JP2005183785A - 研磨パッド及び半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体ウエハなど被研磨対象物の表面上に微細なパターンが形成されており、該パターンの微小な凹凸を平坦化する研磨工程に使われる研磨パッドにおいて、ウエハなど被研磨対象物全面内において研磨量の均一性を向上し得る研磨用パッドとこの研磨パッドを使用しての半導体デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】 研磨パッドの表面に同心円状の溝が形成されており、該溝が研磨パッドの径方向で溝ピッチが異なり、該溝ピッチは研磨パッド面内において連続的に変化していることを特徴とする研磨パッドであり、また研磨パッドの表面に同心円状の溝が形成されており、該溝が研磨パッドの径方向で溝幅が異なり、該溝幅は研磨パッド面内において連続的に変化していることを特徴とする研磨パッドおよびこれらの研磨パッドを使用しての半導体デバイスの製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハなどの被研磨対象物の表面の凹凸をケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）で平坦化する際に使用される研磨パッドに関し、詳しくは、研磨レートにおいて優れ、かつ研磨後の半導体ウエハなどの被研磨対象物の表面均一性に優れた研磨パッドおよび該研磨パッドを用いた半導体デバイスの製造方法に関する。

半導体デバイスを製造する際には、ウエハ表面に導電性膜を形成し、フォトリソグラフィー、エッチング等をすることにより配線層を形成する形成する工程や、配線層の上に層間絶縁膜を形成する工程等が行われ、これらの工程によってウエハ表面に金属等の導電体や絶縁体からなる凹凸が生じる。近年、半導体集積回路の高密度化を目的として配線の微細化や多層配線化が進んでいるが、これに伴い、半導体ウエハ表面の凹凸を平坦化する技術が重要となってきた。

半導体ウエハ表面の凹凸を平坦化する方法としては、一般的にＣＭＰ法が採用されている。ＣＭＰは、半導体ウエハの被研磨面を研磨パッドの研磨面に押し付けた状態で、砥粒が分散されたスラリー状の研磨剤（以下、スラリーという）を用いて研磨する技術である。

ＣＭＰで一般的に使用する研磨装置は、例えば、研磨パッドを支持する研磨定盤と、被研磨対象物（半導体ウエハなど）を支持する支持台（ポリシングヘッド）と半導体ウエハの均一加圧を行うためのバッキング材と、研磨剤の供給機構を備えている。研磨パッドは、例えば、両面テープで貼り付けることにより、研磨定盤に装着される。研磨定盤と支持台とは、それぞれに支持された研磨パッドと被研磨対象物が対向するように配置され、それぞれに回転軸、を備えている。また、支持台には、被研磨対象物を研磨パッドに押し付けるための加圧機構が設けてある。

これまで、研磨における半導体ウエハ全面での研磨レートの均一性を向上させるために様々な試みが行われてきた。例えば、全体のパッドの構成としては、下記のものが挙げられる。

１．弾性ポリウレタン層に研磨層である合成皮革層が積層されたもの（特許文献１参照）。
２．発泡ポリウレタン層にポリウレタン含浸不織布を貼り合わせた構成のもの（特許文献２参照）。
３．研磨表面が設けられており、前記研磨表面に隣接し選択した厚さ及び剛性の剛性要素が設けられており、前記剛性要素へ実質的に一様な力を付与するために前記剛性要素に隣接して弾性要素が設けられており、前記剛性要素及び前記弾性要素が前記研磨表面へ弾性的屈曲力を付与して前記研磨表面に制御した屈曲を誘起させ、それが前記加工物の表面の全体的な形状に適合し且つ前記加工物表面の局所的な形状に関して制御した剛性を維持することを特徴とする研磨用パッド（特許文献３参照）。

４．縦弾性係数Ｅ_Ａの大きい表層Ａと、縦弾性係数Ｅ_Ｂの小さい下層Ｂとを有し、両層Ａ，Ｂとの間に上記Ｂ層よりも少なくとも縦弾性係数の大きい中間層Ｍを設けたことを特徴とする研磨布（特許文献４参照）。
５．研磨層と、研磨層より弾性の高い中間層と、柔らかい下地層の構成で、中間層が分割されているパッド（特許文献５参照）などが挙げられる。
また、均一性を向上させるためパッド表面の溝形状を工夫することを試みたものもある。例えば、
６．パッド表面の中央部分と外側とで溝形状が異なるものを用いている研磨パッド（特許文献６参照）。

７．複数の溝と穴を合わせて形成された研磨パッド（特許文献７参照）。
８．幾何学的に中心を持つ溝形状の該中心と研磨パッドの中心とが偏心状に設けられている研磨パッド（特許文献８参照）。
９．複数の同心円状の溝を有する第1の領域と、第2のピッチを有する第２の領域とを有する研磨パッド（特許文献９参照）。
１０．隣接した領域で密度の異なる溝を有する研磨パッド（特許文献１０参照）。
１１．環状溝と流線溝を有する研磨パッド（特許文献１１参照）などが挙げられる。
米国特許３５０４４５７号明細書 特開平０６−０２１０２８号公報 特開平０６−０７７１８５号公報 特開平１０−１５６７２４号公報 特開平１１−０４８１３１号公報 特許第２６４７０４６号明細書 特許第３０４２５９３号明細書 特開平１０−２４９７１０号公報 特開平１１−０７０４６３号公報 特開２０００−９４３０３９号公報 特開２０００−１９８０６１号公報

前述研磨パッドでは以下に示すような問題点を有している。
上記１の方式では、全面の均一性に関しては、弾性ポリウレタン層が半導体ウエハにかかる荷重を均一にする役目を果たしているが、最表層研磨層に、柔らかい合成皮革を使用しているため、スクラッチ等の問題は無いが、微小領域での平坦化特性が良くないという問題点がある。

上記２におけるポリウレタンと不織布の積層でも、不織布層が前述１の弾性ポリウレタン層と同等の役目を果たし、均一性を得ている。また、研磨層も硬質の発泡ポリウレタン層を有している為、合成皮革に比べて平坦化特性も優れているが、近年、微小領域での平坦化特性の要求レベルの向上や、金属膜の研磨においては、要求レベルに達していない。また、硬質ウレタン層の硬度を更に上げる事で平坦化特性の向上を図れるが、この場合、スクラッチの多発を招き実用的ではない。

上記３における研磨層、剛性層、弾性層の構造のものは、表層の研磨層でスクラッチの起きない適度の硬度を持たせ、硬度が上げられず劣化する平坦化特性を第２層の剛性層で改善させる構成のものである。これは、前述２の方式の問題点を解決するものであるが、この場合、研磨層の厚さにおいて０．００３インチ以下が指定されており、この厚さでは実際に使用した場合、研磨層も削れてしまい、製品寿命が短い欠点がある。

上記４の方式では、基本的思想は前述３の方式と同様であり、各層の弾性率の範囲を限定して、より効率的な範囲を得ようとしているが、該方式の中では実質的に何ら実現する手段がなく、研磨パッドを製作することは困難である。

上記５の方式でも、基本的思想は前述３の方式と同様であるが、ウエハ面内の均一性をより向上するために中間剛性層をある所定の大きさにて分割している。しかし、この分割する工程にコストが掛かり、安価な研磨パッドを供給することは出来ない。
また、溝形状を工夫したものに関しても、以下に示す問題点がある。

上記６の方式では、中央部と周辺部分は同心円状溝を、その間の部分はパンチ穴を開けたような形状である。一般にパンチ穴を開ける加工は一列ないしは数列に並んだポンチを用いて広い面積を一度に開ける事になるが、この方式の場合一般的な加工法が利用できず、作製が困難である。

上記７の方式では、複数の穴と溝を組み合わせた構成のものではスラリー供給が豊富で、均一性もある程度改善されるが、スラリーが不足しがちなウエハ中央部分にスラリーが積極的に入るわけではなく、その効果が限られる。

上記８の方式では研磨パッドの中心と、同心円状溝の中心が、ずれている為溝形状が加工されるシリコンウエハに転写され、均一性が悪くなるという問題点は解消されるが、ウエハ中心部分での研磨レート低下を防ぐことは出来ない。

上記９の方式では溝ピッチの異なる２つの領域があり、均一性はある程度改善されるが、積極的にスラリーをウエハ中心部分に取り込むようにはなっておらず、高い均一性は望めない。

上記１０の方式は、前記９の方式の改良型といえる。しかし、この方式とて前記と同様、積極的にスラリーをウエハ中心部分に取り込むようにはなっておらず、高い均一性は望めない。

上記１１の方式では、溝形状を流線溝にすることで、スラリーの流れを積極的に制御しようと試みている。しかしながら、この方式では、流線溝に沿って必要なスラリーが流れ出してしまい、十分な均一性を得ることは出来ない。

本発明は、被研磨対象物である半導体ウエハ上に微細なパターンが形成されており、該パターンの微小な凹凸を平坦化する研磨工程に使われる研磨パッドにおいて、研磨レートに優れ、かつ半導体ウエハのそれぞれの微小領域の平坦性に優れかつ半導体ウエハ全面における研磨量の均一性にも優れた特に半導体デバイス製造に有用な研磨用パッドを提供するものである。

すなわち、本発明は、研磨パッドの研磨領域（研磨層）表面に複数の同心円状の溝が形成されており、該溝が研磨パッドの径方向で隣接する溝との間隔である溝ピッチ（ｐ）が異なり、該溝ピッチは研磨パッド面内において連続的に変化していることを特徴とする研磨パッドを提供する。また本発明は研磨パッドの研磨領域（研磨層）表面に複数の同心円状の溝が形成されており、該溝が研磨パッドの径方向で溝幅（ｗ）が異なり、該溝幅は研磨パッド面内において連続的に変化していることを特徴とする研磨パッドを提供する。

さらに、前記研磨パッドにおいて、形成される同心円状の溝幅（ｗ）が０．０５ｍｍ〜２．０ｍｍまでの範囲であり、形成される同心円状の溝ピッチ（ｐ）が０．１ｍｍ〜２０ｍｍである。

さらにまた、研磨領域の形成材料が、微細発泡体である前記の研磨パッドであり、微細発泡体の平均気泡径が、７０μｍ以下である前記の研磨パッドであり、微細発泡体の比重が、０．５〜１．０ｇ／ｃｍ^３である前記の研磨パッドであり、微細発泡体の硬度が、アスカーＤ硬度で４５〜６５度である前記の研磨パッドであり、微細発泡体の圧縮率が、０．５〜５．０％である前記の研磨パッドであり、微細発泡体の圧縮回復率が、５０〜１００％である前記の研磨パッドであり、微細発泡体の４０℃、１Ｈｚにおける貯蔵弾性率が、２００ＭＰａ以上である前記の研磨パッドである。

さらに、前記のいずれかに記載の研磨パッドを用いて半導体ウエハの表面を研磨する工程を含む半導体デバイスの製造方法である。

本発明では、同心円状に形成された溝のピッチが円形研磨パッドの半径方向における場所によって連続的に変化することで各場所での研磨レートを制御し、結果として研磨されるウエハの研磨の均一性が高まる。本発明において、「溝ピッチ（ｐ）」とは、図１に示すように、隣接する溝間の最短部分の距離をいい、溝ピッチ（Ｐ）が変化する際に「連続的」であるためには、溝ピッチの変化量（図１ではｐ_１とｐとの差の絶対値）が５ｍｍ以下であり、変化量が５ｍｍを超える場合、溝ピッチは連続的な変化ではなく、段階的な変化となり研磨量の均一性の向上は望めない。

さらに本発明では、均一性を向上させるために、溝ピッチ以外に、研磨パッドの表面に形成された同心円状の溝が研磨パッドの径方向で溝幅が異なり、該溝幅は研磨パッド面内において連続的に変化していることを特徴とする研磨パッドである。本発明において、溝幅（ｗ）とは、図１に示すように、溝自体の幅であり、溝幅の「連続的な変化」とは、溝幅が変化する際に、その変化量が５ｍｍ以下であること（図１では、ｗ_１とｗとの差の絶対値）をいう。この長さが５ｍｍを超える場合、溝幅は連続的な変化ではなく、段階的な変化となり研磨量の均一性の向上は望めない。

本発明においては、前記した同心円状溝のピッチと幅とを同時に連続的な変化を与えたものであってもよい。

上記同心円状の溝がピッチおよび溝幅を研磨パッドの半径方向で連続的に変化して形成される好ましい形態として具体的に例示すれば、同心円状の溝のピッチが、円形研磨パッドの半径方向において、中心部と外周部にそれぞれ第1第２の極小値を有しかつ中央部（半径のほぼ１／２部位）に向かって漸近的に増大するように形成されたものが挙げられ、また同心円状の溝の幅が、円形研磨パッドの半径方向において、中心部と外周部にそれぞれ第1第２の極大値を有しかつ中央部（半径のほぼ１／２部位）に向かって漸近的に減少するように形成されたものが挙げられる。

これらの中心部、外周部および中央部はたとえば図２に示すように、横軸の「（半導体）ウエハ径方向内で接触する部分パッド位置」における０位置が中央部に相当し、−１００位置が中心部に相当し、１００位置が外周部に相当するものである。

本発明での形成される同心円状の溝幅は０．０５ｍｍ〜２．０ｍｍまでの範囲が好ましい。溝幅が０．０５ｍｍ未満の場合は、スラリーが溝に入りにくくなりスラリー流路としての効果が小さくなり、研磨レートも小さくなってしまう。また、０．０５ｍｍ未満の溝幅は加工するのが非常に困難で生産性にも欠ける。

溝幅が２．０ｍｍを超えた場合、研磨パッドが研磨対象である半導体ウエハに接触する実行面積が減ってしまい、研磨レートが低下してしまう。

本発明では形成される同心円状の溝ピッチが０．１ｍｍ〜２０ｍｍまでの範囲であることが好ましい。溝ピッチが０．１ｍｍ未満の場合、非常に多数に溝がパッド上に形成され、研磨パッドが研磨対象であるウエハに接触する実行面積が減ってしまい、研磨レートが低下してしまう。また、溝ピッチが２０ｍｍを超えた場合、研磨パッドの半導体ウエハに接触する面積が増え、半導体ウエハとパッドとの摩擦抵抗が大きくなり、半導体ウエハがウエハホルダー（ポリシングヘッド）から外れてしまう、所謂デチャックが発生してしまう。

溝ピッチ及び溝幅の連続的に変化させる場合の、パッドの場所での溝幅、溝ピッチは以下の方法で決めることが好ましい。

始めに基準となる、溝幅、溝ピッチが固定の研磨パッドを用意し、該パッドにて研磨を行い、研磨されたウエハの研磨速度プロファイルを調べる。次に得られた研磨プロファイルから、例えば溝ピッチを変化させる場合は、以下の式１に基づき研磨パッドの各地点での溝ピッチを変化させる。

［式中、Pxは径方向である場所における溝ピッチであり、RRは希望する研磨レートであり、RRhは溝ピッチ、幅が固定された基準パッドで研磨したときの、ある径方向での地点の研磨レートであり、RRaは：研磨レート定数（１５００〜２５００Å/min 任意）であり、Apは溝ピッチ定数（５０〜１００ 任意）である。］

また、溝幅を変化させる場合では式２に基づき研磨パッドの各地点での溝幅を変化させる。

［式中、Wxは径方向である場所における溝幅であり、RRは希望する研磨レートであり、RRhは溝ピッチ、幅が固定された基準パッドで研磨したときの、ある径方向での地点の研磨レートであり、RRbは研磨レート定数（２５００〜３５００Å/min 任意）であり、Awは溝幅定数（１５００〜２５００ 任意）である。］

また、前記の研磨パッドの研磨面を構成するところの研磨領域の形成材料が、微細発泡体であることが好ましい。

前記微細発泡体の平均気泡径は、７０μｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは５０μｍ以下である。平均気泡径が７０μｍ以下であれば、プラナリティ（平坦性；半導体ウエハのそれぞれの微小領域の凹凸の少なさ）が良好となる。

前記微細発泡体の比重は、０．５〜１．０ｇ／ｃｍ^３であることが好ましく、さらに好ましくは０．７〜０．９ｇ／ｃｍ^３である。比重が０．５ｇ／ｃｍ^３未満の場合、研磨領域の表面の強度が低下し、被研磨対象物のプラナリティが低下し、また、１．０ｇ／ｃｍ^３より大きい場合は、研磨領域の表面の微細気泡の数が少なくなり、プラナリティは良好であるが、研磨速度が小さくなる傾向にある。

前記微細発泡体の硬度は、アスカーＤ硬度で４５〜６５度であることが好ましく、さらに好ましくは４５〜６０度である。アスカーＤ硬度が４５度未満の場合には、被研磨対象物のプラナリティが低下し、６５度より大きい場合には、プラナリティは良好であるが、被研磨対象物のユニフォーミティ（均一性；半導体ウエハ全面における研磨量のバラツキの少なさ）が低下する傾向にある。

前記微細発泡体の圧縮率は、０．５〜５．０％であることが好ましく、さらに好ましくは０．５〜３．０％である。圧縮率が前記範囲内にあれば十分にプラナリティとユニフォーミティを両立させることが可能となる。なお、圧縮率は下記式により算出される値である。

［式中、Ｔ１は微細発泡体に無負荷状態から３０ＫＰa （３００ｇ／ｃｍ^２）の応力の負荷を６０秒間保持した時の微細発泡体の厚みであり、Ｔ２はＴ１の状態から１８０ＫＰa （１８００ｇ／ｃｍ^２）の応力の負荷を６０秒間保持した時の微細発泡体の厚みである。］

前記微細発泡体の圧縮回復率は、５０〜１００％であることが好ましく、さらに好ましくは６０〜１００％である。５０％未満の場合には、研磨中に繰り返しの荷重が研磨領域にかかるにつれて、研磨領域の厚みに大きな変化が現れ、研磨特性の安定性が低下する傾向にある。なお、圧縮回復率は下記式により算出される値である。

［式中、Ｔ１は微細発泡体に無負荷状態から３０ＫＰa （３００ｇ／ｃｍ^２）の応力の負荷を６０秒間保持した時の微細発泡体の厚みであり、Ｔ２はＴ１の状態から１８０ＫＰa （１８００ｇ／ｃｍ^２）の応力の負荷を６０秒間保持した時の微細発泡体の厚みであり、Ｔ３はＴ２の状態から無負荷状態で６０秒間保持し、その後、３０ＫＰa（３００ｇ／ｃｍ^２）の応力の負荷を６０秒間保持した時の微細発泡体の厚みである。］

前記微細発泡体の４０℃、１Ｈｚにおける貯蔵弾性率が、２００ＭＰａ以上であることが好ましく、さらに好ましくは２５０ＭＰａ以上である。貯蔵弾性率が２００ＭＰａ未満の場合には、研磨領域の表面の強度が低下し、被研磨対象物のプラナリティが低下する傾向にある。なお、貯蔵弾性率とは、微細発泡体に動的粘弾性測定装置で引っ張り試験用治具を用い、正弦波振動を加え測定した弾性率をいう。

本発明のＣＭＰに使用される研磨パッドは、研磨パッドの表面に同心円状の溝が形成されており、該溝が研磨パッドの径方向で溝ピッチが異なり、該溝ピッチは研磨パッド面内において連続的に変化していることを特徴とする研磨パッドであり、また研磨パッドの表面に同心円状の溝が形成されており、該溝が研磨パッドの径方向で溝幅が異なり、該溝幅は研磨パッド面内において連続的に変化していることを特徴とする研磨パッドであって、このような溝を形成せしめた研磨パッドとすることにより、被研磨対象物であるウエハなどの研磨において研磨レートを維持してかつ被研磨対象物の研磨後の面内研磨均一性、すなわち被研磨対象物の研磨後の面内における平坦さが均一であるところの研磨均一性が達成できることが解り、半導体デバイスの製造に極めて有効である。

研磨領域の形成材料としては、例えば、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ハロゲン系樹脂（ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなど）、ポリスチレン、オレフィン系樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレンなど）、エポキシ樹脂、及び感光性樹脂などが挙げられる。これらは単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

ポリウレタン樹脂は耐摩耗性に優れ、原料組成を種々変えることにより所望の物性を有するポリマーを容易に得ることができるため、研磨領域の形成材料として特に好ましい材料である。

前記ポリウレタン樹脂は、有機イソシアネート、ポリオール、鎖延長剤を含有してなるものである。

使用する有機イソシアネートは特に制限されず、例えば前記有機イソシアネートが挙げられる。

使用するポリオールは特に制限されず、例えば前記ポリオールが挙げられる。なお、これらポリオールの数平均分子量は特に限定されるものではないが、得られるポリウレタンの弾性特性等の観点から５００〜２０００であることが好ましい。数平均分子量が５００未満であると、これを用いたポリウレタンは十分な弾性特性を有さず、脆いポリマーとなる。そのためこのポリウレタンから製造される研磨パッドは硬くなりすぎ、被研磨対象物の研磨面のスクラッチの原因となる。また、摩耗しやすくなるため研磨パッドの寿命の観点からも好ましくない。一方、数平均分子量が２０００を超えると、これを用いたポリウレタンは軟らかくなるため、このポリウレタンから製造される研磨パッドは平坦化特性に劣る傾向にある。

また、ポリオールとしては、上述した高分子量のポリオールの他に、エチレングリコール、１，２−プロピレングリコール、１，３−プロピレングリコール、１，４−ブタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、１，４−シクロヘキサンジメタノール、３−メチル−１，５−ペンタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、１，４−ビーズ（２−ヒドロキシエトキシ）ベンゼン等の低分子量ポリオールを併用することもできる。

また、ポリオール中の高分子量成分と低分子量成分の比は、これらから製造される研磨領域に要求される特性により決められる。

鎖延長剤としては、４，４’−メチレンビス（ｏ−クロロアニリン）、２，６−ジクロロ−ｐ−フェニレンジアミン、４，４’−メチレンビス（２，３−ジクロロアニリン）等に例示されるポリアミン類、あるいは、上述した低分子量ポリオールを挙げることができる。これらは１種で用いても、２種以上を併用してもよい。

前記ポリウレタン樹脂における有機イソシアネート、ポリオール、及び鎖延長剤の比は、各々の分子量やこれらから製造される研磨領域の所望物性などにより種々変え得る。研磨特性に優れる研磨領域を得るためには、ポリオールと鎖延長剤の合計官能基（水酸基＋アミノ基）数に対する有機イソシアネートのイソシアネート基数は０．９５〜１．１５であることが好ましく、さらに好ましくは０．９９〜１．１０である。

前記ポリウレタン樹脂は、前記方法と同様の方法により製造することができる。なお、必要に応じてポリウレタン樹脂に酸化防止剤等の安定剤、界面活性剤、滑剤、顔料、充填剤、帯電防止剤、その他の添加剤を添加してもよい。

前記ポリウレタン樹脂を微細発泡させる方法は特に制限されないが、例えば中空ビーズを添加する方法、機械的発泡法、及び化学的発泡法等により発泡させる方法などが挙げられる。なお、各方法を併用してもよいが、特にポリアルキルシロキサンとポリエーテルとの共重合体であって活性水素基を有しないシリコーン系界面活性剤を使用した機械的発泡法が好ましい。該シリコーン系界面活性剤としては、ＳＨ−１９２（東レダウコーニングシリコン製）等が好適な化合物として例示される。

研磨領域に用いられる独立気泡タイプのポリウレタン発泡体を製造する方法の例について以下に説明する。かかるポリウレタン発泡体の製造方法は、以下の工程を有する。

イソシアネート末端プレポリマーの気泡分散液を作製する撹拌工程
イソシアネート末端プレポリマーにシリコーン系界面活性剤を添加し、非反応性気体と撹拌し、非反応性気体を微細気泡として分散させて気泡分散液とする。イソシアネート末端プレポリマーが常温で固体の場合には適宜の温度に予熱し、溶融して使用する。
硬化剤（鎖延長剤）混合工程
上記の気泡分散液に鎖延長剤を添加し、混合撹拌する。
硬化工程
鎖延長剤を混合したイソシアネート末端プレポリマーを注型し、加熱硬化させる。

微細気泡を形成するために使用される非反応性気体としては、可燃性でないものが好ましく、具体的には窒素、酸素、炭酸ガス、ヘリウムやアルゴン等の希ガスやこれらの混合気体が例示され、乾燥して水分を除去した空気の使用がコスト的にも最も好ましい。

非反応性気体を微細気泡状にしてシリコーン系界面活性剤を含むイソシアネート末端プレポリマーに分散させる撹拌装置としては、公知の撹拌装置を特に限定なく使用可能であり、具体的にはホモジナイザー、ディゾルバー、２軸遊星型ミキサー（プラネタリーミキサー）等が例示される。撹拌装置の撹拌翼の形状も特に限定されないが、ホイッパー型の撹拌翼を使用すると微細気泡が得られるため好ましい。

なお、撹拌工程において気泡分散液を作成する撹拌と、混合工程における鎖延長剤を添加して混合する撹拌は、異なる撹拌装置を使用することも好ましい態様である。特に混合工程における撹拌は気泡を形成する撹拌でなくてもよく、大きな気泡を巻き込まない撹拌装置の使用が好ましい。このような撹拌装置としては、遊星型ミキサーが好適である。撹拌工程と混合工程の撹拌装置を同一の撹拌装置を使用しても支障はなく、必要に応じて撹拌翼の回転速度を調整する等の撹拌条件の調整を行って使用することも好適である。

前記ポリウレタン微細発泡体の製造方法においては、気泡分散液を型に流し込んで流動しなくなるまで反応した発泡体を加熱、ポストキュアすることは、発泡体の物理的特性を向上させる効果があり極めて好適である。金型に気泡分散液を流し込んで直ちに加熱オーブン中に入れてポストキュアを行う条件としてもよく、そのような条件下でもすぐに反応成分に熱が伝達されないので気泡径が大きくなることはない。硬化反応は、常圧で行うと気泡形状が安定するため好ましい。

前記ポリウレタン樹脂の製造において、第３級アミン系、有機スズ系等の公知のポリウレタン反応を促進する触媒を使用してもかまわない。触媒の種類、添加量は、混合工程後、所定形状の型に流し込む流動時間を考慮して選択する。

前記ポリウレタン発泡体の製造は、容器に各成分を計量して投入し、撹拌するバッチ方式であっても、また撹拌装置に各成分と非反応性気体を連続して供給して撹拌し、気泡分散液を送り出して成形品を製造する連続生産方式であってもよい。

研磨層となる研磨領域は、以上のようにして作製されたポリウレタン発泡体を、所定のサイズに裁断して製造される。

本発明の微細発泡体からなる研磨領域は、被研磨対象物と接触する研磨側表面に、スラリーを保持・更新するための溝が設けられていることが好ましい。該研磨領域は、微細発泡体により形成されているため研磨表面に多くの開口を有し、スラリーを保持する働きを持っているが、更なるスラリーの保持性とスラリーの更新を効率よく行うため、また被研磨対象物との吸着による被研磨対象物の破壊を防ぐためにも、研磨側表面に同心円状の溝を有することが好ましい。

前記溝の形成方法は特に限定されるものではないが、例えば、所定サイズのバイトのような治具を用い機械切削する方法、所定の表面形状を有した金型に樹脂を流しこみ硬化させる方法、所定の表面形状を有したプレス板で樹脂をプレスして形成する方法、フォトリソグラフィーを用いて形成する方法、印刷手法を用いて形成する方法、及び炭酸ガスレーザーなどを用いたレーザー光により形成する方法などが挙げられる。

研磨領域の厚みは特に限定されるものではないが、好ましくは０．６〜３．５ｍｍである。前記厚みの研磨領域を作製する方法としては、前記微細発泡体のブロックをバンドソー方式やカンナ方式のスライサーを用いて所定厚みにする方法、所定厚みのキャビティーを持った金型に樹脂を流し込み硬化させる方法、及びコーティング技術やシート成形技術を用いた方法などが挙げられる。

また、研磨領域の厚みのバラツキは、１００μｍ以下であることが好ましく、特に５０μｍ以下であることが好ましい。厚みのバラツキが１００μｍを越える場合には、研磨領域が大きなうねりを持ったものとなり、被研磨対象物に対する接触状態が異なる部分ができ、研磨特性に悪影響を与える傾向にある。また、研磨領域の厚みのバラツキを解消するため、一般的には研磨初期に研磨領域の表面をダイヤモンド砥粒を電着、又は融着させたドレッサーを用いてドレッシングするが、上記範囲を超えたものは、ドレッシング時間が長くなり、生産効率を低下させることになる。また、厚みのバラツキを抑える方法としては、所定厚みにした研磨領域表面をバフィングする方法もある。バフィングする際には、粒度などが異なる研磨シートで段階的に行うことが好ましい。

本発明における研磨パッドとして、従来一般に使用されている単層型パッド、またはウエハ等被研磨体に当接する研磨領域である研磨層およびこの研磨層とプラテンとの間に位置するクッション層の少なくとも２層を有する積層パッドであってもよいし、さらに他層を重ねての多層研磨パッドのような積層研磨パッドであってもよい。生産上、性能上、研磨層とプラテン（定盤）との間に位置するクッション層の少なくとも２層を有するものが好ましい。
本発明はこのように単層、積層の研磨パッドに限定されるものではない。

前記クッション層は、研磨領域（研磨層）の特性を補うものである。クッション層は、ＣＭＰにおいて、トレードオフの関係にあるプラナリティとユニフォーミティの両者を両立させるために必要なものである。プラナリティとは、パターン形成時に発生する微小凹凸のある被研磨対象物を研磨した時のパターン部の平坦性をいい、ユニフォーミティとは、被研磨対象物全体の均一性をいう。研磨層の特性によって、プラナリティを改善し、クッション層の特性によってユニフォーミティを改善することを行う。本発明の研磨パッドにおいては、クッション層は研磨層より柔らかいものを用いることが好ましい。

前記クッション層の形成材料は特に制限されないが、例えば、ポリエステル不織布、ナイロン不織布、アクリル不織布などの繊維不織布、ポリウレタンを含浸したポリエステル不織布のような樹脂含浸不織布、ポリウレタンフォーム、ポリエチレンフォームなどの高分子樹脂発泡体、ブタジエンゴム、イソプレンゴムなどのゴム性樹脂、及び感光性樹脂などが挙げられる。

研磨領域に用いられる研磨層とクッション層とを貼り合わせる手段としては、例えば、研磨領域とクッション層を両面テープで挟み、プレスする方法が挙げられる。

両面テープは、不織布やフィルム等の基材の両面に接着層を設けた一般的な構成を有するものである。クッション層へのスラリーの浸透等を防ぐことを考慮すると、基材にフィルムを用いることが好ましい。また、接着層の組成としては、例えば、ゴム系接着剤やアクリル系接着剤等が挙げられる。金属イオンの含有量を考慮すると、アクリル系接着剤は金属イオン含有量が少ないため好ましい。また、研磨領域とクッション層は組成が異なることもあるため、両面テープの各接着層の組成を異なるものとし、各層の接着力を適正化することも可能である。

クッション層と両面テープとを貼り合わせる手段としては、クッション層に両面テープをプレスして接着する方法が挙げられる。

該両面テープは、上述と同様に不織布やフィルム等の基材の両面に接着層を設けた一般的な構成を有するものである。研磨パッドの使用後に、プラテンから剥がすことを考慮すると、基材にフィルムを用いるとテープ残り等を解消することができるため好ましい。また、接着層の組成は上述と同様である。

半導体デバイスは、前記研磨パッドを用いて半導体ウエハの表面を研磨する工程を経て製造される。半導体ウエハとは、一般にシリコンウエハ上に配線金属及び酸化膜を積層したものである。半導体ウエハの研磨方法、研磨装置は特に制限されず、たとえば研磨パッドを支持する研磨定盤と、半導体ウエハなどの被研磨対象物を支持する支持台（ポリシングヘッド）とウエハへの均一加圧を行うためのバッキング材と、研磨剤の供給機構を備えた研磨装置などを用いて行われる。研磨パッドは、例えば、両面テープで貼り付けることにより、研磨定盤に装着される。研磨定盤と支持台とは、それぞれに支持された研磨パッドと半導体ウエハが対向するように配置され、それぞれに回転軸を備えている。また、支持台側には、半導体ウエハを研磨パッドに押し付けるための加圧機構が設けてある。研磨に際しては、研磨定盤と支持台とを回転させつつ半導体ウエハを研磨パッドに押し付け、スラリーを供給しながら研磨を行う。スラリーの流量、研磨荷重、研磨定盤回転数、及びウエハ回転数は特に制限されず、適宜調整して行う。

これにより半導体ウエハなど被研磨対象物の表面の突出した部分が除去されて平坦状に研磨される。その後、ダイシング、ボンディング、パッケージング等することにより半導体デバイスが製造される。半導体デバイスは、演算処理装置やメモリー等に用いられる。

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。なお、実施例等における評価項目は下記のようにして測定した。

（平均気泡径測定）
厚み１ｍｍ程度になるべく薄くミクロトームカッターで平行に切り出した研磨領域を平均気泡径測定用試料とした。試料をスライドガラス上に固定し、画像処理装置（東洋紡社製、Ｉｍａｇｅ Ａｎａｌｙｚｅｒ Ｖ１０）を用いて、任意の０．２ｍｍ×０．２ｍｍ範囲の全気泡径を測定し、平均気泡径を算出した。

（比重測定）
ＪＩＳ Ｚ８８０７−１９７６に準拠して行った。４ｃｍ×８．５ｃｍの短冊状（厚み：任意）に切り出した研磨領域を比重測定用試料とし、温度２３℃±２℃、湿度５０％±５％の環境で１６時間静置した。測定には比重計（ザルトリウス社製）を用い、比重を測定した。

（アスカーＤ硬度測定）
ＪＩＳ Ｋ６２５３−１９９７に準拠して行った。２ｃｍ×２ｃｍ（厚み：任意）の大きさに切り出した研磨領域を硬度測定用試料とし、温度２３℃±２℃、湿度５０％±５％の環境で１６時間静置した。測定時には、試料を重ね合わせ、厚み６ｍｍ以上とした。硬度計（高分子計器社製、アスカーＤ型硬度計）を用い、硬度を測定した。

（圧縮率および圧縮回復率測定）
直径７ｍｍの円（厚み：任意）に切り出した研磨領域（研磨層）を圧縮率および圧縮回復率測定用試料とし、温度２３℃±２℃、湿度５０％±５％の環境で４０時間静置した。測定には熱分析測定器 ＴＭＡ（ＳＥＩＫＯ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ製、ＳＳ６０００）を用い、圧縮率と圧縮回復率を測定した。また、圧縮率と圧縮回復率の計算式を下記に示す。

［Ｔ１は研磨層に無負荷状態から３０ＫＰa （３００ｇ／ｃｍ^２）の応力の負荷を６０秒間保持した時の研磨層厚みであり、Ｔ２はＴ１の状態から１８０ＫＰa （１８００ｇ／ｃｍ^２）の応力の負荷を６０秒間保持した時の研磨層厚みである。］

（貯蔵弾性率測定）
ＪＩＳ Ｋ７１９８−１９９１に準拠して行った。３ｍｍ×４０ｍｍの短冊状（厚み；任意）に切り出した研磨領域を動的粘弾性測定用試料とし、２３℃の環境条件で、シリカゲルを入れた容器内に４日間静置した。切り出した後の各シートの正確な幅および厚みの計測は、マイクロメータにて行った。測定には動的粘弾性スペクトロメーター（岩本製作所製、現アイエス技研）を用い、貯蔵弾性率Ｅ’を測定した。その際の測定条件を下記に示す。

＜測定条件＞
測定温度 ： ４０℃
印加歪 ： ０．０３％
初期荷重 ： ２０ｇ
周波数 ： １Ｈｚ

（研磨特性の評価）
研磨装置としてＳＰＰ６００Ｓ（岡本工作機械社製）を用い、作製した研磨パッドを用いて、研磨特性の評価を行った。

研磨レートの評価は、８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、約０．５μｍ研磨して、このときの時間から算出した。酸化膜の膜厚測定には、干渉式膜厚測定装置（大塚電子社製）を用いた。研磨条件としては、スラリーとしてシリカスラリー（ＳＳ１２、キャボット社製）を研磨中に流量１５０ｍｌ／ｍｉｎにて添加した。研磨荷重としては３５０ｇ／ｃｍ^２、研磨定盤回転数３５ｒｐｍ、ウエハ回転数３０ｒｐｍとした。

均一性の評価は、研磨終了後のウエハの任意２５点の膜厚測定値より下記式により算出した。なお、均一性の値が小さいほどウエハ表面の均一性が高いことを表す。

平坦化特性の評価は、８インチシリコンウエハに熱酸化膜を０．５μｍ堆積させた後、所定のパターニングを行い、ｐ−ＴＥＯＳにて酸化膜を１μｍ堆積させ、初期段差０．５μｍのパターン付きウエハを作製した。このウエハを前述条件にて研磨を行い、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２つの段差を測定した。一つはローカル段差であり、これは幅２７０μｍのラインが３０μｍのスペースで並んだパターンにおける段差であり、１分後の段差を測定した。もう一つは削れ量であり、幅２７０μｍのラインが３０μｍのスペースで並んだパターンと幅３０μｍのラインが２７０μｍのスペースで並んだパターンにおいて、上記の２種のパターンのライン上部の段差が２０００Å以下になるときの２７０μｍのスペースの削れ量を測定した。ローカル段差の数値が低いとウエハ上のパターン依存により発生した酸化膜の凹凸に対し、ある時間において平坦になる速度が速いことを示す。また、スペースの削れ量が少ないと削れて欲しくない部分の削れ量が少なく平坦性が高いことを示す。

研磨領域の作製
フッ素コーティングした反応容器内に、フィルタリングしたポリエーテル系プレポリマー（ユニロイヤル社製、アジプレンＬ−３２５、ＮＣＯ濃度：２．２２ｍｅｑ／ｇ）１００重量部，及びフィルタリングしたシリコーン系ノニオン界面活性剤（東レ・ダウシリコーン社製、ＳＨ１９２）３重量部を混合し、温度を８０℃に調整した。フッ素コーティングした撹拌翼を用いて、回転数９００ｒｐｍで反応系内に気泡を取り込むように約４分間激しく撹拌を行った。そこへ予め１２０℃で溶融し、フィルタリングした４，４’−メチレンビス（ｏ−クロロアニリン）（イハラケミカル社製、イハラキュアミンＭＴ）２６重量部を添加した。その後、約１分間撹拌を続けてフッ素コーティングしたパン型のオープンモールドへ反応溶液を流し込んだ。この反応溶液の流動性がなくなった時点でオーブン内に入れ、１１０℃で６時間ポストキュアを行いポリウレタン樹脂発泡体ブロックを得た。このポリウレタン樹脂発泡体ブロックをバンドソータイプのスライサー（フェッケン社製）を用いてスライスし、ポリウレタン樹脂発泡体シートを得た。

次にこのシートをバフ機（アミテック社製）を使用して、所定の厚さに表面バフをし、厚み精度を整えたシートとした（シート厚み：１．２７ｍｍ）。このバフ処理をしたシートを所定の直径（６１ｃｍ）に打ち抜き、溝加工機（東邦鋼機社製）を用いて表面に溝幅０．２５ｍｍ、溝ピッチ１．５０ｍｍ、溝深さ０．４０ｍｍの同心円状の溝加工を行った。このシートの溝加工面と反対側の面にラミ機を使用して、両面テープ（積水化学工業社製、ダブルタックテープ）を貼り、その後、この溝加工したシートの所定位置に光透過領域をはめ込むための穴（厚み１．２７ｍｍ、５７．５ｍｍ×１９．５ｍｍ）を打ち抜いて両面テープ付き研磨領域を作製した。作製した研磨領域の各物性は、平均気泡径４５μｍ、比重０．８６ｇ／ｃｍ^３、アスカーＤ硬度５３度、圧縮率１．０％、圧縮回復率６５．０％、貯蔵弾性率２７５ＭＰａであった。

研磨パッドの作製
実施例１
前記研磨領域の作製において、溝加工の部分の条件を変更し、図１に示すように溝ピッチを連続的に変化させたパッドを作製した。このパッドを用いて研磨したときの研磨特性を表１に示す。このように作製した研磨パッドの均一性が極めて高いことを確認した。

実施例２
前記研磨領域の作製において、溝加工の部分の条件を変更し、図２に示すように溝幅を連続的に変化させたパッドを作製した。このパッドを用いて研磨したときの研磨特性を表１に示す。このように作製した研磨パッドの均一性が極めて高いことを確認した。

比較例１
前記研磨領域の作製において作製した同じ溝形状にて研磨パッドを作製した。図３に研磨パッド経方向での各場所での溝ピッチ及び溝幅をしめすが、どの場所でも一定である。このパッドを用いて研磨したときの研磨特性を表１に示す。このように作製した研磨パッドの均一性が高くなかった。
また実施例１，２および比較例１の平坦化特性はともに優れたものであった。

本発明の溝ピッチ（ｐ）と溝幅（ｗ）を説明する図である。 実施例１に置ける同心円状溝の幅（ｗ）とピッチ（ｐ）の概略を示す。 実施例２に置ける同心円状溝の幅（ｗ）とピッチ（ｐ）の概略を示す。 比較例１に置ける同心円状溝の幅（ｗ）とピッチ（ｐ）の概略を示す。

Claims (13)

1. 研磨パッドの研磨領域表面に複数の同心円状の溝が形成されており、該溝が研磨パッドの径方向で隣接する溝との間隔である溝ピッチ（ｐ）が異なり、該溝ピッチは連続的に変化していることを特徴とする研磨パッド。
2. 複数の同心円状の溝の溝ピッチが０．１ｍｍ〜２０ｍｍである請求項１記載の研磨パッド。
3. 研磨パッドの研磨領域表面に複数の同心円状の溝が形成されており、該溝の溝幅（ｗ）が異なり、該溝幅は連続的に変化していることを特徴とする研磨パッド。
4. 複数の同心円状の溝の溝幅が０．０５ｍｍ〜２ｍｍまでの範囲である請求項３記載の研磨パッド。
5. 研磨パッドの研磨領域表面に複数の同心円状の溝が形成されており、該溝の隣接する溝間の間隔である溝ピッチ（ｐ）が連続的に変化し、該溝の溝幅（ｗ）が連続的に変化することを特徴とする研磨パッド。
6. 研磨領域の形成材料が、微細発泡体であることを特徴とする請求項１〜５記載の研磨パッド。
7. 微細発泡体の平均気泡径が、７０μｍ以下であることを特徴とする請求項６記載の研磨パッド。
8. 微細発泡体の比重が、０．５〜１．０ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項６または７記載の研磨パッド。
9. 微細発泡体の硬度が、アスカーＤ硬度で４５〜６５度であることを特徴とする請求項６〜８いずれかに記載の研磨パッド。
10. 微細発泡体の圧縮率が、０．５〜５．０％であることを特徴とする請求項６〜９いずれかに記載の研磨パッド。
11. 微細発泡体の圧縮回復率が、５０〜１００％であることを特徴とする請求項６〜１０いずれかに記載の研磨パッド。
12. 微細発泡体の４０℃、１Ｈｚにおける貯蔵弾性率が、２００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項６〜１１いずれかに記載の研磨パッド。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の研磨パッドを用いて半導体ウエハの表面を研磨する工程を含む半導体デバイスの製造方法。
    

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