JP2006231464A

JP2006231464A - 研磨パッド

Info

Publication number: JP2006231464A
Application number: JP2005049653A
Authority: JP
Inventors: Sukenori Tanaka; 佑典田中
Original assignee: Nitta Haas Inc
Current assignee: Nitta DuPont Inc
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2006-09-07

Abstract

【課題】大口径化されたシリコンウエハであっても、研磨特性の均一な研磨を行うことができる研磨パッドを提供することを目的とする。
【解決手段】被研磨物と接触させて、被研磨物を研磨する研磨層２１を有し、その研磨層２１は領域ごとに硬さが異なる研磨パッド１を用いることによって、被研磨物全面において研磨レートを均一にすることができる。つまり、被研磨物の中央部とそれ以外では、研磨レートが大きく異なるが、被研磨物の中央部に接触する第２領域２４の硬さを高め、被研磨物の中央部に接触しない第１領域２３および第３領域２５の硬さを低くすることによって、被研磨物全面において研磨レートを均一にすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子などの製造工程において、化学的機械的研磨（Chemical
Mechanical Polishing；ＣＭＰ）によるシリコンウエハなどの被研磨物の平坦化処理に用いる研磨パッドに関する。

一般に、ＣＭＰ法では、図１に示したように、研磨パッド１を定盤１１に保持し、シリコンウエハなどの被研磨物１３を研磨ヘッド１４に保持して、スラリ供給部１５からスラリを供給しながら、研磨パッド１と被研磨物１３を加圧した状態で相対的に摺動させることによって研磨が行われる。

かかるＣＭＰ法において、単位時間の研磨量（以下「研磨レート」という）などの研磨特性を均一化させるために、研磨パッド１は、硬さなどの研磨パッドの表面および断面構造が均一である（たとえば、特許文献１参照）。また、研磨パッドとしては、表面層、中間層および最内層の３層で構成されていて、少なくとも中間層がセグメント状に分割されている研磨パッドも挙げられる（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００４−１２３９７５号公報特開平１１−４８１３１号公報

しかしながら、特許文献１の研磨パッドでは、被研磨物１３が大型化した場合、中心部が削れにくい現象（センタースロー）が生じたり、また、反対にシリコンウエハの中心部がより早く削れる現象（センターファースト）が生じたりする。この結果、研磨物１３の表面が不均一に研磨されるといった現象が発生してしまう。

また、特許文献２の研磨パッドでは、被研磨物１３の反りに倣って、表面層を変化させることができるが、センタースローおよびセンターファーストを軽減させるものではない。

したがって本発明は、被研磨物が大型化した場合であっても、被研磨物を均一に研磨することができる研磨パッドを提供することを目的とする。

本発明は、被研磨物と接触させて、前記被研磨物を研磨する研磨層を有し、
前記研磨層は、同一層内の硬さが領域ごとに異なることを特徴とする研磨パッドである。

また本発明は、被研磨物と接触させて、前記被研磨物を研磨する研磨層を有し、
前記研磨層は、同心円状の領域ごとに硬さが異なることを特徴とする研磨パッドである。

また本発明は、被研磨物と接触させて、前記被研磨物を研磨する研磨層を有し、
前記研磨層は、同一層内の硬さが同心円状の領域ごとに異なることを特徴とする研磨パッドである。

また本発明は、前記研磨層は、前記被研磨物の中央部に接触する中央部接触領域と当該中央部接触領域以外の中央部非接触領域とによって、硬さが異なることを特徴とする。

本発明によれば、研磨層に、同一層内で硬さが研磨面の面方向に異なった部分を有することにより、被研磨物が大型化した場合であっても、被研磨物を均一に研磨することができる。

また本発明によれば、研磨層に同心円状の領域ごとに硬さが異なる部分を有することにより、被研磨物が大型化した場合であっても、被研磨物を均一に研磨することができる。

また本発明によれば、研磨層に同一層内で同心円状の領域ごとに硬さが異なる部分を有することにより、被研磨物が大型化した場合であっても、被研磨物を均一に研磨することができる。

また本発明によれば、被研磨物の中央部に接触する中央部接触領域とその中央部接触領域以外の中央部非接触領域との硬さが異なることにより、被研磨物が大型化した場合であっても、被研磨物をより均一に研磨することができる。

本発明である研磨パッドは、被研磨物と接触させて被研磨物を研磨するための研磨層を有し、その研磨層の硬さが領域ごとに異なる研磨パッドである。図１に示すようなＣＭＰ装置に、本発明である研磨パッド１を備え、被研磨物であるシリコンウエハ１３を研磨すると、被研磨物１３全面において研磨レートを均一にすることができる。つまり、被研磨物の研磨されにくい領域に、研磨層の研磨しやすい領域が接触するようにし、反対に、被研磨物の研磨されやすい領域に、研磨層の研磨しにくい領域が接触するようにして研磨することができるので、被研磨物全面において研磨レートを均一にすることができる。

図２は、本発明の第１の実施形態である研磨パッド１の平面図であり、図３は、図２の研磨パッド１の切断面線Ａ−Ａ’から見た断面図である。研磨パッド１は、上述のように、ＣＭＰ装置で使用され、研磨時には、ＣＭＰ装置のキャリア部１４に保持された被処理物であるシリコンウエハ１３と接触し、研磨パッド１およびシリコンウエハ１３の相対移動によって、シリコンウエハ１３表面を研磨する。研磨パッド１は、図３の断面図に示すように、キャリア部１４に保持されたシリコンウエハ１３と接触して研磨を行う研磨層２１と、研磨層２１を定盤１１に固定する下地層２２とを含んで構成する。研磨層２１は、図２および図３に示すように、研磨層２１の中心を中心とする同心円状の領域である研磨層２１の中心部である第１領域２３、シリコンウエハ１３の中心部と接触する第２領域２４および研磨層２１の周辺部である第３領域２５の３つの領域から構成されている。第２領域２４は、第１領域２３および第３領域２５より硬い研磨層であり、研磨層２１は、同一層内で研磨面の面方向に硬さの異なる領域を有する。

硬い領域である第２領域２４の硬さが、柔らかい領域である第１領域２３および第３領域２５の硬さより、後述のショアＤ硬度で１％以上２０％以下大きいことが好ましい。１％より小さいと、研磨層全面の硬さが均一である研磨パッドを用いて被研磨物を研磨するときに生じる研磨レートの差を充分に減少させることができない。また、１％以上であると、研磨されにくかった領域が、研磨されやすくなり、研磨レートの差を減少させることができるが、２０％より大きいと、研磨されにくかった領域が研磨されやすくなりすぎ、研磨レートの差が大きくなってしまう。

研磨層２１は、特に制限されず、研磨パッドの研磨層として用いることができるものであれば、いずれも使用することができる。つまり、研磨層２１は、発泡構造の研磨層であっても、無発泡構造の研磨層であっても使用することができ、一層の研磨層であっても、二層以上である複数層の研磨層であっても使用することができる。また、研磨層２１が複数層である形成されている場合、最も外側の最外層であって、被研磨物と接触する表面層が、図２および図３に示すような領域ごとに硬さが異なっていればよい。発泡構造の研磨層としては、独立発泡体および連続発泡体などが挙げられる。独立発泡体は、たとえば、微小中空体などの添加剤や空気などの気体を混入することにより得られる発泡体である。連続発泡体は、たとえば、添加剤および発泡剤などによって樹脂を発泡硬化させたものや、不織布などを基材としてその繊維交絡中に樹脂が含浸されたものである。無発泡構造の研磨層は、たとえば、樹脂に微細中空糸を含有させたものなどが挙げられる。研磨層に用いられる樹脂は、特に制限されず、研磨層としての所望の性状が得られるものであれば、いずれも使用することができる。たとえば、ポリウレタンおよびポリエステルなどが挙げられるが、これらに制限されない。

研磨層は、素材および構造などが異なれば、その硬さが異なるので、種々の方法によって、所望の硬さを有する研磨層を容易に得ることができる。以下の方法に制限されないが、たとえば、研磨層を形成する際に、モノマーおよび架橋剤などの種類および量などを変化させることによって、架橋度および分子量などを変化させて、所望の硬さを有する研磨層を得ることができる。また、研磨層の形成時に照射する紫外線の照射条件および加熱条件などを変化させることによっても、架橋度および分子量などを変化させて、所望の硬さを有する研磨層を得ることができる。さらに、すでに形成された研磨層に架橋剤などを添加して、加熱処理および紫外線照射処理などを施すことによっても、研磨層を所望の硬さに変化させ、所望の硬さを有する研磨層を得ることができる。

下地層２２は、特に制限されず、研磨層２１を定盤１１に固定させることができればいずれの材料であってもよい。たとえば、粘着テープ、フォームテープ、不織布およびその他弾性体などが挙げられる。

また、研磨層２１には、被研磨物１３に接触する面に溝を形成していてもよい。そうすることによって、研磨層にスラリを保持しやすくなる。溝の形状は、特に制限がなく、同心円状、格子状、放射線状、螺旋状などのいずれの形状であってもよい。また、溝の断面形状も、特に制限がなく、円弧形状、逆三角形状などのいずれの形状であってもよい。

研磨層の各領域の硬さを決定する方法について説明する。まず、研磨層の硬さが全面均一である硬さ決定用研磨パッドを用いて被研磨物を研磨する。そうすることによって、研磨層の硬さと研磨レートとの関係を求め、領域による研磨レートの差、たとえば、被研磨物の中央部と周辺部での研磨レートの差を求める。

たとえば、被処理物として、直径８ｉｎｃｈ（約２０ｃｍ）のシリコンウエハを用い、そのシリコンウエハの表面に形成されたＳｉＯ_２絶縁層を研磨した場合について説明する。

図４は、硬さ決定用研磨パッドにおいて、研磨層の硬さを変化させたときのシリコンウエハの研磨レートに対する影響を示すグラフである。縦軸は、シリコンウエハの研磨レートを示し、横軸は、研磨層の硬さを示す。ここで、研磨レートは、単位時間当たりに研磨によって除去されるシリコンウエハの厚みであり、研磨前後の重量を測定することによって得られる。また、研磨層の硬さは、ＡＳＴＭ（American Society for Testing and
Materials）規格Ｄ２２４０、ＪＩＳＫ７２１５およびＪＩＳＫ６２５３準拠の測定方法によりアスカーＤ型ゴム系硬度計（高分子計器株式会社製）で測定した。

図４に示すように、研磨層が硬い（研磨層のショアＤ硬度の値が大きい）ほど、シリコンウエハの研磨レートが高くなり、研磨されやすくなることがわかる。さらに、通常研磨パッドとして使用する硬さの範囲であれば、研磨層を硬くすると、研磨レートは、図４に示すように直線的に増加する。

硬さ決定用研磨パッドのように硬さが均一な研磨パッドを用いて被研磨物を研磨すると、シリコンウエハの中央部の研磨レートのほうが、周辺部の研磨レートより小さくなる場合がある。したがって、シリコンウエハの中央部の研磨レートと周辺部の研磨レートとの差が減少するように、シリコンウエハの中央部に接触する領域を硬くし、それ以外の領域を柔らかくするように、研磨層の硬さを設計する。そうすることによって、被研磨物全面において研磨レートを均一にすることができる研磨パッドが得られる。

研磨パッド１は、所定の硬さの研磨層２１を所定の大きさに切り出して、粘着テープなどの下地層２２に張り合わせることで、容易に研磨パッド１を形成することができる。

たとえば、第２領域２４の研磨層には、上述の研磨層の硬さを決定する方法によってシリコンウエハの中心部に接触する領域に好ましいと決定された硬さを有する研磨層を用い、第１領域２３および第３領域２５の研磨層には、シリコンウエハの周辺部に接触する領域に好ましいと決定された硬さを有する研磨層を用いる。第１領域２３は、上述の研磨層を円柱形に切り出す。第２領域２４は、内径が第１領域２３の直径であり、第２領域２４の幅がシリコンウエハの直径より小さくなるような円筒形に切り出す。第３領域２５は、内径が第２領域２４の外径となるような円筒形に切り出す。それぞれ切り出した研磨層を下地層２２に張り合わせることによって、研磨パッド１を形成する。

また、研磨パッド１は、上記のような作製方法以外であってもよく、たとえば、以下のような方法で作製する。研磨層を形成する際の紫外線照射処理において、照射時間などの照射条件を研磨層の領域ごとに変化させる。研磨層は、紫外線が照射されるほど、架橋反応が進み、架橋度が高まり、硬くなるので、領域ごとに硬さの異なる研磨パッド１を作製することができる。紫外線照射処理に限らず、加熱処理であってもよく、その際の加熱時間および加熱温度などの加熱条件を領域ごとに変化させることによっても、領域ごとに硬さの異なる研磨パッド１を作製することができる。

さらに、硬さが均一な研磨層の全面に、架橋剤を添加し、照射条件および加熱条件などを研磨層の領域ごとに変化させて架橋度を変化させても、領域ごとに硬さの異なる研磨パッド１を作製することができる。

これらの方法によって研磨パッドを形成させると、密度が均一であって、領域ごとに硬さの異なる研磨パッド１を形成させることもできる。被研磨物の種類によっては、このような研磨パッドのほうが研磨レートをより均一にできる場合もある。

また、本発明の第２の実施形態としては、研磨層２１が、第２領域２４が第１領域２３および第３領域２５より柔らかい研磨層である研磨パッドであること以外、第１の実施形態と同様である。

そうすることによって、研磨層全面の硬さが均一である研磨パッドを用いて被研磨物を研磨すると、被研磨物の中心部が削れやすい場合には、被研磨物の中心部に、被研磨物を研磨しにくい柔らかい研磨層が接触して研磨することができるので、被研磨物全面において研磨レートを均一にすることができる。

さらに、図５は、本発明の第３の実施形態である研磨パッド２の平面図である。研磨パッド２は、研磨層３１が第１領域３２、第２領域３３、第３領域３４および第４領域３５の４領域に分かれている以外、第１の実施形態および第２の実施形態の研磨パッド１と同様である。

研磨層を４領域に分けているので、被研磨物の領域ごとの研磨されやすさに応じて、研磨パッドの硬さをより変化させることができるので、被研磨物全面において研磨レートをより均一にすることができる。

なお、被研磨物の中央部に接触する領域は、図２および図３に示す第２領域２４または図４に示す第２領域３３および第３領域３４である。また、被研磨物の中央部に接触する領域以外の領域は、図２および図３に示す第１領域２３および第３領域２５または図４に示す第１領域３２および第４領域３５である。

以下に、本発明の第１の実施形態である研磨パッド１を用いた実施例を示す。
まず、硬さ決定用研磨パッドを作製する。研磨層として、硬さがショアＤ硬度で５５の硬質ポリウレタンを用い、下地層として、フォームテープ（東洋インキ製）を用いて、下地層の上に研磨層を貼り付けて、硬さ決定用研磨パッドを作製する。

その硬さ決定用研磨パッドを研磨機（ＳＨ−２４、Ｓｐｅｅｄｆａｍ社製）の定盤に両面テープで貼り付ける。その後、押し付け圧力７ｐｓｉ（約４．８３×４^１０Ｐａ）、定盤回転速度６０ｒｐｍ、ヘッド回転速度６０ｒｐｍの条件でシリコンウエハの研磨を行う。研磨レート（ＲＲ）測定は、Ｎａｎｏｓｐｅｃ（Ｎａｎｏｍｅｔｒｉｃｓ社、膜厚測定システム）を用いて行う。ここで用いたシリコンウエハは、直径８ｉｎｃｈ（約２０ｃｍ）のシリコンウエハであり、研磨パッドで研磨する研磨対象物は、表面に形成されたＳｉＯ_２絶縁層である。

その結果、硬さ決定用研磨パッドを用いたときの研磨レートは、シリコンウエハの中心部では３１００Å／ｍｉｎであるのに対して、シリコンウエハの外周部では３７００Å／ｍｉｎであった。つまり、硬さの均一な研磨層を有する研磨パッドを用いて研磨すると、シリコンウエハの中心部は、削れにくくなり、シリコンウエハの外周部は削れやすかった。

そこで、図４の研磨層の硬さと研磨レートとの関係から、シリコンウエハの中心部と接触する領域の硬さをショアＤ硬度で５７とし、シリコンウエハの中心部と接触しない領域の硬さをショアＤ硬度で５３とした。つまり、図２に示した第２領域２４の硬さがショアＤ硬度で５７であって、第１領域２３および第３領域の硬さがショアＤ硬度で５３である研磨層を用いる。

第２領域２４の硬さがショアＤ硬度で５７であって、第１領域２３および第３領域の硬さがショアＤ硬度で５３である研磨層を有する研磨パッドは、硬さがショアＤ硬度で５３の硬質ポリウレタンを、外径２４ｉｎｃｈ（約６１ｃｍ）内径２１ｉｎｃｈ（約５３ｃｍ）の円筒形および直径１８ｉｎｃｈ（約４６ｃｍ）の円柱形に切り出す。硬さがショアＤ硬度で５７の硬質ポリウレタンを、外径２１ｉｎｃｈ（約５３ｃｍ）内径１８ｉｎｃｈの円筒形に切り出す。それらの切り出した硬質ポリウレタンを図２および３のように、下地層に貼り付けて、研磨パッドを作製する。

この研磨パッドを用いて、上記の研磨方法と同様の方法によって、シリコンウエハを研磨する。その結果、研磨レートは、シリコンウエハの中心部では４０００Å／ｍｉｎであり、シリコンウエハの外周部では３５００Å／ｍｉｎである。

図６は、不均一性の評価結果を示すグラフである。図６は、実施例１〜３および比較例１〜３における不均一性を示している。実施例１〜３は、硬さが領域ごとに異なる研磨パッド１を用いてシリコンウエハを研磨したときの３回分の結果であり、比較例１〜３は、硬さが均一な硬さ決定用研磨パッドを用いてシリコンウエハを研磨したときの３回分の結果である。不均一性は、研磨されたシリコンウエハの複数箇所、たとえば４９箇所で厚みを測定して、シリコンウエハの厚みにおける平均値に対する最大値と最小値との差を百分率で表わしたもので、値が小さいほど、被研磨物の厚みの均一性が優れている。

図６からわかるように、実施例１〜３の不均一性が、比較例１〜３の不均一性より小さい。つまり、実施例１〜３のように、硬さが領域ごとに異なる研磨パッド１を用いて、シリコンウエハを研磨すると、シリコンウエハの中心部と外周部とでの研磨レートの差が大幅に改善され、厚みの均一性が満たされたことがわかった。

化学的機械的研磨（ＣＭＰ）装置の構成を簡略化して示す概観図である。本発明の実施の形態である研磨パッド１の平面図である。図２の研磨パッド１の切断面線Ａ−Ａ’から見た断面図である。研磨層の硬さを変化させたときのシリコンウエハの研磨レートに対する影響を示すグラフである。本発明の第３の実施形態である研磨パッド２の平面図である。不均一性の評価結果を示すグラフである。

符号の説明

１，２研磨パッド
１１定盤
１３シリコンウエハ
１４キャリア部
１５スラリ供給部
２１研磨層
２２下地層
２３，３２第１領域
２４，３３第２領域
２５，３４第３領域
３５第４領域

Claims

被研磨物と接触させて、前記被研磨物を研磨する研磨層を有し、
前記研磨層は、同一層内の硬さが領域ごとに異なることを特徴とする研磨パッド。
被研磨物と接触させて、前記被研磨物を研磨する研磨層を有し、
前記研磨層は、同心円状の領域ごとに硬さが異なることを特徴とする研磨パッド。
被研磨物と接触させて、前記被研磨物を研磨する研磨層を有し、
前記研磨層は、同一層内の硬さが同心円状の領域ごとに異なることを特徴とする研磨パッド。
前記研磨層は、前記被研磨物の中央部に接触する中央部接触領域と当該中央部接触領域以外の中央部非接触領域とによって、硬さが異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の研磨パッド。