(57)【要約】【課題】高能率でスクラッチやディッシングを生ぜず、研磨プロセスの生産効率を向上させる化学機械研磨方法を提供することを目的とする。さらに高能率でスクラッチやディッシングを生じない長寿命の研磨体を提供すること。【解決手段】化学機械研磨において、研磨体１２として表面に凹凸を有する担持体を用い、この担持体を樹脂粒子または樹脂粒子と無機粒子とが複合化した複合粒子を含有するスラリーに浸漬して樹脂粒子または複合粒子を担持体の凹凸部に充填させ、研磨体１２上の樹脂粒子または複合粒子と被研磨体とを摩擦させて研磨を行うようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に凹凸を有する担持体を樹脂粒子または樹脂粒子と無機粒子とが複合化した複合粒子を含有するスラリーに浸漬することにより、前記樹脂粒子または複合粒子を前記担持体の凹凸部に充填して研磨体とし、
前記研磨体上の樹脂粒子または複合粒子と被研磨体とを摩擦させることにより、研磨を行うことを特徴とする化学機械研磨方法。
【請求項２】
前記担持体が表面に孔を有する多孔質体であることを特徴とする、請求項１に記載の化学機械研磨方法。
【請求項３】
前記担持体が表面を粗化した基材であることを特徴とする、請求項１に記載の化学機械研磨方法。
【請求項４】
樹脂粒子または樹脂粒子と無機粒子とが複合化した複合粒子を、担持体の表面に保持したことを特徴とする研磨体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体デバイスの製造における化学機械研磨方法および研磨体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩの高集積化、高性能化のために、さらに配線の微細化が進行している。配線の微細化により、以前には問題にならなかった配線間の容量が信号遅延に影響を及ぼす無視できない要因となってきた。従来の配線材料はＡｌであり、層間絶縁膜としては主にＳｉＯ2 が使用されている。
【０００３】
これらの材料を用いた多層配線の平坦化は化学機械研磨で行われ、金属酸化物からなる研磨粒子を含有するスラリーが用いられている。
【０００４】
信号遅延を抑制するためには低抵抗配線と低誘電率の層間絶縁膜を用いることが有効である。現在、配線材料として低抵抗のＣｕおよび層間絶縁膜として低誘電率の有機ＳＯＧや有機材料の使用が検討されている。
【０００５】
Ｃｕ配線の形成においては、いわゆるダマシン法により、Ｃｕの全面研磨が化学機械研磨により行われるが、従来のスラリーではスクラッチが入りやすい、配線の中心部の厚さが薄くなる、いわゆるディッシングなどの問題があった。これらの問題が生じると、配線抵抗が増大し、また、断線を引き起こし、信頼性の低下や製品歩留まりの低下を招く。
【０００６】
これらの問題に対して、酸化剤、酸化金属溶解剤、保護膜形成剤を含有する金属用研磨液が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この提案では固体砥粒を含まないため、スクラッチの発生が抑えられるとしている。
【特許文献１】特開２００２−２２２７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、この特許文献１に記載された研磨液では、表面の研磨が研磨パッドにより行われるため、硬い研磨パッドを使用すると、これによるスクラッチが生じやすくなる。また、柔らかい研磨パッドでは平坦化性が低下し、ディッシングやエロージョンが生じやすくなるという問題がある。
【０００８】
また、従来の化学機械研磨法で用いられている研磨パッドは、研磨につれて表面状態が変化するため、常に同じ状態にするために、研磨パッド表面を研削する、いわゆるドレッシングが必要である。このドレッシングにより研磨パッドが次第に薄くなり、これが研磨パッドの寿命を短くしている。そのため、研磨パッドの費用が嵩み、また研磨パッドの交換頻度が多くなり、研磨プロセスの生産効率を低下させている。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高能率でスクラッチやディッシングを生ぜず、研磨プロセスの生産効率を向上させる化学機械研磨方法を提供することを目的とする。さらに高能率でスクラッチやディッシングを生じない長寿命の研磨体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明に係る化学機械研磨方法は、表面に凹凸を有する担持体を樹脂粒子または樹脂粒子と無機粒子とが複合化した複合粒子を含有するスラリーに浸漬することにより、前記樹脂粒子または複合粒子を前記担持体の凹凸部に充填して研磨体とし、前記研磨体上の樹脂粒子または複合粒子と被研磨体とを摩擦させることにより、研磨を行うことを特徴としている。
【００１１】
また、前記研磨方法において用いられる研磨体の担持体が表面に孔を有する多孔質体であることを特徴としている。
【００１２】
更に、前記研磨方法において用いられる研磨体の担持体が表面を粗化した基材であることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明に係る研磨体は、樹脂粒子または樹脂粒子と無機粒子とが複合化した複合粒子を、担持体の表面に保持したことを特徴としている。
【００１４】
本発明では樹脂粒子または複合粒子を用い、被研磨物との摩擦作用により研磨を行うことにより、所望の研磨を行うことができる。樹脂粒子を用いた場合は樹脂の柔らかい面で研磨が行われるため、スクラッチ等の傷を生じさせることがない。また、複合粒子を用いた場合は、無機砥粒が樹脂面に埋め込まれているため、無機砥粒が凝集することによる粗大粒子が生ぜず、これによるスクラッチが生じることなく、より高速に研磨を行うことができる。
【００１５】
さらに樹脂粒子または複合粒子は研磨による磨耗が生じても、これらを含有するスラリーを研磨中に担持体に供給することにより、常に新しい樹脂粒子または複合粒子と入れ替えることができるため、従来のウレタンパッドを用いた研磨法で行われているドレッシングの回数を少なくすることができる。
【００１６】
従来の無機粒子を用いたスラリーでは、多孔体の表面を荒らして数μｍの凹凸を形成し、そこに砥粒を保持させて研磨する必要があった。この場合、長時間の研磨を行うと、表面の凹凸が小さくなってしまい、砥粒が保持できなくなり、研磨速度が低下する。そこで適宜、ドレッシングにより表面の凹凸を再形成していた。このため、ドレッシングによりパッドの寿命が短くなっていた。
【００１７】
本発明ではドレッシングの回数を少なくすることができるために、より長寿命の研磨体を提供することができる。また研磨プロセスの効率を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明では、樹脂粒子または複合粒子と被研磨面との摩擦により研磨が行われるが、これらの粒子は連続的なスラリーの供給により、脱落や磨耗があってても補充することができる。したがって、本発明においては、ドレッシング工程は従来よりも非常に少ない回数にすることができ、研磨体の寿命を飛躍的に延ばし、研磨体の費用や、交換のための時間を大幅に節約することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように本発明に係る化学機械研磨方法及び研磨体によれば、半導体デバイス等の製造時に金属膜を高速で研磨することができ、かつ、スクラッチなどの欠陥のない平坦面を得ることができるとともに、研磨パッドの寿命を長くし、研磨プロセスの生産効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明に係る化学機械研磨方法及び研磨体の実施の形態について詳説する。一般的な化学機械研磨装置は、研磨体と被研磨体は対向しており、通常は研磨体と被研磨体が接触している間隙に研磨用のスラリーを流し込み、スラリーに含まれるシリカやアルミナ、セリアなどの無機砥粒が被研磨体の表面を削ることにより研磨作用が生じる。また、研磨体には発泡したウレタンパッドなどが用いられるのが一般的である。
【００２１】
本発明を実施するには、樹脂粒子または複合粒子を担持体の凹凸部に充填した研磨体を使用する。表面に凹凸を有する担持体を樹脂粒子または樹脂粒子と無機粒子とが複合化した複合粒子を含有するスラリーに浸漬することで所望の研磨体が得られる。
【００２２】
担持体表面には樹脂粒子または複合粒子を充填するための凹凸が形成されており、スラリーの浸漬により樹脂粒子または複合粒子が凹凸部に充填される。
【００２３】
たとえばスラリーに含有される樹脂粒子または複合粒子が球形であって、直径が５μｍであれば、担持体の凹凸部の凹部が半球状に開口しているとすると、開口部の直径が５μｍ以上で、スラリーの浸漬により樹脂粒子または複合粒子を凹部に充填することができる。
【００２４】
また、開口部に充填される樹脂粒子または複合粒子は必ずしも１個である必要はなく、開口部が粒子の直径よりも大きければ、複数個の樹脂粒子または複合粒子を充填することができる。
【００２５】
また、樹脂粒子または複合粒子の充填は研磨中に行うこともできる。研磨中に樹脂粒子または複合粒子を含有するスラリーを研磨体の担持体上に流し込むことにより、充填される。
【００２６】
本発明に用いられる担持体の基材はプラスチック、金属、セラミックス、およびカーボンなどを使用することができる。プラスチックではウレタン、ポリプロピレン、ポリエチレン、塩化ビニル、フェノール、エポキシ、シリコーンなど、金属ではアルミ、亜鉛、スズ、クロム、鉄およびこれらの合金など、セラミックスでは石英ガラス、ソーダガラス、アルミナ、チタニア、ジルコニアなど、カーボンでは黒鉛などを用いることができる。
【００２７】
なお、本発明における浸漬とは、担持体へのスラリーの含浸や担持体とスラリーの接触、あるいは担持体へのスラリーの浸透のことである。
【００２８】
スラリー中には化学的に研磨を促進する成分を含有しても良い。たとえばキレート剤や酸化剤などである。また、これらの作用を促進するためにｐＨ調整剤や界面活性剤などを含有しても良い。
【００２９】
また、本発明は、用いられる研磨体の担持体が表面に孔を有する多孔質体であることを特徴とする化学機械研磨法である。孔は貫通していても、また、一方の開口部が閉じていても良い。このような担持体は前述した材質の発泡体を作製することによって得られる。また、不織布や布などを用いても良い。
【００３０】
表面の孔の大きさは樹脂粒子または複合粒子の大きさに応じて適したものを使用する。たとえばスラリーに含有される樹脂粒子または複合粒子が球形であって、直径が5 μｍであれば、担持体の凹凸部の凹部が半球状に開口しているとすると、開口部の直径が30μｍならば、スラリーの浸漬により複数の樹脂粒子または複合粒子が凹部に充填される。
【００３１】
また、本発明は、研磨体の担持体が表面を粗化した基材であることを特徴とする化学機械研磨法である。表面の粗化は、砥粒で研削したり、賦型により凹凸形状を付与することができる。
【００３２】
表面の粗さは樹脂粒子または複合粒子の大きさに応じて適した表面粗さを付与する。たとえばスラリーに含有される樹脂粒子または複合粒子が球形であって、担持体の表面粗さの凹凸が樹脂粒子または複合粒子の直径と同程度であれば、スラリーの浸漬により複数の樹脂粒子または複合粒子が凹凸部に充填される。
【００３３】
さらに本発明は樹脂粒子または樹脂粒子と無機粒子が複合化した複合粒子を、担持体の表面に保持したことを特徴とする研磨体である。樹脂粒子または複合粒子を担持体の表面に保持するには、一手法として、担持体表面に接着剤を塗布し、その上に樹脂粒子または複合粒子を散布する方法がある。
【００３４】
あるいは樹脂中に樹脂粒子または複合粒子を分散し、成形することにより表面に樹脂粒子または複合粒子を担持した研磨体を得ることができる。
【００３５】
本発明に用いられる樹脂粒子および複合粒子は以下のようなものが用いられる。樹脂粒子としては、適度な弾性や柔軟性、回復性を有する樹脂からなるものが好ましく、樹脂の例としては、例えば、フェノール樹脂、アミノ樹脂、アクリル樹脂、エチレン−酢酸ビニル樹脂、スチレン−ブタジエンブロック共重合体、ポリエステル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アルキド樹脂、ポリイミド樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂等の熱可塑性樹脂；硬化性樹脂、架橋樹脂、有機無機ハイブリッド重合体等が挙げられる。
【００３６】
上記架橋樹脂としては特に限定されず、例えば、ジビニルベンゼン、ヘキサトリエン、ジビニルエーテル、ジビニルスルホン、ジアリルカルビノール、アルキレンジアクリレート、オリゴ又はポリアルキレングリコールジアクリレート、オリゴ又はポリアルキレングリコールジメタクリレート、アルキレントリアクリレート、アルキレンテトラアクリレート、アルキレントリメタクリレート、アルキレンテトラメタクリレート、アルキレンビスアクリルアミド、アルキレンビスメタクリルアミド、両末端アクリル変性ポリブタジエンオリゴマー等を単独又は他の重合性単量体と重合させて得られる網状重合体；フェノールホルムアルデヒド樹脂、メラミンホルムアルデヒド樹脂、ベンゾグアナミンホルムアルデヒド樹脂、尿素ホルムアルデヒド樹脂等の熱硬化性樹脂等が挙げられる。
【００３７】
上記架橋樹脂の合成方法としては特に限定されず、例えば、懸濁重合法、乳化重合法、シード重合法、分散重合法等の公知の合成方法を適宜選択して用いればよい。
【００３８】
また、本発明における複合粒子は上記の樹脂粒子と無機粒子を複合化させることにより得られる。無機粒子としてはフュームドシリカ、コロイダルシリカ、セリア、アルミナ、ジルコニア、酸化マンガンなどが挙げられる。
【００３９】
複合化する方法としては上記の樹脂粒子を各種重合法で合成する際に、無機粒子を重合場に用いる溶媒中に分散させて、重合反応を行うことにより得ることができる。
【００４０】
あるいは、上記の樹脂粒子が得られた後、樹脂粒子と無機粒子を混合し、機械的に撹拌しながら、せん断力や圧縮力等を加えることにより、樹脂表面や表面近傍に無機粒子の付着層を形成し、複合粒子を得ることができる。
【００４１】
本発明における樹脂粒子の平均粒径は0.01μｍ〜100 μｍのものが使用される。好ましくは0.01μｍ〜50μｍ、さらに好ましくは0.1 μｍ〜5 μｍのものである。樹脂粒子の平均粒径が0.01μｍ未満では粒子の凝集が生じやすくなり、研磨速度が低下する。また、平均粒径が100 μｍを越えると、沈降しやすくなり、安定に分散したスラリーを供給することができなくなる。
【００４２】
本発明のスラリーにおける樹脂粒子の濃度は0.05〜30重量％が好ましい。樹脂粒子濃度が0.05重量％未満では、十分な研磨速度を得ることが困難である。また30重量％を越えると、樹脂粒子の安定的な分散が困難となる
本発明においては、スラリー中に化学研磨を促進する薬剤を含有しても良い。そのような薬剤にはキレート剤や酸化剤がある。金属研磨を行う場合には、その金属に適したキレート剤を添加することができる。
【００４３】
キレート剤は被研磨物の金属表面と反応して脆弱な金属錯体を形成し、わずかな外力で研磨が促進される効果がある。本発明では樹脂粒子または複合粒子が被研磨面に形成された脆弱な金属体層を摩擦力により研磨を行うことができる。
【００４４】
キレート剤には、EDTA( エチレンジアミン四酢酸) 、NTA （ニトリロ三酢酸）、HEDTA （ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸）、グルコン酸、DHEDDA（ジヒドロキシエチルエチレンジアミン二酢酸）、HIMDA （ヒドロキシエチルイミノ二酢酸）、1,3PDTA （1,3 プロパンジアミン四酢酸）、DTPA（ジエチレントリアミン五酢酸）、TTHA（トリエチレンテトラミン六酢酸）、キナルジン酸、ポリアミノカルボン酸、アミノ酸、リン酸塩、クエン酸などが挙げられる。
【００４５】
本発明のスラリーには更に酸化剤を添加してもよい。酸化剤により金属膜の研磨速度を更に向上させることができる。酸化剤としては過酸化水素、硝酸鉄などを用いることができる。酸化剤の添加量は0.01重量％〜20重量％が好ましい。0.01重量％未満の場合は十分な酸化効果が得られない。また、20重量％を越えると、研磨速度が向上しなくなる。
【００４６】
本発明のスラリーには樹脂粒子の分散安定性や品質の長期保存性、研磨中の消泡などを目的として界面活性剤あるいは高分子系分散剤を添加してもよい。
【００４７】
界面活性剤はノニオン系、アニオン系、カチオン系、両性系が用いられ、これらを組み合わせて使用してもよい。高分子系分散剤としてはポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリエチレングリコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリビニルピロリドンなどがある。
【００４８】
添加量としては0.01重量％〜10重量％が好ましい。0.01重量％未満では十分な分散効果が得られない。また、10重量％を越えると、研磨速度が向上しなくなる。
【００４９】
本発明のスラリーには腐食を防止するために腐食防止剤を添加してもよい。腐食防止剤としてはベンゾトリアゾールやその誘導体を使用することができる。腐食防止剤の濃度は0.001 重量％から1 重量％が好ましい。
【００５０】
本発明のスラリーには更に粒子の分散性を安定させたり、化学研磨効果を向上させるために、ｐＨ調整剤を添加しても良い。ｐＨ調整剤としてはアンモニア、無機酸、有機酸などを添加することができる。無機酸としては硝酸、硫酸、リン酸など、有機酸としては酢酸、蓚酸、マロン酸などがある。
【００５１】
添加濃度は0.01重量％〜10重量％が好ましい。0.01重量％では十分に錯化が進行しない。また、10重量％以上では研磨速度が向上しなくなる。
【００５２】
次に、本発明の実施例及び比較例を説明する。実施例および比較例において、被研磨対象、研磨条件、研磨速度の評価は以下のようにした。
【００５３】
先ず、被研磨対象として８インチ熱酸化膜付きシリコンウェーハ上に厚さ１５００ｎｍのＣｕ膜を形成したものを用いた。
【００５４】
また、研磨条件としては、図１に示すような、ウェーハを保持し回転と加圧を与えるポリシングヘッド１３、ポリシングヘッド１３と対向配置され上面に研磨体である研磨パッド１２（φ６００）が貼着された研磨定盤１１、スラリー供給機構１４等を有する研磨装置１０を用い、研磨定盤１１の回転数を４５ｒｐｍ、ポリシングヘッド１３の回転数を４５ｒｐｍとして１分間の研磨を行った。
【００５５】
また、研磨速度の評価は、研磨後のＣｕ膜の厚さを電気伝導式膜厚測定器により測定し、研磨速度を算出した。また、被研磨面全面を実体顕微鏡で目視観察し、スクラッチの数を数えた。
【実施例１】
【００５６】
本発明で用いられるスラリーの溶媒には純水を用いた。化学研磨効果のある薬剤としてキレート剤を用い、キナルジン酸0.05重量％、グリシン3 重量% を溶解した。また、酸化剤として過酸化水素を5 重量％添加した。
【００５７】
樹脂粒子としてはジビニルベンゼン架橋樹脂からなるものを用いた。平均粒径は5 μｍ、比重1.2 である。これを0.2 重量％配合した。以上の配合で超音波照射を行い、樹脂粒子を十分、分散し、スラリーを調製した。
【００５８】
本発明に用いる担持体には発泡ポリウレタンを用いた。発泡ポリウレタンは20〜50μｍの空孔が表面に開いており、その面積比率は60％程度である。厚さは1mm である。
【００５９】
浸漬方法としては、研磨前に上記担持体を研磨定盤１１に貼り付けて、上記のスラリーをスラリー供給機構１４から滴下する方法とした。このときの研磨定盤１１の回転数は４５ｒｐｍ、スラリー供給量は毎分20ccであった。
【００６０】
上記スラリーを用いて研磨圧力を４psi とし研磨を行った。研磨中は20cc/minでスラリーをウェーハと研磨パッドの間隙に流し込んだ。
【００６１】
研磨した結果、研磨速度は240nm/min であった。連続的に研磨を行ったところ、24時  間経過後も、研磨速度は低下しなかった。また、被研磨面を観察したところスクラッチは観察されなかった。
【００６２】
研磨後の表面を観察すると、樹脂粒子が研磨パッド１２の孔に充填されており、充填された樹脂粒子により研磨が行われていることが明らかであった。
［比較例１］
実施例１のスラリーから樹脂粒子を除いたスラリーを調製し、実施例１と同様に研磨を行った。研磨速度は150nm/min であった。連続的に研磨を行ったところ、10時間程度で  研磨速度が低下した。
【実施例２】
【００６３】
実施例１において配合したスラリーを使用した。アクリル樹脂の板を用意し、この表面を研磨ベルトを用いて凹凸を形成した。形成された凹凸の高さは3 〜5 μｍであった。厚さは1mm である。
【００６４】
浸漬方法としては、研磨前に上記担持体を研磨定盤１１に貼り付けて、上記のスラリーをスラリー供給機構から滴下する方法とした。このときの研磨定盤１１の回転数は４５ｒｐｍ、スラリー供給量は毎分20ccであった。
【００６５】
上記スラリーを用いて研磨圧力を４psi とし研磨を行った。研磨中は20cc/minでスラリーをウェーハと研磨パッドの間隙に流し込んだ。
【００６６】
研磨した結果、研磨速度は200nm/min であった。また、被研磨面を観察したところスクラッチは観察されなかった。
【００６７】
研磨後の表面を観察すると、樹脂粒子が研磨パッド１２の孔に充填されており、充填された樹脂粒子により研磨が行われていることが明らかであった。
【実施例３】
【００６８】
担持体としては実施例２で用いたアクリル板を用いた。アクリル板上に紫外線硬化型接着剤を塗布して、この上に実施例１で使用した樹脂粒子を散布した。その後、紫外線を照射しアクリル板上に樹脂粒子を固定した。
【００６９】
この担持体を図１の研磨装置の研磨定盤１１上に接着して研磨体として使用した。スラリーは実施例１で用いたスラリーから樹脂粒子を除いたものを使用した。研磨圧力を４psi とし研磨を行った。研磨中は20cc/minでスラリーをウェーハと研磨体の間隙に流し込んだ。
【００７０】
研磨した結果、研磨速度は200nm/min であった。また、被研磨面を観察したところスクラッチは観察されなかった。
【実施例４】
【００７１】
実施例１で用いた樹脂粒子とシリカ粉（平均粒径12nm）を100:5 の重量比で混合し、粉砕機に投入した。粉砕機では混合した粉体に剪断応力や圧縮応力が加わり、粉体同士の物理的な結合が促進される。約３分間の処理により多孔質樹脂粒子とシリカが結合した複合粒子が得られた。
【００７２】
スラリーの配合には、上記の樹脂粒子を0.2 重量％配合した。スラリーの溶媒には純水を用いた。化学研磨効果のある薬剤としてキレート剤を用い、キナルジン酸0.05重量％、グリシン3 重量％を溶解した。また、酸化剤として過酸化水素を5 重量％添加した。以上の配合で超音波照射を行い、複合粒子を十分、分散し、スラリーを調製した。
【００７３】
担持体としては実施例１で用いた発泡ポリウレタン、および実施例２で用いたアクリル樹脂を使用した。またスラリーの浸漬および研磨も各実施例で実施した方法と同様にして行った。
【００７４】
研磨の結果、発泡ポリウレタンの場合350nm/min、アクリル樹脂の場合で300nm/min の研磨速度が得られた。また、スクラッチは観察されなかった。
【００７５】
以上にように本発明によれば、樹脂粒子又は樹脂粒子と無機粒子とを複合化した複合粒子を充填した研磨体を用いることにより、高速で研磨することができ、かつスクラッチのない平坦面を得ることができるとともに、研磨パッドの寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の実施例で使用した研磨装置を表わす概念図
【符号の説明】
【００７７】
１０…化学機械研磨装置、１１…研磨定盤、１２…研磨パッド（研磨体）、１３…ポリシングヘッド、１４…スラリー供給機構
【図１】
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