(57)【要約】【課題】従来のＣＭＰ工程と比較して工程数の増加を伴わずに、アルミナ膜の段差を極力少ない研磨量で効率良く解消する。【解決手段】凹凸面を有するアルミナ膜を備えた研磨対象物を化学機械研磨して凹凸面を平坦化させるために用いられるアルミナ膜研磨用組成物は、アルミナ砥粒と、アルミナ膜およびアルミナ砥粒の表面に保護膜を形成する保護膜形成剤と、を含有する。保護膜形成剤は、分子中に１個以上のＯＨ基またはＣＯＯＨ基を有するモノマーを重合させて得られた重量平均分子量が１００以上１，０００，０００以下の範囲内の水溶性ポリマーである。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹凸面を有するアルミナ膜を備えた研磨対象物を化学機械研磨して前記凹凸面を平坦化するために用いられるアルミナ膜研磨用組成物であって、
アルミナ砥粒と、
前記アルミナ膜および前記アルミナ砥粒の表面に保護膜を形成する保護膜形成剤と、
を含有し、
前記保護膜形成剤が、分子中に１個以上のＯＨ基またはＣＯＯＨ基を有するモノマーを重合させて得られた重量平均分子量が１００以上１，０００，０００以下の範囲内の水溶性ポリマーであることを特徴とするアルミナ膜研磨用組成物。
【請求項２】
前記アルミナ砥粒の含有量が０．１〜３０重量％の範囲内であり、かつ前記水溶性ポリマーの含有量が０．００１〜１重量％の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のアルミナ膜研磨用組成物。
【請求項３】
前記水溶性ポリマーが、ポリビニルアルコールであることを特徴とする請求項１または２に記載のアルミナ膜研磨用組成物。
【請求項４】
前記水溶性ポリマーが、ポリエチレングリコールジメチルエーテルであることを特徴とする請求項１または２に記載のアルミナ膜研磨用組成物。
【請求項５】
前記アルミナ膜は、磁気記録装置における磁気ヘッド装置の絶縁膜として用いられることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のアルミナ膜研磨用組成物。
【請求項６】
使用時に比べて水分含有量が少なく設定され、使用時に水を加えて希釈することにより、請求項１ないし５のいずれかに記載のアルミナ膜研磨用組成物となることを特徴とする使用時希釈型アルミナ膜研磨用組成物。
【請求項７】
凹凸面を有するアルミナ膜を備えた研磨対象物の前記凹凸面を、研磨用スラリの存在下で研磨して平坦化させる化学機械研磨方法であって、
前記研磨用スラリとして、請求項１ないし５のいずれかに記載のアルミナ膜研磨用組成物を用いることを特徴とする化学機械研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気記録装置における磁気ヘッド装置の絶縁層を形成する際の平坦化工程に適用可能なアルミナ膜研磨用組成物およびそれを用いる化学機械研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録装置における磁気ヘッド装置は、アルミナチタンカーバイトセラミックス基板（以下、「ＡｌＴｉＣウェーハ」と記す）上に磁気読み取り部及び磁気書き込み部を備えた素子を形成し、これを素子単位で切り出すことで製造される。素子の基本構造は、シリコンウェーハを用いた半導体装置と同様に、ＡｌＴｉＣウェーハ上での様々なウェーハプロセスで形成される。このプロセスの一環として化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；以下、「ＣＭＰ」と記す）工程が行なわれる。ＣＭＰ工程は、研磨対象物を研磨パッドに対して相対的に回転させながら加圧しつつ当接させることにより、研磨対象物の凹凸面を平坦化する。このＣＭＰ工程では、砥粒や研磨促進剤を含む研磨用組成物（研磨用スラリ）が使用される。
【０００３】
磁気ヘッド装置の場合、半導体装置と異なり、使用される絶縁層の殆どにアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が用いられている。このため、一般的にシリコンを研磨対象とする半導体装置製造過程のＣＭＰ工程で使用される研磨用スラリは使用できない。磁気ヘッド装置製造のためのＣＭＰ工程で最も一般的に使用されている研磨用スラリは、アルミナ砥粒を含有し、研磨対象物であるアルミナに対してある程度の溶解度を有するカチオン若しくはアニオンを添加した組成を持つ。
【０００４】
ＣＭＰ工程の主要な目的の１つは、多層構造を有する素子形成において、下層構造上に絶縁膜を成膜した後で、下層構造の凹凸に起因する絶縁膜表面の段差を解消し、上層構造のパターニングの際の露光焦点偏移を防止することにある。ＣＭＰ工程における段差の緩和には、凸部と凹部の研磨速度差が利用される為、この研磨速度差が大きいほど段差緩和性は良好に発現する。しかし、ある程度段差が緩和された状態になると、凸部の研磨圧力は凹部のそれに近くなっていく為、凸部が研磨されると共に本来研磨の必要性の無い凹部も同時に研磨される傾向が強くなる。従って、凹凸を完全に平坦化するためには、初期段差の２倍近くの研磨量が必要となる。一般的に、研磨量が増加すると、それに伴って研磨量幅が拡大する。ここで、「研磨量幅」とは、ウェーハ面内での研磨量の最大値と最小値との差分として表され、面内での研磨量のばらつきを意味するものである（以下、同様の意味で用いる）。完全に平坦な研磨面を持つウェーハを研磨対象と仮定した場合でも、研磨行為自体に起因して研磨量幅が発生し、面内で高低差が生じることがある。このため、研磨量幅の抑制は、製品製造上非常に重要である。しかし、上記のように初期段差を解消するための研磨量が増加すると、それに伴って研磨量幅も拡大してしまう、という問題があった。
【０００５】
上記問題を解決するため、研磨前に意図的に凹部に研磨され難い物質を成膜し、研磨停止層とする方法もある。例えば特許文献１に記載された方法は、この研磨停止層と被研磨対象層の研磨選択比を高くとれる研磨用スラリを使用する方法である。この方法は、かなり効果的であるが、工程数の増加を伴うという欠点がある。また、特許文献１の技術は、二酸化シリコン膜を被研磨対象層とするプロセスであるため、これを、アルミナ膜を被研磨対象とするプロセスに適用できるかどうかは疑問である。二酸化シリコン膜に対して充分な研磨選択比を持つ特許文献１の研磨用スラリが、アルミナ膜に対して現実的な研磨速度を持つとは限らないからである。
【０００６】
また、上記問題を解決するため、研磨プロセス自体を変えていく試みもなされている。一般的な研磨プロセスは、弾性体である研磨パッド上で実施されることから、研磨パッドの変形が被研磨表面の凹部に対してもある程度の研磨圧力を伝播する。これに対処するために従来よりも硬質な研磨パッドを用いる方法や、変形を極力避ける為に、より低い研磨圧力で高速な摺動を利用した研磨プロセスを採用する方法が検討されている。これらに関しても、問題を緩和する利点はあるが、研磨自体の原理が変わる訳ではないので根本的な解決法には成り得ないだけで無く、ウェーハ面内における研磨量幅を拡大させてしまうという弊害もある。
【０００７】
また、特許文献２には、ＣＭＰ工程におけるスクラッチの発生を低減する目的で、水溶性高分子化合物を含む研磨組成物を用いることが開示されている。しかし、この特許文献２の技術も半導体基板を研磨対象とするものであり、そのままアルミナ膜の研磨に適用することはできない。また、特許文献２では、平坦化までの総研磨量を抑制することに関しては全く注意が払われていない。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３４９４２６号公報
【特許文献２】特開２００６−５１６０６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述の通り、従来の研磨用スラリを使用したＣＭＰ工程は、研磨の原理上、避けられない難点を持つものとならざるを得ない。本発明が解決しようとする課題はこの点にある。即ち、本発明の目的は、従来のＣＭＰ工程と比較して工程数の増加を伴わずに、アルミナ膜の段差を極力少ない研磨量で効率良く解消することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のアルミナ膜研磨用組成物は、凹凸面を有するアルミナ膜を備えた研磨対象物を化学機械研磨して前記凹凸面を平坦化するために用いられるものである。
【００１１】
本発明のアルミナ膜研磨用組成物は、アルミナ砥粒と、前記アルミナ膜および前記アルミナ砥粒の表面に保護膜を形成する保護膜形成剤と、を含有し、前記保護膜形成剤が分子中に１個以上のＯＨ基またはＣＯＯＨ基を有するモノマーを重合させて得られた重量平均分子量が１００以上１，０００，０００以下の範囲内の水溶性ポリマーである。
【００１２】
本発明のアルミナ膜研磨用組成物において、前記アルミナ砥粒の含有量が０．１〜３０重量％の範囲内であり、かつ前記水溶性ポリマーの含有量が０．００１〜１重量％の範囲内であってもよい。
【００１３】
また、本発明のアルミナ膜研磨用組成物において、前記水溶性ポリマーが、ポリビニルアルコールまたはポリエチレングリコールジメチルエーテルであることが好ましい。
【００１４】
また、本発明のアルミナ膜研磨用組成物において、前記アルミナ膜は、磁気記録装置における磁気ヘッド装置の絶縁膜として用いられるものであってもよい。
【００１５】
本発明の使用時希釈型アルミナ膜研磨用組成物は、使用時に比べて水分含有量が少なく設定され、使用時に水を加えて希釈することにより、上記アルミナ膜研磨用組成物となるものである。
【００１６】
本発明の化学機械研磨方法は、凹凸面を有するアルミナ膜を備えた研磨対象物の前記凹凸面を、研磨用スラリの存在下で研磨して平坦化させる方法であって、前記研磨用スラリとして、上記アルミナ膜研磨用組成物を用いるものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のアルミナ膜研磨用組成物は、保護膜形成剤を含有するので、これを使用するＣＭＰの工程数を増加させることなく、極力少ない研磨量で段差の解消を図ることができる。従って、本発明のアルミナ膜研磨用組成物を用いることにより、製品製造上重要となる研磨量幅を小さく抑制しながら、効率良くアルミナ膜の表面を平坦化できる、という効果を奏する。
【００１８】
また、本発明の化学機械研磨方法は、研磨用スラリとして保護膜形成剤を含有するアルミナ膜研磨用組成物を用いることにより、平坦化までの研磨量を大幅に抑制できる。このように研磨量を抑制できる結果、ウェーハ面内でのアルミナ膜の研磨量幅についても小さく抑制することが可能となり、研磨性能を改善できる、という効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物は、凹凸面を有するアルミナ膜を備えた研磨対象物を化学機械研磨して前記凹凸面を平坦化するために用いられる。そして、アルミナ膜研磨用組成物は、
砥粒として、少なくともアルミナ砥粒と、
前記アルミナ膜および前記アルミナ砥粒の表面に保護膜を形成する保護膜形成剤と、
を含有し、
前記保護膜形成剤が分子中に１個以上のＯＨ基またはＣＯＯＨ基を有するモノマーを重合させて得られた重量平均分子量が１００以上１，０００，０００以下の水溶性ポリマーである。
【００２０】
本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物に用いられる砥粒としては、少なくともアルミナ砥粒を含むものであればよい。アルミナ砥粒としては、結晶性ヒュームドアルミナや非結晶性コロイダルアルミナ等の粒子が用いられる。アルミナ砥粒は、ＢＥＴ法による比表面積から求めた粒径が１０〜１０００ｎｍ前後に調整されたものが望ましい。この砥粒径が１０ｎｍ未満である場合、充分な機械研磨力が発現しない。また、砥粒径が１０００ｎｍ超である場合、比表面積が小さくなることから、相対的に保護膜が形成されるアルミナ表面が減少してしまう。その結果として、本実施の形態が意図する機能の発現を阻害することとなるだけでなく、研磨後の表面の研磨傷や素子破壊等の問題を併発するおそれがある。
【００２１】
本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物において、保護膜形成剤として使用される水溶性ポリマーは、分子中に１個以上のＯＨ基、ＣＯＯＨ基、ＣＯＯＲ基（ここで、Ｒはメチル基などの低級アルキル基を意味する）などの極性の強い官能基を有するモノマーを重合させて得られた高分子化合物が好ましい。このような水溶性ポリマーとしては、例えばポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールジメチルエーテル等を挙げることができる。
【００２２】
本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物では、保護膜形成剤として、分子量の大きな水溶性ポリマーを用いるほど、形成される保護膜は強固になるが、機械的研磨力の低下やＣＭＰ工程後の洗浄不良等の問題を生じる。一方、比較的分子量の小さな水溶性ポリマーであれば、相対的に水溶性は高くなり、研磨剤の調整や濃縮組成の設計が容易となる反面、保護膜としての強度は弱くなってしまう。従って、使用する添加剤の重量平均分子量としては、１００以上１，０００，０００以下が好ましく、３００以上１００，０００以下が望ましい。
【００２３】
本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物は、上記成分に加え、さらに、研磨促進剤、水、砥粒分散安定剤、消泡剤、抗菌剤等の成分を含有することができる。
【００２４】
本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物に使用可能な研磨促進剤は、アルミナに対して溶解度を持つものであれば特に限定されない。研磨促進剤の好ましい例としては、例えば、硝酸、塩酸、燐酸、硫酸等の無機酸、酢酸、シュウ酸、クエン酸等の有機酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等の無機塩基、アンモニア、メチルアミン、ジメチルアミン等の有機塩基、或いはグリシン、アラニン等のキレート形成能を持つ中性化合物及びそれらの塩などを挙げることができる。Ａｌは両性金属であり、アルミナは酸性領域でも塩基性領域でも溶解度を持つ。この溶解形態は共存するアニオンやカチオンの種類によって多少異なるが、対応するプールベダイヤグラムから推定可能である。研磨促進剤を使用する場合、このような共存系においてアルミナが支配的な安定形態をとるような領域は避けるべきである。具体的には中性領域がこの範疇となる。但し、中性領域であっても機械的研磨作用は発現するため、このことが本実施の形態の機能発現を完全に阻害することは無い。
【００２５】
本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物において、アルミナ砥粒の含有量は０．１〜３０重量％の範囲内が好ましい。アルミナ砥粒の含有量が０．１重量％未満では、十分な研磨能力が発揮されない。また、アルミナ砥粒の含有量が３０重量％超では、製造コストの上昇や、アルミナ膜研磨用組成物の安定性が低下したり、濃縮組成設計が困難になったりするなどの難点がある。
【００２６】
また、本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物において、保護膜形成剤としての水溶性ポリマーの含有量は、その分子量によっても異なるが、０．００１〜１重量％の範囲内が好ましい。水溶性ポリマーの含有量が０．００１重量％未満では、保護膜形成作用が十分に得られない。また、水溶性ポリマーの含有量が１重量％を超えると、アルミナ砥粒の凝集などを引き起こして、研磨性能を悪化させるおそれがある。また、例えば、水溶性ポリマーの重量平均分子量が２０，０００〜３０，０００の範囲内の場合、その含有量は０．００１〜０．０１重量％の範囲内が好ましい。また、水溶性ポリマーの重量平均分子量が２００〜３００の範囲内の場合、その含有量は０．５０〜０．１重量％の範囲内が好ましい。
【００２７】
本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物において、水分の含有量は、必須成分であるアルミナ砥粒および水溶性ポリマーと、任意成分である研磨促進剤その他の成分との合計含有量以外の残りの部分を占める。ただし、本実施の形態では、使用時のアルミナ膜研磨用組成物に比べて水分含有量が少なく設定され、使用時に水を加えて希釈することにより、上記配合組成を有するアルミナ膜研磨用組成物となる使用時希釈型アルミナ膜研磨用組成物とすることもできる。この場合は、水分以外の各成分の濃度を、予定希釈率に応じて高く設定する必要がある。ただし、各成分の濃度は、研磨用組成物の安定性を損なう範囲まで高めないように注意する必要がある。
【００２８】
本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物を調製するには、上記必須成分および任意成分を所定の配合比率で混合すればよい。
【００２９】
次に、本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物を使用した化学機械研磨方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施の形態の化学機械研磨方法は、磁気記録装置における磁気ヘッド装置の素子構造の製造過程で、アルミナ絶縁膜を形成するために好ましく用いられる。図１は、本実施の形態の化学機械研磨方法における研磨対象である積層体１０の一部分を示す断面図である。積層体１０は、基板である図示しないＡｌＴｉＣウェーハと、このＡｌＴｉＣウェーハ上に形成されたアルミナ製の絶縁膜１と、この絶縁膜１上に所定のパターンで形成された磁性金属材料層２と、この磁性金属材料層２を覆うように形成されたアルミナ薄膜３とを備えている。アルミナ薄膜３には、磁性金属材料層２に起因する凸状の段差Ｓｔが形成されている。
【００３０】
磁性金属材料層２は、絶縁膜１の表面に、公知のリソグラフィ技術、スパッタリング技術、鍍金技術等を利用して、ＮｉＦｅ等の材料によって形成されたものである。磁性金属材料層２には様々な形態があり、例えば磁気シールドや磁気書き込み磁極等の目的で形成されるものである。また、磁性金属材料層２に付随して、磁界発生用のＣｕ等の非磁性金属材料によるコイル等を形成する場合もある。また、積層体１０においては、磁性金属材料層２が完全若しくは部分的に埋まるように、絶縁膜としてアルミナ薄膜３が成膜されている。このアルミナ薄膜３は、磁性金属材料層２の磁性材料が熱を嫌うことから、一般的にスパッタリングで成膜される。ただし、磁性金属材料層２とアルミナ薄膜３との界面に鋭角な境界部分が存在すると、クラックが生じる恐れがあるため、必要に応じて低温化学蒸散吸着等で下地のアルミナ薄層を前もって形成しておくこともできる。アルミナ薄膜３の成膜量は、後のＣＭＰ工程で磁性金属材料層２に起因する表面段差を許容範囲まで解消するために必要な研磨量に応じて変化する。よって、段差緩和性の良好な研磨プロセス程、この成膜量を少なく設定することができる。アルミナ薄膜３の成膜量の最小値は、磁性金属材料層２に起因する段差Ｓｔの高さｈと同等である。一般的には、初期の段差Ｓｔの高さｈの２〜３倍の膜厚となるようにアルミナ薄膜３を成膜することが多い。
【００３１】
本実施の形態の化学機械研磨方法では、研磨対象である積層体１０に対してＣＭＰを行い、アルミナ薄膜３の表面Ｓが、図１中に破線で示す位置になるまで研磨する。本実施の形態の化学機械研磨方法では、このアルミナ薄膜３及び磁性金属材料層２を研磨するＣＭＰ工程で、本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物を用いる。ＣＭＰは、既知の構成のＣＭＰ装置を用いて実施できる。また、研磨用スラリとして本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物を用いる点を除き、一般的なＣＭＰの条件に従い、研磨圧力や、研磨対象物である積層体１０と研磨パッドとの相対的な摺動速度などの条件を設定することができる。
【００３２】
図１に示した例では、研磨後の表面Ｓは、磁性金属材料層２の初期表面より下方位置になるように設定しているが、この位置は磁性金属材料層２の目的によって異なる。基本的には、研磨後の表面Ｓに対し、再度、リソグラフィ技術によって上層の素子を形成していく為、研磨後の表面Ｓはかかるリソグラフィに支障をきたさない平坦性が要求される。
【００３３】
本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物を使用して、図１に示すような初期段差Ｓｔを持つアルミナ薄膜３の平坦化を実施することで、従来の研磨用スラリを使用する場合に比べ、より優れた段差緩和性能が発現するとともに、ＡｌＴｉＣウェーハ面内でのアルミナ薄膜３の研磨量幅を小さく抑えることができる。この点を、図２を参照しながら説明する。図２は、本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物を使用してアルミナ薄膜３に対してＣＭＰによる平坦化を行なった場合の研磨過程を、従来技術の研磨用スラリを使用した場合との対比において説明する図面である。図２（ａ）は従来技術の研磨用スラリを使用した場合について示し、同図（ｂ）は本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物を使用した場合について示している。図２（ａ），（ｂ）において、アルミナ薄膜３中に図示された破線は、研磨過程での研磨表面の変化を示している。符号Ｓ０は研磨前の初期段差Ｓｔを有する表面を示し、符号Ｓ４は研磨が終了し平坦化が完了した表面を示している。符号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３はそれぞれ研磨途中の表面である。図２における（ａ）と（ｂ）との比較から、従来技術の研磨用スラリを用いた場合には、初期段差Ｓｔが完全に解消され、平坦化された表面Ｓ４の状態になるまでの研磨量が、本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物を使用した場合に比べて格段に大きくなっていることが理解される。換言すれば、本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物を用いることにより、平坦化までの研磨量を従来に比べて大幅に抑制することができる。本発明において、このような効果が得られる理由は以下のとおりである。
【００３４】
図３はＣＭＰ工程における研磨圧力と研磨速度との関係を示す説明図である。ＣＭＰ工程の基本的なメカニズムは、次の（１）式に示すＰｒｅｓｔｏｎ式に従ったものである。
Ｒ.Ｒ.＝Ｋ×Ｄ.Ｆ.×Ｌ.Ｖ.  …（１）
上記（１）式におけるＲ.Ｒ.は研磨速度、Ｄ.Ｆ.は研磨圧力、Ｌ.Ｖ.は摺動速度、Ｋは比例定数である。上記（１）式の意味は、Ｒ.Ｒ.は、Ｄ.Ｆ.とＬ.Ｖ.に比例するというものである（図３の直線Ａ）。すなわち、初期段差を持つアルミナ研磨面を研磨パッド上で研磨する場合、大きなＤ.Ｆ.が加わる凸部と相対的にＤ.Ｆ.が小さくなる凹部には、（１）式に従って研磨速度差が生じる。ＣＭＰによる平坦化は、この研磨速度差によって、凸部が選択的に研磨される現象を利用したものである。
【００３５】
一般に、ＣＭＰ工程で使用される研磨用スラリとしては、充分な研磨速度を発現させる為に、機械的研磨の促進目的で砥粒を、また、化学的溶解作用の付与目的でカチオン若しくはアニオンなどを含む研磨促進剤が添加された組成を用いる。この際には、上記（１）式が完全に適用される訳では無く、線形が様々な形に変形するが、最も一般的な形は次の（２）式のようなものである。
Ｒ.Ｒ.＝Ｋ×Ｄ.Ｆ.×Ｌ.Ｖ.＋α  …（２）
【００３６】
この（２）式においては、（１）式で表される比例関係に似ているものの、線形としてはあたかも＋（プラス）切片を持つような形となる。この＋切片分は、研磨圧力及び摺動速度が０であってもある程度の研磨速度（α）が発現することを意味し、これが研磨促進剤による化学的溶解作用を示している。通常、研磨状況でのこのような化学的溶解作用は摺動により加速される為、実際の線形は低研磨圧力領域で急激に０に漸近していくような挙動を示す（図３の曲線Ｂ）。
【００３７】
先に述べたように、ＣＭＰ工程での初期段差Ｓｔの解消には、凸部と凹部の研磨速度差が利用される。両者の研磨速度差が大きいほど段差緩和性は良好である。しかし、（２）式が適用されるＣＭＰ工程においても、ある程度段差が緩和された状態になると、凸部の研磨圧力は凹部の研磨圧力に近くなっていく為、凸部が研磨されると共に本来研磨の必要性の無い凹部も同時に研磨される傾向が強くなる。例えば、凹凸のある表面を研磨圧力Ｐで研磨すると、図３に示したように、凹部にはＰ−ｑ、凸部にはＰ＋ｑの圧力が加わる。その結果として、凹部と凸部それぞれの研磨速度に差が生じ（凹部の研磨速度はＲ−ｒとなり、凸部の研磨速度はＲ＋ｒとなる）、これによって初期段差Ｓｔが緩和されていく。しかし、最終的に平坦になった表面では一律な研磨圧力Ｐがかかり、一律な研磨速度Ｒとなる。この平坦化に至る過程では、初期段差Ｓｔが緩和されていくにしたがって、段差緩和効率が低下していくことになる。このため、アルミナ膜表面の凹凸を完全に平坦化して段差を解消するためには、図２（ａ）に示したように、初期段差Ｓｔの２倍近くの研磨量が必要となってしまう。このように研磨量が増加することにより、ＡｌＴｉＣウェーハ面内のアルミナ薄膜３の研磨量幅の拡大は避けることができない。研磨量幅を小さな値に抑制するためには、段差緩和効率を向上させ、平坦化までの研磨量を極力少なくすることが求められる。
【００３８】
効率の良い段差緩和性を得る為には、初期段差Ｓｔの凸部と凹部の研磨圧力差を持たせることが重要である。従来の研磨用スラリには、この研磨圧力差の発現を阻害する２つの要因がある。第１に、研磨対象物に対する溶解性を示す研磨促進剤の添加が挙げられる。研磨促進剤はその溶解能によって被研磨表面の凹凸を縮小させることから、凹凸部の圧力差を縮め、段差緩和効率を確実に悪化させる方向に機能する。第２に、高い研磨圧力の領域での研磨用スラリの作用悪化が挙げられる。即ち、高い研磨圧力の領域での研磨は、研磨対象物の表面と研磨パッド間への研磨用スラリの流入を阻害し、研磨圧力に比例した充分な研磨速度の発現を妨げる。従って、この２つの要因による影響を極力低減することが、ＣＭＰにおける段差緩和性向上のために重要である。
【００３９】
本実施の形態では、研磨用スラリの組成を改良することにより、上記２つの要因の解消と共に意図的な研磨選択性を付与することを目的としている。本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物に配合された水溶性ポリマーは、分子中にＯＨ基やＣＯＯＨ基のような電子供与性の官能基を有するモノマーを重合して得られたものであるため、ポリマー分子中にも前記官能基に由来する電子供与性構造を有しており、研磨対象物および使用砥粒のアルミナ表面に電気的に吸着する。その結果、この吸着層がアルミナ砥粒及び研磨対象物であるアルミナ薄膜３表面の保護膜となって、研磨促進剤によるアルミナ表面への化学的作用を弱めるように機能する。実際の研磨プロセスにおいては、低い研磨圧力の領域での研磨対象物に対する砥粒の機械的研磨作用も弱めることになり、ある圧力以上の領域で保護膜の作用が消える機能も持つ。即ち、水溶性ポリマーの添加は、研磨速度の研磨圧力依存性を従来のものと比較して以下の（３）式のように変化させる。
Ｒ.Ｒ.＝Ｋ×Ｄ.Ｆ.×Ｌ.Ｖ.＋α−β  …（３）
【００４０】
この（３）式は、上記（２）式の変形であり、βが本実施の形態における保護膜の作用を示す。βが充分にαより大きければ、α−βは負の値となり、（３）式は−（マイナス）の切片を持つ直線となる（ただし、実際の研磨では、図３の曲線Ｃのように、Ｒ.Ｒ.は０に漸近していく線形を持つ）。即ち、（３）式が適用されるＣＭＰ工程では、ある研磨圧力（例えばＤ.Ｆ.＝Ｐ）以下では研磨速度Ｒ.Ｒ.は殆ど発現しない。原理的にかかる研磨圧力で研磨を実施すると、相対的に研磨圧力が上がる凸部（例えばＤ.Ｆ.＝Ｐ＋ｑ）のみにおいて研磨が進行し、逆に相対的に研磨圧力の下がる凹部（例えばＤ.Ｆ.＝Ｐ−ｑ）においては、全くあるいは殆ど研磨されない状況が得られる。このβの作用の大きさは、使用する水溶性ポリマーの分子量と、モノマー中の電子供与性官能基に由来する水溶性ポリマー中の電子供与性構造の数で決定される。
【００４１】
さらに、保護膜形成剤として、所定の分子量を持つ水溶性ポリマーを使用することで、アルミナ膜研磨用組成物自体の粘性を上げる作用が得られる。このことは、結果として高い研磨圧力の領域における研磨用スラリの作用悪化をも防止する効果がある。即ち、高い研磨圧力の領域においても、研磨対象物と研磨パッド間への研磨用スラリの流入を容易にする機能を発現できるということである。
【００４２】
以上に述べた理由により、本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物を研磨用スラリとして用いＣＭＰ工程に適用することで、従来のプロセスと全く同じ工程数で、従来技術を超えた優れた段差緩和性を発現できるという効果が得られるのである。
【００４３】
次に、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらによって制約を受けるものではない。
［実施例１〜４］
実施例１〜４においては、水溶性ポリマーとしてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）またはポリエチレングリコールジメチルエーテル（ＰＥＧＤＥ）、市販の研磨用スラリ原液及び水を用いて研磨用組成物をそれぞれ調製した。使用したＰＶＡは、関東化学株式会社製ポリビニルアルコール＃５００（分子量２２，０００）、ＰＥＧＤＥは、独ＭＥＲＣＫ社製Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｄｉｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ ２５０ ｆｏｒ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ（分子量２５０）である。また、市販の研磨用スラリ原液としては、株式会社バイコウスキージャパン製バイカロックス  アルミナスラリー［タイプ  ＫＺ−５０（商品名）］を用いた。各実施例における研磨用組成物中のＰＶＡ、ＰＥＧＤＥ及び研磨用スラリ原液の含有量を表１に示した。なお、上記市販の研磨用スラリ原液（商品名ＫＺ−５０）は、アルミナ砥粒および研磨促進剤を含有するものである。
【００４４】
次いで、各実施例の研磨用組成物を用いて、ＡｌＴｉＣウェーハ上にアルミナ膜が均一な厚さで形成された積層体を下記の研磨条件でそれぞれ研磨した。そして、各積層体の研磨前と研磨後の膜厚を、光学式膜厚測定器（ＮａｎｏＳｐｅｃ Ｍｏｄｅｌ.９２００；商品名、ナノメトリックス・ジャパン株式会社製）を用いて測定した。この測定結果から、研磨前と研磨後の膜厚差を算出し、その値から各積層体に対する研磨速度Ｒ.Ｒ.およびその研磨圧力Ｄ.Ｆ.依存性をそれぞれ求めた。これらの結果を図４及び表１に示した。
【００４５】
＜研磨条件＞
研磨機：枚葉式ＣＭＰ装置［ＣｈａＭＰ２３２Ｃ（商品名）；株式会社東京精密製］、被研磨物：ＡｌＴｉＣウェーハ上にアルミナ膜が成膜された積層体（６インチＡｌＴｉＣウェーハ上に膜厚５，０００ｎｍのアルミナ膜がスパッタリング成膜されたもの）、研磨パッド：ＩＣ−１４００ Ｐａｄ Ｄ ２３” Ｆ９;ＸＡ０１ Ａ２（ニッタ・ハース株式会社製）、研磨圧力：６．９ｋＰａ、１０．４ｋＰａ、１３．８ｋＰａ、２７．５ｋＰａ（７０．３ｇ／ｃｍ２、１０５．５ｇ／ｃｍ２、１４０．６ｇ／ｃｍ２、２８１．２ｇ／ｃｍ２）、線速度：１０８ｍ／分、研磨時間：６０秒
【００４６】
［比較例１］
実施例１〜４と同様にして、市販の研磨用スラリ原液及び水を用いて研磨用組成物を調製した。本比較例１における研磨用組成物中の研磨用スラリ原液の含有量を表１に示す。また、比較例１の研磨用組成物を用いて、実施例１〜４で用いたものと同じ積層体を実施例１〜４と同様の研磨条件にて研磨し、研磨速度Ｒ.Ｒ.およびその研磨圧力Ｄ.Ｆ.依存性をそれぞれ求めた。これらの結果を図４及び表１に示した。なお、図４における破線は、実施例２と比較例１のデータにおいて、それぞれ変曲部分よりも研磨圧力Ｄ.Ｆ.が０に近い範囲を除く部分のプロットに近似させた直線を示している。
【００４７】
図４において、変曲部分よりも研磨圧力Ｄ.Ｆ.が０に近い範囲を除けば、実施例１〜４では比較例１に比べ、一定の研磨圧力Ｄ.Ｆ.の増加幅に対する研磨速度Ｒ.Ｒ.の増加幅が大きいことがわかる。また、実施例２と比較例１を比べると、実施例２では比較例１に比べて、研磨圧力Ｄ.Ｆ.が０のときの前記破線の延長線による切片が小さな値であることがわかる。この傾向は、実施例１、３、４と比較例１との対比でも同様である。以上の結果から、水溶性ポリマーを含有する実施例１〜４の研磨用組成物を用いることにより、水溶性ポリマーを含有しない比較例１の研磨用スラリを用いた場合に比べて高い研磨速度Ｒ.Ｒ.を得ながら、同時に優れた段差緩和性が得られることが示された。
【００４８】
［実施例５］
前述のポリエチレングリコールジメチルエーテル(ＰＥＧＤＥ)、市販の研磨用スラリ原液及び水を用いて研磨用組成物を調製した。本実施例５の研磨用組成物中のＰＥＧＤＥ及び研磨用スラリ原液の含有量を表１に示した。この研磨用組成物を用いて、ＡｌＴｉＣウェーハ上に、初期段差の高さが３，３００ｎｍで、９０μｍ×１５０μｍのアルミナ凸段差パターンが全面に形成されたアルミナ膜を備えた積層体を研磨した。研磨による段差緩和性を、触針式段差測定器（Ｐ−２２；ケーエルエー・テンコール株式会社製）による測定段差及び前述の光学式膜厚測定器による段差パターン部以外の測定膜厚から経時的に確認した。これらの結果を図５に示した。
【００４９】
＜研磨条件＞
研磨機：枚葉式ＣＭＰ装置［ＣｈａＭＰ２３２Ｃ（商品名）；株式会社東京精密製］、被研磨物：ＡｌＴｉＣウェーハ上に凸段差を有するアルミナ膜が形成された積層体（６インチＡｌＴｉＣウェーハ上に、膜厚３，５００ｎｍのアルミナ膜が成膜され、このアルミナ膜に３，３００ｎｍの高さの凸段差が形成されてなるもの）、研磨パッド：ＩＣ−１４００ Ｐａｄ Ｄ ２３”Ｆ９；ＸＡ０１ Ａ２（ニッタ・ハース株式会社製）、研磨圧力：１３．８ｋＰａ（１４０．６ｇ／ｃｍ２）、線速度：１０８ｍ／分
【００５０】
［比較例２］
前述の市販の研磨用スラリ原液及び水を用いて研磨用組成物をそれぞれ調製した。本比較例２における研磨用スラリ原液の含有量を表１に示した。これを用いて、実施例５で用いたものと同様の積層体に対し、実施例５と同様の条件で研磨を行い、段差緩和性を経時的に確認した。これらの結果を図５に示した。
【００５１】
【表１】
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【００５２】
表１において、定数ａは前記（３）式におけるＫを示し、定数ｂは（３）式における（α−β）を示している。ＣＭＰ工程において、段差緩和性は凸部と凹部の圧力差によって発現するので、かかる定数ａは大きいほど、又、定数ｂは小さいほど段差緩和性が良好であることを意味している。表１から、実施例１〜４はその全てにおいて、保護膜形成剤を含有しない比較例１よりも、定数ａは大きく、且つ定数ｂは小さいことが見て取れる。すなわち、実施例１〜４では、研磨圧力Ｄ.Ｆ.が６．９ｋＰａ〜２７．５ｋＰａの範囲内にあるとき、定数ａが５５．６≦ａ≦７５．４の範囲内の値をとるように研磨を行なうことができた。また、特に、実施例２及び４においては、定数ｂの値は負の値であり、理論上、凸部のみを研磨し、凹部を研磨しないＣＭＰ工程の設定が可能であることが示された。
【００５３】
なお、実施例１〜３において、ＰＶＡの添加量に応じた段差緩和性を示していないのは、特に実施例３の場合、比較的大きな分子量を持つ保護膜形成剤（ＰＶＡ；重量平均分子量２２，０００）の添加量が多い為、保護膜の形成だけでなくアルミナ砥粒の凝集も引き起こしていることが原因と推察される。従って、保護膜形成剤の添加量には、その分子量との関係で最適範囲が存在することが理解される。例えば、水溶性ポリマーの重量平均分子量が２０，０００〜３０，０００の範囲内の場合、その添加量は０．００１〜０．０１重量％の範囲内が好ましいと考えられる。また、水溶性ポリマーの重量平均分子量が２００〜３００の範囲内の場合、その添加量は０．５０〜０．１重量％の範囲内が好ましいと考えられる。
【００５４】
また、図５に示した結果から、実施例５においては比較例２に比べてアルミナ研磨量が少ない状態で残留段差が解消しており、段差緩和性能が著しく向上していることが理解される。本結果によると、段差緩和効率は比較例２に比べて実施例５の方が約１０倍優れていることが確認された。この結果は、図２で考慮したモデルと一致するものであった。
【００５５】
以上説明したように、本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物は、保護膜形成剤を含有するので、これを用いるＣＭＰの工程数を増加させることなく、極力少ない研磨量で段差の解消を図ることができるものである。従って、本実施の形態のアルミナ膜研磨用組成物を用いることにより、製品製造上重要となる研磨量幅を小さく抑制しながら、アルミナ膜の表面を効率良く平坦化できる。
【００５６】
また、本実施の形態の化学機械研磨方法によれば、保護膜形成剤を含有するアルミナ膜研磨用組成物を用いたことにより、平坦化までの研磨量を大幅に抑制できる。このように研磨量を抑制できる結果として、ウェーハ面内でのアルミナ膜の研磨量幅についても小さく抑制することが可能となり、研磨性能を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る化学機械研磨方法の対象となる積層体の構成を示す説明図である。
【図２】ＣＭＰ平坦化の研磨過程を示す説明図であり、（ａ）は従来技術の研磨用スラリを使用した場合について示しており、（ｂ）は本発明の研磨用組成物を使用した場合について示している。
【図３】ＣＭＰ工程における研磨圧力と研磨速度との関係を示す説明図である。
【図４】実施例１〜４および比較例１における研磨圧力と研磨速度との関係を示すグラフ図面である。
【図５】実施例５と比較例２における研磨量と残留段差との関係を示すグラフ図面である。
【符号の説明】
【００５８】
１…絶縁膜、２…磁性金属材料層、３…アルミナ薄膜、１０…積層体、Ｓｔ…段差、Ｓ…表面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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