CN113977453A - 提高抛光平坦度的化学机械抛光垫及其应用 - Google Patents

提高抛光平坦度的化学机械抛光垫及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高抛光平坦度的化学机械抛光垫及其应用，所述抛光垫的抛光层表面包含有两种不同微孔尺寸的区域：具有孔径1～50μm的I区小孔区和具有孔径为200～1000nm的II区微孔区。本发明的化学机械抛光垫具有特殊孔径分布的微孔，可以保证在更先进制程、更窄线宽的抛光条件下，得到最佳的表面平整度以及不产生较大的划伤。

Description

提高抛光平坦度的化学机械抛光垫及其应用
技术领域
本发明属于化学机械抛光技术领域，具体涉及一种提高抛光平坦度的化学机械抛光垫及其应用。
背景技术
在集成电路和电子器件的制造过程中，晶片的加工需要各层材料按序沉积到半导体晶片表面，此过程会使晶片表面变得不平整，此时通常需要将半导体晶片表面的微细凹凸消除并达到平坦化。化学机械平面化或化学机械抛光(chemical mechanicalpolishing，CMP)则是一种用以平面化或抛光工件(例如半导体晶片)的常见技术。在常规抛光过程中，抛光头固定着晶片，晶片置于与抛光垫的抛光层的接触的位置，抛光垫安装在基台上，支架组件在晶片和抛光垫之间提供可以控制的压力。此时，抛光介质分散在抛光垫表面，进入晶片与抛光层之间的间隙内。通过抛光层和介质在晶片表面上的化学和机械作用，对晶片表面抛光，以达到平坦化的目的。
但是随着科技的发展，对更先进的抛光制程提出了更高的要求，半导体刻蚀线宽已逐渐发展到7nm、5nm，甚至是3nm。这就对抛光垫的抛光平整度提出了更高的要求。
专利CN107813219B通过选用特定的配方得到了聚氨酯抛光垫，抛光垫是由含有特定比例的亲水部分的聚氨酯构成，所述抛光垫提供改善的缺陷率而平坦化效率不相应下降。
专利CN108115554A同样通过公开了一种双组分不含溶剂且大体上不含水的调配物得到了聚氨酯抛光垫，使所得的抛光垫具有改进的拉伸模数同时保持所希望的伸长率和可接受的缺陷度性能。
目前常见的提高平坦化的方法大多通过改变抛光垫配方来对性能进行调节，也有通过向抛光层中添加微球的方法，而常见微球直径尺寸基本都介于20至60微米之间。但以上方法都存在一定的弊端：通过改变配方来调节研磨平坦度的方法在调整研磨平坦度的同时无法保证其他性能不会降低，而添加20～60微米的微球对改善平坦化具有局限性。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种平坦化效果更佳的化学机械抛光垫，该抛光垫在应用于更先进制程的条件下，能够提供较高研磨平坦性的同时不会产生较多的划伤。
本发明的另一目的在于提供这种提高抛光平坦度的化学机械抛光垫的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：
一种提高抛光平坦度的化学机械抛光垫，所述抛光垫的抛光层分为I区和II区两部分，抛光层直径为R，II区为中间圆形结构直径为R1，I区为中间圆形结构之外的环形结构，尺寸为R-R1；其中，I区内抛光层具有小孔结构，孔径为1～50μm；II区内抛光层具有微孔结构，孔径为200～1000nm，I区和II区孔隙率差值的绝对值≤3％。
在一个具体的实施方案中，所述I区、II区的孔隙率为40～45％。
在一个具体的实施方案中，所述抛光层中包含微球，所述微球为空心微球或内部包含液体的微球；优选地，I区中微球占I区抛光层总质量的百分比为a％，II区中微球占II区抛光层总质量的百分比为b％，满足a<b<2a，优选地，3≤a≤6。
在一个具体的实施方案中，II区中间圆形结构直径R1满足2/3R≤R1≤3/4R。
在一个具体的实施方案中，I区、II区对应的抛光表面的压缩率差值的绝对值≤0.5％。
在一个具体的实施方案中，I区、II区对应的抛光表面的硬度差值的绝对值≤邵氏硬度3D。
在一个具体的实施方案中，所述的小孔结构或微孔结构为近似球状。
在一个具体的实施方案中，所述的抛光层表面还刻有任意形状的沟槽，优选地，所述抛光垫为非发泡体。
在一个具体的实施方案中，所述抛光垫可根据需要配有终点检测窗，优选地，所述抛光垫还至少包括缓冲层及粘结层。
另一方面，前述的化学机械抛光垫在化学机械平坦化中的应用，优选在铜晶片、蓝宝石、硅片、晶圆的化学机械抛光中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的化学机械抛光垫的抛光层具有两种孔结构形式，包括位于抛光轨迹内的孔径小于1μm的微孔区以及位于抛光层边缘的孔径大于1μm的小孔区。相较于目前常见的孔径结构，本发明抛光垫在抛光轨迹区分散有孔径小于1μm的孔洞结构，微孔可以类比于一个个置于抛光层中的“小碗”，“碗”的尺寸越小，数量越多，分布在“碗”中的抛光介质越均匀，“碗”中的抛光介质就能够越均匀地与基片相结合进行抛光；同时，抛光垫整体具有相对一致的孔隙率。若微孔尺寸过小，微颗粒团聚的现象会更加明显，造成微颗粒无法均匀分布的现象，从而影响抛光垫一致性。若微孔尺寸过大，抛光介质中过多的研磨颗粒会残存在微孔中，不能满足更高制程、更窄线宽的电子器件对抛光平坦的要求。在位于抛光垫的外边缘区设置有1～50μm的小孔结构，使晶片抛光后产生的抛光碎屑不至于残存在抛光垫与晶片之间而导致晶片表面的划伤，碎屑能够快速的落入位于抛光层边缘的小孔孔洞内，并随着机台的旋转在抛光液的作用下流出抛光垫，防止导致划伤的可能性。
附图说明
图1为本发明的提高抛光平坦度的化学机械抛光垫结构示意图。
图2为制备本发明的化学机械抛光垫的浇注模具示意图。
其中，1为顶部平板、2模具外壁、3圆环状区域、4圆柱模具、5圆柱状区域。
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，抛光垫的抛光层分为I区和II区两部分。抛光层直径为R，II区为中间圆形结构直径为R1，I区为中间圆形结构之外的环形结构，尺寸为R-R1，其中，抛光层II区中间圆形结构直径2/3R≤R1≤3/4R。
I区内抛光层具有小孔结构，孔径为1～50μm，小孔尺寸优选为10～40μm，例如10μm、20μm、30μm、40μm，但不限于此；II区内抛光层具有微孔结构，孔径为200～1000nm，微孔尺寸优选为300～800nm，例如300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm，但不限于此。
抛光层中，I区及II区孔隙率为40～45％，例如40％、41％、42％、43％、44％、45％，但不限于此。其中，I区和II区孔隙率差值的绝对值≤3％，优选≤2％，例如0％、0.5％、1％、1.5％、2％，但不限于此。
为了保持I区及II区孔隙率大致相同，通过添加微球并控制小孔微球与微孔微球的添加量来得以实现，其中，小孔微球的密度约为微孔微球密度的1～3倍。
在抛光层中，I区中微球占I区抛光层总质量的百分比为a％，其中，3≤a≤6，优选为4≤a≤5，a的取值例如为4、4.2、4.4、4.6、4.8、5，但不限于此。II区中微球占II区抛光层总质量的百分比为b％，a≤b≤2a，优选为1.2a≤b≤1.8a，b的取值例如1.2a、1.4a、1.6a、1.8a，但不限于此。
在抛光垫的抛光层上，I区及II区对应的抛光表面的压缩率差值的绝对值≤0.5％，压缩率差优选为小于0.3％，例如0％、0.1％、0.2％、0.3％，但不限于此。I区及II区对应的抛光表面的硬度差值的绝对值≤邵氏硬度3D，硬度差优选为小于2D，例如0D、0.5D、1D、1.5D、2D，但不限于此。
本发明抛光层内的微孔可以是在抛光垫合成过程中掺入的微球，例如使用质量流量进料输送***，在抛光层组合料的反应过程中通过该***控制微球的流动性，从而控制微球在抛光层内的均匀分布；也可使用高剪切设备，利用高速剪切力将微球分散于抛光层组合料中。将微球分散于抛光层组合中的方法不限于上述所说的方法，任何本领域人员所熟知的方法均可用于本发明。
位于抛光层内的微球为近似球状，优选为球状；微球可以是空心微球，也可以是内部包含液体的微球，其中所包含的液体不与抛光层基体材料反应，同时也不会影响抛光效果，优选的液体为水。其中优选的，抛光层中的微球是空心微球。
本发明的化学机械抛光垫的抛光层表面还具有沟槽形状，所述沟槽形状例如选自曲线槽、线形槽、穿孔以及其组合的槽图案。优选地，槽图案包含多个槽，如选自以下组成的群组的一种：同心槽、螺旋形槽、交叉影线槽、X-Y网格槽、六角形槽、三角形槽、分形槽及其组合。优选地，本发明的抛光垫可根据需要配有终点检测窗，窗口的形状也没有特别的限制，例如可以是四边形、三角形、圆形等，优选为长方形或正方形。终点检测窗可作为***型窗口也可为整体型窗口，可采用本领域所公开的任何技术将终点检测窗置于抛光垫内。
本发明的抛光垫的抛光层为非发泡材料，其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。例如，所述聚氨酯弹性体由含有未反应的异氰酸酯基团的预聚体与含有活泼氢反应基团的醇类或胺类固化剂反应得到。优选的含有未反应的异氰酸酯基团的预聚体是由带苯环的异氰酸酯与聚醚多元醇反应得到，优选的含有活泼氢反应基团的醇类或胺类固化剂是多元胺类固化剂。
本发明的抛光层的抛光表面可采用任何本领域人员所熟知的研磨及/或砂光方法进行处理，将位于表面的微球表皮打开，从而在抛光层表面得到微孔开口。
本发明抛光垫还至少包括缓冲层及粘结层。作为所述抛光垫的缓冲层，可选自开孔泡沫材料、纺织材料和无纺材料，包括毡制材料、纺毡材料和针刺材料、厚法兰绒材料等，但不限于此。所述缓冲层的厚度没有特别的限制，例如可以选自SUBA系列材料。
所述粘结层位于抛光层与缓冲层之间，用于将抛光层与缓冲层粘结在一起，所述粘结层选自于热熔胶或压敏粘合剂中的至少一种。所述热熔胶选自聚烯烃、乙烯醋酸乙烯酯、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚氯乙烯或环氧树脂中的至少一种；所述压敏胶选自丙烯基粘接剂(PSAV)或橡胶基粘接剂(PSA8)中的至少一种。所述通过粘结层将所述抛光层与缓冲层粘结、贴合的过程没有特别的限制，完全可以参考现有技术，这也是本领域技术人员所熟知的。
制备本发明所述的抛光层可采用以下方法：
提供一浇注模具，如图2所示。模具具有顶部平板1，处于固定位且不可移动的圆柱形模具外壁2，处于活动位可拆卸的圆柱模具4，模具外壁2与圆柱模具4共同围成了圆环状区域3，圆柱模具内围成了圆柱状区域5。在浇注过程中，将混合后的组合料先浇注到区域3中，待组合液凝胶后，将模具4抽出，向区域5内浇注混合有更小孔径微球的组合料。之后将模具整体进行加热固化，冷却脱模后得到本发明所述的抛光层结构。
本发明的带有优化沟槽的化学机械抛光垫可以在化学机械平坦化中应用，优选用于铜晶片、蓝宝石、硅片、晶圆的化学机械抛光，但不限于此。其抛光方法可以参考现有技术，这是本领域技术人员所熟知的，例如抛光方法包括以下步骤：
提供前述的化学机械抛光垫；
对抛光元件施加一压力以压置于抛光垫上；
对抛光元件及抛光垫提供相对运动进行抛光。
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。
本发明实施例和对比例用到的主要设备如下：
抛光设备：MirraTMCMP抛光机；
本发明实施例和对比例用到的主要抛光及测试方法如下：
抛光方法：采用W镀膜片(采购于森特材料，纯度99.95％)安装于抛头上，在1.5psi(10.3kPa)的抛头压力下，使用酸性胶体二氧化硅浆料抛光液(采购于安集科技)，采用off-line修整方式。抛光过程中压板转速95rpm，载体速度85rpm。
平坦化测试：每次抛光实验前后，用四点探针(Four Dimensions，Inc，
Figure BDA0003341994540000071
)测试仪测量片上相同位置的81个测试点厚度，并通过厚度差值计算移除速率RR。移除速率计算公式如下：
Figure BDA0003341994540000081
其中，
Figure BDA0003341994540000082
为抛光前81个测试点厚度平均值，
Figure BDA0003341994540000083
为抛光后81个测试点厚度平均值，ΔTavg为抛光前后81个点中每个点抛光前后厚度差值的平均值。移除速率的标准差计算得到非均匀比率(％NUR)。非均匀比率越小，说明整个抛光面上抛光平坦化程度越高。
划伤性测试：抛光结束后使用电镜扫描抛光元件表面，计长度大于50nm的划痕条数来进行计数。
孔隙率测试：自抛光层表面起，由切片至一定厚度处，通过SEM来观察切削加工表面，通过计算微孔面积与总面积的比值来近似计算孔隙率。
硬度测试：根据GB/T 531-2008方法进行邵氏硬度测试。
压缩率测试：根据ASTM D1229-2003(2008)方法进行压缩率测试。
孔径大小测定：利用台式扫描电镜，配有孔径***PoroMetric软件读取平均孔径。
本发明实施例和对比例用到的主要原料如下：
预聚体Air Products and Chemicals,Inc.的预聚物PHP-75D；
固化剂MOCA晶昊化工；
PSA压敏胶3M公司；
大孔径空心微球：阿克苏诺贝尔公司，40D25平均粒径为25μm，密度0.4g/cm3，40D45平均粒径为45μm，密度0.4g/cm3；HOLLOWLITE公司，空心微珠HS65，平均粒径小于20μm，密度0.37g/cm3。
小孔径空心微球：康福诺生物科技公司，空心聚多巴胺微球，孔径300～400nm，密度0.3g/cm3；竹中科技，空心玻璃微珠，孔径600～800nm，密度0.26g/cm3；西安点化生物，BWQ-21，孔径900～1000nm，密度0.26g/cm3。
实施例1
将10g孔径25μm微球通过高剪切力加入到200g预聚体和48.3g固化剂的混合液中搅拌均匀，浇注入模具区域3中，待15min凝胶后，将模具4取出。将混合有12.5g孔径300nm的微球，235g预聚体和60g固化剂的组合液浇注入模具5中，得到的R1＝3/4R。将模具放入120℃烘箱内加热固化12h，后冷却至室温得到聚氨酯块体，利用切片机将块体切割为抛光层薄片，后经PSA贴合到SUBA缓冲层上，得到抛光垫。
实施例2
将13.8g孔径45μm微球通过高剪切力加入到237g预聚体和59.6g固化剂的混合液中搅拌均匀，浇注入模具区域3中，待15min凝胶后，将模具4取出。将混合有20.1g孔径600nm的微球，235g预聚体和60g固化剂的组合液浇注入模具5中，得到的R1＝1/2R。将模具放入120℃烘箱内加热固化12h，后冷却至室温得到聚氨酯块体，利用切片机将块体切割为抛光层薄片，后经PSA贴合到SUBA缓冲层上，得到抛光垫。
实施例3
将12.2g孔径45μm微球通过高剪切力加入到194g预聚体和48.5g固化剂的混合液中搅拌均匀，浇注入模具区域3中，待15min凝胶后，将模具4取出。将混合有28.3g孔径900nm的微球，240g预聚体和62.8g固化剂的组合液浇注入模具5中，得到的R1＝2/3R。将模具放入120℃烘箱内加热固化12h，后冷却至室温得到聚氨酯块体，利用切片机将块体切割为抛光层薄片，后经PSA贴合到SUBA缓冲层上，得到抛光垫。
比较例1
将10g孔径25μm微球通过高剪切力加入到200g预聚体和48.3g固化剂的混合液中搅拌均匀，浇注入模具。将模具放入120℃烘箱内加热固化12h，后冷却至室温得到聚氨酯块体，利用切片机将块体切割为抛光层薄片，后经PSA贴合到SUBA缓冲层上，得到抛光垫。
比较例2
混合有12.5g孔径300nm的微球，235g预聚体和60g固化剂的组合液浇注入模具中。将模具放入120℃烘箱内加热固化12h，后冷却至室温得到聚氨酯块体，利用切片机将块体切割为抛光层薄片，后经PSA贴合到SUBA缓冲层上，得到抛光垫。
比较例3
将15.7g孔径25μm微球通过高剪切力加入到317g预聚体和75g固化剂的混合液中搅拌均匀，浇注入模具区域3中，待15min凝胶后，将模具4取出。将混合有12.4g孔径300nm的微球，235g预聚体和60g固化剂的组合液浇注入模具5中，得到的R1＝1/3R。将模具放入120℃烘箱内加热固化12h，后冷却至室温得到聚氨酯块体，利用切片机将块体切割为抛光层薄片，后经PSA贴合到SUBA缓冲层上，得到抛光垫。
比较例4
将10g孔径25μm微球通过高剪切力加入到200g预聚体和48.3g固化剂的混合液中搅拌均匀，浇注入模具区域3中，待15min凝胶后，将模具4取出。将混合有18.5g孔径300nm的微球，352g预聚体和89g固化剂的组合液浇注入模具5中，得到的R1＝4/5R。将模具放入120℃烘箱内加热固化12h，后冷却至室温得到聚氨酯块体，利用切片机将块体切割为抛光层薄片，后经PSA贴合到SUBA缓冲层上，得到抛光垫。
比较例5
将10g孔径25μm微球通过高剪切力加入到200g预聚体和48.3g固化剂的混合液中搅拌均匀，浇注入模具区域3中，待15min凝胶后，将模具4取出。将混合有4.4g孔径300nm的微球，235g预聚体和60g固化剂的组合液浇注入模具5中，得到的R1＝3/4R。将模具放入120℃烘箱内加热固化12h，后冷却至室温得到聚氨酯块体，利用切片机将块体切割为抛光层薄片，后经PSA贴合到SUBA缓冲层上，得到抛光垫。
实施例6
将10g孔径25μm微球通过高剪切力加入到200g预聚体和48.3g固化剂的混合液中搅拌均匀，浇注入模具区域3中，待15min凝胶后，将模具4取出。将混合有32.5g孔径300nm的微球，235g预聚体和60g固化剂的组合液浇注入模具5中，得到的R1＝3/4R。将模具放入120℃烘箱内加热固化12h，后冷却至室温得到聚氨酯块体，利用切片机将块体切割为抛光层薄片，后经PSA贴合到SUBA缓冲层上，得到抛光垫。
分别将实施例和比较例中的抛光垫利用之前描述的方法进行抛光实验和测试，相关结果列入表1。
表1抛光垫测试结果数据表
Figure BDA0003341994540000111
从以上数据可以看出，按照本发明制备得到的化学机械抛光垫进行抛光实验后，晶片表面非均匀比率低，划伤数量少，可以满足更窄线宽、更先进制程的抛光要求。比较例1中全部使用了大孔径的微球，虽然为抛光碎屑提供了足够的储存和移除空间，但晶片的非均匀比率升高，研磨平坦性下降，同理，如比较例3，晶片在抛光轨迹内更多的接触到了大孔径区域，造成了研磨平坦性下降的现象。比较例2中全部使用了小孔径微球，虽然非均匀比率较低，研磨平坦性较好，但由于抛光碎屑等没有合适的***通道，导致碎屑长时间存在于抛光垫和晶片表面，随着抛光过程会产生划伤。同理，如比较例4，晶片在抛光轨迹内更多的接触到了小孔径区域，造成了表面划伤数量增加的现象。比较例5和6中因I区中微球与II区中微球的添加质量不满足本发明的限定条件，导致I、II区对应的抛光层物性差异大，导致研磨特性产生较大的差异，因此抛光后非均匀比率值高。同时因为比较例5中II区硬度大，还造成了晶圆表面划伤数量的增多。
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)

1.一种提高抛光平坦度的化学机械抛光垫，其特征在于，所述抛光垫的抛光层分为I区和II区两部分，抛光层直径为R，II区为中间圆形结构直径为R1，I区为中间圆形结构之外的环形结构，尺寸为R-R1；其中，I区内抛光层具有小孔结构，孔径为1～50μm；II区内抛光层具有微孔结构，孔径为200～1000nm，I区和II区孔隙率差值的绝对值≤3％。
2.根据权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述I区、II区的孔隙率为40～45％。
3.根据权利要求1或2所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述抛光层中包含微球，所述微球为空心微球或内部包含液体的微球；优选地，I区中微球占I区抛光层总质量的百分比为a％，II区中微球占II区抛光层总质量的百分比为b％，满足a<b<2a，优选地，3≤a≤6。
4.根据权利要求1-3任一项所述的化学机械抛光垫，其特征在于，II区中间圆形结构直径R1满足2/3R≤R1≤3/4R。
5.根据权利要求1-4任一项所述的化学机械抛光垫，其特征在于，I区、II区对应的抛光表面的压缩率差值的绝对值≤0.5％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的化学机械抛光垫，其特征在于，I区、II区对应的抛光表面的硬度差值的绝对值≤邵氏硬度3D。
7.根据权利要求1-6任一项所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述的小孔结构或微孔结构为近似球状。
8.根据权利要求1-7任一项所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述的抛光层表面还刻有任意形状的沟槽，优选地，所述抛光垫为非发泡体。
9.根据权利要求1-8任一项所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述抛光垫可根据需要配有终点检测窗，优选地，所述抛光垫还至少包括缓冲层及粘结层。
10.权利要求1-9任一项所述的化学机械抛光垫在化学机械平坦化中的应用，优选在铜晶片、蓝宝石、硅片、晶圆的化学机械抛光中的应用。
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