CN112959212A - 一种带有优化沟槽的化学机械抛光垫及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有优化沟槽的化学机械抛光垫及其应用，所述抛光垫包括抛光层，其具有环形抛光轨迹区、位于抛光轨迹区内的圆形中间区及抛光轨迹区外部的环形外缘区；以及位于抛光层表面的沟槽，包括圆周向沟槽及径向沟槽，所述径向沟槽呈放射状由最靠近抛光垫圆心方向的沟槽处沿半径方向向外延伸，至抛光轨迹区与环形外缘区交界处的沟槽处，由一条沟槽发散为至少两条放射状沟槽。本发明的沟槽能够在最大量存储抛光液的情况下不降低抛光碎屑的排出，从而能得到稳定的抛光速率，提高产品良率，延长抛光垫使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于化学机械抛光技术领域，具体涉及一种具有独特沟槽结构的化学机械抛光垫及其应用。
背景技术
在集成电路和众多电子器件的制造过程中，晶片的加工需要通过包括各层材料按序沉积到半导体晶片表面，使表面变得不平整，此时通常需要将半导体晶片表面的微细凹凸消除并达到平坦化，化学机械平面化或化学机械抛光(chemical mechanicalpolishing，CMP)则是一种用以平面化或抛光工件(例如半导体晶片)的常见技术。抛光过程中，抛光垫与晶圆分别绕其旋转轴旋转，晶圆会在抛光层上扫出一个环形“抛光轨迹”区域，在化学机械抛光过程中抛光液由抛光垫中心位置进入抛光轨迹区，流入沟槽与抛光垫和晶圆的间隙处，随着抛光的进行，并由于抛光垫旋转对抛光液造成的离心力，抛光液由抛光垫内部向外方向运动。通过抛光垫和抛光液的化学和机械作用，对晶片表面进行抛光。
但是随着抛光的进行，抛光碎屑的增多而无法及时的排出，碎屑大量的占据沟槽的位置而降低抛光液的含量，会大大的影响抛光速率。为了消除或减缓这种现象，沟槽的合理设计就显得十分必要。
专利CN100347828C中提出一种沟槽图案，该图案具有多个第一凹槽结构及多个第二凹槽结构，多个第一凹槽中的每个凹槽都具有位于中心区内的第一端和位于研磨区内的第二端，所述第二端在外周边缘的径向以内，并在旋转轴的径向以外，多个第二凹槽中的每个凹槽斗鱼多个第一凹槽中的每一个间隔开，且具有位于研磨区内的第一端，和位于外周边缘或从研磨区的外周径向向外的区域中的至少一个内的径向置于多个第一凹槽的第二端以外的第二端。该种沟槽结构降低了提供给研磨层的浆液的未充分利用的量，从而减少了浆液的浪费。
专利CN100519075C公开了一种沟槽图案，其中径向沟槽横跨抛光轨迹，且沟槽的非本征曲率具有至少两个位于环状抛光轨迹内的突变，且突变方向相反。该沟槽结构能够控制并改变抛光液在抛光垫-晶片间隙内流动速率。
从实际使用情况来看，在抛光制程中抛光液的合理分布、能否快速排出抛光碎屑对获得结构规整，晶片性能均一，提高产品良率起到重要的作用。因此，仍旧需要对化学机械抛光垫的沟槽结构进行优化，促进抛光中后期抛光碎屑的及时排出，提高抛光质量。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种带有优化沟槽的化学机械抛光垫，使用该抛光垫进行抛光过程中，随着抛光的进行，抛光碎屑也可以及时的排出。
本发明的另一目的在于提供这种带有优化沟槽的化学机械抛光垫在CMP中的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：
一种带有优化沟槽的化学机械抛光垫，包括：
(1)抛光层，其具有环形抛光轨迹区、位于抛光轨迹区内的圆形中间区及抛光轨迹区外部的环形外缘区；
(2)位于抛光层表面的沟槽，包括圆周向沟槽及径向沟槽；所述径向沟槽呈对称分布，并呈放射状由最靠近抛光垫圆心方向的沟槽处沿半径方向向外延伸，至抛光轨迹区与环形外缘区交界处的沟槽处，由一条沟槽发散为至少两条放射状沟槽。
在一个具体的实施方案中，所述圆周向沟槽，位于抛光轨迹区内的圆形中间区的沟槽间距为D1，沟槽深度为H1；位于环形抛光轨迹区的沟槽间距为D2，沟槽深度为H2；位于抛光轨迹区外部环形外缘区的沟槽间距为D3，沟槽深度为H3；其中0.25D1≤D2<D1、D2<D3≤D1，H1<H2≤1.5H1、H1≤H3<H2；优选地，所述圆周向沟槽深度H1＝H3；优选地，所述圆周向沟槽间距D1＝D3。
在一个具体的实施方案中，所述径向沟槽：径向沟槽呈中心对称分布，数量为m条，0<m≤10，径向沟槽呈放射状由最靠近抛光垫圆心方向的沟槽处沿半径方向向外延伸，至抛光轨迹区与环形外缘区交界处的沟槽处，由一条沟槽发散为至少两条放射状沟槽，优选为2～4条。
在一个具体的实施方案中，所述圆周向沟槽为沿抛光垫中心向外扩散的圆周向沟槽，优选为同心多边形或同心圆形状。
在一个具体的实施方案中，所述圆周向沟槽和所述径向沟槽的沟槽宽度相同，优选为0.2～0.7mm。
在一个具体的实施方案中，所述径向沟槽的深度为0.2～1.0mm。
在一个具体的实施方案中，所述至少两条放射状沟槽为直线状或曲线状，优选地，所述位于外侧的直线状放射状沟槽的直线方向与半径方向的夹角或曲线状放射状沟槽的曲线切线方向与半径的夹角为θ，且0°<θ≤60°。
在一个具体的实施方案中，所述分别位于环形抛光轨迹区、位于抛光轨迹区内的圆形中间区及抛光轨迹区外部的环形外缘区的三部分沟槽各自独立地沟槽间距相同；优选地，所述圆形中间区占所述抛光垫半径长度的1/4～1/3，环形抛光轨迹区占所述抛光垫半径长度的1/3～1/2，抛光轨迹区外部的环形外缘区占所述抛光垫半径长度的1/4～1/3。
在一个具体的实施方案中，所述抛光层材料选自链段嵌段共聚物或聚氨酯弹性体中的至少一种。
本发明的另一方面，前述的带有优化沟槽的化学机械抛光垫在化学机械平坦化中的应用，优选铜晶片、蓝宝石、硅片、晶圆的化学机械抛光。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的化学机械抛光垫具有圆周和径向沟槽，其中圆周向沟槽在抛光轨迹区内槽间距较另外两区域更小，且槽深更深，这样就使得在此区域内抛光液涵养量达到最大，保证有充足的抛光液能与晶圆接触进行化学作用以保证抛光效果。同时在中心区及外缘区由于不接触晶圆，圆周向沟槽分布相对稀疏，能节约抛光液的使用量，起到经济环保的效果。但若抛光液涵养量过大，会影响新旧液的交换，影响抛光效果。本发明的抛光垫还优化设计了径向沟槽，该径向沟槽采用直线形状，保证了旧抛光液及抛光碎屑以最短路径、最快的速度排出，同时径向沟槽在抛光垫外缘区域内由一条发散为多条沟槽，保证了抛光液的高效率传输。具有此沟槽结构的抛光垫能够具有长期稳定的抛光速率，提高了产品良率及抛光垫使用寿命。
附图说明
图1是本发明比较例1常规抛光垫的俯视图。
图2是本发明比较例2常规抛光垫的俯视图。
图3A、3B是本发明实施例一的抛光垫俯视图及剖面图。
图4A、4B是本发明实施例二的抛光垫俯视图及剖面图。
图5A、5B是本发明实施例三的抛光垫俯视图及剖面图。
图6是本发明实施例5的抛光垫俯视图。
图7是本发明比较例3的抛光垫俯视图。
其中，1为抛光层，2环形抛光轨迹区、3圆形中间区、4环形外缘区、5圆周向沟槽、6径向沟槽、7放射状沟槽。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面的实施例将对本发明所提供的方法予以进一步的说明，但本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明的权利要求范围内其他任何公知的改变。
如图3A、3B所示，一种化学机械抛光垫，包括：
(1)抛光层1，其具有环形抛光轨迹区2、位于抛光轨迹区内的圆形中间区3及抛光轨迹区外部的环形外缘区4；
(2)位于抛光层1表面的沟槽，包括圆周向沟槽5及径向沟槽6；其中，
a.圆周向沟槽5：位于抛光轨迹区内的圆形中间区3的沟槽间距为D1，沟槽深度为H1；位于环形抛光轨迹区2的沟槽间距为D2，沟槽深度为H2；位于抛光轨迹区外部环形外缘区4的沟槽间距为D3，沟槽深度为H3；其中0.25D1≤D2<D1、D2<D3≤D1，H1<H2≤1.5H1、H1≤H3<H2。
其中，所述圆周向沟槽5间距，优选为D1为0.3～0.6mm，例如0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm、0.6mm，但不限于此。D2为0.08～0.5mm，例如为0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm，但不限于此。D3为0.1～0.6mm，例如为0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm，但不限于此。
所述圆周向沟槽5深度，优选为H1为0.5～0.8mm，例如0.55mm、0.6mm、0.65mm、0.7mm、0.75mm，但不限于此。H2为0.5～1.2mm，例如0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm，但不限于此。H3为0.5～1.2mm，例如为0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm，但不限于此。
优选地，所述圆周向沟槽5均为沿抛光垫中心向外扩散的圆周向沟槽，优选为同心多边形或同心圆形状，但不限于此；优选地，位于所述环形抛光轨迹区2、位于抛光轨迹区内的圆形中间区3及位于抛光轨迹区外部的环形外缘区4的三部分圆周向沟槽各自独立地沟槽间距相同，即圆周向沟槽5在每一区域的沟槽间距均相同，在三个不同区域的沟槽间距满足前述关系式，即0.25D1≤D2<D1、D2<D3≤D1。所述三个不同区域的圆周向沟槽的宽度均相同，可以为0.2～0.7mm，例如0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm、0.6mm、0.65mm、0.7mm，但不限于此，优选为0.4～0.6mm。
其中，所述圆形中间区3通常占所述抛光垫半径长度的1/4～1/3，环形抛光轨迹区2占所述抛光垫半径长度的1/3～1/2，抛光轨迹区外部环形外缘区4占所述抛光垫半径长度的1/4～1/3。
b.径向沟槽6：径向沟槽6呈中心对称分布，即以抛光垫圆心为中心，在抛光垫表面均匀地、呈中心对称分布，数量为m条，0<m≤10，例如2、3、4、5、6、7、8、9、10，优选3≤m≤8，径向沟槽6呈放射状由最靠近抛光垫圆心方向的沟槽处沿半径方向向外延伸，至抛光轨迹区2与环形外缘区4交界处，由一条沟槽发散为至少两条放射状沟槽7，优选为2～4条。其中，所述放射状沟槽7可以为直线状或曲线状，优选地，所述位于外侧的直线状放射状沟槽7的直线方向与半径方向的夹角或曲线状放射状沟槽的曲线切线方向与半径的夹角为θ，且0°<θ≤60°，优选为15°<θ≤45°。如图3A所示，所述放射状沟槽7为直线状放射状沟槽，且共有4条放射状沟槽，此时，位于外侧的直线状放射状沟槽的直线方向与所在径向沟槽的半径方向的夹角为θ，且0°<θ≤60°。如图4A所示，所述放射状沟槽为曲线状放射状沟槽，且共有3条放射状沟槽，此时，位于外侧的曲线状放射状沟槽的切线方向与所在径向沟槽的半径方向的夹角为θ，且0°<θ≤60°。如图5A所示，所述放射状沟槽为曲线状放射状沟槽，且共有2条放射状沟槽，此时，位于最外侧(远离径向沟槽半径方向)的曲线状放射状沟槽的切线方向与所在径向沟槽的半径方向的夹角为θ，且0°<θ≤60°。
其中，所述径向沟槽的沟槽宽度相同，可以为0.2～0.7mm，例如0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm、0.6mm、0.65mm、0.7mm，但不限于此。所述径向沟槽的深度为0.2～1.0mm。例如0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm、0.6mm、0.65mm、0.7mm、0.75mm、0.8mm、0.85mm、0.9mm、0.95mm、1.0mm，但不限于此，优选为0.4～0.8mm。
作为本发明的抛光垫的抛光层可以是本领域常用的材质构成，没有任何的限制，例如所述抛光层材料选自链段嵌段共聚物或聚氨酯弹性体中的至少一种，优选为聚氨酯弹性体材质。
本发明的带有优化沟槽的化学机械抛光垫可以在化学机械平坦化中应用，优选用于铜晶片、蓝宝石、硅片、晶圆的化学机械抛光，但不限于此。其抛光方法可以参考现有技术，这是本领域技术人员所熟知的，例如抛光方法包括以下步骤：
提供前述的化学机械抛光垫；
对抛光元件施加一压力以压置于抛光垫上；
对抛光元件及抛光垫提供相对运动进行抛光。
下面通过更具体的实施例进一步解释说明本发明，但不构成任何限制。
本发明实施例和对比例用到的主要原料如下：
设备：MirraTMCMP抛光机；FX200度量工具，使用49点螺旋扫描测量抛光前和抛光后的抛光片厚度来确定去除速率(RR)。
抛光方法(铜抛光)：Cu靶材(采购于中诺新材，纯度99.999％)，在1.5psi(10.3kPa)的抛头压力下，使用酸性胶体二氧化硅浆料抛光液(采购于安集科技)，抛光一分钟，修整器修整一分钟。抛光过程中压板转速95rpm，载体速度85rpm。
未特别说明，本发明实施例及比较例的抛光垫采用如下方法制得：
将预聚体(AdipreneTMLF 750D)与固化剂MOCA(崇舜)反应得到聚氨酯块体，经切片工艺得到抛光层薄片。经与SUBA IV(DOW)贴合得到抛光垫。将得到的抛光垫按照实施例、比较例的沟槽数据进行刻槽得到最终表面带有沟槽的抛光垫。
实施例1
本实施例一个抛光垫沟槽形式如下：
圆周向沟槽：
同心圆形状，圆形中间区沟槽间距0.4mm、沟槽深度0.6mm，该区域占半径长度1/3；抛光轨迹区沟槽间距为0.12mm、沟槽深度0.7mm，该区域占半径长度1/3；环形外缘区沟槽间距0.4mm、沟槽深度0.6mm，该区域占半径长度1/3。
径向沟槽：
径向四条沟槽，每条沟槽在延伸至抛光轨迹区边缘时发散为四条直线沟槽，θ角度为30°。沟槽深度为0.4mm。
圆周向沟槽及径向沟槽宽度为0.55mm。
根据如上得到的抛光垫表面详见图3A，得到的抛光垫沿I-I’方向的半剖面图详见图3B。
实施例2
本实施例一个抛光垫沟槽形式如下：
圆周向沟槽：
同心圆形状，圆形中间区沟槽间距0.6mm、沟槽深度0.8mm，该区域占半径长度1/4；抛光轨迹区沟槽间距为0.5mm、沟槽深度1.1mm，该区域占半径长度1/2；环形外缘区沟槽间距0.55mm、沟槽深度0.9mm，该区域占半径长度1/4。
径向沟槽：
径向八条沟槽，每条沟槽在延伸至抛光轨迹区边缘时发散为三条弧形沟槽，θ角度为60°。沟槽深度为0.4mm。
圆周向沟槽及径向沟槽宽度为0.3mm。
根据如上得到的抛光垫表面详见图4A，得到的抛光垫沿I-I’方向的半剖面图详见图4B。
实施例3
本实施例一个抛光垫沟槽形式如下：
圆周向沟槽：
同心圆形状，圆形中间区沟槽间距0.5mm、沟槽深度0.7mm，该区域占半径长度1/3；抛光轨迹区沟槽间距为0.3mm、沟槽深度0.9mm，该区域占半径长度1/3；环形外缘区沟槽间距0.4mm、沟槽深度0.8mm，该区域占半径长度1/3。
径向沟槽：
径向六条沟槽，每条沟槽在延伸至抛光轨迹区边缘时发散为两条波浪状沟槽，θ角度为45°。沟槽深度为0.4mm。
圆周向沟槽及径向沟槽宽度为0.4mm。
根据如上得到的抛光垫表面详见图5A，得到的抛光垫沿I-I’方向的半剖面图详见图5B。
实施例4
使用与实施例1相同沟槽图案，不同之处仅在于圆周向沟槽深度均为0.7mm的抛光垫进行抛光测试。
实施例5
使用与实施例1相同的沟槽深度，相同的径向沟槽形状，圆周向所有沟槽的沟槽间距相同，为0.4mm的抛光垫进行抛光实验。
抛光垫沟槽图形俯视图详见图6。
比较例1
使用市面上售卖的常规抛光垫(DOW)进行抛光测试，其中圆周向沟槽为同心圆形状，全部沟槽间距相等，为0.5mm，沟槽深度为0.8mm，沟槽宽度0.3mm。
抛光垫沟槽图形俯视图详见图1。
比较例2
使用市面上售卖的常规抛光垫(DOW)进行抛光测试，其具有圆周向和径向沟槽，其中圆周向沟槽为同心圆形状，全部沟槽间距相等，为0.5mm，沟槽深度为0.8mm，沟槽宽度0.3mm。径向具有八条直线沟槽，沟槽间距为0.5mm，沟槽深度为0.8mm。
抛光垫沟槽图形俯视图详见图2。
比较例3
使用与实施例1相同的沟槽深度，相同的圆周向沟槽形状，径向沟槽在抛光边缘处没有发散为多个沟槽的抛光垫进行抛光实验。
抛光垫沟槽图形俯视图详见图7。
分别将实施例和比较例中的抛光垫利用之前描述的方法进行抛光实验和去除速率测试，以10小时为单位来观察不同抛光垫抛光速率的差别，相关结果列入表1，为实施例及比较例通过测试得到的去除速率数据表。
表1抛光垫去除速率结果数据表
从表中可以看出，使用传统沟槽形状的抛光垫，在抛光进行40h之后，抛光速率出现下降趋势，而在抛光50h之后，抛光速率明显下降。但同时可以看出，与比较例1和2相比，本发明实施例带有径向沟槽的传统抛光垫的抛光速率下降较不带径向沟槽的抛光垫的抛光速率下降慢。实施例4～5与实施例1相比分别为沟槽深度，及沟槽间距有所不同，效果略差，但仍优于比较例；比较例3与实施例1相比径向沟槽形式有所不同，导致50h后抛光速率下降明显。
实施例1～3中在抛光轨迹区内沟槽密度大且深度较深，增大了抛光液的涵养量；同时存在径向沟槽，径向沟槽在离开抛光轨迹区后发散为多个沟槽，加快了抛光碎屑及旧液的排出速率，加快新旧液交替，防止碎屑堵住微孔，减少靶材表面划伤的可能性，提高产品良率。同时新旧液高效交替传输，保证了抛光速率能够长时间稳定在较高的水平，延长了抛光垫使用寿命。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。本领域技术人员可以理解，在本说明书的教导之下，可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种带有优化沟槽的化学机械抛光垫，包括：
(1)抛光层，其具有环形抛光轨迹区、位于抛光轨迹区内的圆形中间区及抛光轨迹区外部的环形外缘区；
(2)位于抛光层表面的沟槽，包括圆周向沟槽及径向沟槽；所述径向沟槽呈对称分布，并呈放射状由最靠近抛光垫圆心方向的沟槽处沿半径方向向外延伸，至抛光轨迹区与环形外缘区交界处的沟槽处，由一条沟槽发散为至少两条放射状沟槽。
2.根据权利要求1所述的带有优化沟槽的化学机械抛光垫，其特征在于，所述圆周向沟槽，位于抛光轨迹区内的圆形中间区的沟槽间距为D1，沟槽深度为H1；位于环形抛光轨迹区的沟槽间距为D2，沟槽深度为H2；位于抛光轨迹区外部环形外缘区的沟槽间距为D3，沟槽深度为H3；其中0.25D1≤D2<D1、D2<D3≤D1，H1<H2≤1.5H1、H1≤H3<H2；优选地，所述圆周向沟槽深度H1＝H3；优选地，所述圆周向沟槽间距D1＝D3。
3.根据权利要求1或2所述的带有优化沟槽的化学机械抛光垫，其特征在于，所述径向沟槽：径向沟槽呈中心对称分布，数量为m条，0<m≤10，径向沟槽呈放射状由最靠近抛光垫圆心方向的沟槽处沿半径方向向外延伸，至抛光轨迹区与环形外缘区交界处的沟槽处，由一条沟槽发散为至少两条放射状沟槽，优选为2～4条。
4.根据权利要求3所述的带有优化沟槽的化学机械抛光垫，其特征在于，所述圆周向沟槽为沿抛光垫中心向外扩散的圆周向沟槽，优选为同心多边形或同心圆形状。
5.根据权利要求3所述的带有优化沟槽的化学机械抛光垫，其特征在于，所述圆周向沟槽和所述径向沟槽的沟槽宽度相同，优选为0.2～0.7mm。
6.根据权利要求3所述的带有优化沟槽的化学机械抛光垫，其特征在于，所述径向沟槽的深度为0.2～1.0mm。
7.根据权利要求3所述的带有优化沟槽的化学机械抛光垫，其特征在于，所述至少两条放射状沟槽为直线状或曲线状，优选地，所述位于外侧的直线状放射状沟槽的直线方向与半径方向的夹角或曲线状放射状沟槽的曲线切线方向与半径的夹角为θ，且0°<θ≤60°。
8.根据权利要求3所述的带有优化沟槽的化学机械抛光垫，其特征在于，所述分别位于环形抛光轨迹区、位于抛光轨迹区内的圆形中间区及抛光轨迹区外部的环形外缘区的三部分沟槽各自独立地沟槽间距相同；优选地，所述圆形中间区占所述抛光垫半径长度的1/4～1/3，环形抛光轨迹区占所述抛光垫半径长度的1/3～1/2，抛光轨迹区外部的环形外缘区占所述抛光垫半径长度的1/4～1/3。
9.根据权利要求3所述的带有优化沟槽的化学机械抛光垫，其特征在于，所述抛光层材料选自链段嵌段共聚物或聚氨酯弹性体中的至少一种。
10.权利要求1-9任一项所述的带有优化沟槽的化学机械抛光垫在化学机械平坦化中的应用，优选在铜晶片、蓝宝石、硅片、晶圆的化学机械抛光。
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