JPH10214807A

JPH10214807A - 半導体基板の研磨方法

Info

Publication number: JPH10214807A
Application number: JP1898497A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kurata; 靖倉田; Jun Matsuzawa; 純松沢; Masato Yoshida; 誠人吉田; Hiroki Terasaki; 裕樹寺崎; Kiyohito Tanno; 清仁丹野
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 1998-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体チップの作製プロセスに用いられる半
導体基板の研磨方法を提供するもので、研磨中の研磨速
度の安定化及び選択研磨を実現し、層間絶縁膜のＣＭＰ
では、時間による安定した終点管理や選択研磨に基づい
た難研磨層をストッパーとした終点管理を実現可能とす
る。【解決手段】半導体基板の研磨方法において、研磨時
の定盤表面温度或いは基板表面温度の変化をモニター
し、その温度上昇が５℃以下になるように、研磨条件を
制御しながら、或いは研磨定盤、基板キャリア、研磨液
を冷却しながら研磨することにより、研磨中の温度上昇
が抑制され、研磨速度の変動が小さくなること、また研
磨途中に研磨速度が急激に低下する生成層が形成される
系ではこの生成層が安定に存在するという特性を利用し
た研磨方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップの作
製プロセスに用いられる半導体基板の研磨方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板は、シリコン（Ｓｉ）ウェハ
−、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）ウェハ−等の基板上に、
トランジスタ、ダイオ−ド、抵抗、コンデンサ−のよう
な電子回路を構成する要素である回路素子を形成し、更
にＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＰＳＧ（phospho silicate glas
s）等の無機絶縁膜を形成したもので、このような半導
体基板上にデバイス及び配線パターンを形成するプロセ
スに用いられる研磨工程において、被研磨膜を平坦化の
目的或いは不要な部分を除去する目的で、化学的研磨作
用と機械的研磨作用の複合効果を利用した化学機械的研
磨（ＣＭＰ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌ
Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が適用され始めた。研磨条件と
して、研磨時の研磨面の温度変化については、定盤表面
の温度をモニターすることが可能な研磨装置も開発され
ているが、温度上昇が少なくなるように定盤に冷却水等
を循環させて冷却するだけで、温度上昇について定量的
に制御する研磨方法ではなかった。

【０００３】一方、層間絶縁膜ＣＭＰの被研磨物として
は、ＣＶＤ法により形成されたＳｉＯ₂であり、研磨剤
としてはコロイダルシリカを分散させた研磨液が、研磨
パッドとして発泡ポリウレタン製のものが広く使われて
いる。また、一部で金属元素汚染の防止、研磨速度や均
一性の改善の目的で酸化セリウムを分散させた研磨液も
使われている（特開平５−３２６４６９号公報）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ある所定の研磨条件で
半導体基板の研磨を行った場合、キャリアに張り付けた
基板と研磨パッドとの摩擦力が大きくなる場合があり、
温度上昇等による表面の反応生成膜の生成速度或いは除
去速度の変化によって、研磨途中で急激に研磨速度が増
加する。このように、研磨速度の変動が大きくなってし
まうと、研磨の終点管理を時間で行うことが主流である
絶縁膜のＣＭＰでは終点管理が困難になるという問題が
あった。また、特定の被研磨膜にその表面に研磨速度が
急激に低下するような研磨剤粒子膜或いは研磨剤粒子と
被研磨膜の反応生成膜等が形成されることにより、他の
被研磨膜の選択研磨を行うことができる研磨液を用いた
場合に、研磨速度を急激に低下させるような生成物が研
磨時の摩擦の増加に伴い容易に除去されてしまうことに
より選択研磨が実現できないという問題があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の研磨方法は、研
磨時の定盤表面温度及び／又は基板表面温度の変化をモ
ニターしその温度上昇が５℃以下になるように、研磨条
件の制御及び／又は研磨定盤、基板キャリア、研磨液の
少なくとも１つの冷却を行いながら研磨することを特徴
とする半導体基板の研磨方法である。

【０００６】すなわち本発明の研磨方法は、半導体基板
の研磨方法において、研磨時の定盤表面温度或いは基板
表面温度の変化をモニターし、その温度上昇が５℃以下
になるように、研磨条件を制御しながら、或いは研磨定
盤、基板キャリア、研磨液を冷却しながら研磨すること
により、研磨中の温度上昇が抑制され、研磨速度の変動
が小さくなること、また研磨途中に研磨速度が急激に低
下する生成層が形成される系ではこの生成層が安定に存
在するという特性を利用したものである。その結果、本
発明の研磨方法によって、研磨中の研磨速度の安定化及
び選択研磨を実現することが可能になり、層間絶縁膜の
ＣＭＰでは、時間による安定した終点管理や選択研磨に
基づいた難研磨層をストッパーとした終点管理が実現可
能になる。

【０００７】本発明の酸化セリウム研磨剤は、水中に酸
化セリウム粒子を分散させたスラリーよりなるものであ
り、酸化セリウム粒子として、水中に分散された３価の
非水溶性セリウム化合物を酸化剤で酸化することによっ
て得られる酸化セリウム粒子が使用される。この酸化セ
リウム研磨剤は、半導体基板上にＣＶＤ法等によって形
成されるＳｉＯ₂膜に対しては、表面に不動態膜を形成
するために研磨速度が非常に遅いのに対し、有機ＳＯＧ
膜に対しては高速研磨が可能であるために、ＳｉＯ₂膜
に対し有機ＳＯＧ膜の選択研磨が可能である。そこで、
有機ＳＯＧ膜の一般的な使用法である下層（及び上層
に）にＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜を形成する方法では、下層の
ＳｉＯ₂膜をストッパーとして有機ＳＯＧ膜の平坦化が
可能である。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明に於いて、酸化セリウム粒
子を作成する方法としては、３価のセリウム化合物の中
で水に溶解しないセリウム化合物を出発材料とし、これ
を水中に分散後、酸化剤を滴下することによって固体状
態のままで酸化処理を施すことにより４価の酸化セリウ
ム粒子を作製する方法が好ましく使用される。３価の非
水溶性セリウム化合物としては、炭酸セリウム、水酸化
セリウム、シュウ酸セリウム、酢酸セリウムなどの非水
溶性セリウム塩が挙げれ、特に制限はない。これらの３
価の非水溶性セリウム化合物を水中に分散させる方法と
しては、通常の撹拌機による分散処理の他に、ホモジナ
イザー、超音波分散機、ボールミルなどを用いることが
できる。特に、分散粒子を細かくした方が後で施す酸化
処理が容易に行えるので、ボールミルによる分散処理を
施すのが好ましい。３価の非水溶性セリウム化合物の濃
度には特に制限は無いが、分散液の取り扱い易さから１
〜３０重量％の範囲が好ましい。この３価の非水溶性セ
リウム化合物の分散液に酸化剤を添加することによっ
て、固体状態のままで酸化処理を施すことにより４価の
酸化セリウム粒子を得る。ここで用いる酸化剤として
は、硝酸カリウム等の硝酸塩、過マンガン酸カリウム等
の過マンガン酸塩、クロム酸カリウム等のクロム酸塩、
過酸化水素、ハロゲン、オゾンなどが挙げられる。これ
らの中では、酸化処理に伴う不純物の混入を防ぐため
に、過酸化水素を用いることが好ましい。酸化剤の添加
量は、３価の非水溶性セリウム化合物１モルに対して１
モル以上が必要であり、酸化処理を完結させることから
１モル〜１０モルの範囲が好ましい。処理温度には特に
制限は無いが、過酸化水素等の自己分解性の酸化剤を用
いる場合には４０℃以下で処理を開始することが好まし
く、全量添加後、過剰な酸化剤を分解させるために８０
℃以上に加熱することが好ましい。酸化処理を施して得
られた粒子の回収は、デカンテーション、ろ過、遠心分
離などの通常の方法が用いられるが、効率良く短時間で
分離することが可能な遠心分離が好ましい。この際に、
溶液のｐＨが酸側にあると粒子の沈殿が極めて遅く、一
般的な遠心分離機では固液分離が困難になってしまうの
で、アンモニアなどの金属イオンを含まないアルカリ性
物質を添加して溶液のｐＨを８以上にしてから遠心分離
を行うことが好ましい。また、不純物濃度を低下させる
ために、沈殿物の洗浄を繰り返すことも有効である。回
収した沈殿物をそのまま酸化セリウム粒子として使用し
てもよいが、回収した沈殿物を乾燥機などで水分を除去
するようにしても良い。乾燥温度には特に制限は無い
が、４２０℃以上では酸化セリウム粒子の結晶性が著し
く増加してしまうので、４２０℃以下のできるだけ低い
温度で乾燥させることが好ましい。

【０００９】所定の半導体基板、すなわち回路素子と配
線パターンが形成された段階の半導体基板、回路素子が
形成された段階の半導体基板等の半導体基板上に形成さ
れた有機ＳＯＧ絶縁膜層を上記酸化セリウムスラリーで
研磨することによって、絶縁膜層表面の凹凸を解消し、
半導体基板全面に渡って平滑な面とする。ここで、研磨
する装置としては、半導体基板を保持するキャリアと研
磨パッドを貼り付けた（回転数が変更可能なモータ等を
取り付けてある）定盤を有する一般的な研磨装置が使用
できる。研磨パッドとしては、発泡ポリウレタンの他に
多孔質フッ素樹脂、不織布などが使用できる。また、研
磨パッドにはスラリーが留まる様な溝加工を施すことが
好ましい。

【００１０】研磨条件として、定盤の回転速度は半導体
基板が飛び出さない様に１００ｒｐｍ以下の低回転が好
ましく、半導体基板にかける圧力は摩擦が臨界値を越え
ないように２００ｇ／ｃｍ²以下であること。また、研
磨している間、研磨パッドにはスラリーをポンプ等で連
続的に供給する。この時の供給量は、０．０５ｃｃ／ｃ
ｍ²／分以上であること。

【００１１】研磨終了後の半導体基板は、流水中で良く
洗浄後、表面に付着した酸化セリウム粒子を除去するた
めに、過酸化水素の存在下で硝酸、硫酸、過酸化水素、
炭酸アンモニウム水溶液それぞれの単独液及び混合液中
に浸漬してから再度水洗し、乾燥する。ここで、浸漬時
間には特に制限は無いが、酸化セリウム粒子の溶解によ
って生じる気泡が発生しなくなる時点で処理の終了を判
断することができる。また、浸漬温度には特に制限は無
いが、過酸化水素水などの自己分解性を示すものを用い
る場合には、４０℃以下で処理することが好ましい。水
洗後は、スピンドライヤ等を用いて半導体基板上に付着
した水滴を払い落としてから乾燥させることが好まし
い。

【００１２】この様にして平坦化された絶縁膜層の上
に、第２層目のアルミニウム配線を形成し、その配線間
及び配線上に再度ＣＶＤ−ＳｉＯ₂薄膜層及び有機ＳＯ
Ｇ膜絶縁層を形成後、上記酸化セリウムスラリーを用い
て研磨することによって、有機ＳＯＧ絶縁膜層表面の凹
凸を解消し、半導体基板全面に渡って平滑な面とする。
この工程を所定数繰り返すことにより、所望の層数の半
導体を製造する。

【００１３】有機ＳＯＧ膜の絶縁膜は、アルコキシシラ
ン及びアルキルアルコキシシランをアルコールなどの有
機溶媒中で水及び触媒を添加することにより加水分解し
て得られる塗布液をスピンコート法などにより基板に塗
布後、加熱処理により硬化させることにより製造され
る。

【００１４】ここで、アルコキシシランとしては、テト
ラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロ
ポキシシランなどのモノマ又はオリゴマなどが挙げら
れ、それぞれ単独で又は２種類以上組み合わせて用いる
ことができる。また、アルキルアルコキシシランとして
は、メチルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシ
シラン、ジメチルジメトキシシラン、ジフェニルジメト
キシシラン、アミノプロピルトリメトキシシラン、３−
グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３−メタク
リロキシプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリメト
キシシランなどが挙げられ、これらはそれぞれ単独で又
は２種類以上組み合わせて用いることができる。ここ
で、フルオロトリメトキシシラン、フルオロメチルジメ
トキシシランなどのアルコキシシラン、アルキルアルコ
キシシランのＳｉにフッ素が結合したもの、トリフルオ
ロメチルトリメトキシシラントリフルオロメチルメチル
ジメトキシシランなどのアルキルアルコキシシランのア
ルキル基の少なくとも一部がフッ素化されたもの、アル
コキシシラン、アルキルアルコキシシランのＳｉにフッ
素が結合したものも用いることができる。これらはそれ
ぞれ単独で又は２種類以上組み合わせて用いることがで
きる。ここで、アルコシシランとアルキルアルコキシシ
ランとの添加量の割合は、これらにより構成される絶縁
膜中のシロキサン結合に由来するＳｉ原子数とアルキル
基に由来するＣ原子数がＣ原子数／（Ｓｉ原子数＋Ｃ原子数）≧ ０．１の関係にあることが好ましい。この割合が０．１より小
さいと絶縁膜の形成時に膜中にクラックが発生し、膜の
欠落、絶縁性の低下などの欠陥が生じてしまう。有機溶
媒としては、メチルアルコール、エチルアルコールなど
の１価アルコール類及びそのエーテル又はエステル類、
グリセリン、エチレングリコールなどの多価アルコール
類及びそのエーテル又はエステル類、アセトン、メチエ
チルケトン、などのケトン類などが挙げられ、これらは
それぞれ単独で、又は２種類以上組み合わせて用いるこ
とができる。触媒としては、加水分解用として、塩酸、
硝酸、リン酸などの無機酸、酢酸、マレイン酸などの有
機酸、これらの酸無水物又は誘導体などの酸及び水酸化
ナトリウム、アンモニア、メチルアミンなどのアルカリ
が挙げられる。

【００１５】本発明の研磨方法は、２種類以上の膜から
なる形成膜を研磨して目的とする構造を形成するプロセ
スにおいて使用できる。

【００１６】

【実施例】

（酸化セリウム粒子の作製）炭酸セリウム５０ｇを脱イ
オン水４５０ｇ中に添加後、遊星ボールミルを用いて２
８００ｒｐｍで１５分間分散処理を施すことによって、
白色の炭酸セリウムスラリーを得た。このスラリーに撹
拌をしながら過酸化水素水（約３５％）２９．２ｇを滴
下し、さらに撹拌を続けながら１時間反応を進めてか
ら、ウォーターバスを用いて９０℃まで昇温させた。９
０℃で１時間撹拌後、室温まで冷却し、遠心分離機によ
る固液分離後、１２０℃の乾燥機で２４時間乾燥させる
ことにより白色粉末３０ｇを得た。この白色粉末のＸ線
回折パターンを測定した結果、酸化セリウムであること
が同定された。

【００１７】（絶縁膜層の研磨）保持する基板取り付け
用の吸着パッドを貼り付けたホルダーに、下層ＣＶＤ−
ＳｉＯ₂薄膜層及び有機ＳＯＧ層を形成させた直径６イ
ンチＳｉウエハーをセットする。そして、発泡ポリウレ
タン製の研磨パッドを貼り付けた（回転数が変更可能な
モータ等を取り付けてある）直径２２インチ定盤上に、
Ｓｉウエハー面を下にしてホルダーを載せ、トータル１
５０ｇ／ｃｍ²の荷重をかけた。定盤上に上記の酸化セ
リウムスラリーを１２０ｃｃ／分で滴下しながら、定盤
回転速度は３０ｒｐｍ及びキャリア回転速度は３０ｒｐ
ｍで回転させて有機ＳＯＧ膜を研磨した。研磨中に研磨
パッド表面の温度を赤外線センサーによってモニターし
たところ、温度上昇が観測された。そこで、スラリーの
滴下速度を２００ｃｃ／分に増加し、また定盤の冷却水
温度を低下することによって、研磨時間４分間の温度上
昇を研磨開始時温度に対し約２℃以下に抑えることがで
きた。研磨後、Ｓｉウエハーをホルダーから外して、流
水中で良く洗浄後、硝酸を入れたビーカの中に浸し、こ
のビーカを超音波洗浄機中にセットして１０分間洗浄し
た。酸化セリウムの溶解に伴う発泡が収まったことを確
認後、ビーカ中からＳｉウエハーを取りだし、スピンド
ライヤで水滴を除去後、１２０℃の乾燥機で１０分間乾
燥させた。自動エリプソメータを用いて研磨前後の膜厚
変化を測定した結果、この研磨により最初に下層のＣＶ
Ｄ−ＳｉＯ₂が露出する位置まで、約４０００Åの有機
ＳＯＧ絶縁層が削られ、Ｓｉウエハー全面に渡ってほぼ
均一の厚みになっていることが分った。研磨時間を３
分、５分にして同様に研磨及び後洗浄を行った結果、同
様に下層のＣＶＤ−ＳｉＯ₂が露出する位置まで、約４
０００Åだけが研磨によって除去され、Ｓｉウエハー全
面に渡ってほぼ均一の厚みになっていることが分った。
これは、下層のＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜表面に研磨層度が急
激に低下するよう生成層が形成されることにより、それ
が研磨の進行を抑えるストッパーの役割を果たしたため
である。この工程を６回繰り返して６層配線を形成させ
たが、その断面のＳＥＭ観察から、各層においてＳｉ基
板全面に渡りその表面の段差がほとんど認められず、配
線パターンも精度良く切れていることが分った。

【００１８】比較例実施例と同様に保持する基板取り付け用の吸着パッドを
貼り付けたホルダーに、下層ＣＶＤ−ＳｉＯ₂薄膜層及
び有機ＳＯＧ層を形成させた直径６インチＳｉウエハー
をセットする。そして、発泡ポリウレタン製の研磨パッ
ドを貼り付けた（回転数が変更可能なモータ等を取り付
けてある）直径２２インチ定盤上に、Ｓｉウエハー面を
下にしてホルダーを載せ、トータル１５０ｇ／ｃｍ²の
荷重をかけた。定盤上に上記の酸化セリウムスラリーを
１２０ｃｃ／分で滴下しながら、定盤回転速度３０ｒｐ
ｍ及びキャリア回転速度３０ｒｐｍで有機ＳＯＧ膜を研
磨した。研磨中に研磨パッド表面の温度を赤外線センサ
ーによってモニターしたところ、温度上昇が観測され
た。しかし、そのまま研磨を続行したところ、研磨時間
４分間中の温度上昇は研磨開始時温度に対し最大約６℃
であった。基板の洗浄後、膜厚を測定した結果約６００
０Åが除去された。しかし、部分的に下層のＣＶＤ−Ｓ
ｉＯ₂が完全に除去され、下のＡｌ配線が露出したり、
断線している箇所が見受けられた。このように、研磨中
に摩擦の増加によって研磨パッド表面の温度、即ち研磨
界面の温度がある温度以上に上昇した場合、露出した下
層ＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜表面に生成される研磨速度を急激
に低下させる生成膜が容易に除去されてしまい、ストッ
パーとならなかったために、時間による研磨の終点制御
が困難であった。

【００１９】

【発明の効果】２種類以上の膜からなる形成膜を研磨し
て目的とする構造を形成するプロセスにおいて、選択研
磨を利用した平坦化や安定した研磨速度の実現により、
プロセスの簡略化及び高精度化を実現することができ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者寺崎裕樹茨城県つくば市和台48 日立化成工業株式会社筑波開発研究所内 (72)発明者丹野清仁茨城県日立市東町四丁目13番１号日立化成工業株式会社山崎工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の研磨方法において、研磨時
の定盤表面温度及び／又は基板表面温度の変化をモニタ
ーしその温度上昇が５℃以下になるように、研磨条件の
制御及び／又は研磨定盤、基板キャリア、研磨液の少な
くとも１つの冷却を行いながら研磨することを特徴とす
る研磨方法。
【請求項２】酸化セリウムを分散させた研磨液の研磨
剤で研磨する請求項１記載の半導体基板の研磨方法。
【請求項３】被研磨物が有機ＳＯＧ膜である請求項１
又は２記載の半導体基板の研磨方法。
【請求項４】発泡ポリウレタンパッドの研磨パッドで
研磨する請求項１〜３各項記載の半導体基板の研磨方
法。