CN101801601A - 抛光垫及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种抛光垫，具有由具固有吸水能力的水凝胶材料制成的一个或多个抛光单元。该水凝胶材料可有或没有微孔，但具有按重量计为4％-60％的吸水能力、大于1000psi的湿的拉伸强度、大于2000psi的挠曲模量以及在25-80之间的湿的Shore D硬度。该水凝胶材料由脲烷、环氧烷烃、酯、醚、丙烯酸、丙烯酰胺、胺、酰亚胺、乙烯醇、醋酸乙烯酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、砜、脲烷、氯乙烯、醚醚酮和/或碳酸盐(酯)中的一种或它们的组合形成。

Description

抛光垫及使用方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年8月28日递交的美国专利申请No 11/846,304的优先权，在此引用该美国专利申请的全部内容作为参考。

发明领域

本申请涉及化学机械平坦化(CMP)领域，更具体地，涉及降低了缺陷率(defectivity)的CMP垫。

背景

在现代集成电路(IC)制造中，将一些材料层施加给在半导体晶圆上形成的嵌入结构。化学机械平坦化(CMP)是一种用于移除这些层并将晶圆表面抛光的研磨方法。可对氧化物和金属执行CMP，CMP通常涉及和抛光垫一起施加的化学浆液的使用，该抛光垫相对于晶圆运动(例如，该抛光垫经常相对于晶圆旋转运动)。得到的平滑、平坦的表面是在随后的晶圆处理步骤中维持光刻的焦深并保证在画轮廓步骤中金属互连不变形所必需的。大马士革处理需要使用CMP从电介质的上表面移除金属如钨或铜以限定互连结构。

抛光垫通常由脲烷形成，其或者为填充有微孔单元的铸型，或者为涂覆有多聚脲烷的无纺毛毡。使用时，垫一边旋转，一边与也旋转的晶圆接触，从而执行抛光。通常，使用两种抛光垫：硬抛光垫和软抛光垫。硬垫通常在需要在晶圆表面上微米级特征的平坦化的应用中使用，而软垫在不需要平坦化的应用中使用。例如，软垫可在多步骤抛光处理中使用，在这种多步骤抛光处理中，首先用硬垫抛光晶圆以使表面平坦化，随后用软垫抛光以产生平滑的成品(finish)。硬垫通常产生如微划痕的表面缺陷并且对于执行浆液颗粒的移除效率不高。因此，使用软垫来抛光晶圆表面以使得微划痕平滑并使得能够更有效地移除颗粒缺陷。

发明概述

本发明的一个实施例提供一种抛光垫，这种抛光垫具有一个或多个由具固有吸水能力的水凝胶材料制成的抛光单元(例如，单个抛光表面或多个抛光表面或单元)。水凝胶材料可没有微孔率并可具有按重量计为4％-60％的吸水能力、大于1000psi的湿的拉伸强度、大于2000psi的挠曲模量以及在25-80之间的湿的肖氏硬度计(Shore D)硬度。在其他实施例中，水凝胶材料可具有：按重量计为4％-60％的吸水能力，按体积计为1％至20％的微孔率，20-100微米的微孔，大于1000psi的湿的拉伸强度，大于2000psi的挠曲模量以及在25-80之间的湿的Shore D硬度。在任一种情形下，水凝胶材料可由脲烷、环氧烷烃、酯、醚、丙烯酸、丙烯酰胺、胺、酰亚胺、乙烯醇、醋酸乙烯酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、砜、脲烷、氯乙烯、醚醚酮(etheretherketone)和/或碳酸盐(酯)中的一种或它们的组合形成。

根据本发明的一个实施例，可在由具固有吸水能力的材料制造的抛光垫和半导体晶圆的顶层之间存在有抛光组合物的情况下，通过将该抛光垫带至该晶圆附近并且使该晶圆和该抛光垫彼此相对旋转以移除晶圆的顶层(例如铜)的一部分或全部来执行抛光。可在开始抛光操作之前将抛光垫浸入溶液(例如水、抛光组合物、电解溶液如硫酸铜等)中。在使用电解溶液的情况下，可在抛光操作期间将抛光垫与电源连接。

在某些情况下，在利用外部装置提供阴极偏压的同时将阳极电流施加给抛光垫(或其抛光表面)，并且将半导体晶圆压向抛光表面。在其他情况下，在利用外部装置提供阳极偏压的同时将阴极电流施加给抛光垫或表面，并且将半导体晶圆压向抛光表面。

可使用注塑、挤压、反应注塑或烧结中的一种来制造具有由具固有吸水能力的材料制造的抛光表面的抛光垫。可在此制造期间，在抛光垫的抛光表面上形成表面特征。

附图简要说明

参看附图通过实例的方式而不是限制的方式来说明本发明，在附图中：

图1A示出常规形式的常规抛光垫，根据本发明的实施例，该常规抛光垫可包括由具固有吸水能力的水凝胶材料制造的抛光表面。

图1B示出根据本发明又一实施例具有多个抛光单元的抛光垫，一个或多个抛光单元由具固有吸水能力的水凝胶材料制造。

图2示出使用根据本发明的抛光垫的方法，该抛光垫配置有由具固有吸水能力的水凝胶材料制成的抛光表面。

详细说明

在此描述具有降低的缺陷率的抛光垫、使用这种垫的方法以及用于制造具有降低的缺陷率的CMP抛光垫的材料。如上所述，CMP涉及在抛光组合物(例如浆液)存在的情况下，通过将抛光垫压向晶圆并使这些元件彼此相对旋转来从晶圆的表面移除膜。在抛光处理期间，在晶圆和垫之间形成浆液层，从而形成水动力边界层。在抛光期间维持垫和晶圆之间均一的流体层是很重要的。在边界层被最小化或完全消除的情况下，垫可直接与晶圆接触，导致造成较高缺陷率的二体相互作用。相反，高度光滑的界面将允许更加均一的抛光，以及使缺陷率最小化。这在铜CMP的情况下尤其重要，此时被抛光的膜非常软并且会容易被直接的晶圆-垫接触划伤(scratch)。

常规抛光垫由聚合物(通常是脲烷)形成，具有在抛光处理期间提供用于在晶圆下方分布浆液的手段的结构。这些结构包括空隙或微孔，如美国专利5,578,362所述的通过添加空心微单元来包括这些空隙或微孔，或通过引入在铸造处理期间形成的泡沫来包括这些空隙或微孔。美国专利6,896,593描述了在模塑处理期间使用超临界CO₂来形成孔。

一旦形成了垫层，就可通过机械或激光手装置进一步对其上表面进行机械加工以增加沟槽。例如，美国专利5,489,233描述了没有固有吸收或运输浆液的能力的实心塑料板和具有跨晶圆运输浆液并允许抛光的流动通道的表面纹理或图案的使用。通过机械加工以机械方式在垫上产生表面纹理。

在抛光期间，可使用细的金刚石涂覆的盘来调整垫，以产生微纹理，这样就产生了微沟槽通道以进一步增强浆液在晶圆下方的分布。在晶圆抛光处理期间，垫表面也经历塑性形变，这降低了浆液分布，导致较差的材料移除和移除均一性。调整处理移除了塑性形变层并恢复抛光性能。

在常规垫中，材料自身没有任何固有的吸收相当的水或抛光溶液的能力，没有主动参与浆液分布的外部产生的如微孔、沟槽和微沟槽这样的结构。浆液分布能力不仅对于移除均一性很重要，而且对于缺陷率也很重要。在垫和晶圆之间浆液分布较差的情况下，在晶圆下方的浆液较差区域可能造成直接的垫-晶圆接触，导致缺陷率。

在一个实施例中，本发明提供了具有固有的吸收水或抛光溶液的能力的聚合物抛光垫，从而提供极低缺陷率的抛光表面。本发明的抛光垫可由具有按重量计在5％-60％范围内的吸收水或抛光溶液的能力的水凝胶材料所形成。在材料合成期间对吸水能力进行控制。具有固有的吸收水或抛光溶液能力的垫材料将在抛光处理期间提供光滑的表面并使直接的垫-晶圆接触的可能性最小化，进而消除了缺陷率或使缺陷率最小化，尤其是消除了划痕缺陷率或使划痕缺陷率最小化。制造亲水脲烷制剂的方法如美国专利5,859,166、5,763,682、5,424,338、5,334,691、5,120,816、5,118,779和4,008,189所述，在此引用每一篇这些美国专利作为参考。

垫材料特性对晶圆表面上造成的缺陷率起重要作用。硬的垫通常与较高的缺陷率、主要是划痕缺陷率相关，而较软的垫通常与较低缺陷率相关。软垫的一个重要方面是垫表面局部均一以防止在晶圆和垫表面之间的“硬接触”的能力。局部表面均一性的另一个方面在于垫-晶圆界面保持水性界面的能力。水性界面提供晶圆与垫之间的必要光滑性，从而使得造成划痕的可能最小化或消除它。能够吸水的聚合物材料提供非常稳定的抛光界面，从而使缺陷率的可能性最小化。

美国专利5,763,682陈述了许多常规异氰酸酯类泡沫是非亲水性的(即相对疏水的)。典型的脲烷类泡沫呈现出对于水性流体的憎恶，这导致此种泡沫不能吸收或获得相当量的水性流体。因此，可认为典型的多聚脲烷泡沫不足以提供高度光滑的抛光界面。

由于脲烷是通过异氰酸酯和多元醇反应来形成，最终聚合物链的亲水方面可以通过多元醇的选择来控制。美国专利5,859,166、5,763,682、5,424,338、5,334,691、5,120,816、5,118,779和4,008,189描述了改善脲烷组合物的亲水性的方法。可以通过将环氧乙烷单元和环氧烷烃单元加至多元醇分子来制造亲水性多聚脲烷。

多元醇的总羟基含量对于多聚脲烷的亲水性也是重要因素。在本领域已知的是，为了实现满意的泡沫形式的亲水特性，使用的多羟基醇-环氧烷烃加合物反应物必须在分子中含有一定比例的环氧乙烷。参见在此引用作为参考的美国专利3,457,203。早期的亲水多聚脲烷泡沫由这样的加合物制备，这些加合物是将环氧乙烷和高级环氧烷烃(如环氧丙烷)的混合物与多羟基醇缩合的产物。然而，当湿润时，这些组合物在机械性能上表现恶化。

美国专利4,008,189描述了通过使用由三种烷氧基化聚醚多元醇反应物组成的多元醇混合物能够使此种物理特性的恶化最小化的组合物。这些的最初物表征为三羟基醇核，聚环氧乙烷链节段通过其一端与该核相连，以及聚环氧乙烷链节段通过其一端与聚环氧乙烷链节段相连。可以通过本领域公知的方法制备此多元醇，在碱性催化剂如KOH存在的情况下，三元醇起始物首先与环氧乙烷然后与环氧丙烷按顺序缩合。

希望此种组合物将尤其适于抛光应用，因为它们允许高度光滑的抛光界面。此外，希望交联聚合物网络将提供最佳特性，尽管可以使用热塑制剂。来自Lubrizol公司(Lubrizol Corp)的Tecophilic

Extrusion Molding制剂是此类材料之一。这些材料被加工(tailor)以吸收按重量计20％至100％的水。吸水程度与机械性能的损失相关联，按重量计的吸水百分比越高，机械强度损失越大。因此使用按重量计吸水为约5-20％的制剂是有益的，尽管可使用按重量计吸水高达100％的制剂。

图1示出常规抛光垫100，如由Rohm and Haas提供的IC1000的横截面视图。抛光垫100含有嵌入聚合基体104中的微单元102，其可为多聚脲烷。垫表面含有用于在抛光处理期间运输浆液的沟槽106。此市售可得的抛光垫可包括多种表面修饰以影响跨垫表面的浆液分布。

图1B示出一种抛光垫108的横截面视图，该抛光垫由SemiQuest，Inc.制造并描述于2007年4月6日递交的、转让给本发明受让人的美国专利申请11/697,622，在此引用该专利申请作为参考。垫108由抛光单元110组成，该抛光单元110在放置于导板114下面的可压缩下方泡沫112上。由实心聚合物材料形成的抛光单元提供抛光作用，而浆液分布受到抛光单元之间的开放空间的影响。该开放空间被填有开孔泡沫。

本发明一个实施例中，可使用亲水聚合物材料制造上面讨论的垫之一或其两者的抛光表面104和/或110。例如，这些抛光表面可由具有按重量计在4％-60％范围的吸收水或抛光溶液的能力的水凝胶材料形成。水凝胶材料可为脲烷、环氧烷烃、酯、醚、丙烯酸、丙烯酰胺、胺、酰亚胺、乙烯醇、醋酸乙烯酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、砜、脲烷、氯乙烯、醚醚酮(etheretherketone)和/或碳酸盐(酯)中的一种或它们的组合。酰亚胺是由与伯胺或氨键接的两个羧酸基团或者一个二羧酸组成的官能基，且酰亚胺通常是由氨或伯胺与酸或其酸酐直接制备的。

本发明具体实施例中，垫的抛光表面可由这样的水凝胶材料制造，这种水凝胶材料没有微孔率并具有大于1000psi的湿的拉伸强度、大于2000psi的挠曲模量和/或在25-80之间的湿的Shore D硬度。在其它情况下，这种水凝胶材料可具有按体积计为约1％-20％的微孔率、约20-100微米的微孔、大于1000psi的湿的拉伸强度、大于2000psi的挠曲模量和在25-80之间的湿的Shore D硬度。

在抛光操作期间，在存在有抛光化合物的情况下，使由根据本发明的水凝胶材料制造的抛光垫与半导体晶圆(例如上面有一层或多层薄膜、氧化物和/或金属层的晶圆)的表面接触、并使两者彼此相对旋转，以移除在晶圆衬底的表面上方的顶层的一部分或全部。图2示出这种设置。抛光垫200固定在转台202上并且靠近压盘206上的晶圆204。在抛光垫和晶圆之间加入浆液或其他抛光组合物208并且使该垫和/或该晶圆彼此相对旋转。

在某些情况下，可在抛光垫被用于抛光操作之前将其浸入水或抛光溶液中。例如，可在处理晶圆之前将该垫浸入一段时间(例如至少10分钟)以产生稳定的抛光表面。

此外，可将根据本发明制造的抛光垫浸入电解溶液以产生导电基体和表面。此种电解溶液的一个实例是硫酸铜。可在抛光操作期间将此垫连接到外部电源。此种连接可以是阳极的，并且可通过外部装置施加阳极或阴极偏压。可将以这种方式被电解溶液(例如硫酸铜)饱和并且在被外部装置提供阴极偏压的同时被施加有阳极电流的抛光垫压向上面沉积有顶导电层(例如铜)的半导体晶圆，以便填充在下面膜中形成的结构来影响该导电层的移除。或者，根据本发明制造的、且被电解溶液(例如硫酸铜)饱和的抛光垫可在被施加有阳极电流的同时被外部装置提供阳极偏压。可将该垫压向上面沉积有顶导电层(例如铜)的半导体晶圆，以填充在下面膜中形成的结构来影响该导电层的沉积。

可使用注塑、挤压、反应注塑或烧结来制造由根据本发明的水凝胶材料制造的抛光垫。可在制造工艺期间在此垫上形成表面特征。此特征可在抛光操作期间帮助浆液分布。

因此，描述了具有降低的缺陷率的抛光垫、制造和使用此垫的方法以及用于制造它的材料。尽管参考某些示出的实施例来描述，但是，本发明不应局限于这些实施例，而应由所附权利要求来限定。

Claims (27)

1.一种抛光垫，包括一个或多个抛光单元，所述抛光单元由具固有吸水能力和不具有微孔率的水凝胶聚合物制成，所述水凝胶材料具有按重量计为4％-60％的吸水能力、大于1000psi的湿的拉伸强度、大于2000psi的挠曲模量以及在25-80之间的湿的肖氏硬度计硬度。

2.权利要求1的抛光垫，其中所述水凝胶材料由脲烷、环氧烷烃、酯、醚、丙烯酸、丙烯酰胺、胺、酰亚胺、乙烯醇、醋酸乙烯酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、砜、脲烷、氯乙烯、醚醚酮和/或碳酸酯中的一种或它们的组合形成。

3.一种抛光晶圆的方法，包括在由具固有吸水能力的材料制造的抛光垫和半导体晶圆的顶层之间存在有抛光组合物的情况下，使所述抛光垫靠近所述晶圆，并且使所述晶圆和所述抛光垫彼此相对旋转，以移除所述晶圆的所述顶层的一部分或全部。

4.权利要求3的方法，还包括在开始抛光操作之前，将所述抛光垫浸入溶液中。

5.权利要求4的方法，其中所述溶液包括水。

6.权利要求4的方法，其中所述溶液包括抛光组合物。

7.权利要求4的方法，其中所述浸入持续至少10分钟。

8.权利要求4的方法，其中所述溶液是电解溶液。

9.权利要求8的方法，其中所述电解溶液是硫酸铜。

10.权利要求9的方法，其中在抛光操作期间，将抛光垫与电源相连接。

11.权利要求10的方法，其中与所述垫的电连接是阳极的。

12.权利要求10的方法，其中与所述垫的电连接是阴极的。

13.一种抛光垫，包括一个或多个抛光单元，所述抛光单元由水凝胶材料制成，所述水凝胶材料具有按重量计4％-60％为的吸水能力、按体积计1％至20％为的微孔率、20-100微米的微孔、大于1000psi的湿的拉伸强度，大于2000psi的挠曲模量以及在25-80之间的湿的肖氏硬度计硬度。

14.权利要求13的抛光垫，其中所述水凝胶材料由脲烷、环氧烷烃、酯、醚、丙烯酸、丙烯酰胺、胺、酰亚胺、乙烯醇、醋酸乙烯酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、砜、脲烷、氯乙烯、醚醚酮和/或碳酸酯中的一种或它们的组合形成。

15.一种抛光晶圆的方法，包括在具有由具固有吸水能力的材料制造的抛光表面的抛光垫和半导体晶圆的顶层之间存在有抛光组合物的情况下，将所述抛光垫浸入电解溶液，使所述抛光垫的所述抛光表面靠近所述晶圆，并且使所述晶圆和所述抛光垫彼此相对旋转，以移除所述晶圆的所述顶层的一部分或全部。

16.权利要求15的方法，其中所述电解溶液是硫酸铜。

17.权利要求15的方法，其中在抛光操作期间，将抛光表面与电源相连。

18.权利要求17的方法，其中与所述抛光表面的电连接是阳极的。

19.权利要求17的方法，其中与所述抛光表面的电连接是阴极的。

20.权利要求15的方法，还包括在通过外部装置提供阴极偏压的同时将阳极电流施加到抛光表面，并将所述半导体晶圆压向所述抛光表面。

21.权利要求20的方法，其中所述电解溶液是硫酸铜。

22.权利要求20的方法，其中所述顶层是铜。

23.权利要求15的方法，还包括在通过外部装置提供阳极偏压的同时将阳极电流施加到抛光表面，并将所述半导体晶圆压向抛光表面。

24.权利要求23的方法，其中所述电解溶液是硫酸铜。

25.权利要求23的方法，其中所述顶层是铜。

26.一种方法，包括使用注塑、挤压、反应注塑或烧结中的一种来制造具有抛光表面的抛光垫，所述抛光表面由具有固有吸水能力的材料所制造。

27.权利要求26的方法，还包括在所述制造期间，在抛光垫的抛光表面上形成表面特征。

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