JP2012517715A

JP2012517715A - Ｃｍｐパッドにおける３次元ネットワーク

Info

Publication number: JP2012517715A
Application number: JP2011550100A
Authority: JP
Inventors: オスカーケイ．スー; ポールリフブル; デイヴィッドアダムウェルズ; マークジン; ジョンエリックアルデボー
Original assignee: イノパッド，インコーポレイテッド
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2012-08-02
Also published as: CN102317036A; KR20110123743A; CN102317036B; EP2396143A4; KR101592426B1; EP2396143A1; EP2396143B1; WO2010093342A1; SG173547A1

Abstract

本開示は、相互接続要素とポリマー充填剤材料を含む化学機械平坦化研磨パッドに関する。該化学機械平坦化研磨パッドにおいて、相互接続要素は、１相互接続接合点／ｃｍ³〜１０００相互接続接合点／ｃｍ³の密度で存在する相互接続接合点を含む。また、相互接続要素の相互接続接合点間の長さは０．１μｍ〜２０ｃｍである。

Description

発明の詳細な説明

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００７年１０月２６日に出願された米国仮特許出願シリアル番号第６０／９８３，０４２号の利益を主張し、その開示内容は参照によって本明細書に援用される。
［技術分野］
本発明は、半導体ウエハの化学機械平坦化（ＣＭＰ）において有用な研磨パッドに関する。
［背景情報］
従来のＣＭＰ用研磨パッドは第１の多孔質又は固体高分子物質を含み、この第１の物質は第２の充填剤物質と相互分散し得る。一般的に使用されている従来のパッドは、例えば、中空微小球と相互分散した固体ポリウレタンマトリックスを含む。しかし、研磨した半導体ウエハの全体的均一性及び局所的平坦性を向上させるとともに研磨環境で用いられた場合の機械的特性を改善するパッドが必要とされている。
［概要］
第１の代表的実施形態において、本開示は、相互接続要素とポリマー充填剤材料を含む化学機械平坦化研磨パッドに関する。この場合、相互接続要素は、１相互接続接合点／ｃｍ³〜１０００相互接続接合点／ｃｍ³の密度で存在する相互接続接合点を含み、相互接続要素の相互接続接合点間の長さは０．１μｍ〜２０ｃｍである。

方法の形態において、本開示は、相互接続要素及びポリマー充填剤材料を供給してパッドを形成することを含む、半導体ウエハの研磨方法に関する。この場合、相互接続要素は、１相互接続接合点／ｃｍ³〜１０００相互接続接合点／ｃｍ³の密度で存在する相互接続接合点を含み、相互接続要素の相互接続接合点間の長さは０．１μｍ〜２０ｃｍである。その後、かかるパッド構造を研磨装置上に配置し、引き続いてスラリーの導入及び半導体ウエハの研磨を行ってもよい。

上記及び他の特徴及び利点について、図面とともに以下の詳細な説明を読むことにより、理解が深まるであろう。
任意のパッドにおける３次元構造の部分図である。

［詳細な説明］
任意のパッドにおける３次元構造の一部を図１に示す。図示のように、本３次元構造は、複数の接合場所１２とともに相互接続要素１０を含んでもよい。相互接続要素はポリマー材料であってもよい。３次元構造（即ち、隙間）内には特定のポリマー充填剤材料１４が含まれていてもよい。このポリマー充填剤材料１４は、３次元相互接続要素１０と組み合わせられて、研磨パッド基板を提供する。さらに、本ネットワークは比較的正方形又は長方形の幾何学的形状で示されているが、楕円形、円形、多面体等を非限定的に含むその他の種類の構造を含んでもよいことが理解できよう。

従って、ポリマー充填剤材料及び相互接続要素は、様々な特定のポリマー樹脂をもとにして供給され得るが、これに限定されない。例えば、ポリマー樹脂は、ポリ（ビニルアルコール）、ポリアクリレート、ポリアクリル酸、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリエチレングリコール、デンプン、マレイン酸共重合体、多糖、ペクチン、アルギン酸、ポリウレタン、ポリエチレンオキシド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリアクリルアミド、ポリアミド、ポリオレフィン、並びにこれらの樹脂の共重合体及びこれらの樹脂の誘導体を含んでもよい。

さらに、本発明のさらなる局面は、複数の３次元構造ネットワークを使用して同一パッド内に様々な物理的及び化学的特性ドメインを生じさせることに関する。このため、３次元ネットワークの要素１０及び／又は物理的形体（ｆｅａｔｕｒｅｓ）の上述の化学的（ポリマー）組成を変化させてもよい。かかる物理的形体は、以下にさらに詳しく説明するように、ネットワーク内の間隔、及び／又はネットワークの全体的形状を含み得る。

最先端の半導体技術では半導体ウエハ上により小さなデバイスを大量に詰め込むことが必要とされていることは注目に値する。このような高いデバイス密度は、フォトリソグラフィにおける焦点深度を理由に、ウエハ上のさらに高度な局所的平坦性及び全体的均一性を必要とする。従って、本発明の３次元構造ネットワークは、ＣＭＰパッドの機械的安定性及び寸法安定性を従来の非ネットワーク型ＣＭＰパッド構造より優れたものにし得る。また、本明細書中の３次元構造ネットワークは、研磨動作の圧縮及び粘性剪断応力への耐性を高め、その結果パッドの表面変形が減少するため、所望の程度の局所的平坦性及び全体的均一性並びに低いウエハスクラッチ欠陥率を達成し得る。

上記に示唆したように、実際の３次元構造ネットワークは、ポリマー材料の種類、相互接続要素の寸法、並びにネットワークのサイズ及び形状を変化させることにより、特定のＣＭＰ応用にカスタマイズすることもできる。さらに、界面活性剤、安定剤、阻害剤、ｐＨ緩衝剤、凝固防止剤、キレート剤、促進剤及び分散剤を非限定的に含む様々な化学薬剤を、ネットワークの相互接続要素の表面又はバルクに加えてもよい。これらの化学薬剤を加えることにより、これらの化学薬剤が研磨スラリー又は研磨液内に制御された又は制御されない方法で放出され、ＣＭＰ性能及び安定性が向上し得る。

３次元構造ネットワーク及びポリマー相互接続要素用の市販の材料としては、織布、編布及び不織布の繊維マット、ハイロフトの不織布が挙げられるがこれに限定されない。かかるネットワークは繊維をベースとすることが理解されよう。しかし、相互接続要素は、連続気泡（ｏｐｅｎ−ｃｅｌｌ）ポリマーフォーム（高分子発泡体）及びスポンジ、ポリマーフィルター、格子並びにスクリーンも含み得る。不織布、フォーム（発泡体）、スポンジ、フィルター及びスクリーンを製造する当業者であれば、本明細書中に記載の本開示のＣＭＰパッド用ネットワークの設計意図及び特性要件に合致する商業目的ではない構造ネットワークを、容易に設計及び製造することができる。

本発明の１つの代表的実施形態は、水溶性ポリアクリレート相互接続要素で構成される３次元ネットワークの隙間を部分的又は完全に充填する、分散したポリウレタン物質を含む。前記ネットワーク内の相互接続要素は、直径が１μｍ以下〜約１０００μｍの円柱形であり、隣接し合う相互接続接合部間の水平距離として説明し得るものは、０．１μｍ以上（例えば、接合部間の水平距離は全数値及び増分を含む０．１μｍ〜２０ｃｍ）であり得る。この相互接続接合部間の長さを図１中に“Ａ”として示している。さらに、相互接続接合部間の垂直距離として説明し得るものを図１中に“Ｂ”として示しており、この垂直距離もまた所望により０．１μｍ以上で変化し得る（例えば、接合部間の垂直距離は全数値及び増分を含む０．１μｍ〜２０ｃｍ）。最後に、接合部間の奥行き距離として説明し得るものは、図１中で“Ｃ”として示されており、やはりこの奥行き距離も所望により０．１μｍ以上で変化し得る（例えば、接合部間の奥行き距離は全数値及び増分を含む０．１μｍ〜２０ｃｍ）。好ましくは、図１中の“Ａ”、“Ｂ”又は“Ｃ”である各接合点間距離は、０．５μｍ〜５ｃｍであってもよい。

従って、本明細書中で参照される３次元ネットワークとは、接合点で相互接続され得る相互接続要素（例えば、ポリマー繊維）として理解することができる。この相互接続された要素は、一定の容量を占める。相互接続接合要素の密度は、全数値及び増分を含む１相互接続接合点／ｃｍ³〜１０００相互接続接合点／ｃｍ³のレベルで存在してもよく、１相互接続接合点／ｃｍ³単位で変化する。例えば、研磨パッドは、１〜１００相互接続接合点／ｃｍ³、又は１０〜１１０相互接続接合点／ｃｍ³、又は１５〜１５０相互接続接合点／ｃｍ³等を有してもよい。好ましくは、相互接続要素は、５０〜２５０相互接続接合点／ｃｍ³で存在してもよい。相互接続自体は、例えば、熱接着及び／又は化学接着により形成されてもよい。この化学接着はポリマー充填剤材料で行ってもよく（再度、図１中の１４を参照）、これによりポリマー要素１０をコーティングし、相互接続又は接合位置１２にポリマー要素１０を結合固定し得る。

さらに、相互接続要素は、パッド中に１．０重量％間隔で全数値及び増分を含む１〜７５重量％のレベルで存在してもよい。例えば、相互接続要素は、任意のパッド中に１〜５０重量％、又は１０〜５０重量％、又は２０〜４０重量％、又は２０〜３０量％等で存在してもよい。

また、接合点位置で任意の２つのポリマー要素間に形成され得る角度が変化するように構成してもよいことが理解できよう。従って、図１を再び参照すると、繊維は接合位置で特定の角度１６で相互接続してもよいことがわかる。この相互接続接合点での任意の２つの繊維間の角度は、１°間隔で、全数値及び増分を含む５°〜１７５°であってもよい。例えば、相互接続接合位置での任意の２つの繊維間の角度は、１０°〜１７０°、又は２０°〜１６０°、又は３０°〜１５０°等であってもよい。好ましくは、角度は３０°〜１３０°であってもよい。

相互接続ポリマー要素の３次元ネットワークの形態は、厚さが１０ミル〜６０００ミル及び好ましくは６０ミル〜１３０ミルの薄い正方形又は円形スラブであってもよい。この場合、１ミルは０．００１インチとして理解され得る。また、３次元ネットワークは、全数値及び増分を含む２０平方インチ〜４０００平方インチの面積、及び好ましくは１００平方インチ〜１６００平方インチの面積を画定してもよい。硬化剤と混合したウレタンプレポリマーを使って、前記ネットワークの隙間を充填してもよい。その後、この合成物をオーブンで硬化し、ウレタンプレポリマーの硬化反応を完了させる。典型的な硬化温度は、室温〜８００°Ｆ、及び典型的な硬化時間は、僅か１時間未満〜２４時間以上である。得られた合成物はその後、バフ仕上げ、スカイビング（ｓｋｉｖｉｎｇ）仕上げ、ラミネート加工、溝切り加工（ｇｒｏｏｖｉｎｇ）及び穿孔処理（ｐｅｒｆｏｒａｔｉｎｇ）等の従来のパッド変換工程によりＣＭＰパッドに変換される。

また、上述の実施形態において、ネットワークは、円柱又は長方形のブロックの形態でも利用可能である。従って、その後、硬化剤と混合したウレタンプレポリマーで充填された本明細書中のネットワークを含む合成物は、円柱又は長方形ブロックの形態で硬化してもよい。この場合、硬化した合成物の円柱又はブロックをまずスカイビング処理し、変換前の個々のパッドを得てもよい。

本発明の別の実施形態は、厚さの異なる２つ以上のネットワークを含む。この２つ以上のネットワークは、さらに、その中に含有される相互接続ポリマー材料の種類も異なる。例えば、１つのネットワークの厚さが全数値及び増分を含む１〜２０ｃｍで、第２のネットワークの厚さが全数値及び増分を含む１〜２０ｃｍであってもよい。従って、同一のＣＭＰパッド内の各ネットワークは、異なる物理的及び化学的特性を有する異なる構造ドメインを画定する。一実施例において、ＣＭＰパッドは、溶解性ポリアクリレートの相互接続要素を含む厚さが２０ミルの第１ネットワークを含む。第１ネットワークは、比較的小さな円柱形で、直径が１０μｍ、各第１ネットワーク間の距離は５０〜１５０μｍである。第１ネットワークは、比較的不溶性のポリエステル相互接続要素を含む同じ円柱形の第２ネットワーク上に積み重ねられる。第２ネットワークの寸法は、第１ポリアクリレートネットワークと同じである。そして、硬化剤と混合したウレタンプレポリマーを使って積み重ねたネットワークの隙間を充填してもよく、全体的な合成物を上述のように硬化する。それから、得られた合成物は、バフ仕上げ、スカイビング仕上げ、ラミネート加工、溝切り加工及び穿孔処理等の従来のパッド変換工程により、ＣＭＰパッドに変換される。従って、このように作製されたＣＭＰパッドは、それぞれ異なるが接着された、相互に積み重ねられた２つの構造層を有する。ＣＭＰでは、溶解性ポリアクリレート要素を含む構造層は研磨層として使用してもよい。溶解性ポリアクリレート要素は研磨粒子含有水性スラリー中で溶解し、パッド表面の上下に空隙スペースを残し、パッド全体にわたって前記スラリーを均一に分布させるためのμｍレベルの流路（ｃｈａｎｎｅｌｓ）及び通路（ｔｕｎｎｅｌｓ）を創出する。一方、比較的不溶性のポリエステル要素を含む構造層は、ＣＭＰにおける機械的安定性及びバルクパッド特性を維持するための支持層として用いてもよい。

以上の点で、本開示は、液体スラリー中で溶解可能な相互接続要素とポリマー充填剤材料との１つ以上の層、および、液体スラリー中で溶解しない相互接続要素とポリマー充填剤材料との１つ以上の層を含有するＣＭＰパッドに関することが理解できよう。さらに、本明細書中のＣＭＰパッドは、不溶性相互接続要素の一部とともに溶解性相互接続要素の一部を含み得る１つ又は複数の層を含んでもよい。例えば、ＣＭＰパッドの任意の層は、１〜９９重量％の溶解性相互接続要素と９９％〜１重量％の不溶性相互接続要素を有してもよい。

本明細書中のパッド設計の有利な機械的特徴をさらに具体的に考察するため、本明細書中で開示される３次元ネットワークを含有する研磨パッドに対し、かかる強化をなんら行っていない研磨パッドと比較した動的機械分析（ＤＭＡ）試験を行った。ＤＭＡ試験装置としては、ＴＡＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ社製Ｑ８００動的機械測定装置を採用し、周波数１０Ｈｚ及び温度ランプ速度１．０°Ｃ／分で使用した。かかる試験の結果を以下の表１に示す。

表１からわかるように、本明細書中に記載の相互接続要素を含有した不織布が研磨パッド構成中に２０重量％〜３０重量％存在した場合の貯蔵弾性率（Ｅ’）値は１６６６ＭＰａであった。これに比べ、同一のポリウレタンのみを研磨パッド構成用のポリマーマトリックスとして使用した場合、Ｅ’値は僅かに約８６２ＭＰａであった。従って、１０ＭＰａ間隔で全数値及び増分を含む１００ＭＰａ〜２５００ＭＰａの貯蔵弾性率（Ｅ’）値を有する研磨パッドが現在では製造できることが理解されよう。例えば、１１０ＭＰａ〜２５００ＭＰａ、又は１２０ＭＰａ〜２５００ＭＰａ等のＥ’値を有する研磨パッドを現在では製造することができる。好ましくは、Ｅ’の値は４００〜１０００ＭＰａであってもよい。表１では、相互接続要素は、ニードルパンチ不織布を作製するもととなるポリアクリレート繊維であった。この場合、この繊維の平均直径は２０μｍであり、液体スラリーの存在下で溶解可能であった。ポリウレタンの最初の形態は液体プレポリマー前駆体であり、相互接続要素全体にわたって均一に分注される前に硬化剤と混合し、硬化、即ち固化させて研磨パッドを形成した。

次に表２に注目すると、本明細書中のパッドのさらなる有利な特徴が示されている。具体的には、相互接続ポリマー要素を取り入れた組成物のショアＤ硬度とポリマー充填剤のみを含有した組成物のショアＤ硬度とを比較評価した。

表２からわかるように、不織布をポリウレタン充填剤マトリックスに取り入れることにより、ショア硬度（ＳｈｏｒｅＨａｒｄｎｅｓｓ）は、かかる強化を行わなかった組成物に比べて上昇した。かかる硬度の上昇は、上述のように、研磨動作における圧縮及び粘性剪断応力への耐性等、研磨作業中の利点を数多く提供し得ることが理解されよう。例えば、硬度の上昇により、ＣＭＰ型パッドに設けられる場合が多い流路又は溝が保護され得る。このような流路又は溝に依存してスラリーを輸送してもよい。さらに詳細には、機械的特性の向上（例えば、上述のＥ’値の向上）により、研磨中の流路又は溝の寸法を保護し得る。機械的特性の向上により、研磨中の流路又は溝の寸法が保護されることにより、任意の研磨作動中は常にスラリーの輸送を別途意図されたレベルで継続できる。表２では、不織布は、液体スラリーの存在下で溶解可能な平均直径２０μｍのポリアクリレート繊維のニードルパンチ不織布であったことに留意するであろう。ポリウレタンの形態は液体プレポリマー前駆体であり、相互接続要素全体にわたって均一に分注される前に硬化剤と混合し、硬化、即ち固化させて研磨パッドを形成した。

上述の実施形態に拘わらず、ＣＭＰパッドの設計、製造及び応用の当業者であれば、構造ネットワークをＣＭＰパッド内に取り入れることの予期しない特性を容易に理解でき、且つ本発明をもとに同じ概念を使って、同一のパッド中に様々な種類のネットワーク材料、構造、及び高分子物質を用いて具体的なＣＭＰ応用の要件に合致する多数のパッド設計を容易に推測できることが本明細書中で認識される。

本発明の原理を本明細書中で述べたが、本記載は単に例示によってなされたものであり、本発明の範囲を制限するものとしてなされたものではないことを当業者は理解すべきである。本明細書中に例示及び記載された代表的実施形態に加え、本発明の範囲内で他の実施形態が考察される。以下の特許請求の範囲以外には何ら制限されることのない本発明の範囲内で、当業者によって変形及び置換えが考察される。

Claims

相互接続要素とポリマー充填剤材料とを含む化学機械平坦化研磨パッドであって、
前記相互接続要素は、１相互接続接合点／ｃｍ³〜１０００相互接続接合点／ｃｍ³の密度で存在する相互接続接合点を含み、
前記相互接続要素の相互接続接合点間の長さは０．１μｍ〜２０ｃｍである、パッド。
前記相互接続要素は、前記パッド中に１．０重量％〜７５重量％のレベルで存在する、請求項１に記載のパッド。
前記相互接続要素間の交差角度は、５°〜１７５°である、請求項１に記載のパッド。
前記相互接続要素が存在し、当該相互接続要素は、１０ミル〜６０００ミルの厚さを画定する、請求項１に記載のパッド。
前記相互接続要素は繊維を含む、請求項１に記載のパッド。
前記繊維は液体スラリー中で溶解可能である、請求項５に記載のパッド。
前記繊維は不織布材料又は織布材料の形態で存在する、請求項５に記載のパッド。
前記相互接続要素は、発泡体、スポンジ、フィルター、格子及びスクリーンの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のパッド。
前記相互接続要素は、液体スラリーの存在下で溶解する材料を含む、請求項１に記載のパッド。
前記パッドは、
液体スラリー中で溶解可能な相互接続要素とポリマー充填剤材料との１つ以上の層と、
液体スラリー中で溶解しない相互接続要素とポリマー充填剤材料との１つ以上の層と、
を含む、請求項１に記載のパッド。
前記パッドは、
相互接続要素とポリマー充填剤材料との１つ以上の層であって、前記相互接続要素の一部は液体スラリー中で溶解可能であり、前記相互接続要素の一部は液体スラリー中で溶解しない、層
を含む、請求項１に記載のパッド。
前記パッドの貯蔵弾性率（Ｅ’）の値が１００ＭＰａ〜２５００ＭＰａである、請求項１に記載のパッド。
前記パッドの貯蔵弾性率（Ｅ’）が４００ＭＰａ〜１０００ＭＰａである、請求項１に記載のパッド。
前記相互接続接合点は、１相互接続接合点／ｃｍ³〜２５０相互接続接合点／ｃｍ³の密度で存在する、請求項１に記載のパッド。
前記相互接続接合点間の長さが０．５μｍ〜５ｃｍである、請求項１に記載のパッド。
化学機械平坦化研磨パッドの作成方法であって、
相互接続要素及びポリマー充填剤材料を供給してパッドを形成することであって、前記相互接続要素は、１相互接続接合点／ｃｍ³〜１０００相互接続接合点／ｃｍ³の密度で存在する相互接続接合点を含み、前記相互接続要素の相互接続接合点間の長さは０．１μｍ〜２０ｃｍである、前記相互接続要素及び前記ポリマー充填剤材料を供給してパッドを形成することと、
前記パッドを研磨装置上に配置し、スラリーを導入し、半導体ウエハを研磨することと、
を含む、方法。
前記相互接続要素は、前記パッド中に１．０重量％〜７５重量％のレベルで存在する、請求項１６に記載の方法。
前記相互接続要素間の交差角度が５°〜１７５°である、請求項１６に記載の方法。
前記相互接続要素が存在し、当該相互接続要素は、１０ミル〜６０００ミルの厚さを画定する、請求項１６に記載の方法。
前記相互接続要素は繊維を含む、請求項１６に記載の方法。
前記繊維は液体スラリー中で溶解可能である、請求項２０に記載の方法。
前記繊維は不織布材料又は織布材料の形態で存在する、請求項２１に記載の方法。
前記相互接続要素は、発泡体、スポンジ、フィルター、格子及びスクリーンの少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の方法。
前記相互接続要素は、液体スラリーの存在下で溶解する材料を含む、請求項１６に記載の方法。
前記パッドは、
液体スラリー中で溶解可能な相互接続要素とポリマー充填剤材料との１つ以上の層と、
液体スラリー中で溶解しない相互接続要素とポリマー充填剤材料との１つ以上の層と、
を含む、請求項１６に記載の方法。
前記パッドは、
相互接続要素とポリマー充填剤材料との１つ以上の層であって、前記相互接続要素の一部は液体スラリー中で溶解可能であり、前記相互接続要素の一部は液体スラリー中で溶解しない、１つ以上の層
を含む、請求項１６に記載の方法。
前記パッドの貯蔵弾性率（Ｅ’）の値は、１００ＭＰａ〜２５００ＭＰａである、請求項１６に記載の方法。
前記パッドの貯蔵弾性率（Ｅ’）は、４００ＭＰａ〜１０００ＭＰａである、請求項１６に記載の方法。
前記相互接続接合点は、１相互接続接合点／ｃｍ³〜２５０相互接続接合点／ｃｍ³の密度で存在する、請求項１６に記載の方法。
前記相互接続接合点間の長さは０．５μｍ〜５ｃｍである、請求項１６に記載の方法。