JPH11156701A

JPH11156701A - 研磨パッド

Info

Publication number: JPH11156701A
Application number: JP32854397A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Torii; 康司鳥井
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 1999-06-15
Anticipated expiration: 2017-11-28
Also published as: JP3152188B2

Abstract

(57)【要約】【課題】研磨の過程もしくは待機時に水分を吸湿して
も機械特性の経時変化が少なく、研磨パッド交換頻度を
少なくすることで半導体装置等の生産性向上を図ること
ができる研磨パッドを提供する。【解決手段】発泡ポリウレタン等の硬質材料層１と、
ポリウレタン含浸不織布等の軟質材料層３とを有する積
層構造の研磨パッドであって、硬質材料層１の一部に、
硬質材料全域に水分が浸透することを防ぐ為のポリエチ
レンシート等の防水性材料層２を有することを特徴とす
る研磨パッド。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は研磨パッドに関し、
特に半導体装置の層間絶縁膜の平坦化や金属配線の形成
に用いる研磨パッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に半導体装置の製造過程において
は、例えばＭＯＳトランジスタ等の能動素子やＡｌ配線
等のパターニングによって半導体基板表面に凹凸が生じ
る。すなわち、素子領域の表面の凹凸とＡｌ配線の形状
に沿う凹凸とが、半導体基板における層間絶縁膜の表面
に凹凸となって現れる。このような半導体基板表面の凹
凸は、半導体基板における上層配線の形成工程、特にリ
ソグラフィ工程における加工寸法の精度に影響を及ぼ
す。

【０００３】ところで、近年、半導体基板における配線
ピックの縮小化や多層配線化が進展しているが、これに
伴い、半導体基板を平坦化することが不可欠となってき
ている。例えば、従来のようなスピンオングラス等の流
動性塗布膜を用いて層間絶縁膜表面の凹部を埋めて平坦
化する方法では、半導体装置製造工程における平坦性の
要求値を満足することができなくなってきている。そこ
で、最近では、層間絶縁膜等を化学機械的に研磨して平
坦化する、いわゆる化学機械研磨法〔以下、ＣＰＭ(Che
mical-Mechanical Polishing) 法と略す〕が主流となっ
てきている。

【０００４】図７は、従来例における研磨装置による半
導体ウェハの研磨方法を説明するための要部側面図であ
る。回転体であるプラテン４の上面には、円盤状の研磨
パッドが貼られている。研磨パッドは一般的に二層構造
であり、上層には硬質材料層１、下層には軟質材料層３
が設けられている。キャリア５に保持された半導体ウェ
ハ７の研磨時には、上述の研磨パッド上に所定の圧力で
半導体ウェハ７を押さえ付け、研磨材９を供給しながら
プラテン４とスピンドル６とを同一方向へ回転させるこ
とにより、半導体ウェハ７表面の研磨を行う。研磨対象
としては、層間絶縁膜、素子分離膜、金属膜など多岐に
わたっている。

【０００５】ここで、半導体ウェハの平坦化を目的とす
る場合において、研磨パッドが軟質材料及び硬質材料か
らなる二層構造となっている理由について説明する。図
８は従来例における半導体ウェハの研磨方法において、
半導体ウェハが研磨パッドに接した状態の一例を示す縦
断面図である。同図において、半導体ウェハは、半導体
基板１２上に配線１０、絶縁膜１１が形成されてなり、
半導体ウェハの絶縁膜１１の凸部１１’が、硬質材料層
１及び軟質材料層３からなる研磨パッド上に所定の圧力
で押さえ付けられている状態を示している。

【０００６】半導体ウェハは、製造過程において種々の
絶縁膜や金属膜が成膜されるため、図８に示すように、
数十μｍの反りが発生する。また、半導体ウェハ自身も
反りやうねりを有している。絶縁膜や金属膜の凸部を選
択的に研磨するためには、研磨パッド表面の変形を抑制
することが必要であり、研磨パッドには高い硬度が要求
される。そして、半導体ウェハの全域にわたって一様な
研磨を行うためには、研磨パッドには半導体ウェハの反
りやうねりに倣う程度の柔軟性が要求される。このよう
な理由から、平坦性と均一性との両立を図るべく、研磨
パッドとしては硬質材料層の下層に軟質材料層を配設し
ているのである。

【０００７】半導体装置の研磨に関する従来技術として
は、例えば特開平７−２９７１９５号公報に記載の技術
がある。同公報記載の技術は、定盤上に軟質なポリウレ
タン不織布と硬質な発泡ポリウレタンからなる二層研磨
布を貼り付け、研磨布の表面を毛羽立ち及び表面全体の
形状を創成するために、下面にダイヤモンドを固着した
工具に関するものである。

【０００８】研磨パッドにおいて、上層を構成する硬質
材料としては、一般に、発泡ポリウレタン（米国ロデー
ル社製、商品名ＩＣ１０００、硬度９５、ＪＩＳ−Ｋ６
３０１に準拠）が使用される。硬質材料からなる上層の
厚さは、０．８ｍｍから２ｍｍの範囲内が一般的であ
る。下層を構成する軟質材料としては、一般に、ポリウ
レタン含浸不織布（ロデール・ニッタ社製、商品名ＳＵ
ＢＡ４００、硬度５５〜６６、ＪＩＳ−Ｋ６３０１に準
拠、もしくは、米国ロデール社製、商品名ＳＵＢＡIV、
硬度５４〜６８、ＪＩＳ−Ｋ６３０１に準拠）が使用さ
れる。

【０００９】以上の研磨パッド以外にも、例えば、上記
ＩＣ１０００より硬質な無発泡ポリウレタン（米国ロデ
ール社製、商品名ＩＣ２０００）と、上記ＳＵＢＡIV相
当の弾性のウレタンフォームが積層になったものや、上
層に上記ＩＣ１０００を用い下層に上記ＳＵＢＡ４００
より硬質なポリウレタン含浸不織布（例えばロデール・
ニッタ社製、商品名ＳＵＢＡ６００，ＳＵＢＡ８００
等）を設置したものが用いられる場合もある。

【００１０】以上のように、これらの研磨パッドの材料
としては、一般に、ポリウレタンが用いられている。ポ
リウレタンには吸湿による機械的特性が経時変化してい
くという欠点があるが、半導体ウェハ表面に研磨傷を発
生させない程度の適当な硬度と弾性が得られるからであ
る。例えば、ポリカーボネートのような硬質材料で研磨
を行うと、半導体ウェハの表面に研磨傷が発生してしま
う。また、テフロンからなる研磨パッドも市販されてい
るが、研磨レートが著しく低く、半導体装置の製造過程
には適用できない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来の研磨パッドは、
研磨枚数の増加と共に平坦性が劣化したり、半導体ウェ
ハ中央付近の研磨速度が低下するため頻繁に研磨パッド
を交換する必要があり、生産性を下げる要因となってい
た。

【００１２】このような問題は、研磨パッドの上層の硬
質材料がポリウレタンから成っているために吸湿し、加
水分解により硬度や曲げ剛性が低下することに起因す
る。

【００１３】本発明の目的は、研磨の過程もしくは待機
時に水分を吸湿しても機械特性の経時変化が少なく、研
磨パッド交換頻度を少なくすることで半導体装置等の生
産性向上できる研磨パッドを提供すること目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、硬質材料から
なる上層と、軟質材料からなる下層とを有する積層構造
の研磨パッドにおいて、該硬質材料からなる上層の一部
に防水性材料層を有することを特徴とする研磨パッドで
ある。

【００１５】本発明の研磨パッドにおいて、例えば、硬
質材料からなる上層の中途に、水分の拡散を防止する防
水性材料層を挿入し、また例えば、研磨面である研磨パ
ッド表面に溝または穴等が加工されている場合には、溝
または穴の側面及び底面に水分の拡散を防止する防水性
材料層を設ける。

【００１６】この防水性材料層を用いることで、硬質材
料全域に水分が浸透することを防ぐことができ、その結
果、硬質材料の曲げ剛性の低下を従来より抑制すること
ができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について図面を参照して詳細に説明する。

【００１８】図１は本発明の第１の実施の形態を示す要
部断面図である。この実施の形態における研磨パッド
は、上層の硬質材料層１と下層の軟質材料層３を持ち、
硬質材料層１の中途に防水性材料層２が挿入されてい
る。

【００１９】次に、この実施の形態おける研磨パッドの
動作について、図２を参照して詳細に説明する。

【００２０】図２は、第１の実施の形態の研磨パッドの
動作を示す要部側面図である。基本的な研磨の動作は、
従来例と同様である。プラテン４上に貼られた研磨パッ
ド上に所定の圧力で半導体ウェハ７を押さえ付け、研磨
材９を供給しながらプラテン４とスピンドル６とを回転
させることで、半導体ウェハ７の表面の研磨を行う。研
磨処理枚数を重ねるか、または、研磨しないときでも一
般的に研磨パッドを乾燥させないように純水等を研磨パ
ッド表面に供給するため、従来構成では経時的に研磨パ
ッドが吸水し硬質材料の硬度が低下していく。しかしな
がら、本発明のこの実施の形態では、硬質材料層１の中
途に防水性材料層２を挿入しているため、硬質材料層１
の水分の拡散を防水性材料層２より下部側に及ぶことを
防ぎ、機械的特性の変動を抑えることができる。

【００２１】したがって、半導体ウェハ７から受ける所
定の圧力により研磨パッド表面が下方に変形する量を安
定させることができるので、半導体ウェハと研磨パッド
との間に働く力の面内分布を安定化でき、その結果、研
磨量の面内均一性や、平坦化能力を従来よりも劣化させ
ない効果が得られる。

【００２２】図３は、本発明の第２の実施の形態を示す
要部断面図である。この実施の形態における研磨パッド
は、第１の実施の形態とは異なり、防水性材料層が複数
の異なる材料により二層２ａ、２ｂで構成されている。
例えば、防水性材料の中で耐薬品性が優れる材料と耐薬
品性が劣るが機械的特性が優れる材料を組み合わせるこ
とで、第１の実施の形態よりさらに安定した特性を得る
ことが可能となる。また、図３は二層の例であるが、三
層以上でもよい。

【００２３】さらに図４に、第２の実施の形態の変形例
として、硬質材料表面に溝や穴等の加工がなされている
場合の最適な適用例を示す。図４ａ）は研磨パッドの要
部縦断面図を示す。図４ｂ）は図４ａ）のＡ部を拡大し
たものである。

【００２４】この変形例では、図４ｂ）に示すように、
最表面の硬質材料層１の表面には溝加工がなされてい
る。場合によっては穴加工の場合もあるが、これらの表
面加工は研磨材の供給を促進するために形成されてお
り、一定の間隔で同様な溝８または穴が並んでいる。す
なわち、この変形例における溝加工は、図４ａ）のＡ部
のみではなく研磨パッドのほぼ全面にわたっている。表
面加工がなされた研磨パッドにおいても、このような溝
８等の底面及び側面にも防水性材料層２’を設けること
により、吸湿による研磨パッドの硬度低下を抑制するこ
とができる。

【００２５】さらに変形例として、溝８内の防水性材料
２’の表面に親水性材料１３を設けた構成を図５に示
す。この変形例では、溝内のぬれ性を損なうことがな
く、研磨材の保持性が劣化しないという利点を有する。

【００２６】また、図１に示した第１の実施の形態で
は、防水性材料層２により分離された硬質材料１は同一
材料により構成したが、さらなる変形例として、上側と
下側の硬質材料を異なる材料とすることもできる。特
に、下層側の硬質材料は必ずしもポリウレタン化合物で
ある必要はなく、ポリウレタンと同等の機械的特性を示
す他の材料を用いてもよい。

【００２７】

【実施例】次に、本発明の実施例について、図１を参照
して説明する。

【００２８】本実施例では、上層の硬質材料層１を発泡
ポリウレタンで構成し、防水性材料層２をポリエチレン
シートで構成した。このポリエチレンシートの厚さは
０．１ｍｍとし、ポリエチレンシートの上側の部分の発
泡ポリウレタン層の厚さは０．６ｍｍ、ポリエチレンシ
ートの下側の部分の発泡ポリウレタン層の厚さも０．６
ｍｍとした。このポリエチレンシートの相対的位置は、
本実施例に限るものではない。ただし、防水性材料層に
より分割された上下の硬質材料層の厚さの相対比が、
１：２乃至２：１の範囲内（すなわち防水性材料層２
を、上層の表面から上層の厚さの１／３乃至２／３の範
囲内の位置に挿入）が好ましい。

【００２９】これらの硬質材料層１及び防水性材料層２
の下部には、軟質材料層３としてポリウレタンが含浸さ
れた不織布を設けた。

【００３０】防水性材料としては、本実施例のポリエチ
レンに限定されるものではない。その他に、ポリプロピ
レン、塩化ビニル、塩化ビニリデン、フッ素樹脂など、
良好な防水性を示す各種材料を本発明に好適に適用でき
る。また、防水性材料層の厚さは１００μｍ以下が好ま
しい。

【００３１】硬質材料としては、ポリウレタン化合物が
好ましい。軟質材料としては、本実施例のポリウレタン
含浸不織布の他に、ポリウレタンフォーム等を好適に用
いることができる。

【００３２】半導体ウェハ７の半導体素子が形成された
面を研磨パッド側に向けた状態で、キャリア５に半導体
ウェハ７を保持し、研磨パッド上に研磨材９を供給し
た。研磨剤９としては、例えばフュームドシリカを１２
％程度含み、ｐＨが１１程度に調整されたものを用い
た。研磨材９を供給しながら、半導体ウェハ７を研磨パ
ッド上に押さえ付けると同時に、スピンドル６とプラテ
ン４を回転させることにより研磨を行った。

【００３３】研磨の条件の一例を示すと、ウェハに加え
る加重は５００ｇ／ｃｍ²、プラテン回転数２５ｒｐ
ｍ、スピンドル回転数２５ｒｐｍである。

【００３４】図６は、前記研磨条件にて、半導体ウェハ
表面に形成されたシリコン酸化膜を研磨したときの研磨
量の面内均一性に関するデータを示すグラフである。こ
のグラフにおいて、横軸は研磨パッドが純水に浸漬され
た状態での累積時間を示すものである。研磨は純水に浸
漬後１時間に１回４分の研磨試験を行い、純水を吸水す
ることによる研磨パッドの劣化を調査した。したがっ
て、累積時間は研磨時間の累積値を示すものではない。

【００３５】従来の研磨パッドでは、実線で示すよう
に、面内均一性が純水累積時間の経過とともに劣化して
いき、２０時間後初期値の１．８倍程度まで劣化してい
った。一方、本発明の研磨パッドでは、鎖線で示すよう
に、２０時間後で１．５倍程度であり、従来の研磨パッ
ドの４時間程度の劣化に抑えることができ、研磨パッド
の吸水による経時変化を従来よりも改善する効果が得ら
れるようになった。これは研磨パッドの上層の硬質材料
層に防水性材料層を挿入したため、硬質材料の下部が劣
化しなくなるためである。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、研磨パッドの上層の一部に水分を浸透させない防水
性材料層を設けたので、水分の吸収による硬度の低下を
部分的にではあるが抑えることが可能になり、研磨パッ
ドの曲げ剛性の経時変化を従来の半分程度にでき、研磨
パッドの交換頻度を長くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の研磨パッドを示す
要部断面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の研磨パッドの動作
を示す要部側面図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態の研磨パッドを示す
要部断面図である。

【図４】本発明の変形例として、硬質材料層表面に溝や
穴等の加工がなされている場合の最適な適用例を示し、
ａ）は研磨パッドの要部縦断面図であり、ｂ）はａ）の
Ａ部の拡大図である。

【図５】本発明の他の変形例を示す拡大図である。

【図６】本発明の実施例の結果を示すグラフである。

【図７】従来の研磨パッドを装着した研磨装置の要部側
面図である。

【図８】従来の研磨パッドの動作を示す要部断面図であ
る。

【符号の説明】

１硬質材料層２，２’，２ａ，２ｂ防水性材料層３軟質材料層４プラテン５キャリア６スピンドル７半導体ウェハ８溝９研磨材１０配線１１絶縁膜１１’ 絶縁膜凸部１２半導体基板１３親水性材料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】硬質材料からなる上層と、軟質材料から
なる下層とを有する積層構造の研磨パッドにおいて、該
硬質材料からなる上層の一部に防水性材料層を有するこ
とを特徴とする研磨パッド。
【請求項２】異なる複数の防水性材料からなる二層以
上の防水性材料層を有する請求項１記載の研磨パッド。
【請求項３】研磨面に溝または穴を有し、該溝または
穴の側面及び底面に防水性材料層を有する請求項１また
は２記載の研磨パッド。
【請求項４】防水性材料層の表面を、親水性材料にて
被覆した請求項３記載の研磨パッド。
【請求項５】硬質材料からなる上層の中途に防水性材
料層を挿入した請求項１〜４の何れか一項記載の研磨パ
ッド。
【請求項６】防水性材料層を、上層の表面から、上層
の厚さの１／３乃至２／３の範囲内の位置に挿入した請
求項５記載の研磨パッド。
【請求項７】挿入した防水性材料層により分離された
上層の上側の硬質材料と、下側の硬質材料が異なる材料
である請求項６記載の研磨パッド。
【請求項８】防水性材料層が、ポリエチレン、ポリプ
ロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンおよび
フッ素樹脂からなる群より選択された一種以上の材料か
らなる請求項１〜７の何れか一項記載の研磨パッド。
【請求項９】防水性材料層の厚さが１００μｍ以下で
ある請求項１〜８の何れか一項記載の研磨パッド。
【請求項１０】硬質材料層がポリウレタン化合物から
なる請求項１〜９の何れか一項記載の研磨パッド。