JPH10154672A - 酸化セリウム研磨剤及び基板の研磨法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＳｉＯ₂絶縁膜等の被研磨面を傷なく高速に
研磨する酸化セリウム研磨剤を提供する。 【解決手段】 ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法で作製したＳｉＯ₂
絶縁膜を形成させたＳｉウエハを、酸化セリウム粒子、
ポリアクリル酸アンモニウム塩と水からなる酸化セリウ
ム研磨剤で研磨する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸化セリウム研磨
剤及び基板の研磨法を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置の製造工程において、
プラズマ−ＣＶＤ、低圧−ＣＶＤ等の方法で形成される
ＳｉＯ₂絶縁膜等無機絶縁膜層を平坦化するための化学
機械研磨剤としてコロイダルシリカ系の研磨剤が一般的
に検討されている。コロイダルシリカ系の研磨剤は、シ
リカ粒子を四塩化珪酸を熱分解する等の方法で粒成長さ
せ、アンモニア等のアルカリ金属を含まないアルカリ溶
液でｐＨ調整を行って製造している。しかしながら、こ
の様な研磨剤は無機絶縁膜の研磨速度が充分な速度を持
たず、実用化には低研磨速度という技術課題がある。

【０００３】一方、フォトマスクやレンズ等のガラス表
面研磨として、酸化セリウム研磨剤が用いられている。
酸化セリウム粒子はシリカ粒子やアルミナ粒子に比べ硬
度が低く、したがって研磨表面に傷が入りにくいことか
ら仕上げ鏡面研磨に有用である。また、酸化セリウムは
強い酸化剤として知られるように化学的活性な性質を有
している。この利点を活かし、絶縁膜用化学機械研磨剤
への適用が有用である。しかしながら、ガラス表面研磨
用酸化セリウム研磨剤にはＮａ塩を含む分散剤を使用し
ているためそのまま半導体用研磨剤として適用すること
はできない。さらに、ガラス表面研磨用酸化セリウム研
磨剤をそのまま無機絶縁膜研磨に適用すると、酸化セリ
ウム粒子径（一次粒子や凝集粒子）が大きく、そのため
絶縁膜表面に目視で観察できる研磨傷が入ってしまう。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ＳｉＯ２絶
縁膜等の被研磨面にＮａ等のアルカリ金属汚染をせず
に、傷なく高速に研磨することが可能な酸化セリウム研
磨剤および基板の研磨法を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の酸化セリウム研
磨剤は、酸化セリウム粒子、ポリアクリル酸アンモニウ
ム塩及び水を含むものである。ポリアクリル酸アンモニ
ウム塩の添加量は、酸化セリウム粒子１００重量に対し
て必要有効量〜２．０重量部が好ましい。有効必要量は
０．０１重量部が好ましい。ポリアクリル酸アンモニウ
ム塩の分子量（重量平均分子量）は、１０００〜１００
００が好ましく、３０００〜８０００がより好ましい。
酸化セリウム研磨剤のｐＨは７以上１０以下がより好ま
しい。本発明の基板の研磨法は、上記の酸化セリウム研
磨剤で所定の基板例えばＳｉＯ₂絶縁膜が形成された基
板でを研磨することを特徴とするものである。本発明
は、ＳｉＯ₂絶縁膜等の被研磨面にＮａ等のアルカリ金
属汚染をせずに、傷なく高速に研磨することを見い出し
たことによりなされたものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】一般に酸化セリウムは、炭酸塩、
硝酸塩、硫酸塩、しゅう酸塩等のセリウム化合物を焼成
することによって得られる。ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法等で形
成されるＳｉＯ_２絶縁膜は一次粒子径が大きく、かつ結
晶歪が少ないほど、すなわち結晶性がよいほど高速研磨
が可能であるが、研磨傷が入りやすい傾向がある。そこ
で、本発明で用いる酸化セリウム粒子は、その製造法を
限定するものでないが、あまり結晶性を上げないで作製
されることが好ましい。酸化セリウム一次粒子径は５ｎ
ｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。また半導
体チップ研磨に使用することから、アルカリ金属および
ハロゲン類の含有率は１ｐｐｍ以下に抑えることが好ま
しい。

【０００９】本発明において、酸化セリウム粉末を作製
する方法として焼成法が使用できる。焼成温度は３５０
℃以上８００℃以下が好ましい。上記の方法により製造
された酸化セリウム粒子は凝集しているため、機械的に
粉砕することが好ましい。粉砕方法として、ジェットミ
ル等による乾式粉砕や遊星ビーズミル等による湿式粉砕
方法が好ましい。

【００１０】本発明における酸化セリウムスラリーは例
えば上記の特徴を有する酸化セリウム粒子とポリアクリ
ル酸アンモニウム塩を含む分散剤と水からなる組成物を
分散させることによって得られる。ここで、酸化セリウ
ム粒子の濃度に制限はないが、懸濁液の取り扱いやすさ
から０．５以上２０重量％以下の範囲が好ましい。ま
た、分散剤として、半導体チップ研磨に使用することか
らＮａ、Ｋ等のアルカリ金属および、ハロゲン、イオウ
を含まないものとしてポリアクリル酸アンモニウム塩が
好ましい。また、ポリアクリル酸アンモニウム塩と水溶
性有機高分子類（ポリグリセリン脂肪酸エステル等）、
水溶性陰イオン性界面活性剤（アルキルエーテルカルボ
ン酸塩）、水溶性非イオン性界面活性剤（ポリエチレン
グリコールモノステアレート等）、水溶性アミン類（モ
ノエタノールアミン等）から選ばれた少なくとも１種類
を含む２種類以上の分散剤を使用してもよい。これらの
分散剤添加量は、スラリー中の粒子の分散性および沈降
防止、さらに研磨傷と分散剤添加量との関係から酸化セ
リウム粒子１００重部に対して０．０１以上２．０重部
以下の範囲が好ましい。ポリアクリル酸アンモニウム塩
の分子量（重量平均分子量）は、１０００〜１００００
が好ましく、３０００〜８０００がより好ましい。これ
らの酸化セリウム粒子を水中に分散させる方法としては
通常の撹拌機による分散処理の他にホモジナイザ−、超
音波分散機などを用いることができる。

【００１１】本発明の酸化セリウム研磨剤は、上記スラ
リ−をそのまま使用してもよいが、Ｎ，Ｎ−ジエチルエ
タノ−ルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルエタノ−ルアミン、
アミノエチルエタノ−ルアミン等の添加剤を添加して研
磨剤とすることができる。

【００１２】本発明の酸化セリウム研磨剤が使用される
無機絶縁膜の作製方法として、定圧ＣＶＤ法、プラズマ
ＣＶＤ法等が挙げられる。定圧ＣＶＤ法によるＳｉＯ₂
絶縁膜形成は、Ｓｉ源としてモノシラン：ＳｉＨ₄、酸
素源として酸素：Ｏ₂を用いる。このＳｉＨ₄−Ｏ₂系酸
化反応を４００℃程度以下の低温で行わせることにより
得られる。場合によっては、ＣＶＤ後１０００℃または
それ以下の温度で熱処理される。高温リフローによる表
面平坦化を図るためにリン：Ｐをドープするときには、
ＳｉＨ₄−Ｏ₂−ＰＨ₃系反応ガスを用いることが好まし
い。プラズマＣＶＤ法は、通常の熱平衡下では高温を必
要とする化学反応が低温でできる利点を有する。プラズ
マ発生法には、容量結合型と誘導結合型の２つが挙げら
れる。反応ガスとしては、Ｓｉ源としてＳｉＨ₄、酸素
源としてＮ₂Ｏを用いたＳｉＨ₄−Ｎ₂Ｏ系ガスとテトラ
エトキシシラン（ＴＥＯＳ）をＳｉ源に用いたＴＥＯＳ
−Ｏ₂系ガス（ＴＥＯＳ−プラズマＣＶＤ法）が挙げら
れる。基板温度は２５０℃〜４００℃、反応圧力は６７
〜４００Ｐａの範囲が好ましい。このように、本発明の
ＳｉＯ2絶縁膜にはリン、ホウ素等の元素がド−プされ
ていても良い。

【００１３】所定の基板として、半導体基板すなわち回
路素子と配線パターンが形成された段階の半導体基板、
回路素子が形成された段階の半導体基板等の半導体基板
上にＳｉＯ₂絶縁膜層が形成された基板が使用できる。
このような半導体基板上に形成されたＳｉＯ₂絶縁膜層
を上記酸化セリウム研磨剤で研磨することによって、Ｓ
ｉＯ₂絶縁膜層表面の凹凸を解消し、半導体基板全面に
渡って平滑な面とする。ここで、研磨する装置として
は、半導体基板を保持するホルダーと研磨布（パッド）
を貼り付けた（回転数が変更可能なモータ等を取り付け
てある）定盤を有する一般的な研磨装置が使用できる。
研磨布としては、一般的な不織布、発泡ポリウレタン、
多孔質フッ素樹脂などが使用でき、特に制限がない。ま
た、研磨布にはスラリーが溜まる様な溝加工を施すこと
が好ましい。研磨条件には制限はないが、定盤の回転速
度は半導体が飛び出さない様に１００ｒｐｍ以下の低回
転が好ましく、半導体基板にかける圧力は研磨後に傷が
発生しない様に１ｋｇ／ｃｍ²以下が好ましい。研磨し
ている間、研磨布にはスラリーをポンプ等で連続的に供
給する。この供給量には制限はないが、研磨布の表面が
常にスラリーで覆われていることが好ましい。

【００１４】研磨終了後の半導体基板は、流水中で良く
洗浄後、スピンドライヤ等を用いて半導体基板上に付着
した水滴を払い落としてから乾燥させることが好まし
い。このようにして平坦化されたＳｉＯ₂絶縁膜層の上
に、第２層目のアルミニウム配線を形成し、その配線間
および配線上に再度上記方法によりＳｉＯ₂絶縁膜を形
成後、上記酸化セリウム研磨剤を用いて研磨することに
よって、絶縁膜表面の凹凸を解消し、半導体基板全面に
渡って平滑な面とする。この工程を所定数繰り返すこと
により、所望の層数の半導体を製造する。

【００１５】本発明の酸化セリウム研磨剤は、半導体基
板に形成されたＳｉＯ₂絶縁膜だけでなく、所定の配線
を有する配線板に形成されたＳｉＯ₂絶縁膜、ガラス、
窒化ケイ素等の無機絶縁膜、フォトマスク・レンズ・プ
リズムなどの光学ガラス、ＩＴＯ等の無機導電膜、ガラ
ス及び結晶質材料で構成される光集積回路・光スイッチ
ング素子・光導波路、光ファイバ−の端面、シンチレ−
タ等の光学用単結晶、固体レ−ザ単結晶、青色レ−ザＬ
ＥＤ用サファイア基板、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡＳ等の
半導体単結晶、磁気ディスク用ガラス基板、磁気ヘッド
等を研磨するために使用される。このように本発明にお
いて所定の基板とは、ＳｉＯ₂絶縁膜が形成された半導
体基板、ＳｉＯ₂絶縁膜が形成された配線板、ガラス、
窒化ケイ素等の無機絶縁膜が形成された基板、フォトマ
スク・レンズ・プリズムなどの光学ガラス、ＩＴＯ等の
無機導電膜、ガラス及び結晶質材料で構成される光集積
回路・光スイッチング素子・光導波路、光ファイバ−の
端面、シンチレ−タ等の光学用単結晶、固体レ−ザ単結
晶、青色レ−ザＬＥＤ用サファイア基板、ＳｉＣ、Ｇａ
Ｐ、ＧａＡＳ等の半導体単結晶、磁気ディスク用ガラス
基板、磁気ヘッド等を含む。

【００１６】

【実施例】

（酸化セリウム粒子の作製１）炭酸セリウム水和物２ｋ
ｇを白金製容器に入れ、７００℃で２時間空気中で焼成
することにより黄白色の粉末を約１ｋｇ得た。この粉末
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。酸化セリウム粉末１０重量％になる
ように脱イオン水と混合し、横型湿式超微粒分散粉砕機
を用いて１４００ｒｐｍで１２０分間粉砕処理をした。
得られた懸濁液を１１０℃で３時間乾燥することにより
酸化セリウム粒子を得た。透過型電子顕微鏡による観察
で粒子が１０〜６０ｎｍであること、さらにＢＥＴ法に
よる比表面積測定の結果、３９．５ｍ²／ｇであること
がわかった。

【００１７】（酸化セリウム粒子の作製２）炭酸セリウ
ム水和物２ｋｇを白金製容器に入れ、７００℃で２時間
空気中で焼成することにより黄白色の粉末を約１ｋｇ得
た。この粉末を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。酸化セリウム粉末１ｋ
ｇをジェットミルを用いて乾式粉砕を行った。透過型電
子顕微鏡による観察で粒子が１０〜６０ｎｍであるこ
と、さらにＢＥＴ法による比表面積測定の結果、４１．
２ｍ²／ｇであることがわかった。

【００１８】（酸化セリウムスラリーの作製）上記作製
１、２の酸化セリウム粒子１２５ｇとポリアクリル酸ア
ンモニウム塩水溶液（４０重量％）３ｇと脱イオン水２
３７２ｇを混合し、撹拌をしながら超音波分散を施し
た。超音波周波数は４０ｋＨｚで分散時間１０分間行っ
た。得られたスラリーを０．８ミクロンフィルターでろ
過をし、さらに脱イオン水を加えることにより３ｗｔ．
％研磨剤を得た。スラリーｐＨはともに８．５であっ
た。スラリーの粒度分布を調べたところ、平均粒子径が
ともに２９０ｎｍと小さく、その半値幅も３００ｎｍと
比較的分布も狭いことがわかった。最大粒子径はともに
８００ｎｍ以下の粒子が９９．９％であった。

【００１９】（絶縁膜層の研磨）保持する基板取り付け
用の吸着パッドを貼り付けたホルダーにＴＥＯＳ−プラ
ズマＣＶＤ法で作製したＳｉＯ₂絶縁膜を形成させたＳ
ｉウエハをセットし、多孔質ウレタン樹脂製の研磨パッ
ドを貼り付けた定盤上に絶縁膜面を下にしてホルダーを
載せ、さらに加工加重が３００ｇ／ｃｍ²になるように
重しを載せた。定盤上に上記の酸化セリウムスラリー
（固形分：３重量％）を３５ｃｃ／ｍｉｎの速度で滴下
しながら、定盤を３０ｒｐｍで１分間回転させ、絶縁膜
を研磨した。研磨後ウエハをホルダーから取り外して、
流水で良く洗浄後、超音波洗浄機によりさらに２０分間
洗浄した。洗浄後、ウエハをスピンドライヤーで水滴を
除去し、１２０℃の乾燥機で１０分間乾燥させた。光干
渉式膜厚測定装置を用いて、研磨前後の膜厚変化を測定
した結果、この研磨により２種の研磨剤はそれぞれ３０
０ｎｍ／ｍｉｎの絶縁膜が削られ、ウエハ全面に渡って
均一の厚みになっていることがわかった。また、目視で
は絶縁膜表面には傷が見られなかった。

【００２０】比較例 実施例と同様にＴＥＯＳ−ＣＶＤ法で作製したＳｉＯ2
絶縁膜を形成させたＳｉウエハについて、市販シリカス
ラリー（キャボット社製、商品名ＳＳ２２５）を用いて
研磨を行った。この市販スラリーのｐＨは１０．３で、
ＳｉＯ₂粒子を１２．５ｗｔ％含んでいるものである。
研磨条件は実施例と同一である。その結果、研磨による
傷は見られず、また均一に研磨がなされたが、３分間の
研磨により７５ｎｍの絶縁膜層しか削れなかった（２５
ｎｍ／ｍｉｎ）。

【００２１】

【発明の効果】本発明の研磨剤により、ＳｉＯ_２絶縁膜
等の被研磨面を傷なく高速に研磨することが可能とな
る。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸化セリウム粒子、ポリアクリル酸アン
   モニウム塩及び水を含む酸化セリウム研磨剤。
2. 【請求項２】 ポリアクリル酸アンモニウム塩が酸化セ
   リウム粒子１００重量に対して必要有効量〜２．０重量
   部添加された請求項１記載の酸化セリウム研磨剤。
3. 【請求項３】 ポリアクリル酸アンモニウム塩の分子量
   （重量平均分子量）が１０００〜１００００である請求
   項１又は２記載の酸化セリウム研磨剤。
4. 【請求項４】 ｐＨが７以上１０以下である請求項１〜
   ３各項記載の酸化セリウム研磨剤。
5. 【請求項５】 請求項１〜４各項記載の酸化セリウム研
   磨剤で所定の基板を研磨することを特徴とする基板の研
   磨法。
6. 【請求項６】 所定の基板がＳｉＯ₂絶縁膜が形成され
   た基板である請求項５記載の基板の研磨法。