JP2012533888A - 溝付きｃｍｐ研磨ｐａｄ - Google Patents

Abstract

本発明はＣＭＰプロセスにおける使用のための研磨パッドを提供する。一つの実施形態では、研磨パッドは、ランディング面が溝を隔てた状態で複数の溝を画成する表面を具備し、ランディング面はほぼ同一平面上の研磨面を全体として画成し、各溝は、幅Ｗ_Lを有するランディング面によって任意の二つの隣接溝が互いから隔てられた状態で、少なくとも０．２５ｍｍの深さと、幅Ｗ_Gとを有し、率Ｗ_L／Ｗ_Gは３以下である。好ましい実施形態では、パッドの表面は同心円の実質的に円状の一連の溝を画成する。代替的な実施形態では、パッドの表面は、少なくとも０．２５ｍｍの深さと、幅Ｗ_Gとを有する渦巻状溝と、渦巻状溝の輪郭を描き且つ幅Ｗ_Lを有する渦巻状ランディング面とを画成し、渦巻状ランディング面はほぼ同一平面上の研磨面を画成し、率Ｗ_L／Ｗ_Gは３以下である。

Description

本発明は、概して基板の化学機械研磨に関し、特に、化学機械研磨システムのための溝付きパターンを有する研磨パッドに関する。

基板の表面の化学機械研磨についての組成物及び方法が当該技術分野においてよく知られている。半導体基板（例えば集積回路）の表面のＣＭＰのための（研磨スラリー、ＣＭＰスラリー、及びＣＭＰ組成物としても知られている）研磨組成物は、典型的には、研磨剤、様々な付加化合物、及びこれらの均等物を含有する。

化学機械研磨（ＣＭＰ）は、同時に起こる表面の化学的摩耗及び機械的摩耗、例えば、第一の層が上に形成される非平面状の第二の層の表面を露出するための第一の上層の摩耗を含む。斯かる一つのプロセスがＢｅｙｅｒ等への米国特許第４７８９６４８号明細書において記述される。簡潔に言えば、材料の第一の上層の表面が、被覆された第二の層の上面と同一平面になるまで、第二の層よりも早い率で第一の層を除去すべく研磨パッド及びスラリーを使用するＣＭＰプロセスがＢｅｙｅｒ等によって開示される。化学機械研磨のより詳細な説明が、米国特許第４６７１８５１号明細書、米国特許第４９１０１５５号明細書、及び米国特許第４９４４８３６号明細書において見出される。

従来のＣＭＰ技術では、基板キャリア又は研磨ヘッドがキャリア組立体上に設置され且つＣＭＰ装置内に研磨パッドと接触して定置される。キャリア組立体は、制御可能な圧力を基板に提供して、基板を研磨パッドに対して押し遣る。パッドと、基板が取り付けられたキャリアとは互いに対して移動せしめられる。パッド及び基板の相対的な移動によって、基板表面から材料の一部を除去すべく基板の表面が摩耗され、このことによって基板が研磨される。基板表面の研磨は典型的には更に研磨組成物（例えば酸化剤、酸、塩基、又はＣＭＰ組成物において存在する他の添加物）の化学的活性、及び／又は研磨組成物内に浮遊した研磨剤の機械的活性によって補助される。典型的な研磨材料は、二酸化ケイ素、酸化セリウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、及び酸化スズを含む。

ＣＭＰにおける一つの問題は、研磨パッドの上に研磨スラリーを分配することに関する。ＣＭＰプロセスは、所望の研磨結果を得るべく、研磨パッド、研磨粒子、及び任意の反応型エージェント（reactive agent）、又は研磨組成物における化学物質と、基板との相互作用を必要とする。研磨パッドの表面を横切るスラリーの有効ではない分配によって、研磨効率の低下が引き起こされうる。研磨バッドは、概して、パッドを比較的均一に横切って研磨剤の研磨スラリーを分配することを補助すべく、穿孔又はテクスチャ（texture）（例えば溝、表面凹み、及びこれらの均等物）のようないくつかの特徴を含む。溝は、過剰なスラリーを必要とされる場所に直接導くように設計されることができるので、好ましいテクスチャ特徴であることが多い。溝付き研磨パッドは溝の寸法（例えば幅及び深さ）及び（「ピッチ」として知られる）溝間の間隔によって特徴付けられることが多い。溝付きパッドの例には、Ｏｓｔｅｒｈｅｌｄ等への米国特許第５９２１８５５号明細書、Ｏｓｔｅｒｈｅｌｄ等への米国特許第６５２０８４７号明細書、及びＪａｍｅｓ等への米国特許第６７３６８４７号明細書において開示された溝付きパッドが含まれる。

従来の溝付きＣＭＰパッドが、例えば穿孔パッドを超えた所定の好ましい性能特徴を有するが、それでもなお（例えば減少せしめられた摩耗率による）改善されたパッド寿命のような改善されたパッド性能の特徴が当該技術分野において必要とされている。本発明はこの必要性に対処する。

本発明はＣＭＰプロセスにおける使用のための研磨パッドを提供する。一つの実施形態では、パッドは、ランディング面（landing surface）が溝を隔てた状態で複数の溝を画成する表面を具備し、ランディング面はほぼ同一平面上の研磨面を全体として画成し、各溝は、幅Ｗ_Lを有するランディング面によって任意の二つの隣接溝が互いから隔てられた状態で、少なくとも０．２５ｍｍ（１０ミル）の深さと、幅Ｗ_Gとを有し、率Ｗ_L／Ｗ_Gは３以下である。好ましい実施形態では、パッドの表面は一連の同心の実質的に円状の溝を画成する。好ましくは、各溝は同じＷ_Gを有し、各ランディング面は同じＷ_Lを有する。

代替的な実施形態では、パッドの表面は、少なくとも０．２５ｍｍ（１０ミル）の深さと、幅Ｗ_Gとを有する渦巻状溝と、渦巻状溝の輪郭を描く渦巻状ランディング面とを画成する。渦巻状ランディング面は幅Ｗ_Lを有し且つほぼ同一平面上の研磨面を画成する。前述された実施形態と同様に、率Ｗ_L／Ｗ_Gは３以下である。

本発明の研磨パッドの研磨面は、ＣＭＰパッドの構成における使用に適切な任意の物質から形成されることができる。いくつかの好ましい実施形態では、パッドの研磨面は熱可塑性ポリウレタン材料から形成される。パッドはパッド材料の単一層又は多層（例えば基層及び表面層）から構成されうる。

本発明の研磨パッドは、同様の構造であるがＷ_L／Ｗ_Gが７に等しい従来の溝付きパッドと比較して、長期の使用（例えば最大６５０の半導体ウエハの研磨）に亘って研磨除去率の均一性において予想外の改善を提供する。

図１は、複数の同心円状溝を含む本発明の研磨パッドの一つの実施形態の平面図を示す。 図２は、図１のパッドの部分断面図を提供する。 図３は、研磨面において単一の渦巻状溝を含む本発明の研磨パッドの一つの実施形態を示す。 図４は、従来の参照用パッドと比較された、本発明のパッドについて研磨されたウエハの数に対する銅の除去率のグラフを示す。 図５は、従来の参照用パッドと比較された、本発明のパッドについて研磨されたウエハの数に対する銅の除去率の均一安定性のグラフを示す。 図６は、従来の参照用パッドと比較された、本発明のパッドについてのパッド摩耗率のグラフを示す。

一つの実施形態では、本発明の研磨パッドは、ランディング面が溝を隔てた状態で、複数の溝、好ましくは同心であり且つ実質的に円状の溝を画成する表面を具備する。ランディング面はほぼ同一平面上の研磨面を全体として画成する。各溝は、幅Ｗ_Lを有するランディング面によって任意の二つの隣接溝が隔てられた状態で、少なくとも０．２５ｍｍ（１０ミル）の深さと、幅Ｗ_Gとを有し、ここで、率Ｗ_L／Ｗ_Gは３以下である。好ましくは、複数の溝の各々はほぼ同じ深さ及び／又はほぼ同じＷ_Gを有する。ランディング面の各々も好ましくはほぼ同じＷ_Lを有する。各溝の幅は、溝の底部が丸みを帯びており、このことによって溝の底部の近くの幅が減少せしめられるが、好ましくは溝の深さの大部分に亘ってほぼ均一である。

図１は、本発明の研磨パッドの平面図を示す。パッド１０が表面層１２を含み、表面層１２は、周囲面１８がパッド面を縁取る状態で、ランディング面１６によって隔てられた同心円状溝１４を画成する。ランディング面１６は、周囲面１８及び中心面２０のように、互いにほぼ同一平面上に位置する。全体として、ランディング面１６はほぼ同一平面上の研磨面を画成する。

図２は、図１の平面２−２に沿った表面１２の部分断面図を示す。表面層１２は基層２２に固着される。溝１４は深さＤ_G及び幅Ｗ_Gを有し、一方ランディング面１６は幅Ｗ_Lを有する。一方の溝の始まりから次の溝の始まりまでの距離はピッチＰとして定義され、ピッチＰはＷ_LとＷ_Gとの合計に等しい。本発明のパッドでは、Ｗ_L／Ｗ_Gは３以下である。ランディング面１６はほぼ同一平面上にあり、このことによって、研磨されるべき基板の表面に接触するための同一平面上の研磨面が形成され、一方、溝１４は研磨剤の研磨スラリーのためのリザーバを提供し且つパッド１０の全面に亘って研磨スラリーを導いて分配することを補助する。

代替的な実施形態では、本発明の研磨パッドは、渦巻状ランディング面が渦巻状溝の輪郭を描く状態で少なくとも０．２５ｍｍ（１０ミル）の深さを有する渦巻状溝を画成する表面を具備する。渦巻状ランディング面はほぼ平面状の研磨面を画成する。溝は幅Ｗ_Gを有し、ランディング面は幅Ｗ_Lを有し、ここで、率Ｗ_L／Ｗ_Gは３以下である。図３は、斯かる代替的な実施形態の平面図を提供する。パッド３０はほぼ平面状の表面層３２を含み、ほぼ平面状の表面層３２は、層内に形成された単一の渦巻状溝３４を有し、単一の渦巻状溝３４は入れ子の（nested）渦巻状ランディング面３６によって輪郭が描かれる。溝３４の幅とランディング面３６の幅との合計に等しいピッチＰも図３において示される。

本発明の実施形態の各々において、研磨パッドの表面における各溝は好ましくは１．３ｍｍ（５０ミル）以下の深さを有する。いくつかの好ましい実施形態では、各溝の深さは、０．２５〜１．３ｍｍ（１０〜５０ミル）の範囲内であり、より好ましくは０．３８〜０．９６ｍｍ（１５〜４０ミル）の範囲内である。

所望の場合、本発明の研磨パッドの任意の所与の実施形態における率Ｗ_L／Ｗ_Gは２又は１以下であってもよい。

所定の好ましい実施形態では、各ランディング面についてのＷ_Lは２．０ｍｍ（８０ミル）以下である。他の好ましい実施形態では、各ランディング面についてのＷ_Lは０．７６〜１．５ｍｍ（３０〜６０ミル）の範囲内である。各溝についてのＷ_Gは好ましくは１．３ｍｍ（５０ミル）以下である。いくつかの好ましい実施形態では、各溝についてのＷ_Gは０．４８〜０．９６ｍｍ（２０〜４０ミル）の範囲内である。

表１は、本発明の研磨パッドに適切な種々の溝寸法のいくつかの具体例を示す。

本発明の研磨パッドは、化学機械研磨装置と併せた使用に特に適する。典型的には、ＣＭＰ装置は定盤と研磨パッドとキャリアとを具備し、定盤は、使用時に移動して、環状、直線状、及び／又は円状の移動に起因する速度を有し、研磨パッドは定盤と接触し且つ移動時に定盤に対して移動し、キャリアは、接触によって研磨されるべき基板を保持し且つ研磨パッドの表面に対して移動する。基板の研磨は、基板を研磨すべく基板の少なくとも一部を摩耗させるように、基板を本発明の研磨パッドに接触させて配置し、その後研磨パッドを基板に対して移動させることによって生じる。

パッドを研磨する本発明の研磨パッドの少なくとも一部を形成するために適切な材料は、例えば、異なる密度、硬度、厚さ、圧縮性、圧縮時に反発する（rebound）能力、及び圧縮係数のポリマーを含む。限定されるものではない斯かるポリマーの例は、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニル、ナイロン、フッ化炭素、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアクリル酸塩、ポリエーテル、ポリエチレン、ポリアミド、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリプロピレン、これらの共形成物（coformed product）、及びこれらの混合物を含む。複数の溝を画成する研磨パッドの表面は任意の斯かる材料を含むことができる。好ましい実施形態では、複数の溝又は渦巻状溝を画成する表面は熱可塑性ポリウレタンを含む。所望の場合、本発明のパッドは単層の材料から成り又は二つ以上の層（例えば基層及び表面層）の材料を含むことができる。

望ましくは、本発明のＣＭＰパッドは、パッドで研磨されるワークピースの表面から反射される光又は他の放射を分析することによって研磨プロセスをその場で検査し且つ監視するために、光又は他の放射を透過する少なくとも一つの窓領域を更に具備することができる。ワークピースの表面から反射される光又は他の放射を分析することによって研磨プロセスを検査し且つ監視するための、研磨エンドポイント（polishing endpoint）をその場で検出する多くのシステム及び技術が当該技術分野において公知である。斯かる方法は、例えば、Ｓａｎｄｈｕ等への米国特許第５１９６３５３号明細書、Ｌｕｓｔｉｇ等への米国特許第５４３３６５１号明細書、Ｔａｎｇへの米国特許第５９４９９２７号明細書、及びＢｉｒａｎｇ等への米国特許第５９６４６４３号明細書において記述される。望ましくは、研磨されるワークピースに関する研磨プロセスの進捗の検査又は監視は、研磨エンドポイントの決定、すなわち特定のワークピースに関する研磨プロセスを終了する時の決定を可能とする。

以下の例は、本発明を更に示すが、当然のことながら多少なりとも本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

この例は、本発明の研磨パッドを使用する銅ＣＭＰにおいて得られる優れた除去率の安定性及び除去の均一安定性を示す。

研磨パッドは熱可塑性ポリウレタン表面層を具備し、熱可塑性ポリウレタン表面層は一連の同心円状溝を含み、一連の同心円状溝の各々は、０．７６ｍｍ（３０ミル）の幅Ｗ_L（１．５ｍｍ（６０ミル）のピッチ）を有する同心ランディング面によって隔てられた０．７６ｍｍ（３０ミル）の幅Ｗ_Gを有し、Ｗ_L／Ｗ_Gは１に等しい。研磨は、Ｍｉｒｒａ研磨機において以下の研磨条件：６８９５Ｐａ（１ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ））の下方力（down-force）、９３回転毎分（ｒｐｍ）の定盤速度、８７ｒｐｍのキャリア速度、及び１００ミリリッター毎分（ｍｌ／分）のスラリー供給率の下、市販の研磨スラリーＣ８８００（キャボットマイクロエレクトロニクスコーポレーション、Ａｕｒｏｒａ、ＩＬ）を使用して銅のブランケットウエハ上において同じパッドで繰り返し行われた。また、比較のために、銅のブランケットウエハが、同じ条件の下、同心環状ランディング面によって隔てられた同心環状溝であるが１．８ｍｍ（７０ミル）のＷ_L及び０．２５ｍｍ（１０ミル）のＷ_G（２．０ｍｍ（８０ミル）のピッチ）を有しＷ_L／Ｗ_Gが７である同心環状溝を有する同様のポリウレタン研磨パッドで研磨された。

図４は、各々のパッドについて研磨されたウエハの数に対する銅の除去率の変化を示し、１５０及び６５０のウエハにおいて得られた除去率が示される。図４から明らかなように、７よりも大きな従来のＷ_L／Ｗ_Gを有するパッドはＣｕ除去率の減少を示し、一方、１のＷ_L／Ｗ_Gを有する本発明のパッドはＣｕ除去率において予想外の増加を示した。

各パッドを用いて得られた、ＷＩＷＮＵ又はウエハ内非均一性として定義される観察された除去均一安定性率（すなわち縁部５ｍｍを排除した全ウエハの４９先端径走査（49 point diameter scan）に亘るＣｕ除去の相対標準偏差）が同一のウエハについて図５においてグラフ化される。図５において見られるように、本発明のパッドは、従来のパッドと比較して予想外の一貫した除去均一安定性を示した。

この例はパッド摩耗率に対する溝の形態の効果を示す。

一連の同心円状溝を含む熱可塑性ポリウレタン表面層を具備する本発明の三つの研磨パッドが相対的なパッド摩耗試験について使用された。試験は、ＩＰＥＣ研磨機において、９．５Ｊ（７フィート重量ポンド）の調整下方力、１０５ｒｐｍの定盤速度、及び１００ｒｐｍのコンディショナー回転速度で行われた。コンディショナーは３Ｍカンパニー製（モデルＡ１８８）であった。イオン交換水（D.I. water）が使用され、試験は４０分間続いた。摩耗率は、１０分〜４０分までのデータを使用して計算され、且つ２倍することによってミル毎時間に規格化された。パッドは、以下の寸法、パッド６０／２０：Ｗ_G＝０．４８ｍｍ（２０ミル）、Ｗ_L＝０．９６ミル（４０ミル）、ピッチ＝１．５ｍｍ（６０ミル）、Ｗ_L／Ｗ_G＝２、パッド６０／３０：Ｗ_G＝０．７６ｍｍ（３０ミル）、Ｗ_L＝０．７６ミル（３０ミル）、ピッチ＝１．５ｍｍ（６０ミル）、Ｗ_L／Ｗ_G＝１、パッド４０／２０：Ｗ_G＝０．４８ｍｍ（２０ミル）、Ｗ_L＝０．４８ミル（２０ミル）、ピッチ＝０．９６ｍｍ（４０ミル）、Ｗ_L／Ｗ_G＝１を有した。比較のために、同心環状ランディング面によって隔てられた同心環状溝であるが１．８ｍｍ（７０ミル）のＷ_L及び０．２５ｍｍ（１０ミル）のＷ_G（２．０ｍｍ（８０ミル）のピッチ）を有しＷ_L／Ｗ_Gが７（パッド８０／１０）である同心環状溝を有する同様のポリウレタン研磨パッドが試験された。

図６は、試験されたパッドの各々についてミル／時間におけるパッド摩耗率のグラフを提供する。図６におけるデータが示すように、パッド摩耗率は、Ｗ_L／Ｗ_Gが２（パッド６０／２０）から１（パッド４０／２０）へ減少するとき、所与の溝幅（例えば０．４８ｍｍ（２０ミル））について増加する。加えて、摩耗率は、溝幅が０．４８ｍｍ（２０ミル）（パッド６０／２０）から０．７６ｍｍ（３０ミル）（パッド６０／３０）へ増加するときも、所与のピッチ（例えば１．５ｍｍ（６０ミル））について増加する。

本発明の実行について発明者に知られているベストモードを含む本発明の好ましい実施形態が本明細書において記述される。前述の記述を読むと、これら好ましい実施形態の変形が当業者にとって明らかとなるであろう。発明者は、当業者が斯かる変形を適宜用いることを予想し、且つ、本明細書において具体的に記述されたものとは別の方法で本発明が実施されることを意図している。したがって、本発明は、適用法令によって許容されるような、本明細書に添付された特許請求の範囲において列挙された構成要件の全ての修正及び均等物を含む。さらに、可能な全ての変更における上述された要素の任意の組合せが、本明細書においてそうでないことが示され又は明らかに文脈と矛盾することがない限り、本発明に包含される。

Claims (20)

1. 基板の化学機械研磨における使用に適した研磨パッドであって、
   当該研磨パッドが、ランディング面が溝を隔てた状態で複数の溝を画成する表面を具備し、前記ランディング面がほぼ同一平面上の研磨面を全体として画成し、各溝が、幅Ｗ_Lを有するランディング面によって任意の二つの隣接溝が隔てられた状態で、少なくとも０．２５ｍｍの深さと、幅Ｗ_Gとを有し、率Ｗ_L／Ｗ_Gが３以下である、研磨パッド。
2. 前記複数の溝が同心の実質的に円状の溝を具備する、請求項１に記載の研磨パッド。
3. 前記溝が１．３ｍｍ以下の深さを有する、請求項１に記載の研磨パッド。
4. 各溝の深さが０．２５〜１．３ｍｍの範囲内である、請求項１に記載の研磨パッド。
5. 各ランディング面についてのＷ_Lが２．０ｍｍ以下である、請求項１に記載の研磨パッド。
6. 各ランディング面についてのＷ_Lが０．７６〜１．５ｍｍの範囲内である、請求項１に記載の研磨パッド。
7. 各溝についてのＷ_Gが０．４８〜０．９６ｍｍの範囲内である、請求項１に記載の研磨パッド。
8. 各溝がほぼ同じ深さを有する、請求項１に記載の研磨パッド。
9. 各溝がほぼ同じＷ_Gを有する、請求項１に記載の研磨パッド。
10. 各ランディング面がほぼ同じＷ_Lを有する、請求項１に記載の研磨パッド。
11. 基板の化学機械研磨における使用に適した研磨パッドであって、
    当該研磨パッドが、渦巻状ランディング面が複数ターンの渦巻状溝を隔てた状態で渦巻状溝を画成する表面を具備し、前記渦巻状ランディング面がほぼ同一平面上の研磨面を画成し、前記溝が、少なくとも０．２５ｍｍの深さと、幅Ｗ_Gとを有し、前記ランディング面が幅Ｗ_Lを有し、率Ｗ_L／Ｗ_Gが３以下である、研磨パッド。
12. 前記渦巻状溝が１．３ｍｍ以下の深さを有する、請求項１１に記載の研磨パッド。
13. 前記溝の深さが０．２５〜１．３ｍｍの範囲内である、請求項１１に記載の研磨パッド。
14. Ｗ_Lが２．０ｍｍ以下である、請求項１１に記載の研磨パッド。
15. Ｗ_Lが０．７６〜１．５ｍｍの範囲内である、請求項１１に記載の研磨パッド。
16. Ｗ_Gが０．４８〜０．９６ｍｍの範囲内である、請求項１１に記載の研磨パッド。
17. 前記率Ｗ_L／Ｗ_Gが２以下である、請求項１１に記載の研磨パッド。
18. 前記率Ｗ_L／Ｗ_Gが１以下である、請求項１１に記載の研磨パッド。
19. 前記率Ｗ_L／Ｗ_Gが２以下である、請求項１に記載の研磨パッド。
20. 前記率Ｗ_L／Ｗ_Gが１以下である、請求項１に記載の研磨パッド。

Images