JP2012186323A - 化学機械的研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被研磨材のディフェクトを低減することのできる研磨方法を提供すること。
【解決手段】研磨パッドを用いて、砥粒を含むアルカリ性溶液を供給しながら被研磨材を研磨する研磨工程と水を供給しながら研磨パッドを洗浄する洗浄工程を交互に行う化学機械的研磨方法であって、研磨工程の前に、研磨パッド表面に保持されている水をアルカリ性溶液に置換する置換工程を有し、置換工程でアルカリ性溶液を研磨パッドの表面に保持されている水の量と同量以上に供給することを特徴とする化学機械的研磨方法。
【選択図】なし

Description

本発明は化学機械的研磨方法に関する。より詳しくは、半導体、誘電／金属複合体および集積回路等において平坦面を形成するために好ましく使用される化学機械的研磨方法に関する。

半導体デバイスが高密度化するにつれ、多層配線とこれに伴う層間絶縁膜形成や、プラグ、ダマシンなどの電極形成などの技術が重要度を増している。これに伴い、これら層間絶縁膜や電極の金属膜の平坦化プロセスの重要度は増しており、この平坦化プロセスのための効率的な技術として、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）と呼ばれる研磨技術が普及している。

ＣＭＰと呼ばれる研磨技術は、研磨層を有する研磨パッドを用いて、スラリーを供給しながら被研磨材を研磨する技術である。このような研磨技術において、研磨後の被研磨材の表面には、ディフェクトと呼ばれる微細な欠陥が検出される（特許文献１）。ディフェクトにはスラリー残渣やその他異物に起因する付着物を主としたパーティクルと、傷状の欠陥を主としたスクラッチが一般的に挙げられる。このうち、スクラッチは研磨中にスラリーの凝集物が被研磨面に付着、或いは研磨パッド状に付着した状態で研磨を行うことで発生していると考えられる。

特開２００７−２５１０５７号公報

スラリーの凝集物の発生メカニズムについて、本発明者らは以下のように考えた。研磨中は研磨パッド表面一面にスラリーが供給されており、スラリー自体のｐＨはアルカリ性であるため、研磨中の研磨パッド表面はアルカリ性に保たれている。しかしながら、研磨終了時にパッド上のスラリーは大量の水によって洗い流され、希釈されてｐＨが中性に変動するため、ゲルが発生して凝集状態となる。あるいは、研磨パッド表面に水が保持されたまま、次の研磨のためにスラリーの供給を始めると、研磨パッド表面に保持された水によってスラリーが希釈されるため、スラリー自体のｐＨが中性に近くなり、やはりゲルが発生して凝集状態となる。スラリー凝集物を残したままで、例えばデバイスを作製したウェハの研磨を行うとウェハ上にスクラッチが発生し、最終的にデバイスの信頼性を低下させる。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、被研磨材のディフェクトを低減することのできる研磨方法を提供する事を目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。即ち、研磨パッドを用いて砥粒を含むアルカリ性溶液を供給しながら被研磨材を研磨する研磨工程と水を供給しながら研磨パッドを洗浄する洗浄工程を交互に行う化学機械的研磨方法であって、研磨工程の前に、研磨パッド表面に保持されている水を、アルカリ性溶液に置換する置換工程を有することを特徴とする化学機械的研磨方法である。

本発明により、被研磨材のディフェクトを低減することのできる研磨方法を提供することができる。

本発明は、被研磨材のディフェクトを低減することのできる研磨方法について、鋭意検討した結果、研磨パッドを用いて、砥粒を含むアルカリ性のスラリーを供給しながら被研磨材を研磨する研磨工程と水を供給しながら研磨パッドを洗浄する洗浄工程を交互に行う化学機械的研磨方法であって、研磨パッド表面に保持されている水をアルカリ性溶液に置換する置換工程を有することで、課題を解決できることを見出したものである。

本発明において、研磨パッドは研磨層とクッション層を有することが好ましい。研磨パッドを構成する研磨層としては、マイクロゴムＡ硬度で７０度以上であり、独立気泡を有する構造のものが、半導体、誘電／金属複合体および集積回路等において平坦面を形成するので好ましい。特に限定されないが、かかる構造体を形成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン、エポキシ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、“ネオプレン（登録商標）”ゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコンゴム、フッ素ゴムおよびこれらを主成分とした樹脂等が挙げられる。これらを２種以上用いてもよい。このような樹脂においても、独立気泡径が比較的容易にコントロールできる点でポリウレタンを主成分とする素材がより好ましい。

ポリウレタンとは、ポリイソシアネートの重付加反応または重合反応により合成される高分子である。ポリイソシアネートの対称として用いられる化合物は、含活性水素化合物、すなわち、二つ以上のポリヒドロキシ基、あるいはアミノ基含有化合物である。ポリイソシアネートとして、トリレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、ナフタレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネートなど挙げることができるがこれに限定されるものではない。これらを２種以上用いてもよい。ポリヒドロキシ基含有化合物としてはポリオールが代表的であり、ポリエーテルポリオール、ポリテトラメチレンエーテルグリコール、エポキシ樹脂変性ポリオール、ポリエステルポリオール、アクリルポリオール、ポリブタジエンポリオール、シリコーンポリオール等が挙げられる。これらを２種以上用いてもよい。硬度、気泡径および発泡倍率によって、ポリイソシアネートとポリオール、および触媒、発泡剤、整泡剤の組み合わせや最適量を決めることが好ましい。

これらのポリウレタン中への独立気泡の形成方法としては、ポリウレタン製造時における樹脂中への各種発泡剤の配合による化学発泡法が一般的であるが、機械的な撹拌により樹脂を発泡させたのち硬化させる方法も好ましく使用することができる。

独立気泡の平均気泡径は、パッド表面にスラリーを保持する観点から２０μｍ以上が好ましく、３０μｍ以上がより好ましい。一方、半導体基板の局所的凹凸の平坦性を確保する観点から１５０μｍ以下が好ましく、１４０μｍ以下がより好ましく、１３０μｍ以下が更に好ましい。なお、平均気泡径は、サンプル断面をキーエンス製ＶＫ−８５００の超深度顕微鏡にて倍率４００倍で観察したときに一視野内に観察される気泡のうち、視野端部に欠損した円状に観察される気泡を除く円状気泡を画像処理装置にて断面面積から円相当径を測定し、数平均値を算出することにより求められる。

本発明における研磨パッドの一実施態様として好ましいものは、ビニル化合物の重合体およびポリウレタンを含有し、独立気泡を有するパッドである。ビニル化合物からの重合体だけでは靭性と硬度を高めることはできるが、独立気泡を有する均質な研磨パッドを得ることが困難であり、またポリウレタンは、硬度を高くすると脆くなる。ポリウレタン中にビニル化合物を含浸させることにより、独立気泡を含み、靭性と硬度の高い研磨パッドとすることができる。

ビニル化合物は、重合性の炭素−炭素二重結合を有する化合物である。具体的にはメチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルアクリレート、エチルメタクリレート、ｎ−ブチルアクリレート、ｎ−ブチルメタクリレート、２−エチルヘキシルメタクリレート、イソデシルメタクリレート、ｎ−ラウリルメタクリレート、２−ヒドロキシエチルメタクリレート、２−ヒドロキシプロピルメタクリレート、２−ヒドロキシブチルメタクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート、ジエチルアミノエチルメタクリレート、グリシジルメタクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、アクリル酸、メタクリル酸、フマル酸、フマル酸ジメチル、フマル酸ジエチル、フマル酸ジプロピル、マレイン酸、マレイン酸ジメチル、マレイン酸ジエチル、マレイン酸ジプロピル、フェニルマレイミド、シクロヘキシルマレイミド、イソプロピルマレイミド、アクリロニトリル、アクリルアミド、塩化ビニル、塩化ビニリデン、スチレン、α−メチルスチレン、ジビニルベンゼン、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート等が挙げられる。これらを２種以上用いてもよい。

上述したビニル化合物の中で、ＣＨ_２＝ＣＲ^１ＣＯＯＲ^２（Ｒ^１：メチル基またはエチル基、Ｒ^２：メチル基、エチル基、プロピル基またはブチル基）が好ましい。中でもメチルメタクリレート、エチルメタクリレート、ｎ−ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレートは、ポリウレタンへの独立気泡の形成が容易な点、モノマーの含浸性が良好な点、重合硬化が容易な点、重合硬化されたビニル化合物の重合体とポリウレタンを含有している発泡構造体の硬度が高く平坦化特性が良好な点で好ましい。

これらのビニル化合物の重合体を得るために好ましく用いられる重合開始剤としては、アゾビスイソブチロニトリル、アゾビス（２，４−ジメチルバレロニトリル）、アゾビスシクロヘキサンカルボニトリル、ベンゾイルパーオキサイド、ラウロイルパーオキサイド、イソプロピルパーオキシジカーボネート等のラジカル開始剤を挙げることができる。これらを２種以上用いてもよい。また、酸化還元系の重合開始剤、例えばパーオキサイドとアミン類の組合せを使用することもできる。

ビニル化合物のポリウレタン中への含浸方法としては、ビニル化合物が入った容器中にポリウレタンを浸漬する方法が挙げられる。なお、その際、含浸速度を速める目的で、加熱、加圧、減圧、撹拌、振盪、超音波振動等の処理を施すことも好ましい。

ビニル化合物のポリウレタン中への含浸量は、使用するビニル化合物およびポリウレタンの種類や、製造される研磨パッドの特性により定められるべきものであり、一概にはいえないが、例えば、重合硬化した発泡構造体中のビニル化合物から得られる重合体とポリウレタンの含有比率が重量比で３０／７０〜８０／２０であることが好ましい。ビニル化合物から得られる重合体の含有比率が重量比で３０／７０以上であれば、研磨パッドの硬度を十分高くすることができる。また、含有比率が８０／２０以下であれば、研磨層の弾力性を十分高くすることができる。

なお、ポリウレタン中の重合硬化したビニル化合物から得られる重合体およびポリウレタンの含有率は、熱分解ガスクロマトグラフィ／質量分析手法により測定することができる。本手法で使用できる装置としては、熱分解装置としてダブルショットパイロライザー“ＰＹ−２０１０Ｄ”（フロンティア・ラボ社製）を、ガスクロマトグラフ・質量分析装置として、“ＴＲＩＯ−１”（ＶＧ社製）を挙げることができる。

本発明において、半導体基板の局所的凹凸の平坦性の観点から、ビニル化合物から得られる重合体の相とポリウレタンの相とが分離されずに含有されていることが好ましい。定量的に表現すると、研磨パッドをスポットの大きさが５０μｍの顕微赤外分光装置で観察した赤外スペクトルがビニル化合物から重合される重合体の赤外吸収ピークとポリウレタンの赤外吸収ピークを有しており、色々な箇所の赤外スペクトルがほぼ同一であることである。ここで使用される顕微赤外分光装置として、ＳＰＥＣＴＲＡ−ＴＥＣ社製のＩＲμｓを挙げることができる。

研磨パッドは、特性改良を目的として、研磨剤、帯電防止剤、潤滑剤、安定剤、染料等の各種添加剤を含有してもよい。

本発明において、研磨層のマイクロゴムＡ硬度は、高分子計器（株）製マイクロゴム硬度計ＭＤ−１で評価した値をさす。マイクロゴムＡ硬度計ＭＤ−１は、従来の硬度計では測定が困難であった薄物・小物の硬さ測定を可能にするもので、スプリング式ゴム硬度計（デュロメータ）Ａ型の約１／５の縮小モデルとして、設計・製作されているため、スプリング式硬度計Ａ型の硬度と一致した測定値が得られる。通常の研磨パッドは、研磨層または硬質層の厚みが５ｍｍを切るので、スプリング式ゴム硬度計Ａ型では評価できないので、前記マイクロゴムＭＤ−１で評価する。

本発明において、研磨層の硬度は、半導体基板の局所的凹凸の平坦性の観点から、マイクロゴムＡ硬度で７０度以上が好ましく、８０度以上がより好ましい。

本発明において、研磨層の密度は、局所的な平坦性不良やグローバル段差を低減する観点から、０．３ｇ／ｃｍ^３以上が好ましく、０．６ｇ／ｃｍ^３以上がより好ましく、０．６５ｇ／ｃｍ^３以上がさらに好ましい。一方、スクラッチを低減する観点から、１．１ｇ／ｃｍ^３以下が好ましく、０．９ｇ／ｃｍ^３以下がより好ましく、０．８５ｇ／ｃｍ^３以下がさらに好ましい。なお、本発明における研磨層の密度は、ハーバード型ピクノメーター（ＪＩＳＲ−３５０３基準）を用い、水を媒体に測定した値である。

研磨パッドの研磨層表面には、ハイドロプレーン現象を抑える為やウェハとパッドの吸いつきを防止する為に、格子形状、ディンプル形状、スパイラル形状、同心円形状等、通常の研磨パッドがとり得る溝（グルーブ）を設けてもよく、これらの組み合わせでも好ましく用いられる。

本発明における研磨パッドは、体積弾性率が４０ＭＰａ以上でかつ引っ張り弾性率が１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下のクッション層を有することが、面内均一性が良好であるので好ましい。体積弾性率とは、あらかじめ体積を測定した被測定物に等方的な印加圧力を加えてその体積変化を測定し、体積弾性率＝印加圧力／（体積変化／元の体積）により算出される。本発明においては、２３℃においてサンプルに０．０４〜０．１４ＭＰａの圧力がかかった時の体積弾性率を言う。

本発明における体積弾性率は、以下の方法により測定する。内容積が約４０ｍＬのステンレス製の測定セルに、試料片と２３℃の水を入れ、容量０．５ｍＬの硼珪酸ガラス製メスピペット（最小目盛り０．００５ｍＬ）を装着する。別に、圧力容器としてポリ塩化ビニル樹脂製の管（内径９０ｍｍφ×２０００ｍｍ、肉厚５ｍｍ）を使用して、その中に上記試料片を入れた測定セルを入れ、圧力Ｐで窒素加圧し、体積変化Ｖ１を測定する。続いて、試料を測定セルに入れないで、圧力Ｐで窒素加圧し、体積変化Ｖ０を測定する。圧力ＰをΔＶ／Ｖｉ＝（Ｖ１−Ｖ０）／Ｖｉで除した値を前記試料の体積弾性率として算出する。

本発明において、クッション層の体積弾性率は４０ＭＰａ以上が好ましい。体積弾性率を４０ＭＰａ以上とすることにより、半導体基板全面の面内均一性を向上させることができる。また、研磨パッドの表面と裏面を貫通する孔に流れ込むスラリーや水がクッション層に含浸しにくく、クッション特性を維持できる。

本発明における引張り弾性率は、ダンベル形状にして引っ張り応力を加え、引っ張り歪み（＝引っ張り長さ変化／元の長さ）が０．０１から０．０３までの範囲で引っ張り応力を測定し、引っ張り弾性率＝（（引っ張り歪みが０．０３時の引っ張り応力）−（引っ張り歪みが０．０１時の引っ張り応力））／０．０２で定義されるものである。測定装置として、オリエンテック社製テンシロン万能試験機ＲＴＭ−１００などが上げられる。測定条件としては、試験速度は５ｃｍ／分で試験片形状は幅５ｍｍで試料長５０ｍｍのダンベル形状である。

本発明において、クッション層の引張り弾性率は、半導体基板全面の面内均一性の観点から、１ＭＰａ以上が好ましく、１．２ＭＰａ以上がより好ましい。また、２０ＭＰａ以下が好ましく、１０ＭＰａ以下がより好ましい。

この様なクッション層としては、天然ゴム、ニトリルゴム、“ネオプレン（登録商標）”ゴム、ポリブタジエンゴム、熱硬化ポリウレタンゴム、熱可塑性ポリウレタンゴム、シリコンゴムなどの無発泡のエラストマを挙げることができるが、これらに限定されるわけではない。クッション層の厚みは、０．１〜２ｍｍの範囲が好ましい。半導体基板全面の面内均一性の観点からは、０．２ｍｍ以上が好ましく、０．３ｍｍ以上がより好ましい。また、局所平坦性の観点からは２ｍｍ以下が好ましく、１．７５ｍｍ以下がより好ましい。

研磨層とクッション層を貼り合わせる手段としては、例えば研磨層とクッション層を両面テープあるいは接着剤が挙げられる。

両面テープは、不織布やフィルムなどの基材の両面に接着層を設けた一般的な構成を有する。また、接着 本発明の研磨パッドは、クッションシートのプラテンと接着する面に両面テープが設けられていてもよい。該両面テープとしては、上述と同様に基材の両面に接着層を設けた一般的な構成を有するものを用いることができる。基材としては、例えば不織布やフィルム等が挙げられる。研磨パッドの使用後のプラテンからの剥離を考慮すれば、基材にフィルムを用いることが好ましい。

また、接着層の組成としては、例えば、ゴム系接着剤やアクリル系接着剤等が挙げられる。金属イオンの含有量を考慮すると、アクリル系接着剤は、金属イオン含有量が少ないため好ましい。また、クッションシートとプラテンは組成が異なることが多く、両面テープの各接着層の組成を異なるものとし、クッションシート、及びプラテンへの接着力を適正化することも可能である。

本発明の化学機械的研磨方法は、研磨パッドを用いて砥粒を含むアルカリ性溶液を供給しながら被研磨材を研磨する研磨工程と水を供給しながら研磨パッドを洗浄する洗浄工程を交互に行うものであり、研磨工程の前に、研磨パッド表面に保持されている水をアルカリ性溶液に置換する置換工程を有する。

本発明における水とは、略中性（ｐＨ＝７）で、研磨特性に影響を及ぼさない程度に精製された水である。具体的には、蒸留水、逆浸透膜（ＲＯ膜）処理水、イオン交換水（脱イオン水）などが挙げられるが、これらに限定されない。なかでも半導体製造プロセスに広く用いられる“超純水”が好ましく用いられる、“超純水”は高度に処理された水で、一般的には、逆浸透膜処理を行った一次水を紫外線やオゾンにより有機物を酸化分解した後、イオン交換処理を行い、最後に中空糸膜の限外濾過を行って製造される。

本発明において、研磨工程中の研磨パッド表面一面にはスラリーが供給されているが、スラリー自体のｐＨは約１０〜１１でアルカリ性であり、研磨中の研磨パッド表面はアルカリ性に保たれている。しかしながら、洗浄工程時にスラリーは大量の水によって洗い流され、希釈されてｐＨが中性に変動し、アルカリ性溶液中に分散している砥粒がゲル化して凝集状態となる。また、研磨パッド表面に水が保持されたまま、次の研磨工程でスラリーの供給を始めると、研磨パッド表面に保持された水によってスラリーが希釈されるため、スラリー自体のｐＨをアルカリ性に維持できずに中性に近くなり、やはりゲルが発生して凝集状態となる。砥粒の凝集物を残したままで研磨を行うとスクラッチが発生し、デバイスの信頼性を低下させる。

ゲルはスラリーが希釈されることによりｐＨが中性に変動して発生すると考えられるため、スクラッチを抑制するには、研磨前に研磨パッド表面のｐＨをスラリーと同等レベルのアルカリ性にする置換工程を有する必要がある。ここで同等レベルとは砥粒が凝集状態とならない程度であり、例えばシリカ砥粒の場合、ｐＨは９以上が好ましい。ｐＨが９よりも低いとスラリー中のシリカ砥粒の凝集が発生し、ｐＨが７よりも低下して液性が酸性になると、研磨パッドとウェハー間の摩擦係数が上昇して過負荷がかかり、研磨自体に支障をきたす場合がある。またｐＨが１２より高いと、シリカ砥粒の凝集状態はより発生しにくくなるが、スラリー中のシリカ砥粒が溶解して十分な研磨レートが確保できなくなるため、研磨パッド表面のｐＨは１２以下が好ましい。

研磨パッド表面を砥粒の凝集が発生しにくいｐＨにするためには、アルカリ性溶液を研磨パッド表面に保持されている水の量と同量以上に供給することが必要である。例えば、研磨に用いるスラリー自体がアルカリ性溶液であるので、研磨パッド表面の保水量と同量以上のスラリーを研磨パッド表面に供給し、研磨パッドに保持されている水を置換することができる。

ここで上記の方法では、多くのスラリーを研磨に使用せずに廃棄することになる。そこで、研磨パッド表面のｐＨをスラリーと同等にするために、研磨パッド表面の保水量と同等量以上の、砥粒を含んでいないアルカリ性溶液を研磨パッド表面にあらかじめ供給することが好ましい。また、砥粒を含んでいないことは、研磨パッド表面に保持された水によってゲルが発生して凝集状態となることを防ぐ意味でも好ましい。

本発明において研磨パッド表面の保水量とは、研磨パッド表面に保持される水分量を言う。詳細は後述するが、研磨パッド表面の保水量とは、通常のドレッシング条件でパッド表面上に水を十分量含ませた状態で重量を測定し、次いでパッド上の水を定盤を高速で回転させることで除去した後に重量を測定し、その差をもって算出できる。パッドの表面は、コンディショナーディスクでドレッシングすることによりパッド表面を粗面化し、条件によって保水量を増大することが可能である。

本発明では、研磨開始前にあらかじめ供給されるアルカリ性溶液のｐＨがスラリーと同程度とすると、アルカリ性溶液の供給量を研磨パッド表面保水量と同量以上とすることにより、ディフェクトを低減することができる。研磨開始前にあらかじめ供給されるアルカリ性溶液の量が研磨パッド表面保水量を下回る場合には、砥粒のゲルが残留して凝集物を形成するため、ディフェクトの発生を招くことになる。

ここでアルカリ性溶液のｐＨは、スラリーのｐＨより高ければ、研磨パッド表面保水量と同量以上を供給しなくても構わない。つまり、研磨パッド表面に保持された水により希釈されることを見込んで、アルカリ性溶液のｐＨをスラリーのｐＨより高くした場合は、その希釈に用いられた水を、アルカリ性溶液の供給量に加えるものとする。
しかし、局所的であってもｐＨが高いと、スラリー中のシリカゲル砥粒が溶解して十分な研磨レートが確保できなくなるため、スラリーと同等のｐＨのアルカリ性溶液を用い、研磨パッド表面保水量と同量以上を供給することが好ましい。また、研磨パッド表面保水量の倍量以上を供給することがより好ましい。

アルカリ性溶液のｐＨおよびその供給量は、アルカリ性溶液のｐＨを最初は高くしておいて暫時的にｐＨを低くしたり、さらにスラリーよりもアルカリ性溶液のｐＨを低くしておいてから高くしたり、高いｐＨのアルカリ性溶液と別の高いｐＨのアルカリ性溶液あるいは水を交互に供給したり、いろんなバリエーションが考えられるが、例えばシリカ砥粒の場合、最終的に砥粒が凝集状態とならない程度のｐＨである９以上１２以下に置換できていれば構わない。

本発明における砥粒としては、シリカ砥粒、酸化アルミニウム砥粒、酸化セリウム砥粒などが挙げられるがこれらに限定されない。また、本発明における砥粒を含むアルカリ性溶液としては、シリカ系スラリー、酸化アルミニウム系スラリー、酸化セリウム系スラリーが挙げられるがこれらに限定されない。特に、シリカ系スラリーが好ましく用いられる。シリカ系スラリーの具体例として、キャボット社製のＣＭＰ用“ＳＥＭＩ−ＳＰＥＲＳＥ（登録商標）”１２、“ＳＥＭＩ−ＳＰＥＲＳＥ（登録商標）”２５、フジミインコーポレーテッド社製のＣＭＰ用“ＰＬＡＮＡＲＩＴＥ”４０００シリーズ等を挙げることができるが、これらに限られるわけではない。

また、アルカリ性溶液としては、一般にアレニウス、ブレンスデッドおよびルイスの酸塩基で定義される塩基性物質が溶解している溶液が挙げられ、一般的には水に溶解させた水溶液である。塩基性物質の具体例として、アルカリ金属の水酸化物（ＬｉＯＨ、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、など）、アルカリ土類金属の水酸化物（Ｍｇ（ＯＨ）_２、Ｃａ（ＯＨ）_２）、ＮＨ_３，アミン、水酸化テトラメチルアンモニウム等が挙げることができるが、これらに限られるわけではない。

本発明において研磨される被研磨材としては、例えば半導体ウェハーの上に形成された絶縁層または金属配線の表面が挙げられる。絶縁層としては、金属配線の層間絶縁膜や金属配線の下層絶縁膜や素子分離に使用されるシャロートレンチアイソレーションを挙げることができる。金属配線としては、アルミ、タングステン、銅等を挙げることができ、構造的にダマシン、デュアルダマシン、プラグなどがある。銅を金属配線とした場合には、窒化珪素等のバリアメタルも研磨対象となる。絶縁膜は、現在酸化シリコンが主流であるが、低誘電率絶縁膜も用いられる。半導体ウェハー以外に磁気ヘッド、ハードディスク、サファイヤ等の研磨に用いることもできる。

本発明の研磨方法は、ガラス、半導体、誘電／金属複合体および集積回路等に平坦面を形成するために好適に使用される。

以下、実施例によって本発明の詳細を説明する。しかし、本実施例により本発明が限定して解釈されるわけではない。なお、測定は以下のとおりに行った。

マイクロゴムＡ硬度測定：
高分子計器（株）製のマイクロゴム硬度計“ＭＤ−１”で測定した。マイクロゴム硬度計“ＭＤ−１”の構成は下記のとおりである。
１．１センサ部
（１）荷重方式：片持ばり形板バネ
（２）ばね荷重：０ポイント／２１．９５×１０^−３Ｎ １００ポイント／３３１．７３×１０^−３Ｎ
（３）ばね荷重誤差：±３．１４×１０^−３Ｎ
（４）押針寸法：直径：０．１６ｍｍ円柱形 高さ０．５ｍｍ
（５）変位検出方式：歪ゲージ式
（６）加圧脚寸法：外径４ｍｍ 内径１．５ｍｍ
１．２センサ駆動部
（１）駆動方式：ステッピングモータによる上下駆動。エアダンパによる降下速度制御
（２）上下動ストローク：１２ｍｍ
（３）降下速度：１０〜３０ｍｍ／秒
（４）高さ調整範囲：０〜６７ｍｍ（試料テーブルとセンサ加圧面の距離）
１．３試料台
（１）試料台寸法：直径 ８０ｍｍ
（２）微動機構：ＸＹテーブルおよびマイクロメータヘッドによる微動。ストローク：Ｘ軸、Ｙ軸とも１５ｍｍ
（３）レベル調整器：レベル調整用本体脚および丸型水準器。

気泡径測定：
平均気泡径はサンプル断面をキーエンス製ＶＫ−８５００の超深度顕微鏡にて倍率４００倍で観察したときに一視野内に観察される気泡のうち、視野端部に欠損した円状に観察される気泡を除く円状気泡を画像処理装置にて断面面積から円相当径を測定し、算出した数平均値を平均気泡径とした。

体積弾性率測定：
内容積が約４０ｍＬのステンレス製の測定セルに、ＮＢＲゴムシート２７ｇ（比重１．２９、初期体積２１ｍＬ）と２３℃の水を入れ、これに容量０．５ｍＬの硼珪酸ガラス製メスピペット（最小目盛り０．００５ｍＬ）を装着した。別に、圧力容器としてポリ塩化ビニル樹脂製の管（内径９０ｍｍφ×２０００ｍｍ、肉厚５ｍｍ）を使用して、その中に上記試料片を入れた測定セルを入れ、表１に示した圧力Ｐで窒素加圧し、体積変化Ｖ１を測定した。続いて、試料を測定セルに入れないで、表１に示した圧力Ｐで窒素加圧し、水のみの体積変化Ｖ０を測定した。圧力Ｐ＝０ＭＰａのときの体積をＶｉとしたとき、圧力ＰをΔＶ／Ｖｉ＝（Ｖ１−Ｖ０）／Ｖｉで除した値を前記試料の体積弾性率として算出した。

研磨レート測定：
アプライドマテリアルズ（株）のＭｉｒｒａ ３４００を用いて、所定の研磨条件で終点検出を行いながら研磨を行った。研磨特性は、８インチウェハーの最外周２ｍｍを除外した研磨レート（ｎｍ／分）を測定した。研磨特性は、８インチウェハーの最外周１ｍｍを除外して直径方向に１ｍｍ毎に５５点測定して平均研磨レート（ｎｍ／分）を算出した。

ディフェクト評価：
エンハンス処理として、研磨したウェハーを０．５重量％のふっ酸に１０分間浸漬して水洗後、１．０重量％のアンモニア溶液と１．０重量％の過酸化水素水の混合溶液にて洗浄し、水洗乾燥した。洗浄したウェハーについて、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ（株）製のＳＰ−１を用いて、０．１５５μｍ以上のディフェクト数を計数した。

ｐＨの計測：
株式会社佐藤計量器製作所のハンディ型ｐＨ計（ＳＫ−６２０ＰＨ）を用いて測定した。

パッド表面の保水量の計測：
研磨パッドを定盤に貼り付け、水を流しかけながら定盤の回転数９５ｒｐｍ、コンディショナーディスクの回転数９３ｒｐｍおよびコンディショナーに２．３ｋｇの荷重をかけて５分間表面のドレッシングを行い、研磨パッドの表面に保持されている水をこぼさぬよう定盤から剥がして、研磨パッドの重量を計測した。

再び研磨パッドを定盤に貼り付け、今度は定盤を１９６ｒｐｍの高速で３０秒間回転して研磨パッド表面上の水分を振り飛ばし（除去し）、研磨パッドの重量を計測した。

９５ｒｐｍで３０秒間回転させた後のパッド重量から１９６ｒｐｍで３０秒間回転させた後のパッド重量を引いた値を、パッド表面の保水量とした。

保水量はパッドの面積に比例するため、例えば、直径が２４．１ｃｍのパッド（面積４５６ｃｍ２）の保水量が２．３ｍＬの場合、直径５０．８ｃｍのパッド（面積２０２６ｃｍ２）の保水量は１０．３ｍＬに、直径７７．５ｃｍのパッド（面積４７１５ｃｍ^２）の保水量は２４．０ｍＬに相当する。

実施例１
ポリプロピレングリコール３０重量部とジフェニルメタンジイソシアネート４０重量部と水０．５重量部とトリエチルアミン０．３重量部とシリコーン整泡剤１．７重量部とオクチル酸スズ０．０９重量部をＲＩＭ成型機で混合して、金型に吐出して加圧成型を行い、厚み２．６ｍｍの独立気泡の発泡ポリウレタンシート（マイクロゴムＡ硬度：４２度、密度：０．７６ｇ／ｃｍ^３、独立気泡の平均気泡径：３４μｍ）を作製した。

前記発泡ポリウレタンシートを、アゾビスイソブチロニトリル０．２重量部を添加したメチルメタクリレートに６０分間浸漬した。次に前記発泡ポリウレタンシートを、ポリビニルアルコール“ＣＰ”（重合度：約５００、ナカライテスク（株）製）１５重量部、エチルアルコール（試薬特級、片山化学（株）製）３５重量部、水５０重量部からなる溶液中に浸漬後乾燥することにより、前記発泡ポリウレタンシート表層をポリビニルアルコールで被覆した。

次に前記発泡ポリウレタンシートを、塩化ビニル製ガスケットを介して２枚のガラス板間に挟み込んで、６５℃で６時間、１２０℃で３時間加熱することにより重合硬化させた。ガラス板間から離型し水洗した後、５０℃で真空乾燥を行った。このようにして得られた硬質発泡シートを厚み２．００ｍｍにスライス加工することにより研磨層を作製した。研磨層中のメチルメタクリレート含有率は６６重量％であった。また研磨層のマイクロゴムＡ硬度は９８度、密度は０．８１ｇ／ｃｍ^３、独立気泡の平均気泡径は４５μｍであった。

上記方法により得られた研磨層に、クッション層として日本マタイ（株）製の熱可塑性ポリウレタンのマイクロゴムＡ硬度６５度の１．０ｍｍ品（体積弾性率＝６５ＭＰａ、引っ張り弾性率＝４ＭＰａ）を積層した。この積層体を５０．８ｃｍの直径の円に打ち抜いて、研磨層表面にグルーブ幅１ｍｍ、グルーブ深さ０．８２５ｍｍ、グルーブピッチ２０ｍｍの格子状のＸＹ−グルーブをＮＣルーターで形成して、研磨パッドとした。この研磨パッドの表面保水量は１０．３ｍＬ（パッド面積２０２６ｃｍ^２）であった。

上記方法により得られた研磨パッドを、研磨機（アプライドマテリアルズ製“ＭＩＲＲＡ３４００”）の定盤に貼り付けた。まず研磨工程として、酸化膜の８インチウェハーをリテナーリング圧力＝５５ｋＰａ、インナーチューブ圧力＝２８ｋＰａ、メンブレン圧力＝２８ｋＰａ、プラテン回転数＝７５ｒｐｍ、研磨ヘッド回転数＝７７ｒｐｍ、スラリー（キャボット社製“ＳＥＭＩ−ＳＰＥＲＳＥ（登録商標）”２５を水で１：１体積希釈、ｐＨ＝１１）を１００ｍＬ／分の流量で流し、コンディショナーディスクで荷重３５．６Ｎ、研磨時間１分、研磨開始から３０秒後にインサイチュードレッシングを開始し、３０秒間ドレスした。

研磨終了後、洗浄工程として多量の水を流しかけながらパッド上のスラリーを除去した後、置換工程（プレスラリー工程）として、スラリーを供給量２００ｍＬ／分で４秒間（総量１３．３ｍＬ）流した。

再び、上記条件で研磨工程を行った。酸化膜の研磨レートは１８６ｎｍ／分であった。研磨したウェハーについて、前記方法により０．１５５μｍ以上のディフェクトを計数したところ、ディフェクトは８３３個と良好であった。

実施例２
プレスラリー工程にてスラリーを供給量２００ｍＬ／分で７秒間（総量２３．３ｍＬ）流した後に研磨を行う以外は実施例１と同様にして研磨した。酸化膜の研磨レートは２０１ｎｍ／分であった。研磨したウェハーについて、前記方法により０．１５５μｍ以上のディフェクトを計数したところ、ディフェクトは２０８個と非常に良好であった。

実施例３
クッション層として日本マタイ（株）製の熱可塑性ポリウレタンのマイクロゴムＡ硬度６５度の０．３ｍｍ品とした以外は実施例２と同様にして研磨した。酸化膜の研磨レートは１９１ｎｍ／分であった。研磨したウェハーについて、前記方法により０．１５５μｍ以上のディフェクトを計数したところ、ディフェクトは２８７個と非常に良好であった。

実施例４
プレスラリー工程にてスラリーを供給量７５ｍＬ／分で１１秒間（総量１３．８ｍＬ）流した後に研磨を開始しスラリー（キャボット社製、ＳＳ−２５、ｐＨ＝１１）を１００ｍＬ／分の流量で流した以外は実施例１と同様にして研磨した。酸化膜の研磨レートは１８４ｎｍ／分であった。研磨したウェハーについて、前記方法により０．１５５μｍ以上のディフェクトを計数したところ、ディフェクトは７７３個と良好であった。

実施例５
プレスラリー工程にて０．２重量%水酸化カリウム水溶液（ｐＨ＝１２）を供給量７５ｍＬ／分で７秒間（総量８．８ｍＬ）流した後、プレスラリー工程にてスラリー供給量を７５ｍＬ／分で４秒間、すなわち５．０ｍＬを流した後に研磨を解する以外は実施例４と同様にして研磨した。酸化膜の研磨レートは１８４ｎｍ／分であった。研磨したウェハーについて、前記方法により０．１５５μｍ以上のディフェクトを計数したところ、ディフェクトは８６３個と良好であった。

比較例１
プレスラリー工程にてスラリーを供給量７５ｍＬ／分で７秒間（総量８．７５ｍＬ）流した後に研磨を行う以外は実施例１と同様にして研磨した。酸化膜の研磨レートは１９５ｎｍ／分であった。研磨したウェハーについて、前記方法により０．１５５μｍ以上のディフェクト数を計数したところ、ディフェクト数は１２１５個と多かった。

比較例２
プレスラリー工程にて水（ｐＨ＝７）を供給量７５ｍＬ／分で７秒間（総量８．８ｍＬ）流した後、プレスラリー工程にてスラリー供給量を７５ｍＬ／分で４秒間、すなわち５．０ｍＬを流した後に研磨を解する以外は実施例４と同様にして研磨した。酸化膜の研磨レートは１８１ｎｍ／分であった。研磨したウェハーについて、前記方法により０．１５５μｍ以上のディフェクトを計数したところ、ディフェクトは１０５６個と多かった。

Claims (4)

1. 研磨パッドを用いて砥粒を含むアルカリ性溶液を供給しながら被研磨材を研磨する研磨工程と水を供給しながら研磨パッドを洗浄する洗浄工程を交互に行う化学機械的研磨方法において、研磨工程の前に、研磨パッド表面に保持されている水をアルカリ性溶液に置換する置換工程を有し、置換工程でアルカリ性溶液を研磨パッド表面に保持されている水の量と同量以上に供給することを特徴とする化学機械的研磨方法。
2. 砥粒がシリカ砥粒である請求項１に記載の化学機械的研磨方法。
3. アルカリ性溶液が砥粒を含んでいない請求項１または２に記載の化学機械的研磨方法。
4. アルカリ性溶液の供給量が、研磨パッド表面に保持されている水の量と倍量以上である請求項１から３のいずれかに記載の化学機械的研磨方法。