JP2006165142A - 化学機械研磨用水系分散体及び化学機械研磨方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体装置をダマシン法で製造するために化学機械研磨工程を行うに際し、バリアメタルをも効率的に除去することができるとともに絶縁体を過度に研磨せず、高度な平坦性を有する被研磨面を効率よく得ることのできる化学機械研磨用水系分散体及びそれを用いた化学機械研磨方法を提供すること。
【解決手段】化学機械研磨用水系分散体は、（Ａ）砥粒、（Ｂ）二価の有機酸、（Ｃ）ヒドロキシル酸及びキノリンカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種並びに（Ｄ）酸化剤を含有する化学機械研磨用水系分散体であって、（Ａ）砥粒の配合量が化学機械研磨用水系分散体全体に対して０．１質量％以上かつ３質量％未満である。化学機械研磨方法は、上記の化学機械研磨用水系分散体を用いて、配線材料である金属１４、バリアメタル１３及び絶縁膜１２からなる群から選択される少なくとも１種を構成材料とする被研磨物１を研磨するものである。
【選択図】図１
【解決手段】化学機械研磨用水系分散体は、（Ａ）砥粒、（Ｂ）二価の有機酸、（Ｃ）ヒドロキシル酸及びキノリンカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種並びに（Ｄ）酸化剤を含有する化学機械研磨用水系分散体であって、（Ａ）砥粒の配合量が化学機械研磨用水系分散体全体に対して０．１質量％以上かつ３質量％未満である。化学機械研磨方法は、上記の化学機械研磨用水系分散体を用いて、配線材料である金属１４、バリアメタル１３及び絶縁膜１２からなる群から選択される少なくとも１種を構成材料とする被研磨物１を研磨するものである。
【選択図】図１
Description
本発明は、化学機械研磨用水系分散体及び化学機械研磨方法に関する。
半導体装置は、近年において益々の高集積化、高速化を要求されており、年々微細化が進んできている。
半導体装置の微細化に伴い、（１）配線材料の低抵抗率化、（２）絶縁体材料の低誘電率化及び（３）パターン形成面の高平坦化が要求されている。
上記（１）配線材料の低抵抗率の目的のため、従来配線材料として用いられていたタングステンやアルミニウムから、銅又は銅合金への転換が進んでいるが、銅及び銅合金は、アルミニウム等を材料とする配線の形成に用いられていたドライエッチングによる微細加工が困難である。そこで、配線材料として銅又は銅合金を使用するにあたっては、絶縁膜上に形成した溝に銅又は銅合金を堆積して埋め込み、配線部以外の余剰の部分を化学機械研磨によって除去する「ダマシン法」と呼ばれる工程によって形成されることとなる（例えば特許文献１参照。）。なお、配線材料として銅又は銅合金を用いる場合には、銅又は銅合金と絶縁体との界面に、銅原子の絶縁体中へのマイグレーション（ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）を避けるため、通常タンタル、窒化タンタル、窒化チタン等を材料とするバリアメタル膜が形成される。
半導体装置の微細化に伴い、（１）配線材料の低抵抗率化、（２）絶縁体材料の低誘電率化及び（３）パターン形成面の高平坦化が要求されている。
上記（１）配線材料の低抵抗率の目的のため、従来配線材料として用いられていたタングステンやアルミニウムから、銅又は銅合金への転換が進んでいるが、銅及び銅合金は、アルミニウム等を材料とする配線の形成に用いられていたドライエッチングによる微細加工が困難である。そこで、配線材料として銅又は銅合金を使用するにあたっては、絶縁膜上に形成した溝に銅又は銅合金を堆積して埋め込み、配線部以外の余剰の部分を化学機械研磨によって除去する「ダマシン法」と呼ばれる工程によって形成されることとなる（例えば特許文献１参照。）。なお、配線材料として銅又は銅合金を用いる場合には、銅又は銅合金と絶縁体との界面に、銅原子の絶縁体中へのマイグレーション（ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）を避けるため、通常タンタル、窒化タンタル、窒化チタン等を材料とするバリアメタル膜が形成される。
上記（２）絶縁体材料の低誘電率化については、種々の新規な材料が提案されている。例えば特許文献２では、アルコキシシランの加水分解縮合物を基体上に塗布し、これを加熱することによって低誘電率の絶縁体材料を得る方法が開示されている。
また、特許文献３では、有機シラン化合物を含有するシラン系ガスを、プラズマ又はマイクロ波によるエンハンス条件下において化学気相堆積させることによって低誘電率の絶縁体材料を得る方法が開示されている。
上記（３）パターン形成面の高平坦化は、上記ダマシン法によって形成された配線パターン上に更に絶縁膜を堆積し、該絶縁膜上に配線用溝を形成するにあたって行われるフォトリソグラフィーにおいて、高解像度を実現するために照射光の焦点深度が従来より浅くなっていることから要請される。
また、特許文献３では、有機シラン化合物を含有するシラン系ガスを、プラズマ又はマイクロ波によるエンハンス条件下において化学気相堆積させることによって低誘電率の絶縁体材料を得る方法が開示されている。
上記（３）パターン形成面の高平坦化は、上記ダマシン法によって形成された配線パターン上に更に絶縁膜を堆積し、該絶縁膜上に配線用溝を形成するにあたって行われるフォトリソグラフィーにおいて、高解像度を実現するために照射光の焦点深度が従来より浅くなっていることから要請される。
銅又は銅合金を配線材料とし、絶縁体として低誘電率の絶縁体を使用した半導体装置をダマシン法で製造するために化学機械研磨工程を行うにあたっては、以下の問題がある。
即ち、低誘電率の絶縁膜は、材料自身の強度が弱いため、従来知られている化学機械研磨用水系分散体を用いて化学機械研磨を行うと、従来知られている絶縁膜と比較すると相対的に過度に研磨されることとなり、被研磨面の平坦性が損なわれる場合があった。この傾向は、化学機械研磨用水系分散体として、従来知られているもののうちからバリアメタルの除去を効率的に行いうるものを選択して使用した場合に、より顕著に現れることが知られている。
特開平２−２７８８２２号公報
特開２００１−３０８０８９号公報
特開２００１−２９８０２３号公報
即ち、低誘電率の絶縁膜は、材料自身の強度が弱いため、従来知られている化学機械研磨用水系分散体を用いて化学機械研磨を行うと、従来知られている絶縁膜と比較すると相対的に過度に研磨されることとなり、被研磨面の平坦性が損なわれる場合があった。この傾向は、化学機械研磨用水系分散体として、従来知られているもののうちからバリアメタルの除去を効率的に行いうるものを選択して使用した場合に、より顕著に現れることが知られている。
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、その目的は、特に銅又は銅合金を配線材料とし、絶縁体として低誘電率の絶縁体を使用した半導体装置をダマシン法で製造するために化学機械研磨工程を行うに際し、バリアメタルをも効率的に除去することができるとともに絶縁体を過度に研磨せず、高度な平坦性を有する被研磨面を効率よく得ることのできる化学機械研磨用水系分散体及びそれを用いた化学機械研磨方法を提供することにある。
本発明によれば、本発明の上記課題は、第一に、（Ａ）砥粒、（Ｂ）二価の有機酸、（Ｃ）ヒドロキシル酸及びキノリンカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種並びに（Ｄ）酸化剤を含有する化学機械研磨用水系分散体であって、（Ａ）砥粒の配合量が化学機械研磨用水系分散体全体に対して０．１質量％以上かつ３質量％未満であることを特徴とする化学機械研磨用水系分散体によって達成される。
本発明の上記課題は、第二に、上記化学機械研磨用水系分散体を用いて、配線材料である金属、バリアメタル及び絶縁膜からなる群から選択される少なくとも１種を構成材料とする被研磨物を研磨することを特徴とする化学機械研磨方法によって達成される。
本発明の上記課題は、第二に、上記化学機械研磨用水系分散体を用いて、配線材料である金属、バリアメタル及び絶縁膜からなる群から選択される少なくとも１種を構成材料とする被研磨物を研磨することを特徴とする化学機械研磨方法によって達成される。
本発明によって、特に銅又は銅合金を配線材料とし、絶縁体として低誘電率の絶縁体を使用した半導体装置をダマシン法で製造するために化学機械研磨工程を行うに際し、バリアメタルを効率的に除去することができるとともに絶縁体を過度に研磨せず、高度な平坦性を有する被研磨面を効率よく得ることのできる化学機械研磨用水系分散体及びそれを用いた化学機械研磨方法が提供される。
本発明の化学機械研磨用水系分散体は、（Ａ）砥粒、（Ｂ）二価の有機酸、（Ｃ）ヒドロキシル酸及びキノリンカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種並びに（Ｄ）酸化剤を含有し、（Ａ）砥粒の配合量が化学機械研磨用水系分散体全体に対して０．１質量％以上かつ３質量％未満である。
上記（Ａ）砥粒としては、無機粒子、有機粒子及び有機無機複合粒子からなる群から選ばれる少なくとも１種を配合することができる。
上記無機粒子としては、例えばシリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、セリア等を挙げることができる。シリカとしては、ヒュームド法シリカ、ゾルゲル法により合成されたシリカ、ヒュームド法シリカ等を挙げることができる。ヒュームド法シリカは、気相中で塩化ケイ素等を酸素及び水と反応させることにより得ることができる。ゾルゲル法により合成されたシリカは、アルコキシケイ素化合物を原料として、加水分解反応及び／又は縮合反応により得ることができる。コロイダルシリカは、例えば予め精製した原料を使用した無機コロイド法等により得ることができる。
上記（Ａ）砥粒としては、無機粒子、有機粒子及び有機無機複合粒子からなる群から選ばれる少なくとも１種を配合することができる。
上記無機粒子としては、例えばシリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、セリア等を挙げることができる。シリカとしては、ヒュームド法シリカ、ゾルゲル法により合成されたシリカ、ヒュームド法シリカ等を挙げることができる。ヒュームド法シリカは、気相中で塩化ケイ素等を酸素及び水と反応させることにより得ることができる。ゾルゲル法により合成されたシリカは、アルコキシケイ素化合物を原料として、加水分解反応及び／又は縮合反応により得ることができる。コロイダルシリカは、例えば予め精製した原料を使用した無機コロイド法等により得ることができる。
上記有機粒子としては、例えばポリ塩化ビニル、スチレン（共）重合体、ポリアセタール、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、オレフィン（共）重合体、フェノキシ樹脂、アクリル（共）重合体等を挙げることができる。オレフィン（共）重合体としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−１−ブテン、ポリ−４−メチル−１−ペンテン等を挙げることができる。アクリル（共）重合体としては、例えばポリメチルメタクリレート等を挙げることができる。
上記有機無機複合粒子は、上記したような有機粒子と無機粒子が、化学機械研磨工程の際に容易に分離しない程度に一体に形成されていればよく、その種類、構成等は特に限定されない。
有機無機複合粒子としては、例えば以下の構成を採ることができる。
（１）有機粒子の存在下に金属又はケイ素のアルコキシド化合物を重縮合させて得られた有機無機複合粒子。ここで、金属又はケイ素のアルコキシド化合物としては、例えばアルコキシシラン、アルミニウムアルコキシド、チタンアルコキシド等を挙げることができる。この場合、精製する重縮合体は、有機粒子が有する官能基に直接結合されていてもよいし、適当なカップリング剤（例えばシランカップリング剤等）を介して結合さていてもよい。
（２）相異なる符号のゼータ電位を有する有機粒子と無機粒子が、静電力によって結合している有機無機複合粒子。この場合、有機粒子と無機粒子のゼータ電位の符号が異なるｐＨ領域において両者を混合することにより複合粒子を形成してもよく、有機粒子と無機粒子のゼータ電位の符号が同じｐＨ領域で両者を混合した後、有機粒子と無機粒子のゼータ電位の符号が異なるｐＨ領域に液性を変化させることにより複合粒子を形成してもよい。
（３）上記（２）の複合粒子の存在下に、金属又はケイ素のアルコキシド化合物を重縮合させて得られた有機無機複合粒子。ここで、金属又はケイ素のアルコキシド化合物としては、上記（１）の場合と同様のものを使用することができる。
有機無機複合粒子としては、例えば以下の構成を採ることができる。
（１）有機粒子の存在下に金属又はケイ素のアルコキシド化合物を重縮合させて得られた有機無機複合粒子。ここで、金属又はケイ素のアルコキシド化合物としては、例えばアルコキシシラン、アルミニウムアルコキシド、チタンアルコキシド等を挙げることができる。この場合、精製する重縮合体は、有機粒子が有する官能基に直接結合されていてもよいし、適当なカップリング剤（例えばシランカップリング剤等）を介して結合さていてもよい。
（２）相異なる符号のゼータ電位を有する有機粒子と無機粒子が、静電力によって結合している有機無機複合粒子。この場合、有機粒子と無機粒子のゼータ電位の符号が異なるｐＨ領域において両者を混合することにより複合粒子を形成してもよく、有機粒子と無機粒子のゼータ電位の符号が同じｐＨ領域で両者を混合した後、有機粒子と無機粒子のゼータ電位の符号が異なるｐＨ領域に液性を変化させることにより複合粒子を形成してもよい。
（３）上記（２）の複合粒子の存在下に、金属又はケイ素のアルコキシド化合物を重縮合させて得られた有機無機複合粒子。ここで、金属又はケイ素のアルコキシド化合物としては、上記（１）の場合と同様のものを使用することができる。
本発明の化学機械研磨用水系分散体に配合される（Ａ）砥粒としては、上記のうち、シリカ又は有機無機複合粒子が好ましい。
また、（Ａ）砥粒は、不純物金属含有量を好ましくは砥粒に対して１０ｐｐｍ以下、より好ましくは５ｐｐｍ以下、更に好ましくは３ｐｐｍ以下、就中１ｐｐｍ以下にすることが好ましい。不純物金属としては、鉄、ニッケル、亜鉛等を挙げることができる。
（Ａ）砥粒の平均分散粒子径は、好ましくは５〜１，０００ｎｍ以下であり、より好ましくは５〜５００ｎｍであり、更に好ましくは１０〜２００ｎｍである。この範囲の平均分散粒径の砥粒を使用することにより、良好な被研磨面と研磨速度とのバランスを図ることができる。
本発明の化学機械研磨用水系分散体に配合される（Ａ）砥粒の量は、化学機械研磨用水系分散体の総量に対して好ましくは０．１質量％以上かつ３質量％未満であり、より好ましくは０．５〜２質量％である。
また、（Ａ）砥粒は、不純物金属含有量を好ましくは砥粒に対して１０ｐｐｍ以下、より好ましくは５ｐｐｍ以下、更に好ましくは３ｐｐｍ以下、就中１ｐｐｍ以下にすることが好ましい。不純物金属としては、鉄、ニッケル、亜鉛等を挙げることができる。
（Ａ）砥粒の平均分散粒子径は、好ましくは５〜１，０００ｎｍ以下であり、より好ましくは５〜５００ｎｍであり、更に好ましくは１０〜２００ｎｍである。この範囲の平均分散粒径の砥粒を使用することにより、良好な被研磨面と研磨速度とのバランスを図ることができる。
本発明の化学機械研磨用水系分散体に配合される（Ａ）砥粒の量は、化学機械研磨用水系分散体の総量に対して好ましくは０．１質量％以上かつ３質量％未満であり、より好ましくは０．５〜２質量％である。
本発明の化学機械研磨用水系分散体に配合される（Ｂ）二価の有機酸としては、例えば飽和の二価の有機酸、不飽和の二価の有機酸、芳香族環を有する二価の有機酸であることができる。ただし、後述のヒドロキシル酸に該当するものは除く。
上記飽和の二価の有機酸としては、例えばシュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸等；
上記不飽和の二価の有機酸としては、例えばマレイン酸、フマル酸等；
上記芳香族環を有する二価の有機酸としては、例えばフタル酸等を、それぞれ挙げることができる。
本発明の化学機械研磨用水系分散体に配合される（Ｂ）二価の有機酸としては、これらのうち、飽和の二価の有機酸及び不飽和の二価の有機酸からなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましく、マロン酸又はマレイン酸であることがより好ましい。
なお、（Ｂ）二価の有機酸は、酸無水物の形又は塩の形で配合されてもよい。この場合、カウンターカチオンとしては、例えばカリウムイオン、アンモニウムイオン等を挙げることができる。
上記飽和の二価の有機酸としては、例えばシュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸等；
上記不飽和の二価の有機酸としては、例えばマレイン酸、フマル酸等；
上記芳香族環を有する二価の有機酸としては、例えばフタル酸等を、それぞれ挙げることができる。
本発明の化学機械研磨用水系分散体に配合される（Ｂ）二価の有機酸としては、これらのうち、飽和の二価の有機酸及び不飽和の二価の有機酸からなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましく、マロン酸又はマレイン酸であることがより好ましい。
なお、（Ｂ）二価の有機酸は、酸無水物の形又は塩の形で配合されてもよい。この場合、カウンターカチオンとしては、例えばカリウムイオン、アンモニウムイオン等を挙げることができる。
本発明の化学機械研磨用水系分散体には、（Ｃ）ヒドロキシル酸及びキノリンカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種が配合される。上記ヒドロキシル酸としては、例えば乳酸、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸等を挙げることができる。
本発明の化学機械研磨用水系分散体に配合される（Ｃ）ヒドロキシル酸及びキノリンカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種としては、リンゴ酸、クエン酸又は２−キノリンカルボン酸（キナルジン酸）が好ましい。
本発明の化学機械研磨用水系分散体に配合される（Ｃ）ヒドロキシル酸及びキノリンカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種としては、リンゴ酸、クエン酸又は２−キノリンカルボン酸（キナルジン酸）が好ましい。
本発明の化学機械研磨用水系分散体に配合される（Ｂ）二価の有機酸の配合量としては、化学機械研磨用水系分散体の総量に対して好ましくは０．０１質量％〜５質量％であり、より好ましくは０．１〜２質量％であり、更に好ましくは０．１〜１質量％である。
本発明の化学機械研磨用水系分散体に配合される（Ｃ）ヒドロキシル酸及びキノリンカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種の配合量としては、化学機械研磨用水系分散体の総量に対して好ましくは０．０１質量％〜２質量％であり、より好ましくは０．１〜２量％であり、更に好ましくは０．１〜１質量％である。
また、（Ｂ）二価の有機酸の配合量ＷＢと、（Ｃ）ヒドロキシル酸及びキノリンカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種の配合量ＷＣの比ＷＢ／ＷＣは、質量比で１以上であることが好ましく、１〜１０であることがより好ましく、１．５〜８であることが更に好ましく、特に２〜５であることが好ましい。
（Ｂ）二価の有機酸並びに（Ｃ）ヒドロキシル酸及びキノリンカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種の配合量及び両者の配合量比をこの範囲とすることにより、本発明の化学機械研磨用水系分散体を用いて配線材料である金属、バリアメタル及び絶縁膜を構成材料とする被研磨物を化学機械研磨した場合、各構成材料の研磨速度比を、最適の範囲に調整することこととなり、高度な平坦性を有する被研磨面を効率よく得ることができる。
本発明の化学機械研磨用水系分散体に配合される（Ｃ）ヒドロキシル酸及びキノリンカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種の配合量としては、化学機械研磨用水系分散体の総量に対して好ましくは０．０１質量％〜２質量％であり、より好ましくは０．１〜２量％であり、更に好ましくは０．１〜１質量％である。
また、（Ｂ）二価の有機酸の配合量ＷＢと、（Ｃ）ヒドロキシル酸及びキノリンカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種の配合量ＷＣの比ＷＢ／ＷＣは、質量比で１以上であることが好ましく、１〜１０であることがより好ましく、１．５〜８であることが更に好ましく、特に２〜５であることが好ましい。
（Ｂ）二価の有機酸並びに（Ｃ）ヒドロキシル酸及びキノリンカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種の配合量及び両者の配合量比をこの範囲とすることにより、本発明の化学機械研磨用水系分散体を用いて配線材料である金属、バリアメタル及び絶縁膜を構成材料とする被研磨物を化学機械研磨した場合、各構成材料の研磨速度比を、最適の範囲に調整することこととなり、高度な平坦性を有する被研磨面を効率よく得ることができる。
本発明の化学機械研磨用水系分散体に配合される（Ｄ）酸化剤としては、例えば過酸化水素、有機過酸化物、過硫酸塩等を挙げることができる。
上記有機過酸化物としては、例えば過酢酸、過安息香酸、ｔｅｒｔ−ブチルハイドロパーオキシド等；
上記過硫酸塩としては、例えば過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム等を、それぞれ挙げることができる。
本発明の化学機械研磨用水系分散体に配合される（Ｄ）酸化剤としては、これらのうち、過酸化水素又は有機過酸化物が好ましく、過酸化水素がより好ましい。
本発明の化学機械研磨用水系分散体に配合される（Ｄ）酸化剤の配合量としては、化学機械研磨用水系分散体の総量に対して好ましくは０．００１質量％〜３質量％であり、より好ましくは０．０１〜１量％であり、更に好ましくは０．０５〜０．５質量％である。
上記有機過酸化物としては、例えば過酢酸、過安息香酸、ｔｅｒｔ−ブチルハイドロパーオキシド等；
上記過硫酸塩としては、例えば過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム等を、それぞれ挙げることができる。
本発明の化学機械研磨用水系分散体に配合される（Ｄ）酸化剤としては、これらのうち、過酸化水素又は有機過酸化物が好ましく、過酸化水素がより好ましい。
本発明の化学機械研磨用水系分散体に配合される（Ｄ）酸化剤の配合量としては、化学機械研磨用水系分散体の総量に対して好ましくは０．００１質量％〜３質量％であり、より好ましくは０．０１〜１量％であり、更に好ましくは０．０５〜０．５質量％である。
本発明の化学機械研磨用水系分散体は、上記の通り、（Ａ）砥粒、（Ｂ）二価の有機酸、（Ｃ）ヒドロキシル酸及びキノリンカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種並びに（Ｄ）酸化剤を必須成分として含有するが、その他必要に応じて、（Ｅ）界面活性剤、（Ｆ）ｐＨ調整剤等を含有することができる。
上記（Ｅ）界面活性剤としては、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、非ニオン性界面活性剤等を挙げることができる。上記アニオン性界面活性剤としては、例えばアルキルベンゼンスルホン酸、アルキルナフタレンスルホン酸、アルキルエーテルカルボン酸、高級アルコール硫酸エステル等を挙げることができる。これらは塩として加えられてもよい。上記カチオン性界面活性剤としては、例えばポリオキシエチレンアルキルアミン等を挙げることができる。
上記非イオン性界面活性剤としては、例えばポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリエチレングリコール脂肪酸エステル等を挙げることができる。
上記（Ｅ）界面活性剤としては、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、非ニオン性界面活性剤等を挙げることができる。上記アニオン性界面活性剤としては、例えばアルキルベンゼンスルホン酸、アルキルナフタレンスルホン酸、アルキルエーテルカルボン酸、高級アルコール硫酸エステル等を挙げることができる。これらは塩として加えられてもよい。上記カチオン性界面活性剤としては、例えばポリオキシエチレンアルキルアミン等を挙げることができる。
上記非イオン性界面活性剤としては、例えばポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリエチレングリコール脂肪酸エステル等を挙げることができる。
本発明の化学機械研磨用水系分散体は、上記の如き各成分が、水系媒体中に溶解又は分散されたものである。
上記水系媒体としては、水及び水と水溶性有機媒体との混合媒体を挙げることができる。上記水溶性有機媒体としては、例えばメタノール、エタノール等を挙げることができる。
これらのうち、水系媒体としては、水のみを使用することが好ましい。
本発明の化学機械研磨用水系分散体は、そのｐＨが８〜１２であることが好ましく、９〜１１であることがより好ましく、１０〜１１であることが更に好ましい。この範囲のｐH領域内に調整することにより、高度の平坦性を示す被研磨面を得ることができる。
上記水系媒体としては、水及び水と水溶性有機媒体との混合媒体を挙げることができる。上記水溶性有機媒体としては、例えばメタノール、エタノール等を挙げることができる。
これらのうち、水系媒体としては、水のみを使用することが好ましい。
本発明の化学機械研磨用水系分散体は、そのｐＨが８〜１２であることが好ましく、９〜１１であることがより好ましく、１０〜１１であることが更に好ましい。この範囲のｐH領域内に調整することにより、高度の平坦性を示す被研磨面を得ることができる。
本発明の化学機械研磨方法は、上記の如き本発明の化学機械研磨用水系分散体を用いて、配線材料である金属、バリアメタル及び絶縁膜からなる群から選択される少なくとも１種を構成材料とする被研磨物を研磨するものである。
上記配線材料である金属としては、例えば、タングステン、アルミニウム、銅等及びこれらを含有する合金を挙げることができる。これらのうち、銅又は銅を含有する合金を配線材料とする場合に、本発明の効果が最も有効に発揮される。銅を含有する合金中の銅含量としては、９５質量％以上であることが好ましい。
上記バリアメタルとしては、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、タンタル−ニオブ合金等を挙げることができる。これらのうち、タンタル又は窒化タンタルをバリアメタルとする場合に、本発明の効果が最も有効に発揮される。
上記配線材料である金属としては、例えば、タングステン、アルミニウム、銅等及びこれらを含有する合金を挙げることができる。これらのうち、銅又は銅を含有する合金を配線材料とする場合に、本発明の効果が最も有効に発揮される。銅を含有する合金中の銅含量としては、９５質量％以上であることが好ましい。
上記バリアメタルとしては、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、タンタル−ニオブ合金等を挙げることができる。これらのうち、タンタル又は窒化タンタルをバリアメタルとする場合に、本発明の効果が最も有効に発揮される。
上記絶縁膜を構成する材料としては、真空プロセスで形成された酸化シリコン膜（例えばＰＥＴＥＯＳ膜（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ−ＴＥＯＳ膜) 、ＨＤＰ膜（Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ−ＴＥＯＳ膜）、熱化学気相蒸着法により得られる酸化シリコン膜等）、ＦＳＧ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ−ｄｏｐｅｄ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）と呼ばれる絶縁膜、ホウ素リンシリケート膜（ＢＰＳＧ膜）、ＳｉＯＮ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼ばれる絶縁膜、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ、低誘電率の絶縁膜等を挙げることができる。
これらのうち、低誘電率の絶縁膜を使用した場合に、本発明の効果が最も有効に発揮される。特に、ナノインデンテーション法により測定した弾性率が２０ＧＰａ以下の低誘電率の絶縁膜であることが好ましく、この値が１０〜２０ＧＰａである低誘電率の絶縁膜であることがより好ましい。
これらのうち、低誘電率の絶縁膜を使用した場合に、本発明の効果が最も有効に発揮される。特に、ナノインデンテーション法により測定した弾性率が２０ＧＰａ以下の低誘電率の絶縁膜であることが好ましく、この値が１０〜２０ＧＰａである低誘電率の絶縁膜であることがより好ましい。
このような低誘電率の絶縁膜としては、例えば有機ＳＯＧ、水素含有ＳＯＧ、有機高分子からなる低誘電率材料、ＳｉＯＦ系低誘電率材料、ＳｉＯＣ系低誘電率材料等を挙げることができる。ここで、「ＳＯＧ」とは”Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ”の略であり、基体上に前駆体を塗布し、次いで熱処理等により成膜した絶縁膜材料の意味である。
上記有機ＳＯＧとしては、例えばメチル基等の有機基を含有するケイ素酸化物から構成されるものであり、基体上に例えばテトラエトキシシランとメチルトリメトキシシランの混合物等を含有する前駆体を塗布し、次いで熱処理等をすることにより得ることができる。
上記水素含有ＳＯＧとしては、ケイ素−水素結合を含有するケイ素酸化物から構成されるものであり、基体上に例えばトリエトキシシラン等を含有する前駆体を塗布し、次いで熱処理等をすることにより得ることができる。
上記有機高分子からなる低誘電率材料としては、例えばポリアリーレン、ポリイミド、ポリベンゾシクロブテン、ポリフッ化エチレン等を主成分とする低誘電率材料を挙げることができる。
上記ＳｉＯＦ系低誘電率材料は、フッ素原子を含有するケイ素酸化物から構成されるものであり、例えば化学気相蒸着法により得た酸化ケイ素にフッ素を添加（ドープ）することにより得ることができる。
上記ＳｉＯＣ系低誘電率材料は、炭素原子を含有するケイ素酸化物から構成されるものであり、例えば四塩化ケイ素と一酸化炭素との混合物、有機シラン化合物を含むシラン系ガス等を原料とする化学気相蒸着法により得ることができる。
上記したもののうち、有機ＳＯＧ、水素含有ＳＯＧ及び有機高分子からなる低誘電率材料は、形成された膜中に微細な空孔（ポア）を有するものであってもよい。
上記有機ＳＯＧとしては、例えばメチル基等の有機基を含有するケイ素酸化物から構成されるものであり、基体上に例えばテトラエトキシシランとメチルトリメトキシシランの混合物等を含有する前駆体を塗布し、次いで熱処理等をすることにより得ることができる。
上記水素含有ＳＯＧとしては、ケイ素−水素結合を含有するケイ素酸化物から構成されるものであり、基体上に例えばトリエトキシシラン等を含有する前駆体を塗布し、次いで熱処理等をすることにより得ることができる。
上記有機高分子からなる低誘電率材料としては、例えばポリアリーレン、ポリイミド、ポリベンゾシクロブテン、ポリフッ化エチレン等を主成分とする低誘電率材料を挙げることができる。
上記ＳｉＯＦ系低誘電率材料は、フッ素原子を含有するケイ素酸化物から構成されるものであり、例えば化学気相蒸着法により得た酸化ケイ素にフッ素を添加（ドープ）することにより得ることができる。
上記ＳｉＯＣ系低誘電率材料は、炭素原子を含有するケイ素酸化物から構成されるものであり、例えば四塩化ケイ素と一酸化炭素との混合物、有機シラン化合物を含むシラン系ガス等を原料とする化学気相蒸着法により得ることができる。
上記したもののうち、有機ＳＯＧ、水素含有ＳＯＧ及び有機高分子からなる低誘電率材料は、形成された膜中に微細な空孔（ポア）を有するものであってもよい。
上記のような低誘電率の絶縁膜の市販品としては、例えば「ＰＩＱ」（日立化成工業（株）製）、「ＦＬＡＲＥ」（Ａｌｌｉｅｄ Ｓｉｇｎａｌ社製、「ＢＣＢ」（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社製）、「ＨＳＧＲ７」（日立化成工業（株）製）、「Ｂｌａｃｋ Ｄｉａｍｏｎｄ」（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製）、「Ｃｏｒａｌ」（Ｎｏｖｅｌｌｕｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製、「Ａｕｒｏｌａ」（ＡＳＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社製）等を挙げることができる。
本発明の化学機械研磨方法によって化学機械的に研磨される被研磨物は、上記の如き材料から構成されるものである限り、特に制限はないが、例えば、図１（ａ）に示すような構造を有する複合基板素材１を挙げることができる。この複合基板素材１は、例えば、シリコン等よりなる基板１１と、この基板１１の表面に積層され、溝等の配線用凹部が形成された絶縁膜１２と、絶縁膜１２の表面ならびに配線用凹部の底部および内壁面を覆うよう設けられたバリアメタル膜１３と、上記配線用凹部を充填し、かつバリアメタル膜１３上に形成された配線材料よりなる金属膜１４とを有する。
本発明の化学機械研磨方法によって研磨される被研磨物は、図２（ａ）に示すように、基板１１と絶縁膜１２との間にシリコン酸化物等よりなる絶縁膜２１と、この絶縁膜２１上に形成されたシリコン窒化物等よりなる絶縁膜２２を有していてもよい。
本発明の化学機械研磨方法によって研磨される被研磨物は、図２（ａ）に示すように、基板１１と絶縁膜１２との間にシリコン酸化物等よりなる絶縁膜２１と、この絶縁膜２１上に形成されたシリコン窒化物等よりなる絶縁膜２２を有していてもよい。
このような被研磨物を化学機械的に研磨することにより、ダマシン配線が形成される。
まず、金属膜１４のうち、配線用凹部に埋設された金属配線部以外の部分の除去すべき金属材料を、所定の面、例えばバリアメタル膜１３が露出するまで化学機械研磨する（図１（ｂ）及び図２（ｂ）参照）。その後、バリアメタル膜１３のうち、配線用凹部の底部および内壁面以外の部分に形成された除去すべきバリアメタル膜が完全に除去されるように化学機械研磨する。このとき、同時に絶縁膜１２の表面も少し研磨され、高精度に平坦化されたダマシン配線が形成されることとなる（図１（ｃ）および図２（ｃ）参照）。
本発明の化学機械研磨方法は、上記の全工程に使用することができ、或いはバリアメタル膜１３が露出した後の工程にのみ使用することができる。これらのうち、バリアメタル膜１３が露出した後の工程にのみ使用することが好ましい。
まず、金属膜１４のうち、配線用凹部に埋設された金属配線部以外の部分の除去すべき金属材料を、所定の面、例えばバリアメタル膜１３が露出するまで化学機械研磨する（図１（ｂ）及び図２（ｂ）参照）。その後、バリアメタル膜１３のうち、配線用凹部の底部および内壁面以外の部分に形成された除去すべきバリアメタル膜が完全に除去されるように化学機械研磨する。このとき、同時に絶縁膜１２の表面も少し研磨され、高精度に平坦化されたダマシン配線が形成されることとなる（図１（ｃ）および図２（ｃ）参照）。
本発明の化学機械研磨方法は、上記の全工程に使用することができ、或いはバリアメタル膜１３が露出した後の工程にのみ使用することができる。これらのうち、バリアメタル膜１３が露出した後の工程にのみ使用することが好ましい。
本発明の化学機械研磨方法は、市販の化学機械研磨装置及び市販の化学機械研磨パッドを用いて行うことができる。
市販の化学機械研磨装置としては、例えば型式「ＥＰＯ−１１２」、「ＥＰＯ−２２２」（以上、（株）荏原製作所製）、型式「ＬＧＰ−５１０」、「ＬＧＰ−５５２」（以上、ラップマスターＳＦＴ（株）製）、形式「Ｍｉｒｒａ」（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製）等を挙げることができる。
市販の化学機械研磨パッドとしては、例えば、「ＩＣ１０００」、「Ｓｕｂａ」（以上Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製）等を挙げることができる。
本発明の化学機械研磨方法は、上記したような化学機械研磨装置及び化学機械研磨パッドを用いて、適宜の条件で実施することができる。採用すべき研磨条件は、使用する化学機械研磨装置及び化学機械研磨パッドの種類、被研磨物の性情等により異なるが、例えば、化学機械研磨装置としてＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製「Ｍｉｒｒａ」、化学機械研磨パッドとして「ＩＣ１０００」（Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製）を使用して、図１に示したような被研磨物を化学機械研磨する場合には、以下のような条件を採用することができる。
定盤回転数（ＲＰ）：好ましくは３０〜１２０ｒｐｍ、より好ましくは４０〜１００ｒｐｍ
ヘッド回転数（ＲＨ）：好ましくは３０〜１２０ｒｐｍ、より好ましくは４０〜１００ｒｐｍ
定盤回転数とヘッド回転数の比（ＲＰ／ＲＨ）：好ましくは０．５〜２、より好ましくは０．７〜１．５
研磨圧力：好ましくは１００〜５００ｇ／ｃｍ２、より好ましくは２００〜４００ｇ／ｃｍ２
化学機械研磨用水系分散体の供給量：好ましくは５０〜３００ｍＬ／分、より好ましくは１００〜２００ｍＬ／分
市販の化学機械研磨装置としては、例えば型式「ＥＰＯ−１１２」、「ＥＰＯ−２２２」（以上、（株）荏原製作所製）、型式「ＬＧＰ−５１０」、「ＬＧＰ−５５２」（以上、ラップマスターＳＦＴ（株）製）、形式「Ｍｉｒｒａ」（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製）等を挙げることができる。
市販の化学機械研磨パッドとしては、例えば、「ＩＣ１０００」、「Ｓｕｂａ」（以上Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製）等を挙げることができる。
本発明の化学機械研磨方法は、上記したような化学機械研磨装置及び化学機械研磨パッドを用いて、適宜の条件で実施することができる。採用すべき研磨条件は、使用する化学機械研磨装置及び化学機械研磨パッドの種類、被研磨物の性情等により異なるが、例えば、化学機械研磨装置としてＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製「Ｍｉｒｒａ」、化学機械研磨パッドとして「ＩＣ１０００」（Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製）を使用して、図１に示したような被研磨物を化学機械研磨する場合には、以下のような条件を採用することができる。
定盤回転数（ＲＰ）：好ましくは３０〜１２０ｒｐｍ、より好ましくは４０〜１００ｒｐｍ
ヘッド回転数（ＲＨ）：好ましくは３０〜１２０ｒｐｍ、より好ましくは４０〜１００ｒｐｍ
定盤回転数とヘッド回転数の比（ＲＰ／ＲＨ）：好ましくは０．５〜２、より好ましくは０．７〜１．５
研磨圧力：好ましくは１００〜５００ｇ／ｃｍ２、より好ましくは２００〜４００ｇ／ｃｍ２
化学機械研磨用水系分散体の供給量：好ましくは５０〜３００ｍＬ／分、より好ましくは１００〜２００ｍＬ／分
本発明の化学機械研磨用水系分散体を使用した本発明の化学機械研磨方法は、金属膜、絶縁膜及びバリアメタル膜の各パターンなし膜を、同一の研磨条件で化学機械研磨した場合、金属膜の研磨速度比（ＲＭｅ）と絶縁膜の研磨速度（ＲＩｎ）との比ＲＭｅ／ＲＩｎが好ましくは０．１〜０．５であり、金属膜の研磨速度比（ＲＭｅ）とバリアメタルの研磨速度（ＲＢＭ）との比ＲＭｅ／ＲＢＭが好ましくは０．２〜１．０である。パターンなし膜についてこの範囲の研磨速度比を示す化学機械研磨用水系分散体を使用することにより、これらの材料より構成される半導体装置をダマシン法で製造するべく化学機械研磨工程を行う場合に、高度な平坦性が得られることが、本発明者らの検討によって経験的にわかった。
砥粒を含有する水分散体の調製
（１）ヒュームド法シリカ粒子を含有する水分散体Ｉの調製
ヒュームド法シリカ粒子（日本アエロジル（株）製、商品名「アエロジル＃９０」）２ｋｇを、イオン交換水６．７ｋｇ中に超音波分散機によって分散させ、孔径５μｍのフィルタによって濾過し、平均分散粒径１５０ｎｍのヒュームド法シリカ粒子を２３質量％含む水分散体Ｉを得た。
（１）ヒュームド法シリカ粒子を含有する水分散体Ｉの調製
ヒュームド法シリカ粒子（日本アエロジル（株）製、商品名「アエロジル＃９０」）２ｋｇを、イオン交換水６．７ｋｇ中に超音波分散機によって分散させ、孔径５μｍのフィルタによって濾過し、平均分散粒径１５０ｎｍのヒュームド法シリカ粒子を２３質量％含む水分散体Ｉを得た。
（２）コロイダルシリカ粒子を含有する水分散体ＩＩの調製
イオン交換水１０．１ｋｇに水酸化カリウム８．５ｇを溶解させた溶液に、コロイダルシリカ粒子を含む水分散体（日産化学（株）製、商品名「スノーテックスＯ」、シリカ含有量は２０質量％である。）を１０ｋｇ投入し、ｐＨが８．０、平均分散粒径が１２ｎｍのコロイダルシリカを１０質量％含む水分散体ＩＩを得た。
なお、この水分散体ＩＩに含まれるコロイダルシリカ粒子のゼータ電位は−４０ｍＶであった。
（３）複合粒子を含有する水分散体ＩＶの調製
（３−１）表面処理された重合体粒子を含む水分散体の調製
フラスコ中に、メチルメタクリレート９０質量部、メトキシポリエチレングリコールメタクリレート（新中村化学工業（株）製、商品名「ＮＫエステル Ｍ−９０Ｇ ＃４００」）５質量部、４−ビニルピリジン５質量部、アゾ系重合開始剤（和光純薬（株）製、商品名「Ｖ５０」）２質量部及びイオン交換水４００質量部を投入し、窒素雰囲気下、攪拌しつつ７０℃にて６時間の重合反応を行った。これにより、アミノ基及びポリエチレングリコール鎖を有し、平均分散粒径１５０ｎｍの重合体粒子（ポリメチルメタクリレート系粒子）を１９質量％含む水分散体を得た。なお、重合反応の収率は、９５％であった。次いで、この水分散体にイオン交換水を加え、重合体粒子の含有量が１０質量％となるように希釈した。
次に、上記重合体粒子を１０質量％含む希釈後の水分散体１００質量部に、メチルトリメトキシシラン１質量部を加え、４０℃で２時間攪拌した後、０．１規定硝酸水溶液を加えてｐＨを２．０に調整し、表面処理された重合体粒子を含む水分散体ＩＩＩを得た。
なお、この水分散体ＩＩＩに含まれる表面処理された重合体粒子のゼータ電位は＋１７ｍＶであった。
イオン交換水１０．１ｋｇに水酸化カリウム８．５ｇを溶解させた溶液に、コロイダルシリカ粒子を含む水分散体（日産化学（株）製、商品名「スノーテックスＯ」、シリカ含有量は２０質量％である。）を１０ｋｇ投入し、ｐＨが８．０、平均分散粒径が１２ｎｍのコロイダルシリカを１０質量％含む水分散体ＩＩを得た。
なお、この水分散体ＩＩに含まれるコロイダルシリカ粒子のゼータ電位は−４０ｍＶであった。
（３）複合粒子を含有する水分散体ＩＶの調製
（３−１）表面処理された重合体粒子を含む水分散体の調製
フラスコ中に、メチルメタクリレート９０質量部、メトキシポリエチレングリコールメタクリレート（新中村化学工業（株）製、商品名「ＮＫエステル Ｍ−９０Ｇ ＃４００」）５質量部、４−ビニルピリジン５質量部、アゾ系重合開始剤（和光純薬（株）製、商品名「Ｖ５０」）２質量部及びイオン交換水４００質量部を投入し、窒素雰囲気下、攪拌しつつ７０℃にて６時間の重合反応を行った。これにより、アミノ基及びポリエチレングリコール鎖を有し、平均分散粒径１５０ｎｍの重合体粒子（ポリメチルメタクリレート系粒子）を１９質量％含む水分散体を得た。なお、重合反応の収率は、９５％であった。次いで、この水分散体にイオン交換水を加え、重合体粒子の含有量が１０質量％となるように希釈した。
次に、上記重合体粒子を１０質量％含む希釈後の水分散体１００質量部に、メチルトリメトキシシラン１質量部を加え、４０℃で２時間攪拌した後、０．１規定硝酸水溶液を加えてｐＨを２．０に調整し、表面処理された重合体粒子を含む水分散体ＩＩＩを得た。
なお、この水分散体ＩＩＩに含まれる表面処理された重合体粒子のゼータ電位は＋１７ｍＶであった。
（３−２）複合粒子を含有する水分散体ＩＶの調製
上記（２−１）で調製した水分散体ＩＩＩの１００質量部に、上記（２）で調製した水分散体ＩＩの５０質量部を、２時間かけて徐々に添加、混合し、更に２時間攪拌した。次いで、これにビニルトリエトキシシラン２質量部を添加し１時間攪拌し、更にテトラエトキシシラン１質量部を添加して６０℃にて３時間攪拌し、室温まで放冷することにより、平均分散粒径１８０ｎｍの複合粒子を１２質量％含む水分散体ＩＶを得た。
なお、走査型電子顕微鏡により観察したところ、この複合粒子は、ポリメチルメタクリレート系粒子の表面の約８０％にシリカ粒子が付着したものであった。
上記（２−１）で調製した水分散体ＩＩＩの１００質量部に、上記（２）で調製した水分散体ＩＩの５０質量部を、２時間かけて徐々に添加、混合し、更に２時間攪拌した。次いで、これにビニルトリエトキシシラン２質量部を添加し１時間攪拌し、更にテトラエトキシシラン１質量部を添加して６０℃にて３時間攪拌し、室温まで放冷することにより、平均分散粒径１８０ｎｍの複合粒子を１２質量％含む水分散体ＩＶを得た。
なお、走査型電子顕微鏡により観察したところ、この複合粒子は、ポリメチルメタクリレート系粒子の表面の約８０％にシリカ粒子が付着したものであった。
実施例１
［１］化学機械研磨用水系分散体の調製
ポリエチレン製の瓶に、上記（２）で調製したコロイダルシリカ粒子を含有する水分散体ＩＩを、シリカ換算で１質量部に相当する量、マレイン酸１質量部及びクエン酸０．４質量部を順次に加え、１０分間攪拌した。次いで、０．１規定の水酸化カリウム水溶液を、最終の水系分散体のｐHが１０．４になるように加え、更にイオン交換水を加えて水系分散体の総量を１００質量部とした。その後、孔径５μｍのフィルターで濾過することにより、水系分散体「Ｓ１」を得た。
［１］化学機械研磨用水系分散体の調製
ポリエチレン製の瓶に、上記（２）で調製したコロイダルシリカ粒子を含有する水分散体ＩＩを、シリカ換算で１質量部に相当する量、マレイン酸１質量部及びクエン酸０．４質量部を順次に加え、１０分間攪拌した。次いで、０．１規定の水酸化カリウム水溶液を、最終の水系分散体のｐHが１０．４になるように加え、更にイオン交換水を加えて水系分散体の総量を１００質量部とした。その後、孔径５μｍのフィルターで濾過することにより、水系分散体「Ｓ１」を得た。
［２］研磨性能の評価
［２−１］パターンなし基板の研磨性能の評価
化学機械研磨装置（（株）荏原製作所製、形式「ＥＰＯ１１２」）に、多孔質ポリウレタン製研磨パッド（Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製、品名「ＩＣ１０００」）を装着し、上記で調製した水系分散体Ｓ１を供給しつつ、下記の基板を被研磨体として下記の条件で化学機械研磨を行い、銅膜、タンタル膜及び低誘電率の絶縁膜に対する研磨速度をそれぞれ評価した。結果を表２に示す。
なお、研磨速度は、銅膜及びタンタル膜については、電気伝導式膜厚測定機（ケーエルエー・テンコール（株）社製、形式「オムニマップＲＳ７５」）によって研磨前後の膜厚を測定し、その差を研磨時間で除して算出した。また、低誘電率の絶縁膜に対する研磨速度は、光干渉式膜厚測定機（ナノメトリクス・ジャパン（株）製、型式「Ｎａｎｏ Ｓｐｅｃ ６１００」）によって研磨前後の膜厚を測定し、その差を研磨時間で除して算出した。
［２−１］パターンなし基板の研磨性能の評価
化学機械研磨装置（（株）荏原製作所製、形式「ＥＰＯ１１２」）に、多孔質ポリウレタン製研磨パッド（Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製、品名「ＩＣ１０００」）を装着し、上記で調製した水系分散体Ｓ１を供給しつつ、下記の基板を被研磨体として下記の条件で化学機械研磨を行い、銅膜、タンタル膜及び低誘電率の絶縁膜に対する研磨速度をそれぞれ評価した。結果を表２に示す。
なお、研磨速度は、銅膜及びタンタル膜については、電気伝導式膜厚測定機（ケーエルエー・テンコール（株）社製、形式「オムニマップＲＳ７５」）によって研磨前後の膜厚を測定し、その差を研磨時間で除して算出した。また、低誘電率の絶縁膜に対する研磨速度は、光干渉式膜厚測定機（ナノメトリクス・ジャパン（株）製、型式「Ｎａｎｏ Ｓｐｅｃ ６１００」）によって研磨前後の膜厚を測定し、その差を研磨時間で除して算出した。
＜被研磨体＞
銅膜：８インチ熱酸化膜付きシリコン基板上に膜厚１５，０００Åの銅が堆積されたパターンなし基板。
タンタル膜：８インチ熱酸化膜付きシリコン基板上に膜厚２，０００Åのタンタルが堆積されたパターンなし基板。
低誘電率の絶縁膜：８インチ熱酸化膜付きシリコン基板上に膜厚２，０００Åの低誘電率の絶縁膜（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製、商品名「Ｂｌａｃｋ Ｄｉａｍｏｎｄ」）が堆積されたパターンなし基板。なお、この絶縁膜の、ナノインデンテーション法によって測定した弾性率は１４．５ＧＰａであった。
＜研磨条件＞
化学機械研磨用水系分散体供給量：２００ｍＬ／分
定盤回転数：７０ｒｐｍ
ヘッド回転数：７０ｒｐｍ
ヘッド荷重：２５０ｇ／ｃｍ２
研磨時間：１分
銅膜：８インチ熱酸化膜付きシリコン基板上に膜厚１５，０００Åの銅が堆積されたパターンなし基板。
タンタル膜：８インチ熱酸化膜付きシリコン基板上に膜厚２，０００Åのタンタルが堆積されたパターンなし基板。
低誘電率の絶縁膜：８インチ熱酸化膜付きシリコン基板上に膜厚２，０００Åの低誘電率の絶縁膜（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製、商品名「Ｂｌａｃｋ Ｄｉａｍｏｎｄ」）が堆積されたパターンなし基板。なお、この絶縁膜の、ナノインデンテーション法によって測定した弾性率は１４．５ＧＰａであった。
＜研磨条件＞
化学機械研磨用水系分散体供給量：２００ｍＬ／分
定盤回転数：７０ｒｐｍ
ヘッド回転数：７０ｒｐｍ
ヘッド荷重：２５０ｇ／ｃｍ２
研磨時間：１分
［２−２］パターン付き基板の研磨性能の評価（被研磨面の平坦化能の評価）
化学機械研磨装置（（株）荏原製作所製、形式「ＥＰＯ１１２」）に、多孔質ポリウレタン製研磨パッド（Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製、品名「ＩＣ１０００」）を装着し、被研磨体として、「Ｓｅｍａｔｅｃｈ ８５４パターンウェハ」（商品名、Ｓｅｍａｔｅｃｈ社製、種々のパターン上凹部を有する低誘電率の絶縁膜「Ｂｌａｃｋ Ｄｉａｍｏｎｄ」（商品名）上に、厚さ２５０Åのタンタル及び厚さ１１，０００Åの銅を順次堆積した研磨テスト用のパターン付き基板である。）を使用し、以下の条件で２段階研磨した。
化学機械研磨装置（（株）荏原製作所製、形式「ＥＰＯ１１２」）に、多孔質ポリウレタン製研磨パッド（Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製、品名「ＩＣ１０００」）を装着し、被研磨体として、「Ｓｅｍａｔｅｃｈ ８５４パターンウェハ」（商品名、Ｓｅｍａｔｅｃｈ社製、種々のパターン上凹部を有する低誘電率の絶縁膜「Ｂｌａｃｋ Ｄｉａｍｏｎｄ」（商品名）上に、厚さ２５０Åのタンタル及び厚さ１１，０００Åの銅を順次堆積した研磨テスト用のパターン付き基板である。）を使用し、以下の条件で２段階研磨した。
＜第一段階研磨＞
化学機械研磨用水系分散体種：ＣＭＳ７４０１、ＣＭＳ７４５２（いずれもＪＳＲ（株）製）、イオン交換水及び４質量％過硫酸アンモニウム水溶液を、容量比１：１：２：４にて混合したもの。
化学機械研磨用水系分散体供給量：２５０ｍＬ／分
定盤回転数：７０ｒｐｍ
ヘッド回転数：７０ｒｐｍ
ヘッド荷重：２５０ｇ／ｃｍ２
研磨時間：２分
＜第二段階研磨＞
化学機械研磨用水系分散体種：上記「［１］化学機械研磨用水系分散体の調製」で調製した水系分散体「Ｓ１」。
化学機械研磨用水系分散体供給量：２００ｍＬ／分
定盤回転数：７０ｒｐｍ
ヘッド回転数：７０ｒｐｍ
ヘッド荷重：２５０ｇ／ｃｍ２
研磨時間：下記式にて算出した時間。
研磨時間（分）＝２５０Å／タンタルの研磨速度（Å／分）＋５００Å／低誘電率の絶縁膜の研磨速度（Å／分）
化学機械研磨用水系分散体種：ＣＭＳ７４０１、ＣＭＳ７４５２（いずれもＪＳＲ（株）製）、イオン交換水及び４質量％過硫酸アンモニウム水溶液を、容量比１：１：２：４にて混合したもの。
化学機械研磨用水系分散体供給量：２５０ｍＬ／分
定盤回転数：７０ｒｐｍ
ヘッド回転数：７０ｒｐｍ
ヘッド荷重：２５０ｇ／ｃｍ２
研磨時間：２分
＜第二段階研磨＞
化学機械研磨用水系分散体種：上記「［１］化学機械研磨用水系分散体の調製」で調製した水系分散体「Ｓ１」。
化学機械研磨用水系分散体供給量：２００ｍＬ／分
定盤回転数：７０ｒｐｍ
ヘッド回転数：７０ｒｐｍ
ヘッド荷重：２５０ｇ／ｃｍ２
研磨時間：下記式にて算出した時間。
研磨時間（分）＝２５０Å／タンタルの研磨速度（Å／分）＋５００Å／低誘電率の絶縁膜の研磨速度（Å／分）
二段階研磨後の被研磨面につき、高解像度プロファイラー（ケーエルエー・テンコール（株）製、型式「ＨＲＰ２４０ＥＴＣＨ」）を用いて、線幅１００μｍの銅配線部分におけるディッシング量、及び銅配線幅（ライン）／絶縁膜幅（スペース）が９μｍ／１μｍのパターンが配線と直行する方向に１，０００ｎｍ連続した微細配線部分におけるエロージョン量を測定した。結果を表２に示す。
実施例２〜７、比較例１、２
化学機械研磨用水系分散体の各成分の種類及び量並びにｐＨを表１に記載の通りとした他は、実施例１と同様にして水系分散体Ｓ２〜Ｓ７及びＲ１、Ｒ２を調製し、評価した。評価結果は表２に示した。
なお、砥粒としてヒュームドシリカを使用した実施例５及び６並びに比較例２の場合には、砥粒は上記（１）で調製したヒュームド法シリカ粒子を含有する水分散体Ｉとして添加した。また、砥粒として複合粒子を使用した実施例７の場合には、砥粒は上記（３）で調製した複合粒子を含有する水分散体ＩＶとして添加した。表１中の砥粒の量は、固体の量に換算した値である。
比較例２においては、（Ｃ）成分の代わりにその他の成分として、グリシンを使用した。
また、表１中、「−」は、その欄に該当する成分を添加しなかったことを示す。
化学機械研磨用水系分散体の各成分の種類及び量並びにｐＨを表１に記載の通りとした他は、実施例１と同様にして水系分散体Ｓ２〜Ｓ７及びＲ１、Ｒ２を調製し、評価した。評価結果は表２に示した。
なお、砥粒としてヒュームドシリカを使用した実施例５及び６並びに比較例２の場合には、砥粒は上記（１）で調製したヒュームド法シリカ粒子を含有する水分散体Ｉとして添加した。また、砥粒として複合粒子を使用した実施例７の場合には、砥粒は上記（３）で調製した複合粒子を含有する水分散体ＩＶとして添加した。表１中の砥粒の量は、固体の量に換算した値である。
比較例２においては、（Ｃ）成分の代わりにその他の成分として、グリシンを使用した。
また、表１中、「−」は、その欄に該当する成分を添加しなかったことを示す。
１ 複合基板素材
１１ 基板（例えばシリコン製）
１２ 絶縁膜
１３ バリアメタル膜
１４ 金属膜
２１ 絶縁膜（例えばシリコン酸化物製）
２２ 絶縁膜（例えばシリコン窒化物製）
１１ 基板（例えばシリコン製）
１２ 絶縁膜
１３ バリアメタル膜
１４ 金属膜
２１ 絶縁膜（例えばシリコン酸化物製）
２２ 絶縁膜（例えばシリコン窒化物製）
Claims (5)
- （Ａ）砥粒、（Ｂ）二価の有機酸、（Ｃ）ヒドロキシル酸及びキノリンカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種並びに（Ｄ）酸化剤を含有する化学機械研磨用水系分散体であって、（Ａ）砥粒の配合量が化学機械研磨用水系分散体全体に対して０．１質量％以上かつ３質量％未満であることを特徴とする、化学機械研磨用水系分散体。
- （Ｂ）二価の有機酸の配合量ＷＢと、（Ｃ）ヒドロキシル酸及びキノリンカルボン酸からなる群から選択される少なくとも一種の配合量ＷＣの比ＷＢ／ＷＣが質量比で１以上であることを特徴とする、請求項１に記載の化学機械研磨用水系分散体。
- ｐＨが９〜１２である、請求項１に記載の化学機械研磨用水系分散体。
- 請求項１に記載の化学機械研磨用水系分散体を用いて、配線材料である金属、バリアメタル及び絶縁膜からなる群から選択される少なくとも１種を構成材料とする被研磨物を研磨することを特徴とする、化学機械研磨方法。
- 絶縁膜が、ナノインデンテーション法によって測定した弾性率が２０ＧＰａ以下のものである、請求項４に記載の化学機械研磨方法。
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