JPH088218A - Polishing particle and polishing method - Google Patents

Polishing particle and polishing method

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JPH088218A
JPH088218A JP32071494A JP32071494A JPH088218A JP H088218 A JPH088218 A JP H088218A JP 32071494 A JP32071494 A JP 32071494A JP 32071494 A JP32071494 A JP 32071494A JP H088218 A JPH088218 A JP H088218A
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polishing
insulating film
interlayer insulating
particles
wiring
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JP32071494A
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Japanese (ja)
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Junichi Sato
淳一 佐藤
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Original Assignee
Sony Corp
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  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide polishing particles and a polishing method having excellent polishing speed and low damaging property, which are used for flattening the stepped surface of an interlayer insulating film, a wiring layer and the like formed in the manufacturing process of a semiconductor device. CONSTITUTION:The stepped surface of a second interlayer insulating film 3, which is formed of a wiring layer 2 on a first interlayer insulating film 1, is flattened by a chemical machine polishing method. Slurry used at this time contains the polishing particles having the structure, wherein particles comprising the first material are covered with the second material having the high hardness. Therefore, the polishing, whose polishing speed is high from the initial period to intermediate period of the polishing and damage is low at the later period of the polishing, can be performed. Thus, the flattening polishing, wherein the throughput and the high quality are compatible, can be accomplished.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は研磨粒子および研磨方法
に関し、更に詳しくは例えば半導体装置等の製造工程中
で発生する被処理基板上の層間絶縁膜や電極配線の段差
を平坦に加工する、いわゆるグローバル平坦化に適した
研磨粒子および研磨方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to abrasive particles and a polishing method, and more specifically, for example, flattening a step of an interlayer insulating film or an electrode wiring on a substrate to be processed which occurs during a manufacturing process of a semiconductor device or the like. The present invention relates to abrasive particles and a polishing method suitable for so-called global planarization.

【0002】[0002]

【従来の技術】LSI等の半導体装置の集積度が進み、
そのデザインルールがサブハーフミクロンからクォータ
ミクロンのレベルへと微細化されるに伴い、内部配線の
パターン幅も縮小されつつある。一方配線抵抗を低いレ
ベルに保ち、信号伝播の遅延や各種マイグレーションを
防止するためには配線の断面積を確保する必要がある。
すなわち配線の高さはあまり縮小できないことから、配
線のアスペクト比は増加の傾向にある。
2. Description of the Related Art The degree of integration of semiconductor devices such as LSIs has increased,
As the design rule is scaled down from the sub-half micron level to the quarter micron level, the pattern width of the internal wiring is being reduced. On the other hand, in order to keep the wiring resistance at a low level and prevent the signal propagation delay and various migrations, it is necessary to secure the wiring cross-sectional area.
That is, since the height of the wiring cannot be reduced so much, the aspect ratio of the wiring tends to increase.

【0003】かかる微細配線を下層とした多層配線構造
を形成する場合には、下層配線により形成された段差や
凹部を埋めるように平坦化層間絶縁膜を形成してフラッ
トな表面を確保し、この上に上層配線を形成するプロセ
スを繰り返すことが必要になる。これは、上層配線の段
切れの防止もさることながら、レジストパターニングの
ためのリソグラフィにおける露光光の短波長化やレンズ
の高NA化にともなう焦点深度の低下を補償する観点か
らも重要である。一例として、波長248nmのKrF
エキシマレーザステッパ露光により0.3μmルールの
ラインアンドスペースを制御性よくパターニングするに
は、露光面の表面段差は0.3〜0.4μm以下が要求
されている。
In the case of forming a multi-layer wiring structure having such fine wiring as a lower layer, a flattened interlayer insulating film is formed so as to fill the steps and recesses formed by the lower layer wiring to secure a flat surface. It is necessary to repeat the process of forming the upper wiring on top. This is important not only for preventing the disconnection of the upper layer wiring but also for compensating for the decrease in the depth of focus due to the shortening of the exposure light wavelength in the lithography for resist patterning and the increase in the NA of the lens. As an example, KrF with a wavelength of 248 nm
In order to control the line and space of 0.3 μm rule with good controllability by the excimer laser stepper exposure, the surface step of the exposed surface is required to be 0.3 to 0.4 μm or less.

【0004】従来より各種の平坦化層間絶縁膜の形成方
法が開発されており、例えば月間セミコンダクターワー
ルド誌(プレスジャーナル社刊)1989年11月号7
4〜95ページにわたりこれら形成方法の総説が掲載さ
れている。これらの形成方法は、成膜条件の最適化によ
りセルフフロー特性を向上するか、あるいは成膜後の熱
処理によりリフロー形状を向上するものかのいずれかで
ある。いずれの方法も、配線間隔の広い段差凹部での平
坦形状や、ボイドの防止に関して改善の余地が残されて
いる。
Conventionally, various methods for forming a planarized interlayer insulating film have been developed. For example, monthly Semiconductor World magazine (published by Press Journal) November 1989, No. 7
A review of these forming methods is published on pages 4-95. These forming methods either improve the self-flow characteristics by optimizing the film forming conditions, or improve the reflow shape by heat treatment after the film formation. In either method, there is still room for improvement in terms of flat shape in stepped recesses with wide wiring intervals and prevention of voids.

【0005】これに対し、近年シリコンウェハのミラー
ポリッシュ法を応用した化学的機械研磨(CMP)によ
るグローバル平坦化法が提案されている。この化学的機
械研方法は、一旦形成された被処理基板上の各種段差や
凸部を後処理により確実に平坦化できる方法として有望
視されている。
On the other hand, in recent years, a global flattening method by chemical mechanical polishing (CMP) applying a mirror polishing method for a silicon wafer has been proposed. This chemical mechanical polishing method is considered to be promising as a method capable of surely flattening various steps and protrusions on the substrate once formed by post-treatment.

【0006】図4は一般的な化学的機械研磨装置を示す
概略断面図である。同図において、回転するキャリア1
2に研磨面を下向きにして貼着した被処理基板11は、
これも回転する研磨プレートであるプラテン13と対向
するようにセッティングする。スラリ供給系15からノ
ズル16を経由し、プラテン上のパッド14と称する研
磨布にスラリ17を供給し、被処理基板11を所定圧力
でパッド14に圧着して研磨をおこなう。このときキャ
リア12およびプラテン13の回転数と回転軸の調整を
最適化するとともに、被処理基板に適した研磨粒子とp
H等を有するスラリの選択が1つのポイントとなる。一
例として、酸化シリコン系の層間絶縁膜を研磨する場合
には、シリカ微粒子を懸濁したKOH水溶液等を用いて
化学反応と機械的研磨とを併用した、いわゆるCMP
(Chemical−Mechanical Poli
shing)を施すのである。この方法によれば層間絶
縁膜の平坦化のみならず、配線層等の平坦化も可能とな
る。
FIG. 4 is a schematic sectional view showing a general chemical mechanical polishing apparatus. In the figure, a rotating carrier 1
The substrate 11 to be processed, which is attached to No. 2 with the polishing surface facing downward,
This is also set so as to face the platen 13, which is a rotating polishing plate. The slurry 17 is supplied from the slurry supply system 15 to the polishing cloth called the pad 14 on the platen via the nozzle 16, and the substrate 11 to be processed is pressure-bonded to the pad 14 with a predetermined pressure for polishing. At this time, the number of rotations of the carrier 12 and the platen 13 and the adjustment of the rotation axis are optimized, and the polishing particles and p suitable for the substrate to be processed are adjusted.
One of the points is the selection of a slurry having H and the like. As an example, when polishing a silicon oxide-based interlayer insulating film, a so-called CMP in which a chemical reaction and mechanical polishing are used in combination with a KOH aqueous solution in which silica fine particles are suspended is used.
(Chemical-Mechanical Poli
is performed. According to this method, not only the interlayer insulating film can be flattened, but also the wiring layer and the like can be flattened.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら化学的機
械研磨方法による平坦化法には、実用化に向けて解決す
べき課題が残されている。その一つは平坦化の研磨速度
が小さいことであり、一枚の被処理基板の研磨に10分
以上を要するのが普通である。層間絶縁膜の平坦化にお
いては、下地の配線層等の段差を吸収して厚く堆積した
酸化シリコン系絶縁膜等を研磨することとなるので、研
磨速度の増大によるスループットの向上は重要課題であ
る。
However, the planarization method using the chemical mechanical polishing method still has problems to be solved for practical use. One of them is that the polishing rate for flattening is low, and it usually takes 10 minutes or more to polish one substrate to be processed. In the planarization of the interlayer insulating film, the silicon oxide-based insulating film or the like deposited thickly by absorbing the step difference of the underlying wiring layer or the like is polished, and therefore improvement of throughput by increasing the polishing rate is an important issue. .

【0008】また他の課題として、被処理基板の研磨面
に誘起されるダメージ層の問題がある。すなわち、研磨
速度の増大を意図してキャリアとプラテンの回転速度を
あげたり、研磨圧を増大すると、研磨表面にアモルファ
ス層や変質層が形成される場合がある。また研磨粒子の
硬度が大きすぎる場合にもこれらダメージ層が入る。こ
れら研磨条件の不適合は、いずれも半導体装置の耐圧や
抵抗率等のデバイス特性の劣化につながる。
Another problem is the problem of a damage layer induced on the polished surface of the substrate to be processed. That is, when the rotation speed of the carrier and the platen is increased or the polishing pressure is increased with the intention of increasing the polishing rate, an amorphous layer or an altered layer may be formed on the polished surface. These damage layers also enter when the hardness of the abrasive particles is too high. Any incompatibility of these polishing conditions leads to deterioration of device characteristics such as withstand voltage and resistivity of the semiconductor device.

【0009】これらの問題を解決するため、段差凸部の
層間絶縁膜の厚さ方向の一部を、予めレジストパターン
をマスクにして等方性エッチングにより除去しておき、
この後化学的機械研磨を施す方法が米国特許第4,95
4,459号明細書に開示されている。この方法を図5
を参照して説明する。
In order to solve these problems, a part of the stepped convex portion in the thickness direction of the interlayer insulating film is previously removed by isotropic etching using a resist pattern as a mask.
A method of performing chemical mechanical polishing after this is disclosed in US Pat.
4,459. This method is shown in Figure 5.
Will be described with reference to.

【0010】図示しない半導体基板上の第1の層間絶縁
膜1上に線幅の異なる複数の配線層2をパターニング
し、さらに第2の層間絶縁膜3を厚く形成する。第2の
層間絶縁膜3は面積の広い段差凸部と面積の狭い段差凸
部とが混在しており、この状態のまま研磨すると、特に
面積の広い段差凸部の研磨速度が小さくなり、満足なグ
ローバル平坦化が達成できない。そこで図5(a)に示
すように段差凹部にレジストパターン4を形成し、これ
をマスク図5(b)に示すように段差凸部の層間絶縁膜
の厚さ方向の1部を除去する。レジストパターン4を除
去すると、図5(c)に示すように第2の層間絶縁膜3
は微少突起を残すのみとなる。この微少突起はその体積
はほぼ均一であるので、この図5(c)に示す状態から
研磨を行えば研磨時間の短縮が可能となるとともに、図
5(d)に示すように極めて表面形状にすぐれた平坦化
が達成できるのである。
A plurality of wiring layers 2 having different line widths are patterned on a first interlayer insulating film 1 on a semiconductor substrate (not shown), and a second interlayer insulating film 3 is thickly formed. The second interlayer insulating film 3 has a mixture of large-area stepped protrusions and narrow-area stepped protrusions. If polishing is performed in this state, the polishing speed of a particularly large-area stepped protrusion is reduced, which is satisfactory. Global flattening cannot be achieved. Therefore, as shown in FIG. 5A, a resist pattern 4 is formed in the stepped concave portion, and as shown in FIG. 5B, a part of the stepped convex portion in the thickness direction of the interlayer insulating film is removed. When the resist pattern 4 is removed, the second interlayer insulating film 3 is removed as shown in FIG.
Leaves only small protrusions. Since the volume of the minute protrusions is almost uniform, the polishing time can be shortened by polishing from the state shown in FIG. 5 (c), and the surface shape becomes extremely small as shown in FIG. 5 (d). Excellent flatness can be achieved.

【0011】この従来技術によれば研磨時間は短縮され
るが、レジストパターンの形成、エッチングおよびレジ
ストパターンの除去のプロセスの追加が必要であり、平
坦化プロセス全体のスループットが低下する問題があら
たに発生する。
According to this conventional technique, the polishing time is shortened, but the processes of forming a resist pattern, etching and removing the resist pattern are required to be added, and there is a problem that the throughput of the entire planarization process is lowered. appear.

【0012】そこで本発明の課題は、従来よりも研磨速
度が大きく、被処理基板へダメージを与えることのない
研磨粒子および研磨方法を提供することである。
[0012] Therefore, an object of the present invention is to provide a polishing particle and a polishing method, which have a higher polishing rate than in the past and do not damage the substrate to be processed.

【0013】また本発明の別の課題は、プロセスの複雑
化をともなうことなく、単一の研磨プロセスのみで上記
課題を達成することである。
Another object of the present invention is to achieve the above object by a single polishing process without complicating the process.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明の研磨粒子は上記
の課題を達成するために提案するものであり、第1の材
料からなる粒子表面を、第2の材料で被覆した構造を有
するものである。第1の材料の硬度は、第2の材料の硬
度より小さいことが望ましい。また被処理基板に対して
コンタミネーションフリーな材料であることが望まし
い。このような材料の具体例としては、シリカ粒子表面
をアルミナやシリコンカーバイドで被覆する組み合わせ
が例示できる。
The abrasive particles of the present invention are proposed to achieve the above-mentioned object, and have a structure in which the surface of the particles made of the first material is covered with the second material. Is. The hardness of the first material is preferably lower than the hardness of the second material. Further, it is desirable that the material is contamination-free with respect to the substrate to be processed. A specific example of such a material is a combination in which the surface of silica particles is coated with alumina or silicon carbide.

【0015】また本発明の研磨方法は、上述した研磨粒
子を含むスラリを用いて被処理基板を研磨するものであ
る。スラリの溶媒としては塩基性または酸性水溶液を採
用し、化学反応を併用した化学的機械研磨方法によるこ
とが望ましい。
Further, the polishing method of the present invention is to polish a substrate to be processed using the slurry containing the above-mentioned polishing particles. It is desirable to employ a chemical mechanical polishing method in which a basic or acidic aqueous solution is adopted as a solvent for the slurry and a chemical reaction is also used.

【0016】[0016]

【作用】本発明のポイントは、従来単一材料で構成され
ていた研磨粒子を2重構造とし、第1の材料からなる粒
子表面を、第2の材料で被覆した構造を有する研磨粒子
としたことである。またこの構造を有する研磨粒子を含
むスラリを用いて被処理基板を研磨する点にある。かか
る研磨粒子を用いた研磨方法によれば、研磨初期ないし
中期においては外核の第2の材料による研磨が優先的に
おこなわれ、研磨後期においては内核の第1の材料によ
る研磨が施される。すなわち、研磨の進行にともない外
核の第2の材料が磨耗ないし剥離し、内核の第1の材料
からなる研磨粒子が露出する機構を採用するのである。
The point of the present invention is to use abrasive particles, which are conventionally made of a single material, as a double structure, and the surface of the particles made of the first material is coated with the second material. That is. Another point is to polish a substrate to be processed using a slurry containing abrasive particles having this structure. According to the polishing method using such abrasive particles, the polishing with the second material of the outer core is preferentially performed in the initial or middle stages of polishing, and the polishing with the first material of the inner core is performed in the latter stage of polishing. . That is, as the polishing progresses, the second material of the outer core is worn or peeled off, and the abrasive particles made of the first material of the inner core are exposed.

【0017】この際、外核の第2の材料の硬度が大き
く、内核の第1の材料の硬度がこれよりも小さい研磨粒
子構成を採れば、研磨初期ないし中期における高速の研
磨と、研磨後期における低速ではあるが低ダメージの研
磨とが達成できるのである。
At this time, if the abrasive grain structure is such that the hardness of the second material of the outer core is high and the hardness of the first material of the inner core is lower than this, high-speed polishing in the initial or middle stage of polishing and the latter stage of polishing are performed. It is possible to achieve polishing at low speed but with low damage.

【0018】外核の第2の材料の被覆層の層厚は、研磨
対象である被処理基板の表面材料と研磨厚さ、および研
磨条件にあわせて設定することにより、高品質かつ高ス
ループットの研磨が可能となる。すなわち、単一の研磨
条件設定で目的とする高速・低ダメージの研磨が達成で
き、研磨工程中にスラリ組成や研磨条件を多段階に設定
する必要はない。
The layer thickness of the coating layer of the second material of the outer core is set in accordance with the surface material and the polishing thickness of the substrate to be polished, which is the object of polishing, and the polishing conditions, so that high quality and high throughput can be obtained. Polishing is possible. That is, the desired high-speed and low-damage polishing can be achieved by setting a single polishing condition, and it is not necessary to set the slurry composition and polishing conditions in multiple stages during the polishing process.

【0019】[0019]

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき添付図面
を参照しながら説明する。まず実際の研磨プロセスの説
明に入る前に本発明の研磨粒子について説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Specific embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. First, the abrasive particles of the present invention will be described before starting the description of the actual polishing process.

【0020】図3は本発明による研磨粒子6を示す模式
図である。同図(a)は第1の材料からなる複数の粒子
7が軽度に焼結された集合体を、第2の材料8で囲繞す
るごとく被覆した構成例を示している。本実施例では第
1の材料はシリカ(SiO)または不純物を含むシリ
カであり、その粒径は一例として1〜100nm、望ま
しくは2〜50nmである。外核の第2の材料は本実施
例ではアルミナ(Al3 )であり、その層厚も一
例として1〜100nm、望ましくは2〜50nmであ
る。同図の研磨粒子6は略球形であるが、不定形状であ
ってもよい。また同図では研磨粒子6は第1の粒子7が
複数個包含された構造であるが、1個のみの第1の粒子
7を第2の材料で被覆する構成であってもよい。
FIG. 3 is a schematic view showing abrasive particles 6 according to the present invention. FIG. 3A shows a configuration example in which an aggregate in which a plurality of particles 7 made of a first material is lightly sintered is covered with a second material 8 so as to be surrounded by the aggregate. In this embodiment, the first material is silica (SiO 2 ) or silica containing impurities, and the particle size thereof is, for example, 1 to 100 nm, preferably 2 to 50 nm. The second material of the outer core is alumina (Al 2 O 3 ) in this embodiment, and the layer thickness thereof is, for example, 1 to 100 nm, preferably 2 to 50 nm. Although the abrasive particles 6 in the figure are substantially spherical, they may be indefinite. Further, in the figure, the abrasive particles 6 have a structure in which a plurality of the first particles 7 are included, but the structure may be such that only one first particle 7 is covered with the second material.

【0021】上記構造の研磨粒子は、以下に示す工程で
作成することができる。すなわち、市販のシリカ粒子を
水に懸濁・分散してシリカ粒子の凝集体である2次シリ
カ粒子とする。凝集体のサイズはシリカ粒子の分散条
件、具体的には分散機の攪拌条件と媒質のpH、分散剤
の有無やその種類等により制御可能である。ここに所定
量の塩化アルミニウム(AlCl3 )を溶解し、さらに
水酸化カリウム(KOH)水溶液を添加して水酸化アル
ミニウム〔Al(OH)3 またはAl(OH)3・nH
2 OまたはAlO(OH)〕被膜をシリカ粒子表面に形
成する。次に水酸化アルミニウムにより被覆された2次
シリカ粒子を濾過、水洗および乾燥の工程を経て900
℃〜1500℃程度の非還元性雰囲気中で焼結し、図3
(a)に示す研磨粒子を得る。焼結温度に幅があるのは
シリカ粒子中の不純物濃度や粒径の差に対応するためで
ある。すなわち、シリカ粒子7が相互の接触面で軽度に
融解してブリッジを作り、集合体を形成しうる温度を選
択する。シリカ(SiO2 )の融点は1610℃である
が、不純物を含むものは融点が降下する。また一般的に
微粒子の焼結温度はバルク材料の融点より低いものであ
る。
The abrasive particles having the above structure can be produced by the following steps. That is, commercially available silica particles are suspended and dispersed in water to obtain secondary silica particles which are aggregates of silica particles. The size of the aggregate can be controlled by the dispersion conditions of the silica particles, specifically, the stirring conditions of the disperser, the pH of the medium, the presence or absence of the dispersant, and the type thereof. A predetermined amount of aluminum chloride (AlCl 3 ) is dissolved therein, and an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) is further added to add aluminum hydroxide [Al (OH) 3 or Al (OH) 3 · nH.
2 O or AlO (OH)] coating is formed on the surface of silica particles. Next, the secondary silica particles coated with aluminum hydroxide are filtered, washed with water and dried to obtain 900
Sintered in a non-reducing atmosphere of about ℃ ~ 1500 ℃,
The abrasive particles shown in (a) are obtained. The reason why the sintering temperature varies is that it corresponds to the difference in the impurity concentration in the silica particles and the particle size. That is, the temperature at which the silica particles 7 melt at the contact surface with each other to form a bridge and form an aggregate is selected. The melting point of silica (SiO 2 ) is 1610 ° C., but that containing impurities lowers the melting point. Further, the sintering temperature of the fine particles is generally lower than the melting point of the bulk material.

【0022】一方水酸化アルミニウムは熱処理によりγ
−Al2 3 を経てα−Al2 3となる。なおアルミ
ナ(α−Al2 3 )の融点は2015℃であるが、水
酸化アルミニウム薄膜からの転移温度はこれより大幅に
低い。
On the other hand, aluminum hydroxide has a γ
It becomes α-Al 2 O 3 via -Al 2 O 3 . The melting point of alumina (α-Al 2 O 3 ) is 2015 ° C., but the transition temperature from the aluminum hydroxide thin film is much lower than this.

【0023】図3(a)に示す研磨粒子6は、研磨の進
行とともに外核のアルミナは磨耗ないし剥離し、内核の
シリカ粒子が露出する。シリカ粒子集合体はブリッジに
より弱く焼結しているだけなので、図3(b)に示すよ
うに直ちにもとのシリカ粒子に再分散し、このシリカ粒
子による研磨がおこなわれることとなる。なお、純シリ
カの硬度は7、アルミナの硬度は9である。
In the abrasive particles 6 shown in FIG. 3A, the alumina of the outer core is worn or peeled off as the polishing progresses, and the silica particles of the inner core are exposed. Since the silica particle aggregate is only weakly sintered due to the bridge, it is immediately re-dispersed in the original silica particles as shown in FIG. 3 (b), and polishing by the silica particles is performed. The hardness of pure silica is 7 and the hardness of alumina is 9.

【0024】本発明による研磨粒子は上記のような湿式
沈澱法の他に、TMA(Trimethyl Alum
inium)等の有機アルミニウム化合物を用いたCV
D法や各種PVD法による乾式でも形成することができ
る。シリカ粒子のような粉体に被膜を形成する手法は、
流動床方式として一般的な装置を採用すればよい。
The abrasive particles according to the present invention can be prepared by using TMA (Trimethyl Alum) in addition to the wet precipitation method as described above.
CV using an organoaluminum compound such as
It can also be formed by a dry method such as the D method or various PVD methods. The method of forming a film on powder such as silica particles is
A general device may be adopted as the fluidized bed system.

【0025】実施例1 本実施例は、Al系金属配線上に形成する層間絶縁膜の
平坦化に本発明を用いた例であり、これを図1(a)〜
(b)を参照して説明する。なお、従来の化学的機械研
磨方法の説明に供した図5(a)〜(d)と同じ機能を
もつ部分には同一の参照番号を付すものとする。
Example 1 This example is an example in which the present invention is used for flattening an interlayer insulating film formed on an Al-based metal wiring, which is shown in FIG.
This will be described with reference to (b). It should be noted that parts having the same functions as those shown in FIGS. 5A to 5D, which are used to explain the conventional chemical mechanical polishing method, are designated by the same reference numerals.

【0026】まず図1(a)に示すように、Si等の半
導体基板(図示せず)上にSiO2等の第1の層間絶縁
膜1およびAl系金属等からなる配線層2を形成する。
配線層2はパターン密度や配線幅に分布が見られる。配
線層2の密な部分のラインアンドスペースは一例として
0.35μm、疎な部分のそれは2.0μmである。配
線層の高さはいずれも0.5μmである。つぎにプラズ
マCVDや減圧CVD等により、第2の層間絶縁膜3を
厚く、例えば平坦部分で0.8μmの厚さに形成する。
ここまで形成したサンプルを被処理基板とする。
First, as shown in FIG. 1A, a first interlayer insulating film 1 made of SiO 2 and a wiring layer 2 made of Al-based metal are formed on a semiconductor substrate made of Si or the like (not shown). .
The wiring layer 2 has a distribution in pattern density and wiring width. The line and space of the dense portion of the wiring layer 2 is 0.35 μm, for example, and that of the sparse portion is 2.0 μm. The height of each wiring layer is 0.5 μm. Next, the second interlayer insulating film 3 is formed thick by, for example, plasma CVD or low pressure CVD to have a thickness of 0.8 μm in the flat portion.
The sample thus formed is used as a substrate to be processed.

【0027】つぎに図4に示す一般的な化学的機械研磨
装置を用い、上述の被処理基板11をキャリア12にワ
ックス等を用いて下向きに貼着し、一例として下記条件
で第2の層間絶縁膜3の化学的機械研磨を行った。なお
スラリとしては上述の本発明によるアルミナ被覆シリカ
微子をKOH/エタノール/水系の塩基性溶媒に懸濁し
たものを用いた。 プラテン回転数 50 rpm キャリア回転数 17 rpm 研磨圧力 8 psi パッド温度 30〜40 ℃ スラリ流量 225 ml/分
Next, using the general chemical mechanical polishing apparatus shown in FIG. 4, the above-mentioned substrate 11 to be processed is adhered downward to the carrier 12 by using wax or the like. The insulating film 3 was subjected to chemical mechanical polishing. The slurry used was the above-mentioned alumina-coated silica particles of the present invention suspended in a basic solvent of KOH / ethanol / water system. Platen rotation speed 50 rpm Carrier rotation speed 17 rpm Polishing pressure 8 psi Pad temperature 30-40 ° C. Slurry flow rate 225 ml / min

【0028】この結果、図1(b)に示すように第2の
層間絶縁膜3は平坦に化学的機械研磨された。上記研磨
条件は層間絶縁膜の研磨条件としては一般的なものであ
る。しかし本発明の研磨粒子の採用により、シリカ粒子
のみによる従来法と比較して約3倍の研磨速度が得ら
れ、平坦化表面のダメージは1/10以下であった。第
2の層間絶縁膜の研磨は配線層上で一例として0.2μ
mの厚さを残して終了し、必要に応じてさらにプラズマ
CVDや減圧CVD等で絶縁膜を積み増し、上層配線を
形成する。
As a result, as shown in FIG. 1B, the second interlayer insulating film 3 was flattened by chemical mechanical polishing. The above polishing conditions are common as polishing conditions for the interlayer insulating film. However, by adopting the abrasive particles of the present invention, a polishing rate about 3 times that of the conventional method using only silica particles was obtained, and the damage on the flattened surface was 1/10 or less. The polishing of the second interlayer insulating film is performed on the wiring layer by 0.2 μ as an example.
The process is completed with the thickness of m left, and if necessary, an insulating film is further stacked by plasma CVD, low pressure CVD or the like to form an upper layer wiring.

【0029】実施例2 本実施例は、多層配線のコンタクトプラグ形成プロセス
において、ブランケットCVDにより堆積したW層を研
磨して接続孔内にWを埋め込んだ例であり、これを図2
(a)〜(b)を参照して説明する。
Embodiment 2 This embodiment is an example in which a W layer deposited by blanket CVD is polished and W is embedded in a connection hole in a contact plug forming process of a multilayer wiring.
This will be described with reference to (a) and (b).

【0030】まず図1(a)に示すように、Si等の半
導体基板(図示せず)上にSiO2 等の第1の層間絶縁
膜1およびAl系金属等からなる配線層2を形成する。
次にSiO2 等からなる第2の層間絶縁膜3を形成し、
ここに配線層2に臨む接続孔を開口する。なお接続孔の
開口径は一例として0.35μm、深さは0.7μmで
ある。この後、接続孔を埋めるごとく一般的なブランケ
ットCVDによりWからなる高融点金属層5を形成す
る。高融点金属層5の厚さは第2の層間絶縁膜3の平坦
部上で例えば0.5μmである。なお、必要に応じT
i、TiNやTiON等の密着層やバリアメタル層をス
パッタリング等で形成した後、高融点金属層5を形成し
てもよい。高融点金属層は柱状組織として成長するもの
であり、その表面は粗面である。また接続孔上部には成
長面の合わせ目であるシームと呼ばれる凹部がみられ
る。ここまで形成した試料を被処理基板とする。
First, as shown in FIG. 1A, a first interlayer insulating film 1 such as SiO 2 and a wiring layer 2 made of Al-based metal or the like are formed on a semiconductor substrate (not shown) such as Si. .
Next, a second interlayer insulating film 3 made of SiO 2 or the like is formed,
A connection hole facing the wiring layer 2 is opened here. The opening diameter of the connection hole is 0.35 μm and the depth is 0.7 μm, for example. After that, the refractory metal layer 5 made of W is formed by general blanket CVD so as to fill the connection hole. The refractory metal layer 5 has a thickness of, for example, 0.5 μm on the flat portion of the second interlayer insulating film 3. If necessary, T
The refractory metal layer 5 may be formed after forming an adhesion layer such as i, TiN or TiON or a barrier metal layer by sputtering or the like. The refractory metal layer grows as a columnar structure, and its surface is rough. In addition, a recess called a seam, which is a seam of the growth surface, is seen above the connection hole. The sample thus formed is used as a substrate to be processed.

【0031】つぎに同じく図2に示す化学的機械研磨装
置を用い、上述の被処理基板11をキャリア12にワッ
クス等を用いて下向きに貼着し、一例として下記条件で
高融点金属層5の化学的機械研磨を行った。なおスラリ
としては上述のアルミナ被覆シリカ微子を希フッ酸/エ
タノール/水系の弱酸性溶媒に懸濁したものを用いた。 プラテン回転数 50 rpm キャリア回転数 17 rpm 研磨圧力 10 psi パッド温度 30〜40 ℃ スラリ流量 225 ml/分
Next, using the chemical mechanical polishing apparatus also shown in FIG. 2, the above-mentioned substrate 11 to be processed is adhered downward to the carrier 12 using wax or the like, and as an example, the refractory metal layer 5 is formed under the following conditions. Chemical mechanical polishing was performed. The slurry used was a suspension of the above-mentioned alumina-coated silica particles in a dilute hydrofluoric acid / ethanol / water weak acidic solvent. Platen rotation speed 50 rpm Carrier rotation speed 17 rpm Polishing pressure 10 psi Pad temperature 30-40 ° C. Slurry flow rate 225 ml / min

【0032】この結果、図1(b)に示すように高融点
金属層5および第2の層間絶縁膜3の接続孔近傍の緩や
かな凸部は平坦に化学的機械研磨され、Wの埋め込みプ
ラグが形成された。上記研磨条件はW等高融点金属層の
研磨条件としては一般的なものである。しかし本発明の
研磨粒子の採用によりシリカ粒子のみによる従来法と比
較して約3倍の研磨速度が達成され、Wプラグや第2の
層間絶縁膜3の加工変質は1/10以下であった。この
後、Al系金属等をスパッタリングで形成し、上層配線
層を形成する。本実施例ではブランケットCVDによる
高融点金属層5の研磨を例示したが、選択CVDによる
高融点金属層の研磨であってもよい。特に深さの異なる
複数の接続孔内に同時に選択成長した場合、浅い接続孔
部分のネイルヘッドと呼称されるオーバーグロース部分
を除去する場合に好結果が得られる。本実施例によれ
ば、上層配線は平坦面上に形成することとなるので精度
の高いパターニングが可能である。またWプラグにダメ
ージが入らないので、低抵抗のコンタクトプラグを得る
ことができる。
As a result, as shown in FIG. 1 (b), the gentle protrusions in the vicinity of the contact holes of the refractory metal layer 5 and the second interlayer insulating film 3 are flattened by chemical mechanical polishing, and the buried plug of W is plugged. Was formed. The above polishing conditions are common as the polishing conditions for the refractory metal layer such as W. However, by adopting the polishing particles of the present invention, a polishing rate about three times that of the conventional method using only silica particles was achieved, and the process deterioration of the W plug and the second interlayer insulating film 3 was 1/10 or less. . After that, an Al-based metal or the like is formed by sputtering to form an upper wiring layer. Although the refractory metal layer 5 is polished by blanket CVD in this embodiment, the refractory metal layer may be polished by selective CVD. Particularly, when selective growth is simultaneously performed in a plurality of connection holes having different depths, good results are obtained when removing an overgrowth portion called a nail head of a shallow connection hole portion. According to this embodiment, since the upper layer wiring is formed on the flat surface, highly accurate patterning is possible. Further, since the W plug is not damaged, a low resistance contact plug can be obtained.

【0033】以上、本発明を2例の実施例をもって説明
したが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるもので
はない。
Although the present invention has been described with reference to the two examples, the present invention is not limited to these examples.

【0034】研磨粒子の内核を構成する第1の材料とし
てSiO2 を例示したが、PやB等不純物を含むSiO
2 や他の材料であってもよい。外核を構成する第2の材
料は、Al2 3 以外にSialon(SiAlx y
z 、硬度8)、Spinel(MgAlO4 、硬度
7.5〜8)、Zircon(ZrSiO4 、硬度7.
5)、SiC(硬度9.5)やダイアモンド状炭素(硬
度10)等、内核の第1の材料より硬度の大きな材料を
選択して用いることができる。
Although SiO 2 has been exemplified as the first material constituting the inner core of the polishing particles, SiO containing impurities such as P and B is used.
2 or other material may be used. The second material forming the outer core is Sialon (SiAl x O y) in addition to Al 2 O 3.
N z , hardness 8), Spinel (MgAlO 4 , hardness 7.5-8), Zircon (ZrSiO 4 , hardness 7.
5), SiC (hardness 9.5), diamond-like carbon (hardness 10) and the like, a material having a hardness higher than that of the first inner core material can be selected and used.

【0035】被処理基板として半導体装置のSiO2
らなる層間絶縁膜およびW等高融点金属層の平坦化を例
示したが、PSG、BSG、BPSG、AsSG等のシ
リケートガラスやSiON、Si3 4 等の絶縁膜の平
坦化であってもよい。また素子間分離やDRAMのキャ
パシタセルを構成するトレンチへの絶縁材料、誘電材料
やPoly−Siの埋め込み平坦化に応用してもよい。
さらに配線層としてのAl系金属層、Poly−Si
層、W以外の高融点金属層あるいは高融点金属シリサイ
ド層等の平坦化に用いてもよい。本発明の化学的機械研
磨装置は、化学反応を伴わないSiやGaAs等半導体
基板等のミラーポリッシュに用いることも可能である。
半導体プロセス以外にも光導波路等各種光学デバイス
や、薄膜磁気ヘッドの平坦化プロセスに利用することも
可能である。
The flattening of the interlayer insulating film made of SiO 2 and the refractory metal layer such as W as the substrate to be processed has been exemplified, but silicate glass such as PSG, BSG, BPSG and AsSG, SiON and Si 3 N 4 are used. It may be flattening of the insulating film. Further, it may be applied to isolation between elements and flattening by embedding an insulating material, a dielectric material or Poly-Si in a trench forming a capacitor cell of DRAM.
Furthermore, an Al-based metal layer as a wiring layer, Poly-Si
The layer, the refractory metal layer other than W, the refractory metal silicide layer, or the like may be used for planarization. The chemical mechanical polishing apparatus of the present invention can also be used for mirror polishing of semiconductor substrates such as Si and GaAs that do not undergo a chemical reaction.
In addition to the semiconductor process, it can also be used for various optical devices such as an optical waveguide and a flattening process of a thin film magnetic head.

【0036】溶媒としてKOH/エタノール/水系溶媒
と希フッ酸/エタノール/水系の組み合わせを例示した
が、ヒドラジンや各種有機アミン類等の塩基性の溶媒
や、バッファードフッ酸(BHF)等酸性溶媒を被処理
基板に合わせて選択してよい。Al系金属層の平坦化に
はH3 PO4 /H2 2 系の溶媒が、またW層の平坦化
には先述した溶媒の他にH2 2 /KOH系の溶媒が好
適である。
As the solvent, a combination of KOH / ethanol / water-based solvent and dilute hydrofluoric acid / ethanol / water-based solvent has been exemplified. Basic solvents such as hydrazine and various organic amines, and acidic solvents such as buffered hydrofluoric acid (BHF). May be selected according to the substrate to be processed. H 3 PO 4 / H 2 O 2 -based solvent is suitable for flattening the Al-based metal layer, and H 2 O 2 / KOH-based solvent is suitable for flattening the W layer in addition to the above-mentioned solvent. .

【0037】[0037]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば第1の材料からなる粒子表面を、これより硬度
の大きい第2の材料により被覆した構造の研磨粒子を含
むスラリを用いて研磨ないし化学的機械研磨することに
より、研磨開始初期から中期にかけての高速研磨と、研
磨後期における低ダメージの研磨を両立することが可能
となる。この効果は研磨条件を多段階に設定したり、研
磨粒子やスラリ濃度を変更しつつ行う多段階研磨の必要
がないので、通常の研磨装置を用いて1段階で達成する
ことができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, a slurry containing abrasive particles having a structure in which the surface of the particle made of the first material is covered with the second material having a hardness higher than that of the particle is used. Polishing or chemical mechanical polishing makes it possible to achieve both high-speed polishing from the initial stage to the middle stage of polishing and low-damage polishing in the latter stage of polishing. This effect can be achieved in one step by using an ordinary polishing apparatus, because it is not necessary to set the polishing conditions in multiple steps or to change the polishing particle and slurry concentrations while performing multi-step polishing.

【0038】以上の効果により、多層配線構造の採用に
より高段差が発生した半導体装置の表面平坦化プロセス
のスループット向上とダメージの低減が同時に達成され
ることとなり、本発明が高集積化された半導体装置等の
製造プロセスに寄与する効果は極めて大きい。
By virtue of the above effects, the improvement of the throughput and the reduction of damage in the surface flattening process of the semiconductor device in which the high level difference is generated by the adoption of the multi-layer wiring structure are achieved at the same time, and the semiconductor in which the present invention is highly integrated. The effect of contributing to the manufacturing process of devices and the like is extremely large.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例の研磨方法を説明する概
略断面図であり、(a)は複数の配線層上に形成した層
間絶縁膜に段差が発生した状態、(b)は層間絶縁膜を
平坦化した状態である。
1A and 1B are schematic cross-sectional views illustrating a polishing method according to a first embodiment of the present invention, where FIG. 1A is a state in which a step is formed in an interlayer insulating film formed on a plurality of wiring layers, and FIG. This is a state in which the interlayer insulating film is flattened.

【図2】本発明の第2の実施例の研磨方法を説明する概
略断面図であり、(a)は配線層に臨む接続孔を有する
第2の層間絶縁膜上に高融点金属層を形成した状態、
(b)は高融点金属層を平坦化した状態である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a polishing method according to a second embodiment of the present invention, in which (a) shows a refractory metal layer formed on a second interlayer insulating film having a connection hole facing a wiring layer. State,
(B) is a state in which the refractory metal layer is flattened.

【図3】本発明の研磨粒子を示す模式図であり、(a)
は第1の材料からなる粒子を第2の材料により被覆した
状態、(b)は研磨の進行にともない第1の材料からな
る粒子が露出した状態である。
FIG. 3 is a schematic view showing abrasive particles of the present invention, (a)
Shows a state in which the particles made of the first material are coated with the second material, and FIG. 9B shows a state in which the particles made of the first material are exposed as the polishing progresses.

【図4】一般的な化学的機械研磨装置を示す概略断面図
である。
FIG. 4 is a schematic sectional view showing a general chemical mechanical polishing apparatus.

【図5】従来の化学的機械研磨方法を説明する概略断面
図であり、(a)は複数の配線層上に形成した層間絶縁
膜に段差が発生した状態、(b)は層間絶縁膜の段差凹
部上にレジストパターンを形成した状態、(c)はレジ
ストパターンをマスクに層間絶縁膜の段差凸部をエッチ
ング除去した状態、(d)は層間絶縁膜を化学的機械研
磨により平坦化した状態である。
5A and 5B are schematic cross-sectional views illustrating a conventional chemical mechanical polishing method, in which FIG. 5A is a state in which a step is formed in an interlayer insulating film formed on a plurality of wiring layers, and FIG. A state where a resist pattern is formed on the stepped concave portion, (c) a state where the stepped convex portion of the interlayer insulating film is removed by etching using the resist pattern as a mask, and (d) a state where the interlayer insulating film is planarized by chemical mechanical polishing. Is.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 第1の層間絶縁膜 2 配線層 3 第2の層間絶縁膜 4 レジストパターン 5 高融点金属層 6 研磨粒子 7 第1の材料からなる粒子 8 第2の材料 11 被処理基板 12 キャリア 13 プラテン 14 パッド 15 スラリ供給系 16 ノズル 17 スラリ 1 First Interlayer Insulating Film 2 Wiring Layer 3 Second Interlayer Insulating Film 4 Resist Pattern 5 Refractory Metal Layer 6 Abrasive Particles 7 Particles Made of First Material 8 Second Material 11 Target Substrate 12 Carrier 13 Platen 14 Pad 15 Slurry supply system 16 Nozzle 17 Slurry

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1の材料からなる粒子を、第2の材料
で被覆した構造を有する研磨粒子。
1. Abrasive particles having a structure in which particles made of a first material are coated with a second material.
【請求項2】 第1の材料の硬度は、第2の材料の硬度
より小さいことを特徴とする、請求項1記載の研磨粒
子。
2. The abrasive particles according to claim 1, wherein the hardness of the first material is smaller than the hardness of the second material.
【請求項3】 段差を有する被処理基板表面を平坦化す
る研磨方法において、第1の材料からなる粒子を、第2
の材料で被覆した構造を有する研磨粒子を含むスラリを
用いて研磨することを特徴とする研磨方法。
3. In a polishing method for flattening a surface of a substrate to be processed having a step, particles made of a first material are mixed with a second material.
A polishing method comprising polishing with a slurry containing abrasive particles having a structure coated with the above material.
【請求項4】 段差を有する被処理基板表面を平坦化す
る研磨方法において、第1の材料からなる粒子を、第2
の材料で被覆した構造を有する研磨粒子を含むスラリを
用いて化学的機械研磨することを特徴とする研磨方法。
4. In a polishing method for flattening a surface of a substrate to be processed having a step, particles made of a first material are mixed with a second material.
A chemical mechanical polishing method using a slurry containing abrasive particles having a structure coated with the above material.
JP32071494A 1994-04-21 1994-12-22 Polishing particle and polishing method Pending JPH088218A (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5786275A (en) * 1996-06-04 1998-07-28 Nec Corporation Process of fabricating wiring structure having metal plug twice polished under different conditions
KR100509816B1 (en) * 2002-06-11 2005-08-24 동부아남반도체 주식회사 Method for self planarizating by using a mixed slurry
US7375401B2 (en) 1996-02-23 2008-05-20 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Static random access memory using thin film transistors

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