JP5472585B2 - 化学機械研磨用水系分散体および化学機械研磨方法 - Google Patents
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Description
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、(A)アミノ酸と、(B)砥粒と、(C)界面活性剤と、(D)酸化剤と、(E)アンモニアと、を含有する化学機械研磨用水系分散体であって、前記アミノ酸の含有量(WA)と前記酸化剤の含有量(WD)との比率(WA/WD)は、1.5〜6.0であり、かつ、前記アンモニアの含有量(WE)と前記酸化剤の含有量(WD)との比率(WE/WD)は、0.05〜0.6である。
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、アミノ酸を含有する。アミノ酸は、銅イオンと配位結合を形成しやすい性質があり、被研磨面たる銅膜の表面と配位結合を形成する。これにより、銅膜の表面荒れを抑制し高い平坦性を維持しつつ、銅および銅イオンとの親和性を高めることができるため研磨速度を促進させることができる。また、アミノ酸は、銅膜の研磨によりスラリー中へ溶出した銅イオンと容易に配位することができ銅の析出を防ぐことができる。その結果、銅膜上のスクラッチなどの研磨欠陥の発生を抑制することができる。
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、砥粒を含有する。砥粒は、銅膜を機械的に研磨する効果を有する。砥粒として、無機粒子および有機無機複合粒子が挙げられる。
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、界面活性剤を含有する。界面活性剤を含有することにより、バルク研磨工程において銅膜表面を保護しつつ、上記砥粒の分散安定性を高めることができる。これにより、銅膜の平坦性を保持しながら研磨することが可能となり、銅膜の表面荒れやスクラッチを抑制することができる。
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、酸化剤を含有する。酸化剤を含有することにより、銅膜の表面を酸化し研磨液成分との錯化反応を促すことにより、脆弱な改質層を銅膜の表面に作り出し、銅膜を研磨しやすくする効果がある。
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、アンモニアを含有する。アンモニアは、銅膜とキレートを形成することで研磨速度を向上させる効果がある。
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、(A)アミノ酸、(D)酸化剤、および(E)アンモニアの含有量を緻密に規定することにより、従来には見られなかったほどの銅膜に対する高速研磨を実現することができる。さらに、この含有量規定により、銅膜を高速研磨するにも拘わらず平坦化特性に優れ、表面荒れやスクラッチをほとんど発生させないようにすることができる。
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、必要に応じて、下記の(a)ないし(c)成分を添加することができる。
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体のpHは、特に制限されないが、好ましくは7〜11、より好ましくは8〜10である。pHが7未満であると、銅膜に対する高速研磨を実現できないことがある。一方、pHが11を超えると、銅膜上の表面荒れやスクラッチの抑制効果に劣ることがある。pH調整剤としては、例えば、水酸化カリウム、エチレンジアミン、TMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)などの塩基性塩が挙げられる。
本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、主として半導体装置の配線を形成する銅膜を化学機械研磨するための研磨材として使用することができる。具体的には、銅(または銅合金)ダマシン配線を形成する際の研磨材として使用することができる。化学機械研磨によって銅(または銅合金)ダマシン配線を形成する工程は、主として銅(または銅合金)膜の除去を行う第1研磨工程と、主として銅(または銅合金)の下部に形成された導電性バリアメタル膜を除去する第2研磨工程と、からなるが、上記化学機械研磨用水系分散体は第1研磨工程に用いると効果的である。
本実施の形態に係る化学機械研磨方法の一具体例について、図面を用いて詳細に説明する。図1(A)ないし図1(C)は、本実施の形態に係る化学機械研磨方法の一具体例を模式的に示す断面図である。
図1(A)に、被処理体100を示す。図1(A)に示すように、被処理体100は、基体10を有する。基体10は、少なくとも(図示しない)半導体基板を有する。基体10は、例えば、シリコン基板とその上に形成された酸化シリコン膜から構成されていてもよい。さらに、基体10の半導体基板には、トランジスタ等の機能デバイスが形成されていてもよい。
Glass)と呼ばれる絶縁膜、ホウ素リンシリケート膜(BPSG膜)、SiON(Silicon oxynitride)と呼ばれる絶縁膜、Siliconnitride、低誘電率の絶縁膜等が挙げられる。
第1研磨工程は、化学機械研磨用水系分散体を用いて被処理体100の銅膜20を研磨する工程である。上述したように第1研磨工程は、堆積させた銅膜をバリアメタル膜が露出する直前まで高速で研磨する工程(バルク研磨工程)と、バルク研磨工程において残留した銅膜をバリアメタル膜が露出するまで研磨する工程(ファイン研磨工程)と、に分けて実施することができる。本実施の形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、平坦性を維持しながら銅膜を高速で研磨することができるため、バルク研磨工程に用いると効果的である。
上記化学機械研磨用水系分散体は、調製後にそのまま研磨用組成物として使用できる状態で供給することができる。あるいは、上記化学機械研磨用水系分散体の各成分を高濃度で含有する研磨用組成物(すなわち濃縮された研磨用組成物)を準備しておき、使用時にこの濃縮された研磨用組成物を希釈して、所望の化学機械研磨用水系分散体を得てもよい。
本実施の形態に係る第1のキットは、(A)アミノ酸、(B)砥粒、(C)界面活性剤、(E)アンモニアおよび水を含有する第1の組成物と、(D)酸化剤および水を含有する第2の組成物と、からなり、これらの組成物を混合して上記化学機械研磨用水系分散体を調製するためのキットである。
本実施の形態に係る第2のキットは、(A)アミノ酸、(E)アンモニアおよび水を含有する第3の組成物と、(B)砥粒、(C)界面活性剤および水を含有する第4の組成物と、からなり、これらの組成物を混合して上記化学機械研磨用水系分散体を調製するためのキットである。また、(D)酸化剤は、上記第3の組成物および第4の組成物のいずれか一方または双方に含まれる。さらに、上記第4の組成物は、(E)アンモニアを含有することができる。
本実施の形態に係る第3のキットは、(A)アミノ酸、(E)アンモニアおよび水を含有する第5の組成物と、(B)砥粒、(C)界面活性剤および水を含有する第6の組成物と、(D)酸化剤および水を含有する第7の組成物と、からなり、これらの組成物を混合して上記化学機械研磨用水系分散体を調製するためのキットである。第6の組成物には、さらに(E)アンモニアを添加することができる。
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
4.1.1 コロイダルシリカ粒子を含む水分散体の調製
濃度25質量%のアンモニア水70質量部、イオン交換水40質量部、エタノール170質量部およびテトラエトキシシラン20質量部を、フラスコに仕込み、回転速度180rpmで撹拌しながら60℃に昇温した。温度を60℃に維持しながら撹拌した後、室温まで冷却して、コロイダルシリカ粒子のアルコール分散体を得た。
ヒュームドシリカ粒子(日本アエロジル社製、商品名「アエロジル#90」、平均一次粒子径20nm)2kgをイオン交換水6.7kg中に超音波分散機を用いて分散させた。これを孔径5μmのフィルターで濾過することにより、ヒュームドシリカ粒子を23質量%含有する水分散体「F1」を得た。この水分散体中に含まれるヒュームドシリカの平均二次粒子径は、220nmであった。
4.2.1 化学機械研磨用水系分散体Aの調製
化学機械研磨用水系分散体の全質量を100質量%とした場合に、グリシンを3.9質量%、アラニンを0.1質量%、コロイダルシリカ水分散体C1を固形分として0.5質量%、ドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウムを0.3質量%、アンモニアを1.0質量%、全構成成分の量が100質量%となるようにイオン交換水を加えて1時間撹拌した後、孔径5μmのフィルターでろ過し、KOHでpHを9.7に調整し、過酸化水素に換算して1.75質量%に相当する量の30質量%過酸化水素水を順次入れ、表1に記載の化学機械研磨用水系分散体Aを得た。なお、表1に記載されている各成分の含有量の単位は質量%であり、表記載成分以外の成分は水である。また、表中に記載の「DBS−A」はドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウムを表す。
アミノ酸の種類およびその他の添加成分を表1〜表3に示すものに変更したこと以外は、化学機械研磨用水系分散体Aの調製方法と同様にして分散体B〜Sを調製した。なお、表中に記載の「DBS−K」はドデシルベンゼンスルホン酸カリウムを表す。
4.3.1 銅膜の研磨速度評価
化学機械研磨装置(アプライド・マテリアルズ社製、型式「Mirra」)に多孔質ポリウレタン製研磨パッド(ロデール・ニッタ社製、品番「IC1000」)を装着し、化学機械研磨用水系分散体A〜Sのいずれか1種を供給しつつ、下記の各種研磨速度測定用基板につき、下記の研磨条件にて30秒間研磨処理を行い、下記の手法によって研磨速度を算出した。
・8インチ熱酸化膜付きシリコン基板上に膜厚15,000オングストロームの銅膜が設けられたもの。
・ヘッド回転数:100rpm
・プラテン回転数:100rpm
・ヘッド荷重:3.5psi
・化学機械研磨用水系分散体の供給速度:200mL/分
この場合における化学機械研磨用水系分散体の供給速度とは、全供給液の供給量の合計を単位時間当たりで割り付けた値をいう。
銅膜は、電気伝導式膜厚測定器(ケーエルエー・テンコール社製、形式「オムニマップRS75」)を用いて、研磨処理前後の膜厚を測定し、研磨されて減少した膜厚と研磨時間とから研磨速度を算出した。この結果を表1〜表3に示す。
上記「4.3.1 銅膜の研磨速度評価」における研磨速度測定基板、および研磨条件を同様に用いて、化学機械研磨を行い、下記のようにして銅膜の表面粗さおよび銅膜のスクラッチを評価した。
非接触3次元光学プロファイラー(Zygo社製、型式「NewView5032」)にて、銅膜表面の粗さを測定した。この結果を表1〜表3に示す。表面粗さは、10nm以下であることが好ましく、この場合には表中の評価の欄に「○」と表記している。さらに、表面粗さが5nm以下である場合が特に好ましく、この場合には表中の評価の欄に「◎」と表記している。また、表面粗さが10nmを超える場合には、実デバイスへの適用が不可であるとして、表中の評価の欄に「×」と表記している。
光学顕微鏡(オリンパス社製、型番「MX−50」)にて、暗視野観察を行い評価した。この結果を表1〜表3に示す。表中の評価の欄では、視野中にスクラッチが全く観察されなかった場合を「○」とし、やや観察された場合を「△」、多数観察された場合を「×」と記載した。
実施例1〜6の化学機械研磨用水系分散体を用いた場合には、いずれも銅膜に対する研磨速度が15,000オングストローム/分以上と十分に高かった。実施例2または実施例4の化学機械研磨用水系分散体を用いた場合には、銅膜に対する研磨速度が20,000オングストローム/分以上となり特に優れていた。また、実施例1〜6のいずれの化学機械研磨用水系分散体を用いた場合においても、銅膜の表面粗さは10nm以下に抑制され、銅膜上にスクラッチの発生は認められなかった。
Claims (6)
- (A)アミノ酸2〜10質量%と、
(B)砥粒と、
(C)界面活性剤と、
(D)過酸化水素0.5〜10質量%と、
(E)アンモニアと、
を含有する化学機械研磨用水系分散体であって、
前記アミノ酸の含有量(WA)と前記過酸化水素の含有量(WD)との比率(WA/WD)は、1.5〜6.0であり、かつ、
前記アンモニアの含有量(WE)と前記過酸化水素の含有量(WD)との比率(WE/WD)は、0.05〜0.6である、化学機械研磨用水系分散体。 - 請求項1において、
前記アミノ酸は、グリシン、アラニン、およびグルタミンから選択される少なくとも1種である、化学機械研磨用水系分散体。 - 請求項1または請求項2において、
前記砥粒は、コロイダルシリカまたはヒュームドシリカである、化学機械研磨用水系分散体。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一項において、
前記界面活性剤は、ドデシルベンゼンスルホン酸カリウムおよびドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウムから選択される少なくとも1種である、化学機械研磨用水系分散体。 - 請求項1ないし請求項4のいずれか一項において、
pHは、7〜11である、化学機械研磨用水系分散体。 - 請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の化学機械研磨用水系分散体を用いて、バリアメタル膜上に形成された銅膜を研磨する、化学機械研磨方法。
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