JP3570543B2 - Cmp研磨方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子製造工程のうち、層間絶縁膜の平坦化工程またはシャロー・トレンチ分離の形成工程等において使用されるCMP(Chemical Mechanical Polishing)研磨方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
超大規模集積回路の分野において実装密度を高めるために種々の微細加工技術が研究、開発されており、既に、デザインルールは、サブハーフミクロンのオーダーになっている。このような厳しい微細化要求を満足するための技術の一つにCMP技術がある。この技術は、半導体装置の製造工程において、露光を施す層を完全に平坦化し、露光技術の負担を軽減し、歩留まりを安定させることができるため、例えば、層間絶縁膜の平坦化やシャロー・トレンチ分離等を行う際に必須となる技術である。
【0003】
従来、半導体装置の製造工程において、プラズマ−CVD(Chemical Vapor Deposition、化学的蒸着法)、低圧−CVD等の方法で形成される酸化珪素絶縁膜等を平坦化するためのCMP研磨液として、コロイダルシリカを研磨粒子とする高PH(ペーハー)の研磨液が多用されてきた。しかしながら、この研磨液には、酸化珪素膜の研磨速度が十分ではない、ウエハ全面が均一に削れない(すなわち高平坦化できない)、あるいはスクラッチと呼ばれる研磨傷が多い等の問題がある。
【0004】
CMP研磨液は、上記した絶縁膜の平坦化以外に、シャロー・トレンチ分離の形成工程においても使用されている。デザインルール0.5μm以上の世代では、集積回路内の素子分離にLOCOS(シリコン局所酸化)法が用いられてきたが、素子分離幅をより狭くするため、シャロー・トレンチ分離法が用いられている。シャロー・トレンチ分離法では、基板上に成膜した余分の酸化珪素膜を除くためにCMPが使用され、研磨を停止させるために、酸化珪素膜の下に窒化珪素膜がストッパとして形成されるのが一般的である。したがって、酸化珪素膜研磨速度は窒化珪素膜研磨速度よりできるだけ大きいことが望ましい。しかし、従来のコロイダルシリカを用いた研磨液は、酸化珪素膜と窒化珪素膜の研磨速度比が高々3程度と小さく、シャロー・トレンチ分離用としては実用的ではない。
【0005】
一方、フォトマスクやレンズ等のガラス表面研磨剤としては、酸化セリウムを用いた研磨液が多用されている。酸化セリウム研磨液は研磨傷が発生し難く、また、研磨速度が早いという特長を有する。そのため、酸化セリウム研磨液を半導体用研磨液として適用する検討が近年行われているが、未だコロイダルシリカを用いた研磨液にとって変わるには至っていない。その理由は、コロイダルシリカを用いた研磨液の問題点のうち研磨速度については、十分に吟味した酸化セリウム粒子を用いることで良い結果が得られつつあるが、高平坦化、酸化珪素と窒化珪素の研磨速度比及び傷の点で十分な特性を示す酸化セリウム研磨液及び研磨方法がなかったためである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
請求項1記載の発明は、安定した研磨速度で被研磨面を選択的に傷なく研磨することができ、高平坦化することが可能であるCMP研磨方法を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、0.5〜10重量%の酸化セリウム粒子、0.003〜0.3重量%の界面活性剤及び水を含有する液Aと、1〜50重量%の界面活性剤及び水を含有する液Bの二液を混合し超音波を印加した混合液で被研磨面を研磨することを特徴とするCMP研磨方法に関する。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明における酸化セリウム粒子は、例えば、炭酸セリウム、硝酸セリウム、硫酸セリウム、しゅう酸セリウム等のセリウムの塩を焼成又は過酸化水素等によって酸化することで作製される。但しこれらの方法により製造された直後の酸化セリウム粒子は凝集しているため、機械的に粉砕することが好ましい。
粉砕方法としては、ジェットミル等による乾式粉砕や遊星ビーズミル等による湿式粉砕方法が好ましい。引き続いて、得られた酸化セリウム粒子を水中に分散させる方法としては、通常の撹拌機による分散処理の他にホモジナイザー、超音波分散機、湿式ボールミルなどを用いることができる。
【0009】
本発明における液Aの酸化セリウム粒子の濃度は、0.5〜10重量%とされ、0.5重量%未満の場合は研磨速度が劣り、10重量%を超える場合は酸化セリウム粒子の分散安定性が劣る。
【0010】
本発明における界面活性剤としては、例えば、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤等を使用しうる。具体的には、アルフォオレフィンスルホン酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキル硫酸エステル塩、アルキルエーテル硫酸エステル塩、メチルタウリン酸塩、アラニネート塩、スルホコハク酸塩、エーテルスルホン酸塩、エーテルカルボン酸、エーテルカルボン酸塩、アミノ酸塩、ポリカルボン酸型ポリマーのアンモニウム又はアミン塩、合成アルコール、天然アルコール、ポリオキシアルキレングリコール、脂肪酸エステル、アルキルアミン、アルキルアミド、アルキルアミンオキサイド、アミノ酸等が挙げられる。
【0011】
液A及び液Bに添加する界面活性剤は、同じものを用いてもよいし、違うものを用いてもよいが、アニオン系またはノニオン系の界面活性剤を用いることが好ましい。また、液Aにはポリカルボン酸型ポリマーのアンモニウム又はアミン塩等の高分子界面活性剤を用いることが好ましい。
【0012】
液Aの界面活性剤の濃度は、0.003〜0.3重量%とされ、0.003重量%未満の場合は酸化セリウム粒子の水への分散性が劣り、0.3重量%を超える場合は酸化セリウム粒子が凝集する。
液Bの界面活性剤の濃度は、1〜50重量%とされ、1重量%未満の場合は選択研磨性、高平坦化性が劣り、50重量%を超える場合は、研磨特性の変動が大きく、また研磨傷が多発する。
【0013】
液Aと液Bとの混合液に超音波を加える方法に特に制限はなく、A液とB液を混合する容器を超音波洗浄器内に保持すること、A液とB液を混合する容器内に投げ込み式超音波発振機を投入すること、A液とB液の混合液を研磨装置に送る配管に超音波発振機を取り付けること等いずれの方法を用いてもよい。
液Aと液Bとの混合液に超音波を印加しないと研磨特性の変動が大きく、実用性、作業性が劣る。
【0014】
本発明でいう超音波の印加とは、一般的に超音波洗浄器等に使用されている発振機を用いてA液とB液の混合液を1秒以上超音波にさらすことを意味し、発振機の周波数は数kHz以上、ワット数は10W以上とすることが好ましい。
【0015】
本発明のCMP研磨方法により、種々の被研磨面を研磨でき、例えば、半導体基板に形成された酸化珪素膜だけでなく、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、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、光ファイバーの端面、シンチレータ等の光学用単結晶、固体レーザ単結晶、青色レーザLED用サファイヤ基板、SiC、GaP、GaAS等の半導体単結晶、磁気ディスク用ガラス基板、磁気ヘッド等を研磨することができる。
【0016】
【実施例】
次に、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0017】
実施例1
炭酸セリウム水和物2kgを白金製容器に入れ、850℃で2時間空気中で焼成し、粉砕することにより酸化セリウム粒子を得た。この酸化セリウム粒子の濃度が6重量%になるように脱イオン水を加え、アクリル酸とアクリル酸メチルを1:1(モル比)で共重合した重量平均分子量(GPC、標準ポリスチレン換算値)10,000のポリアクリル酸アンモニウム塩を酸化セリウム粒子に対して0.8重量%となるように混合し、横型湿式超微粒分散粉砕機を用いて1400min−1で120分間粉砕処理し液Aを得た。
【0018】
別途、重量平均分子量4、000のポリアクリル酸アンモニウム塩が5重量%となるように水と混合し液Bを得た。
【0019】
28kHz、120Wの超音波洗浄器内に5リットル容器を設置し、A液とB液を同じ量(合計4kg)前記容器内で撹拌して混合すると同時に超音波を印加した。次いで、この混合液を用いて実際に8インチウエハ上の酸化珪素膜及び窒化珪素膜を荏原(株)製CMP研磨装置で研磨した(研磨荷重30kPa、定盤回転数50min−1、研磨剤供給量毎分200ml)。
混合、超音波印加後すぐに研磨した場合、酸化珪素膜の研磨速度は毎分1500Å、窒化珪素膜の研磨速度は毎分13Åであった。また、0.5μmの段差がパターン形成された酸化珪素膜を研磨した結果、段差は300Åとなり、顕微鏡観察した結果、研磨傷も認められなかった。
【0020】
また、混合、超音波印加後15分後に研磨した場合、酸化珪素膜の研磨速度は毎分1450Å、窒化珪素膜の研磨速度は毎分12.5Åであった。また、0.5μmの段差がパターン形成された酸化珪素膜を研磨した結果、段差は300Åとなり、顕微鏡観察した結果、研磨傷も認められなかった。
【0021】
比較例1
実施例1と同様の液A及び液Bの混合液に超音波を印加せず、その他は実施例1と同様の条件で研磨した。
混合後すぐに研磨した場合、酸化珪素膜の研磨速度は毎分1000Å、窒化珪素膜の研磨速度は毎分16Åであった。また、0.5μmの段差がパターン形成された酸化珪素膜を研磨した結果、段差は600Åとなったが、顕微鏡観察した結果、研磨傷は3個認められた。
【0022】
また、混合後15分後に研磨した場合、酸化珪素膜の研磨速度は毎分650Å、窒化珪素膜の研磨速度は毎分15Åであった。また、0.5μmの段差がパターン形成された酸化珪素膜を研磨した結果、段差は450Åとなり、顕微鏡観察した結果、研磨傷は10個認められた。
【0023】
以上から、超音波により、研磨速度が安定し、酸化膜の研磨速度、選択性、高平坦化性及び低傷性のいずれもが向上することが明らかである。
【0024】
実施例2
実施例1と同様の方法で得た液Aに、アミノ酸系界面活性剤〔アミソフトLT−12、味の素(株)製 商品名〕を濃度3重量%となるように混合したものを液Bとし、この液Bを液Aと同じ量混合し実施例1と同様に超音波を印加し、その他は実施例1と同様の評価を行った。
【0025】
混合、超音波印加後すぐに研磨した場合、酸化珪素膜の研磨速度は毎分2500Å、窒化珪素膜の研磨速度は毎分3Åであった。また、0.5μmの段差がパターン形成された酸化珪素膜を研磨した結果、段差は800Åとなったが、顕微鏡観察した結果、研磨傷は認められなかった。
【0026】
また、混合、超音波印加後15分後に研磨した場合も、酸化珪素膜の研磨速度は毎分2500Å、窒化珪素膜の研磨速度は毎分3Åであった。また、0.5μmの段差がパターン形成された酸化珪素膜を研磨した結果、段差は750Åとなり、顕微鏡観察した結果、研磨傷は認められなかった。
【0027】
比較例2
実施例1と同様の方法で得た液Aのみを用い、超音波を印加せずにその他は実施例1と同様の条件で研磨した。
【0028】
その結果、酸化珪素膜の研磨速度は毎分2500Å、窒化珪素膜の研磨速度は毎分500Åであった。また、0.5μmの段差がパターン形成された酸化珪素膜を研磨した結果、段差は1800Åとなり、顕微鏡観察した結果、研磨傷は5個認められた。
【0029】
以上から、A液とB液を混合し、超音波を印加する方法によらなければ、選択性及び高平坦化性は発現しないことが明らかである。
【0030】
【発明の効果】
請求項1記載のCMP研磨方法は、安定した研磨速度で被研磨面を選択的に傷なく研磨することができ、高平坦化することが可能であるものである。
Claims (1)
- 0.5〜10重量%の酸化セリウム粒子、0.003〜0.3重量%の界面活性剤及び水を含有する液Aと、1〜50重量%の界面活性剤及び水を含有する液Bの二液を混合し超音波を印加した混合液で被研磨面を研磨することを特徴とするCMP研磨方法。
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