JP2008112970A

JP2008112970A - 研磨用組成物

Info

Publication number: JP2008112970A
Application number: JP2007211356A
Authority: JP
Inventors: Takenori Narita; 武憲成田; Masaya Nishiyama; 雅也西山; Masato Fukazawa; 正人深沢; Toranosuke Ashizawa; 寅之助芦沢
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2006-10-05
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2008-05-15

Abstract

【課題】セルフアライン方式によるコンタクトプラグ形成のためのＣＭＰを、１種類の研磨用組成物で実施するために必要な、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜の研磨速度と研磨速度比が得られ、かつ半導体素子の製造コスト低減、歩留まり向上が可能となる研磨用組成物を提供する。
【解決手段】ａ）カチオン性砥粒、
ｂ）四級アンモニウムヒドロキシド又は四級アンモニウム塩、
ｃ）シュウ酸又はシュウ酸塩及び
ｄ）アニオン性ポリマー
を含む、ポリシリコン膜とシリコン窒化物を同時に研磨可能な研磨用組成物。
【選択図】なし

Description

本発明はコンタクトプラグ形成に使われるポリシリコン膜の化学機械研磨（以下、ＣＭＰという。）において、少ない工程数で、優れた平坦性と面内均一性が得られる研磨用組成物に関する。

半導体素子の高集積化のため、特にＤＲＡＭ、ＳＲＡＭのようなメモリー素子では、ＭＯＳトランジスタのソース及びドレインと上層配線の接続のため、セルフアライン方式によるコンタクトプラグの形成が必須となっている。図１に、半導体素子用基板に、このセルフアライン方式でコンタクトホールを形成した後、導電材となるポリシリコン膜をウエハー全面に形成したときの断面の模式図を示す。また、図１をＣＭＰ（化学機械研磨）により研磨した後の断面の模式図を図２に示す。

図１、２において、シリコン基板１の上面に、ゲート絶縁膜２が形成されている。ゲート構造３は、導電層の上に絶縁膜のゲートキャップ層４を有した構造となっている。ゲート構造３の導電層はポリシリコン３ａと金属シリサイド３ｂの２層構造が用いられ、ゲートキャップ層４にはシリコン窒化膜が用いられる。

ゲートスペーサー５及びエッチストパー６にはシリコン窒化膜が用いられる。絶縁膜７には、シリコン酸化膜又はＢＰＳＧ膜などが用いられる。コンタクトホール形成のためのエッチングマスク８は、フォトレジストを用いたドライエッチングによりパターニングされている。

エッチングマスク８の材質は、シリコン窒化膜が、シリコン酸化膜又はＢＰＳＧ膜に対するエッチング選択比の点で適している。コンタクトプラグ用導電材９にはポリシリコン膜などが用いられる。

コンタクトプラグ形成のためには、コンタクトプラグ用導電材９のポリシリコン膜の不要な部分をＣＭＰによって除去し、さらにエッチングマスク８も除去する必要がある。但し、ゲートキャップ層４はＣＭＰ後も残す必要があるため、シリコン窒化膜の研磨速度は速すぎてはいけない。従って、シリコン窒化膜の研磨速度としては、ポリシリコン膜の１／５〜１／２５が適切である。

次に、エッチングマスク８を除去した後は、ポリシリコンプラグのリセスの低減とゲート構造の高さのウエハー面内のばらつきを小さくするため、絶縁膜７のシリコン酸化膜の研磨速度がゲートキャップ層４のシリコン窒化膜に対して十分小さく、ＣＭＰがほぼ停止することが必要となる。そのため、シリコン酸化膜の研磨速度は、シリコン窒化膜の１／３〜１／３０が適切である。

ポリシリコン膜の膜厚は、１００〜４００ｎｍ、エッチングマスクの膜厚は１０〜１００ｎｍ、ゲートのキャップ膜厚は３０〜２００ｎｍ程度である。このような場合に、ＣＭＰを１種類の研磨用組成物で実施するためには、ポリシリコンの研磨速度は１００〜３００ｎｍ／ｍｉｎ、シリコン窒化膜の研磨速度は１０〜３０ｎｍ／ｍｉｎ、シリコン酸化膜又はＢＰＳＧ膜の研磨速度は０〜５ｎｍで、ポリシリコンとシリコン窒化膜の選択比は５〜２５：１、シリコン窒化膜と酸化膜の選択比は３〜３０：１が適切である。

しかし、従来の技術では、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜に対して、１種類の研磨用組成物で、このような研磨速度と研磨速度比が得られる研磨用組成物は無かった。そのため、２種類の研磨用組成物を用いて、２段階のＣＭＰを行うなどの方法が必要となり、プロセスコストの増大が大きな問題となっていた。

特許文献１に、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜の研磨速度比が１：１：１〜４：１：１となるＣＭＰ条件で１種類の研磨用組成物でＣＭＰをする方法が示されている。

しかし、この方法では、ポリシリコン膜とシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜との研磨速度の選択比が小さいため、シリコン酸化膜がＣＭＰの停止層にならず、研磨量の制御が難しいと考えられる。

特許文献２には、ポリエチレンイミンとコリン誘導体を添加した研磨用組成物が提案されている。この研磨用組成物では、ポリシリコン膜の研磨速度６００ｎｍ／ｍｉｎ、シリコン酸化膜の研磨速度１５．２ｎｍ／ｍｉｎ、シリコン窒化膜の研磨速度３３．４ｎｍ／ｍｉｎが得られるとされている。

しかし、この方法でも、シリコン酸化膜の研磨速度をシリコン窒化膜の１／３以下にするのは困難である。そのため、シリコン酸化膜がＣＭＰの停止層にならず、研磨量の制御が難しいと考えられる。

特許文献３では、塩基性有機物を添加したポリシリコン膜用研磨用組成物が示されている。この方法では、ポリシリコン膜とシリコン酸化膜の選択比が大きいが、シリコン窒化膜の研磨速度が小さいため、コンタクトプラグ形成のＣＭＰを１種類の研磨用組成物で実施することは出来ない。

特許文献４には、燐酸を添加した研磨用組成物を用いてシリコン窒化膜を研磨する方法が示されている。この方法では、シリコン窒化膜の研磨速度１２ｎｍ／ｍｉｎ、シリコン酸化膜の研磨速度１．５ｎｍ／ｍｉｎで、シリコン窒化膜に対するシリコン酸化膜の研磨速度は十分小さいが、ポリシリコン膜の研磨速度が７ｎｍ／ｍｉｎと小さい。そのため、この場合も、コンタクトプラグ形成のＣＭＰを１種類の研磨用組成物で実施することは出来ない。

このように、コンタクトプラグ形成のＣＭＰを１種類の研磨用組成物で実施可能なＣＭＰ研磨用組成物は従来技術では得られていない。
ＵＳＰ２００６／０１０５５６９Ａｌ特開２００２−３０５１６７号公報特許第３４５７１４４号明細書特許第３１９０７４２号明細書

本発明は、セルフアライン方式によるコンタクトプラグ形成のためのＣＭＰを、１種類の研磨用組成物で実施することができる研磨用組成物であり、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜の好ましい研磨速度と研磨速度比とが得られ、これにより半導体素子の製造コスト低減、歩留まり向上が可能となる研磨用組成物を提供することを目的とするものである。

本発明は、
ａ）カチオン性砥粒、
ｂ）四級アンモニウムヒドロキシド又は四級アンモニウム塩、
ｃ）シュウ酸又はシュウ酸塩及び
ｄ）アニオン性ポリマー
を含む、ポリシリコン膜とシリコン窒化物を同時に研磨可能な研磨用組成物に関する。

この研磨用組成物を用いることにより、ポリシリコン膜の研磨速度が１００〜３００ｎｍ／ｍｉｎ、シリコン窒化膜の研磨速度が１０〜３０ｎｍ／ｍｉｎ、シリコン酸化膜又はＢＰＳＧ膜の研磨速度が０〜５ｎｍ、ポリシリコン膜とシリコン窒化膜の選択比が５〜２５：１、シリコン窒化膜と酸化膜の選択比が３〜３０：１でＣＭＰを実施できる。

本発明によれば、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜を適切な研磨速度と選択比でＣＭＰすることが出来る。そのため、半導体素子のセルフアラインコンタクトプラグ形成のためのＣＭＰを１種類の研磨用組成物で行うことが出来、良好な平坦性とウエハー面内均一性を得ることが可能である。それによって、半導体素子の製造コスト低減と歩留まりの向上が可能である。

発明を実施するための最良の形態について以下に詳述する。

本発明において、カチオン性砥粒とは、水に砥粒およびシュウ酸を配合し、ｐＨを１〜３に調節した段階の研磨用組成物のゼータ電位が正である砥粒を意味している。なお、このカチオン性砥粒を用いて最終的な研磨用組成物になった状態でのゼータ電位は負になっていてもよい。

なお、本発明において、研磨用組成物のゼータ電位が正であるとは、測定対象の研磨用組成物を遠心分離した上澄み液を電気泳動法により測定（例えばマルバーン社製ゼータサイザー３０００ＨＳ）したゼータ電位が正であることをいう。

このような砥粒としては、アルミナ、セリア、ジルコニア及び、表面修飾したシリカなどを用いることが出来る。砥粒の平均粒径は、１０〜３００ｎｍが好ましく、２０〜２００ｎｍがより好ましい。

また、研磨用組成物中の砥粒濃度は、０．１〜１０ｗｔ％が好ましく、０．２〜５ｗｔ％がより好ましい。

本発明の研磨用組成物では、四級アンモニウムイオンがポリシリコン及び、シリコン窒化膜の研磨速度を高める働きをしていると考えられる。四級アンモニウムイオンとしては、テトラメチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラプロピルアンモニウムイオン、テトラブチルアンモニウムイオン等が適している。

四級アンモニウムイオンの炭化水素基が大きくなるほどポリシリコンの研磨速度が増大する傾向があるが、炭化水素基が大きいものは価格が高くなるため、特性と経済性のバランスからテトラメチルアンモニウムイオン及びテトラエチルアンモニウムイオンが特に適している。

これらの四級アンモニウムイオンは、四級アンモニウムヒドロキシドとして研磨用組成物に添加しても、四級アンモニウムヒドロキシドと適当な酸の組み合わせによる塩として添加してもよい。

また、四級アンモニウムヒドロキシド及びその塩の中から選ばれる２種類以上を組み合わせて添加してもよい。これらの添加量は、合計が、研磨用組成物１ｋｇあたり、０．０１〜１ｍｏｌが好ましく、０．０２〜０．５ｍｏｌがより好ましい。

シュウ酸及びシュウ酸塩は、研磨用組成物のｐＨを調整することにより、ポリシリコン膜とシリコン窒化膜の研磨速度を高める働きをしている。

シュウ酸塩としては、無機アルカリ、アンモニア、アミン、アンモニウムヒドロキシドなどとの塩を用いることが出来る。

また、シュウ酸及びシュウ酸塩の中から選ばれる２種類以上を組み合わせて添加してもよい。これらの添加量は、合計が、研磨用組成物１ｋｇあたり、０．０１〜１ｍｏｌが好ましく、０．０２〜０．５ｍｏｌがより好ましい。

アニオン性ポリマーは、ポリシリコン膜とシリコン窒化膜の研磨速度に対しては大きな影響を与えず、シリコン酸化膜及びＢＰＳＧ膜の研磨速度を抑制する働きをしている。研磨速度抑制のメカニズムは明確にはなっていないが、カチオン性砥粒の表面にアニオン性ポリマーが吸着することが影響していると予想される。

アニオン性ポリマーとしては、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリマレイン酸、ポリスチレンスルホン酸及びこれらのポリマーの合成に用いられるモノマーの共重合によって得られるポリマーなどを用いることが出来る。

また、これらのポリマーと無機アルカリ、アンモニア、アミン、アンモニウムヒドロキシドなどとの塩になったポリマーを用いることが出来る。例えば、ポリアクリル酸アンモニウム塩、共重合成分としてアクリル酸アンモニウム塩を含むポリマー、ポリスルホン酸等が好ましい。

また、他のアニオン性ポリマーとしては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸トリエタノールアミン、ポリアスパラギン酸、ポリグルタミン酸、ポリリシン、ポリリンゴ酸、ポリアミド酸、ポリイタコン酸、ポリフマル酸、ポリ（ｐ−スチレンカルボン酸）、ポリビニルスルホン酸、ポリ−２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸等及びこれらの塩が挙げられる。これらアニオン性ポリマーは二種以上を併用しても良い。

ポリマーの分子量は、ポリスチレン換算の重量平均分子量が１，０００〜３００，０００が好ましく、２，０００〜１００，０００がより好ましい。ポリマーの添加量は、０．０１〜１ｗｔ％が好ましく、０．０２〜０．８％がより好ましい。

本発明の研磨用組成物の製造方法は特に限定されず、例えば、水にａ）カチオン性砥粒を分散させて分散液を作製し、別に、砥粒以外の成分を水に溶解した溶液を作製後、両者を混合し、最後に水などで濃度を調節して得られる。

研磨用組成物のｐＨは１〜３が好ましい。ｐＨが３を超えるとポリシリコン膜とシリコン窒化膜の研磨速度が低下する傾向がある。一方、ｐＨが１未満であると、研磨用組成物の取り扱いが困難になる。特に好ましいｐＨの範囲は、ｐＨ１．２〜２．５である。ｐＨの調整には、シュウ酸以外の無機酸を添加してもよい。無機酸としては、塩酸、硝酸、硫酸、燐酸などを用いることが出来る。

この研磨用組成物を用いたＣＭＰは、市販のＣＭＰ装置を用いて実施することが出来る。発泡ポリウレタンなどで形成された研磨パッドを貼り付けた定盤に、キャリアで保持したウエハーを押し付け、研磨パッド上に研磨用組成物を滴下しながら定盤とキャリアを同方向に回転させることでＣＭＰを実施することができる。

この研磨用組成物を用いて、図１に示すような断面を有するウエハーのＣＭＰを行うと、始めにポリシリコン膜が研磨され、エッチングマスクのシリコン窒化膜が露出する。

その後も連続してＣＭＰを行うことにより、シリコン窒化膜が除去され、シリコン酸化膜又はＢＰＳＧ膜が露出する。その後は適切なオーバー研磨を行うが、シリコン酸化膜又はＢＰＳＧ膜の研磨速度が十分小さいことから、ポリシリコンプラグのリセス低減、ゲート構造高さのウエハー面内ばらつき低減が可能である。従って、１種類の研磨用組成物を用いたＣＭＰで、良好な平坦性とウエハー面内均一性を得ることが出来、半導体素子の製造コスト低減、歩留まりの向上が可能である。

以下の研磨用組成物の作製では、砥粒を水に分散させた分散液と、砥粒以外の成分を水に溶解した溶液を作製後、両者を混合し、最後に、適切な濃度になるように水を添加して全体量を調整した。

なお、以下の実施例では、ａ）カチオン性砥粒としてアルミナとセリアを用いた。砥粒の平均粒径は共に１００ｎｍ程度であった。また、砥粒の濃度は全て、１ｗｔ％とした。

ｂ）四級アンモニウムヒドロキシド又は四級アンモニウム塩としては、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド、テトラブチルアンモニウムヒドロキシドを用いた。これらの添加量は研磨用組成物１ｋｇあたり０．０５ｍｏｌとした。ｃ）シュウ酸又はその塩としてシュウ酸を研磨用組成物１ｋｇあたり、０．１ｍｏｌを全ての研磨用組成物に添加した。

ｄ）アニオン性ポリマーとしては、ポリアクリル酸、マレイン酸アクリル酸の共重合ポリマー、ポリスチレンスルホン酸を用いた。ポリマーの濃度は、０．２ｗｔ％にした。

表１には実施例１〜８の研磨用組成物に添加した成分および各ポリマーのポリスチレン換算の重量平均分子量を示している。研磨用組成物作製後に各研磨用組成物のｐＨを測定した結果、１．２〜２．５の範囲であった。

これらの研磨用組成物を用いて、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜のＣＭＰを行い、研磨速度を測定した。ポリシリコン膜のＣＭＰ用としては、シリコンウエハーに、酸化膜１００ｎｍを形成後、ＣＶＤによってポリシリコン膜５００ｎｍを形成したウエハーを用いた。

また、シリコン窒化膜のＣＭＰ用としては、シリコンウエハーにＣＶＤによってシリコン窒化膜２００ｎｍを形成したウエハーを用いた。

また、シリコン酸化膜のＣＭＰ用としては、シリコンウエハーにプラズマＣＶＤによってシリコン酸化膜５００ｎｍを形成したウエハーを用いた。

さらに、シリコンウエハーは、全て８インチウエハーを使用した。各膜の膜厚測定には光干渉膜厚計を用いた。

ＣＭＰ装置には市販の８インチウエハー用ＣＭＰ装置を用い、研磨パッドには市販のポリウレタン発泡パッドを用いた。

パッドグルーブは、同心円のものを用いた。

また、ＣＭＰの圧力は２８０ｈＰａ、研磨定盤とウエハーキャリアの回転数はともに５０ｍｉｎ^−１、研磨用組成物の流量は２００ｍｌ／ｍｉｎで、研磨時間は各膜１分とした。表２に実施例１〜８の研磨用組成物を用いた場合の各膜の研磨速度を示す。

表２に示されるように、実施例１〜８のいずれの場合も、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜において良好な研磨速度と選択比が得られた。シリコン酸化膜の代わりに、ＢＰＳＧ膜を用いた場合、研磨速度は最大で２倍程度まで増大すると予想されるが、本実施例の結果から、ＢＰＳＧを用いた場合でも本発明の研磨用組成物は適用可能と考えられる。

なお、本発明は上記の各実施例には制限されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施例はＣＭＰ加工が適用できる他の分野においても適宜変更され、利用できることは明らかである。

ＣＭＰ前の半導体素子を示す断面図である。ＣＭＰ後の半導体素子を示す断面図である。

符号の説明

１シリコン基板
２ゲート絶縁膜
３ゲート構造
４ゲートキャップ層
５ゲートスペーサー
６エッチストッパー
７絶縁膜
８エッチングマスク
９コンタクトプラグ用導電材

Claims

ａ）カチオン性砥粒、
ｂ）四級アンモニウムヒドロキシド又は四級アンモニウム塩、
ｃ）シュウ酸又はシュウ酸塩及び
ｄ）アニオン性ポリマー
を含む、ポリシリコン膜とシリコン窒化物を同時に研磨可能な研磨用組成物。