(57)【要約】【課題】  ディッシング問題が生じず、物質除去率にばらつきのないＣＭＰプロセスを提供する。【解決手段】  本発明は、研磨緩衝材、および、基板表面を湿式化学研削するプロセスに関するものである。上記研磨緩衝材は、規定の水溶性を有するポリマー媒質からなり、規定の水溶性は、ポリマーにおける非極性または極性の反復ユニットにより実現される。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
反復ユニットを備えるポリマーを有し、水溶性が０．０３〜３ｇ／ｌである少なくとも１つのポリマー媒質を備えており、
上記ポリマー媒質には研磨粒子が埋設されている、基板表面を湿式化学研削するための研磨緩衝材。
【請求項２】
上記反復ユニットを備えるポリマーは、有機および／または無機ポリマーである、請求項１に記載の研磨緩衝材。
【請求項３】
上記ポリマー媒質の水溶性は、上記反復ユニットの親水性によって決定される、請求項１または２に記載の研磨緩衝材。
【請求項４】
上記反復ユニットの親水性は、反復ユニットに付着している極性基または非極性基によって決定される、請求項３に記載の研磨緩衝材。
【請求項５】
上記ポリマー媒質の水溶性は、反復ユニットの分布によって決定される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の研磨緩衝材。
【請求項６】
上記反復ユニットは、非極性または極性モノマーユニットから生成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の研磨緩衝材。
【請求項７】
上記非極性モノマーユニットはスチレンであり、上記極性モノマーユニットはビニルピロリドンである、請求項６に記載の研磨緩衝材。
【請求項８】
上記研磨粒子は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、および、酸化セリウムからなる群から選択される１つ以上の酸化物を含んでいる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の研磨緩衝材。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の研磨緩衝材を有する、ウエハー表面を化学機械研磨する装置。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の研磨緩衝材を使用する、基板表面を湿式化学研削する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面、特に、所定の水溶性（water-solubility）のポリマー媒質（ポリマーマトリックス、polymer matrix）を有する半導体ウエハーの表面の研磨緩衝材（abrasive cushion）および研磨機械加工プロセス（方法）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表面の研磨機械加工プロセスは、例えば、電子メモリー素子の製造において広く普及している。この種の素子は、通常、異なる物質の層に構成されている。例えば、エッチング、スパッタリング、または、酸化物析出工程を含む構成（build-up）工程またはパターン化工程の後に、大抵の場合、平坦化工程を行う必要がある。なぜなら、一般的に、層構造は、高精度の表面が必要であるという条件を満たさなかったり、あるいは、たとえ実際の目的が平坦な表面を生成することである場合でも、より低い層にある配線面の地形（幾何学的形状）を再生してしまったりする。化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing；ＣＭＰ）は、平坦化のために広く用いられている。
【０００３】
ＣＭＰの場合、高い層にある表面領域は、液状の化学薬品と表面上を移動する研磨体（例えば、自由に移動できる、または、研磨布に固定されている磨き粉（polishing grains）との相互作用によって、できる限り地形（幾何学的形状、topography）に基づいて選択的に（topography-selective）、正確に除去される。例えば、物質の除去が表面全体に均一に行われるように、大抵、他の物質を平坦化の後に取り除く必要がある。いくつかの用途では、物質を特定して除去することも望ましい。その場合、ＣＭＰ工程により露出された下部層の高領域と、一番上にある平坦化された層とを区別する。ＣＭＰ方法は、物質をさらに除去するための２つの方法にあまり適していない。ＣＭＰプロセスは、地形（幾何学的形状）についての選択度（topography-selective）が高いので、平坦化工程に非常に適している。しかし、このプロセスは、大抵、既に平坦化されている表面から、物質を広範囲にわたり均一に除去するには非効率的である。特に、物質を限定して除去する場合、不利でさえある。なぜなら、少なくともＣＭＰの機械的部品は、処理した全ての表面物質を研磨するからである。したがって、どちらの場合にも、純粋な化学エッチング工程が推奨される。なお、この純粋な化学エッチング工程とは、例えば、機械加工される表面を適切な液体化合物に曝すエッチバックとして知られている技術などのことである。
【０００４】
電子チップを連続的に製造する場合、特に、ＣＭＰステップは、一般的に、バッチごとに行われる。すなわち、複数のウエハーが同時に機械加工される。従って、時間が大幅に短縮され、その結果、経費が削減される。適切な多重室（multichamber）および多重ヘッド（multihead）設備がますます使用されている。最近の設備は、異なるヘッドの間または室の間の物質除去率の変動が極めて少ないように設計されている。しかし、この変動は、例えば、溝エッチングや酸化物析出などの先行して行われる機械加工工程の変動と共に累計されて大規模なものとなる。この大規模な変動は、チップの構造がより精細になることにより将来必要となる許容範囲を満たさなくなる。
【０００５】
従って、個々のウエハーの層厚をそれぞれ測定することによりバッチ内の変動を特定するために使用される測定構造をＣＭＰ領域に備える設備が広く使用されている。測定結果は、再機械加工、または、適切ならば、バッチまたは個々のウエハーの特別の用途について判断するための品質条件として使用される。しかし、誤差が小さくなるのに伴って、廃品率が経済的に許容し難い程度にまで上昇する。
【０００６】
一連の様々な構成の使用されるＣＭＰプロセスが知られており、以下に示す４つの原理的なプロセスにほぼ区別される。
１．従来のＣＭＰプロセス
２．固定研磨ＣＭＰプロセス
３．電子化学機械析出プロセス
４．研磨剤を含まないスラリープロセス
実際には、最後の２つのプロセスは、伝導性物質として銅を含む表面のＣＭＰにのみ関連しており、さらに、まだ開発段階である。これとは対照的に、上記の最初の２つのプロセス、すなわち、従来のＣＭＰプロセスと、固定研磨ＣＭＰプロセスは、特に、ポリシリコン酸化物層、タングステン、および、銅層のプロセスにおいて一般的に重要であり、これらに関しては、ほぼＣＭＰプロセスのみが行われている。なぜなら、固定研磨ＣＭＰプロセスは不利な点があるからである。
【０００７】
高集積回路を製造するとき、従来の化学機械研磨（ＣＭＰ）は、誘電体を平坦化するため、または、配線面を間接的にパターン化するため、すなわち、パターン化された表面の隆起領域を除去するために広く使用されている。
【０００８】
従来のＣＭＰプロセスでは、高硬度の磨き粉が混合されており、時には、基本的な化学薬品を含み、「スラリー溶液」として知られている液体が、機械加工される半導体ウエハーの表面と研磨パッドとの間に挿入されることが好ましい。
【０００９】
上記パッドと機械加工される表面とは、表面上で相互に接触しており、相互に関連して移動する。その結果、機械加工される表面は、２つの表面の間を移動する磨き粉により研磨される。
【００１０】
地形（幾何学形状）についての選択性（topography-selective）は、不均一にパターン化された表面を効果的に平坦化するために望ましい。このことは、より低い層にある領域からよりも、隆起した領域から多くの物質を取り除くべきであるということを意味している。化学機械研磨の場合、このことを、全ての条件下において確実にできるわけではなく、特に、大きな構造と非常に小さな構造とが同時に生じる場合は確実にできない。
【００１１】
スラリー溶液と共に移動する磨き粉は、物質を除去するために、表面の下側の領域に浸透することがある。その結果、全体的に完了した平坦化は、隆起した構造の層厚以上に多量の物質を除去する必要がある。
【００１２】
現在では、「固定研磨」ＣＭＰとして知られているプロセスによって、より好適な結果を得ている。この「固定研磨」ＣＭＰでは、研磨パッドが、研磨布などの研磨手段により覆われている。この研磨手段では、磨き粉が、磨き粉キャリアに固定されおり、ある領域においてキャリアの表面上に突出している。固定研磨ＣＭＰでは、研磨手段と機械加工される表面とを相互に接触させ、相互に関連して動かす。これは、使用される特定の装置に応じて、一方の表面だけ、または、両方の表面を動かすことによって実行してもよい。機械的な手段とともに化学的な手段によっても物質を除去するために、さらに、必要ならば、適切な液状化学薬品を加えることもできる。磨き粉は、研磨手段と機械加工される表面との間の実際に接触している点において、機械加工される表面とのみ相互作用する。固定研磨ＣＭＰを用いることにより、幾何学的形状（地形）についての特に高いレベルの選択性を達成することができる。
【００１３】
正確に言えば、純粋に、機械的な意味で、固定研磨ＣＭＰプロセスは、事実上、研磨プロセスというよりも研削プロセスである。なぜなら、研削または研磨のための粉は、自由に動くことができず、キャリア、特に、キャリアの表面に無秩序に固定されているからである。しかし、「研磨」という用語が、日常的な使い方としてますます一般的に受け入れられており、この用語を、そのような意味として使い続ける。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ウエハーの種類、および／または、研磨手段に応じて、多数の、時には非常に多数の磨き粉が、機械加工操作の間にキャリアから剥離することは避け難い。その結果、一方では、「本当の」研磨プロセスが常に行われ、他方では、時間が経つにつれて、研磨手段が鈍化または鋭化する。その結果、１単位の機械加工時間につき取り除かれる物質の量が減少または増加するという問題点がある。
【００１５】
この問題点は、多数のウエハーが、連続的に同じＣＭＰプロセス工程の対象となる連続製造において全く望ましくない。なぜなら、例えば、処理工程の機械加工時間や選択される化学物質といった予め設定しておくことのできる同じパラメータが、研磨手段の磨耗度に応じて異なる結果に繋がるからである。特に、構造がより一層小型化すると、この性質の変動は、許容し難いものとなる。
【００１６】
同様の結果を生じる現象も、上記に説明した従来のＣＭＰプロセスにおいて生じる。しかし、鈍化問題につながるプロセスは、異なっている。従来のＣＭＰプロセスの場合、実際には伸縮性であるパッドの表面が「ガラス化」する。すなわち、パッドの細孔が、比較的小さな磨き粉、および、特に、機械加工される表面から取り除かれた物質によりブロックされる。その結果、硬く、平坦なパッド表面となり、それゆえ、物質除去率が大きく変わってしまう。この問題は、一般的に、ダイヤモンド針を用いてパッドの表面を掃除し、粗面化させることによって解決される。しかし、上記プロセスは、固定研磨方法のためにはあまりにも不確かなので、事実上細孔のない磨き粉キャリアが破壊される原因となり、その結果、これに使用するためには適していない。
【００１７】
従って、この問題は、現在のところ、新しいウエハーを機械加工する前に、その都度、工程における研磨手段を交換することによって克服している。従って、ある種のＣＭＰ装置は、自動的な研磨手段進行（「ロールからロールへの研磨機」）を提供している。しかし、この特性を有する装置は２つの点においてコストがかかる。第１の点は、この種の装置は、かなりの機械経費がかかることである。第２の点は、研磨手段が過度に磨耗してしまい、より経費が高くなってしまうことである。一般的に使われている研磨布は、特に、機械加工される構造のサイズが非常に小さいので、その機械的な特性および磨き粉の数サイズおよび均一性に関して非常に高い精度要求を満たさなければならない。従って、製造が複雑であり、相応して経費がかかる。
【００１８】
しかし、従来のＣＭＰプロセスは、一連の欠点を有している。例えば、ディッシング問題（dishing effect）として知られているものである。すなわち、表面構造の望ましくない窪み、スラリー溶液の比較的高い消費、および、使用されるスラリー溶液の操作である。例えば、スラリー溶液は、懸濁した粒子を均一に拡散させ、研磨粒子（abrasive particles）が沈着するのを防ぐために、規則的な間隔で移動させる必要がある。使用される研磨粒子の直径は、大抵、４０〜２００ｎｍの範囲で平均１００ｎｍであり、その結果、これら粒子は、巨視的な系（組成、system）として考えなければならない。なお、巨視的な系とは、特に、重力の影響を受け、微視的な粒子のように単純な分散（拡散）により懸濁した状態にしておくことができないものである。
【００１９】
さらに、既存のスラリー分散では、研磨粒子とスラリー溶液との界面特性が異なるので、温度が低すぎる場合、相分離となる可能性があり、その結果、スラリー散布を行うことが適切ではなくなる。
【００２０】
固定研磨ＣＭＰプロセスにおけるいくつかの欠点も受け入れなければならない。例えば、従来のＣＭＰプロセスと比較して、全く新しい装置が必要である。さらに、固定研磨ＣＭＰプロセスは、物質除去率が非常にばらつき、不均一な表面プロセスとなる。
【００２１】
従って、本発明の目的は、ディッシング問題が生じず、物質除去率にばらつきのないＣＭＰプロセスを提供することである。さらに、消耗品、特に、使用されるスラリー溶液および研磨粒子の消耗は、できるだけ少なくなければならない。さらに、そのためには、使用されるスラリー溶液が大規模な前処理をしなくても利用できるものであることが望ましい。また、そのためには、スラリー溶液の品質が悪化することなく長期間に渡る保管に適切なものであることが望ましい。
【００２２】
さらに、少し変更した後も、すでに使用されている試行および試験されたＣＭＰ設備を使い続けることができるほうがよい。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明に係る研磨緩衝材（研磨緩衝部、abrasive cushion）は、上記の課題を解決するために、反復ユニット（反復単位、repeat units）を備えるポリマーを有し、水溶性が０．０３〜３ｇ／ｌである少なくとも１つのポリマー媒質（polymer matrix）を備えており、上記ポリマー媒質には研磨粒子が埋設されている、基板表面を湿式化学研削する（wet-chemical grinding）ためのものであることを特徴としている。すなわち、本発明に係る研磨緩衝材（研磨緩衝部、abrasive cushion）は、反復ユニットを有するポリマーからなるポリマー媒質であって、上記ポリマー媒質の水溶性が０．０３〜３ｇ／ｌであって、上記ポリマー媒質には研磨粒子が埋設されていると換言できる。
【００２４】
また、上記反復ユニットを備えるポリマーは、有機および／または無機ポリマーであることが好ましい。
【００２５】
また、上記ポリマー媒質の水溶性（water-solubility）は、上記反復ユニットの親水性によって決定されることが好ましい。
【００２６】
また、上記反復ユニットの親水性（hydrophilicity）は、反復ユニットに付着している極性基または非極性基によって決定されることが好ましい。
【００２７】
また、上記ポリマー媒質の水溶性は、反復ユニットの分布（配置、分散、distribution）によって決定されることが好ましい。
【００２８】
また、上記反復ユニットは、非極性または極性モノマーユニット（monomer unit）から生成されることが好ましい。
【００２９】
また、上記非極性モノマーユニットはスチレンであり、上記極性モノマーユニットはビニルピロリドンであることが好ましい。
【００３０】
また、上記研磨粒子は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、および、酸化セリウムからなる群から選択される１つ以上の酸化物を含んでいることが好ましい。
【００３１】
また、上記いずれかの研磨緩衝材を有する、ウエハー表面を化学機械研磨する装置（device for the chemical mechanical polishing）も本発明に含まれる。
【００３２】
また、上記いずれかの研磨緩衝材を使用する、基板表面を湿式化学研削する方法も本発明に含まれる。
【００３３】
すなわち、本発明の目的は、基板表面を湿式化学研削するための以下のような研磨緩衝材により達成される。上記研磨緩衝材とは、反復ユニットを有するポリマーにより構成され、水溶性が０．０３〜３ｇ／ｌである少なくとも１つのポリマー媒質を含み、上記ポリマー媒質に研磨粒子が埋設されている研磨緩衝材のことである。なお、反復ユニットを有するポリマーの水溶性が０．０３〜３ｇ／ｌであっても良い。
【００３４】
本発明の研磨緩衝材の利点は、規定の水溶性、および、比較的硬いポリマー媒質は、基板構造にディッシング（dishing）を生じないことを意味しているということである。従って、敏感な構造では表面がより一層穏やかに、かつ滑らかになるという利点がある。
【００３５】
ポリマー媒質の水溶性に関しては、極端な、すなわち、高度の水溶性または不溶性を回避することが好ましい。ポリマー媒質の水溶性が低すぎる場合、基板は過度に平坦化されてしまい、精緻な表面構造の破壊につながる可能性がある。他方では、水溶性度が高すぎる場合、研削効果は不十分であり、その結果、研磨プロセスに比較的長い時間かかることがある。さらに、この場合、スラリー溶液およびポリマー媒質などの消耗品が非常に消耗し、その結果、不経済である。
【００３６】
なお、ポリマー媒質の水溶性は、最適化することができる。これにより、効果的な研磨プロセスを保証するために十分な研磨粒子が確実に放出され、研磨緩衝材からの物質除去率はできるだけ低く維持される。その結果、消耗品の消耗が最小化される。この場合、水溶性は、ポリマー媒質を形成する水溶性モノマーユニット（monomer unit）と不溶性モノマーユニットとの比率により設定されている。
【００３７】
研磨粒子を均一に放出することにより、物質除去率のばらつきも最小化される。なぜなら、実際に必要な研磨粒子の量だけを、研磨プロセスに利用できるからである。従来のプロセスにおいて生じるような、研磨物質の超過および欠乏が回避される。このことは、できるだけ穏やかで均一な表面処理によりいっそう役立つ。
【００３８】
研磨粒子は、研磨緩衝材により利用可能になるので、通常含まれている研磨粒子を含まない実際のスラリー溶液（slurry solution）を提供することだけが必要である。従って、一方では、必要なスラリー溶液の消費が減少する。なぜなら、溶液の追加は、物質除去率に応じて正確に制限されているからである。また、他方では、研磨粒子の消費も減少する。なぜなら、規定の物質除去率は、研磨プロセスを実行するために必要な研磨粒子の数だけを放出することを意味しているからである。
【００３９】
さらに、不溶性粒子が、沈殿物として堆積する恐れがない。また、これまで、スラリー溶液の利用性を非常に制限していた、長期間保管すると比較的低い温度のときに相分離が生じるというおそれがない。
【００４０】
最も簡単な場合には、必要に応じて多数の添加物が混合された水を、スラリー溶液として使用できる。スラリー溶液のｐＨ値を確実に安定させるため、例えば、緩衝液（buffer systems）などのｐＨ調整剤を加えることが適切である。スラリー溶液のために選択されるｐＨ範囲は、研磨される表面物質に応じて算出される。
【００４１】
例えば、シリコン含有表面の場合、アルカリ性のｐＨ１０〜１１を選択するべきであり、一方、タングステン含有表面には、より酸性である約ｐＨ２が、推奨される。
【００４２】
使用される緩衝液は、この場合、安定化させるｐＨ範囲から決定される。例えば、炭酸水素塩および／またはリン酸水素塩を基礎とする緩衝液は、アルカリ範囲において使用される。一方、例えば、二水素リン酸塩（dihydrogen phosphate）またはフタラート水素緩衝液（hydrogen phthalate buffer）は、酸性のｐＨにおいて使用できる。
【００４３】
スラリー溶液の取り扱いは、スラリー溶液が真溶液（true solution）であり、実際のスラリー溶液と研磨粒子との必要な混合物を生成する必要はないため、非常に簡単になる。従って、スラリー溶液の準備は、適切な緩衝液および酸化剤を加えることによって、所望のｐＨと酸化性能とを設定するだけである。
【００４４】
ポリマー媒質自体は、基本的にｐＨに無関係であり、特に、溶液のｐＨに影響を与えないものであるべきである。すなわち、酸性基または塩基性基を含んでいないことが好ましい。例えば、ポリアクリル酸などのｐＨの不安定な化合物をポリマー媒質の原材料として使用する場合、研磨プロセスの間に分解現象を生じる可能性がある。この分解現象は、ポリマー媒質の状態および物質品質に悪影響を与える。
【００４５】
なお、濃度０．１％のＮａ2ＣＯ3溶液を、緩衝組成として使用することは、シリコンを基礎とするウエハー基板を研磨するために適していることが証明されている。
【００４６】
さらに、例えば、硝酸鉄（ＩＩＩ）などの酸化剤を、研磨プロセスを促進するために加えることも可能である。これに関しては、０．５％の濃度のＦｅ（ＮＯ3）3溶液が適切であると証明されている。酸化剤は、金属製または半金属製の表面原子を酸化する役割を果たし、その結果、溶解度が増し、研磨プロセスをより迅速に行える。
【００４７】
実際の研磨プロセスを行う研磨粒子は、確実に研磨プロセスを生じさせるために必要な量（degree）だけ放出される。一方、従来のＣＭＰプロセスの場合、これら粒子の超過または欠乏が頻繁に生じる。このように、研磨物質の消費は、必要な量に抑えられている。
【００４８】
本発明の研磨緩衝材は、多くの経費をかけることなく既存の設備に導入することができる。すなわち、変更および維持経費がほんの少しで済むという利点がある。
【００４９】
本発明に基づく研磨緩衝材は、従来の古い研磨緩衝材の代わりとなるので、第１に、他の研磨緩衝物質はもう必要ない。また、第２に、例えば、粗面プロセスによる規定の表面構造の製造などの従来の研磨緩衝材の複雑な準備を省くことができる。
【００５０】
反復ユニットを含むポリマーは、有機性または無機性ポリマーでもよい。結合の多い有機合成化学物質を使用することにより、有機ポリマーは、広範囲の形状を有している。その結果、ポリマー媒質は、周囲の状況に対して広範囲に適合できる。
【００５１】
これとは対照的に、例えば、シリコンを基礎とする系などの無機ポリマーの場合、構造的な可能性は、有機組成と比較して制限されているが、一般的に耐化学性が高いという利点がある。しかし、これとは対照的に、無機合成物により、炭素、水素、酸素、窒素、硫黄、燐などの少数の一般的な「有機」要素に対する制限が無くなる。その結果、原則的に、１００種類までの異なる要素を使用し、非常に広い範囲の特性を実現することができる。
【００５２】
ポリマー媒質の水溶性は、反復ユニットの親水性（hydrophilicity）により決定されることが好ましい。ポリマーによって形成されるポリマー媒質の水溶性は、それから形成されるポリマーの成分（building block）により直接決定できる。さらに、反復ユニットは、化学的な観点において、比較的簡単かつ容易に制御できる系（system）であり、個々のポリマーまたはポリマー混合物とは異なり、所定の目的に絞った形式で変換できる。
【００５３】
ポリマー媒質の水溶性は、それぞれ対立する水溶性を有する反復ユニットにより適切に決定される。水溶性および不溶性反復ユニットの組み合わせにより、所定の水溶性を有する共重合体を合成できる。
【００５４】
固定した反復ユニットにより、水溶性は、水溶性および／または不溶性反復ユニットの一部とポリマー内における局部的な分布（distribution）との双方によって制御される。前者の場合、反復ユニットがランダムに分布している共重合体が得られる。一方、第２の選択肢の場合には、不溶性／水溶性末端基を有する水溶性／不溶性単独重合体（ホモポリマー）となる。
【００５５】
獲得したポリマーの重合度は、１００００を越えないことが好ましい。また、モル質量（molar mass）は、３０００〜２０００００の範囲であることが好ましい。低いモル質量では、ポリマー媒質の粘度が柔らかすぎ、研磨プロセスの間に取り除かれる物質の量が非常に多い。その結果、研磨緩衝材が機能するための能力が非常に制限される。他方では、モル質量が２０００００を越えて高すぎる場合、マスクされる反復ユニットの機能性によりもたらされる親水性または疎水性の特性が必ず生じる。また、ポリマー媒質の水溶性は、制御が困難である。
【００５６】
しかし、モル質量の変化は、ポリマー媒質の融点を外部プロセス条件に適合させながら、計画的に調整できるという選択肢を提供する。機械研磨プロセスでは、一般的に高いレベルの摩擦熱が放出され、これはすぐに分散するものではないが、結果として基板および摩擦緩衝部表面を局部的に加熱することになる。この熱は、影響を受ける主体の硬度および容積などの機械的な特性に著しく影響する。ポリマー媒質に含まれるポリマーのモル質量を適切に選択することによって、これに影響を及ぼしこれを克服することができる。
【００５７】
架橋されたポリマーは、ポリマー媒質の機械的な安定性を危険にさらす膨張現象を生じる傾向があるので、線形系（linear systems）が好ましい。また、膨張する場合には、予測できない容積の変化が生じ、その結果、研磨緩衝材と基板表面との間で維持するべき正確な距離は、もはや制御することができず、生じる圧縮力により表面が破壊される可能性を排除できない。
【００５８】
これに関連して、反復ユニットの親水性が、反復ユニットに付着している極性基または非極性基によって決定されることが好ましい。反復ユニットに付着している基は、反復ユニットの基本的な枠組みよりも簡単な方法でより容易に外部条件に適合させることができる。付着基は、大抵、反復ユニットの外部（外面）領域に位置しており、それゆえ、容易に化学薬品に接近しやすい。
【００５９】
反復ユニットに付着している基の特性は、結果として生じるポリマーまたはポリマー媒質の親水性にも適しているが、ポリマーの合成には不利である。例えば、ポリビニルアルコールは、ビニルアセテート（vinyl acetate）の合成とその結果生じる鹸化とによって生成されるものであり、ビニルアルコールの重合によって生成されるものではない。なぜなら、アセテートモノマーは、カルボニル基の電子求引効果により、炭素と炭素との二重結合の電子密度が薄くなり、その結果、ビニルアルコールモノマーよりも反応性が高くなる。
【００６０】
それでもなお、ヒドロキシル基は、親水性特性が顕著なので、結果として生じるポリマーにおいて望ましい。その結果、アルコールを形成するように鹸化することによって、アセテート基を分離する必要がある。
【００６１】
反復ユニットが、非極性または極性のモノマーユニットから生成されることが特に有利である。ポリマー媒質の親水性および水溶性は、反復ユニットおよびそれから形成されるポリマーの親水性特性によって直接決定される。反復ユニット、すなわち、ポリマー媒質の親水性を決定する最も簡単な方法は、非極性または極性のモノマーユニットを、オリジナルの反復ユニットとして使用することである。
【００６２】
広範囲のこれらモノマーユニットを獲得できる。なお、各モノマーユニットの水溶性は、周知であるか、あるいは、簡単に確認できる。これらモノマーユニットにより、水溶性に関する特性が構造に基づくポリマーを、目的を絞り、規定して合成できる。
【００６３】
使用される可能な極性モノマーユニットの例として、ビニルアルコール（vinyl alcohol）、アクリルアミド（acrylic acid）、エチレンイミン（ethyleneimine）、または、エチレンオキサイド（ethylene oxide）等があげられる。適切な非極性モノマーユニットの例として、プロピレン（propylene）、エチレン（ethylene）、α-メチルスチレン（methylstyrene）、および、塩化ビニル（vinyl chloride）等があげられる。
【００６４】
これらモノマーユニットは、市販で大量かつ安価に入手可能であり、迅速な重合化を確実にするために十分に反応する。さらに、これらモノマーユニットの親水性／疎水性特性は、十分にはっきりとしたものである。
【００６５】
また、非極性モノマーユニットがスチレンであり、極性モノマーユニットがビニルピロリドンであることが好ましい。どちらのモノマーユニットも、市販で大量に安く入手でき、十分な反応を示すためである。軽微な刺激徴候を除いて、上記２つのモノマーは、何らかの短期間または長期間の中毒問題を有していない。すなわち、これらモノマーユニットの取り扱いに関する問題は比較的少なく、何らかの特別な安全対策を取る必要はないという利点がある。
【００６６】
非極性または極性の特性は、スチレンまたはピロリドン環の場合、芳香族ベンゼン環によって非常に強調される。その結果、モノマーの分裂を適切に選択することにより、ビニルピロリドンだけを使用している場合の純粋な親水性特性からスチレンだけを使用している場合の疎水性特性まで非常に広い範囲を実現することができる。
【００６７】
さらに、スチレンとビニルピロリドン（vinylpyrrolidone）との双方は、高い化学安定性により特徴づけられる。この高い化学安定性は、それらを長期間保管しておくことを容易にし、それから合成されるポリマーも、化学安定性についての好適な効果を有していることを意味している。さらに、ビニルピロリドンは、スラリー溶液のｐＨに対してほぼ不活性であり、その結果、この点に関しては制限がない。
【００６８】
極性モノマーユニットの場合に頻繁に生じる、スラリー溶液の様々なｐＨ、または酸性および／または塩基性官能基の付着による溶液の酸性度への直接の影響に関して安定性が十分でないという問題は、ビニルピロリドンの場合には生じない。このモノマーユニットは、自然条件から生じるｐＨに関しては十分に不活性であることが証明されており、さらに、溶液の既存のｐＨに著しい影響を与えない。
【００６９】
この事実は、ポリマー媒質の影響、または、このマトリックスの分解の可能性を考慮することなく、研磨される物質に応じて決定できる適切なｐＨの選択を容易にする。
【００７０】
本発明の研磨緩衝材の好ましい実施形態では、研磨粒子が、酸化アルミニウム、酸化シリコン、および、酸化セリウムからなる基から選択される１つ以上の酸化物を含んでいる。
【００７１】
上記の構成により、上記酸化物は、基板表面を研磨するために硬度が十分に高く、安い経費で利用できる。この酸化物は、酸化、または、自然に発見される形状に分解することにより、原料物質から簡単に得ることができる。例えば、酸化アルミニウムは、鋼玉石（corundum）として大量に利用できる。また、酸化ケイ素（酸化シリコン）は、珪砂(silica sand)として大量に利用できる。
【００７２】
本発明の研磨緩衝材と共に、本発明は、さらに、上記の研磨緩衝材を用いてウエハー表面を化学機械研磨する装置に関するものである。
【００７３】
特に、半導体技術では、化学機械研磨により生成される極めて均一な表面を有するウエハー基板が特に必要である。本発明の研磨緩衝材は、この種の化学機械研磨プロセスに非常に適している。既存の設備を継続して使用でき、このことは、高価な変換作業が不要であり、本発明の研磨緩衝材の利点をすぐに利用できることを意味している。
【００７４】
本発明の研磨緩衝材は、ウエハーおよび滑らかにするべき他の基板表面における全てのプロセスに有利に使用できる。
【００７５】
さらに、本発明は、本発明の研磨緩衝材を使用する基板表面の湿式化学研削のための工程（プロセス、process）に関するものである。
【発明の効果】
【００７６】
以上のように、本発明に係る研磨緩衝材によれば、規定の水溶性、および比較的硬いポリマー媒質は、基板構造にディッシング（dishing）を生じないため、敏感な構造では表面がより一層穏やかに、かつ滑らかにな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】
【００７７】
以下に、図を参照しながら本発明をより詳しく説明する。図１は、従来の化学機械研磨装置を示す図である。図２は、本発明の研磨緩衝材を用いてウエハーの表面を化学機械研磨する装置を示す図である。図３は、本発明の研磨緩衝材を概略的に示す。図４は、スチレン／ビニルピロリドン共重合体の構造を示す図である。
【００７８】
図１には、シリコンウエハーなどの基板３を化学機械研磨するための従来の装置とその従来の使用を示す。従来の研磨緩衝材６は、回転研磨台７に設けられている。この研磨緩衝材６は、一般的に、厚さ約１．５〜２ｍｍである粗面化した、皮革のように発泡させた皮革（leatner-like foamed leather）、または、薄いゴムのような合成樹脂を含んでいる。スラリー溶液５は、スラリーフィード（slurry feed）４を介して研磨緩衝材６へ滴下される。研磨緩衝材６の粗面化した表面、および、この表面の親水性特性、ならびに、回転研磨台７の迅速な回転により活性化される遠心力により促進されて、ほぼ均一なスラリー薄膜５ａが、研磨緩衝材６上に形成される。基板保持部（substrate holder）１は、基板３を、基板３と従来の研磨緩衝材６との間の場所に残っているスラリー薄膜５ａを有する従来の研磨緩衝材６に軽く押し付ける。従来の研磨緩衝材６の機械的な負荷および電気は、基板３のインプリント（imprint）を従来の研磨緩衝材６上に形成する。
【００７９】
スラリー溶液５は、基本的に、水と、直径が５０〜２００ｎｍの研磨粒子とを含んでいる。研磨粒子９として使用する物質は、一般的に、酸化アルミニウム、酸化シリコン、または、酸化セリウムなどの硬く、安定した酸化金属である。さらに、スラリー溶液は、大抵、ｐＨ安定緩衝組成、および酸化剤を含んでいる。
【００８０】
研磨粒子９は、基板３より硬度が高い。また、研磨粒子９は、研磨台７および基板保持部１の機械的な回転運動により、基板３の表面から物質を研磨し、それに応じて基板３の表面が滑らかになる。
【００８１】
さらに、回転研磨台７と基板保持部１の回転運動は、研磨緩衝材６上に存在するスラリー溶液５をよく混合し、相互に突き合わさる研磨緩衝材６と基板３との領域を常に新しくするために役立つ。その結果、研磨緩衝材６において生じる可能性のある不規則な動きは、研磨プロセスにおける必然的な逆効果と共に抑制される。
【００８２】
また、回転する基板保持部１が、基板３を保持している。さらに、保持緩衝部２が、基板保持部１と基板３との間に位置している。保持緩衝部２は、衝撃を吸収し、基板保持部１が基板３の表面を破損するのを防止するために使用される。基板保持部１は、基板３の表面が研磨緩衝材６の外側領域に対して完全に対向するように位置していると共に、基板３と研磨緩衝材６との間ができるだけ正確に平行となるように、基板３を研磨緩衝材６上に固定する。基板３と回転研磨台７の軸との間のラジアル間隔が広いほど、研磨緩衝材６に対する基板３の実際の速度がより速くなり、研磨効果もより大きくなる。
【００８３】
上記２つの部材の間向が正確に平行でない場合、局部的に機械的な過負荷が基板３上に生じる。その結果、基板３の表面が不均一に研磨されるという問題が生じる。あるいは、基板３が断裂してしまうことさえある。基板３と研磨緩衝材６との間に、スラリー溶液５が浸透し、基板３の表面から物質を取り除くことができるスペースが残っていなければならない。さらに、基板３と研磨緩衝材６とが直接接触することは必ず避けなければならない。なぜなら、基板３の表面に欠陥を生じさせる高い機械的な負荷が生じる原因となるからである。この欠陥は、基板３をさらに加工するために、基板３を不適切なものとしてしまう。
【００８４】
次に、従来の研磨緩衝材６の代わりに本発明の研磨緩衝材８が使用されている化学機械研磨装置を図２に示す。なお、同図に示す化学機械研磨装置は、上記研磨緩衝材８以外は、図１に記載のものに類似したものである。本発明に基づく装置では、スラリー溶液５は、水、および、緩衝液および酸化剤などの溶解性の構成物のみを含んでいるが、研磨粒子９は全く含んでいない。研磨プロセスに必要な研磨粒子９は、本発明では、研磨緩衝材８により提供される。本発明では、スラリー溶液５が、スラリーフィード４を介して、研磨緩衝材８に滴下される。回転研磨台７、および、基板保持部１の回転運動により引き起こされる基板３と研磨緩衝材８との間の機械的な負荷にともなって、ポリマー媒質１０は、その所定の水溶性によって、少しずつ溶解する。その結果、ポリマー媒質１０に含まれる研磨粒子９が放出され、研磨プロセスに利用できるようになる。
【００８５】
ポリマー媒質１０の溶解性は、水溶性モノマーユニットと不溶性モノマーユニットとの比率によって、一方では、十分な研磨粒子９が放出されるように、他方では、研磨緩衝材８が、すぐに磨耗してしまわないように好適に設定できる。従来の装置とは異なり、基板３が破損する恐れはなく、基板３を、研磨緩衝材８と直接接触させることができる。基板３と研磨緩衝材８との間のある程度の機械的な接触は、研磨緩衝材８を適切に研磨し、研磨粒子９を遊離させるために必要なものである。
【００８６】
本発明の装置では、従来の研磨緩衝材６とは異なり、研磨緩衝材はたわむことがない。従って、物質は水平にのみ研磨され、従来の装置では生じていた表面構造のディッシング問題を回避できる。
【００８７】
図３に、本発明の研磨緩衝材８の構造を概略的に示す。主な構成物は、所定の水溶性を有するポリマー媒質１０である。ポリマー媒質１０の水溶性は、水溶性／疎水性モノマーユニットの比率により決定される。研磨粒子９は、ポリマー媒質１０に埋設されている。研磨粒子９は、研磨プロセスの間に、スラリー溶液５によってポリマー媒質１０が溶解されるのに伴って、少しずつ放出される。
【００８８】
図４は、ポリマー媒質１０のために使用できるポリマーの構造を表す。ビニルピロリデンを、水溶性モノマーユニットとして使用する。また、スチレンを、不溶性モノマーユニットとして使用する。その結果、共重合が得られる。スチレン含有量（Ｘ）および／またはビニルピロリデン含有量（Ｙ）を変化させることにより、結果として生じる共重合体の水溶性を、所定の方法で好適に設定可能である。
【００８９】
以下実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００９０】
〔実施例１〕（実験室での段階）
１０ｇの粉末酸化アルミニウム（Aluminia Polishing Powder CR 785, Baikowskie chimie, Charlotte, NC)、および、３０ｇのマルリパル（Marlipal）１６１８／２５（脂肪アルコールラジカル中の１６〜１８個の炭素原子を有する直鎖脂肪族アルコールエトキシル化合物、および、親水基／サソール(Sasol)，ＳＡ中の２５モルの酸化エチレン）（liner fatty alcohol ethoxylate with a6-18 carbon atoms in the fatty alcohol radical and 25 mol of ethylen oxide in the hydrophilic group/Sasol, SA）を、容量が１００ｍｌであるビーカーに加え、次に、混合物を、加熱板上で焼く１２０℃になるまで加熱する。工程中に、マルリパルが溶解し、ポリテトラフルオロエチレン被膜された温度計を使用して撹拌することにより、酸化アルミニウム粉末が、溶解したマルリパルに均一に拡散する。
【００９１】
撹拌の開始時点で、酸化アルミニウムは、ある程度の塊を形成しているが、数分で固まりは消え、完全に均一な溶解／混合物が生成される。
【００９２】
研磨剤と溶解したマトリックスとの均一な混合物が生成されると、次に、この混合物を、アルミニウム箔により形成されている小さな皿（small dish）に注ぎ、室温にまで冷却し、硬化させる。次に、硬化した溶解物の一部を取り除き、原料物質としてシリコンの上側に低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）プロセス（赤−橙（red-orange）により生成された１７５ｎｍの窒化物の上側の２０ｎｍのドープされていないポリシリコン（鋼色（steel blue））を含む一片のウエハーを、流水下で、手作業で研磨する。本発明の研磨緩衝材の部分によって、傷をつけることなく簡単に、窒化シリコンから２０ｎｍ厚のポリシリコン層を研磨することができるということが分かる。プロセス中に、ウエハーの鋼色が基本領域（ground area）において、赤−橙になる。
【００９３】
〔実施例２〕（製造段階）
標準的なポリマー化合技術は、注入可能な顆粒を、研磨粉（abrasive powder）から生成するために使用される。これは、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、または、酸化セリウム、および、マトリックス物質（例えば、Ｃ22-Ｃ24脂肪族アルコールポリエチレングリコールエーテル-６ＥＯ、または、スチレン／ビニルピロリドン共重合体）（C22-C24 fatty alcohol polyethylene glycol ether-6EO or styrene/vinylpyrrolidone copolymer）から形成される。次に、標準的な合成樹脂注入成形技術は、研磨剤およびこれら注入可能な顆粒により形成されたマトリックスの上記混合物を、２０ｍｍの高い層を形成するための、標準的な研磨台サイズの丸いポリプロピレンのキャリアプレートに吹き付ける。このとき生成される本発明の研磨緩衝材を、従来の研磨緩衝材の代わりに、従来のＣＭＰプロセス設備に使用する。固定研磨ＣＭＰプロセスのように、使用する研磨液は、研磨されない水性の溶液である。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
以上のように、本発明に係る研磨緩衝材は、半導体基板等の基板表面を研磨処理することができるため、半導体等の電子部品または電子機器の製造業およびそれらの関連産業に利用可能である。さらに、これらの産業の他にも、本発明の研磨緩衝材を用いることができる種々の産業にも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】従来の化学機械研磨装置を示す図である。
【図２】本発明の研磨緩衝材を用いてウエハーの表面を化学機械研磨する装置を示す図である。
【図３】本発明の研磨緩衝材の概略図である。
【図４】スチレン／ビニルピロリドン共重合体の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００９６】
１    基板保持部
２    保持緩衝部
３    基板
４    スラリーフィード
５    スラリー溶液
５ａ  スラリー薄膜
６    従来の研磨緩衝材
７    回転研磨台
８    本発明の研磨緩衝材
９    研磨粒子
１０    ポリマー媒質
【図１】
2004179664.tif 000002
【図２】
2004179664.tif 000003
【図３】
2004179664.tif 000004
【図４】
2004179664.tif 000005