JP2007512966A - 低圧力化学機械平坦化のための材料及び方法 - Google Patents

Abstract

より高いダウンフォースを用いて得られる材料除去レートとほぼ同等の材料除去レートを維持しつつ、同時にバリア材料の上に形成された主材料に関するプロセス選択性を改善しながら、約２．５ｐｓｉより小さいダウンフォースを用いて材料層を化学機械平坦化するための材料及び方法を提供する。ここに開示されている材料及び方法は、半導体デバイス製造の中の金属化工程、特に主材料が銅のようなより軟質な金属であり、バリア材料が金属窒化物のようなより硬質な材料である工程において使用するのに適している。

Description

本発明は、概して半導体基板を平坦化するための材料及び方法に関し、特に、低圧力において高い選択性で、固定砥粒パッドを用いて半導体基板の表面からプロセス材料層を除去する方法に関する。

ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリー（ＤＲＡＭ）やシンクロナス・ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリー（ＳＤＲＡＭ）のような大規模集積（ＵＬＳＩ）半導体デバイスは、多層の導電性、半導電性及び絶縁性材料からなり、所望の電子的機能を得るように設計された特定のパターンで層内及び層間が相互接続されている。一般的には１以上の層の堆積、それらの層のパターニング又はマスキング、及び材料の露出した部分のエッチングによるリソグラフィー技術を用いて、これらの材料はデバイスのそれぞれの層において選択的にパターン化されている。

半導体デバイス製造は非常に正確なプロセスであり、特にデバイス構造のサイズが縮小し続けているため、回路の複雑さは増大し続けている。下の層の表面に存在する、高さの違い、ピッチ及び反射率のばらつき並びに他の不完全さがあると、追加のプロセス層の形成、及び／又は後のリソグラフィープロセスの間に形成されるフォトレジストパターンを正確に位置決めして形状化する能力について妥協することになる場合もある。

製造プロセスの間に層の平坦性を増加させるため、本技術分野において様々な方法が開発されてきた。このような方法は、堆積した酸化物のリフロープロセス、スピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）プロセス、エッチバックプロセス及び化学機械平坦化（ＣＭＰ）プロセス（化学機械研磨とも呼ばれる）を含んでいる。ＣＭＰプロセスは、半導体基板の表面から、酸化物、窒化物、シリサイド及び金属を含む幅広い種類の材料を除去するために開発されてきた。ここで使われるように、「平坦化」及び「研磨」は、同じ一般的なカテゴリーに属するプロセスについて、相互に包含される用語であることを意図している。

多くの異なる機械構造が、様々なＣＭＰプロセスを行うために開発されてきた。ＣＭＰ処理に用いられる機械は、大別するとウェブ供給又は固定パッドのいずれかのカテゴリーに属するといえる。しかしながら両方のカテゴリーにおいて、基本的なプロセスは平坦化パッドと平坦化液体の組み合わせを使用しており、主に機械的作用を用いるか又は化学的及び機械的作用の組み合わせによって半導体基板の表面から材料を除去する。

次に、平坦化パッドは、大別すると固定砥粒（ＦＡ）又は非砥粒（ＮＡ）カテゴリーに属するといえる。固定砥粒パッドには、パッドの平坦化面の少なくとも一部を形成する材料の中に研磨粒子が分布しており、一方非砥粒パッド組成は研磨粒子を含まない。固定砥粒パッドは既に研磨粒子を含んでいるため、一般的には、追加の研磨粒子を添加していない「クリーン」な平坦化液体と組み合わせて通常用いられる。

一方、非砥粒パッドを用いた場合、平坦化プロセスで用いられるほぼ全ての研磨粒子は、平坦化液体の成分、通常はパッドの平坦化面に適用されるスラリーとして導入される。「クリーン」な液体及び研磨平坦化液体の両方とも、半導体基板から目的の材料層を除去する所望の液体特性を得る目的で、及び／又は欠陥の割合を減少させる潤滑剤を供給する目的で、酸化剤、界面活性剤、粘度調整剤、酸及び／又は塩基のような他の化学成分を含んでいてもよい。

ウェーハ表面から１種以上の材料を除去してウェーハ表面をほぼ平坦にするために、ＣＭＰプロセスは通常、平坦化スラリー又は平坦化液体と平坦化パッドの作用により生じる機械的研磨及び化学的反応を組み合わせて利用している。非砥粒パッドと組み合わせて、特に酸化膜を除去するのに用いられる平坦化スラリーは、一般的に、研磨シリカ粒子を含むＫＯＨのような水酸化物の塩基性水溶液を含んでいる。特に銅のような金属層を除去するための平坦化スラリーは、後ほど基板表面から除去される対応する金属酸化物を生成させるため、一般的に過酸化水素のような１種以上の酸化剤の水溶液を含んでいる。

このようなプロセスで用いられる平坦化パッドは、平坦化スラリーをその上に施すのに比較的適合した表面が得られる、ポリウレタンのような多孔性又は繊維状の材料を通常含んでいる。上にある材料層が十分に除去されたことを示す、常に測定可能な終了点に応答して平坦化が終了するようプロセスを自動化することによって、ＣＭＰプロセスの均一性を大幅に改善することができ、通常はその後、材料層の厚さのばらつきを補正するために短時間「オーバーエッチ」又は「オーバー・ポリッシュ」する。

ウェーハ表面を平坦化するための粒子の大きさ及び濃度は、得られる表面の仕上がり及びＣＭＰプロセスの生産性に直接影響することがある。例えば、研磨粒子の濃度が低すぎる、又は研磨粒子の大きさが小さすぎると、材料の除去レートは一般的に遅くなり、プロセスのスループットも減少する。反対に、研磨粒子の濃度が高すぎる、研磨粒子の大きさが大きすぎるか、又は研磨粒子が凝集し始めると、ウェーハ表面はよりダメージを受けやすくなり、ＣＭＰプロセスがよりばらつく傾向が見られることがあり、及び／又は材料の除去レートが減少することがある。その結果、スループットは減少し、歩留まり又はデバイスの信頼性が減少し、及び／又はスクラップが増加する。

ＣＭＰプロセスにおいては、さらにウェーハの処理を複雑にしプロセスのスループットを減少させる、顕著な性能のばらつきが経時で生じることがある。多くの場合性能のばらつきは、ＣＭＰプロセス自体の結果として、平坦化パッドの特性が変化することに起因することがある。このような変化は、粒子の凝集、及び／又は粒子のパッド表面への滞留もしくはパッド表面上での固化によって生じうる。このような変化はまた、パッドの磨耗、光沢化、又は変形が原因でありうるし、又は単にパッド材料が経時で劣化することが原因であったりもする。

一般的な平坦化プロセスでは、平坦化装置は、半導体基板上の１つ以上のパターンの上に形成された材料層の非平坦な表面を平坦化パッドの平坦化面に接触させる。平坦化プロセスの間所望の平坦化面を作るために、通常平坦化パッドの表面は研磨スラリー及び／又は平坦化液体で絶えず濡れている。その後、平坦化面が材料層の上側の部分を除去し始めるように基板及び／又はパッドの平坦化面は接触するように促され、互いに相対的に動かされる。基板表面全体の材料層をほぼ均一に除去するために、この相対運動は単純又は複雑でもよく、平坦化パッド及び／又は基板による１以上の横方向、自転、公転又は軌道運動を含んでもよい。

ここで使われるように、横方向運動は単一方向の運動であり、自転運動は自転体の中心点を通る軸の周りの回転であり、公転運動は非中心軸の周りの公転体の回転であり、軌道運動は振幅を伴った自転又は公転運動である。前述するように、基板及び平坦化パッドの相対運動は別の種類の運動を組み合わせてもよいが、その運動は、平坦化された基板表面を得るために、通常は基板表面にほぼ並行な面に限定される。

固定砥粒パッドの種類は、半導体ウェーハ処理の技術分野において既知であり、例えばＲｕｔｈｅｒｆｏｒｄ他の米国特許第５６９２９５０号、Ｒｏｂｉｎｓｏｎの米国特許第５６２４３０３号、Ｂａｌｄｙ他の米国特許第５３３５４５３号に開示されている。これらの種類の固定砥粒パッドは、平坦化する能力を維持するために平坦化面の上に適当な数の凹凸を生成させることを目的として、ＣＭＰプロセスで使用できるようになる前に通常はプレ・コンディショニングサイクルを必要とし、加えて周期的な再コンディショニング又はｉｎ−ｓｉｔｕ表面コンディショニングを使用中に必要とする。

ＣＭＰ処理の第１の目標は、平坦化された基板表面全体にわたって均一な深さの材料層又は材料層の部分を有している、欠陥のない平坦化された基板表面を作ることである。ＣＭＰプロセスのスループットを最大にしてウェーハ１枚あたりのコストを減少させるような他の目標は、可能な限り最も平坦化された表面を作ることと時々相反することがある。平坦化面の均一性及びプロセスのスループットは、平坦化液体、平坦化パッド、装置保全、加えて一連の他の操業パラメータを含むＣＭＰプロセス全体の効率と再現性に直接関係している。除去される（複数の）材料層の組成、及び／又は使用される平坦化パッドの組成にいくらか特化した、多様な平坦化スラリー及び液体が開発されてきており、対象を特化して作られたこれらのスラリー及び液体は、十分な材料除去レート及び特定のＣＭＰプロセスにおける選択性を得ることを目的としている。

ＣＭＰの利点は、単一の半導体基板上に露出している異なる材料層の、化学的及び機械的材料除去レートの間に存在しうる又は生じうるアンバランスのような、このような組み合わせのプロセスに固有の差異によっていくらか相殺されることがある。さらに、通常のＣＭＰプロセスにおいて使用される研磨粒子及び他の化学薬品の両方とも比較的高価な場合があり、また一般的に再利用又はリサイクルに適していない。パッド全体をウェーハ表面が移動するときに、十分な材料がウェーハ表面の全ての点で利用可能であることを確実とするためには過剰の材料を平坦化パッドの表面に供給せざるを得ないが、そのことがこの問題に輪を掛けている。それゆえ、ＣＭＰプロセスで使用される研磨剤及び他の化学薬品の量を減らすことが、使用に先立つ材料購入とその保管、及び付随する廃棄材料の処分に関する懸念と出費の、両方に関係するコストを減らすために望まれている。

ＣＭＰプロセスのばらつきを減らし品質を上げるための多くの試みが、既に開示されてきている。例えば、Ｓｃｈｕｌｔｚ他の米国特許第５４２１７６９号では、回転しているウェーハの端部がウェーハの内側の表面よりも多く平坦化パッドを横切ることが原因で生じるばらつきの補正を目的とした、非円形平坦化パッドが開示されている。Ｙｕ他の米国特許第５４４１５９８号では、ウェーハ表面全体にある広狭構造をより平坦に研磨することを意図した平坦化面を提供するために、テクスチャ化した平坦化面を有する平坦化パッドが開示されている。Ｐｉｅｒｃｅ他の米国特許第５２８７６６３号では、下にあるより硬い特徴部の間から材料を過剰に平坦化すること、すなわち「ディッシング」することを減らすために、平坦化面の反対に剛直層、及び剛直層に隣接した弾力性層を備えた複合平坦化パッドが開示されている。前述の各引用文献は、参照によりその内容全部を本明細書の一部とする。

ウェーハ平坦化の不均一さを最小化するための他の先行技術の試みは、過剰な平坦化を制御する「ストップ」層として機能する、ウェーハ表面上の追加の材料層を形成することに主眼を置いている。Ｂｕｒｋｅ他の米国特許第５３５６５１３号及び第５５１０６５２号、並びにＤａｗｓｏｎ他の米国特許第５５１６７２９号のいずれも全て、下にある回路構造を保護するために、除去される層の下にあるＣＭＰプロセスへの抵抗性が増大している追加の材料層を開示している。しかしながら、これら追加の材料層は、半導体製造プロセスフローを複雑化してしまうし、Ｄａｗｓｏｎ他によって認識されているように、完全に「ディッシング」の問題を克服してはいない。前述の各引用文献は、参照によりその内容全部を本明細書の一部とする。

平坦化パッド組成及びその構造に関するより最近の試みが、Ｗａｌｋｅｒ他の米国特許第６４２５８１５号（二重材料平坦化パッド）、Ｊａｍｅｓ他の米国特許第６０６９０８０号（所定の特性を有するマトリクス材料を用いた固定砥粒パッド）、Ｊａｍｅｓ他の米国特許第６４５４６３４号（多相自己ドレッシング平坦化パッド）、Ｓｗｉｓｈｅｒ他の国際公開番号０２／２２３０９ Ａ１（架橋した高分子バインダー中に粒子状高分子を有する平坦化パッド）、Ｍｅｒｃｈａｎｔ他の米国特許第６３６８２００号（独立気泡弾性体フォームの平坦化パッド）、Ｗａｌｋｅｒの米国特許第６３６４７４９号（研磨突起物と親水性陥凹を有する平坦化パッド）、Ｕｒｂａｎａｖａｇｅ他の米国特許第６０９９９５４号（微細粒子状物質を用いた弾性体組成物）、及びＲｅｉｎｈａｒｄｔの米国特許第６０９５９０２号（ポリエステル及びポリエーテルポリウレタン類の両方から作製された平坦化パッド）に開示されている。前述の各引用文献は、参照によりその内容全部を本明細書の一部とする。

半導体デバイスを製造する間の、金属基板及び非金属基板に対する従来の研磨は、通常少なくとも約３ｐｓｉ（０．２１ｋｇ／ｃｍ²）の下方への圧力（ダウンフォースとも呼ばれる）を与えて行われ、許容できる除去レートを得るために６ｐｓｉ（０．４２ｋｇ／ｃｍ²）以上に及んでもよい。しかしながら、下方への圧力を増やすと除去レートは増大するが、研磨されているウェーハ内部にディッシング、エロージョン及びスクラッチなどの欠陥が生じる可能性もまた増大する。その結果スクラップ発生率が増大して、プロセスを通り抜けたウェーハの歩留まり率が減少する。下方への圧力を増大させると、研磨している基板上に存在しうる異種材料間の研磨選択性もまた減少する傾向があり、そのため下にある層の一部も同じように除去せずに、（複数の）層の目的とする部分を完全に除去することがさらに困難になる。前述するように、このような選択性が欠如すると、下にある構造を保護するために追加のより硬いバリアー層又は「ストップ」層を使用することになり、これらの追加層を堆積及び除去するために製造プロセスがさらに複雑になる。

本発明は、半導体デバイス製造において有用な材料及び方法、具体的には、半導体基板上に堆積又は形成された１つ又はそれ以上の層を平坦化するための材料及び方法を提供し、その材料及び方法は、
相互連結した複数の気泡を画定する熱硬化高分子マトリクスの連続気泡構造と、その高分子マトリクス全体に分布する研磨粒子とを有する固定砥粒材料を含む研磨パッドの研磨面に、キャリア液体を適用することにより基板の主表面から材料を除去し、
第１の力を与えながら、基板の主表面とほぼ平行な面において基板と研磨パッドの間に相対運動を生じさせるに際し、その第１の力によって主表面と研磨面を接触に至らせ、
第２の力を与えながら、基板の主表面にほぼ平行な面においてコンディショニングエレメント及び研磨パッドの間に相対運動を生じさせて研磨面をコンディショニングするに際し、その第２の力によってコンディショニングエレメントと研磨面を接触に至らせ、そのことにより固定砥粒材料から遊離研磨粒子を解放し、及び
遊離研磨粒子によって基板の主表面を研磨して基板の主表面から材料の一部を除去することを含み、
第１の力は約２．５ｐｓｉ（０．１８ｋｇ／ｃｍ²）以下である。

基板から除去できる材料の種類は、半導体デバイス製造において使用される任意の材料を含んでもよいが、この特定の方法は、金属化工程の最中に、層として又はパターンとして存在するかにかかわらず、Ｃｕ、Ｗ、ＷＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｒｕ及びＲｕＮを含む導電性材料及びバリア材料の除去に用いるのが特に適していると考えられる。研磨パッドに組み込まれており、コンディショニング工程の最中に高分子マトリクスと一緒にパッドから放出される研磨粒子は、アルミナ、セリア、シリカ、チタニア及びジルコニアからなる群から選択される１種以上の粒子状物質を含んでいてよく、粒子状物質の平均粒径は約２μｍより小さく、好ましくは約１μｍより小さい。また、その研磨粒子は固定砥粒材料の約２０質量％〜約７０質量％を構成してもよい。

典型的な方法で操業している間、研磨パッドはｉｎ−ｓｉｔｕコンディショニングされており、このコンディショニングプロセスは好ましくはほぼ連続的であり、及び研磨される各基板について、約０．０１〜約０．５μｍの固定砥粒材料を研磨パッドの研磨面から除去するように操作される。固定砥粒材料は以下を含む特性範囲で特徴づけることができ、密度が約０．５〜約１．２ｇ／ｃｍ³、ショアＡ硬度が約３０〜約９０、反発弾性率が５ｐｓｉで約３０〜約９０％、圧縮率が５ｐｓｉで約１〜１０％であるが、好ましくは、固定砥粒材料は、密度が約０．７５〜約０．９５ｇ／ｃｍ³、ショアＡ硬度が約７５〜約８５、反発弾性率が５ｐｓｉで約５０〜約７５％、圧縮率が５ｐｓｉで約２〜４％である。研磨操作の最中に研磨パッドの表面に適用されるキャリア液体は、研磨材を実質的に含まなくてもよいが、通常は酸、酸化剤、塩基、キレート剤及び界面活性剤からなる群から選択される１種以上の材料を含んでいる。

図中のグラフ及び説明図は、ここに本発明の典型的な実施態様を記載する目的で、そのような実施態様の方法及び材料の一般的特性の提示を意図したものであることに注意する。これらのグラフ及び説明図は、任意の所定の実施態様における諸特性を厳密に反映しなくてもよく、本発明の範囲内とする実施態様の値又は特性の範囲を、完全に画定又は限定することを必ずしも意図しない。

本発明の典型的な実施態様を以下に記載し及び添付図で説明する。これらの典型的な実施態様を当業者が本発明を実施可能であるように十分詳細に記載するが、特許請求の範囲を不当に限定するものと解釈してはならない。実際に、他の実施態様を使用できること、記載する本発明の精神及び範囲を逸脱せずにプロセス又は機械の変更が可能であることも、当業者に容易に理解されることである。

本発明は半導体デバイス製造に有用な方法を提供する。ここで述べるように、そのようなデバイスは任意のウェーハ、基板、又は導体材料、半導体材料及び絶縁材料を含む１以上の層を含む他の構造体を含む。「ウェーハ」、「基板」はここではもっとも広い意味で使用し、金属酸化膜シリコン（ＭＯＳ）、シャロー・トレンチ・アイソレーション（ＳＴＩ）、シリコン・オン・サファイア（ＳＯＳ）、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、ドープ及び非ドープの半導体類、エピタキシャルシリコン、ＩＩＩ−Ｖ族半導体組成物、ポリシリコン、及びそれらを製造中の任意の工程における他の半導体構造のような、任意のベース半導体構造を含む。

図１Ａは、第１層１０及びパターン化した第２層１２を有する典型的な基板１を図示したものである。通常の半導体プロセスにおいて、第１層１０は、単結晶シリコンウェーハもしくは他のベース半導体層、他の層からパターン化した第２層１２を分離する絶縁層、又は以前の処理工程中に形成された複数層の組み合わせを含む。その後、図１Ｂに図示するように、実際は１種以上の材料からなる複数層を含んでもよい材料層１４を、通常はパターン化した層１２の上に形成又は堆積して、ウェーハ上に非平坦な表面を形成する。

そのまま放置した場合、このような平坦性の欠如は、以後の処理工程中に致命的ではないとしても大幅なプロセスの複雑化をもたらすことがある。そのため、全てではないとしてもほとんどの半導体の製造プロセスは、ウェーハがさらに処理される前にほぼ平坦な表面を形成するために、スピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）、エッチバック（又はブランケットエッチ）、又は化学機械平坦化（ＣＭＰ）のような１以上の平坦化プロセスを含んでいる。

図１Ｃに図示するように、通常のＣＭＰプロセスは、実質的により平坦な表面を形成するために、パターン化した層１２の開口部の中に堆積している材料層１４の部分１４Ａを残しながら、パターン化した層１２の上に横たわっている材料層１４の部分を除去する。プロセスに応じて、平坦化プロセスの最中に下にあるパターンを保護するために、ＣＭＰに対してより抵抗性のある材料を含むストップ層をパターン化した層１２の上側の表面に組み合わせてもよい。第１層１０、第２層１２、及び材料層１４の実際の組成及び構造は、半導体デバイスの製造中に組み合わされる、半導体材料、絶縁材料又は導体材料の任意の組み合わせを含んでもよい。

図２Ａ〜Ｂに図示するように、固定砥粒平坦化パッドを備えて使用される典型的なＣＭＰ装置は、少なくとも、平坦化パッド１８を支持するプラテン１６、ウェーハ２２を保持してウェーハの主表面を平坦化パッド１８の主表面に隣接するよう位置決めするウェーハキャリア２０、及び平坦化パッドの主表面をコンディショニングするためのコンディショニング機構２４とキャリア液体をパッドの主表面に適用するためのキャリア液体供給ライン２６を含んでいる。プラテン１６及びウェーハキャリア２０は、ウェーハと平坦化パッドが互いに反対に移動するような力を与えながら、平坦化パッド１８の主表面とウェーハ２２の主表面の間に相対運動をもたらすように配置されている。

本発明の方法は、固定砥粒材料を含む研磨パッドを使用することを含む。典型的な固定砥粒材料は、相互連結した複数の気泡を画定する熱硬化高分子マトリクスの連続気泡構造、及びその高分子マトリクス全体にほぼ均一に分布する微細な研磨粒子を有する。本発明に有用な固定砥粒材料は、ポリウレタン、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、ポリアクリレートポリオール、及びポリスチレン／ポリアクリレートラテックスのような１種以上の組成物からなる水系分散または水系エマルジョンを含む高分子組成物から好ましくは製造される。高分子組成物はまた、重合触媒、アミン及びジオールを含む鎖延長剤、脂肪族及び芳香族の両方のイソシアネート、界面活性剤及び粘度調整剤を含む１種以上の添加剤を含んでもよい。

固定砥粒材料の製造に有用なポリウレタン分散の典型的な実施態様は、水、研磨粒子及びポリウレタン（及び／又はポリウレタンを形成することが可能な混合物）を含む。ポリウレタン分散は、一般的に界面活性剤のような１種以上の添加剤も含んでおり、添加剤は、発泡助剤、湿潤剤及び／又は気泡安定剤、及び粘度調整剤として作用しうる。ポリウレタンフォーム材料は、例えば、分散してからいくらかの時間、一部のイソシアネートが反応性を保持しているポリウレタンプレポリマーを含んでもよいが、ここで参照されているように、ポリウレタンプレポリマー分散はほぼ完全に反応してポリウレタンポリマー分散を生成している。また、「ポリウレタンプレポリマー」及び「ポリウレタンポリマー」は、例えば尿素基のような他の種類の構造を包含していてもよい。

ポリウレタンプレポリマーは活性水素化合物をイソシアネート、通常は化学量論的に過剰量のイソシアネートと反応させることにより得られる。ポリウレタンプレポリマーは約０．２〜２０％のイソシアネート官能基を有していてもよく、約１００〜約１００００の範囲の分子量を有していてよく、通常は分散した状態でほぼ液状である。プレポリマーの組成には、通常ポリオール成分、例えば２以上のヒドロキシル基又はアミン基を有する活性水素を含む化合物が含まれる。典型的なポリオールは公知であり、Ｈｉｇｈ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，Ｖｏｌ．ＸＶＩ，「Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｓ，Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」，Ｓａｕｎｄｅｒｓ ａｎｄ Ｆｒｉｓｃｈ，Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，Ｖｏｌ．Ｉ，ｐｐ．３２−４２，４４−５４（１９６２）及びＶｏｌ．ＩＩ，ｐｐ．５−６，１９８−９９（１９６４）；Ｏｒｇａｎｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｋ．Ｊ．Ｓａｕｎｄｅｒｓ，Ｃｈａｐｍａｎ ａｎｄ Ｈａｌｌ，Ｌｏｎｄｏｎ，ｐｐ．３２３−２５（１９７３）；Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｉｎ Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｓ，Ｖｏｌ．Ｉ，Ｊ．Ｍ．Ｂｕｒｓｔ，ｅｄ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，ｐｐ．１−７６（１９７８）のような出版物に記載されている。

ポリウレタンプレポリマー分散は、ポリウレタンの分子量を増加させるための鎖延長剤及び／又は架橋剤を含んでいてもよい。ポリウレタンプレポリマー分散はまた、例えば３級アミン、有機金属化合物及びこれらの混合物のような触媒、並びにカチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤及び非イオン性界面活性剤に加えて、内部及び外部界面活性剤から選択される界面活性剤を含んでいてもよい。ポリウレタン分散及びポリウレタン製造の他の場面、特に機械的発泡によって調製されるポリウレタンフォームに関する製造の他の場面において、界面活性剤、湿潤剤及び粘度調整剤組成物を選択し使用することが米国特許第６３７２８１０号及び第６２７１２７６号に記載されており、参照によりその内容全部を本明細書の一部とする。

平均粒径が約５ミクロンより大きいポリウレタン分散がより不安定な傾向があるのに対して、平均粒径が約５ミクロンより小さいポリウレタン分散は一般に保存安定的又は貯蔵安定的であると考えられている。ポリウレタン分散は、ポリウレタンプレポリマーを水と混合し、ミキサーを用いてプレポリマーを水中に分散することにより調製できる。代わりに、プレポリマーと水をスタティックミキサー装置に入れて、水とプレポリマーをスタティックミキサー中で分散させることによっても、ポリウレタン分散を調製できる。ポリウレタンの水系分散を調製するための連続法もまた、例えば米国特許第４８５７５６５号、第４７４２０９５号、第４８７９３２２号、第３４３７６２４号、第５０３７８６４号、第５２２１７１０号、第４２３７２６４号、第４０９２２８６号及び第５５３９０２１号に開示されているように広く知られており、参照によりその内容全部を本明細書の一部とする。

研磨パッドを形成するのに有用なポリウレタン分散は、一般的にポリウレタン成分、研磨粒子、並びに発泡を制御し及び得られるフォームを安定化する１種以上の界面活性剤を含んでおり、耐摩耗性、引張、引裂及び延び（ＴＴＥ）、圧縮永久歪、フォーム回復、湿潤強度、靭性、粘着のような所望のフォーム特性を維持しながら、密度が３５０ｋｇ／ｍ³〜１２００ｋｇ／ｍ³の硬化したフォームを生成する。

当業者にとって理解されるように、これらの様々な特性のいくつかは相互に関連しており、ある１つの特性の変更は１種以上の他の特性値に影響する傾向がある。しかしながらここで開示する内容に従えば、当業者は多くの用途で許容できる特性値の組み合わせを有するある範囲の組成物を製造することができる。

硬化したフォームは、約３５０ｋｇ／ｍ³〜１２００ｋｇ／ｍ³の密度を有していてよいが、好ましいフォームは約６００〜１１００ｋｇ／ｍ³、より好ましいフォームは約７００〜１０００ｋｇ／ｍ³、もっとも好ましいフォームは約７５０〜９５０ｋｇ／ｍ³の密度を有している。

ポリウレタン分散はまた１種以上の研磨粒子組成物を含む。そのような研磨組成物は乾燥粉末または水系スラリーのいずれかでもよく、約１〜８０質量％、より好ましくは約２０〜７０質量％の研磨粒子を含む最終ポリウレタン分散組成物を生成する。研磨粒子は１種以上の微細な研磨材料、典型的にはシリカ、セリア、アルミナ、ジルコニア及びチタニアからなる群から選択される１種以上の無機酸化物を含んでいてもよく、約１０ｎｍ〜１μｍ、好ましくは約６００ｎｍより小さい平均粒径を有していてもよい。

ポリウレタン分散は、ポリウレタン分散の粘度を調整するために粘度調整剤、特に増粘剤を含んでいてもよい。そのような粘度調整剤には、ＡＣＵＳＯＬ ８１０Ａ（Ｒｏｈｍ＆Ｈａａｓ Ｃｏｍｐａｎｙ）、ＡＬＣＯＧＵＭ（商標）ＶＥＰ−ＩＩ（Ａｌｃｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）、及びＰＡＲＡＧＵＭ（商標）２４１（Ｐａｒａ−Ｃｈｅｍ Ｓｏｕｔｈｅｒｎ，Ｉｎｃ．）が含まれる。他の適当な増粘剤には、Ｍｅｔｈｏｃｅｌ（商標）の製品群（Ｔｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ）のようなセルロースエーテルが含まれる。粘度調整剤については、所望の粘度を得るのに必要とする任意の量がポリウレタン分散中に存在していてよいが、その量は好ましくは１０質量％より小さく、より好ましくは５質量％より小さい。

得られたポリウレタン分散については、有機固形分含量が最大で約６０質量％、無機固形分含量、例えば研磨粒子が最大で約６０質量％、粘度が約５００〜５００００ｃＰ、ｐＨが約４〜１１であってよく、最大で約２５質量％の界面活性剤を含んでいてもよい。また、このポリウレタン分散については、通常は平均有機粒子径が約１０ｎｍ〜５０μｍであり、好ましくは分散の安定性を改善するために約５μｍよりも小さい。

ポリウレタン分散からポリウレタンフォームを生成するためには、例えば、空気、二酸化炭素、酸素、窒素、アルゴン及びヘリウムのような１種以上の気体を一般的に含む、１種以上の発泡剤を通常は注入してポリウレタン分散を発泡する。圧力をかけてポリウレタン分散の中に発泡剤を注入することによって、発泡剤がポリウレタン分散の中に通常導入される。その後、機械式の発泡装置を用いて機械的な剪断力をポリウレタン分散に与えることにより、ほぼ均一な泡が生成する。発泡した組成物の均一性を改善するために、発泡剤を除くポリウレタン分散の全ての成分を、発泡プロセスの前に過剰量の気体が分散の中に入らないようにして混合しておくことが好ましい。機械的な発泡は、ＯＡＫＥＳ，ＣＯＷＩＥ＆ＲＩＤＩＮＧ及びＦＩＲＥＳＴＯＮＥを含むメーカーから入手できる発泡装置を含む、様々な装置を用いて行うことができる。

ポリウレタン分散を一旦発泡させると、発泡した組成物層を、ドクターナイフもしくはドクターロール、エアナイフ、又はドクターブレードのような、層を塗布及び測定するための塗布装置を用いて、ポリカーボネートシート又は他の高分子材料のような適当な基材に塗布することができる。例えば、米国特許第５４６０８７３号及び第５９４８５００号を参照することにより、その内容全部を本明細書の一部とする。また、裏面の材料又は基材は、発泡したポリウレタン分散を塗布する前に、約２５〜５０℃の温度に加熱してもよい。

基材に発泡したポリウレタン分散を塗布した後に、発泡物の中に残っている水をほぼ全て除去してポリウレタン材料を硬化する処理を発泡物に施すことにより、気泡壁全体にほぼ均一に分散した微細な研磨粒子を含む連続気泡構造を有する弾力性のポリウレタンフォームを形成する。好ましくは、発泡物を加熱することにより少なくとも部分的に水を除去し、約５０〜２００℃の温度に到達する能力のある、赤外線オーブン、対流式オーブン、マイクロ波又は加熱板などの１種以上のエネルギー源を使用することができる。発泡物はまた、段階的又は連続的な傾斜のように徐々に昇温することにより硬化させることができる。例えば、発泡物層を硬化するには、それぞれ約７０、１２５、及び１５０℃でおよそ３０分ずつ３段階で加熱することを含んでもよい。

発泡したポリウレタン分散は、基材の特性、所望のコート質量及び所望の厚さに応じて、乾燥質量で約１ｋｇ／ｍ²〜約１４．４ｋｇ／ｍ²（約３．３ｏｚ／ｆｔ²〜約４７．２ｏｚ／ｆｔ²）の範囲の膜厚と質量が得られるように基材に塗布することができる。例えば、約３〜６ｍｍの厚さを有するフォームであれば、好ましいコーティング質量は、乾燥質量で約２．１ｋｇ／ｍ²〜約５．７ｋｇ／ｍ²（約６．９ｏｚ／ｆｔ²〜約１８．７ｏｚ／ｆｔ²）である。約１２ｍｍの厚さを有するフォームであれば、好ましいコーティング質量は、乾燥質量で約９ｋｇ／ｍ²〜約１１．４ｋｇ／ｍ²（約２９．５ｏｚ／ｆｔ²〜約３７．４ｏｚ／ｆｔ²）である。

スチレン−ブタジエン分散、スチレン−ブタジエン−塩化ビニリデン分散、スチレン−アルキルアクリレート分散、エチレンビニルアセテート分散、ポリクロロプロピレンラテックス、ポリエチレン共重合体ラテックス、エチレンスチレン共重合体ラテックス、ポリ塩化ビニルラテックス又はアクリル分散、同様の化合物、及びこれらの混合物を含む他の種類の水系高分子分散を前述のポリウレタン分散と組み合わせて使用することができる。適当な水系高分子分散を調製するのに有用な他の成分には、アクリル基又はアミン基、アクリレートプレポリマー、エポキシ、アクリル分散、アクリレート分散及びハイブリッドプレポリマーを有するポリオール類が含まれる。

前述の発泡したポリウレタンを硬化することにより生成したポリウレタンフォームは、通常は弾力性の連続気泡フォーム、すなわちＡＳＴＭ Ｄ３５７４に従い試験したときに少なくとも５％のレジリエンスを示すフォームである。ポリウレタンフォームについては、好ましくはレジリエンスが約５〜８０％、より好ましくは約１０〜６０％、もっとも好ましくは約１５〜５０％を示し、フォーム密度が約０．３５〜１．２ｇ／ｃｍ³、好ましくは約０．７〜１．０ｇ／ｃｍ³、もっとも好ましくは約０．７５〜０．９５ｇ／ｃｍ³を示す。

図３Ａに図示するように、固定砥粒材料１９はほぼ均一に分布した研磨粒子３０を含む高分子材料２８を含む。高分子材料は、その内部において近接した小さい気泡３２が不規則に互いに連結している連続気泡構造を有し、固定砥粒材料の表面から固定砥粒材料のバルクの内部へ及びそのバルクを貫通して流体が流れる経路を提供している。

図３Ｂに図示するように好ましい実施態様においては、固定砥粒材料１９は、固定砥粒平坦化パッド１８を形成するために、基板材料２１の上のほぼ均一な層として設けられる。好ましい方法においては、固定砥粒材料１９の露出した主表面上にナノサイズの凹凸３３を形成するように材料がコンディショニングされる。固定砥粒材料１９の連続気泡構造は、固定砥粒材料の内部へ及び固定砥粒材料を貫通して、並びに基板材料２１を貫通して液体及び微粒子が流れることを可能にする。基板材料２１は多層及び／又は複合構造を有していてもよい。支持材料すなわち基板材料２１及び固定砥粒材料１９の層の両方とも多様な流路又は開口（不図示）を含むように変更することができ、プロセス又は装置に特化したアタッチメントに、液体の流れ及び／又は可視的もしくは物理的な接近経路を付与する。理解できるように、図３Ａ〜Ｃは論議を目的として、本発明に従った固定砥粒材料及び固定砥粒材料を用いた平坦化パッド構造の単純化した実施態様を説明することのみを意図しており、このような事情から寸法は図示されておらず、それゆえ本発明を限定するものとみなしてはならない。

本発明を実施するのに有用な固定砥粒材料をＳＥＭで観察し、図４Ａ及び４Ｂに示される顕微鏡写真を撮影した。図４Ａは、比較的低倍率で固定砥粒材料の表面を示したものであり、本発明で使用される固定砥粒材料の高度な連続構造を図示している。図４Ｂは、より高い倍率で固定砥粒材料の一部を示したものであり、気泡構造の詳細を明らかにし、及び研磨粒子、すなわち明るい点が固定砥粒材料の気泡壁を形成する高分子組成物全体に均一に分布していることを図示している。

固定砥粒材料の密度は、約０．５〜約１．５ｇ／ｃｍ³、好ましくは約０．７〜約１．４ｇ／ｃｍ³、より好ましくは０．９〜約１．３ｇ／ｃｍ³、もっとも好ましくは約１．１〜１．２５ｇ／ｃｍ³であってよい。固定砥粒材料のショアＡ硬度は、約３０〜約９０、好ましくは約７０〜約８５、より好ましくは約７５〜約８５であってよい。固定砥粒材料の５ｐｓｉにおける反発弾性率は、約３０〜約９０％、好ましくは約５０〜約８０％、より好ましくは約５０〜約７５％であってよい。固定砥粒材料の５ｐｓｉにおける圧縮率は、約１〜約１０％、好ましくは約２〜約６％、より好ましくは約２〜約４％であってよい。固定砥粒材料の空隙率は、約５〜６０％、好ましくは約１０〜５０％、より好ましくは約２０〜４０％であってよい。固定砥粒材料の平均気泡径は、約５〜５００μｍ、好ましくは約３０〜３００μｍ、より好ましくは約３０〜２００μｍであってよい。

本発明の固定砥粒材料から製造された平坦化パッドは、あるプロセスにおいて半導体基板の主表面から１種以上の材料を除去するのに使用することができ、そのプロセスとは、
相互連結した複数の気泡を画定する熱硬化高分子マトリクスの連続気泡構造と、その高分子マトリクス全体に分布した研磨粒子とを有する固定砥粒材料から形成されている研磨パッドの研磨面に、キャリア液体を適用すること、
基板の主表面と研磨面を接触に至らしめる約２．５ｐｓｉ（０．１８ｋｇ／ｃｍ²）以下の力を与えながら、基板の主表面とほぼ平行な面において基板と研磨パッドの研磨面の間に相対運動を生じさせること、
研磨面をコンディショニングし、そのことにより固定砥粒材料から研磨粒子を解放して遊離研磨粒子を生成すること、及び
遊離研磨粒子により基板の主表面を研磨して、基板の主表面から材料の一部を除去することによるものである。

この方法の工程は、逐次的に、すなわち１以上の工程がほぼ同時に実施される連続プロセスにおいて実施することができる。好ましいプロセスにおいては、キャリア液体を適用し、コンディショニングし、及び相対運動を生じさせる工程はほぼ同時に実施される。この方法は、本技術分野におけるＣＭＰプロセスに従来から用いられている装置を含む、任意の種々の装置を用いて実施することができる。

本発明の方法は、キャリア液体を研磨パッドの研磨面に適用することを含む。キャリア液体は、湿潤して研磨パッドのコンディショニングを促進する能力のある任意の液体である。キャリア液体は溶液又はエマルジョンでもよく、好ましくは水性である。キャリア液体又はキャリアエマルジョンは、例えば、湿潤剤、懸濁剤、ｐＨ緩衝剤、酸化剤、キレート剤、酸化剤及び／又は研磨粒子を含んでもよい。酸化物を除去するのに好ましいキャリア液体は、脱イオン（ＤＩ）水、及び液体のｐＨを約４〜約１０、好ましくは約５〜約８に調節するための酸性材料又は塩基性材料と１種以上の他の成分との適当な組み合わせを含む。

一方、銅（Ｃｕ）のような金属を除去するのに好ましいキャリア液体は、酸化剤溶液、例えば約５質量％の過酸化水素を、キレート剤及び１種以上の界面活性剤と組み合わせて含んでいてもよい。好ましいキレート剤は、エチレンジアミンテトラ酢酸（ＥＤＴＡ）、ヒドロキシエチルエチレンジアミントリ酢酸（ＨＥＤＴＡ）、ニトリロトリ酢酸（ＮＴＡ）、ジエチレントリアミンペンタ酢酸（ＤＰＴＡ）、エタノールジグリシネート及びこれらの混合物のようなアミノカルボキシレートを含む。

研磨パッドの研磨面へのキャリア液体の適用は、研磨面のコンディショニングとほぼ同時に好ましくは行われる。キャリア液体は、パッドの研磨面全体にキャリア液体を十分な量で満遍なく分布するように供給する、任意の適当な手段を用いて適用することができる。このような手段には、コンディショニングスラリー又は平坦化スラリーを適用するのに、本技術分野で既知であり使用されているものと同様の方法及び装置が含まれる。

前述のように高分子マトリクスに固定された砥粒材料で覆った研磨パッドは、ＣＭＰプロセスの間、低レートで基板表面から材料を除去する能力を有することがあるが、材料の除去レートは、研磨面のｉｎ−ｓｉｔｕコンディショニングを通じて遊離研磨粒子を生成することによる好ましい実施態様において改善することができる。好ましい実施態様においては、固定砥粒材料の連続気泡構造のおかげで、研磨前に研磨パッドを準備するための従来の「ブレーク・イン」コンディショニングの必要が薄れるか又は無くなる。好ましくは遊離研磨粒子は、コンディショングプロセスにより固定砥粒材料から分離した、研磨粒子、複合研磨／高分子粒子及び高分子粒子の混合物を含む。好ましい方法においては、遊離研磨粒子がキャリア液体と混合して、平坦化面と協同して半導体基板の表面から目的の材料層を除去する平坦化スラリーを生成する。

図５Ａ〜ＤのＳＥＭ顕微鏡写真にあるように、本発明の典型的な実施態様の固定砥粒材料から解放された粒子は、研磨粒子、高分子粒子及び高分子マトリクスの内部に依然として研磨粒子を含む複合粒子の混合物を含んでいてもよい。この粒子の混合物は、得られる研磨ウェーハ表面の全体的な欠陥に寄与するスクラッチの数及び程度を減少させる傾向がある。

本発明のコンディショニング工程は、研磨面に隣接するようにコンディショニングエレメントのコンディショニング面を配置すること、及びコンディショニング面と研磨面を接触に至らしめる力を与えながら、研磨面とほぼ平行な面においてコンディショニングエレメントと研磨パッドの間に相対運動を生じさせることを好ましくは含む。通常は約０．０１〜約０．５μｍの固定砥粒材料が、研磨される各基板のコンディショニング工程の間に研磨面から除去されると考えられているが、少なくとも平坦化パッドと平坦化される基板の相対的な表面積、同時に平坦化される基板の数、基板から除去される材料の組成及び厚さ、及び、あるとすれば基板からの材料除去に対するキャリア液体の寄与に応じて、その範囲は様々であってもよいと考えられる。

コンディショニングによって研磨パッドの研磨面から除去される材料はキャリア液体と混合して、約０．０１〜１０質量％の固形分、好ましくは約０．１〜５質量％の固形分、より好ましくは約０．１〜２質量％の固形分を含むｉｎ−ｓｉｔｕスラリーを生成する。ｉｎ−ｓｉｔｕスラリーに含まれる高分子粒子の平均粒径は、約１μｍ〜２５μｍであってもいが、通常は約０．１μｍ〜１０μｍ、好ましくは約０．５μｍ〜５μｍ、より好ましくは約０．５μｍ〜２μｍであってもよい。スラリーをｉｎ−ｓｉｔｕで生成することによって、本発明の典型的な実施態様においては、攪拌の必要性及び研磨粒子が凝集する危険性のような、ＣＭＰプロセスにおいて使用する分離スラリーを維持するのに関連する困難を回避している。

コンディショニングエレメントは、取り付け部分と反対側にほぼ平面状又は円筒状のコンディショニング面を備え、コンディショニング装置（例えば機械式アーム）に取り付けられるように構成されたデバイスを通常含む。実際のコンディショニングでは、コンディショニング面と研磨面を圧縮力又は圧縮負荷によって一緒になるように促しながら、コンディショニング面と研磨面の間に相対運動をもたらすことが必要となる。多くの例においては、コンディショニング面が研磨面全体に直線状又はアーチ状に移動しながら、コンディショニング面と研磨面の両方が同時に回転する。

研磨パッドをコンディショニングするのに使われるコンディショニングエレメントは、その研磨パッドと比べて一般的には直径が相当小さく、一般的にディスク状、リング状、又は円筒状に設計されていてもよい。コンディショニングエレメントは、中実の及び／又はパターン化された表面を含んでいてもよく、「ブラシ」形状とするために剛毛またはフィラメントを含んでいてもよい。研磨面のほぼ全体をコンディショニングするために、コンディショニング装置は、コンディショニングエレメントを研磨面の中央から端へ、そして再度中央へ戻して通過させてもよく（双方向コンディショニング）、又はコンディショニングエレメントを研磨パッドの中心から端へ通過させるのみであってもよい（単方向コンディショニング）。

もし、単方向システムにおいて所望の研磨面を得るために、コンディショニングエレメントを１回よりも多く通過させることが必要である場合、コンディショニングエレメントは、通常研磨面と接触しないように持ち上げられ、中央へ移動し、下へ移動し、再びパッドの端へと掃引される。また、このような単方向コンディショニングによれば、コンディショニングエレメントが研磨面の端へ、及びおそらく研磨面の端を過ぎて移動する際に、研磨面から剥がれた破片及び他の材料が掃き出され易い場合もある。

コンディショニングエレメントは、形状、粒子の種類、粒径、表面のトポグラフィー、粒子のパターン、又はエレメント表面もしくは粒子の改良を幅広い範囲で組み合わせてもよい。例えば、コンディショニングエレメントのコンディショニング面は、円形、直線、グリッド又は組み合わせのパターンの溝を含んでいてもよい。同様にコンディショニング粒子は、コンディショニング面上に、円形、直線、グリッド、組み合わせ又は不規則のパターンに配列されていてもよく、１種以上の種類又は大きさのコンディショニング粒子を組み合わせてもよい。

コンディショニングエレメントのコンディショニング面は、研磨面をうすく削るために十分な硬さと粒径の研磨粒子を通常含んでいる。コンディショニング粒子は、高分子、ダイヤモンド、シリコンカーバイド、窒化チタン、チタンカーバイド、アルミナ、アルミナ合金又はコートされたアルミナ粒子のうち１種以上を含んでもよく、ダイヤモンド粒子が広く使用されている。コンディショニング粒子は、例えば化学蒸気堆積（ＣＶＤ）を含む様々な手法を用いてコンディショニング面上に付与することができて、ほぼ均一なコンディショニング材料の一部として形成される。また、コンディショニング粒子は他の材料の中に埋め込まれてもよい。コンディショニング粒子をコンディショニング面に付与する方法は、コンディショニング面がコンディショニングされる表面に所望の効果をもたらすのに十分でありさえすればよい。

多くのコンディショニングエレメントはディスク又はリングとして作られ、約１〜約１６インチ（２．５〜４０．６ｃｍ）の範囲の直径に形成されていてもよく、より一般的には約２〜４インチ（５．１〜１０．２ｃｍ）の直径で作られている。ダイヤモンドのコンディショニングエレメント、特にコンディショニングディスクは、Ｄｉｍｏｎｅｘ，Ｉｎｃ．（Ａｌｌｅｎｔｏｗｎ，ＰＡ）、３Ｍ（Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ，ＭＮ）及びその他から入手できる。コンディショニングエレメントがリングとして作られている例においては、コンディショニングエレメントのリング部分の幅は、約０．５〜２インチ（１．３〜５．１ｃｍ）の範囲であってよい。

コンディショニング面に付与されるコンディショニング粒子の粒径、密度及び分布は、コンディショニングされる表面のそれぞれの通過動作の間に、どのくらいの材料をコンディショニングエレメントが除去するかに影響する。その結果として、コンディショニング粒子は一般的に、平均粒径が約１〜５０μｍを示し、より典型的には粒径が約２５〜４５μｍを示す。同様に、コンディショニング面に付与されるコンディショニング粒子の数（すなわち粒子密度）は、約５〜１００粒子／ｍｍ²となる傾向があり、より典型的には約４０〜６０粒子／ｍｍ²となる傾向がある。

当業者が理解できるように、コンディショニングは、表面間の接触を必要な程度に維持するために何らかの圧縮力又は下方への圧力を与えながら、コンディショニング面が研磨面と接触するに至ることを必要とする。与える力の量はコンディショニングプロセスに影響し、コンディショニングプロセスの間一般的には所定の範囲内に維持されている。コンディショニングエレメントに与えられるダウンフォースはごくわずかであってもよく、最大で約０．８ｐｓｉ（約０〜約０．０５６ｋｇ／ｃｍ²）の範囲であってよく、より典型的には約０．４ｐｓｉ（０．０２８ｋｇ／ｃｍ²）〜約０．７ｐｓｉ（０．０４９ｋｇ／ｃｍ²）であってよい。

ブレーク・イン及びイン・プロセスのコンディショニングプロセスの両方における他の可変量は、コンディショニング面が研磨面全体を通過する回数である。理解できるように、他の全ての条件が同じである場合、通過回数が増えると研磨面から除去される材料の厚さも増える。従来のコンディショニングプロセスの大部分が目標とすることは、研磨面の寿命を長くして可能な生産時間を長くするために、研磨面のコンディショニングを所望の程度とするのに必要な通過回数を減らすことである。

好ましい実施態様においては従来の先行技術の固定砥粒研磨パッドとは異なり、本発明の研磨パッドは、研磨面上にマクロ３次元構造又は明らかに異種の材料からなる別領域を全く含まない。図３Ｂに図示するように、コンディショニングをしないと、固定砥粒材料で覆われたこのような研磨パッドは十分な量の研磨粒子を解放又は露出しにくいため、半導体基板表面からの材料層の材料除去レートが比較的低い。

しかしながら図３Ｃに図示するように、本発明の固定砥粒材料で覆った研磨パッドの研磨面をコンディショニングすることにより、多数の固定されていた研磨粒子及び高分子マトリクスが解放される。これら解放された粒子は、その後キャリア液体と自由に混合して、増大したレートで半導体基板から材料を除去する能力を有するｉｎ−ｓｉｔｕ平坦化スラリーを生成する。

実施態様の１つにおいては、本発明の方法はさらに終了工程又は研磨レートの変更工程を含む。好ましくは終了又は研磨レートの変更は、
基板と研磨パッドの相対運動を終了又は変更すること、
研磨パッドとの接触から基板を取り除くこと、
研磨面のコンディショニングを終了又は変更すること、
キャリア液体のｐＨを変更すること、及び
キャリア液体中の酸化剤濃度を減らすこと
からなる群から選択される１種以上の操作を含む。

好ましくは、キャリア液体のｐＨは、パッドにコンディショニング液体を適用する工程の間に、適当な酸又は塩基を液体に添加することにより変更する。好ましい方法においては、キャリア液体のｐＨが増加すると研磨レートは減少し、そのため、主表面から酸化物が除去されるレートが少なくとも約５０％減少する。半導体の主表面から酸化物を除去する好ましい方法は、キャリア液体のｐＨをｐＨ１０以上に増加させることを含み、好ましくは主表面から酸化物が除去されるレートを少なくとも約７５％減少させることを含む。

好ましくは、キャリア液体の酸化剤濃度は、過酸化水素のような酸化剤のキャリア液体への添加を遅くするかもしくは終了するか、脱イオン水のようなより酸化性の低いキャリア液体に切り替えるか、又は過剰の脱イオン水を添加することによりキャリア液体を希釈することにより減少させる。好ましい方法においては、キャリア液体の酸化剤濃度を減少させることによって研磨レートを減少させることによって、銅のような金属が半導体基板の主表面から除去されるレートが、少なくとも約５０％、より好ましくは少なくとも約７５％減少する。

本発明による金属層のＣＭＰのための好ましい方法は、
相互連結した複数の気泡を画定する熱硬化高分子マトリクスの連続気泡構造と、その高分子マトリクス全体に分布した研磨粒子とを有する研磨パッドの研磨面に、ある酸化剤濃度を有するキャリア液体を適用し、
金属層と研磨面を接触に至らしめる、例えば約２．５ｐｓｉ（０．１８ｋｇ／ｃｍ²）以下の比較的弱い力を与えながら、金属層とほぼ平行な面において基板と研磨パッドの間に相対運動を生じさせ、
研磨面をコンディショニングすることにより固定砥粒材料から遊離研磨粒子を解放し、
キャリア液体と遊離研磨粒子が混合して平坦化スラリーを生成し、及び
平坦化スラリーを用いて金属を研磨して基板から金属の一部を除去する
ことを含む。

本発明の方法はまた、金属層及び下にあるバリア層を基板表面から選択的に除去する方法を提供する。この方法においては、バリア層が半導体基板の主表面から第１のレートで除去され、金属層は主表面から第２のレートで除去され、第２のレートは少なくとも第１のレートの少なくとも４倍であり、好ましくは第１のレートの約１０倍よりも大きい。

以下の典型的な実施例は、本発明を説明するために記載する。これらの実施例は本発明の範囲を限定することを意図したものではなく、またそのように解釈してはならない。全てのパーセントは記載のない限り質量％である。

典型的なパッド組成Ａ：典型的なポリウレタンである組成Ａを、
８０部のＷＩＴＣＯＢＯＮＤ Ａ−１００（ＷＩＴＣＯ Ｃｏｒｐ．）、
２０部のＷＩＴＣＯＢＯＮＤ Ｗ−２４０（ＷＩＴＣＯ Ｃｏｒｐ．）、
５部の界面活性剤（３部のＳＴＡＮＦＡＸ ３２０、１部のＳＴＡＮＦＡＸ ５９０、及び１部のＳＴＡＮＦＡＸ ３１８からなる）（Ｐａｒａ−Ｃｈｅｍ Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｉｎｃ．）、
６．２５部のＡＣＵＳＯＬ ８１０Ａ（粘度調整剤／増粘剤として）（Ｒｏｈｍ＆Ｈａａｓ）、及び
７０部の５００ｎｍセリア粒子を混合することにより調製し、水系分散を生成した（全ての部は乾燥質量部を示す）。その後、ポリウレタン分散をおよそ１時間放置して、粘度を約１２２４０ｃＰで安定させた。その後、ポリウレタン分散をＯＡＫＥＳ発泡剤により発泡して、密度がおよそ９４８ｇ／Ｌの発泡物を生成し、約１．５ｍｍの厚さでポリカーボネート基板に塗布した。その後、発泡物は、７０℃で２時間、１２５℃で２時間、１５０℃で２時間硬化して、約０．７５〜０．８５ｇ／ｃｍ³のフォーム密度を有する、固定砥粒材料を含むフォーム生成物を形成した。

典型的なパッド組成Ｂ：別の典型的なポリウレタン組成である組成Ｂを、
１００部のＷＩＴＣＯＢＯＮＤ Ｗ−２４０、
５部の界面活性剤（３部のＳＴＡＮＦＡＸ ３２０、１部のＳＴＡＮＦＡＸ ５９０、及び１部のＳＴＡＮＦＡＸ ３１８からなる）、
６部のＡＣＵＳＯＬ ８１０Ａ（粘度調整剤／増粘剤として）、
及び７０部の５００ｎｍセリア粒子を混合することにより調製し、水系分散を生成した。その後、ポリウレタン分散をおよそ１時間放置して、粘度を約９４００ｃＰで安定させた。その後、ポリウレタン分散をＯＡＫＥＳ発泡剤により発泡して、密度がおよそ８３５ｇ／Ｌの発泡物を生成し、約１．５ｍｍの厚さでポリカーボネート基板に塗布した。その後、発泡物は、７０℃で３０分、１２５℃で３０分、１５０℃で３０分硬化して、約０．７５〜０．８５ｇ／ｃｍ³のフォーム密度を有する、固定砥粒材料を含むフォーム生成物を形成した。

典型的なパッド組成Ｃ：別の典型的なポリウレタン組成である組成Ｃを、
１００部のＵＤ−２２０（Ｂｏｎｄｔｈａｎｅ Ｃｏｒｐ．）、
５部の界面活性剤（３部のＳＴＡＮＦＡＸ ３２０、１部のＳＴＡＮＦＡＸ ５９０、及び１部のＳＴＡＮＦＡＸ ３１８からなる）、
６部のＡＣＵＳＯＬ ８１０Ａ（粘度調整剤／増粘剤として）、
及び７０部の５００ｎｍセリア粒子を混合することにより調製し、水系分散を生成した。その後、ポリウレタン分散をおよそ１時間放置して、粘度を約１３３８０ｃＰで安定させた。その後、ポリウレタン分散をＯＡＫＥＳ発泡剤により発泡して、密度がおよそ９６０ｇ／Ｌの発泡物を生成し、約１．５ｍｍの厚さでポリカーボネート基板に塗布した。その後、発泡物は、７０℃で３０分、１２５℃で３０分、１５０℃で３０分硬化して、約０．７５〜０．８５ｇ／ｃｍ³のフォーム密度を有する、固定砥粒材料を含むフォーム生成物を形成した。

これらの典型的な固定砥粒材料に関連して上で明らかにした個々の成分について、ＷＩＴＣＯＢＯＮＤ Ａ−１００は脂肪族ウレタン／アクリルアロイの水系分散、ＷＩＴＣＯＢＯＮＤ Ｗ−２４０は脂肪族ウレタンの水系分散、ＵＤ−２２０は脂肪族ポリエステルの水系分散、ＡＣＵＳＯＬ ８１０Ａはアニオン性アクリル共重合体、ＳＴＡＮＦＡＸ ３１８はフォーム安定化剤として使われるナトリウムスルホスクシンイメートを含むアニオン性界面活性剤、ＳＴＡＮＦＡＸ ３２０は発泡剤として使われるステアリン酸アンモニウムを含むアニオン性界面活性剤、及びＳＴＡＮＦＡＸ ５１９は湿潤／浸透剤として使われるジ−（２−エチルヘキシル）スルホコハク酸ナトリウム塩を含む界面活性剤である。

銅研磨試験：およそ６インチ（およそ１５．２５ｃｍ）の直径を有するサンプル平坦化パッドを、典型的な組成Ａ、Ｂ及びＣに関連して前述したポリウレタン分散を用いて作製し、及び従来のＩＣ１０００（商標）（Ｒｏｄｅｌ Ｉｎｃ．）研磨パッドからも作製した。ＣＭＰ研磨装置にサンプル平坦化パッドを取り付けた後、約９質量％の過酸化水素を含む初期組成を有する溶液を作るために、研磨剤非含有スラリー、具体的にはＨｉｔａｃｈｉ ＨＳ−Ｃ４３０−Ａ３スラリーと３０質量％の過酸化水素溶液を７０：３０に混合し、研磨プロセスの継続中その混合物を研磨パッドの表面に適用した。

その後、２インチ（およそ５ｃｍ）の一組のテストウェーハを、湿潤させたコンディショニング済みのパッド上で研磨した。使用したテストウェーハには、厚さがおよそ１２０００Å（銅の質量にして約０．０２０６ｇ）とわずかなＣｕ層を有するブランケットＣｕテストウェーハ、及び厚さがおよそ１０００Å（ＴａＮの質量にして約０．００２８ｇ）とわずかなＴａＮ層を有するブランケットＴａＮウェーハが含まれていた。

以下の表１（Ｃｕ）及び表２（ＴａＮ）にあるとおり、テストウェーハを、一般的な４ｐｓｉ（２７．６ｋＰａ）のダウンフォース、又は１．５ｐｓｉ（６．９ｋＰａ）に減じたダウンフォースのいずれか、及び６０、１２０又は２００ｒｐｍの回転速度で、約１０分研磨した。研磨が完了した後、除去された層の質量を決定するためにテストウェーハを測定した。それぞれの場合において、研磨プロセスの継続中一貫して、平坦化パッドに均一なｉｎ−ｓｉｔｕコンディショング処理を行った。

この典型的な実施例において使用されたＣＭＰ装置では、０．５〜４ｐｓｉ（０．０３５〜０．２８ｋｇ／ｃｍ²）の負荷をかけ、６０〜２００ｒｐｍでウェーハとプラテンを回転させた。サンプルパッドは、プラテンに取り付けられたＳＵＢＡ−ＩＶ（Ｒｏｄｅｌ）フォーム化高分子層の上に取り付けた。この評価を始める前に、ブレーク・イン・コンディショニングをサンプルパッドに対して行わなかったが、０．６ｐｓｉ（０．０４２ｋｇ／ｃｍ²）の負荷をかけて６０ｒｐｍで回転する４インチ（１０．２ｃｍ）のＡＴＩコンディショニングディスクを用いて、この評価の最中サンプル平坦化パッドの研磨面から研磨材、高分子及び複合粒子を解放するために、連続ｉｎ−ｓｉｔｕダイヤモンドコンディショニングを行った。表１にあるように、研磨テスト手続の間にテストウェーハにかけた負荷は、回転速度６０、１２０又は２００ｒｐｍで４ｐｓｉ（０．２８ｋｇ／ｃｍ²）及び１．５ｐｓｉ（０．１１ｋｇ／ｃｍ²）だった。ＩＣ１０００研磨パッドを用いたＴａＮ除去レートに関しては、１２０及び６０における除去レートが低すぎたという理由のみで、テスト中に使用した装置で正確に測定することができなかった。ここに報告した除去レートは、テストウェーハから目標材料をほぼ完全に除去するのに要した時間から、又は個々のテストの最中に除去された材料の質量から計算した。

Ｃｕ及びＴａＮフィルムの両方について、典型的なパッド組成Ａ及びＩＣ１０００の両方で観察された除去レートは、その後以下に記載する条件で得られる選択性を計算するのに使用した。典型的な研磨パッド及び方法によって除去される材料の量の関数として計算される選択比を表３に示した。テストウェーハから除去される材料の量、特にバリア層材料に関しては十分に低く、本評価に使用した装置では正確な定量化は困難であった。それゆえ、ここに報告した選択性は、本発明の典型的な方法及び固定砥粒材料を用いたときに経験すると思われる性能範囲の一般的な指標として捉えなければならない。

表１のデータにあるように、それぞれの典型的なパッド組成を用いて銅層を研磨した際に、およそ６０％ダウンフォースを減らしても、材料除去レートはほぼ維持されているか増加している。この普通ではない予想外の挙動は、比較に用いたＩＣ１０００のような従来の研磨パッドについて、予想され及び文献に記載されている挙動とは一般的に正反対である。選択性が上がっているために、改善された選択性と満足な除去レートの両方を得られる条件で金属ＣＭＰプロセスを実施することができ、そのためこのようなプロセスについてプロセスマージンが改善される。

典型的な固定砥粒パッド組成及び関連する低圧力ＣＭＰプロセスは、半導体製造で用いられる範囲の材料を平坦化するのに使用することができ、他の研磨又は平坦化プロセスにおいても使用することができる。予想されるように、本発明のパッド組成は、半導体プロセスに通常見られる、金属、金属酸化物、金属窒化物、半導体、半導体酸化物、半導体窒化物を含む、様々な材料層を除去するのに使用することができる。例えばハードドライブ材料、レンズ及びミラーの研磨を含む、半導体デバイス製造とは関係しない平坦な又は非平坦な研磨プロセスが他の用途として含まれてもよい。

本発明の原理及び実施例を、ある典型的な好ましい実施態様を参照して前述した。しかしながら注目すべきは、特許請求の範囲に定義した本発明の範囲から逸脱せずに既に特別に詳述した以外の方法でも本発明を実施できることである。

本発明の典型的な実施態様に従った逐次的処理工程において、隆起したパターンを有する半導体基板の横断面図である。 本発明の典型的な実施態様に従った逐次的処理工程において、パターンの上に形成された材料層を有する半導体基板の横断面図である。 本発明の典型的な実施態様に従った逐次的処理工程において、平坦化された基板部を有する半導体基板の横断面図である。 本発明の典型的な実施態様に従い、固定砥粒材料を組み込んだ平坦化パッドを用いて基板を平坦化するのに使用することができる、平坦化装置の平面図である。 本発明の典型的な実施態様に従い、固定砥粒材料を組み込んだ平坦化パッドを用いて基板を平坦化するのに使用することができる、平坦化装置の側面図である。 本発明の典型的な実施態様に従った固定砥粒材料に大体対応する横断面図である。 パッド表面がコンディショニングされていない、本発明の典型的な実施態様に従った平坦化パッドの一部に大体対応する横断面図である。 パッド表面がコンディショニングされている、本発明の典型的な実施態様に従った平坦化パッドの一部に大体対応する横断面図である。 本発明の典型的な実施態様に従って製造した固定砥粒材料のＳＥＭ顕微鏡写真である。 本発明の典型的な実施態様に従って製造した固定砥粒材料のＳＥＭ顕微鏡写真である。 本発明の典型的な実施態様に従い、固定砥粒パッドのコンディショニングにより生成した、粒子組成物の範囲を示しているＳＥＭ顕微鏡写真である。 本発明の典型的な実施態様に従い、固定砥粒パッドのコンディショニングにより生成した、粒子組成物の範囲を示しているＳＥＭ顕微鏡写真である。 本発明の典型的な実施態様に従い、固定砥粒パッドのコンディショニングにより生成した、粒子組成物の範囲を示しているＳＥＭ顕微鏡写真である。 本発明の典型的な実施態様に従い、固定砥粒パッドのコンディショニングにより生成した、粒子組成物の範囲を示しているＳＥＭ顕微鏡写真である。 評価の間に使用された、３つの典型例のパッド組成及び比較用の従来のパッド組成の、回転数に対するＣｕ／ＴａＮ選択性を図示したグラフである。 評価の間に使用された、３つの典型例のパッド組成及び比較用の従来のパッド組成の、回転数に対するＣｕ／ＴｉＮ選択性を図示したグラフである。

Claims (23)

1. 基板の主表面から材料を除去する方法であって、
   相互連結した複数の気泡を画定する熱硬化高分子マトリクスの連続気泡構造と、該高分子マトリクス全体に分布した研磨粒子とを有する固定砥粒材料を含む研磨パッドの研磨面に、キャリア液体を適用し、
   第１の力を与えながら、該基板の該主表面とほぼ平行な面において該基板と該研磨パッドの間に相対運動を生じさせるに際し、該第１の力によって該主表面と該研磨面を接触に至らせ、
   第２の力を与えながら、該基板の該主表面にほぼ平行な面においてコンディショニングエレメント及び該研磨パッドの間に相対運動を生じさせることにより該研磨面をコンディショニングするに際し、該第２の力によって該コンディショニングエレメントと該研磨面を接触に至らせ、そのことにより該固定砥粒材料から遊離研磨粒子を解放し、及び
   該遊離研磨粒子によって該基板の該主表面を研磨して該基板の該主表面から該材料の一部を除去することを含み、
   該第１の力が約２．５ｐｓｉ以下である
   基板の主表面から材料を除去する方法。
2. 該第１の力が約１．５ｐｓｉ以下である、請求項１に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
3. 該第１の力が約１ｐｓｉ以下である、請求項１に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
4. 該材料が、Ｃｕ、Ｗ、ＷＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｒｕ及びＲｕＮからなる群から選択される少なくとも１種の材料を含む、請求項１に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
5. 該遊離研磨粒子が、研磨粒子、複合研磨／高分子粒子及び高分子粒子から選択される少なくとも２種の粒子を含む、請求項１に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
6. 該遊離研磨粒子が該キャリア液体と混合して平坦化スラリーを形成している、請求項１に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
7. キャリア液体を供給し、
   該基板と該研磨パッドの間に相対運動を生じさせ、
   該研磨面をコンディショニングし、及び
   該基板の該主表面を研磨することがほぼ同時に行われる、請求項１に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
8. 該研磨面のコンディショニングが約１ｐｓｉ以下の該第２の力を用いてほぼ連続して行われる、請求項７に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
9. 除去される該材料がＣｕ及び金属窒化物の両方の層を含み、
   該Ｃｕが第１の除去レートで該基板から除去され、及び
   該金属窒化物が第２の除去レートで該基板から除去され、
   さらに該第１の除去レートと該第２の除去レートの比が少なくとも１０：１である、請求項１に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
10. 該金属窒化物がＴｉＮ又はＴａＮであり、及び
    該第１の除去レートが少なくとも８００Å／分である、請求項９に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
11. 該第１の除去レートと該第２の除去レートの該比が少なくとも２０：１である、請求項１０に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
12. 該固定砥粒材料の中の該気泡が平均気泡径を有しており、該平均気泡径が２５０μｍより小さく、
    該研磨粒子が約２μｍより小さい平均粒径を有しており、アルミナ、セリア、シリカ、チタニア及びジルコニアからなる群から選択される１種以上の粒子状物質を含む、請求項１に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
13. 該研磨粒子が該固定砥粒材料の約２０質量％〜約７０質量％を構成する、請求項１２に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
14. 該研磨粒子が１μｍ以下の平均粒径を有する、請求項１３に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
15. 該研磨面のコンディショニングがさらに、
    研磨される各基板について、該研磨面から平均で約０．０１〜約０．５μｍの該固定砥粒材料を除去することを含む、請求項１に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
16. 該固定砥粒材料が、
    約０．５〜約１．２ｇ／ｃｍ³の密度、
    約３０〜約９０のショアＡ硬度、
    ５ｐｓｉにおいて約３０〜約９０％の反発弾性率、及び
    ５ｐｓｉにおいて約１〜１０％の圧縮率を有する、請求項１に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
17. 該固定砥粒材料が、
    約０．７〜約１．０ｇ／ｃｍ³の密度、
    約７０〜約８５のショアＡ硬度、
    ５ｐｓｉにおいて約５０〜約８０％の反発弾性率、及び
    ５ｐｓｉにおいて約２〜６％の圧縮率を有する、請求項１６に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
18. 該固定砥粒材料が、
    約０．７５〜約０．９５ｇ／ｃｍ³の密度、
    約７５〜約８５のショアＡ硬度、
    ５ｐｓｉにおいて約５０〜約７５％の反発弾性率、及び
    ５ｐｓｉにおいて約２〜４％の圧縮率を有する、請求項１７に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
19. 該キャリア液体が、酸、塩基、キレート剤及び界面活性剤からなる群から選択される少なくとも１種の成分を含む、請求項１に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
20. 該材料がバリア材料の上に形成された軟質金属を含み、及び
    該キャリア液体が酸化剤を含む、請求項１９に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
21. 該酸化剤が少なくとも約５質量％のＨ₂Ｏ₂を含む、請求項２０に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
22. 該軟質金属が銅又はその合金であり、及び
    該バリア材料が金属窒化物である、請求項２０に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。
23. 該材料除去レートが、３ｐｓｉ〜５ｐｓｉの第１の力を用いて得られる高圧力除去レートの少なくとも７０％である、請求項１０に記載の基板の主表面から材料を除去する方法。

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