JPH11277380A - 半導体製品の表面研磨システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリカゾル系研磨液を用いる半導体製品の表
面研磨システムにおいて、使用済の研磨液を再生し、こ
れを循環使用して高研磨効率を維持しつつ、且つ安定し
て良好な研磨を行うことのできる半導体製品の表面研磨
システムを提供すること。 【解決手段】 アルカリ性シリカゾル組成物からなる研
磨液を使用して半導体製品表面を研磨する第１工程と、
使用済研磨液のシリカ濃度、ｐＨ及び／又は金属含量を
調整して再生研磨液とする第２工程と、前記第２工程で
得られた再生研磨液を第１工程の研磨液の一部若しくは
全部に置換する第３工程と、を備えた半導体製品の表面
研磨システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製品の表面
研磨システムに関し、詳細には、ＬＳＩ等の半導体製品
の表面、例えば絶縁酸化膜などの表面を研磨して平坦化
を行うために適した半導体製品の表面研磨システムに関
する。ＬＳＩ等の半導体製品表面の、例えば絶縁酸化膜
の平坦化プロセスは、ＣＶＤ（化学蒸着）法に於いてレ
ベリング性に優れたソースを選択し、平坦性の高い絶縁
酸化膜自体を得る手法と、平坦性をそれほど考慮せずに
一旦絶縁酸化膜を得た後、化学的機械的な研磨によりこ
の絶縁酸化膜を平坦化する手法があり、本発明は後者の
方法に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来の化学的機械的な研磨法としては、
研磨剤スラリー（研磨液）を研磨盤に取り付けた研磨布
面に滴下しつつ、これを絶縁酸化膜付きシリコンウェハ
面等に一定荷重をかけて押し付け、研磨加工を施してい
る。この際、シリコン系絶縁膜の研磨に於いては、通常
シリカ系砥粒を成分とするスラリーを用いて研磨するプ
ロセスがとられている。具体的な工程としては研磨ブロ
ックに絶縁酸化膜付きシリコンウェハを貼り付け、この
研磨ブロックを回転研磨盤上に接着した研磨布（ポリッ
シャー）に適切なる圧力で押し付けて、主にｐＨ９〜１
２程度の水に分散した超微粉シリカの磨スラリー液を滴
下することにより、研磨液と絶縁用シリコン酸化膜がメ
カノケミカル作用を起こし研磨が進行される。

【０００３】しかし、このように使用される研磨液は所
謂垂れ流しされ、一度使用した研磨液は廃棄されるため
ランニングコストが嵩んだり、廃液処理用の施設が必要
であるなど経済的でなく、工業化適性の高いものではな
かった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような状況から、
近年、研磨液を廃棄せずに循環使用することが要望され
てきたが、従来の研磨液は、主に超微粉シリカ系スラリ
ー液であるため、経時的に二次凝集を起こし易く、循環
方式による研磨システム等には不向きであり、また、研
磨能力の劣化も著しいものであった。

【０００５】一方、分散安定性を改善する方法として
は、特開昭６３−２８５１１２号公報、特開平２−２７
８８２２号公報、特開平４−２６０６号公報等があり、
シリカゾル（コロイダルシリカ）系研磨液を成分とする
研磨剤が開示されている。しかし、該シリカゾル系研磨
剤も経時的に研磨能力の劣化を来し、使用後の研磨液は
前述と同様に垂れ流しされ廃棄され、これも工業化適性
の高いものではない。

【０００６】従って本発明の目的は、シリカゾル系研磨
液を用いる半導体製品の表面研磨システムにおいて、使
用済の研磨液を再生し、これを循環使用して高研磨効率
を維持しつつ、且つ安定して良好な研磨を行うことので
きる半導体製品の表面研磨システムを提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明者らは鋭意研究の結果本発明に到達した。即
ち本発明の第１は、アルカリ性シリカゾル組成物からな
る研磨液を使用して半導体製品表面を研磨する第１工程
と、使用済研磨液のシリカ濃度、ｐＨ及び／又は金属含
量を調整して再生研磨液とする第２工程と、前記第２工
程で得られた再生研磨液を第１工程の研磨液の一部若し
くは全部に置換する第３工程と、を備えた半導体製品の
表面研磨システムである。

【０００８】本発明の第２は、第１工程で生じた使用済
研磨液を貯蔵しておき、必要なときに前記使用済研磨液
を再生する第２工程を行い、得られた再生研磨液を前記
第１工程の研磨液の一部若しくは全部に置換するバッチ
法が採用される前記の半導体製品の表面研磨システムで
ある。

【０００９】本発明の第３は、第１工程、第２工程及び
第３工程を同時に稼働させる連続法が採用される前記の
半導体製品の表面研磨システムである。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の第１工程に使用するアル
カリ性シリカゾル組成物は、半導体製品の表面研磨用途
に使用できるものとして従来公知の低金属含量アルカリ
性シリカゾル組成物を使用することができ、例えば、汎
用シリカゾル（コロイダルシリカとも言う）から金属分
を除去し、さらに必要に応じてｐＨを調整すれば得るこ
とができる。

【００１１】ここで言う「低金属含量」とは、金属イオ
ンの含有量の低いものを指す（商取引などでは半導体グ
レードとも言う）。金属イオンが多いと半導体製品を構
成する材料に化学的な悪影響を及ぼすので、金属イオン
の含有量は極力低くするのが好ましいが、特にＮａイオ
ンを１５ｐｐｍ未満とするのが良い。汎用シリカゾル
（コロイダルシリカとも言う）の金属分を除去するに
は、カチオン交換樹脂で処理すればよい。カチオン交換
樹脂としては、例えばアンバーライトＩＲ−１１６、Ｉ
Ｒ−１２０Ｂ（ローム・アンド・ハース社製）、デュオ
ライトＣ−２０、Ｃ−２６（住友化学工業製）等ポリス
チレンスルホン酸型が代表的なものとして使用できる。
また、ＩＲＡ−４００、ＩＲＡ−４１０（ローム・アン
ド・ハース社製）等のアニオン交換樹脂との併用により
更に精製度を上げることも可能である。

【００１２】また、水不溶性若しくは水難溶性の金属化
合物等（単体を含む）を含む場合、上記金属イオンのよ
うに化学的な悪影響を及ぼすことは少ないが、水不溶性
若しくは水難溶性の金属化合物等の粒子径がシリカゾル
中のシリカ粒子より大きいと物理的な悪影響を及ぼすこ
とがあるので、概ねシリカ粒子径の１５０％以上の粒子
径のものは濾別するのが良い。該アルカリ性シリカゾル
組成物中のシリカ粒子径は、平均粒子径１５〜１００ｎ
ｍであることが研磨効率及び研磨精度の点で好ましい。

【００１３】ｐＨの調整にはアンモニア及び／又は有機
水溶性アミンを添加すればよいが、上記同様に低金属含
量としたものを使用するのがよく、ｐＨの調整は好まし
くはｐＨ＝９．６〜１１．５の範囲に調整するのが研磨
効率と研磨精度の点で好ましい。有機水溶性アミンは、
炭素原子数が１〜６の直鎖状、分岐鎖状又は環状のアミ
ン、例えば、Ｎ，Ｎ−ジエチルエタノールアミン、アミ
ノエチルエタノールアミン、モノエタノールアミン、モ
ノエチルアミン、ヒドラジン、エチレンジアミン、ジエ
チレントリアミン、ベンジルアミン、１−アミノエチル
ピペラジン等を好ましいものとして例示することがで
き、溶液の安定性の点で、上記有機水溶性アミンとして
更に好ましいのはアルカノールアミン及びアルキルアミ
ンであり、特に好ましいのはアミノエチルエタノールア
ミン、モノエタノールアミン、モノメチルアミン、ヒド
ラジン、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、水
酸化テトラメチルアンモニウムである。

【００１４】該アルカリ性シリカゾル組成物中のシリカ
固形分は、良好な研磨効率と安定性の点で１０〜５０重
量％が良く、好ましくは２０〜５０重量％が良い。

【００１５】本発明の第１工程は上記アルカリ性シリカ
ゾル組成物を研磨液として通常行われる半導体製品の表
面研磨を行えば良い。

【００１６】本発明の第２工程は上記第１工程で発生す
る使用済研磨液のシリカ濃度、ｐＨ、金属含量を調整し
て再生研磨液とするものである。

【００１７】使用済研磨液のシリカ濃度は、研磨中にお
ける水の混入などにより経時的に低下する。シリカ濃度
が低下すると良好な研磨効率が得られない。シリカ濃度
の調整は、例えばバッチ法であれば研磨液をサンプル抽
出し、シリカ濃度を検出し、所望濃度となるよう濃縮シ
リカゾルを添加したり、連続法であれば限外濾過膜を通
すなどして濃縮すればよい。

【００１８】使用済研磨液のｐＨは、前記水の混入によ
り、また、研磨により半導体製品構成材料から削り取ら
れた物質の影響で経時的に低下する。ｐＨが低下すると
良好な研磨効率が得られない。ｐＨの調整は、例えばバ
ッチ法であれば研磨液をサンプル抽出し、ｐＨを検出
し、連続法であれば工程中に設けたｐＨ計によりｐＨを
検出し、所望濃度となるよう上記同様低金属含量とした
アンモニア及び／又は有機水溶性アミンを添加すればよ
い。

【００１９】使用済研磨液の金属含量は、研磨により半
導体製品構成材料から削り取られた物質の混入により増
加する。金属含量が増加すると半導体製品を構成する材
料に化学的な悪影響を及ぼす。金属含量を低下させるに
は、バッチ法にしろ連続法にしろ、使用済研磨液を上記
同様にカチオン交換樹脂で処理すればよい。

【００２０】本発明において以上の使用済研磨液の調整
とは、シリカ濃度、ｐＨ、金属含量のいずれにおいて
も、各々研磨目的によって所望とする許容範囲内に維持
されることを意味するものであり、許容範囲を出ないな
ど、場合によっては各々積極的制御を行わなくとも良い
ことがある。

【００２１】尚、研磨により半導体製品構成材料から削
り取られた物質の混入により使用済研磨液にも水不溶性
若しくは水難溶性の金属化合物等が増加するが、上記同
様に、概ねシリカ粒子径の１５０％以上の粒子径のもの
は濾別するのが良い。

【００２２】本発明の第３工程は、前記第１工程の研磨
液の一部若しくは全部を前記第２工程で得た再生研磨液
に置換する工程である。

【００２３】尚、研磨後の洗浄性を上げる等のため、金
属含量の低下を図った上で、界面活性剤等を上記各工程
の何れかで添加することもできる。

【００２４】第２発明は、第１工程で生じた使用済研磨
液を貯蔵しておき、必要なときに使用済研磨液を再生す
る第２工程を行い、得られた再生研磨液を第１工程の研
磨液の一部若しくは全部に置換するものである。このシ
ステムはバッチ法であり、バッチ法におけるシステムの
好適な条件は上記した通りである。

【００２５】第３発明は、第１工程、第２工程及び第３
工程を同時に稼働させるものである。このシステムは連
続法であり、連続法におけるシステムの好適な条件は上
記した通りである。連続法は、第１工程で生じた使用済
研磨液は、第２工程でシリカ濃度、ｐＨ及び／又は金属
含量が調整された後、システム全体の稼働を止めること
なく、再生研磨液を第１工程で使用される研磨液の一部
若しくは全部に置換するものである。この連続法におい
て、研磨液の全部を再生研磨液で置換することも不可能
ではないが、好ましくは一部を置換するのが良く、具体
的には連続的に生成する再生研磨液を、連続的に導入さ
れる第１工程の研磨液と混合して行えば良い。

【００２６】バッチ法においては上記第２工程で研磨液
が再生されるので、所望により必要なだけ繰り返し研磨
液を再生して使用することができる。また、連続法にお
いては、システムの稼働を止めることなく使用済研磨液
が再生されるので、効率の良い研磨を行うことができ
る。

【００２７】

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明を更に説明する
が、本発明はこれらに限定されるものではない。 （実施例１）平均粒子径２５ｎｍ、シリカ固形分３０重
量％のアルカリ性シリカゾル溶液〔アデライトＥＸ−３
０Ｎ：旭電化工業（株）製〕をカチオン交換樹脂（ロー
ムアンドハース製、商品名アンバーライトＩＲ−１１
６）により処理し、低金属含量アンモニアによりｐＨ１
０．５に調整した組成物（液中の金属分は、Ｆｅ０．３
ｐｐｍ、Ａｌ ２５ｐｐｍ、Ｃａ０．１ｐｐｍ、Ｍｇ
０．２ｐｐｍ、Ｎａ１０ｐｐｍ）を研磨液として使用し
て以下の条件で絶縁酸化膜付きのシリコンウェハの研磨
を行った。

【００２８】研磨機：ラップマスター社製ＬＰＨ−１５
改良型 研磨盤直径：１５インチ 研磨盤回転数：９０ｒｐｍ 研磨試料：熱酸化膜（厚さ１μｍ）付き６インチウェハ 圧力：１５０ｇ／ｃｍ² 研磨液温度：３０℃ 研磨剤供給量：１００ml／分 研磨時間：３分（１枚当り）

【００２９】前記の条件にて酸化膜付きウェハを３０枚
研磨した。研磨後のウェハ面酸化膜の研磨除去量を偏光
解析装置（溝尻光学工業所製）にて測定を行い研磨効率
とし、また表面状態は顕微鏡により観察した。この時の
平均研磨効率は２３８０Å／分であり、被研磨表面にス
クラッチはなく良好であった。

【００３０】ここで発生した使用済研磨液は工程中の水
により希釈され、ｐＨ１０．０、シリカ固形分は２７重
量％であった。また、液中の金属分は、Ｆｅ３ｐｐｍ、
Ａｌ８０ｐｐｍ、Ｃａ２ｐｐｍ、Ｍｇ２ｐｐｍ、Ｎａ２
５ｐｐｍであった。

【００３１】次にこの使用済研磨液を、予め再生処理さ
れているカチオン交換樹脂（商品名ＩＲ−１２０Ｂ：ロ
ームアンドハース製）へＳ／Ｖ値：３〜４にて通液し、
金属分を除去処理後、半導体グレードアンモニアにて１
０．５にｐＨ調整し、低金属含量高濃度シリカゾルを添
加してシリカ固形分を３０重量％に調整し再生研磨液と
した。得られた再生研磨液の金属分はＦｅ０．２ｐｐ
ｍ、Ａｌ ２３ｐｐｍ、Ｃａ０．１ｐｐｍ、Ｍｇ０．２
ｐｐｍ、Ｎａ１０ｐｐｍであった。

【００３２】ここで得られた再生研磨液を研磨液とし
て、上記と同条件で再度研磨し研磨性を測定した。結果
は、研磨効率は２３５０Å／分、表面状態はスクラッチ
はなく、研磨液を遠心分離法（３５００ｒｐｍ×３０
分）で評価した結果、沈澱物はなく、良好な安定性を示
した。

【００３３】尚、本例ではアンモニアの揮発による組成
変化を抑制するために装置全体をビニールテントで覆い
略密閉系として行った。

【００３４】（実施例２）当初の研磨液及び研磨液再生
時のｐＨ調整用アルカリとして低金属含量アミノエチル
エタノールアミンを使用した以外は実施例１と同様に研
磨及び再生処理を行った。再生研磨液の中の金属分はＦ
ｅ０．７ｐｐｍ、Ａｌ ２６ｐｐｍ、Ｃａ０．１ｐｐ
ｍ、Ｍｇ０．３ｐｐｍ、Ｎａ１２ｐｐｍであった。この
再生研磨液を研磨液として研磨した結果は、研磨効率２
３００Å／分、被研磨表面の状態はスクラッチがなく、
研磨液の安定性も、沈澱物がなく良好であった。また、
研磨液の再生及び再生研磨液を研磨液とした研磨を１０
回繰り返したが研磨効率の低下は誤差の範囲であり、被
研磨表面状態、研磨液安定性のいずれも良好であった。

【００３５】（実施例３）イオン交換樹脂としてカチオ
ン交換樹脂（デュオライトＣ−２０；住友化学製）を使
用した他は実施例１と同様の条件で第１工程に相当する
研磨及び第２工程に相当する再生処理を行ったが、発生
する研磨液は直ちに再生工程に連続的に供給した。再生
研磨液中の金属分はＦｅ０．１ｐｐｍ、Ａｌ １９ｐｐ
ｍ、Ｃａ０．１ｐｐｍ、Ｍｇ０．１ｐｐｍ、Ｎａ ９ｐ
ｐｍであった。連続的に再生されてくる再生研磨液を直
ちに研磨液として連続的に供給して研磨を続けた。２時
間研磨を続けた結果、最終時の研磨効率は２３５０Å／
分、被研磨表面状態はスクラッチはなく、研磨液の安定
性も、沈澱物はなく良好であった。また、同様にして、
但し、再生研磨液を当初の研磨液と混合して研磨液とし
て供給した場合でも結果は同様であった。

【００３６】（比較例１）実施例１と同様の研磨液を使
用して研磨を行って生成した使用済研磨液を、再生処理
せずそのまま研磨液として再使用を１０回繰り返した。
結果は、シリカ濃度の低下は２５重量％に留まったがｐ
Ｈは９．１に低下し研磨効率は１９５０Å／分となり、
表面状態はスクラッチはないが、金属含量が多かったた
めウェハ面へのメタル及びパーティクル汚染が顕著であ
った。

【００３７】（比較例２）平均粒子径２５ｎｍ、シリカ
固形分１２重量％の超微粉シリカ（日本アエロジル
（株）製）の半導体グレードアンモニアアルカリによる
スラリーを使用して実施例１と同様の条件で絶縁酸化膜
付きのシリコンウェハの研磨を行い、ウェハを３０枚研
磨した。ここで発生した使用済研磨スラリー液は工程中
の水により希釈され、ｐＨ１０．１、シリカ固形分は１
１．８重量％であった。又、液中の金属分は、Ｆｅ２．
７ｐｐｍ、Ａｌ ５５ｐｐｍ、Ｃａ１．９ｐｐｍ、Ｍｇ
１．８ｐｐｍ、Ｎａ１９ｐｐｍであった。次にこの使用
済研磨スラリー液を予め再生処理されているイオン交換
樹脂（ＩＲ−１２０Ｂ）へＳ／Ｖ値：３〜４にて通液
し、金属分を除去処理後、半導体グレードアンモニアに
て１０．５にｐＨ調整し再生研磨スラリー液とした。得
られた調整スラリー液のシリカ固形分は１１．７重量％
に低下したが許容範囲内なので濃度調整はしなかった。
この再生研磨スラリー液は、液中の金属分はＦｅ０．２
ｐｐｍ、Ａｌ ０．３ｐｐｍ、Ｃａ０．３ｐｐｍ、Ｍｇ
０．２ｐｐｍ、Ｎａ０．２ｐｐｍであったが、超微粉シ
リカスラリーを使用したため、イオン交換樹脂通過中に
２次凝集が促進されており沈澱物を生じていた。この再
生研磨スラリー液を研磨液として、上記と同条件で再度
研磨し研磨性を測定した。結果は研磨効率は１８１０Å
／分、表面状態を半導体検査用顕微鏡（オリンパス光学
工業製）により観察した結果、４ヶ所のスクラッチが確
認された。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、シリカゾル系研磨液を
用いる半導体製品の表面研磨システムにおいて、使用済
の研磨液を再生し、これを循環使用して高研磨効率を維
持しつつ、且つ安定して良好な研磨を行うことのできる
半導体製品の表面研磨システムが提供される。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルカリ性シリカゾル組成物からなる研
   磨液を使用して半導体製品表面を研磨する第１工程と、
   使用済研磨液のシリカ濃度、ｐＨ及び／又は金属含量を
   調整して再生研磨液とする第２工程と、前記第２工程で
   得られた再生研磨液を第１工程の研磨液の一部若しくは
   全部に置換する第３工程と、を備えた半導体製品の表面
   研磨システム。
2. 【請求項２】 第１工程で生じた使用済研磨液を貯蔵し
   ておき、必要なときに前記使用済研磨液を再生する第２
   工程を行い、得られた再生研磨液を前記第１工程の研磨
   液の一部若しくは全部に置換するバッチ法が採用される
   請求項１に記載の半導体製品の表面研磨システム。
3. 【請求項３】 第１工程、第２工程及び第３工程を同時
   に稼働させる連続法が採用される請求項１に記載の半導
   体製品の表面研磨システム。