JP2013175637A - 研磨パッドおよびその製造方法、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パッド表面が適度にグレージングした、研磨パッドを提供する。これにより、発泡ポアに保持された研磨剤による研磨レートを好適に調整して、研磨レートを低下させることなく、被研磨部材を平坦に研磨する。
【解決手段】シリコーン系樹脂軟化剤を含むポリウレタンフォームからなる研磨パッド。シリコーン系樹脂軟化剤を含むポリウレタンフォーム原料を発泡させる工程と、発泡したポリウレタンフォーム原料を成型することによる研磨パッドを得る工程と、有する研磨パッドの製造方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、研磨パッドおよびその製造方法、半導体装置の製造方法に関する。

従来から、半導体装置の製造工程において膜の表面を平坦化するための研磨手法として、化学機械研磨法（ＣＭＰ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が使用されている。この化学機械研磨法は、研磨パッドと被研磨部材間に研磨剤を介在させた状態で研磨パッドを被研磨部材に押し付け、被研磨部材に対して研磨パッドを相対的に移動させることによって行う。研磨パッドは、微小気泡である発泡ポアを有し、その表面には凹凸が存在する。研磨パッドの凹部では研磨剤を保持し、凸部では被研磨部材に接触することによって、被研磨部材を研磨する。

特許文献１及び２（特開２００９−２５６４７３号公報及び特開２００６−３０３４３２号公報）には、ポリウレタンフォームからなる研磨パッドが開示されている。

特開２００９−２５６４７３号公報 特開２００６−３０３４３２号公報

従来の研磨パッドでは、発泡ポアの研磨剤の保持能力が高すぎて、所望の研磨特性を得ることが困難であった。特に、ディッシング（過剰研磨）を防止する目的で、研磨パッド中に界面活性剤を多量に添加すると、被研磨部材の研磨レートが低下することとなっていた。一方、研磨レートを大きくするために研磨パッド中の界面活性剤の含量を減らすと、ディッシングが顕著となり、被研磨部材の面内均一性が低下することとなっていた。特に、フラッシュメモリはフローティングゲート制御との関係から、非常に広い素子分離領域が存在するため、ディッシングが顕著となっていた。

一実施形態は、
シリコーン系樹脂軟化剤を含むポリウレタンフォームからなる研磨パッドに関する。

他の実施形態は、
シリコーン系樹脂軟化剤を含むポリウレタンフォーム原料を発泡させる工程と、
発泡した前記ポリウレタンフォーム原料を成型することにより研磨パッドを得る工程と、
を有する研磨パッドの製造方法に関する。

パッド表面が適度にグレージングした、研磨パッドを提供する。これにより、発泡ポアに保持された研磨剤による研磨レートを好適に調整することができ、研磨レートを低下させることなく、被研磨部材を平坦に研磨できる。

第１実施形態を説明する図である。 第１実施形態を説明する図である。 第１実施形態を説明する図である。 従来例と第２実施形態を説明する図である。

研磨パッドは、シリコーン系樹脂軟化剤を含むポリウレタンフォームからなる。シリコーン系樹脂軟化剤は軟化剤としてだけでなく、消泡剤としても働き、ポリウレタンフォーム原料中に添加することで、ポリウレタンフォームの発泡量を低くすることができる。この結果、研磨パッド表面の発泡ポア部分を減らして、平らな部分を増加させることができる。また、シリコーン系樹脂軟化剤により、平らな部分の摩擦係数を低下させることができる。これにより、発泡ポアに保持された研磨剤による研磨レートを好適に調整することができ、研磨レートを低下させることなく、被研磨部材を平坦に研磨できる。

シリコーン系樹脂軟化剤としては、オイル型，オイルコンパウンド型，溶液型，エマルジョン型，自己乳化型のものを使用できる。ポリウレタンフォーム中のシリコーン系樹脂軟化剤の含量は１〜５質量％であることが好ましい。含量がこれらの範囲内にあることによって、グレージングを発生させて研磨レートを適度な範囲に設定することができる。この結果、被研磨部材を平坦に研磨できる。シリコーン系樹脂軟化剤の粒径は４０μｍ以下であることが好ましい。粒径がこれらの範囲内にあることによって、研磨パッドに適度なグレージングを発生させることができる。

ポリウレタンフォーム中には更に、硬化剤としてシリコーンパウダーを含むことが好ましい。ポリウレタンフォーム中に、シリコーン系樹脂軟化剤とシリコーンパウダーを含むことにより、より効果的に研磨パッドの硬度を制御することができる。また、ポリウレタンフォーム中のシリコーンパウダーの含量は１〜５質量％であることが好ましい。含量がこれらの範囲内にあることによって、被研磨部材を平坦に研磨できる。

ポリウレタンフォームの密度は０．７８ｇ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。このように高い密度を有することによって、発泡ポアの占める体積が小さくなり、発泡ポア内に保持する研磨剤の量を好適に小さくすることができる。この結果、被研磨部材を平坦に研磨できる。

ポリウレタンフォームはポリオール、イソシアネート、発泡剤、シリコーン系樹脂軟化剤を原料として形成される。ポリオールとしては、従来公知の化合物が使用でき、特に限定されるものではないが、例えば、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、ポリマーポリオール、フェノールポリオールを挙げることができる。

ポリエーテルポリオールとしては、例えば、活性水素化合物にアルキレンオキサイドを付加した化合物等が挙げられる。活性水素化合物としては、例えば、多価アルコール（例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、１，４−ブタンジオール、ｌ，６−へキサンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ネオペンチルグリコール、グリセリン、トリメチロールブロパン、ペンタエリスリトール、メチルグルコシド、ソルビトール、シュークロース等）、多価フェノール（例えば、ピロガロール、ハイドロキノン等）、ビスフェノール類（例えば、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＳ、ビスフェノールＦ、フェノールとホルムアルデヒドとの低縮合物等）、脂肪族アミン（例えば、プロピレンジアミン、へキサメチレンジアミン、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ぺンタメチレンヘキサミン、エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、アミノエチルエタノールアミン等）、芳香族アミン（例えば、アニリン、フェニレンジアミン、キシリレンジアミン、メチレンジアニリン、ジフェニルエーテルジアミン等）、脂環式アミン（例えば、イソホロンジアミン、シクロヘキシレンジアミン等）、複素脂環式アミン（アミノエチルピペラジン等）等が挙げられる。これらのポリオールは単独で使用することもできるし、２種以上を併用してもよい。

ポリエステルポリオールとしては、例えば、上記した多価アルコールと多塩基酸（例えば、フタル酸、コハク酸、アジピン酸、セバシン酸、マレイン酸、ダイマー酸、トリメリット酸等）とを反応させて得られる縮合ポリエステルポリオール、ε−カプロラクトン等のラクトンを開環重合して得られるポリラクトンポリオール等が挙げられる。

ポリマーポリオールとしては、例えば、上記したポリエーテルポリオールとエチレン性不飽和単量体（例えば、ブタジエン、アクリロニトリル、スチレン等）とをラジカル重合触媒の存在下に反応させた重合体ポリオール等が挙げられる。

イソシアネートとしては、従来公知の化合物が使用でき、特に限定するものではないが、例えば、芳香族ポリイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、１，６−ヘキサメチレンジイソシアネート、４，４−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート等の脂肪族ポリイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、テトラメチルキシリレンジイソシアネート等の芳香環式ポリイソシアネート及びこれらの変性物（例えば、カルボジイミド変性、アロファネート変性、ウレア変性、ビューレット変性、イソシアヌレート変性、オキサゾリドン変性等）、イソシアネート基末端プレポリマー等が挙げられる。

芳香族ポリイソシアネートとしては、例えば、２，４−又は２，６−トルエンジイソシアネート（ＴＤＩ）、粗製ＴＤＩ、ジフェニルメタン２，４’−又は４，４’−ジイソシアネート（ＭＤＩ）、ポリメチレンポリフェニルイソシアネート（粗製ＭＤＩ）等が挙げられる。

発泡剤としては、水、フロン系発泡剤（ＨＣＦＣ−１４１ｂ、ＨＦＣ−２４５ｆａ、ＨＦＣ−３６５ｍｆｃ）、炭化水素系発泡剤（ペンタン、シクロペンタン）、ガス（窒素ガス、酸素ガス、液化炭酸ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス）、超臨界二酸化炭素などを使用することが出来る。例えば、水はポリイソシアネートとの反応で炭酸ガスを発生させることで発泡剤として作用する。

また、ポリウレタンフォームの原料として、架橋剤、鎖延長剤、アミン触媒、を使用しても良い。

架橋剤又は鎖延長剤としては、例えば、エチレングリコール、１，４−ブタンジオール、グリセリン等の低分子量の多価アルコール類、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン等の低分子量のアミンポリオール類、又はエチレンジアミン、キシリレンジアミン、メチレンビスオルソクロルアニリン等のポリアミン類を挙げることができる。

アミン触媒としては、公知の第３級アミン触媒を限定なく使用することができ、例えば、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミンやＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルヘキサメチレンジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’，Ｎ”−ペンタメチルジエチレントリアミン等のＮ−アルキルポリアルキレンポリアミン類、ジアザビシクロウンデセン、Ｎ，Ｎ−ジメチルシクロヘキシルアミン、トリエチレンジアミン、Ｎ−メチルモルホリン等の第３級アミン類を挙げることができる。

また、予めポリオールとイソシアネートを反応させてプレポリマーを形成し、プレポリマーをアミンと反応させることでポリウレタンフォーム樹脂を形成しても良い。

以下、本発明を実施形態により具体的に説明するが、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。

（第1実施形態）
本実施形態は、研磨パッドの形成、及び研磨パッドを用いたＣＭＰ工程の実施に関するものである。

本実施形態では、下記の工程により研磨パッドを形成する。
（１）ポリオール、イソシアネート、発泡剤、シリコーン系樹脂軟化剤など上記のポリウレタンフォーム原料を混合して、発泡させる工程。
（２）発泡したポリウレタンフォーム原料を金型などに流し込み、加熱して研磨パッドの形状に成型する工程。

図１は本実施形態で形成した研磨パッドを備えたＣＭＰ装置を表す断面図、図２はＣＭＰ装置の一部の平面図を示したものである。図１及び２に示すように、ＣＭＰ装置１は、円周方向に自転自在な所定の厚みを有する円形のプラテン２と、プラテン２に貼着された研磨パッド３と、絶縁膜を設けた半導体ウェハ４を研磨パッド３に押し付け自在なキャリア５と、研磨パッド３上に研磨剤を滴下する研磨剤供給装置６と、研磨パッド３を平坦にするドレッサ７と、プラテン２及び研磨パッド３に、その厚み方向に貫通して形成されたセンサエリア８と、センサエリア８内に設けられたセンサ（図示していない）とから概略構成されている。

プラテン２は、所定の厚みを有した平面視円状の円板で、図示略の装置によって、円周方向に自転可能なように形成されている。そして、プラテン２には、研磨パッド３が貼着されている。

キャリア５は、研磨ヘッド１１及びリテーナリング１２とから概略構成されている。研磨ヘッド１１は、研磨パッド３側の面が円状に構成されており、円周方向に自転可能に構成されている。また、後述するリテーナリング１２によって保持されたウェハ４を、研磨パッド３に押し付けることが可能なように移動自在に構成されている。研磨ヘッド１１の研磨パッド３側には、リテーナリング１２が配置されており、リテーナリング１２がウェハ４を保持するように構成されている。ウェハ４は絶縁膜側が研磨パッド３に対向するように保持されている。

具体的には、リテーナリング１２は、所定の厚みを有したリング板であり、中央部に空間１３が設けられた構成となっている。空間１３内には、メンブレン１４で区切られた加圧室１５が形成されている。研磨剤供給装置６は、研磨パッド３上にウェハ４を研磨するための研磨粒子、界面活性剤を含む研磨剤を滴下可能なように構成されている。

このＣＭＰ装置１では、まず、研磨ヘッド１１の下側に配置されたリテーナリング１２によって、ウェハ４の研磨したい面を下側にして保持する。その後、ウェハ４を保持したまま、研磨ヘッド１１を研磨パッド３上に移動させる。そして、研磨パッド３と研磨ヘッド１１とを共に自転させ、加圧部１６を介して加圧室１５内に気体を注入させて加圧室１５内を加圧させることで、メンブレン１４を膨張させ、ウェハ４を研磨パッド３側に押し付ける。また、研磨剤供給装置６から研磨剤を研磨パッド３上に供給する。以上のような方法によって、研磨パッド３とウェハ４とを擦り合わせることで、ウェハ４を研磨する。

図３は、本実施形態によって、研磨を行った際の研磨パッド表面の状態を表す模式図である。図３に示すように、研磨パッドは、シリコーン系樹脂軟化剤を含む原料から形成されたポリウレタンフォームからなる。このため、研磨パッドの表面には適度なグレージングが発生する。また、シリコーン系樹脂軟化剤により、このグレージング部分の摩擦係数は低くなっている。これにより、発泡ポアに保持された研磨剤による研磨レートを好適に調整することができ、研磨レートを低下させることなく、被研磨部材を平坦に研磨できる。

研磨剤としては、研磨粒子と界面活性剤とを含むもの使用することが好ましい。研磨粒子としては、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化セリウム、及び窒化ケイ素からなる群から選択された少なくとも一種の粒子であることが好ましい。

本実施形態のＣＭＰ工程の適用例としては例えば、下記の例を挙げることができる。
まず、絶縁膜を研磨して平坦化した後、半導体基板内にトレンチを形成する。トレンチ内に絶縁膜が埋め込まれるように、半導体基板上に絶縁膜を形成する。次に、本実施形態のＣＭＰ工程（化学機械研磨法）により、半導体基板の表面上の絶縁膜を除去することにより、素子分離領域を形成する。

（第２実施形態）
本実施形態は、密度が０．７８ｇ／ｃｍ^３以上のポリウレタンフォームからなる研磨パッドに関するものである。

図４Ａ従来例、図４Ｂは第２実施形態における研磨時の研磨パッド表面を説明する図である。図４Ｂに示すように、本実施形態では、ポリウレタンフォームの密度は０．７８ｇ／ｃｍ^３以上となっており、従来例と比べて、高い密度となっている。このため、発泡ポアの占める体積が小さくなり、研磨時に、発泡ポア内に保持する研磨剤の量を好適に小さくすることができる。この結果、被研磨部材を平坦に研磨できる。

１ ＣＭＰ装置
２ プラテン
３ 研磨パッド
４ ウェハ
５ キャリア
６ 研磨剤供給装置
７ ドレッサ
８ センサエリア
９ センサ
１１ 研磨ヘッド
１２ リテーナリング
１３ 空間
１４ メンブレン
１５ 加圧室
１６ 加圧部

Claims (15)

1. シリコーン系樹脂軟化剤を含むポリウレタンフォームからなる研磨パッド。
2. 前記ポリウレタンフォーム中のシリコーン系樹脂軟化剤の含量は１〜５質量％である、請求項１に記載の研磨パッド。
3. 前記ポリウレタンフォームは更に、硬化剤としてシリコーンパウダーを含む、請求項１または２に記載の研磨パッド。
4. 前記ポリウレタンフォーム中のシリコーンパウダーの含量は１〜５質量％である、請求項３に記載の研磨パッド。
5. 前記シリコーンパウダーの粒径は４０μｍ以下である、請求項３または４に記載の研磨パッド。
6. 前記ポリウレタンフォームの密度は０．７８ｇ／ｃｍ^３以上である、請求項１〜５の何れか１項に記載の研磨パッド。
7. シリコーン系樹脂軟化剤を含むポリウレタンフォーム原料を発泡させる工程と、
   発泡した前記ポリウレタンフォーム原料を成型することにより研磨パッドを得る工程と、
   を有する研磨パッドの製造方法。
8. 前記研磨パッド中のシリコーン系樹脂軟化剤の含量は１〜５質量％である、請求項７に記載の研磨パッドの製造方法。
9. 前記ポリウレタンフォーム原料は更に、硬化剤としてシリコーンパウダーを含む、請求項７または８に記載の研磨パッドの製造方法。
10. 前記研磨パッド中のシリコーンパウダーの含量は１〜５質量％である、請求項９に記載の研磨パッドの製造方法。
11. 前記シリコーンパウダーの粒径は４０μｍ以下である、請求項９または１０に記載の研磨パッドの製造方法。
12. 前記研磨パッドの密度は０．７８ｇ／ｃｍ^３以上である、請求項７〜１１の何れか１項に記載の研磨パッドの製造方法。
13. 研磨粒子と、界面活性剤とを含む研磨剤を準備する工程と、
    前記研磨剤と、請求項１〜６の何れか1項に記載の研磨パッドとを用いた化学機械研磨法により、絶縁膜を研磨して平坦化する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
14. 前記研磨粒子は、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化セリウム、及び窒化ケイ素からなる群から選択された少なくとも一種の粒子である、請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
15. 前記絶縁膜を研磨して平坦化する工程は、
    半導体基板内にトレンチを形成する工程と、
    前記トレンチ内に絶縁膜が埋め込まれるように、前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
    前記化学機械研磨法により、前記半導体基板の表面上の絶縁膜を除去することにより、素子分離領域を形成する工程と、
    を有する、請求項１３または１４に記載の半導体装置の製造方法。