JP2004260070A

JP2004260070A - 研磨用発泡体およびこれを用いた研磨方法

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Publication number: JP2004260070A
Application number: JP2003051004A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Furukawa; 剛古川; Yoshinori Masaki; 義則政木
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】層間絶縁膜や金属配線等の、半導体のデバイスウエハの表面平坦化加工において、従来パッドを用いた研磨方法と比べて、研磨速度が速くかつ均一性の高い研磨を実現する研磨用発泡体および該研磨用発泡体を用いた研磨方法を提供する。
【解決手段】ドレス処理により、研磨面に鱗状のひだが形成されることを特徴とする研磨用発泡体。鱗状のひだが形成された研磨用発泡体表面の表面粗さの算術平均値が２〜４０μｍであることが好ましく、発泡体の気泡の平均径が０．１〜１００μｍであることが好ましい。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体、各種メモリーハードディスク用基板等の研磨方法に関し、その中でも特に層間絶縁膜や金属配線等の、半導体デバイスウエハの表面平坦化加工に好適に用いられる研磨用発泡体と、その研磨用発泡体を用いた研磨方法に関するものである。
【従来の技術】
半導体のデバイスウエハの表面平坦化加工に用いられる、代表的なプロセスである化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）の一例を図１に示す。定盤（２）、試料ホルダー（５）を回転させ、研磨スラリー（４）をスラリー供給用配管（１０）を通して供給しながら、半導体ウエハ（１）を研磨パッド（６）表面に押しあてることにより、デバイス表面を研磨し、高精度に平坦化するというものである。なお通常は、研磨前、あるいは研磨中において、一般的にドレッサーと呼ばれる工具（３）を回転させながら研磨パッド（６）表面に押しあててドレス処理を行うことにより、研磨パッド（６）に内包されている空孔を開口させる。研磨条件はもとより、研磨パッド（６）の表面状態は、被加工面の仕上がり状態に大きな影響を及ぼす。
【０００２】
従来から、加工品の表面を平坦化する方法としては、例えば、空隙スペースを有する中空高分子微小エレメントを含む高分子基材（例えば、特許文献１参照。）を用いて研磨する方法が代表的であった。従来法においては、研磨前、あるいは研磨中において、ダイヤモンドディスク等によるドレス処理が通常は行われる。
従来の研磨に用いられる高分子基材の代表例の一つであるロデール社製研磨パッド（商品名：ＩＣ１０００）のドレス処理後の表面状態像を図５に示す。図５から明らかなように、従来の研磨方法においては、ドレス処理により、中空高分子微小エレメントのシェルが破れて内部の空孔が開口し、研磨スラリーの保持能力が発現するというものであった。
【０００３】
従来の研磨パッドにおいては、中空高分子微小エレメントの分散状態が悪いと、表面粗さや開口率が研磨面内においてばらつく、つまりは表面状態が不安定であるという問題を有しており、その結果、例えば半導体ウエハ上のデバイス表面を研磨した場合などは、被加工面の仕上がり状態がウエハ面内において、さらにはウエハ面間においてもばらつき安く、均一性が低いという点が大きな問題であった。
エレクトロニクス業界の最近の著しい発展により、トランジスター、ＩＣ、ＬＳＩ、超ＬＳＩと進化してきている。これら半導体素子における回路の集積度が急激に増大するにつれて、半導体デバイスのデザインルールは年々微細化が進み、デバイス製造プロセスでの焦点深度は浅くなってきており、その結果、パターン形成面に求められる平坦化レベルはますます厳しくなってきている。同時にウエハの大口径化も進行し、加工するデバイスウエハ面内の平坦性のばらつきをいかに抑えるか、つまりはウエハ面内での均一性をいかに向上させるかが大きな課題となっており、従来パッドを上回る高い均一性を有する研磨パッドおよび研磨方法が大望されている。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３０１３１０５号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の研磨方法における、ドレス後の表面状態の不安定さに起因する性能ばらつきを改善し、均一性を向上させるためのもので、その目的とするところは、平坦化加工に好適な、従来品とは全く異なる表面状態を形成することができる研磨用発泡体および該研磨用発泡体を用いた、均一性の高い研磨方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記従来の問題点を鑑み、鋭意検討を重ねた結果、以下の手段により、本発明を完成するに至った。
【０００６】
すなわち本発明は、
（１）ドレス処理により、研磨面に鱗状のひだが形成されることを特徴とする研磨用発泡体。
（２）前記鱗状のひだが形成された研磨用発泡体表面の表面粗さの算術平均値が２〜４０μｍである請求項１に記載の研磨用発泡体。
（３）発泡体の気泡の平均径が０．１〜１００μｍである第（１）又は（２）の研磨用発泡体、
（４）主な構成原料が熱可塑性エラストマーである（１）〜（３）の研磨用発泡体。
（５）熱可塑性エラストマーがポリウレタンである（４）の研磨用発泡体。
（６）（１）〜（５）の研磨用発泡体を用いた研磨方法。
（７）（１）〜（５）の研磨用発泡体を用いた半導体デバイスウエハの表面の研磨方法。
である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の研磨用発泡体表面に、ドレス処理により形成した鱗状のひだの一例を図２及び図３に示す。この鱗状のひだによる研磨の厳密な機構は解明されていないが、本発明者らは、この鱗状のひだが介在することで、被加工物表面と研磨面の間に研磨スラリーが入り込みやすくなり、被加工物表面全域に均等に研磨スラリーが行き渡るようになった結果として、従来品と比べて均一性が向上するものと推察している。
なお本発明のドレス処理には、従来のドレス処理に用いられてきたものと同じ、例えば電着やろう付け等によりダイヤモンド砥粒を固定したドレッサーと呼ばれる工具を用いることができる。
具体的には、例えば純水を供給し、ドレッサーを回転させながら、本発明の研磨用発泡体表面に圧しあてるという従来と同じドレス処理を施すことにより、本発明の鱗状のひだは容易に形成することができる。ドレス処理は、研磨前に行っても良いし、又は研磨中に被加工物の研磨と併行で行っても良い。
【０００８】
本発明の鱗状のひだが形成された研磨用発泡体表面の表面粗さについては特に限定しないが、特に半導体ウエハ上のデバイス表面を研磨する場合のように高い均一性が求められる場合、算術平均粗さは、好ましくは２〜４０μｍ、さらに好ましくは３〜３０μｍ、最も好ましくは４〜２０μｍである。
算術平均粗さが２μｍ未満であると、研磨用発泡体表面が平滑面に近づく。その結果、スラリーの流れ込みを促進する機能が低下し、均一性の低下を招くので好ましくない。逆に形成した鱗状のひだが粗く、算術平均粗さが５０μｍを超えると、研磨用発泡体表面の凹凸が激しくなり、研磨性能が経時的に変動し易くなる。つまりはウエハ面内および面間において被加工物表面の仕上がり状態がばらつきやすくなり、均一性の低下を招くので好ましくない。
【０００９】
本発明の研磨用発泡体表面に鱗状のひだを形成するにあたり、発泡体の気泡は大きな役割を果たす。該気泡のサイズは特に限定しないが、高い均一性が求められる精密な研磨に好適な鱗状のひだを形成する点において、気泡の平均径は好ましくは０．１〜１００μｍ、より好ましくは０．５〜７０μｍ、最も好ましくは１〜５０μｍである。
気泡の平均径が０．１μｍ未満であると、例えば研磨スラリー中に砥粒が含まれる場合はその砥粒の凝集物や、また研磨の進行に伴い発生する研磨屑等により気泡が目詰まりし易い。その結果、形成される鱗状のひだの状態が研磨面内においてばらつきやすくなり、均一性が低下するので好ましくない。逆に気泡が粗大になり、その平均径が１００μｍを超えた場合は、形成されるひだも粗雑になる。その結果、均一性が著しく低下し、精密な研磨が困難となるので好ましくない。
【００１０】
なお、研磨用発泡体に含まれる気泡の直径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の断面像から計測した。倍率３００倍の断面像に含まれる気泡一つ一つの直径を計測し、全気泡の直径の平均値を算出した。断面における気泡の形状が真円でなく、例えば楕円形、もしくはいびつな多角形形状の場合は、円相当直径をその気泡の直径とした。
本発明の研磨用発泡体の主な構成原料は特に限定しない。ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリブテン、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリアリレート、芳香族系ポリサルホン、ポリアミド、ポリイミド、フッ素樹脂、エチレン−プロピレン樹脂、エチレン−エチルアクリレート樹脂、アクリル樹脂、ノルボルネン系樹脂、例えば、ビニルポリイソプレン−スチレン共重合体、ブタジエン−スチレン共重合体、アクリロニトリル−スチレン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体等に代表されるスチレン共重合体、あるいは天然ゴム、合成ゴム等を用いることができる。これらは単独で用いても良いし、混合あるいは共重合させてもよいが、研磨特性に大きな影響を及ぼす耐摩耗性や圧縮率等の基本物性を比較的容易に制御できるという点から、例えばウレタン系やオレフィン系等の熱可塑性エラストマーが好適である。その中でも、本発明の鱗状のひだを従来と同じドレス処理により容易に作り出せるという点において、熱可塑性ポリウレタンエラストマーが最も好ましい。
【００１１】
なお、本発明の研磨用発泡体表面には、必要に応じて溝加工を施すことができる。溝の形状は特に限定しないが、例えば平行、格子状、同心円状、さらには渦巻き状等、随時選定することができる。表面に溝を施すことにより、研磨面全域に研磨スラリーがより行き渡り安くなり、さらに均一性の向上が図れるという点において好適である。
【実施例】
以下に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、実施例の内容になんら限定されるものではない。
【００１２】
＜研磨用発泡体の製造装置＞
本発明の実施例で使用した研磨用発泡体の製造装置の概略図を図６に示す。バレル径５０ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝３２の第一押出機（１１）とバレル径６５ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝３６の第二押出機（１２）を中空の単管（１６）で連結したタンデム型押出機の先端に、リップ幅３００ｍｍの金型（１３）を取り付けた。
発泡剤としては二酸化炭素を用いた。ボンベ（１７）から取り出した後に、ガスブースターポンプ（１８）により昇圧した二酸化炭素を、第一押出機（１１）の中央前寄りに取り付けた注入口（１４）を通して注入した。
【００１３】
＜研磨パッドの作製＞
（実施例１）
原料としては大日精化製熱可塑性ポリウレタンエラストマー（商品名：レザミンＰ−４２５０）に、該樹脂との相溶性が高く、また可塑剤としての効果を発現する大日精化製架橋剤（商品名：クロスネートＥＭ−３０）を３重量％混合したものを第一押出機中に投入し、研磨用発泡体を作製した。成形条件を表１に示す。
幅２００ｍｍ、長さ６００ｍｍの大きさに切断した該研磨用発泡体３枚を、クッション性を有する発泡ポリエチレンを基材とした倉本産業製両面テープ（商品名：セブンタック）と貼り合わせた後に、直径６００ｍｍφの円盤状に切り抜いた。その後、ショーダテクトロン社製クロスワイズソーを用いて、幅２ｍｍ、深さ０．６ｍｍの溝を、溝間隔１３ｍｍで発泡体表面に格子状に施し、研磨パッドを作製した。
【００１４】
なお、研磨用発泡体の発泡層断面をＨＩＴＡＣＨＩ製走査型電子顕微鏡Ｓ−２４００で観察し、倍率３００倍の画像に含まれる気泡一つ一つの直径を計測し、全気泡の直径の平均値を算出した。平均径を表３に示す。
気泡の断面形状が真円でなく、例えば楕円形、もしくはいびつな多角形形状の場合は、円相当直径をその気泡の直径とした。
（実施例２）
研磨用発泡体の成形条件を変更した以外は実施例１と全く同様にして、研磨パッドを作製した。成形条件を表１に示す。実施例１と同様にして算出した、研磨用発泡体に含まれる気泡の平均径を表３に示す。
【００１５】
（比較例１）
実施例１と同じ原料を用い、表１に示した、発泡剤である二酸化炭素を注入しない条件において無発泡基材を成形した後に、実施例１と全く同様にして研磨面に溝加工を施し、研磨パッドを作製した。
（比較例２）
研磨パッドとして、幅２ｍｍ、深さ０．６ｍｍの溝を、溝間隔１３ｍｍで格子状に施されたロデール社製ＩＣ１０００を、同社のＳｕｂａ４００と貼り合わせて使用した。
【００１６】
【表１】

【００１７】
＜研磨性能評価＞
（実施例）および（比較例）の研磨パッドをＭＡＴ製片面研磨機ＡＲＷ−６８１ＭＳの定盤に貼り付け、ダイヤモンド粒子を電着固定した番手＃１００のドレッサーを用いてドレスをかけた後、キャボット社製研磨スラリー（商品名：ｉＣｕｅ５００３）を供給しながら直径２００ｍｍφのＣｕベタウエハ表面を研磨した。
通常、バージン品に対して最初にかけるドレスをイニシャルドレス、研磨を開始してからウエハとウエハを研磨する間にかけるドレスを単にドレスと呼んで両社を区別する。本発明の（実施例）および（比較例）の研磨パッド全てにおいて、表２に示すイニシャルドレス条件、ドレス条件および研磨条件に従って研磨性能評価を実施した。
【００１８】
【表２】

【００１９】
ドレス後の、つまりウエハを研磨する直前における実施例および比較例の研磨パッドの表面状態をＨＩＴＡＣＨＩ製走査型電子顕微鏡Ｓ−２４００で観察した。倍率１００倍の顕微鏡像を図２〜５に示す。
算術平均粗さは、ＫａｓａｋａＬａｂｏｒａｔｏｒｙＬｔｄ．製表面粗さ測定器（商品名：サーフコーダＳＥ１２００）を使用し、ＪＩＳＢ０６０１−１９９４に準じたＪＩＳ９４の規格に従って測定した。測定結果を表３に示す。ドレス後、実施例の研磨用発泡体表面には鱗状のひだが形成されていることが確認されたが、同じ原料系を用いて作製した比較例１および従来パッドの代表例である比較例２表面には鱗状のひだが確認されず、実施例と比較例を比べると、両者の表面状態は明らかに異なっていた。
【００２０】
研磨後のウエハを洗浄、乾燥後、シート抵抗測定機を用いてウエハ面内４９点のＣｕ膜厚を測定し、研磨速度の平均値および均一性の指標として研磨速度のウエハ面内におけるばらつきを算出した。
なお、研磨速度のウエハ面内におけるばらつきとして、４９点の研磨速度の最大値から最小値を引いた値を平均値の２倍で除した値を１００倍した値を用いた。その値が大きいほど均一性が低いことを意味する。
実施例および比較例の研磨パッドの研磨性能評価結果を表３に示す。
【００２１】
【表３】

【００２２】
実施例と比較例１との比較において、気泡の有無がドレス後の表面状態に影響を及ぼすことが確認された。気泡を内包していない比較例１では、研磨面に鱗状のひだが形成されず、実施例と比べて研磨速度が低いだけでなく、研磨速度のウエハ面内ばらつきも大きくなり、均一性が低いという結果を得た。
また、従来パッドの代表例であるロデール社製ＩＣ１０００を用いて研磨した比較例２に対して、実施例の研磨速度は約１．８倍、ウエハ面内ばらつきは半分程度と、均一性は言うに及ばず、従来パッドを上回る性能が確認された。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の、ドレス処理により、研磨面に鱗状のひだを形成した研磨用発泡体を用いる研磨方法によって、例えば半導体ウエハ上のデバイス表面を研磨すれば、従来の研磨パッドを用いた研磨方法に比べ、研磨速度がより速く、ウエハ面内の均一性が向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）の標準的なプロセスの一例である。
【図２】実施例１で用いた研磨用発泡体の、ドレス処理後における表面状態の一例である。
【図３】実施例２で用いた研磨用発泡体の、ドレス処理後における表面状態の一例である。
【図４】比較例１で用いた無発泡成形体のドレス処理後における表面状態の一例である。
【図５】比較例２で用いた従来パッドのドレス処理後における表面状態の一例である。
【図６】本発明の実施例および比較例で用いた、研磨用発泡体又は無発泡基材の製造装置の概略図である。
【符号の説明】
１半導体ウエハ
２定盤
３ドレッサー
４研磨スラリー
５試料ホルダー
６研磨パッド
７回転軸
８ウエハ固定用治具
９バッキング材
１０スラリー供給用配管
１１第一押出機
１２第二押出機
１３金型
１４発泡剤の注入用部品
１５原料ホッパ
１６中空単管
１７ボンベ
１８ガスブースターポンプ
１９圧力調整弁
２０引取機
２１研磨用発泡体

Claims

ドレス処理により、研磨面に鱗状のひだが形成されることを特徴とする研磨用発泡体。
前記鱗状のひだが形成された研磨用発泡体表面の表面粗さの算術平均値が２〜４０μｍである請求項１に記載の研磨用発泡体。
発泡体の気泡の平均径が０．１〜１００μｍである請求項１又は２の研磨用発泡体研磨用発泡体。
主な構成原料が熱可塑性エラストマーである請求項１〜３いずれかに記載の研磨用発泡体。
熱可塑性エラストマーがポリウレタンである請求項４に記載の研磨用発泡体。
請求項１〜５いずれかに記載の研磨用発泡体を用いた研磨方法。
請求項１〜５いずれかに記載の研磨用発泡体を用いた半導体デバイスウエハの表面の研磨方法。