JP2002203818A

JP2002203818A - 研磨方法

Info

Publication number: JP2002203818A
Application number: JP2000398807A
Authority: JP
Inventors: Toru Hasegawa; 亨長谷川
Original assignee: JSR Corp
Current assignee: JSR Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2002-07-19

Abstract

(57)【要約】【課題】砥粒が分散された研磨部を有する研磨パッド
と化学機械研磨用水系溶液とを用い、大きな研磨速度で
且つ高い平坦性を有する面を安定して、確実に得ること
ができる研磨方法を提供する。【解決手段】乳化重合により得られたスチレン系共重
合体を含むエマルションに、砥粒であるセリア粉末を分
散させた水系分散体を、フィルム上に薄く広げて放置・
乾燥させた後、粉砕し、更にモールドプレスして得られ
た研磨パッドの研磨面と、タングステンを含有する被研
磨面との間に、多価金属イオンであるＦｅイオンと、酸
化剤である過酸化水素とを含有する化学機械研磨用水系
溶液を介在させて研磨を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は研磨方法に関し、更
に詳しくは、砥粒が分散された研磨部を有する研磨パッ
ドと化学機械研磨用水系溶液とを用いた研磨方法に関す
る。本発明の研磨方法は特にＤＲＡＭおよび高速ロジッ
クＬＳＩ等の０．１μｍ程度の微細な配線から１００μ
ｍ程度の広い配線までの混載を必要とする半導体装置の
配線形成工程において好適である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体ウエハの表面等を研磨
するためにＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃ
ａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）と称される化学機械研磨が
使用されている。このＣＭＰは、ウエハ等の被研磨面を
盤状の研磨パッドに押圧しながら摺動させ、同時に砥粒
が分散されたスラリー（水系分散体）をこの研磨パッド
上に流下させることにより行う。しかし、高い圧力によ
り押圧される被研磨面と研磨パッドの研磨面との間に、
上方から流下されるスラリー（特に砥粒）を確実に供給
することは難しく、実際に機能するスラリーは供給され
た全量の１％に満たないともいわれている。しかも、こ
のスラリーは高価であり、また、使用済みスラリーの処
理には更に多大なコストを必要とする。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】また、砥粒を含有する
スラリーを用いて、相対的に柔らかい部分と硬い部分と
が混在するような面を研磨する場合、柔らかい部分が過
度に研磨される（これにより生じる凹部をエロージョン
という）ことを十分防止できなため、達成できる平坦性
に限界を生ずる場合がある。特に、半導体装置（半導体
ウエハ）の製造時のダマシン配線を形成する場合等は、
柔らかい部分が導体層、硬い部分が半導体層又はバリア
メタル層等であり、導体層が過度に研磨されてしまうこ
とは重大な問題である。

【０００４】更に、砥粒を含有させた研磨パッドが特開
平１０−３２９０３２号公報、特開平１１−１５１６５
９号公報、特開平１１−１８８６４７号公報及び特開平
１１−２０７６３２号公報等において開示されている。
しかし、これら研磨パッドを用いた場合は金属を含有す
る被研磨面を研磨するには未だ十分な研磨速度が得られ
難いという問題がある。本発明は上記問題を解決できる
ものであり、大きな研磨速度で且つ高い平坦性を有する
面を安定して、確実に得ることができる研磨方法、更に
は、これらの効果が特に金属を含有する被研磨面におい
ても得られる研磨方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の研磨方法
は、砥粒を含有する研磨部を備える研磨パッドの研磨面
と、３〜１３族に属する金属元素を含む被研磨面との間
に、多価金属イオンと酸化剤とを含有する化学機械研磨
用水系溶液を介在させることを特徴とする。

【０００６】上記「砥粒」とは、機械研磨作用を主とし
て有する粒子である。このような砥粒としては、セリア
（ガラス等の酸化ケイ素に対しては機械研磨作用に加え
て、化学研磨作用も有すると考えられる）、シリカ、ア
ルミナ、酸化チタン、酸化クロム、二酸化マンガン、三
酸化二マンガン、酸化鉄、酸化ジルコニウム、炭化ケイ
素、炭化ホウ素、ダイヤモンド、炭酸バリウム等から構
成される粒子を挙げることができる。この砥粒は鋭角部
分を有さない略球形のものを用いることが好ましい。

【０００７】また、これらの砥粒としては高純度なもの
が好ましい。従って、（１）塩化ケイ素、塩化アルミニ
ウム、塩化チタン等を気相で酸素及び水素と反応させる
ヒュームド法により得られる砥粒、（２）テトラエトキ
シシラン又はチタンアルコキシド等の金属アルコキシド
を加水分解させ、縮合させて合成するゾルゲル法により
得られる砥粒、（３）精製により不純物を除去する無機
コロイド法等により得られる砥粒等を用いることが好ま
しい。

【０００８】この砥粒の平均粒径は０．００５〜５０μ
ｍ（より好ましくは０．００５〜１０μｍ、更に好まし
くは０．０１〜１μｍ）であることが好ましい。平均粒
径が０．００５μｍ未満であると研磨力が低下する傾向
にある。一方、５０μｍを超えると砥粒が大きすぎるた
めにスクラッチを生じる確率が次第に高くなる傾向にあ
り好ましくない。尚、この平均粒子径は透過型電子顕微
鏡で観察することにより測定できる。

【０００９】更に、砥粒は研磨部中にどのような形態で
含有されていてもよい。例えば、砥粒のみが研磨部を構
成するマトリックス材中に分散されて含有されていても
よい。更に、砥粒が有機粒子の周りに付着した状態の複
合粒子がマトリックス材中に分散されて含有されていて
もよい。但し、砥粒は上記の好ましい粒径の範囲内で研
磨部に含まれることが好ましい。

【００１０】上記「研磨部」はマトリックス材中に少な
くとも砥粒を含有する部分である。この研磨部はパッド
全体であってよく、一部であってもよい。この研磨部を
構成するマトリックス材としては、単独重合体や共重合
体（ゴム、樹脂、熱可塑性エラストマー等）を用いるこ
とができ、架橋されていても、未架橋であってもよい。
例えば、ジエン系重合体、スチレン系重合体、（メタ）
アクリル系重合体、オレフィン系重合体、エポキシ系重
合体、フェノール系重合体、ポリイミド系重合体等を用
いることができる。マトリックス材はこれら単独重合体
及び共重合体等の１種のみからなってもよく、２種以上
からなってもよい。上記「研磨面」は少なくとも研磨部
の表面を含む面であり、研磨時に被研磨面と摺動する面
である。

【００１１】上記「被研磨面」とは、少なくとも１部が
３〜１３族に属する金属元素を含有する金属又はセラミ
ックからなる面を表す。従って、このような金属からな
る部分とこのようなセラミックからなる部分とが混在し
ている面であってもよい。上記「３〜１３族に属する金
属元素」としては、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｎｂ及びＴ
ｉ等を挙げることができる。即ち、３〜１３族に属する
金属元素を含有する金属としては、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ、Ｔ
ａ、Ｎｂ及びＴｉ等の単体金属及びこれらの合金等を挙
げることができる。一方、３〜１３族に属する金属元素
を含有するセラミックとしては、Ｔａ、Ｎｂ並びにＴｉ
の酸化物、窒化物等を挙げることができる。本発明の研
磨方法は、これらの中でも、単体金属及び合金の研磨に
好適であり、更には、Ａｌ、Ｗ及びＣｕのいずれかを主
成分とする金属の研磨に好適である。とりわけ、請求項
２記載のように金属元素がＷである被研磨面に好適であ
る。

【００１２】一方、被研磨面において３〜１３族に属す
る金属元素を含有する部分を除く他の部分を構成する材
料は特に限定されず３〜１３族に属しない金属元素を含
む金属及びセラミックから構成されていてもよい。即
ち、ケイ素、ケイ素の酸化物（ガラス、非結晶シリコ
ン、多結晶シリコン及び単結晶シリコン等を含む）、ケ
イ素の窒化物等を挙げることができる。その他、樹脂で
あってもよく、例えば、ポリイミド系樹脂、ベンゾシク
ロブテン等を挙げることができる。

【００１３】上記「化学機械研磨用水系溶液」（以下、
単に「水系溶液」ともいう）は研磨面と被研磨面との間
に介在させるための溶液であり、多価金属イオン、溶解
させた酸化剤及び水系媒体を含有する。この水系媒体と
しては、水のみ、又は水を含有する媒体を用いることが
できる。この水系媒体には、例えば、非プロトン性極性
溶媒、エステル類、ケトン類、フェノール類、アルコー
ル類及びアミン類等を含有させることができる。また、
この水系溶液には１０質量％以上（より好ましくは２０
質量％以上）の水が含有されることが好ましい。

【００１４】この水系溶液は１つの被研磨面に対して１
種のみを用いてもよく、更に、複数種類の水系溶液を研
磨状態に応じて使い分けてもよい。特に半導体装置の研
磨においては導体層、半導体層及びバリアメタル層等の
研磨対象によって水系溶液に含有される成分を変えるこ
とが好ましい。

【００１５】上記「多価金属イオン」としては、遷移金
属元素、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｈｇ及びＰｂ
の多価イオンを挙げることができる。これらの中でも、
Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃ
ｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｏｓ
及びＣｅの多価イオンの１種以上を用いることが好まし
く、更に、請求項３記載のようにＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍ
ｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ及びＣｅの多価イオンから
選ばれる１種以上を用いることが特に好ましい。これら
は特に研磨速度を向上させる効果が高い。

【００１６】水系溶液中における多価金属イオンの含有
量は、一般に水系溶液中に３〜３０００ｐｐｍ（より好
ましくは１０〜２０００ｐｐｍ、更に好ましくは３０〜
１０００ｐｐｍ）とすることが好ましい。この含有量が
３ｐｐｍ未満であると、多価金属イオンの作用である酸
化剤の機能促進の効果が十分に得られ難くなる傾向にあ
る。一方、３０００ｐｐｍを超えて多価金属イオンを含
有する場合は、半導体装置等を研磨する場合には金属イ
オンによる汚損を生じ易くなる傾向にあるため好ましく
ない。

【００１７】これらの多価金属イオンは、水性溶液中に
おいて研磨時に結果的に多価金属イオンであればよく、
例えば、上記のような金属元素の塩及び錯体等を水系媒
体に溶解させることで生成できる。また、水系媒体に溶
解させた直後は１価イオンであっても酸化剤により多価
イオンに変化させることもできる。

【００１８】上記「酸化剤」は被研磨面を構成する成分
を酸化できるものであり、特に被研磨面が金属層である
場合に研磨速度を大きく向上させることができる。この
酸化剤は通常水溶性のものであれば特に制限されること
なく使用できる。また、被研磨面の電気化学的性質等に
より、例えば、Ｐｏｕｒｂａｉｘ線図等によって適宜選
択して使用することが好ましい。

【００１９】具体的には、無機過酸化物（過酸化水素
等）、過硫酸塩（過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム
等）、ヘテロポリ酸（ケイモリブデン酸、リンモリブデ
ン酸、ケイタングステン酸、リンタングステン酸等）、
過マンガン酸化合物（過マンガン酸カリウム等）、重ク
ロム酸化合物（重クロム酸カリウム等）、ハロゲン酸化
合物（塩素酸塩、亜塩素酸塩、過塩素酸塩、ヨウ素酸カ
リウム等）、硝酸、硝酸化合物（硝酸鉄等）、シアノ金
属酸塩（フェリシアン化カリウム等）、有機過酸化物
（過酢酸、過安息香酸、ｔｅｒｔ−ブチルハイドロパー
オキサイド等）等が拳げられる。これらの酸化剤は水系
溶液中に１種のみが含有されてもよく、また、２種以上
が含有されてもよい。

【００２０】水系溶液中における酸化剤の好ましい含有
量は、その酸化剤の種類により異なる。しかし、一般に
水系溶液全体に対して０．０１〜２０質量％（更に好ま
しくは０．０５〜１５質量％、更に好ましくは０．１〜
１０質量％）とすることが好ましい。この含有量が０．
０１質量％未満であると研磨速度を十分に向上させるこ
とができない場合がある。一方、２０質量％を超えて含
有させると被研磨面に過度な腐食を生じたり、取り扱い
上危険である等好ましくない。

【００２１】上記の研磨部及び水系溶液の少なくとも一
方には、その他にも水系溶液に溶解させることのできる
界面活性剤を含有させることができる。この界面活性剤
は特に限定されずカチオン系界面活性剤、アニオン系界
面活性剤及び非イオン系界面活性剤等を用いることがで
きる。中でも、アニオン系界面活性剤を用いることが好
ましく、更には、脂肪酸石鹸、アルキルエーテルカルボ
ン酸塩等のカルボン酸塩、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、スルホン酸塩
（α−オレフィンスルホン酸塩等）、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、硫酸エステル
塩（ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル硫酸
塩等）、リン酸エステル塩（アルキルリン酸エステル塩
等）などを挙げることができる。これらのうちでもとり
わけ、ドデシルベンゼンスルホン酸カリウム及び／又は
ドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウム等のスルホン
酸塩を用いることが好ましい。これら界面活性剤は１種
のみを用いても２種以上を混用してもよい。

【００２２】この界面活性剤は研磨時に研磨面と被研磨
面との間に介在している水系溶液中において、水系溶液
全体に対して０．００１〜０．１質量％（より好ましく
は０．００５〜０．０８質量％）であることが好まし
い。この含有量が０．００１質量％未満であるとエロー
ジョンを十分に抑制することが困難となる傾向にある。
一方、０．１質量％を超えて含有させる必要はない。

【００２３】更に、研磨部及び水系溶液の少なくとも一
方には水系溶液に酸を含有させることができる。これに
より研磨速度を更に向上させることができる。この酸は
特に限定されず、有機酸、無機酸のいずれも使用するこ
とができる。有機酸としては、カルボキシル基、ヒドロ
キシル基及び／又はスルホン基等の酸性基を有する化合
物であり、パラトルエンスルホン酸、ドデシルベンゼン
スルホン酸、イソプレンスルホン酸、グルタル酸、グル
コン酸、アジピン酸、乳酸、クエン酸、酒石酸、リンゴ
酸、タンニン酸、グリコール酸、マロン酸、ギ酸、シユ
ウ酸、コハク酸、フマル酸、イソフタル酸、テレフタル
酸、マレイン酸、フタル酸及び没食子酸等が挙げられ
る。また、無機酸としては、硝酸、塩酸及び硫酸等が挙
げられる。これらは１種のみを用いてもよいし、２種以
上を併用することもできる。これら酸は研磨時に研磨面
と被研磨面との間に介在している水系溶液（介在する前
ではない）中において、水系溶液全体に対して０．１〜
２０質量％（より好ましくは０．３〜１０質量％）であ
ることが好ましい。

【００２４】その他、従来よりＣＭＰに用いられるスラ
リーに含有されるアルカリ金属の水酸化物、キレート
剤、スクラッチ防止剤及び帯電防止剤等を必要に応じて
含有させることができる。

【００２５】上記「介在させる」とは、研磨面と被研磨
面との間に結果的に水系溶液を存在させることであり、
その方法は限定されない。例えば、従来から用いられて
いる上方から水系溶液を流下させることにより介在させ
る方法を用いることができる。また、研磨パッド内に水
系溶液を供給するための供給管を設けることで研磨パッ
ド表面から直接研磨面と被研磨面との間に介在させる方
法を用いることもできる。

【００２６】このような研磨方法では、水系溶液以外に
も研磨面と被研磨面との間に砥粒を介在させることもで
きる。例えば、水系溶液と砥粒とを混合した水系分散体
として研磨面と被研磨面との間に供給した場合や、研磨
中に研磨部から脱離した砥粒が介在する場合等である。
しかし、砥粒が水系溶液に含有されると研磨中に柔らか
い部分に砥粒が滞留し易く、柔らかい部分が過度に研磨
される原因となることがある。このため、研磨面と被研
磨面との間に介在する砥粒は少ない方が好ましい。これ
により相対的に柔らかい部分と硬い部分とが混在するよ
うな被研磨面においても特に高い精度の平坦面を得るこ
とができる。また、水系溶液のみを用いる場合は、砥粒
を凝集させないために添加剤を添加したり、なんらかの
工夫を施す必要があるスラリーを用いる必要がないこと
においても優れている。

【００２７】また、請求項４記載のように研磨部はマト
リックス材原料と砥粒とが各々分散されて含まれている
水系分散体が固化されてなるものであることが好まし
い。更に、請求項５記載のように、マトリックス材原料
に砥粒が付着した複合粒子が分散されて含まれている水
系分散体が固化されてなるものであることが好ましい。
また、請求項４又は請求項５に記載の水系分散体に更に
マトリックス材原料及び／又は砥粒が分散されて含まれ
ていてもよい。

【００２８】即ち、研磨体は（１）マトリックス材原料
と砥粒とが含有され、別々に分散されている水系分散体
（請求項４）、（２）複合粒子が含有され、分散されて
いる水系分散体（請求項５）、（３）複合粒子と砥粒と
が含有され、分散されている水系分散体、（４）複合粒
子とマトリックス材原料とが含有され、分散されている
水系分散体、（５）複合粒子とマトリックス材原料と砥
粒とが含有され、分散されている水系分散体、のいずれ
かの水系分散体を固化して得られることが好ましい。

【００２９】このようにして得られる研磨部では、通
常、有機系材料（マトリックス材）と無機系材料（砥
粒）とは親和性が低いためマトリックス材中に砥粒を分
散させることは非常に困難であるにも係わらず、砥粒が
極めて良好に分散されている。また、砥粒の容積率を１
〜９９体積％（更には１０〜７０体積％、特に１５〜５
０体積％）と幅広く調整することができる。

【００３０】上記「マトリックス材原料」は、研磨部に
おいて砥粒を保持するマトリックス材を構成する原料で
あり、１種又は２種以上の成分から構成される。マトリ
ックス材原料としては、単独重合体や共重合体（ゴム、
樹脂、熱可塑性エラストマー等）を用いることができ、
架橋されていても、未架橋であってもよい。例えば、ジ
エン系重合体、スチレン系重合体、（メタ）アクリル系
重合体、オレフィン系重合体、エポキシ系重合体、フェ
ノール系重合体、ポリイミド系重合体等を用いることが
できる。マトリックス材はこれら単独重合体及び共重合
体等の１種のみからなってもよく、２種以上からなって
もよい。また、これらのマトリックス材は、水系分散体
中において平均粒径が１０μｍ以下（より好ましくは
０．０１〜３μｍ）の粒子として分散されていることが
好ましい。

【００３１】砥粒としては、前述の砥粒の中でも、セリ
ア、シリカ及びアルミナを用いることが特に好ましい。
水に馴染み易いため水に対する分散性が高く、固化後に
おいても高い分散性を保持して研磨部に含有される。特
にセリアは非常に高い分散性を示す研磨部を得ることが
できる。

【００３２】上記「複合粒子」は、マトリックス材原料
に砥粒が付着（マトリックス材原料の表面に限られな
い）した粒子である。この付着の形態は限定されない
が、例えば、ゼータ電位差により静電的に付着させるこ
とができる。この場合、マトリックス材原料と砥粒とは
ゼータ電位が逆符号であり、電位差が５ｍＶ以上（より
好ましくは１０ｍＶ以上）であることが好ましい。ま
た、マトリックス材原料にはカルボキシル基、スルホン
酸基、アミノ基、硫酸エステル基、リン酸エステル基、
エーテル結合部及びエステル結合部等の少なくとも１種
を導入することでゼータ電位を調節できる。更に、付着
した砥粒が脱離し難いように複合粒子の表面をシランカ
ップリング剤からなる重縮合物により覆うことができ
る。

【００３３】上記「水系分散体」の分散媒は水のみであ
っても、水以外の分散媒を含有する混合分散媒であって
もよい。混合分散媒の場合、水の含有率は１０質量％以
上（より好ましくは２０質量％以上）であることが好ま
しい。混合分散媒に含まれる水以外の分散媒としては、
例えば、非プロトン性極性溶媒、エステル類、ケトン
類、フェノール類、アルコール類、アミン類等の分散媒
を挙げることができる。尚、分散媒は、水系分散体の調
製時には蒸散し過ぎず且つ除去が容易であることから、
沸点が６０〜２００℃のものを用いることが好ましい。

【００３４】この水系分散体の固形分濃度は１〜８０質
量％（より好ましくは１０〜６０質量％）であることが
好ましい。８０質量％を超えると水系分散体の分散安定
性が低下する傾向にあり、沈殿を生じることがあるため
好ましくない。また、水系分散体は、マトリックス材原
料が分散されたエマルションに砥粒が分散されてなるこ
とがより好ましい。水系分散体の中でも乳化重合により
得られるエマルションや、乳化剤により乳化させたエマ
ルション等のエマルションを固化させた場合は特に砥粒
の分散性がよい研磨部を得ることができる。

【００３５】この水系分散体にマトリックス材原料を分
散させる方法は特に限定されない。例えば、乳化重合、
懸濁重合等により得ることができる他、予め得られたマ
トリックス材原料を溶剤等により溶解させた後、この溶
液を水等に分散させて得ることもできる。更に、上記の
ようにして得られたマトリックス材原料が分散された水
系分散体に、砥粒を直接加えて分散させたり、予め調製
した砥粒が分散された水系分散体を加えることで、マト
リックス材原料及び砥粒が分散された水系分散体を得る
ことができる。

【００３６】水系分散体には、更に、界面活性剤、加硫
剤、加硫促進剤、架橋剤、架橋促進剤、充填剤、発泡
剤、空隙を形成する中空粒子（膨張性、非膨張性）、軟
化剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤、可塑剤
等を必要に応じて含有させることができる。その他、従
来よりＣＭＰに用いられるスラリーに含有される酸化
剤、アルカリ金属の水酸化物、酸、ｐＨ調整剤、キレー
ト剤及びスクラッチ防止剤等を含有させることもでき
る。

【００３７】上記「固化」は、通常、分散媒を除去する
工程と、成形する工程との２つの工程を必要とする。こ
の２つの工程は同時に行ってもよく、別々に行ってもよ
い。更には分散媒をある程度除去した後、成形し、更に
その後、分散媒を完全に除去することもできる。分散媒
の除去は、例えば、開放系に放置して自然に分散媒を蒸
発させることにより行うことができる。更に、加熱、減
圧等を行うことにより分散媒の蒸発を促進させることで
行うことができる。また、スプレードライ法等により造
粒すると同時に分散媒を急激に蒸発させることもでき
る。一方、成形は、ある程度以上分散媒が除去された残
査（塊状、フレーク状、粉未状、ペレット状等）をプレ
ス成形、押出し成形、射出成形等することにより行うこ
とができる。

【００３８】また、分散媒の除去と成形とを同時に行う
場合は、所望の型に水系分散体を流し込み、分散媒を上
記と同様に除去することで型の形状に固化させることが
できる。更に、型を使用せず、基材となるフィルム等の
表面に直接水系分散体を展開し、その後、分散媒を上記
と同様にして除去することもできる。

【００３９】また、架橋可能なマトリックス材原料を未
架橋の状態で分散させた水系分散体を固化させた場合
は、固化後に加熱等により架橋させることができる。更
に、マトリックス材原料が架橋重合体又は架橋共重合体
等である場合は水系分散体にバインダを含有させ、これ
を固化してマトリックス材原料を接着することができ
る。このバインダとしては前記マトリックス材原料と同
様な単独重合体及び／又は共重合体を用いることができ
る。

【００４０】請求項１〜５のうちのいずれかに記載の研
磨方法は、請求項６の研磨方法のように半導体装置の製
造に好適に用いることができる。即ち、前述のような相
対的に柔らかい部分である導体層と相対的に硬い部分で
ある半導体層及び／又はバリアメタル層とが混在された
被研磨面、更には、例えば、ＤＲＡＭ及び高速ロジック
ＬＳＩ等の０．１μｍ程度の微細な配線から１００μｍ
程度の広い配線までの混載された被研磨面等を極めて精
度よく（平坦性が高い）研磨することができる。

【００４１】半導体装置の製造において被研磨面となり
得る導体層を構成する材料としては、超ＬＳＩ等の半導
体装置の製造過程において半導体基盤上に設けられる純
タングステン膜、純アルミニウム膜、或いは純銅膜等の
他、Ｗ、Ａｌ及びＣｕ等と他の金属元素との合金からな
る膜等が挙げられる。

【００４２】一方、被研磨面となり得る半導体層を構成
する材料としては、シリコン、ガリウム及びヒ素等を挙
げることができる。被研磨面となり得るまたバリアメタ
ル層を構成する材料としては、タンタル、チタン等の硬
度の高い金属、及びそれらの窒化物、酸化物等を挙げる
ことができる。タンタル等は純品に限られず、タンタル
−ニオブ等の合金であってもよい。また、窒化タンタ
ル、窒化チタン等も必ずしも純品である必要はない。

【００４３】更に、半導体装置の製造時においては、上
記の他にも絶縁膜を研磨する必要がある。この絶縁膜は
相対的に柔らかい層である場合もあり、相対的に硬い層
である場合もある。この絶縁膜としてはＳｉＯ₂膜、プ
ラズマＴＥＯＳ等の熱酸化膜及び超ＬＳＩの性能向上を
目的とした誘電率の低い絶縁膜が挙げられる。この誘電
率の低い絶縁膜としては、シルセスキオキサン（誘電
率；約２．６〜３．０）、フッ素添加ＳｉＯ₂（誘電
率；約３．３〜３．５）、ポリイミド系樹脂（誘電率；
約２．４〜３．６、日立化成工業株式会社製、商品名
「ＰＩＱ」、ＡｌｌｉｅｄＳｉｇｎａｌ社製、商品名
「ＦＬＡＲＥ」等）、ベンゾシクロブテン（誘電率；約
２．７、ＤｏｗＣｈｅｍｉｃａｌ社製、商品名「ＢＣ
Ｂ」等）、水素含有ＳＯＧ（誘電率；約２．５〜３．
５）及び有機ＳＯＧ（誘電率；約２．９、日立化成工業
株式会社製、商品名「ＨＳＧＲ７」等）等を挙げること
ができる。

【００４４】請求項１〜６記載の研磨方法は市販の化学
機械研磨装置（株式会社荏原製作所製、型式「ＥＰＯ−
１１２」、「ＥＰＯ−２２２」、ラップマスターＳＦＴ
社製、型式「ＬＧＰ−５１０」、「ＬＧＰ−５５２」、
アプライドマテリアル社製、商品名「Ｍｉｒｒａ」等）
を用いて行うことができる。

【００４５】

【発明の実施の形態】以下、実施例により本発明を具体
的に説明する。［１］研磨体の作製（１）水系分散体Ａ〜Ｃの調製マトリックス材と砥粒とが分散された水系分散体Ａ温度調節が可能であり、撹拌機を備えるオートクレーブ
中に、表１に示すような各成分を各割合で投入し、７５
℃で１６時間反応させた。その結果、重合転化率９５．
８％となり、ガラス転移温度が５０℃である平均粒径１
６６ｎｍのスチレン系共重合体が分散されたエマルショ
ンを得た。尚、平均粒径は大塚電子株式会社製のレーザ
ー粒径解析システムにより測定した（以下、平均粒径は
同じ方法により測定した）。

【００４６】

【表１】

【００４７】得られたエマルションを２５％水酸化カリ
ウム水溶液により、ｐＨ８．５に調節した。その後、イ
オン交換水を添加し、常温にてスリーワンモーターを用
いて撹拌後、加工前の平均粒径が０．３μｍのセリア
（ＣｅＯ₂）粉末を投入し、更に１５００回転／分で３
分間撹拌して水系分散体Ａを得た。

【００４８】マトリックス材に砥粒が付着した複合
粒子が分散された水系分散体Ｂ容量２リットルのフラスコに、表２に示すような各成分
を各割合で投入し、窒素ガス雰囲気において７０℃で６
時間撹拌して重合させた。これによりカチオン性官能基
であるアミノ基と、ポリエチレングリコール鎖を備える
官能基とを有するメチルメタクリレート系共重合体粒子
を含むエマルションを得た。重合収率は９５％であっ
た。尚、表２におけるメトキシポリエチレングリコール
メタクリレートは新中村化学工業株式会社製、品名「Ｎ
ＫエステルＭ−９０Ｇ」の＃４００を用い、アゾ系重合
開始剤としては和光純薬株式会社製、品名「Ｖ５０」を
用いた。

【００４９】

【表２】

【００５０】その後、得られたメチルメタクリレート系
共重合体粒子が１０質量％含有されるエマルションを水
酸化カリウムによりｐＨ１０に調節した。このエマルシ
ョン中におけるメチルメタクリレート系共重合体粒子の
ゼータ電位は＋１２ｍＶであった。一方、ヒュームド法
シリカ粒子（日本アエロジル株式会社製、品番＃９０）
粉末が１０質量％含有されるように調節した分散体を同
様にｐＨ１０に調節した。この分散体中におけるシリカ
粒子のゼータ電位は−３５ｍＶであった。

【００５１】その後、これらのエマルションと分散体と
を質量比が１対１となるように、容量２リットルのフラ
スコ内に投入して撹拌混合し、次いで、３質量部のテト
ラエトキシシランを添加して２５℃で１時間撹拌し、更
に、４０℃で３時間撹拌した。その後、冷却して複合粒
子が分散された水系分散体Ｂを得た。尚、この複合粒子
の表面の９５％にシリカが付着していた。

【００５２】マトリックス材に砥粒が付着した複合
粒子が分散された水系分散体Ｃ容量２リットルのフラスコに、表３に示すように各成分
を各割合で投入し、窒素ガス雰囲気において７０℃で６
時間撹拌して重合させた。これによりカルボキシル基及
びヒドロキシル基を有するメチルメタクリレート系共重
合体粒子を含むエマルションを得た。尚、重合収率は９
５％であり、電導度滴定法により測定したカルボキシル
基含量は、粒子内部が３０％、表面が６０％、水相部が
１０％であった。

【００５３】

【表３】

【００５４】その後、得られたメチルメタクリレート系
共重合体粒子が１０質量％含有されるエマルションを硝
酸によりｐＨ４に調節した。このエマルション中におけ
るメチルメタクレート系共重合体粒子のゼータ電位は−
２５ｍＶであった。一方、加工前の平均粒径が０．３μ
ｍのセリア粉末が１０質量％含有されるように調節した
分散体を同様にｐＨ４に調節した。この分散体中におけ
るセリアのゼータ電位は＋２０ｍＶであった。その後、
これらのエマルションと分散体とを質量比が１対１とな
るように、容量２リットルのフラスコ内に投入して撹拌
混合し、次いで、３質量部のテトラエトキシシランを添
加して２５℃で１時間撹拌し、更に、４０℃で３時間撹
拌した。その後、冷却して複合粒子が分散された水系分
散体Ｃを得た。尚、この複合粒子の表面の９０％にセリ
アが付着していた。

【００５５】（２）固化（１）で得られた水系分散体Ａ〜Ｃを各々ポリエチレン
フィルムに薄く広げて、常温で４８時間放置・乾燥させ
てフレーク物を得た。得られたフレーク物をさらにミキ
サーにかけ粉砕した粉末を各々モールドプレスにより直
径３０ｃｍ、厚さ３ｍｍの円盤状の研磨体Ａ〜Ｃを得
た。

【００５６】（３）化学機械研磨用水系溶液の調製イオン交換水に、過酸化水素が３質量％、コハク酸が２
質量％、ドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウムが
０．０１質量％、鉄イオン（硫酸鉄より配合）が２００
ｐｐｍとなるように水系溶液を調製した。

【００５７】（４）研磨性能の評価研磨速度の測定研磨体Ａ〜Ｃを各々研磨装置（ラップマスターＳＴＦ社
製、形式「ＬＭ−１５」）の定盤に張り付けて（３）で
得られた水系溶液を１分間に２００ｍｌずつ供給しなが
ら４ｃｍ四方のタングステンウエハ（ＳＫＷ社製、品名
ＳＫＷ−５）を研磨した。この時のテーブル回転数は５
５ｒｐｍとし、研磨圧力は３５０ｇ／ｃｍ²として研磨
は２分間行った。この他、水系溶液に変えてイオン交換
水のみ又はスラリー（キャボット社製、品名「Ｗ２００
０」）を同条件で供給しながら、同じ研磨を行った（表
４参照）。

【００５８】これらの結果より下記式（１）を用いて研
磨速度を算出し、表４に示した。研磨速度（Å／分）＝｛研磨前のタングステン膜の厚さ（Å）−研磨後のタングステン膜の厚さ（Å）｝／｛研磨時間（分）｝・・・・・・（１）尚、上記式（１）におけるタングステン膜の厚さは抵抗
率測定器（ＮＰＳ社製、型式「Σ−５」）を用いて直流
４針法による抵抗値を測定し、その抵抗値とタングステ
ンの抵抗率とを用いて下記式（２）により算出した。タングステン膜の厚さ＝｛タングステンの抵抗率（Ω／ｃｍ）｝／｛抵抗値（ Ω／ｃｍ²）｝・・・・・・（２）

【００５９】

【表４】

【００６０】更に、ピッチが２００μｍ（配線幅１００
μｍ、スペーサ幅１００μｍ）であり、タングステン膜
表面からスペーサ底面までの距離Ｔ₀が１００００Åで
あり、タングステン膜表面から絶縁膜表面までの距離ｔ
が１５０００Åである上記ウエハ表面において距離ｔが
２０％となるまで研磨を行った。この研磨の後にタング
ステン膜表面からスペーサの形成されていた場所に生じ
る研磨後の凹部底面までの距離Ｔ₁を測定し、Ｔ₁をＴ₀
で除した値（Ｔ₁／Ｔ₀）を平坦化度として表４に併記し
た。この平坦化度が小さい程、平坦性に優れた研磨を行
うことができることを意味する（図１参照）。尚、Ｔ₀
及びＴ₁は微細形状測定装置（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社
製、型式「Ｐ−１０」）により測定した。

【００６１】表４の結果より、多価金属イオンと酸化剤
とを含有する水系溶液を用いることにより、水のみで研
磨する場合に比べると研磨速度は２．５１〜２．７７倍
であり、いずれにおいても２．５倍以上研磨速度を大き
くできることが分かる。砥粒を含有しない研磨パッドＤ
と水系溶液を用いた比較例４ではほとんど研磨を行うこ
とができなかったが、水系溶液に変えてスラリーを用い
ることで比較例５に示すように大きな研磨速度が得られ
た。しかし、比較例５における平坦化度は０．２８と大
きな値になっている。これに対して、実施例１〜３では
いずれも大きな研磨速度を実現しながら、平坦化度も
０．０１未満と非常に小さいかった。

【００６２】

【発明の効果】本発明の研磨方法によると、大きな研磨
速度で且つ高い平坦性を有する面を安定して、確実に得
ることができる。更に、砥粒を含有するスラリーを要し
ないため保管・輸送中等に砥粒が凝集することに対する
対策をとる必要がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例における平坦化度を説明する説明図であ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】砥粒を含有する研磨部を備える研磨パッ
ドの研磨面と、３〜１３族に属する金属元素を含む被研
磨面との間に、多価金属イオンと酸化剤とを含有する化
学機械研磨用水系溶液を介在させることを特徴とする研
磨方法。
【請求項２】上記金属元素はＷである請求項１記載の
研磨方法。
【請求項３】上記多価金属イオンはＡｌ、Ｔｉ、Ｃ
ｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ及びＣｅの多価イオ
ンから選ばれる１種以上である請求項１又は２に記載の
研磨方法。
【請求項４】上記研磨部は、マトリックス材原料と砥
粒とが各々分散されて含まれている水系分散体が固化さ
れてなる請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の
研磨方法。
【請求項５】上記研磨部は、マトリックス材原料に砥
粒が付着した複合粒子が分散されて含まれている水系分
散体が固化されてなる請求項１乃至３のうちのいずれか
１項に記載の研磨方法。
【請求項６】半導体装置の製造に用いる請求項１乃至
５のうちのいずれか１項に記載の研磨方法。