CN1519894A - 抛光垫及制造半导体器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抛光垫及制造半导体器件的方法。本发明公开的CMP中使用的抛光垫没有研磨料并且包括可形成微孔和/或凹坑部分的材料，二者均具有0.05μm到290μm范围的平均直径并且占据基于所述垫整个体积为0.1体积％到5体积％的区域(11)；以及有机材料(10)。

Description

抛光垫及制造半导体器件的方法
发明的背景
本发明涉及抛光垫及半导体器件的制造方法，特别涉及在CMP(化学机械抛光)中使用的抛光垫及使用抛光垫制造半导体器件的方法。
近些年来，伴随着进一步增加LSI集成度的趋势，使布线进一步精细的技术现在已快速发展到设计尺度小于0.1μm的程度。此外，为了减小RC布线的延迟，有必要使用新型材料。在这种情况下，现在已尝试使用低电阻(ρ：1.8μΩcm)的Cu作为导电材料，并使用低相对介电常数(k：＜2.5)的绝缘膜作为电绝缘材料。
在大多数情况中，通过使用CMP技术将Cu布线埋置在绝缘膜中，从而形成金属镶嵌布线。通常以下面的方式进行该CMP：料浆输送到要抛光的表面(下文称做抛光表面)并且使抛光垫接触抛光表面并旋转以进行抛光。此时，抛光性能主要受抛光垫的表面可以保留的料浆量以及料浆中所含研磨料颗粒的粒径影响。
例如，如果使用含较粗研磨料颗粒的料浆进行抛光，那么一般抛光之后在抛光表面上产生划痕。目前，虽然使用溶胶-凝胶法产生的胶体氧化硅的初级粒子的直径可以控制到0.02μm(1σ：0.005μm)，取决于条件，特别是当将具有这种分散在溶剂中的胶体氧化硅的料浆静止放置时，初级粒子絮凝，由此形成具有10μm或更大的最大直径的粗次级粒子。实际上，当料浆中存在具有1μm左右直径的粗粒时，对划痕的产生影响很大。
即使当使用其内没有包含研磨料颗粒的料浆进行CMP时，很可能由源自半导体衬底剥落、尘埃以及反应产物的微米数量级粒径的颗粒会产生划痕。
无论怎样，由于抛光而在抛光表面产生的划痕会造成电路短路，由此引起半导体器件故障。因此，希望在抛光垫的表面上仅保留较小的颗粒或能够有助于抛光的有效颗粒，并且需要从抛光垫的表面上很快地除去直径大于所需直径的粗颗粒以及如尘埃等会产生瑕疵的任何因素。
此外，在大多数情况中，将埋置如Cu的导电材料的低相对介电常数的绝缘膜由含有机成分的疏水材料形成。因此，当埋置导电材料以露出具有低相对介电常数的绝缘膜表面时，抛光摩擦增加，由此发生膜剥离。由于膜剥离所产生的物质具有的尺寸与料浆中存在的粗粒的尺寸基本相同，作为抛光处理的结果，它们会在抛光表面上产生划痕。此外，由于疏水材料易于吸收粗粒，因此划痕会更厉害地产生或者会变成核，通过该核产生膜剥离。
虽然可以通过使用软抛光垫抑制划痕，但是满足磨蚀应限制到不大于300埃的严格的半导体设计规则可能是很困难的。由于该原因，目前使用具有150MPa或更高的压缩弹性模量的硬抛光垫。
常规硬抛光垫的设计主要基于减小磨蚀，例如可以从IC1000(商品名，Rodel Nitta Co.，Ltd.)看到。在这种常规的硬抛光垫中，通过含有微孔(孔隙)或水溶性固体材料实现研磨料颗粒的保留，其中孔隙或固体材料的体积被设置为大于抛光垫的基体的总体积的5％。
还提出使用控制单位面积的大和小微孔数量的抛光垫。具体而言，具有0.3mm或更大平均孔径的闭孔数量被控制到一个/cm2或更多，而具有0.1mm或更小平均孔径的闭孔数量被控制到100/cm2或更少。
然而，当使用这种抛光垫进行抛光时，现已认为在抛光工艺中很难足够地减少划痕的产生。
顺便提及，对于含研磨料颗粒的抛光垫，现已提出将抛光垫中微孔的比例控制到5体积％或更大，以便增加研磨料颗粒的分散能力并确保稳定的抛光性能。由于该抛光垫为固定研磨料颗粒的抛光垫，因此不是通过提供料浆而是通过仅提供水进行抛光。因此，使用这种抛光垫时，实际上，进行抛光时，不仅不必考虑抛光垫表面上保留的料浆量，而且不必考虑料浆与抛光垫的相互作用。
发明概述
本发明一个实现方案的CMP垫是不合研磨料，并且包括：
可形成微孔和/或凹坑部分的材料，其都具有从0.05到290μm的平均直径，并占据了基于垫整个体积的0.1体积％到5体积％的区域；以及
有机材料。
根据本发明一个实现方案的制造半导体器件的方法包括：
在半导体衬底上形成处理膜(treating film)；以及
在将料浆输送到处理膜上的同时对处理膜进行抛光处理，抛光垫包括基体以及分散在基体中的可形成微孔和/或凹坑部分的材料，其都具有从0.05到290μm的平均直径，分散于基体中，并占据了基于垫整个体积的0.1体积％到5体积％的区域，基体具有面对处理膜的主表面并具有5μm或更小的粗糙度。
附图简介
图1A和1B分别示意性地示出了抛光垫的截面和表面的特征的剖面图；
图2A到2C的每个图图示出了根据本发明的一个实现方案的半导体器件的制造方法的剖面图；
图3示出了根据本发明的一个实现方案的半导体器件的制造方法的透视图；
图4A和4B的每个图示出了根据本发明的另一个实现方案的半导体器件的制造方法的剖面图。
本发明的详细说明
接下来，更详细地介绍根据本发明的各实现方案。
本发明人现已发现，为了使已输送到抛光垫表面的料浆有效地涂覆到要处理的表面(下文简称为处理表面)并进行处理表面的抛光，同时抑制在处理表面上划痕的产生，应该针对分散在抛光垫基体中的可形成微孔和/或凹坑部分的材料占据区域的比例和其平均直径实施控制和优化。顺便提及，术语“分散”是指可形成微孔和/或凹坑部分的材料分布在整个基体中，同时基本保持了它们自身的各自的尺寸，同时没有相互絮凝。
此外，术语“可形成凹坑部分的材料”表示抛光操作期间接触水时可以溶解在水中，由此使在抛光垫的表面上能够形成凹坑部分的水溶性固体材料。此时，形成在抛光垫表面上的凹坑部分可以为水溶性固体材料的轮廓。然而在抛光垫的内部，水溶性固体材料仍被保留于其位置处。
当可形成微孔和/或凹坑部分的材料占据的区域比例被限制在预定范围内时，抛光垫能够具有以下功能。即，由于提供了这种微孔，因此可以使料浆可靠地保留在抛光垫的表面上，由此为抛光垫提供了适当的柔韧性。对于水溶性固体材料，存在于抛光垫表面的水溶性固体材料以与以上提到的微孔相同的方式起作用，而存在于抛光垫内部的那些其他的水溶性固体材料起为抛光垫提供了适当的硬度的作用。
图1A和1B是各自示意性地示出了抛光垫的截面和表面的特征的剖面图，其中图1A示出了整形步骤之前的特征，而图1B示出了整形步骤之后的特征。
如图1A所示，由微孔或水溶性固体材料组成的区域11分散在整个有机材料制成的基体10中。抛光垫的表面不仅由由于以上提到的区域11的存在而产生的台阶部分12构成，而且由域部分(field portion)13构成。根据分散在抛光垫中的区域11的尺寸和密度决定台阶部分12的高度和密度。域部分13可以被假定为基体的主表面，该面在抛光处理期间面向处理膜。
在抛光垫的表面上整形的结果，如图1B所示，在域部分13的表面上产生细微的粗糙度。抛光垫的表面粗糙度Ra一般应被限制到5μm或更小，更优选在1到3μm的范围内。如果不进行抛光垫的整形，那么抛光垫的表面粗糙度Ra将为0.05μm或更小，由此可能难以保持足够的料浆。不管料浆的种类如何，整形之后抛光垫的表面粗糙度Ra优选被限制在以上提到的范围内。即，为了通过使抛光垫的表面具有亲水性而加强料浆和抛光垫表面之间的相互作用，即使当使用不含研磨料颗粒的料浆时，表面粗糙度Ra优选限制在5μm或更少。
特别是当使用含研磨料颗粒的料浆时，如果使用能够容易地保留粗研磨料颗粒的抛光垫，那么更可能在抛光期间容易在抛光表面上形成划痕。这种抛光垫的一个例子是其内包含过多微孔或水溶性固体材料的抛光垫。在表面上有保持粗颗粒位置的抛光垫，例如具有0.3mm或更大直径的闭孔的抛光垫使划痕的产生同样很难被抑制。
对于根据本发明的实现方案的抛光垫，在整个抛光垫的基体分布的仅是由每一者均具有预定直径的微孔和/或水溶性固体材料组成的区域，因此研磨料颗粒并未包含其内。即，根据本发明的一个实现方案，抛光垫定义为包括微孔和/或水溶性固体材料，二者均具有从0.05μm到290μm的平均直径，并占据了基于抛光垫整个体积的0.1体积％到5体积％的区域，其余由有机材料形成，由此可以抑制在抛光表面上产生划痕。
水溶性固体材料的平均直径是指包含在抛光垫中的水溶性固体材料的平均直径，而微孔的平均直径是指从可以在抛光垫的表面上或通过切割抛光垫得到的抛光垫的截面上通过SEM观察的微孔的测量得到的值。
基体通常由有机材料的凝固体构成，这是由于易于将其模制成需要的结构并且向其提供适当程度的硬度和弹性。至于有机材料的例子，它们包括热塑性树脂、弹性体、橡胶以及可固化的树脂(通过热或光的作用可以固化的树脂，例如热可固化树脂，光可固化树脂)。这些材料可以单独或以其任意组合使用。
至于热塑性树脂的具体例子，它们包括例如1，2-聚丁二烯树脂、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、如聚乙烯的聚烯烃树脂、如聚苯乙烯和ABS树脂的苯乙烯基树脂、聚丙烯酸树脂{(甲基)丙烯酸酯基树脂}、乙烯基酯基树脂(不包括丙烯酸树脂)、聚酯基树脂、聚酰胺基树脂以及聚缩醛树脂。
至于弹性体的具体例子，它们包括例如二烯弹性体；聚烯烃弹性体(TPO)；苯乙烯型嵌段共聚物基弹性体例如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)及其氢化嵌段共聚物(SEBS)；热塑性弹性体例如热塑性聚氨酯基弹性体(TPU)、热塑性聚酯基弹性体(TPFE)以及聚酰胺基弹性体(TPAE)；硅树脂基弹性体；以及氟树脂基弹性体。
至于橡胶的具体例子，它们包括例如聚丁二烯橡胶(高顺式丁二烯橡胶、低顺式丁二烯橡胶等)、异戊二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、如苯乙烯-异戊二烯橡胶的共轭二烯基橡胶、腈基橡胶例如丙烯腈-丁二烯橡胶、丙烯酸橡胶、乙烯-丙烯橡胶、乙烯-α-烯烃基橡胶例如乙烯-丙烯-二烯基橡胶、丁基橡胶、硅橡胶、含氟橡胶等。
至于可固化树脂的具体例子，它们包括例如聚氨酯树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯-尿素树脂、尿素基树脂、硅基树脂、酚醛树脂以及乙烯基酯树脂。
这些有机材料可以通过引入以下基团改性：酸酐基团、羧酸基团、羟基基团、环氧基基团或氨基基团。通过这种改性，对这些有机材料与下文要讨论的水溶性固体材料或料浆的亲合力进行调整是可能的。
虽然这些有机材料可以部分或完全交联以将它们转变成交联的聚合物，但是它们可以是未交联的聚合物形式。此外，基体可以仅由交联的聚合物构成或由交联的聚合物和未交联的聚合物组成的混合物构成。对于交联的方法没有特别限定，因此可以是使用有机过氧化物、硫或硫化合物的化学交联，或者使用电子束照射的辐射引发的交联。
措辞“水溶性固体材料”中的术语“水溶性”表示当物质接触水时物质可以被从基体中释放出来的物质的特性。因此，水溶性固体材料的范围不仅包括可溶于水的物质例如水溶性聚合物，而且也包括例如与水接触时相当容易溶胀(凝胶化)、因此可以容易地被从基体中释放出来的吸水树脂的物质。如下面将解释的，这种水溶性固体材料的形式是由预定尺寸并通常分散在整个基体中的颗粒形成。这种水溶性固体材料无论其种类(即为无机或有机)都很有用。
至于有机水溶性固体材料的例子，它们包括糊精、环糊精、甘露醇、糖(乳糖)、纤维素(羟基丙基纤维素、甲基纤维素等)、淀粉、蛋白质、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯磺酸盐、聚丙烯酸、聚环氧乙烷、水溶性光敏树脂、磺化聚异戊二烯等。
至于无机水溶性固体材料的例子，它们包括乙酸钾、硝酸钾、碳酸钾、碳酸氢钾、溴化钾、磷酸钾、硫酸钾等。
由于有机水溶性固体材料和无机水溶性固体材料可溶于水，因此它们不能抛光处理衬底。
为了调整这些水溶性固体材料从基体中的洗脱，可以对这些水溶性固体材料进行耦合处理和/或涂覆处理。
这些水溶性固体材料可以根据与基体的组合合适地选择并单独地使用或两者或多种组合使用。特别优选使用选自以下组中的至少一种物质作为基体：1，2-聚丁二烯树脂、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚乙烯、聚酯树脂、二烯弹性体、聚烯烃弹性体、苯乙烯型嵌段共聚物基弹性体、热塑性聚氨酯基弹性体、共轭二烯基橡胶、乙烯-α-烯烃基橡胶、以及聚氨酯树脂，并使用选自以下组中的至少一种物质作为水溶性固体材料：糊精和环式糊精，随后将如此选择的水溶性固体材料分布遍及如此选择的基体中。
可以按照以下方法制造包括基体和在基体中分布的水溶性固体材料的抛光垫。首先，将构成基体的有机材料熔化，同时，将水溶性固体材料与有机材料捏合以得到用于抛光垫的原料。然后，如果不需要进行有机材料的交联，将该原材料冷却并制成例如直径为600mm的盘形片，由此得到其内分散有水溶性固体材料的抛光垫。
另一方面，当需要将有机材料交联时，可以根据需要使用化学交联剂并与有机材料一起捏合，从而将化学交联剂添加到用于抛光垫的原料中。当要进行交联时，将原料加热到对实施有机材料的交联所需要的预定温度或对原料进行辐射照射，从而使有机材料的交联反应发生。此后，以上面介绍的相同方式，将原料冷却并制成例如直径为600mm的盘形片，由此得到其内分散有水溶性固体材料的抛光垫。
为了有效地保留料浆，可以在抛光垫的表面上形成沟槽。虽然对沟槽的结构没有任何特殊限制，它们可以是螺旋形的、同心的、类似格子的或类似点的图案的结构。另外地，沟槽的结构可以是这些结构的组合。这些沟槽可以在板的表面上例如通过切割形成。另外，可以使用形成有沟槽的模具对板进行成型，由此在将板成型的同时形成沟槽。
以下介绍制造抛光垫的一个例子，其中使用Pelprene S-2001(商品名；热塑性聚酯弹性体：Toyo Bouseki Co.，Ltd.)作为有机材料，使用多种平均直径的Dexyparl(商品名；水溶性固体材料β-环糊精：YokohamaInternational Bio-Research Institute)作为水溶性固体材料。
首先，在210℃的温度下加热Pelprene S-2001以熔化PelpreneS-2001，同时将用做水溶性固体材料的Dexyparl添加到Pelprene S-2001，随后将所得混合物捏合得到用于抛光垫的原料。冷却之后，将该原材料制成直径为600mm的盘形片，这样制造了32种抛光垫，即No.1到No.32。此外，除了没有将任何种类的水溶性固体材料混入Pelprene S-2001内之外，重复以上介绍的相同工序，由此制造了抛光垫No.33。这些抛光垫的厚度都被设置为约2mm。
此外，制备具有20μm的平均直径的微孔并以整个抛光垫体积的3体积％的比例分布的聚氨酯抛光垫No.34。
抛光垫No.1到No.34的压缩弹性模量都为约300MPa。
                      表1
    抛光垫             水溶性固体材料
   平均直径(μm)     含量(体积％)
    1    0.01     5
    2    0.05     5
    3    0.1     5
    4    1     5
    5    10     5
    6    50     5
    7    100     5
    8    200     5
    9     250     5
    10     280     5
    11     290     5
    12     300     5
    13     310     5
    14     320     5
    15     350     5
    16     400     5
    17     500     5
    18     0.1     0.05
    19     0.1     0.1
    20     0.1     1
    21     0.1     4
    22     0.1     6
    23     50     0.05
    24     50     0.1
    25     50     1
    26     50     4
    27     50     6
    28     290     0.05
    29     290     0.1
    30     290     1
    31     290     4
    32     290     6
    33     -     -
    34     20     3
当通过电子显微镜观察抛光垫No.6的表面时，证明在1cm2的区域中没有直径300μm或更大的水溶性固体材料存在。即，假设分散在由有机材料制成的不可磨抛的整个基体内的水溶性固体材料颗粒没有絮凝或形成较大的颗粒，而是分别以单个个体形式分开分布在基体中。
根据本发明的该实现方案的抛光垫可以被适当地用于形成Cu金属镶嵌布线。
下面参考图2A到2C介绍形成该Cu金属镶嵌布线的工序。
首先，如图2A所示，将阻挡金属膜105和布线材料膜106沉积在其上具有半导体元件(未示出)的半导体衬底100上，无机绝缘膜101与绝缘叠置膜103和104被置于其中间。
形成无机绝缘膜101从而使由钨(W)形成的栓塞102被埋置其内。叠置的绝缘膜包括具有小于2.5相对介电常数的第一绝缘膜103，以及沉积在第一绝缘膜103上并具有高于第一绝缘膜103的相对介电常数的第二绝缘膜104。
可以通过使用选自以下组中的至少一种物质形成第一绝缘膜103：具有硅氧烷骨架的化合物(例如聚硅氧烷、氢硅倍半氧烷(silsesquioxane)、聚甲基硅氧烷和甲基硅倍半氧烷)的膜；主要含有有机树脂(例如聚亚芳基醚、聚苯并噁唑和聚苯并环丁烯)的膜；以及如多孔硅石膜的多孔膜。在该实现方案中，使用LKD 5109(JSR Co.，Ltd)形成厚度2000埃的第一绝缘膜103。
沉积在第一绝缘膜103上的第二绝缘膜104起罩盖绝缘膜的作用，并且可以通过使用具有不小于2.5的相对介电常数并且选自以下组中的至少一种物质形成的绝缘膜形成：例如SiC、SiCH、SiCN、SiOC、SiN和SiOH。由这些材料形成的第二绝缘膜104的表面为疏水性。在本实现方案中，使用黑金刚石(AMAT Co.，Ltd)形成第二绝缘膜104以具有1000埃的厚度。
布线沟槽A在叠置的绝缘膜103和104中形成之后，通过溅射法和镀覆，将阻挡金属膜105和布线材料膜106沉积在衬底的整个表面上。阻挡金属膜105可以由厚度200埃的TaN膜形成，布线材料膜106可以由厚度5000埃的Cu膜形成。
顺便提及，在图2A所示的实现方案中，虽然其上形成有阻挡金属膜105和布线材料膜106的绝缘膜由包括第一绝缘膜103和第二绝缘膜104的叠置结构构成，这种绝缘膜可以由单层的绝缘膜形成。
接下来，通过CMP除去阻挡金属膜105和布线材料膜106的多余部分以露出第二绝缘膜104的表面。该CMP在两个步骤中进行，即除去布线材料106(第一次抛光)以及除去阻挡金属膜105(第二次抛光)。
(第一次抛光)
首先，在下面的条件下进行CMP以露出阻挡金属膜105的表面，如图2所示。
料浆：CMS 7303/7304(JSR Co.，Ltd)
料浆的输送速率：250cc/min；
抛光垫：IC1000(商品名，Rodel Nitta Co.，Ltd.)；
载荷：300gf/cm2。
载座的旋转速度和转盘的旋转速度都设置为100rpm，抛光延续一分钟。由于此处的抛光被阻挡金属膜105终止，因此可以防止疏水的第二绝缘膜104露出，使用常规的抛光垫(IC1000)进行抛光。然而，也可以使用本发明各实现方案的抛光垫进行抛光。
(第二次抛光)
接下来，通过抛光除去放置在第二绝缘膜104上的那部分阻挡金属膜105，以露出第二绝缘膜104的表面(整形步骤)，如下所述。
首先，使用块状金刚石整形器#80(Noritake Co.，Ltd.)修整如上所述制造的34种抛光垫。
整形器压力：100gf/cm2；
整形器的旋转速率/转盘的旋转速度：20rpm/20rpm；
水的流速：300cc/min；
整形时间：60秒。
整形后抛光垫表面的域部分13的表面粗糙度Ra被限制在1到3μm的范围内。
在整形步骤中，需要除去第一次抛光中在抛光表面上产生的划痕，同时减小第一次抛光中产生的磨蚀和台阶部分。通过使用表面适度粗糙并且其基体具有适当硬度的抛光垫可以实现这些要求。
通过进行表面整形可以提供适当程度的表面粗糙度。通常，这可以通过使用颗粒尺寸限制到#50到#500左右的金刚石整形器修整基体表面获得，在此基体的表面被机械地粗糙化或切除以得到具有约5μm或更小表面粗糙度Ra的抛光垫(域部分13)。该整形之后抛光垫的表面状况应变成如图1B所示。
顺便提及，对于微孔的平均直径较大或者抛光垫中的微孔体积比例较高的常规抛光垫，整形期间由于抛光垫中基体的区域减小，抛光垫有可能变形。结果，有可能使抛光垫不能充分地接受整形器的机械作用，从而使其难以得到对应于整形器的磨料粒度的合适的表面粗糙度。然而在本发明各实现方案中，由于要分散在整个基体内的水溶性固体材料的平均直径和体积比例限制在合适的范围内，因此使容易地得到合适的表面粗糙度成为可能。
可以想像在抛光步骤期间随着在抛光压力下抛光垫被压向抛光表面，具有5μm或更小的高度或深度并且通过整形形成在抛光垫表面上的凸起/凹陷部分可能变形，由此基本上使突起/凹陷部分消失。然而，突起/凹陷部分一旦不受到抛光压力，该突起/凹陷部分将恢复它的初始结构并快速除去具有10μm或更大颗粒直径的粗研磨料颗粒，并使它仅保留被防止变成粗颗粒的研磨料颗粒(有助于抛光的有效研磨料颗粒)。
为了通过从抛光垫的表面快速除去粗研磨料颗粒以将划痕减至最少，抛光垫的压缩弹性模量应优选被限制在100到600MPa的范围内，更优选300到600MPa。只要满足压缩该弹性模量条件，那么可以为抛光垫提供有作为下层的suba 400(商品名，Rodel Nitta Co.，Ltd.)。
通过使用如上所述进行整形的上述抛光垫No.1到No.34，进行抛光以露出第二绝缘膜104的表面，如图2C所示。
如图3所示，在该抛光步骤中，在300gf/cm2的负载下使由顶圈303支持的半导体衬底302与放置在转盘300上的抛光垫301压力接触，转盘300和顶圈303都以100rpm的旋转速度旋转。此时，料浆307被以200cc/min的流速从料浆提供口305输送到抛光垫301上，进行抛光一分钟。顺便提及，图3也示出了对抛光垫301进行整形的整形器306以及纯水提供口304。
料浆307制备如下。即，5％重量的胶态二氧化硅(初级粒子直径：20nm)分散到纯水中以得到分散液。此外，添加KOH到分散液中作为pH调节剂以将分散液的pH调节到约9。此外，将0.1wt％的H2O2作为氧化剂和1wt％的乳酸作为添加剂添加到分散液中。在40℃的温度下加热所得混合物60分钟以制备加速了颗粒絮凝的料浆。现已证实所得料浆包含具有1μm或更大颗粒直径和10,000/1cc比例的粗颗粒。对于通常在整形步骤中使用的常规料浆，具有1μm或更大颗粒直径的粗颗粒的比例为约100/1cc。在本实现方案中，使用含相当大量粗颗粒的料浆进行抛光，由此有意增强了料浆作用的严重程度以研究抛光垫的效果。
通过整形步骤，将布线材料膜106埋置在绝缘膜104中以形成具有0.1μm/0.1μm的线/空间的布线。使用KLA2139(KLA Co.，Ltd.)观察该布线的表面以研究划痕的产生。此外，也使用ALPHA-STEP200(TENCORINSTRUMENTS Co.，Ltd.)研究磨蚀的产生。得到的结果和TaN膜的抛光速率一起显示在下面的表2中。
                          表2
  抛光垫No.   划痕(每1cm2)   磨蚀()  TaN抛光速率(/min.)
  1   72   380  722
  2   19   290  872
  3   16   292  877
  4   10   210  850
  5   9   222  820
  6   16   243  855
    7     18     280     845
    8     6     290     800
    9     3     265     803
    10     7     260     810
    11     8     250     830
    12     22     290     821
    13     38     290     885
    14     51     382     830
    15     29     370     830
    16     76     280     827
    17     88     290     811
    18     680     433     672
    19     20     300     802
    20     15     300     854
    21     18     295     820
    22     32     254     777
    23     21     220     700
    24     20     210     862
    25     9     260     801
    26     8     285     896
    27     16     357     850
    28     88     200     800
    29     5     210     820
    30     15     254     824
    31     6     260     803
    32     28     350     895
    33     730     420     688
    34     10     220     810
应该注意如果抛光表面的1cm2面积中的划痕数量被限制到不多于20并且如果磨蚀的数量被限制到不高于300埃，作为产品是可以接受的。此外，从抛光稳定性的角度看，TaN的抛光速率需要不小于800埃/min。
如表2所示，发现包括平均直径在0.05μm到290μm的范围内并且占据的区域为基于抛光垫整个体积的0.1体积％到5体积％范围内的区域的水溶性固体材料的抛光垫(No.2-11、No.19-21、No.24-26、No.29-31以及No.34)满足了划痕和磨蚀方面的所有以上提到的标准。
对于其中水溶性固体材料的平均直径被限制在1到290μm的范围内并且水溶性固体材料占据的体积被限制在基于抛光垫整个体积的0.1体积％到5体积％的范围内的抛光垫(No.4-11，No.24-26以及No.29-31)，实际得到了优异的结果。从通过将水溶性固体材料的平均直径限制到以上提到的范围可以得到特别优异的结果这一事实，假设即使在其中仅包含微孔并且平均颗粒直径被控制在以上提到范围以内的抛光垫(No.34)中、或者是其中不仅包含水溶性固体材料也其中包含微孔并且其平均颗粒直径控制在以上提到范围的抛光垫中，可以得到相同的结果。可以使用含具有以上提到的具体特性的水溶性固体材料/微孔的抛光垫直到它的剩余厚度变成0.3mm左右。
为了确保在所有三个特性(即划痕、磨蚀以及抛光速率)方面都有优异的结果，分散在基体中的水溶性固体材料/微孔的体积比例优选被限制在基于抛光垫整个体积的1体积％到4体积％的范围内。此外，为了确保足够的寿命同时保持适当程度的抛光垫整形速度，水溶性固体材料的平均直径优选被限制在1到100μm的范围内。
然而，如果任何一种条件，即分散在基体中的水溶性固体材料/微孔的平均直径和体积比例落在本发明的各实现方案限定的以上提到的范围之外，那么对于划痕、磨蚀以及TaN抛光速率满足所有以上提到的条件将是不可能的。
当使用水溶性固体材料的平均直径小于0.05μm的抛光垫(No.1)时，不仅划痕的产生而且磨蚀都变得突出，而且，除此之外，不可能确保足够程度的TaN抛光速率。
另一方面，当使用其中包含在基体中的水溶性固体材料的平均直径超过290μm(No.12-17)的抛光垫时，那么划痕的产生变得突出。
此外，如果使用不含水溶性固体材料的抛光垫(No.33)，则产生了料浆或纯水的浸润的不均匀性。当考虑抛光垫的长期稳定性时，存在颗粒粘附到干抛光垫表面的可能性，由此有产生划痕的可能性。当水溶性固体材料的体积比例小于0.1vol.％(No.18、23和28)时，不可能期望提高抛光垫的可浸润性。另一方面，当水溶性固体材料的体积比例高于5体积％(No.22、27和32)时，曾经降低的划痕产生倾向于再次增加。这归因于由于允许水溶性固体材料过量存在，抛光垫的表面上存在大量粗颗粒捕获点的事实。
此外，如上所述，以使基体机械地粗糙化或切掉的方式进行抛光垫的整形。因此，如果抛光垫含有大量分布其内的微孔或水溶性固体材料，那么部分基体被大块消除，由此可以局部地形成大于5μm的凹坑部分。此外，整形的速度可以引起抛光垫寿命缩短的加速。
因此，根据本发明的各实现方案，分散在抛光垫中的水溶性固体材料/微孔的平均直径被限制在0.05到290μm的范围内并且水溶性固体材料/微孔占据的体积被限制在基于抛光垫整个体积的0.1体积％到5体积％的范围内。
顺便提及，通过考虑在料浆中存在的粗颗粒的颗粒尺寸可选地选择通过整形形成在抛光垫表面上细微的突起/凹坑部分的粗糙度数量级。如以上已经解释过的，抛光表面上划痕的产生主要由于存在粗颗粒，由此如果抛光垫不能保留这种粗颗粒，那么划痕的产生就可以减少。
此外，通过使用根据本发明各实现方案的抛光垫进行的抛光处理同样适用于形成STI(浅构槽隔离)。
参考图4A和4B介绍形成该STI的工序。
首先，如图4A所示，在其上形成有CMP终止膜201的半导体衬底200中形成构槽，然后，将绝缘膜202沉积在整个所得衬底上。此时，可以使用SiN作为CMP终止膜201。至于绝缘膜202，可以使用可以通过HDP(高密度等离子体)法形成的SiO2。另外，同样可以使用碳(C)作为CMP终止膜201，如有机SOG的涂覆型绝缘膜同样可以被作为绝缘膜202。在大多数情况下可以用做CMP终止膜201的碳和SiN为疏水性。此外，由于SiN具有近似等于等电点的ζ电位，抛光过程中CMP终止膜201易于产生划痕。
接下来，通过CMP除去绝缘膜202的过量部分以露出CMP终止膜201的表面，如图4B所示。该CMP的条件如下。对于抛光垫，制备泡沫聚酯的板(No.35)，其中具有200μm平均直径的微孔以2体积％的比例分布在整个板(即有机材料)内。
料浆：0.5重量％二氧化铈颗粒+0.01重量％聚丙烯酸+纯水(pH＝6)；
料浆的流速：300cc/min；
抛光垫：No.35；
载荷：300gf/cm2。
载座和转盘的旋转速度都被设置为100rpm，抛光延续1分钟。
为了比较，除了用IC1000代替No.35之外在相同的条件下进行绝缘膜202的抛光。该IC1000的制造以使具有约30μm的平均直径的微孔以约30体积％的比例分布在整个抛光垫内，并且压缩弹性模量约290MPa。
然后，在使用KLA2 139(KLA Co.，Ltd.)进行该抛光处理之后观察终止膜201的表面。由此，发现当使用IC1000时终止膜201表面上的划痕数量为88/晶片，当使用抛光垫No.35时划痕的数量减少到2/晶片。由这些事实可以确认通过使用根据本发明各实现方案的抛光垫可以显著减少抛光处理中划痕的产生。
顺便提及，即使抛光绝缘膜202时采用抛光垫No.2-11、19-21、24-26、29-31以及No.34，期望得到几乎与上面所述相同的效果。
此外，只要平均直径和分散比例被限制在以上提到的范围内，微孔可以与水溶性固体材料在基体中同时存在而基本上没有影响上面所述可以得到的优异效果。
如上所述，根据本发明的各实现方案，可以提供能够高速抛光处理表面同时使划痕和磨蚀的产生最小化成为可能的抛光垫，同时提供了使用这种抛光垫制造半导体器件的方法。
根据本发明，可以制造高性能和高速度的半导体器件，该器件提供有下一代布线中将要求0.1μm或更小的设计规则的布线，因此本发明从工业角度看很有价值。
本领域中的技术人员容易理解其它的优点和变型。因此，广义上本发明不限于这里显示和介绍的具体细节和代表性的实现方案。因此，可以对本发明进行多种修改而不偏离在附带的权利要求书及等价物所限定的本发明概括性概念的精神和范围。

Claims (20)

1.CMP垫，其特征在于没有研磨料，并且其特征在于其包括可形成微孔和/或凹坑部分的材料，二者都具有0.05μm到290μm范围内的平均直径并且占据基于所述垫整个体积的0.1体积％到5体积％的范围的区域(11)；以及有机材料(10)。
2.根据权利要求1的CMP垫，其特征在于CMP垫具有从100到600MPa的压缩弹性模量。
3.根据权利要求1的CMP垫，其特征在于CMP垫具有从300到600MPa的压缩弹性模量。
4.根据权利要求1的CMP垫，其特征在于基于所述垫的整个体积所述区域为1体积％到4体积％。
5.根据权利要求1的CMP垫，其特征在于可形成微孔和/或凹坑部分的材料分别具有从1到100μm的平均直径。
6.根据权利要求1的CMP垫，其特征在于有机材料包含选自1，2-聚丁二烯树脂、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚乙烯、聚酯树脂、二烯弹性体；聚烯烃弹性体、苯乙烯型嵌段共聚物基弹性体、热塑性聚氨酯基弹性体、共轭二烯基橡胶、乙烯-α-烯烃基橡胶以及聚氨酯树脂中的至少一种。
7.根据权利要求1的CMP垫，其特征在于可形成凹坑部分的材料为水溶性固体材料。
8.根据权利要求7的CMP垫，其特征在于水溶性固体材料为有机水溶性固体材料。
9.根据权利要求8的CMP垫，其特征在于有机水溶性固体材料由选自糊精和环糊精中的至少一种形成。
10.根据权利要求7的CMP垫，其特征在于水溶性固体材料为无机水溶性固体材料。
11.一种制造半导体器件的方法，包括：
在半导体衬底上形成处理膜；以及
在将料浆输送到所述处理膜上的同时使用抛光垫对所述处理膜进行抛光处理，
其特征在于所述抛光垫包括基体，和可形成微孔和/或凹坑部分的材料，二者均具有0.05μm到290μm范围的平均直径，分散在所述基体中，并且占据基于所述垫整个体积0.1体积％到5体积％的区域，所述基体具有面向所述处理膜的主表面，并且具有5μm或更小的粗糙度。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于处理膜为沉积在具有凹坑部分并沉积在上述半导体衬底上的绝缘膜上的导电膜，随后对所述处理膜进行所述抛光处理以形成埋置在所述凹坑部分中的布线层。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于导电膜包括Cu膜。
14.根据权利要求12的方法，其特征在于绝缘膜通过以下工艺形成：其中首先形成具有小于2.5的相对介电常数的第一绝缘膜，然后将相对介电常数高于所述第一绝缘膜的第二绝缘膜沉积在所述第一绝缘膜上。
15.根据权利要求14的方法，其特征在于第一绝缘膜由选自以下的材料形成：聚硅氧烷、氢硅倍半氧烷、聚甲基硅氧烷和甲基硅倍半氧烷、聚亚芳基醚、聚苯并噁唑、聚苯并环丁烯以及多孔硅石膜。
16.根据权利要求14的方法，其特征在于第二绝缘膜由选自SiC、SiCH、SiCN、SiOC、SiN和SiOCH的材料形成。
17.根据权利要求11的方法，其特征在于其还包括在所述半导体衬底上形成所述处理膜之前在所述半导体衬底上形成沟槽；所述处理膜为沉积在所属半导体衬底上的绝缘膜，并随后进行所述抛光处理以形成埋置在所述沟槽中的绝缘膜图案。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于绝缘膜由选自SiO2和有机SOG中的一种材料形成。
19.根据权利要求11的方法，其特征在于料浆含有研磨料颗粒。
20.根据权利要求11的方法，其特征在于所述可形成凹坑部分的材料由从基体中洗脱的水溶性固体材料形成，从而在所述抛光处理过程中在所述抛光垫的表面上形成凹坑部分。
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