CN100419965C - 具有重叠阶梯状凹槽排列的化学机械抛光垫 - Google Patents
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Abstract
一种抛光垫(104，300)，具有环形抛光轨迹(152，320)和凹槽(112，304)的大量组(160，308)，这些凹槽绕着该抛光垫的旋转中心(128)以圆周方式重复。每个组中的大量凹槽都以偏移和重叠方式沿着轨线(164，312)排列，从而在该环形抛光轨迹中提供大量重叠阶梯(172，316)。这些组可以以彼此间隔或嵌套的关系排列。
Description
技术领域
本发明一般涉及化学机械抛光(CMP)领域。具体地说，本发明涉及具有重叠阶梯状凹槽排列的CMP垫。
背景技术
在集成电路和其他电子器件的制造过程中，多层导电、半导体和介电材料被沉积到半导体晶片表面上，然后又被从半导体晶片表面上清除。可以使用一些沉积技术沉积导电、半导体和介电材料薄层。现代晶片加工中的常规沉积技术包括物理气相沉积(PVD)，化学气相沉积(CVD)，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和电化学镀等。常规清除技术包括湿法和干法的各向同性和各向异性蚀刻等。
随着材料层被顺序沉积和清除，晶片的最上层表面变得不平坦。由于随后的半导体加工(例如金属化)要求该晶片具有平坦表面，所以需要对该晶片进行平面化。平面化适合于清除不需要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。在常规CMP中，晶片载体或抛光头被固定在载体组合件上。抛光头握住晶片，使该晶片与CMP装置中抛光垫的抛光层接触。载体组件在晶片和抛光垫之间提供受控的压力。同时使浆料或其他抛光介质在抛光垫上流动，流入晶片和抛光层之间的空隙中。为了进行抛光，抛光垫和晶片作相对运动，通常是转动。晶片表面由抛光层和抛光层表面上抛光介质的化学和机械作用而被抛光变平。抛光垫在晶片下面旋转时，晶片通常扫过一环形的抛光轨迹(或称为抛光区域)，其中该晶片表面直接面对抛光层。
在设计抛光层时，需要考虑的重要问题中包括抛光介质在抛光层表面上的分布，新鲜抛光介质进入抛光轨迹的流动，用过的抛光介质从抛光轨迹中的流出，以及流过抛光区域基本未被利用的抛光介质的量等等。解决这些问题的一种方法是使抛光层具有凹槽。这些年来，实现了许多不同的凹槽图案和结构。传统的凹槽图案包括辐射状，同心圆状，笛卡儿格子状和螺旋形状等。传统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。
CMP的从业人员都知道，具有凹槽图案的抛光垫与具有其它图案的抛光垫相比，在清除材料速率相似的情况下会消耗较高的浆料。不与抛光层外缘相连的圆形凹槽往往消耗比辐射状凹槽更少的浆料，辐射状凹槽在抛光垫旋转传送的力作用下为浆料到达垫的外缘提供了最短的可能路径。笛卡儿格子状凹槽则提供了到达抛光层外缘不同长度的路径，其到达垫外缘的路径长度处于前两种图案之间。
现有技术中公开了试图降低浆料消耗和使浆料在抛光层上的保持时间最大的各种凹槽图案。例如，Osterheld等人的美国专利第6241596号公开了一种转动型抛光垫，它具有从垫中心沿着辐射方向大体向外延伸的之字形凹槽。在一个实施方式中，Osterheld等人的抛光垫中包括矩形的“x-y”格子状凹槽。之字形沟道是通过选择性堵塞x和y方向凹槽之间的一些交叉部位，保持其他交叉部分不被堵塞而形成的。在另一个实施方式中，Osterheld等人的抛光垫中包括大量分隔的，基本呈辐射状的之字形凹槽。一般来说，在x-y格子状凹槽中形成的之字形沟道或者由分立的之字形凹槽形成的之字形沟道会阻止浆料流过相应的凹槽，至少是相对于未被阻隔的矩形x-y格子状凹槽和直线辐射状凹槽的那些凹槽。据称能增加浆料保持时间的另一种现有技术凹槽图案是一种螺旋形凹槽图案，预计能在垫旋转的力作用下向抛光层中心推动浆料。
目前对CMP的研究和模型建立，包括现有技术的计算机流体动力学模拟，已经发现，在具有固定或逐渐变化深度的凹槽网络中，有相当多浆料没有接触晶片，这是因为每个凹槽最深部分中的浆料在没有接触晶片时就流动离开了晶片。虽然凹槽必须具有随着抛光层表面的磨损而仍能可靠地传送浆料的最小深度，但是，任何过大的深度会使提供给抛光层的一些浆料未被利用，因为在传统抛光层中，工件下面存在连续不断的流路，其中流动的浆料没有参加抛光工作。因此，需要提出具有这样一种凹槽排列方式的抛光层，这种凹槽排列方式能降低抛光层上浆料的未利用量，从而减少浆料浪费。
发明内容
本发明一方面提供了一种抛光垫，它包括：a)抛光层，其结构能在抛光介质存在条件下，抛光至少一个磁性，光学或半导体基片的表面，该抛光层包括旋转轴和与该旋转轴同心的环状抛光轨迹；和b)形成在抛光层中的大量凹槽，这些凹槽排列成许多组，各组都沿着通过该环形抛光轨迹延伸的轨线排列，其中，在各组中的大量凹槽中的任何一个凹槽都在环形抛光轨迹中形成一个重叠阶梯图案。
本发明另一方面，提供了一种抛光垫，它包括：a)抛光层，其结构能在抛光介质存在条件下，抛光至少一个磁性，光学或半导体基片的表面，该抛光层包括旋转轴和与该旋转轴同心的环形抛光轨迹；和b)形成在该抛光层中的大量凹槽，这些凹槽排列成许多组，各组都沿着通过该环形抛光轨迹延伸的轨线，其中，各组中的大量凹槽中的任何一个凹槽都在该环形抛光轨迹中形成至少一个重叠阶梯图案。
附图说明
图1是本发明化学机械抛光(CMP)系统的一部分结构的透视图；
图2A是图1中的抛光垫的俯视图，具有大量排列成组的重叠阶梯状凹槽，这些组在相对抛光垫的圆周方向相互分隔；图2B是图2A抛光垫的俯视图，图示一个分隔的凹槽组；
图3A是本发明另一种抛光垫的俯视图，具有大量排列成组的重叠阶梯状凹槽，这些组在相对抛光垫的圆周方向相互嵌套；图3B是图3A抛光垫的俯视图，图示一个嵌套的凹槽组以及凹槽组的嵌套。
具体实施方式
参见附图，附图1所示为本发明的化学机械抛光(CMP)系统，一般用数字100表示。CMP系统100包括抛光垫104，抛光垫104具有抛光层108，抛光层108包括大量凹槽112，这些凹槽112的排列和结构能提高抛光半导体晶片120和其他工件，如玻璃、硅晶片和磁信息存储盘等时，施加在该抛光垫上的抛光介质116的利用率。为了方便起见，在以下的说明中使用术语“晶片”。但是本领域技术人员能够理解，除了晶片之外的工件也属于本发明的范围之内。以下具体说明抛光垫104及其特征。
CMP系统100可以包括被板式驱动装置(未示出)驱动绕抛光压板的轴128旋转的抛光压板124。压板124可以具有安装了抛光垫104的上表面。能绕晶片载体的轴136旋转的晶片载体132可以支撑在抛光层108上方。晶片载体132可以具有与晶片120接触的下表面。晶片120具有面对抛光层108的表面140，在抛光过程中被平面化。适合旋转晶片120的载体支撑组合件(未示出)支撑着晶片载体132，并提供向下压力的F，将晶片表面140压在抛光层108上，使得在抛光过程中使晶片表面和抛光层之间存在要求的压力。
CMP系统100可以还包括为抛光层108供应抛光介质116的供应系统144。供应系统144可以包括盛装抛光介质116的储槽(未示出)，例如温控槽。导管148可将抛光介质116从储槽输送到靠近抛光垫104的位置，把抛光介质分布在抛光层108上。可以用流量控制阀(未示出)控制抛光垫104上抛光介质116的分配。在抛光操作中，板式驱动装置转动抛光压板124和抛光垫104，启动供应系统144，在旋转的抛光垫上分配抛光介质116。抛光介质116因为抛光垫104的旋转而散布在抛光层108上，包括在晶片120和抛光垫104之间的空隙中。晶片载体132可以以选定速度旋转，例如0-150转/分，因此晶片表面140相对抛光层108运动。还可以控制晶片载体132，提供向下的力F，在晶片120和抛光垫104之间产生要求的压力，例如0-15磅/平方英寸(0-1.03×105帕)。抛光压板124通常以0-150转/分的速度旋转。抛光垫104在晶片120下旋转时，晶片表面140扫过通常环形的晶片轨迹，或者是抛光层108上的抛光轨迹152。
注意到在某些情况下，抛光轨迹152可能并非严格环形的。例如，如果晶片120的表面140在一个维度上大于另一个维度，且晶片和抛光垫104以特定速度旋转，使这些维度总是在抛光层108上的相同位置以相同方式取向，则抛光轨迹152通常是环形的，但是其宽度从较长维度变化到较短维度。如果晶片120的表面140是双轴对称的，例如是圆形或正方形，则特定旋转速度下会产生类似效果，但是该晶片相对于表面的旋转中心是偏心固定的。在另一个实施例中，抛光轨迹152并非完全环形，当晶片120在平行于抛光层108的平面中振动时，抛光垫104以一定速度旋转，使晶片在抛光垫每次旋转时因相对于抛光层的振动而所处的位置相同。在所有这些例外情况下，抛光轨迹152仍然是环形的，因此认为它们仍然属于权利要求中所用术语“环形”的范围之内。
图2A和2B以比图1更具体的方式说明了附图1的抛光垫104。参见图2A和2B，凹槽112通常被排列成许多组160，这些组以一般是径向方式绕抛光垫104的旋转轴128分布，优选彼此相同，但是并不是必须如此。每个组160可以包括N个凹槽112，N≥2。在本实施例中，每个组160包括4个凹槽112，即N＝4。在每组160中的凹槽112的排列和结构形成了被描述为“重叠阶梯状排列”的排列，这种排列基本上沿着轨线164分布。可以认为在组160中的每个凹槽112具有径向的向内端166和径向的向外端168。因此，以上说明中的“重叠”部分是指紧邻凹槽112的径向的向内端166和径向的向外端168在相对抛光垫104的圆周方向170，沿非零的重叠长度L上相互隔开。以上说明中的“阶梯状”部分是指在每组160中相邻重叠凹槽112相互间隔或偏移距离D，所以一般形成沿着轨线164的不连续抛光介质流动路径。从其一端向另一端穿过每个轨迹164时，遇到的每个偏移通常具有阶梯状外观。因此，可以认为这些偏移每一个都形成了一个阶梯，更具体地说，形成了具有重叠长度L的重叠阶梯172。
如上所述，每组160中可以具有N≥2的任意个凹槽112。因此，每一组160中具有N-1个重叠阶梯172。为了进行以下的讨论，所有重叠阶梯172都应当位于抛光轨迹152中。一般来说，组160潜在的基本想法是为抛光介质在抛光轨迹152中的流动提供了分段的路径。抛光介质存在于一个凹槽112中时，当抛光过程中抛光垫104旋转时，抛光介质通常在离心力作用下在凹槽中流动。但是，抛光介质在离心力的作用下，并不倾向于从一个凹槽112通过其与相邻凹槽之间的凸起区域174流动至相邻凹槽。而是，在晶片面对抛光垫104旋转，或者旋转和振动时，抛光介质主要通过晶片120与抛光层108上抛光介质的相互作用，通常从一个凹槽112穿过凸起区域174移动至下一个相邻的凹槽。
通过提供不连续凹槽112的组160，能以比具有延伸通过其抛光轨迹的连续凹槽的常规抛光垫(未示出)更有效的方式利用抛光介质。一般说来，这是因为抛光介质基本上只在存在晶片120移动抛光介质穿过凸起区域174的情况下，才会从一个凹槽112向另一个凹槽112，朝向抛光垫104的外缘176前进。这与连续凹槽(未示出)的典型情况成对比，其中的抛光介质即使在没有晶片的条件下也会因为抛光垫的旋转而向抛光垫的外缘前进。
当每一组160中具有3个或更多个凹槽112时，即抛光轨迹152中具有2个或更多个重叠阶梯172时，总数为N-2个的每一个凹槽通常具有首尾相连的直线距离S(即连接凹槽端点166，168的直线距离)小于抛光轨迹152的宽度W。在示范性的抛光垫104中，每一组160中的4个凹槽112提供了3个完全位于抛光轨迹152中的重叠阶梯172。因此，每个组160中4个凹槽112中的2个凹槽具有比抛光轨迹152的宽度W更短的直线距离S。事实上，在该例子中，每个组160中的全部4个凹槽112都具有比宽度W更短的直线距离S。注意到S＜W的关系并非对每种设计都适用。例如，对于N＝3，抛光轨迹152中具有2个重叠阶梯172的情况，直线距离S可以等于或大于宽度W，特别是当轨线164具有位于抛光轨迹之内的较大圆周部分时。
抛光轨迹152通常具有与抛光垫104的旋转轴128隔开的基本为圆形的内部边界180，以及接近于抛光垫外缘176但与之隔开的基本为圆形的外部边界184。内部边界180通常形成抛光层108的中心区域188，但并不是必须如此。相似地，外部边界184和外缘176典型地形成周边区域190。注意到，中心区域188和周边区域190中的任意一个可以不存在，也可以这两者都不存在。如果内部边界180与抛光垫104的旋转轴128重合或者旋转轴位于抛光轨迹152中，则中心区域188不存在。如果外部边界184与外缘176重合，则周边区域190不存在。
在使用具有中心区域188的抛光垫104和向抛光垫中心区域提供抛光介质的CMP系统中，例如图1的CMP系统100，凹槽112的每个组160中可以包括从中心区域延伸至抛光轨迹152中的径向的最内侧凹槽192。在这种情况下，凹槽192在抛光过程中帮助从中心区域188将抛光介质运动到抛光轨迹152。如上所述，即使在没有晶片120的情况下，抛光介质也倾向于在凹槽112中流动，包括凹槽192。当凹槽192主要是径向时，以恒定速度转动的抛光垫104所产生的离心力会使这些凹槽中的抛光介质流向抛光垫的外缘176。
当抛光垫104包括周边区域190时，凹槽112的每个组160可以包括位于抛光轨迹152和周边区域中的的径向最外侧凹槽194。根据其相对于抛光垫104旋转方向的取向，凹槽194会有助于从抛光轨迹152传送出抛光介质。根据特别设计，可以有一些或全部的径向最外侧凹槽194延伸至外缘176，或者没有径向最外侧凹槽194延伸至外缘176。最外侧凹槽194向外缘176的延伸倾向于从周边区域190运动出抛光介质，并且以大于这些凹槽在外缘近处终止情况下的速率磨损抛光垫104。对于某些取向，这正是因为抛光介质在抛光垫104旋转的作用下在凹槽194中流动的倾向所发生的。
每一组160的轨线164一般可以具有任何需要的形状，例如所示的弓形、其曲率大于或小于所示曲率或者曲率在所示相反方向的任意弓形、直线、可以是径向或其成角度的形状，或者波形或之字形等。组160可以在所示圆周方向170中相互隔开，或者可以如图3A所示相互嵌套，以下将对其进行说明。通常，如果可以在两个组的轨线之间划出与轨线164相同形状的中间线196，一个组中的所有凹槽112都位于该中间线的一侧，另一组的所有凹槽都位于该中间线的另一侧，则一个组160相对于紧邻的组是“隔开的”。
图3A和3B说明了另一种用于CMP系统，例如图1的CMP系统100的本发明抛光垫300。最好从图3B中看出，抛光垫300的基本结构是，凹槽304被排列成基本平行于轨线312的大量重叠的阶梯状组308，这种平行的方式事实上类似于图2A和2B的抛光垫104的凹槽112沿着相应轨线164排列在组160内的方式。为了具体说明图3A和3B中每一组308中凹槽304的排列，可以用以上对图2A和2B中每组160的凹槽112排列的说明作为类比。在图3A和3B的示范性抛光垫300中，每一组308包含6个凹槽304，它们提供了5个位于环形抛光区域320内基本平行于轨线312的重叠阶梯316。凹槽304的重叠阶梯状排列提供了类似于上述图2A和2B中凹槽排列的功能。类似于图2A和2B的组160，图3A和3B的组308可以包含任意数量的N个凹槽304和相应N-1个的重叠阶梯316。类似的，组308的轨线312可以具有相对于图2B轨线164所述的任意形状。而且，至少有N-2个凹槽304完全位于抛光轨迹320中，它们各自具有小于抛光轨迹320宽度W′的直线距离S′。
尽管认为图2A中凹槽112的组160是与紧邻组隔开的，但认为图3A中的组308是与相邻组嵌套的。组308的嵌套最好如图3B的组G1，G2，G3和Gn联合所示，特别如此列举以便说明。组G1中包含6个凹槽G11，G12，G13，G14，G15，G16。类似的，组G2和G3中分别包含凹槽G21，G22，G23，G24，G25，G26和凹槽G31，G32，G33，G34，G35，G36。从宽泛的意义上说，相邻组308的“嵌套”是指中间线(未示出，但是类似于图2A中的中间线196)具有和位于两个相邻轨线之间的轨线312相同的特征，但是该中间线并不将组相互分隔。而是，两个相邻组308中每一组的凹槽304，以及甚至于其他组中的凹槽，都位于中间线的两侧。在嵌套组308的特例中，一个组中的某些凹槽304的位置使其与其他组中的某些凹槽对齐。如图3A中所示，特别如图3B中组G1，G2，G3和Gn的联合所示。注意到嵌套并不一定需要组308的凹槽304与另一组中的任何凹槽对齐。
参见图3B，发现当组G2与组G1嵌套时，组G2的凹槽G23与组G1的凹槽G11对齐。类似的，组G2的凹槽G24与组G1的凹槽G12对齐。然后，当组G3与组G2和G1嵌套时，组G3的凹槽G36分别与组G2和G1的凹槽G24和G12对齐。类似的，组G3的凹槽G35分别与组G2和G1的凹槽G23和G11对齐。嵌套在圆周方向324中进行，直到当凹槽Gn1与凹槽G13对齐，凹槽Gn2与凹槽G14对齐，凹槽Gn3与凹槽G15对齐，而凹槽Gn4与凹槽G16对齐时，组Gn最终与组G1嵌套。由图3B中所示凹槽Gn1-6的排列所提供的嵌套，通过为浆料从一个凹槽向相邻凹槽的移动创造多重串联和平行的通路，加强了在晶片下面的浆料运动，使浆料能沿着由一组凹槽提供的阶梯状通路，以及沿着由相互对齐的相邻嵌套组中的凹槽集合提供的平滑分段通路，向前运动通过凸起区域。
Claims (10)
1. 一种抛光垫，它包括：
a)抛光层，构造成在抛光介质存在条件下抛光至少一个磁性、光学或半导体基片的表面，该抛光层包括旋转轴以及与该旋转轴同心的环形抛光轨迹；
b)形成在抛光层中的大量凹槽，这些凹槽排列成许多具有至少三个凹槽的组，各组都沿着通过该环形抛光轨迹延伸的轨线排列，其中，在各组中大量凹槽中的所述至少三个凹槽都在该环形抛光轨迹中形成具有至少两个重叠阶梯的重叠阶梯状图案，以形成不连续流动途径，该途径沿着通过所述环形抛光轨迹的轨迹。
2. 如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，许多所述的组以绕该旋转轴的圆周方向相互隔开。
3. 如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，许多所述的组以绕该旋转轴的圆周方向相互嵌套。
4. 如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述环形抛光轨迹具有宽度，大量的所述凹槽中每个凹槽的长度都小于环形抛光轨迹的宽度。
5. 如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，许多所述的组中的每个组的轨线是弓形。
6. 如权利要求5所述的抛光垫，其特征在于，该抛光垫具有设计的旋转方向，许多所述的组中每个组的轨线以该设计的旋转方向弯曲。
7. 一种抛光垫，它包括：
a)抛光层，构造成在抛光介质存在条件下抛光至少一个磁性、光学或半导体基片的表面，该抛光层包括旋转轴以及与该旋转轴同心的环形抛光轨迹；
b)形成在该抛光层中的大量凹槽，这些凹槽排列成许多具有至少三个凹槽的组，各组都沿着通过该环形抛光轨迹延伸的轨线排列，其中，每个组中大量凹槽中的所述至少三个凹槽，即N≥3个凹槽都在该环形抛光轨迹中形成具有N-1个阶梯的重叠阶梯图案，以形成不连续流动途径，该途径沿着通过所述环形抛光轨迹的轨迹。
8. 如权利要求7所述的抛光垫，其特征在于，每个组中这些大量凹槽中的任意凹槽在环形抛光轨迹中形成至少两个重叠阶梯。
9. 如权利要求7所述的抛光垫，其特征在于，所述抛光垫进一步包括外缘，环形抛光轨迹包括内部圆形边界，抛光层还包括由该环形抛光轨迹的内部圆形边界所形成的中心区域，以及位于环形抛光轨迹和抛光垫外缘之间的周边区域，许多所述的组中的每个组包括只存在于中心区域和环形抛光轨迹中的内部凹槽，以及只位于环形抛光轨迹和周边区域中的外部凹槽。
10. 如权利要求7所述的抛光垫，其特征在于，环形抛光轨迹具有宽度，大量的所述凹槽中每个凹槽的长度都小于环形抛光轨迹的宽度。
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