JP3496586B2

JP3496586B2 - 研磨剤及び基板の研磨方法

Info

Publication number: JP3496586B2
Application number: JP23141499A
Authority: JP
Inventors: 靖倉田; 裕人大槻
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 1999-08-18
Filing date: 1999-08-18
Publication date: 2004-02-16
Anticipated expiration: 2019-08-18
Also published as: JP2001057350A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子製造技
術に使用される研磨法に関し、基板表面の研磨工程、特
にシャロー・トレンチ素子分離、キャパシタ、金属配線
等の溝への埋め込み層の形成工程、層間絶縁膜の平坦化
工程等において使用される基板の研磨剤及び基板の研磨
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在のＵＬＳＩ半導体素子製造工程で
は、高密度・微細化のための加工技術が研究開発されて
いる。その一つであるＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリ
ッシング）技術は、必須の技術となってきている。半導
体素子の製造工程におけるＣＭＰ技術には、素子分離形
成、メモリのキャパシタ形成、プラグ及び埋め込み金属
配線形成等において溝に埋め込んだ成膜層の余分な成膜
部分を除去するためのリセスＣＭＰ技術、及び層間絶縁
膜成膜後の平坦化ＣＭＰ技術がある。集積回路内の素子
分離形成技術において、デザインルール０．５μｍ以上
の世代ではＬＯＣＯＳ（シリコン局所酸化）が用いられ
てきたが、加工寸法の更なる微細化に伴い、素子分離幅
のより小さいシャロー・トレンチ分離技術が採用されつ
つある。シャロー・トレンチ分離では、基板上に埋め込
んだ余分な酸化珪素膜を除くためにＣＭＰが必須な技術
となる。金属配線形成技術においても、デザインルール
０．２５μｍ以上の世代では、層間絶縁膜上のＡｌ配線
やプラグにはＷ等が用いられていたが、加工寸法の微細
化に伴い要求される電気特性を満たすためにＣｕやＣｕ
・Ａｌ合金が採用されつつある。ＣｕやＣｕ・Ａｌ合金
の配線技術ていしては、ダマシンやディアルダマシン等
の埋め込み配線技術が検討されており、基板上に埋め込
んだ余分な金属膜を除くためにＣＭＰが必須な技術とな
る。メモリ素子のキャパシタ形成においても、トレンチ
構造や複雑なスタック型構造を実現するためには、酸化
窒化シリコンやタンタル酸化膜及びその他の強誘電体の
リセスＣＭＰ技術が必須な技術となる。

【０００３】従来、半導体素子の製造工程において、プ
ラズマ−ＣＶＤ、低圧−ＣＶＤ、スパッタ、電解メッキ
等の方法で形成される酸化珪素等絶縁膜、キャパシタ強
誘電体膜、配線用金属や金属合金等の平坦化及び埋め込
み層を形成するための化学機械研磨剤としてフュームド
シリカ、アルミナ系の研磨剤を使用して１回の工程で研
磨する方法が一般的に検討されている。しかしながら、
このような研磨法では、パターンの平坦性が悪く、埋め
込み膜の厚みばらつきやディッシングにより特性がばら
つくという技術課題がある。

【０００４】従来の平坦化及び埋め込み層を形成するた
めのＣＭＰ技術では、パターン密度差或いはサイズ差の
大小により凸部の研磨速度が大きく異なり、また凹部の
研磨も進行してしまうため、ウエハ面内全体での高いレ
ベルの平坦化を実現することができないという技術課題
がある。そこで、埋め込み層成膜後に凹部となる埋め込
み部分の研磨速度と埋め込み層成膜後に成膜層を除去す
る必要がある凸部の研磨速度の差を小さくして平坦性を
向上するために、あらかじめ凸部の被研磨膜を部分的に
エッチングにより除去するエッチバック工程を付加する
技術が広く採用されている。しかしながら、工程数が増
加するために製造コスト面で問題となっている。

【０００５】また、埋め込み層を形成するためのＣＭＰ
技術及び層間膜を平坦化するＣＭＰ技術では、研磨装置
による理想的な終点検出が困難であるために、研磨量の
制御を研磨時間で行うプロセス管理方法が一般的に行わ
れている。しかし、パターン段差形状の変化だけでな
く、研磨布の状態等でも、研磨速度が顕著に変化してし
まうため、プロセス管理が難しいという問題があった。

【０００６】シャロー・トレンチ分離では、素子分離の
酸化珪素膜埋め込み部分以外にはマスク及びストッパー
として主に窒化珪素膜が形成され、安定な素子分離特性
を実現するためには、ウエハ内の窒化珪素の残膜厚ばら
つきをできるだけ小さくする必要がある。そのために
は、窒化珪素膜が露出した後は、研磨速度が低下するよ
うな特性が必要であり、酸化珪素膜と窒化珪素膜との研
磨速度比（酸化珪素膜の研磨速度／窒化珪素膜の研磨速
度）が大きいことが望ましい。しかし、従来のシリカ系
等の研磨剤を使用した１回の工程による研磨法では、研
磨速度比が２〜３程度しかなく、プロセスマージンが充
分に得られないという問題があった。金属の埋め込み配
線やキャパシタの形成においても、埋め込み溝を形成し
た成膜下地層が露出した時点で研磨を終了する必要があ
り、下地層露出後の研磨速度が低下するように、埋め込
み被研磨膜と下地膜との研磨速度比が大きい研磨剤が使
用される。しかし、一方で研磨速度比が大きい研磨剤を
使用した場合、埋め込み層のディッシングが大きくなる
という問題があった。

【０００７】シリカ系研磨剤に比べ、酸化珪素膜の高い
研磨速度が得られる酸化セリウム等を含む研磨剤も使用
されている。しかし、研磨速度が高すぎるためにプロセ
ス管理が難しい、研磨速度の基板上被研磨膜のパターン
依存性が大きい等の問題があった。その他に、一般に比
較的低い粒子濃度で使用されるために基板上の被研磨膜
パターンが微細化するほど凸部が削れにくく、その周辺
部の研磨だけが進行してしまうという問題もあった。ま
た、酸化セリウムを含む研磨剤は、シリカ系研磨剤の約
２倍の酸化珪素膜と窒化珪素膜の研磨速度比が得られる
が、それでも実用上充分とはいえない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、シャロー・
トレンチ分離形成、金属埋め込み配線形成等のリセスＣ
ＭＰ技術及び層間絶縁膜の平坦化ＣＭＰ技術において、
酸化珪素膜、金属等の埋め込み膜の余分な成膜層の除去
及び平坦化を効率的、高レベルに、かつプロセス管理も
容易に行うことができる研磨剤及び研磨方法を提供する
ものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の研磨剤は、基板
を砥粒、研磨速度に研磨圧力依存性の変曲点を与える添
加剤を含む研磨剤であって、設定研磨圧力がＰの場合、
パターンの形成された基板の凹部の実効研磨圧力を
Ｐ₁、凸部の実効研磨圧力をＰ₂とすると、パターンのな
い基板の研磨速度に変曲点が現れる圧力Ｐ'がＰ₂＞Ｐ'
＞Ｐ＞Ｐ₁となるように添加剤の濃度を調整した研磨剤
である。その結果、層間絶縁膜の平坦化及びシャロー・
トレンチ素子分離形成等の埋め込み膜の平坦化を効率
的、高レベルに行うことが可能である。上記の研磨剤
で、パターンのない基板の研磨速度に変曲点が現れる圧
力がＰ'になる添加量濃度の場合に、パターンの形成さ
れた基板の凹部の実効研磨圧力をＰ₁、凸部の実効研磨
圧力をＰ₂とすると、設定研磨荷重ＰをＰ₂＞Ｐ'＞Ｐ＞
Ｐ₁となるように調整することによっても、同様の効果
を実現することができる。通常の研磨条件において、研
磨速度は研磨圧力に比例した特性を示すのが一般的であ
る。本発明において、研磨速度に研磨圧力依存性の変曲
点を与える添加剤とは、添加剤を加えない場合に比べ、
添加剤によりパターンのない基板の研磨速度がある研磨
圧力まで充分小さく、変曲点となる圧力より大きい研磨
圧力では変曲点以下の研磨圧力の研磨速度よりも充分大
きい研磨速度特性が得られる添加剤を意味し、添加量に
より変曲点が現れる研磨圧力が変わる特性を示すものを
いう。研磨速度に研磨圧力依存性の変曲点を与える添加
剤は、有機高分子の陰イオン性界面活性剤、ノニオン性
界面活性剤等が好ましく使用される。特に陰イオン性界
面活性剤としては、共重合成分としてアクリル酸アンモ
ニウム塩を含むものが好ましく使用される。研磨定盤の
研磨布上に研磨剤を供給しながら、被研磨膜を有する基
板を研磨布に押圧した状態で研磨定盤と基板を相対的に
動かすことによって被研磨膜を研磨する研磨方法におい
て、被研磨膜を有する基板の研磨布への押しつけ圧力が
１００〜１０００ｇｆ／ｃｍ²であることが好ましく、
２００〜５００ｇｆ／ｃｍ²であることがより好まし
い。本発明の研磨方法で、例えば少なくとも酸化珪素膜
が形成された半導体チップ等の所定の基板を研磨するこ
とができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】基板を砥粒、研磨速度に研磨圧力
依存性の変曲点を与える添加剤を含む研磨剤であって、
設定研磨圧力がＰの場合、パターンの形成された基板の
凹部の実効研磨圧力をＰ₁、凸部の実効研磨圧力をＰ₂と
すると、パターンのない基板の研磨速度に変曲点が現れ
る圧力Ｐ'がＰ₂＞Ｐ'＞Ｐ＞Ｐ₁となるように添加剤の濃
度を調整した研磨剤により、被研磨膜のパターン形状に
応じて変曲点が現れる圧力よりも高い研磨圧力がかかる
凸部を選択的に研磨する特性を実現することができる。
また、平坦化された後の研磨速度は、変曲点が現れる圧
力よりも小さい設定研磨圧力の研磨速度になるために、
平坦化後の研磨がほとんど進行しなくなるので研磨時間
によるプロセス管理が容易になる。この添加剤による研
磨速度の研磨圧力依存性については、文献（IEDM96(Int
ernational Electronic Device Meeting)Proceedings）
(1996) p.349−352等）で報告されている。その結果、
高効率、高レベルに、パターン密度、サイズ依存性の少
ない平坦化を実現することができる。

【００１１】上記の研磨剤で、パターンのない基板の研
磨速度に変曲点が現れる圧力がＰ'になる添加量濃度の
場合に、パターンの形成された基板の凹部の実効研磨圧
力をＰ₁、凸部の実効研磨圧力をＰ₂とすると、設定研磨
荷重ＰをＰ₂＞Ｐ'＞Ｐ＞Ｐ₁となるように調整すること
によっても、同様の効果を実現することができる。

【００１２】研磨定盤の研磨布上に研磨剤を供給しなが
ら、被研磨膜を有する基板を研磨布に押圧した状態で研
磨定盤と基板を相対的に動かすことによって被研磨膜を
研磨する研磨方法において、被研磨膜を有する基板の研
磨布への押しつけ圧力は、主に添加剤量によって決まる
研磨速度の圧力依存特性に応じて、パターン凹部に対し
凸部が選択的に研磨される範囲に設定される必要があ
る。研磨布への押しつけ圧力は、１００〜１０００ｇｆ
／ｃｍ²であることが好ましく、２００〜５００ｇｆ／
ｃｍ²であることがより好ましい。研磨速度のウエハ面
内均一性及びパターンの平坦性を満足するためには、２
００〜５００ｇｆ／ｃｍ²であることがより好ましい。
研磨布への押しつけ圧力は、１０００ｇｆ／ｃｍ²より
大きいと研磨キズが発生しやすくなり、１００ｇｆ／ｃ
ｍ²未満では充分な研磨速度が得られない。

【００１３】本発明の研磨剤や研磨方法に使用される砥
粒は、酸化セリウム、酸化シリコン、酸化アルミニウム
等の無機酸化物粒子であり、酸化セリウム粒子が好まし
く使用される。ここで、砥粒の濃度に制限は無いが、懸
濁液の取り扱い易さから０．５〜１５重量％の範囲が好
ましい。

【００１４】本発明において、研磨速度に研磨圧力依存
性の変曲点を与える添加剤は、金属イオン類を含まない
ものとして、アクリル酸重合体及びそのアンモニウム
塩、メタクリル酸重合体及びそのアンモニウム塩、ポリ
ビニルアルコール等の水溶性有機高分子類、ラウリル硫
酸アンモニウム、ポリオキシエチレンラウリルエーテル
硫酸アンモニウム等の水溶性陰イオン性界面活性剤、ポ
リオキシエチレンラウリルエーテル、ポリエチレングリ
コールモノステアレート等の水溶性非イオン性界面活性
剤、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン等の水
溶性アミン類などが挙げられる。その中でも、陰イオン
性界面活性剤等が好ましく使用され、特に共重合成分と
してアンモニウム塩を含む高分子分散剤等の水溶性陰イ
オン性界面活性剤から選ばれた少なくとも１種類以上の
界面活性剤を使用する。また、その他に水溶性非イオン
性界面活性剤、水溶性陰イオン性界面活性剤、水溶性陽
イオン性界面活性剤等を併用してもよい。これらの界面
活性剤添加量は、スラリー１００重量部に対して、０．
１重量部〜１０重量部の範囲が好ましい。また、界面活
性剤の分子量は、１００〜５００００が好ましく、２０
００〜２００００がより好ましい。添加剤の添加方法と
しては、研磨直前に砥粒分散液に混合するのが好まし
い。研磨装置のスラリー供給配管内で充分混合するよう
な構造を施した場合には、砥粒分散液及び添加剤水溶液
の供給速度を個別に調整し、配管内で所定濃度になるよ
うに混合することも可能である。添加剤混合後に長時間
保存した場合、研磨剤の粒度分布が変化する場合がある
が、研磨速度及び研磨傷等の研磨特性には顕著な影響が
見られないため、界面活性剤の添加方法は制限するもの
ではない。

【００１５】本発明の研磨剤や研磨方法が適用される無
機絶縁膜の作製方法として、定圧ＣＶＤ法、プラズマＣ
ＶＤ法等が挙げられる。定圧ＣＶＤ法による酸化珪素絶
縁膜形成は、Ｓｉ源としてモノシラン：ＳｉＨ₄、酸素
源として酸素：Ｏ₂を用いる。このＳｉＨ₄−Ｏ₂系酸化
反応を４００℃程度以下の低温で行わせることにより得
られる。高温リフローによる表面平坦化を図るためにリ
ン：Ｐをドープするときには、ＳｉＨ₄−Ｏ₂−ＰＨ₃系
反応ガスを用いることが好ましい。プラズマＣＶＤ法
は、通常の熱平衡下では高温を必要とする化学反応が低
温でできる利点を有する。プラズマ発生法には、容量結
合型と誘導結合型の２つが挙げられる。反応ガスとして
は、Ｓｉ源としてＳｉＨ₄、酸素源としてＮ₂Ｏを用いた
ＳｉＨ₄−Ｎ₂Ｏ系ガスとテトラエトキシシラン（ＴＥＯ
Ｓ）をＳｉ源に用いたＴＥＯＳ−Ｏ₂系ガス（ＴＥＯＳ
−プラズマＣＶＤ法）が挙げられる。基板温度は２５０
〜４００℃、反応圧力は６７〜４００Ｐａの範囲が好ま
しい。このように、本発明で使用する基板の酸化珪素絶
縁膜にはリン、ホウ素等の元素がド−プされていても良
い。同様に、低圧ＣＶＤ法による窒化珪素膜形成は、Ｓ
ｉ源としてジクロルシラン：ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、窒素源とし
てアンモニア：ＮＨ₃を用いる。このＳｉＨ₂Ｃｌ₂−Ｎ
Ｈ₃系酸化反応を９００℃の高温で行わせることにより
得られる。プラズマＣＶＤ法は、Ｓｉ源としてＳｉ
Ｈ₄、窒素源としてＮＨ₃を用いたＳｉＨ₄−ＮＨ₃系ガス
が挙げられる。基板温度は３００〜４００℃が好まし
い。

【００１６】所定の基板として、半導体基板すなわち回
路素子と配線パターンが形成された段階の半導体基板、
回路素子が形成された段階の半導体基板等の半導体基板
上に少なくとも酸化珪素膜が形成された基板が使用でき
る。このような半導体基板上に形成された酸化珪素膜層
を上記研磨剤及び研磨方法で研磨することによって、酸
化珪素膜層表面の凹凸を解消し、半導体基板全面に渡っ
て平滑な面とする。層間絶縁膜の平坦化工程に適用する
場合には、これで終了となるが、シャロー・トレンチ分
離の場合には、平坦化された酸化珪素膜を下地層の窒化
珪素層まで更に研磨することによって、素子分離部に埋
め込んだ酸化珪素膜のみを残す。この際、ストッパーと
なる窒化珪素との研磨速度比が大きければ、窒化膜露出
後の研磨速度が小さくなり、研磨のプロセスマージンが
大きくなる。また、シャロー・トレンチ分離に使用する
ためには、研磨時に傷発生が少ないことも必要である。
ここで、研磨する装置としては、半導体基板を保持する
ホルダーと研磨布（パッド）を貼り付けた（回転数が変
更可能なモータ等を取り付けてある）定盤を有する一般
的な研磨装置が使用できる。研磨布としては、一般的な
不織布、発泡ポリウレタン、多孔質フッ素樹脂などが使
用でき、特に制限がない。また、研磨布には研磨剤が溜
まるような溝加工を施すことが好ましい。研磨条件には
制限はないが、定盤の回転速度は半導体が飛び出さない
ように１００ｒｐｍ以下の低回転が好ましい。被研磨膜
を有する半導体基板の研磨布への押しつけ圧力が１００
〜１０００ｇｆ／ｃｍ²であることが好ましく、研磨速
度のウエハ面内均一性及びパターンの平坦性を満足する
ためには、２００〜５００ｇｆ／ｃｍ²であることがよ
り好ましい。研磨している間、研磨布には研磨剤をポン
プ等で連続的に供給する。この供給量に制限はないが、
研磨布の表面が常に研磨剤で覆われていることが好まし
い。

【００１７】研磨終了後の半導体基板は、流水中で良く
洗浄後、スピンドライヤ等を用いて半導体基板上に付着
した水滴を払い落としてから乾燥させることが好まし
い。このようにして、Ｓｉ基板上にシャロー・トレンチ
分離を形成した後に絶縁層を形成し、或いは酸化珪素絶
縁膜層を平坦化した後、その上にアルミニウム配線を形
成し、その上に形成した酸化珪素膜を上記の方法により
平坦化する。平坦化された酸化珪素膜層の上に、上層の
アルミニウム配線を形成し、その配線間および配線上に
酸化珪素膜を形成後、本発明の研磨剤及び研磨方法によ
り研磨することによって、絶縁膜表面の凹凸を解消し、
半導体基板全面に渡って平滑な面とする。この工程を所
定数繰り返すことにより、所望の層数の半導体を製造す
る。または、Ｓｉ基板上にシャロー・トレンチ分離を形
成したあと、層間絶縁膜層及びその表面に埋め込み配線
の溝を形成し、スパッタ法でＴｉＮやＴａＮ等のバリア
メタル層及び配線金属用シード層を形成し、電解メッキ
法等によりＣｕ又はＣｕ・Ａｌ合金を成膜する。この成
膜層に、本発明の研磨剤及び研磨法を適用することによ
り、配線溝部にのみ金属を埋め込むことができる。この
工程を所定数繰り返すことにより、所望の層数の半導体
を製造する。

【００１８】その他に、メモリ素子のキャパシタの形成
工程において、トレンチ型セル構造では、ポリシリコン
や酸化窒化シリコン等の埋め込み構造を形成する際に、
スタック型セル構造でも、複雑な構造を形成するために
埋め込み工程が採用される可能性があり、酸化珪素シリ
コンやタンタル酸化膜の他にＳＴＯやＢＳＴ等の強誘電
体材料にも本発明の研磨剤及び研磨方法が適用される。

【００１９】本発明の研磨剤や研磨方法は、半導体基板
に形成された酸化珪素膜や窒化珪素膜、Ｃｕ、Ｃｕ・Ａ
ｌ合金等の金属膜、及び強誘電体膜だけでなく、所定の
配線を有する配線板に形成された酸化珪素膜、ガラス、
窒化珪素等の無機絶縁膜、金属膜、フォトマスク・レン
ズ・プリズムなどの光学ガラス、ＩＴＯ等の無機導電
膜、ガラス及び結晶質材料で構成される光集積回路・光
スイッチング素子・光導波路、光ファイバ−の端面、シ
ンチレ−タ等の光学用単結晶、固体レ−ザ単結晶、青色
レ−ザ用ＬＥＤサファイア基板、ＳｉＣ、ＧａＰ、Ｇａ
Ａｓ等の半導体単結晶、磁気ディスク用ガラス基板、磁
気ヘッド等の研磨方法としても使用される。

【００２０】

【実施例】（実施例１）（スラリーの作製）炭酸セリウム水和物を８００℃で２
時間空気中で焼成し、ジェットミルを用いて乾式粉砕し
て酸化セリウム粒子を作製した。酸化セリウム粒子１Ｋ
ｇと分散剤としてポリアクリル酸アンモニウム塩水溶液
（４０重量％）２３ｇと脱イオン水８９７７ｇを混合
し、攪拌しながら超音波分散を１０分間施した。得られ
たスラリーを１ミクロンフィルターでろ過をし、さらに
脱イオン水を加えることにより５重量％スラリーを得
た。スラリーｐＨは８．３であった。上記の酸化セリウ
ムスラリー（固形分：５重量％）６００ｇと添加剤とし
てｐＨ６．５で分子量５０００のポリアクリル酸（１０
０％）アンモニウム塩水溶液（４０重量％）１８０ｇと
脱イオン水２２２０ｇを混合して、界面活性剤を添加し
た酸化セリウム研磨剤（酸化セリウム固形分：１重量
％）を作製した。

【００２１】（ブランケットウエハの研磨１）直径２０
０ｍｍＳｉ基板上に１０００ｎｍの酸化珪素膜を成膜し
たブランケットウエハを作製した。保持する基板取り付
け用の吸着パッドを貼り付けたホルダーに上記パターン
ウエハをセットし、多孔質ウレタン樹脂製の研磨パッド
を貼り付けた直径６００ｍｍの定盤上に絶縁膜面を下に
してホルダーを載せ、さらに加工圧力を１００ｇｆ／ｃ
ｍ²に設定して、定盤上に上記の酸化セリウム研磨剤
（固形分：１重量％）を２００ｃｃ／ｍｉｎの速度で滴
下しながら、定盤及びウエハを５０ｒｐｍで１分間回転
させ、酸化珪素膜を研磨した。同様に加工圧力を２００
〜８００ｇｆ／ｃｍ²の範囲で１００ｇｆ／ｃｍ²おきに
設定して別のウエハを研磨した。研磨後のウエハを洗浄
して乾燥し、干渉膜厚計によって膜厚を測定し、研磨前
後の膜厚変化を算出した。その結果、圧力１００ｇｆ／
ｃｍ²の研磨速度は２４ｎｍ／ｍｉｎ、圧力２００ｇｆ
／ｃｍ²の研磨速度は４１ｎｍ／ｍｉｎ、圧力３００ｇ
ｆ／ｃｍ²の研磨速度は６５ｎｍ／ｍｉｎ、圧力４００
ｇｆ／ｃｍ²の研磨速度は８５ｎｍ／ｍｉｎ、圧力５０
０ｇｆ／ｃｍ²の研磨速度は１０５ｎｍ／ｍｉｎ、圧力
６００ｇｆ／ｃｍ²の研磨速度は１２３ｎｍ／ｍｉｎ、
圧力７００ｇｆ／ｃｍ²の研磨速度は１４６ｎｍ／ｍｉ
ｎ、圧力８００ｇｆ／ｃｍ²の研磨速度は３０２ｎｍ／
ｍｉｎであり、加工圧力７００ｇｆ／ｃｍ²で研磨速度
の変曲点が得られた。

【００２２】（ブランケットウエハの研磨２）直径２０
０ｍｍＳｉ基板上に１０００ｎｍの酸化珪素膜を成膜し
たブランケットウエハ及び１００ｎｍの窒化珪素膜を成
膜したブランケットウエハをそれぞれ作製した。保持す
る基板取り付け用の吸着パッドを貼り付けたホルダーに
上記パターンウエハをセットし、多孔質ウレタン樹脂製
の研磨パッドを貼り付けた直径６００ｍｍの定盤上に絶
縁膜面を下にしてホルダーを載せ、さらに加工圧力を３
００ｇｆ／ｃｍ²に設定して、定盤上に上記の酸化セリ
ウム研磨剤（固形分：１重量％）を２００ｃｃ／ｍｉｎ
の速度で滴下しながら、定盤及びウエハを５０ｒｐｍで
１分間回転させ、酸化珪素膜を研磨した。同様に加工圧
力を３００ｇｆ／ｃｍ²に設定して窒化珪素膜を研磨し
た。研磨後のウエハを洗浄して乾燥し、干渉膜厚計によ
って膜厚を測定し、研磨前後の膜厚変化を算出した。そ
の結果、酸化珪素膜の研磨速度が６５ｎｍ／ｍｉｎ、窒
化珪素膜の研磨速度が６ｎｍ／ｍｉｎであり、研磨速度
比（酸化珪素膜研磨速度／窒化珪素膜研磨速度）は１１
であった。

【００２３】（パターンウエハの研磨）直径２００ｍｍ
Ｓｉ基板上に１００ｎｍの窒化珪素膜を成膜後、フォト
レジストを塗布し１００×１００μｍ²の窒化珪素膜の
ドットを１５８μｍピッチでマスク材として残し、エッ
チングによりＳｉ基板に４００ｎｍのトレンチを形成し
た。続いて、薄い熱酸化膜を形成後、低圧ＣＶＤ法によ
り酸化珪素膜を６８０ｎｍ成膜し、窒化珪素膜厚を含め
ると５００ｎｍのトレンチに酸化珪素膜を埋め込んだパ
ターンウエハを作製した。保持する基板取り付け用の吸
着パッドを貼り付けたホルダーに上記パターンウエハを
セットし、多孔質ウレタン樹脂製の研磨パッドを貼り付
けた直径６００ｍｍの定盤上に絶縁膜面を下にしてホル
ダーを載せ、さらに加工圧力を３００ｇｆ／ｃｍ²に設
定した。このウエハのパターン凸部の面積比率は約３５
％であったので、研磨開始時のパターン凸部の実効研磨
圧力Ｐ₂は最大８６０ｇｆ／ｃｍ²程度であり変曲点圧力
７００ｇｆ／ｃｍ²よりも大きく、パターン凹部の実効
研磨圧力Ｐ₁は設定圧力３００ｇｆ／ｃｍ²よりも小さい
ことになる。定盤上に上記の酸化セリウム研磨剤（固形
分：１重量％）を２００ｃｃ／ｍｉｎの速度で滴下しな
がら、定盤及びウエハを５０ｒｐｍで３分間回転させ、
酸化珪素膜を研磨した。同様の条件で、研磨時間を４分
及び５分にして研磨を行った。ウエハを洗浄、乾燥した
後に、干渉膜厚計により窒化珪素膜上及びトレンチ部の
酸化珪素膜の膜厚を測定し、触針式段差計により境界部
の段差を測定した。３分間研磨後のウエハの測定結果
は、窒化珪素膜上の酸化珪素膜の膜厚が１５８ｎｍであ
り、トレンチ部の酸化珪素膜の膜厚は６５０ｎｍであ
り、残段差が少なくとも＜１０ｎｍ以下になり平坦化が
終了していることがわかった。４分間研磨後のウエハの
測定結果は、窒化珪素膜上の酸化珪素膜の膜厚が１０２
ｎｍ、トレンチ部の酸化珪素膜の膜厚は５９７ｎｍであ
り、５分間研磨後のウエハの測定結果は、窒化珪素膜上
の酸化珪素膜の膜厚が４８ｎｍ、トレンチ部の酸化珪素
膜の膜厚は５４５ｎｍであり、３分以降研磨がほとんど
進行していないことがわかった。実際のシャロートレン
チ分離の形成では、凸部を窒化珪素膜まで研磨すること
が必要であるが、酸化珪素層間膜の平坦化ＣＭＰに適用
した場合には、これは非常に良い特性であることがわか
る。

【００２４】（実施例２）（スラリーの作製）炭酸セリウム水和物を８００℃で２
時間空気中で焼成し、ジェットミルを用いて乾式粉砕し
て酸化セリウム粒子を作製した。酸化セリウム粒子１Ｋ
ｇと分散剤としてポリアクリル酸アンモニウム塩水溶液
（４０重量％）２３ｇと脱イオン水８９７７ｇを混合
し、攪拌しながら超音波分散を１０分間施した。得られ
たスラリーを１ミクロンフィルターでろ過をし、さらに
脱イオン水を加えることにより５重量％スラリーを得
た。スラリーｐＨは８．３であった。上記の酸化セリウ
ムスラリー（固形分：５重量％）６００ｇと添加剤とし
てｐＨ６．５で分子量５０００のポリアクリル酸（１０
０％）アンモニウム塩水溶液（４０重量％）１３５ｇと
脱イオン水２２６５ｇを混合して、界面活性剤を添加し
た酸化セリウム研磨剤（酸化セリウム固形分：１重量
％）を作製した。

【００２５】（ブランケットウエハの研磨１）直径２０
０ｍｍＳｉ基板上に１０００ｎｍの酸化珪素膜を成膜し
たブランケットウエハを作製した。保持する基板取り付
け用の吸着パッドを貼り付けたホルダーに上記パターン
ウエハをセットし、多孔質ウレタン樹脂製の研磨パッド
を貼り付けた直径６００ｍｍの定盤上に絶縁膜面を下に
してホルダーを載せ、さらに加工圧力を１００ｇｆ／ｃ
ｍ²に設定して、定盤上に上記の酸化セリウム研磨剤
（固形分：１重量％）を２００ｃｃ／ｍｉｎの速度で滴
下しながら、定盤及びウエハを５０ｒｐｍで１分間回転
させ、酸化珪素膜を研磨した。同様に加工圧力を２００
〜８００ｇｆ／ｃｍ²の範囲で１００ｇｆ／ｃｍ²おきに
設定して別のウエハを研磨した。研磨後のウエハを洗浄
して乾燥し、干渉膜厚計によって膜厚を測定し、研磨前
後の膜厚変化を算出した。その結果、圧力１００ｇｆ／
ｃｍ²の研磨速度は３５ｎｍ／ｍｉｎ、圧力２００ｇｆ
／ｃｍ²の研磨速度は７６ｎｍ／ｍｉｎ、圧力３００ｇ
ｆ／ｃｍ²の研磨速度は１０５ｎｍ／ｍｉｎ、圧力４０
０ｇｆ／ｃｍ²の研磨速度は１２８ｎｍ／ｍｉｎ、圧力
５００ｇｆ／ｃｍ²の研磨速度は１５５ｎｍ／ｍｉｎ、
圧力６００ｇｆ／ｃｍ²の研磨速度は２８６ｎｍ／ｍｉ
ｎ、圧力７００ｇｆ／ｃｍ²の研磨速度は４０１ｎｍ／
ｍｉｎ、圧力８００ｇｆ／ｃｍ²の研磨速度は５２０ｎ
ｍ／ｍｉｎであり、加工圧力５００ｇｆ／ｃｍ²で研磨
速度の変曲点が得られた。

【００２６】（ブランケットウエハの研磨２）直径２０
０ｍｍＳｉ基板上に１０００ｎｍの酸化珪素膜を成膜し
たブランケットウエハ及び１００ｎｍの窒化珪素膜を成
膜したブランケットウエハをそれぞれ作製した。保持す
る基板取り付け用の吸着パッドを貼り付けたホルダーに
上記パターンウエハをセットし、多孔質ウレタン樹脂製
の研磨パッドを貼り付けた直径６００ｍｍの定盤上に絶
縁膜面を下にしてホルダーを載せ、さらに加工圧力を３
００ｇｆ／ｃｍ²に設定して、定盤上に上記の酸化セリ
ウム研磨剤（固形分：１重量％）を２００ｃｃ／ｍｉｎ
の速度で滴下しながら、定盤及びウエハを５０ｒｐｍで
１分間回転させ、酸化珪素膜を研磨した。同様に加工圧
力を３００ｇｆ／ｃｍ²に設定して窒化珪素膜を研磨し
た。研磨後のウエハを洗浄して乾燥し、干渉膜厚計によ
って膜厚を測定し、研磨前後の膜厚変化を算出した。そ
の結果、酸化珪素膜の研磨速度が１０６ｎｍ／ｍｉｎ、
窒化珪素膜の研磨速度が７ｎｍ／ｍｉｎであり、研磨速
度比（酸化珪素膜研磨速度／窒化珪素膜研磨速度）は１
５であった。

【００２７】（パターンウエハの研磨）直径２００ｍｍ
Ｓｉ基板上に１００ｎｍの窒化珪素膜を成膜後、フォト
レジストを塗布し１００×１００μｍ²の窒化珪素膜の
ドットを１５８μｍピッチでマスク材として残し、エッ
チングによりＳｉ基板に４００ｎｍのトレンチを形成し
た。続いて、薄い熱酸化膜を形成後、低圧ＣＶＤ法によ
り酸化珪素膜を６８０ｎｍ成膜し、窒化珪素膜厚を含め
ると５００ｎｍのトレンチに酸化珪素膜を埋め込んだパ
ターンウエハを作製する。保持する基板取り付け用の吸
着パッドを貼り付けたホルダーに上記パターンウエハを
セットし、多孔質ウレタン樹脂製の研磨パッドを貼り付
けた直径６００ｍｍの定盤上に絶縁膜面を下にしてホル
ダーを載せ、さらに加工圧力を３００ｇｆ／ｃｍ²に設
定した。このウエハのパターン凸部の面積比率は約３５
％であったので、研磨開始時のパターン凸部の実効研磨
圧力Ｐ₂は最大８６０ｇｆ／ｃｍ²程度であり変曲点圧力
５００ｇｆ／ｃｍ²よりも大きく、パターン凹部の実効
研磨圧力Ｐ₁は設定圧力３００ｇｆ／ｃｍ²よりも小さい
ことになる。定盤上に上記の酸化セリウム研磨剤（固形
分：１重量％）を２００ｃｃ／ｍｉｎの速度で滴下しな
がら、定盤及びウエハを５０ｒｐｍで３分間回転させ、
酸化珪素膜を研磨した。同様に、研磨時間４分及び５分
でも研磨を行った。ウエハを洗浄、乾燥した後に、干渉
膜厚計により窒化珪素膜上及びトレンチ部の酸化珪素膜
の膜厚を測定し、触針式段差計により境界部の段差を測
定した。３分間研磨後のウエハの測定結果は、窒化珪素
膜上の酸化珪素膜はなくなっており、窒化珪素膜の膜厚
が８７ｎｍであり、トレンチ部の酸化珪素膜の膜厚は４
８０ｎｍであった。段差が少なくとも＜１０ｎｍ以下に
なり平坦化が終了していることがわかった。４分間研磨
後のウエハの測定結果は、窒化珪素膜の膜厚が８０ｎ
ｍ、トレンチ部の酸化珪素膜の膜厚は４６５ｎｍであ
り、５分間研磨後のウエハの測定結果は、窒化珪素膜の
膜厚が７３ｎｍ、トレンチ部の酸化珪素膜の膜厚は４４
８ｎｍであった。３分以降は、研磨がほとんど進行して
おらず、残段差も少なくとも＜３０ｎｍと非常に良好な
結果であることがわかる。このように、添加剤量の調整
により、シャロートレンチ構造形成のためのＣＭＰに適
用することが可能である。

【００２８】（比較例１）（ブランケットウエハの研磨）直径２００ｍｍＳｉ基板
上に１０００ｎｍの酸化珪素膜を成膜したブランケット
ウエハ及び１００ｎｍの窒化珪素膜を成膜したブランケ
ットウエハをそれぞれ作製した。保持する基板取り付け
用の吸着パッドを貼り付けたホルダーに上記パターンウ
エハをセットし、多孔質ウレタン樹脂製の研磨パッドを
貼り付けた直径６００ｍｍの定盤上に絶縁膜面を下にし
てホルダーを載せ、さらに加工圧力を３００ｇｆ／ｃｍ
²に設定して、定盤上に市販シリカスラリーを用いて
（固形分：１２．５重量％）を２００ｃｃ／ｍｉｎの速
度で滴下しながら、定盤及びウエハを５０ｒｐｍで１分
間回転させ、酸化珪素膜を研磨した。同様に加工圧力を
３００ｇｆ／ｃｍ²に設定して窒化珪素膜を研磨した。
研磨後のウエハを洗浄して乾燥し、干渉膜厚計によって
膜厚を測定し、研磨前後の膜厚変化を算出した。その結
果、酸化珪素膜の研磨速度が１７５ｎｍ／ｍｉｎ、窒化
珪素膜の研磨速度が７０ｎｍ／ｍｉｎであり、研磨速度
比（酸化珪素膜研磨速度／窒化珪素膜研磨速度）は２．
５であった。

【００２９】（パターンウエハの研磨）直径２００ｍｍ
Ｓｉ基板上に１００ｎｍの窒化珪素膜を成膜後、フォト
レジストを塗布し１００×１００μｍ²の窒化珪素膜の
ドットを１５８μｍピッチでマスク材として残し、エッ
チングによりＳｉ基板に４００ｎｍのトレンチを形成し
た。続いて、薄い熱酸化膜を形成後、低圧ＣＶＤ法によ
り酸化珪素膜を６８０ｎｍ成膜し、窒化珪素膜厚を含め
ると５００ｎｍのトレンチに酸化珪素膜を埋め込んだパ
ターンウエハを作製した。保持する基板取り付け用の吸
着パッドを貼り付けたホルダーに上記パターンウエハを
セットし、多孔質ウレタン樹脂製の研磨パッドを貼り付
けた直径６００ｍｍの定盤上に絶縁膜面を下にしてホル
ダーを載せ、さらに加工圧力を３００ｇｆ／ｃｍ²に設
定した。定盤上に市販のシリカスラリー（固形分：１
２．５重量％）を２００ｃｃ／ｍｉｎの速度で滴下しな
がら、定盤及びウエハを５０ｒｐｍで２分間回転させ、
酸化珪素膜を研磨した。同様に、研磨時間３分及び４分
でも研磨を行った。ウエハを洗浄、乾燥した後に、干渉
膜厚計により窒化珪素膜上及びトレンチ部の酸化珪素膜
の膜厚を測定し、触針式段差計により境界部の段差を測
定した。２分間研磨後のウエハの測定結果は、窒化珪素
膜上の酸化珪素膜の膜厚が１１２ｎｍであり、トレンチ
部の酸化珪素膜の膜厚は５２４ｎｍであり、残段差は９
０ｎｍ程度であった。３分間研磨後のウエハの測定結果
は、窒化珪素膜上の酸化珪素膜はなくなっており、窒化
珪素膜の膜厚が６２ｎｍ、トレンチ部の酸化珪素膜の膜
厚は３２９ｎｍであり、残段差は１３０ｎｍ程度であっ
た。４分間研磨後のウエハの測定結果は、窒化珪素膜が
なくなってしましＳｉ基板が露出してしまった。研磨時
間３分で窒化珪素膜の目標位置まで研磨することができ
たが、残段差も＞１００ｎｍと大きく、窒化珪素膜が露
出してからの研磨速度もあまり低下しないために、１回
の研磨では、研磨時間の設定が難しい。

【００３０】

【発明の効果】本発明の研磨剤及び研磨方法により、シ
ャロー・トレンチ分離形成、金属埋め込み配線形成等の
リセスＣＭＰ技術及び層間絶縁膜の平坦化ＣＭＰ技術に
おいて、酸化珪素膜、金属等の埋め込み膜の余分な成膜
層の除去及び平坦化を効率的、高レベルに、かつプロセ
ス管理も容易に行うことができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/304 B24B 37/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】砥粒、研磨速度に研磨圧力依存性の変曲
点を与える添加剤を含む研磨剤であって、該研磨剤は変
曲点となる圧力より大きい研磨圧力では変曲点以下の研
磨圧力の研磨速度よりも大きい研磨速度を有しており、
設定研磨圧力がＰの場合、パターンの形成された基板の
凹部の実効研磨圧力をＰ_１、凸部の実効研磨圧力をＰ_２
とすると、パターンのない基板の研磨速度に変曲点が現
れる圧力Ｐ’がＰ_２＞Ｐ’＞Ｐ＞Ｐ_１となるように添加
剤の濃度を調整した研磨剤。
【請求項２】砥粒、研磨速度に研磨圧力依存性の変曲
点を与える添加剤を含み、変曲点となる圧力より大きい
研磨圧力では変曲点以下の研磨圧力の研磨速度よりも大
きい研磨速度を有する研磨剤で研磨する方法であって、
該研磨剤がパターンのない基板の研磨速度に変曲点が現
れる圧力がＰ’になる添加剤の濃度の場合に、パターン
の形成された基板の凹部の実効研磨圧力をＰ_１、凸部の
実効研磨圧力をＰ_２とすると、設定研磨加重ＰをＰ_２＞
Ｐ’＞Ｐ＞Ｐ_１となるように調整することを特徴とする
基板の研磨方法。
【請求項３】請求項２に記載の基板の研磨方法で、少
なくとも酸化珪素膜が形成された半導体チップを研磨す
る基板の研磨方法。
【請求項４】研磨定盤の研磨布上に研磨剤を供給しな
がら、被研磨膜を有する基板を研磨布に押圧した状態で
研磨定盤と基板を相対的に動かすことによって被研磨膜
を研磨する工程において、被研磨膜を有する基板の研磨
布への押しつけ圧力が１００〜１０００ｇｆ／ｃｍ^２で
ある請求項２または請求項３に記載の基板の研磨方法。