KR20110010573A - 다관능성 연마 패드 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 연마 패드는 구리, 유전체, 배리어 및 텅스텐 중 하나 이상을 함유하는 패터닝된 반도체 기판을 연마하는데 적합하다. 연마 패드는 중합체 매트릭스를 포함하며; 중합체 매트릭스는 폴리올 플렌드, 폴리아민 또는 폴리아민 혼합물 및 톨루엔 디이소시아네이트의 폴리우레탄 반응 생성물이다. 폴리올 블렌드는 15 내지 77 중량%의 전체 폴리프로필렌 글리콜과 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 혼합물이며; 폴리프로필렌 글리콜과 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 혼합물은 20 대 1 내지 1 대 20의 폴리프로필렌 글리콜 대 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 중량비를 갖는다. 폴리아민 또는 폴리아민 혼합물은 8 내지 50 중량%이며 톨루엔 디이소시아네이트는 15 내지 35 중량%의 전체 단량체 또는 부분 반응된 톨루엔 디이소시아네이트 단량체이다.
Description
본 명세서는 반도체 기판을 연마 또는 평탄화하는데 유용한 연마 패드에 관한 것이다. 반도체 제조는 통상적으로 몇 개의 화학 기계 연마(CMP) 공정을 포함한다. 각각의 CMP 공정에서, 연마제 함유 연마 슬러리 또는 무-연마제 반응성 액체와 같은 연마 용액과 조합된 연마 패드는 후속 층의 수용을 위해 평탄화시키거나 평탄도를 유지하는 방식으로 과잉 재료를 제거한다. 이러한 층들의 스택은 집적 회로를 형성하는 방식으로 조합된다. 이러한 반도체 소자의 제조는 높은 작동 속도, 낮은 누설 전류 및 감소된 전력 소모의 소자에 대한 요건에 기인하여 계속적으로 더 복잡해지고 있다. 소자 구성에 있어, 이는 더 미세한 특징부 형상 및 증가된 수의 금속화 단계를 뜻한다. 이렇게 점점 엄격해지는 소자 설계 요건은 점점 좁은 선폭(line spacing)의 채택과 함께 이에 대응하는 패턴 밀도를 증가시키고 있다. 소자의 축소된 스케일 및 증가된 복잡성은 연마 패드 및 연마 용액과 같은 CMP 소모재에 대한 수요를 증가시킨다. 또한, 집적 회로의 특징부 크기가 감소함에 따라, 스크래치와 같은 CMP-유도 결함이 큰 문제가 된다. 더욱이, 집적 회로의 필름 두께 감소는 결함성을 개선하면서 동시에 웨이퍼 기판에 허용되는 지형을 제공하는 것을 필요로 하며, 이러한 지형 요건은 점점 엄격한 평탄도, 라인 디싱(dishing) 및 작은 특징부 어레이 침식 연마 사양을 요구한다.
전통적으로, 캐스트 폴리우레탄 연마 패드는 집적 회로를 제조하는데 사용되는 대부분의 연마 작업에서 기계적 완전성 및 내화학성을 제공하였다. 예컨대, 폴리우레탄 연마 패드는 내인열성을 위한 충분한 인장 강도 및 신장률; 연마 중 마모 문제를 방지하기 위한 내마모성; 및 강한 산성 및 강한 부식성 연마 용액에 의한 침식에 대한 내성을 위한 안정성을 갖는다. 다우 일렉트로닉 머티리얼스(Dow Electronic Materials)가 공급하는 IC1000™ 연마 패드는 알루미늄, 배리어(barrier) 물질, 유전체, 구리, 하드 마스크, 저유전율(low-k) 유전체, 텅스텐 및 초저유전율 유전체와 같은 다중 기판을 연마하는데 적합한 산업 표준 폴리우레탄 연마 패드를 대표한다 (IC1000은 다우 일렉트로닉 머티리얼스 또는 그 계열사의 상표명임).
미국특허 제7,169,030호에서 엠 제이 컬프(M.J. Kulp)는 고 인장 모듈러스를 갖는 폴리우레탄 연마 패드 군을 개시한다. 이러한 연마 패드는 연마 패드와 연마 슬러리의 몇몇 조합에 대해 우수한 평탄화 및 결함성을 제공한다. 예컨대, 이들 연마 패드는 직접적인 얕은 트렌치 소자분리(STI) 연마 용품과 같은 산화규소/질화규소 용품을 연마하는 경우, 세리아 함유 연마 슬러리에 대해 우수한 연마 성능을 제공할 수 있다. 본 명세서에서, 산화규소는 반도체 소자에 유전체를 형성하는데 유용한 산화규소, 산화규소 화합물 및 도핑된 산화규소 조성물을 지칭하며; 질화규소는 반도체 용품에 유용한 질화규소, 질화규소 화합물 및 도핑된 질화규소 조성물을 지칭한다. 유감스럽게도, 이들 패드는 오늘날의 반도체 웨이퍼 및 미래의 반도체 웨이퍼에 포함되는 다중 기판층에 대한 모든 연마 슬러리의 연마 성능을 개선하는데 있어서 보편적인 적용성을 갖지 않는다. 더욱이, 반도체 소자의 가격이 하락함에 따라, 연마 성능의 향상이 더욱 더 필요하다.
패터닝된 웨이퍼의 경우, 구리 연마와 같은 비철금속 연마는 집적 회로 및 메모리 용품에 대한 중요한 수요 분야이다. 반도체 제조에서, 구리층은 종종 웨이퍼 전체를 덮는다. 연마 패드는 벌크 구리의 우수한 제거를 제공하여, 구리 배선(interconnect)의 네트워크를 남겨야 한다. 구리 연마와 같은 비철 기판에 대해 개선된 연마 성능을 갖는 연마 패드에 대한 수요가 남아있다.
또한, 연마 패드의 제거 속도를 증가시키는 것은 처리량을 증가시켜서 반도체 제조 공장에서 설비의 점유 및 비용을 감소시킬 수 있다. 성능 향상에 대한 이러한 수요로 인해, 향상된 성능으로 기판층을 제거하는 연마 패드에 대한 요구가 존재한다. 예컨대, 산화물 유전체 제거 속도는 층간 유전체("ILD") 또는 금속간 유전체("IMD") 연마 중에 유전체를 제거하는데 중요하다. 사용되는 특정 유형의 유전체 산화물은 BPSG, 테트라에틸옥시실리케이트의 분해로 형성된 TEOS, HDP("고밀도 플라즈마") 및 SACVD("감압 화학 증착")을 포함한다. 허용가능한 결함 성능 및 웨이퍼 균일성과 함께 제거 속도가 증가된 연마 패드에 대한 지속적인 요구가 있다. 특히, 허용가능한 평탄화 및 결함 연마 성능과 함께 가속된 산화물 제거 속도를 갖는, ILD 연마에 적합한 연마 패드에 대한 요구가 존재한다.
본 발명의 일 태양은 구리, 유전체, 배리어 및 텅스텐 중 하나 이상을 함유하는 패터닝된 반도체 기판을 연마하는데 적합한 연마 패드를 제공하며, 연마 패드는 중합체 매트릭스를 포함하며, 중합체 매트릭스는 폴리올 블렌드, 폴리아민 또는 폴리아민 혼합물 및 톨루엔 디이소시아네이트의 폴리우레탄 반응 생성물이며, 폴리올 블렌드는 15 내지 77 중량%의 전체 폴리프로필렌 글리콜과 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 혼합물이며, 폴리프로필렌 글리콜과 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 혼합물은 폴리프로필렌 글리콜 대 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 중량비가 20 대 1 내지 1 대 20이며, 폴리아민 또는 폴리아민 혼합물은 8 내지 50 중량%이고 톨루엔 디이소시아네이트는 15 내지 35 중량%의 전체 단량체 또는 부분 반응된 톨루엔 디이소시아네이트 단량체이다.
본 발명의 다른 태양은 구리, 유전체, 배리어 및 텅스텐 중 하나 이상을 함유하는 패터닝된 반도체 기판을 연마하는데 적합한 연마 패드를 제공하며, 연마 패드는 중합체 매트릭스를 포함하며, 중합체 매트릭스는 폴리올 블렌드, 폴리아민 또는 폴리아민 혼합물 및 톨루엔 디이소시아네이트의 폴리우레탄 반응 생성물이며, 폴리올 블렌드는 20 내지 75 중량%의 전체 폴리프로필렌 글리콜과 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 혼합물이며, 폴리프로필렌 글리콜과 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 혼합물은 폴리프로필렌 글리콜 대 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 중량비가 15 대 1 내지 1 대 15이며, 폴리아민 또는 폴리아민 혼합물은 10 내지 45 중량%이며, 톨루엔 디이소시아네이트는 20 내지 30 중량%의 단량체 또는 전체 단량체 또는 부분 반응된 톨루엔 디이소시아네이트 단량체이다.
본 발명은 반도체, 광학 및 자성 기판 중 하나 이상을 평탄화하기에 적합한 연마 패드를 제공하며, 연마 패드는 중합체 매트릭스를 포함한다. 특히, 폴리아민과 폴리프로필렌 글리콜(PPG), 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜(PTMEG) 및 톨루엔 디이소시아네이트의 블렌드의 폴리우레탄 반응 생성물로부터의 중합체 매트릭스가 구리 및 ILD 연마에 유용한 다관능성 패드를 제공한다는 것을 발견하였다. 특히, 이러한 범주에서 제조된 패드는 ILD와 구리 용품 모두에 대해 산업 표준 IC1000 연마 패드에 비해 개선된 연마 성능을 제공할 수 있다.
본 발명의 연마 패드는 구리 연마의 경우에 효과적이다. 특히, 패드는 대응하는 결함의 증가 없이 구리 제거 속도를 증가시킬 수 있다. 별법으로, 패드는 대응하는 제거 속도의 감소 없이 결함을 감소시킬 수 있다. 본 명세서에서, 제거 속도는 Å/분으로 표현된 제거 속도를 지칭한다.
연마 패드는 층간 유전체(ILD) 용품에서와 같이 ILD 유전체 물질의 연마 및 평탄화에 특히 적합하며, 알루미늄, 구리 및 텅스텐과 같은 비철 용품에 적합하다. 패드는 특히 연마의 초기 30 초에서 종래의 패드에 비해 향상된 제거 속도를 제공한다. 연마의 초기 기간 중에 패드의 가속된 반응은 웨이퍼 표면으로부터 특정량의 재료를 제거하는데 필요한 연마 시간을 단축시킴으로써 웨이퍼 처리량을 증가시킬 수 있다.
퓸드(fumed) 실리카를 이용한 ILD 연마의 경우 30 초에서 제거 속도는 3750 Å/분 초과일 수 있다. 더욱이, 본 발명은 동일한 연마 시험에서 IC1010™ 폴리우레탄 연마 패드에 의해 주어진 30 초에서 제거 속도보다 10 % 이상 높은 제거 속도를 제공할 수 있다. (IC1010은 다우 일렉트로닉 머티리얼스 또는 그 계열사의 상표명임) 유리하게는, 실리카 함유 연마제로 TEOS 시트 웨이퍼를 연마하는 경우, 본 발명의 연마 패드의 30 초에서 제거 속도는 실리카 함유 연마제로 TEOS 시트 웨이퍼를 연마하는 IC1000 연마 패드의 30 초 및 60 초 모두에서 제거 속도 이상이다. IC1000™은 지방족 이소시아네이트로 제조된 부분에 열가소성 특성을 부여하는 경향이 있는 지방족 이소시아네이트를 포함하기 때문에 연마 시간이 지나면서 TEOS 제거 속도를 향상시킬 수 있다. IC1000 연마 패드의 열가소성 특성은 제거 속도의 특정 최대값을 얻을 때까지 제거 속도가 증가함과 더불어 연마 패드와 웨이퍼 간의 접촉 증가를 촉진하는 것으로 보인다. 훨씬 높은 수준으로 패드-대-웨이퍼 접촉 영역을 증가시키는 것은 웨이퍼 접촉 압력에 대한 국부적 조도(asperity)가 감소함에 따라 제거 속도를 감소시키는 것으로 보인다.
제거 속도는 연마제 함량을 증가시킴으로써 향상될 수 있지만, 연마제 수준과는 독립적인 IC1010 연마 패드의 제거 속도에 대한 개선은 연마 성능에 있어 중요한 진전이다. 예컨대, 이는 저결함성으로 제거 속도의 증가를 촉진하며, 슬러리 비용을 감소시킬 수 있다. 제거 속도에 더하여, 웨이퍼 스케일 불균일성 또한 연마 성능 고려에 있어 중요하다. 통상적으로, 연마된 웨이퍼의 균일성은 최대한 많은 잘 연마된 다이를 수득하는데 중요하기 때문에, 웨이퍼내 불균일성은 6 % 미만이어야 한다.
본 명세서에서, "폴리우레탄"은 이관능성 또는 다관능성 이소시아네이트, 예컨대 폴리에테르우레아, 폴리이소시아누레이트, 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리우레탄우레아, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로부터 유도된 생성물이다. 캐스트 폴리우레탄 연마 패드는 반도체, 광학 및 자성 기판을 평탄화하는데 적합하다. 패드의 특정 연마 특성은 폴리프로필렌 글리콜(PPG)과 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜(PTMEG)의 블렌드, 폴리아민 및 톨루엔 디이소시아네이트의 반응 생성물로부터 일부 생성된다. 폴리아민 및 톨루엔 디이소시아네이트와 조합된 PPG/PTMEG 비율을 제어함으로써 개선된 연마 성능을 갖는 다관능성 연마 패드를 생성할 수 있다는 것을 발견하였다. 특히, 이들 패드는 구리, ILD 및 STI 용품에 대한 연마를 개선할 수 있다.
중합체 매트릭스는 총 15 내지 77 중량%의 PPG 및 PTMEG를 함유하는 혼합물로부터 생성된다. 본 명세서에서, 조성물은 구체적으로 달리 명시되지 않는 한 중량%로 표현된다. 바람직하게는, 중합체 매트릭스는 총 20 내지 75 중량%의 PPG 및 PTMEG를 함유하는 혼합물로부터 생성된다. 또한, 혼합물은 20 대 1 내지 1 대 20의 비율의 PPG/PTMEG를 함유한다. 바람직하게는, 혼합물은 15 대 1 내지 1 대 15의 비율의 PPG/PTMEG를 함유한다. 2 대 1 내지 1 대 2의 PPG/PTMEG 비율은 고속 구리 및 ILD 연마의 경우에 특히 이롭다. 또한, 20 대 1 내지 2 대 1, 바람직하게는 15 대 1 내지 2 대 1의 PPG/PTMEG 비율은 저결함성 구리 및 ILD 연마의 경우에 특히 이롭다. 유사하게, 1 대 20 내지 1 대 2 및 바람직하게는 1 대 15 내지 1 대 2의 PPG/PTMEG 비율은 또한 저결함성 구리 및 ILD 연마의 경우에 특히 이롭다.
액체 혼합물은 단량체로서 또는 부분 반응된 단량체로서 15 내지 35 중량%의 톨루엔 디이소시아네이트(TDI)를 포함한다. 본 명세서에서, TDI 단량체 또는 부분 반응된 단량체는 중량%의 TDI 단량체 또는 폴리우레탄 경화전 예비중합체로 반응된 TDI 단량체를 나타낸다. 바람직하게는 TDI 단량체 또는 부분 반응된 단량체는 20 내지 30 중량%를 나타낸다. 임의로, 방향족 TDI는 일부 지방족 이소시아네이트를 함유할 수 있다. 바람직하게는, 다관능성 방향족 이소시아네이트는 15 중량% 미만의 지방족 이소시아네이트, 및 보다 바람직하게는 12 중량% 미만의 지방족 이소시아네이트를 함유한다. 가장 바람직하게는, 혼합물은 단지 불순물 수준의 지방족 이소시아네이트를 함유한다.
이러한 TDI 범위 내의 중합체를 생성할 수 있는 적절한 PTMEG 기반 예비중합체의 특정 예는 켐투라(Chemtura)가 제조하는 Adiprene® 예비중합체 LF750D이다. 적절한 PPG 기반 예비중합체의 예는 Adiprene® 예비중합체 LFG740D 및 LFG963A를 포함한다. 또한, LF750D, LFG740D 및 LFG963A는 각각 0.1 중량% 미만의 각각의 자유 2,4 및 2,6 TDI 단량체를 갖고 종래의 예비중합체보다 더 일관된 예비중합체 분자량 분포를 갖는 저-자유 이소시아네이트 예비중합체를 나타낸다. 개선된 예비중합체 분자량 일관성을 갖는 "저-자유" 예비중합체 및 저-자유 이소시아네이트 단량체는 보다 규칙적인 중합체 구조를 촉진하며, 개선된 연마 패드 일관성에 기여한다.
중합체 매트릭스는 통상적으로 4 대 5 내지 5 대 4의 폴리아민 NH2 대 폴리올 OH 몰비; 및 0.9 대 1.0 내지 1.1 대 1.0의 폴리올 OH 대 이소시아네이트 NCO 몰비를 갖는 원료를 포함한다. OH기의 일부는 의도적으로 첨가되거나 우발적으로 수분에 노출됨으로써 저분자량 폴리올 또는 물로부터 비롯될 수 있다. 폴리올 또는 폴리아민은 이소시아네이트와 부분적으로 반응하여 예비중합체를 형성한 후 최종 중합체 매트릭스를 생성하거나 1단계 공정에서 이소시아네이트에 함께 첨가될 수 있다.
통상적으로, 반응 혼합물은 8 내지 50 중량%의 폴리아민 또는 폴리아민-함유 혼합물을 함유한다. 바람직하게는, 혼합물은 10 내지 45 중량%의 폴리아민 또는 폴리아민-함유 혼합물을 함유한다. 예컨대, 폴리아민을 알코올 아민 또는 모노아민과 혼합할 수 있다. 본 명세서에서, 폴리아민은 디아민 및 다른 다관능성 아민을 포함한다. 예시적인 폴리아민은 4,4'-메틸렌-비스-o-클로로아닐린 [MBCA], 4,4'-메틸렌-비스-(3-클로로-2,6-디에틸아닐린) [MCDEA]; 디메틸티오톨루엔디아민; 트리메틸렌글리콜 디-p-아미노벤조에이트; 폴리테트라메틸렌옥시드 디-p-아미노벤조에이트; 폴리테트라메틸렌옥시드 모노-p-아미노벤조에이트; 폴리프로필렌옥시드 디-p-아미노벤조에이트; 폴리프로필렌옥시드 모노-p-아미노벤조에이트; 1,2-비스(2-아미노페닐티오)에탄; 4,4'-메틸렌-비스-아닐린; 디에틸톨루엔디아민; 5-tert-부틸-2,4- 및 3-tert-부틸-2,6-톨루엔디아민; 5-tert-아밀-2,4- 및 3-tert-아밀-2,6-톨루엔디아민 및 클로로톨루엔디아민과 같은 방향족 디아민 또는 폴리아민을 포함한다. MBCA 첨가는 바람직한 폴리아민을 나타낸다. 단일 혼합 단계 또는 예비중합체를 사용하여 연마 패드용 우레탄 중합체를 제조하는 것이 가능하다.
연마 패드 제조에 사용되는 중합체의 성분은 바람직하게는 생성된 패드의 모폴로지가 안정하고 재현이 용이하도록 선택된다. 예컨대, 4,4'-메틸렌-비스-o-클로로아닐린 [MBCA]을 톨루엔 디이소시아네이트 단량체 또는 예비중합체와 혼합하여 폴리우레탄 중합체를 형성할 때, 종종 모노아민, 디아민 및 트리아민의 수준을 제어하는 것이 유리하다. 모노-, 디- 및 트리아민의 비율을 제어하는 것은 화학적 비율 및 생성된 중합체의 분자량을 일관된 범위 내에 유지하는데 기여한다. 또한, 일관된 제조를 위해 종종 산화방지제와 같은 첨가제 및 물과 같은 불순물을 제어하는 것이 중요하다. 예컨대, 물은 이소시아네이트와 반응하여 기상 이산화탄소를 형성하기 때문에, 물 농도를 제어하는 것은 중합체 매트릭스 내에 공극을 형성하는 이산화탄소 기포의 농도에 영향을 줄 수 있다. 우발적인 물과 이소시아네이트의 반응은 또한 폴리아민과의 반응에 이용할 수 있는 이소시아네이트를 감소시켜, (과잉 이소시아네이트기가 존재하는 경우) 가교의 수준 및 생성된 중합체의 분자량과 함께 OH 또는 NH2 대 NCO 기의 몰비를 변화시킨다.
폴리우레탄 중합체 물질은 바람직하게는 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜/폴리프로필렌 글리콜 블렌드 및 폴리아민과 톨루엔 디이소시아네이트의 예비중합체 반응 생성물로 형성된다. 바람직하게는, 폴리아민은 방향족 톨루엔 디이소시아네이트이다. 가장 바람직하게는, 방향족 디아민은 4,4'-메틸렌-비스-o-클로로아닐린 또는 4,4'-메틸렌-비스-(3-클로로-2,6-디에틸아닐린)이다.
연마 패드는 다공성 및 비다공성 모두, 또는 비충진 구성에서 유용하다. 최종 연마 패드는 바람직하게는 0.4 내지 1.3 g/cm3 의 밀도를 갖는다. 다공성 패드의 경우, 최종 폴리우레탄 연마 패드는 통상적으로 0.5 내지 1 g/cm3의 밀도를 갖는다. 가스 용해, 발포제, 기계적 거품생성 및 중공 미소구체의 도입을 통해 공극률을 추가할 수 있다. 공극률 수준 및 조성에 따라, 연마 패드는 통상적으로 20 내지 70의 쇼어 D 경도를 갖는다. 본 명세서에서, 쇼어 D 시험은 경도 시험의 반복성을 개선하기 위하여 시험전 25 ℃에서 5일 동안 50 %의 상대 습도에 패드 샘플을 배치하여 컨디셔닝하고 ASTM D2240에 기술된 방법을 이용하는 것을 포함한다.
공극은 통상적으로 2 내지 50 ㎛의 평균 직경을 갖는다. 가장 바람직하게는, 공극은 구형 형상을 갖는 중공 중합체 입자로부터 발생된다. 바람직하게는, 중공 중합체 입자는 2 내지 40 ㎛의 중량 평균 직경을 갖는다. 본 명세서에서, 중량 평균 직경은 캐스팅 이전의 중공 중합체 입자의 직경을 나타내며, 입자는 구형 또는 비구형 형상을 가질 수 있다. 가장 바람직하게는, 중공 중합체 입자는 10 내지 30 ㎛의 중량 평균 직경을 갖는다.
발포된 중공 중합체 입자의 중량 평균 직경의 공칭 범위는 15 내지 90 ㎛이다. 더욱이, 작은 공극 크기와 높은 공극률의 조합은 결함성을 감소시키는데 특히 유익할 수 있다. 그러나, 공극률 수준이 너무 높게 되는 경우, 연마 패드는 기계적 완전성 및 강도를 상실한다. 예컨대, 연마층의 30 내지 60 부피%를 구성하는 2 내지 50 ㎛의 중량 평균 직경의 중공 중합체 입자를 첨가하는 것은 결함성의 감소를 촉진한다. 더욱이, 공극률을 35 내지 55 부피% 또는 구체적으로 35 내지 50 부피%로 유지시키는 것은 제거 속도 증가를 촉진할 수 있다. 본 명세서에서, 공극률 부피%는 이하에 따라 결정된 공극의 부피%를 나타낸다: 1) 공극이 없는 중합체의 공칭 밀도로부터 조성물의 측정된 밀도를 감산하여 a cm3의 조성물에서 "손실된" 중합체 질량을 결정하고; 그런 다음, 2) "손실된" 중합체의 질량을 공극이 없는 중합체의 공칭 밀도로 나누어 a cm3의 조성물에서 손실된 중합체의 부피를 결정하고, 100을 곱해서 공극률 부피%로 변환한다. 별법으로, 조성물 내 공극의 부피% 또는 공극률 부피%는 다음과 같이 결정될 수 있다: 1) 100 g에서 조성물 100 g 내의 중공 중합체 입자의 질량을 감산하여 100 g의 조성물 내의 중합체 매트릭스의 질량을 결정하고; 2) 중합체 매트릭스의 질량을 중합체의 공칭 밀도로 나누어 100 g의 조성물 내의 중합체 부피를 결정하고; 3) 100 g의 조성물 내의 중공 중합체 입자의 질량을 공칭 중공 중합체 입자 밀도로 나누어 100g의 조성물 내의 중공 중합체 입자의 부피를 결정하고; 4) 100 g의 조성물 내의 중공 입자 또는 공극의 부피에 100 g의 조성물 내의 중합체의 부피를 더하여 100 g의 조성물의 부피를 결정한 다음; 5) 100 g의 조성물 내의 중공 입자 또는 공극의 부피를 100 g의 조성물의 총 부피로 나누고, 100을 곱하여 조성물 내 공극의 부피% 또는 공극률을 제공한다. 상기 두 가지 방법은 공극률 또는 공극의 부피%에 대한 유사한 값을 산출하지만, 두 번째 방법은, 가공 중에 발열 반응과 같은 파라미터가 중공 중합체 입자 또는 미소구체를 그들의 공칭 "발포 부피" 초과로 발포시킬 수 있는 첫 번째 방법에 비해 낮은 공극 부피% 또는 공극률을 나타낼 것이다. 공극 크기의 감소는 특정 공극 또는 공극률 수준의 경우 연마 속도를 증가시키는 경향이 있기 때문에, 캐스팅 중에 발열을 제어하여 예비발포된 중공 중합체 입자 또는 미소구체의 추가적인 발포를 방지하는 것이 중요하다. 예컨대, 실온 주형으로의 캐스팅, 케이크(cake) 높이의 제한, 예비중합체 온도의 감소, 폴리아민 또는 폴리올 온도의 감소, NCO의 감소 및 자유 TDI 단량체의 제한은 모두 반응 이소시아네이트에 의해 발생되는 발열을 감소시키는데 기여한다.
대부분의 통상적인 다공성 연마 패드와 마찬가지로, 다이아몬드 디스크 컨디셔닝과 같은 연마 패드 컨디셔닝은 제거 속도를 증가시키고 웨이퍼 스케일 불균일성을 개선하는 역할을 한다. 컨디셔닝은 각 웨이퍼 이후의 30 초 동안과 같은 주기적인 방식 또는 연속적인 방식으로 기능할 수 있지만, 연속적인 컨디셔닝은 제거 속도의 개선된 제어를 위해 정상 상태의 연마 조건을 확립하는 이익을 제공한다. 컨디셔닝은 통상적으로 연마 패드 제거 속도를 증가시키고 통상적으로 연마 패드의 표면 마모와 연관되는 제거 속도의 감소(decay)를 방지한다. 특히, 연마제 컨디셔닝은 연마 중에 퓸드 실리카 입자를 포획할 수 있는 거친 표면을 형성한다. 컨디셔닝에 더하여, 홈 및 천공은 슬러리의 분포, 연마 균일성, 파편 제거 및 기판 제거 속도에 추가적인 이익을 제공할 수 있다.
<실시예>
본 발명의 실시예에서 MBCA의 경우 115 ℃에서, 예비중합체의 경우 49 ℃에서 (예비중합체의 경우 비교예는 43 내지 63 ℃를 포함함) 우레탄 예비중합체로서 다양한 양의 이소시아네이트를 4,4'-메틸렌-비스-o-클로로아닐린 [MBCA]과 혼합함으로써 중합체 패드 물질을 제조하였다. 특히, PTMEG와 PPG를 기반으로 한 톨루엔 디이소시아네이트 예비중합체의 혼합물이 개선된 연마 특성을 가진 연마 패드를 제공하였다. 예비중합체를 사슬 연장제와 혼합하기 전 또는 후에 우레탄/다관능성 아민 혼합물을 중공 중합체 미소구체(악조노벨(AkzoNobel)이 제조하는 EXPANCEL® 551DE20d60 또는 551DE40d42)와 혼합하였다. 다관능성 아민을 첨가하기 전에 중공 중합체 미소구체를 60 rpm에서 예비중합체와 혼합한 다음, 혼합물을 4500 rpm에서 혼합하거나 3600 rpm에서 혼합헤드의 우레탄/다관능성 아민 혼합물에 첨가하였다. 미소구체는 5 내지 200 ㎛의 범위에서 15 내지 50 ㎛의 중량 평균 직경을 가졌다. 최종 혼합물을 주형으로 이동시켜 약 15 분 동안 겔화 시켰다.
이후, 주형을 경화 오븐에 배치시켜 다음과 같은 주기로 경화시켰다: 30 분 동안 주위 온도에서 104 ℃의 설정 온도로 증가시키고, 104 ℃에서 15 시간 30 분 및 2 시간 동안 설정 온도를 21 ℃로 감소시켜 경화시킴. 이후 성형 물품을 얇은 시트로 "스카이빙(skiving)" 시키고 실온에서 표면에 거시-채널 또는 홈을 기계가공하였다 - 보다 높은 온도에서의 스카이빙은 표면 거칠기 및 시트 두께 균일성을 개선시킬 수 있다. 표에 나타낸 바와 같이, 샘플 1 내지 42는 본 발명의 연마 패드를 나타내고, 샘플 A 내지 M은 비교예를 나타낸다.
공극 수준은, 상이한 중공 미소구체 유형 및 크기가 동일한 공극 부피에 대해 상이한 밀도를 갖기 때문에 공극 부피에 대한 보다 일관된 이해를 제공하기 위해 공칭 중량%로 표 2에 주어진다. 모든 공극 수준은 Expancel 551 DE40d42 중량%로 표현된다.
구리 연마 시험에 대해, 실시예 연마 패드는 두께가 80 밀(2.0 mm)이고, 580 밀(14.7 mm)의 피치를 갖고 SP2310 서브패드 상에 적층된 오버레이 x-y 축 홈 패턴으로 피치 120 밀(3.0 mm), 폭 20 밀(0.51 mm), 깊이 30 밀(0.76 mm)의 원형 홈을 갖도록 홈 형성되었다. 이 연마 패드를 어플라이드 머티리얼스 인크(Applied Materials, Inc.)의 Mirra® 연마기에서 시험하였다. Diagrid® AD3BG150830 컨디셔닝 디스크를 사용하여 60 분 동안 9 파운드의 하향력에서 초기 패드 브레이크-인(break-in)이 수행된 다음, 각각 93 rpm의 플래튼 회전 속도, 87 rpm의 웨이퍼 캐리어 헤드 회전 속도 및 3 psi(20.7 kPa)의 하향력을 이용하여 60 초 동안 20 개의 구리 더미(dummy) 웨이퍼를 연마하였다. 연마 슬러리는 EPL2361이고, 200 ml/분의 속도로 연마 패드 표면에 공급되었으며, 초기 패드 브레이크-인 및 모든 웨이퍼 연마 둘 모두에 대해 사용되었다. 패드 클리너 EPL8105를 웨이퍼 사이에 사용하여 패드 표면으로부터 구리 찌꺼기를 제거하였다.
더미 웨이퍼에 대해 전술된 것과 동일한 방식으로 속도 및 결함성을 위해 구리 시트 웨이퍼를 연마하는 연마 공정을 수행하였다. 실시예 패드를 이용한 각각의 시험은 또한 CUP4410 패드를 이용하여 연마된 웨이퍼, 동일하게 홈 형성된 IC1000 기반 패드 및 실시예 패드에 사용된 것과 같은 서브패드를 베이스라인으로 포함하였다. 모든 표에 수행된 정규화는 통상 변동 요인을 설명하는 정규화에 대한 기초로서 시험되는 IC1000 유형 패드에 의해 연마된 웨이퍼에 대한 연마 데이터를 사용하였다. 상기 기술된 Diagrid 컨디셔너를 사용하여 7 파운드(48.3 kPa)의 하향력으로 완전 동일계(in-situ) 컨디셔닝 공정을 사용하여 연마 시험 중에 연마 패드를 다이아몬드-컨디셔닝하였다.
씨디이 코포레이션(CDE Corporation)의 ResMap RS200 도구를 사용하여 연마전 웨이퍼 측정값과 연마후 웨이퍼 필름 두께 측정값을 비교하여 제거 속도를 측정하였다. 표 3에 나타낸 패드의 경우, 어플라이드 머티리얼스(Applied Materials)의 스크래치 레시피를 갖는 Orbot™ WF-720 도구를 사용하여 결함성을 측정하였다. 이후, 식별된 결함을 라이카(Leica) 현미경을 사용하여 검사하고 스크래치, 가우지(gouge) 및 채터마크(chattermark)의 수를 측정하였다. 미세스크래치 및 채터마크는 10 ㎛ 미만인 것으로 정의하고, 스크래치 및 채터마크는 10 ㎛ 이상인 것으로 정의한다.
실시예 패드 2 내지 4는 CUP4410 패드와 속도는 유사하지만, 그보다 3분의 1 미만의 스크래치 및 채터마크 수를 나타냈다. 실시예 22 내지 28은 CUP4410에 비해 향상된 제거 속도를 나타냈고, 실시예 22 내지 27 또한 결함성이 유의하게 감소하였다.
표 4에 나타낸 패드의 경우, 표 3에 나타낸 패드에 대한 것과 같이 연마가 수행되었지만, 결함성은 KLA-Tencor SP1TBI 도구를 사용하여 측정하고 결함 검사는 전과 같이 라이카(Leica) 현미경을 사용하여 수행하였다. 또한 패터닝된 웨이퍼를 시험하였고, 본 발명의 연마 패드는 CUP4410 패드와 비교하여 동등하거나 개선된 평탄화, 디싱 및 침식을 제공할 수 있다.
실시예 패드 10 내지 15, 23, 24, 27, 40 및 41은 유의하게 감소된 결함성과 함께 제거 속도가 증가하였다. 실시예 패드 16 내지 21은 CUP4410과 유사한 제거 속도와 80-95 % 적은 결함을 제공하였다. 실시예 29는 CUP4410보다 향상된 제거 속도와 80 % 적은 결함을 제공하였다.
표 5의 실시예 연마 패드를 93 rpm의 플래튼 회전 속도, 87 rpm의 웨이퍼 캐리어 헤드 회전 속도 및 5 psi(34.5 kPa)의 하향력을 사용하여 TEOS 시트 웨이퍼를 연마하는 어플라이드 머티리얼스 인크의 Mirra® 연마기에서 시험하였다. 연마 슬러리는 탈이온수와의 1:1 혼합물로 사용되는 ILD3225로서 150 ml/분의 속도로 연마 패드 표면에 공급되었다. Diagrid® AD3BG150855 컨디셔닝 디스크를 사용하여 동일계 컨디셔닝 공정을 이용하여 연마 패드를 다이아몬드 컨디셔닝하였다. TEOS 시트 웨이퍼를 30 초 또는 60 초 동안 연마하였고, 실시예 패드를 이용한 각각의 시험은 또한 베이스라인으로 IC1010 패드를 이용하여 연마된 웨이퍼를 포함하였다. 가장 중요한 것은 IC1010 연마패드에 대한 30 초 연마 속도인데, 이는 표준 연마 패드에 비해 연마 시간을 감소시키는데 가장 효과적이기 때문이다. 연마 결과가 이하의 표 5에 주어진다.
실시예 패드 22 및 23은 IC1010 패드에 비해 30 초에서 15 %의 제거 속도 향상 및 60 초에서 10 %의 제거 속도 향상을 제공하지만 약 50 % 적은 결함을 제공하였다. 실시예 패드 27 및 30 내지 33은 IC1010과 유사한 속도를 제공하지만 그보다 적은 결함을 제공하였다.
본 발명의 다관능성 폴리우레탄 연마 패드는 다양한 연마 용품에 대한 연마를 촉진한다. 예컨대, 특정 PPG/PTMEG-폴리아민-TDI 연마 패드는 고속 구리, 저결함성 구리, 패터닝된 웨이퍼, TEOS, 고속 TEOS, 저결함성 TEOS 및 STI 연마 용품에 효과적이다. 특히, 연마 패드는 구리 및 TEOS 용품에 대해 제거 속도를 향상시키고 단일 폴리올 IC1000 연마 패드에 비해 동등하거나 개선된 결함성을 가질 수 있다. 유사하게, 연마 패드는 구리 및 TEOS 용품에 대해 결함성을 감소시키고 단일 폴리올 IC1000 연마 패드에 비해 동등하거나 개선된 제거 속도를 가질 수 있다.
Claims (10)
- 구리, 유전체, 배리어 및 텅스텐 중 하나 이상을 함유하는 패터닝된 반도체 기판을 연마하는데 적합한 연마 패드로서, 연마 패드는 중합체 매트릭스를 포함하며, 중합체 매트릭스는 폴리올 블렌드, 폴리아민 또는 폴리아민 혼합물 및 톨루엔 디이소시아네이트의 폴리우레탄 반응 생성물이며, 폴리올 블렌드는 15 내지 77 중량%의 전체 폴리프로필렌 글리콜 및 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 혼합물이며, 폴리프로필렌 글리콜과 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 혼합물은 20 대 1 내지 1 대 20의 폴리프로필렌 글리콜 대 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 중량비를 가지며, 폴리아민 또는 폴리아민 혼합물은 8 내지 50 중량%이며, 톨루엔 디이소시아네이트는 15 내지 35 중량%의 전체 단량체 또는 부분 반응된 톨루엔 디이소시아네이트 단량체인 연마 패드.
- 제1항에 있어서, 폴리프로필렌 글리콜 대 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 중량비는 2 대 1 내지 1 대 2인 연마 패드.
- 제1항에 있어서, 폴리프로필렌 글리콜 대 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 중량비는 20 대 1 내지 2 대 1인 연마 패드.
- 제1항에 있어서, 폴리프로필렌 글리콜 대 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 중량비는 1 대 20 내지 1 대 2인 연마 패드.
- 제1항에 있어서, 20 내지 70의 쇼어 D 경도를 갖는 연마 패드.
- 구리, 유전체, 배리어 및 텅스텐 중 하나 이상을 함유하는 패터닝된 반도체 기판을 연마하는데 적합한 연마 패드로서, 연마 패드는 중합체 매트릭스를 포함하며, 중합체 매트릭스는 폴리올 블렌드, 폴리아민 또는 폴리아민 혼합물 및 톨루엔 디이소시아네이트의 폴리우레탄 반응 생성물이며, 폴리올 블렌드는 20 내지 75 중량%의 전체 폴리프로필렌 글리콜 및 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 혼합물이며, 폴리프로필렌 글리콜과 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 혼합물은 15 대 1 내지 1 대 15의 폴리프로필렌 글리콜 대 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 중량비를 가지며, 폴리아민 또는 폴리아민 혼합물은 10 내지 45 중량%이며, 톨루엔 디이소시아네이트는 20 내지 30 중량%의 단량체 또는 전체 단량체 또는 부분 반응된 톨루엔 디이소시아네이트 단량체인 연마 패드.
- 제6항에 있어서, 폴리프로필렌 글리콜 대 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 중량비는 15 대 1 내지 2 대 1인 연마 패드.
- 제6항에 있어서, 폴리프로필렌 글리콜 대 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 중량비는 1 대 15 내지 1 대 2인 연마 패드.
- 제6항에 있어서, 20 내지 70의 쇼어 D 경도를 갖는 연마 패드.
- 제6항에 있어서, 폴리올 블렌드는 예비중합체 블렌드로부터 형성되고 예비중합체 블렌드는 톨루엔 디이소시아네이트를 포함하는 연마 패드.
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