JPH10135163A - 半導体基板上の金属膜研磨用組成物及びこれを使用した半導体基板上の金属膜の平坦化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体基板に於ける金属膜に対し高速研磨能
を有すると共に、優れた金属膜／絶縁膜の研磨選択性を
有する研磨用組成物を提供する。 【解決手段】 （Ａ）平均粒子径が３μ以下の酸化セリ
ウム又は酸化セリウムを主成分とする金属酸化物よりな
る研磨材、および（Ｂ）酸化剤よりなる研磨用組成物を
用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体基板上に形成
された金属膜を、欠陥を発生させずに高速に研磨し、し
かも金属膜／絶縁膜の研磨選択性に優れ、絶縁膜表面の
欠陥の発生を抑制し得る研磨用組成物、ならびにかかる
研磨用組成物を用い半導体基板上に形成された金属膜を
平坦化する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ技術の急速な進展により、集積回
路はますます微細化や多層配線化の傾向にある。集積回
路に於ける多層配線化は半導体表面の凹凸を極めて大き
くし、かかる凹凸による段差の存在が、配線の段切れや
抵抗値の増大を招き、集積回路の微細化とも相まって断
線や電流容量の低下、エレクトロマイグレーションの発
生などをもたらし、歩留まりの低下や信頼性上の問題を
きたす原因となっている。この為、多層配線基板におけ
る金属配線や層間絶縁膜を平坦化し、各層間の凹凸を無
くす平坦化技術が必要となってきている。平坦化加工技
術は種々開発されてきており、その一つにＣＭＰ（ケミ
カルメカニカルポリッシング）技術がある。この技術は
半導体製造において、層間絶縁膜の平坦化、埋め込み配
線形成、プラグ形成等に必要となる技術である。

【０００３】ＣＭＰは、通常半導体材料からなる平坦な
ウェハーを、湿ったポリッシングパッドに対して下方に
一定の圧力を掛けながら保持し、ポリッシングパッドを
貼り付けたポリッシングプラテンおよびウェハーを保持
したウェハーキャリアーが各々回転することにより行わ
れる。またこの時ウェハーとポリッシングパットの間に
導入される研磨材により、配線や絶縁膜の凸部を研磨し
平坦化を行う。導入される研磨材の材質・粒度・添加剤
などにより研磨速度や研磨面の表面状態が大きく影響さ
れる。

【０００４】図１に従来のＣＭＰ技術を用いた埋め込み
金属配線の形成の一例（断面図）を示す。まずはじめに
図１（Ａ）のようにシリコン基板等の半導体基板１上
に、絶縁膜２を形成しこれを平坦化する。絶縁膜用の研
磨材組成物としては、コロイダルシリカにＫＯＨ等のア
ルカリ性成分を混合したものや、酸化セリウムなどが一
般に用いられる。次に図１（Ｂ）に示すようにフォトリ
ソグラフィー法およびエッチング法で、絶縁膜２に金属
配線用の溝、あるいは接続配線用の開口部を形成する。
次に図１（Ｃ）に示すように絶縁膜２に形成した溝ある
いは開口部に埋め込んだ金属膜とシリコン基板との接触
抵抗を低下させる目的で、更には金属膜と絶縁膜が相互
拡散や反応をしないように、スパッタリングやＣＶＤ等
の方法により、チタニウムＴｉ等よりなるコンタクトメ
タル層３や窒化チタニウムＴｉＮ等よりなるバリヤーメ
タル層４を形成する。次に図１（Ｄ）に示すように絶縁
膜２に形成した溝あるいは開口部に厚みが絶縁膜２に形
成した溝や開口部の高さ以上となるように、配線用の金
属膜５を埋め込む。金属膜として、タングステンＷ、ア
ルミニウムＡｌ、銅Ｃｕ等が用いられる。次に図１
（Ｅ）に示すように溝または開口部以外の余分な金属膜
を研磨により取り除く。金属膜の研磨には、酸化アルミ
ニウム又は酸化ケイ素の研磨材に水と過酸化水素等の酸
化剤よりなる研磨用組成物が使用されている。

【０００５】金属膜５の研磨材として酸化アルミニウ
ム、例えば結晶形がα型の酸化アルミニウムを用いた場
合には硬度が高く、高い研磨速度を示す反面、金属膜５
や絶縁膜２の表面にマイクロスクラッチやオレンジピー
ル等の欠陥を発生させるとの不都合が生じる。他方α型
に比べ軟らかいγ型等の酸化アルミニウム（遷移アルミ
ナ）や非晶質の酸化アルミニウムや酸化ケイ素を用いた
場合では、金属膜５や絶縁膜２の表面にマイクロスクラ
ッチやオレンジピール等の欠陥の発生を抑えることはで
きるものの、金属膜５の研磨に際して十分な研磨速度が
得られないとの不都合が生じる。

【０００６】酸化セリウムを主成分とする研磨用組成物
は絶縁膜用の研磨材として広く知られている。特表平７
−５０２７７８号公報には、約３０〜５０重量％の酸化
セリウム、約８〜２０重量％のヒュームドシリカ、約１
５〜４５重量％の沈殿シリカから成る、ｐＨ４〜１２の
研磨用組成物が開示されており、絶縁膜の研磨に使用さ
れる他、タングステン等の金属膜の研磨に用いられうる
ことが記されているが、これら公知の酸化セリウム含有
研磨用組成物を金属膜の研磨用組成物として適用するこ
とは、絶縁膜に対する研磨速度が大きく、金属膜／絶縁
膜の研磨選択性が不良であるとの問題があった。さらに
特開平８−１５３６９６号公報には、Ｎａ等不純物含有
量の少ない酸化セリウムを用いて、ｐＨ３〜１４の中性
でない領域で、有機・無機絶縁膜の研磨用組成物として
適用することが開示されているが、半導体基板上の金属
膜に対して適用することについては教示されていない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】半導体製造工程におけ
る金属膜の平坦化方法において、従来の研磨材を用いた
研磨では、研磨面に欠陥が発生する、研磨速度が遅い、
金属膜／絶縁膜の研磨選択性が悪い等の問題があった。
本発明の課題は、半導体基板上に形成された金属膜を欠
陥を発生させずに高速に研磨し、しかも金属膜／絶縁膜
の研磨選択性にも優れ、絶縁膜表面の欠陥の発生をも抑
え、研磨後の基板表面を平滑にし得る研磨用組成物、な
らびにかかる研磨用組成物を用い半導体基板上に形成さ
れた金属膜の平坦化方法を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は
（Ａ）平均粒子径が３μｍ以下の酸化セリウム又は酸化
セリウムを主成分とする金属酸化物よりなる研磨材、お
よび（Ｂ）酸化剤より成ることを特徴とする半導体基板
上の金属膜研磨用組成物を提供するにある。

【０００９】更に本発明は、半導体基板上に形成された
金属膜を、（Ａ）平均粒子径が３μｍ以下の酸化セリウ
ム又は酸化セリウムを主成分とする金属酸化物よりなる
研磨材、および（Ｂ）酸化剤より成る研磨用組成物のス
ラリーを用い、ｐＨ７以下で研磨することを特徴とする
半導体基板上の金属膜の平坦化方法を提供するものであ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の半導体基板上の金属膜研
磨用組成物は、水と研磨材と酸化剤を必須成分とするも
のであり、本発明に用いる研磨材は、光散乱法（マイク
ロトラック）により測定した平均粒子径（平均二次粒子
径）が約３μｍ以下、好ましくは約０．２〜約１．５μ
ｍの酸化セリウム又は酸化セリウムを主成分とする金属
酸化物を用いる。研磨材の平均粒子径が約３μｍより大
きいと研磨面にスクラッチやオレンジピール等の欠陥が
生じる。酸化セリウムを主成分とする金属酸化物とは、
酸化セリウムを約５０重量％以上、好ましくは約６０重
量％以上有するものである。酸化セリウムの量がこれよ
り少ない場合、例えば４０重量％或いは３０重量％に於
いても研磨効果はあるが、研磨速度は遅くなる。

【００１１】本発明に用いられる酸化セリウム以外の金
属酸化物としては、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸
化チタンあるいは酸化ジルコニウムから選ばれた少なく
とも一種の酸化物であり、好ましくは酸化アルミニウム
の結晶形が遷移アルミナ（結晶形：γ, δ, θ, κ, σ
型）或いは非晶質のものが推奨される。遷移アルミナを
用いた場合には研磨後の研磨面の状態が極めて良好とな
る。しかしα型の酸化アルミニウムが混入すると、研磨
面に欠陥が発生するとの不都合を生じる場合がある。当
該金属酸化物の製法としては、公知の方法が適用できる
が、例えば金属アルコキシドをアルコール中で加水分解
するアルコキシド法、金属化合物を気化させ酸水素炎中
で燃焼加水分解する気相法等を挙げることができる。

【００１２】本発明の酸化セリウムを主成分とする研磨
材は、酸化セリウム粉末と金属酸化物粉末を乾式又は湿
式で均一混合することにより製造することができる。本
発明の酸化セリウムの製法として、例えばセリウム塩化
物を原料とした乾燥酸化法、空気酸化法、塩素法、リン
酸塩を原料としたリン酸塩法、バストネサイト鉱石原料
とする製造方法等公知の方法が挙げられる。酸化セリウ
ム粉末としては市販されているものも用いることがで
き、例えばフジミインコーポレーテッド製のレミロック
ス（商品名）やローヌプーラン社製のＯＰＡＬＩＮＥ
（商品名）等の酸化セリウムが挙げられる。

【００１３】本発明の半導体基板上の金属膜研磨用組成
物において、スラリーのｐＨは約７以下、好ましくは約
５以下、より好ましくは約４以下で用いる。スラリーｐ
Ｈが７を越えると、研磨後の金属膜の表面状態が悪化す
るとの不都合を生じる。スラリーのｐＨは、添加する酸
化剤の種類、量に依存するが、当該酸化剤が安定なｐＨ
領域において、公知の酸、アルカリ成分によりｐＨを調
整することが可能である。

【００１４】本発明の半導体基板上の金属膜研磨用組成
物において酸化剤は必須である。酸化剤を添加すること
により難削性の金属膜の表面を酸化しながら研磨し研磨
速度を向上させることができる。用いられる酸化剤とし
ては公知の酸化剤、例えば過酸化水素、硝酸鉄、沃素
酸、沃素酸塩等が挙げられ、好ましくは過酸化水素及び
硝酸鉄が挙げられる。添加量としては金属膜研磨用組成
物に対して約０．５重量％または容量％〜約１５重量％
または容量％の範囲で添加するのが望ましい。また添加
の時期であるが、酸化剤の変質等が無ければ特に制限を
受けないが、研磨直前に添加するのが望ましい。

【００１５】当該研磨材を半導体基板上に形成された金
属膜の平坦化に用いる場合には、当該研磨材と酸化剤を
水に分散させた研磨用組成物としてスラリー状で用い
る。酸化剤が溶液状である場合は必ずしも水を必要とし
ない。研磨用組成物の形成は研磨材と酸化剤および水を
同時に混合・分散してもよいし、研磨材と水、研磨材と
酸化剤、酸化剤と水を予め混合しておいた後、研磨組成
物として研磨適用時に不足する他の成分を混合し、分散
使用することもできる。 スラリーにする分散方法とし
ては、例えば、ホモジナイザー、超音波、湿式媒体ミル
等による分散方法が挙げられる。スラリー濃度（研磨用
組成物中の研磨材含有量）としては通常約１〜３０重量
％で用いられる。本発明の研磨用組成物には必要に応じ
て分散剤、沈降防止剤および消泡剤等の公知の添加剤を
添加して使用することも勿論可能である。

【００１６】このようにして調整された本発明の研磨用
組成物は半導体基板上に形成された金属膜の平坦化に適
用される。この場合の研磨用組成物のスラリーｐＨは、
通常約７以下、好ましくは約５以下で使用される。研磨
対象となる半導体基板上の金属膜は、特に制限されない
が、例えば、タングステンＷ，アルミニウムＡｌ, 銅Ｃ
ｕ，チタニウムＴｉやこれらの合金等の公知の配線、プ
ラグ用、コンタクトメタル用の金属膜が挙げられる。

【００１７】

【発明の効果】以上詳述した本発明によれば、酸化セリ
ウム又は酸化セリウムを主成分とする金属酸化物に酸化
剤を混合し、このスラリーのｐＨを約７以下、普通には
約５以下に調整して用いるという簡単な方法で、高速で
金属膜を研磨し得ると共に金属膜／絶縁膜の研磨選択性
に優れた半導体基板用の金属膜研磨用組成物となること
を見い出したものであり、半導体基板上の金属膜の研磨
は勿論のこと、磁気デイスク基板や金属の表面処理用の
研磨用組成物としても適用可能でその産業上における利
用価値は頗る大なるものである。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を実施例を挙げて説明するが、
本発明はこれらによって制限されるものではない。尚、
本発明に於ける測定は以下の方法により実施した。

【００１９】平均粒子径（平均二次粒子径）：マイクロ
トラックＭＫＩＩ粒度分析計（ＳＰＡモデル７９９７−
２０ 日機装株式会社製）により累積５０％径を測定し
た。

【００２０】実施例１ 平均粒子径０．３μｍの酸化セリウム粉末９ｇを水１４
１ｇに分散させ６重量％の研磨スラリー１５０ｇを得、
このスラリーに酸化剤として硝酸鉄九水和物の１０重量
％水溶液１５０ｇを混合し（混合比１：１、スラリー濃
度３重量％、ｐＨ＝１．１）、タングステン膜、チタニ
ウム膜及びシリコン酸化膜の研磨した。タングステン膜
およびチタニウム膜の場合、膜厚約０．８μｍの膜を加
工圧力３００ｇ／ｃｍ² 、定盤回転数２００ｒｐｍの条
件下で、研磨布にＳＵＢＡ８００（商品名、ロデール
社）を用いて行った。一方シリコン酸化膜の場合、膜厚
約１μｍの膜を加工圧力３００ｇ／ｃｍ² 、定盤回転数
１４０ｒｐｍの条件下で、研磨布にＳＵＢＡ８００（商
品名、ロデール社）を用いて行った。測定条件を表１、
測定結果を表２に示す。

【００２１】実施例２ 平均粒子径２．５μｍの酸化セリウム粉末（商品名：レ
ミロックス、フジミインコーポレーテッド製）９ｇを用
いて実施例１と同様の方法で研磨スラリー１５０ｇを
得、このスラリーに酸化剤として硝酸鉄九水和物の１０
重量％水溶液１５０ｇを混合し（混合比１：１、スラリ
ー濃度３重量％、ｐＨ＝１．１）、実施例１と同条件で
タングステン膜、チタニウム膜及びシリコン酸化膜を研
磨した。測定条件を表１、測定結果を表２に示す。

【００２２】実施例３ 実施例２と同じ酸化剤添加前のスラリー１５０ｇに、酸
化剤として３０％過酸化水素水を９７．０５ｇ、水を５
２．９５ｇ（過酸化水素添加量約１０容量％、スラリー
濃度３重量％）を混合し、硝酸によりｐＨを３．８に調
整後、実施例１と同条件でタングステン膜、チタニウム
膜及びシリコン酸化膜を研磨した。測定条件を表１、測
定結果を表２に示す。

【００２３】実施例４ 実施例２と同じ酸化剤添加前のスラリー１５０ｇに、酸
化剤として３０％過酸化水素水を９７．０５ｇ、水を５
２．９５ｇ（過酸化水素添加量約１０容量％、スラリー
濃度３重量％）を混合し、アンモニア水によりｐＨを
７．０に調整後、実施例１と同条件でタングステン膜、
チタニウム膜及びシリコン酸化膜を研磨した。測定条件
を表１、測定結果を表２に示す。

【００２４】実施例５ 平均粒子径０．４０μｍのγ−アルミナ粉末３．６ｇ
に、平均粒子径０．３μｍの酸化セリウム粉末５．４ｇ
（酸化セリウム含有量６０重量％）混合し、この混合粉
末９ｇを用いた他は実施例１と同様の方法で研磨スラリ
ー１５０ｇを得、このスラリーに酸化剤として硝酸鉄九
水和物の１０重量％水溶液１５０ｇを混合し（混合比
１：１、スラリー濃度３重量％、ｐＨ＝１．１）、実施
例１と同条件でタングステン膜、チタニウム膜及びシリ
コン酸化膜を研磨した。測定条件を表１、測定結果を表
２に示す。

【００２５】実施例６ 平均粒子径０．４０μｍのγ−アルミナ粉末４．５ｇ
に、平均粒子径０．３μｍの酸化セリウム粉末４．５ｇ
（酸化セリウム含有量５０重量％）混合し、この混合粉
末９ｇを用いた他は実施例１と同様の方法で研磨スラリ
ー１５０ｇを得、このスラリーに酸化剤として硝酸鉄九
水和物の１０重量％水溶液１５０ｇを混合し（混合比
１：１、スラリー濃度３重量％、ｐＨ＝１．１）、実施
例１と同条件でタングステン膜、チタニウム膜及びシリ
コン酸化膜を研磨した。測定条件を表１、測定結果を表
２に示す。

【００２６】比較例１ 実施例２と同じ酸化剤添加前のスラリー１５０ｇに、酸
化剤として３０％過酸化水素水を９７．０５ｇ、水を５
２．９５ｇ（過酸化水素添加量約１０容量％、スラリー
濃度３重量％）を混合し、アンモニア水によりｐＨを
９．０に調整後、実施例１と同条件でタングステン膜、
チタニウム膜及びシリコン酸化膜を研磨した。測定条件
を表１、測定結果を表２に示す。

【００２７】比較例２ 平均粒子径３．５μｍの酸化セリウム粉末９ｇを用いて
実施例１と同様の方法で研磨スラリー１５０ｇを得、こ
のスラリーに酸化剤として硝酸鉄九水和物の１０重量％
水溶液１５０ｇを混合し（混合比１：１、スラリー濃度
３重量％、ｐＨ＝１．１）、実施例１と同条件でタング
ステン膜、チタニウム膜及びシリコン酸化膜を研磨し
た。測定条件を表１、測定結果を表２に示す。

【００２８】比較例３ 平均粒子径０．４０μｍのγ−アルミナ粉末７．２ｇ
に、平均粒子径０．３μｍの酸化セリウム粉末１．８ｇ
（酸化セリウム含有量２０重量％）混合し、この混合粉
末を用いた他は実施例１と同様の方法で研磨スラリー１
５０ｇを得、このスラリーに酸化剤として硝酸鉄九水和
物の１０重量％水溶液１５０ｇを混合し（混合比１：
１、スラリー濃度３重量％、ｐＨ＝１．１）、実施例１
と同条件でタングステン膜、チタニウム膜及びシリコン
酸化膜を研磨した。測定条件を表１、測定結果を表２に
示す。

【００２９】比較例４ 平均粒子径０．３μｍの酸化セリウム粉末９ｇを水２９
１ｇに分散させ３重量％の研磨スラリー３００ｇを得、
硝酸によりｐＨを１．２に調整後、実施例１と同条件で
タングステン膜、チタニウム膜及びシリコン酸化膜を研
磨した。測定条件を表１、測定結果を表２に示す。

【００３０】比較例５ 平均粒子径２．５μｍの酸化セリウム粉末（商品名：レ
ミロックス、フジミインコーポレーテッド製）９ｇを水
２９１ｇに分散させ３重量％の研磨スラリー３００ｇを
得、硝酸によりｐＨを３．８に調整後、実施例１と同条
件でタングステン膜、チタニウム膜及びシリコン酸化膜
を研磨した。測定条件を表１、測定結果を表２に示す。

【００３１】比較例６ 平均粒子径０．４０μｍのγ−アルミナ９ｇを用いて実
施例１と同様の方法で研磨スラリーを得、このスラリー
に酸化剤として硝酸鉄九水和物の１０重量％水溶液１５
０ｇを混合し（混合比１：１、スラリー濃度３重量％、
ｐＨ＝１．１）、実施例１と同条件でタングステン膜、
チタニウム膜及びシリコン酸化膜を研磨した。測定条件
を表１、測定結果を表２に示す。

【００３２】比較例７ 平均粒子径０．３９μｍのα−アルミナ９ｇを用いて実
施例１と同様の方法で研磨スラリーを得、このスラリー
に酸化剤として硝酸鉄九水和物の１０重量％水溶液１５
０ｇを混合し（混合比１：１、スラリー濃度３重量％、
ｐＨ＝１．１）、実施例１と同条件でタングステン膜、
チタニウム膜及びシリコン酸化膜を研磨した。測定条件
を表１、測定結果を表２に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】 表面状態の欄の記号 ◎：特に優れた鏡面状態、○：優れた鏡面状態、 ×：非鏡面状態 を示す。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＣＭＰ技術を用いた金属配線の形成例を示す概
略断面図である。

【符号の説明】

１．半導体基板 ２．絶縁膜 ３．コンタクトメタル層 ４．バリヤーメタル層 ５．金属膜

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）平均粒子径が３μｍ以下の酸化セ
   リウム又は酸化セリウムを主成分とする金属酸化物より
   なる研磨材、および（Ｂ）酸化剤より成ることを特徴と
   する半導体基板上の金属膜研磨用組成物。
2. 【請求項２】 酸化セリウムを主成分とする金属酸化物
   の酸化セリウムの含有量が５０重量％以上であり、酸化
   セリウム以外の金属酸化物が酸化アルミニウム、酸化ケ
   イ素、酸化チタンおよび酸化ジルコニウムからなる群れ
   から選ばれた少なくとも一種の酸化物であることを特徴
   とする請求項１記載の金属膜研磨用組成物。
3. 【請求項３】 酸化剤が過酸化水素、硝酸鉄、沃素酸お
   よび沃素酸塩からなる群れから選ばれた少なくとも１種
   であることを特徴とする請求項１記載の金属膜研磨用組
   成物。
4. 【請求項４】 酸化セリウム以外の金属酸化物が酸化ア
   ルミニウムであることを特徴とする請求項１記載の金属
   膜研磨用組成物。
5. 【請求項５】 酸化アルミニウムが遷移アルミナおよび
   ／または非晶質アルミナであることを特徴とする請求項
   １記載の金属膜研磨用組成物。
6. 【請求項６】 研磨用組成物がスラリー状であることを
   特徴とする請求項１記載の金属膜研磨用組成物。
7. 【請求項７】 スラリーのｐＨが７以下であることを特
   徴とする請求項６記載の金属膜研磨用組成物。
8. 【請求項８】 スラリー濃度（スラリー中に含有される
   研磨材の量）が、１〜３０重量％であることを特徴とす
   る請求項６または７記載の金属膜研磨用組成物。
9. 【請求項９】 半導体基板上に形成された金属膜を、
   （Ａ）平均粒子径が３μｍ以下の酸化セリウム又は酸化
   セリウムを主成分とする金属酸化物よりなる研磨材、お
   よび（Ｂ）酸化剤より成る研磨用組成物のスラリーを用
   い、ｐＨ７以下で研磨することを特徴とする半導体基板
   上の金属膜の平坦化方法。
10. 【請求項１０】 金属膜研磨用組成物を構成する酸化剤
    が過酸化水素、硝酸鉄、沃素酸および沃素酸塩からなる
    群れから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とす
    る請求項９記載の半導体基板上の金属膜の平坦化方法。
11. 【請求項１１】 研磨に用いる金属膜研磨用組成物のス
    ラリーｐＨが５以下であることを特徴とする請求項９記
    載の半導体基板上の金属膜の平坦化方法。