JP2015185815A - 研磨パッド、研磨方法、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】冷却効果を発揮する研磨パッド、その研磨パッドを用いた研磨方法、及びその研磨パッドを用いた半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】研磨パッドは、化学的機械的研磨に用いられる研磨パッドであって、研磨対象物と接する研磨面を有する研磨層に冷却剤を含んでいる。研磨方法及び半導体装置の製造方法は、研磨対象物を研磨面で研磨する研磨工程と、研磨工程以前に研磨層の研磨面をドレスして冷却剤を露出させその冷却剤で研磨面を冷却するドレッシング工程と、を含む。【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、研磨パッド、研磨方法、及び半導体装置の製造方法に関する。
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。このＣＭＰでは、温度によって化学反応速度が変化するため、研磨対象物であるウェーハなどと接する研磨パッドは表面温度を適切に制御する必要がある。従来、研磨パッドの冷却方法としては、例えば研磨パッドに対して冷却用の空気を吹き付け、その気化熱により冷却する方法がある。
しかし、この方法では、空気を吹き出すためのノズルを研磨装置に設けるなど、大がかりな研磨装置の変更が必要となる。
しかし、この方法では、空気を吹き出すためのノズルを研磨装置に設けるなど、大がかりな研磨装置の変更が必要となる。
そこで、冷却効果を発揮する研磨パッド、その研磨パッドを用いた研磨方法、及びその研磨パッドを用いた半導体装置の製造方法を提供する。
実施形態の研磨パッドは、化学的機械的研磨に用いられる研磨パッドであって、研磨対象物と接する研磨面を有する研磨層に冷却剤を含んでいる。
また、実施形態の研磨方法は、化学的機械的研磨に用いられる研磨パッドであって、研磨対象物と接する研磨面を有する研磨層に冷却剤を含む研磨パッドを備える。研磨方法は、前記研磨対象物を前記研磨面で研磨する研磨工程と、前記研磨工程以前に前記研磨層の研磨面をドレスして前記冷却剤を露出させその冷却剤で前記研磨面を冷却するドレッシング工程と、を含む。
また、実施形態の半導体装置の製造方法は、化学的機械的研磨に用いられる研磨パッドであって、研磨対象物と接する研磨面を有する研磨層に冷却剤を含む研磨パッドを備える。半導体装置の製造方法は、前記研磨対象物を前記研磨面で研磨する研磨工程と、前記研磨工程以前に前記研磨層の研磨面をドレスして前記冷却剤を露出させその冷却剤で前記研磨面を冷却するドレッシング工程と、を含む。
以下、実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、実施形態による研磨パッドの構成について説明する。
図１に示す研磨パッド１０は、図４に示す研磨装置２０に取り付けられて、半導体装置の製造工程において研磨対象物となるウェーハ３０をＣＭＰにより研磨するために用いられる。研磨パッド１０は、全体として円板状に構成されている。研磨パッド１０は、異なる硬さのパッド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１０は、図１に示すようにメインパッド１１とサブパッド１２とを積層して構成されている。
まず、実施形態による研磨パッドの構成について説明する。
図１に示す研磨パッド１０は、図４に示す研磨装置２０に取り付けられて、半導体装置の製造工程において研磨対象物となるウェーハ３０をＣＭＰにより研磨するために用いられる。研磨パッド１０は、全体として円板状に構成されている。研磨パッド１０は、異なる硬さのパッド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１０は、図１に示すようにメインパッド１１とサブパッド１２とを積層して構成されている。
メインパッド１１は、研磨対象物と接して研磨対象物を研磨する研磨層となる。サブパッド１２は、メインパッド１１よりもやや軟質である。そのため、サブパッド１２は、研磨パッド１０が取り付けられる研磨装置２０の取り付け面のうねりなどの形状に追従し易くなり、これにより、研磨の際の加工均一性が向上される。なお、メインパッド１１は、詳細は図示しないが、スラリーを排出するための複数の穴や溝を有していても良い。また、研磨パッド１０は、複数のパッドを積層したものに限られず、メインパッド１１の単体のみで構成しても良い。
実施形態において、メインパッド１１は、例えば発泡性のポリウレタン樹脂を主要な材料として構成されている。サブパッド１２は、例えば不織布を主要な材料として構成されている。メインパッド１１は、その内部に、結晶粒状の冷却剤１０１を含んでいる。なお、各図では、冷却剤と研磨パッドとの寸法関係を実際よりも誇張して表現している。冷却剤１０１は、水溶性であって、水と反応して吸熱作用を発揮するものである。また、冷却剤１０１は、定形性を有し、例えば粒状に構成されている。なお、冷却剤１０１は、例えば粉体などであっても良い。粒状又は粉状の冷却剤１０１は、硬化前の液状のポリウレタンに均一となるように混合される。そして、冷却剤１０１を含むポリウレタンが型に注入されて硬化され、これによりメインパッド１１が形成される。
冷却剤１０１は、例えば粒状又は粉状に形成した硝酸アンモニウムや尿素が考えられる。図２には、５ｇ、１０ｇ、２０ｇの各量の硝酸アンモニウムを、２５℃の水１５ｍＬに溶解させたときの水温の変化を示している。いずれの量でも、溶解後約１分で急激に温度が低下している。この場合、５ｇでは約１０℃、１０ｇでは約１５℃、１５ｇでは約２０℃近く温度が低下している。この結果から、水に溶解する硝酸アンモニウムの量が多いほど、冷却効果が高いといことがわかる。
また、冷却剤１０１としては、粒状又は粉状に形成した硝酸アンモニウムや尿素の混合物でも良い。図３は、水温２５℃の所定量（１５ｍＬ）の水に所定量（２０ｇ）の冷却剤を溶解させたときの水温の変化を示している。図３では、冷却剤として、硝酸アンモニウムのみ、尿素のみ、及び硝酸アンモニウムと尿素とを１対１の割合で混合した混合物を対象としている。
尿素のみの場合、水温は、水に溶解した後約１分で約１５℃低下した。硝酸アンモニウムのみの場合、水温は、水に溶解した後約１分で約２０℃低下した。そして、硝酸アンモニウムと尿素との混合物の場合、水温は、水に溶解した後約１分で約３０℃低下した。これらの結果から、硝酸アンモニウムのみ又は尿素のみの場合に比べて、硝酸アンモニウムと尿素とを混合させた場合の方が、冷却剤としての冷却効果が高いことがわかる。そして、硝酸アンモニウムと尿素との混合物では、硝酸アンモニウムのみの場合に比べて約１．５倍、冷却効率が高いことがわかった。この場合、硝酸アンモニウムと尿素の混合比は、混合物全体の質量を１０とすると、硝酸アンモニウムの割合を４から８とし、尿素の割合を６から２とすることが望ましい。
なお、冷却剤１０１の材料としては、上記したものの他に、例えばメタバナジン酸アンモニウム、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、沃化アンモニウム、糖アルコール、硫酸アンモニウム等の無機アンモニウム塩、硝酸ナトリウムや硝酸カリウムや塩化カリウム等のアルカリ金属塩、及びこれらの混合物等も考えられる。
次に、図４を参照して、研磨パッド１０が取り付けられる研磨装置２０の概略について説明する。研磨装置２０は、テーブル２１、研磨ヘッド２２、ドレッサー２３、及びスラリー供給部２４を備えている。研磨パッド１０は、テーブル２１の研磨ヘッド２２側、すなわち上方に設けられる。研磨パッド１０は、研磨層となるメインパッド１１が研磨ヘッド２２側すなわち上方となり、サブパッド１２がテーブル２１側すなわち下方となるように設けられる。研磨層となるメインパッド１１の表面、すなわちメインパッド１１の研磨ヘッド２２側の面が、研磨面１１１となる。テーブル２１は、テーブル駆動部２５によって駆動され、上方に設けられている研磨パッド１０とともに回転する。
研磨ヘッド２２は、テーブル２１に設けられる研磨パッド１０と対向して設けられている。すなわち、研磨ヘッド２２は、テーブル２１の上方に設けられている。また、研磨ヘッド２２は、テーブル２１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２２は、テーブル２１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４では、ウェーハ３０の厚みを、研磨パッド１０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２２は、ウェーハ３０を保持した状態でウェーハ３０に力を加える。これにより、ウェーハ３０は、研磨ヘッド２２に保持されるとともに、研磨パッド１０の研磨面１１１に上方から押し付けられる。研磨ヘッド２２は、研磨ヘッド駆動部２６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２２とともに回転する。
ドレッサー２３は、テーブル２１に設けられる研磨パッド１０と対向して設けられている。すなわち、ドレッサー２３は、テーブル２１の上方に設けられている。また、ドレッサー２３は、テーブル２１の回転中心に対して他方側寄り、すなわち研磨ヘッド２２と反対側寄りに設けられている。ドレッサー２３は、ドレッシングパッド２３１を有している。ドレッサー２３は、ドレッシングパッド２３１に対して力を加える。これにより、ドレッシングパッド２３１は、研磨パッド１０の研磨面１１１に上方から押し付けられる。ドレッサー２３は、ドレッサー駆動部２７によって駆動され、回転する。これにより、ドレッシングパッド２３１は、ドレッサー２３とともに回転する。この結果、ドレッシングパッド２３１は、研磨パッド１０の研磨層であるメインパッド１１を研削し、メインパッド１１に研磨面１１１を形成する。その際、図６に示すように、メインパッド１１に含まれる冷却剤１０１が、研磨面１１１から露出する。
スラリー供給部２４は、研磨剤及び水を含むスラリー３１を、研磨パッド１０の研磨面１１１に供給する。ウェーハ３０を研磨する際、スラリー供給部２４から供給されたスラリー３１は、研磨ヘッド２２に保持されたウェーハ３０と研磨パッド１０の研磨面１１１との間に侵入する。研磨ヘッド２２に保持されているウェーハ３０は、適切な力で研磨パッド１０に押し付けられる。これにより、ウェーハ３０は、研磨パッド１０の研磨面１１１と接し、表面が研磨される。
次に、実施形態の研磨パッド１０を用いたウェーハ３０の研磨方法について説明する。ウェーハ３０を研磨パッド１０で研磨すると、摩擦熱によって研磨パッド１０の研磨面１１１の温度が上昇する。そのため、実施形態の研磨装置２０は、研磨工程以前、つまり研磨工程中又は研磨工程の前に、ドレッシング工程を行う。ドレッシング工程は、ウェーハ３０と接するメインパッド１１の表面を研削して研磨面１１１を形成するとともに、メインパッド１１に含まれる冷却剤１０１を研磨面１１１に露出させる工程である。研磨工程は、研磨対象物であるウェーハ３０を、研磨パッド１０の研磨面１１１で研磨する工程である。
ドレッシング工程により研磨パッド１０の研磨面１１１に露出された冷却剤１０１は、研磨工程において、スラリー供給部２４から供給されるスラリー３１に含まれる水と反応して周囲の熱を奪う。これにより、冷却剤１０１は冷却効果を発揮し、研磨パッド１０の研磨面１１１が冷却される。
ドレッシング工程における研磨パッド１０の研削量Ｌは、例えば次のように求められる。例えば、メインパッド１１の半径ＲをＲ＝３７［ｃｍ］とすると、メインパッド１１の表面積Ｓは、Ｓ＝πＲ２＝４．３×１０３［ｃｍ２］となる。ここで、スラリー３１に含まれる水は、研磨面１１１からメインパッド１１内に浸透する。そのため、研磨面１１１の周辺にはメインパッド１１を構成するウレタンとスラリー３１に含まれる水とが混在しており、このうち５０％が水であると仮定する。また、図５に示すように、メインパッド１１の研磨面１１１の算術平均粗さＲａをＲａ＝２０［μｍ］と仮定する。この場合、研磨面１１１に存在する水の体積Ｗは、Ｗ＝Ｓ×Ｒａ×０．５＝４．３［ｃｍ３］となる。すなわち、研磨面１１１の周囲には、約４．３ｇの水が存在することになる。
ここで、図２を見ると、１５ｇの水を１０℃冷却するためには硝酸アンモニウムが５ｇ必要であることから、４．３ｇの水を１０℃冷却するために必要な硝酸アンモニウムの量Ｍ１は、Ｍ１＝（４．３／１５）×５＝１．４３［ｇ］であることがわかる。そして、図３に示すように、硝酸アンモニウムと尿素との混合物は、硝酸アンモニウムのみに比べて約１．５倍冷却効率が高い。そのため、４．３ｇの水を１０℃冷却するために必要な硝酸アンモニウムと尿素の混合物の量Ｍ２は、Ｍ２＝１．４３÷１．５＝０．９５［ｇ］となる。したがって、メインパッド１１の研磨面１１１の周囲に存在する約４．３［ｇ］の水を１０℃冷却するためには、冷却剤１０１として硝酸アンモニウムと尿素の混合物が１［ｇ］あれば十分であることがわかる。
この場合、メインパッド１１に用いられるウレンタン及び冷却剤１０１の比重をともに１［ｇ／ｃｍ２］とすると、メインパッド１１の研磨面１１１に、１［ｇ］の冷却剤１０１を露出させるために、ドレッシング工程で研削するメインパッド１１の研削量Ｌは、Ｌ＝１／（Ｓ×０．５）＝４．７［μｍ］となる。以上より、ドレッシング工程における研磨パッド１０の研削量Ｌが求められる。
次に、研磨パッド１０を用いた半導体装置の製造方法について説明する。
化学的機械的研磨では、研磨中に研磨パッドの温度が上昇するため、研磨レートの低下や研磨パッドの研磨層が軟化することによるエロ−ジョンの増加など、さまざまな問題がある。そのため、研磨パッドの温度制御は非常に重要である。そこで、本実施形態における半導体装置の製造プロセスでは、研磨対象物を研磨パッド１０の研磨面１１１で研磨する研磨工程以前、つまり研磨工程中又は研磨工程の後に、ドレッシング工程を行う。これにより、メインパッド１１中の冷却剤１０１を露出させその冷却剤１０１で研磨面１１１を冷却し、研磨パッド１０の温度上昇を抑制する。
化学的機械的研磨では、研磨中に研磨パッドの温度が上昇するため、研磨レートの低下や研磨パッドの研磨層が軟化することによるエロ−ジョンの増加など、さまざまな問題がある。そのため、研磨パッドの温度制御は非常に重要である。そこで、本実施形態における半導体装置の製造プロセスでは、研磨対象物を研磨パッド１０の研磨面１１１で研磨する研磨工程以前、つまり研磨工程中又は研磨工程の後に、ドレッシング工程を行う。これにより、メインパッド１１中の冷却剤１０１を露出させその冷却剤１０１で研磨面１１１を冷却し、研磨パッド１０の温度上昇を抑制する。
具体的には、まず、図７（ａ）に示すように、シリコン基板４１上に、ストッパー膜となるシリコン窒化膜４２を例えば約７０ｎｍの膜厚で形成する。次に、詳細は図示しないが、シリコン酸化膜等のエッチングマスク用いてシリコン窒化膜４２及びシリコン基板４１をエッチングし、これによりＳＴＩパターンとして例えば深さ約４５０ｎｍの溝４１１、４１２を形成する。なお、シリコン基板４１とシリコン窒化膜４２の間に、例えばシリコン酸化膜を設けても良い。
次に、図７（ｂ）に示すように、ＳＴＩパターンを構成する溝４１１、４１２を埋め込むようにして、シリコン酸化膜４３を、例えば高密度プラズマＣＶＤ法（ＨＤＰ−ＣＶＤ）などにより、例えば約６００ｎｍの厚さで形成する。このとき、図７（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜４３の表面は溝４１１、４１２に沿った凹凸面となる。
次に、図７（ｃ）に示すように、研磨対象物であるシリコン酸化膜４３を、研磨パッド１０及び研磨装置２０を用いて化学的機械的研磨を行う。その際、研磨中に研磨パッド１０の温度が上昇する。そこで、本実施形態では、研磨中に研磨パッド１０のドレッシングも行ういわゆるＩＮ−Ｓｉｔｕドレッシングを行う。これにより、研磨中に研磨パッド１０のメインパッド１１から冷却剤１０１が露出する。そして、冷却剤１０１がスラリー中の水と反応して吸熱作用を発揮し、研磨面１１１が冷却される。このように化学的機械的研磨を行って、シリコン窒化膜４２を露出させることで、図７（ｃ）に示すよう溝４１１、４１２にシリコン酸化膜４３１、４３２に埋め込まれた半導体装置４０が得られる。
以上説明した実施形態において、化学的機械的研磨に用いられる研磨パッド１０は、研磨面１１１を有する研磨層たるメインパッド１１を有している。研磨面１１１は、研磨対象物であるウェーハ３０と接することが可能な面である。研磨層たるメインパッド１１は、内部に冷却剤１０１を含んでいる。メインパッド１１に含まれる冷却剤１０１は、スラリー３１の水分と反応して吸熱作用を発揮し、これによりメインパッド１１の研磨面１１１を急速に冷却する。
これによれば、研磨工程中に研磨面１１１の冷却が可能な研磨パッド１０を提供することができる。すなわち、研磨パッド１０の研磨面１１１を冷却するために、空気を吹き出すためのノズルを研磨装置２０に設けるなど、大がかりな研磨装置２０の変更を要することなく、研磨工程中に研磨面１１１を冷却することができる。この場合、研磨装置２０の研磨パッドを、従来の冷却効果を発揮しない研磨パッドから、実施形態による研磨パッド１０に取り替えるだけで、研磨工程中に研磨面１１１を冷却することができる。したがって、研磨工程の際に研磨面１１１を冷却することが容易となる。
本実施形態の冷却剤１０１は、水溶性である。これによれば、冷却剤１０１は、ウェーハ３０の研磨工程で通常用いられるスラリー３１に含まれる水分に溶解する。そのため、冷却剤１０１は、冷却効果を発揮し終えた後、スラリー３１の水分とともに研磨パッド１０上から排出される。したがって、冷却剤１０１を排出するための機構を別途設ける必要がない。
本実施形態の冷却剤１０１は、水と反応して吸熱作用を発揮するものである。これによれば、冷却剤１０１は、ウェーハ３０の研磨工程で通常用いられるスラリー３１に含まれる水分を利用して、吸熱作用すなわち冷却効果を発揮することができる。したがって、本実施形態の研磨パッド１０を用いることで、研磨工程の際に研磨面１１１を容易に冷却することができる。
本実施形態の冷却剤１０１は、定型性を有した例えば粒状の冷却剤である。これによれば、メインパッド１１の製造工程において、冷却剤１０１の取り扱いが容易となる。
また、本実施形態において、研磨装置２０は、研磨対象物たるウェーハ３０を研磨面１１１で研磨する研磨工程を実行する以前に、メインパッド１１の研磨面１１１をドレスするドレッシング工程を実行する。これにより、研磨工程以前のドレッシング工程によって、メインパッド１１に含まれる冷却剤１０１が研磨面１１１から露出する。したがって、研磨工程の際に、冷却剤１０１がスラリー３１の水分と接触し易くなり、より効果的に冷却剤１０１による冷却効果を発揮させることができる。したがって、研磨レートの低下や研磨パッド１０の研磨層たるメインパッド１１が軟化することによるエロ−ジョンの増加等を抑制することができる。
そして、本実施形態による半導体装置の製造方法によれば、研磨パッド１０の研磨面１１１について適切な温度制御ができるため、研磨レートの低下等を抑制し、半導体装置の表面を均一な面とすることができる。
本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、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は研磨パッド、１０１は冷却剤、１１はメインパッド（研磨層）、１１１は研磨面、３０はウェーハ（研磨対象物）、３１はスラリー、４０は半導体装置、４３はシリコン酸化膜（研磨対象物）を示す。
Claims (7)
- 化学的機械的研磨に用いられる研磨パッドであって、
研磨対象物と接する研磨面を有する研磨層に冷却剤を含んでいる研磨パッド。 - 前記冷却剤は、水溶性である請求項１に記載の研磨パッド。
- 前記冷却剤は、水と反応して吸熱作用を発揮する請求項１又は２に記載の研磨パッド。
- 前記冷却剤は、定型性を有している請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨パッド。
- 前記冷却剤は、粒状である請求項１から４のいずれか一項に記載の研磨パッド。
- 化学的機械的研磨に用いられる研磨パッドであって、研磨対象物と接する研磨面を有する研磨層に冷却剤を含む研磨パッドを備え、
前記研磨対象物を前記研磨面で研磨する研磨工程と、
前記研磨工程以前に前記研磨層の研磨面をドレスして前記冷却剤を露出させその冷却剤で前記研磨面を冷却するドレッシング工程と、
を含む研磨方法。 - 化学的機械的研磨に用いられる研磨パッドであって、研磨対象物と接する研磨面を有する研磨層に冷却剤を含む研磨パッドを備え、
前記研磨対象物を前記研磨面で研磨する研磨工程と、
前記研磨工程以前に前記研磨層の研磨面をドレスして前記冷却剤を露出させその冷却剤で前記研磨面を冷却するドレッシング工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
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