TW200927375A - Polishing pad and method of use - Google Patents

Description

200927375 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於化學機械平坦化（CMP)之領域，更具體言 之，係關於一種減小缺陷之CMP塾。 本申請案主張2007年8月28日申請的美國專利申請案第 - 11/846,304號之優先權。 - 【先前技術】 在現代積體電路（1C)製造中，將材料層施加至在半導體 ® 晶圓上形成的欲入式結構。化學機械平坦化（CMP)係一種 用於移除此等層並拋光晶圓表面的研磨製程。CMP可在氧 化物與金屬兩者上執行’且其通常包括結合相對於晶圓移 動的拋光墊（例如，該墊通常相對於該晶圓作旋轉運動）使 用化學漿液。所得的平滑、平坦表面需維持微影焦點深 度，以供後續晶圓處理步驟用並確保金屬互連在順應共形 (contour)步驟中不變形。鑲嵌處理需要使用CMP從介電質 之頂部表面移除諸如鎮或銅之金屬以界定互連結構。 鲁 拋光墊通常係由胺基曱酸酯類製成，呈填充有微孔元件 的鑄件形式或由塗佈有聚胺基甲酸酯的不織氈製成。在使 - 用中’該墊邊旋轉邊與該晶圓接觸，該晶圓亦旋轉，因此 . 實現拋光。通常’使用兩種類型的抛光塾：硬抛光塾與軟 拋光墊。硬墊通常係用於需要在晶圓表面上之微型特徵之 平坦化之應用’而軟墊係用於不需要平坦化之應用。舉例 而言’軟墊可用於多步驟拋光製程，其中首先使用硬墊拋 光晶圓以將表面平坦化，接著使用軟墊拋光以產生平滑成 134109.doc 200927375 品。硬墊通常會產生諸如微擦痕之表面缺陷，且對於達成 漿液粒子之移除沒有效率。因此，使用軟墊於拋光晶圓之 表面以使該等微擦痕變平滑並實現粒子缺陷之更有效率的 移除。 【發明内容】 本發明之一實施例提供一種具有一或多個抛光元件（例 如’單一拋光表面或多個拋光表面或元件）之拋光墊，該 拋光元件係由一具有固有吸水力之水凝膠材料所製成。該 水凝膠材料可不具有微孔性、具有4-60重量％的吸水能 力、大於1000 psi的濕抗張強度、大於2000 psi的撓曲模 量、及在25-80之間（包括25及80)的濕蕭氏（Shore)D硬度。 在其他實施例中，該水凝膠材料可具有4-60重量％的吸水 能力、1-20體積％之微孔性、20-100微米的微孔、大於 1000 psi的濕抗張強度、大於2000 psi的撓曲模量、及在 25-80之間（包括25及80)的濕蕭氏D硬度。在任一實例中， 該水凝膠材料可由以下成分之一者或組合製成：胺基曱酸 酯、環氧烧、酯、謎、丙稀酸、丙稀酿胺、醯胺、酿亞 胺、乙烯醇、醋酸乙烯酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、 颯、胺基甲酸酯類、氣乙烯、二醚酮及/或碳酸酯。 根據本發明之一實施例，拋光可藉由使一由具有固有吸 水力之材料所構造的拋光塾在存在一拋光組合物之情況下 接近一半導體晶圓，該拋光組合物係設置在該拋光墊與設 置在該晶圓上之一頂層之間’及使該晶圓與該拋光墊相對 於彼此旋轉，以便實現設置在該晶圓上之該頂層（例如， 134109.doc • 6 - 200927375 銅）之部分或全部之移除而達 攻在開始拋光操作之前， 該拋光墊可被浸在溶液（例如， ^ 水、拋光組合物、諸如硫 酸銅之電解溶液等等）中。在佶 使用電解溶液之情形下，該 抛光墊在拋光操作中可耦合至—

在一些情形下，對該拋光墊（或對其拋光表面）施加-陽 極電流’同時藉由外部構件提供—陰極偏壓，且使該半導 體晶圓壓向該拋光表面。在其他情形下，對該拋光墊或表 面施加陰極電流’同時藉由外部構件提供—陽極偏壓，且 使該半導體晶圓壓向該拋光表面。 具有-由具有时吸水力之材料所構造之㈣表面的抛 光墊可使用下列方法之一製造：注射模製、擠壓、反應注 射模製或燒結。在此製造期間’可於拋光墊之拋光表面上 形成表面特徵。 【實施方式】 在此描述一種具有減少缺陷之拋光墊，使用此種墊之方 法’及有用於製作具有減少缺陷之CMP拋光塾之材料。如 上所示，CMP包括藉由將一拋光墊壓向晶圓並在存在一拋 光組合物（例如’一漿液）之情況下使此等元件相對於彼此 旋轉來自晶圓之表面移除薄膜。在拋光製程中，在晶圓與 墊之間形成一漿液層’因此形成一水力邊界層。在拋光期 間在墊與晶圓之間維持一均勻的流體層係重要的。在該邊 界層被最小化或完全消除之情形下，墊會直接接觸到晶 圓’造成兩個本體的交互作用而導致更高的缺陷。相反 地，高度潤滑的界面將允許更為均勻的拋光，及使缺陷最 134109.doc 200927375 小化。這在銅CMP，其中被拋光之膜相當軟並可能由於晶 圓-墊之直接接觸而容易地被刮傷之情形下係特別重要。 習知的拋光墊係由聚合物製成，通常為胺基曱酸酯，其 具有在拋光製程期間提供使漿液在晶圓下方分佈之構件的 結構。此等結構包含空隙或微孔，其係藉由添加如在美國 專利第5,578,362號中所述之中空微元件，或經由引進在缚 造製程期間形成的氣泡而包含。美國專利第6,896,593號描 述使用超臨界C02以在模製製程期間形成孔。 一旦該墊層經形成，則其可藉由機械或雷射方式在頂部 表面上進一步加工以增加凹槽。舉例而言，美國專利第 5,489,233號描述使用一不具有吸收或運輸漿液之固有能力 的固態塑膠片，及一具有運輸漿液越過晶圓之流動通道並 實現抛光的表面紋理或圖案。該表面紋理係在該塾上經由 加工被機械產生》 在拋光期間，可使用一精細的經金剛石塗佈的碟片調理 墊以產生微紋理，其產生微凹槽通道而進一步增進在晶圓 下方的漿液分佈。在晶圓拋光製程期間，墊表面亦經歷塑 性變形’其減低漿液分佈，而造成不良的材料移除及移除 均勻度。調理製程移除該塑性變形層並恢復拋光性能。 在習知之墊中，材料本身不具有任何吸收明顯水分或拋 光溶液之固有能力，且諸如微孔、凹槽及微凹槽之外部產 生的結構積極參與漿液分佈。聚液分佈能力不僅對於材料 移除均勻度而言重要，並且對於缺陷而言亦重要。在塾與 晶圓間之漿液分佈不良之情形下，會有在晶圓下方之衆液 134109.doc 200927375 不足區域導致墊-晶圓直接接觸’而造成缺陷的可能性。 在一實施例中’本發明提供一種具有吸收水分或拋光溶 液之固有能力之聚合物拋光墊，且藉此提供一極低缺陷的 抛光表面。本發明之拋光墊可由具有在5_60重量％範圍内 之吸收水或拋光溶液之能力的水凝膠材料製成。吸水能力 係在材料合成期間内控制。具有吸收水分或拋光溶液之固 • 有能力之墊材料將在拋光製程期間提供潤滑表面，並最小 ©化墊-晶圓直接接觸之可能性，且進而消除或最小化缺 陷’特別係刮擦缺陷。製造親水性胺基曱酸酯調配物之方 法描述在美國專利第5,859，166號、第5,763,682號、第 5,424,338 號、第 5,334,691 號、第 5，120,816 號、第 5,118,779號及第4,〇〇8,189號中，將該等案之每一案以引用 的方式併入本文中。 塾材料特性對在晶圓表面上所產生的缺陷起一重要作 用。硬墊通常伴隨較高的缺陷（其實質上為刮擦缺陷），而 〇 較軟的墊通常伴隨較低的缺陷。軟墊之一重要態樣係墊表 面局部仿形以避免在晶圓與墊表面間之「硬接觸」的能 力。局部表面仿形性之另一態樣係墊-晶圓界面維持水性 界面之能力。水性界面提供在晶圓與墊之間的必要潤滑 14因此最小化或消除導致擦痕的可能性。可吸水之聚合 材料提供非常穩定的拋光界面，因此最小化缺陷的可能 性。 美國專利第5,763,682號陳述許多習知的以異氰酸酯為基 礎的發泡體係非親水性（亦即，相對疏水性ρ通常以胺基 134109.doc 200927375 甲酸酯為基礎的發泡體對水性流體呈現排斥作用，其導致 此等發泡體無法吸收或拾取顯著量的水性流體。因此，據 認為通常的聚胺基甲酸酯發泡體不適於提供高度潤滑的拋 光界面。 由於胺基甲酸酯類係由異氰酸酯與多元醇之反應製成， 所以最終聚合物鏈之親水性態樣可透過多元醇之選擇來控 制。美國專利第5,859，166號、第5,763,682號、第 5,424,338 號、第 5,334,691 號、第 5，12〇,816 號、第 5，118,779號及第4,008，189號描述改良胺基甲酸酯組合物之 親水性的方法❶親水性聚胺基曱酸酯可藉由將環氧乙烧單 元與環氧烧單元添加至多元醇分子中而製得。 多元醇之總羥基含量亦係聚胺基甲酸酯之親水性的一重 要因素。在此特殊技術中已知為於發泡體中獲致令人滿意 的親水特性’所使用的多羥醇-環氧烷加成反應物必須在 分子中包含特定比例的環氧乙烷。參見以引用的方式併入 ❿ 本文中之美國專利第3,457,203號。早期的親水性聚胺基甲 酸醋發泡體係從此等加成物製備得，該等加成物係使環氧 乙燒與較高碳環氧烷例如環氧丙烷之混合物與多經醇縮合 之產物。然而，當潮濕時，此等組合物顯現機械特性的劣 - 化。 美國專利第4,008，189號描述藉由使用由三種氧烷基化聚 醚多元醇反應物組成之多元醇混合物而可最小化此種物理 特性劣化之組合物。此等組分之第一者的特徵在於：三羥 基醇核心，經由其一端連接至該核心之聚氧伸乙基鏈段， 134109.doc • 10· 200927375 及經由其一端連接至該聚氧伸乙基鏈段之聚氧伸丙基鏈 段。此種多元醇可藉由技術中熟知之方法製備，其中二諸 如KOH之鹼性催化劑存在下，使三元醇引發劑首先與環氧 乙烷並接著再與環氧丙烷縮合。 預期此等組合物將特別適於拋光應用，因其可實現高度 潤滑的拋光界面。而且，預期交聯聚合物網狀結構將提供 最佳特性，儘管可能使用熱塑性調配物。來自Lubriz〇l公 司的Tecophilic®擠壓模製調配物為一此類材料。此等材料 係經調整至吸收20至100重量％之間的水。吸水程度與機 械特性的損失有關，吸收水的重量百分比越高，則機械強 度的損失越大。因此，使用吸收大約5_2〇重量％水之調配 物將係有利的，儘管可使用高達i 〇〇重量％的吸水性。 圖1A顯示一習知的拋光墊100，例如由R〇hm and ^^3提 供的1C 1000墊之橫截面圖。拋光墊1〇〇包含嵌在可為聚胺 基曱酸醋之聚合基質104中之微元件102。該墊表面包含在 拋光製程期間用於漿液輸送之凹槽1〇6。此等市售之拋光 墊可包含多個表面修飾以影響在墊之表面上的漿液分佈。 圖1B顯示拋光墊1〇8之橫截面圖，該拋光墊1〇8係由 SemiQuest公司製造並描述在2〇〇7年4月ό曰申請之受讓給 本發明之受讓人的美國專利申請案第11/697,622號中，該 案以引用的方式併入本文中。墊1〇8係由安置在一設置在 導引板114下方之可壓縮底部發泡體ι12上之拋光元件 所組成。拋光作用係由該等抛光元件所提供，該等拋光元 件係由固態聚合物材料製成，同時漿液分佈係由該等拋光 134109.doc 200927375 元件之間的敞開空間所達成。該等敞開空間經填充開孔發 泡體。 在本發明之實施例中，上述墊之任一者或兩者之拋光表 面104及/或110可使用親水性聚合物材料製成。舉例而 言，此等拋光表面可由具有在4_60重量％範圍内之吸收水 或拋光溶液之能力的水凝膠材料形成。該水凝膠材料可為 . 以下成分之一者或組合：胺基甲酸酯、環氧烷、酯、醚、 丙烯酸、丙稀醯胺、醯胺、醯亞胺、乙烯醇、醋酸乙烯 S曰、丙稀酸酯、甲基丙稀酸酯、礙、胺基甲酸酯類、氣乙 烯、一醚酮及/或碳酸酯。醯亞胺係由兩個羧酸基或一個 二羧酸鍵結至第一胺或氨所組成的官能基，其通常係從氨 或該第一胺’及該（等）酸或其酸酐直接製備。 在本發明之特殊實施例中，墊之拋光表面可由不具有微 孔性，具有大於1000 psi的濕抗張強度、大於2000 psi的撓 曲模量、及/或在25-80之間（包括25及80)的濕蕭氏D硬度的 ❹ 水凝膠材料製成。在其他情形下，水凝膠材料可具有大約 1-20體積％之微孔性、在大約2〇_1〇〇微米之間的微孔大 於1000 psi的濕抗張強度、大於2〇〇〇 psi的撓曲模量、及在 25·80之間（包括25及80)的濕蕭氏〇硬度。 - 在拋光操作中，使根據本發明之由水凝膠材料所構造之 拋光塾在拋光化合物之存在下與一半導體晶圓（例如，一 具有一或多個設置在其上的薄膜、氧化物及/或金屬層之 晶圓）之一表面接觸，且使該兩者相對於彼此旋轉以實現 設置在該晶圓基板之表面上的一頂層之部分或全部之移 134109.doc -12- 200927375 除。圖2顯示此配置。將拋光墊200固定至轉盤2〇2並使其 接近位在壓盤206上之晶圓204 «將漿液或其他拋光化合物 208引入該拋光塾與該晶圓之間’且使該塾及/或該晶圓相 對於彼此旋轉。 在一些情形下’在拋光墊被用於拋光操作之前，可將其 浸在水或拋光溶液中。舉例而言，該墊可如此浸泡一段時 ' 間（例如’至少10分鐘）以在處理晶圓之前產生穩定的拋光 表面。 此外，可將根據本發明所構造的抛光塾浸在電解溶液中 以產生一傳導性基質及表面。此種電解溶液之一實例係硫 酸銅《此一墊在拋光操作期間可連接至一外部電源。此等 連接可為陽極性，且可藉由外部構件施加陽極或陰極偏 壓。可使以此方式經電解質溶液（例如硫酸銅）飽和且當由 外部構件提供一陰極偏壓時經施加有陽極電流之拋光墊壓 向一具有一頂部傳導層（例如鋼）沈積於其上以填充形成於 〇 底層膜中之結構的半導艎晶圓，而達成該傳導層之移除。 或者，根據本發明所構造並經電解溶液（例如硫酸銅）飽和 之拋光墊可在由外部構件提供一陽極偏壓時，經施加有一 陽極電流可將該墊壓向一具有頂部傳導層（例如銅）沈積 於其上以填充形成於底層膜中之結構的半導體晶圓而影 響該傳導層之沈積。 根據本發明之由水’材料構造㈣光塾可使用注射模 製、擠壓、反應注射模製或燒結來製造。在製程中可將表 面特徵形成在此等塾上。此等特徵有助於在抛光操作中的 134109.doc -13. 200927375 漿液分佈。 因此，已描述具有減少缺陷之拋光墊、製造及使用此等 墊之方法、及有用於製造此等墊之材料。雖然已參考特定 的說明實施例作論述，然而，本發明不應因此被限制，反 之其僅根據以下之請求項被權衡。 【圖式簡單說明】 . 本發明藉由附圖之圖式中的實例作說明，但並不受其所 限制，其中： ® 圖1A說明一習知形式之習知拋光墊，其根據本發明之一 實施例可包含一由具有固有吸水力之水凝膠材料所構造之 拋光表面。 圖1B說明一具有複數個拋光元件之拋光墊，該等拋光元 件中之一或多個係由根據本發明之另一實施例之具有固有 吸水力之水凝膠材料所構造。 圖2說明一種使用一經構形有一拋光表面之拋光墊之方 〇 法，該拋光表面係由根據本發明之具有固有吸水力之水凝 膠材料所製成。 【主要元件符號說明】 100 拋光墊 102 微元件 104 聚合基質 106 凹槽 108 拋光墊 110 拋光元件 134109.doc 200927375 112 底部發泡體 114 導引板 200 拋光墊 202 轉盤 204 晶圓 206 壓盤 208 漿液 ❹ ❹ 134109.doc -15-

Claims (1)

1. 200927375 十、申請專利範圍： 1. 一種拋光塾，其包括一或多個抛光元件，該等拋光元件 係由具有固有吸水力並且不具有微孔性之水凝膠聚合物 所製成’該水凝膠材料具有4-60重量％之吸水能力、大 於1000 psi的濕抗張強度、大於2000 psi的撓曲模量、及 在25_80之間（包括；25及80)的濕蕭氏（Shore)D硬度。 .2.如請求項1之拋光墊’其中該水凝膠材料係由以下成分 之一者或一組合製成：胺基甲酸酯、環氧烷、酯、醚、 ❿ 丙烯酸、丙烯醯胺、醯胺、醯亞胺、乙烯醇、醋酸乙烯 酯、丙稀酸酯、甲基丙烯酸酯、硬、胺基曱酸酯類、氣 乙晞、二醚酮及/或碳酸酯。 3. 一種拋光一晶圓之方法，其包括使一由具有固有吸水力 之材料所構造的拋光墊在一拋光組合物之存在下接近一 半導體晶圓，該拋光組合物係設置在該拋光墊與經設置 在該晶圓上的一頂層之間，及使該晶圓與該拋光墊相對 於彼此旋轉，以將設置在該晶圓上之該頂層部分或全部 移除。 4_如請求項3之方法，其進一步包括在開始拋光操作之前 將該拋光墊浸在溶液中。 5.如請求項4之方法，其中該溶液包括水。 6_如請求項4之方法’其中該溶液包括該抛光組合物。 7·如請求項4之方法’其中該浸泡持續至少10分鐘。 8. 如請求項4之方法，其中該溶液係電解質溶液。 9. 如請求項8之方法，其中該電解質溶液係硫酸銅。 134109.doc 200927375 ίο.如請求項9之方法，其中在該等拋光操作期間，該拋光 塾被耗合至一電源。 11. 如請求項10之方法，其中對該墊之該電連接係為陽極 性。 12. 如請求項10之方法，其中對該墊之該電連接係為陰極 性。 13. —種抛光墊，其包括一或多個拋光元件，該等拋光元件 係由一水凝膠材料製成，該水凝膠材料具有4_6〇重量0/〇 之吸水能力、1-20體積％的微孔性、20-1〇〇微米的微 孔、大於1000 psi的濕抗張強度、大於2〇〇〇 psi的撓曲模 量、及在25-80之間（包括25及80)的濕蕭氏D硬度。 14_如請求項13之拋光墊，其中該水凝膠材料係由以下成分 之一者或一組合製成：胺基甲酸酯、環氧烷、酯、醚、 丙烯酸、丙烯醯胺、醯胺、醯亞胺、乙烯醇、醋酸乙烯 酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、颯、胺基甲酸酯類、氣 乙烯、二醚酮及/或碳酸酯。 15· —種拋光一晶圓之方法，其包括將一具有一由具固有吸 水力之材料所構造之拋光表面的抛光塾浸在一電解溶液 中，使該抛光塾之該抛光表面在一抛光組合物之存在下 接近一半導體晶圓，該拋光組合物係設置在該拋光墊與 經設置在該晶圓上之一頂層之間；及使該晶圓與該拋光 墊相對於彼此旋轉，以將設置在該晶圓上之該頂層部分 或全部移除。 16.如請求項15之方法，其中該電解溶液係硫酸銅。 134109.doc -2- 200927375 17_如吻求項15之方法’其中該拋光表面在拋光操作期間連 接至一電源。 18. 如請求項17之方法，其中對該拋光表面之該電連接係為 陽極性。 19. 如請求項17之方法，其中對該拋光表面之該電連接係為 陰極性。 20. 如請求項15之方法，其進一步包括當由外部構件提供一 陰極偏壓時，對該拋光表面施加一陽極電流；及使該半 導體晶圓壓向該拋光表面。 21_如請求項20之方法，其中該電解溶液係硫酸銅。 22_如請求項20之方法，其中該頂層係銅。 23. 如請求項15之方法，其進一步包括當由外部構件提供一 陽極偏壓時，對該拋光表面施加一陽極電流；及使該半 導體晶圓壓向該拋光表面。 24. 如請求項23之方法，其中該電解溶液係硫酸銅。 25. 如請求項23之方法，其中該頂層係銅。 26. —種方法，其包括使用注射模製、擠壓、反應注射模製 或燒結之一者來製造一具有由具固有吸水力之材料所構 造之拋光表面之拋光墊。 27. 如請求項26之方法，其進一步包括在該製造期間在該 拋光墊之該拋光表面上形成表面特徵。 134109.doc