TW201533184A - 研磨劑、研磨方法及半導體積體電路裝置之製造方法 - Google Patents

研磨劑、研磨方法及半導體積體電路裝置之製造方法 Download PDF

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    • H01L21/304—Mechanical treatment, e.g. grinding, polishing, cutting

Abstract

本發明提供一種可抑制於包含氧化矽、氮化矽等膜之被研磨面產生研磨痕，且以較高之研磨速度進行CMP之研磨劑、及研磨方法。 本發明之研磨劑含有氧化鈰粒子與水，且關於上述氧化鈰粒子，其根據IR光譜之3566cm-1之吸光度I與3695cm-1之吸光度I'的比(3900cm-1基準)、及微晶直徑XS而求出之值A(=(I/I')/XS)為0.08以下。又，本發明之研磨劑之上述氧化鈰粒子之根據晶格常數之理論值a'與利用粉末X射線繞射所測定之晶格常數a而求出的偏差值B(%)(=(1-a/a')×100)為-0.16%以上，且平均二次粒徑D'為90nm以上且500nm以下。

Description

研磨劑、研磨方法及半導體積體電路裝置之製造方法
本發明係關於一種研磨劑與使用該研磨劑之研磨方法、及使用該研磨方法之半導體積體電路裝置之製造方法。
近年來，隨著半導體元件之高密度化及高精細化，而要求開發一種更高度之微細加工技術。自先前以來，為了於半導體積體電路裝置(以下，亦稱為半導體裝置)之製造中，防止層表面之凹凸(階差)超過微影術之焦點深度而變得無法獲得充分之解析度等問題，而使用化學機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing：以下稱為CMP)而使層間絕緣膜或嵌銅配線等平坦化。此種利用CMP之平坦化之重要性隨著半導體元件之高精細化或微細化之要求變嚴格而越發增大。
又，近年來，為了於半導體裝置之製造中推進半導體元件之更高度之微細化，而導入元件隔離寬度較小之利用淺溝槽之隔離法(Shallow Trench Isolation：以下，稱為STI)。
STI係於矽基板形成溝槽(trench)，並於溝槽內嵌入絕緣膜，藉此形成電氣絕緣之元件區域之方法。於STI中，首先如圖1(a)所示般，利用氮化矽膜2等將矽基板1之元件區域遮蔽後，於矽基板1形成溝槽3，以掩埋溝槽3之方式堆積氧化矽膜4等絕緣膜。繼而，藉由CMP， 將作為凸部之氮化矽膜2上之氧化矽膜4研磨去除並且使作為凹部之溝槽3內之氧化矽膜4殘留，藉此獲得如圖1(b)所示般於溝槽3內嵌入有氧化矽膜4之元件隔離構造。關於此種STI中之CMP，其藉由以使氧化矽膜4之研磨速度與氮化矽膜2之研磨速度之選擇比(氧化矽膜之研磨速度/氮化矽膜之研磨速度)充分高，且於氮化矽膜2露出之時刻結束研磨之方式構成，而可獲得更平滑之面。
於半導體裝置之製造中，為了此種STI中之氧化矽膜之平坦化、此外為了使利用電漿-CVD(化學氣相蒸鍍)、低壓-CVD、濺鍍、電鍍等各種方法所形成之氧化矽等絕緣膜或電容器用之鐵電膜平坦化，而使用包含薰製二氧化矽系、膠體二氧化矽系、氧化鋁系、氧化鈰(cerium oxide)系等研磨粒之研磨劑進行CMP。並且，隨著元件之微細化或高精細化之進行，於研磨時形成於層間絕緣膜或STI用絕緣膜之傷痕(以下，稱為研磨痕)成為配線短路等之原因而導致良率降低，因此越發成為較大之問題。
自先前以來，於將氧化矽等絕緣膜設為被研磨面之情形時，使用包含高純度之氧化鈰粒子之研磨劑，其原因在於：氧化鈰粒子之硬度低於二氧化矽系研磨粒而難以形成研磨痕(例如參照專利文獻1)。
然而，應對半導體積體電路之進一步微細化，防止研磨痕之要求進一步提高，專利文獻1所記載之研磨劑無法充分滿足此種要求。因此，提出有使作為研磨粒之氧化鈰粒子之粒徑變得更小(例如參照專利文獻2)。然而，若使用粒徑較小之氧化鈰粒子作為研磨粒，則有研磨速度降低，研磨作業之效率明顯變差之問題。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2000-109803號公報
[專利文獻2]日本專利特開平8-81218號公報
本發明係為了解決上述問題而完成者，目的在於提供一種例如於用以STI用絕緣膜之平坦化之CMP中，抑制於被研磨面產生研磨痕、且可以短時間進行研磨之研磨劑、及研磨方法。
本發明之第1態樣之研磨劑之特徵在於：含有氧化鈰粒子與水，且關於上述氧化鈰粒子，其根據紅外線吸收光譜之以3900cm-1之吸光度為基準之3566cm-1之吸光度之值I與3695cm-1之吸光度之值I'的比(I/I')、及利用X射線繞射所測定之微晶直徑XS並利用下述式而求出之值A為0.08以下。
A=(I/I')/XS
於第1態樣之研磨劑中，上述氧化鈰粒子之上述微晶直徑XS較佳為20nm以上且60nm以下。又，於上述氧化鈰粒子中，上述微晶直徑XS與藉由利用掃描式電子顯微鏡之觀察所獲得之平均一次粒徑D的比(XS/D)為0.4以上且1.0以下。並且，上述氧化鈰粒子之上述平均一次粒徑D較佳為30nm以上且100nm以下。
本發明之第2態樣之研磨劑之特徵在於：含有氧化鈰粒子與水，且關於上述氧化鈰粒子，其根據理論上求出之晶格常數a'與利用粉末X射線繞射所測定之晶格常數a並利用下述式而求出之晶格常數之偏差值B為-0.16%以上，且平均二次粒徑D'為90nm以上且500nm以下。
B(%)=(1-a/a')×100
於第2態樣之研磨劑中，上述氧化鈰粒子之平均二次粒徑D'較佳為95nm以上且250nm以下，更佳為95nm以上且200nm以下。
本發明之研磨方法之特徵在於：其係一面供給研磨劑一面使被研磨面與研磨墊接觸，藉由兩者間之相對運動而進行研磨之方法，且 使用上述本發明之研磨劑作為上述研磨劑。
本發明之半導體裝置之製造方法之特徵在於包括：藉由上述本發明之研磨方法對上述被研磨面進行研磨之步驟。
本發明中，所謂「被研磨面」，係指研磨對象物之被研磨之面，例如意指表面。於半導體裝置之製造中，「被研磨面」亦包括於製造過程中顯露出之中間階段之基板表面。
根據本發明之研磨劑及研磨方法，可對包含氧化矽、含碳氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、非晶矽、多晶矽等膜之被研磨面抑制研磨痕之產生且以較高之研磨速度對其進行研磨。並且，例如可抑制研磨痕之產生並且以高速進行STI用絕緣膜之平坦化，從而可提高半導體裝置之製造效率。
1‧‧‧矽基板
2‧‧‧氮化矽膜
3‧‧‧溝槽
4‧‧‧氧化矽膜
20‧‧‧研磨裝置
21‧‧‧半導體裝置
22‧‧‧研磨頭
23‧‧‧研磨壓盤
24‧‧‧研磨墊
25‧‧‧研磨劑
26‧‧‧研磨劑供給配管
圖1(a)、(b)係表示於STI中藉由CMP進行研磨之方法之半導體基板的剖面圖。
圖2係表示可用於本發明之研磨方法之研磨裝置之一例的圖。
以下，對本發明進行說明。本發明並不限定於以下之實施形態，只要符合本發明之主旨，則其他實施形態亦可屬於本發明之範疇。
<研磨劑>
本發明之第1態樣之研磨劑係用以對包含氧化矽、含碳氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、非晶矽、多晶矽等膜之被研磨面進行CMP之研磨劑，且含有具有與紅外線吸收(IR)光譜有關之特定之特性值的氧化鈰粒子與水。
又，本發明之第2態樣之研磨劑亦與第1態樣之研磨劑同樣為用 以對包含氧化矽、含碳氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、非晶矽、多晶矽等膜之被研磨面進行CMP之研磨劑。第2態樣之研磨劑含有具有與晶格常數有關之特定之特性值且具有特定之平均二次粒徑D'的氧化鈰粒子與水。
第1態樣及第2態樣之研磨劑尤其適於STI中之氧化矽膜(具體而言為二氧化矽膜)之CMP。
(氧化鈰粒子)
本發明之第1態樣之研磨劑所含有之氧化鈰粒子(以下，亦稱為第1態樣之氧化鈰粒子)係以下所示之指標值A成為0.08以下者。
指標值A係根據氧化鈰粒子之IR光譜中特定之2個吸收波峰之強度比(吸光度比)I0、與利用X射線繞射所獲得之微晶直徑XS並利用下述式而求出之值。
A=I0/XS
此處，吸光度比I0係於將3566cm-1之吸光度之值設為I、將3695cm-1之吸光度之值設為I'時之I與I'的比(I/I')。即，指標值A係利用A=(I/I')/XS
求出。
再者，吸光度I及吸光度I'均為該氧化鈰粒子之IR光譜中以3900cm-1之吸光度為基準(零)的值。
於氧化鈰粒子之IR光譜中，3566cm-1附近之吸收波峰係源自存在於氧化鈰粒子之複數個OH基間之氫鍵之振動的吸收，存在於3695cm-1附近之吸收係源自孤立之OH基中之O與H之鍵之振動的吸收，因此該等吸收波峰之吸光度比I0、即I/I'越小，意指存在於氧化鈰粒子之OH基之總量越少。
並且，可認為存在於氧化鈰粒子之OH基越少，越可獲得對氧化矽膜較高之研磨速度，但存在於氧化鈰粒子之OH基量依存於粒徑， 若為粒徑較大之粒子，則每個氧化鈰粒子之OH基之總量變多。如上所述，與研磨速度提高有關之存在於氧化鈰粒子之OH基之多寡程度依存於氧化鈰粒子之粒徑，因此僅根據上述吸光度比(I/I')之值難以進行判定。
相對於此，用吸光度比(I/I')除以微晶直徑XS所得之值依存於氧化鈰粒子之粒徑的程度較小，而成為大致表示存在於氧化鈰之OH基之多寡的數值。因此，可將該值A設為存在於氧化鈰粒子之OH基量之指標。
於該指標值A為0.08以下之情形時，無關氧化鈰粒子之粒徑之大小，氧化鈰粒子之OH基量充分減少，而可於STI中之二氧化矽膜之研磨中獲得充分高之研磨速度。
氧化鈰粒子之微晶直徑XS較佳為20nm以上且60nm以下。此處，微晶直徑XS係藉由X射線繞射裝置對氧化鈰粒子之X射線繞射光譜進行測定，於所獲得之光譜中求出(111)面之半值寬，根據該值並藉由以下記載之謝樂(Scherrer)式而算出。
微晶直徑(nm)=(謝樂(Scherrer)常數×X射線波長(m))/(半值寬(2θ)×cos繞射角)/10
再者，作為謝樂(Scherrer)常數，可使用0.94。
於微晶直徑XS為20nm以上且60nm以下之情形時，可獲得對二氧化矽膜之充分高之研磨速度，且亦抑制研磨痕之產生。氧化鈰粒子之微晶直徑XS較佳為30nm以上且60nm以下，更佳為40nm以上且60nm以下。
又，氧化鈰粒子較佳為上述微晶直徑XS與平均一次粒徑D之比(XS/D)為0.4以上且1.0以下。該比之值(XS/D)係表示氧化鈰之單晶程度，越接近1，則單晶程度變得越高，因此可獲得對二氧化矽之充分大之研磨速度。此處，平均一次粒徑D係由利用掃描式電子顯微鏡 (SEM)之觀察而獲得之粒徑，且係利用下述方法求出者，即對藉由SEM而獲得之氧化鈰粒子之圖像進行圖像解析，而算出數量平均粒徑。
進而，氧化鈰粒子之上述平均一次粒徑D較佳為30nm以上且100nm以下，更佳為60nm以上且100nm以下。於平均一次粒徑D為30nm以上且100nm以下之情形時，可獲得充分之研磨速度，且抑制於被研磨面產生刮痕等研磨痕。再者，於平均一次粒徑D未達30nm之情形時，有根據pH值或添加劑濃度等條件而變得容易凝集之情形。
又，本發明之第2態樣之研磨劑所含有之氧化鈰粒子(以下，亦稱為第2態樣之氧化鈰粒子)之表示與晶格常數之理論值之偏差程度的指標、即偏差值B為-0.16%以上，且平均二次粒徑D'為90nm以上且500nm以下。此處，偏差值B係根據氧化鈰之結晶之理論上求出之晶格常數a'與藉由粉末X射線繞射光譜之測定所獲得之晶格常數a並利用下述式而求出。
B(%)=(1-a/a')×100
再者，於粉末X射線繞射光譜之測定中，晶格常數a係利用下述式求出。
a=nλ/2sinθ
上式中，λ表示X射線之波長，n表示繞射次數。
晶格常數係表示結晶之單元晶格之形狀與大小之參數。若將單元晶格之各稜(軸)之長度(沿著3個結晶軸之各方向之重複週期)以a、b、c表示，將其等相互所成之角以α、β、γ表示，則晶格常數為該等6個常數。其中，氧化鈰之結晶為立方晶，a=b=c且α=β=γ=90°，因此可僅將a之值稱為晶格常數。
若於氧化鈰之結晶中產生氧缺陷，則鈰離子彼此之電斥力增強，因此晶格常數變得大於理論值a'。因此，藉由粉末X射線繞射光 譜之測定而獲得之氧化鈰粒子之晶格常數a大多成為理論值a'以上，且該晶格常數a變得越大，意指氧缺陷越增加。
於氧化鈰粒子中，上述式所表示之與晶格常數之理論值之偏差值B為-0.16%以上之情形時，氧化鈰之結晶中之氧缺陷十分少。並且，藉由使用含有如上述般氧缺陷較少之氧化鈰粒子之研磨劑，可獲得充分大之研磨速度。
又，第2態樣之氧化鈰粒子係平均二次粒徑D'為90nm以上且500nm以下者。於氧化鈰粒子之平均二次粒徑D'為90nm以上且500nm以下之情形時，可獲得對二氧化矽膜之充分高之研磨速度，且亦抑制研磨痕之產生。氧化鈰粒子之平均二次粒徑D'較佳為95nm以上且250nm以下，更佳為95nm以上且200nm以下。再者，於平均二次粒徑D'未達90nm之情形時，與晶格常數之理論值之偏差對研磨產生之影響減少，又，於平均二次粒徑D'大於500nm之情形時，變得容易產生研磨痕。
為了獲得第1態樣之氧化鈰粒子及第2態樣之氧化鈰粒子，較佳為利用下述(1)~(3)之方法製造氧化鈰粒子、或含有氧化鈰粒子之漿料，針對所獲得之氧化鈰粒子、或含有氧化鈰粒子之漿料，施加(i)加熱處理或(ii)噴射碰撞處理。
(氧化鈰粒子之製造)
上述加熱或噴射碰撞處理前之氧化鈰粒子例如可利用以下之方法獲得。
(1)向硝酸鈰(III)水溶液中添加氨水溶液等鹼而產生氫氧化鈰凝膠後，進行加熱處理，藉此可獲得含有氧化鈰粒子之漿料。對以上述方式獲得之漿料進行過濾、清洗、乾燥，可獲得氧化鈰粉末。
(2)向硝酸鈰(IV)銨水溶液中添加氨水溶液等鹼而產生氫氧化鈰凝膠後，進行化學氧化，藉此可獲得含有氧化鈰粒子之漿料。對以上述 方式獲得之漿料進行過濾、清洗、乾燥，可獲得氧化鈰粉末。
(3)於液中使鈰(III)鹽化學氧化，而獲得含有氧化鈰粒子之漿料。對以上述方式獲得之漿料進行過濾、清洗、乾燥，可獲得氧化鈰粉末。
(含有氧化鈰之漿料之製備)
上述含有氧化鈰之漿料係含有水作為分散氧化鈰粒子之介質。關於水，並無特別限制，就防止對其他添加劑之影響、雜質之混入、對pH值等之影響之觀點而言，較佳為純水、超純水、離子交換水等。關於水之含量，相對於漿料整體，較佳為50質量%以上且99.9質量%以下之比率，進而較佳為60質量%以上且99.8質量%以下。並且，關於氧化鈰粒子之含有比率(濃度)，就研磨之效率與防止粒子之凝集之觀點而言，相對於漿料之整體，較佳為設為0.1質量%以上且50質量%以下，更佳為0.2質量%以上且40質量%以下。
上述漿料例如可藉由向上述(1)~(3)中獲得之氧化鈰粒子中添加上述較佳量之水而進行製備。又，亦可視需要添加下述pH值調整劑、分散劑等。或者，亦可使用於上述(1)~(3)中獲得氧化鈰粉末前所製作之漿料作為本發明之漿料。
繼而，針對以上述方式獲得之氧化鈰粒子、或含有氧化鈰粒子之漿料，施加以下所示之(i)加熱處理或(ii)噴射碰撞處理，藉此可獲得上述具有特定值之氧化鈰粒子。
(i)加熱處理
於加熱處理中，將氧化鈰粒子或含有氧化鈰粒子之漿料(以下，亦簡稱為漿料)於90℃以上且1000℃以下之溫度下進行加熱。於使用漿料之情形時，較佳為含有水作為分散氧化鈰粒子之介質。
作為氧化鈰粒子或漿料之加熱方法，只要為上述加熱溫度，則並無特別限定。作為將漿料進行加熱之方法，可列舉：進行煮沸之方 法、藉由於高溫空氣中進行噴霧而進行加熱之方法、使用高壓釜進行加熱之方法等。又，可列舉：使用微波加振器對漿料照射微波而進行加熱之方法等。於高溫空氣中進行噴霧之方法中，藉由使漿料以霧粒狀與高溫空氣進行接觸而可以極短時間進行加熱。高溫空氣之溫度例如可設為90℃以上且1000℃以下。於利用高壓釜進行加熱之方法中，藉由於較大氣壓下高之氣壓下進行加熱，從而即便為漿料狀態亦可設為高溫，例如可將高壓釜之設定溫度設為90℃以上且250℃以下。於使用微波加振器對漿料照射微波之方法中，例如可設為90℃以上且300℃以下。
又，於加熱處理中，亦可對氧化鈰粒子直接加熱。於該情形時，例如可對上述(1)~(3)中獲得之氧化鈰粒子直接加熱。可藉由將氧化鈰粒子保持在設定為上述加熱溫度以上之焙燒爐內而進行。此時之加熱時間(焙燒爐內之保持時間)較佳為1小時以上且24小時以下。又，加熱溫度(焙燒爐之設定溫度)係根據所使用之焙燒爐之種類等而不同，但較佳為90℃以上且1000℃以下。作為焙燒爐，並無特別限定，可使用瓦斯爐、電爐、電漿爐等。
針對如上述般經過(i)加熱處理後之氧化鈰粒子、或含有氧化鈰粒子之漿料，亦可進而進行下述(ii)噴射碰撞處理。
(ii)噴射碰撞處理
噴射碰撞處理方法包括：噴射步驟，其以特定之壓力噴射含有氧化鈰粒子與水之漿料；及碰撞步驟，其使所噴射之漿料與具有特定硬度之剛體進行碰撞，或使所噴射之漿料彼此碰撞。再者，作為剛體，例如可列舉由氮化矽構成之球體。
所噴射之含有氧化鈰粒子與水之漿料例如可藉由向上述(1)~(3)中所獲得之氧化鈰粒子中添加較佳量之水而製備。又，亦可視需要向氧化鈰粒子與水中添加下述pH值調整劑、分散劑等而進行製備。或 者，亦可使用於上述(1)~(3)中獲得氧化鈰粉末前所製作之漿料作為本發明之漿料。
於噴射碰撞處理中，藉由於碰撞步驟中使漿料與剛體、或者漿料彼此碰撞，而將所噴射之漿料之動能轉化為熱能，並藉由所產生之熱能而將漿料中之氧化鈰粒子加熱。
於噴射碰撞處理中，較佳為將碰撞後之漿料供給至噴射步驟而再次進行噴射步驟及碰撞步驟。於該情形時，噴射步驟及碰撞步驟較佳為重複進行複數次(行程)，重複次數較佳為1~40次(行程)，更佳為1~30次(行程)。
作為噴射碰撞處理裝置，較佳為濕式噴射磨機，例如可使用SUGINO MACHINE公司製造之STARBURST系列等。
(分散介質)
本發明之第1態樣及第2態樣之研磨劑係含有水作為將以上述方式獲得之具有特定之特性值之第1態樣之氧化鈰粒子及第2態樣之氧化鈰粒子進行分散的介質。關於水，並無特別限制，就防止對其他添加劑之影響、雜質之混入、對pH值等之影響之觀點而言，較佳為純水、超純水、離子交換水等。關於水之含量，相對於研磨劑整體，較佳為50~99.9質量%之比率，更佳為70~99.9質量%，尤佳為90~99.9質量%。並且，關於氧化鈰粒子之含有比率，就研磨之效率與防止粒子之凝集之觀點而言，相對於研磨劑之整體，較佳為設為0.1~50質量%，更佳為0.1~30質量%，進而較佳為0.1~10質量%。
(pH值)
本發明之第1態樣及第2態樣之研磨劑之pH值較佳為3.5~11，進而較佳為3.5~10之範圍。於pH值為3以下之情形時，研磨速度明顯降低。又，若pH值超過11，則難以維持作為研磨粒之氧化鈰粒子之分散穩定性。若研磨劑之pH值為3.5~11之範圍，則氧化鈰粒子之分散 穩定性良好，且可獲得較高之研磨速度。
本發明之第1態樣及第2態樣之研磨劑亦可含有各種無機酸或無機酸鹽作為用以將pH值調整為上述特定範圍之pH值調整劑。作為無機酸或無機酸鹽，並無特別限制，例如可使用硝酸、硫酸、鹽酸、磷酸、硼酸、碳酸及該等之銨鹽、或鉀鹽等。
又，本發明之第1態樣及第2態樣之研磨劑亦可含有各種鹼性化合物作為pH值調整劑。鹼性化合物較佳為水溶性，但並無特別限定。例如可使用氨、氫氧化鉀、及氫氧化四甲基銨(TMAH)或氫氧化四乙基銨等氫氧化四級銨等。
本發明之第1態樣及第2態樣之研磨劑可含有上述成分以外之其他成分。作為其他成分，可列舉分散劑等。所謂分散劑，係為了使氧化鈰粒子穩定地分散於純水等分散介質中而含有者，可使用陰離子性、陽離子性、非離子性、兩性之界面活性劑。本發明之第1態樣及第2態樣之研磨劑可含有該等成分之1種以上。
(研磨劑之製備)
於製備本發明之第1態樣及第2態樣之研磨劑時，可施加上述(i)加熱處理或(ii)噴射碰撞處理，並調整為具有上述特定之特性值之氧化鈰粒子或含有氧化鈰粒子之漿料中添加作為分散介質的水。關於水之含量，相對於研磨劑整體，較佳為50~99.9質量%之比率，進而較佳為80~99.9質量%。關於氧化鈰粒子之含有比率，就研磨之效率與防止粒子之凝集之觀點而言，相對於研磨劑之整體，較佳為設為0.1~5質量%，更佳為0.15~3質量%。
於為了獲得具有特定之特性值之氧化鈰粒子而對含有氧化鈰粒子之漿料進行加熱處理之情形時，只要加熱處理後之漿料中之水含量為上述較佳之範圍內，則可將該漿料直接用作研磨劑。又，於對漿料進行加熱處理後視需要添加水，藉此亦可使研磨劑中之水含量為上述 較佳之量。
為了使氧化鈰粒子之分散性提高，較佳為使用均質器，對上述獲得之研磨劑進行分散處理。為了進一步提高分散性，於利用均質器之分散處理後亦可藉由濕式噴射磨機進行處理。
<研磨方法及研磨裝置>
於使用本發明之第1態樣及第2態樣之研磨劑，對半導體裝置之包含氧化矽、含碳氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、非晶矽、多晶矽等膜之被研磨面進行研磨之情形時，較佳為如下方法，即一面將研磨劑供給至研磨墊一面使上述被研磨面與研磨墊接觸，藉由兩者間之相對運動而進行研磨。
於上述研磨方法中，作為研磨裝置，可使用公知之研磨裝置。圖2係表示可用於本發明之研磨方法之研磨裝置之一例的圖。
該研磨裝置20包括：保持半導體裝置21之研磨頭22、研磨壓盤23、貼附於研磨壓盤23之表面之研磨墊24、及將研磨劑25供給至研磨墊24之研磨劑供給配管26。其以如下方式構成：一面自研磨劑供給配管26供給研磨劑25，一面使由研磨頭22保持之半導體裝置21之被研磨面與研磨墊24接觸，使研磨頭22與研磨壓盤23進行相對旋轉運動而進行研磨。再者，本發明所使用之研磨裝置並不限定於此種構造。
研磨頭22不僅可進行旋轉運動，亦可進行直線運動。又，研磨壓盤23及研磨墊24亦可為與半導體裝置21相同程度之尺寸或小於其之尺寸。於該情形時，較佳為使研磨頭22與研磨壓盤23相對移動，藉此可對半導體裝置21之被研磨面之整個面進行研磨。進而，研磨壓盤23及研磨墊24亦可不進行旋轉運動，例如可以傳送帶方式單向地移動。
此種研磨裝置20之研磨條件並無特別限制，可藉由對研磨頭22施加負荷並將研磨頭22壓抵於研磨墊24，而進一步提高研磨壓力，使研磨速度提高。研磨壓力較佳為0.5~50kPa左右，就研磨速度下之半 導體裝置21之被研磨面內之均勻性、平坦性、防止刮痕等研磨缺陷之觀點而言，研磨壓力更佳為3~40kPa左右。研磨壓盤23及研磨頭22之轉數較佳為50~500rpm左右，但並不限定於此。又，關於研磨劑25供給量，係根據研磨劑之組成或上述各研磨條件等而適當調整。
作為研磨墊24，可使用包含不織布、發泡聚胺基甲酸酯、多孔質樹脂、非多孔質樹脂等者。又，為了促進研磨劑25向研磨墊24之供給，或者於研磨墊24積存一定量之研磨劑25，亦可對研磨墊24之表面實施格子狀、同心圓狀、螺旋狀等之溝槽加工。又，亦可視需要使(研磨)墊調理器與研磨墊24之表面接觸，一面對研磨墊24表面進行調整一面進行研磨。
根據本發明之研磨方法，於半導體裝置之製造中之層間絕緣膜之平坦化或STI用絕緣膜之平坦化等之CMP處理中，可以較高之研磨速度對包含氧化矽之被研磨面進行研磨。又，可抑制於被研磨面產生研磨痕，而以較高之良率獲得半導體裝置。
[實施例]
以下，基於實施例而對本發明具體地進行說明，但本發明並不限定於以下之記載。例1~5及例10為本發明之實施例，例6~9為比較例。
於以下之例中，關於「%」，只要無特別說明，則意指質量%。又，研磨粒濃度、氧化鈰粒子之平均一次粒徑(D)、平均二次粒徑(D')、微晶直徑(XS)、IR光譜中之吸收波峰之吸光度比(I/I')、晶格常數a及與晶格常數之理論值之偏差值B(%)分別係利用下述方法進行測定。
(研磨粒濃度)
研磨粒濃度係使用水分計(島津製作所製造，商品名：MOC-120H)進行測定。
(平均一次粒徑)
氧化鈰粒子之平均一次粒徑D係使用圖像解析軟體(Mountech公司製造，商品名：Mac-View版本3.5)，對藉由掃描式電子顯微鏡(SEM)(日立高新技術公司製造，裝置名：S-4800)而獲得之氧化鈰粒子之圖像進行解析而求出。使粒子之圖像近似於圓而進行解析，對圖像內之50個粒子之粒徑進行測定，將藉由個數平均而獲得之值設為平均一次粒徑D。
(平均二次粒徑)
平均二次粒徑D'係使用雷射散射-繞射裝置(堀場製作所製造，商品名：LA-920)進行測定。
(微晶直徑)
微晶直徑XS係藉由X射線繞射裝置(Rigaku公司製造，裝置名：TTR-III)對X射線繞射光譜進行測定，並根據所獲得之(111)面之半值寬，由下述式算出。
微晶直徑XS(nm)=(謝樂(Scherrer)常數×X射線波長(m))/(半值寬(2θ)×cos繞射角)/10
(吸光度(I，I')及吸光度比(I/I'))
使用IR測定裝置(Thermo Fisher Scientific公司製造，裝置名：Nicolet 6700)，將測定解析力設定為4cm-1，並藉由擴散反射法進行測定。檢測器係使用MCT-A(藉由網A進行消光)，背景測定係使用Al鏡。將所獲得之分佈之以3900cm-1之吸光度為基準時的3566cm-1之吸光度之值設為I，將3695cm-1之吸光度之值設為I'。然後，算出吸收波峰之吸光度比(I/I')。
(晶格常數)
使用粉末X射線繞射裝置(Rigaku公司製造，裝置名：SmartLab)，以5°/min之速度自10°至90°之範圍內改變X射線之入射角 度，測定X射線繞射光譜。燈絲係使用鎢，X射線係使用Cu之Kα(λ=1.54056A(埃))。晶格常數a係使用歸屬於氧化鈰(200)面之2θ，並使用下述式求出。再者，如上所述，n表示繞射次數。
a=nλ/2sinθ
又，理論上求出之晶格常數a'係使用根據晶格常數得以保障之標準相之試樣之繞射波峰的資料所求出之值作為理論值。繞射波峰之資料係使用Rigaku公司製造之綜合粉末X射線解析軟體RDXL2.0之資料庫編號01-078-5328。然後，使用上述求出之晶格常數a與晶格常數之理論值a'，利用下述式算出與晶格常數之理論值之偏差值B(%)。
B(%)=(1-a/a')×100
又，於例1~10之研磨劑之製備中，均質器係使用NIHONSEIKI KAISHA公司製造之US-600TCVP(裝置名)，濕式噴射磨機係使用SUGINO MACHINE公司製造之Star Burst Mini(裝置名)。
例1
將作為研磨粒原料之膠體氧化鈰(Rhodia公司製造，商品名：HC60，作為研磨粒之氧化鈰濃度：30%，平均一次粒徑：85nm)500g於70℃之恆溫槽中乾燥3天。利用研缽，將所獲得之乾燥體粉碎為粉末狀後放入坩鍋中，藉由焙燒爐於690℃下進行5小時加熱處理。繼而，利用研缽將加熱處理後之粉體粗略地壓碎後，對粉體50g添加純水948.5g與1%之硝酸溶液1.5g，並以總量計成為1000g之方式進行調整。然後，利用均質器，對所獲得之漿料進行分散處理，其後，為了進一步提高分散性而使用濕式噴射磨機，將壓力設定為200MPa而進行處理直至二次粒徑之D50成為100nm。向以上述方式獲得之漿料(1)之250g中添加純水4750g並進行混合，而製成研磨劑(1)。利用上述方法，對所獲得之研磨劑(1)之平均二次粒徑D'進行測定。
又，將上述漿料(1)於70℃下再乾燥3天，而獲得作為研磨粒之氧 化鈰粒子。利用上述方法分別測定以上述方式獲得之氧化鈰粒子之平均一次粒徑D、微晶直徑XS、IR中之吸收波峰之吸光度(I，I')、及晶格常數a以及與晶格常數之理論值之偏差值B(%)。將平均一次粒徑D、微晶直徑XS及IR中之吸收波峰之吸光度(I，I')之測定結果示於表1。又，將晶格常數a及上述平均二次粒徑D'之測定結果示於表2。
例2
將膠體氧化鈰(Rhodia公司製造，商品名：HC42，研磨粒濃度：30%，平均一次粒徑：55nm)500g於70℃之恆溫槽中乾燥3天。利用研缽，將所獲得之乾燥體粉碎為粉末狀後放入坩鍋中，藉由焙燒爐於690℃下進行5小時加熱處理。繼而，利用研缽將加熱處理後之粉體粗略地壓碎後，對粉體50g添加純水948.5g與1%之硝酸溶液1.5g，並以總量計成為1000g之方式進行調整。然後，利用均質器，對所獲得之漿料進行分散處理，其後使用濕式噴射磨機，將壓力設定為200MPa而進行處理直至二次粒徑之D50成為90nm。向以上述方式獲得之漿料(2)之250g中添加純水4750g並進行混合，而製成研磨劑(2)。
又，將上述漿料(2)於70℃下再乾燥3天而獲得氧化鈰粒子。利用上述方法分別測定以上述方式獲得之氧化鈰粒子之平均一次粒徑D、微晶直徑XS及IR中之吸收波峰之吸光度(I，I')。將該等之測定結果示於表1。
例3
將膠體氧化鈰(Rhodia公司製造，商品名：HC30，研磨粒濃度：30%，平均一次粒徑：42nm)500g於70℃之恆溫槽中乾燥3天。利用研缽，將所獲得之乾燥體粉碎為粉末狀後放入坩鍋中，藉由焙燒爐於690℃下進行5小時加熱處理。繼而，利用研缽將加熱處理後之粉體粗略地壓碎後，對粉體50g添加純水948.5g與1%之硝酸溶液1.5g，並以總量計成為1000g之方式進行調整。然後，利用均質器，對所獲得 之漿料進行分散處理，其後使用濕式噴射磨機，將壓力設定為200MPa而進行處理直至二次粒徑之D50成為80nm。向以上述方式獲得之漿料(3)之250g中添加純水4750g並進行混合，而製成研磨劑(3)。
又，將上述漿料(3)於70℃下再乾燥3天而獲得氧化鈰粒子。利用上述方法分別測定所獲得之氧化鈰粒子之平均一次粒徑D、微晶直徑XS及IR中之吸收波峰之吸光度(I，I')。將該等之測定結果示於表1。
例4
針對膠體氧化鈰(Rhodia公司製造，商品名：HC60)500g，使用濕式噴射磨機，將壓力設定為200MPa，進行1次噴射碰撞處理。繼而，向以上述方式獲得之漿料(4)之41.6g中添加純水4958.4g並進行混合，而製成研磨劑(4)。
又，將上述漿料(4)於70℃下再乾燥3天而獲得氧化鈰粒子。利用上述方法分別測定所獲得之氧化鈰粒子之平均一次粒徑D、微晶直徑XS及IR中之吸收波峰之吸光度(I，I')。將該等之測定結果示於表1。
例5
針對膠體氧化鈰(Rhodia公司製造，商品名：HC60)500g，使用濕式噴射磨機，將壓力設定為200MPa，進行10次噴射碰撞處理。向以上述方式獲得之漿料(5)之41.6g中添加純水4958.4g並進行混合，而製成研磨劑(5)。利用上述方法對所獲得之研磨劑(5)之平均二次粒徑D'進行測定。
又，將上述漿料(5)於70℃下再乾燥3天而獲得氧化鈰粒子。利用上述方法分別測定所獲得之氧化鈰粒子之平均一次粒徑D、微晶直徑XS、IR中之吸收波峰之吸光度(I，I')、及晶格常數a以及與晶格常數之理論值之偏差值B(%)。將平均一次粒徑D、微晶直徑XS及IR中之吸收波峰之吸光度(I，I')之測定結果示於表1。又，將晶格常數a及上述平均二次粒徑D'之測定結果示於表2。
例6
向膠體氧化鈰(Rhodia公司製造，商品名：HC60)41.6g中添加純水4958.4g並進行混合，而製成研磨劑(6)。此處，利用上述方法對膠體氧化鈰之平均二次粒徑D'進行測定。繼而，將上述膠體氧化鈰於70℃下乾燥3天而獲得氧化鈰粒子，其後利用上述方法分別測定所獲得之氧化鈰粒子之平均一次粒徑D、微晶直徑XS、IR中之吸收波峰之吸光度(I，I')、及晶格常數a以及與晶格常數之理論值之偏差值B(%)。將平均一次粒徑D、微晶直徑XS及IR中之吸收波峰之吸光度(I，I')之測定結果示於表1。又，將晶格常數a及上述平均二次粒徑D'之測定結果示於表2。
例7
向膠體氧化鈰(Rhodia公司製造，商品名：HC42)41.6g中添加純水4958.4g並進行混合，而製成研磨劑(7)。又，將上述膠體氧化鈰於70℃下乾燥3天而獲得氧化鈰粒子，其後利用上述方法分別測定所獲得之氧化鈰粒子之平均一次粒徑D、微晶直徑XS及IR中之吸收波峰之吸光度(I，I')。將該等之測定結果示於表1。
例8
向膠體氧化鈰(Rhodia公司製造，商品名：HC30)41.6g中添加純水4958.4g並進行混合，而製成研磨劑(8)。又，將上述膠體氧化鈰於70℃下乾燥3天而獲得氧化鈰粒子，其後利用上述方法分別測定所獲得之氧化鈰粒子之平均一次粒徑D、微晶直徑XS及IR中之吸收波峰之吸光度(I，I')。將該等之測定結果示於表1。
例9
向在碳酸鈰100g中添加水400g而成者添加直徑1mm之氧化鋯珠75g並粉碎15小時後，將所獲得之漿料於70℃之恆溫槽中乾燥3天。利用研缽，將所獲得之乾燥體粉碎為粉末狀後放入坩鍋中，藉由焙燒 爐於300℃下進行5小時加熱處理。
繼而，利用研缽將加熱處理後之粉體粗略地壓碎後，對粉體50g添加純水948.5g與1%之硝酸溶液10g，並以總量計成為1000g之方式進行調整。然後，利用均質器，將所獲得之漿料進行分散處理，其後，為了進一步提高分散性而使用濕式噴射磨機，將壓力設定為200MPa而進行處理直至二次粒徑之D50成為180nm。繼而，向所獲得之漿料(9)之250g中添加純水4750g並進行混合，而製成研磨劑(9)。利用上述方法，對以上述方式獲得之研磨劑(9)之平均二次粒徑D'進行測定。又，將研磨劑(9)於70℃下乾燥3天而獲得氧化鈰粒子，其後利用上述方法測定晶格常數a及與晶格常數之理論值之偏差值B(%)。將晶格常數a及上述平均二次粒徑D'之測定結果示於表2。
例10
向在碳酸鈰100g中添加水400g而成者添加直徑1mm之氧化鋯珠75g並粉碎15小時後，將所獲得之漿料於70℃之恆溫槽中乾燥3天。利用研缽，將所獲得之乾燥體粉碎為粉末狀後放入坩鍋中，藉由焙燒爐於690℃下進行5小時加熱處理。
繼而，利用研缽將加熱處理後之粉體粗略地壓碎後，對粉體50g添加純水948.5g與1%之硝酸溶液1.79g，並以總量計成為1000g之方式進行調整。然後，利用均質器，將所獲得之漿料進行分散處理，其後，為了進一步提高分散性而使用濕式噴射磨機，將壓力設定為200MPa而進行處理直至二次粒徑之D50成為180nm。繼而，向所獲得之漿料(10)之250g中添加純水4750g並進行混合，而製成研磨劑(10)。利用上述方法對以上述方式獲得之研磨劑(10)之平均二次粒徑D'進行測定。又，將研磨劑(10)於70℃下乾燥3天而獲得氧化鈰粒子，其後利用上述方法測定晶格常數a及與晶格常數之理論值之偏差值B(%)。將晶格常數a及上述平均二次粒徑D'之測定結果示於表2。
繼而，利用以下所示之方法，對例1~10中獲得之研磨劑(1)~(10)之研磨特性進行評價。
(研磨特性之評價)
為了對研磨特性進行評價，而進行測定研磨速度之實驗。
<被研磨物>
使用STI圖案晶圓(International SEMATECH公司製造，商品名：864CMP000)作為經圖案化之被研磨物。晶圓尺寸為8英吋，於晶圓上以圖案間隔100μm形成有仿STI之圖案之圖案寬度為0.5μm以上且500μm以下、圖案密度為10%以上且90%以下之複數個條紋圖案。於該 STI圖案晶圓，作為掩膜形成於主動區域上之SiN膜之膜厚為90nm，溝槽之深度為350nm。晶圓整面被以四乙氧基矽烷為原料並利用電漿CVD成膜之膜厚為500nm的二氧化矽膜覆蓋。
<研磨機及研磨條件>
作為研磨機，使用全自動CMP裝置(Applied Materials公司製造，裝置名：Mirra)。作為研磨墊，使用雙層墊(Rodel公司製造，商品名：IC-1400之K-groove)，並使用Diamond disk(3M公司製造，商品名：A165)進行調整。然後，將研磨劑之供給速度設為200cm3/分鐘，將研磨壓盤之轉數設為77rpm，將研磨壓設為3psi，進行2分鐘研磨。
研磨速度之測定係藉由使用光學式膜厚計(KLA-Tencor公司製造，裝置名：UV-1280SE)，對上述作為被研磨物之STI圖案晶圓之下述部分之膜厚進行測定而進行。即，根據上述STI圖案晶圓中包含寬度50μm之溝槽區域與寬度50μm之主動區域(元件區域)之圖案形成部的主動區域(元件區域)之二氧化矽膜於研磨前後之膜厚，並藉由下述式算出研磨速度。
研磨速度V1(nm/分鐘)=(研磨前之膜厚(nm)-研磨2分鐘後之膜厚(nm))/2分鐘
繼而，用例1~8之研磨劑(1)~(8)中獲得之研磨速度V1除以各研磨劑所含有之氧化鈰粒子每個之表面積，藉此算出氧化鈰粒子之每單位表面積之研磨速度V2。再者，氧化鈰粒子每個之表面積係藉由下述式而求出。
氧化鈰粒子之表面積=4π×(氧化鈰粒子之平均一次粒徑(D)/2)2
進而，用上述求出之吸收波峰之吸光度比(I/I')除以微晶直徑XS，而算出每微晶直徑之吸光度比(I/I')/XS。
將上述每單位表面積之研磨速度V2、與每微晶直徑之強度比 (I/I')/XS一併示於表3。
自表3之結果可知，於使用例1~5之研磨劑(1)~(5)之情形時，每微晶直徑之吸光度比(I/I')/XS成為0.08以下，與使用該值大於0.08之例6~8之研磨劑(6)~(8)之情形相比，每單位表面積之研磨速度V2提高。
又，將使用例1、例5~6及例9~10之研磨劑(1)、(5)、(6)、(9)及(10)而獲得之研磨速度V1、與各研磨劑中之氧化鈰粒子之上述求出之與晶格常數之理論值之偏差值B(%)一併示於表4。
自表4之結果可知，於使用例1、5及10之研磨劑(1)、(5)及(10)之情形時，與晶格常數之理論值之偏差值B成為-0.16%以上，與使用該偏差值B小於-0.16%之例6、9之研磨劑(6)、(9)之情形相比，研磨速度 V1提高。
[產業上之可利用性]
根據本發明，可抑制於包含氧化矽、含碳氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、非晶矽、多晶矽等膜之被研磨面產生研磨痕，且可以較高之研磨速度進行研磨。因此，例如可抑制研磨痕之產生並且以高速進行STI用絕緣膜之平坦化，從而可提高半導體裝置之製造效率。
1‧‧‧矽基板
2‧‧‧氮化矽膜
3‧‧‧溝槽
4‧‧‧氧化矽膜

Claims (9)

  1. 一種研磨劑，其特徵在於：含有氧化鈰粒子與水，且關於上述氧化鈰粒子，其根據紅外線吸收光譜之以3900cm-1之吸光度為基準之3566cm-1之吸光度之值I與3695cm-1之吸光度之值I'的比(I/I')、及利用X射線繞射所測得之微晶直徑XS並利用下述式而求出之值A為0.08以下，A=(I/I')/XS。
  2. 如請求項1之研磨劑，其中上述氧化鈰粒子之上述微晶直徑XS為20nm以上且60nm以下。
  3. 如請求項1或2之研磨劑，其中於上述氧化鈰粒子中，上述微晶直徑XS與藉由利用掃描式電子顯微鏡之觀察所獲得之平均一次粒徑D的比(XS/D)為0.4以上且1.0以下。
  4. 如請求項3之研磨劑，其中上述氧化鈰粒子之上述平均一次粒徑D為30nm以上且100nm以下。
  5. 一種研磨劑，其特徵在於：含有氧化鈰粒子與水，且關於上述氧化鈰粒子，其根據理論上求出之晶格常數a'與利用粉末X射線繞射所測定之晶格常數a並利用下述式而求出之晶格常數之偏差值B為-0.16%以上，且平均二次粒徑D'為90nm以上且500nm以下，B(%)=(1-a/a')×100。
  6. 如請求項5之研磨劑，其中上述氧化鈰粒子之上述平均二次粒徑D'為95nm以上且250nm以下。
  7. 如請求項5之研磨劑，其中上述氧化鈰粒子之上述平均二次粒徑D'為95nm以上且200nm以下。
  8. 一種研磨方法，其特徵在於：其係一面供給研磨劑一面使被研 磨面與研磨墊接觸，藉由兩者間之相對運動而進行研磨之方法，且使用如請求項1至7中任一項之研磨劑作為上述研磨劑。
  9. 一種半導體積體電路裝置之製造方法，其特徵在於包括：藉由如請求項8之研磨方法對上述被研磨面進行研磨之步驟。
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