JP6338946B2

JP6338946B2 - 研磨装置、及び研磨方法

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Publication number: JP6338946B2
Application number: JP2014134251A
Authority: JP
Inventors: 崇史渡邉
Original assignee: Toshiba Memory Corp
Current assignee: Kioxia Corp
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2018-06-06
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Also published as: JP2016010836A

Description

本発明の実施形態は、研磨装置、研磨方法、及び研磨パッドに関する。

半導体装置の素子の高密度化及び小型化の実現のために、半導体ウェーハ等の研磨対象物を高精度で平坦化する必要がある。そのため、化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing／ＣＭＰ）は、半導体装置の製造において欠くことのできない技術である。

従来、ＣＭＰに使用される研磨パッドには、主に硬質の樹脂で形成された研磨層と、クッション性を有するクッション層と、を積層して構成したものがある。クッション層は、例えばウェーハからの荷重に応じて変形することで、長周期のウェーハ形状に追従する機能を有している。この場合、クッション層が硬くクッション層の変形量が小さいと、ウェーハ形状に追従し難くなるため、研磨における平坦化性能が高くなるという長所を有する一方で、面内均一性が低下し、いわゆる下地うねりによる膜残りが生じ易くなるという短所を有する。これに対し、クッション層が柔らかくクッション層の変形量が大きいと、ウェーハ形状に追従し易くなるため、面内均一性が向上し、いわゆる下地うねりによる膜残りが低減されるという長所を有する一方で、研磨における平坦化性能が低くなるという短所を有する。
そのため、従来、研磨による平坦化性能と面内均一性能の両立を図ることは困難であった。

特開２００９−４５７３６号公報

そこで、研磨による平坦化性能と面内均一性能の両立を図ることができる研磨装置、研磨方法、及び研磨パッドを提供する。

実施形態の研磨装置は、研磨パッドが設けられる回転可能なテーブルであって、ガラス状態からゴム状態に転移するガラス転移温度を有し前記ガラス転移温度より低い温度でガラス状態となり前記ガラス転移温度より高い温度でゴム状態になるポリマー材料を含んでいるクッション層を有する研磨パッドが設けられるテーブル、又は、前記ポリマー材料を含んだクッション層であって前記研磨パッド側に設けられたクッション層を有するテーブルと、研磨対象物を保持した状態でその研磨対象物を前記研磨パッドの研磨層に接触させることが可能な研磨ヘッドと、前記クッション層の温度を前記ガラス転移温度を跨いで制御することが可能な温度制御部と、を備える。前記クッション層は、前記研磨層と前記テーブルとの間に設けられている。

実施形態の研磨方法は、研磨パッドが設けられる回転可能なテーブルであって、ガラス状態からゴム状態に転移するガラス転移温度を有し前記ガラス転移温度より低い温度でガラス状態となり前記ガラス転移温度より高い温度でゴム状態になるポリマー材料を含んで構成されたクッション層を有するテーブル、又は、前記ポリマー材料を含んで構成されたクッション層を有する研磨パッドが設けられるテーブルと、前記クッション層の温度を前記ガラス転移温度よりも高くなるように又は前記ガラス転移温度よりも低くなるように制御することが可能な温度制御部と、前記温度制御部による温度制御を実行するとともに、研磨対象物を前記研磨パッドの研磨層に接触させて研磨する研磨工程と、を備える。前記クッション層は、前記研磨層と前記テーブルとの間に設けられている。前記研磨工程は、前記クッション層を前記ガラス転移温度よりも低い温度にして前記研磨対象物を研磨する低温研磨工程と前記クッション層を前記ガラス転移温度よりも高い温度にして前記研磨対象物を研磨する高温研磨工程とを含んでいる。

実施形態の研磨パッドは、研磨対象物に接して当該研磨対象物を研磨することが可能な研磨層と、前記研磨層に対して前記研磨対象物と反対側に積層されガラス状態からゴム状態に転移するガラス転移温度を有し前記ガラス転移温度より低い温度でガラス状態となり前記ガラス転移温度より高い温度でゴム状態になるポリマー材料を含んでいるクッション層と、を備え、前記ガラス転移温度は、−４０℃〜１２０℃の範囲内で設定されている。

第１実施形態による研磨装置の概略構成の一例を示す図研磨パッドの概略構成の一例を示す断面図半導体装置の製造工程の一例を（Ａ）〜（Ｄ）の順に示す半導体装置の断面図研磨工程の一例を示すもので、半導体装置のある１つの３Ｄメモリ素子構造部分を拡大して示す半導体装置及び研磨パッドの断面図であって、（Ａ）はクッション層の硬度が高い場合を示し、（Ｂ）はクッション層の硬度が低い場合を示す図研磨工程の一例を示すもので、半導体装置の複数の３Ｄメモリ素子構造部分に亘って示す半導体装置及び研磨パッドの断面図であって、（Ａ）はクッション層の硬度が高い場合を示し、（Ｂ）はクッション層の硬度が低い場合を示す図第２実施形態による図１相当図第２実施形態による図２相当図第３実施形態による図１相当図第１温度制御部による第１温度領域及び第２温度制御部による第２温度領域の配置を示す図

以下、複数の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して研磨装置１０の概略について説明する。研磨装置１０は、ＣＭＰ工程において用いられる研磨装置であって、テーブル１１、テーブル駆動部１２、研磨ヘッド１３、スラリー供給部１４、ドレッシング機構１５、及び温度制御部１６を備えている。テーブル１１は、全体として円板状に構成されている。テーブル１１の研磨ヘッド１３側つまり上面側には、研磨パッド２０が着脱可能に設けられる。テーブル１１は、テーブル駆動部１２によって駆動され、上側に設けられる研磨パッド２０とともに回転する。

研磨ヘッド１３は、テーブル１１に設けられる研磨パッド２０と対向して設けられている。すなわち、研磨ヘッド１３は、テーブル１１の上方に設けられている。また、研磨ヘッド１３は、テーブル１１の回転中心に対して一方側寄りに設けられている。研磨ヘッド１３は、テーブル１１側つまり下側に研磨対象物としてのウェーハ３０を保持する。なお、図１では、ウェーハ３０の厚みを、研磨パッド２０等との寸法関係において実際よりも誇張して表現している。

研磨ヘッド１３は、例えば空圧の増減によって伸縮可能なエアバッグ１３１と、研磨中のウェーハ３０の脱落を防止するためのリテーナリング１３２を有している。研磨ヘッド１３は、エアバッグ１３１を膨張させることで、ウェーハ３０を保持した状態でウェーハ３０に圧力を加える。これにより、ウェーハ３０は、研磨ヘッド１３に保持されるとともに、研磨パッド２０の研磨面２１１に上方から所定の圧力で押し付けられる。研磨ヘッド１３は、研磨ヘッド駆動部１７によって駆動され、回転する。これにより、ウェーハ３０は、研磨ヘッド１３とともに回転する。

スラリー供給部１４は、水に添加剤を含ませたスラリー１４１を、研磨パッド２０の研磨面２１１に供給する。ウェーハ３０を研磨する際、スラリー供給部１４から供給されたスラリー１４１は、研磨ヘッド１３に保持されたウェーハ３０と研磨パッド２０の研磨面２１１との間に侵入する。研磨ヘッド１３に保持されているウェーハ３０は、適切な圧力で研磨パッド２０に押し付けられる。これにより、ウェーハ３０は、研磨パッド２０の研磨面２１１と接し、表面が研磨される。

ドレッシング機構１５は、例えば研磨対象物であるウェーハ３０の研磨中又は研磨の前後に、研磨パッド２０の表面のドレッシングすなわち目立てを行うものである。ドレッシング機構１５は、テーブル１１に設けられる研磨パッド２０と対向して、すなわちテーブル１１の上方に設けられている。また、ドレッシング機構１５は、テーブル１１の回転中心に対して他方側寄り、すなわち研磨ヘッド１３と反対側寄りに設けられている。ドレッシング機構１５は、例えば表面に多数のダイヤモンド砥粒が設けられたドレッサー１５１を有している。ドレッサー１５１は、ドレッシング機構１５によって駆動される。この場合、ドレッシング機構１５は、ドレッサー１５１を研磨パッド２０に上方から押し付けた状態で回転しながら揺動する。これにより、ドレッサー１５１は、研磨パッド２０の表面を研削する。その結果、研磨対象物となるウェーハ３０が通過する領域がまんべんなく目立てされる。

温度制御部１６は、テーブル１１に装着された研磨パッド２０の温度制御、主には研磨パッド２０のテーブル１１側部分の温度制御を行うものである。温度制御部１６は、テーブル１１に内蔵されており、テーブル１１の上面側すなわち研磨パッド２０が装着される面側に設けられている。温度制御部１６は、加熱又は冷却若しくはこれらの組み合わせによって研磨パッド２０の温度制御が可能な温度制御機能と、研磨パッド２０の温度を検出可能な温度センサ等の温度検出機能と、を有している。温度制御部１６は、制御装置１９に接続されている。温度制御部１６は、制御装置１９からの制御を受けて、テーブル１１に設けられた研磨パッド２０の略全域、少なくとも研磨対象物であるウェーハ３０が通過する領域に亘って温度制御が可能になっている。

温度制御の方式には、例えばテーブル１１の内部に熱媒体を還流させてその熱媒体を高温又は低温にすることで加熱及び冷却する方式、ペルチェ素子を使用して加熱及び冷却する方式、電熱器を使用して加熱する方式、マイクロ波を研磨パッド２０に照射して加熱する方式、冷媒の気化熱を利用して冷却する方式等が考えられる。そして、温度制御部１６による温度制御は、上述した方式に限定されない。本実施形態では、温度制御部１６は、電熱器を使用して加熱する方式を採用しており、その温度の制御範囲は、２５℃〜１２０℃の範囲に設定されている。

研磨パッド２０は、研磨対象物に接して研磨するために用いられる。研磨パッド２０は、研磨装置１０のテーブル１１の上面に着脱可能に装着される。研磨パッド２０は、消耗品であるため、必要に応じて交換される。研磨パッド２０は、全体として円板状に構成されている。研磨パッド２０は、異なる硬さの層を積層して構成されている。すなわち、実施形態の研磨パッド２０は、図２に示すように研磨層２１とクッション層２２とを積層して２層構造に構成されている。研磨パッド２０は、研磨層２１側が研磨ヘッド１３側すなわち上方となるように設けられる。研磨パッド２０は、研磨層２１の研磨ヘッド１３側の面、すなわち重力方向において上端面に研磨面２１１を有している。研磨層２１及びクッション層２２は、その厚みを任意に設定することができる。本実施形態において、研磨層２１の厚みは１．２５ｍｍ、クッション層の厚みは０．８ｍｍに設定されている。

研磨層２１は、研磨対象物と接して研磨対象物を研磨する。研磨層２１は、例えばポリウレタン等の硬質の発泡樹脂で形成されている。研磨層２１は、複数の小孔２１２及び複数の溝２１３を有している。小孔２１２は、例えば非貫通の孔であって、研磨層２１に供給されたスラリー１４１を研磨層２１の表面側に保持するためのものである。溝２１３は、例えば格子状に設けられており、スラリー１４１を研磨層２１の表面全体へ供給を補助するための補助作用を有する。なお、研磨層２１は、必ずしも小孔２１２及び溝２１３を有している必要はなく、また、小孔２１２又は溝２１３のいずれか一方のみを有する構成であっても良い。

クッション層２２は、研磨層２１よりも密度が小さい材料、例えば樹脂材料のスポンジフォームや不織布の材料によって構成されて、研磨層２１よりも軟質な構造になっている。クッション層２２を形成する樹脂材料は、温度制御部１６の制御温度の範囲内に、ガラス転移温度Ｔｇを有している。すなわち、温度制御部１６は、クッション層２２を形成する樹脂材料のガラス転移温度Ｔｇを跨って温度制御が可能になっている。つまり、温度制御部１６は、そのガラス転移温度Ｔｇの低温領域から高温領域にかけて、クッション層２２の温度を制御することが可能になっている。

クッション層２２を形成する樹脂材料は、ガラス転移温度Ｔｇより低い温度でガラス状態としての挙動を示し、ガラス転移温度Ｔｇより高い温度でゴム状態としての挙動を示すポリマーである。このようなポリマー材料としては、いわゆる形状記憶ポリマーと称される材料群がある。このクッション層２２を形成するポリマー材料は、硬質セグメントと軟質セグメントとを有するブロックコポリマーで構成されている。

このようなポリマー材料には、例えばジイソシアネートとポリオールと短鎖ジオールとからなるポリウレタンや、スチレン‐ブタジエン系コポリマー等がある。このポリマー材料は、原料成分の種類、分子構造や分子量、配合などを制御することにより、具体的には硬質セグメントと軟質セグメントの比率及び架橋構造を変えることにより、ガラス転移温度Ｔｇを任意に設定することができる。例えば、ジイソシアネートとポリオールと短鎖ジオールとからなるポリウレタンの場合、そのガラス転移温度Ｔｇを−４０℃〜１２０℃の範囲内で任意に設定することができる。

本実施形態の場合、クッション層２２は、ガラス転移温度Ｔｇよりも高温の温度領域となるゴム状態において、ＡＳＫＥＲ−Ｃ硬度８０以下である。この場合、クッション層２２は、ガラス転移温度Ｔｇよりも高温領域となってゴム状態になると、その変形性が高くなり、ガラス状態の場合に比べて変形量が十分に大きくなる。なお、ＡＳＫＥＲ−Ｃ硬度とは、ＳＲＩＳ０１０１規格に基づくものである。クッション層２２は、原料成分の種類や配合、スポンジフォーム又は不織布の空孔率を制御することで、その硬度を容易に制御することが可能である。本実施形態において、クッション層２２は、ジイソシアネートとポリオールと短鎖ジオールとからなるガラス転移温度Ｔｇ＝６５℃のポリウレタンを材料としたスポンジフォームによって構成されている。

次に、研磨装置１０を用いた研磨方法及び半導体装置の製造方法について図３〜図５も参照して説明する。なお、以下の説明では、シリコン基板４１に対して層を積み上げる方向を上側とする。まず、図３（Ａ）に示すように、シリコン基板４１上に多数のメモリ素子層を積層することで、３Ｄメモリ素子構造４２が形成される。そして、３Ｄメモリ素子構造４２の上部に、例えば窒化シリコン膜等のストッパー層４３が形成される。次に、ストッパー層４３の上部に、例えば酸化シリコン膜等の絶縁層４４が形成される。

この場合、絶縁層４４の上面には、絶縁層４４が３Ｄメモリ素子構造４２を覆うことによって、３Ｄメモリ素子構造４２に沿った大きな凸部４５が形成される。この凸部４５は、３Ｄメモリ素子構造４２の上部に配線構造を形成する際のリソグラフィ工程においてフォーカスのずれを生じさせたり、その後のＣＭＰ工程で配線金属残りを生じさせたりする。したがって、この凸部４５を平坦化する必要がある。

凸部４５の平坦化は次のようにして行われる。まず、図３（Ｂ）に示すように、ドライエッチング工程を実施して、凸部４５の内側の領域を除去する。すると、凸部４５の周囲の端部には、凸部４５よりも狭小となる狭小凸部４６が形成される。そして、狭小凸部４６の内側には、凸部４５を除いた部分に凹部４７が形成される。

次に、絶縁層４４の研磨工程が行われる。絶縁層４４の研磨工程では、温度制御部１６による研磨パッド２０の温度制御が実行されるとともに、研磨対象物である絶縁層４４が研磨パッド２０の研磨層２１によって研磨される。絶縁層４４の研磨工程は、低温磨工程と高温研磨工程との２つの工程に分けて行われる。低温研磨工程では、図３（Ｃ）に示すように、狭小凸部４６の平坦化を行う。高温研磨工程では、図３（Ｄ）に示すように、３Ｄメモリ素子構造４２の上部に設けられたストッパー層４３が露出するまで研磨を行う。これにより、図４（Ｄ）に示すような、平坦化された半導体装置４０が得られる。

なお、本実施形態では、低温研磨工程及び高温研磨工程において、例えば酸化セリウムを砥粒としたスラリーが用いられるが、これに限られない。また、高温研磨工程及び低温研磨工程における「高温」及び「低温」の語句は、クッション層２２のガラス転移温度Ｔｇに対する、クッション層２２の温度の高低を意味する。この場合、低温研磨工程及び高温研磨構成の実行順序は問わない。また、低温研磨工程と高温研磨工程との間に、他の工程が実行されても良い。

本実施形態の研磨パッド２０は、研磨層２１の裏面に、ガラス転移温度Ｔｇを有するクッション層２２が設けられている。そのため、クッション層２２の温度を、ガラス転移温度Ｔｇを跨いで制御することで、クッション層２２の硬度を制御することができる。すなわち、研磨パッド２０は、クッション層２２の温度を制御することによって、クッション層２２のクッション硬度を制御することができる。低温研磨工程において、クッション層２２の硬度は、高いことが望ましい。その理由について、図４を参照して説明する。

図４（Ａ）は、低温研磨工程において、クッション層２２の硬度が高い場合の態様を示している。この場合、クッション層２２が硬いため、クッション層２２の変形が小さい。そのため、研磨層２１は、ウェーハ３０上の小さな凹凸に追従し難くなる。したがって、絶縁層４４の狭小凸部４６が研磨パッド２０の研磨層２１に接触しても、凹部４７が研磨層２１に接触し難い。これにより、狭小凸部４６に荷重が集中して、狭小凸部４６部分の研磨レートが高くなる。一方、凹部４７には荷重が加わりにくく、したがって凹部４７部分の研磨レートが低くなる。すなわち、クッション層２２の硬度が高い場合、狭小凸部４６部分での研磨速度は速くなり、凹部４７部分での研磨速度は遅くなる。その結果、狭小凸部４６が効果的に平坦化され、研磨後の局所的な平坦性が高くなる。

図４（Ｂ）は、低温研磨工程において、クッション層２２の硬度が低い場合の態様を示している。この場合、クッション層２２が柔らかいことから、クッション層２２の変形が大きい。そのため、クッション層２２は、絶縁層４４表面の小さな凹凸に沿って変形し、これにより、研磨層２１は、ウェーハ３０上の小さな凹凸に追従し易くなる。この場合、ウェーハ３０上の凹部４７にも研磨層２１が接触し易くなり、ウェーハ３０に加わる荷重が、狭小凸部４６のみならず凹部４７にも分散される。したがって、クッション層２２が柔らかい場合、クッション層２２が硬い場合に比べて、狭小凸部４６部分の研磨レートが低くなる一方、凹部４７部分の研磨レートが高くなる。その結果、狭小凸部４６と凹部４７との研磨レートの差が小さくなり、狭小凸部４６部分の平坦化効率が低下するため、研磨後の平坦性が低くなる。以上の理由から、狭小凸部４６を効果的に平坦化する必要ある低温研磨工程においては、クッション層２２の硬度は、高い状態であることが望ましい。

そこで、本実施形態の低温研磨工程は、クッション層２２をガラス転移温度Ｔｇよりも低い温度にして絶縁層４４を研磨する工程となっている。すなわち、低温研磨工程では、温度制御部１６によるクッション層２２の温度制御が行われることなく、ウェーハ３０の研磨が実行される。この場合、研磨パッド２０の研磨層２１の表面温度は、研磨中の摩擦熱によって５０℃程度まで上昇する。しかしながら、本実施形態では、クッション層２２のガラス転移温度Ｔｇは、６５℃に設定されている。そのため、研磨中の摩擦熱によって、クッション層２２の温度がガラス転移温度Ｔｇを超えることがない。したがって、低温研磨工程中、クッション層２２は、ガラス転移温度Ｔｇより低い温度状態、つまり硬度の高いガラス状態に維持される。すなわち、低温研磨工程では、クッション層２２を硬い状態に維持することができる。そのため、低温研磨工程では、図４（Ａ）で示したように、狭小凸部４６部分での研磨速度を速くすることができる一方、凹部４７部分での研磨速度を遅くすることができる。その結果、低温研磨工程によれば、図４（Ａ）で示したような、高い局所的な高い平坦性を得ることができる。

研磨装置１０は、研磨対象となるウェーハ３０の状態に応じて変化するパラメータを利用して終点検知を行い、低温研磨工程の終了を判断する。例えば、研磨の初期では、狭小凸部４６のみが研磨層２１と接触するため、研磨パッド２０が摩擦により受ける抵抗が小さい。研磨が進行して狭小凸部４６が小さくなると、研磨パッドが凹部４７にも接触し、接触面積が大きくなるため研磨パッド２０が受ける抵抗が大きくなる。狭小凸部４６が平坦化されると、接触面積の拡大が終了し抵抗は一定となる。そのため、研磨装置１０は、研磨中に、テーブル１１を一定速度で回転させた際のテーブル駆動部１２の電流値の変化を測定することで、狭小凸部４６の研磨の終点検知を行うことができる。また、研磨対象物であるウェーハ３０の状態に応じて変化するパラメータとしては、テーブル１１の駆動電流値以外にも、例えば研磨対象物の表面に照射した光の反射強度やスペクトル、研磨ヘッド１３を駆動する研磨ヘッド駆動部１７の回転駆動電流値、研磨対象物に磁力線を照射して発生させた渦電流による磁力線、研磨層２１の表面温度等を使用することもできる。

高温研磨工程において、クッション層２２の硬度は、低いことが望ましい。その理由について、図５を参照して説明する。この場合、図５は、図４に比べて小縮尺であり、図４よりも広い範囲を示している。

図５（Ａ）は、高温研磨工程中において、クッション層２２の硬度が高い場合の態様を示している。シリコン基板４１上には、シリコン基板４１の全体的なうねり等によって、複数の３Ｄメモリ素子構造４２に亘って数ｍｍ程度に及ぶなだらかな長周期の凹凸、この場合凹部４８と凸部４９とが存在することがある。クッション層２２の硬度が高い場合、クッション層２２の変形が小さいため、研磨層２１の研磨面２１１は、凸部４９部分の絶縁層４４の表面には接触し易いが、凹部４８部分の絶縁層４４の表面に接触し難くなる。すると、凹部４８上の絶縁層４４と凸部４９上の絶縁層４４とで、研磨レートに大きな差が生じる。その結果、研磨の終了後に、凹部４８上でストッパー層４３上に絶縁層４４が残存したり、複数の３Ｄメモリ素子構造４２間の絶縁層４４の残膜量のばらつきが大きくなったりするといった問題が生じ易くなる。

図５（Ｂ）は、高温研磨工程中において、クッション層２２の硬度が低い場合の態様を示している。この場合、クッション層２２の変形が大きいため、研磨層２１の研磨面２１１は、凹部４８部分の絶縁層４４の表面に接触し易くなる。そのため、凹部４８部分の絶縁層４４の研磨レートが高くなり、したがって、凹部４８部分と凸部４９部分との研磨レートの差が小さくなる。その結果、上述したような、例えば凹部４８上でストッパー層４３上に絶縁層４４が残存したり、複数の３Ｄメモリ素子構造４２間の絶縁層４４の残膜量のばらつきが大きくなったりするといった問題を抑制することができる。以上の理由から、高温研磨工程においては、クッション層２２の硬度は、低温研磨工程の場合に比べて低い状態であることが望ましい。

そこで、本実施形態の高温研磨工程は、クッション層２２をガラス転移温度Ｔｇよりも高い温度にして絶縁層４４を研磨する工程となっている。すなわち、高温研磨工程では、温度制御部１６によりクッション層２２が、ガラス転移温度Ｔｇを超えるまで加熱される。例えば、温度制御部１６は、クッション層２２を７５℃程度まで加熱する。この場合、クッション層２２のガラス転移温度Ｔｇを超えた温度領域は、ゴム領域である。そのため、クッション層２２は、ゴム状態となって硬度が低下する。すなわち、高温研磨工程では、クッション層２２を柔軟な状態に維持することができる。そのため、高温研磨工程において、研磨層２１の研磨面２１１は、図５（Ｂ）で示したように、凹部４８部分に追従し絶縁層４４の表面全体に接触し易くなる。その結果、高温研磨工程によれば、上述したように、例えば凹部４８部分のストッパー層４３上の絶縁層４４の残存を低減し面内均一性を高めることができる。

このように、実施形態の研磨パッド２０は、研磨層２１とクッション層２２とを備えている。そして、クッション層２２は、ガラス状態からゴム状態に転移するガラス転移温度Ｔｇを有し、ガラス転移温度Ｔｇより低い温度でガラス状態となりガラス転移温度Ｔｇより高い温度でゴム状態になるポリマー材料を含んでいる。また、実施形態の研磨装置１０は、クッション層２２の温度を、ガラス転移温度Ｔｇを跨いで制御することが可能な温度制御部１６を備えている。そして、実施形態の研磨方法は、研磨工程である高温研磨工程において、温度制御部１６による温度制御を実行するとともに、研磨対象物であるウェーハ３０を研磨パッド２０の研磨面２１１で研磨する。以上より、高い局所平坦性を実現しつつ、ストッパー層４３上の絶縁層４４の残存を低減するとともに、複数の３Ｄメモリ素子構造４２間の絶縁層４４の残存量のばらつきを低減することができる。

ここで、研磨対象物の研磨の面内均一性を向上させるためには、本願の研磨パッド２０のように、研磨層２１とテーブル１１との間にクッション層２２を有していることが好ましい。すなわち、本願のクッション層２２は、例えば研磨層２１よりも密度の低いスポンジフォームや不織布で構成されている。そのため、クッション層２２は、研磨層２１に比べて柔軟性があって変形量が大きく、その結果、研磨対象物の長周期の大きなうねりに対して研磨面２１１が追従し易くなるからである。このような研磨層２１とクッション層２２とを有する研磨パッド２０において、研磨パッド２０の硬度を制御することで研磨対象物の長周期の大きなうねりに対する研磨面２１１の追従性を制御するには、変形量の小さい研磨層２１の硬度を制御するよりも、変形量の大きいクッション層２２の硬度を制御する方が効果的である。

また、研磨工程中に研磨層２１の硬度を変化させると、例えば研磨対象物への砥粒の押し付け力や、スラリー１４１中の砥粒の保持力、研磨層２１と研磨対象物との摩擦力などの特性が大きく変化し、これにより研磨レートも大きく変化する。すると、例えば研磨層２１の硬度が低下して研磨レートが低下した場合には、図３（Ｄ）に示すストッパー層４３が露出した後の絶縁層４４の残量が大きくなるなどの問題が生じる。更に、研磨パッド２０のように、研磨層２１と温度制御部１６との間にクッション層２２を有するものにおいて、温度制御部１６から離れた位置にある研磨層２１の温度を制御することは難しい。

本実施形態の研磨パッド２０は、研磨層２１と、研磨層２１よりも柔軟性があるクッション層２２とを有している。そのため、クッション層２２の柔軟性によって、研磨対象物の研磨の面内均一性を向上させることができる。そして、研磨装置１０は、温度制御部１６によってクッション層２２のガラス転移温度Ｔｇを跨いで温度制御することにより、クッション層２２を硬度が高いガラス状態と硬度の低いゴム状態とに任意に切り替えることができる。これにより、研磨装置１０は、研磨層２１を、局所的な研磨レートが高く局所的な平坦性が高い状態と、全体的な追従性が高く面内均一性の高い状態とに、任意に切り替えて研磨を行うことができる。よって、研磨による平坦化性能と面内均一性能の両立を図ることができる。

研磨装置１０は、研磨対象物に接して研磨する研磨層２１ではなく、研磨対象物に直接接しないクッション層２２の温度を制御する。したがって、研磨装置１０は、研磨工程中に研磨層２１の硬度が変化することによって研磨層２１自体の特性が大きく変化することを防ぐことができる。

研磨装置１０は、温度制御部１６から離れた位置にある研磨層２１ではなく、温度制御部１６に接するクッション層２２の温度を制御する。したがって、研磨装置１０は、温度制御部１６によって、クッション層２２の温度を比較的容易かつ精度良く制御することができる。その結果、研磨装置１０は、研磨工程中にクッション層２２の硬度を比較的容易かつ精度良く制御することができる。

クッション層２２を構成するポリマー材は、比較的入手が容易なポリウレタンを用いることができる。そのため、研磨パッド２０の製造コストを抑制することができる。

クッション層２２のガラス転移温度Ｔｇは、−４０℃〜１２０℃の範囲内の任意の温度に設定することができる。このように、クッション層２２のガラス転移温度Ｔｇの選択の幅が比較的広いため、温度制御部１６の温度制御の方式の選択の幅も広がる。したがって、研磨装置１０は、多様な研磨対象物の加工に対応することができる。

クッション層２２は、ゴム状態における硬度がＡＳＫＥＲ−Ｃ硬度で８０以下である。これによれば、クッション層２２がゴム状態である場合、研磨層２１は、研磨対象物の凹凸に精度良く追従することができ、その結果、面内均一性が更に向上する。

本実施形態において、温度制御部１６は、例えばアンモニア等の冷媒の気化熱を利用して冷却する方式を採用することもできる。この場合、温度制御部１６の温度制御の範囲は、例えば−１０℃〜２５℃程度となる。また、クッション層２２は、例えばジイソシアネートとポリオールと短鎖ジオールからなるポリウレタンを材料としたスポンジフォームで構成される。そして、クッション層２２のガラス転移温度Ｔｇは、例えば１０℃に設定される。

この場合、低温研磨工程では、温度制御部１６によって研磨パッド２０のクッション層２２を、ガラス転移温度Ｔｇよりも低くなるように例えば−１０℃程度まで冷却する。これにより、低温研磨工程において、クッション層２２の温度が、研磨による摩擦熱によってガラス転移温度Ｔｇを超えることが抑制される。これにより、クッション層２２は、ガラス転移温度Ｔｇよりも低い温度領域であるガラス領域に維持されるため、硬度の高いガラス状態としての挙動を示す。その結果、研磨パッド２０は、上記実施形態と同様に、低温研磨工程において局所的な平坦性を高くすることができる。

一方、高温研磨工程では、温度制御部１６によるクッション層２２の冷却を停止して、研磨を行う。これにより、高温研磨工程において、クッション層２２の温度が、研磨による摩擦熱によってガラス転移温度Ｔｇを超える。これにより、クッション層２２は、ガラス転移温度Ｔｇを超えた温度領域であるゴム領域に維持されるため、硬度の低いゴム状態としての挙動を示す。その結果、研磨パッド２０は、上記実施形態と同様に、高温研磨工程におけるウェーハ３０全体について面内均一性を高くすることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図６及び図７を参照して説明する。上記第１実施形態において、クッション層は、研磨パッド２０に設けられていた。これに対し、本実施形態において、クッション層は、研磨装置１０のテーブル１１に設けられている。

すなわち、第２実施形態の研磨装置１０は、クッション層１１１を備えている。クッション層１１１は、テーブル１１の上面つまり研磨ヘッド１３側の面に設けられている。クッション層１１１は、第１実施形態のクッション層２２と同様の構成である。すなわち、クッション層１１１は、ガラス転移温度Ｔｇを有し、ガラス転移温度Ｔｇより低い温度でガラス状態、ガラス転移温度Ｔｇより高い温度でゴム状態として挙動するポリマー材料で構成されている。一方、第２実施形態の研磨装置１０に用いられる研磨パッド２５は、クッション層２２を有しておらず、図７に示すように研磨層２１の単層で構成されている。

また、研磨装置１０は、図６に示すように、クッション層１１１の上面に設けられた薄層シート１１２を備えている。薄層シート１１２は、例えばポリエチレンテレフタレート等の樹脂性の薄層シートである。薄層シート１１２を、研磨装置１０のクッション層１１１と研磨パッド２５との間に設けることにより、クッション層１１１と研磨パッド２５との密着性が向上する。なお、薄層シート１１２は、本実施形態の実施に必須の要素ではなく、その有無については適宜選択することができる。

この第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の作用効果が得られる。更に、この第２実施形態によれば、研磨パッド２５の交換に伴って、クッション層１１１も交換する必要がなくなる。したがって、クッション層１１１を再利用することができ、研磨パッド２５の構成も簡単になる。その結果、研磨パッド２５のコストすなわち消耗部材のコストを下げることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、図８及び図９を参照して説明する。なお、以下の説明では、上記第１実施形態のように研磨パッド２０にクッション層２２が設けられた構成について説明するが、第３実施形態は、上記第２実施形態のようにテーブル１１にクッション層１１１が設けられた構成であっても良い。

第３実施形態の研磨装置１０は、クッション層２２の温度を、複数この場合２つの異なる温度の領域に分けて制御することができる。すなわち、研磨装置１０は、温度制御部として第１温度制御部１６１及び第２温度制御部１６２を備えている。第１温度制御部１６１は、クッション層２２を、クッション層２２のガラス転移温度Ｔｇよりも低い温度に冷却することができる。第２温度制御部１６２は、クッション層２２を、クッション層２２のガラス転移温度Ｔｇよりも高い温度に加熱することができる。第１温度制御部１６１及び第２温度制御部１６２は、研磨対象物であるウェーハ３０の研磨中に、ウェーハ３０の全ての点つまり全領域が、第１温度制御部１６１の領域と第２温度制御部１６２の領域とを交互に通過するように配置されている。なお、この場合、第１温度制御部１６１の領域を、第１温度領域と称し、第２温度制御部１６２の領域を、第２温度領域と称する。

第１温度制御部１６１と第２温度制御部１６２との配置方法は、例えば図９（Ａ）〜（Ｃ）に示すようなものがある。図９（Ａ）では、テーブル１１の領域が扇状に８等分に分割されている。そして、第１温度制御部１６１の領域つまり第１温度領域と第２温度制御部１６２の領域つまり第２温度領域とが、テーブル１１の周方向に沿って交互に配置されている。図９（Ｂ）では、第１温度制御部１６１の領域を格子状に配置し、残りの部分に第２温度制御部１６２を配置している。図９（Ｃ）では、第２温度制御部１６２の領域を、テーブル１１の中心から径方向の外側へ向かう８本の放射状に配置し、残りの部分に第１温度制御部１６１を配置している。

第３実施形態における研磨方法は、上記第１実施形態の低温研磨工程及び高温研磨工程を、単一の研磨工程内において同時に実行するような概念である。この場合、研磨装置１０は、研磨中に、クッション層２２の温度を、第１温度制御部１６１の領域においてはガラス転移温度Ｔｇを超えないように制御し、第２温度制御部１６２の領域においてはガラス転移温度Ｔｇを超えるように制御する。すなわち、研磨工程中において、クッション層２２は、第１温度領域がガラス転移温度Ｔｇよりも低い温度となるように制御され、第２温度領域がガラス転移温度Ｔｇよりも高い温度となるように制御される。

すると、ウェーハ３０の絶縁層４４が第１温度制御部１６１の領域を通過する際、クッション層２２の温度がガラス転移温度Ｔｇよりも低い温度となってガラス状態の挙動を示すため、クッション層２２の変形が小さくなる。このため、図４（Ａ）に示すように、狭小凸部４６部分の絶縁層４４の研磨レートが高くなり、この狭小凸部４６部分が効率的に平坦化されて、研磨後の平坦性が高くなる。この場合、最終的な研磨後の表面の局所平坦性は、研磨中の最も平坦化能力の高い状態における到達可能な平坦性により決定される。したがって、上記第１実施形態における低温研磨工程の終了時と同等の局所平坦性を達成することができる。

一方、ウェーハ３０の絶縁層４４が第２温度制御部１６２の領域を通過する際、クッション層２２の温度がガラス転移温度Ｔｇよりも高い温度となってゴム状態の挙動を示すため、クッション層２２の変形が大きくなる。このため、図４（Ｂ）に示すように、狭小凸部４６部分と凹部４７部分との絶縁層４４の研磨レートの差が小さくなる。これにより、上記第１実施形態における高温研磨工程の終了時と同様に、例えば凹部４８部分のストッパー層４３上の絶縁層４４の残存を低減し、また、複数の３Ｄメモリ素子構造４２間の絶縁層４４の残存量のばらつきを小さくし、面内均一性を高めることができる。

このように、第３実施形態では、単一の研磨工程中に、クッション層２２をガラス転移温度Ｔｇを跨いで異なる温度領域に同時に制御することで、研磨による平坦化性能と面内均一性能の両立を図ることができる。

なお、この第３実施形態では、第１温度制御部１６１の領域つまり第１温度領域と、第２温度制御部１６２の領域つまり第２温度領域との両方を温度制御することができる構成として説明した。しかし、これに限られず、第１温度領域及び第２温度領域のいずれか一方のみ、温度制御が可能な構成であっても良い。この場合、例えば研磨中の摩擦熱によるクッション層２２の温度上昇を考慮したうえで、クッション層２２のガラス転移温度Ｔｇと、第１温度制御部１６１又は第２温度制御部１６２の温度制御範囲を適切に設定することで、上記第１、２実施形態と同様の効果を得ることができる。

例えば第１温度制御部１６１のみを温度制御可能な構成とした場合について説明する。この場合、第１温度制御部１６１は、例えばアンモニア等の冷媒の気化熱を利用して冷却する方式を採用し、その温度制御の範囲は、例えば−１０℃〜２５℃程度に設定する。また、クッション層２２のガラス転移温度Ｔｇは、例えば１０℃に設定する。そして、研磨工程中に、第１温度制御部１６１によって研磨パッド２０のクッション層２２を、ガラス転移温度Ｔｇよりも低くなるように例えば−１０℃程度まで冷却する。これにより、クッション層２２の温度が、第１温度制御部１６１の領域つまり第１温度領域ではガラス転移温度Ｔｇを超えることが抑制され、一方、第１温度制御部１６１以外の領域つまり第２温度領域では、研磨による摩擦熱によってガラス転移温度Ｔｇよりも高くなる。これによっても、上記第３実施形態と同様の作用効果が得られる。

以上実施形態によれば、研磨装置は、温度制御部によって、クッション層の温度を、ガラス転移温度を跨いで温度制御することにより、クッション層を硬度が高いガラス状態と硬度の低いゴム状態とに任意に切り替えることができる。これにより、研磨装置は、研磨層を、局所的な研磨レートが高く局所的な平坦性が高い状態と、全体的な追従性が高く面内均一性の高いとに、任意に切り替えて研磨を行うことができる。よって、研磨による平坦化性能と面内均一性能の両立を図ることができる。

以上、本発明の複数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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

図面中、１０は研磨装置、１１はテーブル、１１１はクッション層、１３は研磨ヘッド、１６は温度制御部、２０は研磨パッド、２１は研磨層、２２はクッション層、２５は研磨パッド、３０はウェーハ（研磨対象物）を示す。

Claims

研磨パッドが設けられる回転可能なテーブルであって、ガラス状態からゴム状態に転移するガラス転移温度を有し前記ガラス転移温度より低い温度でガラス状態となり前記ガラス転移温度より高い温度でゴム状態になるポリマー材料を含んでいるクッション層を有する研磨パッドが設けられるテーブル、又は、前記ポリマー材料を含んだクッション層であって前記研磨パッド側に設けられたクッション層を有するテーブルと、
研磨対象物を保持した状態でその研磨対象物を前記研磨パッドの研磨層に接触させることが可能な研磨ヘッドと、
前記クッション層の温度を前記ガラス転移温度を跨いで制御することが可能な温度制御部と、
を備え、
前記クッション層は、前記研磨層と前記テーブルとの間に設けられている、
研磨装置。
前記温度制御部は、前記クッション層の温度を、複数の異なる温度の領域に分けて制御することが可能な請求項１に記載の研磨装置。
研磨パッドが設けられる回転可能なテーブルであって、ガラス状態からゴム状態に転移するガラス転移温度を有し前記ガラス転移温度より低い温度でガラス状態となり前記ガラス転移温度より高い温度でゴム状態になるポリマー材料を含んで構成されクッション層を有するテーブル、又は、前記ポリマー材料を含んで構成されクッション層を有する研磨パッドが設けられるテーブルと、
前記クッション層の温度を前記ガラス転移温度よりも高くなるように又は前記ガラス転移温度よりも低くなるように制御することが可能な温度制御部と、
前記温度制御部による温度制御を実行するとともに、研磨対象物を前記研磨パッドの研磨層に接触させて研磨する研磨工程と、を備え、
前記クッション層は、前記研磨層と前記テーブルとの間に設けられており、
前記研磨工程は、前記クッション層を前記ガラス転移温度よりも低い温度にして前記研磨対象物を研磨する低温研磨工程と前記クッション層を前記ガラス転移温度よりも高い温度にして前記研磨対象物を研磨する高温研磨工程とを含んでいる研磨方法。
研磨パッドが設けられる回転可能なテーブルであって、ガラス状態からゴム状態に転移するガラス転移温度を有し前記ガラス転移温度より低い温度でガラス状態となり前記ガラス転移温度より高い温度でゴム状態になるポリマー材料を含んで構成されたクッション層を有するテーブル、又は、前記ポリマー材料を含んで構成されたクッション層を有する研磨パッドが設けられるテーブルと、
前記クッション層の温度を前記ガラス転移温度よりも高くなるように又は前記ガラス転移温度よりも低くなるように制御することが可能な温度制御部と、
前記温度制御部による温度制御を実行するとともに、研磨対象物を前記研磨パッドの研磨層に接触させて研磨する研磨工程と、を備え、
前記研磨工程は、前記クッション層を前記ガラス転移温度よりも高い温度の領域と前記ガラス転移温度よりも低い温度の領域とに分けた状態で、前記研磨対象物を研磨するものである研磨方法。