專利名稱：將一種軟附墊用于化學機械拋光的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種磨具和使用所述磨具的方法。
背景技術：
半導體晶片有個半導體基片。半導體基片可用任何適當的材料，例如單晶硅、單晶砷化鎵和本領域中已知的其它單晶半導體材料制造。在半導體基片表面上有個介電層。此介電層一般包含二氧化硅，然而，其它合適材料的介電層在本領域中也是可以用的。
在介電層的正面有大量不連續(xù)的金屬互連部分(例如金屬導體塊)。每個金屬互連部分可以是由例如鋁、銅、鋁銅合金、鎢等組成。這些金屬互連部分的制備一般是先在介電層上沉積連續(xù)的金屬層。然后對其進行蝕刻，除去多余的金屬形成所需的金屬互連部分圖案。然后在每個金屬互連部分上，金屬互連部分之間和介電層表面上施加絕緣層。絕緣層一般為金屬氧化物，如二氧化硅、BPSG(硼磷硅酸鹽玻璃)，PSG(磷硅酸鹽玻璃)或其復合體。得到的絕緣層的正面往往可能達不到所需的“平面度”和/或“均勻度”。
在用光刻法加上任何額外的電路層之前，要求處理絕緣層的正面，達到所需程度的“平面度”和/或“均勻度”；該具體程度取決于許多因素，包括晶片的種類和晶片的用途，還有對晶片的所有后續(xù)處理步驟的特性。為了簡化起見，在本申請的剩余部分，本方法將稱為“平面化”。平面化的結果，絕緣層應足夠平，使得當隨后用光刻法形成新電路圖案時，臨界的尺寸特征能清晰顯示出來。這些臨界尺寸特征形成了電路圖案。
在晶片制造過程期間，其它的層也可平面化。實際上，在金屬互連部分上加上每一層絕緣材料附加層后，都可能需要平面化?？瞻拙赡芤残枰矫婊?。另外，晶片上可能有例如銅的導電層，此導電層也需要平面化。此類方法的一個具體例子為金屬大馬士革法。
在大馬士革法中，在氧化物介電層(如二氧化硅)上蝕刻出圖案。蝕刻之后，在整個表面上還可沉積粘附/隔離層。一般隔離層可以是例如鉭、氮化鉭、鈦或氮化鈦。然后，在介電層和所有粘附/隔離層上沉積一種金屬(例如銅)。最后通過從介電層表面除去沉積的金屬或者還有部分的粘附/隔離層，這樣來對沉積金屬層修整、精整或修飾。一般來說，除去足夠的表面金屬使得晶片對外暴露的表面同時包含金屬和一種氧化物介電材料。晶片暴露表面的俯視圖會展現一個平的表面，表面上的金屬對應于蝕刻圖案，介電材料與金屬相鄰。位于經修整的晶片表面的金屬和氧化物介電材料固有地具有不同的物理性質，例如不同的硬度值。用來修整大馬士革法制造的晶片的研磨處理必須能在不擦傷任意材料表面的基礎上同時對金屬和介電材料進行修整。研磨處理在晶片上造成了平的外露表面，它具有金屬外露區(qū)域和介電材料外露區(qū)域。
一種傳統(tǒng)的用來對有結構的晶片暴露表面進行修整或精整的方法，是使用一種含有許多分散在液體中的松散磨粒的漿料。一般此漿料施加在一個拋光墊上，然后晶片表面相對于此拋光墊運動進行研磨，從而從晶片表面除去材料。漿料也可含有能夠與晶片表面反應而提高去除速度的化學試劑或工作液體。上述方法通常稱為化學機械平面化(CMP)法。
一種代替使用CMP漿料的方法，是使用磨具對半導體表面修整或精整，從而不需使用前述的漿料。磨具一般含有一個附墊結構。這種磨具的例子可從US5958794，6194317，6234875，5692950和6007407中找到。此磨具具有有表面織構的研磨表面，其上面含有分散于粘合劑中的磨粒。在使用時，磨具通常是在工作液體存在情況下與一半導體晶片表面接觸，進行適合對晶片上單層材料進行修整并提供平坦而均勻的晶片表面的運動。工作液體施加在晶片表面上進行化學修整或以另外形式促進材料在磨具作用下從晶片表面除去。
平面化過程可以進行不止一步。已知可用兩步來使半導體晶面平面化。一般來說，已知在一個兩步過程中使用含有附墊的固定磨具。例如在US 5692950中描述了這種固定磨具。
概要在晶片的平面化中使用有附墊的固定磨具可能造成一些不希望的效果。例如有些晶片可能在整體晶片上或在型板內厚度不均勻。本申請涉及一種使用固定磨具對晶片平面化的新方法。這個使用固定磨具的新方法在進行所需拋光的同時在整個晶片上得到更好的均勻度。
本發(fā)明涉及一種片表面修整的方法，此方法包括提供一個第一磨具，此磨具含有第一三維固定研磨元件和一般與第一固定研磨元件共同延伸的第一附墊(subpad)；使第一三維固定研磨元件的表面與晶片表面接觸，并使第一磨具和晶片相對運動。本方法還另外提供一種第二磨具，此磨具包括第二三維固定的研磨元件和一般與第二固定研磨元件共同延伸的第二附墊；使第二三維固定研磨元件的表面與該晶片表面接觸，并使第二磨具和晶片相對運動。當在距離一1kg重物邊緣1.5cm的位置測量時，第一附墊具有小于第二附墊的下陷，所述重物具有直徑1.9cm的接觸面積。
本申請自始至終使用以下定義“表面修整”指晶片表面處理方法，例如拋光和平面化；“固定研磨元件”指一種磨具(abrasive article)，此磨具基本上不含未連接的磨粒，除非在對工件表面進行修整時(例如平面化)可能會產生。這種固定研磨元件可包含或不包含游離的磨粒；“三維”當用于描述固定磨具時，是指固定研磨元件，特別是固定磨具，它具有大量磨粒，這些磨粒至少用于散布遍及其厚度的一部分，使得在平面化時除去其表面一些顆粒后，會暴露出另外的磨粒，能夠用于進行平面化。
“有表面織構的”當用于描述固定研磨元件時，指一種具有凸起部分和凹陷部分的固定研磨元件，特別是固定磨具。
“研磨復合體”指許多成形體中的一個，這些成形體合起來提供一個有表面織構的三維研磨元件，這些成形體含有磨粒和粘合劑；“精確成形的研磨復合體”指一種具有模制形狀的研磨復合體，該模制形狀是模腔的反形，此反形在復合體從模中取出后保持下來；如US 5152917(Pieper等人)所述，優(yōu)選的是，在磨具使用以前，此復合體基本上不含伸出其外露表面的磨粒。
附圖簡要說明

圖1為例如在本發(fā)明實施方式中所用的固定磨具一部分的橫截面圖。
圖2為顯示在經拋光對照物實施例上剩余氮化物膜厚度的等值線圖。
圖3為顯示在第二步后晶片1上剩余的氮化物膜厚度的等值線圖。
圖4為顯示在第二步后晶片2上剩余的氮化物膜厚度的等值線圖。
圖5為顯示在第二步后實施例2上剩余的氮化物膜厚度的等值線圖。
詳細描述本發(fā)明涉及一種以兩步法拋光半導體晶片的方法。圖1為本方法中使用的一種固定磨具6的截面圖，它包括附墊10和固定研磨元件16。如圖1所示，附墊10包括至少一個剛性元件12和至少一個彈性元件14，這兩個元件與固定研磨元件16連接或接觸。然而在某些實施方式中，附墊只有彈性元件14或剛性元件12，或者彈性元件與剛性元件這兩層的任意組合。在圖1中，剛性元件12置于彈性元件14和固定研磨元件16之間。固定研磨元件16具有與工件例如半導體晶片接觸的表面17。因此，本發(fā)明所用的磨具結構中，剛性元件12與彈性元件14一般與固定研磨元件16平行，所以這三個元件實際上共同延伸。盡管圖1中未示出，彈性元件14的表面18一般與用于半導體晶片拋光的機器的臺板相連，而固定研磨元件16的表面17與半導體晶片接觸。
如圖1所示，固定研磨元件16包括背襯22，背襯22具有與研磨涂層24結合的表面，研磨涂層24中有以預定的圖案排列的許多精確成形的研磨復合體26，這些研磨復合體包含分散于粘合劑30中的磨粒28。然而如上所述，固定研磨元件，以及因此研磨層可能不含磨粒。在其它實施方式中，固定研磨元件中的研磨復合體的排列是混亂的，例如在有表面織構的固定研磨元件如那些商用名IC-1000和IC-1010(Rodel，Inc，Newark，DE產品)和其它適合的固定研磨元件中。研磨涂層24在附墊上可以是連續(xù)或不連續(xù)的。然而在某些實施方式中，固定磨具不需要附墊。
盡管圖1顯示了有表面織構的、三維的、具有精確成形研磨復合體的固定研磨元件，本發(fā)明的研磨復合體并不限于精確成形的復合體。也就是說，可以有其它有表面織構的、三維的、固定研磨元件。例如US 5958794中所述的。
在磨具結構的不同組件之間可能有膠粘劑中間層或其它結合手段。例如，如圖1所示，可以有個膠粘劑層介于剛性元件12和固定研磨元件16的背襯22之間，盡管不需要壓力敏感膠粘劑層。盡管未見于圖1，還可以有膠粘劑層介于剛性元件12和彈性元件14之間，并在彈性元件14的表面18上。
本發(fā)明中的方法以兩個步驟進行。第一步使用具有第一附墊的固定磨具。第二步使用具有第二附墊的固定磨具。
第一附墊一般有個第一彈性元件。第一彈性元件一般其Shore A硬度(按ASTM-D2240測量)不大于約60。在其它實施方式中，Shore A硬度不大于約30，例如不大于約20。在有些實施方式中，第一彈性元件的Shore A硬度不大于約10，在某些實施方式中，第一彈性元件的Shore A硬度不大于約4。在有些實施方式中，第一彈性元件的Shore A硬度大于約1，而在某些實施方式中，第一彈性元件的Shore A硬度大于約2。
對整個第一附墊進行下陷測量，距1kg重物邊緣1.5cm的位置測量下陷，重物具有1.9cm直徑的接觸面積。下陷越小，附墊韌性越大。第一附墊的下陷不大于0.08mm。在某些實施方式中，第一附墊的下陷不大于0.04mm。一般第一附墊的下陷大于0.005mm，例如大于0.01mm。
第二附墊具有大于第一附墊的下陷。在一些實施方式中，第二附墊的下陷十倍于第一附墊的下陷。
用于磨具結構中的彈性元件材料可從很多種材料中選擇。一般此彈性材料為一種有機聚合物，可以是熱塑性塑料或熱固性塑料，可以是或不是固有的彈性體材料。一般發(fā)現有用的彈性材料是通過發(fā)泡或吹氣制成的多孔有機結構的有機聚合物，多孔有機結構體被稱為泡沫材料。此泡沫材料可以由天然或合成橡膠或其它熱塑彈性體，例如聚烯烴，聚酯，聚酰胺，聚氨酯和它們的共聚物制備。合適的合成熱塑彈性材料包括但并不限于氯丁橡膠、乙烯/丙烯橡膠、丁烯橡膠、聚丁二烯、聚異戊二烯，EPDM聚合物，聚氯乙烯、聚氯丁二烯或苯乙烯/丁二烯共聚物。有用的彈性材料的一個例子是聚乙烯和乙酸乙基乙烯酯共聚物的泡沫材料。
如果能達到合適的機械性質(例如楊氏模量和壓縮剩余應力)，彈性材料也可以是其它結構的。例如在傳統(tǒng)拋光附墊中使用的聚氨酯浸漬氈的材料可以使用。彈性材料也可為非織造或機織的織物，例如用的是樹脂(如聚氨酯)浸漬的聚烯烴、聚酯或聚酰胺纖維。在織物中這些纖維可有限定的長度或基本上連續(xù)。
在本發(fā)明磨具結構中有用的特定彈性材料，包括但并不限于Voltek Volara2EO和Voltek 12EOWhite泡沫材料(Voltek產品，Sekisui美國公司分部，Lawrence，MA)。
如圖1所示，固定磨具的附墊也可包括一個剛性元件。用于磨具結構的剛性元件材料可選自很多類材料，例如有機聚合物，無機聚合物，陶瓷，金屬，有機聚合物復合材料，以及它們的組合。合適的有機聚合物可為熱塑性或熱固性。合適的熱塑材料包括但并不限于(甲基)丙烯酸酯，聚碳酸酯，聚酯，聚氨酯，聚苯乙烯，聚烯烴，聚全氟代烯烴，聚氯乙烯和它們的共聚物。合適的熱固性聚合物包括但不限于環(huán)氧化物，聚酰胺，聚酯和它們的共聚物。在此處使用時，共聚物包括含有兩種或多種不同單體的聚合物(例如三元共聚物，四元共聚物等)。
有機聚合物可增強或不增強。增強可以是以纖維或顆粒材料進行。適合用于增強的材料包括但不限于有機或無機纖維(連續(xù)的或具有一定長度的纖維)，如云母或滑石的硅酸鹽，如砂子和石英的二氧化硅材料，金屬顆粒，玻璃，金屬氧化物和碳酸鈣。
金屬片也可作為剛性元件使用。一般由于金屬具有較高的楊氏模量(例如約大于50Gpa)，要使用非常薄的金屬片(一般約0.075-0.25mm)。合適的材料包括但不限于鋁，不銹鋼和銅。
本發(fā)明中可用于磨具結構的具體材料包括但不限于(甲基)丙烯酸酯，聚乙烯，聚(對苯二甲酸亞乙酯)和聚碳酸酯。
本發(fā)明中的方法可使用很多種機器來對半導體晶片進行平面化，例如現有技術中已知的使用拋光墊和磨料漿的機器。一個適合的市售機器的例子為商用名REFLEXION WEB的拋光機(Santa Clara應用材料產品，CA)。
一般這種機器包括一個帶晶片架的機頭裝置，晶片架包括定位環(huán)和用來裝半導體晶片的晶片支撐墊。半導體晶片和磨具結構一般都旋轉，優(yōu)選以相同方向。晶片架可以以圓形方式，螺旋形方式，橢圓形方式和不均勻方式或隨機運動方式進行旋轉。晶片架旋轉速度取決于具體的機器，平面化條件，磨具和所需的平面化標準。然而，一般晶片架以2-1000轉每分鐘(rpm)的速度旋轉。
本發(fā)明的磨具一般有大約325-12700cm2，優(yōu)選約730-8100cm2，更優(yōu)選約1140-6200cm2的工作面積。磨具也可以旋轉，一般以5-10000rpm，優(yōu)選10-1000rpm，更優(yōu)選10-100rpm的速度旋轉。使用本發(fā)明磨具的表面拋光過程一般使用約6.9-7.0kPa的壓力。
本方法一般在有工作液體情況下進行。此工作液體可含有磨?；虿缓チ！：线m的工作液體在美國專利號6194317和美國申請公開US 2002/0151253中有描述。
本領域的技術人員不難明白，可以在不背離本發(fā)明范圍和精神的基礎上對本發(fā)明進行各種修改和改變，應當理解本發(fā)明不應限于此處列出的說明性實施方式。
實施例拋光步驟一個直徑200mm，0.17μm DRAM STI(HDP涂施，3500_階躍(step)，200_覆蓋層)晶片使用Obisidian 501拋光機(Applied Materials，Santa Clara，CA)用兩步法進行拋光。
拋光條件第一步晶片壓力 2.0psi(13.8kPa)環(huán)壓力2.5psi(17.2kPa)速度 600mm/sec化學(chemistry) 用KOH調節(jié)到pH＝11.2的去離子水拋光時間 90秒帶材增量 0.25英寸(0.635cm)第二步晶片壓力 3.0psi(20.7kPa)環(huán)壓力3.0psi(20.7kPa)速度 600mm/sec化學 用KOH調節(jié)到pH 10.5的2.5％L-脯氨酸溶液拋光時間 90秒帶材增量 0.25英寸(0.635cm)
實施例1拋光對照物用SWR 159-R2磨具(3M公司產品，St.Paul，MN)拋光，該磨具有個0.060英寸(1.52mm)厚的聚碳酸酯層(8010MC Lexan聚碳酸酯片，HuntersvilleGE Polymershapes，NC產品)的附墊和0.090英寸(2.3mm)厚Voltek 12EO White泡沫材料層。附墊結合在Obsidian 501拋光機的臺板上。在使用以上設計的第二步拋光步驟從晶片表面除去100_氮化物的目標后終止拋光，不同的是拋光時間為150秒。此拋光對照物在晶片邊緣在氮化物上有殘留活性氧化物。晶片上的活性區(qū)域氧化物見表1。

表1晶片1和2根據拋光步驟中的第一步以SWR 159-R2磨具(3M，St.Paul，MN產品)拋光，此磨具使用同樣是3M，St.Paul，MN產品的442DL轉移膠粘劑結合在0.007英寸(0.18mm)的聚碳酸酯(8010MC Lexan聚碳酸酯片，Huntersville GEPolymershapes，NC產品)附墊結構上。聚碳酸酯附墊的背面用同樣的轉移膠粘劑層，壓到0.125英寸(3.175mm)的Voltek Volara 2EO White泡沫材料(Voltek，Sekisui美國公司一個分部，Lawrence，MA)上，該泡沫材料則連接在Obsidian 501拋光機的臺板上。當從晶片表面除去3400_活性氧化物的目標后，終止拋光。
然后晶片1和2使用SWR521-125/10磨具(3M產品)第二步進行拋光，此磨具使用與第一步類似的附墊，但該附墊的聚碳酸酯層為0.060英寸(1.52mm)厚，且Voltek 12EO White泡沫材料層為0.090英寸(2.3mm)厚。在一個型板內在1/2晶片半徑位置進行型板內(WID)測量。在此型板內測量了25個位置(負載區(qū)9個，整個陣列中15個)。晶片性質，包括活性區(qū)域氧化物和氮化物膜厚度總結見表2和3。晶片內(WIW)非均勻度在晶片上133個型板的每個主負載區(qū)域進行檢測。結果見圖2到4的等值曲線。

表2.型板內(WID)剩余活性氧化物和氮化物(_)

表3.在晶片邊緣的剩余氮化物(_)實施例2重復實施例1，不同的是用KOH調節(jié)成pH為10.5的2.5％L-脯氨酸溶液用pH調節(jié)成pH為11.2的去離子水代替。L-脯氨酸被認為會提高材料除去的選擇性，在提高氧化物拋光速度的同時，會在氮化物暴露時使拋光速度停止。兩步法維持了對型板內(WID)不均勻度的可接受的控制，無需依賴于拋光速度的化學選擇性。
晶片內(WIW)不均勻度見圖5。

表4.無L-脯氨酸型板內(WID)剩余活性氧化物和氮化物(_)靜態(tài)局部負荷作用下附墊下陷本測試通過在一個1.9cm直徑的接觸面積上放置1kg重物進行。
下陷在距離重物邊緣1.5cm的位置測量。
附墊1為上述第一步拋光中所用的附墊。
附墊2為上述第二步拋光中所用的附墊。
附墊3為第二步的附墊，只是聚碳酸酯層為0.020英寸(.51mm)厚。

權利要求
1.一種對晶片表面修整的方法，其特征在于，所述方法包括提供包含第一三維固定研磨元件和一般與第一固定研磨元件共同延伸的第一附墊的第一磨具；使所述第一三維固定研磨元件的表面與晶片表面接觸；使所述第一磨具與晶片作相對運動；提供包含第二三維固定研磨元件和一般與第二固定研磨元件共同延伸的第二附墊的第二磨具；使所述第二三維固定研磨元件的表面與所述晶片表面接觸；使所述第二磨具與晶片作相對運動；從1kg重物邊緣1.5cm的位置測量時，第一附墊的下陷小于第二附墊的下陷，該重物有直徑1.9cm的接觸面積。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一附墊有第一彈性元件，根據ASTM-2240檢測，所述第一彈性元件的Shore A硬度小于60。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一彈性元件的Shore A硬度不大于30。
4.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一彈性元件的Shore A硬度不大于20。
5.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一彈性元件的Shore A硬度不大于10。
6.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一彈性元件的Shore A硬度不大于4。
7.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一彈性元件的Shore A硬度大于2。
8.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一彈性元件的Shore A硬度大于1。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二附墊的下陷為第一附墊下陷的10倍。
10.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一附墊在固定研磨元件和彈性元件之間有個第一剛性元件。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一剛性元件的厚度約為0.18nm。
12.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二附墊有個剛性元件。
13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二附墊中彈性元件的厚度約為1.52mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對晶片表面修整的方法，此方法包括提供具有第一三維固定研磨元件(16)和一般與第一固定研磨元件(16)共同延伸的第一附墊(10)的第一磨具(6)，使第一三維固定研磨元件(16)的表面與晶片表面接觸，并使第一磨具(6)與晶片相對運動。本方法還提供一種第二磨具(6)，此磨具(6)含有第二三維固定研磨元件(16)和一般與第二固定研磨元件(16)共同延伸的第二附墊(10)，使第二三維固定研磨元件表面與晶片表面接觸，并使第二磨具(6)與晶片相對運動。從1kg重物邊緣1.5cm位置測量時，第一附墊的下陷小于第二附墊的下陷，該重物有直徑1.9cm的接觸面積。
文檔編號B24B37/04GK1735481SQ200380108473
公開日2006年2月15日 申請日期2003年11月17日 優(yōu)先權日2003年1月10日
發(fā)明者J·J·加利亞爾迪 申請人:3M創(chuàng)新有限公司