WO2020218089A1 - 金属研磨用コロイダルシリカ - Google Patents

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WO2020218089A1
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polishing
silica
colloidal silica
silica particles
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杉山　大介
智陽 中野
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扶桑化学工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to colloidal silica for metal polishing.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-41029
  • Patent Document 1 describes an aqueous dispersion for chemical mechanical polishing containing silica particles having predetermined chemical properties and an organic acid having two or more carboxyl groups.
  • Patent Document 1 as the effect of the organic acid, (1) it coordinates with metal ions such as copper, tantalum, and titanium eluted in the aqueous dispersion by polishing to prevent metal precipitation, and (2) copper film. , Barrier metal film, TEOS film, etc.
  • Patent Document 2 describes a chemical mechanical polishing (CMP) polishing composition for a cobalt-containing substrate, which comprises an abrasive such as colloidal silica and at least two types.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • Patent Document 2 describes that the combination of two types of chelating agents gives a higher cobalt removal rate than the use of the chelating agent alone.
  • An object of the present invention is to provide colloidal silica for metal polishing capable of achieving a high polishing rate.
  • the present inventors have used colloidal silica containing silica particles in which a functional group containing at least one carboxyl group is fixed to the surface via a covalent bond. , It was found that a high polishing rate can be obtained by polishing a metal, and further studies were carried out based on this finding to complete the present invention.
  • the present invention includes the following aspects.
  • Item 1 Colloidal silica for metal polishing, which contains silica particles in which a functional group containing at least one carboxyl group is fixed to the surface via a covalent bond.
  • Item 2. The silica particles have the following formula (1): [In the formula, R 1 is an organic functional group having at least one carboxyl group, and R 2 and R 3 are the same or different, hydrogen atom, hydrocarbon group, or -OR 4 (R 4 is It is a hydrogen atom, a hydrocarbon group, or a silicon-containing group). ]
  • the colloidal silica according to Item 1 which has a group represented by.
  • colloidal silica according to Item 1 or 2 wherein the silica particles are silica particles surface-modified with a silane coupling agent having a functional group containing at least one carboxyl group or a precursor group thereof or a hydrolyzed condensate thereof. .. Item 4.
  • Item 2. The colloidal silica according to any one of Items 1 to 3, wherein the metal is a transition metal.
  • a high polishing rate can be obtained by polishing a metal with the colloidal silica of the present invention. Further, the colloidal silica of the present invention can achieve a high polishing rate of a metal even if the concentration of silica particles in the polishing composition is low.
  • FIG. 1 is a graph showing the relationship between the pH and zeta potential of colloidal silica of Examples and Comparative Examples.
  • the colloidal silica for metal polishing of the present invention contains silica particles (hereinafter, referred to as "surface-modified silica particles") in which a functional group containing at least one carboxyl group is fixed to the surface via a covalent bond.
  • the functional group is preferably an organic functional group containing at least one carboxyl group, and more preferably a hydrocarbon group having at least one carboxyl group.
  • the number of carboxyl groups contained in the functional group is preferably 1 to 4, more preferably 1 to 3, and even more preferably 1 to 2.
  • the position of the carboxyl group may be at the end of the functional group or at a site other than the end, but it is preferable that at least one is present at the end.
  • the surface-modified silica particles are, for example, silica particles in which the hydrogen atom of the surface hydroxyl group (silanol group) is replaced with a functional group containing at least one carboxyl group. That is, the surface-modified silica particles have, for example, a group represented by the formula: -OR (in the formula, R is a functional group containing at least one carboxyl group) on the surface instead of the hydroxyl group. It is a silica particle.
  • the oxygen atom in ⁇ OR is bonded to the silicon atom inside the silica particles.
  • R 1 is an organic functional group having at least one carboxyl group
  • R 2 and R 3 are the same or different, hydrogen atom, hydrocarbon group, or -OR 4 (R 4 is It is a hydrogen atom, a hydrocarbon group, or a silicon-containing group).
  • R 4 is It is a hydrogen atom, a hydrocarbon group, or a silicon-containing group).
  • It is a group represented by.
  • Examples of the organic functional group in R 1 include a hydrocarbon group and a heteroatom-containing hydrocarbon group.
  • hydrocarbon group examples include alkyl, cycloalkyl, aryl, and aralkyl groups.
  • alkyl group examples include C 1- such as methyl, ethyl, propyl (n-propyl, i-propyl), butyl (n-butyl, i-butyl, s-butyl, t-butyl), pentyl, and hexyl groups. Examples include 12 alkyl groups.
  • cycloalkyl group examples include C 5-12 cycloalkyl groups such as cyclopentyl and cyclohexyl groups.
  • aryl group examples include C6-12 aryl groups such as phenyl and naphthyl groups.
  • aralkyl group examples include C 6-12 aryl C 1-4 alkyl groups such as benzyl and phenethyl groups.
  • heteroatom-containing hydrocarbon group a hydrocarbon group containing at least one heteroatom selected from the group consisting of an oxygen atom, a sulfur atom and a nitrogen atom is preferable, and an example thereof is an oxygen-containing alkyl group (eg,).
  • the number of heteroatoms is preferably 1 to 3, and more preferably 1 or 2.
  • R 1 includes an alkyl group having at least one carboxyl group, an alkoxyalkyl group having at least one carboxyl group, an alkylthioalkyl group having at least one carboxyl group, or an alkyl having at least one carboxyl group.
  • Aminoalkyl groups are preferred, these groups are more preferably having 1 to 4 carboxy groups, even more preferably having 1 to 3 carboxy groups, and most preferably having 1 to 2 carboxy groups. preferable.
  • examples of the hydrocarbon group include the same groups as the hydrocarbon groups exemplified as the organic functional group in R 1 , preferably an alkyl group, and more preferably a C 1-4 alkyl group.
  • the silicon-containing group be a group formed by the reaction of another silanol group or a hydrogen atom present on the surface of the radicals substituted in the functional group containing at least one carboxyl group Often, it may be a group produced by reaction with a silane coupling agent (for example, a silane coupling agent exemplified as a surface modifier described later).
  • the surface-modified silica particles are preferably silica particles surface-modified with a compound having a functional group containing at least one carboxyl group or a precursor group thereof (hereinafter, referred to as "surface modifier").
  • Examples of the precursor group of the carboxyl group include a carboxylic acid ester group (eg, a carboxylic acid alkyl ester group such as a carboxylic acid methyl ester and a carboxylic acid ethyl ester) and a carboxylic acid anhydride group.
  • a carboxylic acid ester group eg, a carboxylic acid alkyl ester group such as a carboxylic acid methyl ester and a carboxylic acid ethyl ester
  • a carboxylic acid anhydride group eg, a carboxylic acid alkyl ester group such as a carboxylic acid methyl ester and a carboxylic acid ethyl ester
  • Examples of the at least one carboxyl group or its precursor group include one carboxyl group, one carboxylic acid ester group, two carboxyl groups, one carboxylic acid anhydride group, and two carboxylic acid esters. The group is mentioned.
  • the surface modifier usually has a reactive group that reacts with a hydroxyl group (silanol group) on the surface of silica particles, and is typically a silane coupling agent or a hydrolyzed condensate thereof.
  • silane coupling agent examples include the following formula (2): (In the formula, Q 1 is a hydrogen atom or a hydrocarbon group, and R 5 and R 6 are the same or different, a hydrogen atom, a hydrocarbon group, or -OR 7 (R 7 is a hydrogen atom or a hydrocarbon). It is a group.) And R 1 is the same as above.) Examples thereof include compounds represented by.
  • the hydrocarbon group represented by Q 1 and R 5 ⁇ R 7, include the same groups as the hydrocarbon groups exemplified as the organic functional groups in R 1.
  • Q 1 and R 5 to R 7 an alkyl group is preferable, and a C 1-4 alkyl group is more preferable.
  • the silane coupling agent preferably has the following formula (3): (In the formula, R 8 is a C 1-6 alkyl group having 1 to 3 carboxyl groups, a C 1-6 alkoxy C 1-6 alkyl group having 1 to 3 carboxyl groups, and 1 to 3 alkyl groups. a C 1-6 alkylthio C 1-6 alkyl group, or a 1-mono- or di-C 1-6 alkylamino C 1-6 alkyl group having 3 carboxyl groups having a carboxyl group, Q 2 - Q 4 is , Same or different, hydrogen atom or C 1-4 alkyl group.) It is a compound represented by.
  • the silane coupling agent is more preferably at least a 3- (trimethoxysilyl) propyl succinic anhydride or a hydrolyzate thereof, a 3- (triethoxysilyl) propyl succinic anhydride or a hydrolyzate thereof, and the like.
  • silane coupling agent or its hydrolyzed condensate may be combined with another silane coupling agent or its hydrolyzed condensate.
  • Other silane coupling agents include, for example, alkylsilanes (eg, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, propyltrimethoxysilane, propyltriethoxysilane, isobutyltrimethoxysilane, isobutyltriethoxysilane, octyltrimethoxysilane).
  • Octiltriethoxysilane phenylsilane (eg, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane), mercaptoalkylsilane (eg, 3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane) and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
  • the amount of carboxyl groups on the surface of the surface-modified silica particles is preferably 0.05 atomic% or more, more preferably 0.07 atomic% or more, from the viewpoint of increasing the polishing rate.
  • the amount of carboxyl groups on the surface of the surface-modified silica particles is preferably 0.5 atomic% or less, more preferably 0.3 atomic% or less, from the viewpoint of dispersion stability in a solvent.
  • the amount of carboxyl groups on the surface of the surface-modified silica particles is determined by centrifuging colloidal silica at 77,000 G at 5 ° C. for 90 minutes, drying the obtained precipitate at 60 ° C. for 12 hours, and then pulverizing the mixture.
  • a sample is prepared by drying at 60 ° C. under reduced pressure for 2 hours, and the sample is measured by X-ray photoelectron spectroscopy under the following conditions.
  • the zeta potential is preferably -60 to -10 mV, more preferably -55 mV to -15 mV, and particularly preferably -50 mV to -20 mV.
  • the difference between the zeta potential having a pH of 3 and the zeta potential having a pH of 6 is preferably 20 mV or more, more preferably 40 mV or more, and particularly preferably 60 mV or more.
  • the zeta potential of colloidal silica can be measured by an apparatus using the measurement principle of the ultrasonic attenuation method.
  • the BET specific surface area of the surface-modified silica particles is, for example, 15 to 550 m 2 / g, preferably 20 to 280 m 2 / g, and more preferably 30 to 180 m 2 / g.
  • the BET specific surface area can be measured using a sample in which colloidal silica is pre-dried on a hot plate and then heat-treated at 800 ° C. for 1 hour.
  • the average primary particle diameter of the surface-modified silica particles is preferably 5 nm or more, more preferably 10 nm or more, still more preferably 15 nm or more, from the viewpoint of increasing the polishing rate.
  • the average primary particle size of the surface-modified silica particles is preferably 200 nm or less, more preferably 150 nm or less, still more preferably 100 nm or less, from the viewpoint of suppressing the occurrence of scratches on the metal to be polished.
  • the average primary particle diameter of the surface-modified silica particles is calculated by 2727 / BET specific surface area (m 2 / g), where the true specific gravity of silica is 2.2.
  • the average secondary particle diameter of the surface-modified silica particles is preferably 6 nm or more, more preferably 12 nm or more, still more preferably 18 nm or more, from the viewpoint of increasing the polishing rate. Further, the average secondary particle diameter of the surface-modified silica particles is preferably 400 nm or less, more preferably 350 nm or less, still more preferably 300 nm or less, from the viewpoint of suppressing the occurrence of scratches on the metal to be polished.
  • the average secondary particle size of the surface-modified silica particles is a sample obtained by adding colloidal silica to a 0.05 mass% sodium dodecyl sulfate (SDS) aqueous solution and homogenizing the sample, and dynamically using the sample. Measured by the light scattering method ("ELSZ-2000S” manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.).
  • the association ratio of the surface-modified silica particles is preferably 1.2 or more, more preferably 1.4 or more, still more preferably 1.6 or more, from the viewpoint of increasing the polishing rate.
  • the association ratio of the surface-modified silica particles is preferably 5.5 or less, more preferably 5.0 or less, still more preferably 4.0 or less, from the viewpoint of suppressing the occurrence of scratches on the metal to be polished.
  • the association ratio of the surface-modified silica particles is calculated by the average secondary particle diameter / average primary particle diameter.
  • the surface-modified silica particles may be deformed particles. That is, the surface-modified silica particles preferably have a bent structure and / or a branched structure.
  • a "bent structure” is a secondary particle formed by combining three or more primary particles in a row and is not a straight line.
  • the "branched structure” is a secondary particle in which four or more primary particles are bonded and is not in a row (has branches).
  • the surface-modified silica particles preferably have a true specific gravity of 1.50 or more, more preferably 1.65 or more, and even more preferably 1.80 or more.
  • the true specific gravity is preferably 2.30 or less, more preferably 2.20 or less, and even more preferably 2.16 or less.
  • the upper limit of the true specific gravity is within the above range, the occurrence of scratches on the object to be polished is further reduced.
  • the true specific gravity can be measured by a measuring method in which a sample is dried on a hot plate at 150 ° C., held in a furnace at 300 ° C. for 1 hour, and then measured by a liquid phase replacement method using ethanol.
  • Colloidal silica is surface-modified silica particles dispersed in a dispersion medium.
  • Examples of the dispersion medium include water, an organic solvent, and a mixed solvent thereof.
  • Organic solvents are usually hydrophilic organic solvents, such as alcohols (eg methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, ethylene glycol, propylene glycol, 1,4-butanediol), ketones (eg). : Acetone, methyl ethyl ketone), ester (eg ethyl acetate). These organic solvents can be used alone or in combination of two or more.
  • alcohols eg methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, ethylene glycol, propylene glycol, 1,4-butanediol
  • ketones eg. : Acetone, methyl ethyl ketone
  • ester eg ethyl acetate
  • the dispersion medium is preferably water and / or alcohol, and more preferably water and / or methanol.
  • the content of the surface-modified silica particles in colloidal silica is, for example, 0.1 to 30% by mass, preferably 0.3 to 20% by mass.
  • Examples of the method for producing colloidal silica containing surface-modified silica particles include a method using a sol-gel method.
  • the method using the sol-gel method is, for example, (1) A step of preparing a mixture containing an alkoxysilane, an alkali catalyst, water or / and an organic solvent (hereinafter, also referred to as "silica sol"), and (2) the mixture is at least one carboxyl group or a precursor thereof. It is a method including a step of reacting with a compound having a functional group containing a group (surface modifier).
  • alkoxysilane examples include tetra C 1-8 alkoxysilane such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, and tetraisopropoxysilane. These can be used alone or in combination of two or more. Of these, tetra C 1-4 alkoxysilanes are preferred, and tetramethoxysilanes and / or tetraethoxysilanes are even more preferred.
  • the type of alkaline catalyst is not particularly limited.
  • an organic base catalyst containing no metal component is preferable, and an organic base catalyst containing nitrogen is preferable in terms of avoiding mixing of metal impurities.
  • examples of such an organic base catalyst include ethylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetraamine, ammonia, urea, monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, tetramethylammonium hydroxide (TMAH), tetramethylguanidine, 3-.
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • TMAH tetramethylguanidine
  • examples thereof include ethoxypropylamine, dipropylamine and triethylamine. These can be used alone or in combination of two or more.
  • Ammonia is preferable because it has excellent catalytic action, is highly volatile, and can be easily removed in a subsequent step. From the viewpoint of increasing the true specific gravity of the silica particles, it is preferable to select an organic base catalyst having a boiling point of 90 ° C. or higher so that it does not easily volatilize even when the reaction temperature is increased. Tetramethylammonium hydroxide and 3- At least one selected from ethoxypropylamine is more preferred.
  • organic solvent the same organic solvent as that exemplified in "Coroidal silica” can be used.
  • organic solvent alcohol is preferable, and methanol is more preferable.
  • the method for preparing the silica sol may be, for example, a method in which each component is mixed sequentially or simultaneously, and a mixture of two or three kinds of an alkoxysilane, an alkali catalyst, water or / and an organic solvent is used as a residual component. It may be a method of mixing, or a method of mixing two or three kinds of mixtures with each other.
  • the method for preparing the silica sol is typically a method of mixing a first mixture containing an alkoxysilane and optionally an organic solvent with a second mixture containing an alkaline catalyst, water and optionally an organic solvent.
  • the content of alkoxysilane is, for example, 70 to 100% by mass, preferably 75 to 100% by mass, when the first mixture is 100% by mass.
  • the content of the alkaline catalyst is, for example, 0.001 to 3.0% by mass, preferably 0.002 to 1.5% by mass, when the second mixture is 100% by mass.
  • the mixing ratio (mass ratio) of the first mixture and the second mixture is, for example, 5:95 to 50:50, preferably 10:90 to 45:55.
  • the mixing temperature of the first mixture and the second mixture is not particularly limited, but is, for example, 0 to 100 ° C, preferably 0 to 90 ° C.
  • the content of silica particles in the silica sol is not particularly limited, but is, for example, 5 to 35% by mass, preferably 10 to 30% by mass. In order to adjust the content of silica particles to the above range, the silica sol may be concentrated if necessary.
  • JP-A-2005-60217 and JP-A-2010-269985 can be referred to.
  • the step (2) may be, for example, any of the following steps (2A) or (2B).
  • step (2A) and step (2B) the conversion of the precursor group of the carboxyl group to the carboxyl group can be carried out by a conventional method, for example, the conversion of a carboxylic acid ester group or a carboxylic acid anhydride group to a carboxyl group. Can be carried out by hydrolysis. Of these, step (2B) is preferable.
  • the amount of the surface modifier used is, for example, 5 to 750 ⁇ mol, preferably 10 to 500 ⁇ mol with respect to 1 g of the silica particles before the surface modification.
  • the mixing temperature of the silica sol and the surface modifier is, for example, 0 to 150 ° C., preferably 0 to 120 ° C., and more preferably 10 to 90 ° C.
  • the colloidal silica can be suitably used for polishing metals.
  • the polishing can be, for example, chemical mechanical polishing (CMP).
  • CMP chemical mechanical polishing
  • As the polishing conditions known or commonly used conditions can be adopted.
  • the composition for metal polishing is not particularly limited as long as it contains the colloidal silica, but may further contain additives.
  • the additive include a diluent, an oxidizing agent, a pH adjuster, an anticorrosive agent, a stabilizer, a surfactant and the like. These can be used alone or in combination of two or more.
  • the content of the surface-modified silica particles (or abrasive grains) in the metal polishing composition is, for example, 0.1 to 30% by mass, preferably 0.3 to 20% by mass, and more preferably 0.5 to 10% by mass. %. In the present invention, a high polishing rate can be realized even if the content of the surface-modified silica particles is small.
  • the metal to be polished is not particularly limited, and examples thereof include transition metals.
  • Preferred examples of the transition metal include cobalt, ruthenium, copper, tungsten, tantalum, and titanium. Of these, at least one selected from cobalt, ruthenium, and copper is more preferred.
  • the object to be polished is usually a metal film.
  • the polishing rate of the metal film can be increased. Further, the ratio of the polishing rate of the metal film to the polishing rate of the silicon oxide film can be increased, and the metal film can be selectively polished.
  • the metal is used for various purposes, and may be, for example, a metal film for semiconductors (eg, a metal film for electrode wiring, a barrier metal film) or the like.
  • Example 1 A mixed solution of tetramethoxysilane 1522.2 g and methanol 413.0 g was added dropwise to a mixed solution of pure water 2212.7 g, 26 mass% ammonia water 567.3 g, and methanol 12391 g over 25 minutes while keeping the liquid temperature at 20 ° C. Then, a silica sol methanol dispersion 1 was obtained. The obtained silica sol methanol dispersion 1 was charged under normal pressure, and the silica sol methanol dispersion 1 was added dropwise while keeping the volume constant to obtain a silica sol methanol dispersion 2 concentrated to a silica concentration of 20% by mass.
  • silica sol-methanol dispersion 2 800 g was taken in a 1 L flask, and 21.6 g of a hydrolyzate of (3-trimethoxysilylpropyl) succinic anhydride diluted with pure water to 10% by mass of the active ingredient was added.
  • a hydrolyzate of (3-trimethoxysilylpropyl) succinic anhydride diluted with pure water to 10% by mass of the active ingredient was added.
  • 1300 mL of pure water was added dropwise while keeping the volume constant.
  • the mixture was heated under reflux at 100 ° C. to react with the hydrolyzate of (3-trimethoxysilylpropyl) succinic anhydride.
  • Colloidal silica S1 having a silica particle concentration of 19.5% by mass was obtained by performing heating reflux until the total time of solvent substitution and heating reflux was 24 hours.
  • Example 2 To a mixed solution of 7500 g of pure water and 1.93 g of 3-ethoxypropylamine, 2740 g of tetramethoxysilane was added dropwise over 60 minutes while maintaining the solution temperature at 85 ° C. 15 minutes after the completion of the dropping, 50.14 g of 3-ethoxypropylamine was added to obtain a silica sol-methanol dispersion liquid 3. To a mixed solution of 5537 g of pure water and 2452 g of the silica sol methanol dispersion solution 3, 1762.7 g of tetramethoxysilane was added dropwise over 360 minutes while maintaining the solution temperature at 80 ° C. to obtain a silica sol methanol dispersion solution 4.
  • silica sol methanol dispersion 4 was charged under normal pressure, and the silica sol methanol dispersion 4 was added dropwise while keeping the volume constant to obtain a silica sol methanol dispersion 5 concentrated to a silica concentration of 20% by mass.
  • 900 g of silica sol methanol dispersion 5 was taken in a 1 L flask, and 1.550 g of 3-ethoxypropylamine was mixed. The pH of the mixed solution at this time was 9.5.
  • the BET specific surface area, primary particle diameter, secondary particle diameter, association ratio, true specific gravity, and surface modification amount of the obtained colloidal silicas of Examples and Comparative Examples were evaluated as follows.
  • ⁇ BET specific surface area> Colloidal silica was pre-dried on a hot plate and then heat-treated at 800 ° C. for 1 hour to prepare a sample for measurement. The BET specific surface area was measured using the prepared measurement sample.
  • ⁇ Primary particle size> The value calculated by 2727 / specific surface area (m 2 / g) was taken as the primary particle diameter (nm) of colloidal silica.
  • ⁇ Secondary particle size> As a sample for measurement of the dynamic light scattering method, colloidal silica was added to a 0.05 mass% sodium dodecyl sulfate (SDS) aqueous solution to prepare a homogenized sample. The secondary particle size was measured by the dynamic light scattering method (“ELSZ-2000S” manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.) using the measurement sample.
  • SDS sodium dodecyl sulfate
  • the true specific gravity was measured by a measuring method in which the sample was dried on a hot plate at 150 ° C., held in a furnace at 300 ° C. for 1 hour, and then measured by a liquid phase replacement method using ethanol.
  • ⁇ Surface modification amount> The colloidal silica solution was centrifuged at 77,000 G, 5 ° C. for 90 minutes. The obtained precipitate was dried at 60 ° C. for 12 hours, then silica was pulverized and dried at 60 ° C. under reduced pressure for 2 hours to prepare a sample for measurement. Using the measurement sample, the amount of carboxyl groups on the surface was measured by X-ray photoelectron spectroscopy under the following conditions.
  • Table 1 shows the evaluation results of the physical properties of colloidal silica of Examples and Comparative Examples.
  • the zeta potentials of the colloidal silicas of Examples and Comparative Examples were evaluated as follows. ⁇ Zeta potential> The zeta potential of colloidal silica was measured using a measuring device using an ultrasonic attenuation method. The zeta potential measurement results of colloidal silica of Examples and Comparative Examples are shown in FIG.
  • Example 3 From the results of the polishing test 1, when the colloidal silica S1 obtained in Example 1 was used (Example 3), the polishing rate with respect to cobalt (Co) was 2000 ⁇ / min or more, whereas the unmodified colloidal silica S3 And when the sulfonic acid-modified colloidal silica S4 was used (Comparative Examples 4 and 5), the polishing rate was less than 1000 ⁇ . Further, the selection ratio calculated from the polishing rate ratio of cobalt (Co) and silicon oxide film (TEOS) is 9.0 or more when S1 of Example is used, whereas S3 and S4 of Comparative Example are used. When was used, it was less than 8.0.
  • the polishing rate for cobalt (Co) was 1600 ⁇ / min or more, whereas S5 in which maleic acid having a carboxyl group was added to unmodified colloidal silica was used. If so, the polishing rate was less than 1200 ⁇ . Further, the selection ratio calculated from the polishing rate ratio of cobalt (Co) and silicon oxide film (TEOS) was 8.0 or more when S1 was used, whereas S3 and S4 of Comparative Examples were used. The case was less than 3.0.
  • Polishing pad Nitta Haas IC1000 TM Pad Slurry supply rate: 50 mL / min Head rotation speed: 32 rpm Platen rotation speed: 32 rpm Polishing pressure: Ru film ... 6 psi Polishing time: Ru film ... 1 min Film thickness measuring machine: Ru film ... Electrical resistance type film thickness measuring machine
  • the polishing rate was 380 ⁇ / min or more even for ruthenium (Ru), and S5 in which maleic acid having a carboxyl group was added to the unmodified colloidal silica.
  • the polishing speed was 1.2 times or more as compared with the case of using.
  • Polishing test conditions Polishing machine: Nanofactor Co., Ltd. NF-300CMP Polishing pad: Nitta Haas IC1000 TM Pad Slurry supply rate: 50 mL / min Head rotation speed: 32 rpm Platen rotation speed: 32 rpm Polishing pressure: Cu film ... 1.5 psi Polishing time: Cu film ... 1 min
  • the polishing rate was 1900 ⁇ / min or more even for copper (Cu), and S5 in which maleic acid having a carboxyl group was added to the unmodified colloidal silica.
  • the polishing speed was 13 times or more as compared with the case of using. Further, from the result of ⁇ polishing test 2>, it can be estimated that the selection ratio of copper (Cu) and silicon oxide film (TEOS) is 9.5 or more.

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Abstract

高研磨レートを達成することができる金属研磨用コロイダルシリカの提供を課題とする。 前記課題は、少なくとも１個のカルボキシル基を含む官能基が共有結合を介して表面に固定されたシリカ粒子を含有する金属研磨用コロイダルシリカにより解決することができる。

Description

金属研磨用コロイダルシリカ
　本発明は、金属研磨用コロイダルシリカに関する。
　コロイダルシリカは、シリカ粒子を水等の媒体に分散させたものであり、半導体ウエハ等の研磨剤として使用されている。
　例えば、特開２０１０－４１０２９号公報（特許文献１）には、所定の化学的性質を有するシリカ粒子と、２個以上のカルボキシル基を有する有機酸とを含有する化学機械研磨用水系分散体が記載されている。特許文献１には、有機酸の効果として、（１）研磨により水系分散体中に溶出される銅、タンタル、チタン等の金属イオンへ配位し、金属の析出を防ぐ、（２）銅膜、バリアメタル膜、ＴＥＯＳ膜等の研磨対象に対する研磨速度を高める、（３）研磨中に粉砕されてシリカ粒子から溶出されたナトリウムイオン又はカリウムイオンに配位し、ナトリウムイオン又はカリウムイオンが研磨対象面に吸着するのを阻害する、（４）シリカ粒子の表面へ吸着して、シリカ粒子の分散安定性を高める、ことが記載されている。
　また、特開２０１６－３０８３１号公報（特許文献２）には、コバルト含有基板のための化学的機械的研磨（ＣＭＰ）研磨組成物であって、コロイダルシリカ等の研磨剤と、少なくとも２種の特定のキレート化剤とを所定量ずつ含有し、残部が実質的に脱イオン水であり、ｐＨが２．０～１２である研磨組成物が記載されている。特許文献２には、キレート化剤を２種類組み合わせることにより、キレート化剤を単独で用いるよりも、高いコバルト除去速度を与えることが記載されている。
特開２０１０－４１０２９号公報 特開２０１６－３０８３１号公報
　金属の研磨において、研磨レートを、特許文献１及び２の研磨組成物で達成される研磨レートよりも更に向上させることが求められる。
　本発明は、高研磨レートを達成することができる金属研磨用コロイダルシリカを提供することを目的とする。
　本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、少なくとも１個のカルボキシル基を含む官能基が共有結合を介して表面に固定されたシリカ粒子を含有するコロイダルシリカを用いて、金属を研磨することにより、高研磨レートが得られることを見出し、この知見に基づいて更に検討を重ね、本発明を完成した。
　すなわち、本発明は、次の態様を含む。
項１．
　少なくとも１個のカルボキシル基を含む官能基が共有結合を介して表面に固定されたシリカ粒子を含有する、金属研磨用コロイダルシリカ。
項２．
　前記シリカ粒子が、下記式（１）：
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
 ［式中、Ｒ１は、少なくとも１個のカルボキシル基を有する有機官能基であり、Ｒ２及びＲ３は、同一又は異なって、水素原子、炭化水素基、又は－ＯＲ４（Ｒ４は、水素原子、炭化水素基、又はケイ素含有基である。）である。］
で表される基を表面に有する、項１に記載のコロイダルシリカ。
項３．
　前記シリカ粒子が、少なくとも１個のカルボキシル基又はその前駆基を含む官能基を有するシランカップリング剤又はその加水分解縮合物で表面修飾されたシリカ粒子である、項１又は２に記載のコロイダルシリカ。
項４．
　前記金属が、遷移金属である、項１～３のいずれか一項に記載のコロイダルシリカ。項５．
　前記遷移金属が、コバルト、ルテニウム、銅、タングステン、タンタル、及びチタンから選択される少なくとも一種である、項４に記載のコロイダルシリカ。
　本発明のコロイダルシリカを用いて金属を研磨することにより、高研磨レートが得られる。また、本発明のコロイダルシリカは、研磨組成物中のシリカ粒子の濃度が低くても金属の高研磨レートを達成することができる。
図１は、実施例及び比較例のコロイダルシリカのｐＨとゼータ電位との関係を示すグラフである。
　本発明の金属研磨用コロイダルシリカは、少なくとも１個のカルボキシル基を含む官能基が共有結合を介して表面に固定されたシリカ粒子（以下、「表面修飾シリカ粒子」という。）を含む。前記官能基は、少なくとも１個のカルボキシル基を含む有機官能基が好ましく、少なくとも１個のカルボキシル基を有する炭化水素基がより好ましい。前記官能基に含まれるカルボキシル基の数は、好ましくは１～４個であり、より好ましくは１～３個、更に好ましくは１～２個である。カルボキシル基の位置は、官能基の末端であっても末端以外の部位であってもよいが、少なくとも１個は末端に存在することが好ましい。
　表面修飾シリカ粒子は、例えば、表面のヒドロキシル基（シラノール基）の水素原子が、少なくとも１個のカルボキシル基を含む官能基で置換されたシリカ粒子である。
　すなわち、表面修飾シリカ粒子は、例えば、ヒドロキシル基の代わりに、式：－ＯＲ（式中、Ｒは、少なくとも１個のカルボキシル基を含む官能基である。）で表される基を表面に有するシリカ粒子である。なお、－ＯＲにおける酸素原子は、シリカ粒子の内部のケイ素原子と結合する。
　－ＯＲは、特に限定されるものではないが、典型的には、下記式（１）：
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
 ［式中、Ｒ１は、少なくとも１個のカルボキシル基を有する有機官能基であり、Ｒ２及びＲ３は、同一又は異なって、水素原子、炭化水素基、又は－ＯＲ４（Ｒ４は、水素原子、炭化水素基、又はケイ素含有基である。）である。］
で表される基である。
　Ｒ１における有機官能基としては、例えば、炭化水素基、ヘテロ原子含有炭化水素基などが挙げられる。
　炭化水素基としては、例えば、アルキル、シクロアルキル、アリール、アラルキル基などが挙げられる。
　アルキル基としては、例えば、メチル、エチル、プロピル（ｎ－プロピル、ｉ－プロピル）、ブチル（ｎ－ブチル、ｉ－ブチル、ｓ－ブチル、ｔ－ブチル）、ペンチル、ヘキシル基などのＣ１－１２アルキル基が挙げられる。
　シクロアルキル基としては、例えば、シクロペンチル、シクロヘキシル基などのＣ５－１２シクロアルキル基が挙げられる。
　アリール基としては、例えば、フェニル、ナフチル基などのＣ６－１２アリール基が挙げられる。
　アラルキル基としては、例えば、ベンジル、フェネチル基などのＣ６－１２アリールＣ１－４アルキル基が挙げられる。
　ヘテロ原子含有炭化水素基としては、酸素原子、硫黄原子、及び窒素原子からなる群から選択される少なくとも一つのヘテロ原子を含有する炭化水素基が好ましく、その例としては、含酸素アルキル基（例：アルコキシ基、アルコキシアルキル基）、含硫黄アルキル基（例：アルキルチオアルキル基）、含窒素アルキル基（例：モノアルキルアミノアルキル基、ジアルキルアミノアルキル基）、含酸素複素環基（例：フラン、ベンゾフランなどの含酸素芳香族複素環基）、含硫黄複素環基（例：チオフェン、ベンゾチオフェンなどの含酸素芳香族複素環基）、含窒素複素環基（例：ピロール、ピリジン、インドール、キノリンなどの含窒素芳香族複素環基）が挙げられる。なお、ヘテロ原子含有炭化水素基において、ヘテロ原子の数は、好ましくは１～３個であり、さらに好ましくは１又は２個である。
　Ｒ１としては、少なくとも１個のカルボキシル基を有するアルキル基、少なくとも１個のカルボキシル基を有するアルコキシアルキル基、少なくとも１個のカルボキシル基を有するアルキルチオアルキル基、又は少なくとも１個のカルボキシル基を有するアルキルアミノアルキル基が好ましく、これらの基は１～４個のカルボキシ基を有することがより好ましく、１～３個のカルボキシ基を有することが更に好ましく、１～２個のカルボキシ基を有することが最も好ましい。
　Ｒ２～Ｒ４のうち、炭化水素基としては、Ｒ１における有機官能基として例示した炭化水素基と同様の基が挙げられ、好ましくはアルキル基であり、より好ましくはＣ１－４アルキル基である。
　Ｒ４のうち、ケイ素含有基としては、表面に存在する別のシラノール基又はその水素原子が少なくとも１個のカルボキシル基を含む官能基に置換された基との反応により生成する基であってもよく、シランカップリング剤（例えば、後記の表面修飾化剤として例示されるシランカップリング剤）との反応により生成する基であってもよい。
　表面修飾シリカ粒子は、少なくとも１個のカルボキシル基又はその前駆基を含む官能基を有する化合物（以下、「表面修飾化剤」という。）で表面修飾されたシリカ粒子であることが好ましい。
　カルボキシル基の前駆基としては、例えば、カルボン酸エステル基（例：カルボン酸メチルエステル、カルボン酸エチルエステルなどのカルボン酸アルキルエステル基）、カルボン酸無水物基が挙げられる。
　少なくとも１個のカルボキシル基又はその前駆基としては、例えば、１個のカルボキシル基、１個のカルボン酸エステル基、２個のカルボキシル基、１個のカルボン酸無水物基、２個のカルボン酸エステル基が挙げられる。
　表面修飾化剤は、通常、シリカ粒子の表面のヒドロキシル基（シラノール基）と反応する反応性基を有しており、典型的には、シランカップリング剤又はその加水分解縮合物である。
　前記シランカップリング剤としては、例えば、下記式（２）：
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 （式中、Ｑ１は、水素原子又は炭化水素基であり、Ｒ５及びＲ６は、同一又は異なって、水素原子、炭化水素基、又は－ＯＲ７（Ｒ７は、水素原子又は炭化水素基である。）であり、Ｒ１は、前記と同じである。）
で表される化合物が挙げられる。
　Ｑ１及びＲ５～Ｒ７で示される炭化水素基としては、Ｒ１における有機官能基として例示した炭化水素基と同様の基が挙げられる。Ｑ１及びＲ５～Ｒ７としては、アルキル基が好ましく、Ｃ１－４アルキル基がさらに好ましい。
　前記シランカップリング剤は、好ましくは、下記式（３）：
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
 （式中、Ｒ８は、１～３個のカルボキシル基を有するＣ１－６アルキル基、１～３個のカルボキシル基を有するＣ１－６アルコキシＣ１－６アルキル基、１～３個のカルボキシル基を有するＣ１－６アルキルチオＣ１－６アルキル基、又は１～３個のカルボキシル基を有するモノ又はジＣ１－６アルキルアミノＣ１－６アルキル基であり、Ｑ２～Ｑ４は、同一又は異なって、水素原子又はＣ１－４アルキル基である。）
で表される化合物である。
　前記シランカップリング剤は、さらに好ましくは、３－（トリメトキシシリル）プロピルコハク酸無水物又はその加水分解物、３－（トリエトキシシリル）プロピルコハク酸無水物又はその加水分解物などの、少なくとも１個のカルボキシル基又はその前駆基を有する（トリＣ１－４アルコキシシリル）Ｃ１－６アルカン又はその加水分解物；特開2000-336093号公報、特開2013-116872号公報、国際公開第2018/210711号などに記載のシランカップリング剤である。
　前記シランカップリング剤又はその加水分解縮合物は、他のシランカップリング剤又はその加水分解縮合物と組み合わせてもよい。他のシランカップリング剤としては、例えば、アルキルシラン（例：メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、イソブチルトリメトキシシラン、イソブチルトリエトキシシラン、オクチルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン）、フェニルシラン（例：フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン）、メルカプトアルキルシラン（例：３－メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、３－メルカプトプロピルトリメトキシシラン）などが挙げられる。これらは、単独で又は二種以上組み合わせてもよい。
　表面修飾シリカ粒子の表面のカルボキシル基量は、研磨レートをより高くする観点から、０．０５ａｔｏｍｉｃ％以上が好ましく、０．０７ａｔｏｍｉｃ％以上がより好ましい。また、表面修飾シリカ粒子の表面のカルボキシル基量は、溶媒中での分散安定性の観点から、０．５ａｔｏｍｉｃ％以下が好ましく、０．３ａｔｏｍｉｃ％以下がより好ましい。
　本明細書において、表面修飾シリカ粒子の表面のカルボキシル基量は、コロイダルシリカを７７，０００Ｇ、５℃、９０分遠心分離し、得られた沈殿物を６０℃で１２時間乾燥させた後、粉砕し６０℃、減圧下で２時間乾燥させたものをサンプルとし、当該サンプルを用いて、以下の条件のＸ線光電子分光法により測定される。
測定機器：Thermo Fisher Scientific社製　K-Alpa+照射X線：単結晶分光Al Kα
X線スポット径：400μｍ
なお、C-C、C-Hの結合エネルギーを284.6eVとして基準化した値を用い、結合エネルギー289.4～289.8eVの状態比率を粒子表面のカルボキシル基量として算出した。状態比率は、装置付属の相対感度係数(RSF)を用いて算出した。
　コロイダルシリカのゼータ電位は、例えば、ｐＨが４のとき、－６０～－１０ｍＶが好ましく、－５５ｍＶ～－１５ｍＶがより好ましく、－５０ｍＶ～－２０ｍＶが特に好ましい。
　また、コロイダルシリカにおいて、ｐＨが３のゼータ電位とｐＨ６のゼータ電位の差は、２０ｍＶ以上が好ましく、４０ｍＶ以上がより好ましく、６０ｍＶ以上であることが特に好ましい。
　本明細書において、コロイダルシリカのゼータ電位は、超音波減衰法の測定原理を使用した装置により測定できる。
　表面修飾シリカ粒子のＢＥＴ比表面積は、例えば、１５～５５０ｍ２／ｇ、好ましくは２０～２８０ｍ２／ｇ、さらに好ましくは３０～１８０ｍ２／ｇである。
　本明細書において、ＢＥＴ比表面積は、コロイダルシリカをホットプレートの上で予備乾燥後、８００℃で１時間熱処理したサンプルを用いて測定することができる。
　表面修飾シリカ粒子の平均一次粒子径は、研磨レートをより高くする観点から、５ｎｍ以上が好ましく、１０ｎｍ以上がより好ましく、１５ｎｍ以上がさらに好ましい。また、表面修飾シリカ粒子の平均一次粒子径は、研磨対象である金属の傷の発生を抑制する観点から、２００ｎｍ以下が好ましく、１５０ｎｍ以下がより好ましく、１００ｎｍ以下がさらに好ましい。
　本明細書において、表面修飾シリカ粒子の平均一次粒子径は、シリカの真比重を２．２として、２７２７／ＢＥＴ比表面積（ｍ２／ｇ）により算出される。
　表面修飾シリカ粒子の平均二次粒子径は、研磨レートをより高くする観点から、６ｎｍ以上が好ましく、１２ｎｍ以上がより好ましく、１８ｎｍ以上がさらに好ましい。また、表面修飾シリカ粒子の平均二次粒子径は、研磨対象である金属の傷の発生を抑制する観点から、４００ｎｍ以下が好ましく、３５０ｎｍ以下がより好ましく、３００ｎｍ以下がさらに好ましい。
　本明細書において、表面修飾シリカ粒子の平均二次粒子径は、コロイダルシリカを０．０５質量％ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）水溶液に加えて均一化したものをサンプルとし、当該サンプルを用いて動的光散乱法（大塚電子株式会社製「ELSZ-2000S」）により測定される。
　表面修飾シリカ粒子の会合比は、研磨レートをより高くする観点から、１．２以上が好ましく、１．４以上がより好ましく、１．６以上が更に好ましい。また、表面修飾シリカ粒子の会合比は、研磨対象である金属の傷の発生を抑制する観点から、５．５以下が好ましく、５．０以下がより好ましく、４．０以下が更に好ましい。
　本明細書において、表面修飾シリカ粒子の会合比は、平均二次粒子径／平均一次粒子径により算出される。
　表面修飾シリカ粒子は、異形化粒子であってもよい。すなわち、表面修飾シリカ粒子は、屈曲構造及び／又は分岐構造を有することが好ましい。「屈曲構造」とは、３つ以上の一次粒子が一列に結合してできた二次粒子で直線ではないものである。「分岐構造」とは、４つ以上の一次粒子が結合した二次粒子であって一列ではない（枝を有する）ものである。
　表面修飾シリカ粒子は、真比重が１.５０以上が好ましく、１．６５以上がより好ましく、１．８０以上が更に好ましい。真比重の下限が前記範囲であると、本発明のコロイダルシリカの研磨性がより一層向上する。また、上記真比重は、２．３０以下が好ましく、２．２０以下がより好ましく、２．１６以下が更に好ましい。真比重の上限が上記範囲であると、被研磨物の傷の発生がより一層低減される。
　真比重は、試料を１５０℃のホットプレート上で乾固後、３００℃炉内で１時間保持した後、エタノールを用いた液相置換法で測定する測定方法により測定することができる。
　コロイダルシリカは、表面修飾シリカ粒子が分散媒に分散されたものである。
　分散媒としては、例えば、水、有機溶媒、これらの混合溶媒が挙げられる。
　有機溶媒は、通常、親水性の有機溶媒であり、その例としては、アルコール（例：メタノール、エタノール、ｎ－プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、１，４－ブタンジオール）、ケトン（例：アセトン、メチルエチルケトン）、エステル（例：酢酸エチル）が挙げられる。これらの有機溶媒は単独で又は二種以上組み合わせて使用することができる。
　分散媒は、好ましくは水及び／又はアルコールであり、さらに好ましくは水及び／又はメタノールである。
　コロイダルシリカ中の表面修飾シリカ粒子の含有量は、例えば、０．１～３０質量％、好ましくは０．３～２０質量％である。
　表面修飾シリカ粒子を含むコロイダルシリカの製造方法としては、ゾルゲル法を利用した方法が挙げられる。ゾルゲル法を利用した方法は、例えば、
（１）アルコキシシラン、アルカリ触媒、水又は／及び有機溶媒を含む混合物（以下、「シリカゾル」ともいう。）を調製する工程、及び
（２）前記混合物を、少なくとも１個のカルボキシル基又はその前駆基を含む官能基を有する化合物（表面修飾化剤）と反応させる工程
を含む、方法である。
＜工程（１）＞
　アルコキシシランとしては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシランなどのテトラＣ１－８アルコキシシランが挙げられる。これらは単独で又は二種以上組み合わせて使用することができる。これらのうち、テトラＣ１－４アルコキシシランが好ましく、テトラメトキシシラン及び／又はテトラエトキシシランがさらに好ましい。
　アルカリ触媒の種類は、特に限定されない。アルカリ触媒としては、金属不純物の混入を回避する点で、金属成分を含まない有機塩基触媒が好ましく、中でも窒素を含有する有機塩基触媒が好ましい。このような有機系塩基触媒としては、例えば、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラアミン、アンモニア、尿素、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）、テトラメチルグアニジン、３－エトキシプロピルアミン、ジプロピルアミン、トリエチルアミンなどが挙げられる。これらは単独で又は二種以上組み合わせて使用することができる。触媒作用に優れるとともに、揮発性が高く後工程で容易に除去することができる点からは、アンモニアが好ましい。シリカ粒子の真比重を高くする観点からは、反応温度を高くしても揮発しにくいように、沸点が９０℃以上の有機系塩基触媒を選択することが好ましく、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド及び３－エトキシプロピルアミンから選択される少なくとも一種がより好ましい。
　有機溶媒としては、「コロイダルシリカ」で例示した有機溶媒と同様のものを使用することができる。有機溶媒としては、アルコールが好ましく、メタノールがさらに好ましい。
　シリカゾルの調製方法は、例えば、各成分を逐次又は同時に混合する方法であってもよく、アルコキシシラン、アルカリ触媒、水又は／及び有機溶媒のうち、２種又は３種の混合物を残余の成分と混合する方法であってもよく、２種又は３種の混合物同士を混合する方法であってもよい。
　シリカゾルの調製方法は、典型的には、アルコキシシラン及び必要により有機溶媒を含む第１の混合物を、アルカリ触媒、水、及び必要により有機溶媒を含む第２の混合物と混合する方法である。
　アルコキシシランの含有量は、第１の混合物を１００質量％とするとき、例えば、７０～１００質量％、好ましくは７５～１００質量％である。
　アルカリ触媒の含有量は、第２の混合物を１００質量％とするとき、例えば、０．００１～３．０質量％、好ましくは０．００２～１．５質量％である。
　第１の混合物と第２の混合物の混合比（質量比）は、例えば、５：９５～５０：５０、好ましくは１０：９０～４５：５５である。
　第１の混合物と第２の混合物の混合温度は、特に制限されないが、例えば、０～１００℃、好ましくは０～９０℃である。
　シリカゾル中のシリカ粒子の含有量は、特に制限されないが、例えば、５～３５質量％、好ましくは１０～３０質量％である。シリカ粒子の含有量を上記範囲に調整するため、シリカゾルは必要により濃縮してもよい。
　なお、シリカゾルの製造方法は、例えば、特開２００５－６０２１７号公報、特開２０１０－２６９９８５号公報などを参照することができる。
＜工程（２）＞
　工程（２）は、例えば、以下の工程（２Ａ）又は（２Ｂ）のいずれであってもよい。
　工程（２Ａ）：シリカゾルを、少なくとも１個のカルボキシル基の前駆基を有する表面修飾化剤と反応させ、該反応生成物においてカルボキシル基の前駆基をカルボキシル基に変換する工程
　工程（２Ｂ）：シリカゾルを、少なくとも１個のカルボキシル基を有する表面修飾化剤（カルボキシル基の前駆基がカルボキシル基に変換された表面修飾化剤を含む）と反応させる工程。
　工程（２Ａ）及び工程（２Ｂ）において、カルボキシル基の前駆基からカルボキシル基への変換は、常法により行うことができ、例えば、カルボン酸エステル基又はカルボン酸無水物基からカルボキシル基への変換は、加水分解により行うことができる。
　これらのうち、工程（２Ｂ）が好ましい。
　表面修飾化剤としては、「表面修飾シリカ粒子」で例示したものと同様のものを使用することができる。
　表面修飾化剤の使用量は、表面修飾前のシリカ粒子１ｇに対して、例えば、５～７５０μｍｏｌ、好ましくは１０～５００μｍｏｌである。
　シリカゾルと表面修飾化剤との混合温度は、例えば、０～１５０℃、好ましくは０～１２０℃、さらに好ましくは１０～９０℃である。
　前記コロイダルシリカは、金属の研磨用に好適に使用することができる。当該研磨は、例えば、化学機械的研磨（ＣＭＰ）であることができる。研磨条件は、公知又は慣用の条件を採用することができる。
　金属研磨用組成物は、前記コロイダルシリカを含む限り、特に制限されないが、さらに添加剤を含んでいてもよい。添加剤としては、例えば、希釈剤、酸化剤、ｐＨ調整剤、防食剤、安定化剤、界面活性剤などが挙げられる。これらは単独で又は二重以上組み合わせて使用することができる。
　金属研磨用組成物中の表面修飾シリカ粒子（又は砥粒）の含有量は、例えば、０．１～３０質量％、好ましくは０．３～２０質量％、さらに好ましくは０．５～１０質量％である。本発明では、表面修飾シリカ粒子の含有量が少なくても、高研磨レートを実現することができる。
　研磨対象の金属としては、特に制限されるものではないが、例えば、遷移金属が挙げられる。遷移金属としては、コバルト、ルテニウム、銅、タングステン、タンタル、チタンが好ましく挙げられる。これらのうち、コバルト、ルテニウム、及び銅から選択される少なくとも一種がより好ましい。
　研磨対象は、通常、金属膜である。
　本発明のコロイダルシリカを用いることにより、金属膜の研磨レートを高くすることができる。また、シリコン酸化膜の研磨レートに対する金属膜の研磨レートの比率を高くすることができ、金属膜を選択的に研磨することができる。
　金属は、各種用途に用いられるものであり、例えば、半導体用の金属膜（例：電極配線用金属膜、バリア金属膜）などであってもよい。
　以下、実施例を参照して本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
［実施例１］
　純水２２１２．７ｇ、２６質量％アンモニア水５６７．３ｇ、メタノール１２３９１ｇの混合液に、テトラメトキシシラン１５２２．２ｇ及びメタノール４１３．０ｇの混合液を、液温を２０℃に保ちつつ２５分かけ滴下し、シリカゾルメタノール分散液１を得た。　得られたシリカゾルメタノール分散液１を常圧下にて仕込み、容量を一定に保ちつつシリカゾルメタノール分散液１を滴下し、シリカ濃度２０質量％まで濃縮したシリカゾルメタノール分散液２を得た。
　１Ｌのフラスコにシリカゾルメタノール分散液２を８００ｇ取り、純水で有効成分１０質量％となるように希釈した（３－トリメトキシシリルプロピル）コハク酸無水物の加水分解物２１．６ｇを添加し、分散液中のメタノールを系外留去するために容量を一定に保ちつつ純水１３００ｍＬを滴下した。続けて（３－トリメトキシシリルプロピル）コハク酸無水物の加水分解物と反応させるために１００℃で加熱還流を行った。加熱還流を、溶媒置換と加熱還流の合計時間が２４時間となるまで行うことでシリカ粒子濃度１９．５質量％のコロイダルシリカＳ１を得た。
［実施例２］
　純水７５００ｇ、３－エトキシプロピルアミン１．９３ｇの混合液に、テトラメトキシシラン２７４０ｇを、液温を８５℃に保ちつつ６０分かけ滴下した。滴下終了１５分後に３－エトキシプロピルアミン５０．１４ｇを添加することでシリカゾルメタノール分散液３を得た。
　純水５５３７ｇと、２４５２ｇのシリカゾルメタノール分散液３の混合液に、テトラメトキシシラン１７６２．７ｇを、液温を８０℃に保ちつつ３６０分かけ滴下し、シリカゾルメタノール分散液４を得た。
　得られたシリカゾルメタノール分散液４を常圧下にて仕込み、容量を一定に保ちつつシリカゾルメタノール分散液４を滴下し、シリカ濃度２０質量％まで濃縮したシリカゾルメタノール分散液５を得た。
　１Ｌのフラスコにシリカゾルメタノール分散液５を９００ｇ取り、３－エトキシプロピルアミン１．５５０ｇを混合した。このときの混合液のｐＨは９．５であった。続けて純水で有効成分１０質量％となるように希釈した（３－トリメトキシシリルプロピル）コハク酸無水物の加水分解物２１．６ｇを添加し、分散液中のメタノールを系外留去するために容量を一定に保ちつつ純水４５０ｍＬを滴下した。続けて（３－トリメトキシシリルプロピル）コハク酸無水物の加水分解物と反応させるために１００℃で加熱還流を行った。加熱還流を、溶媒置換と加熱還流の合計時間が２４時間となるまで行うことでシリカ粒子濃度２０．０質量％のコロイダルシリカＳ２を得た。
［比較例１］
　実施例１に記載のシリカゾルメタノール分散液２に対して、メタノールを系外留去するために容量を一定に保ちつつ純水１３００ｍＬを滴下することでシリカ粒子濃度１９．５質量％のコロイダルシリカＳ３を得た。
［比較例２］
　実施例１に記載のシリカゾルメタノール分散液２に、３－メルカプトプロピルトリメトキシシラン１．８４ｇ、及び３０質量％過酸化水素水４．２５ｇを添加し、分散液中のメタノールを系外留去するために容量を一定に保ちつつ純水１３００ｍＬを滴下することでシリカ粒子濃度１９．５質量％のコロイダルシリカＳ４を得た。
［比較例３］
　比較例１で作製したコロイダルシリカＳ３にマレイン酸１．０６４ｇを添加することでマレイン酸含有コロイダルシリカＳ５を得た。
　得られた実施例及び比較例のコロイダルシリカについて、以下のとおり、ＢＥＴ比表面積、一次粒子径、二次粒子径、会合比、真比重、及び表面修飾量を評価した。
＜ＢＥＴ比表面積＞
　コロイダルシリカをホットプレートの上で予備乾燥後、８００℃で１時間熱処理して測定用サンプルを調製した。調製した測定用サンプルを用いて、ＢＥＴ比表面積を測定した。
＜一次粒子径＞
　２７２７／比表面積（ｍ２／ｇ）により算出された値をコロイダルシリカの一次粒子径（ｎｍ）とした。
＜二次粒子径＞
　動的光散乱法の測定用サンプルとして、コロイダルシリカを０．０５質量％ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）水溶液に加えて均一化したものを調製した。当該測定用サンプルを用いて、動的光散乱法（大塚電子株式会社製「ELSZ-2000S」）により二次粒子径を測定した。
＜会合比＞
　二次粒子径／一次粒子径により算出される値を会合比とした。
＜真比重＞
　真比重は、試料を１５０℃のホットプレート上で乾固後、３００℃炉内で１時間保持した後、エタノールを用いた液相置換法で測定する測定方法により測定した。
＜表面修飾量＞
　コロイダルシリカ溶液を７７，０００Ｇ、５℃、９０分遠心分離した。得られた沈殿物を６０℃で１２時間乾燥させた後、シリカを粉砕し６０℃、減圧下で２時間乾燥させ測定用サンプルを作製した。当該測定用サンプルを用いて、以下の条件のＸ線光電子分光法により表面のカルボキシル基量を測定した。
測定機器：Thermo Fisher Scientific社製　K-Alpa+照射X線：単結晶分光Al Kα
X線スポット径：400μｍ
なお、C-C、C-Hの結合エネルギーを284.6eVとして基準化した値を用い、結合エネルギー289.4～289.8eVの状態比率を粒子表面のカルボキシル基量として算出した。状態比率は、装置付属の相対感度係数(RSF)を用いて算出した。
　実施例及び比較例のコロイダルシリカの物性の評価結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　実施例及び比較例のコロイダルシリカについて、次のようにゼータ電位を評価した。
＜ゼータ電位＞
　コロイダルシリカのゼータ電位は、超音波減衰法を利用した測定装置を用いて測定した。
　実施例及び比較例のコロイダルシリカのゼータ電位測定結果を図１に示す。
＜研磨試験１＞　Ｃｏの研磨試験
　実施例及び比較例のコロイダルシリカをシリカ粒子濃度８ｗｔ％に調整し、以下の条件で研磨試験を行った。
　研磨機：株式会社ナノファクター製NF-300CMP
　研磨パッド：ニッタ・ハース製IC1000TMPad
　スラリー供給速度：100 mL/min
　ヘッド回転速度：46 rpm
　プラテン回転速度：120 rpm
　研磨圧：Ｃｏ膜…2 psi、TEOS膜…3 psi
　研磨時間：Ｃｏ膜…0.5 min、TEOS膜…2 min
　膜厚測定機：Ｃｏ膜…電気抵抗式膜厚測定機、TEOS膜…光干渉式膜厚測定機
　研磨試験１の結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　研磨試験１の結果からは、実施例１で得られたコロイダルシリカＳ１を用いた場合（実施例３）、コバルト（Ｃｏ）に対する研磨速度が２０００Å／ｍｉｎ以上であるの対し、非修飾コロイダルシリカＳ３及びスルホン酸修飾コロイダルシリカＳ４を用いた場合（比較例４及び５）は、研磨速度が１０００Å未満であった。
　また、コバルト（Ｃｏ）とシリコン酸化膜（ＴＥＯＳ）の研磨速度比から算出した選択比に関しても、実施例のＳ１を用いた場合、９．０以上であるのに対し、比較例のＳ３及びＳ４を用いた場合は８．０未満であった。
＜研磨試験２＞　Ｃｏの研磨試験
　実施例及び比較例のコロイダルシリカをシリカ粒子濃度５ｗｔ％に調整し、以下の条件で研磨試験を行った。
　研磨機：株式会社ナノファクター製NF-300CMP
　研磨パッド：ニッタ・ハース製IC1000TMPad
　スラリー供給速度：50 mL/min
　ヘッド回転速度：90 rpm
　プラテン回転速度：90 rpm
　研磨圧：Ｃｏ膜…4 psi、TEOS膜…4 psi
　研磨時間：Ｃｏ膜…0.5 min、TEOS膜…1 min
　膜厚測定機：Ｃｏ膜…電気抵抗式膜厚測定機、TEOS膜…光干渉式膜厚測定機
　研磨試験２の結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　研磨試験２の結果からは、コロイダルシリカＳ１を用いた場合、コバルト（Ｃｏ）に対する研磨速度が１６００Å／ｍｉｎ以上であるの対し、非修飾コロイダルシリカにカルボキシル基を有するマレイン酸を添加したＳ５を用いた場合は、研磨速度が１２００Å未満であった。
　また、コバルト（Ｃｏ）とシリコン酸化膜（ＴＥＯＳ）の研磨速度比から算出した選択比に関しても、Ｓ１を用いた場合、８．０以上であるのに対し、比較例のＳ３及びＳ４を用いた場合は３．０未満であった。
＜研磨試験３＞　Ｒｕの研磨試験
　実施例１及び比較例３のコロイダルシリカをシリカ粒子濃度２ｗｔ％に調整した後、以下のように酸化剤濃度、ｐＨ及び電気伝導度を調整し、研磨試験に供した。
酸化剤濃度：過よう素酸ナトリウム濃度０．２５ｗｔ％（対研磨スラリー重量）
ｐＨ調整：１ｍｏｌ／Ｌ水酸化ナトリウム、１０ｗｔ％硝酸を使用
研磨スラリーの電気伝導度：２５ｍＳ／ｃｍとなるように塩化ナトリウムを添加
研磨試験条件
　研磨機：株式会社ナノファクター製NF-300CMP
　研磨パッド：ニッタ・ハース製IC1000TMPad
　スラリー供給速度：50 mL/min
　ヘッド回転速度：32 rpm
　プラテン回転速度：32 rpm
　研磨圧：Ｒｕ膜…6 psi
　研磨時間：Ｒｕ膜…1 min
　膜厚測定機：Ｒｕ膜…電気抵抗式膜厚測定機
　研磨試験３の結果を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
　研磨試験３の結果からは、コロイダルシリカＳ１を用いた場合、ルテニウム（Ｒｕ）に対しても、研磨速度は３８０Å／ｍｉｎ以上であり、非修飾コロイダルシリカにカルボキシル基を有するマレイン酸を添加したＳ５を用いた場合に比べて、研磨速度は１．２倍以上であった。
　また、＜研磨試験２＞の結果から、ルテニウム（Ｒｕ）とシリコン酸化膜（ＴＥＯＳ）の選択比に関しては１．８以上であると見積もることが出来る。
＜研磨試験４＞　Ｃｕの研磨試験
　実施例１及び比較例３のコロイダルシリカをシリカ粒子濃度３ｗｔ％に調整した後、以下のように酸化剤濃度及びｐＨを調整し、研磨試験に供した。
酸化剤濃度：過酸化水素濃度０．２５ｗｔ％（対研磨スラリー重量）
ｐＨ調整：６０％過塩素酸を使用
研磨試験条件
　研磨機：株式会社ナノファクター製NF-300CMP
　研磨パッド：ニッタ・ハース製IC1000TMPad
　スラリー供給速度：50 mL/min
　ヘッド回転速度：32 rpm
　プラテン回転速度：32 rpm
　研磨圧：Ｃｕ膜…1.5 psi
　研磨時間：Ｃｕ膜…1 min
　膜厚測定機：Ｃｕ膜…電気抵抗式膜厚測定機
　研磨試験４の結果を表５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
　研磨試験４の結果からは、コロイダルシリカＳ１を用いた場合、銅（Ｃｕ）に対しても、研磨速度は１９００Å／ｍｉｎ以上であり、非修飾コロイダルシリカにカルボキシル基を有するマレイン酸を添加したＳ５を用いた場合に比べて、研磨速度は１３倍以上であった。
　また、＜研磨試験２＞の結果から、銅（Ｃｕ）とシリコン酸化膜（ＴＥＯＳ）の選択比に関しては９．５以上であると見積もることが出来る。

Claims (5)

  1. 　少なくとも１個のカルボキシル基を含む官能基が共有結合を介して表面に固定されたシリカ粒子を含有する、金属研磨用コロイダルシリカ。
  2. 　前記シリカ粒子が、下記式（１）：
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
     ［式中、Ｒ１は、少なくとも１個のカルボキシル基を有する有機官能基であり、Ｒ２及びＲ３は、同一又は異なって、水素原子、炭化水素基、又は－ＯＲ４（Ｒ４は、水素原子、炭化水素基、又はケイ素含有基である。）である。］
    で表される基を表面に有する、請求項１に記載のコロイダルシリカ。
  3. 　前記シリカ粒子が、少なくとも１個のカルボキシル基又はその前駆基を含む官能基を有するシランカップリング剤又はその加水分解縮合物で表面修飾されたシリカ粒子である、請求項１又は２に記載のコロイダルシリカ。
  4. 　前記金属が、遷移金属である、請求項１～３のいずれか一項に記載のコロイダルシリカ。
  5. 　前記遷移金属が、コバルト、ルテニウム、銅、タングステン、タンタル、及びチタンから選択される少なくとも一種である、請求項４に記載のコロイダルシリカ。
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