JP5333741B2 - Chemical mechanical polishing aqueous dispersion, method for producing the same, and chemical mechanical polishing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化学機械研磨用水系分散体およびその製造方法、ならびに化学機械研磨方法
に関する。
The present invention relates to an aqueous dispersion for chemical mechanical polishing, a method for producing the same, and a chemical mechanical polishing method.
近年、半導体装置の多層配線化に起因する信号遅延の増加を防ぐために低誘電率の層間絶縁膜(以下、「低誘電率絶縁膜」ともいう。)の使用が検討されている。このような低誘電率絶縁膜としては、例えば特許文献1や特許文献2に記載されている材料が検討されている。層間絶縁膜として前記のような低誘電率絶縁膜を用いる場合、配線材料には高い導電性が要求されるため、一般的に銅または銅合金が用いられる。このような半導体装置をダマシン法で製造する場合、通常バリアメタル膜上の配線材料を化学機械研磨にて除去する工程(第1研磨工程)と、その後バリアメタル膜を研磨により除去し必要に応じて配線材料および層間絶縁膜をさらに研磨して平坦化を行う工程(第2研磨工程)を実施する必要がある。 In recent years, the use of a low dielectric constant interlayer insulating film (hereinafter also referred to as “low dielectric constant insulating film”) has been studied in order to prevent an increase in signal delay due to the multilayer wiring of a semiconductor device. As such a low dielectric constant insulating film, for example, materials described in Patent Document 1 and Patent Document 2 have been studied. When the low dielectric constant insulating film as described above is used as the interlayer insulating film, high electrical conductivity is required for the wiring material, and thus copper or copper alloy is generally used. When manufacturing such a semiconductor device by the damascene method, the wiring material on the barrier metal film is usually removed by chemical mechanical polishing (first polishing process), and then the barrier metal film is removed by polishing, as necessary. Therefore, it is necessary to perform a step (second polishing step) of further polishing and planarizing the wiring material and the interlayer insulating film.
上記の第1研磨工程では、高速で配線材料のみを選択的に研磨することが要求される。しかしながら、第1研磨工程の終了時(バリアメタル膜等の他種材料膜が露出した時点)において、配線材料に対する高研磨速度を維持させた状態で配線部分のディッシングやエロージョンを抑制することは非常に困難である。例えば、研磨速度を大きくするだけであれば研磨する際の印加圧力を上げてウエハにかかる摩擦力を大きくすることにより達成できる場合があるが、配線部分のディッシングやエロージョンも研磨速度の向上に伴い悪化してしまうために、研磨方法からのアプローチには限界があった。さらに、第2研磨工程において良好な研磨面を得るためには、第1研磨工程の終了時における微細配線パターン上の銅残り(銅残渣)を抑制する必要がある。 In the first polishing step, it is required to selectively polish only the wiring material at a high speed. However, at the end of the first polishing step (when another type of material film such as a barrier metal film is exposed), it is extremely difficult to suppress dishing and erosion of the wiring portion while maintaining a high polishing rate for the wiring material. It is difficult to. For example, if only the polishing rate is increased, it may be achieved by increasing the applied pressure during polishing and increasing the frictional force applied to the wafer, but dishing and erosion of the wiring part is also accompanied by an increase in the polishing rate. The approach from the polishing method was limited because it deteriorated. Furthermore, in order to obtain a good polished surface in the second polishing step, it is necessary to suppress the copper residue (copper residue) on the fine wiring pattern at the end of the first polishing step.
以上のように、高速研磨性能および高平坦化特性に加えて第1研磨工程の終了時にそのまま、あるいは簡単な洗浄工程を経ることにより銅残りを除去することは現在の研磨方法の工夫では達成することが困難であり、それを補完するためにも上記特性を満たすことのできる新たな化学機械研磨用水系分散体の開発が要求されている。 As described above, in addition to high-speed polishing performance and high planarization characteristics, removing the copper residue as it is at the end of the first polishing step or through a simple cleaning step can be achieved with the present polishing method. In order to compensate for this, it is required to develop a new aqueous dispersion for chemical mechanical polishing that can satisfy the above-mentioned characteristics.
ところで、一般的に化学機械研磨用水系分散体の組成は、砥粒と添加剤成分により構成されている。近年、化学機械研磨用水系分散体の開発は添加剤成分の組み合わせに着目した検討が中心であるが、その一方で砥粒の性状をコントロールすることによって研磨特性の改善を行う検討が行われている(例えば、特許文献3参照)。 By the way, in general, the composition of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion is composed of abrasive grains and additive components. In recent years, the development of aqueous dispersions for chemical mechanical polishing has centered on studies focusing on the combination of additive components, but on the other hand, studies have been made to improve polishing characteristics by controlling the properties of abrasive grains. (For example, see Patent Document 3).
しかしながら、例えば特許文献3に記載の砥粒を使用した場合には、ディッシングやエロージョンの抑制が困難であり、さらに粒子分散液の安定性に欠けるため、保存安定性が悪いという問題があった。 However, for example, when the abrasive grains described in Patent Document 3 are used, it is difficult to suppress dishing and erosion, and the stability of the particle dispersion is lacking.
銅膜に対する高研磨速度および高研磨選択性を有し、かつ、被研磨面の表面欠陥を低減することができる化学機械研磨用水系分散体、およびこれを用いた化学機械研磨方法を提供する。 Provided are a chemical mechanical polishing aqueous dispersion which has a high polishing rate and a high polishing selectivity for a copper film, and which can reduce surface defects on a surface to be polished, and a chemical mechanical polishing method using the same.
本発明に係る化学機械研磨用水系分散体は、
(A)シリカ粒子と、
(B)アミノ酸と、
を含有する銅膜を研磨するための化学機械研磨用水系分散体であって、前記(A)シリカ粒子は、下記の化学的性質を有することを特徴とする。
The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the present invention comprises:
(A) silica particles;
(B) an amino acid;
An aqueous dispersion for chemical mechanical polishing for polishing a copper film containing silane, wherein the (A) silica particles have the following chemical properties.
29Si−NMRスペクトルのシグナル面積から算出されるシラノール基数が、2.0〜3.0×1021個/gである。 The number of silanol groups calculated from the signal area of the 29 Si-NMR spectrum is 2.0 to 3.0 × 10 21 / g.
本発明に係る化学機械研磨用水系分散体において、前記(B)アミノ酸は、グリシン、アラニンおよびヒスチジンから選択される少なくとも1種であることができる。 In the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the present invention, the (B) amino acid may be at least one selected from glycine, alanine, and histidine.
本発明に係る化学機械研磨用水系分散体において、さらに、(C)含窒素複素環およびカルボキシル基を有する有機酸を含有することができる。 The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the invention may further contain (C) an organic acid having a nitrogen-containing heterocyclic ring and a carboxyl group.
本発明に係る化学機械研磨用水系分散体において、前記(C)含窒素複素環およびカルボキシル基を有する有機酸は、キナルジン酸またはキノリン酸であることができる。 In the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the invention, the (C) organic acid having a nitrogen-containing heterocyclic ring and a carboxyl group may be quinaldic acid or quinolinic acid.
本発明に係る化学機械研磨用水系分散体において、さらに、前記(A)シリカ粒子は、下記の化学的性質を有することができる。 In the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the invention, the silica particles (A) may have the following chemical properties.
ICP発光分析法またはICP質量分析法による元素分析およびイオンクロマト法によるアンモニウムイオンの定量分析から測定されるナトリウム、カリウムおよびアンモニウムイオンの含有量が、ナトリウムの含有量:5〜500ppm、カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種の含有量:100〜20000ppmの関係を満たす。 Sodium, potassium and ammonium ion content measured from elemental analysis by ICP emission spectrometry or ICP mass spectrometry and quantitative analysis of ammonium ion by ion chromatography, sodium content: 5 to 500 ppm, potassium and ammonium ion The content of at least one selected from: satisfies the relationship of 100 to 20000 ppm.
本発明に係る化学機械研磨用水系分散体において、前記(A)シリカ粒子の長径(Rmax)と短径(Rmin)との比率(Rmax/Rmin)は、1.0〜1.5であることができる。 In the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the invention, the ratio (Rmax / Rmin) of the major axis (Rmax) to the minor axis (Rmin) of the (A) silica particles is 1.0 to 1.5. Can do.
本発明に係る化学機械研磨用水系分散体において、前記(A)シリカ粒子のBET法を用いて測定した比表面積から算出される平均粒径は、10nm〜100nmであることができる。 In the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the present invention, the average particle diameter calculated from the specific surface area of the (A) silica particles measured using the BET method may be 10 nm to 100 nm.
本発明に係る化学機械研磨用水系分散体において、pHは、6〜12であることができる。 In the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the present invention, the pH may be 6-12.
本発明に係る化学機械研磨方法は、バリアメタル膜上に銅膜が形成された被処理体を化学機械研磨する方法であって、上記の化学機械研磨用水系分散体を用いて、前記銅膜を化学機械研磨し、前記バリアメタル膜が表出した時点で化学機械研磨を停止することを特徴とする。 The chemical mechanical polishing method according to the present invention is a method for chemically mechanically polishing an object having a copper film formed on a barrier metal film, wherein the copper film is formed using the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. Is subjected to chemical mechanical polishing, and the chemical mechanical polishing is stopped when the barrier metal film is exposed.
本発明に係る化学機械研磨用水系分散体の製造方法は、(A)シリカ粒子と、(B)アミノ酸と、を添加して化学機械研磨用水系分散体を製造するための方法であって、前記(A)シリカ粒子は、下記の化学的性質を有することを特徴とする。 The method for producing a chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the present invention is a method for producing a chemical mechanical polishing aqueous dispersion by adding (A) silica particles and (B) an amino acid, The (A) silica particles have the following chemical properties.
29Si−NMRスペクトルのシグナル面積から算出されるシラノール基数が、2.0〜3.0×1021個/gである。 The number of silanol groups calculated from the signal area of the 29 Si-NMR spectrum is 2.0 to 3.0 × 10 21 / g.
上記化学機械研磨用水系分散体によれば、化学機械研磨工程において銅膜に対する高研磨速度および高研磨選択性を有し、かつ、被研磨面におけるディッシング、エロージョンないしコロージョン等の表面欠陥を低減することができる。 According to the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, the chemical mechanical polishing step has a high polishing rate and a high polishing selectivity for the copper film, and reduces surface defects such as dishing, erosion or corrosion on the polished surface. be able to.
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
1.化学機械研磨用水系分散体
本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、(A)シリカ粒子と、(B)アミノ酸と、を含有する銅膜を研磨するための化学機械研磨用水系分散体であって、前記(A)シリカ粒子は、「29Si−NMRスペクトルのシグナル面積から算出されるシラノール基数が、2.0〜3.0×1021個/gである。」という化学的性質を有する。まず、本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体を構成する各成分について説明する。
1. Chemical mechanical polishing aqueous dispersion The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the present embodiment is a chemical mechanical polishing aqueous dispersion for polishing a copper film containing (A) silica particles and (B) amino acids. The (A) silica particles have a chemical state that “the number of silanol groups calculated from the signal area of the 29 Si-NMR spectrum is 2.0 to 3.0 × 10 21 / g”. Has properties. First, each component constituting the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to this embodiment will be described.
1.1 (A)シリカ粒子
本実施形態におけるシリカ粒子の「シラノール基」とは、シリカ粒子のケイ素原子に直接結合したヒドロキシル基をいい、立体配置または立体配位については特に限定しない。また、シラノール基の生成条件等も問わない。
1.1 (A) Silica Particle The “silanol group” of the silica particle in the present embodiment refers to a hydroxyl group directly bonded to the silicon atom of the silica particle, and the configuration or configuration is not particularly limited. Moreover, the production | generation conditions of a silanol group etc. are not ask | required.
本実施形態における「シラノール基数」とは、シリカ粒子全体における単位質量当たりのシラノール基数であり、シリカ粒子の縮合度を表す指標である。シリカ粒子の縮合度はシリカ粒子の硬度と密接に関連するため、シラノール基数からシリカ粒子の硬度を推測することができる。シラノール基数は、29Si−NMRスペクトルのシグナル面積から算出することができる。 The “number of silanol groups” in the present embodiment is the number of silanol groups per unit mass in the entire silica particles, and is an index representing the degree of condensation of the silica particles. Since the condensation degree of the silica particles is closely related to the hardness of the silica particles, the hardness of the silica particles can be estimated from the number of silanol groups. The number of silanol groups can be calculated from the signal area of the 29 Si-NMR spectrum.
29Si−NMRスペクトルのシグナル面積から算出されるシラノール基数は、化学機械研磨用水系分散体中に含まれる種々の添加剤や水と接することのできるシリカ粒子表面に存在するシラノール基数と、接することのできないシリカ粒子内部に存在するシラノール基数と、を総合的に表すことのできる指標である。 29 The number of silanol groups calculated from the signal area of the Si-NMR spectrum is in contact with the various additives contained in the chemical mechanical polishing aqueous dispersion and the number of silanol groups present on the surface of the silica particles that can come into contact with water. It is an index that can comprehensively represent the number of silanol groups present inside silica particles that cannot be treated.
シラノール基は、化学機械研磨用水系分散体中ではSiOHのH+が解離してSiO−の状態で安定して存在しているため、通常マイナスにチャージしている。これにより、シリカ粒子の電気的特性または化学的特性が発現する。シリカ粒子表面近傍の有機酸や水溶性高分子等の添加剤成分は、この電気的特性または化学的特性によりシリカ粒子に誘引あるいは排斥される。その結果、化学機械研磨用水系分散体中で添加剤成分がシリカ粒子の周囲で微小な濃度勾配を生じさせ、良好な研磨特性を実現するために最適な化学機械研磨用水系分散体を形成することができると考えられる。 In the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, the silanol group is normally negatively charged because H + of SiOH is dissociated and stably present in the SiO − state. Thereby, the electrical characteristics or chemical characteristics of the silica particles are developed. Additive components such as organic acids and water-soluble polymers in the vicinity of the surface of the silica particles are attracted to or rejected by the silica particles due to this electrical property or chemical property. As a result, the additive component in the chemical mechanical polishing aqueous dispersion produces a minute concentration gradient around the silica particles, forming an optimal chemical mechanical polishing aqueous dispersion to achieve good polishing characteristics. It is considered possible.
本実施形態に用いられる(A)シリカ粒子の29Si−NMRスペクトルのシグナル面積から算出されるシラノール基数は2.0〜3.0×1021個/gであり、好ましくは2.1〜2.9×1021個/gである。 The number of silanol groups calculated from the signal area of the 29 Si-NMR spectrum of (A) silica particles used in the present embodiment is 2.0 to 3.0 × 10 21 / g, preferably 2.1 to 2 9 × 10 21 pieces / g.
シラノール基数が前記範囲内であると、シリカ粒子全体のシラノール基が緻密であるためにシリカ粒子の機械的強度が向上し、十分な研磨速度が得られる。さらに、シリカ粒子表面に存在するシラノール基により発現する電気的特性または化学的特性は、シリカ粒子表面近傍に存在する有機酸や水溶性高分子を誘引あるいは排斥させる。その結果、化学機械研磨用水系分散体中で添加剤成分がシリカ粒子の周囲で微小な濃度勾配を生じさせ、良好な研磨特性を実現するために最適な化学機械研磨用水系分散体を形成することができるものと考えられる。さらに、シラノール基数が前記範囲内であると、化学機械研磨用水系分散体中においてシリカ粒子と他の添加剤との相互作用により適度に安定化され、シリカ粒子の分散安定性を確保でき、研磨の際に欠陥の原因となる凝集が発生しない。 When the number of silanol groups is within the above range, since the silanol groups of the entire silica particles are dense, the mechanical strength of the silica particles is improved and a sufficient polishing rate is obtained. Furthermore, the electrical characteristics or chemical characteristics expressed by the silanol groups present on the surface of the silica particles attract or eliminate organic acids and water-soluble polymers present in the vicinity of the silica particle surface. As a result, the additive component in the chemical mechanical polishing aqueous dispersion produces a minute concentration gradient around the silica particles, forming an optimal chemical mechanical polishing aqueous dispersion to achieve good polishing characteristics. Can be considered. Furthermore, when the number of silanol groups is within the above range, it is moderately stabilized by the interaction between the silica particles and other additives in the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, and the dispersion stability of the silica particles can be ensured. In this case, no agglomeration causing defects occurs.
シラノール基数が3.0×1021個/gを超えると、前記のようなバランスの取れた分散状態が得られないために不十分な研磨速度比や平坦化特性となるため好ましくないばかりでなく、バリアメタル膜に対する研磨速度が大きくなる傾向があり、エロージョンの発生を促進するため好ましくない。一方、シラノール基数が2.0×1021個/g未満であると、シリカ粒子の分散安定性に劣り、シリカ粒子が凝集し保存安定性が悪化するために好ましくない。また、機械的強度が大きすぎるためにディッシングの発生を促進したり、スクラッチ等の研磨欠陥の原因となる場合があり好ましくない。 If the number of silanol groups exceeds 3.0 × 10 21 / g, it is not preferable because a balanced dispersion state as described above cannot be obtained, resulting in an insufficient polishing rate ratio and planarization characteristics. In addition, the polishing rate for the barrier metal film tends to increase, which is not preferable because erosion is promoted. On the other hand, when the number of silanol groups is less than 2.0 × 10 21 / g, the dispersion stability of the silica particles is inferior, and the silica particles are aggregated to deteriorate the storage stability. Further, since the mechanical strength is too high, dishing may be promoted, and polishing defects such as scratches may be caused.
(A)シリカ粒子の29Si−NMRスペクトルは、(A)シリカ粒子を含有する化学機械研磨用水系分散体、あるいは化学機械研磨用水系分散体から遠心分離や限外ろ過などの公知の方法により回収された(A)シリカ粒子成分、(A)シリカ粒子の分散体、(A)シリカ粒子を周知の方法で測定することにより得ることができる。シラノール基数は、前記のようにして得られた29Si−NMRスペクトルの29Siに由来するシグナル面積から下記式(1)により算出することができる。 (A) The 29 Si-NMR spectrum of the silica particles is obtained by a known method such as centrifugation or ultrafiltration from the chemical mechanical polishing aqueous dispersion containing (A) silica particles, or from the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. It can be obtained by measuring the recovered (A) silica particle component, (A) a dispersion of silica particles, and (A) silica particles by a known method. The number of silanol groups can be calculated by the following formula (1) from the signal area derived from 29 Si in the 29 Si-NMR spectrum obtained as described above.
(A)シリカ粒子の29Si−NMRスペクトルをピーク分離処理によってピーク分離し、テトラメチルシランのシリコン原子を0ppmとした場合のケミカルシフトが約−84ppmのピークをQ1と判断し、そのシグナル面積をa1、約−92ppmのピークをQ2と判断し、そのシグナル面積をa2、約−101ppmのピークをQ3と判断し、そのシグナル面積をa3、約−111ppmのピークをQ4と判断し、シグナル面積をa4とする。 (A) The 29 Si-NMR spectrum of the silica particles is peak-separated by peak separation treatment, and the peak with a chemical shift of about −84 ppm when the silicon atom of tetramethylsilane is 0 ppm is determined as Q1, and the signal area is a 1 , a peak at about −92 ppm is judged as Q2, a signal area is judged as a 2 , a peak at about −101 ppm is judged as Q3, a signal area is judged as a 3 , and a peak at about −111 ppm is judged as Q4, a signal area and a 4.
一般的に、Q1は酸素原子に隣接するシリコン原子の配位数が1のシリコン原子に由来すると考えられており、組成式としてSiO1/2(OH)3と表現でき、その式量は87.11g/molである。Q2は酸素原子に隣接するシリコン原子の配位数が2のシリコン原子に由来すると考えられており、組成式としてSiO(OH)2と表現でき、その式量は78.10g/molである。Q3は酸素原子に隣接するシリコン原子の配位数が3のシリコン原子に由来すると考えられており、組成式としてSiO3/2(OH)と表現でき、その式量は69.09g/molである。Q4は酸素原子に隣接するシリコン原子の配位数が4のシリコン原子に由来すると考えられており、組成式としてSiO2と表現でき、その式量は60.08g/molである。 In general, Q1 is considered to be derived from a silicon atom having a coordination number of silicon atoms adjacent to an oxygen atom of 1, and can be expressed as a composition formula SiO 1/2 (OH) 3. .11 g / mol. Q2 is considered to be derived from a silicon atom having a coordination number of silicon atoms adjacent to oxygen atoms of 2, and can be expressed as SiO (OH) 2 as a composition formula, and its formula weight is 78.10 g / mol. Q3 is considered to be derived from a silicon atom whose coordination number of silicon atoms adjacent to the oxygen atom is 3, and can be expressed as a composition formula SiO 3/2 (OH), and its formula weight is 69.09 g / mol. is there. Q4 is considered to be derived from a silicon atom having a coordination number of silicon atoms adjacent to oxygen atoms of 4, and can be expressed as SiO 2 as a composition formula, and its formula weight is 60.08 g / mol.
シリカ粒子に含まれるシラノール基数は、シリコン原子の配位数、前記シグナル面積a1、a2、a3、a4およびQ1、Q2、Q3、Q4成分の式量から、下記式(1)により算出することができる。 The number of silanol groups contained in the silica particles is determined by the following formula (1) from the coordination number of silicon atoms, the formula amounts of the signal areas a 1 , a 2 , a 3 , a 4 and Q 1, Q 2, Q 3, Q 4 components. Can be calculated.
ここで、NAはアボガドロ数:6.022×1023を表す。 Here, N A is Avogadro's number: representing a 6.022 × 10 23.
本実施形態に用いられる(A)シリカ粒子は、ナトリウムを好ましくは5〜500ppm、より好ましくは10〜400ppm、特に好ましくは15〜300ppm含有することができる。さらに、カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種を100〜20000ppm含有することができる。前記(A)シリカ粒子がカリウムを含有する場合、カリウムの含有量は、好ましくは100〜20000ppm、より好ましくは500〜15000ppm、特に好ましくは1000〜10000ppmである。前記(A)シリカ粒子がアンモニウムイオンを含有する場合、アンモニウムイオンの含有量は、好ましくは100〜20000ppm、より好ましくは200〜10000ppm、特に好ましくは500〜8000ppmである。また、前記(A)シリカ粒子に含まれるカリウムあるいはアンモニウムイオンが前記範囲内にない場合でも、カリウムおよびアンモニウムイオンの含有量の合計が、100〜20000ppm、好ましくは500〜15000ppm、より好ましくは1000〜10000ppmの範囲内にあればよい。 The silica particles (A) used in the present embodiment can preferably contain sodium in an amount of 5 to 500 ppm, more preferably 10 to 400 ppm, and particularly preferably 15 to 300 ppm. Furthermore, 100-20000 ppm can be contained at least one selected from potassium and ammonium ions. When said (A) silica particle contains potassium, content of potassium becomes like this. Preferably it is 100-20000 ppm, More preferably, it is 500-15000 ppm, Most preferably, it is 1000-10000 ppm. When said (A) silica particle contains ammonium ion, content of ammonium ion becomes like this. Preferably it is 100-20000 ppm, More preferably, it is 200-10000 ppm, Most preferably, it is 500-8000 ppm. Further, even when potassium or ammonium ions contained in the silica particles (A) are not within the above range, the total content of potassium and ammonium ions is 100 to 20000 ppm, preferably 500 to 15000 ppm, more preferably 1000 to It may be in the range of 10,000 ppm.
ナトリウムが500ppmを超えると、研磨後のウエハ汚染が発生するため好ましくない。一方、ナトリウムを5ppm未満とするためには、イオン交換処理を複数回行う必要があり技術的困難を伴う。 If the sodium content exceeds 500 ppm, wafer contamination after polishing occurs, which is not preferable. On the other hand, in order to make sodium less than 5 ppm, it is necessary to perform the ion exchange treatment a plurality of times, which involves technical difficulties.
カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種が20000ppmを超えると、シリカ粒子分散体のpHが高くなりすぎてシリカが溶解することがある。一方、カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種が100ppm未満であると、シリカ粒子の分散安定性が低下しシリカ粒子の凝集を引き起こすことにより、ウエハ上に欠陥が発生してしまうため好ましくない。 If at least one selected from potassium and ammonium ions exceeds 20000 ppm, the pH of the silica particle dispersion may become too high and silica may be dissolved. On the other hand, if at least one selected from potassium and ammonium ions is less than 100 ppm, the dispersion stability of the silica particles is lowered, and the silica particles are aggregated, thereby causing defects on the wafer. .
なお、上述したシリカ粒子に含有されるナトリウムの含有量およびカリウムの含有量は、ICP発光分析法(ICP−AES)またはICP質量分析法(ICP−MS)を用いて定量した値である。ICP発光分析装置として、例えば「ICPE−9000(島津製作所社製)」等を使用することができる。ICP質量分析装置として、例えば「ICPM−8500(島津製作所社製)」、「ELAN DRC PLUS(パーキンエルマー社製)」等を使用することができる。また、上述したシリカ粒子に含有されるアンモニウムイオンの含有量は、イオンクロマト法を用いて定量した値である。イオンクロマト法として、例えばノンサプレッサイオンクロマトグラフ「HIS−NS(島津製作所社製)」、「ICS−1000(DIONEX社製)」等を使用することができる。また、シリカ粒子に含有されるナトリウム、カリウムは、それぞれナトリウムイオン、カリウムイオンであってもよい。ナトリウムイオン、カリウムイオン、アンモニウムイオンの含有量を測定することで、シリカ粒子中に含有されるナトリウム、カリウム、アンモニウムイオンを定量することができる。なお、本明細書に記載されているナトリウム、カリウム、アンモニウムイオンの含有量は、シリカ粒子の重量に対するナトリウム、カリウム、アンモニウムイオンの重量である。 In addition, the content of sodium and the content of potassium contained in the silica particles described above are values determined using ICP emission spectrometry (ICP-AES) or ICP mass spectrometry (ICP-MS). As the ICP emission analyzer, for example, “ICPE-9000 (manufactured by Shimadzu Corporation)” or the like can be used. As the ICP mass spectrometer, for example, “ICPM-8500 (manufactured by Shimadzu Corporation)”, “ELAN DRC PLUS (manufactured by Perkin Elmer)”, or the like can be used. Further, the content of ammonium ions contained in the silica particles described above is a value quantified using an ion chromatography method. As the ion chromatography method, for example, a non-suppressor ion chromatograph “HIS-NS (manufactured by Shimadzu Corporation)”, “ICS-1000 (manufactured by DIONEX)”, or the like can be used. The sodium and potassium contained in the silica particles may be sodium ion and potassium ion, respectively. By measuring the content of sodium ions, potassium ions, and ammonium ions, sodium, potassium, and ammonium ions contained in the silica particles can be quantified. In addition, content of the sodium, potassium, and ammonium ion described in this specification is the weight of sodium, potassium, and ammonium ions with respect to the weight of the silica particles.
前記範囲内でナトリウムと、カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種とを含有することにより、化学機械研磨用水系分散体中でシリカ粒子が安定的に分散することが可能となり、研磨の際に欠陥の原因となるシリカ粒子の凝集が発生しない。また、前記範囲内であれば、研磨後のウエハの金属汚染を防ぐことができる。 By containing sodium and at least one selected from potassium and ammonium ions within the above range, the silica particles can be stably dispersed in the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. Aggregation of silica particles that cause defects does not occur. Moreover, if it is in the said range, the metal contamination of the wafer after grinding | polishing can be prevented.
シリカ粒子のBET法を用いて測定した比表面積から算出される平均粒径は、好ましくは10〜100nmであり、より好ましくは10〜90nmであり、特に好ましくは10〜80nmである。シリカ粒子の平均粒径が前記範囲内にあると、化学機械研磨用水系分散体としての保存安定性に優れ、欠陥のない平滑な研磨面を得ることができる。シリカ粒子の平均粒径が前記範囲未満であると、銅膜に対する研磨速度が小さくなりすぎるため実用的ではない。一方、シリカ粒子の平均粒径が前記範囲を超えると、シリカ粒子の保存安定性に劣るため好ましくない。 The average particle diameter calculated from the specific surface area measured using the BET method of silica particles is preferably 10 to 100 nm, more preferably 10 to 90 nm, and particularly preferably 10 to 80 nm. When the average particle diameter of the silica particles is within the above range, it is excellent in storage stability as a chemical mechanical polishing aqueous dispersion, and a smooth polished surface free from defects can be obtained. If the average particle size of the silica particles is less than the above range, the polishing rate for the copper film becomes too small, which is not practical. On the other hand, when the average particle diameter of the silica particles exceeds the above range, the storage stability of the silica particles is inferior, which is not preferable.
シリカ粒子の平均粒径は、例えば、流動式比表面積自動測定装置「micrometrics FlowSorb II 2300(島津製作所社製)」により、BET法を用いて測定した比表面積から算出される。 The average particle diameter of the silica particles is calculated from the specific surface area measured using the BET method with a flow type specific surface area automatic measuring device “micrometrics FlowSorb II 2300 (manufactured by Shimadzu Corporation)”, for example.
以下に、シリカ粒子の比表面積から平均粒径を算出する方法について説明する。 Below, the method to calculate an average particle diameter from the specific surface area of a silica particle is demonstrated.
シリカ粒子の形状を真球状であると仮定し、粒子の直径をd(nm)、比重をρ(g/cm3)とすると、粒子n個の表面積Aは、A=nπd2となる。粒子n個の質量Nは、N=ρnπd3/6となる。比表面積Sは、粉体の単位質量当たりの全構成粒子の表面積で表される。そうすると、粒子n個の比表面積Sは、S=A/N=6/ρdとなる。この式に、シリカ粒子の比重ρ=2.2を代入し、単位を換算すると、下記式(2)を導き出すことができる。 Assuming that the shape of the silica particle is a true sphere, the particle diameter is d (nm) and the specific gravity is ρ (g / cm 3 ), the surface area A of n particles is A = nπd 2 . N particles mass N becomes N = ρnπd 3/6. The specific surface area S is represented by the surface area of all the constituent particles per unit mass of the powder. Then, the specific surface area S of n particles is S = A / N = 6 / ρd. Substituting the specific gravity ρ = 2.2 of the silica particles into this equation and converting the unit, the following equation (2) can be derived.
平均粒径(nm)=2727/S(m2/g)…(2) Average particle diameter (nm) = 2727 / S (m 2 / g) (2)
なお、本明細書中におけるシリカ粒子の平均粒径は、全て(2)式に基づいて計算している。 In addition, all the average particle diameters of the silica particle in this specification are calculated based on (2) Formula.
シリカ粒子の長径(Rmax)と短径(Rmin)の比率Rmax/Rminは1.0〜1.5、好ましくは1.0〜1.4、さらに好ましくは1.0〜1.3である。Rmax/Rminが前記範囲内であると金属膜や絶縁膜に欠陥を引き起こすことなく、高い研磨速度と高平坦化特性を発現できる。Rmax/Rminが1.5より大きいと研磨後の欠陥が発生し、好ましくない。 The ratio Rmax / Rmin of the major axis (Rmax) and minor axis (Rmin) of the silica particles is 1.0 to 1.5, preferably 1.0 to 1.4, more preferably 1.0 to 1.3. When Rmax / Rmin is within the above range, a high polishing rate and high planarization characteristics can be exhibited without causing defects in the metal film or the insulating film. If Rmax / Rmin is greater than 1.5, defects after polishing occur, which is not preferable.
ここで、シリカ粒子の長径(Rmax)とは、透過型電子顕微鏡により撮影された一つの独立したシリカ粒子の像について、像の端部と端部を結んだ距離のうち最も長い距離を意味する。シリカ粒子の短径(Rmin)とは、透過型電子顕微鏡により撮影された一つの独立したシリカ粒子の像について、像の端部と端部を結んだ距離のうち最も短い距離を意味する。 Here, the major axis (Rmax) of the silica particles means the longest distance among the distances connecting the end portions of the images of one independent silica particle image taken by a transmission electron microscope. . The short diameter (Rmin) of the silica particles means the shortest distance among the distances connecting the end portions of the image of one independent silica particle image taken with a transmission electron microscope.
例えば、図1に示すように透過型電子顕微鏡により撮影された一つの独立したシリカ粒子10aの像が楕円形状である場合、楕円形状の長軸aをシリカ粒子の長径(Rmax)と判断し、楕円形状の短軸bをシリカ粒子の短径(Rmin)と判断する。図2に示すように、透過型電子顕微鏡により撮影された一つの独立したシリカ粒子10bの像が2つの粒子の凝集体である場合、像の端部と端部を結んだ最も長い距離cをシリカ粒子の長径(Rmax)と判断し、像の端部と端部を結んだ最も短い距離dをシリカ粒子の短径(Rmin)と判断する。図3に示すように、透過型電子顕微鏡により撮影された一つの独立したシリカ粒子10cの像が3以上の粒子の凝集体である場合、像の端部と端部を結んだ最も長い距離eをシリカ粒子の長径(Rmax)と判断し、像の端部と端部を結んだ最も短い距離fをシリカ粒子の短径(Rmin)と判断する。
For example, when the image of one
前記のような判断手法により、例えば、50個のシリカ粒子の長径(Rmax)と短径(Rmin)を測定し、長径(Rmax)と短径(Rmin)の平均値を算出したあと、長径と短径との比率(Rmax/Rmin)を計算して求めることができる。 For example, by measuring the major axis (Rmax) and minor axis (Rmin) of 50 silica particles by the above-described determination method, and calculating the average value of major axis (Rmax) and minor axis (Rmin), the major axis and The ratio to the minor axis (Rmax / Rmin) can be calculated and obtained.
前記(A)シリカ粒子の含有量は、使用時における化学機械研磨用水系分散体の全質量に対して、好ましくは1〜20質量%であり、より好ましくは1〜15質量%であり、特に好ましくは1〜10質量%である。(A)シリカ粒子の含有量が前記範囲未満になると十分な研磨速度が得られず実用的ではない。一方、(A)シリカ粒子の含有量が前記範囲を超えるとコストが高くなるとともに安定した化学機械研磨用水系分散体を得られないことがある。 The content of the silica particles (A) is preferably 1 to 20% by mass, more preferably 1 to 15% by mass with respect to the total mass of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion at the time of use. Preferably it is 1-10 mass%. (A) When the content of the silica particles is less than the above range, a sufficient polishing rate cannot be obtained, which is not practical. On the other hand, when the content of (A) silica particles exceeds the above range, the cost increases and a stable chemical mechanical polishing aqueous dispersion may not be obtained.
本実施形態に用いられる(A)シリカ粒子の作製方法は、ナトリウム、カリウムおよびアンモニウムイオンの含有量が前記範囲内となるシリカ粒子が得られれば特に制限はなく、従来の公知の方法を適用することができる。例えば、特開2003−109921号公報や特開2006−80406号公報に記載のシリカ粒子分散液の製造方法に準じて作製することができる。 The method for producing (A) silica particles used in the present embodiment is not particularly limited as long as silica particles in which the content of sodium, potassium and ammonium ions is within the above range are obtained, and a conventionally known method is applied. be able to. For example, it can be produced according to the method for producing a silica particle dispersion described in JP-A No. 2003-109921 and JP-A No. 2006-80406.
また、従来の公知の方法として、ケイ酸アルカリ水溶液からアルカリを除去することによりシリカ粒子を作製する方法がある。ケイ酸アルカリ水溶液としては、一般に水ガラスとして知られているケイ酸ナトリウム水溶液、ケイ酸アンモニウム水溶液、ケイ酸リチウム水溶液、ケイ酸カリウム水溶液等が挙げられる。また、ケイ酸アンモニウムとしては、水酸化アンモニウム、テトラメチルアンモニウム水酸化物からなるケイ酸塩が挙げられる。 Further, as a conventionally known method, there is a method of producing silica particles by removing alkali from an alkali silicate aqueous solution. Examples of the alkali silicate aqueous solution include a sodium silicate aqueous solution, an ammonium silicate aqueous solution, a lithium silicate aqueous solution, and a potassium silicate aqueous solution that are generally known as water glass. Examples of ammonium silicate include silicates made of ammonium hydroxide and tetramethylammonium hydroxide.
以下に、本実施形態に用いられる(A)シリカ粒子の具体的な作製方法の一つについて説明する。シリカを20〜38質量%含み、SiO2/Na2Oのモル比が2.0〜3.8であるケイ酸ナトリウム水溶液を水で希釈し、シリカ濃度が2〜5質量%の希釈ケイ酸ナトリウム水溶液とする。続いて、希釈ケイ酸ナトリウム水溶液を水素型陽イオン交換樹脂層に通過させ、ナトリウムイオンの大部分を除去した活性ケイ酸水溶液を生成させる。このケイ酸水溶液を撹拌下、pHを通常7〜9にアルカリで調整しながら熱熟成し、目的とする粒子径となるまで成長させコロイド状のシリカ粒子を生成する。この熱熟成中、さらに活性ケイ酸水溶液や小さい粒子のコロイダルシリカを少量ずつ添加することにより、例えば平均粒径が10〜100nmの範囲で目的とする粒子径のシリカ粒子を調製する。このようにして得られたシリカ粒子分散液を濃縮してシリカ濃度を20〜30質量%へ上げ、続いて再度水素型陽イオン交換樹脂層に通過させ、ナトリウムイオンのほとんどを除去しアルカリでpHを調整することにより、ナトリウムを5〜500ppm、カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種を100〜20000ppm含有するシリカ粒子を作製することができる。 Below, one of the specific preparation methods of the (A) silica particle used for this embodiment is demonstrated. A dilute silicic acid solution containing 20 to 38% by mass of silica and diluting an aqueous sodium silicate solution having a SiO 2 / Na 2 O molar ratio of 2.0 to 3.8 with water to have a silica concentration of 2 to 5% by mass A sodium aqueous solution is used. Subsequently, a dilute sodium silicate aqueous solution is passed through the hydrogen-type cation exchange resin layer to generate an active silicate aqueous solution from which most of the sodium ions have been removed. The aqueous silicic acid solution is aged with heat while adjusting the pH to 7-9 with alkali, and grown to the desired particle size to produce colloidal silica particles. During this thermal aging, an active silicic acid aqueous solution and small particles of colloidal silica are added little by little to prepare silica particles having a target particle size in the range of, for example, an average particle size of 10 to 100 nm. The silica particle dispersion thus obtained is concentrated to increase the silica concentration to 20 to 30% by mass, and then passed again through the hydrogen-type cation exchange resin layer to remove most of the sodium ions and pH with an alkali. By adjusting the pH, silica particles containing 5 to 500 ppm of sodium and 100 to 20000 ppm of at least one selected from potassium and ammonium ions can be produced.
また、(A)シリカ粒子に含まれるナトリウム、カリウム、アンモニウムイオンの含有量は、シリカ粒子を含む化学機械水系分散体を、遠心分離、限外濾過等、公知の方法によりシリカ成分を回収し、回収したシリカ成分中に含有されるナトリウム、カリウム、アンモニウムイオンを定量することにより算出することができる。したがって、化学機械研磨用水系分散体から前記の方法で回収したシリカ成分を公知の方法で分析することにより、本願発明の構成要件を充足していることを確認することもできる。 In addition, (A) the content of sodium, potassium and ammonium ions contained in the silica particles is obtained by recovering the silica component by a known method such as centrifugation, ultrafiltration, etc., of the chemical mechanical aqueous dispersion containing the silica particles, It can be calculated by quantifying sodium, potassium and ammonium ions contained in the recovered silica component. Therefore, by analyzing the silica component recovered from the chemical mechanical polishing aqueous dispersion by the above method by a known method, it can be confirmed that the constituent requirements of the present invention are satisfied.
1.2 (B)アミノ酸
本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、(B)アミノ酸を含有する。前記(B)アミノ酸は、グリシン、アラニンおよびヒスチジンから選択される少なくとも1種のアミノ酸であることが好ましい。これらのアミノ酸は、銅イオンと配位結合を形成しやすい性質があり、被研磨面たる銅膜の表面と配位結合を形成する。これにより、銅膜の表面荒れを抑制し高い平坦性を維持しつつ、銅および銅イオンとの親和性を高め、銅膜に対する研磨速度を促進させることができる。また、これらのアミノ酸は、銅膜の研磨によりスラリー中へ溶出した銅イオンと容易に配位することができ銅の析出を防ぐことができる。その結果、銅膜上のスクラッチ等の研磨欠陥の発生を抑制することができる。さらに、これらのアミノ酸は、研磨後の被研磨物表面から不要な金属を効率良く捕捉することができ、被研磨物表面から効率的に不要な金属を除去することができる。また、後述する水溶性高分子を併用する場合において、その種類や添加量にもよるが、水溶性高分子が銅膜表面に吸着することにより研磨を阻害し研磨速度を低下させることがある。このような場合においても、前記(B)アミノ酸を併用することで、水溶性高分子の添加にもかかわらず銅膜の研磨速度を増大させる効果がある。また、前記(B)アミノ酸を含有することで、研磨中に破砕されてシリカ粒子から溶出するナトリウムイオンやカリウムイオンの銅膜表面への吸着を阻害して溶液中への遊離を促すことができ、その結果被研磨物表面から効果的に除去することも可能となる。さらに、前記(B)アミノ酸を含有することで、前記(A)シリカ粒子の有するシラノール基と適度に相互作用することができ、研磨組成物中におけるシリカ粒子の分散安定性を向上させることができる。
1.2 (B) Amino Acid The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to this embodiment contains (B) an amino acid. The (B) amino acid is preferably at least one amino acid selected from glycine, alanine and histidine. These amino acids have a property of easily forming a coordinate bond with a copper ion, and form a coordinate bond with the surface of the copper film that is the surface to be polished. Thus, the surface roughness of the copper film can be suppressed and high flatness can be maintained, the affinity with copper and copper ions can be increased, and the polishing rate for the copper film can be promoted. Moreover, these amino acids can be easily coordinated with copper ions eluted into the slurry by polishing the copper film, and can prevent the precipitation of copper. As a result, it is possible to suppress the occurrence of polishing defects such as scratches on the copper film. Furthermore, these amino acids can efficiently capture unnecessary metals from the surface of the object to be polished after polishing, and can efficiently remove unnecessary metals from the surface of the object to be polished. Further, when a water-soluble polymer described later is used in combination, depending on the type and amount of addition, the water-soluble polymer may be adsorbed on the surface of the copper film, thereby inhibiting polishing and reducing the polishing rate. Even in such a case, the combined use of the amino acid (B) has an effect of increasing the polishing rate of the copper film despite the addition of the water-soluble polymer. Further, by containing the amino acid (B), it is possible to promote the liberation into the solution by inhibiting the adsorption of sodium ions and potassium ions, which are crushed during the polishing and eluted from the silica particles, onto the copper film surface. As a result, it can be effectively removed from the surface of the workpiece. Furthermore, by containing the (B) amino acid, it can moderately interact with the silanol groups of the (A) silica particles, and the dispersion stability of the silica particles in the polishing composition can be improved. .
前記(B)アミノ酸の含有量は、化学機械研磨用水系分散体の全質量に対して、好ましくは0.001〜3.0質量%、より好ましくは0.01〜2.0質量%である。アミノ酸の含有量が前記範囲未満であると、銅膜のディッシングを引き起こすおそれがある。一方、アミノ酸の含有量が前記範囲を超えると、シリカ粒子が凝集するおそれがある。 The content of the amino acid (B) is preferably 0.001 to 3.0% by mass, more preferably 0.01 to 2.0% by mass, based on the total mass of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. . If the amino acid content is less than the above range, dishing of the copper film may occur. On the other hand, when the content of the amino acid exceeds the above range, the silica particles may aggregate.
1.3 (C)含窒素複素環およびカルボキシル基を有する有機酸
本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、(C)含窒素複素環およびカルボキシル基を有する有機酸を含有することができる。前記(C)含窒素複素環およびカルボキシル基を有する有機酸は、前記(B)アミノ酸と併用することにより(B)アミノ酸の効果を高めることができる。(C)含窒素複素環およびカルボキシル基を有する有機酸として、例えば、少なくとも1個の窒素原子を有する複素六員環を含む有機酸、複素五員環からなるヘテロ環化合物を含む有機酸等が挙げられる。より具体的には、キナルジン酸、キノリン酸、キノリン−8−カルボン酸、ピコリン酸、キサンツレン酸、キヌレン酸、ニコチン酸、およびアントラニル酸等が挙げられる。
1.3 (C) Organic acid having nitrogen-containing heterocycle and carboxyl group The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to this embodiment may contain (C) an organic acid having a nitrogen-containing heterocycle and a carboxyl group. it can. The organic acid having the (C) nitrogen-containing heterocyclic ring and the carboxyl group can enhance the effect of the (B) amino acid when used in combination with the (B) amino acid. (C) As an organic acid having a nitrogen-containing heterocyclic ring and a carboxyl group, for example, an organic acid containing a heterocyclic six-membered ring having at least one nitrogen atom, an organic acid containing a heterocyclic compound consisting of a heterocyclic five-membered ring, etc. Can be mentioned. More specifically, quinaldic acid, quinolinic acid, quinoline-8-carboxylic acid, picolinic acid, xanthurenic acid, quinurenic acid, nicotinic acid, anthranilic acid and the like can be mentioned.
前記(C)含窒素複素環およびカルボキシル基を有する有機酸の含有量は、化学機械研磨用水系分散体の全質量に対して、好ましくは0.001〜3.0質量%、より好ましくは0.01〜2.0質量%である。(C)含窒素複素環およびカルボキシル基を有する有機酸の含有量が前記範囲未満であると、銅膜のディッシングを引き起こすおそれがある。一方、(C)含窒素複素環およびカルボキシル基を有する有機酸の含有量が3.0質量%を超えると、シリカ粒子が凝集するおそれがある。 The content of the organic acid having (C) the nitrogen-containing heterocycle and the carboxyl group is preferably 0.001 to 3.0% by mass, more preferably 0, based on the total mass of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. 0.01 to 2.0% by mass. (C) If the content of the organic acid having a nitrogen-containing heterocyclic ring and a carboxyl group is less than the above range, dishing of the copper film may be caused. On the other hand, if the content of (C) the organic acid having a nitrogen-containing heterocyclic ring and a carboxyl group exceeds 3.0% by mass, the silica particles may aggregate.
1.4 その他の添加剤
1.4.1 酸化剤
本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、必要に応じて酸化剤を含有することができる。酸化剤としては、例えば、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム、過酸化水素、硝酸第二鉄、硝酸二アンモニウムセリウム、硫酸鉄、オゾン、次亜塩素酸とその塩、過ヨウ素酸カリウム、および過酢酸などが挙げられる。これらの酸化剤は、1種単独または2種以上を組み合わせて用いることができる。また、これらの酸化剤のうち、酸化力、保護膜との相性、および取り扱いやすさなどを考慮すると、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム、および過酸化水素が特に好ましい。酸化剤の含有量は、化学機械研磨用水系分散体の全質量に対して、好ましくは0.05〜5質量%、より好ましくは0.08〜3質量%である。酸化剤の含有量が前記範囲未満の場合には、銅膜に対する十分な研磨速度が得られないことがあり、一方、前記範囲を超えると、銅膜のディッシングやエロージョンを引き起こすおそれがある。
1.4 Other Additives 1.4.1 Oxidizing Agent The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to this embodiment may contain an oxidizing agent as necessary. Examples of the oxidizing agent include ammonium persulfate, potassium persulfate, hydrogen peroxide, ferric nitrate, diammonium cerium nitrate, iron sulfate, ozone, hypochlorous acid and its salts, potassium periodate, and peracetic acid. Is mentioned. These oxidizing agents can be used alone or in combination of two or more. Of these oxidizing agents, ammonium persulfate, potassium persulfate, and hydrogen peroxide are particularly preferable in view of oxidizing power, compatibility with a protective film, and ease of handling. The content of the oxidizing agent is preferably 0.05 to 5% by mass, more preferably 0.08 to 3% by mass, based on the total mass of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. When the content of the oxidizing agent is less than the above range, a sufficient polishing rate for the copper film may not be obtained. On the other hand, when the content exceeds the above range, dishing or erosion of the copper film may be caused.
1.4.2 水溶性高分子
本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、必要に応じて水溶性高分子を含有することができる。水溶性高分子を添加することにより、銅膜のディッシングやコロージョンの発生を効果的に抑制することができる。
1.4.2 Water-soluble polymer The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to this embodiment may contain a water-soluble polymer, if necessary. By adding a water-soluble polymer, dishing and corrosion of the copper film can be effectively suppressed.
前記水溶性高分子としては、例えば、ポリアクリル酸およびその塩、ポリメタクリル酸およびその塩、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド等が挙げられる。これらの水溶性高分子のうち、繰り返し単位中にカルボニル基を有するポリビニルピロリドン、ポリメタクリル酸およびその塩、ポリアクリル酸およびその塩、またはこれらの誘導体であることが好ましい。ポリアクリル酸およびポリメタクリル酸は、砥粒の安定性に影響を与えない点でより好ましい。ポリアクリル酸は、本実施形態に係る化学機械研磨水系分散体に適切な粘性を付与できるため、特に好ましい。 Examples of the water-soluble polymer include polyacrylic acid and its salt, polymethacrylic acid and its salt, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylamide and the like. Among these water-soluble polymers, polyvinyl pyrrolidone having a carbonyl group in the repeating unit, polymethacrylic acid and a salt thereof, polyacrylic acid and a salt thereof, or a derivative thereof is preferable. Polyacrylic acid and polymethacrylic acid are more preferable in that they do not affect the stability of the abrasive grains. Polyacrylic acid is particularly preferable because it can impart an appropriate viscosity to the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the present embodiment.
前記水溶性高分子の重量平均分子量は、例えば、GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)によって測定されたポリエチレングリコール換算の重量平均分子量(Mw)を適用できる。前記水溶性高分子の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは1万以上150万以下、より好ましくは4万以上120万以下である。重量平均分子量が前記範囲内にあると、研磨摩擦を大幅に低減できるため銅膜のディッシングやエロージョンの発生を抑制することができる。重量平均分子量が前記下限より小さいと研磨摩擦の低減効果が小さく、銅膜のディッシングやエロージョンの抑制効果に劣る。一方、重量平均分子量が前記上限より大きいとシリカ粒子の保存安定性が損なわれることがあり、また、水系分散体の粘度が過度に上昇して、研磨液供給装置に負荷がかかる等の問題が生じることがある。 As the weight average molecular weight of the water-soluble polymer, for example, a weight average molecular weight (Mw) in terms of polyethylene glycol measured by GPC (gel permeation chromatography) can be applied. The water-soluble polymer has a weight average molecular weight (Mw) of preferably 10,000 to 1,500,000, more preferably 40,000 to 1,200,000. When the weight average molecular weight is within the above range, polishing friction can be greatly reduced, so that the occurrence of dishing and erosion of the copper film can be suppressed. When the weight average molecular weight is smaller than the lower limit, the effect of reducing polishing friction is small, and the effect of suppressing dishing or erosion of the copper film is inferior. On the other hand, if the weight average molecular weight is larger than the upper limit, the storage stability of the silica particles may be impaired, and the viscosity of the aqueous dispersion is excessively increased, and there is a problem that the polishing liquid supply device is loaded. May occur.
前記水溶性高分子の含有量は、化学機械研磨用水系分散体の全質量に対して、好ましくは0.001〜1.0質量%であり、より好ましくは0.01〜0.5質量%である。水溶性高分子の含有量が前記範囲未満であると、研磨摩擦の低減効果が小さく、銅膜のディッシングやエロージョンの抑制効果に劣る。一方、水溶性高分子の含有量が前記範囲を超えると、シリカ粒子の凝集を引き起こすことがある。 The content of the water-soluble polymer is preferably 0.001 to 1.0 mass%, more preferably 0.01 to 0.5 mass%, based on the total mass of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. It is. When the content of the water-soluble polymer is less than the above range, the effect of reducing polishing friction is small and the effect of suppressing dishing or erosion of the copper film is inferior. On the other hand, when the content of the water-soluble polymer exceeds the above range, the silica particles may be aggregated.
一般的に、化学機械研磨用水系分散体にナトリウムやカリウムの含有量が多い砥粒を使用すると、研磨後の洗浄操作によっても砥粒に由来するナトリウムやカリウムが被研磨物表面に残留し、デバイスの電気特性を悪化させる原因になると考えられており、その使用は避けられてきた。しかしながら、前記水溶性高分子を添加することにより、銅膜の表面が効果的に保護され、銅膜表面へのナトリウムやカリウムの吸着を抑制することができ、洗浄により容易に銅膜の表面からナトリウムやカリウムを除去することが可能となる。さらに、前記水溶性高分子は洗浄操作により容易に除去可能であることから、銅膜の表面に残留してデバイスの電気特性を悪化させることもない。 In general, when abrasive grains containing a large amount of sodium or potassium are used in the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, sodium or potassium derived from the abrasive grains remains on the surface of the object to be polished even by a cleaning operation after polishing. It is thought to cause deterioration of the electrical characteristics of the device, and its use has been avoided. However, by adding the water-soluble polymer, the surface of the copper film is effectively protected, and adsorption of sodium and potassium to the surface of the copper film can be suppressed. It becomes possible to remove sodium and potassium. Furthermore, since the water-soluble polymer can be easily removed by a cleaning operation, it does not remain on the surface of the copper film and deteriorate the electrical characteristics of the device.
1.4.3 界面活性剤
本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、必要に応じて界面活性剤を含有することができる。界面活性剤としては、非イオン性界面活性剤、アニオン界面活性剤またはカチオン界面活性剤が挙げられる。
1.4.3 Surfactant The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to this embodiment may contain a surfactant as necessary. Surfactants include nonionic surfactants, anionic surfactants or cationic surfactants.
前記非イオン性界面活性剤としては、例えば、三重結合を有する非イオン性界面活性剤が挙げられる。具体的には、アセチレングリコールおよびそのエチレンオキサイド付加物、アセチレンアルコール等が挙げられる。また、シリコーン系界面活性剤、ポリビニルアルコール、シクロデキストリン、ポリビニルメチルエーテル、およびヒドロキシエチルセルロース等も挙げられる。 As said nonionic surfactant, the nonionic surfactant which has a triple bond is mentioned, for example. Specifically, acetylene glycol and its ethylene oxide adduct, acetylene alcohol, etc. are mentioned. Also included are silicone surfactants, polyvinyl alcohol, cyclodextrin, polyvinyl methyl ether, and hydroxyethyl cellulose.
前記アニオン界面活性剤としては、例えば、カルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸エステル塩、リン酸エステル塩等が挙げられる。カルボン酸塩としては、例えば、脂肪酸石鹸、アルキルエーテルカルボン酸塩等が挙げられる。スルホン酸塩としては、例えば、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩等が挙げられる。硫酸エステル塩としては、例えば、高級アルコール硫酸エステル塩、アルキルエーテル硫酸塩、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル硫酸塩等が挙げられる。リン酸エステル塩としては、例えば、アルキルリン酸エステル塩等が挙げられる。 Examples of the anionic surfactant include carboxylate, sulfonate, sulfate ester salt, phosphate ester salt and the like. Examples of the carboxylate include fatty acid soap and alkyl ether carboxylate. Examples of the sulfonate include alkyl benzene sulfonate, alkyl naphthalene sulfonate, α-olefin sulfonate, and the like. Examples of sulfate salts include higher alcohol sulfate salts, alkyl ether sulfate salts, polyoxyethylene alkylphenyl ether sulfate salts, and the like. Examples of the phosphate ester salt include alkyl phosphate ester salts.
前記カチオン界面活性剤としては、例えば、脂肪族アミン塩および脂肪族アンモニウム塩等が挙げられる。これらの界面活性剤は、1種単独または2種以上を組み合わせて使用することができる。 Examples of the cationic surfactant include aliphatic amine salts and aliphatic ammonium salts. These surfactants can be used alone or in combination of two or more.
前記界面活性剤の含有量は、化学機械研磨用水系分散体の全質量に対して、好ましくは0.001〜1.0質量%、より好ましくは0.005〜0.5質量%である。界面活性剤の含有量が前記範囲内にあると、適度な研磨速度と良好な被研磨面との両立を達成することができる。 The content of the surfactant is preferably 0.001 to 1.0% by mass, more preferably 0.005 to 0.5% by mass, based on the total mass of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion. When the content of the surfactant is within the above range, it is possible to achieve both an appropriate polishing rate and a good surface to be polished.
1.5 pH
本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体のpHは、好ましくは6〜12、より好ましくは7〜11.5、特に好ましくは8〜11である。pHが6未満であると、シリカ粒子の表面に存在するシラノール基同士の水素結合を切ることができず、シリカ粒子の凝集を引き起こすことがある。一方、pHが12よりも大きいと、塩基性が強すぎるためウエハの欠陥を引き起こすことがある。pHを調整するための手段としては、例えば、水酸化カリウム、アンモニア、エチレンジアミン、TMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)等の塩基性塩に代表されるpH調整剤を添加することによりpHを調整することができる。
1.5 pH
The pH of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to this embodiment is preferably 6 to 12, more preferably 7 to 11.5, and particularly preferably 8 to 11. When the pH is less than 6, hydrogen bonds between silanol groups present on the surface of the silica particles cannot be broken, and the silica particles may be aggregated. On the other hand, if the pH is higher than 12, the basicity is too strong, which may cause wafer defects. As a means for adjusting the pH, for example, adjusting the pH by adding a pH adjuster represented by a basic salt such as potassium hydroxide, ammonia, ethylenediamine, TMAH (tetramethylammonium hydroxide), etc. Can do.
1.6 化学機械研磨用水系分散体の製造方法
本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、純水に直接(A)シリカ粒子、(B)アミノ酸、およびその他の添加剤を添加して混合・撹拌することにより調製することができる。このようにして得られた化学機械研磨用水系分散体をそのまま使用してもよいが、各成分を高濃度で含有する(濃縮された)化学機械研磨用水系分散体を調製し、使用時に所望の濃度に希釈して使用してもよい。
1.6 Method for Producing Chemical Mechanical Polishing Aqueous Dispersion The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to this embodiment is obtained by directly adding (A) silica particles, (B) amino acids, and other additives to pure water. Can be prepared by mixing and stirring. The chemical mechanical polishing aqueous dispersion thus obtained may be used as it is, but a chemical mechanical polishing aqueous dispersion containing each component in a high concentration (concentrated) is prepared and desired at the time of use. It may be used after diluting to a concentration of.
また、前記成分のいずれかを含む複数の液(例えば、2つまたは3つの液)を調製し、これらを使用時に混合して使用することもできる。この場合、複数の液を混合して化学機械研磨用水系分散体を調製した後、これを化学機械研磨装置に供給してもよいし、複数の液を個別に化学機械研磨装置に供給して定盤上で化学機械研磨用水系分散体を形成してもよい。 It is also possible to prepare a plurality of liquids (for example, two or three liquids) containing any of the above-mentioned components and to use them by mixing them at the time of use. In this case, after preparing a chemical mechanical polishing aqueous dispersion by mixing a plurality of liquids, this may be supplied to the chemical mechanical polishing apparatus, or a plurality of liquids may be supplied individually to the chemical mechanical polishing apparatus. A chemical mechanical polishing aqueous dispersion may be formed on a surface plate.
具体例として、水および(A)シリカ粒子を含む水系分散体である液(I)、水および(B)アミノ酸を含む液(II)からなり、これらの液を混合して前記化学機械研磨用水系分散体を調製するためのキットが挙げられる。 As a specific example, the chemical mechanical polishing water is composed of a liquid (I) which is an aqueous dispersion containing water and (A) silica particles, and a liquid (II) containing water and (B) an amino acid. A kit for preparing a system dispersion can be mentioned.
前記液(I)および(II)における各成分の濃度は、これらの液を混合して最終的に調製される化学機械研磨用水系分散体中の各成分の濃度が前記範囲内であれば特に限定されない。例えば、各成分を化学機械研磨用水系分散体の濃度よりも高濃度で含有する液(I)および(II)を調製し、使用時に、必要に応じて液(I)および(II)を希釈して、これらを混合し、各成分の濃度が前記範囲にある化学機械研磨用水系分散体を調製する。具体的には、上記液(I)と(II)とを1:1の重量比で混合する場合には、化学機械研磨用水系分散体の濃度の2倍の濃度の液(I)および(II)を調製すればよい。また、化学機械研磨用水系分散体の濃度の2倍以上の濃度の液(I)および(II)を調製し、これらを1:1の重量比で混合した後、各成分が前記範囲となるように水で希釈してもよい。以上のように、液(I)と液(II)とを別々に調製することにより、水系分散体の保存安定性を向上させることができる。 The concentration of each component in the liquids (I) and (II) is particularly as long as the concentration of each component in the chemical mechanical polishing aqueous dispersion finally prepared by mixing these liquids is within the above range. It is not limited. For example, liquids (I) and (II) containing each component at a concentration higher than the concentration of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion are prepared, and the liquids (I) and (II) are diluted as necessary at the time of use. Then, these are mixed to prepare a chemical mechanical polishing aqueous dispersion in which the concentration of each component is in the above range. Specifically, when the liquids (I) and (II) are mixed at a weight ratio of 1: 1, the liquids (I) and (I) having a concentration twice the concentration of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion are used. II) may be prepared. Moreover, after preparing liquid (I) and (II) of the density | concentration of 2 times or more of the density | concentration of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, and mixing these by 1: 1 weight ratio, each component becomes the said range. You may dilute with water. As described above, the storage stability of the aqueous dispersion can be improved by separately preparing the liquid (I) and the liquid (II).
前記のキットを使用する場合、研磨時に前記化学機械研磨用水系分散体が形成されていれば、液(I)と液(II)との混合の方法およびタイミングは特に限定されない。例えば、液(I)と液(II)とを混合して前記化学機械研磨用水系分散体を調製した後、これを化学機械研磨装置に供給してもよいし、液(I)と液(II)とを独立して化学機械研磨装置に供給し、定盤上で混合してもよい。あるいは、液(I)と液(II)とを独立して化学機械研磨装置に供給し、装置内でライン混合してもよいし、化学機械研磨装置に混合タンクを設けて、混合タンク内で混合してもよい。また、ライン混合の際には、より均一な化学機械研磨用水系分散体を得るために、ラインミキサー等を用いてもよい。 When the kit is used, the method and timing of mixing the liquid (I) and the liquid (II) are not particularly limited as long as the chemical mechanical polishing aqueous dispersion is formed at the time of polishing. For example, after the liquid (I) and the liquid (II) are mixed to prepare the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, this may be supplied to a chemical mechanical polishing apparatus, or the liquid (I) and the liquid ( II) may be supplied independently to a chemical mechanical polishing apparatus and mixed on a surface plate. Alternatively, the liquid (I) and the liquid (II) may be independently supplied to the chemical mechanical polishing apparatus and mixed in line in the apparatus, or a mixing tank is provided in the chemical mechanical polishing apparatus, You may mix. In line mixing, a line mixer or the like may be used in order to obtain a more uniform chemical mechanical polishing aqueous dispersion.
1.7 用途
本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、銅膜を表面に有する被処理体(例えば、半導体装置)の化学機械研磨に好適に用いることができる。すなわち、本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体によれば、(B)アミノ酸を含有することにより銅膜の表面荒れを抑制し高い平坦性を維持しつつ、銅および銅イオンとの親和性を高め、銅膜に対する研磨速度を促進させることができる。これにより、通常の研磨圧力条件下においても銅膜および低誘電率絶縁膜に欠陥を引き起こすことなく、表面の銅膜を高速かつ選択的に研磨することができる。また、本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体によれば、ウエハの金属汚染を低減することができる。
1.7 Applications The chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to this embodiment can be suitably used for chemical mechanical polishing of an object to be processed (for example, a semiconductor device) having a copper film on its surface. That is, according to the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to this embodiment, (B) by containing amino acids, the surface roughness of the copper film is suppressed and high flatness is maintained, and affinity with copper and copper ions is maintained. And the polishing rate for the copper film can be promoted. Thereby, the copper film on the surface can be polished at high speed and selectively without causing defects in the copper film and the low dielectric constant insulating film even under normal polishing pressure conditions. Moreover, according to the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to this embodiment, metal contamination of the wafer can be reduced.
より具体的には、本実施形態に係る化学機械研磨用水系分散体は、例えば絶縁膜として低誘電率絶縁膜を用い、かつ、配線材料として銅または銅合金を用いた半導体装置をダマシン法で製造する工程において、バリアメタル膜上の銅膜を化学機械研磨にて除去する工程(第1研磨処理工程)に適用することができる。 More specifically, the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to the present embodiment uses, for example, a damascene method in which a semiconductor device using a low dielectric constant insulating film as an insulating film and copper or a copper alloy as a wiring material is used. In the manufacturing process, the present invention can be applied to a process (first polishing process) in which the copper film on the barrier metal film is removed by chemical mechanical polishing.
本発明において、「銅膜」とは、銅または銅合金から形成される膜のことをいい、銅合金中の銅含有量としては、95質量%以上であることが好ましい。 In the present invention, the “copper film” refers to a film formed from copper or a copper alloy, and the copper content in the copper alloy is preferably 95% by mass or more.
2.化学機械研磨方法
本実施形態に係る化学機械研磨方法の一具体例について、図面を用いて詳細に説明する。
2. Chemical Mechanical Polishing Method A specific example of the chemical mechanical polishing method according to the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
2.1 被処理体
図4に、本実施形態に係る化学機械研磨方法に用いられる被処理体100を示す。
2.1 Object to be processed FIG. 4 shows an object to be processed 100 used in the chemical mechanical polishing method according to this embodiment.
(1)まず、低誘電率絶縁膜20を塗布法またはプラズマCVD法により形成する。低誘電率絶縁膜20として、無機絶縁膜および有機絶縁膜が挙げられる。無機絶縁膜としては、例えば、SiOF膜(k=3.5〜3.7)、Si−H含有SiO2膜(k=2.8〜3.0)などが挙げられる。有機絶縁膜としては、カーボン含有SiO2膜(k=2.7〜2.9)、メチル基含有SiO2膜(k=2.7〜2.9)、ポリイミド系膜(k=3.0〜3.5)、パリレン系膜(k=2.7〜3.0)、テフロン(登録商標)系膜(k=2.0〜2.4)、アモルファスカーボン(k=<2.5)等が挙げられる(上記のkは誘電率を表す。)。
(1) First, the low dielectric constant insulating
(2)低誘電率絶縁膜20の上に、CVD法または熱酸化法を用いて絶縁膜30を形成する。絶縁膜30として、例えば、TEOS膜などが挙げられる。
(2) An insulating
(3)低誘電率絶縁膜20および絶縁膜30を連通するようにエッチングして配線用凹部40を形成する。
(3) The
(4)CVD法を用いて絶縁膜30の表面ならびに配線用凹部40の底部および内壁面を覆うようにバリアメタル膜50を形成する。バリアメタル膜50は、銅膜との接着性および銅膜に対する拡散バリア性に優れる観点から、TaまたはTaNであることが好ましいが、これに限らずTi、TiN、Co、Mn、Ru等であってもよい。
(4) The
(5)バリアメタル膜50の上に銅を堆積させて銅膜60を形成することにより、被処理体100が得られる。
(5) By depositing copper on the
2.2 化学機械研磨方法
被処理体100のバリアメタル膜50の上に堆積した銅膜60を除去するために、本発明に係る化学機械研磨用水系分散体を用いて化学機械研磨を行う。まず、化学機械研磨により、バリアメタル膜50が表出するまで銅膜60を研磨し続ける。通常バリアメタル膜50が表出したことを確認した上で研磨を停止させる必要がある。しかしながら、本発明に係る化学機械研磨用水系分散体は、銅膜に対する研磨速度が非常に高い反面、バリアメタル膜をほとんど研磨しない。このため、図5に示すように、バリアメタル膜50が表出した時点で化学機械研磨を進行できなくなるため、化学機械研磨を自己停止(セルフストップ)させることができる。
2.2 Chemical Mechanical Polishing Method In order to remove the
本実施形態に係る化学機械研磨方法では、市販の化学機械研磨装置を用いることができる。市販の化学機械研磨装置として、例えば、荏原製作所社製、型式「EPO−112」、「EPO−222」;ラップマスターSFT社製、型式「LGP−510」、「LGP−552」;アプライドマテリアル社製、型式「Mirra」等が挙げられる。 In the chemical mechanical polishing method according to the present embodiment, a commercially available chemical mechanical polishing apparatus can be used. As a commercially available chemical mechanical polishing apparatus, for example, “EPO-112” and “EPO-222” manufactured by Ebara Manufacturing Co., Ltd .; “LGP-510” and “LGP-552” manufactured by Lapmaster SFT, Applied Materials Manufactured, model “Mirra” and the like.
好ましい研磨条件としては、使用する化学機械研磨装置により適宜設定されるべきであるが、例えば化学機械研磨装置として「EPO−112」を使用する場合には下記の条件とすることができる。 Preferred polishing conditions should be set as appropriate depending on the chemical mechanical polishing apparatus to be used. For example, when “EPO-112” is used as the chemical mechanical polishing apparatus, the following conditions may be used.
・定盤回転数;好ましくは30〜120rpm、より好ましくは40〜100rpm
・ヘッド回転数;好ましくは30〜120rpm、より好ましくは40〜100rpm
・定盤回転数/ヘッド回転数比;好ましくは0.5〜2、より好ましくは0.7〜1.5
・研磨圧力;好ましくは60〜200gf/cm2、より好ましくは100〜150gf/cm2
・化学機械研磨用水系分散体供給速度;好ましくは50〜400mL/分、より好ましくは100〜300mL/分
-Surface plate rotation speed: preferably 30-120 rpm, more preferably 40-100 rpm
Head rotation speed: preferably 30 to 120 rpm, more preferably 40 to 100 rpm
-Platen rotation speed / head rotation speed ratio; preferably 0.5-2, more preferably 0.7-1.5
Polishing pressure; preferably 60 to 200 gf / cm 2 , more preferably 100 to 150 gf / cm 2
Chemical chemical polishing aqueous dispersion supply rate; preferably 50 to 400 mL / min, more preferably 100 to 300 mL / min
以上のように、本具体例では、被研磨面の平坦性に優れた半導体装置が得られるとともに、銅膜を過剰に研磨することなく化学機械研磨をセルフストップさせることができる。また、通常の研磨圧力で研磨しても研磨摩擦を大幅に低減することができるため、下層の絶縁膜30や低誘電率絶縁膜20に及ぼす負荷を低減できる。
As described above, in this specific example, a semiconductor device having excellent flatness of a surface to be polished can be obtained, and chemical mechanical polishing can be self-stopped without excessively polishing the copper film. Further, even if polishing is performed with a normal polishing pressure, the polishing friction can be significantly reduced, so that the load on the lower insulating
3.実施例
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれら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 these examples.
3.1 シリカ粒子分散体の作製
3号水硝子(シリカ濃度24質量%)を水で希釈し、シリカ濃度3.0質量%の希釈ケイ酸ナトリウム水溶液とした。この希釈ケイ酸ナトリウム水溶液を、水素型陽イオン交換樹脂層を通過させ、ナトリウムイオンの大部分を除去したpH3.1の活性ケイ酸水溶液とした。その後、すぐに撹拌下10質量%水酸化カリウム水溶液を加えてpHを7.2に調整し、さらに続けて加熱し沸騰させて3時間熱熟成した。得られた水溶液に、先にpHを7.2に調整した活性ケイ酸水溶液の10倍量を6時間かけ少量ずつ添加し、シリカ粒子の平均粒径を26nmに成長させた。
3.1 Preparation of Silica Particle Dispersion No. 3 water glass (silica concentration: 24% by mass) was diluted with water to obtain a diluted sodium silicate aqueous solution having a silica concentration of 3.0% by mass. This diluted sodium silicate aqueous solution was passed through a hydrogen-type cation exchange resin layer to obtain an active silicic acid aqueous solution of pH 3.1 from which most of the sodium ions were removed. Thereafter, 10% by weight aqueous potassium hydroxide solution was immediately added with stirring to adjust the pH to 7.2, followed by further heating and boiling for 3 hours. To the resulting aqueous solution, 10 times the amount of the active silicic acid aqueous solution whose pH was previously adjusted to 7.2 was added little by little over 6 hours to grow the average particle size of the silica particles to 26 nm.
次に、前記シリカ粒子を含有する分散体水溶液を減圧濃縮(沸点78℃)し、シリカ濃度:32.0質量%、シリカの平均粒径:26nm、pH:9.8であるシリカ粒子分散体を得た。このシリカ粒子分散体を、再度水素型陽イオン交換樹脂層を通過させ、ナトリウムの大部分を除去した後、10質量%の水酸化カリウム水溶液を加え、シリカ粒子濃度:28.0質量%、pH:10.0であるシリカ粒子分散体Aを得た。 Next, the dispersion aqueous solution containing the silica particles is concentrated under reduced pressure (boiling point 78 ° C.), and the silica concentration is 32.0 mass%, the average particle diameter of silica is 26 nm, and the pH is 9.8. Got. This silica particle dispersion is again passed through the hydrogen-type cation exchange resin layer to remove most of sodium, and then 10% by mass of potassium hydroxide aqueous solution is added, and the silica particle concentration: 28.0% by mass, pH A silica particle dispersion A of 10.0 was obtained.
得られたシリカ粒子分散体Aを、ブルカー社製「固体測定用核磁気共鳴分光計 AVANCE300」を用いてDD−MAS法により29Si−NMRスペクトル測定を行い、ピーク分離ソフトWinFitを用いてピーク分離し、Q1、Q2、Q3、Q4状態のシリコンのシグナル面積比を求めて、上記一般式(1)にしたがってシラノール基数を算出したところ、2.3×1021個/gであった。 The obtained silica particle dispersion A was subjected to 29 Si-NMR spectrum measurement by DD-MAS method using “Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer AVANCE300 for solid measurement” manufactured by Bruker, and peak separation was performed using peak separation software WinFit. Then, the signal area ratio of silicon in the Q1, Q2, Q3, and Q4 states was determined, and the number of silanol groups was calculated according to the above general formula (1), and was 2.3 × 10 21 / g.
シリカ粒子分散体Aから遠心分離によりシリカ粒子を回収し、希フッ化水素酸で回収されたシリカ粒子を溶解し、ICP−MS(パーキンエルマー社製、型番「ELAN DRC PLUS」)を用いてナトリウムおよびカリウムを測定した。さらに、イオンクロマトグラフィー(DIONEX社製、型番「ICS−1000」)を用いてアンモニウムイオンを測定した。その結果、ナトリウム含有量:88ppm、カリウム含有量:5500ppm、アンモニウムイオン含有量:5ppmであった。 Silica particles are recovered from the silica particle dispersion A by centrifugation, the silica particles recovered with dilute hydrofluoric acid are dissolved, and sodium is added using ICP-MS (manufactured by PerkinElmer, model number “ELAN DRC PLUS”). And potassium was measured. Furthermore, ammonium ion was measured using ion chromatography (manufactured by DIONEX, model number “ICS-1000”). As a result, the sodium content was 88 ppm, the potassium content was 5500 ppm, and the ammonium ion content was 5 ppm.
シリカ粒子分散体Aをイオン交換水にて0.01%に希釈し、メッシュサイズが150μmのCuグリットを有するコロジオン膜に1滴載せ、室温にて乾燥した。こうして、Cuグリット上に粒子形状を崩さないように観察用のサンプルを調製した後、透過型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製、「H−7650」)を用いて撮影倍率20000倍にて粒子の画像を撮影し、50個のコロイダルシリカ粒子の長径および短径を測定し、その平均値を算出した。長径の平均値(Rmax)および短径の平均値(Rmin)から、その比率(Rmax/Rmin)を算出したところ1.1であった。 Silica particle dispersion A was diluted to 0.01% with ion-exchanged water, placed on a collodion membrane having Cu grit having a mesh size of 150 μm, and dried at room temperature. Thus, after preparing a sample for observation so as not to break the particle shape on the Cu grit, using a transmission electron microscope (H-7650, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) Images were taken, the major axis and minor axis of 50 colloidal silica particles were measured, and the average value was calculated. When the ratio (Rmax / Rmin) was calculated from the average value of the major axis (Rmax) and the average value of the minor axis (Rmin), it was 1.1.
BET法を用いて測定した比表面積から算出した平均粒径は、26nmであった。なお、BET法によるコロイダルシリカ粒子の表面積測定では、シリカ粒子分散体Aを濃縮・乾固して回収されたシリカ粒子を測定した値を用いた。 The average particle size calculated from the specific surface area measured using the BET method was 26 nm. In addition, in the surface area measurement of the colloidal silica particle by BET method, the value which measured the silica particle collect | recovered by concentrating and drying the silica particle dispersion A was used.
シリカ粒子分散体B〜Dは、熱熟成の時間、塩基性化合物の種類および添加量などをコントロールしながら上記と同様の方法により得たものである。 Silica particle dispersions B to D were obtained by the same method as described above while controlling the heat aging time, the type and amount of the basic compound, and the like.
シリカ粒子分散体Eは、下記の方法により作製した。まず、扶桑化学工業社製の高純度コロイダルシリカ(品番:PL−2;固形分濃度20.0質量%、pH7.4、二次粒子径66nm)35kgとイオン交換水140kgを40Lオートクレーブに投入し、160℃で3時間、0.5MPaの加圧下で水熱処理を行った。次に、前記シリカ粒子を含有する分散体水溶液を沸点78℃で減圧濃縮し、シリカ濃度が固形分濃度20.0質量%、二次粒子径62nm、pHが7.5であるであるシリカ粒子分散体Eを得た。得られたシリカ粒子分散体Eを、ブルカー社製「固体測定用核磁気共鳴分光計 AVANCE300」を用いてDD−MAS法により29Si−NMRスペクトル測定を行い、ピーク分離ソフトWinFitを用いてピーク分離し、Q1、Q2、Q3、Q4状態のシリコンのシグナル面積比を求めて、上記一般式(1)にしたがってシラノール基数を算出したところ、2.9×1021個/gであった。 The silica particle dispersion E was produced by the following method. First, 35 kg of high-purity colloidal silica (product number: PL-2; solid content concentration 20.0 mass%, pH 7.4, secondary particle diameter 66 nm) manufactured by Fuso Chemical Industry Co., Ltd. and 140 kg of ion-exchanged water were charged into a 40 L autoclave. Hydrothermal treatment was performed at 160 ° C. for 3 hours under a pressure of 0.5 MPa. Next, the dispersion aqueous solution containing the silica particles is concentrated under reduced pressure at a boiling point of 78 ° C., the silica concentration is a solid content concentration of 20.0 mass%, the secondary particle diameter is 62 nm, and the pH is 7.5. Dispersion E was obtained. The obtained silica particle dispersion E is subjected to 29 Si-NMR spectrum measurement by DD-MAS method using “Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer AVANCE300 for solid measurement” manufactured by Bruker, and peak separation is performed using peak separation software WinFit. Then, the signal area ratio of silicon in the Q1, Q2, Q3, and Q4 states was determined, and the number of silanol groups was calculated according to the above general formula (1). As a result, it was 2.9 × 10 21 / g.
シリカ粒子分散体Fは、上記のシリカ粒子分散体Aの作製方法と同様の方法により分散体を得た後、さらに水熱処理(前記のシリカ粒子分散体Aの作製において、オートクレーブ処理をさらに長時間行い、シラノール縮合を進めた)を行って作製した。 After the silica particle dispersion F was obtained by the same method as the preparation method of the silica particle dispersion A, hydrothermal treatment (in the preparation of the silica particle dispersion A, the autoclave treatment was further performed for a longer time). And silanol condensation was carried out).
シリカ粒子分散体Gは、テトラエトキシシランを原料としたゾルゲル法によって、公知の方法により作製した。 The silica particle dispersion G was produced by a known method by a sol-gel method using tetraethoxysilane as a raw material.
表1に作製したシリカ粒子分散体A〜Gの物性値についてまとめた。 Table 1 summarizes the physical property values of the silica particle dispersions A to G produced.
3.2 水溶性高分子の合成
3.2.1 ポリビニルピロリドン水溶液の調製
フラスコに、N−ビニル−2−ピロリドン60g、水240g、10質量%の亜硫酸ナトリウム水溶液0.3gおよび10質量%のt−ブチルヒドロパーオキシド水溶液0.3gを添加し60℃窒素雰囲気下で5時間撹拌することによりポリビニルピロリドン(K30)を生成させた。得られたポリビニルピロリドン(K30)をゲルパーミエーションクロマトグラフィー(東ソー社製、装置型番「HLC−8120」、カラム型番「TSK−GEL α−M」、溶離液はNaCl水溶液/アセトニトリル)にて測定した結果、ポリエチレングリコール換算の重量平均分子量(Mw)は4万であった。また、モノマーの仕込み量より計算されるアミノ基の量は0モル/gであり、カチオン性官能基の量は0モル/gであった。
3.2 Synthesis of water-soluble polymer 3.2.1 Preparation of aqueous polyvinylpyrrolidone solution In a flask, 60 g of N-vinyl-2-pyrrolidone, 240 g of water, 0.3 g of a 10% by mass sodium sulfite aqueous solution and 10% by mass of t -Polyvinylpyrrolidone (K30) was produced | generated by adding 0.3 g of butyl hydroperoxide aqueous solution, and stirring for 5 hours under 60 degreeC nitrogen atmosphere. The obtained polyvinylpyrrolidone (K30) was measured by gel permeation chromatography (manufactured by Tosoh Corporation, apparatus model number “HLC-8120”, column model number “TSK-GEL α-M”, eluent is NaCl aqueous solution / acetonitrile). As a result, the weight average molecular weight (Mw) in terms of polyethylene glycol was 40,000. Further, the amount of amino group calculated from the charged amount of monomer was 0 mol / g, and the amount of cationic functional group was 0 mol / g.
また、上記成分の添加量、反応温度、および反応時間を適宜調整することによりポリビニルピロリドン(K60)およびポリビニルピロリドン(K90)を生成させた。なお、上記と同様の方法により、得られたポリビニルピロリドン(K60)およびポリビニルピロリドン(K90)の重量平均分子量(Mw)を測定した結果、それぞれ70万、120万であった。モノマーの仕込み量より計算されるアミノ基の量は0モル/gであり、カチオン性官能基の量は0モル/gであった。 Moreover, polyvinyl pyrrolidone (K60) and polyvinyl pyrrolidone (K90) were produced by appropriately adjusting the addition amount of the above components, reaction temperature, and reaction time. In addition, as a result of measuring the weight average molecular weight (Mw) of the obtained polyvinyl pyrrolidone (K60) and polyvinyl pyrrolidone (K90) by the method similar to the above, they were 700,000 and 1.2 million, respectively. The amount of amino group calculated from the charged amount of monomer was 0 mol / g, and the amount of cationic functional group was 0 mol / g.
3.2.2 ビニルピロリドン/メタクリル酸ジエチルアミノメチル共重合体
還流冷却器、滴下ロート、温度計、窒素置換用ガラス管、および撹拌装置を取り付けたフラスコに、ジエチルアミノメチルメタクリレート70質量部、セチルアクリレート5質量部、ステアリルメタクリレート10質量部、N−ビニルピロリドン10質量部、ブチルメタアクリレート5質量部、およびイソプロピルアルコール100質量部を入れ、アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)を0.2質量部加え、窒素気流下60℃で重合させた。次いで、ジエチルアミノエチルメタクリレートを1モルに対して0.35倍のモル数の硫酸ジエチルを添加し、窒素気流下50℃で10時間還流加熱してビニルピロリドン/メタクリル酸ジエチルアミノメチル共重合体を合成した。
3.2.2 Vinylpyrrolidone / diethylaminomethyl methacrylate copolymer A flask equipped with a reflux condenser, a dropping funnel, a thermometer, a glass tube for nitrogen substitution, and a stirrer was equipped with 70 parts by mass of diethylaminomethyl methacrylate and cetyl acrylate 5 Part by mass, 10 parts by mass of stearyl methacrylate, 10 parts by mass of N-vinylpyrrolidone, 5 parts by mass of butyl methacrylate, and 100 parts by mass of isopropyl alcohol, 0.2 parts by mass of azobisisobutyronitrile (AIBN) are added, Polymerization was performed at 60 ° C. under a nitrogen stream. Next, diethyl sulfate having a molar number of 0.35 times that of 1 mol of diethylaminoethyl methacrylate was added and heated under reflux at 50 ° C. for 10 hours under a nitrogen stream to synthesize a vinylpyrrolidone / diethylaminomethyl methacrylate copolymer. .
得られた共重合体をゲルパーミエーションクロマトグラフィー(東ソー社製、装置型番「HLC−8120」、カラム型番「TSK−GEL α−M」、溶離液はNaCl水溶液/アセトニトリル)にて測定した結果、ポリエチレングリコール換算の重量平均分子量(Mw)は40万であった。また、モノマーの仕込み量より計算されるアミノ基の量は、0.001モル/gであり、カチオン性官能基の量は0.0006モル/gであった。 As a result of measuring the obtained copolymer by gel permeation chromatography (manufactured by Tosoh Corporation, apparatus model number “HLC-8120”, column model number “TSK-GEL α-M”, eluent is NaCl aqueous solution / acetonitrile), The weight average molecular weight (Mw) in terms of polyethylene glycol was 400,000. Further, the amount of amino group calculated from the charged amount of monomer was 0.001 mol / g, and the amount of cationic functional group was 0.0006 mol / g.
3.2.3 ヒドロキシエチルセルロース
ヒドロキシエチルセルロースは、ダイセル化学社製、商品名「ダイセルHEC SP900」(分子量140万)を用いた。
3.2.3 Hydroxyethyl cellulose The product name “Daicel HEC SP900” (molecular weight 1.4 million) manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd. was used.
3.3 化学機械研磨用水系分散体の調製
イオン交換水50質量部、シリカに換算して0.5質量部を含有するシリカ粒子分散体Aをポリエチレン製の瓶に入れ、これにアラニンを1.2質量部、アセチレンジオール型ノニオン系界面活性剤(商品名「サーフィノール485」、エアープロダクト社製)を0.03質量部、ポリビニルピロリドン(K30)水溶液(重量平均分子量4万)をポリマー量に換算して0.05質量部に相当する量を添加し、さらに10質量%の水酸化カリウム水溶液を添加して化学機械研磨用水系分散体のpHを9.3に調整した。次いで、過硫酸アンモニウムを1.5質量部添加し、15分間撹拌した。最後に、全成分の合計量が100質量部となるようにイオン交換水を加えた後、孔径5μmのフィルターでろ過することにより、pHが9.3の化学機械研磨用水系分散体S1を得た。
3.3 Preparation of Chemical Mechanical Polishing
化学機械研磨用水系分散体S1から遠心分離によりシリカ粒子を回収し、ブルカー社製「固体測定用核磁気共鳴分光計 AVANCE300」を用いてDD−MAS法により29Si−NMRスペクトル測定を行い、ピーク分離ソフトWinFitを用いてピーク分離し、Q1、Q2、Q3、Q4状態のシリコンのシグナル面積比を求めて、上記一般式(1)にしたがってシラノール基数を算出したところ、2.3×1021個/gであった。この結果より、化学機械研磨用水系分散体からシリカ粒子を回収してもシリカ粒子中のシラノール基数を定量することができ、シリカ粒子分散体と同様の結果が得られることがわかった。 Silica particles are recovered from the chemical mechanical polishing aqueous dispersion S1 by centrifugation, and 29Si-NMR spectrum measurement is performed by DD-MAS method using Bruker's "Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer AVANCE300 for solid measurement" to separate the peaks. Peak separation was performed using soft WinFit, and the signal area ratio of silicon in Q1, Q2, Q3, and Q4 states was calculated, and the number of silanol groups was calculated according to the above general formula (1). 2.3 × 10 21 / g. From this result, it was found that even when silica particles were recovered from the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, the number of silanol groups in the silica particles could be quantified, and the same result as the silica particle dispersion was obtained.
化学機械研磨用水系分散体S1から遠心分離によりシリカ粒子を回収し、希フッ化水素酸で回収されたシリカ粒子を溶解し、ICP−MS(パーキンエルマー社製、型番「ELAN DRC PLUS」)を用いてナトリウムおよびカリウムを測定した。さらに、イオンクロマトグラフィー(DIONEX社製、型番「ICS−1000」)を用いてアンモニウムイオンを測定した。その結果、ナトリウム含有量:88ppm、カリウム含有量:5500ppm、アンモニウムイオン含有量:5ppmであった。この結果より、化学機械研磨用水系分散体からシリカ粒子を回収してもシリカ粒子に含有されるナトリウム、カリウム、およびアンモニウムイオンを定量することができ、シリカ粒子分散体と同様の結果が得られることがわかった。 Silica particles are recovered from the chemical mechanical polishing aqueous dispersion S1 by centrifugation, and the silica particles recovered with dilute hydrofluoric acid are dissolved. Then, ICP-MS (manufactured by PerkinElmer, model number “ELAN DRC PLUS”) is used. Used to measure sodium and potassium. Furthermore, ammonium ion was measured using ion chromatography (manufactured by DIONEX, model number “ICS-1000”). As a result, the sodium content was 88 ppm, the potassium content was 5500 ppm, and the ammonium ion content was 5 ppm. From this result, even if silica particles are recovered from the chemical mechanical polishing aqueous dispersion, sodium, potassium, and ammonium ions contained in the silica particles can be quantified, and the same result as the silica particle dispersion can be obtained. I understood it.
化学機械研磨用水系分散体S2〜S10は、シリカ粒子分散体、有機酸、その他の添加剤の種類および含有量を表2に記載のとおりに変更したこと以外は、上記の化学機械研磨用水系分散体S1と同様にして作製した。なお、表2において、「アルキルエーテル型ノニオン系界面活性剤」は、商品名「エマルゲン104P」(花王社製、ポリオキシエチレンラウリルエーテル)を用いた。表2において、アセチレンジオール型ノニオン系界面活性剤は、商品名「サーフィノール485」(エアープロダクト社製、2,4,7,9−テトラメチル−5−デシン−4,7−ジオール−ジポリオキシエチレンエーテル)を用いた。 Chemical mechanical polishing aqueous dispersions S2 to S10 are the same as those described above except that the types and contents of silica particle dispersion, organic acid, and other additives are changed as shown in Table 2. It was produced in the same manner as dispersion S1. In Table 2, the trade name “Emulgen 104P” (manufactured by Kao Corporation, polyoxyethylene lauryl ether) was used as the “alkyl ether type nonionic surfactant”. In Table 2, the acetylenic diol type nonionic surfactant is trade name “Surfinol 485” (manufactured by Air Products, 2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7-diol-dipoly). Oxyethylene ether) was used.
得られた化学機械研磨用水系分散体S1〜S10を100ccのガラス管に入れ、25℃で6ヶ月静置保管し沈降の有無を目視により確認した。結果を表2に示す。表2において、粒子の沈降および濃淡差が認められない場合を「○」、濃淡差のみが認められた場合を「△」、粒子の沈降および濃淡差のいずれも認められた場合を「×」と評価した。 The obtained chemical mechanical polishing aqueous dispersions S1 to S10 were put in a 100 cc glass tube and stored at 25 ° C. for 6 months, and the presence or absence of sedimentation was confirmed visually. The results are shown in Table 2. In Table 2, “◯” indicates that no sedimentation and difference in density of the particles are observed, “Δ” indicates that only the difference in density is observed, and “x” indicates that both sedimentation and density differences of the particles are observed. It was evaluated.
3.4 化学機械研磨試験
3.4.1 パターンなし基板の研磨評価
化学機械研磨装置(荏原製作所社製、型式「EPO112」)に多孔質ポリウレタン製研磨パッド(ニッタ・ハース社製、品番「IC1000」)を装着し、化学機械研磨用水系分散体S1〜S10のいずれか1種を供給しながら、下記の各種研磨速度測定用基板につき、下記の研磨条件にて1分間研磨処理を行い、下記の手法によって研磨速度、ウエハ汚染を評価した。その結果を表2に併せて示す。
3.4 Chemical Mechanical Polishing Test 3.4.1 Polishing Evaluation of Unpatterned Substrate Chemical Mechanical Polishing Equipment (Ebara Seisakusho, Model “EPO112”) and Porous Polyurethane Polishing Pad (Nitta Haas, Part Number “IC1000”) )) And supplying any one of the chemical mechanical polishing aqueous dispersions S1 to S10, the following various polishing rate measuring substrates are subjected to a polishing treatment under the following polishing conditions for 1 minute. The polishing rate and wafer contamination were evaluated by the above method. The results are also shown in Table 2.
3.4.1a 研磨速度の測定
(1)研磨速度測定用基板
・膜厚15,000オングストロームの銅膜が積層された8インチ熱酸化膜付きシリコン基板。
・膜厚2,000オングストロームのタンタル膜が積層された8インチ熱酸化膜付きシリコン基板。
3.4.1a Polishing rate measurement (1) Polishing rate measuring substrate-A silicon substrate with an 8-inch thermal oxide film on which a copper film having a thickness of 15,000 angstroms is laminated.
A silicon substrate with an 8-inch thermal oxide film on which a tantalum film having a thickness of 2,000 angstroms is laminated.
(2)研磨条件
・ヘッド回転数:70rpm
・ヘッド荷重:200gf/cm2
・テーブル回転数:70rpm
・化学機械研磨水系分散体の供給速度:200mL/分
(2) Polishing conditions and head rotation speed: 70 rpm
Head load: 200 gf / cm 2
・ Table rotation speed: 70rpm
-Feed rate of chemical mechanical polishing aqueous dispersion: 200 mL / min
この場合における化学機械研磨用水系分散体の供給速度とは、全供給液の供給量の合計を単位時間当たりで割り付けた値をいう。 The supply rate of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion in this case refers to a value obtained by assigning the total supply amount of all the supply solutions per unit time.
(3)研磨速度の算出方法
銅膜およびタンタル膜について、電気伝導式膜厚測定器(KLAテンコール社製、形式「オムニマップRS75」)を用いて、研磨処理後の膜厚を測定し、化学機械研磨により減少した膜厚および研磨時間から研磨速度を算出した。
(3) Polishing rate calculation method For the copper film and the tantalum film, the film thickness after the polishing treatment was measured using an electroconductive film thickness measuring instrument (model “Omnimap RS75”, manufactured by KLA Tencor). The polishing rate was calculated from the film thickness decreased by mechanical polishing and the polishing time.
3.4.1b ウエハ汚染
前記「3.4.1a 研磨速度の測定」と同様にして、銅膜を研磨処理した。次いで試料表面に超純水を滴下し、銅膜表面上の残留金属を抽出した後、その抽出液についてICP−MS(横河アナリティカルシステムズ社製、型番「Agilent7500s」)にて定量した。その結果を表2に併せて示す。ウエハ汚染は、3.0atom/cm2以下であることが好ましく、2.5atom/cm2以下であることがより好ましい。
3.4.1b Wafer contamination The copper film was polished in the same manner as in “3.4.1a Measurement of polishing rate”. Subsequently, ultrapure water was dropped on the surface of the sample to extract the residual metal on the surface of the copper film, and the extract was quantified by ICP-MS (manufactured by Yokogawa Analytical Systems, model number “Agilent 7500s”). The results are also shown in Table 2. Wafer contamination, is preferably 3.0atom / cm 2 or less, and more preferably 2.5atom / cm 2 or less.
3.4.2 パターン付きウエハの研磨評価
化学機械研磨装置(荏原製作所社製、型式「EPO112」)に多孔質ポリウレタン製研磨パッド(ニッタ・ハース社製、品番「IC1000」)を装着し、化学機械研磨用水系分散体S1〜S10のいずれか1種を供給しながら、下記のパターン付きウエハにつき、被研磨面にタンタル膜が検出された時点を研磨終点としたこと以外は、前記「3.4.1a 研磨速度の測定」における研磨条件と同様に研磨処理を行い、下記の手法によって平坦性および欠陥の有無を評価した。その結果を表2に併せて示す。
3.4.2 Polishing Evaluation of Patterned Wafer A chemical polishing machine (Ebara Seisakusho, model “EPO112”) is equipped with a porous polyurethane polishing pad (Nitta Haas, product number “IC1000”). While supplying any one of the mechanical polishing aqueous dispersions S1 to S10, with respect to the wafer with the following pattern, the point of time when the tantalum film was detected on the surface to be polished was determined as the polishing end point. The polishing treatment was performed in the same manner as the polishing conditions in “4.1a Measurement of polishing rate”, and the flatness and the presence or absence of defects were evaluated by the following methods. The results are also shown in Table 2.
(1)パターン付きウエハ
シリコン基板上にシリコン窒化膜1,000オングストロームを堆積させ、その上に低誘電率絶縁膜(Black Diamond膜)を4,500オングストローム、更にPETEOS膜を500オングストローム順次積層させた後、「SEMATECH 854」マスクパターン加工し、その上に250オングストロームのタンタル膜、1,000オングストロームの銅シード膜および10,000オングストロームの銅メッキ膜を順次積層させたテスト用の基板を用いた。
(1) Patterned wafer A silicon nitride film having a thickness of 1,000 angstroms was deposited on a silicon substrate, and a low dielectric constant insulating film (black diamond film) was sequentially laminated on the film to 4,500 angstroms, and further a PETEOS film having a thickness of 500 angstroms. Thereafter, a “SEMATECH 854” mask pattern was processed, and a test substrate in which a 250 angstrom tantalum film, a 1,000 angstrom copper seed film and a 10,000 angstrom copper plating film were sequentially laminated thereon was used.
3.4.2a 平坦性評価
研磨処理工程後のパターン付きウエハの被研磨面につき、高解像度プロファイラー(KLAテンコール社製、形式「HRP240ETCH」)を用いて、銅配線幅(ライン、L)/絶縁膜幅(スペース、S)がそれぞれ100μm/100μmの銅配線部分におけるディッシング量(nm)を測定した。その結果を表2に併せて示す。なお、ディッシング量は、銅配線上面が基準面(絶縁膜上面)よりも上に凸である場合はマイナスで表示した。ディッシング量は、−5〜30nmであることが好ましく、−2〜20nmであることがより好ましい。
3.4.2a Evaluation of flatness Copper wiring width (line, L) / insulation per surface to be polished of the patterned wafer after the polishing process using a high resolution profiler (model “HRP240ETCH” manufactured by KLA Tencor) The dishing amount (nm) in the copper wiring portion having a film width (space, S) of 100 μm / 100 μm was measured. The results are also shown in Table 2. It should be noted that the dishing amount is displayed as negative when the upper surface of the copper wiring is convex above the reference surface (upper surface of the insulating film). The dishing amount is preferably -5 to 30 nm, more preferably -2 to 20 nm.
研磨処理工程後のパターン付きウエハの被研磨面につき、銅配線幅(ライン、L)/絶縁膜幅(スペース、S)がそれぞれ9μm/1μmのパターンにおける微細配線長が1000μm連続した部分におけるエロージョン量(nm)を測定した。その結果を表2に併せて示す。なお、エロージョン量は、銅配線上面が基準面(絶縁膜上面)よりも上に凸である場合はマイナスで表示した。エロージョン量は、−5〜30nmであることが好ましく、−2〜20nmであることがより好ましい。 The amount of erosion in the portion where the fine wiring length in the pattern of 9 μm / 1 μm in the copper wiring width (line, L) / insulating film width (space, S) is continuously 1000 μm per polished surface of the patterned wafer after the polishing process (Nm) was measured. The results are also shown in Table 2. Note that the erosion amount is indicated by a minus value when the upper surface of the copper wiring is convex above the reference surface (upper surface of the insulating film). The erosion amount is preferably -5 to 30 nm, more preferably -2 to 20 nm.
3.4.2b コロージョン評価
研磨処理工程後のパターン付きウエハの被研磨面につき、1cm×1cmの銅の領域について、欠陥検査装置(KLAテンコール社製、形式「2351」)を使用して10nm2〜100nm2の大きさの欠陥数を評価した。表2において、○はコロージョンの数が0〜10個であり最も好ましい状態である。△は11個〜100個でありやや好ましい状態である。×は101個以上のコロージョンが存在する状態であり、研磨性能不良と判断される。
3.4.2b Corrosion Evaluation 10 nm 2 using a defect inspection apparatus (manufactured by KLA Tencor, model “2351”) for a copper area of 1 cm × 1 cm per surface to be polished of the patterned wafer after the polishing process. The number of defects having a size of ˜100 nm 2 was evaluated. In Table 2, ◯ is the most preferable state with 0 to 10 corrosions. Δ is 11 to 100, which is a preferable condition. X is a state where 101 or more corrosions exist, and it is determined that the polishing performance is poor.
3.4.3 評価結果
実施例1〜6では、銅膜に対する研磨速度が8,000オングストローム/分以上と十分高く、バリアメタル膜に対する研磨速度が1〜3オングストローム/分と十分に低かった。したがって、銅膜に対する研磨選択性に優れていることがわかった。また、いずれの実施例においてもウエハ汚染はほとんどなく欠陥も認められず、化学機械研磨用水系分散体の保存安定性も良好であった。
3.4.3 Evaluation Results In Examples 1 to 6, the polishing rate for the copper film was sufficiently high at 8,000 angstrom / min or more, and the polishing rate for the barrier metal film was sufficiently low at 1 to 3 angstrom / min. Therefore, it was found that the polishing selectivity for the copper film was excellent. In any of the examples, there was almost no wafer contamination, no defects were observed, and the storage stability of the chemical mechanical polishing aqueous dispersion was good.
これに対して、比較例1で使用したS7は、(B)アミノ酸を含有していない。そのため、研磨速度測定用基板の研磨試験では、銅膜に対する研磨速度が1,000オングストローム/分と小さくなり実用的なスラリーではなかった。 On the other hand, S7 used in Comparative Example 1 does not contain (B) an amino acid. Therefore, in the polishing test of the substrate for measuring the polishing rate, the polishing rate for the copper film was as low as 1,000 angstrom / min, and it was not a practical slurry.
比較例2で使用したS8は、(B)アミノ酸の代わりに、マレイン酸を含有している。そのため、研磨速度測定用基板の研磨試験では、銅膜に対する研磨速度が2,000オングストローム/分と小さくなり実用的なスラリーではなかった。 S8 used in Comparative Example 2 contains maleic acid instead of (B) amino acid. Therefore, in the polishing test of the substrate for polishing rate measurement, the polishing rate for the copper film was as low as 2,000 angstrom / min, and it was not a practical slurry.
比較例3で使用したS9は、シラノール基数が2.0×1021個/g未満のシリカ粒子分散体Fを使用している。そのため、シリカ粒子の機械的強度が高く、パターン付きウエハの研磨試験では、銅膜ディッシングの発生が認められた。また、シリカ粒子分散体Fは、ナトリウムを高濃度(11250ppm)含有しているため、研磨速度測定用基板の研磨試験ではウエハ汚染の発生も認められた。 S9 used in Comparative Example 3 uses a silica particle dispersion F having a silanol group number of less than 2.0 × 10 21 / g. Therefore, the mechanical strength of the silica particles is high, and the occurrence of copper film dishing was observed in the polishing test of the patterned wafer. Further, since the silica particle dispersion F contains a high concentration of sodium (11250 ppm), generation of wafer contamination was also observed in the polishing test of the polishing rate measuring substrate.
比較例4で使用したS10は、シラノール基数が3.0×1021個/gを超えるシリカ粒子分散体Gを使用している。そのため、研磨速度測定用基板の研磨試験では、銅膜に対する研磨速度が7,500オングストローム/分と小さくなる一方で、タンタル膜に対する研磨速度が30オングストローム/分と大きくなった。また、パターン付きウエハの研磨試験では、平坦性不良やコロージョンの発生が認められた。 S10 used in Comparative Example 4 uses a silica particle dispersion G in which the number of silanol groups exceeds 3.0 × 10 21 / g. Therefore, in the polishing test for the polishing rate measuring substrate, the polishing rate for the copper film was reduced to 7,500 angstrom / min, while the polishing rate for the tantalum film was increased to 30 angstrom / min. Further, in the polishing test of the patterned wafer, the occurrence of poor flatness and corrosion was recognized.
以上の結果より、実施例1〜6の化学機械研磨用水系分散体は、銅膜に対する高研磨速度および高研磨選択性を高平坦化特性を有し、かつ、被研磨面におけるディッシング、エロージョンないしコロージョン等の表面欠陥を低減することができることがわかった。 From the above results, the chemical mechanical polishing aqueous dispersions of Examples 1 to 6 have a high planarization property with a high polishing rate and high polishing selectivity with respect to the copper film, and dishing, erosion or It was found that surface defects such as corrosion can be reduced.
10a・10b・10c…シリカ粒子、20…低誘電率絶縁膜、30…絶縁膜(キャップ層)、40…配線用凹部、50…バリアメタル膜、60…銅膜、100…被処理体 10a, 10b, 10c ... Silica particles, 20 ... Low dielectric constant insulating film, 30 ... Insulating film (cap layer), 40 ... Recess for wiring, 50 ... Barrier metal film, 60 ... Copper film, 100 ... Object to be processed
Claims (10)
(B)アミノ酸と、
を含有する銅膜を研磨するための化学機械研磨用水系分散体であって、
前記(A)シリカ粒子は、下記の化学的性質を有する、化学機械研磨用水系分散体。
29Si−NMRスペクトルのシグナル面積から算出されるシラノール基数が、2.0〜3.0×1021個/gである。 (A) silica particles;
(B) an amino acid;
An aqueous dispersion for chemical mechanical polishing for polishing a copper film containing
The (A) silica particle is a chemical mechanical polishing aqueous dispersion having the following chemical properties.
The number of silanol groups calculated from the signal area of the 29 Si-NMR spectrum is 2.0 to 3.0 × 10 21 / g.
前記(B)アミノ酸は、グリシン、アラニンおよびヒスチジンから選択される少なくとも1種である、化学機械研磨用水系分散体。 In claim 1,
(B) The chemical mechanical polishing aqueous dispersion, wherein the amino acid (B) is at least one selected from glycine, alanine, and histidine.
さらに、(C)含窒素複素環およびカルボキシル基を有する有機酸を含有する、化学機械研磨用水系分散体。 In claim 1 or 2,
Further, (C) a chemical mechanical polishing aqueous dispersion containing an organic acid having a nitrogen-containing heterocyclic ring and a carboxyl group.
前記(C)含窒素複素環およびカルボキシル基を有する有機酸は、キナルジン酸またはキノリン酸である、化学機械研磨用水系分散体。 In claim 3,
The chemical mechanical polishing aqueous dispersion, wherein (C) the organic acid having a nitrogen-containing heterocyclic ring and a carboxyl group is quinaldic acid or quinolinic acid.
さらに、前記(A)シリカ粒子は、下記の化学的性質を有する、化学機械研磨用水系分散体。
ICP発光分析法またはICP質量分析法による元素分析およびイオンクロマト法によるアンモニウムイオンの定量分析から測定されるナトリウム、カリウムおよびアンモニウムイオンの含有量が、ナトリウムの含有量:5〜500ppm、カリウムおよびアンモニウムイオンから選択される少なくとも1種の含有量:100〜20000ppmの関係を満たす。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
Further, the (A) silica particles are chemical mechanical polishing aqueous dispersions having the following chemical properties.
Sodium, potassium and ammonium ion content measured from elemental analysis by ICP emission spectrometry or ICP mass spectrometry and quantitative analysis of ammonium ion by ion chromatography, sodium content: 5 to 500 ppm, potassium and ammonium ion The content of at least one selected from: satisfies the relationship of 100 to 20000 ppm.
前記(A)シリカ粒子の長径(Rmax)と短径(Rmin)との比率(Rmax/Rmin)は、1.0〜1.5である、化学機械研磨用水系分散体。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
The ratio (Rmax / Rmin) of the major axis (Rmax) to the minor axis (Rmin) of the (A) silica particles is 1.0 to 1.5, and is an aqueous dispersion for chemical mechanical polishing.
前記(A)シリカ粒子のBET法を用いて測定した比表面積から算出される平均粒径は、10nm〜100nmである、化学機械研磨用水系分散体。 In any one of Claims 1 thru | or 6,
(A) The aqueous dispersion for chemical mechanical polishing whose average particle diameter computed from the specific surface area measured using the BET method of the said silica particle is 10-100 nm.
pHは、6〜12である、化学機械研磨用水系分散体。 In any one of Claims 1 thru | or 7,
An aqueous dispersion for chemical mechanical polishing having a pH of 6-12.
請求項1ないし8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、前記銅膜を化学機械研磨し、前記バリアメタル膜が表出した時点で化学機械研磨を停止する、化学機械研磨方法。 A method for chemically mechanically polishing an object having a copper film formed on a barrier metal film,
Using the chemical mechanical polishing aqueous dispersion according to any one of claims 1 to 8, the copper film is subjected to chemical mechanical polishing, and the chemical mechanical polishing is stopped when the barrier metal film is exposed. Chemical mechanical polishing method.
前記(A)シリカ粒子は、下記の化学的性質を有する、化学機械研磨用水系分散体。
29Si−NMRスペクトルのシグナル面積から算出されるシラノール基数が、2.0〜3.0×1021個/gである。 A method for producing a chemical mechanical polishing aqueous dispersion by adding (A) silica particles and (B) an amino acid,
The (A) silica particle is a chemical mechanical polishing aqueous dispersion having the following chemical properties.
The number of silanol groups calculated from the signal area of the 29 Si-NMR spectrum is 2.0 to 3.0 × 10 21 / g.
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