JP6193652B2

JP6193652B2 - 研磨パッドおよび化学的機械的研磨装置

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Publication number: JP6193652B2
Application number: JP2013142974A
Authority: JP
Inventors: 悟平岡
Original assignee: Ablic Inc
Current assignee: Ablic Inc
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2033-07-08
Also published as: JP2015018835A

Description

本発明は、半導体ウエハの研磨に用いる研磨パッド、およびそれを装着した化学的機械的研磨装置に関する。

半導体素子の微細化及び高集積化により、配線の微細化、多層化が進んでいる。多層化の際ウエハ上に配線層や絶縁膜を積層すると表面が凹凸になる。この表面上にフォトリソグラフィ技術でパターン形成した場合、焦点深度の低下により配線間隔が狭くなる、ホール径が小さくなるなどのパターン不良が発生する。このような問題を解決するために、層間膜の平坦化を目的とした化学的機械的研磨、いわゆるＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）技術が必要となる。

一般的なＣＭＰ研磨装置は、研磨されるウエハ表面を押し当てる機構を有している研磨ヘッド、研磨パッドおよび研磨パッドを貼り付けるプラテン、研磨パッドの表面を研磨できる状態に整えるコンディショナー、層間膜を削る研磨剤のスラリーを吐出するスラリーアームを有している。尚、スラリーアームには、研磨パッドの溝に詰まった研磨屑を洗い流す高圧純水機構も含まれている。

半導体デバイス製造時に絶縁膜や導電体膜の凹凸を平坦化加工する際に用いられる研磨パッドには、発泡ポリウレタンからなる研磨パッドが使用されている。研磨パッドは、研磨対象物の研磨すべき部分である凸部の研磨速度（磨耗していく速度）をより大きくし、一方、研磨すべきでない部分である凹部の研磨速度をより小さくして、研磨対象物を平坦化する性能が求められる。

研磨パッド表面には、同心円状の溝、格子状の溝等が彫られている。溝の目的は、研磨されるウエハ表面に研磨材のスラリーを均一かつ十分に供給すること、ウエハ表面にスクラッチを発生させる原因となる研磨屑を排出すること、研磨パッドが吸着してウエハが破損するのを防止することである。一般的に、溝の深さは０．４５〜０．７５ｍｍ、幅は１．５〜２．５ｍｍ、溝ピッチは１３．５〜１６．５ｍｍである。

研磨パッド表面に同心円状の溝パターンを形成した場合、研磨パッド表面の研磨スラリーの流動性が低いために、新しい研磨スラリーを供給できず、ウエハ面内の研磨速度均一性が低下する傾向にある。研磨パッド表面に格子状の溝パターンを形成した場合、研磨パッド表面に研磨スラリーの流動性は高いものの、排出性も高いため、ウエハ表面に十分な量の研磨スラリーを供給することが困難となり、ウエハ面内の研磨速度均一性が低下する傾向にある。特に、研磨ヘッドの構成上、ウエハ外周部の研磨圧は中心部に対して低い傾向にあるので、ウエハ外周部の研磨速度が低下して、ウエハ面内の研磨速度均一性がより低下する。
上記の問題点を解決するために、同心円状の溝と放射状の溝とを併用することも行われている。（例えば、特許文献１参照）

特開平１１−１５６６９９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、同心円状の溝と放射状の溝とによって区切られた扇形をした凸部の一辺の最大長さを１０ｍｍ以下としているため、放射溝の本数や面積が多くなって研磨スラリーの排出性が高過ぎて、ウエハ表面への研磨スラリーの供給性が不足し、研磨速度やウエハ面内の研磨速度均一性が低下する。
本発明は、ウエハ面内の研磨速度均一性が向上し、特に、ウエハ外周部の研磨速度改善が可能な研磨パッドを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、以下の構成の研磨パッド、および化学的機械的研磨装置とした。
まず、平面形状が円形で研磨層の表面に溝を有する研磨パッドであって、前記研磨パッドの中心部の第一領域における第一溝部の溝幅が前記外周部の第二領域における第二溝部の溝幅よりも広いことを特徴とする研磨パッドとした。

また、前記中心部における前記第一溝部と第一平坦部の和である第一溝ピッチが前記外周部における前記第二溝部と第二平坦部の和である第二溝ピッチよりも大きいことを特徴とする研磨パッドとした。
また、前記第一領域が矩形であることを特徴とする研磨パッドとした。

また、前記第一領域が円形であって、前記第二領域がドーナツ形であることを特徴とする研磨パッドとした。
また、前記第二領域の外周に第三溝部と第三平坦部からなる第三領域が設けられ、前記第三溝部の溝幅が前記第二溝部の溝幅よりも狭いことを特徴とする研磨パッドとした。

また、前記第三領域の外周に第Ｎ溝部と第Ｎ平坦部からなる第Ｎ領域が設けられ、かつ前記第Ｎ領域の外周に第Ｎ＋１溝部と第Ｎ＋１平坦部からなる第Ｎ＋１領域が設けられ、前記第Ｎ＋１溝部の溝幅が前記第Ｎ溝部の溝幅よりも狭いことを特徴とする研磨パッドとした。

また、前記第一溝部から前記第Ｎ＋１溝部にかけて配置された放射状溝部の溝幅は、前記第一溝部から前記第Ｎ＋１溝部にかけて直線的に細くなっており、隣り合う該溝部の間には扇形平坦部が設けられていることを特徴とする研磨パッドとした。
また、前記研磨パッドを装着したことを特徴とする化学的機械的研磨装置とした。

上記構成とすることで、ウエハ面内の研磨速度均一性が良好になるものとなる。特に、ウエハ外周部の研磨速度の低下が改善されるので、相対的に、速い研磨速度も得られる。

本発明の研磨パッドの第一の実施例を示す平面図である。図１のＡ−Ａ部分の断面図である。研磨速度のウエハ内の分布を比較する図である。本発明の研磨パッドの第二の実施例を示す平面図である。本発明の研磨パッドの第三の実施例を示す平面図である。本発明の研磨パッドの第四の実施例を示す平面図である。本発明の研磨パッドの第五の実施例を示す平面図である。本発明の研磨パッドの第六の実施例を示す平面図である。

図１は、本発明に係る研磨パッドの第一の実施例を示す平面図である。
ＣＭＰに用いられる研磨パッド７は、円形の外形を有し、研磨層となる硬質ポリウレタン発泡体からなる上層部材と、軟質ポリウレタンからなる下層部材が接着剤で接着されたもので、上層部材には図のように研磨液のスラリーの流入性を促進するための格子状の溝が刻まれている。

研磨パッド７の中心付近では格子状の幅広溝部１が広い間隔で刻まれ、隣り合う幅広溝部１の間には幅広平坦部２を形成されている。これら幅広溝部１と幅広平坦部２からなる矩形の領域が幅広領域３である。これに対し、研磨パッド７の外周領域には幅狭領域６が設けられ、ここには格子状の幅狭溝部４が狭い間隔で刻まれ、隣り合う幅狭溝部４の間には幅狭平坦部５が形成されている。ここで、研磨パッドの直径は５０８ｍｍで、ウエハ直径が６インチの場合は、矩形の幅広領域３の一辺の長さが２７０〜２８０ｍｍが好ましい。より好ましくは、矩形の幅広領域３の一辺の長さは２７８ｍｍである。このときの矩形領域の頂点は研磨パッドの中心から１９７ｍｍの距離にある。

図２は、図１のＡ−Ａ部分の断面図で、幅狭領域６から幅広領域３にかけての断面を示している。幅狭領域６には、幅狭溝部４と幅狭平坦部５が交互に形成され、幅広領域３には、幅広溝部１と幅広平坦部２が交互に設けられている。幅狭溝部４の溝幅は０．７５〜１．２５ｍｍ、溝深さ０．４５〜０．７５ｍｍであり、幅狭溝部４の溝幅と幅狭平坦部５の幅を合わせた溝ピッチは６．７５〜８．２５ｍｍである。また、幅広溝部１の溝幅は１．５〜２．５ｍｍ、溝深さ０．４５〜０．７５ｍｍであり、幅広溝部１の溝幅と幅広平坦部２の幅を合わせた溝ピッチは１３．５〜１６．５ｍｍである。このように、幅狭領域の溝ピッチや溝幅が幅広領域の溝ピッチや溝幅の半分程度であることが望ましい。

以上のように、研磨パッドの中心領域を幅広溝部１と幅広平坦部２からなる幅広領域３とし、研磨パッドの外周領域を幅狭溝部４と幅狭平坦部５からなる幅狭領域６とすることで、外周領域での研磨スラリーの排出が抑制され、ウエハ面内の研磨速度均一性が良好になるものとなる。特に、ウエハ外周部の研磨速度の低下が改善されるので、相対的に、速い研磨速度も得られることになる。

本実施例の研磨方法は、上記において説明した研磨パッドを用いて、半導体基板上に形成された絶縁膜を研磨するものである。研磨スラリーは、例えば、（１）水やオイル等の液状媒体の中に（２）シリカ、アルミナ、酸化セリウム、炭化珪素等の研磨剤および（３）塩基、界面活性剤などの成分を有している。

化学的機械的研磨は、公知の化学的機械的研磨用装置を使用し、研磨スラリーを介して被研磨面と研磨パッドを、加圧下、所定速度で、所定時間接触させることによって実施することができる。研磨前や研磨中には、ダイヤモンドドレッサー等のドレッサーを使用して研磨パッドをコンディショニングし、研磨パッド表面を整える。

次に、本発明に係る研磨パッドを用いた実施例について説明する。
本実施例の研磨パッドの一例として、上層部材として硬質ポリウレタン発泡体製のパッド（厚さ１．１７〜１．３７ｍｍ、密度０．７４〜０．８５ｇ／ｃｍ３、圧縮率０．５〜４．０％、硬度（Ｓｈｏｒｅ−Ｄ）５２〜６２、例えば、ニッタハース製ＩＣ１０００）を使用して、下層部材として、軟質ポリウレタンフォームを使用して、両者をエポキシ系の接着剤で接着したいわゆる２層構造の研磨パッドを挙げることができる。尚、上層部材と下層部材が接着剤で接着されていないものを使用することも可能である。その様な例として、上層部材の硬質ポリウレタン発泡体製のパッド（厚さ１．１７〜１．３７ｍｍ、密度０．７４〜０．８５ｇ／ｃｍ３、圧縮率０．５〜４．０％、硬度（Ｓｈｏｒｅ−Ｄ）５２〜６２、例えば、ニッタハース製ＩＣ１０００）を使用して、下層部材として、ポリエステル繊維不織布にポリウレタン樹脂を含有させたもの（例えば、ニッタハース製Ｓｕｂａ４００）を挙げることができる。研磨パッドの半径は、１０インチ（２５４ｍｍ）である。

研磨パッドの表面には、先ず、研磨パッド中心から１９７ｍｍ近辺までは、溝幅１．５〜２．５ｍｍ、溝深さ０．４５〜０．７５ｍｍ、溝ピッチ１３．５〜１６．５ｍｍの範囲で、格子状の溝パターンを形成する。次に、研磨時にウエハ外周部が当る領域部分、例えば、研磨パッド中心から１９７ｍｍ近辺から研磨パッド端までの領域に、溝幅０．７５〜１．２５ｍｍ、溝ピッチ６．７５〜８．２５ｍｍで格子状の溝パターンを形成する。これ以上溝幅を狭めると、研磨時に発生するスラリー屑が溝に残り、研磨速度低下によるウエハ面内の均一性悪化、ＣＭＰ傷を発生させる可能性がある。

上記、溝パターンを形成した研磨パッドを化学的機械的研磨装置のプラテンに貼り付ける。研磨液のスラリーには、例えば、コロイダルシリカのＳＳ−２５Ｅ（キャボット製）を使用する。ドレッサーには、ＳＵＳ台金にダイヤモンド砥粒を配してディスク状のものを使用して、研磨パッド表面を削り、研磨可能な状態にする。

層間絶縁膜で最も使用頻度が高いＢＰＳＧ膜付６インチウエハを装置に設置する。研磨条件は、プラテン回転数：６３ｒｐｍ、研磨ヘッド回転数：５７ｒｐｍ、研磨圧はメンブレン圧：３．２ｐｓｉ、リテーナリング圧：９〜１２ｐｓｉ、インナーチューブ圧：２．５ｐｓｉとした。リテーナリング圧はウエハ外周の研磨速度が上昇する値に設定する。プラテン回転数と研磨ヘッド回転数は、研磨パッド磨耗を考慮して、異回転数にする。研磨中の研磨ヘッドのＳｗｅｅｐ条件は、下の表１に示す。Ｚｏｎｅに示す数値は研磨パッド上の研磨ヘッド中心位置である。

研磨処理中の研磨速度安定化のために、ドレッサーで研磨パッドを目立てる。もしくは、研磨前に研磨パッドの目立てを行う。目立て条件の一例は、ディスク押し圧：５ｌｂｆ、回転数：６７ｒｐｍ、目立て領域は研磨パッド中心付近から端までとする。研磨液のスラリーは、研磨中に１５０〜２００ｃｃ／ｍｉｎで吐出される。

実際に研磨した結果を図３に示す。本実施例に係る研磨パッドと従来の研磨パッドを用いて同一のサンプルを研磨したときのウェハ内の研磨速度の分布を表している。本実施例の研磨パッドでは、ウエハ外周部の研磨速度が上昇し、ウエハ面内の研磨速度均一性が改善した。研磨速度の均一性を表す最大値と最小値の差を最大値と最小値の和で除した量は従来の研磨パッドでは９．４から１０．２％であったものが、本実施例に係る研磨パッドでは５．３から７．３％に減少した。

図４〜図６は、本発明に係る研磨パッドの他の実施例を示す平面図である。
図４は、図１の変形例で、研磨パッドの外周領域における幅狭溝部の密度を減じたもので、図１の研磨パッドに比べると、研磨スラリーの排出が外周領域においてより抑制される構成である。

図５は、同心円状の溝と放射状の溝を組み合わせた構成である。円形の溝広領域３には幅広同心円状溝８と研磨パッドの中心から広がる幅広放射状溝９を設け、ドーナツ形の溝狭領域６には幅狭同心円状溝１０と幅狭放射状溝１１を設けた構成である。ここで、幅狭放射状溝１１は幅広放射状溝９の延長上に形成され、半径１０インチの研磨パッド上で６インチウエハを研磨する場合、溝広領域３と溝狭領域６の境界は研磨パッドの中心から好ましくは１９０〜２１０ｍｍの範囲内、より好ましくは１９７ｍｍの位置にあることが望ましい。

図６は、放射状の溝からなる研磨パッドを示した平面図である。溝広領域３には研磨パッドの中心から広がる幅広放射状溝９を設け、溝狭領域６には幅狭放射状溝１１を設けている。なお、幅狭放射状溝１１は幅広放射状溝９の延長上に形成されている。

いずれの研磨パッドにおいても研磨パッドの中心領域に溝広領域３、研磨パッドの外周領域に溝狭領域６を設けているため、外周領域での研磨スラリーの排出が抑制され、ウエハ面内の研磨速度均一性が良好になるものとなる。特に、ウエハ外周部の研磨速度の低下が改善されるので、相対的に、速い研磨速度も得られることになる。

以上では、研磨パッドの中心領域と外周領域で異なる溝ピッチと溝幅を配置する例について説明したが、図７に示すように、領域の分割を２つに限ることなく、３種以上の領域に分割しても良い。図７の例では研磨パッドの中心近傍にもっとも幅の広い幅広放射状溝９ａを設け、溝狭領域６には幅狭放射状溝１１を設け、この両者を中間の幅を有する幅広放射状溝９でつないだものである。また、図８に示すように、研磨パッドの中心から外周に向けて溝幅が直線的に狭くなる放射状溝１２と隣接する溝の間に扇形平坦部１３を設けるという構成としても構わない。さらに、ここに研磨パッドの中心から外周に向けて次第に溝幅が次第に細くなるという同心円状溝を組み合わせた構成としても良い。

１幅広溝部
２幅広平坦部
３幅広領域
４幅狭溝部
５幅狭平坦部
６幅狭領域
７研磨パッド
８幅広同心円状溝
９幅広放射状溝
１０幅狭同心円状溝
１１幅狭放射状溝
１２放射状溝
１３扇形平坦部

Claims

半導体ウエハの化学的機械的研磨に用いる、平面形状が円形で、研磨層の表面にスラリーを供給し研磨屑を排出する溝を有する研磨パッドであって、
前記研磨パッドには、中心部に第一溝部と第一平坦部からなる第一領域と前記中心部の外周部に第二溝部と第二平坦部からなる第二領域が設けられ、
前記第一溝部の溝幅が前記第二溝部の溝幅よりも広く、
前記第一平坦部が前記第二平坦部よりも広く、
前記第一溝部の溝幅と第一平坦部の幅との和である第一溝ピッチが前記第二溝部の溝幅と第二平坦部の幅との和である第二溝ピッチよりも大きく、
前記第一領域の最外周における前記第一平坦部の全周囲に前記第一溝部が設けられていることを特徴とする研磨パッド。
前記第一領域が矩形であることを特徴とする請求項１記載の研磨パッド。
前記第一領域が円形であって、前記第二領域がドーナツ形であることを特徴とする請求項１記載の研磨パッド。
前記第二領域の外周に第三溝部と第三平坦部からなる第三領域が設けられ、前記第三溝部の溝幅が前記第二溝部の溝幅よりも狭いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の研磨パッド。
前記第三領域の外周に、第Ｎ溝部と第Ｎ平坦部からなる第Ｎ領域までが順次設けられ（ここでＮは４以上の整数）、かつ前記第Ｎ領域の外周に第Ｎ＋１溝部と第Ｎ＋１平坦部からなる第Ｎ＋１領域が設けられ、前記第Ｎ＋１溝部の溝幅が前記第Ｎ溝部の溝幅よりも狭いことを特徴とする請求項４記載の研磨パッド。
前記第一溝部から前記第Ｎ＋１溝部にかけて配置された放射状溝部の溝幅は、前記第一溝部から前記第Ｎ＋１溝部にかけて直線的に細くなっており、隣り合う該溝部の間には扇形平坦部が設けられていることを特徴とする請求項５記載の研磨パッド。
化学的機械的研磨装置であって、請求項１乃至６のいずれか１項記載の前記研磨パッドを装着したことを特徴とする化学的機械的研磨装置。