JP2004311817A

JP2004311817A - 研磨パッドとそれを用いた研磨方法

Info

Publication number: JP2004311817A
Application number: JP2003105209A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakagawa; 宏中川; Yasuo Shimamura; 泰夫島村; Masao Suzuki; 雅雄鈴木; Tadahiro Kimura; 忠広木村
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】被研磨面に研磨傷を導入せず、高速に研磨可能な研磨パッドを得る。
【解決手段】架橋樹脂粒子と、架橋樹脂粒子よりも弾性率の低い樹脂マトリックスから構成された研磨パッド。架橋樹脂粒子の２５℃における弾性率が１．０ＧＰａ以上１０．０ＧＰａ以下であって、粒子径の平均が５μｍ以上３００μｍ以下である前記の研磨パッド。架橋樹脂粒子と樹脂マトリックスの２５℃における弾性率の差が０．３ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下である前記の研磨パッド。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子製造技術に使用される化学機械研磨（ＣＭＰ）方法に関し、基板表面の研磨工程、特にシャロー・トレンチ素子分離、金属配線等の溝への埋め込み層の形成工程、層間絶縁の平坦化工程等において使用されるＣＭＰ用研磨パッド及びそれを用いた基板の研磨方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の超大規模集積回路は、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。既に、集積回路のデザインルールは、サブハーフミクロンのオーダーになっている。このような厳しい微細化要求を満足するために開発されている技術の一つにＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシング）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、露光技術の負担を軽減し、歩留りを安定させることが出来る。例えば、層間絶縁膜、埋め込み金属配線部、ＢＰＳＧ膜の平坦化、シャロートレンチ素子分離等を行う際に必須となる技術である。
【０００３】
ＣＭＰでは、研磨される膜を形成した基板を研磨パッドに押し当て加圧し、研磨剤を被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使われてきているが、近年、絶縁膜表面及び銅薄膜表面で、研磨剤中の研磨粒子を起因とする研磨傷の発生が大きな問題になっている。研磨剤中の砥粒を小さくすることによってこの研磨傷を低減することが出来る。（非特許文献１参照）
【０００４】
【非特許文献１】微粒子工学大系第ＩＩ巻応用技術（２００２年１月１８日発行）２９４〜３０５頁
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようにＣＭＰ用研磨剤の持つ機械的研磨作用を小さくすることで研磨傷の低減が可能であるが、従来の発泡ウレタン系パッドでは無機絶縁膜や金属膜研磨において十分な研磨速度を得ることが出来ない。小さな研磨粒子の研磨剤を用いるには、パッドに機械研磨作用を持たせることが効果的である。しかしながら、機械研磨作用の高いパッドでは、被研磨面に傷を導入してしまう。また機械研磨作用の低いパッドでは高い研磨速度が得られないという問題があった。
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の平坦化、埋め込み配線形成時の余剰の金属膜を平坦化及び除去するＣＭＰ技術において、酸化珪素膜などの被研磨物の凹凸平坦化や金属膜の平坦化及び除去を効率良く、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を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
１）本発明は、架橋樹脂粒子と、架橋樹脂粒子よりも弾性率の低い樹脂マトリックスから構成された、基板又は基板上に形成された薄膜を研磨するための研磨パッドに関する。
２）また、本発明は、架橋樹脂粒子の２５℃における弾性率が１．０ＧＰａ以上１０．０ＧＰａ以下であって、粒子径の平均が５μｍ以上３００μｍ以下である１）の研磨パッドに関する。
３）また、本発明は、架橋樹脂粒子と樹脂マトリックスの２５℃における弾性率の差が０．３ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下である１）〜２）記載の研磨パッドに関する。
４）また、本発明は、架橋樹脂粒子の粒子径の平均が５μｍ以上３００μｍ以下であって、架橋樹脂粒子の含有量が１０重量部以上５０重量部以下である１）〜３）記載の研磨パッドに関する。
５）また、本発明は、基板上の被研磨膜を１）〜４）記載の研磨パッドに押し当て、研磨液を被研磨膜と研磨パッドとの間に供給しながら、基板と研磨パッドを相対的に動かして被研磨膜を研磨する研磨方法に関する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の研磨パッドは、架橋樹脂粒子と架橋樹脂粒子よりも低い弾性率を有する樹脂マトリックスから構成される。パッド表面のＳＥＭ写真を図１に示す。図１に示されるように研磨時には架橋樹脂粒子の一部分が露出していることが好ましい。
架橋樹脂粒子の弾性率はマトリックス樹脂の弾性率より高いものを用いる。
【０００８】
絶縁膜のＣＭＰメカニズムは例えば、トライボロジスト第４５巻第１０号（２０００年１０月１５日発行）７１３〜７２０頁に開示されている。絶縁膜のＣＭＰメカニズムは、砥粒で引き起こされた塑性変形中の酸化水和であって、その塑性変形が摩擦熱で促進されると共に、軟質になった含水表面層が砥粒によって除去される。本発明の研磨パッドはパッド表面から一部露出している架橋樹脂粒子で上記反応層を除去する作用を担う。
【０００９】
架橋樹脂粒子の弾性率が低いと機械的作用がなく、１．０ＧＰａ以上１０．０ＧＰａ以下の弾性率であることが好ましい。被研磨膜が酸化珪素等の比較的硬度の高い絶縁膜の場合、特に２．０ＧＰａ以上１０．０ＧＰａ以下の弾性率であることが好ましい。また、被研磨膜がＣｕ等の比較的硬度の低い金属の場合は研磨傷が入りやすいため、架橋樹脂粒子の弾性率は１．０ＧＰａ以上５．０ＧＰａ以下であることが好ましい。
【００１０】
また、マトリックス樹脂の弾性率が高すぎると研磨面に研磨傷が導入されてしまうので、マトリックス樹脂の弾性率は、応力緩和できるように低い弾性率であることが好ましい。しかしながら、弾性率が低すぎると、架橋樹脂粒子が研磨に寄与しなくなる。研磨傷が導入されず、かつ高速に研磨するには架橋樹脂粒子とマトリックス樹脂の２５℃の弾性率の差が０．３ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下であることが好ましい。
【００１１】
架橋樹脂粒子としては、特に限定はしないが、熱硬化性樹脂粒子（エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂等の架橋物）や熱可塑系樹脂の架橋粒子（架橋ＰＥ、架橋ＰＭＭＡ等）、光硬化性樹脂粒子等を用いることが出来る。またマトリックス樹脂としては、特に限定はしないが、熱可塑性樹脂（ポリアミド、ＰＥ、ＰＰ、ＡＢＳ、ＰＣ等）や液状熱硬化性樹脂を用いることが出来る。
【００１２】
架橋樹脂粒子の平均径は、５μｍ以上３００μｍ以下が好ましい。粒子径が小さすぎると研磨速度が低下し、また粒子径が大きすぎると研磨傷が増加する。
【００１３】
本発明に使用するＣＭＰ研磨剤としては、特に限定はしないが、研磨剤粒子が小さい、あるいは含まれていない研磨剤が好ましい。例えば、酸化セリウム粒子を用いた絶縁膜用研磨剤の場合、酸化セリウム粒子と分散媒からなる組成物を分散させ、必要に応じて添加剤を添加することによって得られる。この場合、酸化セリウム粒子含有量は０．０５重量％以上３重量％以下の範囲が望ましい。酸化セリウム粒子は、その製造方法を特に限定しないが、ＣＭＰ研磨剤中の酸化セリウム粒子の結晶子サイズ径は３ｎｍ〜５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
また金属膜用研磨材としては、金属の酸化剤、酸化金属溶解剤、保護膜形成剤、水溶性ポリマ及び水等からなる砥粒を全く含まない研磨液や、これに砥粒を添加した研磨剤を用いる事が出来る。
【００１５】
本発明の研磨パッドで研磨される基板としては、半導体基板すなわち回路素子と配線パターンが形成された段階の半導体基板、回路素子が形成された基板等が挙げられる。このような半導体基板上に形成された酸化珪素膜層あるいは窒化珪素膜層、あるいは金属膜を上記ＣＭＰ研磨剤で研磨することによって、酸化珪素膜や金属膜の凹凸を解消し、半導体基板全面に渡って平滑な面とすることが出来る。
【００１６】
本発明の研磨パッドを使用して研磨を行う装置としては、特に制限はなく、円盤型研磨装置、リニア型研磨装置、ウエブ型研磨装置等で用いることが出来る。一例としては半導体基板を保持するホルダ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、研磨対象に合わせ最適化を図ることが好ましい。研磨している間、研磨パッドには研磨剤をポンプ等で連続的に供給する。この供給量に制限はないが、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。
研磨終了後の半導体基板は、流水中で良く洗浄後、スピン洗浄機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好ましい。
【００１７】
本発明の研磨パッドは、半導体基板に形成された酸化珪素膜だけでなく、所定の配線を有する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、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、Ｔａ、ＴａＮ等を主として含有する膜、フォトマスク・レンズ・プリズム等の光学ガラス、ＩＴＯ等の無機導電膜、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用サファイヤ基板、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｓ等の半導体単結晶、磁気ディスク用ガラス或いはアルミ基板、磁気ヘッド等を研磨することが出来る。
【００１８】
【実施例】
以下、実施例により、本発明を説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。
（パッドの作製）
【００１９】
（実施例１）
架橋ＰＭＭＡ樹脂粒子（平均粒径５０μｍ、弾性率３．１ＧＰａ）とタブレット形状のＡＢＳ樹脂市販品（弾性率１．７ＧＰａ）を、架橋ＰＭＭＡ粒子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、架橋ＰＭＭＡ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、押し出し成型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１．５ｍｍの格子状の溝を旋盤加工し、研磨用パッドとした。研磨パッド全体の弾性率は１．９ＧＰａであった。
【００２０】
（実施例２）
架橋ＰＭＭＡ樹脂粒子（平均粒径５０μｍ、弾性率３．１ＧＰａ）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、架橋ＰＭＭＡ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分間減圧脱泡して樹脂混合液中に巻き込んだ空気を除去した。さらに樹脂混合液を、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１．５ｍｍの格子状の溝を旋盤加工し、研磨用パッドとした。研磨パッド全体の弾性率は０．９ＧＰａであった。
【００２１】
（比較例１）
実施例１に用いたタブレット状ＡＢＳ樹脂市販品を押し出し成形機で厚み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１．５ｍｍの格子状の溝を旋盤加工し、研磨用パッドとした。研磨パッド全体の弾性率は１．７ＧＰａであった。
【００２２】
（比較例２）
タブレット状ＰＭＭＡ樹脂市販品を押し出し成形機で厚み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１．５ｍｍの格子状の溝を旋盤加工し、研磨用パッドとした。研磨パッド全体の弾性率は２．９ＧＰａであった。
【００２３】
（比較例３）
市販のポリウレタン発泡パッドを研磨パッドとした。研磨パッドの弾性率は０．３ＧＰａであった。
【００２４】
（研磨剤の作製方法）
絶縁膜研磨用として、次のように研磨剤を作製した。５５ｇのＣｅ（ＮＨ_４）_２（ＮＯ_３）_６を１０ｋｇの純水に溶解し、次にこの溶液にアンモニア水（２５％水溶液）を加えてｐＨ５．５として水酸化セリウム２１ｇを含む懸濁液を遠心分離（４０００ｒｐｍ、５分間）して固液分離した後、液体を除去し、新たに純水を加えた。この操作をさらに３回繰り返して洗浄を行った。洗浄後に得られた水酸化セリウム懸濁液を遠心分離（４０００ｒｐｍ、５分間）して固液分離した後、液体を除去し、新たに純水を加えた。この操作をさらに３回繰り返して洗浄を行った。洗浄後に得られた水酸化セリウム懸濁液中の粒子の比表面積をＢＥＴ法によって測定したところ、２００ｍ^２／ｇであった。また、透過型電子顕微鏡で粒子の観察を行ったところ、１次粒子径は５ｎｍであった。
【００２５】
金属膜用の研磨剤としては、研磨粒子を含まない研磨液として、ＨＳ−Ｃ４３０−Ａ３（日立化成工業株式会社製、商品名）を用いた。
【００２６】
（絶縁膜の研磨）
研磨膜としてＴＥＯＳ−プラズマＣＶＤ法で酸化珪素絶縁膜を形成させたφ２００ｍｍシリコンウエハを、基板取り付け用の吸着パッドを貼り付けたホルダーにセットし、実施例１、２及び比較例１〜３のパッドを貼り付けたφ６００ｍｍの定盤上に絶縁膜を下にしてホルダーを載せ、さらに加工荷重が３０ｋＰａになるように設定した。パッド上に上記研磨剤を２００ｍｌ／ｍｉｎの速度で滴下しながら、定盤およびウエハをそれぞれ７５ｒｐｍで２分間回転させ、絶縁膜を研磨した。研磨後のウエハを純水で良く洗浄後、乾燥した。光干渉式膜厚測定装置を用いて、研磨前後の膜厚変化から研磨速度を測定した。また、研磨傷は、光学顕微鏡を用いて暗視野にて絶縁膜表面を観察し、ウエハ表面に存在する研磨に起因する傷を数えた。
【００２７】
（金属膜の研磨）
研磨膜として、スパッタ及びメッキ法でＣｕ膜を形成させたφ２００ｍｍシリコンウエハを用い、加工荷重を２０ｋＰａにし、その他は上記方法と同様の条件でＣｕ膜の研磨、洗浄及び乾燥を行った。シート抵抗測定機を用いて抵抗値を測定し、抵抗率から膜厚を計算して、ＣＭＰ前後での膜厚差を求め計算した。研磨傷に関しては、光学顕微鏡を用いて、暗視野にてＣｕ膜表面を観察し、ウエハ表面に存在する研磨に起因する傷を数えた。
【００２８】
実施例及び比較例として作製した研磨パッドの物性を表１に、研磨評価結果を表２に示す。これらの結果から、本発明の実施例が比較例と比較し、研磨速度が高く、研磨傷が少ないことが分かる。
【００２９】
【表１】

【表２】

【００３０】
【発明の効果】
本発明により、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の平坦化、埋め込み配線形成時の余剰の金属膜を平坦化及び除去するＣＭＰ技術において、酸化珪素膜などの被研磨物の凹凸平坦化や金属膜の平坦化及び除去を効率良く、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を得ることが出来る。
【００３１】
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で作製した研磨パッド表面の走査型電子顕微鏡写真

Claims

架橋樹脂粒子と、架橋樹脂粒子よりも弾性率の低い樹脂マトリックスから構成された、基板又は基板上に形成された薄膜を研磨するための研磨パッド。
架橋樹脂粒子の２５℃における弾性率が１．０ＧＰａ以上１０．０ＧＰａ以下であって、粒子径の平均が５μｍ以上３００μｍ以下である請求項１記載の研磨パッド。
架橋樹脂粒子と樹脂マトリックスの２５℃における弾性率の差が０．３ＧＰａ以上３．０ＧＰａ以下である請求項１〜２に記載の研磨パッド。
架橋樹脂粒子の粒子径の平均が５μｍ以上３００μｍ以下であって、架橋樹脂粒子の含有量が１０重量部以上５０重量部以下である請求項１〜３記載の研磨パッド。
基板上の被研磨膜を請求項１〜４記載の研磨パッドに押し当て、研磨液を被研磨膜と研磨パッドとの間に供給しながら、基板と研磨パッドを相対的に動かして被研磨膜を研磨する研磨方法。