JP2003218069A - 半導体デバイス製造に用いる、シリコンを選択的に研磨することができる研磨用組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコンを選択的に研磨することができる研
磨用組成物の提供。 【解決手段】 二酸化ケイ素砥粒、水、およびテトラメ
チルアンモニウムヒドロキシドを含んでなることを特徴
とする、研磨用組成物。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】発明の分野 本発明は、シリコンと酸化シリコンとが共存する半導体
デバイス製造プロセスに必要な、化学機械研磨工程に用
いることができる研磨用組成物に関するものである。

【０００２】さらに詳しくは、本発明は、シリコンと酸
化シリコンとが共存する半導体デバイス、例えばキャパ
シタ、ゲート電極、その他の半導体素子に用いられる多
結晶シリコンを含むデバイスの平坦化において、シリコ
ンに対して大きな研磨速度が得られ、かつ酸化シリコン
の研磨速度に対して大きな選択性を持つことを特徴と
し、また欠陥の少ない優れた被研磨面を得ることができ
る研磨用組成物に関するものである。

【０００３】背景技術 現在、製造されている半導体デバイスの多くは、複数の
配線層を持つ多層配線デバイスであり、これらのデバイ
スはリソグラフィの観点から、各層の平坦性が非常に重
要となる。これらに対応するため、各層間の絶縁膜であ
る酸化シリコンを化学機械研磨により、層毎に平坦化す
る工程の採用が数年前から一般化している。この工程に
要求される機能は、例えば特開平９−６３９９６号公報
に記載されているように、酸化シリコンをできるだけ高
効率で研磨し段差を解消するとともに、研磨後のウェー
ファー表面に砥粒や有機物を残さず、また電気的特性を
悪化させるスクラッチなどの欠陥がないことが必要であ
った。

【０００４】近年、この化学機械研磨工程は層間絶縁層
のみならず、配線形成工程においても多用されるように
なってきている。メモリーデバイスにおける多結晶シリ
コンの研磨工程は、この配線形成工程の一種である。こ
の工程では、選択的に研磨される層と、この研磨を止め
る層とが存在し、工程終了後のウェーファー表面には２
種類以上の材質が露出した状態となる。多結晶シリコン
研磨工程においては、導電部となるシリコンと絶縁部と
なる酸化シリコンとが露出材質となり、従って、研磨工
程には、シリコンを選択的に研磨し、酸化シリコンをで
きるだけ研磨しないことが要求される。従来、この研磨
工程には層間絶縁膜研磨用の研磨用組成物が用いられて
きた。従来の層間絶縁膜研磨用組成物は、フュームドシ
リカなどの砥粒を１０〜２０重量％の濃度で含有し、水
酸化カリウムやアンモニアを添加することでｐＨを１０
以上に調整したものが使用されてきた。このような組成
物を使用した場合、絶縁膜材料である酸化シリコンは、
研磨条件によっても異なるが、１０００〜６０００Å／
ｍｉｎ程度の研磨速度で研磨され、シリコンに対しても
ほぼ同等の研磨速度である。従来はこれらの組成物を用
いて、研磨時間管理によって研磨終点を決定するプロセ
スが採用されてきたが、酸化シリコンを研磨する速度に
対するシリコンを研磨する速度の比（以下、シリコン／
酸化シリコンの選択比という）は２以下であり、研磨終
了時における酸化シリコンの膜厚減少がデバイスの収率
や電気的特性に対して悪影響をもたらすことが避けられ
なかった。また、この減少を低減させるために、酸化シ
リコン表面に窒化シリコンの薄膜を形成させ、研磨工程
においては、この窒化シリコンで研磨を止める試みもな
されてきたが、酸化シリコン／窒化シリコンの研磨選択
比も３から４程度であるため、対処方法としては不充分
であるとともに、研磨工程終了後に窒化シリコン膜を除
去する新たな工程が必要となることが、製造コスト的に
難点となっている。

【０００５】さらに、昨今、環境に対する負荷を低減す
ることが求められており、組成物を環境に対する負荷の
低いものに置き換えること、あるいは廃棄などの処理が
容易な組成物とすることも求められている。

【０００６】

【発明の概要】本発明は、このような現在使用されてい
る研磨用組成物の問題点や不充分な点を改善し、比較的
安価であり、廃液の環境負荷が低く、シリコン／酸化シ
リコンの選択比が高い、研磨用組成物を提供することを
目的とするものである。

【０００７】すなわち、本発明による研磨用組成物は、
研磨用組成物全体の重量を基準として０．５〜５．０％
の二酸化ケイ素砥粒、水、および研磨用組成物全体の重
量を基準として０．１〜０．８％のテトラメチルアンモ
ニウムヒドロキシドを含んでなることを特徴とするもの
である。

【０００８】また、本発明による研磨方法は、前記研磨
用組成物を用いて基板上にシリコンと酸化シリコンとを
有する半導体を研磨することを特徴とするものである。

【０００９】本発明によれば、基板上にシリコンと酸化
シリコンとを有する半導体の製造において、少なくとも
１００の、シリコン／酸化シリコンの選択比を達成する
ことができ、またその廃液の処理が容易であり、環境負
荷を低減させることができる。さらに、研磨用組成物を
比較的安価に製造することができることから、半導体の
製造コストをも低減させることができる。

【００１０】

【発明の具体的説明】二酸化ケイ素 本発明の研磨用組成物の成分の中で主研磨材として用い
るのに適当な研磨材は、二酸化ケイ素である。二酸化ケ
イ素には、製造法や性状の異なるものが多種存在する。
これらのうち、本発明の研磨用組成物に用いるのが好ま
しい二酸化ケイ素は、無定形二酸化ケイ素、例えばコロ
イダルシリカ、フュームドシリカ、または沈澱法シリカ
である。

【００１１】このうち、コロイダルシリカは、ケイ酸ナ
トリウムをイオン交換樹脂で加水分解するか、アルコキ
シシランを酸またはアルカリで加水分解することにより
製造されるのが一般的である。また、その他には有機ケ
イ素化合物を湿式で加水分解することにより製造される
高純度コロイダルシリカ等が挙げられる。このような湿
式法により製造されるコロイダルシリカは、通常は一次
粒子、二次粒子、または水中に分散したスラリーとして
得られる。

【００１２】また、フュームドシリカは、四塩化ケイ素
と水素を空気中で燃焼させることにより製造されるもの
である。気相法により製造される、このフュームドシリ
カは、一次粒子が数個〜数十個集まった鎖構造の二次粒
子を形成しており、金属不純物の含有量が比較的少な
い。

【００１３】また、沈澱法シリカは、ケイ酸ナトリウム
と酸とを反応させることにより製造される含水非晶質二
酸化ケイ素である。湿式法により製造されるこの沈澱法
シリカは、球状一次粒子がブドウ状に凝集して一つの塊
状粒子を形成しており、比表面積および細孔面積が比較
的大きいという特徴を有する。

【００１４】従来は層間絶縁膜用の研磨用組成物にフュ
ームドシリカがしばしば用いられてきたが、本発明の研
磨用組成物においてはフュームドシリカよりもコロイダ
ルシリカの方が好ましい。液相中で製造されるコロイダ
ルシリカは、気相中で焼成することにより製造されるフ
ュームドシリカに比較して表面硬度が低く、研磨用組成
物の成分として用いられたときにスクラッチを発生しに
くい傾向があるためである。従って、特に半導体デバイ
スの製造工程に用いる研磨用組成物には、製造収率の観
点からコロイダルシリカが特に好ましい。

【００１５】本発明による研磨用組成物に用いられる二
酸化ケイ素の粒径は特に制限されないが、ＢＥＴ法（窒
素吸着法）による比表面積より計算される平均一次粒子
径で、１〜２００ｎｍであることが好ましく、５〜１３
０ｎｍであることがより好ましい。

【００１６】二酸化ケイ素の粒子径は製造の容易さから
過度に小さくないことが好ましい。また、保存中または
輸送中においても粒子を安定に分散させて沈降を防ぎ、
研磨時に酸化シリコンの研磨力を過度に増大させたり、
シリコン／酸化シリコンの選択比が低下しないように、
二酸化ケイ素の粒径は過度に大きくないことが好まし
い。

【００１７】本発明による研磨用組成物中の二酸化ケイ
素の含有量は、研磨用組成物全体の重量を基準として、
０．５〜５．０％であることが好ましく、２．０〜４．
０％であることがより好ましい。

【００１８】シリコンに対する十分な研磨速度を達成す
るために、研磨用組成物中の二酸化ケイ素の含有量は過
度に少なくないことが好ましく、研磨用組成物の均一な
分散と適切な粘度を維持し、粒子の凝集または沈降を防
ぐという観点から、研磨用組成物中の二酸化ケイ素の含
有量は過度に多くないことが好ましい。

【００１９】テトラメチルアンモニウムヒドロキシド 本発明による研磨用組成物は、テトラメチルアンモニウ
ムヒドロキシドを含んでなる。テトラメチルアンモニウ
ムヒドロキシドは研磨用組成物において、シリコンに対
する研磨速度を向上させる作用が有する一方で、酸化シ
リコンに対する研磨速度を著しく低下させるという特徴
を有することがわかった。従って、研磨用組成物にテト
ラメチルアンモニウムヒドロキシドを添加することで、
シリコン／酸化シリコンの選択比を高くすることが可能
である。

【００２０】本発明に用いられるテトラメチルアンモニ
ウムヒドロキシドは、多くの半導体デバイス製造におけ
るフォトリソグラフィー工程や洗浄工程でも使用される
ものであり、そのような工程においては使用済みの本発
明による研磨用組成物を含む廃液の処理に既存の設備で
容易に処理することができる。テトラメチルアンモニウ
ムヒドロキシドを含む廃液の処理設備に関しては、例え
ば特開平１０−２１６７７６号および特開平７−１００
４８４号各公報に記載されているように、生分解処理を
行うことが一般的であるが、最近では触媒による気相反
応でも容易かつ連続的に処理できることが報告されてい
る。

【００２１】本発明による研磨用組成物のテトラメチル
アンモニウムヒドロキシドの含有量は、研磨用組成物全
体の重量を基準として、０．１〜０．８％であることが
必要であるが、０．２〜０．４％であることが好まし
い。

【００２２】テトラメチルアンモニウムヒドロキシドの
含有量がこの範囲を逸脱すると、研磨用組成物のシリコ
ンに対する研磨速度が低下することがあり、またシリコ
ン／酸化シリコンの選択比を高く維持するためにも、テ
トラメチルアンモニウムヒドロキシドの含有量は前記の
範囲内であることが好ましい。

【００２３】水 本発明による研磨用組成物は媒体として水を含んでな
る。本発明による研磨用組成物に用いられる水は、工
水、市水、イオン交換水および蒸留水のいずれの水も使
用可能であるが、実質的に金属イオンを含有していない
ものが好ましい。特に、金属イオンを実質的に含有しな
いイオン交換水を漏過し、異物を除去したものを使用す
ることが好ましい。

【００２４】研磨用組成物 本発明による研磨用組成物は、一般に、水に、二酸化ケ
イ素、およびテトラメチルアンモニウムヒドロキシドを
混合し、溶解または分散させ、さらに必要に応じてその
他の添加剤を溶解させることにより調製する。これら成
分を水に分散または溶解させる方法は任意である。ま
た、これら成分の添加順序は任意であり、いずれを先に
分散、溶解しても良く、また同時に行っても良い。

【００２５】また、本発明の組成物は、比較的高濃度の
原液として調製して貯蔵または輸送などをし、実際の加
工時に希釈して使用することもできる。前述の好ましい
濃度範囲は、実際の加工時のものとして記載したのであ
り、使用時に希釈する使用方法をとる場合、貯蔵または
輸送などをされる状態においてはより高濃度の溶液とな
ることは言うまでもない。さらには、取り扱い性の観点
から、そのような濃縮された形態で製造されることが好
ましい。

【００２６】すなわち、本願発明は実施態様のひとつと
して、相対的に高濃度の二酸化ケイ素研磨材およびテト
ラメチルアンモニウムヒドロキシドを含んでなり、水を
添加することによって、前記した研磨用組成物を得るこ
とのできる研磨用組成物濃縮物を包含するものである。

【００２７】本発明の研磨用組成物は、金属不純物の含
有量が少ないことが好ましい。この金属不純物は、例え
ばナトリウム、カリウム、マグネシウム、アルミニウ
ム、カルシウム、チタン、クロム、鉄、ニッケル、銅、
亜鉛、銀、および鉛の各金属元素であり、それらの濃度
がそれぞれ１ｐｐｍ以下であることが好ましく、１００
ｐｐｂ以下であることがより好ましい。これらの不純物
金属元素は、半導体デバイスに残留して電気的特性を損
なう可能性があるほか、研磨用組成物中で二酸化ケイ素
表面の水酸基に作用して、粒子の凝集を助長する可能性
があるので注意が必要である。

【００２８】これら不純物の濃度の測定は、通常用いら
れている分析装置、例えば誘導結合プラズマ質量分析装
置（ＩＣＭ−ＭＳ）、誘導結合高周波プラズマ分光分析
装置（ＩＣＰ−ＡＥＳ）、全反射蛍光Ｘ線装置（ＴＸＲ
Ｆ）等により行うことができる。

【００２９】本発明による研磨用組成物は、シリコンに
対する研磨速度が大きく、従来の層間絶縁膜研磨用組成
物の数倍にもおよぶものである。このような本願発明に
よる研磨用組成物の性能は、半導体デバイスの製造工程
においては、製造効率に大きく寄与するものである。そ
して、それと同時に酸化シリコンに対する研磨速度が著
しく低く、いわばシリコンを選択的に研磨することので
きる研磨用組成物である。この研磨用組成物のシリコン
／酸化シリコンの選択比は１００以上となるのが一般的
である。

【００３０】研磨方法 本発明による研磨方法は、前記した本発明による研磨用
組成物を用いて、基板上にシリコンと酸化シリコンとを
具備してなる半導体デバイスを研磨することを含んでな
る。本発明による研磨方法は、前記した研磨用組成物を
用いて基板上にシリコンと酸化シリコンとを具備してな
る半導体デバイスを研磨する限り、従来のいかなる研磨
方法や研磨条件と組み合わせることもできる。

【００３１】研磨条件は、被研磨物の種類や目的とする
半導体デバイスの用途などによって一定ではないが、研
磨圧力を３．５〜６５ｋＰａ（３５〜６５０ｇ／ｃ
ｍ^２）、線速度を５〜２００ｍ／ｍｉｎにして多結晶シ
リコン膜付シリコンウェーファーを研磨した場合、５，
０００〜２５，０００Å／ｍｉｎの研磨速度を得ること
ができ、１００以上のシリコン／酸化シリコンの選択比
を達成することができる。

【００３２】

【実施例】実施例１〜２３および比較例１〜４ 表１に示すとおりの研磨用組成物を準備した。これらの
研磨用組成物を用いて、８インチ多結晶シリコン膜付シ
リコンウェーファー及び酸化シリコン膜付ウェーファー
を研磨した。研磨装置には東芝機械株式会社製枚葉式Ｃ
ＭＰ装置ＣＭＳ−２００Ｍを用いた。研磨条件は、研磨
圧力２８ｋＰａ（２８０ｇ／ｃｍ^２）、線速度５５ｍ／
ｍｉｎとした。得られた結果は表１に示すとおりであっ
た。

【表１】 実施例２４〜２７ 実施例１０において使用したものと同じ研磨用組成物を
用いて、８インチ多結晶シリコン膜付シリコンウェーフ
ァー及び酸化シリコン膜付ウェーファーを研磨した。こ
のとき、研磨圧力を１４〜１１２ｋＰａ（１４０〜１１
２０ｇ／ｃｍ^２）の間で変化させた。得られた結果は表
２に示すとおりであった。

【００３３】比較例５および６ 実施例１０と同じ条件で、研磨用組成物として市販のス
ラリーを用いて研磨を行った。スラリーは、比較例５に
おいてはＰＬＡＮＥＲＬＩＴＥ−４１０１、比較例６に
おいてはＰＬＡＮＥＲＬＩＴＥ−４２１９（いずれもフ
ジミインコーポレーテッド株式会社製）を用いた。これ
らスラリーは、いずれも層間絶縁膜用であって、テトラ
メチルアンモニウムヒドロキシドを含んでいない。

【００３４】これらのすべての実施例において、シリコ
ンに対する研磨速度は同一条件下における市販の層間絶
縁膜研磨用組成物が示すものと比較して、同等以上の効
率を持つとともに、酸化シリコンに対する研磨速度は著
しく低く、シリコン／酸化シリコンの選択比は１００以
上を示している。

【表２】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０９Ｋ 3/14 Ｃ０９Ｋ 3/14 ５５０Ｚ (72)発明者 堀 哲 二 愛知県西春日井郡西枇杷島町地領二丁目１ 番地の１ 株式会社フジミインコーポレー テッド内 Ｆターム(参考） 3C047 FF08 GG15 3C058 AA07 AC04 CB01 CB03 DA17

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】研磨用組成物全体の重量を基準として０．
   ５〜５．０％の二酸化ケイ素砥粒、水、および研磨用組
   成物全体の重量を基準として０．１〜０．８％のテトラ
   メチルアンモニウムヒドロキシドを含んでなることを特
   徴とする、シリコンを選択的に研磨することができる研
   磨用組成物。
2. 【請求項２】水によって希釈することによって、請求項
   １の研磨用組成物となる、研磨用組成物濃縮物。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載された研磨用組成
   物を用いて、基板上に少なくともシリコンと酸化シリコ
   ンとを具備してなる半導体デバイスの製造工程におい
   て、シリコンを選択的に研磨することを特徴とする研磨
   方法。
4. 【請求項４】基板上に少なくともシリコンと酸化シリコ
   ンを具備してなる半導体デバイスを研磨するにあたり、
   酸化シリコンの研磨速度に対するシリコンの研磨速度の
   比が少なくとも１００である選択比を達成することがで
   きることを特徴とする、請求項３に記載の研磨方法。