JP2002192455A - 研磨パッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 研磨レ−トを安定させ、かつ均一性、平坦性
をも維持できる研磨パッドを提供すること。 【解決手段】 研磨剤を保持するための表面加工が施さ
れた研磨パッドであって、前記研磨パッドの厚みのバラ
ツキが100μm以下であることを特徴とする研磨パッド。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨パッド、さら
に詳しくは凹凸を有する半導体ウエハの平坦化用研磨パ
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エ
ハ主面の凹凸が問題となっている。該凹凸に起因する露
光時の焦点深度不足を補う目的で、あるいは、スル−ホ
−ル部の平坦化による配線密度を向上させる目的で、化
学的機械研磨すなわちＣＭＰ（Chemical Mechanical
Polishing）技術を用いた半導体ウエハの平坦化が検討
されている。

【０００３】一般にＣＭＰ装置は、被処理物である半導
体ウエハを保持する研磨ヘッド、被処理物の研磨処理を
行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。そして半導体ウエハの研磨
処理は研磨剤と薬液からなるスラリ−を用いて、半導体
ウエハと研磨パッドを相対運動させることにより、半導
体ウエハ表面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。

【０００４】現在市販されている研磨パッドは、平坦化
と半導体ウエハ全面に対して均一な研磨量とを両立させ
るため多くの場合、半導体ウエハをスラリ−を介して研
磨するための研磨層と、半導体ウエハのうねりに追随す
るためのクッション層との二層構造を有しているものが
多い。またスラリ−の保持や、研磨時の摩擦係数を減じ
るために当該研磨層は微細孔あるいは格子溝を有した構
造をとっている。

【０００５】半導体ウエハの大型化、一度に研磨する半
導体ウエハの数を多くするために、研磨パッドは、大型
になってきており、直径２０インチ（約５０ｃｍ）以上
のものから、直径７０ｃｍ以上、時には直径９０ｃｍ以
上のもの、場合によっては１２０ｃｍ以上のものが要求
される。

【０００６】ここで研磨パッドには、半導体基板表面上
の局所的な凹凸の凸部だけを研磨して良好な平坦化が得
られること、半導体基板全体にわたって均一に研磨を達
成すること（ユニフォーミティ）、さらに単位時間当た
りの研磨量で示される研磨速度が高いこと、平坦性やユ
ニフォーミティ、研磨速度が安定して得られること、研
磨により半導体基板表面にスクラッチ等の傷を発生させ
ないことなどの特性を有することが要求されている。

【０００７】上記研磨パッドの特性のうち平坦性、ユニ
フォ−ミティおよび研磨速度の安定性を実現するための
前提条件として該研磨パッド自身の厚みには大きなバラ
ツキがないと言うことが暗黙に了解されている。しかし
ながら実際の研磨パッド製造プロセスから厚みバラツキ
がゼロのものを作成することはできない。従ってこの厚
みバラツキが大きくなると平坦化およびユニフォ−ミテ
ィどころか、研磨レ−トの安定性が損なわれ、要求され
る特性を実現することは極めて困難になる。本発明はこ
れらの欠点に鑑み、研磨レ−トの安定性をより確実に実
現させることを課題とするものである。特に、大型のパ
ッドにおいては、研磨時の半導体ウエハ−研磨パッド間
の相対速度も大きくなり、厚みの精度による上記問題も
非常に大きくなる。

【０００８】上記に説明した通り、満足のいく研磨パッ
ドは得られていないのが現状である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、上述の
ような現状に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、特に大型に
パッドにおいて、以下の手段を用いることで上記の課題
を解決出来ることを見いだした。すなわち「被研磨物を
研磨する研磨剤を保持するための表面加工が施された研
磨パッドにおいて、研磨パッドの厚みのバラツキを100
μm以下、このましくは30μm以下、さらに好ましくは10
μm以下にすること」、「前記研磨パッドにおいて、複
数の孔もしくは複数の格子溝、或いは同心円状に溝加工
が施されている研磨パッド」、「前記研磨パッドにおい
て、被研磨物を研磨する面、および被研磨物を研磨する
面とは反対の面双方に溝を有する研磨パッド」を提供せ
んとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、研磨剤
を保持するための表面加工が施された研磨パッドであっ
て、前記研磨パッドの厚みのバラツキが100μm以下であ
ることを特徴とする研磨パッドを提供するものである。

【００１１】本発明の研磨パッドの好ましい実施態様
は、前記表面処理として、複数の孔もしくは複数の格子
溝が施されてなる。

【００１２】本発明の研磨パッドの好ましい実施態様
は、前記表面処理として、同心円状に溝加工が施されて
なる。

【００１３】本発明の研磨パッドの好ましい実施態様
は、被研磨物を研磨する面、及び前記被研磨物を研磨す
る面と反対の面の双方に表面処理が施されてなる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の研磨パッドに関しては、
半導体ウエハを研磨するために発泡ポリウレタンを材質
としたものが一般的である。この発泡ポリウレタンは、
所定の容器にウレタン樹脂と発泡剤とを混合しながら射
出し成形する。さらに熱処理を加えて硬化させ、その後
所望の厚さにスライス加工し、シ−ト状になったところ
でパンチングあるいは溝加工を施して研磨パッドを作製
する。

【００１５】さらにポリウレタンを含浸させた不織布の
上に前記硬質の発泡ポリウレタンを積層した研磨パッド
も用いられる。本発明はこの発泡ポリウレタン層、ウレ
タンを含浸した不織布層各々に適用可能であるが以下、
発泡ポリウレタン層について説明する。

【００１６】（第１の実施形態）本発明第１の実施形態
の研磨パッドは前記のパッド製作プロセスにおいて発泡
ポリウレタンブロック（例えば、幅７５０ｍｍ以上、長
さ１５００ｍｍ、高さ３０ｍｍ程度）をスライス加工し
て、直径２０インチ〜６０インチの大きさで厚みが０．
８から２．０ｍｍ程度の研磨パッドに構成する。ところ
がこのポリウレタンブロックを物理的にスライスする手
段としてカンナ方式やバンドソウ方式のスライサ−なる
装置が使用されるが、これらの装置では所望の厚みに対
して約０．１〜０．３mmの厚みムラが生じる。

【００１７】スライスされた発泡ポリウレタンシ−トに
は、研磨パッドと半導体ウエハとの間に負圧が生じない
ように溝のような表面加工が施される。このパッドの研
磨面と反対側に両面接着テ−プを貼り合わせて定盤に取
付け研磨を実施することが出来る。

【００１８】ところでポリウレタンパッドの厚みムラが
０．１〜０．３mmも存在する研磨パッドでは、半導体ウ
エハを研磨して０．１μm以下の平坦性を実現すること
には困難さを伴う。本発明によれば、このパッドの厚み
ムラを表面バフ装置（ポリウレタンシ−トの表面を粒度
の細かいペ−パ−サンド例えば＃６００〜＃１０００に
て高速回転し、ウレタン表層を削り取り凹凸を無くすも
の）にてバフがけを実施し、パッド厚みムラを１００μ
m（０．１mm）以下に抑えることで研磨特性の平坦化及
びユニフォ−ミティを良好に実現できる前提条件として
の研磨レ−トの安定性をより高められることが分かっ
た。

【００１９】すなわち研磨パッドの厚みムラと研磨レ−
トとの間には以下の関係がある。研磨を実施するとき、
被研磨物と接触しているパッド面にはある一定の荷重が
かかって、その部分のパッド厚さは小さくなり、接触し
ていないパッド面は荷重がかからずパッドは元の厚さに
戻ろうとする。すなわち定盤上のパッドは研磨中回転し
ており、被研磨物を研磨している間、常に圧縮と圧縮回
復（緩和）を局部的に繰り返していることになる。さら
に研磨中はスラリ−液が供給されパッドを浸たすため、
パッドは液を吸収して膨潤し、前記した圧縮と圧縮回復
が行われれば構成しているパッド物性値（圧縮率および
圧縮回復率）を局部的に大きく変化させることになる。

【００２０】パッドの厚みムラが大きいと被研磨物と研
磨パッドとの界面接触が不均一となり、この物性値変化
をより増加する方向に作用する。すなわち厚みムラのな
いパッドであるかぎり研磨中の繰り返し圧縮と圧縮回復
の作用が研磨パッド全体に行われ、物性値の変化も緩和
され、局部的な物性変化が極めて小さいものになる。こ
の様にパッドの局部的な物性値変化が小さければ小さい
ほど、被研磨物と研磨パッドの界面接触が均一状態に保
たれるので、安定した研磨レ−トが得られることにな
る。

【００２１】また、研磨時には平坦性とユニフォーミテ
ィが最適になるよう、一定の圧力がかけられるが、局部
的に厚みが大きくなると、その部分で圧が上がり、平坦
性が損なわれたりする。また、研磨を進め、パッドも削
れて厚みの変動が少なくなると、この圧変動も少なくな
るため、全体にかける最適圧力も再度調整する必要があ
り、生産性が大きく損なわれる。

【００２２】ここで研磨レ−トの安定性は、第１図に示
すように１枚のウエハを研磨するときの時間に対する研
磨レ−トの安定性と、第２図で示す研磨で処理するウエ
ハの枚数に対する研磨レ−トの安定性が要求される。何
れも安定度の目安としては実用的には10%以内の変動に
抑えることが必要である。

【００２３】さらに本発明によれば、前記研磨パッドの
表面バフがけを繰り返し行って、具体的には＃６００の
ペ−パ−粒度のベルトサンダ−にて表面バフ処理を行
い、厚みムラを３０μm以下にすることで、研磨レ−ト
の変動幅を７%以下に、さらに表面バフ処理を繰り返し
て厚みムラを１０μm以下にすることで研磨レ−トの変
動幅を５%以下に抑えることが出来る。

【００２４】（第２の実施形態）本発明第２の実施形態
としての研磨パッドは、発泡ポリウレタンの表面加工と
して、複数のパンチング孔もしくは複数の格子溝を形成
したものである。これらの表面加工は、研磨剤を有効に
保持するだけでなく、研磨パッドと半導体ウエハとの間
の負圧を防止し、ウエハ界面に研磨剤が有効に作用させ
る働きがある。また研磨パッドの厚みムラが小さいほど
格子溝を加工するときの溝深さを精度良く加工すること
が可能となる。

【００２５】（第３の実施形態）本発明第３の実施形態
としての研磨パッドは、発泡ポリウレタンの表面加工と
して、同心円状の溝加工を形成したものである。前記し
た格子溝と比較して同心円状の研磨パッドは研磨レ−ト
が高いと言われており、研磨剤の保持能力と研磨剤とウ
エハ界面との接触面積を増大させるために、格子溝より
も溝幅が小さくて溝深さも浅いものが使用される。特に
研磨レ−トの高いものが要求される用途において、この
タイプの研磨パッドが使われており、厚みムラのバラツ
キもより小さなものが必要となる。これらの用途には厚
みムラとして１０μm以下が必須となる。

【００２６】（第４の実施形態）本発明第４の実施形態
としての研磨パッドは、発泡ポリウレタンの表面加工と
して、被研磨物を研磨する面、及び研磨する面の反対の
面双方に溝を形成したものである。これは平坦性をより
良好にするためにポリウレタンの硬度を高くすることが
行われるが、一方で堅いとしなやかさがなくなり均一性
が悪くなる傾向にあることが知られている。この両特性
を実現するために高い硬度を持つ研磨パッドでもしなや
かさを備えるために、研磨面の反対面にも溝を形成し
て、均一性の悪化を防ぐことが可能である。これらを実
現するためには、パッドの厚みムラを出来る限りゼロに
近い精度にまで仕上げ、両面加工を正確に行うことが必
要となる。

【００２７】以上のように主に半導体ウエハの凹凸を平
坦化するのに使用される研磨パッドは、研磨レ−トの安
定性が極めて重要な要因である。そのための前提条件と
しては、研磨パッド製造時の厚みムラが正確に把握さ
れ、精度良く管理されていることが必要となる。本発明
では、ポリウレタン研磨層の厚みムラを１００μm以下
に、好ましくは３０μm以下に、より好ましくは１０μm
以下に管理することで研磨レ−トが安定し、平坦化、均
一性などの研磨特性が良好に実現できることを示した。
なお研磨層として発泡ポリウレタンだけではなく、所望
の効果が得られるものであれば良く、実施の形態に限定
されるものではない。

【００２８】

【実施例】以下、実施例により本発明を詳細に説明する
が、本発明は下記の実施例により限定されるものではな
い。

【００２９】（実施例１）実施の形態において、発泡ポ
リウレタンは８０℃程度の温度で熱処理を加えて硬化さ
せた。この発泡ポリウレタンブロックは、中心値を1.5m
mとして複数枚スライス加工を行った。スライスしたシ
−トサイズは１０００ｍｍ×１０００ｍｍである。この
シ−トのパッドの厚みをダイヤルシ−トゲ−ジ［Ｋ−３
特殊品：測定子上１０φ下３０φ尾崎製作所製］ によ
り縦、横３０mm間隔で測定した。厚みムラはｍａｘ−ｍ
ｉｎ＝０．１８ｍｍであり、他のシ−トも同様であっ
た。

【００３０】これらのシ−トを表面バフ加工（ペ−パ−
粒度＃４００×２回、＃６００×２回、 ＃１０００×
２回）を施して、それぞれ厚みムラが１００μm以下、
３０μm以下、１０μm以下のシ−トを複数枚作製した。
最も厚みムラを小さくしたシ−トの最終厚みは約１．２
５mmとした。これらの発泡ポリウレタンシ−トを孔の径
が１．５mmで孔と孔の間隔が５mmのパンチング形成した
もの、及び溝幅２．０mm、溝深さ０．６mm、溝ピッチ
１．５mmの格子溝形成したもの、および溝幅０．３mm、
溝深さ０．４mm、溝ピッチ１．５mmの同心円状溝を形成
し、各々直径６１０mmの研磨パッドを加工作製した。

【００３１】（研磨特性の評価）研磨装置として岡本工
作機械製ＳＰＰ６００Ｓを用いて、研磨特性の評価を行
った。研磨レ−トの変動を評価するための測定条件は以
下の手順で行った。６インチのシリコンウエハに熱酸化
膜を１μm製膜したものを研磨し、初期１分間の研磨レ
−トを算出する。引き続き研磨を４分間実施し、合計５
分間の平均研磨レ−トを算出する。これらの研磨レ−ト
から変動を求める。 研磨レ−ト変動率（％）＝（初期研磨レ−ト−平均研磨
レ−ト）／初期研磨レ−ト×１００％

【００３２】酸化膜の膜厚測定には、大塚電子社製の干
渉式膜厚測定装置を用い、研磨条件としては、薬液とし
て、超純水にＫＯＨを添加してｐＨ１１にしたものを、
研磨中に流量１５０ｍｌ／ｍｉｎで添加した。研磨荷重
としては３５０ｇ／ｃｍ²、研磨定板回転数３５ｒｐ
ｍ、ウエハ回転数３０ｒｐｍとした。このような条件で
研磨を実施し、研磨レ−トは初期膜厚から終わりの膜厚
を引いて、研磨時間で除算して算出した。

【００３３】この評価法を採用したのは、発泡ポリウレ
タンの研磨パッドで研磨を行う場合は、通常パッド表面
をダイヤモンド砥石（ドレッサ−）でコンディショニン
グする。そのため、多くのウエハを処理していくとパッ
ドの厚みは薄くなって厚みムラは緩和され、初期の厚み
ムラによる研磨レ−トを正しく評価出来ないことになる
からである。このことは研磨レ−トを安定させるため
に、実用的に被研磨物をＣＭＰ研磨する前にドレッシン
グと称する工程を長時間にわたって実施していることか
らも明らかである。

【００３４】上記の厚みムラの異なる各々のパッドにて
研磨レ−トを測定し、研磨レ−トの変動率を求めた。そ
の結果を表１に示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】１８０μｍ程度の厚みムラがある研磨パッ
ドでは変動がかなり大きいが、１００μm、３０μm 以
下、及び１０μm以下の研磨パッドでは変動が小さくな
ることが分かる。

【００３７】従って研磨パッドの製造時の厚みムラを正
確に把握し、管理することで安定した研磨レ−トを実現
する研磨パッドを提供することができる。

【００３８】またユニフォ−ミティの評価では、前記し
たシリコンウエハを約０．５μm研磨し、３０ポイント
／ウエハの膜厚測定を行い、その（ｍａｘ膜厚−ｍｉｎ
膜厚）／（ｍａｘ＋ｍｉｎ）×１００％から算出した。
その結果を表２に示す。

【００３９】

【表２】

【００４０】パッドの厚みムラ変動が小さくなるに従っ
てユニフォ−ミティも良くなっていることが分かる。

【００４１】平坦化特性の評価では、６インチシリコン
ウエハに熱酸化膜を０．５μm堆積させた後、所定のパ
タ−ニングを行った後、ｐ−ＴＥＯＳにて酸化膜を１μ
m堆積させ、初期段差０．５μmのパタ−ン付きウエハを
製作し、このウエハを前述した条件で３分間研磨し、研
磨後各段差を測定し、平坦化特性を評価した。平坦化特
性としてはロ−カル段差すなわち、幅５００μmのライ
ンが５０μmのスペ−スで並んだパタ−ンにおける段差
であり、もう１つは１００μmの等間隔のラインアンド
スペ−スにおいて、スペ−スの底部分の削れ量を調べ
た。その結果を表３に示す。

【００４２】

【表３】

【００４３】何れもパッド厚み変動が小さい方が良好な
結果を示すが、溝形状の違いにはあまり影響を受けない
ことが分かる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば被研磨物を研磨する研磨剤を保持するための表面加工
が施された研磨パッドにおいて、研磨パッドの厚みバラ
ツキを１００μm以下、好ましくは３０μm以下、さらに
好ましくは１０μm以下に管理することで平坦化、均一
性の研磨特性を実現する前提条件としての研磨レ−トを
安定させ、かつ均一性、平坦性をも維持できる。また研
磨パッド表面を精度良く加工することが可能となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中森 雅彦 滋賀県大津市堅田二丁目１番１号 東洋紡 績株式会社総合研究所内 (72)発明者 瀬柳 博 大阪府大阪市西区江戸堀一丁目17番18号 東洋ゴム工業株式会社内 (72)発明者 小川 一幸 大阪府大阪市西区江戸堀一丁目17番18号 東洋ゴム工業株式会社内 Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AA09 CA01 CB01 DA12

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 研磨剤を保持するための表面加工が施さ
   れた研磨パッドであって、前記研磨パッドの厚みのバラ
   ツキが100μm以下であることを特徴とする研磨パッド。
2. 【請求項２】 前記表面処理として、複数の孔もしくは
   複数の格子溝が施された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】 前記表面処理として、同心円状に溝加工
   が施されたことを特徴とする請求項１に記載の研磨パッ
   ド。
4. 【請求項４】 被研磨物を研磨する面、及び前記被研磨
   物を研磨する面と反対の面の双方に表面処理が施されて
   いることを特徴とする請求項1乃至３に記載の研磨パッ
   ド。