JP2009212496A - Aqueous dispersion for chemical mechanical polishing and its manufacturing method, and chemical mechanical polishing method - Google Patents

Aqueous dispersion for chemical mechanical polishing and its manufacturing method, and chemical mechanical polishing method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an aqueous dispersion for chemical mechanical polishing and a chemical mechanical polishing method using it, which cause less metallic contamination of a wafer by realizing both high polishing speed and high planarization characteristics without causing defects in a metal film and an insulating film. <P>SOLUTION: The aqueous dispersion for chemical mechanical polishing contains silica particles (A) and an organic acid (B). The silica particles (A) have such chemical properties that the sodium, potassium and ammonium ion contents determined by the elemental analysis by ICP emission spectrometry or ICP mass spectrometry and the quantitative analysis of ammonium ions by ion chromatography are as follows: the sodium content is within the range of 5-500 ppm; and the content of at least one kind selected from potassium and ammonium ions is within the range of 100-20,000 ppm. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、化学機械研磨用水系分散体およびその製造方法、ならびに化学機械研磨方法に関する。   The present invention relates to an aqueous dispersion for chemical mechanical polishing, a method for producing the same, and a chemical mechanical polishing method.

半導体デバイスの製造工程において、一般的に、基板上には絶縁膜や金属膜等の層を多層積層した多層積層構造が形成される。多層積層化の際には、一般的には、基板に層間絶縁膜や金属膜を堆積後、生じた凹凸をCMPによって平坦化処理し、平坦となった面の上に新たな配線を積み重ねていく工程が必須である。   In the manufacturing process of a semiconductor device, a multilayer laminated structure in which layers such as insulating films and metal films are generally laminated on a substrate is formed. In multi-layer stacking, generally, after depositing an interlayer insulating film or metal film on a substrate, the resulting irregularities are flattened by CMP, and new wiring is stacked on the flattened surface. The process to go is essential.

化学機械研磨に使用される水系分散体には、シリカ粒子が砥粒として使用される。このようなシリカ粒子を製造するための原料として、ケイ酸アルカリ水溶液や有機アルコキシド溶液が用いられる。有機アルコキシド溶液を用いる場合は、エチルシリケートやメチルシリケートなど有機アルコキシド溶液を加水分解して不純物含量の少ないシリカ粒子を製造することができるが、経済的に高価で好ましくない。   In aqueous dispersions used for chemical mechanical polishing, silica particles are used as abrasive grains. As a raw material for producing such silica particles, an aqueous alkali silicate solution or an organic alkoxide solution is used. In the case of using an organic alkoxide solution, silica particles having a low impurity content can be produced by hydrolyzing an organic alkoxide solution such as ethyl silicate or methyl silicate, but this is economically expensive and undesirable.

一方、特許文献1に記載されているように、ケイ酸アルカリ水溶液(水ガラス)を用いる場合は、通常、ケイ酸ナトリウム水溶液からナトリウムをイオン交換樹脂などで除去してシリカ粒子を生成成長させて製造する。しかしながら、不純物としてシリカ粒子中にナトリウムなどのアルカリ土類金属が残存するという問題があり、これを除去してCMP研磨用に使用する検討が行われていたが、未だ実用的な技術となっていない。   On the other hand, as described in Patent Document 1, when an alkali silicate aqueous solution (water glass) is used, usually, sodium is removed from the sodium silicate aqueous solution with an ion exchange resin or the like to produce and grow silica particles. To manufacture. However, there is a problem that alkaline earth metals such as sodium remain in the silica particles as impurities, and studies have been made to remove this and use it for CMP polishing, but it is still a practical technique. Absent.

特開2003−197573号公報JP 2003-197573 A

本発明の目的は、金属膜や絶縁膜に欠陥を引き起こすことなく、高い研磨速度と高平坦化特性を両立し、ウエハの金属汚染の少ない化学機械研磨用水系分散体、およ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。   An object of the present invention is to provide an aqueous dispersion for chemical mechanical polishing that achieves both high polishing rate and high planarization characteristics without causing defects in the metal film or insulating film, and has low metal contamination of the wafer, and chemicals using the same. It is to provide a mechanical polishing method.

本発明に係る化学機械研磨用水系分散体は、
(A)シリカ粒子と、
(B)有機酸と、
を含有する化学機械研磨用水系分散体であって、前記(A)シリカ粒子は、下記の化学的性質を有することを特徴とする。
The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the present invention comprises:
(A) silica particles;
(B) an organic acid;
An aqueous dispersion for chemical mechanical polishing containing the above (A) The silica particles have the following chemical properties.

ICP発光分析法またはICP質量分析法による元素分析およびイオンクロマト法によるアンモニウムイオンの定量分析から測定されるナトリウム、カリウムおよびアンモニウムイオンの含有量が、ナトリウムの含有量:5〜500ppm、カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種の含有量:100〜20000ppmの関係を満たす。   Sodium, potassium and ammonium ion content measured from elemental analysis by ICP emission spectrometry or ICP mass spectrometry and quantitative analysis of ammonium ion by ion chromatography, sodium content: 5 to 500 ppm, potassium and ammonium ion The content of at least one selected from: satisfies the relationship of 100 to 20000 ppm.

本発明に係る化学機械研磨用水系分散体において、前記(A)シリカ粒子の長径(Rmax)と短径(Rmin)との比率(Rmax/Rmin)は、1.0〜1.5であることができる。   In the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the invention, the ratio (Rmax / Rmin) of the major axis (Rmax) to the minor axis (Rmin) of the (A) silica particles is 1.0 to 1.5. Can do.

本発明に係る化学機械研磨用水系分散体において、前記(A)シリカ粒子のBET法を用いて測定した比表面積から算出される平均粒径は、10nm〜100nmであることができる。   In the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the present invention, the average particle diameter calculated from the specific surface area of the (A) silica particles measured using the BET method may be 10 nm to 100 nm.

本発明に係る化学機械研磨用水系分散体において、pHは、6〜12であることができる。   In the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the present invention, the pH may be 6-12.

本発明に係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、金属膜、バリアメタル膜および絶縁膜から選択される少なくとも1種を有する半導体装置の被研磨面を研磨することを特徴とする。   A chemical mechanical polishing method according to the present invention polishes a surface to be polished of a semiconductor device having at least one selected from a metal film, a barrier metal film, and an insulating film, using the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. It is characterized by that.

本発明に係る化学機械研磨用水系分散体の製造方法は、少なくとも(A)シリカ粒子と、(B)有機酸と、を混合して化学機械研磨用水系分散体を製造する方法であって、前記(A)シリカ粒子は、下記の化学的性質を有することを特徴とする。   The method for producing an aqueous dispersion for chemical mechanical polishing according to the present invention is a method for producing an aqueous dispersion for chemical mechanical polishing by mixing at least (A) silica particles and (B) an organic acid, The (A) silica particles have the following chemical properties.

ICP発光分析法またはICP質量分析法による元素分析およびイオンクロマト法によるアンモニウムイオンの定量分析から測定されるナトリウム、カリウムおよびアンモニウムイオンの含有量が、ナトリウムの含有量:5〜500ppm、カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種の含有量:100〜20000ppmの関係を満たす。   Sodium, potassium and ammonium ion content measured from elemental analysis by ICP emission spectrometry or ICP mass spectrometry and quantitative analysis of ammonium ion by ion chromatography, sodium content: 5 to 500 ppm, potassium and ammonium ion The content of at least one selected from: satisfies the relationship of 100 to 20000 ppm.

上記化学機械研磨用水系分散体によれば、金属膜や絶縁膜に欠陥を引き起こすことなく、高い研磨速度と高平坦化特性を両立できるだけでなく、ウエハの金属汚染を低減させることができる。また、金属膜や絶縁膜に欠陥を引き起こすことなく、化学機械研磨することができる方法が提供される。さらに、ダマシン配線を備え、高い信頼性を有する半導体装置の製造方法が提供される。   According to the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, it is possible not only to cause defects in the metal film and the insulating film, but also to achieve both a high polishing rate and high planarization characteristics, and to reduce metal contamination of the wafer. Further, a method capable of performing chemical mechanical polishing without causing defects in the metal film or the insulating film is provided. Furthermore, a method for manufacturing a semiconductor device having damascene wiring and having high reliability is provided.

シリカ粒子の長径および短径を模式的に示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the major axis and minor axis of the silica particle typically. シリカ粒子の長径および短径を模式的に示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the major axis and minor axis of the silica particle typically. シリカ粒子の長径および短径を模式的に示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the major axis and minor axis of the silica particle typically. 本発明の化学機械研磨方法に用いられる被処理体を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the to-be-processed object used for the chemical mechanical polishing method of this invention. 本発明の化学機械研磨方法の研磨工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the grinding | polishing process of the chemical mechanical grinding | polishing method of this invention. 本発明の化学機械研磨方法の研磨工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the grinding | polishing process of the chemical mechanical grinding | polishing method of this invention. 本発明の化学機械研磨方法の研磨工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the grinding | polishing process of the chemical mechanical grinding | polishing method of this invention.

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

1.化学機械研磨用水系分散体
本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、(A)シリカ粒子と、(B)有機酸と、を含有する化学機械研磨用水系分散体であって、前記(A)シリカ粒子は、下記の化学的性質を有することを特徴とする。その化学的性質とは、「ICP発光分析法またはICP質量分析法による元素分析およびイオンクロマト法によるアンモニウムイオンの定量分析から測定されるナトリウム、カリウムおよびアンモニウムイオンの含有量が、ナトリウムの含有量:5〜500ppm、カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種の含有量:100〜20000ppmの関係を満たす。」ことである。
1. Chemical mechanical polishing aqueous dispersion The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to this embodiment is a chemical mechanical polishing aqueous dispersion containing (A) silica particles and (B) an organic acid, (A) Silica particles have the following chemical properties. The chemical property is “the content of sodium, potassium and ammonium ions measured from elemental analysis by ICP emission spectrometry or ICP mass spectrometry and quantitative analysis of ammonium ions by ion chromatography, but the content of sodium: The content of at least one selected from 5 to 500 ppm, potassium and ammonium ions: 100 to 20000 ppm is satisfied.

また、本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体のpHは、好ましくは6〜12、より好ましくは7〜11.5、さらに好ましくは8〜11である。pHを調整する方法としては、例えば、水酸化カリウム、アンモニア、エチレンジアミン、およびTMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)等の塩基性塩に代表されるpH調整剤を添加して、アルカリ性に調節することができる。   Moreover, the pH of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the present embodiment is preferably 6 to 12, more preferably 7 to 11.5, and still more preferably 8 to 11. As a method for adjusting the pH, for example, it may be adjusted to be alkaline by adding a pH adjuster represented by basic salts such as potassium hydroxide, ammonia, ethylenediamine, and TMAH (tetramethylammonium hydroxide). it can.

以下、各成分について詳細に説明する。   Hereinafter, each component will be described in detail.

1.1 (A)シリカ粒子
本実施形態に用いられる(A)シリカ粒子は、ナトリウムを5〜500ppm、好ましくは10〜400ppm、特に好ましくは15〜300ppm含有する。さらに、カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種を100〜20000ppm含有する。前記(A)シリカ粒子がカリウムを含有する場合、カリウムの含有量は、好ましくは100〜20000ppm、より好ましくは500〜15000ppm、特に好ましくは1000〜10000ppmである。前記(A)シリカ粒子がアンモニウムイオンを含有する場合、アンモニウムイオンの含有量は、好ましくは100〜20000ppm、より好ましくは200〜10000ppm、特に好ましくは500〜8000ppmである。また、前記(A)シリカ粒子に含まれるカリウムあるいはアンモニウムイオンが前記範囲内にない場合でも、カリウムおよびアンモニウムイオンの含有量の合計が、100〜20000ppm、好ましくは500〜15000ppm、より好ましくは1000〜10000ppmの範囲内にあると本願発明の効果が得られる。
1.1 (A) Silica Particles The (A) silica particles used in the present embodiment contain 5 to 500 ppm, preferably 10 to 400 ppm, particularly preferably 15 to 300 ppm of sodium. Further, it contains 100 to 20000 ppm of at least one selected from potassium and ammonium ions. When said (A) silica particle contains potassium, content of potassium becomes like this. Preferably it is 100-20000 ppm, More preferably, it is 500-15000 ppm, Most preferably, it is 1000-10000 ppm. When said (A) silica particle contains ammonium ion, content of ammonium ion becomes like this. Preferably it is 100-20000 ppm, More preferably, it is 200-10000 ppm, Most preferably, it is 500-8000 ppm. Further, even when potassium or ammonium ions contained in the silica particles (A) are not within the above range, the total content of potassium and ammonium ions is 100 to 20000 ppm, preferably 500 to 15000 ppm, more preferably 1000 to If it is within the range of 10,000 ppm, the effect of the present invention can be obtained.

ナトリウムが500ppmを超えると、研磨後のウエハ汚染が発生するため好ましくない。一方、ナトリウムを5ppm未満とするためには、イオン交換処理を複数回行う必要があり技術的困難を伴う。   If the sodium content exceeds 500 ppm, wafer contamination after polishing occurs, which is not preferable. On the other hand, in order to make sodium less than 5 ppm, it is necessary to perform the ion exchange treatment a plurality of times, which involves technical difficulties.

カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種が20000ppmを超えると、シリカ粒子分散体のpHが高くなりすぎてシリカが溶解することがある。一方、カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種が100ppm未満であると、シリカ粒子の分散安定性が低下しシリカ粒子の凝集を引き起こすことにより、ウエハ上に欠陥が発生してしまうため好ましくない。   If at least one selected from potassium and ammonium ions exceeds 20000 ppm, the pH of the silica particle dispersion may become too high and silica may be dissolved. On the other hand, if at least one selected from potassium and ammonium ions is less than 100 ppm, the dispersion stability of the silica particles is lowered, and the silica particles are aggregated, thereby causing defects on the wafer. .

なお、上述したシリカ粒子に含有されるナトリウムおよびカリウムの含有量は、ICP発光分析法(ICP−AES)またはICP質量分析法(ICP−MS)を用いて定量した値である。ICP発光分析装置として、例えば「ICPE−9000(島津製作所社製)」等を使用することができる。ICP質量分析装置として、例えば「ICPM−8500(島津製作所社製)」、「ELAN DRC PLUS(パーキンエルマー社製)」等を使用することができる。また、上述したシリカ粒子に含有されるアンモニウムイオンの含有量は、イオンクロマト法を用いて定量した値である。イオンクロマト法として、例えばノンサプレッサイオンクロマトグラフ「HIS−NS(島津製作所社製)」、「ICS−1000(DIONEX社製)」等を使用することができる。また、シリカ粒子に含有されるナトリウム、カリウムは、それぞれナトリウムイオン、カリウムイオンであってもよい。ナトリウムイオン、カリウムイオン、アンモニウムイオンの含有量を測定することで、シリカ粒子中に含有されるナトリウム、カリウム、アンモニウムイオンを定量することができる。なお、本明細書に記載されているナトリウム、カリウム、アンモニウムイオンの含有量は、シリカ粒子の重量に対するナトリウム、カリウム、アンモニウムイオンの重量である。   In addition, the content of sodium and potassium contained in the silica particles described above is a value determined using ICP emission analysis (ICP-AES) or ICP mass spectrometry (ICP-MS). As the ICP emission analyzer, for example, “ICPE-9000 (manufactured by Shimadzu Corporation)” or the like can be used. As the ICP mass spectrometer, for example, “ICPM-8500 (manufactured by Shimadzu Corporation)”, “ELAN DRC PLUS (manufactured by Perkin Elmer)”, or the like can be used. Further, the content of ammonium ions contained in the silica particles described above is a value quantified using an ion chromatography method. As the ion chromatography method, for example, a non-suppressor ion chromatograph “HIS-NS (manufactured by Shimadzu Corporation)”, “ICS-1000 (manufactured by DIONEX)” or the like can be used. The sodium and potassium contained in the silica particles may be sodium ion and potassium ion, respectively. By measuring the content of sodium ions, potassium ions, and ammonium ions, sodium, potassium, and ammonium ions contained in the silica particles can be quantified. In addition, content of the sodium, potassium, and ammonium ion described in this specification is the weight of sodium, potassium, and ammonium ions with respect to the weight of the silica particles.

前記範囲内でナトリウムと、カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種とを含有することにより、化学機械研磨用水系分散体中でシリカ粒子が安定的に分散することが可能となり、研磨の際に欠陥の原因となるシリカ粒子の凝集が発生しない。また、前記範囲内であれば、研磨後のウエハの金属汚染を防ぐことができる。   By containing sodium and at least one selected from potassium and ammonium ions within the above range, the silica particles can be stably dispersed in the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. Aggregation of silica particles that cause defects does not occur. Moreover, if it is in the said range, the metal contamination of the wafer after grinding | polishing can be prevented.

前記(A)シリカ粒子のBET法を用いて測定した比表面積から算出される平均粒径は、好ましくは10〜100nmであり、より好ましくは10〜90nmであり、特に好ましくは10〜80nmである。(A)シリカ粒子の平均粒径が10〜100nmの範囲内にあると、化学機械研磨用水系分散体としての保存安定性に優れ、欠陥のない平滑な研磨面を得ることができる。(A)シリカ粒子の平均粒径が10nm未満であると、TEOS膜等の層間絶縁膜(キャップ層)に対する研磨速度が小さくなりすぎるため実用的ではない。一方、(A)シリカ粒子の平均粒径が100nmを超えると、シリカ粒子の保存安定性に劣るため好ましくない。   The average particle size calculated from the specific surface area of the (A) silica particles measured using the BET method is preferably 10 to 100 nm, more preferably 10 to 90 nm, and particularly preferably 10 to 80 nm. . (A) When the average particle diameter of the silica particles is in the range of 10 to 100 nm, it is excellent in storage stability as an aqueous dispersion for chemical mechanical polishing, and a smooth polished surface having no defects can be obtained. (A) If the average particle diameter of the silica particles is less than 10 nm, the polishing rate for the interlayer insulating film (cap layer) such as the TEOS film becomes too small, which is not practical. On the other hand, when the average particle diameter of (A) silica particles exceeds 100 nm, it is not preferable because the storage stability of the silica particles is poor.

(A)シリカ粒子の平均粒径は、例えば、流動式比表面積自動測定装置「micrometrics FlowSorb II 2300(島津製作所社製)」により、BET法を用いて測定した比表面積から算出される。   (A) The average particle diameter of the silica particles is calculated from the specific surface area measured using the BET method with a flow-type specific surface area automatic measuring device “micrometrics FlowSorb II 2300 (manufactured by Shimadzu Corporation)”, for example.

以下に、シリカ粒子の比表面積から平均粒径を算出する方法について説明する。   Below, the method to calculate an average particle diameter from the specific surface area of a silica particle is demonstrated.

シリカ粒子の形状を真球状であると仮定し、粒子の直径をd(nm)、比重をρ(g/cm)とすると、粒子n個の表面積Aは、A=nπdとなる。粒子n個の質量Nは、N=ρnπd/6となる。比表面積Sは、粉体の単位質量当たりの全構成粒子の表面積で表される。そうすると、粒子n個の比表面積Sは、S=A/N=6/ρdとなる。この式に、シリカ粒子の比重ρ=2.2を代入し、単位を換算すると、下記式(1)を導き出すことができる。 Assuming that the shape of the silica particle is a true sphere, the particle diameter is d (nm) and the specific gravity is ρ (g / cm 3 ), the surface area A of n particles is A = nπd 2 . N particles mass N becomes N = ρnπd 3/6. The specific surface area S is represented by the surface area of all the constituent particles per unit mass of the powder. Then, the specific surface area S of n particles is S = A / N = 6 / ρd. Substituting the specific gravity ρ = 2.2 of the silica particles into this formula and converting the unit, the following formula (1) can be derived.

平均粒径(nm)=2727/S(m/g)…(1) Average particle diameter (nm) = 2727 / S (m 2 / g) (1)

なお、本明細書中におけるシリカ粒子の平均粒径は、全て(1)式に基づいて計算している。   In addition, all the average particle diameters of the silica particles in this specification are calculated based on the formula (1).

前記(A)シリカ粒子の長径(Rmax)と短径(Rmin)の比率Rmax/Rminは、好ましくは1.0〜1.5、より好ましくは1.0〜1.4、特に好ましくは1.0〜1.3である。Rmax/Rminが前記範囲内であると金属膜や絶縁膜に欠陥を引き起こすことなく、高研磨速度と高平坦化特性を発現できる。Rmax/Rminが1.5より大きいと研磨後の欠陥が発生し、好ましくない。   The ratio (Rmax / Rmin) of the major axis (Rmax) to the minor axis (Rmin) of the (A) silica particles is preferably 1.0 to 1.5, more preferably 1.0 to 1.4, and particularly preferably 1. 0-1.3. When Rmax / Rmin is within the above range, a high polishing rate and a high planarization characteristic can be exhibited without causing defects in the metal film or the insulating film. If Rmax / Rmin is greater than 1.5, defects after polishing occur, which is not preferable.

ここで、シリカ粒子の長径(Rmax)とは、透過型電子顕微鏡により撮影された一つの独立したシリカ粒子の像について、像の端部と端部を結んだ距離のうち最も長い距離を意味する。シリカ粒子の短径(Rmin)とは、透過型電子顕微鏡により撮影された一つの独立したシリカ粒子の像について、像の端部と端部を結んだ距離のうち最も短い距離を意味する。   Here, the major axis (Rmax) of the silica particles means the longest distance among the distances connecting the end portions of the images of one independent silica particle image taken by a transmission electron microscope. . The short diameter (Rmin) of the silica particles means the shortest distance among the distances connecting the end portions of the image of one independent silica particle image taken with a transmission electron microscope.

例えば、図1に示すように透過型電子顕微鏡により撮影された一つの独立したシリカ粒子10aの像が楕円形状である場合、楕円形状の長軸aをシリカ粒子の長径(Rmax)と判断し、楕円形状の短軸bをシリカ粒子の短径(Rmin)と判断する。図2に示すように、透過型電子顕微鏡により撮影された一つの独立したシリカ粒子10bの像が2つの粒子の凝集体である場合、像の端部と端部を結んだ最も長い距離cをシリカ粒子の長径(Rmax)と判断し、像の端部と端部を結んだ最も短い距離dをシリカ粒子の短径(Rmin)と判断する。図3に示すように、透過型電子顕微鏡により撮影された一つの独立したシリカ粒子10cの像が3以上の粒子の凝集体である場合、像の端部と端部を結んだ最も長い距離eをシリカ粒子の長径(Rmax)と判断し、像の端部と端部を結んだ最も短い距離fをシリカ粒子の短径(Rmin)と判断する。   For example, when the image of one independent silica particle 10a photographed by a transmission electron microscope as shown in FIG. 1 is elliptical, the major axis a of the elliptical shape is determined as the major axis (Rmax) of the silica particle, The elliptical minor axis b is determined as the minor axis (Rmin) of the silica particles. As shown in FIG. 2, when an image of one independent silica particle 10b photographed by a transmission electron microscope is an aggregate of two particles, the longest distance c connecting the end portions of the image is expressed as follows. The longest diameter (Rmax) of the silica particles is determined, and the shortest distance d connecting the end portions of the image is determined as the short diameter (Rmin) of the silica particles. As shown in FIG. 3, when the image of one independent silica particle 10c photographed by a transmission electron microscope is an aggregate of three or more particles, the longest distance e connecting the end portions of the image is shown. Is the long diameter (Rmax) of the silica particles, and the shortest distance f connecting the end portions of the image is determined to be the short diameter (Rmin) of the silica particles.

前記のような判断手法により、例えば、50個のシリカ粒子の長径(Rmax)と短径(Rmin)を測定し、長径(Rmax)と短径(Rmin)の平均値を算出したあと、長径と短径との比率(Rmax/Rmin)を計算して求めることができる。   For example, by measuring the major axis (Rmax) and minor axis (Rmin) of 50 silica particles by the above-described determination method, and calculating the average value of major axis (Rmax) and minor axis (Rmin), the major axis and The ratio to the minor axis (Rmax / Rmin) can be calculated and obtained.

前記(A)シリカ粒子の含有量は、使用時における化学機械研磨用水系分散体の全質量に対して、好ましくは1質量%以上20質量%以下であり、より好ましくは1質量%以上15質量%以下であり、特に好ましくは1質量%以上10質量%以下である。前記(A)シリカ粒子の含有量が前記範囲未満になると十分な研磨速度が得られず実用的ではない。一方、前記(A)シリカ粒子の含有量が前記範囲を超えるとコストが高くなるとともに安定した化学機械研磨用水系分散体を得られないことがある。   The content of the silica particles (A) is preferably 1% by mass or more and 20% by mass or less, more preferably 1% by mass or more and 15% by mass with respect to the total mass of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion at the time of use. %, Particularly preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less. When the content of the (A) silica particles is less than the above range, a sufficient polishing rate cannot be obtained, which is not practical. On the other hand, when the content of the (A) silica particles exceeds the above range, the cost increases and a stable chemical mechanical polishing aqueous dispersion may not be obtained.

本実施形態に用いられる(A)シリカ粒子の作製方法は、ナトリウム、カリウムおよびアンモニウムイオンの含有量が前記範囲内となるシリカ粒子が得られれば特に制限はなく、従来の公知の方法を適用することができる。例えば、特開2003−109921号公報や特開2006−80406号公報に記載のシリカ粒子分散液の製造方法に準じて作製することができる。   The method for producing (A) silica particles used in the present embodiment is not particularly limited as long as silica particles in which the content of sodium, potassium and ammonium ions is within the above range are obtained, and a conventionally known method is applied. be able to. For example, it can be produced according to the method for producing a silica particle dispersion described in JP-A No. 2003-109921 and JP-A No. 2006-80406.

また、従来の公知の方法として、例えば、ケイ酸アルカリ水溶液からアルカリを除去することによりシリカ粒子を作製する方法がある。ケイ酸アルカリ水溶液としては、一般に水ガラスとして知られているケイ酸ナトリウム水溶液、ケイ酸アンモニウム水溶液、ケイ酸リチウム水溶液、ケイ酸カリウム水溶液等が挙げられる。また、ケイ酸アンモニウムとしては、水酸化アンモニウム、テトラメチルアンモニウム水酸化物からなるケイ酸塩が挙げられる。   Moreover, as a conventionally well-known method, there exists a method of producing a silica particle by removing an alkali from alkali silicate aqueous solution, for example. Examples of the alkali silicate aqueous solution include a sodium silicate aqueous solution, an ammonium silicate aqueous solution, a lithium silicate aqueous solution, and a potassium silicate aqueous solution that are generally known as water glass. Examples of ammonium silicate include silicates made of ammonium hydroxide and tetramethylammonium hydroxide.

以下に、本実施形態に用いられる(A)シリカ粒子の具体的な作製方法の一つについて説明する。シリカを20〜38質量%含み、SiO/NaOのモル比が2.0〜3.8であるケイ酸ナトリウム水溶液を水で希釈し、シリカ濃度が2〜5質量%の希釈ケイ酸ナトリウム水溶液とする。続いて、希釈ケイ酸ナトリウム水溶液を水素型陽イオン交換樹脂層に通過させ、ナトリウムイオンの大部分を除去した活性ケイ酸水溶液を生成させる。このケイ酸水溶液を撹拌下、pHを通常7〜9にアルカリで調整しながら熱熟成し、目的とする粒子径となるまで成長させコロイド状のシリカ粒子を生成する。この熱熟成中、さらに活性ケイ酸水溶液や小さい粒子のコロイダルシリカを少量ずつ添加することにより、例えば平均粒径が10〜100nmの範囲で目的とする粒子径のシリカ粒子を調製する。このようにして得られたシリカ粒子分散液を濃縮してシリカ濃度を20〜30質量%へ上げ、続いて再度水素型陽イオン交換樹脂層に通過させ、ナトリウムイオンのほとんどを除去しアルカリでpHを調整することにより、ナトリウムを5〜500ppm、カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種を100〜20000ppm含有するシリカ粒子を作製することができる。 Below, one of the specific preparation methods of the (A) silica particle used for this embodiment is demonstrated. A dilute silicic acid solution containing 20 to 38% by mass of silica and diluting an aqueous sodium silicate solution having a SiO 2 / Na 2 O molar ratio of 2.0 to 3.8 with water to have a silica concentration of 2 to 5% by mass A sodium aqueous solution is used. Subsequently, a dilute sodium silicate aqueous solution is passed through the hydrogen-type cation exchange resin layer to generate an active silicate aqueous solution from which most of the sodium ions have been removed. The aqueous silicic acid solution is aged with heat while adjusting the pH to 7-9 with alkali, and grown to the desired particle size to produce colloidal silica particles. During this thermal aging, an active silicic acid aqueous solution and small particles of colloidal silica are added little by little to prepare silica particles having a target particle size in the range of, for example, an average particle size of 10 to 100 nm. The silica particle dispersion thus obtained is concentrated to increase the silica concentration to 20 to 30% by mass, and then passed again through the hydrogen-type cation exchange resin layer to remove most of the sodium ions and pH with an alkali. By adjusting the pH, silica particles containing 5 to 500 ppm of sodium and 100 to 20000 ppm of at least one selected from potassium and ammonium ions can be produced.

また、(A)シリカ粒子に含まれるナトリウム、カリウム、アンモニウムイオンの含有量は、シリカ粒子を含む化学機械水系分散体を、遠心分離、限外濾過等、公知の方法によりシリカ成分を回収し、回収したシリカ成分中に含有されるナトリウム、カリウム、アンモニウムイオンを定量することにより算出することができる。したがって、化学機械研磨用水系分散体から前記の方法で回収したシリカ成分を公知の方法で分析することにより、本願発明の構成要件を充足していることを確認することもできる。   In addition, (A) the content of sodium, potassium and ammonium ions contained in the silica particles is obtained by recovering the silica component by a known method such as centrifugation, ultrafiltration, etc., of the chemical mechanical aqueous dispersion containing the silica particles, It can be calculated by quantifying sodium, potassium and ammonium ions contained in the recovered silica component. Therefore, by analyzing the silica component recovered from the chemical mechanical polishing aqueous dispersion by the above method by a known method, it can be confirmed that the constituent requirements of the present invention are satisfied.

1.2 (B)有機酸
本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、(B)有機酸を含有する。(B)有機酸を添加することにより、銅膜に対する研磨速度を高めることができるだけでなくタンタル等のバリアメタル膜に対する研磨速度を高めることもでき、さらに銅膜上のスクラッチ等の表面欠陥を低減することができる。
1.2 (B) Organic Acid The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to this embodiment contains (B) an organic acid. (B) By adding an organic acid, not only can the polishing rate for copper films be increased, but also the polishing rate for barrier metal films such as tantalum can be increased, and surface defects such as scratches on the copper film can be reduced. can do.

前記(B)有機酸としては、例えば、グリシン、アラニン、フェニルアラニン、ヒスチジン、システイン、メチオニン、グルタミン酸、アスパラギン酸およびトリプトファン等のアミノ酸が挙げられる。   Examples of the organic acid (B) include amino acids such as glycine, alanine, phenylalanine, histidine, cysteine, methionine, glutamic acid, aspartic acid, and tryptophan.

また、アミノ酸以外の(B)有機酸としては、アミド硫酸、ギ酸、乳酸、酢酸、酒石酸、フマル酸、グリコール酸、フタル酸、マレイン酸、シュウ酸、クエン酸、リンゴ酸、アントラニル酸、マロン酸、アルケニルコハク酸およびグルタル酸等が挙げられる。   (B) Organic acids other than amino acids include amidosulfuric acid, formic acid, lactic acid, acetic acid, tartaric acid, fumaric acid, glycolic acid, phthalic acid, maleic acid, oxalic acid, citric acid, malic acid, anthranilic acid, malonic acid. Alkenyl succinic acid, glutaric acid and the like.

以上例示した有機酸以外の(B)有機酸として、少なくとも1個のN原子を含む複素六員環を含む有機酸、複素五員環からなるヘテロ環化合物を含む有機酸等が挙げられる。より具体的には、キナルジン酸、キノリン酸、8−キノリノール、8−アミノキノリン、キノリン−8−カルボン酸、2−ピリジンカルボン酸、インドールカルボン酸、キサンツレン酸、キヌレン酸、ベンゾトリアゾール、ベンゾイミダゾール、7−ヒドリキシ−5−メチル−1,3,4−トリアザインドリジン、アロプリノール、ヒポキサンチン、ニコチン酸、ピコリン酸、ピコリン酸メチルおよびピコリオン酸等が挙げられる。   Examples of the organic acid (B) other than the organic acids exemplified above include organic acids containing a heterocyclic 6-membered ring containing at least one N atom, organic acids containing a heterocyclic compound consisting of a heterocyclic 5-membered ring, and the like. More specifically, quinaldic acid, quinolinic acid, 8-quinolinol, 8-aminoquinoline, quinoline-8-carboxylic acid, 2-pyridinecarboxylic acid, indolecarboxylic acid, xanthurenic acid, quinurenic acid, benzotriazole, benzimidazole, Examples include 7-hydroxy-5-methyl-1,3,4-triazaindolizine, allopurinol, hypoxanthine, nicotinic acid, picolinic acid, methyl picolinate, and picolinic acid.

前記(B)有機酸の含有量は、使用時における化学機械研磨用水系分散体の全質量に対して、好ましくは0.001質量%以上3.0質量%以下であり、より好ましくは0.01質量%以上2.0質量%以下である。前記(B)有機酸の含有量が前記範囲未満の場合には、銅膜のディッシングを30nm以下に抑制できないことがある。一方、前記(B)有機酸の含有量が前記範囲を越えると、化学機械研磨用水系分散体が凝集するおそれがある。   The content of the (B) organic acid is preferably 0.001% by mass or more and 3.0% by mass or less, more preferably 0.001% by mass or less, with respect to the total mass of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion in use. It is 01 mass% or more and 2.0 mass% or less. When the content of the (B) organic acid is less than the above range, dishing of the copper film may not be suppressed to 30 nm or less. On the other hand, if the content of the organic acid (B) exceeds the above range, the chemical mechanical polishing aqueous dispersion may aggregate.

1.3 その他の添加剤
1.3.1 酸化剤
本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、必要に応じて酸化剤を含有することができる。前記酸化剤としては、例えば、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム、過酸化水素、硝酸第二鉄、硝酸二アンモニウムセリウム、硫酸鉄、オゾン、次亜塩素酸とその塩、過ヨウ素酸カリウム、および過酢酸等が挙げられる。これらの酸化剤は1種単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。また、これらの酸化剤のうち、酸化力、保護膜との相性および取り扱いやすさ等を考慮すると、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウムおよび過酸化水素が特に好ましい。前記酸化剤の含有量は、化学機械研磨用水系分散体の全質量に対して、好ましくは0.05質量%以上5質量%以下であり、より好ましくは0.08質量%以上3質量%以下である。酸化剤の含有量が前記範囲未満の場合には、十分な研磨速度を確保できないことがあり、一方、前記範囲を越えると、銅膜などの金属膜の腐食やディッシングが大きくなるおそれがある。
1.3 Other Additives 1.3.1 Oxidizing Agent The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to this embodiment may contain an oxidizing agent as necessary. Examples of the oxidizing agent include ammonium persulfate, potassium persulfate, hydrogen peroxide, ferric nitrate, diammonium cerium nitrate, iron sulfate, ozone, hypochlorous acid and its salts, potassium periodate, and peracetic acid. Etc. These oxidizing agents can be used alone or in combination of two or more. Of these oxidizing agents, ammonium persulfate, potassium persulfate and hydrogen peroxide are particularly preferred in view of oxidizing power, compatibility with the protective film, ease of handling, and the like. The content of the oxidizing agent is preferably 0.05% by mass or more and 5% by mass or less, more preferably 0.08% by mass or more and 3% by mass or less, with respect to the total mass of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. It is. When the content of the oxidizing agent is less than the above range, a sufficient polishing rate may not be ensured. On the other hand, when the content exceeds the above range, corrosion or dishing of a metal film such as a copper film may increase.

1.3.2 水溶性高分子
本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、必要に応じて水溶性高分子を含有することができる。本実施形態に併用することのできる水溶性高分子としては、例えば、ポリアクリル酸およびその塩、ポリメタクリル酸およびその塩、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド等が挙げられる。これらの水溶性高分子は、GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)によって測定された、ポリエチレングリコール換算の重量平均分子量(Mw)が5万を超え、好ましくは20万を超えて500万以下、より好ましくは50万〜250万である。重量平均分子量が前記範囲にあると、研磨摩擦を低減することができ、金属膜ディッシングや金属膜コロージョンを抑制することができる。また、金属膜を安定して研磨できる。重量平均分子量が前記下限より小さいと研磨摩擦の低減や金属膜ディッシングや金属膜コロージョンの抑制効果に劣る。また、重量平均分子量が大きすぎると化学機械研磨用水系分散体の安定性が悪くなったり、また、化学機械研磨用水系分散体の粘度が過度に上昇して、研磨液供給装置に負荷がかかったりする等の問題が生じることがある。
1.3.2 Water-soluble polymer The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to this embodiment may contain a water-soluble polymer, if necessary. Examples of water-soluble polymers that can be used in combination with the present embodiment include polyacrylic acid and salts thereof, polymethacrylic acid and salts thereof, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, and polyacrylamide. These water-soluble polymers have a polyethylene glycol equivalent weight average molecular weight (Mw) measured by GPC (gel permeation chromatography) of more than 50,000, preferably more than 200,000 and less than 5 million, more preferably Is between 500,000 and 2.5 million. When the weight average molecular weight is in the above range, polishing friction can be reduced, and metal film dishing and metal film corrosion can be suppressed. In addition, the metal film can be polished stably. When the weight average molecular weight is smaller than the lower limit, the polishing friction is reduced and the effect of suppressing metal film dishing or metal film corrosion is poor. In addition, if the weight average molecular weight is too large, the stability of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion is deteriorated, or the viscosity of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion is excessively increased, which places a load on the polishing liquid supply device. Problems may occur.

前記水溶性高分子の含有量は、化学機械研磨用水系分散体の全質量に対して、好ましくは0.001質量%以上1.0質量%以下であり、より好ましくは0.01質量%以上0.5質量%以下である。水溶性高分子の含有量が前記範囲未満であると、銅膜のディッシングを効果的に抑制することができない。一方、水溶性高分子の含有量が前記範囲を超えると、シリカ粒子の凝集や研磨速度の低下を引き起こすことがある。   The content of the water-soluble polymer is preferably 0.001% by mass or more and 1.0% by mass or less, more preferably 0.01% by mass or more, based on the total mass of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. 0.5% by mass or less. If the content of the water-soluble polymer is less than the above range, dishing of the copper film cannot be effectively suppressed. On the other hand, when the content of the water-soluble polymer exceeds the above range, the silica particles may be aggregated or the polishing rate may be reduced.

1.3.3 界面活性剤
本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体には、必要に応じて、非イオン性界面活性剤、アニオン界面活性剤またはカチオン界面活性剤を含有することができる。
1.3.3 Surfactant The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to this embodiment may contain a nonionic surfactant, an anionic surfactant, or a cationic surfactant as necessary. .

前記非イオン性界面活性剤としては、例えば、三重結合を有する非イオン性界面活性剤が挙げられる。具体的には、アセチレングリコールおよびそのエチレンオキサイド付加物、アセチレンアルコール等が挙げられる。また、シリコーン系界面活性剤、ポリビニルアルコール、シクロデキストリン、ポリビニルメチルエーテル、およびヒドロキシエチルセルロース等も挙げられる。   As said nonionic surfactant, the nonionic surfactant which has a triple bond is mentioned, for example. Specifically, acetylene glycol and its ethylene oxide adduct, acetylene alcohol, etc. are mentioned. Also included are silicone surfactants, polyvinyl alcohol, cyclodextrin, polyvinyl methyl ether, and hydroxyethyl cellulose.

前記アニオン界面活性剤としては、例えば、カルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸エステル塩、リン酸エステル塩等が挙げられる。カルボン酸塩としては、例えば、脂肪酸石鹸、アルキルエーテルカルボン酸塩、アルケニルコハク酸塩等が挙げられる。スルホン酸塩としては、例えば、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩等が挙げられる。硫酸エステル塩としては、例えば、高級アルコール硫酸エステル塩、アルキルエーテル硫酸塩、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル硫酸塩等が挙げられる。リン酸エステル塩としては、例えば、アルキルリン酸エステル塩等が挙げられる。   Examples of the anionic surfactant include carboxylate, sulfonate, sulfate ester salt, phosphate ester salt and the like. Examples of the carboxylate include fatty acid soap, alkyl ether carboxylate, and alkenyl succinate. Examples of the sulfonate include alkyl benzene sulfonate, alkyl naphthalene sulfonate, α-olefin sulfonate, and the like. Examples of sulfate salts include higher alcohol sulfate salts, alkyl ether sulfate salts, polyoxyethylene alkylphenyl ether sulfate salts, and the like. Examples of the phosphate ester salt include alkyl phosphate ester salts.

前記カチオン界面活性剤としては、例えば、脂肪族アミン塩および脂肪族アンモニウム塩等が挙げられる。これらの界面活性剤は、1種単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。   Examples of the cationic surfactant include aliphatic amine salts and aliphatic ammonium salts. These surfactants can be used singly or in combination of two or more.

前記界面活性剤の含有量は、化学機械研磨用水系分散体の全質量に対して、好ましくは0.001質量%以上1.0質量%以下であり、より好ましくは0.005質量%以上0.5質量%以下である。界面活性剤の含有量が前記範囲内にあると、適度な研磨速度と良好な被研磨面との両立を達成することができる。   The content of the surfactant is preferably 0.001% by mass or more and 1.0% by mass or less, more preferably 0.005% by mass or more and 0% by mass with respect to the total mass of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. .5% by mass or less. When the content of the surfactant is within the above range, it is possible to achieve both an appropriate polishing rate and a good surface to be polished.

2.化学機械研磨用水系分散体の製造方法
本発明では、水に、前記(A)シリカ粒子と、前記(B)有機酸を添加して化学機械研磨用水系分散体を製造し、これをそのまま化学機械研磨に使用してもよいが、各成分を高濃度で含有する化学機械研磨用水系分散体、すなわち濃縮された水系分散体を製造し、使用時にこれを所望の濃度に希釈して化学機械研磨に使用してもよい。
2. Method for Producing Chemical Mechanical Polishing Aqueous Dispersion In the present invention, the above (A) silica particles and (B) organic acid are added to water to produce a chemical mechanical polishing aqueous dispersion, and this is used as it is. Although it may be used for mechanical polishing, an aqueous dispersion for chemical mechanical polishing containing a high concentration of each component, that is, a concentrated aqueous dispersion is produced and diluted to a desired concentration at the time of use. It may be used for polishing.

また、以下に示す化学機械研磨用水系分散体調製用キットのように、前記成分のいずれかを含む複数の液(たとえば、2つまたは3つの液)を調製し、これらを使用時に混合して使用することもできる。この場合、複数の液を混合して化学機械研磨用水系分散体を調製した後、これを化学機械研磨装置に供給してもよいし、複数の液を個別に化学機械研磨装置に供給して定盤上で化学機械研磨用水系分散体を形成してもよい。   In addition, as shown in the chemical mechanical polishing aqueous dispersion preparation kit shown below, a plurality of liquids containing any of the above components (for example, two or three liquids) are prepared and mixed at the time of use. It can also be used. In this case, after preparing a chemical mechanical polishing aqueous dispersion by mixing a plurality of liquids, this may be supplied to the chemical mechanical polishing apparatus, or a plurality of liquids may be supplied individually to the chemical mechanical polishing apparatus. A chemical mechanical polishing aqueous dispersion may be formed on a surface plate.

2.1 化学機械研磨用水系分散体調製用キット
本発明に用いられる化学機械研磨用水系分散体調製用キット(以下、単に「キット」ともいう)は、水、前記(A)シリカ粒子を含む水系分散体である液(I)、および水および(B)有機酸を含む液(II)からなり、これらの液を混合して前記化学機械研磨用水系分散体を調製するためのキットである。
2.1 Chemical Mechanical Polishing Aqueous Dispersion Preparation Kit The chemical mechanical polishing aqueous dispersion preparation kit used in the present invention (hereinafter, also simply referred to as “kit”) includes water and (A) silica particles. The kit comprises a liquid (I) that is an aqueous dispersion, and a liquid (II) containing water and (B) an organic acid, and the liquid dispersion for chemical mechanical polishing is prepared by mixing these liquids. .

前記液(I)および(II)における各成分の濃度は、これらの液を混合して最終的に調製される化学機械研磨用水系分散体中の各成分の濃度が前記範囲になる範囲であれば特に限定されない。例えば、各成分を化学機械研磨用水系分散体の濃度よりも高濃度で含有する液(I)および(II)を調製し、使用時に、必要に応じて液(I)および(II)を希釈して、これらを混合し、各成分の濃度が前記範囲にある化学機械研磨用水系分散体を調製する。具体的には、前記液(I)と(II)とを1:1の重量比で混合する場合には、化学機械研磨用水系分散体の濃度の2倍の濃度の液(I)および(II)を調製すればよい。また、化学機械研磨用水系分散体の濃度の2倍以上の濃度の液(I)および(II)を調製し、これらを1:1の重量比で混合した後、各成分が前記範囲となるように水で希釈してもよい。   The concentration of each component in the liquids (I) and (II) should be within the range where the concentration of each component in the chemical mechanical polishing aqueous dispersion finally prepared by mixing these liquids is within the above range. If it does not specifically limit. For example, liquids (I) and (II) containing each component at a concentration higher than the concentration of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion are prepared, and the liquids (I) and (II) are diluted as necessary at the time of use. Then, these are mixed to prepare a chemical mechanical polishing aqueous dispersion in which the concentration of each component is in the above range. Specifically, when the liquids (I) and (II) are mixed at a weight ratio of 1: 1, the liquids (I) and (I) having a concentration twice the concentration of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. II) may be prepared. Moreover, after preparing liquid (I) and (II) of the density | concentration of 2 times or more of the density | concentration of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, and mixing these by 1: 1 weight ratio, each component becomes the said range. You may dilute with water.

このように、液(I)と液(II)とを独立して調製することにより、化学機械研磨用水系分散体の保存安定性を向上させることができる。   Thus, the storage stability of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion can be improved by preparing the liquid (I) and the liquid (II) independently.

前記キットを使用する場合、研磨時に上記化学機械研磨用水系分散体が形成されていれば、液(I)と液(II)との混合の方法およびタイミングは特に限定されない。たとえば、液(I)と液(II)とを混合して前記化学機械研磨用水系分散体を調製した後、これを化学機械研磨装置に供給してもよいし、液(I)と液(II)とを独立して化学機械研磨装置に供給し、定盤上で混合してもよい。あるいは、液(I)と液(II)とを独立して化学機械研磨装置に供給し、装置内でライン混合してもよいし、化学機械研磨装置に混合タンクを設けて、混合タンク内で混合してもよい。また、ライン混合の際には、より均一な化学機械研磨用水系分散体を得るために、ラインミキサー等を用いてもよい。   When the kit is used, the mixing method and timing of the liquid (I) and the liquid (II) are not particularly limited as long as the chemical mechanical polishing aqueous dispersion is formed at the time of polishing. For example, after the liquid (I) and the liquid (II) are mixed to prepare the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, this may be supplied to the chemical mechanical polishing apparatus, or the liquid (I) and the liquid ( II) may be supplied independently to a chemical mechanical polishing apparatus and mixed on a surface plate. Alternatively, the liquid (I) and the liquid (II) may be independently supplied to the chemical mechanical polishing apparatus and mixed in line in the apparatus, or a mixing tank is provided in the chemical mechanical polishing apparatus, You may mix. In line mixing, a line mixer or the like may be used in order to obtain a more uniform chemical mechanical polishing aqueous dispersion.

3.化学機械研磨方法
本実施形態に係る化学機械研磨方法の一具体例について、図面を用いて詳細に説明する。
3. Chemical Mechanical Polishing Method A specific example of the chemical mechanical polishing method according to the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.

3.1 被処理体
図4に、本実施形態に係る化学機械研磨方法に用いられる被処理体100を示す。
3.1 Object to be processed FIG. 4 shows an object to be processed 100 used in the chemical mechanical polishing method according to the present embodiment.

(1)まず、低誘電率絶縁膜20を塗布法またはプラズマCVD法により形成する。低誘電率絶縁膜20として、無機絶縁膜および有機絶縁膜が挙げられる。無機絶縁膜としては、例えば、SiOF膜(k=3.5〜3.7)、Si−H含有SiO膜(k=2.8〜3.0)等が挙げられる。有機絶縁膜としては、カーボン含有SiO膜(k=2.7〜2.9)、メチル基含有SiO膜(k=2.7〜2.9)、ポリイミド系膜(k=3.0〜3.5)、パリレン系膜(k=2.7〜3.0)、テフロン(登録商標)系膜(k=2.0〜2.4)、アモルファスカーボン(k=<2.5)等が挙げられる(上記のkは誘電率を表す。)。 (1) First, the low dielectric constant insulating film 20 is formed by a coating method or a plasma CVD method. Examples of the low dielectric constant insulating film 20 include inorganic insulating films and organic insulating films. Examples of the inorganic insulating film include a SiOF film (k = 3.5 to 3.7), a Si—H containing SiO 2 film (k = 2.8 to 3.0), and the like. As the organic insulating film, a carbon-containing SiO 2 film (k = 2.7 to 2.9), a methyl group-containing SiO 2 film (k = 2.7 to 2.9), a polyimide film (k = 3.0). To 3.5), Parylene film (k = 2.7 to 3.0), Teflon (registered trademark) film (k = 2.0 to 2.4), amorphous carbon (k = <2.5) (Where k represents a dielectric constant).

(2)低誘電率絶縁膜20の上に、CVD法または熱酸化法を用いて絶縁膜30を形成する。絶縁膜30として、例えば、TEOS膜等が挙げられる。   (2) An insulating film 30 is formed on the low dielectric constant insulating film 20 by using a CVD method or a thermal oxidation method. Examples of the insulating film 30 include a TEOS film.

(3)低誘電率絶縁膜20および絶縁膜30を連通するようにエッチングして配線用凹部40を形成する。   (3) The wiring recess 40 is formed by etching the low dielectric constant insulating film 20 and the insulating film 30 so as to communicate with each other.

(4)CVD法を用いて絶縁膜30の表面ならびに配線用凹部40の底部および内壁面を覆うようにバリアメタル膜50を形成する。バリアメタル膜50は、銅膜との接着性および銅膜に対する拡散バリア性に優れる観点から、TaまたはTaNであることが好ましいが、これに限らずTi、TiN、Co、Mn、Ruなどでも良い。   (4) The barrier metal film 50 is formed using the CVD method so as to cover the surface of the insulating film 30 and the bottom and inner wall surface of the wiring recess 40. The barrier metal film 50 is preferably Ta or TaN from the viewpoint of excellent adhesion to the copper film and diffusion barrier properties with respect to the copper film, but is not limited to this and may be Ti, TiN, Co, Mn, Ru, or the like. .

(5)バリアメタル膜50の上に銅を堆積させて銅膜60を形成することにより、被処理体100が得られる。   (5) By depositing copper on the barrier metal film 50 to form the copper film 60, the workpiece 100 is obtained.

3.2 化学機械研磨方法
(1)まず、被処理体100のバリアメタル膜50の上に堆積した銅膜60を除去するために、銅膜用の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。図5に示すように、バリアメタル膜50が表出した時点で化学機械研磨をストップさせる。
3.2 Chemical Mechanical Polishing Method (1) First, in order to remove the copper film 60 deposited on the barrier metal film 50 of the object 100, the chemical mechanical polishing aqueous dispersion for the copper film is used. Perform mechanical polishing. As shown in FIG. 5, the chemical mechanical polishing is stopped when the barrier metal film 50 is exposed.

(2)次いで、本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体を用いて、バリアメタル膜50および銅膜60を同時に化学機械研磨する。図6に示すように、絶縁膜30が表出した後も、なお引き続き化学機械研磨を進めて絶縁膜30を除去する。図7に示すように、低誘電率絶縁膜20が表出した時点で化学機械研磨をストップさせることにより、半導体装置90が得られる。   (2) Next, using the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the present embodiment, the barrier metal film 50 and the copper film 60 are simultaneously subjected to chemical mechanical polishing. As shown in FIG. 6, even after the insulating film 30 is exposed, the chemical mechanical polishing is continued to remove the insulating film 30. As shown in FIG. 7, the semiconductor device 90 is obtained by stopping the chemical mechanical polishing when the low dielectric constant insulating film 20 is exposed.

本実施形態に係る化学機械研磨方法では、市販の化学機械研磨装置を用いることができる。市販の化学機械研磨装置として、例えば、荏原製作所社製、型式「EPO−112」、「EPO−222」;ラップマスターSFT社製、型式「LGP−510」、「LGP−552」;アプライドマテリアル社製、型式「Mirra」等が挙げられる。   In the chemical mechanical polishing method according to the present embodiment, a commercially available chemical mechanical polishing apparatus can be used. As a commercially available chemical mechanical polishing apparatus, for example, model “EPO-112”, “EPO-222” manufactured by Ebara Manufacturing Co., Ltd .; model “LGP-510”, “LGP-552” manufactured by Lapmaster SFT, Applied Materials Manufactured, model “Mirra” and the like.

好ましい研磨条件としては、使用する化学機械研磨装置により適宜設定されるべきであるが、例えば化学機械研磨装置として「EPO−112」を使用する場合には下記の条件とすることができる。
・定盤回転数;好ましくは30〜120rpm、より好ましくは40〜100rpm
・ヘッド回転数;好ましくは30〜120rpm、より好ましくは40〜100rpm
・定盤回転数/ヘッド回転数比;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60〜200gf/cm、より好ましくは100〜150gf/cm
・化学機械研磨用水系分散体供給速度;好ましくは50〜300mL/分、より好ましくは100〜200mL/分
4.実施例
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
Preferred polishing conditions should be appropriately set depending on the chemical mechanical polishing apparatus to be used. For example, when “EPO-112” is used as the chemical mechanical polishing apparatus, the following conditions can be used.
-Surface plate rotation speed: preferably 30-120 rpm, more preferably 40-100 rpm
Head rotation speed: preferably 30 to 120 rpm, more preferably 40 to 100 rpm
-Platen rotation speed / head rotation speed ratio; preferably 0.5-2, more preferably 0.7-1.5
Polishing pressure; preferably 60 to 200 gf / cm 2 , more preferably 100 to 150 gf / cm 2
-Chemical mechanical polishing aqueous dispersion supply rate; preferably 50 to 300 mL / min, more preferably 100 to 200 mL / min. Examples Hereinafter, the present invention will be described by way of examples. However, the present invention is not limited to these examples.

4.1 シリカ粒子分散体A〜Jの作製
3号水硝子(シリカ濃度24質量%)を水で希釈し、シリカ濃度3.0質量%の希釈ケイ酸ナトリウム水溶液とした。この希釈ケイ酸ナトリウム水溶液を、水素型陽イオン交換樹脂層を通過せしめ、ナトリウムイオンの大部分を除去したpH3.1の活性ケイ酸水溶液とした。その後、すぐに攪拌下10質量%の水酸化カリウム水溶液を加えてpHを7.2に調整し、さらに続けて加熱し沸騰させて3時間熱熟成した。得られた水溶液に、先に7.2にpH調整した活性ケイ酸水溶液の10倍量を6時間かけ少量ずつ添加し、シリカ粒子の平均粒径を26nmに成長させた。
4.1 Production of Silica Particle Dispersions A to J No. 3 water glass (silica concentration: 24% by mass) was diluted with water to obtain a diluted sodium silicate aqueous solution having a silica concentration of 3.0% by mass. The diluted sodium silicate aqueous solution was passed through a hydrogen-type cation exchange resin layer to obtain an active silicic acid aqueous solution of pH 3.1 from which most of the sodium ions were removed. Immediately after that, a 10% by mass aqueous potassium hydroxide solution was added with stirring to adjust the pH to 7.2, followed by further heating and boiling for 3 hours. To the resulting aqueous solution, 10 times the amount of the active silicic acid aqueous solution previously adjusted to pH 7.2 was added little by little over 6 hours to grow the average particle size of the silica particles to 26 nm.

次に、前記シリカ粒子を含有する分散体水溶液を沸点78℃で減圧濃縮し、シリカ濃度が32.0質量%、シリカの平均粒径:26nm、pH:9.8であるシリカ粒子分散体を得た。このシリカ粒子分散体を、再度水素型陽イオン交換樹脂層を通過させて、ナトリウムの大部分を除去した後、10質量%の水酸化カリウム水溶液を加え、シリカ粒子濃度:28.0質量%、pH:10.0であるシリカ粒子分散体Aを得た。   Next, the dispersion aqueous solution containing the silica particles was concentrated under reduced pressure at a boiling point of 78 ° C. to obtain a silica particle dispersion having a silica concentration of 32.0% by mass, an average particle diameter of silica: 26 nm, and pH: 9.8. Obtained. This silica particle dispersion was again passed through the hydrogen-type cation exchange resin layer to remove most of the sodium, and then added with a 10% by mass potassium hydroxide aqueous solution to obtain a silica particle concentration of 28.0% by mass, A silica particle dispersion A having a pH of 10.0 was obtained.

シリカ粒子分散体Aから遠心分離によりシリカ粒子を回収し、希フッ化水素酸でシリカ粒子を溶解し、ICP−MS(パーキンエルマー製、型番「ELAN DRC PLUS」)にてナトリウムとカリウムを測定した。さらにイオンクロマトグラフィー(DIONEX製、型番「ICS−1000」)を用いてアンモニウムイオンを測定した。その結果、ナトリウム含有量:88ppm、カリウム含有量:5500ppm、アンモニウムイオン含有量:5ppmであった。   Silica particles were recovered from the silica particle dispersion A by centrifugation, dissolved in dilute hydrofluoric acid, and sodium and potassium were measured by ICP-MS (manufactured by Perkin Elmer, model number “ELAN DRC PLUS”). . Furthermore, ammonium ion was measured using ion chromatography (manufactured by DIONEX, model number “ICS-1000”). As a result, the sodium content was 88 ppm, the potassium content was 5500 ppm, and the ammonium ion content was 5 ppm.

シリカ粒子分散体Aをイオン交換水にて0.01%に希釈し、メッシュサイズが150μmのCuグリットを有するコロジオン膜に1滴のせ、室温にて乾燥した。こうして、Cuグリット上に粒子形状を崩さないように観察用のサンプルを調製した後、透過型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製、「H−7650」)を用いて撮影倍率20000倍にて粒子の画像を撮影し、50個のコロイダルシリカ粒子を測定し、長径の平均値、短径の平均値を算出し、長径と短径の比率を算出した結果、Rmax/Rminは1.1であった。さらに、BET法を用いて測定した比表面積から算出した平均粒径は、26nmであった。なお、BET法によるコロイダルシリカ粒子の表面積測定では、シリカ粒子分散体Aを濃縮、乾固して回収されたシリカ粒子成分を測定した値を用いた。   Silica particle dispersion A was diluted to 0.01% with ion-exchanged water, dropped on a collodion membrane having Cu grit having a mesh size of 150 μm, and dried at room temperature. Thus, after preparing a sample for observation so as not to destroy the particle shape on the Cu grit, using a transmission electron microscope (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, “H-7650”) An image was taken, 50 colloidal silica particles were measured, the average value of the major axis and the average value of the minor axis were calculated, and the ratio of the major axis to the minor axis was calculated. As a result, Rmax / Rmin was 1.1. . Furthermore, the average particle diameter calculated from the specific surface area measured using the BET method was 26 nm. In addition, in the surface area measurement of the colloidal silica particle by BET method, the value which measured the silica particle component collect | recovered by concentrating and drying the silica particle dispersion A was used.

シリカ粒子分散体B〜Iは、熱熟成の時間、塩基性化合物の種類および添加量等をコントロールしながら上記と同様の方法により得たものである。   The silica particle dispersions B to I were obtained by the same method as described above while controlling the heat aging time, the type and amount of the basic compound, and the like.

シリカ粒子分散体Jについては、テトラエトキシシランを原料としたゾルゲル法によって調製したものである。   The silica particle dispersion J is prepared by a sol-gel method using tetraethoxysilane as a raw material.

表1に作製したシリカ粒子分散体A〜Jの物性値についてまとめた。   Table 1 summarizes the physical property values of the silica particle dispersions A to J produced.

Figure 2009212496
Figure 2009212496

4.2 水溶性高分子の合成
4.2.1 ポリビニルピロリドン(K−30)水溶液の調製
フラスコに、N−ビニル−2−ピロリドン60g、水240g、10質量%の亜硫酸ナトリウム水溶液0.3gおよび10質量%のt−ブチルヒドロパーオキシド水溶液0.3gを添加し60℃窒素雰囲気下で5時間撹拌することによりポリビニルピロリドン(K30)を生成させた。得られたポリビニルピロリドン(K30)をゲルパーミエーションクロマトグラフィー(東ソー社製、装置型番「HLC−8120」、カラム型番「TSK−GEL α−M」、溶離液はNaCl水溶液/アセトニトリル)にて測定した結果、ポリエチレングリコール換算の重量平均分子量(Mw)は4万であった。また、モノマーの仕込み量より計算されるアミノ基の量は0モル/gであり、カチオン性官能基の量は0モル/gであった。
4.2 Synthesis of water-soluble polymer 4.2.1 Preparation of aqueous solution of polyvinylpyrrolidone (K-30) In a flask, 60 g of N-vinyl-2-pyrrolidone, 240 g of water, 0.3 g of a 10% by mass sodium sulfite aqueous solution and Polyvinylpyrrolidone (K30) was produced by adding 0.3 g of a 10% by mass aqueous t-butyl hydroperoxide solution and stirring for 5 hours under a nitrogen atmosphere at 60 ° C. The obtained polyvinylpyrrolidone (K30) was measured by gel permeation chromatography (manufactured by Tosoh Corporation, apparatus model number “HLC-8120”, column model number “TSK-GEL α-M”, eluent is NaCl aqueous solution / acetonitrile). As a result, the weight average molecular weight (Mw) in terms of polyethylene glycol was 40,000. Further, the amount of amino group calculated from the charged amount of monomer was 0 mol / g, and the amount of cationic functional group was 0 mol / g.

4.2.2 ポリアクリル酸の合成
イオン交換水1000gおよび5質量%過硫酸アンモニウム水溶液1gを仕込んだ内容積2リットルの容器中に、20質量%のアクリル酸水溶液500gを70℃還流下で撹拌しながら8時間かけて均等に滴下した。滴下終了後、更に2時間還流下で保持することにより、ポリアクリル酸を含む水溶液を得た。得られたポリアクリル酸をゲルパーミエーションクロマトグラフィー(東ソー社製、装置型番「HLC−8120」、カラム型番「TSK−GEL α−M」、溶離液はNaCl水溶液/アセトニトリル)にて測定した結果、ポリエチレングリコール換算の重量平均分子量(Mw)は100万であった。
4.2.2 Synthesis of polyacrylic acid 500 g of 20% by mass acrylic acid aqueous solution was stirred at 70 ° C. under reflux in a 2 liter internal container charged with 1000 g of ion exchange water and 1 g of 5% by mass ammonium persulfate aqueous solution. Then, it was added dropwise evenly over 8 hours. After completion of the dropwise addition, the solution was further kept under reflux for 2 hours to obtain an aqueous solution containing polyacrylic acid. As a result of measuring the obtained polyacrylic acid by gel permeation chromatography (manufactured by Tosoh Corporation, apparatus model number “HLC-8120”, column model number “TSK-GEL α-M”, eluent is NaCl aqueous solution / acetonitrile), The weight average molecular weight (Mw) in terms of polyethylene glycol was 1,000,000.

また、上記成分の添加量、反応温度、および反応時間を適宜調整することにより、重量平均分子量(Mw)20万のポリアクリル酸を得た。   Moreover, the polyacrylic acid with a weight average molecular weight (Mw) of 200,000 was obtained by adjusting the addition amount of the said component, reaction temperature, and reaction time suitably.

4.3 化学機械研磨用水系分散体の調製
イオン交換水を50質量部、シリカに換算して5質量部を含有するシリカ粒子分散体Aをポリエチレン製の瓶に入れ、これにマロン酸を1質量部、キナルジン酸を0.2質量部、アセチレンジオール型ノニオン系界面活性剤(商品名「サーフィノール485」、エアープロダクト社製)を0.1質量部、ポリアクリル酸水溶液(重量平均分子量20万)をポリマー量に換算して0.05質量部に相当する量添加し、さらに10質量%の水酸化カリウム水溶液を添加して化学機械研磨用水系分散体のpHを10.0に調整した。次いで30質量%の過酸化水素水を過酸化水素に換算して0.2質量部に相当する量を添加し、15分間攪拌した。最後に、全成分の合計量が100質量部となるようにイオン交換水を加えた後、孔径5μmのフィルターで濾過することにより、pHが10.0の研磨用水系分散体S1を得た。
4.3 Preparation of Chemical Mechanical Polishing Aqueous Dispersion Silica Particle Dispersion A containing 50 parts by mass of ion-exchanged water and 5 parts by mass in terms of silica is placed in a polyethylene bottle, and malonic acid is added to this. Part by mass, 0.2 part by mass of quinaldic acid, 0.1 part by mass of an acetylenic diol type nonionic surfactant (trade name “Surfinol 485”, manufactured by Air Products), and an aqueous polyacrylic acid solution (weight average molecular weight 20) Is added in an amount corresponding to 0.05 parts by mass in terms of polymer amount, and further 10% by mass of potassium hydroxide aqueous solution is added to adjust the pH of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion to 10.0. . Next, 30% by mass of hydrogen peroxide solution was added in an amount corresponding to 0.2 parts by mass in terms of hydrogen peroxide, and stirred for 15 minutes. Finally, ion-exchanged water was added so that the total amount of all components was 100 parts by mass, and then filtered through a filter having a pore diameter of 5 μm, thereby obtaining a polishing aqueous dispersion S1 having a pH of 10.0.

化学機械研磨用水系分散体S1から遠心分離によりシリカ粒子成分を回収、希フッ化水素酸でシリカ粒子を溶解、ICP−MS(パーキンエルマー製、型番「ELAN DRC PLUS」)にてナトリウムとカリウムを測定し、さらにイオンクロマトグラフィー(DIONEX製、型番「ICS−1000」)にてアンモニウムイオンを測定した結果、ナトリウム含有量:88ppm、カリウム含有量:5500ppm、アンモニウムイオン含有量:5ppmであった。この結果より、化学機械研磨用水系分散体から回収することによってもシリカ粒子に含まれるナトリウム、カリウム、アンモニウムイオンを定量することが可能であった。   Silica particle components are recovered from the chemical mechanical polishing aqueous dispersion S1 by centrifugation, the silica particles are dissolved with dilute hydrofluoric acid, and sodium and potassium are added by ICP-MS (manufactured by PerkinElmer, model number “ELAN DRC PLUS”). As a result of measuring and further measuring ammonium ion by ion chromatography (manufactured by DIONEX, model number “ICS-1000”), the sodium content was 88 ppm, the potassium content was 5500 ppm, and the ammonium ion content was 5 ppm. From this result, it was possible to quantify the sodium, potassium and ammonium ions contained in the silica particles also by recovering from the chemical mechanical polishing aqueous dispersion.

化学機械研磨用水系分散体S2〜S11は、シリカ粒子分散体、有機酸、その他の添加剤の種類および含有量を表2〜表3に記載のとおりに変更したこと以外は、上記の化学機械研磨用水系分散体S1と同様にして作製した。なお、表2〜表3において、「アルキルエーテル型ノニオン系界面活性剤」は、商品名「エマルゲン104P」(花王社製、ポリオキシエチレンラウリルエーテル)を用いた。表2〜表3において、アセチレンジオール型ノニオン系界面活性剤は、商品名「サーフィノール485」(エアープロダクト社製、2,4,7,9−テトラメチル−5−デシン−4,7−ジオール−ジポリオキシエチレンエーテル)を用いた。   Chemical mechanical polishing aqueous dispersions S2 to S11 are the same as those described above except that the types and contents of silica particle dispersion, organic acid, and other additives are changed as shown in Tables 2 to 3. It was produced in the same manner as the polishing aqueous dispersion S1. In Tables 2 to 3, the trade name “Emulgen 104P” (manufactured by Kao Corporation, polyoxyethylene lauryl ether) was used as the “alkyl ether type nonionic surfactant”. In Tables 2 to 3, the acetylenic diol type nonionic surfactant is trade name “Surfinol 485” (manufactured by Air Products, 2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7-diol. -Dipolyoxyethylene ether).

Figure 2009212496
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Figure 2009212496
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4.4 化学機械研磨用水系分散体の安定性試験
得られた化学機械研磨用水系分散体S1〜S11を100ccのガラス管に入れ、25℃で6ヶ月静置保管し、沈降の有無を目視により確認した。結果を表2〜表3に示す。表2〜表3において、粒子の沈降および濃淡差が認められない場合を「○」、濃淡差のみが認められた場合を「△」、粒子の沈降および濃淡差のいずれも認められた場合を「×」と評価した。
4.4 Stability Test of Chemical Mechanical Polishing Aqueous Dispersion The obtained chemical mechanical polishing aqueous dispersions S1 to S11 are placed in a 100 cc glass tube, stored at 25 ° C. for 6 months, and visually checked for sedimentation. Confirmed by The results are shown in Tables 2 to 3. In Tables 2 to 3, when the particle sedimentation and the difference in density are not recognized, “◯”, when only the density difference is recognized as “Δ”, when both the particle sedimentation and the density difference are recognized. Evaluated as “x”.

4.5 化学機械研磨試験
4.5.1 パターンなし基板の研磨評価
化学機械研磨装置(荏原製作所社製、型式「EPO112」)に多孔質ポリウレタン製研磨パッド(ニッタ・ハース社製、品番「IC1000」)を装着し、化学機械研磨用水系分散体S1〜S11のいずれか1種を供給しながら、下記の各種研磨速度測定用基板につき、下記研磨条件にて1分間化学機械研磨処理を行い、下記の手法によって研磨速度、ウエハ汚染を評価した。その結果を表2〜表3に併せて示す。
4.5 Chemical Mechanical Polishing Test 4.5.1 Polishing Evaluation of Unpatterned Substrate Chemical Mechanical Polishing Equipment (Ebara Seisakusho, Model “EPO112”) and Porous Polyurethane Polishing Pad (Nitta Haas, Part Number “IC1000”) )) And supplying any one of chemical mechanical polishing aqueous dispersions S1 to S11, the following various polishing rate measurement substrates are subjected to chemical mechanical polishing treatment for 1 minute under the following polishing conditions. The polishing rate and wafer contamination were evaluated by the following methods. The results are also shown in Tables 2 to 3.

4.5.1a 研磨速度の測定
(i)研磨速度測定用基板
・膜厚15,000オングストロームの銅膜が積層された8インチ熱酸化膜付きシリコン基板。
・膜厚2,000オングストロームのタンタル膜が積層された8インチ熱酸化膜付きシリコン基板。
・膜厚10,000オングストロームの低誘電率絶縁膜(アプライド・マテリアルズ社製、商品名「Black Diamond」)が積層された8インチシリコン基板。
・膜厚10,000オングストロームのPETEOS膜が積層された8インチシリコン基板。
4.5.1a Polishing Rate Measurement (i) Polishing Rate Measurement Substrate. A silicon substrate with an 8-inch thermal oxide film on which a copper film having a thickness of 15,000 angstroms is laminated.
A silicon substrate with an 8-inch thermal oxide film on which a tantalum film having a thickness of 2,000 angstroms is laminated.
An 8-inch silicon substrate on which a low dielectric constant insulating film (made by Applied Materials, trade name “Black Diamond”) having a thickness of 10,000 Å is laminated.
An 8-inch silicon substrate on which a 10,000 Å thick PETEOS film is laminated.

(ii)研磨条件
・ヘッド回転数:70rpm
・ヘッド荷重:200gf/cm
・テーブル回転数:70rpm
・化学機械研磨用水系分散体の供給速度:200mL/分
(iii)研磨速度の算出方法
銅膜およびタンタル膜については、電気伝導式膜厚測定器(KLAテンコール社製、形式「オムニマップRS75」)を用いて、研磨処理後の膜厚を測定し、化学機械研磨により減少した膜厚および研磨時間から研磨速度を算出した。銅膜の研磨速度は、好ましくは200オングストローム/分以上であり、より好ましくは400オングストローム/分以上である。
(Ii) Polishing conditions and head rotation speed: 70 rpm
Head load: 200 gf / cm 2
・ Table rotation speed: 70rpm
-Supply rate of chemical mechanical polishing aqueous dispersion: 200 mL / min (iii) Calculation method of polishing rate For copper film and tantalum film, electric conductivity type film thickness measuring instrument (model "Omnimap RS75" manufactured by KLA Tencor) ) Was used to measure the film thickness after polishing, and the polishing rate was calculated from the film thickness decreased by chemical mechanical polishing and the polishing time. The polishing rate of the copper film is preferably 200 angstrom / min or more, more preferably 400 angstrom / min or more.

PETEOS膜および低誘電率絶縁層については、光干渉式膜厚測定器(ナノメトリクス・ジャパン社製、型式「Nano Spec 6100」)を用いて研磨処理後の膜厚を測定し、化学機械研磨により減少した膜厚および研磨時間から研磨速度を算出した。   For the PETEOS film and the low dielectric constant insulating layer, the film thickness after the polishing treatment is measured using an optical interference type film thickness measuring instrument (manufactured by Nanometrics Japan, model “Nano Spec 6100”). The polishing rate was calculated from the reduced film thickness and polishing time.

4.5.1b ウエハ汚染
前記「4.5.1a 研磨速度の測定」と同様にして、PETEOS膜およびBD膜を研磨処理した。PETEOS膜については、基板を気相分解処理し、表面に希フッ化水素酸を滴下し表面酸化膜を溶解した後、その溶解した液をICP−MS(パーキンエルマー社製、型番「ELAN DRC PLUS」)にて定量した。BD膜については、基板表面に超純水を滴下し、BD膜表面の残留金属を抽出した後、抽出液をICP−MS(横河アナリティカルシステムズ製、型番「Agilent7500s」)にて定量した。ウエハ汚染は、3.0atom/cm以下であることが好ましく、2.5atom/cm以下であることがより好ましい。
4.5.1b Wafer Contamination The PETEOS film and the BD film were polished in the same manner as in “4.5.1a Measurement of polishing rate”. For the PETEOS film, the substrate was subjected to vapor phase decomposition treatment, diluted hydrofluoric acid was dropped on the surface to dissolve the surface oxide film, and the dissolved liquid was then added to ICP-MS (manufactured by PerkinElmer, model number “ELAN DRC PLUS”). )). For the BD film, ultrapure water was dropped on the surface of the substrate to extract the residual metal on the surface of the BD film, and then the extract was quantified by ICP-MS (manufactured by Yokogawa Analytical Systems, model number “Agilent 7500s”). Wafer contamination, is preferably 3.0atom / cm 2 or less, and more preferably 2.5atom / cm 2 or less.

4.5.2 パターン付きウエハの研磨評価
化学機械研磨装置(荏原製作所社製、型式「EPO112」)に多孔質ポリウレタン製研磨パッド(ニッタ・ハース社製、品番「IC1000」)を装着し、化学機械研磨用水系分散体S1〜S11のいずれか1種を供給しながら、下記のパターン付きウエハにつき、下記の研磨条件にて研磨処理を行い、下記の手法によって平坦性、欠陥の有無を評価した。その結果を表2〜表3に併せて示す。
4.5.2 Polishing Evaluation of Patterned Wafers A chemical polishing machine (Ebara Corporation, model “EPO112”) is equipped with a porous polyurethane polishing pad (Nitta Haas, product number “IC1000”). While supplying any one of the mechanical polishing aqueous dispersions S1 to S11, the following patterned wafer was polished under the following polishing conditions, and the flatness and the presence or absence of defects were evaluated by the following methods. . The results are also shown in Tables 2 to 3.

(1)パターン付きウエハ
シリコン基板上にシリコン窒化膜1,000オングストロームを堆積させ、その上に低誘電率絶縁膜(Black Diamond膜)を4,500オングストローム、更にPETEOS膜を500オングストローム順次積層させた後、「SEMATECH 854」マスクパターン加工し、その上に250オングストロームのタンタル膜、1,000オングストロームの銅シード膜および10,000オングストロームの銅メッキ膜を順次積層させたテスト用の基板を用いた。
(1) Patterned wafer A silicon nitride film having a thickness of 1,000 angstroms was deposited on a silicon substrate, and a low dielectric constant insulating film (black diamond film) was sequentially laminated on the film to 4,500 angstroms, and further a PETEOS film having a thickness of 500 angstroms. Thereafter, a “SEMATECH 854” mask pattern was processed, and a test substrate in which a 250 angstrom tantalum film, a 1,000 angstrom copper seed film and a 10,000 angstrom copper plating film were sequentially laminated thereon was used.

(2)第1の研磨処理工程の研磨条件
・第1の研磨処理工程用の化学機械研磨用水系分散体としては、「CMS7401」、「CMS7452」(いずれもJSR(株)製)、イオン交換水、および4質量%過硫酸アンモニウム水溶液を質量比1:1:2:4の割合で混合したものを用いた。
・ヘッド回転数:70rpm
・ヘッド荷重:200gf/cm
・テーブル回転数:70rpm
・化学機械研磨水系分散体の供給速度:200mL/分
この場合における化学機械研磨用水系分散体の供給速度とは、全供給液の供給量の合計を単位時間当たりで割り付けた値をいう。
・研磨時間:2.75分
(3)第2の研磨処理工程の研磨条件
・第2の研磨処理工程用の水系分散体としては、化学機械研磨用水系分散体S1〜S11を用いた。
・ヘッド回転数:70rpm
・ヘッド荷重:200gf/cm
・テーブル回転数:70rpm
・化学機械研磨水系分散体の供給速度:200mL/分
この場合における化学機械研磨用水系分散体の供給速度とは、全供給液の供給量の合計を単位時間当たりで割り付けた値をいう。
・研磨時間:被研磨面からPETEOS膜が除去される時点から、さらに30秒研磨を行った時点を研磨終点とし、表2〜表3に「パターン付きウエハ研磨時間」として記載した。
(2) Polishing conditions for the first polishing treatment step / Chemical mechanical polishing aqueous dispersion for the first polishing treatment step includes “CMS7401”, “CMS7452” (both manufactured by JSR Corporation), ion exchange A mixture of water and a 4% by mass aqueous ammonium persulfate solution at a mass ratio of 1: 1: 2: 4 was used.
-Head rotation speed: 70 rpm
Head load: 200 gf / cm 2
・ Table rotation speed: 70rpm
-Supply speed of chemical mechanical polishing aqueous dispersion: 200 mL / min In this case, the supply speed of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion refers to a value obtained by assigning the total supply amount of all supply liquids per unit time.
Polishing time: 2.75 minutes (3) Polishing conditions of the second polishing treatment step As the aqueous dispersion for the second polishing treatment step, chemical mechanical polishing aqueous dispersions S1 to S11 were used.
-Head rotation speed: 70 rpm
Head load: 200 gf / cm 2
・ Table rotation speed: 70rpm
-Supply speed of chemical mechanical polishing aqueous dispersion: 200 mL / min In this case, the supply speed of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion refers to a value obtained by assigning the total supply amount of all supply liquids per unit time.
Polishing time: The time at which polishing was further performed for 30 seconds from the time when the PETEOS film was removed from the surface to be polished was defined as a polishing end point, and Table 2 to Table 3 described as “patterned wafer polishing time”.

4.5.2a 平坦性評価
第2の研磨処理工程後のパターン付きウエハの被研磨面につき、高解像度プロファイラー(KLAテンコール社製、形式「HRP240ETCH」)を用いて、銅配線幅(ライン、L)/絶縁膜幅(スペース、S)がそれぞれ100μm/100μmの銅配線部分におけるディッシング量(nm)を測定した。その結果を表2〜表3に併せて示す。なお、ディッシング量は、銅配線上面が基準面(絶縁膜上面)よりも上に凸である場合はマイナスで表示した。ディッシング量は、−5〜30nmであることが好ましく、−2〜20nmであることがより好ましい。
4.5.2a Flatness Evaluation For the surface to be polished of the patterned wafer after the second polishing process step, a copper wiring width (line, L) is used by using a high-resolution profiler (model “HRP240ETCH” manufactured by KLA Tencor). ) / Insulating film width (space, S) was measured for dishing amount (nm) in copper wiring portions of 100 μm / 100 μm, respectively. The results are also shown in Tables 2 to 3. It should be noted that the dishing amount is displayed as negative when the upper surface of the copper wiring is convex above the reference surface (upper surface of the insulating film). The dishing amount is preferably -5 to 30 nm, more preferably -2 to 20 nm.

第2の研磨処理工程後のパターン付きウエハの被研磨面につき、銅配線幅(ライン、L)/絶縁膜幅(スペース、S)がそれぞれ9μm/1μmのパターンにおける微細配線長が1000μm連続した部分におけるエロージョン量(nm)を測定した。その結果を表2〜表3に併せて示す。なお、エロージョン量は、銅配線上面が基準面(絶縁膜上面)よりも上に凸である場合はマイナスで表示した。エロージョン量は、−5〜30nmであることが好ましく、−2〜20nm以下であることがより好ましい。   The portion where the fine wiring length in the pattern in which the copper wiring width (line, L) / insulating film width (space, S) is 9 μm / 1 μm, respectively, is 1000 μm on the surface to be polished of the patterned wafer after the second polishing process. The amount of erosion (nm) was measured. The results are also shown in Tables 2 to 3. Note that the erosion amount is indicated by a minus value when the upper surface of the copper wiring is convex above the reference surface (upper surface of the insulating film). The amount of erosion is preferably −5 to 30 nm, and more preferably −2 to 20 nm.

4.5.2b 欠陥評価
第2の研磨処理後のパターン付きウエハの被研磨面を、欠陥検査装置(KLAテンコール社製、形式「2351」)を使用して研磨傷(スクラッチ)の数を測定した。その結果を表2〜表3に併せて示す。表2〜表3において、ウエハ一枚あたりのスクラッチ個数を「個/ウエハ」という単位を付して記す。スクラッチ個数は、100個/ウエハ未満であることが好ましい。
4.5.2b Defect Evaluation Measure the number of polishing scratches (scratches) on the polished surface of the patterned wafer after the second polishing process using a defect inspection device (model “2351” manufactured by KLA Tencor). did. The results are also shown in Tables 2 to 3. In Tables 2 to 3, the number of scratches per wafer is described with the unit “piece / wafer”. The number of scratches is preferably less than 100 / wafer.

4.5.3 評価結果
表2〜表3によれば、実施例1〜5の化学機械研磨用水系分散体を用いることにより、研磨速度測定用基板の研磨試験では、ウエハ汚染を引き起こすことなく、Cu膜、Ta膜およびTEOS膜に対して高い研磨速度が得られた。パターン付きウエハの研磨試験では、被研磨面におけるスクラッチの発生を抑制することができ、かつ、高度な平坦性を有する被研磨面を効率良く得ることができることがわかった。
4.5.3 Evaluation Results According to Tables 2 to 3, by using the chemical mechanical polishing aqueous dispersions of Examples 1 to 5, in the polishing test for the polishing rate measuring substrate, without causing wafer contamination. A high polishing rate was obtained for the Cu film, Ta film and TEOS film. In the polishing test of the patterned wafer, it was found that generation of scratches on the surface to be polished can be suppressed, and a surface to be polished having a high level of flatness can be obtained efficiently.

これに対して、比較例1で使用したS6は、ナトリウム含有量が11250ppmと高いシリカ粒子分散体Fを使用しているために、研磨速度測定用基板の研磨試験ではウエハ汚染が発生し、好ましくないことは明らかであった。   On the other hand, since S6 used in Comparative Example 1 uses the silica particle dispersion F having a high sodium content of 11250 ppm, wafer contamination occurs in the polishing test of the polishing rate measuring substrate, which is preferable. It was clear that there was no.

比較例2で使用したS7は、カリウムあるいはアンモニウムイオンの含有量が少ないシリカ粒子分散体Gを使用しているために、シリカ粒子の保存安定性が悪かった。これにより、パターン付きウエハの研磨試験では、スクラッチが多数発生し、良好な被研磨面が得られなかった。   Since S7 used in Comparative Example 2 uses the silica particle dispersion G having a low potassium or ammonium ion content, the storage stability of the silica particles was poor. As a result, in the polishing test of the patterned wafer, many scratches were generated, and a good polished surface could not be obtained.

比較例3で使用したS8は、ナトリウム濃度が700ppmと高いシリカ粒子分散体Hを使用しているために、研磨速度測定用基板の研磨試験ではウエハ汚染が発生し、好ましくなかった。パターン付きウエハの研磨試験では、シリカ粒子の平均粒径が5nmと小さいために、特にCu膜に対する研磨速度が低く、パターン付きウエハの研磨に長時間を要し効率的でないことがわかった。また、スクラッチも多数発生し、良好な被研磨面が得られなかった。   S8 used in Comparative Example 3 was not preferable because it used a silica particle dispersion H having a high sodium concentration of 700 ppm, which caused wafer contamination in the polishing test for the polishing rate measuring substrate. In the polishing test of the patterned wafer, it was found that since the average particle diameter of the silica particles was as small as 5 nm, the polishing rate for the Cu film was particularly low, and it took a long time to polish the patterned wafer and was not efficient. In addition, many scratches were generated, and a good polished surface could not be obtained.

比較例4で使用したS9は、カリウムあるいはアンモニウムイオンの含有量が少なく、かつ、シリカ粒子の平均粒径が110nmと大きいシリカ粒子分散体Iを使用しているため、シリカ粒子の保存安定性が悪かった。これにより、パターン付きウエハの研磨試験では、平坦性が損なわれ、スクラッチも多数発生し、良好な被研磨面が得られなかった。   S9 used in Comparative Example 4 uses silica particle dispersion I with a small content of potassium or ammonium ions and a large average particle size of silica particles of 110 nm, so that the storage stability of the silica particles is high. It was bad. As a result, in the polishing test of the patterned wafer, flatness was impaired, many scratches were generated, and a good polished surface could not be obtained.

比較例5で使用したS10は、テトラエトキシシランを原料としたゾルゲル法より得られたシリカ粒子分散体Jを使用している。シリカ粒子分散体Jは、コスト的に問題があるばかりでなく、ナトリウム、カリウムあるいはアンモニウムイオンの含有量が少なく、Rmax/Rminが1.5を越えているため、研磨速度測定用基板の研磨試験では、Cu膜やTEOS膜に対する研磨速度に劣っていることが分かった。一方、パターン付きウエハの研磨試験では、スクラッチが多数発生し、良好な被研磨面が得られなかった。   S10 used in Comparative Example 5 uses a silica particle dispersion J obtained by a sol-gel method using tetraethoxysilane as a raw material. The silica particle dispersion J not only has a cost problem, but also has a small content of sodium, potassium or ammonium ions, and Rmax / Rmin exceeds 1.5. Then, it turned out that it is inferior to the grinding | polishing speed | rate with respect to Cu film | membrane or a TEOS film | membrane. On the other hand, in the polishing test of the patterned wafer, many scratches were generated and a good polished surface could not be obtained.

比較例6で使用したS11は、実施例4から有機酸に相当する成分を削除した組成に該当する。研磨速度測定用基板の研磨試験では、有機酸を含有していないために実施例4に比べてCu膜やTa膜に対する研磨速度が著しく低下した。これに伴い、パターン付きウエハの研磨試験では、パターン付きウエハの研磨に長時間を要し効率的でないことがわかった。また、スクラッチも多数発生し、良好な被研磨面が得られなかった。以上の結果より、有機酸を含有することの有利な効果が示された。   S11 used in Comparative Example 6 corresponds to a composition obtained by removing the component corresponding to the organic acid from Example 4. In the polishing test of the substrate for polishing rate measurement, the polishing rate for the Cu film and the Ta film was remarkably reduced as compared with Example 4 because it did not contain an organic acid. Accordingly, it has been found that the polishing test of the patterned wafer requires a long time for polishing the patterned wafer and is not efficient. In addition, many scratches were generated, and a good polished surface could not be obtained. From the above results, the advantageous effect of containing an organic acid was shown.

10a・10b・10c…シリカ粒子、20…低誘電率絶縁膜、30…絶縁膜(キャップ層)、40…配線用凹部、50…バリアメタル膜、60…銅膜、90…半導体装置、100…被処理体 10a, 10b, 10c ... silica particles, 20 ... low dielectric constant insulating film, 30 ... insulating film (cap layer), 40 ... recess for wiring, 50 ... barrier metal film, 60 ... copper film, 90 ... semiconductor device, 100 ... Object to be processed

Claims (6)

(A)シリカ粒子と、
(B)有機酸と、
を含有する化学機械研磨用水系分散体であって、
前記(A)シリカ粒子は、下記の化学的性質を有する、化学機械研磨用水系分散体。
ICP発光分析法またはICP質量分析法による元素分析およびイオンクロマト法によるアンモニウムイオンの定量分析から測定されるナトリウム、カリウムおよびアンモニウムイオンの含有量が、ナトリウムの含有量:5〜500ppm、カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種の含有量:100〜20000ppmの関係を満たす。
(A) silica particles;
(B) an organic acid;
An aqueous dispersion for chemical mechanical polishing containing
The (A) silica particle is a chemical mechanical polishing aqueous dispersion having the following chemical properties.
Sodium, potassium and ammonium ion content measured from elemental analysis by ICP emission spectrometry or ICP mass spectrometry and quantitative analysis of ammonium ion by ion chromatography, sodium content: 5 to 500 ppm, potassium and ammonium ion The content of at least one selected from: satisfies the relationship of 100 to 20000 ppm.
請求項1において、
前記(A)シリカ粒子の長径(Rmax)と短径(Rmin)との比率(Rmax/Rmin)は、1.0〜1.5である、化学機械研磨用水系分散体。
In claim 1,
The ratio (Rmax / Rmin) of the major axis (Rmax) to the minor axis (Rmin) of the (A) silica particles is 1.0 to 1.5, and is an aqueous dispersion for chemical mechanical polishing.
請求項1または請求項2において、
前記(A)シリカ粒子のBET法を用いて測定した比表面積から算出される平均粒径は、10nm〜100nmである、化学機械研磨用水系分散体。
In claim 1 or claim 2,
(A) The aqueous dispersion for chemical mechanical polishing whose average particle diameter computed from the specific surface area measured using the BET method of the said silica particle is 10-100 nm.
請求項1ないし3のいずれか一項において、
pHは、6〜12である、化学機械研磨用水系分散体。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
An aqueous dispersion for chemical mechanical polishing having a pH of 6-12.
請求項1ないし4のいずれか一項に記載の化学機械研磨用水系分散体を用いて、金属膜、バリアメタル膜および絶縁膜から選択される少なくとも1種を有する半導体装置の被研磨面を研磨する、化学機械研磨方法。   5. A polished surface of a semiconductor device having at least one selected from a metal film, a barrier metal film, and an insulating film is polished using the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to claim 1. A chemical mechanical polishing method. 少なくとも(A)シリカ粒子と、(B)有機酸と、を混合して化学機械研磨用水系分散体を製造する方法であって、
前記(A)シリカ粒子は、下記の化学的性質を有する、化学機械研磨用水系分散体の製造方法。
ICP発光分析法またはICP質量分析法による元素分析およびイオンクロマト法によるアンモニウムイオンの定量分析から測定されるナトリウム、カリウムおよびアンモニウムイオンの含有量が、ナトリウムの含有量:5〜500ppm、カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種の含有量:100〜20000ppmの関係を満たす。
A method of producing an aqueous dispersion for chemical mechanical polishing by mixing at least (A) silica particles and (B) an organic acid,
Said (A) silica particle is a manufacturing method of the aqueous dispersion for chemical mechanical polishing which has the following chemical property.
Sodium, potassium and ammonium ion content measured from elemental analysis by ICP emission spectrometry or ICP mass spectrometry and quantitative analysis of ammonium ion by ion chromatography, sodium content: 5 to 500 ppm, potassium and ammonium ion The content of at least one selected from: satisfies the relationship of 100 to 20000 ppm.
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