新 しい固定砥粒パ ッ ドによるのセ ミ ドライ加工方法の研究

新 しい固定砥粒パ ッ ドによるのセ ミ ドライ加工方法の研究

S t u d y o f a S e m i‑ dr y p o l i s h i n g me t h o d f o r o x i d e wa f er CMP w it h S p i r a l t y p e Fi l e d

Ce r ia Abr a s i v e Po l i s h i n g Pa d

代 田 渉

1*

2

wa t a ru s h i r o t a

s u s u mu s a k a k i b a ra

s h i g e r u T o mi na g a

T o s h i r o h Ka r a r i Do y2

1 株式会社 ロキテ クノ

ROKI T ECf r N0 CO. , L TD

2 埼玉大学教育学部

F a c u l t y o fEd u c a t i o n ,S a i t a ma Un i v e r s i t y Ab s t r a c t

S e mi ‑ d r yp o l i s hi n gm e t h o df o r ‑s i l i c o no x i d eW a f e rC u pWi t hS pi r alt y p eF i x e dC e r i aA b r a s i v e p o l i s hi n gp a di sp r o p o s e di nt hi sp a p e r .Hi g hM R Ro f4 0 0 n m / 凪i na n dh i g h WI Y N U o f8 %a r eo b t ai n e d b yt hi sm e t h o d .

S e mi ‑ d r yp o l i s hi n gm e t h o di so n eo ft h e皿 e t h o do fs l u r r yf r e eC u pa n di st h en e wm e t h o du s i n gs m a l l a m o u nto fp u r eW a t e ri n s t e a do fs l u r r ya n dc h e mi c all i q u i d .K e yt e c h ni q u eo ft hi s皿 e t h o di sh o wt o c o n t r o lt h ea m o u n to fp u r ey a t e ro nt h ep a ds u r f a c eb e f o r ep o l i s hi n g .C o n t r o lt e c h n i q u ei se x a mi n e d , a

ndp o l i s hi n gn e c h a n i s ni sd i s c u s s e d .

1 . は じめ に

半 導休 デバ イ ス用 の層 間絶縁 膜 や STI に使 用 されているシ リコン敢化膜 を加工対象 と して､酸化 セ リウム ( 以下 セ リアとい う)粒子 をパ ッ ドに固定 した新 しい平坦化 CMP 用 ポ リシングパ ッ ドを考案 し､その加工特性 と加工 メ カニズムについて前回報 告 した｡ [ 1 ]

前回の報告 では､セ リア固定砥粒層 と合成樹脂層 の

種類 の薄 い層 を､加工面 に対 して垂直 に交互 に 配列 したポ リシングパ ッ ド ( 以下 スパ イラル型 固定 砥粒パ ッ ドとい う) に閑 し､各層 の使用材料 を検討 した｡ また加工液 に､希釈 した低濃度 のセ リアスラ リーを適用 して p ‑ T E O S 酸化膜 の加工実験 を行 い､セ リアスラ リーに含 まれ るセ リア砥粒 の作用 で､パ ッ ドに固定 され たセ リア砥粒 が遊離化 し､遊離砥粒 と して有効 に作用す ることを確認 し､通常の発泡ポ リ ウ レタンパ ッ ドと比較 して加工 に利用 され る砥粒 の 総合消費量 が低減 で きることを示 した｡

固定砥粒 パ ッ ドを CMP に適用す る 目的 は､ スラ リー フ リー加工方法 ( 砥粒 を含 まない加工液 を使用 して加工す る方法) を適用 して､良好 な加工 レー ト

〒1 4 0 ‑ 8 5 7 6 東京都品川 区南大井 6 ‑ 2 0 ‑ 1 2

0 3 ‑ 5 7 6 4 ‑ 1 1 4 2 F a x:0 3 ‑ 5 7 6 3 ‑ 0 8 2 0

E m a i l: W . s hi r o t a @ r o k i t e c h n o . e o . i p

( M R R) と ス ク ラ ッチ フ リー の 高 い 面 内 均 一 性 ( YI V N U ) を実現す ることである｡特 に､加工液 に純 水 の適用が可能 であれ ば､ スラ リー供給装置な どス ラ リーを管理す る装置が不要 とな るばか りか､ スラ リーに要す る消耗費用 の削減が可能 である｡しか し､

現状 では､純水 を適用 して加工 を行 う場合､ 良好 な 加工 レー トを得 るためには高い加工圧力で加工す る 必要が あるため､ マイクロスクラ ッチの増加や面 内 均一性 の悪化 な ど､加工特性が低下す る問題 があ る｡

本報告 では､ スパ イラル型 セ リア固定砥粒パ ッ ド を使用 し､ シ リコン酸化膜 の CMP に､パ ッ ドに吸 水 した水分 を利用 して加工す る加工方法 ( 以下 セ ミ ドライ加工方法 とい う) を適用 した結果､ 良好 な加 工性能 を得 たので､加工結果の詳細 を報告 し､加工

メカニズムを検討す る｡

2. スパ イラル塑 セ リア固定砥粒パ ッ ドの構造

F i g . 1 に本 研究 で使用 した スパ イ ラル型 セ リア 固定砥粒パ ッ ドの構造模式 図を示す｡このパ ッ ドは､

セ リア固定砥粒層 ( F A L a y e r ) とポ リマー層 の

種

類 の薄 い層 で構成 され､ これ らの層が スパ イラル状

に配置 し､加工面 に対 して垂直 に交互 に配列 した構

道 を有 している｡セ リア固定砥粒層 は､平均粒径 0. 5 L lm 程度のセ リア砥粒 ( 9 0 v t %)にバインダー剤 とし てアクリル系の熱可塑性合成樹脂 ( 1 0 wt %)を均一に 混合 して､厚 さ 0. 3 mmの長尺シー ト状に成形 された ものである ｡F i g . 2 にスパイラル構造 を形成す る製 造方法の説明図を示す｡セ リア固定砥粒層の長尺シ ー トに､ポ リウ レタン系の熱可塑性合成樹脂を加熱 コー トして､厚 さ約 0. 0 3 mmのポ リマー層を形成 しな が ら軸芯に巻き､所定のパ ッ ド径 まで太 らせて円柱 状 とす る｡ 自然冷却後に軸芯に垂直な方向に所定の 厚みでスライス加工 し､スライス面の片方の面 に圧 力感応粘着テープを貼付 してポ リシングパ ッ ドを形 成す る｡

Po l j s h i J I g Sur f a c e

F i g lスパイラル型セ リア固定砥粒パ ッ ドの構 造模式図

Fi g Zスパイラル型固定砥粒パ ッ ドの製造方法 の説明図

3. セ ミドライ加工方法

CMP 用固定砥粒パ ッドには､研削砥石のように 砥粒が固定 された状態でウエーハに砥粒 を作用 させ

1 5

るタイプものと､固定 された砥粒が摺動摩擦などで 遊離化 し､遊離砥粒 として ウェ‑ハに作用 させるタ イプの ものに分類 され るが､後者のタイプの固定砥 粒パ ッ ドでは､砥粒 を遊離化 させるためには､十分 な摺動摩擦力の発生条件が必要である｡特に､純水 を使用 して加工す る場合は､加工液 にスラ リ‑を使 用す る場合 と異な り､遊離化砥粒の生成割合はパ ッ

ドとウェーハ間の摩擦力に依存す る｡ しか し､加工 中に純水が供給 され ると､パ ッ ドとウェーハ間に水 の薄膜が形成 され､水の薄膜 による潤滑作用で､十 分な摺動摩擦力が得 られない現象が生 じる ｡ [ 2 】

反対 に､セ リア砥粒 の加工では､水分が不足す る と､シ リコン酸化膜 とセ リア砥粒 との固相で生 じる メカノケ ミカル反応が進 まず､十分な加工能率が期 待できな くなる｡

吸水性の固定砥粒パ ッ ドを使用 し､水の薄膜が生 成 されない状態で加工 を行えば､上記の問題 を避け ることが可能である｡ この状態は､ ウェッ ト加工法 と ドライ加工法の中間の状態であ り､ この状態を維 持する加工方法 をセ ミ ドライ加工方法 と呼ぶ ことに する｡本報告では､セ ミ ドライ加工方法 として､下 記の手順で加工 を行 った｡

手順 1 パ ッ ド面上 に純水 を滴下 して､十分な湿 潤状態 とす る｡

手順

プラテンの回転 による遠心力を利用 して 水切 りし､パ ッ ド表面の湿潤状態を調整 す る｡

手順 3 加工 を実施す る｡ただ し､加工中は純水 を一切供給 しないO

パ ッ ド表面の湿潤状態の調整方法 には､プラテンの 回転による遠心力を利用 した水切 りの他に､エアー ブ一口や吸水 ローラ等の使用などが考え られ るが､

本報告では､最 も簡便な方法 として､水切 りを採用 した｡

4. 実験方法 ･装置及び評価方法

4. 1 セ ミ ドライ加工を適用 した加工特性の測定 セ ミ ドライ加工方法 を適用 した CMP 加工特性を 評価す る目的で､外径 2 4 インチのスパイラル型セ リ ア固定砥粒パ ッ ド ( R C O 卜# 3型)を使用 し､加工試料 に膜厚 1 0 00 n m の p‑ T E OS 酸化膜の 8 インチブランケ ッ トウェーハを使用 して加工実験を行 った｡

加工方法 として､加工液 に純水を適用 した加工法

( 以下純水加工 と言う)､加工液 に I vt % のセ リアス

ラリーを適用 した加工法 ( 以下 スラ リー加工 と言う)

及び加工液 に純水 を使用 し､ ドレッサを併用 した i n ‑ s i t u ドレス加工の 3 種類の加工方法 とセ ミ ドラ イ加工方法 を適用 したときの加工特性 を比較測定 し た｡

セ ミ ドライ加工方法 は ､2 項で説明 したように､

加工前 にパ ッ ドを純水で湿潤状態 として､加工中に は純水 を一切供給せずに加工を行 う方法であるが､

加工前のパ ッ ドの湿潤状態によって､加工 レー トが 大 きく変化する｡湿潤量が多すぎても少なす ぎて も､

十分な加工 レー トが得 られず､加工 に最適な湿潤状 態が存在す る｡本実験では､ 最適な湿潤状態 として､

パ ッ ドに十分に純水を供給 した後､純水の供給 を停 止 し､プラテンの回転数を 1 0 0 r p m として ､4 分間回 転 してパ ッ ドの水切 りを実施 した｡

T a bl e lに適用 した加工条件 を示す｡特 に記述が ないかぎり共通するものである｡

T a bl el 適用 した加工条件

C M P 装置 マニ ュアル ローデ ィング C

P 実 験 装 置 M A T A R V ‑ 6 81 M S( エム. エ‑ . チ

イ社製)

加工試料 酸化膜 ブ ラ ンケ ッ トウエー ハ ( 8 インチ)

パ ッ ド スパ イラル型 セ リア固定砥 粒パ ッド ( R C O1 ‑ #3 ) 加工圧力 4 0 0 g ′ c m

回転数 プラテン : 4 0 r p m ヘ ッ ド : 3 6 r p m 加工液供給量 2 0 0 m1 / mi n

加工特性 として､加工 レ‑ ト､面内均一性及びマ イクロスクラッチの発生個数を評価 した｡加工後の 酸化膜 ウェーハの残膜厚を ､7200 型膜厚計 ( ナ ノメ トリックス社製)でウェーハの任意の中心線 ( 以 下Ⅹ軸 とい う)上の

点､及びⅩ軸 に直交す る線 ( 以下

軸 という)上の

点について測定 し

Ⅹ軸 上の除去膜量の平均値 ( 加工時間を lmi n とした) を加工 レー トとしたo また､面 内均一性は

Ⅹ軸 と Y 軸上の残膜厚の平均値 を求め､平均値 と各測定点 の差の百分率を測定点 29 点 について算出 し､その 標準偏差 αであ らわ した｡マイクロスクラッチの発 生個数の測定には､残膜 を測定 したウェーハを十分

4. 2 セ ミドライ加工 におけるパ ッ ド湿潤状態の測定 本実験は､セ ミ ドライ加工方法 を適用 した場合の パ ッ ドの湿潤状態を数値化す る目的で､外径 1 2 イン チのスパ イラル型 セ リア固定砥粒 パ ッ ド ( R C O 1 ‑ #3 壁)を使用 し､パ ッ ドの湿潤状態の調整条件 とパ ッ ド 表面の水分量の関係 を求め､同時に加工 レ‑ トとの 関係を測定 した｡ また ､R C Ol ‑ #3型パ ッドに樹脂含 浸処理 を行い ､R C O 卜#3型パ ッ ドの固定砥粒層の微 細気孔を閉塞 させたパ ッ ド ( R C O 卜#4型)を試作 し､

同様にパ ッ ド表面の水分量 と加工 レー トの関係を比 較測定 した｡

T a bl e 2 に適用 した加工条件 を示す｡この加工条件 は､特 に記述がないかぎり共通するものである｡

加工試料 には､膜厚 1 0 0 0 n m の p ‑ T E O S 酸化膜の 1 8 m mx1 8 mmのウェーハチ ップを使用 した｡干渉式膜 厚計 ( S E N N T E C H 社製 F T P 5 0 0 ) を用いて試料の膜厚 さ

を測定 し､加工前後の膜厚 さの測定値をもとに､単 位時間当た りの除去膜厚を加工 レー トとした｡

T a bl e 2 適用 した加工条件

C M P 装置 リング型小型 ポ リシング装 置 ( 定盤径 ￠3 0 0 mm)( ナノフ

アクター社製 N F 3 0 0 ) 加工試料 酸 化膜 ( p ‑ T E O S ) 付 き ウ エー

ハチ ップ ( 1 8 Ⅹ1 8 m m ) パ ッ ド 外径 1 2 インチ R C O 1 ‑ #3型パ

ツ ド､ 外径 1 2 インチ R C O 1 ‑ # 4 型パ ッ ド

加工圧力 4 0 0 g ′ C Ⅲ 2 回転数 プラテン : 4 0 r p m

ヘ ッ ド : 3 6 r p 皿 加工液供給量 1 0 m1 ′ mi n

パ ッド湿潤状態は､赤外線式水分計 ( 川‑ 3 S C V フジ ワーク社社製) を使用 してパ ッ ドの表面近傍の水分 量で数値化 した｡ただ し､赤外線式水分計の指示値 は､測定試料の材質や厚みに対 して水分量の相対値 を示す ものである｡

含水率の測定では､厚 さ 3 mm ､1 0 0 m mXI O O m 皿の固

定砥粒パ ッ ドのカッ トサンプルを使用 し ､6 0 ℃に設

定 したオーブン乾燥機 ( 2 ‑ 2 0 0 0 I S U Z U 製作所製)で 1 0

時間乾燥 させた後のサンプル重量を測定 ( 乾燥重量

ッ ドの含水率 と した｡｡

5. 実験結果

5 . 1 セ ミ ドライ加工 を適用 した加工特性の測定 Fi g 3 に ､8 インチブランケ ッ トウェーハにセ ミ ド ライ加工方法 を適用 したときの､加工後の残膜厚の 測定結果 を示す｡ 比較 デー タと して､純水 加工 ､ i n‑ si t u ドレス加工及びスラ リー加工の 3 種頬の加 工方法 を適用 したときの加工データも示 した ｡Fi g 4 には､残膜厚か ら算 出 した加工 レー トと面 内均一性 を示す ｡Fi g 4 に示す 4 種類の加工方法 には､同一の 加工条件 を適用 したため単純 な比較 はできないが､

セ ミ ドライ加工方法 による加工特性が良好であるこ とが分 る｡

スラ リー加工法では､高い加工 レー トを示すが面 内均一性が悪 く ､Fi g 3 に示す ように加工特性がセ ン タースローであ った｡ これ は､供給 したセ リアスラ リーの量が ウェーハ面 に対 して偏 った分布 を し､特 にウェーハ中央部 に作用す るスラ リー量が少ないた め と判断され る｡加工圧力を低 くし､パ ッ ドとウェ ーハ間の相対速度 を増加 させ るなどの加工条件の改 善 によ り､面 内均一性の改善が図れ るもの と考え ら れ る｡

同様 に､純水加工 ､i n‑ si t u ドレス加工方法では､

加工圧力を増加 させて加工 レ‑ トを改善 させ ること が可能であるが､セ ミ ドライ加工方法 は､ スラ リ‑

フ リー加工方法 と して優れた加工方法 と言える｡

各加工方法による加工後り=‑ハの残膜厚

◆ 純水加工 + T n‑Si t u r I レス加工

‑1 00 50 測定点( m ) 50 1 00

Fi g 3 ウェ‑ハ加工後の残膜厚測定結果

Fi g 5 に加工後 の ウェーハ面 内に存在す るマイク ロスクラ ッチ ( 0. 2〟m 以上の微細打痕状 キズ)の総 数 を示す｡セ ミ ドライ加工方法 を適用 した加工では､

1 7

マイクロスクラ ッチの発生数が少ない ことが分 る｡

砥粒加工 によって生 じるマイクロスクラ ッチは､

マイクロスクラッチの直径 の数倍以上の径 を有す る 粗粒子 によるもの と考 え られ る｡特 に 1〟m 以上の 粗粒子 ( 微粒子の凝集体 も含 まれ る)個数 とマイク

各加工方法による加工レート と面内均一性

450 ( 400 ･ 喜350 3 300

､ 5250

† 200

̲ H 100 1150

月 50

% ◆ ^{40 35 30g}

+

◆ ∩ ◆ 0

^{25 鶴 1 0 #}

･ ∵ 写 汝:

望 ̲ ≡

チ

⁺ ; + 了

Fi g 4 加工 レ‑ トと面 内均一性

ロスクラッチの発生数 には強い相関関係がある ｡【 3 】 また､加工条件が同一であれば､加工量が多いほど 加工 に作用 した砥粒の量が多い と考え られ るため､

マイクロスクラッチの発生数が多 くなることが予想 さらる｡ しか し ､Fi g5 は､最 も加工量の多いセ ミ ド ライ加工方法 と､加工量 の最 も少ない純水加工方法 とが同程度であることを示 してい る｡ これ は､固定 砥粒パ ッ ドの表面近傍 に存在す る粗粒子が同程度 に 加工 に作用す ると仮定 して も､セ ミ ドライ加工方法

には､ マイクロスクラッチの発生 を緩和す るメカニ ズムが働いてい ることを示唆す るものである｡

( 各加工方法におけるマイクロスクラッチ発生数 畢

‑ 6 0

覇 50 欝 40 l > 30 ^卜 へ 20 営 1 0

等ry

o

* ∩

子

了 予 言

Fi g5 発生 マイクロスクラッチ数

5. 2 セ ミ ドライ加工 におけるパ ッ ド湿潤状態の測定

( 1 )加工時間 と加工 レー トの関係

丁子 トト 本実験では､外形 1 2 インチの RCO 卜#3型パ ッ ドを

使用 し､セ ミドライ加工方法 におけるパ ッ ドの湿潤 状態の調整方法 として､加工時間を変化 させる方法 を採用 し ､1 8 mm角のウェーハチ ップを加工 した｡加 工 レー トの測定 と同時に､各加工時間毎に､加工終 了直後のウェーハチ ップの加工表面に付着 している 水分量を 目視観測 した ｡Fi g 6 に加工時間に対す る加 工 レー トと目視観測 した水分量の相対値 を示す｡水 分相対値は

段階で示 した｡すなわち

明 らか に水分の付着が確認できる ｡ 1 :わずかに水分が付 着 している ｡0: 水分の付着が確認できない｡

加工 レー トは､加工時間が 2 7 分間以上か ら急激 に 増加 してお り､加工 レー トの増加 とウェーハチ ップ に付着 した水分量がほとんど観測 されな くなる加工 時間とが一致 していた ｡Fi g 6 は､高い加工 レー トが 得 られ る条件 として､パ ッ ドの湿潤状態に閥値が存 在す ることを示唆 している｡また ､30 分間以降の加 工時間に対 しては､加工 レー トが急激 に低下 してお り､メカノケミカル反応 に必要な水分の不足 を示唆 しているものと考えられ る｡

セミドライ加 工 レー トと加工 時間 の関係

l + 加工 レー ト . ウエハ水 分相 対比較 (目視 ) I

140

･ ≧ ー20 1 00

＼ 至 80

⊥ l 60

ユ

H

40

月

20 0 I 0 3壷 2聖

1i 卓 衣 守

◆●● ^{● ● ◆ ●} A

. . . J ∫

I ^{J L}

V

^▲̲̲ ▲ ＼ ■

1 0 2 0 30 4 加 工 時間 ( 分 )

( 2 ) パ ッ ド湿潤状態の水分量の測定

本実験では､パ ッ ドの湿潤状態の調整方法 として､

プラテンの回転数 を一定 ( 1 0 0 r p m ) としてパ ッ ドの 水切 り時間を変化 させ る方法を採用 し､パ ッ ドの湿 潤状態を､赤外線式水分計を使用 して数値化 した｡

R COl ‑ #3型パ ッ ドと RCOl 一# 4型パ ッ ドを使用 して､

湿潤状態を調整 した後､加工直前のパ ッ ド表面の水 分量を赤外線式水分計で測定 し､加工 レー トとの関 係を

種類のパ ッ ドについて比較測定 した｡

Fi g 7 に水切 り時間を 2 分間隔で 1 0 分間実施 した ときの水切 り時間と加工 レー ト及び水分計の指示値 の関係を示す｡

水切 りを施す と ､RC O 卜#3型パ ッ ドの水分計指示 値は､最初の 2 分間で 3 50 0 まで低下 し､その後 2 50 0 までは徐 々に低下 してい く｡一方 RCOl ‑ # 4型パ ッ ド の水分計指示値は､最初の 2 分間で 1 0 00 まで低下 し､

その後はほとんど変化がない ｡RC Ol ‑ # 4型パ ッ ドの 加工 レー トは､水切 り時間に対 して変化がなく､低 い値 を示 しているが ､RC O1 ‑ # 3 型パ ッ ドの加工 レー トは､水切 り時間に対 して増加傾向を示 し､水切 り 時間 8 分にピーク値があることを示 している ｡Fi g 8 は､水分計の指示値 と加工 レー トとの関係を ､Fi g 7 を使用 して再プロッ トした ものである ｡Fi g 8 より､

水分計指示値が 2 5 0 0 ‑3 0 0 0 の範囲で高い加工 レー トが得 られ ることがわかる｡

Fi g 6 に加工時間に対す る加工 レー トと目視観測 した水分量の相対値

加工中にウェーハヘ ッ ド用 に使用 している回転駆 動モータの駆動電流の変化 を､ クランプテスタを使 用 してモニタした｡ ウェーハ とパ ッド間の摺動摩擦 力の変化は､回転駆動モータの駆動電流の変化 に反 映 され るものと推測 したためであるが､駆動電流の 変化が確認できなか った｡ これは､ ウェーハヘ ッ ド の回転駆動モータに AC 誘導モータが使用 されてい るため､微小の負荷変動に対 して､駆動電流の変化 が微少であ ったこと､また ､AC 電流モニタ用の測

Fi g 7 水切 り時間と加工 レー ト及び水分計の指示

値の関係

セミドライ加 工 レー トと水 分計 指 示値 の 関 係

1 60

1 40 00

胃 + ^{RCO1 ‑#4型パッド}

3 120≡

?1 ⊂ 00

† 80

占 60

異

40

0

1 0

ト. ‑ RCO1 ‑#3 型パッド

■

＼

_{: ∫}

＼㌦

+一一 .‑

‑‑ ‑ ̲ ̲ I

0 0 3 000 5 000 7 000 90

Fi g 8 水分計

指示 値 と

ト との 関係

( 3 ) パ ッ ドの含水率 と水 分計指示値 の関係

本実験では､赤外線式水 分計の指示値 とパ ッ ドの 湿潤状態の関係 を調べ るため に ､RC O 卜#3型パ ッ ド

と RCO 卜# 4型パ ッ ドのカ ッ トサ ンプル について､パ ッ ドの含水 率 と水 分計指示 値 の関係 を測 定 した｡

Fi g 9 に 2 種類 のパ ッ ドについて､パ ッ ドの含水率 と 水分計指示値 の関係 を比較 して示す ｡RC O 卜♯3型パ ッ ドでは､水分計指示値 2 5 0 0 で屈 曲点 を示す｡この 屈 曲点 はパ ッ ドの乾燥条件 の境界 を示す もので､屈 曲点以下の領域 では､含水率の変化が著 しく低下 し たため､ 自然乾燥 か らオープ ン乾燥 に変更 した｡ 同 様 に ､RC O 卜# 4型パ ッ ドでは水分量計指示値 1 0 0 0 以 下で乾燥条件 を変更 した｡

Fi g9 か ら､自然乾燥 の領域 では 2 種類 のパ ッ ドと もに､含水率の変化率が同 じであ るが分か る｡ この 水分計 の指示値 の領域 ( RCO 卜# 3型パ ッ ドでは 2 50 0 以上 ､RC O 卜# 4型パ ッ ドでは 1 0 0 0 以上)では､含水 率の減少が､パ ッ ド表面 に存在す る水 分の薄膜 の減 少に相対 してい るもの と判断 され る｡

RC‑01 #3､#4 のパッド含水率と水分計指示値の関係

8 7

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2000 4000 6000 80

Fi g9 2 種類 のパ ッ ドの含水率 と水 分計指示値 の 関係

1 9

Fi g 8 を考慮す ると､パ ッ ド表面 に存在す る水分の 薄膜 が消滅す る寸前 に高い加工 レー ト得 る条件 があ るもの と推測 され る｡

反対 に ､Fi g6 と Fi g 8 は､水分量 が少な過 ぎると 加工 レー トが低下す ることを示 してい る. これ は､

酸化膜 とセ リア砥粒 との固相 で生 じるメカノケ ミカ ル反応 に必要 な水分量 の不足 に起 因す るもの と判 断 され る｡ メ カノケ ミカル反応 の低下 を回避 し､高い 加工 レー トを安定 して得 るため には､使用す るパ ッ トが十分 な含水率 ( 5 %以上) を有す る必要 がある｡

6. 加工 メカニズムに関す る考察

CMP

の加工 メカニズムを検討す る一つの視点 と して､加工試料 に作用す る砥粒 の状態 を検討す るこ とが挙 げ られ る｡特 に固定砥粒パ ッ ドの場合､砥粒 がパ ッ ドに固定 され た状態 で加工試料 に作用す るも の と､パ ッ ドに固定 され た砥粒が､加工液 に遊離分 散状態で作用す るものが知 られてい るが､本報告 で は､砥粒 が加工試料 に作用す る新 たな作用状態 と し て､高粘性流動状態 を提案す る｡

高粘性流動状態の砥粒が形成 され る条件 は､ 固定 砥粒層 が摩擦力で破壊 され て砥粒 の遊離化が起 こる こと､及びパ ッ ド表面 の水分量が少ない ことである｡

セ ミ ドライ加工方法 は､上記

つの条件 を同時 に満 足す るよう､加工前 にパ ッ ドの湿潤状態 を調整す る 方法 であ る｡

砥粒 の高粘性流動状態 を直接測定す ることはで き なか ったが､砥粒 の遊離化 に関 しては､水 の薄膜 に よる潤滑効果 の影響 がな くなる水分量 の領域 で高い 加工 レー トが得 られ ること､ また この領域 を過 ぎる と､パ ッ ドとウェーハ間に生 じる摺動摩擦力が大 き くな り､砥粒 の遊離化 に必要 な摩擦力 に達す ると判 断 され る｡

以上 の理 由で､ スパ イラル型 セ リア固定砥粒パ ッ ドを使用 して､ ウェーハ酸化膜 にセ ミ ドライ加工方 法 を適用す ることは､高粘性流動砥粒 を 自動的 に加 工試料 に作用 させ る一つ手段である と言え る｡

5.1 項 の実験結果 で得 られ た高い加工 レー トの理 由は､高濃度砥粒 ( パ ッ ドの固定砥粒層 が 90 yt %の セ リア砥粒 と 1 0 vt %のバ イ ンダー剤 で構成)が高粘 性流動状態 に遊離化 し､遊離化 した砥粒 が排 出され ず に加工 に寄与す るため､高い砥粒 の利用効率が得

られた ことによるため と考 え られ る｡

また､高い面 内均一性が得 られ る理 由は､高粘性

流動状態の砥粒がパ ッ ド表面 の微細 な凹凸部 の凹部

に充填 され､高粘性流動砥粒が大 き く移動 しないた め､ ウェーハ酸化膜全面 に均一 に作用す ることによ るもの と考え られ る｡

粗粒 に起 因す るマイクロスクラ ッチの発生 に関 し ては､高粘性流動状態の砥粒がパ ッ ド表面 の微細 な 凹凸部 の凹部 に充填 され､粗粒 による極所圧力集 中 が緩和 され ることによる発生頻度 が低下す るとい う 仮説が考 え られ る｡

5. むすび

セ リア砥粒 を固定 した新 しい平坦化 CMP 用 ポ リ シングパ ッ ドを使用 し､セ ミ ドライ加工方法 を適用

して､ ウェーハ酸化膜 の加工実験 をお こな った｡下 記 に実験結果 をまとめて示 す｡

( a) 8 インチ ウェーハの CMP に ､RCO1 ‑ #3型パ ッ ド を使用 し､セ ミ ドライ加工方法 を適用 した結果､

高加工 レー トと高い面 内均一性が得 られ た｡また､

マイクロスクラ ッチの発生数 は､約 6 0 n m と少な い加工量 であ る純水加工方法 を適用 した ときの発 生数 と同程度 であ った｡

( b ) ウ ェーハ チ ップを使用 して､パ ッ ドの湿潤状態 と加工 レー トの関係 を調べ た結果､パ ッ ドの湿 潤状態 と して､赤外線式水 分計 の指示値 が 2 5 00

‑3 0 0 0 の範 囲で高い加工 レー トが得 られた｡

( C) パ ッ ドの カ ッ トサ ンプル について､パ ッ ドの含 水率 と水分計指示値 の関係 を測定 し､加工 レ‑

トとの関係 を考察 した結果､高い加工 レ‑ トを示す 水分計指示値 の範 囲 は､パ ッ ド表面 に薄膜 と して存 在す る水分量 の限界値 に近 い領域 であ った｡赤外線 式水分計 を利用す ることで､パ ッ ドの湿潤状態､す なわ ち､パ ッ ド表面 の水分量 を管理 で きることが分 か った｡

上記実験結果 か ら､セ ミ ドライ加工方法 における 加工 メカニズム と して､固定 され た砥粒 が加工試料 とパ ッ ド間で生 じる摩擦 力 によって遊離化 し､高粘 性流動状態で加工試料 に作用す るメカニズムを検討

した｡

ウェッ ト加工方法 では､加工液 が砥粒や ケ ミカル 成分の分散溶媒 の機能 を有す る他 に､加工 熟の冷却 剤 の機能 を有 してい る｡ セ ミ ドライ加工方法 では､

少量 の水分 を利用す るため､冷却 が課題 となる｡今 後､加工熱 の影響 を調べ､冷却方法 な どを検討す る 予定であ る｡

参考文献

[

]富永､榊原､土肥 埼玉大学地域共 同研究 セ ンタ‑紀要第 2 号 p90 ‑9 5

[2 ] 土肥 :詳細 半導体 CMP 技術 ､工 業 調査 会 ( 2 0 0 1 ) p1 8 0 ‑1 8 5

[3 ]吉 田､木下 第 1 9 回プラナ リゼー シ ョン C M P

委員会 研究資料 ( 20 0 1 )