JP2001332519A - 研磨パッド、化学的機械研磨方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被研磨膜に対して化学的機械研磨を行なう際
に、研磨レート、研磨レートの面内均一性、平坦化特性
及び欠陥特性等のすべてを満足できるようにする。 【解決手段】 研磨定盤の上に貼着され、絶縁膜又は導
電膜からなる被研磨膜に対して化学的機械研磨を行なう
際に用いられる研磨パッド１０１であって、該研磨パッ
ド１０１は、研磨定盤側に設けられた不織布部１０１ｂ
と、被研磨膜側に設けられた発砲ポリウレタン部１０１
ａとからなる積層構造を有している。発泡ポリウレタン
部１０１ａの厚さは不織布部１０１ｂの厚さよりも大き
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路の
多層配線工程又は素子分離工程において導電膜又は絶縁
膜の平坦化に用いられる化学的機械研磨方法、該研磨方
法に用いられる研磨パッド及び該研磨方法を用いて行な
う半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】以下、従来の化学的機械研磨用研磨パッ
ド（以下、単に研磨パッドと称する。）について、図１
１（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。

【０００３】図１１（ａ）は、絶縁膜又は導電膜からな
る被研磨膜側に設けられた発泡ポリウレタンからなる硬
質研磨パッド１ａと、研磨定盤側に設けられた不織布か
らなる軟質研磨パッド１ｂとが貼り合わされた積層構造
を有する研磨パッド（以下、単に積層研磨パッドと称す
る。）１の断面構造を示しており、該積層研磨パッド１
における硬質研磨パッド１ａの厚さと軟質研磨パッドと
の厚さとの比は１：１である。また、図１１（ｂ）は、
全体が発泡ポリウレタンからなる単層硬質研磨パッド２
の断面構造を示しており、図１１（ｃ）は、全体が不織
布である単層軟質研磨パッド３の断面構造を示してい
る。

【０００４】積層研磨パッド１、単層硬質研磨パッド２
及び単層軟質研磨パッド３は、被研磨膜の種類に応じて
使い分けられる。

【０００５】積層研磨パッド１及び単層硬質研磨パッド
２は、主として絶縁膜又は導電膜からなる被研磨膜に対
する化学的機械研磨に用いられる。絶縁膜の化学的機械
研磨とは、絶縁膜表面の段差を平坦化すると共に絶縁膜
を所定の膜厚にまで削り込む工程であり、導電膜の化学
的機械研磨とは、絶縁膜に形成された孔又は溝に埋め込
まれた導電膜の余分な部分を削って除去することによ
り、埋め込みプラグ又は埋め込み配線を形成する工程で
ある。

【０００６】図１２は、積層研磨パッド１が貼着された
化学的機械研磨装置を示しており、積層研磨パッド１は
回転可能に設けられた研磨定盤４の上に、該研磨定盤４
の上面と軟質研磨パッド１ｂとが対向するように貼着さ
れている。研磨定盤４の上方には、被研磨基板５を保持
すると共に回転可能且つ上下動可能である基板ホルダー
６と、研磨剤７を積層研磨パッド１上に供給する研磨剤
供給管８とが設けられている。従って、被研磨基板５と
積層研磨パッド１の硬質研磨パッド１ａとが対向する。

【０００７】図１３は、単層硬質研磨パッド２が貼着さ
れた化学的機械研磨装置を示している。単層硬質研磨パ
ッド２は回転可能に設けられた研磨定盤４の上に貼着さ
れており、該研磨定盤４の上方には、被研磨基板５を保
持する基板ホルダー６と、研磨剤７を単層硬質研磨パッ
ド２上に供給する研磨剤供給管８とが設けられている。
いる。

【０００８】以下、積層研磨パッド１又は単層硬質研磨
パッド２を用いて行なう化学的機械研磨法について、図
１２又は図１３を参照しながら説明する。

【０００９】積層研磨パッド１又は単層硬質研磨パッド
２が貼着された研磨定盤４を回転させると共に研磨剤７
を研磨剤供給管８から積層研磨パッド１又は単層硬質研
磨パッド２の上に供給しながら、基板ホルダー６を回転
させつつ下降させる。このようにすると、基板ホルダー
６に保持された被研磨基板５は、積層研磨パッド１の硬
質研磨パッド１ａ又は単層硬質研磨パッド２に押し付け
られるので、研磨剤７によって化学的機械研磨される。
尚、被研磨膜の種類に応じて研磨剤７は選択される。

【００１０】一方、単層軟質研磨パッド３は、主とし
て、化学的機械研磨が行なわれた絶縁膜又は導電膜から
なる被研磨膜の表面をバフ研磨する際に用いられる。バ
フ研磨とは、化学的機械研磨によって絶縁膜又は導電膜
の表面に発生したマイクロスクラッチ又は残留研磨砥粒
を除去する工程である。

【００１１】以下、単層軟質研磨パッド３を用いて行な
うバフ研磨について、図１４を参照しながら説明する。

【００１２】単層軟質研磨パッド３が貼着された研磨定
盤４を回転させると共に研磨剤７を研磨剤供給管８から
単層軟質研磨パッド３の上に供給しながら、基板ホルダ
ー６を回転させつつ下降させる。このようにすると、基
板ホルダー６に保持された被研磨基板５は、単層軟質研
磨パッド３に押し付けられるので、研磨剤７によってバ
フ研磨される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、絶縁膜又は
導電膜からなる被研磨膜に対する化学的機械研磨には、
研磨レート、研磨レートの面内均一性、平坦化特性及び
欠陥特性等の基本特性のすべてにおいて優れていること
が望まれる。

【００１４】平坦化特性の評価対象となる残存段差は、
局所的な残存段差と大規模な残存段差とに分類される。
図１５は、研磨前及び所定時間に亘って研磨を行なった
後における絶縁膜の表面を示しており、局所的な残存段
差Ｄ_LTは、所定時間研磨後に、層間絶縁膜の表面におけ
る配線側端部と対応する部分に残存する段差のことであ
って、大規模な残存段差Ｄ_GTは、１チップ内の配線占有
率の差によって発生する段差のことであって、グローバ
ル段差とも呼ばれる。

【００１５】局所的な残存段差Ｄ_LTは、研磨の進行に伴
って減少していき、高密度プラズマＣＶＤ以外の成膜方
法により堆積された層間絶縁膜では、局所的な残存段差
の初期値Ｄ_L0は配線高さと考えてよい。一方、大規模な
残存段差Ｄ_GTは、局所的な残存段差Ｄ_LTとは異なり、研
磨の進行に伴って増加していき、高密度プラズマＣＶＤ
以外の成膜方法により堆積された層間絶縁膜では、大規
模な残存段差の初期値Ｄ_G0は０と考えてよい。局所的な
残存段差Ｄ_LT及び大規模な残存段差Ｄ_GTの両方の値が小
さければ小さいほど、優れた平坦化特性を有していると
判断できる。

【００１６】また、欠陥特性の評価対象となる欠陥は、
点欠陥、マイクロスクラッチ及び粗大ダストである。

【００１７】本願発明者が、従来の積層研磨パッド１及
び単層硬質研磨パッド２の平坦化特性及び欠陥特性を評
価したところ、以下のような結果を得た。

【００１８】まず、従来の積層研磨パッド１は、大規模
な残存段差以外の点については良好な特性を示してい
る。積層研磨パッド１を用いたときに大規模な残存段差
が劣化する原因は、積層研磨パッド１は単層硬質研磨パ
ッド２に比べて実効的な硬度が低いため、積層研磨パッ
ド１がパターン形状に追随するためであると考えられ
る。また、積層研磨パッド１が研磨レートの面内ばらつ
き及びマイクロスクラッチ耐性の点で優れている理由
は、軟質研磨パッド１ｂが面内ばらつきの変動原因及び
マイクロスクラッチの発生要因を吸収してしまうからで
あると考えられる。

【００１９】次に、単層硬質研磨パッド２は、研磨レー
トの面内ばらつき及びマイクロスクラッチ耐性以外の点
については、良好な特性を示している。単層硬質研磨パ
ッド２を用いたときに、研磨レートの面内ばらつきが発
生したり又はマイクロスクラッチ耐性が劣化したりする
の原因は、単層硬質研磨パッド２の硬度が高すぎるため
であると考えられる。

【００２０】以上のように、従来の積層研磨パッド１及
び単層硬質研磨パッド２は、絶縁膜又は導電膜に対して
化学的機械研磨を行なうために必要な基本特性をすべて
満足しているとは言えない。

【００２１】ところで、バフ研磨については、一般的に
研磨量が少ないと共に研磨面がほぼ平坦であるため、研
磨レート、研磨レートの面内ばらつき及び大規模な残存
段差については特に問題にはならない。しかしながら、
局所的な残存段差及び点欠陥耐性の点で劣るのは問題で
ある。

【００２２】また、従来のバフ研磨には単層軟質研磨パ
ッド３が用いられてきた。単層軟質研磨パッド３は不織
布という軟らかい物質からなるため、その表面をダイヤ
モンドドレッサでコンディショニングすることはできな
い。そのため、処理枚数が増えるに伴って、単層軟質研
磨パッド３の表面に研磨砥粒が蓄積し、これによって、
バフ研磨された被研磨膜の表面に研磨砥粒を付着させて
しまうという問題が発生する。

【００２３】また、化学的機械研磨が行なわれた導電膜
に対して単層軟質研磨パッド３を用いてバフ研磨を行な
うと、導電膜に形状劣化が引き起こされるという問題が
発生する。以下、この問題について図１６（ａ）〜
（ｃ）を参照しながら説明する。

【００２４】まず、図１６（ａ）に示すように、半導体
基板１０の上に堆積された絶縁膜１１に形成された孔１
２にタングステン膜１３を充填した後、タングステン膜
１３に対して積層研磨パッド１又は単層硬質研磨パッド
２を用いて化学的機械研磨を行なって、図１６（ｂ）に
示すように、タングステン膜１３における絶縁膜１１の
上に存在する部分を除去して、タングステンプラグ１４
を形成する。通常、研磨剤にはタングステン膜１３と化
学反応する物質が含まれているため、図１６（ｂ）に示
すように、タングステンプラグ１４の表面にリセス部が
形成される。

【００２５】次に、タングステンプラグ１４のリセス部
を解消するために、単層軟質研磨パッド３を用いると共
に絶縁膜用の研磨剤を用いてバフ研磨を行なうと、単層
軟質研磨パッド３がパターン形状に追従すると共に絶縁
膜１１がタングステンプラグ１４よりも多く研磨される
ため、図１６（ｃ）に示すように、タングステンプラグ
１４の表面部が絶縁膜１１から突出してしまう。タング
ステンプラグ１４の表面部が絶縁膜１１から突出する
と、図示は省略しているが、以下の問題が発生する。す
なわち、絶縁膜１１の上に堆積された層間絶縁膜に配線
溝を形成した後、該配線溝が充填されるように銅膜を堆
積し、その後、銅膜に対して化学的機械研磨を行なって
埋め込み配線を形成すると、銅膜が配線溝からはみ出し
てしまう。つまり、銅膜が層間絶縁膜の上に残存してし
まう。このため、隣り合う埋め込み配線同士が層間絶縁
膜の上に残存する銅膜を介して電気的に接続してしま
い、埋め込み配線が短絡するという問題が発生する。

【００２６】前記に鑑み、本発明は、被研磨膜に対して
化学的機械研磨を行なう際に、研磨レート、研磨レート
の面内均一性、平坦化特性及び欠陥特性等の基本特性の
すべてを満足できるようにすることを第１の目的とし、
化学的機械研磨が行なわれた被研磨膜に対してバフ研磨
を行なう際に、局所的な残存段差及び点欠陥耐性を向上
させると共に、研磨砥粒が蓄積されたときにコンディシ
ョニングを行なえるようにすることを第２の目的とす
る。

【００２７】

【課題を解決するための手段】第１の目的を達成するた
め、本発明に係る第１の研磨パッドは、研磨定盤の上に
貼着され、絶縁膜又は導電膜からなる被研磨膜に対して
化学的機械研磨を行なう際に用いられる研磨パッドを対
象とし、研磨定盤側に設けられた不織布部と、被研磨膜
側に設けられた発砲ポリウレタン部とからなる積層構造
を有し、発泡ポリウレタン部の厚さは不織布部の厚さよ
りも大きい。

【００２８】第１の研磨パッドは、発泡ポリウレタン部
の厚さと不織布部の厚さとがほぼ等しい積層構造の積層
研磨パッドが有する、研磨レート、研磨レートの面内ば
らつき、局所的な残存段差特性、マイクロスクラッチ耐
性及び点欠陥耐性に優れているという長所と、単層硬質
研磨パッドが有する大規模な残存段差特性に優れている
という長所とを併せて持つことができるので、化学的機
械研磨に求められる基本特性のすべての点で優れてい
る。

【００２９】第１の研磨パッドにおいて、発泡ポリウレ
タン部の厚さと不織布部の厚さとの比はほぼ３：１であ
ることが好ましい。

【００３０】このようにすると、化学的機械研磨に求め
られる基本特性のすべての点で確実に優れることにな
る。

【００３１】第２の目的を達成するため、本発明に係る
第２の研磨パッドは、研磨定盤の上に貼着され、絶縁膜
又は導電膜からなり化学的機械研磨が行なわれた被研磨
膜に対してバフ研磨を行なう際に用いられる研磨パッド
を対象とし、研磨定盤側に設けられた不織布部と、被研
磨膜側に設けられた発砲ポリウレタン部とからなる積層
構造を有し、不織布部の厚さは発泡ポリウレタン部の厚
さよりも大きい。

【００３２】第２の研磨パッドは、研磨定盤側に設けら
れた不織布部と被研磨膜側に設けられた発砲ポリウレタ
ン部との積層構造を有するため、研磨パッドの表面をコ
ンディショニングして研磨砥粒を除去できるので、バフ
研磨の対象となる被研磨膜に研磨砥粒が付着する事態を
防止できる。また、被研磨膜側に発泡ポリウレタン部を
有しているため、パターン形状に追従し難くなるので、
導電膜からなるパターンの形状が劣化する事態を防止で
きる。

【００３３】また、不織布部の厚さが発泡ポリウレタン
部の厚さよりも大きいため、単層軟質研磨パッドが有す
る短所である、局所的な残存段差特性及び点欠陥特性
は、発泡ポリウレタン部の厚さと不織布部の厚さとがほ
ぼ等しい積層構造の積層研磨パッドによって補われるの
で、局所的な残存段差特性及び点欠陥特性が向上する。

【００３４】第２の研磨パッドにおいて、不織布部の厚
さと発泡ポリウレタン部の厚さとの比はほぼ３：１であ
ることが好ましい。

【００３５】このようにすると、研磨パッドの局所的な
残存段差特性及び点欠陥特性が確実に向上する。

【００３６】第１の目的を達成するため、本発明に係る
第１の化学的機械研磨方法は、研磨定盤の上に貼着され
た研磨パッドを用いて、絶縁膜又は導電膜からなる被研
磨膜を研磨する化学的機械研磨方法を対象とし、研磨パ
ッドは、研磨定盤側に設けられた不織布部と被研磨膜側
に設けられた発砲ポリウレタン部とからなる積層構造を
有し、発泡ポリウレタン部の厚さは不織布部の厚さより
も大きい。

【００３７】第１の化学的機械研磨方法によると、本発
明に係る第１の研磨パッドを用いて化学的機械研磨を行
なうため、化学的機械研磨に求められる基本特性のすべ
ての点で優れた化学的機械研磨を行なうことができる。

【００３８】第１の化学的機械研磨方法において、被研
磨膜は、表面に大規模な段差を有する絶縁膜であること
が好ましい。

【００３９】このようにすると、絶縁膜の表面に大規模
な段差が形成されているにも拘わらず、確実に解消する
ことができる。

【００４０】第２の目的を達成するため、本発明に係る
第２の化学的機械研磨方法は、研磨定盤の上に貼着され
た研磨パッドを用いて、絶縁膜又は導電膜からなり化学
的機械研磨が行なわれた被研磨膜に対してバフ研磨を行
なう化学的機械研磨方法を対象とし、研磨パッドは、研
磨定盤側に設けられた不織布部と被研磨膜側に設けられ
た発砲ポリウレタン部とからなる積層構造を有し、不織
布部の厚さは発泡ポリウレタン部の厚さよりも大きい。

【００４１】第２の化学的機械研磨方法によると、本発
明に係る第１の研磨パッドを用いて化学的機械研磨を行
なうため、バフ研磨の対象となる被研磨膜に研磨砥粒が
付着する事態及び導電膜からなるパターンの形状が劣化
する事態を防止することができると共に、局所的な残存
段差特性及び点欠陥特性が向上する。

【００４２】本発明に係る半導体装置の製造方法は、半
導体基板上に堆積された絶縁膜に、接続孔又は配線溝か
らなる凹部を形成する工程と、絶縁膜の上に導電膜を凹
部が充填されるように堆積する工程と、導電膜における
絶縁膜の上に露出している部分を第１の研磨パッドを用
いる化学的機械研磨により除去して、導電膜からなるプ
ラグ又は配線を形成する工程と、プラグ又は配線及び絶
縁膜に対して第２の研磨パッドを用いてバフ研磨を行な
う工程とを備え、第１の研磨パッドは、研磨定盤側に設
けられた第１の不織布部と被研磨膜側に設けられた第１
の発砲ポリウレタン部とからなる積層構造を有し、第１
の発泡ポリウレタン部の厚さは第１の不織布部の厚さよ
りも大きく、第２の研磨パッドは、研磨定盤側に設けら
れた第２の不織布部と被研磨膜側に設けられた第２の発
砲ポリウレタン部とからなる積層構造を有し、第２の不
織布部の厚さは第２の発泡ポリウレタン部の厚さよりも
大きい。

【００４３】本発明に係る半導体装置の製造方法による
と、第１の化学的機械研磨の特徴と第２の化学的機械研
磨の特徴とを併せ持つことができる。特に、研磨定盤側
に設けられた第２の不織布部と被研磨膜側に設けられた
第２の発砲ポリウレタン部とからなる積層構造を有し、
第２の不織布部の厚さが第２の発泡ポリウレタン部の厚
さよりも大きい第２の研磨パッドを用いてバフ研磨する
ので、プラグ又は配線の表面と絶縁膜の表面とを面一に
できるので、プラグ又は配線が短絡する事態を防止する
ことができる。

【００４４】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明
の第１の実施形態に係る化学的機械研磨用研磨パッド
（以下、単に研磨パッドと称する。）及び化学的機械研
磨方法について説明する。

【００４５】図１に示すように、第１の実施形態に係る
研磨パッド１０１は、被研磨膜側に設けられた発泡ポリ
ウレタン部１０１ａと、研磨定盤側に設けられた不織布
部１０１ｂとが貼り合わされた積層構造を有しており、
発泡ポリウレタン部１０１ａの厚さは不織布部１０１ｂ
の厚さよりも大きく、第１の実施形態においては、発泡
ポリウレタン部１０１ａの厚さと不織布部１０１ｂの厚
さとの比はほぼ１：３である。

【００４６】以下、積層研磨パッドにおいて、発泡ポリ
ウレタン部１０１ａの厚さを不織布部１０１ｂの厚さよ
りも大きくすると、研磨レート、研磨レートの面内ばら
つき、局所的な残存段差特性、大規模な残存段差特性、
マイクロスクラッチ耐性及び点欠陥耐性のすべての点に
おいて優れることになる理由について説明する。

【００４７】以下、従来の積層研磨パッド１、単層硬質
研磨パッド２及び単層軟質研磨パッド３を用いて化学的
機械研磨を行なったときに得られる、研磨レート、研磨
レートの面内ばらつき、平坦化特性（局所的な残存段差
特性及び大規模な残存段差特性）並びに欠陥特性につい
ての実験結果について説明する。

【００４８】（研磨レート及びその面内ばらつき）図３
（ａ）〜（ｃ）は、従来の研磨パッドを用いて化学的機
械研磨を行なったときに得られる研磨レート及びその面
内ばらつきの実験結果を示している。図３（ａ）〜
（ｃ）において、横軸は直径が２００ｍｍである半導体
基板における中心点（０ｍｍの位置）からの距離（単
位：ｍｍ）を示し、縦軸はシリコン酸化膜の研磨レート
（ｎｍ／分）及びその面内ばらつき（％）を示してい
る。また、図３（ａ）は積層研磨パッド１を用いた場合
であり、図３（ｂ）は単層硬質研磨パッド２を用いた場
合であり、図３（ｃ）は単層軟質研磨パッド３を用いた
場合である。また、図３（ａ）〜（ｃ）において、それ
ぞれ、●は第１の基板ホルダーを用いた場合の実験結果
を示し、△は第２の基板ホルダーを用いた場合の実験結
果を示している。

【００４９】図３（ａ）から分かるように、積層研磨パ
ッド１は、研磨レート及び研磨レートの面内ばらつきの
両方の点で優れている。すなわち、第１の基板ホルダー
を用いた場合には、研磨レートの平均値は２７７ｎｍ／
分であり、研磨レートの面内ばらつきは４．４％であっ
た。第２の基板ホルダーを用いた場合には、研磨レート
の平均値は２７０ｎｍ／分であり、研磨レートの面内ば
らつきは５．０％であった。

【００５０】図３（ｂ）から分かるように、単層硬質研
磨パッド２は、研磨レートの点では優れているが研磨レ
ートの面内ばらつきの点で劣っている。すなわち、第１
の基板ホルダーを用いた場合には、研磨レートの平均値
は２７２ｎｍ／分であり、研磨レートの面内ばらつきは
１４．０％であった。第２の基板ホルダーを用いた場合
には、研磨レートの平均値は２５６ｎｍ／分であり、研
磨レートの面内ばらつきは１６．０％であった。

【００５１】図３（ｃ）から分かるように、単層軟質研
磨パッド３は、研磨レート及び研磨レートの面内ばらつ
きの両方の点で劣っている。すなわち、第１の基板ホル
ダーを用いた場合には、研磨レートの平均値は２０５ｎ
ｍ／分であり、研磨レートの面内ばらつきは２１．７０
％であった。第２の基板ホルダーを用いた場合には、研
磨レートの平均値は２１７ｎｍ／分であり、研磨レート
の面内ばらつきは２２．３％であった。

【００５２】以上の結果から、研磨レート及びその面内
ばらつきという観点からは、積層研磨パッド１は、単層
硬質研磨パッド２及び単層軟質研磨パッド３よりも優れ
ていると言える。

【００５３】（平坦化特性）図４は平坦化特性の評価に
用いた評価パターンを示しており、図４に示すように、
半導体基板１２０の上に高さが０．８μｍであるアルミ
ニウム配線１２１が、１０００μｍ、５００μｍ及び５
０μｍの各間隔で配置されており、アルミニウム配線１
２１の上に厚さが２．１μｍである層間絶縁膜１２２が
堆積されている。平坦化特性の評価は、化学的機械研磨
の研磨時間を０秒（初期状態）、４０秒、１２０秒及び
２００秒と段階的に変化させると共に、各研磨時間後に
層間絶縁膜１２２（評価パターン）の表面段差を段差計
で計測することによって行なった。評価対象の残存段差
は、局所的な残存段差及び大規模な残存段差の２種類で
ある。

【００５４】図５（ａ）〜（ｃ）は、従来の研磨パッド
を用いて化学的機械研磨を行なったときの平坦化特性の
実験結果を示している。図５（ａ）〜（ｃ）において、
横軸は評価パターンの水平方向の距離（単位：ｍｍ）を
示し、縦軸は評価パターンの垂直方向の距離（単位：ｍ
ｍ）を示している。また、図５（ａ）は積層研磨パッド
１を用いた場合であり、図５（ｂ）は単層硬質研磨パッ
ド２を用いた場合であり、図５（ｃ）は単層軟質研磨パ
ッド３を用いた場合である。

【００５５】図５（ａ）から分かるように、積層研磨パ
ッド１は、局所的な残存段差特性の点では優れている
が、大規模な残存段差特性の点では劣っている。すなわ
ち、研磨時間２００秒後において、局所的な残存段差は
２０ｎｍ以下であって、８００ｎｍの初期段差を有する
層間絶縁膜に対する平坦化特性は優れている。ところ
が、研磨時間２００秒後における大規模な残存段差は約
３００ｎｍにまで拡大している。

【００５６】図５（ｂ）から分かるように、単層硬質研
磨パッド２は、局所的な残存段差特性及び大規模な残存
段差特性の両方で優れている。すなわち、研磨時間２０
０秒後において、局所的な残存段差は２０ｎｍ以下であ
って、８００ｎｍの初期段差を有する層間絶縁膜に対す
る平坦化特性は優れている。また、研磨時間２００秒後
における大規模な残存段差は約７０ｎｍに留まってい
る。

【００５７】図５（ｃ）から分かるように、単層軟質研
磨パッド３は、局所的な残存段差特性及び大規模な残存
段差特性の両方で劣っている。すなわち、研磨時間２０
０秒後において、局所的な残存段差は３００〜６００ｎ
ｍであって、８００ｎｍの初期段差を有する層間絶縁膜
に対する平坦化特性は不十分である。また、研磨時間２
００秒後における大規模な残存段差は約３００ｎｍにま
で拡大している。

【００５８】以上の結果から、積層研磨パッドにおける
硬質研磨パッドの割合を大きくして、研磨パッド全体の
実効的な硬度（研磨パッド全体の硬度）を増加させる
と、大規模な残存段差を低減できることが分かる。

【００５９】（欠陥特性）図６は、従来の研磨パッドを
用いて化学的機械研磨を行なったときにおける、研磨後
のシリコン酸化膜表面の欠陥特性の実験結果を示してい
る。欠陥は１個づつ光学顕微鏡によって分類され、分類
の内訳は、径が１．０μｍ未満の点欠陥、マイクロスク
ラッチ、及び径が１．０μｍ以上の粗大ダストの３種類
である。

【００６０】図６から分かるように、単層軟質研磨パッ
ド３では、総欠陥数が最も多いと共に、点欠陥数が総欠
陥数の大部分を占めている。このことから、研磨パッド
表面に硬質研磨パッドが存在すると、点欠陥数を低減で
きると言える。

【００６１】歩留まりの低下に最も大きな影響を及ぼす
マイクロスクラッチに注目すると、マイクロスクラッチ
は、単層硬質研磨パッド２で最も多く発生している一
方、積層研磨パッド１及び単層軟質研磨パッド３では、
同程度の低い数になっている。このことから、研磨パッ
ド全体の実効的な硬度（研磨パッド全体としての硬度）
を低くすると、マイクロスクラッチ耐性を向上させるこ
とができると言える。

【００６２】（結論）以上の実験結果から、次のような
結論を導き出すことができる。

【００６３】積層研磨パッド１は、研磨レート、研磨レ
ートの面内ばらつき、局所的な残存段差特性、マイクロ
スクラッチ耐性及び点欠陥耐性に優れているが、大規模
な残存段差特性で劣る。

【００６４】単層硬質研磨パッド２は、研磨レート、局
所的な残存段差特性、大規模な残存段差特性及び点欠陥
耐性に優れているが、研磨レートの面内ばらつき及びマ
イクロスクラッチ耐性で劣る。

【００６５】単層軟質研磨パッド３は、マイクロスクラ
ッチ耐性に優れているが、研磨レート、研磨レートの面
内ばらつき、局所的な残存段差特性、大規模な残存段差
特性及び点欠陥耐性で劣る。

【００６６】従って、積層研磨パッドは、総合的に優れ
ているが、大規模な残存段差特性の点で劣るので、積層
研磨パッドにおける大規模な残存段差特性を向上させる
ためには、積層研磨パッドにおける硬質研磨パッドの占
める割合を、従来の積層研磨パッド１における硬質研磨
パッドの占める割合（１／２）と、従来の単層硬質研磨
パッド２における硬質研磨パッドの占める割合（１／
１）との間に設定することが好ましい。換言すると、積
層研磨パッドを採用すると共に、硬質研磨パッドの厚さ
を軟質研磨パッドの厚さよりも大きくすると、大規模な
残存段差特性を向上させることができる。

【００６７】特に、積層研磨パッドにおける硬質研磨パ
ッドの占める割合を、従来の積層研磨パッド１における
硬質研磨パッドの占める割合（１／２）と、従来の単層
硬質研磨パッド２における硬質研磨パッドの占める割合
（１／１）との中間の値（３／４）に設定すると、つま
り硬質研磨パッドの厚さと軟質研磨パッドの厚さとの比
をほぼ３：１に設定すると、研磨レート、研磨レートの
面内ばらつき、平坦化特性（局所的な残存段差特性及び
大規模な残存段差特性）、並びに欠陥特性（マイクロス
クラッチ耐性及び点欠陥耐性）のすべての点において優
れることになる。

【００６８】図２は、第１の実施形態に係る研磨パッド
１０１を用いて行なう化学的機械研磨方法を示してお
り、研磨パッド１０１は回転可能に設けられた研磨定盤
１１０の上に、該研磨定盤１０１の上面と不織布部１０
１ｂとが対向するように貼着されている。研磨定盤１１
０の上方には、被研磨基板１１１を保持すると共に回転
可能且つ上下動可能である基板ホルダー１１２と、研磨
剤１１３を研磨パッド１０１上に供給する研磨剤供給管
１１４とが設けられている。

【００６９】研磨パッド１０１が貼着されている研磨定
盤１１０を回転させると共に研磨剤１１３を研磨剤供給
管１１４から研磨パッド１０１の上に供給しながら、基
板ホルダー１１２を回転させつつ下降させる。このよう
にすると、基板ホルダー１１２に保持された被研磨基板
１１１は、研磨パッド１０１の発泡ポリウレタン部１０
１ａに押し付けられるので、研磨剤１１３によって良好
に化学的機械研磨される。

【００７０】図７（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に
係る化学的機械研磨方法を利用する半導体装置の製造方
法の各工程を示し、局所的な残存段差の初期値及び大規
模な残存段差の初期値がいずれも大きい場合であって
も、第１の実施形態に係る研磨パッド１０１を用いて化
学的機械研磨を行なうと、研磨の終了時には局所的な残
存段差及び大規模な残存段差が消滅することを示してい
る。

【００７１】まず、図７（ａ）に示すように、半導体基
板１２０の上に、異なる配線幅を持つアルミニウム配線
１２１が形成され、該アルミニウム配線１２１の上に、
高密度プラズマＣＶＤ法により堆積されたシリコン酸化
膜からなる第１の層間絶縁膜１２３が形成され、該第１
の層間絶縁膜１２３の上にプラズマＴＥＯＳ法により堆
積されたシリコン酸化膜からなる第２の層間絶縁膜１２
４が形成されている。高密度プラズマＣＶＤシリコン酸
化膜は、配線幅が小さいアルミニウム配線１２１の上に
は僅かしか堆積されないが、配線幅が大きいアルミニウ
ム配線１２１の上には設定値通りに堆積されるため、研
磨の初期段階において、第２の層間絶縁膜１２４におけ
る配線幅の大きいアルミニウム配線１２１の上方に大規
模な段差が発生している。

【００７２】次に、第２の層間絶縁膜１２４に対して、
第１の実施形態に係る研磨パッド１０１を用いて化学的
機械研磨を行なうと、第１の実施形態に係る研磨パッド
１０１は大規模な残存段差特性に優れているため、図７
（ｂ）に示すように、第２の層間絶縁膜１２４における
大規模な残存段差は大きく低減し、化学的機械研磨が終
了したときには、図７（ｃ）に示すように、第２の層間
絶縁膜１２４における局所的な残存段差及び大規模な残
存段差はいずれも消滅する。

【００７３】（第２の実施形態）以下、本発明の第２の
実施形態に係るバフ研磨用パッド及び化学的機械研磨方
法について説明する。

【００７４】図８に示すように、第２の実施形態に係る
バフ研磨用パッド２０１は、被研磨膜側に設けられた発
泡ポリウレタン部２０１ａと、定盤貼付面側に設けられ
た不織布部２０１ｂとが貼り合わされた積層構造を有し
ており、発泡ポリウレタン部２０１ａの厚さは不織布部
２０１ｂの厚さよりも大きく、第２の実施形態において
は、発泡ポリウレタン部２０１ａの厚さと不織布部２０
１ｂの厚さとの比はほぼ３：１である。

【００７５】第２の実施形態に係るバフ研磨用パッド２
０１は、被研磨膜側に発泡ポリウレタン部２０１ａが設
けられているため、バフ研磨用パッド２０１の表面部つ
まり発泡ポリウレタン部２０１ａはダイヤモンドドレッ
サによりコンディショニングすることができる。このた
め、処理枚数が増加してバフ研磨用パッド２０１の表面
に研磨砥粒が蓄積したときには、バフ研磨用パッド２０
１の表面部をダイヤモンドドレッサによりコンディショ
ニングすることによって、研磨砥粒を除去することがで
きる。従って、バフ研磨の対象となる被研磨膜に研磨砥
粒が付着する事態が解消する。

【００７６】また、第２の実施形態に係るバフ研磨用パ
ッド２０１は、被研磨膜側に発泡ポリウレタン部２０１
ａが設けられているため、パターン形状に追従し難くな
るので、タングステンプラグが突出したりするパターン
形状の劣化という問題は発生しない。以下、この点につ
いて図１０（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。

【００７７】まず、図１０（ａ）に示すように、半導体
基板２２０の上に堆積された絶縁膜２１１には、接続孔
又は配線溝となる凹部２１２が形成されており、該凹部
２１２にタングステン膜２１３を充填する。次に、タン
グステン膜２１３に対して、従来の積層研磨パッド１若
しくは単層硬質研磨パッド２又は第１の実施形態に係る
研磨パッド１０１を用いて化学的機械研磨を行なって、
図１０（ｂ）に示すように、タングステン膜２１３にお
ける絶縁膜２１１の上に存在する部分を除去して、タン
グステンプラグ２１４を形成する。通常、研磨剤にはタ
ングステン膜２１３と化学反応する物質が含まれている
ため、図１０（ｂ）に示すように、タングステンプラグ
２１４の表面にリセス部が形成される。

【００７８】次に、タングステンプラグ２１４のリセス
部を解消するべく、第２の実施形態に係るバフ研磨用パ
ッド２０１を用いると共に絶縁膜用の研磨剤を用いてバ
フ研磨を行なうと、バフ研磨用パッド２０１は被研磨膜
側に発泡ポリウレタン部２０１ａを有しているためパタ
ーン形状に追従し難いため、図１０（ｃ）に示すよう
に、タングステンプラグ２１４の表面は絶縁膜２１１の
表面と面一になる。

【００７９】以下、バフ用研磨パッド２０１において、
発泡ポリウレタン部２０１ａの厚さと不織布部２０１ｂ
の厚さとの比をほぼ１：３にすると、点欠陥耐性が向上
する理由について説明する。

【００８０】発明が解決しようとする課題の項において
既に説明したように、バフ研磨については、一般的に研
磨量が少ないと共に研磨面がほぼ平坦であるため、研磨
レート、研磨レートの面内ばらつき及び大規模な残存段
差特性については特に問題にはならないが、局所的な残
存段差特性及び点欠陥耐性の点で劣るのは問題である。

【００８１】ところが、従来の単層軟質研磨パッド３
は、図３（ｃ）を参照しながら説明したように、局所的
な残存段差特性の点で劣ると共に、図６を参照しながら
説明したように、点欠陥特性の点でも劣る。

【００８２】これに対して、従来の積層研磨パッド１
は、図５（ａ）を参照しながら説明したように、局所的
な残存段差特性の点では優れていると共に、図６から分
かるように、点欠陥特性の点でも悪くない。

【００８３】従って、バフ研磨用パッドにおいて、局所
的な残存段差特性及び点欠陥特性を向上させるために
は、積層研磨パッドを採用すると共に、積層研磨パッド
における軟質研磨パッドの占める割合を、従来の積層研
磨パッド１における軟質研磨パッドの占める割合（１／
２）と、従来の単層軟質研磨パッド３における軟質研磨
パッドの占める割合（１／１）との間に設定することが
好ましい。換言すると、積層研磨パッドを採用すると共
に、軟質研磨パッドの厚さを硬質研磨パッドの厚さより
も大きくすると、バフ研磨用パッドの局所的な残存段差
特性及び点欠陥耐性を向上させることができる。

【００８４】特に、バフ研磨用パッドにおける軟質研磨
パッドの占める割合を、従来の積層研磨パッド１におけ
る軟質研磨パッドの占める割合（１／２）と、従来の単
層軟質研磨パッド３における軟質研磨パッドの占める割
合（１／１）との中間の値（３／４）に設定すると、つ
まり軟質研磨パッドの厚さと硬質研磨パッドの厚さとの
比をほぼ３：１にすると、バフ研磨用パッドの局所的な
残存段差特性及び点欠陥耐性を大きく向上させることが
できる。

【００８５】図９は、第２の実施形態に係るバフ研磨用
パッド２０１を用いて行なう化学的機械研磨方法を示し
ており、バフ研磨用パッド２０１は回転可能に設けられ
た研磨定盤２１０の上に、該研磨定盤２０１の上面と不
織布部２０１ｂとが対向するように貼着されている。研
磨定盤２１０の上方には、被研磨基板２１１を保持する
と共に回転可能且つ上下動可能である基板ホルダー２１
２と、研磨剤２１３を研磨パッド２０１上に供給する研
磨剤供給管２１４とが設けられている。

【００８６】研磨パッド２０１が貼着されている研磨定
盤２１０を回転させると共に研磨剤２１３を研磨剤供給
管２１４から研磨パッド２０１の上に供給しながら、基
板ホルダー２１２を回転させつつ下降させる。このよう
にすると、基板ホルダー２１２に保持された被研磨基板
２１１は、バフ用研磨パッド２０１の発泡ポリウレタン
部２０１ａに押し付けられるので、研磨剤２１３によっ
て良好にバフ研磨される。

【００８７】

【発明の効果】本発明に係る第１の研磨パッド又は第１
の化学的機械研磨方法によると、研磨レート、研磨レー
トの面内ばらつき、局所的な残存段差特性、大規模な残
存段差特性、マイクロスクラッチ耐性及び点欠陥耐性の
すべての点で優れた化学的機械研磨を行なうことができ
る。

【００８８】本発明に係る第２の研磨パッド又は第２の
化学的機械研磨方法によると、バフ研磨の対象となる被
研磨膜に研磨砥粒が付着する事態及び導電膜からなるパ
ターンの形状が劣化する事態を防止することができると
共に、バフ研磨工程における局所的な残存段差特性及び
点欠陥特性が向上する。

【００８９】本発明に係る半導体装置の製造方法による
と、第１の化学的機械研磨及び第２の化学的機械研磨の
特徴を併せ持つことができると共に、プラグ又は配線が
短絡する事態を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る研磨パッドの断
面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態に係る化学的機械研磨
方法を示す断面図である。

【図３】（ａ）〜（ｃ）は、従来の研磨パッドを用いて
化学的機械研磨を行なったときに得られる研磨レート及
びその面内ばらつきの実験結果を示し、（ａ）は従来の
積層研磨パッドの場合であり、（ｂ）は従来の単層硬質
研磨パッドの場合であり、（ｃ）は従来の単層軟質研磨
パッドの場合である。

【図４】従来の研磨パッドの平坦化特性の評価に用いる
評価パターンを示す断面図である。

【図５】従来の研磨パッドを用いて化学的機械研磨を行
なったときの平坦化特性の実験結果を示し、（ａ）は従
来の積層研磨パッドの場合であり、（ｂ）は従来の単層
硬質研磨パッドの場合であり、（ｃ）は従来の単層軟質
研磨パッドの場合である。

【図６】従来の研磨パッドを用いて化学的機械研磨を行
なったときにおける、研磨後のシリコン酸化膜表面の欠
陥特性の実験結果を示す図である。

【図７】（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係る化学
的機械研磨方法を利用する半導体装置の製造方法の各工
程を示す断面図である。

【図８】本発明の第２の実施形態に係る研磨パッドの断
面図である。

【図９】本発明の第２の実施形態に係る化学的機械研磨
方法を示す断面図である。

【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態に係る化
学的機械研磨方法を利用する半導体装置の製造方法の各
工程を示す断面図である。

【図１１】（ａ）は従来の積層研磨パッドの断面図であ
り、（ｂ）は従来の単層硬質研磨パッドの断面図であ
り、（ｃ）は従来の単層軟質研磨パッドの断面図であ
る。

【図１２】従来の積層研磨パッドを用いて行なう化学的
機械研磨方法を示す断面図である。

【図１３】従来の単層硬質研磨パッドを用いて行なう化
学的機械研磨方法を示す断面図である。

【図１４】従来の単層軟質研磨パッドを用いて行なう化
学的機械研磨方法を示す断面図である。

【図１５】局所的な残存段差特性及び大規模な残存段差
特性を説明する断面図である。

【図１６】（ａ）〜（ｃ）は、化学的機械研磨が行なわ
れた導電膜に対して単層軟質研磨パッドを用いてバフ研
磨を行なうときの問題点を説明する断面図である。

【符号の説明】

１０１ 研磨パッド １０１ａ 発泡ポリウレタン部 １０１ｂ 不織布部 １１０ 研磨定盤 １１１ 半導体基板 １１２ ホルダー １１３ 研磨剤 １１４ 研磨剤供給管 １２０ 半導体基板 １２１ アルミニウム配線 １２２ 層間絶縁膜 １２３ 第１の層間絶縁膜 １２４ 第２の層間絶縁膜 ２０１ 研磨パッド ２０１ａ 発泡ポリウレタン部 ２０１ｂ 不織布部 ２１０ 研磨定盤 ２１１ 半導体基板 ２１２ ホルダー ２１３ 研磨剤 ２１４ 研磨剤供給管 ２２０ 半導体基板 ２１１ 絶縁膜 ２１２ 凹部 ２１３ タングステン膜 ２１４ タングステンプラグ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 研磨定盤の上に貼着され、絶縁膜又は導
   電膜からなる被研磨膜に対して化学的機械研磨を行なう
   際に用いられる研磨パッドであって、 研磨定盤側に設けられた不織布部と、被研磨膜側に設け
   られた発砲ポリウレタン部とからなる積層構造を有し、 前記発泡ポリウレタン部の厚さは前記不織布部の厚さよ
   りも大きいことを特徴とする研磨パッド。
2. 【請求項２】 前記発泡ポリウレタン部の厚さと前記不
   織布部の厚さとの比はほぼ３：１であることを特徴とす
   る請求項１に記載の研磨パッド。
3. 【請求項３】 研磨定盤の上に貼着され、絶縁膜又は導
   電膜からなり化学的機械研磨が行なわれた被研磨膜に対
   してバフ研磨を行なう際に用いられる研磨パッドであっ
   て、 研磨定盤側に設けられた不織布部と、被研磨膜側に設け
   られた発砲ポリウレタン部とからなる積層構造を有し、 前記不織布部の厚さは前記発泡ポリウレタン部の厚さよ
   りも大きいことを特徴とする研磨パッド。
4. 【請求項４】 前記不織布部の厚さと前記発泡ポリウレ
   タン部の厚さとの比はほぼ３：１であることを特徴とす
   る請求項３に記載の研磨パッド。
5. 【請求項５】 研磨定盤の上に貼着された研磨パッドを
   用いて、絶縁膜又は導電膜からなる被研磨膜を研磨する
   化学的機械研磨方法であって、 前記研磨パッドは、研磨定盤側に設けられた不織布部と
   被研磨膜側に設けられた発砲ポリウレタン部とからなる
   積層構造を有し、前記発泡ポリウレタン部の厚さは前記
   不織布部の厚さよりも大きいことを特徴とする化学的機
   械研磨方法。
6. 【請求項６】 前記被研磨膜は、表面に大規模な段差を
   有する絶縁膜であることを特徴とする請求項５に記載の
   化学的機械研磨方法。
7. 【請求項７】 研磨定盤の上に貼着された研磨パッドを
   用いて、絶縁膜又は導電膜からなり化学的機械研磨が行
   なわれた被研磨膜に対してバフ研磨を行なう化学的機械
   研磨方法であって、 前記研磨パッドは、研磨定盤側に設けられた不織布部と
   被研磨膜側に設けられた発砲ポリウレタン部とからなる
   積層構造を有し、前記不織布部の厚さは前記発泡ポリウ
   レタン部の厚さよりも大きいことを特徴とする化学的機
   械研磨方法。
8. 【請求項８】 半導体基板上に堆積された絶縁膜に、接
   続孔又は配線溝からなる凹部を形成する工程と、 前記絶縁膜の上に導電膜を前記凹部が充填されるように
   堆積する工程と、 前記導電膜における前記絶縁膜の上に露出している部分
   を第１の研磨パッドを用いる化学的機械研磨により除去
   して、前記導電膜からなるプラグ又は配線を形成する工
   程と、 前記プラグ又は配線及び前記絶縁膜に対して第２の研磨
   パッドを用いてバフ研磨を行なう工程とを備え、 前記第１の研磨パッドは、研磨定盤側に設けられた第１
   の不織布部と被研磨膜側に設けられた第１の発砲ポリウ
   レタン部とからなる積層構造を有し、前記第１の発泡ポ
   リウレタン部の厚さは前記第１の不織布部の厚さよりも
   大きく、 前記第２の研磨パッドは、研磨定盤側に設けられた第２
   の不織布部と被研磨膜側に設けられた第２の発砲ポリウ
   レタン部とからなる積層構造を有し、前記第２の不織布
   部の厚さは前記第２の発泡ポリウレタン部の厚さよりも
   大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法。