CN113246015A - 具有终点检测窗的抛光垫及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有终点检测窗的抛光垫及其应用，所述抛光垫至少包括抛光表面和终点检测窗，所述抛光表面至少具有第一及第二沟槽，所述第一沟槽是以抛光垫中心为圆心的同心圆或同心多边形形状，所述第二沟槽位于紧邻窗口与第一沟槽相交的两面处。本发明的具有终点检测窗的抛光垫能够避免抛光过程中对抛光晶圆的表面平整度的破坏，同时减少由于抛光窗口而造成的划伤。

Description

具有终点检测窗的抛光垫及其应用

技术领域

本发明属于化学机械抛光技术领域，具体涉及一种具有终点检测窗及特殊沟槽形式的化学机械抛光垫。

背景技术

化学机械平坦化或化学机械抛光(Chemical mechanical polishing或Chemicalmechanical planarization，简称CMP)是指在特定温度、压力及抛光介质作用下，将半导体晶圆在旋转的研磨平面上进行研磨的过程，或者为在研磨平面上旋转晶圆而达到的研磨效果。在研磨过程以除去晶圆表面的缺陷，例如粗糙表面、成团材料、晶格破坏、划痕和被污染的各层。

在抛光过程中，常使用终点检测***原位检测抛光终点，以确定何时获得期望的平面化程度。原位检测方法涉及具有透明终点检测窗口的抛光垫，该透明窗口提供在抛光期间通过激光以允许检查晶片表面的入口。

专利CN101778701B公开了一种抛光垫，该抛光表面包括设置在该抛光层内且距该抛光表面具有可测量深度的多个凹槽及不具有凹槽的阻挡区；以及设置在该阻挡区内并被该阻挡区围绕的透明窗。该发明认为，基本上不具有凹槽且围绕透明窗的阻挡区的存在将减少保留在该透明窗之上或之内的抛光组合物的量。

专利TWI276503公开了一种终点检测窗上具有凹槽的抛光垫，该抛光表面具有第一凹槽，终点检测窗具有贯穿窗口的第二凹槽，并且第一凹槽比第二凹槽更深。该发明认为此类结构的抛光垫可以减少抛光缺陷的产生。

但在有终点检测窗的抛光垫的抛光工艺中，由于检测窗与抛光表面的物性差异，容易造成抛光介质流经两者处流动性能发生变化，抛光介质内的研磨颗粒及抛光碎屑容易产生聚集，从而不仅影响抛光晶圆的表面平整度，而且还会造成检测窗表面划痕等缺陷，甚至影响终点检测精确度。因此，如何优化抛光介质流经检测窗和抛光表面的流体状态对于提高终点检测准确度及提高晶片表面质量具有重要的意义。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种带有终点检测窗及特定沟槽结构的化学机械抛光垫，在使用该抛光垫进行抛光过程时，保证抛光液在流经终点检测窗时，能及时的排出抛光碎屑，防止抛光碎屑残留在窗口表面而影响抛光晶片的表面质量。

本发明的另一方面在于提供这种高终点检测准确度、低划伤化学机械抛光垫的应用。

一种具有终点检测窗的抛光垫，所述抛光垫至少包括：

(1)终点检测窗，所述终点检测窗具有L边及W边；

(2)抛光层，所述抛光层表面具有至少一第一沟槽、至少一第二沟槽；

所述第一沟槽是以抛光垫中心为圆心的同心圆或同心多边形状的沟槽，所述至少一第一沟槽与紧邻终点检测窗L边的所述第二沟槽连通。

在一个具体的实施方案中，所述紧邻终点检测窗L边的第二沟槽为长度与L边边长相等的线性沟槽；优选地，所述第一沟槽深度为D₁，所述第二沟槽的沟槽深度为D₂，且D₁<D₂。

在一个具体的实施方案中，所述第一沟槽具有恒定的沟槽深度D₁，0.5mm≤D₁≤0.9mm；第二沟槽深度0.9mm<D₂≤1.5mm。

在一个具体的实施方案中，所述抛光层厚度选自1.7～2.5mm。

在一个具体的实施方案中，所述第一沟槽底部为平面形状。

在一个具体的实施方案中，所述第二沟槽底部为倒三角型，所述沟槽底部倒三角形的角度为θ，其中30°≤θ≤60°。

在一个具体的实施方案中，所述第二沟槽的深度小于所述终点检测窗的厚度。

在一个具体的实施方案中，所述终点检测窗为多边形结构，优选为四边形结构，更优选为平行四边形形状。

在一个具体的实施方案中，第一沟槽彼此均匀间隔分布，沟槽间距为1.5～3.5mm；优选地，所述第一沟槽为均匀间隔分布的同心圆形状。

本发明的另一方面，前述的具有终点检测窗的抛光垫在磁性基片、光学基片或半导体基片化学机械抛光中的应用。

与现有技术相比，本发明的具有终点检测窗的抛光垫具有以下有益效果：

现有技术的抛光垫中，由于检测窗口与抛光层的组成成分略有差异，造成两者的抛光性能会产生差别，且窗口表面没有沟槽，容易导致抛光碎屑和抛光液中的研磨颗粒在窗口上方聚集，造成晶片的划伤进而影响抛光晶圆的表面质量。若如TWI276503B的窗口表面刻有沟槽，流动于沟槽内的抛光液会将入射的光线散射，从而影响抛光终点的检测准确性。

本发明的抛光垫在检测窗口与抛光层相接触的界面雕刻有深度更深、倒三角形底部形状的第二沟槽，当抛光液沿抛光层表面沟槽流经与窗口边界处时，由于该处具有深度更深，且倒三角的沟槽结构，因抛光碎屑的瞬时沉降和抛光液在倒三角形底部的次级流动的作用，部分粒径较大的抛光碎屑会滞留在第二沟槽内。又由于抛光过程中抛光垫受到离心力作用，滞留的抛光碎屑会沿径向方向排出抛光垫，减少碎屑进入窗口上方的几率，减少了划伤的情况，提高了晶圆表面质量。

本发明的化学机械抛光垫的以上结构设计相互配合、共同作用，从而使得整个CMP过程保证了抛光液在流经窗口与抛光表面边界处，抛光碎屑及时排出，不会堆积在窗口上方，从而提高抛光晶圆表面质量以及低缺陷的产生。

附图说明

图1是本发明抛光垫的俯视示意图；

图2是本发明抛光垫沿A-A’方向的剖面示意图；

图3是本发明抛光垫的局部立体示意图；

图4是本发明中倒三角沟槽形状处局部区域的次级流动示意图；

图5是本发明另一实施例抛光垫俯视示意图；

图6是本发明实施例的晶圆profile数据图像；

图7是本发明比较例的晶圆profile数据图像。

其中，1为抛光层、2第一沟槽、3终点检测窗、4第二沟槽。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面的实施例将对本发明所提供的方法予以进一步的说明，但本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明的权利要求范围内其他任何公知的改变。

如图1所示，本发明的具有终点检测窗的抛光垫至少包括：

(1)抛光层1；

(2)位于抛光层表面的第一沟槽2，所述第一沟槽2是以抛光垫中心为圆心的同心圆，当然还可以是以抛光垫中心为圆心的同心多边形，例如同心正方形、同心五边形、六边形等，但不限于此；

(3)透明终点检测窗3，该检测窗具有两条长边(L边)及两条短边(W边)；

(4)紧邻终点检测窗L边的第二沟槽4，优选地，第二沟槽4为长度与L边边长相等的线性沟槽。

其中，整个抛光垫的表面均可称为抛光层1，作为本发明抛光垫的抛光层可以是本领域常用的材质构成，没有任何的限制，例如所述抛光层材料选自链段嵌段共聚物或聚氨酯弹性体中的至少一种，优选为聚氨酯弹性体材质。具体地，所述抛光层的制备方法可以参考现有技术，这也是本领域技术人员所熟知的。所述抛光层例如可以是一层或多层结构体，没有任何的限制。

如图3所示，所述终点检测窗3为矩形结构，例如还可以为菱形或平行四边形，或者多边形形状，优选为平行四边形形状，但不限于此。通常，检测窗口不建议做成圆形或三角形，若是该两种形状，就难以实现在抛光过程中抛光垫因受到离心力作用，滞留在第二沟槽中的抛光碎屑沿径向方向排出抛光垫，无法得到较高的表面质量。若是其它多边形，最好能保证沿径向方向的两条边是平行的(此时该两条平行的边记为L边)，才能保证进入到第二沟槽内的抛光碎屑能快速的排出。该检测窗具有两条长边，记为L边，以及两条短边，记为W边。当所述终点检测窗为其它形状时，也可以将与所述第一沟槽相交的边记为L边(即径向方向的边)，不与第一沟槽相交的边记为W边。其中，所述终点检测窗3的L边边长选自10～25mm，优选自15～20mm；W短边边长选自8～20mm，优选自10～15mm。

其中，第一沟槽2可以为同心圆形状(如图1所示)，也可以为同心多边形形状，可选地同心三角形、同心四边形(如图5所示)、同心五边形、同心六边形等，优选为同心圆形。

所述第一沟槽2彼此均匀间隔分布，沟槽间距为1.5～3.5mm，沟槽宽度例如为0.3～0.7mm，优选地，第一沟槽的沟槽间隔为1.8～3mm。所述第一沟槽深度为D₁，0.5mm≤D₁≤0.9mm，优选地，0.6mm≤D₁≤0.8mm。在一个具体的实施方案中，所述第一沟槽的深度为恒定不变的，所述第一沟槽的底部形状没有任何的限制，例如为平面形状，也可以为曲面形状，优选为平面形状，这种设计可以与第二沟槽的倒三角形形状底部形成明显的形状差异，使得抛光液从第一沟槽流经第二沟槽时流动状态更易发生变化，有利于抛光碎屑的沉降。

如图1所示，经过终点检测窗位置的第一沟槽2与终点检测窗3的L边的第二沟槽4相交，即这部分第一沟槽2和第二沟槽4互相连通，中间不存在任何阻挡层，这部分第一沟槽2与终点检测窗中间3也不存在任何阻挡层。优选地，所述第一沟槽与终点检测窗L边或所述第二沟槽垂直相交。

如图2所示，所述第二沟槽4的沟槽底部为倒三角形。所述倒三角形的角度为θ，即所述第二沟槽4的底斜面与检测窗口之间的夹角为θ，可选地30°≤θ≤60°，例如θ的角度包括但不限于30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°，优选35°≤θ≤50°。

所述第二沟槽与第一沟槽相交，沟槽深度为D₂，且D₁<D₂。其中，0.9mm<D₂≤1.5mm，优选的1mm≤D₂≤1.3mm。所述第二沟槽的深度优选小于终点检测窗的厚度，使得终点检测窗在L边的下部以及W边与抛光层形成紧密的面接触，有利于窗口的紧密固定。优选地，所述第二沟槽的宽度为0.2～0.6mm，优选为0.4～0.5mm。第二沟槽紧邻终点检测窗两条L边，长度小于等于L边边长，优选地，第二沟槽为长度等于L边边长的线性沟槽。

如图4所示，本发明的抛光垫在检测窗口3与抛光层1相接触的界面雕刻有深度更深、倒三角形底部形状的第二沟槽4，当抛光液沿抛光层表面第一沟槽2流经与窗口边界处时，由于该处具有深度更深，且倒三角的沟槽结构，因抛光碎屑的瞬时沉降和抛光液在倒三角形底部的次级流动的作用，部分粒径较大的抛光碎屑会滞留在第二沟槽内，从而减少碎屑进入窗口上方的几率，减少了窗口表面及晶圆表面划伤的情况，提高了晶圆表面质量。

本发明的具有终点检测窗的抛光垫，可用于抛光磁性基片、光学基片和半导体基片中的至少一种，例如包括以下步骤：

a.提供抛光垫，该抛光垫至少包括：

(1)终点检测窗；

其中，终点检测窗具有两条长边L边及两条短边W边。

(2)抛光层；

其中，抛光层表面具有第一沟槽与第二沟槽。第一沟槽是以抛光垫圆心为圆心的同心圆或同心多边形，第一沟槽与终点检测窗L边相交；第二沟槽为紧邻终点检测窗L边处，长度与L边边长相等的线性沟槽。

b.使所述抛光垫与晶片表面接触；

c.旋转抛光垫与晶片，使抛光垫与晶片发生相对旋转；

d.使抛光液充盈在抛光垫与晶片表面之间，经由凹槽发生流动，完成化学机械抛光过程。

其中，具体抛光方法除采用本发明的具有终点检测窗的抛光垫外，其它的抛光工艺和抛光液均可参考现有技术，本发明没有任何的限制。

下面通过更具体的实施例进一步解释说明本发明，但不构成任何限制。

未特别说明，本发明实施例及比较例的抛光垫采用如下方法制得：

将预聚体(Chemtura，LGF 740D)与固化剂4,4’-亚甲基-二-邻氯代苯胺(阿拉丁)混合，搅拌反应后得到聚氨酯块cake。在cake上冲切出一个开口，将由预聚体(Chemtura，LGF 740D)与固化剂4,4’-亚甲基-双-(3-氯-2,6-二乙基苯胺)(阿拉丁)反应得到的窗口块体利用Primer94胶(3M)粘结到cake开口中。将得到的cake切片得到抛光层薄片。与SUBA IV(DOW)贴合得到抛光垫。

将得到的抛光垫按照实施例、比较例的沟槽数据进行刻槽得到最终表面带有沟槽的抛光垫。

本发明实施例和对比例用到的主要原料如下：

设备：Mirra^TM CMP抛光机。

Profile测试方法：使用FX200度量工具，利用81点螺旋扫描测量抛光前后的晶圆厚度差值，除以抛光时间来确定表面平整度。

抛光方法：Cu靶材，在1.5psi(10.3kPa)的抛头压力下，使用ILD3225抛光液(DOW)，与去离子水1:1混合使用。抛光三分钟，金刚石修整器修整一分钟。抛光过程中台板转速93rpm，晶片支架抛头转速87rpm。

抛光过程中对靶材的划伤使用靶材表面长度大于50mm的划痕条数来表示。

实施例1

如图1所示的抛光垫结构，本实施例一个抛光垫沟槽形式如下：

检测窗口为长方形，L边边长＝13mm，W边边长＝8mm；

抛光层厚度为1.8mm；

第一沟槽：为同心圆形状，沟槽深度D₁＝0.5mm，沟槽间距为1.5mm，沟槽宽度0.5mm；

第二沟槽：沟槽深度D₂＝1.0mm，底部倒三角形角度θ＝30°，沟槽宽度0.4mm，沟槽长度等于窗口L边边长。

实施例2

如图5所示的抛光垫结构，本实施例一个抛光垫沟槽形式如下：

窗口为长方形形状，L边边长＝18mm，W边边长＝11mm；

抛光层厚度2mm；

第一沟槽：为同心四边形形状，沟槽深度D₁＝0.66mm，沟槽间距为2.5mm，沟槽宽度0.4mm；

第二沟槽：沟槽深度D₂＝1.1mm，底部倒三角形角度θ＝45°，沟槽宽度0.3mm，沟槽长度等于窗口L边边长。

实施例3

如图1所示的抛光垫结构，本实施例一个抛光垫沟槽形式如下：

窗口为长方形，L边边长＝23mm，W边边长＝15mm；

抛光层厚度为2.5mm；

第一沟槽：为同心圆形状，沟槽深度D₁＝0.9mm，沟槽间距为3.2mm，沟槽宽度0.6mm；

第二沟槽：沟槽深度D₂＝1.5mm，底部倒三角形角度θ＝60°，沟槽宽度0.5mm，沟槽长度小于窗口L边边长，为20mm。

比较例1

本比较例一个抛光垫沟槽形式如下：

窗口为长方形，L边边长＝13mm，W边边长＝8mm；

抛光层厚度为1.8mm；

第一沟槽：为同心圆形状，沟槽深度D₁＝0.5mm，沟槽间距为1.5mm，沟槽宽度0.5mm；

第二沟槽：沟槽深度D₂＝1.0mm，底部为平面形状，沟槽宽度0.4mm，沟槽长度等于窗口L边边长。

比较例2

本比较例一个抛光垫沟槽形式如下：

窗口为长方形，L边边长＝13mm，W边边长＝8mm；

抛光层厚度为1.8mm；

第一沟槽：为同心圆形状，沟槽深度D₁＝0.5mm，沟槽间距为1.5mm，沟槽宽度0.5mm。

其中，第一沟槽雕刻至紧邻窗口L边处，无第二沟槽的存在。

比较例3

本比较例一个抛光垫沟槽形式如下：

窗口为长方形，L边边长＝13mm，W边边长＝8mm；

抛光层厚度为1.8mm；

第一沟槽：为同心圆形状，沟槽深度D₁＝0.5mm，沟槽间距为1.5mm，沟槽宽度0.5mm。

其中，第一沟槽雕刻至距离窗口L边10mm处，无第二沟槽的存在。

比较例4

本比较例一个抛光垫沟槽形式如下：

窗口为长方形，L边边长＝13mm，W边边长＝8mm；

抛光层厚度为1.8mm；

第一沟槽：为同心圆形状，沟槽深度D₁＝0.5mm，沟槽间距为1.5mm，沟槽宽度0.5mm。

其中，第一沟槽雕刻至窗口处时不间断，在窗口表面继续连续雕刻沟槽，无第二沟槽的存在。

分别将实施例和比较例中的抛光垫利用前述的方法进行抛光实验、表面平整度测试和划伤测试。

表1为实施例及比较例通过测试得到的划伤测试数据表。

表1去除速率结果数据表

	实施例1	实施例2	实施例3	比较例1	比较例2	比较例3	比较例4
								划伤数量	0	0	0	2	4	3	0

图6～7是本发明实施例与比较例的晶圆profile数据图像。

从表1中可以看出，实施例中的窗口及沟槽形式如本发明所述的抛光过程中，存在于流经窗口的抛光液中的抛光碎屑等大颗粒会随着第二沟槽排出，而不至于经过检测窗上方而对晶圆造成划伤。

从图6～7中profile图像中可以看出，实施例中除了不可避免的边缘效应外，在整个晶圆尺寸范围内，去除速率平稳，无去除速率波动较大的点。比较例中除不可避免的边缘效应外，在整个晶圆尺寸范围内，抛光速率均出现了或大或小的波动，其中以比较例2与比较例3中波动最为明显。

比较例1中第一沟槽底部为平面非三角形形状，流经此处的抛光液无法产生次级流动，抛光碎屑等不能被高效的排出，profile曲线出现了略微的波动，即在横坐标(晶圆直径)-100～100范围内，实施例的曲线相对于比较例的曲线来说，更加平滑，数值更均一；比较例2沟槽刻至紧邻窗口处，抛光液中的抛光碎屑没来得及缓冲和排出就随抛光液流经检测窗上方，由于材料研磨性质的差异造成了profile曲线出现较大的波动而不平坦，同时晶圆表面出现了划痕；比较例3同比较例2相似，皆因抛光碎屑无法排出，堆积在检测窗表面而使去除速率不稳定及划痕的产生；比较例4为在窗口上也雕刻有沟槽，抛光碎屑可以随沟槽内抛光液快速通过，不易产生划痕，但在实验中发现会影响检测光束透光检测窗时的光信号，进而影响抛光速率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。本领域技术人员可以理解，在本说明书的教导之下，可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种具有终点检测窗的抛光垫，所述抛光垫至少包括：

(1)终点检测窗，所述终点检测窗具有L边及W边；

(2)抛光层，所述抛光层表面具有至少一第一沟槽、至少一第二沟槽；

所述第一沟槽是以抛光垫中心为圆心的同心圆或同心多边形状的沟槽，所述至少一第一沟槽与紧邻终点检测窗L边的所述第二沟槽连通。

2.根据权利要求1所述的具有终点检测窗的抛光垫，其特征在于，所述紧邻终点检测窗L边的第二沟槽为长度与L边边长相等的线性沟槽；优选地，所述第一沟槽深度为D₁，所述第二沟槽的沟槽深度为D₂，且D₁<D₂。

3.根据权利要求2所述的具有终点检测窗的抛光垫，其特征在于，所述第一沟槽具有恒定的沟槽深度D₁，0.5mm≤D₁≤0.9mm；第二沟槽深度0.9mm<D₂≤1.5mm。

4.根据权利要求1～3任一项所述的具有终点检测窗的抛光垫，其特征在于，所述抛光层厚度选自1.7～2.5mm。

5.根据权利要求1～3任一项所述的具有终点检测窗的抛光垫，其特征在于，所述第一沟槽底部为平面形状。

6.根据权利要求1～3任一项所述的具有终点检测窗的抛光垫，其特征在于，所述第二沟槽底部为倒三角形，所述沟槽底部倒三角形的角度为θ，其中30°≤θ≤60°。

7.根据权利要求1～3任一项所述的具有终点检测窗的抛光垫，其特征在于，所述第二沟槽的深度小于所述终点检测窗的厚度。

8.根据权利要求1～3任一项所述的具有终点检测窗的抛光垫，其特征在于，所述终点检测窗为多边形结构，优选为四边形结构，更优选为平行四边形。

9.根据权利要求1～3任一项所述的具有终点检测窗的抛光垫，其特征在于，所述第一沟槽彼此均匀间隔分布，沟槽间距为1.5～3.5mm；优选地，所述第一沟槽为均匀间隔分布的同心圆形状。

10.权利要求1-9任一项所述的具有终点检测窗的抛光垫在磁性基片、光学基片或半导体基片化学机械抛光中的应用。

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