の課題
を解決し、加工液の攪拌を必要とせずに、高速でかつ傷
発生の極めて少ないポリッシング方法とその装置を提供
することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の研磨方法は、凝
集剤水溶液が滴下されている研磨パッド上に、微小研磨
剤粒子を分散させたスラリーを滴下し、研磨パッド上で
研磨剤粒子を凝集させ加工速度を増加させる。
【０００６】また本発明のポリッシング装置では、微小
研磨剤粒子を分散させたスラリーを貯めておくタンクと
凝集剤水溶液を貯めておくタンクを装備し、スラリーと
凝集剤水溶液をそれぞれ独立に研磨パッドに滴下しなが
ら、ポリッシングを行う。
【０００７】
【作用】微小な研磨粒子を分散させたスラリーはタンク
中に沈降することはないため、スラリーを常に攪拌して
おく必要はない。スラリーは、同時に別系統で滴下され
る凝集剤水溶液と研磨パッド上で混合され、研磨パッド
上でシリカなどの研磨粒子の凝集が起こる（図１）。研
磨パッド上での粒子の凝集効果により、高速でかつ傷発
生が極めて少ないポリッシングが可能となる。傷が少な
い理由は次のように推測している。微小な粒子は電気的
な力で凝集しているだけなので、ポリッシングの時ある
程度変形していると思われる。従来のように粒径の大き
な粒子で研磨したときは粒子が変形することはないので
このようなことはない。
【０００８】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。本発明の研磨装置では、少なくともスラリー
貯蔵タンク１と凝集剤水溶液貯蔵タンク２を備え、ポン
プによりスラリー３および電解質液４がそれぞれ独立
に、回転定盤５に張られた研磨パッド６上に滴下され
る。
【０００９】スラリータンク１には、１０〜４０ｗｔ％
の微小なシリカ粒子７を純水あるいはｐＨ８〜９程度の
アルカリ性水溶液に分散させた懸濁液（スラリー３）を
入れておく。シリカ粒子７の粒径を１０〜１００nm程度
と微小なものとしておけば、シリカ粒子のブラウン運動
により沈降することはない。ここで、ｐＨ８〜９程度の
アルカリ性水溶液８として、ＮａＯＨやＫＯＨ等のアル
カリ金属の水酸化物を純水に溶解して得ることもできる
が、半導体製造ラインへのアルカリ金属汚染が懸念させ
ることから、アンモニアやアミン等の非アルカリ金属化
合物を用いることが肝要である。一方、凝集剤水溶液貯
蔵タンク４には、例えば０．３（ｍｏｌ／ｌ）の酢酸ア
ンモニウム水溶液を入れておく。なお、この電解質塩と
して、硝酸アンモニウム、塩化アンモニウム等のアンモ
ニウム塩を用いることが望ましいが、その他ＮａＣｌや
ＫＣｌ等の中性塩でもよい。
【００１０】しかる後、デバイス（図示せず）の形成さ
れたシリコン基板９を回転チャック１０に固定し、回転
定盤５に張られた研磨パッド６に押し付けてデバイス上
の層間絶縁膜（シリコン酸化膜）を平坦化ポリッシング
してゆく訳であるが、まず凝集剤水溶液タンク２から
０．３（ｍｏｌ／ｌ）の酢酸アンモニウム水溶液を研磨
パッド６上に滴下する。滴下速度は、例えば２０ｍｌ／
ｍｉｎとする。続いて、例えばアンモニア添加によりｐ
Ｈ９〜１０程度に調整された３０ｗｔ％のスラリー３を
４０ｍｌ／ｍｉｎ滴下する。スラリー３および酢酸アン
モニウム水溶液４が研磨パッド６上で混合されてシリカ
粒子の凝集が生じる訳である。すなわち、研磨パッド上
で凝集したシリカ粒子１１が生じる。上述した滴下条件
の場合、研磨パッド上ではシリカ濃度２０ｗｔ％，酢酸
アンモニウム濃度０．１ｍｏｌ／ｌとなり、粒径２０nm
程度のシリカ粒子が１０〜５０個程度凝集して２００〜
１０００nmの凝集シリカ粒子１１となる。
【００１１】図２には、加工圧力０．４ｋｇ／cm2 ，回
転速度３５ｒｍｐでポリシングを行った場合の加工時間
とシリコン酸化膜の加工量を示したものである。スラリ
ーのみを滴下した場合の加工速度は３００Ａ／ｍｉｎで
あったが、スラリーと酢酸アンモニア水溶液とを同時に
滴下することで、加工速度は９００Ａ／ｍｉｎに増加し
た。
【００１２】また傷が発生しているかどうかを調べるた
めに、研磨した基板表面にレーザパーティクルチェッカ
ーでマイクロスクラッチを検査した。このチェッカーは
基板にレーザを照射してその反射で幅０．３μm 以上の
マイクロスクラッチを検出できるものである。研磨によ
るマイクロスクラッチは基板表面に引っかいたような線
として検出できる。検査の結果基板表面にはマイクロス
クラッチは検出されなかった。
【００１３】上述した実施例では、研磨剤としてシリカ
粒子を用いたが、アルミナ粒子、酸化セリウム粒子を分
散させたスラリーを用いてもよい。また、シリカスラリ
ーの場合ｐＨ値は７〜９程度と中性あるいは弱アルカリ
性としたが、研磨剤粒子の種類により粒子が凝集しない
条件は変化する。例えば、アルミナ粒子の場合ｐＨ３〜
５程度がよい。重要な点は、スラリータンク中では研磨
剤粒子の凝集が生じないようにｐＨ値を制御することで
ある。また、本発明の適用範囲は、ポリッシングする膜
としてシリコン酸化膜に限られるものではなく、シリコ
ン窒化膜やリン・ボロン添加ガラス（ＢＰＳＧ）膜ある
いはアルミ、銅やタングステン等の金属膜をポリッシン
グする際には、本発明を適用できることは自明である。
【００１４】
【発明の効果】以上述べたように、スラリー中に分散さ
れている微小研磨剤粒子を、研磨パッド上で凝集剤であ
る電解質水溶液と混合して研磨剤粒子を凝集させること
により高速な加工が可能となる。その結果、ポリッシン
グ工程時間が短縮できる。半導体デバイスの製造などに
応用した場合製造コストが低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による研磨装置の構造および研磨方法を
示す模式図である。
【図２】本発明による研磨方法を用いた場合の酸化膜加
工特性を示す図である。
【図３】従来技術を説明する図であり、粒径の大きな研
磨剤粒子（シリカ粒子）を用いた場合である。
【図４】従来技術を説明する図であり、シリカ粒子分散
スラリーに凝集剤である電解質水溶液を添加した場合で
ある。
【符号の説明】
１ スラリー貯蔵タンク、 ２ 凝集剤水溶液貯蔵タンク ３ スラリー ４ 電解質水溶液 ５ 研磨定盤 ６ 研磨パッド ７ 微小なシリカ粒子 ８ 水溶液 ９ 半導体基板 １０ 基板チャック １１ 凝集したシリカ粒子 １２ 大きなシリカ粒子

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】凝集剤水溶液が滴下されている研磨パッド
    上に、微小研磨剤粒子を分散させたスラリーを滴下し、
    研磨パッド上で研磨剤粒子を凝集させ加工速度を増加さ
    せることを特徴とする研磨方法。
  2. 【請求項２】スラリーのｐＨ値を研磨剤粒子の凝集が生
    じない範囲にする請求項１に記載の研磨方法。
  3. 【請求項３】スラリーとして非アルカリ金属化合物に微
    小研磨剤粒子を懸濁させた液を用いる請求項１または２
    に記載の研磨方法。
  4. 【請求項４】非アルカリ金属化合物としてアンモニア、
    アミンを用いる請求項３に記載の研磨方法。
  5. 【請求項５】微小研磨剤粒子としてシリカ、アルミナ、
    酸化セリウムを用いる請求項１、２、３、または４に記
    載の研磨方法。
  6. 【請求項６】凝集剤として電解質塩を用いる請求項１、
    ２、３、４または５に記載の研磨方法。
  7. 【請求項７】電解質塩として硝酸アンモニウム、塩化ア
    ンモニウムを用いる請求項６に記載の研磨方法。
  8. 【請求項８】微小研磨剤粒子を分散させたスラリー貯蔵
    タンクと凝集剤を溶解させた水溶液貯蔵タンクを有し、
    スラリーおよび凝集剤水溶液とを独立に研磨パッド上に
    滴下する機能を有する研磨装置。
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