JP2004188586A - 研磨用発泡シート - Google Patents

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用いられる研磨パッドにおいて、従来パッドに比べて研磨速度が速く、研磨後のデバイス表面の平坦性とそのウエハ面内均一性のバランスの良い、高精度な研磨を実現する研磨用発泡シートを提供する。
【解決手段】研磨面において、シートに含まれる空孔が開口した結果生じた開口部の円相当直径の平均値が１〜５０μｍであり、かつ円相当直径０．１〜１０μｍの開口部が少なくとも１０００個／ｃｍ^２以上含まれていることを特徴とする研磨用発泡シート。
【選択図】 なし

Description

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に使用される研磨パッドに用いられる研磨用発泡シートに関するものである。

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、砥粒を含有する研磨スラリー（４）をスラリー供給用配管（１０）を通して滴下しながら、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、デバイス表面を高精度に平坦化するというものである。なお研磨中、ドレッシングディスク（３）を回転させながら研磨パッド（６）表面に押しあてることにより、研磨パッド（６）の表面状態を整えている。研磨条件はもとより、研磨パッド（６）、ドレッシングディスク（３）、研磨スラリー（４）、ウエハ固定用治具（８）およびバッキング材（９）等、各構成部材の特性が、研磨速度、研磨後のデバイス表面の平坦性、ウエハ面内における均一性の指標となる平坦性のばらつき、およびそれらの経時変動等に代表される研磨性能に影響を及ぼすが、その中でも研磨パッド（６）と研磨スラリー（４）および研磨スラリー中に含まれる砥粒の及ぼす影響は極めて大きい。

従来から、層間絶縁膜や金属配線等の研磨に用いられる研磨パッドの研磨層として、高分子マトリックス中に、空隙スペースを有する高分子微小エレメントを含浸した独立発泡体が標準的に使用されてきた（例えば、特許文献１参照。）。
従来の独立発泡体は、使用前、使用中におけるドレッシング、および研磨の進行に伴う研磨パッド表面の摩耗により、高分子微小エレメントのシェルが破れて空孔が開口し、研磨スラリーの保持能力を発現するというものであった。従来の独立発泡体においては、研磨性能に大きく影響を及ぼすと考えられる、研磨面において開口した空孔の開口部のサイズ、数および総面積等に言及している文献、報告書類等は非常に少なく、高分子微小エレメントのサイズ、数、空隙率等の記述に留まっているものが大部分であった。

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り、パターン形成面の平坦性はますます厳しくなってきている。それに伴い、ＣＭＰに求められる研磨精度、つまりは研磨パッドに要求される研磨性能レベルも著しく高まっており、従来パッドの性能を上回る、高精度な研磨を実現できる研磨パッドの出現が大望されている。

特許第３０１３１０５号

本発明は、従来の独立発泡体を用いた研磨パッドの、例えば研磨速度を向上させ、研磨性能ばらつきの問題を解決することにより、研磨性能の向上をはかるためのもので、その目的とするところは、高精度の研磨性能を経時的にも安定に発現することのできる研磨用発泡シートを提供することにある。

本発明者らは、本発明者らは鋭意検討の結果、研磨面の状態に着目し、研磨面において
、シートに含まれる空孔が開口した結果生じた開口部の円相当直径の平均値、円相当直径０．１〜１０μｍの開口部個数密度、さらには全開口部の総面積の研磨面全体に対する割合が研磨性能と密接に関係しており、研磨パッドの高性能化を図る上で非常に重要な役割を果たすことを見出した。
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。

すなわち本発明は、
（１） 研磨面において、シートに含まれる空孔が開口した結果生じた開口部の円相当直径の平均値が１〜５０μｍであり、かつ円相当直径０．１〜１０μｍの開口部が少なくとも１０００個／ｃｍ^２以上含まれていることを特徴とする研磨用発泡シート、
（２） 研磨面において、全開口部の総面積の割合が研磨面全体の３０〜７０％である第（１）項記載の研磨用発泡シート、
（３） ２５℃における見掛けの圧縮率が５〜１５％である、第（１）又は（２）項のいずれかに記載の研磨用発泡シート。
（４） シートを構成する原料の主成分が、ＪＩＳＫ−７３１１に準じたＡ硬度で７０以上の熱可塑性エラストマーである第（１）〜（３）項のいずれかに記載の研磨用発泡シート、
（５） 熱可塑性エラストマーがポリウレタンである第（４）項記載の研磨用発泡シート、
である。

本発明の研磨用発泡シートを用いて、例えば半導体デバイスウエハを研磨すれば、従来パッドに比べて、研磨速度が速くなるだけでなく、研磨後のデバイス表面の平坦性およびそれらのウエハ面内の均一性が著しく向上し、高精度な研磨の実現が期待できる。

本発明において、高精度のＣＭＰを実現するために、研磨パッド用基材として使用される研磨用発泡シートの研磨面における好適な発泡状態を規定する。
本発明においては、研磨性能の指標として、例えば研磨対象が半導体デバイスウエハの場合、研磨速度、研磨速度のウエハ面内におけるばらつき、研磨速度の経時変動の３項目に着目する。
なお本発明の研磨用発泡シートにおいては、研磨面において、シートに含まれる空孔が開口した結果生じた開口部の形状は真円である必要はなく、楕円形、もしくはいびつな多角形形状でも良い。このため本発明における開口部の直径は、開口部の円相当直径をもって規定する。以後、開口部の直径とは円相当直径を意味し、また簡単のため、開口部の円相当直径を開口部径と記述する。

本発明の研磨用発泡シートにおいては、研磨面において、シートに含まれる空孔が開口した結果生じた開口部径の平均値は、好ましくは１〜５０μｍ、さらに好ましくは２〜４０μｍ、最も好ましくは３〜３０μｍであり、かつ直径０．１〜１０μｍの開口部は少なくとも１０００個／ｃｍ^２以上、さらに好ましくは５０００個／ｃｍ^２以上、最も好ましくは１００００個／ｃｍ^２以上である。
開口部径の平均値が１μｍ未満であると、研磨スラリー中に含まれる砥粒の凝集物および研磨の進行に伴い発生する研磨屑等が空孔内から排出されにくく、空孔が目詰まりし易い。その結果、研磨速度のウエハ面内におけるばらつきを引き起こしやすく、さらには研磨速度の経時変動が大きくなるので好ましくない。逆に５０μｍを超えると、ウエハ面内においてスラリーの保持性能がばらつき安く、研磨速度のウエハ面内におけるばらつきが大きくなるため、高精度な研磨の実現が非常に困難となる。

直径０．１〜１０μｍの開口部は、研磨後のデバイス表面の平坦性向上に寄与し、さらには研磨速度のウエハ面内におけるばらつきおよび経時変動を低減する役割を担うが、１０００個／ｃｍ^２未満では、全開口部に占める割合が小さく、つまりは均一性向上の効果が小さいので好ましくない。本発明の研磨用シートにおいては、少なくとも１０００個／ｃｍ^２以上必要である。

本発明において、研磨面全体に占める全開口部の総面積の割合は、研磨速度と強い相関関係にあり、特に限定しないが好ましくは研磨面全体の３０〜７０％、さらに好ましくは３５〜６５％、最も好ましくは４０〜６０％である。
全開口部の総面積の割合が研磨面全体の３０％未満であると、研磨スラリーの保持性能が低くなり、研磨速度が小さくなるだけでなく、ウエハ面内におけるばらつきが生じやすく、さらには経時変動が大きくなるので好ましくない。
また、７０％を超えると、発泡シートの厚み方向における機械的強度が著しく低下するだけでなく、見掛けの表面硬度が低下し、研磨後のデバイス表面の平坦性低下を引き起こす要因となることから、好ましくない。

本発明において圧縮率は特に限定しないが、高精度な研磨に好適な見掛けの圧縮率の範囲は、２５℃雰囲気下で５〜１５％である。
なお本発明の見掛けの圧縮率は、熱応力歪測定装置（ＴＭＡ）により測定したシート厚みの変化量より算出した値である。測定サンプルシートの厚みは１ｍｍとし、面圧の経時変化（プロファイル）を図２に示す。
具体的には、見掛けの圧縮率は、３００ｇ／ｃｍ^２の面圧を６０秒間掛けたときの厚み（Ｔ１）から、引き続き１８００ｇ／ｃｍ^２の面圧を同じく６０秒間掛けた時の厚み（Ｔ２）を引いた値をＴ１で除し、さらにその値を１００倍することによる得られる値である。
ＣＭＰの場合、圧縮率が５％未満であると、研磨用シートがウエハ全体のうねりに追従しきれず、研磨速度および研磨速度のウエハ面内におけるばらつきが大きくなり、さらには研磨速度の経時変動が大きくなるので好ましくない。逆に２５％以上では、見掛けの表面硬度が低下し、研磨後のデバイス表面の平坦性低下を引き起こす要因となるため好ましくない。

本発明の研磨用発泡シート原料の主成分は特に限定しない。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、研磨後の被研磨面の平坦性と均一性のバランスが非常に取りやすく、特に研磨対象が比較的柔らかいＣｕのような金属の場合では、例えばウレタン系やオレフィン系の、ＪＩＳＫ−７３１１に準じたＡ硬度で７０以上の熱可塑性エラストマーが好適である。その中でも研磨用発泡シートの重要特性の一つである耐摩耗性を、比較的広い範囲でコントロールすることが可能であるという点で、熱可塑性ポリウレタンエラストマーが最も好ましい。

なお本発明の研磨用発泡シートを研磨パッドとして用いる場合、必要に応じてシート表面に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。シート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、本発明の研磨用発泡シートの性能がさらに引き出される。

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。
＜発泡シート化設備＞
本発明の実施例で使用した発泡シート化設備の概略図を図３に示す。バレル径５０ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝３２の単軸押出機（１１）とバレル径６５ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝３６の単軸押出機（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の成形用金型（１３）を取り付けた。
発泡剤としては二酸化炭素を用い、ボンベ（１７）から取り出した後に、昇圧ポンプ（１８）により昇圧した二酸化炭素を、単軸押出機（１１）の中央前寄りに取り付けた注入口（１４）を通して押出機中に注入した。
＜シート物性評価＞
○発泡状態
研磨面をＨＩＴＡＣＨＩ製走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）Ｓ−２４００で観察し、開口部径、研磨面単位面積当たりの直径０．１〜１０μｍの開口部個数、および全開口部の総面積の割合を算出した。
○圧縮率
セイコーインスツルメンツ（株）社製ＴＭＡを使用して、研磨加工により厚み１ｍｍに調整したシートの、２５℃雰囲気下における厚み変化を測定した。
面圧のプロファイルは図２の通りである。負荷無しの状態から、３００ｇ／ｃｍ^２の面圧を掛け、引き続き１８００ｇ／ｃｍ^２の面圧を掛けた後に荷重を取り除くという一連の操作を１サイクルとして、連続的に５サイクル測定した。厚み変化から算出した各サイクルにおける圧縮率の５回の平均値を、見掛けの圧縮率として用いた。

（実施例１）
主原料であるＪＩＳＫ−７３１１に準じたＡ硬度で９９（カタログ収載値）の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大日精化工業（株）製）に、同社の架橋剤（商品名：クロスネートＥＭ−３０）をあらかじめ混合した原料を使用した。発泡シート化条件を表１に示す。
得られた発泡シート表面を、丸源鐵工所製ベルトサンダー（商品名：ＭＮＷ−６１０−Ｃ２）で研磨し、シート表面近傍の無発泡層であるスキン層を除去することにより気泡を開口させ、厚み１．３ｍｍの研磨用発泡シートを得た。発泡状態および圧縮率に関するデータを表１に示す。
該シート３枚を両面テープと貼り合わせた後に、円盤状に切り取り、直径６００ｍｍφの研磨パッドを作製した。
（実施例２）
発泡シート化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。発泡シート化条件、発泡状態および圧縮率に関するデータを表１に示す。
（実施例３）
ショーダテクトロン社製クロスワイズソー（商品名：ＣＷＳ−６５０Ａ）を用いて、（実施例１）で得た研磨パッド表面に溝幅２ｍｍ、隣り合う溝と溝との間隔１３ｍｍ、溝深さ０．６ｍｍの溝を格子状に施した。
（実施例４）
ＪＩＳＫ−７３１１に準じたＡ硬度で９０（カタログ収載値）の熱可塑性ポリウレタンエラストマー（商品名：レザミンＰ−４０７０ＥＸ大日精化工業（株）製）を原料として使用した。（実施例１）〜（実施例３）で用いた同社の架橋剤（商品名：クロスネートＥ
Ｍ−３０）は使用していない。発泡シート化条件、発泡状態および圧縮率に関するデータを表１に示す。
（比較例１）
発泡シート化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。発泡シート化条件、発泡状態および圧縮率に関するデータを表１に示す。
（比較例２）
研磨パッドとして、溝幅２ｍｍ、隣り合う溝と溝との間隔１３ｍｍ、溝深さ０．６ｍｍの格子溝が施されたロデール社製ＩＣ１０００を使用した。発泡状態および圧縮率に関するデータを表１に示す。

＜研磨性能評価＞
被研磨物として、直径２００ｍｍのＣｕブランケットウエハを用いた。
（実施例）および（比較例）で得られた研磨パッドをＭＡＴ製片面研磨機ＡＲＷ−６８１ＭＳの定盤に貼り付け、ドレッシングを掛けた後に、キャボット社製研磨スラリー（商品名：ｉＣｕｅ５００３）を供給しながら研磨を実施した。ドレス条件および研磨条件を表２に示す。

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。なお本評価はブランケットウエハを用いたため、研磨後のデバイス表面の平坦性は、研磨速度のウエハ面内におけるばらつきにより判定することができる。ばらつきが小さいほど、平坦性は良好であると判断した。
また適宜ドレスをかけながら、ウエハ５０枚を連続的に研磨し、研磨速度平均値のばらつきを算出し、研磨性能の経時変動の判断指標とした。
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。
実施例の研磨性能の評価結果を表３に、比較例のそれを表４に示す。

実施例は、比較例に比べ、いずれも研磨速度が大きくなり、かつ研磨速度のウエハ面内ばらつきおよび研磨速度の経時変動ともに小さい値を示した。本結果により、研磨後のＣｕ表面の平坦性も向上したものと判断できる。

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に使用される研磨パッドに応用されるものであり、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。

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。 圧縮率測定における面圧の経時変化（プロファイル）である。 実施例で用いた発泡シート化設備の概略図である。

符号の説明

１ 半導体デバイスウエハ
２ 定盤
３ ドレッシングディスク
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 単軸押出機（第一）
１２ 単軸押出機（第二）
１３ 成形用金型
１４ 発泡剤注入口
１５ 原料ホッパ−
１６ 中空単管
１７ ボンベ
１８ 昇圧ポンプ
１９ 流量制御弁

Claims (5)

1. 研磨面において、シートに含まれる空孔が開口した結果生じた開口部の円相当直径の平均値が１〜５０μｍであり、かつ円相当直径０．１〜１０μｍの開口部が少なくとも１０００個／ｃｍ^２以上含まれていることを特徴とする研磨用発泡シート。
2. 研磨面において、全開口部の総面積の割合が研磨面全体の３０〜７０％である請求項１記載の研磨用発泡シート。
3. ２５℃における見掛けの圧縮率が５〜１５％である、請求項１又は２のいずれかに記載の研磨用発泡シート。
4. シートを構成する原料の主成分が、ＪＩＳＫ−７３１１に準じたＡ硬度で７０以上の熱可塑性エラストマーである請求項１〜３のいずれかに記載の研磨用発泡シート。
5. 熱可塑性エラストマーがポリウレタンである請求項４記載の研磨用発泡シート。

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