JP3604630B2 - 半導体基板のための研磨剤 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、溶液と、該溶液中に懸濁している研磨粒子とを含有している研磨剤ならびに半導体基板の平坦化のためのこの研磨剤の使用に関する。
【０００２】
サブ−０．５μｍ−技術（Ｓｕｂ−０，５μｍ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ）において使用される平坦化方法は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）である。これは化学的に支持された機械的な研磨としても、あるいは機械的な作用により支持された化学的な湿式エッチングとしても解釈することができる。研磨剤は、研磨粒子（研磨材）以外に、活性な化学的添加物を含有している。化学的添加物は、半導体基板上の特定の層の選択的な除去を促進する。該添加剤は除去するべき層材料にあわせて調整される。研磨粒子は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）または酸化セリウム（Ｃｅ_２Ｏ_３）からなる。
【０００３】
比較的軟質の層の加工のために硬質研磨粒子を使用する際、マイクロスクラッチ（Ｍｉｋｒｏｋｒａｔｚｅｒ）が発生しうることが判明している。この問題の解決のために、研磨粒子を構成している物質を軟質相中で使用することにより、研磨粒子の硬度を変化させることが公知である。
【０００４】
従って例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）は、硬質の六方晶系α−相（コランダム）と軟質の立方晶系γ−相（粘土）を有している。二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）では、それどころか８種類の異なった変態、つまり石英、クリストバライト、トリジマイト、コーサイト、ステイショバイト、ケアタイト（Ｋｅａｔｉｔ）、メラノフロジャイトおよび繊維状の二酸化ケイ素が公知である。これらの材料はすべて、それぞれ規定の硬度および密度を有している。使用される研磨粒子の硬度を変更する可能性は、使用される変態の選択により制限される。このことにより連続的な特性範囲は不可能である。従って平坦化するべき材料の硬度および性質を、研磨プロセスに適合させることは、条件付きで可能であるのみである。
【０００５】
本発明は、従来技術の欠点を回避し、目的に応じた研磨剤を提供するという課題に基づいている。特に該研磨剤は、できる限り高い除去率でマイクロスクラッチの発生を回避するべきものである。
【０００６】
前記課題は、研磨粒子が、実質的にガラス転移温度Ｔ_Ｇを有する第一の物質からなり、かつ該研磨粒子がドーピング物質を含有しており、その際、ドーピングされた物質のガラス転移温度Ｔ_Ｇ′が、ドーピングされていない第一の物質のガラス転移温度Ｔ_Ｇよりも低いように、ドーピング物質の濃度を確定する。
【０００７】
従って本発明は、１種または複数種の成分の適切な添加により、研磨粒子のガラス転移温度が低下するように、研磨粒子を構成している物質を変化させることが考慮される。このことにより該物質がさらに柔らかくなる。
【０００８】
直径５０〜５００ｎｍを有する研磨材の大きさの範囲の粒子にとって、巨視的な大きさ、例えば硬度はもはや有意義に適用することができない。しかしながら研磨プロセス関わる硬度は単調にガラス転移温度に依存することが判明した。
【０００９】
第一の物質の相転移が回避されるようにドーピング物質の添加を制限することは特に有利である。この場合、ドーピング物質の添加により単に、第一の物質の構造がわずかに変化するが、しかしこれに対して相転移につながることはない。
【００１０】
ドーピング物質の添加により、長距離秩序ひいては結晶構造が弱くなる。ドーピング物質濃度の変更により、このようにして研磨粒子の硬度を正確に調整することができる。ガラス状態への転移は、この軟質化のために必要ではない。
【００１１】
ガラス状態への移行が研磨粒子の所望の軟化のために必要ないとしても、ガラス転移温度は１つの基準を形成し、これに基づいて適切な軟質の組成を確認することができる。ここでガラス転移温度とは、理想的なガラス転移温度、つまり無限に緩慢な冷却の際にガラス状態への移行を行うような温度を意図している。熱力学的にこの温度Ｔ_Ｇは、その際にエントロピーＳ_Ｇｌａｓ（Ｔ）が、エントロピーＳ_{Ｋｒｉｓｔａｌｌ}（Ｔ）よりも大きいことを特徴とする。つまり本発明によれば、ガラス転移が重要なのではない。というのも前記のように修飾された結晶構造が、適切な柔らかさであるという要求を満足することができるからである。
【００１２】
ドーピング物質の添加のための上限値は、相分離（風解（Ａｕｓｂｌｕｅｈｅｎ））もしくは逆転粘度（ｉｎｖｅｒｔｉｅｒｔｅｎ Ｖｉｓｋｏｓｉｔａｅｔ）（つまり系Ｂでドーピングされた系Ａが、系Ａでドーピングされた系Ｂに移行すること）が発生するような濃度を形成する。
【００１３】
研磨挙動の技術的に重要な変更を達成するために、ドーピングされていない物質に対してガラス転移温度が少なくとも１０％低下するように、ドーピング物質の濃度を確定することは有利である。
【００１４】
有利には研磨粒子の第一の物質は、金属または半金属の酸化物である。第一の物質が研磨粒子のために公知の材料、例えばＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３またはＣｅ_２Ｏ_３からなる場合には特に有利である。これらの物質の除去挙動は、その相互作用と同様に研磨剤中に含有されている化学組成物と共に公知である。ドーピング物質、例えばＢ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ａｌの群からの少なくとも１種の元素の添加により結晶構造は、該構造が弱くなることを別として保持されたままであるため、加工するべき層、溶剤および該溶剤中に含有されている添加剤および研磨粒子からなる全系における相互作用は、研磨粒子の軟質化によりマイクロスクラッチの発生が回避される程度に変化するのみである。平坦化の研磨プロセスの通例のパラメータの適合を回避することができる。従って研磨プロセスを全く新たに開発する必要はない。従って相応して構成される研磨剤に関して、化学的機械的研磨法における使用にとって高い潜在能力が生じる。
【００１５】
技術的もしくは物理的および化学的周辺条件により、研磨材のための第一の物質として適切な物質の選択は限定されている。１種または複数種のドーピング物質の添加により、研磨材の交換を必要とすることなく、研磨材の硬度をその都度研磨するべき基板に適合させることが可能になる。
【００１６】
本発明により前記の研磨剤を半導体基板または半導体基板上に設置された層のマイクロスクラッチのない平坦化のために使用することができる。
【００１７】
半導体基板の平坦化のための方法における研磨剤のこの使用を、ドーピングしていない状態で第一の物質を使用する際に、第一の物質は、半導体基板上に存在する層または半導体基板自体にマイクロスクラッチが発生しないような硬さであり、かつドーピング物質の濃度は、ドーピングされた状態で層または半導体基板中にスクラッチが発生しない高さに選択するように、実施することは特に有利である。
【００１８】
この特殊な使用の場合、研磨剤の硬度を正確に、加工するべき半導体基板の硬度および耐性に適合させることができる。
【００１９】
本発明の別の利点および特殊性は、請求項２以降および図面に基づいた以下の有利な実施態様の記載から明らかになる。
【００２０】
図面において、
図１は、ガラス転移温度と融点との関連を示しており、かつ
図２は、融点と研磨粒子の硬度との関連を示している。
【００２１】
図１に記載されているガラス転移温度と融点との関連は、以下の第１表から明らかである：
【００２２】
【表１】

【００２３】
図１では、記載した物質に関してガラス転移温度と融点との単調な上昇が明らかである。
【００２４】
図２では、モースによる融点に依存した引掻硬度が記載されている。その値は以下の表から読み取ることができる：
【００２５】
【表２】

【００２６】
図２に記載されている融点と引掻硬度との関連は、融点と引掻硬度単調な上昇を示している。
【００２７】
従って硬度の単調な上昇と、上昇するガラス転移温度も明らかになる。
【００２８】
ドーピング物質の添加によるガラス転移温度の低下は、ＰＳＧ（ケイ酸リンガラス（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｓｉｌｉｋａｔｇｌａｓ））およびＢＰＳＧ（ケイ酸ホウ素リンガラス（Ｂｏｒｐｈｏｓｐｈｏｒｓｉｌｉｋａｔｇｌａｓ））の例で、以下の第３表により明らかである：
【００２９】
【表３】

【００３０】
研磨剤のために適切なコロイド系の記載は、以下に研磨粒子の第一の物質としてＳｉＯ_２の例を用いて詳細に説明する。同様にこの方法をその他の第一の物質およびその他のドーピング物質を用いて実施することが可能であることは自明である。
【００３１】
ドーピング物質を含有するコロイド状のＳｉＯ_２の製造は、種々の方法により可能である。
【００３２】
熱分解法の場合、ＳｉＣｌ_４／ＡｌＣｌ_３の混合物を酸水素炎中で反応させ、かつ次いで反応生成物を加水分解する。この方法の際に生じる混合酸化物の場合、母体酸化物である二酸化ケイ素ＳｉＯ_２の一次構造中にドーピング物質として酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３が組み込まれる。その他のドーピング物質、例えばホウ素またはリンの組み込みは、相応してＳｉＣｌ_４とＢＣｌ_３またはＰＣｌ_５の反応を経由して可能である。
【００３３】
コロイド状のＳｉＯ_２の製造のもう１つの可能性は、水ガラスの脱アルカリである。この場合、オルトケイ酸分子が凝結して、５０〜５００ｎｍの直径を有する球形のＳｉＯ_２凝集体を形成する。相応する比率およびｐＨ値でドーピング物質が化合物、例えば（ＮＨ_４）_２ＨＰＯまたはＨ_３ＢＯ_４で添加されているこの凝結の際に、同様に、母体酸化物の一次構造へのドーピング物質の組み込みが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガラス転移温度と融点との関連を示す図
【図２】融点と研磨粒子の硬度との関連を示す図

Claims (6)

1. 溶液と、該溶液中に懸濁している研磨粒子とを含有する研磨剤において、
   研磨粒子が実質的にＳｉＯ _２ からなり、
   かつ該研磨粒子がドーピング物質を含有しており、
   その際、ドーピング物質によりドーピングされたＳｉＯ _２ のガラス転移温度Ｔ_Ｇ′が、ドーピングされていないＳｉＯ _２ のガラス転移温度Ｔ_Ｇよりも低いようにドーピング物質の濃度が確定されている
   ことを特徴とする、研磨剤。
2. ガラス転移温度Ｔ_Ｇ′が、ドーピングされていないＳｉＯ _２ のガラス転移温度Ｔ_Ｇに対して少なくとも１０％低下するようにドーピング物質の濃度を確定されている、請求項１記載の研磨剤。
3. ドーピング物質が、Ｂ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ａｌの群からの少なくとも１種の元素を含有している、請求項１または２記載の研磨剤。
4. 研磨粒子の直径が５０〜５００ｎｍである、請求項１から３までのいずれか１項記載の研磨剤。
5. 半導体基板または半導体基板上に設置された層のマイクロスクラッチのない平坦化のための請求項１から４までのいずれか１項記載の研磨剤の使用。
6. ドーピング物質の濃度は、ドーピングされた状態で半導体基板にスクラッチが発生しない高さに選択されている、請求項５記載の研磨剤の使用。

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