JP2006142440A - 研磨パッドおよびこれを用いた研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体デバイスウエハの表面平坦化加工において、非常に高い平坦性を有し、且つウエハ表面に傷を生じさせない研磨パッドを提供する。
【解決手段】 研磨用成形体を構成要素とする研磨パッドであって、研磨用成形体の４０℃〜６０℃における引張貯蔵弾性率と引張損失弾性率の比であるｔａｎδの最大値が０．２以上である研磨パッド。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体、各種メモリーハードディスク用基板等の研磨に用いられる材料に関し、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な研磨パッドに関するものである。

半導体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的研磨法（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、研磨スラリー（４）をスラリー供給用配管（１０）を通して供給しながら、半導体デバイスウエハ（１）を研磨パッド（１２）の研磨用成形体（６）表面に押しあてることにより、デバイス表面を研磨し、高精度に平坦化するというものである。
研磨パッドの研磨用成形体としては、従来から、例えばポリウレタン発泡体が代表的に用いられてきたが、通常、研磨前、あるいは研磨中において、一般的にドレッサーと呼ばれる工具（３）を回転させながら研磨用成形体（６）表面に押しあてて目立て処理を行うことにより、研磨用成形体に内包されている気泡を開口させるというものであった。
研磨条件はもとより、研磨パッドの表面硬度、圧縮率が、また研磨用成形体が発泡体である場合は、研磨用成形体に含まれる気泡のサイズや密度等が、研磨後の被加工物の仕上がり状態に大きな影響を及ぼす。
従来から、例えば層間絶縁膜や金属配線等の研磨に用いられる研磨パッドの研磨用成形体研磨用成形体としては、使用前、使用中におけるドレッシング、および研磨の進行に伴う研磨パッド表面の摩耗等により、スラリーを保持する機能を発現するような、例えば空孔を内包している部材等が使用されてきた。
代表的な研磨用成形体としては、ロデール社製のＩＣ１０００に代表される、中空高分子微小エレメントをマトリックス樹脂中に分散させた研磨用成形体が挙げられる（例えば、特許文献１参照。）。該マトリックス樹脂としては、例えば、硬質でかつ圧縮率の小さい、熱硬化性ポリウレタン樹脂等が使用されてきた。
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、パターン形成面に求められる平坦性のレベルはますます厳しくなってきている。同時にウエハの大口径化も進行し、加工するデバイスウエハ面内の平坦性のばらつきをいかに抑えるか、つまりはウエハ面内およびウエハ間での均一性をいかに向上させるかが大きな課題であった。
平坦性と均一性を両立するためのアプローチとしては、従来の硬質な研磨用成形体を、クッション性を有する軟質の支持層と貼り合わせた、いわゆる二層構造の研磨パッドを用いることがこれまでの主流であった（例えば、特許文献２参照。）が、平坦性が十分でないという欠点があった。

特許第３０１３１０５号 特開平６−２１０２８号

本発明は、半導体デバイスウエハの表面平坦化加工において、非常に高い平坦性を有し、且つウエハ表面に傷を生じさせない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） 研磨用成形体を構成要素とする研磨パッドであって、研磨用成形体の４０℃〜６０℃における引張貯蔵弾性率と引張損失弾性率の比であるｔａｎδの最大値が０．２以上であることを特徴とする研磨パッド、
（２） 前記研磨パッドがさらに熱可塑性エラストマーからなる支持層を構成要素とする（１）記載の研磨パッド、
（３） 溝を有するものである（１）または（２）記載の研磨パッド、
（４） （１）〜（３）何れか記載の研磨パッドを研磨機に装着して、被加工物表面を平坦化する研磨方法、
である。

本発明により得られる研磨パッドおよびこれを用いた研磨方法は半導体デバイスウエハの表面平坦化加工用の研磨用途に好適に用いることができる。

本発明は、研磨パッドを、研磨機に装着し、被加工物表面を平坦化するものである。研磨用成形体の４０℃〜６０℃における引張貯蔵弾性率と引張損失弾性率の比であるｔａｎδの最大値が０．２以上である研磨パッドであるため非常に高い平坦性を有し、且つウエハ表面に傷を生じさせないため非常に好ましい。

本発明の研磨パッドは、研磨用成形体を必須の構成要素とするものであり、他の構成要素として例えば研磨用成形体を装着するための部材等を含むものであっても良い。例えば、積層構造を持たない研磨用成形体や、研磨用成形体と支持層を積層した研磨用積層体を含むものとし、クッション性の両面テープ等をあらかじめ研磨機の定盤等に貼っておいて、研磨用成形体をこれに直接装着する場合は、研磨用成形体のみが研磨パッドであると定義する。

研磨パッドが非常に高い平坦性を有するためには、研磨面である研磨用成形体の表面を凹凸にして表面積を大きくすることでスラリーの保持性を高くすることが必要である。凹凸にするには研磨用成形体が発泡体であることと、ドレッシング時に表面が磨耗しきれずヒダ状になることが好ましい。ドレッシング時に表面がヒダ状になるためには研磨用成形体の引張貯蔵弾性率と引張損失弾性率の比であるｔａｎδが大きいことが好ましい。具体的には研磨用成形体の４０℃〜６０℃における引張貯蔵弾性率と引張損失弾性率の比であるｔａｎδの最大値が０．２以上である。

ｔａｎδは一般の動的粘弾性測定装置にて求めることができる。具体例を挙げるならセイコーインスツルメンツ社のＤＭＳ２００を用いて厚さ１．５ｍｍ、幅６ｍｍ、長さ３０ｍｍのサンプルをセットし、２℃／ｍｉｎ、１０Ｈｚで４０〜６０℃におけるｔａｎδを求めることができる。

研磨開始直前における研磨用成形体の厚みについては特に限定しないが、２ｍｍ以下が好ましい。

本発明の研磨用成形体は特に限定しないが、研磨スラリーを保持する又は研磨に適した表面状態を、ドレッサー等による目立て処理により形成する上で気泡を内包していることがより好ましい。気泡を内包する場合、気泡の平均径は特に限定しないが、好ましくは０．１〜１００μｍ、より好ましくは０．１〜５０μｍ、最も好ましくは０．１〜３０μｍである。

気泡の平均径が０．１μｍ未満であると、研磨の進行に伴い発生する研磨屑や、例えば研磨スラリー中に砥粒が含まれている場合は、該砥粒の凝集物等が、気泡が開口してできた空孔内から排出されにくく、空孔が目詰まりすることがある。その結果、研磨性能ばらつきを引き起こしやすく、さらには研磨性能の経時変動が大きくなることがあるので好ましくない。逆に１００μｍを超えると、例えばドレッサーによる目立て処理後の表面粗さが粗くなる。つまりは研磨面の凹凸が大きくなるために研磨スラリーの保持性能が研磨面内においてばらつき安くなり、その結果、研磨性能ばらつきが大きくなることがあるので好ましくない。

本発明の研磨用成形体の主原料は特に限定しないが、熱可塑性エラストマーを用いることが好ましく、例えばウレタン系やオレフィン系の熱可塑性エラストマーが好適である。
上記成分の他にフィラー等の添加剤を添加しても構わない。

本発明に使用する支持層の素材は特に限定しない。求める研磨性能に応じて、例えばプラスチック、熱可塑性エラストマー、ゴム等の可撓性基材を適宜用いることができる。これらは気泡を内包していても良いし、あるいは気泡を内包していなくても良い。またガラス繊維、炭素繊維、合成繊維、あるいはこれらの織布、不織布等で補強したものであっても良い。さらにはステンレス鋼に代表される、可撓性を有する金属の薄板等も用いることができる。具体的には、エポキシ樹脂、熱可塑性ポリウレタンを含めたポリウレタン樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート等の無発泡基材およびこれらをガラス繊維で補強したものが好適に用いられるがこの限りではない。好ましくは熱可塑性ポリウレタンエラストマーと熱可塑性ポリエステルエラストマーを混合したものである。
あるいは、各種接着剤や、例えば、ＰＥＴ基材の両面にアクリル系の接着剤を塗布してある、透明性の高い両面テープ等を支持層として用いても良い。

本発明において、研磨用成形体と支持層を積層する方法は特に限定しない。接着剤や両面テープ等の媒体を用いても良いし、用いなくても良いが、コスト面や、特に品質バラツキの要因を抑えるという点において、例えば、接着剤や両面テープ等の媒体を用いずに積層されている構造が好ましい。具体的には、共押出法や、研磨用成形体に溶融状態にある支持層を、通常サーマルラミと呼ばれる方法で貼り合わせる方法等が好適である。

本発明の研磨パッドを用いてデバイスウエハの研磨を行う場合、必要に応じて研磨スラリーを保持し、研磨に適した表面状態とする、および／または研磨スラリーの流路となる溝を有していても良い。溝の形状は特に限定しないが、例えば平行、格子状、同心円状、さらには渦巻き状等、随時選定することができる。あるいは円柱状の貫通孔を、多数施すこともできる。
溝を施すことにより、研磨面全域に研磨スラリーがより行き渡り安くなって、均一性を確保するという点や、研磨性能ばらつき、さらには研磨性能の経時変動の点で、好適である。
また溝サイズ、つまりは溝幅、隣り合う溝同士の間隔、溝深さは特に限定しない。なお図２において、溝幅とはＡの距離を、隣り合う溝と溝との間隔とはＢの距離を、また溝深さとはＣを指す。
本発明の溝においては、所望のサイズを選定することが可能である。特に溝深さについては、研磨用成形体の途中まで溝が入っていても良いし、あるいは研磨用成形体を貫通し、支持層表面に達していても良い。さらには支持層を貫通し、支持層の途中まで溝が入っていても良く、支持層にのみ溝があっても良い。

溝の加工方法については特に限定しないが、加工コストや加工精度等を加味した実用的な観点からは、旋盤やフライス、レーザー等による機械加工が好適である。
なお、図２は研磨用成形体（３０）と支持層（３１）をサーマルラミ法で直接貼り合わせた研磨用積層体を、両面テープ（３５）を用いて研磨機の定盤（３４）に固定した状態を示している。
図３は研磨用成形体（５０）と支持層（５１）を両面テープ（５４）を介して貼り合わせた研磨用積層体を、両面テープ（５６）を用いて研磨機の定盤（５５）に固定した状態を示している。
図４は研磨用成形体（６０）を、厚塗りの接着層（６１）を介して研磨機の定盤（３４）に固定した状態である。
図５は、研磨用成形体（７０）を、両面テープ（７７）を介して研磨機の定盤（７６）に固定した状態である。両面テープ（７７）をより詳細に分割すると、基材（７１）と接着層（７４）、（７５）とに分けられるが、初めに研磨用成形体（７０）に、両面テープ（７７）を貼る場合は、両面テープ基材（７１）が本発明の支持層に該当する。また、逆に両面テープ（７７）を初めに定盤（７６）の方に貼る場合は、研磨用成形体（７０）が本発明の研磨パッドに相当する。
なお図２と図３はあらかじめ研磨用成形体と支持層を貼り合わせて作製した研磨用積層体を定盤に貼り付ける場合であるため、いずれも支持層に達する深さまで溝を入れることが可能である。
一方、図４と図５は、研磨用成形体を、接着剤や両面テープ等の媒体を介して定盤に直接貼り付ける場合であり、この場合はいずれも、溝は研磨用成形体の途中で止まっている。
本発明の研磨用積層体は、所望のサイズ、所望の形状、例えば円盤状、ベルト状他、様々な形状を得ることができる。

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。
（実施例１）
＜研磨用積層体の作製＞
本発明の実施例で使用した研磨用成形体の製造設備の概略を図６に示す。バレル径５０ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝３２の第一押出機（１０１）とバレル径６５ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝３６の第二押出機（１０８）を中空の単管（１０７）で連結したタンデム型押出機の先端に、リップ幅３００ｍｍの金型（１０９）を取り付けた。
主原料である大日精化工業（株）製熱可塑性ポリウレタンエラストマー１００重量部（商品名：レザミンＰ−４２３０）に、同社の架橋剤（商品名：クロスネートＥＭ−３０）３．５重量部をあらかじめ混合した原料を使用した。
ボンベ（１０６）から取り出した後に、ガスブースターポンプ（１０５）により昇圧した二酸化炭素を、第一押出機（１０１）の中央前寄りに取り付けた注入口（１０４）を通して注入した。なお第一押出機（１０１）のバレルに取り付けた圧力センサーで注入口（１０４）の直前と直後の圧力を測定したところ、それぞれ２４ＭＰａ、２１ＭＰａであった。
押し出した直後にピンチロール（１１１）でピンチするのとほぼ同時に水槽（１１０）中に入れて冷却し、発泡成形体を得た。
得られた発泡体を幅２１０ｍｍ、６３０ｍｍ長に裁断し、研磨用成形体を作製した。研磨用成形体から所定のサイズを切り出し、４０〜６０℃におけるｔａｎδの最大値を求めたところ、０．５１であった。
成形条件を表１に示す。

本発明の実施例で使用した積層設備の概略を図７に示す。
バレル径５０ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝３２の押出機（２０１）の先端に、リップ幅８００ｍｍの金型（２０２）を取り付けた。ローラーコンベア（２０３）上に支持板（２０５）を設置した。支持板としては厚み５ｍｍのベニヤ板を用いた。
幅２１０ｍｍ、６３０ｍｍ長の研磨用成形体（２０６）３枚を、研磨面が支持板に接するように、また各々のつなぎ目がきっちりと合うように支持板上にならべ、つなぎ目をホッチキスで仮止めした。

大日精化工業（株）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）９０重量部に同社の架橋剤（商品名：クロスネートＥＭ−３０）３．５重量部と東レデュポン（株）製熱可塑性ポリエステルエラストマー（商品名：ハイトレル７２７７）１０重量部を原料ホッパ（２０８）に投入し金型（２０２）から押し出した。
金型（２０２）の下を、研磨用成形体を載せた支持板（２０５）を、ローラーコンベア（２０３）上を滑らせながら通過させ、金型（２０２）より押し出された溶融樹脂が、研磨用成形体（２０６）上に積層された直後に、ピンチロール（２０４）を通し、研磨用成形体と支持層を圧着した。支持層が十分に冷却した後に、ホッチキスの針を外した。
その後、得られた６３０ｍｍ角の積層体の研磨面側を、丸源鐵工所製ベルトサンダー（商品名：ＭＮＷ−６１０−Ｃ２）で研磨し、研磨用成形体表面近傍の無発泡層を除去し、研磨用積層体を得た。

＜溝加工＞
ショーダテクトロン社製クロスワイズソーを用いて、幅２ｍｍの溝を、隣り合う溝と溝との間隔が１３ｍｍとなるように、研磨面全域に格子状に施した。
溝加工の際、隣り合う研磨用成形体同士のつなぎ目には必ず溝が入るように溝間隔を、また溝が研磨用成形体（３０）を貫通して支持層（３１）まで達するように溝深さをプログラムで設定した。
得られた研磨用積層体の支持層側に、透明性の高い厚み７５μｍのＰＥＴ基材両面テープを貼り付けた後、直径６１０ｍｍφの円盤状に切り取り、研磨パッドを得た。

(実施例２)
＜研磨用積層体の作製＞
大日精化工業（株）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）１００重量部と同社の架橋剤（商品名：クロスネートＥＭ−３０）３．５重量部を用いて、実施例１と同じ方法で研磨用成形体を作製した。研磨用成形体から所定のサイズを切り出し、４０〜６０℃におけるｔａｎδの最大値を求めたところ、０．３０であった。
実施例１で使用したものと同じ積層設備を用いて、実施例１と同じ方法で支持層の押出し及び研磨用成形体と支持層の圧着を行った。支持層は研磨用成形体に用いたものと同じ配合のものを用いた。
その後、得られた６３０ｍｍ角の積層体の研磨面側を、丸源鐵工所製ベルトサンダー（商品名：ＭＮＷ−６１０−Ｃ２）で研磨し、研磨用成形体表面近傍の無発泡層を除去し、研磨用積層体を得た。
実施例１と同様な溝加工を行い、研磨パッドを得た。
実施例１で得られた研磨用成形体を用い、実施例１で使用したものと同じ積層設備を用いて押出しを行った。大日精化工業（株）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）１００重量部と同社の架橋剤（商品名：クロスネートＥＭ−３０）３．５重量部を用いて実施例１と同じ方法で支持層の押出し及び研磨用成形体と支持層の圧着を行った。支持層は研磨用成形体に用いたものと同じ配合のものを用いた。研磨用成形体から所定のサイズを切り出し、４０〜６０℃におけるｔａｎδの最大値を求めたところ、６．８であった。
支持層が十分に冷却した後に、ホッチキスの針を外した。
その後、得られた６３０ｍｍ角の積層体の研磨面側を、丸源鐵工所製ベルトサンダー（商品名：ＭＮＷ−６１０−Ｃ２）で研磨し、研磨用成形体表面近傍の無発泡層を除去し、研磨用積層体を得た。実施例１で得られた研磨用成形体を用い、実施例１で使用したものと同じ積層設備を用いて押出しを行った。大日精化工業（株）製熱可塑性ポリウレタンエラストマーエラストマー（商品名：レザミンＰ−４０３８）エラストマー、１０％モジュラスは２３ＭＰａを用いて実施例１と同じ方法で支持層の押出し及び研磨層と支持層の圧着を行った。
支持層が十分に冷却した後に、ホッチキスの針を外した。
その後、得られた６３０ｍｍ角の積層体の研磨面側を、丸源鐵工所製ベルトサンダー（商品名：ＭＮＷ−６１０−Ｃ２）で研磨し、研磨用成形体表面近傍の無発泡層を除去し、研磨用積層体を得た。

（比較例）
直径６１０ｍｍのロデール社製積層パッド（商品名：ＩＣ１０００／ＳＵＢＡ４００）を比較例として使用した。研磨用成形体から所定のサイズを切り出し、４０〜６０℃におけるｔａｎδの最大値を求めたところ、０．０７であった。
なお、本比較例の積層パッドの研磨面全域においては、実施例同様、幅２ｍｍ、隣り合う溝と溝との間隔１３ｍｍの格子状溝が施されている。

＜研磨性能評価＞
被研磨物として、３インチのシリコンウエハ上に、電解メッキで１００００ÅのＣｕを製膜したものを準備した。
研磨には定盤径２００ｍｍの片面研磨機を用いた。研磨機の定盤には、研磨パッドを両面テープで貼り付け、ダイヤモンドを電着したドレッシングディスクにより、荷重１０ｋＰａ、定盤の回転数６０ｒｐｍ、ドレッシングディスクホルダーの回転数５０ｒｐｍの条件で２時間、研磨パッド表面をドレッシングした後に、Ｃａｂｏｔ社製研磨スラリー（商品名：ｉＣｕｅ５００３）を流し、１分間、Ｃｕ膜を研磨した。
研磨条件としては、ウエハに加える荷重を３５０ｇ／ｃｍ²、定盤の回転数を７０ｒｐｍ、ウエハ回転数を７０ｒｐｍ、研磨スラリーの流量を２００ｍｌ／ｍｉｎとした。
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Ｃｕ膜厚を測定し、平均研磨速度およびウエハ面内における研磨速度ばらつき、平坦性を従来パッドと比較した。

＜評価結果＞
（実施例１）及び（実施例２）は、（比較例）に対し、ウエハ面内における研磨速度ばらつきが低減し、平坦性が向上した。また、（比較例）で研磨した後のウエハ表面には傷のようなものが存在したが、（実施例１）及び（実施例２）で研磨した後のウエハ表面には傷のようなものは存在しなかった。

本発明により得られる研磨パッドは、半導体デバイスウエハの表面平坦化加工の研磨等に好適に用いることができる。

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、研磨パッドを定盤に貼り付けた状態の一例を示す断面図である。 本発明の、研磨パッドを定盤に貼り付けた他の状態の一例を示す断面図である。 本発明の、研磨パッドを定盤に貼り付けた他の状態の一例を示す断面図である。 本発明の、研磨パッドを定盤に貼り付けた他の状態の一例を示す断面図である。 実施例で用いた研磨用成形体製造設備の概略図である。 実施例で用いた積層設備の概略図である。

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 研磨用成形体
７ 回転軸
８ ウエハ固定用治具
９ バッキング材
１０ スラリー供給用配管
１１ 支持層
１２ 研磨パッド
３０、５０、６０、７０ 研磨用成形体
３１、５１ 支持層
６１ 接着層
７１ 両面テープ基材
３２、５２、６２、７２ 研磨面
３３、５３、６３、７３ 溝
３５、５４、５６、７４、７５ 接着層
３４、５５、６４、７６ 定盤
７７ 両面テープ
１０１ 第一押出機
１０２ 原料ホッパ
１０３ 圧力調整弁
１０４ 発泡剤の注入用部品
１０５ ガスブースターポンプ
１０６ ボンベ
１０７ 中空単管
１０８ 第二押出機
１０９ 金型
１１０ 水槽
１１１ ピンチロール
１１２ 吸水ロール
１１３ 研磨用成形体
２０１ 単軸押出機
２０２ 金型
２０３ ローラーコンベア−
２０４ ピンチロール
２０５ 支持板
２０６ 研磨用積層体
２０７ 支持層

Claims (4)

1. 研磨用成形体を構成要素とする研磨パッドであって、研磨用成形体の４０℃〜６０℃における引張貯蔵弾性率と引張損失弾性率の比であるｔａｎδの最大値が０．２以上であることを特徴とする研磨パッド。
2. 前記研磨パッドがさらに熱可塑性エラストマーからなる支持層を構成要素とする請求項１記載の研磨パッド。
3. 溝を有するものである請求項１または２記載の研磨パッド。
4. 請求項１〜３何れか１項記載の研磨パッドを研磨機に装着して、被加工物表面を平坦化する研磨方法。
   
   

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