JP4984032B2 - Chemical mechanical polishing aqueous dispersion and chemical mechanical polishing method - Google Patents

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Description

本発明は、化学機械研磨用水系分散体および化学機械研磨方法、ならびに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に関する。更に詳しくは、半導体装置の低誘電率絶縁層/高誘電率絶縁層の二層構造の層間絶縁層に形成された銅配線の形成工程に使用可能であり、半導体基板上に設けられた各種の被研磨材料を効果的に化学機械的研磨することができ、かつ、十分に平坦化された精度の高い仕上げ面を得ることができる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、ならびに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に関する。   The present invention relates to a chemical mechanical polishing aqueous dispersion, a chemical mechanical polishing method, and a kit for preparing the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. More specifically, it can be used in a process of forming a copper wiring formed in an interlayer insulating layer having a two-layer structure of a low dielectric constant insulating layer / high dielectric constant insulating layer of a semiconductor device, and various kinds of devices provided on a semiconductor substrate. Chemical mechanical polishing aqueous dispersion capable of effectively chemically mechanically polishing a material to be polished and capable of obtaining a sufficiently flat and highly accurate finished surface, and a chemical mechanical polishing method using the same And a kit for preparing the chemical mechanical polishing aqueous dispersion.

近年、半導体装置の高密度化に伴い、半導体装置内に形成される配線の微細化が進んでいる。この配線の更なる微細化を達成することができる技術として、ダマシン法と呼ばれる技術が知られている。この方法は、絶縁層中に形成された溝等に配線材料を埋め込んだ後、化学機械研磨を用いて、溝以外に堆積した余分な配線材料を除去することによって、所望の配線を形成するものである。ここで、配線材料として銅または銅合金を用いる場合、銅原子の絶縁体中へのマイグレーションを避けるため、銅または銅合金と絶縁体との界面に、通常、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン等を材料とする高強度の高誘電率絶縁層(導電性バリア層)が形成される。   In recent years, with the increase in the density of semiconductor devices, the miniaturization of wirings formed in the semiconductor devices has progressed. As a technique that can achieve further miniaturization of the wiring, a technique called a damascene method is known. This method forms a desired wiring by embedding a wiring material in a groove or the like formed in an insulating layer and then using chemical mechanical polishing to remove excess wiring material deposited other than the groove. It is. Here, when using copper or copper alloy as the wiring material, in order to avoid migration of copper atoms into the insulator, usually tantalum, tantalum nitride, titanium nitride, etc. are used at the interface between the copper or copper alloy and the insulator. A high-strength, high-dielectric-constant insulating layer (conductive barrier layer) is formed as a material.

銅または銅合金を配線材料として用いる半導体装置の製造においてダマシン法を採用する場合、その化学機械研磨の方法は種々であるが、主として銅または銅合金の除去を行なう第1研磨工程と、主として導電性バリア層を除去する第2研磨工程からなる2段階の化学機械研磨が好ましく行われている。この第2研磨工程は導電性バリア層を除去するだけでなく、導電性バリア層下に存在する層間絶縁層も同時に研磨する場合があり、これにより、十分に平坦化された精度の高い仕上げ面を得ることができる。   When the damascene method is employed in the manufacture of a semiconductor device using copper or a copper alloy as a wiring material, there are various chemical mechanical polishing methods, and a first polishing step for mainly removing copper or a copper alloy and a mainly conductive method. A two-stage chemical mechanical polishing comprising a second polishing step for removing the conductive barrier layer is preferably performed. This second polishing step not only removes the conductive barrier layer but also polishes the interlayer insulating layer existing under the conductive barrier layer at the same time. Can be obtained.

また、微細配線化がより一層進むにつれて、銅配線幅が非常に狭くなり、低抵抗の銅配線を使用するだけでは十分な電気特性が得られなくなってきており、層間絶縁層として誘電率が低い低誘電率材料(Low−k材料)を用いる配線構造が適用されてきている。なかでも、比誘電率(k)が2.5未満の低誘電率材料を用いることにより、銅配線間の層間絶縁層にかかる電気容量を低減することが可能であり、これにより、銅配線の電気特性を最大限に引き出すことができる。更に、低誘電率材料を用いて層を形成する場合、材料中に空孔を多数作ることができるため、空孔の割合や大きさを調整することにより、層の比誘電率を調整することができる。   In addition, as the miniaturization progresses further, the copper wiring width becomes very narrow, and sufficient electrical characteristics cannot be obtained only by using a low resistance copper wiring, and the dielectric constant is low as an interlayer insulating layer. A wiring structure using a low dielectric constant material (Low-k material) has been applied. In particular, by using a low dielectric constant material having a relative dielectric constant (k) of less than 2.5, it is possible to reduce the electric capacity applied to the interlayer insulating layer between the copper wirings. Electrical characteristics can be maximized. In addition, when a layer is formed using a low dielectric constant material, a large number of holes can be created in the material. Therefore, by adjusting the ratio and size of the holes, the relative dielectric constant of the layer can be adjusted. Can do.

空孔の割合が多い場合には、層の比誘電率を非常に低くすることができる反面、材料の機械的強度が非常に弱くなる傾向があるため、得られた層が化学機械研磨の際にかかる応力に耐え得る強度を保持できない可能性がある。   If the percentage of holes is large, the relative dielectric constant of the layer can be made very low, but the mechanical strength of the material tends to be very weak, so that the resulting layer is subjected to chemical mechanical polishing. There is a possibility that the strength that can withstand the stress applied to the substrate cannot be maintained.

また、上述の空孔を有する低誘電率絶縁層は空孔の割合が多いため、化学機械研磨によって膜が容易にダメージを受けてしまう。このようなダメージがLow−k膜に発生すると、エッチング,アッシングあるいはウエット洗浄などの製造プロセスを経た後の絶縁層の比誘電率の上昇やリーク電流増大など、低誘電率絶縁層の電気特性が悪化する場合がある。このような電気特性の悪化は半導体装置の信頼性を損ねる結果となり、好ましくない。   In addition, since the above-described low dielectric constant insulating layer having holes has a large ratio of holes, the film is easily damaged by chemical mechanical polishing. When such damage occurs in the low-k film, the electrical characteristics of the low dielectric constant insulating layer such as an increase in the dielectric constant and an increase in leakage current after the manufacturing process such as etching, ashing, or wet cleaning are obtained. It may get worse. Such deterioration of electrical characteristics results in deterioration of the reliability of the semiconductor device, which is not preferable.

上述の技術のように、第2研磨工程の際に、比誘電率が高く、硬い二酸化珪素膜を層間絶縁層として使用する場合、被研磨面に表面欠陥が生じることなく、比較的高い精度の平坦化が可能である。   As in the above-described technique, when using a hard silicon dioxide film having a high relative dielectric constant and an interlayer insulating layer in the second polishing step, surface defects are not generated on the surface to be polished, and relatively high accuracy is achieved. Flattening is possible.

しかしながら、機械的強度の弱い低誘電率絶縁層を使用する場合には、(i)化学機械研磨によって、剥がれや、スクラッチと呼ばれる表面欠陥が被研磨面に発生すること、(ii)微細配線構造を有するウエハを研磨する際、被研磨材である低誘電率絶縁層の研磨速度が著しく高くなるため、平坦化された精度の高い仕上げ面を得ることができなくなること、(iii)バリア層と低誘電率絶縁層との密着性がよくないこと等の理由から、二酸化珪素等からなるキャップ層と呼ばれる被覆膜を低誘電率絶縁層の上層に形成し、(下層)低誘電率絶縁層/(上層)高誘電率絶縁層(低誘電率絶縁層よりも比誘電率が高い絶縁層)という二層構造の層間絶縁層を形成するという手法を用いている。   However, when a low dielectric constant insulating layer having a low mechanical strength is used, (i) peeling or surface defects called scratches are generated on the surface to be polished by chemical mechanical polishing, and (ii) a fine wiring structure. The polishing rate of the low dielectric constant insulating layer, which is the material to be polished, is remarkably increased when polishing a wafer having the following characteristics: (iii) a barrier layer and A coating film called a cap layer made of silicon dioxide or the like is formed on the upper layer of the low dielectric constant insulating layer for reasons such as poor adhesion to the low dielectric constant insulating layer. / (Upper layer) A method of forming an interlayer insulating layer having a two-layer structure called a high dielectric constant insulating layer (an insulating layer having a higher relative dielectric constant than a low dielectric constant insulating layer) is used.

化学機械研磨を行なう際には、上層の高誘電率絶縁層を速やかに研磨除去して、下層の低誘電率絶縁層の研磨速度を極力抑える必要がある。すなわち、高誘電率絶縁層の研磨速度(RR1)および低誘電率絶縁層の研磨速度(RR2)が、RR1>RR2の関係を有することが求められている。   When chemical mechanical polishing is performed, it is necessary to quickly remove the high dielectric constant insulating layer as an upper layer and suppress the polishing rate of the lower low dielectric constant insulating layer as much as possible. That is, the polishing rate (RR1) of the high dielectric constant insulating layer and the polishing rate (RR2) of the low dielectric constant insulating layer are required to have a relationship of RR1> RR2.

低誘電率絶縁層を研磨する際には、研磨速度を抑制するだけでなく、被研磨面の物理的性質(比誘電率、リーク電流値等)も変化させてはならない。微細配線化が進むにつれて、低誘電率絶縁層の比誘電率もより一層小さくする必要があり、それに伴い、材料の空孔径を大きくしなければならない。低誘電率絶縁層の空孔径が大きくなるほど、低誘電率絶縁層は脆くなるだけでなく、化学機械研磨により膜の物理的性質が変化するおそれがあるため、低誘電率絶縁層の物理的性質を変えずに、研磨速度を抑制する技術が必要となる。   When polishing a low dielectric constant insulating layer, not only the polishing rate is suppressed, but also the physical properties (specific dielectric constant, leakage current value, etc.) of the surface to be polished must not be changed. As the miniaturization progresses, it is necessary to further reduce the relative dielectric constant of the low dielectric constant insulating layer, and accordingly, the hole diameter of the material must be increased. As the pore size of the low dielectric constant insulating layer increases, not only does the low dielectric constant insulating layer become brittle, but the physical properties of the low dielectric constant insulating layer may change due to chemical mechanical polishing. A technique for suppressing the polishing rate without changing the thickness is required.

このように、第2研磨工程はいわゆる仕上げの工程に相当するため、第2研磨工程においては、脆い被研磨面での材料剥がれや表面欠陥の発生を抑制し、かつ、被研磨面の物理的性質を変化させずに研磨速度を抑制することができる化学機械研磨用水系分散体が要求される。   Thus, since the second polishing step corresponds to a so-called finishing step, in the second polishing step, it is possible to suppress material peeling and surface defects on the fragile surface to be polished, and to physically treat the surface to be polished. A chemical mechanical polishing aqueous dispersion capable of suppressing the polishing rate without changing the properties is required.

第2研磨工程は主として高誘電率絶縁層を除去することが目的であり、研磨プロセス時間の短縮の観点から、被研磨面に対して高い研磨速度を有することが必要となるが、研磨圧力を高くすると、脆い被研磨面に対する材料剥がれや表面欠陥が発生してしまう。また、前記のように、低誘電率絶縁層の上層に硬いキャップ層が形成されている場合には、二酸化珪素膜に対しても高い研磨速度を有する必要がある。そこで、精度の高い被研磨面を得るために、低研磨圧力で高誘電率絶縁層の研磨を行なう必要があり、低研磨圧力下でも高誘電率絶縁層および二酸化珪素膜に対して高い研磨速度を得ることが求められる。   The second polishing step is mainly intended to remove the high dielectric constant insulating layer. From the viewpoint of shortening the polishing process time, it is necessary to have a high polishing rate for the surface to be polished. If it is increased, material peeling or surface defects will occur on the brittle polished surface. In addition, as described above, when a hard cap layer is formed on the low dielectric constant insulating layer, it is necessary to have a high polishing rate for the silicon dioxide film. Therefore, in order to obtain a highly polished surface, it is necessary to polish a high dielectric constant insulating layer at a low polishing pressure, and a high polishing rate for a high dielectric constant insulating layer and a silicon dioxide film even under a low polishing pressure. Is required.

具体的な例としては、特許文献1には、酸化珪素からなる研磨砥粒、酸化剤、および炭酸塩を含有するアルカリ性領域の研磨用組成物が開示されている。この研磨液を使用すると、高誘電率絶縁層の研磨速度は十分に得られるが、低誘電率絶縁層の研磨速度を十分に抑制することができず、さらには、上記のようなキャップ層が形成されている場合、二酸化珪素膜に対して十分な研磨速度が得られず、研磨プロセス時間が長くなり、スループットの低下につながる。   As a specific example, Patent Document 1 discloses a polishing composition for an alkaline region containing abrasive grains made of silicon oxide, an oxidizing agent, and carbonate. When this polishing liquid is used, the polishing rate of the high dielectric constant insulating layer can be sufficiently obtained, but the polishing rate of the low dielectric constant insulating layer cannot be sufficiently suppressed. If formed, a sufficient polishing rate cannot be obtained for the silicon dioxide film, and the polishing process time becomes long, leading to a reduction in throughput.

また、特許文献2には、特定のポリエーテル変性シリコーンおよび種々の添加剤を含有する研磨用組成物が開示されており、この研磨液の使用により、ポリエーテル変性シリコーンの効果により低誘電率絶縁層の研磨速度を十分に抑制することができることが開示されている。しかしながら、この研磨液の被研磨対象膜は、比誘電率が2.8であり誘電率が高いうえに、機械的強度が高く、かつ、物理的性質が変化しにくい材料からなる。したがって、このような研磨液を用いて、膜中に空孔が存在する構造を有する低誘電率絶縁層(例えば比誘電率が2.4以下の層)を研磨する場合、低誘電率絶縁層に機械的損傷を与えるだけでなく、低誘電率絶縁層の物理的性質を変化させてしまうため、第2研磨工程に用いる研磨液としては適当ではない。
特開2000−248265号公報 特開2005−129637号公報
Further, Patent Document 2 discloses a polishing composition containing a specific polyether-modified silicone and various additives. By using this polishing liquid, low dielectric constant insulation is achieved by the effect of the polyether-modified silicone. It is disclosed that the polishing rate of the layer can be sufficiently suppressed. However, the film to be polished by the polishing liquid is made of a material having a relative dielectric constant of 2.8, a high dielectric constant, a high mechanical strength, and a physical property that hardly changes. Therefore, when such a polishing liquid is used to polish a low dielectric constant insulating layer having a structure in which pores are present in the film (for example, a layer having a relative dielectric constant of 2.4 or less), the low dielectric constant insulating layer In addition to mechanical damage, the physical properties of the low dielectric constant insulating layer are changed, so that it is not suitable as a polishing liquid used in the second polishing step.
JP 2000-248265 A JP 2005-129637 A

本発明の目的は、上記事情を鑑みなされたものであり、絶縁層を化学機械研磨する際に、絶縁層の物理的性質を変化させずに、材料剥がれやスクラッチなどの表面欠陥が被研磨面に発生することなく精度の高い被研磨面を得ることができる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、ならびに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を提供することである。   The object of the present invention has been made in view of the above circumstances, and surface defects such as material peeling and scratches are not polished when the insulating layer is chemically mechanically polished without changing the physical properties of the insulating layer. An aqueous dispersion for chemical mechanical polishing capable of obtaining a highly accurate polished surface without being generated on the surface, a chemical mechanical polishing method using the same, and a kit for preparing the aqueous dispersion for chemical mechanical polishing are provided. It is to be.

本発明の第1の態様の化学機械研磨用水系分散体は、
(A)砥粒、(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸、(C)酸化剤、(D)下記一般式(1)で表される非イオン性界面活性剤、および(E)分散媒を含有する。
The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the first aspect of the present invention comprises:
(A) Abrasive grain, (B) C4 or higher aliphatic organic acid, (C) oxidizing agent, (D) nonionic surfactant represented by the following general formula (1), and (E) dispersion Contains medium.

Figure 0004984032
・・・・・(1)
(式中、nおよびmはそれぞれ独立に1以上の整数であり、n+m≦50を満たす。)
Figure 0004984032
(1)
(In the formula, n and m are each independently an integer of 1 or more and satisfy n + m ≦ 50.)

上記化学機械研磨用水系分散体において、前記(A)砥粒は、一次粒子径60〜90nmでかつ会合度1.5〜4の無機粒子であることができる。   In the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, the (A) abrasive grains may be inorganic particles having a primary particle diameter of 60 to 90 nm and an association degree of 1.5 to 4.

上記化学機械研磨用水系分散体において、前記(C)酸化剤は、過酸化水素であることができる。   In the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, the (C) oxidizing agent may be hydrogen peroxide.

上記化学機械研磨用水系分散体において、前記(D)非イオン性界面活性剤の配合量に対する前記(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸の配合量の割合が0.1〜10であることができる。   In the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, the ratio of the blended amount of the (B) aliphatic organic acid having 4 or more carbon atoms to the blended amount of the (D) nonionic surfactant is 0.1 to 10. be able to.

上記化学機械研磨用水系分散体において、銅層、バリアメタル層、第1絶縁層、および該第1絶縁層より誘電率が高い第2絶縁層の各々を同一条件において化学機械研磨した場合、前記バリアメタル層の研磨速度(R)と銅層の研磨速度(R)との研磨速度比(R/R)が1.5以上であり、前記第2絶縁層の研磨速度(RIn−2)と前記銅層の研磨速度(R)との研磨速度比(RIn−2/RM)が0.9〜2.5であり、かつ、前記第2絶縁層の研磨速度(RIn−2)と前記第1絶縁層の研磨速度(RIn−1)との研磨速度比(RIn−2/RIn−1)が0.5〜5であることができる。 In the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, when each of the copper layer, the barrier metal layer, the first insulating layer, and the second insulating layer having a higher dielectric constant than the first insulating layer is subjected to chemical mechanical polishing under the same conditions, polishing rate of the barrier metal layer (R B) and the polishing rate of the copper layer (R M) and the polishing rate ratio (R B / R M) is not less than 1.5, the polishing rate of the second insulating layer (R In-2 ) and the polishing rate (R M ) between the polishing rate of the copper layer (R In-2 / R M ) are 0.9 to 2.5, and the polishing rate of the second insulating layer The polishing rate ratio (R In-2 / R In-1 ) between (R In-2 ) and the polishing rate (R In-1 ) of the first insulating layer may be 0.5-5.

本発明の第2の態様の化学機械研磨用水系分散体の製造方法は、
凹部を有する絶縁層上にストッパ層を介して設けられ、かつ、該凹部に埋設された金属層を該ストッパ層が露出するまで化学機械研磨する第1研磨工程と、
前記化学機械研磨用水系分散体を用いて、前記金属層および前記ストッパ層を該絶縁層が露出するまで化学機械研磨する第2研磨工程と、を含む。
The method for producing the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the second aspect of the present invention comprises:
A first polishing step that is provided on the insulating layer having a recess via a stopper layer, and chemically and mechanically polishes the metal layer embedded in the recess until the stopper layer is exposed;
A second polishing step of using the chemical mechanical polishing aqueous dispersion to perform chemical mechanical polishing of the metal layer and the stopper layer until the insulating layer is exposed.

上記化学機械研磨用水系分散体の製造方法において、
前記絶縁層は、第1の絶縁層と、該第1の絶縁層より誘電率が高い第2の絶縁層との積層体を含み、
前記第2研磨工程は、前記金属層、前記ストッパ層、および前記第2の絶縁層を化学機械研磨する工程であることができる。
In the method for producing the chemical mechanical polishing aqueous dispersion,
The insulating layer includes a laminate of a first insulating layer and a second insulating layer having a dielectric constant higher than that of the first insulating layer,
The second polishing step may be a step of chemical mechanical polishing the metal layer, the stopper layer, and the second insulating layer.

この場合、前記第1の絶縁層の比誘電率が3.5以下であることができる。また、この場合、前記ストッパ層は導電性バリア層であることができる。   In this case, the relative dielectric constant of the first insulating layer may be 3.5 or less. In this case, the stopper layer may be a conductive barrier layer.

本発明の第3の態様の化学機械研磨用水系分散体を調製するためのキットは、
液(I)および液(II)を混合して、上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って、
前記液(I)は、(A)砥粒、(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸、(D)上記一般式(1)で表される非イオン性界面活性剤、および(E)分散媒を含む水系分散体であり、
前記液(II)は、(C)酸化剤を含む。
A kit for preparing the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the third aspect of the present invention comprises:
A kit for preparing the chemical mechanical polishing aqueous dispersion by mixing the liquid (I) and the liquid (II),
The liquid (I) includes (A) abrasive grains, (B) an aliphatic organic acid having 4 or more carbon atoms, (D) a nonionic surfactant represented by the above general formula (1), and (E) An aqueous dispersion containing a dispersion medium,
The liquid (II) contains (C) an oxidizing agent.

本発明の第4の態様の化学機械研磨用水系分散体を調製するためのキットは、
液(I)および液(II)を混合して、上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って、
前記液(I)は、(A)砥粒および(E)分散媒を含む水系分散体であり、
前記液(II)は、(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸、(C)酸化剤、および上記一般式(1)で表される非イオン性界面活性剤を含む。
The kit for preparing the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the fourth aspect of the present invention comprises:
A kit for preparing the chemical mechanical polishing aqueous dispersion by mixing the liquid (I) and the liquid (II),
The liquid (I) is an aqueous dispersion containing (A) abrasive grains and (E) a dispersion medium,
The liquid (II) contains (B) an aliphatic organic acid having 4 or more carbon atoms, (C) an oxidizing agent, and a nonionic surfactant represented by the general formula (1).

本発明の第5の態様の化学機械研磨用水系分散体を調製するためのキットは、
液(I)、液(II)、および液(III)を混合して、上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って、
前記液(I)は、(A)砥粒および(E)分散媒を含む水系分散体であり、
前記液(II)は、(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸および(D)上記一般式(1)で表される非イオン性界面活性剤を含み、
前記液(III)は、(C)酸化剤を含む。
The kit for preparing the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the fifth aspect of the present invention comprises:
A kit for mixing the liquid (I), the liquid (II), and the liquid (III) to prepare the chemical mechanical polishing aqueous dispersion,
The liquid (I) is an aqueous dispersion containing (A) abrasive grains and (E) a dispersion medium,
The liquid (II) includes (B) an aliphatic organic acid having 4 or more carbon atoms and (D) a nonionic surfactant represented by the general formula (1).
The liquid (III) contains (C) an oxidizing agent.

上記化学機械研磨用水系分散体を調製するためのキットにおいて、前記液(I)は、(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸、(C)酸化剤、および(D)上記一般式(1)で表される非イオン性界面活性剤から選ばれる1種類以上の成分をさらに含むことができる。   In the kit for preparing the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, the liquid (I) comprises (B) an aliphatic organic acid having 4 or more carbon atoms, (C) an oxidizing agent, and (D) the above general formula ( One or more components selected from the nonionic surfactants represented by 1) can be further included.

上記化学機械研磨用水系分散体を用いて絶縁層の化学機械研磨を行なうことにより、絶縁層を化学機械研磨する際に、絶縁層の物理的性質を変化させずに、材料剥がれやスクラッチなどの表面欠陥が被研磨面に発生することなく精度の高い被研磨面を得ることができる。   By performing chemical mechanical polishing of the insulating layer using the above-mentioned chemical mechanical polishing aqueous dispersion, when the insulating layer is chemically mechanically polished, the physical properties of the insulating layer are not changed, and material peeling or scratching can be performed. A surface to be polished with high accuracy can be obtained without causing surface defects on the surface to be polished.

例えば、上記化学機械研磨用水系分散体を用いて、機械的強度の弱い絶縁層(例えば、比誘電率が3.5以下の絶縁層)を層間絶縁層として含む半導体基板を化学機械研磨する際に、前記絶縁層の物理的性質を変化させずに、材料剥がれやスクラッチなどの表面欠陥が被研磨面に発生することなく精度の高い被研磨面を得ることができ、かつ、前記絶縁層の研磨速度を十分に抑制することができる。特に、上記化学機械研磨用水系分散体は、上述のダマシン法で二段階研磨処理を行なう場合の第2研磨工程中で研磨材として用いられる場合に有用である。   For example, when chemical mechanical polishing is performed on a semiconductor substrate including an insulating layer having a low mechanical strength (for example, an insulating layer having a relative dielectric constant of 3.5 or less) as an interlayer insulating layer using the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. In addition, it is possible to obtain a polished surface with high accuracy without causing surface defects such as material peeling or scratches on the polished surface without changing the physical properties of the insulating layer, and The polishing rate can be sufficiently suppressed. In particular, the chemical mechanical polishing aqueous dispersion is useful when used as an abrasive in the second polishing step when performing the two-step polishing process by the damascene method described above.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変型例も包含する。   In addition, this invention is not limited to the following embodiment, Various modifications implemented in the range which does not change the summary of this invention are included.

1.化学機械研磨用水系分散体
本発明の一実施形態の化学機械研磨用水系分散体は、(A)砥粒、(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸、(C)酸化剤、(D)下記一般式(1)で表される非イオン性界面活性剤、および(E)分散媒(以下、それぞれ「(A)〜(E)成分」ともいう。)を含有する。以下、本発明の一実施形態の化学機械研磨用分散体に含有される各成分について詳述する。
1. Chemical mechanical polishing aqueous dispersion The chemical mechanical polishing aqueous dispersion of one embodiment of the present invention comprises (A) abrasive grains, (B) an aliphatic organic acid having 4 or more carbon atoms, (C) an oxidizing agent, (D ) A nonionic surfactant represented by the following general formula (1) and (E) a dispersion medium (hereinafter also referred to as “components (A) to (E)”). Hereinafter, each component contained in the chemical mechanical polishing dispersion of one embodiment of the present invention will be described in detail.

Figure 0004984032
・・・・・(1)
(式中、nおよびmはそれぞれ独立に1以上の整数であり、n+m≦50を満たす。)
Figure 0004984032
(1)
(In the formula, n and m are each independently an integer of 1 or more and satisfy n + m ≦ 50.)

1.1.(A)砥粒
(A)砥粒は、無機粒子から選ばれる少なくともうち1種であることができる。
1.1. (A) Abrasive grains (A) The abrasive grains can be at least one selected from inorganic particles.

上記無機粒子としては、例えばシリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、セリア等の粒子を挙げることができ、より好ましくはシリカ、セリア粒子であり、更に好ましくはシリカである。シリカとしては、ヒュームド法シリカ、ゾルゲル法により合成されたシリカ、コロイダルシリカ等を挙げることができる。ヒュームド法シリカは、気相中で塩化ケイ素等を酸素および水と反応させることにより得ることができる。ゾルゲル法により合成されたシリカは、アルコキシケイ素化合物を原料として、加水分解反応および/または縮合反応により得ることができる。コロイダルシリカは、例えば予め精製した原料を使用した無機コロイド法等により得ることができる。   Examples of the inorganic particles include particles such as silica, alumina, titania, zirconia, and ceria, more preferably silica and ceria particles, and still more preferably silica. Examples of the silica include fumed silica, silica synthesized by a sol-gel method, and colloidal silica. Fumed silica can be obtained by reacting silicon chloride or the like with oxygen and water in the gas phase. Silica synthesized by the sol-gel method can be obtained by hydrolysis and / or condensation reaction using an alkoxysilicon compound as a raw material. Colloidal silica can be obtained, for example, by an inorganic colloid method using a raw material purified in advance.

(A)砥粒は、その不純物金属含有量が好ましくは砥粒に対して10ppm以下であり、より好ましくは5ppm以下であり、更に好ましくは3ppm以下であり、特に1ppm以下であることが好ましい。不純物金属としては、例えば鉄、ニッケル、亜鉛等を挙げることができる。   The (A) abrasive grains preferably have an impurity metal content of 10 ppm or less, more preferably 5 ppm or less, still more preferably 3 ppm or less, and particularly preferably 1 ppm or less with respect to the abrasive grains. Examples of the impurity metal include iron, nickel, and zinc.

また、(A)砥粒の会合度は、好ましくは2〜5であり、より好ましくは2〜4である。さらに、(A)砥粒の平均一次粒子径は、好ましくは5〜500nmであり、より好ましくは10〜200nmであり、更に好ましくは20〜100nmである。この範囲の会合度および平均一次粒子径の砥粒を使用することにより、良好な被研磨面と研磨速度とのバランスを図ることができる。特に、(A)砥粒が無機粒子である場合、一次粒子径が60〜90nmでかつ会合度1.5〜4であることにより、良好な被研磨面と研磨速度とのバランスを良好である。   Moreover, the degree of association of (A) abrasive grains is preferably 2 to 5, more preferably 2 to 4. Furthermore, (A) The average primary particle diameter of an abrasive grain becomes like this. Preferably it is 5-500 nm, More preferably, it is 10-200 nm, More preferably, it is 20-100 nm. By using abrasive grains having an association degree and an average primary particle size in this range, a good balance between the polished surface and the polishing rate can be achieved. In particular, when (A) the abrasive grains are inorganic particles, the primary particle diameter is 60 to 90 nm and the degree of association is 1.5 to 4, so that the balance between a good surface to be polished and the polishing rate is good. .

(A)砥粒の量は、化学機械研磨用水系分散体の総量に対して、0.05〜10質量%であり、好ましくは2〜7質量%である。   (A) The quantity of an abrasive grain is 0.05-10 mass% with respect to the total amount of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, Preferably it is 2-7 mass%.

1.2.(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸
(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸は例えば、炭素数4以上の脂肪族多価カルボン酸、炭素数4以上のヒドロキシル酸等が好ましい。上記炭素数4以上の脂肪族多価カルボン酸の具体例としては、例えばマレイン酸、コハク酸、フマル酸、グルタル酸、アジピン酸等を挙げることができる。上記炭素数4以上のヒドロキシル酸の具体例としては、例えばクエン酸、リンゴ酸、酒石酸等を挙げることができる。これらのうち、炭素数4〜8の脂肪族有機酸がより好ましく、炭素数4〜6の脂肪族有機酸がさらに好ましく、マレイン酸、クエン酸、リンゴ酸が特に好ましい。
1.2. (B) Aliphatic organic acid having 4 or more carbon atoms (B) The aliphatic organic acid having 4 or more carbon atoms is preferably an aliphatic polycarboxylic acid having 4 or more carbon atoms, hydroxyl acid having 4 or more carbon atoms, or the like. Specific examples of the aliphatic polycarboxylic acid having 4 or more carbon atoms include maleic acid, succinic acid, fumaric acid, glutaric acid, adipic acid and the like. Specific examples of the hydroxyl acid having 4 or more carbon atoms include citric acid, malic acid, tartaric acid and the like. Of these, aliphatic organic acids having 4 to 8 carbon atoms are more preferable, aliphatic organic acids having 4 to 6 carbon atoms are more preferable, and maleic acid, citric acid, and malic acid are particularly preferable.

(B)有機酸の量は、化学機械研磨用水系分散体の総量に対して、好ましくは0.005〜3質量%であり、より好ましくは0.05〜2質量%であり、さらに好ましくは0.1〜1質量%である。   The amount of (B) organic acid is preferably 0.005 to 3% by mass, more preferably 0.05 to 2% by mass, and still more preferably based on the total amount of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. 0.1 to 1% by mass.

1.3.(C)酸化剤
(C)酸化剤としては、例えば過硫酸塩、過酸化水素、無機酸、有機過酸化物、多価金属塩等を挙げることができる。過硫酸塩としては、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウムなどが挙げられる。無機酸としては、硝酸、硫酸などが挙げられる。有機過酸化物としては、過酢酸、過安息香酸、tert−ブチルハイドロパーオキサイドなどが挙げられる。多価金属塩としては、過マンガン酸化合物、重クロム酸化合物などが挙げられ、具体的には、過マンガン酸化合物としては、過マンガン酸カリウム等が挙げられ、重クロム酸化合物としては、重クロム酸カリウム等が挙げられる。これらのうち、過酸化水素、過硫酸塩および無機酸が好ましく、特に過酸化水素が好ましい。
1.3. (C) Oxidizing agent (C) Examples of the oxidizing agent include persulfates, hydrogen peroxide, inorganic acids, organic peroxides, and polyvalent metal salts. Examples of the persulfate include ammonium persulfate and potassium persulfate. Examples of the inorganic acid include nitric acid and sulfuric acid. Examples of the organic peroxide include peracetic acid, perbenzoic acid, tert-butyl hydroperoxide, and the like. Examples of the polyvalent metal salt include permanganic acid compounds and dichromic acid compounds. Specifically, examples of the permanganic acid compound include potassium permanganate and the like. And potassium chromate. Of these, hydrogen peroxide, persulfates and inorganic acids are preferred, and hydrogen peroxide is particularly preferred.

(C)酸化剤の量は、化学機械研磨用水系分散体の総量に対して、好ましくは0.01〜5質量%であり、より好ましくは0.05〜3質量%であり、さらに好ましくは0.05〜1.5質量%である。   (C) The amount of the oxidizing agent is preferably 0.01 to 5% by mass, more preferably 0.05 to 3% by mass, and still more preferably based on the total amount of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. It is 0.05-1.5 mass%.

1.4.(D)非イオン性界面活性剤
(D)非イオン性界面活性剤は、三重結合を有する化合物であり、上記一般式(1)で表される。上記一般式(1)において、n+m≦40であることが好ましく、n+m≦30であることがさらに好ましい。
1.4. (D) Nonionic surfactant (D) A nonionic surfactant is a compound which has a triple bond, and is represented by the said General formula (1). In the general formula (1), n + m ≦ 40 is preferable, and n + m ≦ 30 is more preferable.

上記の一般式(1)または(2)で表される(D)非イオン性界面活性剤の量は、化学機械研磨用水系分散体の総量に対して、好ましくは0.001〜10質量%であり、より好ましくは0.01〜5質量%である。   The amount of the (D) nonionic surfactant represented by the general formula (1) or (2) is preferably 0.001 to 10% by mass with respect to the total amount of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. More preferably, it is 0.01-5 mass%.

また、本発明の一実施形態の化学機械研磨用水系分散体において、(D)非イオン性界面活性剤の配合量に対する(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸の配合量の割合が0.1〜10であるのが好ましい。これにより、絶縁層の物理的性質にダメージを与えることなく、良好に平坦化された精度の高い被研磨面を得ることができる。   Further, in the chemical mechanical polishing aqueous dispersion of one embodiment of the present invention, the ratio of the blending amount of (B) the aliphatic organic acid having 4 or more carbon atoms to the blending amount of (D) the nonionic surfactant is 0. 1 to 10 is preferable. As a result, it is possible to obtain a highly polished surface that is well planarized without damaging the physical properties of the insulating layer.

1.5.(E)分散媒
(E)分散媒としては、例えば、水、水およびアルコールの混合媒体、水および水と相溶性の有機溶媒を含む混合媒体等が挙げられる。これらのうち、水または水およびアルコールの混合媒体を用いることが好ましく、水を用いることが特に好ましい。
1.5. (E) Dispersion medium Examples of the dispersion medium (E) include a mixed medium of water, water and alcohol, a mixed medium containing water and an organic solvent compatible with water, and the like. Of these, water or a mixed medium of water and alcohol is preferably used, and water is particularly preferably used.

1.6.その他の成分
本発明の一実施形態の化学機械研磨用水系分散体は、上記の(A)〜(E)成分を必須成分として含有するが、その他必要に応じて、(F)防食剤、(G)pH調整剤を含有することができる。
1.6. Other Components The chemical mechanical polishing aqueous dispersion of one embodiment of the present invention contains the above components (A) to (E) as essential components, but, if necessary, (F) an anticorrosive, ( G) A pH adjusting agent can be contained.

(F)防食剤としては、ベンゾトリアゾールおよびその誘導体を挙げることができる。ここで、ベンゾトリアゾール誘導体とは、ベンゾトリアゾールの有する1個または2個以上の水素原子を例えばカルボキシル基、メチル基、アミノ基、ヒドロキシル基等で置換したものをいう。ベンゾトリアゾール誘導体としては、4−カルボキシルベンゾトリアゾールおよびその塩、7−カルボキシベンゾトリアゾールおよびその塩、ベンゾトリアゾールブチルエステル、1−ヒドロキシメチルベンゾトリアゾールまたは1−ヒドロキシベンソトリアゾール等を挙げることができる。   (F) As an anticorrosive agent, benzotriazole and its derivative (s) can be mentioned. Here, the benzotriazole derivative means one obtained by substituting one or two or more hydrogen atoms of benzotriazole with, for example, a carboxyl group, a methyl group, an amino group, or a hydroxyl group. Examples of the benzotriazole derivative include 4-carboxylbenzotriazole and its salt, 7-carboxybenzotriazole and its salt, benzotriazole butyl ester, 1-hydroxymethylbenzotriazole, 1-hydroxybenzotriazole and the like.

(F)防食剤の量は、化学機械研磨用水系分散体の総量に対して、好ましくは0.005〜0.1質量%であり、より好ましくは0.01〜0.05質量%である。   (F) The amount of the anticorrosive is preferably 0.005 to 0.1% by mass, more preferably 0.01 to 0.05% by mass, based on the total amount of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. .

(G)pH調整剤としては、有機塩基、無機塩基または無機酸を挙げることができる。有機塩基としては、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、トリエチルアミン等を挙げることができる。無機塩基としては、アンモニア、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム等を挙げることができる。無機酸としては、硝酸、硫酸、塩酸、酢酸等を挙げることができる。   (G) As a pH adjuster, an organic base, an inorganic base, or an inorganic acid can be mentioned. Examples of the organic base include tetramethylammonium hydroxide and triethylamine. Examples of the inorganic base include ammonia, potassium hydroxide, sodium hydroxide, calcium hydroxide, magnesium hydroxide and the like. Examples of the inorganic acid include nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, acetic acid and the like.

本発明の一実施形態の化学機械研磨用水系分散体のpHは7〜12であるが、好ましくは8〜11である。この範囲のpHとすることにより、良好な被研磨面と研磨速度とのバランスを図ることができる。   The pH of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion of one embodiment of the present invention is 7-12, preferably 8-11. By setting the pH within this range, a good balance between the polished surface and the polishing rate can be achieved.

(G)pH調整剤の量は、化学機械研磨用水系分散体の総量に対して、好ましくは0.005〜5質量%であり、より好ましくは0.01〜3.5質量%である。   (G) The amount of the pH adjuster is preferably 0.005 to 5% by mass, more preferably 0.01 to 3.5% by mass, based on the total amount of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion.

1.7.化学機械研磨用水系分散体を調製するためのキット
上記化学機械研磨用水系分散体は、調製後にそのまま研磨用組成物として使用できる状態で供給することができる。あるいは、上記化学機械研磨用水系分散体の各成分を高濃度で含有する研磨用組成物(すなわち濃縮された研磨用組成物)を準備しておき、使用時にこの濃縮された研磨用組成物を希釈して、所望の化学機械研磨用水系分散体を得てもよい。
1.7. Kit for Preparing Chemical Mechanical Polishing Aqueous Dispersion The chemical mechanical polishing aqueous dispersion can be supplied in a state where it can be used as a polishing composition as it is after the preparation. Alternatively, a polishing composition (that is, a concentrated polishing composition) containing each component of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion at a high concentration is prepared, and the concentrated polishing composition is used at the time of use. It may be diluted to obtain a desired chemical mechanical polishing aqueous dispersion.

例えば、上記化学機械研磨用水系分散体を複数の液(例えば、2つまたは3つの液)に分けて準備しておき、使用時にこれら複数の液を混合して使用することが可能である。例えば、以下に示す第1〜第3のキットを用いて、複数の液を混合することにより、上記化学機械研磨用水系分散体を調製することができる。   For example, the chemical mechanical polishing aqueous dispersion may be prepared by dividing it into a plurality of liquids (for example, two or three liquids), and these liquids may be mixed and used at the time of use. For example, the chemical mechanical polishing aqueous dispersion can be prepared by mixing a plurality of liquids using the following first to third kits.

1.7.1.第1のキット
第1のキットは、液(I)および液(II)を混合して、上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。第1のキットにおいて、液(I)は、(A)砥粒、(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸、(D)上記一般式(1)で表される非イオン性界面活性剤、および(E)分散媒を含む水系分散体であり、液(II)は、(C)酸化剤を含む。
1.7.1. First Kit The first kit is a kit for preparing the chemical mechanical polishing aqueous dispersion by mixing the liquid (I) and the liquid (II). In the first kit, the liquid (I) comprises (A) abrasive grains, (B) an aliphatic organic acid having 4 or more carbon atoms, and (D) a nonionic surfactant represented by the above general formula (1). And (E) an aqueous dispersion containing a dispersion medium, and the liquid (II) contains (C) an oxidizing agent.

第1のキットを構成する液(I)および液(II)を調製する場合、液(I)および液(II)を混合して得られた水系分散体中に、前述した各成分が前述した濃度範囲で含まれるように、液(I)および液(II)に含有される各成分の濃度を決定する必要がある。また、液(I)および液(II)は、各々各成分を高濃度で含有していてもよく(すなわち濃縮されたものでもよく)、この場合、使用時に希釈して液(I)および液(II)を得ることが可能である。第1のキットによれば、液(I)と液(II)とを分けておくことで、特に(C)酸化剤の保存安定性を向上させることができる。   When preparing the liquid (I) and the liquid (II) constituting the first kit, the respective components described above are described in the aqueous dispersion obtained by mixing the liquid (I) and the liquid (II). It is necessary to determine the concentration of each component contained in the liquid (I) and the liquid (II) so as to be included in the concentration range. In addition, the liquid (I) and the liquid (II) may contain each component at a high concentration (that is, may be concentrated). In this case, the liquid (I) and the liquid (D) are diluted at the time of use. It is possible to obtain (II). According to the first kit, it is possible to improve the storage stability of the (C) oxidizing agent in particular by separating the liquid (I) and the liquid (II).

第1のキットを用いて上記化学機械研磨用水系分散体を調製する場合、液(I)および液(II)が別個に用意・供給され、且つ研磨時に一体となっていればよく、その混合の方法およびタイミングは特に限定されない。   When preparing the chemical mechanical polishing aqueous dispersion using the first kit, it is sufficient that the liquid (I) and the liquid (II) are separately prepared and supplied and integrated together during polishing. The method and timing are not particularly limited.

例えば、液(I)と液(II)とが別々に研磨装置に供給され、定盤上にて混合されてもよいし、研磨装置に供給する前に混合されてもよいし、研磨装置内でライン混合されてもよいし、あるいは、混合タンクを設けて該混合タンク内で混合されてもよい。また、ライン混合の際に、より均一な水系分散体を得るために、ラインミキサーなどを用いてもよい。   For example, the liquid (I) and the liquid (II) may be separately supplied to the polishing apparatus and mixed on the surface plate, or may be mixed before being supplied to the polishing apparatus, or in the polishing apparatus. Or may be mixed in the mixing tank by providing a mixing tank. Further, a line mixer or the like may be used in order to obtain a more uniform aqueous dispersion during line mixing.

1.7.2.第2のキット
第2のキットは、液(I)および液(II)を混合して、上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。第2のキットにおいて、液(I)は、(A)砥粒および(E)分散媒を含む水系分散体であり、液(II)は、(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸、(C)酸化剤、および(D)上記一般式(1)で表される非イオン性界面活性剤を含む。
1.7.2. Second Kit The second kit is a kit for preparing the chemical mechanical polishing aqueous dispersion by mixing the liquid (I) and the liquid (II). In the second kit, the liquid (I) is an aqueous dispersion containing (A) abrasive grains and (E) a dispersion medium, and the liquid (II) is (B) an aliphatic organic acid having 4 or more carbon atoms, (C) an oxidizing agent, and (D) a nonionic surfactant represented by the general formula (1).

第2のキットを構成する液(I)および液(II)を調製する場合、液(I)および液(II)を混合して得られた水系分散体中に、前述した各成分が前述した濃度範囲で含まれるように、液(I)および液(II)に含有される各成分の濃度を決定する必要がある。また、液(I)および液(II)は、各々各成分を高濃度で含有していてもよく(すなわち濃縮されたものでもよく)、この場合、使用時に希釈して液(I)および液(II)を得ることが可能である。第2のキットによれば、液(I)と液(II)とを分けておくことで、水系分散体の保存安定性を高めることができる。   When preparing the liquid (I) and the liquid (II) constituting the second kit, the respective components described above are contained in the aqueous dispersion obtained by mixing the liquid (I) and the liquid (II). It is necessary to determine the concentration of each component contained in the liquid (I) and the liquid (II) so as to be included in the concentration range. In addition, the liquid (I) and the liquid (II) may contain each component at a high concentration (that is, may be concentrated). In this case, the liquid (I) and the liquid (D) are diluted at the time of use. It is possible to obtain (II). According to the second kit, the storage stability of the aqueous dispersion can be improved by separating the liquid (I) and the liquid (II).

第2のキットを用いて本発明の一実施形態の化学機械研磨用水系分散体を調製する場合、液(I)および液(II)が別個に用意・供給され、且つ研磨時に一体となっていればよく、その混合の方法およびタイミングは特に限定されない。   When the chemical mechanical polishing aqueous dispersion of one embodiment of the present invention is prepared using the second kit, the liquid (I) and the liquid (II) are separately prepared and supplied, and are integrated during polishing. The mixing method and timing are not particularly limited.

例えば、液(I)と液(II)とが別々に研磨装置に供給され、定盤上にて混合されてもよいし、研磨装置に供給する前に混合されてもよいし、研磨装置内でライン混合されてもよいし、あるいは、混合タンクを設けて該混合タンク内で混合されてもよい。また、ライン混合の際に、より均一な水系分散体を得るために、ラインミキサーなどを用いてもよい。   For example, the liquid (I) and the liquid (II) may be separately supplied to the polishing apparatus and mixed on the surface plate, or may be mixed before being supplied to the polishing apparatus, or in the polishing apparatus. Or may be mixed in the mixing tank by providing a mixing tank. Further, a line mixer or the like may be used in order to obtain a more uniform aqueous dispersion during line mixing.

1.7.3.第3のキット
第3のキットは、液(I)、液(II)、および液(III)を混合して、本発明の一実施形態の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。第3のキットにおいて、液(I)は、(A)砥粒および(E)分散媒を含む水系分散体であり、液(II)は、(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸および(D)上記一般式(1)で表される非イオン性界面活性剤を含み、液(III)は、(C)酸化剤および(F)水を含む。
1.7.3. Third Kit The third kit is a kit for preparing the chemical mechanical polishing aqueous dispersion of one embodiment of the present invention by mixing the liquid (I), the liquid (II), and the liquid (III). It is. In the third kit, the liquid (I) is an aqueous dispersion containing (A) abrasive grains and (E) a dispersion medium, and the liquid (II) is (B) an aliphatic organic acid having 4 or more carbon atoms and (D) The nonionic surfactant represented by the general formula (1) is included, and the liquid (III) includes (C) an oxidizing agent and (F) water.

第3のキットを構成する液(I)、液(II)、および液(III)を調製する場合、液(I)、液(II)、および液(III)を混合して得られた水系分散体中に、前述した各成分が前述した濃度範囲で含まれるように、液(I)、液(II)、および液(III)に含有される各成分の濃度を決定する必要がある。また、液(I)、液(II)、および液(III)は、各々各成分を高濃度で含有していてもよく(すなわち濃縮されたものでもよく)、この場合、使用時に希釈して、液(I)、液(II)、および液(III)を得ることが可能である。第3のキットによれば、液(I)、液(II)、および液(III)とを分けておくことで、水系分散体の保存安定性を高めることができる。   When preparing liquid (I), liquid (II), and liquid (III) constituting the third kit, an aqueous system obtained by mixing liquid (I), liquid (II), and liquid (III) It is necessary to determine the concentration of each component contained in the liquid (I), the liquid (II), and the liquid (III) so that the above-described components are included in the dispersion in the concentration range described above. In addition, liquid (I), liquid (II), and liquid (III) may each contain a high concentration of each component (that is, it may be concentrated). , Liquid (I), liquid (II), and liquid (III) can be obtained. According to the third kit, the storage stability of the aqueous dispersion can be increased by separating the liquid (I), the liquid (II), and the liquid (III).

第3のキットを用いて本発明の一実施形態の化学機械研磨用水系分散体を調製する場合、液(I)、液(II)、および液(III)が別個に用意・供給され、且つ研磨時に一体となっていればよく、その混合の方法およびタイミングは特に限定されない。   When preparing the chemical mechanical polishing aqueous dispersion of one embodiment of the present invention using the third kit, the liquid (I), the liquid (II), and the liquid (III) are separately prepared and supplied, and There is no particular limitation on the mixing method and timing as long as they are integrated during polishing.

例えば、液(I)、液(II)、および液(III)が別々に研磨装置に供給され、定盤上にて混合されてもよいし、研磨装置に供給する前に混合されてもよいし、研磨装置内でライン混合されてもよいし、あるいは、混合タンクを設けて該混合タンク内で混合されてもよい。また、ライン混合の際に、より均一な水系分散体を得るために、ラインミキサーなどを用いてもよい。   For example, the liquid (I), the liquid (II), and the liquid (III) may be separately supplied to the polishing apparatus and mixed on the surface plate, or may be mixed before being supplied to the polishing apparatus. Then, line mixing may be performed in the polishing apparatus, or mixing may be performed by providing a mixing tank. Further, a line mixer or the like may be used in order to obtain a more uniform aqueous dispersion during line mixing.

なお、第2および第3のキットにおいて、液(I)は、(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸、(C)酸化剤、および(D)上記一般式(1)で表される非イオン性界面活性剤から選ばれる1種類以上の成分をさらに含むことができる。   In the second and third kits, the liquid (I) is represented by (B) an aliphatic organic acid having 4 or more carbon atoms, (C) an oxidizing agent, and (D) the general formula (1). One or more types of components selected from nonionic surfactants can be further included.

1.8.用途
本発明の一実施形態の化学機械研磨用水系分散体は、半導体装置に含まれる絶縁層を化学機械研磨するための研磨材として使用することができる。例えば、本発明の一実施形態の化学機械研磨用水系分散体は、化学機械研磨によって、銅(または銅合金)ダマシン配線を形成する際の研磨材として使用することができる。この場合、化学機械研磨によって銅(または銅合金)ダマシン配線を形成する工程は、主として銅(または銅合金)の除去を行なう第1研磨工程と、主として銅(または銅合金)の下部に形成された導電性バリア層を除去する第2研磨工程からなる。この第2研磨工程は、導電性バリア層を除去するだけでなく、導電性バリア層下に存在する層間絶縁層も同時に研磨する場合があり、これにより、十分に平坦化された精度の高い仕上げ面を得ることができる。ここで、本発明の一実施形態の化学機械研磨用水系分散体は、第2研磨工程において研磨材として好適に用いることができる。上記化学機械研磨用水系分散体を第2研磨工程で研磨材として用いることにより、より優れた研磨特性、ならびに絶縁層(特に、比誘電率が3.5以下の絶縁層)への低ダメージ性を発揮することができる。
1.8. Use The chemical mechanical polishing aqueous dispersion of one embodiment of the present invention can be used as an abrasive for chemical mechanical polishing an insulating layer contained in a semiconductor device. For example, the chemical mechanical polishing aqueous dispersion of one embodiment of the present invention can be used as an abrasive when forming a copper (or copper alloy) damascene wiring by chemical mechanical polishing. In this case, the step of forming the copper (or copper alloy) damascene wiring by chemical mechanical polishing is formed mainly in the first polishing step for removing copper (or copper alloy) and mainly under the copper (or copper alloy). And a second polishing step for removing the conductive barrier layer. In this second polishing step, not only the conductive barrier layer is removed, but also the interlayer insulating layer present under the conductive barrier layer may be polished at the same time. You can get a plane. Here, the chemical mechanical polishing aqueous dispersion of one embodiment of the present invention can be suitably used as an abrasive in the second polishing step. By using the chemical mechanical polishing aqueous dispersion as an abrasive in the second polishing step, more excellent polishing characteristics and low damage to an insulating layer (especially an insulating layer having a relative dielectric constant of 3.5 or less). Can be demonstrated.

本発明の一実施形態の化学機械研磨用水系分散体は、銅層、導電性バリア層、第1絶縁層、および第1絶縁層より誘電率が高い第2絶縁層の各々を同一条件において化学機械研磨した場合、導電性バリア層の研磨速度(R)と銅層の研磨速度(R)との研磨速度比(R/R)が1.5以上であり、第2絶縁層の研磨速度(RIn−2)と銅層の研磨速度(R)との研磨速度比(RIn−2/RM)が0.9〜2.5であり、かつ、第2絶縁層の研磨速度(RIn−2)と第1絶縁層の研磨速度(RIn−1)との研磨速度比(RIn−2/RIn−1)が0.5〜5であることができる。 In the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to one embodiment of the present invention, the copper layer, the conductive barrier layer, the first insulating layer, and the second insulating layer having a higher dielectric constant than the first insulating layer are chemically treated under the same conditions. When mechanically polished, the polishing rate ratio (R B / R M ) between the polishing rate (R B ) of the conductive barrier layer and the polishing rate (R M ) of the copper layer is 1.5 or more, and the second insulating layer The polishing rate ratio (R In-2 / R M ) between the polishing rate (R In-2 ) and the polishing rate (R M ) of the copper layer is 0.9 to 2.5, and the second insulating layer The polishing rate ratio (R In-2 / R In-1 ) between the polishing rate (R In-2 ) and the polishing rate (R In-1 ) of the first insulating layer can be 0.5 to 5. .

2.化学研磨方法
本発明の一実施形態の化学機械研磨方法は、凹部を有する絶縁層上にストッパ層を介して設けられ、かつ、該凹部に埋設された金属層を該ストッパ層が露出するまで化学機械研磨する第1研磨工程と、本発明の一実施形態の化学機械研磨用水系分散体を用いて、前記金属層および前記ストッパ層を該絶縁層が露出するまで化学機械研磨する第2研磨工程と、を含む。以下、本発明の一実施形態の化学機械研磨方法の具体例について、図1〜図3を参照して説明するが、本発明の一実施形態の化学機械研磨方法はこれらに限定されない。
2. Chemical Polishing Method A chemical mechanical polishing method according to an embodiment of the present invention is a method in which a metal layer provided on an insulating layer having a recess via a stopper layer is embedded in the recess until the stopper layer is exposed. A first polishing step for mechanical polishing and a second polishing step for chemical mechanical polishing of the metal layer and the stopper layer until the insulating layer is exposed using the chemical mechanical polishing aqueous dispersion of one embodiment of the present invention. And including. Hereinafter, although the specific example of the chemical mechanical polishing method of one embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIGS. 1-3, the chemical mechanical polishing method of one embodiment of this invention is not limited to these.

2.1.第1の具体例
図1(a)〜図1(c)は、本発明の一実施形態の化学機械研磨方法の一具体例(第1の具体例)を模式的に示す断面図である。
2.1. First Specific Example FIGS. 1A to 1C are cross-sectional views schematically showing a specific example (first specific example) of a chemical mechanical polishing method according to an embodiment of the present invention.

図1(a)は、第1の具体例の化学機械研磨方法の研磨対象体1aを示す。図1(a)に示すように、研磨対象体1aは、基板11と、基板11上に設けられた、凹部20を含む絶縁層12と、絶縁層12上にストッパ層13を介して設けられた金属層14とを含む。また、金属層14は凹部20に埋設されている。ここで、基板11は例えばシリコン基板であり、絶縁層12は無機材料または有機材料のいずれであってもよく、ストッパ層13は研磨材に対して金属層14とエッチングレートが異なる層であり、金属層14は一般に配線として使用可能な金属材料からなる。絶縁層12は例えば、PETEOS膜や、比誘電率が3.5以下の絶縁層等からなることができ、好ましくは比誘電率が3.5以下の絶縁層であり、より好ましくは3.0以下の絶縁層である。また、ストッパ層13は例えば、導電性のバリア層からなることが好ましい。さらに、金属層14は配線として一般に用いられる金属(例えば、アルミニウム、銅、金などの金属、あるいは前記金属の合金)からなることができ、銅または銅合金であることが好ましい。   Fig.1 (a) shows the grinding | polishing target object 1a of the chemical mechanical polishing method of a 1st specific example. As shown in FIG. 1A, the object to be polished 1a is provided on a substrate 11, an insulating layer 12 including a recess 20 provided on the substrate 11, and a stopper layer 13 on the insulating layer 12. Metal layer 14. The metal layer 14 is embedded in the recess 20. Here, the substrate 11 is, for example, a silicon substrate, the insulating layer 12 may be an inorganic material or an organic material, and the stopper layer 13 is a layer having a different etching rate from the metal layer 14 with respect to the abrasive, The metal layer 14 is generally made of a metal material that can be used as wiring. The insulating layer 12 can be composed of, for example, a PETEOS film or an insulating layer having a relative dielectric constant of 3.5 or less, preferably an insulating layer having a relative dielectric constant of 3.5 or less, more preferably 3.0. The following insulating layers. The stopper layer 13 is preferably made of, for example, a conductive barrier layer. Furthermore, the metal layer 14 can be made of a metal generally used for wiring (for example, a metal such as aluminum, copper, or gold, or an alloy of the metal), and is preferably copper or a copper alloy.

ストッパ層13が導電性バリア層からなる場合、例えば、金属、金属合金、金属窒化物(例えば、Ti,TiN,Ta,TaN,TaNb)からなることができる。ここで、ストッパ層13の材質は、Taおよび/またはTaNであることが特に好ましい。ストッパ層13は2層構造を有していてもよい。   When the stopper layer 13 is made of a conductive barrier layer, it can be made of, for example, a metal, a metal alloy, or a metal nitride (for example, Ti, TiN, Ta, TaN, TaNb). Here, the material of the stopper layer 13 is particularly preferably Ta and / or TaN. The stopper layer 13 may have a two-layer structure.

まず、第1研磨工程において、金属膜14のうち、凹部20に埋没された部分の以外をストッパ層13が露出するまで化学機械研磨する(図1(b)参照)。ここで、研磨材としては、上述の化学機械研磨用水系分散体を用いてもよいし、あるいは、後述する第1研磨用水系分散体を用いてもよい。   First, in the first polishing step, chemical mechanical polishing is performed until the stopper layer 13 is exposed except for the portion of the metal film 14 buried in the recess 20 (see FIG. 1B). Here, as the abrasive, the chemical mechanical polishing aqueous dispersion described above may be used, or the first polishing aqueous dispersion described later may be used.

次いで、第2研磨工程において、上述の本発明の一実施形態の化学機械研磨用水系分散体を用いて、残存した金属層14およびストッパ層13を絶縁層12が露出するまで化学機械研磨する(図1(c)参照)。これにより、ストッパ層13のうち凹部20の底部および内壁面以外に位置する部分が除去される。以上により、図1(c)に示す配線構造体1が得られる。   Next, in the second polishing step, the remaining metal layer 14 and the stopper layer 13 are subjected to chemical mechanical polishing until the insulating layer 12 is exposed using the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the embodiment of the present invention described above ( (Refer FIG.1 (c)). Thereby, the part located in the stopper layer 13 other than the bottom part and inner wall surface of the recessed part 20 is removed. As a result, the wiring structure 1 shown in FIG. 1C is obtained.

本具体例によれば、第2研磨工程において、上述の化学機械研磨用水系分散体を用いて絶縁層12を化学機械研磨することにより、絶縁層12の物理的性質が変化せず、材料剥がれやスクラッチなどの表面欠陥が被研磨面に発生することなく精度の高い被研磨面を得ることができる。特に、絶縁層12が、比誘電率が3.5以下の絶縁層からなる場合、絶縁層12の物理的性質が変化することなく、被研磨面における前記表面欠陥の発生を防止することができる点で極めて有用である。   According to this specific example, in the second polishing step, the physical properties of the insulating layer 12 are not changed and the material is peeled off by chemically mechanically polishing the insulating layer 12 using the above-described chemical mechanical polishing aqueous dispersion. A surface to be polished with high accuracy can be obtained without causing surface defects such as scratches and scratches on the surface to be polished. In particular, when the insulating layer 12 is made of an insulating layer having a relative dielectric constant of 3.5 or less, the occurrence of the surface defects on the polished surface can be prevented without changing the physical properties of the insulating layer 12. Very useful in terms.

2.2.第2の具体例
図2(a)〜図2(c)は、本発明の一実施形態の化学機械研磨方法の別の一具体例(第2の具体例)を模式的に示す断面図である。
2.2. Second Specific Example FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views schematically showing another specific example (second specific example) of the chemical mechanical polishing method of one embodiment of the present invention. is there.

図2(a)は、第2の具体例の化学機械研磨方法の研磨対象体2aを示す。図2(a)において、絶縁層112が第1の絶縁層21と、第1の絶縁層21よりも誘電率が高い第2の絶縁層22との積層体を含む点以外は、図1(a)に示す構造と同様の構造を有し、図1(a)に示す構成要素と同じ構成要素は同じ記号が付されている。ここで、第2の絶縁層22はキャップ層としての機能を有する。   Fig.2 (a) shows the grinding | polishing target object 2a of the chemical mechanical polishing method of a 2nd specific example. 2A, except that the insulating layer 112 includes a laminate of the first insulating layer 21 and the second insulating layer 22 having a dielectric constant higher than that of the first insulating layer 21. The same components as those shown in FIG. 1A are given the same reference numerals as those shown in FIG. Here, the second insulating layer 22 functions as a cap layer.

第2の絶縁層22は例えば、タンタル、チタンなどの硬度の高い金属、それらの窒化物、酸化物などからなる。あるいは、第2の絶縁層22は、例えば酸化シリコン膜、酸化シリコンに少量のホウ素およびリンを添加したホウ素リンシリケート膜(BPSG膜)、酸化シリコンにフッ素をドープしたFSG(Fluorine−doped silicate glass)と呼ばれる酸化シリコン系絶縁層であってもよい。酸化シリコン膜としては、例えば熱酸化膜、PETEOS(Plasma Enhanced−TEOS膜)、HDP膜(High Density Plasma Enhanced−TEOS膜)、熱CVD法により得られる酸化シリコン膜などを挙げることができる。   The second insulating layer 22 is made of, for example, a metal having high hardness such as tantalum or titanium, a nitride or oxide thereof. Alternatively, the second insulating layer 22 is formed of, for example, a silicon oxide film, a boron phosphorus silicate film (BPSG film) obtained by adding a small amount of boron and phosphorus to silicon oxide, or FSG (Fluorine-doped silicon glass) doped with fluorine in silicon oxide. It may be a silicon oxide insulating layer called. Examples of the silicon oxide film include a thermal oxide film, PETEOS (Plasma Enhanced-TEOS film), HDP film (High Density Plasma Enhanced-TEOS film), and a silicon oxide film obtained by a thermal CVD method.

第1の絶縁層21は例えば、トリエトキシシランを原料とするHSQ膜(Hydrogen Silsesquioxane膜)、テトラエトキシシランと少量のメチルトリメトキシシランを原料とするMSQ膜(Methyl Silsesquioxane膜)、その他のシラン化合物を原料とする膜からなる。また、第1の絶縁層21には、適当な有機ポリマー粒子などを原料に混合して用いることにより、当該ポリマーが加熱工程で焼失して空孔が形成され、一層の低誘電率化が図られた膜も含まれる。さらに、ポリアリーレン系ポリマー、ポリアリレンエーテル系ポリマー、ポリイミド系ポリマー、ベンゾシクロブテンポリマーなどの有機ポリマーもまた、第1の絶縁層21に含まれる。第1の絶縁層21は、好ましくは比誘電率が3.5以下の絶縁層であり、より好ましくは3.0以下の絶縁層である。   The first insulating layer 21 is, for example, an HSQ film (Hydrogen Silsesquioxane film) using triethoxysilane as a raw material, an MSQ film (Methyl Silsesquioxane film) using tetraethoxysilane and a small amount of methyltrimethoxysilane, or other silane compounds. It consists of a film made of In addition, by using appropriate organic polymer particles or the like mixed in the raw material for the first insulating layer 21, the polymer is burned out in the heating process to form vacancies, thereby further reducing the dielectric constant. Included membranes are also included. Furthermore, organic polymers such as polyarylene polymers, polyarylene ether polymers, polyimide polymers, and benzocyclobutene polymers are also included in the first insulating layer 21. The first insulating layer 21 is preferably an insulating layer having a relative dielectric constant of 3.5 or less, more preferably an insulating layer having a dielectric constant of 3.0 or less.

まず、第1研磨工程において、金属膜14のうち凹部20に埋没された部分の以外を、ストッパ層13が露出するまで化学機械研磨する(図2(b)参照)。ここで、研磨材としては、本発明の一実施形態の化学機械研磨用水系分散体を用いてもよいし、あるいは、後述する第1研磨用水系分散体を用いてもよい。   First, in the first polishing step, chemical mechanical polishing is performed until the stopper layer 13 is exposed except for the portion of the metal film 14 buried in the recess 20 (see FIG. 2B). Here, as the abrasive, the chemical mechanical polishing aqueous dispersion of one embodiment of the present invention may be used, or a first polishing aqueous dispersion described later may be used.

次いで、第2研磨工程において、上述の本発明の一実施形態の化学機械研磨用水系分散体(第2研磨用水系分散体)を用いて、残存した金属層14、ストッパ層13、および第2の絶縁層22を第1の絶縁層21が露出するまで化学機械研磨する(図2(c)参照)。これにより、ストッパ層13のうち凹部20の底部および内壁面以外に位置する部分が除去される。以上により、図2(c)に示す配線構造体2が得られる。   Next, in the second polishing step, the remaining metal layer 14, the stopper layer 13, and the second, using the chemical mechanical polishing aqueous dispersion (second polishing aqueous dispersion) of the embodiment of the present invention described above. The insulating layer 22 is subjected to chemical mechanical polishing until the first insulating layer 21 is exposed (see FIG. 2C). Thereby, the part located in the stopper layer 13 other than the bottom part and inner wall surface of the recessed part 20 is removed. As a result, the wiring structure 2 shown in FIG. 2C is obtained.

本具体例によれば、上述の第1の具体例と同様の作用効果を有する。加えて、本具体例によれば、第2研磨工程において、化学機械研磨により除去されるのは第2の絶縁層22であるため、化学機械研磨によって第1の絶縁層21に加わるダメージを少なくすることができる。   According to this example, the same effect as the first example described above is obtained. In addition, according to the present specific example, in the second polishing step, since the second insulating layer 22 is removed by the chemical mechanical polishing, the damage applied to the first insulating layer 21 by the chemical mechanical polishing is reduced. can do.

2.3.第3の具体例
図3(a)〜図3(c)は、本発明の一実施形態の化学機械研磨方法の別の一具体例(第3の具体例)を模式的に示す図である。
2.3. Third Specific Example FIGS. 3A to 3C are diagrams schematically illustrating another specific example (third specific example) of the chemical mechanical polishing method according to the embodiment of the present invention. .

図3(a)は、第3の具体例の化学機械研磨方法の研磨対象体3aを示す。図3(a)において、絶縁層12の下部に第3の絶縁層31および第4の絶縁層32が設けられている点以外は、図1(a)に示す構造と同様の構造を有し、図1(a)に示す構成要素と同じ構成要素は同じ記号が付されている。ここで、第3の絶縁層31は例えばシリコン酸化物等からなり、第4の絶縁層32は例えばシリコン窒化物等からなる。   FIG. 3A shows a polishing object 3a of the chemical mechanical polishing method of the third specific example. 3A has the same structure as that shown in FIG. 1A except that a third insulating layer 31 and a fourth insulating layer 32 are provided below the insulating layer 12. The same components as those shown in FIG. 1A are given the same symbols. Here, the third insulating layer 31 is made of, for example, silicon oxide, and the fourth insulating layer 32 is made of, for example, silicon nitride.

本具体例の化学機械研磨方法は、第1の具体例の化学研磨方法と同様である。また、本具体例によれば、上述の第1の具体例と同様の作用効果を有する。   The chemical mechanical polishing method of this specific example is the same as the chemical polishing method of the first specific example. Further, according to this specific example, the same effect as the first specific example described above is obtained.

2.4.研磨装置および研磨条件
本発明の一実施形態の化学機械研磨方法において、第1研磨工程および第2研磨工程での研磨は、市販の化学機械研磨装置(例えば、LGP510、LGP552(以上、ラップマスターSFT(株)製)、EPO−112、EPO−222(以上、(株)荏原製作所製)、Mirra(アプライドマテリアルズ社製)、AVANTI−472(アイペック社製)等)を用いて、公知の研磨条件で行なうことができる。
2.4. Polishing apparatus and polishing conditions In the chemical mechanical polishing method of one embodiment of the present invention, polishing in the first polishing process and the second polishing process is performed using commercially available chemical mechanical polishing apparatuses (for example, LGP510, LGP552 (hereinafter referred to as lap master SFT). ), EPO-112, EPO-222 (above, manufactured by Ebara Corporation), Mirra (Applied Materials), AVANTI-472 (made by Ipec), etc.) It can be done under conditions.

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に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、第1研磨工程および第2研磨工程共に例えば下記の条件とすることができる。
定盤回転数:好ましくは30〜130rpm、より好ましくは40〜130rpm
ヘッド回転数:好ましくは30〜130rpm、より好ましくは40〜130rpm
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0.5〜2.5psi、より好ましくは1.0〜2.0psi
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
Preferred polishing conditions should be appropriately set depending on the chemical mechanical polishing apparatus used. For example, when EPO-112 is used as the chemical mechanical polishing apparatus, both the first polishing process and the second polishing process are, for example, the following: It can be a condition.
Surface plate rotation speed: preferably 30 to 130 rpm, more preferably 40 to 130 rpm
Head rotation speed: preferably 30 to 130 rpm, more preferably 40 to 130 rpm
Surface plate rotation speed / head rotation speed ratio: preferably 0.5 to 2, more preferably 0.7 to 1.5
Polishing pressure: preferably 0.5 to 2.5 psi, more preferably 1.0 to 2.0 psi
Chemical mechanical polishing aqueous dispersion supply rate: preferably 50 to 300 ml / min, more preferably 100 to 200 ml / min

2.5.第1研磨用水系分散体
上記第1〜第3の具体例において、第1研磨工程で使用することができる第1研磨用水系分散体は、金属層14およびストッパ層13の各々を同一条件において化学機械研磨した場合に、金属層14の研磨速度(R)とストッパ層13の研磨速度(R)との研磨速度比(R/R)が50以上の研磨特性を有する化学機械研磨用水系分散体であることができる。ここで、研磨速度比(R/R)が50未満であると、第1研磨工程が終了した後、金属層14を除去すべき部分に金属が過剰に残存してしまい、第2研磨工程に多くの時間を要することとなり、また、多量な加工液が必要となるおそれがある。
2.5. First Polishing Aqueous Dispersion In the first to third specific examples, the first polishing aqueous dispersion that can be used in the first polishing step is the same for each of the metal layer 14 and the stopper layer 13. A chemical machine having a polishing characteristic in which the polishing rate ratio (R M / R S ) between the polishing rate (R M ) of the metal layer 14 and the polishing rate (R S ) of the stopper layer 13 is 50 or more when chemical mechanical polishing is performed. It can be an aqueous dispersion for polishing. Here, if the polishing rate ratio (R M / R S ) is less than 50, after the first polishing step is completed, excessive metal remains in a portion where the metal layer 14 is to be removed, so that the second polishing is performed. A lot of time is required for the process, and a large amount of machining liquid may be required.

上記第1研磨用水系分散体の研磨速度比(R/R)は、好ましくは60以上であり、更に好ましくは70以上である。 The polishing rate ratio (R M / R S ) of the first polishing aqueous dispersion is preferably 60 or more, more preferably 70 or more.

このような第1研磨用水系分散体は、研磨速度比(R/R)が上記範囲であれば、その組成は特に限定されるものではないが、例えば、水系媒体中に、(A)砥粒、(B)有機酸、(C)酸化剤、(E)分散媒、ならびにアンモニアおよびアンモニウムイオンからなる群から選択される少なくとも1種のアンモニア成分を含有することが好ましい。 The composition of the first aqueous dispersion for polishing is not particularly limited as long as the polishing rate ratio (R M / R S ) is in the above range. For example, in the aqueous medium, (A It is preferable to contain at least one ammonia component selected from the group consisting of :) abrasive grains, (B) organic acid, (C) oxidizing agent, (E) dispersion medium, and ammonia and ammonium ions.

第1研磨用水系分散体に用いられる(E)分散媒としては、例えば、上記本発明の一実施形態の化学機械研磨用水系分散体(第2研磨用水系分散体)において(E)分散媒として例示したものが挙げられ、これらのうち、水のみを分散媒として用いることが好ましい。   Examples of the (E) dispersion medium used in the first polishing aqueous dispersion include the (E) dispersion medium in the chemical mechanical polishing aqueous dispersion (second polishing aqueous dispersion) of the embodiment of the present invention described above. Among these, it is preferable to use only water as a dispersion medium.

第1研磨用水系分散体に用いられる(A)砥粒としては、例えば、上記本発明の一実施形態の化学機械研磨用水系分散体(第2研磨用水系分散体)において成分(A)を構成する砥粒として例示したものが挙げられ、これらから選択される少なくとも1種の砥粒を用いることができる。これらのうち、二酸化ケイ素、有機粒子または有機無機複合粒子が好ましく用いられる。   Examples of the abrasive (A) used in the first polishing aqueous dispersion include, for example, the component (A) in the chemical mechanical polishing aqueous dispersion (second polishing aqueous dispersion) of the embodiment of the present invention described above. What was illustrated as an abrasive grain to comprise is mentioned, At least 1 sort (s) of abrasive grain selected from these can be used. Of these, silicon dioxide, organic particles, or organic-inorganic composite particles are preferably used.

第1研磨用水系分散体に用いられる(B)有機酸としては、例えば、第2研磨用水系分散体中で成分(B)を構成する有機酸が挙げられ、これらのうち、より大きな研磨速度比(R/R)が得られるという点で、クエン酸、リンゴ酸が好ましく用いられる。 Examples of the (B) organic acid used in the first polishing aqueous dispersion include organic acids constituting the component (B) in the second polishing aqueous dispersion, and among these, a higher polishing rate. Citric acid and malic acid are preferably used in that the ratio (R M / R S ) can be obtained.

また、第1研磨用水系分散体は、(F)防食剤、グリシン、アラニンをさらに含むことができる。第1研磨用水系分散体に用いられる(F)防食剤としては、例えば、第2研磨用水系分散体中で成分(F)を構成する防食剤として例示したものを使用することができ、例えばカルボキシベンゾトリアゾールが挙げられる。   Further, the first polishing aqueous dispersion may further contain (F) an anticorrosive, glycine, and alanine. As the (F) anticorrosive used in the first polishing aqueous dispersion, for example, those exemplified as the anticorrosive constituting the component (F) in the second polishing aqueous dispersion can be used. Carboxybenzotriazole is mentioned.

第1研磨用水系分散体が前記成分(F)を構成する防食剤を含む場合、その配合量は、第1研磨用水系分散体の総量に対して、5質量%以下であることが好ましく、0.001〜5質量%であることがより好ましく、0.005〜1質量%であることが更に好ましく、特に0.01〜0.5質量%であることが好ましい。   When the first polishing aqueous dispersion contains the anticorrosive agent constituting the component (F), the blending amount is preferably 5% by mass or less based on the total amount of the first polishing aqueous dispersion, The content is more preferably 0.001 to 5% by mass, still more preferably 0.005 to 1% by mass, and particularly preferably 0.01 to 0.5% by mass.

第1研磨用水系分散体に用いられる(C)酸化剤としては、例えば、第2研磨用水系分散体中で成分(C)を構成する酸化剤として例示したものが挙げられ、これらから選択される少なくとも1種の酸化剤を用いることができる。これらのうち、過酸化水素または過硫酸塩が好ましく、特に過硫酸アンモニウムが好ましく用いられる。   Examples of the (C) oxidizing agent used in the first polishing aqueous dispersion include those exemplified as the oxidizing agent constituting the component (C) in the second polishing aqueous dispersion, and are selected from these. At least one oxidizing agent can be used. Of these, hydrogen peroxide or persulfate is preferable, and ammonium persulfate is particularly preferably used.

第1研磨用水系分散体に含まれるアンモニア成分は、アンモニアとして存在していてもよく、アンモニウムイオンとして存在していてもよく、また両者が混在していてもよい。アンモニウムイオンは、遊離した状態で存在していてもよく、酸のアンモニウム塩として存在していてもよく、また両者が混在し、それらの平衡状態として存在していてもよい。このようなアンモニアおよびアンモニウムイオンは、アンモニア水を独立して第1研磨用水系分散体に添加して生成させてもよいが、上述した有機酸のアンモニウム塩または酸化剤として添加した過硫酸アンモニウムなどの無機酸のアンモニウム塩から生成させてもよく、あるいは後述するアニオン性界面活性剤のカウンターカチオンとして添加してもよい。   The ammonia component contained in the first polishing aqueous dispersion may be present as ammonia, may be present as ammonium ions, or may be a mixture of both. The ammonium ions may be present in a free state, may be present as an ammonium salt of an acid, or both may be present in an equilibrium state. Such ammonia and ammonium ions may be generated by independently adding aqueous ammonia to the first polishing aqueous dispersion, such as the above-mentioned ammonium salts of organic acids or ammonium persulfate added as an oxidizing agent. You may produce | generate from the ammonium salt of an inorganic acid, or you may add as a counter cation of the anionic surfactant mentioned later.

第1研磨用水系分散体は、(A)砥粒、(B)有機酸、(C)酸化剤、ならびにアンモニアおよびアンモニウムイオンからなる群から選択される少なくとも1種のアンモニア成分が、各々下記の割合で含有していることが好ましい。   In the first polishing aqueous dispersion, (A) abrasive grains, (B) organic acid, (C) an oxidizing agent, and at least one ammonia component selected from the group consisting of ammonia and ammonium ions, It is preferable to contain by a ratio.

(A)砥粒の配合量は、第1研磨用水系分散体の総量に対して、通常0.001〜3質量%であり、好ましくは0.01〜3質量%であり、より好ましくは0.01〜2.5質量%であり、更に0.01〜2質量%が好ましい。   (A) The compounding quantity of an abrasive grain is 0.001-3 mass% normally with respect to the total amount of the 1st polishing aqueous dispersion, Preferably it is 0.01-3 mass%, More preferably, it is 0. 0.01 to 2.5% by mass, more preferably 0.01 to 2% by mass.

(B)有機酸の配合量は、第1研磨用水系分散体の総量に対して、通常0.01〜10質量%であり、好ましくは0.1〜5質量%である。   (B) The compounding quantity of organic acid is 0.01-10 mass% normally with respect to the total amount of the 1st grinding | polishing aqueous dispersion, Preferably it is 0.1-5 mass%.

(C)酸化剤の配合量は、第1研磨用水系分散体の総量に対して、通常0.01〜10質量%であり、好ましくは0.02〜5質量%である。   (C) The compounding quantity of an oxidizing agent is 0.01-10 mass% normally with respect to the total amount of the 1st polishing aqueous dispersion, Preferably it is 0.02-5 mass%.

アンモニア成分の配合量は、第1研磨用水系分散体1リットルに対して、通常0.005〜20molであり、好ましくは0.01〜15molであり、更に好ましくは0.03〜10molであり、特に0.05〜10molが好ましい。   The compounding amount of the ammonia component is usually 0.005 to 20 mol, preferably 0.01 to 15 mol, more preferably 0.03 to 10 mol, with respect to 1 liter of the first polishing aqueous dispersion. 0.05-10 mol is particularly preferable.

第1研磨用水系分散体は、必要に応じて、さらに、界面活性剤、消泡剤などの添加物を含んでいてもよい。   The first polishing aqueous dispersion may further contain additives such as a surfactant and an antifoaming agent as necessary.

界面活性剤としては、カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、水溶性ポリマー等が挙げられ、特にアニオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤または水溶性ポリマーが好ましく用いられる。   Examples of the surfactant include a cationic surfactant, an anionic surfactant, an amphoteric surfactant, a nonionic surfactant, a water-soluble polymer, and the like, and in particular, an anionic surfactant and a nonionic surfactant. An agent or a water-soluble polymer is preferably used.

アニオン系界面活性剤としては、カルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸エステル塩、リン酸エステル塩などを挙げることができる。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などを挙げることができ、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などを挙げることができ、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などを挙げることができ、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などを挙げることができる。これらのうち、スルホン酸塩が好ましく、アルキルベンゼンスルホン酸塩が更に好ましく、ドデシルベンゼンスルホン酸カリウムが特に好ましく用いられる。   Examples of the anionic surfactant include carboxylate, sulfonate, sulfate ester salt and phosphate ester salt. Examples of the carboxylate include fatty acid soaps and alkyl ether carboxylates, and examples of the sulfonate include alkylbenzene sulfonate, alkyl naphthalene sulfonate, α-olefin sulfonate, and the like. Examples of the sulfate ester salt include a higher alcohol sulfate ester salt, an alkyl ether sulfate salt, a polyoxyethylene alkylphenyl ether sulfate salt, and the like. Examples of the phosphate ester salt include an alkyl phosphorus salt. Examples include acid ester salts. Of these, sulfonates are preferred, alkylbenzene sulfonates are more preferred, and potassium dodecylbenzene sulfonate is particularly preferred.

非イオン性界面活性剤としては、例えば、ポリエチレングリコール型界面活性剤、アセチレングリコール、アセチレングリコールのエチレンオキサイド付加物、アセチレンアルコール等の非イオン性界面活性剤を挙げることができる。   Examples of the nonionic surfactant include a nonionic surfactant such as a polyethylene glycol type surfactant, acetylene glycol, an ethylene oxide adduct of acetylene glycol, and acetylene alcohol.

水溶性ポリマーとしては、例えば、アニオン性ポリマー、カチオン性ポリマー、両性ポリマー、ノニオン性ポリマー等を挙げることができる。アニオン性ポリマーとしては、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などを挙げることができ、カチオン性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンイミン、ポリビニルピロリドンなどを挙げることができ、両性ポリマーとしては、例えば、ポリアクリルアミドなどを挙げることができ、ノニオン性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等を挙げることができる。   Examples of the water-soluble polymer include an anionic polymer, a cationic polymer, an amphoteric polymer, and a nonionic polymer. Examples of the anionic polymer include polyacrylic acid and its salt, polymethacrylic acid and its salt, and polyvinyl alcohol. Examples of the cationic polymer include polyethyleneimine and polyvinylpyrrolidone. Examples of the amphoteric polymer include polyacrylamide, and examples of the nonionic polymer include polyethylene oxide and polypropylene oxide.

界面活性剤の配合量は、第1研磨用水系分散体の総量に対して、20質量%以下であることが好ましく、0.001〜20質量%であることがさらに好ましく、0.01〜10質量%であることがより好ましく、特に好ましくは0.05〜5質量%である。   The compounding amount of the surfactant is preferably 20% by mass or less, more preferably 0.001 to 20% by mass, and more preferably 0.01 to 10% with respect to the total amount of the first polishing aqueous dispersion. More preferably, it is 0.05 mass%, Most preferably, it is 0.05-5 mass%.

第1研磨用水系分散体のpHは、酸性領域、中性近辺の領域(弱酸性領域から弱アルカリ性領域)およびアルカリ性領域のいずれの値に設定してもよい。酸性領域のpHは2〜4が好ましく、中性近辺の領域のpHは6〜8が好ましく、アルカリ性領域のpHは8〜12が好ましい。これらのうち、中性付近からアルカリ性領域のpH、すなわち、6〜12が好ましい。   The pH of the first polishing aqueous dispersion may be set to any value of an acidic region, a neutral region (from weakly acidic region to weakly alkaline region), and an alkaline region. The pH in the acidic region is preferably 2 to 4, the pH in the region near neutral is preferably 6 to 8, and the pH in the alkaline region is preferably 8 to 12. Among these, pH in the neutral to alkaline region, that is, 6 to 12 is preferable.

本発明では、第1研磨工程と第2研磨工程とを、同一の研磨装置を用い、研磨対象体を装着したまま、供給する研磨用水系分散体を順次切り替えることにより連続的に行ってもよく、また、同一の研磨装置を用い、第1研磨工程の終了後に研磨対象体をいったん取り出し、供給する研磨用水系分散体を切り替えた後に取り出した研磨対象体を改めて装着して第2研磨工程を実施してもよい。   In the present invention, the first polishing step and the second polishing step may be performed continuously by using the same polishing apparatus and sequentially switching the supplied polishing aqueous dispersion while the object to be polished is mounted. In addition, using the same polishing apparatus, after the first polishing step is finished, the polishing object is once taken out, and after switching the polishing aqueous dispersion to be supplied, the removed polishing object is mounted again to perform the second polishing step. You may implement.

また、第1研磨工程と第2研磨工程とを別個の研磨装置を用いて実施してもよい。更に、複数の研磨パッドを備える研磨装置を使用する場合には、第1研磨工程と第2研磨工程とを異なる種類の研磨パッドを用いて研磨してもよいし、第1研磨工程と第2研磨工程とで同種の研磨パッドを用いてもよい。   Moreover, you may implement a 1st grinding | polishing process and a 2nd grinding | polishing process using a separate grinding | polishing apparatus. Furthermore, when using a polishing apparatus including a plurality of polishing pads, the first polishing step and the second polishing step may be polished using different types of polishing pads, or the first polishing step and the second polishing step may be performed. The same type of polishing pad may be used in the polishing step.

3.実施例
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこの実施例により何ら限定されるものではない。
3. Examples Hereinafter, the present invention will be described by way of examples. However, the present invention is not limited to the examples.

3.1.無機粒子を含む水分散体の調製
3.1.1.ヒュームドシリカ粒子を含む水分散体の調製
ヒュームドシリカ粒子(日本アエロジル(株)製、商品名「アエロジル#90」、平均一次粒子径20nm)2kgをイオン交換水6.7kg中に超音波分散機を用いて分散させた。これを孔径5μmのフィルターで濾過することにより、ヒュームドシリカ粒子を23質量%含有する水分散体を得た。この水分散体中に含まれるヒュームドシリカの平均二次粒子径は、220nmであった。
3.1. Preparation of aqueous dispersion containing inorganic particles 3.1.1. Preparation of Aqueous Dispersion Containing Fumed Silica Particles 2 kg of fumed silica particles (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd., trade name “Aerosil # 90”, average primary particle size 20 nm) are ultrasonically dispersed in 6.7 kg of ion-exchanged water. It was dispersed using a machine. This was filtered with a filter having a pore size of 5 μm to obtain an aqueous dispersion containing 23% by mass of fumed silica particles. The average secondary particle diameter of fumed silica contained in this aqueous dispersion was 220 nm.

3.1.2.コロイダルシリカ粒子を含む水分散体の調製
3.1.2a.コロイダルシリカ粒子C1を含む水分散体の調製
濃度25質量%のアンモニア水75質量部、イオン交換水40質量部、エタノール165質量部およびテトラエトキシシラン30質量部をフラスコに仕込み、回転速度180rpmで攪拌しながら80℃に昇温した。温度を80℃に維持しながら攪拌を2時間継続した後、室温まで冷却した。これにより、コロイダルシリカ粒子C1のアルコール分散体を得た。
3.1.2. Preparation of aqueous dispersion containing colloidal silica particles 3.1.2a. Preparation of aqueous dispersion containing colloidal silica particles C1 A flask was charged with 75 parts by mass of ammonia water having a concentration of 25% by mass, 40 parts by mass of ion-exchanged water, 165 parts by mass of ethanol and 30 parts by mass of tetraethoxysilane, and stirred at a rotational speed of 180 rpm. The temperature was raised to 80 ° C. Stirring was continued for 2 hours while maintaining the temperature at 80 ° C., and then cooled to room temperature. Thereby, an alcohol dispersion of colloidal silica particles C1 was obtained.

次いで、ロータリーエバポレータを用い、得られた分散体の温度を80℃に維持しながらイオン交換水を添加しつつアルコールを除去する操作を数回繰り返した。この操作により、コロイダルシリカ粒子C1を25質量%含む水分散体を調製した。   Subsequently, using a rotary evaporator, the operation of removing alcohol while adding ion-exchanged water was repeated several times while maintaining the temperature of the obtained dispersion at 80 ° C. By this operation, an aqueous dispersion containing 25% by mass of colloidal silica particles C1 was prepared.

この水分散体に含まれるコロイダルシリカ粒子C1の平均一次粒子径は60nmであり、平均二次粒子径は160nmであり、平均会合度は2.7であった。   The average primary particle diameter of the colloidal silica particles C1 contained in this aqueous dispersion was 60 nm, the average secondary particle diameter was 160 nm, and the average degree of association was 2.7.

3.1.2b.コロイダルシリカ粒子C2及至C7をそれぞれ含む水分散体の調製
上記「3.1.2a.コロイダルシリカ粒子C1を含む水分散体の調製」において、濃度25%のアンモニア水、エタノールおよびテトラエトキシシランの使用量を調整し、上記と同様の操作を実施することにより、表1に示すコロイダルシリカ粒子C2及至C7を含む水分散体をそれぞれ調製し、それぞれ実施例2〜5および比較例1,2で用いた。
3.1.2b. Preparation of water dispersion containing colloidal silica particles C2 to C7 respectively In the above “3.1.2a. Preparation of water dispersion containing colloidal silica particles C1”, use of ammonia water having a concentration of 25%, ethanol and tetraethoxysilane By adjusting the amount and carrying out the same operation as above, water dispersions containing colloidal silica particles C2 to C7 shown in Table 1 were prepared, respectively, and used in Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, respectively. It was.

3.2.第1研磨用水系分散体の調製とその研磨性能の評価
3.2.1.第1研磨用水系分散体の調製
シリカに換算して1質量%に相当する量の上記「3.1.1.ヒュームドシリカ粒子を含む水分散体の調製」で調製したヒュームドシリカ粒子を含む水分散体をポリエチレン製の瓶に入れ、これに、キナルジン酸を0.5質量%、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(エアープロダクツジャパン(株)製、商品名「サーフィノール465」)を0.05質量%、過酸化水素に換算して0.1質量%に相当する量の30質量%過酸化水素水を順次入れ、15分間攪拌した。その後、1規定の水酸化カリウム水溶液によりpHを9.5に調製後、孔径5μmのフィルターで濾過することにより、第1研磨用水系分散体を得た。
3.2. Preparation of first aqueous dispersion for polishing and evaluation of polishing performance 3.2.1. Preparation of first polishing aqueous dispersion Fumed silica particles prepared in the above "3.1.1. Preparation of aqueous dispersion containing fumed silica particles" in an amount corresponding to 1% by mass in terms of silica were prepared. The aqueous dispersion containing the mixture is put in a polyethylene bottle, and 0.5% by mass of quinaldic acid, 2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7-diol-dipolyoxyethylene ether is added thereto. (Air Products Japan Co., Ltd., trade name “Surfinol 465”) 0.05% by mass, 30% by mass hydrogen peroxide in an amount corresponding to 0.1% by mass in terms of hydrogen peroxide And stirred for 15 minutes. Thereafter, the pH was adjusted to 9.5 with a 1N aqueous potassium hydroxide solution, followed by filtration with a filter having a pore size of 5 μm to obtain a first polishing aqueous dispersion.

3.2.2.第1研磨用水系分散体の研磨性能の評価
化学機械研磨装置(アプライドマテリアルズ社製、型式「Mirra」)に、発泡ポリウレタン製研磨パッド(ニッタ・ハース(株)製、品番「IC1000」)を装着し、上記化学機械研磨用水系分散体を供給しながら、下記の各種研磨速度測定用基板に対して下記研磨条件にて1分間化学機械研磨処理を行ない、下記の手法によって、研磨速度を算出した。
3.2.2. Evaluation of Polishing Performance of First Aqueous Dispersion for Polishing A polishing pad made of polyurethane foam (made by Nitta Haas Co., product number “IC1000”) is applied to a chemical mechanical polishing apparatus (Applied Materials, model “Mirra”). Wearing and supplying the above chemical mechanical polishing aqueous dispersion, the following various polishing rate measurement substrates are subjected to chemical mechanical polishing for 1 minute under the following polishing conditions, and the polishing rate is calculated by the following method. did.

I.研磨速度測定用基板
・膜厚15000Åの銅膜(本発明の金属層に相当)が積層された8インチ熱酸化膜付きシリコン基板
・膜厚2000Åの窒化タンタル膜(本発明のストッパ層(導電性バリア層)に相当)が積層された8インチ熱酸化膜付きシリコン基板
・膜厚10000ÅのPETEOS膜(本発明の第2の絶縁層に相当)が積層された8インチシリコン基板
I. Polishing speed measurement substrate ・ Silicon substrate with an 8-inch thermal oxide film on which a copper film having a film thickness of 15000 mm (corresponding to the metal layer of the present invention) is laminated ・ Tantalum nitride film having a film thickness of 2000 mm (stopper layer of the present invention (conductivity) 8 inch silicon substrate with a thermal oxide film equivalent to a barrier layer) 8 inch silicon substrate with a PETEOS film having a thickness of 10,000 mm (corresponding to the second insulating layer of the present invention)

II.研磨条件
・ヘッド回転数:130rpm
・プラテン回転数:130rpm
・ヘッド荷重:1.5psi
・化学機械研磨用水系分散体の供給速度:200ml/分
II. Polishing conditions-Head rotation speed: 130 rpm
・ Platen rotation speed: 130rpm
Head load: 1.5 psi
-Supply rate of chemical mechanical polishing aqueous dispersion: 200 ml / min

III.研磨速度算出方法
銅膜および窒化タンタル膜については、電気伝導式膜厚測定器(ケーエルエー・テンコール(株)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。
III. Polishing speed calculation method For the copper film and the tantalum nitride film, the film thickness after the polishing treatment is measured using an electric conduction type film thickness measuring instrument (model OMNIMAP RS75, manufactured by KLA-Tencor Corporation), The polishing rate was calculated from the film thickness reduced by chemical mechanical polishing and the polishing time.

PETEOS膜については、光干渉式膜厚測定器(ナノメトリクス・ジャパン(株)社製、型式「Nanospec6100」)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, the film thickness after polishing treatment was measured using a light interference type film thickness measuring device (manufactured by Nanometrics Japan Co., Ltd., model “Nanospec6100”), and the film thickness decreased by chemical mechanical polishing. The polishing rate was calculated from the polishing time.

IV.研磨速度
・金属層(銅)の研磨速度(R):5500Å/分
・導電性バリア層(窒化タンタル層)の研磨速度(R):30Å/分
・絶縁層(PETEOS膜)の研磨速度(RIn):40Å/分
IV. Polishing rate-Polishing rate of metal layer (copper) (R M ): 5500 Å / min-Polishing rate of conductive barrier layer (tantalum nitride layer) (R B ): 30 Å / min-Polishing rate of insulating layer (PETEOS film) (R In ): 40 Å / min

3.3.実施例1
3.3.1.第2研磨用水系分散体(本発明の化学機械研磨用水系分散体)の調製
シリカに換算して4質量%に相当する量の上記「3.1.2a.コロイダルシリカ粒子を含む水分散体の調製」で調製したコロイダルシリカ粒子C1を含む水分散体をポリエチレン製の瓶に入れ、これに(D)非イオン性界面活性剤(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(n+m=10)(エアープロダクツジャパン(株)製、商品名「サーフィノール465」))0.1質量%、(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸(マレイン酸)0.9質量%、および(C)酸化剤(過酸化水素に換算して0.3質量%に相当する量の30質量%過酸化水素水)を順次に入れ、15分間攪拌した。その後、(G)pH調整剤(水酸化カリウム)0.98質量%を加え、水系分散体のpHが9.0になるよう調整した。次いで、全構成成分の合計量が100質量%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、第2研磨用水系分散体S1を得た。
3.3. Example 1
3.3.1. Preparation of Second Polishing Aqueous Dispersion (Chemical Mechanical Polishing Aqueous Dispersion of the Present Invention) An aqueous dispersion containing the above “3.1.2a. Colloidal silica particles in an amount corresponding to 4% by mass in terms of silica. The aqueous dispersion containing the colloidal silica particles C1 prepared in “Preparation” was put in a polyethylene bottle, and (D) a nonionic surfactant (2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne- 4,7-diol-dipolyoxyethylene ether (n + m = 10) (manufactured by Air Products Japan, trade name “Surfinol 465”)) 0.1 mass%, (B) aliphatic having 4 or more carbon atoms An organic acid (maleic acid) of 0.9% by mass and (C) an oxidizing agent (30% by mass of hydrogen peroxide in an amount corresponding to 0.3% by mass in terms of hydrogen peroxide) were sequentially added. Stir for minutes. Thereafter, (G) 0.98% by mass of a pH adjuster (potassium hydroxide) was added to adjust the pH of the aqueous dispersion to 9.0. Next, ion-exchanged water was added so that the total amount of all the constituent components was 100% by mass, and then filtered through a filter having a pore diameter of 5 μm, thereby obtaining a second polishing aqueous dispersion S1.

3.3.2.第2研磨用水系分散体の研磨性能の評価
化学機械研磨装置(アプライドマテリアルズ社製、型式「Mirra」)に、発泡ポリウレタン製研磨パッド(ニッタ・ハース(株)製、品番「SUPREME」)を装着し、上記化学機械研磨用水系分散体を供給しながら、下記の各種研磨速度測定用基板に対して下記研磨条件にて1分間化学機械研磨処理を行ない、下記の手法によって、研磨速度を算出した。
3.3.2. Evaluation of polishing performance of second polishing aqueous dispersion Chemical foam polishing device (Applied Materials, Model “Mirra”) and polyurethane foam polishing pad (Nitta Haas, product number “SUPREME”) Wearing and supplying the above chemical mechanical polishing aqueous dispersion, the following various polishing rate measurement substrates are subjected to chemical mechanical polishing for 1 minute under the following polishing conditions, and the polishing rate is calculated by the following method. did.

I.研磨速度測定用基板
・膜厚15000Åの銅膜(本発明の金属層に相当)が積層された8インチ熱酸化膜付きシリコン基板
・膜厚2000Åの窒化タンタル膜(本発明のストッパ層(導電性バリア層)に相当)が積層された8インチ熱酸化膜付きシリコン基板
・膜厚10000ÅのPETEOS膜(本発明の第2の絶縁層に相当)が積層された8インチシリコン基板
・アプライド マテリアルズ ジャパン株式会社が開発したブラックダイアモンドプロセスによって、膜厚4000Åの第1の絶縁層(BD膜)(比誘電率k=2.8)が積層された8インチシリコン基板
・JSR株式会社が開発したMSQタイプの膜厚5000Åの第1の絶縁層(LKD膜)(比誘電率k=2.3)が積層された8インチシリコン基板
I. Polishing speed measurement substrate ・ Silicon substrate with an 8-inch thermal oxide film on which a copper film having a film thickness of 15000 mm (corresponding to the metal layer of the present invention) is laminated ・ Tantalum nitride film having a film thickness of 2000 mm (stopper layer of the present invention (conductivity) 8 inch silicon substrate with a thermal oxide film (corresponding to the barrier layer)) 8 inch silicon substrate with a PETEOS film (corresponding to the second insulating layer of the present invention) having a film thickness of 10,000 mm. Applied Materials Japan 8-inch silicon substrate on which a first insulating layer (BD film) with a thickness of 4000 mm (relative dielectric constant k = 2.8) is stacked by the black diamond process developed by Co., Ltd. ・ MSQ type developed by JSR Corporation 8-inch silicon substrate on which a first insulating layer (LKD film) (relative dielectric constant k = 2.3) having a thickness of 5000 mm is stacked

II.研磨条件
・ヘッド回転数:130rpm
・プラテン回転数:130rpm
・ヘッド荷重:1.5psi
・化学機械研磨用水系分散体の供給速度:200ml/分
II. Polishing conditions-Head rotation speed: 130 rpm
・ Platen rotation speed: 130rpm
Head load: 1.5 psi
-Supply rate of aqueous dispersion for chemical mechanical polishing: 200 ml / min

III.研磨速度算出方法
銅膜および窒化タンタル膜については、電気伝導式膜厚測定器(ケーエルエー・テンコール(株)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。
III. Polishing speed calculation method For the copper film and the tantalum nitride film, the film thickness after the polishing treatment is measured using an electric conduction type film thickness measuring instrument (model OMNIMAP RS75, manufactured by KLA-Tencor Corporation), The polishing rate was calculated from the film thickness reduced by chemical mechanical polishing and the polishing time.

PETEOS膜、BD膜およびLKD膜については、光干渉式膜厚測定器(ナノメトリクス・ジャパン(株)社製、型式「Nanospec6100」)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, BD film, and LKD film, the film thickness after the polishing treatment was measured using an optical interference film thickness measuring device (Nanometrics Japan Co., Ltd., model “Nanospec6100”), The polishing rate was calculated from the film thickness decreased by polishing and the polishing time.

IV.研磨速度
・金属層(銅)の研磨速度(R):250Å/分
・導電性バリア層(ストッパ層(窒化タンタル層))の研磨速度(R):800Å/分
・第2の絶縁層(PETEOS膜)の研磨速度(RIn−2):380Å/分
・第1の絶縁層(BD膜)の研磨速度(RIn−1−1):170Å/分
・第1の絶縁層(LKD膜)の研磨速度(RIn−1−2):190Å/分
IV. Polishing rate-Polishing rate (R M ) of metal layer (copper): 250 Å / min-Polishing rate (R B ) of conductive barrier layer (stopper layer (tantalum nitride layer)): 800 Å / min-Second insulating layer (PETEOS film) polishing rate (R In-2 ): 380 Å / min ・ First insulating layer (BD film) polishing rate (R In-1-1 ): 170 Å / min ・ First insulating layer (LKD) Film) polishing rate (R In-1-2 ): 190 Å / min

V.第1の絶縁層のスクラッチ数の評価方法   V. Method for evaluating the number of scratches in the first insulating layer

研磨後の第1の絶縁層の外周部における剥がれの有無を目視および光学顕微鏡にて観察した。また、パターンなしウエハ欠陥検査装置(ケーエルエー・テンコール社製、形式「KLA2351」)を用いて、被研磨面全面あたりの欠陥数を計測し、スクラッチの数をカウントした。その結果を「第1の絶縁層のスクラッチ数」として表1に示す。なお、ウエハ欠陥検査装置が欠陥としてカウントしたもののうち、スクラッチでないものとは、例えば付着したゴミ、ウエハ製造時に発生したシミ等を挙げることができる。   The presence or absence of peeling at the outer peripheral portion of the first insulating layer after polishing was observed visually and with an optical microscope. Further, using a pattern-less wafer defect inspection apparatus (manufactured by KLA-Tencor Corporation, model “KLA2351”), the number of defects per entire surface to be polished was measured, and the number of scratches was counted. The result is shown in Table 1 as “the number of scratches of the first insulating layer”. Of those counted as defects by the wafer defect inspection apparatus, those that are not scratched include, for example, adhering dust, stains generated during wafer manufacture, and the like.

上記「V.第1の絶縁層のスクラッチ数の評価方法」において、欠陥検査装置の検査パラメータを以下に示す。
・検査視野:明視野
・検査波長:可視光
・ピクセルサイズ:0.39
・しきい値(欠陥検出感度):50
In the above “V. Evaluation Method for Number of Scratches of First Insulating Layer”, inspection parameters of the defect inspection apparatus are shown below.
Inspection field: bright field Inspection wavelength: visible light Pixel size: 0.39
・ Threshold (defect detection sensitivity): 50

VI.ディッシングおよびスクラッチの評価
(i)銅配線が形成された被研磨用基板の作製
シリコンからなる基板表面に、深さ1μmの複数の溝から構成されるパターンを有する絶縁層(PETEOS膜(厚さ500Å)とBD膜(厚さ4500Å)の複合膜)を5000Å積層した。次いで、絶縁層の表面に厚さ250Åの導電性バリア層(TaN膜)を形成し、その後、TaN膜で覆われた溝内にスパッタリングおよびめっきにより、厚さ1.1μmの金属層(Cu層)を堆積した。
VI. Evaluation of dishing and scratch (i) Fabrication of substrate to be polished on which copper wiring is formed An insulating layer (PETEOS film (thickness 500 mm ) And a BD film (composite film of 4500 mm thickness) were laminated by 5000 mm. Next, a conductive barrier layer (TaN film) having a thickness of 250 mm is formed on the surface of the insulating layer, and then a metal layer (Cu layer) having a thickness of 1.1 μm is formed by sputtering and plating in the groove covered with the TaN film. ) Was deposited.

(ii)第1研磨工程後の評価
上記(i)で作製したウエハにつき、「3.2.1.第1研磨用水系分散体の調製」で調製した第1研磨用水系分散体を用いて、研磨速度5500Åで2.25分間研磨した。
(Ii) Evaluation after the first polishing step For the wafer prepared in (i) above, using the first polishing aqueous dispersion prepared in “3.2.1. Preparation of first polishing aqueous dispersion”. Polishing was performed at a polishing rate of 5500 mm for 2.25 minutes.

第1研磨工程終了後に、被研磨面のうち幅100μm配線のディッシングを触針式段差計(ケーエルエー・テンコール(株)製、形式「HRP240」)を使用して評価したところ、400Åであった。   After completion of the first polishing step, the dishing of the wiring having a width of 100 μm in the surface to be polished was evaluated using a stylus type step gauge (manufactured by KLA-Tencor Co., Ltd., model “HRP240”), and was 400 mm.

なお、ここで「ディッシング」とは、ウエハの上面(絶縁層または導電性バリア層により形成される平面)と、配線部分の最低部位との距離(高低差)である。   Here, “dishing” is the distance (height difference) between the upper surface of the wafer (a plane formed by an insulating layer or a conductive barrier layer) and the lowest part of the wiring portion.

(iii)第2研磨工程後の評価
上記(ii)で作製したウエハにつき、実施例1〜5ならびに比較例1および2の水系分散体を用いて、下記式により算出した時間で研磨した。
研磨時間(分)={(バリア層の厚さ(Å))÷(上記「3.3.2.第2研磨用水系分散体の研磨性能の評価」で算出したバリア層(窒化タンタル)の研磨速度)+(第1絶縁層の厚さ(500Å))÷(上記「3.3.2.第2研磨用水系分散体の研磨性能の評価」で算出した第1絶縁層(PETEOS))の研磨速度}+(第2絶縁層の厚さ(200Å))÷(上記「3.3.2.第2研磨用水系分散体の研磨性能の評価」で算出した第2絶縁層(BD)の研磨速度)}
(Iii) Evaluation after the second polishing step The wafer prepared in (ii) above was polished for the time calculated by the following formula using the aqueous dispersions of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2.
Polishing time (min) = {(barrier layer thickness (Å)) ÷ (barrier layer (tantalum nitride) calculated in “3.3.2. Evaluation of polishing performance of second polishing aqueous dispersion” above) Polishing speed) + (thickness of first insulating layer (500 mm)) ÷ (first insulating layer (PETEOS) calculated in “3.3.2. Evaluation of polishing performance of second polishing aqueous dispersion”) Polishing speed} + (thickness of second insulating layer (200 mm)) ÷ (second insulating layer (BD) calculated in “3.3.2. Evaluation of polishing performance of second polishing aqueous dispersion” above) Polishing rate)}

被研磨面について、100μm配線のディッシングを触針式段差計(ケーエルエー・テンコール(株)製、形式「HRP240」)を使用して評価した。この結果を表1に示す。   About the surface to be polished, dishing of 100 μm wiring was evaluated using a stylus type step gauge (manufactured by KLA Tencor Co., Ltd., type “HRP240”). The results are shown in Table 1.

なお、ここで「ディッシング」とは、ウエハの上面(絶縁層または導電性バリア層により形成される平面)と、配線部分の最低部位との距離(高低差)である。   Here, “dishing” is the distance (height difference) between the upper surface of the wafer (a plane formed by an insulating layer or a conductive barrier layer) and the lowest part of the wiring portion.

また、パターンのないフィールド領域(120μm×120μmより広いフィールド領域の絶縁膜研磨量を、光干渉式膜厚測定器(ナノメトリクス・ジャパン(株)社製、型式「Nanospec6100」)を用いて、研磨処理後の膜厚を測定し、初期膜厚5000Åから減少した膜厚量として算出したところ、実施例1〜5ならびに比較例1および2の水系分散体いずれの場合も750〜900Åであった。   In addition, a field region having no pattern (polishing amount of an insulating film in a field region wider than 120 μm × 120 μm is polished using an optical interference film thickness measuring device (manufactured by Nanometrics Japan Co., Ltd., model “Nanospec6100”). When the film thickness after the treatment was measured and calculated as the film thickness decreased from the initial film thickness of 5000 mm, it was 750 to 900 mm in each of Examples 1 to 5 and the aqueous dispersions of Comparative Examples 1 and 2.

さらに、光学顕微鏡を用いて、暗視野にて、銅配線部分について、領域120μm×120μmを単位領域としてランダムに200箇所観察し、スクラッチが発生している単位領域の数を、「銅配線のスクラッチ数」として測定した。その結果を表1に示す。   Further, using an optical microscope, in a dark field, the copper wiring portion was observed at 200 random locations with a region of 120 μm × 120 μm as a unit region, and the number of unit regions where the scratch was generated was determined as “Scratch of copper wiring”. Measured as "number". The results are shown in Table 1.

3.4.実施例2及至5、比較例1及至2
実施例1において、化学機械研磨用水系分散体の各成分の種類および添加量並びに水系分散体のpHを表1の通りとした他は、実施例1と同様にして、表1に示される化学機械研磨用水系分散体S2及至S7並びにR1及至R2を調製した。なお、表1中、「−」は、対応する欄に相当する成分を添加しなかったことを示す。
3.4. Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 to 2
In Example 1, the chemistry shown in Table 1 was performed in the same manner as in Example 1 except that the types and amounts of each component of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion and the pH of the aqueous dispersion were changed as shown in Table 1. Mechanical polishing aqueous dispersions S2 to S7 and R1 to R2 were prepared. In Table 1, “-” indicates that the component corresponding to the corresponding column was not added.

また、化学機械研磨用水系分散体として、S1の代わりに上記で合成した各水系分散体を使用した他は、実施例1と同様にして評価を行なった。その評価結果を表1に示す。   Further, evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that each aqueous dispersion synthesized above was used instead of S1 as the aqueous dispersion for chemical mechanical polishing. The evaluation results are shown in Table 1.

Figure 0004984032
Figure 0004984032

表1によると、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、半導体基板に形成された絶縁層を化学機械研磨する際に、被研磨面におけるスクラッチおよびディッシングの発生を大幅に抑制することができ、かつ、前記絶縁層の比誘電率を大きく変化させることなく、前記絶縁層が過度に研磨されることなく、十分に平坦化されて精度の高い被研磨面が得られたことがわかった。これに対して、比較例1,2の化学機械研磨用水系分散体を用いた場合、研磨後のディッシングの発生が大きかった。   According to Table 1, by using the chemical mechanical polishing aqueous dispersions of Examples 1 to 5, when the insulating layer formed on the semiconductor substrate is subjected to chemical mechanical polishing, the occurrence of scratches and dishing on the polished surface is greatly increased. In addition, the insulating layer can be sufficiently flattened without excessively polishing the insulating layer without significantly changing the relative dielectric constant of the insulating layer, and a highly accurate polished surface can be obtained. I found out. On the other hand, when the chemical mechanical polishing aqueous dispersions of Comparative Examples 1 and 2 were used, dishing after polishing was large.

図1(a)〜図1(c)は、本発明の化学機械研磨方法の一具体例を示す概略図である。Fig.1 (a)-FIG.1 (c) are schematic which shows one specific example of the chemical mechanical polishing method of this invention. 図2(a)〜図2(c)は、本発明の化学機械研磨方法の別の一具体例を示す概略図である。FIG. 2A to FIG. 2C are schematic views showing another specific example of the chemical mechanical polishing method of the present invention. 図3(a)〜図3(c)は、本発明の化学機械研磨方法の別の一具体例を示す概略図である。FIG. 3A to FIG. 3C are schematic views showing another specific example of the chemical mechanical polishing method of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1,2,3 配線構造体
1a,2a,3a 研磨対象体
11 基板(例えば、シリコン)
12 絶縁層(例えば、PETEOS膜、あるいは、比誘電率が3.5以下の絶縁層)
13 ストッパ層(例えば、バリア層)
14 金属層
20 凹部
21 第1の絶縁層(例えば、比誘電率が3.5以下の絶縁層)
22 第2の絶縁層
31 第3の絶縁層(例えば、シリコン酸化物)
32 第4の絶縁層(例えば、シリコン窒化物)
112 絶縁層
1, 2, 3 Wiring structure 1a, 2a, 3a Polishing object 11 Substrate (for example, silicon)
12 Insulating layer (for example, PETEOS film or insulating layer having a relative dielectric constant of 3.5 or less)
13 Stopper layer (for example, barrier layer)
14 Metal layer 20 Recess 21 First insulating layer (for example, an insulating layer having a relative dielectric constant of 3.5 or less)
22 Second insulating layer 31 Third insulating layer (for example, silicon oxide)
32 Fourth insulating layer (eg, silicon nitride)
112 Insulating layer

Claims (8)

(A)砥粒、(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸、(C)酸化剤、(D)下記一般式(1)で表される非イオン性界面活性剤、および(E)分散媒を含有し、
前記(D)非イオン性界面活性剤の配合量に対する前記(B)炭素数4以上の脂肪族有機酸の配合量の割合が0.1〜10である、化学機械研磨用水系分散体。
Figure 0004984032
・・・・・(1)
(式中、nおよびmはそれぞれ独立に1以上の整数であり、n+m≦50を満たす。)
(A) Abrasive grain, (B) C4 or higher aliphatic organic acid, (C) oxidizing agent, (D) nonionic surfactant represented by the following general formula (1), and (E) dispersion Containing medium ,
The chemical mechanical polishing aqueous dispersion, wherein a ratio of the blended amount of the (B) aliphatic organic acid having 4 or more carbon atoms to the blended amount of the (D) nonionic surfactant is 0.1 to 10 .
Figure 0004984032
(1)
(In the formula, n and m are each independently an integer of 1 or more and satisfy n + m ≦ 50.)
請求項1において、
前記(A)砥粒は、一次粒子径60〜90nmでかつ会合度1.5〜4の無機粒子である、化学機械研磨用水系分散体。
In claim 1,
The chemical mechanical polishing aqueous dispersion, wherein (A) the abrasive grains are inorganic particles having a primary particle diameter of 60 to 90 nm and an association degree of 1.5 to 4.
請求項1または請求項2において、
前記(C)酸化剤は、過酸化水素である、化学機械研磨用水系分散体。
In claim 1 or claim 2,
The chemical mechanical polishing aqueous dispersion, wherein (C) the oxidizing agent is hydrogen peroxide.
請求項1ないし請求項3のいずれか一項において、
銅層、導電性バリア層、第1絶縁層、および該第1絶縁層より誘電率が高い第2絶縁層の各々を同一条件において化学機械研磨した場合、前記導電性バリア層の研磨速度(R)と銅層の研磨速度(R)との研磨速度比(R/R)が1.5以上であり、前記第2絶縁層の研磨速度(RIn−2)と前記銅層の研磨速度(R)との研磨速度比(RIn−2/RM)が0.9〜2.5であり、かつ、前記第2絶縁層の研磨速度(RIn−2)と前記第1絶縁層の研磨速度(RIn−1)との研磨速度比(RIn−2/RIn−1)が0.5〜5である、化学機械研磨用水系分散体。
In claims 1 to any one of claims 3,
When each of the copper layer, the conductive barrier layer, the first insulating layer, and the second insulating layer having a dielectric constant higher than that of the first insulating layer is subjected to chemical mechanical polishing under the same conditions, the polishing rate (R B) and the polishing rate of the copper layer (R M) and the polishing rate ratio (which is R B / R M) of 1.5 or more, the polishing rate of the second insulating layer (R an in-2) and the copper layer The polishing rate ratio (R In-2 / R M ) to the polishing rate (R M ) is 0.9 to 2.5, and the polishing rate (R In-2 ) of the second insulating layer is An aqueous dispersion for chemical mechanical polishing, wherein the polishing rate ratio (R In-2 / R In-1 ) to the polishing rate (R In-1 ) of the first insulating layer is 0.5 to 5.
凹部を有する絶縁層上にストッパ層を介して設けられ、かつ、該凹部に埋設された層を該ストッパ層が露出するまで化学機械研磨する第1研磨工程と、
請求項1ないし請求項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、前記層および前記ストッパ層を該絶縁層が露出するまで化学機械研磨する第2研磨工程と、
を含む、化学機械研磨方法。
A first polishing step in which a copper layer embedded in the recess and provided on the insulating layer having the recess through the stopper layer is subjected to chemical mechanical polishing until the stopper layer is exposed;
A second polishing step of chemically mechanically polishing the copper layer and the stopper layer until the insulating layer is exposed, using the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to any one of claims 1 to 4. ,
A chemical mechanical polishing method comprising:
請求項5において、
前記絶縁層は、第1の絶縁層と、該第1の絶縁層より誘電率が高い第2の絶縁層との積層体を含み、
前記第2研磨工程は、前記層、前記ストッパ層、および前記第2の絶縁層を化学機械研磨する工程である、化学機械研磨方法。
In claim 5 ,
The insulating layer includes a laminate of a first insulating layer and a second insulating layer having a dielectric constant higher than that of the first insulating layer,
The second polishing step is a chemical mechanical polishing method, wherein the copper layer, the stopper layer, and the second insulating layer are chemically mechanically polished.
請求項において、
前記第1の絶縁層の比誘電率が3.5以下である、化学機械研磨方法。
In claim 6 ,
The chemical mechanical polishing method, wherein the first dielectric layer has a relative dielectric constant of 3.5 or less.
請求項5または請求項6において、
前記ストッパ層は導電性バリア層である、化学機械研磨方法。
In claim 5 or claim 6 ,
The chemical mechanical polishing method, wherein the stopper layer is a conductive barrier layer.
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