JP5879777B2

JP5879777B2 - 研磨パッド、研磨装置、研磨方法

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Publication number: JP5879777B2
Application number: JP2011148456A
Authority: JP
Inventors: 康恭竹内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2011-07-04
Publication date: 2016-03-08
Anticipated expiration: 2031-07-04
Also published as: JP2013016646A

Description

本発明は、研磨パッド、研磨装置、研磨方法に関する。

この種の技術として、特許文献１は、Chemical Mechanical Polishing（CMP）法による半導体ウェーハの研磨装置に用いられる２層研磨パッドを開示している。この２層研磨パッドは、プラテンの表面に貼設されており、軟質材料から成る軟質パッドと、軟質パッドに対して硬い硬質材料から成る硬質パッドとから構成されている。この文献１では、この２層研磨パッドを導入することで、半導体ウェーハの中央部から外周部へ圧力が徐々に低下するような圧力分布が実現されている。

また、特許文献２は、表面硬度を規定したCMP用研磨パッドを開示している。

特開２０００−７７３７０特開平１１−９０８０９号公報

しかしながら、特許文献１の２層研磨パッドでは、半導体ウェーハの外周部の研磨量が中央部の研磨量よりも大きくなってしまう場合があった。

特許文献２は、上記の問題について一切触れていない。

本願発明の目的は、研磨パッドを使用してＣＭＰ法の研磨を実施するに際し、研磨対象物の外周部の研磨量を抑える技術を提供することにある。

本願発明の第１の観点によれば、Chemical Mechanical Polishing（CMP）法においてリテーナリングの内周側に配置される研磨対象物を研磨するための研磨パッドであって、研磨面を有する硬質層と、前記硬質層を挟んで前記研磨対象物と反対側に配置され、前記硬質層よりも軟質である軟質層と、を有し、前記研磨面に異なる荷重を作用させた際の前記研磨面の窪み量の差分が８６マイクロメートル以下である、研磨パッドが提供される。以上の構成によれば、前記研磨パッドを使用してＣＭＰ法の研磨を実施するに際し、前記研磨対象物の外周部の研磨量を抑えることができる。
本願発明の第２の観点によれば、リテーナリングと、Chemical Mechanical Polishing（CMP）法において前記リテーナリングの内周側に配置される研磨対象物を研磨するための研磨パッドであって、研磨面を有する硬質層と、前記硬質層を挟んで前記研磨対象物と反対側に配置され、前記硬質層よりも軟質である軟質層と、を有し、前記研磨面に異なる荷重を作用させた際の前記研磨面の窪み量の差分が８６マイクロメートル以下である研磨パッドと、を少なくとも含む、研磨装置が提供される。
本願発明の第３の観点によれば、Chemical Mechanical Polishing（CMP）法によって研磨対象物を研磨する研磨方法であって、研磨面を有する硬質層と、前記硬質層を挟んで前記研磨対象物と反対側に配置され、前記硬質層よりも軟質である軟質層と、を有し、前記研磨面に異なる荷重を作用させた際の前記研磨面の窪み量の差分が８６マイクロメートル以下である研磨パッドを用い、リテーナリングの内周側に配置される前記研磨対象物を研磨する、研磨方法が提供される。
好ましくは、前記研磨パッドの温度上昇に応じて、前記研磨対象物の回転数を調整する。

本願発明によれば、前記研磨パッドを使用してＣＭＰ法の研磨を実施するに際し、前記研磨対象物の外周部の研磨量を抑えることができる。

図１は、研磨装置の概略図である。図２は、研磨部の拡大図である。図３は、図２のA部拡大図である。図４は、比較例であって、図２のA部拡大図である。図５は、特定窪み量差分値の測定方法を示す図である。図６は、研磨量の分布グラフである。図７は、プラテン温度の時間遷移グラフである。図８は、研磨量の分布グラフである。図９は、研磨量の分布グラフである。

（研磨装置１）
図１に示すように、研磨装置１は、ヘッド２と、プラテン３と、制御部４と、モータドライバ５と、ヘッド駆動モータ６と、プラテン駆動モータ７と、によって構成されている。

ヘッド２は、研磨対象物としての半導体ウェハ８を吸着保持する。ヘッド２の外周部には、円環状のリテーナリング９が配置されている。半導体ウェハ８は、リテーナリング９の内周側に配置される。

プラテン３のヘッド２側の表面には、研磨パッド１０が取り付けられている。研磨パッド１０は、ヘッド２に吸着保持されている半導体ウェハ８を研磨するためのものである。

制御部４は、モータドライバ５を介してヘッド駆動モータ６とプラテン駆動モータ７を駆動する。ヘッド駆動モータ６は、ヘッド２を回転させる。プラテン駆動モータ７はプラテン３を回転させる。

プラテン３には、プラテン３の温度を測定するための熱電対１１が搭載されている。熱電対１１は、プラテン３の温度を測定することで、研磨パッド１０の温度を間接的に測定する。熱電対１１の出力電圧は制御部４に入力される。

次に、図２を参照しつつ、研磨パッド１０について詳細に説明する。本実施形態において研磨パッド１０は、所謂２層研磨パッドである。即ち、研磨パッド１０は、研磨面１０ａを有する硬質層１２と、硬質層１２を挟んで半導体ウェハ８と反対側に配置され、硬質層１２よりも軟質である軟質層１３と、によって構成されている。硬質層１２は、例えばポリウレタン系樹脂材料によって形成されている。軟質層１３は、例えばポリウレタンフォームによって形成されている。そして、硬質層１２と軟質層１３は図示しない接着層によって相互に接着されている。軟質層１３を挟んで硬質層１２と反対側には離型紙１４が設けられている。軟質層１３と離型紙１４は図示しない接着層によって相互に接着されている。

以上の構成で、図１に示すプラテン３とヘッド２は所望の回転数で回転駆動される。その際、プラテン３上には適宜に研磨剤としてのスラリーが供給される。その上で、ヘッド２とプラテン３の間に適量のスラリーが流入されることで、ヘッド２に取り付けられた半導体ウェハ８はプラテン３によって研磨されることになる。このとき、リテーナリング９は、研磨パッド１０に対して押圧されることで、研磨パッド１０のうちリテーナリング９内に位置する部分の高い平坦度を一時的に確保している。このリテーナリング９により、半導体ウェハ８の外周部だけが過研磨されてしまうのを抑制している。

しかしながら、上記のリテーナリング９を使用したとしても、半導体ウェハ８の外周部が過研磨されてしまう場合がある。この問題を、図３と図４を参照して以下に説明する。

図３に示すように、リテーナリング９を研磨パッド１０に対して押圧すると、研磨パッド１０はリテーナリング９の近傍で窪むように変形して、研磨面１０ａに窪み部Pを形成する。そして、この窪み部Pの存在により、半導体ウェハ８の外周部と研磨面１０ａとの間には、若干の隙間ｇが形成されることになる。研磨の際は、この隙間ｇに多くのスラリーが流入する。一方で、スラリーの流入量と研磨レート（研磨が進行する度合い）は正の相関関係にある。従って、上記隙間ｇの存在により、半導体ウェハ８の外周部は若干過研磨されてしまうことになる。ただ、半導体ウェハ８の外周から５ｍｍ程度の範囲はチップとして取り出すことはないので、図３に示す程度の範囲での過研磨であればさほど問題になることはない。

ここで、本願発明者の鋭意研究によれば、図３における窪み部Pの深さについて言えば、研磨パッド１０の硬質層１２はさほど支配的ではなく、むしろ、研磨パッド１０の軟質層１３が強く支配的であることが判明している。即ち、窪み部Pの深さについては、研磨パッド１０の硬質層１２の硬度等を測定したとしても管理できるものではないということである。

一方で、図４では、研磨パッド１０の全体が図３のものと比較して更に軟質であるもので研磨を実施した様子を示している。即ち、研磨パッド１０が全体として硬質であるか軟質であるかによって、隙間ｇの形成される程度に大きな違いが生まれている。そして、図４に示すように隙間ｇが大きく形成されていると、隙間ｇに流入するスラリーの量も必然的に多くなる。そして、前述したようにスラリーの流入量と研磨量との間には正の相関関係があることから、結果として、研磨パッド１０が全体として軟質であると、半導体ウェハ８の外周部が大きく過研磨されてしまう、と言及することができる。

そこで、本願発明者は、研磨パッド１０の全体としての硬さの程度を定量的に評価すべく、図５に示す特定窪み量差分値測定試験を実施した。特定窪み量差分値測定試験は、JIS L-1096に準拠している。具体的には、本試験では、接触底面１５ａを有する截頭円錐形状のオモリ１５を、接触底面１５ａを下向きにして研磨パッド１０の硬質層１２上に静かに載せる。そして、１分後、オモリ１５が研磨パッド１０上に載っている状態で、オモリ１５がどれくらい研磨パッド１０内に沈んでいるかを例えばレーザー変位計などを用いて測定する。即ち、変形前の研磨パッド１０の研磨面１０ａを基準として接触底面１５ａが沈んだ量としての特定窪み量Tを測定する。特定窪み量Tを測定するに際しては、２つのオモリ１５を使用する。１つは、質量ｗ１が６４１［ｇ／ｃｍ^２］であるオモリ１５であり、１つは、質量ｗ２が５１６１［ｇ／ｃｍ^２］であるオモリ１５である。そしてこれら２つのオモリ１５を使用して特定窪み量Tを２回測定したら、これら２つの特定窪み量Tの差分値である特定窪み量差分値ΔT「μｍ］を算出する。即ち、下記式（１）である。
ΔT［μｍ］＝｜T１―T2｜・・・（１）
ただし、特定窪み量T1［μｍ］は、質量ｗ１のオモリ１５を使用した際の特定窪み量Tであり、特定窪み量T２［μｍ］は、質量ｗ２のオモリ１５を使用した際の特定窪み量Tである。また、特定窪み量差分値ΔT「μｍ］としては、異なる２つの測定位置における測定結果の平均値を採用するものとする。

図６は、特定窪み量差分値ΔTが異なる複数の研磨パッド１０を用いて研磨試験を行い、研磨後の研磨量分布をグラフにしたものである。縦軸は研磨量［ｎｍ］、横軸は半導体ウェハ８の中心からの距離［ｍｍ］である。研磨条件は以下の通りである。
・研磨時間：２４０［ｓｅｃ］
・ウェーハ種別：DXA（D:ダミー、X：極性がない、A：最低グレード）ウェーハ
・半導体ウェハ８の被研磨面には研磨試験に先立って予め１８００ｎｍのプラズマCVD膜が積層されている。
・ヘッド２の回転数：９０［ｒｐｍ］
・プラテン３の回転数：９０［ｒｐｍ］
・半導体ウェハ８の直径：２００［ｍｍ］

図６において、黒丸のプロットは特定窪み量差分値ΔT＝８１［μｍ］である。黒菱形のプロットは特定窪み量差分値ΔT＝８６［μｍ］である。白四角のプロットは特定窪み量差分値ΔT＝９３［μｍ］である。白三角のプロットは特定窪み量差分値ΔT＝８４［μｍ］である。

図６のグラフによれば、特定窪み量差分値ΔTが８６［μｍ］以下である研磨パッド１０を用いれば、半導体ウェハ８の外周部における研磨量を（中心部と比較して）抑えることができることが判る。詳しく言えば、図６のグラフによれば、特定窪み量差分値ΔTが８６［μｍ］以下である研磨パッド１０を用いれば、半導体ウェハ８の外周縁から５ｍｍ内側の位置における研磨量が、半導体ウェハ８の中央部の研磨量よりも小さくなっていることが判る。

なお、図６により、特定窪み量差分値ΔTを小さくすればするほど、半導体ウェハ８の外周部における研磨量を一層抑えられることが判るが、別の観点で、即ち、研磨パッド１０と半導体ウェハ８との馴染み易さを確保するために、特定窪み量差分値ΔTは５５［μｍ］以上であることが望ましい。

以上に、本実施形態の研磨パッド１０を説明したが、研磨パッド１０は、要するに、以下の特長を有している。

即ち、Chemical Mechanical Polishing（CMP）法においてリテーナリング９の内周側に配置される半導体ウェハ８（研磨対象物）を研磨するための研磨パッド１０は、研磨パッド１０の研磨面１０ａを有する硬質層１２と、硬質層１２を挟んで半導体ウェハ８と反対側に配置され、硬質層１２よりも軟質である軟質層１３と、を有する。研磨面１０ａに異なる荷重を作用させた際の研磨面１０ａの窪み量の差分である特定窪み量差分値ΔTが８６［μｍ］以下である。以上の研磨パッド１０を用いれば、図３及び図４、図６に示すように、研磨パッド１０を使用してＣＭＰ法の研磨を実施するに際し、半導体ウェハ８の外周部の研磨量を抑えることができる。

（ヘッド２の回転数について）
次に、ヘッド２の回転数について説明する。図７には、ヘッド２の回転数を４５［ｒｐｍ］にした場合と、９０［ｒｐｍ］にした場合の、研磨時間とプラテン温度（即ち、研磨パッド１０の温度）との関係をグラフで示している。縦軸は図１に示すようにプラテン３の外周縁から２０［ｍｍ］内周側の位置におけるプラテン３の温度である。具体的には、プラテン３の温度［℃］とは、研磨パッド１０に対して接触するプラテン３の表面近傍の温度を意味する。「研磨パッド１０に対して接触するプラテン３の表面近傍の温度」は、研磨パッド１０の温度と同一視しうる。プラテン３の温度は熱電対１１によって測定する。横軸は研磨時間［ｓｅｃ］である。図７によれば、ヘッド２の回転数を上げるとプラテン３の温度が高くなることが判る。また、プラテン３の温度が高くなると研磨パッド１０の温度も高くなる。研磨パッド１０の温度が高くなると研磨パッド１０は軟化する傾向にある。なぜなら、研磨パッド１０は一般に樹脂系材料で形成されているからである。そして、研磨パッド１０が軟化すると、図６によれば、半導体ウェハ８の外周部の研磨量が大きくなってしまう。

以上の考察は、図８に示した研磨試験の結果によって裏付けられている。図８は、プラテン３の回転数を変えて研磨試験を行い、研磨後の研磨量分布をグラフにしたものである。縦軸は研磨量［ｎｍ］、横軸は半導体ウェハ８の中心からの距離［ｍｍ］である。研磨条件は以下の通りである。
・研磨時間：２４０［ｓｅｃ］
・ウェーハ種別：DXAウェーハ
・半導体ウェハ８の被研磨面には研磨試験に先立って予め１８００ｎｍのプラズマCVD膜が積層されている。
・ヘッド２の回転数：９０［ｒｐｍ］
・プラテン３の回転数：４５［ｒｐｍ］又は９０［ｒｐｍ］
・半導体ウェハ８の直径：２００［ｍｍ］

図８によれば、プラテン３の回転数を９０［ｒｐｍ］のような極めて高い回転数にすると、半導体ウェハ８の外周部における研磨量が飛躍的に増大してしまうことが判る。これは、プラテン３の回転数が高すぎたため、研磨パッド１０が著しく加熱され、もって、研磨パッド１０が過度に軟化してしまったからだと考えられる。従って、図８によれば、半導体ウェハ８の外周部における研磨量を抑えるには、プラテン３の回転数を高くし過ぎないことが肝要であることが判る。更に言えば、好ましくは、図１に示すように、研磨中にプラテン３の温度を測定し、プラテン３の温度が所定値を上回ったらプラテン３の回転数を２割落とす、などといったように、プラテン３の温度を監視しつつプラテン３の温度上昇に応じてプラテン３の回転数を調整することが好ましい。

また、図８によれば、プラテン３の回転数と、研磨量のバラツキ幅と、には正の相関関係があることが判る。即ち、プラテン３の回転数を９０［ｒｐｍ］とすると、半導体ウェハ８の研磨量の最大値と最小値との差（＝バラツキ幅）は、１５０［ｎｍ］となったのに対し、プラテン３の回転数を４５［ｒｐｍ］とすると、半導体ウェハ８の研磨量の最大値と最小値との差は、１００［ｎｍ］程度に収まった。このことから、プラテン３の回転数を抑えると、半導体ウェハ８の研磨量のバラツキ幅が抑えられ、もって、安定した研磨が実現することができよう。

最後に、以上に開示した、半導体ウェハ８の外周部の研磨量を抑える技術の有益性について付言する。

図９は、SOI（Silicon On Insulator）ウェーハと通常のDXAウェーハを用いて研磨試験を行い、研磨後の研磨量分布をグラフにしたものである。縦軸は研磨量［ｎｍ］、横軸は半導体ウェハ８の中心からの距離［ｍｍ］である。研磨条件は以下の通りである。
・研磨時間：２４０［ｓｅｃ］
・半導体ウェハ８の被研磨面には研磨試験に先立って予め１８００ｎｍのプラズマCVD膜が積層されている。
・ヘッド２の回転数：９０［ｒｐｍ］
・プラテン３の回転数：９０［ｒｐｍ］
・半導体ウェハ８の直径：２００［ｍｍ］

SOIウェーハは、通常のDXAウェーハと異なり、外周部を斜めに削り落とす機械的研磨であるテラス研磨がCMP研磨に先立って施されるのが一般的である。既に説明したように、半導体ウェハ８の外周部の研磨量の要因は図３や図４に示した隙間ｇであるところ、図９から判るように、SOIウェーハは、通常のDXAウェーハよりも、外周部の研磨量が著しい。従って、特定窪み量差分値ΔTを規定した上述の技術は、特に、テラス研磨が施されるウェーハ（特に、SOIウェーハ）において有益であると言及することができる。

１研磨装置
２ヘッド
３プラテン
１０研磨パッド
ΔT 特定窪み量差分値

Claims

Chemical Mechanical Polishing（CMP）法においてリテーナリングの内周側に配置される研磨対象物を研磨するための研磨パッドであって、
研磨面を有する硬質層と、
前記硬質層を挟んで前記研磨対象物と反対側に配置され、前記硬質層よりも軟質である軟質層と、
を有し、
特定窪み量差分値ΔTは５５〜８６マイクロメートルである、
研磨パッド。
ただし、特定窪み量差分値ΔTは、以下のようにして求める。即ち、接触底面を有する截頭円錐形状のオモリを、前記接触底面を下向きにして前記研磨パッドの前記硬質層上に静かに載せる。次に、１分後、前記オモリが前記研磨パッド上に載っている状態で、前記オモリがどれくらい前記研磨パッド内に沈んでいるかを測定する。即ち、変形前の前記研磨パッドの研磨面を基準として前記接触底面が沈んだ量としての特定窪み量Tを測定する。前記特定窪み量Tを測定するに際しては、２つのオモリを使用する。１つは、荷重W1が６４１［ｇ／ｃｍ２］であり、１つは、荷重W２が５１６１［ｇ／ｃｍ２］である。前記２つのオモリを使用して前記特定窪み量Tを２回測定したら、これら２つの前記特定窪み量Tの差分値である前記特定窪み量差分値ΔT「μｍ］を算出する。即ち、下記式（１）である。
ΔT［μｍ］＝｜T１―T2｜・・・（１）
ただし、特定窪み量T1［μｍ］は、荷重ｗ１の前記オモリを使用した際の前記特定窪み量Tであり、特定窪み量T２［μｍ］は、荷重ｗ２の前記オモリを使用した際の前記特定窪み量Tである。また、前記特定窪み量差分値ΔT「μｍ］としては、異なる２つの測定位置における測定結果の平均値を採用するものとする。
リテーナリングと、
Chemical Mechanical Polishing（CMP）法において前記リテーナリングの内周側に配置される研磨対象物を研磨するための研磨パッドであって、研磨面を有する硬質層と、前記硬質層を挟んで前記研磨対象物と反対側に配置され、前記硬質層よりも軟質である軟質層と、を有し、特定窪み量差分値ΔTが５５〜８６マイクロメートルである研磨パッドと、
を少なくとも含む、
研磨装置。
ただし、特定窪み量差分値ΔTは、以下のようにして求める。即ち、接触底面を有する截頭円錐形状のオモリを、前記接触底面を下向きにして前記研磨パッドの前記硬質層上に静かに載せる。次に、１分後、前記オモリが前記研磨パッド上に載っている状態で、前記オモリがどれくらい前記研磨パッド内に沈んでいるかを測定する。即ち、変形前の前記研磨パッドの研磨面を基準として前記接触底面が沈んだ量としての特定窪み量Tを測定する。前記特定窪み量Tを測定するに際しては、２つのオモリを使用する。１つは、荷重W1が６４１［ｇ／ｃｍ２］であり、１つは、荷重W２が５１６１［ｇ／ｃｍ２］である。前記２つのオモリを使用して前記特定窪み量Tを２回測定したら、これら２つの前記特定窪み量Tの差分値である前記特定窪み量差分値ΔT「μｍ］を算出する。即ち、下記式（１）である。
ΔT［μｍ］＝｜T１―T2｜・・・（１）
ただし、特定窪み量T1［μｍ］は、荷重ｗ１の前記オモリを使用した際の前記特定窪み量Tであり、特定窪み量T２［μｍ］は、荷重ｗ２の前記オモリを使用した際の前記特定窪み量Tである。また、前記特定窪み量差分値ΔT「μｍ］としては、異なる２つの測定位置における測定結果の平均値を採用するものとする。
Chemical Mechanical Polishing（CMP）法によって研磨対象物を研磨する研磨方法であって、
研磨面を有する硬質層と、前記硬質層を挟んで前記研磨対象物と反対側に配置され、前記硬質層よりも軟質である軟質層と、を有し、前記研磨面に異なる荷重を作用させた際の前記研磨面の窪み量の差分が８６マイクロメートル以下である特定窪み量差分値ΔTが５５〜８６マイクロメートルである研磨パッドを用い、
リテーナリングの内周側に配置される前記研磨対象物を研磨する、
研磨方法。
ただし、特定窪み量差分値ΔTは、以下のようにして求める。即ち、接触底面を有する截頭円錐形状のオモリを、前記接触底面を下向きにして前記研磨パッドの前記硬質層上に静かに載せる。次に、１分後、前記オモリが前記研磨パッド上に載っている状態で、前記オモリがどれくらい前記研磨パッド内に沈んでいるかを測定する。即ち、変形前の前記研磨パッドの研磨面を基準として前記接触底面が沈んだ量としての特定窪み量Tを測定する。前記特定窪み量Tを測定するに際しては、２つのオモリを使用する。１つは、荷重W1が６４１［ｇ／ｃｍ２］であり、１つは、荷重W２が５１６１［ｇ／ｃｍ２］である。前記２つのオモリを使用して前記特定窪み量Tを２回測定したら、これら２つの前記特定窪み量Tの差分値である前記特定窪み量差分値ΔT「μｍ］を算出する。即ち、下記式（１）である。
ΔT［μｍ］＝｜T１―T2｜・・・（１）
ただし、特定窪み量T1［μｍ］は、荷重ｗ１の前記オモリを使用した際の前記特定窪み量Tであり、特定窪み量T２［μｍ］は、荷重ｗ２の前記オモリを使用した際の前記特定窪み量Tである。また、前記特定窪み量差分値ΔT「μｍ］としては、異なる２つの測定位置における測定結果の平均値を採用するものとする。