CN101778701A - 抛光垫 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种抛光垫，其包括：具有抛光表面的抛光层，所述抛光表面包括设置在该抛光层内且距该抛光表面具有可测量深度的多个凹槽及不具有凹槽的阻挡区；以及设置在该阻挡区内并被该阻挡区围绕的透明窗。
Description
背景技术
化学-机械抛光(″CMP″)工艺用于制造微电子器件以在半导体晶片、场发射显示器及许多其它微电子基板上形成平坦表面。例如，半导体器件的制造一般包括形成各种工艺层、对这些层的部分进行选择性移除或图案化、及在半导体基板表面上方沉积额外的工艺层以形成半导体晶片。举例来说，这些工艺层可包括绝缘层、栅极氧化物层、导电层、及金属或玻璃的层等。在晶片工艺的某些步骤中通常期望工艺层的最上部表面为平面的(即平坦的)，以用于沉积后续的层。CMP用于工艺层的平坦化，其中，将沉积的材料(如导电材料或绝缘材料)抛光以使晶片平坦化而用于后续的工艺步骤。
在典型CMP工艺中，晶片倒置安装于CMP工具的载体上。通过力，将该载体及该晶片朝着抛光垫向下推动。使载体及晶片在位于该CMP工具的抛光台上的旋转着的抛光垫上方旋转。抛光组合物(也称作抛光浆料)一般在抛光过程期间加入到旋转着的晶片和旋转着的抛光垫之间。该抛光组合物通常含有与最上部晶片层的部分相互作用或溶解最上部晶片层的部分的化学物质，以及以物理方式移除所述层的部分的研磨材料。晶片及抛光垫可以相同方向或相反方向旋转，对于正在进行的特定抛光过程，无论哪一种旋转方式均是合乎需要的。该载体还可横跨抛光台上的抛光垫振荡。
在抛光晶片的表面时，对抛光过程进行原位监测通常是有利的。一种对抛光过程进行原位监测的方法包括使用具有孔洞或窗的抛光垫。该孔洞或窗提供光可通过的入口，以容许在抛光过程期间检查晶片表面。具有孔洞及窗的抛光垫为已知的，并且已被用来抛光基板(如半导体器件的表面)。例如，美国专利5605760号提供了具有由固态均匀聚合物形成的透明窗的垫，其不具有吸收或输送浆料的固有能力。美国专利5433651号公开了一种抛光垫，其中，该垫的一部分已被移除以提供光可通过的孔洞。美国专利5893796和5964643号公开了移除抛光垫的一部分以提供孔洞，并且将透明聚氨酯或石英栓置于该孔洞中以提供透明窗，或移除抛光垫的衬里的一部分以给该垫提供半透明性。美国专利6171181和6387312号公开了一种具有透明区域的抛光垫，该区域是通过以快的冷却速度使可流动材料(如聚氨酯)固化而形成的。
在化学机械抛光期间经常遇到的问题是抛光组合物和所得抛光碎屑具有积聚在抛光垫窗口处的倾向。所述积聚的抛光组合物和抛光碎屑可阻碍光经由该窗口的传输，从而降低该光学终点检测方法的灵敏度。
虽然有若干上述抛光垫适合于它们所预期的目的，但仍然需要其它提供有效平坦化以及有效光学终点检测的抛光垫，在基板的化学机械抛光中更是如此。此外，需要具有令人满意的性能(如抛光效率、浆料在整个抛光垫上的流动及在抛光垫内的流动、对腐蚀性蚀刻剂的耐受性、和/或抛光均匀性)的抛光垫。最后，需要可使用相对低成本的方法制造并在使用之前需要很少修整或不需要修整的抛光垫。
发明内容
本发明提供一种抛光垫，其包括：(a)具有抛光表面的抛光层，该抛光表面包括：(1)设置在该抛光层内且距该抛光表面具有可测量深度的多个凹槽，及(2)不具有凹槽的阻挡区(barrier region)；和(b)设置在该阻挡区内并被该阻挡区围绕的透明窗。本发明进一步提供一种抛光基板的方法，该方法包括：(i)提供待抛光的工件，(ii)使该工件与本发明的抛光垫接触，和(iii)以抛光系统磨除该工件表面的至少一部分以抛光该工件。
附图说明
图1为说明本发明抛光垫的示意性顶视图，所述抛光垫具有：包括带有连续凹槽(40)和不连续凹槽(50)的抛光表面(12)的抛光层(10)；以及设置在基本上不具有凹槽的阻挡区(20)内的基本透明的窗(15)。
图2为描绘本发明抛光垫的不完整的、部分横截面透视图，所述抛光垫具有：包括抛光表面(12)的抛光层(10)，所述抛光表面(12)具有设置在该抛光层(10)内且距该抛光表面具有可测量深度的连续凹槽(40)和不连续凹槽(50)；以及设置在基本上不具有凹槽的阻挡区(20)内的基本透明的窗(15)。
图3为描绘本发明抛光垫的不完整的、部分横截面透视图，所述抛光垫具有：包括抛光表面(12)的抛光层(10)，所述抛光表面(12)具有设置在该抛光层内且距该抛光表面具有可测量深度的连续凹槽(40)和不连续凹槽(50)；以及设置在基本上不具有凹槽的阻挡区(20)内的基本透明的窗(15)，其中，该不连续凹槽的深度从最大值转变为在紧邻该阻挡区(20)处的零。
图4为描绘具有抛光层(10)和子层(sub-layer)(30)的本发明抛光垫的不完整的、部分横截面透视图，其中，该子层具有基本上与该透明窗(15)对准的孔洞(35)。
具体实施方式
本发明涉及包括抛光层和透明窗的化学-机械抛光垫。该抛光层具有包括(a)设置在该抛光层内的多个凹槽及(b)不具有凹槽的阻挡区的抛光表面。该透明窗设置在该阻挡区内并被该阻挡区围绕。虽然不希望受任何特定理论的限制，但相信，基本上不具有凹槽且围绕透明窗的阻挡区的存在将减少保留在该透明窗之上或之内的抛光组合物的量。
抛光垫可具有任何适宜的尺寸。通常，抛光垫可为圆形(当用于旋转抛光工具中时)或被制造成环状的线型带(当用于线型抛光工具中时)。优选地，抛光垫为圆形。
图1描绘了本发明的圆形抛光垫，其包括：包含抛光表面(12)、连续凹槽(40)和不连续凹槽(50)的抛光层(10)；以及设置在基本上不具有凹槽的阻挡区(20)内的透明窗(15)。
设置在抛光层内的凹槽促进抛光组合物在抛光垫表面上的横向输送。所述凹槽可为任何合适的图案。例如，凹槽可为倾斜凹槽、圆形凹槽、同心凹槽、螺旋形凹槽、放射状凹槽、或XY交叉阴影线图案的形式。抛光垫可具有两种或更多种不同的凹槽图案。例如，抛光垫可具有同心凹槽和放射状凹槽的组合、或者同心凹槽和XY交叉阴影线凹槽的组合。优选地，凹槽为同心凹槽。
就在抛光垫表面上的连通性来说，凹槽可以是连续的。或者，在抛光垫表面上，凹槽可以是不连续的，其中，每个不连续的凹槽均具有第一端和第二端。在一个实施方式中，如图1所描绘的，一部分凹槽(即，一个或多个凹槽)是连续凹槽(40)，且一部分凹槽(即，一个或多个凹槽)是不连续凹槽(50)。
如图2所描绘的，每个凹槽均具有距该抛光表面可测量的深度。所述深度可为任何适宜的深度。例如，该深度可为1mm或更小、0.8mm或更小、0.6mm或更小、0.5mm或更小、0.4mm或更小、0.3mm或更小、0.2mm或更小、或0.1mm或更小。每个连续凹槽和/或不连续凹槽的深度可为恒定的或可沿着凹槽的长度或圆周而改变。在一个实施方式中，如图3所示，不连续凹槽(50)的深度从最大深度转变为零，即，所述凹槽在所述不连续凹槽的至少一端朝向抛光表面(12)逐渐消失。优选地，所述深度的转变是逐渐进行的，即，所述深度的转变在约0.5mm或更长、1mm或更长、约2mm或更长、约3mm或更长、约4mm或更长、或约5mm或更长的长度范围内逐渐进行。在一个实施方式中，在紧邻阻挡区处，发生深度从最大深度向零的转变。
抛光垫进一步包括基本上不具有凹槽或合乎需要地完全不具有凹槽的阻挡区。在一个实施方式中，如图1所示，阻挡区(20)设置在同心、不连续凹槽(50)的第一端和第二端之间。
所述阻挡区可具有任何适宜的尺寸和任何适宜的形状。该阻挡区的周边(由相邻的连续和/或不连续凹槽所界定)可为任何适宜的形状(例如，圆形、椭圆形、正方形、长方形、三角形等)。当阻挡区为椭圆形或长方形时，阻挡区通常具有约2cm或更大(例如，约3cm或更大、约4cm或更大、约5cm或更大、约6cm或更大、约7cm或更大、约8cm或更大、约9cm或更大、约10cm或更大、约11cm或更大、或约12cm或更大)的长直径轴或长度、以及约1cm或更大(例如，约2cm或更大、约3cm或更大、约4cm或更大、约5cm或更大、约6cm或更大、约7cm或更大、或约8cm或更大)的短直径轴或宽度。当阻挡区为圆形或正方形时，阻挡区的周边通常具有约2cm或更大(例如，约3cm或更大、约4cm或更大、约5cm或更大、约6cm或更大、约7cm或更大、约8cm或更大、约9cm或更大、或约10cm或更大)的直径或宽度。
如图1所描绘的，透明窗(15)设置在阻挡区(20)内并被该阻挡区围绕。透明窗可对称地或不对称地设置在阻挡区内。
透明窗具有在阻挡区内界定该透明窗的周边。透明窗的周边上的每一点都具有距连续和/或不连续凹槽的最短距离L，从而提供一系列自透明窗的周边至凹槽的最短距离或间隔(即，L1、L2、L3...)。这一系列最短距离中的最小值(Lmin)和最大值(Lmax)可为任何适宜的长度。例如，Lmin可为约0.5cm或更大(例如，约1cm或更大、约1.5cm或更大、约2cm或更大、约3cm或更大、或约4cm或更大)。此外，或者可选择地，Lmin可为10cm或更小(例如，约8cm或更小、约7cm或更小、约6cm或更小、约5cm或更小、或约4cm或更小)。Lmax可独立地为约0.5cm或更大(例如，约1cm或更大、约1.5cm或更大、约2cm或更大、约3cm或更大、或约4cm或更大)。此外，或者可选择地，Lmax可独立地为10cm或更小(例如，约8cm或更小、约7cm或更小、约6cm或更小、约5cm或更小、或约4cm或更小)。相对于连续凹槽和不连续凹槽，Lmin和Lmax可独立地相同或不同。此外，这一系列最短距离L1、L2、L3等不必相同，从而使得在透明窗和凹槽之间存在均匀间隔。
透明窗可具有任何适宜的尺寸(例如，长度、宽度、直径和厚度)以及任何适宜的形状(例如，圆形、椭圆形、正方形、长方形、三角形等)。当透明窗为椭圆形或长方形时，透明窗通常具有约1cm或更大(例如，约2cm或更大、约3cm或更大、约4cm或更大、约5cm、约6cm或更大、约7cm或更大、或约8cm或更大)的长直径轴或长度、以及约0.5cm或更大(例如，约1cm或更大、约1.5cm或更大、约2cm或更大、约3cm或更大、或约4cm或更大)的短直径轴或宽度。当透明窗为圆形或正方形时，透明窗通常具有约1cm或更大(例如，约2cm或更大、约3cm或更大、约4cm或更大、或约5cm或更大)的直径或宽度。
透明窗(15)包括光学透射材料。透明窗的存在使得抛光垫能够与原位CMP过程监测技术一起使用。通常，在约190nm～约10000nm(例如，约190nm～约3500nm、约200nm～约1000nm、或约200nm～约780nm)的一个或多个波长处，所述光学透射材料具有至少约10％或更高(例如，约20％或更高、约30％或更高、或约40％或更高)的光透射率。所述光学透射材料可为任何适宜的材料，其中的许多是本领域已知的。所述光学透射材料可与该抛光垫其余部分中的材料相同或不同。例如，所述光学透射材料可由插入到抛光垫的孔洞内的基于玻璃或聚合物的栓组成，或者，所述光学透射材料可包括与该抛光垫其余部分中所用聚合物材料相同的聚合物材料。
透明窗可通过任何适宜的方法固定在抛光垫上。例如，可通过使用粘合剂，将透明窗固定于抛光垫上。期望地，将透明窗固定在抛光层上且无需使用粘合剂(例如通过焊接)。类似地，透明窗可具有任何适宜的结构(例如，结晶度)、密度、和孔隙率。例如，透明窗可为实心的或多孔的(例如，具有小于1微米的平均孔径的微孔或纳米孔)。优选地，透明窗为实心或接近实心的(例如，具有约3％或更小的空隙体积)。
如图2所描绘的，透明窗(15)可与抛光层的抛光表面(12)齐平，即，最高窗表面基本上与抛光表面共平面。或者，所述透明窗可从抛光层的抛光表面凹进去。
抛光层可单独或任选地作为多层层叠抛光垫的一层。例如，如图4所示，透明窗(15)以及包括抛光表面(12)、基本上不具有凹槽的阻挡区(20)、连续凹槽(40)和不连续凹槽(50)的抛光层(10)可与基本上与抛光层共同延伸的子层(30)组合使用。在一些实施方式中，子层(30)包括基本上与抛光层的透明窗(15)对准的孔洞(35)。
抛光垫的抛光层、阻挡区、透明窗及子层可包含任何适宜的材料，这些材料可相同或不同。期望地，抛光垫的抛光层、阻挡区、透明窗及子层各自独立地包含聚合物树脂。所述聚合物树脂可为任何适宜的聚合物树脂。通常，所述聚合物树脂选自热塑性弹性体、热固性聚合物、聚氨酯(如热塑性聚氨酯)、聚烯烃(如热塑性聚烯烃)、聚碳酸酯、聚乙烯醇、尼龙、弹性体橡胶、弹性聚乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚芳酰胺、聚亚芳基、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、它们的共聚物、以及它们的混合物。优选地，所述聚合物树脂为聚氨酯、更优选为热塑性聚氨酯。所述抛光层、阻挡区、透明窗及子层可包含不同的聚合物树脂。例如，抛光层可包含多孔热固性聚氨酯，子层可包含闭孔的多孔聚氨酯泡沫体，且透明窗可包含固态热塑性聚氨酯。
抛光层与子层通常具有不同的化学性质(如聚合物组成)和/或物理性质(如多孔性、可压缩性、透明度及硬度)。例如，抛光层与子层可独立地为闭孔的(如多孔泡沫体)、开孔的(如烧结材料)、或实心的(如从实心聚合物片材切下的)。优选地，抛光层具有比子层小的可压缩性。抛光层和子层可由任何适宜的方法形成，其中的许多是本领域已知的。适宜的方法包括铸造、切割、反应注射成型、注射吹塑、压缩成型、烧结、热成型、和将多孔聚合物压制成所需的抛光垫形状。如果需要的话，还可在使多孔聚合物成型之前、期间或之后，向所述多孔聚合物中加入其它抛光垫要素。例如，可通过本领域通常已知的各种方法施加背衬材料、钻孔、或提供表面纹理(例如，凹槽、沟道)。
任选地，抛光层进一步包含有机或无机颗粒。例如，所述有机或无机颗粒可选自金属氧化物颗粒(例如，二氧化硅颗粒、氧化铝颗粒、二氧化铈颗粒)、金刚石颗粒、玻璃纤维、碳纤维、玻璃珠、铝硅酸盐、层状硅酸盐(例如，云母颗粒)、交联聚合物颗粒(例如，聚苯乙烯颗粒)、水溶性颗粒、吸水颗粒、中空颗粒、它们的组合等。所述颗粒可具有任何适宜的尺寸。例如，所述颗粒可具有约1nm～约10微米(例如，约20nm～约5微米)的平均颗粒直径。在该抛光垫本体内的颗粒量可为任何适宜的量，例如，约1重量％～约95重量％，以该抛光垫本体的总重量计。
本发明的抛光垫尤其适于与化学机械抛光(CMP)装置一起使用。通常，所述装置包括：压板，其在使用时处于运动中且具有由轨道、线性或圆周运动导致的速度；本发明的抛光垫，其与该压板相接触并且在运动时与该压板一起移动；以及载体，其固持待通过与该抛光垫的表面接触且相对于该抛光垫的表面移动而进行抛光的工件。所述工件的抛光通过如下进行：将工件放置成与抛光垫接触，然后使抛光垫相对于该工件移动(其间通常具有抛光组合物)，以便磨除该工件的至少一部分以抛光该工件。所述抛光组合物可为任何适宜的抛光组合物。抛光组合物通常包含液体载体(例如，含水载体)、pH调整剂及研磨剂。根据正被抛光的工件的类型，抛光组合物任选地进一步包含氧化剂、有机酸、络合剂、pH缓冲剂、表面活性剂、缓蚀剂、消泡剂等。所述CMP装置可为任何适宜的CMP装置，其中的许多是本领域已知的。本发明的抛光垫还可与线性抛光工具一起使用。
期望地，该CMP装置进一步包含原位抛光终点检测系统，其中的许多是本领域已知的。通过分析从工件表面反射的光或其它辐射来检测及监控抛光过程的技术是本领域已知的。这样的方法描述于例如美国专利5196353、美国专利5433651、美国专利5609511、美国专利5643046、美国专利5658183、美国专利5730642、美国专利5838447、美国专利5872633、美国专利5893796、美国专利5949927及美国专利5964643中。期望地，对于正被抛光的工件的抛光过程的进展的检测或监控使得能够确定抛光终点，即，确定何时终止对特定工件的抛光过程。
本发明的抛光垫适用于抛光多种类型的工件(例如，基板或晶片)及工件材料的方法中。例如，该抛光垫可用于抛光包括记忆存储器件、玻璃基板、存储器或硬磁盘、金属(例如，贵金属)、磁头、层间介电(ILD)层、聚合物膜、低及高介电常数薄膜、铁电体、微机电系统(MEMS)、半导体晶片、场发射显示器、及其他微电子基板，尤其是包含绝缘层(例如，金属氧化物、氮化硅或低介电材料)和/或含金属的层(例如，铜、钽、钨、铝、镍、钛、铂、钌、铑、铱、它们的合金、以及它们的混合物)的微电子基板。术语“存储器或硬磁盘”是指任何用于保存电磁形式信息的磁盘、硬盘、硬磁盘、或存储磁盘。存储器或硬磁盘一般具有包含镍-磷的表面，但该表面可包含任何其它适宜的材料。适宜的金属氧化物绝缘层包括，例如，氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、二氧化铈、氧化锆、氧化锗、氧化镁、以及它们的组合。此外，所述工件可包含任何适宜的金属复合材料，可基本上由任何适宜的金属复合材料组成，或可由任何适宜的金属复合材料组成。适宜的金属复合材料包括，例如，金属氮化物(例如，氮化钽、氮化钛及氮化钨)、金属碳化物(例如，碳化硅及碳化钨)、镍-磷、铝-硼硅酸盐、硼硅酸盐玻璃、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)、硅/锗合金、及硅/锗/碳合金。所述工件还可包含任何适宜的半导体基体材料(base material)，可基本上由任何适宜的半导体基体材料组成，或可由任何适宜的半导体基体材料组成。适宜的半导体基体材料包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、绝缘体上硅(silicon-on-insulator)、及砷化镓。
将本文中引用的所有参考文献(包括出版物、专利申请和专利)在此引入作为参考，其参考程度如同各参考文献被单独和具体说明以引入作为参考并且各参考文献在本文中全部阐述一般。
在描述本发明的范围(特别是所附权利要求的范围)中使用术语“一个”和“一种”和“该”以及类似的指示物应理解为包括单数和复数，除非本文中另有说明或上下文明显矛盾。术语“包含”、“具有”、“包括”、和“含有”应理解为开放式术语(即，意味着“包括，但不限于”)，除非另有说明。本文中数值范围的列举仅仅用作单独提及落在该范围内的每个独立值的简写方法，除非本文中另有说明，并且在说明书中引入每个独立值，就如同其在这里被单独列举一样。本文描述的所有方法可以任何适宜的顺序进行，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。本文中提供的任何和所有实例、或示例性语言(如，“例如”)的使用仅用来更好地说明本发明，而不是对本发明的范围加以限定，除非另有说明。说明书中没有语言应被理解为是在将任何非要求保护的要素表明为是本发明的实践所必需的。
本文中描述了本发明的优选实施方式，包括本发明人已知的进行本发明的最佳模式。通过阅读上述说明书，那些优选实施方式的变化对于本领域的普通技术人员来说将变得明晰。本发明人希望技术人员适当地采用这种变化，且本发明人希望本发明用不同于本文具体描述的方式进行实践。因此，本发明包括适用法律所允许的、所附权利要求书中所列举的主题的所有修改和等价物。此外，在其所有可能变化中的上述要素的任意组合包括在本发明中，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。
Claims (20)
1.一种抛光垫，其包括：
(a)具有抛光表面的抛光层，其中该抛光表面包括：
(1)设置在该抛光层内且距该抛光表面具有可测量深度的多个凹槽，及
(2)不具有凹槽的阻挡区，和
(b)设置在该阻挡区内并被该阻挡区围绕的透明窗。
2.权利要求1的抛光垫，其中该深度从最大值转变为在紧邻该阻挡区处的零。
3.权利要求2的抛光垫，其中该深度的转变是逐渐进行的。
4.权利要求3的抛光垫，其中该抛光垫为圆形且该凹槽为同心的。
5.权利要求4的抛光垫，其中所述同心凹槽中的一个或多个为不连续的且具有第一端和第二端，且其中该阻挡区设置在该第一端和第二端之间。
6.权利要求1的抛光垫，其中该透明窗具有与该抛光表面基本上共面的最高窗表面。
7.权利要求1的抛光垫，其中该抛光层包括聚氨酯。
8.权利要求1的抛光垫，其中该透明窗包括热塑性聚氨酯。
9.权利要求1的抛光垫，其中该抛光垫进一步包括子层。
10.一种抛光基板的方法，其包括：
(i)提供待抛光的工件，
(ii)使该工件与权利要求1的抛光垫接触，和
(iii)以该抛光垫磨除该工件表面的至少一部分以抛光该工件。
11.权利要求10的方法，其中该方法进一步包括原位检测抛光终点。
12.权利要求10的方法，其中该工件与位于该工件和该抛光垫之间的化学机械抛光组合物接触。
13.权利要求10的方法，其中该深度从最大值转变为在紧邻该阻挡区处的零。
14.权利要求13的方法，其中该深度的转变是逐渐进行的。
15.权利要求14的方法，其中该抛光垫为圆形且该凹槽为同心的。
16.权利要求15的方法，其中所述同心凹槽中的一个或多个为不连续的且具有第一端和第二端，且其中该阻挡区设置在该第一端和第二端之间。
17.权利要求10的方法，其中该透明窗具有与该抛光表面基本上共面的最高窗表面。
18.权利要求10的方法，其中该抛光层包括聚氨酯。
19.权利要求10的方法，其中该透明窗包括热塑性聚氨酯。
20.权利要求10的方法，其中该抛光垫进一步包括子层。
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