JP2004188584A - 溝付き研磨パッド - Google Patents

Abstract

【課題】 層間絶縁膜や金属配線等の、半導体デバイスウエハの表面平坦化加工用研磨パッドとして用いられる研磨パッドにおいて、研磨性能の改善をはかるためのもので、研磨速度と面内の均一性のバランスが取れており、また研磨性能の経時変動の小さい溝付き研磨パッドを提供する。
【解決手段】 研磨面に溝加工が施されている研磨用パッドにおいて、溝幅（Ａ）が０．５〜４ｍｍ、隣り合う溝と溝との間隔（Ｂ）が５〜１０ｍｍである直線の平行溝を少なくとも１組以上有することを特徴とする溝付き研磨パッド。
【選択図】 図２

Description

本発明の溝付き研磨パッドは、主に半導体、各種メモリーハードディスク用基板等の研磨に使用される。その中でも特に層間絶縁膜や金属配線等の、半導体デバイスウエハの表面平坦化加工に好適に用いられる研磨パッドに関するものである。

半導体のデバイスウエハの表面平坦化加工に用いられる、代表的なプロセスである化学的機械研磨法（ＣＭＰ）の一例を図１に示す。定盤（２）、試料ホルダー（５）を回転させ、砥粒を含有する研磨スラリー（４）をスラリー供給用配管（９）を通して滴下しながら、半導体ウエハ（１）を研磨パッド（６）表面に押しあてることにより、研磨対象物の表面を高精度に平坦化するというものである。なおドレッサー（３）を回転させながら、研磨パッド（６）表面に押しあてることにより、研磨パッド（６）の表面状態を整えている。研磨条件はもとより、研磨パッド（６）、ドレッサー（３）、研磨スラリー（４）、バッキング材（１０）およびウエハ固定用治具（８）等、各構成部材の特性が、研磨速度、研磨後におけるデバイス表面の平坦性および半導体ウエハ面内／面間における均一性等に代表される研磨性能に影響を及ぼすが、その中でも研磨パッド（６）と研磨スラリー（４）および研磨スラリー中に含まれる研磨砥粒の及ぼす影響は極めて大きい。

層間絶縁膜や金属配線等の研磨に標準的に使用されてきた従来の研磨パッドには、研磨液層の厚さを研磨面の全ての箇所でほぼ同一にすることを目的とした溝が施されている（例えば、特許文献１参照）。
エレクトロニクス業界の最近の著しい発展により、トランジスター、ＩＣ、ＬＳＩ、超ＬＳＩと進化してきている。これら半導体素子における回路の集積度が急激に増大するにつれて、半導体デバイスのデザインルールは、年々微細化が進み、デバイス製造プロセスでの焦点深度は浅くなり、パターン形成面の平坦性はますます厳しくなってきている。それに伴い、ＣＭＰに求められる研磨精度、つまりは研磨パッドに要求される研磨性能レベルも著しく高まってきているとともに、溝の役割もますます重要になってきており、ウエハの大口径化がこの傾向にさらに拍車をかけている。
本発明者らは鋭意研究を続けた結果、例えば半導体ウエハ上のデバイス表面を高精度に研磨することができ、さらには同じ研磨性能を長時間にわたり持続できるパッドの溝幅、溝間隔の範囲を見出した。

特開平８−２１６０２９号公報（請求項１、図１）

本発明は、従来研磨パッドの研磨性能の改善をはかるためのもので、その目的とするところは、例えば研磨速度と均一性のバランスが取れており、また研磨性能の経時変動の小さい溝付き研磨パッドを提供することにある。

本発明者らは、前記従来の問題点を鑑み、鋭意検討を重ねた結果、以下の手段により、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、
（１） 研磨面に溝加工が施されている研磨用パッドにおいて、溝幅（Ａ）が０．５〜４ｍｍ、隣り合う溝と溝との間隔（Ｂ）が５〜１０ｍｍである直線の平行溝を少なくとも１組以上有することを特徴とする溝付き研磨パッド。
（２） 溝深さ（Ｃ）が溝幅（Ａ）の１０〜７０％である（１）の溝付き研磨パッド。
（３） 溝がパッド周縁において開口している（１）、（２）の溝付き研磨パッド。
（４） パッドを構成する原料の主成分が、ＪＩＳ Ｋ ７３１１に準じたＡ硬度で７０以上の熱可塑性エラストマーである（１）〜（３）の溝付き研磨パッド。
である。

本発明の溝付き研磨パッドを用いれば、従来パッドに比べ研磨速度が速く、面内均一性が高くなるとともに、研磨性能の経時変動が低減し、面間均一性が向上した。

本発明の溝付き研磨パッドを、切断面が同じ形状となるように切断した断面を図２に示す。図３〜６は本発明の溝付き研磨パッドの一例であるが、図３〜６中の破線に沿って切断した断面が図２である。本発明における溝幅（Ａ）、隣り合う溝と溝との間隔（Ｂ）、溝深さ（Ｃ）は図２に規定する通りである。
本発明の溝付き研磨パッドは、溝幅（Ａ）が０．５〜４ｍｍ、隣り合う溝と溝との間隔（Ｂ）が５〜１０ｍｍである直線の平行溝を少なくとも１組以上有するものである。
溝幅（Ａ）が０．５ｍｍ未満では、研磨スラリー中に含まれる砥粒の凝集物や研磨屑等により溝が詰まりやすくなり、その結果、研磨性能がウエハ面内において、さらには経時的に変動しやすくなるため好ましくない。逆に溝幅（Ａ）が４ｍｍより大きくなると、研磨スラリーの排出が過剰となり、研磨に寄与しない研磨スラリー量が増え、研磨スラリーの使用量が著しく増大する。また研磨に寄与する面積も小さくなるので好ましくない。

研磨は溝と溝とに挟まれたエリアで進行するため、所望の研磨性能を得るためには、該エリアの幅は適切な範囲に設定しなければならず、溝の仕様のなかでも特に重要である。
本発明においては、該エリアの幅は隣り合う溝と溝との間隔（Ｂ）で規定する。隣り合う溝と溝との間隔（Ｂ）が５ｍｍ未満であると、研磨パッド上の研磨に寄与する研磨エリアが溝幅に対して相対的に小さくなり過ぎ、研磨速度が低下するので好ましくない。逆に隣り合う溝と溝との間隔が１０ｍｍより大きくなると、該エリアに研磨スラリーが均一にいきわたりにくくなる。つまりは研磨性能が該エリア内、さらには、例えば半導体ウエハ上のデバイス表面を研磨する場合は、ウエハ面内においてばらつきが生じやすくなり、均一性が低下するため好ましくない。

溝深さ（Ｃ）は特に限定しないが、溝幅（Ａ）が０．５〜４ｍｍ、隣り合う溝と溝との間隔（Ｂ）が５〜１０ｍｍの場合、溝幅（Ａ）の１０〜７０％が好適である。溝幅の７０％以上では、研磨の進行に伴い、例えば研磨するウエハ枚数が増加するに伴い、研磨性能が変動しやすく、ウエハ面間のばらつきが大きくなるので好ましくない。要因として、本発明者らは、研磨パッドの見掛けの体積弾性率が変動するためであると推察している。また研磨スラリーの排出が過剰となるため、研磨スラリーの使用量が増大する点も好ましくない。
逆に１０％未満の場合は、研磨性能の経時変動は小さいが、研磨スラリー中に含まれる砥粒の凝集物や研磨屑の排出機能が低いだけでなく、パッドライフいわゆるスループットが著しく低下するので好ましくない。
本発明の研磨パッドにおいて、溝は過剰な研磨スラリーや、研磨屑、研磨スラリー中に含まれている砥粒の、比較的サイズの大きい凝集物の排出という目的から、溝がパッド周縁において開口していることが好適である。
溝形状は、隣り合う溝と溝とは平行関係、あるいは格子状に施されていることが好適である。本発明の研磨パッドの溝は、一般的な切削加工等により作り出すことができる。複雑な形状の溝でも良いが、溝の加工速度や加工の難易度等の点から、その形状は可能な限り単純なものが好ましく、その点からも直線の平行溝を備えることが望ましい。もちろん直線の平行溝を用いて格子状としても良いし、上記寸法範囲内であれば、溝幅が単一でなくても良く、ピッチも等間隔でなくとも良い。
なお本発明の溝付き研磨パッドにおいては、より高精度の研磨性能が要求される場合には、少なくとも１組以上の直線の平行溝に加えて、研磨スラリーが溝と溝とに挟まれたエリアにより均一に行き渡り安くなるように、同心円状や螺旋状のきめ又は細溝、あるいは円柱形状の穴、さらには切り込み等を追加して備えても良い。これらは刃物類、切削工具等を用いて加工することができ、その形状や本数等については、所望する研磨性能に応じて、溝の場合と同様に、随意に選定することができる。

本発明の研磨パッドを構成する原料の主成分は特に限定しない。ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリブテン、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリアリレート、芳香族系ポリサルホン、ポリアミド、ポリイミド、フッ素樹脂、エチレン−プロピレン樹脂、エチレン−エチルアクリレート樹脂、アクリル樹脂、ノルボルネン系樹脂、例えば、ビニルポリイソプレン−スチレン共重合体、ブタジエン−スチレン共重合体、アクリロニトリル−スチレン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体等に代表されるスチレン共重合体、あるいは天然ゴム、合成ゴム等を用いることができる。これらは単独で用いても良いし、混合あるいは共重合させてもよいが、研磨後の被研磨面の平坦性と均一性のバランスが非常に取りやすく、特に研磨対象が比較的柔らかいＣｕのような金属の場合では、例えばウレタン系やオレフィン系の、ＪＩＳ Ｋ ７３１１に準じたＡ硬度で７０以上の熱可塑性エラストマーが好適である。Ａ硬度７０未満の原料を主成分として作製した溝付き研磨パッドを用いて研磨した場合、研磨後の平坦化レベルが著しく低下するので好ましくない。

以下に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、実施例の内容になんら限定されるものではない。
＜溝付き研磨パッドの作製＞
大日精化製熱可塑性ポリウレタンエラストマー（商品名：レザミンＰ−４２５０）を主原料とし、二酸化炭素を発泡剤として用い、３００ｍｍ幅のダイを使用した押出成形により厚み１．５ｍｍの発泡シートを作製した。
得られた発泡シートの、研磨面にあたる表面を丸源鐵工所製ベルトサンダーで研磨し、シート表面近傍の無発泡層であるスキン層を除去することにより、気泡を開口させた。研磨後のシート厚みは１．３ｍｍであった。該シートを２００ｍｍ幅、６００ｍｍ長に切断したものを３枚一組で両面テープと貼り合わせた後に、直径６００ｍｍの円盤状に切り取り、研磨パッド基材を作製した。

（実施例１）
ショーダテクトロン社製クロスワイズソーに、幅２ｍｍの回転刃を取り付け、研磨パッド基材の表面全域にわたり、幅２ｍｍ、隣り合う溝と溝との間隔９ｍｍおよび深さ０．６ｍｍの直線の溝を施し、溝付き研磨パッドを作製した。なお溝形状は格子状とし、溝はパッド周縁において開口させた。
（実施例２）
溝深さを１．０ｍｍに変更した以外は、（実施例１）と全く同様の溝加工を施し、溝付き研磨パッドを作製した。
（実施例３）
（実施例１）と全く同様の溝を図３に示すように、平行に施し、溝付き研磨パッドを作製した。
（実施例４）
ショーダテクトロン社製クロスワイズソーに、幅１ｍｍの回転刃を取り付け、研磨パッド基材の表面全域にわたり、幅１ｍｍ、隣り合う溝と溝との間隔５ｍｍおよび深さ０．６ｍｍの溝を施し、溝付き研磨パッドを作製した。なお溝形状は格子状とし、溝はパッド周縁において開口させた。
（実施例５）
実施例１で作製した溝付き研磨パッドの溝と溝とに挟まれたエリアに、直径１．５ｍｍのポンチを使って、直径１ｍｍの穴を、平均５個入るように穿った。

（比較例１）
隣り合う溝と溝との間隔を１３ｍｍに変更した以外は、（実施例１）と全く同様の溝加工を施し、溝付き研磨パッドを作製した。
（比較例２）
隣り合う溝と溝との間隔を３ｍｍに変更した以外は、（実施例１）と全く同様の溝加工を施し、溝付き研磨パッドを作製した。
（比較例３）
回転刃を幅０．２ｍｍのものに交換し、溝幅を０．２ｍｍに変更した。溝幅以外は、（実施例１）と全く同様の溝加工を施し、溝付き研磨パッドを作製した。
（比較例４）
溝付き研磨パッドとして、格子溝が施されたロデール社製ＩＣ１０００を使用した。使用した研磨パッドの溝幅は２ｍｍ、隣り合う溝と溝との間隔は１３ｍｍ、溝深さは０．６ｍｍであった。

＜研磨実験＞
被研磨物として、直径２００ｍｍのＣｕブランケットウエハを用いた。
溝付き研磨パッドをＭＡＴ製片面研磨機ＡＲＷ−６８１ＭＳの定盤に貼り付けた。
まず、ダイヤモンドドレッサーを、定盤６０ｒｐｍ、ドレスヘッド５０ｒｐｍで回転させながら、２ｐｓｉでパッド表面に押しあて、３０分間、パッド表面に目立て処理を施した。
その後、キャボット社製研磨スラリー（商品名：ｉＣｕｅ５００３）に切り替え、１分間Ｃｕ膜表面を研磨した。研磨条件は、ウエハ加圧５ｐｓｉ、定盤回転数７０ｒｐｍ、ウエハヘッド回転数を７２ｒｐｍ、研磨スラリー流量２００ｍｌ／ｍｉｎとした。

＜研磨性能評価＞
研磨後のウエハを洗浄、乾燥後、シート抵抗測定機を用いてウエハ面内４９点のＣｕ膜厚を測定し、平均研磨速度および研磨速度のウエハ面内均一性を算出した。
平均研磨速度はウエハ面内４９点における研磨速度の平均値であり、研磨速度のウエハ面内均一性は、４９点の研磨速度の最大値から最小値を引いた値を平均値の２倍で除した値を１００倍したものである。ウエハ面内均一性の値は面内ばらつきの指標であり、その値が大きいほどウエハ面内におけるばらつきが大きいことを意味する。
ウエハ１０枚を同じ研磨パッドを用いて連続的に研磨し、同様の数式を用いて算出した値をウエハ面間均一性とし、研磨性能の経時変動の指標とした。
研磨性能の評価結果を表１および表２に示す。

（実施例１）〜（実施例５）は、（比較例１）〜（比較例３）に比べてウエハ面内およびウエハ面間均一性が良好であり、特に（比較例２）に対しては、研磨速度も速いという結果を得た。
（比較例４）については、基材の基本物性が異なるため、単純に研磨性能の差が溝サイズのみによるものとは断定できないが、従来パッドの代表例として性能を評価した。本発明の溝付き研磨パッドは、代表的な従来パッドと比較し、研磨速度が速く、均一性も向上した。

化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）の標準的なプロセスの一例である。 本発明の溝付き研磨パッド断面の一例である。 本発明の、同一パターンの直線の平行溝を１組有する溝付き研磨パッドの一例である。 本発明の、同一パターンの直線の平行溝を２組有する溝付き研磨パッドの一例である。 本発明の、同一パターンの直線の平行溝を２組有する他の溝付き研磨パッドの一例である。 本発明の、溝幅、ピッチの異なる直線の平行溝を有する溝付き研磨パッドの一例である。

符号の説明

１ 半導体ウエハ
２ 定盤
３ ドレッサー
４ 研磨スラリー
５ 試料ホルダー
６ 研磨パッド
７ 回転軸
８ ウエハ固定用治具
９ スラリー供給用配管
１０ バッキング材
１１ 溝
１２ 溝（狭幅）
１３ 溝（広幅）

Claims (4)

1. 研磨面に溝加工が施されている研磨用パッドにおいて、溝幅（Ａ）が０．５〜４ｍｍ、隣り合う溝と溝との間隔（Ｂ）が５〜１０ｍｍである直線の平行溝を少なくとも１組以上有することを特徴とする溝付き研磨パッド。
2. 溝深さ（Ｃ）が溝幅（Ａ）の１０〜７０％である請求項１記載の溝付き研磨パッド。
3. 溝がパッド周縁において開口している請求項１又は２に記載の溝付き研磨パッド。
4. パッドを構成する原料の主成分が、ＪＩＳ Ｋ ７３１１に準じたＡ硬度で７０以上の熱可塑性エラストマーである請求項１〜３のいずれかに記載の溝付き研磨パッド。

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