JP3890786B2 - Polishing apparatus and polishing pad - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板の研磨装置および研磨パッドに関するものであり、さらに、シリコンなど半導体基板上に形成される絶縁層の表面や金属配線の表面を機械的に平坦化する研磨装置と研磨パッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体メモリに代表される大規模集積回路（ＬＳＩ）は、年々集積化が進んでおり、それに伴い大規模集積回路の製造技術も高密度化が進んでいる。さらに、この高密度化に伴い、半導体デバイス製造箇所の積層数も増加している。その積層数の増加により、従来は問題とならなかった積層にすることによって生ずる半導体ウェハー主面の凹凸が問題となっている。その結果、例えば日経マイクロデバイス１９９４年７月号５０〜５７頁記載のように、積層することによって生じる凹凸に起因する露光時の焦点深度不足を補う目的で、あるいはスルーホール部の平坦化による配線密度を向上させる目的で、化学的機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術を用いた半導体ウェハの平坦化が検討されている。
【０００３】
一般にＣＭＰ装置は、被処理物である半導体基板を保持する研磨ヘッド、被処理物の研磨処理をおこなうための研磨パッド、前記研磨パッドを保持する研磨定盤から構成されている。そして、半導体基板の研磨処理は研磨剤と薬液からなるスラリを用いて、半導体基板と研磨パッドを相対運動させることにより、半導体基板表面の層の突出した部分が除去されて基板表面の層を滑らかにするものである。この半導体基板の研磨加工時の研磨速度は、例えば半導体基板の一主面に成膜された酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜では、半導体基板と研磨パッドの相対速度及び荷重にほぼ比例している。そのため、半導体基板の各部分を均一に研磨加工するためには、半導体基板にかかる荷重を均一にする必要がある。
【０００４】
しかし、研磨ヘッドに保持した半導体基板の表面は、例えば半導体基板の元々の反り等の変形により、全体的にはうねっていることが多い。そのため、半導体基板の各部分に均一に荷重を与えるためには、研磨パッドを前述したような半導体基板のうねりに倣って接触させる観点では、柔らかい研磨パッドを用いることが望ましい。しかし、柔らかい研磨パッドを用いて半導体基板の一主面に形成された絶縁層等の凹凸の平坦化のための研磨加工をおこなう場合、前記半導体基板のうねりに対する追随性は向上させることができるが、半導体基板表面の局所的な凹凸の平坦性は悪くなってしまう。例えば、前記半導体基板表面の層の部分的な凹凸が研磨だれ、つまりは研磨面が丸くなって平坦にならないという問題をまねいてしまう。これに対し、硬い研磨パッドを用いて同様に半導体基板の研磨加工をおこなう場合は、前述した柔らかい研磨パッドを用いた場合とは逆に半導体基板表面の局所的な凹凸の平坦性を向上することができるが、半導体基板の全体的なうねりに対する追随性の観点では悪くなり、例えば、半導体基板表面の全体的なうねりの各部分において、うねりの突出している部分の凹凸は多く研磨されてしまい、うねりの引っ込んでいる部分の凹凸はほとんど研磨されずに残ってしまうという問題をまねいてしまう。この様な不均一な研磨加工はアルミ配線を露出させたり、研磨加工後の酸化シリコン絶縁膜面の厚みが部分毎に違うために例えばスルーホール径の不揃いや積層起因の凹凸を平坦にできず露光時の焦点深度が不足する原因となる。
【０００５】
この部分的な平坦性と全体的な追随性を向上するという相反する要求を満たすための研磨パッドに関する従来技術としては、特開平６−２１０２８号公報に示される二層パッドが試みられた。特開平６−２１０２８号公報に示される二層パッドは、体積弾性率が４ｐｓｉ〜２０ｐｓｉの応力の範囲で２５０ｐｓｉ／ｐｓｉ以下のクッション層に支持される半導体基板と直に接触する研磨層がそれより大きい体積弾性率という構成である。その目的は、クッション層に半導体基板の全体のうねりを吸収させる一方、研磨層はある程度の面積以上（たとえば、ダイの間隔以上）の湾曲に耐えるようにすることである。残念ながら、その様な従来の二層パッドは、依然として次の研磨性能の点で課題が残っている。まず第一に、研磨層の体積弾性率がクッション層の体積弾性率より大きいものでも、半導体基板表面の局所的な凹凸の平坦性は悪くなることがあり、局所平坦性は研磨層の体積弾性率と必ずしも相関があるわけではない。第二に、クッション層の体積弾性率が４ｐｓｉ〜２０ｐｓｉの応力の範囲で２５０ｐｓｉ／ｐｓｉであるので、半導体基板全面のうねり追随性は悪く、結果として半導体基板全面での平坦性の均一性（ユニフォーミティ）が十分得られない。さらに、（株）サイエンスフォーラム出版のＣＭＰのサイエンスのｐ１７７〜ｐ１８３に記載している様にウェーハ面内でウェーハのエッジにどれぐらい近くまで必要な平坦化がなされるかも課題であり十分実現できているとは言い難い。従って、上記の欠点を克服する様な改善された研磨装置または研磨パッドが要求されていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、半導体基板の上に形成された絶縁層または金属配線の表面を研磨により平滑にする機械的な平坦化工程で使用するための研磨装置または研磨パッドにおいて、半導体基板全面が均一に平坦化される技術を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
課題を解決するための手段として、本発明は以下の構成からなる。
【０００８】
第一の発明として
「半導体基板を研磨ヘッドに固定し、研磨定盤に、体積弾性率が６０ＭＰａ以上でかつ引っ張り弾性率が０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であるクッション層を介して固着したマイクロゴムＡ硬度が７０度以上でかつ引っ張り弾性率が１ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下の研磨層を前記半導体基板に押し当てた状態で前記研磨ヘッドもしくは研磨定盤またはその双方を回転させて前記半導体基板を研磨することを特徴とする半導体基板の研磨方法。」であり、
第二の発明として
「研磨ヘッド、研磨ヘッドに対峙して研磨パッド、研磨パッドを固定する研磨定盤、ならびに研磨ヘッド、研磨定盤もしくはその双方を回転させる駆動装置を具備した研磨装置であって、研磨パッドが、体積弾性率が６０ＭＰａ以上でかつ引っ張り弾性率が０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であるクッション層および研磨ヘッドの方向にマイクロゴムＡ硬度が７０度以上でかつ引っ張り弾性率が１ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下の研磨層を含むことを特徴とする研磨装置。」であり、第三の発明として、「マイクロゴムＡ硬度が７０度以上でかつ引っ張り弾性率が１ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下の研磨層と体積弾性率が６０ＭＰａ以上でかつ引っ張り弾性率が０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であるクッション層とを有することを特徴とする研磨パッド。」である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態について説明する。
【００１０】
まず本発明でいうマイクロゴムＡ硬度について説明する。マイクロゴムＡ硬度とはマイクロゴム硬度計で評価した値をさす。この装置は高分子計器（株）からマイクロゴム硬度計ＭＤ−１として供給されている。マイクロゴム硬度計ＭＤ−１は、従来の硬度計では測定が困難であった薄物・小物の試料の硬さ測定を実現するもので、スプリング式ゴム硬度計（デュロメータ）Ａ型の約１／５の縮小モデルとして、設計・製作されているためその測定値は、スプリング式ゴム硬度計Ａ型の硬度とほぼ一致した値が得られる。マイクロゴム硬度計ＭＤ−１は、押針寸法が直径０．１６ｍｍ円柱形で高さが０．５ｍｍの大きさのものである。荷重方式は、片持ばり形板バネで、ばね荷重は、０ポイントで２．２４ｍＮ、１００ポイントで３３．８５ｍＮである。針の降下速度は１０〜３０ｍｍ／ｓｅｃの範囲をステッピングモータで制御して測定する。通常の研磨パッドは、研磨層または硬質層の厚みが５ｍｍを切るので、スプリング式ゴム硬度計Ａ型では薄すぎる為に評価できないので、該マイクロゴム硬度計ＭＤ−１で評価できる。
【００１１】
本発明の研磨パッドは、半導体基板を研磨する機能を有する研磨層と固定される側に配置されるクッション層を含む。本発明の研磨層は、マイクロゴムＡ硬度が７０度以上でかつ引っ張り弾性率が１ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下の研磨層である。研磨層のマイクロゴムＡ硬度は７０度以上、好ましくは８０度以上さらに好ましくは９０度以上が必要である。マイクロゴムＡ硬度が７０度を満たない場合は、半導体基板の局所的凹凸の平坦性が不良となるので好ましくない。引っ張り弾性率は、研磨層をダンベル形状にして引っ張り応力を加え、引っ張り歪み（＝引っ張り長さ変化／元の長さ）が０．０１から０．０３までの範囲で引っ張り応力を測定し、引っ張り弾性率＝（（引っ張り歪みが０．０３時の引っ張り応力）−（引っ張り歪みが０．０１時の引っ張り応力））／０．０２で定義されるものである。測定装置として、オリエンテック社製テンシロン万能試験機ＲＴＭ−１００などが上げられる。測定条件としては、試験速度は５ｃｍ／分で試験片形状は幅５ｍｍで試料長５０ｍｍのダンベル形状である。引っ張り弾性率は１ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下が好ましい。引っ張り弾性率が１ＭＰａに満たない場合は平坦性不良で好ましくなく、５００ＭＰａを越える場合は、半導体基板全体での平坦性が均一に行えない為好ましくない。研磨層の引っ張り弾性率がさらに好ましい範囲は１０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下、さらに好ましい範囲は２０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下である。
【００１２】
研磨層は、独立気泡を有していることが研磨剤の保持性を高め、研磨レートを高めるために好ましい。独立気泡径は、１０００μｍ以下であることが半導体基板の局所的凹凸の平坦性が良好であることから好ましい。独立気泡径のさらに好ましい径は５００μｍ以下、さらに好ましい径は３００μｍ以下である。
【００１３】
研磨層は、密度が０．７０以上０．９０以下の範囲にあることが好ましい。密度が０．７０に満たない場合、研磨レートが低いので好ましくない。密度が０．９０を越える場合も、研磨レートが低いので好ましくない。密度のさらに好ましい範囲は、０．７４以上０．８６以下である。さらに好ましい範囲は０．７５以上０．８２以下である。
【００１４】
研磨層の好ましい素材は、ポリウレタンを含有成分とするものでさらに好ましい素材はポリウレタンの含有重量に対してビニル化合物から重合される重合体の含有重量を０．８倍以上３．８倍以下含有するものである。このポリウレタンとは、ポリイソシアネートの重付加反応または重合反応に基づき合成される高分子である。ポリイソシアネートの対称として用いられる化合物は、含活性水素化合物、すなわち、二つ以上のポリヒドロキシ、あるいはアミノ基含有化合物である。ポリイソシアネートとして、トリレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、ナフタレンジイソシアネート、トリジンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネートなど挙げることができるがこれに限定されるわけではない。ポリヒドロキシとしてポリオールが代表的であるが、ポリオールとしてポリエーテルポリオール、ポリテトラメチレンエーテルグリコール、エポキシ樹脂変性ポリオール、ポリエステルポリオール、アクリルポリオール、ポリブタジエンポリオール、シリコーンポリオール等が挙げられる。
【００１５】
本発明でのビニル化合物とは、炭素炭素二重結合のビニル基を有する化合物である。具体的にはメチルメタクリレート、エチルメタクリレート、ｎ−ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレート、２−エチルヘキシルメタクリレート、イソデシルメタクリレート、ｎ−ラウリルメタクリレート、２−ヒドロキシエチルメタクリレート、２−ヒドロキシプロピルメタクリレート、２−ヒドロキシエチルアクリレート、２−ヒドロキシプロピルアクリレート、２−ヒドロキシブチルメタクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート、ジエチルアミノエチルメタクリレート、メタクリル酸、グリシジルメタクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、フマル酸、フマル酸ジメチル、フマル酸ジエチル、フマル酸ジプロピル、マレイン酸、マレイン酸ジメチル、マレイン酸ジエチル、マレイン酸ジプロピル、アクリロニトリル、アクリルアミド、塩化ビニル、スチレン、α−メチルスチレン等が挙げられる。本発明でのビニル化合物から重合される重合体とは、上記ビニル化合物を重合して得られる重合体であり、具体的にはポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリレート、ポリ（ｎ−ブチルメタクリレート）、ポリイソブチルメタクリレート、ポリ（２−エチルヘキシルメタクリレート）、ポリイソデシルメタクリレート、ポリ（ｎ−ラウリルメタクリレート）、ポリ（２−ヒドロキシエチルメタクリレート）、ポリ（２−ヒドロキシプロピルメタクリレート）、ポリ（２−ヒドロキシエチルアクリレート）、ポリ（２−ヒドロキシプロピルアクリレート）、ポリ（２−ヒドロキシブチルメタクリレート）、ポリジメチルアミノエチルメタクリレート、ポリジエチルアミノエチルメタクリレート、ポリメタクリル酸、ポリグリシジルメタクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、ポリフマル酸、ポリフマル酸ジメチル、ポリフマル酸ジエチル、ポリフマル酸ジプロピル、ポリマレイン酸、ポリマレイン酸ジメチル、ポリマレイン酸ジエチル、ポリマレイン酸ジプロピル、ポリアクリロニトリル、ポリアクリルアミド、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ（α−メチルスチレン）等が挙げられる。本発明でのビニル化合物から重合される重合体の含有重量がポリウレタンの含有重量に対して０．８倍以上３．８倍以下であることが好ましい。ポリウレタンの含有重量に対してビニル化合物から重合される重合体の含有重量が０．８倍を満たない場合は、ポリウレタンのスラリの吸着特性が改善されないので好ましくない。ポリウレタンの含有重量に対してビニル化合物から重合される重合体の含有重量が３．８倍を越える場合は、ポリウレタンの有している弾力性が損なわれるので好ましくない。さらに好ましいビニル化合物から重合される重合体の含有重量のポリウレタンの含有重量に対する比率は、１．５倍以上３．０倍以下である。
【００１６】
本発明の研磨層の作成方法として、好ましい方法は、あらかじめ１０００μｍ以下の独立気泡を有し、かつ密度が０．７０以上０．９０以下の範囲にある発泡ポリウレタンシートにビニル化合物を膨潤させた後、発泡ポリウレタンシート内でビニル化合物を重合させる方法が、独立気泡を有した構造でポリウレタンとビニル化合物から重合される重合体のブレンドがミクロ的に均一におきるので、得られた研磨パッドで局所的な凹凸の平坦性が良好にできるという理由で好ましい。この様にして得られた本発明でのポリウレタンの含有重量に対してビニル化合物から重合される重合体の含有重量を０．８倍以上３．８倍以下含有する研磨層のプロトンの緩和時間を固体ＮＭＲによるＴ1H測定法で観測すると、発泡ポリウレタンの緩和時間とほぼ同じ値をとるのでポリウレタンとビニル化合物から重合される重合体は数十ｎｍ以上のドメインを作らない程度に相溶していることが判明している。発泡ポリウレタンシートは硬度と気泡径と密度によって、ポリイソシアネートとポリオールおよび触媒、整泡剤、発泡剤の組み合わせや最適量を決める必要がある。
【００１７】
ビニル化合物を発泡ポリウレタンシートに膨潤させた後、発泡ポリウレタンシート内でビニル化合物を重合させる方法として、光分解性ラジカル開始剤と共にビニル化合物を膨潤させた後、光を露光して重合させる方法や、熱分解性ラジカル開始剤と共にビニル化合物を膨潤させた後、熱を加えて重合させる方法や、ビニル化合物を膨潤させた後、電子線や放射線を放射して重合させる方法が挙げられる。
【００１８】
本発明でのクッション層は体積弾性率が６０ＭＰａ以上でかつ引っ張り弾性率が０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であることが必要である。体積弾性率とは、あらかじめ体積を測定した被測定物に等方的な印加圧力を加えて、その体積変化を測定する。体積弾性率＝印加圧力／（体積変化／元の体積）という定義である。例えば、元の体積が１ｃｍ３であり、これに等方的に印加圧力を０．０７ＭＰａかけた時の体積変化が０．００００５ｃｍ3であれば、体積弾性率は１４００ＭＰａである。体積弾性率の測定方法の一つとして、例えば被測定物をあらかじめ体積を測定しておき、その後容器にいれた水中に被測定物を浸漬して、この容器を圧力容器に入れて印加圧力を加えて中の容器の水の高さの推移から被測定物の体積変化と印加圧力を測定する方法が上げられる。浸漬する液体は、被測定物を膨潤させたり破壊するものは避けることが好ましく、液体であれば特に限定されないが、例えば水や水銀やシリコンオイルなどをあげることができる。引っ張り弾性率は、クッション層をダンベル形状にして引っ張り応力を加え、引っ張り歪み（＝引っ張り長さ変化／元の長さ）が０．０１から０．０３までの範囲で引っ張り応力を測定し、引っ張り弾性率＝（（引っ張り歪みが０．０３時の引っ張り応力）−（引っ張り歪みが０．０１時の引っ張り応力））／０．０２で定義されるものである。測定装置として、オリエンテック社製テンシロン万能試験機ＲＴＭ−１００などが上げられる。測定条件としては、試験速度は５ｃｍ／分で試験片形状は幅５ｍｍで試料長５０ｍｍのダンベル形状である。
【００１９】
クッション層の体積弾性率は６０ＭＰａ以上が必要である。６０ＭＰａに満たない場合は、半導体基板全面の平坦性の均一性（ユニフォーミティ）が損なわれるので好ましくない。さらに好ましい体積弾性率の範囲は２００ＭＰａ以上である。さらに、クッション層の引っ張り弾性率は０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であることも必要である。引っ張り弾性率が０．１ＭＰａに満たない場合は、半導体基板全面の平坦性の均一性（ユニフォーミティ）が損なわれるので好ましくない。引っ張り弾性率が２０ＭＰａを越える場合も半導体基板全面の平坦性の均一性（ユニフォーミティ）が損なわれるので好ましくない。さらに好ましい引っ張り弾性率の範囲は、０．５ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下である。この様なクッション層としては、天然ゴム、ニトリルゴム、ネオプレンゴム、ポリブタジエンゴム、ポリウレタンゴム、シリコンゴムなどの無発泡のエラストマを上げることができるが特にこれらに限定されるわけではない。クッション層の好ましい厚みは、０．１〜１００ｍｍの範囲である。０．１ｍｍに満たない場合は、半導体基板全面の平坦性の均一性（ユニフォーミティ）が損なわれるので好ましくない。１００ｍｍを越える場合は、局所平坦性が損なわれるので好ましくない。さらに好ましい厚みの範囲は、０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下である。さらに好ましい範囲は０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下である。
【００２０】
本発明で研磨定盤にクッション層を介して研磨層を固着するとは、研磨定盤から、クッション層が研磨時にずれないで固定されており、かつクッション層から研磨層がずれないで固定されていることをいう。研磨定盤とクッション層の固定方法としては、両面接着テープで固定する方法や接着剤で固定する方法や研磨定盤から吸引してクッション層を固定する方法などが考えられるが特に限定されるものではない。クッション層と研磨層を固定する方法としては、両面接着テープで固定する方法や接着剤で固定する方法などが考えられるが特に限定されるわけではない。研磨層とクッション層を両面接着テープまたは接着層で固定した場合、得られた研磨パッドの引っ張り弾性率は、研磨層側ではないクッション層の裏面側に両面接着テープ等を貼り合わせていない状態で測定して１５０ＭＰａ以下であることが半導体基板全面の平坦性の均一性（ユニフォーミティ）が損なわれないので好ましい。さらに好ましい引っ張り弾性率は１００ＭＰａ以下である。引っ張り弾性率は、研磨層側ではないクッション層の裏面側に両面接着テープ等を貼り合わせていない状態で研磨パッドをダンベル形状にして引っ張り応力を加え、引っ張り歪み（＝引っ張り長さ変化／元の長さ）が０．０１から０．０３までの範囲で引っ張り応力を測定し、引っ張り弾性率＝（（引っ張り歪みが０．０３時の引っ張り応力）−（引っ張り歪みが０．０１時の引っ張り応力））／０．０２で定義されるものである。測定装置として、オリエンテック社製テンシロン万能試験機ＲＴＭ−１００などが上げられる。測定条件としては、試験速度は５ｃｍ／分で試験片形状は幅５ｍｍで試料長５０ｍｍのダンベル形状である。
【００２１】
研磨層とクッション層を貼り合わせる両面接着テープまたは接着層として好ましいものは、住友３Ｍ（株）の両面接着テープ４６３、４６５、９２０４等、日東電工（株）の両面接着テープＮｏ．５９１等の基材なしアクリル系接着剤転写テープ、住友３Ｍ（株）のＹ−４９１３等の発泡シートを基材とした両面接着テープや住友３Ｍ（株）の４４７ＤＬ等の軟質塩化ビニルを基材とした両面接着テープを具体的に挙げることができる。
【００２２】
本発明での研磨装置では、研磨後に研磨層が研磨レートが得られない等の理由で交換する必要が生じた場合には、研磨定盤にクッション層を固着した状態で研磨層をクッション層から取り外して交換することも可能である。クッション層は研磨層に比べて耐久性があるので、研磨層だけを交換することはコスト面で好ましいことである。
【００２３】
以下、本発明研磨パッドを使用した半導体基板の研磨方法について説明する。
【００２４】
本発明の研磨パッドを用いて、研磨剤としてシリカ系ポリッシュ剤、酸化アルミニウム系ポリッシュ剤、酸化セリウム系ポリッシュ剤等を用いて半導体基板上での絶縁膜の凹凸や金属配線の凹凸を平坦化することができる。まず、研磨ヘッド、研磨パッドを固定ための研磨定盤、ならびに研磨ヘッド、研磨定盤もしくはその双方を回転させる手段を具備した研磨装置を準備する。そして本発明の研磨パッドを研磨装置の研磨定盤に研磨層が研磨ヘッドに対峙するように固着させる。半導体基板は研磨ヘッドに真空チャックなどの方法により固定される。研磨定盤を回転させ、研磨定盤の回転方向と同方向で研磨ヘッドを回転させて、研磨パッドに押しつける。この時に、研磨パッドと半導体基板の間に研磨剤が入り込む様な位置から研磨剤を供給する。押し付け圧は、研磨ヘッドに加える力を制御することにより通常行われる。押し付け圧として０．０１〜０．２ＭＰａが局所的平坦性を得られるので好ましい。
【００２５】
本発明の研磨装置および研磨パッドによれば、半導体基板全面の平坦性の均一性（ユニフォーミティ）を達成することが可能である。
【００２６】
【実施例】
以下、実施例にそってさらに本発明の詳細を説明する。本実施例において各特性は以下の方法で測定した。
【００２７】
マイクロゴムＡ硬度：高分子計器（株）（所在地：京都市上京区下立売室町西入）のマイクロゴム硬度計ＭＤ−１で測定する。
【００２８】
マイクロゴム硬度計ＭＤ−１の構成は下記のとおりである。
実施例１
厚み５ｍｍの発泡ポリウレタンシート（マイクロゴムＡ硬度＝５０度、密度：０．７７、独立気泡平均径：１１０μｍ）をアゾビスイソブチルニトリル０．１重量部を添加したメチルメタアクリレートに２４時間浸漬する。メチルメタアクリレートが膨潤した発泡ポリウレタンシートをガラス板に挟み込んで７０℃で２４時間加熱する。加熱後ガラス板から取り外して、５０℃で真空乾燥をおこなう。これを研削加工して厚さ１．２ｍｍの研磨層を得た。この研磨層のマイクロゴムＡ硬度は９８度、密度：０．７９、独立気泡平均径：１５０μｍ、ポリウレタン含有重量に対するポリメチルメタアクリレートの含有重量は２．６倍であった。また引っ張り弾性率は３５ＭＰａであった。１ｍｍのニトリルゴム（体積弾性率＝１４０ＭＰａ、引っ張り弾性率＝４．５ＭＰａ）のクッション層を該研磨層とを日東電工の両面接着テープＮｏ．５９１で貼り合わせて研磨パッドを作成した。研磨パッドの引っ張り弾性率は１５ＭＰａであった。６インチシリコンウェハ上に０．２５μｍ幅、高さ１．２μｍのＡｌ配線を０．５ｍｍの間隔で形成し、さらにその上にテトラエトキシシランをＣＶＤで絶縁膜を３μｍの厚さになるように形成した半導体基板を作成した。この研磨前の半導体基板上の絶縁膜表面の凹凸の段差は、ウェハ中央部で１１０００オングストローム、周辺部分４カ所で１１０００、１１５００、１１２００、１１４００オングストロームであった。本半導体基板を研磨機の研磨ヘッドに取り付けて３７ｒｐｍで回転させ、上記研磨パッドを研磨機のプラテンに固着させ３６ｒｐｍで研磨ヘッドの回転方向と同じ方向に回転させ、シリカ系ポリッシュ剤を２２５ｍｌ／分で供給しながら研磨圧力０．０５ＭＰａで７分間研磨を実施した。研磨後の半導体基板上の絶縁膜表面の凹凸の段差は、ウェハ中央部で１００オングストローム、周辺部分４カ所で２００、３００、２５０、４００オングストロームであった。またウェーハ中央部の絶縁膜の厚みは１．５μｍであり、ウェーハエッジから３ｍｍの絶縁膜の厚みは１．４μｍであった。この様に６インチの半導体基板全面の平坦性の均一性が得られ、またウェーハエッジ近くまで均一な研磨が達成されている。
【００３０】
実施例２
厚み５ｍｍの発泡ポリウレタンシート（マイクロゴムＡ硬度＝５０度、密度：０．８１、独立気泡平均径：３００μｍ）をアゾビスイソブチルニトリル０．１重量部を添加したスチレンに２４時間浸漬する。スチレンが膨潤した発泡ポリウレタンシートをガラス板に挟み込んで７０℃で２４時間加熱する。加熱後ガラス板から取り外して、５０℃で真空乾燥をおこなう。これを研削加工して厚さ１．２ｍｍの研磨層を得た。この研磨層のマイクロゴムＡ硬度は９８度、密度：０．８２、独立気泡平均径：３３０μｍ、ポリウレタン含有重量に対するポリスチレンの含有重量は１．６倍であった。また引っ張り弾性率は４０ＭＰａであった。２ｍｍのポリウレタンゴム（体積弾性率＝１００ＭＰａ、引っ張り弾性率＝１０ＭＰａ）をクッション層として用意し、研磨層とクッション層を住友３Ｍ（株）の両面接着テープＹ−４９１３で貼り合わせて研磨パッドを作成した。研磨パッドの引っ張り弾性率は１８ＭＰａであった。６インチシリコンウェハ上に０．２５μｍ幅、高さ１．２μｍのＡｌ配線を０．５ｍｍの間隔で形成し、さらにその上にテトラエトキシシランをＣＶＤで絶縁膜を３μｍの厚さになるように形成した。この絶縁膜表面の凹凸の段差は、ウェハ中央部で１１０００オングストローム、周辺部分４カ所で１１０００、１１５００、１１２００、１１４００オングストロームであった。本基板を研磨機の研磨ヘッドに取り付けて３７ｒｐｍで回転させ、上記研磨パッドを研磨機のプラテンに固着させ３６ｒｐｍで研磨ヘッドの回転方向と同じ方向に回転させ、シリカ系ポリッシュ剤を２２５ｍｌ／分で供給しながら研磨圧力０．０５ＭＰａで６分間研磨を実施した。研磨後の絶縁膜の表面凹凸の段差は、ウェハ中央部で７００オングストローム、周辺部分４カ所で６００、８００、７００、７００オングストロームであった。またウェーハ中央部の絶縁膜の厚みは１．６μｍであり、ウェーハエッジから３ｍｍの絶縁膜の厚みは１．５μｍであった。この様に６インチの半導体基板全面の平坦性の均一性が得られ、またウェーハエッジ近くまで均一な研磨が達成されている。
【００３１】
実施例３
ポリエーテル系ウレタンポリマ（ユニローヤル社製アジプレンＬ−３２５）７８重量部と４，４’−メチレン−ビス２−クロロアニリン２０重量部と中空高分子微小球体（ケマノーベル社製エクスパンセル５５１ ＤＥ）１．８重量部をＲＩＭ成形機で混合して金型に吐出して高分子成形体を作成した。この高分子成形体をスライサーで１．２ｍｍ厚みにスライスして、研磨層を作成した。この研磨層のマイクロゴムＡ硬度は９８度、密度：０．８０、独立気泡平均径：３３μｍであった。また引っ張り弾性率は３５ＭＰａであった。１ｍｍのネオプレンゴム（体積弾性率＝１００ＭＰａ、引っ張り弾性率＝１２ＭＰａ）をクッション層として用意し、研磨層とクッション層を住友３Ｍ（株）の両面接着テープＹ−９４９で貼り合わせて研磨パッドを作成した。研磨パッドの引っ張り弾性率は２５ＭＰａであった。６インチシリコンウェハ上に０．２５μｍ幅、高さ１．２μｍのＡｌ配線を０．５ｍｍの間隔で形成し、さらにその上にテトラエトキシシランを原料としてＣＶＤで酸化ケイ素の絶縁膜を３μｍの厚さになるように形成した。この絶縁膜表面の凹凸の段差は、ウェハ中央部で１１０００オングストローム、周辺部分４カ所で１１０００、１１５００、１１２００、１１４００オングストロームであった。本基板を研磨機の研磨ヘッドに取り付けて３７ｒｐｍで回転させ、上記研磨パッドを研磨機の研磨定盤に固着させ３６ｒｐｍで研磨ヘッドの回転方向と同じ方向に回転させ、シリカ系ポリッシュ剤を２２５ｍｌ／分で供給しながら研磨圧力０．０５ＭＰａで６分間研磨を実施した。研磨後の絶縁膜の表面凹凸の段差は、ウェハ中央部で７００オングストローム、周辺部分４カ所で８００、５００、４００、５００オングストロームであった。またウェーハ中央部の絶縁膜の厚みは１．３μｍであり、ウェーハエッジから３ｍｍの絶縁膜の厚みは１．２μｍであった。この様に６インチの半導体基板全面の平坦性の均一性が得られ、またウェーハエッジ近くまで均一な研磨が達成されている。
【００３２】
比較例１
実施例３で用いた研磨層を用意した。研磨層のマイクロゴムＡ硬度は９８度、密度：０．８０、独立気泡平均径：３３μｍであった。また引っ張り弾性率は３５ＭＰａであった。クッション層として不織布のポリウレタン溶液を含浸して後湿式製膜して得られた厚さ１．２ｍｍの湿式発泡ポリウレタン（体積弾性率＝３ＭＰａ、引っ張り弾性率＝５０ＭＰａ）を用意した。該研磨層とクッション層を住友３Ｍ（株）の両面接着テープ４４２Ｊ（ポリエステルフィルムを基材とした両面接着テープ）で貼り合わせして研磨パッドを作成した。研磨パッドの引っ張り弾性率は２１５ＭＰａであった。６インチシリコンウェハ上に０．２５μｍ幅、高さ１．２μｍのＡｌ配線を０．５ｍｍの間隔で形成し、さらにその上にテトラエトキシシランをＣＶＤで絶縁膜を３μｍの厚さになるように形成した。この絶縁膜表面の凹凸の段差は、ウェハ中央部で１１０００オングストローム、周辺部分４カ所で１１０００、１１５００、１１２００、１１４００オングストロームであった。本基板を研磨機の研磨ヘッドに取り付けて３７ｒｐｍで回転させ、上記研磨パッドを研磨機のプラテンに固着させ３６ｒｐｍで研磨ヘッドの回転方向と同じ方向に回転させ、シリカ系ポリッシュ剤を２２５ｍｌ／分で供給しながら研磨圧力０．０５ＭＰａで７分間研磨を実施した。研磨後の絶縁膜の表面凹凸の段差は、ウェハ中央部で１２００オングストローム、周辺部分４カ所で２００、５００、１２００、１４００オングストロームであった。またウェーハ中央部の絶縁膜の厚みは１．３μｍであり、ウェーハエッジから３ｍｍの絶縁膜の厚みは０．８μｍであった。半導体基板全面での平坦性の均一性（ユニフォーミティ）が不十分であり、またウェーハエッジ近くでの均一な研磨が達成されていない。
【００３３】
【発明の効果】
この発明の研磨装置および研磨パッドにより、 半導体基板全面の局所的凹凸の平坦性の均一性（ユニフォーミティ）が達成することが可能となり、またウェーハエッジ近くまで均一な研磨を達成することが可能となる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polishing apparatus and a polishing pad for a semiconductor substrate, and further relates to a polishing apparatus and a polishing pad for mechanically flattening the surface of an insulating layer such as silicon or the surface of a metal wiring. .
[0002]
[Prior art]
Large scale integrated circuits (LSIs) typified by semiconductor memories have been integrated year by year, and accordingly, the manufacturing technology of large scale integrated circuits has also been increased in density. Furthermore, with this increase in density, the number of stacked semiconductor device manufacturing locations has also increased. Due to the increase in the number of stacked layers, unevenness of the main surface of the semiconductor wafer caused by stacking which has not been a problem in the past has become a problem. As a result, for example, as described in pages 50 to 57 of the Nikkei Microdevice, July 1994, for the purpose of making up for insufficient depth of focus at the time of exposure due to unevenness caused by stacking, or wiring by flattening the through hole portion For the purpose of improving the density, planarization of a semiconductor wafer using a chemical mechanical polishing (CMP) technique has been studied.
[0003]
In general, a CMP apparatus includes a polishing head that holds a semiconductor substrate that is an object to be processed, a polishing pad that performs polishing of the object to be processed, and a polishing surface plate that holds the polishing pad. Then, the polishing process of the semiconductor substrate uses a slurry made of an abrasive and a chemical solution to move the semiconductor substrate and the polishing pad relative to each other, thereby removing the protruding portion of the layer on the semiconductor substrate surface and smoothing the layer on the substrate surface. It is to make. The polishing rate at the time of polishing the semiconductor substrate is substantially proportional to the relative speed and load between the semiconductor substrate and the polishing pad, for example, in a silicon oxide (SiO 2) film formed on one main surface of the semiconductor substrate. Therefore, in order to polish each part of the semiconductor substrate uniformly, it is necessary to make the load applied to the semiconductor substrate uniform.
[0004]
However, the surface of the semiconductor substrate held by the polishing head is often generally undulated due to, for example, deformation of the original warpage of the semiconductor substrate. Therefore, in order to uniformly apply a load to each part of the semiconductor substrate, it is desirable to use a soft polishing pad from the viewpoint of bringing the polishing pad into contact with the above-described undulation of the semiconductor substrate. However, when performing a polishing process for flattening irregularities such as an insulating layer formed on one main surface of a semiconductor substrate using a soft polishing pad, the followability to the undulation of the semiconductor substrate can be improved. The flatness of local irregularities on the surface of the semiconductor substrate is deteriorated. For example, the partial unevenness of the layer on the surface of the semiconductor substrate may cause polishing, that is, the polishing surface becomes round and does not become flat. On the other hand, when the semiconductor substrate is similarly polished using a hard polishing pad, the flatness of local irregularities on the surface of the semiconductor substrate is improved contrary to the case of using the soft polishing pad described above. However, it becomes worse in terms of followability to the overall waviness of the semiconductor substrate, for example, in each portion of the overall waviness on the surface of the semiconductor substrate, a lot of unevenness of the protruding portion of the waviness is polished, The unevenness of the portion where the undulation is retracted is imitated, and the problem is that it remains without being polished. Such uneven polishing does not allow aluminum wiring to be exposed or the thickness of the silicon oxide insulating film surface after polishing varies from part to part.For example, uneven through-hole diameters and unevenness due to lamination cannot be made flat. This may cause insufficient depth of focus during exposure.
[0005]
As a conventional technique related to a polishing pad for satisfying the conflicting demands of improving the partial flatness and the overall followability, a two-layer pad disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-21028 has been tried. The two-layer pad disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-21028 has a polishing layer in direct contact with a semiconductor substrate supported by a cushion layer having a bulk modulus of 4 psi to 20 psi of 250 psi / psi or less. This is a configuration with a large bulk modulus. The purpose is to allow the cushion layer to absorb the overall swell of the semiconductor substrate while the polishing layer resists curvature over a certain area (eg, over die spacing). Unfortunately, such a conventional two-layer pad still has problems in terms of the next polishing performance. First of all, even if the volume elastic modulus of the polishing layer is larger than the volume elastic modulus of the cushion layer, the flatness of local irregularities on the surface of the semiconductor substrate may deteriorate, and the local flatness is the volume elasticity of the polishing layer. It does not necessarily correlate with rate. Second, since the bulk modulus of the cushion layer is 250 psi / psi in the stress range of 4 psi to 20 psi, the swell followability on the entire surface of the semiconductor substrate is poor, and as a result, the uniformity of the flatness on the entire surface of the semiconductor substrate (Uniform Mitty) is not enough. Furthermore, as described in CMP Science, p. 177 to p183, published by Science Forum, Inc., how close the required planarization is to the edge of the wafer within the wafer surface is also an issue and can be fully realized. It ’s hard to say. Accordingly, there is a need for an improved polishing apparatus or polishing pad that overcomes the above disadvantages.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a polishing apparatus or a polishing pad for use in a mechanical flattening process for smoothing the surface of an insulating layer or metal wiring formed on a semiconductor substrate by polishing, and the entire surface of the semiconductor substrate is uniform. A technique for flattening is provided.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As means for solving the problems, the present invention has the following configuration.
[0008]
As the first invention
“The semiconductor substrate is fixed to the polishing head, and the micro rubber A hardness fixed to the polishing surface plate through a cushion layer having a volume elastic modulus of 60 MPa or more and a tensile elastic modulus of 0.1 MPa or more and 20 MPa or less is 70 degrees or more. In addition, the semiconductor substrate is polished by rotating the polishing head and / or the polishing platen while pressing a polishing layer having a tensile elastic modulus of 1 MPa or more and 500 MPa or less against the semiconductor substrate. Polishing method. "
As the second invention
“A polishing head, a polishing pad that faces the polishing head, a polishing surface plate that fixes the polishing pad, and a polishing device that includes a driving device that rotates the polishing head, the polishing surface plate, or both, and the polishing pad comprises: A cushion layer having a bulk modulus of 60 MPa or more and a tensile modulus of 0.1 MPa to 20 MPa and a polishing layer having a micro rubber A hardness of 70 degrees or more and a tensile modulus of 1 MPa to 500 MPa in the direction of the polishing head. A polishing apparatus comprising: a polishing layer having a micro rubber A hardness of 70 degrees or more and a tensile elastic modulus of 1 MPa to 500 MPa and a volume elastic modulus of 60 MPa or more; And a cushion layer having a tensile elastic modulus of 0.1 MPa to 20 MPa. A pad. ".
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the invention will be described.
[0010]
First, the micro rubber A hardness referred to in the present invention will be described. The micro rubber A hardness is a value evaluated with a micro rubber hardness meter. This apparatus is supplied as a micro rubber hardness meter MD-1 from Kobunshi Keiki Co., Ltd. The micro rubber hardness meter MD-1 realizes the hardness measurement of thin and small samples, which is difficult to measure with a conventional hardness meter, and is about 1/5 of a spring type rubber hardness meter (durometer) A type. Since the model is designed and manufactured as a reduced model, the measured value is almost the same as the hardness of the spring type rubber hardness tester A type. The micro rubber hardness tester MD-1 has a cylindrical size with a push needle size of 0.16 mm and a height of 0.5 mm. The load system is a cantilever leaf spring, and the spring load is 2.24 mN at 0 point and 33.85 mN at 100 point. The needle lowering speed is measured by controlling the range of 10 to 30 mm / sec with a stepping motor. Since the thickness of the polishing layer or hard layer of a normal polishing pad is less than 5 mm, the spring type rubber hardness tester A type is too thin to be evaluated, and therefore can be evaluated with the micro rubber hardness tester MD-1.
[0011]
The polishing pad of the present invention includes a polishing layer having a function of polishing a semiconductor substrate and a cushion layer disposed on a fixed side. The polishing layer of the present invention is a polishing layer having a micro rubber A hardness of 70 degrees or more and a tensile elastic modulus of 1 MPa to 500 MPa. The micro rubber A hardness of the polishing layer needs to be 70 degrees or more, preferably 80 degrees or more, more preferably 90 degrees or more. When the micro rubber A hardness is less than 70 degrees, the flatness of the local unevenness of the semiconductor substrate becomes poor, which is not preferable. Tensile modulus is determined by measuring the tensile stress in the range of 0.01 to 0.03 in the tensile strain (= change in tensile length / original length) by applying a tensile stress to the polishing layer with a dumbbell shape. Elastic modulus = ((tensile stress when tensile strain is 0.03) − (tensile stress when tensile strain is 0.01)) / 0.02. An example of a measuring device is Tensilon Universal Testing Machine RTM-100 manufactured by Orientec. As measurement conditions, the test speed is 5 cm / min, the test piece shape is a dumbbell shape having a width of 5 mm and a sample length of 50 mm. The tensile modulus is preferably 1 MPa or more and 500 MPa or less. If the tensile elastic modulus is less than 1 MPa, it is not preferable due to poor flatness, and if it exceeds 500 MPa, it is not preferable because the flatness cannot be made uniformly over the entire semiconductor substrate. A more preferable range of the tensile elastic modulus of the polishing layer is from 10 MPa to 300 MPa, and a more preferable range is from 20 MPa to 100 MPa.
[0012]
The polishing layer preferably has closed cells in order to increase the retention of the abrasive and increase the polishing rate. The closed cell diameter is preferably 1000 μm or less because the flatness of local irregularities of the semiconductor substrate is good. A more preferable diameter of the closed cell diameter is 500 μm or less, and a more preferable diameter is 300 μm or less.
[0013]
The polishing layer preferably has a density in the range of 0.70 to 0.90. When the density is less than 0.70, the polishing rate is low, which is not preferable. A density exceeding 0.90 is not preferable because the polishing rate is low. A more preferable range of the density is 0.74 or more and 0.86 or less. A more preferable range is from 0.75 to 0.82.
[0014]
A preferred material for the polishing layer contains polyurethane as a component, and a more preferred material contains 0.8 to 3.8 times the weight of the polymer polymerized from the vinyl compound relative to the weight of the polyurethane. Is. The polyurethane is a polymer synthesized based on polyisocyanate polyaddition reaction or polymerization reaction. The compound used as the symmetry of the polyisocyanate is an active hydrogen-containing compound, that is, two or more polyhydroxy or amino group-containing compounds. Examples of the polyisocyanate include tolylene diisocyanate, diphenylmethane diisocyanate, naphthalene diisocyanate, tolidine diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, and isophorone diisocyanate, but are not limited thereto. Polyol is typically used as polyhydroxy, and examples of polyol include polyether polyol, polytetramethylene ether glycol, epoxy resin-modified polyol, polyester polyol, acrylic polyol, polybutadiene polyol, and silicone polyol.
[0015]
The vinyl compound in the present invention is a compound having a vinyl group having a carbon-carbon double bond. Specifically, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, isodecyl methacrylate, n-lauryl methacrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate, 2-hydroxypropyl methacrylate, 2-hydroxyethyl acrylate, 2-hydroxypropyl acrylate, 2-hydroxybutyl methacrylate, dimethylaminoethyl methacrylate, diethylaminoethyl methacrylate, methacrylic acid, glycidyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, fumaric acid, dimethyl fumarate, diethyl fumarate, dipropyl fumarate, maleic acid, Dimethyl maleate, diethyl maleate, dipropyl maleate, Ronitoriru, acrylamide, vinyl chloride, styrene, alpha-methyl styrene, and the like. The polymer polymerized from the vinyl compound in the present invention is a polymer obtained by polymerizing the above vinyl compound, specifically, polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, poly (n-butyl methacrylate), poly Isobutyl methacrylate, poly (2-ethylhexyl methacrylate), polyisodecyl methacrylate, poly (n-lauryl methacrylate), poly (2-hydroxyethyl methacrylate), poly (2-hydroxypropyl methacrylate), poly (2-hydroxyethyl acrylate) , Poly (2-hydroxypropyl acrylate), poly (2-hydroxybutyl methacrylate), polydimethylaminoethyl methacrylate, polydiethylaminoethyl methacrylate, polymethacrylic acid, polyglycidylmeta Relate, polyethylene glycol dimethacrylate, polyfumaric acid, dimethyl polyfumarate, diethyl polyfumarate, dipropyl polyfumarate, polymaleic acid, dimethyl polymaleate, diethyl polymaleate, dipropyl polymaleate, polyacrylonitrile, polyacrylamide, polyvinyl chloride, polystyrene, poly (Α-methylstyrene) and the like. The content of the polymer polymerized from the vinyl compound in the present invention is preferably 0.8 to 3.8 times the content of polyurethane. When the content of the polymer polymerized from the vinyl compound is less than 0.8 times the content of the polyurethane, it is not preferable because the adsorption property of the polyurethane slurry is not improved. When the content of the polymer polymerized from the vinyl compound exceeds 3.8 times the content of the polyurethane, the elasticity of the polyurethane is impaired, which is not preferable. Furthermore, the ratio of the content of the polymer polymerized from the vinyl compound to the content of polyurethane is 1.5 times or more and 3.0 times or less.
[0016]
As a method for producing the polishing layer of the present invention, a preferable method is that after a vinyl compound is swollen in a foamed polyurethane sheet having closed cells of 1000 μm or less in advance and having a density in the range of 0.70 to 0.90. The method of polymerizing a vinyl compound in a foamed polyurethane sheet has a structure having closed cells, and a blend of polyurethane and a polymer polymerized from the vinyl compound is made microscopically uniform. It is preferable because the flatness of the unevenness can be improved. The proton relaxation time of the polishing layer containing 0.8 to 3.8 times the weight of the polymer polymerized from the vinyl compound with respect to the weight of the polyurethane in the present invention thus obtained is T by solid state NMR 1H Observed by the measurement method, it has been found that the polymer polymerized from polyurethane and vinyl compound is compatible to the extent that it does not form a domain of several tens of nanometers or more because it takes almost the same value as the relaxation time of polyurethane foam. Yes. The foamed polyurethane sheet needs to determine the combination and optimum amount of polyisocyanate, polyol, catalyst, foam stabilizer, and foaming agent depending on the hardness, cell diameter and density.
[0017]
As a method of polymerizing the vinyl compound in the foamed polyurethane sheet after swelling the vinyl compound in the foamed polyurethane sheet, after swelling the vinyl compound together with the photodegradable radical initiator, exposing the light to polymerize, Examples include a method in which a vinyl compound is swollen together with a thermally decomposable radical initiator and then polymerized by applying heat, and a method in which a vinyl compound is swollen and then polymerized by emitting an electron beam or radiation.
[0018]
The cushion layer in the present invention is required to have a bulk modulus of 60 MPa or more and a tensile modulus of 0.1 MPa to 20 MPa. The volume modulus is a volume change measured by applying an isotropic applied pressure to an object whose volume has been measured in advance. Volume modulus = applied pressure / (volume change / original volume). For example, the original volume is 1 cm 3, and the volume change when an isotropic pressure is applied 0.07 MPa is 0.00005 cm. Three If so, the bulk modulus is 1400 MPa. As one of the methods for measuring the bulk modulus, for example, the volume of the object to be measured is measured in advance, and then the object to be measured is immersed in the water contained in the container. In addition, a method for measuring the volume change and applied pressure of the object to be measured can be raised from the transition of the water height of the container inside. It is preferable to avoid the liquid that swells or destroys the object to be measured. The liquid to be immersed is not particularly limited as long as it is a liquid, and examples thereof include water, mercury, and silicon oil. Tensile modulus is measured by applying a tensile stress to the cushion layer with a dumbbell shape, and measuring the tensile stress in a range of tensile strain (= change in tensile length / original length) from 0.01 to 0.03. Elastic modulus = ((tensile stress when tensile strain is 0.03) − (tensile stress when tensile strain is 0.01)) / 0.02. An example of a measuring device is Tensilon Universal Testing Machine RTM-100 manufactured by Orientec. As measurement conditions, the test speed is 5 cm / min, the test piece shape is a dumbbell shape having a width of 5 mm and a sample length of 50 mm.
[0019]
The volume elastic modulus of the cushion layer needs to be 60 MPa or more. When the pressure is less than 60 MPa, the uniformity of the flatness (uniformity) of the entire surface of the semiconductor substrate is impaired. A more preferable range of the bulk modulus is 200 MPa or more. Furthermore, the tensile elastic modulus of the cushion layer needs to be 0.1 MPa or more and 20 MPa or less. If the tensile elastic modulus is less than 0.1 MPa, the uniformity of the flatness (uniformity) of the entire surface of the semiconductor substrate is impaired, which is not preferable. A tensile modulus exceeding 20 MPa is also not preferable because the flatness uniformity (uniformity) of the entire surface of the semiconductor substrate is impaired. A more preferable range of tensile elastic modulus is 0.5 MPa or more and 10 MPa or less. As such a cushion layer, non-foamed elastomers such as natural rubber, nitrile rubber, neoprene rubber, polybutadiene rubber, polyurethane rubber, and silicone rubber can be raised, but are not particularly limited thereto. The preferred thickness of the cushion layer is in the range of 0.1 to 100 mm. If it is less than 0.1 mm, the uniformity of the flatness (uniformity) of the entire surface of the semiconductor substrate is impaired, which is not preferable. If it exceeds 100 mm, the local flatness is impaired, which is not preferable. A more preferable thickness range is 0.2 mm or more and 5 mm or less. A more preferable range is 0.5 mm or more and 2 mm or less.
[0020]
In the present invention, fixing the polishing layer to the polishing surface plate via the cushion layer means that the cushion layer is fixed without shifting during polishing from the polishing surface plate, and the polishing layer is fixed without shifting from the cushion layer. It means being. As a method of fixing the polishing surface plate and the cushion layer, a method of fixing with a double-sided adhesive tape, a method of fixing with an adhesive, a method of fixing the cushion layer by suction from the polishing surface plate, etc. can be considered, but the method is particularly limited. is not. As a method of fixing the cushion layer and the polishing layer, a method of fixing with a double-sided adhesive tape, a method of fixing with an adhesive, or the like can be considered, but it is not particularly limited. When the polishing layer and the cushion layer are fixed with a double-sided adhesive tape or adhesive layer, the tensile modulus of elasticity of the resulting polishing pad is such that the double-sided adhesive tape or the like is not attached to the back side of the cushion layer that is not the polishing layer side. It is preferable that the measured pressure is 150 MPa or less because the uniformity of the flatness (uniformity) of the entire surface of the semiconductor substrate is not impaired. A more preferable tensile elastic modulus is 100 MPa or less. The tensile elastic modulus is determined by applying tensile stress to the polishing pad in a dumbbell shape without attaching double-sided adhesive tape or the like to the back side of the cushion layer that is not the polishing layer side, and tensile strain (= change in tensile length / original Tensile stress is measured in the range of 0.01 to 0.03 in length, and tensile modulus = ((tensile stress when tensile strain is 0.03)-(tensile stress when tensile strain is 0.01) )) / 0.02. An example of a measuring device is Tensilon Universal Testing Machine RTM-100 manufactured by Orientec. As measurement conditions, the test speed is 5 cm / min, the test piece shape is a dumbbell shape having a width of 5 mm and a sample length of 50 mm.
[0021]
Preferred examples of the double-sided adhesive tape or adhesive layer for bonding the polishing layer and the cushion layer include the double-sided adhesive tapes 463, 465, and 9204 of Sumitomo 3M Co., Ltd. Non-base acrylic adhesive transfer tapes such as 591, double-sided adhesive tapes based on Y-4913 of Sumitomo 3M Co., Ltd., and soft vinyl chloride such as 447DL of Sumitomo 3M Co., Ltd. Specific examples of the double-sided adhesive tape are as follows.
[0022]
In the polishing apparatus according to the present invention, when it is necessary to replace the polishing layer after polishing because the polishing layer cannot obtain a polishing rate, the polishing layer is removed from the cushion layer with the cushion layer fixed to the polishing surface plate. It can also be removed and replaced. Since the cushion layer is more durable than the polishing layer, it is preferable in terms of cost to replace only the polishing layer.
[0023]
Hereinafter, a method for polishing a semiconductor substrate using the polishing pad of the present invention will be described.
[0024]
Using the polishing pad of the present invention, the unevenness of the insulating film and the unevenness of the metal wiring on the semiconductor substrate are flattened using a silica-based polish agent, an aluminum oxide-based polish agent, a cerium oxide-based polish agent or the like as an abrasive. be able to. First, a polishing apparatus equipped with a polishing head, a polishing surface plate for fixing a polishing pad, and means for rotating the polishing head, the polishing surface plate, or both are prepared. Then, the polishing pad of the present invention is fixed to the polishing surface plate of the polishing apparatus so that the polishing layer faces the polishing head. The semiconductor substrate is fixed to the polishing head by a method such as a vacuum chuck. The polishing surface plate is rotated, the polishing head is rotated in the same direction as the rotation direction of the polishing surface plate, and pressed against the polishing pad. At this time, the polishing agent is supplied from a position where the polishing agent enters between the polishing pad and the semiconductor substrate. The pressing pressure is usually performed by controlling the force applied to the polishing head. The pressing pressure is preferably 0.01 to 0.2 MPa because local flatness can be obtained.
[0025]
According to the polishing apparatus and the polishing pad of the present invention, it is possible to achieve flatness uniformity (uniformity) over the entire surface of the semiconductor substrate.
[0026]
【Example】
Hereinafter, the details of the present invention will be described with reference to examples. In this example, each characteristic was measured by the following method.
[0027]
Micro rubber A hardness: Measured with a micro rubber hardness meter MD-1 of Kobunshi Keiki Co., Ltd. (location: Nishiiri, Shimodate-Muromachi, Kamigyo-ku, Kyoto).
[0028]
The configuration of the micro rubber hardness meter MD-1 is as follows.
Example 1
A foamed polyurethane sheet having a thickness of 5 mm (micro rubber A hardness = 50 degrees, density: 0.77, average closed cell diameter: 110 μm) is immersed in methyl methacrylate to which 0.1 part by weight of azobisisobutylnitrile is added for 24 hours. A polyurethane foam sheet swelled with methyl methacrylate is sandwiched between glass plates and heated at 70 ° C. for 24 hours. Remove from the glass plate after heating and vacuum dry at 50 ° C. This was ground to obtain a polishing layer having a thickness of 1.2 mm. The polishing layer had a micro rubber A hardness of 98 degrees, a density of 0.79, an average closed cell diameter of 150 μm, and a polymethyl methacrylate content of 2.6 times the polyurethane content. The tensile elastic modulus was 35 MPa. A cushion layer of 1 mm nitrile rubber (volume elastic modulus = 140 MPa, tensile elastic modulus = 4.5 MPa) was attached to the polishing layer and double-sided adhesive tape No. 1 manufactured by Nitto Denko Corporation. A polishing pad was prepared by bonding at 591. The tensile elastic modulus of the polishing pad was 15 MPa. Al wiring with a width of 0.25 μm and a height of 1.2 μm is formed on a 6-inch silicon wafer at intervals of 0.5 mm, and further an insulating film is formed thereon by CVD with tetraethoxysilane to a thickness of 3 μm. A formed semiconductor substrate was prepared. The unevenness on the surface of the insulating film on the semiconductor substrate before polishing was 11000 angstroms at the center of the wafer and 11000, 11500, 11200, 11400 angstroms at the four peripheral portions. The semiconductor substrate is attached to a polishing head of a polishing machine and rotated at 37 rpm, the polishing pad is fixed to a platen of the polishing machine and rotated at 36 rpm in the same direction as the rotation direction of the polishing head, and a silica-based polishing agent is 225 ml / min. Polishing was carried out at a polishing pressure of 0.05 MPa for 7 minutes while supplying at a pressure of 1 mm. The uneven step on the surface of the insulating film on the semiconductor substrate after polishing was 100 angstroms at the center of the wafer and 200, 300, 250, 400 angstroms at the four peripheral portions. The thickness of the insulating film at the center of the wafer was 1.5 μm, and the thickness of the insulating film 3 mm from the wafer edge was 1.4 μm. In this way, uniformity of flatness over the entire surface of the 6-inch semiconductor substrate is obtained, and uniform polishing is achieved up to the vicinity of the wafer edge.
[0030]
Example 2
A foamed polyurethane sheet (micro rubber A hardness = 50 degrees, density: 0.81, closed cell average diameter: 300 μm) having a thickness of 5 mm is immersed in styrene to which 0.1 part by weight of azobisisobutylnitrile has been added for 24 hours. The polyurethane foam sheet swelled with styrene is sandwiched between glass plates and heated at 70 ° C. for 24 hours. Remove from the glass plate after heating and vacuum dry at 50 ° C. This was ground to obtain a polishing layer having a thickness of 1.2 mm. The polishing layer had a micro rubber A hardness of 98 degrees, a density of 0.82, an average closed cell diameter of 330 μm, and a polystyrene content weight of 1.6 times the polyurethane content weight. The tensile elastic modulus was 40 MPa. A 2 mm polyurethane rubber (volume elastic modulus = 100 MPa, tensile elastic modulus = 10 MPa) is prepared as a cushion layer, and the polishing layer and the cushion layer are bonded with a double-sided adhesive tape Y-4913 of Sumitomo 3M Co., Ltd. to create a polishing pad did. The tensile elastic modulus of the polishing pad was 18 MPa. Al wiring with a width of 0.25 μm and a height of 1.2 μm is formed on a 6-inch silicon wafer at intervals of 0.5 mm, and further an insulating film is formed thereon by CVD with tetraethoxysilane to a thickness of 3 μm. Formed. The unevenness on the surface of the insulating film was 11000 angstroms at the center of the wafer and 11000, 11500, 11200, 11400 angstroms at the four peripheral portions. The substrate is attached to the polishing head of the polishing machine and rotated at 37 rpm, the polishing pad is fixed to the platen of the polishing machine, rotated in the same direction as the rotation direction of the polishing head at 36 rpm, and the silica-based polishing agent is 225 ml / min. Polishing was performed at a polishing pressure of 0.05 MPa for 6 minutes while being supplied. The unevenness of the surface roughness of the insulating film after polishing was 700 angstroms at the center of the wafer and 600, 800, 700, and 700 angstroms at the four peripheral portions. The thickness of the insulating film at the center of the wafer was 1.6 μm, and the thickness of the insulating film 3 mm from the wafer edge was 1.5 μm. In this way, uniformity of flatness over the entire surface of the 6-inch semiconductor substrate is obtained, and uniform polishing is achieved to the vicinity of the wafer edge.
[0031]
Example 3
78 parts by weight of a polyether-based urethane polymer (Adiprene L-325 manufactured by Uniroyal), 20 parts by weight of 4,4′-methylene-bis-2-chloroaniline, and a hollow polymer microsphere (Expancel 551 DE manufactured by Keman Nobel) 1.8 parts by weight were mixed with a RIM molding machine and discharged into a mold to prepare a polymer molded body. This polymer molded body was sliced to a thickness of 1.2 mm with a slicer to prepare a polishing layer. The polishing layer had a micro rubber A hardness of 98 degrees, a density of 0.80, and an average closed cell diameter of 33 μm. The tensile elastic modulus was 35 MPa. A 1 mm neoprene rubber (volume modulus = 100 MPa, tensile modulus = 12 MPa) is prepared as a cushion layer, and the polishing layer and the cushion layer are bonded together with a double-sided adhesive tape Y-949 of Sumitomo 3M Co., Ltd. to create a polishing pad did. The tensile elastic modulus of the polishing pad was 25 MPa. Al wiring with a width of 0.25 μm and a height of 1.2 μm is formed on a 6-inch silicon wafer at an interval of 0.5 mm, and a silicon oxide insulating film is formed thereon with a thickness of 3 μm by CVD using tetraethoxysilane as a raw material. It formed so that it might be. The unevenness on the surface of the insulating film was 11000 angstroms at the center of the wafer and 11000, 11500, 11200, 11400 angstroms at the four peripheral portions. The substrate is attached to a polishing head of a polishing machine and rotated at 37 rpm, the polishing pad is fixed to a polishing surface plate of the polishing machine, and rotated at 36 rpm in the same direction as the rotation direction of the polishing head. Polishing was carried out at a polishing pressure of 0.05 MPa for 6 minutes while supplying in minutes. The unevenness of the surface unevenness of the insulating film after polishing was 700 angstroms at the center of the wafer and 800, 500, 400, and 500 angstroms at the four peripheral parts. The thickness of the insulating film at the center of the wafer was 1.3 μm, and the thickness of the insulating film 3 mm from the wafer edge was 1.2 μm. In this way, uniformity of flatness over the entire surface of the 6-inch semiconductor substrate is obtained, and uniform polishing is achieved up to the vicinity of the wafer edge.
[0032]
Comparative Example 1
The polishing layer used in Example 3 was prepared. The micro rubber A hardness of the polishing layer was 98 degrees, the density was 0.80, and the average closed cell diameter was 33 μm. The tensile elastic modulus was 35 MPa. A 1.2 mm-thick wet foamed polyurethane (volume elastic modulus = 3 MPa, tensile elastic modulus = 50 MPa) obtained by impregnating a polyurethane solution of a nonwoven fabric as a cushion layer and then performing wet film formation was prepared. The polishing layer and the cushion layer were bonded together with a double-sided adhesive tape 442J (double-sided adhesive tape based on a polyester film) manufactured by Sumitomo 3M Co., Ltd. to prepare a polishing pad. The tensile elastic modulus of the polishing pad was 215 MPa. Al wiring with a width of 0.25 μm and a height of 1.2 μm is formed on a 6-inch silicon wafer at intervals of 0.5 mm, and further an insulating film is formed thereon by CVD with tetraethoxysilane to a thickness of 3 μm. Formed. The unevenness on the surface of the insulating film was 11000 angstroms at the center of the wafer and 11000, 11500, 11200, 11400 angstroms at the four peripheral portions. The substrate is attached to the polishing head of the polishing machine and rotated at 37 rpm, the polishing pad is fixed to the platen of the polishing machine, rotated in the same direction as the rotation direction of the polishing head at 36 rpm, and the silica-based polishing agent is 225 ml / min. Polishing was carried out for 7 minutes at a polishing pressure of 0.05 MPa while being supplied. The unevenness of the surface roughness of the insulating film after polishing was 1200 angstroms at the wafer central part and 200, 500, 1200, 1400 angstroms at the four peripheral parts. The thickness of the insulating film at the center of the wafer was 1.3 μm, and the thickness of the insulating film 3 mm from the wafer edge was 0.8 μm. Uniformity of flatness over the entire surface of the semiconductor substrate is insufficient, and uniform polishing near the wafer edge has not been achieved.
[0033]
【The invention's effect】
With the polishing apparatus and the polishing pad of the present invention, it becomes possible to achieve uniformity of uniformity of local unevenness on the entire surface of the semiconductor substrate (uniformity) and to achieve uniform polishing near the wafer edge. Become.
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