(57)【要約】【課題】  酸化珪素膜、金属埋め込み膜等へ研磨傷の発生を防止又は低減することが可能なＣＭＰが実施できる金属酸化物粒子、これを含む研磨材、この研磨材を用いた基板の研磨方法及び研磨して得られる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】  金属化合物を１０００℃以上で加熱処理することによって作製され、かつ結晶子サイズが３０ｎｍ以上及び結晶歪が１％以下である金属酸化物微粒子、この金属酸化物微粒子を含む研磨材、該研磨材を用いて、所定の基板を研磨することを特徴とする基板の研磨方法及び酸化珪素膜が形成された半導体チップを、前記の研磨材で研磨することを特徴とする半導体装置の製造方法若しくは金属膜が形成された半導体チップを、前記の研磨材で研磨することを特徴とする導体装置の製造方法。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属化合物を１０００℃以上で加熱処理することによって作製され、かつ結晶子サイズが３０ｎｍ以上及び結晶歪が１％以下である金属酸化物微粒子。
【請求項２】
金属酸化物が、硝酸塩、硝酸アンモニウム塩、硫酸塩、硫酸アンモニウム塩、炭酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、塩化物、アセチルアセトナート塩、アルコキシド、水酸化物、酸化物から選ばれる１種類以上である請求項１記載の金属酸化物微粒子。
【請求項３】
酸化物が、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化珪素、酸化アルミニウムから選ばれる１種類以上である請求項２記載の金属酸化物微粒子。
【請求項４】
金属酸化物が、セリウム、ジルコニウム、チタン、珪素、アルミニウムから選ばれる２種類以上の複合酸化物である請求項１記載の金属酸化物微粒子。
【請求項５】
加熱処理が、火炎炉、プラズマ炉から選ばれる１種類以上の反応炉内で行われる請求項１記載の金属酸化物微粒子。
【請求項６】
加熱時間が、０．１〜３０秒である請求項１又は５記載の金属酸化物微粒子。
【請求項７】
金属化合物が、顆粒状又は粉体状である請求項１記載の金属酸化物微粒子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の金属酸化物微粒子を含む研磨材。
【請求項９】
請求項８記載の研磨材を用いて、所定の基板を研磨することを特徴とする基板の研磨方法。
【請求項１０】
所定の基板が、酸化珪素膜が形成された半導体チップを有するものであることを特徴とする請求項９記載の基板の研磨方法。
【請求項１１】
酸化珪素膜が形成された半導体チップを、請求項８記載の研磨材で研磨することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
所定の基板が、金属膜が形成された半導体チップを有するものであることを特徴とする請求項９記載の基板の研磨方法。
【請求項１３】
前記金属膜が、銅、アルミニウム、タングステン、タンタル、チタン、ＴｉＮ、ＴａＮのいずれか１種であることを特徴とする請求項１２記載の基板の研磨方法。
【請求項１４】
金属膜が形成された半導体チップを、請求項８記載の研磨材で研磨することを特徴とする導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種部材の表面の平坦化、平滑化に利用される。特にＣＭＰ（以下、化学機械研磨とする）に有効な金属酸化物粒子、これを含む研磨材、この研磨材を用いた基板の研磨方法及び研磨して得られる半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体素子の高密度・高精細化が進み、デザインルールは０．１ミクロン前後になっている。このような厳しい微細化の要求に対して開発されている技術として、ＣＭＰがある。
この技術は、半導体装置の製造工程において、露光を施す層を完全に平坦化し、露光技術の負担を軽減し、歩留まりを安定させることができる。
【０００３】
例えば、層間絶縁膜の平坦化、トレンチ分離時の埋め込み絶縁膜の平坦化、また銅配線等の平坦化処理の際に必須となる技術である。
この技術は例えば特許文献１に開示されている。
【特許文献１】米国特許第４９４４８３６号公報
【０００４】
集積回路内の素子分離形成技術において、デザインルール０．５ミクロン以上の世代ではＬＯＣＯＳ（シリコン局所酸化）が用いられてきたが、加工寸法の更なる微細化に伴い、素子分離幅の小さいシャロートレンチ分離技術が採用されている。シャロートレンチ分離では基板上に埋め込んだ余分な酸化珪素膜を除去するためにＣＭＰが必須な技術となる。
【０００５】
金属配線形成技術においても、加工寸法の微細化に伴い要求される電気特性を満たすためにＣｕやＣｕＡｌ合金が採用されている。ＣｕやＣｕＡｌ合金の配線技術としては、ダマシン、デュアルダマシン等の埋め込み配線技術があり、基板上に埋め込んだ余分な金属を取り除くためにＣＭＰが必須となる。ダマシン法については、例えば、特許文献１に開示されている。
【特許文献２】特開平２−２７８８２２号公報
【０００６】
従来、半導体素子の製造工程において、プラズマ−ＣＶＤ、低圧−ＣＶＤ、スパッタ、電気メッキ等の方法で形成される酸化珪素などの絶縁膜、キャパシタ強誘電体膜、配線用金属や金属合金などの平坦化及び埋め込み層を形成するためのＣＭＰ研磨材としてフュームドシリカ、コロイダルシリカ、アルミナ、セリア系砥粒を使用している。
【０００７】
デザインルールの縮小に伴い、層間絶縁膜、シャロートレッチ分離用絶縁膜、金属埋め込み層に導入される研磨傷による半導体チップ不良がクローズアップされてきている。研磨傷は、配線ショートの原因となり、半導体チップの歩留まり低下に繋がる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、層間絶縁膜平坦化、シャロートレンチ分離形成、金属埋め込み配線形成等のＣＭＰ技術において、酸化珪素膜、金属埋め込み膜等へ研磨傷の発生を防止又は低減することが可能なＣＭＰが実施できる金属酸化物粒子、これを含む研磨材、この研磨材を用いた基板の研磨方法及び研磨して得られる半導体装置の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
シャロートレンチ分離埋め込み絶縁膜や金属埋め込み層表面は、研磨材中の砥粒の粒子サイズが大きいと傷が入りやすい。粒子サイズを小さくすれば研磨傷は低減されるが、研磨速度が遅くなってしまう。
【００１０】
本発明者らは、粒子の大きさのほかに、結晶子の大きさ及び結晶の歪も研磨速度に関係していると考えた。具体的には、結晶子サイズが大きく、結晶歪が小さい方が研磨速度は速いと推定し、そして、結晶子が大きく結晶歪が小さな微粒子であれば傷発生が少なく短時間で研磨できると考えた。そこで、結晶子サイズ及び結晶歪と研磨特性の関係を種々検討した。その結果、上記問題を解消することができ、本発明を解消するに至った。
【００１１】
本発明は、金属化合物を１０００℃以上で加熱処理することによって作製され、かつ結晶子サイズが３０ｎｍ以上及び結晶歪が１％以下である金属酸化物微粒子に関する。
また、本発明は、金属酸化物が、硝酸塩、硝酸アンモニウム塩、硫酸塩、硫酸アンモニウム塩、炭酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、塩化物、アセチルアセトナート塩、アルコキシド、水酸化物、酸化物から選ばれる１種類以上である前記の金属酸化物微粒子に関する。
また、本発明は、酸化物が、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化珪素、酸化アルミニウムから選ばれる１種類以上である前記の金属酸化物微粒子に関する。
【００１２】
また、本発明は、金属酸化物が、セリウム、ジルコニウム、チタン、珪素、アルミニウムから選ばれる２種類以上の複合酸化物である前記の金属酸化物微粒子に関する。
また、本発明は、加熱処理が、火炎炉、プラズマ炉から選ばれる１種類以上の反応炉内で行われる前記の金属酸化物微粒子に関する。
また、本発明は、加熱時間が、０．１〜３０秒である前記の金属酸化物微粒子に関する。
また、本発明は、金属化合物が、顆粒状又は粉体状である前記の金属酸化物微粒子に関  する。
【００１３】
また、本発明は、前記のいずれかに記載の金属酸化物微粒子を含む研磨材に関する。
また、本発明は、前記の研磨材を用いて、所定の基板を研磨することを特徴とする基板の研磨方法に関する。
また、本発明は、所定の基板が、酸化珪素膜が形成された半導体チップを有するものであることを特徴とする前記の基板の研磨方法に関する。
また、本発明は、酸化珪素膜が形成された半導体チップを、前記の研磨材で研磨することを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
【００１４】
また、本発明は、所定の基板が、金属膜が形成された半導体チップを有するものであることを特徴とする前記の基板の研磨方法に関する。
また、本発明は、前記金属膜が、銅、アルミニウム、タングステン、タンタル、チタン、ＴｉＮ、ＴａＮのいずれか１種であることを特徴とする前記の基板の研磨方法に関する。
さらに、本発明は、金属膜が形成された半導体チップを、前記の研磨材で研磨することを特徴とする導体装置の製造方法に関する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の金属酸化物微粒子及びこれを含む研磨材を基板の研磨に用いることにより、高速研磨でありながら研磨傷の低減が達成でき、基板の研磨方法及び半導体装置の製造方法に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の金属酸化物微粒子は、金属化合物を１０００℃以上で加熱処理することによって作製された金属酸化物微粒子であって、その結晶子サイズが３０ｎｍ以上及び結晶歪が１％以下であることを特徴とする。
【００１７】
なお、結晶子サイズは、３０ｎｍ以上、好ましくは４０ｎｍ以上、より好ましくは５０ｎｍ以上とされ、３０ｎｍ未満であると研磨速度が遅くなるという問題点がある。
また、結晶歪は、１％以下、好ましくは０．７％以下、より好ましくは０．５％以下とされ、１％を超えると研磨速度が遅くなるという問題点がある。
【００１８】
なお、上記の結晶子サイズ及び結晶歪は、粉末Ｘ線回折を測定し、プロファイル関数としてＴｈｏｍｐｓｏｎ、Ｃｏｘ、Ｈａｓｔｉｎｇｓの擬フォークト関数を用いてリートベルト解析によって対称性プロファイルパラメーターＸ及びＹを求め、次式より計算した。
【００１９】
【数１】
2009113993.tif 000002
ｐ：結晶子サイズ、Ｋ：シェラー定数（０．９とした）、λ：Ｘ線の波長、π：円周率、Ｘ：ローレンツパラメーター
【００２０】
【数２】
2009113993.tif 000003
Ｓ：結晶歪、π：円周率、Ｙ：ローレンツパラメーター
【００２１】
酸化物としては、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム等が挙げられる。
酸化物は１種類に限定されるものではなく２種類以上でも良い。また、これらの複合酸化物でも良い。
【００２２】
金属化合物としては、硝酸塩、硝酸アンモニウム塩、硫酸塩、硫酸アンモニウム塩、炭酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、塩化物、アセチルアセトナート塩、アルコキシド、水酸化物、酸化物等が挙げられる。
金属化合物は１種類に制限するものではなく２種類以上でも良い。
【００２３】
加熱方法の方法に制限はなく、一般に知られている方法で行うことができる。例えば、火炎加熱、プラズマ加熱等が挙げられる。加熱帯の温度は１０００℃以上、好ましくは１２００℃以上、より好ましくは１５００℃以上とされ、上限は１２０００℃程度が好ましい。加熱帯の温度が１０００℃未満であると結晶サイズが小さく歪みが大きくなるという問題点が生じる。
また、加熱処理時の雰囲気としては、酸素が存在することが好ましい。
【００２４】
微粒子を研磨材（スラリー）とするために水に分散させる場合は、分散剤を用いても良い。分散剤の種類については特に制限はないが、例えば、アンモニア、酢酸、硝酸、アクリル酸系ポリマー、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン等の水溶性有機高分子類、ラウリル硫酸アンモニウム、ポリオキシエチレンラウリルエーテル硫酸アンモニウム等の水溶性陰イオン性界面活性剤、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリエチレングリコールモノステアレート等の水溶性非イオン性界面活性剤及びモノエタノールアミン類等が挙げられる。
【００２５】
微粒子を水中に分散させる方法としては、通常の攪拌機による分散処理の他に、超音波分散機、ビーズミル、ボールミル、湿式高圧分散機等を用いることができる。
また、粒子を粉砕する必要がある場合には一般に知られている乾式粉砕、湿式粉砕を用いることができる。さらに、分級が必要の場合には通常の自然沈降法、液体サイクロン法、遠心沈降法等を用いることができる。
【実施例】
【００２６】
以下、実施例により本発明を説明する。
実施例１
顆粒状の酢酸セリウムを１００００℃のアルゴンプラズマ炉中に投入し、１秒間加熱処理し微粒子を得た。この微粒子をＸ線回折法で相同定を行ったところ酸化セリウムであることを確認した。
また、得られた酸化セリウム微粒子について粉末Ｘ線精密測定を行い、その結果についてリートベルト解析を行った結果、結晶子サイズは１１０ｎｍ及び結晶歪は０．０１４％であった。
【００２７】
酸化セリウム微粒子１００ｇ、ポリアクリル酸アンモニウム１ｇ及び純水１ｋｇを混合し湿式高圧分散機で分散した。さらに沈降分級、濃度調整を行い酸化セリウム微粒子濃度１％の研磨材とした。研磨装置（荏原製作所製ＥＰＯ−１１１）を用いてφ２００ｍｍの酸化珪素膜付きシリコンウェハを研磨したところ、１分間で酸化珪素膜は３２０ｎｍ研磨された。研磨後のウェハ表面を光学顕微鏡で観察したが、研磨傷は認められなかった。
【００２８】
実施例２
炭酸セリウム粉体を１００００℃のアルゴンプラズマ炉中に投入し、１秒間加熱処理し微粒子を得た。この微粒子をＸ線回折法で相同定を行ったところ酸化セリウムであることを確認した。
また、得られた酸化セリウム微粒子について粉末Ｘ線精密測定を行い、その結果についてリートベルト解析を行った結果、結晶子サイズは１００ｎｍ及び結晶歪は０．０１８％であった。
【００２９】
以下、実施例１と同様の工程を経て研磨材を作製し、その後、実施例１と同様の研磨装置を用いてφ２００ｍｍの酸化珪素膜付きシリコンウェハを研磨したところ、１分間で酸化珪素膜は３００ｎｍ研磨された。研磨後のウェハ表面を光学顕微鏡で観察したが、研磨傷は認められなかった。
【００３０】
実施例３
酸化セリウム粉体を１００００℃のアルゴンプラズマ炉中に投入し、１秒間加熱処理し微粒子を得た。この微粒子をＸ線回折法で相同定を行ったところ酸化セリウムであることを確認した。
また、得られた酸化セリウム微粒子について粉末Ｘ線精密測定を行い、その結果についてリートベルト解析を行った結果、結晶子サイズは７２ｎｍ及び結晶歪は０．０４５％であった。
【００３１】
以下、実施例１と同様の工程を経て研磨材を作製し、その後、実施例１と同様の研磨装置を用いてφ２００ｍｍの酸化珪素膜付きシリコンウェハを研磨したところ、１分間で酸化珪素膜は３５０ｎｍ研磨された。研磨後のウェハ表面を光学顕微鏡で観察したが、研磨傷は認められなかった。
【００３２】
実施例４
水酸化セリウム粉体を１００００℃のアルゴンプラズマ炉中に投入し、１秒間加熱処理し微粒子を得た。この微粒子をＸ線回折法で相同定を行ったところ酸化セリウムであることを確認した。
また、得られた酸化セリウム微粒子について粉末Ｘ線精密測定を行い、その結果についてリートベルト解析を行った結果、結晶子サイズは８１ｎｍ及び結晶歪は０．０４１％であった。
【００３３】
以下、実施例１と同様の工程を経て研磨材を作製し、その後、実施例１と同様の研磨装置を用いてφ２００ｍｍの酸化珪素膜付きシリコンウェハを研磨したところ、１分間で酸化珪素膜は３３０ｎｍ研磨された。研磨後のウェハ表面を光学顕微鏡で観察したが、研磨傷は認められなかった。
【００３４】
実施例５
酸化セリウム粉体を１００００℃の空気プラズマ炉中に投入し、１秒間加熱処理し微粒子を得た。この微粒子をＸ線回折法で相同定を行ったところ酸化セリウムであることを確認した。
また、得られた酸化セリウム微粒子について粉末Ｘ線精密測定を行い、その結果についてリートベルト解析を行った結果、結晶子サイズは１１５ｎｍ及び結晶歪は０．１１％であった。
【００３５】
以下、実施例１と同様の工程を経て研磨材を作製し、その後、実施例１と同様の研磨装置を用いてφ２００ｍｍの酸化珪素膜付きシリコンウェハを研磨したところ、１分間で酸化珪素膜は３８０ｎｍ研磨された。研磨後のウェハ表面を光学顕微鏡で観察したが、研磨傷は認められなかった。
【００３６】
実施例６
炭酸セリウム粉体を２５００℃火炎炉中に投入し、１秒間加熱処理し微粒子を得た。この微粒子をＸ線回折法で相同定を行ったところ酸化セリウムであることを確認した。
また、得られた酸化セリウム微粒子について粉末Ｘ線精密測定を行い、その結果についてリートベルト解析を行った結果、結晶子サイズは６２ｎｍ及び結晶歪は０．１２％であった。
【００３７】
以下、実施例１と同様の工程を経て研磨材を作製し、その後、実施例１と同様の研磨装置を用いてφ２００ｍｍの酸化珪素膜付きシリコンウェハを研磨したところ、１分間で酸化珪素膜は２７０ｎｍ研磨された。研磨後のウェハ表面を光学顕微鏡で観察したが、研磨傷は認められなかった。
【００３８】
実施例７
顆粒状の酢酸セリウムを１８００℃の火炎炉中に投入し、１秒間加熱処理し微粒子を得た。この微粒子をＸ線回折法で相同定を行ったところ酸化セリウムであることを確認した。
また、得られた酸化セリウム微粒子について粉末Ｘ線精密測定を行い、その結果についてリートベルト解析を行った結果、結晶子サイズは５４ｎｍ及び結晶歪は０．２２％であった。
【００３９】
以下、実施例１と同様の工程を経て研磨材を作製し、その後、実施例１と同様の研磨装置を用いてφ２００ｍｍの酸化珪素膜付きシリコンウェハを研磨したところ、１分間で酸化珪素膜は２８０ｎｍ研磨された。研磨後のウェハ表面を光学顕微鏡で観察したが、研磨傷は認められなかった。
【００４０】
比較例１
炭酸セリウム粉体を電気炉で６００℃、１時間焼成した。この焼成粉をジェットミルで粉砕し微粒子を得た。
次に、微粒子１００ｇ、ポリアクリル酸アンモニウム１ｇ及び純水１ｋｇを混合し湿式高圧分散機で分散した。さらに沈降分級、濃度調整を行い濃度１％の研磨材とした。
【００４１】
研磨材中の微粒子をＸ線回折法で相同定を行ったところ酸化セリウムであることを確認した。また、得られた酸化セリウム微粒子について粉末Ｘ線精密測定を行い、その結果についてリートベルト解析を行った結果、結晶子サイズは２８ｎｍ及び結晶歪は１．２％であった。
【００４２】
研磨装置（荏原製作所製ＥＰＯ−１１１）を用いてφ２００ｍｍの酸化珪素膜付きシリコンウェハを研磨したところ、１分間で酸化珪素膜は１２０ｎｍしか研磨されなかった。研磨後のウェハ表面を光学顕微鏡で観察したが、研磨傷は認められなかった。