JP2007075928A - 研磨パッドおよび研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス、半導体、誘電／金属複合体及び集積回路等に平坦面を形成するのに使用される研磨用パッドにおいて、パッド間における発生スクラッチ数はほぼ一定で、パッドによってスクラッチが極端に多くなるということがない優れた研磨パッドおよび研磨装置を提供する。
【解決手段】高分子基材中にマイクロバルーンを分散させた構造の研磨層を有する研磨パッドにおいて、該研磨層が炭化水素系化合物または脂肪酸化合物を含有していて、かつその分子量が１３０〜２０００であることを特徴とするものである。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体、誘電／金属複合体及び集積回路等において平坦面を形成するのに使用される研磨用パッドおよび研磨装置に関するものである。

半導体メモリに代表される大規模集積回路（ＬＳＩ）は、年々集積化が進んでおり、それに伴い大規模集積回路の製造技術も高密度化が進んでいる。さらに、この高密度化に伴い、半導体デバイス製造箇所の積層数も増加している。その積層数の増加により、従来は問題とならなかった積層にすることによって生ずる半導体ウェハ主面の凹凸が問題となっている。その結果、例えば積層することによって生じる凹凸に起因する露光時の焦点深度不足を補う目的で、あるいはスルーホール部の平坦化による配線密度を向上させる目的で、化学機械研磨技術を用いた半導体ウェハの平坦化が検討されている（非特許文献１参照）ことが知られている。

一般に化学機械研磨装置は、被処理物である半導体ウェハを保持する研磨ヘッド、被処理物の研磨処理をおこなうための研磨パッド、前記研磨パッドを保持する研磨定盤から構成されている。そして、半導体ウェハの研磨処理は研磨剤と薬液からなるスラリーを用いて、半導体ウェハと研磨パッドを相対運動させることにより、半導体ウェハ表面の層の突出した部分が除去されてウェハ表面の層を滑らかにするものである。また一般的に研磨量は半導体ウェハと研磨パッドの相対速度、研磨圧力、研磨時間にほぼ比例すると考えられている。

この用途で用いられる研磨パッドは、一般的に気泡構造を有している。この構造により研磨中に発生する研磨屑を気泡中に取り込むことにより、被処理物上にスクラッチとよばれる傷が生じるのを防ぐことができる。この気泡構造を形成させるための手段としては、研磨層基材に中に高分子でできた中空状のマイクロバルーンを分散させる方法が一般的に用いられる。（特許文献1参照）
しかしながら、このマイクロバルーンは研磨層基材の原料に比べ比重が小さいため基材原料中に分散させる過程において上方に浮かび上がり、上層ではマイクロバルーンの密度が高く、下層に行くにつれ密度が低くなるという現象が起こり、研磨層中に均一に分散し難いと言う問題があった。そのため実際の研磨においてはパッド間において被処理物に発生するスクラッチ数が大きく変動し、パッドによってスクラッチが極端に多くなるという問題を有していた。また、研磨速度が経時的に安定せず変化しやすいという問題があった。
日経マイクロデバイス１９９４年７月号５０〜５７頁 特許第３０１３１０５号公報

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、ガラス、半導体、誘電／金属複合体及び集積回路等に平坦面を形成するのに使用される研磨用パッドにおいて、パッド間における発生スクラッチ数はほぼ一定で、パッドによってスクラッチが極端に多くなるということがない優れた研磨パッドおよび研磨装置を提供せんとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明の研磨パッドは、高分子基材中にマイクロバルーンを分散させた構造の研磨層を有する研磨パッドにおいて、該研磨層が炭化水素化合物および／または脂肪酸化合物を含有していて、かつその分子量が１３０〜２０００であることを特徴とするものである。また、本発明の研磨装置は、かかる研磨パッドを研磨定盤に装着したことを特徴とするものである。

本発明により、ガラス、半導体、誘電／金属複合体及び集積回路等に平坦面を形成するのに使用される研磨用パッドにおいて、パッド間における発生スクラッチ数はほぼ一定で、パッドによってスクラッチが極端に多くなるということがない研磨パッドおよび研磨装置
を提供することができる。

本発明は、前記課題、つまりガラス、半導体、誘電／金属複合体及び集積回路等に平坦面を形成するのに使用される研磨用パッドにおいて、パッド間における発生スクラッチ数はほぼ一定で、パッドによってスクラッチが極端に多くなるということがない研磨パッドおよび研磨装置について鋭意検討し、研磨層に分子量が１３０〜２０００であるような炭化水素化合物および／または脂肪酸化合物を含有させたところ、意外にも、前記課題を一挙に解決することができることを究明したものである。

本発明の研磨パッドは、研磨層中のマイクロバルーンを均一に分散することができるために、研磨速度を経時的に安定させることができる。

本発明の研磨パッドにおける研磨層の高分子基材としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン、エポキシ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ネオプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコンゴム、フッ素ゴムおよびこれらを主成分とした樹脂等が挙げられる。このような樹脂においても、気泡径が比較的容易にコントロールできる点でポリウレタンを主成分とするものがより好ましい。

かかるポリウレタンとしては、ポリイソシアネートの重付加反応または重合反応に基づき合成される高分子である。ポリイソシアネートの対象として用いられる化合物は、含活性水素化合物、すなわち、二つ以上のポリヒドロキシ基、あるいはアミノ基含有化合物である。

ポリイソシアネートとして、トリレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、ナフタレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、Uniroyal社製ADIPREN （登録商標）など挙げることができるがこれに限定されるものではない。

ポリヒドロキシ基含有化合物としてはポリオールが代表的であり、ポリエーテルポリオール、ポリテトラメチレンエーテルグリコール、エポキシ樹脂変性ポリオール、ポリエステルポリオール、アクリルポリオール、ポリブタジエンポリオール、シリコーンポリオール等が挙げられるがこれに限定されない。

アミノ基含有化合物としては、４，４’−メチレン−ビス(２−クロロアニリン)が好ましく用いられるがこれに限定されない。

硬度，気泡径および気泡倍率によって、ポリイソシアネートとポリオール、および触媒、発泡剤、整泡剤の組み合わせや最適量を決めることが好ましい。また重合により得られたポリウレタンにビニル化合物などを含浸し、硬度の調整をすることも可能である。なお、製造される研磨パッドの特性改良を目的として、研磨剤、帯電防止剤、潤滑剤、安定剤、染料等の各種添加剤が添加されていても良い。

本発明におけるマイクロバルーンとしては、高分子化合物原料から形成された中空ビーズ状の物質をいう。このビーズ状の物質の中にはガスが入っている。ガスとしては、空気、窒素、アルゴン、ヘリウムなどを挙げることができるが、これらに限定はされない。マイクロバルーンの原料としては、高分子化合物なら特に限定はされないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニリデンなどを挙げることができる。また市販のものを利用することも可能であり、 EXPANCEL(登録商標)を好ましく用いることができる。
導入されるマイクロバルーンの平均粒子径としては、１〜５００μｍが好ましく、より好ましくは１〜１００μｍであり、さらに好ましくは５〜５０μｍである。

マイクロバルーンの添加量としては特に限定はしないが、好ましくは研磨層の基材に対し０．５〜４％、より好ましくは１〜３％、さらに好ましくは１．５〜２．５％である。

本発明の研磨パッドにおける研磨層には炭化水素系化合物および／または脂肪酸化合物が含有されることが必要である。本発明の炭化水素系化合物は、炭素と水素のみからなる化合物であり、本発明の脂肪酸化合物は、分子中にカルボキシル基を有する化合物である。本発明の炭化水素系化合物および脂肪酸化合物は分子量１３０〜２０００であることが必要である。

本発明における炭化水素系化合物としては、テルペン系化合物が好ましい。テルペン系化合物としては、（Ｃ_５Ｈ_８）_ｎの組成で表される炭化水素系化合物を挙げることができ、その例としてはモノテルペン、セスキテルペン、ジテルペン、トリテルペン、テトラテルペンなどを挙げることができるがこれらに限定されない。テルペン系化合物の好ましく用いられる具体的な例としては、ミルセン、カレン、オシメン、ピネン、リモネン、カンフェン、テルピノレン、トリシクレン、テルピネン、フェンチェン、フェランドレン、シルペストレン、サピネン、ピサボレン、サンタレン、ジンギペレン、カリオフィレン、クルクメン、セドレン、カジネン、ロンギホレン、セスキペニレン、カンホレン、ポドカルプレン、ミレン、フィロクラデン、トタレンなどを挙げることができるがこれらに限定されない。

また本発明における脂肪酸化合物の具体的な例としては、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸、リノール酸、リノレン酸、リシノレン酸およびこれらのエステル化合物を上げることができる。好ましい例としては、牛脂系脂肪酸化合物を挙げることができる。この具体的な例としては、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸およびこれらのエステル化合物を挙げることができる。

本発明における脂肪酸化合物および炭化水素系化合物の添加方法としては、特には限定しないが、ポリオール、ポリイソシアナート、アミノ基含有化合物など研磨層の基材の原料中に添加混合しても良いし、脂肪酸化合物や炭化水素系化合物の中に研磨層の基材の原料を添加混合してもかまわない。

これらの炭化水素系化合物および脂肪酸化合物の添加量としては、特に限定はしなしが、このましくは、研磨層基材に対し０．０１〜５％、より好ましくは、０．０５〜１％である。

本発明の研磨パッドの研磨層表面には、ハイドロプレーン現象を抑える為に、溝切り形状、ディンプル形状、スパイラル形状、同心円形状等、通常の研磨パッドがとり得る形状にして使用される。

本発明の研磨パッドは、研磨前または研磨中に研磨層表面をダイヤモンド砥粒を電着で取り付けたコンディショナーでドレッシングすることが通常をおこなわれる。ドレッシングの仕方として、研磨前におこなうバッチドレッシングと研磨と同時におこなうインサイチュウドレッシングのどちらでおこなうことも可能である。

本発明でいう研磨パッドとしては、研磨層とクッション層を接着テープで積層した積層構造のものなども使用することができる。

かかるクッション性を有するクッションシートと積層してなる研磨パッドを使用して研磨する場合は、たとえば半導体基板は局所的な凹凸とは別にもう少し大きなうねりが存在しており、このうねりを吸収する層として、硬い研磨定盤と研磨パッドの間にクッションシートをおいて研磨するのであるが、このような場合が半導体基板の研磨には多いので、重要な研磨パッド構造体の一つである。

かかるクッション層としては、天然ゴム、ニトリルゴム、ネオプレンゴム、ポリブタジエンゴム、ポリウレタンゴム、シリコンゴム、不織布からなるものを使用することができるが、特にこれらに限定されるわけではない。 かかるクッション層の好ましい厚みは、０．１〜１００ｍｍの範囲である。０．１ｍｍに満たない場合は、半導体基板全面の平坦性の均一性（ユニフォーミティ）が損なわれる傾向がある。また、１００ｍｍを越える場合は、局所平坦性が損なわれる傾向がでてくる。さらに好ましい厚みの範囲は、０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下である。特に好ましい範囲は０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下である。

次に、本発明の研磨装置について説明する。

すなわち、本発明の研磨装置は、かかる研磨パッドを研磨装置の研磨定盤に装着しして構成されたものである。

すなわち、該研磨定盤と、被研磨材である半導体基板を固着してなる研磨ヘッドとを、互いに当接して相対移動させて研磨を行う手段、および、該研磨パッドと被研磨材との間にスラリーを供給する手段を少なくとも具備するものであればよい。

かかる研磨装置としては特に限定されるものではないが、半導体基板の研磨に使用する場合は、研磨ヘッド、本発明の研磨パッドを固定するための研磨定盤、ならびに研磨ヘッド、研磨定盤もしくはその双方を回転させる手段を具備していることが好ましい。

半導体デバイスの製造方法としては、まず、本発明の研磨パッドを研磨装置の研磨定盤に研磨層が研磨ヘッドと対峙するように固着させる。半導体基板は研磨ヘッドに真空チャックなどの方法により固定される。研磨定盤を回転させ、研磨定盤の回転報告と同方向で研磨ヘッドを回転させて、研磨パッドに押しつける。この時に研磨パッドと半導体基板の間にスラリーが入り込む様な位置からスラリーを供給する。押しつけ圧は、研磨ヘッドに加える力を制御することにより通常行われる。押し付け圧力は０．０１〜０．２ＭＰａであることが局所的平坦性を得られるため好ましい。

本発明の研磨パッドを用いて、スラリーとしてシリカ系スラリー、酸化アルミニウム系スラリー、酸化セリウム系スラリー等を用いて半導体ウェハ上での絶縁膜の凹凸や金属配線の凹凸を局所的に平坦化することができたり、グローバル段差を小さくしたり、ディッシングを抑えたりできる。スラリーの具体例として、キャボット社製のＣＭＰ用ＣＡＢ−Ｏ−ＳＰＥＲＳＥ ＳＣ−１、ＣＭＰ用ＣＡＢ−Ｏ−ＳＰＥＲＳＥ ＳＣ−１１２、ＣＭＰ用ＳＥＭＩ−ＳＰＥＲＳＥ ＡＭ１００、ＣＭＰ用ＳＥＭＩ−ＳＰＥＲＳＥ ＡＭ１００Ｃ、ＣＭＰ用ＳＥＭＩ−ＳＰＥＲＳＥ １２、ＣＭＰ用ＳＥＭＩ−ＳＰＥＲＳＥ ２５、ＣＭＰ用ＳＥＭＩ−ＳＰＥＲＳＥ Ｗ２０００、ＣＭＰ用ＳＥＭＩ−ＳＰＥＲＳＥ Ｗ−Ａ４００、ｉ−Ｃｕｅ５００１等を挙げることができるが、これらに限られるわけではない。

本発明の研磨パッドの対象は、例えば半導体ウェハの上に形成された絶縁層または金属配線の表面であるが、絶縁層としては、金属配線の層間絶縁膜や金属配線の下層絶縁膜や素子分離に使用されるシャロートレンチアイソレーションを挙げることができ、金属配線としては、アルミ、タングステン、銅等であり、構造的にダマシン、デュアルダマシン、プラグなどがある。銅を金属配線とした場合には、窒化珪素等のバリアメタルも研磨対象となる。絶縁膜は、現在酸化シリコンが主流であるが、遅延時間の問題で低誘電率絶縁膜が用いられる様になる。半導体ウェハ以外に磁気ヘッド、ハードディスク、サファイヤ等の研磨に用いることもできる。

本発明の研磨パッドは、ガラス、半導体、誘電／金属複合体及び集積回路等に
平坦面を形成するのに好適に使用される。

以下、実施例によって、さらに本発明の詳細を説明する。しかし、本実施例により本発明が限定して解釈される訳ではない。またスクラッチの測定は以下の方法でおこなった。

スクラッチの測定：
研磨直後のウエハを、ウエハ表面を乾かさないようにし、すぐさま純水をかけながら、ポリビニルアルコールスポンジでウエハ表面を洗浄し、自然状態に放置して乾燥を行った。乾燥後、トップコン社製ゴミ検査装置ＷＭ−３で０．５μｍ以上の付着異物およびスクラッチなどの欠陥を検出し、その後検出場所をマイクロスコープで観察し、スクラッチの数だけをカウントした。 実施例１
ポリエーテル系ウレタンポリマ（Uniroyal社製ADIPLANE（登録商標） Ｌ−３２５）７８重量部と４，４’−メチレン−ビス(２−クロロアニリン)２０重量部をＲＩＭ成形機で混合しさらに、ステアリン酸ステアリル０．５重量部とマイクロバルーン（EXPANCEL（登録商標）５５１ＤＥ）１．０重量部を添加混合し金型に吐出して加圧成形をおこない厚み２．２ｍｍのポリウレタンシートを作製した。得られた研磨層をスライサーによりスライスし、厚み１ｍｍのポリウレタンシートを２枚得た。

該研磨層２枚を直径５０８ｍｍの円に切り取り、その表面に幅２ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、ピッチ幅１５ｍｍの格子状の溝加工を施し研磨層とした。

一方ロデール社製SUBA400に両面接着テープを貼り付けクッション層を作成した。

最後にクッション層と研磨層を該両面接着テープを介して接着し、二層構造を有する２枚の研磨パッドＡ、Ｂを得た。

この研磨パッドを研磨機（アプライドマテリアルズ製ＭＩＲＲＡ（登録商標））の研磨定盤に取り付け評価を行った。

銅のダスト・スクラッチ評価用テストウエハを研磨機の研磨ヘッドに取り付けて５０ｒｐｍで回転させ、該研磨パッドを研磨機のプラテンに固着させ５０ｒｐｍで研磨ヘッドの回転方向と同じ方向に回転させ、キャボット社製銅用スラリー（ｉ−Ｃｕｅ ５００１）を１５０ｃｃ／分で供給しながら研磨圧力０．０４ＭＰａで研磨を実施した。その結果を表に示す。スクラッチは研磨パッドＡ、Ｂとも３個であった。

実施例２
実施例１でステアリン酸ステアリル０．５重量部を添加した代わりに、カンホレンを０．５重量部添加した以外は、全く実施例１と同様に２層構造を有する２枚の研磨パッドＣ、Ｄを作成した。そして実施例１と全く同様に研磨処理をおこないスクラッチ数を測定した。その結果を表に示す。スクラッチは研磨パッドＣ、Ｄとも２個であった。

比較例１
実施例１でステアリン酸ステアリルを添加した代わりに何も添加しなかったこと以外は全く実施例１と同様に２層構造を有する２枚の研磨パッドＥ、Ｆを作成した。そして実施例１と全く同様に研磨処理をおこないスクラッチ数を測定した。その結果を表に示す。研磨パッドＥは３個と少なかったものの研磨パッドＦは１２個と非常に多かった。

Claims (7)

1. 高分子基材中にマイクロバルーンを分散させた構造の研磨層を有する研磨パッドにおいて、該研磨層が炭化水素化合物および／または脂肪酸化合物を含有していて、かつその分子量が１３０〜２０００であることを特徴とする研磨パッド。
2. 該高分子基材がポリウレタンである請求項１に記載の研磨パッド。
3. 該炭化水素化合物が、テルペン系化合物である請求項１または２に記載の研磨パッド。
4. 該脂肪酸化合物が、牛脂系脂肪酸化合物である請求項１または２に記載の研磨パッド。
5. 該研磨層にクッション層が接着部材を介して貼り合わせられてなる請求項１〜４のいずれかに記載の研磨パッド。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の研磨パッドを研磨定盤に装着したことを特徴とする研磨装置。
7. 請求項６に記載の研磨装置を用いて半導体基板の表面を研磨するプロセスを含む半導体デバイスの製造方法。