CN102825547A - 用于下一代氧化物/金属cmp的优化的cmp修整器设计 - Google Patents

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Abstract

对几个关键性修整器设计参数进行了研究。其目的是通过考虑多个因素，如晶片缺陷、抛光垫寿命以及修整器寿命，来改进修整器的性能。为了这一研究，选择了几个关键性修整器设计参数，如金刚石类型、金刚石尺寸、金刚石形状、金刚石浓度以及分布，以确定它们对CMP性能和工艺稳定性的影响。进行了实验验证。将修整器规格与每一个具体的CMP环境（预计的应用）进行匹配，以便改进特别地用于出现的技术节点的工艺稳定性和CMP的性能。在本领域中开发并成功地运行了几种修整器设计。根据一个实施方案实现了对300mm的CMP工艺的显著的平面性改进，并且用另一个实施方案同时实现了抛光垫寿命与晶片抛光率的提高。

Description

用于下一代氧化物/金属CMP的优化的CMP修整器设计
本申请为国际申请日2008年8月21日、申请号CN200880101156.1(国际申请号为PCT/US2008/073823)、标题为“用于下一代氧化物/金属CMP的优化的CMP修整器设计”的发明申请的分案申请。
相关申请
本申请根据35 USC 119(e)要求2007年8月23日的提交的美国临时申请号60/965,862的权益，该申请通过引用全文结合在此。
技术领域
本发明涉及磨料技术，并且更具体地讲涉及CMP修整器。
背景技术
随着集成电路（IC）技术继续缩小到45纳米（nm）和32nm特征的尺寸，平面性与严格的缺陷控制正在变得日益重要。这些要求使不同的化学机械平整化（CMP）消耗品的供应商所面临的挑战加剧，这些消耗品包括抛光垫、浆液以及修整器。在修整过程中，通过修整抛光垫的打光的表面以便简单地维持工艺的稳定性是不够的。此外，该修整器还负责产生抛光垫质地或形貌，这显著影响晶片的表面质量。不适当的修整器选择可在抛光的晶片表面产生微刮痕并且增加凹形变形。
因此，对于开发满足严格的缺陷要求（特别是对先进的50nm以下的技术节点）的抛光垫修整器存在一种需要。
发明内容
本发明的一个实施方案提供了一种用于CMP抛光垫修整的研磨工具。该工具包括磨料颗粒、粘合剂以及一个基片。这些磨料颗粒由该粘合剂以一个单层阵列粘附到该基片上。这些磨料颗粒相对于颗粒尺寸、颗粒分布、颗粒形状、颗粒浓度以及颗粒凸出高度分布进行了优化，由此使其能够实现一种希望的CMP抛光垫质地。例如，能够将这些磨料颗粒根据一个非均匀图案在该阵列中定向，该图案具有围绕每个磨料颗粒的一个隔离区，并且每个隔离区具有一个最小半径，该最小半径超过所希望的磨料颗粒砂砾尺寸的最大半径。在一个具体情况中，至少50%（按重量计）的这些磨料颗粒独立地具有小于约75微米的微粒尺寸。在另一个具体情况中，所希望的CMP抛光垫质地是Ra值小于1.8微米（μm）的一种表面精整度。在又一个具体情况中，将这些磨料颗粒粘附到该基片上的粘合剂是铜焊带或铜焊箔中的一种。在一个进一步的具体情况中，由该工具提供的所希望的CMP抛光垫质地是抗磨料附聚的，由此减少了在由该抛光垫加工的晶片上的凹形变形。
本发明的另一个实施方案提供了一种CMP抛光垫修整器。该修整器包括相对于颗粒尺寸、颗粒分布、颗粒形状、颗粒浓度以及颗粒凸出高度分布被优化的磨料颗粒，由此使其能够实现一种希望的CMP抛光垫质地（例如，Ra值小于1.8μm的抛光垫表面精整度）。至少50%（按重量计）的这些磨料颗粒独立地具有小于约75微米的微粒尺寸。这些磨料颗粒是由一种粘合剂（例如，铜焊带或铜焊箔）以一个单层阵列粘附到一个基片上。这些磨料颗粒根据一个非均匀图案在该阵列中定向，该图案具有围绕每个磨料颗粒的一个隔离区，并且每个隔离区具有一个最小半径，该最小半径超过所希望的磨料颗粒砂砾尺寸的最大半径。在一个具体情况中，由该工具提供的所希望的CMP抛光垫质地是抗磨料附聚的，由此减少在由该抛光垫加工的晶片上的凹形变形。
本发明的再一个实施方案提供了一种用于CMP抛光垫修整的研磨工具。该工具包括磨料颗粒、粘合剂以及一个基片。用该粘合剂将这些磨料颗粒以一个单层阵列粘附到该基片上。至少50%（按重量计）的这些磨料颗粒独立地具有小于约75微米的一个微粒尺寸，并且对于颗粒尺寸、颗粒分布、颗粒形状、颗粒浓度以及颗粒凸出高度分布这些磨料颗粒进行了优化，由此使其能够实现一种希望的CMP抛光垫质地。由该工具提供的希望的CMP抛光垫质地是抗磨料附聚的，由此提供了对在由该抛光垫加工的晶片上的凹形变形的耐受性。
根据本披露，其他的多个实施方案将是清楚的，包括修整CMP抛光垫的多种方法以及制造这种CMP抛光垫的多种技术。
在此描述的特征和优点不是全盘包纳的，并且具体地讲，本领域的普通技术人员将通过阅读附图、说明书以及权利要求书而明了许多另外的特征和优点。此外，应指出在本说明书中使用的语言主要是为可读性和指导性目的来进行选择的，而不是为了限制本发明主题的范围。
附图说明
在这些附图中，参考符号指的是贯穿不同视图的相同的部分。这些附图并不一定按比例绘制；而重点则放在说明本发明的原理上。在这些图中：
图1展示了1、3和6类金刚石微粒的光学图像。
图2展示了对于六种磨料类型的抛光垫磨损率与金刚石锋利度之间的关系。
图3展示了两种设计（高和低金刚石浓度）的抛光垫磨损率曲线。
图4展示了在一个修整器表面上的不同的金刚石分布。
图5展示了抛光垫凸凹性的高度分布。
图6展示了金刚石凸出高度分布函数的概率。
图7展示了自300mm的产品晶片的后-CMP氧化物沟槽深度。
具体实施方式
表面粗糙度更光滑。还应注意常规产品B打磨机的抛光垫的切削率在五个打磨机中是最低的但Ra值是最高的。如先前提到的，因为晶片表面产生缺陷的更高的在此披露了一种CMP修整器设计以及多种相关的技术。正如通过本披露将会认识到，通过对不同的抛光垫修整器设计参数的优化可产生最佳的CMP抛光垫质地。这样的最佳的抛光垫质地进而导致晶片缺陷的减少。
修整器设计参数的优化
根据本发明的实施方案，通过产生人们希望的抛光垫质地能够将几项修整器设计参数优化以改进晶片缺陷率。在一个具体的实施方案中，这些设计参数包括磨料尺寸、磨料分布、磨料形状以及磨料浓度。将逐一讨论这些修整器设计参数中的每个参数以及与它与最佳的抛光垫质地的相关性。
磨料类型：金刚石是用在CMP修整器应用中的典型的磨料。考虑了金刚石类型的适当选择，因为它能够直接影响所造成的抛光垫表面质地。就几种形状参数，如长径比、凸度以及锋利度而言，能够对不同的金刚石类型进行表征。根据本发明的不同实施方案的基础性原理，对6种类型的金刚石微粒进行了研究。如可以看到，图1示出了三种选定类型的光学显微图像（示出了1、3和6类，并且可以推断出2、4和5类，因为不规则性随着类型编号的增加而增加）。图1中的类型1由八面体颗粒以及立方八面体颗粒构成，其中这些拐角被切去顶端并且微粒具有最小磨削性。相对于类型1和2，类型3具有更锋利的角和更大的磨削性。类型6是在所有类型1到6中形状最不规则的。这样的磨料微粒易遭受金刚石破裂，它们能够在晶片上产生刮痕并因此而通常不适合于CMP修整器应用。因此，用于CMP修整器的金刚石磨料类型的选择需要在形状和抗破裂性能之间的一种适当的平衡。用这六种类型的金刚石微粒制造了CMP修整器，并且在一个聚氨酯CMP抛光垫上产生抛光垫切削率以估算修整器的进攻能力。然后将这些结果进一步与每种磨料类型的锋利度进行关联。锋利度与抛光垫磨损率之间的关系遵循如图2中所示的线性表现，并且相关系数接近于1。总体上讲，随着磨料类型的锋利度增加，抛光垫的磨损率增加。因此，就抛光垫切削率而言，锋利度能够被有效地用于预测金刚石的进攻能力。
金刚石的浓度和尺寸：根据本发明的一个具体实施例，金刚石的尺寸和浓度的选择是相互关联的。在一个修整器表面上可放置的金刚石微粒的数目受到微粒尺寸的限制。利用更精细的尺寸，金刚石微粒的数目可显著地增加。对于一个给定的金刚石尺寸，金刚石浓度的增加提高了抛光垫的切削率。通过测量在整个打磨机（一个修整抛光垫有时被称为一个打磨机）寿命期间的抛光垫切削率，能够估算时间相关的的修整器表现。对用低金刚石浓度和高金刚石浓度制造的两个修整器分别进行测试，并且在整个修整时间上测量抛光垫的磨损率。在图3中示出的抛光垫切削率曲线清楚揭示了时间相关的不同的行为。具有较高金刚石浓度的修整器表现出在初始的切入阶段之后的更加稳定的性能和较长的打磨机寿命，但由于较高的抛光垫切削率而抛光垫寿命较短。于2006年9月22日提交的发明名称为“Conditioning Tool for Chemical Mechanical Planarization”的美国临时申请号60/846,416、于2007年9月19日提交的美国非临时专利申请号11/857,499、以及于2008年3月27日公开的发明名称为“Conditioning Tools and Techniquesfor Chemical Mechanical Planarization”的国际公开号WO 2008/036892 A1提供了关于CMP修整器的另外的细节，包括使用精细金刚石（例如，75微米以及更小），所有三项申请所传授的内容均通过引用全部结合在此。
正如在本申请中所描述的，通过将磨料微粒例如通过铜焊、烧结或电镀结合到一个支撑构件的前侧或后侧之一上能够产生用于修整CMP抛光垫的工具。该支撑件的前侧和后侧优选基本上相互平行并且优选地将该工具制成具有小于约0.002英寸的不平整度。在一个实例中，至少50%（按重量计）的磨料微粒如金刚石微粒具有小于75微米的微粒尺寸。在另一个实例中，95%（按重量计）的磨料微粒具有小于约85微米的微粒尺寸。这些磨料微粒能够形成包括一种子图案的图案、如SARDTM（在下面进一步讨论）、一种面心立方的、立方的、六角形的、菱形的、螺旋的或随机的图案，并且能够具有大于约4000个磨料微粒/平方英寸（620个磨料微粒/cm2）的微粒浓度。在特定实例中，通过使用一种铜焊膜如铜焊带、铜焊箔、带穿孔的铜焊带或带穿孔的铜焊箔的合金铜焊来连接这些磨料微粒。该铜焊膜可具有的厚度是，例如，磨料微粒的最小微粒尺寸的约60%或更小。
金刚石分布：传统上，金刚石颗粒总体上以随机分布或图案化分布已经被置于修整器的表面上，如图4（a，b）所示。一个随机分布的修整器由于它固有的缺乏制造一致性而可能具有可重复性和再现性的问题。具有一个规则的图案化阵列的修整器具有在笛卡尔坐标中金刚石固有的周期性，这种周期性可在抛光垫上压印不希望的规则性。根据本发明的一个实施方案，在图4（c）中展示的一种自我消除随机分布（self-avoiding random distribution）（SARDTM）是由圣戈本磨料股份有限公司开发的，以克服这两种不足。总体上，可设计一个SARDTM阵列，这样就不存在重复图案，并且也不存在无金刚石的区域，在真实的随机阵列中是预期有这些区域的。此外,每个SARDTM修整器是通过每个金刚石位置的精确复制来制造的并且具有就工艺稳定性、批次的一致性以及晶片均匀性而言优越的抛光性能。某些抛光数据在后来的部分中给出，用于这三种类型的金刚石分布的比较。于2006年1月19日公开的发明名称为“Abrasive Tools Made with a Self-Avoiding Abrasive Grain Array”的美国专利申请号2006/0010780提供了关于SARDTM的另外的细节，该申请的传授内容通过引用全部结合在此。
例如，美国专利申请公开号2006/0010780描述了包括磨料颗粒、粘合剂以及一个基片的研磨工具，这些磨料颗粒具有一个选定的最大直径以及一个选定的尺寸范围，并且由粘合剂将这些磨料颗粒以单层阵列粘附到基片上，其特征在于：（a）这些磨料颗粒根据一个非均匀图案在该阵列中被定向，该非均匀图案具有围绕每个磨料颗粒一个隔离区（exclusionary zone），以及（b）每个隔离区具有一个最小半径，该半径超过所希望的磨料颗粒砂砾尺寸的最大半径。
一种用于制造研磨工具的方法，这些研磨工具具有在每个磨料颗粒周围的一个选定的隔离区，这种方法包括以下步骤：（a）选择具有限定的尺寸和形状的一个二维平面区域；（b）选择用于该平面区域的一个希望的磨料颗粒砂砾尺寸和浓度；（c）随机产生一系列二维坐标值；（d）将随机产生的每对坐标值限制在以一个最小值（k）与任何相邻的坐标值不同的坐标值上；（e）产生这些限定的的随机产生的坐标值的一个阵列，该阵列具有充足的对，这些对在曲线图上绘制成多个点，以产生对于选定的二维平面区域以及选定的磨料颗粒砂砾尺寸的所希望的磨料颗粒浓度；并且将一个磨料颗粒置于该阵列上的每一个点的中心。
用于制造围绕每个磨料颗粒具有一个选定的隔离区的研磨工具的另一种方法包括以下步骤：（a）选择具有限定的尺寸和形状的一个二维平面区域；（b）选择用于该平面区域的所希望的磨料颗粒砂砾尺寸和浓度；（c）选择一系列的坐标值对（x1，y1），这样沿着至少一个轴的坐标值被限制为一个数字序列，其中每个值以一个常量不同于下一个值；（d）将每个选择的坐标值对（x1，y1）解除配对以提供一组选定的x值和一组选定的y值；（e）随机从x值和y值的组中选择一系列的随机坐标值对（x、y），每对具有以一个最小值（k）与任何相邻坐标值对的坐标值不同的坐标值；（f）产生这些随机选择的坐标值对的一个阵列，这些坐标值具有足够的对，这些对绘制成一条曲线图上的多个点，以产生用于选定的二维平面区域以及选定的磨料颗粒砂砾尺寸的所希望的磨料颗粒浓度；并且（g）将一个磨料颗粒置于在该阵列上的每一个点的中心处。
实验验证
分别选择并测试根据本发明的实施方案制造的三个CMP修整器设计（分别是SGA-A、SGA-B和SGA-C）以及通过常规产品A与常规产品B制造的两个常规的CMP修整器设计，以比较打磨机性能。对于SGA-A、B以及C，全部用相同的金刚石SARDTM分布和先进的铜焊技术来制造，包括使用如在美国临时申请号60/846,416、美国非临时申请号11/857,499或国际公开号WO 2008/036892 A1中讨论的铜焊膜（例如，铜焊带和铜箔）。与铜焊糊相比，铜焊带和铜焊箔具有的优点是它们产生一种一致的铜焊公差（铜焊的厚度）。与铜焊糊和铜焊带相比，铜焊箔熔化更加均匀并且更加迅速，从而允许在CMP打磨机的制造时更高的生产率。除了SGA-A采用了较少的攻击性的金刚石之外，SGA-A和SGA-B的规格是相同的。常规产品A是具有规则的金刚石分布的一种电镀产品，而常规产品B是具有随机分布的金刚石的一种被铜焊的产品。
对抛光垫表面和抛光垫切削率的分析：在一个商用的聚氨酯双重叠加的抛光垫上用列于表1中的带有在该抛光工具上的12磅的向下修整力的五个打磨机进行非原位修整。通过连接到一个计算机数据采集系统上的一个断面仪和一个传感器来测量表面粗糙度和抛光垫切削率。表1中还列出了抛光垫表面精整度Ra（μm）以及标准化的抛光垫切削率。由SGA-A和SGA-B打磨机产生的表面粗糙度比由常规产品A与常规产品B打磨机产生的表面粗糙度更光滑。还应注意常规产品B打磨机的抛光垫的切削率在五个打磨机中是最低的但Ra值是最高的。如先前提到的，因为在晶片表面产生缺陷的更高的概率，对于先进的50nm以下的CMP工艺，一个粗糙的抛光垫表面是人们不希望的。
Figure BDA00002106660800071
表1：详细的修整器规格以及Ra和抛光垫切削率结果。
这能够通过抛光垫凸凹性分析进一步得到证明。从被修整的这些抛光垫获得的抛光垫凸凹性高度分布揭示出：与其他的两种设计相比用SGA-A的分布与要均匀得多，如在图5中所示。这种更加严格并更加均匀的凸凹性分布应增加在抛光垫与晶片之间的接触面积并因此而减少局部的高压力峰值，这将减少晶片缺陷。抛光垫制造商们还尝试了增加在该抛光垫与该晶片之间的接触面积以减少缺陷。
类似于在抛光垫与晶片之间的接触面积的分析的情况，通过产生如在图6中所示的金刚石凸出高度的一个概率分布函数，可估算在修整过程中抛光垫与这些金刚石磨料之间的接触点。因为X-轴代表这些颗粒的凸出高度，并且若假定这些有作用的修整颗粒是在标准化的颗粒高度（图6中的垂直线）的0.5以上，则可估算出有作用的修整颗粒的数目。
从图6可以看出，对于常规产品A和B的估算的活性修整颗粒的百分比分别是约25%和30%，而SGA-A的该百分比是高于75%。常规产品B的平均凸出高度是大约三倍地高于SGA-A和常规产品A的平均凸出高度。SGA-A的活性修整颗粒的数目与常规产品A的活性修整颗粒的数目之比可估算为（C1*0.75)/（C3*0.25），其中，C1等于32并且C3等于6（如在表1中可见）。有作用的修整颗粒在数目上的差异还将在确定表1和图5中不同的表面精整度和抛光垫凸凹性高度分布上发挥重要作用。
CMP测试
进行了实验验证以便在晶片缺陷率、材料（晶片）去除率（MRR）以及均匀性方面比较修整器的性能。选择了先前已经讨论过的两个设计，SGA-B和常规产品A，用于在实验室设置（SGA Lab）和在加工车间设置（Fab 1）二者中进行基准测试。用带有5磅的一个固定的向下力的原位100%修整模式进行SGA实验室测试。在这两个测试点上的抛光和修整方式是不同的。表2中列出的结果表明用SGA-B的晶片去除率高于常规产品A的晶片去除率。用SGA-B的缺陷率还低于常规产品A的缺陷率，但对于这两个打磨机来说，WIWNU（晶片内不均匀性）是可比的。
Figure BDA00002106660800091
表2：CMP性能数据比较
表3还示出从来自另一个加工车间（Fab 2）的图案化的晶片获得的CMP数据。SGA-A和常规产品A对于一个给定的修整器寿命均是合格的，且并未尝试超过这个时间进行测试。再一次，用SGA-A的去除率比常规产品A高出约10%，甚至具有35%的更长的抛光垫寿命。这清楚地表明一个最佳的修整器设计可实现更高的晶片去除率和更长的抛光垫寿命二者。
Figure BDA00002106660800092
表3：来自图案化的产品晶片的CMP性能数据
图7展示了从300mm的图案化的产品晶片获得的后-CMP氧化物沟槽深度的平面性数据。可以看出，用SGA-A的平均氧化物保持沟槽深度显著高于用常规产品B的情况。这种结果清楚地展示了在凹形变形方面的改进，其中这种改进归因于这种优化的SGA-A修整器设计。更详细地来讲，该SGA-A修整器将一种优化的质地赋予该抛光垫表面。该有质地的抛光垫表面具有更小的凹槽和特征，这些凹槽和特征对晶片抛光过程中的附聚或以其他方式截留大量的浆料（或研磨材料）是更有抵抗力的。发生在（由常规的抛光垫修整器引起的）较大的抛光垫凹槽/特征中的浆料的这种附聚和/或大量收集浆料的作用是更具进攻性地切削，由此去除更多的沟槽层，这最终导致凹形变形（实质上是一种沉积在正在被加工的晶片的沟槽层上的层中的凹窝）。在这个意义上，根据本发明的一个实施方案来配置的一个抛光垫修整器的作用是减少凹形变形。
因此，关键性修整器设计参数的优化，诸如磨料尺寸、磨料分布、磨料形状、磨料浓度、磨料凸出高度分布以及凸凹性分布，已经展示出产生所希望的抛光垫质地并因此减少的晶片缺陷率。根据本发明的实施方案优化的修整器的益处已在先进的50nm以下的CMP工艺中得到了验证，其中对缺陷的严格控制对于IC制造工艺的进一步的成功的整合是至关重要的。
为了解说和描述的目的已经给出了以上对本发明的实施方案的说明。它并不旨在是穷尽性的或者将本发明限制在所披露的确切形式上。根据本披露可进行许多修改和变化。此处的意图是使本发明的范围不受本详细说明的限制，而是受所附的权利要求书的限制。

Claims (10)

1.一种用于化学机械平整化抛光垫修整的研磨工具，研磨工具包括磨料颗粒、粘合剂以及一个基片，这些磨料颗粒由该粘合剂以一个单层阵列粘附到该基片上，其中活性修整研磨颗粒的百分比高于75%，所述活性修整研磨颗粒在标准化的颗粒高度的0.5倍以上。
2.如权利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述研磨颗粒的形状包括立方八面体和八面体或切去顶端的八面体。
3.如权利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述研磨颗粒的形状基本是不规则的。
4.如权利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述研磨颗粒布置成自我消除随机分布。
5.如权利要求1所述的研磨工具，其特征在于，按重量计至少50%的磨料颗粒独立地具有小于约75微米的颗粒尺寸。
6.如权利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述基片包括第一侧和与所述第一侧大致平行的第二侧，其中所述研磨颗粒连接到所述第一侧、第二侧或两者。
7.如权利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述研磨工具具有小于约0.002英寸的不平整度。
8.如权利要求1所述的研磨工具，其特征在于，将所述研磨颗粒粘结到所述基片的所述粘合剂包括铜焊膜。
9.如权利要求8所述的研磨工具，其特征在于，所述铜焊膜的厚度不超出至少一部分磨料颗粒的尺寸的约60%。
10.如权利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述研磨颗粒的浓度大于约620个磨料微粒/cm2。
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