JP3736249B2 - Chemical mechanical polishing aqueous dispersion used in the manufacture of semiconductor devices - Google Patents

Chemical mechanical polishing aqueous dispersion used in the manufacture of semiconductor devices Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造に用いる化学機械研磨用水系分散体(以下、「化学機械研磨用水系分散体」という。また、「水系分散体」と略記することもある。)に関する。更に詳しくは、本発明は、半導体基板上に設けられる各種の被加工膜の研磨において、それらを効率よく研磨することができ、且つ十分に平坦化された精度の高い仕上げ面を得ることができる化学機械研磨用水系分散体に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の製造における最近の技術として、プロセスウェハ上の絶縁膜に孔若しくは溝などを形成した後、硬質の金属等よりなるバリアメタル層を形成し、次いで、タングステン、アルミニウム、及び銅などの配線材を埋め込んだ後、絶縁膜の表面より上の配線材及びバリアメタル層を化学機械研磨によって除去することによって配線を形成する手法がある。この手法により形成される配線をダマシン配線という。
上記ダマシン配線を形成する際の研磨においては、以下の問題点がある。
銅等の比較的柔らかい配線材は研磨され易く、配線部分の幅が広い場合、配線の中央部が過度に研磨される、いわゆるディッシングを生じ易く、平坦な仕上げ面が得られないことがある。また、スクラッチの発生等により配線の断線が生じる場合もある。
また、誘電率の低い多孔質の絶縁膜等では、研磨に用いる水系分散体のpHが低い場合には充分な研磨速度が得られず、逆にpHが高い場合には過度に研磨されてしまう。また、いずれの場合にも、スクラッチの発生を抑制することは容易ではない。
一方、タンタル等の硬度の高い金属からなるバリアメタル層を効率よく研磨することは容易ではない。
【0003】
通常、ウェハの化学機械研磨では、他段階の研磨工程を要する。もっとも一般的には、一段目で銅などの配線材を主に研磨し、二段階目で主にバリアメタル層を研磨する二段階研磨法が採られている。この二段階研磨について、いくつかの方法が提案されており、それに用いられる多くの水系分散体が提案されている。第一の方法としては、一段目の研磨において銅が完全に除去されるまで研磨した後、二段目研磨でバリアメタル層だけを除去しようとするものがある。この場合、一段目研磨において少なからず発生するディッシングを、主にバリアメタル層を研磨する二段階目の研磨では修正できないという問題があり、良好なダマシン配線を形成することが難しい場合がある。
また、第二の方法として、一段目の研磨において、銅の除去を、配線部にディッシングが発生しない程度に不完全に行い、二段目の研磨において、残存の銅と共にバリアメタル層を除去する方法が提案されている。この方法によると、仕上げ面の平滑性が不十分となる場合や、研磨終了に多大な時間を要し、さらにコスト高になると言った問題が生じる場合があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来の問題を解決するものである。すなわち、充分に平坦化された精度の高い仕上げ面が得られ、良好なダマシン配線を形成することができる、半導体装置の製造において有用な化学機械研磨用水系分散体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】
半導体基板上に設けられる被加工膜の研磨において、仕上げ面を十分に平坦化することができる化学機械研磨用水系分散体を得ることを目的として検討した
【0006】
請求項1の発明は、研磨剤、水、及び研磨速度調整成分を含有する化学機械研磨用水系分散体であって、前記研磨剤が、シリカ、及び無機有機複合粒子のうち少なくとも1種であり、かつ、前記研磨速度調整成分がマレイン酸イオンであり、該マレイン酸イオンの濃度が0.005〜1モル/リットルであることを特徴とする半導体装置の製造に用いる化学機械研磨用水系分散体である。
請求項2の発明は、請求項1に記載のものにおいて、pHが8〜11であることを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1又は2に記載のものにおいて、前記マレイン酸イオンの対の陽イオンは、カリウムイオンであり、前記研磨速度調整成分はマレイン酸カリウム由来であることを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載のものにおいて、前記無機有機複合粒子がポリメチルメタクリレート系粒子の表面にシリカ粒子が付着してなることを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載のものにおいて、銅膜、バリアメタル層、及び絶縁膜を同一条件により研磨した場合に、上記銅膜の研磨速度(RCu)と上記バリアメタル層の研磨速度(RBM)との比(RCu/RBM)が0.5〜2であり、上記銅膜の研磨速度(RCu)と上記絶縁膜の研磨速度(RIn)との比(RCu/RIn)が0.5〜2であることを特徴とする。
本発明の化学機械研磨用水系分散体は、ダマシン配線形成工程における、特に二段階目の研磨に用いる水系分散体として有用である。
上記「銅膜」を形成する銅は、純銅ばかりでなく、銅−シリコン、銅−アルミニウム等、95重量%以上の銅を含有する合金をも含むものとする。また、上記「バリアメタル層」を形成する金属は、タンタル、チタン等があり、またそれらの窒化物、酸化物であってもよい。例えば、窒化物として窒化タンタル、窒化チタンがある。また、上記「タンタル、チタン等」は純タンタル、純チタンに限られず、例えばタンタル−ニオブ等のタンタル、チタン等を含有する合金をも含むものとする。更に、上記「窒化タンタル、窒化チタン」も純品に限定はされない。
上記バリアメタル層は、好ましくは、タンタル及び/又は窒化タンタルである。
【0007】
上記絶縁膜としては、 SiO2膜の他、超LSIの性能向上を目的とした低誘電率の層間絶縁膜をも含むものである。低誘電率化絶縁膜としては、フッ素添加SiO2(誘電率;約3.3〜3.5)、ポリイミド系樹脂(誘電率;約2.4〜3.6、日立化成工業株式会社製、商品名「PIQ」、Allied Signal 社製、商品名「FLARE」等)、ベンゾシクロブテン(誘電率;約2.7、Dow Chemical社製、商品名「BCB」等)、水素含有SOG(誘電率;約2.5〜3.5)及び有機SOG(誘電率;約2.9、日立化成工業株式会社製、商品名「HSGR7」等)などからなる層間絶縁膜が挙げられる。
【0008】
上記「同一条件」とは、特定の型式の研磨装置を使用し、その定盤及びヘッドの回転数、研磨圧力、研磨時間、用いる研磨パッドの種類、並びに水系分散体の単位時間当たりの供給量を同一にすることを意味する。
これらの条件は、同一条件で比較する限りにおいて適宜の条件を採用できるが、実際の研磨条件またはそれに近い条件を採用することが望ましい。例えば、定盤回転数としては30〜120rpm、好ましくは40〜100rpm、ヘッド回転数としては30〜120rpm、好ましくは40〜100rpm、定盤回転数/ヘッド回転数の比としては0.5〜2、好ましくは0.7〜1.5、研磨圧力としては100〜500g/cm2、好ましくは200〜350g/cm2、水系分散体供給速度としては50〜300ml/分、好ましくは100〜200ml/分の条件を採用することができる。
研磨速度の上記「比」は、銅膜、バリアメタル層、並びに絶縁膜を、上記の同一条件のもとに別個に研磨し、各々の研磨速度の値から算出することができる。この研磨は、銅膜、バリアメタル層、又は絶縁膜を備えるウェハを用いて行うことができる。
【0009】
請求項5における銅膜の研磨速度(RCu)とバリアメタル層の研磨速度(RBM)との比(RCu/RBM)は、0.5〜2であるが、好ましくは0.7〜1.5であり、とくに0.8〜1.2更には0.9〜1.1が好ましい。この比(RCu/RBM)が0.5未満の場合は、銅膜が充分な速度で研磨されず、二段階研磨法における一段階目の研磨において、絶縁膜上の溝又は孔部以外の銅膜の除去が不完全であった場合、二段階目の研磨において不要部の銅膜の除去に長時間を要する。一方、比(RCu/RBM)が2を越える場合、銅膜が過度に研磨され、ディッシング発生の原因となり、良好なダマシン配線の形成ができないと言う問題が生ずる。
【0010】
また、請求項5における銅膜の研磨速度(RCu)と絶縁膜の研磨速度(RIn)との比(RCu/RIn)は、0.5〜2であるが、好ましくは0.7〜1.5、特に0.8〜1.2、更には0.9〜1.1であることが好ましい。このRCu/RInが2を越える場合は、銅膜の研磨が過度となり、この水系分散体を半導体基板上に設けられる被加工膜の研磨に用いた場合に、配線部分においてディッシングを生じ、十分に平坦化された精度の高い仕上げ面とすることができない。一方、RCu/RInが0.5未満であると、絶縁膜が過度に研磨され、良好なダマシン配線を形成することができない。
【0011】
本発明は、研磨剤として、シリカ及び無機有機複合粒子のうちの少なくとも1種を使用し得ることを明らかにするものである。
【0013】
無機有機複合粒子は、無機粒子と有機粒子とが、研磨時、容易に分離しない程度に一体に形成されておればよく、その種類、構成等は特に限定されない。
この複合粒子としては、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート等の重合体粒子の存在下、アルコキシシラン、アルミニウムアルコキシド、チタンアルコキシド等を重縮合させ、重合体粒子の少なくとも表面に、ポリシロキサン等が結合されてなるものを使用することができる。なお、生成する重縮合体は、重合体粒子が有する官能基に直接結合されていてもよいし、シランカップリング剤等を介して結合されていてもよい。
また、この重縮合体は必ずしも重合体粒子に化学的に結合される必要はなく、特に、三次元的に成長した重縮合体が、重合体粒子の表面に物理的に保持されている状態であってもよい。また、アルコキシシラン等に代えてシリカ粒子、アルミナ粒子等を用いることもできる。これらはポリシロキサン等と絡み合って保持されていてもよいし、それらが有するヒドロキシル基等の官能基により重合体粒子に化学的に結合されていてもよい。
【0014】
複合粒子としては、符号の異なるゼータ電位を有する無機粒子と有機粒子とを含む水分散体において、これら粒子が静電力により結合されてなるものを使用することもできる。
重合体粒子のゼータ電位は、全pH域、或いは低pH域を除く広範な領域に渡って負であることが多いが、カルボキシル基、スルホン酸基等を有する重合体粒子とすることによって、より確実に負のゼータ電位を有する重合体粒子とすることができる。また、アミノ基等を有する重合体粒子とすることにより、特定のpH域において正のゼータ電位を有する重合体粒子とすることもできる。
一方、無機粒子のゼータ電位はpH依存性が高く、この電位が0となる等電点を有し、その前後でゼータ電位の符号が逆転する。
従って、特定の無機粒子と有機粒子とを組み合わせ、それらのゼータ電位が逆符号となるpH域で混合することによって、静電力により無機粒子と有機粒子とを一体に複合化することができる。また、混合時、ゼータ電位が同符号であっても、その後、pHを変化させ、ゼータ電位を逆符号とすることによって、無機粒子と有機粒子とを一体とすることもできる。
【0015】
更に、この複合粒子としては、このように静電力により一体に複合化された粒子の存在下、前記のようにアルコキシシラン、アルミニウムアルコキシド、チタンアルコキシド等を重縮合させ、この粒子の少なくとも表面に、更にポリシロキサン等が結合されて複合化されてなるものを使用することもできる。
【0016】
砥粒の平均粒子径は0.01〜3μmであることが好ましい。この平均粒子径が0.01μm未満では、十分に研磨速度の大きい水系分散体を得ることができないことがある。一方、砥粒の平均粒子径が3μmを越える場合は、砥粒が沈降し、分離してしまって、安定な水系分散体とすることが容易ではない。この平均粒子径は0.05〜1.0μm、更には0.1〜0.7μmであることがより好ましい。この範囲の平均粒子径を有する砥粒であれば、十分な研磨速度を有し、且つ粒子の沈降、及び分離を生ずることのない、安定なCMP用水系分散体とすることができる。なお、この平均粒子径は、透過型電子顕微鏡によって観察することにより測定することができる。
【0017】
また、砥粒の含有量は、水系分散体を100重量部(以下、「部」と略記する。)とした場合に、0.05〜30部とすることができ、好ましくは0.1〜20部、特に0.5〜10部、更には1〜7部とすることが好ましい。砥粒の含有量が0.05部未満では研磨速度が不十分となる。一方、30部を越えて含有させた場合はコスト高になるとともに、水系分散体の安定性が低下するため好ましくない。
これら砥粒として機能するシリカ及び複合粒子の形状は球状であることが好ましい。この球状とは、鋭角部分を有さない略球形のものをも意味し、必ずしも真球に近いものである必要はない。球状の砥粒を用いることにより、十分な速度で研磨することができるとともに、被研磨面におけるスクラッチ等の発生も抑えられる。
【0018】
本発明の水系分散体は、研磨速度調整成分を含有することにより、上記の特定の研磨速度比を達成する。
そのような研磨速度調整成分は、マレイン酸である。
【0019】
なお、上記マレイン酸を水系分散体に添加した場合、解離部が解離していても解離していなくてもよい。また、マレイン酸の解離部は1価であってもそれ以上でもよい。また、解離部の対の陽イオンは、水素イオン、その他任意的に加えられる添加剤由来の陽イオン、例えばアンモニウムイオン、カリウムイオン等、いずれであってもよい。
さらに、上記マレイン酸は、マレイン酸イオン(マレイン酸塩)として添加されたものでも良く、この場合マレイン酸イオンは、解離部は1価であってもそれ以上でもよい。また、解離部の対の陽イオンは、水素イオン、その他任意的に加えられる添加剤由来の陽イオン、例えばアンモニウムイオン、カリウムイオン等、いずれであってもよい。
【0020】
マレイン酸は、水系分散体中で実質的に全量が解離してマレイン酸イオンと対の陽イオンが生成する。ここで対の陽イオンは、水素イオン、その他任意的に加えられる添加剤由来の陽イオン、例えばアンモニウムイオン、カリウムイオン等、いずれであってもよいが、好ましくはカリウムイオンである。
マレイン酸イオンの濃度は、0.005〜1モル/リットルであり、とくに0.01〜0.5モル/リットルが好ましい。このマレイン酸イオンの濃度範囲を実現するためには、マレイン酸の添加量として、0.06〜11.6質量%、とくに0.1〜5.8質量%とすればよい。
マレイン酸イオンの濃度が0.005モル/リットル未満であると、とくに銅膜およびバリアメタルの研磨速度が不十分である場合がある。一方、マレイン酸イオンの濃度が1モル/リットルを越える場合は、被研磨面が腐食することがあり、精度の高い良好な仕上げ面が得られない場合がある。なお、このマレイン酸イオンの濃度はイオンクロマトグラフィーによって測定することができる。
【0021】
対の陽イオン等として生成するカリウムイオンも研磨速度を向上させる作用を有し、より研磨速度の大きい水系分散体とすることができる。カリウムイオンの濃度は、適宜の濃度を採用できるが、好ましくは0.01〜2モル/リットル、更に好ましくは0.02〜1モル/リットルである。この場合、カリウムイオン濃度が0.01モル/リットル未満だと研磨速度の向上効果が十分に発揮できない場合があり、一方2モル/リットルを越えるとスクラッチが発生しやすくなる場合がある。
上記マレイン酸イオンおよびカリウムイオンを生成させるには、マレイン酸カリウムを用いることがもっとも便利で有効である。カリウムイオンとしては、マレイン酸カリウムから生成するものの他に、水系分散体のpH調整に使用される水酸化カリウム等から生成するもの、その他任意的に加えられる添加剤由来のものが含まれていてもよい。
【0022】
本発明の水系分散体は、酸化剤を含有することが好ましい。酸化剤を含有することで、研磨速度が向上する。
酸化剤としては、広範囲な酸化剤が使用されうるが、適切な酸化剤には、酸化性金属塩、酸化性金属錯体、非金属系酸化剤の例えば過酢酸や過ヨウ素酸、鉄系イオンの例えば二トレート、スルフェート、EDTA、シトレート、フェリシアン化カリウムなど、アルミニウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、アンモニウム塩、第4アンモニウム塩、ホスホニウム塩、あるいは過酸化物のその他のカチオン塩、塩素酸塩、化塩素酸塩、硝酸塩、化マンガン酸塩、過硫酸塩、及びこれらの混合物が挙げられる。
【0023】
前記「酸化剤」として、とくに過酸化水素が好ましい。過酸化水素は、その少なくとも一部が解離し、過酸化水素イオンが生成する。なお、「過酸化水素」とは、分子状過酸化水素の他、上記過酸化水素イオンをも含むものを意味する。
上記における過酸化水素の濃度は、0.01〜5.0質量%の範囲で任意に設定しうるが、0.05から3.0質量%とすることがさらに好ましく、0.07〜1.0質量%とすることが特に好ましい。過酸化水素の濃度が0.01質量%未満であると、十分な速度で研磨することができない場合があり、一方5.0質量%を越えると、被研磨面が腐食する場合がある。
【0024】
本発明の水系分散体には、過酸化水素の酸化剤としての機能を促進する作用を有し、研磨速度をより向上させることができる多価金属イオンを含有させることもできる。
この多価金属イオンとしては、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、錫、アンチモン、タンタル、タングステン、鉛及びセリウム等の金属のイオンが挙げられる。これらは1種のみであってもよいし、2種以上の多価金属イオンが併存していてもよい。
多価金属イオンの含有量は、水系分散体に対して3000ppm以下とすることができ、特に10〜2000ppmとすることができる。
この多価金属イオンは、多価金属元素を含む硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩等の塩或いは錯体を水系媒体に配合して生成させることができ、多価金属元素の酸化物を配合して生成させることもできる。また、水系媒体に配合され、1価の金属イオンが生成する化合物であっても、このイオンが酸化剤により多価金属イオンになるものを使用することもできる。各種の塩及び錯体のうちでは、研磨速度を向上させる作用に特に優れる硝酸鉄が好ましい。
【0025】
本発明の水系分散体のpHは8〜11が好ましく、8.5〜10.5、特に9〜10の範囲に調整することが好ましい。このpHの調整は硝酸、硫酸等の酸、或いは水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、アンモニア等のアルカリによって行うことができる。水系分散体のpHが8未満であると、銅等の被加工膜に対するエッチングの作用が強いため、ディッシング及びエロージョン等が発生しやすくなる場合がある。一方、このpHが11を越えると、絶縁膜が過度に研磨され、良好な配線パターンが得られないとの問題が生じる場合がある。
【0026】
本発明の水系分散体は、2段階研磨における2段目の研磨において有用である。更に一段目の研磨においてRCu/RBMが20以上、特に40以上、更に50以上の水系分散体を使用した場合の2段目の研磨において特に有用である。
本発明の水系分散体を、一段階研磨法で用いた場合、及び/又は、2段階研磨法の一段目で用いた場合、研磨に時間を要し、又、多量な水系分散体を必要とするため、経済的に不利となる場合がある。
本発明の水系分散体を2段階研磨法の2段目に用いるとき、1段目の研磨に用いる水系分散体のRCu/RBMが20未満の場合、一段目研磨に多大な時間を要し、又、多量な水系分散体を必要とするため、好ましくない。
【0027】
半導体装置の被加工膜及びバリアメタル層の研磨は市販の化学機械研磨装置(例えば、LGP510、LGP552(以上、ラップマスターSFT株式会社製)、EPO−113、EPO−222(以上、株式会社荏原製作所製)、Mirra(アプライドマテリアルズ社製)、AVANTI−472(アイペック社製)等)を用いて行なうことができる。
この研磨において、研磨後、被研磨面に残留する研磨剤は除去することが好ましい。この研磨剤の除去は通常の洗浄方法によって行うことができる
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、実施例によって本発明を更に詳しく説明する。
[1]砥粒を含む水分散体の調製
(1)無機粒子を含む水分散体の調製
▲1▼ヒュームドシリカ又はヒュームドアルミナを含む水分散体の調製
容量2リットルのポリエチレン製の瓶に、100gのヒュームドシリカ粒子(日本アエロジル株式会社製、商品名「アエロジル#90」)、ヒュームドアルミナ粒子(デグサ社製、商品名「Aluminium Oxide C 」)を入れた後、イオン交換水を投入して全量を1000gとした。次いで、超音波分散機により粒子を分散させ、10部のヒュームドシリカ粒子、又はヒュームドアルミナ粒子を含む水分散体を調製した。
【0029】
▲2▼コロイダルシリカを含む水分散体の調製
容量2リットルのフラスコに、25質量%アンモニア水70g、イオン交換水40g、エタノール175g及びテトラエトキシシラン21gを投入し、180rpmで撹拌しながら60℃に昇温し、この温度のまま2時間撹拌を継続した後、冷却し、平均粒径が0.23μmのコロイダルシリカ/アルコール分散体を得た。次いで、エバポレータにより、この分散体に80℃の温度でイオン交換水を添加しながらアルコール分を除去する操作を数回実施し、分散体中のアルコールを除き、固形分濃度が8質量%の水分散体を得た。
【0030】
(2)複合粒子を含む水分散体の調製
▲1▼重合体粒子を含む水分散体
メチルメタクリレ−ト90部、メトキシポリエチレングリコールメタクリレート(新中村化学工業株式会社製、商品名「NKエステルM−90G」、#400)5部、4−ビニルピリジン5部、アゾ系重合開始剤(和光純薬株式会社製、商品名「V50」)2部、及びイオン交換水400部を、容量2リットルのフラスコに投入し、窒素ガス雰囲気下、攪拌しながら70℃に昇温し、6時間重合させた。これによりアミノ基の陽イオン及びポリエチレングリコール鎖を有する官能基を有し、平均粒子径0.15μmのポリメチルメタクリレート系粒子を含む水分散体を得た。尚、重合収率は95%であった。
【0031】
▲2▼複合粒子を含む水分散体
▲1▼において得られたポリメチルメタクリレート系粒子を10重量%含む水分散体100部を、容量2リットルのフラスコに投入し、メチルトリメトキシシラン1部を添加し、40℃で2時間攪拌した。その後、硝酸によりpHを2に調整して水分散体(a)を得た。また、コロイダルシリカ(日産化学株式会社製、商品名「スノーテックスO」)を10質量%含む水分散体のpHを水酸化カリウムにより8に調整し、水分散体(b)を得た。水分散体(a)に含まれるポリメチルメタクリレート系粒子のゼータ電位は+17mV、水分散体(b)に含まれるシリカ粒子のゼータ電位は−40mVであった。
【0032】
その後、水分散体(a)100部に水分散体(b)50部を2時間かけて徐々に添加、混合し、2時間攪拌して、ポリメチルメタクリレート系粒子にシリカ粒子が付着した予備粒子を含む水分散体を得た。次いで、この水分散体に、ビニルトリエトキシシラン2部を添加し、1時間攪拌した後、テトラエトキシシラン1部を添加し、60℃に昇温し、3時間攪拌を継続した後、冷却することにより、複合粒子を含む水系分散体を得た。この複合粒子の平均粒子径は180nmであり、ポリメチルメタクリレート系粒子の表面の80%にシリカ粒子が付着していた。
【0033】
[2]化学機械研磨用水系分散体の調製
実施例1
[1]、(1)、▲1▼で調製したヒュームドシリカを含む水分散体を、ヒュームドシリカが5部となるように、また、マレイン酸カリウム及び過酸化水素を、それぞれ1質量%、0.1質量%の濃度となるようにイオン交換水に配合し、水酸化カリウムによりpHを9.5に調整してCMP用水系分散体を得た。
【0034】
実施例2〜9
砥粒の種類及び混合量、並びにマレイン酸カリウム及び過酸化水素の混合量を表1のようにした他は、実施例1と同様にして特定のpHを有するCMP用水系分散体を得た。
【0035】
比較例1
研磨速度調整成分を添加しなかった他は、実施例1と同様にして特定のpHを有するCMP用水系分散体を得た。
比較例2〜6
砥粒、研磨速度調整成分の種類及び混合量、並びに過酸化水素の混合量を表2のように変更した他は、実施例1と同様にして特定のpHを有するCMP用水系分散体を得た。ただし比較例5においては、水酸化カリウムのかわりに硝酸を用いて特定のpHに調整した。
【0036】
以上、実施例1〜9及び比較例1〜6の化学機械研磨用水系分散体を使用し、8インチ銅膜付きウェーハ、8インチタンタル膜付きウェーハ、8インチ窒化タンタル膜付きウェーハ及び8インチプラズマTEOS膜付きウェーハを研磨した。結果を表1及び表2に示す。
【0037】
研磨装置としてラップマスター社製の型式「LGP−510」を使用し、以下の条件で各ウェーハに設けられた膜を研磨し、下記の式によって研磨速度を算出した。
テーブル回転数;50rpm、ヘッド回転数;50rpm、研磨圧力;300g/cm2、水系分散体供給速度;100ml/分、研磨時間;1分、研磨パッド;ロデール・ニッタ株式会社製、品番IC1000/SUBA400の2層構造
研磨速度(Å/分)=(研磨前の各膜の厚さ−研磨後の各膜の厚さ)/研磨時間
【0038】
尚、各膜の厚さは、抵抗率測定機(NPS社製、型式「Σ−5」)により直流4探針法でシート抵抗を測定し、このシート抵抗値と銅、タンタル、窒化タンタル又はプラズマTEOSの抵抗率から下記の式によって算出した。
各膜の厚さ(Å)=[シート抵抗値(Ω/cm2)×銅、タンタル、窒化タンタル又はプラズマTEOSの抵抗率(Ω/cm)]×108
また、銅膜のスクラッチの評価は、暗室にてスポットライトを照射し、目視にてスクラッチの有無を確認した。
絶縁膜のスクラッチの評価は、微分干渉顕微鏡により写真撮影を行い、100μm × 100μmの視野でのスクラッチを数えた。
【0039】
【表1】

Figure 0003736249
【0040】
【表2】
Figure 0003736249
【0041】
表1の結果によれば、マレイン酸カリウムが1〜3部、過酸化水素が0.1〜3部混合された実施例1〜9の水系分散体では、銅膜とタンタル膜及び/又は窒化タンタル膜との研磨速度の比(RCu/RBM)、並びに銅膜と絶縁体との研磨速度の比(RCu/RIn)は、いずれも0.5〜2の範囲内であった。特に研磨剤に複合粒子、又は複合粒子とヒュームドシリカの混合物を用いた実施例4〜6は、 RCu/RBM及びRCu/Rinが0.8〜1.2の範囲にあり、又銅膜及び絶縁膜のスクラッチが非常に少なく、充分に平坦化された精度の高い仕上げ面が得られうることが示された。
【0042】
一方、表2の結果によれば、比較例1〜5では、銅膜とタンタル膜及び/又は窒化タンタル膜との研磨速度の比(RCu/RBM)、並びに銅膜と絶縁体との研磨速度の比(RCu/RIn)は、非常に大きいか又は非常に小さい値となり、平坦化が不十分な仕上げ面になることが示された。
また、 RCu/RBM=100の1段目用水系分散体を用いた比較例6では、銅膜の研磨速度RCuは大きいものの、銅膜とタンタル膜及び/又は窒化タンタル膜との研磨速度の比(RCu/RBM)、並びに銅膜と絶縁体との研磨速度の比(RCu/RIn)は小さく、平坦化が不十分な仕上げ面しか得られないことが示された。
【0043】
実施例10
シリコンからなる基板表面に、深さ1μmで5、10、25、50、75、及び100μmの幅を有する溝で形成されたパターンを備える絶縁膜を積層した。次いで、絶縁膜の表面に300ÅのTaN膜を形成し、その後銅をTaN膜で覆われた溝内にスパッタリング及びめっきにより1.3μm堆積し、ウェハーを作製した。
研磨装置としてラップマスターSFT株式会社製の型式「LGP−510」を使用し、上記で作製したウェハーを以下の条件で2段階研磨した。ただし1段階目の研磨においては、水系分散体としてヒュームドシリカ系水系分散体( RCu/RBM=30)を使用して3分間研磨し、その後2段階目の研磨として、実施例5で使用したものと同様の水系分散体を用いて、残存の銅とTaNが完全に除去されるまで研磨した。
テーブル回転数;50rpm、ヘッド回転数;50rpm、研磨圧力;300g/cm2、水系分散体供給速度;100ml/分、研磨パッド;ロデール・ニッタ株式会社製、品番IC1000/SUBA400の2層構造
研磨終了後、表面粗さ計(KLA−Tencor社製、形式「P−10」)を用いて100μm幅の銅配線におけるディッシングを測定したところ、450Åであった。
【0044】
実施例11
2段階目の研磨用の水系分散体として、実施例6で使用のものと同様の水系分散体を使用した他は、実施例10と同様に2段階研磨し、100μm銅配線におけるディッシングを測定した。
研磨終了後の100μm銅配線におけるディッシングは、470Åであった。
【0045】
比較例7
2段階目の研磨用の水系分散体として、比較例3で使用のものと同様の水系分散体を使用した他は、実施例10と同様に2段階研磨し、100μm銅配線におけるディッシングを測定した。
研磨終了後の100μm銅配線におけるディッシングは、3500Åであった。
【0046】
上記のように、本発明の研磨方法による実施例10及び11では、研磨終了後の100μm銅配線におけるディッシングは500Å未満であり、充分に平坦化された精度の高い仕上げ面が得られた。一方、比較例7では、研磨終了後の100μm銅配線におけるディッシングは3500Åと大きく、平坦化が不十分な仕上げ面しか得られなかった。
【0047】
【発明の効果】
本発明によれば、被加工膜を適度な速度で同程度に研磨することができ、スクラッチやディッシングを生ずることのない、半導体装置の製造において有用な化学機械研磨用水系分散体を得ることができる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a chemical mechanical polishing aqueous dispersion (hereinafter referred to as “chemical mechanical polishing aqueous dispersion”, which is also abbreviated as “aqueous dispersion”) used in the manufacture of semiconductor devices. More specifically, the present invention can efficiently polish various types of work films provided on a semiconductor substrate, and can obtain a sufficiently flat and highly accurate finished surface. The present invention relates to an aqueous dispersion for chemical mechanical polishing.
[0002]
[Prior art]
As a recent technology in the manufacture of semiconductor devices, after forming holes or grooves in an insulating film on a process wafer, a barrier metal layer made of hard metal or the like is formed, and then wiring such as tungsten, aluminum, and copper is formed. There is a method of forming wiring by embedding a material and then removing the wiring material and the barrier metal layer above the surface of the insulating film by chemical mechanical polishing. Wiring formed by this method is called damascene wiring.
The polishing for forming the damascene wiring has the following problems.
A relatively soft wiring material such as copper is easily polished, and when the width of the wiring portion is wide, the center portion of the wiring is excessively polished, so-called dishing is likely to occur, and a flat finished surface may not be obtained. In addition, the wiring may be disconnected due to generation of scratches.
In addition, a porous insulating film having a low dielectric constant or the like cannot obtain a sufficient polishing rate when the pH of the aqueous dispersion used for polishing is low, and is excessively polished when the pH is high. . In either case, it is not easy to suppress the generation of scratches.
On the other hand, it is not easy to efficiently polish a barrier metal layer made of a hard metal such as tantalum.
[0003]
Normally, chemical mechanical polishing of a wafer requires another stage of polishing process. Most generally, a two-stage polishing method is employed in which a wiring material such as copper is mainly polished in the first stage and the barrier metal layer is mainly polished in the second stage. Several methods have been proposed for this two-stage polishing, and many aqueous dispersions used for it have been proposed. As a first method, after polishing until copper is completely removed in the first stage polishing, there is a method in which only the barrier metal layer is removed by the second stage polishing. In this case, there is a problem that dishing that occurs at least in the first-stage polishing cannot be corrected by the second-stage polishing that mainly polishes the barrier metal layer, and it may be difficult to form a good damascene wiring.
As a second method, in the first stage polishing, copper is removed incompletely to such an extent that dishing does not occur in the wiring portion, and in the second stage polishing, the barrier metal layer is removed together with the remaining copper. A method has been proposed. According to this method, there may be a problem that the smoothness of the finished surface is insufficient, or that a long time is required for finishing the polishing and the cost is further increased.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
  The present invention solves the above-described conventional problems. That is, an object of the present invention is to provide a chemical mechanical polishing aqueous dispersion that is useful in the manufacture of a semiconductor device and that can provide a sufficiently flat finished surface with high accuracy and can form good damascene wiring. .
[0005]
[Means for Solving the Problems]
  In polishing a film to be processed provided on a semiconductor substrate, an investigation was made for the purpose of obtaining an aqueous dispersion for chemical mechanical polishing capable of sufficiently flattening the finished surface..
[0006]
The invention of claim 1 is a chemical mechanical polishing aqueous dispersion containing an abrasive, water, and a polishing rate adjusting component, wherein the abrasive is at least one of silica and inorganic-organic composite particles. And the polishing rate adjusting component is maleate ion, and the concentration of the maleate ion is 0.005 to 1 mol / liter, an aqueous dispersion for chemical mechanical polishing used for manufacturing a semiconductor device It is.
The invention of claim 2 is characterized in that the pH of the invention of claim 1 is 8-11.
The invention of claim 3 is characterized in that, in the invention of claim 1 or 2, the cation of the maleate ion pair is a potassium ion, and the polishing rate adjusting component is derived from potassium maleate. To do.
According to a fourth aspect of the invention, there is provided the method according to any one of the first to third aspects, wherein the inorganic-organic composite particles are formed by attaching silica particles to the surface of polymethyl methacrylate-based particles.
The invention according to claim 5 is the one according to any one of claims 1 to 4.When the copper film, the barrier metal layer, and the insulating film are polished under the same conditions, the polishing rate (RCu) And the barrier metal layer polishing rate (RBM) Ratio (R)Cu/ RBM) Is 0.5 to 2, and the polishing rate of the copper film (RCu) And the polishing rate (RIn) Ratio (R)Cu/ RIn) Is 0.5-2.
  The aqueous dispersion for chemical mechanical polishing of the present invention is useful as an aqueous dispersion used in the damascene wiring forming process, particularly for the second stage polishing.
  The copper forming the “copper film” includes not only pure copper but also an alloy containing 95% by weight or more of copper, such as copper-silicon and copper-aluminum. The metal forming the “barrier metal layer” includes tantalum, titanium, and the like, and may be nitrides or oxides thereof. For example, the nitride includes tantalum nitride and titanium nitride. The “tantalum, titanium, etc.” is not limited to pure tantalum and pure titanium, but includes tantalum such as tantalum-niobium, and alloys containing titanium. Further, the “tantalum nitride, titanium nitride” is not limited to a pure product.
  The barrier metal layer is preferably tantalum and / or tantalum nitride.
[0007]
As the insulating film, SiO2In addition to the film, it also includes a low dielectric constant interlayer insulating film for the purpose of improving the performance of the VLSI. As a low dielectric constant insulating film, fluorine-added SiO2(Dielectric constant: about 3.3 to 3.5), polyimide resin (dielectric constant: about 2.4 to 3.6, manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd., trade name “PIQ”, manufactured by Allied Signal, trade name "FLARE" etc.), benzocyclobutene (dielectric constant: about 2.7, manufactured by Dow Chemical, trade name "BCB" etc.), hydrogen-containing SOG (dielectric constant: about 2.5-3.5) and organic SOG (Dielectric constant: about 2.9, manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd., trade name “HSGR7”, etc.).
[0008]
The above “same condition” means that a specific type of polishing apparatus is used, and the rotation speed of the platen and head, polishing pressure, polishing time, type of polishing pad used, and supply amount of aqueous dispersion per unit time Means to be the same.
As long as these conditions are compared under the same conditions, appropriate conditions can be adopted, but it is desirable to adopt actual polishing conditions or conditions close thereto. For example, the platen rotation number is 30 to 120 rpm, preferably 40 to 100 rpm, the head rotation number is 30 to 120 rpm, preferably 40 to 100 rpm, and the ratio of the platen rotation number / head rotation number is 0.5 to 2. , Preferably 0.7 to 1.5, and the polishing pressure is 100 to 500 g / cm2, Preferably 200 to 350 g / cm2The aqueous dispersion supply rate is 50 to 300 ml / min, preferably 100 to 200 ml / min.
The “ratio” of the polishing rate can be calculated from the values of the respective polishing rates obtained by polishing the copper film, the barrier metal layer, and the insulating film separately under the same conditions. This polishing can be performed using a wafer provided with a copper film, a barrier metal layer, or an insulating film.
[0009]
  In claim 5Copper film polishing rate (RCu) And barrier metal layer polishing rate (RBM) Ratio (R)Cu/ RBM) Is 0.5 to 2, preferably 0.7 to 1.5, particularly preferably 0.8 to 1.2, and more preferably 0.9 to 1.1. This ratio (RCu/ RBM) Is less than 0.5, the copper film is not polished at a sufficient speed, and the removal of the copper film other than the grooves or holes on the insulating film is incomplete in the first stage polishing in the two-stage polishing method. In this case, it takes a long time to remove the unnecessary copper film in the second stage polishing. On the other hand, the ratio (RCu/ RBM) Exceeds 2, the copper film is excessively polished, causing dishing and causing a problem that good damascene wiring cannot be formed.
[0010]
  Also,In claim 5Copper film polishing rate (RCu) And polishing rate of insulating film (RIn) Ratio (R)Cu/ RIn) Is 0.5 to 2, preferably 0.7 to 1.5, particularly 0.8 to 1.2, more preferably 0.9 to 1.1. This RCu/ RInWhen the thickness exceeds 2, the copper film is excessively polished, and when this aqueous dispersion is used for polishing a film to be processed provided on a semiconductor substrate, dishing occurs in the wiring portion and the film is sufficiently flattened. It is not possible to obtain a highly accurate finished surface. On the other hand, RCu/ RInIf it is less than 0.5, the insulating film is excessively polished, and good damascene wiring cannot be formed.
[0011]
  In the present invention, as an abrasive,silicaAnd at least one of inorganic-organic composite particles can be used.
[0013]
The inorganic-organic composite particles are not particularly limited as long as the inorganic particles and the organic particles are integrally formed to such an extent that they are not easily separated during polishing.
The composite particles are obtained by polycondensing alkoxysilane, aluminum alkoxide, titanium alkoxide, etc. in the presence of polymer particles such as polystyrene, polymethylmethacrylate, etc., and polysiloxane etc. are bonded to at least the surface of the polymer particles. Things can be used. The produced polycondensate may be directly bonded to the functional group of the polymer particles, or may be bonded via a silane coupling agent or the like.
In addition, this polycondensate does not necessarily need to be chemically bonded to the polymer particles. In particular, the polycondensate grown in three dimensions is physically held on the surface of the polymer particles. There may be. Further, silica particles, alumina particles, or the like can be used instead of alkoxysilane or the like. These may be held in entanglement with polysiloxane or the like, or may be chemically bonded to the polymer particles by a functional group such as a hydroxyl group which they have.
[0014]
As the composite particles, an aqueous dispersion containing inorganic particles having different zeta potentials and organic particles having different signs can be used in which these particles are combined by electrostatic force.
The zeta potential of polymer particles is often negative over the entire pH range or a wide range excluding the low pH range, but by making polymer particles having carboxyl groups, sulfonic acid groups, etc., more The polymer particles can surely have a negative zeta potential. Moreover, it can also be set as the polymer particle which has a positive zeta potential in a specific pH range by setting it as the polymer particle which has an amino group etc.
On the other hand, the zeta potential of inorganic particles is highly pH-dependent and has an isoelectric point at which this potential becomes 0, and the sign of the zeta potential is reversed before and after that.
Therefore, by combining specific inorganic particles and organic particles and mixing them in a pH range in which the zeta potential has an opposite sign, the inorganic particles and the organic particles can be combined together by electrostatic force. Further, even when the zeta potential has the same sign during mixing, the inorganic particles and the organic particles can be integrated by changing the pH and setting the zeta potential to the opposite sign.
[0015]
Furthermore, as the composite particles, in the presence of the particles integrally combined by electrostatic force as described above, alkoxysilane, aluminum alkoxide, titanium alkoxide and the like are polycondensed as described above, and at least on the surface of the particles, Further, a compound obtained by combining polysiloxane and the like can also be used.
[0016]
It is preferable that the average particle diameter of an abrasive grain is 0.01-3 micrometers. If this average particle diameter is less than 0.01 μm, an aqueous dispersion having a sufficiently high polishing rate may not be obtained. On the other hand, when the average particle diameter of the abrasive grains exceeds 3 μm, the abrasive grains settle and separate, and it is not easy to obtain a stable aqueous dispersion. The average particle size is 0.05 to 1.0 μm, and more preferably 0.1 to 0.7 μm. An abrasive having an average particle diameter in this range can provide a stable aqueous dispersion for CMP that has a sufficient polishing rate and does not cause sedimentation or separation of particles. The average particle diameter can be measured by observing with a transmission electron microscope.
[0017]
  The content of the abrasive grains can be 0.05 to 30 parts, preferably 0.1 to 30 parts, when the aqueous dispersion is 100 parts by weight (hereinafter abbreviated as “parts”). It is preferably 20 parts, particularly 0.5 to 10 parts, more preferably 1 to 7 parts. When the abrasive content is less than 0.05 part, the polishing rate is insufficient. On the other hand, if the content exceeds 30 parts, the cost increases and the stability of the aqueous dispersion decreases, which is not preferable.
  Function as these abrasive grainssilicaThe shape of the composite particles is preferably spherical. The spherical shape also means a substantially spherical shape that does not have an acute angle portion, and is not necessarily close to a true sphere. By using spherical abrasive grains, polishing can be performed at a sufficient speed, and generation of scratches and the like on the surface to be polished can be suppressed.
[0018]
  The aqueous dispersion of the present invention achieves the above specific polishing rate ratio by containing a polishing rate adjusting component.
  Such polishing rate adjusting componentIsMaleic acidIt is.
[0019]
  The aboveMaleic acidIs added to the aqueous dispersion, the dissociation part may or may not be dissociated. Also,Maleic acidThe dissociation part may be monovalent or more. Moreover, the cation of the pair of dissociation part may be any of hydrogen ions and other cations derived from additives that are optionally added, such as ammonium ions and potassium ions.
  In addition, the aboveMaleneAcidMaleic acidion(Maleic acidSalt)), in this caseMaleic acidThe ion may be monovalent or more in the dissociation part. Moreover, the cation of the pair of dissociation part may be any of hydrogen ions and other cations derived from additives that are optionally added, such as ammonium ions and potassium ions.
[0020]
  Maleic acid is dissociated substantially in its entirety in the aqueous dispersion to form maleate ions and a pair of cations. Here, the pair of cations may be any of hydrogen ions and other cations derived from additives that are optionally added, such as ammonium ions and potassium ions, but potassium ions are preferred.
  Maleate ion concentration is 0.005 to 1 mol / literAndIn particular, 0.01 to 0.5 mol / liter is preferable. In order to realize the concentration range of maleic acid ions, the amount of maleic acid added may be 0.06 to 11.6% by mass, particularly 0.1 to 5.8% by mass.
  When the maleate ion concentration is less than 0.005 mol / liter, the polishing rate of the copper film and the barrier metal may be insufficient. On the other hand, when the concentration of maleate ions exceeds 1 mol / liter, the surface to be polished may be corroded, and a good finished surface with high accuracy may not be obtained. The concentration of maleate ions can be measured by ion chromatography.
[0021]
Potassium ions generated as a pair of cations and the like also have an action of improving the polishing rate and can be an aqueous dispersion having a higher polishing rate. An appropriate concentration of potassium ions can be adopted, but it is preferably 0.01 to 2 mol / liter, more preferably 0.02 to 1 mol / liter. In this case, if the potassium ion concentration is less than 0.01 mol / liter, the effect of improving the polishing rate may not be sufficiently exhibited, whereas if it exceeds 2 mol / liter, scratches may be easily generated.
In order to produce the maleate ion and potassium ion, it is most convenient and effective to use potassium maleate. Potassium ions include those generated from potassium maleate, those generated from potassium hydroxide used to adjust the pH of aqueous dispersions, and those derived from optional additives. Also good.
[0022]
The aqueous dispersion of the present invention preferably contains an oxidizing agent. By containing the oxidizing agent, the polishing rate is improved.
A wide range of oxidizing agents can be used as the oxidizing agent, but suitable oxidizing agents include oxidizing metal salts, oxidizing metal complexes, non-metallic oxidizing agents such as peracetic acid, periodic acid, and iron ions. For example, ditolate, sulfate, EDTA, citrate, potassium ferricyanide, aluminum salts, sodium salts, potassium salts, ammonium salts, quaternary ammonium salts, phosphonium salts, or other cationic salts of peroxides, chlorates, chlorides Acid salts, nitrates, manganates, persulfates, and mixtures thereof.
[0023]
As the “oxidant”, hydrogen peroxide is particularly preferable. At least a part of hydrogen peroxide is dissociated to generate hydrogen peroxide ions. “Hydrogen peroxide” means one containing the hydrogen peroxide ions in addition to molecular hydrogen peroxide.
The concentration of hydrogen peroxide in the above can be arbitrarily set in the range of 0.01 to 5.0% by mass, more preferably 0.05 to 3.0% by mass, and 0.07 to 1.%. It is especially preferable to set it as 0 mass%. If the concentration of hydrogen peroxide is less than 0.01% by mass, polishing may not be possible at a sufficient rate, while if it exceeds 5.0% by mass, the surface to be polished may corrode.
[0024]
The aqueous dispersion of the present invention may contain a polyvalent metal ion that has an action of promoting the function of hydrogen peroxide as an oxidizing agent and can further improve the polishing rate.
Examples of the polyvalent metal ions include ions of metals such as aluminum, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, germanium, zirconium, molybdenum, tin, antimony, tantalum, tungsten, lead, and cerium. Is mentioned. These may be only one kind, or two or more kinds of polyvalent metal ions may coexist.
The content of the polyvalent metal ion can be 3000 ppm or less, particularly 10 to 2000 ppm with respect to the aqueous dispersion.
This polyvalent metal ion can be generated by blending a salt or complex such as nitrate, sulfate, acetate, etc. containing a polyvalent metal element in an aqueous medium, and by blending an oxide of a polyvalent metal element. It can also be made. Moreover, even if it is a compound mix | blended with an aqueous medium and a monovalent | monohydric metal ion produces | generates, what this ion turns into a polyvalent metal ion with an oxidizing agent can also be used. Of the various salts and complexes, iron nitrate is particularly preferable because it is particularly excellent in the action of improving the polishing rate.
[0025]
The pH of the aqueous dispersion of the present invention is preferably 8 to 11, and is preferably adjusted to 8.5 to 10.5, particularly 9 to 10. The pH can be adjusted with an acid such as nitric acid or sulfuric acid, or an alkali such as potassium hydroxide, sodium hydroxide or ammonia. When the pH of the aqueous dispersion is less than 8, the etching effect on the film to be processed such as copper is strong, and dishing, erosion, and the like may easily occur. On the other hand, if the pH exceeds 11, there may be a problem that the insulating film is excessively polished and a good wiring pattern cannot be obtained.
[0026]
The aqueous dispersion of the present invention is useful in the second stage polishing in the two stage polishing. In the first stage of polishing, RCu/ RBMIs particularly useful in the second stage polishing when an aqueous dispersion of 20 or more, particularly 40 or more, and further 50 or more is used.
When the aqueous dispersion of the present invention is used in a one-step polishing method and / or when used in the first step of a two-step polishing method, it takes time for polishing, and a large amount of an aqueous dispersion is required. This may be economically disadvantageous.
When the aqueous dispersion of the present invention is used in the second stage of the two-stage polishing method, the R of the aqueous dispersion used in the first stage polishing is used.Cu/ RBMIs less than 20, it takes a long time for the first stage polishing and a large amount of aqueous dispersion is required, which is not preferable.
[0027]
  Polishing of a film to be processed and a barrier metal layer of a semiconductor device is performed using a commercially available chemical mechanical polishing apparatus (for example, LGP510, LGP552 (hereinafter, manufactured by LAPMASTER SFT), EPO-113, EPO-222 (hereinafter, EBARA CORPORATION). ), Mirra (Applied Materials), AVANTI-472 (Ipec) and the like.
  In this polishing, it is preferable to remove the polishing agent remaining on the surface to be polished after polishing. The removal of the abrasive can be performed by a normal cleaning method..
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples.
[1] Preparation of aqueous dispersion containing abrasive grains
(1) Preparation of aqueous dispersion containing inorganic particles
(1) Preparation of aqueous dispersion containing fumed silica or fumed alumina
In a 2 liter polyethylene bottle, 100 g of fumed silica particles (Nippon Aerosil Co., Ltd., trade name “Aerosil # 90”), fumed alumina particles (Degussa Co., Ltd., trade name “Aluminium Oxide C”) After the addition, ion exchange water was added to make the total amount 1000 g. Next, the particles were dispersed by an ultrasonic disperser to prepare an aqueous dispersion containing 10 parts of fumed silica particles or fumed alumina particles.
[0029]
(2) Preparation of aqueous dispersion containing colloidal silica
A 2 liter flask is charged with 70 g of 25% by mass ammonia water, 40 g of ion exchange water, 175 g of ethanol and 21 g of tetraethoxysilane, heated to 60 ° C. with stirring at 180 rpm, and stirred at this temperature for 2 hours. After continuing, the mixture was cooled to obtain a colloidal silica / alcohol dispersion having an average particle size of 0.23 μm. Subsequently, an evaporator was used several times to remove the alcohol content while adding ion-exchanged water to the dispersion at a temperature of 80 ° C., and the alcohol in the dispersion was removed and water having a solid content concentration of 8% by mass. A dispersion was obtained.
[0030]
(2) Preparation of aqueous dispersion containing composite particles
(1) Aqueous dispersion containing polymer particles
90 parts of methyl methacrylate, 5 parts of methoxypolyethylene glycol methacrylate (manufactured by Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd., trade name “NK Ester M-90G”, # 400), 5 parts of 4-vinylpyridine, azo polymerization initiator ( 2 parts of Wako Pure Chemical Industries, Ltd., trade name “V50”) and 400 parts of ion-exchanged water are put into a 2 liter flask and heated to 70 ° C. with stirring in a nitrogen gas atmosphere for 6 hours. Polymerized. As a result, an aqueous dispersion containing polymethylmethacrylate particles having an amino group cation and a functional group having a polyethylene glycol chain and an average particle diameter of 0.15 μm was obtained. The polymerization yield was 95%.
[0031]
(2) Water dispersion containing composite particles
100 parts of an aqueous dispersion containing 10% by weight of the polymethyl methacrylate particles obtained in (1) was put into a 2 liter flask, 1 part of methyltrimethoxysilane was added, and the mixture was stirred at 40 ° C. for 2 hours. . Thereafter, the pH was adjusted to 2 with nitric acid to obtain an aqueous dispersion (a). Further, the pH of an aqueous dispersion containing 10% by mass of colloidal silica (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd., trade name “Snowtex O”) was adjusted to 8 with potassium hydroxide to obtain an aqueous dispersion (b). The zeta potential of the polymethylmethacrylate particles contained in the water dispersion (a) was +17 mV, and the zeta potential of the silica particles contained in the water dispersion (b) was −40 mV.
[0032]
Thereafter, 50 parts of water dispersion (b) is gradually added to 100 parts of water dispersion (a) over 2 hours, mixed, stirred for 2 hours, and preliminary particles having silica particles attached to polymethyl methacrylate particles. An aqueous dispersion containing was obtained. Next, 2 parts of vinyltriethoxysilane is added to this aqueous dispersion and stirred for 1 hour, then 1 part of tetraethoxysilane is added, the temperature is raised to 60 ° C., and stirring is continued for 3 hours, followed by cooling. As a result, an aqueous dispersion containing composite particles was obtained. The average particle size of the composite particles was 180 nm, and silica particles were attached to 80% of the surface of the polymethyl methacrylate particles.
[0033]
[2] Preparation of chemical mechanical polishing aqueous dispersion
Example 1
[1] The aqueous dispersion containing fumed silica prepared in (1), (1) was added so that the fumed silica was 5 parts, and potassium maleate and hydrogen peroxide were each 1% by mass. The aqueous dispersion for CMP was obtained by blending in ion exchange water to a concentration of 0.1% by mass and adjusting the pH to 9.5 with potassium hydroxide.
[0034]
Examples 2-9
An aqueous dispersion for CMP having a specific pH was obtained in the same manner as in Example 1 except that the type and amount of abrasive grains and the amount of potassium maleate and hydrogen peroxide were as shown in Table 1.
[0035]
Comparative Example 1
An aqueous dispersion for CMP having a specific pH was obtained in the same manner as in Example 1 except that the polishing rate adjusting component was not added.
Comparative Examples 2-6
An aqueous dispersion for CMP having a specific pH was obtained in the same manner as in Example 1 except that the abrasive grains, the type and mixing amount of the polishing rate adjusting component, and the mixing amount of hydrogen peroxide were changed as shown in Table 2. It was. However, in Comparative Example 5, the pH was adjusted to a specific pH using nitric acid instead of potassium hydroxide.
[0036]
As described above, using the chemical mechanical polishing aqueous dispersions of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 6, a wafer with an 8-inch copper film, a wafer with an 8-inch tantalum film, a wafer with an 8-inch tantalum nitride film, and an 8-inch plasma The wafer with TEOS film was polished. The results are shown in Tables 1 and 2.
[0037]
A model “LGP-510” manufactured by Lapmaster Co., Ltd. was used as a polishing apparatus, the film provided on each wafer was polished under the following conditions, and the polishing rate was calculated according to the following formula.
Table rotation speed: 50 rpm, head rotation speed: 50 rpm, polishing pressure: 300 g / cm2, Aqueous dispersion supply rate: 100 ml / min, polishing time: 1 minute, polishing pad; two-layer structure of Rodel Nitta Co., product number IC1000 / SUBA400
Polishing rate (Å / min) = (thickness of each film before polishing−thickness of each film after polishing) / polishing time
[0038]
The thickness of each film is determined by measuring the sheet resistance by a direct current four-probe method using a resistivity measuring device (manufactured by NPS, model “Σ-5”), and the sheet resistance value and copper, tantalum, tantalum nitride or It calculated by the following formula from the resistivity of plasma TEOS.
Thickness (Å) of each film = [sheet resistance value (Ω / cm2) × Resistivity of copper, tantalum, tantalum nitride or plasma TEOS (Ω / cm)] × 108
Moreover, the evaluation of the scratch of the copper film was performed by irradiating a spotlight in a dark room and visually confirming the presence or absence of the scratch.
For evaluation of scratches on the insulating film, photographs were taken with a differential interference microscope, and scratches in a field of view of 100 μm × 100 μm were counted.
[0039]
[Table 1]
Figure 0003736249
[0040]
[Table 2]
Figure 0003736249
[0041]
According to the results of Table 1, in the aqueous dispersions of Examples 1 to 9 in which 1 to 3 parts of potassium maleate and 0.1 to 3 parts of hydrogen peroxide were mixed, a copper film and a tantalum film and / or nitriding Ratio of polishing rate with tantalum film (RCu/ RBM), And ratio of polishing rate between copper film and insulator (RCu/ RIn) Was in the range of 0.5-2. In particular, Examples 4 to 6 using composite particles or a mixture of composite particles and fumed silica as the abrasive were RCu/ RBMAnd RCu/ RinIn the range of 0.8 to 1.2, the scratches of the copper film and the insulating film are very small, and it is shown that a sufficiently flat finished surface with high accuracy can be obtained.
[0042]
On the other hand, according to the results of Table 2, in Comparative Examples 1 to 5, the ratio of the polishing rate between the copper film and the tantalum film and / or the tantalum nitride film (RCu/ RBM), And ratio of polishing rate between copper film and insulator (RCu/ RIn) Was very large or very small, indicating a finished surface with poor planarization.
RCu/ RBMIn Comparative Example 6 using the first-stage aqueous dispersion with = 100, the polishing rate R of the copper film was RCuIs the ratio of the polishing rate between the copper film and the tantalum film and / or tantalum nitride film (RCu/ RBM), And ratio of polishing rate between copper film and insulator (RCu/ RIn) Is small, indicating that only a finished surface with insufficient planarization can be obtained.
[0043]
Example 10
On the surface of the substrate made of silicon, an insulating film having a pattern formed by grooves having a depth of 5, 10, 25, 50, 75, and 100 μm at a depth of 1 μm was laminated. Next, a 300-nm TaN film was formed on the surface of the insulating film, and then copper was deposited by sputtering and plating in a groove covered with the TaN film to produce a wafer.
A model “LGP-510” manufactured by LAPMASTER SFT Co., Ltd. was used as a polishing apparatus, and the wafer prepared above was polished in two stages under the following conditions. However, in the first stage polishing, the fumed silica aqueous dispersion (RCu/ RBM= 30) for 3 minutes, and then polishing as a second stage polishing using the same aqueous dispersion as used in Example 5 until the remaining copper and TaN are completely removed did.
Table rotation speed: 50 rpm, head rotation speed: 50 rpm, polishing pressure: 300 g / cm2, Aqueous dispersion supply rate: 100 ml / min, polishing pad; two-layer structure of Rodel Nitta, part number IC1000 / SUBA400
After polishing, the dishing in a copper wiring with a width of 100 μm was measured using a surface roughness meter (model “P-10” manufactured by KLA-Tencor), and it was 450 mm.
[0044]
Example 11
As the aqueous dispersion for polishing at the second stage, the same aqueous dispersion as that used in Example 6 was used, but the two-stage polishing was performed in the same manner as in Example 10, and dishing in a 100 μm copper wiring was measured. .
The dishing in the 100 μm copper wiring after the polishing was 470 mm.
[0045]
Comparative Example 7
As the aqueous dispersion for polishing at the second stage, the same aqueous dispersion as that used in Comparative Example 3 was used, except that two-stage polishing was performed in the same manner as in Example 10, and dishing in a 100 μm copper wiring was measured. .
The dishing in the 100 μm copper wiring after polishing was 3500 mm.
[0046]
As described above, in Examples 10 and 11 according to the polishing method of the present invention, the dishing in the 100 μm copper wiring after the polishing was less than 500 mm, and a sufficiently smooth and highly accurate finished surface was obtained. On the other hand, in Comparative Example 7, the dishing in the 100 μm copper wiring after polishing was as large as 3500 mm, and only a finished surface with insufficient planarization was obtained.
[0047]
【The invention's effect】
  According to the present invention, it is possible to obtain a chemical mechanical polishing aqueous dispersion that can polish a film to be processed to the same extent at an appropriate speed and that is useful in the manufacture of semiconductor devices without causing scratches or dishing. it can.

Claims (5)

研磨剤、水、及び研磨速度調整成分を含有する化学機械研磨用水系分散体であって、  A chemical mechanical polishing aqueous dispersion comprising an abrasive, water, and a polishing rate adjusting component,
前記研磨剤が、シリカ、及び無機有機複合粒子のうち少なくとも1種であり、  The abrasive is at least one of silica and inorganic-organic composite particles;
かつ、前記研磨速度調整成分がマレイン酸イオンであり、該マレイン酸イオンの濃度が0.005〜1モル/リットルであることを特徴とする半導体装置の製造に用いる化学機械研磨用水系分散体。  An aqueous dispersion for chemical mechanical polishing used in the production of a semiconductor device, wherein the polishing rate adjusting component is maleate ions, and the concentration of the maleate ions is 0.005 to 1 mol / liter.
pHが8〜11である請求項1に記載の化学機械研磨用水系分散体。  The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to claim 1, wherein the pH is 8 to 11. 前記マレイン酸イオンの対の陽イオンは、カリウムイオンであり、前記研磨速度調整成分はマレイン酸カリウム由来であることを特徴とする請求項1又は2に記載の化学機械研磨用水系分散体。  3. The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to claim 1, wherein the cation of the maleate ion pair is potassium ion, and the polishing rate adjusting component is derived from potassium maleate. 前記無機有機複合粒子がポリメチルメタクリレート系粒子の表面にシリカ粒子が付着してなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の化学機械研磨用水系分散体。  4. The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to claim 1, wherein the inorganic-organic composite particles are formed by attaching silica particles to the surface of polymethyl methacrylate particles. 5. 銅膜、バリアメタル膜、並びに絶縁膜を同一条件により研磨した場合に、上記銅膜の研磨速度(  When the copper film, barrier metal film, and insulating film are polished under the same conditions, the polishing rate of the copper film ( RR CuCu )と上記バリアメタル膜の研磨速度() And the barrier metal film polishing rate ( RR BMBM )との比() Ratio ( RR CuCu / RR BMBM )が0.5〜2であり、上記銅膜の研磨速度() Is 0.5 to 2, and the polishing rate of the copper film ( RR CuCu )と上記絶縁膜の研磨速度() And the polishing rate of the insulating film ( RR InIn )との比() Ratio ( RR CuCu / RR InIn )が0.5〜2であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の化学機械研磨用水系分散体。The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to any one of claims 1 to 4, wherein:
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