JP5208467B2 - 不均等に離間した溝を有するｃｍｐパッド - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は一般にケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）の分野に関する。特に、本発明は、不均等に離間した溝を有するＣＭＰパッドを導出することに関する。

半導体ウェーハ上での集積回路および他の電子機器の製造においては、導体、半導体および絶縁体材料の複数の層をウェーハ上に堆積させ、エッチングする。これらの材料の薄い層は、多数の堆積技術によって堆積させることができる。最新のウェーハ加工で一般的な堆積技術としては、物理蒸着法（ＰＶＤ）（スパッタリングとしても知られる）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、プラズマ増強化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）および電気化学的めっき法がある。一般的なエッチング技術としては、とりわけ、湿式および乾式の等方性および異方性エッチングがある。

材料層が逐次に堆積され、エッチングされるにつれ、ウェーハの表面が非平坦になる。後続の半導体加工（たとえばフォトリソグラフィー）は、ウェーハが平坦面を有することを要するため、ウェーハを定期的に平坦化する必要がある。望ましくない表面トポグラフィーならびに表面欠陥、たとえば粗面、凝集した材料、結晶格子の損傷、スクラッチおよび汚染された層または材料を除去するためには平坦化が有用である。

ケミカルメカニカルプラナリゼーションまたはケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）は、半導体ウェーハおよび他の加工物を平坦化するために使用される一般的な技術である。二軸回転研磨機を使用する従来のＣＭＰでは、ウェーハキャリヤまたは研磨ヘッドがキャリヤアセンブリに取り付けられる。研磨ヘッドがウェーハを保持し、研磨機内で研磨パッドの研磨層と接する状態に配置する。研磨パッドは、平坦化されるウェーハの直径の二倍を超える直径を有する。研磨中、研磨パッドおよびウェーハはそれぞれの同心円中心を中心に回転し、その間にウェーハが研磨層と係り合う。ウェーハの回転軸は、研磨パッドの回転軸からウェーハの半径よりも大きい距離だけオフセットし、パッドの回転がパッドの研磨層上に環状の「ウェーハトラック」を描き出す。ウェーハの唯一の運動が回転である場合、ウェーハトラックの幅はウェーハの直径に等しい。しかし、一部の二軸研磨機では、ウェーハは、その回転軸に対して垂直な平面で振動する。この場合、ウェーハトラックの幅は、振動による変位を勘案した量だけウェーハの直径よりも広くなる。キャリヤアセンブリは、ウェーハと研磨パッドとの間に制御可能な圧力を提供する。研磨中、スラリーまたは他の研磨媒体が研磨パッド上に流され、ウェーハと研磨層との間の隙間に流し込まれる。ウェーハ表面は、研磨層および表面上の研磨媒体の化学的かつ機械的作用によって研磨され、平坦化される。

研磨パッド設計を最適化するため、ＣＭＰ中の研磨層、研磨媒体およびウェーハ表面の間の相互作用がますます研究されている。長年にわたる研磨パッド開発の大部分は、経験的性質のものであった。研磨面または研磨層の設計の多くは、スラリー利用度および研磨均一性を高めると主張されるさまざまなパターンの空隙および溝配置をこれらの層に設けることに集中してきた。長年にわたり、多くの異なる溝および空隙のパターンおよび配置が具現化されてきた。従来技術の溝パターンとしては、とりわけ、半径方向、同心円状、デカルト格子状およびらせん状がある。従来技術の溝配置形態としては、すべての溝の幅および深さが均一である配置形態ならびに溝の幅または深さが溝ごとに異なる配置形態がある。

特に、回転式の研磨パッドに用いられる多くの従来技術の溝パターンでは、溝はパッドの同心円中心またはその近接位置から、パッドの外周またはその近接位置まで及ぶ。このようなパターンのうち、半径方向の溝およびらせん状の溝に関連する例は、Ｍｕｌｄｏｗｎｅｙの米国特許第６，７８３，４３６号に示されている。Ｍｕｌｄｏｗｎｅｙの特許で開示されているすべての半径方向およびらせん状の溝パターンは、このような溝パターンの典型として、それぞれのパッドの全周方向において角ピッチが一定である。Ｍｕｌｄｏｗｎｅｙの特許では、デカルト格子状および同心円状の溝パターンを有する研磨パッドも示されている。これらのパターンのいずれにおいても、溝は一定のピッチを有する、すなわち隣接する溝の間隔が同一である。Ｂｅｎｎｅｔｔらの米国特許第５，９８４，７６９号では、一つの例として、パッド上の溝の位置に応じて溝のピッチが変化するように配置された同心円状の溝を有する研磨パッドを開示している。Ｂｅｎｎｅｔｔらの特許では、もう一つの例として、単一のらせん状の溝において隣接部分の間のピッチがパッド上の溝の位置に応じて異なる研磨パッドを開示している。

従来技術は多様な溝パターンを有する研磨パッドを包含するが、これらの溝パターンの有効性はパターンおよび研磨工程ごとに異なる。研磨パッドの設計者は、従来技術のパッドと比較してより有効かつ有用な研磨パッドを実現する溝パターンを常に追求している。

発明の開示
本発明の一つの態様では、研磨パッドは、研磨媒体の存在下で磁性基材、光学基材および半導体基材の少なくとも一つを研磨するために構成され、同心円中心を有する研磨面と、ウェーハの研磨中に研磨面上に定義されるウェーハトラックと、外周とを含み、ウェーハトラックが内側境界および内側境界から離間した外側境界を有する研磨層と；研磨面に位置し、それぞれがウェーハトラックを通過して内側境界および外側境界とそれぞれ交差し、同心円中心から外周に向けて半径方向に測定される溝間の半径方向ピッチがウェーハトラック内のすべての隣接する溝で不均等となる所定の方法によって異なる角ピッチを有する複数の溝と；ウェーハトラック内の複数の溝セットであって、それぞれの溝セットが複数の溝で形成される複数の溝セットとを含む。

本発明のもう一つの態様では、研磨パッドは、研磨媒体の存在下で磁性基材、光学基材および半導体基材の少なくとも一つを研磨するために構成され、同心円中心を有する研磨面と、ウェーハの研磨中に研磨面上に定義されるウェーハトラックと、外周とを含み、ウェーハトラックが内側境界および内側境界から離間した外側境界を有する研磨層と；研磨面に位置し、それぞれがウェーハトラックを通過して内側境界および外側境界とそれぞれ交差し、同心円中心から外周に向けて半径方向で測定される溝間の半径方向ピッチがウェーハトラック内のすべての隣接する溝で不均等となる所定の方法によって異なる角ピッチを有する複数の溝と；ウェーハトラック内の複数の溝セットであって、それぞれの溝セットが少なくとも三本の溝で形成され、ウェーハトラックに少なくとも三組が含まれる複数の溝セットとを含む。

発明の詳細な説明
図面を参照すると、図１〜３は、本発明に従って作製され、後に詳述するようにＣＭＰ研磨装置に使用することができる研磨パッド１００を示す。図２に示すように、研磨パッド１００は、研磨面１０８を有する研磨層１０４を含む。研磨層１０４は、研磨層と一体で形成することができる、または研磨層と別個に形成することができるバッキング層１１２で支持することができる。研磨層１０４は、被研磨物品、たとえば、とりわけ半導体ウェーハ１１４（図示する）、コンピュータハードドライブのディスクなどの磁気媒体物品または屈折レンズ、反射レンズ、平面反射板もしくは透明平面物品などの光学部品の研磨に好適なあらゆる材料から作製することができる。研磨層１０４の材料の例としては、説明のためであって、これらに限定されるものではないが、さまざまなポリマープラスチック、たとえば、とりわけポリウレタン、ポリブタジエン、ポリカーボネートおよびポリメチルアクリレートがある。

図１に示すように、通常、研磨パッド１００は円板形状を有し、研磨面１０８は同心円中心１１６および円形外周１２０を有する。使用中、被研磨物品（図中では輪郭１１４で指示されるウェーハ）は、必ずではないが通常は半導体ウェーハであり、研磨面１０８上に円形の研磨（ウェーハ）トラック１２４を描き出す。研磨トラック１２４は、研磨面のうち、研磨中に被研磨物品に面する部分である。一般に、研磨トラック１２４は、内側境界１２４Ａおよび外側境界１２４Ｂによって定義される。当業者が容易に理解するように、ウェーハトラック１２４の内側および外側境界１２４Ａ−Ｂは概ね円形状であるが、被研磨物品および／または研磨パッド１００をオービタル運動または振動運動させる研磨機の場合には、波状であると考えることができる。

図１〜３を参照すると、研磨パッド１００は、溝パターン１３２を定義するために研磨層１０４に形成される複数の溝１２８を含む。各溝１２８は、特定の組み合わせの設計基準に適合するため、事実上、いかなる所望の断面形状および断面寸法も有することができる。したがって、特に図２に示すように、溝１２８の矩形の断面形状および図示した関連する断面寸法は一例に過ぎない。当業者は、設計者が本発明の研磨パッド、たとえばパッド１００に対し、広範囲にわたる形状および寸法の溝１２８を提供することができることを理解する。また、当業者は、溝１２８の断面形状および寸法について、各溝の長手方向に沿って異なるか、溝ごとに異なるか、またはその両方であることができることも容易に理解する。

各溝１２８は、研磨トラック１２４を通過し、内側境界１２４Ａおよび外側境界１２４Ｂの両方と交差する。図示した態様では、各溝１２８は、研磨面１０８の同心円中心１１６の隣接点から外周１２０まで及ぶ。当然のことながら、当業者は、図示した同心円中心１１６および外周１２０に対する溝１２８の範囲が典型例に過ぎず、これに限定されるものではないことを理解する。たとえば、特定の設計で対応することができるように、一部またはすべての溝１２８を同心円中心１１６に到達させ、一部またはすべての溝を外周１２０に到達させずに終端させることができる。

溝パターン１３２は、研磨面１０８の同心円中心１１６を円形に取り囲む方向において、溝１２８の角ピッチが所定の方法によって異なる点で、独特の溝パターンである。本明細書および添付の請求項で使用する「角ピッチ」は、同心円中心１１６の同心円１４０（図３）上に位置し、直接隣接する一組の溝１２８上の点、たとえば点１３６Ａ−Ｂ間の距離として定義され、それぞれ点１３６Ａ−Ｂと同心円中心１１６とを接続する二本の直線１４４Ａ−Ｂ間の「ピッチ角度」αによって測定される。所定の方法により、ピッチのバリエーションは意識的な設計選択の結果であって、たとえば研磨パッド１００のレイアウト時または製造時に一本以上の溝１２８を不正確に製造した、または誤配置したことによる人為的な結果ではない。また、半径方向ピッチは、ウェーハトラック１２４内のすべての隣接する溝１２８の間で不均等である。「半径方向ピッチ」は、溝１２８の特徴の間隔、たとえば正面側壁から正面側壁までの間隔であり、同心円中心１１６から外周１２０に向かう半径方向で測定される。この概念は非常に広範であり、角ピッチがパターン間で不規則に異なるように見える溝パターン、または同一のバリエーションが存在しないように角ピッチが異なる溝パターンを含み、この概念は、必ずではないが通常は、角ピッチのバリエーションが反復的になるように具現化される。

たとえば、図１および３にもっともよく示されるように、溝パターン１３２は、らせん形状と、同心円中心１１６を中心に研磨パッド１００の全周３６０°にわたって三つの異なるピッチ角度α、β、γが連続して循環する角ピッチとを有する十五本の溝１２８によって定義される。各溝１２８のらせん形状は、先に発明の背景で論じたＭｕｌｄｏｗｎｅｙの特許で開示されているように配置することができる。溝１２８はらせん形状を有するように示されているが、溝は他の形状、たとえば図６および７に示す区分的に半径方向に湾曲した半径方向形状ならびに図８および９に示す区分的に半径方向に湾曲した形状を有することができる。

図示した態様において円１４０が図示した直径を有する場合、α＝１３°、β＝２６°およびγ＝３９°である。γはαおよびβのいずれよりも著しく大きいため、人間の知覚では、十五本の溝１２８をそれぞれ三本の溝からなる五組のセット１４８にグループ化する傾向がある。このようにセット１４８にグループ化される場合、すなわち反復するピッチ角度のなかで最大のピッチ角度（または二つのピッチ角度のみを問題としている場合には、より大きなピッチ角度）によってセットが分離される場合、可変の角ピッチは、一つ以上のセット内ピッチ角度（この場合、ピッチ角度αおよびβの二つ）およびセット間ピッチ角度（この場合、ピッチ角度γ）を含む。図示した態様では、同種の五組のセット１４８のセット内ピッチ角度α、βは相互に等しく、同様に、五回出現するセット間ピッチ角度γも相互に等しい。ただし、代替態様ではこの必要はない。すなわち、ピッチ角度α、β、γのいずれか一つ以上は、セット１４８間および任意の二組の隣接するセット間で異なることができる。一般に、三本の溝１２８からなるセット１４８の視覚的な区別を維持するには、ピッチ角度γがそれぞれのピッチ角度αおよびβよりも十分に大きく、各セットの三本の溝が明らかに相互にグループ化されるようにすればよい。ピッチ角度γを大きくすると、半径方向ピッチまたは隣接する溝１２８の間隔も増加する。半径方向ピッチまたは間隔の増加により、セット１４８が分離する。

図４〜９は、図１〜３の研磨パッドに関して先に論じた一般原則に従って作製された代替研磨パッド２００、３００、４００を示す。特に、図４および５に示す研磨パッド２００は、ピッチ角度α’＝１４°とピッチ角度β’＝２２°とが交互になる角ピッチを有する二十本の溝２０８を有する研磨面２０４を含む。この可変ピッチは、それぞれセット内ピッチ角度α’によって離間した二本の溝を包含する溝２０８のセット２１２が十組存在するような視覚的印象を与える。これに対応して、二本の溝２０８からなる各セット２１２は、セット間ピッチ角度β’によって離間する。図１〜３の溝１２８と同様に、図４および５の各溝２０８はらせん形状を有する。特に図示しないが、各溝２０８は断面形状および寸法について、図１〜３の溝１２８と同様であることができる。ただし、図４および５に示す研磨パッド２００に関して、このパッドの実際のサンプルでは、同一の材料で作製され、角ピッチおよび半径方向ピッチが一定である溝パターンを有する従来のＩＣ１０１０（商標）研磨パッド（アリゾナ州フェニックスのＲｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＣＭＰ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから入手可能）と比較して、除去速度が１４％向上し、欠陥が５４％低減した。

図１〜５の研磨パッド１００、２００は、先に記載したように、らせん形状を有する溝１２８、２０８を含むが、本発明の研磨パッドはらせん状の溝を有する必要はない。溝１２８、２０８はそれぞれ一定の角ピッチでウェーハトラックを通過するが、角ピッチがウェーハトラック内で異なるようにすることが可能である。図６〜９は、らせん状の溝に対する多くの代替例のうち、二例を示す。特に、図６および７は、研磨面３１２の全体にわたって均一に分散された溝３０８の二十組のペア（セット）３０４を有する研磨パッド３００を示す。研磨パッド中心３１８と同心である円３１６の位置では、各ペア３０４における溝３０８間のセット内ピッチ角度α''は約５．３°であり、直接隣接するペアの直接隣接する溝の間のセット間ピッチ角度β''は約１２．７°である。これらのピッチ角度α''、β''は、それぞれ円３１６の全周にわたって二十回反復され、溝３０８の二十組のペア３０４の内部および相互の間隔は均等になる。

この例では、図６に示すように、各溝３０８は第一の半径方向直線部３０８Ａ、第二の半径方向直線部３０８Ｃおよび対応する移行部３０８Ｄ−Ｅを経由して第一および第二の半径方向部にそれぞれ接続するらせん部３０８Ｂを含む。各溝３０８はウェーハトラック３２０を通過し、ウェーハトラックの内側および外側境界３２０Ａ−Ｂとそれぞれ交差する。

図８および９は、本開示に従って作製された、さらにもう一つの研磨パッド４００を示す。研磨パッド４００は、研磨パッド４００の全周にわたってそれぞれ十五回反復されるセット内ピッチ角度α'''（図９）およびセット間ピッチ角度β'''で溝４０４が交互に分離され、溝４０４の十五組のペア（セット）４０８が視覚的に定義される点において、一般に図６および７の研磨パッド３００と類似している。この態様では、各溝４０４は、移行部４０４Ｃで接続される半径方向直線部４０４Ａおよびらせん部４０４Ｂを含み、セット内ピッチ角度α'''は約９°、セット間ピッチ角度β'''は約１５°である。

図１０は、物品、たとえばウェーハ５０８を研磨するため、図１〜９の研磨パッド１００、２００、３００、４００または本発明の他の研磨パッドのいずれかであることができる研磨パッド５０４を使用するのに好適な研磨機５００を示す。研磨機５００は、研磨パッド５０４が取り付けられるプラテン５１２を含むことができる。プラテン５１２は、プラテンドライバ（図示せず）によって回転軸Ａ１を中心に回転可能である。研磨機５００はさらに、プラテン５１２の回転軸Ａ１に対して平行かつ離間した回転軸Ａ２を中心に回転可能であり、研磨中にウェーハ５０８を支持するウェーハキャリヤ５２０を含むことができる。ウェーハキャリヤ５２０は、ウェーハ５０８が研磨パッド５０４の研磨面５２４に対してごくわずかに非平行な向きをとることができるようにするジンバル式リンク（図示せず）を備えることができ、その場合、回転軸Ａ１、Ａ２は相互に対してごくわずかに斜行していることができる。ウェーハ５０８は、研磨層５２４に面し、研磨中に平坦化される被研磨面５２８を含む。ウェーハキャリヤ５２０は、ウェーハ５０８を回転させ、研磨中に被研磨面とパッドとの間に所望の圧力が存在するよう下向きの力Ｆを加えて被研磨面５２８を研磨パッド５０４に押し当てるように適合されたキャリヤ支持アセンブリ（図示せず）により、支持することができる。研磨機５００は、研磨面５２４に研磨媒体５３６を供給するための研磨媒体導入口５３２を含むこともできる。

当業者が理解するように、研磨機５００は他の部品（図示せず）、たとえばシステム制御装置、研磨媒体貯蔵および計量供給システム、加熱システム、リンスシステムならびに研磨工程のさまざまな局面を制御するための各種制御、たとえば、とりわけ（１）ウェーハ５０８および研磨パッド５０４の一方または両方の回転速度のための速度制御装置および選択装置、（２）パッドへの研磨媒体５３６の送り出しの速度および位置を変えるための制御装置および選択装置、（３）ウェーハと研磨パッドとの間に加えられる力Ｆの大きさを制御するための制御装置および選択装置ならびに（４）パッドの回転軸Ａ１に対するウェーハの回転軸Ａ２の位置を制御するための制御装置、作動装置および選択装置を含むことができる。当業者は、これらの部品を構成し、具現化する方法を理解し、したがって、当業者が本発明を理解し、実施するためのそれらの詳細な説明は不要である。

研磨中、研磨パッド５０４およびウェーハ５０８がそれぞれの回転軸Ａ１、Ａ２を中心に回転し、研磨媒体５３６が研磨媒体導入口５３２から回転する研磨パッドの上に計量供給される。研磨媒体５３６は、研磨面５２４上に、ウェーハ５０８と研磨パッド５０４との隙間を含めて広がる。研磨パッド５０４およびウェーハ５０８は、通常、０．１rpm〜１５０rpmの範囲で選択される速度で回転するが、必ずしもそうである必要はない。力Ｆは、通常、ウェーハ５０８と研磨パッド５０４との間に０．１psi〜１５psi（６．９〜１０３kPa）の所望の圧力を誘発するように選択される大きさであるが、必ずしもそうである必要はない。

半径方向に異なる角ピッチおよび不均等な間隔を有する複数の溝は、同等の寸法であって溝が均等に離間している研磨パッドと比較して、研磨除去速度を高めることができる。さらに、これらの溝をウェーハトラック内で反復する一連の溝セットとして反復させることにより、ウェーハ内の研磨均一性が促進される。好ましくは、ウェーハトラックは少なくとも三セットの溝を含み、溝は溝セット内で異なる半径方向ピッチを有する。

図１は、本発明に従って作製された研磨パッドの平面図である。 図２は、図１の線２−２における図１の研磨パッドの拡大断面図である。 図３は、図１の研磨パッドに関し、パッドの中心部を示す拡大平面図である。 図４は、本発明に従って作製された代替研磨パッドの平面図である。 図５は、図４の研磨パッドに関し、パッドの中心部を示す拡大平面図である。 図６は、本発明に従って作製されたもう一つの代替研磨パッドの平面図である。 図７は、図６の研磨パッドに関し、パッドの中心部を示す拡大平面図である。 図８は、本発明に従って作製されたさらにもう一つの代替研磨パッドの平面図である。 図９は、図８の研磨パッドに関し、パッドの中心部を示す拡大平面図である。 図１０は、本発明に従った研磨システムの概略図である。

Claims (5)

1. ａ）研磨媒体の存在下で磁性基材、光学基材および半導体基材の少なくとも一つを研磨するために構成され、同心円中心を有する研磨面と、ウェーハの研磨中に研磨面上に定義されるウェーハトラックと、外周とを含み、ウェーハトラックが内側境界および内側境界から離間した外側境界を有する研磨層と；
   ｂ）研磨面に位置し、それぞれがウェーハトラックを通過して内側境界および外側境界とそれぞれ交差し、同心円中心から外周に向けて半径方向に測定される溝間の半径方向ピッチがウェーハトラック内のすべての隣接する溝で不均等となる所定の方法によって異なる角ピッチを有する複数の溝と；
   ｃ）ウェーハトラック内の複数の溝セットであって、それぞれの溝セットが複数の溝で形成される複数の溝セットと
   を含み、前記複数の溝セットが、それぞれ少なくとも一つのセット内ピッチ角度を有し、複数の溝セットが、隣接するセット間ピッチ角度を有し、セット間ピッチ角度の少なくとも一部が、複数の溝セットの少なくとも一部における少なくとも一つのセット内ピッチ角度と異なる、研磨パッド。
2. セット間ピッチ角度が実質的に相互に等しい、請求項１記載の研磨パッド。
3. 複数の溝が、相互に異なる複数のセット内ピッチ角度をそれぞれ有する複数の溝セットになるように配置される、請求項１記載の研磨パッド。
4. 複数のセット内ピッチ角度が、複数の溝セットにわたって反復される、請求項１記載の研磨パッド。
5. 複数の溝のそれぞれが、ウェーハトラック内で角ピッチが一定であるらせん曲線を定義する、請求項１記載の研磨パッド。

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