JP4620501B2

JP4620501B2 - 研磨パッド

Info

Publication number: JP4620501B2
Application number: JP2005060911A
Authority: JP
Inventors: 佑典田中
Original assignee: Nitta Haas Inc
Current assignee: Nitta DuPont Inc
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2025-03-04
Also published as: JP2006239833A

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 Planarization；ＣＭＰ）により、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。

半導体製造の分野では、半導体素子の微細化および多層化による高集積化に伴い、半導体層、金属層の平坦化技術が重要な要素技術となっている。ウエハに集積回路を形成する際、電極配線などによる凹凸を平坦化せずに層を重ねると、段差が大きくなり、平坦性が極端に悪くなる。また段差が大きくなった場合、フォトリソグラフィにおいて凹部と凸部の両方に焦点を合わせることが困難になり微細化を実現することができなくなる。したがって、積層中の然るべき段階でウエハ表面の凹凸を除去するための平坦化処理を行う必要がある。平坦化処理には、エッチングにより凹凸部を除去するエッチバック法、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などにより平坦な膜を形成する成膜法、熱処理によって平坦化する流動化法、選択ＣＶＤなどにより凹部の埋め込みを行う選択成長法などがある。

以上の方法は、絶縁膜、金属膜など膜の種類によって適否があること、また平坦化できる領域がきわめて狭いという問題がある。このような問題を克服することができる平坦化処理技術としてＣＭＰによる平坦化がある。

ＣＭＰによる平坦化処理では、微細なシリカ粒子（砥粒）を懸濁した研磨用組成物を研磨パッド表面に供給しながら、圧接した研磨パッドと、被研磨物であるシリコンウエハとを相対移動させて表面を研磨することにより、広範囲にわたるウエハ表面を高精度に平坦化することができる。

ＣＭＰ処理工程では、適切な研磨処理を行うために、テストウエハを定期的に処理し、その処理結果を確認した後、製品用ウエハの処理を行っていたが、テストウエハを使用するためにコストと処理時間が必要になるという問題がある。したがって、この問題を解決するために、被研磨層の膜厚などから研磨進行度をリアルタイムで計測し、この結果をフィードバックすることで加工終了時間を決定する方法が主に採用されている。これにより加工終点の検出精度を高め、効率的に研磨を行っている。

終点の検出方法としては、トルク計測方法、光学的測定方法、静電容量計測方法、振動解析方法、温度計測方法、差動トランス方法、超音波厚み計測方法、電気抵抗計測方法、スラリ分析方法などが実用されている。

これらの方法のうち、光学的測定方法は、被研磨層の膜厚を分光反射率測定により研磨処理中に直接的に計測する方法である。たとえば、研磨処理中のウエハに対してレーザ光を照射し、その反射率によって膜厚を計測している。

この測定方法では、研磨処理中にウエハに対してレーザ光の照射および反射光の受光を行うために、測定装置からウエハに到るレーザ光の光路を研磨パッド内に確保する必要がある。たとえば、研磨パッドの一部に貫通孔を設けて水など透明の液体で貫通孔を満たすことでレーザ光の光路を確保することが考えられるが、この場合、貫通孔からスラリが漏れ出してしまうために、貫通孔に透光性を有する窓部材を設ける構成が用いられている（特許文献１参照）。

しかしながら、窓部材の材質および特性が研磨パッドの他の部分と異なるために種々の問題が発生している。

窓部材の硬度が他の部分の硬度に比べて高い場合は、研磨パッドの使用時間に伴って硬い窓部材が他の部分から突出することとなり、スクラッチが発生したり、段差にウエハが引っ掛かって脱落してしまうなどの問題がある。また、窓部材の硬度が低い場合は、窓部材自体が研磨されることにより窓部材の透光性が劣化し、照射光および反射光が拡散されたり、窓部材が陥没し、そこにスラリおよび研磨屑が滞留してスクラッチが発生してしまうという問題がある。

これらの問題に対して、特許文献２記載の研磨パッドは、窓部材の近傍に溝部を形成し、スラリなどを溝部に沿って逃がすことで、スラリが窓部材の表面に到ることを防止している。

特開２００１−１６２５２０号公報特開２００２−１６５２号公報

特許文献２記載の研磨パッドでは、スラリを十分に逃がすことができず、窓部材に起因する問題を解決するには到っていない。

本発明の目的は、研磨特性を劣化させることなく加工終点の検出が可能な研磨パッドを提供することである。

本発明は、被研磨物を研磨する研磨面側に開放された凹部が、前記研磨面にわたって分布するように設けられる研磨パッドにおいて、
前記研磨パッドは円板形状であり、
前記研磨パッドの厚み方向に貫通する貫通孔の周辺部分であって、前記凹部が設けられていない無加工部分を有し、
前記貫通孔は、前記研磨面方向の断面形状が曲線部分のみからなる閉曲線であり、長手方向が研磨パッドの半径方向と垂直となるように設けられ、
前記無加工部は、前記研磨パッドの回転方向の領域が小さく、前記研磨パッドの半径方向の領域が大きくなるように設けられることを特徴とする研磨パッドである。

また本発明は、被研磨物を研磨する研磨面側に開放された凹部が、前記研磨面にわたって分布するように設けられる研磨パッドにおいて、
前記研磨パッドは円板形状であり、
前記研磨パッドの厚み方向に貫通する貫通孔の周辺部分であって、前記凹部が設けられていない無加工部分を有し、
前記貫通孔は、前記研磨面方向の断面形状が曲線部分と直線部分とを含み、前記直線部分が前記曲線部分の接線と平行な閉曲線であり、長手方向が研磨パッドの半径方向と垂直となるように設けられ、
前記無加工部は、前記研磨パッドの回転方向の領域が小さく、前記研磨パッドの半径方向の領域が大きくなるように設けられることを特徴とする研磨パッドである。

また本発明は、前記貫通孔は、前記研磨面方向の断面形状が楕円形状であり、長軸方向が研磨パッドの半径方向と垂直となるように設けられることを特徴とする。

また本発明は、前記貫通孔の長手方向長さは６ｍｍ〜８ｍｍであり、短手方向長さは３ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とする。

また本発明は、前記無加工部分の前記研磨面方向の形状が円形状であることを特徴とする。

また本発明は、前記無加工部分の直径が、１５ｍｍ〜６０ｍｍであることを特徴とする。

また本発明は、前記凹部は、砥粒を含むスラリを保持するための１または複数の溝であることを特徴とする。

また本発明は、前記凹部は、砥粒を含むスラリを保持するための複数の孔であることを特徴とする。

本発明によれば、被研磨物を研磨する研磨面側に開放された凹部が、前記研磨面にわたって分布するように設けられる研磨パッドである。

研磨パッドは、厚み方向に貫通する貫通孔を有しており、その周辺部分であって、前記凹部が設けられていない無加工部分を有する。

ここで、貫通孔は研磨加工の終点検出用に設けられたもので、レーザ光の光路となる。貫通孔と凹部が設けられていない無加工部とを組み合わせることで、窓部材を使用しなくても、スラリが貫通孔に進入せず、加工終点の検出が可能であり、研磨レートなどの研磨特性を劣化させることもない。

また、前記貫通孔の断面形状が曲線部分のみからなる閉曲線、たとえば楕円形状である。また、研磨パッドは円板形状を有しており、閉曲線の長手方向が研磨パッドの半径方向と垂直となるように設けられる。

また、前記貫通孔の断面形状が曲線部分と直線部分とを含み、前記直線部分が前記曲線部分の接線と平行な閉曲線である。また、研磨パッドは円板形状を有しており、閉曲線の長手方向が研磨パッドの半径方向と垂直となるように設けられる。

貫通孔の断面形状を、上記のようにすることで角部分がなくスラリの漏れが生じず、被研磨物との接触がスムーズとなる。また、長手方向を研磨パッドの半径方向と垂直とすることで、被研磨物の回転方向と短手方向とが略平行となり、貫通孔へのスラリの進入を抑制することができるとともに、レーザ光の光路を十分に確保し、検出時間を長くとれるため、検出精度を向上させることができる。さらに、スラリが貫通孔に進入したとしても、貫通孔を満たす水の表面張力により、スラリ中の砥粒などは長軸方向端部に集中するので除去が容易である。

また本発明によれば、前記貫通孔の長手方向長さは６ｍｍ〜８ｍｍであり、短手方向長さは３ｍｍ〜５ｍｍである。

長手方向長さおよび短手方向長さが上記範囲より大きくなり、貫通孔のサイズが大きくなると、研磨レートが低下し、スラリの進入によって加工検出精度も低下する。また、上記範囲より小さくなり、貫通孔のサイズが小さくなると、レーザ光の光路が確保できず、加工検出精度が低下する。

また本発明によれば、前記無加工部分の前記研磨面方向の形状は円形状である。
これにより、無加工部分の面積を小さくし、研磨レートの低下を防ぐことができる。また、研磨パッドの回転方向の領域を大きく、半径方向の領域を小さくして研磨効率を向上させることができる。

また本発明によれば、前記無加工部分の直径は、１５ｍｍ〜６０ｍｍである。
直径が上記範囲より大きくなると研磨レートが低下し、小さくなるとスラリが貫通孔に進入しやすくなり加工検出精度が低下する。

また本発明によれば、前記凹部としては、砥粒を含むスラリを保持するための１または複数の溝、複数の孔であってもよいし、これらが混在して分布していてもよい。

図１は、本発明の実施の一形態である研磨パッド１の平面図である。図１（ａ）のパッド全体図に示すように、研磨パッド１の被研磨物と接触する研磨層の表面部分には、スラリの保持、研磨屑の除去などを目的として、被研磨物を研磨する研磨面側に開放された凹部である溝２を設けている。

研磨パッド１は、ＣＭＰ装置で使用され、回転する定盤上に載置される。研磨時には、ＣＭＰ装置のキャリア部に保持されたシリコンウエハなどの被研磨物と圧接され、研磨パッド１およびシリコンウエハの相対移動によって、シリコンウエハ表面を研磨する。

研磨パッド１は、円板形状であり、被研磨物と接触して研磨を行う研磨層と、定盤に固定されるクッション層とからなる２層構造を有しているもの、研磨層のみからなる１層構造を有しているものいずれであってもよい。

研磨層には、熱可塑性樹脂、熱硬化樹脂が用いられ、これらの樹脂を硬化剤などの添加物とともに金型に注入し、所定の温度により硬化させることで得られる。樹脂としては、ポリウレタンなどの発泡性樹脂が用いられる。クッション層には、不織布などが用いられる。

研磨パッド１のシリコンウエハと接触する領域には、加工終点検出のために、パッド厚み方向に貫通する貫通孔３が設けられる。加工終点検出用レーザ光の光源および反射光の受光部は、定盤の所定位置に設置され、貫通孔３の位置はレーザ光の光路となるようにこの位置に対応している。

本実施形態において、溝２は研磨パッド１の中心と同じ中心を持つ同心円状に形成されている。溝２の大きさは、被研磨物の種類、研磨の目的などによって適宜選択されるが、たとえば溝幅は２００μｍ〜５００μｍ程度、溝深さは３００μｍ〜１ｍｍ程度に形成され、溝の中心間の距離である溝ピッチは、１ｍｍ〜２ｍｍ程度に形成される。

貫通孔３の研磨面方向の断面形状は、曲線部分のみからなる閉曲線、たとえば楕円形状とする。図１（ｂ）の破線で囲まれた貫通孔３の周辺領域Ａの拡大図に示すように、貫通孔３の断面形状を楕円形状とし、長手方向が研磨パッド１の半径方向と垂直となるように貫通孔３を形成することが望ましい。

貫通孔３の断面形状としては、曲線部分と直線部分とを含み、前記直線部分が前記曲線部分の接線と平行な閉曲線、たとえば、図２に示すように、曲線部分である２つの半円部分５と直線部分６とを含み、直線部分６がその連結部における半円部分５の接線と平行となるように連結した形状などであってもよい。

貫通孔３の断面形状を上記のようにすることで、角部分がなくスラリの漏れが生じず、被研磨物との接触がスムーズとなる。貫通孔３の長手方向を研磨パッドの半径方向と垂直とすることで、シリコンウエハの回転方向と短手方向とが略平行となり、貫通孔３へのスラリの進入を抑制することができるとともに、レーザ光の光路を十分に確保し、検出時間を長くとれるため、検出精度を向上させることができる。また、スラリが貫通孔３に進入しても、貫通孔３を満たす水の表面張力により、スラリ中の微粒子などは長軸方向端部に集中するので除去が容易である。

貫通孔３のサイズとして、長手方向長さである長径ａは６ｍｍ〜８ｍｍが望ましく、短手方向長さである短径ｂは３ｍｍ〜５ｍｍが望ましい。さらに望ましくは、長径ａが６ｍｍ〜７ｍｍであり、短径ｂが３ｍｍ〜４ｍｍである。望ましい径の組み合わせは、長径ａが６ｍｍ、短径ｂが３ｍｍの組み合わせである。長径ａおよび短径ｂが大きくなり、貫通孔３のサイズが大きくなると、研磨レートが低下し、スラリの進入によって加工検出精度も低下する。長径ａおよび短径ｂが小さくなり、貫通孔３のサイズが小さくなると、レーザ光の光路が確保できず、加工検出精度が低下する。

本発明では、図１（ｂ）に示すように、貫通孔３の周辺部分に溝加工を施さない無加工部分４を設けている。無加工部分４は、本来溝が形成されるべきところではあるが、溝を形成していない無加工の部分である。

この無加工部分４のパッド平面方向の形状は、貫通孔３の長手方向、短手方向端部と無加工部分４の外周部との距離（以下では「無加工長さ」と呼ぶ）の最大値と最大値との比が１とならない、すなわち貫通孔３の平面方向の断面形状と非相似の形状であり、たとえば貫通孔３の楕円中心を中心とする円形状に設けられる。無加工部分４を円形状とすることで、無加工部分の面積を小さくし、研磨レートの低下を防いでいる。貫通孔３と非相似形状とすることで、研磨パッドの回転方向の領域を小さく、半径方向の領域を大きくして研磨効率を向上させている。

無加工部分４のサイズとして、直径ｄは１５ｍｍ〜６０ｍｍが望ましい。さらに望ましくは、２５ｍｍ〜４０ｍｍであり、２５ｍｍが最も望ましい。直径ｄが大きくなると研磨レートが低下し、小さくなるとスラリが貫通孔３に進入しやすくなり加工検出精度が低下する。

無加工長さの最大値（パッド半径方向における無加工長さ）Ｘは、５ｍｍ〜２８．５ｍｍが望ましく、無加工長さの最小値（パッド回転方向における無加工長さ）Ｙは、３．５ｍｍ〜２８ｍｍが望ましい。さらに望ましくは、最大値Ｘが１０．５ｍｍ〜１８．５ｍｍであり、最小値Ｙが９ｍｍ〜１７ｍｍである。最も望ましいのは、貫通孔３の長径ａが６ｍｍ、短径ｂが３ｍｍであり、無加工部分４の直径ｄが２５ｍｍの場合であるから、最大値Ｘが１１ｍｍ、最小値Ｙが９．５ｍｍである。

上記のような、無加工部４を有する研磨パッド１は、たとえば以下のように製造することができる。

曲線溝加工機の定盤表面に、溝加工を施す研磨パッドを吸引固定し、定盤を回転させながらパッド表面に切削刃を押し付けることで溝２が形成される。

研磨パッドの無加工部４に対応する部分においては、定盤表面に凹部を形成し、凹部の底部にも吸引口を設ける。この定盤にパッドを吸引固定すると、無加工部４に対応する部分が凹んだ状態で固定されるため、切削刃の先端が接触せず、溝２が形成されない無加工部分となる。

無加工部分の大きさ（直径ｄ）は、凹部の大きさ、形状などを変更することで所望の大きさを得ることができる。

なお、貫通孔３の形成は、溝加工前または溝加工後のいずれにおいて行ってもよく、形成方法も、成型時に形成する方法、成型後に切り抜いて形成する方法など既存の方法を用いることができる。

上記では、同心円上に形成した溝２を設けた研磨パッドについて説明したが、溝２の形状はこれに限らず、螺旋状や、図３に示すような格子状に設けてもよい。溝２を螺旋状に設ける場合の溝加工は、同心円状の加工とほぼ同じで、無加工部４に対応する部分を凹んだ状態にし、研磨パッドを回転させるとともに、切削刃を研磨パッドの半径方向に移動させればよい。また、格子状に設ける場合は、同心円状と同様に、無加工部４に対応する部分を凹んだ状態にし、定盤または切削刃を直線方向に移動させたのち、先の方向と直交する方向に移動させればよい。

さらに、上記では溝を設けた研磨パッドについて説明したが、溝に限らず複数の孔を設けた研磨パッドであってもよい。この孔は、直径が０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度と貫通孔３の直径より小さく、孔の中心間の距離が２ｍｍ〜１０ｍｍ程度に形成される。孔加工は、金型を用いる方法、ドリルやレーザなどを用いる方法など既存の加工法を用いることができる。また、溝と孔とが混在して分布していてもよい。

以下では、貫通孔３の大きさ（長径、短径）および無加工部４の大きさ（直径）について検討した検討例について説明する。

・貫通孔の大きさ
まず、貫通孔の大きさを変化させたときの研磨レートおよび加工終点検出精度に対する影響について検討した。

用いた研磨パッドは、発泡ポリウレタン樹脂からなり、直径が７４３ｍｍである。形成した溝は、溝幅２００μｍ、溝深さ３７５μｍ、溝ピッチ１．５ｍｍとした。

貫通孔の大きさが、長径６ｍｍ、短径３ｍｍのもの（検討例１）、長径７ｍｍ、短径４ｍｍのもの（検討例２）、長径８ｍｍ、短径５ｍｍのもの（検討例３）を用いた。無加工部４の大きさは、直径ｄ２５ｍｍで各検討例で同じである。
検討結果を表１に示す。

表中の記号について、◎は実用性が高い（研磨レート、検出精度に影響なし）、○は実用性が低い（研磨レート、検出精度にやや影響あり）ことを示している。

以上の検討により、貫通孔３の長径ａは６ｍｍ〜８ｍｍが望ましく、短径ｂは３ｍｍ〜５ｍｍが望ましい。さらに望ましくは、長径ａが６ｍｍ〜７ｍｍであり、短径ｂが３ｍｍ〜４ｍｍである。最も望ましい径の組み合わせは、長径ａが６ｍｍ、短径ｂが３ｍｍの組み合わせであることがわかった。

・無加工部分の大きさ
次に、無加工部分の大きさを変化させたときの研磨レートおよび加工終点検出精度に対する影響について検討した。

用いた研磨パッドは、発泡ポリウレタン樹脂からなり、直径が７４３ｍｍである。形成した溝は、溝幅２１０μｍ、溝深さ３５０μｍ、溝ピッチ１．５ｍｍとした。

無加工部分の大きさが、直径１５ｍｍのもの（検討例４）、直径２５ｍｍのもの（検討例５）、直径４０ｍｍのもの（検討例６）、直径６０ｍｍのもの（検討例７）、直径７０ｍｍのもの（検討例８）、貫通孔３の大きさは、長径ａは６ｍｍ、短径ｂは３ｍｍで各検討例で同じである。
検討結果を表２に示す。

表中の記号について、◎は実用性が高い（研磨レート、検出精度に影響なし）、○は実用性が低い（研磨レート、検出精度にやや影響あり）、△は実用困難（研磨レート、検出精度が低下）であることを示している。

以上の検討により、無加工部分４の直径ｄは１５ｍｍ〜６０ｍｍが望ましい。さらに望ましくは、２５ｍｍ〜４０ｍｍであり、２５ｍｍが最も望ましいことがわかった。

検討結果に従って、次のような実施例を作製した。
直径７４３ｍｍで、発泡ポリウレタン樹脂からなり、長径６ｍｍ、短径３ｍｍの貫通孔、直径２５ｍｍの無加工部分を設けた。また、溝については、溝幅２３０μｍ、溝深さ３７５μｍ、溝ピッチ１．５ｍｍのものと、溝幅４５０μｍ、溝深さ７５５μｍ、溝ピッチ１．７８ｍｍのものを作製した。

これらの実施例を用いて、研磨試験を行ったところ、研磨レートおよび加工終点検出精度の低下は見られなかった。

本発明の実施の一形態である研磨パッド１の平面図である。貫通孔３の断面形状の他の例を示す図である。他の実施形態の貫通孔周辺の拡大図である。

符号の説明

１研磨パッド
２溝
３貫通孔
４無加工部分

Claims

被研磨物を研磨する研磨面側に開放された凹部が、前記研磨面にわたって分布するように設けられる研磨パッドにおいて、
前記研磨パッドは円板形状であり、
前記研磨パッドの厚み方向に貫通する貫通孔の周辺部分であって、前記凹部が設けられていない無加工部分を有し、
前記貫通孔は、前記研磨面方向の断面形状が曲線部分のみからなる閉曲線であり、長手方向が研磨パッドの半径方向と垂直となるように設けられ、
前記無加工部は、前記研磨パッドの回転方向の領域が小さく、前記研磨パッドの半径方向の領域が大きくなるように設けられることを特徴とする研磨パッド。
被研磨物を研磨する研磨面側に開放された凹部が、前記研磨面にわたって分布するように設けられる研磨パッドにおいて、
前記研磨パッドは円板形状であり、
前記研磨パッドの厚み方向に貫通する貫通孔の周辺部分であって、前記凹部が設けられていない無加工部分を有し、
前記貫通孔は、前記研磨面方向の断面形状が曲線部分と直線部分とを含み、前記直線部分が前記曲線部分の接線と平行な閉曲線であり、長手方向が研磨パッドの半径方向と垂直となるように設けられ、
前記無加工部は、前記研磨パッドの回転方向の領域が小さく、前記研磨パッドの半径方向の領域が大きくなるように設けられることを特徴とする研磨パッド。
前記貫通孔は、前記研磨面方向の断面形状が楕円形状であり、長軸方向が研磨パッドの半径方向と垂直となるように設けられることを特徴とする請求項１記載の研磨パッド。
前記貫通孔の長手方向長さは６ｍｍ〜８ｍｍであり、短手方向長さは３ｍｍ〜５ｍｍであ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。
前記無加工部分の前記研磨面方向の形状が円形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の研磨パッド。
前記無加工部分の直径は、１５ｍｍ〜６０ｍｍであることを特徴とする請求項５記載の研磨パッド。
前記凹部は、砥粒を含むスラリを保持するための１または複数の溝であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の研磨パッド。
前記凹部は、砥粒を含むスラリを保持するための複数の孔であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の研磨パッド。