(57)【要約】【課題】加工屑が付着し難い研磨部材及びそのような研磨部材を用いて平坦化処理を行う半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の研磨部材１０は、光照射により光触媒作用を呈する光触媒粒子１１と前記光触媒粒子１１を支持する支持材料１２とを具備したことを特徴とする。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光照射により光触媒作用を呈する光触媒粒子と前記光触媒粒子を支持する支持材料とを具備したことを特徴とする研磨部材。
【請求項２】
前記光触媒粒子は、酸化チタン、酸化錫、酸化ニオブ、酸化鉄、セレン化カドニウム、及び硫化カドニウムからなる群より選択される少なくとも１種の化合物を含有したことを特徴とする請求項１に記載の研磨部材。
【請求項３】
前記光触媒粒子は、チタンと、酸素と、窒素及び硫黄の少なくとも一方の元素とを含有したことを特徴とする請求項１に記載の研磨部材。
【請求項４】
前記光触媒粒子は、その表面に、白金、ニッケル、銅、銀、金、及びニオブからなる群より選択される少なくとも１種の元素を担持したことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の研磨部材。
【請求項５】
前記支持材料により前記光触媒粒子とともに支持され且つアルミナ、シリカ、セリア、カーボン、及び二酸化マンガンからなる群より選択される少なくとも１種の材料を含有した無機粒子をさらに具備したことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の研磨部材。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の研磨部材への前記光照射のもとで前記研磨部材と被研磨基板の被研磨部との間に流体を介在させながら前記研磨部材で前記被研磨部を研磨することを含んだことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記流体は水または水とｐＨ調整剤との混合物から実質的になることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記光照射は紫外光及び／または可視光を照射することを含んだことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記被研磨部は、金属、合金、金属窒化物、金属硼化物、金属酸化物、及び、窒素と硼素と酸素との少なくとも２種を含有した金属化合物からなる群より選択される材料を含有した層であり、前記材料はその構成元素としてアルミニウム、銅、タングステン、チタン、モリブデン、ニオブ、タンタル、及びバナジウムからなる群より選択される金属元素を含んだことを特徴とする請求項６乃至請求項８の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨部材及び半導体装置の製造方法に係り、特には、半導体プロセスで使用する研磨部材及びそのような研磨部材を使用した平坦化処理を含んだ半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の分野では、デバイスの微細化及び高密度化などが進み、様々な微細加工技術の研究開発が為されている。なかでも、化学的機械的研磨（以下、ＣＭＰという）技術は、埋め込み配線（ダマシン配線）などを形成するうえで欠くことのできない技術である。
【０００３】
銅やアルミニウムなどの金属の埋め込み配線を形成するのに利用可能なメタルＣＭＰ技術では、高い研磨速度及び平坦性を実現すること並びにスクラッチの発生を抑制することが望まれる。そのため、ＣＭＰ処理で使用する研磨部材には、スラリーを保持可能であることやウエハの反りに追従可能であることや適度な剛性を有していることなどが要求される。このような要求のもと、ＣＭＰ処理では、研磨部材として、例えば、独立発泡系或いは連続発泡系の樹脂製研磨パッドが主に使用されている。
【０００４】
しかしながら、それら樹脂製の研磨パッドは何れも疎水性である。ＣＭＰ処理に伴って発生する加工屑には疎水性のものが多く、それら疎水性の加工屑は研磨パッドの研磨面とウエハの被研磨面との間から速やかに排出され難い。研磨面と被研磨面との間から加工屑が速やかに排出されないと、スクラッチが極めて高い頻度で発生する。
【０００５】
しかも、疎水性の加工屑は研磨面に付着し易いため、研磨パッドの目詰まりも高い頻度で発生する。研磨パッドが目詰まりすると、研磨速度や平坦性が顕著に低下するため、パッドの表面を削り取ることなどによりパッドの機能を再生する，所謂ドレッシング，を頻繁に行う必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、加工屑が付着し難い研磨部材及びそのような研磨部材を用いて平坦化処理を行う半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面によると、光照射により光触媒作用を呈する光触媒粒子と前記光触媒粒子を支持する支持材料とを具備したことを特徴とする研磨部材が提供される。
【０００８】
本発明の第２の側面によると、光照射により光触媒作用を呈する光触媒粒子と前記光触媒粒子を支持する支持材料とを具備した研磨部材への前記光照射のもとで前記研磨部材と被研磨基板の被研磨部との間に流体を介在させながら前記研磨部材で前記被研磨部を研磨することを含んだことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、同一または類似の機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１０】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る研磨部材を概略的に示す断面図である。図１に示す研磨部材１０は、光触媒粒子１１と支持材料１２とを備えている。
【００１１】
これら光触媒粒子１１は、所定の波長の光を照射することにより光触媒作用を呈するものである。なお、ここで、「光触媒作用」を呈することは、光照射により粒子１１の親水性が高まることや、光照射により粒子１１の酸化力及び／または還元力が変化することなどを含意していることとする。光触媒粒子１１としては、例えば、酸化チタン、酸化スズ、酸化ニオブ、酸化鉄、セレン化カドミウム、及び硫化カドミウムの何れかを含有した粒子を挙げることができる。
【００１２】
支持材料１２は、光触媒粒子１１をそれらの少なくとも一部が研磨面上に位置するように支持している。支持材料１２は、多孔質材料層であっても、非多孔質材料層であってもよく、多孔質材料層と非多孔質材料層との積層体であってもよい。或いは、支持材料１２は、光触媒粒子１１間に介在して、それら粒子１１同士を一体化するバインダであってもよい。支持材料１２の材料としては、例えば、ポリスチレン樹脂、フェノール樹脂、アミノプラスト樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、アクリル化イソソイアヌレート樹脂、アクリル化ウレタン樹脂、アクリル化エポキシ樹脂、グルー、及びこれらの混合物などを挙げることができる。
【００１３】
支持材料１２が多孔質材料層を含んでいる場合、その多孔質材料層は、連続気泡構造を有していてもよく、或いは、独立気泡構造を有していてもよい。連続気泡構造の多孔質材料層としては、例えば、複数本の繊維とそれら繊維同士を結合するバインダとの複合体を挙げることができる。また、独立気泡構造の多孔質材料層としては、例えば、化学発泡プラスチックや機械発泡プラスチックのような発泡体を含有した層を挙げることができる。
【００１４】
支持材料１２として連続気泡構造の多孔質材料層を備えた研磨パッド或いは研磨布のような研磨部材１０は、例えば、光触媒粒子１１と樹脂と必要に応じて溶媒とを含有した分散液を不織布のような繊維の集合体に含浸させ、溶媒を除去及び／または樹脂を硬化させることなどにより得られる。また、支持材料１２として独立気泡構造の多孔質材料層を備えた研磨パッド或いは研磨布のような研磨部材１０は、例えば、支持材料１２の材料と光触媒粒子１１との混合物を発泡成形することなどにより得られる。
【００１５】
支持材料１２として非多孔質材料層を備えた研磨パッド或いは研磨布のような研磨部材１０は、例えば、光触媒粒子１１と樹脂と必要に応じて溶媒とを含有した混合物を注型することなどにより得られる。また、支持材料１２としてバインダを備えるとともにこのバインダで光触媒粒子１１同士を一体化してなる砥石のような研磨部材１０は、例えば、光触媒粒子１１及び樹脂のようなバインダを含有した混合物を圧縮成形することなどにより得られる。
【００１６】
さて、本実施形態に係る研磨部材１０は、上記の通り、所定の波長の光を照射することにより光触媒作用を呈する光触媒粒子１１を含有している。そのため、研磨部材１０の研磨面に上記光を照射することにより、その研磨面を親水性にすることができる。したがって、ＣＭＰ処理に伴って発生する疎水性の加工屑を、研磨部材１０の研磨面と被研磨基板の被研磨面との間から速やかに排出させることができ、それゆえ、スクラッチの発生を抑制することができる。
【００１７】
また、研磨部材１０の研磨面に上記光を照射すると、疎水性の加工屑は研磨部材１０の研磨面に付着し難くなるので、研磨部材１０の目詰まりも生じ難くなる。したがって、ドレッシングを頻繁に行う必要がなくなる。
【００１８】
さらに、光照射を停止すれば、研磨部材１０の研磨面を疎水性にすることができる。したがって、研磨部材１０の研磨面に親水性の加工屑や反応生成物などが付着したとしても、それらを容易に除去することができる。
【００１９】
このように、本実施形態に係る研磨部材１０によれば、研磨面の親水性／疎水性を光照射により切り替えることができる。しかも、この研磨部材１０を用いると、図２を参照して以下に説明する方法により平坦化処理を行うことができる。
【００２０】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る平坦化処理を概略的に示す斜視図である。図２にはＣＭＰ装置の主要部が描かれており、このＣＭＰ装置１００は、被研磨基板２０を着脱可能に支持するヘッド（或いはキャリア）３０と、研磨部材１０を着脱可能に支持するターンテーブル４０と、ヘッド３０及びターンテーブル４０を矢印で示す方向に回転させる駆動機構と、研磨部材１０上に流体６０を吐出する流体供給機構の一部としてのノズル５０と、研磨部材１０に光を照射する図示しない光源とを備えている。
【００２１】
このＣＭＰ装置１００を用いた平坦化処理では、ノズル５０から研磨部材１０の中心部に向けて流体６０を吐出するとともに研磨部材１０に向けて光を照射しながら、ヘッド３０及びテーブル４０をそれぞれ矢印に示す方向に回転させる。研磨部材１０上の流体６０は、遠心力により、研磨部材１０の中心部から周縁部に向けて移動する。ヘッド３０は研磨部材１０の中心部と周縁部との間の部分に対向しており、したがって、研磨部材１０と被研磨基板２０との間に流体６０が供給される。このように、研磨部材１０と被研磨基板２０との間に流体６０を介在させた状態で被研磨基板２０の被研磨面を研磨部材１０の研磨面で研磨する。
【００２２】
ところで、先に説明したように、研磨部材１０は光触媒粒子１１を含んでいる。これら光触媒粒子１１は研磨粒子としても利用可能である。そのため、ノズル５０から研磨部材１０上に吐出する流体６０は、研磨粒子を含有したスラリーであってもよく、或いは、研磨粒子を含有していない液体であってもよい。
【００２３】
また、上述のように、光触媒粒子１１の酸化力及び／または還元力は光照射により変化する。そのため、光触媒粒子１１を、例えば酸化剤として利用することができる。すなわち、ノズル５０から研磨部材１０上に吐出する流体６０は、酸化剤を含有していてもよく、或いは、酸化剤を含有していなくてもよい。
【００２４】
したがって、本実施形態によると、ノズル５０から研磨部材１０上に吐出する流体６０として、研磨粒子も酸化剤も含有していない液体を使用することができる。以下、そのような液体を使用した平坦化処理の一例について説明する。
【００２５】
（実施例１）
図３（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の実施例１に係る半導体装置の製造方法を概略的に示す断面図である。なお、図３（ａ）乃至（ｄ）は、上下を逆に描いている。
【００２６】
本例では、まず、半導体基板２１上に層間絶縁膜２２を形成し、続いて、層間絶縁膜２２にドライエッチングなどを利用して溝を形成する。次に、層間絶縁膜２２上にＴａＮ層のようなバリア層２３を形成し、その後、バリア層２３上に導電膜２４，例えば銅のような金属を主成分とした金属膜，を成膜して、溝を金属膜２４で埋め込む。以上のようにして、図３（ａ）に示すように、被研磨部として金属膜２４及びバリア層２３を備えた被研磨基板２０を得る。ここでは、半導体基板２１としてシリコンウエハを使用し、層間絶縁膜２２としてシリコン酸化膜を形成した。また、金属膜２４として銅層を形成した。
【００２７】
次に、図２に示すＣＭＰ装置１００を用いて、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように金属膜２４を研磨し、続いて、バリア層２３を研磨する。すなわち、ノズル５０から研磨部材１０上に流体６０を吐出するとともに研磨部材１０に向けて光を照射しながら、ヘッド３０及びテーブル４０をそれぞれ回転させる。
【００２８】
ここでは、研磨部材１０の光触媒粒子（研磨粒子）１１として一次粒子径が５ｎｍ乃至２０ｎｍの範囲内で分布しており且つアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン粒子を使用し、支持材料１２としてはポリスチレンを使用し、研磨部材１０中の研磨粒子１１の濃度は３０体積％程度とした。流体６０としては、純水及びｐＨ調整剤である硝酸のみを含有したｐＨ３の溶液を使用した。平坦化処理に際しては、５００Ｗの水銀灯を点灯し続け、荷重を約２．９Ｎ／ｍ２（３００ｇｆ／ｃｍ２）、ヘッド３０の回転数を約１００ｒｐｍ、ターンテーブル４０の回転数を約１００ｒｐｍ、流体供給量を２００ｃｃ／ｍｉｎとした。
【００２９】
酸化チタン粒子のように研磨粒子１１が光照射によりその酸化力を高めるものである場合、金属層２４の研磨粒子１１と接触している部分やその近くに位置した部分は酸化されて変質層２５を生じる。ここでは、変質層２５として脆弱なＣｕＯｘ層を生じる。ＣｕＯｘは銅よりも研磨し易いため、生成した変質層２５は研磨粒子１１により速やかに除去される。
【００３０】
このような方法により、層間絶縁膜２２の上面が露出するまで金属膜２４及びバリア層２３を研磨する。以上のようにして、図３（ｄ）に示す構造を得る。
【００３１】
（比較例１）
研磨部材１０として研磨粒子を含有していない研磨パッドを使用するとともに、流体６０として光触媒作用を発揮しない研磨粒子と酸化剤などを含む溶液とを含有したスラリーを使用したこと以外は、実施例１で説明したのと同様の方法により図３（ａ）に示す構造に対してＣＭＰ処理を行った。すなわち、本例では、研磨パッド１０として、ロデール社製のＩＣ１０００を使用した。また、流体６０としては、純水と、研磨粒子であるアルミナ粒子と、酸化剤である過硫酸アンモニウムと、添加剤であるキナルジン酸とを含有したスラリーを使用した。なお、ＣＭＰ処理の際、研磨パッド１０への光照射は行わなかった。
【００３２】
（比較例２）
研磨部材１０として光触媒作用を発揮しない研磨粒子を含有した研磨パッドを使用するとともに、流体６０として酸化剤などを含有した溶液を使用したこと以外は、実施例１で説明したのとほぼ同様の方法により図３（ａ）に示す構造に対してＣＭＰ処理を行った。すなわち、本例では、研磨粒子としてアルミナ粒子を含有した研磨パッド１０を使用した。また、流体６０としては、純水と、酸化剤である過硫酸アンモニウムと、添加剤であるキナルジン酸とを含有した溶液を使用した。なお、ＣＭＰ処理の際、研磨パッド１０への光照射は行わなかった。
【００３３】
（比較例３）
研磨部材１０として研磨粒子を含有していない研磨パッドを使用するとともに、流体６０として光触媒作用を発揮する研磨粒子を含有したスラリーを使用したこと以外は、実施例１で説明したのとほぼ同様の方法により図３（ａ）に示す構造に対してＣＭＰ処理を行った。すなわち、本例では、研磨パッド１０として、ロデール社製のＩＣ１０００を使用した。また、流体６０としては、純水とｐＨ調整剤と酸化チタン粒子とを含有したスラリーを使用した。なお、ＣＭＰ処理の際、実施例１と同様の条件で研磨パッド１０に対して光照射を行った。
【００３４】
次に、実施例１及び比較例１乃至比較例３のプロセスにより得られた構造を調べた。その結果を、使用した研磨部材及び流体の種類や研磨速度とともに以下の表に示す。なお、下記表の「メタル残り」は、図４（ａ）に示すように、層間絶縁膜２２の上面よりも上方に位置した金属層２４の島状残留部を意味している。また、上記表の「ディッシング＋エロージョン」は、図４（ｂ）に示すように、ディッシング及び／またはエロージョンを生じた配線２４の上面と層間絶縁膜２２の上面との間の最長距離を示している。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
上記表に示すように、実施例１では、比較例１乃至３に比べ、著しく高い研磨速度を実現することができた。加えて、実施例１では、比較例１乃至３に対し、ディッシング、エロージョン、スクラッチ、及びメタル残りの発生を顕著に抑制することができた。
【００３７】
実施例１と比較例１乃至３との間でこのような違いが生じたのは以下の理由によるものと考えられる。
【００３８】
図５（ａ）及び（ｂ）は、比較例１に係るＣＭＰ処理を概略的に示す断面図である。図６（ａ）及び（ｂ）は、比較例２に係るＣＭＰ処理を概略的に示す断面図である。図７（ａ）及び（ｂ）は、比較例３に係るＣＭＰ処理を概略的に示す断面図である。
【００３９】
比較例１に係るＣＭＰ処理では、上記の通り、流体６０として、光触媒作用を発揮しない研磨粒子６１と酸化剤などを含む分散媒６２とを含有したスラリーを使用した。そのため、図５（ａ）に示すように、酸化剤を含む分散媒６２と接触した金属膜２４の表面には、銅の錯体を含んだ変質層２６が形成される。このような変質層２６は、ＣｕＯｘからなる変質層２５に比べて除去し難い。したがって、比較例１に係るＣＭＰ処理によると、実施例１に係るＣＭＰ処理ほど、高い研磨速度は実現できない。
【００４０】
また、比較例１に係るＣＭＰ処理では、図５（ａ）に示すように、変質層２６は、金属膜２４の凸部上面だけでなく凹部底面にも形成される。これに対し、実施例１に係るＣＭＰ処理では、研磨粒子１１を酸化剤として利用するため、変質層２５は、金属膜２４の凹部底面などには殆ど形成されず、実質的に凸部上面のみに形成される。そのため、比較例１に係るＣＭＰ処理によると、実施例１に係るＣＭＰ処理に比べ、図５（ｂ）に示すようなディッシングやエロージョンを生じ易い。
【００４１】
さらに、比較例１に係るＣＭＰ処理では、研磨面が疎水性の研磨パッド１０を使用している。そのため、図５（ｂ）に示すように、疎水性の加工屑２７は、研磨パッド１０と被研磨基板２０との間から速やかに排出されず、その結果、被研磨基板２０の被研磨面にスクラッチを生じさせる。他方、実施例１に係るＣＭＰ処理では、光照射により研磨部材１０の研磨面を親水性にするため、疎水性の加工屑２７は、研磨部材１０と被研磨基板２０との間から速やかに排出される。このような理由から、比較例１に係るＣＭＰ処理によると、実施例１に係るＣＭＰ処理に比べて遥かに多くのスクラッチを生ずる。
【００４２】
比較例２に係るＣＭＰ処理では、上記の通り、流体６０として酸化剤などを含む溶液を使用した。そのため、図６（ａ）に示すように、酸化剤を含む溶液６０と接触した金属膜２４の表面には銅の錯体を含んだ変質層２６が形成される。したがって、比較例１に係るＣＭＰ処理と同様に、比較例２に係るＣＭＰ処理でも、実施例１に係るＣＭＰ処理ほど高い研磨速度は実現できず、また、図６（ｂ）に示すようなディッシングやエロージョンを生じ易い。さらに、比較例２に係るＣＭＰ処理では、研磨面が疎水性の研磨パッド１０を使用しているため、比較例１で説明したのと同様の理由により、図６（ｂ）に示すようなスクラッチを生じ易い。
【００４３】
なお、比較例２のＣＭＰ処理によると、比較例１のＣＭＰ処理に比べて、研磨速度がより高く且つディッシングやエロージョンの発生が抑制されている。これは、比較例２では、研磨粒子６１を流体６０中で浮遊させずに研磨パッド１０に固定したため，すなわち固定砥粒研磨を行ったためである。
【００４４】
比較例３に係るＣＭＰ処理では、研磨粒子１１を酸化剤として使用する。研磨粒子１１が金属膜２４の表面を酸化することによって生じる変質層２５は、実施例１に係るＣＭＰ処理と同様に、脆弱なＣｕＯｘ層である。そのため、比較例３に係るＣＭＰ処理によると、比較例１及び２と比べれば、より高い研磨速度を実現することができる。しかしながら、比較例３に係るＣＭＰ処理では、研磨粒子１１は流体６０中で浮遊しているため、図７（ａ）に示すように、研磨粒子１１が被研磨面の凹部内に入り込んでしまう。そのため、パターン密度が高い部分では、凸部の上面に研磨粒子１１を接触させ難くなり、実施例１に係るＣＭＰ処理ほどの高い研磨速度を実現することができない。
【００４５】
また、比較例３に係るＣＭＰ処理では、変質層２５は、主として金属膜２４の凸部上面に形成されるものの、研磨粒子１１は流体６０中で浮遊しているため、凹部底面などにも形成され得る。そのため、比較例３に係るＣＭＰ処理によると、ディッシングやエロージョンは、比較例１及び２に係るＣＭＰ処理に比べれば抑制することができるが、実施例１に係るＣＭＰ処理ほどは抑制することはできない。
【００４６】
さらに、比較例３に係るＣＭＰ処理では、研磨面が疎水性の研磨パッド１０を使用しているため、比較例１で説明したのと同様の理由によりスクラッチを生じ易い。但し、上記の通り、比較例３に係るＣＭＰ処理では、変質層２５として脆弱なＣｕＯｘ層を生じるため、加工屑２７の組成は比較例１及び２に係るＣＭＰ処理で生じる加工屑２７の組成とは異なり得る。このような理由から、比較例３に係るＣＭＰ処理では、比較例１及び２に係るＣＭＰ処理に比べ、スクラッチ数は幾分低減されているものと推定される。
【００４７】
また、比較例３に係るＣＭＰ処理では、研磨粒子１１は流体６０中で浮遊しているため、図７（ｂ）に示すように、被研磨面上で研磨粒子１１は不均一に分布し易い。研磨粒子１１による被研磨面の酸化は、主として研磨粒子１１と接触している領域で進行するため、変質層２５は、研磨粒子１１が低密度に分布している領域では高密度に分布している領域に比べて生成し難い。すなわち、研磨速度のばらつきを生じ易い。そのため、比較例３に係るＣＭＰ処理では、図４（ａ）に示すようなメタル残りの発生頻度が高い。
【００４８】
次に、パターン密度が研磨速度に与える影響について詳細に調べた。その結果を図８に示す。
【００４９】
図８は、上記実施例１及び比較例１乃至３に係るＣＭＰ処理で得られたパターン密度と研磨速度との関係を示すグラフである。図中、横軸はパターン密度を示し、縦軸は研磨速度を示している。図８に示すように、比較例１及び２に係るＣＭＰ処理では、研磨速度のパターン密度依存性は殆どないが、何れも研磨速度は低かった。また、比較例３に係るＣＭＰ処理では、パターン密度が低い場合には比較例１及び２に係るＣＭＰ処理に比べてより高い研磨速度が得られているが、パターン密度が高くなると研磨速度は著しく低下した。これに対し、実施例１に係るＣＭＰ処理では、研磨速度のパターン密度依存性は殆どなく、しかも、高い研磨速度が得られた。
【００５０】
また、研磨面の親水性とスクラッチ密度との関係について、より詳細に調べた。すなわち、研磨パッド１０中の研磨粒子１１の濃度を変化させて実施例１に係るＣＭＰ処理を行うとともに、研磨面の親水性を接触角計を用いて水との接触角を測定することにより調べた。その結果を図９に示す。
【００５１】
図９は、研磨面の親水性とスクラッチ密度との関係を示すグラフである。図中、横軸は研磨パッド１０中の研磨粒子１１の濃度を示し、縦軸は、研磨面の親水性の度合及び金属膜２４の表面に生じたスクラッチの密度を示している。図９に示すように、研磨粒子１１の濃度と研磨面の親水性とスクラッチ密度とは密接に関係している。特に、研磨粒子１１の濃度を１０体積％以上とした場合、スクラッチの発生をほぼ完全に防止することができる。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態によると、通常は疎水性である研磨面を光照射により親水性にすることができる。そのため、スクラッチの発生を抑制することや、研磨部材１０の目詰まりを生じ難くすることが可能となる。また、光照射を停止すれば、研磨部材１０の研磨面を疎水性にすることができるので、研磨部材１０の研磨面に親水性の加工屑や反応生成物などが付着したとしても、それらを容易に除去することができる。
【００５３】
さらに、本実施形態によると、上述のように、流体６０として、研磨粒子も酸化剤も含有していない液体，例えば水または水と硝酸や塩酸などのｐＨ調整剤との混合物から実質的になる流体，を使用することができる。そのような流体６０は極めて安価である。しかも、流体６０を用いてＣＭＰ処理を行った場合、それに伴って生じる廃液は、研磨粒子や酸化剤などを含有していないため、容易に廃棄可能である。また、本実施形態によると、光触媒粒子１１を固定砥粒として利用した場合には、研磨粒子の消費量も低く抑えることができる。したがって、本実施形態によると、ＣＭＰ処理に関連したコストを低減することが可能となる。なお、流体６０が「水または水とｐＨ調整剤との混合物から実質的になる」ことは、流体６０が水または水とｐＨ調整剤との混合物だけでなく不可避的な不純物を含有し得ることを意味している。
【００５４】
本実施形態において、研磨部材１０が研磨粒子として光触媒粒子１１のみを含有し且つ流体６０が酸化剤及び研磨粒子を含有していない場合、光触媒粒子１１の粒子径は、５ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲内で分布していることが好ましく、５ｎｍ乃至２０ｎｍの範囲内で分布していることがより好ましい。光触媒粒子１１の粒子径が過剰に小さい場合、機械的研磨力が低下して、高い研磨速度を実現することが困難となることがある。一方、光触媒粒子１１の粒子径が過剰に大きい場合、光触媒粒子１１の内部に生じた正孔が表面に到達するまでの間に電子と再結合する確率が高くなる。そのため、光照射により親水性が高まる効果や酸化力が強まる効果が低くなる。
【００５５】
また、研磨部材１０が研磨粒子として光触媒粒子１１のみを含有し且つ流体６０が酸化剤及び研磨粒子を含有していない場合、研磨部材１０中の光触媒粒子１１の濃度は、１０体積％乃至９０体積％の範囲内に設定することが好ましい。光触媒粒子１１の濃度が１０体積％未満である場合、高い研磨速度を得ることが難しく、また、光照射により親水性が高まる効果が低いためスクラッチの発生を十分に抑制することが困難となることがある。また、光触媒粒子１１の濃度が９０体積％を超えると、研磨部材１０の硬度が過度に高くなり、スクラッチの原因となるおそれがある。
【００５６】
光触媒粒子１１を酸化剤として利用する場合、流体６０のｐＨは１．５乃至７の範囲内にあることが好ましく、２乃至４の範囲内にあることがより好ましい。流体６０のｐＨが７よりも高いと、変質層２５として機械的に除去し難いＣｕ（ＯＨ）ｘ膜が生成し、高い研磨速度を実現することが難しい。また、流体６０のｐＨが過剰に低いと、メタルエッチングが支配的になる。
【００５７】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態は、上記の光触媒粒子１１に、白金、ニッケル、銅、銀、金、及びニオブからなる群より選択される少なくとも１種の金属元素を担持させること以外は第１の実施形態とほぼ同様である。そのような元素を第１の実施形態で説明した光触媒粒子１１に担持させると、光触媒粒子１１への光照射によって生じた正孔の寿命が長くなる。以下、光触媒粒子１１が酸化チタン粒子である場合を例に説明する。
【００５８】
酸化チタンにバンドギャップ以上のエネルギーを有する光を照射すると、電子と正孔とが光励起される。このようにして生じた正孔が、酸化チタン粒子の親水性や酸化力を高める役割を果たす。しかしながら、これら電子と正孔とは再結合し易い。そのため、酸化チタン粒子の親水性や酸化力は、正孔の寿命によって制限されている。
【００５９】
酸化チタン粒子に上記の金属元素，例えば白金，を担持させると、光照射によって生じた電子は、白金上で以下の反応式に示す還元反応に供される。
２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２
そのため、電子と正孔とが再結合する確率を低下させることができる。したがって、光照射により酸化チタン粒子の親水性や酸化力が高まる効果が大きくなり、スクラッチの発生をより効果的に抑制することや、より高い研磨速度を実現することが可能となる。
【００６０】
本実施形態において、光触媒粒子１１の表面の上記の金属元素による被覆率は、５％乃至９０％の範囲内にあることが好ましく、１０％乃至６０％の範囲内にあることがより好ましい。上記被覆率が過剰に低いと、光触媒粒子１１に金属元素を担持させることにより生ずる効果が顕著には現われないことが多い。また、上記被覆率が過剰に高いと、光触媒粒子１１の受光面積が低下するなどの理由から、光触媒粒子１１の光触媒作用が妨げられることがある。
【００６１】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態は、光触媒粒子１１として、酸化チタンに窒素をドーピングしてなるＴｉＯＮ粒子または酸化チタンに硫黄をドーピングしてなるＴｉＯＳ粒子を使用すること以外は第１の実施形態とほぼ同様である。酸化チタンに窒素及び／または硫黄をドーピングすると、酸化チタンの価電子帯と伝導帯との間に新たなエネルギー準位が生じる。そのため、酸化チタンに比べて実効的なバンドギャップが小さくなり、より低いエネルギーの光，すなわち、より波長が長い光，を照射することで、光触媒作用を十分に発現させることができる。すなわち、光触媒粒子１１として酸化チタン粒子を用いた場合には光触媒作用を十分に発現させるために紫外光を照射する必要があったのに対し、光触媒粒子１１としてＴｉＯＮ粒子などを用いた場合には可視光を照射することでも光触媒作用を十分に発現させることができる。したがって、本実施形態によると、人体に有害な紫外光を使用することなく、第１の実施形態で説明したＣＭＰ処理を実施することが可能となる。
【００６２】
酸化チタンに窒素及び／または硫黄をドーピングしてなる光触媒粒子１１は、例えば、各種微粒子製造法、ゾル・ゲル法、化学反応法などにより製造することができる。
【００６３】
本実施形態において、酸化チタン中の窒素及び／または硫黄の濃度は、１０原子％以下であることが好ましく、２原子％以下であることがより好ましい。窒素及び／または硫黄の濃度が過剰に高いと、光触媒粒子１１の光触媒としての能力が低下することがある。また、本実施形態において、酸化チタン中の窒素及び／または硫黄の濃度は、０．０５原子％以上であることが好ましく、０．１原子％以上であることがより好ましい。窒素及び／または硫黄の濃度が低いと、可視光を照射することにより十分な光触媒作用を発現させることが困難となることがある。
【００６４】
上述した第２の実施形態に係る技術と第３の実施形態に係る技術とは互いに組み合わせることができる。そのような組み合わせによると、先に説明した効果が増幅される。以下、第２の実施形態に係る技術の例、第３の実施形態に係る技術の例、それら技術の組み合わせの例について説明する。
【００６５】
（実施例２）
光触媒粒子１１として白金を担持した酸化チタン粒子を使用したこと以外は実施例１で説明したのと同様の方法により、図３（ａ）乃至（ｄ）を参照して説明したプロセスを実施した。ここでは、それら光触媒粒子１１の表面の白金による被覆率は約３０％とした。
【００６６】
次に、上記の白金を担持した光触媒粒子１１を使用するとともに、研磨部材１０に向けて可視光を照射しながらＣＭＰ処理を行ったこと以外は実施例１で説明したのと同様の方法により、図３（ａ）乃至（ｄ）を参照して説明したプロセスを実施した。ここでは、その可視光の光源として、蛍光灯を利用した。
【００６７】
（実施例３）
光触媒粒子１１として窒素をドープした酸化チタン粒子を使用したこと以外は実施例１で説明したのと同様の方法により、図３（ａ）乃至（ｄ）を参照して説明したプロセスを実施した。ここでは、光触媒粒子１１中の窒素濃度は約０．５原子％とした。
【００６８】
次に、上記の窒素をドープした光触媒粒子１１を使用するとともに、研磨部材１０に向けて可視光を照射しながらＣＭＰ処理を行ったこと以外は実施例１で説明したのと同様の方法により、図３（ａ）乃至（ｄ）を参照して説明したプロセスを実施した。なお、可視光の光源としては、実施例２で使用したのと同様のものを利用した。
【００６９】
（実施例４）
光触媒粒子１１として窒素をドープし且つ白金を担持した酸化チタン粒子を使用したこと以外は実施例１で説明したのと同様の方法により、図３（ａ）乃至（ｄ）を参照して説明したプロセスを実施した。ここでは、光触媒粒子１１中の窒素濃度は約０．５原子％とし、光触媒粒子１１の表面の白金による被覆率は約３０％とした。
【００７０】
次に、上記の窒素をドープし且つ白金を担持した光触媒粒子１１を使用するとともに、研磨部材１０に向けて可視光を照射しながらＣＭＰ処理を行ったこと以外は実施例１で説明したのと同様の方法により、図３（ａ）乃至（ｄ）を参照して説明したプロセスを実施した。なお、可視光の光源としては、実施例２で使用したのと同様のものを利用した。
【００７１】
図１０は、本発明の実施例１乃至４に係るＣＭＰ処理の研磨速度を示すグラフである。図１０に示すように、照射光として紫外光を利用した場合、実施例２及び３によると実施例１に比べてより高い研磨速度を実現することができ、実施例４では最も高い研磨速度を実現することができた。また、照射光として可視光を利用した場合においても、実施例２及び３によると実施例１に比べてより高い研磨速度を実現することができ、実施例４では最も高い研磨速度を実現することができた。
【００７２】
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は、無機粒子をさらに含有した研磨部材１０を使用すること以外は第１の実施形態と同様である。
【００７３】
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る研磨部材を概略的に示す断面図である。図４に示す研磨部材１０は、光触媒粒子１１と支持材料１２と無機粒子１３とを備えている。これら無機粒子１３は、アルミナ、シリカ、セリア、カーボン、二酸化マンガン、及びそれらの混合物などのように光照射により光触媒作用を発現しない材料を含有した粒子である。これら無機粒子１３は、研磨部材１０の機械的研磨力を高める役割を果たす。
【００７４】
本実施形態において、無機粒子１３の平均粒径は２０ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲内にあることが好ましい。無機粒子１３の粒径が過剰に小さいと、研磨部材１０の機械的研磨力を十分に高めることが困難となることがある。また、無機粒子１３の粒径が過剰に大きいと、スクラッチの発生を招くおそれが生じる。一方、光触媒粒子１１については、光照射により生じた正孔が表面に到達する確率を高め、ひいては、その親水性や酸化力を十分に発揮させる観点から、粒子径は１００ｎｍ以下であることが好ましいが、その下限は特に限定されない。
【００７５】
また、研磨部材１０中の無機粒子１３の濃度は、研磨部材１０の機械的研磨力を十分に高めるうえで、５体積％以上であることが好ましい。一方、光触媒粒子１１の濃度は、光照射により親水性を高める効果や酸化力を強める効果を十分に発揮させ、高い研磨速度とスクラッチ発生の抑制を実現する観点から、１０体積％い状とすることが好ましい。さらに、研磨部材１０中の光触媒粒子１１の濃度と無機粒子１３の濃度との和は、９０体積％以下とすることが好ましい。これは、この和が９０体積％を超えると、研磨部材１０の硬度が過度に高くなり、スクラッチの原因となるおそれが生じるからである。
【００７６】
なお、例えば、酸化チタン粒子とシリカ粒子とを含有したスラリーでは、それら粒子の凝集を生じ易い。これは、酸化チタンとシリカとが互いに異なる電荷を保持しているためである。そのため、光触媒粒子１１及び無機粒子１３の双方を研磨部材１０中に含有させるのではなく流体６０中に含有させた場合、それら粒子１１，１３の凝集を生じて光触媒粒子１１の触媒活性が低下し、その結果、研磨速度が著しく低下することがある。例えば、研磨粒子として酸化チタン粒子とシリカ粒子とを含有したスラリーを使用した場合、研磨粒子として酸化チタン粒子のみを含有したスラリーを使用した場合に対し、研磨速度は１／１０程度にまで低下することがある。
【００７７】
これに対し、本実施形態では、光触媒粒子１１及び無機粒子１３の双方を研磨部材１０中に含有させるため、流体６０中で上述した凝集を生じることはない。そのため、本実施形態によると、第１の態様で説明したのと同様の効果が得られるのに加え、第１の実施形態に比べてより高い研磨速度を実現することができる。以下、光触媒粒子１１及び無機粒子１３の双方を研磨部材１０中に含有させた例について説明する。
【００７８】
（実施例５）
無機粒子１３として平均粒径が２０ｎｍ程度のアルミナ粒子をさらに含有した研磨部材１０を使用したこと以外は実施例１で説明したのと同様の方法により、図３（ａ）乃至（ｄ）を参照して説明したプロセスを実施した。ここでは、研磨部材１０中の無機粒子１３の含量は約１０体積％とした。
【００７９】
（実施例６）
無機粒子１３として平均粒径が２０ｎｍ程度のシリカ粒子をさらに含有した研磨部材１０を使用したこと以外は実施例１で説明したのと同様の方法により、図３（ａ）乃至（ｄ）を参照して説明したプロセスを実施した。ここでは、研磨部材１０中の無機粒子１３の含量は約１０体積％とした。
【００８０】
図１２は、本発明の実施例１，５及び６に係るＣＭＰ処理の研磨速度を示すグラフである。図１２に示すように、実施例５及び６によると実施例１に比べてより高い研磨速度を実現することができた。
【００８１】
以上説明した第１乃至第４の実施形態に係る技術は、互いに組み合わせることができる。例えば、上述したように、第２の実施形態に係る技術と第３の実施形態に係る技術とを組み合わせてもよい。また、第４の実施形態に係る技術と第２及び／または第３の実施形態に係る技術とを組み合わせてもよい。
【００８２】
また、第１乃至第４の実施形態では、図３（ａ）乃至（ｄ）に示すプロセスにより埋め込み配線を形成したが、同様のプロセスにより、プラグを形成することや配線とプラグとを同時に形成することが可能である。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、研磨部材に光触媒粒子を含有させる。そのような研磨部材に光を照射すると、その研磨面は光触媒粒子の光触媒作用によって親水性となる。そのため、疎水性の加工屑は研磨面に付着し難い。また、光照射を停止することにより研磨面を疎水性とすることができるため、研磨面に親水性の加工屑や反応生成物などが付着したとしても、それらを容易に除去することができる。
すなわち、本発明によると、加工屑が付着し難い研磨部材及びそのような研磨部材を用いて平坦化処理を行う半導体装置の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る研磨部材を概略的に示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る平坦化処理を概略的に示す斜視図。
【図３】（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の実施例１に係る半導体装置の製造方法を概略的に示す断面図。
【図４】（ａ）は島状残留部を示す断面図、（ｂ）はディッシング及び／またはエロージョンを示す断面図。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、比較例１に係るＣＭＰ処理を概略的に示す断面図。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、比較例２に係るＣＭＰ処理を概略的に示す断面図。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、比較例３に係るＣＭＰ処理を概略的に示す断面図。
【図８】実施例１及び比較例１乃至３に係るＣＭＰ処理で得られたパターン密度と研磨速度との関係を示すグラフ。
【図９】研磨面の親水性とスクラッチ密度との関係を示すグラフ。
【図１０】本発明の実施例１乃至４に係るＣＭＰ処理の研磨速度を示すグラフ。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る研磨部材を概略的に示す断面図。
【図１２】本発明の実施例１，５及び６に係るＣＭＰ処理の研磨速度を示すグラフ。
【符号の説明】
１０…研磨部材
１１…光触媒粒子
１２…支持材料
１３…無機粒子
２０…被研磨基板
２１…半導体基板
２２…層間絶縁膜
２３…バリア層
２４…金属膜
２５…変質層
２６…変質層
２７…加工屑
３０…ヘッド
４０…ターンテーブル
５０…ノズル
６０…流体
６１…研磨粒子
６２…分散媒
１００…ＣＭＰ装置
【図１】
2004055615.tif 000004
【図２】
2004055615.tif 000005
【図３】
2004055615.tif 000006
【図４】
2004055615.tif 000007
【図５】
2004055615.tif 000008
【図６】
2004055615.tif 000009
【図７】
2004055615.tif 000010
【図８】
2004055615.tif 000011
【図９】
2004055615.tif 000012
【図１０】
2004055615.tif 000013
【図１１】
2004055615.tif 000014
【図１２】
2004055615.tif 000015