CN104620356A - 具有超硬磨料增强的化学机械平坦化修整器衬垫 - Google Patents

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安德鲁·加尔平
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    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
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    • H01L21/304—Mechanical treatment, e.g. grinding, polishing, cutting

Abstract

一种用于CMP抛光垫的垫修整器。该垫修整器包括具有带纹理或粗糙表面的特征部，具有超硬磨料晶种，例如散布在粗糙表面上的金刚石。涂层，例如多晶金刚石可应用于表面和磨料晶种上。在一个实施方式中，所述涂层的厚度是较大超硬磨料的50%~100%。

Description

具有超硬磨料增强的化学机械平坦化修整器衬垫
本申请要求2012年5月4日提交的美国临时申请号61/642,874的优先权。所述申请在此通过引用的方式并入本文，包括其中的附录。
发明领域
本发明一般涉及半导体制造设备。更具体地，本发明涉及用于抛光垫清洁的修整装置，该抛光垫用于半导体的制造中。
背景技术
化学机械平坦化(CMP)广泛地用于半导体芯片和存储设备的制造中。在CMP工艺中，材料通过抛光垫、抛光浆料和任选的化学试剂的作用从晶片基板去除。随着时间的推移，抛光垫变得无光泽并填充有来自CMP工艺的碎屑。抛光垫定期地用垫修整器修复，其磨蚀抛光垫表面且开孔并在该抛光垫表面上产生表面微凸体(asperities)。垫修整器的功能是保持在CMP工艺中的去除率。
CMP代表了半导体和存储设备的制造中的主要生产成本。这些CMP成本包括与抛光垫、抛光浆料、垫修整盘和各种CMP部件相关联的那些，其在平坦化和抛光操作过程中被磨损。CMP工艺额外的成本包括用于更换抛光垫的工具停机时间以及测试晶片来重新校准CMP抛光垫的成本。
典型的抛光垫包括具有厚度约为0.15～0.20厘米的闭孔聚氨酯泡沫塑料。在垫修整过程中，衬垫要经受机械磨损以通过垫表面的蜂窝状层物理切断。衬垫的暴露表面包含开孔，其可在CMP工艺中使用以捕获由废抛光浆料和从晶片去除的材料构成的磨粉浆。垫修整器去除了包含嵌入材料的孔(cell)的外层并使得外层下面的层的去除最小化。抛光垫的过度变形导致寿命缩短，而变形不够导致在CMP步骤中材料的去除率不足以及晶片缺乏均匀性。
某些垫修整器利用超硬磨料颗粒，例如粘合到基板上的金刚石。例如，参见Sung(Sung)的美国专利号7,201,645(公开了波状外形的的CMP垫修整器，其具有多个粘合到基板的超硬磨料颗粒)；An等人(An)的美国专利申请公开号2006/0128288(公开了将磨料颗粒固定到金属基板上的金属粘合剂层，具有在10％～40％的较小和较大磨料颗粒之间的直径差)。现有技术的垫修整器的问题在于在垫修整器的最大特征上产生的力可导致颗粒经受更大的力而从垫修整器脱落。脱落的颗粒可通过抛光垫捕获，其在抛光操作过程中可导致晶片刮伤。
对于减少或消除脱落的磨料颗粒的CMP垫修整器以及具有用于修整CMP抛光垫的不同表面高度的CMP垫修整器有持续的需求。
发明内容
在本发明的各种实施方式中，提供了由基板加工的垫修整器，其具有特征高度和粗糙度特性的所需分布。在成型的基板上的突起作为在垫表面上提供力集中的几何特性。在实施方式中，提供具有粗糙化或纹理化的重复突起的第一基板，金刚石颗粒分散在表面区域上，并且一层多晶CVD金刚石涂层在表面突起和金刚石晶粒上生成。基板的粗糙度促进了金刚石晶种颗粒在金刚石涂层内的固定，以使脱落最小化或防止脱落。
在实施方式中，金刚石颗粒的尺寸小于在远离衬垫延伸的方向上测量的CVD涂层的平均厚度。
本发明实施方式的特征和优点是垫修整器的增强的性能。在实施方式中，提供了修整器到修整器的切削率重复性以及在修整器使用寿命中一致的切削率，以及在粗糙表面上添加金刚石磨料晶体并添加CVD金刚石层之后减少的缺陷，其中所述金刚石磨料晶种是CVD的矩阵和厚度的一部分。
在实施方式中，具有带在其上形成的粗糙突起的粗糙基板的碳化硅段首先设置有小的钻石晶种颗粒(例如，直径尺寸为1nm～30nm的金刚石磨料)。然后，较大的金刚石磨料晶种(例如，范围在约1微米(μm)～约12μm)可施加到基板和突起上。几毫克的大金刚石磨料可施加到各段中。大金刚石磨粒利用粗糙表面(例如，约2μm～约5μm的RMS粗糙度)粘合了碳化硅基板和突起，这有助于保持较大的金刚石颗粒。
添加较大的金刚石磨料晶种也允许垫修整器的切削率将在宽范围内“调整”，这取决于较大的金刚石磨料晶种的大小。“较大”的磨料晶体尺寸通常比实际上提供的切削特征的现有技术利用的磨料要小得多。在实施方式中，所述磨粒通常是在CVD涂层的z方向上的平均厚度中。有纹理的表面有助于保持晶种，从而减少利用现有技术的垫修整器经受的颗粒脱落的问题。然后晶种的表面可涂覆有例如多晶金刚石。
附图说明
图1是具有垫修整器的晶片抛光装置的示意图。
图2是根据本发明的垫修整器组件的透视图。
图3是根据本发明的垫修整器组件的透视图。
图4是根据本发明的修整器衬垫的照片图像。
图5是示出了根据本发明的在表面上的突起(projection)的透视图。
图6a是根据本文的本发明衬垫上的突起阵列的平面图。
图6b是根据本文的本发明衬垫上的突起阵列的平面图。
图7是根据本文的本发明衬垫上的突起阵列的平面图。
图8是根据本文的本发明在具有涂层的基板上的突起的横截面图。
图9是示出了利用根据本文的本发明的实验切削率的图表。
图10是显微照片。
图11是显微照片。
图12是显微照片。
图13是显微照片。
图14是根据本文的本发明在具有涂层的基板上的突起的横截面图。
图15是根据本文的本发明在具有涂层的基板上的突起的横截面图。
详细说明
现在参照图1，本发明的实施方式描绘了在化学机械平坦化(CMP)工艺中具有垫修整器32的晶片抛光装置30。所描绘的晶片抛光装置30包括具有上表面36的旋转台34，该上表面36具有安装在其上的CMP垫38(例如聚合物衬垫)。具有安装在其上的晶片基板44的晶片头42设置为使得晶片基板44与CMP垫38接触。在一个实施方式中，浆料进料装置46为CMP垫38提供了磨粉浆48。
在操作中，旋转台34转动，从而使CMP垫38在晶片头42、垫修整器32和浆料进料装置46下方转动。晶片头42利用向下的力F接触CMP垫38。晶片头42也可以线性往复动作旋转和/或摆动，以加强安装在其上的晶片基板44的抛光。垫修整器32也可接触CMP垫38，并在CMP垫38表面上来回平移。垫修整器32也可以旋转。
在功能上，CMP垫38以受控的方式从该晶片基板44上去除了材料，以给予晶片基板44抛光面。垫修整器32的功能是去除来自抛光操作的碎屑以及在CMP垫38上开孔，从而保持在CMP工艺中的去除率，该抛光操作充满了来自CMP工艺的碎屑。
参照图2和图3，本发明的实施方式中描绘了垫修整器组件50A和50b。衬垫组件(统称为衬垫组件50)分别包括修整段52a，52b(统称为修整段52)，其固定到下面的基板或垫板54。修整段52可具有两个或更多个不同平均高度的突起，如WO2012/1221186A2所讨论的各种实施方式所讨论的，还有PCT专利申请号PCT/US2012/027916(“Smith”)，其转让给本发明和申请的所有者，在此通过引用的方式并入本文。在一个实施方式中，所述段用粘合剂，例如环氧树脂粘接在垫板54上。图4示出了单独的段。图5示出了根据本文的本发明的具有在其上通过合适的机械加工所形成的间隔图案的突起66的基板表面64的放大透视图。图6A、图6B和图7示出了适合于本文的本发明的不同密度的矩阵型图案70A、70B和70C。当在本文中使用“矩阵”时，可指代具有行和列的矩阵或具有向外扩大的圆形行或其部分的圆形矩阵。
参照图8，本发明的实施方式中描绘了基板80，例如来自上面的段中的一个，其包括突起80，具有在其上播种(seed)的大金刚石晶种82和小金刚石晶种84以及在其上的多晶金刚石涂层86。该剖视图描绘了突起的高度h，多晶层的厚度t以及基板/突起材料的粗糙度R。该突起的特征部为具有从基板的地面高度F参考的高度。在一定程度上地面f是不均匀的，地平面可被认为是每个相邻突起之间的最低平面的平均值，所述突起的高度可从该平均基准平面进行测量。
在各种实施方式中，所述多晶金刚石层的厚度可约为大金刚石磨料颗粒的直径，如图8所示，或者它可在某些实施方式中更大以及在某些实施方式中更小。在各种实施方式中，覆盖金刚石磨料晶种和所述表面的所述多晶金刚石的厚度约为大金刚石磨料尺寸直径的50％～约100％，描述了所述磨料尺寸的100％的后一种情况。
在功能上，大金刚石磨料晶种将粗糙度的另一个尺寸添加到基板和突起表面中。垫修整器的切削率可有利地通过选择用于大金刚石磨料晶种的窄尺寸范围而变化；窄尺寸范围可以是1μm、2μm、4μm、并且直到约6μm。
参照图9，本发明的实施方式中描绘了用于改变大尺寸磨粒直径的垫修整器的性能指标。图2中所示的数据是用于具有4英寸的直径且具有结合在其上的5个段的修整垫。所述段上的特征具有在每平方毫米10个特征部的密度下125μm的基准尺寸。所述特征部的高度名义上是20μm。使用该修整器的衬垫切削率是使用Buehler Ecomet 4台式抛光机来确定的。所用的衬垫是IC1000(TM)衬垫(Rohm和Haas)，以50rpm的转速旋转。该IC1000衬垫利用7磅的力接触原型垫修整器，且原型垫修整器的转速为35rpm。在切削率试验期间，去离子水以每分钟80毫升的流量分配到衬垫上。该试验利用具有大晶种的新抛光垫进行重复，该新抛光垫具有对应于在图2的x轴上播种过程的直径。
用于在1μm～2μm范围内(x轴标签1)大晶种的衬垫的切削率为约每小时23μm；用于2μm～4μm晶种(x轴标签2)的切削率为约每小时28μm；用于4μm～8μm晶种(x轴标签3)的切削率为约每小时32μm；以及用于6-12μm晶种的切削率为约每小时50μm。切削率也可变化，取决于垫修整器的类型。在图中的“0播种”过程中的点对应于其中仅使用纳米尺寸的小金刚石磨料晶种的情况(约每小时10μm的切削率)。
图10是不具有多晶金刚石的突起(没有粗糙度)的照片。图11是涂覆有多晶金刚石(具有小纳米尺寸的晶种)的突起的照片。图12是在突起和具有粗糙面的碳化硅基板的表面上的大金刚石磨料晶种的照片。图13是在突起上利用6～12微米的较大金刚石磨料晶种涂覆多晶金刚石的照片。
例如，对于图1的各个方面的非限制性尺寸包括：突起高度范围为10～150μm；约7～15μm的平均厚度的多晶金刚石层具有约2μm的变动；多晶金刚石涂层的RMS粗糙度可为约0.1μm～约2μm；可以是碳化硅的基板的粗糙度可为约2μm～约5μm。突起的特征部和其制造可如Smith所述。
参照图14，本发明的实施方式中描绘了突起90具有在垫修整器的粗基体材料92上的粗糙化或纹理化表面91。大金刚石磨料晶种94散布在粗糙表面上，并且在某些情况下大金刚石磨料晶种基本上都由显示粗糙表面的凹槽或凹陷所捕获。显示了大金刚石晶种在突起的“顶”表面95上、在突起的侧面96上，并且在突起之间的通道97中。有利地，突起的粗糙表面可帮助将大金刚石磨料晶种固定到部分或全部的侧表面上，至少在该涂覆工艺之前。突起和基板以及在较大金刚石磨料晶种的顶上的多晶金刚石涂层的粗糙度也有助于将金刚石固定到垫表面上，并减少或消除金刚石晶体从所述衬垫的松动和损失。所述侧面通常形成在通道区域和斜面之间测量的钝角。在实施方式中，所述突起是圆形的，如图所示。在实施方式中，所述突起具有台面或高地、扁平区域，而不是圆形的尖端或顶点。
参照图15，垫修整器的一部分，具有不同高度的柱状的突起104、106的基板100，在垫修整器的基板和突起表面上的较大金刚石磨料晶种110，具有一定厚度的多晶金刚石层114，其覆盖所述的大直径尺寸的金刚石磨料和修整器表面。在一个实施方式中，在直径范围内，较大磨料晶种的直径是小于6μm。多晶金刚石可以是较大金刚石磨料晶种直径的50％～100％。在某些实施方式中，其大于100％。
Smith，指定为本申请的受让人，公开了具有突起的垫修整器的使用，该突起具有粗糙化或纹理化且涂覆CVD金刚石材料的表面。小金刚石磨料应用到表面以用于核化的多晶金刚石薄膜由Malshe等人在ElectrochemicalSociety Proceedings,Vol.97-32(1998),pp.399-421(ISBN 1-56677-185-4)中公开，其公开了使用4nm尺寸的金刚石晶体作为晶种。也可参见Jansen等人的美国专利号4,925,701(公开了100nm金刚石晶种的实施)以及Aslam的美国专利号5,474,808(公开了25nm晶种的使用)。以上引用的出版物其全部内容在此通过引用的方式并入本文，除了包含在其中的明确定义。
如在图中所提供的，与商用的垫修整器相比，本发明实施方式的垫修整器的衬垫切削率和垫表面的粗糙度是相对稳定的。本发明实施方式的表面光洁度也通常比市售的垫修整器平滑。如本文和所附权利要求书中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数形式，除非上下文另有明确说明。因此，例如提及“突起”是指一个或多个突起以及本领域技术人员已知的其等同物等等。除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有相同的含义，通常被本领域的普通技术人员所理解。类似或等同于那些本文描述的方法和材料可在实践中或本发明实施方式的测试中使用。本文提及的所有出版物其全部内容均通过引用的方式并入本文，除了包含在其中的明确定义。本文解释为承认本发明凭借在先发明而有资格先于这些公开内容。“任选的”或“任选地”是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的情况以及不发生的情况。本文所有的数值可通过术语“约”来修改，无论是否明确地指出。术语“约”通常是指数字范围，本领域技术人员将认为等同于所引用的数值(即具有相同功能或结果)。在一些实施方式中，术语“约”指设定值的±10％，在其它实施方式中，术语“约”指设定值的±2％。虽然组成和方法在术语“包括”中描述为各种组成或步骤(解释为“包括但不限于”)，所述组成和方法也可“基本上由”或“由”各种组成和步骤构成，这样的术语应当解释为本质上限定封闭的成员组。虽然本发明已经示出和描述了有关一个或多个实施方案，但本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将想到等效的改变和修改。本发明包括所有这样的修改和变更，并且仅由下面的权利要求的范围限定。另外，虽然本发明的特定特征或方面可能仅已经公开了有关若干实施方案中的一个，但这样的特征或方面可以与可能期望的其它实施方案的一个或多个其它特征或方面进行组合，并且对于任何给定或特定的应用是有利的。此外，在一定程度上，对于术语“包括”、“具有”、“拥有”、“包含”或其在详细描述或权利要求书中使用的变型来说，这些术语旨在以类似于术语“包括”的方式包含其中。同时，术语“示例性”仅意味着指一个示例，而不是最佳的。也可以理解的是，为了简单化和便于理解，本文描述的特征、层和/或元件是利用相对于彼此的特别的尺寸和/或取向而示出，并且实际的尺寸和/或取向基本上可不同于本文所示的。
虽然本发明已经参照其某些实施方式相当详细地描述，但其它的版本也是可能的。因此，所附权利要求的精神和范围不应局限于所述描述和包含于本说明书中的版本。虽然描述了各种组成和方法，但应当理解的是，本发明并不限定于描述的特定分子、组成、设计、方法或方案，因为这些是可以变化的。也可以理解的是，在说明书中使用的术语仅用于描述具体形式或实施方式，而并非意在限制本发明的范围，其将仅由所附的权利要求限定。

Claims (24)

1.一种化学机械抛光垫修整器，包括：
基板，包括具有多个与其一体的突起的前表面，所述多个突起在大致垂直于所述前表面的正面方向上延伸，所述多个突起的每一个包括远端，所述多个突起的每一个具有大于3μm的均方根表面粗糙度；
设置在所述基板和突起上的超硬磨料晶种的分散体；以及
覆盖所述基板、所述突起与所述超硬磨料晶种的分散体的金刚石涂层。
2.一种化学机械抛光垫修整器，包括：
基板，包括具有多个与其一体并从基板地面延伸的突起的前表面，所述多个突起在大致垂直于所述前表面的正面方向上延伸，所述多个突起设置成重复的间隔图案，所述突起具有从基板的地面高度测量的10~150μm的平均高度；
设置在所述包括多个突起的基板上的超硬磨料晶种的分散体；以及
覆盖所述包括多个突起的基板与所述超硬金刚石磨料晶种的分散体的金刚石涂层。
3.根据权利要求1或2所述的化学机械抛光垫修整器，其中所述基板的突起具有矩阵布置，所述突起均具有最高的最顶峰，并且该突起具有的每个最高的最顶峰以非重复的方式相对于其它突起定位在其各自的突起上。
4.根据权利要求1或2所述的化学机械抛光垫修整器，其中所述基板的突起具有提供一定密度的重复间隔图案，所述密度为每平方毫米0.5至5个突起。
5.根据权利要求1或2所述的化学机械抛光垫修整器，其中所述基板的突起具有第一高度的突起矩阵布置以及不同高度的突起矩阵布置。
6.根据权利要求5所述的化学机械抛光垫修整器，其中所述多晶金刚石涂层的粗糙度为约0.1μm至约2μm。
7.根据权利要求1或2所述的化学机械抛光垫修整器，其中所述多个超硬磨料金刚石晶种具有约1μm至约15μm的直径。
8.根据权利要求1或2所述的化学机械抛光垫修整器，其中所述多个超硬磨料金刚石晶种具有约1μm至约15μm的直径，并且所述涂层的厚度是所述超硬磨料晶种的平均直径的50%至100%。
9.根据权利要求1或2所述的化学机械抛光垫修整器，其中所述金刚石涂层具有约0.1μm至2μm的均方根粗糙度。
10.根据权利要求7所述的化学机械抛光垫修整器，还包括设置在所述基板表面和所述突起上的第二多个超硬磨料晶种，所述第二多个超硬磨料晶种具有约1nm至约30nm的直径。
11.根据权利要求4所述的化学机械抛光垫修整器，其中所述基板和所述突起是碳化硅材料。
12.根据上述权利要求中任一项所述的化学机械抛光垫修整器，其中所述基板安装在基盘上，并且至少有4个额外的类似基板。
13.根据权利要求1或2所述的化学机械抛光垫修整器，其中所述金刚石涂层为平均厚度约7至15μm的多晶金刚石涂层。
14.一种化学机械抛光垫修整器，包括：
基板，包括具有多个与其一体的突起的前表面，所述多个突起在大致垂直于所述前表面的正面方向上延伸，所述多个突起的每一个具有从基板的地面高度延伸的高度，其中所述突起的高度大于12μm；
具有平均直径尺寸小于12μm的金刚石分散体；
覆盖至少所述多个突起和金刚石分散体的多晶金刚石涂层。
15.一种制造化学机械抛光垫修整器的方法，包括：
提供陶瓷基板；
通过机械加工从碳化硅基板上去除材料来提供突起的重复图案，所述突起各自具有10至150μm的高度；
在基板上分散一定数量的金刚石颗粒；
通过化学气相沉积将金刚石涂覆于基板的表面，从而覆盖突起和一定数量的金刚石颗粒。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括继续进行化学气相沉积，直至达到约7至约15μm的平均厚度。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括选择一定数量的金刚石颗粒，其大致尺寸小于12μm。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括选择一定数量的金刚石颗粒，其大致尺寸是具有1nm至30nm的最大直径，并进一步选择额外数量的金刚石晶种，其尺寸大于2μm并小于12μm，并且进一步在基板上分散额外数量的金刚石晶种。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括选择碳化硅作为基板。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括选择具有至少10%的孔隙率的硅基板。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的方法，还包括在利用金刚石涂覆所述表面之前为碳化硅提供约2μm至约5μm的粗糙度。
22.根据权利要求15至20中任一项所述的方法，还包括提供金刚石涂层，其厚度从基板延伸开来，且为约7至15μm。
23.根据权利要求15至20中任一项所述的方法，还包括提供具有约0.1μm至约2μm的均方根粗糙度的金刚石涂层。
24.根据权利要求15至20中任一项所述的方法，还包括提供多个陶瓷基板，并且将其围绕一个圆盘均匀地间隔而连接。
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