(57)【要約】連続気泡フォーム構造を有する固定研磨平坦化パッドを用いた、半導体装置製造時に半導体基板上に形成される酸化物又は金属のような材料層の化学機械的平坦化のための材料及び方法を提供する。固体研磨平坦化パッドからは、コンディショニングによって遊離研磨粒子が生成され、遊離研磨粒子はキャリヤ液体と混合して、平坦化パッドの研磨面上でその場で（ｉｎ  ｓｉｔｕ）スラリーを形成する。このスラリーは、半導体基板と平坦化パッドの相対運動と組合さって、半導体基板の表面から材料層を除去するのに役立つ。材料層の組成に応じて、半導体基板からの材料除去速度を、キャリヤ液体のｐＨ又は酸化剤含量の操作によって制御できる。
2006518940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の相互連絡気泡を規定する熱硬化性ポリマーマトリックスの連続気泡構造及びポリマーマトリックス全体に分散された研磨粒子を有する研磨パッドの研磨面にキャリヤ液体を適用し；
前記基板主面と前記研磨面とを接触させるのに役立つ力を適用しながら、前記基板主面に概ね平行な平面において前記基板と前記研磨パッドとを相対運動させ、；
前記研磨面をコンディショニングし、それによってポリマーマトリックスから遊離研磨粒子を放出させ；そして
前記基板主面を前記遊離研磨粒子で研磨して、前記基板主面から材料の一部を除去する
ことを含んでなる基板の主面からの材料除去方法。
【請求項２】
前記遊離粒子が研磨粒子、複合研磨粒子／ポリマー複合粒子及びポリマー粒子から選ばれた少なくとも２つの型の粒子を含む請求項１に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項３】
前記遊離研磨粒子がキャリヤ液体と混合して平坦化スラリーを形成する請求項１に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項４】
前記平坦化スラリーが研磨粒子、複合研磨粒子／ポリマー複合粒子及びポリマー粒子から選ばれた少なくとも２つの型の粒子を含む請求項３に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項５】
キャリヤ液体の適用；基板と研磨パッドとの相対運動；研磨面のコンディショニング；及び基板主面の研磨を実質的に同時に実施する請求項１に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項６】
研磨面のコンディショニングを実質的に連続的に実施する請求項５に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項７】
研磨を実質的に停止させることを更に含む請求項１に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項８】
研磨の実質的停止が、基板と研磨パッドとの相対運動の停止；研磨パッドとの接触からの基板の除去；研磨面のコンディショニングの停止；キャリヤ液体のｐＨの調整；及びキャリヤ液体の酸化剤濃度の低減からからなる群から選ばれた１つ又はそれ以上の操作をさらに含む請求項７に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項９】
前記気泡が２５０μｍ未満の平均気泡径を有する請求項１に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項１０】
前記研磨粒子が約２μｍ未満の平均粒径を有する請求項９に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項１１】
前記研磨粒子がアルミナ、セリア、シリカ、チタニア及びジルコニアからなる群から選ばれる１種又はそれ以上の粒子材料である請求項１０に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項１２】
前記研磨粒子がポリマーマトリックスの約２０重量％〜約７０重量％を占める請求項１０に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項１３】
前記研磨粒子が１μｍ以下の平均粒径を有する請求項１１に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項１４】
研磨面のコンディショニングが、
研磨面に隣接して、コンディショニング要素のコンディショニング面を配置し；且つ
前記コンディショニング面と前記研磨面とを接触させるのに役立つ力を適用しながら、前記研磨面に概ね平行な平面において前記コンディショニング要素と前記研磨パッドとを相対運動させる
ことを更に含む請求項１に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項１５】
研磨面のコンディショニングが研磨される各基板に対して研磨面から約０．０１〜約０．５μｍのポリマーマトリックスを除去することを更に含む請求項１４に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項１６】
前記ポリマーマトリックスが約０．５〜約１．５ｇ／ｃｍ3の密度を有し；約３０〜約９０のショアーＡ硬度を有し；５ｐｓｉにおけるリバウンド％が約３０〜約９０であり；且つ５ｐｓｉにおける圧縮率％が約１〜１０である請求項１２に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項１７】
前記ポリマーマトリックスが、約０．７〜約１．５ｇ／ｃｍ3の密度を有し；約７０〜約８５のショアーＡ硬度を有し；５ｐｓｉにおけるリバウンド％が約５０〜約８０であり；且つ５ｐｓｉにおける圧縮率％が約２〜６である請求項１６に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項１８】
前記ポリマーマトリックスが約０．９〜約１．５ｇ／ｃｍ3の密度を有し；約７５〜約８５のＳｈｏｒｅ  Ａ硬度を有し；５ｐｓｉにおけるリバウンド％が約５０〜約７５であり；且つ５ｐｓｉにおける圧縮率％が約２〜４である請求項１７に記載の基板主面からの材料除去方法。
【請求項１９】
多数の相互連絡気泡を規定する熱硬化性ポリマーマトリックスの連続気泡構造及びポリマーマトリックス全体に分散された研磨粒子を有する研磨パッドの研磨面に、約５〜約８のｐＨを有するキャリヤ液体を適用し；
酸化物層と前記研磨面とを接触させるのに役立つ力を適用しながら、前記酸化物層と概ね平行な平面において、前記基板と前記研磨パッドとを相対運動させ；
前記研磨面をコンディショニングし、それによってポリマーマトリックスから研磨粒子を放出させて、遊離研磨粒子を形成し；
前記キャリヤ液体と前記遊離研磨粒子とを混合して、平坦化スラリーを形成し；そして
前記酸化物を前記平坦化スラリーで研磨して、前記基板から酸化物の一部を除去する
ことを含んでなる半導体基板の主面からの酸化物の除去方法。
【請求項２０】
前記研磨粒子がセリアを含み且つ１．５μｍ未満の平均粒径を有する請求項１９に記載の半導体主面からの酸化物除去方法。
【請求項２１】
前記研磨粒子の実質的に全てがセリアであり且つ約１μｍ未満の平均粒径を有する請求項２０に記載の半導体主面からの酸化物除去方法。
【請求項２２】
前記研磨粒子が０．６μｍ未満の平均粒径を有する請求項２１に記載の半導体主面からの酸化物除去方法。
【請求項２３】
第１の速度で半導体主面から窒化物を除去し、第１の速度の少なくとも４倍の速さの第２の速度で半導体主面から酸化物を除去する、請求項１９に記載の半導体主面からの酸化物除去方法。
【請求項２４】
第２の速度が第１の速度の少なくとも６倍の速さである請求項２３に記載の半導体主面からの酸化物除去方法。
【請求項２５】
キャリヤ液体のｐＨを低下させることによって研磨を遅延させ、それによって半導体主面からの酸化物除去速度を少なくとも約７０％減少させることを更に含む請求項１９に記載の半導体主面からの酸化物除去方法。
【請求項２６】
キャリヤ液体のｐＨを４又はそれ以下に低下させ、且つ主面からの酸化物除去速度を少なくとも約８５％減少させる請求項２５に記載の半導体主面からの酸化物除去方法。
【請求項２７】
キャリヤ液体のｐＨを増加させることによって研磨を遅延させ、それによって半導体主面からの酸化物除去速度を少なくとも約５０％減少させることを更に含む請求項１９に記載の半導体主面からの酸化物除去方法。
【請求項２８】
キャリヤ液体のｐＨを１０又はそれ以上に増加させ、且つ主面からの酸化物除去速度を少なくとも約７５％減少させる請求項２７に記載の半導体主面からの酸化物除去方法。
【請求項２９】
多数の相互連絡気泡を規定する熱硬化性ポリマーマトリックスの連続気泡構造及びポリマーマトリックス全体に分散された研磨粒子を有する研磨パッドの研磨面に、酸化剤濃度を有するキャリヤ液体を適用し；
金属層と前記研磨面とを接触させるのに役立つ力を適用しながら、酸化物層に概ね平行な平面において前記基板と前記研磨パッドとを相対運動させ；
前記研磨面をコンディショニングし、それによってポリマーマトリックスから遊離研磨粒子を放出させ；
前記キャリヤ液体と前記遊離研磨粒子とを混合して、平坦化スラリーを形成し；そして
前記金属を前記平坦化スラリーで研磨して、前記基板から金属の一部を除去する
ことを含んでなる半導体基板の主面からの金属の除去方法。
【請求項３０】
前記キャリヤ液体中の酸化剤濃度が約１〜約１０重量％である請求項２９に記載の半導体主面からの金属除去方法。
【請求項３１】
前記酸化剤が過酸化水素を含む請求項３０に記載の半導体主面からの酸化物除去方法。
【請求項３２】
前記研磨粒子がセリアを含み且つ２μｍ未満の平均粒径を有する請求項３１に記載の半導体主面からの金属除去方法。
【請求項３３】
第１の速度で半導体主面からバリア層を除去し、第１の速度の少なくとも４倍の速さの第２の速度で半導体主面から金属を除去する請求項２９に記載の半導体主面からの金属除去方法。
【請求項３４】
第２の速度が第１の速度の少なくとも６倍の速さである請求項３３に記載の半導体主面からの金属除去方法。
【請求項３５】
キャリヤ液体中の酸化剤濃度を低下させることによって研磨を遅延させ、それによって半導体主面からの金属除去速度を少なくとも約７０％減少させることを更に含む請求項２９に記載の半導体主面からの金属除去方法。
【請求項３６】
キャリヤ液体の酸化剤濃度を０．２５重量％未満に低下させ且つ半導体主面からの金属除去速度を少なくとも約８５％低下させる請求項３５に記載の半導体主面からの金属除去方法。
【請求項３７】
前記金属が銅を含み、且つ前記バリア層が窒化タンタル（ＴａＮ）及び窒化チタン（ＴｉＮ）からなる群から選ばれた材料を含む請求項３３に記載の半導体主面からの金属除去方法。
【請求項３８】
前記酸化剤が約２〜約５重量％の過酸化水素を含む請求項３７に記載の半導体主面からの金属除去方法。
【請求項３９】
前記キャリヤ液体が酸、塩基、キレート化剤及び界面活性剤からなる群から選ばれる少なくとも１種の成分を含む請求項３８に記載の半導体主面からの金属除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に半導体基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）の平坦化のための材料及び方法に関し、更に詳しくは平坦化パッドへの使用に適した固定（ｆｉｘｅｄ）研磨材及びそのようなパッドを用いて半導体基板表面からのプロセス材料（ｐｒｏｃｅｓｓ  ｍａｔｅｒｉａｌ）層を除去する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超大規模集積（ＵＬＳＩ）半導体装置、例えばダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）及びシンクロナス・ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリー（ＳＤＲＡＭ）は、望ましい電子機能性を生じるように設計された特定のパターンで層内及び層間において相互連絡された導電性、半導電性及び絶縁性材料の多層からなる。これらの材料は、材料のマスキング及びエッチングを含むリソグラフィ技術を用いて、装置の各層上で選択的にパターン形成される。特に、装置構造のサイズは減少し続け且つ回路の複雑さは増加し続けているので、これは非常に精密な方法である。下側（ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ）層の表面に存在する高低差、ピッチ及び反射能の変動並びに他の欠陥は、他のプロセス層の形成及び／又は次のリソグラフィプロセスにおいて形成されるフォトレジストパターンを正確に位置付け且つ必要な大きさにする能力を損なうおそれがある。
【０００３】
製造プロセスにおいて層の平坦性を増加させるために種々の方法が開発された。このような方法としては、堆積酸化物を用いたリフロー法、スピンオングラス（ＳＯＧ）法、エッチバック法及び化学機械的平坦化（ＣＭＰ）法（化学機械的研磨とも称する）が挙げられる。ＣＭＰ法は、酸化物、窒化物、ケイ化物及び金属を含む種々の材料を半導体基板の表面から除去するために開発された。本明細書中で使用する用語「平坦化（ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）」及び「研磨（ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）」は、方法の同じ一般的カテゴリーに関する、互いに包括的な用語とする。
【０００４】
種々の異なる機械コンフィギュレーションが、種々のＣＭＰ法の実施のために開発された。ＣＭＰ加工に使用される機械は、ウェブ供給又は固着パッドのカテゴリーに大別することができる。しかし、いずれのカテゴリーにおいても、基本的プロセスは、主に機械的作用を用いて又は化学的及び機械的作用の組合せによって半導体基板表面から材料を除去するために、平坦化パッドと平坦化液体との組合せを用いる。
【０００５】
そしてまた、平坦化パッドは、固定研磨材（ＦＡ）又は非研磨材（ＮＡ）のカテゴリーに大まかに分類することができる。固定研磨パッドにおいては、研磨粒子がパッドの平坦化表面の少なくとも一部を形成する材料中に分散されるのに対し、非研磨パッド組成は研磨粒子を含まない。固定研磨パッドは既に研磨粒子を含んでいるので、典型的には、追加の研磨粒子を添加しない「クリーンな」平坦化液体と共に使用される。しかし、非研磨パッドの場合には、平坦化プロセスに使用される研磨粒子の実質的に全てが、平坦化液体の一成分として、典型的にはパッドの平坦化表面に適用されるスラリーとして取り入れられる。「クリーンな」液体及び研磨性平坦化液体はいずれも、半導体基板からの目標とする材料層の除去に望ましい液性を得るために且つ／又は欠陥率低下のための減摩のために、例えば酸化剤、界面活性剤、粘度調整剤、酸及び／塩基のような他の化学成分を含むこともできる。
【０００６】
ＣＭＰ法は典型的に、ウェーハ表面から１種又はそれ以上の材料を除去し且つ実質的に平坦なウェーハ表面を生成するために、平坦化スラリー又は平坦化液体及び平坦化パッドの作用によって提供される化学的反応と機械的研磨とを併用する。非研磨パッドと併用される、特に酸化物層除去のための平坦化スラリーは一般に、シリカ研磨粒子を含む、ＫＯＨのような水酸化物の塩基性水溶液を含む。平坦化スラリー、特に銅のような金属層の除去のための平坦化スラリーは一般に、過酸化水素のような１種又はそれ以上の酸化剤の水溶液を含み、対応する金属酸化物を形成し、それはその後に基板表面から除去する。
【０００７】
このような方法に使用される平坦化パッドは、典型的には、平坦化スラリーを施すことができる比較的順応性のある表面を提供する、ウレタン樹脂のような多孔質又は繊維材料を含む。上を覆う材料層の充分な除去を示す一貫して測定可能な終点に対応して平坦化を停止させ、典型的には、それに続いて、材料層の厚さのばらつきを相殺する簡単な「オーバーエッチ」又は「オーバーポリッシュ」がなされるようにプロセスを自動化することによって、ＣＭＰ法の一貫性を著しく改善することができる。
【０００８】
ウェーハ表面を平坦化するための粒子の粒径及び濃度は、得られる表面仕上げ及びＣＭＰ法の生産性に直接影響を与えるおそれがある。例えば、研磨粒子濃度が低すぎるか又は研磨粒子の粒径が小さすぎる場合には、材料の除去速度は一般に遅くなり、また、プロセス処理能力が低下する。逆に、研磨粒子濃度が高すぎたり、研磨粒子が大きすぎたり、又は研磨粒子が凝集し始める場合には、ウェーハ表面は損傷を受けるおそれが高く、ＣＭＰ法はより変動しやすくなるおそれがあり、そして／又は材料の除去速度が低下し、その結果、処理量が低下し、収率が低下し、又は装置信頼性が低下し、且つ／又はスクラップが増加するおそれがある。
【０００９】
ＣＭＰ法は、性能が経時的にかなり変動する場合があり、この変動がさらにウェーハの処理を複雑にし、プロセス処理量を低下させる。多くの場合、性能の変動は、ＣＭＰ法自体の結果としての平坦化パッドの特性の変化のせいである可能性がある。このような変化は、粒子が凝集し且つ／又はパッド表面中にとどまるか又はパッド表面上で硬化することによって起こり得る。このような変化はまた、パッドの摩耗、艶出（ｇｌａｚｉｎｇ）又は変形の結果又は単純にパッド材料の経時的劣化の結果である可能性がある。
【００１０】
典型的な平坦化方法において、平坦化装置は、半導体基板上の１つ又はそれ上のパターン上に形成された材料層の非平坦表面を、平坦化パッドの平坦化表面と接触させる。平坦化プロセスにおいて、平坦化パッドの表面は典型的には、所望の平坦化表面を形成するために、研磨スラリー及び／又は平坦化液体で連続的に湿潤される。次いで、基板及び／又はパッドの平坦化表面が接触させられ、相互に動かされ、それによって、平坦化表面が材料層の上部を除去し始める。この相対運動（ｒｅｌａｔｉｖｅ  ｍｏｖｅｍｅｎｔ）は簡単であっても複雑であってもよく、基板表面の全域で材料層を概ね均一に除去するための、平坦化パッド及び／又は基板による、１種又はそれ以上の側方運動、自転運動、旋転運動又は軌道運動を含むことができる。
【００１１】
本明細書中で使用する「側方運動」は、単一方向の運動であり、「自転運動」は、回転物体の中心点を通る軸を中心とする回転運動であり、「旋転運動」は、非心軸を中心とする回転物体の回転運動であり、「軌道運動」は、振動と組合さった自転又は旋転運動である。前述のように、基板と平坦化パッドとの相対運動は異なる型の運動を組み込むことができるが、平坦化基板表面を得るためには、運動は典型的には、基板表面に実質的に平行な平面に限定されなければならない。
【００１２】
固定研磨パッドの型は、半導体ウェーハ処理の業界において知られており、例えば、特許文献１，２及び３に開示されている。これらの型の固定研磨パッドは典型的には、ＣＭＰ法への使用前のプレコンディショニング並びに平坦化能力を維持するために平坦化表面上の凹凸数を適当にする定期的プレコンディショニング及び使用時の現場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）表面コンディショニングを必要とする。
【００１３】
ＣＭＰ加工の主目的は、平坦化基板の全表面にわたって高さが均一である材料層又は材料層の部分を有する、欠陥のない平坦化基板表面を形成することである。ＣＭＰ法の処理量の最大化及びウェーハ１枚当たりのコストの削減のような他の目的は、時として、実現し得る最良の平坦化表面の製造とは相容れない場合がある。平坦化表面の均一性及びプロセス処理量は、平坦化液体、平坦化パッド、機械のメインテナンス及び一連の他の運転パラメーターを含むＣＭＰ法全体の有効性及び再現性に直接関連する。除去すべき１層若しくはそれ以上の材料層の組成及び／又は使用している平坦化パッドの組成に若干特異的な、種々の平坦化スラリー及び液体が開発された。用途に合わせて製造される、これらのスラリー及び液体は、個々のＣＭＰ法に適した材料除去速度及び選択性を提供するものである。
【００１４】
ＣＭＰのメリットは、単一の半導体基板上に露出した種々の材料層の化学的材料除去速度と機械的材料除去速度の間に存在し得る又は生じ得る不均衡のような、このような組合せ法に付きもののばらつきによって若干相殺されるおそれがある。さらに、典型的なＣＭＰ法に使用される研磨粒子及び他の薬品はいずれも比較的高価である可能性があり、また、再使用及び循環使用には一般的に適さない。この問題は、パッド全体にわたって移動する際にウェーハ表面のどの点でも充分な材料が利用できることを確実にするために平坦化パッド表面に過剰の材料を供給する必要性によって複雑化される。従って、使用前の材料の購入及び貯蔵に関連するコストを削減し且つ更なる廃棄材料の廃棄に関連する問題及び経費を低減するために、ＣＭＰ法に使用される研磨材及び他の薬品の量を減少させるのが望ましい。
【００１５】
ＣＭＰ法のばらつきを減少させ且つＣＭＰ法の質を高める多くの取り組みは、これまでも開示されている。例えば、特許文献４は、内面というよりむしろ平坦化パッド全体にわたって動く回転ウェーハの端から生じるばらつきを相殺することを目的とする非円形の平坦化パッドを開示している。特許文献５は、ウェーハ表面全体にわたる幅広及び狭小構造物をより均一に研磨することを目的とする、平坦化表面を提供するためのテクスチャード加工された平坦化表面を有する平坦化パッドを開示している。特許文献６は、過度の平坦化、又は下にあるより硬質の部品の間からの材料の「ディッシング（ｄｉｓｈｉｎｇ）」を低減するために、平坦化表面の反対側に硬質層を有し且つ硬質層に隣接して弾性層を有する複合平坦化パッドを開示している。
【００１６】
ウェーハのむらのある平坦化を最小限に留めるための、先行技術の他の取り組みは、過度の平坦化を制御するために、「ストップ」層として作用する追加の材料層をウェーハ表面上に形成することに向けられた。特許文献７、８及び９は、いずれも、下にある回路構造を保護するために、ＣＭＰ法に対する抵抗性が増大された追加材料層を除去中の層の下に設ける。しかし、これらの追加材料層はいずれも、半導体製造プロセスの流れを複雑にし、Ｄａｗｓｏｎらによって認識されるように、「ディッシング」の問題を完全には克服しない。
【００１７】
平坦化パッドの組成及び構造に関する、より最近の取り組みは、特許文献１０（デュアルマテリアル平坦化パッド）、特許文献１１（特定の性質を有するマトリックス材料を含む固定研磨パッド）、特許文献１２（多相セルフドレッシング平坦化パッド）、特許文献１３（架橋ポリマー結合剤中に粒状ポリマーを有する平坦化パッド）、特許文献１４（独立気泡エラストマーフォームの平坦化パッド）、特許文献１５（研磨突起及び親水性凹部を有する平坦化パッド）、特許文献１６（微粒状物質を含むエラストマー組成物）及び特許文献１７（ポリエステル及びポリエーテルポリウレタンの両者から製造された平坦化パッド）に開示されている。
【００１８】
前記参考文献は、いずれも、引用することによって全体を本発明の開示に引用する。
【００１９】
【特許文献１】米国特許第５，６９２，９５０号（Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄら）
【特許文献２】米国特許第５，６２４，３０３号（Ｒｏｂｉｎｓｏｎ）
【特許文献３】米国特許第５，３３５，４５３号（Ｂａｌｄｙら）
【特許文献４】米国特許第５，４２１，７６９号（Ｓｃｈｕｌｔｚら）
【特許文献５】米国特許第５，４４１，５９８号（Ｙｕら）
【特許文献６】米国特許第５，２８７，６６３号（Ｐｉｅｒｃｅら）
【特許文献７】米国特許第５，３５６，５１３号（Ｂｕｒｋｅら）
【特許文献８】米国特許第５，５１０，６５２号（Ｂｕｒｋｅら）
【特許文献９】米国特許第５，５１６，７２９号（Ｄａｗｓｏｎら）
【特許文献１０】米国特許第６，４２５，８１５Ｂ１号（Ｗａｌｋｅｒら）
【特許文献１１】米国特許第６，０６９，０８０号（Ｊａｍｅｓら）
【特許文献１２】米国特許第６，４５４，６３４  Ｂ１号（Ｊａｍｅｓら）
【特許文献１３】ＷＯ  ０２／２２３０９  Ａ１（Ｓｗｉｓｈｅｒら）
【特許文献１４】米国特許第６，３６８，２００  Ｂ１号（Ｍｅｒｃｈａｎｔら）
【特許文献１５】米国特許第６，３６４，７４９  Ｂ１号（Ｗａｌｋｅｒら）
【特許文献１６】米国特許第６，０９９，９５４号（Ｕｒｂａｎａｖａｇｅら）
【特許文献１７】米国特許第６，０９５，９０２号（Ｒｅｉｎｈａｒｄｔら）
【発明の開示】
【００２０】
本発明は、半導体装置の製造に有用な材料及び方法、更に詳しくは半導体基板上に堆積又は形成された1層又はそれ以上の層を平坦化するための材料及び方法であって、
複数の相互連絡気泡を規定する熱硬化性ポリマーマトリックスの連続気泡構造及びポリマーマトリックス全体に分散された研磨粒子を有する研磨パッドの研磨面にキャリヤ液体を適用し；
基板主面と前記研磨面とを接触させるのに役立つ力を適用しながら、前記基板主面に概ね平行な平面において前記基板と前記研磨パッドとを相対運動させ；
前記研磨面をコンディショニングし、それによってポリマーマトリックスから研磨粒子を放出させて、遊離研磨粒子を形成し；そして
前記基板主面を前記遊離研磨粒子で研磨して、前記基板主面から材料の一部を除去する
ことを含んでなる、材料と方法を提供する。
【００２１】
好ましくは、研磨パッドは、研磨粒子約５〜８５重量％を含み且つ乾燥嵩密度が約３５０〜１２００ｋｇ／ｍ3（約２１．８〜７５  ｌｂｓ／ｆｔ3）である連続気泡フォーム構造を有する固定研磨材を含む。
【００２２】
本発明の方法は、平坦化プロセスの制御能の改善、生成される平坦化表面の均一性の向上、コストの低減及び処理量の増大のうち１つ又はそれ以上の改良を含む、公知の方法を上回るメリットを与えることが判明した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃは、本発明の代表的実施態様に係る連続処理段階における、凸状パターン、前記パターン上に形成された材料層及び平坦化基板を示す半導体基板の横断面図であり；
図２Ａ及び２Ｂは、本発明の代表的実施態様に従って平坦化パッドを用いて基板を平坦化するのに使用できる平坦化装置の平面図及び側面図であり；
図３Ａは、本発明の代表的実施態様に係る固定研磨材組成物にほぼ相当する横断面図であり；
図３Ｂは、パッド表面のコンディショニングがなされなかった、本発明の代表的に実施態様に係る平坦化パッドの一部にほぼ相当する横断面図であり、図３Ｃは、パッド表面がコンディショニングされた、本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドの一部にほぼ相当する横断面図であり；
図４Ａ及び４Ｂは、本発明の代表的実施態様に従って製造された固定研磨材のＳＥＭ顕微鏡写真であり；
図４Ｃは、本発明の代表的実施態様に関する、測定された細孔径分布を示すグラフであり；
図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃは、種々のｐＨを有するキャリヤ液体で湿潤された、本発明の代表的実施態様に係る固定研磨パッドのコンディショニングからの廃液の粒度分布を示すグラフであり；
図６Ａ及び６Ｂは、従来のＣＭＰ法と本発明の代表的実施態様に係るＣＭＰ法とを比較する横断面図であり；
図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ及び７Ｄは、本発明の代表的実施態様に従って固定研磨パッドのコンディショニングによって製造された粒子組成物の並びを示すＳＥＭ顕微鏡写真であり；
図８は、本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドを用いた種々の材料に関する摩擦係数の評価を示すグラフであり；
図９は、異なる平坦化パッドコンディショニング法を用いた二酸化珪素ウェーハ上の摩擦係数への影響を示すグラフであり；
図１０は、本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッド及び方法を用いた、種々のｒｐｍにおける二酸化珪素層に関する除去速度を示すグラフであり；
図１１は、現場で（ｉｎ  ｓｉｔｕ）コンディショニングを行った及び行わない、本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドを用いた二酸化珪素層に関する除去速度を示すグラフであり；
図１２は、本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドを用いたＰＥＴＥＯＳ層に関する除去速度を示すグラフであり；
図１３は、本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドを用いた、種々の線幅を有するウェーハからのＰＥＴＥＯＳ層の除去速度を示すグラフであり；
図１４は、種々のｐＨのキャリヤ液体を用い、本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドを用いたＰＥＴＥＯＳ層の除去速度を示すグラフであり；
図１５は、種々のｐＨのキャリヤ液体を用い、本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドを用いた、種々の線幅を有するウェーハからのＰＥＴＥＯＳ層の除去速度を示すグラフであり；
図１６は、２段平坦化プロセスを用い、本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドを用いたパターン化ウェーハからのＰＥＴＥＯＳ層の平坦化を示す１組のグラフであり；
図１７は、本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドを用いた二酸化珪素及び窒化珪素層に関する相対的除去速度を示すグラフである。
【００２４】
前記図のグラフ及び説明図は、本発明の代表的実施態様を説明するために、このような実施態様の方法及び材料の一般的特徴を示すものであることに留意されたい。これらのグラフ及び説明図は、示された実施態様の特徴を完全には示しているとは限らず、実施態様の値及び特性の範囲を本発明の範囲内に必ずしも充分には規定も限定もしない。
【００２５】
以下に記載し、また、添付図面に示すのは、本発明に係る代表的実施態様の一部である。これらの代表的実施態様は、当業者が本発明を実施できるように充分に詳細に記載してあるが、添付した「特許請求の範囲」の範囲を必要以上に限定するものと解してはならない。実際には、当業者には、他の実施態様を使用できること及び記載された本発明の精神及び範囲から逸脱しなければ、方法の又は機械的な変更が可能であることがわかるであろう。
【００２６】
本発明は、半導体装置の製造に有用な方法を提供する。本明細書中で述べるように、このような装置は、任意のウェーハ、基板又は導電性、半導電性及び絶縁性材料を含む1層又はそれ以上の層を含んでなる他の構造を含む。用語「ウェーハ」及び「基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」は、本明細書中において最も広い意味で用い、金属−酸化物−シリコン（ＭＯＳ）、シャロートレンチ分離（ＳＴＩ）、シリコン・オン・サファイヤ（ＳＯＳ）、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、ドープされた及びドープされていない半導体、エピタキシャルシリコン、ＩＩＩ−Ｖ半導体組成物、ポリシリコン並びにそれらの製造の任意の段階の他の半導体構造のような、任意のベース半導体構造を含む。（本明細書中で使用する用語「含む」及びその変形は、非限定的であるものとし、従って、リスト中の項目の列挙は、本発明の材料、組成物、装置及び方法において有用であることもできる他の同様な、対応する又は同等な項目を除外しない。）
図１Ａは、第１層１０とパターン化された第２層１２を有する典型的な基板１を示す。典型的な半導体加工において、第１層１０は、単結晶シリコンのウェーハ若しくは他のベース半導体層、第２のパターン化層１２を他の層から隔てる絶縁層、又は前記加工工程の間に形成される複数の層の組合せを含むことができる。図１Ｂに示される通り、次に、実際には１種又はそれ以上の材料の複数の層を含むことができる材料層１４が、典型的にパターン化層１２上に形成又は堆積され、ウェーハ上に非平坦表面を生成する。
【００２７】
残すことができるのであれば、この平坦性の欠如は、続いて行われる加工工程において、致命的ではないとしても重大なプロセスの問題を提起するであろう。その結果、必ずしも全てではないが、ほとんどの半導体製造方法は、ウェーハに更なる加工を行う前に実質的に平坦な表面を形成するために、１つ又はそれ以上の平坦化プロセス、例えばスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）、エッチバック（又はブランケットエッチ）又は化学機械的平坦化（ＣＭＰ）を含む。典型的なＣＭＰ法は、パターン化層１２の孔に堆積された材料層１４の部分１４Ａを残しながら、パターン化層１２上に位置する材料層１４の一部を除去して、図１Ｃに示すような、実質的により平坦な表面を形成する。プロセスによっては、平坦化プロセスの間じゅう、下側にあるパターンを保護するために、よりＣＭＰ抵抗性の材料を含むストップ層をパターン化層１２の上面に組み込むことができる。第１層１０、第２層１２及び材料層１４の実際の組成及び構造は、半導体装置製造時に組み立てられる半導体、絶縁体又は導体材料の任意の組合せを含むことができる。
【００２８】
図２Ａ及び図２Ｂに示するように、固定研磨材平坦化パッドと共に使用するための典型的なＣＭＰ装置は、平坦化パッド１８を支持する少なくとも１つのプラテン１６、ウェーハ２２を支持し且つウェーハの主面を平坦化パッド１８の主面に隣接して配置するウェーハキャリヤ２０並びに平坦化パッドの主面をコンディショニングするためのコンディショニング装置２４及びパッドの主面にキャリヤ液体を適用するためのキャリヤ液体供給ライン２６を含む。プラテン１６及びウェーハキャリヤ２０は、ウェーハ２２と平坦化パッド１８を互いに逆方向に動かすのに役立つ力を適用しながら、平坦化パッド１８の主面とウェーハ２２の主面とを相対運動をさせるように作られる。
【００２９】
研磨パッド：
本発明の方法は、固定研磨材を含む研磨パッドの使用を含む。このような固定研磨材は、多数の相互連絡気泡を規定する熱硬化性ポリマーマトリックスの連続気泡構造と前記ポリマーマトリックス全体に分散された研磨粒子を含む。本発明において有用な固定研磨材は好ましくは、ポリウレタン、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、ポリアクリレートポリオール及びポリスチレン／ポリアクリレートラテックスのような１種又はそれ以上の組成物の水性分散液又は乳濁液を含むポリマー組成物から製造される。このポリマー組成物はまた、重合触媒、連鎖延長剤、例えばアミン及びジオール、イソシアネート、脂肪族及び芳香族界面活性剤及び粘度調整剤を含む１種又はそれ以上の添加剤を含むことができる。（本明細書中で使用する用語「好ましい」及び「好ましくは」は、一定の条件下で一定の利益を与える本発明の実施態様のことを言う。更に、１つ又はそれ以上の好ましい実施態様の列挙は、他の実施態様が有用ではないことを示さず、また、本発明の範囲から他の実施態様を排除するものではない。）
【００３０】
固定研磨材の製造に有用なポリウレタン分散液の代表的実施態様は、水、研磨粒子及びポリウレタン（並びに／又はポリウレタンを形成できる混合物）を含む。ポリウレタン分散液は一般に、起泡助剤の役割をすることができる界面活性剤、湿潤剤及び／又は気泡安定剤並びに粘度調整剤のような１種又はそれ以上の添加剤を含む。ポリウレタン形成材料は、例えば分散された後にある程度の時間、ある程度の小さなイソシアネート反応性を持ち続けるポリウレタンプレポリマーを含むことができるが、本明細書中で言及するように、ポリウレタンプレポリマー分散液はすでに実質的に完全に反応して、ポリウレタンポリマー分散液を形成しているであろう。また、用語「ポリウレタンプレポリマー」及び「ポリウレタンポリマー」は、例えば尿素基のような他の型の構造を含むことができる。
【００３１】
ポリウレタンプレポリマーは、活性水素化合物をイソシアネートと、典型的には化学量論的に過剰な量のイソシアネートと反応させることによって製造できる。ポリウレタンプレポリマーは、約０．２〜２０％の量のイソシアネート官能価を示すことができ、約１００〜約１０，０００の範囲の分子量を有することができ、分散条件下では典型的に実質的に液体状態である。
【００３２】
プレポリマー配合物は典型的に、ポリオール成分、例えば少なくとも２個のヒドロキシル又はアミン基を有する活性水素含有化合物を含む。代表的なポリオールは一般に知られており、Ｈｉｇｈ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，Ｖｏｌ．ＸＶＩ，”Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｓ，Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”，Ｓａｕｎｄｅｒｓ  ａｎｄ  Ｆｒｉｓｃｈ，Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，Ｖｏｌ．Ｉ，ｐｐ．３２−４２，４４−５４（１９６２）及びＶｏｌ．ＩＩ，ｐｐ．５−６，１９８−１９９（１９６４）；Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｋ．Ｊ．Ｓａｕｎｄｅｒｓ，Ｃｈａｐｍａｎ  ａｎｄ  Ｈａｌｌ，Ｌｏｎｄｏｎ，ｐｐ．３２３−３２５（１９７３）；並びにＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ  ｉｎ  Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｓ，Ｖｏｌ．Ｉ，Ｊ．Ｍ．Ｂｕｒｓｔ編，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，ｐｐ．１−７６（１９７８）のような出版物に記載されている。プレポリマー配合物中に使用できる活性水素含有化合物はまた、（ａ）ポリヒドロキシアルカンのアルキレンオキシド付加物；（ｂ）非還元糖及び糖誘導体のアルキレンオキシド付加物；（ｃ）燐及びポリ燐酸のアルキレンオキシド付加物；並びに（ｄ）ポリフェノールのアルキレンオキシド付加物を単独で又は混合物として含む。この型のポリオールは本明細書中では一般に、「ベースポリオール」と称する場合がある。
【００３３】
有用な、ポリヒドロキシアルカンのアルキレンオキシド付加物の例としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、１，３−ジヒドロキシプロパン、１，４−ジヒドロキシブタン、及び１，６−ジヒドロキシヘキサン、グリセロール、１，２，４−トリヒドロキシブタン、１，２，６−ジヒドロキシヘキサン、１，１，１−トリメチロールエタン、１，１，１−トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ポリカプロラクトン、キシリトール、アラビトール、ソルビトール、マンニトールの付加物が挙げられる。他の有用な、ポリヒドロキシアルカンのアルキレンオキシド付加物としては、ジヒドロキシ−及びトリヒドロキシアルカンのプロピレンオキシド付加物及びエチレンオキシドキャップドプロピレンオキシド付加物が挙げられる。更に他の有用なアルキレンオキシド付加物としては、エチレンジアミン、グリセリン、ピペラジン、水、アンモニア、１，２，３，４−テトラヒドロキシブタン、フルクトース、スクロースの付加物が挙げられる。また、ポリ（オキシプロピレン）グリコール、トリオール、テトロール及びヘキソール並びにエチレンオキシドでキャップされたこれらの化合物全て、例えばポリ（オキシプロピレンオキシエチレン）ポリオールも有用である。存在する場合には、オキシエチレン含量は、総ポリオールの約４０〜約８０重量％をなすことができる。エチレンオキシドは、使用する場合には、形はどうあれポリマー鎖に沿って、例えば内部ブロック、末端ブロックとして、ランダム分布ブロック又はそれらの任意の組合せとして取り込まれることができる。
【００３４】
ポリエステルポリオールもまた、ポリウレタン分散液の製造に使用できる。ポリエステルポリオールは一般に、芳香族又は脂肪族であることができる反復エステル単位及び末端第一又は第二ヒドロキシル基の存在を特徴とするが、少なくとも２つの活性水素基を末端とする多くのポリエステルを使用できる。例えばポリ（エチレンテレフタレート）によるグリコール類のエステル交換の反応生成物を使用して、ポリウレタン分散液を製造できる。ポリウレタン分散液の製造に有用な他の成分としては、アクリル基又はアミン基を有するポリオール類、アクリレートプレポリマー、アクリレート分散液及びハイブリッドプレポリマーが挙げられる。
【００３５】
好ましくは、ポリウレタン又はポリウレタンプレポリマーの製造に使用する活性水素化合物の少なくとも５０重量％は、分子量が約６００〜２０，０００、より好ましくは約１，０００〜１０，０００、最も好ましくは約３，０００〜８，０００であって、また、ヒドロキシル官能価が少なくとも２．２、好ましくは約２．２〜５．０、より好ましくは約２．５〜３．８、最も好ましくは約２．６〜３．５である１種又はそれ以上のポリエーテルポリオールである。本明細書中で使用する「ヒドロキシル官能価」は、ポリオール製造時に官能価に影響を及ぼす可能性がある任意の公知の副反応の調整後における全てのポリオール開始剤の平均計算官能価と定義する。
【００３６】
ポリウレタン又はポリウレタンプレポリマー配合物のポリイソシアネート成分は、１種又はそれ以上の有機ポリイソシアネート、改質ポリイソシアネート、イソシアネートを基材とするプレポリマー又はそれらの混合物を含むことができる。ポリイソシアネートは、脂肪族及び脂環式イソシアネートを含むことができるが、芳香族、特に多官能価芳香族イソシアネート、例えば２，４−及び２，６−トルエンジイソシアネート及び対応する異性体混合物；４，４’−、２，４’−及び２，２’−ジフェニル−メタンジイソシアネート（ＭＤＩ）及び対応する異性体混合物；４，４’−、２，４’−及び２，２’−ジフェニルメタンジイソシアネートとポリフェニルポリメチレンポリイソシアネート（ＰＭＤＩ）との混合物；並びにＰＭＤＩとトルエンジイソシアネートとの混合物が好ましい。最も好ましくは、本発明のプレポリマー配合物の製造に使用するポリイソシアネートは、ＭＤＩ、ＰＭＤＩ又はそれらの混合物である。
【００３７】
ポリウレタンプレポリマーは、連鎖延長剤又は架橋剤を含むことができる。連鎖延長剤は、連鎖延長剤とポリウレタンプレポリマー中のイソシアネート官能基との反応によってポリウレタンプレポリマーの分子量を増加させる、即ち、ポリウレタンプレポリマーを「連鎖延長する」のに用いる。適当な連鎖延長剤及び架橋剤は典型的に、分子当たり２個又はそれ以上の活性水素基を有する、低当量の活性水素含有化合物を含む。連鎖延長剤は、典型的には、少なくとも２個の活性水素基を含み、架橋剤は典型的に、少なくとも３個の活性水素基、例えばヒドロキシル、メルカプチル又はアミノ基を含む。アミン連鎖延長剤は、ブロックされ、カプセル化され、又は他の方法で反応性が低下されることができる。他の材料、特に水もまた、鎖長を延長させることができ、従って、それらもまた、ポリウレタンプレポリマー配合物中において連鎖剤として使用できる。
【００３８】
連鎖延長剤及び／又は架橋剤として好ましいのは、ポリアミン、特にアミンを末端とするポリエーテル、例えばＨｕｎｔｓｍａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ製のＪＥＦＦＡＭＩＮＥ  Ｄ−４００、アミノエチルピペラジン、２−メチルピペラジン、１，５−ジアミノ−３−メチル−ペンタン、イソホロンジアミン、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、アミノエチルエタノールアミン、トリエチレン、テトラアミン、トリエチレンペンタアミン、エタノールアミン、任意の立体異性体型のリジン及びその塩、ヘキサンジアミン、ヒドラジン並びにピペラジンである。連鎖延長剤は水溶液として使用でき、また、イソシアネート１当量が連鎖延長剤１当量と反応することに基づき、プレポリマー中に存在するイソシアネート官能価１００％までと反応するのに充分な量で存在できる。水は連鎖延長剤として働くと共に、存在するイソシアネート官能価の一部又は全てと反応することができる。連鎖延長剤とイソシアネートとの間の反応を促進するために触媒を含ませることもでき、３個又はそれ以上の活性水素基を有する連鎖延長剤は、同時に架橋剤としての役割を果たすこともできる。
【００３９】
本発明において使用するポリウレタン及びポリウレタンプレポリマーの製造に使用するのに適当な触媒は、例えば第三級アミン、有機金属化合物及びそれらの混合物を含む。例えば、適当な触媒としては、ジ−ｎ−ブチル錫ビス（メルカプト酢酸イソオクチルエステル）、ジメチル錫ジラウレート、ジブチル錫ジラウレート、ジブチル錫スルフィド、オクタン酸第一錫、オクタン酸鉛、アセチルアセトン酸第二鉄、カルボン酸ビスマス、トリエチレンジアミン、Ｎ−メチルモルホリン及びそれらの混合物が挙げられる。触媒の添加は、ポリウレタンプレポリマー分散液を不粘着状態まで硬化させるのに必要な時間を減少させることができ、ポリウレタンプレポリマー１００重量部当たり約０．０１〜約５重量部の量の触媒を使用できる。
【００４０】
分散液中で有用な界面活性剤としては、陽イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤又は非イオン界面活性剤が挙げられる。陰イオン界面活性剤としては、例えばスルホネート、カルボキシレート及びホスフェートが挙げられ、陽イオン界面活性剤としては第四級アミンが挙げられ、非イオン界面活性剤としては、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブチレンオキシド又はそれらの組合せを含むブロックコポリマー及びシリコーン界面活性剤が挙げられる。本発明において有用な界面活性剤は、外部界面活性剤、即ち、分散液の製造時にはポリマーと化学的に反応しない界面活性剤、例えばドデシルベンゼンスルホン酸及びラウリルスルホン酸の塩を含む。本発明において有用な界面活性剤はまた、分散液の製造時にポリマーと化学的に反応することができる内部界面活性剤、例えば、２，２−ジメチロールプロピオン酸（ＤＭＰＡ）及びその塩又は塩化アンモニウムで中和されたスルホン化ポリオールを含む。ポリウレタン分散液には、１種又はそれ以上の界面活性剤をポリウレタン成分１００重量部当たり約０．０１〜約２０重量部の範囲の量で含ませることができる。ポリウレタン分散液中の界面活性剤の選択及び使用については、米国特許第６，２７１，２７６号中で扱われており、この特許の内容の全てを、引用することによって本明細書中に組み入れるものとする。
【００４１】
平均粒径が約５ミクロン未満のポリウレタン分散液は一般に、保存安定性又は貯蔵安定性であると考えられるが、平均粒径が約５ミクロン超のポリウレタン分散液はそれほど安定性でない傾向がある。ポリウレタン分散液は、ポリウレタンプレポリマーと水との混合及びミキサーを用いた水中へのプレポリマーの分散によって製造できる。別法として、ポリウレタン分散液は、プレポリマー及び水を静的混合装置中に供給し、そして水及びプレポリマーを静的混合装置中で分散させることよって製造できる。ポリウレタンの水性分散液を製造するための連続方法もまた、公知であり、例えば米国特許第４，８５７，５６５号；第４，７４２，０９５号；第４，８７９，３２２号；第３，４３７，６２４号；第５，０３７，８６４号；第５，２２１，７１０号；第４，２３７，２６４号；第４，０９２，２８６号及び第５，５３９，０２１号に開示されており、これらの特許の内容は全て、引用することによって本明細書中に組み入れるものとする。
【００４２】
研磨パッドの形成に有用なポリウレタン分散液は一般に、ポリウレタン成分；研磨粒子；並びに耐摩耗性、引張特性、引裂特性、伸び（ＴＴＥ）、圧縮永久歪、フォーム回復、湿潤強度、靭性及び密着性のような所望のフォーム特性を保持しながら、起泡を制御し且つ及び得られるフォーム（発泡体）を安定化して３５０ｋｇ／ｍ3〜１２００ｋｇ／ｍ3の密度を有する硬化フォームを生成する１種又はそれ以上の界面活性剤を含む。当業者にはわかることであるが、これらの種々の特性のうちいくつかは相関しているので、１つの特性を調整すると、１つ又はそれ以上の他の特性の値に影響が及ぶ傾向にある。しかし、当業者は、本発明の開示に導かれて、種々の目的に適当な値の組み合わせを有する一連の組成物を生成できる。硬化フォームは約３５０ｋｇ／ｍ3〜１２００ｋｇ／ｍ3の密度を有することができるが、好ましいフォームは約６００〜１１００ｋｇ／ｍ3の密度を有し、より好ましいフォームは約７００〜１０００ｋｇ／ｍ3の密度を有し、最も好ましいフォームは約７５０〜９５０ｋｇ／ｍ3の密度を有するであろう。
【００４３】
前述の通り、界面活性剤は、ポリウレタン分散液の製造に有用であることができ、また、ポリウレタン分散液からの泡の製造においても有用であることができる。泡の製造に有用な界面活性剤を本明細書中では起泡性界面活性剤と称する。これらは典型的には、起泡プロセスに使用される起泡剤、典型的には気体、通常は空気をポリウレタン分散液全体により均一且つ効率的に分散させることによって作用する。起泡性界面活性剤は、種々の陰イオン、陽イオン及び両性イオン界面活性剤から選ぶことができ、好ましくは、硬化後には泡立たないフォーム（発泡体）を生じる。一般に使用される陰イオン界面活性剤、ラウリル硫酸ナトリウムは、例えばそれほど好ましくはないが、これは、硬化後に最終フォーム生成物中で若干の泡立ちを生じる傾向があるためである。
【００４４】
好ましい起泡性界面活性剤としては、一般式：
ＲＣＯ2-Ｘ+      （Ｉ）
［式中、Ｒは、Ｃ8〜Ｃ20直鎖又は分岐鎖アルキル（芳香族、脂環式、複素環式を含むことができる）を表し；Ｘは対イオン、一般にＮａ、Ｋ又はアミン、例えば、ＮＨ4+、モルホリン、エタノールアミン若しくはトリエタノールアミンである］
によって表されるカルボン酸が挙げられる。好ましくは、ＲはＣ10〜Ｃ18直鎖又は分岐鎖アルキル、より好ましくはＣ12〜Ｃ18直鎖又は分岐鎖アルキルを表す。界面活性剤は、多数の異なるＲ種（ｓｐｅｃｉｅｓ）、例えば、脂肪酸のＣ8〜Ｃ20アルキル塩の混合物を含むことができる。界面活性剤中の対イオンＸとしては、アミンが好ましく、ステアリン酸アンモニウムのようなアンモニウム塩がより好ましい。起泡性界面活性剤の量は、ポリウレタン分散液固形分に対する界面活性剤中の乾燥固形分に基づくことができる（１００部当たりの部）。一般に、ポリウレタン分散液１００部当たり約１〜２０部の乾燥起泡性界面活性剤を使用できるが、１〜１０部が好ましい。
【００４５】
界面活性剤はまた、ポリウレタンの泡を安定化させるのに有用であることができ、本明細書中では一般にこれを「安定化界面活性剤」と称する。安定化界面活性剤は、アルキルベンゼンスルホネート、スクシナメート及びスルホスクシナメートを含むスルフェート（ｓｕｌｆａｔｅｓ）のようなスルホン酸塩を基材とすることができる。好ましいスルフェートは、一般式：
Ｒ2ＯＯＣＣＨ2ＣＨ（ＳＯ3-Ｍ+）ＣＯＯＲ3    （ＩＩ）
［式中、Ｒ2及びＲ3は、それぞれ、Ｃ6〜Ｃ20直鎖又は分岐鎖アルキル（芳香族、脂環式を含むことができる）を表し、Ｍは対イオン、一般にはアンモニア又は周期表１Ａ族からの元素、例えばリチウム、カリウム若しくはナトリウムである］
によって表すことができるスルホコハク酸エステルである。好ましくは、Ｒ2及びＲ3は、それぞれ、異なるか又は同一のＣ8〜Ｃ20直鎖又は分岐鎖アルキル、より好ましくはＣ10〜Ｃ18直鎖又は分岐鎖アルキルを表す。界面活性剤は、多くの異なるＲ2及びＲ3種を含むことができ、アミンが好ましく、アンモニウム塩がより好ましい。オクタデシルスルホスクシネートの塩も好ましい。一般に、ポリウレタン分散液１００部当たり約０．０１〜２０部の乾燥安定化界面活性剤を使用できるが、約０．１〜１０部が好ましい。
【００４６】
１種又はそれ以上の前記陰イオン界面活性剤の他に、ポリウレタン分散液はまた、起泡性及び／又は泡の安定性を増加させるために両性イオン界面活性剤を含むことができる。適当な両性イオン界面活性剤としては、Ｎ−アルキルベタイン及びβ−アルキルプロピオン酸誘導体が挙げられる。Ｎ−アルキルベタインは、一般式：
Ｒ4Ｎ+（ＣＨ3）2ＣＨ2ＣＯＯ-Ｍ+    （ＩＩＩ）
Ｒ4Ｎ+Ｃｌ-Ｍ+    （ＩＶ）又は
Ｒ4Ｎ+Ｂｒ-Ｍ+    （Ｖ）
［式中、Ｒ4はＣ6〜Ｃ20直鎖又は分岐鎖アルキル（芳香族、脂環式を含むことができる）であり、Ｍは前述の通りである］
で表すことができる。ポリウレタン分散液には１種又はそれ以上の両性イオン界面活性剤を、ポリウレタン分散液１００部当たり乾燥両性界面活性剤約１０部以下、好ましくは約０．０５〜４部の割合で含ませることができる。
【００４７】
前に具体的に列挙した界面活性剤の他に、望ましい起泡性及びフォーム安定性を実現するために、ポリウレタン分散液中には他の界面活性剤を含ませることもできる。詳細には、追加の陰イオン、両性イオン又は非イオン界面活性剤を、前に列挙した界面活性剤と組合せて使用できる。
【００４８】
ポリウレタン分散液はまた、１種又はそれ以上の粒状の研磨材組成物を含む。このような研磨材組成物は、乾燥粉末又は水性スラリーであって、研磨材粒子約１〜８０重量％、より好ましくは約２０〜７０重量％を含む最終ポリウレタン分散液組成物を生成できる。研磨材粒子は、１種又はそれ以上の微細研磨材、典型的にはシリカ、セリア、アルミナ、ジルコニア及びチタニアからなる群から選ばれる１種又はそれ以上の無機酸化物を含むことができ、約１０ｎｍ〜１μｍ、好ましくは約６００ｎｍ未満の平均粒径を有する。
【００４９】
ポリウレタン分散液及び／又は研磨材はまた、ポリウレタン分散液全体にわたって研磨粒子の相溶性及び分散性を改良するために湿潤剤を含むことができる。湿潤剤は、ヘキサメタ燐酸ナトリウムのような燐酸塩を含むことができ、ポリウレタン分散液中に、ポリウレタン分散液１００部当たり３部以下の濃度で存在できる。
【００５０】
ポリウレタン分散液はまた、ポリウレタン分散液の粘度を調整するための粘度調整剤、特に増粘剤を含むことができる。このような粘度調整剤としては、ＡＣＵＳＯＬ  ８１０Ａ（Ｒｏｈｍ＆Ｈａａｓ  Ｃｏｍｐａｎｙの商品名）、ＡＬＣＯＧＵＭ（商標）ＶＥＰ−ＩＩ（Ａｌｃｏ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの商品名）及びＰＡＲＡＧＵＭ（商標）２４１（Ｐａｒａ−Ｃｈｅｍ  Ｓｏｕｔｈｅｒｎ，Ｉｎｃ．の商品名）が挙げられる。他の適当な増粘剤としては、セルロースエーテル、例えば、Ｍｅｔｈｏｃｅｌ（商標）製品（Ｔｈｅ  Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙの商品名）が挙げられる。粘度調整剤は、所望の粘度を達成するのに必要な量でポリウレタン分散液中に存在できるが、好ましくは１０重量％未満、より好ましくは５重量％未満で存在する。
【００５１】
得られるポリウレタン分散液は、約６０重量％以下の有機固形分、約６０重量％以下の無機固形分、例えば研磨粒子、約５００〜５０，０００ｃｐｓの粘度、約４〜１１のｐＨを有することができ、約２５重量％以下の界面活性剤を含むことができる。このポリウレタン分散液はまた典型的に、その安定性を改良するために、約１０ｎｍ〜５０μｍ、好ましくは約５μｍ未満の有機粒子平均粒径を有する。
【００５２】
ポリウレタン分散液からポリウレタンフォームを生成するためには、ポリウレタン分散液は典型的には、１種又はそれ以上の起泡剤、一般には例えば１種又はそれ以上の気体、例えば空気、二酸化炭素、酸素、窒素、アルゴン及びヘリウムの注入によって起泡させる。起泡剤は典型的には、起泡剤を加圧下でポリウレタン分散液中に注入することによってポリウレタン分散液中に取り入れることができる。次いで、メカニカルフローザーを用いてポリウレタン分散液に機械的剪断力を加えることよって、実質的に均一な泡を発生させる。起泡組成物の均一性を改良するために、起泡プロセスの前に過剰な量の気体を分散液中に取り込まない方法で、起泡剤を除いたポリウレタン分散液の全ての成分を混合するのが好ましい。機械的起泡は、ＯＡＫＥＳ、ＣＯＷＩＥ＆ＲＩＤＩＮＧ及びＦＩＲＥＳＴＯＮＥを含む製造業者から入手できるフローザーを含む種々の装置を用いて達成できる。
【００５３】
ポリウレタン分散液を発泡させたら、起泡組成物の層は、層を適用し且つ適用厚を調整するためのドクターナイフ若しくはロール、エアナイフ、又はドクターブレードのような適用装置を用いて適当な基体、例えばポリカーボネートシート又は他のポリマー材料に適用することができる。例えば米国特許第５，４６０，８７３号及び第５，９４８，５００号（これらの特許の内容を全て、引用することによって本明細書中に組み入れる）を参照されたい。裏打ち材料又は基体はまた、起泡されたポリウレタン分散液の適用前に約２５〜５０℃の温度に加熱することができる。
【００５４】
起泡されたポリウレタン分散液を基体に適用した後、泡を処理して、泡中に残っている水を実質的に全て除去し且つポリウレタン材料を硬化させて、気泡壁全体にほぼ均一に分散された微細研磨粒子を含む連続気泡構造を有する弾性ポリウレタンフォームを形成する。水は好ましくは、泡の加熱によってその少なくとも一部分を除去し、約５０〜２００℃の温度を達成できる赤外線オーブン、従来式オーブン、電子レンジ又は加熱板のような１種又はそれ以上のエネルギー源を使用できる。泡はまた、温度を段階的に又は連続的に徐々に上昇させることによって硬化させることができる。例えば、泡の層の硬化は、それぞれ約７０℃、１２５℃及び１５０℃の温度で各約３０分間の３つの工程での加熱を含むことができる。
【００５５】
起泡されたポリウレタン分散液は、基体の特性、所望の被覆重量及び所望の厚さに応じて、乾燥重量約１〜約１４．４ｋｇ／ｍ2（約３．３ｏｚ／ｆｔ2〜約４７．２ｏｚ／ｆｔ2）の範囲の一連の層厚さ及び重量を達成するように適用できる。例えば、厚さ約３〜６ｍｍのフォームに関しては、好ましい被覆重量は、乾燥重量で約２．１ｋｇ／ｍ2〜約５．７ｋｇ／ｍ2（約６．９ｏｚ／ｆｔ2〜約１８．７ｏｚ／ｆｔ2）である。厚さ約１２ｍｍのフォームに関しては、好ましい被覆重量は、乾燥重量で約９ｋｇ／ｍ2〜約１１．４ｋｇ／ｍ2（約２９．５ｏｚ／ｆｔ2〜約３７．４ｏｚ／ｆｔ2）である。
【００５６】
前記ポリウレタン分散液と組合せて、例えば、以下のような他の型の水性ポリマー分散液を使用することができる。スチレン−ブタジエン分散液；スチレン−ブタジエン−塩化ビニリデン分散液；スチレン−アクリル酸アルキル分散液；エチレンビニルアセテート分散液；ポリクロロプロピレンラテックス；ポリエチレンコポリマーラテックス；エチレンスチレンコポリマーラテックス；ポリ塩化ビニルラテックス；又はアクリル樹脂分散液、類似化合物、及びそれらの混合物。適当な水性ポリマー分散液の製造において有用な他の成分としては、アクリル基又はアミン基を有するポリオール、アクリレートプレポリマー、エポキシ、アクリル樹脂分散液、アクリレート分散液及びハイブリッドプレポリマーが挙げられる。
【００５７】
前記の起泡ポリウレタン分散液を硬化させることによって生成されるポリウレタンフォームは、典型的には、弾性連続気泡フォーム、即ちＡＳＴＭ  Ｄ３５７４に従って試験した場合に少なくとも５％のレジリエンスを示すフォームである。ポリウレタンフォームは好ましくは少なくとも約５％、より好ましくは少なくとも約１０％、最も好ましくは少なくとも約１５％であって８０％以下、好ましくは６０％以下、より好ましくは５０％以下のレジリエンスと、少なくとも約０．３５ｇ／ｃｍ3、好ましくは少なくとも約０．７ｇ／ｃｍ3、最も好ましくは少なくとも約０．７５ｇ／ｃｍ3であって１．２ｇ／ｃｍ3以下、好ましくは１．０ｇ／ｃｍ3以下、より好ましくは０．９５ｇ／ｃｍ3以下のフォーム密度を示す。
【００５８】
図３Ａに示すように、固定研磨材１９は、研磨粒子３０が実質的に均一に分布されたポリマー材料２８を含む。ポリマー材料は、小さい隣接気泡３２が互いにランダムに連絡して、固体研磨材表面から固定研磨材本体への及び固定研磨材本体を通る流体の流路を提供する連続気泡構造を有する。
【００５９】
図３Ｂに示すように、好ましい実施態様において、固定研磨材１９が、基体材料２１上に実質的に均一な層として施されて、固定研磨材平坦化パッド１８を形成する。好ましい方法において、材料はコンディショニングされて、固定研磨材１９の露出主面上にナノサイズの凹凸３３を形成する。固定研磨材１９の連続気泡構造は、液体及び微粒子を、固定研磨材中に及び固定研磨材を通して、更に支持体２１を通して流すことができる。基体材料２１は、多層及び／又は複合構造を有することができる。裏打ち又は基体材料２１及び固定研磨材１９の層はいずれも、方法又は装置によって異なる接続、液体流及び／又は視覚的若しくは物理的アクセスを提供するための種々の流路又は開口部（図示せず）を含むように調整することができる。図３Ａ〜３Ｃは、本発明に係る、固定研磨材及び固定研磨材を用いた平坦化パッド構造の簡易化された実施態様を示すことのみを目的とするので正確な縮尺率で描かれておらず、従って、本発明を限定するものと考えてはならない。
【００６０】
本発明に従って製造された固定研磨材を、ＳＥＭ下で検査して、図４Ａ及び４Ｂとして示した顕微鏡写真を作成した。図４Ａは、本発明に従って製造した固定研磨材の高連続性構造を示すように、比較的低い倍率で平坦化パッドを示す。図４Ｂは、気泡壁を形成するポリマー組成物の全体にわたって、気泡構造の詳細を明らかにすると共に研磨粒子（すなわち、最も明るい点）の均一分布を示すように、はるかに高倍率で固定研磨材の一部を示す。
【００６１】
ポリマーマトリックスは、密度が少なくとも約０．５ｇ／ｃｍ3、好ましくは少なくとも約０．７ｇ／ｃｍ3、より好ましくは少なくとも約０．９ｇ／ｃｍ3、最も好ましくは少なくとも約１．１ｇ／ｃｍ3であることができる。密度は好ましくは約１．５ｇ／ｃｍ3未満、より好ましくは約１．４ｇ／ｃｍ3未満、より好ましくは約１．３ｇ／ｃｍ3未満、最も好ましくは１．２５ｇ／ｃｍ3未満である。ポリマーマトリックスは、ショアー（Ｓｈｏｒｅ）Ａ硬度が少なくとも約３０、好ましくは少なくとも約７０、より好ましくは少なくとも約７５であって、好ましくは約９０以下、より好ましくは約８５以下であることができる。ポリマーマトリックスは、５ｐｓｉにおけるリバウンド％が少なくとも約３０、好ましくは少なくとも約５０であって約９０以下、好ましくは約８０以下、より好ましくは約７５以下であることができる。ポリマーマトリックスは、５ｐｓｉにおける圧縮率％が少なくとも約１％、好ましくは少なくとも約２％であって、約１０％以下、好ましくは約６％以下、より好ましくは約４％以下であることができる。ポリマーマトリックスは、気孔率（又は多孔度）（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）がゼロであることもできるし、ある程度の気孔率を有することもできる。気孔率が存在する場合には、マトリックスの総容積に基づき０％超、好ましくは少なくとも約５％超、好ましくは少なくとも約１０％、より好ましくは少なくとも約２０％であって、約６０％以下、好ましくは５０％以下、より好ましくは４０％以下であることができる。ポリマーマトリックスは気泡を含まない場合があるが、気孔率が存在する場合には、それは好ましくは少なくとも約５μｍ、好ましくは少なくとも約３０μｍであって、５００μｍ以下、好ましくは３００μ以下、より好ましくは２００μｍ以下の平均気泡径を有する。
【００６２】
本発明に係る固定研磨材から製造される平坦化パッドは、
多数の相互連絡気泡を規定する熱硬化性ポリマーマトリックスの連続気泡構造及びポリマーマトリックス全体に分散された研磨粒子を有する研磨パッドの研磨面にキャリヤ液体を適用し；
半導体基板の主面と前記研磨面とを接触させるのに役立つ力を適用しながら、半導体基板の主面に概ね平行な平面において前記基板と研磨パッドの研磨面とを相対運動させ；
前記研磨面をコンディショニングし、それによってポリマーマトリックスから研磨粒子を放出させて、遊離研磨粒子を形成し；そして
前記基板の主面を前記遊離研磨粒子で研磨して、前記基板主面から材料の一部を除去する
方法において、半導体基板の主面から１種又はそれ以上の材料を除去するのに使用することができる。
【００６３】
この方法の工程は連続して、即ち、１つ又はそれ以上の工程を実質的に同時に実施する連続法で実施できる。好ましい方法においては、キャリヤ液体を適用し、コンディショニングし且つ相対運動をさせる工程を同時に実施する。この方法は、当業界においてＣＭＰ法に常用される装置を含む種々の装置の任意のものを用いて実施できる。
【００６４】
本発明の方法は、研磨パッドの研磨面へのキャリヤ液体の適用を含んでなる。キャリヤ液体は、研磨パッドを湿潤させ且つそのコンディショニングを容易にすることができる任意の液体である。キャリヤ液体は溶液又は乳濁液であることができ、好ましくは水性である。キャリヤ液体又はキャリヤ乳濁液は、例えば湿潤剤、沈澱防止剤、ｐＨ緩衝剤、酸化剤、キレート化剤、酸化剤及び／又は研磨粒子を含むことができる。酸化物の除去に好ましいキャリヤ液体は、脱イオン（ＤＩ）水、及び液体のｐＨを約４〜約１０、好ましくは約５〜約８に調整するための酸又は塩基材料の適当な組合せ並びに１種又はそれ以上の他の成分を含む。逆に、銅（Ｃｕ）のような金属の除去に好ましいキャリヤ液体は、酸化剤溶液、例えば約５重量％過酸化水素を、キレート化剤及び１種又はそれ以上の界面活性剤と組合せて含むことができる。適当なキレート化剤としては、アミノカルボキシレート、例えばエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸（ＨＥＤＴＡ）、ニトリロ三酢酸（ＮＴＡ）、ジエチレントリアミン五酢酸（ＤＰＴＡ）、エタノールジグリシネート及びそれらの混合物が挙げられる。
【００６５】
研磨パッドの研磨面へのキャリヤ液体の適用は好ましくは、研磨面のコンディショニングと実質的に同時に実施する。キャリヤ液体は、パッドの研磨面全体に充分な量及び分布のキャリヤ液体を提供する任意の適当な手段を用いて適用できる。このような手段は、コンディショニング又は平坦化スラリーの適用のために当業界で知られ且つ用いられるのと同様な方法及び装置を含む。
【００６６】
常用の研磨パッドの研磨面は好ましくは、「ブレークイン（ｂｒｅａｋ−ｉｎ）」工程の間にコンディショニングし、ダミーのウェーハを用いて修正してから、研磨パッドを半導体装置の製造のために放出できる。常用の固定研磨材研磨パッドをブレークインするプロセスは、研磨パッドと研磨すべき基板との間の摩擦を増加させ、研磨パッドの表面粗さを増加させ、且つ研磨面上に形成された任意のフィルム又は堆積物を除去するのに役立つ。材料の除去速度がある目標値未満に低下する場合又は他の何らかの監視パラメーター、例えば表面温度が所望の範囲から外れる場合にも、コンディショニングを一般に定期的に使用して、複数の半導体ウェーハを研磨後の研磨面を再生させる。常用の研磨パッドのブレークイン及びプロセスイン・コンディショニングは、安定で充分に速い材料除去速度及び均一な研磨を提供する研磨面を生成することを目的とする。
【００６７】
前に詳述したようにしてポリマーマトリックス中に固定された研磨材を上塗りした研磨パッドは、ＣＭＰプロセス時に低速度で基板表面から材料を除去することができるが、材料除去速度は、好ましい実施態様において、研磨面の現場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）コンディショニングによって遊離研磨粒子を作ることによって増加させることができる。好ましい実施態様において、固定研磨材の連続気泡構造は、研磨前の、研磨パッドの製造のための通常の「ブレイクイン」コンディショニングの必要性を低減するか又は排除する。好ましくは、遊離研磨粒子は、研磨粒子、複合研磨粒子／ポリマー粒子の混合物及びコンディショニングプロセスによってポリマーマトリックスから分離されたポリマー粒子を含む。好ましい方法において、遊離研磨粒子は、キャリヤ液体と組合さって、平坦化面と協力する平坦化スラリーを形成して、半導体基板表面から目標材料層を除去する。
【００６８】
図６Ａに示すように、比較的大きい（即ち、ミクロン規模の）凹凸４２を有するようにように、常用の平坦化パッド、例えば、独立気泡フォーム層４０を有するものを形成及びコンディショニングした。この場合には、研磨粒子３８が堆積して、平坦化されている基板の表面を引っ掻くか又は他の方法で傷つける機会を増加させる場合があった。しかし、図６Ｂに示すように、本発明に係る平坦化パッドの組成物は、研磨粒子３６及びポリマー粒子３４の両者を放出し、また、基板表面を傷つける傾向のある研磨材が堆積する可能性を減少させる、はるかに小さいナノサイズの凹凸３３を作ることによって、欠陥を減少させると考えられる。図６Ｂに示すように、研磨粒子とポリマー粒子と組合せは協力して、本発明に係る固定研磨パッド及び平坦化法を用いて達成できる平坦度を向上させると考えられる。
【００６９】
また、好ましくは、遊離研磨粒子の大部分は、研磨粒子の粒径（一般には約０．５〜１．０μｍ又はそれ以下）と平坦化表面のコンディショニングによって放出される複合研磨材／ポリマー粒子の粒径（一般には約３０〜５０μｍ）の中間の粒径であろう。本明細書中で言及する「複合研磨粒子／ポリマー粒子」は、研磨粒子が結合された又は埋め込まれたポリマーマトリックスの小片を意味する。
【００７０】
図７Ａ〜７ＤのＳＥＭ顕微鏡写真に示されるように、本発明の代表的実施態様に従って固定研磨パッドから放出された粒子は、研磨粒子、ポリマー粒子及びポリマーマトリックス内に研磨粒子を含む複合粒子の混合物を含むことができる。
【００７１】
本発明のコンディショニング工程は、好ましくは、コンディショニング要素のコンディショニング面を、研磨面に隣接して配置し；そして前記コンディショニング面と前記研磨面とを接触させるのに役立つ力を適用しながら、前記研磨面にほぼ平行な平面において前記コンディショニング要素と前記研磨パッドとを相対運動させることを含んでなる。好ましくは、研磨される各基板に関して、コンディショニングの間に約０．０１〜約０．５μｍのポリマーマトリックスが研磨面から除去される。
【００７２】
コンディショニングによって研磨パッドの研磨面から除去された材料は、キャリヤ液体と混合して、約０．０１〜１０重量％、好ましくは約０．１〜５重量％、より好ましくは約０．１〜２重量％の固形分を含む現場での（ｉｎ  ｓｉｔｕ）スラリーを形成するであろう。現場生成スラリー内のポリマーの平均粒径は、約１〜２５μｍ、より典型的には約０．１〜１０μｍ、好ましくは約０．５〜５μｍ、より好ましくは約０．５〜２μｍであることができる。スラリーを現場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）で形成させることによって、本発明の代表的実施態様は、ＣＭＰ法で用いる別のスラリーの保持に付随する問題、例えば攪拌の必要性及び研磨粒子の凝集のおそれを回避する。
【００７３】
コンディショニング要素は典型的には、実質的に平坦な又は円筒形のコンディショニング面の反対側にある、コンディショニング装置への取付けのために作られた装置（例えばメカニカル・アーム）を含んでなる。実際のコンディショニングは、コンディショニング面と研磨面とを圧縮力又は荷重によって合わせながら、コンディショニング面と研磨面とを相対運動させることを必要とする。多くの場合、コンディショニング面が直線的に又はアーチ状に研磨面を横切って移動すると同時に、コンディショニング面及び研磨面が回転する。
【００７４】
コンディショニング要素は、通常、コンディショニングに使用する研磨パッドよりもかなり直径が小さく、一般にディスク、リング又は円筒の形であることができる。コンディショニング要素は、固体及び／又はパターン化表面を含むことができ、また、「ブラシ」構造用の剛毛又はフィラメントを含むことができる。研磨面の実質的に全てをコンディショニングするために、コンディショニング装置はコンディショニング要素を研磨面の中央から端まで走行させ、そして中央に戻す（二方向コンディショニング）か、又はコンディショニング要素を研磨パッドの中央から端まで走行させる（一方向コンディショニング）。
【００７５】
一方向系において望ましい研磨面を達成するのに、コンディショニング要素の１回より多くの走行が必要な場合には、コンディショニング要素は、研磨面との接触を回避するために引き上げ、センタリングし、下ろし、そして再びパッドの端まで動かす。このような一方向のコンディショニングはまた、コンディショニング要素が研磨面の端まで移動する、ことによると研磨面の端を通過する際に、破片（ｄｅｂｒｉｓ）及び他の物質を研磨面から一掃する役目をすることができる。
【００７６】
コンディショニング要素は、広範囲の形状、粒子型、粒径、表面トポグラフィー、粒子パターン又は要素表面若しくは粒子に加えられた変性を組み込むことができる。例えば、コンディショニング要素のコンディショニング面は、円形、線状、グリッド又は組み合わせパターンの溝を含むことができる。同様に、コンディショニング粒子は、コンディショニング面上に、円形、線状、グリッド、組合せ又はランダムパターンで配列されることができ、１つより多い型のコンディショニング粒子を組み込むことができる。
【００７７】
コンディショニング要素のコンディショニング面は典型的には、研磨面を研磨するのに充分な硬度及び大きさを有する研磨粒子を含む。コンディショニング粒子は、１種又はそれ以上のポリマー、ダイヤモンド、炭化珪素、窒化チタン、炭化チタン、アルミナ、アルミナ合金又は被覆アルミナ粒子を含むことができ、ダイヤモンド粒子が広く使用される。実質的に均一なコンディショニング材料の一部として形成されたコンディショニング粒子は、種々の方法、例えば化学気相蒸着（ＣＶＤ）を含む種々の方法を用いてコンディショニング面上に施すことができ、又は別の材料中に埋め込むことができる。コンディショニング粒子をコンディショニング面上に施す方法は、コンディショニング面を、コンディショニングされている面上に所望の効果を生じることを可能にするのに充分でありさえすればよい。
【００７８】
多くのコンディショニング要素が、ディスク又はリングとして供給され、約１〜約１６インチ（２．５〜４０．６ｃｍ）の範囲の直径で形成することができ、より一般には約２〜４インチ（５．１〜１０．２ｃｍ）の直径で供給する。ダイヤモンド・コンディショニング要素、具体的にはコンディショニング・ディスクは、Ｄｉｍｏｎｅｘ，Ｉｎｃ．（Ａｌｌｅｎｔｏｗｎ，ＰＡ）、３Ｍ（Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ，ＭＮ）などから得ることができる。コンディショニング要素がリングとして供給される場合には、コンディショニング要素の環部分の幅は、約０．５〜２インチ（１．３〜５．１ｃｍ）の範囲であることができる。
【００７９】
コンディショニング面上に供給したコンディショニング粒子の大きさ、密度及び分布は、コンディショニングする面の各走行の間にコンディショニング要素が除去する材料の量に影響を与える。その結果、コンディショニング粒子は、一般的に、約１〜５０μｍ、より典型的には約２５〜４５μｍの粒径を示す。同様に、コンディショニング面上に施されたコンディショニング粒子の数（すなわち、粒子密度）は、粒子約５〜１００個／ｍｍ2、より典型的には粒子約４０〜６０個／ｍｍ2である傾向がある。
【００８０】
当業者にはわかるように、コンディショニング面と研磨面との間の必要な接触度を保持するためにある程度の力又は下方圧を適用しながら、コンディショニング面を研磨面と接触させることが、コンディショニングに必要である。加えられる力の量はコンディショニングプロセスに影響を及ぼす。これは一般に、コンディショニングプロセス時に一定の範囲内に維持される。コンディショニング要素に加えられる下方圧は、約０．５〜６ポンド／ｉｎ2（約３．４５〜４１．４ｋＰａ）、好ましくは約０．５〜４ポンド／ｉｎ2（約３．４５〜２７．６ｋＰａ）、より典型的には約１〜４ポンド／ｉｎ2（約６．９〜２７．６ｋＰａ）の力であることができる。
【００８１】
ブレークイン及びインプロセスのコンディショニングプロセスにおける別の変数は、コンディショニング面が研磨面を通過する走行の数である。他の全ての条件が同一であるならば、走行数を増加させると、研磨面から除去される材料の厚さが増加することはわかる。ほとんどの常用のコンディショニングプロセスにおける目的は、所望の度合いの研磨面コンディショニングを達成するのに必要な走行数を減らして、研磨面の寿命を増加させると共に利用可能な生産時間を増加させることである。
【００８２】
前述のように、種々の要因が、研磨面がコンディショニングプロセス時にコンディショニング面の作用によって除去される速度に影響を与える。従来のブレークイン・コンディショニングは、研磨面を約０．２〜３．０μｍ、より典型的には約１．５〜３．０μｍ除去し得る。インプロセス・コンディショニングも同様な量の研磨面を除去し得る。
【００８３】
好ましい実施態様において、従来の及び先行技術の固定研磨材研磨パッドとは異なり、本発明に係る研磨パッドは、肉眼で見える三次元構造も、明瞭に異なる材料の代替領域も研磨面に含まない。図３Ｂに示すように、コンディショニングがなされない場合には、固体研磨材が上塗りされたこのような研磨パッドは、充分な量の研磨粒子を放出も露出もしない傾向があり、従って、半導体基板の表面からの材料層の材料除去速度は比較的遅い。しかし、図３Ｃに示すように、本発明に係る、固定研磨材が上塗りされた研磨パッドの研磨面のコンディショニングは、多量の固定研磨粒子及びポリマーマトリックスを放出する。次いで、これらの放出された粒子は遊離型になってキャリヤ液体と混合し、増大された速度で半導体基板から材料を除去できる現場生成（ｉｎ  ｓｉｔｕ）平坦化スラリーを形成する。
【００８４】
一実施態様において、本発明の方法はさらに、研磨を停止させるか又は研磨速度を調整する工程を含む。好ましくは、研磨の停止又は研磨速度の調整は、
基板と研磨パッドとの相対運動の停止又は調整；
研磨パッドとの接触からの基板の除去；
研磨面のコンディショニングの停止又は調整；
キャリヤ液体のｐＨの調整；及び
キャリヤ液体中の酸化剤濃度の低下
からなる群から選ばれた１つ又はそれ以上の操作を含む。
【００８５】
好ましくは、キャリヤ液体のｐＨは、パッドにコンディショニング液を適用する工程の間にキャリヤ液に適当な酸又は塩基を添加することによって調整する。好ましい方法において、研磨速度は、キャリヤ液体のｐＨを増加させる、それによって酸化物を主面から除去する速度を少なくとも約５０％減少させることによって減少させる。半導体の主面から酸化物を除去する好ましい方法は、キャリヤ液体のｐＨをｐＨ１０又はそれ以上に増加させる、好ましくは主面から酸化物を除去する速度を少なくとも約７５％減少させることを含む。
【００８６】
好ましくは、キャリヤ液体の酸化剤濃度は、キャリヤ液体への過酸化水素のような酸化剤の添加を遅くするか又は停止することによって；ＤＩ水のようなより酸化性の低いキャリヤ液体に取り替えることによって；あるいは過剰のＤＩ水の添加によってキャリヤ液体を希釈することによって減少させる。好ましい方法において、研磨速度は、キャリヤ液体の酸化剤濃度を減少させ、それによって銅のような金属を半導体基板の主面から除去する速度を少なくとも約５０％、より好ましくは少なくとも約７５％減少させることによって減少させる。
【００８７】
図５Ａ〜５Ｃに示すように、キャリヤ液体のｐＨは、５０ｍｌ／分のキャリヤ液体を適用して４ｐｓｉでコンディショニングされている本発明の代表的実施態様（例Ａ１）に係る固定研磨パッドから除去する材料の粒度分布に有意な影響を示す。グラフ中に示すように、ｐＨを４に低下させると、セリア研磨粒子の放出は効果的に停止されるが（１μｍ付近のピークの欠如によって示される）、ｐＨを９に上昇させると、遊離セリア研磨粒子の数が増加すると共に、現場生成（ｉｎ  ｓｉｔｕ）スラリー中に存在する粒子の平均粒径が増加した。
【００８８】
本発明に係る、酸化物層のＣＭＰのための好ましい方法は、
多数の相互連絡気泡を規定する熱硬化性ポリマーマトリックスの連続気泡構造及びポリマーマトリックス全体に分散された研磨粒子を有する研磨パッドの研磨面に隣接して酸化物を配置し；
ｐＨが約５〜約８のキャリヤ液体を前記研磨面に適用し；
酸化物層と前記研磨面とを接触させるのに役立つ力を適用しながら、前記酸化物層と概ね平行な平面において基板と前記研磨パッドとを相対運動させ；
前記研磨面をコンディショニングし、それによってポリマーマトリックスから研磨粒子を放出させて、遊離研磨粒子を形成し；
前記キャリヤ液体と前記遊離研磨粒子とを混合して、平坦化スラリーを形成し；そして
前記酸化物を前記平坦化スラリーで研磨して、前記基板から酸化物の一部を除去する
ことを含む。
【００８９】
本発明の方法はまた、基板表面から酸化物及び窒化物を選択的に除去する方法を提供する。このような方法は、第１の速度で半導体の主面から窒化物を除去し、第１の速度の少なくとも４倍、好ましくは少なくとも６倍の速さの第２の速度で主面から酸化物を除去することを含む。
【００９０】
本発明に係る、金属層のＣＭＰの好ましい方法は、
多数の相互連絡泡を規定する熱硬化性ポリマーマトリックスの連続気泡構造及びポリマーマトリックス全体に分散された研磨粒子を有する研磨パッドの研磨面に、酸化剤濃度を有するキャリヤ液体を適用し；
金属層と前記研磨面とを接触させるのに役立つ力を適用しながら、酸化物層に概ね平行な平面において、前記基板と前記研磨パッドとを相対運動させ、；
前記研磨面をコンディショニングし、それによってポリマーマトリックスから遊離研磨粒子を放出させ；
前記キャリヤ液体と前記遊離研磨粒子とを混合して、平坦化スラリーを形成し；そして
前記金属を前記平坦化スラリーで研磨して、前記基板主面から金属の一部を除去する
ことを含む。
【００９１】
本発明の方法はまた、基板表面から金属層及び下側にあるバリヤ層を選択的に除去する方法であって、第１の速度でバリヤ層を半導体基板の主面から除去し、且つ第１の速度の少なくとも４倍の速さの第２の速度で金属層を前記主面から除去する方法を提供する。
【実施例】
【００９２】
以下の代表的な実施例は、本発明を説明するために記載する。これらの実施例は、本発明の範囲を限定するものではないので、そのように解すべきでない。特に断らない限り、全ての百分率は重量基準である。
【００９３】
例Ａ１
代表的なポリウレタン、組成物Ａ１を、
ＷＩＴＣＯＢＯＮＤ  Ａ−１００（ＷＩＴＣＯ  Ｃｏｒｐ．）  ８０部；
ＷＩＴＣＯＢＯＮＤ  Ｗ−２４０（ＷＩＴＣＯ  Ｃｏｒｐ．）  ２０部；
界面活性剤（９部のＳＴＡＮＦＡＸ  ３２０、３部のＳＴＡＮＦＡＸ  ５９０及び３部のＳＴＡＮＦＡＸ  ３１８からなる）（Ｐａｒａ−Ｃｈｅｍ  Ｓｏｕｔｈｅｒｎ  Ｉｎｃ．）  １５部；
ＡＣＵＳＯＬ  ８１０Ａ（粘度調整剤／増粘剤として）（Ｒｏｈｍ＆Ｈａａｓ）  ８．５部；並びに
５００ｎｍセリア粒子  １００部
を合することによって製造して、水性分散液を形成した（全ての部は乾燥重量を示す）。次いで、ポリウレタン分散液を約１時間放置して、粘度を約９５００ｃｐｓに安定化させた。次に、ポリウレタン分散液を、ＯＡＫＥＳフローザーを用いて起泡させて、約１０４０ｇ／リットルの密度を有する泡を生成し、これをポリカーボネート基体に約１．５ｍｍの厚さまで適用した。次いで、泡を７０℃において３０分間、１２５℃において３０分間及び１５０℃において３０分間硬化させて、約０．７５〜０．９５ｇ／ｃｍ3の泡密度を有する固定研磨材を含むフォーム生成物を形成した。
【００９４】
例には、適用に応じて、約８０００〜１０，０００ｃｐｓの粘度が記載されているが、起泡されたポリウレタン分散液の粘度は約５０００〜１５，０００又は場合によっては、それ以上の範囲に及ぶこともでき、それでも本発明の利点を実現する固体研磨材を生成できた。同様に、適用に応じて、起泡されたポリウレタン分散液の密度は、約５００〜約１５００ｇ／リットル又はそれ以上の範囲であることができる、より高密度又はより低密度の泡を生成するように調節できた。
【００９５】
例Ａ２
別の代表的なポリウレタン組成物、組成物Ａ２を、
ＷＩＴＣＯＢＯＮＤ  Ａ−１００    ６０部；
ＷＩＴＣＯＢＯＮＤ  Ｗ−２４０    ４０部；
界面活性剤（９部のＳＴＡＮＦＡＸ  ３２０、３部のＳＴＡＮＦＡＸ  ５９０及び３部のＳＴＡＮＦＡＸ  ３１８からなる）  １５部；
ＡＣＵＳＯＬ  ８１０Ａ（粘度調整剤／増粘剤として）  ８．５部；並びに
５００ｎｍセリア粒子  ７０部
を合することによって製造して、水性分散液を形成した。次いで、ポリウレタン分散液を約１時間放置して、粘度を約１０，０００ｃｐｓに安定化させた。次に、ポリウレタン分散液を、ＯＡＫＥＳフローザーを用いて起泡させて、約９７０ｇ／リットルの密度を有する泡を生成し、これをポリカーボネート基体に約１．５ｍｍの厚さまで塗布した。次いで、泡を７０℃において３０分間、１２５℃において３０分間及び１５０℃において３０分間硬化させて、約０．７５〜０．９５ｇ／ｃｍ3のフォーム密度を有する固定研磨材を含むフォーム生成物を形成した。
【００９６】
例Ａ３
別の代表的なポリウレタン組成物、組成物Ａ３を、
ＷＩＴＣＯＢＯＮＤ  Ａ−１００    ２０部；
ＷＩＴＣＯＢＯＮＤ  Ｗ−２４０    ８０部；
界面活性剤（９部のＳＴＡＮＦＡＸ  ３２０、３部のＳＴＡＮＦＡＸ  ５９０及び３部のＳＴＡＮＦＡＸ  ３１８からなる）  １５部；
ＡＣＵＳＯＬ  ８１０Ａ（粘度調整剤／増粘剤として）  ８．５部；並びに
５００ｎｍセリア粒子  ７０部
を合することによって製造して、水性分散液を形成した。次いで、ポリウレタン分散液を約１時間放置して、粘度を約１０，０００ｃｐｓに安定化させた。次に、ポリウレタン分散液を、ＯＡＫＥＳフローザーを用いて起泡させて、約９７０ｇ／リットルの密度を有する泡を生成し、これをポリカーボネート基体に約１．５ｍｍの厚さまで適用した。次いで、泡を７０℃において３０分間、１２５℃において３０分間及び１５０℃において３０分間硬化させて、約０．７５〜０．９５ｇ／ｃｍ3のフォーム密度を有する固定研磨材を含むフォーム生成物を形成した。
【００９７】
例Ｂ１
別の代表的なポリウレタン組成物、組成物Ｂ１を、
ＷＩＴＣＯＢＯＮＤ  Ａ−１００    ４０部；
ＷＩＴＣＯＢＯＮＤ  Ｗ−２４０    ６０部；
界面活性剤（９部のＳＴＡＮＦＡＸ  ３２０、３部のＳＴＡＮＦＡＸ  ５９０及び３部のＳＴＡＮＦＡＸ  ３１８からなる）  １５部；
ＡＣＵＳＯＬ  ８１０Ａ（粘度調整剤／増粘剤として）  ８．５部；並びに
５００ｎｍセリア粒子  ５０部
を合することによって製造して、水性分散液を形成した。次いで、ポリウレタン分散液を約１時間放置して、粘度を約９６６０ｃｐｓに安定化させた。次に、ポリウレタン分散液を、ＯＡＫＥＳフローザーを用いて起泡させて、約９９７ｇ／リットルの密度を有する泡を生成し、これをポリカーボネート基体に約１．５ｍｍの厚さまで適用した。次いで、泡を７０℃において３０分間、１２５℃において３０分間及び１５０℃において３０分間硬化させて、約０．７５〜０．９５ｇ／ｃｍ3の泡密度を有する固定研磨材を含むフォーム生成物を形成した。
【００９８】
例Ｂ２
別の代表的なポリウレタン組成物、組成物Ｂ２を、
ＷＩＴＣＯＢＯＮＤ  Ａ−１００    ８０部；
ＷＩＴＣＯＢＯＮＤ  Ｗ−２４０    ２０部；
界面活性剤（９部のＳＴＡＮＦＡＸ  ３２０、３部のＳＴＡＮＦＡＸ  ５９０及び３部のＳＴＡＮＦＡＸ  ３１８からなる）  １５部；
ＡＣＵＳＯＬ  ８１０Ａ（粘度調整剤／増粘剤として）  ８．５部；並びに
１μｍセリア粒子  １００部
を合することによって製造して、水性分散液を形成した。次いで、ポリウレタン分散液を約１時間放置して、粘度を約８２７０ｃｐｓに安定化させた。次に、ポリウレタン分散液を、ＯＡＫＥＳフローザーを用いて起泡させて、約９４３ｇ／リットルの密度を有する泡を生成し、これをポリカーボネート基体に約１．５ｍｍの厚さまで適用した。次いで、泡を７０℃において３０分間、１２５℃において３０分間及び１５０℃において３０分間硬化させて、約０．７５〜０．９５ｇ／ｃｍ3の密度を有する固定研磨材を含んでなるフォーム生成物を形成した。
【００９９】
前述の具体的な成分に関して、ＷＩＴＣＯＢＯＮＤ  Ａ−１００は脂肪族ウレタン／アクリルアロイの水性分散液であり、ＷＩＴＣＯＢＯＮＤ  Ｗ−２４０は脂肪族ウレタンの水性分散液であり、ＡＣＵＳＯＬ  ８１０Ａは陰イオン性アクリルコポリマーであり、ＳＴＡＮＦＡＸ  ３１８は気泡安定剤として使用されるナトリウムスルホスクシニメートを含む陰イオン界面活性剤であり、ＳＴＡＮＦＡＸ  ３２０は発泡剤として使用されるステアリン酸アンモニウムを含む陰イオン界面活性剤であり、ＳＴＡＮＦＡＸ  ５１９は湿潤剤／浸透剤として使用されるジ−（２−エチルヘキシル）スルホスクシネートナトリウム塩を含む界面活性剤である。
【０１００】
例Ａ１及びＢ１に対応する研磨材を、以下の表Ｉに示したように、更なる試験に供した。
【０１０１】
【表１】
2006518940.tif 000003
【０１０２】
例Ａ１、Ａ２、Ｂ１及びＢ２に従って製造した固定研磨材組成物のサンプルを用いて、水銀ポロシメトリー分析を含む、更なる特性決定試験を行った。水銀ポロシメトリー分析は、Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ  Ａｕｔｏｐｏｒｅ  ＩＶ  ９５２０で行った。分析の前に、サンプルは室温において真空下でガス抜きして、材料の表面から全てのフィジオソーブされた（ｐｈｙｓｉｏｓｏｒｂｅｄ）種の大部分を除去し、次いで実質的に一定の面積基準を提供するのに役立つ長方形（約１５ｍｍ×２５ｍｍ）に切って、約０．４３〜０．４９ｇのサンプルを生成した。
【０１０３】
試験条件は、０．４１ｐｓｉａのＨｇ充填圧、１３０．０°のＨｇ接触角、４８５．０ｄｙｎｅ／ｃｍのＨｇ表面張力、１３．５３ｇ／ｍｌのＨｇ密度、５分の排気時間、５ｃｃのバルブを有する小径針入度計（ｓｍａｌｌ  ｂｏｒｅ  ｐｅｎｅｔｒｏｍｅｔｅｒ）（固体タイプ）、３０秒の平衡化時間、９２点圧力台（浸入圧点７５＋押出圧点１７）であり、機械的排気は５０μｍHg未満である。使用した圧力台は、０．５〜６０，０００ｐｓｉａのｌｏｇスケールで圧力の均等増加分布を生じるようにした。
【０１０４】
試験中に、圧力を最初の真空から最高約６０，０００ｐｓｉａまで少しずつ増加させると、Ｈｇがいっそう小さい気孔に押し込まれる。総浸入容量、中央値孔径（ｍｅｄｉａｎ  ｐｏｒｅ  ｄｉａｍｅｔｅｒ）（容積）及び嵩密度を含むＨｇポロシメトリーのデータが、この機器に関しては＜３％ＲＳＤ（相対標準偏差）の精度で得られる。
【０１０５】
直径０．００３〜４００μｍ（計算圧力範囲０．５〜６０，０００ｐｓｉａ）の気孔寸法を示すＨｇポロシメトリーのデータに関する最初の未修正結果を表ＩＩに要約する。
【０１０６】
【表２】
2006518940.tif 000004
【０１０７】
Ｈｇポロシメトリーは、総気孔率のバルク分析であり、間隙（空隙）充填（見掛け密度）は、Ｈｇが低充填圧でサンプルの断片又は粒子の間を押し分けて進んでいる間に生じ得る。典型的に、これは、小さい網目のある又は粉末の材料の場合にのみ問題であり、これらのサンプルに関しては起こっていないようである。
【０１０８】
しかし、サンプルはポリウレタン／ポリカーボネート材料であるので、サンプルの圧縮の結果としてＨｇポロシメトリー測定時に見掛けの浸入が若干あるであろう（Ｈｇ充填圧の増加に伴うポリマーの圧縮によるＨｇ充填）。このため、粒子内気孔容積（マクロポアによって生じる実際の気孔充填）を、見掛け気孔容積（サンプルの圧縮によって生じる見掛けの気孔充填）から差し引いて、実際の気孔容積を測定しなければならない。この測定の実施によって、直径５〜４００μｍ（０．５〜３５ｐｓｉａの計算圧力範囲に対して）の気孔寸法を示す、表ＩＩＩに要約したデータが得られた。
【０１０９】
【表３】
2006518940.tif 000005
【０１１０】
修正データの精度を、サンプル総気孔面積（Ｈｇポロシメトリーを用いて測定）を＜０．０５ｍ2／ｇのその測定Ｂ．Ｅ．Ｔ．（Ｂｒｕｎｅｒ，Ｅｍｍｅｔｔ，及びＴｅｌｌｅｒ）表面積（クリプトン吸収によって測定）と比較することによって確認した。試験サンプルに関する気孔率のデータを図４Ｃのグラフで示す。
【０１１１】
図５Ａ〜５Ｃは、種々のｐＨを有するキャリヤ液体で湿潤された本発明の代表的組成物Ａ１に係る固定研磨パッドのコンディショニングからの廃液の粒度分布を示すグラフである、４から９へｐＨが対応してシフトされた図５Ａのグラフと図５Ｃのグラフとの比較は、コンディショニング・プロセスによって生成されている現場生成（ｉｎ  ｓｉｔｕ）スラリー内の放出研磨（セリア）粒子の濃度の増加に反映されている。図５Ｂは、ｐＨ７のキャリヤ液体を用いたセリア粒子の放出を示すが、濃度はｐＨ９において達成された濃度より低い。
【０１１２】
前記ポリウレタン分散液を代表的組成物Ａ１及びＢ２と共に用いて、サンプル平坦化パッドを製造した。次いで、これらの２つのポリウレタン分散液を、起泡剤として空気を用いて起泡させて、約８５０〜１１００ｇ／リットルの密度を有するポリウレタンの泡を生成した。次に、厚さが約１〜約２ｍｍの泡の層を、ポリカーボネートシートの基体に塗布した。次いで、泡の層を７０℃において３０分間、１２５℃において３０分間、１５０℃において３０分間硬化させて、開口表面構造を含む連続起泡構造及び約０．７〜０．９ｇ／ｃｍ3の密度を有する固定研磨ポリウレタンフォームが上塗りされた複合材料を生成した。
【０１１３】
次に、ポリウレタン分散液Ａ１から形成された固定研磨ポリウレタンフォーム層を有する複合構造の、約４”×４”（約１０ｃｍ×１０ｃｍ）の試験平坦化パッドを、硬化された固定研磨ポリマー組成物から切り取った。次いで、この試験平坦化パッドをＣＭＰ装置に取り付け、これを用いてＣｕ、ＳｉＯ2、ＳｉＮ又はＳｉＣの均一表面層を有する一連の２インチ（５ｃｍ）ウェーハを研磨して、これらの種々の材料上におけるパッドの摩擦係数（ＣＯＦ）を評価した。
【０１１４】
これらの具体例に使用したＣＭＰ装置は、２〜４ｐｓｉの荷重において６０〜２００ｒｐｍのウェーハ及びプラテン回転速度を提供した。サンプルパッドを、プラテンに取り付けられたＳＵＢＡ−ＩＶ（Ｒｏｄｅｌ）発泡ポリマー層に取り付けた。２ｐｓｉの荷重が適用されて６０ｒｐｍで回転する３Ｍダイヤモンドディスク０１９０−７７４９９  ３Ｍ  ４９８６０−６  １００２０３コンディショニングディスクを用いた連続現場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）ダイヤモンドコンディショニングを用いて、この評価の間にサンプル平坦化パッドの研磨面から研磨粒子及びポリマー粒子を放出させた。研磨操作に関する荷重は１２０ｒｐｍにおいて４ｐｓｉであった。この評価の開始前には、サンプル平坦化パッドにブレークイン・コンディショニングを適用しなかった。
【０１１５】
摩擦係数の評価
ＣＭＰ装置はまた、平坦化プロセス時にキャリヤ液体／湿潤液として使用するためにＤＩ水（ｐＨ７）、酸性緩衝溶液（ｐＨ４）又は塩基性緩衝液（ｐＨ９）を平坦化パッドに手選択的に適用した。図８のデータに示すように、種々の表面層のそれずれに関してＤＩ水キャリヤ液体５０ｍｌ／分を用いた場合の摩擦係数（ＣＯＦ）は、試験中（約６００秒間）実質的に一定であり続け、各材料は、約０．３２〜０．４５の特有のＣＯＦを示した。
【０１１６】
代表的Ａ１ポリウレタン分散液を用いて製造した固定研磨ポリウレタンフォームの層を有するサンプル平坦化パッドを用いて、第２のＣＯＦ評価を行った。ＳｉＯ2ウェーハを用いて、これらのサンプル平坦化パッドを使用して、実質的に連続的な現場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）コンディショニング、従来の「ブレークイン」コンディショニング、即ち、研磨プロセス中に継続的なコンディショニングを行わない初期コンディショニングを行いながら、また、研磨プロセス前または研磨プロセス中に研磨面のコンディショニングを行わずに、ウェーハを研磨した。図９のデータによって示されるように、現場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）コンディショニングは、試験の間中、ＣＯＲを維持し又は改良した、しかし、プレコンディショニングされた平坦化パッドに関する結果は、若干の初期改良を示したが、試験の間中、ＣＯＦを継続的に減少させた。コンディショニングしなかった平坦化パッドは、最も低い出発ＣＯＦを示し、それはまた、試験の間中、減少し続け、プレコンディショニングした平坦化パッドよりもさらに低いＣＯＦ値を示した。
【０１１７】
熱ＳｉＯ2層のＣＭＰ
次に、前記例Ａ１及びＢ２に示したポリウレタン分散液を用いて製造したサンプル平坦化パッドを用いて、材料除去速度の評価を行った。この個々の評価は、熱ＳｉＯ2ウェーハを用いて、約４ｐｓｉの荷重下で研磨面にＤ．Ｉ．水キャリヤ液体５０ｍｌ／分を適用しながら、６０、１２０及び２００ｒｐｍの回転速度で行った。この評価の間中、研磨面は、２ｐｓｉの荷重を適用しながら、６０ｒｐｍで回転する前記の３Ｍディスクを用いて実質的に連続的にコンディショニングした。現場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）コンディショニングを用いたサンプル平坦化パッドに関する平均材料除去速度値は、ｒｐｍと実質的な直線関係を示した。この実験データを図１０に示す。
【０１１８】
前記の代表例Ａ１に記載したポリウレタン分散液を用いて製造した平坦化パッドの材料除去速度をさらに、熱ＳｉＯ2ウェーハを用いて、研磨面にＤＩ水キャリヤ液体５０ｍｌ／分を適用しながら１２０ｒｐｍで評価して、２ｐｓｉの荷重を適用しながら６０ｒｐｍで回転する前記３Ｍディスクを用いた現場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）コンディショニングの効果、コンディショニングをしない効果、又はブレークイン・コンディショニングの効果を比較した。図１１のデータに示すように、現場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）コンディショニングの場合の除去速度は、現場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）コンディショニングせずに同一平坦化パッド組成物を用いて達成された材料除去速度よりも約１０倍速かった。
【０１１９】
ＰＥＴＥＯＳ層のＣＭＰ
次に、前記の代表例Ａ２及びＢ１に記載したポリウレタン分散液を用いて、サンプル平坦化パッドを製造し、ＰＥＴＥＯＳ（プラズマ支援ＴＥＯＳ）層を有するウェーハに対する材料除去速度について評価した。ＰＥＴＥＯＳ材料除去速度は、パッド表面に５０ｍｌ／分のキャリヤ液体（ｐＨ７）を適用しつつ、６０ｒｐｍ及び２０ｐｓｉで前記３Ｍディスクを用いながら、種々の荷重圧力及びｒｐｍにおいてＡ２組成物平坦化パッドを用いて評価した。集めたデータを図１２に示す。これらのデータは、荷重圧力の増加に伴う、材料除去速度の予期された増加と、場合によってはハイドロプレーニングによる、高い方のｒｐｍ値における材料除去速度曲線のフラット化を示している。また、線幅が１０〜５００μｍのパターン化ウェーハからのＰＥＴＥＯＳに関する材料除去速度を、パッド表面にキャリヤ液体（ｐＨ７）を５０ｍｌ／分を適用ながら６０ｒｐｍ及び２ｐｓｉで前記３Ｍディスクを用いて、ポリウレタン分散液Ａ２から製造したサンプル平坦化パッドを用いて評価した。集めたデータを図１３に示す。
【０１２０】
ＰＥＴＥＯＳ層に関する除去速度を、６０ｒｐｍ及び２ｐｓｉにおいて前記３Ｍディスクを用いて現場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）でコンディショニングしながら、１２０ｒｐｍ及び荷重４ｐｓｉでＡ２組成物平坦化パッドを用いて評価した。しかし、この実験では、キャリヤ液体５０ｍｌ／分を、パッド表面への適用時に、ｐＨ４、７又は９を有するように調整した。集めたデータを図１４に示す。これは、酸性及び塩基性キャリヤ液体の場合の除去速度の劇的低下を示し、酸性キャリヤ液体が最も劇的な低下を示している。酸性キャリヤ液体の場合のＰＥＴＥＯＳ層の除去速度がこのように低下することを考慮に入れて、線幅が１０〜５００μｍのパターン化ＰＥＴＥＯＳウェーハを用い、ｐＨ７及びｐＨ４のキャリヤ液体を用いて、更なる試験を行った。集めたデータを図１５に示す。この図は、狭い線幅を用いるほど、選択性が一般的に増加することを示している。
【０１２１】
酸化物ＣＭＰ法のｐＨ制御
次に、ｐＨ７及びｐＨ４のキャリヤ液体を用いて６０ｒｐｍ及び２ｐｓｉで前記の３Ｍディスクを用いて現場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）コンディショニングしながら、ポリウレタン分散液Ａ２から製造したサンプル平坦化パッドを２００ｒｐｍ及び荷重２〜４ｐｓｉで用いて、２工程ＣＭＰ法の実行可能性を評価した。パターン化ＰＥＴＥＯＳウェーハは、最初にｐＨ７のキャリヤ液体を用いて２０分間平坦化した。次いで、ウェーハを清浄にし、それらの表面プロフィールを評価した。次に、ウェーハをＣＭＰ装置に戻し、ｐＨ４のキャリヤ液体を用いて、更に１０分間平坦化した。ウェーハを再び清浄にし、それらの表面プロフィールを評価した。
【０１２２】
図１６の段差プロフィール曲線に示すように、ウェーハの特徴形状及び段差は、第２の平坦化プロセスによって本質的には影響されなかった。このことは、キャリヤ液体のｐＨの単純なシフトが材料除去を効果的に停止させたことを示している。この結果に基づき、キャリヤ液体又は湿潤液のｐＨ制御は、ＣＭＰ法の別の有効な制御手段を提供する。セリアを基材とする固定研磨材に関しては、約５〜８のｐＨ範囲内においてより速い材料除去速度が達成され、これより高いｐＨ及びこれより低いｐＨにおいては材料除去速度の低下が示される。
【０１２３】
ｐＨを用いて材料除去速度を制御するこの方法は、セリア以外の研磨材組成物にも拡げることができる。詳細には、例えばシリカを用いた固定研磨材に関しては、約５〜１２のｐＨ範囲内でより速い材料除去速度が達成され、これより高いｐＨ値及びこれより低いｐＨ値においては材料除去速度の低下を示すことが予想される。同様に、例えば、アルミナを用いた固定研磨材に関しては、約２〜７のｐＨ範囲内においてより速い材料除去速度が達成され、これより高いｐＨ値では材料除去速度の低下が示されることが予想される。
【０１２４】
窒化物／酸化物選択性
本発明に係る平坦化パッドの窒化物／酸化物選択性もまた、前記ポリウレタン分散液Ａ１及びＢ２から製造されたサンプル平坦化パッドを用いて評価した。６０ｒｐｍ及び２ｐｓｉにおいて前記３Ｍディスクを用いてコンディショニングされた研磨面に中性（ｐＨ７）のキャリヤ液体又は湿潤液を５０ｍｌ／分適用しながら、約４ｐｓｉの荷重を用いて種々のｒｐｍで前記ＣＰＭ装置について、熱酸化物（ＳｉＯ2）及び窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）に関する除去速度を評価した。集められたデータを図１７に示す。これは、両方の平坦化パッド組成物に関してｒｐｍが高いほど高い酸化物選択性及び窒化物層上において達成される、ｒｐｍとは比較的に無関係の材料除去速度を示している。
【０１２５】
銅層のＣＭＰ
サンプル平坦化パッドを、例示組成物Ａ３と共に前記ポリウレタン分散液を用いて製造した。次いで、このポリウレタン分散液を、起泡剤として空気を用いて起泡させて、約８５０〜１１００ｇ／リットルの密度を有するポリウレタン泡を生成した。次に、約１〜約２ｍｍの厚さを有する泡の層を、ポリカーボネートシートの基体に適用した。次いで、泡の層を７０℃において３０分間、１２５℃において３０分間、１５０℃において３０分間硬化させて、開口表面構造を含む連続起泡構造を有し且つ密度が約０．７〜０．９ｇ／ｍ3の固定研磨ポリウレタンフォームで表面上塗りされた複合構造を形成した。
【０１２６】
次いで、ポリウレタン分散液Ａ３から形成された固定研磨ポリウレタンフォーム層を有する複合構造の約４”×４”（約１０ｃｍ×１０ｃｍ）の試験平坦化パッドを、硬化された固定研磨ポリマー組成物から切り取った。次に、これらの試験平坦化パッドをＣＭＰ装置上に取り付け、これを用いて、窒化タンタル（ＴａＮ）のバリア層上にＣｕの層を有する一連の２インチ（５ｃｍ）ウェーハを研磨して、材料除去速度及び選択性を評価した。評価にはＴａＮを用いたが、窒化チタン（ＴｉＮ）又はタングステン（Ｗ）化合物のような他の層も、バリア層としての第１金属層の下に用いることができる。
【０１２７】
この代表例において使用したＣＭＰ装置は、２〜４ｐｓｉの荷重において６０〜２００ｒｐｍのウェーハ及びプラテン回転速度を提供した。サンプルパッドを、プラテンに取り付けられたＳＵＢＡ−ＩＶ（Ｒｏｄｅｌ）発泡ポリマー層上に取り付けた。２ｐｓｉの荷重を適用しながら６０ｒｐｍで回転する３Ｍダイヤモンドディスク０１９０−７７４９９  ３Ｍ  ４９８６０−６  １００２０３コンディショニングディスクを用いた連続現場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）ダイヤモンド・コンディショニングを用いて、この評価の間じゅう、サンプル平坦化パッドの研磨面から研磨粒子及びポリマー粒子を放出した。研磨操作の荷重は、６０、１２０及び２００ｒｐｍにおいて４ｐｓｉであった。この評価の開始前には、サンプル平坦化パッドにブレークイン・コンディショニングを適用しなかった。
【０１２８】
ＣＭＰ装置はまた。３重量％過酸化水素を酸化剤として含むキャリヤ液体又はＤＩ水（ｐＨ７）を２０ｍｌ／分の速度で選択的に適用する。以下の表ＩＶのデータに示すように、本発明に係る固定研磨パッドのこの具体的実施態様は、目標とする材料層、銅及びＴａＮバリヤ層の間における優れた選択性を保持しながら、優れた材料除去速度を提供した。以下の表ＩＶのデータにさらに示されるように、酸化溶液からＤＩ水すすぎへのキャリヤ液体の切り替えは、Ｃｕ層を除去するＣＭＰ法の能力を劇的に低下させるのに充分なものであった。
【０１２９】
【表４】
2006518940.tif 000006
【０１３０】
本発明の原理及び操作様式を、いくつかの代表的及び好ましい実施態様に関して前述した。しかし、添付した「特許請求の範囲」において規定した本発明の範囲から逸脱しないならば、上に具体的に図示し且つ記載した以外の方法で本発明を実施できることを留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１Ａ】本発明の代表的実施態様に係る連続処理段階における、凸状パターンを示す半導体基板の横断面図である。
【図１Ｂ】本発明の代表的実施態様に係る連続処理段階における、パターン上に形成された材料層を示す半導体基板の横断面図である。
【図１Ｃ】本発明の代表的実施態様に係る連続処理段階における、平坦化基板を示す半導体基板の横断面図である。
【図２Ａ】本発明の代表的実施態様に従って平坦化パッドを用いて基板を平坦化するのに使用できる平坦化装置の平面図。
【図２Ｂ】本発明の代表的実施態様に従って平坦化パッドを用いて基板を平坦化するのに使用できる平坦化装置の側面図である。
【図３Ａ】本発明の代表的実施態様に係る固定研磨材組成物にほぼ相当する横断面図である。
【図３Ｂ】パッド表面のコンディショニングがなされなかった、本発明の代表的に実施態様に係る平坦化パッドの一部にほぼ相当する横断面図である。
【図３Ｃ】パッド表面がコンディショニングされた、本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドの一部にほぼ相当する横断面図である。
【図４Ａ】本発明の代表的実施態様に従って製造された固定研磨材の図面に、代るＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図４Ｂ】本発明の代表的実施態様に従って製造された固定研磨材の図面に、代るＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図４Ｃ】本発明の代表的実施態様に関する測定された孔径分布を示すグラフである。
【図５Ａ】種々のｐＨを有するキャリヤ液体で湿潤された、本発明の代表的実施態様に係る固定研磨パッドのコンディショニングからの廃液の粒度分布を示すグラフである。
【図５Ｂ】種々のｐＨを有するキャリヤ液体で湿潤された、本発明の代表的実施態様に係る固定研磨パッドのコンディショニングからの廃液の粒度分布を示すグラフである。
【図５Ｃ】種々のｐＨを有するキャリヤ液体で湿潤された、本発明の代表的実施態様に係る固定研磨パッドのコンディショニングからの廃液の粒度分布を示すグラフである。
【図６Ａ】従来のＣＭＰ法と本発明の代表的実施態様に係るＣＭＰ法とを比較する横断面図である。
【図６Ｂ】従来のＣＭＰ法と本発明の代表的実施態様に係るＣＭＰ法とを比較する横断面図である。
【図７Ａ】本発明の代表的実施態様に従って固定研磨パッドのコンディショニングによって製造された粒子組成物の並びを示すＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図７Ｂ】本発明の代表的実施態様に従って固定研磨パッドのコンディショニングによって製造された粒子組成物の並びを示すＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図７Ｃ】本発明の代表的実施態様に従って固定研磨パッドのコンディショニングによって製造された粒子組成物の並びを示すＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図７Ｄ】本発明の代表的実施態様に従って固定研磨パッドのコンディショニングによって製造された粒子組成物の並びを示すＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図８】本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドを用いた種々の材料に関する摩擦係数の評価を示すグラフである。
【図９】種々の平坦化パッドコンディショニング法を用いた二酸化珪素ウェーハ上の摩擦係数への影響を示すグラフである。
【図１０】本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッド及び方法を用いた、種々のｒｐｍにおける二酸化珪素層に関する除去速度を示すグラフである。
【図１１】現場コンディショニングを行った場及び行わない場合の本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドを用いた二酸化珪素層に関する除去速度を示すグラフである。
【図１２】本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドを用いたＰＥＴＥＯＳ層に関する除去速度を示すグラフである。
【図１３】本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドを用いた、種々の線幅を有するウェーハからのＰＥＴＥＯＳ層の除去速度を示すグラフである。
【図１４】種々のｐＨのキャリヤ液体を用い、本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドを用いたＰＥＴＥＯＳ層の除去速度を示すグラフである。
【図１５】種々のｐＨのキャリヤ液体を用い、本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドを用いた、種々の線幅を有するウェーハからのＰＥＴＥＯＳ層の除去速度を示すグラフである。
【図１６】２段平坦化プロセスを用い、本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドを用いたパターン化ウェーハからのＰＥＴＥＯＳ層の平坦化を示す１組のグラフである。
【図１７】本発明の代表的実施態様に係る平坦化パッドを用いた二酸化珪素及び窒化珪素層に関する相対的除去速度を示すグラフである。
2006518940.tif 000007
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2006518940.tif 000009
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【図４Ｃ】
2006518940.tif 000011
【図５Ａ】
2006518940.tif 000012
【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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2006518940.tif 000015
2006518940.tif 000016
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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