CN1890055B - 用来减少浆液回流的化学机械抛光法 - Google Patents

Abstract

在存在浆液(116)之类的抛光介质的情况下使用抛光层(108，208)抛光制品(例如晶片(112，212))表面(120)的方法。该方法包括对制品的转速或抛光层的速度或这二者进行选择，以控制去除速率均匀性或抛光表面缺陷的产生，或此二者。

Description

用来减少浆液回流的化学机械抛光法

发明背景

本发明一般涉及化学机械抛光领域。更具体来说，本发明涉及用来减少浆液回流的化学机械抛光法。

在集成电路和其他电子器件的制造过程中，将多层导电材料、半导体材料和介电材料沉积到半导体晶片表面上，然后又在半导体晶片表面上进行蚀刻。可以使用许多种沉积技术来沉积导电材料、半导体材料和介电材料薄层。现代晶片加工中的常规沉积技术包括物理蒸气沉积(PVD)(也被称为溅射)、化学蒸气沉积(CVD)、等离子体辅助的化学蒸气沉积(PECVD)和电化学镀等。常规蚀刻技术包括湿法和干法的各向同性和各向异性蚀刻等。

随着各材料层按照顺序被沉积和蚀刻，晶片的顶层表面变得不平坦。由于随后的半导体加工(例如光刻)要求该晶片具有平坦表面，所以需要对晶片进行平面化。平面化适合于除去不希望有的表面形貌和表面缺陷，例如粗糙表面、成团材料、晶格损坏、划痕和被污染的层或材料。

化学机械平面化，即化学机械抛光(CMP)，是用来使半导体晶片等工件平面化的常用技术。在使用双轴旋转抛光机的常规CMP中，将晶片载体即抛光头安装在载体组合件上。抛光头固定晶片，使晶片与CMP抛光机中抛光垫的抛光层接触。抛光垫的直径大于需要进行平面化的晶片直径的2倍。在抛光过程中，抛光垫和晶片分别围绕各自的中心旋转，同时使晶片与抛光层接触。晶片旋转轴相对于抛光垫旋转轴的偏置距离大于晶片的半径，使得抛光垫的旋转在垫抛光层上扫出一个环形“晶片轨迹”。当晶片仅发生旋转运动时，晶片轨迹的宽度等于晶片的直径。然而，在一些双轴抛光机中，晶片还在垂直于其旋转轴的平面内发生振荡。在此情况下，晶片轨迹的宽度大于晶片的直径，所超出的程度取决于振荡的位移。载体组合件在晶片和抛光垫之间施加可控的压力。在抛光过程中，使浆料或其他抛光介质流到抛光层上，流入晶片和抛光层之间的间隙中。晶片表面因抛光层和表面上浆液的化学和机械作用被抛光而变平。

正在越来越多地对CMP过程中抛光层、抛光浆液和晶片表面之间的相互作用进行研究，以便优化抛光垫的设计。这些年来的大多数抛光垫的改进实际上还是经验性的。另外，许多抛光层设计将重点集中在使这些抛光层具有各种据称能够提高浆料利用率和抛光均匀性的空隙图案以及凹槽和间隙的构型。这些年来，已经实现了相当多的不同凹槽和间隙的图案和构型。现有技术的凹槽图案包括径向、同心圆状、笛卡儿格子状和螺旋形状等。现有技术的凹槽结构包括所有凹槽的深度都相同，以及各个凹槽深度都不相同的结构。

一些CMP垫设计者考虑了抛光垫的旋转对抛光均匀性的影响，例如，观察到离抛光垫旋转轴较远的晶片区域被更大面积的抛光表面扫到。例如，在Tuttle的美国专利第5,020,283号中，Tuttle揭示，为在距离抛光垫旋转轴不同距离的晶片抛光区域中获得均匀的去除速度，随着从抛光垫旋转轴向外径向距离的增加，需要增大抛光层中的间隙比。除了考虑抛光垫旋转对抛光均匀性的影响以外，公认的是如果上面一般描述的双轴CMP抛光机中不含抛光浆液，当抛光垫和晶片的转速相等(即同步)时可获得最佳的抛光均匀性。然而，已观察到一旦在同步的双轴抛光机中引入抛光浆液，抛光均匀性经常会降低。

尽管在现有技术设计CMP的过程中已考虑了抛光垫的旋转，而且在不含抛光浆液的条件下同步旋转的益处也是已知的，但是似乎在对使用双轴抛光机的CMP进行优化时，并未充分考虑在含有抛光浆液的条件下抛光垫和晶片的相对转速的影响。另外，似乎并未针对其它种类的抛光机(例如带式抛光机)考虑类似的原理。

因此，需要有一种CMP方法，该方法能够根据抛光垫和晶片的相对速度使抛光均匀性最优化。还需要有一种CMP方法，该方法能够减少抛光的表面上的缺陷，即大划痕之类缺陷的出现。

发明简述

在本发明第一方面，提供了一种使用抛光层和抛光介质抛光制品表面的方法，该方法包括以下步骤：(a)提供抛光介质，使抛光介质处于制品表面和抛光层之间；(b)旋转该制品，使其表面绕第一旋转轴以第一转速旋转；(c)使抛光层以一定速度相对于第一旋转轴移动；(d)对所述第一转速和抛光层速度中的至少一种进行选择，使得当表面以第一转速旋转、抛光层以所述速度移动时，所述表面和抛光层之间的抛光介质中不会发生回混。

在本发明第二方面，提供一种使用抛光层抛光制品表面的方法，在抛光时使制品以第一转速绕第一旋转轴旋转，并且使抛光层以一定的速度相对于第一转轴移动，本方法包括以下步骤：(a)选择用于自持化学物的回混模式和用于非自持化学物的非回混模式中的一种；(b)根据在步骤(a)中所选的回混模式和非回混模式中的一种对制品的第一转速和抛光层的速度中的至少一种进行选择。

附图简述

图1是适用于本发明的双轴抛光机的一部分的透视图；

图2A是晶片和图1的抛光垫的截面图，图中显示当不存在回混时，浆液区域中的切向速度分布图；图2B是晶片和图1的抛光垫的截面图，图中显示当存在回混时，浆液区域中的切向速度分布图；

图3是晶片和图1抛光机的抛光垫的平面图，图中显示在晶片和抛光垫之间存在浆液回混区域；

图4是晶片和适用于本发明的带式抛光机的抛光带的平面图。

发明详述

现在参见附图，图1显示了适用于本发明的双轴化学机械抛光(CMP)机100。抛光机100包括具有抛光层108的抛光垫104，抛光层108在操作时与半导体晶片112(处理过或未处理过的)或其它工件(例如玻璃、平板显示器或磁性信息储存碟片等)之类的制品接触，从而在浆液116或其他液体抛光介质的存在下对晶片的抛光表面进行抛光。为了方便起见，在以下描述使用的术语“晶片”和“浆液”是泛指。另外，在包括权利要求书在内的本说明书中，术语“抛光介质”和“浆液”不排除不含磨料的抛光溶液和活性液体抛光溶液。下面将详细讨论，本发明包括一种方法，通过对抛光垫104和晶片112的转速进行选择，控制抛光垫和晶片之间的区域内浆液116中“回混”的产生和范围，所述晶片的旋转方向通常与抛光垫的旋转方向相反。

回混通常定义为，在抛光垫104和晶片112之间的任意位置上，或抛光垫表面上的任意凹槽或纹路中，浆液的速度或速度分量与抛光垫的切向速度相反的情况。抛光层108上处于晶片112影响以外的浆液116通常以与抛光垫104相同的或非常类似的速度在稳态下旋转。然而，当浆液116与晶片112的抛光表面120接触时，由于浆液与抛光表面之间的相互作用造成的粘着力、摩擦力和其他作用力会使得浆液沿晶片旋转方向加速运动。当然，这种加速运动在浆液116和晶片112的抛光表面120的界面处最为显著，随着离抛光表面的浆液深度增加，这种加速运动减缓。加速运动的减缓率将取决于浆液的各种性质，例如动态粘度。这种现象在流体力学中比较常见，称为“边界层”。

抛光机100可包括用来将抛光垫104安装在其上的台板124。可通过台板驱动装置(未显示)使台板124绕旋转轴128旋转。晶片112可支承在晶片载体132上，晶片载体132可围绕旋转轴136旋转，旋转轴136与台板124的旋转轴128平行，并与其相隔一定距离。晶片载体132可装有万向架联动装置(未显示)，可使晶片112与抛光层108稍稍不平行，在此情况下旋转轴128与136会是略微倾斜的。晶片112具有面对着抛光层108的抛光表面120，该表面就在抛光过程中被平面化。可用适应晶片112旋转的载体支架组合件(未显示)来支承晶片载体132，并在抛光过程中施加向下的力F，将抛光表面120压向抛光层108，使抛光表面和抛光层之间存在所需的压力。抛光机100还可包括用来为抛光层108提供浆液116的浆液入口140。

本领域的技术人员能够理解，抛光机100可包括其它部件(未显示)，例如系统控制器、浆液储存器和分配系统、加热系统、清洗系统和用来控制抛光过程各种方面的各种控制系统，例如(1)用来控制晶片112和抛光垫104中一者或两者的转速的速度控制器和选择器；(2)用来改变向抛光垫输送浆液116的速度和位置的控制器和选择器；(3)用来控制施加在晶片和抛光垫之间力F大小的控制器和选择器；以及(4)用来控制晶片旋转轴136相对于抛光垫旋转轴128的位置的控制器、致动器和选择器等。本领域的技术人员能够理解这些部件的结构和运行，因此不需要对其进行详细解释，本领域技术人员便可理解和实施本发明。

在抛光过程中，抛光垫104和晶片112围绕其各自的旋转轴128、136旋转，从抛光介质入口140将浆液116输送到旋转的抛光垫上。浆液116在抛光层108上散布开，包括散布到晶片112下面和抛光垫104之间的间隙内。抛光垫104和晶片112通常以0.1-150rpm的选定转速旋转，但并非必须以此转速旋转。通常对力F进行选择，使晶片112和抛光垫104之间产生所需的0.1-15磅/平方英尺(0.69-103千帕)的压力，但是并非必须在此范围内。

如上所述，本发明包括一种方法，该方法对抛光垫104或晶片112或这两者的转速进行选择，以控制晶片和抛光垫之间或抛光垫表面上的任何凹槽或纹路之内的浆液116内回混的产生和范围。图2A显示在不存在回混的情况下，晶片112和抛光垫之间的浆液116中相对于抛光垫104的切向速度的速度分布图144。速度分布图144中所示的晶片112的旋转方向通常与抛光垫104的旋转方向相同，但是靠近晶片的浆液116中的晶片速度V_Sw小于靠近抛光垫的浆液中的切向速度V_Sp。当达到稳态时，紧邻晶片112的浆液的速度V_Sw与紧邻抛光垫104的浆液的速度V_Sp之差，基本等于用所研究的晶片和抛光垫104各点处的切向抛光垫速度V_垫减去切向晶片速度V_晶片。

图2B则显示了在产生回混的情况下，晶片112和抛光垫之间的浆液116中相对于抛光垫104的切向速度的速度分布图148。在这里，切向晶片速度V_晶片的方向与切向抛光垫速度V_垫相反，而其大小大于切向抛光垫速度V_垫。因此，V_垫-V_晶片之差为负值，这说明浆液116中与晶片112相邻的速度V′_Sw的方向与浆液中与抛光垫104相邻的速度V′_Sp的方向相反。据称当这些速度V_Sw和V′_Sp相反时会发生回混，这是由于晶片112使浆液116的上部“反向流动”，即至少部分地沿与抛光垫104和靠近抛光垫的浆液相反的方向流动。

图3显示几个变量，这些变量可用来确定晶片112和抛光垫104之间的浆液116中何时会出现回混。如果出现回混，可用来确定所得回混区域152的范围。回混区域152的范围可表示为回混区域在晶片112下方沿包括抛光垫104的旋转轴124和晶片的旋转轴136的径向线156延伸的距离D(从晶片的边缘160计起)。本领域技术人员可以显而易见地看出，当存在回混区域152时，其位于晶片112的边缘160之上和之内，在直线156周围对称。这是由于晶片112和抛光垫104的速度矢量仅在沿直线156的方向上互相平行。在直线156以外的晶片112上的所有点上，晶片的速度矢量可分解为两个分量，一个分量平行于抛光垫104的切向速度矢量，一个分量垂直于该切向速度矢量，其中垂直分量总是大于零。本领域技术人员还可以理解，回混区域152实际上不能沿直线156延伸到晶片112的旋转轴136或旋转轴136以外。这是由于任何沿直线156超过旋转轴136的速度矢量的切向分量的方向永远无法与抛光垫104的切向速度矢量相反。因此，距离D将小于晶片112的半径Rw。

仍然参见图3，发现在以下情况下不会出现回混：

式中：Ω_晶片临界是晶片112的临界转速，在低于该转速时不会发生回混；Ω_垫是抛光垫104的转速；S是晶片的旋转轴136与抛光垫的旋转轴124之间的间距；R_晶片是进行抛光的晶片的抛光表面120(见图1)的半径。应当注意，在许多常规CMP抛光机中间距S是基本固定的，但是晶片112经常有一些小的左右振动，振动的变化通常小于间距S的10％。然而，这并不是说用来实施本发明的抛光机不具有可变性。当具有这种振动时，晶片112的临界转速将随之在两个数值之间变动，这两个数值利用两个振动极限情况下的间距值由方程(1)求得。另外，应当注意，尽管图中所示的晶片112，即被抛光制品的抛光表面是圆形的，因此具有真正的半径(true radius)，但是被抛光的表面可具有其他形状，例如椭圆形或多边形等。在此情况下，这些表面不具有真正的半径，但是可认为其具有有效半径。通常有效半径可定义为从被抛光制品表面的旋转轴到该表面上距离旋转轴最远的一点的距离。

下文将讨论到，获知临界转速Ω_晶片临界对控制去除速度的均匀性和缺陷是很重要的。另外，在存在回混的情况下，可由以下方程确定回混区域152沿直线156延伸的距离D：

式中：Ω_晶片是晶片112的转速，其余变量与方程{1}中相应的变量相同。获知用距离D表示的回混区域152的范围可用来调节回混区域的尺寸，例如在需要回混的情况下优化CMP，以及控制CMP领域中的技术人员所熟悉的“边缘效应”。另外，回混区域152可近似表示为虚线圆164和晶片112的围缘160的交叠区域。虚线圆164的方程为：

式中变量的定义与方程{1}和{2}相同。

回混与存在浆液116条件下的抛光有关，因为从晶片112的抛光表面120(图1)去除材料的去除速度取决于浆液中活性化学试剂和抛光副产物的浓度等，而且当存在回混区域152时，回混区域152中这些物质的浓度与非回混区域不同。由于在回混区域152的一部分中，浆液116中速度方向颠倒，回混通常会减少新鲜浆液向回混区域的注入，增加失效的浆液在此区域的停留时间。回混区域152和晶片112下面回混区域以外的区域之间的活性化学物质和副产物的浓度差别导致这些区域的抛光速度或去除速度不同。

本领域技术人员很熟悉以下用来计算在存在浆液的条件下从被抛光表面除去材料速度的“Preston方程”：

去除速度＝K_化学(K_机械)P[V_垫-晶片]        {4}

式中：K_化学是与通过化学作用从晶片表面除去材料相关的常数；K_机械是与通过机械作用从晶片表面除去材料相关的常数；P是施加在晶片和抛光垫之间的压力；V_垫-晶片是抛光垫和晶片的速度差。当存在回混时，抛光垫和晶片之间存在回混的位置的化学作用常数K_化学的数值与不存在回混的位置的数值不同。从本方程可以看出，这种不同导致去除速度不均匀。如果抛光碎屑本身可作为研磨介质，或者如果失效的磨粒(当存在时)的机械作用显著小于新鲜磨粒，在回混区域和非回混区域之间的机械作用常数K_机械的数值也会不同。

对于许多使用浆液116的抛光过程，例如CMP，当存在失效浆液时，抛光速度或去除速度会降低，抛光副产物(例如抛光碎屑)会聚集在回混区域152中，这会导致抛光的不均匀性增大，还会增加抛光表面120(图1)上的划痕之类缺陷的程度。

另一方面，一些抛光过程(例如铜的CMP)通过一定的动力学进行，当其中存在最小浓度的抛光副产物，用以维持抛光所需的一些或全部化学反应时，该抛光过程可获得促进。为简便起见，在本文中和权利要求书中将用于这些过程的抛光溶液(例如浆液)称为″自持(self-sustaining)″抛光介质。在使用自持抛光介质的过程中，在不存在回混的情况下，通常去除速度会低得多。然而在所有的CMP过程中，当晶片112的旋转能够重新捕获抛光碎屑时(在回混区域152中便会发生这种情况)，产生缺陷的危险通常也更高。因此，从晶片112和抛光垫104之间冲洗除去抛光碎屑的优点在于，通过冲洗抑制了这些碎屑在抛光垫上的积累，因此在特定抛光周期过程中对晶片的整个抛光表面120(图1)有更稳定的去除速度。如未有效去除抛光碎屑，则在抛光表面上不同位置的抛光速度会发生变化，另外抛光速度还会随时间变化。另外，在任何CMP过程中都会由于摩擦而在晶片表面生热，还会由于化学放热产生较少的热量，这些热量大部分是由晶片和抛光垫之间流过的浆液传导走的。回流区域152中通过浆液流动去除热量的行为相对于该区域以外受到了延缓，这通常会导致回混区域152中的温度高于该区域以外的温度，相应地使得回混区域152中的化学反应更快，这是使得抛光表面上各位置的抛光速度发生变化的另一个原因。

因此，无论使用何种抛光方法，通过避免回混都能获得显著的益处。在其它实施方式中，需要使晶片112和抛光垫104以各自的转速旋转，使得该系统在包括回混区域152的″回混模式″下操作，或者在晶片和抛光垫之间不包括回混的″非回混模式″下操作。例如，尽管在存在抛光碎屑的情况下会使得缺陷增加，但是可以通过在回混模式中进行自持型抛光过程而提高去除速度。在此情况下，可对晶片112或抛光垫104或同时对这二者的速度进行选择，使得该过程在回混模式下进行。相反，如上所述，可能需要通过对晶片112转速和抛光垫104转速中的一种、另一种或两种进行适当地选择，在非回混模式下进行非自持抛光过程。较佳的是，对于非回混模式，至少一部分抛光介质流过抛光层中的凹槽，使得凹槽中不会发生回混。

仍然主要参见图3，根据所用抛光机的种类(例如图1的抛光机100)，抛光机可允许使用者调节晶片112或抛光垫104，或二者的转速，还可允许使用者分别调节晶片和抛光垫的旋转轴136、124的间距S等。因此，使用者可改变其中一个或多个常数，使抛光机以所需的回混模式和非回混模式中的一种操作。例如，如果抛光垫104的转速Ω_垫固定，而晶片112的转速Ω_晶片可变，使用者可使用上述方程{1}确定临界晶片转速Ω_晶片临界，然后选择高于或低于临界晶片转速Ω_晶片临界的晶片转速Ω_晶片，从而根据需要在回混模式或非回混模式下操作。另外，如果使用者需要在回混模式下进行抛光过程，并且需要控制回混的范围，例如使晶片上的“边缘效应”最小化，使用者可使用各种晶片转速Ω_晶片对方程{2}迭代求解，直至获得满意的距离D，或者使用所需的距离D解方程{2}求得晶片转速Ω_晶片。在任何情况下，使用者可随后设定抛光机，使晶片112以求得的转速Ω_晶片旋转。

本领域技术人员很容易理解，当晶片转速Ω_晶片和间距S为常数时，可以很容易地用方程{1}和{2}类似地解出垫转速Ω_垫。另外，本领域技术人员也可很容易地理解，当抛光垫和晶片的转速Ω_垫，Ω_晶片为常数时，也可类似地用这些方程解出间距S。当然，可以同时改变抛光垫和晶片的转速Ω_垫，Ω_晶片以及间距S中的两种或更多种以达到所需的结果。

尽管上文中结合使用旋转抛光垫104的双轴抛光机100描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解，本发明可用于其它种类的抛光机，例如直带抛光机。图4显示了一直带抛光机200，该抛光机包括具有抛光层208的抛光带204，该抛光层208以线速度U_带相对于晶片212或其他制品移动，所述晶片212或其他制品本身以一定转速Ω′_晶片绕旋转轴216旋转。在此抛光过程中，在晶片212和抛光带204之间提供浆液(未显示)或其他抛光介质，通常对晶片施加压力，将晶片压向抛光带。很容易想像，在晶片212的一半220上，可将其上的转速矢量分解为一些分量，这些分量的方向与带速度U_带的方向相反。因此，根据相反速度的大小，晶片212这一半220和抛光带204之间至少一部分的浆液可发生回混。

就此而言，当晶片212的转速Ω’_晶片小于或等于该晶片的临界转速Ω’_晶片临界时，浆液不会发生回混，其中：

正如上文关于双轴抛光机100(图1-3)的晶片半径R_晶片的讨论一样，如果晶片212或其它制品的抛光表面不是圆形，用于R′_晶片的数值可以是有效半径。同样与上述双轴抛光机100类似的是，抛光带速度U_带或晶片转速Ω’_晶片或二者可变化，从而以回混模式或非回混模式操作带抛光机200。对于特定应用更需要使用某种操作模式的原因与上文关于双轴抛光机100所述的内容相同。

Claims (9)

1.一种使用抛光垫的抛光层和抛光介质对晶片表面进行抛光的方法，该方法包括以下步骤：

(a)提供抛光介质，使抛光介质处于晶片表面和抛光层之间；

(b)旋转该晶片，使其表面绕第一旋转轴以第一转速旋转；

(c)使抛光层以一速度相对于第一旋转轴移动；

(d)根据下式{1}确定使所述晶片表面和抛光层之间的抛光介质回混的晶片临界转速：

其中：Ω_晶片临界是晶片的临界转速，低于该转速时不会发生回混；Ω_垫是抛光垫的转速；S是晶片的旋转轴与抛光垫的旋转轴之间的间距；R_晶片是晶片的抛光表面的半径；

选择第一转速和抛光层速度中的至少一种，使得当表面以第一转速旋转、抛光层以所述速度移动时，所述表面和抛光层之间的抛光介质中不会发生回混。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括使抛光层绕第二旋转轴旋转。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二旋转轴与所述第一旋转轴相隔一个间距，步骤(d)包括确定第二转速和第一转速中至少一种作为该间距的函数。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述晶片的表面具有一有效半径，该有效半径是从被抛光晶片表面的旋转轴到该表面上距离旋转轴最远的一点的距离，步骤(d)还包括确定第二转速和第一转速中至少一种作为该有效半径的函数。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一部分抛光介质流过抛光层中的凹槽，使得在凹槽中不发生回混。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括使抛光层以一线速度线性移动。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述晶片表面具有一有效半径，该有效半径是从被抛光晶片表面的旋转轴到该表面上距离旋转轴最远的一点的距离，步骤(d)包括确定第一转速和线速度中至少一种作为该有效半径的函数。

8.一种使用抛光层抛光制品表面的方法，在抛光时使制品以第一转速绕第一旋转轴旋转，并使抛光层以一速度相对于第一转轴移动，该方法包括以下步骤：

(a)在用于自持抛光介质的回混模式、和用于非自持抛光介质的非回混模式中选择一种；

(b)根据在步骤(a)中所选的回混模式和非回混模式中的一种，对制品的第一转速和抛光层的速度中的至少一种进行选择。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述抛光层绕第二旋转轴旋转，所述第二旋转轴与第一旋转轴相隔一间距，步骤(b)包括确定第二转速和第一转速中至少一种，作为该间距的函数。

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