JPH08302338A - スラリーおよびこれを用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 研磨粒子が低濃度で従来の分散性を維持して
おり、しかも高粘性を有するスラリーとこのスラリーを
用いた半導体装置の製造方法とを提供すること。 【構成】 本発明のスラリーは、ＣＭＰ法によって基体
上に形成された層間膜の表面を研磨し、該表面を平坦化
するためのスラリーであって、研磨粒子を含有した研磨
粒子水溶液中に増粘剤が添加されてなるものである。ま
た本発明の半導体装置の製造方法は、ＣＭＰ法により、
基体としてのウエハ１上に形成された層間絶縁膜５の表
面を上記スラリーを供給しながら研磨する方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体プロセスにお
いて層間絶縁膜等の層間膜の表面を研磨してこの表面を
平坦化する際に用いるスラリーと、これを用いた半導体
装置の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体プロセスにおける配線技術は、デ
バイスの高集積化、高密度化に伴って微細化、多層化の
方向に進んでいる。しかし、デバイスの高集積化は配線
の信頼性を低下させる原因になる場合がある。これは、
例えばアルミニウムからなる配線の微細化、多層化の進
展によって、配線上に形成される層間絶縁膜の表面段差
が大きくかつ急峻となり、このことによって層間絶縁膜
上に形成される配線の加工精度が低下し信頼性が低下す
ることによる。現状では、配線の段差被覆性の大幅な改
善ができず、したがって配線の信頼性の低下を防ぐには
層間絶縁膜の平坦性を向上させる必要がある。

【０００３】これまで各種の層間絶縁膜の形成技術およ
び平坦化技術が開発されてきたが、微細化、多層化した
配線にこれらの技術を適用した場合には、配線間隔が広
いと層間絶縁膜の平坦性が不足したり、配線間に層間絶
縁膜が良好に埋め込まれずにいわゆる「す」が発生し
て、上下の配線間で接続が不良になる等の大きな問題が
起きている。

【０００４】このような中で、近年、新たな平坦化技術
として、塩基性溶液中にシリコン酸化物の研磨微粒子を
含有させてなるスラリーを用いた化学機械研磨（以下、
ＣＭＰと記す）技術が注目されている。ＣＭＰ技術では
研磨装置を用い、この研磨プレート上にスラリーを供給
しながら、研磨プレートとウエハとを回転させつつウエ
ハ上に形成された層間絶縁膜の表面を研磨プレート上面
に押し付け、スラリーによる化学的、物理的研磨作用に
よって上記表面を研磨し平坦化する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記ＣＭＰ
を用いた層間絶縁膜の平坦化では、非常に良好な平坦性
が得られるが、スラリー等の消耗品の消費量が多いため
にこの工程が高コストになることが指摘されている。ス
ラリーの消費量の多い原因としては、スラリーが非常に
低粘性であることから、研磨プレート上面に供給したス
ラリーが自重やウエハの回転により研磨プレート上面外
に排出されてしまって実際に研磨に使用されるスラリー
量が少ないため、結果として層間絶縁膜の表面を所望量
研磨するのに多くのスラリー量が必要となってしまうこ
とが挙げられる。

【０００６】スラリーの粘性を上げるには、研磨粒子の
径を大きくしたり、その濃度を上げるといったことが考
えられる。しかしながら、この場合には研磨粒子の分散
性が低下して凝集し、これが研磨の際、層間絶縁膜の表
面に傷を付ける、いわゆるスクラッチを多大に発生させ
てしまう。このため、研磨粒子が低濃度で従来の分散性
を維持しており、しかも高粘性を有するスラリーの開発
が切望されている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のスラリーは、化
学的機械研磨（以下、ＣＭＰと記す）法によって基体上
に形成された被研磨層の表面を研磨し、この被研磨層の
表面を平坦化する際に用いるものであって、研磨粒子を
含有した研磨粒子水溶液中に、増粘剤が添加されてなる
ものである。なお、ＣＭＰ法は、ＣＭＰ装置を用いてな
される方法であり、ＣＭＰ装置の研磨プレート上にスラ
リーを供給しながら、研磨プレートと基体とを回転させ
つつ被研磨層の表面を研磨プレート上面に押し付け、ス
ラリーによる化学的、物理的研磨作用によって被研磨層
の表面を研磨し平坦化する方法である。

【０００８】このようなＣＭＰ法に用いられるスラリー
中の研磨粒子としては、シリコン酸化物、アルミニウム
酸化物、チタン酸化物、セリウム酸化物等のような顔料
等が挙げられる。また研磨粒子の粒子径としては、スラ
リー中での分散性に影響を与える１次粒子径が１０ｎｍ
〜１００ｎｍ程度の範囲であり、研磨速度に影響を与え
る２次粒子径が２００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の範囲で
あることが好ましい。１次粒子径を上記範囲とするの
は、１０ｎｍ未満であると、研磨粒子の分散性が低下し
て凝集を構造を作りやすくなることから、研磨速度の安
定性が低下するためであり、また１００ｎｍを越えると
スクラッチ等の問題が発生するためである。また２次粒
子径を上記範囲とするのは、２００ｎｍ未満であると研
磨速度が遅くなって実用的でなく、１０００ｎｍを越え
るとスクラッチ等の問題が発生するためである。なお、
スラリー中において、研磨粒子はほぼ２次粒子径の大き
さで存在している。

【０００９】また本発明の研磨粒子水溶液の構成成分で
ある水溶液としては、ｐＨ６〜ｐＨ１３程度の範囲の水
溶液が適しており、特にシリコン酸化物等を研磨粒子に
用いる場合、研磨粒子の分散性および化学的研磨作用を
確保するために、被研磨層の表面の平坦性に影響される
化学的研磨作用と研磨粒子による物理的研磨作用の比率
から換算されるｐＨ８〜ｐＨ１１の範囲の塩基性水溶液
が適している。このような塩基性水溶液としては、水酸
化アンモニウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等
の塩基性化合物を水溶液中に溶解させたものが挙げられ
る。

【００１０】また本発明で用いる増粘剤としては、例え
ば有機高分子樹脂が用いられ、特に水溶性の有機高分子
樹脂が望ましい。水溶性の有機高分子としては、例えば
ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸等のポリアクリル樹
脂、ポリエチルアクリル酸エステル等のポリアクリル酸
エステル類の樹脂、ポリメチルメタクリル酸エステル類
等のポリメタクリル酸エステル類、ポリイソプロピルア
クリルアミド、ポリジメチルアクリルアミド、ポリメタ
クリルアミド等のポリアクリルアミド類の樹脂、ポリメ
トキシエチレン、ポリメチルビニルエーテル、ポリエト
キシエチレン、ポリプロポキシエチレン、ポリイソプロ
ポキシエチレン、ポリメトキシエトキシエチレン等のポ
リビニルエステル類の樹脂、ポリビニルアルコール等の
ポリビニルアルコール類、ポリビニルアセテート（ポリ
酢酸ビニル）等のポリビニルアセテート類の樹脂、ポリ
アクロレイン等のポリアクロレイン類の樹脂が挙げられ
る。

【００１１】またその他の水溶性有機高分子樹脂として
は、ポリジメチルトリアジニルエチレン、ポリピリジル
エチレン、ポリビニルピリジン、ポリピロリドニルエチ
レン、ポリメチルイミノテトラメチレン−メチルイミノ
テレフタル酸重合体、ユリア樹脂、メチルセルロース、
エチルセルロース、イソプロピルセルロース、ヒドロキ
シエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カ
ルボキシエチルセルロース、セルロースアセテート（酢
酸セルロース）、セルローストリアセテート、硝酸セル
ロース、硫酸セルロース、アミロースアセテート（酢酸
アミロース）、アミロペクチン、スターチ、スターチの
メチルエステル、アラビアゴム等が挙げられる。

【００１２】ここで、研磨粒子のスラリーに対する含有
量は、２ｗｔ％〜３０ｗｔ％程度の範囲が好ましく、８
ｗｔ％〜１５ｗｔ％程度の範囲がより好適である。この
ような範囲とするのは、研磨粒子の含有率が研磨速度お
よび微粒子の分散性に影響を与え、例えば２ｗｔ％未満
であると物理的研磨速度が遅くて実用的でなく、また３
０ｗｔ％を越えると分散性が低下して研磨粒子が沈降
し、研磨速度の安定性が低くなるためである。また、８
ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の範囲では、特に物理的研磨
速度も十分実用的な速さであり、かつ分散性も維持され
て研磨速度の安定性が十分に得られる。

【００１３】また増粘剤のスラリーに対する含有量は、
０．５ｗｔ％〜２０ｗｔ％程度の範囲が好ましく、３ｗ
ｔ％〜１０ｗｔ％程度の範囲がより好適である。このよ
うな範囲とするのは、増粘剤の含有率がスラリーの粘性
に影響を与え、０．５ｗｔ％を未満であると所定の増粘
効果が発現せず、また２０ｗｔ％を越えると研磨渣の除
去が円滑に行えないばかりか、供給面におけるスラリー
分布が悪くなり研磨の均一性が著しく悪化するためであ
る。また３ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下の範囲では、特に
十分に増粘効果を発現し、かつ研磨渣を円滑に除去でき
るとともに均一な研磨を行える。

【００１４】上記のように構成されるスラリーは、増粘
剤が例えばポリビニルアルコールからなる場合、ポリビ
ニルアルコール中の水酸基同士またはこの水酸基と水溶
液中の水酸基との水素結合等によって、増粘剤が添加さ
れていないスラリーに比べて粘性が増加したものとな
る。例えば研磨粒子を１２ｗｔ％含有しているスラリー
は、ポリビニルアルコールが添加されていないと、数ｃ
Ｐ程度の粘性しかないが、ポリビニルアルコールが添加
されていると、数百ｃＰ程度まで粘性が増加したものと
なる。よって研磨粒子が低濃度で、研磨粒子の分散性の
低下がなく、しかも増粘したスラリーとなる。

【００１５】さらにポリビニルアルコールは親水性の水
酸基を有していることから、研磨粒子を含有する研磨粒
子水溶液中にポリビニルアルコールが添加されても、研
磨粒子の分散性はほとんど影響を受けない。よって研磨
粒子水溶液中にポリビニルアルコールを添加してなるス
ラリーにおいても、その添加前の研磨粒子の分散性がそ
のまま維持されたものとなる。さらにポリビニルアルコ
ールが水溶性であることから、被研磨層を例えば層間絶
縁膜とした場合のこの層間絶縁膜の表面の研磨工程にス
ラリーを用いると、研磨後の水洗い処理によってポリビ
ニルアルコールを層間絶縁膜の表面から容易に除去する
ことができる。よって本発明のスラリーは、研磨による
被研磨層の表面の平坦化工程に非常に有効なものとな
る。

【００１６】本発明に係る半導体装置の製造方法では、
上記のように構成されるスラリーを用いる。すなわち、
ＣＭＰ装置を用いたＣＭＰ法により、基体上に形成され
た層間膜の表面を上記のスラリーを供給しながら研磨
し、層間膜の表面を平坦化する。本発明の基体として
は、例えば図１（ａ）に示すウエハ１が挙げられる。こ
のウエハ１は、図１（ａ）に示すように、シリコン等か
らなる半導体基板２上に、プラズマＣＶＤ法や常圧ＣＶ
Ｄ法等によってシリコン酸化膜３を形成し、次いでスパ
ッタリング法等によってシリコン酸化膜３上にアルミニ
ウム膜を形成し、続いてリソグラフィおよびＲＩＥ等の
エッチングによりアルミニウム膜を加工して配線４を形
成することによって形成されるものである。このように
形成されるウエハ１の表面は配線４によって凸凹となっ
ている。

【００１７】また本発明の層間膜としては、例えばシリ
コン酸化膜、スピンオンガラス膜等の層間絶縁膜が挙げ
られる。例えばシリコン酸化膜の場合、図１（ｂ）に示
すごとく層間絶縁膜５は、プラズマＣＶＤ法や常圧ＣＶ
Ｄ法等によって、ウエハ１上にこの表面の凸凹を十分に
覆うようにして形成される。なおウエハ１表面の凸凹に
沿って層間絶縁膜５の表面も凸凹となる。

【００１８】このような層間絶縁膜５の表面を研磨する
場合には、ＣＭＰ装置の研磨プレート上にスラリーを供
給しながら、研磨プレートと基体とを回転させつつ層間
絶縁膜５の表面を研磨プレート上面に押し付け、配線４
の上面が露出しないように層間絶縁膜５の表面を研磨
し、図１（ｃ）に示すように該表面を平坦化する。な
お、研磨終了後は、層間絶縁膜５の表面を水洗いしてス
ラリーを除去する。

【００１９】この方法において、例えば層間絶縁膜５の
表面に、増粘剤としてポリビニルアルコールを用いたス
ラリーを供給しながらその表面を研磨すると、スラリー
は増粘したものであることから、研磨中における層間絶
縁膜５の表面のスラリーの滞留時間が長くなる。よっ
て、スラリーを効率良く使用して研磨を行うことができ
るので、研磨工程におけるスラリーの消費量を低減する
ことができる。また増粘剤が水溶性の有機高分子樹脂か
らなるスラリーを用いた場合、研磨後の水洗い処理によ
って増粘剤を層間絶縁膜の表面から容易に除去できるの
で、この表面に増粘剤が残ることによるパーティクルの
発生を防止することができる。なお、本発明のスラリー
において、研磨粒子は一種類でもよく、二種類以上用い
てもよい。

【００２０】

【作用】本発明のスラリーは増粘剤が添加されているこ
とから、従来のスラリーに比べて粘性が高いものとなっ
ている。このため、ＣＭＰ装置を用いたＣＭＰ法により
被研磨層の表面を研磨する際、このスラリーをＣＭＰ装
置の研磨プレート上面に供給して研磨プレートを回転さ
せても、研磨プレート上面から外に容易に排出され難
く、スラリーの研磨プレート上面に滞留している時間が
長くなる。また、研磨粒子の径を大きくしたり、濃度を
上げることなく粘性が高められていることから、増粘剤
を添加する前の研磨粒子の分散性を維持したものとな
る。

【００２１】また本発明の半導体装置の製造方法では、
増粘剤によって増粘したスラリーを用いることから、Ｃ
ＭＰ法による研磨中において、層間絶縁膜の表面におけ
るスラリーの滞留時間が長いので、スラリーを効率良く
使用した研磨が行われる。またスラリーが増粘剤を添加
する前の研磨粒子の分散性を維持しているため、研磨の
際、スクラッチが多大に発生することがない。

【００２２】

【実施例】次に本発明の実施例を説明するが、これに先
立ち、本発明に係るＣＭＰ法を実施するために使用する
ＣＭＰ装置の構成例を図２を用いて説明する。図２に示
すようにこのＣＭＰ装置１０は枚葉式であり、主に研磨
プレート（プラテン）１１と、研磨プレート１１の上方
に配置されたウエハ保持試料台（キャリアー）１４およ
びスラリー導入管１６とから構成されている。研磨プレ
ート１１は、この上面にパッド１２が固定されており、
また下面の略中心に回転軸１３が設けられている。また
ウエハ保持試料台１４は、この下面に真空チャック式に
よりウエハ１が保持されるようになっており、上面の略
中心に回転軸１５が取りつけている。さらにスラリー導
入管１６は、研磨プレート１１のパッド１２の上面に向
けてスラリー２０を供給するようになっている。

【００２３】このようなＣＭＰ装置１０を用いてウエハ
１表面を研磨する場合には、研磨プレート１１とウエハ
１を保持したウエハ保持試料台１４とをそれぞれ回転軸
１３、１５によって回転させ、スラリー導入管１６より
パッド１２の上面にスラリー２０を供給しながらウエハ
保持試料台１４を上方より押圧してウエハ２１をパッド
１２の上面に押しつけ、ウエハ１表面を研磨する。な
お、研磨時のウエハ１の押しつけ圧力の調整は、ウエハ
保持試料台１４に対する押圧力（研磨圧力）を制御する
ことによって行う。

【００２４】このＣＭＰ装置１０では、研磨プレート１
１とウエハ保持試料台１４との回転によって、研磨の均
一性が確保される。なお、このＣＭＰ装置１０は一例で
あって、ウエハ載置の構成や使用方法の工夫について
は、特に限定されるものでない。

【００２５】次に、上記のごとく構成されたＣＭＰ装置
１０を用いた本発明の実施例を説明する。ここでは、図
１（ｂ）に示したように、ウエハ１表面に形成したシリ
コン酸化膜からなる層間絶縁膜５を被研磨層とし、この
表面の研磨を行った場合について述べる。 （実施例１）まず、ｐＨ９の水酸化カリウム（ＫＯＨ）
水溶液にシリコン酸化微粒子を１２ｗｔ％、ポリビニル
アルコールを１０ｗｔ％混合して、粘性が１００ｃＰの
スラリー２０を調整した。次いで上記ＣＭＰ装置１０を
用い、研磨プレート１１の回転数を１７ｒｐｍ、ウエハ
保持試料台１４の回転数を１７ｒｐｍ、研磨圧力を５．
５×１０³ Ｐａとし、さらにスラリー２０の流量を５０
ｓｃｃｍの流量として、層間絶縁膜５の表面を研磨し平
坦化した。その後、層間絶縁膜５の表面を水洗いした。
この実施例によれば、従来の１／５程度のスラリー２０
使用量で層間絶縁膜５の表面を平坦化することができ
た。また水洗い後、層間絶縁膜５の表面を観察したとこ
ろ、パーティクル数の増加が見られなかった。

【００２６】（実施例２）まず、ポリビニルアルコール
を１０ｗｔ％としたのを、ポリ酢酸ビニルを１０ｗｔ％
とした以外は実施例１と同様の条件で、粘性が１５０ｃ
Ｐのスラリー２０を調整した。次いで上記ＣＭＰ装置１
０を用い、スラリー２０の流量を３０ｓｃｃｍとする以
外は実施例１と同様の条件にて、層間絶縁膜５の表面を
研磨して平坦化した。その後、層間絶縁膜５の表面を水
洗いした。この実施例によっても、実施例１と同様の効
果が得られることが確認された。

【００２７】（実施例３）まず、実施例のポリビニルア
ルコールを１０ｗｔ％としたのを、ポリビニルアルコー
ルを３ｗｔ％、ポリ酢酸ビニルを５ｗｔ％とした以外は
実施例と同様の条件で、粘性が１２０ｃＰのスラリー２
０を調整した。次いで上記ＣＭＰ装置１０を用い、実施
例１と同様の条件で層間絶縁膜５の表面を研磨して平坦
化した。その後、層間絶縁膜５の表面を水洗いした。こ
の実施例によっても、実施例１と同様の効果が得られる
ことが確認された。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明のスラリー
は、増粘剤が添加されてなることによって従来のものに
比べてて高粘性のものとなっており、ＣＭＰ法により被
研磨層のの表面を研磨する際にこのスラリーを用いた場
合に効率良く使用されるものとなるので、研磨工程にお
けるスラリーの消費量の低減を図ることができるものと
なる。また研磨粒子の径を大きくしたり、その濃度を上
げることなく粘性が高められていることから、増粘剤を
添加する前の分散性がそのまま維持されているので、上
記研磨工程に用いた際のスクラッチの発生の増加を防止
できるものとなる。

【００２９】また本発明の半導体装置の製造方法では、
上記スラリーを用いることから、ＣＭＰ法により層間膜
の表面を研磨する際のスラリーの消費量を低減すること
ができるので、コストの低減を図ることができる。また
増粘剤を添加する前の研磨粒子の分散性がそのまま維持
されているスラリーを用いていることから、スクラッチ
を多大に発生させることなく層間膜の表面を研磨できる
ので、良好な平坦化層間膜を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る半導体装置の
製造方法の一実施例を工程順に説明するための要部側断
面図である。

【図２】実施例で用いるＣＭＰ装置の一例を示す概略構
成図である。

【符号の説明】

１ ウエハ（基体） ５ 層間絶縁膜（被研磨層） ２０ スラリー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化学機械研磨法によって基体上に形成さ
   れた被研磨層の表面を研磨し、該被研磨層の表面を平坦
   化する際に用いるスラリーであって、 研磨粒子を含有した研磨粒子水溶液中に、増粘剤が添加
   されてなることを特徴とするスラリー。
2. 【請求項２】 前記増粘剤は、有機高分子樹脂であるこ
   とを特徴とする請求項１記載のスラリー。
3. 【請求項３】 前記有機高分子樹脂は、水溶性であるこ
   とを特徴とする請求項２記載のスラリー。
4. 【請求項４】 化学機械研磨法により、基体上に形成さ
   れる層間膜の表面をスラリーを供給しながら研磨し、該
   表面を平坦化する工程を有した半導体装置の製造方法に
   おいて、 前記スラリーは、研磨粒子を含有した研磨粒子水溶液中
   に増粘剤が添加されてなるものであることを特徴とする
   半導体装置の製造方法。