CN1622289A - 具有高透光窗口的抛光垫 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了其中形成有窗口的化学机械抛光垫，其中该窗口是由脂肪族聚异氰酸酯，含羟基材料和固化剂的反应形成。

Description

具有高透光窗口的抛光垫
技术领域
本发明涉及用于化学机械平坦化(CMP)的抛光垫，且具体地，涉及在其中形成有窗口以便进行光学终点检测的抛光垫。
背景技术
在集成电路和其它电子器件的制造中，需要在半导体晶片的表面沉积或从其上除去多个导电，半导电，和电介质材料的层。可以通过许多沉积技术来沉积导电，半导电，和电介质材料的薄层。在现代加工中常见的沉积技术包括物理气相沉积(PVD)，也称为溅射，化学气相沉积(CVD)，等离子增强化学气相沉积(PECVD)，和电化学电镀(ECP)。
当依次沉积或去除材料层时，晶片最上面的表面会变得不平坦。由于随后的半导体加工(如镀覆金属)要求该晶片具有平坦的表面，因此需要对晶片进行平坦化处理。平坦化适用于去除不需要的表面形貌和表面缺陷，例如粗糙表面，团聚的材料，晶格损伤，划痕，和污染的层或材料。
化学机械平坦化，或化学机械抛光(CMP)是用于对基底如半导体晶片进行平坦化的常见技术。在传统的CMP中，将晶片安置在托架组件上并置于与CMP仪器中的抛光垫接触的位置。该托架组件可以向晶片提供可控的压力，从而将其压在抛光垫上。可以通过外部驱动力使该垫相对于晶片可选的移动(例如旋转)。与此同时，使化学组合物(“浆料”)或其它流体介质流到抛光垫上以及晶片和抛光垫之间的空隙中。由此通过垫表面和浆料的化学和机械作用将晶片表面抛光并使其平坦。
平坦化晶片中的一个重要步骤是测定该工艺的终点。因此，已开发了多种平坦化终点检测方法，例如，涉及晶片表面的光学原位测量的方法。该光学技术包括提供具有窗口的抛光垫，以选择光的波长。使光束穿过该窗口对准晶片表面，光束从晶片表面反射并反向穿过窗口到达检测器(例如分光光度计)。基于返回的信号，可以测定晶片表面的性质(例如膜厚)，以用于终点检测。
Birang等人在美国专利6,280,290中公开了具有聚氨酯塞形式的窗口的抛光垫。该垫具有一个开孔并用粘结剂将窗口安置于该开孔中。遗憾的是，对于许多平坦化条件，这些现有技术窗口的透光性妨碍了有效的终点检测或测量。这部分上是由于芳香二异氰酸酯基材料高的结晶度，例如二异氰酸甲苯酯(TDI)，二苯基甲烷(MDI)和它们的衍生物。这些芳香二异氰酸酯(TDI，MDI)是聚氨酯生产中最常用的两种。此外，使用芳香二胺固化剂例如亚甲基双-2-氯苯胺(MBOCA)可提高结晶度。此外例如MBOCA的固化剂的颜色典型为黄色至绿色，从而使(即在其上吸附)制得的聚合物呈现一定颜色。
例如，典型的现有技术窗口只能在450nm下提供约50％的透光率，而在430nm下仅能提供40％。在400nm下，该透光率急剧下降到约13％从而难于进行有效的(robust)原位终点检测或测量。
因此，存在对可用于在CMP期间在宽范围的波长特别是较短的波长下进行有效终点检测或测量的抛光垫和方法的需求。此外，存在对可减少固化剂使用的抛光垫和方法的需求。
发明内容
本发明提供了包括其中形成的窗口的化学机械抛光垫，其中该窗口是由含脂肪族聚异氰酸酯的材料形成。具体地，该窗口是由脂肪族聚异氰酸酯，含羟基材料和固化剂的反应形成的。对于化学机械抛光处理期间的终点检测，本发明的窗口显示了出乎意料和改善的激光信号透射性。
本发明的第一方面中，提供了化学机械抛光垫，该垫包括：在其中形成有用于终点检测的窗口的抛光垫；且其中该窗口是由脂肪族聚异氰酸酯，含羟基材料和固化剂的反应形成。
本发明的第二方面中，提供了用于化学机械抛光的设备，其中包括：支撑抛光垫的工作台，该抛光垫在其中形成有用于终点检测的窗口；将晶片压在抛光垫上的晶片托架；在晶片和抛光垫之间提供抛光流体的装置；且其中该窗口是通过使脂肪族聚异氰酸酯，含羟基材料和固化剂反应形成。
本发明的第三方面中，提供了形成化学机械抛光垫的方法，该方法包括：提供其中形成有用于终点检测的窗口的抛光垫；且其中该窗口是通过使脂肪族聚异氰酸酯，含羟基材料和固化剂反应形成。
附图说明
图1图解说明本发明的具有窗口的抛光垫；而
图2图解说明利用本发明的抛光垫的CMP系统。
具体实施方式
现在参照图1，其中显示了本发明的抛光垫1。抛光垫1包含底层2和顶层4。底层2可以由毡聚氨酯制成，例如Rodel，Inc.of Newark，DE生产的SUBA-IVTM。顶层4可以包含聚氨酯垫(例如用微球填充的垫)，例如Rodel生产的IC1000TM。压敏粘结剂薄层6将顶层4和底层2固定在一起。
在一个典型实施方案中，将一个完整的底层2(即没有在层2中形成开口)的上表面用压敏粘结剂6涂覆。然后在底层2和压敏粘结剂6上提供一个完整的顶层44。或者，顶层4可以在将顶层4与压敏粘结剂6结合之前已经包含一个开口8。随后，在底层2中形成开口10。这个开口10的形成除去了开口10内的压敏粘结剂6，从而在抛光垫1中存在一个开放沟槽。顶层4中的开口8比底层2中的开口10宽。这形成了一个被压敏粘结剂6覆盖的支架12。随后，在支架12上的压敏粘结剂6上安置一个透明玻璃块14。该透明窗口块14完全充满顶层4中的开口8。因此，来自激光分光光度计(未显示出)的激光可以直接穿过开口10和透明窗口块14，并照射到晶片或基底上以便进行终点检测。
在本发明的典型实施方案中，窗口4是由含脂肪族聚异氰酸酯的材料(“预聚物”)制成。该预聚物是脂肪族聚异氰酸酯(例如二异氰酸酯)和含羟基材料的反应产物。然后用固化剂使该预聚物固化。优选的脂肪族聚异氰酸酯包括但不限于，亚甲基双4，4’-环己基异氰酸酯，环己基二异氰酸酯，异佛尔酮二异氰酸酯，六亚甲基二异氰酸酯，亚丙基-1，2-二异氰酸酯，四亚甲基-1，4-二异氰酸酯，1，6-六亚甲基-二异氰酸酯，十二烷-1，12-二异氰酸酯，环丁烷-1，3-二异氰酸酯，环己烷-1，3二异氰酸酯，环己烷-1，4-二异氰酸酯，1-异氰酸基-3，3，5-三甲基-5-异氰酸甲酯基环己烷，甲基亚环己基二异氰酸酯，六亚甲基二异氰酸酯的三异氰酸酯，2，4，4-三甲基-1，6-己烷二异氰酸酯的三异氰酸酯，六亚甲基二异氰酸酯的氨基甲酸乙酯(uretdione)，亚乙基二异氰酸酯，2，2，4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯，2，4，4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯，二环己基甲烷二异氰酸酯，和它们的混合物。优选的脂肪族聚异氰酸酯具有小于14％的未反应异氰酸酯基。
优选的含羟基材料是多元醇。典型的多元醇包括但不限于，聚醚多元醇，羟基封端聚丁二烯(包括部分/全部氢化衍生物)，聚酯多元醇，聚己内酯多元醇，和聚碳酸酯多元醇。
在一个优选的实施方案中，该多元醇包括聚醚多元醇。实例包括但不限于，聚四亚甲基醚醇(“PTMEG”)，聚乙二醇丙二醇，聚氧化丙二醇，和它们的混合物。该烃链可以具有饱和或不饱和键或者可具有取代或未取代的芳香或环基。本发明的多元醇优选包括PTMEG。适合的聚酯多元醇包括但不限于，聚己二酸亚乙基酯二醇，聚己二酸亚丁基酯二醇，聚己二酸亚乙基亚丙基酯二醇，邻苯二甲酸酯-1，6-己二醇，聚(六亚甲基己二酸酯)二醇，和它们的混合物。该烃链可以具有饱和或不饱和键或者具有取代或未取代的芳香或环基。适合的聚己内酯多元醇包括但不有限于，1，6-己二醇-引发的(initiated)聚己内酯，二乙二醇引发的聚己内酯，三羟甲基丙烷引发的聚己内酯，新戊二醇引发的聚己内酯，1，4-丁二醇引发的聚己内酯，PTMEG引发的聚己内酯，和它们的混合物。该烃链可以具有饱和或不饱和键或者具有取代或未取代的芳香或环基。适合的聚碳酸酯包括但不限于聚邻苯二甲酸酯碳酸酯和聚(六亚甲基碳酸酯)二醇。该烃链可以具有饱和或不饱和键或具有取代或未取代的芳香或环基取代。
该固化剂优选为多元二胺。优选的多元二胺(polydiamine)包括但不限于，二乙基甲苯二胺(“DETDA”)，3，5-二甲基硫代-2，4-甲苯二胺和它们的异构体，3，5-二乙基甲苯-2，4-二胺及其异构体，例如3，5-二乙基甲苯-2，6-二胺，4，4’-双-(仲丁基氨基)-二苯基甲烷，1，4-双-(仲丁基氨基)-苯，4，4’-亚甲基-双-(2-氯苯胺)，4，4’-亚甲基-双-(3-氯-2，6-二乙基苯胺)(“MCDEA”)，聚四氢呋喃-双-对氨基苯甲酸酯，N，N’-二烷基二氨基二苯基甲烷，p，p’-亚甲基二苯胺(“MDA”)，间苯二胺(“MPDA”)，亚甲基-双-2-氯苯胺(“MBOCA”)，4，4’-亚甲基-双-(2-氯苯胺)(“MOCA”)，4，4’-亚甲基-双-(2，6-二乙基苯胺)(“MDEA”)，4，4’-亚甲基-双-(2，3-二氯苯胺)(“MDCA”)，4，4’-二氨基-3，3’-二乙基-5，5’-二甲基二苯基甲烷，2，2’，3，3’-四氯二氨基二苯基甲烷，三亚甲基二醇二-对氨基苯甲酸酯，和它们的混合物。本发明的固化剂优选包括3，5-二甲基硫代-2，4-甲苯二胺和它们的异构体。适合的多胺固化剂包括伯胺和仲胺。
另外，也可以向前述的聚氨酯组合物中加入其它固化剂例如二醇，三醇，四醇，或羟基封端的固化剂。适合的二醇，三醇，和四醇基团包括乙二醇，二乙二醇，聚乙二醇，丙二醇，聚丙二醇，低分子量的聚四亚甲基醚二醇，1，3-双(2-羟基乙氧基)苯，1，3-双-[2-(2-羟基乙氧基)乙氧基]苯，1，3-双-{2-[2-(2-羟基乙氧基)乙氧基]乙氧基}苯，1，4-丁二醇，1，5-戊二醇，1，6-己二醇，间苯二酚-双-(β-羟乙基)醚，对苯二酚-二-(β-羟乙基)醚，和它们的混合物。优选的羟基封端固化剂包括1，3-双(2-羟基乙氧基)苯，1，3-双-[2-(2-羟基乙氧基)乙氧基]苯，1，3-双-{2-[2-(2-羟基乙氧基)乙氧基]乙氧基}苯，1，4-丁二醇，和它们的混合物。该羟基封端固化剂和胺类固化剂两者都可以包含一个或多个饱和，不饱和，芳香和环状基团。另外，该羟基封端固化剂和胺类固化剂可以包含一个或多个卤素基。可以用固化剂的共混物或混合物形成该聚氨酯组合物。然而如果需要，可以用单一固化剂形成该聚氨酯组合物。
因此，本发明提供了包括其中形成的窗口的化学机械抛光垫，其中该窗口由包含脂肪族聚异氰酸酯的材料形成。特别地，该窗口是由脂肪族聚异氰酸酯，含羟基材料和固化剂反应形成。对于化学机械抛光处理期间的终点检测，本发明的窗口显示了出乎意料和改良的激光信号透射性。
现在参照图2，提供了利用本发明的抛光垫的CMP设备20。设备20包括用于支撑或将半导体晶片24压至抛光工作台26的晶片托架22。抛光工作台26配有本发明包含窗口14的抛光垫1。如上面所讨论，垫1具有与工作台表面相接触的底层2，和协同化学抛光浆料抛光晶片24使用的上层4。应注意，虽然没有画出，但是可以在本设备中使用任何装置来提供抛光流体或抛光浆料。通常使工作台26绕其中心轴27旋转。另外，通常使晶片托架22绕其中心轴28旋转，并通过移动臂30使其在工作台26表面上平移。应注意，虽然在图2中只显示出一个晶片托架，但是CMP设备可以有一个以上沿抛光工作台周向隔开的晶片托架。另外，在工作台26中提供孔32并使其与垫1的窗口14重叠。因此，孔32提供了通过窗口14至晶片表面24的通路，从而在晶片24的抛光期间适合于进行精确的终点检测。换言之，在工作台26下面提供激光分光光度计34，该光度计可发射激光36通过孔32和高透光窗口14进入和返回以便在晶片24的抛光期间进行精确的终点检测。
实施例
在实施例中，数字代表本发明的实施例而字母代表对照实施例。在本试验中，使用Gretag Macbeth 3000A分光光度计在360nm至750nm的波长范围上测量本发明的示例窗口的透光百分比。特别地，对由包含脂肪族二异氰酸酯的材料形成的窗口相对于由包含芳香二异氰酸酯的材料形成的窗口进行测量。对于测试A，将100份保持在120°F下的预聚物同26份保持在240°F下的固化剂在液槽中混合并在真空(＜1托)下脱气。然后将该混合物注入模具并在220°F下固化18小时。对于测试1-8，将100份保持在150°F下的预聚物与适量保持在室温下的固化剂在液槽中混合并在真空(＜1托)下脱气。然后将该混合物注入模具并在220°F下固化18小时。AdipreneLW520和LW570是Uniroyal Chemical，Inc.的注册商标而且是可以从市场上购得的包含脂肪族二异氰酸酯的预聚物。LW520具有4.6至4.9wt％的NCO而LW570具有7.35至7.65wt％的NCO。AdipreneL325是Uniroyal Chemical，Inc.的注册商标而且是可以从市场上购得的包含芳香二异氰酸酯的预聚物。LW325具有8.95至9.25wt％的NCO。
表1
  测试      预聚物(100重量份)   固化剂(重量份)   透光率360nm(％)   透光率400nm(％)   透光率450nm(％)   透光率550nm(％)   透光率650nm(％)   透光率750nm(％)
  A   Adiprene L325   MBOCA(26)     1     13     57     74     79     82
  1   Adiprene LW520   DETDA(9.6)     89     93     93     94     93     93
  2   Adiprene LW570   DETDA(15.1)     90     95     95     95     95     95
  3   Adiprene75％LW570/25％LW520   DETDA(13.8)     87     93     94     94     94     94
  4   Adiprene LW520   MCDEA(20)     84     92     94     95     95     95
  5   Adiprene LW570   MCDEA(31.7)     59     87     94     94     94     94
  6   Adiprene LW520   MBOCA(14.3)     10     55     87     92     94     94
  7   Adiprene75％LW570/25％LW520   MBOCA(20.6)     5     45     87     94     94     94
  8   Adiprene LW570   MBOCA(22.6)     1     21     69     85     90     92
如上面的表1所示，所有由含脂肪族二异氰酸酯的材料制成的窗口均可在360nm至750nm的波长范围上提供全面提高的透射百分比。测试2在360nm至750nm的整个波长范围上显示出至少90％的终点信号透射率。测试1，3和4在360nm至750nm的波长范围上提供了至少84％的透射率。测试5-8在450nm至750nm的波长范围上显示出至少69％的透射率值。事实上，测试5-7在450nm至750nm的波长范围上提供了至少87％的透射率值。相比之下，测试A在450nm至750nm的波长范围上显示出低至约57％的透射率值。在400nm下，测试1-8显示出至少21％的透射率值，而测试A显示仅13％的透射率值。
另外，如表1所示，在较低水平的固化剂含量下，脂肪族二异氰酸酯一般达到了所要求的硬度和透射率值，从而最大程度上减小了上面所述的固化剂的有害影响。例如，在测试1-4和6-8中，获得所要求的硬度的固化剂量小于测试A所需要的量，其中测试A需要26份固化剂才能达到的相同水平的硬度。
因此，本发明提供了在其中形成有窗口的化学机械抛光垫，其中该窗口是由包含脂肪族聚异氰酸酯的材料形成。特别地，该窗口是由脂肪族聚异氰酸酯，含羟基材料和固化剂的反应形成。现有技术的窗口在原位光学终点检测或测量系统的波长范围上具有较小的透光率，而本发明的窗口相比现有技术的窗口可提供更大的光信号强度(例如当光束离开/进入该窗口时的相对强度)。这些信号强度上的提高导致晶片表面参数的原位光学测量的显著提高。特别地，提高了终点检测的可靠性和测量精度。

Claims (10)

1.化学机械抛光垫，该垫包括：
具有其中形成的用于终点检测的窗口的抛光垫；且
其中该窗口是由脂肪族聚异氰酸酯，含羟基材料和固化剂的反应形成。
2.权利要求1的抛光垫，其中该脂肪族二异氰酸酯选自：亚甲基双4，4’-环己基异氰酸酯，环己基二异氰酸酯，异佛尔酮二异氰酸酯，六亚甲基二异氰酸酯，亚丙基-1，2-二异氰酸酯，四亚甲基-1，4-二异氰酸酯，1，6-六亚甲基-二异氰酸酯，十二烷-1，12-二异氰酸酯，环丁烷-1，3-二异氰酸酯，环己烷-1，3二异氰酸酯，环己烷-1，4-二异氰酸酯，1-异氰酸基-3，3，5-三甲基-5-异氰酸甲酯基环己烷，甲基亚环己基二异氰酸酯，六亚甲基二异氰酸酯的三异氰酸酯，2，4，4-三甲基-1，6-己烷二异氰酸酯的三异氰酸酯，六亚甲基二异氰酸酯的氨基甲酸乙酯，亚乙基二异氰酸酯，2，2，4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯，2，4，4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯，二环己基甲烷二异氰酸酯，和它们的混合物。
3.权利要求1的抛光垫，其中该含羟基的材料选自：聚醚多元醇，羟基封端的聚丁二烯，聚酯多元醇，聚己内酯多元醇，聚碳酸酯多元醇，和它们的混合物。
4.权利要求1的抛光垫，其中该固化剂选自：多元二胺，二醇，三醇，四醇，和它们的混合物。
5.权利要求1的抛光垫，其中该脂肪族聚异氰酸酯具有小于14％的未反应异氰酸酯基。
6.权利要求1的抛光垫，其中该窗口在400-750nm的波长范围上具有至少21％的透光率。
7.用于化学机械抛光的设备，其中包括：
支撑抛光垫的工作台，该抛光垫具有其中形成的用于终点检测的窗口；
将晶片压在抛光垫上的晶片托架；
在晶片和抛光垫之间提供抛光流体的装置；且
其中该窗口是通过使脂肪族聚异氰酸酯，含羟基材料和固化剂反应形成。
8.形成化学机械抛光垫的方法，该方法包括：
提供具有其中形成的用于终点检测的窗口的抛光垫；且
其中该窗口是通过使脂肪族聚异氰酸酯，含羟基材料和固化剂反应形成。
9.权利要求8的方法，其中该脂肪族聚异氰酸酯选自：亚甲基二4，4’环己基异氰酸酯，环己基二异氰酸酯，异佛尔酮二异氰酸酯，六亚甲基二异氰酸酯，亚丙基-1，2-二异氰酸酯，四亚甲基-1，4-二异氰酸酯，1，6-六亚甲基-二异氰酸酯，十二烷-1，1 2-二异氰酸酯，环丁基-1，3-二异氰酸酯，环己烷基-1，4二异氰酸酯，1-异氰酸基-3，3，5-三甲基-5-异氰酸甲基环己烷，甲基环己烷二异氰酸酯，六亚甲基二异氰酸酯的三异氰酸酯，2，4，4-三甲基-1，6-己烷二异氰酸酯的三异氰酸酯，六亚甲基二异氰酸酯的氨基甲酸乙酯，亚乙基二异氰酸酯，2，2，4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯，2，4，4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯，二环己基甲烷二异氰酸酯，和它们的混合物。
10.权利要求8的方法，其中该窗口在400-750nm的波长范围上具有至少21％的透光率。
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