JP2005340863A

JP2005340863A - 研磨パッド及び化学的機械研磨方法

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Publication number: JP2005340863A
Application number: JP2005239385A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yoshida; 英朗吉田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2005-08-22
Publication date: 2005-12-08

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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いる。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、例えば、発泡ポリウレタン部２０１ａの厚さと不織布部２０１ｂの厚さとの比はほぼ３：１である。
【選択図】図８

Description

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に関する。

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１１（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１２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。

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。

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。

前記の第２の目的を達成するため、本発明に係る研磨パッドは、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泡ポリウレタン部とからなる積層構造を有し、前記研磨パッドにおける前記不織布部の占める割合は、１／２よりも大きく且つ３／４以下に設定されている。

本発明に係る研磨パッドは、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。

また、研磨パッドにおける不織布部の占める割合が、１／２よりも大きく且つ３／４以下に設定されているため、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。

また、前記の第２の目的を達成するため、本発明に係る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泡ポリウレタン部とからなる積層構造を有し、前記研磨パッドにおける前記不織布部の占める割合は、１／２よりも大きく且つ３／４以下に設定されている。

本発明に係る化学的機械研磨方法によると、本発明に係る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。

本発明に係る研磨パッド又は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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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２０５ｎｍ／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。

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。

（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５０μｍの各間隔で配置されており、アルミニウム配線１２１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。

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：ｍｍ）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。

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。

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。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。

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２００秒後において、局所的な残存段差は３００〜６００ｎｍ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。

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。

（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。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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１０１ｂとが対向するように貼着されている。研磨定盤１１０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。

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１０１ａ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。

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。

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１２４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。

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。

（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。

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２０１ｂの厚さとの比はほぼ３：１である。

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２０１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。

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２０１ａ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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２１２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。

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。

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。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。（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。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。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。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。（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。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。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。（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。（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。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。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。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。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。（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

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泡ポリウレタン部とからなる積層構造を有し、
前記研磨パッドにおける前記不織布部の占める割合は、１／２よりも大きく且つ３／４以下に設定されていることを特徴とする研磨パッド。
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泡ポリウレタン部とからなる積層構造を有し、
前記研磨パッドにおける前記不織布部の占める割合は、１／２よりも大きく且つ３／４以下に設定されていることを特徴とする化学的機械研磨方法。