CN1790625A - 具有排列的凹槽来提高抛光介质利用的化学机械抛光垫 - Google Patents

Abstract

一种抛光垫(104，304，404，504)，具有环形抛光轨迹(152，312，412，512)，它用来抛光晶片(120，316，416，516)。多个凹槽(112，320，420，520)排列在晶片轨迹内，使得它们在相对于抛光垫的旋转特性的径向和圆周上相互隔开，并且相对于抛光垫是至少部分非圆周的。

Description

具有排列的凹槽来提高抛光介质利用的化学机械抛光垫

发明领域

本发明一般涉及化学机械抛光(CMP)领域。具体地说，本发明涉及具有一些凹槽的CMP抛光垫，这些凹槽排列成能提高抛光介质利用率。

发明背景

在集成电路和其他电子器件的制造过程中，多层导电，半导体和介电材料被沉积到半导体晶片表面上，然后又从半导体晶片表面上清除。可以使用一些沉积技术沉积导电，半导体和介电材料薄层。现代晶片加工中的常规沉积技术包括物理蒸气沉积(PVD)(也被称为溅射)，化学蒸气沉积(CVD)，等离子体辅助的化学蒸气沉积(PECVD)和电化学镀等。常规清除技术包括湿法和干法的各向同性和各向异性蚀刻等。

随着材料层被顺序沉积和清除，晶片的最上层表面变得不平坦。由于随后的半导体加工(例如金属化)要求该晶片具有平坦表面，所以需要对该晶片进行平面化。平面化适合于清除不需要的表面形貌和表面缺陷，例如粗糙表面，成团材料，晶格损坏，划痕和被污染的层或材料。

化学机械平面化或即化学机械抛光(CMP)是用来使半导体晶片等工件平面化的常用技术。在常规CMP中，晶片载体或抛光头被固定在载体组合件上。抛光头握住晶片，使该晶片与CMP装置中抛光垫的抛光层接触。载体组合件在晶片和抛光垫之间提供受控的压力。同时使浆料或其他抛光介质在抛光垫上流动，流入晶片和抛光层之间的空隙中。为了进行抛光，抛光垫和晶片作相对运动，通常是转动。晶片表面由抛光层和表面上抛光介质的化学和机械作用而被抛光而变平。抛光垫在晶片下面旋转时，晶片通常扫过一环形的抛光轨迹(或称为抛光区域)，其中该晶片表面直接面对抛光层。

在设计抛光层时，需要考虑的重要问题中包括抛光介质在抛光层表面上的分布，新鲜抛光介质进入抛光轨迹的流动，用过的抛光介质从抛光轨迹中的流出，以及流过抛光区域基本未被利用的抛光介质的量等等。解决这些问题的一种方法是使抛光层具有凹槽。这些年来，实现了许多不同的凹槽图案和结构。现有技术的凹槽图案包括辐射状，同心圆状，笛卡儿格子状和螺旋状等。现有技术凹槽结构包括所有凹槽的深度都相同，以及各个凹槽深度都不相同的结构。

CMP的从业人员都知道，某些凹槽图案在达到类似材料清除速率的同时会导致高于其他图案的浆料消耗。不与抛光层外缘相连的圆形凹槽往往消耗比辐射状凹槽更少的浆料，辐射状凹槽在抛光垫旋转产生的力作用下为浆料到达垫的外缘提供了最短的可能路径。笛卡儿格子状凹槽则提供了到达抛光层外缘不同长度的路径，其到达外缘的路径长度处于前两种图案之间。

现有技术中公开了试图降低浆料消耗和使浆料在抛光层上的保持时间最大的各种凹槽图案。例如，Osterheld等人的美国专利第6241596号公开了一种转动型抛光垫，它具有从垫中心沿着辐射方向大体向外延伸的之字形凹槽。在一个实施方式中，Osterheld等人的抛光垫中包括矩形的“x-y”格子状凹槽。之字形沟道是通过选择性堵塞x和y方向凹槽之间的一些交叉部位，保持其他交叉部分不被堵塞而形成的。在另一个实施方式中，Osterheld等人的抛光垫中包括大量分隔的，基本呈辐射状的之字形凹槽。一般来说，在x-y格子状凹槽中形成的之字形沟道或者由分立的之字形凹槽形成的之字形沟道会阻止浆料流过相应的凹槽，至少是相对于未被阻隔的矩形x-y格子状凹槽和直线辐射状凹槽的那些凹槽。据称能增加浆料保持时间的另一种现有技术凹槽图案是一种螺旋形凹槽图案，预计能在垫旋转的力作用下向抛光层中心推动浆料。

目前对CMP的研究和模型建立，包括现有技术的计算机流体动力学模拟，已经发现，在具有固定或逐渐变化深度的凹槽网络中，有相当多浆料没有接触晶片，这是因为每个凹槽最深部分中的浆料在没有接触晶片时就流动离开了晶片。虽然凹槽必须具有随着抛光层表面的磨损而仍能可靠地传送浆料的最小深度，但是，任何过大的深度会使提供给抛光层的一些浆料未被利用，因为在传统抛光层中，工件下面存在连续不断的流路，其中流动的浆料没有参加抛光工作。因此，需要提出具有这样一种凹槽排列方式的抛光层，这种凹槽排列方式能降低抛光层上浆料的未利用量，从而减少浆料浪费。

发明概述

本发明一方面提供了一种抛光垫，它包括：a)抛光层，其结构能在抛光介质存在条件下，抛光至少一个磁性，光学或半导体基片的表面，该抛光层包括旋转轴、外缘和与该旋转轴同心的环状抛光轨迹；和形成在抛光层中的大量凹槽，包括完全位于环形抛光轨迹中的第一组凹槽，第一组的每个凹槽：i)与第一组凹槽中的其它凹槽在相对于旋转轴的径向隔开；ii)与第一组凹槽中的其它凹槽在相对于抛光垫的圆周方向隔开；iii)与至少在相对于抛光垫非圆形取向的部分有一纵轴，形成抛光介质的不连续流动，该处的凸起区域中断了至外缘的流动。

本发明另一方面提出了一种抛光垫，包括：a)抛光层，其结构能在抛光介质存在条件下，抛光至少一个磁性，光学或半导体基片表面，该抛光层包括：i)旋转轴；ii)外缘；iii)与该旋转轴同心的环状抛光轨迹；和iv)位于环形抛光轨迹和外缘之间的周边区域；和b)形成于抛光层中的大量凹槽，这些凹槽包括：i)完全位于环形抛光轨迹中的第一组凹槽，第一组的至少某些凹槽中的每个凹槽：A)与第一组中的其它凹槽在相对于旋转轴的径向隔开；和B)与第一组中的其它凹槽在相对于抛光垫的圆周方向隔开；和ii)第二组凹槽，各自只位于环形抛光轨迹和周边区域，形成抛光介质的不连续流动，该处的凸起区域中断了至外缘的流动。

附图简要说明

图1是本发明化学机械抛光(CMP)系统的部分透视图；

图2是图1抛光垫的俯视图；

图3是本发明的三种不同抛光垫片段构成的复合物的俯视图，说明三种不同凹槽排列。

发明具体说明

参见附图，图1所示为本发明的化学机械抛光(CMP)系统，一般用数字100表示。CMP系统100包括抛光垫104，抛光垫104具有抛光层108，抛光层108上有大量凹槽112，这些凹槽112的排列和结构能提高抛光半导体晶片120或玻璃，硅晶片和磁信息存储盘等其他工件时，施加在该抛光垫上的抛光介质116的利用率。为了方便起见，在以下的说明中使用术语“晶片”。但是本领域技术人员能够理解，除了晶片之外的工件也属于本发明的范围之内。以下具体说明抛光垫104及其特征。

CMP系统100可以包括被板式驱动装置(未示出)驱动绕轴128旋转的抛光压板124。压板124可以具有安装了抛光垫104的上表面。能绕轴136旋转的晶片载体132可以支撑在抛光层108上方。晶片载体132可以具有与晶片120接触的下表面。晶片120具有面对抛光层108的表面140，在抛光过程中被平面化。适合旋转晶片120的载体支撑组合件(未示出)支撑着晶片载体132，并提供向下压力的F，将晶片表面140压在抛光层108上，使得在抛光过程中使晶片表面和抛光层之间存在要求的压力。

CMP系统100可以还包括为抛光层108供应抛光介质116的供应系统144。供应系统144可以包括盛装抛光介质116的储槽(未示出)，例如温控槽。导管148可将抛光介质116从储槽输送到靠近抛光垫104的位置，把抛光介质分布在抛光层108上。可以用流量控制阀(未示出)控制抛光垫104上抛光介质116的分配。

在抛光操作中，板式驱动装置转动抛光板124和抛光垫104，启动供应系统144，在旋转的抛光垫上分配抛光介质116。抛光介质116因为抛光垫104的旋转而散布在抛光层108上，包括在晶片120和抛光垫104之间的空隙中。晶片载体132可以以选定速度旋转，例如0-150转/分，因此晶片表面140相对抛光层108运动。还可以控制晶片载体132，提供向下的力F，在晶片120和抛光垫104之间产生要求的压力，例如0-15磅/平方英寸(0-103千帕)。抛光压板124通常以0-150转/分的速度旋转。抛光垫104在晶片120下旋转时，晶片表面140扫过通常环形的晶片轨迹，或者是抛光层108上的抛光轨迹152。

注意到在某些情况下，抛光轨迹152可能并非严格环形的。例如，如果晶片120的表面140在一个维度上大于另一个维度，且晶片和抛光垫104以特定速度旋转，使这些维度总是在抛光层108上的相同位置以相同方式取向，则抛光轨迹152通常是环形的，但是其宽度从较长维度变化到较短维度。如果晶片120的表面140是双轴对称的，例如是圆形或正方形，则特定旋转速度下会产生类似效果，但是该晶片相对于表面的旋转中心是偏心固定的。在另一个实施例中，抛光轨迹152并非完全环形，当晶片120在平行于抛光层108的平面中振动时，抛光垫104的旋转速度使晶片因为相对于抛光层的振动所处的位置与抛光垫每次旋转的位置相同。在所有这些例外情况下，抛光轨152仍然是环形的，因此认为它们仍然属于权利要求中所用术语“环形”的范围之内。

图2以比图1更详细的方式显示了图1的抛光垫104。凹槽112排列在抛光轨迹152内，使它们在和相对于抛光垫104的旋转特性的径向156和圆周方向相互隔开。抛光时，当晶片以面对抛光垫104的关系例如在旋转方向166上旋转时，主要只在晶片120的作用下，抛光介质例如图1的抛光介质116从抛光轨迹152内的凹槽112运动到凹槽112(箭头164所示)。由于抛光介质一般只有在晶片120存在时才运动，这种抛光介质比具有不间断地延伸通过抛光轨迹的常规垫(未示出)情况能被更有效地利用。这是因为在无论晶片是否存在下由于垫的旋转作用，抛光介质在这些不间断的凹槽中流动通过抛光轨迹。结果，这些情况下，常规抛光垫使用抛光介质常常比本发明的抛光垫例如垫104更迅速。这种由常规抛光垫更迅速使用抛光介质存在许多缺陷，包括比最佳需要消耗的量更多的抛光介质，以及对通过抛光副产物增强的抛光情况，副产物量低于最佳值。

除了径向和圆周方向相互隔开的凹槽112外，要求每一凹槽的纵轴168的至少一部分相对于抛光垫104非圆周地取向。换句话说，要求凹槽112的纵轴168并不只是与抛光垫104的旋转轴128同心的圆的弧。提供这样的凹槽112可以使抛光介质在随抛光垫104旋转时由于旋转产生的离心力作用而流动。在此例子中，凹槽112一般是螺旋形的弧，因此沿其整个长度是非圆周的。在本发明的某些但并不一定的所有的凹槽排列中，要求各凹槽沿连接端点的直线上端点之间的距离小于进行抛光的基片表面的最小尺寸，该最小尺寸延伸通过该表面的旋转中心。例如，对绕其同心中心旋转的圆形表面，采用这种标准，各凹槽端点之间的直线距离会小于该表面的直径。另一方面，对有长度L的长边和长度S的短边的长方形，以这种标准，凹槽端点之间的直线距离小于短边长度S。

凹槽112还可以包括一个次组凹槽172，它们部分地位于抛光轨迹152径向向内的抛光层108的中心区域176以及部分在该抛光轨迹中。凹槽112的这一次组凹槽172在如图1所示的CMP系统100的抛光系统中有用，其中的抛光介质分布到中心区域176，能促进抛光介质从中心区流向抛光轨迹152。此外，凹槽112可包括次组凹槽180，它们从抛光轨迹152延伸到径向向外的抛光轨迹的周边区域(如果有的话)。如果需要，在次组180中的凹槽112还可以延伸到抛光垫104的周边188。凹槽112的次组凹槽180对例如促进抛光介质从抛光轨迹152流出有用。

由下面讨论的图3可以容易地理解，凹槽112可以有各种排列和结构。但是，图2中，凹槽112以各组192首尾相连地排列，使得各组的凹槽沿一相应平滑路径延伸，在这里沿螺旋路径194延伸，该路径是从中心区176通过抛光轨迹152延伸到周边188。本领域的技术人员可以理解，凹槽112的各组192可以以类似的方式沿其它形状的平滑路径排列和取向，如直线和径向，直线和与抛光垫104的设计旋转方向198成角度接近或远离，圆形弧状和通常的径向、圆形弧状和非径向，等等。

图3所示为本发明不同抛光垫304、404、504的三个圆形片段300、400、500构成的复合抛光垫200。片段300、400、500包括三个彼此不同的各凹槽排列308、408、508。但是，三个片段都提供抛光介质“中断”的路径，当晶片与抛光垫304、404、504面对面地旋转时，主要在相应晶片316、416、516的影响下抛光介质在各自的抛光轨迹312、412、512中运动。如上面讨论的，这些中断的路径由隔开的凹槽320、420、520形成，它们一般使抛光介质在抛光垫片段304、404、504的旋转作用下流动。与此不同，在凹槽320、420、520之间的凸起区域324、424、524一般阻止抛光介质的运动，除了当各晶片316、416、516与凸起区域面对面地旋转时。在各片段300、400、500的各自箭头328、428、528代表由相应的晶片316、416、516在所示的旋转方向332、432、532上旋转引起抛光介质在凸起区域324、424、524上的运动。在一个优选的实施方式中，每个凹槽320、420、520的端点之间的直线距离小于相应晶片的直径。通常，这种特征能防止抛光浆料在相应晶片316、416、516的下面未受阻止地通过，而不参与抛光。

每个凹槽排列308、408、508包括各自的凹槽336、436、536，这些凹槽从在相应抛光轨迹312、412、412内至少延伸到相应的周边区域340、440、540，并且在某些情况延伸到周边的边缘344、444、544。凹槽336、436、536一般促进了抛光介质从抛光轨迹312、412、512的输送出去。各凹槽排列308、408、508还分别包括凹槽348、448、548，这些凹槽从相应的中心区352、452、552延伸到抛光轨迹312、412、512。当这些抛光垫片段304、404、504中任何一个与抛光系统，如图1的CMP系统100使用时，该系统向各自的中心区352、452、552中的垫供给抛光介质，相应的凹槽348、448、548会促进抛光介质从中心区向抛光轨迹312、412、512的传送。与凹槽320、420、520相似，在相应抛光轨迹312、412、512内的每个凹槽336、436、536、348、448、548的端点与相同凹槽穿过抛光轨迹边界的点之间的直线距离，较好也小于各晶片316、416、516的直径。与图2的抛光垫104一样，在别的实施方式中，都不必提供凹槽336、426、526或凹槽348、448、548，或者这两组凹槽。

排列308、408各自包括以规则图案排列的凹槽320、336、348、420、436、448。在排列308的情况，凹槽320、336、348具有两种通常的构型，即部分圆形结构和线型结构。与图2的凹槽112一样，凹槽320在径向和圆周上相互隔开，并具有非圆周部分。如上所述，每个凹槽320的端点之间的直线距离较好小于晶片316的直径。不难想像代替使用完全圆形的凹槽(未示出)，例如是从排列中除去插入的凹槽320、336、348，而使剩余的部分圆形凹槽成为完全圆形。如果需要，也可以使用其它部分闭合或完全闭合的凹槽形状，如多边形或椭圆形。

排列408通常是在凹槽的长方形格子上的一种变体。但是，替代这样的彼此成十字形而形成交叉点的格子的连续凹槽，排列408的凹槽420、436、448的构造成消除了交叉点。如同图2的凹槽112，排列408的凹槽420在该排列的抛光轨迹412内与其它凹槽420在径向和圆周上隔开，并且相对于抛光垫404是完全非圆周的。如上面所述，每个凹槽420、436、448的长度较好地小于晶片416的直径。或者根据其它十字形排列，例如菱形格子和包含波状曲线形或Z字形凹槽的格子，是容易想像到的。

在此揭示的几种排列中，排列508最好地说明了本发明可以基本概念的极大范围。排列508的凹槽520通常是自由形式，可以有各种构形、取向和长度。然而，即使是排列508，可以看出在抛光轨迹512内的凹槽520在径向和圆周上都相互隔开，并且相对于抛光垫504(大多数)是非圆周的。而且，完全位于晶片轨迹512内的任何自由形式的凹槽520的端点之间的直线距离较好小于晶片516的直径，即使在某些情况下沿凹槽形状的距离超过晶片的直径。此外，对部分地位于晶片轨迹512内和部分地在该轨迹外面的任何凹槽548、536，每个这样的凹槽在晶片轨迹内的端点与凹槽穿过晶片轨迹边界的点之间的距离较好也小于晶片的直径。结果，这些自由形式的凹槽520、536、548的作用彼此一致，基本上只是在晶片516的作用下，通过使抛光介质从一个凹槽运动至下一个凹槽来提高抛光介质的利用率。

Claims (10)

1.一种抛光垫，包括：

a)抛光层，构造成在抛光介质存在条件下，能抛光至少一个磁性，光学或半导体基片的表面，该抛光层包括旋转轴、外缘和与该旋转轴同心的环状抛光轨迹；

b)形成在抛光层中的大量凹槽，包括完全位于环形抛光轨迹中的第一组凹槽，第一组的每个凹槽：

i)与第一组中其它凹槽在相对于旋转轴的径向隔开；

ii)与第一组中其它凹槽在相对于抛光垫的圆周方向隔开；

iii)至少在相对于抛光垫非圆周取向的一部分有一纵轴，形成抛光介质的不连续流动，此时凸起区域中断了至外缘的流动。

2.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，晶片表面有一个旋转中心，包括沿一延伸通过旋转中心的线段的最小尺寸，第一组凹槽中的每个凹槽具有第一端以及与第一端隔开的第二端，相隔距离小于该表面的最小尺寸。

3.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，多个凹槽排列成多个组，每组包含沿平滑路径首尾相连排列的多个凹槽。

4.如权利要求3所述的抛光垫，其特征在于，多个凹槽各自为曲线形。

5.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述抛光层还包括在环形抛光轨迹和外缘之间延伸的周边区域，多个凹槽还包括第二组凹槽，它们各自只存在在环形抛光轨迹和周边区域中。

6.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，环形抛光轨迹具有形成抛光层中心区的内周边，多个凹槽还包括第三组凹槽，它们各自只存在在环形抛光轨迹和中心区内。

7.一种抛光垫，包括：

a)抛光层，构造成在抛光介质存在条件下，抛光至少一个磁性，光学或半导体基片的表面，该抛光层包括：

i)旋转轴；

ii)外缘；

iii)与该旋转轴同心的环状抛光轨迹；

iv)位于环形抛光轨迹和外缘之间的周边区域；

b)形成在抛光层中的大量凹槽，这些凹槽包括：

i)完全位于环形抛光轨迹中的第一组凹槽，第一组凹槽的至少某些凹槽中的每个凹槽：

A)与第一组中的其它凹槽在相对于抛光层旋转轴的径向隔开；

B)与第一组中的其它凹槽在相对于抛光垫的圆周方向隔开；

ii)第二组凹槽，各自只位于环形抛光轨迹和周边区域中，形成抛光介质的不连续流动，此时凸起区域中断了至外缘的流动。

8.如权利要求7所述的抛光垫，其特征在于，抛光轨迹还包括一内周边，抛光层还包括：

a)与旋转轴同心的中心区，由环形抛光轨迹的内周边形成；

b)第三组凹槽，各自只位于中心区和环形抛光轨迹中。

9.如权利要求7所述的抛光垫，其特征在于，在第一组凹槽中的每个凹槽至少在相对于抛光垫非圆周取向的一部分有一纵轴。

10.如权利要求7所述的抛光垫，其特征在于，多个凹槽排列成多个组，每组凹槽各自含有沿平滑路径首尾相连排列的多个凹槽。

Images