説明

半導体用研磨スラリー中の異物検査方法

【課題】半導体用研磨スラリー中に含有される不純物粒子等の異物の検査を行い、その異物に関する情報を取得することができるスラリー中の異物の検査方法を提供する。
【解決手段】半導体用研磨スラリーを採取するサンプリング工程と、スラリー中に含まれる砥粒は通過させ、砥粒よりも大きな異物は捕捉することが可能である孔径を有したろ過膜に、サンプリング工程で採取したスラリーを通液し、ろ過するろ過工程と、ろ過工程で得られた、スラリーを通液したろ過膜の表面に存在する異物を検査する異物検査工程と、を有する異物検査方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体用研磨スラリー中に含まれる異物の検査方法に関し、特に、半導体用研磨スラリーをろ過膜によりろ過して、ろ過膜上に存在する異物を検査するスラリー中の異物検査方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体装置の製造において、使用する半導体基板の表面や、その上に形成された被膜の表面を平坦化することが求められている。例えば、配線層が立体的に配置された多層配線層を有する半導体集積回路を形成するには、多層配線間の層間絶縁膜(シリコン酸化膜やシリコン窒化膜など)の表面を平坦にする必要がある。
【0003】
これは、第1層目(最下層)のアルミニウム配線を形成した後、CVD法によりシリコン酸化膜を成膜すると、配線層の存在によりシリコン酸化膜表面に凹凸が生じてしまい、フォトリソグラフィー及びドライエッチング工程で、この凹凸の存在する酸化膜上に第2のアルミニウム配線層を形成しようとすると、凹凸部でレジストパターニングの露光焦点が合わない、あるいは段差部にドライエッチング残りが生じる等の不具合が生じてしまうためである。
【0004】
この被膜表面を平坦化する技術として、研磨剤を用いて被膜表面を研磨する方法が採用されている。この方法は、パッド等の研磨部材と半導体基板との間にスラリーを介在させ、研磨を行うものであり、このとき用いるスラリー中の砥粒としては、分散性がよく、平均粒子径が揃っている等の理由で、シリカやアルミナが一般的に使用されており、したがって、スラリーとしては、純水等の分散媒中にこれらの砥粒を分散させた懸濁液が好ましく使用されている。
【0005】
このようなスラリーを用いて研磨を行うと、半導体基板の研磨面を形成する材料が削り取られるとともに、砥粒自身も破砕されて、研磨屑が生成する。この研磨屑はそれ自身スラリーの研磨力を低下させるものである。また、このほか砥粒の凝集物やスラリーが乾燥してゲル化物が生成することもある。これらのうち大粒径の研磨屑及び凝集物は基板表面にスクラッチを発生させる原因となり、また研磨屑の蓄積により研磨力が低下するため、使用済のスラリーは一般的にはそのまま廃棄されていた。
【0006】
ところが、近年、使用済みのスラリーを再生して、再度用いるためにフィルターや遠心分離等により再生、回収して再利用を図るようになってきており、例えば、研磨に使用したスラリーをキレート繊維に接触させてスラリーを再利用可能に回収する方法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
【特許文献1】特開2005−262061号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、このように不純物粒子を除去し、スラリーに用いられる砥粒を回収し、再利用を可能としたスラリーや、スラリー原液を希釈してウェハ研磨用に濃度調整したスラリー等であっても、完全に不純物粒子等の異物が存在してないわけではなく、砥粒と比較しても粒径の大きい異物を含有するものであった。このような異物を含有していると、ウェハの研磨時にその異物によってウェハ表面が傷ついてしまい好ましくない。
【0008】
このような異物は、スラリー中の粒子について粒度径分布を調べただけでは、その存在量が砥粒に比べて極めて少ないためか、明らかに粒子径は砥粒と区別できる大きさであるにもかかわらずピークの存在が確認できず、これまで見過ごされてきたものである。
【0009】
ところが、本発明者らは、このような異物が、スラリー原液を希釈した希釈液の調整段階で既に含まれていることを確認し、さらに、ウェハ研磨後の再生処理を施して回収したスラリー中にも存在する場合があることを確認した。
【0010】
したがって、スラリー中に含まれる異物は、必ずしも加工屑に限られるわけではなく、スラリーの原液にすでに含有している場合や、研磨装置の内部においてタンクや配管の内壁面からの脱落物質が混入する場合等のいくつかの原因が考えられるものの、その混入の原因は定かではない。
【0011】
そこで、本発明は、このようなスラリー中に含有する不純物粒子等の異物の検査を行い、その異物について検査することができるスラリー中の異物の検査方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明者らは、鋭意検討した結果、スラリー中の異物の確認方法として、スラリーをろ過膜に通液、ろ過し、スラリー中の異物をろ過膜上に捕捉して、そのろ過膜をそのまま検査に供することにより異物の存否や性質を確認することができる異物検査方法を見出した。
【0013】
すなわち、本発明の異物検査方法は、半導体用研磨スラリーを採取するサンプリング工程と、スラリー中に含まれる砥粒は通過させ、砥粒よりも大きな異物は捕捉することが可能である、孔径が0.1nm〜100μmのろ過膜に、サンプリング工程で採取したスラリーを通液し、ろ過するろ過工程と、ろ過工程で得られた、スラリーを通液したろ過膜の表面に存在する異物を検査する異物検査工程と、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、スラリー中の異物の確認を、スラリーをろ過膜に通液してろ過膜上に捕捉された異物を、そのまま観察、検査するものであるため、極めて簡易な操作で異物の検査を行うことができる。また、その異物の成分分析を行うことにより異物の由来等を解析することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、本発明のスラリー中の異物検査方法について説明するが、その前に、スラリーを用いたウェハの研磨方法について、簡単に説明する。
【0016】
ウェハ研磨は、まず、スラリーの原液を収容するタンクから必要量のスラリー原液が供給され、この原液に希釈液を混合しながら、研磨処理に用いるのに適したスラリー濃度に調整される。ここで使用するスラリーは、分散性がよく、平均粒子径が揃っている等の理由から、シリカ微粒子が砥粒として用いられることが多く、水等の分散媒中にこのシリカ微粒子を分散させたシリカ懸濁液(コロイダルシリカ)として使用するのが一般的である。
【0017】
次いで、濃度調整がされたスラリーを研磨パッドに滴下しながら、ウェハキャリア(パッキング剤)に保持されているシリコン基板を回転させ、研磨パッドに押し当てる。すると、シリコン基板と研磨パッドの間にスラリーを介在させながら回転によりシリコン基板は研磨され、この研磨によりシリコン基板の表面に形成されている絶縁膜は、その凹凸が取り除かれ、平坦な表面となる。
【0018】
研磨に使用したスラリーは、研磨部から排出されるが、このスラリー中には絶縁層の加工屑、シリカ粒子からなる砥粒等が含まれており、加工屑はこれがウェハ研磨の際にウェハ表面に傷をつける原因となるから、これをそのまま再利用することはできないが、種々の再利用法により加工屑等の不純物を除去して、砥粒は残すようにすることでスラリーを再利用することもできる。
【0019】
本発明のサンプリング工程は、上記のようなウェハ研磨方法のいずれの工程からサンプリングしてもよい。具体的には、スラリーを用いてウェハ表面を研磨するウェハ研磨装置から使用後に再生したものを採取しても良いし、スラリー原液を希釈して濃度調整を行って得られたスラリーやスラリー原液を採取しても良い。さらに、スラリー原液は、ウェハ研磨装置のタンクに収容する前のボトル等から採取しても良い。
【0020】
すなわち、本発明はこれからウェハの研磨に使用しようとするスラリーについて、そこに含まれる異物の有無、性質を調べるものであるから、そのような検査対象となるスラリーであれば特に制限されるものではない。
【0021】
このサンプリング工程においては、原液を希釈液で希釈して濃度調整したスラリー又は研磨処理後、再利用法により加工屑等の不純物を除いたスラリー等をサンプリングするものであることが好ましい。
【0022】
本発明のろ過工程は、半導体用研磨スラリー中に含まれる砥粒は通過させるが、砥粒よりも大きな異物を捕捉する孔径を有するろ過膜に、サンプリングした半導体研磨スラリーを通液し、ろ過するものである。
【0023】
この工程に用いるろ過膜としては、スラリー中の砥粒は透過させるが、砥粒よりも大きな異物はろ過膜上に捕捉する孔径を有するろ過膜であれば特に限定されずに用いることができる。
【0024】
ろ過膜は、無機質もしくは有機高分子などで形成され、対象とするスラリーの性質により、精密ろ過(MF)膜(孔径:0.1〜100μm)、限外ろ過(UF)膜(孔径:2nm〜0.1nm)、ナノろ過(NF)膜(孔径:0.5nm〜2nm)、逆浸透(RO)膜(孔径:0.1nm〜1nm)、平膜、管状膜、中空糸膜など孔径、形状、使用方法を選定するが限定されるものではない。
【0025】
ろ過工程において、砥粒は、ゼータ電位によりその挙動が大きく影響されるものと考えられる。ここで、ゼータ電位とは、互いに接している固体と液体とが相対運動を行ったときの両者の界面に生じる電位差のことであり、ゼータ電位の絶対値が増加すれば、固体間の反発が強くなる。
【0026】
したがって、固体として砥粒同士の場合を考えると、ゼータ電位の絶対値が増加するほど砥粒の安定性は高くなり、ゼータ電位の絶対値がゼロに近くなるほど、粒子は凝集しやすくなる。近年増加する金属CMP用スラリーは酸性のものがあり、この場合ゼータ電位の絶対値がゼロ付近の値となるから、ろ過膜でろ過した場合、ろ過膜表面に砥粒の凝集又は付着が起こり易く、半導体用研磨スラリー中に含まれる異物を検査することが困難となる。
【0027】
また、ろ過膜と砥粒との関係を考えると、それらのゼータ電位が異符号であると、互いに電気的に引き付け合い、ろ過膜表面に砥粒が付着し易くなってしまう。この場合、後で説明する洗浄操作を行っても、ろ過膜表面から砥粒を効率的に除去することが困難となることが多く、やはり半導体研磨用スラリー中に含まれる異物を検査することが困難となってしまう。
【0028】
そこで、ろ過膜と砥粒とは、互いに電気的に反発するようにして、砥粒をろ過膜表面に付着させずにろ過を行うことを可能にする同符号のゼータ電位となるようにすることが好ましい。
【0029】
なお、ここでろ過膜及び砥粒のゼータ電位は、液体のpHに影響されることがわかっており、砥粒としてシリカ(SiO)を用いた場合には、pHが5以下の酸性条件では、そのゼータ電位が0付近であり、pHが5以上になるとマイナスの電位となり、pH6以上になるとゼータ電位が−40〜−60mV程度の比較的大きな絶対値を持つようになるため、スラリーのpHを6以上とすることが好ましい。
【0030】
また、一般的にゼータ電位は、塩基性条件にすることで低くなる傾向があり、例えば、ポリカーボネートのゼータ電位は、pHが4〜10でマイナスの値をとり、塩基性が高くなるほど絶対値が大きくなることがわかっており、pHが9.5のとき、−26mV程度である。その他のろ過膜の材質として用いる多くの樹脂においては、酸性条件ではプラスの値であるが、pHが6以上となるとマイナスの値となるものが多い。したがって、ろ過膜と砥粒のゼータ電位が同符号となるpH6以上であることが、ろ過膜に砥粒を付着させないようにする点で好ましい。
【0031】
ここで、半導体研磨スラリーのpHの調整は、pH調整剤をスラリー中に添加することにより行うことができ、例えば、塩酸、硫酸、硝酸などの酸や水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化アンモニウムなどのアルカリ等の公知のpH調整剤を用いることができる。また、砥粒の凝集を抑制するために分散剤を添加することもでき、例えば、非イオン性界面活性剤やその他有機溶剤等の分散剤が挙げられる。
【0032】
また、本検査方法で使用するろ過膜の材質として、ポリカーボネートであることが、砥粒とろ過膜のゼータ電位が同符号となる点、及びろ過膜表面が平滑であるため半導体用研磨スラリー中の異物の観察が容易となる点で特に好ましいものの一つである。このときのろ過膜表面の平滑度、すなわち表面粗さRa=0.1nm以上であることが好ましい。この表面粗さは、後の異物検査工程での検査の容易さ、検査結果にも影響を与えるものである。なお、ここでRaは、算術平均高さを示すものであり、JIS B 0601−2001に準拠するものである。
【0033】
本工程でろ過するスラリーは、サンプリング工程で得られた半導体研磨用のスラリーであって、サンプリングしたものをそのまま用いてもよいが、本発明のろ過工程に適した濃度に調整してからろ過膜を通過させるようにすることが好ましい。
【0034】
また、ろ過工程の後、異物検査工程の前に、ろ過工程で使用したろ過膜の表面を純水で洗浄する洗浄工程を設けても良い。洗浄工程を行うようにすれば、ろ過膜表面に残っていた砥粒とスラリー中溶解成分の残渣を洗い流すことができるため、検査対象とする異物のみをろ過膜表面に捕捉した状態とすることができる。したがって、次工程の異物検査工程において、検査の精度を上げることができる。
【0035】
この洗浄工程における洗浄水は純水を用いることができ、ろ過膜上に残留している砥粒をろ過膜の孔を通過させて異物のみをろ過膜上に残すことができる量を用いることが好ましい。
【0036】
次に、本発明の異物検査工程は、ろ過工程で得られた、スラリーを通液させたろ過膜の表面に捕捉した異物を検査するものである。
【0037】
この異物検査工程においては、ろ過膜表面の異物を検査することができる方法であれば特に限定されず、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた異物の有無、大きさ、個数等の観察、エネルギー分散型X線分析装置(EDX)をSEMと組み合わせて用いた異物の有無、大きさ、個数等の観察及び成分分析、微生物を検出する方法等の異物の検査方法が挙げられる。ここで検査とは、異物の存否、異物の形状、大きさ等の形態の確認、異物の組成成分の分析等、その他の異物についての情報を得ることができる様々な方法によるものが含まれる。
【0038】
走査型電子顕微鏡(SEM)による検査方法は、ろ過膜表面の孔、異物の形態を観察するのに十分な分解能をもっていればよく、特に限定されるものではないが、最小粒径0.1nmを測定する分解能を有していることが好ましい。
【0039】
走査型電子顕微鏡は、真空中で細く絞った電子線を試料の表面に走査しながら照射し、試料の表面から反射又は透過する電子線の電子光学的結像を陰極線管上で観察する装置であり、電子線を照射するため、試料が被導電性の場合には、照射された電子が蓄積し、正しい像が得られなくなるため、表面に導電性の薄膜を形成して電子の蓄積を防ぐ必要がある。導電性薄膜を形成する方法としては、真空蒸着法とイオンスパッタリング法を用いることができる。
【0040】
このようにろ過膜上で導電性膜により被覆されたろ過膜を試料台に固定し、試料室に入れ、測定を行う。この測定時の倍率は500〜50000倍で行うようにすればよい。ろ過膜表面の孔や孔より大きい異物を観察する場合(最小粒径 1μm程度)には、500〜10000倍の倍率で行うことが好ましく、スラリー粒の凝集状態を観察したり、異物の表面状態を観察したりする場合(最小粒径 10nm程度)には、10000〜50000倍の倍率で行うことが好ましい。
【0041】
走査型電子顕微鏡とエネルギー分散型X線分析装置を組み合わせて(SEM−EDX)行う検査方法は、走査型電子顕微鏡による検査方法に加え、X線による成分分析を行うことができる。これによれば、形態観察の他に、異物の組成成分を、その存在割合と共に分析できるため、異物の由来についての検査が可能となるものである。
【0042】
また、微生物を検出する方法としては、微生物に放射光源を照射したときに発する蛍光を検出する方法、ろ過膜をそのまま培地上に置き、ろ過膜表面に存在する微生物を培養して形成されるコロニーを観察する方法等が挙げられる。培養する場合には、微生物の種類により培養条件が異なり、適した培地、温度等があるため、対象として考えている微生物により適宜条件選択を行えばよい。
【実施例】
【0043】
以下、実施例により、本発明を詳細に説明する。
【0044】
(実施例1)新液
ホルダーに孔径3.0μmのニュクリポアーメンブレンフィルター(商品名:ニュクリポアー・ポリカーボネート・トラックエッチ・メンブレン)をセットし、シリンジに5mLの純水を採取してホルダー上部より注入して空気を抜いた。空気抜きはろ過ムラを生じさせないために行うものである。
【0045】
次いで、ウェハを研磨したスラリーをろ過して再生する機構を有する研磨装置から研磨処理を行うために、原水タンクの中に収容された粒径141〜337nmのシリカ(キャボット マイクロエレクトロニクスコーポレーション製、商品名:Semi−Sperce W2000)を含有するシリカ濃度12〜25%のスラリー原液を純水でシリカ濃度3%程度になるように希釈して半導体用研磨スラリーとし、これをウェハの研磨に用いる前に、テフロン(登録商標)容器に採取した。砥粒のフィルター上への凝集を防ぐため、採取したスラリーのpHを10に調整することで、フィルターのゼータ電位を−35mV、砥粒のゼータ電位を−40mV付近となるようにした。以上の処理を行ったスラリーを10mL シリンジに採取し、シリンジをホルダー上部にセットし、手押しでろ過を行った。
【0046】
半導体用研磨スラリーのろ過後、フィルターに純水 50mLをシリンジにて供給、ろ過し、フィルター表面の洗浄を行った。これによりスラリー溶解成分の洗浄を行い、フィルター表面に残っていた砥粒はフィルター孔径より小さいため、フィルター表面から除去され、表面には異物が捕捉された。
【0047】
次に、異物が表面に捕捉されたフィルターをSEM用試料台に両面テープで固定し、イオンスパッター装置(株式会社日立ハイテクノロジーズ製、商品名:日立マイルドスパッタ E−1030)によりフィルター表面にPt−Pdの蒸着処理を膜圧が30Åになるように行った。
【0048】
そして、このフィルターの表面を走査型電子顕微鏡(SEM;日立ハイテクノロジーズ製、商品名:S−4100型)及びエネルギー分散型X線分析装置(EDX;エダックス・ジャパン株式会社製、商品名:Genesis)で表面の観察と微粒子数の測定を行った。倍率500倍で表面の観察及びフィルター表面の撮影を行い、その写真を図1に示した。フィルターには3.0μmの径を有する孔が多数設けられており、そのフィルター表面にはこの孔を通過することができない異物が捕捉されているのが確認できる。異物の大きさは1μm程度から7μm程度であり、これと同一のスラリーを粒度分布計(株式会社堀場製作所製、商品名:LA−920)で測定したところ、図2に示したように砥粒の粒径である0.1μm付近には強いピークが一つ観察されたが、それ以外の粒径においてピークは全く確認できなかった。
【0049】
このフィルター表面に捕捉された微粒子数をJIS K 0554の規定に準じて計測したところ、本実施例で用いた半導体用研磨スラリー1mL中に含まれる異物の微粒子数は、80個/mLであった。
【0050】
また、異物の成分分析を行ったところ、C、O、Siであり、乾燥凝集に由来する異物であると推測される。
【0051】
(実施例2)回収液
まず、実施例1と同様にホルダーに孔径 3.0 μmのニュクリポアーメンブレンフィルター(商品名:ニュクリポアー・ポリカーボネート・トラックエッチ・メンブレン)をセットし、シリンジに5mLの純水を採取してホルダー上部より注入して空気を抜いた。
【0052】
本実施例における、半導体用研磨スラリーは、ウェハ研磨に使用した後のスラリーをテフロン(登録商標)容器で回収したものを用いた。シリンジに、この半導体用研磨スラリーを1mLと、超純水9mLをとり、これらをシリンジ内で混合し、さらに実施例1と同様にpHを10に調製した。
【0053】
次いで、ろ過操作、洗浄操作、フィルター表面の観察及び撮影を実施例1と同様に行ったところ、やはり、フィルター孔径よりも大きな異物が多数捕捉されていることが確認できた。その写真を図3に示した。本実施例では、実施例1よりも多数の異物が確認され、その大きさも1〜20μm程度と幅広かったが、この試験に用いるためにサンプリングした半導体用研磨スラリーを実施例1と同様に粒度分布計により測定したところ、やはり、砥粒の0.1μm付近のピークのみ観察され、他の粒径におけるピークは確認できなかった。
【0054】
このフィルター表面に捕捉された微粒子数をJIS K 0554の規定に準じて計測したところ、本実施例で用いた半導体用研磨スラリー1mL中に含まれる異物の微粒子数は、8×10個/mLであった。
【0055】
また、異物の成分分析を行ったところ、C、O、Siであり、乾燥凝集物や研磨くずに由来する異物であると推測される。
【0056】
なお、実施例1及び2において、pHを調整することでゼータ電位を同符号とし、砥粒の凝集及び砥粒のフィルターへの吸着を有効に抑えることができたため、フィルター表面の観察において観察された砥粒(凝集物は除く)はごく少数であった。
【0057】
(実施例3)
実施例1と同様の操作において、ろ過操作の前に半導体研磨スラリーのpHをpH調整剤により調整した以外は、同一としてフィルター表面の観察を行った。このとき、pHを2.0、5.0、7.0、11.0に調整して、それぞれフィルター表面における付着物の量を計測した。その結果を表1に示した。
【0058】
【表1】

【0059】
このとき、付着物の量の評価は、200個/1視野を超えるとき多く、100個/1視野以下のとき少ないとした。付着物の量が100個/1視野以下であればフィルター表面の観察を有効に行うことができ、さらに50個/1視野以下であればよりノイズの少ない観察を行うことができる点で好ましい。
【0060】
以上の結果より、ろ過する半導体研磨スラリーのpHを中性付近からアルカリ側に調整することで、フィルター上に付着する砥粒の量を減らし、フィルター表面の観察における砥粒によるノイズを低減することができることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【0061】
【図1】実施例1における、走査型電子顕微鏡により観察されたフィルター表面の状態を表した図である。
【図2】サンプリングした半導体用研磨スラリーの粒度分布を示した図である。
【図3】実施例2における、走査型電子顕微鏡により観察されたフィルター表面の状態を表した図である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体用研磨スラリーを採取するサンプリング工程と、
スラリー中に含まれる砥粒は通過させ、砥粒よりも大きな異物は捕捉することが可能である、孔径が0.1nm〜100μmのろ過膜に、前記サンプリング工程で採取したスラリーを通液し、ろ過するろ過工程と、
前記ろ過工程で得られた、スラリーを通液したろ過膜の表面に存在する異物を検査する異物検査工程と、
を有することを特徴とするスラリー中の異物検査方法。
【請求項2】
前記ろ過膜と前記砥粒とのゼータ電位が同符号であることを特徴とする請求項1記載のスラリー中の異物検査方法。
【請求項3】
前記サンプリング工程で採取したスラリーにpH調整剤又は分散剤を添加して、砥粒の凝集を防止することを特徴とする請求項1又は2項記載のスラリー中の異物検査方法。
【請求項4】
前記異物の検査が、走査型電子顕微鏡により行われることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載のスラリー中の異物検査方法。
【請求項5】
前記異物の検査が、走査型電子顕微鏡及びエネルギー分散型X線分析装置により行われることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載のスラリー中の異物検査方法。
【請求項6】
前記異物の検査が、微生物を検出する方法により行われることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載のスラリー中の異物検査方法。

【図2】
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【図1】
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【図3】
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【公開番号】特開2007−127544(P2007−127544A)
【公開日】平成19年5月24日(2007.5.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−321040(P2005−321040)
【出願日】平成17年11月4日(2005.11.4)
【出願人】(000245531)野村マイクロ・サイエンス株式会社 (116)
【Fターム(参考)】