JP2005159269A - 化学機械研磨材スラリー及びその使用方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】研磨材粒子の沈殿を防ぎ、ＴａＮに対する金属層への選択率を高め、銅のディッシングを防ぐ。
【解決手段】スラリーは、アルミナで被覆されたＳｉＯ2、ＺｒＯ2、ｅ０2，ＳｉＣ、Ｆｅ2Ｏ2，ＴｉＯ2，Ｓｉ3Ｎ4，及びそれらの混合物からなる群から選択された基体粒子からなる複合研磨材粒子を含有する。更に、半導体ウェーハ表面の研磨において前記スラリーを使用する化学機械研磨方法に関する。
【選択図】なし
【解決手段】スラリーは、アルミナで被覆されたＳｉＯ2、ＺｒＯ2、ｅ０2，ＳｉＣ、Ｆｅ2Ｏ2，ＴｉＯ2，Ｓｉ3Ｎ4，及びそれらの混合物からなる群から選択された基体粒子からなる複合研磨材粒子を含有する。更に、半導体ウェーハ表面の研磨において前記スラリーを使用する化学機械研磨方法に関する。
【選択図】なし
Description
本発明は、半導体ウェーハの表面を研磨するのに有効な化学機械研磨材スラリーに関する。
化学機械研磨（ＣＭＰ）は平坦化技術の一種（a planarization technique）であり、これは集積回路製造のフォトリソグラフィプロセス時に蒸着フィルムの厚さ(height)の違いに起因する、焦点を合わせることの困難さに伴う問題を処理するために開発された。化学機械研磨技術は、当初０．５ミクロンオーダーのサイズの素子の製造に利用された。素子サイズの減少に伴い、化学機械研磨技術は多数の層に適用可能になった。０．２５ミクロンオーダーの素子が開発されるまで、化学機械研磨は主要で不可欠な平坦化技術になった。一般に、ワイヤ回路製造における研磨方法は研磨ヘッドを備えた回転圧盤上に半導体ウェーハを載せることと、研磨材粒子及び酸化剤を含む研磨材スラリーを該ウェーハの表面に塗布し研磨効果を高めることとを含む。
多くの特許文献に、半導体ウェーハ上の金属層の研磨における研磨材スラリーの使用が開示されている。例えば、米国特許第５,２２５,０３４号はＡｇＮＯ3と、固形研磨材粒子と、Ｈ2Ｏ2、ＨＯＣｌ、ＫＯＣｌ、ＫＭｇＯ4及びＣＨ3ＣＯＯＯＨから選択される酸化剤とを含有する化学機械研磨材スラリーを開示している。このスラリーを使用して半導体ウェーハ上の銅層を研磨し、ウェーハ上に銅ワイヤを製造している。
米国特許第５,０８４,０７１号は電子部品基板用の化学機械研磨材スラリーを開示している。この研磨材スラリーは１重量％以下のアルミナ、研磨材粒子（例えばＳｉＯ2、ＣｅＯ2、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、又はＦｅ2Ｏ3粒子）、研磨促進剤として用いられる遷移金属のキレート塩（例えばＥＤＴＡ鉄アンモニウム）及び前記塩用の溶媒を含有する。
米国特許第５,３３６,５４２号は研磨組成物を開示しており、該組成物はアルミナ研磨材粒子と、ポリアミノカルボン酸（例えばＥＤＴＡ）及びそのナトリウム塩とカリウム塩からなる群から選択されるキレート剤とを含有している。
通常、前記特許で提案されている研磨材スラリーは、スラリーに含まれている研磨材粒子の沈澱に関する問題があるため、より速い除去速度とより低いディッシング値という新世代研磨の要件を満たすことができなかった。
加えて、銅プロセシング時に、銅膜をアニーリング処理すると高密度の酸化銅の層が銅膜上に形成される。更に、ウェーハ上の銅の一部を取り除く際に、不要な銅がウェーハ上に残存することがしばしばあり、ＣＭＰプロセシングに伴う不均一性の問題のためディッシングが生じ始める。このため、銅ワイヤのディッシングを低減させるために銅の残留物を迅速に除去することができる解決法を見出し、生産能力を向上させることがＣＭＰプロセシングには必須である。
Ｔａ及びＴａＮは銅プロセシングに現在使用されている二種の主要なバリア層材料である。前記バリア層が研磨停止層として機能する場合、銅金属の除去工程においてバリア層に対する銅金属への研磨剤の選択性は非常に重要である。高度なプロセシングにおいてバリア層は更に薄くされるため、プロセシング処理を容易にするために高い選択性を示す研磨材スラリーが必要とされている。
本発明の発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、複合研磨材粒子を含有する研磨材スラリーが研磨材粒子の沈澱を防ぐことができ、ＴａＮに対する金属層への選択率を向上させるのに有効であり、更に銅のディッシングを防ぐことができ、従って化学機械研磨材スラリーが直面する前述の欠点を回避するのに有効であることを見出した。
本発明の一目的は、半導体プロセシングに使用するための化学機械研磨材スラリーであって、該スラリーは複合研磨材粒子を含有し、該複合研磨材粒子はアルミナで被覆された基体粒子からなることを特徴とする化学機械研磨材スラリーを提供することにある。
本発明の別の目的は、半導体ウェーハ表面の研磨のための、水性媒体、界面活性剤及び研磨材粒子を含有する化学機械研磨材スラリーであって、該研磨材粒子がアルミナで被覆された基体粒子からなる複合研磨材粒子であることを特徴とする化学機械研磨材スラリーを提供することにある。
本発明の更なる目的は、本発明のスラリーを用いて、半導体ウェーハ表面を研磨するための化学機械研磨方法を提供することにある。
本発明は半導体プロセシングに使用するための、複合研磨材粒子を含むことを特徴とする化学機械研磨材スラリーを提供する。該複合研磨材粒子はアルミナで被覆された基体粒子からなり、該基体粒子はＳｉＯ2、ＺｒＯ2、ＣｅＯ2、ＳｉＣ、Ｆｅ2Ｏ2、ＴｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4及びそれらの混合物からなる群から選択され、好ましくはＳｉＯ2である。
本発明に用いる複合研磨材粒子の量は、研磨材スラリーの全重量に対して、０．１〜２９重量％の範囲であり、好ましくは０．５〜５重量％である。
本発明は、半導体ウェーハ表面を研磨するための化学機械研磨材スラリーを更に提供する。該スラリーは水性媒体、界面活性剤及び研磨材料を含み、該研磨材料はアルミナで被覆された基体粒子からなる複合研磨材粒子を含有する。水性媒体の量は研磨材スラリー全重量に対し、７０〜９９．５重量％の範囲であり、好ましくは９０〜９９.５重量％、より好ましくは９５〜９９．５重量％の範囲である。界面活性剤の量は０．０１〜３．０重量％の範囲であり、好ましくは０．０５〜１.０重量％の範囲である。複合研磨材粒子の量は０．１〜２９重量％の範囲であり、好ましくは０．５〜５重量％である。
本発明に使用することができる水性媒体は当業者に明らかである。例えば、スラリーの調製に水（好ましくは脱イオン水）を使用することができる。
本発明に用いられる界面活性剤としては、陰イオン性界面活性剤を用いることができる。
研磨材スラリーは、酸化剤と腐食防止剤とを任意に含んでいてもよい。これら添加剤の使用は、当業者によく知られている。酸化剤は特に限定されない。酸化剤の例としてはＨ2Ｏ2、Ｆｅ（ＮＯ3）3、ＫＩＯ3、ＣＨ3ＣＯＯＯＨ、及びＫＭｎＯ4を挙げることができ、好ましくはＨ2Ｏ2であるが、これらに限定されるものではない。本発明においてトリアゾール化合物を腐食防止剤として使用でき、ベンゾトリアゾール、シアヌル酸（１，３，５−トリアジン−２，４，６−トリオール）、１，２，３−トリアゾール、３−アミノ−１，２，４−トリアゾール、３−ニトロ−１，２，４−トリアゾール、パーパルド（purpald）（登録商標）、ベンゾトリアゾール−５−カルボン酸、３−アミノ−１，２，４−トリアゾール−５−カルボン酸、１−ヒドロキシベンゾトリアゾール又はニトロベンゾトリアゾールから選択することができるが、ベンゾトリアゾールが好ましい。本発明の化学機械研磨材スラリーは、研磨材スラリー全重量に対し０．１〜５重量％の酸化剤と０．０１〜１重量％の腐食防止剤とを含むことができる。
本発明の研磨材スラリーはまた、本発明の研磨組成物に悪影響を及ぼさない、化学機械研磨分野において良く知られる他の成分を含むことができる。例えば、キレート生成を促進するために有機酸を添加することができ、ｐＨ値を調整するためにアンモニア水や硝酸等の塩基又は酸を添加することができる。好適な有機酸としては、とりわけギ酸、酢酸、プロパン酸、酪酸、吉草酸、ヘキサン酸、マロン酸、グルタル酸、アジピン酸、亜リン酸、シュウ酸、クエン酸、リンゴ酸、及び酒石酸が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
次の実施例で説明するように、本発明の研磨材スラリーはＴａＮに対する金属銅への選択率を向上させることができ、これにより銅のディッシングの発生を防ぐことができる。
本発明は更に、半導体ウェーハの表面を研磨するための方法に関し、該方法は本発明の化学機械研磨材スラリーを該ウェーハの表面に適用することと、該スラリーを用いて半導体ウェーハ表面の金属層を研磨することとを含む。典型的には前記金属層は銅である。
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。当業者が容易に達成し得る本発明の如何なる修正や変更も、本発明の範囲及び添付の請求の範囲に包含される。
研磨試験
Ａ．装置：ＡＭＡＴ／ミラ（Mirra）
Ｂ．条件：膜圧：２ｐｓｉ
内管：通気孔
保持リング：２．６ｐｓｉ
プラテン速度：９３ｒｐｍ
キャリア速度:８７ｒｐｍ
温度：２５℃
パッド型式：ＩＣ１０００、ｋ−ｘｙ．
スラリー速度：１５０ｍＬ／ｍｉｎ．
Ｃ．ウェーハ：パターンウェーハ（セマテック社より市販）；
型式：０．２５μｍライン幅、８５４ＣＭＰ０１７ウェーハ
Ｄ．スラリー：実施例に示す研磨材スラリー。各スラリーは３．０重量％のＨ2Ｏ2を更に含む。
Ａ．装置：ＡＭＡＴ／ミラ（Mirra）
Ｂ．条件：膜圧：２ｐｓｉ
内管：通気孔
保持リング：２．６ｐｓｉ
プラテン速度：９３ｒｐｍ
キャリア速度:８７ｒｐｍ
温度：２５℃
パッド型式：ＩＣ１０００、ｋ−ｘｙ．
スラリー速度：１５０ｍＬ／ｍｉｎ．
Ｃ．ウェーハ：パターンウェーハ（セマテック社より市販）；
型式：０．２５μｍライン幅、８５４ＣＭＰ０１７ウェーハ
Ｄ．スラリー：実施例に示す研磨材スラリー。各スラリーは３．０重量％のＨ2Ｏ2を更に含む。
研磨試験手順
本発明において、研磨にミラ（Mirra）研磨機（アプライドマテリアルズ社）を用いた。エンドポイントシステムにより得られるシグナルを、研磨手続きのためのＥＰ２シグナルとして構成した。研磨の際、実施例に示すＥＰ２に達した各スラリーで研磨した後に更に２０％の過剰研磨を行った。研磨後のウェーハをエバーグリーンモデル１０Ｘクリーナー〔ソリッドステートエクイップメント社(Solid State Equipment Corporation)〕にて洗浄し、窒素で乾燥した。次いでＫＬＡ−テンコールＰ−１１サーフェスプロファイラーを用いて、銅ディッシングレベルを測定した。測定参照点として１００μｍ幅の銅ワイヤを用い、バリア層のディッシングに対するそのディッシングを測定した。
実施例１
本発明において、研磨にミラ（Mirra）研磨機（アプライドマテリアルズ社）を用いた。エンドポイントシステムにより得られるシグナルを、研磨手続きのためのＥＰ２シグナルとして構成した。研磨の際、実施例に示すＥＰ２に達した各スラリーで研磨した後に更に２０％の過剰研磨を行った。研磨後のウェーハをエバーグリーンモデル１０Ｘクリーナー〔ソリッドステートエクイップメント社(Solid State Equipment Corporation)〕にて洗浄し、窒素で乾燥した。次いでＫＬＡ−テンコールＰ−１１サーフェスプロファイラーを用いて、銅ディッシングレベルを測定した。測定参照点として１００μｍ幅の銅ワイヤを用い、バリア層のディッシングに対するそのディッシングを測定した。
実施例１
研磨材粒子にはコロイダルシリカを用いた。
得られた研磨材スラリーは次の組成を有する:
コロイダルシリカ：３．０重量％；
ベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）：０．１重量％；
亜リン酸：０．２重量％；
サーフィノール（Surfynol）ＣＴ−１６１：０．１重量％；
バランス：脱イオン水とｐＨ調整のためのアンモニア水又は硝酸
研磨試験結果を表１に示す。
実施例２
コロイダルシリカ：３．０重量％；
ベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）：０．１重量％；
亜リン酸：０．２重量％；
サーフィノール（Surfynol）ＣＴ−１６１：０．１重量％；
バランス：脱イオン水とｐＨ調整のためのアンモニア水又は硝酸
研磨試験結果を表１に示す。
実施例２
研磨材粒子をアルミナに変更した以外は実施例１と同様の組成を有するスラリーを調製した。研磨試験結果を表１に示す。
実施例３
実施例３
ｐＨ値を５〜６の範囲に変更した以外は実施例２と同様の組成を有するスラリーを調製した。
実施例４
実施例４
アルミナ研磨材粒子を複合研磨材粒子３重量％に変更した以外は実施例２と同様の組成を有するスラリーを調製した。本実施例で用いた複合研磨材粒子はアルミナで被覆されたコロイダルシリカ粒子である。研磨試験結果を表１に示す。
実施例５
実施例５
ｐＨ値を５〜６の範囲に変更した以外は実施例４と同様の組成を有するスラリーを調製した。
実施例６
実施例６
複合研磨材粒子の重量百分率を１重量％に変更した以外は実施例４と同様の組成を有するスラリーを調製した。
実施例７
実施例７
亜リン酸濃度を０．２重量％から０．５重量％に増加させた以外は実施例４と同様の組成を有するスラリーを調製した。研磨試験結果を表１に示す。
実施例８
実施例８
亜リン酸の代わりにアジピン酸を用いた以外は実施例４と同様の組成を有するスラリーを調製した。研磨試験結果を表１に示す。
実施例９
実施例９
亜リン酸の代わりにギ酸を用いた以外は実施例４と同様の組成を有するスラリーを調製した。研磨試験結果を表１に示す。
実施例１０
実施例１０
複合研磨材粒子をアルミナで被覆された酸化セリウム（ＣｅＯ2）粒子に変更した以外は実施例４と同様の組成を有するスラリーを調製した。試験結果を表１に示す。
実施例１〜３の結果により、アルミナ研磨材粒子はコロイダルシリカよりも高い除去率と良好な選択率を達成し、銅ディッシングを良好に防止することがわかる。唯一の欠点は、スラリーの安定性が低く、沈澱を起こしやすいことである。
実施例１〜４の結果により、単一成分の研磨材粒子と比較して、複合研磨材粒子はスラリー中でより安定し選択率を向上させることができ、銅ディッシングを防ぐことができるということがわかる。
実施例４及び５の結果により、スラリーのｐＨ値が異なっても本発明の研磨システムに利用できるということがわかる。
実施例４及び６の結果により、スラリーに含まれる複合粒子の固形分量が異なっても本発明の研磨システムに利用することができ、選択率を向上させ、銅ディッシングを防ぐことができるということがわかる。
実施例４及び７の結果により、研磨材スラリーに添加される亜リン酸の濃度が異なっても本発明の研磨システムに好適であり、選択率を増し、銅ディッシングを防ぐことができるということがわかる。
実施例４，８及び９の結果により、研磨材スラリーに添加される酸の種類が異なっても本発明の研磨システムに好適であり、選択率を増し、銅ディッシングを防ぐことができるということがわかる。
実施例４及び１０の結果により、スラリーに含まれる複合粒子の基体材料の種類が異なっても本発明の研磨システムに利用でき、選択率を増し、銅ディッシングを防ぐことができるということが示される。
Claims (13)
- アルミナで被覆された基体粒子からなる複合研磨材粒子を含むことを特徴とする、化学機械研磨材スラリー。
- 基体粒子がＳｉＯ2、ＺｒＯ2、ＣｅＯ2、ＳｉＣ、Ｆｅ2Ｏ2、ＴｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項１に記載の化学機械研磨材スラリー。
- 半導体ウェーハの表面を研磨するための化学機械研磨材スラリーであって、該スラリーは水性媒体と界面活性剤と研磨材粒子とを含み、前記研磨材粒子はアルミナで被覆された基体粒子からなる複合研磨材粒子であることを特徴とする化学機械研磨材スラリー。
- 前記研磨材スラリー全重量に対し前記水性媒体を７０〜９９．５重量％、前記界面活性剤を０．０１〜３．０重量％及び前記複合研磨材粒子を０．１〜２９重量％含有する請求項３に記載の化学機械研磨材スラリー。
- 水性媒体の含有量が９５〜９９．５重量％である、請求項４に記載の化学機械研磨材スラリー。
- 界面活性剤の含有量が０．０５〜１．０重量％である、請求項４に記載の化学機械研磨材スラリー。
- 複合研磨材粒子の含有量が０．５〜５重量％である、請求項４に記載の化学機械研磨材スラリー。
- 界面活性剤が陰イオン界面活性剤である、請求項４に記載の化学機械研磨材スラリー。
- 基体粒子がＳｉＯ2、ＺｒＯ2、ＣｅＯ2、ＳｉＣ、Ｆｅ2Ｏ2、ＴｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項４に記載の化学機械研磨材スラリー。
- 前記研磨材スラリーの全重量に対し酸化剤を０．１〜５重量％、及び腐食防止剤を０．０１〜１重量％更に含有する請求項４に記載の化学機械研磨材スラリー。
- 前記酸化剤がＨ2Ｏ2、Ｆｅ（ＮＯ3）3、ＫＩＯ3、ＣＨ3ＣＯＯＯＨ及びＫＭｎＯ4からなる群から選択され、腐食防止剤がトリアゾール化合物である、請求項１０に記載の化学機械研磨材スラリー。
- 請求項１〜１１の何れかに記載の化学機械研磨材スラリーをウェーハの表面に適用することと、前記研磨材スラリーにより半導体ウェーハの表面の金属層を研磨することとを含む、半導体ウェーハの表面を研磨する方法。
- 前記金属層が銅である、請求項１２に記載の方法。
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