JPWO2010067844A1 - Cmp用研磨液及びこれを用いた研磨方法 - Google Patents
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Abstract
Description
i)少なくとも1つの炭素−炭素二重結合(C=C)を含む環状構造を、分子内に1つ又は2つ以上有する。炭素−炭素二重結合は共鳴構造を形成する炭素同士の結合をも含むものである。
ii)分子内に1つ以上4つ以下の−OH構造を有する。−OH構造は、−COOH基が有する−OH構造をも含むものである。
iii)分子内の−COOH基は1つ以下である。
iv)分子内に下記の第1の構造及び第2の構造の少なくとも一方を有する。
第1の構造:炭素原子C1と、炭素原子C1に隣接する炭素原子C2とを有し、炭素原子C1には−OH基が結合し、炭素原子C2には−OX基、=O基、−NX基、−NX(C3)基及び−CH=N−OH基から選択される少なくとも1つの置換基が結合している。Xは水素原子又は炭素原子であり、C3は窒素原子に結合した炭素原子である。炭素原子C1、C2及びC3において、不足している残りの結合の結合様式及び結合原子は任意であり、Xが炭素原子の場合、Xにおいて不足している残りの結合の結合様式及び結合原子は任意である。
第2の構造:炭素原子C1と、炭素原子C1に隣接する炭素原子C2とを有し、炭素原子C1には−CH=N−OH基が結合し、炭素原子C2には−CH=N−OH基が結合している。炭素原子C1及びC2において、不足している残りの結合の結合様式及び結合原子は任意である。
v)条件ivにおける炭素原子C1及び炭素原子C2の少なくとも一方は、条件iにおける環状構造の一部をなすものであるか、あるいは、条件iにおける環状構造に結合したものである。
5−ヒドロキシ−2−(ヒドロキシメチル)−4H−ピラン−4−オン(別名:5−ヒドロキシ−2−(ヒドロキシメチル)−4−ピロン)、3−ヒドロキシ−2−メチル−4H−ピラン−4−オン(別名:3−ヒドロキシ−2−メチル−4−ピロン)、3−ヒドロキシ−2−エチル−4H−ピラン−4−オン(別名:3−ヒドロキシ−2−エチル−4−ピロン)からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物であると好ましい。
本実施形態に係るCMP用研磨液は、砥粒(研磨粒子)と、添加剤と、水とを含有し、添加剤として特定の化学構造を有する化合物を使用することを特徴とする。以下、研磨液の調製に使用する各成分について説明する。
添加剤(第1添加剤)は、下記条件i−vのすべてを満たす化合物を1種又は2種以上含む。本実施形態に係るCMP用研磨液によれば、条件i〜vを満たす化合物を添加剤として使用することにより、従来の研磨液と比較して基板表面の状態に依存することなく、酸化ケイ素膜に対する十分に高い研磨速度を達成できる。
第1の構造:炭素原子C1と、炭素原子C1に隣接する炭素原子C2とを有し、炭素原子C1には−OH基が結合し、炭素原子C2には−OX基、=O基、−NX基、−NX(C3)基及び−CH=N−OH基から選択される少なくとも1つの置換基が結合した構造。
(Xは水素原子又は炭素原子であり、C3は窒素原子に結合した炭素原子である。炭素原子C1、C2及びC3において、不足している残りの結合の結合様式及び結合原子は任意であり、Xが炭素原子の場合、Xにおいて不足している残りの結合の結合様式及び結合原子は任意である。また、−NX基中のNの結合様式及び結合原子は任意である。)
第2の構造:炭素原子C1と、炭素原子C1に隣接する炭素原子C2とを有し、炭素原子C1には−CH=N−OH基が結合し、炭素原子C2には−CH=N−OH基が結合した構造。
(炭素原子C1及びC2において、不足している残りの結合の結合様式及び結合原子は任意である)。
砥粒としては、例えば、セリウム系化合物、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、ムライト、窒化ケイ素、α−サイアロン、窒化アルミニウム、窒化チタン、炭化ケイ素、炭化ホウ素等を含む粒子を挙げることができる。これらの粒子は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、上記添加剤の添加効果を良好に発揮でき、酸化ケイ素膜に対する高い研磨速度が得られる点で、セリウム系化合物を含む粒子を使用することが好ましい。
研磨液の調製に用いる水は、特に制限されるものではないが、脱イオン水、イオン交換水又は超純水が好ましい。なお、更に必要に応じて、エタノール、酢酸、アセトン等の極性溶媒等を水と併用してもよい。
本実施形態に係る研磨液は、砥粒の分散安定性及び/又は研磨面の平坦性を向上させる観点から、界面活性剤を含有することができる。界面活性剤としては、イオン性界面活性剤及び非イオン性界面活性剤が挙げられ、非イオン性界面活性剤を含有することが好ましい。
研磨液は、(A)通常タイプ、(B)濃縮タイプ及び(C)2液タイプに分類でき、タイプによって調製法及び使用法が相違する。(A)通常タイプは、研磨時に希釈等の前処理をせずにそのまま使用できる研磨液である。(B)濃縮タイプは、保管や輸送の利便性を考慮し、(A)通常タイプと比較して含有成分を濃縮した研磨液である。(C)2液タイプは、保管時や輸送時にあっては、一定の成分を含む液Aと他の成分を含む液Bとに分けた状態としておき、使用に際してこれらの液を混合して使用する研磨液である。
(1)プロトンやヒドロキシアニオンが、添加剤として配合した化合物に作用して、当該化合物の化学形態が変化し、基板表面の酸化ケイ素膜又はストッパ膜である窒化ケイ素膜に対する濡れ性や親和性が向上する。
(2)砥粒が酸化セリウムである場合、砥粒と酸化ケイ素膜との接触効率が向上し、高い研磨速度が達成される。これは、酸化セリウムはゼータ電位の符号が正であるのに対し、酸化ケイ素膜はゼータ電位の符号が負であり、両者の間に静電的引力が働くためである。
本実施形態に係る研磨方法は、各成分の含有量及びpH等が調整された研磨液を使用し、表面に酸化ケイ素膜を有する基板をCMP技術によって平坦化するものである。具体的には、表面に酸化ケイ素膜を有する基板における酸化ケイ素膜と所定の研磨用の部材(研磨部材)との間に、上述した実施形態の研磨液を供給し、その状態で研磨部材によって酸化ケイ素膜を研磨する工程を含む。
炭酸セリウム水和物40kgをアルミナ製容器に入れ、830℃で2時間、空気中で焼成して黄白色の粉末を20kg得た。この粉末についてX線回折法で相同定を行い、当該粉末が多結晶体の酸化セリウムを含むことを確認した。焼成によって得られた粉末の粒子径をSEMで観察したところ、20〜100μmであった。次いで、酸化セリウム粉末20kgを、ジェットミルを用いて乾式粉砕を行った。粉砕後の酸化セリウム粉末をSEMで観察したところ、結晶粒界を有する多結晶酸化セリウム粒子を含むものであった。また、比表面積は9.4m2/gであった。比表面積の測定はBET法によって実施した。
容器内に、上記で得られた酸化セリウム粉末15.0kg及び脱イオン水84.98kgを入れて混合し、さらに硝酸を添加してpHを4.5未満に調整し、10分間攪拌した。得られたスラリを別の容器に30分かけて送液した。その間、送液する配管内で、スラリに対して超音波周波数400kHzにて超音波照射を行った。
実施例1a〜13aに係る研磨液は、条件i〜vをすべて満たす化合物1〜13を添加剤として使用して調製されたものである(表1参照)。他方、比較例14a〜25aに係る研磨液は、条件i〜vの一部を満たさない化合物14〜25を添加剤として使用して調製されたものである(表2参照)。
なお、表1及び2の「化合物の特徴」を示す欄は、添加剤として使用した化合物が各条件を満たすか否かを示したものである。表中の「○」はその化合物が条件を満たすことを意味し、「×」は満たさないことを意味する。
条件ivを満たす場合は、該当する構造を化学式a)〜p)から選んで記入し、該当する構造が複数存在する場合には、全て記入した。表1に示す化合物は、いずれも分子内に1つの環状構造を有するものである。
上記方法で調製した23種類の研磨液を使用し、表面に酸化ケイ素膜を有するDRAMデバイスウエハを研磨した。このDRAMデバイスウエハは、微細な凹凸のある酸化ケイ素膜を有したものであり、凸部が凹部に対して約600nm高い初期段差をもつ。配線は、格子形状と平行なラインで形成され、酸化ケイ素膜はこの形状に応じた凹凸形状を有している。
研磨装置(アプライドマテリアル製、商品名:Mirra3400)を使用し、上記DRAMデバイスウエハの研磨を行った。基板取り付け用の吸着パッドを有するホルダーに、上記DRAMデバイスウエハをセットした。一方、直径500mmの研磨定盤に多孔質ウレタン樹脂製の研磨パッド(k−groove溝、ロデール社製、型番:IC−1400)を貼り付けた。
光干渉式膜厚装置(大日本スクリーン製造株式会社製、商品名:RE−3000)を用いて、研磨前後の酸化ケイ素膜の膜厚変化を測定し、膜厚変化量の平均から研磨速度を算出した。表1,2に結果を示す。なお、研磨速度の単位はÅ/minである。
実施例2a、3a、12a、13aについては、ブランケットウエハの研磨速度を調べた。研磨対象をDRAMデバイスウエハから、径200mmのシリコン基板上に10000Åの二酸化ケイ素膜を成膜したブランケットウエハに交換した以外は、上記の「酸化ケイ素膜の研磨1」及び「研磨速度の評価1」と同様にして研磨及び評価を行った。結果は、実施例2aの研磨速度を1とした場合、実施例3a、12a、13aの研磨液は、相対値3以上の研磨速度が得られた。このことから、実施例3a、12a及び13aの研磨液は、研磨が進行し、被研磨面の凹凸が解消されてきた場合も良好な研磨速度を示すことがわかる。
(実施例26a〜31a)
添加剤の含有量が互いに異なる6種類の研磨液を調製し、上記の実施例と同様にして研磨速度の評価を行った。すなわち、添加剤としてアスコルビン酸を使用し、添加剤含有量を表3に示す値となるように調整したことの他は、実施例6aと同様にして研磨液を調製した。なお、研磨液のpHは、適量のアンモニア水溶液(NH4OH)を添加することによって調整した。表3に結果を示す。なお、研磨速度の単位はÅ/minである。
容器内に、上記で得られた酸化セリウム粉末15.0kg及び脱イオン水84.7kgを入れて混合し、さらに1Nの酢酸を0.3kg添加して、10分間撹拌し、酸化セリウム混合液を得た。得られた酸化セリウム混合液を、別の容器に30分かけて送液した。その間、送液する配管内で、酸化セリウム混合液に対して超音波周波数400kHzにて超音波照射を行った。
実施例1b〜10bに係る研磨液は、表4に示す4−ピロン系化合物を添加剤として使用して調製されたものである。他方、参考例11b〜19bに係る研磨液は、4−ピロン系化合物ではない表5に示す化合物を添加剤として使用して調製されたものである。各研磨液における添加剤の種類やその他の成分は、下記表4、5に示す通りとした。
実施例1b〜10b及び参考例11b〜19bに係る研磨液を用い、以下のような特性評価を行った。すなわち、まず、各研磨液を用いて表面に酸化ケイ素膜を有するφ200mmのDRAMパターンテストウエハ(Praesagus製、型番:PCW−STI−811)を研磨した。このDRAMデバイスウエハは、微細な凹凸のある酸化ケイ素膜を有したものであり、凸部が凹部に対して約500nm高い初期段差をもち、酸化ケイ素の初期膜厚は約600nmである。配線は、格子形状と平行なラインで形成される。また、上記研磨液の凝集のしやすさを測定するために、25℃で保管した調製後1時間後と調整後10日後の研磨液を用い、動的光散乱式粒度分布計(株式会社堀場製作所社製、商品名:LB−500)により砥粒の平均粒径を測定した。
研磨装置(アプライドマテリアル製、商品名:Mirra3400)を使用し、上記DRAMデバイスウエハの研磨を行った。基板取り付け用の吸着パッドを有するホルダーに、上記DRAMデバイスウエハをセットした。一方、直径500mmの研磨定盤に多孔質ウレタン樹脂製の研磨パッド(k−groove溝、ロデール社製、型番:IC−1400)を貼り付けた。
光干渉式膜厚装置(大日本スクリーン製造株式会社製、商品名:RE−3000)を用いて、研磨前後の酸化ケイ素膜の膜厚変化を測定した。測定点は、上記φ200mmのウエハの座標のうち(x[mm],y[mm])=(7.0,−3.6)、(31.0,−3.6)、(55.0、−3.6)、(79.0、−3.6)付近にある70um四方の「A」と付記された凸部であり、これらの4点の膜厚変化量の平均から研磨速度を算出した。得られた結果を、パターン研磨速度として表4及び5に示す。なお、研磨速度の単位はnm/minである。
実施例1b〜10b及び参考例11b〜19bに係る研磨液中の砥粒の粒径測定を、調製後1時間経った後の研磨液と、25℃で保管し調整後10日経った後の研磨液との2種類について行った。粒径測定は、動的光散乱式粒度分布計[株式会社堀場製作所社製、商品名:LB−500]を用いて行った。また、測定では、測定を開始する5分前に、濃縮状態の研磨液(C)を10倍希釈して、得られた研磨液の平均粒径を測定するようにした。添加剤を含まない溶液を用いた時の平均粒径は150nmであることから、装置による測定誤差を考えると、200nmを超えた場合、粒子は凝集したとみなすことができる。
(実施例20b〜29b)
実施例20b〜29bに係る研磨液は、表6のNo.20−29に示す成分を使用してそれぞれ調製されたものである。すなわち、実施例20b−22b及び26bの研磨液は、添加剤(第1添加剤)として4−ピロン系化合物のみを含むものであり、実施例23b−25b、27b−29bの研磨液は、第1添加剤である4−ピロン系化合物に加え、さらに第2添加剤として飽和モノカルボン酸を含有したものである。各研磨液における添加剤の種類やその他成分は下記表6に示す通りとした。このような実施例20b〜29bの研磨液を、上記「CMP用研磨液の作製3」と同様にして作成した。
実施例20b〜29bに係る研磨液を用い、以下のような特性評価を行った。
実施例28b,30bに係わる研磨液を用い、界面活性剤含有による平坦化特性向上効果を確認した。効果は面内均一性により評価した。結果を表7に示す。表7中、第1添加剤のAは、3−ヒドロキシ−2−メチル−4−ピロンであり、Bは、5−ヒドロキシ−2−(ヒドロキシメチル)−4−ピロンである。
Claims (22)
- 砥粒と、添加剤と、水とを含有するCMP用研磨液であって、
前記添加剤は下記条件i−vのすべてを満たす化合物を1種又は2種以上含む、研磨液。
i)少なくとも1つの炭素−炭素二重結合を含む環状構造を、分子内に1つ又は2つ以上有し、前記炭素−炭素二重結合は共鳴構造を形成する炭素同士の結合をも含むものである;
ii)分子内に1つ以上4つ以下の−OH構造を有し、前記−OH構造は、−COOH基が有する−OH構造をも含むものである;
iii)分子内の−COOH基は1つ以下である;
iv)分子内に下記の第1の構造及び第2の構造の少なくとも一方を有する:
第1の構造:炭素原子C1と、当該炭素原子C1に隣接する炭素原子C2とを有し、前記炭素原子C1には−OH基が結合し、前記炭素原子C2には−OX基、=O基、−NX基、−NX(C3)基及び−CH=N−OH基から選択される少なくとも1つの置換基が結合しており、Xは水素原子又は炭素原子であり、C3は窒素原子に結合した炭素原子であり、前記炭素原子C1、C2及びC3において、不足している残りの結合の結合様式及び結合原子は任意であり、Xが炭素原子の場合、Xにおいて不足している残りの結合の結合様式及び結合原子は任意である;
第2の構造:炭素原子C1と、当該炭素原子C1に隣接する炭素原子C2とを有し、前記炭素原子C1には−CH=N−OH基が結合し、前記炭素原子C2には−CH=N−OH基が結合しており、前記炭素原子C1及びC2において、不足している残りの結合の結合様式及び結合原子は任意である;
v)条件ivにおける前記炭素原子C1及び前記炭素原子C2の少なくとも一方は、前記条件iにおける前記環状構造の一部をなすものであるか、あるいは、前記条件iにおける前記環状構造に結合したものである。 - 前記添加剤は、ウラシル−6−カルボン酸、マンデル酸、サリチルアルドキシム、アスコルビン酸、カテコール、3−メチルカテコール、4−メチルカテコール、4−tert−ブチルカテコール、1,4−ベンゾキノンジオキシム、2−ピリジンメタノール、4−イソプロピルトロポロン、2−ヒドロキシ−2,4,6−シクロヘプタトリエン−1−オン、5−アミノ−ウラシル−6−カルボン酸及びベンジル酸からなる群より選択される1種又は2種以上の化合物を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨液。
- 前記4−ピロン系化合物が、3−ヒドロキシ−2−メチル−4−ピロン、5−ヒドロキシ−2−(ヒドロキシメチル)−4−ピロン、2−エチル−3−ヒドロキシ−4−ピロンからなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物である、請求項5記載の研磨液。
- pHが8未満である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の研磨液。
- pH調整剤を更に含有する、請求項1〜7のいずれか一項に記載の研磨液。
- 前記添加剤の含有量は、当該研磨液100質量部に対して0.01〜5質量部である、請求項1〜8のいずれか一項に記載の研磨液。
- 前記砥粒の含有量は、当該研磨液100質量部に対して0.01〜10質量部である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の研磨液。
- 前記砥粒の平均粒径は、50〜500nmである、請求項1〜11のいずれか一項に記載の研磨液。
- 前記砥粒は、セリウム系化合物を含む、請求項1〜12のいずれか一項に記載の研磨液。
- 前記セリウム系化合物は、酸化セリウムである、請求項12記載の研磨液。
- 前記砥粒は、結晶粒界を持つ多結晶酸化セリウムを含む、請求項1〜13のいずれか一項に記載の研磨液。
- 非イオン性界面活性剤を更に含有する、請求項1〜14のいずれか一項に記載の研磨液。
- 第2添加剤として、飽和モノカルボン酸を更に含む、請求項1〜15のいずれかに記載の研磨液。
- 前記飽和モノカルボン酸の炭素数が2〜6である、請求項16記載の研磨液。
- 前記飽和モノカルボン酸が、酢酸、プロピオン酸、酪酸、イソ酪酸、吉草酸、イソ吉草酸、ピバル酸、ヒドロアンゲリカ酸、カプロン酸、2−メチルペンタン酸、4−メチルペンタン酸、2,3−ジメチルブタン酸、2−エチルブタン酸、2,2−ジメチルブタン酸及び3,3−ジメチルブタン酸からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物である、請求項16又は17記載の研磨液。
- 前記飽和モノカルボン酸の含有量は、当該研磨液100質量部に対して0.01〜5質量部である、請求項16〜18のいずれか一項に記載の研磨液。
- 表面に酸化ケイ素膜を有する基板を研磨する方法であって、
請求項1〜19のいずれか一項に記載の研磨液を前記酸化ケイ素膜と研磨パッドとの間に供給しながら、前記研磨パッドによって前記酸化ケイ素膜の研磨を行う工程を備える方法。 - 前記基板は、上から見たときに凹部又は凸部がT字形状又は格子形状に設けられた部分を有する基板である、請求項20記載の方法。
- 前記基板は、メモリセルを有する半導体基板である請求項20又は21記載の方法。
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