CN100347825C - 用于电化学机械抛光的抛光垫 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电化学机械抛光导电衬底的抛光垫。该垫包括多个形成在抛光垫的抛光面上的凹槽，该凹槽适于使抛光液在抛光垫上流动。在该凹槽上分别形成导电层，而且各导电层互相电连通。

Description

用于电化学机械抛光的抛光垫

技术领域

本发明一般地涉及用于化学机械抛光(CMP)的抛光垫，本发明更特别地涉及用于电化学机械抛光(ECMP)的抛光垫，包括其方法和系统。

背景技术

在制造集成电路和其它电子器件的过程中，将多层导电材料、半导电材料以及电介质材料淀积在半导体圆片表面上，或者从半导体圆片表面上去除它们。利用大量淀积技术，淀积导电、半导电以及介质材料的薄层。常用的淀积技术包括还被称为喷涂的物理汽相淀积(PVD)、化学汽相淀积(CVD)、等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)以及电化学电镀(ECP)。

由于顺序淀积和去除材料层，所以圆片的上表面不是平面。因为顺序半导体处理(例如，平版印刷技术)要求圆片具有平坦表面，所以需要平面化该圆片。在去除不希望的表面形貌、表面缺陷，例如粗糙表面、聚结材料、晶格损伤、擦伤以及污染层或材料时，平面化过程是有效的。

CMP是用于平面化诸如半导体圆片的衬底的常用技术。在传统CMP中，在CMP设备中，圆片托架或抛光头安装在托架组件上并被定位成与抛光垫(例如，Rodel of Newark，DE制造的IC1000^TM和OXP4000^TM)相接触。托架组件对圆片施加可控制压力，使圆片压紧抛光垫。利用外部驱动力(例如，马达)，该垫可以相对于圆片选择性地运动(例如，旋转)。与此同时，基于化学物质的抛光液(例如，稀浆或反应液体)流到抛光垫上，然后，流入圆片与抛光垫之间的间隙。因此，利用垫表面与抛光液的化学和机械作用抛光圆片表面，并使它成为平面。

目前，在集成电路(IC)制造过程中，为了实现更细的导体特征图形和/或间隔，需要提高布线互连的密度。此外，采用多层导电层和利用低介电常数电介质材料的镶嵌工艺的IC制造技术在逐渐增加。这种绝缘体的机械强度往往比传统电介质材料的机械强度低。在利用这些技术制造IC的过程中，平面化各层是IC制造过程中的一个关键步骤。不幸的是，对于平面化这种IC衬底，CMP的机械方面已经达到其能力的极限，因为各层不能承受抛光的机械压力。特别是，在CMP期间，因为抛光的衬底与抛光垫之间的物理接触产生的摩擦力，所以下层帽和电介质材料出现脱层和断裂。

为了减轻在此描述的与CMP有关的不利机械效应，一种方法是进行ECMP，例如，使用第5,807,165号美国专利描述的技术。ECMP是用于平面化具有金属层的衬底的受控电化学溶解过程。该平面化机制是通过利用施加的电压离子化金属(以形成金属离子M⁺)，在衬底表面上进行扩散受控的金属M(例如，铜)吸收和溶解。在实现ECMP的过程中，必须在圆片与抛光垫之间建立电势，以实现从衬底金属层电扩散金属原子。例如，这可以通过对衬底托架(阳极)和工作台(阴极)施加电流来实现。

不幸的是，现有技术的抛光垫不能有效支持ECMP所需的高电流密度。此外，传统抛光垫不能有效地将电流产生的电场集聚在一起，从而提高ECMP过程的效率。因此，需要一种用于ECMP、克服了上述缺陷的抛光垫。

发明内容

在第一方面，本发明涉及一种用于电化学机械抛光导电衬底的抛光垫，所述垫包括：多个凹槽，形成在抛光垫的抛光面上，该凹槽适于使抛光液在抛光垫上流动；导电层，分别形成在该凹槽上；以及其中各导电层互相电连通。

在第二方面，本发明涉及一种用于电化学机械抛光导电衬底的方法，该方法包括：提供具有多个形成在抛光垫的抛光面上的凹槽的抛光垫，其中该凹槽适于使抛光液在抛光垫上流动，而且其中在该凹槽上分别形成导电层，该导电层互相电连接在一起；在衬底与抛光面之间提供电解抛光液；将电流送到导电层和衬底；以及将衬底压在抛光面，同时至少移动抛光垫或衬底。

在第三方面，本发明涉及一种用于电化学机械抛光导电衬底的系统，该系统包括：托架，用于支承待抛光的衬底；工作台，用于支承抛光垫以抛光该衬底；马达，用于在托架与工作台之间实现相对运动；供送装置，用于在衬底与抛光垫之间提供电解抛光液；电流源，电连接到衬底和抛光垫，而且用于在它们之间提供电流；以及其中抛光垫包括：多个凹槽，形成在抛光垫的抛光面上，该凹槽适于使抛光液在抛光垫上流动；以及导电层，分别形成在该凹槽上；以及其中各导电层互相电连通。

附图说明

图1是作为ECMP系统的一部分示出的、本发明抛光垫的典型实施例的剖视图；

图2A-2D是用于形成本发明的抛光垫的典型处理过程的剖视图；

图3是具有形成在其内的导电引线的本发明典型抛光垫的剖视图；

图4是本发明的典型抛光垫的平面图；以及

图5是采用本发明的抛光垫的另一种ECMP系统的透视图。

具体实施方式

参考附图，图1是作为ECMP系统的一部分示出的、本发明抛光垫4的剖视图。垫4具有上表面8和下表面10。上表面8用作抛光面。具有上表面14的工作台12支承抛光垫4。具有金属层18的衬底(例如，晶片)16被保持在衬底托架19上，并被定位成与垫上表面8接触或非常靠近垫上表面8。电解抛光液20分布在抛光垫上表面8与衬底金属层18之间。

抛光垫4由诸如聚氨酯的传统抛光垫材料构成。特别是，抛光垫4可以由热塑材料或热固材料构成。例如，垫4可以由尼龙、合成树脂、聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯、聚甲基丙烯酸酯以及诸如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的共聚物构成。在典型实施例中，抛光垫4的厚度在1.5至2.5mm之间。此外，例如，抛光垫4的模数值＞25Mpa，硬度值＞25肖氏D级，压缩率值＜2％。

在抛光垫4上成型分别具有内表面25的凹槽24。多个凹槽(以下称为“凹槽”)24具有多种形状和几何结构之任一(从上向下观看抛光垫)，例如，螺旋形、同心圆、x-y格栅、辐射状等。此外，凹槽24可以具有多种剖面形状之任一，例如，V形或U形。凹槽24足以使抛光液在抛光垫上流动。

凹槽24包括成型在其内的导电部分(层)26，该导电部分具有一个或者多个侧面28。在典型实施例中，导电层26包括一种或者多种金属(Al、Cu、W、Ag、Au等)、金属合金、石墨、碳以及导电聚合物。当在导电部分26与衬底16之间形成电势时，导电层26用作可以与位于垫上表面8或靠近垫上表面8的导电物质(例如电解抛光液或金属层)实现电连接的电极(阴极)。凹槽24与在其内形成的相关导电层26的组合构成下面所称的“导电凹槽”30。

图2A-2D是示出用于在抛光垫4内形成导电凹槽30的典型方法的剖视图。参考图2A，通过蚀刻、切割(例如，激光切割)、浮雕或铣削上表面，在上表面8上形成凹槽24。在典型实施例中，所形成的凹槽24具有在约0.1至25mm之间的间距(即，凹槽之间中心到中心的距离)。此外，在典型实施例中，凹槽24的宽度在约0.05至2.5mm之间，而深度在约0.1至1.5mm之间。

在图2B中，在上表面8上保形地淀积导电材料的层40，以覆盖凹槽24的内表面25。可以利用在塑料上形成金属层的任何一种传统技术，例如真空喷涂、汽相淀积或淀积催化涂层(例如，钯)，然后化学电镀金属，形成层40。层40的优选材料包括：铜、铜基合金、碳以及诸如铑、铂、银、金及其合金的贵金属。通常，层40是在抛光期间可以抗化学腐蚀的导体，而且具有足以避免划伤圆片的柔性。层40的厚度应该足以承受ECMP工艺使用的电流密度。在典型实施例中，层40的厚度在约10至130微米之间。

现在参考图2C，处理(例如，抛光、修整和/或蚀刻)层40，以便仅保留凹槽内的导电部分26。这样，有效集聚电流源41产生的、位于衬底16与导电层26之间的电场。在图2D所示的典型实施例中，以导电部分26不填充整个凹槽24的方式，选择性地蚀刻导电部分26。换句话说，仅去除位于最靠近上表面8的内表面25最上部的导电部分26。

参考图1，通过电连接器系统50，每个导电层(阴极)26分别连接到电流源41的负极端44。通过导线48，衬底托架19连接到电流源41的正极端46，这样可以有效地使衬底16(或者更具体地说是金属层18)用作阳极。因此，通过电连接抛光液20，或者通过直接与金属层18和导电层26实现电接触，在阳极(衬底)与阴极(导电层26)之间建立电连接(电路)。

在某种类型的ECMP系统(回转式抛光系统、轨道抛光系统、线性砂带抛光系统以及基于网状的抛光系统)中，抛光垫相对于电流源转动。因此，继续参考图1，在此所示的ECMP系统包括上述电连接器系统50，即使在抛光垫4相对于电流源41运动时，该电连接器系统50仍适于在导电凹槽30与电流源41之间保持电连接。电连接器系统50适于适应不同类型的抛光系统的不同垫运动。例如，在诸如IPEC 472、AMAT Mirra、Speedfam Auriga、Strasburg 6DS的回转式抛光器中，采用侧安装连接、通过工作台连接或者端点电缆设置。

在典型实施例中，抛光垫4包括上层4A和下层4B(由虚线分隔开)，其中在上层形成导电凹槽30，而在下层形成作为电连接器系统50的一部分的接线网络52。接线网络52将导电凹槽30连接到电流源41。在示例性实施例中，利用电连接器54和环形引线56，实现这些连接。

可以利用平版印刷技术，形成接线网络52，其中在垫层4B的上表面60上旋喷第一绝缘层，然后，进行图形化蚀刻，以形成其排列与导电凹槽30的特定几何形状对应的沟槽。然后，利用导电材料填充该沟槽，以形成接线网络52。

参考图3，在一个示例性实施例中，在垫层4A的下表面62中形成通孔69。然后，利用导电材料填充通孔69，以形成引线70，引线70连接到导电凹槽30的各导电层26。然后，使上垫层4A与下垫层4B面接，以在接线网络52与引线70之间建立电连接。此后，将电连接器54连接到接线网络52和连接到电流源41。

现在参考图4，在另一个示例性实施例中，凹槽包括用于连接(主)导电凹槽30的子凹槽80。对于图4所示的例子，抛光垫4具有同心圆导电凹槽30，该同心圆导电凹槽30具有径向子凹槽80，该径向子凹槽80电连接用其它方法电隔离的同心圆导电凹槽30。

现在参考图5，图5示出ECMP系统200的透视图，该ECMP系统200包括图1所示的单元，而且进一步包括用于存储抛光液20的抛光液输送系统(供送装置)204。为了说明问题，所示的抛光垫4具有圆形导电凹槽30。此外，尽管CMP系统200是旋转系统，但是下面描述的原理可以应用于其它类型的CMP系统，例如线性系统或网状系统。

在系统200的工作过程中，将衬底(例如晶片)16装载到衬底托架19上，并定位在抛光面8上。电解抛光液20从抛光液输送系统204流入抛光垫4的抛光面8上。然后，使衬底托架19降低，以使衬底16压紧抛光面8。此后，例如，通过转动工作台12和/或转动衬底托架19，抛光垫4和/或衬底托架19相对运动。通过导线48(例如，电线)，电流(AC或DC)从电流源41流入例如衬底托架19上的阳极220，然后流入电连接器系统50的电连接器54和接线网络52。阳极220靠近衬底16的位置使金属层18阳极化。

当电解抛光液20接触凹槽24内的导电层26并接触衬底16的金属层18时，形成电路。响应于导电层(阴极)26上的负电势，金属离子从金属层18迁移。使金属离子迁移效应局限在金属层最靠近导电层(阴极)26的区域内。通过使衬底相对于抛光面8运动，迁移效应分布在金属层18上。

利用电流源41提供的电流密度和电流波形，部分确定衬底16的金属层18的金属去除率。利用衬底16与导电凹槽30之间的电势，离子化金属层18。金属离子溶解在抛光面8(包括在导电凹槽30内)与金属层18之间流动的电解抛光液20中。金属溶解率与电流源41施加的电流密度成正比。随着抛光电流密度的升高，电抛光去除率增加。然而，随着电流密度的升高，损坏在衬底16上形成的微电子部件的概率也升高。在典型实施例中，采用在约0.1至120mA/cm²范围内的电流密度。在其中要求较高金属去除率的典型实施例中，电流密度在30至120mA/cm²之间。在其中要求降低金属去除率的典型实施例中，电流密度在约0.1至30mA/cm²之间。

因为抛光或平面化过程利用电化学反应，所以衬底托架19施加的向下的力小于进行传统CMP所需的力。因此，接触摩擦小于传统CMP中的接触摩擦，这样对外露金属层和任何下层施加减小的机械压力。

在典型实施例中，当利用ECMP系统200开始抛光衬底16时，采用较高去除率，以便迅速去除块状金属层18。当确定(例如，利用光学端点检测)大多数金属层18被去除(例如，通过检测下层的穿透)后，改变系统参数，以降低去除率。然后，利用电流源41产生的各种电流波形(例如，脉冲、双极脉冲、可变振幅脉冲、连续电流、恒压、交变极性、修改的正弦波等)，抛光或者平面化电镀期间产生的厚度变化。在典型实施例中，结合局部的金属迁移，利用不同电流密度和波形去除在衬底上淀积的不均匀金属。

通常，利用电镀方法，形成金属层18，而且金属层18具有边缘处比中心高的厚度分布。因此，在典型实施例中，通过根据其位置对导电凹槽施加不同数量的电流，可以在金属层18上改变金属层的金属去除率。特别是，在典型实施例中，通过确定不同抛光垫区域，并对每个区域分别施加不同的电流，可以选择性去除金属。在典型实施例中，以与金属层厚度分布成正比地提供外加电流。

在典型实施例中，为了降低抛光不均匀性，仅转动衬底托架19。在另一个典型实施例中，仅转动工作台12。此外，在另一个典型实施例中，同时转动衬底托架19和工作台12。

继续参考图5，在典型实施例中，抛光垫4包括透明窗口300，而系统200包括通过该窗口与衬底16实现光连通的光学端点检测系统310。光学端点检测系统的一个例子是Applied Materials，Inc，SanJose，CA制造的Mirra ISRM系统。当窗口与系统310和衬底对准时，通过窗口300，检测系统310使光束312照射衬底16。系统310检测衬底反射的光束314，以确定是否露出图形下面的金属层18。系统310连接到电流源41，而且可以用于选择喷涂并控制电流源41提供的电流密度，以减少对嵌入衬底16的任何微电子元件(未示出)的损伤。

通常，利用端点检测结束或者改变抛光过程。在典型实施例中，结合电流源41产生的可控电流，利用端点检测抛光剩余金属岛(例如，去除块状之后剩余的部分金属层18)。在金属层18发生“穿透”后使用高电流可能损伤在衬底16上形成的微电子元件。用于实现端点检测的另一种技术是在抛光期间，监测衬底16与导电凹槽30之间的电阻。

因此，本发明提供了一种用于电化学机械抛光导电衬底的抛光垫，包括其方法和系统。该垫包括多个在抛光垫的抛光面上形成的凹槽，该凹槽适于使抛光液在抛光垫上流动。在该凹槽上分别形成各导电层，而且互相实现电连通。该抛光垫有效支持ECMP要求的高电流密度，而且支持集聚电流产生的电场，以提高ECMP过程的效率。

Claims (10)

1.一种用于电化学机械抛光导电衬底的抛光垫，所述抛光垫包括：

多个凹槽，形成在抛光垫的抛光面中，该凹槽适于帮助抛光液在抛光垫上流动；

导电层，分别形成在该凹槽内表面上，从而形成导电凹槽；

所述各导电层彼此电连通。

2.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于所述导电层具有10至130微米的厚度。

3.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于所述导电层包括选自金属、金属合金、石墨、碳以及导电聚合物的材料。

4.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于所述凹槽具有：0.1至25mm之间的间距，0.05至2.5mm之间的宽度，0.1至1.5mm之间的深度。

5.根据权利要求1所述的抛光垫，它还包括电连接到各凹槽的子凹槽。

6.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于利用与电源相连的接线网络实现所述电连通。

7.根据权利要求6所述的抛光垫，其特征在于使用电导体和环形引线将所述接线网络连接到电源。

8.一种用于电化学机械抛光导电衬底的方法，该方法包括：

提供具有多个形成在抛光垫的抛光面中的凹槽的抛光垫，该凹槽适于使抛光液在抛光垫上流动，在该凹糟的内表面上分别形成导电层，构成导电凹槽，该导电层互相电连接在一起；

将电解抛光液供应到衬底与抛光面之间；

为导电层和衬底供应电流；以及

在至少移动抛光垫或衬底的同时，将衬底压在抛光面上。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于电流在0.1至120mA/cm²之间。

10.一种用于电化学机械抛光导电衬底的系统，该系统包括：

托架，用于支承待抛光的衬底；

工作台，用于支承抛光垫以抛光该衬底；

马达，用于在托架与工作台之间实现相对运动；

供送装置，用于将电解抛光液供应到衬底与抛光垫之间；

电源，电连接到衬底和抛光垫，而且用于在它们之间供应电流；

所述抛光垫包括：

多个凹槽，形成在抛光垫的抛光面中，该凹槽适于使抛光液在抛光垫上流动；

导电层，分别形成在该凹槽的内表面上，构成导电凹槽；所述各导电层彼此电连通。

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