CN100482419C - 抛光垫以及化学机械抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抛光垫，具有平坦的抛光面，所述抛光面的粗糙度小于20um，所述的抛光垫为硬抛光垫或者薄抛光垫。本发明还提供一种化学机械抛光方法，使用具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20um的抛光垫进行抛光，比较优选的一个技术方案是使用所述的具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20um的抛光垫进行抛光前，先使用抛光面带有凹槽的抛光垫进行抛光，使用所述的具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20um的抛光垫进行抛光的高度为500至3000。上述方法克服了现有抛光垫带来的缺陷，可使化学机械抛光的晶圆有较高的表面平整度，粗糙度低于10nm。

Description

抛光垫以及化学机械抛光方法

技术领域

本发明涉及半导体制程中的化学机械抛光工艺，具体的说，涉及一种化学机械抛光的抛光垫以及一种使晶圆表面高平整度的化学机械抛光方法。

背景技术

化学机械抛光(CMP)工艺由IBM于1984年引入集成电路制造工业，并首先用在后道工艺的金属间绝缘介质(IMD)的平坦化，然后通过设备和工艺的改进用于钨(W)的平坦化，随后用于浅沟槽隔离(STI)和铜(Cu)的平坦化。化学机械抛光(CMP)为近年来IC制程中成长最快、最受重视的一项技术。

CMP抛光工艺就是在无尘室的大气环境中，利用机械力对晶圆表面作用，在表面薄膜层产生断裂腐蚀的动力，而这部分必须籍由研磨液中的化学物质通过反应来增加其蚀刻的效率。而研磨液、晶圆与抛光垫之间的相互作用，便是CMP中发生反应的焦点。CMP制程中最重要的两大组件便是抛光液(slurry)和抛光垫(pad)。抛光液通常是将一些很细的氧化物粉末分散在水溶液中而制成。抛光垫大多是使用发泡式的多孔聚亚安酯制成。在CMP制程中，先让抛光液填充在研磨垫的空隙中，并提供了高转速的条件，让晶圆在高速旋转下和抛光垫与抛光液中的粉粒作用，同时控制下压的压力等其它参数，即可完成化学机械抛光工艺。

图1示出了常用的抛光垫的宏观形貌。一般情况下，抛光垫由两种材料粘合而成，表层坚硬而底层较软，且表面有一定的粗糙度。这样的设计是为了让表面能够承载浆料，而又能传递系统所施予的压力，但不能刮伤晶圆表面。抛光垫分为软抛光垫(soft pad)和硬抛光垫(hard pad)，其中软抛光垫能够得到较好的晶圆内的均匀性，研磨速率比较稳定，碟型凹陷比较明显，不容易产生表面刮伤，但是抛光的效率不高。硬抛光垫的表层坚硬，在硬研磨垫上不容易控制晶圆内的均匀性，研磨速率随时间逐渐降低，不容易产生碟型凹陷，而容易产生表面刮伤。

一般来说，抛光垫的结构都包括在抛光面一侧形成的凹槽。中国专利申请CN03140681揭示了一种抛光垫的结构，与晶圆直接接触的表面上带有同心圆环形的凹槽和贯穿抛光垫表里的通孔。同心圆形的凹槽如图2所示。这种结构的抛光垫能够使表面的抛光液较好的分散。实践表明，对于常规的半导体器件，使用这种抛光垫对晶圆表面进行化学机械抛光，晶圆表面的平整度都能够满足器件的应用要求。但是，对于某些应用于光学仪器的晶圆如用于图像传输和图像处理元件中的晶圆以及对晶圆表面质量要求较高的产品，由于对晶圆表面平整度要求特别高，使用这种带有凹槽的抛光垫进行化学机械抛光得到的晶圆表面平整度大多不能满足器件的应用要求，良品率很低。参考图3所示，为一个液晶显示器的表面，其图像传输器件使用的晶圆即为使用带有凹槽的抛光垫进行化学机械抛光的，从图中可以看出，显示器表面看起来类似条纹状，这是由于化学机械抛光后晶圆表面凸凹不平导致的色差显示在显示器表面的结果。

为了使晶圆表面得到更好的平整度，用于图像传输的晶圆不能使用化学机械抛光的方法进行表面处理，因此，大多采用化学刻蚀的方法进行处理。但是，用这种方法处理的晶圆表面粗糙度远大于使用化学机械抛光的方法进行处理的表面，而且在有些区域还会有氧化物残留；局部平整度也不如使用化学机械抛光的方法进行处理的表面。

发明内容

本发明要解决的问题是现有技术中使用化学机械抛光的方法得到的晶圆表面不能满足用于图像传输的光学器件以及对晶圆表面质量要求较高的产品的应用要求。为此，本发明提供了一种不带凹槽的抛光垫，还提供了一种化学机械抛光方法以得到高平整度的晶圆表面。

为解决上述问题，本发明提供了一种抛光垫，具有平坦的抛光面，并且所述抛光面的粗糙度小于20um。所述的平坦的抛光面是指其抛光面相对于现有技术中的抛光垫来说表面不带凹槽。

上述的抛光垫还可以具有设置在抛光垫非抛光面的衬层，本文中称为多层抛光垫。

所述的抛光垫包括硬抛光垫和软抛光垫。

所述的抛光垫的抛光面由发泡式的多孔聚亚安酯制成。

由于本发明提供的抛光垫的抛光面不带有在化学机械抛光中，不会产生由凹槽的不平整引起的晶圆表面不平整，得到高平整度的晶圆表面。

本发明还提出了一种化学机械抛光方法，抛光的关键在于使用具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20um的抛光垫进行抛光。

所述的平坦的抛光面是指相对于现有技术中的抛光垫来说其抛光面不带凹槽。

所述抛光面由发泡式的多孔聚亚安酯制成。

上述的具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20um的抛光垫可以是软抛光垫，也可以是硬抛光垫，还可以是多层的软抛光垫或者多层的硬抛光垫。由于软抛光垫的抛光速度和效率较低，较好的是使用硬抛光垫或者多层硬抛光垫。

为了使抛光的效率更快，并且使抛光液更好的分散，并且得到更加均匀的抛光效果，在使用上述具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20um的抛光垫进行抛光之前，先使用常规的带有凹槽的抛光垫进行抛光。

所述带有凹槽的抛光垫可以是硬抛光垫或者多层硬抛光垫，也可以是软抛光垫，比较好的是使用硬抛光垫或者多层硬抛光垫。

所述的带有凹槽的抛光垫可以是目前常规应用的任何种类的抛光垫，表面的凹槽可以是格状、环状或者螺旋状的，较好的是带有同心圆环状凹槽的抛光垫。所述的抛光垫的表面粗糙度在20um以下，凹槽的宽度为0.005英寸至0.015英寸，凹槽的高度为0.01英寸至0.02英寸。

使用带有凹槽的抛光垫进行抛光时，带有凹槽的抛光垫完成整个抛光过程的大部分的抛光工作，抛光至距离整个抛光终点的高度为500

至3000

后再使用不带凹槽的抛光垫进行抛光。

使用不带凹槽的抛光垫可以进一步的提高晶圆表面的平整度，所用的不带凹槽的抛光垫的粗糙度为20um以下。完成整个抛光工艺之后，晶圆表面均匀平整，粗糙度降低到10纳米至以下。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的表面不带凹槽的抛光垫由于抛光面为平坦的结构，进行化学机械抛光后克服了现有抛光垫带来的晶圆表面平整度不高的缺陷，可使化学机械抛光的晶圆有较高的表面平整度，可满足用于图像传输的光学器件以及对晶圆表面质量要求较高的产品。

2、作为本发明最优化的技术方案，首先使用常规的带有凹槽的抛光垫进行抛光，能够使使抛光液更好的分散凹槽内，使晶圆表面被均匀抛光，得到相对平整的晶圆表面，然后，采用不带凹槽的抛光垫对晶圆再一次进行抛光，得到更加平整的晶圆表面。使采用本方法抛光后的晶圆表面平整度很高，能够满足用于图像传输的光学器件以及对晶圆表面质量要求较高的产品的要求。

3、采用本发明的抛光垫以及抛光方法，提高了化学机械抛光晶圆制程的良品率。使用现有的抛光垫以及化学机械抛光方法抛光后晶圆表面凸凹不平导致的色差会导致40％到80％的良品率下降，采用本发明的抛光垫以及抛光方法抛光后，良品率提高了40％到80％。

4、采用本发明的抛光垫以及抛光方法抛光后的晶圆表面相对于化学刻蚀法处理的晶圆表面粗糙度更低，低于10纳米，所以晶圆表面有更高的表面反射率和更好的光电特性。

附图说明

图1是现有抛光垫的宏观结构示意图。

图2是现有抛光面为同心圆环形凹槽的抛光垫的结构示意图。

图3是现有技术中使用带有凹槽的抛光垫抛光的晶圆用于液晶显示器之后显示器的表面。

图4是现有技术中硬抛光垫表面的微观形貌图。

图5是现有技术中软抛光垫表面的微观形貌图。

图6是使用带有凹槽的抛光垫进行化学机械抛光后晶圆表面的形貌图。

图7是使用带有凹槽的抛光垫进行化学机械抛光后晶圆表面的形貌图。

图8是使用带有凹槽的抛光垫进行化学机械抛光后晶圆表面的立体状态示意图。

图9是带有凹槽的抛光垫与晶圆接触面的结构示意图。

图10是本发明先采用带有凹槽的抛光垫进行化学机械抛光后晶圆表面的不平整图形。

图11是本发明提供的化学机械抛光方法进行抛光后晶圆表面的形貌图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明的具体实施方式做一详细的描述。

实施例1

目前化学机械抛光制程中使用的抛光垫都是抛光面带有凹槽的抛光垫。凹槽的形状有多种，可以是同心圆环形、螺旋型，也可以是多边形如三角形、四边形、五边形等形状，比较常用的是同心圆环形的凹槽。使用带有凹槽的抛光面不仅具有抛光时供给抛光液，使抛光液更均匀地分配给抛光面的功能，而且还具有使抛光产生的抛光屑和使用过的抛光液等废弃物暂时滞留，并形成将此废弃物向外部排出用排出通路的功能。因此，带有凹槽的抛光垫在化学抛光制程中成为了比较通用的抛光垫。

这种带有凹槽的抛光垫可以是硬抛光垫，也可以是软抛光垫，根据所需抛光的材料、以及对抛光表面平整度的不同要求，选用不同的抛光垫。此外，抛光垫还包括多层硬抛光垫和软抛光垫，所谓多层抛光垫，一般情况下包括抛光层和设置在抛光层的非抛光面的衬层，衬层一般采用比较柔软的材料，能防止抛光时抛光层上浮和抛光层表面弯曲等，使抛光垫能够稳定地进行抛光。

无论单层或者多层的硬抛光垫，其表面凹槽的微观结构都如图4所示，从图中可以明显的看出凹槽，凹槽的宽度为0.005英寸到0.015英寸，高度为0.01英寸到0.02英寸。

软抛光垫的表面凹槽的微观结构如图5所示，为多孔结构，有助于抛光液的分散。软抛光垫的凹槽的宽度为0.005英寸到0.015英寸，高度为0.01英寸到0.02英寸。

图4和图5都是采用日本日立(HITACHI)有限公司生产的S-5200扫描电子显微镜检测的。

上述通用的抛光垫的表面粗糙度为20um以下。

现有工艺一般采用上述的带有凹槽的抛光垫进行化学机械抛光，对于表面平整度要求不高的晶圆，已经满足应用的要求。但是，对于用于图像传输器件的晶圆，就会出现图3所示的状况。此外，对于表面平整度要求较高的晶圆，如低于90nm制程的晶圆和低于90nm制程的器件，使用带有凹槽的抛光垫进行抛光都不能满足应用的要求，良品率很低。

在实际生产中，研究人员通过尝试调整工艺参数的方法改善这一状况，如降低抛光头(head)向下的压力、调整转盘(platen)和抛光头的转速、尝试不同的化学机械抛光工具(tools)、以及使用不同的化学机械抛光工艺等方法都不能消除这一状况。

图6是用数码相机拍摄到的采用偏振光(polarized light)照射的晶圆的表面形貌。通过偏振光(polarized light)照射，发现利用现有的带有凹槽的抛光垫进行化学机械抛光后晶圆的表面形态如图6所示，为同心圆环状，并且晶圆上的同心圆环也出现了凹槽，与抛光垫凹槽的形状相符。

图7和图8是晶圆表面的同心圆环的立体形貌图，从图中可以更直观的看到晶圆表面的同心圆环和同心圆环上的凹槽。

本发明对半导体制造中常用的各种型号的抛光垫进行分析研究，结果如表1所示，抛光后晶圆表面每一同心圆环的宽度和所使用的抛光垫抛光面上同心圆环的宽度完全相同。其中所述的抛光垫每一环的宽度为凹槽部分和非凹槽部分宽度的总和。表1中IC1010抛光垫(LAM抛光机台)是指使用美国泛林科技有限公司(LAM)生产的抛光机台装配美国罗门哈斯公司(Rohmhass)生产的IC1010硬抛光垫得到的数据。

表1中IC1010抛光垫(MIRRA MESA抛光机台)是指美国应用材料公司(AMAT)生产的MIRRA MESA抛光机台装配美国罗门哈斯公司(Rohmhass)生产的IC1010硬抛光垫得到的数据。

表1中Politex reg抛光垫(MIRRA MESA抛光机台)是指美国应用材料公司(AMAT)生产的MIRRA MESA抛光机台美国罗门哈斯公司(Rohmhass)生产的Politex reg软抛光垫得到的数据。

表1 不同抛光垫每一部分的宽度与抛光后晶圆表面每一环的宽度比较

 

抛光垫型号	抛光垫每一环的宽度	晶圆表面每一环的宽度
			IC1010抛光垫(LAM抛光机台)	1.4mm	1.4mm
IC1010抛光垫(MIRRAMESA抛光机台)	3mm	3mm
			Politex reg抛光垫(MIRRAMESA抛光机台)	2.5mm	2.5mm

参考图9，为了看图清晰，图中的尺寸进行了夸大，不应理解为化学机械抛光时晶圆和抛光垫凹槽的实际尺寸。图中1为晶圆，2为抛光垫。依据图9，将抛光垫2的不同部分区分为A区和B区，其中与A区对应部分为抛光垫的凹槽，B区对应抛光垫的平面部分。在进行化学机械抛光时，抛光垫的凹槽部分A区与晶圆表面接触面受到向下的压力较小，因此，晶圆上与A区对应的部分研磨速率较低；B区与晶圆的接触面受到的向下的压力较大，因此，晶圆上与B区对应的部分研磨速率较高。因此，抛光后，晶圆表面就产生了图6到图8所示的同心圆环。晶圆表面凹槽和平面部分的高度差在50至200之间。

鉴于上述的研究，本发明提供了一种抛光垫，具有平坦的抛光面，并且所述抛光面的粗糙度小于20um。

本实施例所述的平坦的抛光面是指其抛光面相对于现有技术中的抛光垫来说表面不带凹槽。

除了抛光面不带凹槽之外，本发明提供的抛光垫与现有技术的抛光垫(如中国专利申请CN03140681描述的抛光垫)并没有其它不同。

在制造方法上，本发明提供的抛光垫与现有技术中带有凹槽抛光垫的制造方法的唯一区别在于省略在抛光面上刻画凹槽的步骤，即与现有技术中刻画凹槽前的所有制造方法都是相同的。

本发明对提供的抛光垫的材料也没有特殊的要求，适用现有技术中所有的抛光垫以及抛光面的材料。比较优选的是选用发泡式的多孔聚亚安酯制成抛光面。

所述的抛光垫可以是多层抛光垫，也就是说，抛光垫还可以具有设置在非抛光面的衬层。非抛光面的衬层材料以及结构特点与现有技术中多层抛光垫的衬层材料和结构完全相同，属于现有技术。

上述的不带凹槽的抛光垫可以是软抛光垫，也可以是硬抛光垫，软抛光垫，硬抛光垫包括多层的硬抛光垫。

由于抛光面为一平坦结构，在化学机械抛光中，不会产生现有技术由凹槽的不平整引起的晶圆表面不平整，因此可以得到高平整度的晶圆表面。

实施例2

本发明还提出了一种新的化学机械抛光方法，抛光的关键在于使用具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20um的抛光垫进行抛光。本实施例中所述的平坦的抛光面是指其抛光面相对于现有技术中的抛光垫来说表面不带凹槽。

上述具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20um的抛光垫可以是软抛光垫。由于软抛光垫表面存在多孔结构，可以控制抛光液的分散能力，因此，单独抛光的效果较好，但是，抛光速度和效率较低。

上述具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20um的抛光垫也可以是硬抛光垫，所述的硬抛光垫包括多层硬抛光垫。所谓硬抛光垫，就是在抛光垫的还具有设置在非抛光面的衬层。由于硬抛光垫的抛光速度和抛光效率比较高，因此较好的是使用硬抛光垫。但是使用硬抛光垫时，较难保证抛光液在晶圆表面均匀分布。

除了抛光面不带凹槽之外，本发明提供的抛光垫与现有技术的抛光垫(如中国专利申请CN03140681描述的抛光垫)并没有其它不同。其制造方法和制作材料与实施例1中描述的相同。

使用具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20um的抛光垫进行化学机械抛光，由于抛光面为平坦的结构，抛光后克服了现有抛光垫带来的晶圆表面出现凹槽的缺陷，可使化学机械抛光的晶圆有较高的表面平整度，可满足用于图像传输的光学器件以及对晶圆表面质量要求较高的产品。

为了使抛光的效率更快，并且使抛光液更好的分散，并且得到更加均匀的抛光效果，本发明提出了一种比较优化的技术方案：先使用常规的带有凹槽的抛光垫进行抛光，然后使用具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20um的抛光垫进行抛光。

所述的带有凹槽的抛光垫可以是目前常规应用的任何种类的抛光垫，包括硬抛光垫和软抛光垫，硬抛光垫还包括多层硬抛光垫。这种抛光垫与晶圆直接接触的抛光面上带有凹槽，表面的凹槽可以是格状、环状、XY网格形、幅条形或者螺旋状的，较好的是带有同心圆环状凹槽的抛光垫。目前市场上出售的抛光垫如美国罗门哈斯公司(Rohmhass)生产的IC1010硬抛光垫以及美国罗门哈斯公司(Rohmhass)生产的Politex reg软抛光垫都是比较优选的抛光垫。

所述的带有凹槽的抛光垫表面粗糙度在20um以下，凹槽的宽度为0.005英寸到0.015英寸，高度为0.01英寸到0.02英寸。

本发明优选抛光面具有同心圆环形的凹槽的硬抛光垫。

上述方案的一种更加优化的技术方案是：使用带有凹槽的抛光垫完成整个抛光过程的大部分的抛光工作，然后再使用具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20um的抛光垫进行抛光。

假定整个化学机械抛光需要抛掉的晶圆表面的总高度为H，使用带有凹槽的抛光垫对晶圆的表面进行抛光的高度为H1，使用使用具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20um的抛光垫对晶圆的表面进行抛光的高度为H2，则H＝H1+H2，其中H2的厚度在至之间，较好的是在至

之间。

也就是说，首先使用带有凹槽的抛光垫对晶圆表面进行抛光，抛光的高度为(H-H2)，由于带有凹槽的抛光垫抛光速度快，抛光液的分散能力好，因此可以提高抛光的速度和表面质量。但是，由于抛光垫表面凹槽的存在，抛光后的晶圆表面会存在高度差，如图10所示，晶圆表面高度差为50至200

。图10是用美国科天公司(KLA-TENCOR)生产的P240量测设备得到的。高度差因带有凹槽的抛光垫的凹槽部分和非凹槽部分对晶圆表面产生不同的研磨速率而产生，也就是说，是带有凹槽的研磨垫自身的特性引起，无法通过抛光工艺的改进来克服。

然后，采用本发明提供的具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20um的抛光垫进行抛光，也就是说，使用不带凹槽的抛光垫对剩下的H2(厚度在

至)部分继续进行抛光。使用所述包括一个平坦的抛光面的抛光垫进行抛光，可以消除带凹槽的抛光垫引起的50至

的高度差，消除晶圆表面出现的同心圆环，进一步提高晶圆表面的平整度。

以90nm制程的晶圆表面进行化学机械抛光为例，晶圆表面需要抛光掉的总高度H为

先使用美国罗门哈斯公司(Rohmhass)生产的型号为IC1010的硬抛光垫，其抛光垫为同心圆环形，采用常规的抛光液如SiO₂/KOH抛光液进行抛光，抛光掉的高度为

然后，采用本发明实施例1中提供的具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20um的抛光垫进行抛光，仍然采用常规的抛光液如SiO₂/KOH抛光液进行抛光，抛光的高度为2000

。如图11所示，抛光后，消除了使用带有凹槽的抛光垫在晶圆表面引起的同心圆环，晶圆表面均匀平整，粗糙度低于10nm。上述的晶圆表面平整度同样满足用于图像传输的光学器件的应用要求。

虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种化学机械抛光方法，其特征在于，使用具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20μm的抛光垫进行抛光，使用所述的具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20μm的抛光垫进行抛光前，先使用抛光面带有凹槽的抛光垫进行抛光。

2.根据权利要求1所述的化学机械抛光方法，其特征在于，使用所述的具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20μm的抛光垫进行抛光的高度为

至

3.根据权利要求2所述的化学机械抛光方法，其特征在于，使用所述的具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20μm的抛光垫进行抛光的高度为500至

4.根据权利要求1或者2或者3所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述的具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20μm的抛光垫还具有设置在抛光垫非抛光面的衬层。

5.根据权利要求1或者2或者3所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述的具有平坦的抛光面，并且抛光面的粗糙度小于20μm的抛光垫为软抛光垫或者硬抛光垫。

6.根据权利要求1所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述的带有凹槽的抛光垫为硬抛光垫，所述的凹槽为同心圆环形。

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