專利名稱：具有優(yōu)化的槽的拋光墊及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于化學(xué)機械拋光(CMP)的拋光墊，特別涉及具有優(yōu)化的槽的拋光墊。
背景技術(shù)：
在集成電路和其它電子器件的制造中，導(dǎo)體、半導(dǎo)體、和電介質(zhì)材料的多層被沉積于半導(dǎo)體晶片的一表面上或從該表面上去除掉?？梢酝ㄟ^許多沉積技術(shù)沉積導(dǎo)體、半導(dǎo)體、和電介質(zhì)材料的薄層。在現(xiàn)代工藝中通用的沉積技術(shù)包括物理的蒸發(fā)沉積(PVD)，或稱之為陰極真空噴鍍，化學(xué)的蒸發(fā)沉積(CVD)、離子增強化學(xué)蒸發(fā)沉積(PECVD)，以及電化學(xué)鍍(ECP)。
隨著材料層相繼地沉積和去除，晶片的最上表面成為非平面的。由于隨后的半導(dǎo)體工藝(例如，金屬化)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，諸如，粗糙表面、粘結(jié)的材料、晶格損壞、劃傷、和被污染的層或材料時，平面化是有用的。
化學(xué)機械平面化，或者化學(xué)機械拋光(CMP)，是用于平面化諸如半導(dǎo)體晶片的基準(zhǔn)的通用技術(shù)。在傳統(tǒng)的CMP中，晶片托架或拋光頭安裝在托架組件上和放置成與CMP裝置的拋光墊接觸。托架組件對晶片提供可控的壓力，迫使它緊靠拋光墊。該墊被外驅(qū)動力推動相對于晶片運動(例如，轉(zhuǎn)動)。與此同時，一種化學(xué)混合物(“漿料”)或其它流體介質(zhì)流到拋光墊上以及流入晶片與拋光墊間的縫隙中。因此該晶片的表面被拋光并通過拋光層與漿料的化學(xué)與機械作用使之平面化。
在CMP中，晶片表面的平面性與均勻性是首要的。因而，CMP系統(tǒng)通常構(gòu)造成提供晶片的軌道的和/或擺動的運動以便平均瞬時的局部拋光速度的差別。已經(jīng)知道墊和晶片旋轉(zhuǎn)速度可以一種方式組合，即，在整個時間上，使晶片的每一點暴露在同一范圍和相對的墊速度的平均值。在由D.A.Hansen等人等的文章“為制造應(yīng)用多頭化學(xué)機械拋光器的特性”(第一屆國際CMP-MIC會議文集，1996.2.)中介紹了這種裝置，該文章結(jié)合作為本申請的參考。
對晶片與墊的旋轉(zhuǎn)數(shù)的平均數(shù)學(xué)歸納假設(shè)拋光層相對徑向位置是均勻的。然而，拋光層包括某種圖案的槽(例如，同心圓、笛卡爾坐標(biāo)格子、固定寬度徑向射線、或它們的組合)，每單位墊的面積的拋光表面面積可以是墊半徑的函數(shù)。
圖1A是標(biāo)準(zhǔn)的先有技術(shù)的徑向槽圖案的圖，諸如在美國專利No.5177908中描述的。圖1B是圖1A的用于徑向槽圖案開槽的圓周百分率CF與墊半徑R的函數(shù)關(guān)系的曲線。對此應(yīng)用的目的，開槽的圓周百分率CF如下式 注意如果作為半徑的函數(shù)CF是常數(shù)，于是作為半徑的函數(shù)在給定半徑處開槽的(或不開槽的)墊的部分面積也是常數(shù)。
繼續(xù)參照圖1A，由于槽的數(shù)目和寬度是固定的，沿圓周的總開槽的長度是相同的不考慮半徑怎樣。因此，如圖1B所示，隨著距中心的距離增加CF減小，且靠近墊的外邊緣的CF值幾倍地小于靠近中心處的。
圖2A是標(biāo)準(zhǔn)的先有技術(shù)的同心圓槽圖案的圖。圖2B是對圖2A的同心圓槽圖案的作為墊半徑R的函數(shù)的開槽的圓周百分率CF的圖。在此例中，在任何落在槽以內(nèi)的半徑處CF是整數(shù)，而在任何未落在槽以內(nèi)的是零。因此開槽的面積百分率是半徑的銳變函數(shù)。
圖3A是標(biāo)準(zhǔn)的先有技術(shù)的在兩坐標(biāo)方向為等間距的笛卡爾坐標(biāo)方格槽圖案。圖3B是對圖3A的笛卡爾坐標(biāo)方格槽圖案的作為墊半徑R的函數(shù)的CF的圖。應(yīng)注意，隨著半徑的增加CF下降直到跨過方格線的新的一組，在該點處百分率銳增。在較大半徑值處，即使跨過附加方格線的徑向距離有小的增加，CF是一高的不規(guī)則函數(shù)。在CF開始到漸近線的較大半徑處，存在每單位墊面積的拋光面的明顯變化(例如，超過50％)。
圖4A是標(biāo)準(zhǔn)的先有技術(shù)的螺旋槽圖案的圖，諸如在美國專利No.5921855和5690540(540專利)所公開的。圖4B是對于圖4A的螺旋槽圖案的CF作為墊半徑R的函數(shù)的圖。應(yīng)注意，隨著半徑的增加CF下降因為螺旋曲線不以對半徑的嚴格比例增長。
因而，就需要具有槽的拋光墊，這些槽恰當(dāng)?shù)匾鹁蛼伖獾南嗷マD(zhuǎn)動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面是提供了一種用于化學(xué)機械平面化的拋光墊，該拋光墊具有使基片平面化的拋光層，該拋光層包括從拋光層中心延伸到拋光層外周邊的半徑；在拋光層形成的并從拋光層外周邊向內(nèi)延伸的一或多個連續(xù)的槽；以及一個在從拋光層外周邊延伸大部分距離到拋光層中心的區(qū)域開槽的圓周百分率(CF)，CF是在給定半徑處于跨過由在給定半徑的整個圓周分隔的一個或多個連續(xù)槽的周長部分，同時其中CF的平均值作為從拋光層的外周邊延伸大部分距離到拋光層中心的區(qū)域中拋光層半徑的函數(shù)，保持在25％以內(nèi)。
按照本發(fā)明的另一方面，一或多個連續(xù)的層在基準(zhǔn)的半徑開始并延伸到墊的外周邊?；蛘?，該一或多個連續(xù)的槽在處于基準(zhǔn)的半徑和外周邊之間的起始半徑開始，并延伸到外周邊。
本發(fā)明的另一個方面提供了一種使基片平面化的方法。該使基片平面化的化學(xué)機械方法包括以下步驟引入拋光溶液到晶片；相對拋光墊旋轉(zhuǎn)晶片，該拋光墊具有拋光層，同時該拋光層包括i)從拋光層中心延伸到拋光層外周邊的一半徑；ii)在拋光層中形成并從拋光層外周邊向內(nèi)延伸的一或多個連續(xù)的槽；以及iii)在從拋光層的外周邊延伸大部分距離到拋光層中心的面積中的開槽的圓周百分率(CF)，CF是在給定半徑處的圓周部分，該給定半徑處在跨越一或多個連續(xù)槽的周長除以給定半徑處的全周長；以及其中CF的平均值作為在從拋光層外周邊延伸大部分距離到拋光層中心延伸的區(qū)域中拋光層半徑的函數(shù)；以及用拋光墊和拋光溶液使晶片平面化。


圖1A是先有技術(shù)的拋光墊徑向槽圖案的一個例子的圖，在一個24英寸外墊半徑和一個2英寸基準(zhǔn)的半徑的拋光墊上有60條槽，每條槽是0.093英寸寬；圖1B是對于圖1A的徑向槽圖案開槽的圓周百分率CF與墊半徑R的函數(shù)關(guān)系圖；圖2A是標(biāo)準(zhǔn)的先有技術(shù)的同心圓槽圖案的圖，在24英寸外墊半徑上具有11條槽，且每條槽為0.093英寸；圖2B是對圖2A的同心圓槽圖案開槽的圓周百分率與墊半徑R的函數(shù)關(guān)系圖；圖3A是標(biāo)準(zhǔn)的先有技術(shù)的對一個24英寸的外墊半徑的笛卡爾坐標(biāo)方格槽圖案的圖，具有在兩個坐標(biāo)方向延伸的等間距槽，具有20毫米的槽間距和0.093英寸的槽寬。
圖3B是對圖3A的笛卡爾坐標(biāo)方格槽圖案的作為墊半徑R的函數(shù)的開槽的圓周百分率CF的圖；圖4A是與在’540專利中公開的一致的標(biāo)準(zhǔn)先前技術(shù)的螺旋槽圖案的圖；圖4B是對圖4A的螺旋槽形式的作為墊半徑R的函數(shù)的開槽的圓周百分率CF的圖；圖5A是拋光墊和在其中形成的槽圖案的頂視圖；圖5B是圖5A的槽的槽段的放大圖；圖5C是在圖5A的拋光墊的基準(zhǔn)半徑RB處點P的近視圖，說明作為半徑R的函數(shù)的槽角度θ的增量變化；圖6A是根據(jù)本發(fā)明的槽圖案的圖，具有24英寸的墊的外半徑R。和10英寸的基準(zhǔn)半徑RB。
圖6B是根據(jù)本發(fā)明的曲線槽圖案的圖，具有2 4英寸的墊外半徑R。和一個6英寸的基準(zhǔn)半徑RB、和8條曲線槽。
圖6C是根據(jù)本發(fā)明的類似于圖6B的曲線槽圖案的圖，但具有2英寸的基準(zhǔn)半徑RB。
圖6D是根據(jù)本發(fā)明的類似于圖6C的曲線槽圖案的圖，但具有在開始半徑RS＝10英寸處開始的圖案；圖6E是對于本發(fā)明的曲線槽圖案的作為墊半徑R的函數(shù)的開槽的圓周百分率CF的圖；以及圖7是根據(jù)本發(fā)明形成的使用開槽的拋光墊的CMP系統(tǒng)的示意側(cè)視圖。
具體實施例方式
圖5A是具有外半徑RO和一在其上形成槽104的表面102的拋光墊100的頂視圖。在舉例的實施例中，在表面102上形成一或多條連續(xù)的(例如，不間斷和細長的)槽104。從原點O測量墊半徑R。還表示一具有周長為2πR的圓CR(虛線)。墊100的外半徑是R。該一或多條槽100延伸出到外半徑RO(即，到墊的邊緣)。該墊100的外半徑R。確定外周邊106。
在軌道拋光器上，通常存在一不被晶片接觸的圍繞原點O的區(qū)域。此區(qū)域一般從原點O延伸幾英寸。因而，槽104無需在原點O處開始。另一選擇，一或多條槽104可以在或靠近原點O處開始，但是，CF比率的限制可以在不接觸半導(dǎo)體晶片的區(qū)域以內(nèi)解除。例如，該拋光墊可以不包含多條槽而只包含單一開槽的區(qū)域或靠近原點的隨機槽。雖然拋光可以出現(xiàn)在原點O附近，但最有利的是拋光僅在從拋光層外周邊延伸大部分距離到拋光層中心或原點O的區(qū)域內(nèi)發(fā)生。此實施例保持晶片在具有控制的CF的“晶片軌道”以內(nèi)。
在舉例的實施例中，選擇基準(zhǔn)半徑RB以便獲得希望的槽曲率而不危及均勻的拋光。在舉例的實施例中希望工件的拋光在邊緣處比靠近中心處較慢，則選擇基準(zhǔn)半徑RB稍大于不接觸的中央?yún)^(qū)域的半徑。而這樣增加了在工件邊緣處的材料去除，就不保證均勻的拋光。
因此，在一個舉例的實施例中，如圖示一條或多條槽104從基準(zhǔn)半徑RB開始。在另一舉例的實施例中，一或多條槽104從原點O起開始。在另一舉例的實施例中，槽104從大于基準(zhǔn)半徑RB(見圖6D，下面將討論)的起始半徑RS開始。
圖5B是圖5A的拋光層102的放大視圖，表示槽104的小的局部段110。在一給定的半徑R處，槽104具有一給定的寬度W和形成相對于連接原點O到給定徑向位置R的徑向直線L的角度θ(“槽角”)的中心軸線A。
為了使墊在任何半徑處具有相同的百分率的開槽的面積，每個圓周CR需要橫過適當(dāng)數(shù)量的開槽的拋光層，即固定的圓周CR的百分率。如上所述，在給定半徑CR處開槽的部分對總拋光層的比率此處稱之為“開槽的圓周百分率”，或“CF”。
為使作為半徑的函數(shù)的CF是常數(shù)，槽的每個局部段110因而必需有隨半徑增加的大的槽角θ，因此沿圓周取的槽寬度增加以跟上圓周的增加的長度。局部段110的軌跡構(gòu)成對應(yīng)于連接基準(zhǔn)半徑RB到外半徑RO的一個槽的連續(xù)曲線。
在數(shù)學(xué)術(shù)語中，如果N代表N個槽的數(shù)目(槽數(shù))，則CF＝(NWSecθ)/(2πR)(式1)注意，在基準(zhǔn)半徑RB處，θ＝0因此CF＝(NW)/(2πR) (式2)令RB處的CF等于任何半徑R處的CF，則需要的槽角θ為θ(R)＝Sec-1(R/RB) (式3)一或多個槽104的精確形式的綜合方程通過取在對應(yīng)局部槽角θ(R)處所指的增量徑向步而獲得。這在圖5C中表示出，該圖是在圖5A的拋光墊的基準(zhǔn)半徑RB的點P處的放大視圖。從圖5C，圓周CR的圓周段ds由下式給出ds＝dRtanθ (式4)從式3和4可得dS=dRtanθ=(RRB)2-1dR]]>(式5)中心角(R)由下式給出
(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)以與上述分析一致而形成的槽導(dǎo)致恒定CF，該CF變換成恒定的作為半徑的函數(shù)的拋光層面積，轉(zhuǎn)而該拋光層面積變換成比具有非恒定CF的槽的拋光墊更均勻的CMP性能。
本發(fā)明另一可選實施例包括形成一或多條徑向槽104以具有隨半徑以保持恒定CF的速度而增加的寬度。然而，對大直徑的墊，此實施例不比連續(xù)曲線有更多的優(yōu)點。
因此，本發(fā)明的一個舉例實施例是包括一或多條以這樣的方式形成的連續(xù)槽的拋光墊，即作為墊半徑的函數(shù)的CF是常數(shù)(即，不變化的)。CF幾乎可以具有任何常數(shù)值。但是，在優(yōu)選實施例中，CF的值是在從10％到25％的范圍中。
此外，本發(fā)明可應(yīng)用到形成具有寬的曲率范圍的槽。但是，在優(yōu)選實施例中，一或多條槽104可設(shè)在從一周的1/60至1/2的任何地方。也就是，任何個別的槽占據(jù)拋光墊形成6°至180°中心角的楔狀部分。
在另一舉例的實施例中，CF值是非恒定的，但保持在作為墊半徑的函數(shù)的其平均值的25％以內(nèi)，且較好是保持在作為半徑的函數(shù)的其平均值的10％以內(nèi)。這些對CF的限制，在其中，允許來自理想槽構(gòu)形的變化(例如，放寬槽設(shè)計的允差以使槽形成的過程不太昂貴和節(jié)省時間)，并補償任何作為半徑的函數(shù)的拋光效果(例如，作為漿料分布的函數(shù)的材料去除)。
根據(jù)本發(fā)明形成的槽可以在相對墊旋轉(zhuǎn)方向的任一方向定位。
圖6A-6D表示根據(jù)本發(fā)明形成的槽圖案的幾個舉例實施例。圖6A是根據(jù)本發(fā)明形成的曲線槽圖案的圖，其中拋光墊150具有在其拋光層152形成的8條槽154。此拋光墊150具有一外半徑RO＝24英寸確定外周邊156及一基準(zhǔn)半徑RB＝10英寸。
圖6B與圖6A相同，但具有基準(zhǔn)半徑RB＝6英寸。
圖6C與圖6A相同，但具有基準(zhǔn)半徑RB＝2英寸。
圖6D與圖6C相同，但具有RB＝2英寸同時槽在一個10英寸的起始半徑RS開始。
圖6E是對圖6A-6D的曲線槽圖案的開槽的圓周百分率CF作與墊半徑R的函數(shù)關(guān)系的曲線圖。從圖6E可以看出，CF作為墊半徑R的函數(shù)是變化的。
CMP系統(tǒng)與工作方法圖7示出使用如以上詳細說明的本發(fā)明的實施例的CMP系統(tǒng)。拋光墊202具有一拋光層204。系統(tǒng)200包括繞軸A1可轉(zhuǎn)動的一拋光臺板210。臺板210具有供墊202安裝在其上的上表面212?？衫@軸A2旋轉(zhuǎn)的一晶片托架220支撐在拋光層202的上方。晶片托架222具有一平行于拋光層204的下表面222。晶片226安裝在下表面222上。晶片226具有一面對拋光層204的表面228。晶片托架220適于提供一向下的力F使晶片表面228被壓靠在拋光層204上。
系統(tǒng)200還包括漿料供給系統(tǒng)240，該系統(tǒng)具有一保持漿料244的容器242(例如溫度控制的容器)。
漿料供應(yīng)系統(tǒng)240包括一連接到容器的并與拋光層204流體連通以在墊上配發(fā)漿料244的管道246。
系統(tǒng)200還包括通過接頭274耦聯(lián)到漿料供給系統(tǒng)240，通過接頭276耦聯(lián)到晶片托架220、以及通過接頭278耦聯(lián)到拋光臺板210的控制器270。在拋光操作過程中控制器控制這些系統(tǒng)部件。在一個舉例實施例中，控制器270包括一處理器(例如一中央處理器)，連接到處理器的存儲器282、以及用以支持該控制器中的處理器、存儲器和其它元件的工作的支持電路284。
繼續(xù)參照圖7，操作控制器270驅(qū)動漿料供給系統(tǒng)240以把漿料244分配到旋轉(zhuǎn)的拋光層204上。漿料散布在整個拋光墊的上表面，包括晶片226下面的表面的部分，控制器270還驅(qū)動晶片托架220以便在一選定的速度(例如，0至150轉(zhuǎn)/分或“rpm”)旋轉(zhuǎn)，使得晶片的表面相對于拋光表面運動。晶片托架220還提供一選定的向下力F(例如，0-15磅/平方英寸)。控制器270也控制拋光臺板的旋轉(zhuǎn)速度，該速度一般為0-150轉(zhuǎn)/分之間。因為拋光層具有使用上述有恒定CF的方法形成的槽結(jié)構(gòu)，平面化的效率要高于具有非恒定CF的槽。不論拋光層204的旋轉(zhuǎn)方向如何，平面化效率的優(yōu)點都可得到。增加的平面化效率導(dǎo)致從晶片去除較少的材料，晶片的較快處理、和較少損傷晶片表面的機會。
由于拋光墊202的每單位墊的面積的更均勻的拋光面積與晶片接觸，在一個舉例的實施例中由晶片托架提供的向下的力可以比用傳統(tǒng)拋光墊以達到在晶片上所有希望的點處去除材料所需的力要小。
權(quán)利要求
1.一種用于化學(xué)機械平面化的拋光墊，該拋光墊具有使基片平面化的拋光層，該拋光層包括從拋光層中心延伸到拋光層外周邊的半徑；在拋光層中形成并從拋光層的外周邊向內(nèi)延伸的一或多個槽；以及在從拋光層外周邊延伸大部分距離到拋光層中心的一區(qū)域中開槽的圓周百分率(CF)，CF是在給定的半徑處于跨越一或幾個連續(xù)槽的周長部分除以給定半徑處全周長，其中CF的平均值作為在從拋光層外周邊延伸大部分距離到拋光層中心的區(qū)域中拋光層半徑的函數(shù)保持在25％以內(nèi)。
2.按照權(quán)利要求1的拋光墊，其特征在于CF的平均值作為在從拋光層外周邊延伸大部分距離到拋光層中心的區(qū)域中拋光層半徑的函數(shù)保持在10％以內(nèi)。
3.按照權(quán)利要求1的拋光墊，其特征在于，CF從拋光層外周邊延伸大部分距離到拋光層中心保持恒定。
4.按照權(quán)利要求1的拋光墊，其特征在于一或多條連續(xù)的槽從拋光層的基準(zhǔn)半徑延伸到拋光層的外周邊。
5.按照權(quán)利要求1的拋光墊，其特征在于拋光表面在外周邊以內(nèi)具有一基準(zhǔn)半徑，和基準(zhǔn)半徑與外周邊之間的起始半徑以及從起始半徑到外周邊延伸的一或多條連續(xù)的槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的拋光墊，其特征在于CF的平均值處在10％和25％之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的拋光墊，其特征在于所述的一或多條槽是連續(xù)的曲線。
8.一種使基片化學(xué)機械平面化的方法，包括以下步驟向晶片引入拋光溶液，相對于拋光墊旋轉(zhuǎn)晶片，該拋光墊具有拋光層，同時該拋光層包括i)從拋光層中心延伸到拋光層外周邊的一半徑；ii)在拋光層內(nèi)形成并從拋光層外周邊向內(nèi)延伸的一或多條連續(xù)的槽；以及iii)在一個從拋光層的外周邊延伸大部分距離到拋光層中心的區(qū)域中開槽的圓周百分率(CF)，CF是在給定的半徑處跨越一或多條連續(xù)槽的周長部分除以給定直徑處全周長，其中CF的平均值作為從拋光層延伸大部分距離到拋光層中心的區(qū)域中拋光層半徑的函數(shù)保持在25％以內(nèi)；以及用拋光墊和拋光溶液使晶片平面化。
9.按照權(quán)利要求8的方法，其特征在于平面化僅出現(xiàn)在從拋光層的外周邊延伸大部分距離到拋光層中心的區(qū)域以內(nèi)。
10.按照權(quán)利要求8的方法，其特征在于平面化與一或多條是連續(xù)曲線的連續(xù)槽一起出現(xiàn)。
全文摘要
一種用于化學(xué)機械平面化的拋光墊，具有一使基片平面化的拋光層。該拋光層包括一從拋光層中心延伸到拋光層一外周邊的半徑；在該拋光層中形成并從該拋光層的外周邊向內(nèi)延伸的一或多條連續(xù)槽；以及一開槽的圓周百分率(CF)。該CF發(fā)生在從拋光層周邊延伸大部分距離到拋光層的中心的區(qū)域中發(fā)生；其中CF是在給定半徑處跨越一或多條連續(xù)槽的周長部分除以給定半徑處的全周長。該CF的平均值作為拋光層半徑的函數(shù)保持在25％以內(nèi)。
文檔編號H01L21/304GK1541807SQ20041003667
公開日2004年11月3日 申請日期2004年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月29日
發(fā)明者格雷戈里·P·馬爾唐尼, 格雷戈里 P 馬爾唐尼 申請人:Cmp羅姆和哈斯電子材料控股公司