JP6101552B2 - 化学機械研磨用スラリー、及び該スラリーを用いた化学機械研磨方法 - Google Patents
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Description
カルボキシ基と繰り返し単位数が4以上のポリオキシエチレン基の両方を有する水溶性ポリウレタン(b)と、
水と
を含有する化学機械研磨用スラリーであって、前記ポリウレタン(b)が有するカルボキシ基の量がポリウレタン(b)1g当たり0.5〜5.0mmolであり、 且つ、前記ポリウレタン(b)が有する繰り返し単位数が4以上のポリオキシエチレン基の量がポリウレタン(b)1g当たり0.04〜0.8gである化学機械研磨用スラリー。
[2] 前記砥粒(a)の濃度が0.1〜10質量%であり、前記化合物(b)の濃度が0.1〜3質量%である、上記[1]の化学機械研磨用スラリー。
[3] 前記砥粒(a)が酸化セリウム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び酸化タンタルからなる群から選ばれる少なくとも一つである、上記[1]または[2]の化学機械研磨用スラリー。
[4] 前記ポリウレタン(b)が、さらにスルホ基をポリウレタン(b)1g当たり0.01〜1.0mmol有する、上記[1]〜[3]のいずれかの化学機械研磨用スラリー。
[5] 前記ポリウレタン(b)の重量平均分子量が3,000〜100,000である、上記[1]〜[4]のいずれかの化学機械研磨用スラリー。
[6] さらに、アミノ基及び水酸基を有する塩基性化合物(c)を0.001〜1質量%の濃度で含有する、上記[1]〜[5]の化学機械研磨用スラリー。
[7] 上記[1]〜[6]のいずれかの化学機械研磨用スラリーを用いて絶縁膜を研磨する、化学機械研磨方法。
[8] 浅溝素子分離を形成するために用いられる、上記[7]の化学機械研磨方法。
砥粒(a)としては、任意の無機化合物、有機化合物、有機−無機複合材料を用いることができ、例えば、酸化セリウム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化スズ、ダイヤモンド、フラーレン及びポリスチレンなどが挙げられる。中でも、砥粒(a)は酸化セリウム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び酸化タンタルからなる群から選ばれる少なくとも一つであることが、研磨速度が高く、研磨傷の低減に優れることから好ましい。さらには、平坦化性能が一層優れることから、砥粒(a)として、酸化セリウムが特に好ましい。なお、砥粒(a)は1種のみを使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
ポリウレタン(b)は、カルボキシ基と繰り返し単位数が4以上のポリオキシエチレン基の両方を有するポリウレタンである。ポリウレタン(b)がカルボキシ基を有することにより、ストップ膜が露出した後に研磨速度が十分に低下し、ストップ膜の下層の素子領域を保護することができる。
また、ポリウレタン(b)が繰り返し単位数が4以上のポリオキシエチレン基を有することにより、パターン凹部の絶縁膜の研磨を抑制することができ、良好な平坦化性能を示す。ここで、ポリオキシエチレン基の繰り返し単位数とは、ポリオキシエチレン基中に含まれるオキシエチレン基(−OC2H4−)の数を意味する。ポリウレタン(b)に適度に水溶性を付与する観点から、ポリオキシエチレン基の繰り返し単位数は5〜150であることが好ましく、6〜100であることがより好ましく、7〜50であることがさらに好ましい。ポリオキシエチレン基の繰り返し単位数が4未満では、パターン凹部の絶縁膜の研磨抑制効果が不十分となりやすく、ポリオキシエチレン基の繰り返し単位数が150を超えると、ポリウレタン(b)が水に溶解しにくくなる場合がある。
ポリウレタン(b)の水への溶解度を高めるために、ポリウレタン(b)が、さらにスルホ基をポリウレタン(b)1g当たり0.01〜1.0mmol有することが好ましい。ポリウレタン(b)中のスルホ基の量は、ポリウレタン(b)1g当たり0.02〜0.9mmolであることがより好ましく、0.03〜0.8mmolであることがさらに好ましい。
なお、この重量平均分子量は、ポリエチレングリコールを標準物質とし、GPC装置(Waters社製「150C」)にGPCカラム(東ソー株式会社製「GMPWXL」)を接続して200mMリン酸塩水溶液を移動相として測定することができる。
ポリウレタン(b)の製造に用いることができる有機ジイソシアネートとしては、通常のポリウレタンの製造に従来から使用されている有機ジイソシアネートのいずれを使用してもよく、例えば、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、m−キシリレンジイソシアネート、4,4’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネートなどの脂肪族または脂環式ジイソシアネート;4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、2,4−トリレンジイソシアネート、2,6−トリレンジイソシアネート、1,5−ナフチレンジイソシアネートなどの芳香族ジイソシアネートが挙げられる。これらの有機ジイソシアネートは1種を単独で、または2種以上を併用してもよい。
ポリウレタン(b)の製造に用いることができる、繰り返し単位数が4以上のポリオキシエチレン基含有ジオールとしては、例えばポリエチレングリコールやポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコールなどが挙げられる。これらのカルボキシ基含有ジオールやポリオキシエチレン基含有ジオールを用いることで、容易にポリウレタンにカルボキシ基やポリオキシエチレン基を導入することができる。
その他のジオールとしては、例えばポリテトラメチレンエーテルグリコールやポリプロピレングリコール、ポリエステルジオール、ポリカーボネートジオール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6−ヘキサンジオール、3−メチル−1,5−ペンタンジオールなどが挙げられる。
ジアミンとしては、例えばエチレンジアミン、トリメチレンジアミン、テトラメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン、ノナメチレンジアミン、ヒドラジン、キシリレンジアミン、イソホロンジアミン、ピペラジン、アジピン酸ジヒドラジド、イソフタル酸ジヒドラジドなどが挙げられる。
アミノアルコールとしては、例えば2−アミノエタノールや、3−アミノ−1−プロパノール、4−アミノ−1−ブタノールなどが挙げられる。
上記のその他のジオールやジアミン、アミノアルコールは1種を単独で、または2種以上を併用してもよい。
さらに、ポリウレタン(b)の製造に併用することができる化合物として、カルボキシ基含有アミンやスルホ基含有アミンが挙げられる。これらの化合物を用いることによりポリウレタン(b)中にカルボキシ基やスルホ基を導入することができる。カルボキシ基含有アミンとしては、例えば、4−アミノブタン酸や、5−アミノペンタン酸、6−アミノヘキサン酸、7−アミノヘプタン酸、グリシン、アラニン、トリシンなどが挙げられる。スルホ基含有アミンとしては、例えば、2−アミノエタンスルホン酸や、2-アミノ−1−プロパンスルホン酸、アミノベンゼンスルホン酸、N−トリス(ヒドロキシメチル)メチル−2−アミノエタンスルホン酸、N−トリス(ヒドロキシメチル)メチル−3−アミノプロパンスルホン酸、3−[N−トリス(ヒドロキシメチル)メチルアミノ]−2−ヒドロキシプロパンスルホン酸などが挙げられる。
本発明の化学機械研磨用スラリーは、任意成分として、アミノ基及び水酸基を有する塩基性化合物(c)(以下「塩基性化合物(c)」と略称することがある)をさらに含有していてもよい。塩基性化合物(c)をポリウレタン(b)と併用することにより、研磨速度と平坦化性能をさらに向上することが可能である。
本発明の化学機械研磨用スラリーの研磨パッド上への供給方法としては、全ての成分を含んだ一液として送液してもよいし、各成分を含む複数の液を送液して配管途中やパッド上で混合して所望の濃度に調整してもよい。また、研磨の途中で、各成分の種類や濃度を適宜変化させてもよい。
株式会社堀場製作所製pHメーター「F−22」を用い、標準緩衝液(フタル酸塩pH緩衝液:pH4.00(25℃)、中性リン酸塩pH緩衝液:pH7.00(25℃)、ホウ酸塩pH緩衝液:pH9.00(25℃))を用いて3点校正した後、化学機械研磨用スラリーのpHを25℃に調温した状態で測定した。
ナノメトリクス社製膜厚測定装置「Nanospec Model5100」を用い、倍率10の対物レンズで酸化ケイ素及び窒化ケイ素の膜厚を測定した。
株式会社ミツトヨ製表面粗さ測定機「SJ−400」を用い、標準スタイラス、測定レンジ 80μm、JIS2001、GAUSSフィルタ、カットオフ値λc 2.5mm、及びカットオフ値λs 8.0μmの設定で測定を行い、断面曲線からパターンウェハの段差を求めた。
ニッタ・ハース社製研磨パッド「IC1400(同心円溝);直径380mm」を株式会社エム・エー・ティー製研磨装置「BC−15」の研磨定盤に貼り付け、株式会社アライドマテリアル製ダイヤモンドドレッサー(ダイヤ番手#100;直径190mm)を用い、純水を150mL/分の速度で流しながらドレッサー回転数140rpm、研磨パッド回転数100rpm、ドレッサー荷重5Nにて60分間研磨パッド表面を研削した(以下「コンディショニング」と略称する)。
三つ口フラスコに、PEG1000を15.0g、DMBAを10.0g、m−XDIを11.5g、IPDIを5.5g及び2−ブタノンを125g秤取し、乾燥窒素雰囲気下70℃で系中の水酸基を定量的に反応させ、ポリウレタンプレポリマーを製造した。次いで、30℃に冷却した後に、末端停止剤及び鎖伸長剤としてPIP2.6g及びAES1.3gを蒸留水45gに溶解した水溶液を添加し、1時間撹拌してポリウレタン(b−1)を得た。次いで、塩基性物質(c)としてDEAE4.3gを蒸留水910gに溶解した水溶液を加えた後、エバポレーターにより2−ブタノンを除去した。DEAE及び蒸留水も一部除去されるため、ポリウレタン(b−1)の濃度が5.0質量%、pHが5.0となるようにDEAE及び蒸留水を加え、ポリウレタン(b−1)及びDEAEを含む水溶液を得た(以下、「ポリウレタン(b−1)含有水溶液」と略称する)。
なお、ポリウレタン(b−1)中のカルボキシ基の含有量はポリウレタン1g当たり1.5mmolであり、繰り返し単位数が4以上のポリオキシエチレン基の含有量はポリウレタン1g当たり0.33gであり、スルホ基の含有量はポリウレタン1g当たり0.23mmolであり、ウレタン基の含有量はポリウレタン1g当たり0.17gであった。ポリウレタン(b−1)の重量平均分子量は26,000であった。なお、ポリウレタン(b−1)中のカルボキシ基、ポリオキシエチレン基及びスルホ基の含有量はそれぞれ原料の仕込み比率から計算した。ポリウレタン(b−1)の重量平均分子量は前記のとおりGPCにより求めた。
表2に示した原料を用いること以外は製造例1と同様にして、ポリウレタン濃度5.0質量%、pHが5.0のポリウレタン(b−2)〜(b−7)及び塩基性化合物(c)を含む水溶液を得た。
ポリウレタン(b−2)〜(b−7)中のカルボキシ基の含有量、繰り返し単位数が4以上のポリオキシエチレン基の含有量、スルホ基の含有量、ウレタン基の含有量及びポリウレタン(b−2)〜(b−7)の重量平均分子量を表2に示す。
表2に示した原料を用いること以外は製造例1と同様にしてポリウレタンを製造しようとしたが、ポリウレタンプレポリマーを製造中にゲル化が起こり、ポリウレタンを製造することができなかった。
酸化セリウム砥粒(昭和電工株式会社製研磨剤「GPL−C1010」(原液濃度10質量%,平均粒径200nm)50g、製造例1で得られたポリウレタン(b−1)含有水溶液120g及び純水830gを均一に混合してpHが5.0の化学機械研磨用スラリー1000gを調製した。該スラリー中の酸化セリウム砥粒の濃度は0.5質量%、ポリウレタン(b−1)の濃度は0.6質量%である。
化学機械研磨用スラリーに含まれるポリウレタン(b)及び塩基性化合物(c)を表3に示したように変更した以外は、実施例1と同様にして化学機械研磨用スラリーを調製した。いずれの化学機械研磨用スラリーも、該スラリー中の砥粒(a)の濃度は0.5質量%、ポリウレタン(b)の濃度は0.6質量%であり、pHは5.0となるように、アンモニアまたは塩酸により調整した。
化学機械研磨用スラリーの成分及び濃度を表3に示したように変更した以外は、実施例1と同様にして化学機械研磨用スラリーを調製した。スラリーのpHは表に示したとおりであり、アンモニアまたは塩酸により調整した。
2 酸化絶縁膜(酸化ケイ素など)
3 ストップ膜(窒化ケイ素など)
4 溝
5 絶縁膜(酸化ケイ素など)
6 STI領域
h 段差
t 絶縁膜の膜厚
Claims (8)
- 砥粒(a)と、
カルボキシ基と繰り返し単位数が4以上のポリオキシエチレン基の両方を有するポリウレタン(b)と、
水とを含有する化学機械研磨用スラリーであって、前記ポリウレタン(b)が有するカルボキシ基の量がポリウレタン(b)1g当たり0.5〜5.0mmolであり、 且つ、前記ポリウレタン(b)が有する繰り返し単位数が4以上のポリオキシエチレン基の量がポリウレタン(b)1g当たり0.04〜0.8gである化学機械研磨用スラリー。 - 前記砥粒(a)の濃度が0.1〜10質量%であり、前記ポリウレタン(b)の濃度が0.1〜3質量%である、請求項1に記載の化学機械研磨用スラリー。
- 前記砥粒(a)が酸化セリウム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び酸化タンタルからなる群から選ばれる少なくとも一つである、請求項1または2に記載の化学機械研磨用スラリー。
- 前記ポリウレタン(b)が、さらにポリウレタン(b)1g当たり0.01〜1.0mmolのスルホ基を有する、請求項1〜3のいずれかに記載の化学機械研磨用スラリー。
- 前記ポリウレタン(b)の重量平均分子量が3,000〜100,000である、請求項1〜4のいずれかに記載の化学機械研磨用スラリー。
- さらに、アミノ基及び水酸基を有する塩基性化合物(c)を0.001〜1質量%の濃度で含有する、請求項1〜5のいずれかに記載の化学機械研磨用スラリー。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の化学機械研磨用スラリーを用いて絶縁膜を研磨する、化学機械研磨方法。
- 浅溝素子分離を形成するために用いられる、請求項7に記載の化学機械研磨方法。
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