(57)【要約】      （修正有）【課題】研磨中の摩擦による研磨パッド表面温度上昇に起因する研磨速度低下を抑制し、短時間に安定して被研磨体の表面を平坦化することが可能な化学的機械的研磨方法を提供する。【解決手段】研磨パッド５は、被研磨体２０に接する第１のパッド層２と、研磨テーブル１に接する第２のパッド層３とを、防水フィルム４を介して積層してなり、第１のパッド層２は、中心近傍に第２のパッド層３に到達するパッド冷却用孔６を備え、第２のパッド層３は、パッド冷却用孔６と接続する放射状に形成された冷却用溝７を備え、研磨スラリーを前記第１のパッド層２の表面に供給し、被研磨体２０を研磨するとともに、研磨スラリーの一部を前記パッド冷却用孔６を通して冷却用溝７に流通せしめ、研磨パッド５を冷却する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する研磨テーブル上に設置された研磨パッドに研磨スラリーを供給し、被研磨体を前記研磨パッドに当接させることにより化学的機械的に研磨する方法であって、
前記研磨パッドは、前記被研磨体に接する第１のパッド層と、前記研磨テーブルに接する第２のパッド層とを、防水フィルムを介して積層してなり、前記第１のパッド層は、中心近傍に前記第２のパッド層に到達するパッド冷却用孔を備え、前記第２のパッド層は、前記パッド冷却用孔と接続する放射状に形成された冷却用溝を備え、前記研磨スラリーを前記第１のパッド層表面に供給し、前記被研磨体を研磨するとともに、前記研磨スラリーの一部を前記パッド冷却用孔を通して前記冷却用溝に流通させることを特徴とする化学的機械的研磨方法。
【請求項２】
前記冷却用溝は、前記第２のパッド層の前記研磨テーブルの側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記冷却用溝は、前記第２のパッド層の前記第１のパッド層の側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１のパッド層は、研磨粒子滞留用孔を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のパッド層は、研磨スラリー排出用溝を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学的機械的研磨方法に係り、特に、高速ロジックＬＳＩ、システムＬＳＩ、メモリ・ロジック混載ＬＳＩなどの高速デバイスなどの製造に用いて好適な化学的機械的研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の製造プロセスに用いられる平坦化技術としては、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）が主流となっている。ＣＭＰでは、研磨速度の荷重依存性によって平坦化特性が影響を受ける。すなわち、研磨速度の荷重依存性が大きいほど、高い荷重が印加される凸部の研磨速度が速く、低い荷重が印加される凹部の研磨速度が低くなり、凹凸部における研磨速度比が高くなる結果、平坦化特性が向上する傾向にある。
【０００３】
しかしながら、高い荷重が印加されると、研磨ヘッドと研磨パッド間の摩擦が大きくなり、研磨パッド表面温度が上昇する。研磨パッドの表面温度が６０℃を超えると、荷重を上げても研磨速度は上昇しなくなり、研磨時間が長くなって平坦化特性も悪化する。これは、研磨パッドの素材であるポリウレタンのガラス転移温度が６０〜７０℃であることから、温度上昇により研磨パッドの表層が軟化し、砥粒の保持状態が悪化するためと推測される。
【０００４】
研磨パッドの表面温度を下げるため、研磨テーブルに冷却水を流通させる冷却機構を設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照）が、研磨パッドの熱伝導率が低いため、冷却効果がウエハーにまで到達せず、結果的にパッド表面の温度上昇を抑制することが困難である。
【０００５】
このような研磨パッド表面の温度上昇に起因して研磨速度が低下する問題は、２００ｍｍ径から３００ｍｍ径へと向うウエハーの大口径化に伴って、更に顕在化する傾向にある。
【０００６】
なお、研磨パッドの表面に多数の冷却用孔及びこれら冷却用孔をつなぐ溝を設けることが提案されている（例えば、特許文献２及び３参照）が、パッド外周部から侵入した水が、研磨ヘッドによる荷重の印加により冷却用孔からパッド表面まで染み出て、研磨スラリーを希釈させ、研磨速度を低下させるという問題がある。
【特許文献１】特開平８−２１６０２３号公報
【特許文献２】特許３０４２５９３号公報
【特許文献３】特開２００１−１５０３３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上のような事情の下になされ、研磨中の摩擦による研磨パッド表面温度上昇に起因する研磨速度低下を抑制し、短時間に安定して被研磨体の表面を平坦化することが可能な化学的機械的研磨方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の一態様は、回転する研磨テーブル上に設置された研磨パッドに研磨スラリーを供給し、被研磨体を前記研磨パッドに当接させることにより化学的機械的に研磨する方法であって、前記研磨パッドは、前記被研磨体に接する第１のパッド層と、前記研磨テーブルに接する第２のパッド層とを、防水フィルムを介して積層してなり、前記第１のパッド層は、中心近傍に前記第２のパッド層に到達するパッド冷却用孔を備え、前記第２のパッド層は、前記パッド冷却用孔と接続する放射状に形成された冷却用溝を備え、前記研磨スラリーを前記第１のパッド層表面に供給し、前記被研磨体を研磨するとともに、前記研磨スラリーの一部を前記パッド冷却用孔を通して前記冷却用溝に流通させることを特徴とする化学的機械的研磨方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、研磨装置の研磨パッド中央部近傍にパッド冷却用孔を設けているため、研磨に際し、このパッド冷却用孔に流入した研磨スラリーが研磨パッドを冷却することにより、研磨中の摩擦による研磨パッド表面温度の上昇に起因する研磨速度の低下を抑制し、被研磨体を短時間に安定した研磨速度で平坦化することが可能な化学的機械的研磨方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、発明を実施するための形態について説明する。
【００１１】
なお、本発明は、下記の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される種々の変型例を包含する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る化学的機械的研磨法に用いる研磨装置の研磨テーブルおよび研磨パッドを示す断面図である。図１において、研磨テーブル１上に、硬質の第１のパッド層２と軟質の第２のパッド層３が防水フィルム４を間に介して積層された研磨パッド５が装着されている。図２は、第１のパッド層２の上面（ａ）及び第２のパッド層３の下面（ｂ）を示す。
【００１３】
第１のパッド層２の材質は、ローカルな平坦性を確保するため、硬質のポリウレタン等を用いることができる。第２のパッド層３の材質は、グローバルな平坦性を確保するため、軟質の発泡ポリウレタンからなる不織布等を用いることができる。防水フィルム４としては、アクリル系、ゴム系の接着剤等を用いることができる。
【００１４】
第１のパッド層２、防水フィルム４及び第２のパッド層３からなる研磨パッド５には、スラリーが滴下される研磨パッド中心近傍にパッド冷却用孔６が開孔されている。パッド冷却用孔６の径は、特に限定されないが、通常、１〜２０ｍｍ程度である。即ち、パッド冷却用孔６の径が１ｍｍより小さいと、パッド冷却用孔６に浸入する研磨スラリーの量が少なく、冷却効率が下がる傾向にあり、パッド冷却用孔６の径が２０ｍｍより大きいと、第１のパッド層２の表面で被研磨体２０の研磨に供される研磨スラリーの量が少なくなって、逆に研磨速度が低下するおそれが生じる。
【００１５】
第２のパッド層３の研磨テーブル１側の面には、中心から放射状にパッド冷却用溝７が形成され、この溝７は前記孔６と接続されている。パッド冷却用溝７の本数は、特に限定されないが、通常、１〜３２本程度である。図２では、８本のパッド冷却用溝７が放射状に形成されている。冷却用溝７の形状は、特に限定されず、矩形断面形状、Ｖ字型、Ｕ字型等、適宜選択することができる。
【００１６】
ノズル３０より研磨スラリーが研磨パッド５の中心近傍に滴下され、研磨テーブル１が回転すると、研磨スラリーの一部は遠心力により第１のパッド層２の表面上に広がり、研磨ヘッド１０により研磨パッド５に押圧された半導体ウエハー等の被研磨体２０の研磨に供される。他方、研磨スラリーの他の一部は研磨パッド５の中心近傍に設けられた冷却用孔６に侵入し、第２のパッド層３に設けられた放射状の冷却用溝７に供給され、遠心力で第２のパッド層３の下面全体に広がり、第２のパッド層３を冷却した後、外周から排出される。この場合、冷却用溝７内を流れる研磨スラリーにより第２のパッド層３が冷却され、更に防水フィルム４を介して隣接する第１のパッド層２が冷却され、研磨パッド５全体が冷却される。
【００１７】
このように、図１に示す研磨パッド５では、研磨スラリーが被研磨体２０の研磨用のみならず、研磨パッド５のための冷却液としても用いられる。即ち、冷却用孔６内に侵入した研磨スラリーは、研磨パッド５を冷却し、研磨時の摩擦による研磨パッド５の温度上昇を抑制することができる。
【００１８】
従来は、研磨テーブルに設けられていた冷却装置により、研磨テーブルを介して第２のパッド層を冷却し、更に第１のパッド層を冷却していたため、冷却効果が小さく、研磨パッド表面の温度上昇による研磨速度の低下を抑制できなかった。
【００１９】
これに対し、本実施形態に係る化学的機械的研磨法では、研磨スラリーが第２のパッド層３を直接冷却し、それによって第１のパッド層２を冷却するために、冷却効率が格段に上がり、研磨面の温度上昇を抑制して、研磨速度の低下を防止することができる。
【００２０】
なお、従来、冷却水を研磨スラリーとは別ラインから供給して研磨パッドを冷却しようとする提案はあるが、本実施形態では、研磨スラリーを研磨用と同時に冷却用としても用いることにより、別途冷却水のみのラインの構築を省略することができるという利点がある。
【００２１】
本実施形態に用いる研磨パッド５において、パッド冷却用孔６は、研磨パッド５の中心近傍にのみ設け、研磨パッド５の他の部分には設けていない。従来、パッド表面にパッド外周部と連通した多数の孔を設置し、スラリーの排水路を設けることが提案されているが、このようにパッド全体に渡って複数の孔を設けると、パッド外周部から進入した研磨スラリーの水が、研磨ヘッドによる荷重印加により、孔を通じてパッド表面にまで染み出し、研磨スラリーの濃度を減少させて、研磨速度を低下させてしまう。これに対し、本実施形態では、パッド冷却用孔をパッド中心近傍にのみ設けているため、このような問題は生じない。
【００２２】
本実施形態において、第２のパッド層３に設ける冷却用溝７は、図１に示すように第２のパッド層３の研磨テーブル１の側に設けるのではなく、図３に表すように、第２のパッド層３の第１のパッド層２の側に設けても良い。このように、冷却用溝７を第２のパッド層３の第１のパッド層２の側に設けることにより、冷却用孔６に侵入した研磨スラリーは、この冷却用溝７内を流れ、防水フィルム４を介して第１のパッド層２をより直接的に冷却することができる。その結果、研磨速度の低下の抑制効果をより高めることができる。なお、この場合、パッド冷却用孔６は、冷却用溝７に接続されればよいので、第１のパッド層２及び防水フィルム４に形成し、第２のパッド層３には、冷却用溝７に接続する部分のみに形成すればよい。
【００２３】
また、図４〜図６に示すように、第１のパッド層２のみに（防水フィルム４及び第２のパッド層３にまでは貫通しない）孔や溝を設けることもできる。即ち、図４に示す研磨パッドは、図１に示す構造において、第１のパッド層２に格子状の溝８と多数の孔９を設けた構造、図６に示す研磨パッド５は、図３に示す構造において、第１のパッド層２に格子状の溝８と多数の孔９を設けた構造をそれぞれ示す。図５は、図４及び図６に示す研磨パッド５において、第１のパッド層２の上面（ａ）及び第２のパッド層３の上面または下面（ｂ）を示す。
【００２４】
図４〜図６に示す構造の研磨パッド５では、第１のパッド層２に設けた溝８により研磨スラリーの排出がスムーズとなり、また孔９内に研磨粒子が滞留することより研磨パッドの目詰まりが防止され、研磨の安定性を高めることが可能となる。
【００２５】
次に、以上説明した研磨テーブルおよび研磨パッドを用いた化学的機械的研磨法を、半導体装置の製造プロセスに適用した例について、図７を参照して説明する。
【００２６】
図７は、酸化膜のＣＭＰにより素子分離構造を形成するプロセスを示す断面図である。まず、図７（ａ）に示すように、溝１１ａ，１１ｂが形成され、溝１１ａ，１１ｂ以外の部分の上にシリコン窒化膜１２が形成されたシリコン基板１１上に、ＣＶＤ法により、溝を埋めるようにシリコン酸化膜１３を形成する。図示するように、シリコン酸化膜１３の表面は凹凸面となっている。
【００２７】
次いで、上述した図１〜６に示す研磨パッドを用いたＣＭＰ法により、シリコン酸化膜１３の表面を研磨する。即ち、半導体基板１１をシリコン酸化膜１３が研磨パッド５に接するように研磨ヘッドに取り付けて、研磨パッド５に押し付け、研磨スラリーを研磨パッド５の中心近傍に滴下し、研磨ヘッド及び研磨テーブル１を回転することにより、シリコン酸化膜１３の研磨を行う。その際、研磨スラリーは、シリコン酸化膜１３の研磨に供されるとともに、研磨パッド５を冷却し、研磨時の摩擦による研磨パッド５の温度上昇を抑制することができる。
【００２８】
その結果、研磨は安定した研磨速度で行われ、図７（ｂ）に示すように、溝１１ａ，１１ｂ内にシリコン酸化膜１３ａ，１３ｂが埋め込まれたＳＴＩ構造が得られる。
【００２９】
以下、本発明の実施例と比較例について説明する。
【００３０】
（実施例１）
研磨装置として、荏原製作所製Ｆ☆ＲＥＸ３００Ｅ（登録商標）において、図１に示すように、研磨テーブル１上に、ＩＣ１０００（登録商標：ニッタハース社製）からなる第１のパッド層２とＳｕｂａ４００：ニッタハース社製)からなる第２のパッド層３を、間にアクリル系接着剤からなる防水フィルム４を間に介して積層した研磨パッドを配置したものを用いた。この研磨パッド５のほぼ中央部には、１０ｍｍ径のパッド冷却用孔６が形成され、また、第２のパッド層３の研磨テーブル１側の面には、図２(ｂ)に示すように、幅１０ｍｍ、深さ５ｍｍのパッド冷却用溝７が、パッド冷却用孔６から放射状に８本形成されている。
【００３１】
このような研磨パッド５を備える研磨装置を用い、シリコン熱酸化膜に化学的機械的研磨処理を施した。即ち、シリコン熱酸化膜を有する被研磨体をシリコン酸化膜が研磨パッド５に接するように研磨ヘッドにより、圧力５００ｈＰａで押付けた状態で研磨テーブル１を回転させ、研磨スラリーを研磨パッド５のほぼ中央部に供給して、研磨を行った。研磨スラリーとしては、酸化セリウム０．５重量％を含むスラリーを１９０ｍｌ/分、ポリアクリル酸３０重量％を含む水溶液を２．３ｍｌ/分の供給流量で供給した。
【００３２】
（実施例２）
研磨パッドとして、図３に示すように、第２のパッド層３の第１のパッド層２の側にパッド冷却用溝７を設けたものを用いたことを除いて、実施例１と同様にして、シリコン熱酸化膜の研磨を行った。
【００３３】
（実施例３）
研磨パッドとして、図４に示すように、第２のパッド層３の研磨テーブル１の側にパッド冷却用溝７を設けるとともに、第１のパッド層２にも溝８及び孔９を設けたものを用いたことを除いて、実施例１と同様にして、シリコン熱酸化膜の研磨を行った。
【００３４】
（実施例４）
研磨パッドとして、図６に示すように、第２のパッド層３の第１のパッド層２の側にパッド冷却用溝７を設けるとともに、第１のパッド層２にも溝８及び孔９を設けたものを用いたことを除いて、実施例１と同様にして、シリコン酸化膜の研磨を行った。
【００３５】
（比較例１）
研磨パッドとして、図８に示すように、研磨テーブル２１上に第１のパッド層２２と第２のパッド層２３とを防水フィルム２４を間に介して積層してなる、中央にパッド冷却用孔が設けられておらず、かつ第２のパッド層２３にパッド冷却用溝が設けられていない研磨パッド２５を用いたことを除いて、実施例１と同様にして、シリコン熱酸化膜の研磨を行った。なお、図９は、第１のパッド層２２の上面（ａ）及び第２のパッド層２３の下面（ｂ）を示し、いずれの面にも孔及び溝は形成されていない。
【００３６】
（比較例２）
研磨パッドとして、図１０に示すように、研磨テーブル２１上に第１のパッド層２２と第２のパッド層２３とを防水フィルム２４を間に介して積層してなる、中央にパッド冷却用孔が設けられておらず、かつ第１のパッド層２２のみに溝２８及び孔２９が設けられている研磨パッド２５を用いたことを除いて、実施例１と同様にして、シリコン酸化膜の研磨を行った。なお、図１１は、第１のパッド層２２の上面（ａ）及び第２のパッド層２３の下面（ｂ）を示す。
【００３７】
以上の実施例１〜４及び比較例１，２において、研磨の際の第１のパッド層の表面温度を測定し、熱酸化膜の研磨速度を求め、研磨速度の安定性を評価したところ、下記表１に示す結果を得た。なお、研磨速度の安定性は、下記の基準で評価した。
【００３８】
◎：非常に良好
○：良好
【表１】
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【００３９】
上記表１から、第１のパッド層の表面温度は、実施例１〜４では４９〜５９℃と低いのに対し、比較例１，２では７０℃及び６７．５℃と高いことがわかる。そのため、研磨速度は、実施例１〜４では６１８〜７２０ｎｍ／分と高いのに対し、比較例１，２では４００及び４２４ｎｍと低くなっており、実施例１〜４における研磨パッドに設けられたパッド冷却用孔の効果が明らかに認められる。
【００４０】
次に、実施例３において、研磨圧力を変化させて、第１のパッド層の表面温度及び研磨速度を測定したところ、図１２に示す結果を得た。図１２から、研磨圧力を増加させることにより、第１のパッド層の表面温度は多少上昇するが、高い研磨速度を維持していることがわかる。
【００４１】
一方、比較例２において、研磨圧力を変化させて、第１のパッド層の表面温度及び研磨速度を測定したところ、図１３に示す結果を得た。図１３から、第１のパッド層の表面温度は、低い研磨圧力の段階から既に高く、研磨圧力の増加とともに上昇し、研磨速度は全体として低いことがわかる。
【００４２】
図１２及び図１３に示す結果から、実施例３における研磨方法では、比較例２における研磨方法にくらべ、高い研磨速度での研磨が可能であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態に係る化学的機械的研磨法に用いる研磨装置の研磨テーブルおよび研磨パッドを示す断面図。
【図２】図１に示す第１のパッド層の上面（ａ）及び第２のパッド層の下面（ｂ）を示す図。
【図３】本発明の他の実施形態に係る化学的機械的研磨法に用いる研磨装置の研磨テーブルおよび研磨パッドを示す断面図。
【図４】本発明の他の実施形態に係る化学的機械的研磨法に用いる研磨装置の研磨テーブルおよび研磨パッドを示す断面図。
【図５】図４に示す第１のパッド層の上面（ａ）及び第２のパッド層の下面（ｂ）を示す図。
【図６】本発明の他の実施形態に係る化学的機械的研磨法に用いる研磨装置の研磨テーブルおよび研磨パッドを示す断面図。
【図７】酸化膜のＣＭＰにより素子分離構造を形成するプロセスを示す断面図。
【図８】比較例１に係る研磨テーブルおよび研磨パッドを示す断面図。
【図９】図８に示す第１のパッド層の上面（ａ）及び第２のパッド層の下面（ｂ）を示す図。
【図１０】比較例２に係る研磨テーブルおよび研磨パッドを示す断面図。
【図１１】図１０に示す第１のパッド層の上面（ａ）及び第２のパッド層の下面（ｂ）を示す図。
【図１２】実施例３における研磨圧力と第１のパッド層の表面温度及び研磨速度との関係を示す特性図。
【図１３】比較例２における研磨圧力と第１のパッド層の表面温度及び研磨速度との関係を示す特性図。
【符号の説明】
【００４４】
１，２１…研磨テーブル、２，２２…第１のパッド層、３，２３…第２のパッド層、４，２４…防水フィルム、５，２５…研磨パッド、６…パッド冷却用孔、７…冷却用溝、８，２８…格子状溝、９，２９…孔、１０…研磨ヘッド、１１…シリコン基板、１１ａ，１１ｂ…溝、１２…シリコン窒化膜、１３…シリコン酸化膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2007329342.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
2007329342.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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