JP5755528B2 - 研磨パッド - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハなどの被研磨物の表面を平坦化処理するのに使用される研磨パッドに関し、更に詳しくは、被研磨物を研磨する研磨面に溝が形成された研磨パッドに関する。

近年、半導体の製造分野では、半導体デバイスの高集積化の要請により、配線部の微細化や多層配線化が進んでいる。これに伴って、半導体ウェハ表面の凹凸を平坦化する技術が必要不可欠となっている。かかる半導体ウエハなどの被研磨物の表面の凹凸を平坦化する技術として、一般に、化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）法が用いられている。

かかるＣＭＰ法による研磨装置では、ウェハが保持された上定盤と研磨パッドを装着した下定盤とによって、ウェハと研磨パッドとを加圧した状態で、その間に砥粒を含むスラリーを供給しながら、ウェハと研磨パッドとを相対的に摺動させることによって研磨を行う（例えば、特許文献１参照）。

上記研磨装置に用いられる従来の研磨パッドでは、研磨レートを高めるなどの研磨特性向上のために、研磨パッドの表面である研磨面に各種の溝を形成することが行われている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−４９４４８号公報 特開２０００−６１８１７号公報

半導体製造においては、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて、半導体ウェハの研磨面の高い面内均一性が要求されると共に、生産性を向上させるために、高い研磨レートが要求される。しかしながら、高い面内均一性と高い研磨レートを同時に満たすことは難しい。

上記特許文献２には、研磨パッドの表面に同心円状のパターンと格子状のパターンとを組合せた溝を形成してもよいことが示唆されているが、前記両パターンをどのように組合せるか、あるいは、その組合せによってどのような作用効果が奏されるかについての具体的な開示は、全くない。

本発明は、高い研磨レートと高い面内均一性とを同時に満足する研磨パッドを提供することを目的とする。

本発明の研磨パッドは、被研磨物を研磨する研磨面に溝が形成された研磨パッドであって、前記研磨面には、同心円状の溝と格子状の溝とが形成されると共に、前記格子状の溝の溝ピッチが、前記同心円状の溝の溝ピッチに対して特定の関係を有し、前記特定の関係が、前記格子状の溝の溝ピッチが、前記同心円状の溝の溝ピッチの１４倍〜１３０倍であり、前記同心円状の溝の溝ピッチが、１ｍｍ〜５ｍｍである。

更に、前記格子状の溝の溝ピッチが、７０ｍｍ〜１３０ｍｍであるのが好ましい。

本発明の研磨パッドによると、研磨面に、同心円状の溝と格子状の溝とが形成されると共に、格子状の溝の溝ピッチが、同心円状の溝の溝ピッチに対して特定の関係、すなわち、格子状の溝の溝ピッチが、同心円状の溝の溝ピッチの１４倍〜１３０倍としたので、同心円状の溝によって高い研磨レートを維持しつつ、格子状の溝によって高い面内均一性を確保することができる。

特に、同心円状の溝の溝ピッチを１ｍｍ〜５ｍｍとし、格子状の溝の溝ピッチを、７０ｍｍ〜１３０ｍｍとすることによって、同心円状の溝と格子状の溝との組合せを最適化して、高研磨レートと高い面内均一性とを両立させることができる。

本発明によれば、研磨面には、同心円状の溝と格子状の溝とが形成されると共に、格子状の溝の溝ピッチが、同心円状の溝の溝ピッチに対して特定の関係、すなわち、格子状の溝の溝ピッチが、同心円状の溝の溝ピッチの１４倍〜１３０倍としたので、高い研磨レートを維持しつつ、高い面内均一性を確保することができる。

ＣＭＰ研磨装置の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態の研磨パッドの平面図である。 図２の研磨パッドに形成されている同心円状の溝および格子状の溝を個別に有する研磨パッドの平面図である。 図２の研磨パッド及び図３(ａ)，(ｂ)の各研磨パッドの研磨レート(ＲＲ)及び面内非均一性(ＮＵ)を示す図である。 図２の研磨パッド及び図３(ａ)，(ｂ)の各研磨パッドを用いてそれぞれ研磨されたウェハ面内の研磨レートのプロファイルである。

以下、図面によって本発明の実施形態について、詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る研磨パッドが使用されるＣＭＰ研磨装置の概略構成図である。

このＣＭＰ研磨装置では、定盤１の表面に、本発明の一実施形態に係る研磨パッド２が取付けられ、被研磨物としての半導体ウェハ５は、研磨ヘッド６に、バッキングフィルム７を介して保持される。研磨パッド２上には、研磨用のスラリー３がスラリー供給装置４から供給され、研磨パッド２上を広がって半導体ウェハ５に到達する。

研磨ヘッド６に荷重が加えられることによって、半導体ウェハ５は、研磨パッド２に押し付けられ、定盤１と研磨ヘッド６とが、矢符Ａで示すように同方向に回転して相対的に移動し、研磨パッド２と半導体ウェハ５との間にスラリー３が浸入して研磨が行われる。なお、８は研磨パッド２の表面を目立てするためのドレッサーである。

図２は、図１の研磨パッド２の平面図である。

この実施の形態の研磨パッド２は、円盤状であって、例えば、無発泡あるいは発泡ポリウレタン等の樹脂からなる。

この実施の形態では、高い研磨レートと高い面内均一性とを実現するために、研磨パッド２の表面である研磨面には、同心円状の溝１０と格子上の溝１１とを、その溝ピッチに関して特定の関係となるように組合せた組合せ溝９が形成されている。

図３は、上記研磨パッド２の同心円状の溝１０と同じ同心円状の溝が形成された研磨パッド１２及び研磨パッド２の格子状の溝１１と同じ格子状の溝が形成された研磨パッド１３の平面図である。

研磨パッド２に形成されている同心円状の溝１０は、図３（ａ）に示されるように、研磨パッドの中心を中心とし、半径方向に等間隔に形成された複数の同心円状の溝である。また、研磨パッド２に形成されている格子状の溝１１は、図３（ｂ）に示されるように、正方形の格子状の溝である。

研磨パッド２では、同心円状の溝１０と格子状の溝１１とが組合された組合せ溝９が、研磨面の全面に亘って形成されている。格子状の溝１１は、正方形の溝が、研磨パッド２の中心を囲むように形成されてもよいし、あるいは、前記中心を横切るように形成されてもよい。

溝１０，１１の断面形状は、特に限定されず、例えば、矩形状、台形状、Ｖ字状、Ｕ字状などであってもよい。

溝の形成方法も特に限定されず、従来公知の方法、例えば、研磨パッド表面を切削加工することにより溝を形成してもよいし、溝の形成された金型を使用しで形成してもよい。

この実施形態では、格子状の溝１１の、隣接する溝間の距離である溝ピッチは、同心円状の溝１０の溝ピッチに対して特定の関係を有しており、格子状の溝１１の溝ピッチは、同心円状の溝１０の溝ピッチの１４倍〜１３０倍であり、より好ましくは、１７倍〜８０倍であり、更に好ましくは、２０倍〜６０倍である。

同心円状の溝の溝ピッチは、１ｍｍ〜５ｍｍであり、１．５ｍｍ〜４．５ｍｍであるのがより好ましく、２．０ｍｍ〜４．０ｍｍであるのが更に好ましい。

格子状の溝の溝ピッチは、７０ｍｍ〜１３０ｍｍであるのが好ましく、８０ｍｍ〜１２０ｍｍであるのがより好ましい。

図３（ｂ）に示される格子状の溝１１が形成された研磨パッド１３では、溝端部が研磨パッド１３の周縁部で外部に開放しているために、排出されるスラリーが多くなり、研磨面にスラリーが供給されにくく、このため、研磨レートが低くなる。

一方、図３（ａ）に示される多数の同心円状の溝１０が形成された研磨パッド１２では、各同心円状の溝１０の末端が外部に開放しておらず、研磨面に潤沢にスラリーが供給される。しかし、スラリーの流れが遅いことから、スラリーによる冷却が期待できず、研磨面での温度上昇、特にウェハ中心部での温度上昇を解消することが出来ず、ウェハ中心部の研磨レートが高くなって、面内均一性が低下する。

これに対して、図２に示される同心円状の溝１０と格子状の溝１１とが、溝ピッチに関して特定の関係を有するように組合された組合せ溝９を有する実施形態の研磨パッド２では、同心円状の溝１０によってスラリーを保持して研磨レートを高く維持できる一方、格子状の溝１１によってスラリーを適度に外部に排出してウェハ中心部における温度上昇を抑制して面内均一性を改善することができる。

本発明では、上述のように、格子状の溝１１の溝ピッチが同心円状の溝１０の溝ピッチの１４倍〜１３０倍である。格子状の溝１１の溝ピッチが同心円状の溝１０の溝ピッチの１４倍を下回ると、同心円状の溝１０の溝ピッチが広くなって、研磨後のウェハに同心円状の模様の転写が生じると共に、相対的に格子状の溝１１によるスラリーの排出の寄与が大きくなって研磨レートが低下する。したがって、同心円状の模様の転写の影響を低減しつつ、研磨レートの低下を抑制するには、格子状の溝１１の溝ピッチが同心円状の溝１０の溝ピッチの１４倍以上であるのが好ましく、研磨レートの低下を抑制して面内均一性を高めるためには、１７倍以上であるのが好ましい。

格子状の溝１１の溝ピッチが同心円状の溝１０の溝ピッチの前記１３０倍を上回ると、同心円状の溝１０の溝ピッチが狭くなって、溝１０の本数が増える結果、スラリーが多数の同心円状の溝１０内に流れ込んで研磨レートが低下する。したがって、研磨レートの低下を抑制するには、格子状の溝１１の溝ピッチが同心円状の溝１０の溝ピッチの１３０倍以下であるのが好ましく、研磨レートの低下を抑制して面内均一性を高めるためには、８０倍以下であるのが好ましい。

更に、研磨レートを高めると共に、高い面内均一性を得るためには、格子状の溝１１の溝ピッチが同心円状の溝１０の溝ピッチの２０倍〜６０倍であるのが好ましい。

次に、同心円状の溝１０と格子状の溝１１とを組合せた組合せ溝９を有する実施形態の研磨パッド２と、図３（ａ）に示される同心円状の溝１０のみの研磨パッド１２と、図３（ｂ）に示される格子状の溝１１のみの研磨パッド１３とをそれぞれ使用して２００ｍｍのＷ（タングステン）ウェハの研磨試験を行って、単位時間あたりの研磨量である研磨レート（ＲＲ：Ｒｅｍｏｖａｌ Ｒａｔｅ）と、研磨されたウェハの面内非均一性（ＮＵ：Ｎｏｎ Ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）とを計測した。なお、面内非均一性は、ウェハの複数箇所、例えば、４９箇所で研磨量を測定し、次式で算出した。

ＮＵ＝（標準偏差／平均値）×１００
研磨試験に使用した各研磨パッドは、直径２２．５インチのニッタハース社製の発泡ポリウレタンパッド（ＩＣ１０００）に、矩形断面の上記各溝９，１０，１１をそれぞれ形成したものである。また、同心円状の溝１０の溝ピッチは、３．０ｍｍ、溝幅は０．２５ｍｍ、溝深さは０．３８ｍｍとし、格子状の溝の溝ピッチは、１００ｍｍ、溝幅は１．０ｍｍ、溝深さは０．８ｍｍとした。

研磨条件は、次の通りである。

<研磨条件＞
研磨装置:荏原製作所製 ＥＰＯ２２２Ｄ
ウェハ: ２００ｍｍ Ｗ（タングステン）ウェハ
スラリー: キャボット社製ＳＳＷ２０００ ２倍希釈(Ｈ₂Ｏ₂ ２％添加)
プラテン／ヘッド 回転速度:１００／１０３ｒｐｍ
研磨圧力:３５ｋＰａ
裏面圧力（Back Side Pressure）:１０ｋＰａ
研磨時間:６０秒
スラリー流量:１２５ｍｌ／分
上記研磨条件で研磨試験を行なって測定した研磨レート（ＲＲ）と面内非均一性（ＮＵ）の結果を、図４に示す。

この図４に示されるように、同心円状の溝１０のみの研磨パッド１２（同心円溝）では、研磨レートは５３１６（Å／ｍｉｎ）と高いものの、面内非均一性（ＮＵ）の値は、４．６（％）と高く、面内均一性が悪い。また、格子状の溝１１のみの研磨パッド１３（格子溝）では、面内非均一性（ＮＵ）の値は、１．４（％）と低く、面内均一性が良好であるが、研磨レートは、４３８１（Å／ｍｉｎ）と低い。

これに対して、同心円状の溝１０と格子状との溝１１とを、それらの溝ピッチが特定の関係、具体的には、格子状の溝１１の溝ピッチが、同心円状の溝１０の溝ピッチの３３．３倍となるように組合せた組合せ溝９を有する実施例の研磨パッド２では、研磨レートは、５１４７（Å／ｍｉｎ）であって、同心円状の溝１０のみの研磨パッド１２と同等の高い研磨レートを維持しつつ、面内非均一性（ＮＵ）の値は、同心円状の溝１０のみの研磨パッド１２の４．６に比べて、２．０と低く、面内均一性が改善されていることが分る。

図５に、上記各研磨パッド２，１２，１３を用いて研磨されたウェハ面内での研磨レートのプロファイルを示す。横軸は、ウェハの中心（０．０）から半径方向（±１００）への位置を示し、縦軸は、研磨レートを示している。

この図５に示されるように、同心円状の溝１０のみの研磨パッド１２（同心円溝）を用いて研磨したウェハでは、その中央部と外周部との研磨レートの差が大きいのに対して、組合せ溝９を有する実施例の研磨パッド２を用いて研磨したウェハでは、その中央部と外周部との研磨レートの差は小さく、ウェハの面内均一性が改善されていることが分る。また、実施例の研磨パッド２は、格子状の溝１１のみの研磨パッド１３（格子溝）に比べて、研磨レートが高いことが分る。

次に、同心円状の溝１０と格子状の溝１１とを組合せた組合せ溝９を有する研磨パッド２において、両溝１０，１１の溝ピッチの関係を異ならせた研磨パッドを複数のサンプルとし、各サンプルを用いて上記研磨条件で研磨をそれぞれ行ったときの研磨レート（ＲＲ）と面内非均一性（ＮＵ）とをそれぞれ測定した。

各サンプルの前記両溝１０，１１の溝ピッチ、研磨レート（ＲＲ）、面内非均一性（ＮＵ）、溝ピッチの比率、および、同心円状の溝のウェハへの転写の有無を表１に示す。溝ピッチの比率とは、格子状の溝１１の溝ピッチの同心円状の溝１０の溝ピッチに対する比率を示し、格子状の溝１１の溝ピッチが同心円状の溝１０の溝ピッチの何倍であるか、すなわち、上述の特定の関係をしている。

サンプル３〜７では、研磨レート（ＲＲ）が５０００（Å／ｍｉｎ）を超える高い研磨レートを得ると共に、面内非均一性（ＮＵ）は、１０％未満という高い面内均一性を得ることができた。

研磨レート（ＲＲ）が４６６４（Å／ｍｉｎ）と比較的低いサンプル９では、同心円状の溝１０の溝ピッチが広くなるために、研磨後のウェハに同心円状の模様の転写が認められた。この同心円状の模様の転写は、サンプル８でも認められたが、サンプル８は、研磨レート（ＲＲ）が５４１１（Å／ｍｉｎ）と高かった。

研磨レート（ＲＲ）が５０００（Å／ｍｉｎ）を超えると共に、面内非均一性（ＮＵ）は、１０％未満という高い面内均一性を得ることができるサンプル３〜７は、いずれも上述の同心円状の溝１０の溝ピッチが、１ｍｍ〜５ｍｍの範囲にあって、かつ、格子状の溝１１の溝ピッチが、７０ｍｍ〜１３０ｍｍの範囲にあり、したがって、格子状の溝１１の溝ピッチは、同心円状の溝１０の溝ピッチの１４倍〜１３０倍となっている。

更に、これらサンプル３〜７は、同心円状の溝１０の溝ピッチが、好ましい範囲である１．５ｍｍ〜４．５ｍｍであって、かつ、格子状の溝１１の溝ピッチが、好ましい範囲である８０ｍｍ〜１２０ｍｍであり、したがって、格子状の溝１１の溝ピッチは、同心円状の溝１０の溝ピッチの１７倍〜８０倍である。

また、同心円状の溝１０の溝ピッチが、より好ましい範囲である２．０ｍｍ〜４．０ｍｍであって、かつ、格子状の溝１１の溝ピッチが、好ましい範囲である８０ｍｍ〜１２０ｍｍ、すなわち、格子状の溝１１の溝ピッチが、同心円状の溝１０の溝ピッチの２０倍〜６０倍の範囲であるサンプル５は、研磨レート（ＲＲ）が５０００（Å／ｍｉｎ）を超えると共に、面内非均一性（ＮＵ）が、２．０％と低く、高い面内均一性を示している。

このように最適化した溝ピッチで同心円状の溝１０と格子状の溝１１とを組み合わせることによって、高研磨レートと高い面内均一性を両立させることができる。

上述の実施形態では、単層構造の研磨パッドに適用して説明したけれども、クッション層等を有する積層構造の研磨パッドとしてもよい。

２，１２，１３ 研磨パッド
９ 組合せ溝
１０ 同心円状の溝
１１ 格子状の溝

Claims (2)

1. 被研磨物を研磨する研磨面に溝が形成された研磨パッドであって、
   前記研磨面には、同心円状の溝と格子状の溝とが形成されると共に、前記格子状の溝の溝ピッチが、前記同心円状の溝の溝ピッチに対して特定の関係を有し、
   前記特定の関係が、前記格子状の溝の溝ピッチが、前記同心円状の溝の溝ピッチの１４倍〜１３０倍であり、
   前記同心円状の溝の溝ピッチが、１ｍｍ〜５ｍｍである、
   ことを特徴とする研磨パッド。
2. 前記格子状の溝の溝ピッチが、７０ｍｍ〜１３０ｍｍである、
   請求項１に記載の研磨パッド。