【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子製造技術等に使用されるＣＭＰ（化学的機械的研磨）及びハードディスク製造技術に使用される精密研磨パッド及びこれらを用いた研磨法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の超大規模集積回路では実装密度を高める傾向にあり、種々の微細加工技術が研究開発されている。すでにデザインルールはサブハーフミクロンオーダーになっている。このような厳しい微細化の要求を満足するために開発されている技術のひとつにＣＭＰ技術がある。この技術は、半導体装置の製造工程において露光を施す層を完全に平坦化して露光技術の負担を軽減することができる。そのため、たとえば、層間絶縁膜、ＢＰＳＧ膜の平坦化、シャロー・トレンチ分離等を行う際に必須となる技術である。
【０００３】
ＣＭＰでは、研磨する膜を形成した基板を研磨パッドに押し当て加圧し、研磨剤を研磨膜と研磨パッドとの間に供給しながら、基板もしくは研磨パッドを動かして研磨を行っている。この際、研磨パッドとしては発泡ポリウレタン系が一般に用いられており、また均質重合体シートからなるものもある（例えば、特許文献１を参照。）。しかし、近年絶縁膜表面及び金属膜表面の研磨剤中の研磨粒子起因とする研磨傷の発生が大きな問題になっている。特に、金属膜の研磨においては、金属が化学反応性に富み、かつ柔らかいことから、研磨スクラッチやコロージョンによる欠陥を生じやすく、研磨液や研磨パッドの選択はきわめて重要となってきている。
【０００４】
一方、ディッシングは変形しやすさ、すなわち弾性率が小さいものほど大きい。しかし、パッドの弾性率を高めると一般的にパッド硬度が向上するので、上記研磨スクラッチ等の欠陥の原因となる。
また、近年進められている低誘電率材料の層間絶縁膜への適用は、絶縁層の機械的特性の低下や金属との密着性の低下を伴い、研磨時の欠陥発生の要因となっているため、より研磨時の機械的負荷の小さい研磨システムが必要となっている。
【０００５】
【特許文献１】
特表平８−５１１２１０号公報（特許請求の範囲、発明の背景）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、層間絶縁膜に形成した電極、プラグ、配線溝パターンに金属膜を埋め込み成長し、かかる金属膜を平坦化研磨して配線を形成するＣＭＰ技術において、平坦性に優れ、かつ低負荷で絶縁層に欠陥を生じず研磨できる研磨パッド、その製造方法、及びそれを用いた研磨方法を提供するものである。
【０００７】
また、本発明は、半導体素子製造工程における層間絶縁膜、ＢＰＳＧ膜、シャロートレンチ分離用絶縁膜を除去するＣＭＰ技術において、平坦性に優れ、かつ絶縁膜の除去を効率良く高速に行い、同時に基板上の研磨傷の発生を低減出来る研磨パッド、その製造方法、及びそれを用いた研磨方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、弾性体表面に極薄のクッション層を有するＣＭＰ研磨パッドが、基板に形成した金属膜を研磨する際に、研磨傷を減らし、さらに高研磨速度を得る効果を見出したことによりなされたものである。また、金属配線部のディッシング等の平坦性悪化が、パッドと被研磨面との摩擦により発生する熱によるエッチングの進行によるものと発明者の検討により判明したことによる。
【０００９】
すなわち、本発明の第一は、半導体の製造工程において、弾性率が５０〜３００ＧＰａの金属を主とする層、あるいは該金属とそれらを分離する絶縁膜からなる層を研磨する研磨パッドであって、研磨面側にクッション層を有し、クッション層の下に引張弾性率が０．３〜２．５ＧＰａである弾性体層を有することを特徴とする研磨パッド（以下、研磨パッドＡという）。
【００１０】
また、本発明の第二は、半導体の製造工程において、金属を主とする層、あるいは金属とそれらを分離する絶縁膜からなる層を研磨する研磨パッドであって、研磨面側にクッション層を有し、クッション層の下に弾性体層を有し、クッション層上の動摩擦係数が０．３５以下であることを特徴とする研磨パッド（以下、研磨パッドＢという）に関する。
【００１１】
また、本発明の第三は、半導体の製造工程において、金属を主とする層、あるいは金属とそれらを分離する絶縁膜からなる層を研磨する研磨パッドであって、研磨面側にクッション層を有し、クッション層の下に弾性体層を有し、かつ粒子を含まない該金属用研磨液の研磨速度Ａと、粒子を含むほかは前記研磨液と同様の該金属用研磨液の研磨速度Ｂの比（Ａ／Ｂ）が、０〜１／１０であることを特徴とする研磨パッド（以下、研磨パッドＣという）に関する。
【００１２】
また、本発明の第四は、有機繊維あるいはエラストマ粒子と熱可塑性樹脂を混合する過程、有機繊維と熱可塑性樹脂とからなる混合物をペレットあるいはタブレットにする過程、該ペレットあるいはタブレットを押し出し成形により板状体に加工する過程、及び板状体の片面を粗化する過程を含むことを特徴とする上記の研磨パッドＡ、Ｂ又はＣの製造方法に関する。
【００１３】
また、本発明の第五は、有機繊維あるいはエラストマ粒子を液状熱硬化性樹脂中に分散する過程、金型に該有機繊維あるいはエラストマ粒子を含む液状熱硬化性樹脂を流し込む過程、それを硬化させて板状体を得る過程、及び板状体の片面を粗化する過程を含むことを特徴とする上記の研磨パッドＡ、Ｂ又はＣの製造方法に関する。
【００１４】
また、本発明の第六は、所定の基板の被研磨面を研磨パッドＡ、Ｂ又はＣのクッション層面に押し当て、研磨剤を被研磨面と該パッドとの間に供給しながら、基板と研磨パッドとを相対的に摺動させて研磨する基板の研磨方法に関する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の研磨パッドＡ、Ｂ及びＣはいずれも、半導体の製造工程において、金属を主とする層、あるいは金属とそれらを分離する絶縁膜からなる層を研磨する研磨パッドであって、研磨に与る面にクッション層を有する。
【００１６】
上記、金属の種類は、半導体に使われているものならばとくに制限がなく、弾性率が５０〜３００ＧＰａの範囲のものへ摘要できる。具体的には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｔｉなどが挙げられるが、これに制限されるものではない。なお、ここで弾性率とは、通常のナノインデーション法による薄膜の弾性率測定法によるものをいう。たとえば、ＭＴＳ社のナノインデンターを用い、バーコビッチ型ダイヤモンド圧子を金属薄膜上に押し当て、Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ＝７５Ｈｚ、Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ＝１ｎｍの連続硬度測定方法で得た変位−応力曲線から定量的に求めることができる。ここで、前記薄膜に圧子の押入を開始したあと、押入の深さが薄膜の全体深さの１００ｎｍ押入された時、薄膜の弾性率を求める。なお、測定温度は、２５℃とする。また、各サンプルについて信頼度を高めるために１０点を測定して、平均値から硬度及び弾性モジュラスを求める。
【００１７】
また、ここでいうクッション層とは、パッドを主として構成する弾性体からなる弾性体層と被研磨物の間に介在し、両者の直接の接触を防ぐものであればとくに制限はない。このクッション層は一様にパッド上に存在せず、孤立した微小構成単位が表面上に分散して存在することが、研磨液の供給及び研磨くず等の排出の面から好ましい。上記孤立した微小構成単位の例として、具体的には、例えば有機繊維等の繊維あるいはエラストマ粒子等が挙げられる。
【００１８】
上記クッション層の存在により、研磨面が保護され研磨傷が防止されるとともに、研磨に関わる研磨粒子がそこに保持され研磨速度を向上する。また、パッドを主として構成する弾性体との直接の接触がないか少ないため、研磨時に発生する熱の発生が抑えられる。
【００１９】
このクッション層は、弾性体層中に、上記繊維あるいはエラストマ粒子、あるいは両者を分散してパッドとし、少なくとも研磨前に表面粗化を行ってあらかじめ繊維あるいはエラストマ粒子をパッド表面に露出させて形成することができる。この方法によれば、研磨による磨耗やクッション層の脱離が生じた場合、ドレッシングによる粗化を行うことにより、失われたクッション層を再生することができる。
【００２０】
上記した繊維として使用できるものとしては、有機繊維が好ましく、例えば、ポリエステル、アラミド、ポリアミド、セルロース等を繊維状にしたものが特に制限なく使用できる。また、これらのうち二種以上を選択、混合して使用することもできる。単独あるいは主たる成分としてアラミド繊維を選択することが、より好ましい。すなわち、アラミド繊維は、他の一般的な有機繊維に比べて引っ張り強度が高く、本発明による研磨パッド表面を機械的に粗して繊維を露出する際、繊維が表面に残りやすく効果的であるからである。また、研磨パッドの耐久性を向上させ、使用寿命を伸ばす効果もある。
【００２１】
アラミド繊維にはパラ型とメタ型が有るが、パラ系アラミド繊維はメタ型繊維より力学的強度が高く低吸湿性であるので、より好適である。パラ系アラミド繊維としては、ポリｐ−フェニレンテレフタルアミド繊維とポリｐ−フェニレンジフェニルエーテルテレフタルアミド繊維が市販されており、使用が可能である。
【００２２】
これらは、短繊維を所定長に切断したチョップを使用しても、数種の繊維長のものを混合して使用することもできる。また、織布や不織布の形態で樹脂中に充填してもよい。
【００２３】
有機繊維の繊維径（直径）は１ｍｍ以下のものが使用できるが、２００μｍ以下であることが望ましい。好ましくは１〜２００μｍ、より好ましくは５〜１５０μｍである。太ければ機械的強度が高すぎて、研磨傷やドレス不良の原因となる。細すぎれば取り扱い製が低下したり、強度不足によるパッドの耐久性低下を引き起こす。繊維長は、１０ｍｍ以下のものが使用できるが、５ｍｍ以下であることが望ましい。好ましくは０．１〜４ｍｍ、より好ましくは０．１〜３ｍｍである。短ければ、パッド表面を機械的に表面を粗した時に露出した繊維がパッドに効果的に保持されず、長ければ、パッドを主として構成する弾性体との混合時に増粘して成形が困難となる場合がある。
【００２４】
チョップ状の繊維を使用する場合、樹脂との親和性を向上するため、予め繊維表面を機械的あるいは化学的に粗したり、カップリング材等による改質を行っても良い。取り扱いの面から、短繊維チョップを極少量の樹脂でコーティングして束にしたものを使用することができる。ただしこれは、マトリックス樹脂との混合中の加熱、あるいは加えられるせん断力により短繊維がマトリックス樹脂中に分散される程度の保持力をもつ程度ついていればよい。さらに、主たる有機繊維のほかに、ガラス繊維等の無機繊維を加えても良い。
【００２５】
上記繊維の含有率は、特に制限されるものではないが、パッドを主として構成する弾性体の軟化温度や粘度により、最適化される必要がある。パッド全体の１〜５０重量％が好ましく、より好ましくは２〜２０重量％である。繊維量が少なければ研磨面の研磨傷が顕著になり、多すぎれば成形性が悪くなる。
【００２６】
また、エラストマ粒子として使用できるものとしては、架橋及び未架橋のエラストマ、架橋ゴム粒子の表面に異種ポリマーをグラフト重合したコアシェルゴム粒子が挙げられる。エラストマとしては、ガラス転移点が室温以下のものなら、特に制限されることなく使用でき、０℃以下のものがより好ましい。例えば、オレフィン系エラストマ、スチレン系エラストマ、ウレタン系エラストマ、エステル系エラストマ等、アルケニル芳香族化合物−共役ジエン共重合体、ポリオレフィン系共重合体、シリコーン等のエラストマ等が挙げられる。これらエラストマの添加量が多いほど、耐衝撃性が高く粘り強い研磨パッドとなるとともに、パッド表面と被研磨物とのクッションの役割も増加する。
【００２７】
架橋ゴム粒子の市販品としては、カルボキシル変性のブタジエン−アクリロニトリル共重合体の架橋物からなるＸＥＲ−９１（ＪＳＲ社製）、アクリルエラストマ微粒子からなるＣＸ−ＭＮシリーズ（日本触媒（株）製）、ＹＲ−５００シリーズ（東都化成（株）製）、テクポリマシリーズ（積水化成品工業（株）製）等を使用することができる。
【００２８】
コアシェルエラストマ粒子の市販品としては、例えば、ブタジエン・メタクリル酸アルキル・スチレン共重合物からなる“パラロイド”ＥＸＬ−２６５５（呉羽化学工業（株）製）、アクリル酸エステル・メタクリル酸エステル共重合体からなる“スタフィロイド”ＡＣ−３３５５、ＴＲ−２１２２（武田薬品工業（株）製）、アクリル酸ブチル・メタクリル酸メチル共重合物からなる“ＰＡＲＡＬＯＩＤ”ＥＸＬ−２６１１、ＥＸＬ−３３８７（Ｒｏｈｍ＆Ｈａａｓ社製）等を使用することができる。
その他の市販品としては、例えば、シリコンエラストマ微粒子（東レダウコーニングシリコーン（株）製、Ｅ−６０１）がある。
【００２９】
エラストマ粒子の平均粒径は、０．０１〜１００μｍであることが好ましく、０．１〜２０μｍであることがより好ましい。
【００３０】
弾性体層を主として構成する弾性体とは、上記繊維やエラストマ粒子を含有保持するもので、通常マトリックス樹脂と呼ばれることが多い。このマトリックス樹脂としては、通常の熱硬化性樹脂ならびに熱可塑性樹脂が特別の制限なく使用できる。このような熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン等が挙げられる。さらに、熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ＡＳ（アクリロニトリル−スチレン共重合体）、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエンゴム−スチレン共重合体）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、４−メチル−ペンテン−１、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアセタール等が挙げられる。これらは、単独でも二種以上を混合して使用してもよい。
【００３１】
また、上記熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂に加え、添加剤として架橋及び未架橋のエラストマ、架橋ポリスチレン、架橋ポリメチルメタクリレート等をさらに混合しても良い。熱可塑性エラストマ及び低架橋度のエラストマを加えることはより好ましい。熱可塑性エラストマとしては、ガラス転移点が室温以下のものなら、特に制限されることなく使用でき、０℃以下のものがより好ましい。例えば、オレフィン系エラストマ、スチレン系エラストマ、ウレタン系エラストマ、エステル系エラストマ等、アルケニル芳香族化合物−共役ジエン共重合体、ポリオレフィン系共重合体等のエラストマ等が挙げられる。これらエラストマの添加量が多いほど、耐衝撃性が高く粘り強い樹脂となるとともに、パッド表面と被研磨物との摩擦力も増加する。これら添加剤の量は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂１００重量部に対して３〜５０重量部であることが好ましく、５〜３０重量部であることがより好ましい。
【００３２】
本発明の研磨パッドの弾性体層は、引張弾性率が０．３〜２．５ＧＰａの範囲となることが好ましい。より好ましくは、０．５〜１．０ＧＰａである。なお、研磨パッドＡにおいては、０．３〜２．５ＧＰａの範囲の引張弾性率を有することが必須である。引張弾性率が高ければディッシング等の局所的な平坦性は向上するが、研磨面の傷が発生しやすくなり、引張弾性率が低くなればウエハレベルの均一性は向上するが、ディッシング等の局所的な平坦性は低化する。
ここでいう引張弾性率とは、上記研磨パッドの弾性体層を１ｍｍ×１．５ｍｍ×３５ｍｍの短冊状に切り出し、通常の動的粘弾性試験装置を用いて、スパン間２７．５ｍｍにて周波数１Ｈｚにて２５℃で測定を行い、得られる複素弾性率の貯蔵弾性率をいう。
【００３３】
本発明における研磨パッド表面のクッション層の形成方法としては、ドレッシング処理、すなわちダイヤモンド等の砥石を用いてパッド表面の樹脂を削り取り、繊維を露出する方法が取れる。砥石の代わりに、ワイヤーブラシ、メタルスクレーバ、樹脂ブラシ、ガラスあるいはセラミックスプレートを使用しても良い。有機繊維及びエラストマ粒子の露出した部分の長さは、１ｍｍ以下のものが使用できるが、２００μｍ以下であることが望ましい。好ましくは１〜２００μｍ、より好ましくは１０〜１５０μｍである。短ければ、研磨液の保持性が低下して研磨速度が小さくなり、長くなれば平坦性に悪影響を及ぼす。
【００３４】
本発明の上記クッション層を有する研磨パッドのクッション層上での動摩擦係数は、０．３５以下、好ましくは０．３以下に調整することが望ましく、より好ましくは、０．２５以下である。なお、研磨パッドＢにおいては、クッション層上での動摩擦係数が０．３５以下であることが必須である。摩擦係数が大きいと研磨速度は高くなるが、ディッシング等の局所的な平坦性は低化する。反対に摩擦係数が小さいと、ディッシング等の局所的な平坦性は高くなるが、研磨速度は低化する。
ここでいう動摩擦係数とは、往復摺動摩擦試験機により相手金属材を半径５ｍｍの金属球とし、荷重５ｇ、速度１ｍｍ／秒、ストローク長１２ｍｍの条件で、２５℃の通常雰囲気、乾燥状態の下で、１０往復摺動させ、１０往復目の動摩擦係数を計測することにより評価できる。
【００３５】
以上の研磨パッドを用いれば、研磨する金属に対応する砥粒粒子を含まない研磨液では、被研磨物とパッドを主として構成する弾性体層との間にクッション層が介在するために摩擦が生じず、そのため研磨速度は低い。一方、研磨する金属に対応した砥粒粒子を含んだ研磨液では、砥粒がクッション層を構成する繊維あるいはエラストマ粒子に保持され研磨が進む。金属配線部のディッシング等の平坦性悪化は、パッドと被研磨面との摩擦により発生する熱によるエッチングの進行によるものと、発明者の検討により判明した。したがって、上記のように砥粒を含まない研磨液で研磨が行われないことは、平坦性の向上には有効である。好ましくは、上記粒子を含まない金属用研磨液の研磨速度Ａと、粒子を含むほかは前記研磨液と同様の金属用研磨液の研磨速度Ｂの比（Ａ／Ｂ）が、同じ研磨条件で研磨した場合、０〜１／１０であり、さらに好ましくは０〜１／１５である。この比が小さいほど、ディッシングは小さくなるが、研磨速度が小さくなる。なお、研磨パッドＣにおいては、この比が０〜１／１０であることが必須である。
【００３６】
本発明の研磨パッドに使用する金属用ＣＭＰ研磨剤は、砥粒粒子を含んでいるものならば、特に制限なく使用できる。例えば、Ｃｕ用研磨剤として、シリカ、アルミナ、セリア、チタニア、ジルコニア及びゲルマニア等の砥粒、添加剤と防食剤を水に分散させ、さらに過酸化物を添加した研磨剤が挙げられる。砥粒としては、コロイダルシリカ粒子あるいはアルミナ粒子が、特に好ましい。また、砥粒粒子含有量は、０．１〜２０重量％のものが望ましい。粒子含有量が少ないと、研磨速度が低化する。該砥粒粒子はその製造方法を限定するものではないが、その平均径が、０．０１〜１μｍであることが好ましい。平均粒径が０．０１μｍ以下では研磨速度が小さくなりすぎ、１．０μｍを超えると傷になりやすい。
【００３７】
本発明の研磨パッドを製造する方法は、特に規定はしないが、従来から公知の方法を利用して行うことができる。パッドを主として構成する弾性体が熱可塑性樹脂で構成される場合は、本発明の製造方法の１つ、すなわち、有機繊維あるいはエラストマ粒子と熱可塑性樹脂を混合する過程、有機繊維と熱可塑性樹脂とからなる混合物をペレットあるいはタブレットにする過程、該ペレットあるいはタブレットを押し出し成形により板状体に加工する過程、及び板状体の片面を粗化する過程を含む方法をとることができる。例えば、まず、各成分をヘンシェルミキサー、スーパーミキサー、ターンブルミキサー、リボンブレンダー等で均一に混合（ドライブレンド）した後、単軸押出機や二軸押出機、バンバリーミキサー等で溶融混練する。さらに、有機繊維あるいはエラストマ粒子を加え溶融混合、冷却してペレットあるいはタブレット化する。冷却に水を使用する場合は、ペレットあるいはタブレットを十分に乾燥し、脱水する必要がある。最終的なシート状成形物は、得られた熱可塑性樹脂組成物ペレットあるいはタブレットを再度射出成形機でダイスを通して押し出し、ロールで圧延することで板状体を作製できる。また、金型に注入しても良い。その後板状体の表面を粗化することにより、クッション層を形成する。
【００３８】
一方、熱硬化性樹脂を使用する場合は、本発明の製造方法の他の１つ、すなわち、有機繊維あるいはエラストマ粒子を液状熱硬化性樹脂中に分散する過程、金型に該有機繊維あるいはエラストマ粒子を含む液状熱硬化性樹脂を流し込む過程、それを硬化させて板状体を得る過程、及び板状体の片面を粗化する過程を含む方法が望ましい。例えば２液型の熱硬化性樹脂を用いる場合は、２液の片方或いは両方の樹脂液に、繊維あるいはエラストマ粒子をホモミキサー等で分散させ、更に２液を混合して攪拌する。攪拌後の混合液を減圧状態にして巻きこんだ気体を脱泡し、さらにシート状に成形出来る型に入れて加圧もしくは常圧で加温し硬化させる。その後、得られた板状体の表面を粗化して、クッション層を形成する。
【００３９】
研磨パッドの全体の厚みは０．１〜５ｍｍであることが好ましく、０．５〜２ｍｍであることがより好ましい。これを必要であれば所定の研磨機の定盤形状にあわせ加工することで、最終製品とする。また、上記研磨パッドに溝を付ける方法として、あらかじめシート状の型に研磨パッドの溝となる凸部を設けて、成形品に溝形状を付ける方法や成形後、ＮＣ旋盤等を使用して加工することもできる。
研磨装置定盤への上記研磨パッド固定は、両面接着テープ等の接着剤を研磨面と逆側に使用することができる。また、発泡ポリウレタン等からなる低弾性率のサブパッドを介してとりつけても良い。
【００４０】
以下本発明の研磨パッドを用いた基板の研磨方法について説明する。
研磨する装置に特に制限はなく、円盤型研磨装置、リニア型研磨装置で使用することができる。一例として、半導体基板を保持するホルダーと研磨パッドを貼り付けた（回転数が変更可能なモータ等を取り付けてある）定盤を有する一般的な研磨装置がある。研磨条件に、特に制限はないが、研磨対象に応じて最適化を図ることが望ましい。研磨している間、研磨パッドに研磨剤をポンプ等で連続的に供給する。この供給量には制限はないが、研磨パッドの表面が常に研磨剤で覆われていることが好ましい。半導体基板研磨によるパッドの磨耗や有機繊維は、ドレッシングを行うことにより再生される。
【００４１】
研磨終了後の半導体基板は、流水中でよく水洗後、スピンドライア等を用いて半導体基板上に付着した水滴を払い落としてから乾燥させることが望ましい。
本発明の研磨パッドを使用し研磨する基板としては、例えば、ビアホールと配線溝とをドライエッチングで形成した層間絶縁膜上に、開口部と内壁を完全に覆うようにバリア膜、さらにその上にＣｕ膜を成長させて完全に開口部を埋め込んだ状態の基板が挙げられる。層間絶縁膜からなる絶縁層は、誘電率が２．７以下、例えば、１．５〜２．７であることが好ましく、２．０以下であることがより好ましい。誘電率が２．７を超えると、製造される半導体の信号遅延が大きくなり、演算速度の低下等の問題を生じることがある。
【００４２】
また、上記のような絶縁層の複合開口部を埋め込んでなる主にＣｕ、Ｔａ、ＴａＮやＡｌ等の金属を含む膜だけでなく、所定の配線板に形成された酸化珪素膜、ガラス、窒化珪素等の無機絶縁膜、ポリシリコンを主として含む膜、フォトマスク・レンズ・プリズムなどの光学ガラス、ＩＴＯなどの無機導電膜、ガラス及び結晶質材料で構成される光集積回路・光スイッチング素子・光導波路・光ファイバーの端面、シンチレータ等の光学用単結晶、固体レーザ単結晶、青色レーザＬＥＤ用サファイア基板、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｓ等の半導体単結晶、磁気ディスク用ガラスあるいはアルミ基板、磁気ヘッド等を研磨することができる。
【００４３】
【実施例】
以下実施例により本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（研磨パッドの作製）
以下の方法で研磨パッドを作製した。
（実施例１）
有機繊維としてポリ−ｐ−フェニレンテレフタルアミド繊維（デュポン製「ケブラー」、繊維径１２５μｍ、繊維長３ｍｍ）、マトリックス樹脂としてＡＢＳ樹脂ペレット（商品名：サンタック、日本エイアンドエル（株）製）を押し出し成形機にて溶融混合し、タブレット化する。ここで、ポリ−ｐ−フェニレンテレフタルアミド繊維は、５重量％になるように調整した。タブレットを大型乾燥機にて１２０℃、５ｈ乾燥した後、押し出し成形及びロールを用いて、厚さ１．２ｍｍ、幅１ｍのシート状成形品を作成した。このシートに、深さ０．６ｍｍ、幅２．０ｍｍの矩形断面形状の溝を、ピッチ１５ｍｍ格子状に形成した後、Φ６００ｍｍの円盤状に切り出した。さらに溝加工した面の反対側に両面テープを接着し、表面粗化処理前の研磨パッドとした。
【００４４】
（実施例２）
アクリルエラストマ粒子（平均粒径５μｍ、積水化成品工業（株）製、商品名：テクポリマーＥＡＸ）とタブレット形状のＡＢＳ樹脂市販品（日本エイアンドエル（株）製、商品名：サンタック）を、アクリルエラストマ３５重量部に対しＡＢＳ樹脂６５重量部の割合でヘンシェルミキサーを用いて均一に混合（ドライブレンド）した。混合物を２軸押出機で溶融混練し、アクリルエラストマ粒子をＡＢＳ樹脂マトリックス中に分散させた。溶融混練した樹脂は紐状に押し出して水で冷却し、カットして樹脂混合物のタブレットを得た。このタブレットを十分に乾燥した後、押し出し成形機を用いロールで圧延して厚み１ｍｍのシート状に加工した。この樹脂シートをΦ６００ｍｍの円盤状に切り出し、さらに表面に幅２ｍｍ、深さ０．６ｍｍ、ピッチ１５ｍｍの格子状の溝を旋盤加工し、表面粗化処理前の研磨パッドとした。
【００４５】
（実施例３）
マトリックス樹脂として、ポリエチレンを用いたほかは、実施例１と同様にして、表面粗化処理前の研磨パッドを得た。
【００４６】
（実施例４）
有機繊維としてポリ−ｐ−フェニレンテレフタルアミド繊維（デュポン製「ケブラー」、繊維径１２．５μｍ、繊維長３ｍｍ）、熱硬化性樹脂として、（株）エッチアンドケー製ポリウレタン樹脂ＨＥＩ−ＣＡＳＴを用いてパッドの成形を行った。ＨＥＩ−ＣＡＳＴ３５４５Ａと３４００Ｃ、さらにチョップ状の繊維をホモミキサーで混合し、繊維を樹脂中に分散させた。さらにＨＥＩ−ＣＡＳＴ３５４５Ｂを加えホモミキサーで素早く攪拌分散し、減圧下において脱泡を行った。有機繊維と各樹脂の混合割合は、重量比でＨＥＩ−ＣＡＳＴ３５４５Ａ：３４００Ｃ：アラミド繊維：３５４５Ｂ＝８０：２０：１０：９６で混合した。混合後の樹脂液を厚み２ｍｍ、６５０ｃｍ角のシートを成形出来る金型に流し込み、８０℃で１時間加熱し硬化させた。このシートに、深さ０．６ｍｍ、幅２．０ｍｍの矩形断面形状の溝を、ピッチ１５ｍｍ格子状に形成した後、Φ６００ｍｍの円盤状に切り出した。さらに溝加工した面の反対側に両面テープを接着し、表面粗化処理前の研磨パッドとした。
【００４７】
（実施例５）
アクリルエラストマ粒子（平均粒径５μｍ、積水化成品工業（株）製、商品名：テクポリマーＥＡＸ）とアクリル系液状熱硬化性樹脂組成物（メタクリル酸メチル４９重量部、ポリエチレングリコールジメタクリレート４９重量部、硬化剤（有機化酸化物）２重量部配合）をアクリルエラストマ粒子２０重量部に対しアクリル系液状熱硬化性樹脂組成物８０重量部の割合でホモミキサーを用いて均一に混合した。得られた樹脂混合液を常温で３分間減圧脱泡して混合液中に巻き込んだ空気を除去した。さらに樹脂液を、厚み２ｍｍ、６５０ｍｍ角のシートを成形できる金型に流し込み、６０℃で１時間加熱、６０℃から１４０℃に２時間で昇温、１４０℃で１時間加熱して硬化させた。このシートをΦ６００ｍｍの円盤状に切り出し、さらに表面に幅２ｍｍ、深さ０．６ｍｍ、ピッチ１５ｍｍの格子状の溝を旋盤加工し、表面粗化処理前の研磨パッドとした。
【００４８】
（比較例１）
有機繊維を使用しない他は、実施例１と同様にして研磨パッドを作製した。
【００４９】
（比較例２）
市販の発泡ポリウレタンパッドを用いた。
【００５０】
（パッド特性の評価）
作製した研磨パッドの特性を下記にしたがい評価した。
【００５１】
（引張弾性率）
作製した研磨パッドを１ｍｍ×１．５ｍｍ×３５ｍｍの短冊状に切り出し、動的粘弾性試験装置（Ｒｈｅｏｍｅｔｒｉｘ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製、ＲＳＡ−ＩＩ）を用いて、スパン間２７．５ｍｍにて周波数１Ｈｚにて２５℃で測定を行い、引張弾性率を求めた。
【００５２】
（動摩擦係数）
各研磨パッドを＃１６０番手のダイヤモンド砥石をつけたドレッサーで３０分間表面を荒らした。表面粗化後、２０ｍｍ×１０ｍｍの短冊型にサンプルを切り出し、以下の動摩擦係数の測定に用いた。往復摺動摩擦試験機（ＨＥＩＤＯＮ−１４Ｄ）を用い、銅製のスライダをサンプル上に５ｇの一定荷重で押し付けた状態で往復運動させそのときの抵抗力を測定した。スライダは半径５ｍｍの９９．９％銅球を用い、１２ｍｍの範囲を速度１ｍｍ／ｓｅｃで運動させた。測定は、各サンプル各荷重ごとに１０回往復させて行い、１０回目の荷重の平均を用いて動摩擦係数を求めた。
表１に以上の方法で求めたパッドの特性について示す。
【００５３】
【表１】
【００５４】
（研磨剤の作製方法）
銅用の研磨液として、砥粒を含まない（砥粒フリー）研磨液（日立化成工業（株）製 ＨＳ−Ｃ４３０スラリー）及びこれに二次粒子の平均径が３５ｎｍのコロイダルシリカを加え０．３７重量％に調整した砥粒入り研磨液を使用した。両者とも使用時に、体積比で研磨液：過酸化水素水＝７：３で混合した。
バリア膜の研磨には、ＨＳ−Ｔ６０５（日立化成工業（株）製）を用いた。
絶縁膜用の研磨液として、酸化セリウム系研磨剤（日立化成工業（株）製 ＨＳ−８００５）を用い、蒸留水で５倍と２５倍に希釈し酸化セリウム粒子濃度１．０重量％と０．２重量％の研磨液を得た。
【００５５】
（金属膜及び絶縁膜の研磨）
上記のパッドを研磨装置の定盤に取り付け、＃１６０番手のダイヤモンド砥石をつけドレッサーで、３０分間表面を粗した。実施例１、３及び４のクッション層を形成する繊維の露出長は、各々、７０μｍ、８０μｍ、６０μｍであった。その後、上記研磨剤を使用して、配線なしあるいは配線を形成したシリコンウエハ基板を研磨し、研磨速度、研磨傷、及び平坦性の指標としてディッシングを測定した。
【００５６】
研磨速度及び研磨傷評価用としては配線のない基板を用い、金属膜の研磨に厚さ１μｍの銅膜を形成した配線形成のない二酸化シリコン膜層付きシリコン基板、絶縁膜の研磨にシリコン基板上にＴＥＯＳ−プラズマＣＶＤ法で酸化珪素絶縁膜を形成させた基板を用いた。
【００５７】
ディッシング評価には配線を形成した基板を用い、金属膜の研磨に、二酸化シリコン中に深さ０．５μｍの溝を形成して、公知のスパッタ法によってバリア層として厚さ５０ｎｍの窒化タンタル膜を形成し、同様にスパッタ法により銅膜を形成して公知の熱処理によって埋め込んだシリコン基板を用いた。銅膜の弾性率は、ナノインデンターによる測定によれば、１５０ＧＰａであった。
【００５８】
（研磨速度の評価）
ウエハ基板取り付け用の吸着パッドを貼り付けたホルダーに上記ウエハをセットし、加工面を下にして研磨装置に取り付けた研磨パッド上にセットする。上記の銅膜形成基板と銅用研磨液を用いて、研磨液を１５０ｍｌ／ｍｉｎで供給しながら、加工加重２×１０４Ｐａ、及び４×１０４Ｐａ、回転数９０ｒｐｍで１分間研磨した。研磨前後の銅膜厚を、ナプソン（株）製Ｍｏｄｅｌ ＲＴ−７を用いてシート抵抗値を測定し、抵抗率から膜厚を計算し、ＣＭＰ前後での膜厚差を求め計算した。
【００５９】
（研磨傷の評価）
Ｃｕ膜の傷評価は、研磨速度の評価を行なった基板を用い、金属顕微鏡の暗視野にて目視にて評価した。
【００６０】
（ディッシング量）
銅配線を形成した基板と銅用の研磨液を用い、配線部以外の部分でバリア膜が露出するまで銅研磨を行った。その後バリア用研磨液を用い、、加工加重２×１０４Ｐａ、及び４×１０４Ｐａ、回転数９０ｒｐｍで３０秒研磨を行いバリア膜を研磨した。触針式段差計（例えば、Ｖｅｅｃｏ／Ｓｌｏａｎ社製Ｄｅｋｔａｔ３０３０）で配線金属部（銅）幅１００μｍ、絶縁膜（二酸化シリコン）部幅１００μｍが交互に並んだストライプ状パターン部の表面形状から、絶縁膜部に対する配線金属部の膜減り量を測定し、ディッシング量とした。
表２に研磨特性の結果を示す。
【００６１】
【表２】
【００６２】
実施例１及び２と比較例１は、マトリックス樹脂は同様で、クッション層を有するか有さないかの違いである。比較例１に比べて本発明の研磨パッドである実施例１及び２は、何れの荷重での研磨においても傷の発生が抑えられて良好であった。比較例１は研磨傷が無数に入っており、ディッシングの測定が不能であった。
【００６３】
また、実施例１〜５では砥粒フリー研磨液を用いると殆ど研磨速度が得られず、同研磨液で研磨速度の高い比較例１及び２と異なる研磨機構によって研磨されていることは明らかである。砥粒フリー研磨液による研磨速度と砥粒入り研磨液による研磨速度の比は０〜０．０４８の間にある。
【００６４】
また、実施例１〜５は、砥粒入り研磨液を用いた場合、低荷重においても、比較的研磨速度が大きく低荷重すなわち低摩擦力での研磨に有用であることが確認できた。一方、比較例１においては研磨速度の低下が大きく。市販の発泡ポリウレタンを用いた比較例２では荷重が低い場合の研磨速度の低下は小さいものの、ディッシングの量が実施例に比べ大きくなる。
【００６５】
以上の結果から、実施例のパッドは繊維を含むことにより研磨傷を低減し、研磨粒子を有効に活用することによる高研磨速度化、低荷重での研磨速度向上の効果があることが明らかである。特に低荷重研磨においては、ディッシング量が比較例と比べ小さく良好であることがわかる。
以上の検討から、本発明による研磨パッドを使用すれば、ＣＭＰ時に絶縁層にかかる負荷を低減しつつ、平坦性を向上できることがわかる。
【００６６】
【発明の効果】
本発明の製造方法によって作製した被研磨物側表面に有機繊維が露出した研磨パッドを使用して金属のＣＭＰを行えば、低荷重で研磨を行うことができるため、層間絶縁膜への負荷が小さく、かつ平坦性にも優れた研磨が行え、次世代のデュアルダマシン法を容易に実施することが可能となる。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a CMP (Chemical Mechanical Polishing) used in a semiconductor device manufacturing technology and the like, and a precision polishing pad used in a hard disk manufacturing technology, and a polishing method using the same.
[0002]
[Prior art]
Current ultra-large-scale integrated circuits tend to increase the packaging density, and various microfabrication techniques have been researched and developed. The design rules are already on the order of sub-half micron. CMP technology is one of the technologies that have been developed to satisfy such strict requirements for miniaturization. According to this technique, a layer to be exposed is completely flattened in a semiconductor device manufacturing process, so that the burden of the exposure technique can be reduced. Therefore, for example, it is a technique that is indispensable when flattening an interlayer insulating film and a BPSG film and isolating a shallow trench.
[0003]
In CMP, a substrate on which a film to be polished is formed is pressed against a polishing pad and pressurized, and polishing is performed by moving the substrate or the polishing pad while supplying an abrasive between the polishing film and the polishing pad. In this case, a polyurethane foam is generally used as a polishing pad, and a polishing pad is also formed of a homogeneous polymer sheet (for example, see Patent Document 1). However, in recent years, generation of polishing scratches due to abrasive particles in the abrasive on the surface of the insulating film and the surface of the metal film has become a serious problem. Particularly, in the polishing of a metal film, since the metal is rich in chemical reactivity and soft, defects due to polishing scratches and corrosion are likely to occur, and selection of a polishing liquid and a polishing pad has become extremely important.
[0004]
On the other hand, dishing is easy to deform, that is, the smaller the elastic modulus, the larger the dishing. However, increasing the elastic modulus of the pad generally increases the pad hardness, causing defects such as the above-mentioned polishing scratches.
In addition, application of a low dielectric constant material to an interlayer insulating film, which has been promoted in recent years, is accompanied by a decrease in mechanical properties of the insulating layer and a decrease in adhesion to a metal, which is a cause of defects during polishing. Therefore, there is a need for a polishing system with a smaller mechanical load during polishing.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 8-511210 (Claims, Background of the Invention)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides an excellent flatness and low load in a CMP technique in which a metal film is buried and grown in an electrode, a plug, and a wiring groove pattern formed in an interlayer insulating film, and the metal film is flattened and polished to form a wiring. The present invention provides a polishing pad that can be polished without causing a defect in an insulating layer by using the method, a method for manufacturing the same, and a polishing method using the same.
[0007]
Also, the present invention provides a CMP technology for removing an interlayer insulating film, a BPSG film, and an insulating film for isolating a shallow trench in a semiconductor element manufacturing process, which is excellent in flatness and efficiently and quickly removes an insulating film. An object of the present invention is to provide a polishing pad capable of reducing the occurrence of the above polishing scratches, a method for manufacturing the same, and a polishing method using the same.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made by the finding that a CMP polishing pad having an extremely thin cushion layer on an elastic body surface has an effect of reducing polishing scratches and further obtaining a high polishing rate when polishing a metal film formed on a substrate. It is a thing. Further, the inventors have found that the deterioration of flatness such as dishing of the metal wiring portion is caused by the progress of etching due to heat generated due to friction between the pad and the surface to be polished.
[0009]
That is, a first aspect of the present invention is a polishing pad for polishing a layer mainly composed of a metal having an elastic modulus of 50 to 300 GPa or a layer composed of an insulating film separating the metal and the metal in a semiconductor manufacturing process. A polishing pad (hereinafter, referred to as polishing pad A) having a cushion layer on the polishing surface side, and an elastic layer having a tensile elasticity of 0.3 to 2.5 GPa under the cushion layer.
[0010]
Further, a second aspect of the present invention is a polishing pad for polishing a layer mainly composed of a metal or a layer composed of a metal and an insulating film for separating them in a semiconductor manufacturing process, wherein a cushion layer is provided on the polishing surface side. A polishing pad (hereinafter, referred to as a polishing pad B) having an elastic layer under the cushion layer and having a dynamic friction coefficient on the cushion layer of 0.35 or less.
[0011]
A third aspect of the present invention is a polishing pad for polishing a layer mainly composed of a metal or a layer composed of a metal and an insulating film that separates the metal and an insulating film in a semiconductor manufacturing process, wherein a cushion layer is provided on a polishing surface side. The polishing rate A of the metal polishing liquid having an elastic layer under the cushion layer and containing no particles, and the polishing rate of the metal polishing liquid similar to the above polishing liquid except that particles are contained. The present invention relates to a polishing pad (hereinafter, referred to as a polishing pad C), wherein a ratio (A / B) of B is 0 to 1/10.
[0012]
Further, the fourth aspect of the present invention is a step of mixing organic fibers or elastomer particles with a thermoplastic resin, a step of forming a mixture of organic fibers and thermoplastic resin into pellets or tablets, and extruding the pellets or tablets into a plate. The present invention relates to a method for producing the polishing pad A, B or C described above, which includes a step of processing into a plate-like body and a step of roughening one surface of a plate-like body.
[0013]
Further, the fifth step of the present invention is a step of dispersing organic fibers or elastomer particles in a liquid thermosetting resin, a step of pouring the liquid thermosetting resin containing the organic fibers or elastomer particles into a mold, and curing it. The present invention relates to a method for producing the polishing pad A, B or C described above, which includes a step of obtaining a plate-like body by polishing and a step of roughening one side of the plate-like body.
[0014]
In a sixth aspect of the present invention, the surface to be polished of the predetermined substrate is pressed against the cushion layer surface of the polishing pad A, B or C, and while the polishing agent is supplied between the surface to be polished and the pad, The present invention relates to a method for polishing a substrate, which polishes by relatively sliding a polishing pad.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Each of the polishing pads A, B and C of the present invention is a polishing pad for polishing a layer mainly composed of a metal or a layer composed of a metal and an insulating film separating them from each other in a semiconductor manufacturing process. It has a cushion layer on the surface to be applied.
[0016]
The kind of the metal is not particularly limited as long as it is used for a semiconductor, and the kind of the metal can be in a range of 50 to 300 GPa. Specific examples include, but are not limited to, Au, Ag, Cu, Al, W, Ir, Pt, Ru, Ni, and Ti. Here, the elastic modulus refers to a value obtained by a normal method of measuring the elastic modulus of a thin film by a nanoindentation method. For example, using a nano indenter manufactured by MTS, a Berkovich-type diamond indenter is pressed on a metal thin film, and quantitatively obtained from a displacement-stress curve obtained by a continuous hardness measurement method of Harmonic Frequency = 75 Hz and Harmonic Displacement = 1 nm. Can be. Here, after the indenter is pushed into the thin film, when the depth of the indentation is 100 nm, which is the entire depth of the thin film, the elastic modulus of the thin film is obtained. Note that the measurement temperature is 25 ° C. Further, ten points are measured for each sample in order to increase the reliability, and the hardness and the elastic modulus are obtained from the average value.
[0017]
Further, the cushion layer here is not particularly limited as long as it is interposed between an elastic layer mainly composed of an elastic body and mainly composed of the pad and the object to be polished, and prevents direct contact between the two. It is preferable that the cushion layer is not uniformly present on the pad, and that isolated minute constituent units are dispersed on the surface in view of supply of the polishing liquid and discharge of the polishing debris. Specific examples of the isolated minute constituent units include, for example, fibers such as organic fibers and elastomer particles.
[0018]
Due to the presence of the cushion layer, the polishing surface is protected and polishing scratches are prevented, and polishing particles involved in polishing are retained there, thereby improving the polishing rate. Further, since there is no or little direct contact with the elastic body mainly constituting the pad, the generation of heat generated during polishing can be suppressed.
[0019]
The cushion layer is formed by dispersing the fibers or the elastomer particles or both in an elastic layer to form a pad, and performing surface roughening at least before polishing to expose the fibers or the elastomer particles to the pad surface in advance. be able to. According to this method, when wear due to polishing or detachment of the cushion layer occurs, the lost cushion layer can be regenerated by roughening by dressing.
[0020]
As the above-mentioned fibers, organic fibers are preferable, and for example, fibers made of polyester, aramid, polyamide, cellulose or the like can be used without any particular limitation. Also, two or more of these can be selected and mixed for use. It is more preferable to select aramid fibers alone or as a main component. That is, the aramid fiber has a high tensile strength as compared with other general organic fibers, and when the polishing pad surface according to the present invention is mechanically roughened to expose the fiber, the fiber easily remains on the surface and is effective. Because. In addition, there is also an effect of improving the durability of the polishing pad and extending the service life.
[0021]
Aramid fibers are classified into para-type and meta-type. Para-aramid fibers are more suitable because they have higher mechanical strength and lower hygroscopicity than meta-type fibers. As the para-aramid fiber, poly p-phenylene terephthalamide fiber and poly p-phenylenediphenyl ether terephthalamide fiber are commercially available and can be used.
[0022]
These can be used as chops obtained by cutting short fibers to a predetermined length, or can be used by mixing several types of fiber lengths. The resin may be filled in the form of a woven or nonwoven fabric.
[0023]
Although the fiber diameter (diameter) of the organic fiber may be 1 mm or less, it is preferably 200 μm or less. Preferably it is 1 to 200 μm, more preferably 5 to 150 μm. If it is thick, the mechanical strength is too high, causing polishing scratches and defective dress. If the thickness is too small, the quality of the product is reduced, or the durability of the pad is reduced due to insufficient strength. Although the fiber length can be 10 mm or less, it is preferably 5 mm or less. Preferably it is 0.1-4 mm, more preferably 0.1-3 mm. If the pad is short, fibers exposed when the pad surface is mechanically roughened are not effectively held by the pad. If the pad is long, the pad is thickened at the time of mixing with the elastic material mainly constituting the pad, and molding becomes difficult. There are cases.
[0024]
When using chopped fibers, the fiber surface may be mechanically or chemically roughened in advance or modified with a coupling material or the like in order to improve the affinity with the resin. From the viewpoint of handling, a chopped short fiber chop coated with a very small amount of resin can be used. However, it is sufficient that the short fibers have a holding force enough to disperse the short fibers in the matrix resin due to heating during mixing with the matrix resin or an applied shearing force. Further, in addition to the main organic fiber, an inorganic fiber such as a glass fiber may be added.
[0025]
The content of the fiber is not particularly limited, but needs to be optimized depending on the softening temperature and the viscosity of the elastic body mainly constituting the pad. It is preferably 1 to 50% by weight of the whole pad, more preferably 2 to 20% by weight. If the fiber amount is small, the polishing scratches on the polished surface become remarkable, and if the fiber amount is too large, the moldability deteriorates.
[0026]
Examples of usable elastomer particles include crosslinked and uncrosslinked elastomers, and core-shell rubber particles obtained by graft-polymerizing a heterogeneous polymer on the surface of crosslinked rubber particles. As long as the elastomer has a glass transition point of room temperature or lower, it can be used without any particular limitation, and those having a glass transition point of 0 ° C. or lower are more preferable. For example, olefin-based elastomers, styrene-based elastomers, urethane-based elastomers, ester-based elastomers, and the like, alkenyl aromatic compound-conjugated diene copolymers, polyolefin-based copolymers, elastomers such as silicone, and the like can be given. As the amount of the elastomer added is larger, the polishing pad has higher impact resistance and is more sticky, and the role of a cushion between the pad surface and the object to be polished is also increased.
[0027]
Commercially available crosslinked rubber particles include XER-91 (manufactured by JSR), which is a crosslinked product of a carboxyl-modified butadiene-acrylonitrile copolymer, CX-MN series (manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd.), which is made of acrylic elastomer fine particles YR-500 series (manufactured by Toto Kasei Co., Ltd.), Techpolymer Series (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.) and the like can be used.
[0028]
Commercially available core-shell elastomer particles include, for example, “paraloid” EXL-2655 (produced by Kureha Chemical Industry Co., Ltd.) composed of butadiene-alkyl methacrylate-styrene copolymer, and acrylic ester-methacrylic ester copolymer. "STAPHYLOID" AC-3355, TR-2122 (manufactured by Takeda Pharmaceutical Co., Ltd.), "PARALOID" EXL-2611, consisting of butyl acrylate / methyl methacrylate copolymer, EXL-387 (manufactured by Rohm & Haas), etc. Can be used.
Other commercially available products include, for example, silicone elastomer fine particles (E-601, manufactured by Toray Dow Corning Silicone Co., Ltd.).
[0029]
The average particle size of the elastomer particles is preferably from 0.01 to 100 μm, and more preferably from 0.1 to 20 μm.
[0030]
The elastic body mainly constituting the elastic layer contains and retains the above-mentioned fibers and elastomer particles, and is often called a matrix resin. As the matrix resin, ordinary thermosetting resins and thermoplastic resins can be used without any particular limitation. Examples of such a thermosetting resin include an epoxy resin, a phenol resin, an unsaturated polyester resin, an acrylic resin, and a polyurethane. Further, as the thermoplastic resin, for example, polycarbonate, polymethyl methacrylate, AS (acrylonitrile-styrene copolymer), ABS (acrylonitrile-butadiene rubber-styrene copolymer), polyethylene, polypropylene, polybutene, 4-methyl-pentene -1, ethylene-propylene copolymer, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyester, polyamide, polyamideimide, polyacetal and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
[0031]
Further, in addition to the thermosetting resin or the thermoplastic resin, a crosslinked and uncrosslinked elastomer, a crosslinked polystyrene, a crosslinked polymethyl methacrylate, or the like may be further mixed as an additive. It is more preferred to add a thermoplastic elastomer and an elastomer with a low degree of crosslinking. The thermoplastic elastomer can be used without any particular limitation as long as it has a glass transition point of room temperature or lower, and more preferably 0 ° C or lower. Examples include olefin-based elastomers, styrene-based elastomers, urethane-based elastomers, ester-based elastomers, and the like, and elastomers such as alkenyl aromatic compound-conjugated diene copolymers and polyolefin-based copolymers. The greater the amount of the elastomer added, the higher the impact resistance and the more viscous the resin, and the higher the frictional force between the pad surface and the object to be polished. The amount of these additives is preferably 3 to 50 parts by weight, more preferably 5 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the thermosetting resin or the thermoplastic resin.
[0032]
The elastic layer of the polishing pad of the present invention preferably has a tensile modulus in the range of 0.3 to 2.5 GPa. More preferably, it is 0.5 to 1.0 GPa. The polishing pad A must have a tensile modulus in the range of 0.3 to 2.5 GPa. If the tensile modulus is high, local flatness such as dishing is improved, but scratches on the polished surface are liable to occur, and if the tensile modulus is low, wafer level uniformity is improved. The actual flatness is reduced.
As used herein, the tensile elastic modulus refers to the elastic layer of the polishing pad cut out into a strip of 1 mm × 1.5 mm × 35 mm, and the frequency is measured at a span of 27.5 mm using a normal dynamic viscoelasticity tester. The measurement is performed at 25 ° C. at 1 Hz, and the obtained storage modulus of the complex modulus is referred to.
[0033]
As a method of forming the cushion layer on the polishing pad surface in the present invention, there is a dressing treatment, that is, a method in which the resin on the pad surface is scraped off using a grindstone such as diamond to expose the fibers. Instead of a grindstone, a wire brush, a metal scraper, a resin brush, glass or a ceramic plate may be used. The length of the exposed portion of the organic fibers and the elastomer particles can be 1 mm or less, but is preferably 200 μm or less. Preferably it is 1 to 200 μm, more preferably 10 to 150 μm. If the length is shorter, the holding performance of the polishing liquid decreases, and the polishing rate decreases. If the length is longer, the flatness is adversely affected.
[0034]
The coefficient of kinetic friction of the polishing pad having the cushion layer of the present invention on the cushion layer is desirably adjusted to 0.35 or less, preferably 0.3 or less, and more preferably 0.25 or less. In the polishing pad B, the coefficient of kinetic friction on the cushion layer must be 0.35 or less. When the coefficient of friction is large, the polishing rate increases, but local flatness such as dishing decreases. On the other hand, when the friction coefficient is small, the local flatness such as dishing is increased, but the polishing rate is reduced.
The dynamic friction coefficient as used herein means a reciprocating sliding friction tester in which a mating metal material is a metal ball having a radius of 5 mm, a load of 5 g, a speed of 1 mm / sec, and a stroke length of 12 mm under a normal atmosphere of 25 ° C. in a dry state. It can be evaluated by sliding 10 reciprocations and measuring the dynamic friction coefficient at the 10th reciprocation.
[0035]
When the above polishing pad is used, the polishing liquid that does not contain abrasive particles corresponding to the metal to be polished generates friction because the cushion layer is interposed between the object to be polished and the elastic layer mainly constituting the pad. Therefore, the polishing rate is low. On the other hand, in a polishing liquid containing abrasive grains corresponding to the metal to be polished, the abrasive grains are held by fibers or elastomer particles constituting the cushion layer, and polishing proceeds. The inventors of the present invention have found that deterioration in flatness such as dishing of the metal wiring portion is caused by progress of etching due to heat generated by friction between a pad and a surface to be polished. Therefore, the fact that the polishing is not performed with the polishing liquid containing no abrasive grains as described above is effective for improving the flatness. Preferably, the ratio (A / B) of the polishing rate A of the metal-polishing liquid containing no particles and the polishing rate B of the same metal-polishing liquid as the polishing liquid other than containing the particles is the same under the same polishing conditions. When polished, it is 0 to 1/10, and more preferably 0 to 1/15. The smaller the ratio, the smaller the dishing, but the lower the polishing rate. In the polishing pad C, it is essential that this ratio be 0 to 1/10.
[0036]
The metal CMP abrasive used for the polishing pad of the present invention can be used without any particular limitation as long as it contains abrasive particles. For example, as a polishing agent for Cu, there is a polishing agent obtained by dispersing abrasive grains such as silica, alumina, ceria, titania, zirconia, and germania, an additive and an anticorrosive agent in water, and further adding a peroxide. As the abrasive, colloidal silica particles or alumina particles are particularly preferable. Further, the content of the abrasive particles is desirably 0.1 to 20% by weight. If the particle content is small, the polishing rate is reduced. The production method of the abrasive particles is not limited, but the average diameter is preferably 0.01 to 1 μm. When the average particle size is 0.01 μm or less, the polishing rate is too low, and when the average particle size exceeds 1.0 μm, it is easy to be damaged.
[0037]
Although the method for producing the polishing pad of the present invention is not particularly limited, it can be carried out using a conventionally known method. When the elastic body mainly constituting the pad is made of a thermoplastic resin, one of the production methods of the present invention, that is, the step of mixing the organic resin or the elastomer particles and the thermoplastic resin, the organic fiber and the thermoplastic resin , A process of extruding the pellet or tablet into a plate-like body, and a step of roughening one side of the plate-like body. For example, first, each component is uniformly mixed (dry-blended) by a Henschel mixer, a super mixer, a turn bull mixer, a ribbon blender or the like, and then melt-kneaded by a single-screw extruder, a twin-screw extruder, a Banbury mixer or the like. Further, organic fibers or elastomer particles are added, melt-mixed and cooled to form pellets or tablets. If water is used for cooling, the pellets or tablets must be sufficiently dried and dehydrated. The final sheet-like molded product can be formed into a plate-like body by extruding the obtained thermoplastic resin composition pellets or tablets through a die again using an injection molding machine and rolling them with rolls. Moreover, you may inject | pour into a metal mold | die. Thereafter, the surface of the plate is roughened to form a cushion layer.
[0038]
On the other hand, when a thermosetting resin is used, another one of the production methods of the present invention, that is, a process of dispersing organic fibers or elastomer particles in a liquid thermosetting resin, a step of dispersing the organic fibers or elastomer in a mold, is performed. A method including a step of pouring a liquid thermosetting resin containing particles, a step of curing the resin to obtain a plate-like body, and a step of roughening one surface of the plate-like body is desirable. For example, when a two-part thermosetting resin is used, fibers or elastomer particles are dispersed in one or both resin parts of the two parts with a homomixer or the like, and the two parts are mixed and stirred. The mixed liquid after stirring is depressurized to remove the entrapped gas, and then put into a mold that can be formed into a sheet, and then heated and cured under pressure or normal pressure. Thereafter, the surface of the obtained plate is roughened to form a cushion layer.
[0039]
The overall thickness of the polishing pad is preferably from 0.1 to 5 mm, more preferably from 0.5 to 2 mm. If necessary, this is processed according to the surface plate shape of a predetermined polishing machine to obtain a final product. In addition, as a method of forming a groove in the polishing pad, a method of forming a groove shape on a molded product by providing a convex portion serving as a groove of the polishing pad in a sheet-like mold in advance, or processing the product by using an NC lathe or the like. You can also.
For fixing the polishing pad to the polishing apparatus surface plate, an adhesive such as a double-sided adhesive tape can be used on the side opposite to the polishing surface. Further, it may be attached via a low elasticity subpad made of foamed polyurethane or the like.
[0040]
Hereinafter, a method for polishing a substrate using the polishing pad of the present invention will be described.
There is no particular limitation on the polishing apparatus, and the polishing apparatus can be used in a disk-type polishing apparatus or a linear-type polishing apparatus. As an example, there is a general polishing apparatus having a surface plate on which a holder for holding a semiconductor substrate and a polishing pad are attached (a motor or the like capable of changing the number of rotations is attached). The polishing conditions are not particularly limited, but it is desirable to optimize the polishing conditions according to the polishing object. During polishing, an abrasive is continuously supplied to the polishing pad by a pump or the like. Although the supply amount is not limited, it is preferable that the surface of the polishing pad is always covered with the abrasive. Abrasion of pads and organic fibers due to polishing of the semiconductor substrate are regenerated by performing dressing.
[0041]
After the polishing is completed, the semiconductor substrate is preferably washed well in running water, and then dried using a spin dryer or the like to remove water droplets adhering to the semiconductor substrate.
As a substrate to be polished using the polishing pad of the present invention, for example, a barrier film to completely cover an opening and an inner wall on an interlayer insulating film formed by dry etching of a via hole and a wiring groove, and further thereon A substrate in which a Cu film is grown and the opening is completely buried is given. The insulating layer made of an interlayer insulating film preferably has a dielectric constant of 2.7 or less, for example, 1.5 to 2.7, and more preferably 2.0 or less. If the dielectric constant exceeds 2.7, the signal delay of the manufactured semiconductor increases, which may cause a problem such as a decrease in the operation speed.
[0042]
Further, not only a film mainly containing a metal such as Cu, Ta, TaN, or Al, which is embedded in the composite opening of the insulating layer as described above, but also a silicon oxide film, glass, nitride, or the like formed on a predetermined wiring board. Inorganic insulating films such as silicon, films mainly containing polysilicon, optical glasses such as photomasks, lenses, and prisms; inorganic conductive films such as ITO; optical integrated circuits, optical switching elements, and optical waveguides composed of glass and crystalline materials. Polishing the end face of waveguide / optical fiber, optical single crystal such as scintillator, solid laser single crystal, sapphire substrate for blue laser LED, semiconductor single crystal such as SiC, GaP, GaAs, glass or aluminum substrate for magnetic disk, magnetic head, etc. can do.
[0043]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
(Preparation of polishing pad)
A polishing pad was produced by the following method.
(Example 1)
Extrusion molding machine using poly-p-phenylene terephthalamide fiber (“Kevlar” manufactured by DuPont, fiber diameter 125 μm, fiber length 3 mm) as organic fiber, and ABS resin pellet (trade name: Santac, manufactured by A & L Japan, Inc.) as matrix resin Melt and mix into tablets. Here, the poly-p-phenylene terephthalamide fiber was adjusted to be 5% by weight. After the tablet was dried at 120 ° C. for 5 hours using a large-sized dryer, a sheet-shaped molded product having a thickness of 1.2 mm and a width of 1 m was prepared by using extrusion molding and a roll. After forming a groove having a rectangular cross-section having a depth of 0.6 mm and a width of 2.0 mm in a grid shape with a pitch of 15 mm, the sheet was cut out into a disk shape having a diameter of 600 mm. Further, a double-sided tape was adhered to the opposite side of the grooved surface to obtain a polishing pad before surface roughening treatment.
[0044]
(Example 2)
An acrylic elastomer particle (average particle size: 5 μm, manufactured by Sekisui Plastics Co., Ltd., trade name: Techpolymer EAX) and a tablet-shaped ABS resin commercial product (manufactured by Nippon A & L Co., Ltd., trade name: Santack) were prepared by using an acrylic elastomer. Using a Henschel mixer, the mixture was uniformly mixed (dry blended) at a ratio of 65 parts by weight of ABS resin to 35 parts by weight. The mixture was melt-kneaded in a twin-screw extruder, and the acrylic elastomer particles were dispersed in an ABS resin matrix. The melt-kneaded resin was extruded into a string, cooled with water, and cut to obtain a tablet of the resin mixture. After the tablet was sufficiently dried, it was rolled by a roll using an extruder and processed into a sheet having a thickness of 1 mm. This resin sheet was cut into a disk shape having a diameter of 600 mm, and a lattice-shaped groove having a width of 2 mm, a depth of 0.6 mm, and a pitch of 15 mm was turned on the surface to obtain a polishing pad before surface roughening treatment.
[0045]
(Example 3)
A polishing pad before surface roughening treatment was obtained in the same manner as in Example 1 except that polyethylene was used as the matrix resin.
[0046]
(Example 4)
Poly-p-phenylene terephthalamide fiber ("Kevlar" manufactured by DuPont, fiber diameter 12.5 μm, fiber length 3 mm) as an organic fiber, and polyurethane resin HEI-CAST manufactured by H & C Co., Ltd. as a thermosetting resin. The pad was molded. HEI-CAST3545A, 3400C, and the chopped fiber were mixed with a homomixer, and the fiber was dispersed in the resin. Further, HEI-CAST3545B was added, and the mixture was rapidly stirred and dispersed by a homomixer, followed by defoaming under reduced pressure. The mixing ratio of the organic fiber and each resin was HEI-CAST3545A: 3400C: aramid fiber: 3545B = 80: 20: 10: 96 by weight. The mixed resin liquid was poured into a mold capable of forming a sheet having a thickness of 2 mm and a size of 650 cm square, and was heated at 80 ° C. for 1 hour to be cured. After forming a groove having a rectangular cross-section having a depth of 0.6 mm and a width of 2.0 mm in a grid shape with a pitch of 15 mm, the sheet was cut out into a disk shape having a diameter of 600 mm. Further, a double-sided tape was adhered to the opposite side of the grooved surface to obtain a polishing pad before surface roughening treatment.
[0047]
(Example 5)
Acrylic elastomer particles (average particle size 5 μm, manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd., trade name: Techpolymer EAX) and an acrylic liquid thermosetting resin composition (methyl methacrylate 49 parts by weight, polyethylene glycol dimethacrylate 49 parts by weight) And 2 parts by weight of a curing agent (organized oxide) were uniformly mixed using a homomixer at a ratio of 80 parts by weight of the acrylic liquid thermosetting resin composition to 20 parts by weight of the acrylic elastomer particles. The resulting resin mixture was defoamed under reduced pressure at room temperature for 3 minutes to remove air trapped in the mixture. Further, the resin solution was poured into a mold capable of forming a sheet having a thickness of 2 mm and a size of 650 mm square, heated at 60 ° C. for 1 hour, heated from 60 ° C. to 140 ° C. for 2 hours, and heated at 140 ° C. for 1 hour to be cured. . This sheet was cut into a disk shape having a diameter of 600 mm, and a lattice-shaped groove having a width of 2 mm, a depth of 0.6 mm, and a pitch of 15 mm was turned on the surface to obtain a polishing pad before surface roughening treatment.
[0048]
(Comparative Example 1)
A polishing pad was produced in the same manner as in Example 1 except that no organic fiber was used.
[0049]
(Comparative Example 2)
A commercially available foamed polyurethane pad was used.
[0050]
(Evaluation of pad characteristics)
The characteristics of the produced polishing pad were evaluated according to the following.
[0051]
(Tensile modulus)
The prepared polishing pad was cut into strips of 1 mm x 1.5 mm x 35 mm, and 25 mm at a frequency of 1 Hz with a span of 27.5 mm using a dynamic viscoelasticity tester (RSA-II, manufactured by Rheometrics Scientific). The measurement was carried out at ℃ to determine the tensile modulus.
[0052]
(Dynamic friction coefficient)
The surface of each polishing pad was roughened with a dresser fitted with a # 160 diamond grindstone for 30 minutes. After the surface was roughened, a sample was cut out into a 20 mm × 10 mm strip shape and used for the measurement of the following dynamic friction coefficient. Using a reciprocating sliding friction tester (HEIDON-14D), a copper slider was reciprocated while being pressed against the sample with a constant load of 5 g, and the resistance force at that time was measured. The slider used was a 99.9% copper ball having a radius of 5 mm, and was moved in a range of 12 mm at a speed of 1 mm / sec. The measurement was performed by reciprocating 10 times for each load of each sample, and the dynamic friction coefficient was determined using the average of the 10th load.
Table 1 shows the characteristics of the pad obtained by the above method.
[0053]
[Table 1]
(Abrasive preparation method)
As a polishing solution for copper, a polishing solution containing no abrasive grains (abrasive grains free) (HS-C430 slurry manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.) and colloidal silica having an average secondary particle diameter of 35 nm were added thereto. A polishing liquid containing abrasive grains adjusted to 37% by weight was used. When both were used, they were mixed in a volume ratio of polishing liquid: hydrogen peroxide solution = 7: 3.
HS-T605 (manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.) was used for polishing the barrier film.
A cerium oxide-based polishing agent (HS-8005, manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.) was used as a polishing liquid for the insulating film, and diluted 5 times and 25 times with distilled water. A polishing liquid of 0.2% by weight was obtained.
[0055]
(Polishing of metal film and insulating film)
The above pad was attached to a surface plate of a polishing apparatus, and a # 160 diamond grinding stone was attached thereto, and the surface was roughened with a dresser for 30 minutes. The exposed lengths of the fibers forming the cushion layers of Examples 1, 3 and 4 were 70 μm, 80 μm and 60 μm, respectively. Thereafter, the silicon wafer substrate without or with wiring was polished using the above-mentioned abrasive, and dishing was measured as a polishing rate, a polishing flaw, and an index of flatness.
[0056]
For evaluation of polishing speed and polishing scratches, a substrate without wiring was used. A silicon substrate with a silicon dioxide film layer without wiring was used for polishing a metal film and a copper film having a thickness of 1 μm was formed. A silicon substrate was used for polishing an insulating film. A substrate on which a silicon oxide insulating film was formed by a TEOS-plasma CVD method was used.
[0057]
For the dishing evaluation, using a substrate on which wiring was formed, a metal film was polished, a groove having a depth of 0.5 μm was formed in silicon dioxide, and a tantalum nitride film having a thickness of 50 nm was formed as a barrier layer by a known sputtering method. A silicon substrate was formed, and a copper film was similarly formed by a sputtering method and embedded by a known heat treatment. The modulus of elasticity of the copper film was 150 GPa as measured by a nano indenter.
[0058]
(Evaluation of polishing rate)
The wafer is set on a holder to which a suction pad for attaching a wafer substrate is attached, and the work surface is set on a polishing pad attached to a polishing apparatus with the processing surface facing down. Using the copper film forming substrate and the copper polishing liquid, a processing load of 2 × 10 4 was supplied while supplying the polishing liquid at a rate of 150 ml / min. 4 Pa, and 4 × 10 4 Polishing was performed for 1 minute at Pa and a rotation speed of 90 rpm. The sheet thickness of the copper film before and after the polishing was measured by measuring the sheet resistance value using Model RT-7 manufactured by Napson Corporation, and the film thickness was calculated from the resistivity, and the film thickness difference before and after the CMP was calculated.
[0059]
(Evaluation of polishing scratches)
The evaluation of scratches on the Cu film was visually performed using a substrate on which the polishing rate was evaluated, using a dark field of a metallographic microscope.
[0060]
(Dishing amount)
Using the substrate on which the copper wiring was formed and a polishing liquid for copper, copper polishing was performed until the barrier film was exposed in portions other than the wiring portion. Then, using a polishing slurry for the barrier, a processing load of 2 × 10 4 Pa, and 4 × 10 4 The barrier film was polished by polishing for 30 seconds at Pa and a rotation speed of 90 rpm. Using a stylus type profilometer (for example, Dektat 3030 manufactured by Veeco / Sloan), the insulating film is formed from the surface shape of the striped pattern portion in which the wiring metal portion (copper) width 100 μm and the insulating film (silicon dioxide) portion width 100 μm are alternately arranged. The amount of film reduction of the wiring metal part relative to the part was measured and defined as the dishing amount.
Table 2 shows the results of the polishing characteristics.
[0061]
[Table 2]
[0062]
The matrix resins of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 are the same, with the difference between having and not having a cushion layer. As compared with Comparative Example 1, the polishing pads of Examples 1 and 2, which are the polishing pad of the present invention, were excellent in that generation of scratches was suppressed even when polishing was performed under any load. In Comparative Example 1, there were numerous polishing scratches, and dishing measurement was impossible.
[0063]
Further, in Examples 1 to 5, almost no polishing rate was obtained when the abrasive-free polishing liquid was used, and it was apparent that polishing was performed by the same polishing liquid by a polishing mechanism different from Comparative Examples 1 and 2 having a high polishing rate. is there. The ratio of the polishing rate using the abrasive-free polishing liquid to the polishing rate using the polishing liquid containing abrasive grains is between 0 and 0.048.
[0064]
In addition, in Examples 1 to 5, it was confirmed that when the polishing liquid containing abrasive grains was used, the polishing rate was relatively large even at a low load, and was useful for polishing with a low load, that is, a low frictional force. On the other hand, in Comparative Example 1, the polishing rate was greatly reduced. In Comparative Example 2 using a commercially available polyurethane foam, the reduction in polishing rate when the load is low is small, but the amount of dishing is larger than in the examples.
[0065]
From the above results, it is clear that the pad of the example has the effect of reducing polishing scratches by including fibers, increasing the polishing rate by effectively utilizing the abrasive particles, and improving the polishing rate at a low load. is there. In particular, it can be seen that in low load polishing, the dishing amount is small and good compared to the comparative example.
From the above examination, it is understood that the use of the polishing pad according to the present invention can improve the flatness while reducing the load on the insulating layer during the CMP.
[0066]
【The invention's effect】
If metal CMP is performed using a polishing pad in which organic fibers are exposed on the surface to be polished manufactured by the manufacturing method of the present invention, polishing can be performed with a low load, so that the load on the interlayer insulating film is reduced. Polishing that is small and excellent in flatness can be performed, and the next-generation dual damascene method can be easily performed.