CN100341666C - 具有优化的槽的抛光垫及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种用于化学机械平面化的抛光垫，具有一使基片平面化的抛光层。该抛光层包括一从抛光层中心延伸到抛光层一外周边的半径；在该抛光层中形成并从该抛光层的外周边向内延伸的一或多条连续槽；以及一开槽的圆周百分率(CF)。该CF发生在从抛光层周边延伸大部分距离到抛光层的中心的区域中发生；其中CF是在给定半径处跨越一或多条连续槽的周长部分除以给定半径处的全周长。该CF的平均值作为抛光层半径的函数保持在25%以内。

Description

具有优化的槽的抛光垫及使用方法

技术领域

本发明涉及用于化学机械抛光(CMP)的抛光垫，特别涉及具有优化的槽的抛光垫。

背景技术

在集成电路和其它电子器件的制造中，导体、半导体、和电介质材料的多层被沉积于半导体晶片的一表面上或从该表面上去除掉。可以通过许多沉积技术沉积导体、半导体、和电介质材料的薄层。在现代工艺中通用的沉积技术包括物理的蒸发沉积(PVD)，或称之为阴极真空喷镀，化学的蒸发沉积(CVD)、离子增强化学蒸发沉积(PECVD)，以及电化学镀(ECP)。

随着材料层相继地沉积和去除，晶片的最上表面成为非平面的。由于随后的半导体工艺(例如，金属化)需要晶片具有平的表面，因此晶片需要平面化。在去除不希望的表面外形和表面缺陷，诸如，粗糙表面、粘结的材料、晶格损坏、划伤、和被污染的层或材料时，平面化是有用的。

化学机械平面化，或者化学机械抛光(CMP)，是用于平面化诸如半导体晶片的基准的通用技术。在传统的CMP中，晶片托架或抛光头安装在托架组件上和放置成与CMP装置的抛光垫接触。托架组件对晶片提供可控的压力，迫使它紧靠抛光垫。该垫被外驱动力推动相对于晶片运动(例如，转动)。与此同时，一种化学混合物(“浆料”)或其它流体介质流到抛光垫上以及流入晶片与抛光垫间的缝隙中。因此该晶片的表面被抛光并通过抛光层与浆料的化学与机械作用使之平面化。

在CMP中，晶片表面的平面性与均匀性是首要的。因而，CMP系统通常构造成提供晶片的轨道的和/或摆动的运动以便平均瞬时的局部抛光速度的差别。已经知道垫和晶片旋转速度可以一种方式组合，即，在整个时间上，使晶片的每一点暴露在同一范围和相对的垫速度的平均值。在由D.A.Hansen等人等的文章“为制造应用多头化学机械抛光器的特性”(第一届国际CMP-MIC会议文集，1996.2.)中介绍了这种装置，该文章结合作为本申请的参考。

对晶片与垫的旋转数的平均数学归纳假设抛光层相对径向位置是均匀的。然而，抛光层包括某种图案的槽(例如，同心圆、笛卡尔坐标格子、固定宽度径向射线、或它们的组合)，每单位垫的面积的抛光表面面积可以是垫半径的函数。

图1A是标准的先有技术的径向槽图案的图，诸如在美国专利No.5177908中描述的。图1B是图1A的用于径向槽图案开槽的圆周百分率CF与垫半径R的函数关系的曲线。对此应用的目的，开槽的圆周百分率CF如下式：

注意：如果作为半径的函数CF是常数，于是作为半径的函数在给定半径处开槽的(或不开槽的)垫的部分面积也是常数。

继续参照图1A，由于槽的数目和宽度是固定的，沿圆周的总开槽的长度是相同的不考虑半径怎样。因此，如图1B所示，随着距中心的距离增加CF减小，且靠近垫的外边缘的CF值几倍地小于靠近中心处的。

图2A是标准的先有技术的同心圆槽图案的图。图2B是对图2A的同心圆槽图案的作为垫半径R的函数的开槽的圆周百分率CF的图。在此例中，在任何落在槽以内的半径处CF是整数，而在任何未落在槽以内的是零。因此开槽的面积百分率是半径的锐变函数。

图3A是标准的先有技术的在两坐标方向为等间距的笛卡尔坐标方格槽图案。图3B是对图3A的笛卡尔坐标方格槽图案的作为垫半径R的函数的CF的图。应注意，随着半径的增加CF下降直到跨过方格线的新的一组，在该点处百分率锐增。在较大半径值处，即使跨过附加方格线的径向距离有小的增加，CF是一高的不规则函数。在CF开始到渐近线的较大半径处，存在每单位垫面积的抛光面的明显变化(例如，超过50％)。

图4A是标准的先有技术的螺旋槽图案的图，诸如在美国专利No.5921855和5690540(540专利)所公开的。图4B是对于图4A的螺旋槽图案的CF作为垫半径R的函数的图。应注意，随着半径的增加CF下降因为螺旋曲线不以对半径的严格比例增长。

因而，就需要具有槽的抛光垫，这些槽恰当地引起晶片和抛光的相互转动。

发明内容

本发明的一个方面是提供了一种用于化学机械平面化的抛光垫，该抛光垫具有使基片平面化的抛光层，该抛光层包括：从抛光层中心延伸到抛光层外周边的半径；在抛光层形成的并从抛光层外周边向内延伸的一或多个连续的槽；以及一个在从抛光层外周边延伸大部分距离到抛光层中心的区域开槽的圆周百分率(CF)，CF是在给定半径处于跨过由在给定半径的整个圆周分隔的一个或多个连续槽的周长部分，同时其中CF的平均值作为从抛光层的外周边延伸大部分距离到抛光层中心的区域中抛光层半径的函数，保持在25％以内。

按照本发明的另一方面，一或多个连续的层在基准的半径开始并延伸到垫的外周边。或者，该一或多个连续的槽在处于基准的半径和外周边之间的起始半径开始，并延伸到外周边。

本发明的另一个方面提供了一种使基片平面化的方法。该使基片平面化的化学机械方法包括以下步骤：引入抛光溶液到晶片；相对抛光垫旋转晶片，该抛光垫具有抛光层，同时该抛光层包括：i)从抛光层中心延伸到抛光层外周边的一半径；ii)在抛光层中形成并从抛光层外周边向内延伸的一或多个连续的槽；以及iii)在从抛光层的外周边延伸大部分距离到抛光层中心的面积中的开槽的圆周百分率(CF)，CF是在给定半径处的圆周部分，该给定半径处在跨越一或多个连续槽的周长除以给定半径处的全周长；以及其中CF的平均值作为在从抛光层外周边延伸大部分距离到抛光层中心延伸的区域中抛光层半径的函数；以及用抛光垫和抛光溶液使晶片平面化。

附图说明

图1A是先有技术的抛光垫径向槽图案的一个例子的图，在一个24英寸外垫半径和一个2英寸基准的半径的抛光垫上有60条槽，每条槽是0.093英寸宽；

图1B是对于图1A的径向槽图案开槽的圆周百分率CF与垫半径R的函数关系图；

图2A是标准的先有技术的同心圆槽图案的图，在24英寸外垫半径上具有11条槽，且每条槽为0.093英寸；

图2B是对图2A的同心圆槽图案开槽的圆周百分率与垫半径R的函数关系图；

图3A是标准的先有技术的对一个24英寸的外垫半径的笛卡尔坐标方格槽图案的图，具有在两个坐标方向延伸的等间距槽，具有20毫米的槽间距和0.093英寸的槽宽。

图3B是对图3A的笛卡尔坐标方格槽图案的作为垫半径R的函数的开槽的圆周百分率CF的图；

图4A是与在’540专利中公开的一致的标准先前技术的螺旋槽图案的图；

图4B是对图4A的螺旋槽形式的作为垫半径R的函数的开槽的圆周百分率CF的图；

图5A是抛光垫和在其中形成的槽图案的顶视图；

图5B是图5A的槽的槽段的放大图；

图5C是在图5A的抛光垫的基准半径R_B处点P的近视图，说明作为半径R的函数的槽角度θ的增量变化；

图6A是根据本发明的槽图案的图，具有24英寸的垫的外半径R。和10英寸的基准半径R_B。

图6B是根据本发明的曲线槽图案的图，具有24英寸的垫外半径R。和一个6英寸的基准半径R_B、和8条曲线槽。

图6C是根据本发明的类似于图6B的曲线槽图案的图，但具有2英寸的基准半径R_B。

图6D是根据本发明的类似于图6C的曲线槽图案的图，但具有在开始半径R_S＝10英寸处开始的图案；

图6E是对于本发明的曲线槽图案的作为垫半径R的函数的开槽的圆周百分率CF的图；以及

图7是根据本发明形成的使用开槽的抛光垫的CMP系统的示意侧视图。

具体实施方式

图5A是具有外半径R₀和一在其上形成槽104的表面102的抛光垫100的顶视图。在举例的实施例中，在表面102上形成一或多条连续的(例如，不间断和细长的)槽104。从原点O测量垫半径R。还表示一具有周长为2πR的圆C_R(虚线)。垫100的外半径是R。该一或多条槽100延伸出到外半径R₀(即，到垫的边缘)。该垫100的外半径R。确定外周边106。

在轨道抛光器上，通常存在一不被晶片接触的围绕原点O的区域。此区域一般从原点O延伸几英寸。因而，槽104无需在原点O处开始。另一选择，一或多条槽104可以在或靠近原点O处开始，但是，CF比率的限制可以在不接触半导体晶片的区域以内解除。例如，该抛光垫可以不包含多奈槽而只包含单一开槽的区域或靠近原点的随机槽。虽然抛光可以出现在原点O附近，但最有利的是抛光仅在从抛光层外周边延伸大部分距离到抛光层中心或原点O的区域内发生。此实施例保持晶片在具有控制的CF的“晶片轨道”以内。

在举例的实施例中，选择基准半径R_B以便获得希望的槽曲率而不危及均匀的抛光。在举例的实施例中希望工件的抛光在边缘处比靠近中心处较慢，则选择基准半径R_B稍大于不接触的中央区域的半径。而这样增加了在工件边缘处的材料去除，就不保证均匀的抛光。

因此，在一个举例的实施例中，如图示一条或多条槽104从基准半径R_B开始。在另一举例的实施例中，一或多条槽104从原点O起开始。在另一举例的实施例中，槽104从大于基准半径R_B(见图6D，下面将讨论)的起始半径R_S开始。

图5B是图5A的抛光层102的放大视图，表示槽104的小的局部段110。在一给定的半径R处，槽104具有一给定的宽度W和形成相对于连接原点O到给定径向位置R的径向直线L的角度θ(“槽角”)的中心轴线A。

为了使垫在任何半径处具有相同的百分率的开槽的面积，每个圆周C_R需要横过适当数量的开槽的抛光层，即固定的圆周C_R的百分率。如上所述，在给定半径C_R处开槽的部分对总抛光层的比率此处称之为“开槽的圆周百分率”，或“CF”。

为使作为半径的函数的CF是常数，槽的每个局部段110因而必需有随半径增加的大的槽角θ，因此沿圆周取的槽宽度增加以跟上圆周的增加的长度。局部段110的轨迹构成对应于连接基准半径R_B到外半径R₀的一个槽的连续曲线。

在数学术语中，如果N代表N个槽的数目(槽数)，则：

CF＝(NWSecθ)/(2πR)            (式1)

注意，在基准半径R_B处，θ＝0因此

CF＝(NW)/(2πR)                 (式2)

令R_B处的CF等于任何半径R处的CF，则需要的槽角θ为：

θ(R)＝Sec^-1(R/R_B)              (式3)

一或多个槽104的精确形式的综合方程通过取在对应局部槽角θ(R)处所指的增量径向步而获得。这在图5C中表示出，该图是在图5A的抛光垫的基准半径R_B的点P处的放大视图。从图5C，圆周C_R的圆周段ds由下式给出：

ds＝dRtanθ                     (式4)

从式3和4可得：

$\mathrm{dS}=\mathrm{dR}\tan \mathrm{\θ}=\sqrt{{\left(\frac{R}{R_B}\right)}^2-1}\mathrm{dR}$ (式5)

中心角(R)由下式给出：

(式6)

因此，

(式7)

因此基于下式形成一或多槽：

X＝Rcos(R)和                (式8)

Y＝Rsin(R)                  (式9)

以与上述分析一致而形成的槽导致恒定CF，该CF变换成恒定的作为半径的函数的抛光层面积，转而该抛光层面积变换成比具有非恒定CF的槽的抛光垫更均匀的CMP性能。

本发明另一可选实施例包括形成一或多条径向槽104以具有随半径以保持恒定CF的速度而增加的宽度。然而，对大直径的垫，此实施例不比连续曲线有更多的优点。

因此，本发明的一个举例实施例是包括一或多条以这样的方式形成的连续槽的抛光垫，即作为垫半径的函数的CF是常数(即，不变化的)。CF几乎可以具有任何常数值。但是，在优选实施例中，CF的值是在从10％到25％的范围中。

此外，本发明可应用到形成具有宽的曲率范围的槽。但是，在优选实施例中，一或多条槽104可设在从一周的1/60至1/2的任何地方。也就是，任何个别的槽占据抛光垫形成6°至180°中心角的楔状部分。

在另一举例的实施例中，CF值是非恒定的，但保持在作为垫半径的函数的其平均值的25％以内，且较好是保持在作为半径的函数的其平均值的10％以内。这些对CF的限制，在其中，允许来自理想槽构形的变化(例如，放宽槽设计的允差以使槽形成的过程不太昂贵和节省时间)，并补偿任何作为半径的函数的抛光效果(例如，作为浆料分布的函数的材料去除)。

根据本发明形成的槽可以在相对垫旋转方向的任一方向定位。

图6A-6D表示根据本发明形成的槽图案的几个举例实施例。图6A是根据本发明形成的曲线槽图案的图，其中抛光垫150具有在其抛光层152形成的8条槽154。此抛光垫150具有一外半径R₀＝24英寸确定外周边156及一基准半径R_B＝10英寸。

图6B与图6A相同，但具有基准半径R_B＝6英寸。

图6C与图6A相同，但具有基准半径R_B＝2英寸。

图6D与图6C相同，但具有R_B＝2英寸同时槽在一个10英寸的起始半径R_S开始。

图6E是对图6A-6D的曲线槽图案的开槽的圆周百分率CF作与垫半径R的函数关系的曲线图。从图6E可以看出，CF作为垫半径R的函数是变化的。

CMP系统与工作方法

图7示出使用如以上详细说明的本发明的实施例的CMP系统。抛光垫202具有一抛光层204。系统200包括绕轴A1可转动的一抛光台板210。台板210具有供垫202安装在其上的上表面212。可绕轴A2旋转的一晶片托架220支撑在抛光层202的上方。晶片托架222具有一平行于抛光层204的下表面222。晶片226安装在下表面222上。晶片226具有一面对抛光层204的表面228。晶片托架220适于提供一向下的力F使晶片表面228被压靠在抛光层204上。

系统200还包括浆料供给系统240，该系统具有一保持浆料244的容器242(例如温度控制的容器)。

浆料供应系统240包括一连接到容器的并与抛光层204流体连通以在垫上配发浆料244的管道246。

系统200还包括通过接头274耦联到浆料供给系统240，通过接头276耦联到晶片托架220、以及通过接头278耦联到抛光台板210的控制器270。在抛光操作过程中控制器控制这些系统部件。在一个举例实施例中，控制器270包括一处理器(280)(例如中央处理器)，连接到处理器的存储器282、以及用以支持该控制器中的处理器、存储器和其它元件的工作的支持电路284。

继续参照图7，操作控制器270驱动浆料供给系统240以把浆料244分配到旋转的抛光层204上。浆料散布在整个抛光垫的上表面，包括晶片226下面的表面的部分，控制器270还驱动晶片托架220以便在一选定的速度(例如，0至150转/分或“rpm”)旋转，使得晶片的表面相对于抛光表面运动。晶片托架220还提供一选定的向下力F(例如，0-15磅/平方英寸)。控制器270也控制抛光台板的旋转速度，该速度一般为0-150转/分之间。因为抛光层具有使用上述有恒定CF的方法形成的槽结构，平面化的效率要高于具有非恒定CF的槽。不论抛光层204的旋转方向如何，平面化效率的优点都可得到。增加的平面化效率导致从晶片去除较少的材料，晶片的较快处理、和较少损伤晶片表面的机会。

由于抛光垫202的每单位垫的面积的更均匀的抛光面积与晶片接触，在一个举例的实施例中由晶片托架提供的向下的力可以比用传统抛光垫以达到在晶片上所有希望的点处去除材料所需的力要小。

Claims (10)

1.一种用于化学机械平面化的抛光垫，该抛光垫具有使基片平面化的抛光层，该抛光层包括：

从抛光层中心延伸到抛光层外周边的半径；

在抛光层中形成并从抛光层的外周边向内延伸的一或多个槽；以及

在从抛光层外周边延伸大部分距离到抛光层中心的一区域中开槽的圆周百分率，所述圆周百分率是在给定的半径处于跨越一或几个连续槽的周长部分除以给定半径处全周长，其中圆周百分率的平均值作为在从抛光层外周边延伸大部分距离到抛光层中心的区域中抛光层半径的函数保持在25％以内。

2.按照权利要求1的抛光垫，其特征在于圆周百分率的平均值作为在从抛光层外周边延伸大部分距离到抛光层中心的区域中抛光层半径的函数保持在10％以内。

3.按照权利要求1的抛光垫，其特征在于，圆周百分率从抛光层外周边延伸大部分距离到抛光层中心保持恒定。

4.按照权利要求1的抛光垫，其特征在于一或多条连续的槽从抛光层的基准半径延伸到抛光层的外周边。

5.按照权利要求1的抛光垫，其特征在于抛光表面在外周边以内具有一基准半径，和基准半径与外周边之间的起始半径以及从起始半径到外周边延伸的一或多条连续的槽。

6.根据权利要求1的抛光垫，其特征在于圆周百分率的平均值处在10％和25％之间。

7.根据权利要求1的抛光垫，其特征在于所述的一或多条槽是连续的曲线。

8.一种使基片化学机械平面化的方法，包括以下步骤：

向晶片引入抛光溶液，

相对于抛光垫旋转晶片，该抛光垫具有抛光层，同时该抛光层包括：

i)从抛光层中心延伸到抛光层外周边的一半径；ii)在抛光层内形成并从抛光层外周边向内延伸的一或多条连续的槽；以及iii)在一个从抛光层的外周边延伸大部分距离到抛光层中心的区域中开槽的圆周百分率。圆周百分率是在给定的半径处跨越一或多条连续槽的周长部分除以给定直径处全周长，其中圆周百分率的平均值作为从抛光层延伸大部分距离到抛光层中心的区域中抛光层半径的函数保持在25％以内；以及

用抛光垫和抛光溶液使晶片平面化。

9.按照权利要求8的方法，其特征在于平面化仅出现在从抛光层的外周边延伸大部分距离到抛光层中心的区域以内。

10.按照权利要求8的方法，其特征在于平面化与一或多条是连续曲线的连续槽一起出现。

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