JP2016087770A - 研磨布および研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＭＰ工程において、高い平坦性を確保することができる研磨布および研磨方法を提供する。
【解決手段】研磨布１２２は、ポリマ２００中に混入された熱伝導率が低い物質ＷＦとを有する研磨層を含む。低熱伝導性物質は、木材繊維などの繊維状物質である。これにより研摩中に生じる研摩熱は研磨布の内部には容易に拡散せず、研磨布表面に接触する研磨布冷却部によって消失される。また、研磨層の熱拡散率を０．０５ｍｍ２／ｓ以下とする。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、研磨布および研磨方法に関する。

半導体装置の製造プロセスにおいて、化学的機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：以下、「ＣＭＰ」という）は、基板上の例えば金属膜や多結晶珪素膜、溝に埋め込まれた絶縁膜などの平坦化に使用される。１９ｎｍ世代以降または三次元積層型の次世代デバイスでは、微細化や積層数の増大に伴う露光工程でのフォーカスエラーを低減するため、ＣＭＰ工程での高い平坦性を確保することが特に求められている。

特開２０１２−０５４５２９号公報 特開２００４−２４３５１８号公報

本発明が解決しようとする課題は、ＣＭＰ工程において、高い平坦性を確保することができる研磨布および研磨方法を提供することである。

一実施形態の研磨布は、繊維状物質が混入されたポリマを含む研磨層を持つ。

一実施形態による研磨布が用いられたＣＭＰ装置の概略構成を示す図の一例。 実施例１による研磨布の概略構成を示す部分断面図の一例。 実施例２による研磨布の概略構成を示す部分断面図の一例。 図１のＣＭＰ装置の研磨対象である被研磨物の一例を示す略示断面図の一例。 一実施形態による研磨方法を用いた半導体装置の製造工程を示す略示断面図の一例。

以下、実施形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。また、添付の図面は、それぞれ発明の説明とその理解を促すためのものであり、各図における形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所がある点に留意されたい。

本願明細書において、「積層」は、互いに接して重ねられる場合の他、間に他の層が介挿されて重ねられる場合をも含む。また、「上に搭載される」とは、直接接して搭載される場合の他、間に他の層や部材などが介挿されて搭載される場合をも含む。さらに、説明中の上下等の方向を示す用語は、ＣＭＰ装置の説明においては研磨テーブルの表面のうち研磨布が搭載される面側を上とし、被研磨物の説明においては基板の被研磨物が形成された面側を上とした場合の相対的な方向を指し示す。そのため、重力加速度方向を基準とした現実の方向と異なる場合がある。

図１は、実施の一形態による研磨布を含むＣＭＰ装置の概略構成を示す図の一例である。図１に示すＣＭＰ装置１０は、台座部１１と、本実施形態による研磨布１２と、被研磨物１４を保持する保持部１３と、供給部１５と、表面調整部１６と、研磨布冷却部１７とを含む。

台座部１１は、研磨テーブル軸１１ａと、研磨テーブル軸１１ａに連結された研磨テーブル１１ｂとを有する。研磨テーブル軸１１ａは図示しないモータに接続され、該モータの回転駆動により、研磨テーブル１１ｂは、研磨テーブル軸１１ａを介して例えば矢印ＡＲ１の方向に回転する。

研磨布１２は、研磨テーブル１１ｂ上に搭載される。研磨布１２は、被研磨物１４が接触する面に研磨層が形成されていれば、その構造は特に限定されず、例えば２層以上の積層構造を有するものでもよい。本実施形態による研磨布１２は、０．０５mm^２／ｓ以下、より好適には、０．０４ｍｍ^２／ｓ以下の熱拡散率を有し、かつ、２０℃〜６０℃で２００ＭＰａ以上の貯蔵弾性率を有する。研磨布１２の詳細構成については後に詳述する。

保持部１３は、三次元を構成するＸ，Ｙ，Ｚのいずれの方向にも移動可能である。例えば図１に示すように研磨布１２の表面２０がＸ−Ｙ平面に平行に設置されている場合、被研磨物１４を保持した状態で被研磨物１４をＺ方向に移動させて研磨布１２の表面２０に接触させる。保持部１３は、軸１３１を介してモータ（図示せず）に接続され、該モータの回転駆動により軸１３１を介して例えば矢印ＡＲ１の方向に回転する。

台座部１１および保持部１３は、被研磨物１４の研磨量のむらをなくす観点から共に回転駆動されていることが望ましい。両者が回転駆動されるとき、図１に示すように、保持部１３の回転方向と台座部１１の回転方向とは同じであるのが望ましい。なお、図１では、研磨テーブル１１ｂおよび保持部１３が共に矢印ＡＲ１の方向に回転する場合を示したが、勿論これに限ることなく矢印ＡＲ１と反対の方向に回転させてもよい。

供給部１５は、台座部１１の上方、例えば、台座部１１が円柱形のとき、円の中央部の上方に配置され、研磨布１２の表面２０にスラリＳＬを供給する。スラリＳＬは、例えば、研磨剤などの薬液および水などを含む。

表面調整部１６は、被研磨物１４の研磨により、磨耗した、または、研磨剤中に含まれる砥粒により目詰まりした研磨布１２の表面部を、被研磨物１４の研磨前の初期状態に戻す機能を有する。

研磨布冷却部１７は、研磨布１２の表面２０に近接して配置され、研磨布１２の表面部を冷却する。研磨布冷却部１７は、例えば、研磨布１２の表面部に接触する熱交換体（図示せず）や、研磨布２の表面部に不活性気体（熱交換気体）を供給する非接触機構（図示せず）などを備える。

図２および図３は、研磨布１２の実施例１および２をそれぞれ示す部分断面図の例であり、例えば図１のＡ−Ａ切断線に対応する断面図である。

図２に示す研磨布１２２は、ポリマ２００と、このポリマ２００中に混入された熱伝導率が低い物質（以下、「低熱伝導率物質」という）ＷＦとを有する研磨層を含む。低熱伝導率物質ＷＦの熱伝導率は具体的には０．１５Ｊ／（ｍ・ｓ・Ｋ）以下が好ましい。本実施例において低熱伝導率物質ＷＦは、木材繊維などの繊維状物質である。

ポリマ２００の具体的材料としては、ポリウレタン、ポリウレア、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、エポキシ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、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、およびこれらの物質の混合物を挙げることができ、本実施形態ではポリウレタンを用いることが望ましい。

本実施例の研磨布１２２によれば、ポリマ２００に低熱伝導率物質ＷＦが混入されているので、研磨布１２と被研磨物１４との間で研磨中に生じる摩擦熱は研磨布１２の内部へ容易には拡散せず、このため、発生した摩擦熱の多くを研磨布１２の内部に到達する前に研磨布冷却部１７によって消失させることができる。これにより研磨布１２内部の温度上昇を抑制することが可能になる。

図３に示す研磨布１２４は、ポリマ２００と、このポリマ２００中の空隙に予め導入され、ポリマ２００に囲まれるようにカプセル状に被覆された、ポリマ２００よりも比熱および熱伝導率が高い物質（以下、「高比熱・高熱伝導率物質」という）３００と、を有する研磨層を含む。

高比熱・高熱伝導率物質３００の熱伝導率がポリマ２００よりも高いため、研磨布１２と被研磨物１４との間で生じる摩擦熱は、優先的に材料３００へ流入する。これにより、研磨布１２全体の温度上昇による貯蔵弾性率の低下を防ぐことができる。ポリマとして例えばポリウレタンを選択した場合、高比熱・高熱伝導率物質３００の比熱を１９００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）以上とし、熱伝導率を０．１５Ｊ／（ｍ・ｓ・Ｋ）以上とすることが望ましい。このような特性を有する高比熱・高熱伝導率物質３００の具体例としては水（Ｈ_２Ｏ）を挙げることができる。

低熱伝導率物質ＷＦおよび高比熱・高熱伝導率物質３００は、研磨布１２の表面からある程度深い位置に含有されている必要があり、浅くとも摩擦熱が入っていく場所に含有されている必要がある。

なお、低熱伝導率物質ＷＦ（実施例１）および高比熱・高熱伝導率物質３００（実施例２）の各分布量は、要求される研磨布１２の硬度とのバランスを考慮して決定される。

図１に示すＣＭＰ装置１０を用いた研磨方法について一実施形態の研磨方法として説明する。本実施形態の研磨方法では、供給部１５からスラリＳＬを供給し、被研磨物１４を台座部１１の方へ移動させて研磨布１２の研磨層（図２の符号１２２または図３の符号１２４参照）に接触させ、研磨布冷却部１７によって研磨布１２の表面部を冷却しつつ、被研磨物１４を研磨する。

ポリマ２００のみで研磨層を形成する場合、その熱拡散率は約０．０６ｍｍ^２／ｓが下限値となっている。しかしながら、ポリマ２００に低熱伝導率物質ＷＦを混入したり（実施例１）、ポリマ２００よりも比熱が高く熱伝導率が高い高比熱・高熱伝導率物質３００をポリマ２００に囲まれるように予め含有させたり（実施例２）することにより、研磨層の熱拡散率を０．０４ｍｍ^２／ｓ以下に低減することが可能になり、また、２０℃〜６０℃での貯蔵弾性率を２００ＭＰａ以上にすることが可能になる。

０．０５mm^２／ｓ以下の熱拡散率であれば、研磨中での研磨布１２内部の温度上昇を抑制することが可能である。また、２００ＭＰａ以上の貯蔵弾性率であれば、抑制された温度上昇の効果により、被研磨物表面の十分な平坦性を確保することができる。

図４は、被研磨物１４の一例を示す略示断面図の一例である。図４に示す被研磨物１４は、半導体基板１４ａとストッパ膜１４ｂと絶縁膜１４ｃとを含む。ストッパ膜１４ｂは半導体基板１４ａ上に成膜される。絶縁膜１４ｃは、半導体基板１４ａおよびストッパ膜１４ｂに設けられた溝ＴＲを埋め込むように半導体基板１４ａ上に成膜される。ストッパ膜１４ｂは、絶縁膜１４ｃに対して研磨選択比を有する材料から構成される。例えば、絶縁膜１４ｃが酸化シリコン膜のとき、ストッパ膜１４ｂは、窒化シリコン膜である。

ＣＭＰ研磨に際し、被研磨物１４は、図４に示す状態から上下反転して絶縁膜１４ｃが台座部１１に対向するように保持部１３に保持される。

本実施形態によれば、研磨布１２の熱拡散率が０．０５mm^２／ｓ以下と低いため、研磨布１２と被研磨物１４との間の摩擦熱は、研磨布１２内部へあまり拡散せず、多くは最表面の温度を上昇させるために消費される。研磨布冷却部１７は研磨布１２の表面側から冷却するため、研磨布１２の熱拡散率が高い場合に比べ、効率的に冷却することが可能であり、結果として研磨布全体としての貯蔵弾性率をより高く保つことができる。これにより、被研磨物１４の表面に関して高い平坦性を確保することが可能となる。

図５は、本実施形態による研磨方法により得られた被研磨物１４の加工後の状態を示す略示断面図である。図５に示すように、絶縁膜１４ｃの表面４００はストッパ膜１４ｂの表面５００と面一となっている。このように、本実施形態によれば、被研磨物１４の加工面について高い平坦性を実現することが可能である。

本実施形態において、熱拡散率は、例えばレーザフラッシュ法により測定可能である。また、貯蔵弾性率は、例えば非共振強制振動法により測定可能である。

研磨布１２の熱拡散率が０．０５mm^２／ｓ以下であれば、研磨中での研磨布１２内部の温度上昇を抑制することが可能である。また、２００ＭＰａ以上の貯蔵弾性率であれば、抑制された温度上昇の効果により、被研磨物表面の十分な平坦性を確保することができる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の研磨布によれば、０．０５mm^２／ｓ以下の熱拡散率を有するので、研磨中での研磨布内部の温度上昇を抑制することが可能になる。これにより、研磨布全体の温度上昇による貯蔵弾性率の低下を防ぐことができる。これにより、被研磨物の表面の高い平坦性を確保することができる。

また、以上述べた少なくともひとつの実施形態の研磨方法によれば、０．０５mm^２／ｓ以下の熱拡散率を有する研磨布の研磨層の表面にスラリを供給し、被研磨物を該研磨層に接触させ、被研磨物を研磨するので、研磨中での研磨布内部の温度上昇が抑制されて貯蔵弾性率の低下を防ぐことができるので、被研磨物の表面の高い平坦性を確保することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１１…台座部、１２…研磨布、１３…保持部、１５…供給部、２００…ポリマ、３００…高比熱・高熱伝導率物質、ＷＦ…低熱伝導率物質。

Claims (5)

1. 繊維状物質が混入されたポリマを含む研磨層を備える研磨布。
2. ポリマを含む研磨層を備え、前記ポリマよりも比熱が高く熱伝導率が高い物質が前記ポリマに囲まれるように予め含有された研磨布。
3. 前記物質は水（Ｈ_２Ｏ）であることを特徴とする請求項２に記載の研磨布。
4. 前記研磨層の熱拡散率は０．０５mm^２／ｓ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の研磨布。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の研磨布の前記研磨層の表面にスラリを供給し、被研磨物を前記研磨層に接触させ、前記被研磨物を研磨する研磨方法。

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