专利名称：化学机械研磨方法
技术领域：
本发明涉及化学机械研磨方法。更详细而言，涉及特别是在将铜或铜合金作为配线材料的半导体装置的制造中，可有效地除去剩余的配线材料、而且能够给予高品质被研磨面的化学机械研磨方法。
背景技术：
近年，半导体装置被要求更加高密度化，形成的配线更加微细化。作为能够达成半导体装置中的配线更加微细化的技术，被称为“镶嵌法”的方法倍受关注。该方法是将应成为配线的金属材料埋进在绝缘材料等上形成的槽等之后，通过用化学机械研磨将剩余的配线材料除去而形成希望配线的方法。在该方法中，从研磨工序效率化、高产量化的观点出发，要求高研磨速度。
但是，在形成镶嵌配线时，由于配线部分被过分研磨，有时会形成凹状形状。这样凹状的配线形状被称为“凹陷”或者“磨耗”，因使制造半导体装置的成品率降低而非优选。而且，在研磨的时候，有时会产生被称为“刮痕”的划痕伤状的表面缺陷等，同样地，有时会使制造半导体装置的成品率降低。
进而，在化学机械研磨工序后，配线上的磨料残留及绝缘膜上的异物残留有时也会成为问题，或者也会发生被称为“腐蚀”的配线部分被腐蚀的现象，已知这些现象也对制造半导体装置的成品率有很大影响。
为了抑制上述凹陷或磨耗，并提高被研磨面的表面平坦性，而且为了抑制刮痕或腐蚀的发生，提出了各种化学机械研磨用水系分散体方案。
例如，在特开平10-163141号公报中，公开了含有研磨剂、水及铁化合物的组合物对抑制凹陷有效。此外，在特开2000-160141号公报中，公开了含有研磨剂、α-丙氨酸、过氧化氢及水的组合物对抑制凹陷及磨耗有效，且旨在得到平滑性优异的被研磨面。此外，在特开平10-44047号公报中，记载了一旦在化学机械研磨用水系分散体中配合表面活性剂，就会对被研磨面的平滑性有效。
但是，在现实的化学机械研磨工序中，要求提高被研磨面的表面平坦性及抑制表面缺陷发生，而且要求高研磨速度，而与能并存这些要求的化学机械研磨用水系分散体相关的研究几乎没有被进行。
发明内容
本发明可以提供一种能得到表面平坦性优异、并抑制表面缺陷发生的高品质被研磨面，而且显示高研磨速度的化学机械研磨方法。
上述课题是通过本发明一种形态涉及的化学机械研磨方法来完成的。
本发明一种形态涉及的化学机械研磨方法，其中，包含通过连续进行第一研磨工序和比该第一研磨工序研磨速度慢的第二研磨工序而化学机械地研磨被研磨面的过程，在前述第一研磨工序和第二研磨工序中使用的化学机械研磨用水系分散体是水系分散体(I)和水溶液(II)的混合物，在前述第一研磨工序和第二研磨工序中，通过改变前述水系分散体(I)和前述水溶液(II)的混合比来改变研磨速度。
在上述化学机械研磨方法中，前述水系分散体(I)含有(A)磨料及(B)喹啉酸，前述水溶液(II)含有(C)研磨速度提高剂，而且，在以前述第一研磨工序中的前述水系分散体(I)的供给量为S(I-1)，以前述水溶液(II)的供给量为S(II-1)、以前述第二研磨工序中的前述水系分散体(I)的供给量为S(I-2)、以前述水溶液(II)的供给量为S(II-2)的情况下，能够满足以下的关系S(I-1)/S(II-1)＜S(I-2)/S(II-2)。
在该种情况下，前述水系分散体(I)可以进一步含有氧化剂(D)。而且，在该种情况下，前述水溶液(II)可以进一步含有氧化剂(D)。
此外，在上述化学机械研磨方法中，前述水系分散体(I)含有(A)磨料和(D)氧化剂，前述水溶液(II)含有(B)喹啉酸，而且，在以前述第一研磨工序中的前述水系分散体(I)的供给量为S(I-1)、以前述水溶液(II)的供给量为S(II-1)、以前述第二研磨工序中的前述水系分散体(I)的供给量为S(I-2)、以前述水溶液(II)的供给量为S(II-2)的情况下，能够满足以下的关系S(I-1)/S(II-1)＜S(I-2)/S(II-2)。
此外，在上述化学机械研磨方法中，前述水系分散体(I)含有(A)磨料及(B’)具有杂环的化合物(但喹啉酸除外)，前述水溶液(II)含有(C)研磨速度提高剂及(D)氧化剂，而且，在以前述第一研磨工序中的前述水系分散体(I)的供给量为S(I-1)、以前述水溶液(II)的供给量为S(II-1)、以前述第二研磨工序中的前述水系分散体(I)的供给量为S(I-2)、以前述水溶液(II)的供给量为S(II-2)的情况下，能够满足以下的关系。
S(I-1)/S(II-1)＜S(I-2)/S(II-2)此外，在上述化学机械研磨方法中，前述水系分散体(I)含有(A)磨料、(B’)具有杂环的化合物(但喹啉酸除外)及(D)氧化剂，前述水溶液(II)含有(C)研磨速度提高剂，而且，在以前述第一研磨工序中的前述水系分散体(I)的供给量为S(I-1)、以前述水溶液(II)的供给量为S(II-1)、以前述第二研磨工序中的前述水系分散体(I)的供给量为S(I-2)、以前述水溶液(II)的供给量为S(II-2)的情况下，能够满足以下的关系。
S(I-1)/S(II-1)＜S(I-2)/S(II-2)
通过上述化学机械研磨方法，可以得到表面平坦性优异、抑制表面缺陷发生的高品质被研磨面，而且可以达到高研磨速度。
图1(a)～图1(c)是模式地表示本发明一种实施方式的化学机械研磨方法的剖面图。
图2(a)～图2(c)是模式地表示本发明一种实施方式的化学机械研磨方法的剖面图。
具体实施例方式
1.化学机械研磨方法本发明一种实施方式的化学机械研磨方法，其中，包含通过连续进行第一研磨工序和比该第一研磨工序研磨速度慢的第二研磨工序来化学机械地研磨被研磨面的过程，在前述第一研磨工序和前述第二研磨工序中使用的化学机械研磨用水系分散体是水系分散体(I)和水溶液(II)的混合物，在前述第一研磨工序和前述第二研磨工序中，通过改变前述水系分散体(I)和前述水溶液(II)的混合比来改变研磨速度。
本实施方式的化学机械研磨方法，在通过镶嵌法制造半导体装置的工序中，在除去剩余的金属配线材料时，最大限度地发挥其有利的效果。作为本实施方式的化学机械研磨方法的被研磨体，可以举出例如具有如图1(a)所示结构的复合基板原材料1。该复合基板原材料1具有例如含有硅等的基板11，及在该基板11的表面上积层、形成槽等配线用凹部的绝缘膜12，及按覆盖绝缘膜12的表面、配线用凹部的底部和内壁面的方式来设置的金属屏蔽薄膜13，以及充填上述配线用凹部、而且在金属屏蔽薄膜13上形成的含有配线材料的金属膜14。
通过本实施方式的化学机械研磨方法研磨的被研磨物，如图2(a)所示，在基板11与绝缘膜12之间，也可以具有含有硅氧化物等的绝缘膜21、及在该绝缘膜21上形成的含有硅氮化物等的绝缘膜22。
作为上述配线材料的金属，可以举出例如钨、铝、铜等及含有这些金属的合金。其中，在以铜或者含有铜的合金作为配线材料的情况下，本实施方式的化学机械研磨方法的作用效果被最有效地发挥。作为含有铜的合金中的铜含量，优选为95质量％或者更高。
作为上述金属屏蔽薄膜，可以举出钽、氮化钽、钛、氮化钛、钽-铌合金等。
作为构成上述绝缘膜的材料，可以举出在真空工艺中形成的氧化硅膜(例如PETEOS膜(Plasma Enhanced-TEOS膜)，HDP膜(High DensityPlasma Enhanced-TEOS膜)，由热化学气相沉积法得到的氧化硅膜等)、被称为FSG(Fluorine-doped silicate glass)的绝缘膜、硼磷硅酸盐膜(BPSG膜)、被称为SiON(Silicon oxynitride)的绝缘膜、Silicon nitride等低介电率的绝缘膜等。
在化学机械研磨(参照图1(b)及图2(b))金属材料至规定面、例如研磨到金属屏蔽薄膜13露出为止时，通过采用本实施方式的化学机械研磨方法，从而最大限度地发挥其效果，其中，所述金属材料是埋设于在金属膜14中配线用凹部上的金属配线部以外部分而应该除去的。
然后，用公知的方法，通过化学机械研磨到完全除去金属屏蔽薄膜13中的、在配线用凹部的底部及内壁面以外的部分上形成的、应该除去的金属屏蔽薄膜，从而形成了高精度平坦化的镶嵌配线(参照图1(c)及图2(c))。
本实施方式的化学机械研磨方法，是在除去上述剩余的金属配线材料时连续进行研磨速度快的第一研磨工序和比该第一研磨工序研磨速度慢的第二研磨工序的方法。从第一研磨工序切换到第二研磨工序的时刻，优选应当除去的剩余配线材料的厚度从初始剩余配线材料的厚度减少至成为0～700nm的时刻，更优选至成为200～500nm的时刻。
通过在该时刻从第一研磨工序切换到第二研磨工序，便可高效地(在短研磨时间内)得到高度平坦化的高品质被研磨面。
相对于第一研磨工序中的除去速度，第二研磨工序中的剩余金属配线材料的除去速度优选为90％或更小，更优选为10～80％，进一步优选为20～70％。
本实施方式的化学机械研磨方法中使用的化学机械研磨用水系分散体是水系分散体(I)和水溶液(II)的混合物，在上述第一研磨工序和上述第二研磨工序中，可以通过改变水系分散体(I)和水溶液(II)的混合比来改变研磨速度。
第一研磨工序中的水系分散体(I)和水溶液(II)的混合比、及第二研磨工序中的水系分散体(I)和水溶液(II)的混合比因所使用的水系分散体(I)及水溶液(II)而异，例如可以为以下的形态(i)～(iv)。另外，以下表示的终究是本实施方式的实施形态之一例，本实施方式并不限于此。
(i)化学机械研磨方法，其中，水系分散体(I)含有(A)磨料及(B)喹啉酸，水溶液(II)含有(C)研磨速度提高剂，而且，在以第一研磨工序中的水系分散体(I)的供给量为S(I-1)、以水溶液(II)的供给量为S(II-1)、以第二研磨工序中的水系分散体(I)的供给量为S(I-2)、以水溶液(II)的供给量为S(II-2)的情况下，满足以下的关系S(I-1)/S(II-1)＜S(I-2)/S(II-2)。
(ii)化学机械研磨方法，其中，水系分散体(I)含有(A)磨料及(D)氧化剂，水溶液(II)含有(B)喹啉酸，而且，在以第一研磨工序中的水系分散体(I)的供给量为S(I-1)、以水溶液(II)的供给量为S(II-1)、以第二研磨工序中的水系分散体(I)的供给量为S(I-2)、以水溶液(II)的供给量为S(II-2)的情况下，满足以下的关系S(I-1)/S(II-1)＜S(I-2)/S(II-2)。
(iii)化学机械研磨方法，其中，水系分散体(I)含有(A)磨料及(B’)具有杂环的化合物(但喹啉酸除外)，水溶液(II)含有(C)研磨速度提高剂及(D)氧化剂，而且，在以第一研磨工序中的水系分散体(I)的供给量为S(I-1)、以水溶液(II)的供给量为S(II-1)、以第二研磨工序中的水系分散体(I)的供给量为S(I-2)、以水溶液(II)的供给量为S(II-2)的情况下，满足以下的关系S(I-1)/S(II-1)＜S(I-2)/S(II-2)。
(iv)化学机械研磨方法，其中，水系分散体(I)含有(A)磨料、(B’)具有杂环的化合物(但喹啉酸除外)及(D)氧化剂，水溶液(II)含有(C)研磨速度提高剂，而且，在以第一研磨工序中的水系分散体(I)的供给量为S(I-1)、以水溶液(II)的供给量为S(II-1)、以第二研磨工序中的水系分散体(I)的供给量为S(I-2)、以水溶液(II)的供给量为S(II-2)的情况下，满足以下的关系S(I-1)/S(II-1)＜S(I-2)/S(II-2)。
作为上述方法(i)至(iv)中的水系分散体(I)能够含有的(A)磨料，为选自无机粒子、有机粒子及有机无机复合粒子中的至少1种。
作为上述无机粒子，可以举出例如二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锆、二氧化铈等。作为二氧化硅，可以举出热解法(ヒユ一ムド法)二氧化硅、用溶胶凝胶法合成的二氧化硅、胶体二氧化硅等。热解法二氧化硅可以通过在气相中使氯化硅等与氧和水反应而得到。用溶胶凝胶法合成的二氧化硅，可以以烷氧基硅化合物为原料，通过加水分解反应以及/或者缩合反应而得到。胶体二氧化硅，可以通过例如使用预先精制后的原料的无机胶体法等得到。
作为上述有机粒子，可以举出例如聚氯乙烯、苯乙烯(共)聚合体、聚缩醛、聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、烯烃(共)聚合体、苯氧树脂、丙烯酸(共)聚合体等。作为烯烃(共)聚合体，可以举出例如聚乙烯、聚丙烯、聚-1-丁烯、聚-4-甲基-1-戊烯等。作为丙烯酸(共)聚合体，可以举出例如聚甲基丙烯酸甲酯等。
就上述有机无机复合粒子而言，可以将如上述的有机粒子与无机粒子以在化学机械研磨工序中不易分离的程度而形成一体，其种类、组成等没有特别的限定。
作为有机无机复合粒子，可以采用例如以下(i)～(iii)的组成。
(i)在有机粒子存在的条件下，使金属或者硅的烷氧基化合物缩聚而得到的有机无机复合粒子。在此，作为金属或者硅的烷氧基化合物，可以举出例如烷氧基硅烷、烷氧基铝、烷氧基钛等。在该种情况下，精制的缩聚体可以直接结合在有机粒子具有的官能基上，也可以借助适当的偶合剂(例如硅烷偶合剂等)来结合。
(ii)由静电力结合具有符号相异Zeta电位的有机粒子和无机粒子的有机无机复合粒子。在这种情况下，可以通过在有机粒子和无机粒子的Zeta电位符号相异的pH范围内将两者混合而形成复合粒子，也可以在有机粒子和无机粒子的Zeta电位符号相同的pH范围内将两者混合后，通过改变液性至有机粒子和无机粒子的Zeta电位符号相异的pH范围内而形成复合粒子。
(iii)在上述(ii)的复合粒子存在的条件下，使金属或者硅的烷氧基化合物缩聚而得到的有机无机复合粒子。在此，作为金属或者硅的烷氧基化合物可以使用与上述(i)的情况相同的物质。
作为本实施方式的化学机械研磨用水系分散体所含有的(A)磨料，优选上述的物质中的二氧化硅或者有机无机复合粒子。
此外，相对于磨料，(A)磨料的杂质金属的含量优选为10ppm或者更小，更优选为5ppm或更小，进一步优选为3ppm或更小，特别优选1ppm或更小。作为杂质金属可以举出铁、镍、锌等。
(A)磨料的平均分散粒径优选为5～1000nm，更优选为7～700nm，进一步优选为10～500nm。通过使用该范围的平均分散粒径的磨料，便可得到良好的被研磨面与研磨速度的平衡。
上述方法(iii)和(iv)中的水系分散体(I)可含有的(B’)具有杂环的化合物优选为含有选自含有至少1个氮原子的杂五元环和杂六元环中的至少1种杂环的有机化合物。作为前述杂环，可以举出吡咯结构、咪唑结构、三唑结构等杂五元环；吡啶结构、嘧啶结构、哒嗪结构、吡嗪结构等杂六元环。这种杂环也可以形成缩稠环。具体而言，可以举出吲哚结构、异吲哚结构、苯并咪唑结构、苯并三唑结构、喹啉结构、异喹啉结构、喹唑啉结构、噌啉结构、酞嗪结构、喹喔啉结构、吖啶结构等。
在具有这样结构的有机化合物中，优选具有吡啶结构、喹啉结构、苯并咪唑结构或者苯并三唑结构的有机化合物。作为这样的有机化合物，优选喹哪啶酸、苯并咪唑、苯并三唑，更优选喹哪啶酸。
但是，(B’)具有杂环的化合物是不含有喹啉酸的。
作为上述方法(i)、方法(iii)及方法(iv)中的水溶液(II)可含有的(C)研磨速度提高剂，可以举出例如选自氨基酸、氨基多羧酸、胺化合物、氨基醇、膦酸、卤化物离子、硫代硫酸离子及铵离子中的至少1种。
作为上述氨基酸，可举出例如甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸等；作为上述氨基多羧酸，可举出例如乙二胺四乙酸等；作为上述胺化合物，可举出例如乙二胺、二乙胺、三乙胺等；作为上述氨基醇，可举出例如三乙醇胺等。在这些物质当中，优选使用铵离子、氨基酸、胺化合物及氨基多羧酸。
作为在上述方法(ii)和方法(iv)中的水系分散体(I)、及在方法(iii)中的水溶液(II)可含有的(D)氧化剂，可以举出过氧化氢、有机过氧化物、高锰酸化合物、重铬酸化合物、卤酸化合物、硝酸化合物、高卤酸化合物、过硫酸盐、杂多酸等。
作为上述有机过氧化物，可以举出例如过乙酸、过苯甲酸、叔丁基氢过氧化物等；作为上述高锰酸化合物，可以举出例如高锰酸钾等；作为上述重铬酸化合物，可以举出例如重铬酸钾等；作为上述卤酸化合物，可以举出例如碘酸钾等；作为上述硝酸化合物，可以举出例如硝酸、硝酸铁等；作为上述高卤酸化合物，可以举出例如高氯酸等；作为上述过硫酸盐，可以举出例如过硫酸铵等；作为上述杂多酸，可以举出例如硅钼酸、硅钨酸等。
在上述氧化剂中，从分解生成物为无害的观点考虑，优选使用过氧化氢、有机过氧化物或者过硫酸盐。
另外，在上述方法(i)中，水系分散体(I)及水溶系(II)中的至少一方可以含有(D)氧化剂。
除了上述成分以外，上述方法(i)及(ii)中的水系分散体(I)还可任意地含有方法(iii)及(iv)的水系分散体(I)中能含有的(B’)具有杂环的化合物。
此外，在上述所有的方法中，除了上述成分以外，水系分散体(I)和水溶系(II)也可含有酸、碱、表面活性剂、水溶性高分子等。
作为上述酸，可以举出例如有机酸、无机酸。
作为上述有机酸，可以举出例如对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、异戊二烯磺酸、葡糖酸、乳酸、柠檬酸、酒石酸、苹果酸、乙醇酸、丙二酸、蚁酸、草酸、琥珀酸、富马酸、马来酸、苯二甲酸等；作为上述无机酸，可以举出例如硝酸、硫酸、磷酸等。
作为上述碱，可以举出有机碱、无机碱。作为有机碱，可以举出例如四甲基氢氧化物等。作为无机碱，可举出例如碱金属的氢氧化物，作为这些物质的具体例子，可以举出例如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铷、氢氧化铯等。
为了调整水系分散体(I)和水溶液(II)的pH，也可以使用这些酸和碱。
作为上述表面活性剂，可以举出阳离子性表面活性剂、阴离子性表面活性剂及非离子性表面活性剂。
作为上述阳离子性表面活性剂，可以举出例如脂肪族胺盐、脂肪族铵盐等。
作为上述阴离子性表面活性剂，可以举出例如羧酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐、磷酸酯盐等。作为上述羧酸盐，可以举出脂肪酸皂、烷基醚羧酸盐等；作为上述磺酸盐，可以举出烷基苯磺酸盐、烷基萘磺酸盐、α-烯烃磺酸盐等；作为上述硫酸酯盐，可以举出例如高级醇硫酸酯盐，烷基醚硫酸盐等；作为上述磷酸酯，可以举出例如烷基磷酸酯等。
作为上述非离子性表面活性剂，可以举出例如醚型表面活性剂、醚酯型表面活性剂、酯型表面活性剂，乙炔系表面活性剂等。
作为上述醚型表面活性剂，可举出例如聚氧乙烯烷基醚等；作为上述醚酯型表面活性剂，可举出例如甘油酯的聚氧乙烯醚等；作为上述酯型表面活性剂，可举出例如聚乙二醇脂肪酸酯、甘油酯、脱水山梨醇酯等；作为上述乙炔系表面活性剂，可举出例如炔醇、乙炔二醇、乙炔二醇的环氧乙烷加成物等。
作为上述水溶性高分子，可举出例如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、羟乙基纤维素等。
相对于全部水系分散体，上述方法(i)至(iv)的水系分散体(I)中含有的(A)磨料的含量优选为0.01～10质量％，更优选为0.02～8质量％，进一步优选为0.1～5质量％。
相对于全部水系分散体，上述方法(i)的水系分散体(I)中含有的(B)喹啉酸的含量优选为0.01～10质量％，更优选为0.02～5质量％，进一步优选为0.1～2质量％。
相对于全部水溶液，上述方法(ii)的水溶液(II)中含有的喹啉酸的含量优选为0.01～5质量％，更优选为0.02～4质量％，进一步优选为0.05～3质量％。
相对于全部水系分散体，在上述的方法(iii)及(iv)的水系分散体(I)中含有的(B’)具有杂环的化合物的含量优选为0.01～10质量％，更优选为0.02～5质量％，进一步优选为0.1～2质量％。
此外，在上述方法(i)及(ii)的水系分散体(I)含有(B’)具有杂环的化合物的情况下，其含量相对于全部水系分散体，优选为0.01～10质量％，更优选为0.02～5质量％，进一步优选为0.1～2质量％。
相对于全部水系分散体，在上述方法(i)、方法(iii)及方法(iv)的水溶液(II)中含有的(C)研磨速度提高剂的含量优选为0.01～5质量％，更优选为0.02～4质量％，进一步优选为0.05～3质量％。
相对于全部水系分散体，在上述方法(ii)及(iv)的水系分散体(I)中含有的(D)氧化剂的含量优选为0.01～5质量％，更优选为0.02～4质量％，进一步优选为0.05～1质量％。
相对于全部水溶液，上述方法(iii)的水溶液(II)中含有的(D)氧化剂的含量优选为0.01～10质量％，更优选为0.02～8质量％，进一步优选为0.05～5质量％。
此外，在上述方法(i)中，在水系分散体(I)含有(D)氧化剂的情况下，其含量相对于全部水系分散体，优选为0.01～5质量％，更优选为0.02～4质量％，进一步优选为0.05～1质量％。
在上述方法(i)中，在水溶系(II)含有(D)氧化剂的情况下，其含量相对于全部水溶液，优选为0.01～10质量％，更优选为0.02～8质量％，进一步优选为0.05～5质量％。
另外，在使用过硫酸铵作为(D)氧化剂的情况下，其除了作为(D)氧化剂起作用之外，在水系分散体或者水溶液中电离而生成的铵离子也作为(C)研磨速度提高剂来起作用，因此，相当于过硫酸铵添加量中的铵离子的量应被算作(C)研磨速度提高剂。
在上述所有的方法中，在水系分散体(I)含有表面活性剂的情况下，其含量相对于全部水系分散体，优选为0.5质量％或更小，更优选为0.01～0.5质量％。
上述所有方法中的水系分散体(I)的pH优选为7～12。
上述所有方法中的水溶液的pH(II)优选为3～12。
在本实施方式的化学机械研磨方法中，在以第一研磨工序中的水系分散体(I)的供给量为S(I-1)、以水溶液(II)的供给量为S(II-1)、以第二研磨工序中的水系分散体(I)的供给量为S(I-2)、水溶液(II)的供给量为S(II-2)的情况下，虽然优选满足S(I-1)/S(II-1)＜S(I-2)/S(II-2)，但是在上述方法(i)至(iv)中的S(I-1)/S(II-1)值优选为0.01～5，更优选为0.05～3。而且，上述方法(i)至(iv)中的S(I-2)/S(II-2)值优选为0.05或更大，更优选为0.2或更大。另外，在第二研磨工序中，也可以不供给水溶液(II)，只用水系分散体(I)来实施研磨工序。
另外，本实施方式中的化学机械研磨用水系分散体，水系分散体(I)和水溶液(II)可以被分别准备·供给，而且在研磨时成为一体，其混合方法及混合时机没有特别的限定。
例如，水系分散体(I)和水溶液(II)可以被分别供给研磨装置，将其在固定盘上混合，也可以在研磨装置跟前或者装置内进行管道混合(ライソ混合)，或者在设置的混合罐中混合。另外，为了在管道混合时更均匀化，也可以使用管道混合器等。
本实施方式的化学机械研磨方法，可以使用市售的化学机械研磨装置及市售的化学机械研磨用垫板，并通过公知的方法来实施。
例如，在使用(株)荏原制作所制、型号为“EPO112”的仪器作为化学机械研磨装置的情况下，可以根据以下条件来实施本实施方式的方法。化学机械研磨用水系分散体的供给速度(水系分散体(I)和水溶液(II)的合计量)优选100～400mL/分，更优选150～350mL/分固定盘周转数优选30～150rpm，更优选50～130rpm研磨头周转数优选20～150rpm，更优选30～130rpm研磨头轧挤压力优选0.1～5psi，更优选0.5～4psi如上所述的本实施方式的化学机械研磨方法，可得到表面平坦性优异、抑制表面缺陷发生的高品质被研磨面，而且显示高研磨速度。
2.实施例以下，通过实施例更具体地说明本发明的化学机械研磨方法，但本发明的化学机械研磨方法不限于以下实施例。
2.1.调制含有磨料的水分散体2.1.1.调制含有热解法二氧化硅粒子的水分散体用超声波分散机使2kg热解法二氧化硅粒子(日本AEROSIL(株)制，商品名“AEROSIL #90”)分散于6.7kg离子交换水中，并用孔径为5μm的过滤器过滤，调制成含有10质量％平均分散粒径为220nm的热解法二氧化硅粒子的水分散体。
2.1.2.调制含有胶体二氧化硅粒子的水分散体往容量为2L的烧瓶中投入浓度为25质量％的氨水70g、离子交换水40g、乙醇175g以及四乙氧基硅烷21g，在180rpm下边搅拌边升温到60℃，保持该温度继续搅拌2小时后，进行冷却，即得平均粒径为97nm的胶体二氧化硅/醇分散体。然后，用蒸发器在80℃的温度下边添加离子交换水到该分散体中边除去醇部分，反复进行几次该操作，从而除去分散体中的醇部分，调制成含有10质量％平均分散粒径为97nm的胶体二氧化硅的水分散体。
2.1.3.调制含有有机无机复合粒子的水分散体2.1.3-1.调制含有有机粒子的水分散体将甲基丙烯酸甲酯90质量份、甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯(新中村化学工业(株)制，商品名“NK ester M-90G #400”)5质量份、4-乙烯基吡啶5质量份、偶氮系聚合引发剂(和光纯药(株)制，商品名“V50”)2质量份及离子交换水400质量份投入到容量为2L的烧瓶中，在氮气气氛下一边搅拌一边升温到70℃，进行聚合6小时。由此得到具备有含有氨基阳离子及聚乙二醇链的官能基、含有平均分散粒径为150nm的聚甲基丙烯酸甲酯系粒子的水分散体。聚合收率为95％。
2.1.3-2.调制含有复合粒子的水分散体将含有10质量％在上述2.1.3-1.中得到的聚甲基丙烯酸甲酯系粒子的水分散体100质量份投入到容量为2L的烧瓶中，添加1质量份甲基三甲氧基硅烷，并在40℃下搅拌2小时。然后，用硝酸将pH调整到2，即得水分散体(a)。水分散体(a)中含有的聚甲基丙烯酸甲酯系粒子的Zeta电位为+17mV。
另一方面，将含有10质量％胶体二氧化硅(日产化学(株)制，商品名“胶体白炭黑O”)的水分散体的pH用氢氧化钾调整到8，即得水分散体(b)。水分散体(b)中含有的二氧化硅粒子的Zeta电位为-40mV。
向上述水分散体(a)100质量份中用2小时缓慢地加入水分散体(b)50质量份，混合后搅拌2小时，即得含有由二氧化硅粒子附着在聚甲基丙烯酸甲酯系粒子上而成的粒子的水分散体。接着，向该水分散体中添加2质量份乙烯基三乙氧基硅烷，搅拌1小时后，添加1质量份四乙氧基硅烷，并升温到60℃，继续搅拌3小时后，进行冷却，即得含有有机无机复合粒子的水分散体。该有机无机复合粒子的平均分散粒径为180nm，二氧化硅粒子附着在聚甲基丙烯酸甲酯系粒子80％的表面上。
2.2.实施例12.2.1.调制水分散体(I)向聚乙烯制的容器中投入含有在上述2.1.1.中调制的热解法二氧化硅粒子的水分散体，热解法二氧化硅粒子的投入量相当于全部化学机械研磨用水系分散体的2质量％，接着投入相当于0.5质量％的喹哪啶酸，并充分搅拌。然后，一边继续搅拌一边添加相当于0.1质量％的十二烷基苯磺酸钾和作为pH调整剂的氢氧化铵，然后用离子交换水进行稀释，即得pH为10.0的化学机械研磨用水系分散体(I)。
2.2.2.调制水溶液(II)向聚乙烯制的容器中投入相当于全部水溶液0.5质量％的喹啉酸，接着添加作为pH调整剂的固体氢氧化钾，然后加入规定量的离子交换水，加入30质量％的过氧化氢水，其中，过氧化氢应加入到相对于全部水溶液成为0.2质量％，即得pH为9.1的水溶液(II)。
2.2.3.研磨具有铜层的全区覆盖式晶片(blanket wafer)(评价铜膜的研磨速度)分别使用(株)荏原制作所制的型号为“EPO112”的仪器作为化学机械研磨装置、使用Nitta Haas Incorporated社制的型号为“IC1000-050-(603)-(P)-S400J”的仪器作为研磨垫板，以具有铜层的全区覆盖式晶片(无图案的晶片)作为被研磨物，使用上述合成的水系分散体(I)和水溶液(II)，在以下2种相异的条件下分别进行化学机械研磨。此外，水系分散体(I)和水溶液(II)另外各自供给，并在固定盘上接触、混合。
2.2.3-1.条件1水系分散体(I)供给速度50mL/分水溶液(II)供给速度250mL/分固定盘周转数100rpm研磨头周转数80rpm研磨头荷重140g/cm2研磨时间60秒2.2.3-2.条件2水系分散体(I)供给速度150mL/分水溶液(II)供给速度150mL/分固定盘周转数、研磨头周转数、研磨头荷重及研磨时间均与上述条件1相同。
对于上述处理的各个对象体，用处理前后铜膜的厚度差除以第一处理工序的处理时间而算出铜膜的除去速度，在条件1下研磨的对象物，为12000/分，而对于在条件2下研磨的对象体，为6000/分。另外，通过直流4探针法用电阻率测定器(NPS(株)制，型号为“∑-5”)测定薄膜电阻值，由该值和铜的理论电阻率，根据下式算出铜膜的厚度。
铜膜的厚度()＝薄膜电阻值(Ω/cm2)÷铜的理论电阻率(Ω/cm)×10-82.2.4.除去带有图案的晶片的剩余铜膜使用与上述“研磨具有铜层的全区覆盖式晶片”中相同的化学机械研磨装置和研磨垫板，将带有图案的晶片(International Sematech制，型号为“SEMATECH #854”)，其为具有各种配线图案的试验用晶片，铜膜的堆积厚度为11000)作为被研磨物，使用上述合成的水系分散体(I)和水溶液(II)，在与上述“研磨具有铜层的全区覆盖式晶片”的条件1相同的条件下进行化学机械研磨(第一研磨工序)后，紧接着在与上述条件2相同的条件下进行化学机械研磨(第二研磨工序)。在第一研磨工序的研磨时间为45秒，但紧接着此进行的第二研磨工序，到达通过由化学机械研磨装置的固定盘电流读取转矩变化检出的研磨终点之后，进一步继续进行30秒的过研磨。
另外，由基于上述“研磨具有铜层的全区覆盖式晶片”条件1的研磨试验中算出的铜膜除去速度、第一研磨工序的研磨时间、及被研磨物的铜的初始堆积厚度，来计算出第一研磨工序后的铜膜残存厚度为2000。但是，无图案的晶片的铜膜的除去速度、和与其相同条件下进行的有图案的晶片的铜膜的除去速度并非严密地一致。
对于进行了上述2个研磨阶段后的被研磨物，使用精密段差计(KLATencor社制，型号为“HRP”)测定配线宽度为100μm部分的凹陷，为600，结果良好。同样地，在与配线垂直方向上测定与配线宽度为9μm/间距为1μm的图案连续1250μm部分的磨耗，为400，结果良好。
此外，用扫描型电子显微镜观察铜配线，未见腐蚀(腐蚀)。
2.3.实施例2至5除了水系分散体(I)和水溶液(II)组成成分的种类及量如表1所记载之外，其他与实施例1相同，调制水系分散体(I)和水溶液(II)。
使用该水系分散体(I)和水溶液(II)，除了水系分散体(I)和水溶液(II)的供给速度如表2所记载之外，与实施例1相同，研磨具有铜层的全区覆盖式晶片以及除去带有图案的晶片的剩余铜膜。将结果示于表2中。另外，实施例3显示了直到由研磨装置的转矩变化检出的研磨终点为止一直进行第一研磨工序，然后作为第二研磨工序进行了30秒研磨。
在实施例2至4中，使用氨作为pH调整剂，氨作为浓度为30质量％的氨水来添加。此外，在实施例5中，使用氢氧化钾作为pH调整剂，氢氧化钾以固体状态添加。
在表1中，表面活性剂一栏的略语分别表示如下。
DBS-K十二烷基苯磺酸钾DBS-A十二烷基苯磺酸铵SLA十二烷基硫酸铵表1中的“—”表示该栏中没有添加相应成分。
2.4.比较例1在实施例1的“除去带有图案的晶片的剩余铜膜”中，不进行第一研磨工序，从最初在第二研磨工序的条件下开始化学机械研磨，达到由研磨装置的转矩变化检出的研磨终点之后，进一步实施30秒的过研磨。
与实施例1相同，测定凹陷值和磨耗值，结果分别为600、400，而且，即使通过扫描型电子显微镜观察，也未见铜配线部分的腐蚀，与实施例1相同，但由从研磨开始到研磨终点为止的研磨时间为115秒、总研磨时间为145秒可知与实施例1的方法相比，研磨时间延长。
5.比较例2在实施例2的“除去带有图案的晶片的剩余铜膜”中，在第一研磨工序的条件下开始化学机械研磨，中途不改变条件，到由研磨装置的转矩变化检出的研磨终点之后，进一步继续进行30秒研磨。
与实施例1相同，测定凹陷值和磨耗值，分别劣化为1200、700。而且，用扫描型电子显微镜观察，在铜配线部分可见腐蚀。
权利要求
1.化学机械研磨方法，其中，包含通过连续进行第一研磨工序和比该第一研磨工序研磨速度慢的第二研磨工序来化学机械地研磨被研磨面的过程，在所述第一研磨工序和所述第二研磨工序中使用的化学机械研磨用水系分散体是水系分散体(I)和水溶液(II)的混合物，在所述第一研磨工序和所述第二研磨工序中，通过改变所述水系分散体(I)和所述水溶液(II)的混合比来改变研磨速度。
2.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其中，所述水系分散体(I)含有(A)磨料及(B)喹啉酸，所述水溶液(II)含有(C)研磨速度提高剂，而且，在以所述第一研磨工序中的所述水系分散体(I)的供给量为S(I-1)、以所述水溶液(II)的供给量为S(II-1)、以所述第二研磨工序中的所述水系分散体(I)的供给量为S(I-2)、以所述水溶液(II)的供给量为S(II-2)的情况下，满足以下关系S(I-1)/S(II-1)＜S(I-2)/S(II-2)。
3.如权利要求2所述的化学机械研磨方法，其中，所述水系分散体(I)还含有(D)氧化剂。
4.如权利要求2所述的化学机械研磨方法，其中，所述水溶液(II)还含有(D)氧化剂。
5.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其中，所述水系分散体(I)含有(A)磨料和(D)氧化剂；所述水溶液(II)含有(B)喹啉酸，而且，在以所述第一研磨工序中的所述水系分散体(I)的供给量为S(I-1)、以所述水溶液(II)的供给量为S(II-1)、以所述第二研磨工序中的所述水系分散体(I)的供给量为S(I-2)、以所述水溶液(II)的供给量为S(II-2)的情况下，满足以下关系S(I-1)/S(II-1)＜S(I-2)/S(II-2)。
6.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其中，所述水系分散体(I)含有(A)磨料和(B’)具有杂环的化合物(但喹啉酸除外)，所述水溶液(II)含有(C)研磨速度提高剂及(D)氧化剂，而且，在以所述第一研磨工序中的所述水系分散体(I)的供给量为S(I-1)、以所述水溶液(II)的供给量为S(II-1)、以所述第二研磨工序中的所述水系分散体(I)的供给量为S(I-2)、以所述水溶液(II)的供给量为S(II-2)的情况下，满足以下关系S(I-1)/S(II-1)＜S(I-2)/S(II-2)。
7.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其中，所述水系分散体(I)含有(A)磨料、(B’)具有杂环的化合物(但喹啉酸除外)以及(D)氧化剂，所述水溶液(II)含有(C)研磨速度提高剂，而且，在以所述第一研磨工序中的所述水系分散体(I)的供给量为S(I-1)、以所述水溶液(II)的供给量为S(II-1)、以所述第二研磨工序中的所述水系分散体(I)的供给量为S(I-2)、以所述水溶液(II)的供给量为S(II-2)的情况下，满足以下关系S(I-1)/S(II-1)＜S(I-2)/S(II-2)。
全文摘要
一种化学机械研磨方法，其中，包含通过连续进行第一研磨工序和比该第一研磨工序研磨速度慢的第二研磨工序来化学机械地研磨被研磨面的过程；在前述第一研磨工序和前述第二研磨工序中使用的化学机械研磨用水系分散体是水系分散体(I)和水溶液(II)的混合物；在前述第一研磨工序和前述第二研磨工序中，通过改变前述水系分散体(I)和前述水溶液(II)的混合比来改变研磨速度。
文档编号H01L21/304GK1824462SQ20061005770
公开日2006年8月30日 申请日期2006年2月23日 优先权日2005年2月23日
发明者仕田裕贵, 服部雅幸 申请人:Jsr株式会社